(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに反対側にある面（１４）を有する２つの電極（１２ａ、１２ｂ）と、
前記２つの電極（１２ａ、１２ｂ）間に挟まれた半導体ウェハ（１６）と、
前記２つの電極（１２ａ、１２ｂ）に取付けられ、前記半導体ウェハ（１６）を取り囲む外側絶縁リング（２４）と、
前記外側絶縁リング（２４）の内側に位置し、前記半導体ウェハ（１６）を取り囲む、プラスチック材料から形成される中間絶縁リング（４０）と、
前記中間絶縁リング（４０）の内側に位置し、セラミックおよび／またはガラス材料で形成される内側絶縁リング（４２）と、
を備える半導体装置（１０）であって、
前記中間絶縁リング（４０）または前記内側絶縁リング（４２）のいずれか一方はさね（５６）を有し、これらのリングのうちの他方は溝（５８）を有し、回転整列するように前記さね（５６）が前記溝（５８）に嵌合し、
前記中間絶縁リング（４０）および前記内側絶縁リング（４２）は、前記半導体装置（１０）のゲート接続部（２８）を収容するための径方向の開口部（５４）を有する、半導体装置（１０）。
【請求項２】
前記中間絶縁リング（４０）が、前記内側絶縁リング（４２）を入れ子にした、請求項１に記載の半導体装置（１０）。
【請求項３】
前記外側絶縁リング（２４）はセラミック材料で形成されている、請求項１または２に記載の半導体装置（１０）。
【請求項４】
前記中間絶縁リング（４０）はポリマー材料で形成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置（１０）。
【請求項５】
前記中間絶縁リング（４０）は、前記電極のうちの１つ（１２ａ）の環状溝（５０）内に差し込まれた軸方向に延在する縁（４８）を含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置（１０）。
【請求項６】
前記中間絶縁リング（４０）は、前記半導体ウェハ（１６）に向かって突出した環状凸部（４６）を含み、前記内側絶縁リング（４２）は、前記環状凸部（４６）上に位置する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置（１０）。
【請求項７】
前記中間絶縁リング（４０）は、前記内側絶縁リング（４２）の内側で、前記電極のうちの１つ（１２ｂ）と前記半導体ウェハ（１６）を取り囲むゴムリング（３８）との間に収容される、径方向に延在する縁（５２）を含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体装置（１０）。
【請求項８】
前記ゴムリング（３８）は、前記中間絶縁リング（４０）の環状凸部（４６）と前記半導体ウェハ（１６）との間に収容される、請求項７に記載の半導体装置（１０）。
【請求項９】
前記電極（１２ａ、１２ｂ）の各々は、前記外側絶縁リング（２４）が取り付けられる、径方向に延在するフランジ（２２）を含む、請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体装置（１０）。
【請求項１０】
前記電極（１２ａ、１２ｂ）は銅で形成されている、請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体装置（１０）。
【請求項１１】
前記電極（１２ａ、１２ｂ）のうちの少なくとも１つと前記半導体ウェハ（１６）との間にモリブデン層（１８）をさらに備え、および／または、
前記半導体ウェハ（１６）はシリコンで形成されている、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の半導体装置（１０）。
【請求項１２】
前記半導体ウェハは、サイリスタ、トランジスタ、および／またはダイオードのうちの少なくとも１つである半導体スイッチ（２０）を担持する、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の半導体装置（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明は、同様に設計された他のパワー半導体装置と積層可能なパワー半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
発明の背景
そのようなプレスパック半導体装置は、大電流整流器または中電圧駆動装置などの高出力コンバータ用途において使用可能である。これらのシステムでは、装置が阻止能力を失ない、逆方向に故障電流が過剰に生じ得るような故障が生じる場合がある。この故障電流によって生じる局所的な加熱によって、装置内に電気アーク放電が発生し得る。電気アーク放電の温度が高く（約２０，０００℃）、その結果圧力が上昇するため、気密封止されたプレスパックハウジングが損傷する場合がある。
【０００３】
アークにおいて放出されたエネルギーが十分に高い場合、アークプラズマがハウジングの薄い金属フランジを介して燃焼する場合がある、または、Ｓｉウェハを取り囲む、ハウジングのセラミック絶縁リングに亀裂を生じる場合がある。十分に速いヒューズを使用して半導体装置を保護可能である。また、予想される短絡電流全体の下で破壊しないハウジング設計によって、さらに半導体装置を保護可能である。
【０００４】
アークプラズマのフランジおよびセラミックリングに対する影響を防止し、それによってプレスパック半導体装置の非破壊能力を改善するために、ポリマー材料からなるリング状の保護部を、セラミックリングとＳｉウェハとの間の空間に配置することが可能である。
【０００５】
ＤＥ  １０３  ０６  ７６７  Ａ１は、２つの電極間に挿入されたハウジングアイソレータを有するプレスパック半導体装置に関する。ハウジングアイソレータ内では、別のアイソレータが半導体素子を取り囲んでいる。
【０００６】
ＤＥ  ８９  ０９  ２４４  Ｕ１は、ハウジングの一部としてセラミックリングを有するプレスパック半導体装置を示す。セラミックリング内には、テフロン（登録商標）バンドを配置可能である。
【０００７】
ＤＥ  ３０  ３２  １３３  Ｃ２は、半導体が配置されている、シリコーンの防爆要素を取り囲むセラミックのシリンダ要素を有するプレスパック半導体装置を示す。
【０００８】
ＥＰ  ２４４７９８８  Ａ１は、半導体装置を開示する。この半導体装置は、互いに反対側にある面を有する２つの電極と、これらの２つの電極間に挟まれた半導体ウェハと、これらの２つの電極に取付けられ、半導体ウェハを取り囲む外側絶縁リングと、外側絶縁リング内に位置し、半導体ウェハを取り囲み、プラスチック材料から形成される中間絶縁リングと、中間絶縁リング内に位置し、セラミックおよび／またはガラス材料で形成される内側絶縁リングとを備える。これとよく類似した半導体装置が、ＪＰ  Ｈ０４１１４４７４  Ａに示されている。
【０００９】
さらに、ＤＥ  １９７１０２０７  Ａ１は、パワーエレクトロニクス素子の公知の汎用のハウジングを開示している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
発明の説明
アークが原因で、ポリマー材料の摩耗によってハウジング内で圧力が生じる場合がある。また、これによって、半導体装置のハウジングの非破壊性能が制限される場合がある。
【００１１】
本発明の目的は、半導体装置の非破壊性能を高めることである。
この目的は、独立項の主題によって達成される。他の例示的な実施形態は、従属項およびこの後の説明から明らかである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、１０Ａおよび／または１．０００Ｖより大きいスイッチング電流用のパワー半導体モジュール／装置であり得る、半導体モジュールまたは半導体装置に関する。
【００１３】
本発明のある実施形態によると、半導体装置は、互いに反対側にある面を有する２つの電極と、２つの電極間に挟まれた半導体ウェハと、２つの電極に取付けられ、半導体ウェハを取り囲む外側絶縁リングと、外側絶縁リングの内側に位置し、半導体ウェハを取り囲み、プラスチック材料から形成される中間絶縁リングと、中間絶縁リングの内側に位置し、セラミックまたはガラス材料で形成される内側絶縁リングとを備える。また、内側絶縁リングは、半導体ウェハを取り囲み得る。さらに、中間絶縁リングまたは内側絶縁リングのいずれかはさねを有し、これらのリングのうちの他方は溝を有し、回転整列するようにさねが溝に嵌合している。特にこの場合、半導体ウェハからのゲートワイヤを内側絶縁リングおよび中間絶縁リングを介して案内しなければならない場合、ゲートワイヤのための対応する開口部が、内側絶縁リング内の対応する開口部または溝に嵌合する、中間絶縁リングのさねまたは凸部によって位置合わせされ得る（またはその逆）。さらに、中間絶縁リングおよび内側絶縁リングは、半導体装置のゲート接続部（ワイヤなど）を収容するための径方向の開口部を有する。このまたはこれらの開口部は、実質的に径方向に延在する貫通孔および／または溝でもよい。
【００１４】
電極および外側絶縁リングは、半導体ウェハを気密封止可能な、半導体装置の外側（プレスパック）ハウジングを形成し得る。このハウジング内部で、異なる絶縁材料からなるさらに２つの保護リング、すなわち、プラスチック材料からなる中間絶縁リングおよびセラミックまたはガラス材料からなる内側絶縁リングが配置される。これらの２つのリングは、１つの部材または２つの部材として設けることが可能である。内側セラミック絶縁リングは、中間プラスチック絶縁リングをアーク放電から保護可能であり、および／または、プラスチックの絶縁リングだけの場合と比べて、ケース非破壊電流がはるかに大きくなる。
【００１５】
大電流試験において、プレスパックハウジングの場合のアーク放電保護解決策の主な限界は、アークプラズマによるポリマー保護リングの摩耗によって、著しく大きな圧力を発生し得ることである（１０バール以上）。この圧力の発生によって、ハウジングの非破壊性能が、たとえばハウジングの部品間の溶接の破壊を招くことによって制限される場合がある。高い非破壊性能を得るために、プラスチック材料（機械的特性、電気絶縁、および／またはコストおよび製造性について有利であり得る）から形成される、アーク保護用の絶縁リングが、アーク摩耗、およびその結果生じる圧力の発生を減らし、プラスチックの絶縁リングに対する圧力波の直接の影響をも減らす、セラミックまたはガラスなどの高耐熱材料と組み合わされる。
【００１６】
中間絶縁リングは、プラスチック材料から形成可能である、および／または、内側絶縁リングとして低い熱安定性を有し得る。しかしながら、内側絶縁リングがアークプラズマにさらされることによって割れる場合でも、この中間絶縁リングはより可撓性を有し、および／または、内側絶縁リングのために構造安定性を供給し得る。
【００１７】
内側絶縁リングは、高耐熱セラミックまたはガラス材料から形成可能である、および／または、過度に圧力を発生させることなくアークプラズマに直接さらすことが可能である。しかしながら、内側絶縁リングは、中間絶縁リングよりも高い剛性を有し得る。内側絶縁リングの堅固なセラミック部品は、電気アークが発生した場合、プラスチック絶縁リングをさらに遮蔽し得る。
【００１８】
内側絶縁リングは、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、機械加工可能なガラス‐セラミック材料および／またはガラス材料で形成可能である。
【００１９】
たとえば、外側、中間、および／または内側絶縁リングは、円形状を有していてもよい、および／または、互いに同心でもよい。しかしながら、これらのリングは、他の形状を有していてもよい。
【００２０】
本発明のある実施形態によると、中間絶縁リングおよび内側絶縁リングは、互いに入れ子になった２つの異なる部材である。たとえば、ほぼ同一の設計の２種類の半導体装置を設けてもよい。アーク保護が十分でない装置は中間絶縁リングのみを有し得るのに対して、アーク保護が十分な装置は、内側絶縁リングが中間絶縁リング内に設けられたものと同じ設計を有し得る。
【００２１】
本発明のある実施形態によると、内側絶縁リングは中間絶縁リング上を被覆する。中間絶縁リングおよび内側絶縁リングを、１つの部材として設けることも可能である。中間絶縁リングは、少なくとも部分的にセラミックおよび／またはガラス材料で被覆され得る。
【００２２】
この場合、アーク保護が十分でない、および十分である、２つのほぼ同様に設計された装置がそれぞれ設けられると、部品点数までもが同一なので、さらに組立ステップは必要ではない。被覆されていない絶縁リングが設けられる場合もあれば、被覆された絶縁リングが設けられる場合もある。
【００２３】
たとえば、ポリマー絶縁リングは、プラズマ溶射によって準備可能な、ＴｉＯ２および／またはＡｌ２Ｏ３などのセラミック材料で少なくとも部分的に被覆可能である。
【００２４】
本発明のある実施形態によると、外側絶縁リングは、内側絶縁リングの材料と同じまたは異なる材料である、セラミック材料で形成される。
【００２５】
本発明のある実施形態によると、中間絶縁リングはポリマー材料で形成される。このような材料の例は、ＰＴＦＥ、ＰＰＡ、ＰＥＩおよび／またはシリコーンである。
【００２６】
本発明のある実施形態によると、中間絶縁リングは、電極のうちの１つの環状の溝に差し込まれた軸方向に延在する縁を備える。外側絶縁リングは電極に溶接可能であるのに対して、中間リングおよび内側リングは、ハウジングの他の部分とのみ接着可能である。
【００２７】
本発明のある実施形態によると、中間絶縁リングは、半導体ウェハに向かって突出する環状の凸部を含み、内側絶縁リングは、環状凸部上に位置する。たとえば、中間リングは、略Ｌ字形状の断面を有し得る。内側絶縁リングの他端部（凸部と接触している端部の反対側）は、中間絶縁リングに突き出していることもある電極と接触し得る。このようにして、アークが中間絶縁リングに届かないようにすることができる。
【００２８】
本発明のある実施形態によると、中間絶縁リングは、内側絶縁リングの内部で、電極のうちの１つと半導体ウェハを取り囲むゴムリングとの間に収容される、径方向に延在する縁を含む。ゴムリングは、電極と直接接触していないウェハの表面を保護可能である。
【００２９】
本発明のある実施形態によると、ゴムリングは、中間絶縁リングの環状凸部と半導体ウェハとの間に収容される。このゴムリングは、内側絶縁リングが位置する凸部であり得る。
【００３０】
本発明のある実施形態によると、電極の各々は、外側絶縁リングが取付けられる、径方向に延在するフランジを含む。電極の各々は、各々の側に、外側絶縁リングの取付けに使用されるリング形状のフランジを有する、大きな円柱状の本体部を含む。
【００３１】
本発明のある実施形態によると、電極は銅で形成されているが、アルミニウムなどの他の材料を電極に用いてもよい。
【００３２】
本発明のある実施形態によると、半導体装置は、電極のうちの少なくとも１つと半導体ウェハとの間にモリブデン層をさらに備える。半導体ウェハは、シリコン（Ｓｉ）系でもよい。この場合、モリブデン層は、Ｓｉおよび銅電極の異なる熱膨張率を補償する。
【００３３】
本発明のある実施形態によると、ウェハは、サイリスタ、トランジスタ、および／またはダイオードの場合もある半導体スイッチを含む。半導体装置は、あらゆる種類の大電力スイッチを収容可能である。
【００３４】
本発明のこれらおよび他の態様は、以下で説明される実施形態から明らかであり、これらの実施形態を参照して説明される。
【００３５】
本発明の主題は、添付の図面で示される例示的な実施形態を参照して、以下でより詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明のある実施形態に係る半導体装置の断面を示す斜視図である。
【図２】本発明のある実施形態に係る半導体装置の部材の断面を示す斜視図である。
【図３】本発明のある実施形態に係る半導体装置の内側リングの一部を示す図である。
【図４】本発明のある実施形態に係る半導体装置の中間リングおよび内側リングの部分断面を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
図面で使用される参照符号およびそれらの意味は、参照符号のリストに一覧に要約して列挙されている。原則として、図面において、同じ部分には同じ参照符号が付されている。
【００３８】
例示的な実施形態の詳細な説明
図１は半導体装置１０を示す。この半導体装置は、互いに反対側にある平行な面１４を有する２つの銅電極１２ａ、１２ｂと、これらの２つの電極１２ａ、１２ｂ間に挟まれたシリコンウェハ１６とを含む。加えて、モリブデン層１８を、下部電極１２ｂとウェハ１６との間に、および／または上部電極１２ａとウェハ１６との間に挿入可能である。サイリスタなどの半導体スイッチ２０を含むシリコンウェハ１６を、電極１２と光学バッファ層１８との間で固定可能である。
【００３９】
浮遊設計の代替として、ウェハ１６は底部電極１２ｂ上の厚いモリブデン支持層に、たとえば低温接合プロセスを用いて接合可能である。これは、半導体装置１０の冷却の点で利点を有し得る。
【００４０】
半導体装置１０は同様に設計された他の半導体装置１０と積層可能であり、この場合、電極１２ａ、１２ｂの面１４は、接触磁極片として機能し得る。
【００４１】
電極１２ａ、１２ｂは、薄い可撓性フランジ２２（これも銅で形成されていてもよい）を含み、これらのフランジは、電極１２ａ、１２ｂから径方向に延在している、および／または、接触面１４をリング形状に取り囲んでいる。
【００４２】
フランジ２２に取付けられたセラミックの外側絶縁リング２４（中空シリンダの形状を有し得、異なる電位であり得る上部電極１２ａと下部電極１２ｂとの間で必要な隙間および／または沿面距離を確保するように、フィン構造をさらに備えることが可能である）は、半導体装置１０の内部構成要素、たとえばウェハ１６、１つまたは複数のモリブデン層１８、および電極１２ａ、１２ｂの内側部分などを取り囲む。
【００４３】
外側絶縁リング２４は、半導体装置１０のプレスパックハウジング２６の側壁を形成する。ハウジング２６は、たとえば外側リング２４に溶接可能な２つの電極１２ａ、１２ｂをさらに備え、この溶接によってハウジング２６を気密封止する。
【００４４】
制御可能なスイッチ２０の場合、ワイヤ形状のゲート接続部２８をウェハ１８の中心から側壁の外へ、すなわち、外側絶縁リング２４の外へ案内可能である。この場合、外側絶縁リング２４はゲート接続部２８のための開口部３０を有する場合があり、および／または、上部電極１２ａは２つの部分３２で組み立てることが可能である。これらの部分は互いに積層されると、ゲート接続部２８を収容するために、電極１２ａを通るチャネルを形成する。
【００４５】
上部電極１２ａおよび／または上部モリブデン層１８は、中央開口部３４を有してもよく、この開口部では、ゲート接続部２８をウェハ１６に押し付けるために使用されるばね要素３６が収容される。
【００４６】
上部電極１２ａは、ウェハ１６の側方を完全には覆っていなくてもよく、電極１２ａの内側部分を取り囲むゴムリング３８が、ウェハ１６の縁およびウェハ１６の側方を覆い得る。
【００４７】
アークをさらに保護するために、半導体装置１０は、プラスチック材料の中間絶縁リング４０と、セラミックまたはガラス材料の内側絶縁リング４２とを備える。中間絶縁リング４０は温度に対して内側絶縁リング４２よりも高い感度を有し得るのに対して、中間絶縁リング４０は、内側絶縁リング４２よりも高い機械的可撓性を有し得る。たとえば、中間絶縁リングはＰＴＦＥから形成可能であり、内側絶縁リング４２は、高耐熱性セラミック材料から形成可能である。
【００４８】
絶縁リング２４、４０、４２は同心であり得る。内側絶縁リング４２は中空シリンダ状に形成可能である、すなわち、円柱状の内面および外面を有し得る。
【００４９】
中間絶縁リング４０は、略Ｌ字状の断面を有し得る（図２および図４も参照）。中間絶縁リング４０は、軸方向に並べられた壁４４および径方向内側に突出する凸部４６を有し得る。内側リング４２は、この凸部４６上に位置し得る。
【００５０】
縁４８は、壁４４から軸方向に延在し、上部電極１２ａを取り囲む溝５０内に突き出ている。別の縁５２が、凸部４６から径方向内側に延在し、ゴムリング３８と下部電極１２ｂとの間で突き出ている。
【００５１】
中間絶縁リング４０および内側絶縁リング４２は、ゲート接続部２８を通して案内するための開口部５４を有し得る。図３に示すように、この開口部５４は、内側絶縁リング４２において溝として設けることができる。
【００５２】
図１では、２つの絶縁リング４０、４２は、互いに入れ子になった２つの部材である。
図２は、内側絶縁リング４２が中間絶縁リング４０上を被覆し得ることを示す。この被覆は、壁４４の内側に加えて、凸部４６および／または縁５２に設け得る。
【００５３】
図４は、中間絶縁リング４０の開口部５４と内側絶縁リング４２とを並べるために、リング４０、４２がさねはぎ構造を有し得ることを示す。たとえば、絶縁リング４０は、リング４２の溝５８に嵌合するさね５６を有し得る。
【００５４】
本発明は図面および上述の説明において詳細に図示され記述されているが、このような図示および記述は制限的なものではなく、説明的または例示的なものであると考えるべきである。つまり、本発明は開示された実施形態に制限されない。図面、本開示、および添付の請求項の検討から、開示された他の実施形態の変形例が、請求項に記載の本発明を実施する当業者によって理解され、行なうことができる。請求項において、「備える、含む」という語は他の構成要素またはステップを除外せず、単数は複数を除外しない。特定の手段が相互に異なる従属請求項に列挙されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせを効果的に使用できないこと示しているわけではない。請求項におけるいずれの参照符号も、本発明の範囲を制限するものとして解釈されるべきではない。
【００５５】
参照符号のリスト
【符号の説明】
【００５６】
１０  半導体装置、１２ａ  上部電極、１２ｂ  下部電極、１４  電極の面、１６  ウェハ、１８  モリブデン層、  ２０  半導体スイッチ、２２  電極のフランジ、２４  外側絶縁リング、２６  ハウジング、２８  ゲート接続部、３０  開口部、３２  上部電極の部分、３４  開口部、３６  ばね要素、３８  ゴムリング、４０  中間絶縁リング、４２  内側絶縁リング、４４  中間絶縁リングの壁、４６  凸部、４８  縁、５０  溝、５２  縁、５４  開口部、５６  さね、５８  溝。
【図１】
0006427693.tif 000002
【図２】
0006427693.tif 000003
【図３】
0006427693.tif 000004
【図４】
0006427693.tif 000005