JPH11274185A - 圧接型半導体装置、及びこれを用いた変換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】加圧接触型半導体装置において、半導体素子と
パッケージ電極間の均一な接触状態を確保し、熱抵抗，
電気抵抗を低減する。 【解決手段】複数の半導体素子（１）の主電極と平型パ
ッケージの主電極板（５）の間、または半導体素子の各
主面上に配置した中間電極板（３）と主電極板との間に
金網もしくは凹凸加工した金属板（６）を配置する。 【効果】大面積域での均一加圧を比較的低圧力で簡単に
実現することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、加圧接触型半導体
装置に係り、特に半導体素子とパッケージ電極間の均一
な接触状態を確保し、かつ熱抵抗，電気抵抗を低減でき
る圧接型半導体装置、及びこれを用いた変換器に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】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、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。パワー用半導体素子としては、サイリス
タ，光サイリスタ，ゲートターンオフサイリスタ（ＧＴ
Ｏ）や、ＭＯＳ制御デバイスである絶縁ゲート型バイポ
ーラトランジスタ（以下ＩＧＢＴと略す）やＭＯＳ型電
界効果トランジスタ（以下MOSFETと略す）などがある。
これらのデバイスでは、主に半導体チップの第一主面上
に主電極（カソード，エミッタ電極），第二主面側には
もう一方の主電極（アノード，コレクタ電極）が形成さ
れる。

【０００３】ＧＴＯ，光サイリスタ等の大電力用の半導
体装置においては、素子を１枚のウエハ毎にパッケージ
ングしている。上記素子の両主電極は、ＭｏまたはＷか
らなる中間電極板（熱緩衝用電極板）を介してパッケー
ジの一対の外部主電極板により加圧接触される構造とな
っている。スイッチング動作の均一性や大電流の遮断特
性の向上等のためには、上記素子電極，中間電極板，外
部主電極板間の接触状態をできるだけ均一化し、かつ接
触熱抵抗，電気抵抗を下げることが重要である。このた
め、一般にはパッケージ部品の加工精度（平面度，平坦
度）を上げて反りやうねりを低減する対策がとられてい
る。

【０００４】一方、ＩＧＢＴ等ではこれまで主にモジュ
ール型構造と呼ばれる、ワイヤによる電極接続方式のパ
ッケージ形態により複数個のチップを実装していた。こ
のようなモジュール型パッケージの場合、素子内部で発
生した熱はパッケージの片面（ワイヤ接続しない面）、
すなわちベース基板上に直接マウントした電極側のみか
ら逃がすことになるため、一般に熱抵抗が大きく、一つ
のパッケージに実装できるチップ数や使用できる電流容
量（発熱量、または実装密度）に制限があった。

【０００５】最近、このような問題に対処し、さらに大
容量化の要求に応えるため、特開平8−88240号公報等に
提案されているような多数のＩＧＢＴチップを平型のパ
ッケージ内に並列に組み込み、その主面に形成されたエ
ミッタ電極，コレクタ電極をそれぞれパッケージ側に設
けた一対の外部主電極板に面接触させて引き出すように
した多チップ並列型加圧接触構造の半導体装置が注目さ
れている。この多チップ並列型の圧接型半導体装置で
は、部材寸法ばらつきに起因するチップ位置毎の部材高
さのばらつきや主電極板の反りやうねりによる場所毎の
ばらつきが避けられず、これによりチップ毎に加圧力が
異なり均一な接触が得られない、すなわち熱抵抗，電気
抵抗がチップ位置毎に大きく異なり、全体としての素子
特性が安定しないという大きな問題があった。最も単純
には、寸法の厳密に揃った部材を用いることで対処でき
るが、部品のコスト、および選別のコスト等のアップが
避けられず、現実的ではない。この問題に対して、特開
平8−88240号公報においては、Ａｇなどの延性のある軟
金属シートを厚さ補正板として介在させる方法を開示し
ている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記ＧＴＯ等のパッケ
ージにおいては、今後ますます大容量化のために素子サ
イズ（ウエハサイズ）が大型化し、この大口径化に伴っ
てパッケージ部品（電極部品）の反り，うねり等も大き
くなる傾向にある。前述のようなパッケージ部品の加工
精度（平面度，平坦度）を上げて反りやうねりを低減す
るという対策には加工上の限界があり、また加工コスト
面での問題も大きい。従って素子サイズ（ウエハサイ
ズ）全面にわたって、ウエハ及びパッケージ部品（電
極）間の均一な接触を確保し、熱抵抗，電気抵抗を低減
することがますます困難になってきている。

【０００７】一方、多チップ並列型の圧接型半導体装置
におけるチップ間の均一接触の問題に対処する方法とし
て開示されている前述の軟金属シートをはさむ方法は、
本発明者らの検討によると、少なくとも半導体チップを
破壊しない実用の圧力範囲ではその変形量がごくわずか
（弾性変形による変形のみ）であり、チップ位置毎の高
さ（及びチップを挟む中間電極部材等を含めた高さ）の
ばらつきが大きい場合にはその変形量が不十分で、均一
な接触を確保できないことが明らかとなった。この原因
は図１５に模式図で示したように軟質金属シート面に厚
さ方向に圧力を加えて横方向へ塑性変形させようとした
場合にも、軟質金属シート５３を挟む電極部材５４，５
５との界面で発生する摩擦力（摩擦抵抗）５６のため、
軟金属材料といえども横方向への変形抵抗が非常に大き
くなってしまうことによると考えられる。変形させるた
めに加圧力を上げても、摩擦力も圧力に比例して大きく
なるので塑性変形は容易には起こらない。特にシート状
のような厚さに比べて抵抗を受ける面積が非常に大きい
場合には、この表面に発生する摩擦力の影響が支配的と
なるため、一般に知られている材料の降伏応力を超える
圧力を加えても実際には実質的な塑性変形（流動）が起
こらず、軟金属シートの厚さは加圧の前後でほとんど変
わらない。

【０００８】本発明は、上記のようなウエハの大口径化
によるパッケージの大型化や、大容量化に対応する素子
の多チップ並列化に伴って、ますます困難になる大面積
領域での均一な加圧接触状態を確保する方法、すなわち
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
気抵抗を低減できる方法を提供するものである。また第
２の目的は上記により得られる半導体装置を用いること
により、特に大容量のシステムに好適な変換器を提供す
ることにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題は、少なくとも
第一主面に第一の主電極，第二主面に第二の主電極を有
する半導体素子を一対の主電極板の間に組み込んだ圧接
型半導体装置において、該半導体素子と該主電極板の間
の電極間に金網、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することにより解決できる。よ
り好ましくは、上記金網、もしくは凹凸加工した金属板
の表面に該金網、もしくは凹凸加工した金属板の材料よ
り軟質、または耐酸化性の良い緻密な金属層を形成する
か、該金網、もしくは凹凸加工した金属板に対向する電
極面に軟質金属膜を形成する。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の実施の代表的な形態を図
面に基づいて説明する。

【００１１】図１に本発明の基本的な適用形態を示す。
半導体素子１の第一主面には少なくとも第一の主電極，
第二主面には第二の主電極が形成されている。この両主
電極面上にＭｏやＷ等からなる中間電極板２，３が配置
され、さらにこの中間電極板の外側部分に一対のＣｕ、
またはＣｕ主体とする合金などからなる主電極板（共通
電極板）４，５が配置される。本実施例では中間電極板
３と主電極板５の間に金網、もしくは凹凸加工した金属
板６が挟まれており、全体が一括に加圧されて各部材間
が接触されている。図１では（ａ)，(ｂ)，(ｃ）位置で
部品１，２，３の厚さの合計が順に厚くなる例を示して
いる。これらの高さの差に対応して、加圧接触させる前
には一定の厚さを持っていた金網、もしくは凹凸加工し
た金属板６の厚さが、加圧接触後には（ａ)，(ｂ)，
(ｃ）の順につぶれて薄くなっている。すなわち、金
網、もしくは凹凸加工した金属板の高さを含めた全体と
しての高さ（部品１，２，３，６の厚さの合計）が
（ａ)，(ｂ)，(ｃ）位置で同じになるように金網、もし
くは凹凸加工した金属板が加圧変形し、その厚さが変化
している。これにより、上記部材１，２，３に各々厚さ
ばらつきがあったり、主電極板４，５に反りやうねりが
ある場合でも複数のチップ位置（ａ)，(ｂ)，(ｃ）間で
良好な加圧接触状態を確保して半導体素子を実装でき、
従って熱抵抗，電気抵抗のばらつきの少ない半導体装置
が実現できる。図１では主電極板５と中間電極板３に対
向して圧接される面に金網、もしくは凹凸加工した金属
板６を挟んだ例を示したが、この位置はもちろん他の接
触面、すなわち主電極板４と中間電極板２の間や素子１
と中間電極板２，３の間でも良く、また複数の界面に対
して同時に適用しても構わない。また電極間ごとに異な
る金網、もしくは凹凸加工した金属板を配置してももち
ろんよい。

【００１２】図２には、電極板７と電極板８の間に設け
た金網９の加圧による変形過程のモデル図を示した。図
２（ａ）は大きな加圧変形が起こる前の接触した状態、
(ｂ)は加圧変形途中の状態、（ｃ）は加圧され変形が十
分に起った後の状態を示している。一方、図３には、二
つの電極板の間に金網を加圧接触させた場合の厚さ方向
の変形量、すなわち高さの変化量及び電気抵抗と加圧力
との関係を示した。

【００１３】図２（ａ），図３（ａ）の状態では、荷重
が小さく金網の厚さ方向の変形量は少ない。電極板と金
網との間の接触電気抵抗は加圧力に大きく依存するた
め、電気抵抗値は加圧力を上げるにつれて大きく低下す
る。さらに大きな荷重がかけられると、図２（ｂ），図
３（ｂ）に示すように、電極板７と電極板８の間に設け
た金網９が大きく圧縮変形する。すなわち金網を構成す
る金属線（繊維）がつぶれて大きく変形し、金網の厚さ
が薄くなる。これは電極板７，８に接している金網の一
部分に荷重が集中し、この部分にかかる圧力が見かけの
圧力より非常に高くなるので金網が容易に圧縮変形を始
めることによる。また図１４に示した緻密な金属箔（薄
板）の場合と異なり、金網には多くのすき間があるため
に、加圧を受けた金属の変形を空間的に拘束するものが
少なく、比較的容易に加圧変形できることによる。この
変形にともなって、電極板７および電極板８の表面と金
網９との接触面積が増大する。さらに変形が大きいの
で、金属表面の酸化被膜が破られて新生面での良好な接
触が得られる様になるため、この際にできる接触界面は
非常に密接にコンタクトした状態となっている。これら
の効果により、電気抵抗もさらに減少する。

【００１４】金網９の変形が十分に起こった後では電極
板７，８と金網９とがかなりの面積で接触するようにな
るため、さらに荷重を増加しても面圧としてはあまり大
きくならず、さらに図１５と同様の理由で変形抵抗が増
大してくるために、図２(ｃ)，図３（ｃ）に示すように
変形量の変化は小さくなる。原理的には無限大の荷重を
加えられれば、界面が完全に埋める状態まで変形させる
ことも可能であるが、現実には荷重の制限等により完全
に埋めることは不可能で、未接触部分が多少残るが電気
抵抗への影響は小さく、十分小さな値が得られる。また
熱抵抗について測定した結果でも、電気抵抗の測定結果
とほぼ同等の挙動を示した。

【００１５】本発明で言うところの金網とは、金属繊維
を各種の織り方で編んだシート状の板のほかに、カーボ
ン繊維等の導電性を有する繊維を用いたシート状の板
や、芯材が有機樹脂からなり、表面層が金属からなる複
合構造のシート材も含む。金属繊維の材質としては、
銅，アルミニウム，銀，金等の軟質で電気抵抗，熱抵抗
の小さな金属や、半田材等の非常に軟質の金属，ニッケ
ル，ＳＵＳなどの廉価で耐酸化性の優れた材質のもの、
またはインコネル等のＮｉ基合金等で高温特性に優れた
もの等、適用対象に最も適した特性を有する材料を選択
できる。また必要荷重域での要求する変形量，電気抵抗
値，熱抵抗値に応じて、平織，綾織，平畳織，綾畳織等
の各種織り方や繊維径，目あらさ（メッシュ）等を最適
化して用いることが好ましい。一般に繊維径を太くすれ
ば変形量を増加させることが可能である。一方、変形の
起こる荷重域を制御するには、一般にメッシュを細かく
して電極板と接触する接触点の数を増やすことが有効で
ある。樹脂繊維に金属被覆した複合シート材では、弾性
変形量が金属繊維のシート材に比べて大きくできるた
め、弾性変形量が必要な用途には特に有効である。

【００１６】一方、本発明で言うところの凹凸加工した
金属板とは、一般に金属板，金属箔，金属シートと言え
ば実質的に厚さが一様で緻密な板状のものを指すのに対
して、厚さが場所により異なるようにマクロな加工を施
した板状のものを指している。エキスパンドメタル，メ
ッシュメタル，グリッドメタル，スリットメタル，パン
チングメタル，エンボス加工板，デインプル加工板，波
板等の種々の呼び方で呼ばれる金属板等が含まれる。代
表的な形状の例として、図４には断面形状のモデル図
を、図５には外観写真の例（（ａ）エキスパンドメタ
ル，（ｂ）スリット加工板，（ｃ）エンボス加工板）を
示す。

【００１７】図６に凹凸加工した金属板の一例として、
波板１０を加圧した場合の変形過程のモデル図を示し
た。図６（ａ）は大きな加圧変形が起こる前の接触した
状態、（ｂ）は加圧変形途中の状態、（ｃ）は加圧され
変形が十分に起った後の状態を示している。荷重を大き
くして行くと、板厚，材質，加工ピッチ，加工形状等で
決まるある加圧領域で電極板７と電極板８の間に設けた
波板１０が大きく圧縮変形する。すなわち波形の凹凸加
工部分がつぶれて大きく変形し、波板１０の厚さが薄く
なる。図１５に示した緻密な金属箔（薄板）の場合と異
なり、凹凸加工を施した分だけ凹凸部周辺には多くのす
き間があるために、加圧を受けた金属の変形を空間的に
拘束するものが少なく、比較的容易に大きな加圧変形が
得られる。この変形にともなって、電極板７および電極
板８の表面と波板１０との接触面積が増大する。さらに
変形が大きいために、金属表面の酸化被膜が破られて新
生面での良好な接触が得られる様になるため、この際に
できる接触界面は非常に密接にコンタクトした状態とな
っている。これらの効果により、電気抵抗，熱抵抗は大
きく減少する。波板１０の変形が十分に起こった後では
電極板７，８と波板１０とがかなりの面積で接触するよ
うになり、荷重を増加しても面圧としてはあまり大きく
ならず、さらに図１５と同様に変形抵抗が増大してくる
ために、変形量の変化が小さくなる。

【００１８】金属板の材質としては、前述と同様に銅，
アルミニウム，銀，金，半田材，ニッケル，ＳＵＳ、ま
たはＮｉ基合金等の各種合金類から、適用対象に最も適
した特性を有する材料を選択できる。また凹凸加工する
元の板の厚さ，凹凸加工の深さ，ピッチ等についても、
必要圧力域での要求する変形量，電気抵抗値，熱抵抗値
に応じて最適なものを選択できる。半導体装置の使用形
態に応じて、熱抵抗，電気抵抗の低減、または変形能の
向上のどちらを優先するかによって最適な材質，表面処
理を選択するのが好ましい。

【００１９】変形量を特に大きく確保したい場合には、
金網、もしくは凹凸加工した金属板を複数の異なる電極
板間位置に配置する方法や、複数枚の金網、もしくは凹
凸加工した金属板を組合せて一つの電極板間に配置する
方法が好ましい。複数枚の金網、もしくは凹凸加工した
金属板を組合せて用いる場合には、あらかじめそれらを
一体化する前処理を施しておくことも有効である。

【００２０】これらの材料は弾塑性変形能を有するた
め、変形後に除荷すると弾性変形分の戻りが見られる
が、ほぼ実装部品間の高さのばらつきに対応した塑成変
形分は保持される。再度加圧する場合には、この弾性変
形分を利用して同じ圧力で十分な接触が確保できる。

【００２１】金網、もしくは凹凸加工した金属板とそれ
を挟む電極板との接触抵抗をより低減するための方法と
して、金網、もしくは凹凸加工した金属板の表面に金
網、もしくは凹凸加工した金属板材料より軟質、または
耐酸化性の良い金属層を印刷，めっき等の方法により形
成するのが好ましい。特に硬い金属材料や、酸化しやす
い金属の場合に有効である。例えば、Ｎｉの金網、もし
くは凹凸加工した金属板にＡｇやＡｕの軟質膜を形成し
たものや、ＣｕやＡｌの金網、もしくは凹凸加工した金
属板にＡｇやＡｕの表面酸化防止膜を形成したものが用
いられる。さらに別の方法としては、金網、もしくは凹
凸加工した金属板の表面に緻密な金属箔を配置して一体
に成形する方法がある。この金属箔には、金網、もしく
は凹凸加工した金属板材料より軟質、または耐酸化性の
良い金属箔を用いたものがより有効である。例えば、Ｃ
ｕやＡｌの金網、もしくは凹凸加工した金属板表面にＣ
ｕ，Ａｌ，Ａｇ，Ａｕ等の箔を形成したものが用いられ
る。

【００２２】高さの補正と電気抵抗，熱抵抗の低減を最
適に実現するために、電極間に金網、もしくは凹凸加工
した金属板だけでなく、軟質の金属箔と同時に配置して
もよい。例えば、上側の主電極板と中間電極板の間には
Ａｕ箔を挿入し、下側の主電極板と中間電極板の間には
金網、もしくは凹凸加工した金属板を挿入して、接触面
積が異なる場合にも同じ荷重でほぼ同等の変形量を確保
する方法も有効である。

【００２３】図７は、IGBT11を用いたスイッチングデバ
イスと逆並列に接続したフライホイールダイオード（Ｆ
ＷＤ）１２を組み込んだ逆導通型スイッチングデバイス
に適用した例を示したものである。図には、右端の圧接
型半導体装置の最外部から中央に向かった途中までの一
部断面を示している。ＩＧＢＴチップ１１には上面側の
第一主面のほぼ全面にエミッタ電極，下面側の第二主面
にはコレクタ電極が形成されており、さらに第一主面に
は制御用電極（ゲート電極）が形成されている。また、
ＦＷＤ１２には、シリコン基板の上面側にアノード電
極，下面側にカソード電極が形成されている。これらの
各半導体チップは、放熱と電気的接続を兼ねたＭｏから
なる一体型の中間電極１４の上に配置され、さらにチッ
プごとに個別の中間電極１３によりチップ上の各主電極
と接する形で配置される。これらがさらに第１の共通主
電極板（Ｃｕ）４と第２の共通主電極板（Ｃｕ）５に挟
まれている。さらにこの中間電極１３と共通主電極板４
との間には、凹凸加工した金属板である銅の波板１７が
挟まれている。中間電極板の表面にはＡｕめっき膜１５
が約１μｍ形成され、共通電極板の表面にはＮｉめっき
膜１６が１〜３μｍ形成されている。上記半導体チッ
プ、及び中間電極は枠２４により互いに固定されてい
る。また、ＩＧＢＴチップ１１のゲート電極１８からは
ワイヤボンド１９により配線が引き出され、さらに中間
電極１４上に形成されたゲート電極配線板２０に接続さ
れる。上記一対の共通主電極板４，５の間は、セラミッ
ク製等の絶縁性の外筒２１により外部絶縁され、さらに
共通主電極板と絶縁外筒の間を金属板２２によりパッケ
ージ内部をシール封止したハーメチック構造となってい
る。ゲート電極配線は外筒２１を貫通するシールされた
配線２３によりパッケージ外に引き出されている。

【００２４】上記の銅の波板１７は、ピッチ１mm，板材
の厚さ０.３mm で、表面には薄いＡｕめっきを施したも
のを用いた。初期の凹凸部を含めた全体の厚さは０.６
ｍｍであった。本実施例で実装された中間電極板の厚さ
ばらつきは最大１００μｍあったが、中間電極板１４と
チップ１１，１２間に感圧紙を挟んで圧力分布を測定し
た結果、圧力差は小さく、ほぼ均一に加圧されているこ
とがわかった。

【００２５】図８は、ＭＯＳ制御型スイッチングデバイ
ス１１とフライホイールダイオード１２を組み込んだ逆
導通型スイッチングデバイスに適用した例を示したもの
である。これらの各半導体チップの下側の主電極（コレ
クタ，カソード）はＡｕとし、あらかじめＡｇめっき膜
１５が２〜３μｍ形成された中間電極１４と加熱加圧接
着されている。一方、各半導体チップの上側の主電極
（エミッタ，アノード）はＡｌとし、あらかじめＡｕめ
っき膜１５が１〜２μｍ形成された中間電極１３と接合
されている。本実施例では、表面にＮｉめっき膜１６が
２〜４μｍ形成された第１の共通主電極板（Ｃｕ）４と
第２の共通主電極板（Ｃｕ）５の間に上記の中間電極と
半導体チップが一体化したものを並列に配置する。この
際、中間電極１４と共通主電極板５との間に、凹凸加工
した金属板として一体のエキスパンドメタル板１７を挟
んで、両共通主電極板４，５により全体を加圧した。

【００２６】上記で用いたエキスパンドメタル板１７
は、材質がＡｇで、金属板厚が約０．１ｍｍ，約３００
０mesh，初期の凹凸部を含めた全体の厚さは約０.２５m
m であった。本実施例で実装されたチップ位置毎の厚さ
ばらつきは最大８０μｍあったが、中間電極板１３と共
通主電極板４間に感圧紙を挟んで圧力分布を測定した結
果、圧力差は小さく、ほぼ均一に加圧されていることが
わかった。

【００２７】図９はゲート制御電極をチップから取り出
すためのピン２５がチップの中央に形成された実装形態
の例を示している。図７と同様にIGBT11を用いたスイッ
チングデバイスと逆並列に接続したフライホイールダイ
オード（ＦＷＤ）１２を組み込んだ逆導通型スイッチン
グデバイスに適用した例を示した。これらの各半導体チ
ップの下側の主電極（コレクタ，カソード）はＡｕ電極
とし、あらかじめＡｇめっき膜が２〜３μｍ形成された
中間電極１４と加熱加圧接着されている。一方、中間電
極１３の表面にはＡｕめっき膜１５が２〜３μｍ形成さ
れ、各半導体チップと加圧接触されている。これらがさ
らに表面にＡｇめっき膜が２〜４μｍ形成されている第
１の共通主電極板（Ｃｕ）４と第２の共通主電極板(Ｃ
ｕ)に挟まれている。高さばらつきを吸収するために、
金網を二重に重ねた複合金網１７が、中央に穴のあいた
形状に加工されて、中間電極板１３と共通電極板４の間
の、上記ピン２５、およびピンの絶縁用部材２６の周り
に配置される。この方法では個別の複合金網１７は中央
のピンの絶縁用部材２６によりその位置ずれを防止でき
るので、組立作業性等がよい。

【００２８】金網を二重に重ねた複合金網は、金網を２
枚重ねた状態で金型により所定の形状にプレス打抜きを
行うことにより周辺部が一体化されており、一つの複合
金網部品として取り扱うことができる。

【００２９】ゲート配線２７は、第１の共通主電極板
（Ｃｕ）４に設けられた溝２８に収納されてパッケージ
の外周部に引き出され、さらに配線２９，２３によりパ
ッケージ外部に取り出されている。接触抵抗をより一層
低減するために、本実施例ではＣｕの複合金網を用い、
さらにその表面にＡｕめっきを施した。これにより中間
電極板、および共通電極板との間の接触抵抗を大幅に低
減することができた。加圧力の小さい領域において、特
にこの効果が顕著であった。本実施例で実装したチップ
位置毎の厚さばらつきを最大２００μｍとしたが、中間
電極板１４と共通主電極板５間に感圧紙を挟んで圧力分
布を測定した結果、圧力差は小さく、ほぼ均一に加圧さ
れていることがわかった。

【００３０】上記の様に種類の異なる半導体チップを一
つのパッケージ内に並列実装する場合で、種類毎にその
厚さが大きく異なる場合には、チップ種に応じて中間電
極板の平均厚さを変えたものを準備しチップ厚さの大き
な違いを調整し、さらに本発明の金網、もしくは凹凸加
工した金属板による変形を主に中間電極板および半導体
チップの厚さのばらつきの吸収に用いる方法も有効であ
る。

【００３１】図１０は、ＧＴＯに適用した例を示す。半
導体素子基板３１は、シリコン（Ｓｉ）で構成され、内
部に少なくとも１つのＰＮ接合を有している。半導体素
子基板３１は、一方の主面にアルミニウム（Ａｌ）で構
成されたカソード電極及びゲート電極が形成され、他方
の主面にアルミニウム（Ａｌ）で構成されたアノード電
極が形成されている。カソード電極、及びアノード電極
の上側にはそれぞれモリブデン（Ｍｏ）からなる中間電
極板３２，３３が配置されている。中間電極板３２，３
３と銅（Ｃｕ）の一対の外部主電極板４，５間に、Ｃｕ
の金網３４，３５を配置し、全体を加圧した。半導体素
子基板１０の側面にはキャップ材３６が配置されてい
る。半導体基板上のゲート電極には、ゲートリード３７
の一部が接触配置され、その一部はゲート絶縁体３８と
皿バネ３９によりゲート電極に圧接されている。上記部
分はすべて絶縁体４０，一対の外部電極４，５、及びフ
ランジ４１により囲まれた機密パッケージ内に配置され
ている。ゲートリード３７の他端部はシール構造を介し
て、絶縁体４０の外部にゲート端子として導出される。

【００３２】図１１は、表面にＡｇの緻密な薄膜層を形
成したＣｕのパンチングメタル４２をウエハサイズの半
導体素子３１のカソード電極側と中間電極板３２の間に
配置した例を示している。半導体素子３１のアノード電
極側と共通電極板５の間にはそれぞれＡｇめっきを施し
たＭｏの金属箔４３、および中間電極板３３を配置し
た。パンチング銅板４２により、べたのＣｕ板よりも高
さばらつきを吸収でき、接触抵抗を下げることができ
た。

【００３３】図１２は半導体チップ１のコレクタ側電極
と主電極板５と間に中間電極板がない場合の例を示して
いる。半導体素子の加圧による破壊を防止するため、金
網、もしくは凹凸加工した金属板はエミッタ側の中間電
極板２と主電極板４と間に配置した。本実施例では凹凸
加工した金属板としてスリット加工したエンボス板４４
を用いた。接触抵抗のより一層の低減、及びチップ保護
のためにチップ主電極と主電極板５と間には軟質金属の
箔４５を挿入した。

【００３４】従来、一般に共通電極板、及び中間電極板
の表面は接触抵抗を低減するためにその表面粗さ（Ｒma
x)を１μｍ以下に仕上げることが必要だったが、上記金
網、もしくは凹凸加工した金属板，軟質金属箔等を挟む
共通電極板、及び中間電極板の表面は最大表面粗さ（Ｒ
max)１μｍを超える粗い凹凸状態でも、材料が表面凹凸
にあわせて変形し、接触面積がミクロに増大して接触抵
抗を低減できるので、加工コストの低減が図れる。

【００３５】上記中間電極の材料としては、熱膨張係数
がＳｉと外部主電極材料の中間で、熱伝導性，電気伝導
性の良好な材料が用いられる。具体的にはタングステン
(Ｗ)やモリブデン（Ｍｏ）等の単体金属、またはそれら
を主たる構成材料とするＣｕ−Ｗ，Ａｇ−Ｗ，Ｃｕ−Ｍ
ｏ，Ａｇ−Ｍｏ，Ｃｕ−ＦｅＮｉ等の複合材料または合
金、さらには金属とセラミックスやカーボンとの複合材
料、たとえばＣｕ／ＳｉＣ，Ｃｕ／Ｃ，Ａｌ／ＳｉＣ，
Ａｌ／ＡｌＮ，Ｃｕ／Ｃｕ₂Ｏ 等が好ましい。一方、主
電極には電気伝導性で熱伝導性の良い銅やアルミニウ
ム、またはそれらを主体とする合金類、たとえばＣｕ−
Ａｇ，Ｃｕ−Ｓｎ，Ｃｕ−Ｚｒ，Ｃｕ−Ｚｒ−Ｃｒ，Ｃ
ｕ−Ｎｉ−Ｓｉ−Ｚｒ等や、前述のような複合材料を使
用するのが好ましい。

【００３６】本発明の実装方式は、もちろんダイオード
を含まないＩＧＢＴ等のスイッチング半導体のみからな
る圧接型半導体装置にも用いることができる他、例えば
ダイオードチップのみを多数個上記の方法で圧接型パッ
ケージに実装することももちろん有効である。また、上
記実施例では、主としてＩＧＢＴを用いて説明したが、
本発明は少なくとも第一主面に第一の主電極と第二主面
に第二の主電極を有する半導体素子全般を対象としてお
り、ＩＧＢＴ以外の絶縁ゲート形トランジスタ（ＭＯＳ
トランジスタ）や、ＩＧＣＴ(Insulated Gate Controll
ed Thyristor)などを含む絶縁ゲート形サイリスタ（Ｍ
ＯＳ制御サイリスタ）や、ＧＴＯ，サイリスタ、及びダ
イオードなどに対しても同様に実施できる。また、Ｓｉ
素子以外のＳｉＣ，ＧａＮなどの化合物半導体素子に対
しても同様に有効である。

【００３７】本発明の圧接型半導体装置では、大型化
（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，熱抵抗の小さな半導体装置が得られ
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１３に本発明によるIG
BTの圧接型半導体装置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５０とダイオード素子５１
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。上記図７〜図９の実施例の逆導通
型ＩＧＢＴ圧接型半導体装置の場合には図中の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５２、及び限
流回路が設けてある。図１４は、図１３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。
本発明の圧接型半導体装置は、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。本発明によれば、従来より低い加圧力でも均一
な接触が得られるので、上記スタック構造等を簡略化で
きるという効果もある。

【００３８】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，
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。

【００３９】

【発明の効果】本発明によれば、ウエハの大口径化によ
るパッケージの大型化や、大容量化に対応する素子の多
チップ並列化に伴って、ますます困難になる大面積域で
の均一圧接を比較的低圧力で簡単に実現することができ
る、すなわち接触面の高さのばらつきを十分に吸収し、
かつ接触界面での熱抵抗，電気抵抗を低減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基本構成を示す断面図。

【図２】金網の加圧による変形過程を示すモデル図。

【図３】金網の厚さ方向の変形量、及び電気抵抗と加圧
力との関係を示した図。

【図４】凹凸加工した金属板の断面構造例を示す図。

【図５】凹凸加工した金属板の外観写真の例。

【図６】凹凸加工した金属板の加圧による変形過程を示
すモデル図。

【図７】ＩＧＢＴに適用した本発明の実施例を示す図。

【図８】ＩＧＢＴに適用した本発明の実施例を示す図。

【図９】ＩＧＢＴに適用した本発明の実施例を示す図。

【図１０】ウエハサイズ半導体素子に適用した本発明の
実施例を示す図。

【図１１】ウエハサイズ半導体素子に適用した本発明の
実施例を示す図。

【図１２】本発明の実施例を示す図。

【図１３】本発明の半導体装置を用いた１ブリッジ分の
構成回路図。

【図１４】図１３の３相ブリッジを４多重した自励式変
換器の構成図。

【図１５】従来方式で加圧した場合の軟質金属の変形挙
動を説明する図。

【符号の説明】

１…半導体素子、２，３，１３，１４，３２，３３…中
間電極板、４，５…主電極板、６，９，１０，１７，３
４，３５，４２，４４…金網、もしくは凹凸加工した金
属板、７，８…電極板、１１…ＩＧＢＴ、１２…フライ
ホイールダイオード、１５，１６…金属めっき膜、１８
…ゲート電極、１９…ワイヤボンド、２０…ゲート電極
配線板、２１…絶縁性外筒、２２…金属板、２３…気密
貫通配線、２４…枠、２５…ピン、２６…絶縁用部材、
２７…ゲート配線、２８…溝、２９…配線、３１…ウエ
ハサイズ半導体素子、３６…キャップ材、３７…ゲート
リード、３８…ゲート絶縁体、３９…皿バネ、４０…絶
縁体、４１…フランジ、４３，４５…金属箔、５０…Ｉ
ＧＢＴ素子、５１…ダイオード素子、５２…スナバ回
路、５３…軟質金属シート、５４，５５…電極部材、５
６…摩擦力（摩擦抵抗）。

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】両面に露出する一対の主電極板の間を絶縁
   性の外筒により外部絶縁した平型パッケージの中に、第
   一主面に少なくとも第一の主電極，第二主面に第二の主
   電極を有する少なくとも一つ以上の半導体素子を組み込
   んだ半導体装置であって、該半導体素子の主電極と該主
   電極板の間に金網、もしくは凹凸加工した金属板を配置
   することを特徴とする圧接型半導体装置。
2. 【請求項２】両面に露出する一対の主電極板の間を絶縁
   性の外筒により外部絶縁した平型パッケージの中に、第
   一主面に少なくとも第一の主電極，第二主面に第二の主
   電極を有する少なくとも一つ以上の半導体素子を組み込
   んだ半導体装置であって、各半導体素子の主電極とこれ
   に対向する主電極板との間に導電性の中間電極板を介装
   し、さらに少なくとも一方の該中間電極板とこれに対向
   する主電極板間に金網、もしくは凹凸加工した金属板を
   配置することを特徴とする圧接型半導体装置。
3. 【請求項３】前記金網、もしくは凹凸加工した金属板を
   配置する際、複数枚の金網、もしくは凹凸加工した金属
   板を組合せて用いることを特徴とする請求項１及び２記
   載の圧接型半導体装置。
4. 【請求項４】前記金網、もしくは凹凸加工した金属板が
   Ｃｕ，Ａｌ，Ａｇ，Ａｕ，Ｎｉまたはこれらを主成分と
   する合金からなることを特徴とする請求項１乃至３記載
   の圧接型半導体装置。
5. 【請求項５】前記金網、もしくは凹凸加工した金属板の
   少なくとも一方の表面に、金網、もしくは凹凸加工した
   金属板の材料より軟質、または耐酸化性の良い緻密な金
   属層が形成されていることを特徴とする請求項１乃至４
   記載の圧接型半導体装置。
6. 【請求項６】前記各半導体素子の主電極，中間電極板、
   及び主電極板のうち互いに対向する少なくとも一つの接
   触面間に、さらに軟質金属箔を介装することを特徴とす
   る請求項１乃至５記載の圧接型半導体装置。
7. 【請求項７】前記中間電極、または主電極板の少なくと
   も一方の面に、軟質金属膜を形成することを特徴とする
   請求項１乃至６記載の圧接型半導体装置。
8. 【請求項８】前記主電極板、及び中間電極板の少なくと
   も一面が最大表面粗さ(Ｒmax)１μmを超える粗い凹凸加
   工がなされていることを特徴とする請求項１乃至７記載
   の圧接型半導体装置。
9. 【請求項９】前記半導体素子が第一主面に第一主電極と
   制御電極，第二主面に第二主電極を有する絶縁ゲート形
   素子であり、さらに同一の圧接型パッケージ内には第一
   主面に第一主電極，第二主面に第二主電極を有するフラ
   イホイールダイオードを、上記絶縁ゲート形素子と逆並
   列に複数個並置して組み込んだことを特徴とする請求項
   １乃至８記載の圧接型半導体装置。
10. 【請求項１０】前記半導体素子が、少なくとも一つのＰ
    Ｎ接合を有する１枚の半導体素子基板であることを特徴
    とする請求項１乃至８記載の圧接型半導体装置。
11. 【請求項１１】両面に露出する一対の主電極板の間を絶
    縁性の外筒により外部絶縁した平型パッケージの中に、
    第一主面に少なくとも第一の主電極，第二主面に第二の
    主電極を有する少なくとも一つ以上の半導体素子を組み
    込み、さらに該半導体素子と該主電極板の間に金網、も
    しくは凹凸加工した金属板を配置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。
12. 【請求項１２】両面に露出する一対の主電極板の間を絶
    縁性の外筒により外部絶縁した平型パッケージの中に、
    第一主面に少なくとも第一の主電極，第二主面に第二の
    主電極を有する少なくとも一つ以上の半導体素子を組み
    込み、かつ各半導体素子の主電極とこれに対向する主電
    極板との間に導電性を有する中間電極板を介装し、さら
    に該中間電極板とこれに対向する主電極板間の少なくと
    も一方に金網、もしくは凹凸加工した金属板を配置した
    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。