(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチングチップを含む複数の電力用半導体チップと、
前記電力用半導体チップの一方に設けられる第１チップ金属部材と、
前記電力用半導体チップの他方に設けられる第２チップ金属部材と、
前記電力用半導体チップに対して前記第１チップ金属部材側に設けられた導電性カバープレートと、
前記第１チップ金属部材と前記導電性カバープレートとの間を電気的に接続するとともに、前記第１チップ金属部材と前記導電性カバープレートとが互いに離れる方向に押圧する複数のばね部材と、
前記導電性カバープレート下に配置され、該導電性カバープレートと電気的に接続するゲート／エミッタ信号用基板と、
前記スイッチングチップの信号パッドと前記ゲート／エミッタ信号用基板との間を電気的に接続する信号用端子と、
前記ばね部材を保持する中空空間を形成してなる複数の保持部であって、前記電力用半導体チップの外周のなす領域内に並列に配列され、かつ前記第１チップ金属部材の主面に対して垂直な方向に形成されている複数の保持部を有する支持手段と、
を備えたことを特徴とする電力用半導体装置。
【請求項２】
前記ばね部材は、
前記第１チップ金属部材と前記導電性カバープレートとが互いに離れる方向に押圧する押圧ばねと、
前記第１チップ金属部材と前記導電性カバープレートとの間を電気的に接続する導電性ばねと、
を有することを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
【請求項３】
前記ばね部材は、表面に導電性金属めっきが施されてなる
ことを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
【請求項４】
前記複数のばね部材は、各々が、角線コイルばね、丸線コイルばねおよび板ばねのなかから選択されるいずれかである
ことを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
【請求項５】
前記支持手段は、絶縁性を有し、前記第１チップ金属部材上に設けられている平板状の支持部材からなり、
前記支持部材は、前記第１チップ金属部材と接触する側に設けられてなり、前記第１チップ金属部材の外縁のなす形状と同じ形状をなす中空空間を形成する凹部を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
【請求項６】
前記支持手段は、
絶縁性を有し、前記第１チップ金属部材上に設けられている平板状の支持部材と、
前記支持部材の端部からそれぞれ延出し、前記第１チップ金属部材を保持可能な複数のボスと、
を有することを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
【請求項７】
前記支持手段は、
前記ばね部材を支持する導電性の第１の支持部材と、
前記信号用端子を支持する絶縁性の第２の支持部材と、
を有することを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
【請求項８】
前記支持手段は、
前記ばね部材を支持する導電性の第１の支持部材と、
前記信号用端子を支持する絶縁性の第２の支持部材と、
を有し、
前記第１の支持部材は、前記第１チップ金属部材と一体的に形成された
ことを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
【請求項９】
前記ゲート／エミッタ信号用基板は、すべての前記スイッチングチップの信号パッドと前記信号用端子を介して電気的に接続している
ことを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
【請求項１０】
複数の前記信号用端子を備え、
複数の前記信号用端子は、
前記スイッチングチップにおけるゲート用の信号用端子と、
前記スイッチングチップにおけるエミッタ用の信号用端子と、
を有することを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
【請求項１１】
前記導電性カバープレートと前記ゲート／エミッタ信号用基板との間に設けられてなり、前記導電性カバープレートと前記ゲート／エミッタ信号用基板との間のエミッタ信号を伝送する金属ボールをさらに備え、
前記信号用端子は、前記スイッチングチップにおけるゲート信号を伝送する
ことを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
【請求項１２】
前記ゲート／エミッタ信号用基板は、二層以上のプリント基板、または絶縁層を介したラミネート基板からなる
ことを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
【請求項１３】
前記複数の電力用半導体チップに対して前記第２チップ金属部材側に設けられた導電性ベースプレートと、
前記導電性ベースプレートに固定されてなり、前記複数の電力用半導体チップを分離する一つまたは複数の内側樹脂フレームと、
前記導電性ベースプレートと前記内側樹脂フレームとによって形成される中空空間の一部に充填されてなる封止樹脂と、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
【請求項１４】
前記内側樹脂フレームは、連続した高強度繊維からなる糸を内部に有する高強度樹脂からなる
ことを特徴とする請求項１３に記載の電力用半導体装置。
【請求項１５】
前記内側樹脂フレームは、衝撃吸収材ゴムシートを内部に有する高強度樹脂からなる
ことを特徴とする請求項１３に記載の電力用半導体装置。
【請求項１６】
前記内側樹脂フレームは、樹脂含浸された高強度繊維からなるクロスを内部に有する高強度樹脂からなる
ことを特徴とする請求項１３に記載の電力用半導体装置。
【請求項１７】
前記内側樹脂フレームは、金属板を内部に有する高強度樹脂からなる
ことを特徴とする請求項１３に記載の電力用半導体装置。
【請求項１８】
自然状態における前記導電性カバープレートと前記内側樹脂フレームとの間には、間隔が設けられている
ことを特徴とする請求項１３に記載の電力用半導体装置。
【請求項１９】
前記導電性カバープレートの周囲に設けられてなる外側樹脂フレーム
をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力用半導体チップの接合において圧力接触構造を有する電力用半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電力用半導体装置は、いわゆる圧力接触型の高出力半導体モジュールであって、１つの導電性ベースプレート、１つの導電性カバープレート、複数の固定モジュールハウジング要素及び複数の半導体チップから構成されている。半導体チップの下面側は、第１電極を介してベースプレートに接続され、半導体チップの上面側は、第２主電極、フレキシブルで圧接可能な複数の接触要素を介して、カバープレートに接続されている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００３】
特許文献１に記載されている電力用半導体装置において、フレキシブルな個別プレスピン接触要素はプレス接触用のばねと通電用の電流フレームとが、各々独立した形状で構成されている。また、半導体チップを含む接触要素は、ポリアミド樹脂で形成されたサブモジュールハウジング要素によって分離されている。
【０００４】
また、特許文献１に記載されている電力用半導体装置は、スイッチングチップのゲート電極が、ワイヤーボンド接触を通じて、半導体チップ横に配置されたゲートランナーに接続された後、１本の共有のゲート信号導体に集められている構成である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４２８０６２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載されている電力用半導体装置では、独立したプレス接触用のばねと通電用の電流フレームとを用いた接触要素構造をとり、押圧により通電用の電流フレームのたわみ量が変化し、隣接した半導体チップの接触要素との間隔が十分に確保できないため、隣接した半導体チップ間隔を広めに設ける必要がある。これは、半導体モジュールの小型化には適さない構造である。
【０００７】
また、用いるスイッチングチップの信号用電極であるゲート電極は、ワイヤーボンド接触を通じて、チップ間に配置されたゲートランナーに接続する半導体モジュール構造であることから、ゲートランナーを配線するためにベースプレート面積が大きくなり、小型化に適さない構造となる。スプリング電気接触部を用いて、各々のスイッチングチップのゲートを接続したゲートランナーからゲート信号導体に接続する構造では、スプリング電気接触部を個別に設ける必要があるため、半導体モジュールサイズとしては大型化するという課題がある。
【０００８】
さらに、特許文献１に記載されている電力用半導体装置では、各半導体チップベースプレートとの間に設けられて半導体チップを押圧する部材として、一般的に皿ばねが用いられている。しかしながら、皿ばねは、中央部に開口を有する中空円板状をなしているため、半導体チップの中央部や角部（矩形をなすチップの四隅）の面圧が低くなり、半導体チップに均一な荷重を加えることができなかった。そのため、半導体チップとベースプレートとの間の接触が不安定になったり、偏荷重による半導体チップが破損したりするという問題が発生するおそれがあった。
【０００９】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、均一な面圧で押圧しつつ、小型化することができる電力用半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる電力用半導体装置は、スイッチングチップを含む複数の電力用半導体チップと、前記電力用半導体チップの一方に設けられる第１チップ金属部材と、前記電力用半導体チップの他方に設けられる第２チップ金属部材と、前記電力用半導体チップに対して前記第１チップ金属部材側に設けられた導電性カバープレートと、前記第１チップ金属部材と前記導電性カバープレートとの間を電気的に接続するとともに、前記第１チップ金属部材と前記導電性カバープレートとが互いに離れる方向に押圧する複数のばね部材と、前記導電性カバープレート下に配置され、該導電性カバープレートと電気的に接続するゲート／エミッタ信号用基板と、前記スイッチングチップの信号パッドと前記ゲート／エミッタ信号用基板との間を電気的に接続する信号用端子と、前記ばね部材を保持する中空空間を形成してなる複数の保持部であって、前記電力用半導体チップの外周のなす領域内に並列に配列され、かつ前記第１チップ金属部材の主面に対して垂直な方向に形成されている複数の保持部を有する支持手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明にかかる電力用半導体装置は、上記の発明において、前記ばね部材は、前記第１チップ金属部材と前記導電性カバープレートとが互いに離れる方向に押圧する押圧ばねと、前記第１チップ金属部材と前記導電性カバープレートとの間を電気的に接続する導電性ばねと、を有することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明にかかる電力用半導体装置は、上記の発明において、前記ばね部材は、表面に導電性金属めっきが施されてなることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明にかかる電力用半導体装置は、上記の発明において、前記複数のばね部材は、各々が、角線コイルばね、丸線コイルばねおよび板ばねのなかから選択されるいずれかであることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明にかかる電力用半導体装置は、上記の発明において、前記支持手段は、絶縁性を有し、前記第１チップ金属部材上に設けられている角柱状の支持部材からなり、前記支持部材は、前記第１チップ金属部材と接触する側に設けられてなり、前記第１チップ金属部材の外縁のなす形状と同じ形状をなす中空空間を形成する凹部を有することを特徴とする。
【００１５】
また、本発明にかかる電力用半導体装置は、上記の発明において、前記支持手段は、絶縁性を有し、前記第１チップ金属板上に設けられている角柱状の支持部材と、前記支持部材の端部からそれぞれ延出し、前記第１チップ金属部材を保持可能な複数のボスと、を有することを特徴とする。
【００１６】
また、本発明にかかる電力用半導体装置は、上記の発明において、前記支持手段は、前記ばね部材を支持する導電性の第１の支持部材と、前記信号用端子を支持する絶縁性の第２の支持部材と、を有することを特徴とする。
【００１７】
また、本発明にかかる電力用半導体装置は、上記の発明において、前記支持手段は、前記ばね部材を支持する導電性の第１の支持部材と、前記信号用端子を支持する絶縁性の第２の支持部材と、を有し、前記第１の支持部材は、前記第１チップ金属部材と一体的に形成されたことを特徴とする。
【００１８】
また、本発明にかかる電力用半導体装置は、上記の発明において、前記ゲート／エミッタ信号用基板は、すべての前記スイッチングチップの信号パッドと前記信号用端子を介して電気的に接続していることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明にかかる電力用半導体装置は、上記の発明において、複数の前記信号用端子を備え、複数の前記信号用端子は、前記スイッチングチップにおけるゲート用の信号用端子と、前記スイッチングチップにおけるエミッタ用の信号用端子と、を有することを特徴とする。
【００２０】
また、本発明にかかる電力用半導体装置は、上記の発明において、前記導電性カバープレートと前記ゲート／エミッタ信号用基板との間に設けられてなり、前記導電性カバープレートと前記ゲート／エミッタ信号用基板との間のエミッタ信号を伝送する金属ボールをさらに備え、前記信号用端子は、前記スイッチングチップにおけるゲート信号を伝送することを特徴とする。
【００２１】
また、本発明にかかる電力用半導体装置は、上記の発明において、前記ゲート／エミッタ信号用基板は、二層以上のプリント基板、または絶縁層を介したラミネート基板からなることを特徴とする。
【００２２】
また、本発明にかかる電力用半導体装置は、上記の発明において、前記複数の電力用半導体チップに対して前記第２チップ金属部材側に設けられた導電性ベースプレートと、前記導電性ベースプレートに固定されてなり、前記複数の電力用半導体チップを分離する一つまたは複数の内側樹脂フレームと、前記導電性ベースプレートと前記内側樹脂フレームとによって形成される中空空間の一部に充填されてなる封止樹脂と、をさらに備えたことを特徴とする。
【００２３】
また、本発明にかかる電力用半導体装置は、上記の発明において、前記内側樹脂フレームは、連続した高強度繊維からなる糸を内部に有する高強度樹脂からなることを特徴とする。
【００２４】
また、本発明にかかる電力用半導体装置は、上記の発明において、前記内側樹脂フレームは、衝撃吸収材ゴムシートを内部に有する高強度樹脂からなることを特徴とする。
【００２５】
また、本発明にかかる電力用半導体装置は、上記の発明において、前記内側樹脂フレームは、樹脂含浸された高強度繊維からなるクロスを内部に有する高強度樹脂からなることを特徴とする。
【００２６】
また、本発明にかかる電力用半導体装置は、上記の発明において、前記内側樹脂フレームは、金属板を内部に有する高強度樹脂からなることを特徴とする。
【００２７】
また、本発明にかかる電力用半導体装置は、上記の発明において、自然状態における前記導電性カバープレートと前記内側樹脂フレームとの間には、間隔が設けられていることを特徴とする。
【００２８】
また、本発明にかかる電力用半導体装置は、上記の発明において、前記導電性カバープレートの周囲に設けられてなる外側樹脂フレームをさらに備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、均一な面圧で押圧しつつ、小型化することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の構成を示す部分断面図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の構成を示す部分断面図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の要部の構成を示す断面図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の構成を示す部分断面図である。
【図５】図５は、図１，２に示す電力用半導体装置の要部の構成を示す平面図である。
【図６】図６は、図１，２に示す電力用半導体装置の要部の構成の一例を示す模式図である。
【図７】図７は、本発明の実施の形態１の変形例１にかかる電力用半導体装置の要部の構成を示す模式図である。
【図８】図８は、本発明の実施の形態１の変形例２にかかる電力用半導体装置の要部の構成を示す模式図である。
【図９】図９は、本発明の実施の形態１の変形例３にかかる電力用半導体装置の構成を示す部分断面図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施の形態１の変形例３にかかる電力用半導体装置の要部の構成を示す断面図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施の形態２にかかる電力用半導体装置の構成を示す部分断面図である。
【図１２】図１２は、本発明の実施の形態３にかかる電力用半導体装置の構成を示す部分断面図である。
【図１３】図１３は、本発明の実施の形態４にかかる電力用半導体装置の構成を示す部分断面図である。
【図１４】図１４は、本発明の実施の形態５にかかる電力用半導体装置の構成を示す部分断面図である。
【図１５】図１５は、本発明の実施の形態６にかかる電力用半導体装置の構成を示す部分断面図である。
【図１６】図１６は、本発明の実施の形態７にかかる電力用半導体装置の構成を示す部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明を実施するための形態を図面とともに詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、以下の説明において参照する各図は、本発明の内容を理解でき得る程度に形状、大きさ、および位置関係を概略的に示してあるに過ぎない。すなわち、本発明は各図で例示された形状、大きさ、および位置関係のみに限定されるものではない。
【００３２】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の構成を示す部分断面図である。図２は、本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の構成を示す部分断面図であって、図１に示すＡ−Ａ線の部分断面図である。なお、図１，２に示す電療供養半導体装置は、使用状態を示す図であり、後述する導電性カバープレートに荷重が加わっている状態である。電力用半導体装置は、スイッチングチップ、フリーホイールダイオードチップなどの複数の電力用半導体チップを用いた電力用半導体装置であり、各チップと導電性カバープレートの間には、複数の圧力接触用のばねが垂直に配置されていると同時に、スイッチングチップを用いた電力用半導体装置においては、圧力接触用のばね以外に信号用のばねが配置されており、その信号用のばねの一端は、スイッチングチップの信号パッドに接続されるとともに、他端は導電性カバープレート下に配置されたゲート／エミッタ信号用基板に接続され、各チップは、導電性ベースプレートに固定された高い耐衝撃性を有した内側樹脂フレームにより個々に分離されている構造である。電力用半導体装置は、一つの電力用半導体装置を用いるものであってもよいし、複数個積層してもよい。
【００３３】
図１，２に示す電力用半導体装置１は、略平板状の導電性ベースプレート２と、略平板状の導電性カバープレート３とを備える。導電性ベースプレート２には、フリーホイールダイオードチップ４およびスイッチングチップ５がそれぞれ設けられている。フリーホイールダイオードチップ４およびスイッチングチップ５は、それぞれ板状をなしている。フリーホイールダイオードチップ４およびスイッチングチップ５には、導電性ベースプレート２側の面において、チップ下金属板６（第２チップ金属部材）がそれぞれ設けられている。また、フリーホイールダイオードチップ４およびスイッチングチップ５には、導電性ベースプレート２側と反対側の面において、チップ上金属板７（第１チップ金属部材）がそれぞれ設けられており、フリーホイールダイオードチップ４およびスイッチングチップ５に設けられた主電極４ａ，５ａを介して電気的に接続されている。なお、チップ下金属板６およびチップ上金属板７は、板状をなすもののほか、角柱状をなすものであってもよく、板厚は適宜設計可能である。
【００３４】
チップ上金属板７には、フリーホイールダイオードチップ４およびスイッチングチップ５側と反対側において、少なくとも圧力接触用ばねおよび通電用ばねを含むばね部材８を保持する支持部材１０が設けられている。具体的に、チップ上金属板７において、フリーホイールダイオードチップ４側と反対側に設けられている支持部材１０は、圧力接触用ばねを含むばね部材８を保持しており、スイッチングチップ５側と反対側に設けられている支持部材１０は、圧力接触用ばねを含むばね部材８と、信号用端子９とを保持している。
【００３５】
支持部材１０は、ばね部材８および信号用端子９をそれぞれ保持する保持孔１０１，１０２が複数形成された平板状をなす。支持部材１０には、チップ上金属板７と接触する面には、該チップ上金属板７の上面を収容可能な凹部１０３が形成されている。複数の保持孔１０１は、チップ上金属板７の上面に対してそれぞれ垂直に延びて、並列に配列されてなり、かつチップ上金属板７の上面から延びる投影領域内、すなわちフリーホイールダイオードチップ４およびスイッチングチップ５（または主電極４ａ，５ａ）の外縁のなす形状の内側に形成されている。
【００３６】
図３は、本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の要部の構成を示す断面図であって、図１に示すＢ−Ｂ線に対応するチップ上金属体７および支持部材１０の断面を示す図である。凹部１０３は、チップ上金属板７の外縁のなす形状と同じ形状の開口が形成されていることが好ましく、嵌合可能な形状であってもよい。これにより、凹部１０３にチップ上金属板７を嵌め込んだ際の支持部材１０に対するチップ上金属板７の位置決め精度を向上させ、チップ上金属板７に対する支持部材１０のずれを防止することができる。また、複数のばね部材８とチップ上金属板７との間の位置ずれを防止でき、均一な接触圧を簡単に得ることが可能となる。
【００３７】
支持部材１０は、上述した複数の保持孔１０１にばね部材８および信号用端子９をそれぞれ挿通して、チップ上金属板７に対して起立した状態、すなわち、チップ上金属板７の主面に対して略垂直に延びた状態を維持するよう保持することで、チップ上金属板７上において、ばね部材８および信号用端子９を、長手方向を揃えて所定の間隔で並列に配列させる。支持部材１０を構成する材料としては、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂成形物、さらにはセラミック板を加工した材料が用いられる。熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂成形物を用いることにより低コスト化が可能になり、セラミック板加工物を用いることにより、温度に対する寸法精度が、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂成形物より優れているため各電力用半導体チップ（フリーホイールダイオードチップ４およびスイッチングチップ５）に対するばね部材８および信号用端子９の位置精度が向上する。なお、「主面」とは、ここではばね部材８および信号用端子９に接触する面であり、板状または角柱状の部材の場合、該部材の表面を構成する複数の面であって最も広い面積を有する面のことをいう。
【００３８】
図４は、図１，２に示す電力用半導体装置の要部の構成を示す平面図であって、スイッチングチップ５の構成を説明する図である。スイッチングチップ５の主面には、主電極５ａと、ゲート／エミッタ電極５ｂ，５ｃとが設けられている。主電極５ａは、ばね部材８に接触し、ゲート／エミッタ電極５ｂ，５ｃは、信号用端子９に接触している。また、図１に示すように、信号用端子９は、導電性カバープレート３に設けられているゲート／エミッタ信号用基板１１に形成された電極パッド１１ａ，１１ｂに接触し、ゲート／エミッタ電極５ｂ，５ｃと電極パッド１１ａ，１１ｂとの間をそれぞれ電気的に接続している。
【００３９】
電力用半導体装置１は、フリーホイールダイオードチップ４およびスイッチングチップ５の間に導電性ベースプレート２から立設された複数の内側樹脂フレーム１２を有する。複数の内側樹脂フレーム１２と導電性ベースプレート２とにより形成される空間の一部には、封止樹脂１４が充填されている。
【００４０】
フリーホイールダイオードチップ４およびスイッチングチップ５は、導電性ベースプレート２に固定された内側樹脂フレーム１２により個々に分離されており、内側樹脂フレーム１２内には、任意の高さまで封止樹脂１４が充填されている。
【００４１】
内側樹脂フレーム１２で各々のフリーホイールダイオードチップ４およびスイッチングチップ５を個々に囲うことにより、各チップが短絡破壊した場合でも、近接したチップに影響を及ぼさない。さらに、封止樹脂１４で封止することにより絶縁性が確保できる。封止樹脂１４として用いられる材料としては、シリコーンゲル樹脂、エポキシ樹脂などの一般的な絶縁性封止樹脂が挙げられる。
【００４２】
また、導電性カバープレート３の両端部には、主面と直交する方向に延びる外側樹脂フレーム１３が設けられている。外側樹脂フレーム１３を導電性カバープレート３に設置することにより更なる防爆性が向上する効果が得られる。
【００４３】
内側樹脂フレーム１２と導電性カバープレート３とは、使用状態、すなわち導電性カバープレート３に外部から荷重が加わっている状態、すなわち導電性ベースプレート２と導電性カバープレート３との間に印加された状態では、内側樹脂フレーム１２が導電性カバープレート３に当接して、導電性カバープレート３と支持部材１０とが接触しないように導電性カバープレート３の移動量を規制するストッパーとして機能している。この際、導電性カバープレート３とチップ上金属板７との間には、ばね部材８による荷重が加わっている。
【００４４】
図５は、本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の構成を示す部分断面図であって、導電性カバープレート３に重力以外の荷重が加わっていない状態を示す図である。内側樹脂フレーム１２と導電性カバープレート３とは、自然状態、すなわち導電性カバープレート３に重力以外の荷重が加わっていない状態において、任意の間隔が設けられている。すなわち、自然状態では、ばね部材８により導電性ベースプレート２と導電性カバープレート３との間に圧力が印加されており、導電性カバープレート３と内側樹脂フレーム１２とは離間している。自然状態では、導電性ベースプレート２と導電性カバープレート３との間は、ばね部材８により、均一な距離で保持されている。
【００４５】
本実施の形態１において、複数のばね部材８は、押圧用ばねと通電用ばねとの二種類の機能を備えたばねから構成されている。このように、複数のばね部材８として、フリーホイールダイオードチップ４およびスイッチングチップ５に均一な押圧力を与え、導電性ベースプレート２および導電性カバープレート３の間に所定の電流を流すばねを用いることにより、用いるフリーホイールダイオードチップ４およびスイッチングチップ５に対し、同じばね本数で任意に通電用電流を変化させることが可能となることから、回路設計が簡素化される。
【００４６】
図６は、図１，２に示す電力用半導体装置の要部の構成を示す模式図であって、ばね部材８の構成の一例を示す図である。ばね部材８は、例えば、図６に示すような、長手方向と直交する面を切断面とする断面が矩形をなす線材を巻回してなる角線コイルばねを用いて実現される。
【００４７】
複数のばね部材８は、例えば、表面に導電性金属めっき処理を施すことにより、導電性金属めっきがなされた押圧用ばね、および通電用ばねの機能を一括して備えたばねとして用いることで、一種類のばね部材８によって押圧力を付与するとともに、所定の電流を流すことが可能である。なお、導電性金属めっきがなされた押圧用ばねと、通電用ばねとの二種類のばね（導電機能および押圧機能が互いに独立した二種類のばね）を用いるようにしてもよい。
【００４８】
信号用端子９についても、ばね部材８と同様の角線コイルばねを用いることができる。信号用端子９は、接続される電極に応じて、スイッチングチップ５におけるゲート用、エミッタ用の２種類の信号用線材のいずれか一方の機能が付与される（図２参照）。スイッチングチップ５にゲート用、エミッタ用のいずれかの機能を担う信号用端子９を用いることにより、個々のチップ動作信頼性が向上する効果が得られる。また、信号用端子９をスイッチングチップ５の直上に配置してゲート／エミッタ信号用基板１１に接続させることで、電力用半導体装置１を小型化することができる。なお、信号用端子９として圧着機能付きリード線形状を用いてもよいが、圧着機能付きリード線形状は配線長が短く、ノイズ低減が可能になる一方で、接合形状が複雑になるといった欠点がある。
【００４９】
なお、上述した特許文献１には、各々のスイッチングチップからのゲート信号の取り出し構造については明記されているが、エミッタ信号の取り出し構造については明記されていない。
【００５０】
また、本実施の形態１では、信号用端子９が、ゲート用、エミッタ用のいずれかの機能を担い、複数設けられるものとして説明するが、スイッチングチップ５において、信号用端子９用の穴が一体に成形され、その信号用端子９が、一端でスイッチングチップ５のゲート／エミッタ電極５ｂ，５ｃに接続し、他端で導電性カバープレート３に配置されたゲート／エミッタ信号用基板１１の電極パッド１１ａ，１１ｂに接続するものであってもよい。これにより、一括で信号配線を行うことができ、さらにスイッチングチップ５の直上に配線することで、電力用半導体装置１を小型化することができる。
【００５１】
上述した実施の形態１によれば、複数のばね部材８によってフリーホイールダイオードチップ４およびスイッチングチップ５に均一な押圧力を与え、導電性ベースプレート２および導電性カバープレート３の間に所定の電流を流すとともに、信号用端子９によってスイッチングチップ５とゲート／エミッタ信号用基板１１との間を電気的に接続するようにしたので、スイッチングチップ５とゲート／エミッタ信号用基板１１との間の電気的な接続を、従来のようなプレス接触用のばねと通電用の電流フレームとが各々独立した形状で構成されている個別プレスピン接触要素を用いる場合と比して小型化することが可能となり、均一な面圧で押圧しつつ、電力用半導体装置を小型化することができる。
【００５２】
また、本実施の形態１によれば、導電性金属めっきがなされたばね部材８を用いることにより、押圧効果と通電効果を同時に一種類のばねで実現することが可能となり、電力用半導体装置の小型化をはかることができる。
【００５３】
また、本実施の形態１によれば、複数の保持孔１０１が形成された支持部材１０を用いることにより、各ばね部材８が座屈することなく、垂直な圧力が得られ、各電力用半導体チップに対するチップ下金属板６とチップ上金属板７との接触信頼性が向上し、接触抵抗が低減するなど電気的信頼性が向上する。
【００５４】
また、本実施の形態１によれば、支持部材１０に絶縁性とすることにより、低コストで軽量化を達成可能となる。
【００５５】
（実施の形態１の変形例１）
図７は、本発明の実施の形態１の変形例１にかかる電力用半導体装置の要部の構成を示す模式図であって、ばね部材の構成の他の例を示す図である。上述した実施の形態１では、ばね部材８や信号用端子９が、長手方向と直交する面を切断面とする断面が矩形をなす線材を巻回してなる角線コイルばねであるものとして説明したが、図７に示すばね部材８ａのように、長手方向と直交する面を切断面とする断面が円をなす線材を巻回してなる丸線コイルばねであってもよい。
【００５６】
（実施の形態１の変形例２）
図８は、本発明の実施の形態１の変形例２にかかる電力用半導体装置の要部の構成を示す模式図であって、ばね部材の構成の他の例を示す図である。上述した実施の形態１では、ばね部材８や信号用端子９が、長手方向と直交する面を切断面とする断面が矩形をなす線材を巻回してなる角線コイルばねであるものとして説明したが、図８に示すばね部材８ｂのように、帯状の材料が用いられ、主面に沿って湾曲された形状をなす板ばねであってもよい。ばね部材８ｂに用いられる帯状の材料は、一様な幅および均一な板厚を有する材料であってもよい。なお、幅とは、帯状の部材の主面において、長手方向と直交する方向の長さを指す。
【００５７】
上述した各種のばね部材は、必要な機能に応じて、適宜選択することができる。例えば、一般に、高い押圧を得るためには角線コイルばねであるばね部材８が好んで用いられ、小型化に対しては丸線コイルばねであるばね部材８ａが好んで用いられ、高い電流を流す場合は、断面積の大きい板ばねであるばね部材８ｂが好んで用いられるため、必要とする押圧力値と、通電電流値、サイズから任意に選択することができる。各種のばね部材は、一種のみを用いてもよいし、組み合わせて用いてもよい。また、ばね部材８，８ａにおいて、両端を研磨して座部が形成（座面研磨）されていてもよい。
【００５８】
（実施の形態１の変形例３）
上述した実施の形態１では、凹部１０３がチップ上金属板７を嵌合可能な中空空間を形成する閉じた領域を形成するものとして説明するが、凹部１０３に代えて、支持部材１０の端部から間欠的に突出する複数のボスとし、チップ上金属板７の上面のなす外縁形状に応じて設けられ、該複数のボスによってチップ上金属板７を保持するものであってもよい。
【００５９】
図９は、本発明の実施の形態１の変形例３にかかる電力用半導体装置の構成を示す部分断面図である。図１０は、本発明の実施の形態１の変形例３にかかる電力用半導体装置の要部の構成を示す断面図であって、図９に示すＣ−Ｃ線に対応するチップ上金属体７および支持部材１０の断面を示す図である。本変形例３では、上述した凹部１０３に代えて、図９，１０に示すように、支持部材１０の端部から延出する複数のボス１０４を有する。本変形例３では、複数のボス１０４によりチップ上金属板７を保持する。なお、複数のボス１０４は、チップ上金属体７の端面が矩形をなす場合、例えば、図１０に示すように、各辺の中央部に対応する位置にそれぞれ設けられる。なお、支持部材１０にピンを設け、チップ上金属板７にピンを挿脱可能な孔部を設けて、位置決めするようにしてもよい。
【００６０】
（実施の形態２）
つぎに、本発明の実施の形態２について説明する。図１１は、本発明の実施の形態２にかかる電力用半導体装置の構成を示す部分断面図である。なお、図１等で上述した構成要素と同じ構成要素には同じ符号を付してある。
【００６１】
図１１に示す電力用半導体装置１ａは、上述した電力用半導体装置１の構成に対し、チップ上金属板７および支持部材１０に代えて、チップ上金属板７ａおよび支持部材１０ａを備える。
【００６２】
チップ上金属板７ａは、導電性の材料を用いて形成されてなる。チップ上金属板７ａには、複数のばね部材８をそれぞれ保持可能な片側有底筒状をなす複数の保持穴７１が形成されている。保持穴７１は、深さが、少なくともばね部材８の自然状態における長手方向（巻回により延伸する方向）の長さよりも浅い。なお、チップ上金属板７ａは、導電性ベースプレート２および導電性カバープレート３の間をばね部材８により電気的に接続できればよく、少なくともばね部材８を保持する保持穴７１の壁面が導電性を有するとともに、該保持穴７１と主電極４ａ，５ａとが電気的に接続されていればよい。チップ上金属板７ａは、保持穴７１にばね部材８を入れて保持することで、ばね部材８がチップ上金属板７ａに対して起立した状態を維持するよう保持する。本実施の形態２では、チップ上金属板７ａは、一体的に形成された第１チップ金属板および第１の支持部材として機能する。
【００６３】
支持部材１０ａ（第２の支持部材）は、絶縁性の材料を用いて形成されてなる。支持部材１０ａには、信号用端子９を保持する保持孔１０２が形成されている。支持部材１０ａは、信号用端子９の配置、すなわちスイッチングチップ５のゲート／エミッタ電極５ｂ，５ｃの配置に応じてチップ上金属板７ａに取り付けられる。支持部材１０ａは、上述した支持部材１０と同様の材料を用いて形成される。
【００６４】
上述した本実施の形態２によれば、ばね部材８を保持する部材として導電性のチップ上金属板７ａを用いることにより、電気伝導性、熱伝導性が向上するため、各電力用半導体チップ（フリーホイールダイオードチップ４およびスイッチングチップ５）における動作時の発熱が、導電性カバープレート３に効率よく伝搬することが可能になることから、各電力用半導体チップの発熱による温度上昇が低減できると同時に、各電力用半導体チップと導電性カバープレート３との間の抵抗が減少し、ばね部材８の発熱も低減でき、ばね部材８の信頼性が向上する。
【００６５】
また、上述した本実施の形態２によれば、複数のばね部材８を保持する保持部材をチップ上金属板と一体化させたチップ上金属板７ａとしたので、上述したように電気伝導性、熱伝導性が向上し、各電力用半導体チップとばね部材８との間の電気的な接続にかかる信頼性が向上する。
【００６６】
さらに、上述した本実施の形態２によれば、チップ上金属板７ａの保持穴７１にばね部材８を入れればよいため、簡素化して組み立てることができるといった利点がある。
【００６７】
なお、上述した本実施の形態２では、ばね部材８を支持する支持手段が、チップ上金属板と一体的に設けられているものとして説明したが、別体であってもよい。別体の場合は、例えば、保持穴７１を含む部分を導電性の支持部材（第１の支持部材）として形成すればよい。
【００６８】
（実施の形態３）
つぎに、本発明の実施の形態３について説明する。図１２は、本発明の実施の形態３にかかる電力用半導体装置の構成を示す部分断面図である。なお、図１等で上述した構成要素と同じ構成要素には同じ符号を付してある。
【００６９】
図１２に示す電力用半導体装置１ｂは、上述した電力用半導体装置１の構成に対し、内側樹脂フレーム１２に代えて、内側樹脂フレーム１２ａを備える。内側樹脂フレーム１２ａの内部には、連続した高強度繊維からなる糸１５が設けられている。糸１５を構成する材料として、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリイミド、カーボン、エンプラ繊維等が挙げられ、絶縁性の材料であることが好ましい。
【００７０】
糸１５の径としては、引っ張り強度の観点からφ５０ミクロン以上が好ましい。更には、糸１５は、一端から他端にかけて連続した形状の方が、内側樹脂フレーム１２ａの防爆性に優れる。
【００７１】
糸１５を含む内側樹脂フレーム１２ａの製法としては、まず糸１５を金型内に多重配置し、その後、成形樹脂により一体成形を実施し、内側樹脂フレーム１２ａを得る。
【００７２】
上述した本実施の形態３によれば、糸１５を含む内側樹脂フレーム１２ａによりフリーホイールダイオードチップ４およびスイッチングチップ５を分離するようにしたので、各電力用半導体チップ（フリーホイールダイオードチップ４およびスイッチングチップ５）が短絡破壊した場合でも、内側樹脂フレーム１２ａの防爆性が更に優れることにより、短絡破壊を起こしていない他の半導体チップに破損被害が及ぶことを防止することができる。
【００７３】
ここで、大きい衝撃強度を有する長い繊維で強化された合成材料からなるモジュールハウジング要素（樹脂フレーム）によって、耐衝撃性を実現することは、例えば、上述した特許文献１において最小で約０．１ｍｍの径を有する長い繊維で補強された合成部材を用いることが開示されているが、繊維長が長すぎると耐衝撃性は上昇するが、成形樹脂の成形時の流動性が低下し、成形物が成形出来ないなどの製造上の課題が発生するため、繊維長には限界が生じるなどの課題が有る。これに対し、本実施の形態３では、内側樹脂フレーム１２ａの内部に糸１５を設けているため、成形性を向上することができる。
【００７４】
さらに、上述した特許文献１におけるモジュールハウジング要素は、複数の半導体チップの外周に設置したモジュールハウジング要素のみであり、サブモジュールハウジング要素には耐衝撃性を有した材料を用いていないため、一つの半導体チップが爆発した場合、その爆発衝撃により、一つのモジュールハウジング要素内に配置された全ての半導体チップが破損するといった不具合が挙げられる。これに対し、本実施の形態３では、内側樹脂フレーム１２ａによりフリーホイールダイオードチップ４およびスイッチングチップ５を分離しているため、他の半導体チップに破損被害が及ぶことを防止することができる。
【００７５】
（実施の形態４）
つぎに、本発明の実施の形態４について説明する。図１３は、本発明の実施の形態４にかかる電力用半導体装置の構成を示す部分断面図である。なお、図１等で上述した構成要素と同じ構成要素には同じ符号を付してある。
【００７６】
図１３に示す電力用半導体装置１ｃは、上述した電力用半導体装置１の構成に対し、内側樹脂フレーム１２に代えて、内側樹脂フレーム１２ｂを備える。内側樹脂フレーム１２ｂの内部には、衝撃吸収材ゴムシート１６が設けられている。衝撃吸収材ゴムシート１６は、シリコーンゴムシート、シリコーンゲルシート、ニトリルゴムシート等の低弾性率を有する材料からなるシートを用いて形成され、１ｍｍ以上の厚さを有するシートを用いることが衝撃吸収性の観点から好ましい。また、衝撃吸収材ゴムシート１６を含む内側樹脂フレーム１２ｂの製法としては、まず衝撃吸収材ゴムシート１６を金型内に多重配置し、その後、成形樹脂により一体成形を実施し、内側樹脂フレーム１２ｂを得る。
【００７７】
上述した本実施の形態４によれば、衝撃吸収材ゴムシート１６を含む内側樹脂フレーム１２ｂによりフリーホイールダイオードチップ４およびスイッチングチップ５を分離するようにしたので、各電力用半導体チップ（フリーホイールダイオードチップ４およびスイッチングチップ５）が短絡破壊した場合でも、衝撃吸収材ゴムシート１６により衝撃が吸収され内側樹脂フレーム１２ｂの防爆性が更に優れることにより、短絡破壊を起こしていない他の半導体チップに破損被害が及ぶことを防止することができる。
【００７８】
（実施の形態５）
つぎに、本発明の実施の形態５について説明する。図１４は、本発明の実施の形態５にかかる電力用半導体装置の構成を示す部分断面図である。なお、図１等で上述した構成要素と同じ構成要素には同じ符号を付してある。
【００７９】
図１４に示す電力用半導体装置１ｄは、上述した電力用半導体装置１の構成に対し、内側樹脂フレーム１２に代えて、内側樹脂フレーム１２ｃを備える。内側樹脂フレーム１２ｃの内部には、樹脂含浸された高強度繊維からなるクロス１７が設けられている。クロス１７は、防弾チョッキなどに用いられているアラミドクロス、液晶ポリマークロス、ポリイミドクロス、炭素繊維クロスなどの強化繊維を用いて形成される。また、クロス１７を含浸する樹脂としては、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂、ＰＰＳ（Polyphenylenesulfide）、ＰＥＴ（Polyethylene  terephthalate）等の熱可塑樹脂が用いられる。
【００８０】
クロス１７は、複数枚重ねて用いることにより耐衝撃性が向上する。クロス１７は、一般的な平織り、朱子織りの織り方によって織られたものが用いられる。また、クロス１７を含む内側樹脂フレーム１２ｃの製法としては、まずクロス１７を金型内に多重配置し、その後、成形樹脂により一体成形を実施し、内側樹脂フレーム１２ｃを得る。
【００８１】
上述した本実施の形態５によれば、クロス１７を含む内側樹脂フレーム１２ｃによりフリーホイールダイオードチップ４およびスイッチングチップ５を分離するようにしたので、各電力用半導体チップ（フリーホイールダイオードチップ４およびスイッチングチップ５）が短絡破壊した場合でも、樹脂含浸された高強度繊維からなるクロス１７を内蔵することにより衝撃が吸収され内側樹脂フレーム１２ｃの防爆性が更に優れることにより、短絡破壊を起こしていない他の半導体チップに破損被害が及ぶことを防止することができる。
【００８２】
（実施の形態６）
つぎに、本発明の実施の形態６について説明する。図１５は、本発明の実施の形態６にかかる電力用半導体装置の構成を示す部分断面図である。なお、図１等で上述した構成要素と同じ構成要素には同じ符号を付してある。
【００８３】
図１５に示す電力用半導体装置１ｅは、上述した電力用半導体装置１の構成に対し、内側樹脂フレーム１２に代えて、内側樹脂フレーム１２ｄを備える。内側樹脂フレーム１２ｄの内部には、金属板１８が設けられている。金属板１８は、鉄、銅、アルミなどの金属、またはそれらの合金が用いられる。軽量化を求める場合はアルミ、またはアルミ系の合金が適しており、防爆性を求める場合は鉄、または鉄系の合金が適している。厚さについては、求める防爆強度により任意に選択できる。また、金属板１８を含む内側樹脂フレーム１２ｄの製法としては、まず金属板１８を金型内に多重配置し、その後、成形樹脂により一体成形を実施し、内側樹脂フレーム１２ｄを得る。
【００８４】
上述した本実施の形態６によれば、金属板１８を含む内側樹脂フレーム１２ｄによりフリーホイールダイオードチップ４およびスイッチングチップ５を分離するようにしたので、各電力用半導体チップ（フリーホイールダイオードチップ４およびスイッチングチップ５）が短絡破壊した場合でも、金属板１８を内蔵することにより破壊強度が向上し、内側樹脂フレーム１２ｄの防爆性が更に優れることにより、短絡破壊を起こしていない他の半導体チップに破損被害が及ぶことを防止することができる。
【００８５】
（実施の形態７）
つぎに、本発明の実施の形態７について説明する。図１６は、本発明の実施の形態７にかかる電力用半導体装置の構成を示す部分断面図である。なお、図１等で上述した構成要素と同じ構成要素には同じ符号を付してある。
【００８６】
図１６に示す電力用半導体装置１ｆは、上述した電力用半導体装置１の構成に対し、複数の信号用端子９のうちの一部の信号用端子９に代えて、金属ボール１９を備える。具体的に、本実施の形態７では、信号用端子９が、ゲート／エミッタ信号用基板１１に接続されるスイッチングチップ５におけるゲート用の信号用線材として機能し、導電性カバープレート３とゲート／エミッタ信号用基板１１との間には導電性の金属ボール１９が介在している。金属ボール１９を介して導電性カバープレート３からエミッタ信号を引きまわすことにより、エミッタ信号の信号用配線長が短くなり配線ノイズが減ると同時に、接続信頼性に優れるといった利点がある。
【００８７】
ゲート／エミッタ信号用基板１１は二層以上のプリント基板、または絶縁層を介したラミネート基板を用いることが好ましく、二層以上のゲート／エミッタ信号用基板１１を用いることにより、短い幅のゲート／エミッタ信号用基板１１のサイズで引きまわしが可能となり、電力用半導体装置の小型化が可能となる。ゲート／エミッタ信号用基板１１として二層以上のプリント基板か、または絶縁層を介した金属ラミネート基板を用いることで、短い幅のゲート／エミッタ信号用基板１１で引きまわしが可能となり、電力用半導体装置の小型化が可能となると同時に、ゲート回路、エミッタ回路のノイズ低減にも寄与する。
【００８８】
上述した本実施の形態７によれば、複数の信号用端子９のうちの一部の信号用端子９に代えて、金属ボール１９を設けて、金属ボール１９を介して導電性カバープレート３からエミッタ信号を引きまわすようにしたので、エミッタ信号の信号用配線長が短くなり配線ノイズが減ると同時に、接続信頼性に優れるという効果を得ることができる。
【００８９】
また、上述した実施の形態１〜７は、本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではない。また、本発明は、各実施の形態や変形例に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることによって、種々の発明を形成できる。本発明は、仕様等に応じて種々変形することが可能であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施の形態が可能であることは、上記記載から自明である。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
以上のように、本発明にかかる電力用半導体装置は、均一な面圧で押圧しつつ、小型化するのに有用である。
【符号の説明】
【００９１】
１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ  電力用半導体装置
２  導電性ベースプレート
３  導電性カバープレート
４  フリーホイールダイオードチップ
４ａ，５ａ  主電極
５  スイッチングチップ
５ｂ，５ｃ  ゲート／エミッタ電極
６  チップ下金属板（第２チップ金属部材）
７，７ａ  チップ上金属板（第１チップ金属部材）
８，８ａ，８ｂ  ばね部材
９  信号用端子
１０，１０ａ  支持部材
１１  ゲート／エミッタ信号用基板
１１ａ，１１ｂ  電極パッド
１２，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ  内側樹脂フレーム
１３  外側樹脂フレーム
１４  封止樹脂
１５  糸
１６  衝撃吸収材ゴムシート
１７  クロス
１８  金属板
１９  金属ボール
７１  保持穴
１０１，１０２  保持孔
１０３  凹部
１０４  ボス
【図１】
0006559536.tif 000002
【図２】
0006559536.tif 000003
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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