特開 2024-127545 半導体装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024127545

(43)【公開日】2024-09-20

(54)【発明の名称】半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 25/07 20060101AFI20240912BHJP

   H01L 23/48 20060101ALI20240912BHJP

   H02M 7/48 20070101ALI20240912BHJP

【ＦＩ】

H01L25/04 C

H01L23/48 Q

H02M7/48 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023036761

(22)【出願日】2023-03-09

(71)【出願人】

【識別番号】000003997

【氏名又は名称】日産自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100102141

【弁理士】

【氏名又は名称】的場 基憲

(74)【代理人】

【識別番号】100137316

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 宏

(72)【発明者】

【氏名】阿部 圭太

【テーマコード（参考）】

5H770

【Ｆターム（参考）】

5H770BA01

5H770PA21

5H770PA42

5H770QA05

5H770QA08

5H770QA33

(57)【要約】      （修正有）

【課題】部品点数を削減し、簡易な構成を実現する半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体装置１は、チップ基板１０と、チップ基板１０上に配置された半導体チップ２０と、外部導体に接続されるバスバー３０と、バスバー３０を固定するための固定部材４０と、を備える。固定部材４０は、ナット４１とボルト４３とを有し、ナット４１は、導電性を有しており、半導体チップ２０とワイヤ８０で接続されている。チップ基板１０及び固定部材４０は、それぞれ別体又は一体の絶縁部材５１、５３上に配置され、絶縁部材を介して冷却部材６０上に配置されている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

チップ基板と、前記チップ基板上に配置された半導体チップと、外部導体に接続されるバスバーと、前記バスバーを固定するための固定部材を備えた半導体装置であって、
前記固定部材は、導電性を有し、前記半導体チップとワイヤで接続されている
ことを特徴とする半導体装置。

【請求項2】

前記チップ基板と前記固定部材が、別体又は一体の絶縁部材上に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。

【請求項3】

前記絶縁部材が、冷却部材上に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。

【請求項4】

前記半導体チップと前記固定部材を複数備え、
前記半導体チップの上面視において、前記複数の半導体チップのうち電気的に接続しない半導体チップ同士が、所定間隔を設けて並置されており、
前記固定部材が、ナット本体と、前記ナット本体から延出した座を有し、
前記電気的に接続しない半導体チップ同士の間にそれぞれ対応する前記ナット本体の少なくとも一部が進入するように配置されており、
前記座は、前記所定間隔が延在する方向に延出しており、前記半導体チップとそれぞれ対応するワイヤで接続されている
ことを特徴とする請求項１～３のいずれか１つの項に記載の半導体装置。

【請求項5】

インバータに用いられる半導体装置であって、
前記半導体チップが、スイッチング素子と前記スイッチング素子と同相である還流ダイオードを有し、
前記スイッチング素子と前記還流ダイオードが、前記所定間隔が延在する方向に並置されている
ことを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体装置に係り、さらに詳細には、部品点数を削減し、簡易な構成を実現し得る半導体装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１は、半導体装置の外部バスバーと電極端子の接触面の面積を大きくすることなく、小型化が可能な半導体装置を開示している。この半導体装置においては、電極端子を曲げて絶縁シートに接触させることにより、外部バスバーと電極端子の接続部における雰囲気温度の上昇を抑制している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第５０４０４１８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１に開示されたような半導体装置においては、接続部における雰囲気温度の上昇を抑制するために内部バスバーのような電極端子を必要とするため、部品点数を削減し、簡易な構成とすることについて改善の余地があった。

【0005】

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであって、部品点数を削減し、簡易な構成を実現し得る半導体装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明者は、前記目的を達成するため鋭意検討を重ねた結果、所定の固定部材を導電性を有するものとし、所定の固定部材と半導体チップをワイヤで接続することにより、前記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。

【0007】

すなわち、本発明の半導体装置は、チップ基板と、チップ基板上に配置された半導体チップと、外部導体に接続されるバスバーと、バスバーを固定するための固定部材を備える。
固定部材は、導電性を有し、半導体チップとワイヤで接続されている。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、上述の固定部材を導電性を有するものとし、上述の固定部材と半導体チップをワイヤで接続したため、部品点数を削減し、簡易な構成を実現し得る半導体装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の半導体装置の第１実施形態の要部を模式的に示す部分断面図である。

【図2】第２実施形態の半導体装置の要部を模式的に示す部分断面図である。

【図3】第３実施形態の半導体装置の要部を模式的に示す部分断面図である。

【図4】第４実施形態の半導体装置の要部を模式的に示す部分断面図である。

【図5】第５実施形態の半導体装置の要部を模式的に示す部分断面図である。

【図6】第６実施形態の半導体装置の要部を模式的に示す部分断面図である。

【図7】第７実施形態の半導体装置の要部を模式的に示す上面図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の半導体装置について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下で引用する図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。

【0011】

（第１実施形態）
図１に示すように、本実施形態の半導体装置１は、チップ基板１０と、チップ基板１０上に積層配置された半導体チップ２０と、外部導体（図示せず）に接続されるバスバー３０と、バズバー３０を固定するための固定部材４０を備えている。図示例においては、固定部材４０は、ナット４１とボルト４３を有している。

【0012】

さらに、この半導体装置１は、図示したように、別体の絶縁部材５１，５３と、冷却部材６０と、モールド樹脂７０を備えていることが好ましい。チップ基板１０は電気絶縁性を有する絶縁部材５１を介して冷却部材６０上に配置されており、ナット４１は電気絶縁性を有する絶縁部材５３を介して冷却部材６０上に配置されている。さらに、モールド樹脂７０は、チップ基板１０、半導体チップ２０、絶縁部材５１，５３、ワイヤ８０等を封止するものであり、封止後の状態を二点鎖線で示している。

【0013】

そして、この半導体装置１においては、ナット４１は、導電性を有しており、半導体チップ２０とワイヤ８０で接続されている。

【0014】

次に、本実施形態の利点について説明する。本実施形態によれば、固定部材４０の一部であるナット４１を導電性を有するものとし、ナット４１と半導体チップ２０をワイヤ８０で直接接続したので、特許文献１に開示の半導体装置において必要としていた樹脂ケース内に配置された内部バスバーのような電極端子が不要となる。これにより、部品点数を削減し、簡易な構成を実現し得る。また、詳しくは後述する放熱性やワイヤ長さの短縮化の観点から、ナット４１とボルト４３の構造的特徴を考慮して、外側に位置しやすいナット４１を導電経路とすることが好ましい。

【0015】

また、図示したように、ナット４１の形状が直方体や立方体であることが好ましい。ナット４１が詳しくは後述する延出した部分を有する場合（図４～６参照）と異なり、その形状が直方体や立方体であるため、構造がシンプルになるという利点がある。

【0016】

さらに、ボルト穴が上方にあるナット４１の半導体チップ２０側の側面にワイヤ８０が接続されているので、小型化に寄与し得るという利点がある。また、これに伴い、インダクタンスの削減にも寄与し得るという利点もある。

【0017】

さらに、ナット４１の形状が直方体や立方体であるため、ナット４１のタップ面を９０度変えてもナット４１の固定構造を殆ど変えずに、バスバー３０の接続方向を変えることができるという利点もある（図２参照）。

【0018】

さらに、図示したように、チップ基板１０と固定部材４０が、別体の絶縁部材５１，５３上に配置されていることが好ましい。ナット４１が絶縁部材５３上に配置されており、チップ基板１０が絶縁部材５１上に配置されているため、絶縁部材５１に対する絶縁部材５３の厚さを調整することにより、半導体チップの積層方向（図中矢印Ｚで示す方向）におけるワイヤ８０の長さを短くすることができ、小型化を実現し得るという利点がある。また、これに伴い、インダクタンスを減らすことができるという利点もある。

【0019】

さらに、図示したように、絶縁部材５３が、冷却部材６０上に配置されていることが好ましい。ナット４１が絶縁部材５３を介して冷却部材６０上に配置されているため、ナット４１が冷却されやすい。これによりバスバー３０とナット４１との接触抵抗によって発生する熱やバスバー３０の内部抵抗によって発生する熱を冷却部材６０に逃がすことができるという利点がある。なお、ナット４１や絶縁部材５３の熱伝導性、冷却部材６０に対するナット４１や絶縁部材５３の設置面積を変更することにより、冷却性能を容易に制御することができる（図４参照）。別体である絶縁部材５１と絶縁部材５３を備える場合は、一体の絶縁部材５０を備える場合（図３～６参照）よりも冷却性能を容易に制御しやすいという利点があり、製造する際の自由度が高いという利点もある。

【0020】

ここで、上述した各構成要素の仕様や材質等について詳細に説明する。チップ基板１０としては、例えば、銅（Ｃｕ）やその合金製のものを用いることができる。また、半導体チップ２０としては、例えば、ケイ素（Ｓｉ）製又はケイ化炭素（ＳｉＣ）製のものを用いることができる。このような半導体チップとしては、例えば、スイッチング素子（例えばＩＧＢＴ）や還流ダイオード（ＦＷＤ）として機能するものを挙げることができる。さらに、バスバー３０としては、例えば、銅（Ｃｕ）製、その合金製、アルミニウム（Ａｌ）製、その合金製のものを用いることができる。さらに、固定部材４０におけるナット４１やボルト４３としては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）製やその合金製のものを用いることができる。さらに、絶縁部材５０としては、例えば、弾性材料であるシリコーンゴム製のものを用いることができ、固定部材４０が配置される側に固定部材が密着し得る粘着剤が含まれていることが好ましい。さらに、冷却部材６０は、いわゆるヒートシンクであり、その材質としては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）やその合金を挙げることができる。さらに、モールド樹脂７０としては、例えば、エポキシ樹脂を挙げることができる。さらに、ワイヤ８０としては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）製、その合金製、銅（Ｃｕ）製、その合金製のものを用いることができる。また、ワイヤ８０の形状はリボン状であってもよい。

【0021】

また、図２～図７は、本発明の半導体装置の第２実施形態～第７実施形態を説明する図である。なお、以下の各実施形態では、上述した第１実施形態と同じ構成部位に同一符号を付して詳細な発明を省略する。

【0022】

（第２実施形態）
図２に示すように、本実施形態の半導体装置２は、ナット４１のタップ面を９０度変え、ナット４１の底面にワイヤ８０を接続したこと以外は、第１実施形態の半導体装置１と同様の構造を有する。

【0023】

次に、本実施形態の利点について説明する。本実施形態によれば、ナット４１のタップ面を９０度変え、ナット４１の底面にワイヤ８０を接続したので、第１実施形態の利点に加えて、ナット４１のタップ面を９０度変えてもナット４１の固定構造を殆ど変えずに、バスバー３０の接続方向を例えば上方に変えることができるという利点がある。

【0024】

（第３実施形態）
図３に示すように、本実施形態の半導体装置３は、絶縁部材５１と絶縁部材５３を一体である絶縁部材５０にしたこと以外は、第１実施形態の半導体装置１と同様の構造を有する。

【0025】

次に、本実施形態の利点について説明する。本実施形態によれば、別体の絶縁部材５１と絶縁部材５３を電気絶縁性を有する一体である絶縁部材５０にしたので、第１実施形態の利点に加えて、部品点数をより削減し、より簡易な構成を実現し得るという利点がある。

【0026】

（第４実施形態）
図４に示すように、本実施形態の半導体装置４は、ナット４１の形状を四角柱形状でありかつ半導体チップ２０側の側面が上面側から下面側に向かってこれらに平行な断面の面積が漸次増加する傾斜面である形状にしたこと以外は、第３実施形態の半導体装置３と同様の構造を有する。

【0027】

次に、本実施形態の利点について説明する。本実施形態によれば、ナット４１の形状を上述した四角柱形状にしたので、第３実施形態の利点に加えて、ワイヤ８０が接続される接続面（傾斜面）を拡大でき、冷却部材６０に対する設置面（下面）を拡大できるという利点がある。

【0028】

（第５実施形態）
図５に示すように、本実施形態の半導体装置５は、ナット４１が、ナット本体４１Ａと、ナット本体４１Ａから延出した座４１Ｂを有し、座４１Ｂにワイヤ８０が接続されていること以外は、第１実施形態の半導体装置１と同様の構造を有する。

【0029】

次に、本実施形態の利点について説明する。本実施形態によれば、ナット４１が、ナット本体４１Ａと、ナット本体４１Ａから延出した座４１Ｂを有し、座４１Ｂにワイヤ８０を接続したので、第１実施形態の利点に加えて、半導体チップ２０と座４１Ｂとの図５中矢印Ｙで示す方向における距離が短くなってワイヤ８０の長さを短くでき、インダクタンスをより減らすことができるという利点がある。

【0030】

（第６実施形態）
図６に示すように、本実施形態の半導体装置６は、ナット本体４１Ａの上面４１Ａａと座４１Ｂの上面４１Ｂａに段差を設けたこと以外は、第５実施形態の半導体装置５と同様の構造を有する。

【0031】

次に、本実施形態の利点について説明する。本実施形態によれば、ナット本体４１Ａの上面４１Ａａと座４１Ｂの上面４１Ｂａに段差を設けたので、第５実施形態の利点に加えて、座４１Ｂとワイヤ８０の接続部位やその近傍をモールド樹脂７０で封止しやすいという利点がある。さらに、モールド樹脂７０で座４１Ｂとワイヤ８０の接続部位やその近傍を封止する際に、ナット本体４１Ａと座４１Ｂによってモールド樹脂７０を形成する材料が溢れるおそれを低減することができるという利点がある。

【0032】

（第７実施形態）
本実施形態の半導体装置７は、上述した第６実施形態の半導体装置６の変形例である。なお、上述した第５実施形態の半導体装置５も同様に変形することができる。

【0033】

図７に示すように、本実施形態の半導体装置７は、半導体チップ２０と固定部材４０（ナット４１及びボルト４３）を複数備えている。そして、半導体チップ２０の上面視において、複数の半導体チップ２０のうち電気的に接続しない半導体チップ２０同士が、所定間隔Ｄを設けて格子状に並置されている。さらに、電気的に接続しない半導体チップ２０同士の間にそれぞれ対応するナット本体４１Ａの一部が進入するように配置されている。そして、座４１Ｂは、所定間隔Ｄが延在する方向（図中矢印Ｘで示す方向）に延出しており、上述したように半導体チップ２０とそれぞれ対応するワイヤ８０で接続されている。なお、所定間隔Ｄは、チップ基板１０と固定部材４０との電気的絶縁を確保できれば、小型化の観点から狭いことが好ましい。また、図７中においては、チップ基板、バズバー、絶縁部材、モールド樹脂の記載を省略している。

【0034】

さらに、このような半導体装置７は、交流モータを制御するモータ制御システムに含まれる電力変換用のインバータとして好適に用いられる。半導体装置７は、半導体チップ２０が、スイッチング素子（ＩＧＢＴ）２１とスイッチング素子２１と同相である還流ダイオード（ＦＷＤ）２３を有し、スイッチング素子２１と還流ダイオード２３が所定間隔Ｄが延在する方向に並置されている。なお、図示しないチップ基板上に配置されたスイッチング素子２１と還流ダイオード２３は、ワイヤ８０’で接続されている。なお、このような半導体装置は、例えば、半導体パワーモジュールと呼ばれることがある。

【0035】

次に、本実施形態の利点について説明する。本実施形態によれば、上述のようにナット本体４１Ａを半導体装置のより内側に配置し、座４１Ｂを延出させたので、第６実施形態の利点に加えて、オフセットした状態で離間させて配置された半導体チップとバスバーを備えた場合の半導体装置（図１～図４参照）よりもオフセット量を減らすことができ、小型化を実現し得るという利点がある。また、これに伴い、インダクタンスを減らすことができるという利点もある。

【0036】

さらに、本実施形態によれば、上述のようにスイッチング素子２１と還流ダイオード２３を並置したので、スイッチング素子２１や還流ダイオード２３に接続するワイヤ８０の長さを短くすることができ、第６実施形態の利点に加えて、インバータの更なる小型化を実現できるという利点がある。また、これに伴い、インダクタンスを減らすことができるという利点もある。

【0037】

さらに、チップ基板１０や半導体チップ２０が設けられていない部位に図示しない強電ラインやグランドラインを設けることにより、スペースを効率的に利用でき、半導体装置の小型化、それに伴うインダクタンスの低減に寄与し得る。

【0038】

以上、本発明を複数の実施形態によって説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。

【0039】

本発明においては、部品点数を削減し、簡易な構成を実現するべく、所定の固定部材を導電性を有するものとし、所定の固定部材と半導体チップをワイヤで直接接続したことを骨子とする。

【0040】

従って、上述の実施形態においては、ナット４１を導電性を有するものとし、ナット４１と半導体チップ２０をワイヤ８０で直接接続したものを例示して説明したが、本発明においては、これに限定されない。例えば、ナット４１とボルト４３の配置を上下逆にして、ボルト４３を導電性を有するものとし、ボルト４３と半導体チップ２０をワイヤ８０で直接接続したものとしてもよい。また、固定部材４０としては、例えば、リベットを用いてもよい。

【0041】

また、上述の実施形態においては、モールド樹脂７０を用いて封入した場合を例示して説明したが、本発明においては、これに限定されない。例えば、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）製の樹脂ケースに、例えばシリコーンゲルを注入して同様に封入してもよい。

【0042】

さらに、上述の実施形態においては、座４１Ｂを有するナット４１のナット本体４１Ａの一部を所定間隔Ｄの間に進入させた場合を例示して説明したが、本発明においては、これに限定されない。例えば、ナット本体４１Ａの全部を所定間隔Ｄの間に進入させてもよく、第１～第４実施形態に示すナット４１を所定間隔Ｄの間に進入させてもよい。

【0043】

さらに、上述の実施形態においては、インバータに適用される半導体装置を例示して説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、半導体装置をＤＣ－ＤＣコンバータに用いることもできる。

【0044】

さらに、例えば、上述した構成要素は、上述した実施形態に限定されるものではなく、チップ基板、半導体チップ、バスバー、固定部材、絶縁部材、冷却部材、モールド樹脂、ワイヤの仕様や材質の細部を変更することが可能である。また、一の実施形態の構成要素を他の実施形態に適宜組み合わせることも可能である。

【符号の説明】

【0045】

１，２，３，４，５，６，７ 半導体装置
１０ チップ基板
２０ 半導体チップ
２１ スイッチング素子
２３ 還流ダイオード
３０ バスバー
４０ 固定部材
４１ ナット
４１Ａ ナット本体
４１Ａａ 上面
４１Ｂ 座
４１Ｂａ 上面
４３ ボルト
５０，５１，５３ 絶縁部材
６０ 冷却部材
７０ モールド樹脂
８０，８０’ ワイヤ
Ｄ 所定間隔

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】