JP2001036002A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JP2001036002A JP11208809A JP20880999A JP2001036002A JP 2001036002 A JP2001036002 A JP 2001036002A JP 11208809 A JP11208809 A JP 11208809A JP 20880999 A JP20880999 A JP 20880999A JP 2001036002 A JP2001036002 A JP 2001036002A
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Kazuaki Yamazaki
和昭 山崎
Yoshikazu Takahashi
良和 高橋
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Fuji Electric Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体エレメントを複数個併設して構成され
る半導体装置において、ゲート配線の部品点数を少なく
し、かつ位置決め精度を向上させることによって信頼性
の向上とパッケージの小型化を図ることを目的とする。 【解決手段】 ＩＧＢＴチップ１をコレクタ基板２と固
着して構成される半導体エレメントに対し、絶縁性の位
置決めガイド３がエミッタコンタクト端子体４をＩＧＢ
Ｔチップ１のエミッタ電極２１に、両端接触構造のコン
タクトプローブ５をゲートパッド２２に位置決めして個
別の半導体ユニットを構成する。各半導体ユニットはシ
リコンチップ抵抗７がコンタクトプローブ５の他端と加
圧接触するようにゲートライナ８によって一括保持され
る。これによりゲート配線が簡単になり、個別の位置決
めガイド３がコンタクトプローブ５とゲートパッド２２
との位置ずれを防ぐことになる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置に関し、
特に、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢ
Ｔ：Insulated Gate Bipolar Transistor）などのパワ
ーデバイスを対象に、基板の一主面に第１の主電極（エ
ミッタ）および制御電極（ゲート）、別な主面に第２の
主電極（コレクタ）を有する半導体チップを複数個同一
のパッケージ内に組み込んだ半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】ＩＧＢＴは、パワースイッチングデバイ
スとしてモータを制御するインバータの応用などに幅広
く使われている。さらに、最近では電圧駆動型で使いや
すく、また、安全動作領域が広くて壊れにくいという特
長から、従来のＧＴＯ（Gate Turn-Off）サイリスタの
領域である大容量領域まで用途が広がりつつある。
【０００３】このＩＧＢＴのようなＭＯＳ（Metal Oxid
e Semiconductor）制御デバイスでは、チップの製造プ
ロセスが従来のＧＴＯサイリスタなどと違って、数ミク
ロンからサブミクロンの精度が要求されるので、大きな
ウェーハをそのままデバイスとして使用する工程は良品
率の関係から採用することができず、１０ｍｍから２８
ｍｍ角程度のチップを複数個並列に実装することが必要
である。
【０００４】また、このＩＧＢＴのようなＭＯＳ制御デ
バイスでは、半導体チップの一主面上にエミッタ電極と
ゲート電極が並んで作られている。このために一般的な
モジュール構造ではＩＧＢＴチップをパッケージ容器に
組み込む場合に、チップ下面側に作られたコレクタは、
ＩＧＢＴを放熱体兼用の金属べース上にマウントし、エ
ミッタ電極およびゲート電極は別々にアルミニウムなど
のボンディングワイヤにより外部導出端子に接続するこ
とにより電流通路を設けている。また、それぞれのチッ
プをパッケージ内部に実装した後、プラスチックパッケ
ージを外部に設けてゲルなどのシリコーン系樹脂を封入
する。
【０００５】さらに、大電力を扱えるように作られた加
圧接触型の平型ＩＧＢＴでは、外周容器にセラミックパ
ッケージを使用し、窒素を封入し、完全に気密を保つ形
を取る構造を採用しており、ＩＧＢＴチップのコレクタ
側とエミッタ側のそれぞれの電極に対しモリブデンなど
で作られた金属電極を加圧接触させることにより電流通
路および放熱を兼ね備えた構造としている。
【０００６】ＩＧＢＴチップのゲート配線に関し、ゲー
ト部分には電圧を印加するのみで電流が流れないため
に、たとえば特開平７−９４６７３号公報に記載の半導
体装置ではアルミニウムのボンディングワイヤを使用し
て接続する方法が採られている。また、ゲート部分への
他の接続方法として、たとえば特開平１１−９７４６２
号公報にコンタクトプローブによるゲート配線方法が知
られている。この方法によれば、コンタクトプローブの
チップ面の側にのみばね機能を持たせ、その反対側には
リード線を接続し、これに一般的な巻き線抵抗を接続
し、最終的にはそれら抵抗からのリード線同士を新たに
束ねて平型ＩＧＢＴのゲート端子にしている。さらに、
それらのコンタクトプローブは、複数個のＩＧＢＴチッ
プを位置合わせするために設けられている１個の樹脂フ
レームに固定されている。
【０００７】さらに、最近では、加圧接触型の平型ＩＧ
ＢＴの用途が拡大してきており、しかも大容量化するに
つれその信頼性、耐電性の一層の向上が求められるよう
になってきている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の要求に対し、ゲート部の配線をアルミニウムのボンデ
ィングワイヤで配線している素子では、耐圧をあまり上
げることができないという問題がある。耐圧がたとえば
２５００ボルト程度までなら、何ら問題はないが、たと
えば４０００ボルトを越えると、ワイヤの線径が３００
μｍと非常に細いためにその細いワイヤの部分に電界集
中が生じ、その部分とコレクタ部分との間で放電が発生
してしまうという問題点がある。
【０００９】また、従来のコンタクトプローブを用いた
例では、樹脂フレームに固定されている側からリード線
で引き出し、さらにそれらリード線を束ねて一つのゲー
ト端子としているため、ゲート配線が非常に複雑なもの
となり、大電流化に伴うチップ数の増加に対しパッケー
ジ内部に収容しきれなくなることと、部品点数が多くな
るために信頼性的にも問題となる。
【００１０】さらに、平型ＩＧＢＴが大電流化すればす
るほどチップ数が多くなり１個の樹脂フレームにコンタ
クトプローブを配置しておくことは、ＩＧＢＴチップの
ゲートパッドに対する位置決め精度の低下および温度サ
イクル時に発生する各部品間の熱膨張率の差による位置
ずれを発生させるという問題点が発生する。
【００１１】本発明はこのような点に鑑みてなされたも
のであり、ＩＧＢＴのようなＭＯＳ型デバイスを複数個
併設して平型パッケージに組み込んだ加圧接触型の半導
体装置を対象に、部品点数を少なくし、かつ位置決め精
度を向上させることによって絶縁耐圧的にも電流容量的
にも有利で、信頼性を向上させることのできる加圧接触
型の半導体装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明では上記問題を解
決するために、第１主面に第１主電極および制御電極、
第２主面に第２主電極を有する半導体チップを複数個併
設して平型パッケージに組み込んだ加圧接触型の半導体
装置において、前記半導体チップの第１主電極に対応す
る位置に開口部を有しかつ前記半導体チップの制御電極
に対向する位置にそれぞれ導電部が配置された制御基板
と、前記半導体チップの制御電極と前記制御基板の導電
部との間に配置され両端が前記半導体チップの制御電極
および前記制御基板の導電部に圧接して前記制御基板か
ら前記半導体チップヘの制御信号を伝達する両端接触構
造の圧接電極と、を備えていることを特徴とする半導体
装置が提供される。
【００１３】このような半導体装置によれば、制御基板
と各半導体チップの制御電極との接続を両端接触構造の
圧接電極によって行うようにしている。制御基板はワイ
ヤまたはリード線のように細くはないため、第２主電極
との間で放電を発生することがなく、耐圧を上げること
が可能になる。しかも、ゲート配線は、各半導体チップ
の制御電極に対応して設けられた両端接触構造の圧接電
極とパッケージに一つ設けた共通の制御基板とによる部
品構成であるため、部品点数が非常に少なく、したがっ
て故障の発生確率を最低限に抑えることができ、パッケ
ージを小型化することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、加
圧接触型の平型ＩＧＢＴに適用した場合を例に図面を参
照して詳細に説明する。
【００１５】図１は本発明の第１の実施の形態における
半導体装置の要部を拡大して示す分解斜視図、図２はコ
ンタクトプローブを示す断面図、図３は半導体装置の断
面図、図４はゲートライナを下から見た底面図である。
【００１６】半導体装置は、図３に示したように、ＩＧ
ＢＴチップ１と、その第２主面の第２主電極であるコレ
クタ電極に配置されたコレクタ基板２と、絶縁性の位置
決めガイド３と、ＩＧＢＴチップ１の第１主面の第１主
電極であるエミッタ電極に位置決めガイド３によって位
置決めされたエミッタコンタクト端子体４と、ＩＧＢＴ
チップ１の第１主面に併設された制御電極であるゲート
パッドに位置決めガイド３によって位置決めされた両端
接触構造のコンタクトプローブ５とからなる個別の半導
体ユニットを複数個備えている。これらの半導体ユニッ
トは、外枠６によってそれぞれ所定の間隔をおいて配置
され、さらにＩＧＢＴチップ１の制御電極へ制御信号を
伝達する制御基板として、コンタクトプローブ５が配置
される位置にシリコンチップ抵抗７がそれぞれ固着され
たゲートライナ８が外枠６に装着されている。このよう
な構成は、上下位置にエミッタコンタクト端子体４およ
びコレクタ基板２と接触するための銅からなる上部共通
電極板９および下部共通電極板１０を配置し、セラミッ
クからなる絶縁筒体１１に収容することによって加圧接
触型の平型パッケージ１２を構成している。なお、ゲー
トライナ８には１本のリード線１３が接続され、それを
絶縁筒体１１に設けられた金属パイプ１４の中に通して
かしめることによってこの平型パッケージ１２の制御電
極を構成している。さらに、好ましくは、ゲートライナ
８の届かない平型パッケージ１２の中央位置には、フラ
イホイールダイオードチップ１５が配置されている。こ
のフライホイールダイオードチップ１５は、そのアノー
ドおよびカソード電極の面に、ＩＧＢＴチップ１の場合
と同様に、位置決めガイド３によって保持されたアノー
ド端子体１６とカソード基板１７とが配置されている。
【００１７】ここで、ＩＧＢＴチップ１を含む一つの半
導体ユニットの詳細な構成を説明する。まず、図１に示
したように、ＩＧＢＴチップ１は、その第１主面にエミ
ッタ電極２１とゲートパッド２２とを有しており、その
裏面の第２主面はコレクタ電極を構成している。このコ
レクタ電極は、はんだによってモリブデンからなるコレ
クタ基板２と固着されて半導体エレメントを構成する。
ＩＧＢＴチップ１のエミッタ電極の面には、同じくモリ
ブデンからなるエミッタコンタクト端子体４が配置され
るが、このエミッタコンタクト端子体４が位置決めガイ
ド３の中央の開口部に装着されることによって、エミッ
タコンタクト端子体４はＩＧＢＴチップ１のエミッタ電
極の面へ正確に位置決めされることになる。なお、ＩＧ
ＢＴチップ１を加圧するエミッタコンタクト端子体４お
よびＩＧＢＴチップ１にはんだ付けされたコレクタ基板
２は、上部共通電極板９および下部共通電極板１０との
電気的接統および放熱を行う機能を有している。
【００１８】また、位置決めガイド３には、ＩＧＢＴチ
ップ１のゲートパッド２２に対応する位置にコンタクト
プローブ５を保持する保持孔２３が設けられている。こ
の保持孔２３にコンタクトプローブ５を挿入することに
より、コンタクトプローブ５の下端部をＩＧＢＴチップ
１のゲートパッド２２に正確に位置決めすることができ
る。さらに、外枠６に保持されたゲートライナ８は、位
置決めガイド３の保持孔２３に対応する位置まで突出し
た延在部２４を有し、その延在部２４の下面にシリコン
チップ抵抗７が固着されている。ゲートライナ８を組み
立てたときには、コンタクトプローブ５の上端部はその
シリコンチップ抵抗７の面を加圧接触することになる。
【００１９】コンタクトプローブ５は、図２に示したよ
うに、両端が開口された導電性の筒状部２５と、両端の
開口部を閉止するとともに長手方向に摺動自在であって
両端の開口部からは抜け出ないように構成された導電性
の接触部２６，２７と、筒状部２５の中に収容されて接
触部２６，２７をそれぞれ長手方向外方へ付勢するコイ
ルばね２８とからなり、両端接触構造の圧接電極を構成
している。また、筒状部２５の中央にはフランジ部２９
が設けられいる。このフランジ部２９は、組み立ての際
にコンタクトプローブ５を位置決めガイド３の保持孔２
３に挿入したとき、保持孔２３内に設けた段差部と係合
させることにより、コンタクトプローブ５が位置決めガ
イド３を貫通して抜け落ちてしまわないようにするため
のものである。このように、このコンタクトプローブ５
は、筒状部２５に収容されたコイルばね２８が接触部２
６，２７をシリコンチップ抵抗７およびゲートパッド２
２の面にそれぞれ加圧接触させることになるので、個々
の半導体ユニットにおけるゲート電極とゲートライナ８
との配線が簡単になる。
【００２０】このゲートライナ８は、図４に示したよう
に、ＩＧＢＴチップ１の半導体ユニットが並設された領
域に周設されるよう中央に開口部を有した構成を有して
いる。中央の開口部はＩＧＢＴチップ１のエミッタ電極
に対応する位置であって、そのエミッタ電極の面に配置
されたエミッタコンタクト端子体４と加圧接触される上
部共通電極板９が貫通して配置される部分である。
【００２１】ゲートライナ８は、また、ＩＧＢＴチップ
１のゲートパッド２２に対応する位置まで内側に延びた
延在部２４を有し、その延在部２４にシリコンチップ抵
抗７が固着されている。図示の例では、４×４個の半導
体チップが並設されるパッケージ用のゲートライナ８の
例を示している。４×４個の場合、外周に１２個のＩＧ
ＢＴチップ１の半導体ユニットが配置され、中央に４個
のフライホイールダイオードチップ１５の半導体ユニッ
トが配置された構成となるので、ゲートライナ８には１
２個の延在部２４およびシリコンチップ抵抗７が設けら
れている。なお、シリコンチップ抵抗７は複数個並列に
設けられたＩＧＢＴがスイッチング動作をするときのス
イッチング速度のアンバランスを吸収する機能を有す
る。
【００２２】このように、コレクタ基板２が固着された
ＩＧＢＴチップ１のエミッタ電極の面にエミッタコンタ
クト端子体４を位置決めするようにした位置決めガイド
３に圧接電極のコンタクトプローブ５を保持するように
したため、ゲートパッド２２への位置決めを正確に行う
ことができる。したがって、平型ＩＧＢＴの電流容量が
大きくなり、チップの並列数が増えても、各ゲート電極
より制御配線を導出するための構成部品は、各チップ毎
に設けられたコンタクトプローブ５と、パッケージに一
つ設けた共通のゲートライナ８だけという非常に少ない
ものになることから、部品の増加に伴って発生する確率
が高くなる故障を最低限に抑えることができる他、パッ
ケージの小型化も可能となる。また、動作時にＩＧＢＴ
チップ１自身が発熱し、各部品の熱膨張率の違いによっ
てＩＧＢＴチップとゲートライナ８との相対位置が変わ
る場合においても、コンタクトプローブ５とゲートパッ
ド２２との位置ずれをほとんど無くすことができること
から、配線の安定的な接触と位置ずれによって発生する
絶縁破壊をなくすことが可能になる。さらに、コンタク
トプローブ５はボンディングワイヤに比べて極めて太
く、コレクタ電極との間で放電することがないので、耐
圧特性を向上させることが可能になる。
【００２３】図５は本発明の第２の実施の形態における
半導体装置を示す要部断面図である。図５において、図
３に示した構成要素と同じ要素には同じ符号を付してそ
の詳細な説明は省略する。この第２の実施の形態によれ
ば、ＩＧＢＴチップ１へ制御信号を伝達する圧接電極は
弾性を持たない導電性のピン３０とし、ゲートライナ８
の延在部２４にピン３０をＩＧＢＴチップ１の方向に付
勢するような弾性を有する構成にしてある。
【００２４】このピン３０は、位置決めガイド３に固定
されたパイプに摺動自在に嵌挿されることにより、ＩＧ
ＢＴチップ１のゲートパッドに正確に位置決めされる。
このようにして位置決めされたピン３０は、ゲートライ
ナ８の延在部２４が持つ弾性によりＩＧＢＴチップ１の
ゲートパッドに押し付けられることにより、シリコンチ
ップ抵抗７とＩＧＢＴチップ１のゲートパッドとの間の
制御電極の配線を行うことができる。このピン３０に良
導体の金属を用いることによって圧接電極自体の固有抵
抗を小さくすることができる。
【００２５】以上、本発明をその好適な実施の形態につ
いて説明したが、本発明はそれら特定の実施の形態に限
定されるものではない。たとえば、弾性を持つ圧接電極
は両端接触式のコンタクトプローブ５を用いたが、これ
は両端に導電性の接触部を設けたつる巻ばねや板ばねで
もよく、さらに、導電性のゴムの柱状体でもよい。これ
らは単一の部品となるので、さらに部品点数を減らすこ
とができる。また、図示の例では、同一の平型パッケー
ジ内に半導体チップを１６個実装した場合を示したが、
この個数は要求される電流容量に応じて任意に変更する
ことができる。さらに、内部に位置する半導体ユニット
に制御電極を持たないフライホイールダイオードを配置
しているが、必要に応じてこの部分にも対応する部分に
シリコンチップ抵抗を固着したゲートライナを追加する
ことによってＩＧＢＴチップを配置することが可能であ
るし、半導体チップはＩＧＢＴ以外にも、ＭＯＳ制御サ
イリスタ、ＭＯＳトランジスタなどであってもよい。
【００２６】
【発明の効果】以上説明したように、本発明では、平型
パッケージ内に複数個配置されたＩＧＢＴチップのゲー
トパッドに対して両端接触構造の圧接電極を、エミッタ
コンタクト端子体およびコレクタ基板とともに個々のＩ
ＧＢＴチップに対応して設けられた位置決めガイドによ
って正確に位置決めし、圧接電極に対応した位置にシリ
コンチップ抵抗を配置した一つのゲートライナを絶縁性
の外枠に固定することにより、制御電極として圧接電極
がゲートライナのシリコンチップ抵抗とＩＧＢＴチップ
のゲートパッドとの間を加圧接触で配線する構成にし
た。これにより、複数個のＩＧＢＴチップを並列接続す
る場合に発生するゲート配線の位置決め精度の低下を防
止し、かつ、部品点数が少ないために高耐圧で信頼性が
高く小型化を図った加圧接触型の半導体装置を構成する
ことができる。また、パッケージ構成部品による熱応力
が発生しても圧接電極の個々のゲートパッドに対する位
置決め精度をほとんど低下することなしに保つことがで
きるので、より多くの半導体チップを搭載することがで
き、電流容量を大幅に増加した平型構造のＩＧＢＴを作
ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における半導体装置
の要部を拡大して示す分解斜視図である。
【図２】コンタクトプローブを示す断面図である。
【図３】半導体装置の断面図である。
【図４】ゲートライナを下から見た底面図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態における半導体装置
を示す要部断面図である。
【符号の説明】
１ ＩＧＢＴチップ ２ コレクタ基板 ３ 位置決めガイド ４ エミッタコンタクト端子体 ５ コンタクトプローブ ６ 外枠 ７ シリコンチップ抵抗 ８ ゲートライナ ９ 上部共通電極板 １０ 下部共通電極板 １１ 絶縁筒体 １２ 平型パッケージ １３ リード線 １４ 金属パイプ １５ フライホイールダイオードチップ １６ アノード端子体 １７ カソード基板 ２１ エミッタ電極 ２２ ゲートパッド ２３ 保持孔 ２４ 延在部 ２５ 筒状部 ２６，２７ 接触部 ２８ コイルばね ２９ フランジ部 ３０ ピン

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第１主面に第１主電極および制御電極、
    第２主面に第２主電極を有する半導体チップを複数個併
    設して平型パッケージに組み込んだ加圧接触型の半導体
    装置において、 前記半導体チップの第１主電極に対応する位置に開口部
    を有しかつ前記半導体チップの制御電極に対向する位置
    にそれぞれ導電部が配置された制御基板と、 前記半導体チップの制御電極と前記制御基板の導電部と
    の間に配置され両端が前記半導体チップの制御電極およ
    び前記制御基板の導電部に圧接して前記制御基板から前
    記半導体チップヘの制御信号を伝達する両端接触構造の
    圧接電極と、 を備えていることを特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項２】 前記両端接触構造の圧接電極は、前記半
    導体チップの制御電極の面と直交する方向に弾性を有し
    ていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
  3. 【請求項３】 前記両端接触構造の圧接電極は、内蔵す
    るばねによって両端の圧接部が前記半導体チップの制御
    電極および前記制御基板の導電部を加圧する両端接触構
    造のコンタクトプローブであることを特徴とする請求項
    ２記載の半導体装置。
  4. 【請求項４】 前記両端接触構造の圧接電極が弾性を有
    しない導電性のピンであり、前記制御基板が前記半導体
    チップの制御電極と対向する導電部に前記制御電極の方
    向に前記ピンを付勢する弾性を有していることを特徴と
    する請求項１記載の半導体装置。
  5. 【請求項５】 前記両端接触構造の圧接電極がそれぞれ
    接触する前記制御基板の導電部の面に半導体シリコン製
    のチップ抵抗を設けていることを特徴とする請求項１な
    いし４のいずれか１項に記載の半導体装置。
  6. 【請求項６】 前記両端接触構造の圧接電極は、半導体
    チップと、半導体チップの第１主電極の面に配置されて
    加圧、導電および放熱を行うコンタクト端子体と、第２
    主電極の面に配置されて加圧、導電および放熱を行う支
    持板とを正確に位置決めする位置決めガイドに保持され
    て前記半導体チップの制御電極に正確に位置決めされる
    ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記
    載の半導体装置。
  7. 【請求項７】 第１主面に第１主電極および制御電極、
    第２主面に第２主電極を有する半導体チップが絶縁ゲー
    ト型バイポーラトランジスタ、ＭＯＳ制御サイリスタも
    しくはＭＯＳトランジスタのいずれかであり、同一の平
    型パッケージ内に複数個の半導体チップに並置してフラ
    イホイールダイオードが組み込まれていることを特徴と
    する請求項１記載の半導体装置。
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