JP4234614B2 - 圧接型半導体装置、及びこれを用いた変換器 - Google Patents

Description

本発明は、圧接型半導体装置に係り、例えば、複数個の半導体チップを並列に接続して、一つのパッケージに組み込んだ新規な高耐熱半導体装置及びこれを用いた電力変換器に関する。

Ｓｉ半導体エレクトロニクスの技術を駆使して主回路電流を制御するパワーエレクトロニクスの技術は、その性能向上と共に幅広い分野で応用され、さらにその適用拡大がなされつつある。パワー半導体装置として、ダイオード、サイリスタの他、ＭＯＳ制御デバイス例えばＭＯＳ構造ゲートへの入力信号により主電流を制御するＭＯＳ型電界効果トランジスタ（以下ＭＯＳＦＥＴと略す）や、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（以下ＩＧＢＴと略す）等が注目されている。それらは、パワースイッチングデバイスとしてモータＰＷＭ制御インバータの応用等に幅広く使われている。

しかしながら、近年では、Ｓｉデバイスの限界にせまる高性能デバイスの開発もなされてきており、さらなる飛躍的なパワーデバイスの性能向上を目指して、Ｓｉに代わるＳｉＣ、ＧａＮ、ダイヤモンド等の新しい半導体材料を用いたパワーデバイスの検討も始まっている。

なかでもＳｉＣは、最も有望なデバイスとして注目され、研究開発が進められている。ＳｉＣは、Ｓｉに比べて絶縁破壊電界が大きく、さらにバンドギャップが広いため、高温での半導体動作が可能である等の特徴を有するため、特に大電力制御用に好適な高耐圧化や、高温での使用、すなわち冷却系を簡略化したシステムの実現等が期待されている。

図９に示すように、従来のＳｉＣ半導体の圧接型パッケージ１０００では、主電極１０１、１０６間に、ＳｉＣ製の半導体チップ１０４を第一の中間電極１０２と第二の中間電極１０３の間に挟む形態で実装されている。中間電極は、導電体として機能するほかに、熱緩衝体及び熱伝導体として機能する。中間電極は加工精度が悪く、数ミクロンメーターから数十ミクロンメーター程度の厚さばらつきを有する。

そのため、従来は、金属メッシュシート２０１を中間電極・主電極板間に介在させることで、中間電極１０２や１０３、半導体チップ１０４の厚さばらつきを吸収している。

このようなモジュール構造は特開平１１―２７４１８５号や特開平１１−２９７９２９公報に開示されている。この公知例においては、半導体素子と主電極の間に多孔質の金属板もしくは金網もしくは凹凸加工した金属板を単独、又は複数枚組合せて配置した圧接型パッケージの構造が開示されている。

また、特開平１０−９８１４０号公報では、パッケージを構成する電極板の間に複数の半導体チップと歪緩衝板とを組み込み、歪緩衝板と一方の電極板との間に多重弾性体を介在させて、半導体チップ、緩衝板等の厚み方向の寸法ばらつきを吸収する技術が開示されている。多重弾性体として、Ｃｕパイプの２重構造を加圧して扁平加工したものが例示されている。

特開平１１−２７４１８５号公報（特許請求の範囲、図１等）

特開平１１−２９７９２９号公報（特許請求の範囲、図１等） 特開平１０−９８１４０号公報（特許請求の範囲、図１等）

前者の公知例では、半導体素子と主電極板の間に、金属メッシュシートを単独又は複数枚組合せて配置することで、大面積領域での均一な加圧接触状態を確保する。これにより、接触面の高さのばらつき（反り、うねり、部材寸法ばらつき等による）を吸収し、かつ接触界面での熱抵抗、電気抵抗を低減している。

金属メッシュシートは、最初の圧接時に塑性変形することで接触面の高さのばらつきを吸収できる。しかし、圧接型パッケージの使用時の温度変化（熱膨張変化）や加圧圧力の変動に伴い半導体素子と主電極板の間に隙間が生じる場合があり、複数の半導体素子の一部が導通不良となるおそれもある。また、複数の半導体素子の一部が導通不良になると、変換器が動作しなくなる。

後者の公知例では、弾性体を歪緩衝板と電極板との間に介在させるので、変動体チップや歪緩衝板のばらつきを吸収するほかに、パッケージ内の温度変化に伴う歪緩衝板、半導体チップなどの熱膨張変化にも対応できる利点がある。ただし、弾性体は２重パイプのような多重構造であるため、弾性体構成要素の点数が複数となり、コスト増、装置の小形化を図り難いなどの課題が残されている。

本発明の目的は、圧接型パッケージの面積領域で均一な加圧状態を保持すると共に、圧接型パッケージの使用時に部材に温度膨張変化や加圧圧力の変動が生じても、半導体素子と主電極板の間に隙間が生じることのない信頼性の高い圧接型半導体装置および電力変換器を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、基本的には、平型パッケージの構成要素となる一対の主電極板の間に、少なくとも一つの半導体チップと該半導体チップを挟み込んだ一対の中間電極とが組み込まれた半導体装置、あるいはこのような半導体装置を電力の主変換素子として用いる変換器において、
前記主電極板の少なくとも一方とこれに対向する中間電極との間に、弾性体および金属メッシュシートを介在させた。

或いは、前記主電極板の少なくとも一方とこれに対向する中間電極との間に弾性体を介在させ、さらに、少なくとも一方の中間電極とこれに対向する半導体チップの電極との間に金属メッシュシートを介在させた。

金属メッシュシートは、平型パッケージの中間電極や半導体チップの厚みのばらつきにより各積層体（半導体チップ、中間電極の積層体）の厚みにばらつきが生じた場合でも、各積層体との圧接時に塑性変形することで、平型パッケージ全体の均一な厚みを保証し、ひいては部材間の接触面のばらつきを吸収する。また、弾性体によって、圧接型パッケージの使用時の温度変化（温度膨張変化）や加圧圧力の変動を吸収することにより、チップと主電極板の間に隙間を生じさせず良好な導通を保持する。

また、金属メッシュシートを中間電極と半導体チップの間に配置した場合は、個々のチップ内のそりやうねりを吸収し、良好な導通を得ることができるとともに、加圧時のチップの割れやクラックを防止することができる。

ここで、半導体チップはシリコン、シリコンカーバイド、ダイヤモンドあるいは窒化ガリウムを主成分とするものである。

好ましくは、前記弾性体は、板状であり、例えばスプリングワッシャが良い。ただし、これに限定されるものではなく、それに類する板ばね構造であってもよい。

また、前記弾性体、金属メッシュシートには、白金、クロム、ニッケル、金などのコーティングを施すことを提案する。

本発明によれば、半導体パッケージの面積領域で均一な加圧状態を保持し、かつ、パッケージ使用時に部材に温度膨張変化や加圧圧力の変動が生じても、パッケージ内部の部品の熱膨張と収縮による部品間の導通不良を弾性体の可逆的な変形によって防止することができる。その結果、信頼性の高い圧接型パッケージを提供することができる。

〔実施例１〕
図１は、本発明の他の一実施例を説明するための圧接型パッケージ１００の断面概略図である。

第一の主電極板１０１と第二の主電極板１０６の間には、複数の半導体チップ１０４が並置される。それぞれの半導体チップ１０４は、各々の一対の中間電極（第一の中間電極１０２と第二の中間電極１０３）に挟み込まれて主電極板１０１，１０６間に組み込まれている。

さらに詳述すると、第一の主電極１０１と第二の主電極板１０６との間には、ＭｏやＷ等からなる第一の中間電極１０２(a)、１０２(b)、１０２(c)と、各半導体チップ１０４と、ＭｏやＷ等からなる第二の中間電極１０３（ａ）、１０３（ｂ）、１０３（ｃ）と、弾性体１０５(a)、１０５(b)、１０５(c)と、金属メッシュシート１０７とが層状に重ねた（接触）状態で設置されている。

一例として、金属メッシュシート１０７には、銅製の厚さ３００マイクロメーターの発泡金属シートを用いた。また、各弾性体１０５は、好ましくは板状の弾性体である。

本実施例の弾性体１０５は、ＳＵＳ製で、図２，図３に示すようにスプリングワッシャ形状である。すなわち、弾性体１０５は図３に示すように、横から見ると端部の高さが異なっており、弾性体１０５は上下方向に潰れ、かつ、上下方向の加重に応じて高さが増減する構造になっている。

また、スプリングワッシャ１０５には、白金、クロム、ニッケル、金などの耐酸化性に優れたコーティングが施されている。このようなコーティングを施せば、次のような効果を期待することができる。半導体モジュールの動作温度は、２００〜５００℃と高いため、コーティングがない場合には、モジュール内の雰囲気ガス（主としてＳＦ６：六フッ化硫黄、あるいは窒素ガス）中に含まれる水分や酸素によってワッシャが劣化される。ワッシャの劣化は、ばね性が下がる問題がある。本実施例では、このような問題に充分に対処することができる。コーティングの厚さは、数十μｍから数百μｍである。なお、コーティングの材料は、上記例示のものに限定するものではなく、パッケージ内での劣化防止を図れるものであれば、その他のものを採用してもよい。

本実施例では、（ａ）、(ｂ)、(ｃ)位置で第一の中間電極１０２（ａ）、１０２（ｂ）、１０２（ｃ）の厚さが異なっている場合を示している。

上記構成によれば、（イ）第一，第二の主電極板１０１，１０６の面上に均一の圧力を加えると、第一の中間電極１０２の厚さが異なっているので、金属メッシュシート１０７は第一の中間電極１０２の厚さに応じて変形する。それにより、図１に示したように第一の中間電極１０２がその厚みのばらつき程度に応じて金属メッシュシート１０７にめり込んでいる。金属メッシュシート１０７が変形することで中間電極１０２の厚さがばらついても、平型パッケージ全体の均一な厚みひいては加圧状態を保証し、主電極、中間電極、半導体チップなどの部材間の接触面のばらつきを吸収する。そのため、複数の半導体チップ１０４の全てで電気的な導通を確保できる構造となっている。
（ロ）弾性体１０５は、圧接型パッケージの使用時における部材間の温度膨張変化や加圧圧力の変動を吸収して部材間に隙間が生じるのを防止する。それによって、半導体チップと主電極板の間に良好な導通を得ることができる。また、弾性体１０５は、金属メッシュシートで吸収できないような部材間の厚みのばらつきが生じた場合には、それを吸収し得る。

本実施例では、上記のように金属メッシュシート１０７と弾性体１０５とを併用していることで、上記（イ）（ロ）の作用を期待できる。このような、作用は、従来のように金属メッシュシートだけを使用する場合や、弾性体だけを使用するだけでは、充分には期待できない。すなわち、金属メッシュシートだけでは、既述したように使用時の部材間の温度膨張変化を吸収できない。一方、弾性体だけでは、例えば主電極間に均一な圧力をかけた場合に、各弾性体の変位量が等しくなるため、例えば図１のような（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の位置の各積層体（中間電極、半導体チップの積層体）にばらつきがあるときは、そのばらつきは依然として残ることも考えられる。そのため、平型パッケージ全体の厚みや部材間の接触圧に不均一が生じる可能性もある。

図４は弾性体１０５および金属メッシュシートが存在する場合と、図９で示した従来公知例と同じ構造、すなわち弾性体１０５が存在しないモジュールを温度サイクル試験で比較した結果である。半導体チップにはＳｉＣダイオードを用い、正方向の電位を第一の主電極板１０１と第二の主電極板１０６の間に印加した。半導体チップは９チップを実装した。モジュール１００は電気炉の内部に入れ、昇降温を繰り返した。モジュール温度の最高温度は３００℃、最低温度は１００℃でそれぞれの温度で各２時間放置し、昇降温の回数は５０回である。時間軸の原点において、弾性体ありのモジュールの電気抵抗が弾性体なしのモジュールの電気抵抗より０．１ミリオームだけ高いのは、弾性体１０５の挿入による直列抵抗成分の増加を示している。

昇降温サイクル試験の結果、弾性体１０５がない場合、すなわち、従来構造の場合、３度目の昇温後の冷却工程時にモジュールの電気抵抗は１３．３ミリオームから１５．０ミリオームと増加した。４度目の昇温後の冷却工程時には１５．０ミリオームから１７．１ミリオームと電気抵抗が増加し、さらに６度目の昇温後の冷却工程時には１７．１ミリオームから２４．０ミリオームとなった。

これらの現象は、モジュール温度の昇温時にモジュール内部の各部品が熱膨張し、金属メッシュシート１０７の変位量が増加した後、モジュールの冷却時に各部品が収縮する際に第一の主電極板１０１と中間電極１０２との間、中間電極１０２と半導体チップ１０４との間、半導体チップ１０４と中間電極１０３との間、中間電極１０３と金属メッシュシート１０７との間のいずれか、あるいは複数箇所で電気的な導通が取れなくなったためと解釈できる。

本試験では、９チップモジュールで試験したことから、図５に示すように、１チップ分の直列電気抵抗値は１２０ミリオームであり、３度目の昇温後の冷却工程時に１チップ分、４度目の昇温後の冷却工程時に１チップ分、６度目の昇温後の冷却工程時に２チップ分の導通が取れなくなったことが９チップの抵抗成分が並列接続されている等価回路モデルの解析から分かった。

一方、弾性体１０５を用いたモジュール１００では、図４に示したように、モジュール温度の昇降温によってモジュール抵抗が増加する減少は観測されなかった。本実施例では５０回の昇降温サイクルを繰り返したが、最後までモジュールの電気抵抗は１３．４ミリオームのままであった。これは、モジュールの昇降温によって内部の部品の寸法が増減しても、弾性体１０５の可逆的な塑性変形によって、各部品の間に隙間が発生することなく、電気的な導通を確保できたためと考えられる。

以上のように、弾性体１０５によって、中間電極１０２の厚さがばらついても複数の半導体チップ１０４の全てで電気的な導通を確保でき、かつ、モジュール温度が変動しても半導体チップ１０４の全てで電気的な導通を確保できる信頼性の高い圧接型パッケージ１００を得られることが分かった。

なお、本実施例では、中間電極１０２の厚さがばらついた場合を示したが、中間電極１０３や半導体チップ１０４の厚さがばらついても同様の効果を得られることは明らかである。また、本実施例では半導体チップ１０４にシリコンカーバイド製のダイオードチップを用いたが、シリコンあるいは窒化ガリウムを主成分とする半導体チップを用いてもよい。
〔実施例２〕
図６は半導体素子１０４のそりやうねりが大きい場合の実施例である。本実施例では、第一の中間電極１０２と半導体チップ１０４の間、および半導体チップ１０４と第二の中間電極１０３の両方に金属メッシュシート１０７（ａ）、１０７（ｂ）を介在させている。

半導体チップ１０４のそりやうねりが大きい場合には、当該半導体チップをＭｏやＷ等からなる中間電極１０２、１０３で直接挟んで圧接すると、偏加重による局部的な応力の集中により半導体チップ１０４に割れやクラックが発生するおそれがあったが、中間電極１０２と半導体チップ１０４の間、および半導体チップ１０４と中間電極１０３の間に金属メッシュシート１０７（ａ）、１０７（ｂ）を介在させることで、それらの不具合を防止できる。すなわち、積層部材の圧接時に半導体チップ１０４のそりやうねりが金属メッシュシート１０７（ａ）、１０７（ｂ）の変形により吸収されて半導体チップ１０４の均等な加圧が可能となり、当該半導体チップの割れやクラックを防止することができる。

圧接時に半導体チップ１０４が金属メッシュシート１０７（ａ）、１０７（ｂ）にめり込んでしまうと、半導体チップ１０４の絶縁耐力の低下や導電不良をもたらすため、半導体チップ１０４が金属メッシュシートにめり込まないように金属メッシュシート１０７（ａ）、１０７（ｂ）の大きさは、半導体チップ１０４の大きさと同じもしくは半導体チップ１０４の大きさ以下であることが望ましい。
〔実施例３〕
本発明の圧接型パッケージでは、実装する半導体チップの数を増やして大型化、すなわち大容量化しても安定した電極間の接触状態が得られるため、電気抵抗の小さな半導体装置を得られる。従って、この圧接型半導体装置を用いることにより、変換器容積、及びコストを大幅に削減した大容量変換器が実現できるようになる。

図７には、本発明によるIGBTの圧接型パッケージを主変換素子として電力用変換器に応用した場合の１ブリッジ分の構成回路図を示す。主変換素子となるＩＧＢＴ素子８０１とダイオード素子８０２が逆並列に配置され、これらがｎ個直列に接続された構成となっている。これらＩＧＢＴとダイオードは、本発明による多数の半導体チップを並列実装した圧接型半導体装置を示している。逆導通型ＩＧＢＴ圧接型パッケージの場合には図中のＩＧＢＴチップとダイオードチップがまとめて一つのパッケージに収められた形となる。これにスナバ回路８０３、及び限流回路が設けてある。

図８は、図７の３相ブリッジを４多重した自励式変換器の構成を示したものである。本発明の圧接型パッケージは、複数個をその主電極板外側と面接触する形で水冷電極を挟んで直列接続するスタック構造と呼ぶ形に実装され、スタック全体を一括で加圧する。

本発明の圧接型半導体装置は、上記の例に限らず電力系統に用いられる自励式大容量変換器やミル用変換器として用いられる大容量変換器に特に好適で、可変速揚水発電、ビル内変電所設備、電鉄用変電設備、レドックスフロー電池システム、ナトリウム硫黄（ＮａＳ）電池システム、車両等の変換器にも用いることができる。

本発明の一実施例を説明するための圧接型パッケージの断面概略図。 上記実施例に用いる弾性体の一例を示す斜視図。 上記弾性体の見方を変えた斜視図。 弾性体が存在するモジュールと存在しないモジュールでの、温度サイクル試験におけるモジュールの電気抵抗の測定結果を説明するための図。 モジュールの抵抗成分を解析するためのモジュールの等価回路モデル。 発明の一実施例を説明するための圧接型パッケージの断面概略図。 圧接型パッケージを主変換素子として電力用変換器に応用した場合の１ブリッジ分の構成回路図。 ３相ブリッジを４多重した自励式変換器の構成図。 従来のSiC半導体パワーデバイスの実装形態を説明するための半導体モジュールの断面概略図。

符号の説明

１００…圧接型パッケージ、１０１…第一の主電極板、１０２…第一の中間電極、１０３…第二の中間電極、１０４…半導体チップ、１０５…弾性体、１０６…第二の主電極板、１０７…金属メッシュシート、８０１…ＩＧＢＴ素子、８０２…ダイオード素子、８０３…スナバ回路、１０００…圧接型パッケージ

Claims (11)

1. 平型パッケージの構成要素となる一対の主電極板の間に、少なくとも一つの半導体チップと該半導体チップを挟み込んだ一対の中間電極とが組み込まれた半導体装置において、
   前記主電極板の少なくとも一方とこれに対向する中間電極との間に、弾性体および金属メッシュシートを介在させたことを特徴とする圧接型半導体装置。
2. 平型パッケージの構成要素となる一対の主電極板の間に、少なくとも一つの半導体チップと該半導体チップを挟み込んだ一対の中間電極とが組み込まれた半導体装置において、
   前記主電極板の少なくとも一方とこれに対向する中間電極との間に弾性体を介在させ、さらに、少なくとも一方の中間電極とこれに対向する半導体チップの電極との間に金属メッシュシートを介在させたことを特徴とする圧接型半導体装置。
3. 請求項１または２において、前記弾性体は、板状の弾性体であることを特徴とする圧接型半導体装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項において、前記弾性体はスプリング構造を有していることを特徴とする圧接型半導体装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項において、前記弾性体はスプリングワッシャよりなることを特徴とする圧接型半導体装置。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項において、前記金属メッシュシートは多孔質の金属板もしくは金網もしくは凸凹加工した金属板よりなることを特徴とする圧接型半導体装置。
7. 請求項１ないし６のいずれか１項において、前記金属メッシュシートの形状および寸法が、平型パッケージ内での半導体チップの配置形状および寸法に合わせて加工されていることを特徴とする圧接型半導体装置。
8. 請求項１ないし７のいずれか１項において、前記弾性体には、白金、クロム、ニッケル、及び金のいずれか一つによるコーティングが施されていることを特徴とする圧接型半導体装置。
9. 請求項１ないし８のいずれか１項において、前記金属メッシュシートに白金、クロム、ニッケル、及び金のいずれか一つによるコーティングが施されていることを特徴とする圧接型半導体装置。
10. 請求項１ないし９のいずれか１項において、前記半導体チップがシリコン、シリコンカーバイド、ダイヤモンドあるいは窒化ガリウムを主成分とすることを特徴とする圧接型半導体装置。
11. 請求項１ないし１０のいずれか１項に記載した圧接型半導体装置を主変換素子として用いたことを特徴とする電力変換器。

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