(57)【要約】【課題】  圧接型半導体装置における半導体チップの加圧接触面の端部における加圧応力の集中を緩和して半導体チップの加圧接触面全体の加圧応力分布を均衡させることの可能な圧接型半導体装置を提供する。【解決手段】  主電極と半導体チップの間に介在する一方の中間加圧部材の端縁部付近に端縁部の剛性が中央部の剛性より低下される剛性低下手段を設けることにより、半導体チップの加圧接触面の中間加圧部材の端縁での応力集中を緩和して全体の分布を均衡化を図る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する第１の主面と第２の主面にそれぞれ第１の主電極と第２の主電極を有する１個以上の半導体チップと、前記第１の主電極に接触して加圧する第１の中間加圧部材と、この第１の中間加圧部材に接触して加圧する第１の主加圧電極と、第２の主電極に接触して加圧する第２の中間加圧部材と、この第２の中間加圧部材に接触して加圧する第２の主加圧電極とを順次重ね合わせ、前記第１および第２の主加圧電極間に外部からの加圧力を加えて前記各部材を相互に加圧接触させる圧接型半導体装置において、前記の少なくとも一方の中間加圧部材に、その端縁部付近の剛性を低下させる手段を形成したことを特徴とする圧接型半導体装置。
【請求項２】
前記の中間加圧部材の端縁部付近の剛性を低下させる手段が、中間加圧部材の端縁部付近を部分的に階段状に切欠いた切欠きにより構成されたことを特徴とする請求項１記載の圧接型半導体装置。
【請求項３】
前記の中間加圧部材の端縁部付近の剛性を低下させる手段が、中間加圧部材の端縁部付近を部分的に部分的に溝状に切欠いた切欠きにより構成されたことを特徴とする請求項１記載の圧接型半導体装置。
【請求項４】
前記中間加圧部材の直角な角部の角を切り落としたことを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の圧接型半導体装置。
【請求項５】
前記主加圧電極の前記中間加圧部材と接触する面に凸状の押圧ポストを形成したことを特徴とする請求項１ない４の何れかに記載の圧接型半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えばＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴ、サイリスタ等の大容量のパワー半導体装置に好適な圧接構造を有する圧接型半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧接型半導体装置としては、図１１に示すような構成を有するものが、例えば特許文献１によりすでに知られている。
【０００３】
図１１に示す半導体装置は、半導体チップ５を複数個並置したマルチチップ形の圧接型半導体装置の例であり、この図において、１および２はそれぞれ複数の半導体チップ５の両側に共通に配置されたエミッタ側銅電極およびコレクタ側銅電極、３はエミッタ側銅電極１にそれぞれの半導体チップ５に対応して設けられた凸状の押圧ポスト１１が各半導体チップ５に対向する位置となるようにエミッタ側銅電極の位置決めを行なうためのエミッタ側ガイド、４は同様にコレクタ側銅電極２に設けられた凸状の押圧ポスト２１が各半導体チップ５と対向する位置となるようにコレクタ側銅電極２の位置決めを行なうためのコレクタ側ガイド、６および７は両銅電極の押圧ポストと半導体チップ５との間にそれぞれ配置されたモリブデンあるいはタングステン等からなるエミッタ側中間加圧部材およびコレクタ側中間加圧部材である。これらの部材は、図示しない絶縁材料で形成された外容器内に収納され、その内部に窒素などの不活性ガスを充填して密封される。このとき、２つの銅電極１，２は外部との接続を行なうために外部へ露出しており、その外側にそれぞれ図示しない冷却体を接合し、これらの冷却体の外側から加圧することにより前記各部材を相互に加圧接触させて電気的および熱的に接続する。
【０００４】
このような圧接構造の半導体装置における半導体チップの圧接面の加圧応力は、一般に図３に特性線Ｂで示すように、半導体チップの端縁付近に集中しここでピークとなり、中央部で低くなるような分布を示す。これは、加圧応力が半導体チップに加圧力を伝える中間加圧部材の端縁部に集中するためである。このため、半導体チップの中央部の加圧応力を高めようとすると、その分だけ端縁部の加圧応力が増大し、半導体チップの端縁部付近に応力がより過大に集中することになる。
【０００５】
このような半導体チップの加圧応力分布の不均衡は、半導体チップにおける電流分布および温度分布の不均衡を招き、これらの不均衡が複合的に作用することにより使用中に半導体チップが破損する危険がる。
【０００６】
このような半導体チップの圧接面の不均衡な応力分布を均衡化するため、従来は、特許文献２に示されるように、半導体チップの表裏両面に中間加圧部材をろう合金を介して接合することが提案されている。しかしこのような構造においても、半導体チップと中間加圧部材の熱膨張率が異なるため、両者の接合工程での加熱や、使用時の熱サイクルにより両者間に熱応力が生じ、半導体チップを破損することがある。
【０００７】
このような熱応力による半導体チップの破損を防止するためには、中間加圧部材の厚さを薄くする必要があるが、この中間加圧部材は、その剛性により外部からの加圧力を分散してその分布を均衡化するものであるため、厚さを薄くすると剛性の低下により、加圧力の分布が不均衡となり、これによって半導体チップの一部に加圧応力が集中し、そこから半導体チップが破損する恐れが生じる。
【０００８】
また、特許文献１においては、エミッタ側電極（第１電極）およびコレクタ側電極（第２電極）の中間加圧部材に接する面に設けた凸状の押圧ポストにより、中間加圧部材を介して半導体チップを圧接することにより、両電極と半導体チップとの熱膨張のバランスをとって半導体チップの横方向の応力を緩和するようにしている。しかしこのポスト構造の電極は、特に並置する半導体チップの個数が多くなると形状が複雑となり加工コストが高くなるだけでなく、通常はエミッタ側中間加圧部材の大きさがコレクタ側中間加圧部材より小さくその端縁部がコレクタ側中間加圧部材の端縁の内側にくるため、エミッタ側中間加圧部材の端縁に応力集中が発生し、これを解消することができないなどの問題がある。
【特許文献１】特開２００２−１１０８７６号公報
【特許文献２】特開平８−１６７６２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
この発明は、前記の従来装置における半導体チップおける加圧応力または熱応力による破損の危険を防止するために、簡単な構造で、半導体チップの加圧面の端縁部における加圧応力の集中を緩和して半導体チップの加圧接触面全体の加圧応力分布を均衡させることのできる圧接型半導体装置を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記の課題を解決するため、この発明は、対向する第１の主面と第２の主面にそれぞれ第１の主電極と第２の主電極を有する１個以上の半導体チップと、前記第１の主電極に接触して加圧する第１の中間加圧部材と、この第１の中間加圧部材に接触して加圧する第１の主加圧電極と、第２の主電極に接触して加圧する第２の中間加圧部材と、この第２の中間加圧部材に接触して加圧する第２の主加圧電極とを順次重ね合わせ、前記第１および第２の主加圧電極間に外部からの加圧力を加えて前記各部材を相互に加圧接触させる圧接型半導体装置において、前記２つの中間加圧部材の一方の部材に、その端縁部付近の剛性を低下させる手段を形成したことを特徴とするものである。
【００１１】
前記の発明において、前記の端縁部付近の剛性を低下させる手段は、第１の中間加圧部材の端縁付近を部分的に階段状に切欠いた切欠きにより構成することができる（請求項２）。
【００１２】
また、前記の端縁部付近の剛性を低下させる手段は、第１の中間加圧部材の端縁部付近を部分的に溝状に切欠いた切欠きにより構成することもできる（請求項３）。
【００１３】
前記各請求項の発明において、階段状に切欠きが設けら断面形状が凸状をなす中間加圧部材の角部を円弧状等に角を切り落とすのがよい（請求項４）。
【００１４】
前記各請求項の発明において、前記主加圧電極の前記中間加圧部材と接触する面に凸状の押圧ポストを形成することができる。
【発明の効果】
【００１５】
この発明によれば、半導体チップの第１の主電極に接触する中間加圧部材の端縁部付近の剛性を中央部の剛性より低下させる手段を設けたので、この中間加圧部材の端縁部付近の剛性が低下することより、この加圧部材を介して半導体チップに加えられる加圧部材の端縁部付近に集中していた加圧応力が低減されて、半導体チップに対する加圧応力が全面に分散して均衡化されることにより、半導体チップが破損する危険を低下することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、この発明の実施の形態を図に示す実施例について説明する。
【実施例１】
【００１７】
図１は、この発明の第１の実施例を示すものである。
【００１８】
図１において、１および２はそれぞれ複数の半導体チップ５の両側に共通に配置されたエミッタ側銅電極（第１の電極）およびコレクタ側銅電極（第２の電極）、３は絶縁材料で構成されたエミッタ側ガイド、４は同様に絶縁材料で構成されたコレクタ側ガイド、５はＩＧＢＴや、パワーＭＯＳＦＥＴなどを構成する半導体チップ、６は各半導体チップ５に対して前記エミッタ側ガイドによって位置決めされそのエミッタ電極（第１の主電極）面にそれぞれ接触されるモリブデンあるいはタングステン等の高剛性材料からなるエミッタ側中間加圧部材、７は同様に前記コレクタ側ガイド４によって各半導体チップ５に対して位置決めされそのコレクタ電極（第２の主電極）面にそれぞれ接触されるモリブデンあるいはタングステン等の高剛性材料からなるコレクタ側中間加圧部材、８はそれぞれ半導体チップ５とエミッタ側およびコレクタ側ガイドによってエミッタ側銅電極１およびコレクタ側銅電極２に接触されたエミッタ側中間加圧部材６およびコレクタ側中間加圧部材７とからなりチップユニットを位置決めするチップユニットガイドである。これらの部材は、図示しない絶縁材料で形成された外容器内に収納され、その内部に窒素などの不活性ガスを充填して密封される。このとき、２つの銅電極１，２は外部との接続を行なうために外部へ露出しており、その外側にそれぞれ図示しない冷却体を当接し、これらの冷却体の外側から加圧することにより前記各部材を相互に加圧接触させて電気的および熱的接続を行なう。なお、コレクタ側中間加圧部材７は、加圧接触でなく、半導体チップ５のコレクタ電極面にろう合金等を用いて固定的に結合するようにしてもよい。
【００１９】
このような構成において、エミッタ側中間加圧部材６は、図２に詳細を示すように、端縁部に全周にわたって部分的に階段状に切欠かれた切欠き６ｂが設けられ、端縁部付近の厚さが中央部分６ａの厚さより薄くなっている。
【００２０】
中間加圧部材６をこのような形状とすることによって、この部材の端縁部分の剛性が厚さの厚い中央部分の剛性に比べて低下する。このため、エミッタ側銅電極１からこの中間加圧部材６に加えられた加圧力が端縁部への集中が緩和されて中央部分に分散されるようになる。
【００２１】
具体的について説明する。図に２における中間加圧部材６は、高剛性材料のタングステンで形成され、各部の寸法を次のように選定している。
【００２２】
長辺６Ｗ          ：１７．３ｍｍ
短辺６Ｄ          ：１４．４ｍｍ
厚さ６Ｔ          ：３．０ｍｍ
切欠き６ｂの幅Ｗ  ：２．１ｍｍ
切欠き６ｂの高さＤ：２．０ｍｍ
このような中間加圧部材６を介して半導体チップ５を所定の圧力で加圧したときの半導体チップ５の加圧接触面における加圧応力の分布を有限要素法でシミュレーションした結果を従来装置の加圧応力の分布と併せて図３に示す。図３の特性線Ａは、この発明の実施例おける半導体チップの加圧接触面の長辺６Ｗ方向の加圧応力分布を示し、特性線Ｂは従来装置における同様の加圧応力分布を示している。
【００２３】
なお、従来の中間加圧部材としては、外形がこの発明の実施例の中間加圧部材と同じ大きさで切欠き６ｂをなくした構成のものを比較のために用いた。もちろん半導体チップ等の中間加圧部材以外の構成部材は両者同じものを使用している。
【００２４】
図３の横軸は、半導体チップ５の中心軸から長辺方向の距離（ｍｍ）を示し、縦軸は半導体チップの加圧接触面の受ける応力を単位化して示している。したがって、横軸のＷ１は切欠き６ｂの内側端の位置、Ｗ２は中間加圧部材６の長辺側の外側端の位置、そしてＷ３は半導体チップの長辺側の外側端の位置となる。また、Ｐ１は、この発明の実施例による半導体チップ５の加圧接触面の加圧応力のピーク値、Ｐ２は従来装置における半導体チップの加圧接触面の加圧応力のピーク値を示している。
【００２５】
従来の圧接形半導体装置の半導体チップの加圧接触面の加圧応力の分布は、特性線Ｂで示すように、中間加圧部材の外側端の位置となるＷ２で高いピーク値Ｐ２（約130）を有するとともに急激な変化を示すが、この発明によれば、半導体チップの加圧応力分布は、特性線Ａで示すように、中間加圧部材６の外側端位置Ｗ２においてピークを示すが、そのピーク値Ｐ１（約105）は、従来装置のピーク値Ｐ２より２割以上低減され、しかも中間加圧部材の内側における応力分布の低下も緩慢な変化となり均衡化していることがわかる。
【００２６】
このように、この発明によれば、半導体チップの加圧接触面の加圧応力の中間加圧部材の端縁部付近への集中が緩和されて分布が均衡化するため、使用中における半導体チップの破損の危険が低減され、信頼性を高めることができる。
【００２７】
なお、この実施例１において、前記中間加圧部材６は、図４に示すように、直角な角部Ｒの角を切り落として円弧状等にすると、この中間加圧部材の端縁部および切欠き６ｂの内周縁部における加圧力の集中がさらに緩和されるので、これと加圧接触する半導体チップの加圧接触面の加圧応力のピークがさらに低減し、より分布を均衡化することができる。
【００２８】
さらにこの実施例においては、図５および図６に示すように、中間加圧部材６，７と接触する銅電極１および２の少なくとも一方の接触面に凸状の押圧ポスト１１または２１を設け、この押圧ポストにより中間加圧部材を加圧する構成とすることができる。このように押圧ポストにより中間加圧部材を加圧するようにすると、中間加圧部材の中央部分が加圧されることになるので、中間加圧部材の端縁部付近の加圧力の集中がさらに緩和されることになり、中間加圧部材６による加圧力の集中緩和作用と相まって半導体チップ５の加圧接触面の加圧応力分布をより均衡化することができる。
【実施例２】
【００２９】
図７および図８にこの発明の第２の実施例を示す。
【００３０】
この実施例２も、図７から明らかなように、エミッタ側銅電極１およびコレクタ側銅電極２の間にそれぞれエミッタ側中間加圧部材６およびコレクタ側中間加圧部材７を介してＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴなどを構成する半導体チップ５が挟まれ、外部からの加圧力により各部材が加圧接触される構成を有する。３、４および８は、各部材の位置決め用のガイドである。この実施例２におけるエミッタ側中間加圧部材６には、端縁部付近に、実施例１における階段状に切欠いた切欠き６ｂの代わりに、周回した溝状に切欠いた切欠き６ｃが設けられている。中間加圧部材６は、ここでは図８に示すように平面形状が正方形に形成され、切欠き６ｃは、この部材の平面外形と相似な正方形に形成されている。
【００３１】
銅電極１の中間加圧部材６との接触面には凸状の押圧ポスト１１が形成され、この押圧ポスト１１により中間加圧部材６の切欠き６ｃの内側の中央部分６ａ接触してこれを押圧するようにしている。
【００３２】
このように中間加圧部材６に溝状の切欠き６ｃを設けると、この部分で中間加圧部材６の厚さが薄くなり、剛性が低下し、この溝状の切欠き６ｃが剛性低下手段として機能する。このように中間加圧部材６の端縁部の内側に剛性を低下させる手段として溝状の切欠き６ｃが設けられると、この中間加圧部材６の中央部６ａで受けた加圧力が溝状の切欠き６ｃで剛性が低下に伴う変形によりで弱められ、その外側の端縁部の導体チップ５に対する加圧力が減少する。
【００３３】
したがって、この実施例２においても、中間加圧部材６における端縁部付近に設けられた溝状の切欠き６ｃが、実施例１の中間加圧部材６における端縁部付近の階段状の切欠き６ｂと同様の剛性を低下させる作用をすることによって、銅電極１、２の外側から所定の加圧力で加圧した場合、半導体チップ５の加圧接触面における加圧応力分布は、実施例１における図３に特性線Ａで示す応力分布と同様の傾向を示し、中間加圧部材６端縁部におけるの応力のピーク値が低減され、分布が全体に均衡化する。
【００３４】
このような実施例２においては、銅電極１押圧ポスト１１の断面を円形に形成した場合、中間加圧部材６に設ける溝状の切欠き６ｃは、図９および図１０に示すように、押圧ポスト１１を取り囲む円形または楕円形とするのがよい。特に中間加圧部材６の平面が長方形となる場合には、その縦横の長さの比に応じて、短辺側に長い楕円形にすることにより中間加圧部材の長辺と短辺における端縁の加圧力を等しくできないまでも、その差を縮小することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
この発明は、対向する第１の主面と第２の主面にそれぞれ第１の主電極と第２の主電極を有する１個以上の半導体チップと、前記第１の主電極に接触して加圧する第１の中間加圧部材と、この第１の中間加圧部材に接触して加圧する第１の主加圧電極と、第２の主電極に接触して加圧する第２の中間加圧部材と、この第２の中間加圧部材に接触して加圧する第２の主加圧電極とを順次重ね合わせ、前記第１および第２の主加圧電極間に外部からの加圧力により前記各部材を相互に加圧接触させる圧接型半導体装置において、中間加圧部材の端縁部に剛性を低下させる手段を設けるだけの簡単な構成により、半導体チップの加圧接触面の応力の集中を緩和し、その分布の均衡化を図ることができるので、加圧接触型半導体装置における半導体チップの破損事故を軽減でき信頼性を向上でき有益である。
また、前記実施例においては、半導体チップを複数並置したマルチチップ形の半導体装置の例を示したが、この発明は、半導体チップを１個にしたシングルチップ形の半導体装置にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】この発明の第１の実施例による加圧接触型半導体装置を示す縦断面図である。
【図２】この発明の第１の実施例で使用する中間加圧部材の斜視図である。
【図３】加圧接触型半導体装置における半導体チップの加圧接触面の応力分布の説明図である。
【図４】この発明の第１の実施例で使用する中間加圧部材の変形例を示す正面図である。
【図５】この発明の第１の実施例の変形例を示す縦断面図である。
【図６】この発明の第１の実施例の他の変形例を示す縦断面図である。
【図７】この発明の第２の実施例による加圧接触型半導体装置を示す縦断面図である。
【図８】この発明の第２の実施例で使用する中間加圧部材の斜視図である。
【図９】この発明の第２の実施例において使用する中間加圧部材の変形例を示す平面図である。
【図１０】この発明の第２の実施例において使用する中間加圧部材の他の変形例を示す平面図である。
【図１１】従来の加圧接触型半導体装置を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１    エミッタ側銅電極（第１主電極）
２    コレクタ側銅電極（第２主電極）
５    半導体チップ
６    エミッタ側中間加圧部材
７    コレクタ側中間加圧部材
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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