JP7294149B2 - semiconductor equipment - Google Patents
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Description
本明細書に記載の開示は、半導体チップと放熱部材を備える半導体装置に関するものである。 The disclosure described herein relates to a semiconductor device that includes a semiconductor chip and a heat dissipation member.
特許文献1に示されるように、半導体チップ、ヒートシンクブロック、および、放熱部材を備える半導体装置が知られている。半導体チップはヒートシンクブロックと放熱部材との間に設けられる。ヒートシンクブロックと放熱部材それぞれははんだを介して半導体チップに接続されている。 2. Description of the Related Art As disclosed in Patent Document 1, a semiconductor device including a semiconductor chip, a heat sink block, and a heat dissipation member is known. A semiconductor chip is provided between the heat sink block and the heat dissipation member. Each of the heat sink block and the heat dissipation member is connected to the semiconductor chip through solder.
上記したように半導体チップにはんだが接続される。このはんだの端側は、その中央側と比べて伝熱経路が少なくなる。そのためにはんだの端側は熱抵抗が高くなりやすく、温度の変化幅が増大しやすい傾向にある。熱伸縮によってはんだ(導電部材)に損傷の生じる虞がある。 Solder is connected to the semiconductor chip as described above. The edge side of the solder has fewer heat transfer paths than the central side. Therefore, the thermal resistance tends to be high on the end side of the solder, and the range of temperature change tends to increase. Thermal expansion and contraction may damage the solder (conductive member).
そこで本明細書に記載の開示は、導電部材に損傷の生じることの抑制された半導体装置を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the disclosure described in this specification is to provide a semiconductor device in which damage to a conductive member is suppressed.
開示の1つは、厚さ方向に並ぶ第1主面(11a)とその裏側の第2主面(11b)を備える半導体基板(11)、厚さ方向に直交する平面に沿う平面方向に並ぶ態様で半導体基板に形成された複数の半導体素子(12)、第1主面に形成された第1通電電極(20)、および、第2主面に形成された第2通電電極(21)を備える半導体チップ(10)と、
第1通電電極に第1導電部材(92)を介して連結される第1放熱部材(50)と、
第2通電電極に第2導電部材(93)を介して連結される第2放熱部材(62)と、を有し、
第1通電電極の形成された第1主面側に付着される第1導電部材の第1付着領域は、第2通電電極の形成された第2主面側に付着される第2導電部材の第2付着領域よりも面積が狭く、
第1付着領域の中央側と厚さ方向で並ぶ半導体素子の通電能力は、平面方向において第1付着領域の中央側から離間した半導体素子の通電能力よりも高くなっており、
半導体基板の内部には、複数の前記半導体素子として、IGBT(13)と、ダイオード(14)とがそれぞれ複数形成され、
複数の前記半導体素子の前記第1通電電極および前記第2通電電極のうちの一方と接続される導電領域(18)には、前記IGBTを形成するためのコレクタ層と、前記ダイオードを形成するためのカソード層とが含まれ、
単位形成領域当たりの前記コレクタ層と前記カソード層との形成比率に差があることで、複数の前記IGBTの単位形成領域当たりの通電能力に差がある。
One disclosed is a semiconductor substrate (11) having a first main surface (11a) arranged in the thickness direction and a second main surface (11b) on the back side thereof, and a semiconductor substrate (11) arranged in a plane direction along a plane orthogonal to the thickness direction. a plurality of semiconductor elements (12) formed on a semiconductor substrate in the manner described above, a first current-carrying electrode (20) formed on the first main surface, and a second current-carrying electrode (21) formed on the second main surface. a semiconductor chip (10) provided;
a first heat dissipation member (50) connected to the first conducting electrode via a first conductive member (92);
a second heat dissipation member (62) connected to the second current-carrying electrode via a second conductive member (93);
The first attachment area of the first conductive member attached to the first main surface side on which the first current-carrying electrode is formed is the first attachment area of the second conductive member attached to the second main surface side on which the second current-carrying electrode is formed. The area is narrower than the second attachment region,
The conducting ability of the semiconductor elements aligned in the thickness direction with the central side of the first attachment area is higher than the conducting ability of the semiconductor elements separated from the central side of the first attaching area in the planar direction,
a plurality of IGBTs (13) and a plurality of diodes (14) are formed as the plurality of semiconductor elements inside the semiconductor substrate,
A conductive region (18) connected to one of the first conductive electrodes and the second conductive electrodes of the plurality of semiconductor elements includes a collector layer for forming the IGBT and a conductive region (18) for forming the diode. a cathode layer of
Due to the difference in the formation ratio of the collector layer and the cathode layer per unit formation region, there is a difference in the current carrying capacity per unit formation region of the plurality of IGBTs.
これによれば、平面方向において第1付着領域の中央側から離間した半導体素子(12)が昇温しがたくなる。この半導体素子(12)の温度の変化幅の増大が抑制される。そのためにこの半導体素子(12)の近傍に位置する第1導電部材(92)の温度の変化幅の増大が抑制される。温度変化による第1導電部材(92)の伸縮長の増大が抑制される。熱伸縮によって第1導電部材(92)に損傷の生じることが抑制される。 According to this, the temperature of the semiconductor element (12) spaced apart from the central side of the first attachment region in the plane direction is difficult to rise. An increase in the width of change in the temperature of the semiconductor element (12) is suppressed. Therefore, an increase in the width of change in the temperature of the first conductive member (92) located near the semiconductor element (12) is suppressed. An increase in the expansion and contraction length of the first conductive member (92) due to temperature change is suppressed. Damage to the first conductive member (92) due to thermal expansion and contraction is suppressed.
なお、上記の括弧内の参照番号は、後述の実施形態に記載の構成との対応関係を示すものに過ぎず、技術的範囲を何ら制限するものではない。 It should be noted that the reference numbers in parentheses above merely indicate the correspondence with the configurations described in the embodiments described later, and do not limit the technical scope in any way.
以下、実施形態を図に基づいて説明する。 Embodiments will be described below with reference to the drawings.
(第1実施形態)
図1~図4に基づいて本実施形態に係る半導体装置100を説明する。それにあたって、以下においては互いに直交の関係にある3方向を、x方向、y方向、および、z方向と示す。そしてz方向に直交する平面に沿う方向を、単に平面方向と示す。z方向が厚さ方向に相当する。
(First embodiment)
A
半導体装置100はインバータやコンバータなどの電力変換装置に適用されるパワーカードである。半導体装置100はz方向の厚さの薄い扁平形状を成している。半導体装置100は能動素子と受動素子を有する。これら能動素子と受動素子は通電によって発熱する。係る発熱による昇温を抑制するために、半導体装置100は図1に示す冷却器200に設けられる。
A
<冷却器>
冷却器200は内部に冷媒の流動する第1冷却部210と第2冷却部220を有する。これら第1冷却部210と第2冷却部220はz方向で離間して対向する態様で並んでいる。
<Cooler>
The
第1冷却部210と第2冷却部220それぞれの対向面には熱伝導性に優れた電気絶縁部材230が設けられている。第1冷却部210の対向面に設けられた電気絶縁部材230と第2冷却部220の対向面に設けられた電気絶縁部材230との間に半導体装置100が設けられる。半導体装置100はこれら2つの電気絶縁部材230それぞれとz方向で対向する態様で接触している。
An electrical
冷却器200には、第1冷却部210と第2冷却部220とがz方向で互いに近づく態様の付勢力が図示しないバネ体から付与されている。この付勢力によって、第1冷却部210と第2冷却部220との間に設けられた半導体装置100と電気絶縁部材230との接触面積が増大している。半導体装置100と電気絶縁部材230との間の熱抵抗が低減している。
To the
係る機械的な構成のため、半導体装置100で発生した熱は、電気絶縁部材230と第1冷却部210を介して、第1冷却部210の内部を流動する冷媒に伝熱される。それとともに、半導体装置100で発生した熱は、電気絶縁部材230と第2冷却部220を介して、第2冷却部220の内部を流動する冷媒に伝熱される。このように半導体装置100は両面で冷却される。これにより半導体装置100の昇温が抑制されている。
Due to this mechanical configuration, the heat generated in the
以上に示したように、図1に示す冷却器200はいわゆる両面冷却の構成になっている。ただし、冷却器200の構成としては上記例に限定されない。冷却器200の構成としては、例えば片面冷却の構成を採用することもできる。
As described above, the
<半導体装置>
図1に示すように半導体装置100は、半導体チップ10、ターミナル50、主導電部60、通電端子70、信号端子80、および、封止樹脂90を有する。
<Semiconductor device>
As shown in FIG. 1 , the
主導電部60、通電端子70、および、信号端子80は図示しないリードフレームの一部によって構成されている。このリードフレームに半導体チップ10とターミナル50とを接続させる。そしてこれらを封止樹脂90によって部分的に被覆する。封止樹脂90の外に露出されたリードフレームの一部を選択的に除去する。これにより主導電部60、通電端子70、および、信号端子80が形成される。それとともに半導体装置100が製造される。なお、主導電部60、通電端子70、および、信号端子80の一部が上記のリードフレームとは別体の金属プレートで構成されてもよい。
The main
図1に示すように主導電部60は上側導電部61と下側導電部62を有する。通電端子70は上側通電端子71と下側通電端子72を有する。上側通電端子71と上側導電部61とは一体的に連結されている。下側通電端子72と下側導電部62とは一体的に連結されている。
As shown in FIG. 1, the main
上側導電部61と下側導電部62とはz方向に対向する態様で離間している。半導体チップ10とターミナル50とがこれら上側導電部61と下側導電部62との間に設けられている。
The upper
半導体チップ10はz方向に並ぶ第1主面11aと第2主面11bを有する。半導体チップ10の第1主面11a側がターミナル50を介して上側導電部61と接続されている。半導体チップ10の第2主面11b側が下側導電部62と接続されている。係る構成によって、半導体チップ10は上側導電部61と下側導電部62それぞれと電気的に接続されている。
The
上側通電端子71と下側通電端子72それぞれの先端側が封止樹脂90の外に露出されている。これら上側通電端子71と下側通電端子72それぞれの先端側が電力変換装置の通電経路を構成する導電性のバスバに接続される。このために電力変換装置の電流が、上側通電端子71と下側通電端子72との間で主導電部60、ターミナル50、および、半導体チップ10に流れる。
The tip side of each of the upper
半導体チップ10はワイヤ81を介して信号端子80と接続されている。信号端子80の先端側が封止樹脂90の外に露出されている。この信号端子80の先端側が電力変換装置の駆動を制御するドライバ基板に接続されている。
The
なお、半導体装置100は半導体チップ10を1つではなく複数有してもよい。そして半導体装置100は複数の半導体チップ10それぞれに対応するターミナル50、主導電部60、通電端子70、および、信号端子80を有してもよい。ただし半導体装置100は、複数の半導体チップ10それぞれに対応するターミナル50、主導電部60、通電端子70、および、信号端子80のうちの一部を共通して有してもよい。以下、半導体装置100の構成要素を個別に説明する。
Note that the
<半導体チップ>
半導体チップ10は、半導体基板11と、この半導体基板11に形成された半導体素子12と、を有する。半導体チップ10の外形は、概略的には半導体基板11の外形と同等になっている。
<Semiconductor chip>
The
半導体基板11はSi、SiC、GaNなどの半導体材料から構成される。半導体基板11はz方向の厚さの薄い平板形状を成している。半導体基板11はz方向に並ぶ2つの主面を有する。これら2つの主面のうちの一方が上記した第1主面11aに相当する。2つの主面のうちの他方が第2主面11bに相当する。この半導体基板11の第1主面11aと第2主面11bとの間の内部に半導体素子12が形成されている。
The
半導体素子12は電力変換装置の回路の一部を構成するRC(Reverse Conducting)-IGBTである。RC-IGBTに含まれるIGBT13とダイオード14は、半導体基板11の第1主面11aと第2主面11bとの間で電流の流れる縦型構造になっている。
The
なお図示しないが、半導体基板11には、IGBT13とダイオード14の他に、半導体基板11の温度を検出する感温ダイオードなどのセンサ素子が形成されている。
In addition to the
半導体基板11の内部にはIGBT13とダイオード14を構成する複数の不純物含有層が形成されている。具体的に言えば、図2に示すように、第1主面11aから第2主面11bに向かって順に、第1電極層15、ベース層16、ドリフト層17、第2電極層18が半導体基板11の内部に形成されている。
Inside the
第1電極層15はエミッタ層15aとコンタクト層15bを有する。エミッタ層15aとコンタクト層15bはy方向に交互に並んでいる。図示しないが、第2電極層18はコレクタ層とカソード層を有する。コレクタ層とカソード層はz方向に直交する平面方向で並んでいる。
The
以上に示したエミッタ層15a、ドリフト層17、および、カソード層それぞれはN型半導体である。コンタクト層15b、ベース層16、および、コレクタ層それぞれはP型半導体である。
Each of the
また、図2に示すように半導体基板11には、上記した不純物含有層の他に、第1電極層15とベース層16を介してドリフト層17の途中まで貫く複数のトレンチゲート電極19が形成されている。複数のトレンチゲート電極19それぞれはy方向に延びている。そして複数のトレンチゲート電極19はx方向に離間して並んでいる。
Further, as shown in FIG. 2, in the
IGBT13は、コレクタ層のz方向への投影領域内に位置するエミッタ層15a、コンタクト層15b、ベース層16、ドリフト層17、トレンチゲート電極19、および、コレクタ層によって構成されている。ダイオード14は、カソード層のz方向への投影領域内に位置するエミッタ層15a、コンタクト層15b、ベース層16、ドリフト層17および、カソード層によって構成されている。
The
図1に示すように、半導体基板11の第1主面11aにエミッタ電極20が形成されている。エミッタ電極20は第1主面11a側に位置するエミッタ層15aとコンタクト層15bそれぞれと電気的に接続されている。また、第2主面11bにコレクタ電極21が形成されている。コレクタ電極21は第2主面11b側に位置するコレクタ層とカソード層それぞれと電気的に接続されている。以上に示した構成により、IGBT13とダイオード14とはエミッタ電極20とコレクタ電極21との間で並列接続されている。
As shown in FIG. 1, an
図2に示すように、エミッタ層15aとコンタクト層15bとは、x方向で離間して並ぶ2つのトレンチゲート電極19の間で交互にy方向に並んでいる。この並びにより、通電領域の区画された複数の微小なIGBT13がy方向に離間して並んでいる。同様にして、通電領域の区画された複数の微小なダイオード14がy方向に離間して並んでいる。IGBT13がスイッチ素子に相当する。
As shown in FIG. 2, the emitter layers 15a and the contact layers 15b are alternately arranged in the y direction between two
なお、図2においては、複数のトレンチゲート電極19それぞれがy方向に延びるとともに、x方向に離間して並ぶ例を示した。すなわち、複数のトレンチゲート電極19がz方向に直交する平面においてストライプ状にレイアウトされる例を示した。しかしながら、トレンチゲート電極19のレイアウトとしては上記例に限定されない。例えば、複数のトレンチゲート電極19が格子状やハニカム状にレイアウトされる構成を採用することもできる。そしてエミッタ層15aとコンタクト層15bとが交互にx方向に並ぶ構成を採用することもできる。係る構成の場合、複数の微小なIGBT13とダイオード14はy方向だけではなくx方向にも並ぶ構成になる。複数の微小なIGBT13とダイオード14は平面方向に並ぶ構成になる。
Note that FIG. 2 shows an example in which the plurality of
図1と図3に示すように、エミッタ電極20は第1主面11aに部分的に形成されている。これとは異なり、コレクタ電極21は第2主面11bに全面的に形成されている。
As shown in FIGS. 1 and 3,
上記したIGBT13とダイオード14を構成する不純物含有層はエミッタ電極20の直下に形成されている。そのためにIGBT13とダイオード14の通電領域は、主としてエミッタ電極20の直下になっている。
The impurity-containing layer forming the
図3に示すように、第1主面11aにはエミッタ電極20の他に電極パッド22が形成されている。エミッタ電極20と電極パッド22とは第1主面11aにおいて離間している。
As shown in FIG. 3, an
本実施形態では、以下に示す5つの用途の電極パッド22が第1主面11aに形成されている。すなわち、IGBT13のゲート電極用、エミッタ電極20の電位を検出するケルビンエミッタ用、電流センス用、感温ダイオードのアノード電位用、および、そのカソード電位用の電極パッド22が第1主面11aに形成されている。
In this embodiment,
これら5つの電極パッド22はx方向に離間して並んでいる。それとともに5つの電極パッド22はエミッタ電極20とy方向で離間している。上記したターミナル50はエミッタ電極20とz方向で対向する態様で電気的に接続される。
These five
<ターミナル>
ターミナル50は上側導電部61と半導体チップ10とを電気的および熱的に接続する。ターミナル50は電気伝導性と熱伝導性を備えるCuやその合金などの金属材料から成る。
<Terminal>
ターミナル50は略直方体形状を成している。ターミナル50はz方向において上側導電部61と半導体チップ10との間に設けられる。ターミナル50の上面50aが上側導電部61の第1接続面61aとz方向で対向配置される。ターミナル50の下面50bが半導体チップ10のエミッタ電極20とz方向で対向配置される。
The terminal 50 has a substantially rectangular parallelepiped shape. The terminal 50 is provided between the upper
<主導電部>
主導電部60は半導体チップ10と通電端子70とを電気的に中継する機能を果たす。それとともに主導電部60は半導体チップ10で生じた熱を放熱する機能も果たす。主導電部60は電気伝導性と熱伝導性を備えるCuやその合金などの金属材料から成る。
<Main conductive part>
The main
上記したように主導電部60は上側導電部61と下側導電部62を有する。図1に示すように上側導電部61の第1接続面61aと下側導電部62の第2接続面62aはz方向で離間して対向する態様で並んでいる。これら上側導電部61と下側導電部62との間に半導体チップ10とターミナル50が設けられる。上側導電部61側にターミナル50が設けられる。下側導電部62側に半導体チップ10が設けられる。
As described above, the main
上側導電部61の第1接続面61aとターミナル50の上面50aとの間に第1はんだ91が介在されている。上側導電部61とターミナル50とが第1はんだ91を介して電気的および機械的に接続されている。
A
ターミナル50の下面50bと半導体チップ10のエミッタ電極20との間に第2はんだ92が介在されている。ターミナル50とエミッタ電極20とが第2はんだ92を介して電気的および機械的に接続されている。エミッタ電極20における第2はんだ92の付着される領域が第1付着領域に相当する。
A
半導体チップ10のコレクタ電極21と下側導電部62の第2接続面62aとの間に第3はんだ93が介在されている。コレクタ電極21と下側導電部62とが第3はんだ93を介して電気的および機械的に接続されている。コレクタ電極21における第3はんだ93の付着される領域が第2付着領域に相当する。
A
以上に示した接続構成により、上側導電部61と下側導電部62とに半導体チップ10の半導体素子12が電気的に接続されている。
With the connection configuration described above, the
図1に示すように、上側導電部61におけるターミナル50の接続される第1接続面61a側、および、下側導電部62における半導体チップ10の接続される第2接続面62a側それぞれは封止樹脂90によって被覆される。しかしながら、上側導電部61における第1接続面61aの裏側の第1放熱面61b、および、下側導電部62における第2接続面62aの裏側の第2放熱面62bそれぞれは封止樹脂90から露出されている。
As shown in FIG. 1, the
この封止樹脂90から露出された第1放熱面61bと第2放熱面62bそれぞれに電気絶縁部材230が接触する。係る構成のため、通電に起因して半導体装置100で発生したジュール熱が、電気絶縁部材230を介して冷却器200に積極的に熱伝導される。
The electric insulating
<通電端子>
通電端子70は電力変換回路の通電経路を構成するバスバとの接続端子としての機能を果たす。通電端子70にはIGBT13のエミッタ-コレクタ間の電流と、ダイオード14のアノード-カソード間の電流が流れる。
<Conducting terminal>
The
上記したように通電端子70は上側通電端子71と下側通電端子72を有する。図1に示すように上側通電端子71は上側導電部61に一体的に連結されている。下側通電端子72は下側導電部62に一体的に連結されている。これら複数の通電端子それぞれの導電部との連結側が封止樹脂90によって被覆されている。そして複数の通電端子それぞれの先端側が封止樹脂90から露出されている。この通電端子の先端側に、上記した電力変換装置の通電経路を構成するバスバがレーザ溶接などによって接続される。
As described above, the conducting
<信号端子>
信号端子80はドライバ基板との接続端子としての機能を果たす。上記したように半導体チップ10には5つの電極パッド22が形成されている。半導体装置100はこれら5つの電極パッド22それぞれに対応する5つの信号端子80を有する。これら5つの電極パッド22と5つの信号端子80とがワイヤ81を介して電気的に接続される。
<Signal terminal>
The
信号端子80におけるワイヤ81の接続側が封止樹脂90によって被覆されている。信号端子80の先端側が封止樹脂90から露出されている。この信号端子80の先端側がドライバ基板にはんだなどによって接続される。
A
<封止樹脂>
封止樹脂90は例えばエポキシ系樹脂からなる。封止樹脂90は例えばトランスファモールド法で成形される。図1に示すように封止樹脂90はz方向に並ぶ一面90aとその裏面90b、および、これらを連結する側面90cを有する。
<Encapsulation resin>
The sealing
封止樹脂90から露出した上側導電部61の第1放熱面61bが、封止樹脂90の一面90aと面一になっている。この第1放熱面61bと一面90aそれぞれに第1冷却部210側の電気絶縁部材230が接触している。
The first
同様にして、封止樹脂90から露出した下側導電部62の第2放熱面62bが、封止樹脂90の裏面90bと面一になっている。この第2放熱面62bと裏面90bそれぞれに第2冷却部220側の電気絶縁部材230が接触している。
Similarly, the second
また、通電端子70と信号端子80それぞれの先端側は封止樹脂90の側面90cから露出している。側面90cにおける通電端子70の露出面と信号端子80の露出面とはy方向で離間している。通電端子70と信号端子80それぞれの先端側は、互いに封止樹脂90から離間する態様でy方向に延びている。
Further, the leading end sides of the
<導電部材>
上記したように半導体チップ10、ターミナル50、および、主導電部60は第1はんだ91~第3はんだ93によって接続される。そのため、図1および図4に示すようにこれら複数のはんだのz方向に直交する平面での中央側はz方向の厚さが一定になっている。それに反して、複数のはんだのz方向に直交する平面での端側は、z方向の厚さの薄いメニスカス形状の薄肉部になっている。なお、図4では第1はんだ91、エミッタ電極20、および、コレクタ電極21の図示を省略している。
<Conductive member>
As described above, the
<薄肉部>
第1はんだ91は上側導電部61の第1接続面61aとターミナル50の上面50aとに接着する。第1接続面61aは上面50aよりも面積が広くなっている。そのために第1はんだ91は、第1接続面61aと上面50aとの間に濡れ広がるとともに、第1接続面61aにおける上面50aとのz方向での対向領域の外側にも濡れ広がる。この第1接続面61aにおける上面50aとの対向領域の外側に、第1はんだ91の薄肉部が形成される。第1はんだ91の薄肉部はz方向まわりの周方向でターミナル50の上面50aを囲む態様で環状を成している。
<Thin part>
The
第2はんだ92はターミナル50の下面50bと半導体チップ10のエミッタ電極20とに接着する。下面50bはエミッタ電極20よりも面積が狭くなっている。そのために第2はんだ92は、下面50bとエミッタ電極20との間に濡れ広がるとともに、エミッタ電極20における下面50bとのz方向での対向領域の外側にも濡れ広がる。このエミッタ電極20における下面50bとの対向領域の外側に、第2はんだ92の薄肉部が形成される。第2はんだ92の薄肉部はz方向まわりの周方向でターミナル50の下面50bを囲む態様で環状を成している。
The
第3はんだ93は半導体チップ10の第2主面11bのコレクタ電極21と下側導電部62の第2接続面62aとに接着する。コレクタ電極21は第2接続面62aよりも面積が狭くなっている。そのために第3はんだ93は、コレクタ電極21と第2接続面62aとの間に濡れ広がるとともに、第2接続面62aにおけるコレクタ電極21とのz方向での対向領域の外側にも濡れ広がる。この第2接続面62aにおけるコレクタ電極21との対向領域の外側に、第3はんだ93の薄肉部が形成される。第3はんだ93の薄肉部はz方向まわりの周方向でコレクタ電極21を囲む態様で環状を成している。
The
ターミナル50は第1放熱部材に相当する。第2はんだ92は第1導電部材に相当する。エミッタ電極20は第1通電電極に相当する。コレクタ電極21は第2通電電極に相当する。第3はんだ93は第2導電部材に相当する。下側導電部62は第2放熱部材に相当する。
<第2はんだの薄肉部>
図3にターミナル50の下面50bのz方向に沿ったエミッタ電極20への投影領域を破線で囲って示す。それとともにエミッタ電極20の形成領域を実線で囲って示す。
<Thin part of the second solder>
FIG. 3 shows a projection area of the
図3に明示するように、ターミナル50の下面50bのz方向に沿ったエミッタ電極20側への投影領域は、第1主面11aにおけるエミッタ電極20の形成領域内に収まっている。そのために下面50bの投影領域の端を示す破線の区画線と、エミッタ電極20の端を示す実線の区画線との間に環状の領域が形成される。この環状の領域に、第2はんだ92のメニスカス形状の薄肉部が形成されている。第2はんだ92の薄肉部はエミッタ電極20の端側の領域に接続されている。図4においては、下面50bの投影領域とその外側との境に、破線で境界線BLを図示している。
As clearly shown in FIG. 3, the projection area of the
<放熱性能>
上記したように半導体基板11の第1主面11aにエミッタ電極20が部分的に形成され、第2主面11bにコレクタ電極21が全面的に形成されている。図2および図3などに示すようにエミッタ電極20は半導体基板11の中央側に形成されるものの、半導体基板11の端側での形成領域が少なくなっている。
<Heat dissipation performance>
As described above, the
そのために半導体基板11の中央側ではエミッタ電極20に付着される第2はんだ92とコレクタ電極21に付着される第3はんだ93の両方を介して、半導体チップ10で生じたジュール熱が主導電部60に熱伝導される。しかしながら半導体基板11の端側ではコレクタ電極21に付着される第3はんだ93を介して半導体チップ10で生じたジュール熱が主導電部60に熱伝導される。このために半導体基板11の中央側に比べて端側の放熱性能がおおむね半分程度になっている。係る放熱性能の差があるため、半導体基板11の中央側の通電能力に比べて、半導体基板11の端側の通電能力が半分以下の構成が望ましい。
Therefore, on the central side of the
<通電能力差>
図2に基づいて説明したように、半導体基板11には通電領域の区画された複数の微小なIGBT13とダイオード14が形成される。これら複数のIGBT13とダイオード14に、以下に例示する構成を採用することで、複数のIGBT13とダイオード14の通電能力に差を設けることができる。単位形成領域当たりに含まれるIGBT13とダイオード14の通電能力に差を設けることができる。以下においては、単位形成領域当たりに含まれるIGBT13の通電能力に差を設ける構成を例示する。
<Electrical capacity difference>
As described with reference to FIG. 2, the
図2に示すように、1つのエミッタ層15aのy方向の長さをL1とする。y方向で並ぶ1組のエミッタ層15aとコンタクト層15bのy方向の長さをL2とする。L1/L2の値を平面方向で変化させる。こうすることで、単位形成領域当たりに含まれる第1電極層15のチャネルの形成されやすさに差を設けることができる。短絡時の飽和電流量に差を設けることができる。これにより、単位形成領域当たりに含まれるIGBT13の通電能力に差を設けることができる。エミッタ層15aが第1不純物層に相当する。コンタクト層15bが第2不純物層に相当する。なお、上記の長さL1,L2の寸法を変動させることは、ウェハプロセスの第1電極層15を形成する際に用いるマスクの形成パターンを変えることで行うことができる。そのために新たな製造工程を追加しなくともよい。
As shown in FIG. 2, the length of one
例えば、平面方向における半導体基板11の中央側でL1/L2=0.8とし、半導体基板11の端側でL1/L2=0.2とする。こうすることで、半導体基板11の端側のIGBT13の通電能力が半導体基板11の中央側のIGBT13の通電能力よりも低くなる。特に上記例の場合、半導体基板11の端側の通電能力が中央側と比べて半分以下になる。
For example, L1/L2=0.8 on the center side of the
また、複数のIGBT13それぞれの備えるエミッタ層15aに対するエミッタ電極20の形成面積(接触面積)に差を持たせる。この接触面積を狭めることで通電能力を低くすることができる。
Moreover, the formation area (contact area) of the
平面方向におけるIGBT13の単位形成領域当たりの形成密度に差を設ける。例えば複数のトレンチゲート電極19の隣接間隔に差を設けることで、IGBT13の単位形成領域当たりの形成密度に差を設ける。複数のトレンチゲート電極19の隣接間隔を広げることで、IGBT13におけるトレンチゲート電極19と接続される領域の密度を低めることができる。チャネルの形成密度を狭めることで、通電能力を低くすることができる。
A difference is provided in the formation density per unit formation area of the
複数のトレンチゲート電極19のうちの一部にゲート電圧を印加する。複数のトレンチゲート電極19の一部をアクティブにし、他をノンアクティブにする。こうすることで単位形成領域当たりのチャネルの形成密度に差を設ける。これにより単位形成領域当たりのIGBT13の通電能力に差を設ける。この構成の場合、複数のトレンチゲート電極19の隣接間隔は一定でもよい。
A gate voltage is applied to some of the plurality of
複数のトレンチゲート電極19のうちのゲート電圧の印加されるトレンチゲート電極19の比率を、半導体基板11の中央側よりも端側で少なくする。例えば、ゲート電圧の印加されるトレンチゲート電極19の比率を、半導体基板11の中央側に比べて端側で半分以下にする。これにより、半導体基板11の端側のIGBT13の通電能力が半導体基板11の中央側のIGBT13の通電能力と比べて半分以下になる。
A ratio of the
複数のIGBT13それぞれの備えるエミッタ層15aやコレクタ層の不純物濃度に差を設ける。不純物濃度を低めることで通電能力を低くすることができる。エミッタ層15aとコレクタ層が導電領域に相当する。
A difference is provided in the impurity concentration of the
半導体基板11の内部に欠陥を形成する。そしてその欠陥の数を複数のIGBT13で差を設ける。欠陥の数が多いほどにホールのライフタイムが縮まる。そのため、欠陥の数を多くすることで通電能力を低くすることができる。
A defect is formed inside the
上記したトレンチゲート電極19はゲート酸化膜を備えている。このゲート酸化膜の厚みに差を設けることで単位形成領域当たりに含まれるIGBT13の通電能力に差を設ける。ゲート酸化膜が厚くなるほどにチャネルが形成されがたくなる。そのためにゲート酸化膜を厚くすることで通電能力を低くすることができる。
The
また、ベース層16の不純物濃度に差を設けることで単位形成領域当たりに含まれるIGBT13の通電能力に差を設ける。ベース層16の不純物濃度が高まるほどにチャネルが形成されがたくなる。そのためにベース層16の不純物濃度を高めることで通電能力を低くすることができる。第1電極層15が第1導電領域に相当する。第2電極層18が第2導電領域に相当する。ベース層16が通電層に相当する。
Further, by providing a difference in the impurity concentration of the
第2電極層18の備えるコレクタ層とカソード層の形成比率に差を設ける。コレクタ層に対するカソード層の形成比率が高まるほどに、平面方向における単位形成領域当たりに含まれるIGBT13の通電能力を低くすることができる。
A difference is provided in the formation ratio of the collector layer and the cathode layer included in the
なお、半導体基板11には半導体素子12としてIGBT13などの電力変換装置の回路を構成する能動素子のみが形成された構成を採用することができる。
It should be noted that the
係る変形例において、単位形成領域当たりに含まれるIGBT13の通電能力に差を設けるためには、上記したようにIGBT13を構成する不純物含有層やエミッタ電極20との接触面積に差を設けたり、半導体基板11に非通電領域を複数形成したりする。単位形成領域当たりに含まれる通電領域と非通電領域の形成比率に差を設けることで、単位形成領域当たりに含まれる通電領域に差を設けることができる。
In this modified example, in order to provide a difference in the current-carrying capability of the
本実施形態では、以上に示した少なくとも1つの構成を採用することで、半導体基板11に形成される複数の微小なIGBT13の通電能力に差を設けている。具体的に言えば、半導体基板11の第1主面11aに形成されるエミッタ電極20の中央側とz方向で対向するIGBT13の通電能力よりも、エミッタ電極20の端側とz方向で対向するIGBT13の通電能力を低めている。換言すれば、エミッタ電極20に全面的に付着する第2はんだ92の付着領域の中央側とz方向で並ぶIGBT13の通電能力よりも、この付着領域の端側とz方向で並ぶIGBT13の通電能力を低めている。
In this embodiment, by adopting at least one of the configurations described above, a difference is provided in the current-carrying capability of the plurality of
図3に基づいて説明すれば、破線で囲まれたターミナル50の下面50bの投影領域直下にある第2はんだ92の中央側とz方向で並ぶIGBT13の通電能力を一定にしている。そして、下面50bの投影領域の端を示す破線の区画線と、エミッタ電極20の端を示す実線の区画線との間に位置する環状の第2はんだ92の端側とz方向で並ぶIGBT13の通電能力を低めている。すなわち、第2はんだ92のメニスカス形状の薄肉部とz方向で並ぶIGBT13の通電能力を低めている。
Referring to FIG. 3, the conduction capability of the
図4において、単位形成領域当たりに含まれるIGBT13の通電能力に差のある領域を、半導体基板11に施すハッチングに差を設けることで明示している。ハッチングの粗密が粗くなればなるほどに通電能力が低くなることを示している。半導体基板11における、第2はんだ92の付着領域の中央側の直下領域、第2はんだ92の付着領域の端側の直下領域、および、IGBT13の非形成領域の順に、施すハッチングの粗密を粗くしている。
In FIG. 4 , regions with different current-carrying capabilities of the
係る構成により、通電能力の一定なIGBT13と第2はんだ92のz方向の厚さの一定な部位とがz方向で並ぶ。それとともに、通電能力の低いIGBT13と第2はんだ92のz方向の厚さの薄い薄肉部とがz方向で並ぶ。
With such a configuration, the
なお、ターミナル50の下面50bの投影領域直下にあるIGBT13の通電能力に差を設けてもよい。例えば、この投影領域の中央側に位置するIGBT13の通電能力よりも、投影領域の端側に位置するIGBT13の通電能力を低めてもよい。
In addition, a difference may be provided in the current carrying capacity of the
<作用効果>
これまでに本実施形態で説明した構成によれば、エミッタ電極20の中央側から平面方向において離間した端側とz方向で並ぶIGBT13の通電能力が低くなっている。そのためにこのIGBT13は昇温しがたくなっている。このIGBT13の温度の変化幅の増大が抑制される。したがって、このIGBT13の近傍に位置する第2はんだ92の温度の変化幅の増大が抑制される。温度変化による第2はんだ92の伸縮長の増大が抑制される。熱伸縮による第2はんだ92の損傷が抑制される。
<Effect>
According to the configuration described so far in this embodiment, the conduction capability of the
平面方向における第2はんだ92の端側の形状は、接着対象であるターミナル50とエミッタ電極20の形状に依存して決定される。そのために第2はんだ92の端側には局所的な応力集中の生じやすい箇所が含まれやすくなる。また、伝熱経路が少ないために第2はんだ92の温度が上昇しやすくなっている。この第2はんだ92の端側の近傍に上記した通電能力の低いIGBT13が位置している。係る構成のため、温度変化による熱伸縮によって、第2はんだ92の端側に損傷の生じることが抑制される。
The shape of the end side of the
エミッタ電極20の端側には第2はんだ92の薄肉部が形成される。薄肉部はz方向の厚さの薄いメニスカス形状を成している。この薄肉部と上記した通電能力の低いIGBT13とがz方向で並んでいる。係る構成のため、第2はんだ92の薄肉部の温度の変化幅の増大が抑制される。温度変化による熱伸縮によって、強度の低い第2はんだ92の薄肉部に損傷の生じることが抑制される。
A thin portion of the
(第2実施形態)
次に、第2実施形態を図5および図6に基づいて説明する。以下に示す各実施形態と各変形例に係る半導体装置は上記した実施形態によるものと共通点が多い。そのため以下においては共通部分の説明を省略し、異なる部分を重点的に説明する。また以下においては上記した実施形態で示した要素と同一の要素には同一の符号を付与する。
(Second embodiment)
Next, a second embodiment will be described with reference to FIGS. 5 and 6. FIG. The semiconductor devices according to the embodiments and modifications described below have many points in common with those according to the above-described embodiments. Therefore, the description of the common parts will be omitted, and the different parts will be mainly described below. Also, hereinafter, the same reference numerals are given to the same elements as those shown in the above-described embodiment.
第1実施形態では、エミッタ電極20の全面に第2はんだ92が付着される例を示した。そして、半導体基板11におけるエミッタ電極20に付着した第2はんだ92の直下に半導体素子12の形成される例を示した。
In the first embodiment, the example in which the
これに対して本実施形態では、エミッタ電極20の一部に第2はんだ92が付着される。そして、半導体基板11におけるエミッタ電極20に付着した第2はんだ92の直下と、その直下外に半導体素子12が形成される。図5に、第2はんだ92の直下外に半導体素子12の形成された形成領域Aをハッチングで示す。なお、形成領域Aの半導体素子12にエミッタ電極20の形成されない構成を採用することもできる。第2はんだ92の直下外に位置する半導体素子12が、外領域に位置する半導体素子に相当する。
On the other hand, in this embodiment, the
第1実施形態で説明したように、第1主面11aでは5つの電極パッド22がx方向に離間して並んでいる。上記した形成領域Aは、5つの電極パッド22の両端、および、その間に形成されている。
As described in the first embodiment, five
この形成領域Aに形成された半導体素子12のエミッタ電極20に第2はんだ92が付着されていない。そのために形成領域Aの半導体素子12は放熱性が低まっている。この形成領域Aの温度が局所的に高まる虞がある。
The
上記した局所的な温度上昇を回避するために、形成領域Aに含まれるIGBT13の通電能力は、第2はんだ92の直下に形成されるIGBT13の通電能力よりも低くなっている。
In order to avoid the local temperature rise described above, the current carrying capability of the
IGBT13の通電能力に差を設けるには、第1実施形態で示した構成を適宜採用すればよい。例えば、図6に具体的に示すように、y方向で並ぶ1組のエミッタ層15aとコンタクト層15bのy方向の長さL2を一定とする。その代わりに、第2はんだ92の直下に形成される1つのエミッタ層15aのy方向の長さL1よりも、第2はんだ92の直下外の形成領域Aに含まれるエミッタ層15aのy方向の長さL1‘を短くする。図6においては、半導体基板11における第2はんだ92の直下と並ぶ領域とその外側との境に、破線で区画線LLを図示している。
In order to provide a difference in the energization capability of the
こうすることで、形成領域Aに含まれるIGBT13の通電能力を低めることができる。形成領域Aの温度が局所的に高まることが抑制される。半導体チップ10の温度分布にバラツキの生じることが抑制される。それとともに、形成領域Aにも半導体素子12が形成されるため、半導体チップ10の出力が向上される。
By doing so, the conducting ability of the
なお、本実施形態に係る半導体装置100には、第1実施形態に記載の半導体装置100と同等の構成要素が含まれている。そのため同等の作用効果を奏することは言うまでもない。
The
以上、本開示の好ましい実施形態について説明したが、本開示は上記した実施形態になんら制限されることなく、本開示の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。 Although the preferred embodiments of the present disclosure have been described above, the present disclosure is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the present disclosure.
10…半導体チップ、11…半導体基板、11a…第1主面、11b…第2主面、12…半導体素子、13…IGBT、14…ダイオード、15…第1電極層、15a…エミッタ層、15b…コンタクト層、16…ベース層、18…第2電極層、19…トレンチゲート電極、20…エミッタ電極、21…コレクタ電極、50…ターミナル、61…上側導電部、62…下側導電部、91…第1はんだ、92…第2はんだ、93…第3はんだ、100…半導体装置
DESCRIPTION OF
Claims (14)
前記第1通電電極に第1導電部材(92)を介して連結される第1放熱部材(50)と、
前記第2通電電極に第2導電部材(93)を介して連結される第2放熱部材(62)と、を有し、
前記第1通電電極の形成された前記第1主面側に付着される前記第1導電部材の第1付着領域は、前記第2通電電極の形成された前記第2主面側に付着される前記第2導電部材の第2付着領域よりも面積が狭く、
前記第1付着領域の中央側と前記厚さ方向で並ぶ前記半導体素子の通電能力は、前記平面方向において前記第1付着領域の中央側から離間した前記半導体素子の通電能力よりも高くなっており、
前記半導体基板の内部には、複数の前記半導体素子として、IGBT(13)と、ダイオード(14)とがそれぞれ複数形成され、
複数の前記半導体素子の前記第1通電電極および前記第2通電電極のうちの一方と接続される導電領域(18)には、前記IGBTを形成するためのコレクタ層と、前記ダイオードを形成するためのカソード層とが含まれ、
単位形成領域当たりの前記コレクタ層と前記カソード層との形成比率に差があることで、複数の前記IGBTの単位形成領域当たりの通電能力に差がある半導体装置。 A semiconductor substrate (11) having a first main surface (11a) arranged in a thickness direction and a second main surface (11b) on the back side thereof, and the semiconductor substrate arranged in a plane direction along a plane orthogonal to the thickness direction. a plurality of semiconductor elements (12) formed on a semiconductor device, a first current-carrying electrode (20) formed on the first main surface, and a second current-carrying electrode (21) formed on the second main surface. a chip (10);
a first heat radiation member (50) connected to the first conducting electrode via a first conductive member (92);
a second heat dissipation member (62) connected to the second current-carrying electrode via a second conductive member (93);
A first attachment region of the first conductive member attached to the first main surface side on which the first conducting electrode is formed is attached to the second main surface side on which the second conducting electrode is formed. The area is narrower than the second attachment region of the second conductive member,
The conducting capability of the semiconductor element aligned in the thickness direction with the central side of the first attachment region is higher than the conducting capability of the semiconductor element spaced apart from the central side of the first attaching region in the planar direction. cage,
A plurality of IGBTs (13) and a plurality of diodes (14) are formed as the plurality of semiconductor elements inside the semiconductor substrate,
A conductive region (18) connected to one of the first conductive electrodes and the second conductive electrodes of the plurality of semiconductor elements includes a collector layer for forming the IGBT and a conductive region (18) for forming the diode. a cathode layer of
A semiconductor device having a difference in current carrying capacity per unit formation region of the plurality of IGBTs due to a difference in formation ratio between the collector layer and the cathode layer per unit formation region.
前記平面方向における前記第1不純物層と前記第2不純物層の長さの比に差があることで、複数の前記半導体素子の単位形成領域当たりの通電能力に差がある請求項7に記載の半導体装置。 The semiconductor substrate includes a first impurity layer (15a) forming part of the semiconductor element, and a plurality of conducting regions of the semiconductor element positioned between the plurality of first impurity layers in the planar direction. A partitioning second impurity layer (15b) is formed,
8. The plurality of semiconductor elements according to claim 7, wherein a difference in length ratio of said first impurity layer and said second impurity layer in said plane direction causes a difference in current carrying capability per unit formation region of said plurality of semiconductor elements. semiconductor device.
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