(57)【要約】      （修正有）【課題】半導体素子と電極間のずれを無くし、高さのばらつく素子に対しても安定した接触抵抗を与えることができる半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置には、封止半導体素子１１とこれを収納する筐体４とが設けられている。封止半導体素子１１は、主電極５および電極体２あるいは配線パターンがそれぞれ表面および裏面に配置されて接触あるいは接合されて並列配置された複数の半導体素子１と、これを封止する弾性を持つ封止絶縁体３とを備えている。封止半導体装置を収納する筐体４は加圧手段として用いられ、封止半導体素子１１に圧力を加えて、電極体２あるいは配線パターンおよび主電極５を半導体素子１に対して押圧する。【効果】温度変化による熱変形、使用時の振動および衝撃荷重による電極のずれを大幅に低減することができ、半導体素子への損傷を抑えることができ、多数の素子に対しても安定した接触抵抗を均等に与えることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に主電極が配置されるとともに裏面に電極体が配置された半導体素子が、弾性を持つ封止絶縁体により封止されてなる封止半導体素子と、
上記封止半導体素子に圧力を加えて、上記電極体および上記主電極を上記半導体素子に対して押圧する加圧手段と
を備えた半導体装置。
【請求項２】
表面に主電極が配置されるとともに裏面に配線パターンが配置された半導体素子が、弾性を持つ封止絶縁体により封止されてなる封止半導体素子と、
上記封止半導体素子に圧力を加えて、上記配線パターンおよび上記主電極を上記半導体素子に対して押圧する加圧手段と
を備えた半導体装置。
【請求項３】
上記加圧手段は、上記封止半導体素子の裏面に配置された放熱板と上記封止半導体素子の表面に配置された天板とを用いて上記封止半導体素子を挟持する請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
上記天板が上記封止半導体素子に向かって突出した押圧面を備えてなる請求項１乃至３のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項５】
上記天板と上記封止半導体素子との間に弾性体を備えてなる請求項１乃至３のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項６】
上記封止半導体素子が上記筐体内に複数個並列配置されて収納され、上記加圧手段が上記複数の封止半導体素子に対して共通である請求項１乃至５のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項７】
上記主電極が上記半導体素子に接触している請求項１乃至６のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項８】
上記主電極が上記半導体素子に接合されている請求項１乃至６のいずれか一項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体装置に関し、特に半導体素子および電極を弾性体により封止した封止半導体素子を備えた半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置、特にパワー半導体装置においては、使用時の半導体素子の発熱による電気導通のための電極接合部に生じる熱応力を回避することや、発生した熱を効率よく放熱することが重要となっている。そこで、接続構造型の半導体装置に代わり、電気的接続および放熱のための伝熱性能の確保のため、半導体素子表面および裏面の両方に電極を設け、接触構造とした圧接型半導体装置が提案されている。特に、高温使用が可能な半導体素子を用いることを想定すると圧接型の半導体装置の使用が有利であると考えられている。
【０００３】
しかし、接触構造の圧接型半導体装置では、多数の素子に一括して加圧して接続する場合、素子高さのばらつきによって安定した接触圧力を発生させることが困難であった。また、素子と電極間のずれにより素子表面が損傷するという問題もあった。
【０００４】
このような問題を解決するため、特許文献１記載のような従来の圧接型半導体装置では、電極に素子（Ｓｉなど）と線膨張係数の近い金属体（Ｍｏなど）を用いたり、可とう性のある配線基板を用いたりしている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−３０９１３３号公報（５頁３０〜３６行、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、半導体装置の電気容量の大型化に対応するためには、素子の並列配置が必要であり、可とう性のある基板では、その面積が大きくなると基板端部間の熱変形が大きくなり、電極と素子のずれ量が大きくなって損傷しやすくなるという問題がある。
【０００７】
従ってこの発明の目的は、素子と電極との間のずれを大幅に低減させて素子への損傷を抑えるとともに、高さのばらつく多数の素子に対しても安定した接触抵抗を発生させることのできる構造の半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、表面に主電極が配置されるとともに裏面に電極体あるいは配線パターンが配置された半導体素子が、弾性を持つ封止絶縁体により封止されてなる封止半導体素子と、封止半導体素子に圧力を加えて、電極体あるいは配線パターンおよび主電極を半導体素子に対して押圧する加圧手段とを備えた半導体装置が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、装置の温度変化による熱変形、使用時の振動および衝撃荷重による電極のずれを大幅に低減することができ、半導体素子への損傷を抑えることが可能となる。また、同時に多数の素子に対しても安定した接触抵抗を与えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
実施の形態１．
図１は本発明の半導体装置の断面図である。半導体装置は、裏面に電極体２が配置され、表面に主電極５が配置された複数の半導体素子１が、弾性を持つ封止絶縁体３により封止されてなる封止半導体素子１１を備えている。
【００１１】
半導体素子１は図示の例では２つであって、互いに並列配置されている。電極体２は半導体素子１の裏面（図で下面）に配置されて電気的に接続され、主電極５は半導体素子１の表面（図で上面）に配置されて電気的に接続されていて、図示の例ではこの電気的接続は後に詳しく説明する押圧による接触である。主電極５は、半導体素子１から上方に延びて半導体装置の外部にまで延びた上端を持ち、外部回路に接続できるようにする外部接続用の主電極５ａと、２つの並列配置された半導体素子１を互いに接続する並列接続用の主電極５ｂとを備えていて、半導体素子１の配線体となっている。
【００１２】
封止絶縁体３は弾性を有する電気絶縁性の材料であり、例えばエポキシ樹脂でも良いが、チップ発熱による耐熱性を考慮すると、ポリイミド等の耐熱樹脂や耐熱シリコーンゴムを用いるのが望ましい。封止絶縁体３の弾性の大きさは、筐体４の天板６と放熱板８との間で挟持されて加えられる圧力が電極体２および主電極５と半導体素子１との間に伝達されるような大きさである。封止絶縁体３は半導体素子１、電極体２および主電極５のそれぞれの位置を固定すると共に、これらを絶縁封止している。しかしながら、電極体２の底面（図で下面）は封止絶縁体３から露出しており、主電極５ａの上端（図で上方に立ち上がった端部）は封止絶縁体３から上方に突出している。このようにして、半導体素子１が封止絶縁体３内に絶縁封止された封止半導体素子１１が構成されている。
【００１３】
このように構成された封止半導体素子１１は、筐体４内に収納されて支持されている。筐体４は、放熱板８と、放熱板８の周縁から立ち上がった周壁４ａと、周壁４ａの上端にボルト７で固着された天板６とを備えている。封止半導体素子１１は、その電極体２が筐体４の底壁である放熱板８に密着するように配置され、外部接続用の主電極５ａの上端は筐体４の天板６を貫通して外部に延びている。
【００１４】
筐体４の天板６はボルト７によって放熱板８にしっかりと固着されていて、天板６と放熱板８との間に封止半導体素子１１を挟持している。天板６の封止半導体素子１１に面する表面は、収納された封止半導体素子１１の封止絶縁体３の頂面に接触して封止絶縁体３に圧力を加えている。この圧力は、天板６と放熱板８との間の距離を適切に選択して、適度な圧力をもって封止半導体素子１１を図で上下から挟持するような圧力にされている。図示の例では天板６の内表面に部分的に突出部６ａが設けられていて、この突出部６ａの表面が押圧面６ｂとなっていて、押圧面６ｂから加えられた圧力は弾性を持つ封止絶縁体３を介して各部にほぼ均等に伝達されて、電極体２および主電極５を半導体素子１に対して押圧している。
【００１５】
このように、天板６と、放熱板８と、これらを結合するボルト７とは、封止絶縁体３に圧力を加えて、封止絶縁体３を介して電極体２および主電極５を半導体素子１に対して押圧する加圧手段１６を構成している。また、複数個並列配置された半導体素子１は単一の筐体４によって加圧されているので、この加圧手段１６が複数の半導体素子１に対して封止半導体素子１１を収納する共通の筐体であると言える。
【００１６】
以上のように、この発明によれば、封止され固定された状態の電極体２および主電極５を半導体素子１に対して加圧することができるため、電極にて素子を圧接させる場合と比べ素子の損傷を抑えながら、半導体装置全体の熱変形や衝撃荷重による半導体素子と電極との間のずれを大幅に低減することができる。また、電力の大容量化に対応するために半導体素子１を並列配置する場合に、半導体素子１間で高さにばらつきがあっても問題とならず、加圧手段１６による圧力が弾性を有する封止絶縁体３を介して各部にほぼ均等に伝達されるために安定した接触抵抗（熱および電気）を与えることができる。
【００１７】
このような構成によれば、封止絶縁体３による封止の効果で、半導体素子１および主電極５の間に導通が得られるため、封止半導体素子１１の状態にて加圧せずとも半導体装置を構成することが可能である。さらに図１に示す構成のように、天板６により封止半導体素子１１に圧力を与えることで、封止半導体素子１１中の主電極５と半導体素子１間、半導体素子１と電極体２および封止半導体素子１１と放熱板８の接触熱抵抗や電気抵抗を大幅に低下させることが可能となり、半導体を用いる上で十分な放熱性および導電性を確保することが可能となり、半導体装置を適切な状態で用いることができる。
【００１８】
封止しない状態で、半導体素子１と接触させた主電極５を直接加圧した場合に半導体装置の温度変化による熱変形や使用時の振動および衝撃荷重により電極の位置がずれることが想定される。しかし、封止半導体素子１１の形態で用いることにより、半導体素子１および主電極５の位置が固定されるため、電極のずれを大幅に低減することができる。また、組み立て時に主電極５を直接加圧して半導体素子１と接触させる場合に比べ、接触させた状態で封止絶縁体３内に封止することにより、組立工程で発生する半導体素子１への損傷も抑制することができる。
【００１９】
実施の形態２．
図２には図１の封止半導体素子１１の代わりに使用できる別の封止半導体素子１７の断面図を示す。図では封止半導体素子１７に圧力を加える加圧手段１６は省略されて示されてないが、封止半導体素子１７は図１の加圧手段１６と同様の加圧手段内に収納されている。図２の封止半導体素子１７では、電極体２に代わり、外部に対し絶縁性能を有する熱伝導性の絶縁基板９の上部に配線パターン１０を配置し、その上に半導体素子１を搭載してある。半導体素子１の上部には、外部の電気回路と接続させるために主電極５が接触している。この状態にて、絶縁性と弾性を有する封止絶縁体３にて封止することにより封止半導体素子１７が構成されている。その他の構成は図１のものと同様である。
【００２０】
この封止半導体素子１７によっても、図１に示す半導体装置と同様の効果がある。
【００２１】
実施の形態３．
図３に示す封止半導体素子１８では、電極体２が外部に対し絶縁性能を有するようにするための構造として、半導体素子１の下に配置される配線パターン１０の下面も厚さの小さな封止絶縁体３によって覆われていて露出しておらず、封止が施されている。図では封止半導体素子１７に圧力を加える加圧装置１６は省略されて示されてないが、封止半導体素子１８は図１の加圧手段１６と同様の加圧手段内に収納されている。その他の構成は図１のものと同様である。
【００２２】
この封止半導体素子１７によっても、図１に示す半導体装置と同様の効果がある。
【００２３】
実施の形態４．
図４は本発明の別の封止半導体素子１９の断面図である。図では封止半導体素子１９に圧力を加える加圧手段１６は省略されて示されてないが、封止半導体素子１９は図１の加圧手段１６と同様の加圧手段内に収納されている。封止半導体素子１９は、配線パターン１０と半導体素子１および主電極５と半導体素子１をはんだによる接合層１３により接合された状態で、絶縁基板９上に搭載され、弾性を有する封止絶縁体３により封止されている。この封止半導体素子１９は放熱板８の上に配置されている。その他の構成は図１のものと同様である。
【００２４】
このような構成によれば、組み立て工程にて半導体素子１と主電極５があらかじめ固定されており、封止前の位置決めが非常に容易に行えることや、接合されているため電気抵抗の低下の効果も得ることができる。
【００２５】
実施の形態５．
図５の封止半導体素子２０では、ボール状の導電体１４によって半導体素子１と主電極５や制御端子１５とが接合されている。導電体１４には、銅などを用いることができる。その他の構成は図１のものと同様であって、天板６をボルト７にて放熱板８にねじ締めすることにより、封止半導体素子１１に圧力を与える構造を有している。
【００２６】
このような構成によれば、ボール状の導電体１４を用いているため、半導体素子１上の任意の場所に制御端子１５を配置することが可能となり、制御信号線の配線が容易に行えるようになる。しかし、長期使用により接合部が損傷を受けることも想定されるが、図１の例と同様に天板６からの圧力が加えられているため、損傷を受けた後でも十分な電気伝導性および放熱性を有することができる。
【００２７】
実施の形態６．
図６には本発明の更に別の例の半導体装置の断面図を示す。この半導体装置に於いては、図１のものと同様に弾性を有する封止絶縁体３で封止された封止半導体素子１１が筐体４内で放熱板８の上に配置されており、封止半導体素子１１と天板６との間には弾性体１２が挿入されている。ここで用いられる弾性体１２としては、封止に用いる封止絶縁体３と同様に、エポキシ樹脂やＡＢＳ樹脂を用いるが、高温使用時の耐熱性を考慮するとポリイミド等の耐熱樹脂や耐熱シリコーンゴム等を用いるのが好ましい。その他の構成は図１のものと同様である。
【００２８】
この構成により、天板６により直接圧力を与えることが困難な場合でも、ボルト７を締結させたときに、弾性体１２を介して封止半導体素子１１に圧力を与えることができる。また圧力の大きさを比較的容易に調整できる。
【００２９】
実施の形態７．
図７には本発明の更に別の半導体装置の断面図を示す。図１に示す筐体４と同様の筐体４内で放熱板８上には、図１乃至図５に示す封止半導体素子１１、１７〜２０と同様の封止半導体素子１１が複数個（図示の例では３個）配置されている。天板６は複数の封止半導体素子１１のそれぞれを押圧して弾性を有する封止絶縁体３に同時に圧力を加えている。即ち、加圧手段１６は複数の封止半導体素子１１を同時に加圧している。
【００３０】
このような構成によれば、ひとつの半導体装置に対して複数個の封止半導体素子１１を設置することができるため、半導体装置の大容量化にも対応することが可能となる。従来は、多くの封止半導体素子１１を同時に加圧する場合に、素子高さの違いにより、すべての素子に対して安定した接触状態で加圧することが難しかった。しかし、本発明による封止半導体素子１１では、封止半導体素子１１の高さ（厚さ）に違いがあっても、その違いは弾性を有する封止絶縁体３によって吸収されるため、それぞれの封止半導体素子１１にも、また各封止半導体素子１１内のそれぞれの半導体素子１にも適切な押圧力を加えることができて、全体に安定した接触状態を与えることが可能となる。
【００３１】
また、多数の半導体素子１を有する半導体装置においては、半導体素子の特性の評価を行うためには、半導体装置を完成させた後、半導体装置の特性を評価する必要があり、どの半導体素子１が破損しているかを半導体装置組立工程で判断することが困難であった。しかし、封止半導体素子１１を多数搭載する方式では、封止半導体素子１１単独での特性評価が可能であり、容易に不良品の選定が行え、封止半導体素子１１を置き換えるのみで交換が可能になる利点も有している。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の半導体装置を示す概略断面図である。
【図２】図１の半導体装置に使用できる別の封止半導体素子を示す断面図である。
【図３】図２と同様の別の封止半導体素子を示す断面図である。
【図４】図２と同様のまた別の封止半導体素子を示す断面図である。
【図５】図２と同様のさらに別の封止半導体素子を示す断面図である。
【図６】本発明の別の半導体装置を示す概略断面図である。
【図７】本発明の更に別の半導体装置を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  半導体素子、２  電極体、３  封止絶縁体、４  筐体、５  主電極、６  天板、７  ボルト、８  放熱板、９  絶縁基板、１０  配線パターン、１１、１７、１８、１９、２０  封止半導体素子、１２  弾性体、１３  接合層、１４  ボール状導電体、１５  制御端子、１６  加圧手段。
【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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