(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、第１柱状部材と、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面上に配置され、前記第１電極に接続されている。前記第２金属板は、前記半導体チップの前記第２面上に配置され、前記第２電極に接続されている。前記第１柱状部材は、前記半導体チップの側方において前記第１金属板に固定され、前記第１金属板から前記第２金属板に向かう第１方向に延び、先端が前記第２面よりも前記第１方向側に配置され、前記第２金属板から離隔している。前記封止部材は、前記半導体チップ及び前記第１柱状部材を覆う。【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面上に配置され、前記第１電極に接続された第１金属板と、
前記半導体チップの前記第２面上に配置され、前記第２電極に接続された第２金属板と、
前記半導体チップの側方において前記第１金属板に固定され、前記第１金属板から前記第２金属板に向かう第１方向に延び、先端が前記第２面よりも前記第１方向側に配置され、前記第２金属板から離隔した第１柱状部材と、
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、前記半導体チップ及び前記第１柱状部材を覆い、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柱状部材は複数本設けられており、
前記第１方向から見て、前記第１柱状部材は前記半導体チップを囲む位置に配置されている請求項１記載の半導体パッケージ。
【請求項３】
前記半導体チップは相互に離隔して複数個設けられており、
前記第１柱状部材は複数本設けられており、
前記第１方向から見て、前記第１柱状部材は前記半導体チップを囲む位置、及び、前記複数個の半導体チップ間に配置されている請求項１記載の半導体パッケージ。
【請求項４】
前記半導体チップの側方において前記第２金属板に固定され、前記第２金属板から前記第１金属板に向かう第２方向に延び、先端が前記第１柱状部材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柱状部材をさらに備え、
前記封止部材は前記第２柱状部材も覆う請求項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柱状部材はネジである請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体パッケージ。
【請求項６】
前記第１柱状部材の材料の強度は前記第１金属板の材料の強度よりも高い請求項１〜５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、第１柱状部材と、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面上に配置され、前記第１電極に接続されている。前記第２金属板は、前記半導体チップの前記第２面上に配置され、前記第２電極に接続されている。前記第１柱状部材は、前記半導体チップの側方において前記第１金属板に固定され、前記第１金属板から前記第２金属板に向かう第１方向に延び、先端が前記第２面よりも前記第１方向側に配置され、前記第２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、前記半導体チップ及び前記第１柱状部材を覆い、絶縁材料からなる。
【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】（ａ）〜（ｇ）は、第１の実施形態に係る半導体パッケージの製造方法を示す斜視図である。
【図４】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５】第１の実施形態の第１の変形例に係る半導体パッケージを示す断面図である。
【図６】第１の実施形態の第２の変形例に係る半導体パッケージを示す断面図である。
【図７】第２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８】（ａ）〜（ｆ）は、第３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９】（ａ）及び（ｂ）は、第３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１０】第３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（ａ）〜（ｇ）は、本実施形態に係る半導体パッケージの製造方法を示す斜視図である。
【０００８】
図１〜図３（ｇ）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においては、例えば、形状が直方体である下部１１ａと、形状が直方体であり下部１１ａから相互に対向する二方向に延出した上部１１ｂとが一体的に形成されている。コレクタ電極１１の上面１１ｃには、複数のネジ孔１１ｄが形成されている。複数のネジ孔１１ｄは、１辺を共有した２つの長方形の外縁に沿って８字状に配列されている。
【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の下部１１ａから上部１１ｂに向かう方向を「＋Ｚ方向」とし、その反対方向を「−Ｚ方向」とする。また、コレクタ電極１１の長手方向のうちの一方を「＋Ｘ方向」とし、その反対方向を「−Ｘ方向」とする。コレクタ電極１１の上部１１ｂは、下部１１ａに対して、＋Ｘ方向及び−Ｘ方向に延出している。＋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】
コレクタ電極１１の上面１１ｃ上には、例えば半田からなる２枚の接合材シート１２を介して、２枚の半導体チップ１３が設けられている。半導体チップ１３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１３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。＋Ｚ方向から見て、各半導体チップ１３は、複数のネジ孔１１ｄによって囲まれたスペースに配置されている。
【００１１】
コレクタ電極１１のネジ孔１１ｄには、ネジ１４が締結されている。ネジ１４は、例えば鉄基合金により形成されており、例えばステンレス鋼により形成されている。ネジ１４は非磁性材料によって形成されていることが好ましい。ネジ１４の下部はネジ孔１１ｄ内に配置され、上部はコレクタ電極１１の上面１１ｃから＋Ｚ方向に延びている。ネジ１４の上端はどこにも電気的に接続されていない。ネジ孔１１ｄは複数形成されているため、半導体パッケージ１には、複数本のネジ１４が設けられている。複数本のネジ１４は半導体チップ１３を囲むように一重に配列されている。また、ネジ１４は、半導体チップ１３間にも配置されている。これにより、各半導体チップ１３から見て、ネジ１４は各半導体チップ１３の側方の全周、すなわち、＋Ｘ方向、−Ｘ方向、＋Ｙ方向及び−Ｙ方向に近接して配置される。
【００１２】
半導体チップ１３の−Ｚ方向側の面（以下、「下面１３ａ」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１３ｂ」という）には、エミッタ電極１３ｅ及びゲート電極１３ｇが設けられている。＋Ｚ方向から見て、エミッタ電極１３ｅの形状はＬ字形であり、ゲート電極１３ｇの形状は２辺がエミッタ電極１３ｅに対向した長方形である。コレクタ電極は接合材シート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。
【００１３】
各半導体チップ１３上には、例えば半田からなる接合材シート１５を介して、例えば銅からなるエミッタスペーサ１６が設けられている。＋Ｚ方向から見て、接合材シート１５及びエミッタスペーサ１６の形状は、半導体チップ１３のエミッタ電極１３ｅと略同じＬ字形である。エミッタスペーサ１６は接合材シート１５によってエミッタ電極１３ｅに接合されている。一方、ゲート電極１３ｇは接合材シート１５及びエミッタスペーサ１６によって覆われておらず、エミッタスペーサ１６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１３が設けられているため、接合材シート１５及びエミッタスペーサ１６も２枚ずつ設けられている。
【００１４】
２枚のエミッタスペーサ１６上には、例えば半田からなる２枚の接合材シート１７を介して、例えば銅からなる１枚のフレーム１８が設けられている。１枚のフレーム１８は２枚の接合材シート１７によって２枚のエミッタスペーサ１６に接合されている。＋Ｚ方向から見て、フレーム１８の形状は、ゲート電極１３ｇの直上域を含む領域に凹部１８ａが形成されたＣ字形である。凹部１８ａは、フレーム１８の−Ｙ方向に向いた端縁の中央部に配置されている。
【００１５】
フレーム１８上には、例えば半田からなる接合材シート１９を介して、例えば銅からなるエミッタ電極２０が設けられている。＋Ｚ方向から見て、接合材シート１９及びエミッタ電極２０の形状は、フレーム１８よりも一回り小さいＣ字形である。コレクタ電極１１、半導体チップ１３、ネジ１４、エミッタスペーサ１６、フレーム１８及びエミッタ電極２０は、相互間に接合材シート１２、１５、１７及び１９を挟んで＋Ｚ方向に沿って積層されて、積層体２５を構成している。
【００１６】
ネジ１４の上端１４ａは、半導体チップ１３の上面１３ｂよりも上方、すなわち、＋Ｚ方向側に位置している。例えば、大部分のネジ１４の上端１４ａは、エミッタ電極２０の下面よりも上方に配置されている。但し、エミッタ電極２０の直下に配置されたネジ１４の上端１４ａは、エミッタ電極２０の下面よりも下方に配置されている。全てのネジ１４は、エミッタ電極２０から離隔している。
【００１７】
また、半導体パッケージ１においては、例えば銅からなるリード２６が設けられている。リード２６は積層体２５から見て、−Ｙ方向側に配置されている。リード２６の形状は、両刃の櫛状である。すなわち、リード２６においては、＋Ｘ方向に延びるブリッジ部２６ａが設けられており、ブリッジ部２６ａから＋Ｙ方向に２本の延出部２６ｂが延出している。延出部２６ｂの端部２６ｃは、半導体チップ１３のゲート電極１３ｇの近傍に配置されている。また、ブリッジ部２６ａから−Ｙ方向に４本の延出部２６ｄが延出している。延出部２６ｄはブリッジ部２６ａから−Ｙ方向に引き出された後、＋Ｚ方向に屈曲し、端部２６ｆを含む。半導体チップ１３のゲート電極１３ｇと、リード２６の端部２６ｃとの間には、導電性のワイヤ２７が接続されている。ワイヤ２７はネジ１４間を通過している。フレーム１８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１８とリード２６とを繋ぐ連結部分の一部は、ネジ１４間に配置されている。
【００１８】
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２０の上面は封止部材３０の上面３０ｂにおいて露出している。また、リード２６の延出部２６ｂの全体、ブリッジ部２６ａの全体、延出部２６ｄの一部は、封止部材３０内に配置され、延出部２６ｄの残部は封止部材３０外に配置され、封止部材３０の−Ｘ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よりも＋Ｚ方向側に配置されている。なお、端部２６ｆは上面３０ｂの延長面上に配置されていてもよい。
【００１９】
封止部材３０内において、ネジ１４と半導体チップ１３との距離Ｄ１、ネジ１４とフレーム１８との距離Ｄ２、ネジ１４とエミッタ電極２０との距離Ｄ３、ネジ１４と封止部材３０の上面３０ｂとの距離Ｄ４は、半導体チップ１３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、ネジ１４と半導体チップ１３との間、ネジ１４とフレーム１８との間、ネジ１４とエミッタ電極２０との間、ネジ１４と上面３０ｂとの間に配置された封止部材３０の樹脂材料の耐圧は、それぞれ、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〜Ｄ４は、それぞれ１．５ｍｍ以上であることが好ましい。
【００２０】
次に、本実施形態に係る半導体パッケージの製造方法について説明する。
先ず、図３（ａ）に示すように、コレクタ電極１１を用意する。コレクタ電極１１の上面１１ｃには、複数のネジ孔１１ｄを形成する。
次に、図３（ｂ）に示すように、ネジ孔１１ｄにネジ１４を嵌め込む。ネジ１４は＋Ｚ方向に向けて起立させる。
【００２１】
次に、図３（ｃ）に示すように、コレクタ電極１１上におけるネジ１４に囲まれた２つの領域に、それぞれ、接合材シート１２（図２参照）を介して半導体チップ１３を配置する。このとき、半導体チップ１３のコレクタ電極を接合材シート１２に接触させる。
【００２２】
次に、図３（ｄ）に示すように、各半導体チップ１３のエミッタ電極１３ｅ上に、接合材シート１５（図２参照）を介して、エミッタスペーサ１６を配置する。このとき、接合材シート１５を半導体チップ１３のエミッタ電極１３ｅに接触させ、ゲート電極１３ｇには接触させない。
【００２３】
次に、図３（ｅ）に示すように、エミッタスペーサ１６上に、接合材シート１７を介して、リードフレームシート２９を配置する。
次に、図３（ｆ）に示すように、リードフレームシート２９上であってエミッタスペーサ１６の直上域を含む領域に、接合材シート１９（図２参照）を介して、エミッタ電極２０を配置する。
【００２４】
次に、全体を加熱して、接合材シート１２、１５、１７及び１９を一旦溶融させた後、凝固させる。これにより、半導体チップ１３のコレクタ電極が接合材シート１２によってコレクタ電極１１に接合され、エミッタスペーサ１６が接合材シート１５によって半導体チップ１３のエミッタ電極１３ｅに接合され、リードフレームシート２９が接合材シート１７によってエミッタスペーサ１６に接合され、エミッタ電極２０が接合材シート１９によってリードフレームシート２９に接合される。
【００２５】
次に、リードフレームシート２９の一部を除去して、フレーム１８とリード２６とに切り分ける。次に、リード２６の延出部２６ｂを曲げ加工して、先端部を−Ｚ方向側に変位させ、端部２６ｃをゲート電極１３ｇの近傍に配置する。次に、端部２６ｃとゲート電極１３ｇとの間に、ワイヤ２７を接続する。
【００２６】
次に、図３（ｇ）に示すように、樹脂材料をモールドして、焼成して固化させることにより、封止部材３０を形成する。このとき、コレクタ電極１１の下面、エミッタ電極２０の上面、及び、リード２６の延出部２６ｄの一部は、封止部材３０から露出させ、それ以外の部材は封止部材３０内に埋め込む。このとき、ネジ１４も封止部材３０によって覆われ、ネジ１４のネジ山間のスペースにも封止部材３０が侵入する。次に、リード２６の延出部２６ｄの先端部を＋Ｚ方向に向けて曲げ加工する。このようにして、本実施形態に係る半導体パッケージ１が製造される。
【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４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４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２０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１３のエミッタ電極１３ｅ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１３のゲート電極１３ｇにゲート電位が印加され、半導体チップ１３内において、エミッタ電極１３ｅ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１３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１３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１３とエミッタスペーサ１６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１３の上面１３ｂ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、コレクタ電極１１に＋Ｚ方向に延びるネジ１４が取り付けられているため、コレクタ電極１１及びネジ１４からなる結合体と封止部材３０との接触面積が大きく、密着力が大きい。特に、ネジ１４の側面にはネジ山が形成されているため、封止部材３０との接触面積が大きいと共に、アンカー効果により、封止部材３０がネジ１４に対して＋Ｚ方向に移動することを阻止できる。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、ネジ１４が半導体チップ１３の上面１３ｂよりも上方まで延出している。このため、クラック３５がネジ１４に到達すると、クラック３５のそれ以上の進行がネジ１４によって妨げられる。この結果、クラック３５は封止部材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】
また、ネジ１４は、２つの半導体チップ１３間にも配置されているため、一方の半導体チップ１３とエミッタスペーサ１６との間で発生したクラック３５が、他方の半導体チップ１３とエミッタスペーサ１６に到達することも抑制できる。この結果、一方の半導体チップ１３の異常により、他方の半導体チップ１３の異常が誘発されることを抑制できる。
【００３４】
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、コレクタ電極１１からネジ１４を＋Ｚ方向に向けて延出させることにより、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。更に、ネジ１４は市販のものを使用できるため、半導体パッケージ１はコストが低い。
【００３５】
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。
【００３６】
なお、上述の効果を得るためには、ネジ１４の上端１４ａの位置は高い（＋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〜Ｄ４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、ネジ１４の＋Ｚ方向における長さは、できるだけ長い方が好ましい。
【００３７】
更に、本実施形態においては、コレクタ電極１１、エミッタスペーサ１６、フレーム１８及びエミッタ電極２０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、ネジ１４の材料として、例えば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、ネジ１４は電流経路には介在していないため、問題は生じない。
【００３８】
なお、本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、これには限定されない。例えば、半導体チップ１３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１３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。
【００３９】
また、本実施形態においては、接合材シート１２、１５、１７及び１９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。
【００４０】
更に、本実施形態においては、半導体チップ１３から見て＋Ｘ方向側、−Ｘ方向側、＋Ｙ方向側、−Ｙ方向側の４方向側にネジ１４を設ける例を示したが、これには限定されない。半導体チップ１３の側方の少なくとも一部にネジ１４が設けられていれば、一定の効果を得ることができる。
【００４１】
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。
【００４２】
（第１の実施形態の第１の変形例）
次に、第１の実施形態の第１の変形例について説明する。
図５は、本変形例に係る半導体パッケージを示す断面図である。
【００４３】
図５に示すように、本変形例に係る半導体パッケージ１ａにおいては、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３（ｇ）参照）と比較して、ネジ１４の替わりに圧入ネジ４１を設ける点が異なっている。すなわち、コレクタ電極１１の上面に孔１１ｅを形成し、この孔１１ｅに圧入ネジ４１を圧入することにより、圧入ネジ４１をコレクタ電極１１に対して固定する。
本変形例における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第１の実施形態と同様である。
【００４４】
（第１の実施形態の第２の変形例）
次に、第１の実施形態の第２の変形例について説明する。
図６は、本変形例に係る半導体パッケージを示す断面図である。
【００４５】
図６に示すように、本変形例に係る半導体パッケージ１ｂにおいては、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３（ｇ）参照）と比較して、ネジ１４の替わりにリベット４２を設ける点が異なっている。すなわち、コレクタ電極１１の上面に孔１１ｅを形成し、この孔１１ｅにリベット４２の円柱部４２ａの先端を圧入することにより、リベット４２をコレクタ電極１１に対して固定する。これにより、リベット４２の頭部４２ｂが封止部材３０（図１参照）に食い込み、封止部材３０がリベット４２に対して＋Ｚ方向に移動することを抑制できる。
本変形例における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第１の実施形態と同様である。
【００４６】
なお、上述の第１の実施形態におけるネジ１４、第１の変形例における圧入ネジ４１、第２の変形例におけるリベット４２を、総称して「柱状部材」という。柱状部材は、ネジ１４、圧入ネジ４１及びリベット４２には限定されず、＋Ｚ方向に延びる柱部と、柱部から＋Ｚ方向に対して交差した方向に延出した延出部が設けられた部材であればよい。ネジ１４及び圧入ネジ４１の場合は、ネジ山が延出部に相当する。また、リベット４２の場合は、円柱部４２ａが柱部に相当し、頭部４２ｂが延出部に相当する。
【００４７】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。
図７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る。
【００４８】
図７に示すように、本実施形態に係る半導体パッケージ２においては、前述の第１の実施形態に係る半導体パッケージ１の構成に加えて、ネジ４４が設けられている。ネジ４４は、エミッタ電極２０に取り付けられており、エミッタ電極２０の下面２０ｃから−Ｚ方向に延びている。ネジ４４はコレクタ電極１１から離隔しており、下端４４ａはどこにも接続されていない。ネジ４４の下端４４ａは、ネジ１４の上端１４ａよりも−Ｚ方向側、すなわち、下側に配置されている。
【００４９】
ネジ４４は封止部材３０内に配置されている。＋Ｚ方向から見て、ネジ４４は、半導体チップ１３及びネジ１４の側方に配置されており、２つの半導体チップ１３及び複数本のネジ１４の配列を囲むように、一列の枠状に配列されている。すなわち、封止部材３０の側面３０ｃとネジ４４との最短距離は、側面３０ｃとネジ１４との最短距離よりも短い。また、ネジ４４と半導体チップ１３との距離、ネジ４４とフレーム１８との距離、ネジ４４とエミッタ電極２０との距離、ネジ４４の封止部材３０の上面３０ｂとの距離も、十分な耐圧を確保できる距離であり、前述の距離Ｄ１〜Ｄ４と同様に、例えば、１．５ｍｍ以上である。
【００５０】
本実施形態によれば、ネジ４４を設けることにより、エミッタ電極２０と封止部材３０との密着力を高め、クラック３５（図４参照）の拡大をより効果的に抑制することができる。また、ネジ１４に加えてネジ４４を設けることにより、クラック３５の伝播をより効果的に阻止することができる。
本実施形態における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第１の実施形態と同様である。
【００５１】
（第３の実施形態）
次に、第３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８（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９（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１０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。
【００５２】
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８（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１０参照）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。
【００５３】
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。
【００５４】
次に、図８（ｂ）、図９（ａ）及び（ｂ）、図１０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。
【００５５】
次に、図８（ｃ）、図９（ａ）及び（ｂ）、図１０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１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１をマトリクス状に配列させる。半導体パッケージ１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３（ｇ）参照）の構成と同じである。半導体パッケージ１は、エミッタ電極２０（図１〜図３（ｇ）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。
【００５６】
次に、図１０に示すように、各半導体パッケージ１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。
【００５７】
次に、図８（ｄ）及び図１０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。
【００５８】
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１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。
【００５９】
次に、図８（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１、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１のエミッタ電極２０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。
【００６０】
次に、図８（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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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１において、コレクタ電極１１にネジ１４が取り付けられているため、半導体パッケージ１内に異常が発生しても、半導体パッケージ１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。
【００６４】
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１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。
【００６５】
なお、半導体パッケージ１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１内に設けられた接合材シート１２、１５、１７及び１９（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８（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１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。
【００６６】
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。
【００６７】
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１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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。また、前述の各実施形態及び各変形例は、相互に組み合わせて実施してもよい。
【符号の説明】
【００７０】
１、１ａ、１ｂ、２：半導体パッケージ、１０：半導体モジュール、１１：コレクタ電極、１１ａ：下部、１１ｂ：上部、１１ｃ：上面、１１ｄ：ネジ孔、１１ｅ：孔、１２：接合材シート、１３：半導体チップ、１３ａ：下面、１３ｂ：上面、１３ｅ：エミッタ電極、１３ｇ：ゲート電極、１４：ネジ、１４ａ：上端、１５：接合材シート、１６：エミッタスペーサ、１７：接合材シート、１８：フレーム、１８ａ：凹部、１９：接合材シート、２０：エミッタ電極、２０ｃ：下面、２５：積層体、２６：リード、２６ａ：ブリッジ部、２６ｂ：延出部、２６ｃ：端部、２６ｄ：延出部、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、４１：圧入ネジ、４２：リベット、４２ａ：円柱部、４２ｂ：頭部、４４：ネジ、４４ａ：下端、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〜Ｄ４：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】
2019021683.tif 000009
【図８】
2019021683.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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