(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の主面に第１の主電極と制御電極、第２の主面に第２の主電極を有する半導体チップを複数個並置し、平型パッケージに組み込んだ半導体装置で、両面に露出する一対の共通電極板と、両共通電極板の間で挟まれた絶縁ケースからなる平型パッケージに対し、一方の共通電極板上に第２の主電極を重ね合わせて、前記半導体チップを配置し、他方の共通電極板と前記半導体チップの第１の主電極との間に加圧、導電、放熱を兼ね備えたコンタクト端子体を具備した加圧接触型の半導体装置において、
両共通電極板の間であって、該共通電極板への半導体チップの投影面以外の箇所に、複数の柱状の絶縁材を配置し、少なくとも半導体チップが加圧される状態で、前記共通電極板で、前記絶縁材が加圧されることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
第１の主面に第１の主電極と制御電極、第２の主面に第２の主電極を有する半導体チップを複数個並置し、平型パッケージに組み込んだ半導体装置で、両面に露出する一対の共通電極板と、両共通電極板の間で挟まれた絶縁ケースからなる平型パッケージに対し、一方の共通電極板上に第２の主電極を重ね合わせて、前記半導体チップを配置し、他方の共通電極板と前記半導体チップの第１の主電極との間に加圧、導電、放熱を兼ね備えたコンタクト端子体を具備した加圧接触型の半導体装置において、
両共通電極板の間であって、各々の前記半導体チップを取り囲むように絶縁材を配置し、少なくとも半導体チップが加圧される状態で、前記共通電極板で、前記絶縁材が加圧されることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
前記絶縁材が、前記半導体チップの側面に接触するように配置され前記コンタクト端子体および第２の主電極の側面に接するように加工されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、加圧接触型の高耐圧・大電流半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
大きな電流を扱う電力用半導体デバイスにおいて、主電極部に金属を加圧接触させることにより、電気的・熱的な接触を得る加圧接触型デバイスは、主電極部にワイヤボンディングを用いないことや、両面冷却が可能なことに起因する信頼性の高さなどから重要な技術となりつつある。
【０００３】
図６は、従来の加圧接触型デバイスの要部断面図である。ここでは、ＭＯＳ制御型の半導体チップ４を複数個内蔵した場合の例として、模式的に示す。ＭＯＳ制御型デバイスでは、一般的に、半導体チップ４の一方の主面に図示しない金属薄膜でエミッタ電極とゲート電極が形成され、他方の主面に図示しない金属薄膜とはんだ１２を介してＭｏ板などで形成されたコレクタ電極３が固着される。
【０００４】
パッケージは、図示しないセラミック部に囲まれ、エミッタ共通電極板１と、コレクタ共通電極板２で両面から圧接する構造となっている。パッケージ内には、コレクタ電極３と、半導体チップ４と、コレクタ電極３と半導体チップ４を固着するはんだ１２と、コンタクト端子体５から構成されるユニット（以下、チップエレメントと称す）および絶縁性の位置決め枠６が複数個内蔵されている。この絶縁性の位置決め枠６は、チップエレメントの位置決め用であり、加圧状態においても、エミッタ共通電極板１に押しつけられることはなく、隙間１３を保った状態で、直接エミッタ共通電極板１に接触することはない。
【０００５】
半導体チップ４は、一方の主面に形成された図示しないゲートパッドからアルミニウムワイヤにより図示されないゲート配線基板にボンディングされ、パッケージの外部導出端子に接続する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
加圧接触型デバイスは、複数の半導体チップ４の両側に冷却体を兼ねたエミッタ共通電極板１およびコレクタ共通電極板２を配置し、これらの共通電極板１、２に規定の加圧力を加えて使用する。このデバイスを動作させると、発生する熱により半導体チップ４自体や共通電極板１、２が膨張を起こし、規定より高い加圧力が半導体チップ４にかかる可能性がある。また、複数の半導体チップ４が占める領域の中心と共通電極板１、２の中心とがずれて組み立てられると、半導体チップ４にかかる加圧力が不均一になる偏加圧状態に陥る場合がある。図１に示した従来の構造では、過剰な加圧力や偏加圧の影響は、半導体チップ４に直接伝達される構造となっている。
【０００７】
ＭＯＳ制御型の半導体チップ４では、エミッタ電極とゲート電極が一方の主面に作られるため、過剰な加圧力や偏加圧がかかるとゲート特性や耐圧特性など電気的特性の変化やゲート電極とエミッタ電極の電気的短絡が発生したり、高温状態で過剰な応力が半導体チップ４に長期的に加わった場合にチップ割れを生じる恐れがある。
この発明の目的は、前記の課題を解決して、過剰な加圧力や偏加圧を緩和できる加圧接触構造の半導体装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、第１の主面に第１の主電極と制御電極、第２の主面に第２の主電極を有する半導体チップを複数個並置し、平型パッケージに組み込んだ半導体装置で、両面に露出する一対の共通電極板と、両共通電極板の間で挟まれた絶縁ケースからなる平型パッケージに対し、一方の共通電極板上に第２の主電極を重ね合わせて、前記半導体チップを配置し、他方の共通電極板と前記半導体チップの第１の主電極との間に加圧、導電、放熱を兼ね備えたコンタクト端子体を具備した加圧接触型の半導体装置において、両共通電極板の間に絶縁材を配置し、少なくとも半導体チップが加圧される状態で、前記共通電極板で、前記絶縁材が加圧される構成とする。
【０００９】
前記の一方の共通電極板上に、前記半導体チップをはんだを介して固着するとよい。
前記絶縁材の形状が柱状で、共通電極板への半導体チップの投影面以外の箇所に、該絶縁材が、複数個配置されるとよい。
【００１０】
前記絶縁材が、前記半導体チップを取り囲むように配置されると好ましい。
前記絶縁材が、複数個の前記半導体チップを一つの集合体として、該集合体の外周部を取り囲むように配置されるとよい。
【００１１】
前記絶縁材が、各々の前記半導体チップを取り囲むように配置されると効果的である。
前記絶縁材が、前記半導体チップの側面に接触するように配置されると好ましい。
【００１２】
前記絶縁材が、前記コンタクト端子体および第２の主電極に接するように加工されているとよい。
前記絶縁材が、絶縁性樹脂材料であるとよい。
【００１３】
前記したように、加圧したときに、エミッタ共通電極板とコレクタ共通電極板とで、絶縁材が押さえつけられる構造にして、この絶縁材に、デバイスの動作温度でも弾性率などの物性値がほとんど変化しない耐熱性を有する絶縁性樹脂材料を用いることで、過剰な加圧力や偏加圧が加わったときに、この絶縁材が過剰な圧力を分担し、チップエレメントへの不当な応力集中を防ぐ効果がある。また、圧力分担の割合は、この絶縁材がエミッタ共通電極板およびコレクタ共通電極板に接触する面積に依存する。
【００１４】
この絶縁材の高さは、加圧状態でのチップエレメントの高さより高く、無加圧状態でのエミッタ共通電極板の底面の高さより低くする（エミッタ共通電極板を上にコレクタ共通電極板を下になるようにデバイスを置いた場合である）。こうすることで、チップエレメントが加圧された初期の段階から、絶縁材が加圧力の一部を分担して、過剰な加圧力や偏加圧を緩和する働きをする。
【００１５】
さらに、絶縁材の高さについて説明する。絶縁材の高さをｈ、規定加圧力時のチップエレメントの高さをｈa 、無加圧時のチップエレメントの高さをｈ0 として、ｈa ≦ｈ≦ｈ0 を満たした場合には、ｈa はつぎの式で算出できる。
【００１６】
ｈa ＝（１−εa ）ｈ0 
εa ＝σa ／Ｅ(ele) 
〔但し、Ｅ(ele) はチップエレメント全体のヤング率、σa は規定加圧時にチップエレメントへかかる応力、εa は規定加圧時のチップエレメントの歪み〕
尚、半導体チップをコレクタ電極にはんだ付けしている場合は、チップエレメント全体のヤング率（Ｅ(ele) ）は、はんだのヤング率と見做してもよい。
【００１７】
つぎに、絶縁材の硬さについて説明する。絶縁材がチップエレメントより極端に柔らかいと、過加圧時や偏加圧時に十分な応力を分担することができず、チップエレメントへの不当な加圧力の集中を抑制できない。一方、絶縁材が硬すぎると高さの加工精度がでなくなり実用に供しない。材料の硬さの指標である縦弾性係数（記号としてＥと表示する）を用いると、絶縁材の硬さは、（１／２０）Ｅ(ele) ≦Ｅ≦５０Ｅ(ele) に設定するとよく、また、（１／１０）Ｅ(ele) ≦Ｅ≦１０Ｅ(ele) の範囲がさらに好ましい。この絶縁材の硬さは、樹脂にガラス繊維などの充填材を混入することで調整することができる。
【００１８】
この縦弾性係数Ｅの値は、絶縁材の縮み代の大きさで選定する。例えば、絶縁材の縮み代を大きくできる場合、つまり、絶縁材の高さがエミッタ共通電極板の底面の高さ近傍の場合には、（１／２０）Ｅ(ele) から１Ｅ(ele) までの小さい値に選定する。さらに好ましくは、（１／１０）Ｅ(ele) から１Ｅ(ele) に設定する。一方、縮み代が小さい場合は、つまり、絶縁材の高さがチップエレメントの高さより低い場合は、１Ｅ(ele) から５０Ｅ(ele) までの大きな値（さらに好ましくは、１Ｅ(ele) から１０Ｅ(ele) までの大きな値）に選定することで、効果的に過加圧力や偏加圧力を緩和できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の第１実施例の半導体装置の構成図で、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図である。同図（ａ）の平面図は、エミッタ共通電極板１を外した状態を示す。
【００２０】
半導体チップ４の一方の主面は、Ｍｏなどで形成されたコレクタ電極３に、はんだ１２を介して固着されている。半導体チップ４の他方の主面（図で上側の面）には、図示しないエミッタ電極とゲート電極が形成されている。この半導体チップは平型パッケージに複数個収納されている（ここでは、３個の半導体チップ４を示す）。平型パッケージはエミッタ共通電極板１とコレクタ共通電極板２および周辺部に配置される図示しない絶縁ケース（セラミックなどの絶縁物で形成された筒）で構成されている。半導体チップ４とエミッタ共通電極板の間には導電・加圧・冷却の働きをするコンタクト端子体５が配置されている。このコンタクト端子体５と半導体チップ４とはんだ１２およびコレクタ電極３でチップエレメントを構成し、このチップエレメントは図示しない位置決め枠で位置決めされている。
【００２１】
同図（ａ）の平面図で示すように、半導体チップ４の投影箇所以外の箇所に柱状の絶縁材７を半導体チップ４の各コーナーに配置する。規定の加圧力が両共通電極板１、２に加えられたときに、この両共通電極板１、２で絶縁材７が押さえられるように、無加圧時の絶縁材の高さｈを設定する。同図（ｂ）の断面図ではこの絶縁材７の一個を代表して点線で示した。この絶縁材７の高さｈは、コレクタ電極３と接するコレクタ共通電極板２の面を基準として、加圧されたときのチップエレメントの高さｈ0 （コレクタ電極の底面からコンタクト端子体の上面までの高さ）より高く、無加圧のときのエミッタ共通電極板１ａ（点線で示す）のコンタクト端子体５と接する側の面の高さｈ1 より低く設定する（無加圧のときのチップエレメントの高さｈ0 以下に設定する場合もある）。また、絶縁材７には絶縁性樹脂材料が用いられる。また、この絶縁材７に用いられる絶縁性樹脂材料の縦弾性係数Ｅは、前記したように、（１／２０）Ｅ(ele) ≦Ｅ≦５０Ｅ(ele) に設定すると良好である。また、さらに、好ましくは、（１／１０）Ｅ(ele) ≦Ｅ≦１０Ｅ(ele) の範囲に設定するとよい。
【００２２】
尚、絶縁材７としてはエポキシ樹脂やモールド樹脂（半導体素子のモールドに使用される樹脂）およびポリイミド樹脂など絶縁性樹脂の他に、ガラスなどが使用できる。また、絶縁材７の高さ調整するための加工には研磨などが有効である。
【００２３】
このように、絶縁材７を配置することで、半導体チップ４にかかる過加圧力や偏加圧力を緩和することができる。また、この柱状の絶縁材４の断面形状は、円形に限らず多角形など任意の形状で構わない。
【００２４】
図２は、この発明の第２実施例の半導体装置の構成図で、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図である。
図１との違いは、複数個の半導体チップ４を一つの纏まりとして、その外周部を囲むように絶縁材８を配置した点である。
【００２５】
この場合も図１と同様に、絶縁材８の高さや材質を選定することで、半導体チップ４にかかる過加圧力や偏加圧力を緩和することができる。
図３は、この発明の第３実施例の半導体装置の構成図で、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図である。
【００２６】
図２との違いは、複数個の半導体チップ４を各々、絶縁材９が取り囲むように配置した点である。
この場合も図１ないし図２と同様に、絶縁材９の高さや材質を選定することで、半導体チップ４にかかる過加圧力や偏加圧力を緩和することができる。
図４は、この発明の第４実施例の半導体装置の構成図で、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図である。
【００２７】
図３との違いは、複数個の半導体チップ４を各々、絶縁材１０が取り囲み、さらに、各半導体チップ４の側面に絶縁材１０が接するように配置した点である。このようにすることで、この絶縁材１０に半導体チップ４を含むチップエレメントの位置決め枠の役割をさせて、図１ないし図３で必要となる専用の位置決め枠を省くことができる。また、この場合も図１ないし図３と同様に、絶縁材１０の高さや材質を選定することで、半導体チップ４にかかる過加圧力や偏加圧力を緩和することができる。
【００２８】
図５は、この発明の第４実施例の半導体装置の構成図で、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図である。
図３との違いは、各チップエレメントのコンタクト端子体５とコレクタ電極３の側面にも絶縁材５が接触している点である。こうすることで、絶縁材１１が、チップエレメントの位置決めの役目をする。また、この場合も図１ないし図４と同様に、絶縁材１１の高さや材質を選定することで、半導体チップ４にかかる過加圧力や偏加圧力を緩和することができる。
【００２９】
【発明の効果】
この発明によれば、共通電極板の間に絶縁材を挟み、この絶縁材の高さや材質を最適に選定することで、半導体チップにかかる過加圧力や偏加圧力を緩和し、加圧力に対する半導体装置の信頼性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１実施例の半導体装置の構成図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図
【図２】この発明の第２実施例の半導体装置の構成図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図
【図３】この発明の第３実施例の半導体装置の構成図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図
【図４】この発明の第４実施例の半導体装置の構成図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図
【図５】この発明の第５実施例の半導体装置の構成図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図
【図６】従来の加圧接触型デバイスの要部断面図
【符号の説明】
１    エミッタ共通電極板
１ａ  エミッタ共通電極板（無加圧状態）
２    コレクタ共通電極板
３    コレクタ電極
４    半導体チップ
５    コンタクト端子体
６    位置決め枠
７〜１１  絶縁材
１２    はんだ
１３    隙間
ｈ    絶縁材の高さ
ｈa   加圧したときのチップエレメントの高さ
ｈ0   無加圧にしたときのチップエレメントの高さ
ｈ1   無加圧にしたときのエミッタ共通電極の底面の高さ
【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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