(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の接触導体と、
前記第１の接触導体上に配設され、制御電極、前記第１の接触導体に接触させる第１の主電極及び前記第１の主電極に対向する第２の主電極を有する電圧駆動型半導体チップと、
前記電圧駆動型半導体チップの第２の主電極に接触する第２の接触導体と、
前記第２の接触導体上に配設され、絶縁性、熱伝導性及び放熱性を有し、セラミックスにより形成された圧接部材と、
前記圧接部材を押圧し、前記第１の接触導体と前記第１の主電極との間及び前記第２の主電極と前記第２の接触導体との間を圧接させる弾性部材と、
前記制御電極に接触する第３の接触導体と、
前記第３の接触導体に接触させる導体配線を有する基板と
を備えたことを特徴とする電圧駆動型電力用半導体装置。
【請求項２】
前記第１の接触導体と前記第１の主電極との間、前記第２の接触導体と前記第２の主電極との間、及び前記第３の接触導体と前記制御電極との間には、応力吸収板が配設されていることを特徴とする請求項１に記載の電圧駆動型電力用半導体装置。
【請求項３】
前記第１の接触導体、前記電圧駆動型半導体チップ、前記第２の接触導体及び前記第３の接触導体はベース導体上に配設され、
前記弾性部材は、前記第１の接触導体、前記電圧駆動型半導体チップ、前記第２の接触導体及び前記第３の接触導体を封止し、前記ベース導体に取り付けられる箱型形状を備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電圧駆動型電力用半導体装置。
【請求項４】
前記第１の接触導体と前記第２の接触導体との間に電気的に並列接続された複数個の電圧駆動型半導体チップを備えたマルチチップ構造であることを特徴とする請求項１に記載の電圧駆動型電力用半導体装置。
【請求項５】
前記第１の接触導体、前記第２の接触導体、前記第３の接触導体、前記電圧駆動型半導体チップ、前記圧接部材及び前記弾性部材を収納するモールドパッケージと、
前記モールドパッケージに配設され、前記第１の接触導体に接続される第１の主電極端子と、
前記モールドパッケージに配設され、前記第２の接触導体に接続される第２の主電極端子と、
前記モールドパッケージに配設され、前記第３の接触導体に接続される制御電極端子と、
前記モールドパッケージに配設され、前記モールドパッケージを外部機器に取り付け固定するための固定部材と、
前記モールドパッケージに連接され、前記モールドパッケージの内部環境を調節するための絶縁フランジと
をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の電圧駆動型電力用半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電圧駆動型電力用半導体装置に関し、特にマルチチップ構造を有し、かつプレスパッケージ構造を有する電圧駆動型電力用半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電力用半導体装置は、数インチサイズの１枚の半導体ウェハ上にセル（素子の１つの単位）を集積化する方式か、マルチチップ方式を一般的に使用している。マルチチップ方式は、半導体ウェハ上にセルを集積化した状態において製造し、数ｍｍ角の小容量の半導体チップとして分割切断した後、この複数個の半導体チップを電気的に並列に接続して大電力容量に対応するようにしたものである。
【０００３】
近年、微細加工に伴う歩留まり低下を防止する等の製造上の理由から、電力用半導体装置にはマルチチップ方式が採用される傾向にある。特にパワーＭＯＳＦＥＴ（金属−酸化膜−半導体電界効果トランジスタ）、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）、ＩＥＧＴ（電子注入促進型トランジスタ）等の電圧駆動素子により構築される電力用半導体装置には、素子間の並列接続が比較的容易に行えるので、このようなマルチチップ方式が多く採用されている。
【０００４】
しかしながら、マルチチップ方式の電力用半導体装置においては、各々の半導体チップの静特性等を同等に選別してパッケージングしても、実装上、ゲート信号供給経路長の差（漂遊インダクタンスの差）、浮遊容量の差、信号間の干渉、帰還現象等に起因し、各々の半導体チップのゲート電極には、スイッチング時間差のあるゲート信号が入力されてしまう。つまり、ゲート駆動信号にばらつきが発生し、速くスイッチング動作する半導体チップに電流が集中して流れるために、半導体チップに破壊を生じる恐れがある。特に、スイッチング速度の高速化が進むにつれ、このような傾向が強くなり、半導体チップが破壊される度合いはさらに拡大する。
【０００５】
また、マルチチップ方式の電力用半導体装置の組立作業においては、狭小な筐体スペースに半導体チップを実装し、かつ配線を施すので、組立作業が難しく、作業者には熟練と細心な注意とが必要となる。
【０００６】
このような理由から、マルチチップ方式の電力用半導体装置においては、組立作業を容易に行えて製作コストを抑える実装技術と、スイッチング時間差をなくす信号伝送技術とが、製品としての信頼性を向上させるために重要である。
【０００７】
図３８及び図３９はモジュールパッケージ構造の電力用半導体装置を示す図である。同図に示す電力用半導体装置においては、ベース導体１上にＤＢＣ基板２を搭載し、このＤＢＣ基板２上に電圧駆動型半導体チップ３、ＦＷＤ（フリーホイールダイオード）チップ５、ダンピング抵抗４が実装されている。符号６はボンディング導体、７は中継端子、８はゲート信号供給導体、９はコレクタ引出導体、１０はエミッタ引出導体、１１はゲート信号引出導体、１２はエミッタ側のゲート信号引出導体である。
【０００８】
図４０及び図４１はプレスパックパッケージ構造の電力用半導体装置を示す図である。同図に示す電力用半導体装置においては、絶縁容器（外囲器）１４により側面周囲を囲まれた領域内であって、エミッタ共通導体１３とコレクタ共通導体１５との間に圧接された状態で電圧駆動用半導体チップ２１及びＦＷＤチップ２２が実装されている。符号１６はゲート信号入力端子、１７はエミッタ側のゲート信号入力端子、１８はリング状ゲート信号供給導体、１９はダンピング低抗、２０はゲートパッド面接触導体である。
【０００９】
図４２及び図４３は図４１及び図４２に示す電力用半導体装置の電圧駆動型半導体チップ２１を保持する絶縁枠２４を示す図である。この絶縁枠２４は、縁面耐圧を向上する機能、電圧駆動型半導体チップ２１の塑性変形を防止する機能等を備えている。同図に示す符号２１Ａはゲート電極パッド面、２１Ｂはエミッタ電極パッド面、２１Ｃはコレクタ電極パッド面である。
【００１０】
図４４及び図４５は図４１及び図４２に示す電力用半導体装置のＦＷＤチップ２２を保持する絶縁枠２４を示す図である。この絶縁枠２４は、図４２及び図４３に示す絶縁枠２４と同等の機能を備えている。同図に示す符号２２Ａはアノード電極パッド面、２２Ｂはカソード電極パッド面である。
【００１１】
図４６は図４１及び図４２に示す電力用半導体装置の電圧駆動型半導体チップ２１のエミッタ電極パッド面２１Ｂに装着するモリブデン板２６を示す図である。図４７は電圧駆動型半導体チップ２１のコレクタ電極パッド面２１Ｃ、ＦＷＤチップ２２のアノード電極パッド面２２Ａ、カソード電極パッド面２２Ｂのそれぞれに装着するモリブデン板２７を示す図である。
【００１２】
図４８はシングルチップ方式の電力用半導体装置の浮遊容量を示す回路図であり、図４９はマルチチップ方式の電力用半導体装置の浮遊容量を示す回路図である。図４８及び図４９において、電圧駆動型半導体チップ（トランジスタ）２１のゲート電極にはダンピング抵抗１９を介在させてゲート側浮遊インダクタンス（ＬＧ）３０が、エミッタ電極にはエミッタ側浮遊インダクタンス（ＬＥ）３１が、コレクタ電極にはコレクタ側浮遊インダクタンス（ＬＣ）３２がそれぞれ存在している。さらに、ゲート電極とエミッタ電極との間には分布容量（ＣＧＥ）３３が、ゲート電極とコレクタ電極との間には分布容量（ＣＧＣ）３４が、エミッタ電極とコレクタ電極との間には分布容量（ＣＥＣ）３５がそれぞれ存在している。
【００１３】
図５０は、図４８又は図４９に示す浮遊インダクタンスや浮遊容量を持つ、図３８〜図４１に示すパッケージ構造の電力用半導体装置のゲート電極とエミッタ電極との間にゲート駆動信号を与えて駆動する駆動回路を示す図である。図５１は、図５０に示す駆動回路において、スイッチング動作の概略波形を示すタイムチャート図である。図５０において、符号３６はゲート抵抗、３７はゲート−エミッタ間寄生容量（ゲート入力容量）、３８はスイッチング素子（１）、３９はスイッチング素子（２）、４０はゲート電源（１）、４１はゲート電源（２）、４２はスイッチ切り替え信号である。
【００１４】
図５２は、図４９に示すマルチチップ方式の電力用半導体装置において、ゲート信号Ｖｇがゲート信号供給端子ＧからＬＧ１、Ｔｒ１、ＬＥ１のそれぞれを順次通過しエミッタ端子Ｅに至るまでのゲート電流経路の浮遊インダクタンス分と、ゲート信号供給端子ＧからＬＧＮ、ＴｒＮ、ＬＥＮのそれぞれを順次通過しエミッタ端子Ｅに至るまでのゲート電流経路の浮遊インダクタンス分とが相違する状態でゲート信号を供給してスイッチング動作させた場合の各部の動作波形を示す図である。
【００１５】
前述の図３８及び図３９に示すモジュールパッケージ構造の電力用半導体装置においては、電圧駆動型半導体チップ３及びＦＷＤチップ５がＤＢＣ基板２に実装され、ＤＢＣ基板２はベース導体１に接着されている。また、電圧駆動型半導体チップ３のエミッタ電極パッド面やゲート電極パッド面（図示しない。）は、それぞれ中継端子７にボンディング導体６により接続され、中継端子７から図示しない外囲器のそれぞれの端子に接続されている。
【００１６】
図４０及び図４１に示すプレスパック構造の電力用半導体装置においては、図４２及び図４３に示す電圧駆動型半導体チップ２１と図４４及び図４５に示すＦＷＤチップ２２とをエミッタ共通導体１３に圧接している。電圧駆動型半導体チップ２１は、コレクタ電極パッド面２１Ｃを図面上では上にし、図４７に示すモリブデン板２７を介在させ、エミッタ電極パッド面２１Ｂ及びゲート電極パッド面２１Ａを図面上では下にし、図４６に示すモリブデン板２６を介在させて圧接している。ＦＷＤチップ２２は、カソード電極パッド面２２Ｂを図面上では上にし、アノード電極パッド面２２Ａを図面上では下にし、いずれも図４７に示すモリブデン板２７を介在させて圧接している。また、ゲート信号（ゲート電圧）Ｖｇは、リング状ゲート信号供給導体１８からダンピング抵抗１９及びゲート電極パッド面接触導体２０を通して、電圧駆動型半導体チップ２１のゲート電極パッド面２１Ａに供給されている。
【００１７】
図３８及び図３９に示すモジュールパッケージ構造の電力用半導体装置並びに図４０及び図４１に示すプレスパッケージ構造の電力用半導体装置においては、電圧駆動型半導体チップ３又は２１へのゲート信号Ｖｇの供給が単純な導体構造を通じて行われている。このような導体構造の場合、電圧駆動型半導体チップ３又は２１のゲート電極−エミッタ電極間に、図５０に示す駆動回路のスイッチ切り替え信号４２によりスイッチング素子（１）３８を動作させてゲート信号Ｖｇを与えると、図５２に示すようにそれぞれの電圧駆動型半導体チップ（１）、（２）の素子電流（チップ電流）はアンバランスを生じ易い。この原因の１つとして、ゲート信号供給経路のインダクタンスにより発生する振動、電磁誘導によるノイズ、外乱等の影響がある。電圧駆動型半導体チップ（１）、（２）のゲート信号供給経路は等価的にはＲ−Ｃ回路である。
【００１８】
さらに、電圧駆動型半導体チップ（１）、（２）のゲート信号Ｖｇが振動すると、実際の駆動信号はこの積分値となり、それぞれの電圧駆動型半導体チップ（１）、（２）のスイッチング時間はＣ−Ｒ値の違いで時間差が生じる。
【００１９】
このような課題を解決するには、ゲート信号供給経路の低インダクタンス化が重要ではあるが、現実には難しい。図５０には図示していない外部の電源回路等はブスバー等の密着平行導体によって低インダクタンス化を図ることが比較的容易である。しかしながら、ゲート信号供給経路を同じような手法で低インダクタンス化すると、更なる浮遊容量が発生し、スイッチング時間差の発生等の問題がより一層複雑化してしまう。
【００２０】
また、図３８及び図３９に示すモジュールパッケージ構造の電力用半導体装置並びに図４０及び図４１に示すプレスパッケージ構造の電力用半導体装置においては、製作上、狭小なスペース内でのボンディング作業、電圧駆動型半導体チップ３又は２１の装着等を行う必要があり、作業性が好ましくない。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
このように、前述の電力用半導体装置、特にプレスパッケージ構造の電力用半導体装置においては、絶縁容器１４の狭小スペース内での電圧駆動型半導体チップ２１の装着作業を余儀なくされ、製作作業に高度な熟練を要するので、作業性が好ましくないという課題があった。加えて、電力用半導体装置の製作コストが増大してしまうという課題があった。
【００２２】
さらに、プレスパッケージ構造の電力用半導体装置においては、ゲート信号供給経路が複雑であり、ゲート信号Ｖｇが流れた時、電圧駆動型半導体チップ２１毎のゲート信号供給導体１８間の電磁誘導作用等によりノイズや振動が発生し易い。このような課題は、ボンディング導体６を使用する、図３８及び図３９に示すモジュールパッケージ構造の電力用半導体装置においても共通の課題である。上記ノイズや振動の発生に伴い、電力用半導体装置の電圧駆動型半導体チップ２１間にはスイッチング時間差が発生し、アンバランスな電流が流れるので、電圧駆動型半導体チップ２１が破壊される恐れがある。この結果、電流容量を増加して電力用半導体装置の高速化を実現することが難しいという課題があった。
【００２３】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものである。従って、本発明の目的は、スイッチング時間差に起因する電圧駆動型半導体チップの破壊を防止し、動作速度の高速化を実現することができる電圧駆動型電力用半導体装置を提供することである。
【００２４】
さらに、本発明の目的は、製作上の作業性を向上することができる電圧駆動型電力用半導体装置を提供することである。
【００２５】
さらに、本発明の目的は、製作コストを減少することができる電圧駆動型電力用半導体装置を提供することである。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の第１の特徴は、第１の接触導体と、第１の接触導体上に配設され、制御電極、第１の接触導体に接触させる第１の主電極及び第１の主電極に対向する第２の主電極を有する電圧駆動型半導体チップと、電圧駆動型半導体チップの第２の主電極に接触する第２の接触導体と、第２の接触導体上に配設され、絶縁性、熱伝導性及び放熱性を有し、セラミックスにより形成された圧接部材と、圧接部材を押圧し、第１の接触導体と第１の主電極との間及び第２の主電極と第２の接触導体との間を圧接させる弾性部材と、制御電極に接触する第３の接触導体と、第３の接触導体に接触させる導体配線を有する基板とを備えた電圧駆動型電力用半導体装置としたことである。
【００２７】
本発明の第２の特徴は、第１の接触導体と、第１の接触導体上に配設され、制御電極、第１の接触導体に接触させる第１の主電極及び第１の主電極に対向する第２の主電極を有する電圧駆動型半導体チップと、電圧駆動型半導体チップの第２の主電極に接触する第２の接触導体と、制御電極に接触する第３の接触導体と、第１の接触導体又は第２の接触導体を支え、制御電極の信号経路と第１の主電極又は第２の主電極の信号経路とをツイスト構造とした導体配線を有する接触導体支えと、を備えた電圧駆動型電力用半導体装置。
【００２８】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して、本発明に係る電圧駆動型電力用半導体装置を、本発明の実施の形態により説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００２９】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態は、３端子のフラットパッケージ構造を有する電圧駆動型電力用半導体装置を説明するものである。
【００３０】
図１乃至図４に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る３端子のフラットパッケージ構造を有する電圧駆動型電力用半導体装置は、第１の接触導体（エミッタ／カソード共通接触導体）５７と、第１の接触導体５７上に配設され、ゲート電極（制御電極）６０３、第１の接触導体５７に接触させるエミッタ電極（第１の主電極）６０１及びエミッタ電極６０１に対向するコレクタ電極（第２の主電極）６０２を有する電圧駆動型半導体チップ６０（図３参照。）と、電圧駆動型半導体チップ６０のコレクタ電極６０２に接触する第２の接触導体（コレクタ／アノード共通引出導体）５６と、コレクタ電極６０２上の絶縁性を有する圧接部材５２と、圧接部材５２を押圧し、第１の接触導体５７とエミッタ電極６０１との間及びコレクタ電極と第２の接触導体５６との間を圧接させる弾性部材５１と、ゲート電極６０３に接触する第３の接触導体（ゲート接触導体）５９（図３参照。）と、第３の接触導体５９に接触させる導体配線を有する配線基板５３２とを備えて構築されている。
【００３１】
本発明の第１の実施の形態において、電圧駆動型半導体チップ６０は、図３に示すように、エミッタ電極６０１、コレクタ電極６０２及びゲート電極６０３を有するＩＧＢＴである。電圧駆動型電力用半導体装置においては、電圧駆動型半導体チップ６０の装着と併せて、電圧駆動型半導体チップ６０のエミッタ電極６０１にカソード電極６１２を電気的に接続し、コレクタ電極６０２にアノード電極６１１を電気的に接続したＦＷＤチップ６１が装着されている。すなわち、ＦＷＤチップ６１は、第１の接触導体５７上に配設され、この第１の接触導体５７にカソード電極６１２を接触させるとともに、アノード電極６１１には第２の接触導体５６が配設され、この第２の接触導体５６にアノード電極６１１を接触させている。
【００３２】
第１の接触導体５７と電圧駆動型半導体チップ６０のエミッタ電極６０１との間は、図５に示す、ゲート電極６０３部分に切欠き部を有する方形状の応力吸収板としてのモリブデン板５５Ａを介在させている。第２の接触導体５６とコレクタ電極６０２との間は、図６に示す、方形状の同じく応力吸収板としてのモリブデン板５５Ｃを介在させている。電圧駆動型半導体チップ６０のゲート電極６０３には、図５に示す、方形状のモリブデン板５５Ｂを介在させ、図３に示す第３の接触導体（ゲート接触導体）５９が接触するようになっている。
【００３３】
一方、ＦＷＤチップ６１のカソード電極６１２と第１の接触導体５７との間、アノード電極６１１と第２の接触導体５との間は、電圧駆動型半導体チップ６０のコレクタ電極６０２側と同等の、図６に示すモリブデン板５５Ｃを介在させている。
【００３４】
第１の接触導体５７は、図１及び図２に示すように、ベース導体５０上に配設され、第１の接触導体支え５３によりベース導体５０に装着されるようになっている。第１の接触導体５７には、例えばＣｕ、Ｃｕ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金等の材料を実用的に使用することができる。第１の接触導体支え５３は、図３に示すように、図中上下に重ね合わせる複数枚の配線基板（例えば、プリント配線基板）５３１〜５３４により構成されている。配線基板５３１〜５３４は、いずれも少なくとも１５０℃まで耐熱を有し、かつ５０００Ｖ〜６０００Ｖ程度の絶縁耐圧を有する、例えばエポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂等の基材（フィルムも含まれる。）に、Ｃｕ等の導体配線を形成したものである。
【００３５】
最上層の配線基板５３４には、導体配線に直接又はスルーホールを介在させて間接的に接続された、エミッタ信号用端子５３５、コレクタ信号用端子５３６及びゲート信号用端子５３７が配設されている。同図３に示すように、配線基板５３４には、第３の接触導体５９とゲート信号用端子５３７との間を電気的に接続する導体配線が形成されている。なお、第３の接触導体５９は、好ましくは第１の接触導体５７と同様に、Ｃｕ等の電気抵抗値が小さい材料により形成されている。
【００３６】
第２の接触導体５６は、図４に示すように、上蓋がない箱型形状のようなものを２個連結することにより形成されており、この連結部分からはコレクタ電流を引き出す羽子板状の引出配線５６１が配設されている。この第２の接触導体５６は、第２の接触導体支え５４の開口部分に挿入することにより、この第２の接触導体支え５４により装着するようになっている。第２の接触導体支え５４は、第１の接触導体支え５３と同様に、配線基板により形成されている。
【００３７】
圧接部材５２は、図１及び図２に示すように、第２の接触導体５６（実際にはモリブデン板５５Ｃに直接接触するようになっている。）に適度な接触面積において接触し応力集中を軽減でき、かつ熱伝導性が高く放熱性に優れた、例えばセラミックスボールを実用的に使用することができる。圧接部材５２は、図４に示すように、位置決め板５８により配置位置が決定され、かつ支持されている。この位置決め板５８は、中心部分に圧接部材５２を配置する円形状の開口部を有し、第２の接触導体支え５６の箱型形状内部に収まる方形状において形成されている。
【００３８】
弾性部材５１は、ベース導体５０上に配設され、第１の接触導体５７、第１の接触導体支え５３、電圧駆動型半導体チップ６０、ＦＷＤチップ６１、第２の接触導体５６、第２の接触導体支え５４、第３の接触導体５９等を封止する、底面がない箱型形状により構成されている。この弾性部材５１は、下側側面においてベース導体５０の側面に配設された凹部５０１に弾性力に抗してはめ込む凸部５１１を配設しており、さらに上面の圧接部材５２に対応する位置に圧接部材５２を適度な弾性力で押さえ込むための開口部５２１を配設している。つまり、開口部５２１は、圧接部材５２にセラミックスボールを使用する場合、このセラミックスボールの外径よりも若干小さい内径に設定されている。また、開口部５２１は、圧接部材５２を通して伝達されてきた、電圧駆動型半導体チップ６０の動作で発生する熱を効率良く排出するための排熱口としての機能も備えている。弾性部材５１は、例えば絶縁性を有する樹脂により形成することができる。
【００３９】
［変形例］
図５に示すモリブデン板５５Ａ及び５５Ｂは、図７に示すように、モリブデン板５５Ａと５５Ｂとの間に絶縁物５５Ｄを介在させ一体化されたモリブデン板５５として構成することができる。絶縁物５５Ｄには、例えば、絶縁性、耐熱性及び接着性を有するエポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂等を実用的に使用することができる。
【００４０】
このように構成される電圧駆動型電力用半導体装置においては、比較的小型の３端子のフラットパッケージ構造にプレスパックパッケージ構造を採用する、すなわち第１の接触導体５７と第２の接触導体５６との間に電圧駆動型半導体チップ６０及びＦＷＤチップ６１を均等に圧接する構造にしたので、ボンディング導体を無くし、ボンディング導体に起因する断線不良を防止することができる。この結果、振動が生じる環境下や過酷な使用条件において、電圧駆動型電力用半導体装置の使用が可能になる。
【００４１】
さらに、電圧駆動型電力用半導体装置においては、熱伝導性に優れた圧接部材５２を利用して、直接、電圧駆動型半導体チップ６０を冷却することができる。従って、大電流容量の電圧駆動型電力用半導体装置を実現することができる。
【００４２】
さらに、電圧駆動型電力用半導体装置においては、ベース導体５０上に第１の接触導体５７、電圧駆動型半導体チップ６０及びＦＷＤチップ６１、第２の接触導体５６、圧接部材５２を順次重ね、開口部５２１の周縁により圧接部材５２を押圧するような状態で弾性部材５１をベース導体５０に装着するだけで、組み立てることができる。すなわち、電圧駆動型電力用半導体装置の製作を容易にすることができる。
【００４３】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態は、モジュールパッケージ構造を有する電圧駆動型電力用半導体装置を説明するものである。
【００４４】
図８乃至図１２に示すように、本発明の第２の実施の形態に係るモジュールパッケージ構造を有する電圧駆動型電力用半導体装置は、第１の接触導体（エミッタ／カソード共通接触導体）５７と、第１の接触導体５７上に配設され、ゲート電極（制御電極）６０３、第１の接触導体５７に接触させるエミッタ電極（第１の主電極）６０１及びエミッタ電極６０１に対向するコレクタ電極（第２の主電極）６０２を有する電圧駆動型半導体チップ６０（前述の図３参照。）と、電圧駆動型半導体チップ６０のコレクタ電極６０２に接触する第２の接触導体（コレクタ／アノード共通引出導体）５６と、コレクタ電極６０２上の絶縁性を有する圧接部材５２と、圧接部材５２を押圧し、第１の接触導体５７とエミッタ電極６０１との間及びコレクタ電極と第２の接触導体５６との間を圧接させる弾性部材５１と、ゲート電極６０３に接触する第３の接触導体（ゲート接触導体）５９（図１１参照。）と、第３の接触導体５９に接触させる導体配線を有する配線基板５３２とを備えて構築されている。
【００４５】
本発明の第２の実施の形態に係る電圧駆動型電力用半導体装置は４個の電圧駆動型半導体チップ６０及び２個のＦＷＤチップ６１を第１の接触導体５７と第２の接触導体５６との間で圧接するようになっており、基本的な構造は第１の実施の形態に係る電圧駆動型電力用半導体装置の構造と同一である。すなわち、本発明の第２の実施の形態に係る電圧駆動型電力用半導体装置は、複数の電圧駆動型半導体チップ６０及びＦＷＤチップ６１を搭載し、これらの搭載個数に対応するように第１の接触導体５７、第２の接触導体５６、第３の接触導体５９、ベース導体５０、圧接部材５２、弾性部材５１等が構成されている。
【００４６】
また、図９に示すように、ベース導体５０内部には中空のヒートシンク５０２が配設されており、電圧駆動型電力用半導体装置の冷却効率を高めることができる。ヒートシンク５０２には、空冷方式により空気が、水冷方式により純水が、又は媒体冷却方式により純水以外の冷却媒体が循環するようになっている。
【００４７】
このように構成される電圧駆動型電力用半導体装置においては、比較的大型のモジュールパッケージ構造にプレスパックパッケージ構造を採用したので、ボンディング導体を無くし、ボンディング導体に起因する断線不良を防止することができる。この結果、振動が生じる環境下や過酷な使用条件において、電圧駆動型電力用半導体装置の使用が可能になる。
【００４８】
さらに、電圧駆動型電力用半導体装置においては、熱伝導性に優れた圧接部材５２を利用して、直接、電圧駆動型半導体チップ６０を冷却することができる。従って、大電流容量の電圧駆動型電力用半導体装置を実現することができる。
【００４９】
さらに、電圧駆動型電力用半導体装置においては、ベース導体５０上に第１の接触導体５７、電圧駆動型半導体チップ６０及びＦＷＤチップ６１、第２の接触導体５６、圧接部材５２を順次重ね、開口部５２１の周縁により圧接部材５２を押圧するような状態で弾性部材５１をベース導体５０に装着するだけで、組み立てることができる。すなわち、電圧駆動型電力用半導体装置の製作を容易にすることができる。
【００５０】
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態は、本発明の第２の実施の形態に係る電圧駆動型電力用半導体装置の電圧駆動型半導体チップ６０とＦＷＤチップ６１とをセットにし、上下アーム構成とした電圧駆動型電力用半導体装置を説明するものである。
【００５１】
図１３乃至図１７に示すように、本発明の第３の実施の形態に係るモジュールパッケージ構造を有する電圧駆動型電力用半導体装置は、第１の接触導体５７と、第１の接触導体５７上に配設され、ゲート電極（制御電極）６０３、第１の接触導体５７に接触させるエミッタ電極（第１の主電極）６０１及びエミッタ電極６０１に対向するコレクタ電極（第２の主電極）６０２を有する電圧駆動型半導体チップ６０Ａ（前述の図３参照。）と、ゲート電極６０３、第２の接触導体５６に接触させるエミッタ電極６０１及びエミッタ電極６０１に対向するコレクタ電極６０２を有する電圧駆動型半導体チップ６０Ｂと、電圧駆動型半導体チップ６０Ａのコレクタ電極６０２に接触する第２の接触導体５６Ａ及び５６Ｃと、電圧駆動型半導体チップ６１Ｂのエミッタ電極６０１に接触する第２の接触導体５６Ｂ及び５６Ｃと、コレクタ電極６０２、エミッタ電極６０１上の絶縁性を有する圧接部材５２と、圧接部材５２を押圧し、第１の接触導体５７とエミッタ電極６０１又はコレクタ電極６０２との間、及びコレクタ電極６０２又はエミッタ電極６０１と第２の接触導体５６との間を圧接させる弾性部材５１と、ゲート電極６０３に接触する第３の接触導体５９Ａ及び５９Ｂ（図１６及び図１７参照。）と、第３の接触導体５９に接触させる導体配線を有する配線基板５３２及び５４２とを備えて構築されている。
【００５２】
本発明の第３の実施の形態に係る電圧駆動型電力用半導体装置は、２個の電圧駆動型半導体チップ６０Ａ及び６０Ｂを電気的に直列に接続するために、双方の上下方向の向きを入れ替え、上下アーム構成としている。ＦＷＤチップ６１Ａ及び６１Ｂも同様である。上下アーム構成とすることにより、第１の接触導体５７においては、図１６に示すように、電圧駆動型半導体チップ６０Ａのエミッタ電極６０１に接触する接触導体部５７Ａ、電圧駆動型半導体チップ６０Ｂのコレクタ電極６０２に接触する接触導体部５７Ｂ、ＦＷＤチップ６０Ａのカソード電極６１２に接触する接触導体部５７Ｃ、ＦＷＤチップ６０Ｂのアノード電極６１１に接触する接触導体部５７Ｄが配設されている。
【００５３】
さらに、第２の接触導体５６は、図１７に示すように、電圧駆動型半導体チップ６０Ａのコレクタ電極６０２、ＦＷＤチップ６０Ａのアノード電極６１１、ＦＷＤチップ６０Ｂのカソード電極６１２にそれぞれ接触する接触導体部５６Ａ、電圧駆動型半導体チップ６０Ｂのエミッタ電極６０１に接触する接触導体部５６Ｂ、接触導体部５６Ａと５６Ｂとの間を接続する引出配線５６Ｃ、接触導体部５６Ａ間を接続する引出配線５６Ｄとを備えている。
【００５４】
第２の接触導体支え５４は、第１の接触導体支え５３と同様に、複数枚の配線基板５４１、５３２、５４３を少なくとも備えている。また、電圧駆動型半導体チップ６０Ａのゲート電極６０３には図１６に示す第３の接触導体５９Ａが接触し、電圧駆動型半導体チップ６０Ｂのゲート電極６０３には図１７に示す第３の接触導体５９Ｂが接触するようになっている。
【００５５】
このように構成される電圧駆動型電力用半導体装置においては、ベース導体５０上に上下アームを構成した以外、前述の本発明の第２の実施の形態に係る電圧駆動型電力用半導体装置と同様の効果が得られる。
【００５６】
（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態は、本発明の第２の実施の形態及び第３の実施の形態に係る電圧駆動型電力用半導体装置を組み合わせた電圧駆動型電力用半導体装置を説明するものである。
【００５７】
図１８乃至図２２に示すように、本発明の第４の実施の形態に係る電圧駆動型電力用半導体装置は、ベース導体５０を中心として、ベース導体５０の表面側（図１９中、上側）に、本発明の第２の実施の形態に係る電圧駆動型電力用半導体装置と同様の第１の接触導体５７、第１の接触導体支え５３、電圧駆動型半導体チップ６０及びＦＷＤチップ６１、第２の接触導体５６、第２の接触導体支え５４、圧接部材５２、弾性部材５１、第３の接触導体２９等を配設し（図２１及び図２２参照。）、ベース導体５０の裏面側（図１９中、下側）に、本発明の第３の実施の形態に係る電圧駆動型電力用半導体装置と同様の第１の接触導体５７、第１の接触導体支え５３、電圧駆動型半導体チップ６０及びＦＷＤチップ６１、第２の接触導体５６、第２の接触導体支え５４、圧接部材５２、弾性部材５１、第３の接触導体２９等を配設する（図２３参照。）ことにより構築されている。
【００５８】
本発明の第４の実施の形態に係る電圧駆動型電力用半導体装置においては、本発明の第２の実施の形態に係る電圧駆動型電力用半導体装置と第３の実施の形態に係る電圧駆動型電力用半導体装置とを組み合わせた効果が得られる。
【００５９】
（第５の実施の形態）
本発明の第５の実施の形態は、本発明の第３の実施の形態に係る電圧駆動型電力用半導体装置を完全密閉パッケージ構造とした電圧駆動型電力用半導体装置を説明するものである。
【００６０】
図２４乃至図２６に示すように、本発明の第５の実施の形態に係る完全密閉パッケージ構造の電圧駆動型電力用半導体装置は、ベース導体５０及び弾性部材５１を完全密閉するモールドパッケージ（絶縁容器）７０と、モールドパッケージ７０に連接されモールドパッケージ７０の内部環境を調節するための絶縁フランジ７１と、モールドパッケージ７０の内部から外部に引き出されたエミッタ電極端子（第１の主電極端子）７２、コレクタ電極端子（第２の主電極端子）７３、ゲート電極端子（制御電極端子）７４と、モールドパッケージ７０を取り付け固定するための固定部材７５とを少なくとも備えて構築されている。すなわち、電圧駆動型電力用半導体装置はモールドパッケージ７０により外部環境から完全に遮断されるようになっている。
【００６１】
固定部材７５は、例えば外部機器のフレーム等にモールドパッケージ７０を固定するようになっており、例えば埋め込みネジを実用的に使用することができる。
【００６２】
このように構成される本発明の第５の実施の形態に係る電圧駆動型電力用半導体装置においては、完全密閉パッケージ構造の防爆構造であるので、安全性を向上することができる。
【００６３】
さらに、固定部材７５やモールドパッケージ７０を絶縁構造としたので、電圧駆動型電力用半導体装置の設置や変換器構成の自由度を高めることができる。
【００６４】
（第６の実施の形態）
本発明の第６の実施の形態は、フラットパッケージ構造の電圧駆動型電力用半導体装置において、信号ノイズの軽減に好適な例を説明するものである。
【００６５】
図２７乃至図２９に示すように、本発明の第６の実施の形態に係るフラットパッケージ構造の電圧駆動型電力用半導体装置は、円形形状の絶縁容器８０内において、第１の接触導体（エミッタ／カソード共通接触導体）５７と、第１の接触導体５７上に配設され、ゲート電極（制御電極）６０３、第１の接触導体５７に接触させるエミッタ電極（第１の主電極）６０１及びエミッタ電極６０１に対向するコレクタ電極（第２の主電極）６０２を有する電圧駆動型半導体チップ６０（図３参照。）と、電圧駆動型半導体チップ６１のコレクタ電極６０２に接触する第２の接触導体（コレクタ／アノード共通引出導体）５６と、ゲート電極６０３に接触する第３の接触導体（ゲート接触導体）５９（図２９参照。）と、第３の接触導体５９に接触させる導体配線を有する配線基板５３２と、絶縁容器８０を密閉するフランジ８２とを備えて構築されている。
【００６６】
本発明の第６の実施の形態に係る電圧駆動型電力用半導体装置の基本的な構成は、本発明の第１の実施の形態乃至第３の実施の形態に係る電圧駆動型電力用半導体装置の構成と同様であるが、圧接部材５２及び弾性部材５１は特に配設されていない。勿論、本発明においては、本発明の第６の実施の形態に係る電圧駆動型電力用半導体装置に圧接部材５２及び弾性部材５１を配設してもよい。
【００６７】
本発明の第６の実施の形態に係る電圧駆動型電力用半導体装置は、図２９に示す第１の接触導体支え５３の配線基板５３１、５３２の少なくともいずれかに図３０、図３１及び図３３に示すようなツイスト形状の配線導体９０及び９２を備えている。ゲート信号が印加される配線導体９０は、配線基板５３１、５３２の表面を延在し、表面から接続孔９１を通して内部に達し、内部を延在し、さらに接続孔９１を通して内部から表面に達するような縦方向の繰り返しパターンになっている。エミッタ信号が供給される導体配線９２は、配線基板５３１、５３２の裏面を延在し、裏面から接続孔９１を通して表面に達し、表面を延在し、さらに接続孔９１を通して表面から裏面に達するような縦方向の繰り返しパターンになっている。配線導体９０と９２とは延在方向において１ピッチ分のずれを設けている。図３０において、符号９３はダンピング抵抗である。すなわち、図３５及び図３６に示すように、ゲート信号供給経路とエミッタ信号供給経路とを平行に延在させることにより、導体配線９０にインダクタンス成分のあるゲート信号が流れた時に発生する振動ノイズをキャンセルすることができる。
【００６８】
また、図３２及び図３４に示すように、配線基板５３１、５３２の少なくともいずれかは、さらに多層配線構造を採用し、導体配線９０及び９２を折り返し、配線長をより一層長くすようにしてもよい。この場合、折り返す前の導体配線９０及び９２と折り返した後の導体配線９０及び９２との間に双方の干渉を防止するためにガード配線９４を配設することが好ましい。
【００６９】
図３７に示す電圧駆動型電力用半導体装置は、ゲート入力端子８１から絶縁容器８０の中央部分に一旦導体配線９０を引き延ばし、ここから周辺の多数の電圧駆動型半導体チップ６０に導体配線９０を分岐させたレイアウトを示している。多数の電圧駆動型半導体チップ６０を備えた場合にはゲート信号供給経路が煩雑になり、ノイズの発生や外乱の影響を受け易くなるので、このような課題を防止することができる。
【００７０】
このように構成される本発明の第６の実施の形態に係る電圧駆動型電力用半導体装置においては、ゲート信号供給経路とエミッタ信号供給経路とをツイストさせて延在させたので、ゲート信号供給経路において発生するノイズをキャンセルすることができ、安定な動作を実現することができる。この結果、電圧駆動型電力用半導体装置の電気的信頼性を向上することができる。
【００７１】
さらに、電圧駆動型電力用半導体装置においては、ノイズのキャンセル効果により、電圧駆動型半導体チップ６０のスイッチング速度の高速化を図ることができる。
【００７２】
さらに、電圧駆動型電力用半導体装置においては、ゲート信号供給経路を均一化することができ、多数の電圧駆動型半導体チップ６０に流れる電流のアンバランスを軽減することができる。この結果、電圧駆動型半導体チップ６０の破壊を未然に防止することができる。
【００７３】
（その他の実施の形態）
本発明は上記複数の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【００７４】
【発明の効果】
本発明は、スイッチング時間差に起因する電圧駆動型半導体チップの破壊を防止し、動作速度の高速化を実現することができる電圧駆動型電力用半導体装置を提供できる。
【００７５】
さらに、本発明は、製作上の作業性を向上することができる電圧駆動型電力用半導体装置を提供できる。
【００７６】
さらに、本発明は、製作コストを減少することができる電圧駆動型電力用半導体装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る電圧駆動型電力用半導体装置の平面図である。
【図２】図１に示すＦ２−Ｆ２切断線で切った電圧駆動型電力用半導体装置の断面図である。
【図３】図１及び図２に示す電圧駆動型電力用半導体装置のエミッタ側要部の分解斜視図である。
【図４】図１及び図２に示す電圧駆動型電力用半導体装置のコレクタ側要部の分解斜視図である。
【図５】図１及び図２に示す電圧駆動型電力用半導体装置に使用する部品の斜視図である。
【図６】図１及び図２に示す電圧駆動型電力用半導体装置に使用する部品の斜視図である。
【図７】図１及び図２に示す電圧駆動型電力用半導体装置に使用する部品の変形例の斜視図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態に係る電圧駆動型電力用半導体装置の平面図である。
【図９】図８に示すＦ９−Ｆ９切断線で切った電圧駆動型電力用半導体装置の断面図である。
【図１０】図８及び図９に示す電圧駆動型電力用半導体装置に使用する部品の斜視図である。
【図１１】図８及び図９に示す電圧駆動型電力用半導体装置のエミッタ側要部の分解斜視図である。
【図１２】図８及び図９に示す電圧駆動型電力用半導体装置のコレクタ側要部の分解斜視図である。
【図１３】本発明の第３の実施の形態に係る電圧駆動型電力用半導体装置の平面図である。
【図１４】図１３に示すＦ１４−Ｆ１４切断線で切った電圧駆動型電力用半導体装置の断面図である。
【図１５】図１３及び図１４に示す電圧駆動型電力用半導体装置に使用する部品の斜視図である。
【図１６】図１３及び図１４に示す電圧駆動型電力用半導体装置のエミッタ及びコレクタ側要部の分解斜視図である。
【図１７】図１３及び図１４に示す電圧駆動型電力用半導体装置のエミッタ及びコレクタ側要部の分解斜視図である。
【図１８】本発明の第４の実施の形態に係る電圧駆動型電力用半導体装置の平面図である。
【図１９】図１８に示すＦ１９−Ｆ１９切断線で切った電圧駆動型電力用半導体装置の断面図である。
【図２０】図１８及び図１９に示す電圧駆動型電力用半導体装置に使用する部品の斜視図である。
【図２１】図１８及び図１９に示す電圧駆動型電力用半導体装置の要部の分解斜視図である。
【図２２】図１８及び図１９に示す電圧駆動型電力用半導体装置の要部の分解斜視図である。
【図２３】図１８及び図１９に示す電圧駆動型電力用半導体装置の要部の分解斜視図である。
【図２４】本発明の第５の実施の形態に係る電圧駆動型電力用半導体装置の平面図である。
【図２５】図２４に示す矢印Ｆ２５方向から見た電圧駆動型電力用半導体装置の側面図である。
【図２６】図２４に示す矢印Ｆ２６方向から見た電圧駆動型電力用半導体装置の側面図である。
【図２７】本発明の第６の実施の形態に係る電圧駆動型電力用半導体装置の平面図である。
【図２８】図２７に示すＦ２８−Ｆ２８切断線で切った電圧駆動型電力用半導体装置の一部断面側面図である。
【図２９】図２７及び図２８に示す電圧駆動型電力用半導体装置の要部の斜視図である。
【図３０】図２７及び図２８に示す電圧駆動型電力用半導体装置の配線基板に使用される配線導体の平面図である。
【図３１】図３０に示す配線基板の断面図（Ｆ３１−Ｆ３１で切った断面図）である。
【図３２】図３０に示す配線基板の変形例の断面図（Ｆ３１−Ｆ３１で切った断面図）である。
【図３３】図３１に示す配線基板の電気結線図である。
【図３４】図３２に示す配線基板の電気結線図である。
【図３５】本発明の第６の実施の形態に係る電圧駆動型電力用半導体装置（シングルチップ方式）の回路図である。
【図３６】本発明の第６の実施の形態に係る電圧駆動型電力用半導体装置（マルチチップ方式）の回路図である。
【図３７】本発明の第６の実施の形態に係る電圧駆動型電力用半導体装置の平面図である。
【図３８】本発明の先行技術に係るモジュールパッケージ構造の電力用半導体装置の平面図である。
【図３９】図３８に示す電力用半導体装置の矢印Ｆ３９方向から見た側面図である。
【図４０】本発明の先行技術に係るプレスパックパッケージ構造の電力用半導体装置の平面図である。
【図４１】図４０に示す電力用半導体装置のＦ４１−Ｆ４１線で切った一部断面図である。
【図４２】図４０及び図４２に示す電力用半導体装置の電圧駆動型半導体チップの絶縁枠の平面図である。
【図４３】図４０及び図４２に示す電力用半導体装置の電圧駆動型半導体チップの絶縁枠の側面図である。
【図４４】図４０及び図４２に示す電力用半導体装置のＦＷＤチップの絶縁枠の平面図である。
【図４５】図４０及び図４２に示す電力用半導体装置のＦＷＤチップの絶縁枠の側面図である。
【図４６】図４０及び図４２に示す電力用半導体装置の電圧駆動型半導体チップのモリブデン板の平面図である。
【図４７】図４０及び図４２に示す電力用半導体装置のＦＷＤチップのモリブデン板の平面図である。
【図４８】本発明の先行技術に係るシングルチップ方式の電力用半導体装置の回路図である。
【図４９】本発明の先行技術に係るマルチチップ方式の電力用半導体装置の回路図である。
【図５０】本発明の先行技術に係る電力用半導体装置及びその駆動回路の回路図である。
【図５１】図５０に示す駆動回路の電力用半導体装置のスイッチング動作の波形を示す図である。
【図５２】図４９に示す駆動回路の電力用半導体装置のスイッチング動作の波形を示す図である。
【符号の説明】
５０  ベース導体
５１  弾性部材
５２  圧接部材
５３  第１の接触導体支え
５４  第２の接触導体支え
５５Ａ〜５５Ｃ  モリブデン板
５６  第２の接触導体
５７  第１の接触導体
５８  位置決め板
５９  制御電極
６０  電圧駆動型半導体チップ
６１  ＦＷＤチップ
７０  モールドパッケージ
７１  絶縁フランジ
７２  第１の主電極端子
７３  第２の主電極端子
７４  制御電極端子
７５  固定部材
８０  絶縁容器
８１  ゲート入力端子
９０，９２  導体配線
９３  接続孔
【図１】
0003850703.tif 000002
【図２】
0003850703.tif 000003
【図３】
0003850703.tif 000004
【図４】
0003850703.tif 000005
【図５】
0003850703.tif 000006
【図６】
0003850703.tif 000007
【図７】
0003850703.tif 000008
【図８】
0003850703.tif 000009
【図９】
0003850703.tif 000010
【図１０】
0003850703.tif 000011
【図１１】
0003850703.tif 000012
【図１２】
0003850703.tif 000013
【図１３】
0003850703.tif 000014
【図１４】
0003850703.tif 000015
【図１５】
0003850703.tif 000016
【図１６】
0003850703.tif 000017
【図１７】
0003850703.tif 000018
【図１８】
0003850703.tif 000019
【図１９】
0003850703.tif 000020
【図２０】
0003850703.tif 000021
【図２１】
0003850703.tif 000022
【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
0003850703.tif 000027
【図２７】
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【図２８】
0003850703.tif 000029
【図２９】
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【図３０】
0003850703.tif 000031
【図３１】
0003850703.tif 000032
【図３２】
0003850703.tif 000033
【図３３】
0003850703.tif 000034
【図３４】
0003850703.tif 000035
【図３５】
0003850703.tif 000036
【図３６】
0003850703.tif 000037
【図３７】
0003850703.tif 000038
【図３８】
0003850703.tif 000039
【図３９】
0003850703.tif 000040
【図４０】
0003850703.tif 000041
【図４１】
0003850703.tif 000042
【図４２】
0003850703.tif 000043
【図４３】
0003850703.tif 000044
【図４４】
0003850703.tif 000045
【図４５】
0003850703.tif 000046
【図４６】
0003850703.tif 000047
【図４７】
0003850703.tif 000048
【図４８】
0003850703.tif 000049
【図４９】
0003850703.tif 000050
【図５０】
0003850703.tif 000051
【図５１】
0003850703.tif 000052
【図５２】
0003850703.tif 000053