JP2835121B2 - 圧力接触半導体素子 - Google Patents

圧力接触半導体素子

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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、パワーエレクトロニクスの分野に関し、特
に圧力接触パワー半導体素子に関する。
この素子は、 ａ）アノード側とカソード側とのある基板と、 ｂ）該基板内の、該アノード側と該カソード側との間
の、異ってドーピングされた一連の層と、 ｃ）該基板のアノード側上のアノード電極と、 ｄ）該基板のカソード側上のカソード電極と、 ｅ）該基板のカソード側を押圧するカソード側圧縮板
と、 ｆ）該基板のアノード側を押圧するアノード側圧縮板と
から成る。
この様な素子は、例えばEP−A1−0 254 910から、GTO
サイリスタの形で知られている。
（従来技術とその問題点） Siと、対応する電極の金属との膨脹率が異なるので、
大面積パワー半導体素子（直径＞20mm）は最早この電極
に直接はんだ付けすることは出来ない。
それゆえ、斯かる素子の接点付けは、従来、２種類の
方法、即ち、 −合金接触、及び −直接圧力接触（浮動シリコン） でなされていた。
合金接触法では（これについては例えばEP−A2−0 14
6 928を参照せよ）、素子は一方の側で、好ましくは未
構造化アノードのある側でMo板に合金化されるので、良
好な熱的・電気的接触が得られる。
しかし、処理温度が高い（＞600℃）ので、接続は素
子の製造前になされなければならない。また、固有の機
械的応力に起因してSi−Mo系に相当の反りが生じるの
で、特に合金接点付の、微細構造を持った素子（GTOサ
イリスタ及びFCTh）の製造は困難である。
直接圧力接触（冒頭に引用した文献を見よ）の場合に
は、初めに素子を製造し、次にそれを２枚の圧縮板（普
通はMo板）の間で押圧することによって、前記の困難を
避けることが出来る。これには、平坦性、Mo板の表面の
質、及びクランピングに大きな要件が課される。よっ
て、どんな予防措置を施しても、特にストレスが連続的
にかかり（交番荷重）、素子にクランピングが繰り返し
加えられるときには、素子の破壊につながりかねない接
触問題が生じる可能性がある。
（発明の概要） 従って、本発明の目的は、特に可変荷重下で信頼性の
高い新規な圧力接触パワー半導体素子を提供することで
ある。この目的は、前述の種類の素子の場合、 ｇ）圧縮板の少なくとも一つと関連する電極との間に金
属箔を配置し、 ｈ）該金属箔を、その全面にわたって、随伴する電極に
はんだ付けすることにより達成される。
本発明の要旨は、圧縮板の少なくとも一つと基板との
間の薄い、はんだ付けされた金属箔により均一な圧力分
布を達成すると同時に熱的及び電気的接触を改善するこ
とにある。
第１の模範的実施例は、該金属箔が、その全面に分布
した多数の穴を持った細かいスクリーンから成ることを
特徴とする。
該金属箔のスクリーン構造により、はんだ付け中に空
洞が防止され、基板と箔との間の熱応力が減少する。別
の模範的実施例は、 ａ）該金属箔は、大部分は、Cu、Mo及び三価金属系列か
ら選ばれた金属から成り、 ｂ）該金属箔の厚みが1/10mmの数倍であることを特徴と
する。
はんだ付けされた金属箔は、高度に構造化されたカソ
ード側（カソードフィンガー）を持った素子の場合に、
即ち、GTOサイリスタ又は電界制御サイリスタ（FCTh）
の場合に特に有益である。
他の模範的実施例は、従属請求項に記載されている。
次に、図面を参照して本発明を詳しく説明する。
（実施例） 以下、一般性をそこなわずに、本発明の圧力接点シス
テムについて、大面積パワーFCThを例として説明する。
他の大面積半導体素子、例えばGTOsその他の普通のサイ
リスタ、トランジスタ又はダイオードにも本発明を適用
できることは自明である。
第１図に、現在の技術水準のFCThの構造の部分斜視図
が示されている。
FCThは、軽くｎ型にドーピングされたSiの基板１を有
し、そのアノード側（下側）にはp+にドーピングされた
アノード層８があり、これに金属アノード接点９が付さ
れている。また、アノード層８の上に他のｎ型にドーピ
ングされたバッファー層７を設けることも出来る。
基板１の（上側）カソード側には、多数の細長いカソ
ードフィンガー15が設けられていて、これは、より深部
に位置するゲートレベルGEから突出している。カソード
フィンガー15内で、n-型ドーピングされた基板材料は、
隣接するｐ型にドーピングされたゲート領域６と共に電
界効果制御される縦方向チャネルを形成しているが、そ
の動作は文献から充分に周知されているので、ここには
記述しない。 カソードフィンガー15は、カソードメタ
ライゼーション３を介してカソード電極２に接続されて
いる。ゲート領域６は、ゲートレベルGE内のゲートメタ
ライゼーション５を介してゲート電極10と連絡してい
る。
カソード電極２及びゲート電極10は、ゲートメタライ
ゼーション５と同様に、パッシベーション層11によって
互いに電気的に分離されている。絶縁耐力を高めるため
に、トレンチの形のエッジ終端12が素子の縁端に設けら
れている。
FCTh素子は、第１図に示されている様に、各々50個の
カソードフィンガーの例えば２本の並行な列から成り、
割合に低パワーのサイリスタ素子を形成することが出来
る。
この様なサイリスタ素子を割合に大きな基板上に多数
平行に並列させて集積することにより、大面積大パワー
FCThを作ることが出来る。
本発明を説明するために、斯かるFCThの横構造を第２
図に示す。この例において基板１は、23×23mm2の表面
積上に各々５個の素子から成る４列の20個のサイリスタ
素子13を有し、これらはそれぞれ２×50個のカソードフ
ィンガー15を有し、約3mmのエッジ長さを有する。
各サイリスタ素子13は第１図の内部構造を持ってい
て、それ自身のカソード電極２を備えている。サイリス
タ素子13の２列の間に細長いゲート電極14が配置され、
該電極は隣接するサイリスタ素子のゲートメタライゼー
ションと接触している。
第２図のFCThの取付けと接触とは、本発明の好適な実
施例について第５図に示されている方法によりなされ
る。
共通のアノード電極をアノード側に、各サイリスタ素
子の個々のカソード電極２をカソード側に有する大面積
基板１は、２枚の圧縮板19、20の間にクランプされ、図
示の矢印の方向の圧力を受ける。
第５図に示されている実施例の場合、アノード側圧縮
板20はアノード電極９の全面を直接押圧して基板１との
電気的及び熱的接続を生じさせる。
一方、カソード側圧縮板19はカソード電極２を直接に
は押圧せずに、金属箔17を押圧する。この金属箔は、圧
縮板19とカソード電極２との間に配置され、その全面に
わたってカソード電極にはんだ付けされている。
サイリスタ素子の列の間に、より深くに位置するゲー
ト電極14も、接続の目的で金属箔21にはんだ付けされて
おり、その厚みは、それとカソード側圧縮板19との間に
充分な間隔が生じるように選択されている。
第５図の構成は、全体として、はんだ−圧力・複合電
極を表す。
はんだ付けされた金属箔17により、カソード側のサイ
リスタ素子は先ず全て確実に且つクランピング圧力とは
独立に相互に接続される。それ自体としては知られてい
る直接圧力接触で接点システムにされるのは、基板１と
はんだ付けされた金属箔17とから成るサンドイッチだけ
である。
従って、通常の直接圧力接触（はんだ付け金属箔無
し）で生じるような接触不良は実際上解消され、接触圧
が相当低くても素子は満足な性質を示す。著しく小さな
クランプ力で信頼性を著しく高めることが出来る。
金属箔17のカソード電極２への大面積はんだ付けに関
して幾つかの点に注意するべきである。
薄い金属箔が膨脹継手を持ち、且つ、はんだ付け時の
ガス捕獲を防止するために穴を備えているならば、斯か
る大面積素子をこの様な薄い金属箔と確実にはんだ付け
することが出来る。
一方、普通のはんだ層は圧力接触パワー半導体に生じ
る作動条件、即ち、高圧（8N/mm2に及ぶ）及び高温（12
5℃以上に及ぶ）、の下で既に本質的に安定である。そ
の上、はんだ継手の大きさを慎重に減少させることによ
り、加圧下でのはんだの流れを一層減少させることが出
来る。
はんだ付け時の空洞を防止し且つSi基板と金属箔との
間の熱応力を減少させるために、表面に幅Ｂで長さＬの
多数のスクリーン穴18が分布している細かなスクリーン
（第３図及び第４図）として金属箔を（例えば適当なエ
ッチングにより）形成するのが好ましい。同時に、スク
リーン構造によれ、はんだ付けを簡単に目視検査するこ
とが出来る。
この様な構造を持った金属箔をはんだ付け処理中にSi
基板に押しつけると、はんだはスクリーン穴18に流入し
なければならない。はんだの質、スクリーン状金属箔の
網目幅及び厚みｄを適宜選択することにより、その後の
はんだの漏れを防止することが出来るので、箔とSi基板
との間に最小限のはんだ継手が得られると共に、スクリ
ーン穴18の縁端にはんだ接合が得られ、外面の最適の平
面平行性が得られる。その時、圧力接触の圧力は最早は
んだに作用せず、箔からSi基板へ殆ど直接に伝えられ
る。
スクリーン状金属箔が使用されるときは、はんだペー
ストを使っても、該ペーストからの放出ガスが空洞を生
じさせることはないので、はんだペーストを使うことが
出来る。シルクスクリーン印刷によりはんだペーストを
Si基板に付ければ、特に別々の接合部が一方の面（例え
ばゲート、カソード）にある時には、はんだ箔及び接点
材料の複雑な位置決めは不要である。
第３図において、本発明の好適な模範的実施例につい
てスクリーン状金属箔17を第２図の基板のカソード側に
付ける方法が示されている。金属箔17は、枠16を備えて
いて例えば穴開けされている箔形状の一部である。金属
箔17は接続突起22を介して枠16に接続され、これにより
はんだ付けのために正しく位置決めされる。
はんだ付けにより、各列中の５個のサイリスタ素子13
はそれぞれ金属箔17によりカソード側で互いに接続され
る。接続突起22は、はんだ付け後に除去することが出来
る。
第３図において、Ａは第４図に拡大図示されている部
分を指し、特に金属箔17のスクリーン穴18を示す。第４
図の模範的実施例において、スクリーン穴18は長さＬ
（例えば、Ｌ＝0.6mm）で幅Ｂ（例えば、Ｂ＝0.2mm）の
矩形のスロットとして実現されている。
第２図ないし第４図を比較すれば明らかであるよう
に、矩形のスクリーン穴18はカソードフィンガー15に対
して直角に配置されている。従って、幅Ｂはカソードフ
ィンガー15の長さより小さくなる様に好適に選択されて
いる。よって、FCTh（又はGTO）の高度の構造を持った
カソード側に最適の圧力分布及び電気的接触とが得られ
る。
金属箔17は好ましくは、主として、Cu、Mo及び三価金
属系列から選択された金属から成る。その時、その厚み
ｄは1/10mmの数倍、より正確には約0.2mmである。特に
良好であると分かった金属箔17は主としてCuから成り、
Cr、Ni及びAuの一連の層と共にはんだ側にコーティング
される。
はんだについては、Pb−Inはんだが好適であることが
分かった。このはんだは、Pb成分のおかげで交番荷重下
で良好な性能を示し、In成分のおかげで容易にはんだ付
けすることが出来る。
両面に金属箔を使用することにより、はんだ付け時に
生じる反りを最小限にすることが出来る。必要ならば機
械的に再加工（研削、研磨）することも出来るサンドイ
ッチが形成される。研磨された圧縮板19、20を使うとき
には、基板１と圧縮板との間の熱伝送を改善されること
を期待することが出来る。
更に、二つの滑り要素、即ち、はんだ付け箔及び圧縮
板のために減摩特性を向上させる材料及び／又は表面処
理を選べば、交番荷重下で生じる剪断力を大幅に防止す
ることが出来る。斯くして信頼性が大幅に向上する。
結局、本発明により大面積パワー半導体素子の接触性
が向上し、これにより交番荷重下での素子の挙動が向上
する。
明らかに、以上の記述から本発明の色々な一部修正
形、別形が可能となる。従って、請求項記載の範囲内
で、ここに記載した以外の態様で本発明を実施すること
が出来る。
【図面の簡単な説明】
第１図は、現状の技術によるFCThの構造の部分斜視図で
ある。 第２図は、第１図のサイリスタ素子複数個から成るパワ
ーFCThの好適な横構造を示す。 第３図は、本発明の好適な模範的実施例による、第２図
のFCThのカソード接触に使用される金属箔を示す。 第４図は、第３図の金属箔のスクリーン構造の一部を示
す。 第５図は、第２図の素子と第３図のカソード側金属箔と
を持った仕上げられた圧力接触構造の断面を示す。 １……基板、２……カソード電極、３……カソードメタ
ライゼーション、４……オキサイド層、５……ゲートメ
タライゼーション、６……ゲート領域、７……バッファ
ー層、８……アノード層、９……アノード電極、10……
ゲート電極、11……パッシベーション層、12……エッヂ
終端、13……サイリスタ素子、14……ゲート電極、15…
…カソードフィンガー、16……枠、17……金属箔、18…
…スクリーン穴、19……圧縮板（カソード側）、20……
圧縮板（アノード側）、21……金属箔（ゲート電極）、
22……接続突起。

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ａ）アノード側とカソード側とのある基板
    （１）と、 ｂ）該基板（１）内の、該アノード側と該カソード側間
    にある一連の異なる導電型の層と ｃ）該基板（１）のアノード側上のアノード電極（９）
    と、 ｄ）該基板（１）のカソード側上のカソード電極（２）
    と、 ｅ）該基板（１）のカソード側を押圧するカソード側圧
    縮板（19）と、 ｆ）該基板（１）のアノード側を押圧するアノード側圧
    縮板（20）と、 ｇ）圧縮板（19、20）の少なくとも一つと関連する電極
    （２、９）との間にその全面にわたって該関連する電極
    （２、９）にはんだ付けされた金属箔（17）を有する半
    導体素子において、 ｈ）該金属箔（17）は、細かいスクリーン状に構成さ
    れ、且つ ｉ）その表面にわたって分布する多数のスクリーン穴
    （18）を有することを特徴とする半導体素子。
  2. 【請求項２】ａ）該金属箔（17）は、主としてCu及びMo
    系列から選択された金属からなり、 ｂ）該金属箔（17）の厚み（ｄ）は、1/10mmの数倍であ
    ることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
  3. 【請求項３】該金属箔（17）の厚み（ｄ）は、約0.2mm
    であることを特徴とする請求項２に記載の半導体素子。
  4. 【請求項４】ａ）該金属箔（17）は、主としてCuから成
    り、 ｂ）Cr、Ni及びAuの一連の層ではんだ側にコーティング
    されることを特徴とする請求項２に記載の半導体素子。
  5. 【請求項５】ａ）該基板（１）における一連の異なる導
    電型の層が、電界制御サイリスタ（FCTh）を形成し、 ｂ）該カソード側のFCThは、カソード側に、深くに位置
    するゲートレベル（GE）から突出する多数の細長いカソ
    ードフィンガー（15）を有し、 ｃ）少なくとも該カソード側圧縮板（19）とカソード電
    極（２）との間に金属箔（17）が配置されていることを
    特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
  6. 【請求項６】ａ）該金属箔（17）は、該カソードフィン
    ガー（15）に直角に伸びる矩形のスクリーン穴（18）を
    有し、 ｂ）該スクリーン穴（18）の幅（Ｂ）は、該カソードフ
    ィンガー（15）の長さより小さいことを特徴とする請求
    項５に記載の半導体素子。
  7. 【請求項７】ａ）該基板（１）における一連の異なる導
    電型の層がGTOサイリスタを形成し、 ｂ）該GTOサイリスタは、カソード側に、より深くに位
    置するゲートレベル（GE）から突出する多数の細長いカ
    ソードフィンガー（15）を有し、 ｃ）少なくとも該カソード側圧縮板（19）とカソード電
    極（２）との間に金属箔（17）が配置されていることを
    特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
  8. 【請求項８】ａ）該金属箔（17）は、該カソードフィン
    ガー（15）に対して直角に伸びる矩形のスクリーン穴
    （18）を有し、 ｂ）該スクリーン穴（18）の幅（Ｂ）は、該カソードフ
    ィンガー（15）の長さより小さいことを特徴とする請求
    項７に記載の半導体素子。
  9. 【請求項９】はんだとしてPb−Inはんだが用いられてい
    ることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
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