(57)【要約】【課題】圧接構造を必要としない両面冷却の可能な両面冷却型半導体装置を提供する。【解決手段】外側に複数の平面が形成された多角形の柱状支持体と、この柱状支持体の少なくとも１つの外側面上に第１の主電極面を固着して支持された１つまたは複数の半導体チップと、前記柱状支持体の一方の端面に電気的および熱的に伝導可能に接合された第１の主電極板と、前記柱状支持体の他方の端面に電気的に絶縁し接合された第２の主電極板と、前記半導体チップの前記第１の主電極面と対向する第２の主電極面と前記第２の主電極板との間を電気的および熱的に接続する接続導体板と、電気絶縁材で形成した筒状のフレームとを備え、前記筒状のフレームを、前記第１および第２の主電極板の間に挿入し、その両端をそれぞれ前記第１および第２の主電極板の外周縁部に結合してこの筒状のフレームにより前記柱状支持体、半導体チップおよび接続導体を囲い込む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高熱伝導性の導電材で形成され、外側に複数の平面が形成された多角形の柱状支持体と、この柱状支持体の少なくとも１つの外側面上に第１の主電極面を固着して支持された１つまたは複数の半導体チップと、前記柱状支持体の一方の端面に電気的および熱的に伝導可能に接合された第１の主電極板と、前記柱状支持体の前記一方の端面と対向する他方の端面に電気的に絶縁し接合された第２の主電極板と、前記１つまたは複数の半導体チップの前記第１の主電極面と対向する第２の主電極面と前記第２の主電極板との間を電気的および熱的に接続する接続導体板と、電気絶縁材で形成した筒状のフレームとを備え、前記筒状のフレームを、前記第１および第２の主電極板の間に挿入し、その両端をそれぞれ前記第１および第２の主電極板の外周縁部に結合してこの筒状のフレームにより前記柱状支持体、半導体チップおよび接続導体を囲い込んだことを特徴とする両面冷却型半導体装置。
【請求項２】
前記接続導体板を、弾性を有する高熱伝導性のＬ字形の導電材で構成することを特徴とする請求項１に記載の両面冷却型半導体装置。
【請求項３】
前記１つまたは複数の半導体チップの少なくとも１つの主電極を、熱的緩衝材を介して前記柱状支持体又はＬ字形接続導体板に結合することを特徴とする請求項１または２に記載の両面冷却型半導体装置。
【請求項４】
前記柱状支持体の少なくとも一方の端面と前記主電極板とを凹凸嵌合によって嵌め合せて接合する構成とすることを特徴とする請求項１から３の何れか１つに記載の両面冷却型半導体装置。
【請求項５】
前記半導体チップを固着、支持した多角形の柱状支持体を複数設け、前記第１および第２の主電極板に並列に接合することを特徴とする請求項１から４の何れか１つに記載の両面冷却型半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、２つの主電極板から、これを加圧することなく冷却可能に構成した両面冷却型半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置には、半導体チップを１つの主面から冷却する半導体装置に対して、特に、高電圧、大電流の大容量の半導体装置として用いられる、半導体チップを２つの主面から冷却可能にした平型半導体装置と呼ばれる半導体装置がある。
【０００３】
従来の平型半導体装置は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）などの半導体チップを複数並列に配置して、各々の半導体チップの１つの主面、もしくは両方の主面にモリブデンなどで構成された熱緩衝板を重ねた上で、半導体チップに主電極板を押圧して、両面から挟持する構造であった。このような構成の平型半導体装置は、主電極板を半導体チップの主面に圧接して使用するので、圧接型半導体装置とも呼ばれる。
【０００４】
このような圧接型の平型半導体装置は、主電極板の平面に均等な押圧力を加えることが難しく、平型半導体装置の内部の複数の半導体チップに加わる押圧力が不均一となり、特定の半導体チップに負荷が集中して、焼損する故障が多々発生し、信頼性が不足していた。
【０００５】
このため、半導体チップをはじめとして各構造部材の加工精度を高め、組み立て寸法差を低減したり、組み立て後に寸法差の調整を可能にしたりすることが行われている。
【０００６】
装置の組み立て後に、構造部材の組み立て寸法差を調整可能にする構造としては、例えば特許文献１には、図８に示すように、軟質金属板で構成された厚み補正板１４７および１４８を、それぞれ、主電極板であるエミッタ主電極板１２７と半導体チップ１１７および１１９の間、およびもう一方の主電極板であるコレクタ主電極板１２３と半導体体チップ１１７および１１９の間に配置する構成が開示されている。
【０００７】
また、同様に、特許文献２には、図９に示すように、軟質金属膜の形成された金網または凹凸金属板２０６を、半導体チップ２０１と主電極板２０５との間に配置する構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平０８-０８８２４０号公報
【特許文献２】特開平１１-２７４１８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、圧接型の平型半導体装置において、構造部材の加工精度を高めて、組み立て寸法差をなくすようにすることは、複雑な製造工程が必要で、かつ高い製造技術が必要になるだけではなく、製造コストが高くなるという問題がある。
【００１０】
また、圧接型の平型半導体装置の主電極板と半導体チップとの間に軟質金属で構成した寸法調整部材を配置する構成は、圧接型の平型半導体装置単体では有効であるが、複数の圧接型の平型半導体装置を直列接続する場合は、各々の半導体装置に与える押圧力を均等化するために多くの調整作業が必要となることにより装置の価格が上昇するという問題がある。半導体装置の直列接続は、電圧定格の低い半導体素子を高電圧の電源のもとで使用するときに必ず必要となることである。
【００１１】
前記の従来の平型半導体装置の問題は、主電極板と半導体チップとを加圧して接続する圧接構造に由来するものであるので、この発明は、このような問題を解決するため、圧接構造を必要としない両面冷却の可能な両面冷却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】
【００１２】
このような課題を解決するため、この発明の両面冷却型半導体装置は、高熱伝導性の導電材で形成され、外側に複数の平面が形成された多角形の柱状支持体と、この柱状支持体の少なくとも１つの外側面上に第１の主電極面を固着して支持された１つまたは複数の半導体チップと、前記柱状支持体の一方の端面に電気的および熱的に伝導可能に接合された第１の主電極板と、前記柱状支持体の前記一方の端面と対向する他方の端面に電気的に絶縁し接合された第２の主電極板と、前記１つまたは複数の半導体チップの前記第１の主電極面と対向する第２の主電極面と前記第２の主電極板との間を電気的および熱的に接続する接続導体板と、電気絶縁材で形成した筒状のフレームとを備え、前記筒状のフレームを、前記第１および第２の主電極板の間に挿入し、その両端をそれぞれ前記第１および第２の主電極板の外周縁部に結合してこの筒状のフレームにより前記柱状支持体、半導体チップおよび接続導体を囲い込んだことを特徴とするものである。
【００１３】
この発明おいては、前記接続導体板を、弾性を有する高熱伝導性のＬ字形の導電材で構成することができる。
【００１４】
この発明おいては、前記１つまたは複数の半導体チップの少なくとも１つの主電極を、熱的緩衝材を介して前記柱状支持体又はＬ字形接続導体板に結合するようにするのがよい。
【００１５】
また、この発明おいては、前記柱状支持体の少なくとも一方の端面と前記主電極板を凹凸嵌合によって嵌め合せて接合する構成とすることができる。
【００１６】
さらに、この発明おいては、前記半導体チップを固着、支持した多角形の柱状支持体を複数設け、前記第１および第２の主電極板に並列に接合することができる。
【発明の効果】
【００１７】
この発明よれば、半導体チップの第１および第２の主電極面を多角形の柱状支持体および接続導体板を介して平行に露出して配置された第１および第２の主電極板に、圧接によらないで熱的、電気的に接続するので、圧接構造による問題点を解消することができ、安価な両面冷却型半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】この発明の第１の実施例による両面冷却半導体装置の構成を示すもので、図３のＩ−Ｉ線の位置で切断した縦断面図。
【図２】この発明の第１の実施例による両面冷却半導体装置の構成を示すもので、第２主電極板を外した状態の縦断面図。
【図３】この発明の第１の実施例による両面冷却半導体装置の構成を示すもので、第２主電極板を外した状態の平面図。
【図４】この発明の第２の実施例による両面冷却半導体装置の構成を示すもので、第２主電極板を外した状態の平面図。
【図５】この発明の第３の実施例による両面冷却半導体装置の構成を示す縦断面図。
【図６】この発明の第４の実施例による両面冷却半導体装置の構成を示す縦断面図。
【図７】この発明の第５の実施例による両面冷却半導体装置の構成を示す第２主電極板を外した状態の平面図。
【図８】従来の圧接型の平型半導体装置を示す縦断面図。
【図９】他の従来の圧接型の平型半導体装置を示す縦断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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】
【００２０】
図１ないし図３にこの発明の第１の実施例を示す。
【００２１】
これらの図において、１（ａ〜ｄ）はＩＧＢＴ等の半導体スイッチ素子を構成する半導体チップ、２（ａ〜ｄ）はダイオードを構成する半導体チップである。これらの半導体チップは、第１の主電極面を銀焼結剤等で形成された固着剤３により多角形、ここでは４角形の柱状支持体４の対向する２つの側面に固着され、この支持体４により支持される。柱状支持体４は、銅のように熱伝導性の高い導電材で構成される。半導体チップ１、２の第１主電極面と対向する第２の主電極面には、弾性を有し、熱伝導性の高い導電材で構成された平板の先端側をほぼ直角に折り曲げてＬ字形に形成された接続導体板５の１辺が固着剤３により固着される。
【００２２】
柱状支持体４の一端は、直接第１の主電極板６に接合され、熱的および電気的伝導の可能な接合となる。柱状支持体４の他方端は、第１の主電極板６と対向配置された第２の主電極板７に熱伝導性を有する電気絶縁体８を介して電気的に絶縁して接合される。電気絶縁体８を熱伝導性の高い電気絶縁材で構成すると、柱状支持体４と第２の主電極板７との接合は、熱伝導の可能な接合となる。Ｌ字形の接続導体板５の先端側の折曲辺は、第２の主電極板７に接合される。これにより半導体チップ１、２の第１の主電極面と第１の主電極板６とは、柱状支持体４を介して電気的および熱的に接合される。同様に半導体チップ１、２の第２の主電極面と第２の主電極板７とは、接続導体板５を介して電気的および熱的に接合される。
【００２３】
９は、絶縁樹脂やセラミック等の電気絶縁材で構成された筒状フレームである。このフレーム９内に半導体チップ１、２、柱状支持体４および接続導体板５を囲い込み、フレーム９の上下端に第１および第２の主電極板６、７を結合し、フレーム９の内室を閉塞する。フレーム９の外周面には、このフレームの電圧耐量を高めるために、複数の凹凸を設けている。
【００２４】
図２は、第１の実施例の半導体装置の上部の第２の主電極板７を外した状態における縦断面図を示し、図３は、同状態における平面図を示す。図２から明らかなように、Ｌ字形の接続導体板５は、弾性を有する導電材で構成しているため、上部の第２の主電極板７をフレーム９から外すと、上部からの押さえがなくなるので、先端部が弾性力により少し上昇する。このため、Ｌ字形の接続導体板５は、図１に示すように、上部の第２の主電極板７がフレームの上端に接合されると、この主電極板７により押圧されて先端が下降し、主電極板７に強く押圧され、良好な電気的および熱的結合状態を保つ。
【００２５】
フレーム９の内周の上下端部には段差９ａ、９ｂが設けられており、第１および第２の主電極板６，７の段差６ａ、７ａと接合され、相互の位置決めが行われる。
【００２６】
この第１の実施例は、図１および図３から明らかなように１つの柱状支持体４の外側の２つの面の各面に半導体スイッチ素子を構成する半導体チップ１を２個、ダイオードを構成する半導体チップ２を２個ずつ固着し、合計、半導体チップ１を４個、半導体チップ２を４個並列接続して構成した例である。
【００２７】
このように構成した半導体装置においては、半導体チップ１、２の第１の主電極面が柱状支持体４を介して第１の主電極板６に電気的および熱的に接合されるので、第１の主電極板６と半導体チップの第１の主電極面との間で電流が流れるとともに、半導体チップ１、２で発生した熱が第１の主電極面から柱状支持体４を介して第１の主電極板６に伝達される。
【００２８】
また、半導体チップ１、２の第２の主電極面は、Ｌ字形の接続導体板５を介して第２主電極板７に電気的および熱的に接合されるので、第２の主電極板７と半導体チップの第２の主電極面との間に電流が流れるとともに、半導体チップ１、２で発生した熱が２の主電極面から接続導体板５を介して第２の主電極板７に伝達される。
【００２９】
このため、絶縁フレーム９の上下端に露出して支持された第１の主電極板６および第２の主電極板７に押圧力を加えることとなく両主電極板を介して電力変換装置の主回路との電気的接続を行うことができるとともに、両主電極板に放熱器を結合することにより半導体装置の両面から冷却を行うことができる。
【実施例２】
【００３０】
図４にこの発明の第２の実施例を示す。
【００３１】
この第２の実施例は、４角形の柱状支持体４の４つの外側面のそれぞれに半導体チップ１、２を複数個ずつ固着し、支持した構成例である。この第２の実施例においては、４角形の柱状支持体４の４つの外側面には、それぞれ、実施例１と同じく半導体チップ１および２を２個ずつ固着し、４面合計で半導体チップ１および２が８個ずつ並列接続するので、電流容量を実施例１の２倍に増大することができる。
【００３２】
ここには図示されていないが、柱状支持体４の下端は直接第１の主電極板６に接合され、上端は絶縁体８を介して第２の主電極板に接合されるのは実施例１と同様である。柱状支持体４の各外側面に固着された半導体チップ１および２の第２の主電極面にはＬ字形の接続導体板５の一辺を結合し、折曲された他の一辺を第２の主電極板７に接合することも同様である。これらの全体を電気絶縁材で構成した筒状フレーム９により囲い込む。
【実施例３】
【００３３】
図５にこの発明の第３の実施例を示す。
【００３４】
この実施例は、半導体チップ１および２の第２の主電極面と接続導体板５との熱膨張率の差によってその間の固着剤３に発生する熱応力を緩和するために、半導体チップの主電極面を形成する金属と接続導体板を形成する金属の中間の熱膨張率を有するモリブデン等の金属で構成した熱緩衝材１０を間に挟むようにしたものである。このように、熱緩衝材１０を半導体チップ１、２の第２の主電極面と接続導体板５との間に挟むことによって、両者間の固着剤３に作用する熱応力が緩和さるので、両者間の固着状態を長期間安定に保つことができ、半導体装置の信頼性を向上することができる。
【００３５】
熱緩衝材１０は、半導体チップ１、２の第１の主電極面と柱状支持体４との間に設けることもことができる。
【実施例４】
【００３６】
図６は、この発明の第４の実施例を示すものである。
【００３７】
この実施例は、多角形の柱状支持体４を第１の主電極板６上に接合するときの位置合わせを容易にして半導体装置の組み立て精度を高めるものである。
【００３８】
第１の主電極板６の接合面には、丁度多角形の柱状支持体４の端部が収まるように、多角形の柱状支持体４の端面形状と相似形状の凹部６ａが設けられている。柱状支持体４を第１の主電極板６に接合するとき、この第１の主電極板６の凹部６ａに柱状支持体４の端部を嵌め込んで接合作業を行うようにする。これにより、柱状支持体４と第１主電極板６との位置合わせが容易となり、組み立て精度を向上することができる。
【００３９】
なお、この位置合わせ用の凹部を上部の第２の主電極板７に設け、柱状支持体４の上端部をこれに嵌合して第２電極７と柱状支持体４との接合を行うようにしてもよいことはもちろんである。
【実施例５】
【００４０】
図７にこの発明の第５の実施例を示す。
この実施例は、より多数の半導体チップの並列接続を可能にする構成例である。
この実施例では、前記の第２の実施例の４角形の柱状支持体４の４つの外側面に半導体チップ１および２を固着支持した構成の半導体装置を、２組設け、これを、共通の筒状フレーム９に納めるようにしている。
【００４１】
これにより、実施例２の２倍の個数の半導体チップの並列接続を実現できるので、さらに電流容量の大きい半導体装置を実現できる。
【００４２】
並列接続する半導体チップの個数を増やすには、柱状支持体の個数を増やす以外にも、多角形の柱状支持体の形状を、４角形以外の５〜８角形等にして、半導体チップの固着支持面を多くすることによっても実現できる。
【符号の説明】
【００４３】
１、２：半導体チップ
３：固着剤
４：多角形の柱状支持体
５：接続導体板
６：第１の主電極板
７：第２の主電極板
８：電気絶縁材
９：電気絶縁性筒状フレーム
１０：熱緩衝材
【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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