[发明专利]压力接触型半导体器件及其转换器

说明书

本发明涉及压力接触型半导体器件，特别涉及能够保证在半导体元件和封壳电极之间均匀接触减少热阻和电阻的压力接触型半导体器件，还涉及其变换器。

利用半导体电子学技术控制主要电路电流的功率电子技术广泛地用于各种领域，而且应用领域还在继续扩大。功率电子学半导体器件如下所述：闸流管，光触发闸流管，门关断闸流管(GTO),MOS器件控制的绝缘栅双极晶体管(以后称为IGBT)，金属氧化物半导体场效应晶体管(以后成为MOSFET)和其它器件。在这些器件中，在半导体芯片的第1主平面形成主电极(阴极，发射极)，在半导体芯片的第2主平面上形成另外的主电极(阳极，收集极)。

在诸如GTO，光触发闸流管等的大功率半导体器件中，由每个晶片封装成半导体元件。上述的元件的两个主电极具有这样的结构，其中主电极通过压力借助于由Mo或W构成的中间电极板(热应力缓冲电极板)和封壳中的一对外部主电极相互接触。为了改善开关操作，大电流关断性能等的均匀性，重要的是尽可能使元件电极，中间电极板，外电极板之间接触均匀，减少接触热阻和电阻。因此一般采用这样的预防措施，即改善封壳制造部件的精确度(平面，平坦)，来减少弯曲和波动。

另一方面，在IGBT等器件中主要由称为组件型结构的连接布线电极型封装部件来装配多个芯片。在组件型封装情况，仅仅由封壳一侧(不连接布线的一侧)，即在衬底上直接装配电极的封壳侧面，散发元件芯片内部产生的热量。因此，通常热阻非常大，限制在封壳上装配芯片的数量和可用的电流容量(产生热量或装配密度)。

通常为了解决上述的问题和增加容量的要求，认为在扁平型封壳中并联装配多个IGBT芯片的并联多芯片压力接触结构的半导体器件，能够引出在每个芯片主平面上形成的发射极电极和集电极电极平面地接触到一对封壳的外部主电极，如JP-A-8-88240(1996)所披露的那样。按照具有并联多芯片压力接触结构的半导体器件，不可避免地由于部件(部分)尺寸的变化和各区域主电极板弯曲和波动的变化引起每个芯片各位置高度的变化。因此不能获得每个芯片的压力变化和均匀接触。那么，每个芯片各位置的热阻和电阻显著地变化，存在元件特性不稳定的问题。最简单地说，利用具有非常精确尺寸的部件可能解决该问题。但是所述的预防措施不太实际，因为不可避免地增加了部件生产成本和选择成本。为了解决上述问题，JP-A8-88240(1996)披露了一种方法，插入具有延展性诸如银那样的软金属片作为厚度校正板。

将来为了达到增加它们容量的要求，将增加GTO等封壳中的元件尺寸(晶片尺寸)。因此随着元件直径增加，则封壳部件(电极部件)的弯曲，波动等跟着增加。如前所述，通过提高封壳制造部件的精确度(平面，平坦)减少弯曲和波动的预防措施在制造工艺上有一定的限制，在成本上存在严重的问题。因此，保证在元件尺寸(晶片尺寸)的整个平面中使晶片和封壳部件(电极)之间均匀接触，减少电阻和热组越来越困难。

另一方面，按照前述的作为解决具有并联多芯片压力结构的半导体器件芯片之间均匀接触的问题预防措施披露的插入软金属片的方法，通过本发明人研究，已经揭示出，当每个芯片的各部位高度变化(包括插入芯片的中间电极和其它电极的高度)是显著时，由实际利用范围的压力，即至少不损坏半导体芯片的压力，引起的插入片的变形量是很小的(仅仅由弹性变形产生的变形)，并且变形量不充分，以便保证均匀的接触。

能够评估的理由是，当在厚度方向把压力加到软金属片上时，在横向方向上产生弹性形变，如图25所示，即使利用软金属材料，在横向的变形阻力很大，因为在插入软金属片53中的电极部件54和55之间边界产生摩擦力(摩擦阻力)56。即使增加压力以便引起弹性变形，但是和压力成比例的增加摩擦力，实际上不能引起塑性形变。特别是片状情况，其中受阻区域显著地大于厚度，在表面上产生的摩擦力的影响变的重要，即使增加超过公知材料屈服应力的压力，实际上也不能引起塑性形变(流动)，在加压前后几乎不改变软金属片的厚度。

本发明提供一种在大面积上保证均匀压力接触的方法，其随着增加晶片直径而增加封壳尺寸变得更困难，随着增加容量而在元件并联多个芯片。也就是，提供一种方法，其能够适应接触板的高度变化(部件的弯曲，波动，尺寸变化等)，并且减少接触界面的热阻和电阻。本发明的第2个目的是提供变换器，利用上述方法获得的半导体器件适于大容量的系统。