特開 2024-174101 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】P2024174101

(43)【公開日】2024-12-13

(54)【発明の名称】半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/60 20060101AFI20241206BHJP

【ＦＩ】

H01L21/60 301A

【審査請求】有

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2024170233

(22)【出願日】2024-09-30

(62)【分割の表示】P 2022016678の分割

【原出願日】2022-02-04

(71)【出願人】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(74)【代理人】

【識別番号】110000110

【氏名又は名称】弁理士法人 快友国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】渡部 正和

(57)【要約】

【課題】本明細書は、主面上に主電極と制御電極を有する半導体素子を備える半導体装置に関し、制御電極を小さくする技術を提供する。
【解決手段】本明細書が開示する半導体装置は、一方の主面に主電極と制御電極が形成されている半導体素子と、ワイヤが接合される端子基板を備える。端子基板のおもて面にボンディング端子が形成されており、端子基板の裏面に中継端子が形成されており、ボンディング端子と中継端子が導通している。端子基板は、制御電極と中継端子が接触するように半導体素子に接合されている。ボンディング端子の面積が制御電極の面積よりも大きい。そして、端子基板の裏面に段差が設けられており、その段差に素子基板の側面が当接している。ワイヤが接合されるボンディング端子を半導体素子とは別の基板（端子基板）に設けることで、制御電極を小さくすることができる。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

一方の主面に主電極と制御電極が配置されている半導体素子と、
おもて面にワイヤが接合されるボンディング端子が配置されており、裏面に中継端子が配置されており、前記ボンディング端子と前記中継端子が導通している端子基板と、
を備えており、
前記ボンディング端子の面積が前記制御電極の面積よりも大きく、
前記制御電極と前記中継端子が接触するように前記端子基板が前記半導体素子に接合されており、
前記裏面に段差が設けられており、前記段差に前記半導体素子の側面が当接している、半導体装置。

【請求項2】

前記端子基板は、前記中継端子を含んでいる薄板部と、前記ボンディング端子を含んでいる厚板部を有しており、
前記薄板部の厚みが前記厚板部の厚みよりも薄く、
前記薄板部と前記厚板部の境界が前記段差に相当し、
前記薄板部が前記半導体素子と接合されている、
請求項１に記載の半導体装置。

【請求項3】

前記厚板部における前記裏面が半導体素子の他方の主面と面一である、請求項２に記載の半導体装置。

【請求項4】

前記裏面に前記段差を形成する突起が設けられている、請求項１に記載の半導体装置。

【請求項5】

前記半導体素子と前記端子基板を覆う樹脂パッケージを備えており、
前記樹脂パッケージと前記端子基板が同じ材料で作られている、
請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書が開示する技術は、半導体装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来の半導体装置（特に、電力変換用のパワー半導体装置）では、半導体素子の一方の主面に主電極と制御電極が形成されている。制御電極には主電極に流れる電流よりも小さい電流が流れるため、制御電極の面積は主電極の面積よりも小さい。特許文献１に、そのような半導体装置が例示されている。従来の半導体装置では、主電極には金属ブロックが接続され、制御電極にワイヤ（ボンディングワイヤ）が接合されていた。ボンディングワイヤはアルミニウムで作られることが多く、その直径は５００μｍ程度である。

【0003】

特許文献２には、半導体素子の一方の主面に貼着される配線シートが開示されている。配線シートの一方の表面には、主電極と接続される電極端子と、制御電極と接続される制御端子が配置されている。配線シートの内部には、一端が制御端子に接続される銅材が備えられている。銅材の他端は制御電極端子に接続され、制御電極端子は配線シートから外へ延びている。半導体素子の制御電極がワイヤではなく配線シート上の制御端子を介して銅材と接続されるため、主電極と制御電極の間の距離を短くすることができる。配線シートにはフレキシブルプリント基板が用いられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２０－１６１８０７号公報

【特許文献2】特開２０１３－０７３９４５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

制御電極には小電流しか流れないため、電流容量の観点では制御電極は主電極に比べて顕著に小さくてよい。しかし、従来の半導体装置では、制御電極にワイヤ（ボンディングワイヤ）が接合されていた。ワイヤを接合するために、制御電極には、ワイヤの断面積よりも広い面積が必要となる。ワイヤを接合するためだけに制御電極を広くすることは、半導体素子の主面の面積を無駄に広げることになる。制御電極の面積を小さくすることができれば、半導体素子の主面の面積（すなわち半導体素子の外形寸法）を小さくすることができる。近年注目されているＳｉＣ基板やＧａＮ基板はコストが嵩むため、主面の面積を小さくすることは、半導体装置のコストを低減することにつながる。

【0006】

特許文献２の技術によれば、制御電極の面積を小さくすることができ、その分、半導体素子の主面の面積を小さくすることができる。しかしながら、特許文献２の技術では、柔軟な配線シートを用いているため、半導体素子の制御電極と配線シート上の端子を位置合わせすることが難しい。半導体素子の制御電極には、配線シート上の端子との位置誤差を許容するだけの面積が必要とされる。本明細書は、半導体装置において従来よりも制御電極の面積を小さくす技術を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本明細書が開示する半導体装置は、一方の主面に主電極と制御電極が配置されている半導体素子と、ワイヤが接合される端子基板を備える。端子基板のおもて面にボンディング端子が配置されており、端子基板の裏面に中継端子が配置されており、ボンディング端子と中継端子が導通している。端子基板は、制御電極と中継端子が接触するように半導体素子に接合されている。ボンディング端子の面積が制御電極の面積よりも大きい。そして、端子基板の裏面に段差が設けられており、その段差に素子基板の側面が当接している。

【0008】

ワイヤが接合されるボンディング端子を半導体素子とは別の基板（端子基板）に設けることで、主面上の制御電極を小さくすることができる。また、端子基板の裏面の段差に半導体素子の側面を当接させることで、半導体素子に対する端子基板の位置を正確に定めることができる。それゆえ、半導体素子の制御電極と端子基板の中継端子の位置誤差を小さくすることができ、その分、制御電極を小さくすることができる。

【0009】

段差の一例は次の通りである。端子基板は、中継端子を含んでいる薄板部と、ボンディング端子を含んでいる厚板部を有している。薄板部の厚みが厚板部の厚みよりも薄い。端子基板の裏面において、薄板部と厚板部の境界が上記した段差に相当する。薄板部が半導体素子と接合されている。さらに、厚板部における端子基板の裏面が半導体素子の他方の主面と面一であるとよい。半導体素子と厚板部の下に平面があれば、半導体素子と厚板部はともに平面に支えられる。それゆえ、ボンディング端子にワイヤを接合する際に、半導体素子と厚板部が厚み方向でずれることがない。

【0010】

端子基板の裏面に突起が設けられており、突起が上記した段差を形成してもよい。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】第１実施例の半導体装置の斜視図である。

【図2】半導体装置の分解斜視図である（樹脂パッケージは不図示）。

【図3】半導体素子と端子基板の斜視図である。

【図4】半導体装置の平面図である（樹脂パッケージと上放熱板は不図示）。

【図5】図４のＶ－Ｖ線に沿った断面図である。

【図6】第１変形例の端子基板の斜視図である。

【図7】第２変形例の端子基板の斜視図である。

【図8】第２変形例の端子基板を装着した半導体装置の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

（第１実施例）図面を参照しつつ第１実施例の半導体装置２を説明する。図１に、半導体装置２の斜視図を示す。図２に半導体装置２の分解斜視図を示す。半導体装置２は、樹脂パッケージ１０に半導体素子２０を封止したデバイスである。図１では、半導体素子２０は樹脂パッケージ１０に覆われているので見えない。図２は、樹脂パッケージ１０の図示を省略し、第１放熱板１４を外した状態の半導体装置２を示している。

【0013】

半導体素子２０は、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴなど、電力変換用のスイッチング素子であり、いわゆるパワー半導体素子と呼ばれる。半導体素子２０の一方の主面（第１主面２０ａ）には第１主電極２１と複数の制御電極２３（図５参照）が配置されている。図２では制御電極２３は端子基板３０に隠れて見えない。半導体素子２０の他方の主面（第２主面２０ｂ）には、第２主電極２２が配置されている。第１主電極２１と第２主電極２２は、スイッチング素子のソースやドレインに接続され、大電流（例えば１０アンペア以上）が流れる。

【0014】

第１主面２０ａの第１主電極２１には銅ブロック１７の下面が接合されており、銅ブロック１７の上面には第１放熱板１４が接合される。第１放熱板１４の縁から第１主端子１１が延びている。第２主面２０ｂには第２主電極２２（図５参照）が配置されており、第２主電極２２を含む第２主面２０ｂには第２放熱板１５が接合される。第２放熱板１５の縁から第２主端子１２が延びている。

【0015】

図１に示されているように、第１放熱板１４は樹脂パッケージ１０の一方の幅広面に露出しており、また第１主端子１１は樹脂パッケージ１０から外へ延びている。図１では第２放熱板１５は見えないが、第２放熱板１５も樹脂パッケージ１０の他方の幅広面に露出しており、第２主端子１２は樹脂パッケージ１０から外へ延びている。第１放熱板１４は、半導体素子２０の第１主電極２１と第１主端子１１の間の導通経路と放熱板を兼ねている。第２放熱板１５も同様に、半導体素子２０の第２主電極２２と第２主端子１２の間の導通経路と放熱板を兼ねている。

【0016】

図１、２では見えないが、半導体素子２０の第１主面２０ａには、第１主電極２１とともに、複数の制御電極２３が露出している。半導体素子２０の上に端子基板３０が取り付けられており、端子基板３０のおもて面３０ａに複数のボンディング端子３３が露出している。詳しくは後述するが、半導体素子２０の複数の制御電極２３のそれぞれは、ボンディング端子３３のそれぞれと導通する。それぞれのボンディング端子３３にはそれぞれのボンディングワイヤ１６の一端が接合されており、それぞれのボンディングワイヤ１６の他端はそれぞれの制御端子１３に接合されている。なお、端子基板３０の「おもて面」、「裏面」との表現は、互いに反対方向を向く一対の面を区別するための便宜上のものである。「おもて面」／「裏面」との表現は、互いに反対方向を向く一対の面のうちの「一方の面」／「他方の面」と換言してもよい。

【0017】

図１に示されているように、複数の制御端子１３は、樹脂パッケージ１０から外へ延びている。半導体素子２０の第１主面２０ａに配置されている複数の制御電極２３は、半導体素子２０の内部でゲート、センスエミッタ、温度センサなどにつながっている。ボンディングワイヤ１６は導電性を有している。半導体素子２０の複数の制御電極２３は、端子基板３０と複数のボンディングワイヤ１６を介して複数の制御端子１３と導通する。

【0018】

半導体素子２０と端子基板３０は樹脂パッケージ１０に覆われているが、主端子１１、１２、制御端子１３を介して、外部のデバイスが半導体素子２０の第１主電極２１や制御電極２３などと導通する。

【0019】

図３に、半導体素子２０から端子基板３０を分離した斜視図を示す。先に述べたように、半導体素子２０の第１主面２０ａに、第１主電極２１とともに複数の制御電極２３が配置されている。先に述べたように、制御電極２３は、ゲート、センスエミッタ、温度センサに繋がっており、主電極に流れる電流よりも小さい電流しか流れない。それゆえ、制御電極２３の面積は第１主電極２１の面積よりも顕著に小さい。

【0020】

説明の便宜上、端子基板３０の＋Ｚ方向を向いている面をおもて面３０ａと称し、ーＺ方向を向いている面を裏面３０ｂと称する。図３の右上には、左側に描かれた端子基板３０を上下反転させた図を示してある。

【0021】

図４に半導体装置２の平面図を示し、図５に、図４のＶ－Ｖ線に沿った断面図を示す。ただし、図４では、樹脂パッケージ１０と第１放熱板１４と銅ブロック１７は図示を省略した。図５では、半導体素子２０の内部構造は図示を省略した。図３～図５を参照しつつ、端子基板３０の構造について詳しく説明する。

【0022】

端子基板３０のおもて面３０ａには、複数のボンディング端子３３が配置されており、裏面３０ｂには複数の中継端子３４が配置されている。複数のボンディング端子３３のそれぞれは、複数の中継端子３４のそれぞれと、端子基板３０の内部で導通している。

【0023】

端子基板３０は、厚みの小さい薄板部３１と、厚みの大きい厚板部３２に分けられる。薄板部３１の厚みは厚板部３２の厚みよりも薄い。複数の中継端子３４は、薄板部３１の裏面３０ｂに配置されている。端子基板３０の裏面３０ｂにて、薄板部３１と厚板部３２の境界が段差３５を形成している。

【0024】

端子基板３０は、複数の中継端子３４のそれぞれが、複数の制御電極２３のそれぞれと接触して導通するように、半導体素子２０に接合される。このとき、半導体素子２０の側面２０ｃが段差３５（より正確には、段差の側面）に当接するように、端子基板３０は半導体素子２０に固定される（図５参照）。別言すれば、半導体素子２０の第１主面２０ａと側面２０ｃの角が、段差３５の角に接している。

【0025】

複数の中継端子３４のそれぞれは、半導体素子２０の側面２０ｃが段差３５に当接したときに複数の制御電極２３のそれぞれと対向するように配置されている。側面２０ｃが段差３５に当接するように端子基板３０が半導体素子２０に取り付けられると、複数の中継端子３４のそれぞれが、複数の制御電極２３のそれぞれと接触し、導通する。段差３５は、半導体素子２０に対する端子基板３０の位置を正確に目標位置に定める役割を果たす。

【0026】

ボンディングワイヤ１６はアルミニウムで作られることが多く、その直径は５００μｍ程度である。図５に示されているように、ボンディングワイヤ１６の先端（ボンディング端子３３に接合している先端）は、熱で溶かされるため、直径よりも大きくなっている。図３－図５によく示されているように、ボンディング端子３３は、ボンディングワイヤ１６を固定するのに十分な面積を有している。別言すれば、ボンディング端子３３の面積は、ボンディングワイヤ１６の断面積よりも大きい。一方、端子基板３０は段差３５によって半導体素子２０に対して正確に位置が定まるので、制御電極２３と中継端子３４は、面積が小さくても確実に接触する。ボンディング端子３３の面積は、制御電極２３や中継端子３４の面積よりも顕著に大きい。別言すれば、制御電極２３と中継端子３４の面積は、ボンディング端子３３の面積よりも小さい。

【0027】

第１実施例の半導体装置２は、端子基板３０によってボンディングワイヤ１６を接合するのに十分な面積を有するボンディング端子３３を確保しつつ、半導体素子２０の第１主面２０ａに設けられた制御電極２３を小さくすることができる。その結果、半導体素子２０の主面を小さくすることができる。すなわち、半導体素子２０を小型化することができる。

【0028】

なお、図５に示されているように、端子基板３０のおもて面３０ａに設けられたボンディング端子３３と裏面３０ｂに設けられた中継端子３４は、端子基板３０の内部にて導電パターン３８によって導通する。

【0029】

ボンディング端子３３の大部分は端子基板３０の厚板部３２に設けられており、中継端子３４は薄板部３１に設けられており、薄板部３１が半導体素子２０の第１主面２０ａに接合される。図５に示されているように、厚板部３２における裏面３０ｂは、半導体素子２０の第２主面２０ｂと面一であり、裏面３０ｂと第２主面２０ｂはともに平坦な第２放熱板１５に当接している。端子基板３０は半導体素子２０と接合した状態で裏面３０ｂが第２放熱板１５に接する。それゆえ、ボンディングワイヤ１６をボンディング端子３３に接合する際、端子基板３０が半導体素子２０に対してずれることがない。

【0030】

（第１変形例）図６に、第１変形例の端子基板１３０の斜視図を示す。端子基板１３０は、裏面１３０ｂに段差１３５を備えており、段差１３５は、２方向の側面１３５ａ、１３５ｂを有している。側面１３５ａと側面１３５ｂは直交する。段差１３５の側面１３５ａ、１３５ｂは、それぞれ、図中の座標系の－Ｘ方向、－Ｙ方向を向いている。端子基板１３０を半導体素子２０に取り付ける際、段差１３５の側面１３５ａ、１３５ｂはそれぞれ半導体素子２０の側面２０ｃ、２０ｄに当接する。側面２０ｄは側面２０ｃと交差する。２方向の側面１３５ａ、１３５ｂを有する段差１３５を備えることで、端子基板１３０は、直交する２方向において半導体素子２０に対して正確に位置決めされる。

【0031】

なお、段差１３５に２個目の側面１３５ｂを設ける代わりに、第２放熱板１５に凸条ガイドを設けてもよい。第１実施例の端子基板３０と半導体素子２０のそれぞれのＹ方向を向く面を凸条ガイドに押し当てる。そうすると、半導体素子２０に対して端子基板３０をＹ方向でも正確に位置決めすることができる。

【0032】

（第２変形例）図７と図８を参照して第２変形例の端子基板２３０を説明する。図７に、端子基板２３０と半導体素子２０の斜視図を示す。図８に、端子基板２３０を装着した半導体装置２０２の断面図を示す。図７の右上に、左側の端子基板２３０を上下反転させた斜視図を示す。図７は図３に対応し、図８は図５に対応する。

【0033】

端子基板２３０は、第１実施例の端子基板３０の厚板部３２のかわりに複数の突起２３１を備えている。図７の右上に、端子基板２３０の裏面２３０ｂを上に向けた図を示してある。端子基板２３０のおもて面２３０ａには複数のボンディング端子３３が配置されており、裏面２３０ｂには複数の中継端子３４が配置されている。ボンディング端子３３のそれぞれは、中継端子３４のそれぞれと端子基板２３０の内部で導通している。

【0034】

端子基板２３０の裏面２３０ｂには複数の突起２３１が設けられている。突起２３１の側面が第１実施例の端子基板３０の段差３５に対応する。より正確には、端子基板２３０の裏面２３０ｂと突起２３１の先端面の高低差が段差に相当する。

【0035】

端子基板２３０を半導体素子２０に取り付ける際、突起２３１の側面（段差の側面に相当）が半導体素子２０の側面２０ｃに当接する。突起２３１の側面を半導体素子２０の側面２０ｃに当接させることで、Ｘ方向における半導体素子２０に対する端子基板２３０の位置を正確に定めることができる。

【0036】

実施例の半導体装置２（２０２）に関する他の特徴を述べる。端子基板３０（１３０、２３０）は、半導体素子２０を覆う樹脂パッケージ１０と同じ材料で作られる。材料の典型は、ポリイミドあるいはポリアミドである。端子基板３０（１３０、２３０）を樹脂パッケージ１０と同じ材料で作ることで、樹脂パッケージ１０を射出成型する際、樹脂パッケージ１０と端子基板３０（１３０、２３０）の境界近傍で発生する応力を小さくすることができる。

【0037】

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。１個の半導体素子に対して複数の端子基板が取り付けられていてもよい。また、複数の制御電極は半導体素子２０の第１主面上の複数の箇所に分散して配置されてもよい。

【0038】

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

【符号の説明】

【0039】

２、２０２：半導体装置 １０：樹脂パッケージ １１、１２：主端子 １３：制御端子 １４、１５：放熱板 １６：ボンディングワイヤ １７：銅ブロック ２０：半導体素子 ２０ａ：第１主面 ２０ｂ：第２主面 ２０ｃ、２０ｄ：側面 ２１、２２：主電極 ２３：制御電極 ３０、１３０、２３０：端子基板 ３０ａ、２３０ａ：おもて面 ３０ｂ、１３０ｂ、２３０ｂ：裏面 ３１：薄板部 ３２：厚板部 ３３：ボンディング端子 ３４：中継端子 ３５、１３５：段差 ３８：導電パターン １３５ａ、１３５ｂ：側面 ２３１：突起

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【手続補正書】

【提出日】2024-10-01

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

一方の主面に主電極と制御電極が配置されている半導体素子と、
おもて面にワイヤが接合されるボンディング端子が配置されており、裏面に中継端子が配置されており、前記ボンディング端子と前記中継端子が導通している端子基板と、
前記主電極と導通しているとともに前記主電極と平行に延びている主端子と、
を備えており、
前記ボンディング端子の面積が前記制御電極の面積よりも大きく、
前記制御電極と前記中継端子が接触するように前記端子基板が前記半導体素子に接合されており、
前記裏面に段差が設けられており、前記段差に前記半導体素子の側面が当接している、半導体装置。

【請求項2】

前記端子基板は、前記中継端子を含んでいる薄板部と、前記ボンディング端子を含んでいる厚板部を有しており、
前記薄板部の厚みが前記厚板部の厚みよりも薄く、
前記薄板部と前記厚板部の境界が前記段差に相当し、
前記薄板部が前記半導体素子と接合されている、
請求項１に記載の半導体装置。

【請求項3】

前記厚板部における前記裏面が半導体素子の他方の主面と面一である、請求項２に記載の半導体装置。

【請求項4】

前記裏面に前記段差を形成する突起が設けられている、請求項１に記載の半導体装置。

【請求項5】

前記ボンディング端子と導通しているとともに、前記主電極に平行に延びている制御端子をさらに備えている、請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体装置。

【請求項6】

前記制御端子は、前記主端子とは反対方向に延びている、請求項５に記載の半導体装置。

【請求項7】

前記半導体素子と前記端子基板を覆う樹脂パッケージを備えており、
前記主電極と導通している放熱板の一方の面が前記樹脂パッケージから露出している、
請求項１に記載の半導体装置。

【請求項8】

前記主電極と前記放熱板の間に導電性のスペーサが挟まれている、請求項７に記載の半導体装置。