(57)【要約】【課題】半導体チップに印加される押圧力が均一な圧接型半導体装置を提供する。【解決手段】圧接型半導体装置１において、電極板１１と電極板１２とに挟圧され、電極板１１及び１２に相互に並列に接続された複数枚の半導体チップ１３を設け、これらの半導体チップ１３が配置された領域の周囲に、電極板１１と電極板１２とに挟圧された絶縁部材２１を配置する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極板と、
第２の電極板と、
前記第１の電極板と前記第２の電極板とに挟圧され、前記第１の電極板及び前記第２の電極板に接続された単数又は複数の半導体チップと、
前記半導体チップの周囲に配置され、前記第１の電極板と前記第２の電極板とに挟圧された絶縁部材と、
を備えたことを特徴とする圧接型半導体装置。
【請求項２】
前記第１の電極板における前記第２の電極板側の表面の前記半導体チップに対向する領域及び前記絶縁部材に対向する領域は、その周囲に対して凸状となっていることを特徴とする請求項１記載の圧接型半導体装置。
【請求項３】
前記第１の電極板と前記半導体チップとの間に配置された第１の熱緩衝板と、
前記第２の電極板と前記半導体チップとの間に配置された第２の熱緩衝板と、
をさらに備え、
前記第１の電極板における前記絶縁部材に対向する前記凸状の領域の高さは、前記第１の電極板における前記半導体チップに対向する前記凸状の領域の高さと等しく、
前記絶縁部材の厚さは、前記第１の熱緩衝板、前記半導体チップ及び前記第２の前記熱緩衝板の合計の厚さと等しいことを特徴とする請求項２記載の圧接型半導体装置。
【請求項４】
前記第１及び第２の電極板の形状はそれぞれ円板状であり、前記絶縁部材の形状はリング状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の圧接型半導体装置。
【請求項５】
前記第１及び第２の電極板の形状はそれぞれ円板状であり、前記絶縁部材の形状は、外縁が円形であり内縁が前記半導体チップの外縁に沿った枠状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の圧接型半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧接型半導体装置に関し、特に、一対の電極板の間に半導体チップが配置された圧接型半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
マルチチップ型の圧接型半導体装置においては、一対の円板状の電極板間に複数枚の半導体チップが並列に配置されている。各半導体チップは、例えば縦型の電力制御用半導体チップ、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）であり、その表裏面には電極が設けられている。また、少なくとも一方の電極板における半導体チップに対向する領域は相対的に厚く、それ以外の領域は相対的に薄くなっており、半導体チップに対向する領域が凸状となっている。そして、各半導体チップは上述の一対の電極板に直接的に又は他の導電部材を介して間接的に圧接されており、相互に並列に接続されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
しかしながら、上述の従来の圧接型半導体装置においては、半導体チップを一対の電極板間で圧接する際に、これらの電極板に相互に近づく方向に押圧力を印加するが、このとき、半導体チップに印加される押圧力が不均一になる場合があり、一部の半導体チップに押圧力が集中してしまうことがある。これにより、半導体チップの放熱条件及び通電条件に偏りが生じ、半導体チップの特性が変化したり、半導体チップが破壊されたりするという問題がある。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１５１６４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、半導体チップに印加される押圧力が均一な圧接型半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様によれば、第１の電極板と、第２の電極板と、前記第１の電極板と前記第２の電極板とに挟圧され、前記第１の電極板及び前記第２の電極板に接続された単数又は複数の半導体チップと、前記半導体チップの周囲に配置され、前記第１の電極板と前記第２の電極板とに挟圧された絶縁部材と、を備えたことを特徴とする圧接型半導体装置が提供される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、半導体チップに印加される押圧力が均一な圧接型半導体装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
先ず、本発明の第１の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る圧接型半導体装置を例示する断面図であり、圧接型半導体装置を側方から見た断面図であり、
図２は、図１に示すＡ−Ａ’線による断面図であり、圧接型半導体装置を上方から見た断面図である。
【０００９】
図１及び図２に示すように、本実施形態に係る圧接型半導体装置１においては、円筒形の側囲体１０が設けられている。側囲体１０は絶縁材料、例えば、セラミックにより形成されている。側囲体１０の外面には、沿面距離を長くして耐圧を確保するために、複数の周状突起１０ａが形成されている。
【００１０】
側囲体１０の内部には、金属からなり、形状が円板状である電極板１１及び１２が設けられている。電極板１１及び１２は、金属製リングフレーム（図示せず）等を介して、側囲体１０に連結されている。また、電極板１１と電極板１２とは、相互に対向し、それらの中心軸が側囲体１０の中心軸と一致するように配置されている。以下、便宜上、電極板１１及び１２の中心軸に沿った方向のうち、電極板１２から電極板１１に向かう方向を「上方」といい、電極板１１から電極板１２に向かう方向を「下方」という。上方から見て、電極板１１の外縁は電極板１２の外縁と一致している。
【００１１】
電極板１１と電極板１２との間には、複数枚の半導体チップ１３が配置されている。半導体チップ１３は例えば縦型の電力制御用半導体チップであり、例えばＩＧＢＴである。半導体チップ１３の形状は板状であり、上方から見てほぼ正方形である。半導体チップ１３がＩＧＢＴである場合には、半導体チップ１３の上面にはエミッタ電極（図示せず）及びゲート電極（図示せず）が設けられており、下面にはコレクタ電極（図示せず）が設けられている。
【００１２】
また、各半導体チップ１３の上面には、樹脂製のフレームである樹脂枠１４が接着されている。そして、各半導体チップ１３の上方には熱緩衝板１５が設けられている。熱緩衝板１５は樹脂枠１４の枠内に配置されており、樹脂枠１４が熱緩衝板１５のガイドとなっている。また、各半導体チップ１３の下方には熱緩衝板１６が設けられている。熱緩衝板１５及び１６は、金属、例えば、モリブデン又はタングステンにより形成されている。各１枚の熱緩衝板１６、半導体チップ１３、熱緩衝板１５及び樹脂枠１４により、積層体１７が構成されている。そして、電極板１１と電極板１２との間には、複数の開口部が形成された格子状の樹脂枠１８が設けられており、各積層体１７は樹脂枠１８の各開口部内に収納されている。これにより、複数の積層体１７は、樹脂枠１８によって固定され、電極板１１と電極板１２の間の空間の中央部分に、上方から見てマトリクス状に配列されている。すなわち、樹脂枠１８は、積層体１７の位置ずれを防ぐガイドとして機能する。
【００１３】
更に、複数の積層体１７が配置された領域の周囲、すなわち、電極板１１と電極板１２の間の空間の周辺部分には、絶縁部材２１が設けられている。絶縁部材２１は絶縁性の材料、例えば、絶縁樹脂からなり、その形状はリング状であり、その厚さは、例えば、半導体チップ１３、熱緩衝板１５及び１６の合計の厚さにほぼ等しい。また、絶縁部材２１は、中心軸が側囲体１０、電極板１１及び１２の中心軸と一致し、外縁が電極板１１及び１２の外縁とほぼ一致し、内縁が積層体１７に接しないように配置されている。
【００１４】
電極板１１の下面、すなわち、電極板１２側の表面において、半導体チップ１３に対向する領域は凸部１１ａとなっており、周囲に対して凸状になっている。凸部１１ａは半導体チップ１３ごとに形成されており、上方から見て、凸部１１ａの外縁は熱緩衝板１５の外縁とほぼ一致している。また、電極板１１の下面において、絶縁部材２１に対向する領域は凸部１１ｂとなっており、周囲に対して凸状になっている。上方から見て、凸部１１ｂの外縁は絶縁部材２１の外縁とほぼ一致している。凸部１１ｂは半導体チップ１３を挟圧しないダミーの圧接リングである。凸部１１ａ及び１１ｂの高さは相互に等しく、例えば約５ミリメートルである。
【００１５】
なお、半導体チップ１３がＩＧＢＴである場合には、各凸部１１ａの一部を切り欠いて、ＩＧＢＴのゲート電極にゲート電位を供給するゲート端子（図示せず）が設けられている。このゲート端子は、凸部１１ａ及び１１ｂには電気的に接触しないように形成され、側囲体１０を貫通して外部端子（図示せず）と接続されている。一方、電極板１２の上面は、熱緩衝板１６に対向する領域が凸部１２ａとなっており、絶縁部材２１に対向する領域が凸部１２ｂとなっている。なお、半導体チップ１３が全てダイオードである場合は、電極板１２の上面は平坦であり、熱緩衝板１６は全ての半導体チップ１３に対して共通の１枚板である。これに対して、半導体チップ１３にＩＧＢＴが含まれる場合は、上述の如く、電極板１２の上面がそれぞれの半導体チップ１３に対して凸状になっており、熱緩衝板１６が半導体チップ１３毎に独立している。
【００１６】
半導体チップ１３は、電極板１１と電極板１２とに挟圧されている。また、電極板１１、熱緩衝板１５、半導体チップ１３、熱緩衝板１６及び電極板１２は、この順に直列に接続され、従って、半導体チップ１３は電極板１１及び１２に電気的に接続されている。一方、電極板１１の凸部１１ｂの下面は絶縁部材２１の上面に押し付けられており、絶縁部材２１の下面は電極板１２の凸部１２ｂの上面に押し付けられている。これにより、絶縁部材２１は、電極板１１と電極板１２とに挟圧されている。
【００１７】
本実施形態に係る圧接型半導体装置１においては、電極板１１の凸部１１ａから熱緩衝板１５を介して半導体チップ１３のエミッタ電極（図示せず）にエミッタ電位が印加される。また、外部端子（図示せず）からゲート端子（図示せず）を介して半導体チップ１３のゲート電極（図示せず）にゲート電位が印加される。更に、電極板１２から熱緩衝板１６を介して半導体チップ１３のコレクタ電極（図示せず）にコレクタ電位が印加される。この結果、半導体チップ１３が導通状態となれば、電極板１１と電極板１２との間に電流が流れる。一方、電極板１１と電極板１２とは絶縁部材２１によって相互に絶縁されているため、電極板１１と電極板１２とが半導体チップ１３を介さずに短絡してしまうことはない。
【００１８】
次に、本実施形態に係る圧接型半導体装置の動作について説明する。
上述の如く、本実施形態においては、電極板１１及び電極板１２を上下より圧接するとき、凸部１１ｂ及び凸部１２ｂがダミーの圧接リングとなり、絶縁部材２１を押圧することにより、電極板１１と電極板１２との間に印加される押圧力を、半導体チップ１３の他に絶縁部材２１によっても受けることができる。これにより、電極板１１と電極板１２との間に印加される押圧力を均一に分散させることができ、特定の半導体チップ１３に応力が集中してしまうことがない。なお、上述の如く、絶縁部材２１は絶縁性であるため、絶縁部材２１を介して電極板１１と電極板１２との間で短絡してしまうことはない。また、絶縁部材２１が設けられていることにより、電極板１１及び１２が塑性変形することを防止できる。これにより、電極板１１及び１２の塑性変形に起因して半導体チップ１３に印加される力が不均一になることも防止できる。
【００１９】
次に、本実施形態の効果について説明する。
上述の如く、本実施形態によれば、半導体チップ１３の周囲にリング状の絶縁部材２１を設けることにより、圧接時の押圧力を半導体チップ１３の他に絶縁部材２１によっても受けることができ、半導体チップ１３に印加される力をパッケージ内で均一化することができる。これにより、特定の半導体チップ１３に押圧力が集中して半導体チップ１３の特性が変化したり、半導体チップ１３が破壊されたりすることを防止できる。また、絶縁部材２１を絶縁樹脂により形成することにより、電極板１１と電極板１２とが絶縁部材２１を介して短絡することがなく、また、押圧力をかけたときに絶縁部材２１が割れることがない。
【００２０】
また、本実施形態によれば、電極板１１に凸部１１ａ及び１１ｂを一体的に形成しているため、凸部１１ａのヤング率と凸部１１ｂのヤング率とが等しい。そして、凸部１１ｂを凸部１１ａと同じ高さに形成しているため、電極板１１と電極板１２とに力を印加したときに、凸部１１ｂの圧縮量が凸部１１ａの圧縮量とほぼ等しくなる。これにより、絶縁部材２１に印加される応力を半導体チップ１３に印加される応力と等しくすることができる。また、電極板１１及び１２の塑性変形を、より効果的に抑制することができる。これにより、半導体チップ１３に印加される押圧力をより効果的に均一化することができる。電極板１２の凸部１２ａ及び１２ｂについても、同様である。
【００２１】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図３は、本実施形態に係る圧接型半導体装置を例示する断面図であり、圧接型半導体装置を側方から見た断面図であり、
図４は、図３に示すＢ−Ｂ’線による断面図であり、圧接型半導体装置を上方から見た断面図である。
【００２２】
図３及び図４に示すように、本実施形態に係る圧接型半導体装置２は、前述の第１の実施形態に係る圧接型半導体装置１（図１及び図２参照）と比較して、絶縁部材及びこの絶縁部材に当接する電極板の凸部の形状が異なっている。すなわち、本実施形態においては、前述の第１の実施形態におけるリング状の絶縁部材２１、凸部１１ｂ及び凸部１２ｂ（図１及び図２参照）が設けられておらず、その替わりに、絶縁部材２２、凸部１１ｃ及び凸部１２ｃが設けられている。絶縁部材２２の形状は、外縁が円形であり内縁が半導体チップ１３の外縁に沿った枠状である。また、上方から見て、凸部１１ｃ及び凸部１２ｃの外縁は絶縁部材２２の外縁とほぼ一致しており、内縁は絶縁部材２２の内縁とほぼ一致している。これにより、絶縁部材２２、凸部１１ｃ及び凸部１２ｃは、電極板１１と電極板１２との間の空間における半導体チップ１３が配置された領域の周囲にほぼ隙間なく配置され、半導体チップ１３に近い領域まで配置される。本実施形態における上記以外の構成は、前述の第１の実施形態と同様である。
【００２３】
本実施形態においても、前述の第１の実施形態と同様に、電極板１１及び１２に形成された凸部１１ｃ及び１２ｃがダミーの圧接部材として機能し、絶縁部材２２を押圧する。これにより、圧接時に電極板１１と電極板１２との間に印加される力を分散させ、半導体チップ１３に印加される押圧力を均一化することができる。そして、本実施形態においては、絶縁部材２２、凸部１１ｃ及び凸部１２ｃは、半導体チップ１３が配置された領域の周囲にほぼ隙間なく配置されているため、より効果的に押圧力を均一化することができる。本実施形態における上記以外の動作及び効果は、前述の第１の実施形態と同様である。
【００２４】
なお、絶縁部材２２、凸部１１ｃ及び凸部１２ｃにおける外縁と内縁との間には、隙間が形成されていてもよい。但し、少なくとも半導体チップ１３の近傍部分については、絶縁部材２２、凸部１１ｃ及び凸部１２ｃの幅を、押圧力を十分に受けられる程度の幅とすることが好ましい。これにより、半導体チップ１３に印加される押圧力を、効果的に均一化することができる。
【００２５】
次に、比較例について説明する。
図５は、比較例に係る圧接型半導体装置を例示する断面図であり、圧接型半導体装置を側方から見た断面図であり、
図６は、図５に示すＣ−Ｃ’線による断面図であり、圧接型半導体装置を上方から見た断面図である。
【００２６】
図５及び図６に示すように、本比較例に係る圧接型半導体装置１００は、前述の第１及び第２の実施形態に係る圧接型半導体装置１及び２（図１乃至図４参照）と比較して、絶縁部材２１及び２２が設けられておらず、また、電極板１１に、絶縁部材に当接する凸部が形成されていない点が異なっている。圧接型半導体装置１００においては、電極板１１と電極板１２との間の空間における半導体チップ１３が配置されている領域の周囲は、隙間１０１となっている。
【００２７】
本比較例においては、圧接時に電極板１１と電極板１２との間に印加される押圧力を半導体チップ１３だけで受けているため、電極板１１及び１２が撓み、半導体チップ１３が配置されている領域の外周部分に配置された半導体チップ１３に、力が集中してしまう。また、電極板１１の外周部分と電極板１２の外周部分との間には、押圧力を受ける部材が介在しないため、電極板１１及び１２が塑性変形してしまうことがある。電極板１１及び１２が塑性変形すると、半導体チップ１３に印加される力が不均一となり、特定の半導体チップ１３に押圧力が集中してしまう。また、逆に、特定の半導体チップ１３に印加される押圧力が弱まり、接続不良となる場合もある。
【００２８】
これに対して、前述の如く、第１及び第２の実施形態によれば、半導体チップ１３の他に、半導体チップ１３が配置されている領域の周囲に絶縁部材が設けられており、この絶縁部材に当接するように電極板１１及び１２に凸部が形成されているため、半導体チップ１３に印加される応力とほぼ等しい応力を絶縁部材に印加することができる。これにより、半導体チップ１３に印加される押圧力を均一化すると共に、電極板１１及び１２の塑性変形を抑制することができ、塑性変形に起因する押圧力の不均一化も抑制することができる。
【００２９】
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。前述の各実施形態に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除若しくは設計変更を行ったものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含有される。
【００３０】
例えば、前述の各実施形態において、樹脂枠１８と絶縁部材２１又は２２とを一体的に成型してもよい。これにより、部品数を減らすことができると共に、圧接型半導体装置の組み立てが容易になる。
【００３１】
また、前述の各実施形態においては、半導体チップ１３がＩＧＢＴである例を示したが、本発明はこれに限定されない。更に、電極板１１及び１２の形状は円板状には限定されない。更にまた、絶縁部材の材質は樹脂に限定されず、セラミックなどの絶縁性材料であればよい。更にまた、絶縁部材の形状は前述の各実施形態において示した形状には限定されず、電極板１１及び１２の変形を抑制すると共に、電極板１１と電極板１２の間に印加される押圧力を分散して、半導体チップ１３に印加される押圧力を均一化できる形状であればよい。
【００３２】
更にまた、前述の各実施形態においては、電極板１１の下面における半導体チップ１３に対向する領域及び絶縁部材２１又は２２に対向する領域を凸状にする例を示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、電極板１１における半導体チップ１３に対向する領域に凸部１１ａを形成する必要がなければ、絶縁部材２１又は２２に対向する領域にも凸部１１ｂ又は１１ｃを形成する必要はない。また、電極板１１及び１２のうち、一方の電極板のみに凸部を形成してもよい。更に、電極板１１及び１２に凸部を形成する替わりに、半導体チップを圧接する圧接部材及び絶縁部材を圧接するダミーの圧接部材を、電極板１１及び１２とは別体で設けてもよい。
【００３３】
更にまた、前述の各実施形態においては、半導体チップ１３を複数枚設ける例を示したが、半導体チップは１枚のみ設けてもよい。この場合でも、半導体チップの周囲に絶縁部材を設け、半導体チップの他に絶縁部材によっても押圧力を受けることにより、電極板の塑性変形を防止し、半導体チップに印加される応力を均一化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る圧接型半導体装置を例示する断面図であり、圧接型半導体装置を側方から見た断面図である。
【図２】図１に示すＡ−Ａ’線による断面図であり、第１の実施形態に係る圧接型半導体装置を上方から見た断面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る圧接型半導体装置を例示する断面図であり、圧接型半導体装置を側方から見た断面図である。
【図４】図３に示すＢ−Ｂ’線による断面図であり、第２の実施形態に係る圧接型半導体装置を上方から見た断面図である。
【図５】比較例に係る圧接型半導体装置を例示する断面図であり、圧接型半導体装置を側方から見た断面図である。
【図６】図５に示すＣ−Ｃ’線による断面図であり、比較例に係る圧接型半導体装置を上方から見た断面図である。
【符号の説明】
【００３５】
１、２、１００  圧接型半導体装置、１０  側囲体、１０ａ  周状突起、１１、１２  電極板、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ  凸部、１３  半導体チップ、１４  樹脂枠、１５、１６  熱緩衝板、１７  積層体、１８  樹脂枠、２１、２２  絶縁部材、１０１  隙間
【図１】
2010087438.tif 000003
【図２】
2010087438.tif 000004
【図３】
2010087438.tif 000005
【図４】
2010087438.tif 000006
【図５】
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【図６】
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