JP2006005292A - 圧接型半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】第１の半導体チップへ加わる熱ストレスが小さい圧接型半導体装置を提供する。
【解決手段】第１の半導体チップ１と、第１の半導体チップ１を挟む第１の上面緩衝板５ａ及び第１の下面緩衝板６ａと、第１の上面緩衝板５ａ、第１の半導体チップ１及び第１の下面緩衝板６ａを挟む上面電極板３及び下面電極板４とを有する圧接型半導体装置であって、第１の上面緩衝板５ａは、凹部１０ａ及び凸部１１ａとの嵌合により、上面電極板３、下面電極板４、或いは第１の下面緩衝板６ａに対して、直接、位置決めされている。
【選択図】図１

Description

本発明は圧接型半導体装置に関し、特に、半導体チップの主表面を圧接して接合する圧接型半導体装置に関する。

従来から、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）等が形成された１又は複数の半導体チップを同一パッケージ内に組み込んだ圧接型半導体装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

図５に示すように、特許文献１に開示された圧接型半導体装置は、下面電極板５４上に、熱ストレスを和らげる下面緩衝板５６が配置され、その上にＩＧＢＴが形成された半導体チップ（以後、「ＩＧＢＴチップ」という）５１及びファースト・リカバリ・ダイオード（ＦＲＤ）が形成された半導体チップ（以後、「ＦＲＤチップ」という）５２が並べて配置されている。ＩＧＢＴチップ５１及びＦＲＤチップ５２の上には上面緩衝板５５ａ、５５ｂがそれぞれ配置されている。ＩＧＢＴチップ５１、ＦＲＤチップ５２、及び上面緩衝板５５ａ、５５ｂの周縁部は絶縁樹脂からなるチップフレーム６３ａ、６３ｂにより被覆されて、同一平面内に固定されている。チップフレーム６３ａ、６３ｂ群は、下面電極板５４及び下面緩衝板５６の周縁部に装着された絶縁樹脂からなる外部フレーム６４により一括して位置決めされている。上面緩衝板５５ａ、５５ｂの上に上面電極板５３が配置されている。下面電極板５４と上面電極板５３の間に積層方向の圧力を加えることで、下面緩衝板５６、ＩＧＢＴチップ５１、ＦＲＤチップ５２、上面緩衝板５５ａ、５５ｂが圧接されて接合される。下面電極板５４及び上面電極板５３の側面は絶縁外筒５８及び金属板５９で密閉されている。
特開平８−０８８２４０号公報

特許文献１に開示された圧接型半導体装置では、単結晶シリコンからなる半導体チップ５１、５２、金属からなる緩衝板５５ａ、５５ｂ、５６、絶縁樹脂からなるフレーム６３ａ、６３ｂ、６４が、互いに接触して位置決めされている。このため、単結晶シリコン、金属、絶縁樹脂の線膨張係数の違いから、温度変化による緩衝板５５ａ、５５ｂ、５６或いはフレーム６３ａ、６３ｂ、６４の変形が起こり、半導体チップ５１、５２へ熱応力（熱ストレス）が加わり、半導体チップ５１、５２の破損（チップクラック）が生じるなどの信頼性の低下を招いてしまう。

本発明の特徴は、第１の半導体チップと、第１の半導体チップを挟む第１の上面緩衝板及び第１の下面緩衝板と、第１の上面緩衝板、第１の半導体チップ及び第１の下面緩衝板を挟む上面電極板及び下面電極板とを有する圧接型半導体装置であって、第１の上面緩衝板は、上面電極板、下面電極板、或いは第１の下面緩衝板に対して、直接、位置決めされていることを要旨とする。

本発明によれば、第１の半導体チップへ加わる熱ストレスが小さい圧接型半導体装置を提供することが出来る。

以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面の記載において同一あるいは類似の部分には同一あるいは類似な符号を付している。

（第１の実施の形態）
図１（ａ）に示すように、本発明の第１の実施の形態に係わる圧接型半導体装置は、対向する２主表面を有する第１の半導体チップ１と、第１の半導体チップ１の２主表面を挟む第１の上面緩衝板５ａ及び第１の下面緩衝板６ａと、対向する２主表面を有する第２の半導体チップ２と、第２の半導体チップ２の２主表面を挟む第２の上面緩衝板５ｂ及び第２の下面緩衝板６ｂと、第１及び第２の上面緩衝板５ａ、５ｂ、第１及び第２の半導体チップ１、２及び第１及び第２の下面緩衝板６ａ、６ｂを挟む上面電極板３及び下面電極板４と、上面電極板３及び下面電極板４の側面に接合された外筒部（８、９）とを有する。外筒部（８、９）は、絶縁外筒８及び金属板９を備える。

下面電極板４と上面電極板３の間に積層方向の圧力を加えることで、第１及び第２の下面緩衝板６ａ、６ｂ、第１の半導体チップ１、第２の半導体チップ２、第１及び第２の上面緩衝板５ａ、５ｂが圧接され接合されている。下面電極板４及び上面電極板３の側面は絶縁外筒８及び金属板９で密閉されている。

本発明の実施の形態においては、第１の半導体チップ１の一方の主表面にＩＧＢＴが形成され、第２の半導体チップ２の一方の主表面にＦＲＤが形成されている。以後、「第１の半導体チップ」としてＩＧＢＴチップ１を例にとり「第２の半導体チップ」としてＦＲＤチップ２を例にとり説明する。

第１及び第２の上面緩衝板５ａ、５ｂはそれぞれ凸部１１ａ、１１ｂを有し、下面電極板４は、凸部１１ａ、１１ｂと嵌め合わされた凹部１０ａ、１０ｂを有する。凸部１１ａ、１１ｂと凹部１０ａ、１０ｂとが嵌合することにより、ＩＧＢＴチップ１、ＦＲＤチップ２及び第１及び第２の上面緩衝板５ａ、５ｂのそれぞれは、下面電極板４に対して、直接、位置決めされる。

ＩＧＢＴチップ１及びＦＲＤチップ２が単結晶シリコンからなる場合、緩衝板５ａ、５ｂ、６ａ、６ｂは、単結晶シリコンと線膨張係数が近く、電気伝導性、熱伝導性が良好なモリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）などの金属材料からなることが望ましい。

図示は省略するが、ＩＧＢＴチップ１上のゲート電極にはボンディングワイヤからなるゲート配線が接続され、ゲート配線は装置の外部へ導出されている。外部からゲート配線へ印加する電圧を制御することにより、ＩＧＢＴのスイッチング動作が制御される。

図１（ｂ）に示すように、第１の上面緩衝板５ａには２つの凸部１１ａが所定の位置に配置され、２つの凸部１１ａに対応して、図１（ｃ）に示すように、下面電極板４に２つの凹部１０ａが配置されている。２つの凸部１１ａ間の第１の上面緩衝板５ａ内に、ＩＧＢＴチップ１及び第１の下面緩衝板６ａが挿入された状態で、２つの凸部１１ａが２つの凹部１０ａへそれぞれ挿入されている。図示は省略するが、ＦＲＤチップ２側についても緩衝板５ｂ、６ｂは同様な構成を有している。これにより、ＩＧＢＴチップ１、ＦＲＤチップ２、第１及び第２の上面緩衝板５ａ、５ｂを、位置決めをする為の他の部材を用いることなく、下面電極板４に対して位置決めすることができる。

また、例えば位置決めガイドなどの位置決めする為の他の部材を使用しないため、作業工数、作業コストを削減できる。

また、凸部１１ａ、１１ｂ及び凹部１０ａ、１０ｂを介して、上面緩衝板５ａ、５ｂが下面電極板４へ熱的に接触することができるため、ＩＧＢＴチップ１及びＦＲＤチップ２からの放熱経路が増え、熱抵抗の低減、放熱性の向上が実現される。

また、チップごとに、チップ及び緩衝板が位置決めされるので、修復（リペア）が容易になる。

また、図１（ａ）の圧接型半導体装置において、モジュールの小型化のために異電極が近接して配置されている。異電極間の短絡を防止するために、第１及び第２の上面緩衝板５ａ、５ｂの凸部１１ａ、１１ｂには、絶縁処理が施されている。具体的には、ＩＧＢＴチップ１及びＦＲＤチップ２に接触する部分から下面電極板４に接触する部分までの凸部１１ａ、１１ｂを絶縁処理する。これにより、異電極間の短絡を防止することができる。なお、絶縁処理を、凸部１１ａ、１１ｂの代わりに凹部１０ａ、１０ｂに施しても構わない。絶縁処理として例えばアルミナ溶射があるが、その他の方法であっても構わない。

また、上面電極板３は、ＩＧＢＴチップ１及びＦＲＤチップ２が位置する部分にＩＧＢＴチップ１及びＦＲＤチップ２の形状に合った凸形状を有している。この凸形状の塑性変形により、上面電極板３は、ＩＧＢＴチップ１及びＦＲＤチップ２の高さのバラツキを吸収して補正する。これにより、ＩＧＢＴチップ１及びＦＲＤチップ２への加圧を均一にして応力集中を回避することができる。

（第２の実施の形態）
図２（ａ）に示すように、本発明の第２の実施の形態に係わる圧接型半導体装置は、対向する２主表面を有するＩＧＢＴチップ１と、対向する２主表面を有するＦＲＤチップ２と、ＩＧＢＴチップ１及びＦＲＤチップ２のそれぞれの２主表面を挟む上面緩衝板５及び第１及び第２の下面緩衝板６ａ、６ｂと、上面緩衝板５、ＩＧＢＴチップ１及びＦＲＤチップ２及び第１及び第２の下面緩衝板６ａ、６ｂを挟む上面電極板３及び下面電極板４と、上面電極板３及び下面電極板４の側面に接合された絶縁外筒８及び金属板９とを有する。

第２の実施の形態において、第１及び第２の下面緩衝板６ａ、６ｂはチップ接合用の半田からなり、ＩＧＢＴチップ１及びＦＲＤチップ２のそれぞれは、チップ接合用の半田６ａ、６ｂを介して下面電極板４に接着、即ち位置決めされている。このように、第２の実施の形態では、複数のチップ１、２の上面側は加圧により接合され、下面側は半田などの接着剤により接合された圧接型半導体装置について説明する。

上面緩衝板５は、複数の半導体チップ、即ちＩＧＢＴチップ１とＦＲＤチップ２について共用されている。上面緩衝板５は、ＩＧＢＴチップ１とＦＲＤチップ２の間に位置する部分に、他の部分よりも厚さが薄い肉薄部１２を有する。上面緩衝板５は凸部１１を有し、下面電極板４は、凸部１１と嵌め合わされた凹部１０を有する。凸部１１と凹部１０とが嵌合することにより、上面緩衝板５は、下面電極板４に対して、直接、位置決めされる。

下面電極板４と上面電極板３の間に積層方向の圧力を加えることで、上面緩衝板５が圧接され接合されている。下面電極板４及び上面電極板３の側面は絶縁外筒８及び金属板９で密閉されている。

その他の構成は、図１と同じであり、説明を省略する。

上面電極板３は、ＩＧＢＴチップ１及びＦＲＤチップ２が位置する部分にＩＧＢＴチップ１及びＦＲＤチップ２の形状に合った凸形状を有している。この凸形状の塑性変形により、上面電極板３は、ＩＧＢＴチップ１及びＦＲＤチップ２の高さのバラツキを吸収して補正する。これにより、ＩＧＢＴチップ１及びＦＲＤチップ２への加圧を均一にして応力集中を回避することができる。このとき、ＩＧＢＴチップ１とＦＲＤチップ２の間に位置する上面緩衝板５の部分に肉薄部１２を形成することにより、加圧時に肉薄部１２が変形して、上面緩衝板５をＩＧＢＴチップ１とＦＲＤチップ２について独立に塑性変形させることができる。

また、図２（ｂ）に示すように、上面緩衝板５には２つの凸部１１が所定の位置に配置され、２つの凸部１１に対応して、図２（ｃ）に示すように、下面電極板４に２つの凹部１０が配置されている。２つの凹部１０間の下面電極板４上に、半田６ａ、６ｂを介してＩＧＢＴチップ１及びＦＲＤチップ２を接着する。この状態で、上面緩衝板５の２つの凸部１１が下面電極板４の２つの凹部１０ａへそれぞれ挿入されている。これにより、上面緩衝板５を、位置決めをする為の他の部材を用いることなく、下面電極板４に対して位置決めすることができる。

また、例えば位置決めガイドなどの位置決めする為の他の部材を使用しないため、作業工数、作業コストを削減できる。

また、凸部１１及び凹部１０を介して、上面緩衝板５が下面電極板４へ熱的に接触することができるため、ＩＧＢＴチップ１及びＦＲＤチップ２からの放熱経路が増え、熱抵抗の低減、放熱性の向上が実現される。

また、図２（ａ）の圧接型半導体装置において、モジュールの小型化のために異電極が近接して配置されている。異電極間の短絡を防止するために、下面電極板４の凹部１０には、絶縁処理が施されている。具体的には、上面緩衝板５に接触する部分の凹部１０を絶縁処理する。これにより、上面緩衝板５と下面電極板４間が電気的に絶縁され、異電極間の短絡を防止することができる。なお、絶縁処理を、凹部１０の代わりに凸部１１に施しても構わない。絶縁処理として例えばアルミナ溶射があるが、その他の方法であっても構わない。

（第２の実施の形態の変形例）
図３に示すように、第２の実施の形態の第１の変形例に係わる圧接型半導体装置は、図２（ａ）の圧接型半導体装置に比べて、上面電極板３が凸部１１と嵌め合わされた凹部１０を有する点が異なる。よって、凸部１１と凹部１０との嵌合により、上面緩衝板５は、上面電極板３に対して、直接、位置決めされている。そして、凹部１０は絶縁処理されている。勿論、凹部１０の代わりに凸部１１を絶縁処理しても構わない。

図４に示すように、第２の実施の形態の第２の変形例に係わる圧接型半導体装置は、図２（ａ）の圧接型半導体装置に比べて、外筒部（ここでは絶縁外筒８）が凸部１１と嵌め合わされた凹部１０を有する点が異なる。よって、凸部１１と凹部１０との嵌合により、上面緩衝板５は、絶縁外筒８に対して、直接、位置決めされている。絶縁外筒８は絶縁物からなるため、凹部１０も絶縁物からなり、凸部１１を絶縁処理する必要はない。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は、第１及び第２の実施の形態及びその変形例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。

半導体チップは１又は３以上であっても構わない。

各半導体チップには、ＩＧＢＴ及びＦＲＤ以外の半導体素子が形成されていても構わない。

第１の実施の形態では、凹部１０ａ、１０ｂが下面電極板４に形成されていたが、本発明はこれに限定されるものではない。第２の実施の形態の変形例と同様にして、凸部１１ａ、１１ｂと嵌め合わされた凹部１０ａ、１０ｂは、上面電極板３、第１及び第２の下面緩衝板６ａ、６ｂ、或いは外筒部（８，９）に形成されていても構わない。この場合、ＩＧＢＴチップ１、ＦＲＤチップ２及び第１及び第２の上面緩衝板５ａ、５ｂのそれぞれは、上面電極板３、第１及び第２の下面緩衝板６ａ、６ｂ、或いは外筒部（８，９）に対して、直接、位置決めされる。

このように、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包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示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限定されるものである。

図１（ａ）は本発明の第１の実施の形態に係わる圧接型半導体装置を示す断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）の第１の上面緩衝板を示す斜視図であり、図１（ｃ）は図１（ａ）の凹部及び凸部を拡大した断面図である。 図２（ａ）は本発明の第２の実施の形態に係わる圧接型半導体装置を示す断面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）の上面緩衝板を示す斜視図であり、図２（ｃ）は図２（ａ）の凹部及び凸部を拡大した断面図である。 第２の実施の形態の第１の変形例に係わる圧接型半導体装置を示す断面図である。 第２の実施の形態の第２の変形例に係わる圧接型半導体装置を示す断面図である。 背景技術に係わる圧接型半導体装置を示す断面図である。

符号の説明

１、５１…第１の半導体チップ（ＩＧＢＴチップ）
２、５２…第２の半導体チップ（ＦＲＤチップ）
３、５３…上面電極板
４、５４…下面電極板
５…上面緩衝板
５ａ、５５ａ…第１の上面緩衝板
５ｂ、５５ｂ…第２の上面緩衝板
６ａ…第１の下面緩衝板、（チップ接合用）半田
６ｂ…第２の下面緩衝板、（チップ接合用）半田
８、５８…絶縁外筒
９、５９…金属板
１０、１０ａ、１０ｂ…凹部
１１、１１ａ、１１ｂ…凸部
１２…肉薄部
５６…下面緩衝板
６３ａ、６３ｂ…チップフレーム
６４…外部フレーム

Claims (6)

1. 第１の半導体チップと、
   前記第１の半導体チップを挟む第１の上面緩衝板及び第１の下面緩衝板と、
   前記第１の上面緩衝板、前記第１の半導体チップ及び前記第１の下面緩衝板を挟む上面電極板及び下面電極板とを有し、
   前記第１の上面緩衝板は、前記上面電極板、前記下面電極板、或いは前記第１の下面緩衝板に対して、直接、位置決めされていることを特徴とする圧接型半導体装置。
2. 前記第１の上面緩衝板は凸部を有し、
   前記第１の上面緩衝板に対して位置決めされた前記上面電極板、前記下面電極板、或いは前記第１の下面緩衝板は、前記凸部と嵌め合わされた凹部を有することを特徴とする請求項１記載の圧接型半導体装置。
3. 前記凸部及び凹部の少なくとも一方は、絶縁処理されていることを特徴とする請求項２記載の圧接型半導体装置。
4. 第２の半導体チップと、
   前記第２の半導体チップを挟む第２の上面緩衝板及び第２の下面緩衝板とを更に有し、
   前記上面電極板及び前記下面電極板は、前記第２の上面緩衝板、第２の半導体チップ及び第２の下面緩衝板を挟んでいることを特徴とする請求項１乃至３何れか１項記載の圧接型半導体装置。
5. 第２の半導体チップを更に有し、
   前記第１の上面緩衝板及び前記第１の下面緩衝板は、前記第２の半導体チップを挟んでおり、
   前記第１の上面緩衝板は、前記第１の半導体チップと前記第２の半導体チップの間に位置する部分に肉薄部を有することを特徴とする請求項１乃至３何れか１項記載の圧接型半導体装置。
6. 前記上面電極板及び前記下面電極板の側面に接合された外筒部を更に有し、
   前記第１の上面緩衝板は、前記外筒部に対して、直接、位置決めされていることを特徴とする請求項１記載の圧接型半導体装置。

Images