(57)【要約】【課題】  外部端子を別に設ける必要がなく、部品点数の削減や組み立て工数の削減等を図ることができる半導体装置の提供。【解決手段】  半導体チップ２，３は、上側ケーシング４と下側ケーシング５とで形成される収容空間に収められている。上側ケーシング４は電極板４１を絶縁性樹脂でインサート成型することにより形成され、枠部材４２と電極板４１とが一体となっている。同様に、下側ケーシング５も電極板５１を絶縁性樹脂でインサート成型したものであって、枠部材５２と電極板５１とが一体となっている。電極板５１上に半導体チップ２，３をハンダ付けし、半導体チップ２，３上に接触電極８をそれぞれ載置し、上側ケーシング４を下側ケーシング５に被せて電極板４１，５１を上下から加圧しつつ枠部材４２，５２同士を接着剤等により接合することにより、モジュール１が形成される。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表裏面に電極が各々形成された半導体チップを、有底筒状体を成す２つの分割ケーシングで構成されるケーシング内に収納した半導体装置であって、
前記有底筒状体の周壁を絶縁部材で形成し、前記有底筒状体の底部を第１の電極板で形成し、前記第１の電極板の一部をケーシング外部に延在させて成る第１の外部端子を有する第１の分割ケーシングと、
前記有底筒状体の周壁を絶縁部材で形成し、前記有底筒状体の底部を第２の電極板で形成し、前記第２の電極板の一部をケーシング外部に延在させて成る第２の外部端子を有する第２の分割ケーシングとを備え、
前記半導体チップの表裏面を挟持するように前記第１および第２の電極板を前記半導体チップ方向に加圧して、前記表裏面に形成された各電極とそれに対向する前記電極板とを電気的に接続したことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記絶縁部材として絶縁性樹脂を用い、前記第１および第２の分割ケーシングの前記絶縁部材と前記電極板とを一体成形により形成したことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の半導体装置において、
前記周壁に、前記電極板の表裏面を覆って前記加圧による前記電極板の前記周壁からの離脱を防止する離脱防止部を設けたことを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置において、
前記周壁の外周面を凹凸形状としたことを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の半導体装置において、
前記ケーシングは前記第１および第２の分割ケーシングの前記周壁を互いに突き合わせて接合することにより形成され、前記各周壁の接合部に互いに係合する係合部をそれぞれ形成したことを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の半導体装置において、
前記半導体チップの表裏面に形成された各電極の少なくとも一方を、それに対向する前記電極板に導電性固着手段により固着したことを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項６に記載の半導体装置において、
前記導電性固着手段にハンダを用いたことを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載の半導体装置において、
前記第１および第２の電極板の少なくとも一方と前記半導体チップとの間に配設され、前記半導体チップ接触部との接触面の線膨張係数が前記電極板よりも前記半導体チップに近い材質で形成されて、前記半導体チップの接触面を保護する保護部材と、
前記周壁から半導体装置内部方向へ延びて、前記保護部材を前記半導体チップのチップ面上に位置決めする位置決め部を、前記第１の分割ケーシングおよび第２の分割ケーシングの少なくとも一方に設けたことを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の半導体装置において、
前記第１および第２の分割ケーシングにより形成される前記ケーシングの半導体チップ収容空間に、絶縁性樹脂を充填したことを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加圧接触型の半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタ（ＩＧＢＴ）は、パワースイッチングデバイスとして例えば電気自動車のインバータ素子として用いられている。このようなＩＧＢＴ等の半導体チップをパッケージに組み込んでモジュール化した半導体装置では、放熱性向上や内部配線インダクタンスの抑制を図るために加圧接触型構造としたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
ＩＧＢＴではチップ表裏両面に電極が形成されており、特許文献１に記載の加圧接触型半導体装置においては、二つの電極板で半導体チップを挟持して加圧することによりチップ電極との圧接を行っている。半導体装置には、半導体チップを囲むようにセラミックから成る絶縁外筒が設けられており、上下電極板の周縁部分は絶縁外筒の上下端面にそれぞれ接合されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平７−９４６７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上下電極板と絶縁外筒とにより囲まれた封止空間には不活性ガスが充填され、不活性ガスのリークを防止するために、上下電極板と絶縁外筒とは溶接により接合されている。そのため、上下電極板の外筒に接触する部分の熱容量を小さくして、上下電極板と絶縁外筒とを溶接可能とする必要があり、その部分の電極板の厚さを薄くする必要があった。その結果、電極板を半導体装置の外部に延長して外部端子とした場合には、外部端子（延長した電極板）の厚さが薄くなるため、大きな電力を出力するためには電極板から外部へ導出するための外部端子を別に設ける必要があり、装置の大型化やコストアップを招くという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、表裏面に電極が各々形成された半導体チップを、有底筒状体を成す２つの分割ケーシングで構成されるケーシング内に収納した半導体装置であって、有底筒状体の周壁を絶縁部材で形成し、有底筒状体の底部を第１の電極板で形成し、第１の電極板の一部をケーシング外部に延在させて成る第１の外部端子を有する第１の分割ケーシングと、有底筒状体の周壁を絶縁部材で形成し、有底筒状体の底部を第２の電極板で形成し、第２の電極板の一部をケーシング外部に延在させて成る第２の外部端子を有する第２の分割ケーシングとを備え、半導体チップの表裏面を挟持するように第１および第２の電極板を前記半導体チップ方向に加圧して、表裏面に形成された各電極とそれに対向する電極板とを電気的に接続したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、半導体チップが収容されるケーシングを有底筒状体を成す第１および第２の分割ケーシングで構成し、各有底筒状体の底面を各々電極板とし、それらの電極板の一部をケーシング外部に延在させて外部端子としたので、電極板の厚さを薄くすることなく外部へ導出することができ、従来のように別体の外部端子をさらに設ける必要がなく、部品点数の削減、装置の小型化および組み立て工数の低減を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１、２は本発明による半導体装置の一実施の形態を示す図である。図１は半導体装置の概略構成を示す平面図であり、図２は図１のＡ−Ａ断面図である。図１、２に示す半導体装置は、三相インバータの一相分のモジュール１を示したものであり、モジュール１のケーシング内には半導体チップ２，３が設けられている。インバータに用いられるスイッチング素子としてはＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴなどがあるが、以下ではＩＧＢＴを用いたものを例として説明する。半導体チップ２はＩＧＢＴであり、半導体チップ３はダイオードである。４１はモジュール１の上面に設けられた電極板（バスバー）であり、図１では電極板４１の一部を破断面としている。
【０００９】
半導体チップ２，３は、チップの表裏両面に電極が設けられている。ＩＧＢＴである半導体チップ２の場合には、裏面側にコレクタ電極が設けられ、表面側にエミッタ電極およびゲート電極が設けられている。モジュール１の下面には電極板５１が配設されており、半導体チップ２，３は裏面側の電極を電極板５１にハンダ付けすることにより、電極板５１上に実装されている。符号６で示した部材はハンダである。半導体チップ２のゲート電極は、ボンディングワイヤ７によって制御端子５３に接続されている。電極板４１，５１は導電性および熱伝導性の高い金属材料、例えば銅やアルミニウムやそれらを主成分とする合金が用いられる。
【００１０】
半導体チップ２，３の上面には、半導体チップ２，３の電極を保護するための接触電極８がそれぞれ載置されている。接触電極８は半導体チップ２，３の表面側電極と電極板４１とを電気的・熱的に接続する部材であるが、電極板４１と半導体チップ２，３との線膨張差による熱応力を低減する機能も有している。また、半導体チップ２，３の急激な温度上昇を和らげるサーマルマスとしても機能する。
【００１１】
例えば、電極板４１を銅材で形成した場合、接触電極８も銅ブロックで形成する。そして、銅ブロックのチップ側表面には、線膨張係数が半導体チップ２，３の材料であるＳｉ（シリコン）に近い、Ｍｏ（モリブデン）やＷ（タングステン）等を材料とする金属の層を設けておく。半導体チップ２，３を銅材から成る電極板４１に対して直に接触させると、温度変化による膨張や収縮で半導体チップ２，３のチップ表面が擦られるおそれがある。しかし、接触電極８の半導体チップ側と半導体チップ２，３との線膨張係数の差が小さいので、そのような問題の発生を防止することができる。
【００１２】
半導体チップ２，３と電極板４１との間に接触電極８を挟持するように、電極板４１，５１を上下から加圧することにより、半導体チップ２，３の表面電極と電極板４１とが電気的に接続される。加圧の際にハンダ６が塑性変形することにより、半導体チップ２，３に偏荷重が加わるのを防止することができる。また、半導体チップ２，３の厚さの若干の差違があっても、ハンダ６の塑性変形により寸法差を吸収することができる。なお、加圧機構については図示を省略した。
【００１３】
本実施の形態では半導体チップ２，３の表面側のみを圧接構造としたが、表面側だけでなく裏面側も圧接構造としても良い。その場合には、半導体チップ２，３の表裏両面に接触電極８を設けるようにする。また、表裏両面の電極をハンダ付けにより電極板４１，５１に接続するようにしても良い。また、ハンダ６を用いて半導体チップ２，３を下側の電極板５１に固着しているが、ハンダ６に代えて銀ペーストや導電性接着剤等を導電性固着手段として用いても良い。
【００１４】
本実施の形態では、半導体チップ２，３が収納されるケーシングは、図３に示すような電極板４１および枠部材４２を一体とした上側ケーシング４と、図４に示すような電極板５１および枠部材５２を一体とした下側ケーシング５とで構成される。
【００１５】
図３において、（ａ）は上側ケーシング４の平面図，（ｂ）は断面図、（ｃ）は下面図である。電極板４１はケーシングの一部を構成する矩形部４１ａと、電極板４１を外部と接続するための端子部４１ｂとから成る。枠部材４２は、電極板４１の矩形部４１ａの周縁部に、矩形筒状に形成されている。枠部材４２には、上下に貫通する孔４２ａおよびケーシング内外に貫通する孔４２ｂが形成されている。電極板４１は、矩形部４１ａの周縁部が枠部材４２の段部４２ｃに載置されるように設けられ、上側ケーシング４の上面側に露出している。
【００１６】
本実施の形態では、枠部材４２は絶縁性の樹脂から成り、上側ケーシング４は、枠部４２と電極板４１とのインサート成形により一体成形される。また、枠部材４２を成形した後に、段部４２ｃに電極板４１の矩形部４１ａを接着することにより、一体の上側ケーシング４を形成するようにしても良い。
【００１７】
一方、図４は下側ケーシング５を示す図であり、（ａ）は下側ケーシング５の平面図，（ｂ）は断面図、（ｃ）は下面図である。電極板５１も電極板４１と同様に、ケーシングの一部を構成する矩形部５１ａと、電極板５１を外部と接続するための端子部５１ｂとを有している。電極板５１の矩形部５１ａの周縁部に設けられた枠部５２の上面側には、Ｌ字形状の制御端子５３が設けられている。制御端子５３のボンディング部５３ａは枠部材５２に接して設けられ、図２に示したようにボンディング部５３ａにボンディングワイヤ７が接続される。電極板５１は、矩形部５１ａの周縁部が枠部材５２の段部５２ａに当接するように設けられ、下側ケーシング５の下面側に露出している。
【００１８】
枠部材５２も枠部材４２と同様の絶縁性樹脂が用いられる。下側ケーシング５も上側ケーシング４と同様にインサート成形により形成され、枠部５２，電極板５１および制御電極５３が一体成形される。また、下側ケーシング５の場合も、枠部材５２を成形した後に、段部５２ｃに電極板５１の矩形部５１ａを接着するとともに、枠部材５２の上面に制御電極５３を接着固定して一体とするようにしても良い。
【００１９】
モジュール１は次のような手順で組み立てられる。まず、下側ケーシング５の電極板５１上に半導体チップ２，３をハンダ付けし、半導体チップ２の上面に設けられたゲート電極と枠部材５２に設けられた制御端子５３とをボンディングワイヤ７により接続する。その後、半導体チップ２，３の上面に接触電極８を載置し、上側ケーシング４を下側ケーシング５に装着して接合する。このとき、制御電極５３が枠部材４２の孔４２ａに挿入されるように、上側ケーシング４を装着する。ケーシング４，５同士の接合は、枠部材４２，５２同士を接着したりネジ止めしたりすることにより行われる。
【００２０】
次いで、枠部材４２に形成された貫通孔４２ｂから、密着性および弾力性の高い絶縁性樹脂、例えばシリコンゲルをケーシング内に充填する。充填後、貫通孔４２ｂは封止される。絶縁性樹脂としてはシリコン系に限らず、エポキシ系、ウレタン系等を用いても良い。ケーシング内に空気が有ると電極などが酸化されるが、このように樹脂を充填することにより電極面が樹脂に覆われて酸化を防止できる。また、半導体チップ２の上下両面は異種電極で電位差が大きく、沿面放電が生じるおそれがある。しかし、樹脂を充填して電極間を樹脂で覆うことにより、沿面放電を防止することができる。なお、貫通孔４２ｂを形成せずに、不活性ガス雰囲気中で上下ケーシングを接合することにより、ケーシング内を不活性ガスで満たすようにしても良い。
【００２１】
［変形例１］
図５〜７は、上述した実施の形態の変形例１を示す図である。図５，６は、それぞれ上側ケーシング４と下側ケーシング５を示す図である。上側ケーシング４には、図５の（ｂ），（ｃ）に示すように、枠部材４２の下側ケーシング５との合わせ面に凸部４２ｄ，４２ｅが形成されている。さらに、電極板４１の下面には、半導体チップ２，３上に載置される接触電極８を位置決めするための位置決め部４２ｆが形成されている。位置決め部４２ｆには、接触電極８が嵌り込む矩形孔Ｈ１，Ｈ２が半導体チップ２，３と対向する位置に形成されている。
【００２２】
一方、下側ケーシング５には、図６の（ａ），（ｂ）に示すように、枠部材５２の上側ケーシング４との合わせ面の上記凸部４２ｄ，４２ｅと対向する位置に、凸部４２ｄ，４２ｅと系合する凹部５２ｂ，５２ｃが形成されている。図７の二点鎖線で示すように下側ケーシング５に上側ケーシング４を装着すると、枠部材４２に形成されている凸部４２ｄ，４２ｅが、下側ケーシング５の枠部材５２に形成されている凹部５２ｂ，５２ｃにそれぞれ係合する。
【００２３】
すなわち、凸部４２ｄ，４２ｅが凹部５２ｂ，５２ｃに系合することにより、ケーシング４，５間の位置決めが成される。さらに、各接触電極８の上側が上側ケーシング４の位置決め部４２ｆにガイドされるように矩形孔Ｈ１，Ｈ２に嵌り込むことにより、半導体チップ２，３に対する各接触電極８の位置決めが成される。なお、下側の電極板１上にも、ハンダ６や半導体チップ２，３を位置決めするための位置決め部を形成しても良い。
【００２４】
［変形例２］
図８は変形例２を示す図であり、（ａ）はモジュール１の平面図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は下面図である。ケーシング４，５において、上述した実施の形態と同様の部分には同一符号を付し、以下では異なる部分を中心に説明する。図２に示したように、電極板４１と半導体チップ２，３との圧接を行わせるために、モジュール１は加圧機構によって上下から加圧される。しかし、内部の接触電極８がケーシング内において固定されているためには、加圧前のモジュール１単体の場合においても、接触電極８が電極板４１によって半導体チップ２，３に押圧されている必要がある。
【００２５】
例えば、ケーシング４，５を合わせたときに枠部材４２，５２間に微少な隙間が形成されるように設定しておき、枠部材同士の接合時に隙間がゼロとなるように電極板４１，５１をわずかに変形させるような構成とする。このような場合、電極板４１，５１にはケーシングの外側に押し出されるような反力が作用し、枠部材４２，５２から電極板４１，５１が外れるおそれがある。
【００２６】
そこで、変形例２では、電極板４１，５１の枠部材４２，５２からの離脱を防止する離脱防止部４２ｇ、５２ｇを枠部材４２，５２に形成した。図８に示す例では、電極板４１，５１の矩形部４１ａ，５１ａの全周に枠部材４２，５２を乗り上げる（言い替えれば、電極板４１，５１の表裏面を枠部材４２，５２で覆う）ように形成して、離脱防止部４２ｇ、５２ｇを構成したが、一部分に乗り上げる（一部分を覆う）ようにしても良い。このような離脱防止部４２ｇ、５２ｇを形成したことにより、反力によって電極板４１，５１が外側に外れてしまうのを防止することができる。
【００２７】
［変形例３］
図９は変形例３を説明する図である。モジュール１に設けられている電極板４１，５１は異種電極であるため、沿面放電を防止するために電極板４１，５１間の絶縁耐圧を半導体チップ２，３の絶縁耐圧以上に設定しておく必要がある。モジュール１ではケーシング内に樹脂が充填されているので、モジュール内での沿面放電は防止されるが、モジュール１の外側は大気に触れているため、沿面絶縁を確保する必要がある。
【００２８】
そこで、図９に示したモジュール１では、枠部材４２，５２の外周面４２ｋ、５２ｋに凹凸を形成した。具体的には、枠部材４２，５２の側面を一周する溝を複数形成した。これにより、電極板４１と電極板５１との間の沿面距離が長くなって沿面絶縁の向上を図ることができ、沿面放電を防止することができる。
【００２９】
なお、上述した実施の形態では、枠部材５２に制御端子５３をモールドして、その制御端子５３と半導体チップ２のゲート電極とをボンディングワイヤ７により接続したが、図１０に示すように針状のピン１００を半導体チップ２のゲート電極に圧接するような構成としても良い。電極板４１を貫通するように絶縁樹脂のインサート１０１を設け、そのインサート１０１に形成された貫通孔を介してピン１００をゲート電極に接触させる。図示は省略したが、ピン１００はバネ等の付勢手段によってゲート電極に押圧されている。
【００３０】
以上説明した本実施の形態の特徴とまとめると以下のようになる。
（ａ）電極板４１と枠部材４２とが一体化された上側ケーシング４と、電極板５１と枠部材５２とが一体化された下側ケーシング５とを別々に形成し、それらを接合して密封されたケーシングを構成するようにしているので、従来のような封止のために電極板と絶縁外筒とを溶接する必要がない。そして、電極板４１，５１の一部を端子部４１ｂ，５１ｂとして枠部材４２，５２の側方に延在させるようにしたので、端子部４１ｂ，５１ｂの厚さを薄くすることなく外部へ導出することが可能となり、外部端子を別に設ける必要がなく、モジュール１の小型化、部品点数の削減を図ることができる。特に、電極板４１と枠部材４２、電極板５１と枠部材５２とを一体成形してケーシング４，５を形成したことにより、組み立て工程の簡略化や、電極板４１，５１と枠部材４２，５２との接合の確実性向上を図ることができる。
【００３１】
（ｂ）電極板４１，５１に乗り上げる（電極板４１，５１の表裏面を覆う）ように形成された離脱防止部４２ｇ、５２ｇを枠部材４２，５２に設けたことにより、電極板４１，５２を加圧した際にそれらが枠部材４２，５２から外れてしまうのを防止することができる。また、枠部材４２，５２の外周面４２ｋ、５２ｋを凹凸形状としたことにより、電極板４１，５１間の沿面距離がより長くなり、沿面放電の発生を抑制することができる。さらに、各枠部材４２，５２の互いに接合される面に、互いに係合する凸部４２ｄ，４２ｅおよび凹部５２ｂ、５２ｃを形成したので、ケーシング４，５を重ね合わせる際の位置決めが容易となる。
【００３２】
（ｃ）圧接構造であってもハンダ６や導電性接着剤や銀ペースト等の導電性固着手段により半導体チップ２を下側の電極板５１に固着しているので、枠部材５２に設けられた制御端子５３に対して半導体チップ２が固定され、ワイヤボンディング作業が簡単にできる。さらに、ハンダ６を導電性固着手段に用いた場合、圧接時にハンダ６が塑性変形することで、半導体チップ２，３に掛かる偏荷重を緩和することができる。
【００３３】
（ｄ）熱応力緩衝材としての接触電極８を半導体チップ２，３とで電極板４１，５１との間に設けたので、互いの接触部分における接触電極８と半導体チップ２，３との線膨張係数差が小さく、温度変化による膨張や収縮で半導体チップ２，３のチップ表面が擦られるのを防止することができる。また、上側ケーシング４に置決め部４２ｆを形成したので、上下のケーシング４，５を合わせた際に各接触電極８が置決め部４２ｆによりガイドされ、半導体チップ２，３上に正確に位置決めされる。
（ｅ）上下のケーシング４，５により形成されるケーシング内に絶縁性樹脂を充填するようにしたので、半導体チップ２，３の電極面の酸化や、電極間の沿面放電を防止することができる。
【００３４】
以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、枠部材４２，５２は周壁を、電極板４１は第１の電極板を、電極板５１は第２の電極板を、上側ケーシング４は第１の分割ケーシングを、下側ケーシング５は第２の分割ケーシングを、端子部４１ｂは第１の外部端子を、端子部５１ｂは第２の外部端子を、凸部４２ｄ，４２ｅおよび凹部５２ｂ，５２ｃは係合部を、ハンダ６は導電性固着手段を、接触電極８は保護部材をそれぞれ構成する。なお、以上の説明はあくまでも一例であり、発明を解釈する際、上記実施の形態の記載事項と特許請求の範囲の記載事項の対応関係に何ら限定も拘束もされない。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明による半導体装置の一実施の形態を示す図であり、半導体装置の概略構成を示す平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】上側ケーシング４を示す図であり、（ａ）は平面図，（ｂ）は断面図，（ｃ）は下面図である。
【図４】下側ケーシング５を示す図であり、（ａ）は平面図，（ｂ）は断面図，（ｃ）は下面図である。
【図５】変形例１における上側ケーシング４を示す図であり、（ａ）は平面図，（ｂ）は断面図，（ｃ）は下面図である
【図６】変形例１における下側ケーシング５を示す図であり、（ａ）は平面図，（ｂ）は断面図，（ｃ）は下面図である
【図７】位置決め部４２ｆによる接触電極８の位置決めを説明する図である。
【図８】変形例２におけるモジュール１を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は下面図である。
【図９】変形例３を説明する図である。
【図１０】半導体チップ２のゲート電極に圧接された針状のピン１００を示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  モジュール
２，３  半導体チップ
４  上側ケーシング
５  下側ケーシング
６  ハンダ
８  接触電極
４１，５１  電極板
４１ａ，５１ａ  矩形部
４１ｂ，５１ｂ  端子部
４２，５２  枠部材
４２ｄ，４２ｅ  凸部
４２ｆ  位置決め部
４２ｇ、５２ｇ  離脱防止部
４２ｋ、５２ｋ  外周面
５２ｂ，５２ｃ  凹部
５３  制御端子
Ｈ１，Ｈ２  矩形孔
【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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