專利名稱：扁平型半導體裝置、其制造方法及使用該裝置的變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及扁平型半導體裝置，實現(xiàn)連接在內(nèi)部安裝的半導體元件上的電極之間的封裝結(jié)構(gòu)，而且涉及能廉價地確保高絕緣可靠性的扁平型半導體裝置以及使用該裝置的變換器。
背景技術(shù)：
利用半導體電子學的技術(shù)以控制主電路電流的電力電子學技術(shù)被應用于廣泛的領(lǐng)域，其應用還在繼續(xù)擴大。作為電力用半導體元件有可控硅、光可控硅、GTO可控硅(Gate Turn-off)、GCT可控硅(Gate Commutated Turn-off)、作為MOS控制器件的絕緣柵型雙極性晶體管(以下簡稱IGBT)、MOS型場效應晶體管(以下筒稱MOSFET)等。在這些裝置中，主要是在半導體芯片的第一主面上形成主電極(陰極、發(fā)射極)，在第二主面一側(cè)形成另一個主電極(陽極、集電極)。
在GTO、光可控硅等大功率用的半導體裝置中，對每一個晶片封裝成元件。上述元件的兩個主電極呈這樣的結(jié)構(gòu)通過由Mo或W構(gòu)成的熱緩沖用電電極板，利用封裝體的一對外部主電極進行加壓接觸，一般是適合于加壓的扁平型結(jié)構(gòu)。
另一方面，在IGBT等中，迄今主要由稱為模塊型結(jié)構(gòu)的由引線進行的電極接觸方式的封裝形態(tài)，安裝多個芯片。在這樣的模塊型封裝的情況下，由于在元件內(nèi)部發(fā)生的熱只能從封裝體的一面、即從直接設(shè)置在金屬基體上的集電極一側(cè)釋放，所以一般說來熱阻大，能安裝在一個封裝體上的芯片數(shù)受(發(fā)熱量、或電流容量)限制。最近，為了處理這樣的問題，根據(jù)大容量化的要求，將多個IGBT元件并列組裝在類似于上述GTO、光可控硅等的封裝體的扁平型封裝體內(nèi)，使在其主面上形成的發(fā)射極、集電極與分別設(shè)置在封裝體一側(cè)的一對外部主電極板進行面接觸而引出的多芯片并列型加壓接觸結(jié)構(gòu)的扁平型半導體裝置引人注目。如果采用扁平型封裝體結(jié)構(gòu)，則與現(xiàn)有的模塊型封裝體相比，能期待在以下三個方面有所改善1)由于主電極的連接沒有引線接點，所以能提高連接的可靠性，2)連接導體的電感及電阻變小，3)由于能使半導體芯片從在兩面上冷卻，所以能提高冷卻效率等。
在現(xiàn)有的扁平型半導體裝置中，如

圖14所示，為了保護內(nèi)部安裝的半導體元件(圖中未示出)，封裝體內(nèi)部呈氣密封裝結(jié)構(gòu)(密封結(jié)構(gòu))(例如在特開平7-66228號公報、特開平7-254669號公報、特開平8-330338號公報等公開的那樣)。具體地說，利用金屬法蘭32、33，使外部主電極板4、5與致密的陶瓷部件31之間氣密接合，使內(nèi)部呈氣密封裝結(jié)構(gòu)。利用該氣密封裝結(jié)構(gòu)，確保扁平型半導體裝置的耐濕可靠性，但存在氣密規(guī)格的部件本身的成本、氣密封裝用的作業(yè)成本高的問題。
另外在上述半導體裝置中為了長期保證封裝體外側(cè)的絕緣性，需要確保對應于元件耐壓程度的規(guī)定長度以上的封裝體外部沿表面放電最短距離。為此一般采用將陶瓷制外筒31的外側(cè)部分(圖14中的A部)加工成復雜的形狀的方法?？墒牵话阏f來陶瓷非常硬，是一種難加工的材料，所以陶瓷的上述復雜形狀的加工成本高，成為封裝體成本增加的一大因素。
半導體元件的耐壓今后有越來越高的趨勢，特別是強烈要求扁平型半導體裝置大容量化，元件的高耐壓趨勢越來越顯著。在模塊型結(jié)構(gòu)的封裝體中，為了確保封裝體外部露出的散熱片和元件之間的絕緣性(對地絕緣性能)或在處理封裝體內(nèi)部的安裝布線之間的放電的問題的同時使封裝體的尺寸緊湊化，通過將凝膠填充在封裝體內(nèi)部，確保了絕緣可靠性。另一方面，在扁平型結(jié)構(gòu)的元件中，關(guān)斷時能確保主電極之間的絕緣性即可，至今基本上通過確?？臻g距離來解決?？墒墙窈箅S著元件進一步高耐壓化，確保包括安裝結(jié)構(gòu)的半導體元件周邊的耐壓(防止放電)以確保絕緣可靠性正成為非常難的課題。
另外在將多個芯片并列安裝式的扁平型半導體裝置中，例如特開平7-94673號公報或富士時報，Vol.69，No.5(1996)中所述，雖然利用各芯片定位用的框部件等，但這些構(gòu)件部分使得安裝密度下降。為了使扁平型半導體裝置的尺寸盡可能地緊湊，而且增大變換容量，必須進一步提高內(nèi)部安裝的半導體元件的安裝密度。另外，必須附加定位用的個別部件，增加了部件個數(shù)，所以在組裝的可操作性、部件成本等方面也存在應改善的課題。
發(fā)明的公開本發(fā)明就是考慮到上述的課題而完成的，提供一種確保扁平型半導體裝置的絕緣可靠性的方法。另外本發(fā)明還提供一種可靠性高的大容量變換器。
在本發(fā)明的扁平型半導體裝置中，將對在兩面上露出的一對共用主電極板之間進行絕緣封裝的電氣絕緣性的外筒的至少一部分作成樹脂部件。特別是在必須進行氣密封裝的情況下，將上述絕緣性的外筒作成無機材料類的質(zhì)地致密的絕緣性部件和樹脂部件的復合型絕緣外筒，由于利用該無機材料類的質(zhì)地致密的絕緣性部件進行氣密封裝、在樹脂部件部分確保外部沿表面放電最短距離，即將密封結(jié)構(gòu)密封用的材料和確保絕緣距離(沿表面放電最短距離)用的材料在功能上分開，所以能實現(xiàn)長期的高可靠性和低成本化。用加工、成形容易的樹脂部件實現(xiàn)復雜形狀部分，通過充分確保半導體裝置的外部絕緣距離，達到低成本化。
在本發(fā)明的另一半導體裝置中，在一對主電極板之間組裝了在第一主面上至少有第一主電極、在第二主面上至少有第二主電極的至少一個半導體元件的半導體裝置中，采用這樣的結(jié)構(gòu)對每個半導體元件來說，將個別的中間電極板插在半導體元件的兩個主電極和與其相對的主電極板之間安裝，利用電氣絕緣性材料將半導體元件表面上不與中間電極板相對的外周部分、以及中間電極板的側(cè)面的至少一部分封裝起來的半導體元件和中間電極板的組合結(jié)構(gòu)(芯片載體結(jié)構(gòu))。
將對在兩面上露出的一對共用主電極板之間進行絕緣封裝的電氣絕緣性的外筒作成樹脂部件，由于構(gòu)成非密封結(jié)構(gòu)，所以能實現(xiàn)更低的成本。
附圖的簡單說明圖1表示應用于IGBT元件中的本發(fā)明的實施例。
圖2表示應用于GTO元件中的本發(fā)明的實施例。
圖3表示分割型樹脂制外筒部件的實施例(a)、以及分割型樹脂制外筒部件的組合部分的放大圖(b)。
圖4表示全樹脂制外筒部件及其安裝形態(tài)(a)、全樹脂制外筒部件及其安裝形態(tài)(b)、以及全樹脂制外筒部件及其安裝形態(tài)(c)。
圖5表示本發(fā)明的實施例。
圖6表示本發(fā)明的另一實施例。
圖7表示本發(fā)明的另一實施例。
圖8表示本發(fā)明的另一實施例。
圖9表示本發(fā)明的另一實施例。
圖10表示形成了控制端子的本發(fā)明的另一實施例。
圖11表示全樹脂制外筒部件及其安裝形態(tài)。
圖12表示使用本發(fā)明的半導體裝置的一個電橋部分的電路。
圖13表示將4個圖8中的3相電橋組合起來的自激式變壓器。
圖14表示現(xiàn)有的扁平型半導體裝置。
實施發(fā)明用的最佳形態(tài)圖1表示將本發(fā)明應用于反向?qū)ㄐ烷_關(guān)裝置的例，該反向?qū)ㄐ烷_關(guān)裝置安裝了與使用IGBT的開關(guān)裝置反向并聯(lián)連接的續(xù)流二極管(FWD)。圖中只示出了扁平型半導體裝置剖面中從最外側(cè)部分開始至中央的中途局部端面。在IGBT芯片1上，在上面一側(cè)的第一主面的幾乎全部表面上形成發(fā)射極，在下面一側(cè)的第二主面上形成集電極，還在第一主面上形成控制用電極(柵極)。另外，在FWD芯片2上，在硅襯底的上面一側(cè)形成陽極，在下面一側(cè)形成陰極。在這些半導體芯片上以與芯片上的各主電極接觸的形式固定了由兼?zhèn)浞艧岷蛯щ娦赃B接作用的Mo構(gòu)成的中間電極3、4，它們還被夾在第一共用主電極板5(Cu)和第二共用主電極板6(Cu)之間。另外，從IGBT芯片1的柵極起由引線接點7引出引線，再連接在在共用主電極6上形成的柵極布線8上。利用聚四氟乙烯制的框9使上述半導體芯片及中間電極互相固定。上述一對共用主電極板5、6之間利用氧化鋁瓷制的電氣絕緣性外筒10進行外部絕緣，另外作成利用金屬法蘭11、12使共用主電極板5、6和絕緣外筒10之間呈將封裝體內(nèi)部密封起來的密封結(jié)構(gòu)。利用貫通外筒10的被密封的布線13將柵極布線引出封裝體外。在本實施例中，將內(nèi)部安裝的元件進行了氣密封裝后，將模子安裝在陶瓷外筒10上，澆灌硅橡膠后，在150℃的溫度下進行硬化，使樹脂性外筒部件14與陶瓷外筒10形成為一體。
與現(xiàn)有的陶瓷部件的情況相比，如圖所示，外部的凹凸增大，能簡單地使沿表面放電最短距離增大很多，即使在加速試驗中也能確認具有足夠的可靠性。
圖2表示適用于GTO的例。半導體元件21由一個硅晶片構(gòu)成，內(nèi)部至少有一個PN結(jié)。在半導體元件21中，在一個主面上形成由鋁(Al)構(gòu)成的陰極和柵極，在另一個主面上形成由鋁(Al)構(gòu)成的陽極。還配置了由Mo構(gòu)成的中間電極板22、23。再用銅(Cu)制的一對外部主電極板24、25從該中間電極板22、23的外側(cè)對全體加壓。將蓋板材料26配置在半導體元件21的側(cè)面。柵極引線27的一部分以接觸方式配置在半導體襯底上的柵極上，利用柵絕緣體28和碟形彈簧29將其一部分壓接在柵極上。
上述部分全部被配置在由陶瓷制絕緣體30、一對外部電極24、25、以及法蘭31、32包圍的氣密封裝體內(nèi)。柵極引線27的另一端部作為柵極端子33通過密封結(jié)構(gòu)被導出絕緣體30的外部。
用硅酮粘合劑35將預先通過注射模塑成形而成形的硫化聚苯樹脂(耐漏電痕跡性為600V以上)制的外筒環(huán)34粘接在陶瓷制外筒30上。因此，外部沿表面放電最短距離能充分確保規(guī)定值，即使加速試驗時也能確認具有足夠的可靠性。
圖3a表示將上述的樹脂制的外筒環(huán)作成兩部分結(jié)構(gòu)的例。被分割的部件的端部以組合方式互相嵌合。關(guān)于分割，不限于本例的分割成兩部分，也可以根據(jù)組合的陶瓷外筒部件的形狀進行分割，以便組裝容易。
圖3b是表示將兩個圖3a中的部件組合后的狀態(tài)的組合部分(嵌合部分)放大示出的圖。
在上述這樣的陶瓷等的絕緣性外筒部件和樹脂部件的復合型絕緣外筒中，既可以在組裝元件之前制作復合型的絕緣外筒，也可以如上述實施例所示，在封裝了元件之后通過澆灌、嵌入/粘接等制作樹脂部分。另外，當然也可以覆蓋陶瓷部件的全部表面形成樹脂部分。在此情況下，還具有能防止處理時的沖擊產(chǎn)生的陶瓷的裂紋、豁口的效果，則更為理想。
圖4是全部利用樹脂構(gòu)成絕緣性的外筒的情況的例。圖4a表示利用芳香族聚酰胺制的外筒44對一對外部主電極板41、42之間進行外部絕緣封裝的例。外部主電極板41、42和絕緣外筒44之間呈利用有機粘合劑43粘接的封裝結(jié)構(gòu)。另外在該絕緣外筒44上利用粘合劑46形成被固定了的金屬布線45，因此呈將柵極布線引出封裝體以外的結(jié)構(gòu)。圖4b表示將外部主電極板41、42和絕緣外筒44之間的粘接部分的密封結(jié)構(gòu)變更后的同樣的例。在此情況下，在對半導體裝置加壓而使用時，由于常時對粘接部加壓，呈使密封更牢固的方向，這樣很好。另外圖4c所示的密封結(jié)構(gòu)中，外部主電極板41、42之間膨脹時也好、收縮時也好，粘合劑的一部分常時地被加壓，呈確保密封的方向，這樣更好。作為粘合劑，使用彈性變形能大的粘合劑，能與加壓時主電極之間的距離的變化或使用時的變形相對應，所以很好。
作為上述的樹脂系列材料所必要的特性，首先希望使耐漏電痕跡性(CTI值)在400V以上，在600V以上就更好。另外作為難燃性，最好使用UL94V-0級的材料。在熱機械特性中，最好是機械強度或斷裂韌性高、還能將熱脹系數(shù)調(diào)整為兼顧其他安裝材料及安裝形態(tài)決定的最佳值的材料系列。在與陶瓷等電氣絕緣外筒部件進行復合一體化的情況下，最好是具有盡可能接近于陶瓷系列部件的熱脹系數(shù)的材料。作為具體的材料，除了環(huán)氧樹脂系列、苯酚系列等熱硬化性樹脂以外，最好使用硅酮系列、氟系列合成橡膠。另外也能使用硫化聚苯(PPS)、芳香族聚酰胺、熱塑性聚酰亞胺等工程塑料系列熱塑性樹脂。還能使用在這些材料中使各種添加劑復合化了的材料。因為是樹脂部件，所以與現(xiàn)有的陶瓷部件相比，能比較自由地設(shè)計外部沿表面的形狀，因此具有能減少確保外部沿表面放電最短距離用的設(shè)計上的制約的優(yōu)點。
作為樹脂部件的制造方法，除了上述例中所示的澆灌以外，還能使用注射模塑成形、傳送模制、壓縮模制、粉末燒結(jié)成形等方法，最好根據(jù)材料和安裝方式選擇最合適的方法。
特別是為了用澆灌法使樹脂部件直接與陶瓷外筒成形為一體，適合使用硅酮、尿烷、聚苯乙烯、聚丁二烯等、以及由它們的共聚體構(gòu)成的合成橡膠、環(huán)氧樹脂、苯酚樹脂等熱硬化性材料。在使預先成形的樹脂部件與陶瓷等電氣絕緣外筒部件和電極材料粘接成一體的情況下，作為粘合劑，特別是使用硅酮系列、氟系列、環(huán)氧系列橡膠，能很好地緩和粘接的材料之間的應力。
作為進行封裝用的電氣絕緣制部件的材料，除了長石質(zhì)普通陶瓷、方晶石瓷器、含有氧化鋁的瓷器、含有氧化鋁的方晶石瓷器等普通瓷器、或以氧化鋁、氧化鎂、氧化鈹、凍石、鎂橄欖石、堇青石、莫來石、鋯石、氧化鋯等為主要成分的材料以外，最好使用玻璃陶瓷、硼酸玻璃、石英玻璃、高價硅酸玻璃等玻璃系列材料。在將上述無機材料系列電氣絕緣外筒部件和樹脂部件接合起來的情況下，使無機材料系列電氣絕緣外筒部件表面呈凹凸面，提高與樹脂部件的接合強度也是有效的方法。因此利用無機材料系列電氣絕緣外筒的燒結(jié)條件，在表面上有意地留下凹凸，或者在通常的燒結(jié)后，采用噴砂、液體研磨、刻蝕、化學拋光、電解拋光等方法簡單地進行加工，也是有效的。
本發(fā)明的方式能適用于將多個半導體芯片并排地安裝在一對主電極板之間的扁平型半導體裝置、以及半導體元件由至少有一個PN結(jié)的一個半導體元件晶片構(gòu)成的扁平型半導體裝置等任意方式。另外，除了不包含二極管的IGBT等的只由開關(guān)半導體構(gòu)成的扁平型半導體裝置以外，例如只將二極管芯片安裝在多個扁平型封裝體中，當然也是有效的。本發(fā)明以至少在第一主面上有第一主電極和在第二主面上有第二主電極的全部半導體元件為對象，對于含有IGBT以外的絕緣柵型晶體管(MOS晶體管)、或IGCT(Insulated GateControlled Thyristor)等的絕緣柵型可控硅(MOS控制可控硅)、GTO可控硅、GCT可控硅、光可控硅、可控硅等帶有控制電極的半導體元件、以及二極管等，也同樣能實施。另外，對于Si元件以外的SiC、GaN等化合物半導體元件也同樣有效。
使用本發(fā)明的扁平型半導體裝置能實現(xiàn)大幅度降低了變換器成本的大容量變換器。在圖12中用一個電橋結(jié)構(gòu)的電路圖示出了將圖1～圖4所示實施例的IGBT扁平型半導體裝置作為主變換元件應用于電力用變換器時的例。構(gòu)成主變換元件的IGBT21和二極管22反向并聯(lián)配置，再將n個這樣的結(jié)構(gòu)串聯(lián)連接起來。這些IGBT21和二極管22表示并列安裝了本發(fā)明實施例的多個半導體芯片的扁平型半導體裝置。在上述實施例的反向?qū)ㄐ虸GBT扁平型半導體裝置的情況下，圖中的IGBT21和二極管22呈被集中起來容納在一個封裝體中的形式。其中設(shè)有浪涌電壓保護電路53、以及限流電路。圖13表示將4個圖12中的3相電橋組合起來的自激式變換器的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的扁平型半導體裝置是這樣安裝的，即，以與其主電極板外側(cè)進行面接觸的形式夾著水冷電極串聯(lián)連接多個安裝成稱為棧(stack)結(jié)構(gòu)的形式，對全體棧一并加壓。
本發(fā)明的扁平型半導體裝置不限于上述例，特別適合于電力系統(tǒng)中使用的自激式大容量變換器或作為機器用變換器使用的大容量變換器，還能用于變速揚水發(fā)電、建筑物內(nèi)變電設(shè)備、電鐵用變電設(shè)備、硫化鈉(NaS)電磁系統(tǒng)、車輛等的變壓器。
圖5表示將半導體元件1安裝在一對主電極板4、5之間的半導體裝置之一例，對每個半導體元件將個別的中間電極板2、3插在半導體元件1的兩個主電極和與其相對的各個主電極板4、5之間安裝。上述半導體元件1的作為第一主電極的Al電極和在第一主電極一側(cè)的表面上形成了鍍銅層的Mo中間電極板2之間通過接合層進行接合。同樣，上述半導體元件1的作為第二主電極的Ag電極和在第二主電極一側(cè)的表面上形成了鍍Ag層的Mo中間電極板3之間也通過接合層進行接合。在將上述半導體元件1和中間電極板2、3裝入主電極板4、5之間之前，首先涂敷液狀的硅酮樹脂6，以便將半導體元件1的表面上與中間電極板不相對的外周部分和中間電極板2、3的側(cè)面的至少一部分封裝起來，用150℃加熱硬化。因此，形成由半導體元件1和中間電極板2、3構(gòu)成的芯片載體結(jié)構(gòu)(組合結(jié)構(gòu))。這里所說的半導體元件1的表面上不與中間電極板相對的外周部分當然包括半導體元件的側(cè)面。
由利用電氣絕緣性材料封裝的半導體元件1和中間電極板2、3構(gòu)成的芯片載體結(jié)構(gòu)(組合結(jié)構(gòu))是非常緊湊的簡單結(jié)構(gòu)，能實現(xiàn)廉價的絕緣材料封裝型的半導體裝置。上述芯片載體結(jié)構(gòu)體的面方向的尺寸最好是與該半導體元件的尺寸大致相同的盡可能緊湊的尺寸。更具體地說，芯片載體的最大外徑面積最好在半導體元件面積的約1.4倍以下，邊尺寸最好在約1.2倍以下。
從半導體元件1在制造過程中的處理或保護外部環(huán)境的觀點看，最好采用利用樹脂保護半導體元件的形態(tài)。
在圖5中，芯片載體結(jié)構(gòu)體的表面上露出的成為電極的中間電極板2、3和主電極板4、5之間以直接接觸的方式被組裝在扁平型半導體裝置中，為了盡可能地降低半導體裝置的接觸熱阻、接觸電阻，最好直接接觸。
圖6表示利用硅酮變性樹脂6封裝了半導體元件1的側(cè)面、半導體元件1的第一主電極面上不與中間電極板2相對的外周部分、以及插在第一主電極一側(cè)的中間電極板2的側(cè)面的至少一部分的芯片載體的例。上述半導體元件1的第一主電極和第一主電極一側(cè)的中間電極板2之間相接合，上述半導體元件1的第二主電極和第二主電極一側(cè)的中間電極板3之間沒有接合，由于在本實施例中，中間電極板3被用來作為多個半導體元件1共用的基板，所以成為上述構(gòu)成的芯片載體。在安裝多個上述芯片載體的情況下，如圖所示，最好安裝得使這些側(cè)面的絕緣材料之間無間隙地對接。
圖7(a)(b)與圖2同樣，作為利用電氣絕緣性材料6封裝了半導體元件1的側(cè)面、半導體元件1的第一主電極面上不與中間電極板2相對的外周部分、以及插在第一主電極一側(cè)的中間電極板2的側(cè)面的至少一部分的芯片載體的另一例，表示在每一個半導體元件中第二主電極一側(cè)的中間電極板3被個別地分割的例。
圖7(a)是利用模子注入將二氧化硅、氧化鋯、氧化鎂等陶瓷粉末和水合練而成的粘合劑，注模后，在常溫下硬化，呈如圖所示的形狀形成了電氣絕緣性材料6的例，所獲得的陶瓷封裝的芯片載體的電氣絕緣性、耐熱性都好。圖7(b)是電氣絕緣性材料6以玻璃、或結(jié)晶玻璃為主體材料的例。涂敷膏狀的鉛系列玻璃(主成分PbO-SiO2-Al2O3)，在氧氣氛中在780～850℃的溫度下，進行40分鐘的熱處理，燒成了玻璃而形成玻璃被覆膜7。作為材料，最好是ZnO-B2O3-SiO2系列玻璃、PbO-Al2O3-SiO2系列玻璃、ZnO-B2O3-SiO2系列結(jié)晶玻璃等的熱脹系數(shù)盡可能與半導體元件接近、而且在低溫下熔融組成的玻璃。另外，最好使用堿性不純物盡可能少的玻璃。特別是在需要耐環(huán)境性能高的在惡劣的工作條件下使用的情況下，最好是無機材料系列的氣密性、耐熱性好的材料。
圖8表示利用電氣絕緣性材料6封裝了半導體元件1的側(cè)面、半導體元件1的第一主電極面上不與中間電極板2相對的外周部分、以及插在第二主電極一側(cè)的中間電極板2的側(cè)面的至少一部分的芯片載體的形態(tài)例。上述半導體元件1的第一主電極和第一主電極一側(cè)的中間電極板2之間沒有接合。本結(jié)構(gòu)的特征在于這是一種只封裝半導體元件周邊部分的結(jié)構(gòu)、且采取只封裝在確保半導體元件周邊的絕緣性方面最重要的部分的形態(tài)。即使是這種形狀，也能充分地確保絕緣可靠性，沒有任何問題。
但是，在上述情況下，由于未完全封裝半導體元件表面，所以為了確保耐濕可靠性，有必要用陶瓷制作外部絕緣用的絕緣性的外筒，對扁平型半導體裝置的在兩面上露出的一對主電極板之間進行氣密封裝。當然也能使用本發(fā)明的絕緣材料完全封裝型的芯片載體，另外即使是絕緣性外筒部分，也能進行氣密封裝。在必須進行氣密封裝的情況下，將把在兩面上露出的一對共用主電極板之間絕緣密封起來的電氣絕緣性外筒的至少一部分作成樹脂部件，即將上述絕緣性外筒作成無機材料系列的質(zhì)地致密的絕緣性部件和樹脂部件的復合型絕緣外筒，利用該無機系列質(zhì)地致密的絕緣性部件進行氣密封裝，樹脂部件部分也能呈充分確保外部沿表面放電最短距離的結(jié)構(gòu)，是一種有效的方法。即通過將密封結(jié)構(gòu)密封用的材料和確保絕緣距離(沿表面放電最短距離)用的材料在功能上分開，能實現(xiàn)長期的高可靠性和低成本化。用加工、成形容易的樹脂部件實現(xiàn)復雜形狀部分，通過充分確保半導體裝置的外部絕緣距離，達到低成本化。
作為具體的實施例，例如利用硅酮粘合劑將預先通過注射模塑成形而成形的硫化聚苯樹脂(耐漏電痕跡為600V以上)制的外筒環(huán)粘接在陶瓷制的簡單的圓筒狀的外筒的外側(cè)部分。因此，外部沿表面放電最短距離能充分地確保規(guī)定值，即使在加速試驗中也能確認充分的可靠性。作為另一種方法，給出將上述的樹脂制的外筒環(huán)箍分割成兩部分結(jié)構(gòu)的例。被分割的部件的端部互相組合地嵌合起來。分割方法不限于本例的分割成兩部分，也可以根據(jù)組合的陶瓷外筒部件的形狀進行分割，以便組裝容易。
在上述這樣的陶瓷等的絕緣性外筒部件和樹脂部件的復合型絕緣外筒中，既可以在組裝元件之前制作復合型的絕緣外筒，也可以如上述實施例所示，在封裝了元件之后通過澆灌、嵌入/粘接等制作樹脂部分。另外，當然也可以覆蓋著陶瓷部件的全部表面形成樹脂部分。在此情況下，還具有能防止處理時的沖擊產(chǎn)生的陶瓷的裂紋、豁口的效果，這是很好的。
作為上述的樹脂系列材料所必要的特性，首先希望使耐漏電痕跡性(CTI值)在400V以上，在600V以上就更好。另外作為難燃性，最好使用UL94V-0級的材料。在熱機械特性中，最好是機械強度或斷裂韌性高、還能將熱脹系數(shù)調(diào)整為兼顧其他安裝材料及安裝形態(tài)決定的最佳值的材料系列。
在與陶瓷等電氣絕緣外筒部件進行復合一體化的情況下，最好是具有盡可能接近于陶瓷系列部件的熱脹系數(shù)的材料。作為具體的材料，除了環(huán)氧樹脂系列、苯酚系列等熱硬化性樹脂以外，最好使用硅酮系列、氟系列合成橡膠。另外也能使用硫化聚苯(PPS)、芳香族聚酰胺、熱塑性聚酰亞胺等工程塑料系列熱塑性樹脂。還能使用在這些材料中使各種添加劑復合化了的材料。因為是樹脂部件，所以與現(xiàn)有的陶瓷部件相比，能比較自由地設(shè)計外部沿表面的形狀，因此具有能減少確保外部沿表面放電最短距離用的設(shè)計上的制約的優(yōu)點。
作為樹脂部件的制造方法，除了上述例中所示的澆灌以外，還能使用注射模塑成形、傳送模制、壓縮模制、粉末燒結(jié)成形等方法，最好根據(jù)材料和安裝方式選擇最合適的方法。特別是為了用澆灌法使樹脂部件直接與陶瓷外筒成形為一體，適合使用硅酮、尿烷、聚苯乙烯、聚丁二烯等、以及由它們的共聚體構(gòu)成的合成橡膠、環(huán)氧樹脂、苯酚樹脂等熱硬化性材料。在使預先成形的樹脂部件與陶瓷等電氣絕緣外筒部件和電極材料粘接成一體的情況下，作為粘合劑，特別是使用硅酮系列、氟系列、環(huán)氧系列橡膠，能很好地緩和粘接的材料之間的應力。
作為進行封裝用的電氣絕緣制部件的材料，除了長石質(zhì)普通陶瓷、方晶石瓷器、含有氧化鋁的瓷器、含有氧化鋁的方晶石瓷器等普通瓷器、或以氧化鋁、氧化鎂、氧化鈹、凍石、鎂橄欖石、堇青石、莫來石、鋯石、氧化鋯等為主要成分的材料以外，最好使用玻璃陶瓷、硼酸玻璃、石英玻璃、高價硅酸玻璃等玻璃系列材料。在將上述無機材料系列電氣絕緣外筒部件和樹脂部件接合起來的情況下，使無機材料系列電氣絕緣外筒部件表面呈凹凸面，提高與樹脂部件的接合強度也是有效的方法。因此利用無機材料系列電氣絕緣外筒的燒結(jié)條件，在表面上有意地留下凹凸，或者在通常的燒結(jié)后，采用噴砂、液體研磨、刻蝕、化學拋光、電解拋光等方法簡單地進行加工，也是有效的。
圖9(a)表示雙重樹脂填充結(jié)構(gòu)的實施例。在形成了第一絕緣封裝材料6之后，填充了第二絕緣封裝材料8。通過改變第一絕緣封裝材料6和第二絕緣封裝材料8的物性，能選擇保持最適合于半導體裝置的工作條件的應力狀態(tài)的芯片載體結(jié)構(gòu)。例如，通過采用使第二封裝材料的揚氏模量比第一封裝材料的揚氏模量低的材料，緩和在半導體元件表面上發(fā)生的應力，而且利用第二封裝材料，能選擇能確保絕緣性、可操作性的組合。具體地說，能采用硅酮樹脂作為第一封裝材料，采用硅橡膠或硅酮凝膠作為第二封裝材料。由于單獨使用凝膠時不具有成形性，所以為了保持形狀，作為第一封裝材料需要另外的框架材料，所以在低成本化和生產(chǎn)效率方面，作為第一絕緣材料并不怎么好。
圖9(b)表示另一雙重樹脂填充結(jié)構(gòu)的實施例。是第一絕緣封裝材料9(例如工程塑料系列的樹脂)主要用作填充第二絕緣封裝材料9(硅酮樹脂)用的框來使用并且直接作為芯片載體的一部分的例。例如，通過改變第一絕緣封裝材料9和第二絕緣封裝材料8的物性，相對于從外部對芯片載體的應力能實現(xiàn)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。
圖10表示在第一主面上組裝有第一主電極和控制電極(柵極)的半導體元件時的芯片載體的實施例(圖5+圖9+柵極布線)。
圖10(a)表示將柵極引出用的引腳10接合在半導體元件1的中央形成的柵控制極上的例。對柵極引出用的引腳10，將其芯片一側(cè)的前端加工成比引腳的直徑大的頭部11。用第一封裝材料6(苯酚樹脂)將半導體元件1的側(cè)面、第一主電極面中不與中間電極板2接觸的外周部分、以及第二主電極一側(cè)的中間電極板3的側(cè)面的至少一部分以同樣的方式封裝起來，再將第二封裝材料8(硅酮凝膠)填充在剩余的部分，獲得完全被封裝的芯片載體。
圖10(b)表示在半導體元件1的周邊部形成的柵控制電極12上利用引線鍵合法形成了柵極布線13的例。用第一封裝材料6(環(huán)氧樹脂)將半導體元件1的側(cè)面、第一主電極面中不與中間電極板2接觸的外周部分、以及第二主電極一側(cè)的中間電極板3的側(cè)面的至少一部分以同樣的方式封裝起來，再將第二封裝材料8(硅橡膠)填充在剩余的部分，獲得完全被封裝的芯片載體。
圖10(c)表示在半導體元件1的周邊部形成的柵控制電極12上利用引線鍵合法形成了柵極布線13的另一實施例。使用將石英粉末填充在環(huán)氧系列樹脂中而熱脹系數(shù)低的復合材料作為絕緣封裝材料。用上述復合樹脂將半導體元件1的側(cè)面、第一主電極面中不與中間電極板2接觸的外周部分、以及中間電極板2、3的側(cè)面的至少一部分、還有引線的引出部分同樣地封裝起來，獲得完全被封裝的芯片載體。
作為有機材料的封裝樹脂，適合采用環(huán)氧樹脂、苯酚樹脂、聚酯樹脂等電氣絕緣性樹脂，最好是通過加熱緩慢硬化的成分的熱硬化性樹脂。特別是以環(huán)氧樹脂為基礎(chǔ)的樹脂是適當?shù)?，為了改?保持特性，根據(jù)需要還可使用硬化劑、催化劑、顏料、填充劑、添加劑。特別是作為填充劑，通過使用例如結(jié)晶性及熔融性的二氧化硅粉末、氧化鋁粉等熱脹系數(shù)低的無機材料粉末，能使樹脂和上述粉末的復合材料熱賬系數(shù)接近于半導體芯片或中間電極板的熱賬系數(shù)，所以能提高溫度循環(huán)的可靠性。一般說來最好含有樹脂組成物全體的60％以上，特別是最好設(shè)定在7～9重量％范圍內(nèi)。另外通過大量地填充無機質(zhì)填充劑，能謀求降低吸水量和提高樹脂強度。另外，在本發(fā)明中使用的環(huán)氧樹脂組成物中，除了上述添加劑以外，可配合硅油及硅橡膠、合成橡膠等橡膠成分以謀求低應力化，或以提高耐濕性為目的，也可以配合水滑石等離子阱劑。
對于流動性、低溫硬化性、脫泡性、低觸變性、提高用模子成形時與模材料的脫模性等的可操作性、低熱脹性、含有不純物離子低等的要求，可選擇最合適的樹脂或復合樹脂。另外還可使用硅橡膠、硅酮變性樹脂，以謀求低應力化，提高耐熱沖擊性。
當然也能使用熱塑性樹脂，作為材料能使用熱塑性聚酰亞胺、芳香族聚酰胺、聚酰胺亞胺樹脂、聚醚醚酮(PEEK)、PPO、PPS、液晶聚合物等。但需要使之加熱熔融注入，處理時必須注意。
除了熱硬化性樹脂以外，根據(jù)用途、處理條件等，采用了紫外線硬化型樹脂、電子射線硬化型樹脂之類的利用活性能射線硬化的活性能射線硬化型樹脂的半導體裝置也能使用。作為活性能射線硬化型樹脂的具有代表性的組成物，可以舉出導入了丙烯酸基、烯丙基、甲叉丁二酸基、共軛雙重結(jié)合等的不飽和基的醇酸樹脂、丙烯樹脂、氨基甲酸乙酯樹脂、聚氨基甲酸乙酯樹脂、環(huán)氧樹脂等。
使用有機系列樹脂組成物的半導體元件的封裝不作特別限定，能使用通常的傳輸成形等眾所周知的模制法。另外，為了小型薄型化和省力化、減少工序，還有將半導體元件置于中間電極板上進行粘接，滴上樹脂進行被覆的方法。為了提高生產(chǎn)效率，最好采用自動散布器等將熱硬化性樹脂涂敷在規(guī)定位置后進行熱硬化的方法等。另外在將半導體元件及中間電極板置于封裝作業(yè)用的框內(nèi)的狀態(tài)下，使液狀封裝樹脂全面流入框內(nèi)，通過真空脫泡，能進行無氣泡的良好的封裝。
圖11表示將本發(fā)明應用于反向?qū)ㄐ烷_關(guān)裝置的例，上述反向?qū)ㄐ烷_關(guān)裝置裝入了與使用IGBT的開關(guān)裝置反向并聯(lián)連接的續(xù)流二極管(FWD)。圖中只示出了扁平型半導體裝置剖面中從最外部至中央的途中的一部分剖面。在IGB芯片14中，在上面一側(cè)的第一主面的大致整個面上形成了發(fā)射極、在下面一側(cè)的第二主面上形成了集電極、再在第一主面上形成控制用電極(柵極)。另外，在FWD芯片15中，在硅襯底的上面一側(cè)形成陽極，在下面一側(cè)形成陰極。在這些半導體芯片上，兼?zhèn)浞艧岷蛯щ娦赃B接作用的由Mo構(gòu)成的中間電極2、3與芯片上的各主電極接合，它們還被夾在第一主電極板4(Cu)和第二主電極板5(Cu)之間。另外，從IGBT芯片14的柵極起由引線接點引出布線13，再連接在在主電極5上形成的柵極布線16上。上述半導體芯片14、15、以及中間電極板2、3成為利用硅酮樹脂封裝起來的結(jié)構(gòu)。
在圖11中，表示在利用樹脂構(gòu)成絕緣性的外筒作成非密封結(jié)構(gòu)的情況下即利用芳香族聚酰胺制的外筒17對一對外部主電極板4、5之間進行外部絕緣封裝的例。成為外部主電極板4、5和絕緣外筒17之間呈利用有機粘合劑19粘接的封裝結(jié)構(gòu)。另外在該絕緣外筒17上形成利用粘合劑固定的金屬布線20，因此作成將柵極布線16引出封裝體以外的結(jié)構(gòu)。在本實施例的粘接部分19的密封結(jié)構(gòu)的情況下，對半導體裝置加壓并使用時，由于常時對粘接部加壓，呈使密封更牢固的方向，故是較好的。作為粘合劑，使用彈性變形能大的粘合劑，能與加壓時主電極之間的距離的變化或使用時的變形相對應，所以很好。與現(xiàn)有的陶瓷制的外筒部件相比，在使用樹脂的情況下，使外部的凹凸大，能簡單地增大沿表面放電最短距離。另外，樹脂制的絕緣性的外筒對于沖擊的性能不同于陶瓷，所以成為耐沖擊可靠性好的半導體裝置。
本發(fā)明的方式能適用于并排設(shè)置多個半導體元件且安裝在一對主電極板之間的扁平型半導體裝置，或者由半導體元件至少具有一個PN結(jié)的一個半導體元件芯片構(gòu)成的扁平型半導體裝置等任意的方式。另外除了上述的實施例以外，對于只由不包含二極管的IGBT等的開關(guān)元件構(gòu)成的扁平型半導體裝置、或者只將二極管芯片安裝成多個扁平型封裝體的扁平型二極管裝置等當然也有效。本發(fā)明以至少在第一主面上有第一主電極和在第二主面上有第二主電極的全部半導體元件為對象，對于包含IGBT以外的絕緣柵型晶體管(MOS晶體管)、或IGCT(Insulated Gate Controlled Thyristor)等的絕緣柵型可控硅(MOS控制可控硅)、GTO可控硅、GCT可控硅、光可控硅、可控硅等帶有控制電極的半導體元件、以及沒有控制極的二極管等也同樣能實施。另外，本發(fā)明對于使用Si元件以外的SiC、GaN等化合物半導體元件的情況、以及它們的新的工作環(huán)境(例如高溫環(huán)境等)也同樣有效。
使用本發(fā)明的扁平型半導體裝置，能實現(xiàn)大幅度降低了變換器成本的大容量變換器。由上述的圖12示出了將圖5-11所示實施例的IGBT扁平型半導體裝置作為主變換元件應用于電力用變換器時的例。構(gòu)成主變換元件的IGBT21和二極管22反向并聯(lián)配置，再將n個這樣的結(jié)構(gòu)串聯(lián)連接起來。這些IGBT21和二極管22表示并列安裝了本發(fā)明實施例的多個半導體芯片的扁平型半導體裝置。在上述實施例的反向?qū)ㄐ虸GBT扁平型半導體裝置的情況下，圖中的IGBT21和二極管22呈被集中起來容納在一個封裝體中的形式。其中設(shè)有浪涌電壓保護電路23以及限流電路。由上述的圖13表示將4個3相電橋組合起來的自激式變換器的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的扁平型半導體裝置是這樣安裝的，即，以與其主電極板外側(cè)進行面接觸的形式夾住水冷電極串聯(lián)連接多個安裝成稱為棧結(jié)構(gòu)的形式，對全體棧一并加壓。
如果采用本發(fā)明，則能提高扁平型半導體裝置的絕緣可靠性。另外，如果采用本發(fā)明，還利用由絕緣材料封裝的半導體元件和中間電極板的載體結(jié)構(gòu)(組合結(jié)構(gòu))，使安裝單元小型化，能提高安裝密度。另外，提高了組裝時的工作效率(可操作性)，而且芯片載體單元的修復也非常容易。在制造過程中以及從制造后的環(huán)境保護的觀點看，也提高了穩(wěn)定性。因此本發(fā)明的扁平型半導體裝置既確保了高可靠性，又能降低半導體裝置的部件成本、組裝成本等，能實現(xiàn)合格率的提高。另外，通過將使一對主電極板之間進行外部絕緣的外筒部件從原來的陶瓷制的變換成廉價的樹脂，能進一步降低成本。
通過使用具有上述特征的本發(fā)明的扁平型半導體裝置，能謀求降低變換器系統(tǒng)的成本。
權(quán)利要求
1.一種扁平型半導體裝置，該扁平型半導體裝置是在由絕緣性的外筒對在兩面上露出的一對共用主電極板之間進行絕緣封裝的扁平型封裝體中裝入了在第一主面上有第一主電極、在第二主面上有第二主電極的至少一個以上的半導體元件的半導體裝置，其特征在于該絕緣性的外筒的至少一部分由樹脂部件構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的扁平型半導體裝置，其特征在于該絕緣性的外筒由無機材料部件和上述樹脂部件的復合體構(gòu)成，而且該封裝體內(nèi)部被氣密封裝。
3.根據(jù)權(quán)利要求1及2所述的扁平型半導體裝置，其特征在于與在兩面上露出的一對共用主電極板之間的空間距離相比，半導體裝置的外部沿表面放電最短距離因上述樹脂部件而變大。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的扁平型半導體裝置，其特征在于有相對于上述共用主電極板之間的位移、粘接該共用主電極板和上述樹脂部件用的粘合劑的至少一部分被加壓的結(jié)構(gòu)。
5.一種電力變換器，其特征在于使用了扁平型半導體裝置作為主變換元件來使用，該扁平型半導體裝置的特征是在由絕緣性的外筒對在兩面上露出的一對共用主電極板之間進行絕緣封裝的扁平型封裝體中裝入了在第一主面上有第一主電極、在第二主面上有第二主電極的至少一個以上的半導體元件的半導體裝置，該絕緣性的外筒的至少一部分由樹脂部件構(gòu)成。
6.一種扁平型半導體裝置，該扁平型半導體裝置是在由絕緣性的外筒對在兩面上露出的一對主電極板之間進行外部絕緣的扁平型封裝體中裝入了在第一主面上至少有第一主電極、在第二主面上有第二主電極的至少一個以上的半導體元件的半導體裝置，其特征在于對每個該半導體元件來說，將個別的中間電極板插在該半導體元件的兩個主電極和與其相對的該主電極板之間進行安裝，利用電氣絕緣性材料將該半導體元件表面上不與該中間電極板相對的外周部分以及該中間電極板的側(cè)面的至少一部分封裝起來。
7.一種扁平型半導體裝置，該扁平型半導體裝置是在由絕緣性的外筒對在兩面上露出的一對主電極板之間進行外部絕緣的扁平型封裝體中裝入了在第一主面上至少有第一主電極、在第二主面上有第二主電極的至少一個以上的半導體元件的半導體裝置，其特征在于將個別的中間電極板插在該半導體元件的主電極和與其相對的該主電極板之間的至少第一主電極一側(cè)進行安裝，利用電氣絕緣性材料將該半導體元件側(cè)面、該半導體元件的第一主電極面上不與中間電極板相對的外周部分以及安裝在第一主電極一側(cè)的中間電極板的側(cè)面的至少一部分封裝起來。
8.一種扁平型半導體裝置，該扁平型半導體裝置是在由絕緣性的外筒對在兩面上露出的一對主電極板之間進行外部絕緣的扁平型封裝體中裝入了在第一主面上至少有第一主電極、在第二主面上有第二主電極的至少一個以上的半導體元件的半導體裝置，其特征在于對每個該半導體元件來說，將個別的中間電極板插在該半導體元件的兩個主電極和與其相對的該主電極板之間進行安裝，利用電氣絕緣性材料將該半導體元件側(cè)面、該半導體元件的第一主電極面上不與中間電極板相對的外周部分、以及安裝在第二主電極一側(cè)的中間電極板的側(cè)面的至少一部分封裝起來。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至3所述的扁平型半導體裝置，其特征在于接合了上述半導體元件的主電極中的至少第二主電極和與其相對的中間電極板。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至4所述的扁平型半導體裝置，其特征在于接合了上述半導體元件的主電極中，至少第一主電極和與其相對的中間電極板。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至5所述的扁平型半導體裝置，其特征在于上述電氣絕緣性材料是具有成形性的材料。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至6所述的扁平型半導體裝置，其特征在于上述電氣絕緣性材料是以熱硬化性或熱塑性樹脂為主體的材料。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至7所述的扁平型半導體裝置，其特征在于上述電氣絕緣性材料是熱硬化性樹脂與無機材料粉末的復合材料。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至6所述的扁平型半導體裝置，其特征在于上述電氣絕緣性材料是以玻璃或陶瓷為主體的材料。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至9所述的扁平型半導體裝置，其特征在于利用上述電氣絕緣性材料封裝且使該半導體元件與該中間電極板一體化的結(jié)構(gòu)體的面方向的尺寸與該半導體元件的尺寸大致相等。
16.一種電力變換器，其特征在于使用了扁平型半導體裝置作為主變換元件來使用，該扁平型半導體裝置是在由絕緣性的外筒對在兩面上露出的一對主電極板之間進行外部絕緣的扁平型封裝體中裝入了在第一主面上至少有第一主電極、在第二主面上有第二主電極的至少一個以上的半導體元件的半導體裝置，其中，對每個該半導體元件來說，將個別的中間電極板插在該半導體元件的兩個主電極和與其相對的該主電極板之間安裝，利用電氣絕緣性材料將該半導體元件表面上不與該中間電極板相對的外周部分、以及該中間電極板的側(cè)面的至少一部分封裝起來。
17.一種電力變換器，其特征在于使用了扁平型半導體裝置作為主變換元件來使用，該扁平型半導體裝置是在由絕緣性的外筒對在兩面上露出的一對主電極板之間進行外部絕緣的扁平型封裝體中裝入了在第一主面上至少有第一主電極、在第二主面上有第二主電極的至少一個以上的半導體元件的半導體裝置，其中，將個別的中間電極板插在該半導體元件的主電極和與其相對的該主電極板之間的至少第一主電極一側(cè)安裝，利用電氣絕緣性材料將該半導體元件的側(cè)面、該半導體元件的第一主電極面上不與該中間電極板相對的外周部分、以及安裝在第一主電極一側(cè)的中間電極板的側(cè)面的至少一部分封裝起來。
18.一種電力變換器，其特征在于使用了扁平型半導體裝置作為主變換元件來使用，該扁平型半導體裝置是在由絕緣性的外筒對在兩面上露出的一對主電極板之間進行外部絕緣的扁平型封裝體中裝入了在第一主面上至少有第一主電極、在第二主面上有第二主電極的至少一個以上的半導體元件的半導體裝置，其中，對每一個該半導體元件來說，將個別的中間電極板插在該半導體元件的兩個主電極和與其相對的該主電極板之間，利用電氣絕緣性材料將該半導體元件的側(cè)面、該半導體元件的第一主電極面上不與中間電極板相對的外周部分、以及安裝在第二主電極一側(cè)的中間電極板的側(cè)面的至少一部分封裝起來。
全文摘要
在由絕緣性的外筒對在兩面上露出的一對共用主電極板之間進行絕緣封裝的扁平型封裝體中裝入了在第一主面上有第一主電極、在第二主面上有第二主電極的至少一個以上的半導體元件的半導體裝置中,用樹脂部件構(gòu)成該絕緣性的外筒的至少一部分,或者利用電氣絕緣性材料將半導體元件表面上不與中間電極板相對的外周部分以及中間電極板的側(cè)面的至少一部分緊湊地封裝起來。
文檔編號H01L23/31GK1322376SQ99811858
公開日2001年11月14日 申請日期1999年7月29日 優(yōu)先權(quán)日1998年8月7日
發(fā)明者児玉弘則, 鈴木和弘, 渡邊篤雄, 加藤修治, 園部幸男, 加藤光雄, 澤畠守, 長谷川滿 申請人:株式會社日立制作所