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WO2022210616A1 - 半導体装置および半導体システム - Google Patents

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WO2022210616A1
WO2022210616A1 PCT/JP2022/015218 JP2022015218W WO2022210616A1 WO 2022210616 A1 WO2022210616 A1 WO 2022210616A1 JP 2022015218 W JP2022015218 W JP 2022015218W WO 2022210616 A1 WO2022210616 A1 WO 2022210616A1
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WO
WIPO (PCT)
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semiconductor
semiconductor element
semiconductor device
conductive member
wiring portion
Prior art date
Application number
PCT/JP2022/015218
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English (en)
French (fr)
Inventor
秀彰 ▲柳▼田
尚吾 水本
Original Assignee
株式会社Flosfia
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社Flosfia filed Critical 株式会社Flosfia
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Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor device and a semiconductor system on which semiconductor elements are mounted, and more particularly to a semiconductor device and a semiconductor system in which a plurality of semiconductor elements are embedded between substrates.
  • a so-called modularization technology is known, in which semiconductor devices are mounted three-dimensionally with high density by stacking circuit boards on which semiconductor elements are mounted.
  • a semiconductor device disclosed in Patent Document 1 for example.
  • an integrated chip component 68 having a low heat resistance temperature is mounted on an upper module substrate 66, and a heat-generating semiconductor chip IC1 and the like are mounted on a lower module substrate 51.
  • an upper module substrate 66 and a lower module substrate 51 are electrically connected by a connecting member 65 .
  • issues such as heat dissipation and electromagnetic wave shielding are usually considered. As countermeasures against these problems progress, further densification is required.
  • an object of the present invention is to provide a semiconductor device and a semiconductor system in which various types of semiconductor elements can be embedded and mounted between substrates with high density.
  • a semiconductor device is provided in parallel between a first wiring portion including a first substrate and a second wiring portion including a second substrate, and is arranged between the first wiring portion and the second substrate.
  • a semiconductor device having first and second semiconductor elements electrically connected to each other the first semiconductor element and the first wiring portion are directly connected, and the second semiconductor element and the second semiconductor element are directly connected to each other.
  • 1 wiring part is a semiconductor device characterized in that it is connected via a conductive member.
  • the semiconductor device is arranged between a first wiring portion including a first substrate and a second wiring portion including a second substrate, and the first and second wiring portions are arranged in parallel.
  • the first semiconductor element and the first wiring portion are connected via a first conductive member.
  • the second semiconductor element and the first wiring portion are connected via a second conductive member having a thickness different from that of the first conductive member. It is a device.
  • the embodiments of the present invention enable high-density mounting of various types of semiconductor devices.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a conductive member according to the present invention
  • FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to a second embodiment of the invention
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to a third embodiment of the invention
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to a fourth embodiment of the invention
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to a fifth embodiment of the present invention
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to a sixth embodiment of the present invention
  • 1 is a block configuration diagram showing an example of a control system employing a semiconductor device according to an embodiment of the invention
  • FIG. 1 is a circuit diagram showing an example of a control system employing a semiconductor device according to an embodiment of the invention
  • FIG. 3 is a block configuration diagram showing another example of a control system employing the semiconductor device according to the embodiment of the invention
  • FIG. 10 is a circuit diagram showing another example of a control system employing the semiconductor device according to the embodiment of the invention
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a first embodiment of a semiconductor device according to the present invention.
  • a semiconductor device 110 includes first and second semiconductor elements 3 and 4 arranged between first and second circuit boards 1 and 2 arranged in parallel.
  • the space around the first and second semiconductor elements 3 and 4 is filled with a resin material such as epoxy resin, and the inside of the semiconductor device 110 is sealed with this resin material.
  • a wiring member 5 is provided on the surface of the first circuit board 1 (lower surface in FIG. 1), and a plurality of vias 7 and 8 are formed to extend from a portion of the wiring member 5 .
  • a wiring member 6 is also provided on the surface of the second circuit board 2 (upper surface in FIG. 1), and a plurality of vias 9 and 10 are formed to extend from a portion of the wiring member 6 .
  • the first circuit board 1 , the wiring member 5 , the vias 7 and 8 constitute the first wiring portion 12 .
  • Second circuit board 2 , wiring member 6 , vias 9 and 10 constitute second wiring portion 13 .
  • the first semiconductor element 3 includes a semiconductor layer 3c and electrodes 3a (first electrode) and electrodes 3b (second electrodes) formed on both sides (upper surface and lower surface in FIG. 1) of the semiconductor layer 3c. there is Electrodes 3a and 3b are electrically connected to wiring members 5 and 6 via vias 7 and 9, respectively.
  • the second semiconductor element 4 also includes a semiconductor layer 4c and an electrode 4a (first electrode) and an electrode 4b (second electrode) formed on both sides (upper surface and lower surface in FIG. 1) of the semiconductor layer 4c. I have.
  • the electrode 4a is connected to the wiring member 5 through the via 8
  • the electrode 4b is electrically connected to the wiring member 6 through the conductive member 21 (described later) and the via 10.
  • the first semiconductor element 3 is directly connected to the second wiring member 13
  • the second semiconductor element 4 is connected to the second wiring member 13 via the conductive member 21 .
  • the thickness of semiconductor element 4 (total thickness of semiconductor layer 4c and electrodes 4a and 4b) is smaller than the thickness of semiconductor element 3 (total thickness of semiconductor layer 3c and electrodes 3a and 3b).
  • the difference in thickness between the semiconductor element 4 and the semiconductor element 3 is, for example, 10 ⁇ m to 250 ⁇ m.
  • through holes 11 are provided between the first circuit board 1 and the second circuit board 2 .
  • the first circuit board 1 and the second circuit board 2 are electrically connected via a wiring member 11 a formed on the hollow wall surface of the through hole 11 .
  • the vias 7 and 8 are formed to have the same length.
  • the vias 9 and 10 are also formed to have the same length.
  • the vias 7, 8, 9, 10 and the wiring portion 11a are made of a material with low electrical resistance and high thermal conductivity.
  • the vias 7, 8, 9, 10 and the wiring member 11a are preferably made of a material containing copper (Cu) as a main component, for example.
  • a material containing copper (Cu) as a main component is also used as the outermost surface material of the electrodes 3a, 3b, 4a, and 4b.
  • the electrodes 3a, 3b, 4a, and 4b are formed on the semiconductor layer 3c and the semiconductor layer 4c by a thin film deposition process or the like. Since the upper surfaces of the semiconductor element 3 and the semiconductor element 4 are substantially flush with each other, the semiconductor device as described above is excellent in terms of manufacturing such as formation of vias.
  • the types and functions of the first and second semiconductor elements 3 and 4 are not particularly limited.
  • at least one of the first and second semiconductor elements 3 and 4 is preferably a power semiconductor element (switching element) having a power conversion function (switching function).
  • the first semiconductor element 3 may be a semiconductor component such as a Schottky Barrier Diode (SBD) or a PiN diode, but is not limited thereto.
  • the second semiconductor element 4 is a power semiconductor element such as an insulated gate bipolar transistor (IGBT), a bipolar transistor, or a metal-oxide-semiconductor field effect transistor (MOSFET). ).
  • both the first semiconductor element 3 and the second semiconductor element 4 may be switching elements such as IGBTs and MOSFETs. Also, both the first semiconductor element 3 and the second semiconductor element 4 may be semiconductor components such as diodes.
  • the second semiconductor element 4 (MOSFET or IGBT) in FIG. 1 is a so-called vertical device in which the electrode 4a includes a gate electrode and a source electrode (emitter electrode), and the electrode 4b includes a drain electrode (collector electrode). It is preferable to have Such a preferable configuration can improve the reliability of the semiconductor device 110 .
  • FIG. 2 shows a cross section of the semiconductor element 4 and the conductive member 21 attached to its lower surface.
  • the conductive member 21 is composed of two layers: a conductive flat metal plate (conductive metal layer) 21a and an adhesive layer (conductive adhesive layer) 21b.
  • the metal plate 21 a is connected to vias 10 (not shown), and the adhesive layer 21 b is connected to electrodes 4 b of the semiconductor element 4 .
  • it is preferable that the outer edge of the conductive member 21 is located outside the outer edge of the semiconductor element 4 when viewed from the stacking direction of the conductive member 21 and the semiconductor element 4 .
  • the conductive member 21 can be made of a material having no anisotropy in thermal conductivity, that is, a material having thermal isotropy. With such a configuration, the heat generated in the semiconductor element can be dissipated well in both the stacking direction and the stacking surface direction.
  • the metal plate 21a may be a single plate made of a material such as a thin plate made of a metal containing copper (Cu) as a main component, or a thin plate made of a copper alloy (lead frame material such as EFTEC). Further, the metal plate 21a may be a laminated thin plate (CMC or CPC) of copper and molybdenum (Mo), or a composite plate made of a material such as PCM30, which is integrated by pouring copper into mesh-like molybdenum. .
  • Materials for the adhesive layer 21b include, for example, silver (Ag) sintered material, copper sintered material, solder, silver paste, and AuGe-based alloys.
  • Both the metal plate 21a and the adhesive layer 21b are conductive, and the semiconductor element 4 and the vias 10 are electrically connected through the metal plate 21a and the adhesive layer 21b.
  • the adhesive layer 21b is not necessarily required as the conductive member 21.
  • FIG. When the material of the electrode 4b of the semiconductor element 4 and the material of the metal plate 21a cannot be directly bonded (for example, diffusion bonding), it is effective to interpose the adhesive layer 21b between the electrode 4b and the metal plate 21a. .
  • the adhesive layer 21b can be adjusted to have a desired thickness by a known method. Further, by roughening the surface of the metal plate 21a by etching or the like, it is possible to increase the adhesion and bonding strength between the metal plate 21a and the adhesive layer 21b.
  • the conductive member 21 is composed only of the metal plate 21a.
  • the metal plate 21a and the vias 10 are made of copper in order to improve electrical characteristics and heat dissipation characteristics, the metal plate 21a and the vias 10 can be bonded using Cu—Cu diffusion bonding.
  • the metal used for diffusion bonding is not particularly limited as long as it enables electrical and thermal connection.
  • the metal used for diffusion bonding for example, an element of Group 11 of the periodic table can be used.
  • direct bonding between different elements such as Cu--Au diffusion bonding and Cu--Ag diffusion bonding is also possible.
  • semiconductor elements may have different outer shapes and dimensions depending on their specifications.
  • the dimensional error greatly affects assembly accuracy and high-density mounting.
  • a semiconductor device including a power semiconductor element having a power conversion function (switching function) a plurality of semiconductor elements such as IGBTs, MOSFETs, and SBDs having different specifications and dimensions are arranged between wiring sections including circuit boards.
  • the thickness direction of the first semiconductor element 3 is reduced. is absorbed, and the opposing surfaces of the second semiconductor element 4 and the second wiring member 13 are in surface contact while maintaining the parallel state of the first circuit board 1 and the second circuit board 2.
  • the thickness of the semiconductor element 3 (Schottky barrier diode) is greater than the thickness of the semiconductor element 4 (switching element), causing a gap between the first circuit board 1 and the electrode 4a. can reduce the thickness of the resin layer. Therefore, the heat dissipation inside the semiconductor device can be made more excellent. Such an effect becomes more pronounced when the semiconductor element 4 is a transistor such as a MOSFET and has a gate electrode on its upper surface.
  • a copper plate having a thickness of several tens of ⁇ m to several hundred ⁇ m can be used as the metal plate 21a.
  • a metal plate 21a having an appropriate thickness is selected and used according to the dimensional difference of the semiconductor elements 3 and 4 in the thickness direction. Even if the metal plate 21a that perfectly matches the dimensional difference cannot be obtained by the adhesive layer 21b that is used as necessary, or if it is difficult to directly bond the metal plate 21a and the electrode 4a, the second adhesive layer 21b is used. The connection strength between the semiconductor element 4 and the second circuit board 2 can be increased.
  • the semiconductor device 110 according to the present embodiment configured in this way, it is possible to achieve sufficient electrical and mechanical connection between the semiconductor element and the circuit board. It becomes possible to mount elements with high density. Moreover, according to the semiconductor device 110 according to the present embodiment, semiconductor elements having different dimensions can be incorporated without lowering reliability. Therefore, it is possible to expand the degree of freedom in designing the component-embedded substrate module compared to the conventional one.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to the second embodiment of the invention.
  • the semiconductor device 120 has a conductive member 22 between the electrode 3a of the first semiconductor element 3 and the second wiring portion 13.
  • the cross-sectional configuration of the conductive member 22 is similar to that of the conductive member 21 shown in FIG. 2, but the thickness of the metal plate is slightly different from that of the conductive member 21 shown in FIG. That is, in the present embodiment, the thickness difference between the first semiconductor element 3 and the second semiconductor element 4 is the difference in thickness between the metal plate 21a and the metal plate 22a.
  • the thickness difference between the first semiconductor element 3 and the second semiconductor element 4 is 50 ⁇ m
  • a 150 ⁇ m copper plate is used as the metal plate 21a
  • a 100 ⁇ m copper plate is used as the metal plate 22a.
  • the semiconductor device 120 configured in this way is effective when the dimensional difference in the thickness direction between the first semiconductor element 3 and the second semiconductor element 4 is relatively small. That is, in the first embodiment shown in FIG. 1, if the dimensional difference between the first semiconductor element 3 and the second semiconductor element is, for example, 1 ⁇ m to 100 ⁇ m, the metal plate is thin enough to match the dimensional difference. 21a may be difficult to obtain. Moreover, even if a metal plate 21a thin enough to meet the above-mentioned dimensional difference is available, it may be difficult to bond it to the second semiconductor element 4 in some cases. On the other hand, in the case of FIG.
  • the difference in thickness between thick metal plates 21a and 22a (about several tens of ⁇ m to several hundreds of ⁇ m), which are relatively easy to obtain and easy to join, is sufficient for semiconductor elements. It is possible to absorb the dimensional difference in the thickness direction of 3 and 4.
  • the first semiconductor element 3 in the figure is a Schottky barrier diode (SBD), it is preferably a so-called vertical device.
  • the electrode 3b may be a Schottky electrode or an ohmic electrode.
  • electrode 3b is preferably a Schottky electrode. With such a preferable configuration, the heat generated from the Schottky electrode side, which generates a larger amount of heat, can be dissipated better.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to the third embodiment of the invention.
  • the semiconductor device 130 differs in that the conductive member 23 connected to the second semiconductor element 4 is connected to the first wiring portion 12 side. That is, the lower surface 4b of the second semiconductor element 4 is directly connected to the via 10, while the conductive member 23 is connected to the electrode 4a on the upper surface of the second semiconductor element 4.
  • the cross-sectional configuration of the conductive member 23 is the same as that of the conductive member 21 shown in FIG.
  • the difference in thickness between the first semiconductor element 3 and the second semiconductor element 4 is the difference in thickness between the metal plates 22a and 23a. .
  • the difference in thickness between the metal plates 22a and 23a can also absorb the dimensional difference in the thickness direction of the semiconductor elements 3 and 4.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to the fourth embodiment of the invention.
  • a semiconductor device 140 shown in FIG. 5 uses a conductive member 25 having a square metal member 25a having a wall surface 25c along its periphery and a concave portion 25d having a concave cross-sectional shape.
  • the concave portion 25d provided in the metal member 25a has an area and depth that allow the second semiconductor element 4 to be placed therein.
  • the thickness of the recess 25d of the metal member 25a is equal to the difference in thickness between the first semiconductor element 3 and the second semiconductor element 4. As shown in FIG.
  • the wall surface 25c and the recess 25d of the metal member 25a are formed, for example, by cutting or etching a copper plate having a thickness corresponding to the dimensions of the wall surface 25c.
  • the thickness of the recess 25d is adjusted when the wall surface 25c and the recess 25d are formed.
  • a flat copper plate corresponding to the thickness of the recess 25d can be prepared in advance, and the metal member 25a can be formed by pressing or caulking.
  • the material of the metal member 25a for example, the same material as that of the metal plate 21a can be used.
  • the second semiconductor element 4 is subsequently placed in the concave portion 25d to be bonded to the metal plate 25a.
  • the height of the wall surface 25c of the metal plate 25a is such that even if the adhesive is pushed out when the second semiconductor element 4 is placed in the recess 25d, it will not leak out of the metal plate 25a. is set.
  • the thickness of the metal member 25a forming the conductive member 25 can also absorb the dimensional difference in the thickness direction of the semiconductor elements 3 and 4.
  • FIG. Moreover, according to the semiconductor device 140 shown in FIG. It is also possible to suppress thermal interference and noise interference between.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to a fifth embodiment of the invention.
  • a semiconductor device 150 shown in FIG. 6 includes two conductive members 25 and 26 similar to the conductive member 25 shown in FIG. It is arranged between and joined to the wiring portion 13 .
  • the difference in thickness between the recesses 25c and 26c of the metal member 25a and the metal member 26a constituting the conductive members 25 and 26 is the thickness direction of the first semiconductor element 3 and the second semiconductor element 4.
  • the difference in the thickness of the metal member 25a forming the conductive member 25 and the thickness of the metal member 26a forming the conductive member 26 causes the semiconductor element It is possible to absorb the dimensional difference in the thickness direction of 3 and 4. Further, according to the semiconductor device 140 shown in FIG. 6, the wall surfaces 25c and 26c of the conductive members 25 and 26 cover the periphery of the first and second semiconductor elements 3 and 4, respectively. Thermal interference and noise interference between 3 and second semiconductor element 4 can be further suppressed.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to the sixth embodiment of the present invention.
  • a semiconductor device 160 shown in FIG. 7 differs from the semiconductor device 150 shown in FIG. 6 in that the conductive member 25 connected to the second semiconductor element 4 is connected to the first wiring portion 12 side. That is, the lower surface 4b of the second semiconductor element 4 is directly connected to the second wiring portion 13, while the conductive member 25 is connected to the electrode 4a on the upper surface of the second semiconductor element 4.
  • the configuration of the conductive member 25 is similar to that of the conductive member 25 shown in FIG.
  • the dimensional difference in the thickness direction between the first semiconductor element 3 and the second semiconductor element 4 causes the recesses 25b and 26b of the metal member 25a and the metal member 26a, respectively. It is configured to have a difference in thickness.
  • the difference between the thickness of the metal member 25a that constitutes the conductive member 25 and the thickness of the metal member 26a that constitutes the conductive member 26 makes the semiconductor element It is possible to absorb the dimensional difference in the thickness direction of 3 and 4.
  • the wall surfaces 25c and 26c of the conductive members 25 and 26 not only cover the periphery of the first and second semiconductor elements 3 and 4, respectively, but also cover the conductive members. Since either the upper surface side or the lower surface side of the semiconductor elements 3 and 4 is covered with the metal members 25a and 26a of 25 and 26, thermal interference between the first semiconductor element 3 and the second semiconductor element 4 is prevented. and noise interference can be further suppressed.
  • a semiconductor device includes a semiconductor element using silicon carbide (SiC), gallium nitride (GaN), gallium oxide (Ga2O3), etc., which are widely known as semiconductor materials for power semiconductors.
  • SiC silicon carbide
  • GaN gallium nitride
  • Ga2O3 gallium oxide
  • semiconductor elements of different dimensions can be incorporated without lowering reliability. Therefore, it is possible to expand the degree of freedom in designing the component-embedded substrate module compared to the conventional one.
  • the semiconductor device described above may be used as a submodule, and a plurality of these submodules may be combined to form a module for use.
  • FIG. 8 is a block configuration diagram showing an example of a control system using a semiconductor device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 9 is a circuit diagram of the same control system, which is particularly suitable for mounting on an electric vehicle. control system.
  • the control system 500 has a battery (power source) 501, a step-up converter 502, a step-down converter 503, an inverter 504, a motor (to be driven) 505, and a drive control section 506, which are mounted on an electric vehicle.
  • the battery 501 is composed of a storage battery such as a nickel-metal hydride battery or a lithium-ion battery, and stores electric power by charging at a power supply station or regenerative energy during deceleration, and is necessary for the operation of the running system and electrical system of the electric vehicle. DC voltage can be output.
  • the boost converter 502 is a voltage conversion device equipped with a chopper circuit, for example, and boosts the DC voltage of, for example, 200 V supplied from the battery 501 to, for example, 650 V by switching operation of the chopper circuit, and outputs it to a running system such as a motor. be able to.
  • the step-down converter 503 is also a voltage conversion device equipped with a chopper circuit. It can be output to the electrical system including
  • the inverter 504 converts the DC voltage supplied from the boost converter 502 into a three-phase AC voltage by switching operation, and outputs the three-phase AC voltage to the motor 505 .
  • the motor 505 is a three-phase AC motor that constitutes the running system of the electric vehicle, and is rotationally driven by the three-phase AC voltage output from the inverter 504. The rotational driving force is transmitted to the wheels of the electric vehicle via a transmission or the like (not shown). to
  • various sensors are used to measure actual values such as the number of revolutions and torque of the wheels and the amount of depression of the accelerator pedal (acceleration amount) from the running electric vehicle. is entered.
  • the output voltage value of inverter 504 is also input to drive control section 506 .
  • the drive control unit 506 has the function of a controller equipped with a calculation unit such as a CPU (Central Processing Unit) and a data storage unit such as a memory. By outputting it as a feedback signal, the switching operation of the switching element is controlled.
  • the AC voltage applied to the motor 505 by the inverter 504 is corrected instantaneously, so that the operation control of the electric vehicle can be accurately executed, and safe and comfortable operation of the electric vehicle is realized. It is also possible to control the output voltage to inverter 504 by giving the feedback signal from drive control section 506 to boost converter 502 .
  • FIG. 9 is a circuit configuration excluding the step-down converter 503 in FIG. 8, that is, a circuit configuration showing only the configuration for driving the motor 505.
  • the semiconductor device according to the embodiment of the present invention is employed as a Schottky barrier diode in boost converter 502 and inverter 504 for switching control.
  • Boost converter 502 is incorporated in a chopper circuit to perform chopper control
  • inverter 504 is incorporated in a switching circuit including IGBTs to perform switching control.
  • IGBTs IGBTs
  • the drive control unit 506 is provided with an operation unit 507 consisting of a CPU (Central Processing Unit) and a storage unit 508 consisting of a non-volatile memory.
  • the signal input to the drive control unit 506 is supplied to the calculation unit 507, and programmed calculation is performed as necessary to generate a feedback signal for each semiconductor element.
  • the storage unit 508 temporarily holds the calculation result by the calculation unit 507, accumulates physical constants and functions required for drive control in the form of a table, and outputs them to the calculation unit 507 as appropriate.
  • the calculation unit 507 and the storage unit 508 can employ known configurations, and their processing capabilities can be arbitrarily selected.
  • diodes and switching elements such as thyristors, power transistors, IGBTs, MOSFETs, etc. are used for the switching operations of the boost converter 502, the step-down converter 503, and the inverter 504.
  • gallium oxide (Ga 2 O 3 ) especially corundum-type gallium oxide ( ⁇ -Ga 2 O 3 ), as the material for these semiconductor elements, the switching characteristics are greatly improved.
  • the semiconductor device according to the embodiment of the present invention extremely good switching characteristics can be expected, and further miniaturization and cost reduction of the control system 500 can be realized. That is, each of the boost converter 502, the step-down converter 503, and the inverter 504 can expect the effect of the present invention.
  • the effect of the present invention can be expected in any of the above.
  • control system 500 can apply not only the semiconductor device according to the embodiment of the present invention to the control system of an electric vehicle, but also various devices such as stepping up and stepping down power from a DC power supply and converting power from DC to AC. It can be applied to the control system of the application. It is also possible to use a power source such as a solar cell as the battery.
  • FIG. 10 is a block configuration diagram showing another example of a control system employing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 11 is a circuit diagram of the same control system, showing infrastructure equipment that operates on power from an AC power supply. This control system is suitable for installation in home appliances, etc.
  • the control system 600 receives power supplied from, for example, an external three-phase alternating current power supply (power supply) 601, and includes an AC/DC converter 602, an inverter 604, a motor (to be driven) 605, It has a drive control unit 606, which can be mounted on various devices (described later).
  • the three-phase AC power supply 601 is, for example, a power generation facility of an electric power company (a thermal power plant, a hydroelectric power plant, a geothermal power plant, a nuclear power plant, etc.), and its output is stepped down via a substation and supplied as an AC voltage. be.
  • AC/DC converter 602 is a voltage conversion device that converts AC voltage to DC voltage, and converts AC voltage of 100V or 200V supplied from three-phase AC power supply 601 to a predetermined DC voltage. Specifically, the voltage is converted into a generally used desired DC voltage such as 3.3V, 5V, or 12V. If the object to be driven is a motor, conversion to 12V is performed.
  • a single-phase AC power supply can be used instead of the three-phase AC power supply. In that case, the same system configuration can be achieved by using a single-phase input AC/DC converter.
  • the inverter 604 converts the DC voltage supplied from the AC/DC converter 602 into a three-phase AC voltage by switching operation, and outputs the three-phase AC voltage to the motor 605 .
  • the form of the motor 604 differs depending on the object to be controlled, but if the object to be controlled is a train, it drives the wheels; if it is factory equipment, it drives pumps and various power sources; It is a three-phase AC motor, and is rotationally driven by a three-phase AC voltage output from inverter 604, and transmits its rotational driving force to a drive target (not shown).
  • the control system 600 does not require the inverter 604, and as shown in FIG. 10, a DC voltage is supplied from the AC/DC converter 602 to the driven object.
  • a personal computer is supplied with a DC voltage of 3.3V
  • an LED lighting device is supplied with a DC voltage of 5V.
  • various sensors are used to measure actual values such as the rotational speed and torque of the driven object, or the temperature and flow rate of the surrounding environment of the driven object, and these measurement signals are input to the drive control unit 606.
  • the output voltage value of inverter 604 is also input to drive control section 606 .
  • drive control section 606 gives a feedback signal to inverter 604 to control the switching operation of the switching element.
  • the AC voltage applied to the motor 605 by the inverter 604 is corrected instantaneously, so that the operation control of the object to be driven can be accurately executed, and stable operation of the object to be driven is realized.
  • FIG. 11 shows the circuit configuration of FIG.
  • the semiconductor device according to the embodiment of the present invention is employed as a Schottky barrier diode in an AC/DC converter 602 and an inverter 604 for switching control.
  • the AC/DC converter 602 uses, for example, a Schottky barrier diode circuit configured in a bridge shape, and performs DC conversion by converting and rectifying the negative voltage component of the input voltage into a positive voltage.
  • the inverter 604 is incorporated in the switching circuit in the IGBT and performs switching control.
  • a capacitor (such as an electrolytic capacitor) is interposed between the AC/DC converter 602 and the inverter 604 to stabilize the voltage.
  • the drive control unit 606 is provided with an operation unit 607 made up of a CPU and a storage unit 608 made up of a non-volatile memory.
  • the signal input to the drive control unit 606 is supplied to the calculation unit 607, and programmed calculation is performed as necessary to generate a feedback signal for each semiconductor element.
  • the storage unit 608 temporarily holds the result of calculation by the calculation unit 607, accumulates physical constants and functions required for drive control in the form of a table, and outputs them to the calculation unit 607 as appropriate.
  • the calculation unit 607 and the storage unit 608 can employ known configurations, and their processing capabilities can be arbitrarily selected.
  • the rectifying operation and switching operation of the AC/DC converter 602 and the inverter 604 are performed by diodes, switching elements such as thyristors, and power transistors. , IGBT, MOSFET, etc. are used. Switching characteristics are improved by using gallium oxide (Ga 2 O 3 ), particularly corundum type gallium oxide ( ⁇ -Ga 2 O 3 ), as the material for these semiconductor elements. Furthermore, by applying the semiconductor device according to the embodiment of the present invention, extremely good switching characteristics can be expected, and further miniaturization and cost reduction of the control system 600 can be realized. That is, AC/DC converter 602 and inverter 604 can each be expected to have the effect of the present invention. can be expected.
  • FIGS. 10 and 11 exemplify the motor 605 as an object to be driven
  • the object to be driven is not necessarily limited to those that operate mechanically, and many devices that require AC voltage can be targeted.
  • the control system 600 as long as the drive object is driven by inputting power from an AC power supply, it can be applied to infrastructure equipment (for example, power equipment such as buildings and factories, communication equipment, traffic control equipment, water and sewage treatment). Equipment, system equipment, labor-saving equipment, trains, etc.) and home appliances (e.g., refrigerators, washing machines, personal computers, LED lighting equipment, video equipment, audio equipment, etc.). can.
  • infrastructure equipment for example, power equipment such as buildings and factories, communication equipment, traffic control equipment, water and sewage treatment.
  • home appliances e.g., refrigerators, washing machines, personal computers, LED lighting equipment, video equipment, audio equipment, etc.

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Abstract

多種類の半導体素子を高密度に実装することが可能な半導体装置の提供を目的とする。第１の基板を含む第１の配線部材および第２の基板を含む第２の配線部材の間に並設され、前記第１および前記第２の基板とそれぞれ電気的に接続する第１および第２の半導体素子を有する半導体装置において、前記第１の半導体素子と前記第１の配線部材とは、直接接続され、前記第２の半導体素子と前記第１の配線部材とは、導電性部材を介して接続されている。

Description

半導体装置および半導体システム
　本発明は半導体素子を搭載する半導体装置および半導体システムに係り、特に、複数の半導体素子を基板間に内蔵してなる半導体装置および半導体システムに関する。
　半導体素子を搭載した回路基板を積層することで半導体装置を三次元的に高密度実装する、いわゆるモジュール化技術が知られている。モジュール化された半導体装置として、例えば、特許文献１に開示された半導体装置がある。特許文献１に開示された半導体装置においては、耐熱温度の低い集積チップ部品６８が上層のモジュール基板６６に搭載されており、発熱を伴う半導体チップＩＣ１等が下層のモジュール基板５１に搭載されており、上層のモジュール基板６６および下層のモジュール基板５１が接続部材６５によって電気的に接続されている。通常、このようなモジュール化技術では、放熱や電磁波遮蔽といった課題についての検討も行われる。これらの課題への対策が進むにつれより一層の高密度化が求められる。
特開２０１１－１９８８６６号公報
　電力変換機能を有するパワー半導体においては、高速なスイッチング特性が求められるなどモジュールの高機能化へのニーズが高い。また、パワー半導体においても、基板中にスイッチング素子を内蔵した部品内蔵基板が検討されており、その中で放熱や電磁波遮蔽への対策が積極的に講じられている。したがって、多種類の半導体素子を内蔵しつつより高密度実装が可能なモジュール化技術が求められる。例えば、ショットキー・バリア・ダイオード（ＳＢＤ：Schottky Barrier Diode）、絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）、バイポーラ・トランジスタ、または金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ：Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）等の半導体素子を高密度に内蔵してモジュール化することが求められている。また、異なる２以上の半導体素子を内蔵する場合には、それぞれの半導体素子どうしの熱干渉やノイズ干渉を抑制しつつ高密度化する必要がある。
　そこで本発明は、多種類の半導体素子を基板間に高密度に内蔵して実装することが可能な半導体装置および半導体システムの提供を目的とする。
　本発明者らは、以下に示す半導体装置が、上記した従来の課題を解決できることを見出した。
　本発明の実施形態に係る半導体装置は、第１の基板を含む第１の配線部および第２の基板を含む第２の配線部の間に並設され、前記第１および前記第２の基板とそれぞれ電気的に接続する第１および第２の半導体素子を有する半導体装置において、前記第１の半導体素子と前記第１の配線部とは、直接接続され、前記第２の半導体素子と前記第１の配線部とは、導電性部材を介して接続されている、ことを特徴とする半導体装置である。
　また、本発明の実施形態に係る半導体装置は、第１の基板を含む第１の配線部および第２の基板を含む第２の配線部の間に並設され、前記第１および前記第２の基板とそれぞれ電気的に接続する第１および第２の半導体素子を有する半導体装置において、前記第１の半導体素子と前記第１の配線部とは、第１の導電性部材を介して接続され、前記第２の半導体素子と前記第１の配線部とは、前記第１の導電性部材とは異なる厚みからなる第２の導電性部材を介して接続されている、ことを特徴とする半導体装置である。
　上記のように構成された本発明の実施形態によれば、搭載される半導体素子がその仕様や材料特性等によって厚みが異なる場合であっても、配線部間にて電気的および機械的に十分な接続を図ることができる。そのため、本発明の実施形態は、多種類の半導体素子を高密度に実装することを可能とする。
本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の断面図である。 本発明に係る導電性部材の構造を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る半導体装置の断面図である。 本発明の第５の実施形態に係る半導体装置の断面図である。 本発明の第６の実施形態に係る半導体装置の断面図である。 本発明の実施形態に係る半導体装置を採用した制御システムの一例を示すブロック構成図である。 本発明の実施形態に係る半導体装置を採用した制御システムの一例を示す回路図である。 本発明の実施形態に係る半導体装置を採用した制御システムの他の例を示すブロック構成図である。 本発明の実施形態に係る半導体装置を採用した制御システムの他の例を示す回路図である。
　以下、本発明に係る幾つかの実施形態を図面を参照しながら説明する。なお、同一構成要素には同一符号を付すことで、重複する説明を省略する。
　図１は本発明に係る半導体装置の第１実施形態を示す断面図である。図１に示すように、半導体装置１１０は、平行に配置された第１および第２の回路基板１，２の間に配置された第１および第２の半導体素子３，４を備えている。第１および第２の半導体素子３，４の周囲の空間には、エポキシ樹脂などの樹脂材料が充填され、この樹脂材料によって半導体装置１１０内が封止されている。
　半導体装置１１０の内部構造についてさらに具体的に説明する。第１の回路基板１の表面（図１にて下側の面）には配線部材５が設けられ、配線部材５の一部から複数のビア７，８が延出するよう形成されている。第２の回路基板２の表面（図１にて上側の面）にも配線部材６が設けられ、配線部材６の一部から複数のビア９，１０が延出するよう形成されている。ここで、第１の回路基板１、配線部材５、ビア７および８が第１の配線部１２を構成している。また、第２の回路基板２、配線部材６、ビア９および１０が第２の配線部１３を構成している。第１の半導体素子３は、半導体層３ｃと、その両面（図１にて上面と下面）にそれぞれ形成されている電極３ａ（第１の電極），電極３ｂ（第２の電極）を備えている。電極３ａおよび電極３ｂは、それぞれビア７，９を介して配線部材５，６と電気的に接続されている。また、第２の半導体素子４も、半導体層４ｃとその両面（図１にて上面と下面）にそれぞれ形成されている電極４ａ（第１の電極），電極４ｂ（第２の電極）とを備えている。電極４ａはビア８を介して配線部材５と接続され、また電極４ｂは導電性部材２１（後述）およびビア１０を介して配線部材６と電気的に接続されている。すなわち、第１の半導体素子３は、第２の配線部材１３に直接接続されており、第２の半導体素子４は、導電性部材２１を介して第２の配線部材１３に接続されている。なお、半導体素子４の厚さ（半導体層４ｃ、電極４ａおよび４ｂの厚さの合計）は半導体素子３の厚さ（半導体層３ｃ、電極３ａおよび電極３ｂの厚さの合計）よりも小さい。半導体素子４と半導体素子３の厚さの差は、例えば、１０μｍ～２５０μｍである。さらに、第１の回路基板１と第２の回路基板２との間にはスルーホール１１が設けられている。このスルーホール１１の中空壁面に形成された配線部材１１ａを介して、第１の回路基板１と第２の回路基板２とが電気的に接続されている。
　ビア７とビア８は同じ長さに形成されている。ビア９とビア１０も同じ長さに形成されている。また、ビア７，８，９，１０および配線部１１ａは、電気抵抗が低く熱伝導率の高い材料で形成されている。ビア７，８，９，１０および配線部材１１ａは、例えば銅（Ｃｕ）を主成分とする材料で形成されるのが好ましい。また、電極３ａ，３ｂ，４ａ，４ｂの最表面の材料としても銅（Ｃｕ）を主成分とする材料が用いられる。電極３ａ，３ｂ，４ａ，４ｂは、半導体層３ｃおよび半導体層４ｃ上に薄膜成膜プロセス等により形成されている。上記のような半導体装置は、半導体素子３と半導体素子４との上面が略面一となっているため、ビアの形成など製造面においても優れている。
　本発明の実施形態においては、第１および第２の半導体素子３，４の種類や機能は特に限定されない。本発明の実施形態においては、第１および第２の半導体素子３、４の少なくとも一方が、電力変換機能（スイッチング機能）を有するパワー半導体素子（スイッチング素子）であることが好ましい。本実施形態では、第１の半導体素子３は半導体部品であるショットキー・バリア・ダイオード（ＳＢＤ：Schottky Barrier Diode）やＰｉＮダイオードなどが挙げられるが、これに限定されるものではない。第２の半導体素子４はパワー半導体素子である絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）、バイポーラ・トランジスタ、または金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ：Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）である。本発明の実施形態においては、第１の半導体素子３と第２の半導体素子４の両方がＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子であってもよい。また、第１の半導体素子３および第２の半導体素子４の両方がダイオードなどの半導体部品であってもよい。なお、図１の第２の半導体素子４（ＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴ）において、電極４ａがゲート電極およびソース電極（エミッタ電極）を含み、電極４ｂがドレイン電極（コレクタ電極）を含む、いわゆる縦型デバイスであるのが好ましい。このような好ましい構成によれば、半導体装置１１０の信頼性をより優れたものとすることができる。
　図２は、半導体素子４とその下面に取り付けられた導電性部材２１の断面を示している。本実施形態においては、導電性部材２１は、導電性を有する平板状の金属板（導電性金属層）２１ａと接着層（導電性接着層）２１ｂの２層からなっている。金属板２１ａはビア１０（図示せず）に接続され、接着層２１ｂは半導体素子４の電極４ｂに接続されている。本実施形態においては、導電性部材２１と半導体素子４との積層方向からみて、導電性部材２１の外縁が半導体素子４の外縁よりも外側に位置しているのが好ましい。また、本実施形態においては、導電性部材２１が、熱伝導率に異方性を持たない材料、すなわち熱的に等方性を有する材料とすることができる。このような構成とすることにより、半導体素子で発生した熱を、積層方向および積層面方向の両方に良好に放熱させることができる。
　金属板２１ａは、銅（Ｃｕ）を主成分とする金属からなる薄板、銅合金の薄板（ＥＦＴＥＣ等のリードフレーム材料）などの材料からなる単一板であってもよい。また、金属板２１ａは、銅とモリブデン（Ｍｏ）との積層薄板（ＣＭＣやＣＰＣ）や、メッシュ状のモリブデン中に銅を流し込んで一体化したＰＣＭ３０などの材料からなる複合板であってもよい。接着層２１ｂの材料としては、例えば、銀（Ａｇ）焼結材、銅焼結材、はんだ、銀ペースト、ＡｕＧｅ系合金などが挙げられる。金属板２１ａおよび接着層２１ｂは共に導電性を備え、半導体素子４とビア１０とが、金属板２１ａおよび接着層２１ｂを介して電気的に接続されている。なお、導電性部材２１として接着層２１ｂは必ずしも必要ではない。半導体素子４の電極４ｂの材料と金属板２１ａの材料とを直接接合（例えば拡散接合）できない場合などには、電極４ｂと金属板２１ａとの間に接着層２１ｂを介在させることが有効となる。接着層２１ｂは、公知の手法によって所望の厚みに調整することができる。また、金属板２１ａの表面をエッチングなどにより粗化処理することで、金属板２１ａと接着層２１ｂとの密着性や接合強度を高めることも可能である。
　なお、接着層２１ｂを介在させることなく、金属板２１ａとビア１０とを拡散接合により直接接合する場合には、導電性部材２１は金属板２１aのみで構成される。例えば、電気特性や放熱特性を高めるために、金属板２１ａとビア１０とを共に銅で形成した場合には、Ｃｕ－Ｃｕ拡散接合を用いて金属板２１ａとビア１０とを接合させることができる。拡散接合に用いられる金属は、電気的および熱的な接続を可能とするものであれば、特に限定されない。拡散接合に用いられる金属としては、例えば周期律表第１１族の元素を採用することが可能である。例えば、Ａｕ－Ａｕ拡散接合やＡｇ－Ａｇ拡散接合などの、同一元素による直接接合の他に、Ｃｕ－Ａｕ拡散接合やＣｕ－Ａｇ拡散接合などの、異元素どうしでの直接接合も可能である。
　続いて、上述のように構成された本実施形態の作用について詳しく説明する。
　一般に、半導体素子はその仕様によって外形や寸法が異なる場合がある。外形や寸法が異なる半導体素子を実装して半導体装置を製造する場合には、その寸法誤差が組立て精度や高密度実装に大きな影響を与える。特に、電力変換機能（スイッチング機能）を備えたパワー半導体素子を含む半導体装置においては、回路基板を含む配線部間にＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ＳＢＤといった、仕様や寸法の異なる半導体素子が複数併設される。異なる製造元の半導体素子を複数搭載して半導体装置を構成する場合には、半導体素子どうしの厚み方向の寸法差を無視することができない。半導体素子どうしの厚み方向の寸法差がある状態で、回路基板の積層による高密度実装を行うと、半導体素子の上下に配置された回路基板の一方が傾いたり撓んだりした状態で、厚みの小さい半導体素子に接続されることとなる。これは、半導体素子の電極と回路基板との理想的な面接触を妨げる。特に、半導体素子がパワー半導体であると、電流の導通が不十分となることから出力が不安定となり、また発熱に起因して熱応力が発生することによって電極と回路基板とが剥離するリスクが高まる。結果として、半導体装置としての機能や寿命を低下させるだけでなく、半導体装置を搭載したシステムや機器の信頼性にも悪影響を及ぼす。
　これに対して本実施形態においては、厚みの小さな第２の半導体素子４と第２の配線部材１３との間に導電性部材２１を介在させることにより、第１の半導体素子３との厚み方向の寸法差が吸収され、第１の回路基板１と第２の回路基板２との平行状態を維持しつつ第２の半導体素子４と第２の配線部材１３との対向面を面接触の状態とすることができる。
　また、図１の半導体装置によれば、半導体素子３（ショットキーバリアダイオード）の厚みが半導体素子４（スイッチング素子）の厚みより大きいことによって生じ得る第１の回路基板１と電極４ａとの間の樹脂層の厚みを低減することができる。そのため、半導体装置内部の放熱性をより優れたものとすることができる。かかる効果は、半導体素子４がＭＯＳＦＥＴ等のトランジスタであり、その上面にゲート電極を有する場合により顕著なものとなる。
　導電性部材２１を構成する金属板２１ａとしては、数十μｍから数百μｍの銅板などを採用することができる。金属板２１ａとしては、半導体素子３，４の厚み方向の寸法差に応じて適宜な厚みの金属板２１ａが選択され利用される。必要に応じて用いられる接着層２１ｂによって、寸法差に完全に一致する金属板２１ａが得られない場合や、金属板２１ａと電極４ａとを直接接合させることが難しい場合であっても、第２の半導体素子４と第２の回路基板２との接続強度を高めることができる。
　そして、このように構成された本実施形態に係る半導体装置１１０によれば、半導体素子と回路基板との電気的および機械的に十分な接続を図ることができるようになるため、多種類の半導体素子を高密度に実装することが可能となる。また、本実施形態にかかる半導体装置１１０によれば、信頼性を低下させることなく、異なる寸法の半導体素子を内蔵することができる。そのため、部品内蔵基板モジュールにおける設計の自由度を従来よりも広げることができる。
　図３は本発明の第２実施形態に係る半導体装置の断面図である。図３に示すように、半導体装置１２０は、第１の半導体素子３の電極３ａと第２の配線部１３との間に導電性部材２２を有する。導電性部材２２の断面構成は、図２に示した導電性部材２１と同様であるが、図２に示した導電性部材２１とは金属板の厚みが僅かに異なっている。すなわち、本実施形態では、第１の半導体素子３と第２の半導体素子４の厚み方向の寸法差が、金属板２１ａと金属板２２ａとの厚みの差となるよう構成されている。例えば、第１の半導体素子３と第２の半導体素子４の厚み方向の寸法差が５０μｍの場合、金属板２１ａとして１５０μｍの銅板、金属板２２ａとして１００μｍの銅板がそれぞれ用いられる。
　このように構成された半導体装置１２０は、第１の半導体素子３と第２の半導体素子４の厚み方向の寸法差が比較的少ない場合に有効である。すなわち、図１に示した第１の実施形態において、例えば第１の半導体素子３と第２の半導体素子との寸法差が１μｍ～１００μｍの場合には、その寸法差に見合う程の薄い金属板２１ａの入手が難しい場合がある。また、仮に上記のような寸法差に見合う程の薄い金属板２１ａが入手できたとしても、第２の半導体素子４に接合するのが困難な場合がある。これに対して、図３の場合には、比較的入手が容易で、かつ接合も容易な厚めの金属板２１ａおよび２２ａ（数十μｍから数百μｍ程度）の厚みの差でもって、半導体素子３，４の厚み方向の寸法差を吸収することができる。
　なお、図における第１の半導体素子３がショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）である場合、いわゆる縦型デバイスであるのが好ましい。この場合、電極３ｂはショットキー電極であってもよいし、オーミック電極であってもよい。本発明の実施形態においては、電極３ｂがショットキー電極であるのが好ましい。このような好ましい構成とすることにより、より発熱量の大きいショットキー電極側から発生する熱をより良好に放熱することができる。
　図４は本発明の第３実施形態に係る半導体装置の断面図である。図４に示すように、半導体装置１３０は、第２の半導体素子４に接続する導電性部材２３が第１の配線部１２側に接続されている点が異なる。すなわち、第２の半導体素子４の下面４ｂはビア１０に直接接続される一方、第２の半導体素子４の上面の電極４ａに導電性部材２３が接続される。導電性部材２３の断面構成は、図２に示した導電性部材２１と同様である。そして、図４の半導体装置１３０は、第１の半導体素子３と第２の半導体素子４の厚み方向の寸法差が、金属板２２ａと金属板２３ａとの厚みの差となるよう構成されている。
　このように構成された本実施形態の半導体装置１３０においても、金属板２２ａと金属板２３ａどうしの厚みの差でもって、半導体素子３，４の厚み方向の寸法差を吸収することができる。
　図５は本発明の第４の実施形態に係る半導体装置の断面図である。図５に示される半導体装置１４０は、周辺部に沿って壁面２５ｃを有し、断面形状が凹となる凹部２５ｄが形成された桝形の金属部材２５ａを備えた導電性部材２５を用いている。金属部材２５ａに設けられた凹部２５ｄは、第２の半導体素子４を載置可能な面積および深さを有している。また、第１の半導体素子３と第２の半導体素子４の厚み方向の寸法差が、金属部材２５ａの凹部２５ｄの厚みとなるよう構成されている。金属部材２５ａの壁面２５ｃおよび凹部２５ｄは、例えば、壁面２５ｃの寸法に相当する厚みの銅板を切削加工もしくはエッチング処理することにより形成される。壁面２５ｃおよび凹部２５ｄが形成される際に、凹部２５ｄの厚みが調整される。また、本発明の実施形態においては、予め凹部２５ｄの厚みに相当する平板からなる銅板を準備し、プレスやカシメによって金属部材２５ａを成形することもできる。金属部材２５ａの材料としては、例えば、上述の金属板２１ａと同じ材料を用いることができる。そして、金属板２５ａの凹部２５ｄ内に接着剤を所定量充填して接着層２５ｂを形成した後、引き続き第２の半導体素子４を凹部２５ｄ内に載置することで金属板２５ａと接合する。金属板２５ａの壁面２５ｃの高さは、例えば、第２の半導体素子４を凹部２５ｄ内に載置した際に接着剤が押し出されたとしても、金属板２５ａの外部に漏れ出さない高さに設定されている。
　このように構成された本実施形態の半導体装置１４０においても、導電性部材２５を構成する金属部材２５ａの厚みでもって、半導体素子３，４の厚み方向の寸法差を吸収することができる。また、図５に示す半導体装置１４０によれば、導電性部材２５の壁面２５ｃが第２の半導体素子４の周囲を覆っているので、第１の半導体素子３と第２の半導体素子４との間の熱干渉およびノイズ干渉を抑制することもできる。
　図６は本発明の第５の実施形態に係る半導体装置の断面図である。図６に示される半導体装置１５０は、図５に示された導電性部材２５と同様の２つの導電性部材２５，２６を、第１の半導体素子３および第２の半導体素子４と第２の配線部１３との間に配置し接合したものである。ここで、それぞれの導電性部材２５，２６を構成する金属部材２５ａおよび金属部材２６ａのそれぞれの凹部２５ｃ，２６ｃの厚みの差が、第１の半導体素子３と第２の半導体素子４の厚み方向の寸法差と一致するように構成されている。
　このように構成された本実施形態の半導体装置１５０においても、導電性部材２５を構成する金属部材２５ａの厚みと、導電性部材２６を構成する金属部材２６ａの厚みとの差でもって、半導体素子３，４の厚み方向の寸法差を吸収することができる。また、図６に示す半導体装置１４０によれば、導電性部材２５，２６の壁面２５ｃ，２６ｃが第１および第２の半導体素子３，４の周囲をそれぞれ覆っているので、第１の半導体素子３と第２の半導体素子４との間の熱干渉およびノイズ干渉をさらに抑制することができる。
　図７は本発明の第６の実施形態に係る半導体装置の断面図である。図７に示される半導体装置１６０は、第２の半導体素子４に接続する導電性部材２５が第１の配線部１２側に接続している点で図６に示す半導体装置１５０と異なる。すなわち、第２の半導体素子４の下面４ｂは第２の配線部１３に直接接続される一方、第２の半導体素子４の上面の電極４ａに導電性部材２５が接続される。導電性部材２５の構成は、図６に示した導電性部材２５と同様である。そして、図６に示した半導体装置１５０と同様に、第１の半導体素子３と第２の半導体素子４の厚み方向の寸法差が、金属部材２５ａおよび金属部材２６ａのそれぞれの凹部２５ｂ，２６ｂの厚みの差となるよう構成されている。
　このように構成された本実施形態の半導体装置１６０においても、導電性部材２５を構成する金属部材２５ａの厚みと、導電性部材２６を構成する金属部材２６ａの厚みとの差でもって、半導体素子３，４の厚み方向の寸法差を吸収することができる。また、図７に示す半導体装置１４０によれば、導電性部材２５，２６の壁面２５ｃ，２６ｃが第１および第２の半導体素子３，４の周囲をそれぞれ覆っているだけではなく、導電性部材２５，２６の金属部材２５ａ，２６ａによって半導体素子３，４の上面側と下面側のいずれかが覆われているので、第１の半導体素子３と第２の半導体素子４との間の熱干渉およびノイズ干渉をさらに抑制することができる。
　本発明の実施形態に係る半導体装置は、パワー半導体の半導体材料として広く知られている炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）などが用いられた半導体素子を含む場合に有用である。特に、バンドギャップの高いコランダム構造の酸化ガリウム（α－Ｇａ２Ｏ３）や、βガリア構造の酸化ガリウム（β－Ｇａ２Ｏ３）が用いられた半導体素子を含む場合に極めて有用であり、半導体装置の高密度化のみならず信頼性向上にも貢献する。また、本実施形態にかかる半導体装置によれば、信頼性を低下させることなく、異なる寸法の半導体素子を内蔵することができる。そのため、部品内蔵基板モジュールにおける設計の自由度を従来よりも広げることができる。
　なお、上述した本発明に係る複数の実施形態を組合わせたり、一部の構成要素を他の実施形態に適用することももちろん可能であり、そのようなものも本発明の実施形態に属する。なお、本発明の実施形態においては、第１の半導体素子１および第２の半導体素子に加えて、さらに他の半導体素子がさらに内蔵されていてもよい。また、他の受動部品（例えば、コンデンサ、コイルまたは抵抗等）が半導体装置にさらに内蔵されていてもよい。本発明の実施形態においては、上記した半導体装置をサブモジュールとして上で、これらサブモジュールを複数組み合わせてモジュールを形成して使用してもよい。
　上述した本発明の実施形態に係る半導体装置は、上記した機能を発揮させるべく、インバータやコンバータなどの電力変換装置に適用することができる。図８は、本発明の実施形態に係る半導体装置を用いた制御システムの一例を示すブロック構成図、図９は同制御システムの回路図であり、特に電気自動車（Electric Vehicle）への搭載に適した制御システムである。
　図８に示すように、制御システム500はバッテリー（電源）501、昇圧コンバータ502、降圧コンバータ503、インバータ504、モータ（駆動対象）505、駆動制御部506を有し、これらは電気自動車に搭載されてなる。バッテリー501は例えばニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの蓄電池からなり、給電ステーションでの充電あるいは減速時の回生エネルギーなどにより電力を貯蔵するとともに、電気自動車の走行系や電装系の動作に必要となる直流電圧を出力することができる。昇圧コンバータ502は例えばチョッパ回路を搭載した電圧変換装置であり、バッテリー501から供給される例えば200Vの直流電圧を、チョッパ回路のスイッチング動作により例えば650Vに昇圧して、モータなどの走行系に出力することができる。降圧コンバータ503も同様にチョッパ回路を搭載した電圧変換装置であるが、バッテリー501から供給される例えば200Vの直流電圧を、例えば12V程度に降圧することで、パワーウインドーやパワーステアリング、あるいは車載の電気機器などを含む電装系に出力することができる。
　インバータ504は、昇圧コンバータ502から供給される直流電圧をスイッチング動作により三相の交流電圧に変換してモータ505に出力する。モータ505は電気自動車の走行系を構成する三相交流モータであり、インバータ504から出力される三相の交流電圧によって回転駆動され、その回転駆動力を図示しないトランスミッション等を介して電気自動車の車輪に伝達する。
　一方、図示しない各種センサを用いて、走行中の電気自動車から車輪の回転数やトルク、アクセルペダルの踏み込み量（アクセル量）などの実測値が計測され、これらの計測信号が駆動制御部506に入力される。また同時に、インバータ504の出力電圧値も駆動制御部506に入力される。駆動制御部506はＣＰＵ（Central Processing Unit）などの演算部やメモリなどのデータ保存部を備えたコントローラの機能を有するもので、入力された計測信号を用いて制御信号を生成してインバータ504にフィードバック信号として出力することで、スイッチング素子によるスイッチング動作を制御する。これによって、インバータ504がモータ505に与える交流電圧が瞬時に補正されることで、電気自動車の運転制御を正確に実行させることができ、電気自動車の安全・快適な動作が実現する。なお、駆動制御部506からのフィードバック信号を昇圧コンバータ502に与えることで、インバータ504への出力電圧を制御することも可能である。
　図９は、図８における降圧コンバータ503を除いた回路構成、すなわちモータ505を駆動するための構成のみを示した回路構成である。同図に示されるように、本発明の実施形態に係る半導体装置は、例えばショットキーバリアダイオードとして昇圧コンバータ502およびインバータ504に採用されることでスイッチング制御に供される。昇圧コンバータ502においてはチョッパ回路に組み込まれてチョッパ制御を行い、またインバータ504においてはIGBTを含むスイッチング回路に組み込まれてスイッチング制御を行う。なお、バッテリー501の出力にインダクタ（コイルなど）を介在させることで電流の安定化を図り、またバッテリー501、昇圧コンバータ502、インバータ504のそれぞれの間にキャパシタ（電解コンデンサなど）を介在させることで電圧の安定化を図っている。
　また、図９中に点線で示すように、駆動制御部506内にはCPU（Central Processing Unit）からなる演算部507と不揮発性メモリからなる記憶部508が設けられている。駆動制御部506に入力された信号は演算部507に与えられ、プログラムされた演算を必要に応じて行うことで各半導体素子に対するフィードバック信号を生成する。また記憶部508は、演算部507による演算結果を一時的に保持したり、駆動制御に必要な物理定数や関数などをテーブルの形で蓄積して演算部507に適宜出力する。演算部507や記憶部508は公知の構成を採用することができ、その処理能力等も任意に選定できる。
　図８や図９に示されるように、制御システム500においては、昇圧コンバータ502、降圧コンバータ503、インバータ504のスイッチング動作にはダイオードやスイッチング素子であるサイリスタ、パワートランジスタ、IGBT、MOSFET等が用いられる。これらの半導体素子に酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）、特にコランダム型酸化ガリウム（α－Ｇａ２Ｏ３）をその材料として用いることでスイッチング特性が大幅に向上する。さらに、本発明の実施形態に係る半導体装置を適用することで、極めて良好なスイッチング特性が期待できるとともに、制御システム500の一層の小型化やコスト低減が実現可能となる。すなわち、昇圧コンバータ502、降圧コンバータ503、インバータ504のそれぞれが本発明による効果を期待できるものとなり、これらのいずれか一つ、もしくは任意の二つ以上の組合せ、あるいは駆動制御部506も含めた形態のいずれにおいても本発明の効果を期待することができる。
　なお、上述の制御システム500は本発明の実施形態に係る半導体装置を電気自動車の制御システムに適用できるだけではなく、直流電源からの電力を昇圧・降圧したり、直流から交流へ電力変換するといったあらゆる用途の制御システムに適用することが可能である。また、バッテリーとして太陽電池などの電源を用いることも可能である。
　図１０は、本発明の実施形態に係る半導体装置を採用した制御システムの他の例を示すブロック構成図、図１１は同制御システムの回路図であり、交流電源からの電力で動作するインフラ機器や家電機器等への搭載に適した制御システムである。
　図１０に示すように、制御システム600は、外部の例えば三相交流電源（電源）601から供給される電力を入力するもので、AC/DCコンバータ602、インバータ604、モータ（駆動対象）605、駆動制御部606を有し、これらは様々な機器（後述する）に搭載することができる。三相交流電源601は、例えば電力会社の発電施設（火力発電所、水力発電所、地熱発電所、原子力発電所など）であり、その出力は変電所を介して降圧されながら交流電圧として供給される。また、例えば自家発電機等の形態でビル内や近隣施設内に設置されて電力ケーブルで供給される。AC/DCコンバータ602は交流電圧を直流電圧に変換する電圧変換装置であり、三相交流電源601から供給される100Vや200Vの交流電圧を所定の直流電圧に変換する。具体的には、電圧変換により3.3Vや5V、あるいは12Vといった、一般的に用いられる所望の直流電圧に変換される。駆動対象がモータである場合には12Vへの変換が行われる。なお、三相交流電源に代えて単相交流電源を採用することも可能であり、その場合にはAC/DCコンバータを単相入力のものとすれば同様のシステム構成とすることができる。
　インバータ604は、AC/DCコンバータ602から供給される直流電圧をスイッチング動作により三相の交流電圧に変換してモータ605に出力する。モータ604は、制御対象によりその形態が異なるが、制御対象が電車の場合には車輪を、工場設備の場合にはポンプや各種動力源を、家電機器の場合にはコンプレッサなどを駆動するための三相交流モータであり、インバータ604から出力される三相の交流電圧によって回転駆動され、その回転駆動力を図示しない駆動対象に伝達する。
　なお、例えば家電機器においてはAC/DCコンバータ602から出力される直流電圧をそのまま供給することが可能な駆動対象も多く（例えばパソコン、LED照明機器、映像機器、音響機器など）、その場合には制御システム600にインバータ604は不要となり、図１０中に示すように、AC/DCコンバータ602から駆動対象に直流電圧を供給する。この場合、例えばパソコンなどには3.3Vの直流電圧が、LED照明機器などには5Vの直流電圧が供給される。
　一方、図示しない各種センサを用いて、駆動対象の回転数やトルク、あるいは駆動対象の周辺環境の温度や流量などといった実測値が計測され、これらの計測信号が駆動制御部606に入力される。また同時に、インバータ604の出力電圧値も駆動制御部606に入力される。これらの計測信号をもとに、駆動制御部606はインバータ604にフィードバック信号を与え、スイッチング素子によるスイッチング動作を制御する。これによって、インバータ604がモータ605に与える交流電圧が瞬時に補正されることで、駆動対象の運転制御を正確に実行させることができ、駆動対象の安定した動作が実現する。また、上述のように、駆動対象が直流電圧で駆動可能な場合には、インバータへのフィードバックに代えてAC/DCコンバータ602をフィードバック制御することも可能である。
　図１１は、図１０の回路構成を示したものである。同図に示されるように、本発明の実施形態に係る半導体装置は、例えばショットキーバリアダイオードとしてAC/DCコンバータ602およびインバータ604に採用されることでスイッチング制御に供される。AC/DCコンバータ602は、例えばショットキーバリアダイオードをブリッジ状に回路構成したものが用いられ、入力電圧の負電圧分を正電圧に変換整流することで直流変換を行う。またインバータ604においてはIGBTにおけるスイッチング回路に組み込まれてスイッチング制御を行う。なお、AC/DCコンバータ602とインバータ604の間にキャパシタ（電解コンデンサなど）を介在させることで電圧の安定化を図っている。
　また、図１１中に点線で示すように、駆動制御部606内にはCPUからなる演算部607と不揮発性メモリからなる記憶部608が設けられている。駆動制御部606に入力された信号は演算部607に与えられ、プログラムされた演算を必要に応じて行うことで各半導体素子に対するフィードバック信号を生成する。また記憶部608は、演算部607による演算結果を一時的に保持したり、駆動制御に必要な物理定数や関数などをテーブルの形で蓄積して演算部607に適宜出力する。演算部607や記憶部608は公知の構成を採用することができ、その処理能力等も任意に選定できる。
　このような制御システム600においても、図８や図９に示した制御システム500と同様に、AC/DCコンバータ602やインバータ604の整流動作やスイッチング動作にはダイオードやスイッチング素子であるサイリスタ、パワートランジスタ、IGBT、MOSFET等が用いられる。これら半導体素子に酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）、特にコランダム型酸化ガリウム（α－Ｇａ２Ｏ３）をその材料として用いることでスイッチング特性が向上する。さらに、本発明の実施形態に係る半導体装置を適用することで、極めて良好なスイッチング特性が期待できるとともに、制御システム600の一層の小型化やコスト低減が実現可能となる。すなわち、AC/DCコンバータ602、インバータ604のそれぞれが本発明による効果を期待できるものとなり、これらのいずれか一つ、もしくは組合せ、あるいは駆動制御部606も含めた形態のいずれにおいても本発明の効果を期待することができる。
　なお、図１０および図１１では駆動対象としてモータ605を例示したが、駆動対象は必ずしも機械的に動作するものに限られず、交流電圧を必要とする多くの機器を対象とすることができる。制御システム600においては、交流電源から電力を入力して駆動対象を駆動する限りにおいては適用が可能であり、インフラ機器（例えばビルや工場等の電力設備、通信設備、交通管制機器、上下水処理設備、システム機器、省力機器、電車など）や家電機器（例えば、冷蔵庫、洗濯機、パソコン、LED照明機器、映像機器、音響機器など）といった機器を対象とした駆動制御のために搭載することができる。
１，　２　回路基板（基板）
３，　４　半導体素子
３ａ，３ｂ，４ａ，４ｂ　電極
３ｃ，４ｃ　半導体層
５，　６　配線部材
７，　８，　９，　１０　ビア
１１　スルーホール
１２，　１３　配線部
２１，　２２，　２３，　２４，　２５，　２６　導電性部材
２１ａ，　２２ａ，　２３ａ，　２４ａ，　２５ａ，　２６ａ　金属板，金属部材（導電性金属層）
２５ｃ，　２６ｃ　壁面
２５ｄ，　２６ｄ　凹部
２１ｂ，　２２ｂ，　２３ｂ，　２４ｂ，　２５ｂ，　２６ｂ　接着層（導電性接着層）
１１０，　１２０，　１３０，　１４０，　１５０，　１６０　半導体装置
５００　　制御システム
５０１　　バッテリー（電源）
５０２　　昇圧コンバータ
５０３　　降圧コンバータ
５０４　　インバータ
５０５　　モータ（駆動対象）
５０６　　駆動制御部
５０７　　演算部
５０８　　記憶部
６００　　制御システム
６０１　　三相交流電源（電源）
６０２　　ＡＣ／ＤＣコンバータ
６０４　　インバータ
６０５　　モータ（駆動対象）
６０６　　駆動制御部
６０７　　演算部
６０８　　記憶部

 

Claims (15)

  1. 　第１の基板を含む第１の配線部および第２の基板を含む第２の配線部の間に並設され、前記第１および前記第２の基板とそれぞれ電気的に接続する第１および第２の半導体素子を有する半導体装置において、
    　前記第１の半導体素子と前記第１の配線部とは、直接接続され、
    　前記第２の半導体素子と前記第１の配線部は、第１の導電性部材を介して接続されており、
    前記導電性部材は凹部を有する桝形に形成されており、前記第２の半導体素子が前記凹部に載置されている
    　ことを特徴とする半導体装置。
  2. 　第１の基板を含む第１の配線部および第２の基板を含む第２の配線部の間に並設され、前記第１および前記第２の基板とそれぞれ電気的に接続する第１および第２の半導体素子を有する半導体装置において、
    　前記第１の半導体素子と前記第１の配線部とは、第１の導電性部材を介して接続され、
    　前記第２の半導体素子と前記第１の配線部とは、前記第１の導電性部材とは異なる厚みからなる第２の導電性部材を介して接続されている、
    　ことを特徴とする半導体装置。
  3. 　前記第２の半導体素子は、前記第１の半導体素子よりも厚みが小さいことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
  4. 　前記第１の配線部および第２の配線部は、それぞれ複数のビアを備え、前記第１および第２の半導体素子は、前記ビアを介して前記第１および第２の基板と接続していることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
  5. 　前記第１の基板と前記第１および第２の半導体素子とを接続する前記ビアは、同一長さに形成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。
  6. 　前記導電性部材は複数層からなり、前記第１の配線部に接続された導電性金属層と、前記半導体素子と前記導電性金属層とを接合する導電性接着層とを少なくとも有することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
  7. 　前記第１の導電性部材の厚みは、前記第１の半導体素子と前記第２の半導体素子の厚みの差に相当することを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
  8. 　前記第１の導電性部材の厚みと前記第２の導電性部材の厚みとの差は、前記第１の半導体素子と前記第２の半導体素子の厚みとの差に相当することを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
  9. 　前記導電性部材は平板状であることを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
  10. 　前記第１の導電性部材および／または前記第２の導電性部材と前記第１の半導体素子および／または前記第２の半導体素子との積層方向からみて、前記第１の導電性部材および／または前記第２の導電性部材の外縁が、前記第１の半導体素子および／または前記第２の半導体素子の外縁よりも外側に位置していることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
  11. 　前記第１の導電性部材および／または前記第２の導電性部材が熱的に等方性を有することを特徴とする請求項１０記載の半導体装置。
  12. 　前記第１の半導体素子および前記第２の半導体素子の少なくとも一方が、半導体層と、前記半導体層の第１の面に設けられている第１の電極と、前記半導体層の前記第１の面とは反対側の第２の面に設けられている第２の電極とを備える縦型デバイスであり、前記第１の電極と前記第１の配線部材とが電気的に接続されており、前記第２の電極と前記第２の配線部材とが電気的に接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
  13. 　前記第１の半導体素子および前記第２の半導体素子の少なくとも一方がスイッチング素子であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
  14. 　請求項１また２の記載の半導体装置を用いた電力変換装置。
  15. 　請求項１または２記載の半導体装置を用いた制御システム。

     
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