专利名称：扁平型半导体装置和使用该装置的电力变换装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及将多个半导体芯片并联连接组装到1个管壳中的扁平型半导体装置和使用该装置的电力变换装置。
背景技术：
使用半导体电子技术控制主电路电流的电力电子技术已应用在广泛的领域，并且其应用领域正在扩大。特别是，近年来作为利用向MOS栅极的输入信号控制主电流的MOS控制器件的绝缘栅型双极性晶体管(以下，简称为IGBT)及MOS型场效应晶体管(以下，简称为MOSFET)等受到注目，例如，IGBT作为电力开关器件在电机PWM控制反相器的应用等中已在广泛地使用。
在这样的MOS控制器件中，在半导体芯片的第1主面上并列地形成主电极(发射极)和控制电极(栅极)，在第2主面上形成另一方的主电极(集电极)。因此，在组装这些电极时，必须将第1主面上的主电极和控制电极分别分离并通过外部导出端子而引出。因此，在现有的称为模块结构的IGBT等的组件形态下，通常将半导体芯片的第2主面的主电极直接全部安装到兼作散热体用的金属基板上，同时，利用铝等导线将第1主面上的主电极(发射极)和控制电极(栅极)键合到设置在管壳上的发射极和栅极用的外部导出端子之间，向管壳外部引出。最近，伴随芯片的大型化，越来越要求大容量化，为了扩大容量，开发了将多个(数个～10个左右)IGBT芯片并列到同一个管壳内利用引线而将它们的电极相互并联连接的模块结构组件。但是，在这样的模块型组件的情况下，由于只使在元件内部发生的热从管壳的一个面即直接安装在金属基板上的集电极侧散逸，所以，通常热阻大，对所能安装的芯片的散热量或电流容量有限制。另外，随着电流容量增大，与发射极连接的键合金属线的条数也增多，所以，内部布线电感将增大，这样，在进行开关工作时将发生大的电涌。此外，随着元件数增多，键合的导线的布线将变得复杂，在容器内容易引起断线、短路等现象，另外，由于导线细，在流过电流时，也容易由于发热而引起断线等问题。
作为解决上述问题的方法，已提出了将IGBT组装到扁平型的管壳内、使在其主面上形成的发射极和集电极分别与设置在管壳侧的上下电极板进行面接触而引出的加压接触结构的管壳。
例如，在富士时报的Vol.69，No.5(1996)中登载了安装12个半导体芯片(9个IGBT和3个二极管)的耐压2.5kV、电流容量1kA的扁平型IGBT管壳，另外，在特开平7-94673号公报中公开了将5个IGBT和1个二极管并列组装的扁平型IGBT组件。该组件结构的代表例示于图17。各芯片1、2的第2主面(集电极侧)用焊锡62键合到设置在组件的共同电极板(Cu)8上的1块电极用基板(Mo)61上，第1主面(发射极侧)通过与各芯片分离的个别的接触端子体(Mo)63、64与组件的共同电极(Cu)7连接。各半导体芯片在管壳内的定位是通过将定位导轨66嵌入到在上述电极用基板(Mo)61上的芯片固定区域的周围形成的狭缝65中以直立状态固定支撑于指定位置而进行。即，将该定位导轨66作为外框导轨将半导体芯片1、2和接触端子体63、64保持在指定位置。各半导体芯片的控制电极(栅极)是利用键合引线69与设置在集电极用基板61的周边部的布线台67上的布线网68连接的。此外，为了避免与该引线接触，在接触端子体63上形成凹状切口部。
另一方面，在特开平8-88240号公报的实施例中，公开了安装了21个半导体芯片(9个IGBT和12个二极管)的扁平型IGBT组件。该组件结构的代表例示于图18。各芯片1、2的第2主面(集电极侧)安装到设置在组件的共同电极板(Cu)8上的1块电极用基板(Mo)61上，第1主面(发射极侧)通过与各芯片分离的个别的压接板(Mo)63、64与组件的共同电极板(Cu)7连接。各半导体芯片在管壳内的定位，使用设置在各半导体芯片上的芯片框70进行。即，将各个芯片框70安装到各半导体芯片的外周边部，使该芯片框相互嵌合而将各芯片配置到同一平面上，此外，通过使用外部框71将所配置的芯片的最外周包围，从而最后决定各芯片的位置。各芯片框可以将芯片和压接板63、64固定，外部框71可以准确地保持栅极4的位置关系。探针72的尖端与各半导体芯片的栅极部4接触，由使用插孔73与其连接的各芯片的栅极引线74个别地向管壳外周部布线。另一方面，在发射极侧电极板7的内表面(压接面)上，在芯片之间相邻接的部分(与半导体芯片相对的部分的周围)形成槽75，将上述多条栅极引线74配置到该槽75内。
如上所述，按照扁平型管壳结构，与现有的模块型的管壳相比，在以下几个方面得到了改善。即，1)主电极的连接不是引线键合，提高了连接的可靠性，2)连接导体的电感和电阻小了，3)由于可以从两面将半导体芯片冷却，所以，可以提高冷却效率等。
但是，在为了实现大容量化而并联连接的半导体芯片的数目进一步增多时，即实际装配到同一管壳内的半导体元件的数目达到数十个到上百个以上从而容量非常大、管壳体积很大时，使用上述已知例的管壳方式，各芯片难于准确地定位，由于应处理的栅极布线的条数非常多，所以，栅极布线的处理将非常困难。另外，由布线电感引起的栅极电路发生的噪音等问题也不可忽视。此外，为了适应高耐压的要求而提高芯片的耐压时，通常，由于发热增大，因构成管壳的部件之间的热膨胀系数不同引起的位置偏离等影响将更为严重。因此，实现高耐压、大电流容量的大型管壳的是非常困难的。
本发明就是鉴于上述问题而提出的，以将多个半导体芯片组装到1个扁平型管壳内的扁平型半导体装置为对象，第1个目的旨在提供在大型的扁平型管壳内以高精度并且简便而低成本地进行超多芯片定位的方法；第2个目的在于使内置了多个芯片的组件的栅极信号布线的处理简单化和高可靠化。另外，第3个目的旨在提供使用了通过上述处理得到的半导体装置的特别是适合于大容量的系统的电力变换装置。
发明的公开上述第1个目的可以通过将兼有在扁平型管壳内各半导体芯片定位的功能赋予从各半导体芯片上的控制电极引出的控制电极布线和用于使其与主电极布线绝缘的绝缘用部件而实现。理想的情况是，可以通过采用以下结构而实现。即，在介于半导体芯片的第1主电极间的中间电极上形成贯通孔或切口，通过与主电极布线绝缘用的绝缘用部件将从上述各半导体芯片上的控制电极引出的控制电极布线与在该中间电极上形成的贯通孔(或切口)和在与第1主电极相对的共同电极板上形成的孔(或槽)相连接，从而兼有从半导体芯片的控制电极引出的控制电极布线引出和将上述中间电极与共同电极板的相互位置定位于指定位置的功能。
另外，关于作为第2个目的的应从各半导体芯片引出的多条控制电极布线的处理，可以通过将控制电极布线网容纳于组件的共同电极内部而将从各半导体芯片的控制电极引出的引出电极与其连接而解决。最好在上述组件的共同电极内部形成的控制电极布线网是一体化的，在共同电极的表面的槽内部形成，该槽穿过与相对的半导体芯片上的控制电极位置对应的位置，此外，与上述控制电极布线网的上述引出电极电气连接的面朝向半导体芯片侧形成。
此外，通过使用内置本发明的MOS控制器件(例如，IGBT)的多芯片的高耐压、大电流容量的扁平型半导体装置，与现有的使用在高耐压、大电流容量的领域使用的GTO等的电力变换装置相比，可以实现大幅度地减小装置的体积和成本的大容量电力变换装置。
附图的简单说明图1是本发明实施例1的半导体装置的剖面图。
图2是表示中间电极的形状的图。
图3是从实施例1中使用的共同电极的半导体芯片一侧看到的平面图。
图4是本发明的控制电极布线网的平面图。
图5是与本发明实施例2的半导体装置控制电极布线网平行的剖面图。
图6是与本发明实施例3的半导体装置与控制电极布线网平行的剖面图。
图7是与本发明实施例4的半导体装置与控制电极布线网平行的剖面图。
图8是表示图7中使用的引出脚的制造方法和立体结构的图。
图9是使用本发明的半导体装置的1个电桥的结构电路图。
图10是将图9的3相电桥构成4重结构的自激式变换器的结构图。
图11是表示将本发明的半导体装置串联装配的层叠结构的平面图。
图12是表示装配2个图11的层叠结构的模块结构的图。
图13是图12的模块结构的立体图。
图14是配置了4模块的图13的模块结构的2个分支结构的立体图。
图15是使用本发明的半导体装置的3相电桥结构的立体图。
图16是将图15的3相电桥构成4重结构的阀门孔(valve hole)配置图。
图17是现有的半导体装置的剖面图。
图18是现有的半导体装置的剖面图。
图19是大电流扁平型半导体装置的例子。
实施发明的最佳的形态下面，根据
本发明的实施例。
图1是表示本发明的扁平型半导体装置的剖面的一例的图，是组装了与IGBT芯片1反向并联连接的续流二极管(FWD)芯片2的逆向导通型开关器件的例子。图中，示出了从右端的扁平型半导体装置3的最外部到中央的途中的剖面。IGBT芯片1的大小约为边长16mm的四角形，在上面侧的第1主面上，几乎在整个面上形成发射极，在下面侧的第2主面上形成集电极，此外，在第1主面中央，形成控制用电极(栅极)4。另外，在FWD芯片2上，在硅衬底的上面侧形成阳极，在下面侧形成阴极。在这些半导体芯片上，兼有散热和电气连接的功能的中间电板5、6、15以与主电极相接的形式固定，它们夹在第1共同电极板7(发射极板)和第2共同电极板8(集电极板)之间。在这一对共同电极板之间，利用陶瓷制等绝缘性的外筒9与外部绝缘，此外，共同电极板7、8与绝缘外筒9之间利用金属板10将管壳内部密封，从而成为气密结构。但是，该气密结构根据用途不同，不一定是必须的。
下面，说明从多个半导体芯片引出控制用电极布线(栅极布线)的引出方法和将芯片定位到管壳内的指定的位置的定位方法。首先，使用引出脚11与芯片主面垂直地从IGBT芯片1上的控制用电极焊点4上引出控制用电极布线，在该引出脚11的周围，设置用于使中间电极6和共同电极7与引出脚绝缘的聚四氟乙烯等耐热树脂制的绝缘用部件12(上部外径φ4mm、下部外径φ3mm、内径φ1mm的管状)。为了避免中间电极与平面耐压结构的芯片终端部接触，设置在第1主面侧的中间电极的外形尺寸小于半导体芯片的外形尺寸。配置在具有控制电极的IGBT芯片1上的中间电极6上开有外径φ12mm的圆形的中央为φ3mm的贯通孔13，其端部进行了倒角加工。该中间电极不限于上述形状，也可以是例如设置了图2所示的偏心孔或切口的形状。此外，孔和绝缘部件的外形形状也不限于圆形，也可以是四角形。另外，配置在第2主面侧的中间电极5是比半导体芯片的外形尺寸略大的边长17mm的四角形，端部进行了倒角加工。另一方面，在贯通共同电极板7的半导体芯片侧，在应配置半导体芯片的指定位置上形成φ4mm的孔14。在组装到管壳内时，上述引出脚11和绝缘用部件12插入到中间电极6的贯通孔13中，此外，通过将绝缘用部件12的上部插入到在贯通电极板7上形成的孔14中，各半导体芯片位置就定位到形成了孔14的位置上。即，成为从各半导体芯片的控制电极引出布线的方法(部件引出脚11和绝缘用部件12)兼有决定在扁平型管壳内的各半导体芯片在平面内的手段的单元的结构，不需要用于定位的新的部件，从而可以大幅度地减少部件数。另外，由于不是以半导体芯片及中间电极的外形为基准的定位，所以，不需要在芯片间配置该用途的部件，从而可以缩小芯片间间隔，提高装配密度。
在上述方法中，成为不将控制用电极4与引出脚11接合而是通过接触而导通的结构。由此，便可回避控制用电极和半导体基板与引出脚材料之间由于热膨胀系数不同而引起的接合点劣化等问题。通常，由于半导体装置的工作等管壳内温度发生变化时，结构部件相互之间的位置将会由于结构部件间的热膨胀系数不同而发生位置偏移(横向偏移)。因此，在不将控制用电极与引出脚接合的结构中，存在发生位置偏移而引起控制布线断线的问题。然而，在本发明的结构中，即使例如共同电极7发生热膨胀变化从而设置在其上的定位孔14的位置发生变化时，引出脚11和绝缘用部件12也与该孔14的移动一致地移动，同时，利用引出脚11和绝缘用电极12决定位置的中间电极6和半导体芯片1也一起移动，所以，引出脚和半导体芯片的相对位置不发生偏离。即，具有所谓的自对准功能。此外，在本方法中，设置在半导体芯片上的控制用电极焊点4和配置在其正上方的引出脚11成为中心轴来决定半导体芯片和中间电极的位置，所以，个别的半导体芯片及中间电极的热膨胀变化以该轴为中心而发生，位于中心轴上的控制用电极焊点和引出脚的相互位置不会发生偏离。因此，利用图1的实施例，控制用电极基板和引出脚间的连接的可靠性大大提高。这对于特别是安装芯片的尺寸大、安装芯片数多的情况以及管壳尺寸大的情况是非常有效的。
形成了未贯通配置在FWD芯片2上的中间电极15上的孔16，绝缘用部件17插入到该孔和在共同电极板7上形成的孔14内来决定各半导体芯片的位置。但是，也可以将在上述中间电极15上形成的孔作为贯通孔而与IGBT芯片和中间电极部件共用。另外，绝缘用部件17也可以使用中央有引出脚孔的IGBT芯片用的绝缘用部件12。另外，FWD芯片不在最外周部，FWD芯片的位置大致由包围周边的IGBT芯片决定时，对于FWD芯片，也可以不使用上述绝缘用部件17进行定位。这样，便可减少部件加工成本和部件数目等。
本发明的实际装配方式，当然也可以使用于仅由不包含二极管的IGBT等半导体开关元件构成的扁平型半导体装置，此外，例如在只将多个二极管芯片如上述那样定位而装配从而实现大容量化的情况下，当然也是有效的。
图3表示从半导体芯片侧看第1共同电极7的图，A-A′位置与图1中的共同电极7的剖面位置对应。在该共同电极7的管壳内侧表面上形成多个平行的槽18，此外，在外周部也形成槽19。槽的宽度小于3mm，进而在槽18上，在应配置半导体芯片的指定位置上形成了应插入上述引出脚11和绝缘用部件12的φ4mm的孔14。用虚线所示的四角形的线20表示配置半导体芯片的位置。换言之，形成了槽18，使其通过与相对的半导体芯片上的形成了控制电极的位置对应的位置、即在本实施例的情况下就是通过与半导体芯片的中央对应的位置。相互平行的槽18是在共同电极板的两端开放的，另一方面，在电极板的周围形成的槽19可以加工成台阶状，所以，不论哪一种槽，其加工都是简单的。
图4表示用于导出到控制电极布线网21和与其连接的半导体装置的外部的集合端子22的典型的形状。图4(a)、图4(b)表示内置于图2所示的共同电极的槽18、19内的控制电极布线网的形状。图4(c)、图4(d)表示控制电极布线网的其他形状例。使用这些形状时，就在共同电极上形成与该形状对应的槽。这时，进行在共同电极板的两端开放的槽的加工也是简单的。采用控制电极布线网在外周部连接成一体的结构，设置在共同电极内使用时，该外周部分使控制电极布线网的位置实现稳定化。此外，在这些布线网上设置集合端子22，通过这些集合端子从管壳内向外部引出控制信号布线。该集合端子22也可以使用与控制电极布线网相同的材料形成，可以改变布线的粗细，在改变材质时，也可以与其他部件接合而形成一体化。该集合端子22的一端如图1所示的那样，与对绝缘性的外筒9保持气密而形成的外部导出端子24用焊锡来连接。
该控制电极布线网21利用绝缘材料23与共同电极7绝缘，内置到槽内。从半导体芯片的控制电极4引出的引出脚11插入到绝缘用部件12的中心孔内，与上述控制电极布线网21连接。这样，便可形成内置在管壳的共同电极内部在浪费少的紧凑的栅极布线网。这些布线网，可以通过冲压薄的金属板一并制作，或者通过将几个部件接合而制成。另外，也可以使用TAB带那样的布线材料和绝缘材料预先成为一体的部件。
使内置在共同电极中的布线材料和绝缘材料薄而窄，并且使槽窄，可以减小槽在全体电极面积/体积中所占的面积/体积，从而可以降低热阻，这是较为理想的。在本方式中，不是在1个槽内例如配置多条个别被覆的栅极引线，所以，槽可以窄。另外，布线的形成不是使用引线键合，所以，不必确保引线键合所需要的空间区域，由于可以使槽窄，所以，不会受到槽宽度的限制，从而可以缩小芯片间距，提高装配密度。
此外，本发明的内置型控制电极布线还具有不易受到主电路布线(主电路电流、电压)的影响的效果。即，由于在主电路布线中通过大电流，并且电压也发生数千伏的变化，所以，有可能由于磁感应或静电感应使噪音从主电路布线串入控制电极布线。该噪音引起电流变化，从而电流将集中在特定的芯片中。然而，在本发明的结构中，由于控制电极布线网相对于主电路成直角地配置，并且控制电极布线网埋入到电位恒定的发射极中，所以，通过发射极发挥屏蔽效果，可以防止集电极的电位变化对控制电极布线的影响。
下面，参照图5～图7说明控制电极布线网的详细实施例。这些图都是与在共同电极7上形成的控制电极布线网平行的剖面图。在图5中，中间电极板5、6插入到IGBT芯片1与共同电极板7、8之间。中间电极板5、6预先进行了镀Au，芯片1的发射极侧Al电极和集电极侧Al电极使用以Au为主要成分的接合层25与中间电极板5、6接合。调整了长度的引出脚11通过绝缘用部件12保持为与半导体芯片垂直，此外，压到内置在共同电极7的槽18内的控制电极布线网21上。绝缘部件23使用具有耐热性的弹性的树脂制成，引出脚11通过加压而发生弹性变形，其恢复力将朝向半导体芯片上的控制电极焊点4的挤压力26赋予引出脚11，从而成为使引出脚11的前端与控制电极4保持良好的接触状态的结构。
在图6中，表示对引出脚赋予朝向半导体芯片上的控制电极的挤压力的其他实施例。控制电极布线网21使用磷青铜、镍银合金、铍铜等屈服点高、疲劳强度大不易发生疲劳变形的金属材料制成。对于绝缘部件27，通过使用硬质的耐热性树脂并除去与其引出脚位置对应的部分，成为布线材料弯曲的结构。引出脚28挤压到该部分上时，布线就发生弯曲，产生恢复力，所以，成为利用使该引出脚向下挤压的力26来保持与控制电极接触的结构。
在本实施例中，引出脚28的上端具有圆形或四角形的接触头29，将防止振荡用的片状电阻30与其键合连接。该片状电阻与控制电极布线网之间，可以用焊锡等进行接合，或者也可以不接合。作为其他的方法，也可以是将引出脚作成直线形状而将另外制作的带电阻的插座与该引出脚上部嵌合或接合的形式。在本实施例中，芯片1与集电极侧的中间电极板5是用焊锡31进行接合的，但是，没有与发射极侧的中间电极板6接合。这时，使用聚四氟乙烯或硅酮等耐热性树脂的辅助框32将芯片1或中间电极板5与发射极侧的中间电极板6的相对位置固定。这样，引出脚与芯片的相对位置便可总是保持不变。如本例所示的那样，在使用辅助框32时，辅助框32的外形尺寸也不必要求精确，可以使框的厚度薄而加工简单，从而可以降低部件成本。辅助框32还可以兼有强化芯片终端部的绝缘保护和机械保护的作用。在只为了强化绝缘保护时，可以使用与尺寸精度要求更不严格的辅助框32类似的结构的部件或平板状的部件。此外，使用硅酮或聚酰亚胺等粘接剂覆盖到芯片终端部上和侧面，也是有效的。
图7是引出脚本身具有弹性的本发明的实施例。用于从半导体芯片上的控制电极4引出布线的引出脚33，其上部弯曲成U字形，该部分具有上下方向的弹性。预先调整成使引出脚33的长度比组装到管壳中时的控制电极4与控制电极布线网21间的距离(包括离散度)略长。因此，该引出脚通过绝缘用部件12保持为与半导体芯片垂直，此外，通过挤压到内置在共同电极7的槽18内的控制电极布线网21上，引出脚33本身发生向控制电极焊点4施加的挤压力26，从而成为使引出脚33与控制电极保持良好的接触状态的结构。
另外，在本实施例中，芯片端部和中间电极侧面使用硅酮和聚酰亚胺的粘接剂36、37进行保护。此外，IGBT芯片1的发射极侧Al电极与预先镀Ag的发射极侧的中间电极板6之间使用以Ag为主要成分的粘接剂25进行接合。芯片1的集电极侧，在表面上形成了Ag电极，通过焊锡片31与预先镀Ni的集电极侧的中间电极板5接合。
图8表示上述引出脚33的制作例。为了实现低成本化，在磷青铜等的板上进行冲压、弯曲，制作成引出脚头部分34的宽度宽的、引出脚底部的部分35的宽度比引出脚头部分窄的形状。对引出脚进行镀Ni后，将片状电阻30键合到引出脚头部，以片状电阻与引出脚一体化的形式供给管壳组装。
在管壳非常大时，设置到管壳内的各半导体芯片的控制电极布线的电阻值的离散度也增大。为了使并联连接的多个芯片的工作一致化，最好使各半导体芯片的控制电极布线的电阻值小于在各芯片中个别配置的电阻器的电阻值的1/10。这样，便可使从栅极输入端子到各芯片的栅极电阻的离散度小于10％，所以，可以廉价地制作电路设计的精度不太高的电路。
如前所述，并不是必须使中间电极位于第1和第2共同电极板与半导体芯片之间，但是，例如在必须降低由于半导体芯片与共同电极板的热膨胀系数不同而发生的应力时，则最好在上述两者之间安装由热膨胀系数介于上述两部件之间的或者热膨胀系数与半导体芯片接近的并且热传导性、导电性优异的材料构成的中间电极。作为该材料，最好是钨(W)或钼(Mo)等单体金属或以它们为主的结构材料Cu-W、Ag-W、Cu-Mo、Ag-Mo、Cu-FeNi等复合材料或合金以及金属与陶瓷或碳的复合材料，例如Cu/SiC、Cu/C、Al/SiC、Al/SiC、Al/AlN显。另一方面，最好使用导电性、热传导性好的铜及铝或包含它们的上述那样的合金或复合材料作为共同电极。
设置在发射极侧的中间电极上的控制布线引出部分，如上所述，在中央形成贯通孔的方法是最简单的，但是，根据在半导体芯片侧形成的控制电极焊点的位置、形状、数目的不同，可以使孔的位置偏心，也可以在电极端部形成切口形状或矩形，也可以形成多个孔。中间电极的外形形状可以是圆形，也可以是四角形，但是，对于设置在发射极侧的中间电极，最好是避免与在芯片终端部形成的耐压结构部分接触的结构。另外，也必须是可以避免与控制电极部分接触的结构，除了与芯片相邻的面的形状是环形外，可以使用梳齿状、单齿状、犀牛的眼睛状等与发射极电极焊点的位置、形状、数目一致的形状。另一方面，集电极侧最好是可以用平面状形成的可以与集电极较宽地接触的结构。此外，关于这些中间电极，可以如本例那样对各半导体芯片配置个别的中间电极，也可以使用1块大型的中间电极板。
在上述实施例中，在芯片主面上形成的控制电极焊点的位置，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个部位，可以是2个部位以上。在半导体芯片的第1主面的控制电极焊点和芯片终端部以外，成为第1主电极(发射极)的连接部，形成Al或AlSi的电极。此外，在芯片的第1主面上，除了控制电极外，还可以形成过电流检测用的电极等。在半导体芯片的第1主面的上述控制电极和发射极区域以外，最好利用例如聚酰亚胺的钝化膜来被覆盖。
所示的例子，是使用焊锡或Au、Ag将半导体芯片与中间电极或共同电极之间以及中间电极与共同电极之间接合而固定的，但是，各部分的固定并不是必须的，任何一部分都可以不固定而进行装配。
将多个半导体芯片并列地组装到扁平型管壳中时，将夹在一对共同电极之间的部件(各半导体芯片和中间电极)的高度对齐从而使各部分与共同电极可靠地接触是非常重要的。因此，可以将导电性良好、柔软并且热传导率大的薄膜状或片状部件插入到共同电极板与半导体芯片之间或共同电极板与中间电极之间。在半导体装置的组装过程中，或最后工序中，在将半导体芯片、中间电极板、薄膜、片状部件重叠到共同电极板上的状态下，如果在室温下或加热的同时一并加压，便可吸收芯片位置相互间的高度离散度，并且薄膜、片状部件发生塑性变形以使各半导体芯片的上面平行并且调整为相同的高度，从而可以实现均匀的接触状态。上述薄膜状部件，最好使用金、银、铜或铝等金属或它们的合金或以上述材料为主的结构材料的合金或复合材料，或者焊锡薄片等热可塑性的导电性薄片。
另一方面，在不将共同电极板与半导体芯片之间或共同电极板与中间电极之间接合时，使接触面之间的接触良好对降低热阻是非常重要的。对于这一目的，上述方法也是有效的，此外，在接触面的至少一方上，蒸发上金、银、铜或铝等导电性良好、柔软并且热传导率大的材料的薄膜的方法也是有效的。为了同时实现修正高度和降低热阻，也可以将不同的材质的薄膜状部件与各部件间组合起来配置。即，将Ag等软金属薄片插入到共同电极与中间电极之间、将Ag薄膜插入到中间电极与半导体芯片之间时，可以比较简单地实现修正高度和降低热阻。
在图3中，示出了共同电极板或管壳的外形为圆形的例子，但是，当然半导体装置的外形也可以是四角形的，这时，绝缘性的外筒也可以是四角形的。在芯片本身是四角形时，特别是安装的芯片数少时，可以使整体比圆形更紧凑，所以是非常理想的。但是，在安装的半导体芯片的数非常多时，由于即使管壳的外形是圆形管壳面积的损耗也小，故可以根据管壳材料的制造成本等其他要素来选择形状。
在以上将大量的半导体芯片并联连接的扁平型的半导体装置中，特别是在有未与内置的芯片和中间电极、共同电极间的界面接合的部分时，最好从露出到共同电极板的外部的2面夹住进行加压，在使上述部件间的接触良好的状态下进行使用。这时，圆形的管壳容易进行均匀地加压。
通常，在提高IGBT元件的耐压时，元件的损耗就增大，从而工作中的发热就增大，所以，电流密度不能高。因此，在特别需要耐压高和大电流的半导体装置时，就必须使并联连接的芯片数非常多。本发明的方法，对这样的要求特别适用，可以使管壳内部的布线处理紧凑，同时可以降低热阻。另一方面，又希望尽可能减少工时，降低成本，这就希望减少安装的芯片数目，即在芯片成本允许的范围内尽可能增大芯片尺寸，最好边长大于14mm。使用边长14～16mm的IGBT芯片和二极管芯片并采用IGBT芯片和二极管芯片的数目大约为2∶1时的本发明的高耐压、大电流的扁平型半导体装置的例子示于图19的表中。在逆向导通型的扁平型半导体装置的情况下，将FWD芯片和IGBT芯片设计为相同尺寸时，可以自由地配置，所以，芯片的数目分配比的自由度大，从而可以与高密度配置相辅地简单地提供各种规定的元件。而且，在本发明的实际装配方法中，基本上不论有无控制电极，即使改变芯片的种类，都可以自如地对应，所以，可以比较简单地与上述变更对应。但是，关于IGBT芯片和FWD芯片在管壳内的排列，为了使发热部位均匀化，最好同一种芯片尽可能均匀地配置。
在上述各实施例中，都是使用IGBT作为带有控制电极的半导体元件进行说明的，但是，本发明至少是以在第1主面上具有第1主电极、在第2主面上具有第2主电极的半导体元件的全部情况为对象的，对于IGBT以外的包含绝缘栅型晶体管(MOS晶体管)及IGCT(Insulated Gate Controlled Thyristor)等的绝缘栅型半导体开关元件(MOS控制半导体开关元件)等带有控制电极的半导体元件和二极管等，同样也可以实施。另外，对于Si元件以外的SiC、GaN等化合物半导体元件，同样也是有效的。
在本发明的扁平型半导体装置中，由于可以高密度地装配非常多的芯片，所以，通过使用该扁平型半导体装置，可以实现大幅度地减小装置体积和降低成本的大容量电力变换装置。图9～图16表示使用本发明的IGBT扁平型半导体装置的电力用自激式大容量变换装置的实施例。
图9表示1个电桥的结构电路图。作为主变换元件的IGBT76和二极管77逆向并联配置，并且n个这样的结构进而串联连接。这些IGBT和二极管表示了本发明的将大量的半导体芯片并列地装配的扁平型半导体装置。在使用上述逆向导通型IGBT扁平型半导体装置时，成为将图中的IGBT76和二极管77汇总并容纳到1个管壳内的形式。其中，设置了缓冲电路78和限流电路。
图10是将图9的3相电桥构成4重结构的自激式变换器的结构图。
图11表示将5个本发明的扁平型半导体装置3加压串联连接的层叠式结构。5个扁平型半导体装置，以与其共同电极外侧进行面接触的形态将水冷电极39夹在中间串联连接。此外，在层叠式结构的端部，配置高电压用的绝缘物40，利用结构物41对整个层叠式结构进行加压保持。按照本发明，即使在耐压5kV、额定电流3kA的扁平型半导体装置中，也可以使尺寸小型化到约φ300×40mm厚以下，所以，整个叠层的尺寸非常小，约为400×400×550(H)mm。
使用2个叠层42并进而装配了具有缓冲电容器43和缓冲电阻44的缓冲电路和栅极驱动电路45的模块46的实际装配图示于图12。2个叠层通过主电路布线47、48、49串联连接，叠层间和布线间设置绝缘板50。在本实施例中，为了降低布线电感，使叠层的中心轴方向平行地配置而进行布线，以使流过2个叠层的主电路电流相互平行且反向。
图13是以将图12的模块省略一部分的形式立体地表示的图。
图14是配置4个图13的模块46、用40个本发明的扁平型半导体装置构成1相的2个分支(上分支51、下分支52)结构时的立体图。模块间利用绝缘物53进行绝缘，对于在叠层结构间相互布线的主电路布线54，为了降低主电路布线部的电感，使用平行导体板(层叠汇流条(bus bar))。
图15是配置3相图14的结构、并进而加上限流电路模块55、冷却水的控制模块56和直流电容器57从而构成3相电桥58的图。
此外，图16是将图15的3相电桥58构成4重结构从而构成300MW级的电力用变换器系统时的阀门孔配置图。本系统的3相电桥的尺寸约为8000×1500×8000mm，除了直流电容器57的部分约为5800×1000×3800mm，与使用现有型元件(GTO等)的情况相比，变换器本身的体积非常小。结果，变换器内所需要的布线60的长度可以大大缩短，所以，即使不考虑使用平行布线的效果，仅按单纯的布线长度计算，每一元件中的布线的电感小于1.5μH，与现有的情况相比，小于1/2。此外，可以减少周边部件的数目，实现轻量化，从而可以大幅度降低总体成本。
本发明的扁平型半导体装置，不限于上述实施例，使用于变换容量大于10MVA的大容量电力变换装置也是有效的，极适合于变换容量在50MVA以上在电力系统中使用的自激式大容量变换装置或作为工厂用电力变换器而使用的大容量电力变换装置，也可以在可变速扬水发电、轧钢机、大厦内变电所设备、电气铁路用变电设备、钠硫(NaS)电池系统等中使用。
按照本发明，在将多个半导体芯片并列配置的扁平型半导体装置中，用于形成进行各半导体芯片的工作控制所必须的控制电极的布线的部件、即引出电极及其绝缘用部件，总是同时使半导体芯片上的控制电极与引出电极布线匹配，并且，是具有将各半导体芯片在管壳内定位的功能的自对准结构。这样，便可防止发生由于构成组件的不同部件间的热膨胀系数不同等引起的相互位置偏移和由于部件间的应力等引起的问题，从而可以进一步缩小芯片间隔而提高装配密度。
另外，本发明的扁平型管壳，是将一体型的控制电极布线网内置到共同电极内的结构，控制电极的布线处理非常简单，所以，在需要装配非常多的芯片时，也可以适应，从而可以大大提高组装的操作性和作为组件的可靠性。此外，由于组件是薄型的，可以实现小型化，所以，也可以降低热阻。另外，本方式的控制电极布线不易受到主电路布线的影响，从而可以降低噪音对栅极布线的影响。
这样，便可实现可以并联连接很多芯片的扁平型半导体装置，所以，可以实现额定电压3.5kV、额定电流1kA以上以及5kV、3kA以上的大容量的半导体装置。此外，使用这些半导体装置的大容量电力变换装置可以大幅度减小装置体积和降低成本。此外，可以实现装置小型化，所以，可以大幅度降低直流布线的电感，从而可以提高元件的电压利用率。
权利要求
1.一种将在第1主面上具有第1主电极和控制电极、在第2主面上具有第2主电极的多个半导体芯片并列地配置并组装到利用绝缘性的外筒对在两面露出的一对共同电极板之间进行外部绝缘的扁平型管壳中的扁平型半导体装置，其特征在于从各半导体芯片上的控制电极引出的控制电极布线和用于将其与主电极布线绝缘的绝缘用部件对该共同电极板的至少一方具有兼有各半导体芯片的定位功能的结构。
2.一种将在第1主面上具有第1主电极和控制电极、在第2主面上具有第2主电极的多个半导体芯片并列地配置并组装到利用绝缘性的外筒对在两面露出的一对共同电极板之间进行外部绝缘的扁平型管壳中的扁平型半导体装置，其特征在于至少在各半导体芯片的主电极与和其相对的共同电极板之间的第1主电极一侧装配兼有导电和散热的功能的中间电极，从上述各半导体芯片上的控制电极引出的控制电极布线和用于将其与主电极布线绝缘的绝缘用部件对该共同电极板的至少一方具有兼有该第1主电极侧中间电极的定位功能的结构。
3.如权利要求2所述的扁平型半导体装置，其特征在于用于将从上述各半导体芯片上的控制电极引出的控制电极布线与主电极布线绝缘的绝缘用部件，具有通过将在上述第1主电极侧中间电极上形成的贯通孔或切口部与在和该半导体芯片的第1主电极相对的共同电极板的指定位置上形成的孔或槽连接来确定该中间电极与共同电极板的相互位置的结构。
4.一种将在第1主面上至少具有第1主电极、在第2主面上具有第2主电极的多个半导体芯片并列地配置并组装到利用绝缘性的外筒对在两面露出的一对共同电极板之间进行外部绝缘的扁平型管壳中的扁平型半导体装置，其特征在于至少在各半导体芯片的主电极与和其相对的共同电极板之间的第1主电极侧装配兼有导电和散热的功能的中间电极，此外，还具有通过将在上述第1主电极侧中间电极上形成的贯通孔或切口部与在和该半导体芯片的第1主电极相对的共同电极板的指定位置上形成的孔或槽连接来确定该中间电极与共同电极板的相互位置的结构。
5.如权利要求2～4的任一权项所述的扁平型半导体装置，其特征在于上述第1主电极侧的中间电极和半导体芯片利用绝缘性的导向部件相互定位。
6.如权利要求2～4的任一权项所述的扁平型半导体装置，其特征在于上述第1主电极侧的中间电极和第2主电极侧的中间电极利用绝缘性的导向部件相互定位。
7.一种将在第1主面上具有第1主电极和控制电极、在第2主面上具有第2主电极的多个半导体芯片并列地配置并组装到利用绝缘性的外筒对在两面露出的一对共同电极板之间进行外部绝缘的扁平型管壳中的扁平型半导体装置，其特征在于在与该第1主面侧相对的共同电极板的内部形成该多个半导体芯片的控制电极通过各引出电极导电性地连接的控制电极布线网。
8.如权利要求7所述的扁平型半导体装置，其特征在于上述控制电极布线网具有向上述引出电极施加压力从而保持与半导体芯片上的控制电极接触的功能。
9.如权利要求7所述的扁平型半导体装置，其特征在于上述控制电极布线网利用板状的弹性体构成。
10.如权利要求7所述的扁平型半导体装置，其特征在于与上述控制电极布线网连接的引出电极在其主轴方向上具有弹性，从而具有保持与半导体芯片上的控制电极接触的功能。
11.如权利要求10所述的扁平型半导体装置，其特征在于上述引出电极由使平板弯曲而赋予弹性的部分和与半导体芯片上的控制电极接触的部分组成的一体成形品来构成。
12.如权利要求7所述的扁平型半导体装置，其特征在于在上述管壳内形成的控制电极布线网是具有一体型的刚性的结构。
13.如权利要求7所述的扁平型半导体装置，其特征在于在上述各半导体芯片的控制电极与在共同电极内部形成的控制电极布线网之间，在各个半导体芯片中具有个别电阻。
14.一种电力变换装置，其特征在于将权利要求1、2、4、7的任一权项所述的扁平型半导体装置作为主变换元件使用。
全文摘要
从内置在扁平型管壳内的多个半导体芯片上的控制电极引出的控制电极布线和用于将其与主电极布线绝缘的绝缘用部件具有兼有在扁平型管壳内的各半导体芯片的定位的功能。此外,将一体型的控制电极布线网容纳在管壳的共同电极内部,通过将从各半导体芯片上的控制电极引出的上述引出电极与其连接,可以使非常多的栅极信号布线的处理简化。
文档编号H01L29/66GK1254443SQ97182144
公开日2000年5月24日 申请日期1997年3月26日 优先权日1997年3月26日
发明者児玉弘则, 长洲正浩, 井上広一, 大曾根靖夫, 上田茂太, 山田一二 申请人:株式会社日立制作所