FR2572852A1 - Dispositif semi-conducteur en particulier thyristor comportant une electrode d'acces a l'electrode de commande - Google Patents

Dispositif semi-conducteur en particulier thyristor comportant une electrode d'acces a l'electrode de commande Download PDF

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Abstract

UN DISPOSITIF SEMI-CONDUCTEUR TEL QU'UN THYRISTOR A GAIN DE COMMANDE A L'OUVERTURE DE FORTE PUISSANCE 21 COMPORTE NOTAMMENT UNE ELECTRODE D'ACCES A L'ELECTRODE DE COMMANDE 14A-14C QUI CONNECTE LA GACHETTE SITUEE SUR LE SUBSTRAT SEMI-CONDUCTEUR ET UNE ELECTRODE DE COMMANDE EXTERNE. L'ELECTRODE D'ACCES COMPORTE UN CORPS EN FORME D'ANNEAU 14A LOGE DANS UNE RAINURE 24A D'UNE ELECTRODE DE CATHODE EXTERIEURE, ET APPLIQUE CONTRE LA GACHETTE PAR UN RESSORT 17 LOGE EGALEMENT DANS LA RAINURE. LES PARTIES DE L'ELECTRODE D'ACCES AUTRES QUE LA PARTIE DE CONTACT AVEC LA GACHETTE SONT REVETUES D'UNE COUCHE ISOLANTE 14B CONSISTANT EN UNE MATIERE PLASTIQUE FLUOREE.

Description

La présente invention concerne un dispositif semiconducteur qui comporte une électrode de commande de forme annulaire et une électrode d'accès à l'électrode de commande, pour une électrode de commande externe.
Dans les thyristors à gain de commande à l'ouverture et les transistors de grande puissance, un courant élevé circule dans l'électrode de commande (la gâchette ou la base) lorsqu'on augmente la puissance ; dans des modèles commercialisés récemment, il circule un courant de plusieurs dizaines à plusieurs centaines d'ampères. En particulier, dans le cas des thyristors à gain de commande à l'ouverture de grande puissance, un courant inverse de gâchette de valeur élevée est nécessaire au moment de l'ouverture. De plus, il est essentiel de faire en sorte que le courant circule de façon uniforme et instantanée, et on conçoit le dispositif de façon à minimiser l'impédance entre la gâchette et la cathode.A titre d'exemple, la forme de la partie d'accès pour la gâchette est semblable à un anneau, ce qui raccourcit la distance de la partie d'accès jusqu'à la région d'émetteur, égalise la distribution de courant et réduit le courant.
Pour expliquer le contexte de l'invention, on se réfèrera plus particulièrement à la figure 1, qui montre un exemple d'un dispositif semiconducteur classique. La figure 1 montre une représentation en plan d'un thyristor à gain de commande à l'ouverture ayant une structure de gâchette en forme d'anneau, et la figure 2 montre une coupe trans versale de ce thyristor. Les références 1, la, lb, lc et ld désignent respectivement un thyristor, une tranche de silicium, une plaque de renfort en molybdène sur laquelle la tranche est soudée (la soudure étant désignée par la référence lg), une électrode de gâchette et une électrode de cathode. Les deux références le et If désignent des régions de recueil de courant de la gâchette.
Dans cet exemple, l'électrode de gâchette lc et une électrode de gâchette externe (non représentée) sont directement interconnectées ensemble par un fil de connexion.
La figure 3 est une vue en perspective montrant une structure d'accès pour l'électrode de gâchette, et la figure 4 est une coupe de cette structure. La référence 2 désigne un fil d'aluminium qui a normalement un diamètre de 0,3 à 0,7 mm.
Il est nécessaire de fixer le fil d'aluminium 2 en plusieurs points le long de la partie de recueil de courant en forme d'anneau de la gâchette le, de façon à égaliser la répartition du courant de gâchette, et les intervalles entre ces points sont de préférence égaux.
De plus, dans de tels thyristors à gain de commande à l'ouverture de grande puissance, il est de pratique courante d'intercaler une plaque entre l'électrode de cathode ld et une cathode externe (non représentée), afin de minimiser les contraintes thermiques. La plaque est en molybdène, en tungstène ou en une matière analogue, ayant approximativement le même coefficient de dilatation thermique que le silicium. Il est également essentiel de fixer la plaque à une position précise par rapport à l'électrode de cathode ld. Dans ce but, il est nécessaire de faire adhérer la plaque à l'électrode de cathode ld du thyristor 1 avec un adhésif spécial, comme une substance à poids moléculaire élevé résistant à la chaleur.Il en résulte que dans la pratique habituelle, le processus d'assemblage exige un travail manuel considérable, ce qui se répercute défavorablement sur le rendement de fabrication et le coût. De plus, la partie de fixa tion de fil est susceptible de se rompre ou d'être endommagée du fait de contraintes mécaniques ou de contraintes thermiques se produisant pendant le cycle thermique.
En outre, dans le procédé classique, on doit prendre en considération la résistance électrique du fil lui-même, car sinon cette résistance empêcherait la décharge de porteurs à partir de la gâchette au moment de la coupure du courant principal, en particulier lorsqu'il circule un courant de plusieurs centaines d'ampères. Ceci conduit souvent à réduire le courant commandé que peut accepter le thyristor à gain de commande à l'ouverture.
La demande de brevet japonaise publiée n0 5395 583 décrit un autre exemple de la structure de gâchette classique employant la même fixation de fil que dans l'exemple précité. Ce thyristor à gain de commande à l'ouverture comporte un conducteur de gâchette qui est directement fixé à la fois sur l'élément semiconducteur et sur l'électrode externe. Ce dispositif de l'art antérieur présente les mêmes inconvénients que l'exemple mentionné précédemment.
Lorsque la puissance d'un thyristor à gain de commande à l'ouverture devient grande, le diamètre du thyristor augmente et ceci nécessite d'allonger les fils de connexion à fixer. D'autre part, le courant de gâchette nécessaire au moment de l'ouverture augmente également, et ceci exige de réduire davantage la résistance des fils.
Pour fournir un courant suffisant à la gâchette en réduisant la résistance des fils de connexion, il est de pratique courante de maintenir l'électrode d'accès à la gâchette en contact avec le thyristor. Ce procédé est efficace pour un thyristor à gâchette centrale, dans lequel la gâchette se trouve au centre du thyristor, et pour un transistor de grande puissance.
La figure 5 est une coupe montrant le thyristor construit de façon à maintenir l'électrode d'accès à la gâ chette en contact avec pression avec le thyristor, conformément à la description faite dans la demande de brevet japonaise publiée n0 57-62 562 . Ce dispositif semiconducteur décrit comprendunthyristor 1, une plaque intercalée 3, une électrode de cathode extérieure 4, un conducteur d'accès à la gâchette 5, un support isolant 6, grâce à quoi le conducteur d'accès à la gâchette 5 et la plaque intercalée 3 sont positionnés de façon précise par rapport à l'électrode de cathode extérieure 4, un ressort 7 par lequel la partie supérieure Sa du conducteur d'accès à la gâchette 5 est maintenue en contact avec pression avec le thyristor 1, par l'intermédiaire du support isolant 6, un tube de protection 8 par lequel le conducteur d'accès à la gâchette, 5, est isolé de l'électrode de cathode extérieure 4, une électrode d'anode extérieure 9, un cylindre en céramique 10 destiné à supporter le thyristor 1, une bride côté cathode, 11, destinée à fixer l'électrode de cathode extérieure 4 sur le cylindre en céramique 10, une bride côté anode, 12, destinée à fixer l'électrode d'anode extérieure 9 sur le cylindre en céramique 10, et une électrode de gâchette extérieure 13.
Dans cet exemple, il n'est pas nécessaire de fixer ensemble l'électrode d'accès à la gâchette et le fil d'accès à la gâchette, ce qui permet d'utiliser un fil ayant un grand diamètre, et un fil constitué par une substance plus conductrice que l'aluminium, comme l'argent. Ceci est particulièrement avantageux pour fournir un courant élevé.
Cependant, du fait que le support isolant 6 doit être réalisé en alumine frittée ou en une substance analogue, il est difficile de le fabriquer aux dimensions exactes, ce qui nécessite des marges de tolérance relativement grandes entre l'électrode de cathode extérieure 4 et le support isolant 6 et entre le support isolant 6 et le conducteur d'accès à la gâchette 5. Ceci conduit à un positionnement imprécis.
Du fait de cet inconvénient, cette structure d'accès à la gâchette n'est pas applicable aux thyristors à gain de commande à l'ouverture qui exigent un positionnement extrêmement précis.
Il existe encore un autre exemple de thyristors à gain de commande à l'ouverture ayant une gâchette en forme d'anneau, qui est décrit dans la demande de brevet japonaise publiée n0 58-148 433 . L'art antérieur décrit adopte le système d'électrodes à contact avec pression et il est caractérisé en ce qu'un anneau de gâchette divisé en plusieurs sections est maintenu en contact avec la gâchette de forme annulaire. Cependant, dans cet exemple, le conducteur de gâchette est supporté par un support isolant en céramique ou en une matière similaire, ce qui conduit à un positionnement imprécis, comme il a été indiqué en relation avec l'exemple précité.
Dans le second exemple mentionné ci-dessus, il est nécessaire de prévoir un conducteur d'accès à la gâchette, 5, ayant une partie supérieure Sa en forme d'anneau qui doit être maintenue en contact avec pression avec le thyristor 1; cependant, en fait, on n'a pas réalisé en pratique des gâchettes du type à contact avec pression permettant un positionnement aisé et précis de la partie supérieure en forme d'anneau.
L'invention vise à résoudre les difficultés et les problèmes indiqués ci-dessus, et elle a pour but de procurer un dispositif semiconducteur capable d'assurer l'accès a l'électrode de commande en permettant un positionnement aisé et précis de l'électrode d'accès à l'électrode de commande, ainsi que d'améliorer la fiabilité.
L'invention procure un dispositif semiconducteur qui comprend
une première électrode principale sur une première surface principale du substrat semiconducteur, et une seconde électrode principale sur une seconde surface principale de celui-ci, la première surface principale comprenant une électrode de commande
une première électrode principale extérieure et une seconde électrode principale extérieure formées respectivement sur les première et seconde surfaces principales, avec les première et seconde électrodes principales extérieures respectivement connectées à la première électrode principale et à la seconde électrode principale
une électrode de commande externe prévue pour être connectée à l'électrode de commande sur le substrat semiconducteur
une électrode d'accès à l'électrode de commande, par laquelle l'électrode de commande située sur le substrat est connectée à l'électrode de commande externe ; et
et l'électrode d'accès à l'électrode de commande comprenant un corps en forme d'anneau ayant une section de contact sur sa surface inférieure, et un conducteur prévu pour la connexion à l'électrode de commande externe, le corps en forme d'anneau étant recouvert par une couche isolante consistant principalement en une matière plastique fluorée dans la partie autre que la section de contact, et le corps en forme d'anneau étant maintenu en contact avec l'électrode de commande sur le substrat semiconducteur dans la section de contact.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La suite de la description se réfère aux dessins annexés sur lesquels
La figure 1 est une vue en plan montrant un thyristor à gain de commande à l'ouverture ayant une structure de gâchette en forme d'anneau
La figure 2 est une coupe du thyristor représenté sur la figure 1
La figure 3 est une vue en perspective montrant un thyristor à gain de commande à l'ouverture de type connu dans lequel on réalise l'accès à la gâchette par fixation d'un fil
La figure 4 est une coupe du thyristor représenté sur la figure 3
La figure 5 est une coupe montrant un thyristor connu du type à contact avec pression et à gâchette centrale;;
La figure 6 est une coupe montrant une électrode d'accès à la gâchette pour un thyristor à gain de commande à l'ouverture correspondant à un mode de réalisation de l'invention ; et
La figure 7 est une coupe montrant le thyristor à gain de commande à l'ouverture du mode de réalisation de l'invention.
On décrira en relation avec la figure 7 un thyristor à gain de commande à l'ouverture de forte puissance constituant un mode de réalisation de l'invention.
La référence 21 désigne un substrat semiconducteur constituant un thyristor. Le thyristor 21 comporte une première surface principale (la surface supérieure sur la figure 7) sur laquelle sont formées une électrode de cathode constituant une première électrode principale et une électrode de grille constituant une électrode de commande, et une seconde surface principale (la surface inférieure sur la figure 7) sur laquelle est formée une électrode d'anode constituant une seconde électrode principale. La référence 15 désigne une plaque extérieure qui est intercalée entre la partie périphérique de l'électrode de cathode du thyristor 21, et une électrode de cathode extérieure 24 qui est une première électrode principale extérieure.La référence 16 désigne une plaque intérieure qui est intercalée entre la partie intérieure de l'électrode de cathode du thyristor 21, et l'électrode de cathode extérieure 24. L'électrode de cathode extérieure 24 comporte une rainure annulaire 24a formée sur sa première surface principale, et la rainure 24a contient une électrode d'accès à la gâchette en forme d'anneau, 14, qui est placée de manière à être libre dans la direction verticale. L'électrode d'accès à la gâchette 14 est sollicitée par un ressort vers l'électrode de gâchette du thyristor 21, au moyen d'un ressort 17 qui est intercalé entre l'électrode d'accès 14 et le fond de la rainure 24a, de façon à maintenir l'électrode d'accès en contact avec l'élec- trode de gâchette.
La figure 6 montre la structure de l'électrode d'accès à la gâchette 14, qui comprend une partie en métal en forme d'anneau 14a, constituant le corps principal, une partie de contact 14d qui fait saillie le long de la surface inférieure en forme d'anneau de la partie en métal en forme d'anneau 14a, la partie de contact 14d étant conçue de façon à rester en contact avec pression avec le thyristor 21, une parti#e de fil 14c soudée à une partie de soudage 14e de la partie en métal 14a, la partie de fil 14c faisant fonction de conducteur de commande, et toutes les parties à l'exception de la partie de contact 14d et de la partie de soudage 14e, sont recouvertes par une couche isolante 14b consistant en une matière plastique fluorée.Dans ce mode de réalisation, la partie de fil 14c est fixée à la partie en métal 14a après la formation de la couche isolante 14b, mais il est possible de fixer la partie de fil 14c avant la formation de la couche isolante 14b.
On décrira ci-après un procédé de fabrication de l'électrode d'accès à la gâchette de ce mode de réalisation.
(1) On forme avec une dimension précise désirée la partie en métal en forme d'anneau 14a, et on soumet à un traitement de masquage la partie de contact 14d et la partie de soudage 14e, pour la connexion à la partie de fil 14c. La matière plastique fluorée est ensuite éjectée vers la partie en métal 14a de façon à produire sur celle-ci la couche isolante 14b. Lorsque la partie en métal 14a est en cuivre, et lorsque la matière plastique fluorée est éjectée sur celleci, il est possible de produire la couche isolante 14b avec une épaisseur d'environ 500 r .Lorsqu'on prend en considération la résistance mécanique, l'aptitude à l'isolation élec- trique et la précision dimensionnelle de la couche isolante, on trouve que l'épaisseur est de préférence dans la plage de 100 à 300
(2) On soude la partie de fil 14c sur la partie de soudage 14e de la partie en métal 14a revêtue de la couche isolante. On obtient ainsi l'électrode d'accès à la gâchette 14. Il est préférable que la partie de fil 14c soit en argent pur (99,99%), et d'effectuer le soudage dans de l'hydrogène en utilisant une soudure argent-cuivre ; et
(3) Pour réduire la résistance de contact avec le thyristor 21, il est préférable que la partie de contact 14d reçoive un placage d'argent d'une épaisseur de 5 à 10 p après l'opération de soudage, et le recuit de la partie comportant un placage d'argent est effectué pendant 30 à 60 mn.
En fonctionnement, le thyristor à gain de commande à l'ouverture conforme à l'invention présente une aire de section droite relativement grande dans sa partie en métal 14a, ce qui lui donne une résistance faible. De plus, du fait que la partie de fil 14c a un diamètre relativement grand, la chute de tension dans l'électrode d'accès à la gâchette 14 est minimisée. Il en résulte que la répartition du courant est égalisée, ce qui améliore l'efficacité de coupure du courant du thyristor à gain de commande à l'ouverture. Avec la présente invention, il n'est pas nécessaire d'effectuer une opération de fixation de fil, ce qui évite d'avoir à se préoccuper des problèmes de rupture de fixation ou de rupture de fil.
L'électrode d'accès à la gâchette 14 de l'invention se comporte comme un support isolant et comme un conducteur d'accès à la gâchette dans la structure de contact de gâchette classique, ce qui supprime la nécessité de les interconnecter comme on le fait dans la structure connue.
Ceci améliore le rendement du travail de fabrication. De plus, dans l'inventton, la précision du positionnement Se l'électrode d'accès à la gâchette 14 est déterminée par la partie en métal 14a qui est réalisée avec une dimension extrêmement précise. Ceci surmonte la difficulté de positionnement précis qu'on rencontre avec la structure classique.
Dans ce mode de réalisation, on utilise une matière plastique fluorée pour la couche isolante, ce qui facilite le travail dans une opération telle qu'un traitement de masquage, par rapport au cas dans lequel on utilise de l'alumine ou du nitrure de bore pour cette couche, conduisant ainsi à un cott réduit.
En outre, on ne peut pas donner une valeur élevée à l'épaisseur de la couche isolante formée en nitrure de bore, et cette épaisseur est restreinte à une plage de 100 à 300 P , du fait de la résistance mécanique. En effet, une rupture ou des craquelures sont susceptibles de se produire lorsque cette couche est épaisse. Cependant, dans le dispositif de ce mode de réalisation qui utilise une matière plastique fluorée pour la couche isolante, il ne se produit pas de rupture ou de craquelures.
De plus, dans un dispositif dans lequel on injecte du nitrure de bore pour produire la couche isolante, il est impossible d'isoler la partie consistant en soudure, tandis que dans le dispositif de ce mode de réalisation, on peut aisément utiliser un revêtement isolant en matière plastique fluorée pour la partie consistant en soudure.
Dans la description précédente, on a fait uniquement référence à un thyristor à gain de commande à l'ouverture, mais on peut également appliquer l'invention avec les mêmes effets à un dispositif semiconducteur de grande puissance ayant des électrodes de commande en forme d'anneau, comme un transistor de forte puissance ou un thyristor à ouverture assistée par la gâchette. De plus, on peut appliquer l'invention aux électrodes d'accès à la gâchette de la structure de gâchette centrale classique, ce qui améliore le rendement du travail de fabrication et la précision du positionnement.
La description qui précède montre de façon évidente que le dispositif semiconducteur de l'invention est avantageux dans la mesure où il comporte une électrode d'accès à la gâchette qui peut être assemblée aisément. De plus, on obtient une fiabilité élevée et une grande précision dans l'accès â la gâchette dans le substrat semiconducteur comportant une gâchette en forme d'anneau. En outre, on peut fabriquer l'électrode d'accès à la gâchette par une procédure simplifiée, et on obtient un dispositif économique.
Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention.

Claims (6)

REVENDICATIONS
1. Dispositif semiconducteur, caractérisé en ce qu'il comprend : une première électrode principale sur une première surface principale d'un substrat semiconducteur, et une seconde électrode principale sur une seconde surface principale de ce substrat, la première surface principale comprenant une électrode de commande ; une première électrode principale extérieure (24) et une seconde électrode principale extérieure (19) formées respectivement sur les première et seconde surfaces principales, avec les première et seconde électrodes principales extérieures (24, 19) respectivement connectées à la première électrode principale et à la seconde électrode principale ~ une électrode de commande externe (13) prévue pour être connectée à l'électrode de commande sur le substrat semiconducteur ; et une électrode d'accès à l'électrode de commande (14) par laquelle l'électrode de commande située sur le substrat est connectée à l'électrode de commande externe (13) ; et en ce que l'élec- trode d'accès à l'électrode de commande (14) comprend un corps en forme d'anneau (14a) ayant une partie de contact (14d) à sa surface inférieure, et un conducteur (14c) destiné à la connexion à l'électrode de commande externe, le corps en forme d'anneau (14a) est recouvert par une couche isolante (14b) consistant essentiellement en matière plastique fluorée dans la partie autre que la partie de contact (14d), et le corps en forme d'anneau (14a) est-maintenu en contact avec l'électrode de commande sur le substrat semiconducteur, au niveau de la partie de contact (14d).
2. Dispositif semiconducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps en forme d'anneau (14a) de l'électrode d'accès est contenu dans une rainure annulaire (24a) formée dans la première électrode principale extérieure (24), et il est maintenu en contact avec l'électrode de commande sur le substrat semiconducteur au moyen d'un ressort (17) contenu dans la même rainure (24a).
3. Dispositif semiconducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie de contact (14d) présente la forme d'un anneau s'étendant le long du corps en forme d'anneau (14a) de l'électrode d'accès.
4. Dispositif semiconducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie de contact (14d) comprend plusieurs éléments en forme d'arcs formés le long du corps en forme d'anneau (14a) de l'électrode d'accès.
5. Dispositif semiconducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie de contact (14d) comporte un placage d'argent ou d'or.
6. Dispositif semiconducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'électrode d'accès à l'électrode de commande (14) consiste en un conducteur de l'électricité tel que du cuivre ou de l'aluminium.
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