(57)【要約】【課題】外乱要因でパッケージ内に放電フレアが万一発生した場合でも、パッケージの破壊，位置決めガイド部材への類焼を未然に防いで被害が周囲に波及しないようにパッケージ構造を改良する。【解決手段】一対の共通電極板３の間をセラミックの絶縁外筒４で封止したハーメチック構造の平型パッケージ２に複数のパワー半導体チップ１を格子状に並置配列して組み込み、各チップを位置決めガイド部材６を介して定位置に保持した平型半導体装置において、前記絶縁外筒の内側に該外筒の内周面全域を覆って耐熱，  絶縁性を有する補強部材９を布設し、実動作中に半導体チップが破壊してその破片がパッケージ内に飛び散った場合に、破片の衝撃力を補強部材で緩衝し脆性な絶縁外筒が破壊するのを防ぐ。さらに位置決めガイド部材を不燃性の電気絶縁材で構成し、フレアが位置決めガイド部材に類焼するのを防止する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する一対の共通電極板の間をセラミック製の絶縁外筒で封止したハーメチック構造になるパッケージに複数のパワー半導体チップを格子状に並置配列して組み込んだ平型半導体装置であり、各半導体チップを位置決めガイド部材を介して定位置に保持したものにおいて、
前記絶縁外筒の内側に該外筒の内周面全域を覆って耐熱，  絶縁性を有する低剛性の補強部材を布設したことを特徴とする平型半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の平型半導体装置において、補強部材を絶縁外筒と一体にその内周面に接合したことを特徴とする平型半導体装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の平型半導体装置において、補強部材の材料にポリイミド，  ポリエーテルイミド，  フッ化樹脂のいずれかを用いたことを特徴とする平型半導体装置。
【請求項４】
対向する一対の共通電極板の間をセラミック製の絶縁外筒で封止したハーメチック構造になるパッケージに複数のパワー半導体チップを格子状に並置配列して組み込んだ平型半導体装置であり、各半導体チップを位置決めガイド部材を介して定位置に保持したものにおいて、
前記の位置決めガイド部材を不燃性の電気絶縁材で構成したことを特徴とする平型半導体装置。
【請求項５】
請求項４に記載の平型半導体装置において、位置決めガイド枠の材料に工業用セラミックスを用いたことを特徴とする平型半導体装置。
【請求項６】
対向する一対の共通電極板の間をセラミック製の絶縁外筒で封止したハーメチック構造になるパッケージに複数のパワー半導体チップを格子状に並置配列して組み込んだ平型半導体装置であり、各半導体チップを位置決めガイド部材を介して定位置に保持したものにおいて、
前記絶縁外筒の内側に請求項１に記載の耐熱，  絶縁性を有する低剛性の補強部材を布設し、さらに前記位置決めガイド部材を請求項４に記載の不燃性の電気絶縁材で構成したことを特徴とする平型半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、平型半導体装置に関し、詳しくはそのパッケージ構造に係わる。
【０００２】
【従来の技術】
近年になり、産業用，電気鉄道車両用の電力変換装置に適用するパワースイッチングデバイスとして大容量のＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）で構成した平型半導体装置が普及しており、その具体的な構成として、対向する一対の共通電極板の間をセラミック製の絶縁外筒で封止したハーメチック構造になるパッケージに複数のパワー半導体チップを格子状に並置配列して組み込んだ組立構造が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
次に、前記平型半導体装置の従来構造を図２（ａ），（ｂ）  に示す。図において、１はパワー半導体チップ（ＩＧＢＴとフリーホイーリングダイオードなど）、２は上下一対の共通電極板３，セラミック製の絶縁外筒４，および共通電極板３と絶縁外筒４との間を封止結合したベローズ形のフランジ５とで構成したハーメチック構造の平型パッケージであり、複数個のパワー半導体チップ１は格子状に並置配列した上で、ポリイミド樹脂などの電気絶縁材で作られた枠状の位置決めガイド部材６，コンタクト端子７，８を介して平形パッケージ２の共通電極板３の間に加圧接触式に組み込まれている。なお、平形パッケージ２の内部には窒素などの不活性ガスを封入し、実動作時の温度上昇に伴う各部品の接合界面の酸化劣化，および酸化に起因する接触抵抗の増加を防ぐようにしている。
【０００３】
【特許文献１】
特許第２９３００７４号明細書
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記した従来構造の平型半導体装置では、外乱要因による想定外のサージ電圧などに起因してパッケージの内部で発生したアーク放電により、次記のように平型パッケージ２が破壊したり、パッケージ内に組み込んだ樹脂製の位置決めガイド部材６が焼損したりするおそれがある。すなわち、
（１）  半導体装置の実動作中に、外乱要因による想定外のサージ電圧が半導体チップの主電極間に印加する、あるいは半導体装置の接圧状態が不安定で高負荷でのスイッチング動作時に一部の半導体チップに電流集中が生じると、半導体チップ１の表面部分とコンタクト端子７との間にアーク放電が生じ、これが基で半導体チップ１の表面層，これに接するコンタクト端子７の表面部分が破壊（破壊部分を図２にＰ部で表す）することがある。さらに、アーク発生に伴って生じる高圧ガス流により破片が図２の点線矢印で表すように破壊部分Ｐから周囲に押し出され、部品相互間に生じた隙間を通じてパッケージ２内の外周側に噴出し、絶縁外筒４に衝突して衝撃荷重を加える。このために、脆性なセラミック材で作られた絶縁外筒４が破片の衝撃力を受けて破壊することがある。
【０００５】
しかも、セラミックス製の絶縁外筒が破壊すると、その破片が外部に向け飛散して半導体装置の周辺機器の構成部品を破損したり、現場近くに居る作業員が人的被害を受けるおそれもある。
（２）  また、半導体装置の実動作中に一部の半導体チップに前記したアーク放電が生じると、その半導体チップはスイッチング機能を喪失して単なる導電体となって電流集中が起こり、これが発熱源となって放電フレアが継続して周囲部分を焼損させるおそれがある。
この場合に従来構造では、半導体チップ１に生じた放電フレアが主電極面に積層されている可燃性の絶縁膜から半導体チップ１を保持している可燃性の樹脂材で作られている位置決めガイド部材６に移り、さらに隣接する非破壊チップおよびその位置決めガイド部材へ類焼が拡大する。しかも、この類焼が位置決めガイド部材に波及すると、樹脂材から炭化系，窒化系のガス，水蒸気などが発生して平型パッケージ２の内部圧力が急激に上昇し、この結果として平型パッケージ２のフランジ５（ベローズ機能を持たせるために撓み性がある）が異常に変形して破断したり、セラミック製の絶縁外筒４との接合面に応力集中が生じてパッケージが破壊し、被害が半導体装置からその周辺機器にまで拡大するおそれがある。
【０００６】
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、その目的は前記課題を解決し、想定外なサージなどの外乱要因によりパッケージ内部に放電フレアが万一発生した場合でも、パッケージの破壊，位置決めガイド部材への類焼を未然に防いで外部に被害が波及しないようにパッケージ構造を改良した平型半導体装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、本発明により次記のような構成により達成できる。すなわち、
対向する一対の共通電極板の間をセラミック製の絶縁外筒で封止したハーメチック構造になるパッケージに複数のパワー半導体チップを格子状に並置配列して組み込み、かつ各半導体チップを位置決めガイド部材を介して定位置に保持した平型半導体装置において、
第１の発明では、前記絶縁外筒の内側に該外筒の内周面全域を覆って耐熱，  絶縁性を有する低剛性の補強部材を布設するものとする（請求項１）。
【０００８】
この構成により、半導体装置の実動作中に想定外なサージ電圧の印加などに起因して半導体チップの破壊が万一発生し、その破片がパッケージ内に飛び散っても、その破片は脆性なセラミックスで作られた絶縁外筒に直接衝突することなく、その内側に布設した補強部材に突き当たってその衝撃力が緩衝されるので、絶縁外筒を安全に防護できる。また、前記の補強部材は、平型パッケージの構造，組立性の面から絶縁外筒の内周面に一体成形するか、あるいは接着剤などで接合する（請求項２）のがよく、さらに補強部材の素材は、絶縁性（耐トラッキング性），耐熱性に優れ、かつ砕片の衝撃力を効果的に減衰吸収させる緩衝性のある低剛性の樹脂材が有効であり、具体的にはポリイミド，  ポリエーテルイミド，  フッ化樹脂などが挙げられる（請求項３）。
【０００９】
また、本発明の第２の発明では、半導体チップに発生した放電フレアが前記の位置決めガイド部材に類焼するのを防ぐために、位置決めガイド部材を不燃性の電気絶縁材で構成するものとし（請求項４）、具体的には複合マイカセラミックなどの加工が容易な工業用セラミックスを用いるものとする（請求項５）。
さらに、第３の発明では、前記した第１の発明による補強部材と，第２の発明による不燃性の電気絶縁材で作られた位置決めガイド部材を組合せる（請求項６）ことで、平型半導体装置の安全性，信頼性をより一層高めることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図１に示す実施例に基づいて説明する。なお、図１は本発明の請求項３に対応する実施例を示しており、実施例の図中で図２に対応する部材には同じ符号を付してその説明は省略する。
すなわち、図１（ａ），（ｂ）  の実施例による平型半導体装置は、図２（ａ），（ｂ）  に示した従来の組立構造と基本的に同じであるが、従来構造と比べて平型パッケージ２を構成しているセラミック製の絶縁外筒４に対し、その内周面を覆うように補強部材９が布設されている。また、パワー半導体チップ１を定位置に保持する位置決めガイド部材６は不燃性の電気絶縁材で構成されている。
【００１１】
そして、組立工程では、前記補強部材９の内側に位置決めガイド６を組み込むことにより、パワー半導体チップ１が平型パッケージ２の内部に並置配列されて所定の位置に保持される。しかる後、パワー半導体チップ１は、コンタクト端子７，８を介して対向する一対の共通電極３によって加圧される。なお、補強部材９は絶縁外筒４と一体に結合してもよい。
上記の構成における補強部材９は、図２の説明で述べたように半導体装置の実動作中に外乱によるサージ電圧印加などに起因して半導体チップが万一破壊し、その破片がパッケージ内に飛び散った場合に、この破片が脆性なセラミックスで作られた絶縁外筒に直接衝突して破壊するのを防護する役目を果たすものである。そこで、補強部材９には、衝撃力を減衰吸収する緩衝効果を高めるように低剛性であることに加え、電気的な絶縁性，および耐熱性に優れた材料であることが望まれ、このような条件に適合する材料として、具体的にはポリイミド，  ポリエーテルイミド，  フッ化樹脂などが挙げられる。
【００１２】
ここで、熱硬化性のポリイミド樹脂を採用する場合には、樹脂材を薄肉状の板片に形成し、この板片の複数枚を継ぎ合わせて絶縁外筒４に対応した形状の補強部材９を構成するようにする。また、部品加工の効率化を図る上でモールド成形が可能な熱可塑性のポリイミド，  ポリエーテルイミド，  フッ化樹脂を採用すれば、絶縁外筒４との一体成形も可能である。なお、熱可塑性樹脂は熱硬化性樹脂に比べて耐熱性が劣るが、前記の各材料はいずれも２００℃を超える耐熱温度（平型半導体装置に要求される耐熱温度は１５０℃程度である）を有するので実用的に問題がなく、かつ低剛性で破片の衝突による衝撃力を減衰させる緩衝性にも優れている。また、補強部材９を絶縁外筒４と一体成形することで補強部材の構造強度も向上する。
【００１３】
一方、図１の実施例における位置決めガイド部材６は、半導体チップ１の位置決め保持機能と併せて、半導体チップに発生した放電フレアによる類焼を防止するように、電気的な絶縁性に優れた不燃性素材で構成されており、具体的には切削加工が容易で、かつ切削後の熱処理も必要としない複合マイカセラミックなどの工業用セラミックを用いて構成するのが有効である。
なお、図示実施例は、絶縁外筒４の内周側に補強部材９を設け、さらに半導体チップの位置決めガイド部材６を不燃性の電気絶縁材で構成しているが、補強部材９と不燃性の位置決めガイド部材６は単独で採用することができるのは勿論である。また、図示実施例の平型半導体装置に適用するパワー半導体チップ１は、先記したＩＧＢＴ，フリーホイーリングダイオードのほか、ＭＯＳ制御サイリスタ，ＭＯＳ制御トランジスタなどを採用して実施することもできる。
【００１４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、対向する一対の共通電極板の間をセラミック製の絶縁外筒で封止したハーメチック構造になるパッケージに複数のパワー半導体チップを格子状に並置配列して組み込み、かつ各半導体チップを位置決めガイド部材を介して定位置に保持した平型半導体装置において、
第１の発明では、前記絶縁外筒の内側に該外筒の内周面全域を覆って耐熱，  絶縁性を有する低剛性の補強部材を布設したことにより、半導体装置の実動作中に想定外なサージなどに起因する放電により半導体チップの破壊が万一発生し、その破片がパッケージ内に飛び散っても、その破片が脆性なセラミックスで作られた絶縁外筒に直撃することなく、その内側に布設した補強部材で絶縁外筒の破壊を防護して被害が周囲に波及するのを防ぐことができる。
【００１５】
また、第２の発明では、前記の位置決めガイド部材を不燃性の電気絶縁材で構成したことにより、半導体チップに発生した放電フレアが位置決めガイド部材に類焼するのを防いで、被害が半導体装置全体に波及するのを防止できる。
さらに、前記第１と第２の発明の構成を組合せた第３の発明によれば、安全面でより一層信頼性の高い平型半導体装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例による平型半導体装置の組立構造図で、（ａ），（ｂ）  はそれぞれ縦断側面図，および横断平面図
【図２】従来における平型半導体装置の組立構造図で、（ａ），（ｂ）  はそれぞれ縦断側面図，および横断平面図
【符号の説明】
１    パワー半導体チップ
２    平型パッケージ
３    共通電極板
４    絶縁外筒
６    位置決めガイド部材
７    コンタクト端子
９    補強部材
【図１】
2004214524.tif 000003
【図２】
2004214524.tif 000004