(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性領域内に複数のゲート配線パターンと複数の第１主電極とが形成された第１主表面及び前記第１主表面に対向し且つ第２主電極が形成された第２主表面を有するパワー半導体チップを樹脂ケース内に組込んでモジュール化して成る半導体装置であって、
前記パワー半導体チップは、
前記活性領域内に於いては、その各々が前記各ゲート配線パターンを被覆する様に前記第１主表面上に形成された複数の絶縁層と、
前記活性領域内の全ての前記第１主電極及び全ての前記絶縁層を共に被覆する様に前記第１主表面上に形成された、１個のみから成るメタル層とを更に有しており、
外部接続主回路端子の他端が前記樹脂ケースに支持されており、しかも、前記外部接続主回路端子の一端部は、前記他端から前記メタル層に向けて延在した前記外部接続主回路端子の延在部分に直交する平面内に於いて、前記活性領域内の範囲内で、前記延在部分から広がっており、
前記外部接続主回路端子の前記一端部の底面である一端面は、全面的に、前記メタル層の上面に直接的に面接合されていることを特徴とする、
半導体装置。
【請求項２】
請求項１記載の半導体装置であって、
前記ゲート配線パターンの一部は前記絶縁層で被覆されずに露出しており、
その他端が前記樹脂ケースに支持されたゲート端子の一端面は、全面的に、前記ゲート配線パターンの前記露出部に接合されていることを特徴とする、
半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高耐圧・大電流の半導体モジュールの電気特性向上に関する。
【０００２】
【従来の技術】
絶縁基板上に接合されたパワー半導体チップを有する半導体モジュールとしては、例えば特許文献１〜４に開示されたものがある。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７―９４６７３号公報（図３）
【特許文献２】
特開２０００―２６２５１号公報（図１）
【特許文献３】
特開平８―８３９５号公報（図１）
【特許文献４】
特開平５―１６０３３９号公報（図１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
モジュール内部の配線インダクタンスとIGBTチップの出力容量との関係により、任意の条件で、高周波振動と呼ばれる共振現象が発生することがある。この高周波振動と呼ばれる電磁ノイズは、情報通信機器の動作障害を引き起こす可能性がある。従って、出来る限り、配線インダクタンスを低減することが求められる。この観点から見た場合、上記特許文献１〜４に開示されている構造では十分とは言えない。
【０００５】
そこで、本発明は、上記問題点を低減するための、より好ましい構造を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、活性領域内に複数のゲート配線パターンと複数の第１主電極とが形成された第１主表面及び前記第１主表面に対向し且つ第２主電極が形成された第２主表面を有するパワー半導体チップを樹脂ケース内に組込んでモジュール化して成る半導体装置であって、前記パワー半導体チップは、前記活性領域内に於いては、その各々が前記各ゲート配線パターンを被覆する様に前記第１主表面上に形成された複数の絶縁層と、前記活性領域内の全ての前記第１主電極及び全ての前記絶縁層を共に被覆する様に前記第１主表面上に形成された、１個のみから成るメタル層とを更に有しており、外部接続主回路端子の他端が前記樹脂ケースに支持されており、しかも、前記外部接続主回路端子の一端部は、前記他端から前記メタル層に向けて延在した前記外部接続主回路端子の延在部分に直交する平面内に於いて、前記活性領域内の範囲内で、前記延在部分から広がっており、前記外部接続主回路端子の前記一端部の底面である一端面は、全面的に、前記メタル層の上面に直接的に面接合されていることを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
図１は、本実施の形態に係る半導体モジュールに用いられるベース板１を示す上面図であり、図２は、樹脂ケース（符号１００は同ケースの外枠を示す）の裏面からベース板１を眺めた際の、第１外部接続主回路端子（以下、単に第１主回路端子と称す）５B１,５B２及び第２外部接続主回路端子（以下、単に第２主回路端子と称す）５Aの位置関係を模式的に示す裏面図である。両図１，２に示す通り、第１主回路端子５B１,５B２は、パワー半導体チップ３A,３Bの第１主表面上に形成されている第１主電極（エミッタ電極、アノード電極：図示せず）に、直接に接続している。この点は、本実施の形態の中核部であるため、図２のA部の拡大図である図３に基づいて後述する。又、第２主回路端子５Aは、絶縁メタライズ基板２Aの上面上に形成されている電極パターン２APに、直接に接続している。尚、IGBTチップ３Aの裏面（第２主表面）上に形成されているコレクタ電極（図示せず）及びフリーホイールダイオード３Bの裏面（第２主表面）上に形成されているカソード電極（第２主電極：図示せず）は、共に電極パターン２APと半田付けされている。
【０００８】
ベース板１は、例えばCu又はAlSiC又はCu-Moの材料より成る金属板であり、その表面にはNiメッキが施されており、しかも、絶縁メタライズ基板２Aがその上に搭載される上側表面には、位置決め用として、レジストが塗布されている。
【０００９】
絶縁メタライズ基板２Aは、例えば０．６３５ｍｍ厚みのAlN基板から成り、AlN基板の両面には、厚み０．１〜０．３５ｍｍ程度の銅板が、活性金属法又はダイレクトボンディング法で以って接合されている。そして、当該銅板の表面はNiメッキされている。Niメッキ面の内で、上側表面が、その上に半導体チップ３A,３Bが搭載される電極パターン２APに該当する。しかも、電極パターン２AP上には、各チップの位置決め用のレジストが塗布されている。これに対して、Niメッキ面の下側表面は、ベース板１の上側表面に半田付けされている。
【００１０】
パワー半導体チップ（IGBTチップ）３Aは、シリコン基板内に複数のIGBTセグメントを有しており、しかも、エミッタ電極（第１主電極）と隣り合うエミッタ電極を分割する様に配設されるゲート配線パターン３AG（図３）とが形成された第１主表面３AS１（図３）、及び、第１主表面３AS１に対向し且つコレクタ電極（第２主電極）が形成された第２主表面３AS２（図３）を有する。又、既述した通り、パワー半導体チップ（ダイオードチップ）３Bは、アノード電極が形成された第１主表面と、カソード電極が形成された第２主表面とを有する。
【００１１】
又、樹脂ケースは、ベース板１に、ネジ又はシリコンゴムで固着されている。これにより、絶縁メタライズ基板２A、パワー半導体チップ３A,３B及びIGBTチップ用ドライバ基板２Cは、樹脂ケース及びベース板１で形成される内部空間内に、囲まれる態様で以って組込まれている。そして、ケース開口部（図示せず）より、パワー半導体チップ３A,３Bの全面を保護し得る高さまで、シリコンゲル（図示せず）が注入され且つベーキングされている。
【００１２】
図３は、IGBTチップ用の第１主回路端子５B１とIGBTチップ３Aとの接合状態を示す図であり、この内、（B）は上面図、（A）は線I-Iに関する縦断面図、（C）は線II-IIに関する縦断面図である。
【００１３】
図３に示す様に、IGBTチップ３Aは、▲１▼第１主表面３AS１上の活性領域３AR内に形成された各ゲート配線パターン３AGのみを、ゲートパッド領域GPRのゲート取出し電極部を除いて、全て被覆・絶縁する様に、第１主表面３AS１上に形成された絶縁層１７と、▲２▼ゲートパッド領域GPRを除いて、活性領域３AR内の全ての第１主電極（図示せず）及び絶縁層１７の上面を共に被覆する様に、第１主表面３AS１上に形成されたメタル層（例えばアルミニウム膜）１０とを、有している。尚、露出したゲートパッド領域GPRのゲート取出し電極部は、図示しない端子に、ボンディングされたワイヤー１８によって接続される。
【００１４】
又、IGBTチップ用第１主回路端子５B１の他端は、図示しないけれども、樹脂ケースに支持されており、当該他端からIGBTチップ３Aの直上にまで延在形成されて成る一端部５BEは、活性領域３AR内に含まれる寸法の、しかも、平滑（フラット）な一端面（底面）５BESを有している。
【００１５】
そして、第１主回路端子５B１の一端面５BESの全面は、圧接により、メタル層１０の上面に直接的に面接合される。これにより、メタル層１０を介して、且つ、各ゲート配線パターン３AGとの短絡状態を生じさせることなく、第１主回路端子５B１とIGBTチップ３Aの第１主電極（エミッタ電極）との電気的接触ないしは導通が実現される。この場合、互いにフラットな面同士で両部５BES,１０が面接触することで両部間の配線が確保されているので、図１の領域２Bにおいて第１主回路端子とのワイヤボンディングを行っていた従来の場合と較べて飛躍的に配線インダクタンスを低下させることが出来るし、しかも、特許文献１の様な凹凸形状を設けて凸部との局所的接触を行う場合と比較しても、より接触面積を増大させてより一層の配線インダクタンスの低下を実現させることが出来る点で、本実施の形態の構造は有益である。
【００１６】
しかも、本実施の形態によれば、第１主回路端子５B１とIGBTチップ３Aとの接触面積増大化により、通電時の放熱特性の向上化も見込まれる。更に、一端部５BEは簡易な形状をしているので、第１主回路端子５B１の製造コストの低減化をも期待出来る。そして、第１主回路端子５B１と各ゲート配線パターン３AGとの短絡状態を生じさせることが無い点で、モジュールの信頼性を高めることが出来る。又、本実施の形態は、装置の小型化にも寄与し得る。
【００１７】
尚、絶縁層１７及びその上のメタル層１０を、少なくとも第１主回路端子５B１の一端面５BESとの当接エリア（一端面５BESの面積分）にのみ設けることとしても良い。
【００１８】
（実施の形態２）
本実施の形態は実施の形態１の改良に関しており、その特徴点は、実施の形態１における第１主回路端子５B１にゲート接続端子１１（図４）を設けて、ゲートパッド領域GPRにおけるワイヤー１８のボンディングを不要とすることで、更に一層の配線インダクタンスの低減化を図る点にある。そこで、以下では、相違点についてのみ図面に基づき記載することとし、共通部材の説明については実施の形態１の記載を援用する。
【００１９】
図４は、ゲート接続端子１１付きのIGBTチップ用第１主回路端子５B１とIGBTチップ３Aとの接合状態を示す図である。この内、（B）は上面図であり、（A）は線I-Iに関する縦断面図、（C）は線III-IIIに関して紙面に垂直な面で分断したときの縦断面図である。又、図５は、図４の（C）のB部におけるゲート接続端子１１の内部構造を拡大して示す縦断面図である。更に、図６は、第１主回路端子５B１の中間部ないしは延在部５BIにおける中空構造を示す図であり、図４（C）中の線IV-IVに関して紙面に垂直な面で分断したときの横断面図に該当する。尚、図６の環状絶縁体１９の存在は任意である。
【００２０】
図４〜図６に示す通り、ゲート配線パターン３AGの一部、即ち、各パターン３AGに繋がっているゲートパッド領域GPRのゲート取出し電極部の上面は、絶縁層１７で被覆されずに、外部に露出している。この点は、実施の形態１と同じである。そして、第１主回路端子５B１の樹脂ケース側の他端（図示せず）と一端面５BESないしは一端部５BEとを繋いでいる中間部（延在部）５BIの一部（一端部５BE寄側の接合部分５BJPから、L字型の縦断面形状を有するゲート接続端子１１が、ゲートパッド領域GPRのゲート取出し電極部の上面直上に向けて延在している。このゲート接続端子１１の本体部は筒状の絶縁物１５であり、筒状絶縁物１５の先端部１５Eにおける開口には、円柱状のメタル１２が挿入されている。そして、このメタル１２の一端面（ゲート電極接続面）１２S１は、ゲートパッド領域GPRにおける、ゲート配線パターン３AGの露出上面部３AGESに直接的に、例えば圧接によって、面接合（面接触）されている。
【００２１】
しかも、ゲート接続端子１１の筒状絶縁物１５の内部空間内には、メタル１２に押圧（弾性力）を印加するためのスプリング１３、及び、メタル１２の押圧を受ける他端面１２S２に接合された一端を有する電線１６が、内蔵されている。加えて、従来のモジュールにおいては図１のドライバ基板２C内に配設されていたゲート抵抗１４が、筒状絶縁物１５の内部空間内における電線１６の延在途中に、配設されている。
【００２２】
しかも、第１主回路端子５B１の内で、少なくとも、その他端から接合部分５BJPまでの中間部５BIは、筒状金属体である。そして、電線１６は、筒状絶縁物１５の空間内を延在して接合部分５BJPに至り、更に、第１主回路端子５B１の筒状金属体内に入り込んだ上で、第１主回路端子５B１の他端に向けて当該筒状金属体内を延在している。この場合、絶縁体１９を介在させても良い。
【００２３】
以上の構成により、次の効果が得られる。
【００２４】
ゲートパッド領域GPRのゲート取出し電極部と外部端子との導通を、第１主回路端子５B１の内でゲート取出し電極部側に近い位置の箇所から延在させたゲート接続端子１１とゲート取出し電極部との直接的な面接触によって実現している。このため、ゲートパッド領域GPRにおけるワイヤボンディングが不要となるので、実施の形態１で得られた、エッミタ電極側の導通箇所における配線インダクタンスの更なる低減化に加えて、ゲート電極側における配線インダクタンスをも一層低減化させることが出来る結果、高周波振動を飛躍的に抑止することが可能となる。勿論、実施の形態１と同様に、部品点数の削減化（図１のワイヤボンディング領域２Bの削除）及びケースの小型化をも図ることが出来る。
【００２５】
加えて、ゲート抵抗１４が筒状絶縁物１５内の電線１６の延在途中に配設されているので、図１のゲート抵抗用絶縁メタライズ基板２Cを削除することが可能となり、この削除により、部品点数の更なる低減化及びケースの小型化促進を実現することが出来る。しかも、ゲート抵抗１４はゲートパッド領域GPRの直上近傍に設けられているので、ゲートドライバ基板側で生じる配線インダクタンスを低減化させることも可能となり、この点でモジュール全体の配線インダクタンスの低減化にも寄与し得る。又、従来のワイヤボンド配線構造の様にパワー半導体チップの配置が規制されることがないので、絶縁メタライズ基板上でのパワー半導体チップの配置の自由度が高まる（その結果、放熱効率の良い配置の選択が可能となる）と言う利点も、得られる。
【００２６】
（実施の形態３）
本実施の形態も実施の形態１の改良に関しており、その特徴点を示す図面として、図７の断面図を提示する。図７に示される特徴点とは、実施の形態１におけるIGBTチップ３Aのワイヤー１８に代えて、ゲートパッド領域GPRの上方からゲートパッド領域GPRに直接電気的に接触可能なゲート端子（金属体）５B３を追加配備する点にある。
【００２７】
これにより、本実施の形態は、実施の形態１では必要であった部材、即ち、▲１▼ゲートパッド領域GPRと図１のドライバ基板２C上の電極とを繋げるワイヤー１８と、▲２▼樹脂ケースの外部取出し端子にワイヤー接続された外部取出し電極部（図示せず）を有しているドライバ基板２Cとを、共に不用とするものである。
【００２８】
ここでは、ゲート端子５B３の他端（図示せず）は、樹脂ケースの外部取出し端子（図示せず）に直接的に接合されて支持されており、同端子５B３の一端５B３Eにおける底面ないしは端面５B３ESは、ゲートパッド領域GPRの直上方において、上下動可能に配備されている。その上で、例えば、図７に例示されている通り、ゲートパッド領域GPR上に設けられたゲートパッド用メタル層１０Aと、ゲート端子端面５B３ESとを、半田付けにより、互いに電気的且つ機械的に結合させる。あるいは、メタル層１０Aを設けないで、ゲート端子端面５B３ESをゲートパッド領域GPRに直接的に（面）圧接することで、両部材５B３，GPR間の電気的且つ機械的な接触を実現しても良い。
【００２９】
その他の点は、実施の形態１と同一である。
【００３０】
以上の通り、その他端が樹脂ケースの外部取出し端子に支持されたゲート端子５B３の一端面５B３ESは、全面的に、ゲート配線パターンの露出部GPRに、直接的に又はメタル層１０Aを介して、面接合されている。従って、本実施の形態によれば、ゲート端子５B３をゲートパッド領域GPRからその鉛直上方に向けて外部側取出し端子にまで取出しているので、電力用絶縁基板２Aに隣接配置されていたゲートドライブ基板自体を不用とすることが出来（当然の事ながら、そのためのワイヤーボンディングも不用となる）、実施の形態１に係る金属ベース板１よりも平面方向における寸法を小型化した金属ベース板１Aを提供出来ると言う利点が得られる。
【００３１】
（付記）
以上、本発明の実施の形態を詳細に開示し記述したが、以上の記述は本発明の適用可能な局面を例示したものであって、本発明はこれに限定されるものではない。即ち、記述した局面に対する様々な修正や変形例を、この発明の範囲から逸脱することの無い範囲内で考えることが可能である。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、外部接続主回路端子の一端面は、全面的に、メタル層の上面に直接的に面接合されているので、外部接続主回路端子の一端面に凹凸構造を設ける場合よりも、より一層、配線インダクタンスを低減して高周波振動の発生抑止に寄与し得ると言う効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本実施の形態に係る半導体モジュールに用いられるベース板を示す上面図である。
【図２】  樹脂ケースの裏面からベース板を眺めた際の、第１外部接続主回路端子及び第２外部接続主回路端子の位置関係を模式的に示す裏面図である。
【図３】  IGBTチップ用第１主回路端子とIGBTチップとの接合状態を示す図である。
【図４】  ゲート接続端子付きのIGBTチップ用第１主回路端子とIGBTチップとの接合状態を示す図である。
【図５】  ゲート接続端子の構造を拡大して示す縦断面図である。
【図６】  第１主回路端子の中間部における中空構造を示す横断面図である。
【図７】  実施の形態３に係る、金属ベース板上のIGBTチップとゲート端子との接触関係を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
１  ベース基板、２A    絶縁メタライズ基板、３A   IGBTチップ、５B１   IGBTチップ用第１外部接続主回路端子、５A   第２外部接続主回路端子、１０  メタル層、１２  メタル、１４  ゲート抵抗、１５  筒状絶縁物、１６  電線、１７  絶縁層、５B３  ゲート端子。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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