JPH10125700A - 加圧接触型半導体装置及びその組み立て方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】加圧接触型半導体装置において、半導体素子ま
たはその素子を含む層状部品の高さのばらつきを所望の
範囲以内に抑え、組み立て時もしくは組み立て後の個々
の半導体素子の交換を可能にし、しかも個々の半導体素
子に対応する電極板と外部主電極との接合部分が剥離し
たり破壊することがないようにする。 【解決手段】半導体素子３０１の両面を上下の電極板３
０２，３０３で挟んで層状部品３を構成し、上側の外部
主電極１と下側の外部主電極２との間に層状部品３を並
列に複数個配置し、さらに外部主電極２と層状部品３と
の間に厚さが一定の良導電性の膜状部材４を一枚ずつ挿
入し、外部主電極１と層状部品３との間に各層状部品３
に対応する厚さを有する良導電性の膜状部材５を挿入
し、加圧して組み立てる。層状部品３の高さのばらつき
は膜状部材５により吸収される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、両面に電極を有す
る例えば絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢ
Ｔ素子）等の半導体素子と、その半導体素子両面の電極
を挟む上下の電極板とを備えた層状部品複合体を複数個
並列に配置し、上記複数個の層状部品複合体を良導電性
の金属材料からなる上下の外部主電極で挟んでパッケー
ジ状に組み立てた半導体装置に係わり、特に上下の外部
主電極の上面および底面から膜状部材および上下の電極
板を介して半導体素子に圧力を加えて組み立てた加圧接
触型半導体装置、及びその組み立て方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ
（以下、適宜ＩＧＢＴ素子という）は、主としてＰＷＭ
インバータ装置へ適用することを目的に開発されたパワ
ースイッチングデバイスであるが、半導体チップの大型
化に伴い、高耐圧、大電流化が進められており、一層の
大容量化を達成するために複数のＩＧＢＴ素子とフライ
ホイールダイオードを同一パッケージに実装したモジュ
ール型のもの（ＩＧＢＴパッケージ）が一般に用いられ
ている。

【０００３】上記のようなモジュール型のＩＧＢＴパッ
ケージの場合、素子内部で発生した熱を、殆どのパッケ
ージでは片面のみから排出しており、熱的な効率は良く
ないと言わざるを得なかった。一方、上下の外部主電極
の上面および底面から圧力を加えて組み立てた加圧接触
型のパッケージは、構造上、外部主電極（圧接電極）が
半導体を両側から押さえつけるため、発生する熱を両面
から排出できるという利点がある。

【０００４】このような加圧接触型のパッケージをＩＧ
ＢＴパッケージに適用した例としては、特開平７−９４
６７３号公報に記載のものがある。上記従来技術では、
１個のパッケージの内部に５個のＩＧＢＴ素子と１個の
フライホイールダイオードが並列配置して実装されてお
り、ＩＧＢＴ素子とフライホイールダイオードの高さの
違いはコンタクト端子体と称する電極板の厚さで調整
し、それでも吸収できない微小な高さのばらつきは、Ｉ
ＧＢＴ素子のコレクタ電極とコレクタ電極用基板（外部
主電極）の間に挟んだ半田等の導電性シートを軟化する
まで加熱しその導電性シートを塑性変形させることによ
って吸収している。また、上記半田は、ＩＧＢＴ素子の
コレクタ電極とコレクタ電極用基板とを接合する機能も
兼ねている。そして、この従来技術は、半田の塑性変形
を利用することで、各チップ相互間の高さ方向のばらつ
きをいずれも±５０μｍ以内の範囲に収めることを可能
としている。さらに、半田は熱抵抗を低下するためにも
有効で、素子内部で発生した熱の排出にも寄与してい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術のよう
に、比較的少数の半導体素子を並列配置した構成のパッ
ケージにおいては、複数の素子を同時にほぼ同じ温度に
加熱して半田を軟化させることで高さを調整することも
可能であるが、同一パッケージに実装される半導体素子
の数が増加した場合には、パッケージを構成する材料の
熱容量や熱伝導率を考慮して半田付け作業時の各素子毎
の温度分布を低減することは困難であり、１個または数
個のグループ毎に素子を加熱、実装する方がより現実的
である。しかしながら、このような場合には、そのグル
ープ間の高さのばらつきを微小な範囲まで揃えることは
できなくなる。

【０００６】数値シュミレーション等の検討によれば、
上記のような多素子型の加圧接触型ＩＧＢＴパッケージ
において、各素子を均一に加圧でき、素子が破壊され
ず、しかも電流集中や熱集中を起こさない構造を実現す
るためには、各素子（或いはそれらの素子を含む層状部
品複合体）の高さのばらつきの絶対値を少なくとも１μ
ｍ以内に収めることが必要である。

【０００７】また、組み立て時に素子の置き換えが可能
であれば、不良な素子を正常な素子と交換する等の手当
が可能であり、それによって製造コストを低減すること
ができるが、上記従来技術では、半導体素子とコレクタ
電極とを半田で接合してしまうために、組み立て時の素
子の交換はできないため、１つでも不良な素子があれば
パッケージ全体が不良品となってしまう可能性もあっ
た。

【０００８】さらに、一般的に、パッケージのコレクタ
及びエミッタ側の電極（外部主電極）には銅やアルミニ
ウムなどの熱伝導率及び電気伝導率が良く比較的柔軟な
金属が用いられ、一方、上記従来技術における電極板
（コンタクト端子体）としてはモリブデンやタングステ
ン等の金属が使用される。従って、コレクタ及びエミッ
タ側の外部主電極（例えば銅）と、電極板（例えばモリ
ブデン製のコンタクト端子体）との線膨張係数が大きく
異なるため、両金属間を半田等で接合してしまうと、半
導体素子の発熱時には甚大な熱応力が発生してその接合
部分が剥離してしまったり、あるいは素子が破壊されて
しまうという事故も生じる。つまり、半田等は熱抵抗を
低下するために有効ではあるが、パッケージのコレクタ
及びエミッタ側の外部主電極と電極板（コンタクト端子
体）とを接合するのには適さない。

【０００９】本発明の目的は、半導体素子またはその素
子を含む層状部品複合体の高さのばらつきを所望の範囲
以内に抑えることができ、組み立て時もしくは組み立て
後の個々の半導体素子の交換が可能で、しかも個々の半
導体素子に対応する電極板と外部主電極との接合部分が
剥離したり破壊することのない加圧接触型半導体装置、
及びその組み立て方法を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明によれば、両面に電極を有する半導体素子
と、その半導体素子両面の電極を挟む上下の電極板とを
備えた層状部品複合体を複数個並列に配置し、上記複数
個の層状部品複合体を良導電性の金属材料からなる上下
の外部主電極で挟んでパッケージ状に組み立てた加圧接
触型半導体装置において、前記上下の電極板と前記上下
の外部主電極との間のうち少なくとも一方に、前記層状
部品複合体の各々に対応する厚さを備えかつ前記半導体
素子および電極板の高さの合計のばらつきを吸収する良
導電性の膜状部材が少なくとも１枚挿入され、さらに前
記電極板と外部主電極との間の電気的導通および熱的導
通が得られるように、前記上下の外部主電極、膜状部
材、上下の電極板、及び半導体素子が加圧状態で組み立
てられていることを特徴とする加圧接触型半導体装置が
提供される。

【００１１】上記のように構成した本発明においては、
上下の電極板と上下の外部主電極との間のうち少なくと
も一方に、層状部品複合体の各々に対応する厚さの良導
電性の膜状部材を少なくとも１枚挿入し、半導体素子お
よび電極板の高さの合計のばらつきを吸収することによ
り、半導体素子を含む層状部品複合体の高さのばらつき
を、各層状部品複合体に対応して所望の範囲以内、例え
ば前述の数値シュミレーション等の検討による値である
１μｍ以内に抑えることができる。従って、各素子を均
一に加圧でき、素子が破壊されず、しかも電流集中や熱
集中を起こさない構造を実現することが可能となる。

【００１２】また、半田等によって電極板と外部主電極
とを接合するのではなく、上下の外部主電極の上面およ
び底面から膜状部材および上下の電極板を介して半導体
素子に圧力を加えることのみで電極板と外部主電極との
間の電気的導通および熱的導通を得るため、組み立て時
もしくは組み立て後も半導体素子を含む層状部品複合体
の交換が可能となる。つまり、半導体素子を含む層状部
品複合体の交換性を残したまま高さのばらつきを所望の
範囲以内に抑えることができる。

【００１３】さらに、電極板と外部主電極とを半田等で
接合しないため、半導体素子の発熱時に両者間に熱応力
が発生せず、その接合部分が剥離したり破壊することも
ない。

【００１４】なお、半導体素子からの発熱量や層状部品
複合体の大きさ、動作温度等の条件、さらに加えるべき
圧力等の条件を考慮すれば、接合部分の熱抵抗を許容範
囲におさめることは十分可能であり、実用上は十分な熱
伝導が得られ、その点での問題はない。

【００１５】ここで、上記加圧接触型半導体装置におい
て、好ましくは、半導体素子の両面のうち一方に制御用
電極を備え、前記膜状部材は、上記制御用電極側の電極
板と外部主電極との間に挿入されている。

【００１６】また、好ましくは、半導体素子の両面のう
ち一方に制御用電極を備え、その制御用電極のない側の
電極板と外部主電極との間には厚さが一定の前記膜状部
材が１枚挿入され、上記制御用電極側の電極板と外部主
電極との間には前記半導体素子および電極板の高さの合
計のばらつきを吸収するための厚さの異なる前記膜状部
材が少なくとも１枚挿入されている。

【００１７】また、前記膜状部材は、好ましくは良導電
性の金属によりなる。さらに好ましくは、その膜状部材
の材料である良導電性の金属が、金、銀、銅、アルミニ
ウム、或いはジルコニウム、またはそれらの複合材料で
ある。

【００１８】また、前記膜状部材は複数枚挿入され、そ
れら複数枚の膜状部材の各々は少なくとも２種類の異な
る材質の膜状部材を重ねて構成されていてもよい。

【００１９】また、上記電極板は、好ましくは、タング
ステンまたはモリブデンで構成されている。

【００２０】また、好ましくは、前記制御用電極を外部
回路に電気的に接続する外部端子群をさらに有し、前記
外部端子群を構成する材料は外部主電極の材料と同一で
ある。この時、上記外部端子群および外部主電極の材料
が、銅或いはアルミニウムであることが好ましい。

【００２１】また、上記加圧接触型半導体装置におい
て、好ましくは、前記膜状部材の積層方向に直交する面
の形状は、その膜状部材を挿入する位置における前記電
極板の積層方向に直交する断面形状と同一である。これ
により、各部材間の境界面における接触面積を大きくす
ることが可能となり、接触による各部材間の熱抵抗を小
さくすることができる。

【００２２】また、前記層状部品複合体における半導体
素子とその半導体素子両面を挟む上下の電極板との間
は、半導体素子の動作温度より融点が高い低融点金属で
接合されていてもよい。本発明では、電極板と外部主電
極とは半田等の低融点金属で接合しないことは前述の通
りであるが、層状部品複合体内における半導体素子と電
極板とを低融点金属で接合することは問題ない。そし
て、半田では完全に吸収できなかった層状部品複合体内
のばらつきは、前述の膜状部材で吸収することになる。
但し、低融点金属としては、半導体素子の動作温度より
融点が高いものである必要がある。

【００２３】さらに、前記半導体素子の両面のうち一方
に制御用電極を備え、少なくとも半導体素子と上記制御
用電極のない側の電極板との間が、半導体素子の動作温
度より融点が高い低融点金属で接合されていることとし
てもよい。

【００２４】また、好ましくは、上記上下の外部主電極
の上面及び底面は、複数個の層状部品複合体のそれぞれ
に共通の外部主電極の電極面である。

【００２５】また、層状部品複合体における半導体素子
は、駆動部にＭＯＳ構造を備えたバイポーラ素子である
ことが好ましい。

【００２６】さらに、上記層状部品複合体における半導
体素子はフライホイールダイオードをさらに有し、その
フライホイールダイオードと前記ＭＯＳ構造を備えたバ
イポーラ素子とが並列配置されていてもよい。

【００２７】また、前述の目的を達成するため、本発明
によれば、両面に電極を有する半導体素子と、その半導
体素子両面の電極を挟む上下の電極板とを備えた層状部
品複合体を複数個並列に配置し、前記複数個の層状部品
複合体を良導電性の金属材料からなる上下の外部主電極
で挟んでパッケージ状に組み立てる半導体装置の組み立
て方法において、下側の前記外部主電極を基準とする水
平面上に配置し、前記層状部品複合体の各々に対応する
厚さの等しい良導電性の膜状部材及び前記層状部品複合
体の各々を配置し、前記基準とする水平面からの前記層
状部品複合体の各々の高さのばらつきを高さ検出手段に
より個別に測定し、前記高さ検出手段による測定結果に
対応して良導電性の膜状部材を少なくとも１枚配置する
ことにより前記半導体素子および電極板の高さの合計の
ばらつきを吸収し、さらに上側の外部主電極を配置し、
上下の外部主電極の上面および底面から前記膜状部材お
よび前記上下の電極板を介して半導体素子に圧力を加え
ることを特徴とする加圧接触型半導体装置の組み立て方
法が提供される。

【００２８】上記においては、前記高さ検出手段が非接
触式で高さを検出する検出装置であることが好ましく、
さらに前記高さ検出手段による測定結果に対応して前記
膜状部材を配置した後のその膜状部材の高さのばらつき
を１μｍ以下にすることが好ましい。

【００２９】

【発明の実施の形態】本発明の第１の実施形態につい
て、図１から図５を参照しながら説明する。図１は本実
施形態の加圧接触型半導体装置（例えばＩＧＢＴパッケ
ージ）の断面を示す図である。本実施形態の加圧接触型
半導体装置は、上側の外部主電極（エミッタ側電極）
１、下側の外部主電極（コレクタ側電極）２、層状部品
３を有し、上側の外部主電極１と下側の外部主電極２と
の間に層状部品複合体（以下層状部品と称する）３が並
列に複数個配置されている。層状部品３は、半導体素子
３０１の両面を上下の電極板３０２，３０３で挟むこと
により構成されており、外部主電極２と層状部品３との
間には厚さが一定の良導電性の膜状部材４が一枚ずつ挿
入され、外部主電極１と層状部品３との間には各層状部
品３に対応する厚さを有する（一般的には厚さが異な
る）良導電性の膜状部材５が挿入されている。さらに、
層状部品３の配列方向の位置決めは、位置決め用ガイド
６を用い、各々の層状部品３が所定の位置に正確に実装
されるようになっている。

【００３０】また、半導体素子３０１には図示しない制
御電極が設けられており、この制御電極が外部端子群７
と接続され、パッケージの外部回路と半導体素子３０１
の上記制御電極とが電気的に接続されるようになってい
る。さらに、外部主電極１，２の側面側には側面部材８
が設けられており、この側面部材８の外表面、及び外部
主電極１，２電極として使用する部分以外の表面は、全
て絶縁物により絶縁されている。

【００３１】外部主電極１，２、及び外部端子群７の材
料は良導電性の金属で構成される。この良導電性の金属
は全て同一の材料であることが望ましく、通常は銅、ア
ルミニウム、またはそれらを主たる構成材料とする合
金、またはそれらの複合材料を使用するのがよい。ま
た、電極板３０２，３０３も良導電性の材料であり、例
えばタングステンやモリブデン等で構成される。これら
電極板３０２、３０３のうち少なくとも一方は、タング
ステンまたはモリブデンと、銅またはアルミニウムの二
層構造としても構わない。この場合、半導体素子３０１
に近い側にタングステンやモリブデンを配置することが
望ましい。

【００３２】半導体素子３０１としては、例えば、駆動
部にＭＯＳ構造を備えたバイポーラ素子を主たる素子と
し、一部にフライホイールダイオードを含み、かつ上記
した各素子を並列に実装する形態が採用される。但し、
多数の発熱性の素子を並列に実装してパッケージを構成
する装置であれば、上記のような素子の組合せでなくて
もよい。

【００３３】図１の一部の拡大断面図を図２に示す。図
２において、電極板３０３と外部主電極２の間に挿入さ
れる厚さ一定の膜状部材４、及び電極板３０２と外部主
電極１の間に挿入される各層状部品３に対応する厚さの
膜状部材５は、例えば、金、銀、銅、アルミニウム、或
いはジルコニウムなどの導電性が良くかつ熱伝導率の大
きな金属で構成する。また、上記の金属を重ねて複合材
料としたものを使用したり、それらの金属を主たる構成
材料とする合金を用いても構わない。さらに、導電性が
良く熱伝導率の大きな材料であり、しかもサブミクロン
〜数１０μm程度のスケールで厚さを調整可能な箔とし
て工業的に供給できる材料であれば、上記材料以外の材
料を用いることができる。

【００３４】上記のような多素子型の加圧接触型半導体
装置、例えばＩＧＢＴパッケージにおいて、各半導体素
子３０１を、素子を破壊しない範囲の加圧力で均一に加
圧し、電流集中や熱集中を起こさない構造を実現するた
めには、各層状部品３の高さのばらつきの絶対値を少な
くとも１μｍ以内に収めることが必要である。

【００３５】各層状部品３の高さのばらつきをエミッタ
側電極の弾性変形で吸収するならば、そのばらつきの最
大値ｔは以下の式で決まる。 ｔ＝（面積比）×｛（耐圧）−（必要圧）｝×（電極厚
さ）／（ヤング率） 例えば、上記素子の電極部分の耐圧が２９．４ＭＰａ、
電気的及び熱的導通を得るために必要な素子の電極部分
の圧接力が９．８１ＭＰａ、エミッタ側電極（外部主電
極１）と上記層状部品３の接触面積に占める素子の被加
圧部分の面積の割合を２０％とし、エミッタ側電極が銅
（ヤング率１１０ＧＰａ）で厚さ２０ｍｍである場合に
は、高さのばらつきの上限ｔは０．７μｍ程度である。
さらにコレクタ・エミッタ電極及び電極間の全ての部材
の弾／塑性変形も考慮すると、高さのばらつきのオーダ
ーは１μｍ程度以内とするのが妥当である。

【００３６】本実施形態における各層状部品３の高さの
ばらつきを吸収する方法（パッケージの組み立て方法）
について、図３〜図５により説明する。図３は上記の組
み立て工程中の半導体装置を示す斜視図であり、この図
３に示すように、まず外部主電極２を下側になるように
可動ステージ９の上に配置し、外部主電極２の上に位置
決め用ガイド６を実装し、各々の位置に膜状部材４及び
層状部品３を載せる。また、この段階で各層状部品３の
上面の高さのばらつきが極力小さくなるように予め配列
の仕方を調整しておく。この場合、半導体素子３０１の
交換性を考えると、外部主電極２、膜状部材４及び層状
部品３の相互間を半田等の低融点金属で接合することは
好ましくなく、圧接構造とすることが望ましい。なお、
膜状部材４を挿入する代わりに、例えば前述の金属材料
を圧接される面の一方もしくは両方に蒸着してもよい。
また、可動ステージ９以外の場所で図３までの工程を行
い、その後にそれをステージ９の上に載置しても構わな
い。

【００３７】その後、可動ステージ９を水平方向に順次
移動させ、高さ検出装置１０に対する可動ステージ９の
相対的位置を移動させて各層状部品３上面の高さを測定
する。上記高さ検出装置１０は、レーザー光線等の信号
１１を被測定対象の表面に照射し、その反射光（信号）
を利用して高さを検出する非接触式の装置であって、市
販のものを用いることができる。このような高さ検出装
置１０によれば、各層状部品３上面の高さのばらつき
を、非接触で０．０１μｍ程度のオーダーまで測定する
ことが可能である。本実施形態では各層状部品３の高さ
ばらつきの絶対値を１μｍ程度とすれば十分であるか
ら、高さ検出装置１０による測定精度は０．１μｍ程度
であればよく、市販の装置で十分対応可能と考えられ
る。

【００３８】上記では高さ検出装置１０の位置を固定
し、可動ステージ９を水平面内で移動させたが、上述の
測定精度を確保できるのであれば、可動ステージ９を固
定して高さ検出装置１０を走差させる方法でもよく、ま
た接触式の方法であっても問題はない。さらに図３で
は、層状部品３（半導体素子３０１）の数が水平方向に
縦横６個即ち合計３６個実装される例を示しているが、
この個数に限定されるものではない。

【００３９】上記の方法により測定した各層状部品３の
上面の高さは、各層状部品３（半導体素子）毎にコンピ
ュータ等の記憶媒体にデジタルのデータベースとして保
存すると同時に、必要な場合は記録用紙に記録又はプリ
ントアウトする。

【００４０】次に、膜状部材５を実装し、測定した各層
状部品３の上面の高さのばらつきを吸収する。図４は、
層状部品３の上に膜状部材５を実装する手順を示した断
面図であり、この図４に示すように、各層状部品３と外
部主電極１の間に、膜状部材５をそれぞれ１枚以上挿入
する。膜状部材５としては最も高い層状部品３の上面に
挿入するもの一種類（厚さｔ０）と、目標とする高さの
ばらつきの寸法と同じ厚さ（厚さｔ１）を有するもの一
種類の、合計二種類が最低限必要である。

【００４１】そして、図５に示すように、最も高い層状
部品３には厚さｔ０の膜状部材５を１枚、それ以外の任
意の層状部品３には厚さｔ１の膜状部材５をｎ−１枚挿
入する（但し、ｎ＞１）。最も高い層状部品３の上面の
高さをｈ０、それ以外の任意の層状部品３の上面の高さ
をｈ１とすると、膜状部材５を実装後の各層状部品３の
最上面の高さは、それぞれ（ｈ０＋ｔ０）、及び（ｈ１
＋（ｎ−１）・ｔ１）となる。この時、 ｈ１＋（ｎ−１）・ｔ１ ＜ ｈ０＋ｔ０ を満たす最も大きい自然数ｎが必ず一つ存在し、またこ
の場合明らかに、 ｈ０＋ｔ０−ｔ１ ≦ ｈ１＋（ｎ−１）・ｔ１ が成り立つ。従って、ｎ枚の膜状部材５を実装した任意
の組合せについて、 ｈ０＋ｔ０ ≦ ｈ１＋ｎ・ｔ１ ＜ ｈ０＋ｔ０＋ｔ１ が成り立ち、厚さｔ０の膜状部材５を１枚と、厚さｔ１
の膜状部材５を必要枚数用いることにより、組み立て後
の各層状部品３の最上面の高さのばらつきをｔ１以内に
抑えることが可能である。

【００４２】本実施形態で目標とする各層状部品３の高
さばらつきの絶対値は１μｍ（±１μｍ）程度であるか
ら、最低でも厚さ２μｍの膜状部材５と、もう一種類の
厚さの膜状部材５があれば、高さのばらつきを上記目標
値以内に抑えることが可能である。なお、膜状部材の厚
さｔ０としては、ｔ１と等しいか、あるいはそれより小
さいことが望ましい。また、金属材料によっては、１μ
ｍ未満のオーダーの厚さの製品も市販されており、これ
らの材料を用いることにより、高さのばらつきを一層小
さくすることができる。

【００４３】また、２種類の厚さの膜状部材５を用いる
のでなく、３種類以上の厚さの膜状部材５を用いること
が可能な場合にでも、一つの層状部品３に対して使用す
る膜状部材５の枚数は極力少なくすることが望ましい。
一つの層状部品３に対して使用する膜状部材５の枚数を
少なくすることによって、膜状部材５の間の接触数を少
なくでき、接触による熱抵抗の合計を小さくすることが
できる。また、膜状部材５実装後の高さが（ｈ０＋ｔ
０）に最も近づくような厚さの組合せを選択すること
で、高さのばらつきを目標値内で更に小さくすることが
可能となる。

【００４４】また、膜状部材４または５を複数枚とした
場合に、それら複数枚の膜状部材の各々を少なくとも２
種類の異なる材質（例えば、金と銀）の膜状部材を組み
合わせて構成してもよい。

【００４５】さらに、上記膜状部材５の積層方向に直交
する面の形状は、その膜状部材５を実装する位置におけ
る電極板３０３の積層方向に直交する断面形状と同一に
する。これにより、各部材間の境界面における接触面積
を大きくすることが可能となり、接触による各部材間の
熱抵抗を小さくすることができる。

【００４６】さらに、電極板３０２と半導体素子３０１
の間、または電極板３０３と半導体素子３０１の間に
は、銀箔や銅箔等の良導電性でかつ柔軟な膜状部材を挿
入したり、あるいはそれら境界面の少なくとも一方に銀
や銅を蒸着してもよく、その場合には各部材間の接触熱
抵抗を低減することができる。

【００４７】以上のような本実施形態によれば、膜状部
材５を実装して半導体素子３０１を含む層状部品３の高
さのばらつきを吸収するので、各層状部品３に対応して
所望の範囲（１μｍ）以内にその層状部品３の高さのば
らつきを抑えることができる。従って、各素子を均一に
加圧状態とすることができ、素子が破壊されず、しかも
電流集中や熱集中を起こさない構造を実現することがで
きる。

【００４８】また、半田等によって電極板３０２，３０
３と外部主電極１，２とを接合するのではなく、圧力を
加えることのみで電極板３０２，３０３と外部主電極
１，２との間の電気的導通および熱的導通を得るため、
組み立て時もしくは組み立て後も半導体素子３０１を含
む層状部品３の交換ができ、層状部品３の交換性を残し
たまま高さのばらつきを所望の範囲以内に抑えることが
できる。

【００４９】さらに、電極板３０２，３０３と外部主電
極１，２とを半田等で接合しないため、半導体素子３０
１の発熱時に両者間に熱応力が発生せず、その接合部分
が剥離したり破壊することもない。

【００５０】なお、半導体素子３０１からの発熱量や層
状部品３の大きさ、動作温度等の条件、さらに加えるべ
き圧力等の条件を考慮すれば、接合部分の熱抵抗を許容
範囲におさめることは十分可能であり、実用上は十分な
熱伝導が得られ、その点での問題はない。また、層状部
品３の高さのばらつきを調整した後に依然として残る１
μｍ程度（絶対値）の段差については、積層方向に積み
重ねた外部主電極１から外部主電極２までの間の各部材
の弾性変形及び塑性変形で吸収することも可能である。

【００５１】次に、本発明の第２の実施形態について、
図６を参照しながら説明する。但し、図６において図１
と同等の部材には同じ符号を付してある。本実施形態に
おいては、まず位置決めガイド６、厚さ一定の膜状部材
４、電極板３０３、及び半導体素子３０１を、外部主電
極２上に実装し、その後、第１の実施形態と同様の方法
でに半導体素子３０１上面の高さを測定する。また、個
々の電極板３０２の厚さを予め測定しておき、組み立て
後の高さのばらつきがなるべく小さくなるように、電極
板３０２の実装位置を選択しておく。さらに、膜状部材
５についても、組み立て後における電極板３０２の微小
な高さのばらつきを目標値（１μｍ）以内に調整できる
ように実装位置を選択し、その位置の半導体素子３０１
の上に膜状部材５を載せる。そして、各々の膜状部材５
の上に実装位置を選択しておいた電極板３０２の上に載
せ、さらに外部主電極１載せてパッケージの組み立てを
完了する。

【００５２】以上のような本実施形態によれば、第１の
実施形態と同様の効果が得られる他、各電極板３０２の
厚さを予め測定しておくことにより、一組の層状部品３
の組み合せに対応して挿入する膜状部材５の枚数を低減
することができ、膜状部材５の間の接触による熱抵抗を
低減することができる。

【００５３】次に、本発明の第３及び第４の実施形態に
ついて、それぞれ図７及び図８を参照しながら説明す
る。但し、図７及び図８において図１と同等の部材には
同じ符号を付してある。第３及び第４の実施形態におい
ては、厚さ一定の膜状部材４を外部主電極２上に実装
し、そして位置決めガイド６、電極板３０３、及び半導
体素子３０１、及び電極板３０２を順に外部主電極２上
に実装する。但し、膜状部材４は全ての層状部品３の底
面を載置可能な面積を有し、一つのパッケージに対して
一枚物である。その後、第１の実施形態と同様の方法で
に電極板３０２上面の高さを測定する。さらに第３の実
施例では、図７に示すように個々の層状部品３に対応す
る膜状部材５を実装し、測定した各層状部品３の上面の
高さのばらつきを吸収する。

【００５４】一方、第４の実施例では、図８に示すよう
に個々の層状部品３に対応する膜状部材５ｂを実装し、
かつ膜状部材５ｂの上から厚さ一定の膜状部材５ａを実
装し、測定した各層状部品３の上面の高さのばらつきを
吸収する。但し、膜状部材５ａは全ての各層状部品３の
上面をカバーできる面積を有し、一つのパッケージに対
して一枚物である。

【００５５】そして、上記図７及び図８にそれぞれ示し
たようにして組み立てた後、各々の膜状部材５の上に外
部主電極１載せてそれぞれのパッケージの組み立てを完
了する。このような本実施形態によっても、第１の実施
形態と同様の効果が得られる。

【００５６】次に、本発明の第５の実施形態について、
図９及び図１０を参照しながら説明する。但し、図９及
び図１０において、図１と同等の部材には同じ符号を付
してある。本発明では、パッケージの組み立て時もしく
は組み立て後における層状部品３の交換性を残したまま
実装することが重要であるが、層状部品３については、
それを構成する各部材、即ち半導体素子３０１及び上下
の電極板３０２，３０３の間が半田等の低融点金属で接
合されていても何ら問題はなく、熱的及び電気的な抵抗
を低減して損失を少なくするためにはむしろ半田等で接
合されている方がよい。そこで本実施形態では、図９に
示すように、電極板３０２と半導体素子３０１の間、及
び電極板３０３と半導体素子３０１の間を半田１３，１
４で接合する。

【００５７】以下、半田１３，１４による接合方法につ
いて説明する。まず、位置が固定された加熱ステージ１
５上に、位置決め枠１６を利用して電極板３０３、半田
１３、半導体素子３０１、半田１４、電極板３０２を載
せ、続いて電極板３０２の上に加圧方向の位置及び加圧
力を制御する制御機構１７に加圧軸２１を介して接続さ
れた加熱天板１８を下降させる。加熱ステージ１５と加
熱天板１８の内部にはヒータ或いは高周波コイル等で構
成される加熱手段１９ａ，１９ｂが装備されており、加
熱ステージ１５と加熱天板１８を、圧力を加えながら各
部材間を加熱し、半田１３，１４を軟化させ、かつ加熱
天板１８の位置を所定の高さとなるように調整する。こ
れにより、各部材間が半田１３，１４で接合される。こ
の半田１３，１４による接合は、真空下、もしくは少な
くとも減圧下で行なわれることが望ましい。

【００５８】加熱天板１８の位置（高さ）の検出方法に
ついては、図３に示した第１の実施形態と同様に、例え
ばレーザー変位計のような位置検出装置２０を用いて検
出し、その測定結果を制御機構１７にフィードバックし
て、加熱天板１８の位置を所定の位置となるよう制御す
ることができる。加熱天板１８の位置を制御することに
より電極板３０２の高さ、従って層状部品３の高さを調
整することができる。この場合の位置検出装置２０に関
しても、加熱天板１８と加熱ステージ１５の間の距離
を、目標とするオーダー以下の精度で求めることができ
るものであれば、検出方法は問わない。

【００５９】位置決め枠１６については、図９のように
加熱ステージ１５に溝を切るか、あるいは何らかの目印
を用いることで水平方向の位置決めをするものとする。
また位置決め枠１６の材質としては、熱伝導率が良く、
しかも温度による寸法変化の小さい材料（例えばＳｉＣ
など）を用いると、加熱ステージ１５及び加熱天板１８
からの熱を効率良く半田１３，１４に伝えることができ
る。また、加熱手段１９ａ，１９ｂの温度の調整につい
ては、位置決め枠１６内の半田１３，１４近傍に温度セ
ンサ２３ａ，２３ｂを取り付け、温度センサ２３ａ，２
３ｂでの測定温度に対応して温度制御装置２４により調
整することができる。

【００６０】なお、上記温度センサ２３ａ，２３ｂは加
熱天板１８と加熱ステージ１５の電極板近傍に取り付け
ても良く、さらに半導体素子３０１を破壊することなく
加熱手段１９ａ，１９ｂにより半田１３，１４を加熱で
きるような位置であれば、図示した位置であることは必
ずしも必要ではない。また、温度の制御と加圧力の制御
はコンピュータ等の手段を用いて連動して制御すること
が望ましい。

【００６１】また、電極板３０２（層状部品３）の高さ
を調整するためには加熱天板１８と電極板３０２とが加
熱時に密着しているか、あるいはその位置関係が一意的
に定まることが必要であり、そのために真空チャック２
５により電極板３０２を保持する。さらに真空チャック
２５以外の保持機構として、例えば爪等の機械的なもの
や、静電チャック等、半導体素子３０１を破壊すること
なく電極板３０２と加熱天板１８の位置を所定の条件に
あわせることができるものならば、いかなる機構でも利
用可能である。

【００６２】さらに本実施形態の場合、接合前の電極板
３０２、半田１３、半導体素子３０１、半田１４、電極
板１４の厚さの合計が最終的に得たい層状部品３の高さ
（設計値）より小さい場合でも、図１０に示すように、
半田１３，１４が軟化してから加熱天板１８の位置を高
くすることで、所定の高さの層状部品３を得ることがで
きる。この時の層状部品３の高さ及び加圧力の調整は、
加熱天板１８ではなく加熱ステージ１５の方を上下移動
させることでも行える。

【００６３】上記のようにして予め高さを調整した層状
部品３は、第１の実施形態と同様に、外部主電極１，２
及び膜状部材４，５等と共に組み立てられ、パッケージ
が完成する。

【００６４】本実施形態によれば、第１〜第４の実施形
態と同様の効果が得られる他、予め高さを調整した層状
部品３を提供することができ、そのため膜状部材４，
５、或いは膜状部材１２による各層状部品３の高さのば
らつきの吸収も容易になる。

【００６５】次に、本発明の第６の実施形態について、
図１１を参照しながら説明する。本実施形態は、基本的
には第５の実施形態と同様であるが、一つの加熱ステー
ジ上で複数（本願の場合は３組）の層状部品を同時に製
造するという点のみが異なる。但し、図１１において、
図９及び図１０と同等の部材には同じ符号を付してあ
る。

【００６６】このような本実施形態では、同時に複数の
層状部品３の高さを調整できる点で有利である。例え
ば、一つのパッケージを構成する全ての層状部品３を同
時に加熱接合し、かつ高さを調整することで、加熱ステ
ージ１５や加熱天板１８の表面のうねりを除く高さのば
らつきが最初からない状態でパッケージを組み立てるこ
とができる。このため、個別に各層状部品３を作る場合
と比べて容易に製造できると共に、半導体素子３０１が
破壊されない加圧力の範囲で各素子３０１を均等に加圧
して熱抵抗及び電気的抵抗のばらつきのない加圧接触型
半導体装置を製造することができる。

【００６７】なお、図１１においては温度センサ２３
ａ，２３ｂの取り付け位置を右端の層状部品３内の半田
１３，１４の近傍としているが、この位置に限る必要は
ない。また、加熱手段１９ａ，１９ｂについても、加熱
ステージ１５と加熱天板１８にそれぞれ一つずつ装備し
ているが、例えば複数の加熱手段を各層状部品３の位置
毎に独立に組み込んでも構わない。その際に、温度セン
サ２３ａ，２３ｂも各層状部品３毎に設けることによ
り、温度制御装置２４から個々の加熱手段を独立に制御
して、層状部品３毎の温度分布のないように温度制御す
ることが望ましい。さらに、図１１では加熱ステージ１
５上に３組の層状部品３を載せているが、ステージ１５
上に並べて実装できる個数であれば、それ以外の個数で
もよい。

【００６８】次に、本発明の第７の実施形態について、
図１２を参照しながら説明する。但し、図１２におい
て、図９及び図１０と同等の部材には同じ符号を付して
ある。本実施形態では、半田１３，１４を半導体素子３
０１の上下に挿入した層状部品３を膜状部材４，５の間
に挟んで外部主電極１，２の間に実装し、パッケージ全
体の組み立てが終了する前に加熱ステージ１５及び加熱
天板１８で半田１３，１４を軟化させ、一括して層状部
品３の高さを調整する。

【００６９】このような本実施形態においては、層状部
品３の高さを一括して調整できるために量産性が高く、
さらに層状部品３と外部主電極１，２との間は半田等で
接合しないため半導体素子の交換性を確保することもで
きる。

【００７０】なお、外部主電極２の上に膜状部材４と層
状部品３（半田１３，１４を含む）を実装した状態、即
ち膜状部材５や外部主電極１を実装する前の状態で、そ
の上から直接加熱天板１８を押し付けて半田１３，１４
を加熱してもよい。

【００７１】また、前述の第５〜第７の実施形態で使用
する半田としては、融点が半導体素子３０１を破壊して
しまう温度よりは低く、かつその半導体素子３０１の動
作温度よりも融点が高いものを採用する。このような半
田（低融点金属）を用いることで、加熱ステージ１５及
び加熱天板１８による加熱時に半導体素子３０１を破壊
することなく、半田１３，１４による接合が行えると共
に各層状部品３の高さを調整することができる。

【００７２】

【発明の効果】本発明によれば、上下の電極板と上下の
外部主電極との間のうち少なくとも一方に、層状部品複
合体の各々に対応する厚さの良導電性の膜状部材を挿入
するので、各層状部品複合体に対応して所望の範囲（例
えば１μｍ）以内にその層状部品複合体の高さのばらつ
きを抑えることができる。従って、各素子を均一に加圧
でき、素子が破壊されず、しかも電流集中や熱集中を起
こさない構造を実現することができる。

【００７３】また、半田等によって電極板と外部主電極
とを接合するのではなく、加圧力状態で電極板と外部主
電極との間の電気的導通および熱的導通を得るため、組
み立て時もしくは組み立て後も半導体素子を含む層状部
品複合体の交換ができ、層状部品複合体の交換性、特に
不良発生時の半導体素子のリペア性を残したまま高さの
ばらつきを所望の範囲以内に抑えることができ、従って
歩留りの高い加圧接触型半導体素子を低製造コストで提
供することができる。

【００７４】さらに、電極板と外部主電極とを半田等で
接合しないため、半導体素子の発熱時に両者間に熱応力
が発生せず、その接合部分が剥離したり破壊することも
ない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態による加圧接触型半導
体装置の基本的構造を示す断面図である。

【図２】図１の一部の拡大断面図である。

【図３】各層状部品の上面の高さを測定する状況を示す
斜視図である。

【図４】層状部品の上に膜状部材を実装する手順を示し
た断面図である。

【図５】膜状部材によって層状部品の高さのばらつきを
吸収する方法を説明する図である。

【図６】本発明の第２の実施形態による加圧接触型半導
体装置の一部の拡大断面図である。

【図７】本発明の第３の実施形態による加圧接触型半導
体装置の一部の拡大断面図である。

【図８】本発明の第４の実施形態による加圧接触型半導
体装置の一部の拡大断面図である。

【図９】本発明の第５の実施形態を説明する図であっ
て、電極板と半導体素子の間を半田で接合する状況を示
す図である。

【図１０】接合前の電極板、半田、半導体素子の厚さの
合計が最終的に得たい層状部品の高さ（設計値）より小
さい場合に、所定の高さの層状部品を得るための方法を
示す図である。

【図１１】本発明の第６の実施形態を説明する図であっ
て、電極板と半導体素子の間を半田で接合する状況を示
す図である。

【図１２】本発明の第７の実施形態を説明する図であっ
て、パッケージ全体の組み立てが終了する前に電極板と
半導体素子の間を半田で接合する状況を示す図である。

【符号の説明】

１，２ 外部主電極 ３ 層状部品 ４，５ 膜状部材 ５ａ，５ｂ 膜状部材 ６ 位置決め用ガイド ７ 外部端子群 ８ 側面部材 ９ 可動ステージ １０ 高さ検出装置 １１ （高さ検出装置からの）信号 １３，１４ 半田 １５ 加熱ステージ １６ 位置決め枠 １７ 制御機構 １８ 加熱天板 １９ａ，１９ｂ 加熱手段 ２０ 位置検出装置 ２１ 加圧軸 ２３ａ，２３ｂ 温度センサ ２４ 温度制御装置 ２５ 真空チャック ３０１ 半導体素子 ３０２，３０３ 電極板

フロントページの続き (72)発明者 児玉 弘則 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 井上 広一 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 長洲 正浩 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 山田 一二 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 両面に電極を有する半導体素子と、前記
   半導体素子両面の電極を挟む上下の電極板とを備えた層
   状部品複合体を複数個並列に配置し、前記複数個の層状
   部品複合体を良導電性の金属材料からなる上下の外部主
   電極で挟んでパッケージ状に組み立てた加圧接触型半導
   体装置において、 前記上下の電極板と前記上下の外部主電極との間のうち
   少なくとも一方に、前記層状部品複合体の各々に対応す
   る厚さを備えかつ前記半導体素子および前記電極板の高
   さの合計のばらつきを吸収する良導電性の膜状部材が少
   なくとも１枚挿入され、さらに前記電極板と前記外部主
   電極との間の電気的導通および熱的導通が得られるよう
   に、前記上下の外部主電極、前記膜状部材、前記上下の
   電極板、及び前記半導体素子が加圧状態で組み立てられ
   ていることを特徴とする加圧接触型半導体装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の加圧接触型半導体装置に
   おいて、前記半導体素子の両面のうち一方に制御用電極
   を備え、前記膜状部材は前記制御用電極側の電極板と前
   記外部主電極との間に挿入されていることを特徴とする
   加圧接触型半導体装置。
3. 【請求項３】 請求項１記載の加圧接触型半導体装置に
   おいて、前記半導体素子の両面のうち一方に制御用電極
   を備え、前記制御用電極のない側の電極板と前記外部主
   電極との間には厚さが一定の前記膜状部材が１枚挿入さ
   れ、前記制御用電極側の電極板と前記外部主電極との間
   には前記半導体素子および前記電極板の高さの合計のば
   らつきを吸収するための厚さの異なる前記膜状部材が少
   なくとも１枚挿入されていることを特徴とする加圧接触
   型半導体装置。
4. 【請求項４】 請求項１記載の加圧接触型半導体装置に
   おいて、前記膜状部材は良導電性の金属によりなること
   を特徴とする加圧接触型半導体装置。
5. 【請求項５】 請求項４記載の加圧接触型半導体装置に
   おいて、前記膜状部材の材料である良導電性の金属は、
   金、銀、銅、アルミニウム、或いはジルコニウム、また
   はそれらの複合材料であることを特徴とする加圧接触型
   半導体装置。
6. 【請求項６】 請求項４記載の加圧接触型半導体装置に
   おいて、前記膜状部材は複数枚挿入され、それら複数枚
   の膜状部材の各々は少なくとも２種類の異なる材質の膜
   状部材を重ねて構成されていることを特徴とする加圧接
   触型半導体装置。
7. 【請求項７】 請求項１記載の加圧接触型半導体装置に
   おいて、前記電極板は、タングステンまたはモリブデン
   で構成されていることを特徴とする加圧接触型半導体装
   置。
8. 【請求項８】 請求項１記載の加圧接触型半導体装置に
   おいて、前記制御用電極を外部回路に電気的に接続する
   外部端子群をさらに有し、前記外部端子群を構成する材
   料は前記外部主電極の材料と同一であることを特徴とす
   る加圧接触型半導体装置。
9. 【請求項９】 請求項８記載の加圧接触型半導体装置に
   おいて、前記外部端子群および前記外部主電極の材料
   は、銅或いはアルミニウムであることを特徴とする加圧
   接触型半導体装置。
10. 【請求項１０】 請求項１記載の加圧接触型半導体装置
    において、前記膜状部材の積層方向に直交する面の形状
    は、その膜状部材を挿入する位置における前記電極板の
    積層方向に直交する断面形状と同一であることを特徴と
    する加圧接触型半導体装置。
11. 【請求項１１】 請求項１記載の加圧接触型半導体装置
    において、前記層状部品複合体における前記半導体素子
    とその半導体素子両面を挟む前記上下の電極板との間
    は、前記半導体素子の動作温度より融点が高い低融点金
    属で接合されていることを特徴とする加圧接触型半導体
    装置。
12. 【請求項１２】 請求項１記載の加圧接触型半導体装置
    において、前記半導体素子の両面のうち一方に制御用電
    極を備え、少なくとも前記半導体素子と前記制御用電極
    のない側の電極板との間は、前記半導体素子の動作温度
    より融点が高い低融点金属で接合されていることを特徴
    とする加圧接触型半導体装置。
13. 【請求項１３】 請求項１記載の加圧接触型半導体装置
    において、前記上下の外部主電極の上面及び底面は、前
    記複数個の層状部品複合体のそれぞれに共通の外部主電
    極の電極面であることを特徴とする加圧接触型半導体装
    置。
14. 【請求項１４】 請求項１２記載の加圧接触型半導体装
    置において、前記層状部品複合体における前記半導体素
    子は、駆動部にＭＯＳ構造を備えたバイポーラ素子であ
    ることを特徴とする加圧接触型半導体装置。
15. 【請求項１５】 請求項１２記載の加圧接触型半導体装
    置において、前記層状部品複合体における前記半導体素
    子はフライホイールダイオードをさらに有し、そのフラ
    イホイールダイオードと前記ＭＯＳ構造を備えたバイポ
    ーラ素子とが並列配置されていることを特徴とする加圧
    接触型半導体装置。
16. 【請求項１６】 両面に電極を有する半導体素子と、前
    記半導体素子両面の電極を挟む上下の電極板とを備えた
    層状部品複合体を複数個並列に配置し、前記複数個の層
    状部品複合体を良導電性の金属材料からなる上下の外部
    主電極で挟んでパッケージ状に組み立てる半導体装置の
    組み立て方法において、 下側の前記外部主電極を基準とする水平面上に配置し、
    前記層状部品複合体の各々に対応する厚さの等しい良導
    電性の膜状部材及び前記層状部品複合体の各々を配置
    し、前記基準とする水平面からの前記層状部品複合体の
    各々の高さのばらつきを高さ検出手段により個別に測定
    し、前記高さ検出手段による測定結果に対応して良導電
    性の膜状部材を少なくとも１枚配置することにより前記
    半導体素子および前記電極板の高さの合計のばらつきを
    吸収し、さらに上側の前記外部主電極を配置し、前記上
    下の外部主電極の上面および底面から前記膜状部材およ
    び前記上下の電極板を介して前記半導体素子に圧力を加
    えることを特徴とする加圧接触型半導体装置の組み立て
    方法。
17. 【請求項１７】 請求項１６記載の加圧接触型半導体装
    置の組み立て方法において、前記高さ検出手段は非接触
    式で高さを検出する検出装置であることを特徴とする加
    圧接触型半導体装置の組み立て方法。
18. 【請求項１８】 請求項１６記載の加圧接触型半導体装
    置の組み立て方法において、前記高さ検出手段による測
    定結果に対応して前記膜状部材を配置した後の前記膜状
    部材の高さのばらつきを１μｍ以下にすることを特徴と
    する加圧接触型半導体装置の組み立て方法。