JP2594278B2 - 加圧接続型ｇｔｏサイリスタ - Google Patents

加圧接続型ｇｔｏサイリスタ

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は加圧接続型GTOサイリスタに関するものであ
る。
本発明は特に陰極側と陽極側との間に複数の不純物添
加層が配置された半導体ウェハを有しており、このウェ
ハの陰極側は、複数個の突出した陰極突出部を有し、こ
れら陰極突出部が比較的低く位置するゲート領域によっ
て囲まれている段状のゲート陰極構造を有し、陰極突出
部上のウェハは、金属性の陰極層で覆われており、陰極
層及び陽極層に対して加圧されて、これらに接続される
円板状の陰極側加圧接触部と陽極側加圧接触部とを有す
る加圧接続型GTOサイリスタに関するものである。
〔従来の技術〕
エネルギー伝送及びエネルギー制御又は、電動モータ
の分野においてますますパワーエレクトロニクスが普及
することにより、より許容出力の大きなパワー半導体、
特に、より大きな直径のウェハを用いてより大きな負荷
容量と阻止電圧を有するダイオード及びサイリスタの開
発が行われた。
この種の負荷容量の大きなパワー半導体を製造する際
に生じる問題は、より大きなウェハを作り出すことそれ
自体にあるばかりでなく、特に、適切なケーシング内へ
のウェハの組込みの際にも問題がある。
ウェハ組込みの際には、ウェハと周囲との間の良好な
電気的接触及び熱的接触に注意を払うばかりでなく、十
分な負荷の交番性能を有する様、つまり、負荷が交番す
る際に組込まれた素子が疲労しない様に十分に保護する
必要がある。
この場合特に重要なのは、当然ケーシング内における
ウェハの接触である。
パワー半導体に対しいわゆる『はんだ付けされた加圧
接触部』を用いることは古くから知られているが（例え
ばジェイ・クノプロッホ（J.Knobloch）、ピー・プロー
（P.Prough）が1977年のIAS会議録中に記載している
『大きな直径のはんだ付されていないシリコン大電力構
造（Solderless Construction of Large Diameter Sili
con Power Devices）』を参照）、その場合、ウェハの
一方側は、特殊なはんだ（例えばアルミニウム合金）を
用いて金属基板（例えばモリブデン又はタングステン製
の）上へはんだ付けされ、金属円板が他方の側に圧迫さ
れて加圧接触されている。
はんだ付けにより生れた半導体金属層構造は、熱の膨
張係数に無視できない差異があるため、ウェハの直径が
大きくなるに伴い機械的な曲げ応力もより大きなものと
なる。この曲げ応力は、素子の負荷に対する耐交番性能
に後々までも悪影響を与える。
従って、従来のサイリスタ及びダイオードの場合、は
んだ付けされる加熱接触部の代わりにウェハと両側から
加圧接触する金属円板いわゆる『直接的な加圧接触部』
が用いられることになった（例えばジェイ・クノプロッ
ホ（J.Knobloch）等又はブラウン・ボベリ（Brown Bove
ri）の上記の論文MiH1（1979）、５−10頁を参照）。
この種の接触部は、両側が平坦な表面を呈しているウ
ェハを有する従来のサイリスタの場合にはその真価が認
められている。その理由は、表面が平坦である故に、ウ
ェハ内において十分に均等な圧力分散が保証されるから
である。
しかし、段状のゲート陰極構造（例えば、米国特許第
4,127,863号を参照）の場合は、事情が別である。この
段状のゲート陰極構造の場合、加圧接触の為には陰極側
上部に複数の突出した陰極突出部のみが設けられてお
り、この陰極突出部は、全体と比較して小さな面積で比
較的高い圧力を受容し且つ出来る限り均等にウェハの内
部へ圧力を分散しなければならない。DS−OS2719219
（第6F図及びそれに関連した記載）においては、原則と
して直接的な加圧接触をこの種のGTOサイリスタにも使
用することが提案されている。この提案は、原理的な範
囲内にとどまっており、GTOサイリスタを使用するに際
しての困難な諸条件の下に直接的な加圧接触を実現させ
る特別な記載はこの提案中には全く見当らない。
段状のゲート陰極構造を有するGTOを使用する際の条
件は、実際に面倒であると言うことがDE−OS3134074
（第20頁、２−21行）から判る。そこでは単純にはんだ
付けされる加圧接触部が用いられているにもかかわらず
陰極突出部の圧力を軽減する為にゲート領域は陰極突出
部の高さにされている。
上述のGTOサイリスタにおける直接的な加圧接触部に
関する技術面での障害があるために、今まで市場で入手
できた高出力GTOは、はんだ付けされる加圧接触部を有
するものだけであった（例えば、電子装置に関するIEEE
会報、総ED−28巻、第３巻、1981年３月号、270−274頁
を参照）。
〔発明が解決しようとする問題点〕
本発明の目的は、直接的に加圧接触されており且つ十
分な負荷に対する耐交番性を備える加圧接続型GTOサイ
リスタを提供することにある。
〔問題点を解決する為の手段〕
この課題は、上述の加圧接触型GTOサイリスタにおい
て、 ａ） 不純物が添加された複数の層が陰極側と陽極側と
の間に配置された半導体ウェハ（２）を有し、 ｂ） 前記半導体ウェハ（２）は、少なくとも陰極側で
段状の構造を有し、各々が0.1mm以上の巾と1mm以上の長
さを有する100又はそれ以上の陰極突出部（７）を有す
るゲート陰極構造を有し、前記陰極突出部（７）はより
低く位置しているゲート領域で囲まれており、前記陰極
突出部（７）の間の溝の深さが５と50μｍとの間であ
り、 ｃ） 前記半導体ウェハ（２）の前記陰極突出部（７）
は金属陰極層（６）で覆われており、陽極側は金属陽極
層（４）で覆われており、 ｄ） 前記半導体ウェハ（２）は、モリブデン又はタン
グステンの円板状の加圧接触部（１、３）に、間にはん
だ層の介在無しに、両側から直接加圧接続されており、 ｅ） 前記加圧接触部（１、３）と前記半導体ウェハ
（２）の互いに対向する接触面の平面偏差は±５μｍよ
りも小さく、 ｆ） 前記加圧接触部（１、３）は、それらの中心軸線
のずれが500μｍより小さな値になる様に整列されてお
り、 ｇ） 少なくとも前記陽極側加圧接触部（３）の前記半
導体ウェハ（２）に面した側の角は、面取りされている
か又は丸みがつけられており、 ｈ） 前記陰極側の加圧接触部（１）は、前記陰極突出
部（７）を越えて突出する大きさの直径を有しているこ
とにより解決された。
これらの措置が共に作用することにより、素子に生ず
る負荷の交番が、それによって生じる機械的応力を通じ
て素子の機能性に影響を及ぼすことを効果的に阻止して
いる。
本発明に基づいたサイリスタの加圧接触部は、モリブ
デン又はタングステンから成っていることが好ましい。
平坦性の偏差が±１μｍより小さく且つ中心軸線のず
れが100μｍより小さい場合、非常に良好な結果が得ら
れる。
加圧接触部の直径が大きくなるにつれて圧力配分もよ
り良好となるので、20mmよりも大きな直径の加圧接触部
を選択することが望ましい。
これらのすべての措置は、専門知識の範囲内において
予測されたものではなく、この措置により偶然、本来の
仮定に反し実用性のあるGTOサイリスタが実現できたの
であることをつけ加えておく。
〔実施例〕
次に図面に基づき本発明の実施例を詳細に説明する。
上述したように、直接的な加圧接触部の使用は、実際
には、大きな陰極面を有するパワー半導体、特にダイオ
ード及びトランジスタに対して、タングステン又はモリ
ブデンから成り、陰極面と同じ大きさの適合する金属製
加圧接触円板が用いられる場合に従来限定されている。
この場合最も重要なことは陰極の接続面が単純である
ということである。極端な場合には、数個の溝が設けら
れているだけであり（例えばいわゆる『フィンガゲー
ト』のわきに）、これら溝は陰極面のわずかな部分しか
占めていない。それ故に、面の主要部分により均等な圧
力関係が保証されているので、いずれにせよ縁領域にお
いては、部分的にわずかに圧力が高くなるだけであろう
ことが考えられる。
GTOサイリスタの場合、ウェハは、陰極側にのみ複数
の縦長で島状の陰極突出部を有しており、該陰極突出部
は、多くの場合ローゼット構造（例えばDE−OS3134074
の第３図を参照）内に配置されている。陰極側の接触面
は、これとは反対に細分されていない。
この種のサイリスタが図示されている。配置における
中心素子は、不純物が添加された複数の層を有するウェ
ハ２であり、該層の列の境は、点線で示されている。
ウェハの陰極側（図面の上側）には、段状のゲート陰
極構造が設けられており、ゲート陰極構造内では、複数
の突出した陰極突出部７がより低く位置しているゲート
領域によって囲まれている。
陰極突出部７は、例えばアルミニウムから成る金属性
陰極層６によって覆われている。陰極突出部の間に位置
するゲート領域も金属性のゲート電極５を有しており、
該ゲート電極は、陰極層６よりも低く位置している。
ウェハ２の陽極側（図面の下側）は、ほゞ全面に渡っ
て同じくアルミニウムから成る陽極層４で覆われてい
る。ウェハ２の縁は、通常の如く面取りされており且つ
縁の不動態化部分９を有している。図示の実施例におい
ては加圧接触されていないが、ゲート電極５は保護の為
に、例えばポリイミド絶縁層８によって覆われている。
直接的な加圧接触部は、モリブデン円板又はタングス
テン円板から成るものであれば好都合であるが、金属円
板状の陰極側加圧接触部１と陽極側加圧接触部３とを有
している。両方の加圧接触部１及び３は、構造素子内に
おける電気的及び熱的接触を保証するために十分な圧力
Ｐでウェハ２を押している。
ローゼット構造内に見られる陰極突出部７により、陰
極接触面積AKに対する陽極接触面積AAの典型的な関係２
＜AA/AK＜５が生ずる。
許容できる熱伝導を確実に保証する為には、陽極面に
見られる圧力が、この種の構造において一般的な値であ
る例えば10〜15MPaである必要がある。陰極側へかゝる
圧力については、AA/AKの関係に基づきより高い値が生
ずる。
面の不利な状態が原因で高くなる圧力の他に、部分的
に圧力が高くなることも考慮する必要がある、つまり （ａ） 加圧接合部の縁の近くにおける著しい圧力の増
加（いわゆるスタンプ効果） （ｂ） ウェハの中心部領域における圧力の増加 これらの機械的な応力は、先に与えられている幾何学
に対し値が数値で計算できる（例えば、エー・シー・ツ
インキーヴィッチ（A.C.Zinkiewicz）、ワイ・ケイ・キ
ョン（Y.K.Cheung）著の構造・連続体力学における有限
要素法（The finite element method in structural an
d continuum mechanics）、マグローヒル、1970年を参
照）。
実際には、圧力増加（ａ）は、例えば、陰極又は陽極
層６又は４の縁において弾性限界に至らしめる。この種
のわずかなひずみが生じることによって、自動的に圧力
超過が調整される。従って一般には、この場合圧力工学
上、金属化された領域面が著しく膨張しない限り危険で
はない。
（ｂ）タイプの圧力増加は、切り欠き効果を引き起こ
す。典型的な実施例を理論的に計算すると、ウェハ２に
おける部分的な応力は、２倍以上に増加する。この付加
的応力は、非常に危険である。理由は、この応力の他
に、種々の金属の熱膨張により誘発される引張り応力又
はせん断応力が加わるからである。機械的に圧縮された
薄片の厚さの減小の方が圧縮されていない領域の横方向
の伸張よりも十分大きい場合（GTOの場合には、陰極突
出部７間のすき間の横方向の伸張）には、応力は、ウェ
ファ内で陰極表面の間隔が増加することで完全に均一化
される。この効果は、セント・ヴェナント（Saint−Ven
ant）の原理として知られている（例えばアイ・ツァボ
（I.Szabo）著の『工業機械工学入門（Finfuhrung in d
ie Technische Mechanik）』第７版、スプリンガー出版
社、1966年、130頁を参照）。この効果は、はんだ付け
される加圧接触部にとって有効である。ウェハ及びはん
だ付けされた基板は、単一体のウェハとして比較的厚さ
が厚くなるからである。
圧縮されたウェハがはんだ付けされない直接的な加圧
接触部の場合には、上述の条件は満たされない。機械的
応力は、ウェハ全体において不均一であり、部分的に応
力の方向が反転する（いわゆるFilon効果、つまり、圧
縮されたウェハの平坦な裏側面の部分的な突出）。この
理由により、前記島状構造の場合、直接的な加圧接合
は、ウェハを破壊に導びくと言うことを前提とせざるを
えない。
直接的な加圧接触部を有するGTOサイリスタについて
著しい圧縮荷重と温度荷重下で一連の実験が行われた
が、偶然にも、特定の措置が施されている場合には、構
造化されている陰極表面を有するGTOにおいて直接的な
加圧接触を実際に使用することが可能であることが判明
した。
この場合に先づ重要なことは、平坦性である。つま
り、相互に接触状態にあるウェハと加圧接触部との表面
が平坦であることである。これらの表面の非平坦性、つ
まり平面偏差は、１μｍより小さければ好都合であるが
５μｍより大きくてはならない。
更に、少なくとも加圧接触部３の縁は、角ばっていて
はならない。加圧接触部の終端がウェハの表面内に位置
している場合、前述のひずみの原因となるからである。
これはいずれにせよ陽極側に関することであるので
（図面を参照）、少くとも陽極側の加圧接触部３のウェ
ハ２に面した側の角は、面取りされるか、又は丸味がつ
けられていなければならない。
更に、対向して位置している加圧接触部１及び３の外
側の境界は、小さな許容誤差内に納められていなければ
ならない。ここでは、加圧接触部１及び３の中心軸線間
のずれは、500μｍより小さければ十分である。このず
れは両加圧接触部が同じ大きさの直径を有する場合、半
径差（Δｒ）（図示されている）と同じ大きさになる。
誤差が100μｍよりも小さければ好都合である。
陰極側の加圧接触部１の直径は、その縁が陰極突出部
７から横方向に突出している様に選択されている。
細部について説明すると、この配列においては、下記
の寸法であることが好ましい。
加圧接触部の直径 ＞20mm 陰極突出部の巾 ＞0.1mm 陰極突出部の長さ ＞1mm 陰極突出部間の溝の深さ ＞５−50μｍ 陰極突出部の数 100 上述の実験には、直径48.6mm、厚さ350μｍのウェハ
が使用された。モリブデンから成る加圧接触部の直径は
44.5mm、厚さは2mmであった。陰極側加圧接触部は、中
央に直径8mmの孔を有していた（図面を参照）。
ウエハは、加圧接触部と共の各々３インチのサイリス
タケーシング中へ組込まれ、５つの素子毎にパイルが張
られ、20乃至40KNの力が加えられた。
この力は、陽極側の圧力13乃至27MPaに相当する一
方、陰極側の圧力では（面積が小さいことに応じて）そ
れの４倍に相当する。
テスト素子は、最高180℃まで加熱され、冷風で室温
にまで冷却された。
温度の交換回数は、≧20回であった。
第２の実験シリーズにおいては、GTO構造素子の電流
負荷を用いて負荷の交番が行われたが、125度までの温
度上昇が生じた（負荷の交番は12000回；陽極側の圧力
は約14MPa）。
両方の場合においては、ウェハの電気的固有値は、実
験で用いられた負荷により測定許容誤差の範囲でのみ変
化した。
アルミニウムの熱によるひずみの限界は、陰極側では
越えたものの、圧力に起因する比較的わずかな変化がア
ルミニウムから成る陽極層及び陰極層に認められた。
【図面の簡単な説明】
図面は、本発明に基づいた直接的な加圧接触部を有する
GTOサイリスタ構造の横断面図を示している。 参照番号 １……陰極側加圧接触部、２……ウェハ ３……陽極側加圧接触部、４……陽極層 ５……ゲート電極、６……陰極層 ７……陰極突出部、８……絶縁層 ９……縁の不動態化部、Ｐ……加圧力 Δｒ……半径の差
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヴォルフガンク ツィンマーマン スイス国 5313 クリンニャウ ロット ロッテンヴェーク 24 (56)参考文献 特開 昭57−39575（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−80979（ＪＰ，Ａ)

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ａ） 不純物が添加された複数の層が陰極
    側と陽極側との間に配置された半導体ウェハ（２）を有
    し、 ｂ） 前記半導体ウェハ（２）は、少なくとも陰極側で
    段状の構造を有し、各々が0.1mm以上の巾と1mm以上の長
    さを有する100又はそれ以上の陰極突出部（７）を有す
    るゲート陰極構造を有し、前記陰極突出部（７）はより
    低く位置しているゲート領域で囲まれており、前記陰極
    突出部（７）の間の溝の深さが５と50μｍとの間であ
    り、 ｃ） 前記半導体ウェハ（２）の前記陰極突出部（７）
    は金属陰極層（６）で覆われており、陽極側は金属陽極
    層（４）で覆われており、 ｄ） 前記半導体ウェハ（２）は、モリブデン又はタン
    グステンの円板状の加圧接触部（１、３）に、間にはん
    だ層の介在無しに、両側から直接加圧接続されており、 ｅ） 前記加圧接触部（１、３）と前記半導体ウェハ
    （２）の互いに対向する接触面の平面偏差は±５μｍよ
    りも小さく、 ｆ） 前記加圧接触部（１、３）は、それらの中心軸線
    のずれが500μｍより小さな値になる様に整列されてお
    り、 ｇ） 少なくとも前記陽極側加圧接触部（３）の前記半
    導体ウェハ（２）に面した側の角は、面取りされている
    か又は丸みがつけられており、 ｈ） 前記陰極側の加圧接触部（１）は、前記陰極突出
    部（７）を越えて突出する大きさの直径を有しているこ
    とを特徴とする加圧接触型GTOサイリスタ。
  2. 【請求項２】前記陽極側が平坦であることを特徴とする
    特許請求の範囲第（１）項に記載の加圧接続型GTOサイ
    リスタ。
  3. 【請求項３】前記加圧接触部（１、３）及びウェハ
    （２）の平面偏差は、±１μｍよりも小さいことを特徴
    とする特許請求の範囲第（２）項に記載の加圧接続型GT
    Oサイリスタ。
  4. 【請求項４】前記加圧接続部（１、３）のそれぞれの中
    心軸線間のずれは、100μｍよりも小さいことを特徴と
    する特許請求の範囲第（３）項に記載の加圧接続型GTO
    サイリスタ。
  5. 【請求項５】前記加圧接触部（１、３）の直径は、20mm
    よりも大きいことを特徴とする特許請求の範囲第（１）
    項に記載の加圧接続型GTOサイリスタ。
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