(57)【要約】【課題】  配線接続部の寿命を向上させることにより、従来よりも高温動作させた場合や高温環境下で使用した場合であっても信頼性の高い、モジュール型半導体装置を提案する。【解決手段】  半導体チップ１１の側方に、支柱２０を立設し、弾性力を有する板状の導体１８を、この半導体チップ１１の電極のそれぞれに対し、付勢させた状態で掛け渡し固定することにより、電極と導体１８とを加圧接触させる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に電極を有する半導体チップと、この半導体チップの電極と電気的に接続する導体とを具備するモジュール型半導体装置において、
前記半導体チップの電極と前記導体とを、加圧接触させたことを特徴とするモジュール型半導体装置。
【請求項２】
前記半導体チップの側方に複数の支柱を立設し、これらの支柱に弾性体からなる前記導体を、前記電極に対して付勢させた状態で掛け渡し固定することにより、前記半導体チップの電極と前記導体とを、加圧接触させたことを特徴とする請求項１に記載のモジュール型半導体装置。
【請求項３】
前記弾性体からなる導体が、この導体に比べて熱膨張係数の低い材料を、重ねて接合させたものであることを特徴とする請求項２に記載のモジュール型半導体装置。
【請求項４】
前記半導体チップが、ＳｉＣからなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のモジュール型半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、モジュール型半導体装置に関し、温度変化に対して高い信頼性を維持し得るモジュール型半導体装置を提案しようとするものである。この発明のモジュール型半導体装置は、一般的な電力変換器などに用いられるが、低温から高温まで使用環境の温度変化が大きい、車載用途にて特に好適である。
【背景技術】
【０００２】
ＳｉＣ（炭化珪素）はシリコンに比べてバンドギャップが広く、破壊電界強度が高く、しかも銅並みの熱伝導度を有している。このような特性を有するＳｉＣを用いた半導体装置が実際に得られるようになった近年では、半導体装置を高温動作させることや高温環境の下で使用することについて注目されるようになった。
【０００３】
ところが、従来のモジュール型半導体装置においては、高温動作を行ったり、高温環境の下で使用したりした場合には、半導体チップに形成されている電極と、この電極に電気的に接続しているボンディングワイヤとの接合部が、熱疲労により信頼性が低下するという問題があった。
【０００４】
図８に、従来のモジュール型半導体装置の一例を示す。図８においては、説明の便宜上、一つの主表面にカソード電極、もう一方の主表面にアノード電極を有する縦型ダイオードの一枚の半導体チップと、パッケージ内のカソード電極とを図示している。すなわち、半導体チップ８１は、セラミックス製基板の表面上に銅回路板を直接接合してなる基板（ＤＢＣ基板）８２上に設けられ、半導体チップ８１の図示しないアノード電極と基板８２の銅回路板とが電気的に接続するようにしてはんだ接合されている。また、この基板８２が、放熱用金属板８３上に、はんだ接合により取り付けられている。
【０００５】
また、放熱用金属板８３上に、絶縁物８４を介してパッケージ内のカソード電極８５が、はんだ接合されている。
【０００６】
そして、半導体チップ８１のカソード電極とパッケージ内のカソード電極８５とをボンディング配線８６により接続している。
【０００７】
この半導体チップ８１のカソード電極に接続されているボンディング配線８６の接続部が、動作時の高温と非動作時の常温との温度変化により繰り返して熱応力を受けることから、脆化する結果、接続不良を来たして半導体装置の寿命が低下する問題があった。
【０００８】
また、基板８２と放熱用金属板８３とのはんだ接合部や、基板８２と半導体チップ８１とのはんだ接合部も、同様に熱応力を受けて脆化する結果、半導体チップの電気的接続や放熱が不十分となって半導体装置の寿命が低下する問題があった。
【０００９】
このような問題を解決しようとする信頼性の高いモジュール型半導体装置に関し、特許文献１においては、パワー素子の過熱を即座に正確に検出し、パワー素子を冷却して温度調節することでパワー素子を破壊させないようにしたパワーモジュールが提案されている。
【００１０】
しかしながら、上記特許文献１に記載のモジュール型半導体装置は、基本的にパワー素子の過熱を防止しようとするものであるから、接合部が熱疲労を生じることを回避するものではなく、そのため、長時間あるいは高温で動作させた場合の信頼性については、なお改善の余地があった。
【特許文献１】特開２００３−１７９１９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述した半導体装置の寿命の低下は、縦型ダイオードの場合に限られず、トランジスタやその他の半導体装置の場合であっても、半導体チップの電極がボンディング配線によりパッケージ内の電極に接続しているならば生じてしまう。そして、車のダッシュボード内で使用される半導体装置のように高温と低温の差が著しい環境で使用される半導体装置の場合や、ＳｉＣからなる半導体装置のように高温で動作可能の素子では、高温動作させるが故に、上述した寿命の低下、信頼性の低下が特に問題となる。
【００１２】
この発明は、上記の問題を有利に解決するもので、配線接続部の寿命を向上させることにより、従来よりも高温動作させた場合や高温環境下で使用した場合であっても信頼性の高い、モジュール型半導体装置を提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この発明は、表面に電極を有する半導体チップと、この半導体チップの電極と電気的に接続する導体とを具備するモジュール型半導体装置において、前記半導体チップの電極と前記導体とを、加圧接触させたことを特徴とするモジュール型半導体装置である。
【発明の効果】
【００１４】
この発明においては、表面に電極を有する半導体チップと、この半導体チップの電極と電気的に接続する導体とを具備するモジュール型半導体装置において、前記半導体チップの電極と前記導体とを、加圧接触させている。したがって、半導体チップの電極に対して、配線導体が、機械的に付勢された状態で接続していることから、高温動作や高温環境で使用をしても、熱応力による脆化に由来した導通不良が生じず確実に接続できる。したがって、信頼性が高い半導体装置となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を用いてこの発明をより具体的に説明する。
【００１６】
図１に、この発明に従う半導体装置の第１実施例を正面図（同図（ａ））及び平面図（同図（ｂ））で示す。この図１に示した実施例は、半導体チップ１１が、ダイオードの場合であって、一つの主表面に２つの主電極を有する半導体装置の例である。
【００１７】
すなわち、半導体チップ１１は、表面にカソード電極１１ｃ及びアノード電極１１ａを有し、この半導体チップ１１は、絶縁基板１２上に、はんだ接合により取り付けられている。この絶縁基板１２は放熱用金属板１３上に、はんだ接合により取り付けられている。また、この放熱用金属板１３上には、絶縁物１４を介してパッケージ内のカソード電極１５及びアノード電極１６が、それぞれはんだ接合されて設けられている。
【００１８】
また、半導体チップ１１の表面に有しているカソード電極１１ｃとパッケージ内のカソード電極１５とが導体１８によりモリブデン板１９を介して接続され、アノード電極１１ａとアノード電極１６とが導体１８によりモリブデン板１９を介して接続されるようにしている。このモリブデン板１９は、導体１８と共にこの発明における導体を構成するものであり、半導体チップの電極１１ｃと導体１８と間に介在させると熱応力が緩和される。
【００１９】
そして、この実施例においては、半導体チップ１１のカソード電極１１ｃと導体１８とを、モリブデン板１９を介して加圧接触させており、また、半導体チップ１１のアノード電極１１ａと導体１８とを、モリブデン板１９を介して加圧接触させて接続している。
【００２０】
この加圧接触は、具体的には、半導体チップ１１の側方に、支柱２０を立設し、そして、従来のボンディングワイヤの代わりに、弾性力を有する板状の導体１８を、この半導体チップ１１のカソード電極１１ｃ及びアノード電極１１ａのそれぞれに対し、モリブデン板１９を介して付勢させた状態で掛け渡し固定することにより、導体１８と電極１１ｃ又は１１ａとを加圧接触させている。
【００２１】
なお、導体１８とパッケージ内のカソード電極１５も、立設された支柱２０に掛け渡された導体１８の付勢力により加圧接触させている。導体１８とパッケージ内のアノード電極１６も同様に加圧接触させている。
【００２２】
この実施例において、半導体チップ１１の電極１１ｃ、１１ａと導体１８とを加圧接触させる作用について、図２に示す模式図を用いて説明する。
【００２３】
図１に示した導体１８は、ある程度の厚みを有して板状をなす弾性体である。そして、図２（ａ）に示すように導体１８を、モリブデン板１９を介して半導体チップ１１の電極１１ｃ又は１１ａ上に設け、次いで、図２（ｂ）に示すように、導体１８の弾性域で撓ませた状態で両端部を支柱２０に固定させると、導体１８の弾性力により半導体チップ１１の電極と１１ｃ又は１１ａとが、加圧接触することになる。従来のように配線をボンディングすることなく、機械的な加圧接触により半導体チップの電極と接続していることから、高温時においてもボンディング配線が剥がれたりする不具合を生じることがなく確実に接続し、かつ、繰り返し熱応力を受けても脆化しないので、信頼性の高い半導体装置となる。
【００２４】
図示した例では、導体１８の形状について、支柱２０に取り付ける固定する端部近傍の厚みが中央部寄りよりも薄くなっており、この端部の厚みにより弾性力を調整している。この発明に従う半導体装置は、導体の形状は限定されない。要は、適切な付勢力を生じさせ得るものであればよい。
【００２５】
また、導体１８の材料は、電気抵抗が低く、かつ、適切な付勢力を付与できるものであれば特に限定されないが、例えば、ベリリウム銅などを用いることができる。
【００２６】
支柱２０の材料は、特に問わない。支柱には付勢力の反力としての引張応力を受けるから、この引張応力に耐えうる材料であればよい。
【００２７】
導体１８と支柱２０との固定は、付勢力を上回る固着力が得られる固定方法であれば手段を問わない。例えば、図２に示したようにねじ２１を用いた機械的な固定法があり、この他、溶接などによることもできる。
【００２８】
支柱２０を立設する手段についても特に問わないが、例えば、取り付ける放熱用金属板に溝を設けて機構的に嵌め合わせたり、ねじ止め固定したりすることができる。
【００２９】
また、図１に示した第１実施例では、この絶縁基板１２が放熱用金属板１３上に取り付けられているが、この放熱用金属板１３の代わりに、ヒートシンクを用いることもできる。さらに、放熱用金属板１３とヒートシンクとを併用することもできる。
【００３０】
図３を用いて、この発明に従う半導体装置の第２実施例を説明する。
【００３１】
図３は、第２実施例の正面図（同図（ａ））及び平面図（同図（ｂ））である。この図３に示した実施例は、半導体チップ３１がＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)などのトランジスタの場合であって、一つの主表面に３つの主電極を有する半導体装置の例であり、図１及び図２と同一構成の部材には同一符号を付している。
【００３２】
すなわち、半導体チップ３１は、表面にコレクタ電極３１ｃ、エミッタ電極３１ｅ及びゲート電極３１ｇを有している。一方、放熱用金属板１３上には、絶縁物１４を介してパッケージ内のコレクタ電極３５、エミッタ電極３６及びゲート電極３７が、それぞれはんだ接合されて設けられている。さらに、半導体チップ３１の表面に有しているコレクタ電極３１ｃとパッケージ内のコレクタ電極３５とが、導体１８によりモリブデン板１９を介して接続されるようにしている。同様に、半導体チップのエミッタ電極３１ｅとエミッタ電極３６とが導体１８によりモリブデン板１９を介して接続され、半導体チップのゲート電極３１ｇとゲート電極３７とが、導体１８によりモリブデン板１９を介して接続されるようにしている。
【００３３】
そして、この実施例においても、第１実施例同様に、半導体チップ３１の側方に支柱２０を立設し、弾性力を有する板状の導体１８を、この半導体チップ３１のコレクタ電極３１ｃ、エミッタ電極３１ｅ及びゲート電極３１ｇのそれぞれに対し、モリブデン板１９を介して付勢させた状態で掛け渡し固定することにより、両者を加圧接触させて接続している。
【００３４】
図３に示した第２実施例のように、半導体チップ３１がトランジスタの場合であっても、この発明に従い、半導体チップの電極と導体とを加圧接触させることにより、高温時においてもボンディング配線が剥がれたりする不具合を生じることがなく確実に接続し、かつ、繰り返し熱応力を受けても脆化しないので、信頼性の高い半導体装置となる。
【００３５】
図４を用いて、この発明に従う半導体装置の第３実施例を説明する。
【００３６】
図４は、第３実施例の正面図（同図（ａ））及び平面図（同図（ｂ））である。この図４に示した実施例は、半導体チップ４１が縦型ダイオードの場合であって、一つの主表面に１つの主電極を有し、もう一方の主表面に１つの主電極を有する半導体装置の例である。図１〜図３と同一構成の部材には同一符号を付している。
【００３７】
すなわち、半導体チップ４１は、一方の主表面（表面）にカソード電極４１ｃを、もう一方の主表面（裏面）にアノード電極４１ａを有している。この半導体チップ４１は、セラミックス製基板の表面上に銅回路板を直接接合してなる基板（ＤＢＣ基板）４２上に、この半導体チップ４１のアノード電極４１ａと基板４２の銅回路板とが電気的に接続するようにしてはんだ接合されている。このＤＢＣ基板４２は放熱用金属板１３上に、はんだ接合により取り付けられている。
【００３８】
また、この放熱用金属板１３上には、絶縁物１４を介してパッケージ内のカソード電極４５が、はんだ接合されて設けられている。
【００３９】
さらに、半導体チップ４１の表面に有しているカソード電極４１ｃとパッケージ内のカソード電極４５とが、導体１８によりモリブデン板１９を介して接続されるようにしている。
【００４０】
そして、この実施例においても、第１実施例同様に、半導体チップ４１の側方に支柱２０を立設し、弾性力を有する板状の導体１８を、この半導体チップ４１のカソード電極４１ｃに対し、モリブデン板１９を介して付勢させた状態で掛け渡し固定することにより、両者を加圧接触させて、接続している。
【００４１】
図４に示した第３実施例のように、半導体チップ４１が縦型ダイオードの場合であっても、この発明に従い、半導体チップの電極と導体とを加圧接触させることにより、高温時においてもボンディング配線が剥がれたりする不具合を生じることがなく確実に接続し、かつ、繰り返し熱応力を受けても脆化しないので、信頼性の高い半導体装置となる。
【００４２】
また、導体１８による半導体チップ４１への付勢力は、半導体チップ４１とＤＢＣ基板４２とのはんだ接合部や、ＤＢＣ基板４２と放熱用金属板１３とのはんだ接合部にも及ぶから、これらのはんだ接合部が仮に脆化したとしても、この付勢力により接合部は加圧接触されるから導通不良などが生じない。この点でも、信頼性の高い半導体装置となる。
【００４３】
図４に示した第３実施例においては、半導体チップ４１は、ＤＢＣ基板４２上に、この半導体チップ４１のアノード電極４１ａと基板４２の銅回路板とが電気的に接続するようにしてはんだ接合されているが、図５に示すように、ＤＢＣ基板を介在させることなく、半導体チップ４１を放熱用金属板１３にはんだ接合する構成にすることもできる。すなわち、この図５に示した例では、放熱用金属板１３が、半導体チップ４１の裏面のアノード電極と電気的に接続して導通するようになっている。
【００４４】
図５に示した構成によれば、図４に示した第３実施例において、半導体チップ４１のカソード電極４１ｃと導体１８とを加圧接触させることによる効果の他、導体１８による半導体チップ４１への付勢力が、半導体チップ４１と放熱用金属板１３とのはんだ接合部にも及ぶから、これらのはんだ接合部の信頼性を向上させることができる。
【００４５】
図６を用いて、この発明に従う半導体装置の第４実施例を説明する。
【００４６】
図６は、第４実施例の正面図（同図（ａ））及び平面図（同図（ｂ））である。この図６に示した実施例は、半導体チップ３１がＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)などのトランジスタの場合であって、一つの主表面（表面）に２つの主電極を有し、もう一つの主表面（裏面）に１つの主電極を有する半導体装置の例であり、図１〜図５と同一構成の部材には同一符号を付している。
【００４７】
すなわち、半導体チップ６１は、表面にエミッタ電極６１ｅ及びゲート電極６１ｇを有し、裏面にコレクタ電極６１ｃを有している。この半導体チップ６１は、放熱用金属板１３上に、この半導体チップ６１の裏面のコレクタ電極６１ｃと放熱用金属板１３とが電気的に接続するようにはんだ接合されている。
【００４８】
また、この放熱用金属板１３上には、絶縁物１４を介してパッケージ内のエミッタ電極６６が、はんだ接合されて設けられるとともに、絶縁物１４を介してパッケージ内のゲート電極６７が、はんだ接合されて設けられている。
【００４９】
また、半導体チップ６１の表面に有しているエミッタ電極６１ｅとパッケージ内のエミッタ電極６６とが導体１８によりモリブデン板１９を介して接続され、一方、半導体チップのゲート電極６１ｇとパッケージ内のゲート電極６７とが、ゲート用導体６２によりモリブデン板６３を介して接続されるようにしている。
【００５０】
そして、半導体チップ６１の側方に支柱２０を立設し、弾性力を有する板状の導体１８を、この半導体チップ６１のエミッタ電極６１ｅに対し、モリブデン板１９を介して付勢させた状態で掛け渡し固定することにより、両者を加圧接触させて接続している。
【００５１】
また、この導体１８の下方における、半導体チップ６１のゲート電極６１ｇに向かう部分には、絶縁物６４が設けられ、この絶縁物６４とゲート電極６１ｇとの間に設けられた前記ゲート用導体６２及びモリブデン板６３を、この導体１８により付勢させるように構成されていることから、ゲート電極６１ｇとゲート用導体６２とが、モリブデン板６３を介して加圧接触されて接続している。
【００５２】
図６に示した第４実施例のように、半導体チップ６１が表面、裏面のそれぞれに主電極を有するトランジスタの場合であってもこの発明に従い、半導体チップの電極と導体とを加圧接触させることにより、高温時においてもボンディング配線が剥がれたりする不具合を生じることがなく確実に接続し、かつ、繰り返し熱応力を受けても脆化しないので、信頼性の高い半導体装置となる。また、導体１８による半導体チップ６１への付勢力が、半導体チップ６１と放熱用金属板１３とのはんだ接合部にも及ぶから、これらのはんだ接合部の信頼性を向上させることができる。
【００５３】
図７を用いて、この発明に従う半導体装置の第５実施例を説明する。すなわち、この発明においては、半導体チップの電極と加圧接触させる導体について、熱膨張係数の低い材料を重ねて接合したものとすることができる。これを図７（ａ）に示す正面図及び図７（ｂ）、（ｃ）に示す模式図で説明する。撓ませた状態で両端部が支柱２０に固定される導体７８は、例えば銅製の導体７８ａと、この銅製の導体７８ａよりも熱膨張係数の低い材料７８ｂとを、重ねて接合したものである。このように、熱膨張係数の異なる材料を接合させたものは、バイメタルとして知られていて、高温になると熱膨張係数の低い側へ湾曲する。このような原理を利用して、図７に示すように導体７８として、熱膨張係数の低い材料を、半導体チップの電極とは反対の面に重ねて接合したものを用いると、常温で所定の加圧力であったものが（同図（ｂ））、熱応力が生じる高温動作時には（同図（ｃ））、加圧する力を常温時よりも高めることができるので、信頼性をいっそう高めることができる。
【００５４】
なお、熱膨張係数が低い材料については、バイメタルに用いられる材料やタングステンなどを用いることができ、所望の付勢力に応じて適宜選択することができる。
【００５５】
この発明に従う半導体装置は、半導体チップがシリコンである場合のほか、ＳｉＣを用いることができる。すなわち、図１〜図７を用いて説明した実施例の半導体チップとして、ＳｉＣを用いることができ、また、これまで説明した実施例以外にも、この発明に従い、半導体チップの電極と導体とを加圧接触させる、その半導体チップとして、ＳｉＣを用いることができる。
【００５６】
半導体チップに、ＳｉＣを用いることにより、シリコンチップよりも高温条件で動作させることが可能になり、また、高温環境下で使用することが可能になる。かような高温動作、高温環境下での使用の場合に、信頼性の低下が特に問題になるところ、この発明に従い、半導体チップの電極と導体とを加圧接触させると、半導体チップと導体、あるいは半導体チップと放熱用金属板などとの接合部のような熱応力が加わる部分において信頼性の低下を招くことがないので、特に有利に適合する。
【００５７】
また、半導体チップにＳｉＣを用いると、素子動作時における半導体装置の放熱効率が低い場合であっても、シリコン半導体チップに比べて問題を生じないので、この発明に従う半導体チップの電極と導体との加圧接触の程度を緩和することができ、機構が簡素化できる。
【００５８】
以上、この発明の実施例を図面を用いて説明したが、この発明は、図示した例に限定されず、この発明の作用効果を奏する範囲において、幾多の変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】この発明に従う半導体装置の第１実施例を示す図である。
【図２】第１実施例の作用を説明する模式図である。
【図３】この発明に従う半導体装置の第２実施例を示す図である。
【図４】この発明に従う半導体装置の第３実施例を示す図である。
【図５】この発明に従う半導体装置の第３実施例の変形例を示す図である。
【図６】この発明に従う半導体装置の第４実施例を示す図である。
【図７】この発明に従う半導体装置の第５実施例を示す図である。
【図８】従来のモジュール型半導体装置を示す正面図である。
【符号の説明】
【００６０】
１１  半導体チップ
１２  絶縁基板
１３  放熱用電極板
１４  絶縁物
１８  導体
【図１】
2005252001.tif 000003
【図２】
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【図３】
2005252001.tif 000005
【図４】
2005252001.tif 000006
【図５】
2005252001.tif 000007
【図６】
2005252001.tif 000008
【図７】
2005252001.tif 000009
【図８】
2005252001.tif 000010