JP6696576B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

この発明は、例えば大電流のスイッチングなどに用いられる半導体装置に関する。
特許文献１にはプレスパックパワー半導体モジュールが開示されている。特許文献１の図１には内部に複数の半導体装置を有するプレスパックパワー半導体モジュールが開示されている。１つの半導体装置に１つの半導体チップがある。半導体チップは例えばＩＧＢＴである。この半導体装置の各要素の上面と下面を圧接させることにより、半導体チップの電気的接続を実現する。複数の半導体チップに均等に圧力を与えるため、個々の半導体チップにはばね構造と電導路の遊びが必要である。
この遊びを与え、かつ電気的接続を保証するのがプレッシャパッドである。プレッシャパッドは、通常電流に対する通電容量を大きくするために複数設けることがある。プレッシャパッド間にばねを設けることがあるが、このばねは、通電性がある場合でもインダクタンスとして機能し特に高周波に対しては高インピーダンスとなる。したがってばねには電流は流れない。
日本特表２００４−５２８７２４号公報
半導体チップが短絡状態となると上側のブスバーである上電極と下側のブスバーである下電極には逆向きの電流が流れる。この電流による電磁力は、上電極と下電極に斥力を生じさせる。この斥力により上電極と下電極の間の距離が大きくなると、上電極と下電極の間の部品に剥離が発生し、電気路が断絶されることがある。特に接続力の弱い半導体チップ表面での剥離が懸念される。
そして、電気路の断線部分にアークが発生し、そのアークによって装置が加熱されることにより、雰囲気が膨張し、あるいは、固体が気化して爆発に至ると考えられる。そのため、モジュールには堅牢な防爆構造を施す必要があり、小型化および低価格化の阻害要因となっていた。また、使用電流領域を制限する必要が生じたり、短絡保護を別途設けたりする必要がある場合もあった。
本発明は上述の問題を解決するためになされたものであり、上電極と下電極に及ぼされる斥力を低減し、上電極と下電極の間の部品に剥離が生じることを防止できる半導体装置を提供することを目的とする。
本願の発明にかかる半導体装置は、下電極と、該下電極の上方に設けられた上電極と、該下電極と該上電極の間に設けられた半導体チップと、該下電極と該上電極の間に該半導体チップと重ねて設けられたプレッシャパッドと、該下電極と該上電極の間に該半導体チップおよび該プレッシャパッドと重ねて設けられたスパイラル導体と、を備え、該スパイラル導体は、上側スパイラル導体と、該上側スパイラル導体の下端に接し該上側スパイラル導体に対向する下側スパイラル導体とを有し、該上側スパイラル導体と該下側スパイラル導体に溝を形成することで、平面視で、該上側スパイラル導体を流れる電流の向きと、該下側スパイラル導体を流れる電流の向きを一致させたことを特徴とする。
本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。
この発明によれば、スパイラル導体に生じさせた引力で、下電極と上電極に及ぼされる斥力を低減するので、上電極と下電極の間の部品に剥離が生じることを防止できる。
実施の形態１に係る半導体装置の断面図である。 下側スパイラル導体と上側スパイラル導体を示す図である。 スパイラル導体の断面図である。 下側スパイラル導体と上側スパイラル導体の一部断面図である。 スパイラル導体における電流の流れを模式的に示す図である。 実施の形態１に係る半導体装置の組み立て例を示す図である。 実施の形態２に係る半導体装置のスパイラル導体の断面図である。 実施の形態３に係る半導体装置の下側スパイラル導体と上側スパイラル導体を示す図である。 実施の形態４に係る半導体装置の断面図である。
本発明の実施の形態に係る半導体装置について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る半導体装置の断面図である。この半導体装置１は、下電極１０を備えている。下電極１０の上に半導体チップ１２が設けられている。半導体チップ１２は例えばＩＧＢＴ又はダイオードである。半導体チップ１２の上にはスパイラル導体２０が設けられている。スパイラル導体２０は、下側スパイラル導体２２と、上側スパイラル導体２４を有している。
スパイラル導体２０の上には金属で形成されたプレート３０、３２が重ねて設けられている。プレート３２の上にはプレッシャパッド３４、３６が設けられている。プレッシャパッド３４、３６を有することで半導体装置１は、プレスパックパワー半導体装置のばね電極を構成するものとなっている。プレッシャパッド３４、３６の上にはプレート３８が設けられ、プレート３８の上には上電極４０が設けられている。
プレッシャパッド３４、３６の上端はプレート３８に固定され、下端はプレート３２に固定されている。プレッシャパッド３４、３６は、ｙ方向、すなわち下電極１０の下面と上電極４０の上面に垂直な方向に伸縮できる。そのため、プレッシャパッド３４、３６は、下電極１０と上電極４０の間の距離にかかわらず半導体チップ１２を介して下電極１０と上電極４０を電気的に接続する。
プレッシャパッド３４、３６の間にはばね３７が設けられている。このばね３７は、下電極１０と上電極４０の距離が増大すると下電極１０と上電極４０の距離を小さくする力を及ぼし、下電極１０と上電極４０の距離が小さくなると下電極１０と上電極４０の距離を大きくする力を及ぼす。
下電極１０と上電極４０の間の各要素は圧接することが好ましい。これにより、半導体チップ１２及びプレッシャパッド３４、３６等を介して上電極４０と下電極１０の電気的接続を確保できる。
図２は、下側スパイラル導体２２と上側スパイラル導体２４を示す図である。左上の図が下側スパイラル導体２２の平面図であり、この図の破線に沿った断面図が左下の図である。右上の図が上側スパイラル導体２４の平面図であり、この図の破線に沿った断面図が右下の図である。下側スパイラル導体２２と上側スパイラル導体２４は同一の形状を有している。すなわち、下側スパイラル導体２２を表裏反転させることで上側スパイラル導体と同じ形状となる。
図２における矢印は電流の流れを示す。下側スパイラル導体２２においては、下側スパイラル導体２２の外側から内側に向かって電流が流れることが基本である。そして、下側スパイラル導体２２には曲線的な溝２２ａが形成されている。複数の溝２２ａは全体として環状になっている。この溝２２ａにより電流の流れが規定される。その結果、下側スパイラル導体２２には平面視で反時計方向に電流が流れる。
他方、上側スパイラル導体２４においては、上側スパイラル導体２４の内側から外側に向かって電流が流れることが基本である。そして、上側スパイラル導体２４には曲線的な溝２４ａが形成されている。複数の溝２４ａは全体として環状になっている。この溝２４ａにより電流の流れが規定される。その結果、上側スパイラル導体２４には、平面視で反時計方向に電流が流れる。
このように、下側スパイラル導体２２と上側スパイラル導体２４に溝２２ａ、２４ａを形成することで、平面視で、上側スパイラル導体２４を流れる電流の向きと、下側スパイラル導体２２を流れる電流の向きを一致させた。
図２の下段の２つの図から分かるように、下側スパイラル導体２２と上側スパイラル導体２４は両方とも中央部が盛り上がった円錐状の形状を有する。下側スパイラル導体２２は下側に凸となり、上側スパイラル導体２４は上側に凸となっている。下側スパイラル導体２２の中心にある開口２２ｂは、下側スパイラル導体２２と半導体チップ１２を接触させやすくするために設けられている。上側スパイラル導体２４の中心にある開口２４ｂは、上側スパイラル導体２４とプレート３０を接触させやすくするために設けられている。
図３は、スパイラル導体２０の断面図である。上側スパイラル導体２４と下側スパイラル導体２２は対向して設けられている。上側スパイラル導体２４の下端と下側スパイラル導体２２の上端が接触することでスパイラル導体２０が構成されている。図３から明らかなように、上側スパイラル導体２４の最も幅が大きい部分と、下側スパイラル導体２２の最も幅が大きい部分が接触している。そして、断面視した場合には、上側スパイラル導体２４の中央２４Ａから外側２４Ｂに電流が流れ、下側スパイラル導体２２の外側２２Ｂから中央２２Ａに電流が流れ、半導体チップ１２に電流が流れる。
図４は、下側スパイラル導体２２と上側スパイラル導体２４の一部断面図である。前述のとおり、下側スパイラル導体２２を流れる電流の向きと、上側スパイラル導体２４を流れる電流の向きを一致させたので、下側スパイラル導体２２と上側スパイラル導体２４には引力が発生する。図５は、下側スパイラル導体２２と上側スパイラル導体２４の電流の流れを模式的に示す図である。下側スパイラル導体２２と上側スパイラル導体２４に反時計回りの電流が生じることで、これらの間に引力が生じる。
図６は、実施の形態１に係る半導体装置１の組み立て例を示す図である。３つの半導体装置１で１つの下電極１０を共有している。ベースプレート３９の上に６つの半導体装置１が並べられている。図６には、６個の半導体装置１をベースプレート３９に搭載した構造を２つ重ねたことが示されている。これにより、１２個の半導体装置１を有するプレスパックパワー半導体モジュールが構成されている。このモジュールの上下からこのモジュールに力を及ぼし半導体装置内の各要素を圧接することにより、半導体チップの電気的接続を実現する。
複数の半導体チップ１２に均等に圧力を与えるため、個々の半導体装置１にはばね構造と電導路の遊びが必要である。この遊びを与え且つ電気的接続を保証するのがプレッシャパッド３４、３６である。実施の形態１では１つの半導体装置に２つのプレッシャパッド３４、３６を設けたが、通常電流に対する通電容量を大きくするため１つの半導体装置に対して３つ以上のプレッシャパッドを設けてもよい。なお、プレッシャパッド３４、３６間のばね３７は、通電性がある場合でも、インダクタンスとして機能するため、特に高周波に対しては、高インピーダンスとなりばね３７に電流は流れない。
ところで、図１の実線矢印は短絡電流の方向を示す。上側のブスバーである上電極４０と、下側のブスバーである下電極１０には逆向きの短絡電流が流れる。この短絡電流によって上電極４０と下電極１０の間に斥力が発生する。破線矢印は斥力を示す。そして、本発明の実施の形態１に係る半導体装置１では、上述のとおり下側スパイラル導体２２と上側スパイラル導体２４の間に引力が生じるので、その引力により、上電極４０と下電極１０の間に生じる斥力を相殺又は低減する。
このように、上電極４０と下電極１０に及ぼされる斥力を低減することで、上電極４０と下電極１０の間の部品に剥離が生じることを防止できる。例えば、半導体チップ１２が下電極１０から剥離することを防止できる。剥離が防止できると、アークによる雰囲気の熱膨張がおこらないため、半導体装置およびそれ含むモジュールは爆発することがない。よって、従来設けていた防爆処置を除くことができモジュールを小型かつ低コストとすることができる。
本発明の実施の形態１に係る半導体装置は、下電極１０と上電極４０の間に、半導体チップ１２、半導体チップ１２と重ねて設けられたプレッシャパッド３４、３６、並びに半導体チップ１２およびプレッシャパッド３４、３６と重ねて設けられたスパイラル導体２０を設けて、スパイラル導体２０に引力を生じさせるものである。本発明の実施の形態１に係る半導体装置１はその特徴を失わない範囲で様々な変形をなし得るものである。
例えば、半導体チップ１２とプレッシャパッド３４、３６とスパイラル導体２０の上下関係は変更してもよい。そのため、半導体チップ１２をプレッシャパッド３４、３６の上に設けることもできる。また、１つの半導体装置１に設けるプレッシャパッドの数は特に限定されない。半導体チップ１２としては表面と裏面の間で電流を流す縦型のチップを用いることができ、そのようなチップはＩＧＢＴかダイオードに限定されない。
半導体チップ１２は珪素で形成してもよいが、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成してもよい。ワイドバンドギャップ半導体としては、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドがある。ワイドバンドギャップ半導体を用いることにより、装置の可能動作温度が高くなる。更に、炭化珪素ではモノポーラデバイスであるＭＯＳＦＥＴでも高電圧耐圧のものが可能であり、高周波と高効率が達成できる。
これらの変形は以下の実施の形態に係る半導体装置にも応用できる。なお、以下の実施の形態に係る半導体装置は実施の形態１との類似点が多いので、実施の形態１との相違を中心に説明する。
実施の形態２．
図７は、実施の形態２に係る半導体装置のスパイラル導体の断面図である。上側スパイラル導体２４の最も幅が小さい部分と、下側スパイラル導体２２の最も幅が小さい部分が接触している。すなわち、下側スパイラル導体２２の中央と上側スパイラル導体２４の中央が接触している。この場合、電流はプレート３０の外側から上側スパイラル導体２４の外側に入り、上側スパイラル導体２４の中心に達し、下側スパイラル導体２２の中心から外側に向かって流れ、半導体チップ１２に進入する。
平面視すると、上側スパイラル導体２４と下側スパイラル導体２２に時計回りの電流が生じることになる。つまり、平面視で、上側スパイラル導体２４を流れる電流の向きと、下側スパイラル導体２２を流れる電流の向きが一致するので、上側スパイラル導体２４と下側スパイラル導体２２の間には引力が発生する。この引力が上電極４０と下電極１０に及ぼされる斥力を低減するので、上電極４０と下電極１０の間の部品に剥離が生じることを防止できる。
実施の形態３．
図８は、実施の形態３に係る半導体装置の下側スパイラル導体４１と上側スパイラル導体４２を示す図である。左上の図が下側スパイラル導体４１の平面図であり、この図の破線に沿った断面図が左下の図である。右上の図が上側スパイラル導体４２の平面図であり、この図の破線に沿った断面図が右下の図である。下側スパイラル導体４１と上側スパイラル導体４２は同一の形状を有している。すなわち、下側スパイラル導体４１を表裏反転させることで上側スパイラル導体４２と同じ形状となる。下側スパイラル導体４１の上端と上側スパイラル導体４２の下端が接続されてスパイラル導体が構成されている。
下側スパイラル導体４１の溝４１ａと、上側スパイラル導体４２の溝４２ａは、どちらも直線的に形成されている。この場合、円盤に溝を切って円盤を凸型に変形させるだけで、簡単に下側スパイラル導体４１と上側スパイラル導体４２を形成することができる。
溝４１ａによって電流経路が制限されることで、下側スパイラル導体４１には反時計回りに電流が流れる。溝４２ａによって電流経路が制限されることで、上側スパイラル導体４２には反時計回りに電流が流れる。よって、上側スパイラル導体４２と下側スパイラル導体４１の間には引力が発生する。この引力が上電極４０と下電極１０に及ぼされる斥力を低減するので、上電極４０と下電極１０の間の部品に剥離が生じることを防止できる。
実施の形態４．
図９は、実施の形態４に係る半導体装置の断面図である。半導体チップ１２と下電極１０の間にスパイラル導体５０が設けられている。スパイラル導体５０は、下電極１０の上に設けられた下側スパイラル導体５２と、下側スパイラル導体５２の上に設けられた上側スパイラル導体５４を備えている。スパイラル導体５０の構造はスパイラル導体２０の構造と同じである。
実施の形態４の半導体装置は、スパイラル導体を下電極１０と上電極４０の間に重ねて複数設けるものである。スパイラル導体２０とスパイラル導体５０は直接重ねてもよいし、半導体チップ１２又はプレート介して重ねてもよい。複数のスパイラル導体を設けることで、半導体装置の複数箇所で引力を生じさせることができるので、下電極１０と上電極４０に及ぼされる斥力を低減することができる。
本発明の実施の形態４では２つのスパイラル導体２０、５０を設けたが、１つの半導体装置に３つ以上のスパイラル導体を設けてもよい。複数のスパイラル導体の種類は同型で揃える必要はない。例えば図１のスパイラル導体２０に図７のスパイラル導体を重ねてもよい。
ここまでの実施の形態１〜４では、下側スパイラル導体と上側スパイラル導体に溝を形成して電流の流れ方向を決めた。溝の数と形状は、平面視で時計回り又は反時計回りに電流を誘導するものであれば、特に限定されない。なお、ここまでの各実施の形態において説明した技術的特徴は、適宜組み合わせることができる。
１０ 下電極、 １２ 半導体チップ、 ２０ スパイラル導体、 ２２ 下側スパイラル導体、 ２４ 上側スパイラル導体、 ３４，３６ プレッシャパッド、 ４０ 上電極

Claims (9)

  1. 下電極と、
    前記下電極の上方に設けられた上電極と、
    前記下電極と前記上電極の間に設けられた半導体チップと、
    前記下電極と前記上電極の間に前記半導体チップと重ねて設けられたプレッシャパッドと、
    前記下電極と前記上電極の間に前記半導体チップおよび前記プレッシャパッドと重ねて設けられたスパイラル導体と、を備え、
    前記スパイラル導体は、上側スパイラル導体と、前記上側スパイラル導体の下端に接し前記上側スパイラル導体に対向する下側スパイラル導体とを有し、
    前記上側スパイラル導体と前記下側スパイラル導体に溝を形成することで、平面視で、前記上側スパイラル導体を流れる電流の向きと、前記下側スパイラル導体を流れる電流の向きを一致させたことを特徴とする半導体装置。
  2. 前記上側スパイラル導体の最も幅が大きい部分と、前記下側スパイラル導体の最も幅が大きい部分を接触させたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記溝は曲線的に形成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
  4. 前記上側スパイラル導体の最も幅が小さい部分と、前記下側スパイラル導体の最も幅が小さい部分を接触させたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  5. 前記溝は直線的に形成されたことを特徴とする請求項１、２、４のいずれか１項に記載の半導体装置。
  6. 前記スパイラル導体を、前記下電極と上電極の間に重ねて複数設けたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置。
  7. 前記半導体チップはワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体装置。
  8. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドであることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置。
  9. 前記上側スパイラル導体と前記下側スパイラル導体は、上に凸又は下に凸となる厚みが均一な板であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の半導体装置。
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