JP7118259B2

JP7118259B2 - 半導体装置

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Publication number: JP7118259B2
Application number: JP2021519976A
Authority: JP
Inventors: 和丈門脇; 慶和矢次; 裕基塩田; 邦彦田尻; 哲也松田; 哲男本宮; 重人藤田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2019-05-22
Filing date: 2019-05-22
Publication date: 2022-08-15
Anticipated expiration: 2039-05-22
Also published as: DE112019007343T5; JPWO2020235047A1; WO2020235047A1; DE112019007343B4

Description

本願は、半導体装置に関するものである。

ベースプレート、ベースプレートに対向して設けられたカバープレート、および第１主電極でベースプレートに接続され、第２主電極でばね力の掛かった電気接点部材を介してカバープレートに接続されている半導体チップを有した半導体装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この半導体チップの上部には弾性力を備えた導電部材としてばね部材が設けられており、事故時に大電流が流れても、カバープレートとベースプレートとの間が短絡状態になるように構成されている。

特開２０００－２２３６５８号公報

上記特許文献１においては、事故時に大電流が流れた際、カバープレートとベースプレートとの間を短絡状態にできる。しかしながら、大電流が流れた際に半導体チップと接続された電気接点部材に大きな電磁力が発生して電気接点部材が破断され、短絡故障となる前にアークを発生する。アークが発生すると、アークによる半導体装置の内部の破損に加えて、半導体装置の外部にもアークの影響が及ぶことになる。この外部へのアークの影響を抑制するために、特別な筐体構造を半導体装置に設ける必要があり、半導体装置の小型化が困難になるという課題があった。

本願は前記のような課題を解決するためになされたものであり、アークの発生を抑制して、小型化を実現した半導体装置を得ることを目的とする。

本願に開示される半導体装置は、半導体チップ、前記半導体チップの一方の面と接続された導電性のベースプレート、前記ベースプレートと接して前記半導体チップを取り囲む絶縁性の外壁、前記半導体チップの他方の面と対向して前記外壁をふさぐ導電性のカバープレート、前記半導体チップと前記カバープレートとの間に設けられ、前記半導体チップと前記カバープレートとを接続する通電部材、前記カバープレートの側で開口する前記通電部材の凹部に設けられ、前記通電部材を介して前記半導体チップの他方の面の電極を押圧するように付勢された弾性部材、および前記カバープレートと前記通電部材との接触を維持する通電維持部を備え、前記通電部材は前記凹部の中心軸に対して回転対称となる形状である。

本願に開示される半導体装置によれば、アークの発生を抑制して、小型化を実現することができる。

実施の形態１に係る半導体装置の構成概要を示す断面図である。実施の形態１に係る半導体装置の要部を示す斜視図である。実施の形態１に係る半導体装置の構成を示す斜視透視図である。実施の形態１に係る半導体装置の要部の組み立てを示す斜視図である。実施の形態１に係る半導体装置の組み立てを示す斜視図である。実施の形態１に係る半導体装置の別の構成を示す斜視透視図である。実施の形態１に係る半導体装置の別の構成概要を示す断面図である。実施の形態１に係る半導体装置の別の通電部材を示す斜視図である。実施の形態２に係る半導体装置の構成概要を示す断面図である。実施の形態２に係る半導体装置の構成を示す斜視透視図である。図９の一点鎖線Ａ－Ａにおける断面図である。実施の形態２に係る半導体装置の要部の組み立てを示す斜視図である。実施の形態２に係る半導体装置の組み立てを示す斜視図である。実施の形態２に係る半導体装置の別の構成を示す斜視透視図である。実施の形態２に係る半導体装置の別の構成概要を示す断面図である。図９の一点鎖線Ａ－Ａにおける別の構成を示す断面図である。実施の形態３に係る半導体装置のユニットの一部を示す断面図である。実施の形態３に係る半導体装置の中核部材を示す断面図である。実施の形態３に係る半導体装置の別のユニットの一部を示す断面図である。実施の形態３に係る半導体装置の別のユニットの一部を示す断面図である。実施の形態４に係る半導体装置のユニットの一部を示す断面図である。実施の形態４に係る半導体装置の別のユニットの一部を示す断面図である。実施の形態４に係る別の半導体装置の一部を示す断面図である。実施の形態４に係る別の半導体装置の一部を示す断面図である。

以下、本願の実施の形態による半導体装置を図に基づいて説明するが、各図において同一、または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１は半導体装置１の構成概要を示す断面図、図２は半導体装置１の要部を示す斜視図、図３は半導体装置１の構成を示す斜視透視図である。電力変換装置に組み込まれる半導体装置１は、パワー半導体であるスイッチングチップなどの半導体チップ８を内部に備え、半導体チップ８は圧力接触構造で接続されたものである。

半導体装置１は、半導体チップ８、半導体チップの一方の面の電極パッド８ｂと接続された導電性のベースプレート４、ベースプレート４と接して半導体チップ８を取り囲む絶縁性の外壁２、半導体チップ８の他方の面の電極パッド８ａと対向して外壁２をふさぐ導電性のカバープレート３、半導体チップ８とカバープレート３との間に設けられた通電部材５と弾性部材であるばね７、およびカバープレート３と通電部材５との接触を維持する通電維持部５ｄを備える。通電部材５は、半導体チップ８とカバープレート３とを接続する。ばね７は、カバープレート３の側で開口する通電部材５が備えた凹部５ａに設けられ、一端でカバープレート３と接し、他端で凹部５ａの底部５ｂと接し、通電部材５を介して半導体チップ８の他方の面が備えた電極パッド８ａを押圧するように付勢されている。通電部材５は凹部５ａの中心軸５ｃに対して回転対称となる形状で、通電部材５の中心軸５ｃに垂直な断面の外周が円形である。半導体装置１の要部であるユニット１００は、半導体装置１の内部の構成で、半導体チップ８と通電部材５とばね７とを備えたものである。外壁２は、例えば樹脂で形成される。

通電部材５は、半導体装置１が故障した際の大電流通電による温度上昇が通電部材５を構成する材料の軟化点以下になるように、電気抵抗率が２×１０^－８Ω・ｍ以下の金属材料で作製される。このような金属材料は、例えば無酸素銅またはタフピッチ銅である。通電部材５は、例えば切削加工により作製される。半導体装置１の駆動中は半導体装置１の内部が高温になるため、通電部材５の表面の酸化を抑制するために金またはニッケルなどのめっきを通電部材５の表面に施してもよい。通電部材５は、大電流通電時に電磁力が発生しても、発生した電磁力に効率よく耐えるために、回転対称の形状で設けられる。回転対称な形状であれば、電磁力がかかった際に、通電部材５が圧縮されるように力がかかるため、力が円周方向に逃げ、通電部材５の変形が生じにくくなる。変形が生じなければ、通電部材５は破損、断線に至らないため、断線時の隙間部に発生し得るアーク放電は抑制される。

通電部材５は通電維持部５ｄとして可撓性のある曲げ部を備え、曲げ部の弾性により、通電部材５とカバープレート３とは常に接触が維持される。また、通電部材５に設けられたばね５ｇにより、通電部材５の可撓性のある曲げ部を常にカバープレート３に対して押し付けてもよい。ばね７の半導体チップ８の押圧により通電部材５とカバープレート３との間に隙間が形成されることがなくなり、カバープレート３とベースプレート４との間の通電は維持される。なお、ばね５ｇの設置箇所は２ヵ所に限るものではなく、さらに設置箇所を増加しても構わない。

通電部材５の電極パッド８ａとの接触箇所である下端面５ｅは、下端面５ｅが電極パッド８ａからはみ出さない寸法形状で作製される。下端面５ｅが電極パッド８ａからはみ出すと半導体チップ８の動作において気中放電が生じるなどの電気的な不具合が生じ、半導体チップ８に破損が生じるおそれがある。

半導体チップ８は、例えばダイオードチップもしくはスイッチングチップである。半導体装置１が備えるのはそれらの一方のみでもよく、また双方を備えてもよい。設置される半導体チップ８は、同種のものを一つ、または複数備えてもよい。スイッチングチップは、例えばＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）またはＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ－ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＦｉｅｌｄＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ、電界効果トランジスタ）で、これらの１種類でも良いし、複数の種類を組み合わせて使用しても構わない。電力変換装置の内部で半導体装置１は、カバープレート３とベースプレート４から圧接力を受けて保持される。この圧接力はばね７を圧縮し、半導体チップ８に対して通電部材５を押し付けることで、半導体チップ８と通電部材５の良好な電気的接触が維持される。

カバープレート３とベースプレート４は、半導体装置１の外部で他の半導体装置もしくは他の回路と接続されるため、ニッケルめっきを施した銅などの電気抵抗の小さな金属で作製される。

ばね７は、例えば皿ばねで、リン青銅で作製される。弾性を備えた形状であれば皿ばねの形状に限定されず、また材料も限定されない。その他の例として、板ばねの形状でも構わない。ばね７を設ける理由を以下に説明する。半導体装置１を組み込む電力変換装置は、半導体装置１の定格電圧よりも高い電圧の電力を変換することが想定されており、複数の半導体装置１を直列に接続して使用する。直列に接続された半導体装置１のうち１つでも故障して半導体装置１のカバープレート３とベースプレート４の間が電気的に開放されると、電力変換装置は正しく動作しない。電力変換装置は、冗長性の確保のためにあらかじめ１つまたは複数の半導体装置１を余分に直列接続しており、半導体装置１の故障時にはカバープレート３とベースプレート４の間を短絡させることで、直列に接続された残りの半導体装置１のみで電力変換装置の動作は継続する。カバープレート３とベースプレート４の間を短絡させるためには、半導体チップ８の故障時に半導体チップ８を介した電気的な接触の維持が必要である。しかしながら、故障時に半導体チップ８と通電部材５が機械的に外れると、電気的な接触が維持できない。電気的接触を維持するために、半導体チップ８を通電部材５で押し付けるばね７が設けられる。通電部材５を押し付けることにより、通電部材５と半導体チップ８の電気的接触が維持される。

半導体装置１の組み立てについて説明する。図４は実施の形態１に係る半導体装置１の要部の組み立てを示す斜視図、図５は実施の形態１に係る半導体装置１の組み立てを示す斜視図である。ユニット１００は、図４に示すように、凹部５ａにばね７を挿入して設置し、通電部材５の下端面５ｅと電極パッド８ａを接触させて組み立てられる。半導体装置１は、図５に示すように、ベースプレート４と電極パッド８ｂとを接続し、ベースプレート４に外壁２を取り付け、外壁２の開口部をカバープレート３でふさぐことで組み立てられる。

半導体装置１に含まれるユニット１００の数は１つでも複数でも構わない。図６は、実施の形態１に係る半導体装置１の別の構成を示す斜視透視図である。図６において、半導体装置１は４つのユニット１００を備える。半導体装置１が備えるユニット１００の数は４つに限られず、半導体装置１の仕様に応じて任意の数のユニット１００を含むことができる。

半導体装置１に含まれる半導体チップ８の数は１つでも複数でも構わない。図７は、実施の形態１に係る半導体装置１の別の構成概要を示す断面図である。図７において、半導体チップ８はダイオードチップ８１とスイッチングチップ８２の双方を備える。ダイオードチップ８１は、電極パッド８１ａで通電部材５１と接する。スイッチングチップ８２は、エミッタ電極パッド８２ａで通電部材５２と接する。スイッチングチップ８２は、エミッタ電極パッド８２ａと同じ側にゲート電極パッド８２ｂを備え、ゲート配線１０の一端と接続されている。ゲート配線１０の他端は、カバープレート３に設けられたゲート信号用基板９に接続されている。ゲート信号用基板９は外壁２とカバープレート３との間から半導体装置１の外部に出ており、ゲート信号用基板９は外部の機器と接続される。

半導体装置１の動作について説明する。電力変換装置の高い信頼性を維持するために、半導体チップ８が故障しても半導体装置１が組み込まれた電力変換装置の動作が継続される機能が半導体装置１に付加されている。以下、詳細を説明する。半導体チップ８の故障は、例えば複数のスイッチングチップ８２のうちの１つでＯＦＦ状態からＯＮ状態に遷移するタイミングが他のスイッチングチップ８２の遷移のタイミングとずれることで発生する。遷移のタイミングがずれると、本来なら並列に接続された複数のスイッチングチップ８２に均等に分割されるべき電流が、タイミングのずれた１つのチップに流れることになる。その場合、並列に接続されたコンデンサに蓄えられた電荷がタイミングのずれたスイッチングチップ８２に流入し、瞬間的に大きな電流がそのスイッチングチップ８２に流れることになる。

従来、通電部材とスイッチングチップに定格を超えた大きな電流が流れると、通電部材の抵抗成分に応じた熱が通電部材に発生して、通電部材の温度が上昇し、通電部材が軟化することがあった。同時に、通電部材に対して生じる大きな電磁力によって通電部材が変形し、通電部材が破損することがあった。特に通電部材が破損して断線した場合、断線した箇所には隙間が発生する。発生した隙間には電位差があるため、隙間にアーク放電が発生する。アーク放電が発生すると半導体装置１の内部を満たしている気体が加熱され、半導体装置１の内部圧力が上昇し、その後内部圧力が半導体装置１の外壁２の耐久力を超えて、外壁２を破損させる可能性がある。内部圧力の上昇の程度が著しい場合、半導体装置１は破損し、その破損は電力変換装置の内部の他の部品の損傷につながることもある。半導体装置１の破損が抑制されない場合、半導体装置１の周囲に電力変換装置の内部の他の部品を保護するための特別な筐体構造などを別途設ける必要があった。

本願では、回転対称な形状の通電部材５を備えたため、電磁力による通電部材５２の変形を防ぎアーク放電は抑制される。電磁力による通電部材５２の変形を防ぎアークの発生を抑制することは、半導体装置１の破損を防ぐことになり、半導体装置１は高い信頼性を備えることになる。またアークの発生を抑制することで半導体装置１の破損を防ぐことができるため、特別な筐体構造を設けなくてもよく、半導体装置１の小型化に加えて、電力変換装置の内部において半導体装置１の設置に必要な空間を小さくすることができる。

通電部材５の別の構成例について説明する。図８は、実施の形態１に係る半導体装置１の別の通電部材５を示す斜視図である。図２では通電部材５の中心軸５ｃに垂直な断面の外周が円形であったが、図８に示す通電部材５は通電部材５の中心軸５ｃに垂直な断面の外周を多角形としている。図８では四角形の外周を示したがこれに限るものではなく、中心軸５ｃに対して回転対称となる形状であれば例えば六角形であっても構わない。通電部材５の中心軸５ｃに垂直な断面の外周を多角形とすることで、通電部材５は曲面を有さないため、切削加工で通電部材５を形成する場合、製造が容易になる。

以上のように、実施の形態１による半導体装置１は、通電部材５を凹部５ａの中心軸５ｃに対して回転対称となる形状で設けて電磁力による通電部材５の変形を防ぎアークの発生を抑制したため、アークに起因した半導体装置１の破損は防止されるので半導体装置１に特別な筐体構造を設けなくてもよく、半導体装置１の小型化を実現することができる。また、通電部材５を凹部５ａの中心軸５ｃに対して回転対称となる形状で設けて電磁力に耐えるための通電部材５の厚みを薄くすることができるため、通電部材５さらには半導体装置１を小型化することができる。また、通電部材５の中心軸５ｃに垂直な断面の外周が円形である場合は、電流が中心軸５ｃの方向で完全に対称になり電磁力による負荷が集中しないため、電磁力に耐える通電部材５の厚みを薄くすることができる。また、ばね７が半導体チップ８を押圧するため、半導体チップ８が破損してもカバープレート３とベースプレート４との間を確実に短絡することができる。また、通電維持部５ｄにより、ばね７が半導体チップ８を押圧する際もカバープレート３とベースプレート４との間の通電を維持することができる。

実施の形態２．
実施の形態２に係る半導体装置１について説明する。図９は半導体装置１の構成概要を示す断面図、図１０は半導体装置１の構成を示す斜視透視図、図１１は図９の一点鎖線Ａ－Ａにおける断面図である。実施の形態２に係る半導体装置１は、半導体チップ８を押圧する中核部材６を設け、中核部材６に通電補助部材５ｆを密着して固定した構成になっている。

通電部材５は中核部材６と通電補助部材５ｆを備える。中核部材６は、凹部５ａを取り囲み、半導体チップ８の他方の面が備えた電極パッド８ａを押圧する。通電補助部材５ｆは、中核部材６を取り囲み、中核部材６に固定される。中核部材６はヤング率が通電補助部材５ｆよりも高い金属で、例えばステンレスである。中核部材６が取り囲む凹部５ａにばね７が設置される。圧縮されてカバープレート３と接するばね７は、中核部材６を介して半導体チップ８を押圧する。

通電補助部材５ｆは複数に分割されている。図１１に示すように、複数の通電補助部材５ｆは凹部５ａの中心軸５ｃに対して回転対称となるように中核部材６の側面に設けられる。通電補助部材５ｆの中核部材６と対向する面はすべて中核部材６と密着して固定される。通電補助部材５ｆは中核部材６よりも電気抵抗率の小さな金属材料で、例えば無酸素銅またはタフピッチ銅である。図９に示すように、通電補助部材５ｆおよび中核部材６を介して、カバープレート３と半導体チップ８とは接続される。通電補助部材５ｆはカバープレート３との接触箇所に通電維持部５ｄである曲げ部を備え、カバープレート３とベースプレート４との間を所定の圧接力で加圧した時に、カバープレート３と通電補助部材５ｆとが確実に接触され、カバープレート３と半導体チップ８との間に通電経路が形成される。曲げ部が通電維持部５ｄとなるため、実施の形態１と同様にばね５ｇを設けてもよい。通電補助部材５ｆと中核部材６との接続は、例えば嵌め合い、ねじによる固定、導電性接着剤を介した固定により行われるが、これらに限るものではない。

複数の通電補助部材５ｆは、図１１に示すように、中心軸５ｃに対して回転対称に配置されているので、通電時に通電補助部材５ｆに電磁力の加わる方向は中心軸５ｃに向かう方向になる。すべての通電補助部材５ｆは中心軸５ｃの側で中核部材６に接しており、中核部材６に向かう方向に電磁力は発生する。通電補助部材５ｆは中核部材６が機械的な支えとなるため、電磁力に起因した通電補助部材５ｆの変形を防止することができる。なお図１１では八角柱の形状の中核部材６を示したがこれに限るものではなく、中心軸５ｃに対して回転対称となる形状であれば他の角柱形状であっても構わない。

半導体装置１の組み立てについて説明する。図１２は実施の形態２に係る半導体装置１の要部であるユニット１００の組み立てを示す斜視図、図１３は実施の形態２に係る半導体装置１の組み立てを示す斜視図である。ユニット１００は、図１２に示すように、凹部５ａにばね７を挿入して設置し、中核部材６の側面６ａに通電補助部材５ｆを固定し、中核部材６の下端面６ｂと電極パッド８ａを接触させて組み立てられる。半導体装置１は、図１３に示すように、ベースプレート４と電極パッド８ｂとを接続し、ベースプレート４に外壁２を取り付け、外壁２の開口部をカバープレート３でふさぐことで組み立てられる。

半導体装置１に含まれるユニット１００の数は１つでも複数でも構わない。図１４は、実施の形態２に係る半導体装置１の別の構成を示す斜視透視図である。図１４において、半導体装置１は４つのユニット１００を備える。半導体装置１が備えるユニット１００の数は４つに限られず、半導体装置１の仕様に応じて任意の数のユニット１００を含むことができる。

半導体装置１に含まれる半導体チップ８の数は１つでも複数でも構わない。図１５は、実施の形態２に係る半導体装置１の別の構成概要を示す断面図である。図１５において、半導体チップ８はダイオードチップ８１とスイッチングチップ８２の双方を備える。ダイオードチップ８１は、電極パッド８１ａで中核部材６１と接する。スイッチングチップ８２は、エミッタ電極パッド８２ａで中核部材６２と接する。スイッチングチップ８２は、エミッタ電極パッド８２ａと同じ側にゲート電極パッド８２ｂを備え、ゲート配線１０の一端と接続されている。ゲート配線１０の他端は、カバープレート３に設けられたゲート信号用基板９に接続されている。ゲート信号用基板９は外壁２とカバープレート３との間から半導体装置１の外部に出ており、ゲート信号用基板９は外部の機器と接続される。

なお、以上では複数の通電補助部材５ｆを設ける構成としたがこれに限るものではなく、図１６のユニット１００の断面図に示すように、円筒形状の中核部材６の側面６ａに円筒形状の一つの通電補助部材５ｆを嵌め合って固定する構成であっても構わない。複数の通電補助部材５ｆを設けた場合と比較して、通電補助部材５ｆと中核部材６の固定箇所が減るため、製造工程が簡略化される。

以上のように、実施の形態２による半導体装置１では、ヤング率が通電補助部材５ｆよりも高い中核部材６に通電補助部材５ｆが固定され、中核部材６が通電補助部材５ｆの機械的な支えとなるため、電磁力に起因した通電補助部材５ｆの変形を防止することができる。また、カバープレート３とベースプレート４から受ける圧接力に起因した通電部材５の変形を防止することができる。また、中核部材６により通電補助部材５ｆの変形が防止されるため、通電補助部材５ｆの厚みを薄くでき、通電補助部材５ｆさらには半導体装置１を小型化することができる。また、通電補助部材５ｆは中核部材６よりも電気抵抗率の小さな金属材料で設けられ、通電時に必要な通電補助部材５ｆの断面積を小さくできるため、通電補助部材５ｆさらには半導体装置１を小型化することができる。

実施の形態３．
実施の形態３に係る半導体装置１について説明する。図１７は半導体装置１のユニット１００の一部を示す断面図、図１８は半導体装置１の中核部材６を示す断面図である。実施の形態３に係る半導体装置１は、実施の形態２で示した半導体装置１の構成に加えて、中核部材６の側面６ａに通電補助部材５ｆを固定する溝６ｃを設けた構成になっている。

中核部材６は、図１８に示すように、八角形の側面６ａのそれぞれに中心軸５ｃの方向に沿った溝６ｃを備える。溝６ｃは例えば切削加工にて形成される。通電補助部材５ｆは、図１７に示すように、それぞれの溝６ｃに嵌め合って固定される。通電補助部材５ｆと溝６ｃとの接続は嵌め合いに加えて、ねじによる固定、導電性接着剤を介した固定を行ってもよい。

溝６ｃを設ける理由について説明する。複数の通電補助部材５ｆに電流が流れた際、隣接する通電補助部材５ｆ同士が引き合う方向に電磁力が発生する。複数の通電補助部材５ｆに同じ大きさの電磁力が加われば、通電補助部材５ｆには変形が発生せず、破断することもない。しかしながら、通電補助部材５ｆの微小な位置ずれなどにより、それぞれの通電補助部材５ｆに流れる電流にばらつきが存在すると、隣接する通電補助部材５ｆに向かう電磁力に差が生じるため、通電補助部材５ｆのどちらかに向かう変形が発生することになる。ひとたび変形が発生すると、距離の近づいた通電補助部材５ｆに向かう方向の電磁力が大きくなり、より大きな変形が発生する。大きな変形は、通電補助部材５ｆの破断、そしてアークの発生につながる。電磁力による通電補助部材５ｆの変形を防いでアークの発生を抑制することは、半導体装置１の破損を防ぐことになり、半導体装置１は高い信頼性を備えることになる。通電補助部材５ｆの変形の原因となる通電補助部材５ｆの位置ずれを抑制するために、溝６ｃが設けられる。

通電補助部材５ｆの別の構成例について説明する。図１７では溝６ｃの大きさに合わせた断面形状の通電補助部材５ｆを示したがこれに限るものではなく、図１９または図２０に示すように、通電補助部材５ｆは溝６ｃよりも大きい断面形状または小さい断面形状であっても構わない。通電補助部材５ｆの断面形状の大きさは、例えば通電補助部材５ｆに通電される電流の大きさによって決定される。

以上のように、実施の形態３による半導体装置１では、中核部材６の側面６ａに通電補助部材５ｆを固定する溝６ｃを設けたため、通電補助部材５ｆの変形およびアークの発生の原因となる通電補助部材５ｆの位置ずれを抑制することができる。

実施の形態４．
実施の形態４に係る半導体装置１について説明する。図２１は半導体装置１のユニット１００の一部を示す断面図である。実施の形態４に係る半導体装置１は、実施の形態３で示した半導体装置１と、通電補助部材５ｆの断面形状が異なる構成になっている。

通電補助部材５ｆの中心軸５ｃに垂直な断面の形状は、角部５ｈが曲率を有する角形状である。角部５ｈは例えばＲ加工により形成される。通電補助部材５ｆは溝６ｃの底部では面で接し、溝６ｃの２つの側面では点で接しており、通電補助部材５ｆと溝６ｃは３ヵ所で接するため通電補助部材５ｆの位置ずれは抑制され、通電補助部材５ｆは溝６ｃと安定して接続される。

角部５ｈに曲率を有した角形状を設ける理由について説明する。電流が導体に流れる時、電流密度は導体の表面では高くなり、表面から離れて内側に向かうほど低くなるという表皮効果が知られている。電流が導体表面に流れる電流の１／ｅになる距離を表皮深さといい、導体の電気抵抗率と誘電率で規定される。例えば銅線の場合、交流電流が４～５ｋＨｚに対して表皮深さは１ｍｍ程度となる。角のない断面は角部に電流を集中させないため表皮効果に対して最も効果的な形状であり、少ない断面積で高い発熱密度抑制効果を備えることになる。

通電補助部材５ｆの別の構成例について説明する。通電補助部材５ｆが角部５ｈに曲率を有した構成は、図２２に示すように、円形であっても構わない。通電補助部材５ｆは溝６ｃの底部では点で接し、溝６ｃの２つの側面でも点で接しており、通電補助部材５ｆと溝６ｃは３ヵ所で接するため通電補助部材５ｆの位置ずれは抑制され、通電補助部材５ｆは溝６ｃと安定して接続される。円形の通電補助部材５ｆは、例えば電線である。

以上のように、実施の形態４による半導体装置１では、通電補助部材５ｆの断面形状が角部５ｈに曲率を有した角形状であるため、角部５ｈに電流が集中せず、少ない断面積で高い発熱密度抑制効果を備えることができる。また、通電補助部材５ｆは溝６ｃと３ヵ所で接するため、通電補助部材５ｆの位置ずれを抑制することができる。また、通電補助部材５ｆを溝６ｃと安定して接続することができる。

なお、通電維持部は、図２３に示すように、通電補助部材５ｆのカバープレート３と対向する面に設けた、カバープレート３が備えた凹部３ａと嵌め合う凸部５ｉであってもよい。半導体チップ８の故障時に、ばね７の半導体チップ８の押圧により通電補助部材５ｆとカバープレート３との間に隙間が形成されても、凹部３ａと凸部５ｉの相互の側面で接触が維持されるため、カバープレート３とベースプレート４との間の通電は維持される。凹部３ａの形状は、図２４に示すように、貫通孔３ｂであっても構わない。また、カバープレート３に凸部を設け、通電補助部材５ｆに凹部または貫通孔を設けてもよい。通電維持部を嵌め合い構造で形成することで、ばね５ｇが不要となるため部品点数を減少させることができる。

また本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１半導体装置、２外壁、３カバープレート、３ａ凹部、３ｂ貫通孔、４ベースプレート、５通電部材、５ａ凹部、５ｂ底部、５ｃ中心軸、５ｄ通電維持部、５ｅ下端面、５ｆ通電補助部材、５ｇばね、５ｈ角部、５ｉ凸部、６中核部材、６ａ側面、６ｂ下端面、６ｃ溝、７ばね、８半導体チップ、８ａ電極パッド、８ｂ電極パッド、９ゲート信号用基板、１０ゲート配線、１００ユニット

Claims

半導体チップ、
前記半導体チップの一方の面と接続された導電性のベースプレート、
前記ベースプレートと接して前記半導体チップを取り囲む絶縁性の外壁、
前記半導体チップの他方の面と対向して前記外壁をふさぐ導電性のカバープレート、
前記半導体チップと前記カバープレートとの間に設けられ、前記半導体チップと前記カバープレートとを接続する通電部材、
前記カバープレートの側で開口する前記通電部材の凹部に設けられ、前記通電部材を介して前記半導体チップの他方の面の電極を押圧するように付勢された弾性部材、
および前記カバープレートと前記通電部材との接触を維持する通電維持部を備え、
前記通電部材は前記凹部の中心軸に対して回転対称となる形状であることを特徴とする半導体装置。
前記通電部材の前記中心軸に垂直な断面の外周が円形であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記通電部材の前記中心軸に垂直な断面の外周が多角形であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記通電部材は、前記凹部を取り囲み、前記半導体チップの他方の面が備えた電極を押圧する中核部材と、前記中核部材を取り囲み前記中核部材に固定された通電補助部材とを備え、
前記中核部材はヤング率が前記通電補助部材よりも高い金属であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置。
前記通電補助部材は複数に分割されていることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
前記通電補助部材の前記中核部材と対向する面はすべて前記中核部材と密着して固定されたことを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
前記中核部材は側面に前記中心軸の方向に沿った溝を備え、
前記通電補助部材は前記溝と嵌め合って固定されたことを特徴とする請求項５または請求項６に記載の半導体装置。
前記通電補助部材の前記中心軸に垂直な断面の形状は角部が曲率を有する角形状であり、前記通電補助部材は前記溝に３ヵ所以上で接したことを特徴とする請求項７に記載の半導体装置。
前記通電維持部は、前記通電部材の前記カバープレートと対向する面に設けた、前記カバープレートが備えた凹部または貫通孔と嵌め合う凸部であることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の半導体装置。