JP4285470B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えばパワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等の半導体チップを１個或いは複数個パッケージ内に収容して構成された半導体装置に関する。

パワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等の半導体チップは、大電流を制御する素子であるため、自己発熱が大きい。このため、上記半導体チップをパッケージ内に収容する場合には、冷却性（放熱性）を十分良くするように構成している。例えば、複数個のＩＧＢＴチップをパッケージ内に収容して構成されたＩＧＢＴモジュールの場合、高熱伝導性セラミック製の絶縁基板を備え、この絶縁基板上に上記複数個のＩＧＢＴチップを載せると共に、各ＩＧＢＴチップの下面（下側の主面）に設けられた主電極を絶縁基板上に設けられた銅厚膜に半田付けにより接続している。

そして、各ＩＧＢＴチップの上面（上側の主面）に設けられた主電極及び制御電極を絶縁基板上に設けられた銅厚膜にワイヤボンディングにより接続している。更に、上記絶縁基板を銅製の放熱板に半田付けしている。これにより、各ＩＢＧＴチップから発生する熱は、絶縁基板を介して放熱板に伝わり、放熱される構成となっている。尚、このようなＩＢＧＴモジュールは、数十〜数百Ａクラスのインバータ装置のインバータ主回路に使用されている。

上記従来構成のＩＢＧＴモジュールの場合、各ＩＢＧＴチップから発生する熱は、各ＩＢＧＴチップの下面側に設けられた絶縁基板から放熱される構造、即ち、主として各ＩＢＧＴチップの下面側から放熱される構造である。この構造では、各ＩＢＧＴチップの一方の面から放熱させるだけであるから、放熱性を高めようとしても限界があり、ＩＧＢＴモジュール全体の構成を小形化することも困難であった。

これに対して、半導体チップの上下両面（２つの主面）から放熱させるように構成すると、放熱性を大幅に高くすることができる。この構成の一例として、サイリスタのパッケージがある。このパッケージは、電極と放熱を兼ねた２個の電極ブロックによりサイリスタチップを挟んだ構造となっている。この構成では、サイリスタチップから発生する熱は、その上下両面から電極ブロックへ伝わって放熱される。そして、上記サイリスタの場合、サイリスタチップの電極と電極ブロックとの電気的接続をとるために、電極ブロックによりサイリスタチップを挟んでかなり大きな力で加圧している。

しかし、ＩＧＢＴチップのようにＭＯＳゲート構造を持つ半導体チップは、応力に弱いという特性がある。このため、上記半導体チップを電極ブロックにより加圧するという構造を採用することができない。そこで、半導体チップを２枚の高熱伝導性の絶縁基板で加圧することなく挟むように構成したものとして、例えば特開昭５９−３１０４２号に開示された構成がある。この特開昭５９−３１０４２号の場合、半導体チップの下面側については、絶縁基板上に設けられた電極に固着しているので、半導体チップから発生する熱はスムーズに放熱される。

しかし、半導体チップの上面側については、該上面側の電極と絶縁基板上に設けられた電極とを、ボンディングパッドと金属バンプにより接続しているので、接続部分の面積が小さくなる。このため、電気抵抗が大きくなって大電流を流すのに不利であると共に、半導体チップから発生する熱が絶縁基板に伝わり難くなり、放熱性が低下するという不具合もあった。

そこで、本発明の目的は、放熱性を向上できると共に、小形化を実現することができ、また、応力に弱い構成の半導体チップであっても、この半導体チップの２つの主面から速やかに放熱することができる半導体装置を提供するにある。

請求項１の発明によれば、２枚の高熱伝導性絶縁基板で半導体チップを挟むと共に、半導体チップの電極と高熱伝導性絶縁基板の電極パターンとをろう付けにより接合する構成としたので、半導体チップで発生する熱が半導体チップの２つの主面から２枚の高熱伝導性絶縁基板へスムーズに伝達されるようになり、速やかに放熱される。これにより、半導体装置の構成を小形化することができる。また、半導体チップの電極と高熱伝導性絶縁基板の電極パターンとをろう付けにより接合したので、半導体チップを加圧しなくても済み、しかも、接合（接続）部分の面積が大きくなり、電気抵抗及び熱抵抗を低減できる。
さらに、請求項１の発明によれば、一方の高熱伝導性絶縁基板の電極パターンのうちの半導体チップの電極と接合されない部分に凸部を設け、この凸部を他方の高熱伝導性絶縁基板の電極パターンに接合するように構成したので、複雑な回路（例えば３相のインバータ主回路）を簡単な形状の電極パターンで構成することが可能となる。

請求項２の発明によれば、２枚の高熱伝導性絶縁基板間に、２つの主面の向きが表裏反対となるような半導体チップが混在するように挟む構成としたので、複数個の半導体チップを２枚の高熱伝導性絶縁基板間に挟む場合に、高熱伝導性絶縁基板の各対向する面に配設する電極パターンの形状を比較的簡単な形状にすることができる。
さらに、請求項１の発明によれば、一方の高熱伝導性絶縁基板の電極パターンのうちの半導体チップの電極と接合されない部分に凸部を設け、この凸部を他方の高熱伝導性絶縁基板の電極パターンに接合するように構成したので、複雑な回路（例えば３相のインバータ主回路）を簡単な形状の電極パターンで構成することが可能となる。

請求項３の発明によれば、高熱伝導性絶縁基板の電極パターンに、外部配線接続用の端子を高熱伝導性絶縁基板の板面に平行となると共に外側へ延びるように設けた。これにより、通常、別体の外部配線接続用の端子を設け、この端子と電極パターンとを接続する作業をなくすことができるので、信頼性を高くすることができる。また、外部配線接続用の端子が高熱伝導性絶縁基板の板面と平行方向に延びているので、高熱伝導性絶縁基板に取り付ける冷却器と上記端子に接続する配線とが干渉することを極力避けることが可能となる。

請求項４の発明によれば、外部配線接続用の端子のうちの半導体チップの主電極に接続された主電極用端子を同じ方向に延びるように設けると共に、外部配線接続用の端子のうちの半導体チップの制御電極に接続された制御電極用端子を上記主電極用端子と反対方向に延びるように設けた。この構成の場合、制御用の配線と電力用の配線とを離すことが容易になり、ノイズに強い構成となると共に、冷却用空気の流路を配線と干渉しないように確保することが容易になる。また、半導体装置の内部インダクタンスを低減する効果もある。

請求項５の発明においては、高熱伝導性絶縁基板を窒化アルミニウムから構成した。この構成によれば、窒化アルミニウムの熱膨張率は半導体チップを構成するシリコンに近いものであるから、半導体チップと電極パターンとの間に作用する熱応力を低減することができる。

請求項６の発明によれば、高熱伝導性絶縁基板を高熱伝導性部材と絶縁性部材とを組み合わせて構成したので、高熱伝導性部材及び絶縁性部材として安価で優れたものを使用することが可能となり、高熱伝導性絶縁基板の製造コストを安くすることができる。この場合、請求項７の発明のように、銅、炭化けい素セラミクス、炭化けい素に金属を含浸させたもの、炭化けい素を添加した金属を鋳造成形したもののいずれかを用いて形成された複合材から高熱伝導性部材を構成すると、放熱部材として優れたものである。

請求項８の発明においては、半導体チップのうちの制御電極が設けられた側の主面の主電極と、高熱伝導性絶縁基板の電極パターンとを、主電極上に密集して設けられた金属バンプにより接合する構成とした。この構成によれば、ろう材（接合材）がはみ出すおそれがないから、半導体チップが比較的小さいものの場合に適している。この構成の場合、金属バンプを密集して設けているので、電流容量が大きくなると共に、熱抵抗も小さくなり、１個ないし数個の金属バンプにより接合する構成に生ずる問題を解消することができる。尚、金属バンプを金或いは半田から構成すると（請求項９）、金属バンプを密集して設けることを容易に実現することができる。

請求項１０の発明によれば、高熱伝導性絶縁基板の電極パターンのうちの半導体チップの電極との接合部の高さを、非接合部よりも高くすると共に、上記接合部の大きさを半導体チップの電極と同じか或いは小さくしたので、半田付け時に半田の回り込みを防止できると共に、半導体チップのガードリングを避けて接合することができる。

また、請求項１１の発明のように、２枚の高熱伝導性絶縁基板の間に絶縁性樹脂を充填するように構成すると、２枚の高熱伝導性絶縁基板の間を容易に封止することができる。

請求項１２の発明によれば、半導体チップとしてＩＧＢＴチップを用いることができる。また、請求項１３の発明によれば、半導体チップとして、ＩＧＢＴチップとＦＷＤチップを用いることができる。

請求項１４の発明によれば、電極パターンのうちの接合部は、複数個の半導体チップに対して、それぞれ個別に設けれているため、半田付け時に半田の回り込みを防止できると共に、半導体チップのガードリングを避けて接合することができる。また、請求項１５の発明によれば、電極パターンは、銅またはアルミニウムから形成することができる。

請求項１７の発明によれば、電極パターンで半導体チップを挟むと共に、半導体チップの電極と電極パターンとをろう付けにより接合する構成としたので、半導体チップで発生する熱が半導体チップの２つの主面から電極パターンへスムーズに伝達されるようになり、速やかに放熱される。これにより、半導体装置の構成を小形化することができる。また、半導体チップの電極と電極パターンとをろう付けにより接合したので、半導体チップを加圧しなくても済み、しかも、接合（接続）部分の面積が大きくなり、電気抵抗及び熱抵抗を低減できる。

さらに、請求項１６の発明によれば、電極パターンのうちの半導体チップの電極との接合部の高さを、非接合部よりも高くしたので、半田付け時に半田の回り込みを防止できると共に、半導体チップのガードリングを避けて接合することができる。さらに、電極パターンの間に絶縁性樹脂を充填するように構成すると、電極パターンの間を容易に封止することができる。
さらに、請求項１６の発明によれば、基板の少なくとも一方における半導体チップを挟む側の面に凸部を設け、この凸部の先端部を他方の基板に接合する構成としたので、上記凸部を２枚の基板の間隔を保持するスペーサとすることができ、スペーサを別途設けなくても良い。
また、請求項１７の発明のように、他方の基板における半導体チップを挟む側の面に上記凸部が嵌合する凹部を設け、凸部を凹部に接合すると、２枚の基板を位置決めすることができる。

請求項１８の発明によれば、電極パターン間に、２つの主面の向きが表裏反対となるように複数個の半導体チップが混在するように挟む構成としたので、複数個の半導体チップを電極パターン間に挟む場合に、電極パターンの形状を比較的簡単な形状にすることができる。

請求項１９の発明によれば、電極パターンに、外部配線接続用の端子を電極パターンの半導体チップの電極と接合する面に平行となると共に外側へ延びるように設けた。これにより、通常、別体の外部配線接続用の端子を設け、この端子と電極パターンとを接続する作業をなくすことができるので、信頼性を高くすることができる。

請求項２０の発明によれば、外部配線接続用の端子のうちの半導体チップの主電極に接続された主電極用端子を同じ方向に延びるように設けると共に、外部配線接続用の端子のうちの半導体チップの制御電極に接続された制御電極用端子を上記主電極用端子と反対方向に延びるように設けた。この構成の場合、制御用の配線と電力用の配線とを離すことが容易になり、ノイズに強い構成となると共に、冷却用空気の流路を配線と干渉しないように確保することが容易になる。また、半導体装置の内部インダクタンスを低減する効果もある。

請求項２１の発明においては、半導体チップの一方の主面の主電極と、電極パターンとをろう付けするろう材は、半導体チップ動作温度で軟化または液化する低融点導電材料により構成した。この構成によれば、半導体チップの動作時にろう材が軟化または液化するため、接合部分に疲労が蓄積することがなくなると共に、接合部分に熱応力が加わることもなくなる。これにより、熱サイクルに対して強い構成の半導体装置を実現することができる。また、上記構成の場合、低融点導電材料として、インジウム、ガリウム或いは低温半田を使用すると（請求項２２）、半導体チップの動作時にろう材が軟化または液化する構成を容易に実現できる。

請求項２３の発明においては、半導体チップのうちの制御電極が設けられた側の主面の主電極と、電極パターンとを、主電極上に密集して設けられた金属バンプにより接合する構成とした。この構成によれば、ろう材（接合材）がはみ出すおそれがないから、半導体チップが比較的小さいものの場合に適している。この構成の場合、金属バンプを密集して設けているので、電流容量が大きくなると共に、熱抵抗も小さくなり、１個ないし数個の金属バンプにより接合する構成に生ずる問題を解消することができる。尚、金属バンプを金或いは半田から構成すると（請求項２４）、金属バンプを密集して設けることを容易に実現することができる。

請求項２５の発明によれば、電極パターンの接合部の大きさを半導体チップの電極と同じか或いは小さくしたので、半田付け時に半田の回り込みを防止できると共に、半導体チップのガードリングを避けて接合することができる。

請求項２６の発明によれば、電極パターンは基板の表面に配設されている構成を採用することができる。
さらに、請求項２６の発明によれば、一方の基板の電極パターンのうちの半導体チップの電極と接合されない部分に凸部を設け、この凸部を他方の基板の電極パターンに接合するように構成したので、複雑な回路（例えば３相のインバータ主回路）を簡単な形状の電極パターンで構成することが可能となる。

請求項２７の発明によれば、基板の電極パターンに、外部配線接続用の端子を基板の板面に平行となると共に外側へ延びるように設けた。これにより、通常、別体の外部配線接続用の端子を設け、この端子と電極パターンとを接続する作業をなくすことができるので、信頼性を高くすることができる。また、外部配線接続用の端子が基板の板面と平行方向に延びているので、基板に取り付ける冷却器と上記端子に接続する配線とが干渉することを極力避けることが可能となる。

請求項２８の発明においては、基板を窒化アルミニウムから構成した。この構成によれば、窒化アルミニウムの熱膨張率は半導体チップを構成するシリコンに近いものであるから、半導体チップと電極パターンとの間に作用する熱応力を低減することができる。

請求項２９の発明によれば、半導体チップとしてＩＧＢＴチップを用いることができる。また、請求項３０の発明によれば、半導体チップとして、ＩＧＢＴチップとＦＷＤチップを用いることができる。

請求項３１の発明によれば、電極パターンのうちの接合部は、複数個の半導体チップに対して、それぞれ個別に設けれているため、半田付け時に半田の回り込みを防止できると共に、半導体チップのガードリングを避けて接合することができる。また、請求項３２の発明によれば、電極パターンは、銅またはアルミニウムから形成することができる。

以下、本発明をＩＧＢＴモジュールに適用した第１の実施例について図１ないし図１２を参照しながら説明する。図１及び図２は第１の実施例のＩＧＢＴモジュール１の概略全体構成を示す図である。図１及び図２に示すように、ＩＧＢＴモジュール１は、２枚の高熱伝導性絶縁基板２、３の間に例えば６個のＩＧＢＴチップ４及び例えば６個のフリーホイールダイオードチップ５（以下、ＦＷＤチップ５と称する）を挟んで構成されている（図１には各３個のみ示す）。この場合、ＩＧＢＴチップ４及びＦＷＤチップ５が半導体チップを構成している。ここで、ＩＧＢＴモジュール１の具体的構成については詳しくは後述し、まず、ＩＧＢＴチップ４とＦＷＤチップ５とについて説明する。

ＩＧＢＴチップ４は、図９及び図１０に示すように、全体として矩形（ほぼ正方形）板状に形成されており、その上面４ａ及び下面４ｂを２つの主面としている。上記ＩＧＢＴチップ４の下面４ｂ（一方の主面）には、その全面にコレクタ電極６が形成されている。そして、ＩＧＢＴチップ４の上面４ａ（他方の主面）には、その周縁部にほぼ矩形環状のガードリング７が形成され、中央部に小さい矩形状のゲート電極８が形成され、ガードリング７とゲート電極８との間の領域にエミッタ電極９が形成されている。この場合、コレクタ電極６及びエミッタ電極９が主電極を構成し、ゲート電極８が制御電極を構成している。

また、ＦＷＤチップ５は、全体として矩形（ほぼ長方形）板状に形成されている。上記ＦＷＤチップ５の下面５ｂには、その全面に裏面側電極１０が形成されている。そして、ＦＷＤチップ５の上面５ａには、その周縁部にほぼ矩形環状のガードリング１１形成され、ガードリング１１の内側に表面側電極１２が形成されている。

さて、ＩＧＢＴモジュール１の具体的構成について図１ないし図８を参照して説明する。まず、２枚の高熱伝導性絶縁基板２、３は、それぞれ例えば窒化アルミニウム製の基板から構成されている。上記２枚の高熱伝導性絶縁基板２、３のうちの上側の高熱伝導性絶縁基板２の下面（半導体チップを挟む側の面）には、図３（ａ）及び図７に示すように、電極パターン１３、１４、１５が配設されている。これら電極パターン１３、１４、１５は、銅やアルミニウム等の板材（例えば厚み寸法が０．５ｍｍ程度の板材）から構成されており、高熱伝導性絶縁基板２の下面に例えば融着により直接取り付けられている。この場合、融着に代えて、ろう付け（例えば半田付け）により取り付けるように構成しても良い。

ここで、電極パターン１３、１４、１５の各形状について説明する。まず、電極パターン１３は、図７に示すように、ほぼ長方形状の基板部１３ａと、この基板部１３ａの図７中左端部に左方へ向けて突設されて高熱伝導性絶縁基板２からはみ出した外部配線接続用端子１３ｂと、基板部１３ａの図７中右端部に右方へ向けて突設されて高熱伝導性絶縁基板２からはみ出した外部配線接続用端子１３ｃとから構成されている。上記基板部１３ａには、ほぼ正方形状をなす３個の接合部１３ｄが下方へ向けて突設されていると共に、ほぼ長方形状をなす３個の接合部１３ｅが下方へ向けて突設され、更に、細長い３個の切欠部１３ｆが３個の接合部１３ｄの各中央部まで達するように形成されている。

この場合、３個の接合部１３ｄの大きさはＩＧＢＴチップ４のエミッタ電極９とほぼ等しいかまたは若干小さく設定されていると共に、各接合部１３ｄの突出高さ寸法は例えば０．５ｍｍ程度に設定されている。また、３個の接合部１３ｅの大きさはＦＷＤチップ５の表面側電極１２とほぼ等しいかまたは若干小さく設定されていると共に、各接合部１３ｅの突出高さ寸法は例えば０．５ｍｍ程度に設定されている。そして、上記接合部１３ｄ、１３ｅの各下面には、ろう材（例えば半田材）１６が印刷またはメッキにより取り付けられている（図３（ａ）参照）。

また、電極パターン１５は、図７に示すように、細長い基板部１５ａと、この基板部１５ａに分岐されて電極パターン１３の３個の切欠部１３ｆ内に配置された３個の分岐部１５ｂと、上記基板部１５ａの図７中右端部に右方へ向けて突設されて高熱伝導性絶縁基板２からはみ出した外部配線接続用端子１５ｃとから構成されている。３個の分岐部１５ｂの各先端部には、接合部１５ｄが下方へ向けて突設されている。この場合、３個の接合部１５ｄの大きさはＩＧＢＴチップ４のゲート電極８とほぼ等しいかまたは若干小さく設定されていると共に、各接合部１５ｄの突出高さ寸法は例えば０．５ｍｍ程度に設定されている。そして、上記接合部１５ｄの各下面には、半田或いは金からなる金属バンプ（図示しない）が形成されている。

一方、電極パターン１４は、図７に示すように、ほぼ長方形状の基板部１４ａと、この基板部１４ａの図７中左端部に左方へ向けて突設されて高熱伝導性絶縁基板２からはみ出した外部配線接続用端子１４ｂと、基板部１４ａの図７中右端部に右方へ向けて突設されて高熱伝導性絶縁基板２からはみ出した外部配線接続用端子１４ｃとから構成されている。上記基板部１４ａには、３個のＩＧＢＴチップ４及び３個のＦＷＤチップ５がろう付け（例えば半田付け）されている。この場合、図３（ａ）にも示すように、各ＩＧＢＴチップ４のコレクタ電極６が上記基板部１４ａにろう材（例えば半田材）１８を介して接合されている。同様にして、各ＦＷＤチップ５の裏面側電極１０が上記基板部１４ａにろう材（例えば半田材）１８を介して接合されている。

次に、下側の高熱伝導性絶縁基板３の上面（半導体チップを挟む側の面）には、図３（ｃ）及び図６に示すように、電極パターン１９、２０が配設されている。これら電極パターン１９、２０は、銅やアルミニウム等の板材（例えば厚み寸法が０．５ｍｍ程度の板材）から構成されており、高熱伝導性絶縁基板３の上面に例えば融着により直接取り付けられている。この場合、融着に代えて、ろう付け（例えば半田付け）により取り付けるように構成しても良い。

ここで、まず電極パターン１９の形状について説明する。電極パターン１９は、図６に示すように、ほぼ正方形状の基板部１９ａと、この基板部１９ａの図６中右端部に右方へ向けて突設されて高熱伝導性絶縁基板３からはみ出した外部配線接続用端子１９ｂと、基板部１９ａの図６中左端部に左方へ向けて突設されて高熱伝導性絶縁基板３からはみ出した外部配線接続用端子１９ｃとから構成されている。上記基板部１９ａの図５中下半部には、ほぼ正方形状をなす３個の接合部１９ｄが上方へ向けて突設されていると共に、ほぼ長方形状をなす３個の接合部１９ｅが上方へ向けて突設され、更に、細長い３個の切欠部１９ｆが３個の接合部１９ｄの各中央部まで達するように形成されている。

この場合、３個の接合部１９ｄの大きさはＩＧＢＴチップ４のエミッタ電極９とほぼ等しいかまたは若干小さく設定されていると共に、各接合部１９ｄの突出高さ寸法は例えば０．５ｍｍ程度に設定されている。また、３個の接合部１９ｅの大きさはＦＷＤチップ５の表面側電極１２とほぼ等しいかまたは若干小さく設定されていると共に、各接合部１９ｅの突出高さ寸法は例えば０．５ｍｍ程度に設定されている。そして、上記接合部１９ｄ、１９ｅの各上面には、ろう材（例えば半田材）１６が印刷またはメッキにより取り付けられている（図３（ｃ）参照）。

また、上記基板部１９ａの図６中上半部には、３個のＩＧＢＴチップ４及び３個のＦＷＤチップ５がろう付け（例えば半田付け）されている。この場合、図３（ｃ）にも示すように、各ＩＧＢＴチップ４のコレクタ電極６が上記基板部１９ａにろう材（例えば半田材）１８を介して接合されている。同様にして、各ＦＷＤチップ５の裏面側電極１０が上記基板部１９ａにろう材（例えば半田材）１８を介して接合されている。

一方、電極パターン２０は、図６に示すように、前記電極パターン１５とほぼ同じ形状であり、細長い基板部２０ａと、この基板部２０ａから分岐されて電極パターン１９の３個の切欠部１９ｆ内に配置された３個の分岐部２０ｂと、上記基板部２０ａの図６中左端部に左方へ向けて突設されて高熱伝導性絶縁基板３からはみ出した外部配線接続用端子２０ｃとから構成されている。上記３個の分岐部２０ｂの各先端部には、接合部２０ｄが上方へ向けて突設されている。この場合、３個の接合部２０ｄの大きさはＩＧＢＴチップ４のゲート電極８とほぼ等しいかまたは若干小さく設定されていると共に、各接合部２０ｄの突出高さ寸法は例えば０．５ｍｍ程度に設定されている。そして、上記接合部２０ｄの各下面には、金または半田製の金属バンプ（図示しない）が形成されている。

また、上記構成の場合、外部配線接続用端子１３ｂ、１４ｂ、１９ｂが主電極用端子を構成し、外部配線接続用端子１３ｃ、１４ｃ、１５ｃ、１９ｃ、２０ｃが制御電極用端子を構成している。

次に、上述したように予め形成しておいた２枚の高熱伝導性絶縁基板２、３を、図３（ｂ）で示すように合わせて、２枚の高熱伝導性絶縁基板２、３間に６個のＩＧＢＴチップ４及び６個のＦＷＤチップ５を挟む。これにより、上側の高熱伝導性絶縁基板２の電極パターン１３の接合部１３ｄ及び１３ｅと、下側の高熱伝導性絶縁基板３側のＩＧＢＴチップ４のエミッタ電極９及びＦＷＤチップ５の表面側電極１２とがろう材１６を介して当接し、上側の高熱伝導性絶縁基板２の電極パターン１５の接合部１５ｄと、下側の高熱伝導性絶縁基板３側のＩＧＢＴチップ４のゲート電極８とが当接する。

これと共に、下側の高熱伝導性絶縁基板３の電極パターン１９の接合部１９ｄ及び１９ｅと上側の高熱伝導性絶縁基板２側のＩＧＢＴチップ４のエミッタ電極９及びＦＷＤチップ５の表面側電極１２とがろう材１６を介して当接し、下側の高熱伝導性絶縁基板３の電極パターン２０の接合部２０ｄと、下側の高熱伝導性絶縁基板３側のＩＧＢＴチップ４のゲート電極８とが当接する。

続いて、上記各当接部分をホットプレートまたは加熱炉等により加熱することによりリフローを行う。これにより、上記各当接部分がろう付け（具体的には、半田付け）されて接合され、図２及び図３（ｂ）に示すような形態となる。尚、ＩＧＢＴチップ４のゲート電極８と電極パターン１５の接合部１５ｅとの接合、並びに、ＩＧＢＴチップ４のゲート電極８と電極パターン２０の接合部２０ｄとの接合は、金属バンプにより行なわれている。

また、ろう付けを実行するに当たって、後からろう付けするろう材１６として低融点ろう材（低融点半田材）を用い、先にろう付けするろう材１８として高融点ろう材（高融点半田材）を用いている。このように構成すると、後のろう付け時において、先に接合したろう材１８の融点よりも低い温度で、ろう材１６がリフローすることから、先に接合したろう材１８が溶けることがない。

尚、図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、厚み方向（図３中上下方向）の寸法をかなり拡大して示した図である。この厚み方向の寸法を実際の寸法にほぼ合わせた図を図４に示す。この図４に示すように、２枚の高熱伝導性絶縁基板２、３間に６個のＩＧＢＴチップ４及び６個のＦＷＤチップ５を挟んで接合した状態では、高熱伝導性絶縁基板２、３の間隔は例えば１ｍｍ程度となるように構成されている。

そして、上記した接合を行った後は、２枚の高熱伝導性絶縁基板２、３間に絶縁樹脂２１を充填して硬化させる（図５参照）。これにより、ＩＧＢＴモジュール１が完成する。尚、上記絶縁樹脂２１としては、例えばフィラー入りのエポキシ樹脂或いはシリコーン樹脂を使用することが好ましい。

上述したようにして製造されたＩＧＢＴモジュール１の電気回路図を図８に示す。この図８に示すように、第１のＩＧＢＴ２２のコレクタを端子２３ａ及び端子２４ａに接続し、第１のＩＧＢＴ２２のエミッタを端子２３ｂ及び端子２４ｃに接続し、第１のＩＧＢＴ２２のゲートを端子２４ｂに接続している。そして、第１のＦＷＤ２５の両端を図示する極性で第１のＩＧＢＴ２２のコレクタ及びエミッタに接続している。また、第２のＩＧＢＴ２６のコレクタを第１のＩＧＢＴ２２のエミッタ（即ち、端子２３ｂ及び端子２４ｃ）に接続し、第２のＩＧＢＴ２６のエミッタを端子２３ｃ及び端子２４ｅに接続し、第２のＩＧＢＴ２６のゲートを端子２４ｄに接続している。そして、第２のＦＷＤ２７の両端を図示する極性で第２のＩＧＢＴ２６のコレクタ及びエミッタに接続している。

この構成の場合、第１のＩＧＢＴ２２は、３個のＩＧＢＴチップ４（具体的には、高熱伝導性絶縁基板２に先に半田付けされた３個のＩＧＢＴチップ４）を並列接続して構成されている。同様にして、第２のＩＧＢＴ２６は、３個のＩＧＢＴチップ４（具体的には、高熱伝導性絶縁基板３に先に半田付けされた３個のＩＧＢＴチップ４）を並列接続して構成されている。このように３個のＩＧＢＴチップ４を並列接続する理由は、電流容量を大きくするためである。従って、電流容量の仕様に応じて、並列接続するＩＧＢＴチップ４の個数を適宜決めるように構成すれば良い。

また、図８の電気回路図における端子２３ａ〜２３ｃが主電極用端子、即ち、電力端子を構成し、端子２４ａ〜２４ｅが制御電極用端子、即ち、制御端子を構成している。そして、図８の電気回路図における端子２３ａ〜２３ｃ、２４ａ〜２４ｅとＩＧＢＴモジュール１の外部配線接続用端子との対応関係は次の通りである。即ち、端子２３ａは外部配線接続用端子１４ｂであり、端子２３ｂは外部配線接続用端子１９ｂであり、端子２３ｃは外部配線接続用端子１３ｂであり、端子２４ａは外部配線接続用端子１４ｃであり、端子２４ｂは外部配線接続用端子２０ｃであり、端子２４ｃは外部配線接続用端子１９ｃであり、端子２４ｄは外部配線接続用端子１５ｃであり、端子２４ｅは外部配線接続用端子１３ｃである。

このような構成の本実施例によれば、２枚の高熱伝導性絶縁基板２、３でＩＧＢＴチップ４及びＦＷＤチップ５を挟むと共に、ＩＧＢＴチップ４及びＦＷＤチップ５の電極と高熱伝導性絶縁基板２、３の電極パターンとをろう付け（例えば半田付け）により接合してＩＧＢＴモジュール１を構成した。これにより、ＩＧＢＴチップ４で発生する熱がＩＧＢＴチップ４の上面４ａ及び下面４ｂから２枚の高熱伝導性絶縁基板２、３へスムーズに伝達されるようになり、速やかに放熱される。この結果、ＩＧＢＴモジュール１の構成を大幅に小形化することができる。そして、ＩＧＢＴチップ４の電極と高熱伝導性絶縁基板２、３の電極パターンとをろう付けにより接合したので、ＩＧＢＴチップ４を加圧しなくても済み、しかも、接合（接続）部分の面積が大きくなる。これにより、電流抵抗及び熱抵抗を小さくすることができ、大電流を流すことが可能になる。

また、上記実施例では、２枚の高熱伝導性絶縁基板２、３間に、２つの主面の向きが表裏反対となるようなＩＧＢＴチップ４及びＦＷＤチップ５が混在するように挟む構成とした。具体的には、高熱伝導性絶縁基板２に先に半田付けされた３個のＩＧＢＴチップ４と、高熱伝導性絶縁基板３に先に半田付けされた３個のＩＧＢＴチップ４とが表裏反対の関係となっている。これによって、例えば６個のＩＧＢＴチップ４を２枚の高熱伝導性絶縁基板２、３間に挟む場合に、高熱伝導性絶縁基板２、３の各対向する面に配設する電極パターン１３、１４、１５、１９、２０の各形状を比較的簡単な形状にすることができる。

更に、上記実施例では、高熱伝導性絶縁基板２、３の電極パターン１３、１４、１５、１９、２０に、外部配線接続用端子１３ｂ、１３ｃ、１４ｂ、１４ｃ、１５ｃ、１９ｂ、１９ｃ、２０ｃを高熱伝導性絶縁基板２、３の板面（電極パターンが配設された面）に平行となると共に外側へ延びるように設けた。これにより、通常、別体の外部配線接続用の端子を設け、この端子と電極パターンとを接続する作業をなくすことができるから、信頼性を高くすることができる。そして、上記実施例では、外部配線接続用端子１３ｂ、１３ｃ、１４ｂ、１４ｃ、１５ｃ、１９ｂ、１９ｃ、２０ｃが高熱伝導性絶縁基板２、３の板面と平行方向に延びているので、高熱伝導性絶縁基板２、３の各外面に取り付ける冷却器と上記端子１３ｂ、１３ｃ、１４ｂ、１４ｃ、１５ｃ、１９ｂ、１９ｃ、２０ｃに接続する配線とが干渉することを避けることが容易になる。

特に、上記実施例では、外部配線接続用端子のうちのＩＧＢＴチップ４の主電極６、９に接続された主電極用端子１３ｂ、１４ｂ、１９ｂを同じ方向に延びるように設けると共に、ＩＧＢＴチップ４の制御電極８に接続された制御電極用端子１５ｃ、２０ｃを主電極用端子１３ｂ、１４ｂ、１９ｂと反対方向に延びるように設けた。この構成によれば、制御用の配線と電力用の配線とを離すことが容易になるため、ノイズに強い構成となると共に、冷却用空気の流路を上記配線と干渉しないように確保することが容易になり、冷却性能も向上する。また、ＩＧＢＴモジュール１の内部インダクタンスを低減する効果を得ることができる。

また、上記実施例においては、高熱伝導性絶縁基板２、３を窒化アルミニウムから構成した。この場合、窒化アルミニウムの熱膨張率はＩＧＢＴチップ４及びＦＷＤチップ５を構成するシリコンの熱膨張率に近いから、ＩＧＢＴチップ４及びＦＷＤチップ５と高熱伝導性絶縁基板２、３に配設された電極パターン１３、１４、１５、１９、２０との間に作用する熱応力を低減することができる。

更に、上記実施例では、高熱伝導性絶縁基板２、３の電極パターン１３、１４、１５、１９、２０のうちのＩＧＢＴチップ４及びＦＷＤチップ５の電極と接合する接合部１３ｄ、１３ｅ、１５ｄ、１９ｄ、１９ｅ、２０ｄの高さを、非接合部よりも高く構成すると共に、上記各接合部の大きさをチップ４、５の電極と同じか或いは小さく構成したので、半田付け時に半田の回り込みを防止できると共に、チップ４、５のガードリング７、１１を避けて接合することができる。これにより、半田付け作業が容易になる。尚、上記実施例では、各接合部の高さ寸法を０．５ｍｍ程度に設定したが、これは、６００Ｖ系のＩＧＢＴモジュール１において隙間にエポキシ樹脂を充填する構成で必要な耐圧を得るためである。従って、上記各接合部の高さ寸法は、必要とする耐圧に応じて適宜決めれば良い。

また、上記実施例では、チップ４、５を高熱伝導性絶縁基板２、３の電極パターンにろう付け（半田付け）するに際して、電極パターンの接合部にろう材１６、１８を印刷等により取り付ける構成としたが、これに代えて、チップ４、５の電極（パッド）にろう材１６、１８を印刷等により取り付けるように構成しても良いし、また、チップ４、５の電極と電極パターンの接合部との間にろう材の箔（半田箔）を挟むように構成しても良い。

更に、上記実施例では、チップ４、５を高熱伝導性絶縁基板２、３の各片面にそれぞれ半田付けした後、高熱伝導性絶縁基板２、３を合わせてもう１回半田付け作業を行うように構成したが、これに代えて、チップ４、５を高熱伝導性絶縁基板２、３間に挟んだ状態で１回半田付け作業を行うことにより、チップ４、５を高熱伝導性絶縁基板２、３に半田付けするように構成しても良い。この構成の場合には、半田材（ろう材）１６、１８として同じ（融点温度の）半田材を用いる。そして、２枚の高熱伝導性絶縁基板２、３間にスペーサを入れるようにする。このスペーサの厚み寸法は、チップ４、５の厚さとリフロー後の半田の厚みを考慮して決める。

また、スペーサの熱膨張率は、高熱伝導性絶縁基板２、３間に収納する各部品の平均熱膨張率と同じであるかまたは若干大きいことが好ましい。更に、上記半田付け時において、リフロー中はチップ４、５が溶けた半田の中で浮いた状態となる。この場合、電極パターンにおける各チップ４、５の表面側の電極に接合される接合部が非接合部よりも高くなって（出っ張って）いることから、接合部の外へ半田が流れ出すことがない。これにより、各チップ４、５の位置が多少ずれていても、半田の表面張力により各チップ４、５が接合部に対応する位置に位置決めされるようになる。

一方、上記実施例では、ＩＧＢＴチップ４のゲート電極８と電極パターン１５の接合部１５ｅとを、並びに、ＩＧＢＴチップ４のゲート電極８と電極パターン２０の接合部２０ｄとを金属バンプにより接合する構成としたが、これに限られるものではなく、半田付け可能であれば、半田付けするように構成しても良い。尚、ＩＧＢＴチップ４のゲート電極８に流す電流は非常に小さいので、該ゲート電極８と電極パターンの接合部とを通常の金属バンプ（１個の金属バンプ）により接合しても、何ら問題が生ずることがない。

また、上記実施例においては、チップ４の上面側の主電極と高熱伝導性絶縁基板２、３の電極パターンの接合部とを半田付けにより接合したが、これに限られるものではない。具体的には、チップ４の上面側の主電極に数十〜数百個の金属バンプを密集して形成し、これら密集した金属バンプを介して接合する構成が好ましい。この金属バンプの材料としては、金や半田が好ましい。そして、金バンプを形成する場合には、この金バンプと接合される面（電極パターンの接合部）にすずを蒸着しておき、金とすずの共晶反応によって接合する。

この構成によれば、ろう材（接合材）がはみ出すおそれがないから、半導体チップ４が比較的小さいものの場合に適している。そして、この構成の場合、多数個の金属バンプを密集して設けているので、電流容量が大きくなると共に、熱抵抗が小さくなり、前記第１の実施例と同じ作用効果を得ることができる。

また、上記実施例では、チップ４の下面側の主電極と高熱伝導性絶縁基板２、３の電極パターンとを半田付けにより接合したが、これに限られるものではなく、上記主電極と上記電極パターンとを融着等により直接接合することが可能であれば、直接接合するように構成しても良い。

尚、上記実施例では、高熱伝導性絶縁基板２、３間に６個のＩＧＢＴチップ４を収容する構成としたが、これに限られるものではなく、高熱伝導性絶縁基板２、３間に収容する半導体チップの個数は１個でも良いし、また、複数個（２〜５個または７個以上）であっても良い。

図１３及び図１４は本発明の第２の実施例を示すものであり、第１の実施例と異なるところを説明する。尚、第１の実施例と同一部分には同一符号を付している。上記第２の実施例では、図１３に示すように、高熱伝導性絶縁基板２、３の少なくとも一方である下側の高熱伝導性絶縁基板３におけるＩＧＢＴチップ４を挟む側の面の両端部に凸部２８ａ、２８ｂを設けている。そして、この凸部２８ａ、２８ｂの先端部を、他方である上側の高熱伝導性絶縁基板２におけるＩＧＢＴチップ４を挟む側の面に例えばろう付けにより接合する構成とした（図１４参照）。

上記構成によれば、凸部２８ａ、２８ｂを２枚の高熱伝導性絶縁基板２、３の間隔を保持するスペーサとして利用することができるから、スペーサを別途設けなくても済み、部品点数を少なくすることができる。尚、上述した以外の第２の実施例の構成は、第１の実施例の構成と同じ構成となっている。

また、上記第２の実施例では、一方の高熱伝導性絶縁基板３だけに凸部２８ａ、２８ｂを突設する構成としたが、これに代えて、図１５及び図１６に示す第３の実施例のように、２つの高熱伝導性絶縁基板２、３の双方に凸部２８ａ、２８ｂ及び凸部２９ａ、２９ｂを突設し、これら凸部２８ａ、２８ｂ及び凸部２９ａ、２９ｂの各先端部を互いに接合するように構成しても良い。このように構成しても、第２の実施例と同じ作用効果を得ることができる。

図１７及び図１８は本発明の第４の実施例を示すものであり、第２の実施例と異なるところを説明する。尚、第２の実施例と同一部分には同一符号を付している。上記第４の実施例では、上側の高熱伝導性絶縁基板２の下面の両端部に凸部３０ａ、３０ｂを設けている。また、下側の高熱伝導性絶縁基板３の上面の両端部に１段低くなった凹部３１ａ、３１ｂを設けている。そして、２枚の高熱伝導性絶縁基板２、３を合わせたときに、凸部３０ａ、３０ｂの先端部を凹部３１ａ、３１ｂに嵌合すると共に接合している（図１８参照）。

従って、この第４の実施例では、一方の高熱伝導性絶縁基板２の凸部３０ａ、３０ｂと他方の高熱伝導性絶縁基板３の凹部３１ａ、３１ｂとを嵌合して接合する構成としたので、２枚の高熱伝導性絶縁基板２、３を位置決めすることができる。

また、上記第２ないし第４の実施例の場合、凸部２８ａ、２８ｂ、２９ａ、２９ｂ、３０ａ、３０ｂをスペーサとし、これら凸部により２枚の高熱伝導性絶縁基板２、３を接合する構成であるので、ＩＧＢＴチップ４の一方の主面の主電極と電極パターンの接合部とのろう付け（半田付け）に用いるろう材（半田材）として、ＩＧＢＴチップ４の動作温度で軟化または液化する低融点導電材料から構成されたろう材（半田材）を使用することが可能である。

この構成によれば、ＩＧＢＴチップ４の動作時にろう材（半田材）が軟化または液化するため、接合部分に疲労が蓄積することがなくなると共に、接合部分に熱応力が加わることもなくなる。そして、ろう材（半田材）が軟化または液化しても、凸部２８ａ、２８ｂ、２９ａ、２９ｂ、３０ａ、３０ｂにより２枚の高熱伝導性絶縁基板２、３が接合されているので、強度的な問題が生ずることもない。これにより、熱サイクルに対して強い構成のＩＧＢＴモジュール１を実現することができる。そして、上記構成の場合、低融点導電材料としては、インジウム、ガリウム或いは低温半田を使用することが好ましい。

図１９ないし図２３は本発明の第５の実施例を示すものであり、第１の実施例と異なるところを説明する。尚、第１の実施例と同一部分には同一符号を付している。上記第５の実施例では、高熱伝導性絶縁基板を高熱伝導性部材と絶縁性部材とを組み合わせて構成している。具体的には、図２１に示すように、上側の高熱伝導性絶縁基板３２は、絶縁性部材である例えば窒化アルミニウム製基板３３と、高熱伝導性部材である例えば銅板３４とから構成されている。上記窒化アルミニウム製基板３３は、第１の実施例の高熱伝導性絶縁基板（窒化アルミニウム製基板）２よりも薄い基板であり、その図２１中上面には銅膜３５が形成されている。この構成の場合、窒化アルミニウム製基板３３の銅膜３５の図２１中上面に上記銅板３４が例えばろう付け（ろう材３４ａ）により接合されて両者が一体化されている。

また、上記銅板３４の大きさは、窒化アルミニウム製基板３３よりも一回り大きく構成されている。そして、窒化アルミニウム製基板３３の図２１中下面には、第１の実施例の高熱伝導性絶縁基板２と同じようにして、電極パターン１３、１４、１５、ＩＧＢＴチップ４、ＦＷＤチップ５が設けられている。

一方、下側の高熱伝導性絶縁基板３６は、上記上側の高熱伝導性絶縁基板３２と同様にして、絶縁性部材である例えば窒化アルミニウム製基板３７と、高熱伝導性部材である例えば銅板３８とから構成されている。上記窒化アルミニウム製基板３７は、第１の実施例の高熱伝導性絶縁基板（窒化アルミニウム製基板）３よりも薄い基板であり、その図２１中下面には銅膜３９が形成されている。そして、窒化アルミニウム製基板３７の銅膜３９の図２１中下面に、銅板３８がろう付け（ろう材３８ａ）により接合されている。また、銅板３８の大きさは、窒化アルミニウム製基板３７よりも一回り大きく構成されている。更に、窒化アルミニウム製基板３７の図２１中上面には、第１の実施例の高熱伝導性絶縁基板３と同じようにして、電極パターン１９、２０、ＩＧＢＴチップ４、ＦＷＤチップ５が設けられている。

そして、上記した２枚の高熱伝導性絶縁基板３２、３６を合わせてろう付けにより接合する作業は、第１の実施例の接合作業と同じである。この接合により、図２０及び図２２に示すような形態となる。そして、接合された２枚の高熱伝導性絶縁基板３２、３６間にエポキシ樹脂やシリコーン樹脂等の絶縁樹脂２１を充填（注入）して硬化させることにより、図２３に示すようなＩＧＢＴモジュール１が製造される。

尚、上述した以外の第５の実施例の構成は、第１の実施例の構成と同じ構成となっている。従って、第５の実施例においても、第１の実施例と同じ作用効果を得ることができる。特に、第５の実施例では、高熱伝導性絶縁基板３２、３６を銅板３４、３８と窒化アルミニウム製基板３３、３７とを接合して構成したので、窒化アルミニウム製基板３３、３７としては薄いもの、即ち、安価なものを使用することが可能となり、しかも、銅板３４、３８が安価であるから、高熱伝導性絶縁基板３２、３６の製造コストを安くすることができる。

尚、上記第５の実施例では、絶縁性部材として窒化アルミニウム製基板３３、３７を用いたが、これに代えて、セラミック製例えばアルミナ製の基板を用いても良い。また、上記第５の実施例では、高熱伝導性部材として銅板３４、３８を用いたが、これに限られるものではなく、炭化けい素とアルミニウムの複合材を用いる構成としても良い。この構成の場合には、窒化アルミニウム製基板３３、３７に銅膜３５、３９に代えてアルミニウム膜を形成しておくと、このアルミニウム膜に上記炭化けい素とアルミニウムの複合材を融着することが容易である。また、上記高熱伝導性部材として、銅、炭化けい素セラミクス、炭化けい素に金属を含浸させたもの、炭化けい素を添加した金属を鋳造成形することによって形成された複合材のうちのいずれかを用いる構成とすることも好ましい。

図２４及び図２５は本発明の第６の実施例を示すものであり、第５の実施例と異なるところを説明する。尚、第５の実施例と同一部分には同一符号を付している。上記第６の実施例では、図２４に示すように、下側の高熱伝導性絶縁基板３６の銅板３８の上面における窒化アルミニウム製基板３７がない両端部に、凸部４０ａ、４０ｂを設けている。そして、この凸部４０ａ、４０ｂの先端部を、上側の高熱伝導性絶縁基板３２の銅板３４の下面における窒化アルミニウム製基板３３がない両端部に、例えばろう付けにより接合するように構成した（図２５参照）。

上記成によれば、凸部４０ａ、４０ｂを２枚の高熱伝導性絶縁基板３２、３６の間隔を保持するスペーサとして利用することができるから、スペーサを別途設けなくても済み、部品点数を少なくすることができる。尚、上述した以外の第６の実施例の構成は、第５の実施例の構成と同じ構成となっている。

また、上記第６の実施例では、一方の高熱伝導性絶縁基板３６の銅板３８だけに凸部４０ａ、４０ｂを突設する構成としたが、これに代えて、図２６及び図２７に示す第７の実施例のように、２つの高熱伝導性絶縁基板３２、３６の銅板３４、３８の双方に凸部４０ａ、４０ｂ及び凸部４１ａ、４１ｂを突設し、これら凸部４０ａ、４０ｂ及び凸部４１ａ、４１ｂの各先端部を互いに接合するように構成しても良い。このように構成しても、第６の実施例と同じ作用効果を得ることができる。

図２８及び図２９は本発明の第８の実施例を示すものであり、第６の実施例と異なるところを説明する。尚、第６の実施例と同一部分には同一符号を付している。上記第８の実施例では、上側の高熱伝導性絶縁基板３２の銅板３４の下面の両端部に凸部４２ａ、４２ｂを設けている。また、下側の高熱伝導性絶縁基板３６の銅板３８の上面の両端部に１段低くなった凹部４３ａ、４３ｂを設けている。そして、２枚の高熱伝導性絶縁基板３２、３６を合わせたときに、凸部４２ａ、４２ｂの先端部を凹部４３ａ、４３ｂに嵌合すると共に接合している（図２９参照）。従って、この第８の実施例では、上記凸部４２ａ、４２ｂと凹部４３ａ、４３ｂとの嵌合接合によって２枚の高熱伝導性絶縁基板３２、３６を位置決めすることができる。

図３０及び図３１は本発明の第９の実施例を示すものであり、第１の実施例と異なるところを説明する。尚、第１の実施例と同一部分には同一符号を付している。上記第９の実施例では、２枚の高熱伝導性絶縁基板２、３を合わせて接合するときに、一方の高熱伝導性絶縁基板２の電極パターンと、他方の高熱伝導性絶縁基板３の電極パターンとを接合するように構成している。

具体的には、図３０に示すように、一方の高熱伝導性絶縁基板２の電極パターン４４のうちの半導体チップ４５の電極と接合されない部分に凸部４６を設け、この凸部４６を他方の高熱伝導性絶縁基板３の電極パターン４７に例えばろう付けにより接合するように構成されている。この構成によれば、２枚の高熱伝導性絶縁基板２、３の電極パターン４４、４７を接続する必要があるような複雑な回路（例えば３相のインバータ主回路）を形成する場合に、簡単な形状の電極パターン４４、４７で構成することが可能となる。

尚、２枚の高熱伝導性絶縁基板２、３間に、半導体チップ４５として第１の実施例と同様に複数個のＩＧＢＴチップ４を収容する場合には、電極パターン４４、４７の形状を第１の実施例の各電極パターンとほぼ同様な形状に構成すれば良く、必要に応じて電極パターン４４、４７の各形状を決めれば良い。

図３２ないし図３８は本発明の第１０の実施例を示すものであり、第１の実施例と異なるところを説明する。この第１０の実施例では、２枚の高熱伝導性絶縁基板４８、４９は、絶縁部材５０、５１と、この絶縁部材５０、５１に埋め込まれた電極５２、５３、５４、５５、５６とから構成されている。まず、上側の高熱伝導性絶縁基板４８について図３２を参照して説明する。

この高熱伝導性絶縁基板４８は、例えば窒化アルミニウムまたはアルミナ等のセラミック材料からなる絶縁部材５０に３個の銅板製の電極５２、５３、５４を埋め込んで構成されている。第１の電極５２は、図３７にも示すように、半導体チップを取り付けるための３個のチップ取付板部５２ａ、５２ｂ、５２ｃと、これらチップ取付板部５２ａ、５２ｂ、５２ｃの図３７中上端部を連結する連結部５２ｄと、この連結部５２ｄから図３７中上方へ向けて突設された外部配線接続用端子５２ｅとから構成されている。上記３個のチップ取付板部５２ａ、５２ｂ、５２ｃには、それぞれＩＧＢＴチップ５７及びＦＷＤチップ５８がろう付け（例えば半田付け）されている。この場合、各ＩＧＢＴチップ５７の裏面側のコレクタ電極がろう付けされている。

第２の電極５３は、図３７にも示すように、下側の高熱伝導性絶縁基板４９に取り付けられた半導体チップの電極と接合するための接合部を有する３個の接合板部５３ａ、５３ｂ、５３ｃと、これら接合板部５３ａ、５３ｂ、５３ｃの図３７中上端部を連結する連結部５３ｄと、この連結部５３ｄから図３７中上方へ向けて突設された外部配線接続用端子５３ｅとから構成されている。上記接合板部５３ａ、５３ｂ、５３ｃには、それぞれＩＧＢＴチップ５７のエミッタ電極に接合するためのほぼ正方形状をなす接合部５３ｆと、ＦＷＤチップ５８の表面側電極に接合するためのほぼ長方形状をなす接合部５３ｇとが下方へ向けて若干（例えば０．５ｍｍ程度）突出するように設けられている。上記接合部５３ｆ、５３ｇの各下面には、ろう材（例えば半田材）が印刷またはメッキにより取り付けられている。また、上記３個の接合板部５３ａ、５３ｂ、５３ｃの図３７中上端部には、それぞれ切欠部５３ｈが形成されている。

また、第３の電極５４は、図３２及び図３７に示すように、第２の電極５３の３個の切欠部５３ｈ内に配置される３個の細長い分岐板部５４ａ、５４ｂ、５４ｃと、これら分岐板部５４ａ、５４ｂ、５４ｃの図３７中上端部を連結する連結部５４ｄと、この連結部５４ｄの図３２中右端部から左方へ向けて突設された外部配線接続用端子５４ｅとから構成されている。上記分岐板部５４ａ、５４ｂ、５４ｃの各先端部には、ＩＧＢＴチップ５７のゲート電極に接合するための接合部５４ｆが下方へ向けて若干（例えば０．５ｍｍ程度）突出するように設けられている。上記接合部５４ｆの各下面には、半田或いは金からなる金属バンプが形成されている。

尚、上記高熱伝導性絶縁基板４８を製造する場合、絶縁部材５０は、３個の電極５２、５３、５４を埋め込むためのくりぬき部を予め形成した形態で焼結して成形する。そして、この絶縁部材５０に３個の電極５２、５３、５４を収容した後、隙間にろう材をしみこませて硬化固定する。この場合、ろう材としては、半導体チップを接合する際に用いるろう材よりも高融点のろう材（硬ろう）を用いる。そして、絶縁部材５０に３個の電極５２、５３、５４を埋込む作業が完了したら、高熱伝導性絶縁基板４８（電極５２、５３、５４）の図３４中上面に、例えば窒化アルミニウム製の絶縁膜６０を形成する。続いて、上記絶縁膜６０を形成後、第１の電極５２にＩＧＢＴチップ５７及びＦＷＤチップ５８をろう付けする。

一方、下側の高熱伝導性絶縁基板４９は、例えば窒化アルミニウムまたはアルミナ等のセラミック材料からなる絶縁部材５１に２個の銅板製の電極５５、５６を埋め込んで構成されている。第１の電極５５は、図３８にも示すように、基板部５５ａと、この基板部５５ａの図３８中下端部に下方へ向けて突設された外部配線接続用端子５５ｂとから構成されている。上記基板部５５ａには、上側の高熱伝導性絶縁基板４８の第２の電極５３の各３個の接合部５３ｆ及び５３ｇに対応するように各３個のＩＧＢＴチップ５７及びＦＷＤチップ５８がろう付けされている。この場合、各ＩＧＢＴチップ５７の裏面側のコレクタ電極がろう付けされている。

また、上記基板部５５ａには、上側の高熱伝導性絶縁基板４８の第１の電極５２にろう付けされた各３個のＩＧＢＴチップ５７及びＦＷＤチップ５８に対応するように、ほぼ正方形状をなす３個の接合部５５ｃと、ほぼ長方形状をなす３個の接合部５５ｄとが下方へ向けて若干（例えば０．５ｍｍ程度）突出するように設けられている。上記接合部５５ｃ、５５ｄの各上面には、ろう材（例えば半田材）が印刷またはメッキにより取り付けられている（図３４参照）。また、上記基板部５５ａの３個の接合部５５ｃの図３８中下端部には、それぞれ切欠部５５ｅが形成されている。

また、第２の電極５６は、図３２及び図３８に示すように、第１の電極５５の３個の切欠部５５ｅ内に配置される３個の細長い分岐板部５６ａ、５６ｂ、５６ｃと、これら分岐板部５６ａ、５６ｂ、５６ｃの図３８中下端部を連結する連結部５６ｄと、この連結部５６ｄの図３２中右端部から左方へ向けて突設された外部配線接続用端子５６ｅとから構成されている。上記分岐板部５６ａ、５６ｂ、５６ｃの各先端部には、ＩＧＢＴチップ５７のゲート電極に接合するための接合部５６ｆ（図３８参照）が上方へ向けて若干（例えば０．５ｍｍ程度）突出するように設けられている。上記接合部５６ｆの各上面には、半田或いは金からなる金属バンプが形成されている。

尚、上記高熱伝導性絶縁基板４９の製造は、前記上側の高熱伝導性絶縁基板４８と同様にして行う。そして、絶縁部材５１に２個の電極５５、５６を埋込む作業が完了したら、高熱伝導性絶縁基板４９（電極５２、５３、５４）の図３４中下面に、例えば窒化アルミニウム製の絶縁膜６１を形成する。続いて、上記絶縁膜６１の形成後、第１の電極５５にＩＧＢＴチップ５７及びＦＷＤチップ５８をろう付けする。

次に、上述したように形成しておいた２枚の高熱伝導性絶縁基板４８、４９を、図３４で示すように合わせて、２枚の高熱伝導性絶縁基板４８、４９間に６個のＩＧＢＴチップ５７及び６個のＦＷＤチップ５８を挟む。これにより、上側の高熱伝導性絶縁基板４８の電極５３の接合部５３ｆ及び５３ｇと、下側の高熱伝導性絶縁基板４９側のＩＧＢＴチップ５７のエミッタ電極及びＦＷＤチップ５８の表面側電極とがろう材を介して当接し、上側の高熱伝導性絶縁基板４８の電極５４の接合部５４ｆと、下側の高熱伝導性絶縁基板４９側のＩＧＢＴチップ５７のゲート電極とが当接する。

これと共に、下側の高熱伝導性絶縁基板４９の電極５５の接合部５５ｃ及び５５ｄと上側の高熱伝導性絶縁基板４８側のＩＧＢＴチップ５７のエミッタ電極及びＦＷＤチップ５８の表面側電極とがろう材を介して当接し、下側の高熱伝導性絶縁基板４９の電極５６の接合部５６ｆと、上側の高熱伝導性絶縁基板４８側のＩＧＢＴチップ５７のゲート電極とが当接する。

続いて、上記各当接部分をホットプレートまたは加熱炉等により加熱することによりリフローを行う。これにより、上記各当接部分がろう付け（具体的には、半田付け）されて接合され、図３３及び図３５に示すような形態となる。尚、ＩＧＢＴチップ５７のゲート電極と電極５３の接合部５４ｆとの接合、並びに、ＩＧＢＴチップ５７のゲート電極と電極パターン５６の接合部５６ｆとの接合は、金属バンプを介して行われている。

尚、図３４は、厚み方向（図中上下方向）にかなり拡大して示した図であり、この厚み方向の寸法を実際の寸法にほぼ合わせた図を図３５に示す。そして、上記したろう付け接合を行った後は、２枚の高熱伝導性絶縁基板４８、４９間に、例えばエポキシ樹脂或いはシリコーン樹脂等からなる絶縁樹脂６２を充填して硬化させる。これにより、ＩＧＢＴモジュール６３が完成する。このＩＧＢＴモジュール６３に冷却器を取り付ける場合、高熱伝導性絶縁基板４８、４９の上面及び下面、即ち、絶縁膜６０の上面及び絶縁膜６１の下面にそれぞれ冷却器を取り付けるように構成されている。

そして、第１０の実施例は、上述したように構成されているので、ＩＧＢＴチップ５７から発生する熱は、ＩＧＢＴチップ５７の上下両主面にろう付けされた電極５２、５３、５５を通って速やかに放熱されるようになり、第１の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。

尚、上記実施例では、電極５２、５３、５４、５５、５６を銅により構成したが、これに限られるものではなく、ＭｏやＷを含んだ金属により構成しても良い。このような金属製の電極とすると、絶縁部材５０、５１との熱膨張率のマッチングが良くなる。

本発明の第１の実施例を示すＩＧＢＴモジュールの分解斜視図 ＩＧＢＴモジュールの斜視図 製造工程を示す拡大縦断面図 ＩＧＢＴモジュールの縦断面図 絶縁樹脂を充填したＩＧＢＴモジュールの縦断面図 下側の高熱伝導性絶縁基板の上面図 上側の高熱伝導性絶縁基板の下面図 電気回路図 ＩＧＢＴチップの斜視図 ＩＧＢＴチップの縦断面図 ＦＷＤチップの斜視図 ＦＷＤチップの縦断面図 本発明の第２の実施例を示す図１相当図 図２相当図 本発明の第３の実施例を示す図１相当図 図２相当図 本発明の第４の実施例を示す図１相当図 図２相当図 本発明の第５の実施例を示す図１相当図 図２相当図 図３相当図 図４相当図 図５相当図 本発明の第６の実施例を示す図１相当図 図２相当図 本発明の第７の実施例を示す図１相当図 図２相当図 本発明の第８の実施例を示す図１相当図 図２相当図 本発明の第９の実施例を示す分解縦断面図 縦断面図 本発明の第１０の実施例を示す図１相当図 図２相当図 図３相当図 図４相当図 図５相当図 図７相当図 図６相当図

符号の説明

１はＩＧＢＴモジュール（半導体装置）、２、３は高熱伝導性絶縁基板、４はＩＧＢＴチップ（半導体チップ）、４ａは上面（主面）、４ｂは下面（主面）、５はＦＷＤチップ（半導体チップ）、６はコレクタ電極（主電極）、７はガードリング、８はゲート電極（制御電極）、９はエミッタ電極（主電極）、１０は裏面側電極、１１はガードリング、１２は表面側電極、１３は電極パターン、１３ｂは外部配線接続用端子（主電極用端子）、１３ｃは外部配線接続用端子（制御電極用端子）、１３ｄ、１３ｅは接合部、１４は電極パターン、１４ｂは外部配線接続用端子（主電極用端子）、１４ｃは外部配線接続用端子（制御電極用端子）、１４ｄは接合部、１５は電極パターン、１５ｃは外部配線接続用端子（制御電極用端子）、１５ｄは接合部、１９は電極パターン、１９ｂは外部配線接続用端子（主電極用端子）、１９ｃは外部配線接続用端子（制御電極用端子）、１９ｄ、１９ｅは接合部、２０は電極パターン、２０ｃは外部配線接続用端子（制御電極用端子）、２０ｄは接合部、２１は絶縁樹脂、２８ａ、２８ｂは凸部、２９ａ、２９ｂは凸部、３０ａ、３０ｂは凸部、３１ａ、３１ｂは凹部、３２は高熱伝導性絶縁基板、３３は窒化アルミニウム製基板（絶縁性部材）、３４は銅板（高熱伝導性部材）、３４ａはろう材、３５は銅膜、３６は高熱伝導性絶縁基板、３７は窒化アルミニウム製基板（絶縁性部材）、３８は銅板（高熱伝導性部材）、３８ａはろう材、３９は銅膜、４０ａ、４０ｂは凸部、４１ａ、４１ｂは凸部、４２ａ、４２ｂは凸部、４３ａ、４３ｂは凹部、４４は電極パターン、４５は半導体チップ、４６は凸部、４７は電極パターン、４８、４９は高熱伝導性絶縁基板、５７はＩＧＢＴチップ、５８はＦＷＤチップ、６３はＩＧＢＴモジュール（半導体装置）を示す。

Claims (32)

1. 一方の主面に主電極を有すると共に他方の主面に主電極及び制御電極を有する１個或いは複数個の半導体チップと、
   この半導体チップを挟むように設けられ、各挟む側の面に前記半導体チップの電極に接合するための電極パターンが配設された２枚の高熱伝導性絶縁基板とを備え、
   前記半導体チップの電極と前記高熱伝導性絶縁基板の電極パターンとをろう付けにより接合したものであって、
   一方の高熱伝導性絶縁基板の電極パターンのうちの前記半導体チップの電極と接合されない部分に凸部を設け、
   この凸部を他方の高熱伝導性絶縁基板の電極パターンに接合するように構成したことを特徴とする半導体装置。
2. 一方の主面に主電極を有すると共に他方の主面に主電極及び制御電極を有する複数個の半導体チップと、
   これら半導体チップを挟むように設けられ、各挟む側の面に前記半導体チップの電極に接合するための電極パターンが配設された２枚の高熱伝導性絶縁基板とを備え、
   前記２枚の高熱伝導性絶縁基板間に、２つの主面の向きが表裏反対となるような半導体チップが混在するように挟むと共に、
   前記半導体チップの電極と前記高熱伝導性絶縁基板の電極パターンとをろう付けにより接合したものであって、
   一方の高熱伝導性絶縁基板の電極パターンのうちの前記半導体チップの電極と接合されない部分に凸部を設け、
   この凸部を他方の高熱伝導性絶縁基板の電極パターンに接合するように構成したことを特徴とする半導体装置。
3. 前記高熱伝導性絶縁基板の電極パターンに、外部配線接続用の端子を前記高熱伝導性絶縁基板の板面に平行となると共に外側へ延びるように設けたことを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置。
4. 前記外部配線接続用の端子のうちの前記半導体チップの主電極に接続された主電極用端子を同じ方向に延びるように設けると共に、
   前記外部配線接続用の端子のうちの前記半導体チップの制御電極に接続された制御電極用端子を前記主電極用端子と反対方向に延びるように設けたことを特徴とする請求項３記載の半導体装置。
5. 前記高熱伝導性絶縁基板は、窒化アルミニウムから構成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の半導体装置。
6. 前記高熱伝導性絶縁基板は、高熱伝導性部材と絶縁性部材とを組み合わせて構成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の記載の半導体装置。
7. 前記高熱伝導性部材は、銅、炭化けい素セラミクス、炭化けい素に金属を含浸させたもの、炭化けい素を添加した金属を鋳造成形したもののいずれかを用いて形成された複合材から構成されていることを特徴とする請求項６記載の記載の半導体装置。
8. 前記半導体チップのうちの制御電極が設けられた側の主面の主電極と、前記高熱伝導性絶縁基板の電極パターンとを、前記主電極上に密集して設けられた金属バンプにより接合したことを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の記載の半導体装置。
9. 前記金属バンプは、金或いは半田から構成されていることを特徴とする請求項８記載の記載の半導体装置。
10. 前記高熱伝導性絶縁基板の電極パターンのうちの前記半導体チップの電極との接合部は、高さが非接合部よりも高くなると共に、大きさが前記半導体チップの電極と同じか或いは小さくなるように構成されていることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の半導体装置。
11. 前記２枚の高熱伝導性絶縁基板の間に、絶縁性樹脂を充填したことを特徴とする請求項１ないし１０のいずれかに記載の半導体装置。
12. 前記半導体チップはＩＧＢＴチップであることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれかに記載の半導体装置。
13. 前記半導体チップは複数個からなり、少なくともＩＧＢＴチップとＦＷＤチップを含むことを特徴とする請求項１ないし１２のいずれかに記載の半導体装置。
14. 前記電極パターンのうちの接合部は、前記複数個の半導体チップに対して、それぞれ個別に設けられていることを特徴とする請求項２ないし１３のいずれかに記載の半導体装置。
15. 前記電極パターンは、銅またはアルミニウムから構成されていることを特徴とする請求項１ないし１４のいずれかに記載の半導体装置。
16. 一方の主面に主電極を有すると共に他方の主面に主電極及び制御電極を有する１個或いは複数個の半導体チップと、
    この半導体チップを挟むように設けられ、各挟む側の面に前記半導体チップの電極に接合するための電極パターンとを備え、
    前記半導体チップの電極と前記電極パターンとをろう付けにより接合し、前記電極パターンの間に絶縁性樹脂を充填したものであって、
    前記電極パターンのうちの前記半導体チップの電極との接合部は、非接合部よりも高さが高くなっているとともに、
    前記電極パターンは基板の表面に配設されており、前記基板の少なくとも一方における前記半導体チップを挟む側の面に凸部を設け、この凸部の先端部を他方の基板に接合したことを特徴とする半導体装置。
17. 一方の主面に主電極を有すると共に他方の主面に主電極及び制御電極を有する１個或いは複数個の半導体チップと、
    この半導体チップを挟むように設けられ、各挟む側の面に前記半導体チップの電極に接合するための電極パターンとを備え、
    前記半導体チップの電極と前記電極パターンとをろう付けにより接合し、前記電極パターンの間に絶縁性樹脂を充填したものであって、
    前記電極パターンのうちの前記半導体チップの電極との接合部は、非接合部よりも高さが高くなっているとともに、
    前記基板の少なくとも一方における前記半導体チップを挟む側の面に凸部を設けると共に、他方の基板における前記半導体チップを挟む側の面に前記凸部が嵌合する凹部を設け、前記凸部を前記凹部に接合したことを特徴とする半導体装置。
18. 前記電極パターン間には、２つの主面の向きが表裏反対となるように複数個の半導体チップが混在するように挟まれていることを特徴とする請求項１６または１７記載の半導体装置。
19. 前記電極パターンに、外部配線接続用の端子を前記電極パターンの前記半導体チップの電極と接合する面に平行となると共に外側へ延びるように設けたことを特徴とする請求項１６ないし１８のいずれかに記載の半導体装置。
20. 前記外部配線接続用の端子のうちの前記半導体チップの主電極に接続された主電極用端子を同じ方向に延びるように設けると共に、
    前記外部配線接続用の端子のうちの前記半導体チップの制御電極に接続された制御電極用端子を前記主電極用端子と反対方向に延びるように設けたことを特徴とする請求項１９記載の半導体装置。
21. 前記半導体チップの一方の主面の主電極と、前記電極パターンとをろう付けするろう材は、半導体チップ動作温度で軟化または液化する低融点導電材料により構成されていることを特徴とする請求項１６ないし２０のいずれかに記載の記載の半導体装置。
22. 前記低融点導電材料は、インジウム、ガリウム或いは低温半田であることを特徴とする請求項２１記載の記載の半導体装置。
23. 前記半導体チップのうちの制御電極が設けられた側の主面の主電極と、前記電極パターンとを、前記主電極上に密集して設けられた金属バンプにより接合したことを特徴とする請求項１６ないし２０のいずれかに記載の記載の半導体装置。
24. 前記金属バンプは、金或いは半田から構成されていることを特徴とする請求項２３記載の記載の半導体装置。
25. 前記電極パターンの接合部の大きさが前記半導体チップの電極と同じか或いは小さくなるように構成されていることを特徴とする請求項１６ないし２４のいずれかに記載の半導体装置。
26. 一方の主面に主電極を有すると共に他方の主面に主電極及び制御電極を有する１個或いは複数個の半導体チップと、
    この半導体チップを挟むように設けられ、各挟む側の面に前記半導体チップの電極に接合するための電極パターンとを備え、
    前記半導体チップの電極と前記電極パターンとをろう付けにより接合し、前記電極パターンの間に絶縁性樹脂を充填したものであって、
    前記電極パターンのうちの前記半導体チップの電極との接合部は、非接合部よりも高さが高くなっているとともに、
    前記電極パターンは基板の表面に配設されており、一方の基板の電極パターンのうちの前記半導体チップの電極と接合されない部分に凸部を設け、この凸部を他方の基板の電極パターンに接合するように構成したことを特徴とする半導体装置。
27. 前記基板の電極パターンに、外部配線接続用の端子を前記基板の板面に平行となると共に外側へ延びるように設けたことを特徴とする請求項２６記載の半導体装置。
28. 前記基板は、窒化アルミニウムから構成されていることを特徴とする請求項２６または２７に記載の半導体装置。
29. 前記半導体チップはＩＧＢＴチップであることを特徴とする請求項１６ないし２８のいずれかに記載の半導体装置。
30. 前記半導体チップは複数からなり、少なくともＩＧＢＴチップとＦＷＤチップを含むことを特徴とする請求項１６ないし２９のいずれかに記載の半導体装置。
31. 前記電極パターンのうちの接合部は、前記複数個の半導体チップに対して、それぞれ個別に設けられていることを特徴とする請求項１８記載の半導体装置。
32. 前記電極パターンは、銅またはアルミニウムから構成されていることを特徴とする請求項１６ないし３１のいずれかに記載の半導体装置。

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