(57)【要約】【課題】半導体チップに不具合が生じても、被害の拡大を抑制できる半導体パッケージを提供する。【解決手段】半導体パッケージは、半導体チップと、第１金属板と、第２金属板と、封止部材と、を備える。前記半導体チップの第１面には第１電極が設けられ、第２面には第２電極が設けられている。前記第１金属板は、前記半導体チップの前記第１面上に積層され、前記半導体チップの側方において、端部の第１部分が前記第１面から前記第２面に向かう第１方向に向けて延出している。前記第１部分の先端は前記第２面よりも前記第１方向側に配置されている。前記第２金属板は、前記半導体チップの前記第２面上に積層され、前記半導体チップ及び前記第１部分の側方において、端部の第２部分が前記第２面から前記第１面に向かう第２方向に向けて延出している。前記第２部分の先端は前記第１部分の先端よりも前記第２方向側に配置されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１面に第１電極が設けられ、第２面に第２電極が設けられた半導体チップと、
前記半導体チップの前記第１面上に積層され、前記半導体チップの側方において、端部の第１部分が前記第１面から前記第２面に向かう第１方向に向けて延出し、前記第１部分の先端が前記第２面よりも前記第１方向側に配置された第１金属板と、
前記半導体チップの前記第２面上に積層され、前記半導体チップ及び前記第１部分の側方において、端部の第２部分が前記第２面から前記第１面に向かう第２方向に向けて延出し、前記第２部分の先端が前記第１部分の先端よりも前記第２方向側に配置され、前記第１金属板から離隔した第２金属板と、
少なくとも、前記第１金属板と前記第２金属板との間に設けられ、前記半導体チップ、前記第１部分及び前記第２部分を覆い、絶縁材料からなる封止部材と、
を備えた半導体パッケージ。
【請求項２】
前記第１方向から見て、前記半導体チップの形状は矩形であり、前記第１部分及び前記第２部分の双方が、前記半導体チップの３つの辺に対向する位置に配置された請求項１記載の半導体パッケージ。
【請求項３】
前記半導体チップから見て、前記３つの辺を除く辺に対向する位置に設けられ、第１端が前記封止部材の内部に配置され、第２端が前記封止部材の外部に配置されたリードと、
前記封止部材の内部に配置された接続部材と、
をさらに備え、
前記半導体チップの前記第２面には第３電極が設けられており、
前記接続部材は、前記リードの前記第１端と前記第３電極との間に接続された請求項２記載の半導体パッケージ。
【請求項４】
前記半導体チップの前記第２面上に積層され、前記第２電極に接続された第３金属板をさらに備え、
前記第２金属板は前記第３金属板の側方に配置されており、
前記第２金属板の材料は、前記第３金属板の材料よりも強度が高い請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体パッケージ。
【請求項５】
前記第１金属板及び前記第３金属板は銅を含み、前記第２金属板は鉄系材料からなる請求項４記載の半導体パッケージ。
【請求項６】
前記第２部分の先端は、前記半導体チップの前記第１面よりも前記第２方向側に配置された請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体パッケージ。
【請求項７】
前記第１部分と前記第２金属板との間に配置された前記絶縁材料の耐圧は、前記半導体チップに印加される最大電圧よりも高い請求項１〜６のいずれか１つに記載の半導体パッケージ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
実施形態は、半導体パッケージに関する。
【背景技術】
【０００２】
大電流用の電力変換器は、複数の電流制御用半導体チップが並列及び直列に接続されて構成されている。このような電力変換器においては、１つの半導体チップに不具合が生じた場合でも、被害の拡大を抑制し、電力変換器全体としては動作し続けることが好ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３２５８２００号公報
【特許文献２】特許第４３８５３２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
実施形態の目的は、半導体チップに不具合が生じても、被害の拡大を抑制できる半導体パッケージを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態に係る半導体パッケージは、半導体チップと、第１金属板と、第２金属板と、絶縁材料からなる封止部材と、を備える。前記半導体チップの第１面には第１電極が設けられ、第２面には第２電極が設けられている。前記第１金属板は、前記半導体チップの前記第１面上に積層されている。前記半導体チップの側方において、前記第１金属板の端部の第１部分が前記第１面から前記第２面に向かう第１方向に向けて延出している。前記第１部分の先端は前記第２面よりも前記第１方向側に配置されている。前記第２金属板は、前記半導体チップの前記第２面上に積層されている。前記半導体チップ及び前記第１部分の側方において、前記第２金属板の端部の第２部分が前記第２面から前記第１面に向かう第２方向に向けて延出している。前記第２部分の先端は前記第１部分の先端よりも前記第２方向側に配置されている。前記第２金属板は前記第１金属板から離隔している。前記封止部材は、少なくとも、前記第１金属板と前記第２金属板との間に設けられ、前記半導体チップ、前記第１部分及び前記第２部分を覆う。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】第１の実施形態に係る半導体パッケージを示す断面図である。
【図２】第１の実施形態に係る半導体パッケージを示す断面図である。
【図３】第１の実施形態に係る半導体パッケージを示す分解図である。
【図４】（ａ）及び（ｂ）は、第１の実施形態に係る半導体パッケージを示す斜視図である。
【図５】第１の実施形態に係る半導体パッケージの動作を示す断面図である。
【図６】（ａ）〜（ｆ）は、第２の実施形態に係る半導体モジュールの製造方法を示す斜視図である。
【図７】（ａ）及び（ｂ）は、第２の実施形態に係る半導体モジュールの製造方法を示す一部拡大斜視図である。
【図８】第２の実施形態に係る半導体モジュールの製造方法を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
（第１の実施形態）
先ず、第１の実施形態について説明する。
本実施形態は、電流制御用の半導体チップを実装した半導体パッケージの実施形態である。
図１及び図２は、本実施形態に係る半導体パッケージを示す断面図であり、相互に直交する断面を示す。
図３は、本実施形態に係る半導体パッケージを示す分解図である。
図４（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態に係る半導体パッケージを示す斜視図である。
【０００８】
図１〜図４（ｂ）に示すように、本実施形態に係る半導体パッケージ１においては、コレクタ電極１１が設けられている。コレクタ電極１１は、導電性及び熱電性が高い金属材料によって形成されており、例えば銅（Ｃｕ）によって形成されている。コレクタ電極１１の形状は、例えば直方体である。コレクタ電極１１上には、例えば半田からなる接合材シート１２を介して、例えば銅からなる金属板１３が設けられている。金属板１３は接合材シート１２によってコレクタ電極１１に接合されている。なお、「接合されている」とは、２つの部材が機械的に連結されると共に電気的に接続された状態をいう。
【０００９】
以下、本実施形態においては、説明の便宜上、ＸＹＺ直交座標系を採用する。コレクタ電極１１から金属板１３に向かう方向を「＋Ｚ方向」とし、その反対方向を「−Ｚ方向」とし、コレクタ電極１１の長手方向のうちの一方と「＋Ｘ方向」とし、その反対方向を「−Ｘ方向」とし、＋Ｚ方向及び＋Ｘ方向に対して直交する方向のうちの一方を「＋Ｙ方向」とし、その反対方向を「−Ｙ方向」とする。また、＋Ｚ方向を「上」ともいい、−Ｚ方向を「下」ともいうが、この表現も便宜的なものであり、重力の方向とは無関係である。
【００１０】
金属板１３においては、＋Ｚ方向から見て長方形のベース部１３ａと、ベース部１３ａの−Ｙ方向に向いた端縁の＋Ｘ方向側の端部から−Ｙ方向に延出した１つの長方形の延出部１３ｂと、ベース部１３ａの＋Ｘ方向に向いた端縁、−Ｘ方向に向いた端縁、＋Ｙ方向に向いた端縁から、＋Ｚ方向に延出した３つの垂直部１３ｃと、が設けられている。３つの垂直部１３ｃは相互に離隔している。金属板１３は、例えば銅板がプレス加工されて形成されたものであり、ベース部１３ａ、延出部１３ｂ及び垂直部１３ｃは一体的に形成されている。
【００１１】
金属板１３のベース部１３ａ上には、例えば半田からなる２枚の接合材シート１４を介して、２枚の半導体チップ１５が設けられている。半導体チップ１５は電流制御用のシリコン素子であり、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）である。半導体チップ１５に印加される電圧は例えば数ｋＶであり、駆動電力は数ＭＷである。
【００１２】
半導体チップ１５の−Ｚ方向側の面（以下、「下面１５ａ」という）の略全面には、コレクタ電極が設けられており、＋Ｚ方向側に面（以下、「上面１５ｂ」という）には、エミッタ電極１５ｅ及びゲート電極１５ｇが設けられている。＋Ｚ方向から見て、エミッタ電極１５ｅの形状はＬ字形であり、ゲート電極１５ｇの形状は２辺がエミッタ電極１５ｅに対向した長方形である。コレクタ電極は接合材シート１４によって金属板１３に接合されている。金属板１３の垂直部１３ｃは、半導体チップ１５の＋Ｘ方向側、−Ｘ方向側、＋Ｙ方向側に配置されており、垂直部１３ｃの先端１３ｄは、半導体チップ１５の上面１５ｂよりも上方、すなわち、＋Ｚ方向側に位置している。
【００１３】
各半導体チップ１５上には、例えば半田からなる接合材シート１６を介して、例えば銅からなるエミッタスペーサ１７が設けられている。＋Ｚ方向から見て、接合材シート１６及びエミッタスペーサ１７の形状は、半導体チップ１５のエミッタ電極１５ｅと略同じＬ字形である。エミッタスペーサ１７は接合材シート１６によってエミッタ電極１５ｅに接合されている。一方、ゲート電極１５ｇは接合材シート１６及びエミッタスペーサ１７によって覆われておらず、エミッタスペーサ１７に接続されていない。半導体パッケージ１には、例えば２枚の半導体チップ１５が設けられているため、接合材シート１６及びエミッタスペーサ１７も２枚ずつ設けられている。
【００１４】
２枚のエミッタスペーサ１７上には、例えば半田からなる２枚の接合材シート１８を介して、例えば銅からなる１枚のフレーム１９が設けられている。１枚のフレーム１９は２枚の接合材シート１８によって２枚のエミッタスペーサ１７に接合されている。＋Ｚ方向から見て、フレーム１９の形状は略長方形であるが、４つの角部には延出部１９ｂが設けられている。また、−Ｙ方向に向いた端縁の＋Ｘ方向中央部には凹部１９ｃが形成されている。＋Ｚ方向から見て、凹部１９ｃ内には、ゲート電極１５ｇが配置されている。
【００１５】
フレーム１９上には、例えば半田からなる接合材シート２０を介して、例えば銅からなる金属板２１が設けられている。＋Ｚ方向から見て、接合材シート２０の形状は、フレーム１９の形状と略同じである。金属板２１においては、ベース部２１ａが設けられ、ベース部２１ａから延出部２１ｂが延出し、ベース部２１ａにおける延出部２１ｂの根元部分には凹部２１ｃが形成されている。この結果、＋Ｚ方向から見て、金属板２１の形状は、Ｊ字形である。
【００１６】
ベース部２１ａの形状は、＋Ｚ方向から見て長方形であり、フレーム１９よりも一回り小さい。延出部２１ｂの形状は、＋Ｚ方向から見て長方形であり、ベース部２１ａの−Ｙ方向に向いた端縁の−Ｘ方向側の端部から−Ｙ方向に延出している。＋Ｚ方向から見て、金属板１３の延出部１３ｂと金属板２１の延出部２１ｂとは、−Ｙ方向に向いた端縁において、＋Ｘ方向側と−Ｘ方向側に対になって配置されている。凹部２１ｃの形状は長方形であり、ベース部２１ａの−Ｙ方向に向いた端縁における＋Ｘ方向中央部に形成されており、＋Ｙ方向に向けて凹んでいる。＋Ｚ方向から見て、凹部２１ｃの位置及び形状はフレーム１９の凹部１９ｃの位置及び形状と同じである。
【００１７】
金属板２１の周囲には、金属板２２が設けられている。金属板２２の厚さは、金属板２１の厚さと略等しい。金属板２２は金属板２１の材料よりも強度が高い材料、例えば、ステンレス鋼などの鉄系材料によって形成されている。金属板２２には、１つの水平部２２ａ及び３つの垂直部２２ｂが設けられている。金属板２２は、原板がプレス加工されて形成されており、水平部２２ａ及び垂直部２２ｂは一体的に形成されている。金属板２２は金属板１３から離隔している。
【００１８】
＋Ｚ方向から見て、水平部２２ａの形状は、内部に長方形の開口部２２ｄが形成され、−Ｙ方向に向いた端縁の−Ｘ方向側の部分が開口したＣ字形である。金属板２１は、金属板２２の開口部２２ｄ内に配置されている。すなわち、金属板２２の水平部２２ａは、金属板２１から見て、−Ｙ方向側における＋Ｘ方向側の部分、＋Ｘ方向側の全体、＋Ｙ方向側の全体、及び、−Ｘ方向側の全体に設けられている。水平部２２ａの内周部分は、接合材シート２０を介して、フレーム１９の外周部分に接合されている。上述の金属板１３の垂直部１３ｃの先端１３ｄは、金属板２２の水平部２２ａに対向している。
【００１９】
垂直部２２ｂは３つ設けられており、水平部２２ａの＋Ｘ方向に向いた端縁、＋Ｙ方向に向いた端縁、−Ｘ方向に向いた端縁から、それぞれ、−Ｚ方向に延出している。３つの垂直部２２ｂは相互に離隔している。垂直部２２ｂは、半導体チップ１５及び金属板１３の垂直部１３ｃの側方、すなわち、＋Ｘ方向側、＋Ｙ方向側、及び、−Ｘ方向側に配置されており、垂直部２２ｂの先端２２ｃは、金属板１３の垂直部１３ｃの先端１３ｄよりも下方、すなわち、−Ｚ方向側に配置されており、例えば、半導体チップ１５の下面１５ａよりも下方に配置されている。
【００２０】
金属板２１及び金属板２２の上方には、例えば半田からなる接合材シート２３を介して、例えば銅からなるエミッタ電極２４が設けられている。＋Ｚ方向から見て、接合材シート２３及びエミッタ電極２４の形状は、−Ｙ方向に向いた端縁に凹部２３ａ及び２４ａが形成されたＣ字形である。＋Ｚ方向から見て、接合材シート２３の凹部２３ａ及びエミッタ電極２４の凹部２４ａの位置は、金属板２１の凹部２１ｃの位置と同じであり、内部に半導体チップ１５のゲート電極１５ｇが配置されている。エミッタ電極２４の外周部分は、接合材シート２３によって、金属板２２の水平部２２ａの内周部分に接合されている。また、エミッタ電極２４における外周部分を除く部分は、接合材シート２３によって、金属板２１に接合されている。これにより、金属板２２の水平部２２ａの内周部分は、フレーム１９とエミッタ電極２４によって挟まれている。
【００２１】
このように、コレクタ電極１１、金属板１３、半導体チップ１５、エミッタスペーサ１７、フレーム１９、金属板２１及び金属板２２、エミッタ電極２４は、相互間に接合材シートを挟み、＋Ｚ方向に沿ってこの順に積層されて、積層体２５を構成している。
【００２２】
また、半導体パッケージ１においては、例えば銅からなる２本のリード２６が設けられている。リード２６の形状はライン状である。リード２６の一方の端部２６ａは、半導体チップ１５のゲート電極１５ｇの近傍に配置されている。半導体チップ１５のゲート電極１５ｇと、リード２６の端部２６ａとの間には、導電性のワイヤ２７が接続されている。
【００２３】
リード２６においては、−Ｙ方向に延びる水平部２６ｂ、−Ｙ＋Ｚ方向に延びる斜行部２６ｃ、−Ｙ方向に延びる水平部２６ｄ、＋Ｚ方向に延びる垂直部２６ｅがこの順に一体的に設けられている。水平部２６ｂは端部２６ａを含み、＋Ｚ方向における位置は半導体チップ１５の位置と略同じである。水平部２６ｄの＋Ｚ方向における位置はフレーム１９の位置と略同じである。垂直部２６ｅはリード２６の他方の端部２６ｆを含む。フレーム１９及びリード２６は、１枚のリードフレームシート２９から切り出されたものである。リードフレームシート２９におけるフレーム１９とリード２６との間の連結部分は、金属板１３の垂直部１３ｃ間、及び、金属板２２の垂直部２２ｂ間に配置されている。
【００２４】
そして、積層体２５、リード２６及びワイヤ２７を覆うように、絶縁性の樹脂材料からなる封止部材３０が設けられている。封止部材３０の形状は、例えば、略直方体である。コレクタ電極１１の下面は封止部材３０の下面３０ａにおいて露出しており、エミッタ電極２４の上面は封止部材３０の上面３０ｂにおいて露出している。なお、金属板１３の延出部１３ｂ及び金属板２１の延出部２１ｂは、封止部材３０内に配置されていてもよく、封止部材３０の−Ｙ方向に向いた側面３０ｃから突出していてもよい。本実施形態においては、延出部１３ｂ及び延出部２１ｂが封止部材３０内に配置されている例を示している。
【００２５】
また、リード２６の水平部２６ｂ、斜行部２６ｃ、及び、水平部２６ｄの一部は、封止部材３０の内部に配置されており、水平部２６ｄの残部及び垂直部２６ｅは、封止部材３０の−Ｙ方向に向いた側面３０ｃから突出している。リード２６の端部２６ｆは、封止部材３０の上面３０ｂの延長面上、又は、上面３０ｂよりも＋Ｚ方向側に配置されている。本実施形態においては、端部２６ｆが上面３０ｂよりも＋Ｚ方向側に配置された例を示している。一例では、端部２６ｆは上面３０ｂよりも０．５ｍｍ程度、＋Ｚ方向側に配置されている。
【００２６】
封止部材３０内において、金属板１３の垂直部１３ｃの先端１３ｄと金属板２２の水平部２２ａとの距離Ｄ１は、半導体チップ１５のエミッタ電極とコレクタ電極との間に印加される最大電圧（以下、「エミッタ−コレクタ電圧」という）に対して、十分な耐圧を確保できるような距離である。換言すれば、先端１３ｄと水平部２２ａとの間に配置された封止部材３０の樹脂材料の耐圧は、エミッタ−コレクタ電圧よりも高い。例えば、エミッタ−コレクタ電圧が１０ｋＶ以下であるとすると、１０ｋＶの耐圧を実現できる樹脂材料の厚さは、一般に０．５ｍｍ程度である。安全係数を３倍とすると、距離Ｄ１は１．５ｍｍ以上であることが好ましい。また、金属板２２の垂直部２２ｂの先端２２ｃと封止部材３０の下面３０ａとの距離Ｄ２も、エミッタ−コレクタ電圧に対して、十分な耐圧を確保できるような距離であり、例えば、１．５ｍｍ以上であることが好ましい。
【００２７】
次に、本実施形態に係る半導体パッケージの動作について説明する。
図５は、本実施形態に係る半導体パッケージの動作を示す断面図である。
本実施形態に係る半導体パッケージ１は、例えば、大電流用の電力変換器に組み込まれて使用される。
【００２８】
図５に示すように、半導体パッケージ１においては、エミッタ電極２４の上面とコレクタ電極１１の下面との間にエミッタ−コレクタ電圧を印加する。これにより、半導体チップ１５のエミッタ電極１５ｅとコレクタ電極との間に、エミッタ−コレクタ電圧が印加される。また、リード２６の端部２６ｆにゲート電位を印加する。これにより、半導体チップ１５のゲート電極１５ｇにゲート電位が印加され、半導体チップ１５内において、エミッタ電極１５ｅとコレクタ電極との間に流れる電流が制御される。例えば、半導体チップ１５には数ｋＶのエミッタ−コレクタ電圧が印加され、オン状態においては数ＭＷの電流が流れる。
【００２９】
このような動作において、半導体チップ１５に異常が発生し、局所的に抵抗が低下する場合がある。この場合、欠陥部３４に数ＭＷの大電流が集中して流れるため、ジュール熱によって電流経路周辺の材料、例えば、シリコン、銅及び半田等が気化し、圧力が急上昇して体積が膨張する。これにより、半導体チップ１５とエミッタスペーサ１７とが剥離し、欠陥部３４を起点として、クラック３５が発生する。クラック３５は、封止部材３０内を、主として半導体チップ１５の上面１５ｂの延長面に沿って伝播する。
【００３０】
仮に、このクラック３５が封止部材３０の外表面に到達すると、気化した材料がクラック３５を介して封止部材３０の外部に噴出する。この場合、噴出物が半導体パッケージの周辺を汚染し、更なる不具合を誘発する。また、半導体パッケージの材料の一部が失われるため、クラック３５が塞がらず、半導体パッケージが上下に分離して、エミッタ−コレクタ間がオープン状態となる可能性が高い。例えば、複数の半導体パッケージを直列に接続して電力変換器を構成している場合に、１つの半導体パッケージのエミッタ−コレクタ間がオープン状態になると、電力変換器全体が機能を停止してしまう。また、エミッタ−コレクタ間が狭いクラック３５を挟んで分離すると、エミッタ−コレクタ間でアークが発生し、半導体パッケージが更に損傷を受けると共に、半導体パッケージに接続された周辺の回路にも悪影響を及ぼしてしまう。
【００３１】
これに対して、本実施形態に係る半導体パッケージ１においては、金属板１３に垂直部１３ｃが設けられているため、金属板１３の封止部材３０との接触面積が大きく、密着力が大きい。同様に、金属板２２に垂直部２２ｂが設けられているため、金属板２２と封止部材３０との接触面積が大きく、密着力が大きい。このため、電流が集中して材料が気化しても、クラック３５が拡大しにくい。
【００３２】
また、半導体パッケージ１においては、金属板１３の垂直部１３ｃが半導体チップ１５の上面１５ｂよりも上方まで延出している。このため、クラック３５の進行が垂直部１３ｃによって妨げられる。また、クラック３５が垂直部１３ｃの上方を迂回して進行した場合でも、金属板２２の垂直部２２ｂが金属板１３の垂直部１３ｃの先端１３ｄよりも下方まで延出しているため、クラック３５の進行が垂直部２２ｂによって妨げられる。このように、半導体パッケージ１においては、半導体チップ１５とエミッタスペーサ１７との間で発生したクラック３５が封止部材３０の外表面に到達するまでの経路が長く、且つ、屈曲しているため、クラック３５が封止部材３０の外表面まで到達しにくい。これにより、半導体パッケージ１の材料がクラック３５を介して半導体パッケージ１の外部に噴出し、失われることを抑制できる。
【００３３】
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、金属板１３に垂直部１３ｃを設け、金属板２２に垂直部２２ｂを設けることにより、クラック３５の拡大を抑制すると共に、クラック３５が封止部材３０の外表面に達して材料が噴出することを防止することができる。これにより、半導体パッケージ１の材料を一定の体積内に封じ込め、異常が発生した半導体パッケージ１を短絡状態で安定させることができる。この結果、半導体パッケージ１を含む電力変換器全体に及ぼす影響を抑制することができる。また、材料の噴出を防止することにより、半導体パッケージ１の周囲を汚染することを回避できる。この結果、二次被害を防止することができる。
【００３４】
また、本実施形態に係る半導体パッケージ１は、それ自体が内部の圧力上昇に耐えて分離を阻止できるため、半導体パッケージ１の外部に加圧機構を設けなくてもよい。このため、電力変換器全体のコスト及び体積を低減することができる。
【００３５】
なお、上述の効果を得るためには、金属板１３の垂直部１３ｃの先端１３ｄの位置は高い（＋Ｚ方向側である）方が好ましく、金属板２２の垂直部２２ｂの先端２２ｃの位置は低い（−Ｚ方向側である）方が好ましいが、耐圧を確保するために、距離Ｄ１及びＤ２は一定の値以上とすることが好ましい。換言すれば、十分な耐圧が確保できる範囲内において、垂直部１３ｃ及び垂直部２２ｂの＋Ｚ方向における長さは、できるだけ長い方が好ましい。
【００３６】
更に、本実施形態においては、コレクタ電極１１、金属板１３、エミッタスペーサ１７、フレーム１９、金属板２１、及び、エミッタ電極２４を、銅により形成している。これにより、半導体パッケージ１の電流経路の電気抵抗を低くすると共に、放熱性を高くすることができる。一方、本実施形態においては、金属板２２の材料として、ステンレス鋼を用いている。ステンレス鋼の強度は銅の強度よりも高いため、クラック３５が膨張して半導体パッケージ１が上下に分離されることを効果的に抑制できる。なお、ステンレス鋼の電気抵抗は銅の電気抵抗よりも高いが、金属板２２は電流経路にはほとんど介在していないため、実質的に問題は生じない。
【００３７】
更にまた、本実施形態においては、金属板２１の周囲に金属板２２を配置している。これにより、半導体パッケージ１を組み立てる際に、金属板２２の位置決めが容易である。
【００３８】
更にまた、本実施形態においては、フレーム１９とエミッタ電極２４により、金属板２２の内周部分を上下から挟んでいる。これにより、金属板２２を強固に保持することができる。
【００３９】
更にまた、半導体パッケージ１においては、金属板１３の垂直部１３ｃは、ベース部１３ａの三方向に向いた端縁に設けられており、残りの一方向、すなわち、−Ｙ方向に向いた端縁には設けられていない。同様に、金属板２２の垂直部２２ｂは、−Ｙ方向を除く三方向に向いた端縁に設けられている。これにより、半導体チップ１５から見て、垂直部１３ｃ及び２２ｂが設けられていない−Ｙ方向側に、ワイヤ２７を設けることができる。
【００４０】
更にまた、半導体パッケージ１においては、金属製の部材は全て平坦な板材を打ち抜き、一部に曲げ加工を施すことにより、形成可能である。例えば、市販の平板をプレス加工することにより、形成することができる。このため、例えば段差を形成するためのエッチング処理等の煩雑なプロセスを実行する必要がない。従って、本実施形態に係る半導体パッケージ１は、生産性が高い。
【００４１】
なお、本実施形態においては、半導体チップ１５がＩＧＢＴである例を示したが、これには限定されない。例えば、半導体チップ１５は、ＩＧＢＴ若しくはＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor：金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）等のスイッチング素子、又は、ＦＲＤ（Fast Recovery Diode）等のダイオードであってもよい。また、２つの半導体チップ１５のうち、１つをスイッチング素子とし、他の１つをダイオードとしてもよい。
【００４２】
また、本実施形態においては、接合材シート１２、１４、１６、１８、２０及び２３を半田により形成する例を示したが、これには限定されない。接合材シートは、導電性接着剤又は銀ペースト等によって形成してもよい。
【００４３】
更に、本実施形態においては、半導体チップ１５から見て＋Ｘ方向側、−Ｘ方向側、＋Ｙ方向側の三方向側に垂直部１３ｃ及び垂直部２２ｂを設け、−Ｙ方向側には設けない例を示したが、これには限定されない。半導体チップ１５の側方の少なくとも一部に垂直部１３ｃ及び垂直部２２ｂが設けられていれば、一定の効果を得ることができる。また、リード２６及びワイヤ２７との間で耐圧が確保される範囲内で、上述の三方向側に加えて、−Ｙ方向側の一部にも垂直部１３ｃ及び垂直部２２ｂを設けてもよい。
【００４４】
更にまた、本実施形態においては、半導体パッケージ１を電力変換器に組み込む例を示したが、これには限定されず、半導体パッケージ１はどのような機器に組み込んでもよい。但し、大電流を流す電流制御装置に組み込むと、上述の効果が特に大きい。
【００４５】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。
本実施形態は、複数の半導体パッケージが実装された半導体モジュールの実施形態である。
図６（ａ）〜（ｆ）は、本実施形態に係る半導体モジュールの製造方法を示す斜視図である。
図７（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態に係る半導体モジュールの製造方法を示す一部拡大斜視図である。
図８は、本実施形態に係る半導体モジュールの製造方法を示す断面図である。
【００４６】
以下、本実施形態に係る半導体モジュールの製造方法について説明する。
先ず、図６（ａ）に示すように、エミッタ側フィンプレート５１を用意する。エミッタ側フィンプレート５１（以下、単に「プレート５１」ともいう）は、例えば銅からなり、その形状は略長方形の板状である。プレート５１の下面には、多数の放熱用のフィン５１ｆ（図８参照）が形成されている。プレート５１の周囲には、１ヶ所の板状の延出部５１ａが設けられている。また、プレート５１の周囲には、複数の締結部５１ｂが設けられている。各締結部５１ｂには、１つの貫通孔５１ｃが形成されている。貫通孔５１ｃはプレート５１の厚さ方向に延び、締結部５１ｂを貫通している。
【００４７】
エミッタ側フィンプレート５１の上面上に、複数の接合材シート５２を配置する。接合材シート５２は、例えば半田からなる。複数の接合材シート５２は、マトリクス状に配列させる。
【００４８】
次に、図６（ｂ）、図７（ａ）及び（ｂ）、図８に示すように、エミッタ側フィンプレート５１の上面上に、ゲート電極シート５３を配置する。ゲート電極シート５３においては、例えば樹脂材料等の絶縁材料からなる絶縁シート５３ａの内部及び上面上に、例えば銅からなる配線５３ｂがプリントされている。また、絶縁シート５３ａにはホール５３ｃが形成されており、ホール５３ｃの底には配線５３ｂが露出している。ゲート電極シート５３は、プレート５１の上面上における接合材シート５２が配置されていない領域に格子状に配置されている。また、ゲート電極シート５３の一部は、プレート５１の直上域の外部まで延出している。
【００４９】
次に、図６（ｃ）、図７（ａ）及び（ｂ）、図８に示すように、各接合材シート５２上に、１つの半導体パッケージ１ａを配置する。すなわち、プレート５１上に複数の半導体パッケージ１ａをマトリクス状に配列させる。半導体パッケージ１ａの構成は、前述の第１の実施形態に係る半導体パッケージ１（図１〜図４（ｂ）参照）の構成と略同じであるが、リード２６が４本設けられている点が異なっている。なお、半導体パッケージ１ａの替わりに、前述の第１の実施形態に係る半導体パッケージ１（図１〜図４（ｂ）参照）を用いてもよい。半導体パッケージ１ａは、エミッタ電極２４（図１〜図４（ｂ）参照）が接合材シート５２に接触するような向きで配置する。このとき、リード２６をゲート電極シート５３のホール５３ｃに挿入し、リード２６の端部２６ｆを配線５３ｂに接続する。
【００５０】
次に、図８に示すように、各半導体パッケージ１ａのコレクタ電極１１上に、例えば半田からなる接合材シート５４を配置する。
【００５１】
次に、図６（ｄ）及び図８に示すように、エミッタ側フィンプレート５１上に、コレクタ側フィンプレート５５を配置する。コレクタ側フィンプレート５５（以下、単に「プレート５５」ともいう）の形状はエミッタ側フィンプレート５１の形状の鏡像である。プレート５５は、プレート５１に対して、フィン５１及び５５ｆが外側に向くような向きで配置する。これにより、半導体パッケージ１ａは、プレート５１とプレート５５に挟まれる。
【００５２】
コレクタ側フィンプレート５５の上面には、多数の放熱用のフィン５５ｆが形成されている。プレート５５の周囲には、１ヶ所の板状の延出部５５ａが設けられている。半導体パッケージ１ａから見て、延出部５５ａは、プレート５１の延出部５１ａと同じ側に、水平方向に分かれて配置される。プレート５５の周囲には、複数の締結部５５ｂが設けられている。各締結部５５ｂには、１つの貫通孔５５ｃが形成されている。貫通孔５５ｃは、プレート５１の締結部５１ｂの貫通孔５１ｃに整合する位置に配置される。
【００５３】
次に、図６（ｅ）に示すように、プレート５１、接合材シート５２、半導体パッケージ１ａ、ゲート電極シート５３、接合材シート５４、及びプレート５５からなる中間構造体６０を加熱し、その後、冷却する。これにより、接合材シート５２及び５４が一旦溶融し、その後凝固する。この結果、半導体パッケージ１ａのエミッタ電極２４が接合材シート５２によってエミッタ側フィンプレート５１に接合され、コレクタ電極１１が接合材シート５４によってコレクタ側フィンプレート５５に接合される。
【００５４】
次に、図６（ｆ）に示すように、樹脂材料等の絶縁材料からなる水冷ジャケット６１及び６２により、中間構造体６０を挟む。水冷ジャケット６１内には冷却水を流通させる水路６１ａが形成されている。また、水冷ジャケット６１の周囲には、複数の締結部６１ｂが設けられており、各締結部６１ｂにはネジ孔６１ｃが形成されている。同様に、水冷ジャケット６２内には冷却水を流通させる水路６２ａが形成されている。また、水冷ジャケット６２の周囲には、複数の締結部６２ｂが設けられており、各締結部６２ｂには貫通孔６２ｃが形成されている。ネジ孔６１ｃ及び貫通孔６２ｃは、プレート５１の貫通孔５１ｃ及びプレート５５の貫通孔５５ｃに整合する位置に配置される。
【００５５】
次に、それぞれ１つの貫通孔６２ｃ、貫通孔５５ｃ、貫通孔５１ｃを貫通し、ネジ孔６１ｃに噛み合うように、ネジ（図示せず）を取り付ける。これにより、水冷ジャケット６２が水冷ジャケット６１に対してネジ止めされ、中間構造体６０が水冷ジャケット６１と水冷ジャケット６２との間に挟まれて固定される。このようにして、本実施形態に係る半導体モジュール１０が製造される。
【００５６】
半導体モジュール１０においては、プレート５１の延出部５１ａがエミッタ側の外部電極となり、プレート５５の延出部５５ａがコレクタ側の外部電極となり、ゲート電極シート５３における中間構造体６０の外部まで延出した部分がゲート端子となる。例えば、複数個の半導体モジュール１０を直列に接続することにより、電力変換器等の電流制御装置が構成される。
【００５７】
次に、本実施形態の効果について説明する。
本実施形態においては、半導体モジュール１０に実装された半導体パッケージ１ａにおいて、金属板１３に垂直部１３ｃが設けられ、金属板２２に垂直部２２ｂが設けられているため、半導体パッケージ１ａ内に異常が発生しても、半導体パッケージ１ａが分離されにくく、材料が噴出しにくい。このため、本実施形態に係る半導体モジュール１０は、信頼性が高い。
【００５８】
また、本実施形態に係る半導体モジュール１０は、プレート５１にフィン５１ｆが設けられ、プレート５５にフィン５５ｆが設けられており、水冷ジャケット６１及び６２が水冷される。これにより、半導体パッケージ１ａを効率的に冷却することができる。
本実施形態における上記以外の半導体パッケージの構成、動作及び効果は、前述の第１の実施形態と同様である。
【００５９】
なお、半導体パッケージ１ａ外に設けられた接合材シート５２及び５４の融点は、半導体パッケージ１ａ内に設けられた接合材シート１２、１４、１６、１８、２０及び２３（以下、総称して「接合材シート１２等」という）の融点よりも低くすることが好ましい。これにより、図６（ｅ）に示す工程において、接合材シート５２及び５４を溶融させたときに、半導体パッケージ１ａ内の接合材シート１２等が再溶融することを防止でき、再溶融した接合材シート１２等が周囲の封止部材３０等を損傷することを回避できる。
【００６０】
具体的には、例えば、接合材シート１２等を、錫（Ｓｎ）、銀（Ａｇ）及び銅（Ｃｕ）を含むＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系半田（融点２２０℃程度）により形成し、接合材シート５２及び５４を、錫及びビスマス（Ｂｉ）を含むＳｎ−Ｂｉ系半田（融点２００℃以下）により形成する。又は、接合材シート１２等を、鉛（Ｐｂ）及び錫を含み鉛の含有率が高いＰｂ−Ｓｎ系半田（融点３００℃程度）により形成し、接合材シート５２及び５４を、錫及び銅若しくは銀を含み、必要に応じて鉛も含むＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｐｂ系、若しくはＳｎ−Ｃｕ−Ｐｂ系半田（融点１８０〜２２０℃程度）により形成する。
【００６１】
また、本実施形態においては、プレート５１及び５５を銅によって形成する例を示したが、これには限定されず、プレート５１及び５５は、電気伝導度及び熱伝導度が高い材料であればよく、例えば、アルミニウム（Ａｌ）により形成してもよい。プレート５１及び５５をアルミニウムによって形成する場合は、半導体パッケージ１ａとの間で半田付けが可能となるように、表面に銅又はニッケル（Ｎｉ）がコーティングされていることが好ましい。
【００６２】
以上説明した実施形態によれば、半導体チップに不具合が生じても、被害の拡大を抑制できる半導体パッケージを実現することができる。
【００６３】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明及びその等価物の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００６４】
１、１ａ：半導体パッケージ、１０：半導体モジュール、１１：コレクタ電極、１２：接合材シート、１３：金属板、１３ａ：ベース部、１３ｂ：延出部、１３ｃ：垂直部、１３ｄ：先端、１４：接合材シート、１５：半導体チップ、１５ａ：下面、１５ｂ：上面、１５ｅ：エミッタ電極、１５ｇ：ゲート電極、１６：接合材シート、１７：エミッタスペーサ、１８：接合材シート、１９：フレーム、１９ｂ：延出部、１９ｃ：凹部、２０：接合材シート、２１：金属板、２１ａ：ベース部、２１ｂ：延出部、２１ｃ：凹部、２２：金属板、２２ａ：水平部、２２ｂ：垂直部、２２ｃ：先端、２２ｄ：開口部、２３：接合材シート、２３ａ：凹部、２４：エミッタ電極、２４ａ：凹部、２５：積層体、２６：リード、２６ａ：端部、２６ｂ：水平部、２６ｃ：斜行部、２６ｄ：水平部、２６ｅ：垂直部、２６ｆ：端部、２７：ワイヤ、２９：リードフレームシート、３０：封止部材、３０ａ：下面、３０ｂ：上面、３０ｃ：側面、３４：欠陥部、３５：クラック、５１：エミッタ側フィンプレート、５１ａ：延出部、５１ｂ：締結部、５１ｃ：貫通孔、５１ｆ：フィン、５２：接合材シート、５３：ゲート電極シート、５３ａ：絶縁シート、５３ｂ：配線、５３ｃ：ホール、５４：接合材シート、５５：コレクタ側フィンプレート、５５ａ：延出部、５５ｂ：締結部、５５ｃ：貫通孔、５５ｆ：フィン、６０：中間構造体、６１：水冷ジャケット、６１ａ：水路、６１ｂ：締結部、６１ｃ：ネジ孔、６２：水冷ジャケット、６２ａ：水路、６２ｂ：締結部、６２ｃ：貫通孔、Ｄ１、Ｄ２：距離
【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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