(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
【公報種別】再公表特許(A1)
(11)【国際公開番号】WO2018235329
(43)【国際公開日】20181227
【発行日】20200416
(54)【発明の名称】半導体装置
(51)【国際特許分類】
   H01L 25/07 20060101AFI20200319BHJP
   H01L 25/18 20060101ALI20200319BHJP
   H01L 21/3205 20060101ALI20200319BHJP
   H01L 21/768 20060101ALI20200319BHJP
   H01L 23/522 20060101ALI20200319BHJP
【FI】
   !H01L25/04 C
   !H01L21/88 T
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
【全頁数】14
【出願番号】2019525064
(21)【国際出願番号】JP2018004082
(22)【国際出願日】20180206
(31)【優先権主張番号】2017120263
(32)【優先日】20170620
(33)【優先権主張国】JP
(81)【指定国】 AP(BW,GH,GM,KE,LR,LS,MW,MZ,NA,RW,SD,SL,ST,SZ,TZ,UG,ZM,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,RU,TJ,TM),EP(AL,AT,BE,BG,CH,CY,CZ,DE,DK,EE,ES,FI,FR,GB,GR,HR,HU,IE,IS,IT,LT,LU,LV,MC,MK,MT,NL,NO,PL,PT,RO,RS,SE,SI,SK,SM,TR),OA(BF,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GQ,GW,KM,ML,MR,NE,SN,TD,TG),AE,AG,AL,AM,AO,AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BH,BN,BR,BW,BY,BZ,CA,CH,CL,CN,CO,CR,CU,CZ,DE,DJ,DK,DM,DO,DZ,EC,EE,EG,ES,FI,GB,GD,GE,GH,GM,GT,HN,HR,HU,ID,IL,IN,IR,IS,JO,JP,KE,KG,KH,KN,KP,KR,KW,KZ,LA,LC,LK,LR,LS,LU,LY,MA,MD,ME,MG,MK,MN,MW,MX,MY,MZ,NA,NG,NI,NO,NZ,OM,PA,PE,PG,PH,PL,PT,QA,RO,RS,RU,RW,SA,SC,SD,SE,SG,SK,SL,SM,ST,SV,SY,TH,TJ,TM,TN,TR,TT
(71)【出願人】
【識別番号】000002130
【氏名又は名称】住友電気工業株式会社
【住所又は居所】大阪府大阪市中央区北浜四丁目5番33号
(74)【代理人】
【識別番号】100107766
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠重
(74)【代理人】
【識別番号】100070150
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠彦
(72)【発明者】
【氏名】道越 久人
【住所又は居所】茨城県つくば市東1−1−1 国立研究開発法人産業技術総合研究所 つくばセンター内
【テーマコード(参考)】
5F033
【Fターム(参考)】
5F033GG01
5F033HH07
5F033HH11
5F033VV07
5F033XX00
(57)【要約】
半導体装置は、電極端子と、電極端子の上に設置された絶縁体により形成された基板と、電極端子の上に設置された第1のパワー半導体素子と、基板の上に設置された第2のパワー半導体素子と、を有し、第1のパワー半導体素子と第2のパワー半導体素子は、直列に接続されている。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電極端子と、
前記電極端子の上に設置された絶縁体により形成された基板と、
前記電極端子の上に設置された第1のパワー半導体素子と、
前記基板の上に設置された第2のパワー半導体素子と、
を有し、
前記第1のパワー半導体素子と前記第2のパワー半導体素子は、直列に接続されている半導体装置。
【請求項2】
前記基板の上に設置された第3のパワー半導体素子を有し、
前記第1のパワー半導体素子、前記第2のパワー半導体素子、前記第3のパワー半導体素子は、直列に接続されている請求項1に記載の半導体装置。
【請求項3】
前記基板の表面には、複数の電極パターンが形成されており、
前記第2のパワー半導体素子及び前記第3のパワー半導体素子は、各々に対応する前記電極パターンの上に設置されて接続されており、
前記電極パターンの形状は、曲線を有する形状である請求項2に記載の半導体装置。
【請求項4】
前記基板の上に設置された第4のパワー半導体素子を有し、
前記第1のパワー半導体素子、前記第2のパワー半導体素子、前記第3のパワー半導体素子、前記第4のパワー半導体素子は、直列に接続されており、
前記第2のパワー半導体素子、前記第3のパワー半導体素子、前記第4のパワー半導体素子は、前記基板の上に直線状に並んで配置されている請求項2または請求項3に記載の半導体装置。
【請求項5】
前記絶縁体は、窒化アルミニウム、窒化シリコン、炭化ケイ素およびダイヤモンドから選ばれる少なくとも一種を含む請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項6】
前記パワー半導体素子は、SiC半導体により形成されている請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、半導体装置に関するものである。
【0002】
本出願は、2017年6月20日出願の日本特許出願第2017−120263号に基づく優先権を主張し、前記日本特許出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。
【背景技術】
【0003】
ダイオードやMOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)等の半導体装置は、様々な用途に用いられており、用いられる用途に応じて、必要とされる特性が異なる。このような半導体装置の中には、高耐圧の用途に用いられるものがあり、一つの半導体素子では耐圧に限界が有ることから、複数の半導体素子を直列に接続して用いることが考えられている(例えば、特許文献1)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2016−208706号公報
【発明の概要】
【0005】
本実施形態の一観点によれば、半導体装置は、電極端子と、電極端子の上に設置された絶縁体により形成された基板と、電極端子の上に設置された第1のパワー半導体素子と、基板の上に設置された第2のパワー半導体素子と、を有している。また、第1のパワー半導体素子と第2のパワー半導体素子は、直列に接続されている。
【図面の簡単な説明】
【0006】
【図1A】図1Aは、本開示の一態様に係る半導体装置の上面図である。
【図1B】図1Bは、本開示の一態様に係る半導体装置の底面図である。
【図1C】図1Cは、本開示の一態様に係る半導体装置の側面図である。
【図2】図2は、本開示の一態様に係る半導体装置の説明図(1)である。
【図3】図3は、本開示の一態様に係る半導体装置の説明図(2)である。
【図4A】図4Aは、本開示の一態様に係る半導体装置の断面図(1)である。
【図4B】図4Bは、本開示の一態様に係る半導体装置の断面図(2)である。
【図5A】図5Aは、本開示の一態様に係る半導体装置に用いられる基板の上面図である。
【図5B】図5Bは、本開示の一態様に係る半導体装置に用いられる基板の底面図である。
【図5C】図5Cは、本開示の一態様に係る半導体装置に用いられる基板の断面図である。
【図6】図6は、本開示の一態様に係る半導体装置の変形例1の説明図である。
【図7】図7は、本開示の一態様に係る半導体装置の変形例2の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0007】
しかしながら、耐圧を向上させるために複数の半導体素子を用いた半導体装置の場合、半導体装置が大型化する場合がある。
【0008】
よって、本開示の目的は、複数の半導体素子を用いた小型で高耐圧の半導体装置を提供することである。
【0009】
実施するための形態について、以下に説明する。
【0010】
[本開示の実施形態の説明]
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。以下の説明では、同一または対応する要素には同一の符号を付し、それらについて同じ説明は繰り返さない。
【0011】
〔1〕 本開示の一態様に係る半導体装置は、電極端子と、前記電極端子の上に設置された絶縁体により形成された基板と、前記電極端子の上に設置された第1のパワー半導体素子と、前記基板の上に設置された第2のパワー半導体素子と、を有し、前記第1のパワー半導体素子と前記第2のパワー半導体素子は、直列に接続されている。
【0012】
本願発明者は、電極端子の上に絶縁体により形成された基板を設置し、電極端子の上に第1のパワー半導体素子を設置し、基板の上に第2のパワー半導体素子を設置し、第1のパワー半導体素子と第2のパワー半導体素子とを直列に接続することにより、少なくとも基板の厚さの分は、第1のパワー半導体素子と第2のパワー半導体素子とを近づけることができることを見出した。これにより、高耐圧な半導体装置を小型にすることができる。
【0013】
〔2〕 前記基板の上に設置された第3のパワー半導体素子を有し、前記第1のパワー半導体素子、前記第2のパワー半導体素子、前記第3のパワー半導体素子は、直列に接続されている。
【0014】
〔3〕 前記基板の表面には、複数の電極パターンが形成されており、前記第2のパワー半導体素子及び前記第3のパワー半導体素子は、各々に対応する前記電極パターンの上に設置されて接続されており、前記電極パターンの形状は、曲線を有する形状である。
【0015】
〔4〕 前記基板の上に設置された第4のパワー半導体素子を有し、前記第1のパワー半導体素子、前記第2のパワー半導体素子、前記第3のパワー半導体素子、前記第4のパワー半導体素子は、直列に接続されており、前記第2のパワー半導体素子、前記第3のパワー半導体素子、前記第4のパワー半導体素子は、前記基板の上に直線状に並んで配置されている。
【0016】
〔5〕 前記絶縁体は、窒化アルミニウム、窒化シリコン、炭化ケイ素およびダイヤモンドから選ばれる少なくとも一種を含む。
【0017】
〔6〕 前記パワー半導体素子は、SiC半導体により形成されている。
【0018】
[本開示の実施形態の詳細]
以下、本開示の一実施形態(以下「本実施形態」と記す)について詳細に説明するが、本実施形態はこれらに限定されるものではない。
【0019】
本実施形態における半導体装置について、図1から図4に基づき説明する。本実施形態における半導体装置は、高耐圧のダイオードであって、複数のダイオードの半導体チップを直列に接続することにより、高耐圧にした構造のものである。
【0020】
図1Aは、本実施形態における半導体装置の外観の上面図であり、図1Bは底面図であり、図1Cは側面図である。図2は、本実施形態における半導体装置のモールド樹脂を除去した状態の上面図であり、図3は、この要部の斜視図である。図4Aは、図2における一点鎖線2A−2Bにおいて切断した断面図であり、図4Bは、図2における一点鎖線2C−2Dにおいて切断した断面図である。尚、図4A、図4Bにおいては、ボンディングワイヤ等は省略されている。
【0021】
本実施形態における半導体装置10は、第1の電極端子11、第2の電極端子12、絶縁体により形成された基板20、第1の半導体チップ31、第2の半導体チップ32、第3の半導体チップ33、第4の半導体チップ34等を有している。尚、本願においては、半導体チップを半導体素子と記載する場合がある。また、第3の電極端子13については後述する。
【0022】
本実施形態においては、例えば、第1の半導体チップ31、第2の半導体チップ32、第3の半導体チップ33、第4の半導体チップ34は、Siよりもバンドギャップの広いSiC半導体等の半導体材料により形成された高耐圧用途のダイオードである。第1の半導体チップ31、第2の半導体チップ32、第3の半導体チップ33、第4の半導体チップ34は、一方の面にカソード電極が形成され、他方の面にアノード電極が形成されており、一方の面及び他方の面の形状は、一辺が1.5mm角の略正方形である。
【0023】
第1の電極端子11及び第2の電極端子12は、Cu(銅)または銅合金に等により形成されており、表面はNi(ニッケル)により一部または全面がメッキがされている。この半導体装置10では、第1の電極端子11がカソード電極端子となり、第2の電極端子12がアノード電極端子となる。
【0024】
基板20は、図5に示されるように、絶縁体により形成された絶縁体基板21の表面となる基板20の一方の面20aには電極パターン22、23、24が形成されており、他方の面20bには電極パターン25が形成されている。尚、図5Aは、基板20の上面図であり、図5Bは底面図であり、図5Cは一点鎖線5A−5Bにおいて切断した断面図である。電極パターン22、23、24、及び、電極パターン25は、銅または銅合金等により形成されており、表面の一部または全面はニッケルによりメッキがされている。本願においては、基板20の一方の面20aを基板の表面と記載する場合がある。
【0025】
絶縁体基板21は、X1−X2方向における一方の辺の長さW1が約11mm、Y1−Y2方向における他方の辺の長さW2が約5.5mmの長方形の形状により形成されており、Z1−Z2方向における厚さtは、約0.635mmである。絶縁体基板21を形成する材料は、窒化アルミニウム(AlN)、窒化シリコン(Si)、酸化アルミニウム(Al)等の絶縁体により形成されている。このうちで最も好ましいのが、窒化アルミニウムである。これは、絶縁耐圧が、窒化アルミニウムが15〜20kV/mmであり、窒化シリコンが10〜15kV/mmであり、酸化アルミニウムが10〜15kV/mmであり、これらの中では、窒化アルミニウムの絶縁耐圧が最も高いからである。尚、絶縁体基板21は、炭化ケイ素やダイヤモンド等により形成してもよい。
【0026】
基板20に形成されている電極パターン22、23、24及び電極パターン25は、絶縁体基板21の周囲の側面となる端部21cよりも、1mm以上内側に形成されている。具体的には、絶縁体基板21の端部21cと電極パターン22等との間の最小の距離L1、絶縁体基板21の端部21cと電極パターン25との間の最小の距離L2は、1mm以上となるように形成されている。また、電極パターン22と電極パターン23との間の最小の距離L3や、電極パターン23と電極パターン24との間の最小の距離L4についても、1mm以上となるように形成されている。このように、電極パターンを絶縁体基板の周囲の端部から所定の距離以上離れた位置に形成したり、電極パターン間の距離が所定の距離以上離れるように形成することにより、所望の耐圧を維持することができる。
【0027】
また、電極パターン22、23、24の外形の形状は、X1−X2方向における長さW3が2mm、Y1−Y2方向における長さW4が3mmの長円形の形状により形成されている。具体的には、電極パターン22を例に説明すると、電極パターン22の外形は、Y1−Y2方向に延びる2つの直線部22aと、Y1−Y2方向において2つの直線部22aを接続する曲線部22bとにより形成されている。従って、角を有していない。尚、本実施の形態においては、電極パターン22の外形を形成する曲線部22bの曲率半径は1.0mmである。電極パターン23、24についても、電極パターン22と同じ形状により形成されている。このように、電極パターン22、23、24の外形形状を角を形成しない形状により形成することにより、絶縁耐圧を向上させることができる。即ち、絶縁破壊や放電は、電極等の角の部分において電界集中することにより生じるため、電極パターン22、23、24のように、角を有しない外形形状で形成することにより、電界の集中を緩和し、耐圧を向上させることができる。
【0028】
本実施形態における半導体装置では、図2及び図3に示されるように、ダイパッドとなる第1の電極端子11の一方の面11aの上に、基板20及び第1の半導体チップ31が設置され接続されている。具体的には、図4に示されるように、第1の電極端子11の一方の面11aには、基板20の他方の面20bに形成された電極パターン25、及び、第1の半導体チップ31の一方の面に形成されたカソード電極31aが不図示のハンダ等により接合されている。
【0029】
また、基板20の一方の面20aに形成された電極パターン22の上には、第2の半導体チップ32が接続されている。具体的には、基板20の一方の面20aに形成された電極パターン22の上には、第2の半導体チップ32の一方の面に形成されたカソード電極32aが不図示のハンダ等により接合されている。
【0030】
また、基板20の一方の面20aに形成された電極パターン23の上には、第3の半導体チップ33が接続されている。具体的には、基板20の一方の面20aに形成された電極パターン23の上には、第3の半導体チップ33の一方の面に形成されたカソード電極33aが不図示のハンダ等により接合されている。
【0031】
また、基板20の一方の面20aに形成された電極パターン24の上には、第4の半導体チップ34が接続されている。具体的には、基板20の一方の面20aに形成された電極パターン24の上には、第4の半導体チップ34の一方の面に形成されたカソード電極34aが不図示のハンダ等により接合されている。
【0032】
本実施形態における半導体装置においては、図2及び図3に示されるように、第1の半導体チップ31の他方の面に形成されたアノード電極31bと基板20の一方の面20aに形成された電極パターン22はボンディングワイヤ41により接続されている。これにより、電極パターン22及びボンディングワイヤ41を介し、第1の半導体チップ31のアノード電極31bと第2の半導体チップ32のカソード電極32aとが電気的に接続される。
【0033】
また、第2の半導体チップ32の他方の面に形成されたアノード電極32bと基板20の一方の面20aに形成された電極パターン23はボンディングワイヤ42により接続されている。これにより、電極パターン23及びボンディングワイヤ42を介し、第2の半導体チップ32のアノード電極32bと第3の半導体チップ33のカソード電極33aとが電気的に接続される。
【0034】
また、第3の半導体チップ33の他方の面に形成されたアノード電極33bと基板20の一方の面20aに形成された電極パターン24はボンディングワイヤ43により接続されている。これにより、電極パターン24及びボンディングワイヤ43を介し、第3の半導体チップ33のアノード電極33bと第4の半導体チップ34のカソード電極34aとが電気的に接続される。そして、第4の半導体チップ34の他方の面に形成されたアノード電極34bと第2の電極端子12とがボンディングワイヤ44により接続されている。
【0035】
以上のように、カソード電極端子である第1の電極端子11と、アノード電極端子である第2の電極端子12との間では、第1の半導体チップ31、第2の半導体チップ32、第3の半導体チップ33、第4の半導体チップ34が直列に接続される。従って、第1の半導体チップ31、第2の半導体チップ32、第3の半導体チップ33、第4の半導体チップ34が、耐圧が3.3kVのダイオードである場合には、この半導体装置の耐圧は、3.3kV×4=13.2kVとなる。このように形成されたものは、全体が樹脂部50により覆われている。よって、第1の電極端子11の一方の面、第1の半導体チップ31、第2の半導体チップ32、第3の半導体チップ33、第4の半導体チップ34、第2の電極端子12の一部は、樹脂部50により覆われている。尚、樹脂部50は、エポキシ樹脂を代表的な基材とする熱硬化性樹脂によるトランスファモールド成形により形成されている。
【0036】
本実施形態においては、第1の半導体チップ31は、第1の電極端子11の一方の面11aに搭載されており、第2の半導体チップ32、第3の半導体チップ33、第4の半導体チップ34は、基板20の一方の面20a側に搭載されている。また、基板20は、第1の電極端子11の一方の面11aに搭載されている。従って、第1の半導体チップ31が搭載されている第1の電極端子11の一方の面11aと、第2の半導体チップ32、第3の半導体チップ33、第4の半導体チップ34が搭載されている基板20の一方の面20aとの間には、基板20の厚さtの分の段差がある。このため、基板20の厚さtの分だけ沿面距離が長くなるため、第1の半導体チップ31を基板20側に近づけることができる。即ち、Z1−Z2方向における基板20の厚さtの分、第1の半導体チップ31と基板20とのY1−Y2方向における距離を短くすることができ、半導体装置を小型にすることができる。
【0037】
また、耐圧の観点からは、基板20の一方の面20aに配置される第2の半導体チップ32、第3の半導体チップ33、第4の半導体チップ34は、一直線上に並んで配置されていることが好ましい。具体的には、図2に示されるように、Y1−Y2方向における直線上に並んで配置されていることが好ましい。複数の半導体チップを一直線上に並んで配置することにより、高耐圧を維持した状態で、複数の半導体チップが取り付けられる領域を狭くすることができ、半導体装置を小型にすることができる。
【0038】
尚、本実施形態における半導体装置は、図2に示される第3の電極端子13と第1の電極端子11とを不図示のボンディングワイヤにより接続したものであってもよい。また、第1の半導体チップ31、第2の半導体チップ32、第3の半導体チップ33、第4の半導体チップ34は、高耐圧のダイオードに代えて、高耐圧のMOSFETやバイポーラトランジスタ等のトランジスタを用いることも可能である。尚、小型で高耐圧の半導体装置を得るためには、第1の半導体チップ31、第2の半導体チップ32、第3の半導体チップ33、第4の半導体チップ34を形成している半導体材料は、Siよりもバンドギャップの広いSiC半導体等が好ましい。尚、第1の半導体チップ31、第2の半導体チップ32、第3の半導体チップ33、第4の半導体チップ34は、パワー半導体素子である。
【0039】
本実施形態における半導体装置は、図6に示されるように基板20の一方の面20aに搭載される半導体チップが1つであっても、基板20の高さに応じて、半導体装置を小型にすることができる効果がある。また、図7に示されるように、基板20の一方の面20aに搭載される半導体チップの数は2の場合には、電極パターンを角のない形状で形成することによる効果が得られる。
【0040】
尚、図6に示す半導体装置は、基板20の一方の面20aには、電極パターン22が1つ形成されており、この電極パターン22には第2の半導体チップ32が接続されている。第1の半導体チップ31のアノード電極31bと電極パターン22とがボンディングワイヤ141により接続されており、第2の半導体チップ32のアノード電極32bと第2の電極端子12とがボンディングワイヤ142により接続されている構造のものである。
【0041】
また、図7に示す半導体装置は、基板20の一方の面20aには、2つの電極パターン22、23が形成されており、電極パターン22には第2の半導体チップ32が接続されており、電極パターン23には第3の半導体チップ33が接続されている。第1の半導体チップ31のアノード電極31bと電極パターン22とはボンディングワイヤ143により接続されており、第2の半導体チップ32のアノード電極32bと電極パターン23とはボンディングワイヤ144により接続されている。そして、第3の半導体チップ33のアノード電極33bと第2の電極端子12とがボンディングワイヤ145により接続されている構造のものである。
【0042】
以上、実施形態について詳述したが、特定の実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。
【符号の説明】
【0043】
10 半導体装置
11 第1の電極端子
11a 一方の面
11b 他方の面
12 第2の電極端子
20 基板
20a 一方の面
20b 他方の面
21 絶縁体基板
22、23、24 電極パターン
22a 直線部
22b 曲線部
25 電極パターン
31 第1の半導体チップ
31a カソード電極
31b アノード電極
32 第2の半導体チップ
32a カソード電極
32b アノード電極
33 第3の半導体チップ
33a カソード電極
33b アノード電極
34 第4の半導体チップ
34a カソード電極
34b アノード電極
41、42、43、44 ボンディングワイヤ
50 樹脂部
【図1A】
【図1B】
【図1C】
【図2】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図6】
【図7】
【国際調査報告】