(57)【要約】【課題】  圧接等による外力や熱応力による半導体素子の破損を防止することができる半導体装置の提供。【解決手段】  半導体素子２は、導電性配線部材７上に固設された熱緩衝材９の上に導電性接着剤１０により固着される。導電性配線部材７上には、半導体素子２の周囲を囲むように壁部１３が立設される。壁部１３の上端面には電極板６が固着され、半導体素子２の配設空間は封止される。電極板６の中央部は半導体素子側に突出しており、その凸部６ａに設けられた熱緩衝材１２は、導電性接着剤１０により半導体素子２の電極部２００に固着されている。凸部６ａと縁部６ｂとは可撓性の連結部６ｃにより連結されているので、導電性配線部材４，５を圧接したときの加圧力は壁部１３に加わるだけで、半導体素子２が破損することはない。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表裏両面に電極が形成された半導体素子を第１の導電性部材と第２の導電性部材とで挟持し、前記第１および第２の導電性部材の各々に導電性配線部材または放熱性部材が押圧される半導体装置において、
前記半導体素子の周囲を囲むように設けられ、前記第１の導電性部材と第２の導電性部材とで挟持される壁部を備え、
前記第２の導電性部材は、（ａ）前記壁部に固定され、前記導電性配線部材または放熱性部材が押圧される圧接部と、（ｂ）前記圧接部に押圧された前記導電性配線部材または放熱性部材との間に隙間が形成されるように前記半導体素子に固定される接続部と、（ｃ）前記圧接部と前記接続部とを連結し、前記圧接部から前記接続部に伝わる押圧力を減衰させる可撓性の連結部とで構成されることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記接続部の厚さを前記接続部よりも厚くしたことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の半導体装置において、
前記第１および第２の導電性部材と前記半導体素子との熱膨張差による熱応力を低減する熱緩衝材を、前記第１および第２の導電性部材と前記半導体素子との間にそれぞれ設けたことを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発熱量の大きな半導体素子を有する半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力用半導体装置のようにＩＧＢＴ等のパワートランジスタを備えた半導体装置では、半導体素子からの発熱量が大きいため、素子冷却のための冷却構造が重要となっている。そのため、発生した熱を半導体素子の表裏両面方向に放熱するような放熱構造を採用するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。すなわち、半導体素子の表面側および裏面側に放熱板を設け、それらの放熱板により半導体素子を挟持するような構造を有している。放熱板と半導体素子との間には高熱伝導性の絶縁基板が設けられ、各部材間の熱伝導性を向上させるために圧接構造が用いられている。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−１７４１８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、圧接のためには、放熱部を含む装置全体を加圧するための加圧機構、例えば、ボルト締結構造やプレス機械が必要となる。しかしながら、ボルト締結の場合には半導体装置に均一に力を与えるのが難しく、局所的に大きな力が加わって半導体素子を破損するおそれがあった。一方、プレス機械を用いた場合には均一な加圧が可能であるが、装置の大型化および高コスト化が問題となる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、表裏両面に電極が形成された半導体素子を第１の導電性部材と第２の導電性部材とで挟持し、第１および第２の導電性部材の各々に導電性配線部材または放熱性部材が押圧される半導体装置に適用される。そして、半導体素子の周囲を囲むように設けられ、第１の導電性部材と第２の導電性部材とで挟持される壁部を備える。さらに、第２の導電性部材は、（ａ）壁部に固定され、導電性配線部材または放熱性部材が押圧される圧接部と、（ｂ）圧接部に押圧された導電性配線部材または放熱性部材との間に隙間が形成されるように半導体素子に固定される接続部と、（ｃ）圧接部と接続部とを連結し、圧接部から接続部に伝わる押圧力を減衰させる可撓性の連結部とで構成される。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、第１の導電性部材は、導電性配線部材や放熱部材が押圧される圧接部と半導体素子に固定される接続部とが、圧接部から接続部に伝わる押圧力を減衰させる可撓性の連結部で連結されているため、半導体素子への押圧力の影響を低減することができる。その結果、半導体素子の損傷が防止される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。
−第１の実施の形態−
図１は本発明による半導体装置の第１の実施の形態を示す図であり、半導体装置１およびその電極部分に押圧される導電性配線部４，５を示す斜視図である。図１に示すように、半導体装置１は壁部１３とその上下に設けられた電極板６，７を備えている。ＩＧＢＴ等の半導体素子（不図示）は、電極板６，７の間に挟まれるように配設されている。
【０００８】
導電性配線部４，５は、半導体装置１を上下から挟むように圧接される。導電性配線部４，５はバスバーとも呼ばれ、半導体装置１から電力を取り出すための機能と、半導体装置１で発生した熱を放熱する働きとを併せ持っている。一般的に、導電性配線部材４，５は、放熱器などの冷却手段が設けられる。
【０００９】
図２は、導電性配線部材４，５が設けられた半導体装置１の断面図である。電極板７上には導電性の熱緩衝材９が設けられており、半導体素子２は電導性接着剤１０により熱緩衝材９の上に接着されている。電導性接着剤１０には半田、ＡｕＳｎ、銀銅ろう、アルミろうなどが用いられる。熱緩衝材９は電極板７と半導体素子２との熱膨張差による熱応力を低減するために設けられたものであり、熱膨張係数が電極板７と半導体素子２との中間である電導性部材や、両者の熱膨張差を吸収できる電導性部材が用いられる。例えば、電極板７の材質が銅（Ｃｕ）である場合には、モリブデン（Ｍｏ）等が熱緩衝材９として用いられる。半導体素子２は素子の表裏両面に電極が形成されており、半導体素子２の裏面は電導性接着剤１０および熱緩衝材９を介して下側の電極板７と電気的に接続されている。
【００１０】
一方、半導体素子２の上面には電力用電極部２００と制御用の端子１１が接続される電極部２０１とが形成されており。電力用電極部２００は、熱緩衝材１２を介して上側の電極板６に固着されている。熱緩衝材１２は電極板６に固定されており、熱緩衝材１２は電導性接着剤１０によって電力用電極部２００上に固着されている。電極板６は、中央部が下側に窪んだ矩形状の導電性平板であり、熱緩衝材１２は電極板６の中央に形成された凸部６ａに設けられている。
【００１１】
電極板７の縁部７ｂには、電気絶縁体で構成される壁部１３が半導体素子２を囲むように立接されている。制御用端子１１は、この壁部１３を貫通して半導体素子ユニット３の側方に突出している。壁部１３は導電性接着剤１４により電極板７に接着され、壁部１３の上端面には電極板６の縁部６ｂが導電性接着剤１４により接着されている。その結果、半導体素子２の配設空間は、外部環境に対して密封されることになる。
【００１２】
導電性配線部材４，５は半導体装置１を挟むように圧接されるが、圧接の際にはプレス機等を用いて上下両方から加圧する。この加圧により、導電性配線部材４，５と電極板６，７との電気的および熱的接合がより良好となる。後述するように、電極板６，７においては、加圧力は壁部１３と接続されている縁部６ｂ，７ｂに作用するので、半導体素子２に直接作用することはない。そのため、加圧によって半導体素子２が損傷することはない。
【００１３】
図３，４は、半導体装置１の製作工程および導電性配線部材４，５の圧接工程を示したものである。まず、図３の工程(a)では、図示したような形状の電極板６，７を形成し、熱緩衝材７，９をそれぞれ固設する。電極板６，７には銅やアルミなどの金属が用いられる。電極板６の場合には、中央が下側に凸となるように成形し、その凸部６ａの下面に熱緩衝材１２を固設する。また、電極板７は縁部７ｂよりも中央部７ａがやや高く形成され、その中央部７ａ上に熱緩衝材９が固設される。
【００１４】
工程(b)では、熱緩衝材９の上に導電性接着剤１０を設置し、電極板７の周辺部７ｂに導電性接着剤１４を設置する。なお、導電性接着剤１０，１４に関しては、ペースト塗布やメッキなどで予め電極板７や熱絶縁部材９に設置しておくと組み立てが容易となる。工程(c)では、設置された導電性接着剤１０の上に半導体素子２を載置する。上述したように、半導体素子２の上面には電力用電極部２００と制御用電極部２０１とが形成されている。
【００１５】
次いで、図４の工程(d)では、電力用電極部２００および制御用電極部２０１の上に導電性接着剤１０を設置し、電極板７の周辺部７ｂに設置された導電性接着剤１４の上に制御用端子１１が設けられた壁部１３を載置する。その後、壁部１３の上端面に導電性接着剤１４を設置する。壁部１３の上下両端面には、導電性接着剤１４との接合が容易となるようにメタライズ処理が施される。
【００１６】
工程(e)では、工程(a)に示したように熱緩衝材１２が設けられた電極板６を電力用電極部２００の導電性接着剤１０の上に載置する。このとき、電極板６の縁部６ｂは、壁部１３の導電性接着剤１４の上に載置される。その後、これらを加熱炉に入れて導電性接着剤１０，１４の溶融・冷却を行うことにより、熱緩衝材９，１２および制御用端子１１と半導体素子２との接着、および、壁部１３と電極板６，７との接着が行われる。これにより、半導体素子２が設けられている空間は気密封止されることになる。
【００１７】
なお、上述した熱処理工程を真空炉中で行えば、半導体装置１の密閉空間を真空状態で封止することができる。また、熱処理工程を不活性ガス中で行えば、密閉空間内に不活性ガスが密封されることになる。次いで、工程(f)では、半導体装置１の上下に導電性配線部材４，５を配設し、加圧機構（不図示）により上下から加圧すると、電極板６の縁部６ｂと導電性配線部材４とが圧接され、電極板７と導電性配線部材５とが圧接される。
【００１８】
その結果、半導体素子２の裏面側は、熱緩衝材９および電極板７を介して導電性配線部材５と電気的・熱的に接続される。半導体素子２の裏面側においては、発生した熱は熱緩衝材９および電極板７を介して導電性配線部材５へと伝達される。一方、半導体素子２から導電性配線部材４へと流れる電流および熱は、熱緩衝材１２を介して電極板６の凸部６ａへと伝達され、凸部６ａから縁部６ｂへと流れて導電性配線部材４へと伝達される。導電性配線部材４および５に伝達された熱は、それぞれ不図示の放熱器により放熱される。このように半導体素子２で発生した熱は上下方向に伝達され、導電性配線部材４および５により放熱される。
【００１９】
また、半導体装置１を導電性配線部材４，５で挟んで図４の工程(f)のように加圧した場合、電極板６の凸部６ａの部分は導電性配線部材４との間に隙間があるので、加圧力は壁部１３の部分に集中して作用する。加圧により導電性接着剤１４が変形して電極板６全体が半導体素子２側に変位すると、電極板６は薄板であるため凸部６ａと縁部６ｂとの連結部６ｃが弾性変形する。このとき、半導体素子２にも電極板６の弾性力による力が均一に加わるが、縁部６ｂに加わる加圧力に比べれば格段に小さい。
【００２０】
すなわち、本実施の形態の半導体装置では、接合部における熱的・電気的抵抗をより小さくするために大きな力で加圧した場合でも、連結部６ｃが弾性変形して撓むため凸部６ａの下面に熱緩衝材１２を介して配設された半導体素子２に過大な力が作用しない。その結果、半導体素子２の損傷を防止することができる。また、導電性配線部材４，５の加圧には微妙な力の調整が必要なく、簡単な加圧機構で構成することができる。さらに、熱緩衝材９，１２を介して電極部材７，２６と導電性配線部材５，４とを接合するようにしたので、熱膨張差による熱応力が低減され半導体素子２の信頼性向上を図ることができる。
【００２１】
なお、図３，４に示した製造工程から判るように、工程(a)〜(e)までの半導体装置１を製造する工程と圧接工程(f)とを、一連の工程としてではなく別々のものとして分けて製造することができるので、半導体装置１の製造および取り扱いが容易となる。また、半導体素子２が気密封止されるため、半導体素子２の劣化を抑制することができる。
【００２２】
−第２の実施の形態−
図５は本発明の第２の実施の形態を示す図であり、半導体装置１０１は半導体素子２の上側に設けられた電極板２６のみが図２に示したものと異なる。ここでは異なる部分を中心に説明する。図２に示した例では、電極板６を弾性変形しやすい可撓性の薄板で形成したが、図５に示す電極板２６では、熱緩衝材１２が設けられている中央部２６ａの厚さおよび壁部１３と導電性配線部材４との間に挟まれる縁部２６ｂの厚さを電極板７程度の厚さとし、中央部２６ａと縁部２６ｂとの間の連結部２６ｃは厚さを薄くした。そのため、電極板２６は連結部２６ｃの部分で撓みやすくなっている。
【００２３】
第２の実施の形態の場合も、加圧力は壁部１３の部分に集中し、電極板２６の連結部２６ｃが撓むため、半導体素子２に過大な力が作用して破損するようなことはない。また、導電性配線部材４と接合される電極板２６の縁部２６ｂの厚さを厚くしたので、接合部における電気抵抗が小さくなるとともに、半導体素子２に対して電流が均一に流れることになる。さらに、熱緩衝材１２を介して半導体素子２の上部に配設された中央部２６ａを厚くしたことにより、電気抵抗が小さくなるとともに半導体素子２に対して電流が均一に流れることになる。また、半導体素子２で発生した熱を素子上面から均一に放熱させることができる。さらに、中央部２６ａの熱容量が大きくなることから、半導体素子２に過渡的な発熱があった場合でも、半導体素子２の急激な温度上昇を防止することができる。
【００２４】
図５に示した半導体装置１０１では、電極板２６，７に導電性配線部材４，５を接合させ、さらに導電性配線部材４，５に放熱器（不図示）を設けるような構成とした。図６に示す半導体装置１０２では、電極板２６，７に放熱器３８，３９を直接接合するようにした。電極板３６，３７と放熱器３８，３９とは、圧接により接合される。電極板２６，７は、壁部１３より左側方に張り出した配線部２６ｄ，７ｄが形成されており、この配線部２６ｄ，７ｄが図５の導電性配線部材４，５の機能を兼ねている。放熱器３８，３９は電気的絶縁性の材料で形成しても良いし、導電性の材料の表面に絶縁層を形成したものであっても良い。
【００２５】
上述した実施に形態では、圧接により半導体装置１０１と導電性配線部材４，５とを固定したが、以下ではその他の固定方法について説明する。
（固定方法１）
図７，８は第１の固定方法を説明する図であり、図７は導電性配線部材４，５が取り付けられた半導体装置１０３の断面図、図８はそれらの斜視図である。第１の固定方法では、電極板２６，７と対向する導電性配線部材４，５とをボルト３０，３１によって結合する。すなわち、電極板２６および電極板７にそれぞれネジ穴を形成し、導電性配線部材４，５にはボルト３０，３１が貫通する孔が形成される。そして、ボルト３０により、導電性配線部材４を壁部１３の上端に接着された電極板２６に固定する。一方、ボルト３１により、導電性配線部材５を壁部１３の下端に接着された電極板７に固定する。壁部１３の上下端面には、ボルト３０，３１の先端が干渉しないように、逃げ用の孔１３ａが形成されている。
【００２６】
このように、ボルト３０，３１により電極板２６，７と対向する導電性配線部材４，５とを締結することにより、互いの接合が達成される。各接合部における加圧力は、ボルト３０，３１の締め付けトルクを変えることによりに調整することができる。図８に示すように、導電性配線部材４，５は図示左方向に引き出されている。この第２の変形例においても、電極板２６に撓みやすい連結部２６ｃを形成しているので、ボルト３０，３１を締め付けて接合部に大きな加圧力を与えても半導体素子２に大きな力は作用せず、半導体素子２の破損を防止することができる。
【００２７】
さらに、半導体素子２にはボルト３０の締結力が直接作用せず、連結部２６ｃの弾性力しか作用しないので、半導体素子２には比較的均一に力が加わる。そのため、プレス機のような特別な加圧機構を必要とせず、上述したようなボルト締結のような簡便な加圧機構で圧接が可能となり、装置全体の小型化、軽量化、低コスト化を図ることができる。
【００２８】
（固定方法２）
図９は第２の固定方法を説明する断面図である。図５に示した半導体装置１０１では電極板６，７とそれらに対向する導電性配線部材４，５とを圧接により接合したが、図９に示す固定方法では電極板６，７と導電性配線部材４，５とを導電性接着剤４０により固着するようにした。導電性接着剤４０には、半導体装置１０１に用いられている導電性接着剤１０，１４よりも溶融温度が低いものを用いる。
【００２９】
すなわち、導電性接着剤１０，１４の溶融・固化による半導体装置１０１の形成の後に、導電性配線部材５、導電性接着剤４０、半導体装置１０１、導電性接着剤４０および導電性配線部材４の順に積層する。そして、積層されたものを加熱炉に入れて導電性接着剤４０を溶融・固化させることにより、半導体装置１０１と導電性配線部材４，５とが固着される。なお、導電性接着剤４０を用いて固着する代わりに、抵抗加熱、プロジェクション、レーザ等の溶接により電極板２６，７と導電性配線部材４，５とを固着させるようにしても良い。
【００３０】
（固定方法３）
図１０，１１は第３の固定方法を説明する図であり、図１０は導電性配線部材４，５が取り付けられた半導体装置１０４の断面図、図１１はそれらの斜視図である。上述した第１の固定方法では、半導体装置の上下からボルト締結するような構成としたが、第３の固定方法では、ボルト３０，３１をいずれも上方から締め付けるような構成とした。まず、下側の導電性配線部材５の取付に関しては、電極板７を壁部１３の外側に大きく張り出させて、その張り出した部分をボルト３１により締結するようにした。この場合、導電性配線部材５にネジ孔を形成し、電極板７にはボルト３１が貫通する孔を形成した。
【００３１】
一方、導電性配線部材４に関しては、ボルト３０とナット３２を用いて電極板２６に固定する。この場合、導電性配線部材４および電極板２６の縁部２６ｂにはボルト３０が貫通する孔がそれぞれ形成され、ナット３２は縁部２６ｂの下面に固設されている。壁部１３には、ナット３２との干渉を避けるための孔１３ｂが形成されている。なお、ナット３２は壁部１３に固設しても良い。
【００３２】
図１に示した電極板６のように薄板部材を用いた場合には電極板６にネジ穴を形成し難いので、このようにボルト３０とナット３２により締結する方法は有効である。図１１は斜視図であり、導電性配線部材４はｘ方向に引き出されており、導電性配線部材５はｙ方向に引き出されている。このような第３の固定方法では、一方向からボルト固定ができるため、図７，８に示した第１の固定方法に比べて作業性に優れている。
【００３３】
以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、電極板７は第１の導電性部材を、電極板６，２６は第２の導電性部材を、凸部６ａおよび中央部２６ａは接続部を、縁部６ｂ、２６ｂは圧接部をそれぞれ構成する。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明による半導体装置の第１の実施の形態を示す斜視図である。
【図２】導電性配線部材４，５が設けられた半導体装置１の断面図である。
【図３】半導体装置１の製作工程を示す図であり、工程(a)〜工程(ｃ)までを示したものである。
【図４】半導体装置１の製作工程である工程(ｄ)，（ｅ）および導電性配線部材４，５の圧接工程（ｆ）示したものである。
【図５】第２の実施の形態を示す断面図である。
【図６】半導体装置１０２を示す断面図である。
【図７】第１の固定方法を説明する断面図である。
【図８】半導体装置１０３，導電性配線部材４，５を示す斜視図である。
【図９】第２の固定方法を説明する断面図である。
【図１０】第３の固定方法を説明する断面図である。
【図１１】半導体装置１０４，導電性配線部材４，５を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３５】
１，１０１〜１０４  半導体装置
２  半導体素子
４，５  導電性配線部材
６，７  電極板
６ａ  凸部
６ｂ，７ｂ，２６ｂ  縁部
６ｃ，２６ｃ  連結部
７ａ，２６ａ  中央部
９，１２  熱緩衝材
１３  壁部
３８，３９  放熱器
【図１】
2005347684.tif 000003
【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】
2005347684.tif 000009
【図８】
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【図９】
2005347684.tif 000011
【図１０】
2005347684.tif 000012
【図１１】
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