JP2007048990A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】温度変化の激しい環境下において高い信頼性が得られる接合構造を有する半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体装置Ａは、トランジスタチップ１０と、ダイオードチップ１１と、熱補償板１５〜１８と、第１，第２外部端子１２，１３と、外部制御端子１９とを備えている。第１，第２外部端子１２，１３の開口１２ａ，１３ａを通るリベット部材２０が設けられ、リベット部材２０と第１，第２外部端子１２，１３との間には、それぞれ絶縁板２１，２２が介在している。リベット部材２０は、形状記憶合金，時効によるゴム状弾性を有する金属などからなり、超弾性，ゴム状弾性などの非線形弾性を利用した圧接力を第１，第２外部端子１２，１３間に印加する加圧部材である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体チップに外部電極を圧接により積層させるようにした半導体装置に関する。

従来より、たとえば特許文献１に開示されているように、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）モジュール，サイリスタモジュール，ＧＴＯ（ゲートターンオフサイリスタ）モジュール，パワーＩＣ等の大電力半導体装置として、ＩＧＢＴ等が形成された半導体チップを１対の外部端子で挟んだ積層体において、半導体チップと外部端子とをボンディングワイヤを介することなく直接接続したものが知られている。これは、大電力半導体装置においては、数十Ａ，数百Ａあるいは１ｋＡ以上の大電流が流れることから、熱抵抗の低減のためにボンディングワイヤの使用による抵抗分及び自己インダクタンス分を減少させようとしたものである。特許文献１には、半導体チップと外部端子との直接接続の方法として、半田付けなどのろう付け構造や、ねじ止めによる圧接接続が開示されている。

また、特許文献２には、特許文献１と同様の大電力半導体装置において、両側の外部端子に冷却板をさらに積層して、全体をねじ止めにより圧接することにより、放熱性の向上と積層方向に均等な荷重を付与することを目的とした構造が開示されている。

特開２００２−２６２５１号公報

特開２００４−１８４８５号公報

ところで、ＩＧＢＴモジュール，サイリスタモジュール，ＧＴＯモジュール，パワーＩＣ等の大電力半導体装置では、大電流のために半導体チップや外部端子の温度が１５０°Ｃ〜２００°Ｃ程度まで上昇する。特に、ワイドバンドギャップ半導体を利用したデバイスは、２００°Ｃ〜３００°Ｃで使用されることもあり得る。そのために、特許文献１のうちの半田付けなどのろう付け構造を採用した場合、低温ろう付け構造では十分な接合強度が得られず、反面、強固な金属間化合物を利用した高温ろう付け構造では、半導体チップ（半導体）と外部端子（金属）との熱膨張率の差に起因する反りが生じることがある。したがって、ろう付け構造では、半導体装置の接合部の信頼性が十分得られないことがわかった。

一方、特許文献１のうちのねじ止めによる圧接構造や特許文献２の圧接構造の場合にも、半導体装置が組み込まれる機器が設置される環境の変化を想定すると、十分な信頼性が得られないという不具合がある。

本発明の目的は、温度変化の激しい環境下において高い信頼性が得られる接合構造を有する半導体装置を提供することにある。

本発明の半導体装置は、半導体チップと、半導体チップに接触する接触部材と、非線形弾性領域を有する材料を含み、半導体チップと接触部材とを互いに接触させる方向に加圧する加圧部材とを備えている。

これにより、非線形弾性領域を含む加圧部材によって、弾性を維持しうる範囲が拡大するので、温度変化の激しい環境下においても、半導体チップと接触部材とを互いに接触させることができ、半導体装置の信頼性の向上を図ることができる。

前記接触部材が、前記半導体チップに導通可能な外部端子であることにより、温度変化の激しい環境下における電気的な接続を確保することができ、特に縦型構造のパワートランジスタを有するチップに適した構造が得られる。

前記接触部材が、導電性材料からなる熱補償板であり、前記半導体チップとの間に前記熱補償板を挟んで前記半導体チップに導通可能な外部端子をさらに備えていることにより、温度変化があった際にも、チップのパッド電極との間の界面や、外部端子との間の界面におけるすべりが円滑になり、半導体装置全体の反りが抑制される。

前記加圧部材と前記外部端子との間には、絶縁体が介在していることが好ましい。

前記半導体チップを冷却するための冷却板をさらに備えていることにより、温度変化を抑制することができ、より高い信頼性が得られる。

前記接触部材は、冷却用部材であってもよい。

前記非線形弾性領域を有する材料は、形状記憶合金を含んでいるのが一般的であり、その場合には、前記加圧部材は、マルテンサイト変態点以上の温度で塑性変形されたものであることにより、形状記憶合金の超弾性機能を利用することができる。

前記非線形弾性領域を有する材料は、時効によるゴム状弾性を有する金属を含んでいるものであっても、超弾性と同等の機能が得られる。

前記半導体チップに、パワーデバイスが設けられている場合にも、以上の作用効果により、大電流によるチップの温度上昇が生じても、高い信頼性が得られることになる。

前記加圧部材は、引張力が印加された状態で溶融されてなる頭部分を有するリベット部材であってもよいし、引張力が印加された状態で継ぎ目が溶接されてなる閉ループ状のリング部材部材であってもよく、あるいは、切り込み部を有するピン部材とピン部材の切り込み部に係合する係合部材とであってもよい。

本発明の半導体装置によると、温度変化の激しい環境下においても、半導体チップと接触部材とを互いに接触させることができ、半導体装置の信頼性の向上を図ることができる。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における圧接型半導体装置Ａの一部を破断して示す斜視図である。図２は、本発明の実施の形態１における圧接型半導体装置Ａの縦断面図である。

図１及び図２に示すように、本実施の形態における圧接型半導体装置Ａは、縦型電界効果型トランジスタが形成されたトランジスタチップ１０と、ショットキーダイオードが形成されたダイオードチップ１１と、トランジスタチップ１０を挟む，タングステンなどからなる導電性部材である熱補償板１５，１７と、銅系の合金などからなり，熱補償板１５，１７を挟んでトランジスタチップ１０及びダイオードチップ１１にそれぞれ導通可能になっている導電性部材である第１外部端子１２と、タングステンなどからなる導電性部材である熱補償板１６，１８と、銅系の合金などからなり，熱補償板１６，１８を挟んでトランジスタチップ１０及びダイオードチップ１１にそれぞれ導通可能になっている第２外部端子１３と、トランジスタチップ１０に接続される外部制御端子１９とを備えている。本実施形態においては、熱補償板１５〜１８が、トランジスタチップ１０及びダイオードチップ１１に接触する接触部材となっている。トランジスタチップ１０内には、たとえばＳｉＣ基板を用いた縦型電界効果型トランジスタが形成されている（図示せず）。そして、第１外部端子１２，第２外部端子１３，及び制御端子１９は、それぞれ順に、縦型電界効果型トランジスタのソース電極，ドレイン電極，及びゲート電極にそれぞれ導通可能になっている。また、ダイオードチップ１１内には、たとえばＳｉＣを基板を用いたショットキーダイオードが形成されている（図示せず）。そして、第１外部端子１２及び第２外部端子１３は、それぞれ順に、ショットキーダイオードのショットキー電極，Ｎ型半導体領域にそれぞれ導通可能になっている。

また、第１，第２外部端子１２，１３には、それぞれ開口１２ａ，１３ａが形成されており、この開口１２ａ，１３ａを貫通して上記部材全体を加圧する加圧部材であるリベット部材２０が設けられている。また、リベット部材２０と第１，第２外部端子１２，１３との間には、それぞれ絶縁板２１，２２が介在している。リベット部材２０は、たとえばＮｉ−Ｔｉ系形状記憶合金，Ｃｕ−Ｚｎ−Ａｌ系形状記憶合金，Ｆｅ−Ｍｎ−Ｓｉ系形状記憶合金などの形状記憶合金、又は時効によるゴム状弾性を有する金属からなり、リベット部材２０は、超弾性，ゴム状弾性などの非線形弾性を利用した圧接力を第１，第２外部端子１２，１３間に印加している。そして、リベット部材２０の圧接力により、第１、第２外部端子１２、１３と、各熱補償板１５，１６，１７，１８と、トランジスタチップ１０と、ダイオードチップ１１との各コンタクト部の接触状態が確実に導通可能な状態に保持されている。

なお、図示しないが、本実施の形態及び後述する各実施の形態において、チップの周囲は、エポキシ樹脂，シリコーン樹脂等の封止樹脂によって封止されていてもよいが、ハーメチックシールのように密閉された構造を有しているのが一般的である。

次に、リベット部材２０の超弾性特性を一般材料、形状記憶合金の形状記憶特性などとの関連において説明する。図３は、一般の金属等の材料の応力−ひずみ関係を示す図である。図４は、形状記憶合金の形状記憶効果を示す図である。図５は、形状記憶合金の超弾性特性を示す図である。

図３に示すように、一般の材料は、外部応力が印加されると原点Ｏから弾性限界点Ｘ１まで直線的にひずみが増大し、弾性限界点までの領域（直線的弾性領域）では外部応力を除荷すると原点Ｏつまり無ひずみの状態に戻る（可逆的過程）。さらに、弾性限界点Ｘ１を超えて荷重を加えると、直線関係からずれて外部応力に対してひずみが加速的に増大し塑性変形が生じる。この非弾性領域のある点Ｘ２で荷重を除去する（除荷）と、図３の点Ｘ３におけるひずみが残る。このひずみは永久変形であり、弾性領域から外れるような荷重を印加すると非可逆的過程をたどることになる。

図４に示すように、形状記憶合金の形状記憶特性を利用した場合、一般の材料と同様に、原点Ｏから弾性限界点Ｙ１までは直線的な弾性特性を示し（直線的弾性領域）、弾性限界点Ｙ１を超えて荷重を印加すると塑性変形を生じ、ある点Ｙ２で除荷すると、点Ｙ３に示す変形が残る。ところが、この状態で、ある温度（一般的には、マルテンサイトの逆変態が終了する温度）以上に加熱すると、塑性変形が消失して原点Ｏに戻る。一般的には、形状記憶効果は、形状記憶材料をマルテンサイト変態温度以下の温度で変形させたときに生じる現象であり、可逆的過程をたどることになる。

図５に示すように、形状記憶合金の超弾性特性を利用する場合、一般の材料と同様に、原点Ｏからある点Ｚ１までは直線的な弾性特性を示し（直線的弾性領域）、弾性限界点Ｙ１を超えて荷重を印加すると変形を生じるが、ある点Ｚ２で除荷すると原点Ｏ（あるいはほぼ原点Ｏ付近の点）に戻る。つまり、図５に示すヒステリシス曲線で示される点Ｚ１を超える領域及び点Ｚ２から原点Ｏに戻る領域は、非直線的弾性領域である超弾性領域になっている。そして、図５の破線に示すように、形状記憶合金の組成を変化させると、外部応力が異なる種々のヒステリシス特性が得られる。

図５に示すような超弾性特性は、一般的には、形状記憶合金にマルテンサイト変態温度以上で直線的弾性領域を超える荷重を印加したときに生じる現象であり、このマルテンサイト変態温度は、形状記憶合金の組成によって異なっている。マルテンサイト変態温度が比較的高温（たとえば５０〜１００°Ｃ程度）のものだけでなく、室温もしくはそれ以下のものもある。マルテンサイト変態温度が室温若しくはそれ以下である形状記憶合金は、便宜上「超弾性合金」と呼ばれることがある。

ただし、Ａｕ−Ｃｄ合金，Ｉｎ−Ｔｌ合金，Ａｕ−Ｃｕ−Ｚｎ合金，Ｃｕ−Ｚｎ−Ａｌ合金などにおいては、マルテンサイト変態温度以下の温度で直線的弾性領域を超える荷重を印加したときにも、時効によるゴム状弾性（擬弾性）が生じることが知られている（Nature Vol.389 9October 1997 p.579-582）。金属でありながらゴムのような弾性を生じさせるためには、Ａｕ−Ｃｄ合金，Ｉｎ−Ｔｌ合金，Ａｕ−Ｃｕ−Ｚｎ合金，Ｃｕ−Ｚｎ−Ａｌ合金などの金属を均質化温度まで加熱した後冷却して、マルテンサイト変態を生じさせればよい。このような金属は、マルテンサイト状態で荷重を印加し、マルテンサイト状態で除荷しても、ゴム状弾性特性を示す。

図６は、時効によるゴム状弾性を有する金属（たとえばＣｕ−１４at％Ｚｎ−１７at％Ａｌ合金）における外部応力−ひずみ特性を示す図である。図６に示すように、この合金に荷重を印加すると、原点Ｏから直線的弾性領域が現れないのが通常であり、ある点Ｗ１で除荷すると、原点Ｏではなく少しの永久変形を残す点Ｗ２まで戻ることが多い。この場合にも、図６に示すように広い弾性領域であるゴム状弾性領域（非直線的弾性領域）が現れることになる。また、図６には示されていないが、図５の実線及び破線に示す超弾性特性と同様に、組成や印加する外部応力を変えると、種々のヒステリシス特性が得られる。

ここで、本実施の形態における圧接型半導体装置によって発揮される効果について説明する。

前述のように、ＩＧＢＴモジュール，サイリスタモジュール，ＧＴＯモジュール，パワーＩＣ等の大電力半導体装置では、大電流が流れるために半導体チップや外部端子の温度が上昇する。そのために、特許文献１のうちの半田付け構造を採用した場合、半導体チップ（半導体）と外部端子（金属）との熱膨張率の差に起因して、積層体全体が反るので、接合部の信頼性が損なわれるおそれがある。

一方、特許文献１のうちのねじ止めによる圧接構造や特許文献２の圧接構造を採用すると、積層体内の各部材（チップ，熱補償板，外部端子，冷却板など）の寸法が温度変化によってばらばらに変化しても、積層体内の各部材間のすべりによって積層体全体が反るのを抑制することが考えられる。

しかしながら、特許文献１，２のようなねじ止め構造の場合にも、以下の不具合があることがわかった。

半導体装置が搭載される自動車，空調冷凍設備，電気機器などの各種機器は、様々な環境下で使用される。したがって、室温におけるねじの圧接力が所定の圧接力に設計されていても、使用される環境の一日の温度差、年間の温度差などによって半導体チップ，外部端子，冷却板等とねじ棒との相対的な寸法変化の差により、ねじ止めによる圧接力が変化する。そのために、製造当初には最適と考えられる圧接力に設定されていても、必要な圧接力が得られなくなったり、逆に圧接力が過大になることがある。たとえば、図３に示す一般的な金属の外部応力−ひずみ特性において、ねじ棒に印加される外部応力（引張力）が弾性範囲を超えると塑性変形を生じて圧接力が無くなることもある。また、外部応力が適正範囲よりも大きくなると、圧接力が過大になって、各部材同士の間の接触面における摩擦力により各部材間のすべりが妨げられ、反りが生じるおそれがある。

また、自動車や空調冷凍設備に配置される大電力半導体装置においては、温度サイクルに加えてエンジン，車体，コンプレッサーなどの振動によって、ねじがゆるむおそれもある。

それに対して、本実施の形態の圧接型半導体装置においては、図５及び図６に示すように、超弾性やゴム弾性などの非直線的弾性により、一般的な材料の直線的弾性範囲よりも広い弾性範囲が確保される。したがって、図５の破線に示すように、形状記憶合金の組成を調整すると、圧接力に相当する外部応力を常に適正な範囲に維持することができる。以下、一般材料と超弾性又はゴム弾性を示す金属とによる圧接力の調整機能の相違について、具体的に説明する。

超弾性やゴム状弾性を示さない一般の材料では、図３に示される弾性範囲の最大ひずみはおおむね０．８〜１％であり、弾性範囲の最大外部応力はたとえば炭素鋼で１５００〜２５００ＭＰａ程度であるので、熱膨張によって寸法が変化すると圧接力が激しく変化することがわかる。そして、適正な圧接力を維持するための外部応力に対応するひずみ範囲は極めて狭い。また、Ｃｕ系合金，Ａｌ系合金などでは、弾性範囲の最大外部応力は数百ＭＰａであるが、最大外部応力に対応するひずみを超えると塑性変形を起こして、圧接力が消失する。

それに対し、本実施の形態における圧接型半導体装置Ａの形状記憶合金からなるリベット部材２０は、温度変化によって外部応力が直線的弾性領域の最大ひずみを超えても、外部応力はそれほど増大せずに弾性を維持しながら変形し続けることができる。形状記憶合金や時効によるゴム弾性を生じる金属の最大ひずみは、材料によって異なるがＮｉ−Ｔｉ合金では５％〜８％程度であり、直線的弾性領域の最大ひずみの数倍まで拡大している。

図５に示すように、直線的弾性領域を超える領域では、ひずみが変化しても超弾性（又はゴム状弾性）を示す領域における外部応力はそれほど変化していないことがわかる。また、たとえばＮｉ−Ｔｉ合金では、弾性範囲における応力ヒステリシスは、１００ＭＰａ〜４３０ＭＰａの広い範囲で調節可能である。特に外部応力がほぼ一定となる領域Ｒａが存在するので、この領域Ｒａ内に入るように外部応力を設計することも可能である。

したがって、本実施形態の圧接型半導体装置により、温度変化の激しい環境下においても、リベット部材２０による圧接力がゆるんだり過大にならない適正範囲に維持することができる。よって、形状記憶合金又は時効によるゴム状弾性を有する金属からなるリベット部材２０によって、熱補償板１５，１６を挟んで第１，第２外部端子１２，１３とトランジスタチップ及びダイオードチップとの導通性を確実に保持することができ、圧接型半導体装置の信頼性の向上を図ることができる。

なお、パワートランジスタなどのパワーデバイスでは、半導体装置の温度がかなり上昇するので、マルテンサイト変態温度が４０°Ｃ〜１００°Ｃ程度の形状記憶合金であっても、超弾性特性を利用することが可能であるので、本発明における形状記憶合金は、マルテンサイト変態温度が室温もしくはそれ以下の超弾性合金に限定されるものではない。

次に、本実施形態の圧接型半導体装置Ａの組み立て工程について、図７〜図９を参照しながら説明する。図７〜図９においては、見やすくするために熱補償板の符号は省略している。

まず、図７に示す工程では、トランジスタチップ１０，ダイオードチップ１１，第
１外部端子１２，第２外部端子１３、熱補償板１５〜１８及び絶縁板２１，２２を重ね、この積層体全体を上側ジグ２５と下側ジグ２６との間に挟む。そして、第１，第２外部端子１２，１３の各開口１２ａ，１３ａ間に形状記憶合金からなるロッド２８を通し、ロッド２８をマルテンサイト変態温度以上に維持した状態でロッド２８に引張力を加えて、図５に示す点Ｚ２までロッド２８にひずみを加える。

次に、図８に示す工程で、上側ジグ２５と下側ジグ２６とにより積層体全体を挟んだ状態で、ロッド２８に対する引張力を維持した状態で、ロッド２８のうち絶縁板２１，２２に接する部分をレーザ等で加熱融解してリベットの頭部分２８ａ，２８ｂを形成する。

なお、予めマルテンサイト変態温度以上で引張力を印加した後引張力を除去しておいたロッドを、第１，第２外部端子１２，１３の各開口１２ａ，１３ａ間に通して、リベット部材の頭部分を形成してもよい。その場合には、ロッドにはほとんど引張力を加えずに、上側ジグ２５と下側ジグ２６とにより、絶縁板２１，２２間に設計圧接力を超える押圧力を加えておいて、リベット部材の頭部分を形成した後、各ジグ２５，２６の押圧力を除去したときに設計圧接力がリベット部材２０から印加されるように各ジグ２５，２６の押圧力を設定すればよい。

上記２つの方法のいずれの場合にも、形状記憶合金に代えて時効によるゴム状弾性を生じる合金あるいはいわゆる超弾性合金からなるロッドを用いる場合には、室温で組み立てをすることができる。

その後、図９に示す工程で、リベット２０の頭部分を残しその先の部分を切断して、リベット部材２０を形成する。これにより、図２に示す圧接型半導体装置Ａが得られる。

上述の圧接型半導体装置Ａの組み立て方法によると、超弾性又は時効によるゴム状弾性を有する金属からなるロッド２８に引張力を加えた状態、又は、あるいは、上側ジグと下側ジグとによって圧接型半導体装置Ａに所定の押圧力を印加しながら、リベット部材の加工を行うので、圧接力の調整を簡単かつ正確に行うことができる。

（実施の形態２）
図１０は、本発明の実施の形態２における圧接型半導体装置Ｂの構造をその一部を破断して示す斜視図である。

同図に示す本実施の形態における圧接型半導体装置Ｂは、実施の形態１と同様に、第１外部端子１２と第２外部端子１３との間にトランジスタチップ，ダイオードチップ及び熱補償板を介在させている。そして、第１，第２外部端子１２，１３の外表面と長辺側の側面とをそれぞれ覆う，断面ほぼＵ字状の絶縁板３１，３２と、上記部材全体の周囲を閉ループ状に囲む，形状記憶合金（又は時効によるゴム状弾性を有する金属）からなるリング部材３３，３４とを備えている。

本実施の形態における圧接型半導体装置Ｂの組み立て方法は以下のとおりである（図示省略）。絶縁板３１，３２間をジグにより固定した状態で、２つの絶縁板３１，３２を囲むようにワイヤを巻き付けて、マルテンサイト変態温度以上の温度でワイヤに図５の点Ｚ２又は図６の点Ｗ２を超える引張力を印加しながら、レーザ等による溶接によってリング部材３３，３４の接合部を形成し、閉ループ状にする。その後、余分な部分を除去すれば、図１０に示す本実施の形態における圧接型半導体装置Ｂが得られる。なお、時効によるゴム状弾性を有する金属、あるいはいわゆる超弾性合金からなるワイヤを用いる場合には、室温で引張力を加えるとよい。

なお、予めマルテンサイト変態温度以上でワイヤに引張力を印加した後、引張力を除去しておいたワイヤを２つの絶縁板３１，３２を囲むように巻き付けた状態で、接合部分を形成してもよい。その場合には、ワイヤには大きな引張力を加えずに、１対のジグにより、絶縁板３１，３２間に設計圧接力以上の押圧力を加えておいて、ワイヤの接合後、各ジグの押圧力を除去したときに設計圧接力がリング部材３３，３４から印加されるように設計すればよい。

上記２つの方法のいずれの場合にも、形状記憶合金に代えて時効によるゴム状弾性を生じる合金あるいはいわゆる超弾性合金からなるロッドを用いる場合には、室温で組み立てを行うことができる。

本実施の形態の圧接型半導体装置Ｂによると、実施の形態１と同様に、温度変化の激しい環境下においても、リング部材３３，３４による圧接力がゆるんだり過大にならない適正範囲に維持することができる。よって、形状記憶合金又は時効によるゴム状弾性を有する金属からなるリング部材３３，３４によって、熱補償板を挟んで第１，第２外部端子１２，１３とトランジスタチップ及びダイオードチップとの導通性を確実に保持することができ、圧接型半導体装置の信頼性の向上を図ることができる。特に、形状記憶合金又は時効によるゴム状弾性を有する金属は、線材として入手できる種類が多いので、実施の形態１に比べて材質の選択の幅が広くなるという利点がある。

また、本実施の形態における圧接型半導体装置Ｂの製造方法によっても、超弾性又は時効によるゴム状弾性を有する金属からなるワイヤに引張力を印加しながら、あるいは、上側ジグと下側ジグとによって圧接型半導体装置Ｂに所定の押圧力を印加しながら、ワイヤの溶接加工を行うので、圧接力の調整を簡単かつ正確に行うことができる。

（実施の形態３）
図１１は、本発明の実施の形態３における圧接型半導体装置Ｃの構造を示す縦断面図である。

同図に示すように、本実施の形態の圧接型半導体装置Ｃは、実施の形態１の圧接型半導体装置Ａにおけるリベット部材２０に代えて、切り込みを有するピン部材４１と、ピン部材４１の切り込みに契合する係合部材である開環バネ状の止め金４２，４３とを備えている。

本実施の形態の圧接型半導体装置の組み立て方法は、以下の通りである。予めマルテンサイト変態温度以上でピン部材に引張力を印加した後、引張力を除去してから２つの切り込み部が形成されたピン部材４１を絶縁板２１，２２及び第１，第２外部端子１２，１３の各開口間に通し、１対のジグにより、絶縁板２１，２２間に設計圧接力を超える押圧力を加えつつ、開環バネ状の止め金４２，４３をピン部材４１の各切り込み部に係合させて、各ジグの押圧力を除去する。このときに、設計圧接力が止め金４２，４３から印加されるように、ピン部材４１の２つの切り込み部の幅寸法及び切り込み間距離と、１対のジグの押圧力を設定しておく。

あるいは、予め切り込み部が形成されたピン部材４１を第１，第２外部端子１２，１３の各開口間に通し、ピン部材４１にマルテンサイト変態温度以上の温度で引張力を印加し、１対のジグにより、絶縁板２１，２２間を抑えつつ、開環バネ状の止め金４２，４３をピン部材４１の切り込み部に係合させてもよい。

上記２つの方法のいずれの場合にも、時効によるゴム状弾性を有する金属、あるいはいわゆる超弾性合金からなるピン部材を用いる場合には、室温で組み立てを行うことができる。

なお、ピン部材の両端のうち一方が絶縁板の開口よりも大きいヘッド部分を有している場合には、切り込み部及び止め金は一方のみに設ければよい。

本実施の形態における圧接型半導体装置によると、実施の形態１と同様に、温度変化の激しい環境下においても、ピン部材４１による圧接力がゆるんだり過大にならない適正範囲に維持することができる。よって、熱補償板を挟んで第１，第２外部端子１２，１３とトランジスタチップ及びダイオードチップとの導通性を確実に保持することができ、圧接型半導体装置の信頼性の向上を図ることができる。

（実施の形態４）
図１２は、本発明の実施の形態４における圧接型半導体装置Ｄの斜視図である。同図に示すように、本実施の形態における圧接型半導体装置Ｄは、縦型電界効果型トランジスタが形成されたトランジスタチップ５１と、タングステンなどからなる導電性部材である熱補償板５４（接触部材）と、熱補償板５４を挟んでトランジスタチップ５１にそれぞれ導通可能になっている導電性部材である第１外部端子５２と、タングステンなどからなる導電性部材である熱補償板５５（接触部材）と、熱補償板５５を挟んでトランジスタチップ５１にそれぞれ導通可能になっている導電性部材である第２外部端子５３と、第１，第２外部端子５２，５３を冷却するための銅合金からなる冷却部材である冷却板５６，５７と、上記部材全体の周囲を閉ループ状に囲む，形状記憶合金（又は時効によるゴム状弾性を有する金属）からなる加圧部材であるリング部材５８，５９とを備えている。冷却板５６と第１外部端子５２との間には絶縁板６１が、冷却板５７と第２外部端子５３との間には絶縁板６２がそれぞれ介在している。各絶縁板６１，６２には、それぞれ冷却水が流れる貫通穴６０が形成されている。また、図示されていない部分において、トランジスタチップ５１に接続される外部制御端子を備えている。トランジスタチップ５１内には、たとえばＳｉＣ基板を用いた縦型電界効果型トランジスタが形成されている（図示せず）。そして、第１外部端子５２，第２外部端子５３，及び制御端子は、縦型電界効果型トランジスタのソース電極，ドレイン電極，及びゲート電極にそれぞれ導通可能になっている。

本実施の形態における圧接型半導体装置Ｄの組み立て方法は、以下の通りである。冷却板５６，５７間を抑えておいて、２つの冷却板５６，５７を囲むようにワイヤを巻き付けて、マルテンサイト変態温度以上の温度でワイヤに図５の点Ｚ２又は図６の点Ｗ２の引張力を印加しておいて、レーザ等による溶接によってリング部材５８，５９の接合部を形成し、閉ループ状にする。その後、余分な部分を除去すれば、図１２に示す本実施の形態における圧接型半導体装置Ｄが得られる。

なお、予めマルテンサイト変態温度以上でワイヤに引張力を印加した後、引張力を除去しておいたワイヤを２つの冷却板５６，５７を囲むように巻き付けて、接合部分を形成してもよい。その場合には、１対のジグにより、冷却板５６，５７間に設計圧接力を超える押圧力を加えておいて、ワイヤの接合後、各ジグの押圧力を除去したときに設計圧接力がリング部材５８，５９に印加されるように設計すればよい。

上記２つの方法のいずれの場合にも、形状記憶合金に代えて時効によるゴム状弾性を生じる合金あるいはいわゆる超弾性合金からなるロッドを用いる場合には、室温で組み立てを行うことができる。

本実施の形態の圧接型半導体装置Ｄによると、実施の形態１と同様に、温度変化の激しい環境下においても、リング部材５８，５９による圧接力がゆるんだり過大にならない適正範囲に維持することができる。よって、形状記憶合金又は時効によるゴム状弾性を有する金属からなるリング部材５８，５９によって、熱補償板を挟んで第１，第２外部端子１２，１３とトランジスタチップ及びダイオードチップとの導通性を確実に保持することができ、圧接型半導体装置の信頼性の向上を図ることができる。また、形状記憶合金又は時効によるゴム状弾性を有する金属は、線材として入手できる種類が多いので、実施の形態２と同様に、材質の選択の幅が広くなる。

しかも、本実施の形態では、絶縁板６１，６２を挟んで冷却板５６，５７と第１，第２外部端子５２，５３との間の熱伝導性を確保することができるので、発熱の大きいパワートランジスタの冷却機能の向上を図ることができる。

なお、本実施の形態においては、リング部材５８，５９に代えて、形状記憶合金又は時効によるゴム状弾性を有する金属からなるリベット部材（実施の形態１）、又は形状記憶合金又は時効によるゴム状弾性を有する金属からなるピン部材（実施の形態３）を用いてもよい。

本実施の形態において、冷却部材である冷却板５６，５７は、絶縁体であってもよく、たとえばセラミックスのうち比較的熱伝導性のよいものを選択して用いてもよい。その場合には、絶縁板６１，６２は不要である。

本実施の形態において、冷却板５６，５７に水冷用の貫通穴６０が設けられていなくてもよく、たとえばフィンを付設した空冷構造のものであってもよい。

本実施の形態４においては、冷却部材である冷却板が外部端子を冷却するように構成されているが、冷却板によりトランジスタチップやダイオードチップの一部を外部端子を挟まずに冷却する構造であってもよい。その場合にも、温度変化の激しい環境下において圧接力を適正に保持することができ、冷却部材とチップとの熱的な接続性を確保することができる。

（変形例）
次に、実施の形態１，２又は実施の形態３の変形例について説明する。本変形例においては、実施の形態１，２又は３における絶縁板の平面形状のみを図示して、その構造を説明する。

図１３は、第１の変形例に係る，十字状の平面形状を有する絶縁板７１の平面図である。絶縁板７１は図１，図１０又は図１１に示す圧接型半導体装置において、積層体（破線部分）を上下から挟み上下の外部端子に接触している。リベット部材，リング部材，又はピン部材は、積層体からはみ出た部分に設けられる。絶縁板７１は比較的厚い板であり、このような構造により、外部端子が露出している部分の面積が大きくなるので、空冷方式に適した構造となる。しかも、絶縁板７１に圧接力を印加した状態で、リベット部材，リング部材，又はピン部材を形成する工程も容易に行うことができる。

図１４は、第２の変形例に係る，井桁状の平面形状を有する絶縁板７２の平面図である。絶縁板７２は図１，図１０又は図１１に示す圧接型半導体装置において、積層体（破線部分）を上下から挟み上下の外部端子に接触している。リベット部材，リング部材，又はピン部材は、積層体からはみ出た部分に設けられる。絶縁板７２は比較的厚い板であり、このような構造によっても、第１の変形例と同様に、外部端子が露出している部分が多くなるので、空冷構造に適した構造となる。しかも、絶縁板７２に圧接力を印加した状態で、リベット部材，リング部材，又はピン部材を形成する工程も容易に行うことができる。第１の変形例に比べ、第２の変形例の構造は、より大型の空冷方式の圧接型半導体装置に適した構造といえる。

（その他の構造）
上記各実施の形態では、非線形弾性領域を有する材料として、形状記憶合金又は時効によるゴム状弾性を有する金属を採用したが、本発明における非線形弾性領域を有する材料は、上記各実施形態に限定されるものではない。非金属材料においても、非線形弾性特性であるエントロピー弾性（ゴム状弾性）など、ひずみ範囲の広い材料があり、これらをも適宜選択することができる。

また、非線形弾性領域を有する材料からなる加圧部材の種類や形状も、上記各実施の形態に限定されるものではない。たとえば、非線形弾性領域を有する材料からなるネジやバネを用いてもよいことはいうまでもない。

上記各実施の形態において、熱補償板が存在していることにより、温度変化に応じた熱膨張率差による各部材の寸法が変化したときにも、チップのパッド電極との間の界面や、外部端子との間の界面におけるすべりが円滑になり、半導体装置全体の反りが抑制される。

しかし、本発明においては、熱補償板は必ずしも必要ではなく、トランジスタチップやダイオードチップに直接外部端子が接触していてもよい。本発明では圧接力をほぼ一定の低圧接力に保持することも可能であるので、熱補償板がなくても、すべりが円滑に行われて、半導体装置全体が反るのを抑制することが可能である。

上記各実施の形態においては、トランジスタチップやダイオードチップなどのチップのを上下から挟むように１対の外部端子を設けたが、１対の外部端子がチップの片側に設けられていてもよい。その場合には、加圧部材はチップの裏面と１対の外部端子の上面側から圧接力を印加する構造になる。これは、絶縁性基板を用いた半導体装置に有効な構造である。

ただし、パワートランジスタは、大電流を流すために、基板の上面側から裏面側に電流が流れる縦型構造を採ることが多いので、１対の外部端子がチップの上下面を挟んでいることが多いので、上記各実施の形態は、かかるパワートランジスタに適した構造である。

本発明の半導体チップ内に設けられるデバイスは、ＩＧＢＴ，サイリスタ，ＧＴＯ，ＭＯＳＦＥＴ，パワーなどがある。また、本発明の半導体装置内に配置される半導体チップの個数は問わない。

なお、上記各実施の形態におけるリベット部材，リング部材，ピン部材は、すべての部分が非線弾性形領域を有する材料によって構成されている必要はない。主要な部分が非線形弾性領域を有していれば、外部応力の変化を抑制しつつ、広いひずみ範囲が確保されるからである。

上記開示された本発明の各実施の形態，変形例及びその他の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。

本発明の半導体装置及びその組み立て方法は、自動車，空調冷凍装置などの機器に搭載される半導体装置、たとえばＩＧＢＴモジュール，サイリスタモジュール，ＧＴＯモジュール，パワーＩＣ等の半導体装置の実装に利用することができる。

本発明の実施の形態１における圧接型半導体装置の一部を破断して示す斜視図である。 本発明の実施の形態１における圧接型半導体装置の縦断面図である。 一般の金属等の材料の応力−ひずみ関係を示す図である。 形状記憶合金の形状記憶効果を示す図である。 形状記憶合金の超弾性特性を示す図である。 時効によるゴム状弾性を有する金属（たとえばＣｕ−１４at％Ｚｎ−１７at％Ａｌ合金）における外部応力−ひずみ特性を示す図である。 実施の形態１における圧接型半導体装置の組み立て工程のうちロッドを各外部端子の開口間に通した状態を示す断面図である。 実施の形態１における圧接型半導体装置の組み立て工程のうちロッドにリベットの頭部分を形成した状態を示す断面図である。 実施の形態１における圧接型半導体装置の組み立て工程のうちリベットの頭部分を残しその先の部分を切断した状態を示す断面図である。 本発明の実施の形態２における圧接型半導体装置の構造をその一部を破断して示す斜視図である。 本発明の実施の形態３における圧接型半導体装置の構造を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態４における圧接型半導体装置の斜視図である。 第１の変形例に係る，十字状の平面形状を有する絶縁板の平面図である。 第２の変形例に係る，井桁状の平面形状を有する絶縁板の平面図である。

符号の説明

１０ トランジスタチップ、１１ ダイオードチップ、１２ 第１外部端子、１２ａ 開口、１３ 第２外部端子、１３ａ 開口、１５〜１８ 熱補償板、１９ 制御端子、２０ リベット部材、２１，２２ 絶縁板、３１，３２ 絶縁板、３３，３４ リング部材、４１ ピン部材、４２，４３ 止め金、５１ トランジスタチップ、５２ 第１外部端子、５３ 第２外部端子、５４，５５ 熱補償板、５６，５７ 冷却板、５８，５９ リング部材、６０ 貫通穴、６１，６２ 絶縁板、７１，７２ 絶縁板

Claims (12)

1. 半導体チップと、
   前記半導体チップに接触する接触部材と、
   非線形弾性領域を有する材料を含み、前記半導体チップと前記接触部材とを互いに接触させる方向に加圧する加圧部材と
   を備えている，半導体装置。
2. 前記接触部材は、前記半導体チップに導通可能な外部端子である、請求項１記載の半導体装置。
3. 前記接触部材は、導電性材料からなる熱補償板であり、
   前記半導体チップとの間に前記熱補償板を挟んで前記半導体チップに導通可能な外部端子
   をさらに備えている、請求項１記載の半導体装置。
4. 前記加圧部材と前記外部端子との間には、絶縁体が介在している、請求項２又は３記載の半導体装置。
5. 前記半導体チップを冷却するための冷却板をさらに備えている、請求項２〜４のいずれかに記載の半導体装置。
6. 前記接触部材は、冷却用部材である、請求項１記載の半導体装置。
7. 前記非線形弾性領域を有する材料は、形状記憶合金を含んでいる、請求項１〜６のいずれかに記載の半導体装置。
8. 前記加圧部材は、マルテンサイト変態点以上の温度で塑性変形されたものである，請求項７記載の半導体装置。
9. 前記非線形弾性領域を有する材料は、時効によるゴム状弾性を有する金属を含んでいる、請求項１〜６のいずれかに記載の半導体装置。
10. 前記加圧部材は、引張力が印加された状態で溶融されてなる頭部分を有するリベット部材である，請求項１〜９のいずれかに記載の半導体装置。
11. 前記加圧部材は、引張力が印加された状態で継ぎ目が溶接されてなる閉ループ状のリング部材である，請求項１〜９のいずれかに記載の半導体装置。
12. 前記加圧部材は、切り込み部を有するピン部材と、ピン部材の切り込み部に係合する係合部材とである，請求項１〜９のいずれかに記載の半導体装置。

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