(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
両面に露出する一対の電極板の間を絶縁性の外筒により外部絶縁した平型パッケージの中に、第一主面に少なくとも第一の主電極、第二主面に第二の主電極を有する複数の半導体素子を組み込んだ半導体装置であって、該半導体素子と電極板との間に多孔質金属板を配置し、該多孔質の金属板が接触する電極間が加圧接触されていることを特徴とする加圧接触型半導体装置。
【請求項２】
両面に露出する一対の電極板の間を絶縁性の外筒により外部絶縁した平型パッケージの中に、第一主面に少なくとも第一の主電極、第二主面に第二の主電極を有する複数の半導体素子を組み込んだ半導体装置であって、各半導体素子の主電極とこれに対向する電極板との間に導電、及び放熱を兼ねた中間電極板を介装し、さらに少なくとも一方の該中間電極板とこれに対向する電極板間に多孔質金属板を配置し、該多孔質金属板が接触する電極間が加圧接触されていることを特徴とする加圧接触型半導体装置。
【請求項３】
前記多孔質金属板が主としてＣｕ，Ａｌ，Ａｇ，ＡｕまたはＮｉからなることを特徴とする請求項１及び２記載の加圧接触型半導体装置。
【請求項４】
前記多孔質金属板の少なくとも一方の表面に、多孔質金属材料と同じかより軟質、または耐酸化性の良い緻密な金属層が形成されていることを特徴とする請求項１乃至３記載の加圧接触型半導体装置。
【請求項５】
前記各半導体素子の主電極，中間電極板、及び電極板のうち互いに対向する少なくとも一つの接触面間に、さらに軟質金属箔を介装することを特徴とする請求項１乃至４記載の加圧接触型半導体装置。
【請求項６】
前記中間電極、または電極板の少なくとも一方の面に、軟質金属膜を形成することを特徴とする請求項１乃至５記載の加圧接触型半導体装置。
【請求項７】
前記電極板、または中間電極板の少なくとも一面が最大表面粗さ(Ｒmax）１μｍを越える粗い凹凸加工がなされていることを特徴とする請求項１乃至６記載の加圧接触型半導体装置。
【請求項８】
前記半導体素子が第一主面に第一主電極と制御電極、第二主面に第二主電極を有する絶縁ゲート形素子であり、さらに同一の圧接型パッケージ内には第一主面に第一主電極、第二主面に第二主電極を有するフライホイールダイオードを、上記絶縁ゲート形素子と逆並列に各々複数個ずつ並置して組み込んだことを特徴とする請求項１乃至７記載の加圧接触型半導体装置。
【請求項９】
前記半導体素子が、少なくとも一つのＰＮ接合を有する１枚の半導体素子基板であることを特徴とする請求項１乃至７記載の加圧接触型半導体装置。
【請求項１０】
両面に露出する一対の電極板の間を絶縁性の外筒により外部絶縁した平型パッケージの中に、第一主面に少なくとも第一の主電極、第二主面に第二の主電極を有する複数の半導体素子を組み込み、さらに該半導体素子と電極板の間に多孔質金属板を配置し、該多孔質金属板が接触する電極間が加圧接触された加圧接触型半導体装置を主変換素子として用いたことを特徴とする電力変換器。
【請求項１１】
両面に露出する一対の電極板の間を絶縁性の外筒により外部絶縁した平型パッケージの中に、第一主面に少なくとも第一の主電極、第二主面に第二の主電極を有する複数の半導体素子を組み込み、かつ各半導体素子の主電極とこれに対向する電極板との間に導電、及び放熱を兼ねた中間電極板を介装し、さらに該中間電極板とこれに対向する電極板間の少なくとも一方に多孔質金属板を配置し、該多孔質金属板が接触する電極間が加圧接触された加圧接触型半導体装置を主変換素子として用いたことを特徴とする電力変換器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加圧接触型半導体装置に係り、特に半導体素子とパッケージ電極間の均一な接触状態を確保し、かつ熱抵抗，電気抵抗を低減できる加圧接触型半導体装置、及びこれを用いた変換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体エレクトロニクスの技術を駆使して主回路電流を制御するパワーエレクトロニクスの技術は、幅広い分野で応用され、さらにその適用拡大がなされつつある。パワー用半導体素子としては、サイリスタ，光サイリスタ，ゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）や、ＭＯＳ制御デバイスである絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（以下ＩＧＢＴと略す）やＭＯＳ型電界効果トランジスタ（以下ＭＯＳＦＥＴと略す）などがある。これらのデバイスでは、主に半導体チップの第一主面上に主電極（カソード，エミッタ）、第二主面側にはもう一方の主電極（アノード，コレクタ）が形成される。
【０００３】
ＧＴＯ，光サイリスタ等の大電力用の半導体装置においては、素子を１枚のウエハ毎にパッケージングしている。上記素子の両主電極は、ＭｏまたはＷからなる熱緩衝用電極板（中間電極板）を介してパッケージの一対の外部主電極により加圧接触される構造となっている。スイッチング動作の均一性や大電流の遮断特性の向上等のためには、上記素子電極，熱緩衝板，外部主電極間の接触状態をできるだけ均一化し、かつ接触熱抵抗，電気抵抗を下げることが重要である。このため、これまではパッケージ部品の加工精度（平面度，平坦度）を上げて反りやうねりを低減する対策がとられてきた。
【０００４】
一方、ＩＧＢＴ等ではこれまで主にモジュール型構造と呼ばれる、ワイヤによる電極接続方式のパッケージ形態により複数個のチップを実装していた。このようなモジュール型パッケージの場合、素子内部で発生した熱はパッケージの片面（ワイヤ接続しない面）、すなわちベース基板上に直接マウントした電極側のみから逃がすことになるため、一般に熱抵抗が大きく、一つのパッケージに実装できるチップ数（発熱量，電流容量、または実装密度）に制限があった。
【０００５】
最近、このような問題に対処し、さらに大容量化の要求に応えるため、多数のＩＧＢＴチップを圧接型のパッケージ内に組み込み、その主面に形成されたエミッタ電極，コレクタ電極をそれぞれパッケージ側に設けた一対の外部電極板に面接触させて引き出すようにした多チップ並列型加圧接触構造の半導体装置が注目されている。この圧接型パッケージ構造によれば、上記のモジュール型パッケージに比べて、１）半導体チップを両面から冷却ができるので冷却効率を上げることができる、２）接続導体のインダクタンス、及び抵抗が小さくなる、３）主電極の接続がワイヤボンドでなくなるために接続信頼性が向上する、等の改善がはかれる。ところがこの多チップ並列型の圧接型半導体装置では、部材寸法ばらつきに起因するチップ位置毎の高さのばらつきや電極板のそりやうねりによる場所毎のばらつきが避けられず、これによりチップ毎に加圧力が異なり均一な接触が得られない、すなわち熱抵抗，電気抵抗がチップ位置毎の大きく異なり、全体としての素子特性が安定しないという大きな問題があった。最も単純には、寸法の厳密に揃った部材を用いることで対処できるが、部品のコスト、および選別のコスト等のアップが避けられない。この問題に対して、特開平８−８８２４０号公報においては、Ａｇなどの延性のある軟金属シートを厚さ補正板として介在させる方法を開示している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記ＧＴＯ等のパッケージにおいては、今後ますます大容量化のために素子サイズ（ウエハサイズ）が大型化し、この大口径化に伴ってパッケージ部品（電極部品）の反り、うねり等も大きくなる傾向にある。前述のようなパッケージ部品の加工精度（平面度，平坦度）を上げて反りやうねりを低減するという対策には加工上の限界があり、また加工コスト面での問題も大きい。従って素子サイズ  （ウエハサイズ）全面にわたって、ウエハ及びパッケージ部品（電極）間の均一な接触を確保し、熱抵抗，電気抵抗を低減することがますます困難になってきている。
【０００７】
一方、多チップ並列型の加圧接触型半導体装置におけるチップ間の均一接触の問題に対処する方法として開示されている前述の軟金属シートをはさむ方法は、本発明者らの検討によると、少なくとも半導体チップを破壊しない実用の圧力範囲ではその変形量がごくわずか（弾性変形による変形のみ）であり、チップ位置毎の高さ（及びチップを挟む中間電極部材等を含めた高さ）のばらつきが大きい場合にはその変形量が不十分で、均一な接触を確保できないことが明らかとなった。この原因は図１３に模式図で示したように軟質金属シート面に厚さ方向に圧力を加えて横方向へ塑性変形させようとした場合にも、軟質金属シート４３を挟む電極部材４４，４５との界面で発生する摩擦力（摩擦抵抗）４６のため、軟金属材料といえども横方向への変形抵抗が非常に大きくなってしまうことによると考えられる。変形させるために加圧力を上げても、摩擦力も圧力に比例して大きくなるので塑性変形は容易には起こらない。特にシート形状のような抵抗を受ける面積に比べて厚さが非常に小さい場合には、この表面に発生する摩擦力の影響が支配的となるため、一般に知られている材料の降伏応力を超える圧力を加えても実際には実質的な塑性変形（流動）が起こらず、軟金属シートの厚さは加圧の前後でほとんど変わらない。この摩擦抵抗を下げるために、電極部材表面の粗さを小さくする方法が考えられるが、ラップ仕上げ等で得られる現実的な加工粗さの範囲（Ｒｍａｘ１〜０．５μｍ、Ｒａ０．０５〜０．０３μｍ）では大きな変形は起こらない。
【０００８】
本発明は、上記のようなウエハの大口径化によるパッケージの大型化や、大容量化に対応する素子の多チップ並列化に伴って、ますます困難になる大面積領域での均一な加圧接触状態を確保する方法、すなわち接触面の高さのばらつき（反り，うねり，部材寸法ばらつき等による）を吸収し、かつ接触界面での熱抵抗，電気抵抗を低減できる方法を提供するものである。また第２の目的は上記により得られる半導体装置を用いることにより、特に大容量のシステムに好適な変換器を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、少なくとも第一主面に第一の主電極，第二主面に第二の主電極を有する半導体素子を一対の電極板の間に組み込んだ加圧接触型半導体装置において、該半導体素子と電極板との間に多孔質の金属板を配置することにより解決できる。より好ましくは、上記多孔質金属板の表面に該多孔質金属と同じかより軟質、または耐酸化性の良い緻密な金属層を形成するか、該多孔質金属板に対向する電極面に軟質金属膜を形成する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の代表的な形態を図面に基づいて説明する。
【００１１】
図１に本発明の基本的な適用形態を示す。半導体素子１の第一主面には少なくとも第一の主電極、第二主面には第二の主電極が形成されている。この両主電極面上にＭｏやＷ等からなる中間電極板２，３が配置され、さらにこの中間電極板の外側部分に一対のＣｕなどからなる共通電極板（主電極板）４，５が配置される。中間電極板３と主電極板５の間には多孔質の金属板６が挟まれており、全体が一括に加圧されて各部材間が接触されている。図１では（ａ），（ｂ），（ｃ）位置で部品１，２，３の厚さの合計が順に厚くなるケースを示している。これらの高さの差に対応して、加圧接触させる前には一定の厚さを持っていた多孔質金属板６の厚さが、加圧接触後には（ａ），（ｂ），（ｃ）の順に薄くなっている。すなわち、多孔質金属の高さを含めた全体としての高さ（部品１，２，３，６の厚さの合計）が（ａ），（ｂ），（ｃ）位置で同じになるように多孔質金属板の厚さが変化している。これにより、上記部材１，２，３に各々厚さばらつきがあったり、主電極板４，５にそりやうねりがある場合でも複数のチップ位置（ａ），（ｂ），（ｃ）間で良好な加圧接触状態を確保して半導体素子を実装でき、従って熱抵抗，電気抵抗のばらつきの少ない半導体装置が実現できる。図１では主電極板５と中間電極板３の対向して圧接される面に多孔質金属板６を挟んだ例を示したが、この位置はもちろん他の接触面、すなわち主電極板４と中間電極板２の間や素子１と中間電極板２，３の間でも良く、また複数の界面に対して同時に適用しても構わない。また電極間ごとに異なる材質の多孔質金属板を配置してもよい。
【００１２】
本発明で言うところの多孔質金属とは、一般に金属板，金属箔，金属シートと言えば実質的に緻密なものを指すのに対して、空孔を多く含んだ金属材料を指しており、三次元のランダムな網目状の金属連続部分が形成された微細構造を有する。発泡金属，スポンジ金属，ポーラスメタル，フォームメタルなどと種々呼ばれているものもこれに属する。本発明の目的には、銅，アルミニウム，銀，金等の軟質で電気抵抗，熱抵抗の小さな金属やニッケル，ＳＵＳなどの廉価で耐酸化性の優れた材質のものが特に好ましく、適用対象に最も適した特性を有する材料を選択できる。
【００１３】
図２には、代表例として、多孔質金属板として多孔質Ｃｕ板（発泡金属銅板）を用いて測定した厚さ方向の加圧力に対する変形量（板厚の変化量）と電気抵抗の関係を示す。比較例として通常の緻密なＣｕ薄板を用いた場合の例もあわせて示す。この発泡金属銅板は、発泡ウレタンの空隙表面に乾式の接着法により銅粉の被膜を形成した後、熱処理してウレタン部分を消失させ、さらに銅粉を還元雰囲気中で焼結して作製した三次元網目状の銅の骨格を有する多孔質の金属銅板である。同様なものに湿式めっき法により発泡樹脂表面にＣｕの被膜を形成する方法もある。この多孔質Ｃｕ板では圧力の増加にともなって、板厚は減少し、ある特定領域（０．５〜２ｋｇ／ｍｍ２付近）で大きく変形し、その後密度が増加するにつれて変形量は少なくなる。電気抵抗は圧力を増加すると減少し、多孔質板の変形が大きい領域で大きく変化する。これに対して、Ｃｕ薄板の場合には前述したように（図１３）、降伏応力を越える圧力を加えても塑性変形による大きな変形は起こらず、弾性変形分の小さな変形が起こるだけである。電気抵抗は、測定電極との接触抵抗が加圧力を大きくするにつれて減少するため、少しずつ減少する。熱抵抗についても上記の電気抵抗と同じ挙動を示した。
【００１４】
このような多孔質金属の場合には、前述の緻密な金属箔（薄板）の場合（図
１３）と異なり、自身の内部に空隙を有し、ミクロにはこの部分に変形する力を受けた材料が容易に移動できるため、比較的小さな圧力で大きな変形が得られる。また、自分の内部に材料の変形を吸収する空隙を有していること、および接触面での横方向への摩擦力による変形抵抗から、変形は実質的に板厚方向（加圧される方向）のみに起こる。これにより変形後の多孔質金属は初期に比べて空隙率が減少し緻密になっており、空隙の形状も厚さ方向につぶれた形状になってくる。上記の様に、本材料は加圧変形により横方向に比べて板厚方向に特に金属のチャネル部分が増加するという特徴を有するため、板厚方向への大きな変形能を確保しながら効果的に電気抵抗，熱抵抗を低減することが可能となっている。また、通常の緻密な材料で大きく変形（板厚を減少）させた場合には、体積変化した分の材料が横方向に塑性流動し側面が大きくふくらんでくるといった現象がみられるが、この多孔質金属では自分自身の内部に材料の変形を吸収する空隙を十分に有していることにより、大きく変形（板厚を減少）させた場合でも側面がふくらむことがほとんどないので、隣接する材料との接触等の問題が起こらず、高密度実装には好適である。
【００１５】
これらの材料は弾塑性変形能を有するため、変形後に除荷すると弾性変形分の戻りが見られるが、ほぼ実装部品間の高さのばらつきに対応した塑成変形分は保持される。再度加圧する場合には、この弾性変形分を利用して同じ圧力で十分な接触が確保できる。さらに通常の緻密な材料に比べて気孔が存在することによりみかけの弾性係数が低くなっているので、この弾性変形量が大きく、確実な接触を保持する上でも好適である。この変形が起こる圧力、および弾塑性変形挙動は、三次元に形成された金属の連続部分の太さや、密度（空隙率）、または材質によりコントロールすることが可能で、使用状況に応じた最適な圧力で変形が起こるように選択することができる。
【００１６】
変形量を大きく確保したい場合には、変形前の多孔質金属板の空隙率は大きい方が好ましく、５０％より大きいのが好ましく、特に６０〜８０％が好ましい。ただし、用途に応じて作業性等の面から変形量を過大に大きくしたくない場合等には、あらかじめ所定の圧力までプレス成形を行って空孔率を低減（緻密化）し、用途に応じた最適な変形量，熱抵抗，電気抵抗を有する多孔質板に調整することが好ましい。
【００１７】
図２の例でも示したように、実際に使用する条件では多孔質金属板を挟む電極との界面の接触抵抗（電気，熱）も重要な要素となる。接触抵抗をより小さくするためには、この多孔質金属板を挟む電極との界面の接触抵抗を小さくすることも重要である。このための多孔質金属板の最表面のミクロな形状としては、図３（ａ）に示したような接触表面に垂直な柱状金属７が多数突き出ている構造より、接触表面に平行に近い末端、または傾斜角度のできるだけ大きな末端８を多数有する構造（図３（ｂ））がより好ましい。
【００１８】
多孔質金属板とそれを挟む電極材料との接触抵抗を低減するための多孔質金属板の別の形態としては、多孔質金属板の表面を内部より緻密にし、電極材料とのミクロな接触面積を増加することが有効である。例を図４，図５に示す。図４は、多孔質金属板６の表面に多孔質金属材料より軟質、または耐酸化性の良い金属層９を印刷，めっき等の方法により形成したものである。例えば、Ｎｉの多孔質板にＡｇやＡｕの軟質膜を形成したものや、ＣｕやＡｌの多孔質板にＡｇやＡｕの表面酸化防止膜を形成したものが用いられる。図５（ａ）は多孔質金属板６の表面に緻密な金属箔１０を配置して一体に成形したものである。この金属箔には、多孔質金属材料と同じ材料が用いられるほかに、より軟質、または耐酸化性の良い金属箔を用いたものがより有効である。例えば、ＣｕやＡｌの多孔質板表面にＣｕ，Ａｌ，Ａｇ，Ａｕ等の箔を形成したものが用いられる。図５（ｂ）は、（ａ）の材料をさらにプレスで打抜いた板の断面を示す。プレス時に端面が押しつぶされるため、側面まで表面の箔で覆われた形となっており、多孔質板の側面も緻密な膜で保護したい場合の簡便な方法である。さらに別の方法として、多孔質板を短時間高温にさらすことにより、表面部分のみ密度を上げる方法を用いることもできる。
【００１９】
図６は、ＩＧＢＴ１１を用いたスイッチングデバイスと逆並列に接続したフライホイールダイオード（ＦＷＤ）１２を組み込んだ逆導通型スイッチングデバイスに適用した例を示したものである。図には、右端の圧接型半導体装置の最外部から中央に向かった途中までの一部断面を示している。ＩＧＢＴチップ１１には上面側の第一主面のほぼ全面にエミッタ電極，下面側の第二主面にはコレクタ電極が形成されており、さらに第一主面には制御用電極（ゲート電極）が形成されている。また、ＦＷＤ１２には、シリコン基板の上面側にアノード電極，下面側にカソード電極が形成されている。これらの各半導体チップは、放熱と電気的接続を兼ねたＭｏからなる一体型の中間電極板１４の上に配置され、さらにチップごとに個別の中間電極板１３によりチップ上の各主電極と接する形で配置される。これらがさらに第１の共通主電極板（Ｃｕ）４と第２の共通主電極板（Ｃｕ）５に挟まれている。さらにこの中間電極板１３と共通主電極板４との間には、多孔質の銅板１７が挟まれている。中間電極の表面にはＡｕめっき膜１５が３〜５μｍ形成され、共通電極板の表面にはＮｉめっき膜１６が１〜３μｍ形成されている。上記半導体チップ、及び中間電極はテフロン製の枠２４により互いに固定されている。また、ＩＧＢＴチップ１１のゲート電極１８からはワイヤボンド
１９により配線が引き出され、さらに中間電極板１４上に形成されたゲート電極配線板２０に接続される。上記一対の共通主電極板４，５の間は、セラミック製等の絶縁性の外筒２１により外部絶縁され、さらに共通主電極板と絶縁外筒の間を金属板２２によりパッケージ内部をシール封止したハーメチック構造となっている。ゲート電極配線は外筒２１を貫通するシールされた配線２３によりパッケージ外に引き出されている。
【００２０】
上記の多孔質の銅板は、Ｃｕの粉末のスラリーをドクターブレード法によりシート化し、これを焼成して有機バインダ成分を焼失させた後、さらに高温でＣｕ粉末を気孔が残るよう還元，仮焼結したものである。初期の気孔率は６０％、平均穴径は３０μｍ、厚さ１５０μｍであった。本実施例で実装された中間電極板の厚さばらつきは最大５０μｍあったが、中間電極板１４とチップ１１，１２間に感圧紙を挟んで圧力分布を測定した結果、圧力差は小さく、ほぼ均一に加圧されていることがわかった。
【００２１】
図７は、ＭＯＳ制御型スイッチングデバイス１１とフライホイールダイオード１２を組み込んだ逆導通型スイッチングデバイスに適用した例を示したものである。これらの各半導体チップの下側の主電極（コレクタ，カソード）はＡｕとし、あらかじめＡｇめっき膜１５が２〜３μｍ形成された中間電極板１４と加熱加圧接着されている。一方、各半導体チップの上側の主電極（エミッタ，アノード）はＡｌとし、あらかじめＡｕめっき膜１５が２〜３μｍ形成された中間電極板
１３と接合されている。本実施例では、表面にＡｇめっき膜１６が２〜４μｍ形成された第１の共通主電極板（Ｃｕ）４と第２の共通主電極板（Ｃｕ）５の間に上記の中間電極と半導体チップが一体化したものを並列に配置する。この際、中間電極板１４と共通主電極板５との間に、一体の多孔質Ｎｉ板１７を挟んで、両共通主電極板４，５により全体を加圧した。
【００２２】
上記で用いた多孔質のＮｉ板は、発泡樹脂に導電処理を施した後、電気Ｎｉめっきを施し、その後熱処理により樹脂成分を焼失させて得られたものである。これをさらに加圧成形して気孔径約０．２ｍｍ  、セル数は６０ケ／インチ，金属チャネル部太さ４０〜８０μｍ，厚さ０．６ｍｍ  、気孔率約８０％の板材とした。本実施例ではＮｉ多孔質板を挟む両面の電極板１４，５の表面が共にＡｇめっき処理されていることによりＮｉ多孔質板と上記電極との接触抵抗も大幅に低減されている。本実施例で実装されたチップ位置毎の厚さばらつきは最大１００μｍあったが、中間電極板１３と共通主電極板４間に感圧紙を挟んで圧力分布を測定した結果、圧力差は小さく、ほぼ均一に加圧されていることがわかった。
【００２３】
高さの補正と電気抵抗，熱抵抗の低減を最適に実現するために、電極間に多孔質金属板だけでなく、軟質の金属箔と同時に配置してもよい。例えば、上側の主電極板と中間電極板の間にはＡｕ箔を挿入し、下側の主電極板と中間電極板の間にはＮｉの多孔質板を挿入して、接触面積が異なる場合にも同じ荷重でほぼ同等の変形量を確保する方法も有効である。
【００２４】
図８はゲート制御電極をチップから取り出すためのピン２５がチップの中央に形成された実装形態の例を示している。図６と同様にＩＧＢＴ１１を用いたスイッチングデバイスと逆並列に接続したフライホイールダイオード（ＦＷＤ）１２を組み込んだ逆導通型スイッチングデバイスに適用した例を示した。これらの各半導体チップの下側の主電極（コレクタ，カソード）はＡｕ電極とし、あらかじめＡｇめっき膜が２〜３μｍ形成された中間電極板１４と加熱加圧接着されている。一方、中間電極板１３の表面にはＡｕめっき膜１５が２〜３μｍ形成され、各半導体チップと加圧接触されている。これらがさらに表面にＡｇめっき膜が２〜４μｍ形成されている第１の共通主電極板（Ｃｕ）４と第２の共通主電極板  （Ｃｕ）５に挟まれている。高さばらつきを吸収するための多孔質銅板１７が、中央に穴のあいた形状に加工されて、中間電極板１３と共通電極板４の間の、上記ピン２５、およびピンの絶縁用部材２６の周りに配置される。この方法では個別の多孔質金属板１７は中央のピンの絶縁用部材２６によりその位置ずれを防止できるので、組立作業性等がよい。ゲート配線２７は、第１の共通主電極板    （Ｃｕ）４に設けられた溝２８に収納されてパッケージの外周部に引き出され、さらに配線２９，２３によりパッケージ外部に取り出されている。接触抵抗をより一層低減するために、本実施例では多孔質銅板として図５に示したような多孔質板の表面に緻密な銅箔を一体化した複合多孔質銅板を利用した。これにより多孔質金属と中間電極板、および共通電極板との間の接触抵抗を大幅に低減することができた。加圧力の小さい領域において、特にこの効果が顕著で、接触抵抗を１／５から１／１０に低減できた。本実施例で実装したチップ位置毎の厚さばらつきを最大２００μｍとしたが、中間電極板１４と共通主電極板５間に感圧紙を挟んで圧力分布を測定した結果、圧力差は小さく、ほぼ均一に加圧されていることがわかった。
【００２５】
上記の様に種類の異なる半導体チップを一つのパッケージ内に並列実装する場合で、種類毎にその厚さが大きく異なる場合には、チップ種に応じて中間電極板の平均厚さを変えたものを準備しチップ厚さの大きな違いを調整し、さらに本発明の多孔質金属板による変形を主に中間電極板および半導体チップの厚さのばらつきの吸収に用いる方法も有効である。
【００２６】
図９は、表面にＡｇの緻密な薄膜層３３を一体に形成した多孔質銅板３０をウエハサイズの半導体素子３１のカソード電極側と中間電極板３２の間に配置した例を示している。半導体素子３１のアノード電極側と共通電極板５の間にはそれぞれＡｇめっきを施したＭｏの金属箔３４、および中間電極板３５を配置した。気孔径約０．１ｍｍ  ，セル数は４０ケ／ｍｍ２  ，金属チャネル部太さ３０〜５０μｍ，厚さ０．８ｍｍ  ，気孔率約７５％の板材とした。多孔質銅板３０により高さばらつきを吸収し、かつ多孔質金属表面の気孔に基づくコンタクト面積の低下を補って、接触抵抗を下げることができる。
【００２７】
図１０は半導体チップ１のコレクタ側電極と共通電極板との間に中間電極がない場合の例を示している。半導体素子の加圧による破壊を防止するため、コレクタ側の中間電極板をなくして共通電極板５と半導体素子１の間に多孔質電極板を挟む場合には、エミッタ側の被加圧部分、すなわち表面に軟質金属膜３８を施した中間電極板２の形状と同じかこれより小さい領域内に多孔質金属板３６を配置することが重要である。本実施例では接触抵抗のより一層の低減、及びチップ保護のためにチップ主電極と多孔質金属板との間に軟質金属の箔３７を挿入してある。
【００２８】
従来、一般に共通電極板、及び中間電極板の表面は接触抵抗を低減するためにその表面粗さ（Ｒｍａｘ）を１μｍ以下に仕上げることが必要だったが、上記多孔質金属板，軟質金属箔等を挟む共通電極板、及び中間電極板の表面は最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）１μｍを越える粗い凹凸状態でも、材料が表面凹凸にあわせて変形し、接触面積がミクロに増大して接触抵抗を低減できるので、加工コストの低減が図れる。
【００２９】
上記多孔質金属板の材料としては、主としてＣｕ，Ａｌ，Ａｇ，Ａｕまたは
Ｎｉ等の金属、またはそれらの合金を使用するのが好ましい。半導体装置の使用形態に応じて、熱抵抗，電気抵抗の低減、または変形能の向上のどちらを優先するかによって最適な材質，表面処理を選択するのが好ましい。
【００３０】
上記中間電極の材料としては、熱膨張係数がＳｉと外部主電極材料の中間で、熱伝導性，電気伝導性の良好な材料が用いられる。具体的にはタングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）等の単体金属、またはそれらを主たる構成材料とするＣｕ−Ｗ，Ａｇ−Ｗ，Ｃｕ−Ｍｏ，Ａｇ−Ｍｏ，Ｃｕ−ＦｅＮｉ等の複合材料または合金、さらには金属とセラミックスやカーボンとの複合材料、たとえばＣｕ／
ＳｉＣ，Ｃｕ／Ｃ，Ａｌ／ＳｉＣ，Ａｌ／ＡｌＮ等が好ましい。一方、主電極には電気伝導性で熱伝導性の良い銅やアルミニウム、またはそれらを含む前述のような合金または複合材料を使用するのが好ましい。
【００３１】
本発明の実装方式は、もちろんダイオードを含まないＩＧＢＴ等のスイッチング半導体のみからなる圧接型半導体装置にも用いることができる他、例えばダイオードチップのみを多数個上記の方法で圧接型パッケージに実装することももちろん有効である。また、上記実施例では、主としてＩＧＢＴを用いて説明したが、本発明は少なくとも第一主面に第一の主電極と第二主面に第二の主電極を有する半導体素子全般を対象としており、ＩＧＢＴ以外の絶縁ゲート形トランジスタ（ＭＯＳトランジスタ）や、ＩＧＣＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）などを含む絶縁ゲート形サイリスタ（ＭＯＳ制御サイリスタ）や、ＧＴＯ，サイリスタ、及びダイオードなどに対しても同様に実施できる。また、Ｓｉ素子以外のＳｉＣ，ＧａＮなどの化合物半導体素子に対しても同様に有効である。
【００３２】
本発明の圧接型半導体装置では、大型化（大容量化）しても安定した電極間の接触状態が得られるため、電気抵抗，熱抵抗の小さな半導体装置が得られる。従って、この圧接型半導体装置を用いることにより、変換器容積、及びコストを大幅に削減した大容量変換器が実現できるようになる。図１１に本発明によるＩＧＢＴの圧接型半導体装置を主変換素子として電力用変換器に応用した場合の１ブリッジ分の構成回路図を示す。主変換素子となるＩＧＢＴ素子４０とダイオード素子４１が逆並列に配置され、これらがｎ個直列に接続された構成となっている。これらＩＧＢＴとダイオードは、本発明による多数の半導体チップを並列実装した圧接型半導体装置を示している。上記図６〜図８の実施例の逆導通型ＩＧＢＴ圧接型半導体装置の場合には図中のＩＧＢＴチップとダイオードチップがまとめて一つのパッケージに収められた形となる。これにスナバ回路４２、及び限流回路が設けてある。図１２は、図１１の３相ブリッジを４多重した自励式変換器の構成を示したものである。本発明の圧接型半導体装置は、複数個をその主電極板外側と面接触する形で水冷電極を挟んで直列接続するスタック構造と呼ぶ形に実装され、スタック全体を一括で加圧する。本発明によれば、従来より低い加圧力でも均一な接触が得られるので、上記スタック構造等を簡略化できるという効果もある。
【００３３】
本発明の圧接型半導体装置は、上記の例に限らず電力系統に用いられる自励式大容量変換器やミル用変換器として用いられる大容量変換器に特に好適で、可変速揚水発電，ビル内変電所設備，電鉄用変電設備，ナトリウム硫黄（ＮａＳ）電池システム，車両等の変換器にも用いることができる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、ウエハの大口径化によるパッケージの大型化や、大容量化に対応する素子の多チップ並列化に伴って、ますます困難になる大面積域での均一圧接を比較的低圧力で簡単に実現することができる、すなわち接触面の高さのばらつきを十分に吸収し、かつ接触界面での熱抵抗，電気抵抗を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本構成を示す断面図。
【図２】加圧力と多孔質金属板の厚さ変化量、および電気抵抗の関係を示す図。
【図３】多孔質金属材料の表面微構造を示す拡大図。
【図４】表面に緻密な金属層を形成した多孔質金属材料の断面構造を示す図。
【図５】表面に緻密な金属層を形成した多孔質金属材料の断面構造を示す図。
【図６】ＩＧＢＴに適用した本発明の実施例を示す図。
【図７】ＩＧＢＴに適用した本発明の実施例を示す図。
【図８】ＩＧＢＴに適用した本発明の実施例を示す図。
【図９】ウエハサイズ半導体素子に適用した本発明の実施例を示す図。
【図１０】本発明の実施例を示す図。
【図１１】本発明の半導体装置を用いた１ブリッジ分の構成回路図。
【図１２】図１１の３相ブリッジを４多重した自励式変換器の構成図。
【図１３】従来方式で加圧した場合の軟質金属の変形挙動を説明する図。
【符号の説明】
１…半導体素子、２，３…中間電極板、４，５…共通電極板、６，１７，３０，３６…多孔質金属板、７…柱状金属突起、８…柱状金属末端、９…金属層、
１０…緻密金属箔、１１…ＩＧＢＴ、１２…フライホイールダイオード、１３，１４…中間電極板、１５，１６…金属めっき膜、１８…ゲート電極、１９…ワイヤボンド、２０…ゲート電極配線板、２１…絶縁性外筒、２２…金属板、２３…気密貫通配線、２４…枠、２５…ピン、２６…絶縁用部材、２７…ゲート配線、２８…溝、２９…配線、３１…ウエハサイズ半導体素子、３２，３５…中間電極板、３３…緻密な薄膜層、３４…金属箔、３７…軟質金属箔、３８…軟質金属膜、４０…ＩＧＢＴ素子、４１…ダイオード素子、４２…スナバ回路、４３…軟質金属シート、４４，４５…電極部材、４６…摩擦力（摩擦抵抗）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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