JP2004273492A

JP2004273492A - Semiconductor device

Info

Publication number: JP2004273492A
Application number: JP2003058075A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Takara; 正行高良
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-03-05
Filing date: 2003-03-05
Publication date: 2004-09-30
Anticipated expiration: 2023-03-05
Also published as: JP3995618B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device the semiconductor chip of which has a long temperature cycle life and a simple structure. <P>SOLUTION: This semiconductor device (10) is provided with: a semiconductor chip (11) provided with first and second main surfaces (15) and (17) facing each other, and first and second electrodes on the main surfaces (15) and (17) respectively; first and second conductive cases (12) and (13) which are positioned to face the main surfaces (15) and (17) of the semiconductor chip (11) respectively and to which the first and second electrodes are respectively connected through solder (16 and 18); and an insulator (14) positioned between the first and the second conductive cases (12) and (13). The conductive cases (12 and 13) and insulator (14) constitute a case covering the whole body of the semiconductor chip (11). <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のパワーモジュールにおいては、絶縁基板上に、その内部に電力用素子が形成された半導体チップが配置される。例えば、その半導体チップ内には、ダイオード、ＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）またはパワーＭＯＳＦＥＴ（ＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＦｉｅｌｄＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等が形成される。半導体チップ内に、例えば、ダイオードが形成される場合、半導体チップの上面にアノード電極が設けられ、下面にカソード電極が設けられる。一般に、パワーモジュールにおいて、半導体チップの下面に設けられた電極は、半田を介して、絶縁基板上に形成された金属パターンに接続され、半導体チップの上面に設けられた電極は、ボンディングワイヤであるアルミニウム等の金属ワイヤを介して、電極端子に接続される。
【０００３】
しかし、上述の金属ワイヤによる接続は、半導体チップの電極とワイヤとの接触面が小さいために、接続の強度が低く、温度サイクルに対する接続の信頼性が低い。従って、半導体チップの温度サイクル寿命がボンディングワイヤによって決定されるという問題がある。
【０００４】
例えば、従来のパワーモジュールには、半導体チップの表面および裏面に設けられた電極を、半田によって、絶縁板に設けられた金属膜、および、金属端子に接続するものがある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
また、従来の別のパワーモジュールには、半導体素子の下面が、放熱板に搭載され、半導体素子の上面が、上記放熱板に接合された金属から成る放熱部材に、半田等により接続されるものがある（例えば、特許文献２参照。）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平８−８３９５号公報（第４−６頁、図１−図７）
【特許文献２】
特開２０００−１５６４３９号公報（第３−５頁、図１−図３）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１および特許文献２などに開示されるパワーモジュールにおいては、半導体チップの電極と外部電極とを、金属ワイヤを用いることなく接続し、熱抵抗が低減される等の効果を有する。
【０００８】
しかし、構造がより簡単なパワーモジュールが望まれている。
【０００９】
本発明の目的は、半導体チップの温度サイクル寿命が長く、かつ、構造が簡単なパワーモジュール（半導体装置）を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体装置は、互いに対向する第１の主面および第２の主面を備え、かつ、前記の第１の主面および前記の第２の主面に、それぞれ、第１の電極および第２の電極を備える半導体チップと、前記の半導体チップの第１の主面および第２の主面にそれぞれ面して位置され、かつ、前記の第１の電極および前記の第２の電極が、それぞれ、導電性接続部材を介して接続される第１の導電性ケース部分および第２の導電性ケース部分と、前記の第１の導電性ケース部分および前記の第２の導電性ケース部分の間に位置される第１の絶縁体とを備える。また、前記の第１の導電性ケース部分、前記の第２の導電性ケース部分および前記の第１の絶縁体は、前記の半導体チップ全体を覆うケースを構成する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下に、添付の図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、実施の形態１による半導体装置の構成を図式的に示す図である。図１の（１）は、本実施の形態による半導体装置の上面図、図１の（２）は、図１の（１）の破線Ａ−Ａにおける断面図である。図１の（２）に示されるように、本実施の形態による半導体装置１０は、半導体チップ１１、第１の金属ケース部分１２、第２の金属ケース部分１３および絶縁体平板１４を備える。絶縁体平板１４は、第１の金属ケース部分１２と第２の金属ケース部分１３とによって挟持される。半導体チップ１１は、第１の金属ケース部分１２、第２の金属ケース部分１３、および、絶縁体平板１４により構成される中空部分に設置される。半導体チップ１１は、対向する２つの主面を有し、各々の主面に単一の電極が設けられる。半導体チップ１１の一方の主面１５に設けられた電極は、半田１６を介して、第１の金属ケース部分１２に接続され、半導体チップ１１の他方の主面１７に設けられた電極は、半田１８を介して、第２の金属ケース部分１３に接続される。ここで、半導体チップ１１内に形成される素子は、例えば、ダイオードである。その場合、半導体チップ１１の一方の主面にはアノード電極が、他方の主面には、カソード電極が設けられる。
【００１２】
第１の金属ケース部分１２は、方形の平坦部と、その平坦部の四辺から垂直に延びた側壁部とから成る。第１の金属ケース部分１２は、その平坦部が、半導体チップ１１の主面１５に対向するように位置される。第１の金属ケース部分１２の側壁部は、平坦部の周囲から半導体チップ１１の主面１５側に、その平坦部に垂直に延びるように位置される。以上のように、第１の金属ケース部分１２は、半導体チップ１１の主面１５を覆うように設置される。第２の金属ケース部分１３も、第１の金属ケース部分１２と同一の形状を有する。第２の金属ケース部分１３は、その平坦部が、半導体チップ１１の主面１７に対向し、その側壁部が、平坦部の周囲から半導体チップ１１の主面１７側に、その平坦部に垂直に延びるように設置される。第２の金属ケース部分１２は、半導体チップ１１の主面１７を覆うように設置される。第１の金属ケース部分１２および第２の金属ケース部分１３は、それぞれ、半導体チップ１１の互いに対向する主面１５および主面１７を覆うので、２つの金属ケース部分１２，１３および２つの金属ケース部分１２，１３の間に位置された絶縁体平板１４を組み合せて、半導体チップ１１全体を覆う１つのケースとしてみなすことができる。
【００１３】
絶縁体平板１４は、図１の（１）および図１の（２）に示されるように、半導体チップ１１の周囲を囲むように配置され、第１の金属ケース部分１２と第２の金属ケース部分１３とによって挟持される。この絶縁体平板１４は、第１の金属ケース部分１２と第２の金属ケース部分１３とを絶縁する。絶縁体平板１４は、２つの金属ケース部分によって挟持される部分からそれらの金属ケース部分の外側に突出する部分を含む。
【００１４】
半導体装置１０においては、半導体チップ１１の主面１５および主面１７に設けられた電極が、それぞれ、半田を介して、第１の金属ケース部分１２および第２の金属ケース部分１３に接続される。例えば、半導体チップ１１内にダイオードが形成され、半導体チップの主面１５および主面１７に、それぞれ、アノード電極およびカソード電極が設けられた場合、アノード電極およびカソード電極が、ともに、半田を介して、対応する金属ケース部分に接続される。これらの金属ケース部分は、電極端子として使用でき、半導体装置は、金属ケース部分を介して、外部の回路と接続される。
【００１５】
本実施の形態による半導体装置においては、半導体チップと金属ケース部分が半田を介して接続される。半田を介した接続は、ワイヤによる接続よりも大きい面積で行われるため、接続の強度が高く、温度サイクルに対する接続の信頼性が高い。従って、本実施の形態による半導体装置において、半導体チップは、ワイヤボンディングによって接続が行われていた従来の半導体チップと比較して、温度サイクル寿命が長い。
【００１６】
また、本実施の形態による半導体装置においては、半導体チップの表面に設けられた電極が、ワイヤ接続される場合より大きい面積で外部電極と接続されるので、接続による抵抗を低減できる。
【００１７】
また、本実施の形態による半導体装置においては、半導体チップの表面に設けられた電極が、ワイヤ接続される場合より大きい面積で外部電極と接続されるので、電極への突入電流の許容範囲が大きくなる。
【００１８】
さらに、本実施の形態による半導体装置においては、第１の金属ケース部分および第２の金属ケース部分が、半導体チップを覆うパッケージを兼ねるため、その構造が簡単でかつ安価な半導体装置を実現できる。
【００１９】
また、本実施の形態による半導体装置においては、表面積の小さい半導体チップを、熱伝導効率のよい金属ケース部分に直接接触させるため、放熱用の面積が大きくなり、放熱の効率が上がる。従って、半導体チップの電極と外部電極との接続が金属ワイヤによって行われる従来の半導体装置と比較して、半導体装置全体の熱抵抗を低減できる。また、これにより、半導体装置のパワーサイクル寿命を延ばすことができる。
【００２０】
なお、本実施の形態による半導体装置において、第１の金属ケース部分および第２の金属ケース部分を、方形の平坦部と、その平坦部の四辺から垂直に延びた側壁部とから成る矩形型ケースとしたが、これに限られない。例えば、方形の平坦部と、その平坦部の四辺からその平坦部と９０度以外の所定の角度を成すように延びた側壁部とから成る金属ケース部分であってよい。また、曲面を含み、その断面が例えば半円となるような金属ケース部分であってもよい。そのような場合であっても、本実施の形態による半導体装置と同様の効果が得られる。ただし、金属ケース部分を上述のように構造が単純な矩形型ケースとすれば、安価な半導体装置を提供できる。
【００２１】
なお、本実施の形態による半導体装置において、２つの金属ケース部分によって挟持される絶縁体を、半導体チップの周囲に配置される絶縁体平板としたが、それに限られない。２つの金属ケース部分を絶縁することができれば、任意の形状であってよく、例えば、２つの金属ケース部分の接触面のみに設けられてもよい。そのような場合であっても、本実施の形態による半導体装置と同様の効果が得られる。ただし、この絶縁体が、第１の金属ケース部分と接合する部分から第１の金属ケース部分の外側に突出する部分を有する、および／または、第２の金属ケース部分と接合する部分から第２の金属ケース部分の外側に突出する部分を有する場合は、２つの金属ケース部分間の距離を一定の距離として容易に確保できる。
【００２２】
なお、本実施の形態による半導体装置において、２つの金属ケース部分を同一形状としたが、これに限られない。例えば、２つの金属ケースの一方のみが、方形の平坦部と、その平坦部の四辺から垂直に延びた側壁部とから成ってもよい。２つの金属ケース部分が異なる形状であっても、２つの金属ケース部分と絶縁体とを用いて、半導体チップ全体を覆うことができれば、本実施の形態による半導体装置と同一の効果が得られる。
【００２３】
なお、本実施の形態による半導体装置においては、半導体チップと金属ケース部分とを半田によって接続しているが、これに限られない。半田の代わりに、例えば、導電性接着剤等の他の導電性接続部材を用いてもよい。その場合であっても、本実施の形態による半導体装置と同一の効果が得られる。
【００２４】
実施の形態２．
図２は、実施の形態２による半導体装置の構成を図式的に示す図である。図２の（１）は、本実施の形態による半導体装置の上面図、図２の（２）は、図２の（１）の破線Ｂ−Ｂにおける断面図である。図２に示される半導体装置２０において、図１に示される半導体装置１０と同一の構成要素には、同一の符号を付し、説明を省略する。図２の（２）に示されるように、本実施の形態による半導体装置２０は、半導体チップ２１、第１の金属ケース部分２２、第２の金属ケース部分１３および絶縁体平板１４を備える。絶縁体平板１４は、第１の金属ケース部分２２と第２の金属ケース部分１３とによって挟持される。半導体チップ２１は、第１の金属ケース部分２２、第２の金属ケース部分１３、および、絶縁体平板１４により構成される中空部分に設置される。半導体チップ２１は、対向する２つの主面を有し、各々の主面に電極が設けられる。このとき、半導体チップ２１の一方の主面２５に２つの電極が設けられ、他方の主面２７に１つの電極が設けられる。例えば、半導体チップ２１内に形成される素子がＩＧＢＴである場合、半導体チップ２１の一方の主面２５に、ゲート電極３０およびエミッタ電極（図示されない）が設けられ、半導体チップ２１の他方の主面２７に、コレクタ電極（図示されない）が設けられる。例えば、主面２５において、ゲート電極３０は、主面２５の中央に位置され、エミッタ電極は、そのゲート電極３０の周囲に配置される。主面２７に設けられたコレクタ電極は、半田１８を介して、第２の金属ケース部分１３に接続される。
【００２５】
第１の金属ケース部分２２は、方形の平坦部と、その平坦部の四辺から垂直に延びた側壁部とから成る。また、図２の（１）に示されるように、第１の金属ケース部分２２は、その平坦部の中央に貫通穴３１を有する。貫通穴３１は、半導体チップ２１のゲート電極３０が露出するように、第１の金属ケース部分２２においてゲート電極３０と並ぶ位置に設けられる。第１の金属ケース部分２２は、その平坦部が、半導体チップ２１の主面２５に対向するように位置される。第１の金属ケース部分２２の側壁部は、平坦部の周囲から半導体チップ２１の主面２５側に、その平坦部に垂直に延びるように位置される。以上により、第１の金属ケース部分２２は、半導体チップ２１の主面２５を覆うように設置される。
【００２６】
貫通穴３１の内壁には、その内壁に沿って絶縁体３２が設けられる。絶縁体３２は、貫通穴３１の開口部から、第１の金属ケース部分２２と半導体チップ２１との間の空洞部分を通って、半導体チップ２１まで延びた筒型の形状をしている。絶縁体３２は、半導体チップ２１の主面２５において、ゲート電極３０の周囲を囲う。この絶縁体３２により、ゲート電極３０とエミッタ電極は、分離され、絶縁される。図２の（２）に示されるように、ゲート電極３０は、貫通穴３１を介して半導体装置２０の外部に露出する。
【００２７】
主面２５に設けられたもう１つの電極であるエミッタ電極は、半田３３を介して、第１の金属ケース部分２２に接続される。半田３３は、筒型形状の絶縁体３２の外部に配置される。
【００２８】
半導体装置２０において、ゲート電極３０は、金属ワイヤによって、外部の金属端子と接続される。主面２５に設けられたエミッタ電極および主面１７に設けられたコレクタ電極は、それぞれ、半田を介して、第１の金属ケース部分２２および第２の金属ケース部分１３に接続される。これらの金属ケース部分２２，１３は、電極端子として使用でき、半導体装置２０は、金属ケース部分を介して、外部の回路と接続される。ゲート電極３０に接続された金属端子は、外部の駆動回路と接続される。
【００２９】
本実施の形態による半導体装置においては、エミッタ電極が、半田を介して、金属ケース部分に接続される。従って、ゲート電極とエミッタ電極が共に金属ワイヤにより接続されていた従来のパワーモジュールと比較して、ワイヤにより接続される電極の数が減り、接続の信頼性が高くなる。これは、半導体チップの温度サイクル寿命を長くする。また、エミッタ電極についていえば、半田を介した接続により、接続の面積が大きくなるため、温度サイクルに対する接続の信頼性が高くなり、半導体チップの温度サイクル寿命が長くなる。
【００３０】
また、本実施の形態による半導体装置においては、半導体チップの表面に設けられたエミッタ電極が、ワイヤ接続される場合より大きい面積で外部電極と接続されるので、接続による抵抗を低減できる。結果として、半導体素子（ここでは、ＩＧＢＴ）のオン抵抗が低減できる。
【００３１】
また、本実施の形態による半導体装置においては、半導体チップの表面に設けられたエミッタ電極が、ワイヤ接続される場合より大きい面積で外部電極と接続されるので、電極への突入電流の許容範囲が大きくなる。
【００３２】
さらに、本実施の形態による半導体装置においては、第１の金属ケース部分および第２の金属ケース部分が、半導体チップを覆うパッケージを兼ねるため、その構造が簡単でかつ安価な半導体装置を実現できる。
【００３３】
さらに、本実施の形態による半導体装置においては、ゲート電極の周囲を囲むように絶縁体が設けられているため、ゲート電極と外部電極との接続を、他の回路との絶縁について必要以上に注意することなく容易に行うことができる。従って、制御電極と外部電極との接続を極めて簡単に行える安価な半導体装置を提供できる。
【００３４】
また、本実施の形態による半導体装置においては、表面積の小さい半導体チップを、熱伝導効率のよい金属ケース部分に直接接触させるため、放熱用の面積が大きくなり、放熱の効率が上がる。従って、半導体チップの電極と外部電極との接続が金属ワイヤによって行われる従来の半導体装置と比較して、半導体装置全体の熱抵抗を低減できる。また、これにより、半導体装置のパワーサイクル寿命を延ばすことができる。
【００３５】
なお、本実施の形態による半導体装置においては、半導体チップ内にＩＧＢＴが形成されるとしたが、これに限られない。半導体チップ内に、例えば、ＭＯＳＦＥＴが形成されてもよい。その場合には、例えば、半導体チップの一方の主面に、ゲート電極およびソース電極が設けられ、他方の主面にドレイン電極が設けられる。つまり、本実施の形態における半導体装置において、エミッタ電極がソース電極に、コレクタ電極がドレイン電極に置き換えられた構造となる。そのような場合であっても、本実施の形態による半導体装置と同一の効果が得られる。
【００３６】
なお、本実施の形態による半導体装置において、金属ケース部分の貫通穴を、その金属ケース部分の平坦部の中央に設けたが、半導体チップの制御電極の位置に合わせて金属ケース部分の任意の箇所に設けることが可能である。また、半導体装置における貫通穴の位置、および、半田の位置は、半導体チップの電極の配置に合わせて任意に選択できる。さらに、貫通穴の形状は、その断面が円形である筒型形状に限らず、その断面が多角形の角柱型形状等の任意の形状であってよい。
【００３７】
なお、本実施の形態による半導体装置において、第１の金属ケース部分および第２の金属ケース部分を、方形の平坦部と、その平坦部の四辺から垂直に延びた側壁部とから成る矩形型ケースとしたが、これに限られない。例えば、方形の平坦部と、その平坦部の四辺からその平坦部と９０度以外の所定の角度を成すように延びた側壁部とから成る金属ケース部分であってよい。また、曲面を含み、その断面が例えば半円となるような金属ケース部分であってもよい。そのような場合であっても、本実施の形態による半導体装置と同様の効果が得られる。ただし、金属ケース部分を上述のように構造が単純な矩形型ケースとすれば、安価な半導体装置を提供できる。
【００３８】
なお、本実施の形態による半導体装置において、２つの金属ケース部分によって挟持される絶縁体を、半導体チップの周囲に配置される絶縁体平板としたが、それに限られない。２つの金属ケース部分を絶縁することができれば、任意の形状であってよく、例えば、２つの金属ケース部分の接触面のみに設けられてもよい。そのような場合であっても、本実施の形態による半導体装置と同様の効果が得られる。ただし、この絶縁体が、第１の金属ケース部分と接合する部分から第１の金属ケース部分の外側に突出する部分を有する、および／または、第２の金属ケース部分と接合する部分から第２の金属ケース部分の外側に突出する部分を有する場合は、２つの金属ケース部分間の距離を一定の距離として容易に確保できる。
【００３９】
なお、本実施の形態による半導体装置において、２つの金属ケース部分を同一形状としたが、これに限られない。例えば、２つの金属ケースの一方のみが、方形の平坦部と、その平坦部の四辺から垂直に延びた側壁部とから成ってもよい。２つの金属ケース部分が異なる形状であっても、２つの金属ケース部分と絶縁体とを用いて、半導体チップ全体を覆うことができれば、本実施の形態による半導体装置と同一の効果が得られる。
【００４０】
なお、本実施の形態による半導体装置においては、コレクタ電極およびエミッタ電極が、半田を介して、金属ケース部分に接続されるが、これに限られない。半田の代わりに、例えば、導電性接着剤等の他の導電性接続部材を用いてもよい。その場合であっても、本実施の形態による半導体装置と同一の効果が得られる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明による半導体装置によれば、互いに対向する第１の主面および第２の主面を備え、かつ、第１の主面および第２の主面に、それぞれ、第１の電極および第２の電極を備える半導体チップと、半導体チップの第１の主面および第２の主面にそれぞれ面して位置され、かつ、第１の電極および第２の電極が、それぞれ、導電性接続部材を介して接続される第１の導電性ケース部分および第２の導電性ケース部分と、第１の導電性ケース部分および第２の導電性ケース部分の間に位置される第１の絶縁体とを備え、第１の導電性ケース部分、第２の導電性ケース部分および第１の絶縁体が、半導体チップ全体を覆うケースを構成するので、半導体チップの温度サイクル寿命が長く、かつ、構造が簡単な半導体装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（１）は、本発明の実施の形態１による半導体装置の上面図、（２）は、（１）に示された半導体装置の断面図である。
【図２】（１）は、本発明の実施の形態２による半導体装置の上面図、（２）は、（１）に示された半導体装置の断面図である。
【符号の説明】
１０半導体装置、１１半導体チップ、１２，１３金属ケース部分、
１４絶縁体、１６，１８半田[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device.
[0002]
[Prior art]
In a conventional power module, a semiconductor chip having a power element formed therein is disposed on an insulating substrate. For example, a diode, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) or a power MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) is formed in the semiconductor chip. When a diode is formed in a semiconductor chip, for example, an anode electrode is provided on the upper surface of the semiconductor chip, and a cathode electrode is provided on the lower surface. Generally, in a power module, an electrode provided on a lower surface of a semiconductor chip is connected to a metal pattern formed on an insulating substrate via solder, and an electrode provided on an upper surface of the semiconductor chip is a bonding wire. It is connected to an electrode terminal via a metal wire such as aluminum.
[0003]
However, the connection using the metal wire described above has a low connection strength and a low connection reliability with respect to a temperature cycle because the contact surface between the electrode of the semiconductor chip and the wire is small. Therefore, there is a problem that the temperature cycle life of the semiconductor chip is determined by the bonding wire.
[0004]
For example, in a conventional power module, an electrode provided on a front surface and a back surface of a semiconductor chip is connected to a metal film provided on an insulating plate and a metal terminal by soldering. reference.).
[0005]
In another conventional power module, the lower surface of a semiconductor element is mounted on a heat sink, and the upper surface of the semiconductor element is connected to a heat dissipating member made of metal bonded to the heat sink by soldering or the like. (For example, see Patent Document 2).
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-8-8395 (pages 4-6, FIGS. 1-7)
[Patent Document 2]
JP-A-2000-156439 (pages 3-5, FIGS. 1-3)
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
The power modules disclosed in Patent Literature 1 and Patent Literature 2, for example, have an effect that the electrodes of the semiconductor chip and the external electrodes are connected without using metal wires, and the thermal resistance is reduced.
[0008]
However, a power module having a simpler structure is desired.
[0009]
An object of the present invention is to provide a power module (semiconductor device) having a long temperature cycle life of a semiconductor chip and a simple structure.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
A semiconductor device according to the present invention includes a first main surface and a second main surface facing each other, and a first electrode is provided on each of the first main surface and the second main surface. And a semiconductor chip having a second electrode and a first main surface and a second main surface of the semiconductor chip, respectively, and the first electrode and the second electrode Are respectively connected via a conductive connecting member, a first conductive case portion and a second conductive case portion, and the first conductive case portion and the second conductive case portion. And a first insulator located between the first and second insulators. The first conductive case portion, the second conductive case portion, and the first insulator constitute a case that covers the entire semiconductor chip.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Embodiment 1 FIG.
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of the semiconductor device according to the first embodiment. 1A is a top view of the semiconductor device according to the present embodiment, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along a broken line AA in FIG. As shown in FIG. 1B, the semiconductor device 10 according to the present embodiment includes a semiconductor chip 11, a first metal case portion 12, a second metal case portion 13, and an insulator flat plate 14. The insulator flat plate 14 is sandwiched between the first metal case portion 12 and the second metal case portion 13. The semiconductor chip 11 is installed in a hollow portion formed by a first metal case portion 12, a second metal case portion 13, and an insulating flat plate 14. The semiconductor chip 11 has two opposing main surfaces, and a single electrode is provided on each main surface. An electrode provided on one main surface 15 of the semiconductor chip 11 is connected to the first metal case portion 12 via a solder 16, and an electrode provided on the other main surface 17 of the semiconductor chip 11 is connected to a solder Through 18, it is connected to the second metal case portion 13. Here, the element formed in the semiconductor chip 11 is, for example, a diode. In that case, an anode electrode is provided on one main surface of the semiconductor chip 11, and a cathode electrode is provided on the other main surface.
[0012]
The first metal case portion 12 includes a rectangular flat portion and side wall portions extending vertically from four sides of the flat portion. The first metal case portion 12 is positioned such that its flat portion faces the main surface 15 of the semiconductor chip 11. The side wall of the first metal case portion 12 is located on the main surface 15 side of the semiconductor chip 11 from the periphery of the flat portion so as to extend perpendicular to the flat portion. As described above, the first metal case portion 12 is provided so as to cover the main surface 15 of the semiconductor chip 11. The second metal case part 13 also has the same shape as the first metal case part 12. The second metal case portion 13 has a flat portion facing the main surface 17 of the semiconductor chip 11, and a side wall portion extending vertically from the periphery of the flat portion toward the main surface 17 of the semiconductor chip 11. It is installed to extend. The second metal case portion 12 is installed so as to cover the main surface 17 of the semiconductor chip 11. Since the first metal case portion 12 and the second metal case portion 13 respectively cover the opposing main surfaces 15 and 17 of the semiconductor chip 11, the two metal case portions 12, 13 and the two metal cases By combining the insulator flat plate 14 located between the portions 12 and 13, it can be regarded as one case that covers the entire semiconductor chip 11.
[0013]
As shown in FIGS. 1A and 1B, the insulator flat plate 14 is disposed so as to surround the periphery of the semiconductor chip 11, and the first metal case portion 12 and the second metal case It is clamped by the part 13. The insulator plate 14 insulates the first metal case portion 12 from the second metal case portion 13. The insulator flat plate 14 includes a portion that protrudes from the portion sandwiched between the two metal case portions to the outside of the metal case portions.
[0014]
In semiconductor device 10, electrodes provided on main surface 15 and main surface 17 of semiconductor chip 11 are connected to first metal case portion 12 and second metal case portion 13 via solder, respectively. . For example, when a diode is formed in the semiconductor chip 11 and an anode electrode and a cathode electrode are provided on the main surface 15 and the main surface 17 of the semiconductor chip, respectively, the anode electrode and the cathode electrode are both connected via solder. Connected to the corresponding metal case part. These metal case portions can be used as electrode terminals, and the semiconductor device is connected to an external circuit via the metal case portion.
[0015]
In the semiconductor device according to the present embodiment, the semiconductor chip and the metal case are connected via solder. Since the connection via the solder is performed in a larger area than the connection using the wire, the strength of the connection is high, and the reliability of the connection with respect to the temperature cycle is high. Therefore, in the semiconductor device according to the present embodiment, the semiconductor chip has a longer temperature cycle life than the conventional semiconductor chip connected by wire bonding.
[0016]
Further, in the semiconductor device according to the present embodiment, the electrode provided on the surface of the semiconductor chip is connected to the external electrode with a larger area than when the wire is connected, so that the resistance due to connection can be reduced.
[0017]
Further, in the semiconductor device according to the present embodiment, since the electrode provided on the surface of the semiconductor chip is connected to the external electrode with a larger area than when the wire is connected, the allowable range of the rush current to the electrode is large. Become.
[0018]
Furthermore, in the semiconductor device according to the present embodiment, since the first metal case portion and the second metal case portion also serve as a package covering the semiconductor chip, a simple and inexpensive semiconductor device can be realized.
[0019]
Further, in the semiconductor device according to the present embodiment, since the semiconductor chip having a small surface area is brought into direct contact with the metal case portion having good heat conduction efficiency, the heat dissipation area increases, and the heat dissipation efficiency increases. Therefore, the thermal resistance of the entire semiconductor device can be reduced as compared with a conventional semiconductor device in which the electrodes of the semiconductor chip and the external electrodes are connected by metal wires. Thus, the power cycle life of the semiconductor device can be extended.
[0020]
In the semiconductor device according to the present embodiment, the first metal case portion and the second metal case portion are each formed of a rectangular flat portion and a side wall portion extending vertically from four sides of the flat portion. But it is not limited to this. For example, the metal case portion may be a rectangular flat portion and a side wall portion extending from four sides of the flat portion so as to form a predetermined angle other than 90 degrees with the flat portion. Further, a metal case portion including a curved surface and having a cross section of, for example, a semicircle may be used. Even in such a case, effects similar to those of the semiconductor device according to the present embodiment can be obtained. However, if the metal case is a rectangular case having a simple structure as described above, an inexpensive semiconductor device can be provided.
[0021]
In the semiconductor device according to the present embodiment, the insulator sandwiched between the two metal case portions is an insulator flat plate arranged around the semiconductor chip, but is not limited thereto. Any shape may be used as long as the two metal case parts can be insulated. For example, it may be provided only on the contact surface between the two metal case parts. Even in such a case, effects similar to those of the semiconductor device according to the present embodiment can be obtained. However, the insulator has a portion protruding outside the first metal case portion from a portion joined to the first metal case portion, and / or a second portion extending from the portion joined to the second metal case portion. In this case, the distance between the two metal case portions can be easily secured as a constant distance.
[0022]
In the semiconductor device according to the present embodiment, the two metal case portions have the same shape, but the present invention is not limited to this. For example, only one of the two metal cases may be composed of a rectangular flat portion and side wall portions extending vertically from four sides of the flat portion. Even if the two metal case portions have different shapes, the same effect as the semiconductor device according to the present embodiment can be obtained as long as the entire semiconductor chip can be covered using the two metal case portions and the insulator.
[0023]
In the semiconductor device according to the present embodiment, the semiconductor chip and the metal case are connected to each other by soldering, but the present invention is not limited to this. Instead of solder, for example, another conductive connection member such as a conductive adhesive may be used. Even in that case, the same effects as those of the semiconductor device according to the present embodiment can be obtained.
[0024]
Embodiment 2 FIG.
FIG. 2 is a diagram schematically showing a configuration of a semiconductor device according to a second embodiment. 2A is a top view of the semiconductor device according to the present embodiment, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along a broken line BB in FIG. In the semiconductor device 20 shown in FIG. 2, the same components as those of the semiconductor device 10 shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted. As shown in FIG. 2B, the semiconductor device 20 according to the present embodiment includes a semiconductor chip 21, a first metal case portion 22, a second metal case portion 13, and an insulator flat plate 14. The insulator plate 14 is sandwiched between the first metal case portion 22 and the second metal case portion 13. The semiconductor chip 21 is installed in a hollow portion formed by the first metal case portion 22, the second metal case portion 13, and the insulator flat plate 14. The semiconductor chip 21 has two opposing main surfaces, and an electrode is provided on each main surface. At this time, two electrodes are provided on one main surface 25 of the semiconductor chip 21 and one electrode is provided on the other main surface 27. For example, when an element formed in the semiconductor chip 21 is an IGBT, a gate electrode 30 and an emitter electrode (not shown) are provided on one main surface 25 of the semiconductor chip 21, and the other main surface of the semiconductor chip 21 is provided. At 27, a collector electrode (not shown) is provided. For example, on the main surface 25, the gate electrode 30 is located at the center of the main surface 25, and the emitter electrode is arranged around the gate electrode 30. The collector electrode provided on main surface 27 is connected to second metal case portion 13 via solder 18.
[0025]
The first metal case portion 22 includes a rectangular flat portion and side wall portions extending vertically from four sides of the flat portion. Further, as shown in FIG. 2A, the first metal case portion 22 has a through hole 31 at the center of the flat portion. The through hole 31 is provided in the first metal case portion 22 at a position aligned with the gate electrode 30 so that the gate electrode 30 of the semiconductor chip 21 is exposed. The first metal case portion 22 is positioned such that its flat portion faces the main surface 25 of the semiconductor chip 21. The side wall portion of the first metal case portion 22 is located on the main surface 25 side of the semiconductor chip 21 from the periphery of the flat portion so as to extend perpendicularly to the flat portion. As described above, the first metal case portion 22 is installed so as to cover the main surface 25 of the semiconductor chip 21.
[0026]
An insulator 32 is provided on the inner wall of the through hole 31 along the inner wall. The insulator 32 has a cylindrical shape extending from the opening of the through hole 31 to the semiconductor chip 21 through the cavity between the first metal case portion 22 and the semiconductor chip 21. The insulator 32 surrounds the periphery of the gate electrode 30 on the main surface 25 of the semiconductor chip 21. The gate electrode 30 and the emitter electrode are separated and insulated by the insulator 32. As shown in FIG. 2B, the gate electrode 30 is exposed to the outside of the semiconductor device 20 through the through hole 31.
[0027]
An emitter electrode, which is another electrode provided on the main surface 25, is connected to the first metal case portion 22 via the solder 33. The solder 33 is arranged outside the cylindrical insulator 32.
[0028]
In the semiconductor device 20, the gate electrode 30 is connected to an external metal terminal by a metal wire. The emitter electrode provided on main surface 25 and the collector electrode provided on main surface 17 are connected to first metal case portion 22 and second metal case portion 13 via solder, respectively. These metal case portions 22 and 13 can be used as electrode terminals, and the semiconductor device 20 is connected to an external circuit via the metal case portion. The metal terminal connected to the gate electrode 30 is connected to an external drive circuit.
[0029]
In the semiconductor device according to the present embodiment, the emitter electrode is connected to the metal case via the solder. Therefore, as compared with the conventional power module in which the gate electrode and the emitter electrode are both connected by the metal wire, the number of electrodes connected by the wire is reduced, and the reliability of the connection is increased. This prolongs the temperature cycle life of the semiconductor chip. Further, regarding the emitter electrode, the connection area via the solder increases the connection area, so that the reliability of the connection with respect to the temperature cycle increases, and the temperature cycle life of the semiconductor chip increases.
[0030]
Further, in the semiconductor device according to the present embodiment, since the emitter electrode provided on the surface of the semiconductor chip is connected to the external electrode with a larger area than when the wire is connected, the resistance due to the connection can be reduced. As a result, the ON resistance of the semiconductor element (here, IGBT) can be reduced.
[0031]
Further, in the semiconductor device according to the present embodiment, since the emitter electrode provided on the surface of the semiconductor chip is connected to the external electrode with a larger area than when the wire is connected, the allowable range of the rush current to the electrode is limited. growing.
[0032]
Furthermore, in the semiconductor device according to the present embodiment, since the first metal case portion and the second metal case portion also serve as a package covering the semiconductor chip, a simple and inexpensive semiconductor device can be realized.
[0033]
Furthermore, in the semiconductor device according to the present embodiment, since the insulator is provided so as to surround the periphery of the gate electrode, the connection between the gate electrode and the external electrode should be more than necessary with respect to the insulation from other circuits. It can be easily performed without performing. Therefore, it is possible to provide an inexpensive semiconductor device in which the connection between the control electrode and the external electrode can be extremely easily performed.
[0034]
Further, in the semiconductor device according to the present embodiment, since the semiconductor chip having a small surface area is brought into direct contact with the metal case portion having good heat conduction efficiency, the heat dissipation area increases, and the heat dissipation efficiency increases. Therefore, the thermal resistance of the entire semiconductor device can be reduced as compared with a conventional semiconductor device in which the electrodes of the semiconductor chip and the external electrodes are connected by metal wires. Thus, the power cycle life of the semiconductor device can be extended.
[0035]
Although the IGBT is formed in the semiconductor chip in the semiconductor device according to the present embodiment, the present invention is not limited to this. For example, a MOSFET may be formed in the semiconductor chip. In that case, for example, a gate electrode and a source electrode are provided on one main surface of the semiconductor chip, and a drain electrode is provided on the other main surface. That is, in the semiconductor device of the present embodiment, the structure is such that the emitter electrode is replaced with the source electrode and the collector electrode is replaced with the drain electrode. Even in such a case, the same effect as the semiconductor device according to the present embodiment can be obtained.
[0036]
In the semiconductor device according to the present embodiment, the through-hole of the metal case portion is provided at the center of the flat portion of the metal case portion. Can be provided. The position of the through hole and the position of the solder in the semiconductor device can be arbitrarily selected according to the arrangement of the electrodes of the semiconductor chip. Further, the shape of the through hole is not limited to a cylindrical shape having a circular cross section, but may be any shape such as a prismatic shape having a polygonal cross section.
[0037]
In the semiconductor device according to the present embodiment, the first metal case portion and the second metal case portion are each formed of a rectangular flat portion and a side wall portion extending vertically from four sides of the flat portion. But it is not limited to this. For example, the metal case portion may be a rectangular flat portion and a side wall portion extending from four sides of the flat portion so as to form a predetermined angle other than 90 degrees with the flat portion. Further, a metal case portion including a curved surface and having a cross section of, for example, a semicircle may be used. Even in such a case, effects similar to those of the semiconductor device according to the present embodiment can be obtained. However, if the metal case is a rectangular case having a simple structure as described above, an inexpensive semiconductor device can be provided.
[0038]
In the semiconductor device according to the present embodiment, the insulator sandwiched between the two metal case portions is an insulator flat plate arranged around the semiconductor chip, but is not limited thereto. Any shape may be used as long as the two metal case parts can be insulated. For example, it may be provided only on the contact surface between the two metal case parts. Even in such a case, effects similar to those of the semiconductor device according to the present embodiment can be obtained. However, the insulator has a portion protruding outside the first metal case portion from a portion joined to the first metal case portion, and / or a second portion extending from the portion joined to the second metal case portion. In this case, the distance between the two metal case portions can be easily secured as a constant distance.
[0039]
In the semiconductor device according to the present embodiment, the two metal case portions have the same shape, but the present invention is not limited to this. For example, only one of the two metal cases may be composed of a rectangular flat portion and side wall portions extending vertically from four sides of the flat portion. Even if the two metal case portions have different shapes, the same effect as the semiconductor device according to the present embodiment can be obtained as long as the entire semiconductor chip can be covered using the two metal case portions and the insulator.
[0040]
In the semiconductor device according to the present embodiment, the collector electrode and the emitter electrode are connected to the metal case portion via the solder, but are not limited to this. Instead of solder, for example, another conductive connection member such as a conductive adhesive may be used. Even in that case, the same effects as those of the semiconductor device according to the present embodiment can be obtained.
[0041]
【The invention's effect】
According to the semiconductor device of the present invention, the semiconductor device includes the first main surface and the second main surface facing each other, and the first electrode and the second main surface are respectively provided on the first main surface and the second main surface. And a first chip and a second electrode, respectively, which face the first main surface and the second main surface of the semiconductor chip, and the first electrode and the second electrode respectively form a conductive connection member. A first conductive case portion and a second conductive case portion connected through the first conductive case portion and a first insulator located between the first conductive case portion and the second conductive case portion; The first conductive case portion, the second conductive case portion, and the first insulator form a case that covers the entire semiconductor chip, so that the temperature cycle life of the semiconductor chip is long and the structure is simple. Semiconductor device can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a top view of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a cross-sectional view of the semiconductor device shown in FIG.
FIG. 2A is a top view of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 2B is a cross-sectional view of the semiconductor device shown in FIG.
[Explanation of symbols]
10 semiconductor device, 11 semiconductor chip, 12, 13 metal case part,
14 Insulator, 16, 18 Solder

Claims

A semiconductor chip having a first main surface and a second main surface facing each other, and having a first electrode and a second electrode on the first main surface and the second main surface, respectively; ,
The semiconductor chip is positioned so as to face the first main surface and the second main surface, respectively, and the first electrode and the second electrode are connected via a conductive connection member, respectively. A first conductive case portion and a second conductive case portion,
A first insulator located between the first conductive case portion and the second conductive case portion;
A semiconductor device in which the first conductive case portion, the second conductive case portion, and the first insulator form a case that covers the entire semiconductor chip.

The first insulator is disposed outside of the first conductive case portion from at least one of a junction with the first conductive case portion and a junction with the second conductive case portion. 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device protrudes outside the second conductive case portion.

The semiconductor chip further has a third electrode on the first main surface,
The first conductive case portion further has a through hole,
The semiconductor chip and the first conductive case portion are respectively installed such that the third electrode is exposed to the outside through the through hole;
Furthermore, a second extending from the opening of the through hole to the first main surface so as to be along the inner wall of the through hole and to surround the third electrode on the first main surface. The semiconductor device according to claim 1, further comprising an insulator.

At least one of the first conductive case portion and the second conductive case portion includes a flat portion facing a corresponding main surface of the semiconductor chip, and a side wall portion extending from a periphery of the flat portion. The semiconductor device according to claim 1.