JP2667027B2 - 圧接型半導体装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、圧接型半導体装置特に圧接型大電力用半導
体装置のゲート（Gate）を均一に加圧するのに好適する
ものである。

（従来の技術） 従来の圧接型半導体装置特に圧接型大電力用半導体装
置例えばGTO（Gate Turn Off Thyrister）などでは、ゲ
ート部分に均一な圧力を印加するために幾多の改良が加
えられており、その構造を第１図により説明する。

この素子は、セラミック（Ceramic）などから成り外
囲器として機能する筒状絶縁物１内にシリコン半導体基
板２から構成するGTOを組込む。この素子中、センター
ゲート（Center Gate）方式に限らずシリコン半導体基
板２は、導電型の違う少なくとも４半導体層を交互に重
ねて構成し、その頂面は、突出した複数の第１導電型
（Ｎ型）の半導体層即ちカソード領域とし、これに連続
して形成する第２導電型（Ｐ型）の半導体層の一部を露
出してゲート領域とする。これに対してサイドゲート方
式にあっては、ゲード領域とカソード領域の位置関係は
同然違ってくる。

ところで、半導体基板２の表面及び他の表面には、Al
などからなる第１と第２主電極（図示せず）を設け、こ
れに対向して第１及び第２電極部材（図では省略）を配
置し、更に、第１と第２の電極ポスト５、６を形成す
る。ところで、第１導電型（Ｎ型）のカソード領域の中
央付近に位置するゲート領域を圧接する金属製圧接ゲー
ト電極７を設置するために、シリコン半導体基板２の表
面付近に配置する第１電極ポスト５に段差８を形成す
る。この段差８内に設置する金属製圧接ゲート電極７と
第１電極ポスト５間には、例えばテフロンなどの絶縁物
層９及び例えば皿バネなどから成る弾性部材10を設けて
ゲート領域を均一に圧接する。なお、絶縁物層９は、半
導体基板２の表面に沿った方向ばかりでなくこれに直交
する方向にも配置して電気適絶縁を確保する。これらの
第１電極ポスト５、第１電極部材及び第１主電極間は、
ロー材で固着するか固着しないアロイ（Alloy）型かア
ロイレス（Alloyless）型のいずれかにする。金属製圧
接ゲート電極電極７は、ここを起点にした端部11を形成
し、筒状絶縁部１を横切って外部に導出する。更に、第
２図に明らかなように端部11には、幅が3mm程度の板状
リード12が途中まで、その先に1mmφの線状リード13が
ロー付けにより一体として金属製圧接ゲート電極７を構
成する。第３図はリードに単線14を使用した例である。
なお、第１電極部材は、熱膨張係数がSiに近い高融点金
属例えばＷやMoからなる温度補償板（熱緩衝板図示せ
ず）と、Al、Ag、Cuなどの軟質金属薄板で構成し、後者
を第１主電極に接触配置する。軟質金属薄板としては、
箔状の上記金属複数枚で構成することもある。しかし、
第２電極部材は、上記の高融点金属からなる温度補償板
により構成し、第２電極ポスト及び第２主電極間は、ア
ロイ型かアロイレス型のいずれかの構造とする。

（発明が解決しようとする課題） 最近のＧ・Ｔ・Ｏのオフ（off）動作用のゲート電極
は、2000Aクラスで60A程度になっておりまた、高周波領
域での使用も増えている。従って、金属製圧接ゲート電
極端部10の太さも大きくなる傾向にあるために、剛性も
大きくなって半導体基板２表面と板状及び線状リード1
1、12の平行度を一定値に維持するのが難しい。

この結果、弾性体９からの押圧力が金属製圧接ゲート
電極６に均一に掛からずひいてはシリコン半導体基板２
も均等に押圧されないことになり、大電流が部分的に流
れる現象が起り、シリコン半導体基板２が溶融・破壊が
発生する。

本発明は、このような事情により成されたもので、特
に、金属製圧接ゲート電極が弾性部材の圧力により半導
体基板を均等に押圧する構造を提供することを目的とす
るものである。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 導電型の異なる少なくとも４半導体層を交互に重ねて
形成する半導体基板と、半導体基板の表面に突出して形
成する第１導電型の複数の半導体層と、この半導体層に
接触・連続しかつ表面が露出する第１導電型の半導体層
と、半導体基板の底部である他表面に露出する第２導電
型の半導体層と、半導体基板の表面及び他表面に形成す
る第１と第２主電極と、第１と第２主電極に対向・連続
して形成する第１及び第２電極部材と、第１及び第２電
極部材に隣接して設ける第１と第２の電極ポストと、第
１電極部材に形成する段差部に設置しかつ突出する第１
導電型の複数の半導体層に隣接する第２導電型の半導体
層に電気的に接続する金属製圧接ゲート電極と、第１と
第２の電極ポストの表面の一部を露出した状態で半導体
基板を収容する筒状絶縁物と、金属製圧接ゲート電極を
起点にして筒状絶縁物を横切って外部に導出する金属製
圧接ゲート電極端部と、金属製圧接ゲート電極と延長部
間に形成する金属製緩衝部材に本発明に係わる圧接型半
導体装置の特徴がある。

（作 用） 金属製圧接ゲート電極と金属製圧接ゲート電極端部間
に金属製緩衝部材を配置することより弾性部材の押圧力
をゲート電極に均等に伝えることができるので、圧接型
半導体装置の信頼性及び歩留りを向上することができ
る。

（実施例） 本発明に係わる実施例としてアノード短絡型アロイレ
スGTOの断面図を示す第４図を参照して説明する。ただ
し、本発明は、この機種に限らず他のGTOであるアロイ
型更に、ダーリントントランジスタ（Darlington Trans
ister）にも適用可能であり、いわゆるセンターゲート
（Center Gate）方式の機種について説明する。即ち、
外囲器として動作し、アロイレスGTOとして機能する素
子を造り込んだシリコン半導体基板20を組込んだ例えば
セラミック製の筒状絶縁物21は、直線部22とひだ状部23
で構成されている。夫々の長さは、Ｇ・Ｔ・Ｏの定格に
より決められており、図に明らかなようにひだ状部23の
長さの方が直線部22のそれより大きいのが一般的であ
り、ひだ状部23は、外囲器に求められる絶縁耐力により
長さが決められるので、機種によりまちまちである。

筒状絶縁物21内にマウントされるアロイレスGTOの細
部について簡単に説明すると、導電型が異なる最低４個
のシリコン半導体層を交互に重ねてシリコン半導体基板
20を構成し、この表面には、第１導電型即ちＮ型を示し
てカソード領域として機能する複数の半導体層24を突出
して形成する。この複数の半導体層24…には、ゲート領
域として動作する第２導電型即ちＰ型の半導体25が連続
して形成されておりかつ、その一部が突出した第１導電
型の半導体層24…底部に露出している。

一方、このＰ型の半導体層25に連続して第１導電型の
半導体層26と第２導電型の半導体27が連続して形成して
導電型の異なる半導体層を交互に重ねた半導体基板20を
設ける。この底部に露出し素子の陽極として機能するＰ
型の半導体層27には、選択的にＮ型の半導体層26が形成
され両層27、26が露出し更に後述するように共通の導電
性金属層例えばAl−Si層を700℃で溶着して短絡構造の
第２主電極30を形成する。

突出して形成したＮ型半導体層24には、例えばAlなど
の導電性金属層を堆積して第１主電極29を設置するが、
露出する第２導電型の半導体層25にも同じく導電性金属
例えばAlを堆積して電極31を形成する。

この表１及び第２主電極29、30に隣接・対向して第１
及び第２電極部材32、33を半田などの利用なしの状態即
ちアロイレスで設置するが、第１電極部材32は、高融点
金属Ｗ、Moなどの第１の温度補償板34に加えてAl、Ag、
Cuなどからなる軟質金属板35を配置する。この軟質金属
板35としては、箔状のこの金属複数枚で構成することも
ある。これらの部品及び後述する電極ポストの取付け
は、上記のようにアロイレス状態で行うので、反りの問
題が発生するので、圧接型電極を設置するために第１及
び第２電極部材32、33の構造更に電極ポストの構造も相
違する。

このため第２電極部材33は、第２の温度補償板36だけ
で構成しており、両電極部材32、33には、第１及び第２
電極ポスト37、38を接触かつ対向状態で設置する。この
内第１電極ポスト37には、均一な押圧状態を得るために
銅または銅合金から成る金属製圧接ゲート電極39を設置
するために段差部40を形成し、ほぼ半導体基板20の中央
部分に露出したゲート電極31に金属製圧接ゲート電極39
を押圧状態で接触させる。

この状態を作るために、金属製圧接ゲート電極39に対
応する段差部40には、例えばマイカなどの絶縁物層41を
設置して金属製圧接ゲート電極39のほぼ周りを囲んで絶
縁を確保すると共に、両者間に例えばコイルバネなどの
弾性部材42を設置して20〜60kgの均一な押圧力が印加さ
れるようにする。金属製圧接ゲート電極39は、第５図乃
至第８図ａ、ｂにあるように、筒状絶縁物21の直線部22
に形成するFe−Ni−Co製スリーブ44（Sleeve）に金属製
圧接ゲート電極端部45を挿入固定して外部との接続に備
える。この金属製圧接ゲート電極端部45は、素子の機種
により異なる寸法に形成されるので、大小の剛性を持っ
ており、スリーブ44との中間に金属製緩衝部材46を設置
している。その形状は、第５図の撚線、第６図に示した
網目、第７図に明らかにしたクッション（Cushion）の
ようにし、寸法としては、長さが10mm〜15mm、幅3mm程
度とし、撚線や網目用銅または銅合金細線径を0.1mm位
とする。また、網目の大きさは、使用する銅または銅合
金細線径の約1/3か2/3とする。この外には、0.1mm径の
銅または銅合金細線を上記の寸法に束ねたり、銅または
銅合金製の薄板を液状に撓ませて金属製緩衝部材46とし
ても良い。

要するに金属製圧接ゲート電極39と金属製圧接ゲート
電極端部45の保有する大小の剛性を中間に設置する金属
製緩衝部材46により緩和する役割りを果たすもので、材
質は、加工硬化の程度が小さい銀の外に銅及び銅合金が
適用できる。網目の形成には、無酸素銅が、撚線や網目
用素線（φ0.12〜1.08mm）にNiまたは銀メッキしたもの
が都合が良い。と言うのは、銀や銀合金製圧接ゲート電
極端部45は、第８図a,bに示したカシメ部47に金属製緩
衝部材46をロー付けにより一体としているので、銀ロー
付け工程における相互拡散により素線同士が接合するの
を防止できるからである。第７図のクッションを形成す
るのには、素線を潰して平板状とし、その中央部をＵ字
状として形成する。

このように金属製圧接ゲート電極端部45には、銅また
は銅合金を利用するが、直径が1mm程度のものをFe−Ni
−Co製スリーブ44に挿入して筒状絶縁物21外に導出する
のは上述の通りである。また、筒状絶縁物21内にGTOを
マウントするには、第１及び第２電極ポスト37、38端に
取付けたフランジ48、49と筒状絶縁物21の直線部22間を
ロー付けにより一体として、圧接型半導体装置を完成す
る。

〔発明の効果〕

金属製圧接ゲート電極を半導体基板に押付ける力は、
弾性部材により決り、GTOなどの定格にもよるが10〜60k
gが一般的であり、金属製圧接ゲート電極端部即ち外部
導出リードは、ゲート電流に応じて太くなり、φ２〜3m
mの単線も利用されており、このように太い場合には、
均一に押付けることができない。

しかし、本発明では、金属製緩衝部材が金属製圧接ゲ
ート電極端部とスリーブの中間に設置されて自由に曲げ
られる箇所を設置したので、太い外部リードの使用が可
能になった。半導体基板とゲート電極間における圧力が
均一に当たっているかどうかを金属製圧接ゲート電極と
ゲート電極間に感圧紙に挟んで調査したところ、従来構
造では、ゲート電極面積の約半分しか当たらないのに対
して、本発明に係わる圧接型半導体装置では、95％以上
が当たっていることが確認され、また、GTOの通電テス
トでも500時間位で従来構造の素子に発生する微小な溶
融跡が、本発明素子では倍の1000時間経過後でも見られ
なかった。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の圧接型半導体装置の概略を示す断面
図、第２図及び第３図は、その要部の断面図、第４図
は、本発明の一実施例に係わる圧接型半導体装置の要部
断面図、第５図乃至第７図は、第４図に示した装置の主
要部の断面図、第８図ａ、ｂは、この主要部の取付状態
を明らかにする断面図である。 ２、20:半導体基板、１、21:筒状絶縁物、 22:直線部、23:ひだ状部、24:カソード領域、 25:ゲート領域、26:第１導電型の半導体層、 27:第２導電型の半導体層、29:第１の主電極、 30:第２の主電極、31:ゲート電極、 32:第１の電極部材、33:第２の電極部材、 34、36:第１及び第２の温度補償板、 35:軟質金属板、 ５、６、37、38:第１及び第２の電極ポスト、 ７、39:金属製圧接ゲート電極、 ８、40:段差部、９、41:絶縁物層、 10、42:弾性部材、44:スリーブ、 11、45:金属製圧接ゲート電極端部、 46:金属製緩衝部材、47:カシメ部、 48、49:フランジ。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】導電型の異なる少なくとも４半導体層を交
   互に重ねて形成する半導体基板と、半導体基板の表面に
   突出して形成する第１導電型の複数の半導体層と、この
   半導体層に接触・連続しかつ表面の一部が露出する第２
   導電型の半導体層と、半導体基板の底部である他表面に
   露出する第２導電型の半導体層と、半導体基板の表面及
   び他表面に形成する第１と第２主電極と、第１と第２主
   電極に対向・接続して形成する第１及び第２電極部材
   と、第１及び第２電極部材に隣接して設ける第１と第２
   の電極ポストと、第１電極部材に形成する段差部に設置
   かつ突出する第１導電型の複数の半導体層に隣接する第
   ２導電型の半導体層に電気的に接続する金属製圧接ゲー
   ト電極と、第１と第２の電極ポストの表面の一部を露出
   した状態で半導体基板を収容する筒状絶縁物と、金属製
   圧接ゲート電極を起点にして筒状絶縁物を横切って外部
   に導出する金属製圧接ゲート電極端部と、金属製圧接ゲ
   ート電極と延長部間に形成する金属製緩衝部材を具備す
   ることを特徴とする圧接型半導体装置。