特表 2024-516506 チップパッケージ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-04-16

(54)【発明の名称】チップパッケージ

(51)【国際特許分類】

   H01L 25/07 20060101AFI20240409BHJP

   H01L 23/36 20060101ALI20240409BHJP

   H05K 1/11 20060101ALN20240409BHJP

【ＦＩ】

H01L25/04 C

H01L23/36 C

H05K1/11 C

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023558195

(86)(22)【出願日】2022-02-15

(85)【翻訳文提出日】2023-11-08

(86)【国際出願番号】 EP2022053689

(87)【国際公開番号】W WO2022199944

(87)【国際公開日】2022-09-29

(31)【優先権主張番号】21163949.7

(32)【優先日】2021-03-22

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】523380173

【氏名又は名称】ヒタチ・エナジー・リミテッド

【氏名又は名称原語表記】ＨＩＴＡＣＨＩ ＥＮＥＲＧＹ ＬＴＤ

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ドゥガル，フランク

【テーマコード（参考）】

5E317

5F136

【Ｆターム（参考）】

5E317AA04

5E317CC13

5E317GG14

5F136BB05

(57)【要約】

少なくとも１つの実施形態において、チップパッケージは、導電性である少なくとも１つの第１の補償層（３１）と、少なくとも１つの第１の補償層（３１）上に配置されかつ少なくとも１つの第１の補償層（３１）によって電気的に接触される複数の半導体チップ（２）と、を備え、少なくとも１つの第１の補償層（３１）は、複数の細孔（６）を備え、少なくとも１つの第１の補償層（３１）は、少なくとも１つの第１の補償層（３１）が半導体チップ（２）間の高さの差（ΔＨ）を補償するように構成されるように、弾性的に変形可能である。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

－ 導電性である複数の第１の補償層（３１）、および導電性である第２の補償層（３２）と、
－ 硬質で弾性のない柱である複数の支柱（５）と、
－ 少なくとも１つの前記第１の補償層（３１）上に配置されかつ少なくとも１つの前記第１の補償層（３１）によって電気的に接触される、複数の半導体チップ（２）と、
を備える、チップパッケージ（１）であって、
－ 前記第１の補償層（３１）および前記第２の補償層（３２）が、それぞれ、複数の細孔（６）を備え、かつ、前記第１の補償層（３１）および前記第２の補償層（３２）が前記半導体チップ（２）間の高さの差（ΔＨ）を補償するように構成されるように、弾性的に変形可能であり、
－ 前記半導体チップ（２）がサブモジュール（７）においてグループ化され、前記サブモジュール（７）のそれぞれが前記第１の補償層（３１）のうちの１つおよび前記支柱（５）のうちの１つを厳密に備えるように、前記第１の補償層（３１）のそれぞれの上に前記半導体チップ（２）のうちのいくつかが配置され、
－ 前記第１の補償層（３１）のそれぞれが、それぞれの前記サブモジュール（７）の前記支柱（５）と前記半導体チップ（２）との間に設置され、
－ 前記支柱（５）が、前記支柱（５）が前記第２の補償層（３２）と前記第１の補償層（３１）との間に設置されるように、前記第２の補償層（３２）に取り付けられる、
チップパッケージ（１）。

【請求項2】

ベースプレート（４）をさらに備え、
－ 前記半導体チップ（２）が、前記ベースプレート（４）と少なくとも１つの前記第１の補償層（３１）との間に直接設置され、
－ 前記ベースプレート（４）が、硬質で弾性のないプレートであり、
－ 前記第１の補償層（３１）および前記ベースプレート（４）が、０．１ＭＰａ以上１５ＭＰａ以下の圧力により間に前記半導体チップ（２）を有して互いに圧迫されるように構成される、
先行する請求項に記載のチップパッケージ（１）。

【請求項3】

前記支柱（５）が取り付けられる前記第２の補償層（３２）が、前記チップパッケージ（１）の唯一の前記第２の補償層（３２）である、
先行する請求項のいずれか１項に記載のチップパッケージ（１）。

【請求項4】

第３の補償層（３３）をさらに備え、
－ 前記第３の補償層（３３）もまた、前記細孔（６）を備え、かつ、前記第３の補償層（３３）もまた前記半導体チップ（２）間の前記高さの差（ΔＨ）を補償するように構成されるように、弾性的に変形可能であり、
－ 前記第３の補償層（３３）が、前記半導体チップ（２）の、前記第１の補償層（３１）から離れた側に設置される、
先行する請求項のいずれか１項に記載のチップパッケージ（１）。

【請求項5】

一方では前記第２の補償層（３２）のヤング率が、また、他方では前記第１の補償層（３１）のヤング率が、少なくとも１．２倍および少なくとも２倍、互いに異なり、前記第２の補償層（３２）が、前記第１の補償層（３１）よりも硬質である、
先行する請求項のいずれか１項に記載のチップパッケージ（１）。

【請求項6】

前記第１の補償層（３１）が、それぞれ、それぞれの前記サブモジュール（７）の前記半導体チップ（２）に面する取付け側（３０）と、前記取付け側（３０）の反対側の平面状の裏側（３４）と、を備え、
前記取付け側（３０）および前記平面状の裏側（３４）には、前記細孔（６）がない、
先行する請求項のいずれか１項に記載のチップパッケージ（１）。

【請求項7】

前記第１の補償層（３１）が、純銅または純アルミニウムのものである、
先行する請求項のいずれか１項に記載のチップパッケージ（１）。

【請求項8】

－ 前記第１の補償層（３１）の厚さ（Ｔ）が、いずれの場合にも、０．２ｍｍ以上５ｍｍ以下であること、および、
－ 前記第１の補償層（３１）の最小直径ｄが、いずれの場合にも、それぞれの前記厚さ（Ｔ）の少なくとも３倍を超え、それぞれの前記第１の補償層（３１）の前記最小直径ｄが、ｄ＝（４Ａ／π）^０．５の通りに上面図で見たときのそれぞれの前記第１の補償層（３１）の主側面の面積容量Ａから計算されること、
のうちの少なくとも１つである、先行する請求項のいずれか１項に記載のチップパッケージ（１）。

【請求項9】

前記高さの差（ΔＨ）が、前記第１の補償層（３１）の前記厚さ（Ｔ）の７０％未満に達する、
先行する請求項に記載のチップパッケージ（１）。

【請求項10】

前記高さの差（ΔＨ）が、前記半導体チップ（２）の最大高さ（Ｈ）の３０％未満に達する、
先行する請求項のいずれか１項に記載のチップパッケージ（１）。

【請求項11】

－ 前記細孔（６）が、円筒形状、楕円形状、丸みを帯びた底部および頂部を有する円筒の形状のうちの少なくとも１つであること、ならびに、
－ 前記細孔（６）のアスペクト比が、１．５以上２０以下であること、
のうちの少なくとも１つである、先行する請求項のいずれか１項に記載のチップパッケージ（１）。

【請求項12】

前記細孔（６）が、互いに平行に揃えられ、前記細孔（６）の最長範囲の軸線が、最も近い前記半導体チップ（２）から離れる方を指す、
先行する請求項に記載のチップパッケージ（１）。

【請求項13】

前記細孔（６）が、０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下の平均直径を有し、
前記細孔（６）の体積比が、５％以上８０％以下である、
先行する請求項のいずれか１項に記載のチップパッケージ（１）。

【請求項14】

－ 前記第１の補償層（３１）が、それぞれ、前記半導体チップ（２）に向かう方向において、１ＧＰａ以上６０ＧＰａ以下のヤング率を有すること、および、
－ 前記第１の補償層（３１）が、それぞれ、横方向長さ１ｍｍ当たり少なくとも５０μｍの厚さ変化用に構成されること、
のうちの少なくとも１つである、先行する請求項のいずれか１項に記載のチップパッケージ（１）。

【請求項15】

－ 前記半導体チップ（２）が、電力半導体チップであること、および、
－ 前記第１の補償層（３１）が、それぞれ、少なくとも１Ａ／ｃｍ^２の電流密度用に構成されること、
のうちの少なくとも１つである、先行する請求項のいずれか１項に記載のチップパッケージ（１）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

チップパッケージが提供される。

【背景技術】

【0002】

文献米国特許第６，３２０，２６８Ｂ１号は、その接触が圧力によってなされる少なくとも１つの半導体チップが接触要素を介して主接続部に電気的に接続される、電力半導体モジュールに言及している。

【0003】

文献米国特許出願公開第２００２／０００５５７８Ａ１号、特開２０１４－１２７５３６、特開２００５－２０９７８４、および米国特許出願公開第２０１４／０１１０８２７Ａ１号は、半導体デバイスに言及している。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

解決すべき問題は、半導体チップが効率的に取り付けられ得るチップパッケージを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0005】

この目的は、とりわけ、独立請求項に記載されたチップパッケージによって達成される。例示的なさらなる発展が、従属請求項の主題を構成する。

【0006】

例えば、チップパッケージは、機械的に弾性的に変形可能である導電性補償層を備える。したがって、半導体チップが補償層により例えばベースプレートに押し付けられるときに、補償層により半導体チップ間の高さの差が補償され得る。したがって、半導体チップのそれぞれにばね要素を個別に割り当てる必要なしに複数の半導体チップをベースプレートに押し付けるために、複数の半導体チップに対して共通の補償層が使用され得る。

【0007】

少なくとも１つの実施形態では、チップパッケージは、導電性である少なくとも１つの第１の補償層と、少なくとも１つの第１の補償層上に配置されかつ少なくとも１つの第１の補償層によって電気的に接触される複数の半導体チップと、を備える。少なくとも１つの第１の補償層は、複数の細孔を備え、かつ、少なくとも１つの第１の補償層が半導体チップ間の高さの差を補償するように構成されるように、弾性的に変形可能である。

【0008】

多くの異なるタイプの電気変換器が、機械式クランプシステムを用いてそれらを直列接続に積み重ねることの容易さのために、プレスパックモジュールを利用する。例えば、促進された機械式クランピングのために、プレスパックモジュールはサブモジュールに分割される。各サブモジュールは、予め定められた同一の数のチップを含み得る。定格電流は、必要数のサブモジュールを並列接続することによって得られる。このモジュール設計では、多数のチップが電気的にも機械的にも並列にセットされる。この種のプレスパックモジュールは、適切に動作するために、モジュールに存在する全てのチップにわたるクランプ力の一様な分布を実現することを必要とする。１つの可能な解決策は、比較的複雑でありかつ高価である個別のばねシステムに依存するものであり、つまり、１つの半導体チップにつき１つのばねを使用するものである。別の可能性は、その代わりに非常に厳しい機械公差に依存することであり、これもまた費用がかかり、スタック組立体を複雑にする。

【0009】

そのようなプレスパックモジュールは、それらのコレクタとエミッタ端子とを接続するために、それらが機械的スタックにおいてクランプされることを必要とするように設計される。この構想は、非常に低い接触抵抗および高い通電能力の可能性を提供する。しかし、そうするためには、モジュールは、全ての半導体チップにわたるクランプ力の一様な分布を実現しなければならない。クランプ力が均一に分布されない場合、１つのチップが他のチップよりも多くの電流を運ぶ可能性があり、これは、モジュールの性能およびその寿命を著しく低下させる。加えて、プレスパックモジュールが完全に平坦でないかまたは不均一な平坦さを補償しない場合、プレスパックモジュールの積み重ねられる能力は大いに低下し、半導体チップがひび割れし得る可能性が大いに高められる。このことが、１つのスタックに乗せられ得るモジュールの数を制限している。

【0010】

本明細書において説明される半導体チップパッケージでは、ばね様の構造、つまり少なくとも１つの補償層が、チップパッケージ内またはチップパッケージを備えるモジュール内に存在する全ての半導体チップにわたってクランプ力を一様に分布するために使用される。

【0011】

このチップパッケージは、パッケージの積重ね頑健性を保ちながら、他の解決策において使用される高価な多ばねパッケージの排除を可能にする。

【0012】

要約すれば、本明細書において説明されるチップパッケージを使用すると、例えばサブモジュール設計において、１つまたは複数の補償層が使用される。少なくとも１つの補償層は、以下の特性を個別にまたは任意の組み合わせで有し得る：
－ 補償層は、サブモジュール組立体に含まれる様々な部品、例えば様々な高さを有する半導体チップに由来する不均一な平坦さおよび厚さの違いを補償するために、弾性がある。

【0013】

－ 補償層はまた、組立許容差を補償するために変形した後でそれぞれの半導体チップへの予め定められた力を生成する、ばね様の性能を有し得る。

【0014】

－ 補償層はまた、優れた熱的および電気的な導体であり得る。銅またはアルミニウムのような金属は、優れた電気的および熱的な導体であるが、それらの通常の塊形状では、柔軟性およびばね様の効果が欠けている。

【0015】

後者の２つの特性は、例えば、高度に多孔質の構造を内部に作り出すことにより、少なくとも１つの補償層の金属に導入され得る。ばね様の効果を得ることに加えて、全ての細孔は、長手方向に引き伸ばされてもよく、また、予め定められた方向に配向されてもよい。長手方向の細孔の的確な配向は、具体的な用途に必要とされるばね定数に応じて決定され得る。金属に導入される細孔の数は、例えば、不均一な平坦さへの適合性と伝導特性との間の妥協点である。

【0016】

少なくとも１つの実施形態によれば、チップパッケージは、ベースプレートをさらに備える。例えば、ベースプレートは、銅またはアルミニウムまたはモリブデンのような金属のものである。酸化被膜が電気接触を妨げるのを回避するために、ベースプレートは、ニッケルおよび／またはリン酸塩、例えばいわゆるＮｉＰを含むコーティングを備え得る。同じことが、少なくとも１つの補償層に当てはまる。

【0017】

少なくとも１つの実施形態によれば、半導体チップは、ベースプレートと少なくとも１つの第１の補償層との間に直接設置される。したがって、半導体チップは、ベースプレートおよび少なくとも１つの第１の補償層と物理的に接触することができ、そこで、ドライ接点により、つまりハンダ、焼結層、などを伴わずに、接触され得る。

【0018】

ここで、また、以下において、「第１の」補償層は、半導体チップと直接接触している少なくとも１つの補償層である。さらなる補償層も存在し得る。第１の補償層に関連して以下で論じられる全ての機械的特性、電気的特性、および熱的特性は、第２の補償層および第３の補償層のような他の補償層にも当てはまることがあり、その逆も同様である。

【0019】

少なくとも１つの実施形態によれば、ベースプレートは、硬質で弾性のないプレートである。「硬質で弾性のない」は、チップパッケージの適切なまたは通常の使用を意味するものとする。例えば、少なくとも１つの補償層と比較すると、ベースプレートは、少なくとも１つの補償層のヤング率の少なくとも３倍または少なくとも１０倍を超えるヤング率を有する。ここで、また、以下において、それぞれのヤング率は、半導体チップが配置されるベースプレートの側に垂直な方向に沿って、または、半導体チップの上面に垂直な方向に沿って確かめられ得る。したがって、ベースプレートに対して、少なくとも１つの補償層は軟質であると考えられてよく、ベースプレートではなくそれぞれの補償層だけが変形されてよく、例えば弾性的に変形されてよい。

【0020】

少なくとも１つの実施形態によれば、少なくとも１つの補償層およびベースプレートは、それらの間に半導体チップを有して互いに圧迫されるように構成される。例えば、少なくとも１つの補償層とベースプレートとを互いに圧迫するために使用される圧力は、少なくとも０．１ＭＰａ、少なくとも０．３ＭＰａ、または少なくとも１ＭＰａである。あるいは、またはさらに、この圧力は、最大で１５ＭＰａ、または最大で３ＭＰａである。圧力は、割り当てられた全ての半導体チップの断面積の和によって割られたそれぞれのベースプレートと補償層との間のクランプ力として計算されてよく、断面積は、クランプ力に対して垂直である。

【0021】

少なくとも１つの実施形態によれば、チップパッケージは、少なくとも１つの支柱をさらに備える。例えば、支柱は、少なくとも１種類の金属のものである。少なくとも１つの補償層と比較すると、少なくとも１つの割り当てられた支柱は、硬質であり得る。例えば、少なくとも１つの支柱は、少なくとも１つの補償層のヤング率の少なくとも３倍または少なくとも１０倍を超えるヤング率を有する。

【0022】

少なくとも１つの実施形態によれば、チップパッケージは、少なくとも１つの第２の補償層を備える。少なくとも１つの第２の補償層もまた、細孔を備えることができ、かつ、少なくとも１つの第１の補償層と等しくまたは同様に、機械的にならびに電気的におよび熱的に構成され得る。例えば、少なくとも１つの第２の補償層のヤング率、および、少なくとも１つの第１の補償層のヤング率は、最大で１．５倍または最大で１．２倍異なる。少なくとも１つの第２の補償層および少なくとも１つの第１の補償層は、前述の倍数が少なくとも１．２もしくは少なくとも１．５、かつ／または最大で５もしくは最大で２であるように、互いに意図的に異なることが可能である。

【0023】

支柱および少なくとも１つの第２の補償層が存在する場合、支柱は少なくとも１つの第２の補償層と少なくとも１つの第１の補償層との間に設置されることが可能である。したがって、少なくとも１つの第２の補償層は、少なくとも１つの支柱の、少なくとも１つの第１の補償層から離れた側に配置される、少なくとも１つの補償層であり得る。

【0024】

少なくとも１つの実施形態によれば、チップパッケージは、少なくとも１つの第３の補償層を備える。少なくとも１つの第３の補償層もまた、細孔を備えることができ、かつ、少なくとも１つの第１の補償層と等しくもしくは同様にかつ／または少なくとも１つの第２の補償層と等しくもしくは同様に、機械的にならびに電気的におよび熱的に構成され得る。例えば、少なくとも１つの第３の補償層のヤング率、および、少なくとも１つの第１の補償層のヤング率は、最大で１．５倍または最大で１．２倍異なる。少なくとも１つの第３の補償層および少なくとも１つの第１の補償層は、前述の倍数が少なくとも１．２もしくは少なくとも１．５、かつ／または最大で５もしくは最大で２であるように、互いに意図的に異なることが可能である。

【0025】

例えば、少なくとも１つの第３の補償層は、半導体チップの少なくとも１つの第１の補償層から離れた側、例えばベースプレートの半導体チップから離れた側に設置される、少なくとも１つの補償層である。

【0026】

少なくとも１つの実施形態によれば、細孔は、非球形状のものである。例えば、細孔は、円筒形状、楕円形状、丸みを帯びた底部および頂部を有する円筒の形状のうちの少なくとも１つである。したがって、細孔は、柱様のまたはコラム様の形状を有し得る。全ての柱が同じ形状のものであること、または、柱の形状の意図的な差異が存在することが、可能である。例えば、球形の細孔が円筒形の細孔と組み合わせられてもよい。

【0027】

少なくとも１つの実施形態によれば、細孔のアスペクト比は、少なくとも１．５もしくは少なくとも４であり、かつ／または、最大で２０、最大で１０、もしくは最大で５である。例えば、特定の細孔のアスペクト比は、最長範囲に垂直な方向における最大横方向範囲によって割られた、直線に沿った前述の細孔の最長範囲であってもよく、最長範囲は、最大横方向範囲よりも大きいかまたはそれに等しい。

【0028】

少なくとも１つの実施形態によれば、細孔は、互いに平行に揃えられる。これは、細孔の最長範囲の軸線が、最も近い半導体チップから離れる方を指すことを意味し得る。例えば、前述の軸線は、最大で３０°、最大で２０°、または最大で１０°の許容差で、互いに平行である。あるいは、またはさらに、前述の軸線、または前述の軸線のうちの少なくともいくつかは、例えば、最大で３０°、最大で２０°、または最大で１０°の許容差で、半導体チップが配置されるベースプレートの側に対して垂直に配向される。

【0029】

少なくとも１つの実施形態によれば、全体的なそれぞれの補償層上の細孔の体積比は、少なくとも５％、少なくとも１０％、または少なくとも２０％である。あるいは、またはさらに、前述の比は、最大で８０％、最大で７０％、最大で６０％、最大で４５％、または最大で３０％である。例えば、前述の比は、１０％以上６０％以下、または１０％以上３０％以下である。したがって、体積比は、比較的に小さい可能性がある。

【0030】

少なくとも１つの実施形態によれば、少なくとも１つの補償層は、半導体チップに向かう方向において、少なくとも１ＧＰａ、少なくとも２ＧＰａ、または少なくとも５ＧＰａのヤング率を有する。あるいは、またはさらに、前述のヤング率は、最大で６０ＧＰａであるか、最大で４０ＧＰａであるか、最大で２０ＧＰａであるか、または最大で１０ＧＰａである。

【0031】

本明細書において説明されるチップパッケージが、例示的な実施形態として、図面を参照しながら以下により詳細に説明される。個々の図において同じである要素は、同じ参照番号を用いて示される。要素間の関係は、一定の縮尺で示されておらず、むしろ、個々の要素は、理解を助けるために大きく誇張されて示されている場合がある。

【図面の簡単な説明】

【0032】

【図1】本明細書において説明されるチップパッケージの例示的な実施形態の概略断面図である。

【図2】本明細書において説明されるチップパッケージの例示的な実施形態の概略断面図である。

【図3】本明細書において説明されるチップパッケージのための第１の補償層の例示的な実施形態の概略断面図である。

【図4】本明細書において説明されるチップパッケージのための第１の補償層の例示的な実施形態の概略断面図である。

【図5】本明細書において説明されるチップパッケージの例示的な実施形態の概略断面図である。

【図6】本明細書において説明されるチップパッケージの例示的な実施形態の概略上面図である。

【発明を実施するための形態】

【0033】

図１は、チップパッケージ１の例示的な実施形態を示す。チップパッケージ１は、第１の補償層３１と、第１の補償層３１の取付け側３０上に配置された複数の半導体チップ２とを備える。

【0034】

例えば、半導体チップ２は、以下の群、すなわち、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、絶縁ゲート半導体電界効果トランジスタ（ＭＩＳＦＥＴ）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）、および接合ゲート電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）、ゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）またはゲート転流サイリスタ（ＧＣＴ）のようなサイリスタ、ダイオードから選択される。

【0035】

例えば、半導体チップ２、または半導体チップ２のうちの少なくとも１つもしくはいくつかは、少なくとも１Ａのまたは少なくとも２０Ａの最大電流用に構成される。あるいは、またはさらに、半導体チップ２は、少なくとも０．２ｋＶ、少なくとも０．６ｋＶ、または少なくとも１．２ｋＶの最大電圧用に構成される。言い換えれば、半導体チップ２は、電力半導体チップであり得る。

【0036】

例えば、チップパッケージ１は、例えばハイブリッド車両もしくはプラグイン電気車両においてまたは列車における、バッテリからの直流を電気モータのための交流に変換するための、車両内の電力モジュールのためのものである。さらに、電力半導体デバイスは、例えば自動車のような車両におけるヒューズであり得る。チップパッケージ１は、変圧器のような電源スイッチにおいて使用されることも可能である。チップパッケージ１は、プレスパックモジュール、またはプレスパックモジュールの一部であってもよい。

【0037】

全ての半導体チップ２は、同じ種類のものであってもよい。この場合、製造公差に起因して、半導体チップ２は様々な高さＨを有し得る。したがって、半導体チップ２間の高さの差ΔＨが存在し得る。取付け側３０の上方の様々な高さＨはまた、取付け側３０の不均一さまたは粗さから生じ得る。さらに、様々な種類の半導体チップ２が使用されることが可能である。例えば、チップパッケージを通る様々な電流方向を考慮するために、ＩＧＢＴおよびダイオードが一緒に使用され得る。様々な種類の半導体チップ２を使用することにより、比較的に大きな高さの差ΔＨがもたらされ得る。

【0038】

例えば、高さの差ΔＨは、半導体チップ２の最大高さＨの少なくとも１％、少なくとも５％、または少なくとも１０％に達する。あるいは、またはさらに、前述の高さの差ΔＨは、最大で半導体チップ２の最大高さＨの７０％、５０％、または３０％に達する。

【0039】

例えば、最大高さＨは、少なくとも０．１ｍｍ、または少なくとも０．４ｍｍである。あるいは、またはさらに、前述の最大高さＨは、最大で２ｍｍ、最大で０．７ｍｍ、または最大で０．５ｍｍである。例えば、最大高さＨは、０．２ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である。

【0040】

第１の補償層３１は、半導体チップ２が例えばドライ接点により図１に示されていない別の構成要素に電気的に接触するためにそれらの構成要素に対して圧迫されるときに、高さの差ΔＨを補償するように構成される。したがって、第１の補償層３１は、取付け側３０と反対の側を向く半導体チップ２の全ての側面を平らな硬い表面によって接触させることを可能にするために、機械的に変形可能である必要がある。第１の補償層３１はまた、半導体チップ２への圧力を維持する必要がある。したがって、第１の補償層３１は、ばねのように弾性的に変形可能である必要がある。

【0041】

この目的のために、第１の補償層３１は、内部構造を有する。例えば、第１の補償層３１の内側構造は、発泡体のようである。したがって、第１の補償層３１は、複数の細孔６を備え得る。例えば、第１の補償層３１全体の細孔の体積比は、少なくとも５％、または最大で８０％であり、また、１０％以上６０％以下、または１０％以上３０％以下であり得る。

【0042】

半導体チップ２は電力半導体チップであり得るので、体積比は、高い通電特性を可能にするために、および、第１の補償層３１を通じた半導体チップ２の効果的な冷却を達成するために、比較的に小さくてもよい。例えば、第１の補償層は、少なくとも１Ａ／ｃｍ^２、少なくとも５Ａ／ｃｍ^２、少なくとも１０Ａ／ｃｍ^２、または少なくとも５０Ａ／ｃｍ^２の電流密度用に構成される。これらの電流密度は、取付け側３０の反対側の第１の補償層３１の裏側３４に垂直な方向を意味し得る。裏側３４は、平面の形状のものであり得る。

【0043】

例えば、第１の補償層３１の最大厚さＴは、少なくとも０．２ｍｍ、少なくとも０．３ｍｍ、または少なくとも０．８ｍｍである。あるいは、またはさらに、前述の厚さＴは、最大で５ｍｍ、最大で３ｍｍ、または最大で１．５ｍｍである。例えば、前述の厚さは、０．３ｍｍ以上３ｍｍ以下である。したがって、少なくとも１つの第１の補償層の厚さＴは、例えば、０．２ｍｍ以上５ｍｍ以下であり、少なくとも１つの第１の補償層の最小直径は、厚さＴの少なくとも３倍を超えてもよい。

【0044】

第１の補償層３１は、円板形状のものであり得る。これは、第１の補償層３１が厚さＨよりもはるかに大きな幅を有することを意味し得る。例えば、第１の補償層３１の最小直径は、厚さＴの少なくとも３倍、少なくとも１０倍、または少なくとも３０倍を超える。あるいは、またはさらに、前述の倍数は、最大で３００、または最大で１００である。裏側３４の上面図で見て、正方形の第１の補償層３１の場合、最小直径は辺長であってもよく、長方形の裏側３４の場合、最小直径は、最も短い辺長であってもよい。他の場合には、最小直径ｄは、ｄ＝（４Ａ／π）^０．５の通りに、裏側３４の面積容量Ａから計算され得る。

【0045】

少なくとも１つの実施形態によれば、高さの差ΔＨは、第１の補償層３１の厚さＴの少なくとも１％、もしくは少なくとも５％、かつ／または、最大で７０％、最大で５０％、最大で３０％、もしくは最大で１５％に達する。例えば、高さの差ΔＨは、少なくとも１つの第１の補償層３１の厚さＴの１％以上３０％以下に達する。

【0046】

少なくとも１つの実施形態によれば、第１の補償層３１は、純銅、または純アルミニウム、または純モリブデンのものである。用語「純」は、第１の補償層３１がそれぞれの金属の少なくとも９９質量％または少なくとも９９．８質量％のものであることを意味し得る。したがって、第１の補償層３１の機械的特性は、その内部構造、すなわち細孔６によって得られ、合金によって得られるのではないか、または実質的に合金によって得られるのではない。合金化、例えばＢｅを含むＡｌは、ヤング率を所望の態様で低下させ得るが、導電率も大幅に低下させ得る。したがって、例えば電力半導体チップ２を使用する場合、そのような合金は、第１の補償層３１の導電率を所望に応じて高く保つために、避けられるべきである。あるいは、優れた導電率を有する任意の他の金属または金属合金が、第１の補償層３１、第２の補償層３２、および／または第３の補償層３３のために使用され得る。

【0047】

図２では、チップパッケージ１の別の例示的な実施形態が示されている。この場合、チップパッケージ１はまた、ベースプレート４を含む。例えば、ベースプレート４は、例えば銅、モリブデン、またはアルミニウムで作られた、塊状の金属プレートである。したがって、ベースプレート４は、いかなる内側構造も含まなくてよいが、均質な金属片であり得る。

【0048】

したがって、ベースプレート４は、第１の補償層３１よりもはるかに硬質でありかつ柔軟性がない。第１の補償層３１とベースプレート４とを互いに圧迫することにより半導体チップ２が電気的および熱的に接触されたときに、基本的に第１の補償層３１のみが変形し、ベースプレート４は変形しない。

【0049】

つまり、半導体チップ２の高さの差は、半導体チップ２を第１の補償層３１の取付け側３０に押し付けることにより、第１の補償層３１によって補償される。この圧迫において、裏側３４は、裏側３４が依然として平面状かつ均一な形状のものであり得るように、図示されていないさらなる層によって支持され得る。

【0050】

したがって、第１の補償層３１を使用することにより、半導体チップ２間の高さの差は、例えば１対１の態様で半導体チップ２に割り当てられる個別のばねが省略され得るように、単一の構成要素によって補償され得る。

【0051】

その他の点では、図１と同じことが図２にも当てはまり得る。
図３および４では、第１の補償層３１の可能な構成が示されている。全てのこれらの構成において、取付け側３０および平面状の裏側３４は、細孔６を含まないことが可能である。したがって、取付け側３０および平面状の裏側３４は、細孔６からもたらされるいかなる空隙または穴も含まなくてよい。そうでなければ、取付け側３０または裏側３４に及ぶいくつかの細孔６が存在し得るが、例えば、取付け側３０および／または裏側３４の少なくとも９０％、少なくとも９５％、もしくは少なくとも９８％は、細孔６を含まない。取付け側３０から平面状の裏側３４にまで及ぶ連続的な細孔または穴が存在しないことが可能である。

【0052】

取付け側３０および／または裏側３４は、例えば、それらの側上の電気絶縁酸化膜を回避するために、図示されていないコーティングを備えることができる。

【0053】

図３によれば、細孔６は、細長い形状のものである。したがって、細孔６のアスペクト比は、少なくとも１．５、もしくは少なくとも４、かつ／または、最大で２０、最大で１０、もしくは最大で５であってもよく、また、１．５以上１０以下であってもよい。細孔６の全てが、円筒形または楕円形のようなおおよそ同じ形状のものであることが、可能である。

【0054】

例えば、裏側３４に垂直な方向に１つだけの細孔６の層が存在する。全ての細孔６、または細孔６のほとんどが、互いに平行に、または互いにおおよそ平行に揃えられてもよい。用語「おおよそ」は、最大で３０°、最大で２０°、または最大で１０°の許容差を意味し得る。

【0055】

一選択肢として、例えば裏側３４に垂直なまたはおおよそ垂直な直線に沿った前述の細孔の最長範囲は、第１の補償層３１の厚さの少なくとも６０％、もしくは少なくとも７０％、かつ／または、最大で９５％、もしくは最大で８０％に達する。したがって、細孔６は、優れた熱的および電気的接触を可能にするために、取付け側３０および裏側３４に到達することなしに、第１の補償層３１をほとんど完全に貫通し得る。

【0056】

そのような第１の補償層３１は、例えば、適切なサイズの金属粒子と有機粒子とを混合し、次いで有機粒子が消滅する間に金属粒子を互いに焼成または溶融することによって作製され得る。次いで、得られた材料は、細長い細孔６を得るために異方的に延伸され得る。金属粒子および有機粒子のサイズ、ならびに体積比を適切に選択することにより、第１の補償層３１の特性が調整され得る。

【0057】

例えば、細孔６の平均直径は、少なくとも０．１ｍｍ、もしくは少なくとも０．３ｍｍ、かつ／または、最大で２ｍｍ、もしくは最大で１．２ｍｍであり、また、０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下であり得る。例えば、前述の平均直径ｄｍは、ｄｍ＝（６Ｖ／π）^１／３により、それぞれの細孔６の体積Ｖから計算され得る。

【0058】

図４では、細孔６の２つ以上の層が存在し得ることが示されている。例えば、平均して２つの細孔６の層が上下に存在する。さらに、細孔６は、より大きなサイズのばらつきおよび／または形状のばらつきを有し得る。

【0059】

その他の点では、図１および２と同じことが図３および４にも当てはまる場合があり、その逆も同様である。

【0060】

図５では、チップパッケージ１のより複雑な例示的な実施形態が示されている。例えば、チップパッケージ１は、複数のサブモジュール７を備える。サブモジュール７のそれぞれは、１つの半導体チップ２、または複数の半導体チップ２を備え得る。例えば、１つのサブモジュール７につき、半導体チップ２のうちの少なくとも６個、もしくは少なくとも９個、かつ／または、最大で３６個、もしくは最大で１６個が存在する。

【0061】

さらに、サブモジュール７のそれぞれは、チップパッケージ１が複数の第１の補償層３１を備えるように、それ自体の第１の補償層３１を含むことができ、第１の補償層３１のそれぞれには、半導体チップ２のうちのいくつかが存在する。

【0062】

一選択肢として、サブモジュール７は、支柱５を含み得る。例えば、支柱５は、例えば銅、またはアルミニウム、またはモリブデンのものであり得る塊状の金属ブロックである。したがって、ベースプレート４と同様に、支柱５は、第１の補償層３１と比較して硬質である。支柱５と第１の補償層３１との間に１対１の割当てが存在することが可能である。支柱５は、いずれの場合にも、第１の補償層３１の裏側３４と直接接触することができる。

【0063】

支柱５および第１の補償層１は、場合により、支柱５および第１の補償層１の位置ずれを回避するために、内部ホルダ８２に貼り付けられ得る。さらなる選択肢として、チップパッケージ１は、例えばセラミックで作られたモジュールフレーム８３を含むことができる。モジュールフレーム８３は、裏側３４の上面図で見て、リング形状のものであってもよい。

【0064】

ベースプレート４は、全てのサブモジュール７のための共通のベースプレートであることが可能である。したがって、全ての第１の補償層３１は、ベースプレート４上に直接設置され得る。そうでなければ、サブモジュール７のそれぞれまたはサブモジュール７の群のためのベースプレート４が存在してもよい。

【0065】

さらに、第２の補償層３２が存在することが可能である。第２の補償層３２は、第１の補償層３１から離れた支柱５の側に直接存在してもよい。全てのサブモジュール７が、同じ第２の補償層３２上に設置されてよく、または、示されたもの以外の複数の第２の補償層３２が存在する。

【0066】

さらなる選択肢として、チップパッケージ１は、第２の補償層３２の上にカバープレート８１を含むことができる。例えば、カバープレート８１は、全てのサブモジュール７を覆う共通のプレートであり、また、半導体チップ２のためのエミッタ接点であり得る。したがって、ベースプレート４は、ドレイン接点またはコレクタ接点であり得る。第２の補償層３２により、一様な圧力およびクランプ力を全ての支柱５に印加することができ、第１の補償層３１は、支柱５の側面による損傷を防がれ得る。

【0067】

さらなる選択肢として、チップパッケージ１は、あるいは、またはさらに、第３の補償層３３を含むことができる。例えば、第３の補償層３３は、半導体チップ２から離れたベースプレート４の側に設置される。第３の補償層３３を有することにより、一様な圧力およびクランプ力をベースプレート４に印加することができる。

【0068】

全ての補償層、つまり第１の補償層３１、第２の補償層３２、および第３の補償層３３は、同じ内側構造、つまり、同じ種類の細孔６、同じ材料、および同じ厚さを有し得る。したがって、補償層３１、３２、３３の間の唯一の違いは、横寸法または辺長であり得る。

【0069】

そうでなければ、補償層３１、３２、３３は、意図された異なる機械的特性を有することが可能である。例えば、カバープレート８１および／またはベースプレート４上のより大きな圧力勾配を可能にするために、第１の補償層３１よりも大きな第２および第３の補償層３２、３３が、第１の補償層３１よりも硬質であってもよい。

【0070】

例えば、半導体チップ２に向かう方向および／または裏側３４に垂直な方向において、補償層３１、３２、３３は、２ＧＰａ以上２０ＧＰａ以下のヤング率をそれぞれが有する。第１の補償層３１は、横方向長さ１ｍｍ当たり少なくとも５０μｍ、少なくとも０．１ｍｍ、または少なくとも０．３ｍｍの厚さ変化の弾性厚さ勾配用に構成されることが可能である。つまり、裏側３４に平行な方向における１ｍｍの距離にわたって、少なくとも５０μｍの厚さの差が補償され得る。したがって、半導体チップ２は、第１の補償層３１上に比較的密に詰め込まれ得る。可能とされる厚さ勾配に関して、第２および第３の補償層３２、３３にも同じことが当てはまり得る。

【0071】

チップパッケージ１においてドライ接点のみが存在することが可能である。したがって、半導体チップ２と補償層３１、３２、３３とベースプレート４と支柱５とカバープレート８１との間には、ハンダ層または焼結層が存在しないが、それらの構成要素は、圧力によってのみ電気的に接続される。そのような圧力を提供するばねまたはクランプは、チップパッケージ１内にあってもよく、または、図示されていない外部構成要素であってもよい。

【0072】

その他の点では、図１から４と同じことが図５にも当てはまる場合があり、その逆も同様である。

【0073】

図６では、チップパッケージ１の別の例示的な実施形態の上面図が示されている。取付け側３０上には、例えば規則的な格子に配置された複数の半導体チップ２が存在する。ＩＧＢＴおよびダイオードのような、様々な厚さを有する様々なタイプの半導体チップ２が存在し得る。

【0074】

半導体チップ２は、辺長Ｌを有し得る。例えば、辺長Ｌは、少なくとも０．２ｍｍ、かつ／または、最大で２ｍｍ、もしくは最大で２ｃｍである。隣り合う半導体チップ２間の距離Ｄは、辺長Ｌよりも短くてもよい。例えば、前述の距離Ｄは、辺長Ｌの少なくとも１０％、もしくは少なくとも２５％、かつ／または、最大で１００％、最大で８０％、もしくは最大で６５％に達し得る。

【0075】

その他の点では、図１から５と同じことが図６にも当てはまる場合があり、その逆も同様である。

【0076】

図に示された構成要素は、そうでないことが示されていない限り、指定の順序で直接続くことが好ましい。図において接触していない構成要素は、互いに離間されることが好ましい。線が互いに平行に描かれている場合、対応する表面は、互いに平行に配向されることが好ましい。同様に、そうでないことが示されていない限り、描かれた構成要素の互いに対する位置は、図では正しく再現されている。

【0077】

本明細書において説明されるチップパッケージは、例示的な実施形態に基づく説明によって制限されない。むしろ、チップパッケージは、任意の新規の特徴を、また、特許請求の範囲における特徴の任意の組み合わせを特に含む任意の特徴の組み合わせを、たとえその特徴またはその特徴の組み合わせが特許請求の範囲または例示的な実施形態において明確に指定されていなくとも、包含する。

【0078】

本特許出願は、その開示内容が参照により本明細書に援用される、ヨーロッパ特許出願２１１６ ３９４９．７の優先権を主張するものである。

【符号の説明】

【0079】

符号のリスト
１ チップパッケージ
２ 半導体チップ
３０ 取付け側
３１ 第１の補償層
３２ 第２の補償層
３３ 第３の補償層
３４ 平面状の裏側
４ ベースプレート
５ 支柱
６ 細孔
７ サブモジュール
８１ カバープレート
８２ 内部ホルダ
８３ モジュールフレーム
Ｄ 半導体チップ間の距離
ΔＨ 半導体チップ間の高さの差
Ｈ 半導体チップの最大高さ
Ｌ 半導体チップの辺長
Ｔ 第１の補償層の厚さ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【国際調査報告】