(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の半導体素子を有する半導体基体と、
前記半導体基体を挟んで、その表裏にそれぞれ設けられた第１冷却機構及び第２冷却機構と、
前記第１冷却機構の表面、及び前記第２冷却機構の裏面にそれぞれ設けられた第１絶縁部材及び第２絶縁部材と、
前記第１絶縁部材と前記第２絶縁部材を表裏面から挟み、前記第１絶縁部材と前記第２絶縁部材の間を所定の圧力で押圧する押圧機構と、を備え、
前記第１冷却機構の前記第１絶縁部材に接する第１圧接面と第２冷却機構の前記第２絶縁部材に接する第２圧接面のいずれか、あるいは双方に凹部が設けられていることを特徴とする圧接型半導体装置。
【請求項２】
前記凹部は、前記第１圧接面と第２圧接面のいずれか、あるいは双方の、前記第１圧接面あるいは第２圧接面の中心に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の圧接型半導体装置。
【請求項３】
前記凹部は、前記第１圧接面と第２圧接面のいずれか、あるいは双方の、前記第１圧接面あるいは第２圧接面の中心を外した位置に、複数設けられていることを特徴とする請求項１に記載の圧接型半導体装置。
【請求項４】
前記凹部は、前記凹部の中央位置、中心位置、重心位置のいずれかの位置が、前記第１圧接面、もしくは第２圧接面の中央位置、中心位置、重心位置のいずれかの位置にそれぞれ合わせて設けられていることを特徴とする請求項１に記載の圧接型半導体装置。
【請求項５】
前記凹部は、円形、方形、あるいは前記第１圧接面あるいは第２圧接面の外形と相似形であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧接型半導体装置。
【請求項６】
前記凹部は、前記第１圧接面と第２圧接面のいずれか、あるいは双方に、前記第１圧接面あるいは第２圧接面の中心に設けられた中心凹部と、その中心凹部を中心とした同心円状の環状凹部とを備えていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の圧接型半導体装置。
【請求項７】
前記凹部の深さが、前記第１圧接面、もしくは第２圧接面の表面から２０mm以下であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の圧接型半導体装置。
【請求項８】
前記凹部の面積が、前記第１圧接面と第２圧接面のいずれか、あるいは双方の、凹溝を含む全面積に対して６０％以下の面積であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の圧接型半導体装置。
【請求項９】
複数の半導体素子を有する半導体基体の表裏を、第１冷却機構及び第２冷却機構とでそれぞれ挟み、
前記第１冷却機構の表面に第１絶縁部材を、前記第２冷却機構の裏面に第２絶縁部材とそれぞれ設け、
前記第１冷却機構の前記第１絶縁部材に接する第１圧接面と前記第２冷却機構の前記第２絶縁部材に接する第２圧接面のいずれか、あるいは双方に凹部を設け、
押圧機構で、前記第１絶縁部材と前記第２絶縁部材を表裏面から挟み、前記第１絶縁部材と前記第２絶縁部材の間を所定の圧力で押圧することを特徴とする圧接型半導体装置の圧接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体を内部に設置しパッケージ化された圧接型半導体装置、及び圧接型半導体装置の圧接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置は、スイッチング速度の速い大電力化・高耐圧化した、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）に代表される電圧駆動型の半導体スイッチング素子が用いられている。
【０００３】
電圧駆動型の半導体スイッチング素子は、製造の点から、１個あたりの半導体チップの容量が小さく、大容量とするには、多数の半導体チップを圧接により接続した圧接型半導体装置として用いることが多い。
【０００４】
半導体チップを電気的に接続させる方法として圧接方法を用いる圧接型半導体装置においては、全ての半導体チップを均等に圧接することが重要である。半導体チップを均等に圧接するためには、例えば、半導体チップの厚みを同一に形成することや、圧接する金属部材の平面の加工精度を均一にすることも重要とされている。
【０００５】
又、圧接型半導体装置を構成する各部品の加工精度を向上させるのみならず、圧接力の均等化を実現するため、圧接型半導体装置に各種構造を設ける取り組みもなされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−２３０８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の圧接型半導体装置において圧接力を均等化させる手段は、加工精度を均質化させる技術の技術的限界、並びに部品点数や加工工数の増加を招き、製造コストの増加をもたらすことがある。
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、コストを低減でき、かつ均等な圧接圧力で押圧し、高い信頼性が得られる圧接型半導体装置、及び圧接型半導体装置の圧接方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
一実施形態の圧接型半導体装置は、複数の半導体素子を有する半導体基体と、半導体基体を挟んで、その表裏にそれぞれ設けられた第１冷却機構及び第２冷却機構と、第１冷却機構の表面、及び第２冷却機構の裏面にそれぞれ設けられた第１絶縁部材及び第２絶縁部材と、第１絶縁部材と第２絶縁部材を表裏面から挟み、第１絶縁部材と第２絶縁部材の間を所定の圧力で押圧する押圧機構と、を備えている。そして、圧接型半導体装置は、第１冷却機構の第１絶縁部材に接する第１圧接面と、第２冷却機構の第２絶縁部材に接する第２圧接面のいずれか、あるいは双方に凹部が設けられている。
【００１０】
圧接型半導体装置の圧接方法は、複数の半導体素子を有する半導体基体の表裏を、第１冷却機構及び第２冷却機構とでそれぞれ挟み、第１冷却機構の表面に第１絶縁部材を、第２冷却機構の裏面に第２絶縁部材とそれぞれ設け、第１冷却機構の第１絶縁部材に接する第１圧接面と第２冷却機構の第２絶縁部材に接する第２圧接面のいずれか、あるいは双方に凹部を設け、押圧機構で、第１絶縁部材と第２絶縁部材を表裏面から挟み、第１絶縁部材と第２絶縁部材の間を所定の圧力で押圧する。これにより、圧接型半導体装置の圧接面に生じる不均等な圧接力を是正する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施形態にかかる圧接型半導体装置を示す正面部分断面図。
【図２】同圧接型半導体装置を示す分解斜視図。
【図３】同圧接型半導体装置のヒートシンクを示す平面図。
【図４】同ヒートシンクを示す側断面図。
【図５】第２実施形態にかかる圧接型半導体装置のヒートシンクを示す平面図。
【図６】同ヒートシンクを示す側断面図。
【図７】第３実施形態にかかる圧接型半導体装置のヒートシンクを示す平面図。
【図８】同ヒートシンクを示す側断面図。
【図９】第４実施形態にかかる圧接型半導体装置のヒートシンクを示す平面図。
【図１０】同ヒートシンクを示す側断面図。
【図１１】第５実施形態にかかる圧接型半導体装置を示す正面部分断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
＜第１実施形態＞
以下、第１実施形態にかかる圧接型半導体装置１０について、図面を用いて説明する。図１は、第１実施形態にかかる圧接型半導体装置１０を示す正面部分断面図であり、図２は、圧接型半導体装置１０を示す分解斜視図であり、図３は、圧接型半導体装置１０の上ヒートシンク２２を示す平面図であり、図４は、上ヒートシンク２２を示す側断面図である。
【００１３】
圧接型半導体装置１０は、図１及び図２に示すように、底板１２と、下台座部１４と、下絶縁体１６と、第２冷却機構としての下ヒートシンク１８と、半導体基体２０と、第１冷却機構としての上ヒートシンク２２と、上絶縁体２４と、上台座部２６と、皿ばね２８と、上板３０と、を備えている。
【００１４】
底板１２は、方形の板状部材であり、四隅にボルト孔４０を備えている。底板１２は、基本的に剛体で、容易に変形しない強度を有する部材から形成されている。底板１２の上面には下台座部１４が載置されている。
【００１５】
下台座部１４は、円板状で、強度、硬度ともに高く、容易に変形しない材質から形成されている。下台座部１４は、表裏面が平滑に形成されている。下台座部１４の上面には、下絶縁体１６が載置されている。
【００１６】
下絶縁体１６は、下台座部１４より若干径が大きい円板状の部材で、電気的に高い絶縁性と、所定の強度とを備えた材質から形成されている。下絶縁体１６は、少なくとも、後述する半導体基体２０に加えられる押圧力に耐え得る強度を、表裏方向に備えている。下絶縁体１６は、第２絶縁部材である。下絶縁体１６の上面には、下ヒートシンク１８が載置されている。
【００１７】
下ヒートシンク１８は、内部に冷却液の通路を有する冷却機構である。下ヒートシンク１８は、冷却液用の通路の流入口及び流出口を備え、流入口から供給された冷却液が通路を通過して、流出口から流出される。流出口から流出した冷却液は、熱交換器に送られ、熱交換機で放熱して冷却された後、再び流入口から下ヒートシンク１８内に流入される。これにより、下ヒートシンク１８は、下ヒートシンク１８の少なくとも表面（上面）が冷却液により冷却される。又、下ヒートシンク１８は、下絶縁体１６と同様、少なくとも、後述する半導体基体２０に加えられる押圧力に耐え得る強度を、下ヒートシンク１８の表裏方向に有している。下ヒートシンク１８の下絶縁体１６に接する下面は、第２圧接面である。尚、下ヒートシンク１８の構成はこれに限るものではない。下ヒートシンク１８の上面には、半導体基体２０が載置されている。
【００１８】
半導体基体２０は、円板状で、下ヒートシンク１８の径より小さく、複数の半導体素子を備えて構成されている。半導体素子は、例えば絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）であり、半導体基体２０の上下面にはそれぞれ電極が設けられている。半導体基体２０の下面は、下ヒートシンク１８に導通している。半導体基体２０の上面には、上ヒートシンク２２が設けられている。
【００１９】
上ヒートシンク２２は、直径が１２０ｍｍ程度の円板状で、下ヒートシンク１８とほぼ同一の構成と強度とを有している。上ヒートシンク２２の下面は、半導体基体２０の上面と導通し、内部に冷却液が流通することにより少なくとも半導体基体２０の上面を冷却する。
【００２０】
上ヒートシンク２２の上面は、第１圧接面であり、図３、図４に示すように凹部３４を備えている。凹部３４は、直径が１０ｍｍ、深さが５ｍｍ程度で、上ヒートシンク２２の上面の中央に形成されている。好ましくは、凹部３２の深さは２０ｍｍ以内である。又、凹部３２の面積は、例えば上ヒートシンク２２の上面の全体面積の６０％以内とすることが好ましい。
【００２１】
上ヒートシンク２２の上面には、第１絶縁部材としての上絶縁体２４が設けられている。上絶縁体２４は、下絶縁体１６と同様の構成を有している。したがって、上絶縁体２４は、所定の強度と平滑さとを備えている。上絶縁体２４の上面には、上台座部２６が載置されている。
【００２２】
上台座部２６は、下台座部１４と同様の構成を有している。したがって、上台座部２６は、所定の強度と平滑さとを備えている。上台座部２６の上面には、皿ばね２８が設けられている。皿ばね２８は、通常の皿ばね２８であり、複数の皿ばね２８が厚み方向に積み上げられている。皿ばね２８の上部には、上板３０が接している。
【００２３】
上板３０は、底板１２と同一の構成を備えており、ボルト孔４０が、四隅に設けられている。上板３０と底板１２とのボルト孔４０には、ボルト４２が通してあり、上板３０と底板１２とのそれぞれ上下に突出した部分にナット４４が螺合されている。ボルト４２へナット４４を螺進させることにより、上板３０と底板１２との間が、所定の押圧力で押圧される。底板１２と上板３０とボルト４２とナット４４とを備えて押圧機構が構成されている。
【００２４】
次に、圧接型半導体装置１０及び圧接型半導体装置１０による圧接方法の作用、効果について説明する。圧接型半導体装置１０は、半導体基体２０を挟み、半導体基体２０の下方に下台座部１４と下絶縁体１６と下ヒートシンク１８とを備え、半導体基体２０の上方に上ヒートシンク２２と上絶縁体２４と上台座部２６と皿ばね２８とを備え、それらを底板１２と上板３０とで上下方向から挟んだ構成となっている。
【００２５】
底板１２と上板３０とのボルト孔４０に通したボルト４２にナット４４を取り付け、ナット４４を所定のトルクで締める。すると、皿ばね２８が、ボルト４２による締め付けで積層方向に変形し、皿ばね２８が復元しようとする反力が上台座部２６に付与される。これにより、上台座部２６と下台座部１４との間が所定の押圧力で押圧される。
【００２６】
圧接型半導体装置１０は、ナット４４のボルト４２への締め付け量により、皿バネ２８のバネ力を調整し、半導体基体２０と上ヒートシンク２２や下ヒートシンク１８との間の圧接面での圧接力を所望の大きさに設定する。
【００２７】
上ヒートシンク２２の上面（第１圧接面）には、凹部３４が形成されていることから、上ヒートシンク２２と上絶縁体２４との間において、上ヒートシンク２２の中央部分の押圧力が低減される。これにより、圧接型半導体装置１０は、上ヒートシンク２２と半導体基体２０との間の押圧圧力、及び半導体基体２０と下ヒートシンク１８との間の更ばね２８による圧接圧力を圧接面内において均等にできる。
【００２８】
半導体基体２０と上ヒートシンク２２や下ヒートシンク１８との間の圧接面での圧接力を均等にできることから、電気抵抗や熱伝達率のばらつきが抑制され、これらばらつきによる温度分布の相違、更には、それらに起因する圧接型半導体装置１０の温度上昇を防止できる。
【００２９】
＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態にかかる圧接型半導体装置１０ａについて説明する。圧接型半導体装置１０ａは、圧接型半導体装置１０と一部が異なるのみであるので、圧接型半導体装置１０と同様なものとして圧接型半導体装置１０ａを図１に示す（以下、第４実施形態までの各実施形態において同様とする）。
【００３０】
第２実施形態にかかる圧接型半導体装置１０ａは、図５、図６に示すように、上ヒートシンク２２の上面に、凹部３２が複数形成されている。各凹部３２は、上ヒートシンク２２の中心から外れた位置であり、上ヒートシンク２２と半導体基体２０、及び半導体基体２０と下ヒートシンク１８との間の圧接圧力が、部分的に高くなる位置に設けられている。他の構成は、第１実施形態にかかる圧接型半導体装置１０と同様の構成である。
【００３１】
このように、第２実施形態にかかる圧接型半導体装置１０ａでは、上ヒートシンク２２に複数の凹部３２が形成されていることにより、上ヒートシンク２２と半導体基体２０、及び半導体基体２０と下ヒートシンク１８との間の圧接圧力を均等な大きさにできる。
【００３２】
これにより、温度分布のばらつきが解消され、温度分布のばらつき等を原因とする圧接型半導体装置１０ａの温度上昇を防止できる。凹部３２の位置は、上ヒートシンク２２の任意の位置に圧接面の圧接力が均等になるように任意の数だけ施すこととする。又、凹部３２の位置は、凹部３２の中央位置と、例えば上ヒートシンク２２の上面の中央位置と合致させてもよい。更に、中央位置に限らず、中心位置、あるいは重心位置をそれぞれ上ヒートシンク２２の上面の中心位置、あるいは重心位置に合致させるようにしてもよい。
【００３３】
＜第３実施形態＞
次に、第３実施形態にかかる圧接型半導体装置１０ｂについて説明する。第３実施形態にかかる圧接型半導体装置１０ｂは、図７、図８に示すように上ヒートシンク２２の上面に、凹部３２を中心とした、円環状の凹部３３が同心円状に設けられている。ドーナツ状の同心円の凹部３３の径は、圧接面の圧接力が均等になるよう設定し、また、ドーナツ状の同心円の凹部３３の数も任意に設定することができる。他の構成は、第１実施形態の圧接型半導体装置１０と同様の構成である。
【００３４】
このように、圧接型半導体装置１０ｂは、上ヒートシンク２２の上面に、凹部３２を中心とした、円環状の凹部３３を同心円状に設けたので、上ヒートシンク２２と半導体基体２０、及び半導体基体２０と下ヒートシンク１８との間の圧接圧力を均等な値にできる。
【００３５】
＜第４実施形態＞
次に、第４実施形態にかかる圧接型半導体装置１０ｃについて説明する。第４実施形態にかかる圧接型半導体装置１０ｃは、底板１２及び上板３０を含め、図９に示すように下台座部１４と下絶縁体１６と下ヒートシンク１８と半導体基体２０と上ヒートシンク２２と上絶縁体２４と上台座部２６が正方形に形成されている。
【００３６】
そして、圧接型半導体装置１０ｃは、上ヒートシンク２２の上面に、図１０に示すように凹部３５と、凹部３５を中心にした、環状の凹部３７とを備えている。凹部３５と環状の凹部３７とは、同心で、上ヒートシンク２２の外形と相似形を有している。方形の凹部３５の幅や大きさ、数は、圧接面での圧接力が均等になるよう設定される。
【００３７】
このように圧接型半導体装置１０ｃは、凹部３５と、凹部３５を中心とした、環状の凹部３７を同心に備えているので、上ヒートシンク２２と半導体基体２０、及び半導体基体２０と下ヒートシンク１８との間の圧接圧力を均等にできる。尚、上ヒートシンク２２の外形は、円形や方形に限らず、その他の形状でよい。尚、凹部３７は設けなくともよい。
【００３８】
＜第５実施形態＞
次に、第５実施形態にかかる圧接型半導体装置１０ｄについて説明する。第５実施形態にかかる圧接型半導体装置１０ｄは、図１１に示すように上ヒートシンク２２の上面に、凹部３２を備え、上絶縁体２４の下面であって、凹部３２に対応した箇所に突出部５０を備えている。
【００３９】
凹部３２と突出部５０とは、それぞれ上ヒートシンク２２と上絶縁体２４の中心に設けられている。突出部５０は、中心位置合わせのための凸部であり、上ヒートシンク２２の上面に上絶縁体２４を重ねると、凹部３２内に嵌合する。突出部５０は、ピンを嵌め合せ、又はねじ止め、又は切削加工等により設けられる。
【００４０】
位置決めのために設けた突出部５０の高さは、圧接面の圧力を均等に保持する機能を実現するために設けた凹部３２の深さより小さく設定されている。凹部３２と突出部５０とは、圧接面を形成する２部品の位置を一意的に決定し、圧接型半導体装置１０ｄの組立て性を向上させることができる。
【００４１】
このように、凹部３２が上ヒートシンク２２に形成されていることから、圧接型半導体装置１０ｄは、半導体基体２０への圧接圧力が均一に形成されるとともに、突出部５０と凹部３２とを組み付けることにより、上ヒートシンク２２と上絶縁体２４との位置合わせが容易となり、組み付け工程が簡略化される。
【００４２】
以上説明したように、前記実施形態にかかる圧接型半導体装置１０等によれば、半導体基体２０にかかる圧接力を圧接面内において均等にし、圧接力の不揃いを原因とする温度上昇を簡易な構成で防止できる。
【００４３】
尚、圧接型半導体装置は、半導体基体の表裏にヒートシンクを取り付けた１組の半導体装置を複数直列に組み付けてもよい。このとき、半導体基体とヒートシンクとの間の少なくとも１箇所には、凹部を設ける。直列に複数の組み付けられた半導体装置の上下に絶縁体を取り付け、上下から押圧機構で押圧する。このようにすると、圧接圧力を均等にした半導体基体を複数直列に接続させた圧接型半導体装置を構成できる。
【００４４】
又、圧接型半導体装置は、半導体基体の表裏にヒートシンクを取り付け、更にヒートシンクの上下に絶縁体を組み合わせた半導体装置を複数組み付け、押圧機構で押圧する。この場合も、半導体基体とヒートシンクとの間の少なくとも１箇所には、凹部を設ける。このように構成することにより、圧接圧力を均等にした半導体基体を並列に組み合わせた圧接型半導体装置を構成できる。
【００４５】
尚、前記各実施形態では、上絶縁体２４と接している上ヒートシンク２２の圧接面の一部表面に凹部３２を形成しているが、凹部３２を設ける箇所は、これに限るものではない。
【００４６】
凹部３２を設ける箇所は、半導体基体２０と接している下ヒートシンク１８の圧接面の一部表面、あるいは、下ヒートシンク１８や上ヒートシンク２２と接している半導体基体２０の圧接面の一部表面に設けてもよい。
【００４７】
又、凹部３２を設ける箇所は、上ヒートシンク２２と接している上絶縁体２４の圧接面の一部表面、あるいは上台座部２６と接している上絶縁体２４の圧接面の一部表面でもよい。
【００４８】
又、凹部３２を設ける箇所は、上絶縁体２４と接している上台座部２６の圧接面の一部表面、あるいは底板１２や上板３０と接している下台座部１４や上台座部２６の圧接面の一部表面でもよい。更に、凹部３２は、一箇所に限らず、複数個所に設けてもよい。
【００４９】
これにより、各圧接面の表面加工精度を上げることなく圧接型半導体装置１０等の圧接力の均等化を図ることができる。
【００５０】
皿バネ２８を、底板１２と下台座部１４の間、又は上板３０と上台座部２６の間、底板１２と下台座部１４の間、又は締め付け用のボルト４２とナット４４との間に用いてもよい。更に、弾性体として、皿バネ２８に代わり、皿バネ以外のバネを用いてもよい。
【００５１】
圧接型半導体装置では、上台座部２６、あるいは下台座部１４を省略してもよい。又、各部品どうしの一部、あるいは全体を一体化させてもよい。更に、圧接型半導体装置の複数部品を一体化させた構造としてもよい。いずれであっても、圧接型半導体装置１０等の内部を均等に圧接する機能を有していればよい。
【００５２】
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とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５３】
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ…圧接型半導体装置、１２…底板、１４…下台座部、１６…下絶縁体、１８…下ヒートシンク、２０…半導体基体、２２…上ヒートシンク、２４…上絶縁体、２６…上台座部、２８…皿バネ、３０…上板、３２、３３、３４、３５、３７…凹部、４０…ボルト孔、４２…ボルト、４４…ナット、５０…突出部。
【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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