JP4844591B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置に係り、詳細には単一の支持板上に複数のパワー半導体素子を搭載して小型化に製造できる半導体装置に関する。
図３に示すＨ型ブリッジ回路(10)を単一の半導体装置で構成する場合、Ｈ型ブリッジ回路(10)は、ハイサイド側の第１のトランジスタ(1)及び第３のトランジスタ(3)と、ローサイド側の第２のトランジスタ(2)及び第４のトランジスタ(4)とを備えている。第１のトランジスタ(1)のエミッタ電極と第２のトランジスタ(2)のコレクタ電極との接続点(A1)と、第３のトランジスタ(3)のエミッタ電極と第４のトランジスタ(4)のコレクタ電極との接続点(A2)との間には、交流電流により駆動される例えば冷陰極蛍光放電管である負荷(6)が接続される。
Ｈ型ブリッジ回路(10)を作動する際に、第１のトランジスタ(1)及び第４のトランジスタ(4)と、第２のトランジスタ(2)及び第３のトランジスタ(3)とを交互にオン・オフ動作させて、スイッチング作動させることにより、接続点(A1)と(A2)との間に交互に逆方向の電流を流して、負荷(6)を作動させることができる。このように、第１のトランジスタ(1)から第４のトランジスタ(4)までのスイッチング動作を行ない、直流電圧源を使用し、接続点(A1)と(A2)との間に接続された冷陰極蛍光放電管等を点灯させることができる。
特開昭５５−１１１１５１号公報
図３に示すＨ型ブリッジ回路(10)を単一の半導体装置に構築するとき、４つの第１のトランジスタ(1)から第４のトランジスタ(4)までとその制御用ICを搭載する支持板（図示せず）の平面面積が大きくなるため、半導体装置のサイズが増大する欠点がある。そこで、例えば特許文献１に開示される２つの半導体素子の積層技術を適用して、半導体装置の平面面積を縮小することができる。特許文献１は、非導電性接着剤を介して２つの半導体素子を積層した電子部品を示す。しかしながら、パワー半導体素子を積層するＨ型ブリッジ回路では、単に半導体素子を積層しても、動作時に半導体素子の発熱が集中して、良好な放熱特性が得られず、半導体素子の電気的特性が劣化するおそれがあった。
そこで、本発明の目的は、複数の半導体素子を小さい面積に積層し且つ良好な放熱特性で作動できる半導体装置を提供することにある。
本発明による半導体装置は、互いに平行に延伸する一対の側面(5a,5b)を備え且つ放熱性を有する金属製の支持板(5)と、支持板(5)上に順次積層されて固着された第１の半導体素子(1)及び第２の半導体素子(2)を有する第１の半導体素子積層体(7)と、支持板(5)上に順次積層されて固着された第３の半導体素子(3)及び第４の半導体素子(4)を有する第２の半導体素子積層体(8)と、第１の半導体素子(1)、第２の半導体素子(2)、第３の半導体素子(3)及び第４の半導体素子(4)を制御する制御回路(13)と、支持板(5)の一対の側面(5a,5b)の周囲に配置される複数の外部リード(20)とを備える。第１の半導体素子積層体(7)と第２の半導体素子積層体(8)は、支持板(5)の一対の側面(5a,5b)に沿って互いに離間する。第１の半導体素子(1)上に第２の半導体素子(2)を固着し又は第３の半導体素子(3)上に第４の半導体素子(4)を固着することにより、支持板(5)の占有面積を減少しつつ集積度を向上することができる。
複数の外部リード(20)は、直流電源の一方の端子（正側端子）に電気的に接続される複数の第１の外部リード(20a)と、直流電源の他方の端子（負側端子）に電気的に接続される複数の第２の外部リード(20b)とを有する。複数の第１の外部リード(20a)は、第１の半導体素子積層体(7)及び第２の半導体素子積層体(8)から離間する支持板(5)の一対の側面(5a,5b)の外側に配置され且つ支持板(5)に電気的に接続される。
複数の外部リード(20)は、負荷(6)（接続点A1,A2）に電気的に接続される複数の第３の外部リード(20c)を備える。複数の第１の外部リード(20a)は、支持板(5)の一対の側面(5a,5b)の両端部に配置され、複数の第２の外部リード(20b)と複数の第３の外部リード(20c)は、複数の第１の外部リード(20a)間に配置される。
複数の第１の外部リード(20a)は、支持板(5)に電気的且つ機械的に接続され、複数の第２の外部リード(20b)と複数の第３の外部リード(20c)は、支持板(5)から離間して配置される。複数の第２の外部リード(20b)と複数の第３の外部リード(20c)は、ワイヤ結線により第１の半導体素子(1)、第２の半導体素子(2)、第３の半導体素子(3)及び第４の半導体素子(4)の各電極に各々電気的に接続される。支持板(5)の一対の側面(5a,5b)は、対向する一方の側面(5a)及び他方の側面(5b)を備える。複数の第２の外部リード(20b)は、一方の側面(5a)に近接して配置され、複数の第３の外部リード(20c)は、他方の側面(5b)に近接して配置される。
本発明の第１の実施の形態による半導体装置は、放熱性を有する支持板(5)と、支持板(5)上に順次積層されて固着され且つ交互にスイッチング動作される第１の半導体素子(1)及び第２の半導体素子(2)とを備えている。第１の半導体素子(1)と第２の半導体素子(2)とを交互にスイッチング動作させるので、一方がオンのとき他方がオフとなり、第１の半導体素子(1)と第２の半導体素子(2)の発生熱量を抑制することができる。
本発明の第２の実施の形態による半導体装置は、放熱性を有する支持板(5)と、支持板(5)上に順次積層されて固着された第１の半導体素子(1)及び第２の半導体素子(2)を有する第１の半導体素子積層体(7)と、支持板(5)上に順次積層されて固着された第３の半導体素子(3)及び第４の半導体素子(4)を有する第２の半導体素子積層体(8)とを備え、第１の半導体素子積層体(7)の第１の半導体素子(1)及び第２の半導体素子(2)と、第２の半導体素子積層体(8)の第３の半導体素子(3)及び第４の半導体素子(4)とは、Ｈ型ブリッジ回路(10)を構成する。第１の半導体素子(1)から第４の半導体素子(4)までの各々は、スイッチング素子を有し、第１の半導体素子(1)及び第４の半導体素子(4)と第２の半導体素子(2)及び第３の半導体素子(3)とは交互にスイッチング動作される。第１の半導体素子(1)及び第４の半導体素子(4)並びに第２の半導体素子(2)及び第３の半導体素子(3)のスイッチング素子を交互にスイッチング動作させることにより、直流電源に接続したＨ型ブリッジ回路(10)の負荷(6)を交流電流で駆動することができる。
本発明の第３の実施の形態による半導体装置は、放熱性を有する支持板(5)と、支持板(5)上に順次積層されて固着されたパワー半導体素子により各々構成された第１の半導体素子(1)及び第２の半導体素子(2)とを備えている。第１の半導体素子(1)及び第２の半導体素子(2)の各々はスイッチング素子を有する。第１の半導体素子(1)と第２の半導体素子(2)との間に放熱層(11)が固着され、第１の半導体素子(1)と第２の半導体素子(2)とは、放熱層(11)を介して電気的に互いに接続される。大電流が流れる第１の半導体素子(1)及び第２の半導体素子(2)から多量の発熱が発生しても、第１の半導体素子(1)と第２の半導体素子(2)との間に固着された放熱層(11)を通じて十分な量の熱を放出できるので、第１の半導体素子(1)と第２の半導体素子(2)の電気的特性は劣化しない。
本発明の第４の実施の形態による半導体装置は、放熱性を有する支持板(5)と、支持板(5)上に順次積層されて固着されたパワー半導体素子により各々構成される第１の半導体素子(1)及び第２の半導体素子(2)を有する第１のパワー半導体素子積層体(7)と、支持板(5)上に順次積層されて固着されたパワー半導体素子により各々構成される第３の半導体素子(3)及び第４の半導体素子(4)を有する第２のパワー半導体素子積層体(8)とを備えている。第１の半導体素子(1)、第２の半導体素子(2)、第３の半導体素子(3)及び第４の半導体装置(4)の各々はスイッチング素子を有する。第１の半導体素子(1)と第２の半導体素子(2)との間に第１の放熱層(11)が固着され、第３の半導体素子(3)と第４の半導体素子(4)との間に第２の放熱層(12)が固着される。第１の半導体素子(1)と第２の半導体素子(2)とは、第１の放熱層(11)を介して電気的に互いに接続され、第３の半導体素子(3)と第４の半導体素子(4)とは、第２の放熱層(12)を介して電気的に互いに接続される。単一の支持板(5)上に第１のパワー半導体素子積層体(7)と第２のパワー半導体素子積層体(8)とを固着しても、第１の半導体素子(1)と第２の半導体素子(2)との間及び第３の半導体素子(3)と第４の半導体素子(4)との間に固着される第１及び第２の放熱層(11,12)を通じて十分な量の熱を放出できるので、第１の半導体素子(1)から第４の半導体素子(4)までの電気的特性は劣化しない。更に、第１の半導体素子(1)と第２の半導体素子(2)及び第３の半導体素子(3)と第４の半導体素子(4)とを第１及び第２の放熱層(11,12)を介して電気的に互いに接続するので、第１のパワー半導体素子積層体(7)と第２のパワー半導体素子積層体(8)とに流れる電流の結線経路を短縮して、電流の結線経路の延長によるノイズ発生及び電力損失を抑制することができる。
本発明による半導体装置では、複数の半導体素子に大きな電流が流れても過度の発熱が発生せずに、電気的特性の劣化を抑制して、寿命を延長し、信頼性のある半導体装置を得ることができる。
以下、図３に示すＨ型ブリッジ回路を構成する本発明による半導体装置の実施の形態を図１及び図２について説明する。図１及び図２では、図３に示す部分と同一の箇所には、同一の符号を付する。
本発明による半導体装置は、放熱性を有する銅又はアルミニウム等の金属製の支持板(5)と、支持板(5)上に固着された第１の半導体素子積層体（第１のパワー半導体素子積層体）(7)と、支持板(5)上に固着された第２の半導体素子積層体（第２のパワー半導体素子積層体）(8)と、第１の半導体素子積層体(7)と第２の半導体素子積層体(8)との間で支持板(5)上に固着された半導体集積回路により構成された制御回路(13)とを備えている。第１の半導体素子積層体(7)は、支持板(5)上に順次積層されて固着された第１のトランジスタ（第１の半導体素子、第１のパワー半導体素子又は第１のスイッチング素子）(1)と第２のトランジスタ（第２の半導体素子、第２のパワー半導体素子又は第２のスイッチング素子）(2)とを有し、第２の半導体素子積層体(8)は、支持板(5)上に順次積層されて固着された第３のトランジスタ（第３の半導体素子、第３のパワー半導体素子又は第３のスイッチング素子）(3)と第４のトランジスタ（第４の半導体素子、第４のパワー半導体素子又は第４のスイッチング素子）(4)とを有する。第１のトランジスタ(1)から第４のトランジスタ(4)までは、図３に示すＨ型ブリッジ回路(10)の４つのパワートランジスタを構成する例えば絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（IGBT）である。
図示しないが、第１のトランジスタ(1)から第４のトランジスタ(4)までは、半導体基板と、半導体基板の上面に電気的に接続されたベース電極及びエミッタ電極と、半導体基板の下面に電気的に接続されたコレクタ電極とを有する。エミッタ電極とベース電極との間に設けられる層間絶縁膜(9)により、エミッタ電極とベース電極とは電気的に分離される。第１のトランジスタ(1)のコレクタ電極は、ろう材（半田）(14)を介して支持板(5)に固着され、第１のトランジスタ(1)のエミッタ電極は、ろう材（半田）(15)を介して第１の放熱層(11)に固着される。第２のトランジスタ(2)のコレクタ電極は、ろう材(16)を介して第１の放熱層(11)に固着され、第２のトランジスタ(2)のエミッタ電極は、最上部に配置される。同様に、第３のトランジスタ(3)のコレクタ電極は、ろう材（半田）(17)を介して支持板(5)に固着され、第３のトランジスタ(3)のエミッタ電極は、ろう材（半田）(18)を介して第２の放熱層(12)に固着される。第４のトランジスタ(4)のコレクタ電極は、ろう材(19)を介して第２の放熱層(12)に固着され、第４のトランジスタ(4)のエミッタ電極は、最上部に配置される。図示の実施の形態では、第１及び第２の放熱層(11,12)は、銅又はアルミニウム等の金属により形成された放熱板が使用され、主に第２のトランジスタ(2)と第４のトランジスタ(4)から発生する熱を外部に放出するヒートスプレッダとも呼ばれる。放熱板により形成する代わりに、比較的肉薄の半田層により放熱層(11,12)を形成してもよい。図２に示すように、第１のトランジスタ(1)から第４のトランジスタ(4)までの各エミッタ電極、コレクタ電極及びベース電極は、図３に示す回路構成に接続されると共に、第１の半導体素子積層体(7)、第２の半導体素子積層体(8)及び制御回路(13)の電極に接続された複数の外部リード(20)が接続され、樹脂封止体(21)により半導体装置全体が被覆されるが、外部リード(20)は樹脂封止体(21)から外部に導出される。複数の外部リード(20)は、直流電源の正側端子に電気的に接続される複数の第１の外部リード(20a)と、直流電源の負側端子に電気的に接続される複数の第２の外部リード(20b)とを有する。支持板(5)は、互いに平行に延伸する一対の側面(5a,5b)を有する。第１の半導体素子積層体(7)と第２の半導体素子積層体(8)は、支持板(5)の一対の側面(5a,5b)に沿って互いに離間する。複数の第１の外部リード(20a)は、第１の半導体素子積層体(7)及び第２の半導体素子積層体(8)から離間する支持板(5)の一対の側面(5a,5b)の外側に配置され且つ支持板(5)に電気的に接続される。
動作の際に、支持板(5)は、図示しない直流電源の正側端子に接続され、第２のトランジスタ(2)と第４のトランジスタ(4)の各エミッタ電極は、直流電源の負側端子に接続される。第１のトランジスタ(1)から第４のトランジスタ(4)までの各ベース電極は、半導体集積回路により構成される制御回路(13)に接続され、制御回路(13)から制御信号を受信する。第１のトランジスタ(1)と第４のトランジスタ(4)がオンのとき、第２のトランジスタ(2)と第３のトランジスタ(3)とはオフとなり、負荷(6)に一方向の電流(I1)が流れ、その後、第１のトランジスタ(1)と第４のトランジスタ(4)がオフに切り換えられ、第２のトランジスタ(2)と第３のトランジスタ(3)とがオンに切り換えられると、負荷(6)に他方向の電流(I2)が流れて、負荷(6)が交流電流により作動される。
本実施の形態での半導体装置は、下記の点で従来の半導体装置と異なる。
<1> ハイサイド側の第１のトランジスタ(1)と第３のトランジスタ(3)との上に、ローサイド側の第２のトランジスタ(2)と第４のトランジスタ(4)が固着されて第１及び第２の半導体素子積層体(7,8)が構成され、第１の半導体素子積層体(7)と第２の半導体素子積層体(8)の間に設けられる制御回路(13)とが単一の支持板(5)上に固着される。
<2> 第１のトランジスタ(1)と第２のトランジスタ(2)との間及び第３のトランジスタ(3)及び第４のトランジスタ(4)との間に金属製の第１及び第２の放熱層(11,12)が固着される。
<3> 第１のトランジスタ(1)及び第４のトランジスタ(4)と、第２のトランジスタ(2)及び第３のトランジスタ(3)とが交互にスイッチング動作される。
<4> 第１のトランジスタ(1)と第２のトランジスタ(2)との間及び第３のトランジスタ(3)と第４のトランジスタ(4)との間は、金属製の第１及び第２の放熱層(11,12)を介して電気的に接続される。
本実施の形態による半導体装置は、下記の作用効果を生ずる。
[1] 第１のトランジスタ(1)の上に第２のトランジスタ(2)を固着し又は第３のトランジスタ(3)の上に第４のトランジスタ(4)を固着することにより、支持板(5)の占有面積を減少しつつ集積度を向上することができると共に、第１のトランジスタ(1)と第２のトランジスタ(2)又は第３のトランジスタ(3)と第４のトランジスタ(4)とを交互にスイッチング動作させるので、第１のトランジスタ(1)から第４のトランジスタ(4)までの各々から発生する熱を十分に放出して、第１の半導体素子積層体(7)又は第２の半導体素子積層体(8)の過度の温度上昇を防止することができる。
[2] 第１のトランジスタ(1)及び第４のトランジスタ(4)並びに第２のトランジスタ(2)及び第３のトランジスタ(3)のスイッチング素子(6)を交互にスイッチング動作させることにより、直流電源に接続されたＨ型ブリッジ回路(10)の負荷(6)を交流電流で駆動することができる。
[3] 大電流が流れる第１のトランジスタ(1)及び第２のトランジスタ(2)から多量の発熱が生じても、第１のトランジスタ(1)と第２のトランジスタ(2)との間に固着された第１の放熱層(11)を通じて十分な量の熱を放出できるので、第１のトランジスタ(1)と第２のトランジスタ(2)の電気的特性は劣化しない。
[4] 単一の支持板(5)上に第１のパワー半導体素子積層体(7)と第２のパワー半導体素子積層体(8)とを固着しても、第１のトランジスタ(1)と第２のトランジスタ(2)との間に固着される第１の放熱層(11)及び第３のトランジスタ(3)と第４のトランジスタ(4)との間に固着される第２の放熱層(12)を通じて十分な量の熱を放出できるので、第１のトランジスタ(1)から第４のトランジスタ(4)までの電気的特性は劣化しない。
[5] 第１のトランジスタ(1)と第２のトランジスタ(2)及び第３のトランジスタ(3)と第４のトランジスタ(4)とを第１及び第２の放熱層(11,12)を介して電気的に互いに接続するので、別途ワイヤボンディング等を行なう必要がなく、第１のパワー半導体素子積層体(7)と第２のパワー半導体素子積層体(8)とに流れる電流の結線経路を短縮して、ワイヤ結線等を簡素化し、電流の結線経路の延長によるノイズ発生及び電力損失を抑制することができる。
本発明の前記実施の形態は、変更が可能である。例えば、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの代わりに、ＭＯＳＦＥＴ又は一般的なバイポーラトランジスタを使用することができる。また、第１の半導体素子(1)から第４の半導体素子(4)までをトランジスタとして示したが、トランジスタ等のスイッチング素子と他の半導体素子を含む複合素子であってもよい。
冷陰極蛍光放電管等の駆動装置に使用される半導体装置に適用することが可能である。
樹脂封止体により被覆する前の状態を示す本発明の半導体装置の側面図 樹脂封止体により被覆した状態を示す本発明の半導体装置の平面図 従来のＨ型ブリッジ回路を示す回路図
符号の説明
(1)・・第１の半導体装置（第１のトランジスタ）、 (2)・・第２の半導体装置（第２のトランジスタ）、 (3)・・第３の半導体装置（第３のトランジスタ）、 (4)・・第４の半導体装置（第４のトランジスタ）、 (5)・・支持板、 (6)・・負荷、 (7)・・第１のパワー半導体素子積層体、 (8)・・第２のパワー半導体素子積層体、 (10)・・Ｈ型ブリッジ回路、 (11,12)・・放熱層、 (13)・・制御回路、 (14,15,16,17,18,19)・・ろう材（半田）、

Claims (4)

  1. 互いに平行に延伸する一対の側面を備え且つ放熱性を有する金属製の支持板と、該支持板上に順次積層されて固着された第１の半導体素子及び第２の半導体素子を有する第１の半導体素子積層体と、前記支持板上に順次積層されて固着された第３の半導体素子及び第４の半導体素子を有する第２の半導体素子積層体と、前記第１の半導体素子、第２の半導体素子、第３の半導体素子及び第４の半導体素子を制御する制御回路と、前記支持板の一対の側面の周囲に配置される複数の外部リードとを備え、
    前記第１の半導体素子積層体と前記第２の半導体素子積層体は、前記支持板の一対の側面に沿って互いに離間し、
    複数の前記外部リードは、直流電源の一方の端子に電気的に接続される複数の第１の外部リードと、前記直流電源の他方の端子に電気的に接続される複数の第２の外部リードとを有し、
    複数の前記第１の外部リードは、前記第１の半導体素子積層体及び前記第２の半導体素子積層体から離間する前記支持板の一対の側面の外側に配置され且つ前記支持板に電気的に接続されることを特徴とする半導体装置。
  2. 複数の前記外部リードは、負荷に電気的に接続される複数の第３の外部リードを備え、
    複数の前記第１の外部リードは、前記支持板の一対の側面の両端部に配置され、
    複数の前記第２の外部リードと複数の前記第３の外部リードは、複数の前記第１の外部リード間に配置される請求項１に記載の半導体装置。
  3. 複数の前記第１の外部リードは、前記支持板に電気的且つ機械的に接続され、
    複数の前記第２の外部リードと複数の前記第３の外部リードは、前記支持板から離間して配置され、
    複数の前記第２の外部リードと複数の前記第３の外部リードは、ワイヤ結線により前記第１の半導体素子、第２の半導体素子、第３の半導体素子及び第４の半導体素子の各電極に各々電気的に接続される請求項２に記載の半導体装置。
  4. 前記支持板の一対の側面は、対向する一方の側面及び他方の側面を備え、
    複数の前記第２の外部リードは、前記一方の側面に近接して配置され、
    複数の前記第３の外部リードは、前記他方の側面に近接して配置される請求項３に記載の半導体装置。
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