(57)【要約】【課題】高温動作可能なＳｉＣチップのマルチチップ圧接型パッケージを実現する。【解決手段】本発明のマルチチップ圧接型パッケージは、小チップ高温動作のワイドギャップ半導体単結晶のＳｉＣチップ１の複数個を一括、均等に加圧し一体化した構造のパッケージであり、ＳｉＣチップ１それぞれの加圧方向の両面に低熱膨張材のスペーサ２，３を挿入し、その両側にエミッタ／コレクタ電極ブロック４，５を配置し、均等加圧一体化したものである。【選択図】　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の半導体チップを平面状に並べて、その一方の側にエミッタ電極ブロックを配置し、他方の側にコレクタ電極ブロックを配置し、これらを一括加圧して一体化した構造のマルチチップ圧接型パッケージであって、前記半導体チップがワイドギャップ半導体単結晶ＳｉＣで構成されたものであることを特徴とするマルチチップ圧接型パッケージ。
【請求項２】
前記半導体チップそれぞれの加圧方向の両面に低熱膨張材のスペーサを挿入したことを特徴とする請求項１記載のマルチチップ圧接型パッケージ。
【請求項３】
前記低熱膨張材のスペーサは、前記半導体チップに高温半田により接合して一体化したことを特徴とする請求項２記載のマルチチップ圧接型パッケージ。
【請求項４】
前記スペーサは、導電性ＳｉＣの多結晶から成るものであることを特徴とする請求項２又は３記載のマルチチップ圧接型パッケージ。
【請求項５】
前記エミッタ電極ブロック、コレクタ電極ブロックそれぞれの前記スペーサそれぞれに対向する部分に凸部を形成し、当該凸部それぞれをスペーサそれぞれに当接させたことを特徴とする請求項２〜４のいずれか記載のマルチチップ圧接型パッケージ。
【請求項６】
前記エミッタ電極ブロックの凸部、エミッタ側スペーサ、半導体チップ、コレクタ側スペーサ及びコレクタ電極ブロックの凸部個々の他の部材と当接する面の面積を、エミッタ電極ブロックの凸部＜エミッタ側スペーサ＜半導体チップ＜コレクタ側スペーサ＜コレクタ電極ブロックの凸部の順に大きくしたことを特徴とする請求項５記載のマルチチップ圧接型パッケージ。
【請求項７】
前記エミッタ側スペーサとエミッタ電極ブロックとの対向部それぞれに、バネ機能を有する部品を介挿したことを特徴とする請求項２〜６のいずれか記載のマルチチップ圧接型パッケージ。
【請求項８】
前記バネ機能を有する部品は、加圧方向及びそれに垂直な方向にバネ機能を有する直方体状のものであることを特徴とする請求項７記載のマルチチップ圧接型パッケージ。
【請求項９】
前記バネ機能を有する部品は、導電性を有する材料で成ることを特徴とする請求項７又は８記載のマルチチップ圧接型パッケージ。
【請求項１０】
前記複数の半導体チップ、エミッタ電極ブロック、コレクタ電極ブロックの一体化構造物に対して、その側周を絶縁外囲器によって包囲し、前記エミッタ電極ブロック及びコレクタ電極ブロックと絶縁外囲器との間を板状の荷重緩衝部材によって接続したことを特徴とする請求項１〜９のいずれか記載のマルチチップ圧接型パッケージ。
【請求項１１】
前記複数の半導体チップ、エミッタ電極ブロック、コレクタ電極ブロックの一体化構造物の加圧力は、前記半導体チップの通電に必要な最小限の荷重と等しくしたことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか記載のマルチチップ圧接型パッケージ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マルチチップ圧接型パッケージに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、マルチチップ圧接型パッケージは、例えば高耐圧ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）のようなパワーデバイスとその応用電力変換器で実用化されている。
【０００３】
このマルチチップ圧接型パッケージは、薄型の半導体チップを銅のような導電性の良好な電極ブロックで挟み、周囲を気密性のシール構造で構成し、電極ブロックの外側より加圧して複数の半導体チップを一体化した構造である。
【０００４】
このようなマルチチップ圧接型パッケージでは、そのコレクタの構造において、特に、（１）多数のチップを均等に加圧すること、（２）ヒートサイクルにおいて、チップに加わる加圧力や摩擦力が過大とならないことが技術的に重要である。
【０００５】
そこで従来は、半導体チップの両面を熱膨張率の近い金属（Ｍｏなど）で個々に挟み、銅の電極ブロックで一括加圧して一体化しているのである（特開平７−１９３１７２号公報、特開平１０−０９８１４０号公報）。
【０００６】
このような構造のマルチチップ圧接型パッケージは、チップがＳｉの場合は最高温度が１２５℃程度であり、均等加圧やヒートサイクル（最低周囲温度〜１２５℃）には十分耐えられるものであった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来のマルチチップ圧接型パッケージでは、次のような技術的課題があった。
【０００８】
将来、マルチチップ圧接型パッケージに使用する半導体チップがＳｉからＳｉＣのようなワイドギャップ半導体単結晶チップになった場合、ＳｉＣの耐熱性を活かすためには、例えば３００〜４００℃という高温での動作が必要となり、ヒートサイクルが大きくなる。このため、パッケージ内部の素子の熱変形や熱膨張係数の差による摺動が大きくなり、信頼性確保が難しくなる。またチップの歩留まりや信頼性からチップサイズはＳｉより小さくなる可能性が大きい。したがって、チップサイズがより微細化し、またチップ搭載数が格段に増加することになり、全チップの均等一括加圧が技術的により難しくなる。また、従来のＳｉチップのマルチチップ圧接型パッケージでは、一般的に７０〜９０Ｋｇ／ｃｍ２　程度という熱抵抗が飽和する荷重まで加圧していて、通電に必要な荷重より過大となっている。
【０００９】
本発明はこのような従来の技術的課題に鑑みてなされたもので、小チップ高温動作のワイドギャップ半導体単結晶チップの複数個を一括、均等に加圧し一体化した構造にすることによって高温動作できるマルチチップ圧接型パッケージを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、複数の半導体チップを平面状に並べて、その一方の側にエミッタ電極ブロックを配置し、他方の側にコレクタ電極ブロックを配置し、これらを一括加圧して一体化した構造のマルチチップ圧接型パッケージであって、前記半導体チップがワイドギャップ半導体単結晶ＳｉＣで構成されたものであることを特徴とするものである。
【００１１】
請求項１の発明のマルチチップ圧接型パッケージでは、小チップ高温動作のワイドギャップ半導体単結晶のＳｉＣチップの複数個を一括、均等に加圧し一体化した構造のパッケージとすることによって高温で動作させることができる。
【００１２】
請求項２の発明は、請求項１のマルチチップ圧接型パッケージにおいて、前記半導体チップそれぞれの加圧方向の両面に低熱膨張材のスペーサを挿入したことを特徴とするものである。
【００１３】
請求項３の発明は、請求項２のマルチチップ圧接型パッケージにおいて、前記低熱膨張材のスペーサは、前記半導体チップに高温半田により接合して一体化したことを特徴とするものである。
【００１４】
請求項４の発明は、請求項２又は３のマルチチップ圧接型パッケージにおいて、前記スペーサは、導電性ＳｉＣの多結晶から成るものであることを特徴とするものである。
【００１５】
請求項２〜４の発明のマルチチップ圧接型パッケージでは、ワイドギャップ半導体単結晶ＳｉＣチップを熱膨張率の近い金属や多結晶ＳｉＣで挟む構造にすることによって、熱ストレスを緩和する。
【００１６】
請求項５の発明は、請求項２〜４のマルチチップ圧接型パッケージにおいて、前記エミッタ電極ブロック、コレクタ電極ブロックそれぞれの前記スペーサそれぞれに対向する部分に凸部を形成し、当該凸部それぞれをスペーサそれぞれに当接させたことを特徴とするものである。
【００１７】
請求項６の発明は、請求項５のマルチチップ圧接型パッケージにおいて、前記エミッタ電極ブロックの凸部、エミッタ側スペーサ、半導体チップ、コレクタ側スペーサ及びコレクタ電極ブロックの凸部個々の他の部材と当接する面の面積を、エミッタ電極ブロックの凸部＜エミッタ側スペーサ＜半導体チップ＜コレクタ側スペーサ＜コレクタ電極ブロックの凸部の順に大きくしたことを特徴とするものである。
【００１８】
請求項５及び６の発明のマルチチップ圧接型パッケージでは、ワイドギャップ半導体チップとスペーサ及び電極ブロックの形状、寸法を工夫することによってチップにかかる局所的集中荷重を避け、均等加圧構造とする。
【００１９】
請求項７の発明は、請求項２〜６のマルチチップ圧接型パッケージにおいて、前記エミッタ側スペーサとエミッタ電極ブロックとの対向部それぞれに、バネ機能を有する部品を介挿したことを特徴とするものである。
【００２０】
請求項８の発明は、請求項７のマルチチップ圧接型パッケージにおいて、前記バネ機能を有する部品は、加圧方向及びそれに垂直な方向にバネ機能を有する直方体状のものであることを特徴とするものである。
【００２１】
請求項９の発明は、請求項７又は８のマルチチップ圧接型パッケージにおいて、前記バネ機能を有する部品は、導電性を有する材料で成ることを特徴とするものである。
【００２２】
請求項７〜９の発明のマルチチップ圧接型パッケージでは、エミッタ側スペーサとエミッタ電極ブロックとの対向部にバネ機能を有する部品を介挿することにより、半導体チップ、スペーサ、電極ブロック等の厚さの不均一性を吸収し、また加圧の偏りを吸収する。また、バネ機能を有する部品に加圧方向に垂直なせん断方向にもバネ機能を持たせることにより、高温ヒートサイクルの熱ストレスを吸収する。
【００２３】
請求項１０の発明は、請求項１〜９のマルチチップ圧接型パッケージにおいて、前記複数の半導体チップ、エミッタ電極ブロック、コレクタ電極ブロックの一体化構造物に対して、その側周を絶縁外囲器によって包囲し、前記エミッタ電極ブロック及びコレクタ電極ブロックと絶縁外囲器との間を板状の荷重緩衝部材によって接続したことを特徴とするものである。
【００２４】
請求項１０の発明のマルチチップ圧接型パッケージでは、マルチチップ一体化構造物と絶縁外囲器との間に板状の緩衝構造を入れることにより、ワイドギャップ半導体ＳｉＣチップが高温度に上昇することで両側の電極ブロックも高温度に上昇して熱変形するのを緩衝構造によって許容し、パッケージの熱損傷を防止する。
【００２５】
請求項１１の発明は、請求項１〜１０のマルチチップ圧接型パッケージにおいて、前記複数の半導体チップ、エミッタ電極ブロック、コレクタ電極ブロックの一体化構造物の加圧力は、前記半導体チップの通電に必要な最小限の荷重と等しくしたことを特徴とするものである。
【００２６】
ＳｉＣチップのようなワイドギャップ半導体チップは、従来のＳｉチップより低損失であり、高温度条件で使用できるので、半導体チップの接触熱抵抗が多少高くても熱損傷を受けない。
【００２７】
そこで、請求項１１の発明のマルチチップ圧接型パッケージでは、ワイドギャップ半導体チップ、スペーサ、電極部フローチャートの一体化構造物の加圧力を、従来の接触熱抵抗飽和レベルの１／２〜１／３以下の通電に必要な最小限の加圧力で一体化することにより、加圧機構を簡素化、軽量化する。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。マルチチップ圧接型パッケージにワイドギャップ半導体チップとして、炭化ケイ素ＳｉＣチップを実装するには、以下の制約がある。
【００２９】
（１）チップは歩留まりやコストから小面積となる。
【００３０】
（２）容量増加のため、小チップを多並列接続する必要がある。
【００３１】
（３）小面積チップのため、チップの電流密度が大きくなる。
【００３２】
（４）チップの許容温度を高くできるが、そのためヒートサイクルの温度差が大きくなる。その結果、熱膨張係数の差により異種材料接合構成が難しい。そこで、熱膨張、収縮による変形を吸収できる接触構造とするのが好ましい。
【００３３】
（５）接触構造でも、変形や摺動を量小限としかつバッファを設けるのが好ましい。
【００３４】
（６）電流バランスやスイッチングバランス、温度バランスから均等加圧構造にするのが好ましい。
【００３５】
（７）チップ加圧力は、通電に必要な最小限の値とするのが好ましい。
【００３６】
本発明は、このような技術的制約の下に、ＳｉＣチップの機能を十分に発揮させるマルチチップ圧接型パッケージの構成を特徴とする。
【００３７】
図１及び図２に本発明の１つの実施の形態のマルチチップ圧接型パッケージの構成を示している。本実施の形態のマルチチップ圧接型パッケージは、ワイドギャップ半導体チップとして複数個のＳｉＣチップ１の個々を、スペーサ２，３として例えばモリブデンＭｏのような低熱膨張の金属で両側から挟ん込み、さらに両側に銅Ｃｕのような良導体のエミッタ側電極ブロック４、コレクタ側電極ブロック５を配置し、側周を絶縁外囲器６で包囲した構成にし、図示の加圧方向に両側から均等加圧して接触一体化したものである。
【００３８】
ＳｉＣチップ１としてはダイオードやスイッチングチップが収納される。
【００３９】
低熱膨張の金属スペーサ２，３は、ＳｉＣチップ１に対して高温半田により接合している。
【００４０】
両面の銅製の電極ブロック４，５は放熱兼通電兼加圧用であり、セラミックの絶縁外囲器６をこの電極ブロック４，５の側周にロウ付けして気密シールすることによってエミッタとコレクタとの間を絶縁している。
【００４１】
図３は、加圧力と接触熱抵抗、通電抵抗との定性的特性を示している。通電用には接触熱抵抗が飽和するより低い加圧で十分である。このため、本実施の形態のマルチチップ圧接型パッケージでは、ＳｉＣ半導体チップ１、スペーサ２，３、エミッタ電極ブロック４、コレクタ電極ブロック５の一体化構造物の加圧力は、従来の接触熱抵抗飽和レベルの１／２〜１／３以下の通電に必要な最小限の荷重と等しくしている。
【００４２】
この第１の実施の形態のマルチチップ圧接型パッケージの構成によれば、小チップ薄型高温動作のＳｉＣ半導体チップを複数一括均等加圧して高温動作させることができるマルチチップ圧接型パッケージを実現できる。そして、ＳｉＣチップを熱膨張率の近いＭｏ金属のスペーサで挟んだ構造にしたことにより、ヒートサイクルによる熱ストレスを緩和することができる。また、加圧力を通電に必要な最小限にすることで、加圧機構の簡素化、軽量化が可能となる。
【００４３】
なお、エミッタ側スペーサ２、コレクタ側スペーサ３の材料として導電性炭化ケイ素ＳｉＣの多結晶を使用することができ、これによって、ワイドギャップ半導体チップ１の熱膨張差をさらに小さくでき、ヒートサイクルによる熱ストレスをいっそう少ない構造にできる。
【００４４】
次に、本発明の第２の実施の形態のマルチチップ圧接型パッケージを、図４を用いて説明する。第２の実施の形態のマルチチップ圧接型パッケージは、構成要素は図１、図２に示した第１の実施の形態と同様であるが、両側のエミッタ電極ブロック４、コレクタ電極ブロック５それぞれのエミッタ側スペーサ２、コレクタ側スペーサ３それぞれに対向する部分に凸部４１，５１を形成し、この凸部４１，５１それぞれをスペーサ２，３それぞれに当接させた構成である。
【００４５】
そして、エミッタ電極ブロック４の凸部４１、エミッタ側スペーサ２、ＳｉＣチップ１、コレクタ側スペーサ３及びコレクタ電極ブロック５の凸部５１個々の他の部材と当接する面の面積を、エミッタ電極ブロックの凸部４１＜エミッタ側スペーサ２＜ＳｉＣチップ１＜コレクタ側スペーサ３＜コレクタ電極ブロックの凸部５１の順に大きくしている。
【００４６】
この第２の実施の形態のマルチチップ圧接型パッケージでは、第１の実施の形態と同様に小チップ薄型高温動作のＳｉＣ半導体チップを複数一括均等加圧して高温動作させることができる上に、凸部４１，５１により電極ブロック４，５それぞれの変形のＳｉＣチップ１への影響を低減することができ、また、ＳｉＣチップ１の端部への応力集中を避けることができる。
【００４７】
次に、本発明の第３の実施の形態のマルチチップ圧接型パッケージについて、図５を用いて説明する。第３の実施の形態のマルチチップ圧接型パッケージは、第１の実施の形態、第２の実施の形態の構成要素と同様であり、ＳｉＣチップ１、エミッタ側スペーサ２、コレクタ側スペーサ３、エミッタ電極ブロック４、コレクタ電極ブロック５を備えているが、さらに、エミッタ側スペーサ２とエミッタ電極ブロック４との対向部間に、コイルバネのような導電性バネ部材７を挿入した構成である。
【００４８】
この第３の実施の形態のマルチチップ圧接型パッケージでは、第１の実施の形態、第２の実施の形態と同様、小チップ薄型高温動作のＳｉＣ半導体チップを複数一括均等加圧して高温動作させることができ、またチップ１毎の加圧力を均等化すると共にヒートサイクル時の熱ストレスを緩和できる。
【００４９】
次に、本発明の第４の実施の形態のマルチチップ圧接型パッケージを、図６を用いて説明する。第４の実施の形態の特徴は、図５に示した第３の実施の形態に対して、バネ部材７に中空直方体状のものを用い、図６において上下の加圧方向と左右のせん断方向にバネ性を持たせた点にある。
【００５０】
この第４の実施の形態のマルチチップ圧接型パッケージによれば、エミッタ側スペーサ２とエミッタ電極ブロック４との対向部それぞれに中空直方体状のバネ部材７が面接触する構造となり、熱伝導や導電性において第３の実施の形態のバネ部材よりも優れたものとなる。また、せん断方向にもバネ性を有するバネ部材７を用いたことにより、ヒートサイクルによるストレスの吸収ができ、ＳｉＣチップ１による高温化、低損失化を考慮すれば、片面冷却だけで当該マルチチップ圧接型パッケージを使用できるようになる。
【００５１】
次に、本発明の第５の実施の形態のマルチチップ圧接型パッケージについて、図７を用いて説明する。第５の実施の形態は、パケットの両面の電極ブロック４，５と絶縁外囲器６との間を、板状の緩衝構造を有する接続部材８をロウ付けすることで接続したことを特徴とする。なお、絶縁外囲器６で包囲された内部の加圧一体化構造物の構成は、第１〜第４の実施の形態のいずれのものであってもよい。
【００５２】
この第５の実施の形態のマルチチップ圧接型パッケージの構成にすれば、電極ブロック４，５の水平方向、垂直方向の変形がスムーズとなり、熱的ストレス、機械的ストレスがかからないものとなる。
【００５３】
【発明の効果】
以上のように請求項１の発明によれば、小チップ高温動作のワイドギャップ半導体単結晶チップの複数個を一括、均等に加圧し一体化した構造のパッケージとすることによって高温で動作させることができる。
【００５４】
請求項２〜４の発明によれば、ワイドギャップ半導体単結晶チップを熱膨張率の近い金属や多結晶ＳｉＣで挟む構造にすることによって、熱ストレスを緩和することができ、より高温動作が可能となる。
【００５５】
請求項５及び６の発明によれば、ワイドギャップ半導体チップとスペーサ及び電極ブロックの形状、寸法を工夫することによって、均等加圧構造とすることができる。
【００５６】
請求項７〜９の発明によれば、エミッタ側スペーサとエミッタ電極ブロックとの対向部にバネ機能を有する部品を介挿することにより、半導体チップ、スペーサ、電極ブロック等の厚さの不均一性を吸収し、また加圧の偏りを吸収することができ、また、バネ機能を有する部品に加圧方向に垂直なせん断方向にもバネ機能を持たせることにより、高温ヒートサイクルの熱ストレスを吸収することができ、より高温動作が可能となる。
【００５７】
請求項１０の発明によれば、マルチチップ一体化構造物と絶縁外囲器との間に板状の緩衝構造を入れることにより、ワイドギャップ半導体チップが高温度に上昇することで両側の電極ブロックも高温度に上昇して熱変形するのを緩衝構造によって許容し、高温動作によりパッケージが熱損傷するのを防止できる。
【００５８】
請求項１１の発明によれば、ワイドギャップ半導体チップ、スペーサ、電極部フローチャートの一体化構造物の加圧力を従来の接触熱抵抗飽和レベルの１／２〜１／３以下の通電に必要な最小限の加圧力で一体化することにより、加圧機構の簡素化、軽量化が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態のマルチチップ圧接型パッケージの平面図。
【図２】上記第１の実施の形態のマルチチップ圧接型パッケージの断面図及び一部拡大断面図。
【図３】上記第１の実施の形態のマルチチップ圧接型パッケージに対する加圧力と接触熱抵抗、通電抵抗の定性的な関係を示すグラフ。
【図４】本発明の第２の実施の形態のマルチチップ圧接型パッケージの半導体チップ、スペーサを含む部分の拡大断面図。
【図５】本発明の第３の実施の形態のマルチチップ圧接型パッケージの半導体チップ、スペーサを含む部分の拡大断面図。
【図６】本発明の第４の実施の形態のマルチチップ圧接型パッケージの半導体チップ、スペーサを含む部分の拡大断面図。
【図７】本発明の第５の実施の形態のマルチチップ圧接型パッケージの絶縁外囲器と電極ブロックの端部との接合構造を示す拡大断面図。
【符号の説明】
１　ＳｉＣチップ
２　エミッタ側スペーサ
３　コレクタ側スペーサ
４　エミッタ電極ブロック
５　コレクタ電極ブロック
６　絶縁外囲器
７　バネ部材
８　接続部材
４１　凸部
５１　凸部
【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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