CN109716515A - 半导体装置 - Google Patents
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Abstract
特征在于，具有：下电极；半导体芯片，其设置在该下电极之上；压垫，其设置在该半导体芯片之上或之下；上电极，其设置在该压垫和该半导体芯片层叠的构造之上；以及连接导体，其仅在该下电极和该上电极的距离大于预定的值的情况下，在该下电极和该上电极之间提供新的电流路径，该下电极和该上电极之间的距离可变，该压垫无论该下电极和该上电极之间的距离如何，都经由该半导体芯片而将该下电极和该上电极进行电连接。
Description
技术领域
本发明涉及在例如大电流的通断等中使用的半导体装置。
背景技术
在专利文献1中公开了压装(Press pack)功率半导体装置。在专利文献1的图1中公开了在内部具有多个半导体芯片的压装功率半导体装置。半导体芯片例如是IGBT。通过使该半导体装置的各要素的上表面和下表面进行压接，从而实现半导体芯片的电连接。为了对多个半导体芯片均等地施加压力，对各个半导体芯片而言需要弹簧构造和导电线路的游隙。
赋予该游隙且保证电连接的是压垫。为了增大相对于通常电流的通电容量，有时设置多个压垫。有时在压垫间设置弹簧，但该弹簧即使在具有导电性的情况下也作为电感起作用，特别是针对高频而成为高阻抗。因此，电流不流过弹簧。
专利文献1：日本特表2004－528724号公报
发明内容
如果在压装半导体装置发生短路，则担心该装置的爆炸。例如，短路电流流过压垫，由此由于焦耳发热，压垫熔断，产生电弧。而且，装置内部的电气线路断线，在断线部分产生电弧，通过由电弧加热，从而环境气体膨胀，或者固体气化而导致爆炸。
考虑到上述这样的爆炸而在装置设置牢固的防爆构造这一做法成为装置的小型化及低价格化的妨碍因素。另外，有时还需要对使用电流区域进行限制，或另外设置短路保护。
本发明就是为了解决上述的问题而提出的，其目的在于提供能够防止压垫的熔断的半导体装置。
本发明所涉及的半导体装置的特征在于，具有：下电极；半导体芯片，其设置在该下电极之上；压垫，其设置在该半导体芯片之上或之下；上电极，其设置在该压垫和该半导体芯片层叠的构造之上；以及连接导体，其仅在该下电极和该上电极的距离大于预定的值的情况下，在该下电极和该上电极之间提供新的电流路径，该下电极和该上电极之间的距离可变，该压垫无论该下电极和该上电极之间的距离如何，都经由该半导体芯片而将该下电极和该上电极进行电连接。
本发明所涉及的其他半导体装置的特征在于，具有：下电极；上电极，其设置在该下电极的上方；半导体芯片，其设置在该下电极和该上电极之间；金属块，其在该下电极和该上电极之间与该半导体芯片层叠地设置；以及2个压垫，其设置在该下电极和该上电极之间，经由该半导体芯片而将该下电极和该上电极电连接，以隔着该金属块的方式相对设置，如果流过该2个压垫的电流大于预定的值，则该2个压垫的距离变小，该2个压垫与该金属块的侧面的接触面积增大。
本发明的其他特征在下面变得清楚。
发明的效果
根据本发明，通过减少使压垫负担的短路电流，或提高压垫的散热性，从而能够防止压垫的熔断。
附图说明
图1是实施方式1所涉及的半导体装置的剖视图。
图2是表示实施方式1所涉及的半导体装置的组装例的图。
图3是短路时的半导体装置的剖视图。
图4是实施方式2所涉及的半导体装置的剖视图。
图5是短路时的半导体装置的剖视图。
图6是实施方式3所涉及的半导体装置的剖视图。
图7是实施方式4所涉及的半导体装置的剖视图。
图8是实施方式5所涉及的半导体装置的剖视图。
图9是短路时的半导体装置的剖视图。
图10是实施方式6所涉及的半导体装置的剖视图。
图11是短路时的半导体装置的剖视图。
具体实施方式
参照附图对本发明的实施方式所涉及的半导体装置进行说明。对相同或对应的结构要素标注相同的标号，有时省略重复的说明。
实施方式1.
图1是实施方式1所涉及的半导体装置1的剖视图。该半导体装置1具有下电极10。在下电极10之上设置有半导体芯片12。半导体芯片12例如是IGBT或二极管。在半导体芯片12之上设置有由金属形成的板14。
在板14之上，设置了具有连接导体16和压垫30、32的构造。连接导体16具有第1部分17和第2部分18。第1部分17是通过固定于板14而相对于下电极10被固定，与下电极10联动地动作的部分。在第1部分17形成有空腔17a。由此，存在有内壁上表面17b。
第2部分18具有：直线导体20A、在直线导体20A的上端设置的横长的导体即上端部20C、和在直线导体20A的下端设置的横长的导体即下端部20B。直线导体20A和下端部20B成为倒T字形状。直线导体20A是通过将第1部分17的开口贯通而从该开口的上方延伸至下方的导体。直线导体20A的下端位于空腔17a中，因此下端部20B也位于空腔17a中。其结果，下端部20B与第1部分17的上端相比位于下方。
压垫30、32构成压装功率半导体装置的弹簧电极。在压垫30、32之上设置有板34，在板34之上设置有上电极36。压垫30、32的上端固定于板34，下端固定于第1部分17的上表面。压垫30、32能够在y方向，即在与下电极10的下表面和上电极36的上表面垂直的方向进行伸缩。因此，压垫30、32无论下电极10和上电极36之间的距离如何，都经由半导体芯片12将下电极10和上电极36进行电连接。
在压垫30、32之间设置有弹簧33。如果下电极10和上电极36的距离增大，则该弹簧33施加将下电极10和上电极36的距离减小的力，如果下电极10和上电极36的距离变小，则该弹簧33施加将下电极10和上电极36的距离增大的力。
前述的连接导体16的上端部20C机械且电气地与压垫30、32的内壁上表面连接。因此，第2部分18经由压垫30、32和板34而固定于上电极36，与上电极36联动地动作。
图1是电流不流过半导体芯片12的状态下的半导体装置的剖视图。在电流不流过半导体芯片12的状态下，第1部分17和第2部分18不接触。另外，在半导体装置的通常的动作中，第1部分17和第2部分18也不接触。因此，在电流不流过半导体芯片12的情况下、及半导体装置进行通常动作的情况下，电流流过压垫30、32，电流不流过第2部分18。
图2是表示实施方式1所涉及的半导体装置1的组装例的图。3个半导体装置1共享1个下电极10。在基座板37之上排列有6个半导体装置1。在图2中示出了层叠了2个将12个半导体装置1搭载于基座板37的构造的情况。图2示出了由12个半导体装置1构成了压装功率半导体装置的情况。通过从该装置的上下对该装置施加力，将装置内的各要素进行压接，从而实现半导体芯片的电连接。
为了对多个半导体芯片12均等地施加压力，对各个半导体装置1而言需要弹簧构造和导电线路的游隙。赋予该游隙且保证电连接的是压垫30、32。为了增大相对于通常电流的通电容量，也可以相对于1个半导体装置而设置大于或等于3个压垫。此外，压垫30、32间的弹簧33即使在具有导电性的情况下也作为电感起作用，因此特别是针对高频而成为高阻抗，电流不流过弹簧33。
图3是短路时的半导体装置1的剖视图。实线箭头表示短路电流的方向。在作为上侧的母线的上电极36和作为下侧的母线的下电极10中流过反向的短路电流。通过该短路电流，在上电极36和下电极10之间产生斥力。通过该斥力，第2部分18的下端部20B在空腔17a中向上方移动。而且，在下电极10和上电极36的距离大于预定的值的情况下，下端部20B与第1部分17接触。具体地说，下端部20B的上表面与第1部分17的内壁上表面17b接触。由此，仅在下电极10和上电极36的距离大于预定的值的情况下，连接导体16在下电极10和上电极36之间提供新的电流路径。
另外，在流过短路电流时下端部20B与第1部分17接触，因此将通常时的下端部20B和第1部分的内壁上表面17b之间的距离，设为比由短路引起的上电极36和下电极10之间距离的增加量稍小的程度。
在本发明的实施方式1中，在成为短路状态时，不仅是压垫30、32，还能够使电流流过连接导体16，因此在压垫30、32中流动的电流减少，减少压垫30、32的温度上升。由此，能够防止压垫30、32的熔断。因此，本发明的实施方式1所涉及的半导体装置不会爆炸，因此能够将以往所搭载的防爆措施去除，实现装置的小型化和低成本化。
另外，在本发明的实施方式1中，第1部分17的侧面和第2部分18的侧面始终分离。因此，能够避免通常运转的情况下的由不充分的电气接触引起的电弧的产生等问题。另外，由于设置有弹簧33，因此上电极36和下电极10不会过度分离。因此，还能够期待防止下述情况发生的效果，即，上电极36和下电极10过度分离而在第2部分18施加过大的力，在第2部分18的长度方向上半导体装置内的部件剥离。此外，优选例如在直线导体20A的侧面、压垫30、32的侧面和第1部分17的侧面的至少1者形成绝缘膜，防止电弧的产生。
如上所述，本发明的实施方式1着眼于下电极10和上电极36之间的距离根据有无短路电流而变动，仅在下电极10和上电极36的距离大于预定的值的情况下，通过连接导体16在下电极10和上电极36之间提供新的电流路径。连接导体16等能够在不丧失该特征的范围进行各种变形。例如，无需由直线导体20A和下端部20B形成T字，也可以使它们形成L字型。另外，也可以是在短路时下端部20B不断上升，下端部20B的上表面与压垫30、32的下表面接触。
压垫30、32设置在半导体芯片12之上，但也可以使上下关系逆转而在半导体芯片12之下设置压垫30、32。上电极36设置在压垫30、32和半导体芯片12层叠的构造之上。只要能够由下电极10和上电极36将压垫30、32和半导体芯片12层叠的构造夹着，则下电极10和上电极36之间的各要素的上下关系是任意的。压垫30、32和半导体芯片12“层叠的”构造并不限定于两者直接接触，也包含有在两者之间夹设板等。也可以在各要素之间适当地设置板。板14、22能够适当追加或删除。
另外，也可以将图1的具有连接导体16、压垫30、32的结构整体颠倒。在该情况下，在压垫30、32之上设置第1部分17。另外，也可以将与第1部分17的空腔17a相当的部分设置在板14或板34，在该空腔中收容下端部20B，省略第1部分17。
半导体芯片12可以由硅形成，但也可以由与硅相比带隙大的宽带隙半导体形成。作为宽带隙半导体，例如存在碳化硅、氮化镓类材料或金刚石。通过使用宽带隙半导体，从而装置的可工作温度变高。并且，在碳化硅的情况下，即使是作为单极器件的MOSFET，也能够实现高电压耐压的器件，能够实现高频和高效率。此外，这些变形也能够应用于下面的实施方式所涉及的半导体装置。
下面的实施方式所涉及的半导体装置与实施方式1的共通点多，因此以与实施方式1的差异点为中心进行说明。
实施方式2.
图4是实施方式2所涉及的半导体装置的剖视图。连接导体52具有：金属块50，其设置在压垫30和压垫32的内壁下表面；直线导体52A，其固定于金属块50；以及上端部52B，其与直线导体52A连接。在直线导体52A的下端连接有金属块50，在直线导体52A的上端连接有上端部52B。即，由直线导体52A和上端部52B构成的T字型的构造固定在金属块50的上表面。
金属块50优选由例如铜等散热性良好的材料形成。金属块50是大的金属块。实施方式2所涉及的金属块50具有比压垫30的上端部和压垫32的上端部之间的距离大的宽度，比压垫30、32的长度的一半长。
直线导体52A将压垫30的上端部和压垫32的上端部之间的间隙贯通。而且，在板34设置有空腔34a。在该空腔34a中收容有上端部52B。在通常状态下，上端部52B既不与板34接触，也不与压垫30、32接触。也可以与实施方式1同样地，在直线导体52A的侧面和压垫30、32的侧面的至少任意者形成绝缘膜。
在金属块50之上设置有弹簧58。弹簧58设置在压垫30、32的内壁上表面与金属块50之间。弹簧58适当地确保压垫30、32与金属块50的距离，由此防止半导体装置的部件间的剥离，保证半导体芯片12的电连接。在压垫30、32之下设置有板40。该板40与板14的上表面接触。
图5是短路时的半导体装置的剖视图。如果发生短路，则下电极10和上电极36的距离变远，由此上端部52B的下表面与压垫30、32的上表面接触。由此，不仅是压垫30、32，短路电流还流过连接导体52。由此，与短路电流仅流过压垫30、32的情况相比，能够减少流过压垫30、32的短路电流，因此能够防止压垫30、32的熔断。特别地，由于短路电流流过金属块50，因此能够与实施方式1的情况相比减小该部分的阻抗。由此，能够期待比实施方式1所涉及的半导体装置大的防熔断效果。
另外，如果在压垫30和压垫32流过同一方向的大电流，则在压垫30、32产生引力，有时压垫30、32与金属块50的侧面密接。为了防止该情况，通过将金属块50向纸面近端和背面侧方向延伸，从而能够使压垫30、32所承受的引力降低。
实施方式3.
图6是实施方式3所涉及的半导体装置的剖视图。具有金属块50的连接导体52载置于板14之上。实施方式3所涉及的半导体装置和实施方式2所涉及的半导体装置的主要差异点是压垫的形状。实施方式3中的压垫60、62的上端部固定于板34。由此，压垫60、62与上电极36机械且电连接。
压垫60、62各自通过朝向内侧的弹簧力而与金属块50的侧面中央附近接触。压垫60、62与金属块50电连接，但没有被机械地固定。因此，压垫60、62在下电极10和上电极36的距离变动时一边与金属块50的侧面接触一边滑动。
在金属块50的上表面配置有弹簧66。通过该弹簧66，确保半导体装置的各部件的电连接，并保证下电极10和上电极36之间的距离的自由度。如果短路电流流过半导体芯片12，则在上电极36和下电极10之间产生斥力，上电极36和下电极10之间的距离变大。与此相伴，压垫60、62在金属块50的侧面滑动，上端部52B与板34的内壁下表面接触。由此，能够使短路电流流过连接导体52。此外，通过将金属块50向纸面横向、纸面表面方向或者纸面背面侧方向延伸，从而能够对压垫60和压垫62所承受的引力进行调整。
实施方式4.
图7是实施方式4所涉及的半导体装置的剖视图。该半导体装置在压垫30、32的基础上，还设置压垫70、72，由此减少每1片压垫的电流值。通过增加压垫的片数，从而能够抑制各压垫的温度上升，因此对防止压垫的熔断是有效的。压垫的片数为多个即可，并不限定于4片。通过在1个半导体装置设置多个压垫而分担电流，由此能够防止压垫的熔断。
实施方式5.
图8是实施方式5所涉及的半导体装置的剖视图。实施方式5的半导体装置是从图4的半导体装置去除了直线导体52A、上端部52B及空腔34a而得到的。金属块50与半导体芯片12层叠地设置。压垫30、32设置在下电极10和上电极36之间，经由半导体芯片12将下电极10和上电极36进行电连接。另外，压垫30、32以隔着金属块50的方式相对设置。
在流过2个压垫30、32的电流小于或等于预定的值的情况下，如图8所示，2个压垫30、32与金属块50的侧面分离。通常电流是前述的“小于或等于预定的值”的电流，因此通常电流仅流过压垫30、32，不流过金属块50。
图9是短路时的半导体装置的剖视图。在半导体芯片12的短路故障的情况下，在压垫30、32流过同方向的电流。而且，如果由于发生短路，流过2个压垫30、32的电流大于预定的值，则在2个压垫30、32产生大的引力。由于该引力，2个压垫30、32的距离变小，2个压垫30、32与金属块50的侧面接触。
如上所述，如果2个压垫30、32间的引力变大，则压垫30、32被压扁而贴于金属块50，由此短路电流也流过金属块50。由此，能够防止压垫30、32的熔断。而且，通过金属块50的大的热容，抑制压垫30、32的温度上升，因此能够提高防止压垫30、32熔断的效果。此外，通过将金属块50向纸面近端和背面侧方向延伸，从而能够对压垫30、32所承受的引力进行调整。
实施方式6.
图10是实施方式6所涉及的半导体装置的剖视图。实施方式6的半导体装置是从图6的半导体装置去除直线导体52A、上端部52B及空腔34a而得到的。2个压垫60、62与上电极36机械且电连接。而且，2个压垫60、62一边向金属块50的侧面施加弹力、一边与金属块50的侧面的一部分接触。而且，2个压垫60、62在下电极10和上电极36的距离变动时一边与金属块50的侧面接触一边滑动。
在流过2个压垫60、62的电流小于或等于预定的值的情况下，如图10所示，2个压垫60、62与金属块50的侧面的接触面积小。由此，在2个压垫60、62与金属块50的侧面之间存在一定程度的接触电阻。
图11是短路时的半导体装置的剖视图。在半导体芯片12的短路时，引力作用于压垫60、62间，因此由于该引力，压垫60、62贴于金属块50的侧面。即，2个压垫60、62与金属块50的侧面的接触面积增大。由此，能够在使2个压垫60、62和金属块50的侧面之间的接触电阻减少的状态下使短路电流流过，因此能够防止压垫60、62的熔断。
而且，通过金属块50的大的热容，抑制压垫60、62的温度上升，因此能够提高防止压垫60、62熔断的效果。此外，通过将金属块50向纸面近端、纸面表面方向和纸面背面侧方向延伸，从而能够对压垫60、62所承受的引力进行调整。
关于实施方式5、6的发明，以如果流过2个压垫的电流大于预定的值，则2个压垫的距离变小的方式将压垫以一定程度变薄，使2个压垫与金属块的侧面的接触面积增大。能够在不丧失该特征的范围实施适当变形。
此外，也可以将上述的各实施方式所涉及的半导体装置的特征适当地组合而提高本发明的效果。
标号的说明
10下电极，12半导体芯片，16连接导体，30、32压垫，36上电极。
Claims (12)
1.一种半导体装置，其特征在于，具有：
下电极；
半导体芯片，其设置在所述下电极之上；
压垫，其设置在所述半导体芯片之上或之下；
上电极，其设置在所述压垫和所述半导体芯片层叠的构造之上；以及
连接导体，其仅在所述下电极和所述上电极的距离大于预定的值的情况下，在所述下电极和所述上电极之间提供新的电流路径，
所述下电极和所述上电极之间的距离可变，
所述压垫无论所述下电极和所述上电极之间的距离如何，都经由所述半导体芯片而将所述下电极和所述上电极进行电连接。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，
所述连接导体具有：
第1部分，其与所述下电极联动地动作；以及
第2部分，其与所述上电极联动地动作，
所述第2部分的下端部与所述第1部分的上端相比位于下方，在所述下电极和所述上电极的距离大于预定的值的情况下，所述下端部与所述第1部分接触。
3.根据权利要求2所述的半导体装置，其特征在于，
所述第1部分的侧面和所述第2部分的侧面始终分离。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的半导体装置，其特征在于，
所述连接导体具有金属块。
5.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，
所述连接导体具有金属块，
所述压垫与所述金属块的侧面接触，所述压垫在所述下电极和所述上电极的距离变动时一边与所述金属块的侧面接触、一边滑动。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的半导体装置，其特征在于，
具有多个所述压垫。
7.一种半导体装置，其特征在于，具有：
下电极；
上电极，其设置在所述下电极的上方；
半导体芯片，其设置在所述下电极和所述上电极之间；
金属块，其在所述下电极和所述上电极之间与所述半导体芯片层叠地设置；以及
2个压垫，其设置在所述下电极和所述上电极之间，经由所述半导体芯片而将所述下电极和所述上电极电连接，以隔着所述金属块的方式相对设置，
如果流过所述2个压垫的电流大于预定的值，则所述2个压垫的距离变小，所述2个压垫与所述金属块的侧面的接触面积增大。
8.根据权利要求7所述的半导体装置，其特征在于，
在流过所述2个压垫的电流小于或等于预定的值的情况下，所述2个压垫与所述金属块的侧面分离。
9.根据权利要求7所述的半导体装置，其特征在于，
所述2个压垫一边向所述金属块的侧面施加弹力、一边与所述金属块的侧面的一部分接触，在所述下电极和所述上电极的距离变动时一边与所述金属块的侧面接触、一边滑动。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的半导体装置，其特征在于，
具有弹簧，如果所述下电极和所述上电极的距离增大，则该弹簧施加减小所述下电极和所述上电极的距离的力，如果所述下电极和所述上电极的距离变小，则该弹簧施加增大所述下电极和所述上电极的距离的力。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的半导体装置，其特征在于，
所述半导体芯片由宽带隙半导体形成。
12.根据权利要求11所述的半导体装置，其特征在于，
所述宽带隙半导体是碳化硅、氮化镓类材料或金刚石。
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