專利名稱：扁平型半導(dǎo)體裝置和使用該裝置的電力變換裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及將多個半導(dǎo)體芯片并聯(lián)連接組裝到1個管殼中的扁平型半導(dǎo)體裝置和使用該裝置的電力變換裝置。
背景技術(shù)：
使用半導(dǎo)體電子技術(shù)控制主電路電流的電力電子技術(shù)已應(yīng)用在廣泛的領(lǐng)域，并且其應(yīng)用領(lǐng)域正在擴(kuò)大。特別是，近年來作為利用向MOS柵極的輸入信號控制主電流的MOS控制器件的絕緣柵型雙極性晶體管(以下，簡稱為IGBT)及MOS型場效應(yīng)晶體管(以下，簡稱為MOSFET)等受到注目，例如，IGBT作為電力開關(guān)器件在電機(jī)PWM控制反相器的應(yīng)用等中已在廣泛地使用。
在這樣的MOS控制器件中，在半導(dǎo)體芯片的第1主面上并列地形成主電極(發(fā)射極)和控制電極(柵極)，在第2主面上形成另一方的主電極(集電極)。因此，在組裝這些電極時，必須將第1主面上的主電極和控制電極分別分離并通過外部導(dǎo)出端子而引出。因此，在現(xiàn)有的稱為模塊結(jié)構(gòu)的IGBT等的組件形態(tài)下，通常將半導(dǎo)體芯片的第2主面的主電極直接全部安裝到兼作散熱體用的金屬基板上，同時，利用鋁等導(dǎo)線將第1主面上的主電極(發(fā)射極)和控制電極(柵極)鍵合到設(shè)置在管殼上的發(fā)射極和柵極用的外部導(dǎo)出端子之間，向管殼外部引出。最近，伴隨芯片的大型化，越來越要求大容量化，為了擴(kuò)大容量，開發(fā)了將多個(數(shù)個～10個左右)IGBT芯片并列到同一個管殼內(nèi)利用引線而將它們的電極相互并聯(lián)連接的模塊結(jié)構(gòu)組件。但是，在這樣的模塊型組件的情況下，由于只使在元件內(nèi)部發(fā)生的熱從管殼的一個面即直接安裝在金屬基板上的集電極側(cè)散逸，所以，通常熱阻大，對所能安裝的芯片的散熱量或電流容量有限制。另外，隨著電流容量增大，與發(fā)射極連接的鍵合金屬線的條數(shù)也增多，所以，內(nèi)部布線電感將增大，這樣，在進(jìn)行開關(guān)工作時將發(fā)生大的電涌。此外，隨著元件數(shù)增多，鍵合的導(dǎo)線的布線將變得復(fù)雜，在容器內(nèi)容易引起斷線、短路等現(xiàn)象，另外，由于導(dǎo)線細(xì)，在流過電流時，也容易由于發(fā)熱而引起斷線等問題。
作為解決上述問題的方法，已提出了將IGBT組裝到扁平型的管殼內(nèi)、使在其主面上形成的發(fā)射極和集電極分別與設(shè)置在管殼側(cè)的上下電極板進(jìn)行面接觸而引出的加壓接觸結(jié)構(gòu)的管殼。
例如，在富士時報的Vol.69，No.5(1996)中登載了安裝12個半導(dǎo)體芯片(9個IGBT和3個二極管)的耐壓2.5kV、電流容量1kA的扁平型IGBT管殼，另外，在特開平7-94673號公報中公開了將5個IGBT和1個二極管并列組裝的扁平型IGBT組件。該組件結(jié)構(gòu)的代表例示于圖17。各芯片1、2的第2主面(集電極側(cè))用焊錫62鍵合到設(shè)置在組件的共同電極板(Cu)8上的1塊電極用基板(Mo)61上，第1主面(發(fā)射極側(cè))通過與各芯片分離的個別的接觸端子體(Mo)63、64與組件的共同電極(Cu)7連接。各半導(dǎo)體芯片在管殼內(nèi)的定位是通過將定位導(dǎo)軌66嵌入到在上述電極用基板(Mo)61上的芯片固定區(qū)域的周圍形成的狹縫65中以直立狀態(tài)固定支撐于指定位置而進(jìn)行。即，將該定位導(dǎo)軌66作為外框?qū)к墝雽?dǎo)體芯片1、2和接觸端子體63、64保持在指定位置。各半導(dǎo)體芯片的控制電極(柵極)是利用鍵合引線69與設(shè)置在集電極用基板61的周邊部的布線臺67上的布線網(wǎng)68連接的。此外，為了避免與該引線接觸，在接觸端子體63上形成凹狀切口部。
另一方面，在特開平8-88240號公報的實施例中，公開了安裝了21個半導(dǎo)體芯片(9個IGBT和12個二極管)的扁平型IGBT組件。該組件結(jié)構(gòu)的代表例示于圖18。各芯片1、2的第2主面(集電極側(cè))安裝到設(shè)置在組件的共同電極板(Cu)8上的1塊電極用基板(Mo)61上，第1主面(發(fā)射極側(cè))通過與各芯片分離的個別的壓接板(Mo)63、64與組件的共同電極板(Cu)7連接。各半導(dǎo)體芯片在管殼內(nèi)的定位，使用設(shè)置在各半導(dǎo)體芯片上的芯片框70進(jìn)行。即，將各個芯片框70安裝到各半導(dǎo)體芯片的外周邊部，使該芯片框相互嵌合而將各芯片配置到同一平面上，此外，通過使用外部框71將所配置的芯片的最外周包圍，從而最后決定各芯片的位置。各芯片框可以將芯片和壓接板63、64固定，外部框71可以準(zhǔn)確地保持柵極4的位置關(guān)系。探針72的尖端與各半導(dǎo)體芯片的柵極部4接觸，由使用插孔73與其連接的各芯片的柵極引線74個別地向管殼外周部布線。另一方面，在發(fā)射極側(cè)電極板7的內(nèi)表面(壓接面)上，在芯片之間相鄰接的部分(與半導(dǎo)體芯片相對的部分的周圍)形成槽75，將上述多條柵極引線74配置到該槽75內(nèi)。
如上所述，按照扁平型管殼結(jié)構(gòu)，與現(xiàn)有的模塊型的管殼相比，在以下幾個方面得到了改善。即，1)主電極的連接不是引線鍵合，提高了連接的可靠性，2)連接導(dǎo)體的電感和電阻小了，3)由于可以從兩面將半導(dǎo)體芯片冷卻，所以，可以提高冷卻效率等。
但是，在為了實現(xiàn)大容量化而并聯(lián)連接的半導(dǎo)體芯片的數(shù)目進(jìn)一步增多時，即實際裝配到同一管殼內(nèi)的半導(dǎo)體元件的數(shù)目達(dá)到數(shù)十個到上百個以上從而容量非常大、管殼體積很大時，使用上述已知例的管殼方式，各芯片難于準(zhǔn)確地定位，由于應(yīng)處理的柵極布線的條數(shù)非常多，所以，柵極布線的處理將非常困難。另外，由布線電感引起的柵極電路發(fā)生的噪音等問題也不可忽視。此外，為了適應(yīng)高耐壓的要求而提高芯片的耐壓時，通常，由于發(fā)熱增大，因構(gòu)成管殼的部件之間的熱膨脹系數(shù)不同引起的位置偏離等影響將更為嚴(yán)重。因此，實現(xiàn)高耐壓、大電流容量的大型管殼的是非常困難的。
本發(fā)明就是鑒于上述問題而提出的，以將多個半導(dǎo)體芯片組裝到1個扁平型管殼內(nèi)的扁平型半導(dǎo)體裝置為對象，第1個目的旨在提供在大型的扁平型管殼內(nèi)以高精度并且簡便而低成本地進(jìn)行超多芯片定位的方法；第2個目的在于使內(nèi)置了多個芯片的組件的柵極信號布線的處理簡單化和高可靠化。另外，第3個目的旨在提供使用了通過上述處理得到的半導(dǎo)體裝置的特別是適合于大容量的系統(tǒng)的電力變換裝置。
發(fā)明的公開上述第1個目的可以通過將兼有在扁平型管殼內(nèi)各半導(dǎo)體芯片定位的功能賦予從各半導(dǎo)體芯片上的控制電極引出的控制電極布線和用于使其與主電極布線絕緣的絕緣用部件而實現(xiàn)。理想的情況是，可以通過采用以下結(jié)構(gòu)而實現(xiàn)。即，在介于半導(dǎo)體芯片的第1主電極間的中間電極上形成貫通孔或切口，通過與主電極布線絕緣用的絕緣用部件將從上述各半導(dǎo)體芯片上的控制電極引出的控制電極布線與在該中間電極上形成的貫通孔(或切口)和在與第1主電極相對的共同電極板上形成的孔(或槽)相連接，從而兼有從半導(dǎo)體芯片的控制電極引出的控制電極布線引出和將上述中間電極與共同電極板的相互位置定位于指定位置的功能。
另外，關(guān)于作為第2個目的的應(yīng)從各半導(dǎo)體芯片引出的多條控制電極布線的處理，可以通過將控制電極布線網(wǎng)容納于組件的共同電極內(nèi)部而將從各半導(dǎo)體芯片的控制電極引出的引出電極與其連接而解決。最好在上述組件的共同電極內(nèi)部形成的控制電極布線網(wǎng)是一體化的，在共同電極的表面的槽內(nèi)部形成，該槽穿過與相對的半導(dǎo)體芯片上的控制電極位置對應(yīng)的位置，此外，與上述控制電極布線網(wǎng)的上述引出電極電氣連接的面朝向半導(dǎo)體芯片側(cè)形成。
此外，通過使用內(nèi)置本發(fā)明的MOS控制器件(例如，IGBT)的多芯片的高耐壓、大電流容量的扁平型半導(dǎo)體裝置，與現(xiàn)有的使用在高耐壓、大電流容量的領(lǐng)域使用的GTO等的電力變換裝置相比，可以實現(xiàn)大幅度地減小裝置的體積和成本的大容量電力變換裝置。
附圖的簡單說明圖1是本發(fā)明實施例1的半導(dǎo)體裝置的剖面圖。
圖2是表示中間電極的形狀的圖。
圖3是從實施例1中使用的共同電極的半導(dǎo)體芯片一側(cè)看到的平面圖。
圖4是本發(fā)明的控制電極布線網(wǎng)的平面圖。
圖5是與本發(fā)明實施例2的半導(dǎo)體裝置控制電極布線網(wǎng)平行的剖面圖。
圖6是與本發(fā)明實施例3的半導(dǎo)體裝置與控制電極布線網(wǎng)平行的剖面圖。
圖7是與本發(fā)明實施例4的半導(dǎo)體裝置與控制電極布線網(wǎng)平行的剖面圖。
圖8是表示圖7中使用的引出腳的制造方法和立體結(jié)構(gòu)的圖。
圖9是使用本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的1個電橋的結(jié)構(gòu)電路圖。
圖10是將圖9的3相電橋構(gòu)成4重結(jié)構(gòu)的自激式變換器的結(jié)構(gòu)圖。
圖11是表示將本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置串聯(lián)裝配的層疊結(jié)構(gòu)的平面圖。
圖12是表示裝配2個圖11的層疊結(jié)構(gòu)的模塊結(jié)構(gòu)的圖。
圖13是圖12的模塊結(jié)構(gòu)的立體圖。
圖14是配置了4模塊的圖13的模塊結(jié)構(gòu)的2個分支結(jié)構(gòu)的立體圖。
圖15是使用本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的3相電橋結(jié)構(gòu)的立體圖。
圖16是將圖15的3相電橋構(gòu)成4重結(jié)構(gòu)的閥門孔(valve hole)配置圖。
圖17是現(xiàn)有的半導(dǎo)體裝置的剖面圖。
圖18是現(xiàn)有的半導(dǎo)體裝置的剖面圖。
圖19是大電流扁平型半導(dǎo)體裝置的例子。
實施發(fā)明的最佳的形態(tài)下面，根據(jù)


本發(fā)明的實施例。
圖1是表示本發(fā)明的扁平型半導(dǎo)體裝置的剖面的一例的圖，是組裝了與IGBT芯片1反向并聯(lián)連接的續(xù)流二極管(FWD)芯片2的逆向?qū)ㄐ烷_關(guān)器件的例子。圖中，示出了從右端的扁平型半導(dǎo)體裝置3的最外部到中央的途中的剖面。IGBT芯片1的大小約為邊長16mm的四角形，在上面?zhèn)鹊牡?主面上，幾乎在整個面上形成發(fā)射極，在下面?zhèn)鹊牡?主面上形成集電極，此外，在第1主面中央，形成控制用電極(柵極)4。另外，在FWD芯片2上，在硅襯底的上面?zhèn)刃纬申枠O，在下面?zhèn)刃纬申帢O。在這些半導(dǎo)體芯片上，兼有散熱和電氣連接的功能的中間電板5、6、15以與主電極相接的形式固定，它們夾在第1共同電極板7(發(fā)射極板)和第2共同電極板8(集電極板)之間。在這一對共同電極板之間，利用陶瓷制等絕緣性的外筒9與外部絕緣，此外，共同電極板7、8與絕緣外筒9之間利用金屬板10將管殼內(nèi)部密封，從而成為氣密結(jié)構(gòu)。但是，該氣密結(jié)構(gòu)根據(jù)用途不同，不一定是必須的。
下面，說明從多個半導(dǎo)體芯片引出控制用電極布線(柵極布線)的引出方法和將芯片定位到管殼內(nèi)的指定的位置的定位方法。首先，使用引出腳11與芯片主面垂直地從IGBT芯片1上的控制用電極焊點(diǎn)4上引出控制用電極布線，在該引出腳11的周圍，設(shè)置用于使中間電極6和共同電極7與引出腳絕緣的聚四氟乙烯等耐熱樹脂制的絕緣用部件12(上部外徑φ4mm、下部外徑φ3mm、內(nèi)徑φ1mm的管狀)。為了避免中間電極與平面耐壓結(jié)構(gòu)的芯片終端部接觸，設(shè)置在第1主面?zhèn)鹊闹虚g電極的外形尺寸小于半導(dǎo)體芯片的外形尺寸。配置在具有控制電極的IGBT芯片1上的中間電極6上開有外徑φ12mm的圓形的中央為φ3mm的貫通孔13，其端部進(jìn)行了倒角加工。該中間電極不限于上述形狀，也可以是例如設(shè)置了圖2所示的偏心孔或切口的形狀。此外，孔和絕緣部件的外形形狀也不限于圓形，也可以是四角形。另外，配置在第2主面?zhèn)鹊闹虚g電極5是比半導(dǎo)體芯片的外形尺寸略大的邊長17mm的四角形，端部進(jìn)行了倒角加工。另一方面，在貫通共同電極板7的半導(dǎo)體芯片側(cè)，在應(yīng)配置半導(dǎo)體芯片的指定位置上形成φ4mm的孔14。在組裝到管殼內(nèi)時，上述引出腳11和絕緣用部件12插入到中間電極6的貫通孔13中，此外，通過將絕緣用部件12的上部插入到在貫通電極板7上形成的孔14中，各半導(dǎo)體芯片位置就定位到形成了孔14的位置上。即，成為從各半導(dǎo)體芯片的控制電極引出布線的方法(部件引出腳11和絕緣用部件12)兼有決定在扁平型管殼內(nèi)的各半導(dǎo)體芯片在平面內(nèi)的手段的單元的結(jié)構(gòu)，不需要用于定位的新的部件，從而可以大幅度地減少部件數(shù)。另外，由于不是以半導(dǎo)體芯片及中間電極的外形為基準(zhǔn)的定位，所以，不需要在芯片間配置該用途的部件，從而可以縮小芯片間間隔，提高裝配密度。
在上述方法中，成為不將控制用電極4與引出腳11接合而是通過接觸而導(dǎo)通的結(jié)構(gòu)。由此，便可回避控制用電極和半導(dǎo)體基板與引出腳材料之間由于熱膨脹系數(shù)不同而引起的接合點(diǎn)劣化等問題。通常，由于半導(dǎo)體裝置的工作等管殼內(nèi)溫度發(fā)生變化時，結(jié)構(gòu)部件相互之間的位置將會由于結(jié)構(gòu)部件間的熱膨脹系數(shù)不同而發(fā)生位置偏移(橫向偏移)。因此，在不將控制用電極與引出腳接合的結(jié)構(gòu)中，存在發(fā)生位置偏移而引起控制布線斷線的問題。然而，在本發(fā)明的結(jié)構(gòu)中，即使例如共同電極7發(fā)生熱膨脹變化從而設(shè)置在其上的定位孔14的位置發(fā)生變化時，引出腳11和絕緣用部件12也與該孔14的移動一致地移動，同時，利用引出腳11和絕緣用電極12決定位置的中間電極6和半導(dǎo)體芯片1也一起移動，所以，引出腳和半導(dǎo)體芯片的相對位置不發(fā)生偏離。即，具有所謂的自對準(zhǔn)功能。此外，在本方法中，設(shè)置在半導(dǎo)體芯片上的控制用電極焊點(diǎn)4和配置在其正上方的引出腳11成為中心軸來決定半導(dǎo)體芯片和中間電極的位置，所以，個別的半導(dǎo)體芯片及中間電極的熱膨脹變化以該軸為中心而發(fā)生，位于中心軸上的控制用電極焊點(diǎn)和引出腳的相互位置不會發(fā)生偏離。因此，利用圖1的實施例，控制用電極基板和引出腳間的連接的可靠性大大提高。這對于特別是安裝芯片的尺寸大、安裝芯片數(shù)多的情況以及管殼尺寸大的情況是非常有效的。
形成了未貫通配置在FWD芯片2上的中間電極15上的孔16，絕緣用部件17插入到該孔和在共同電極板7上形成的孔14內(nèi)來決定各半導(dǎo)體芯片的位置。但是，也可以將在上述中間電極15上形成的孔作為貫通孔而與IGBT芯片和中間電極部件共用。另外，絕緣用部件17也可以使用中央有引出腳孔的IGBT芯片用的絕緣用部件12。另外，F(xiàn)WD芯片不在最外周部，F(xiàn)WD芯片的位置大致由包圍周邊的IGBT芯片決定時，對于FWD芯片，也可以不使用上述絕緣用部件17進(jìn)行定位。這樣，便可減少部件加工成本和部件數(shù)目等。
本發(fā)明的實際裝配方式，當(dāng)然也可以使用于僅由不包含二極管的IGBT等半導(dǎo)體開關(guān)元件構(gòu)成的扁平型半導(dǎo)體裝置，此外，例如在只將多個二極管芯片如上述那樣定位而裝配從而實現(xiàn)大容量化的情況下，當(dāng)然也是有效的。
圖3表示從半導(dǎo)體芯片側(cè)看第1共同電極7的圖，A-A′位置與圖1中的共同電極7的剖面位置對應(yīng)。在該共同電極7的管殼內(nèi)側(cè)表面上形成多個平行的槽18，此外，在外周部也形成槽19。槽的寬度小于3mm，進(jìn)而在槽18上，在應(yīng)配置半導(dǎo)體芯片的指定位置上形成了應(yīng)插入上述引出腳11和絕緣用部件12的φ4mm的孔14。用虛線所示的四角形的線20表示配置半導(dǎo)體芯片的位置。換言之，形成了槽18，使其通過與相對的半導(dǎo)體芯片上的形成了控制電極的位置對應(yīng)的位置、即在本實施例的情況下就是通過與半導(dǎo)體芯片的中央對應(yīng)的位置。相互平行的槽18是在共同電極板的兩端開放的，另一方面，在電極板的周圍形成的槽19可以加工成臺階狀，所以，不論哪一種槽，其加工都是簡單的。
圖4表示用于導(dǎo)出到控制電極布線網(wǎng)21和與其連接的半導(dǎo)體裝置的外部的集合端子22的典型的形狀。圖4(a)、圖4(b)表示內(nèi)置于圖2所示的共同電極的槽18、19內(nèi)的控制電極布線網(wǎng)的形狀。圖4(c)、圖4(d)表示控制電極布線網(wǎng)的其他形狀例。使用這些形狀時，就在共同電極上形成與該形狀對應(yīng)的槽。這時，進(jìn)行在共同電極板的兩端開放的槽的加工也是簡單的。采用控制電極布線網(wǎng)在外周部連接成一體的結(jié)構(gòu)，設(shè)置在共同電極內(nèi)使用時，該外周部分使控制電極布線網(wǎng)的位置實現(xiàn)穩(wěn)定化。此外，在這些布線網(wǎng)上設(shè)置集合端子22，通過這些集合端子從管殼內(nèi)向外部引出控制信號布線。該集合端子22也可以使用與控制電極布線網(wǎng)相同的材料形成，可以改變布線的粗細(xì)，在改變材質(zhì)時，也可以與其他部件接合而形成一體化。該集合端子22的一端如圖1所示的那樣，與對絕緣性的外筒9保持氣密而形成的外部導(dǎo)出端子24用焊錫來連接。
該控制電極布線網(wǎng)21利用絕緣材料23與共同電極7絕緣，內(nèi)置到槽內(nèi)。從半導(dǎo)體芯片的控制電極4引出的引出腳11插入到絕緣用部件12的中心孔內(nèi)，與上述控制電極布線網(wǎng)21連接。這樣，便可形成內(nèi)置在管殼的共同電極內(nèi)部在浪費(fèi)少的緊湊的柵極布線網(wǎng)。這些布線網(wǎng)，可以通過沖壓薄的金屬板一并制作，或者通過將幾個部件接合而制成。另外，也可以使用TAB帶那樣的布線材料和絕緣材料預(yù)先成為一體的部件。
使內(nèi)置在共同電極中的布線材料和絕緣材料薄而窄，并且使槽窄，可以減小槽在全體電極面積/體積中所占的面積/體積，從而可以降低熱阻，這是較為理想的。在本方式中，不是在1個槽內(nèi)例如配置多條個別被覆的柵極引線，所以，槽可以窄。另外，布線的形成不是使用引線鍵合，所以，不必確保引線鍵合所需要的空間區(qū)域，由于可以使槽窄，所以，不會受到槽寬度的限制，從而可以縮小芯片間距，提高裝配密度。
此外，本發(fā)明的內(nèi)置型控制電極布線還具有不易受到主電路布線(主電路電流、電壓)的影響的效果。即，由于在主電路布線中通過大電流，并且電壓也發(fā)生數(shù)千伏的變化，所以，有可能由于磁感應(yīng)或靜電感應(yīng)使噪音從主電路布線串入控制電極布線。該噪音引起電流變化，從而電流將集中在特定的芯片中。然而，在本發(fā)明的結(jié)構(gòu)中，由于控制電極布線網(wǎng)相對于主電路成直角地配置，并且控制電極布線網(wǎng)埋入到電位恒定的發(fā)射極中，所以，通過發(fā)射極發(fā)揮屏蔽效果，可以防止集電極的電位變化對控制電極布線的影響。
下面，參照圖5～圖7說明控制電極布線網(wǎng)的詳細(xì)實施例。這些圖都是與在共同電極7上形成的控制電極布線網(wǎng)平行的剖面圖。在圖5中，中間電極板5、6插入到IGBT芯片1與共同電極板7、8之間。中間電極板5、6預(yù)先進(jìn)行了鍍Au，芯片1的發(fā)射極側(cè)Al電極和集電極側(cè)Al電極使用以Au為主要成分的接合層25與中間電極板5、6接合。調(diào)整了長度的引出腳11通過絕緣用部件12保持為與半導(dǎo)體芯片垂直，此外，壓到內(nèi)置在共同電極7的槽18內(nèi)的控制電極布線網(wǎng)21上。絕緣部件23使用具有耐熱性的彈性的樹脂制成，引出腳11通過加壓而發(fā)生彈性變形，其恢復(fù)力將朝向半導(dǎo)體芯片上的控制電極焊點(diǎn)4的擠壓力26賦予引出腳11，從而成為使引出腳11的前端與控制電極4保持良好的接觸狀態(tài)的結(jié)構(gòu)。
在圖6中，表示對引出腳賦予朝向半導(dǎo)體芯片上的控制電極的擠壓力的其他實施例?？刂齐姌O布線網(wǎng)21使用磷青銅、鎳銀合金、鈹銅等屈服點(diǎn)高、疲勞強(qiáng)度大不易發(fā)生疲勞變形的金屬材料制成。對于絕緣部件27，通過使用硬質(zhì)的耐熱性樹脂并除去與其引出腳位置對應(yīng)的部分，成為布線材料彎曲的結(jié)構(gòu)。引出腳28擠壓到該部分上時，布線就發(fā)生彎曲，產(chǎn)生恢復(fù)力，所以，成為利用使該引出腳向下擠壓的力26來保持與控制電極接觸的結(jié)構(gòu)。
在本實施例中，引出腳28的上端具有圓形或四角形的接觸頭29，將防止振蕩用的片狀電阻30與其鍵合連接。該片狀電阻與控制電極布線網(wǎng)之間，可以用焊錫等進(jìn)行接合，或者也可以不接合。作為其他的方法，也可以是將引出腳作成直線形狀而將另外制作的帶電阻的插座與該引出腳上部嵌合或接合的形式。在本實施例中，芯片1與集電極側(cè)的中間電極板5是用焊錫31進(jìn)行接合的，但是，沒有與發(fā)射極側(cè)的中間電極板6接合。這時，使用聚四氟乙烯或硅酮等耐熱性樹脂的輔助框32將芯片1或中間電極板5與發(fā)射極側(cè)的中間電極板6的相對位置固定。這樣，引出腳與芯片的相對位置便可總是保持不變。如本例所示的那樣，在使用輔助框32時，輔助框32的外形尺寸也不必要求精確，可以使框的厚度薄而加工簡單，從而可以降低部件成本。輔助框32還可以兼有強(qiáng)化芯片終端部的絕緣保護(hù)和機(jī)械保護(hù)的作用。在只為了強(qiáng)化絕緣保護(hù)時，可以使用與尺寸精度要求更不嚴(yán)格的輔助框32類似的結(jié)構(gòu)的部件或平板狀的部件。此外，使用硅酮或聚酰亞胺等粘接劑覆蓋到芯片終端部上和側(cè)面，也是有效的。
圖7是引出腳本身具有彈性的本發(fā)明的實施例。用于從半導(dǎo)體芯片上的控制電極4引出布線的引出腳33，其上部彎曲成U字形，該部分具有上下方向的彈性。預(yù)先調(diào)整成使引出腳33的長度比組裝到管殼中時的控制電極4與控制電極布線網(wǎng)21間的距離(包括離散度)略長。因此，該引出腳通過絕緣用部件12保持為與半導(dǎo)體芯片垂直，此外，通過擠壓到內(nèi)置在共同電極7的槽18內(nèi)的控制電極布線網(wǎng)21上，引出腳33本身發(fā)生向控制電極焊點(diǎn)4施加的擠壓力26，從而成為使引出腳33與控制電極保持良好的接觸狀態(tài)的結(jié)構(gòu)。
另外，在本實施例中，芯片端部和中間電極側(cè)面使用硅酮和聚酰亞胺的粘接劑36、37進(jìn)行保護(hù)。此外，IGBT芯片1的發(fā)射極側(cè)Al電極與預(yù)先鍍Ag的發(fā)射極側(cè)的中間電極板6之間使用以Ag為主要成分的粘接劑25進(jìn)行接合。芯片1的集電極側(cè)，在表面上形成了Ag電極，通過焊錫片31與預(yù)先鍍Ni的集電極側(cè)的中間電極板5接合。
圖8表示上述引出腳33的制作例。為了實現(xiàn)低成本化，在磷青銅等的板上進(jìn)行沖壓、彎曲，制作成引出腳頭部分34的寬度寬的、引出腳底部的部分35的寬度比引出腳頭部分窄的形狀。對引出腳進(jìn)行鍍Ni后，將片狀電阻30鍵合到引出腳頭部，以片狀電阻與引出腳一體化的形式供給管殼組裝。
在管殼非常大時，設(shè)置到管殼內(nèi)的各半導(dǎo)體芯片的控制電極布線的電阻值的離散度也增大。為了使并聯(lián)連接的多個芯片的工作一致化，最好使各半導(dǎo)體芯片的控制電極布線的電阻值小于在各芯片中個別配置的電阻器的電阻值的1/10。這樣，便可使從柵極輸入端子到各芯片的柵極電阻的離散度小于10％，所以，可以廉價地制作電路設(shè)計的精度不太高的電路。
如前所述，并不是必須使中間電極位于第1和第2共同電極板與半導(dǎo)體芯片之間，但是，例如在必須降低由于半導(dǎo)體芯片與共同電極板的熱膨脹系數(shù)不同而發(fā)生的應(yīng)力時，則最好在上述兩者之間安裝由熱膨脹系數(shù)介于上述兩部件之間的或者熱膨脹系數(shù)與半導(dǎo)體芯片接近的并且熱傳導(dǎo)性、導(dǎo)電性優(yōu)異的材料構(gòu)成的中間電極。作為該材料，最好是鎢(W)或鉬(Mo)等單體金屬或以它們?yōu)橹鞯慕Y(jié)構(gòu)材料Cu-W、Ag-W、Cu-Mo、Ag-Mo、Cu-FeNi等復(fù)合材料或合金以及金屬與陶瓷或碳的復(fù)合材料，例如Cu/SiC、Cu/C、Al/SiC、Al/SiC、Al/AlN顯。另一方面，最好使用導(dǎo)電性、熱傳導(dǎo)性好的銅及鋁或包含它們的上述那樣的合金或復(fù)合材料作為共同電極。
設(shè)置在發(fā)射極側(cè)的中間電極上的控制布線引出部分，如上所述，在中央形成貫通孔的方法是最簡單的，但是，根據(jù)在半導(dǎo)體芯片側(cè)形成的控制電極焊點(diǎn)的位置、形狀、數(shù)目的不同，可以使孔的位置偏心，也可以在電極端部形成切口形狀或矩形，也可以形成多個孔。中間電極的外形形狀可以是圓形，也可以是四角形，但是，對于設(shè)置在發(fā)射極側(cè)的中間電極，最好是避免與在芯片終端部形成的耐壓結(jié)構(gòu)部分接觸的結(jié)構(gòu)。另外，也必須是可以避免與控制電極部分接觸的結(jié)構(gòu)，除了與芯片相鄰的面的形狀是環(huán)形外，可以使用梳齒狀、單齒狀、犀牛的眼睛狀等與發(fā)射極電極焊點(diǎn)的位置、形狀、數(shù)目一致的形狀。另一方面，集電極側(cè)最好是可以用平面狀形成的可以與集電極較寬地接觸的結(jié)構(gòu)。此外，關(guān)于這些中間電極，可以如本例那樣對各半導(dǎo)體芯片配置個別的中間電極，也可以使用1塊大型的中間電極板。
在上述實施例中，在芯片主面上形成的控制電極焊點(diǎn)的位置，都是在芯片的中央部分形成，但是，并不限于中央，可以在芯片的角部形成，另外，也不限于1個部位，可以是2個部位以上。在半導(dǎo)體芯片的第1主面的控制電極焊點(diǎn)和芯片終端部以外，成為第1主電極(發(fā)射極)的連接部，形成Al或AlSi的電極。此外，在芯片的第1主面上，除了控制電極外，還可以形成過電流檢測用的電極等。在半導(dǎo)體芯片的第1主面的上述控制電極和發(fā)射極區(qū)域以外，最好利用例如聚酰亞胺的鈍化膜來被覆蓋。
所示的例子，是使用焊錫或Au、Ag將半導(dǎo)體芯片與中間電極或共同電極之間以及中間電極與共同電極之間接合而固定的，但是，各部分的固定并不是必須的，任何一部分都可以不固定而進(jìn)行裝配。
將多個半導(dǎo)體芯片并列地組裝到扁平型管殼中時，將夾在一對共同電極之間的部件(各半導(dǎo)體芯片和中間電極)的高度對齊從而使各部分與共同電極可靠地接觸是非常重要的。因此，可以將導(dǎo)電性良好、柔軟并且熱傳導(dǎo)率大的薄膜狀或片狀部件插入到共同電極板與半導(dǎo)體芯片之間或共同電極板與中間電極之間。在半導(dǎo)體裝置的組裝過程中，或最后工序中，在將半導(dǎo)體芯片、中間電極板、薄膜、片狀部件重疊到共同電極板上的狀態(tài)下，如果在室溫下或加熱的同時一并加壓，便可吸收芯片位置相互間的高度離散度，并且薄膜、片狀部件發(fā)生塑性變形以使各半導(dǎo)體芯片的上面平行并且調(diào)整為相同的高度，從而可以實現(xiàn)均勻的接觸狀態(tài)。上述薄膜狀部件，最好使用金、銀、銅或鋁等金屬或它們的合金或以上述材料為主的結(jié)構(gòu)材料的合金或復(fù)合材料，或者焊錫薄片等熱可塑性的導(dǎo)電性薄片。
另一方面，在不將共同電極板與半導(dǎo)體芯片之間或共同電極板與中間電極之間接合時，使接觸面之間的接觸良好對降低熱阻是非常重要的。對于這一目的，上述方法也是有效的，此外，在接觸面的至少一方上，蒸發(fā)上金、銀、銅或鋁等導(dǎo)電性良好、柔軟并且熱傳導(dǎo)率大的材料的薄膜的方法也是有效的。為了同時實現(xiàn)修正高度和降低熱阻，也可以將不同的材質(zhì)的薄膜狀部件與各部件間組合起來配置。即，將Ag等軟金屬薄片插入到共同電極與中間電極之間、將Ag薄膜插入到中間電極與半導(dǎo)體芯片之間時，可以比較簡單地實現(xiàn)修正高度和降低熱阻。
在圖3中，示出了共同電極板或管殼的外形為圓形的例子，但是，當(dāng)然半導(dǎo)體裝置的外形也可以是四角形的，這時，絕緣性的外筒也可以是四角形的。在芯片本身是四角形時，特別是安裝的芯片數(shù)少時，可以使整體比圓形更緊湊，所以是非常理想的。但是，在安裝的半導(dǎo)體芯片的數(shù)非常多時，由于即使管殼的外形是圓形管殼面積的損耗也小，故可以根據(jù)管殼材料的制造成本等其他要素來選擇形狀。
在以上將大量的半導(dǎo)體芯片并聯(lián)連接的扁平型的半導(dǎo)體裝置中，特別是在有未與內(nèi)置的芯片和中間電極、共同電極間的界面接合的部分時，最好從露出到共同電極板的外部的2面夾住進(jìn)行加壓，在使上述部件間的接觸良好的狀態(tài)下進(jìn)行使用。這時，圓形的管殼容易進(jìn)行均勻地加壓。
通常，在提高IGBT元件的耐壓時，元件的損耗就增大，從而工作中的發(fā)熱就增大，所以，電流密度不能高。因此，在特別需要耐壓高和大電流的半導(dǎo)體裝置時，就必須使并聯(lián)連接的芯片數(shù)非常多。本發(fā)明的方法，對這樣的要求特別適用，可以使管殼內(nèi)部的布線處理緊湊，同時可以降低熱阻。另一方面，又希望盡可能減少工時，降低成本，這就希望減少安裝的芯片數(shù)目，即在芯片成本允許的范圍內(nèi)盡可能增大芯片尺寸，最好邊長大于14mm。使用邊長14～16mm的IGBT芯片和二極管芯片并采用IGBT芯片和二極管芯片的數(shù)目大約為2∶1時的本發(fā)明的高耐壓、大電流的扁平型半導(dǎo)體裝置的例子示于圖19的表中。在逆向?qū)ㄐ偷谋馄叫桶雽?dǎo)體裝置的情況下，將FWD芯片和IGBT芯片設(shè)計為相同尺寸時，可以自由地配置，所以，芯片的數(shù)目分配比的自由度大，從而可以與高密度配置相輔地簡單地提供各種規(guī)定的元件。而且，在本發(fā)明的實際裝配方法中，基本上不論有無控制電極，即使改變芯片的種類，都可以自如地對應(yīng)，所以，可以比較簡單地與上述變更對應(yīng)。但是，關(guān)于IGBT芯片和FWD芯片在管殼內(nèi)的排列，為了使發(fā)熱部位均勻化，最好同一種芯片盡可能均勻地配置。
在上述各實施例中，都是使用IGBT作為帶有控制電極的半導(dǎo)體元件進(jìn)行說明的，但是，本發(fā)明至少是以在第1主面上具有第1主電極、在第2主面上具有第2主電極的半導(dǎo)體元件的全部情況為對象的，對于IGBT以外的包含絕緣柵型晶體管(MOS晶體管)及IGCT(Insulated Gate Controlled Thyristor)等的絕緣柵型半導(dǎo)體開關(guān)元件(MOS控制半導(dǎo)體開關(guān)元件)等帶有控制電極的半導(dǎo)體元件和二極管等，同樣也可以實施。另外，對于Si元件以外的SiC、GaN等化合物半導(dǎo)體元件，同樣也是有效的。
在本發(fā)明的扁平型半導(dǎo)體裝置中，由于可以高密度地裝配非常多的芯片，所以，通過使用該扁平型半導(dǎo)體裝置，可以實現(xiàn)大幅度地減小裝置體積和降低成本的大容量電力變換裝置。圖9～圖16表示使用本發(fā)明的IGBT扁平型半導(dǎo)體裝置的電力用自激式大容量變換裝置的實施例。
圖9表示1個電橋的結(jié)構(gòu)電路圖。作為主變換元件的IGBT76和二極管77逆向并聯(lián)配置，并且n個這樣的結(jié)構(gòu)進(jìn)而串聯(lián)連接。這些IGBT和二極管表示了本發(fā)明的將大量的半導(dǎo)體芯片并列地裝配的扁平型半導(dǎo)體裝置。在使用上述逆向?qū)ㄐ虸GBT扁平型半導(dǎo)體裝置時，成為將圖中的IGBT76和二極管77匯總并容納到1個管殼內(nèi)的形式。其中，設(shè)置了緩沖電路78和限流電路。
圖10是將圖9的3相電橋構(gòu)成4重結(jié)構(gòu)的自激式變換器的結(jié)構(gòu)圖。
圖11表示將5個本發(fā)明的扁平型半導(dǎo)體裝置3加壓串聯(lián)連接的層疊式結(jié)構(gòu)。5個扁平型半導(dǎo)體裝置，以與其共同電極外側(cè)進(jìn)行面接觸的形態(tài)將水冷電極39夾在中間串聯(lián)連接。此外，在層疊式結(jié)構(gòu)的端部，配置高電壓用的絕緣物40，利用結(jié)構(gòu)物41對整個層疊式結(jié)構(gòu)進(jìn)行加壓保持。按照本發(fā)明，即使在耐壓5kV、額定電流3kA的扁平型半導(dǎo)體裝置中，也可以使尺寸小型化到約φ300×40mm厚以下，所以，整個疊層的尺寸非常小，約為400×400×550(H)mm。
使用2個疊層42并進(jìn)而裝配了具有緩沖電容器43和緩沖電阻44的緩沖電路和柵極驅(qū)動電路45的模塊46的實際裝配圖示于圖12。2個疊層通過主電路布線47、48、49串聯(lián)連接，疊層間和布線間設(shè)置絕緣板50。在本實施例中，為了降低布線電感，使疊層的中心軸方向平行地配置而進(jìn)行布線，以使流過2個疊層的主電路電流相互平行且反向。
圖13是以將圖12的模塊省略一部分的形式立體地表示的圖。
圖14是配置4個圖13的模塊46、用40個本發(fā)明的扁平型半導(dǎo)體裝置構(gòu)成1相的2個分支(上分支51、下分支52)結(jié)構(gòu)時的立體圖。模塊間利用絕緣物53進(jìn)行絕緣，對于在疊層結(jié)構(gòu)間相互布線的主電路布線54，為了降低主電路布線部的電感，使用平行導(dǎo)體板(層疊匯流條(bus bar))。
圖15是配置3相圖14的結(jié)構(gòu)、并進(jìn)而加上限流電路模塊55、冷卻水的控制模塊56和直流電容器57從而構(gòu)成3相電橋58的圖。
此外，圖16是將圖15的3相電橋58構(gòu)成4重結(jié)構(gòu)從而構(gòu)成300MW級的電力用變換器系統(tǒng)時的閥門孔配置圖。本系統(tǒng)的3相電橋的尺寸約為8000×1500×8000mm，除了直流電容器57的部分約為5800×1000×3800mm，與使用現(xiàn)有型元件(GTO等)的情況相比，變換器本身的體積非常小。結(jié)果，變換器內(nèi)所需要的布線60的長度可以大大縮短，所以，即使不考慮使用平行布線的效果，僅按單純的布線長度計算，每一元件中的布線的電感小于1.5μH，與現(xiàn)有的情況相比，小于1/2。此外，可以減少周邊部件的數(shù)目，實現(xiàn)輕量化，從而可以大幅度降低總體成本。
本發(fā)明的扁平型半導(dǎo)體裝置，不限于上述實施例，使用于變換容量大于10MVA的大容量電力變換裝置也是有效的，極適合于變換容量在50MVA以上在電力系統(tǒng)中使用的自激式大容量變換裝置或作為工廠用電力變換器而使用的大容量電力變換裝置，也可以在可變速揚(yáng)水發(fā)電、軋鋼機(jī)、大廈內(nèi)變電所設(shè)備、電氣鐵路用變電設(shè)備、鈉硫(NaS)電池系統(tǒng)等中使用。
按照本發(fā)明，在將多個半導(dǎo)體芯片并列配置的扁平型半導(dǎo)體裝置中，用于形成進(jìn)行各半導(dǎo)體芯片的工作控制所必須的控制電極的布線的部件、即引出電極及其絕緣用部件，總是同時使半導(dǎo)體芯片上的控制電極與引出電極布線匹配，并且，是具有將各半導(dǎo)體芯片在管殼內(nèi)定位的功能的自對準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。這樣，便可防止發(fā)生由于構(gòu)成組件的不同部件間的熱膨脹系數(shù)不同等引起的相互位置偏移和由于部件間的應(yīng)力等引起的問題，從而可以進(jìn)一步縮小芯片間隔而提高裝配密度。
另外，本發(fā)明的扁平型管殼，是將一體型的控制電極布線網(wǎng)內(nèi)置到共同電極內(nèi)的結(jié)構(gòu)，控制電極的布線處理非常簡單，所以，在需要裝配非常多的芯片時，也可以適應(yīng)，從而可以大大提高組裝的操作性和作為組件的可靠性。此外，由于組件是薄型的，可以實現(xiàn)小型化，所以，也可以降低熱阻。另外，本方式的控制電極布線不易受到主電路布線的影響，從而可以降低噪音對柵極布線的影響。
這樣，便可實現(xiàn)可以并聯(lián)連接很多芯片的扁平型半導(dǎo)體裝置，所以，可以實現(xiàn)額定電壓3.5kV、額定電流1kA以上以及5kV、3kA以上的大容量的半導(dǎo)體裝置。此外，使用這些半導(dǎo)體裝置的大容量電力變換裝置可以大幅度減小裝置體積和降低成本。此外，可以實現(xiàn)裝置小型化，所以，可以大幅度降低直流布線的電感，從而可以提高元件的電壓利用率。
權(quán)利要求
1.一種將在第1主面上具有第1主電極和控制電極、在第2主面上具有第2主電極的多個半導(dǎo)體芯片并列地配置并組裝到利用絕緣性的外筒對在兩面露出的一對共同電極板之間進(jìn)行外部絕緣的扁平型管殼中的扁平型半導(dǎo)體裝置，其特征在于從各半導(dǎo)體芯片上的控制電極引出的控制電極布線和用于將其與主電極布線絕緣的絕緣用部件對該共同電極板的至少一方具有兼有各半導(dǎo)體芯片的定位功能的結(jié)構(gòu)。
2.一種將在第1主面上具有第1主電極和控制電極、在第2主面上具有第2主電極的多個半導(dǎo)體芯片并列地配置并組裝到利用絕緣性的外筒對在兩面露出的一對共同電極板之間進(jìn)行外部絕緣的扁平型管殼中的扁平型半導(dǎo)體裝置，其特征在于至少在各半導(dǎo)體芯片的主電極與和其相對的共同電極板之間的第1主電極一側(cè)裝配兼有導(dǎo)電和散熱的功能的中間電極，從上述各半導(dǎo)體芯片上的控制電極引出的控制電極布線和用于將其與主電極布線絕緣的絕緣用部件對該共同電極板的至少一方具有兼有該第1主電極側(cè)中間電極的定位功能的結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求2所述的扁平型半導(dǎo)體裝置，其特征在于用于將從上述各半導(dǎo)體芯片上的控制電極引出的控制電極布線與主電極布線絕緣的絕緣用部件，具有通過將在上述第1主電極側(cè)中間電極上形成的貫通孔或切口部與在和該半導(dǎo)體芯片的第1主電極相對的共同電極板的指定位置上形成的孔或槽連接來確定該中間電極與共同電極板的相互位置的結(jié)構(gòu)。
4.一種將在第1主面上至少具有第1主電極、在第2主面上具有第2主電極的多個半導(dǎo)體芯片并列地配置并組裝到利用絕緣性的外筒對在兩面露出的一對共同電極板之間進(jìn)行外部絕緣的扁平型管殼中的扁平型半導(dǎo)體裝置，其特征在于至少在各半導(dǎo)體芯片的主電極與和其相對的共同電極板之間的第1主電極側(cè)裝配兼有導(dǎo)電和散熱的功能的中間電極，此外，還具有通過將在上述第1主電極側(cè)中間電極上形成的貫通孔或切口部與在和該半導(dǎo)體芯片的第1主電極相對的共同電極板的指定位置上形成的孔或槽連接來確定該中間電極與共同電極板的相互位置的結(jié)構(gòu)。
5.如權(quán)利要求2～4的任一權(quán)項所述的扁平型半導(dǎo)體裝置，其特征在于上述第1主電極側(cè)的中間電極和半導(dǎo)體芯片利用絕緣性的導(dǎo)向部件相互定位。
6.如權(quán)利要求2～4的任一權(quán)項所述的扁平型半導(dǎo)體裝置，其特征在于上述第1主電極側(cè)的中間電極和第2主電極側(cè)的中間電極利用絕緣性的導(dǎo)向部件相互定位。
7.一種將在第1主面上具有第1主電極和控制電極、在第2主面上具有第2主電極的多個半導(dǎo)體芯片并列地配置并組裝到利用絕緣性的外筒對在兩面露出的一對共同電極板之間進(jìn)行外部絕緣的扁平型管殼中的扁平型半導(dǎo)體裝置，其特征在于在與該第1主面?zhèn)认鄬Φ墓餐姌O板的內(nèi)部形成該多個半導(dǎo)體芯片的控制電極通過各引出電極導(dǎo)電性地連接的控制電極布線網(wǎng)。
8.如權(quán)利要求7所述的扁平型半導(dǎo)體裝置，其特征在于上述控制電極布線網(wǎng)具有向上述引出電極施加壓力從而保持與半導(dǎo)體芯片上的控制電極接觸的功能。
9.如權(quán)利要求7所述的扁平型半導(dǎo)體裝置，其特征在于上述控制電極布線網(wǎng)利用板狀的彈性體構(gòu)成。
10.如權(quán)利要求7所述的扁平型半導(dǎo)體裝置，其特征在于與上述控制電極布線網(wǎng)連接的引出電極在其主軸方向上具有彈性，從而具有保持與半導(dǎo)體芯片上的控制電極接觸的功能。
11.如權(quán)利要求10所述的扁平型半導(dǎo)體裝置，其特征在于上述引出電極由使平板彎曲而賦予彈性的部分和與半導(dǎo)體芯片上的控制電極接觸的部分組成的一體成形品來構(gòu)成。
12.如權(quán)利要求7所述的扁平型半導(dǎo)體裝置，其特征在于在上述管殼內(nèi)形成的控制電極布線網(wǎng)是具有一體型的剛性的結(jié)構(gòu)。
13.如權(quán)利要求7所述的扁平型半導(dǎo)體裝置，其特征在于在上述各半導(dǎo)體芯片的控制電極與在共同電極內(nèi)部形成的控制電極布線網(wǎng)之間，在各個半導(dǎo)體芯片中具有個別電阻。
14.一種電力變換裝置，其特征在于將權(quán)利要求1、2、4、7的任一權(quán)項所述的扁平型半導(dǎo)體裝置作為主變換元件使用。
全文摘要
從內(nèi)置在扁平型管殼內(nèi)的多個半導(dǎo)體芯片上的控制電極引出的控制電極布線和用于將其與主電極布線絕緣的絕緣用部件具有兼有在扁平型管殼內(nèi)的各半導(dǎo)體芯片的定位的功能。此外,將一體型的控制電極布線網(wǎng)容納在管殼的共同電極內(nèi)部,通過將從各半導(dǎo)體芯片上的控制電極引出的上述引出電極與其連接,可以使非常多的柵極信號布線的處理簡化。
文檔編號H01L29/66GK1254443SQ97182144
公開日2000年5月24日 申請日期1997年3月26日 優(yōu)先權(quán)日1997年3月26日
發(fā)明者児玉弘則, 長洲正浩, 井上広一, 大曾根靖夫, 上田茂太, 山田一二 申請人:株式會社日立制作所