JP4588308B2

JP4588308B2 - 圧接型半導体装置

Info

Publication number: JP4588308B2
Application number: JP2003363099A
Authority: JP
Inventors: 信久中島
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-10-23
Filing date: 2003-10-23
Publication date: 2010-12-01
Anticipated expiration: 2023-10-23
Also published as: JP2005129693A

Description

本発明は、圧接型半導体装置に関し、特に、サイリスタ及びＧＴＯ（Gate Turn Off）サイリスタ（以下ＧＴＯと称す）のような、高電圧かつ大容量のスイッチ素子として工業用（電力用）に用いられる圧接型半導体装置に関する。

従来のセンターゲート型ＧＴＯ等の圧接型半導体装置においては、気密状態に保たれたゲートパイプの中にゲートリード線を配置させている。このような圧接型半導体装置等の例は、例えば特許文献１〜３に示されている。

特開平１１−２３３７５４号公報特開昭６１−３２５７５号公報特開昭５８−５８７３８号公報

従来のセンターゲート型ＧＴＯ等の圧接型半導体装置において、ゲートリード線とゲートパイプとを溶接させる場合には、ゲートパイプを鉛直に立て、アーク溶接機のトーチ部分からのアークにより、ゲートリード線の溶接しろを溶解させる。このとき、ゲートパイプが鉛直であることにより、溶解した溶接しろが、かしめ部の側面を流れ落ち、流出ゲートリード線となり側面に固着されてしまう場合がある。このとき、端面が完全には密閉されないことがある。これにより、外部雰囲気中の気体がゲートパイプ内部に進入するので、半導体基体等のＧＴＯの内装部品が劣化（酸化等）してしまい、ＧＴＯの故障を引き起こす場合があるという問題点があった。また、審美性を損ねるという問題点もあった。

さらに、ゲートパイプ側面に端子を押し当てて接続する場合には、かしめ部の側面に固着された流出ゲートリード線が邪魔をすることにより、端子とかしめ部との間にギャップが発生し、規定の寸法で接続できないという問題点があった。

本発明は上記の問題点を解決するためになされたものであり、ゲートパイプを鉛直に立ててゲートリード線の溶接しろの溶解を行うときに、溶解した溶接しろがかしめ部の側面を流れ落ちない圧接型半導体装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明に係る圧接型半導体装置は、内部ゲート電極が主面上に形成された半導体基体と、前記内部ゲート電極と圧接により電気的接続された外部ゲート電極と、前記外部ゲート電極と外部とを接続させるゲートリード線と、前記ゲートリード線を挿通させ外部に導くゲートパイプとを備え、前記ゲートパイプはその外端部分に、前記ゲートリード線とかしめ固着したかしめ部を有し、前記かしめ部は、その最外端の端面形状がすり鉢状に窪んでおり、前記ゲートパイプの前記外端部分の端面から突出した前記リード線が溶接しろとして溶解されて溶接されることにより前記ゲートパイプ内部が気密状態に保たれている。

また、請求項２に記載の発明に係る圧接型半導体装置は、内部ゲート電極が主面上に形成された半導体基体と、前記内部ゲート電極と圧接により電気的接続された外部ゲート電極と、前記外部ゲート電極と外部とを接続させるゲートリード線と、前記ゲートリード線を挿通させ外部に導くゲートパイプとを備え、前記ゲートパイプはその外端部分に、前記ゲートリード線とかしめ固着したかしめ部を有し、前記かしめ部は、その長さ方向に最外端に向かって広がる先太のテーパー形状の第１部分を有し、前記ゲートパイプの前記外端部分の端面から突出した前記リード線が溶接しろとして溶解されて溶接されることにより前記ゲートパイプ内部が気密状態に保たれている。

請求項１に記載の発明に係る圧接型半導体装置は、内部ゲート電極が主面上に形成された半導体基体と、前記内部ゲート電極と圧接により電気的接続された外部ゲート電極と、前記外部ゲート電極と外部とを接続させるゲートリード線と、前記ゲートリード線を挿通させ外部に導くゲートパイプとを備え、前記ゲートパイプはその外端部分に、前記ゲートリード線とかしめ固着したかしめ部を有し、前記かしめ部は、その最外端の端面形状がすり鉢状に窪んでいるので、ゲートパイプを鉛直に立ててゲートリード線の溶接しろの溶解を行うときに、溶解した溶接しろは、かしめ部の側面を流れ落ちない。従って、外部雰囲気中の気体がゲートパイプ内部に進入することによる圧接型半導体装置の故障を防止することができる。また、審美性を損ねることを防止することができる。さらに、端子をゲートパイプに規定の寸法で接続することができる。

また、請求項２に記載の発明に係る圧接型半導体装置は、内部ゲート電極が主面上に形成された半導体基体と、前記内部ゲート電極と圧接により電気的接続された外部ゲート電極と、前記外部ゲート電極と外部とを接続させるゲートリード線と、前記ゲートリード線を挿通させ外部に導くゲートパイプとを備え、前記ゲートパイプはその外端部分に、前記ゲートリード線とかしめ固着したかしめ部を有し、前記かしめ部は、その長さ方向に最外端に向かって広がる先太のテーパー形状の第１部分を有するので、ゲートパイプの最外端を加工する必要がない。従って、請求項１の効果に加えて、製造コストを低減することができるという効果を有する。

＜実施の形態１＞
まず、図１，２を用いて、実施の形態１に係る圧接型半導体装置の構造について説明する。本実施の形態に係る圧接型半導体装置は、図２に示すように、ゲートパイプの先端付近のかしめ部が、すり鉢状に窪んでいる端面を有することにより、溶解した溶接しろを端面の内側に溜めることを特徴とする。

図１の断面図において、半導体基体１の主面上中央付近には内部ゲート電極１６が設けられ、この内部ゲート電極１６上には、外部ゲート電極８が配置されている。外部ゲート電極８上には、絶縁性を有するマイカワッシャ７を介して、バネ６が接続されている。また、外部ゲート電極８は、指示管９により位置決めされる。

外部ゲート電極８には、ゲートリード線８ａが接続される。ゲートリード線８ａは、絶縁性を有するゲートスリーブ１０及びゲートパイプ８ｂの中を通り外部と接続され、内部ゲート電極１６と外部とを接続させる。ゲートパイプ８ｂは、その先端付近において、ゲートリード線８ａの先端付近とかしめ圧着により固定された後に溶接される。これにより、ゲートパイプ８ｂ内部のゲートリード線８ａは気密状態に保たれる。ゲートパイプ８ｂの内部には、不活性ガスが封入されている。

半導体基体１の主面上のうち外部ゲート電極８が形成されていない領域には、内部カソード電極１７及び、モリブデン等からなるカソード歪緩衝板２を介して、外部カソード電極４が接続されている。また、半導体基体１の裏面には、モリブデン等からなるアノード歪緩衝板３を介して、外部アノード電極５が接続されている。アノード歪緩衝板３と外部アノード電極５とは、ピン１４により位置決めされている。

半導体基体１の端面には、耐圧特性を保持するための絶縁保護材１５が設けられ、絶縁保護材１５の外側には、セラミック等からなる絶縁筒１１が形成されている。絶縁筒１１は、第１のフランジ１２を介して外部カソード電極４に固着され、第２のフランジ１３を介して外部アノード電極５に固着される。

このＧＴＯにおいては、外部カソード電極４と外部アノード電極５とを圧接すると、カソード歪緩衝板２と内部カソード電極１７とが接触し導通する。また同時に、バネ６が有する弾性により、外部ゲート電極８と内部ゲート電極１６とが接触し導通する（図１においては、各電極が接触している状態が示されている）。そして、外部ゲート電極８と外部カソード電極４との間に流れるゲート電流を制御することにより、外部カソード電極４と外部アノード電極５との間に流れる主電流を制御する。

図２は、図１におけるゲートパイプ８ｂの先端付近（点線で囲まれた領域）を拡大した断面図である。

図２において、ゲートパイプ８ｂの先端付近は、かしめ用の刃で加圧されることにより変形され、かしめ部８３ｂが形成されている。即ち、ゲートパイプ８ｂは、その先端付近のかしめ部８３ｂにおいて、ゲートリード線８ａに固着（かしめ圧着）されている。かしめ部８３ｂの長さは一般的には５ｍｍ程度である。かしめ部８３ｂは、根元から最外端まで太さが均一な柱状で、最外端の端面８３３ｂの形状は前記柱の中心線に対して約４５°程度の角度をなす平坦面となっている。即ち、ゲートパイプ８ｂの最外端の端面８３３ｂは、すり鉢状に窪ませるように加工される。端面８３３ｂからは、溶接しろとしてゲートリード線８ａを約２〜３ｍｍ程度だけ突出させて、この溶接しろを溶接する。これにより、ゲートパイプ８ｂ内部を気密状態に保つことができる。

次に、図３〜６を用いて、本実施の形態の背景として、従来のセンターゲート型ＧＴＯの構造について説明する。

図３において、ゲートパイプ８ｂの先端付近は、かしめ用の刃で加圧されることにより変形され、かしめ部８３ｂが形成されている。即ち、ゲートパイプ８ｂは、その先端付近のかしめ部８３ｂにおいて、ゲートリード線８ａに固着（かしめ圧着）されている。かしめ部８３ｂの長さは一般的には５ｍｍ程度である。かしめ部８３ｂは、根元から最外端まで太さが均一な柱状で、最外端の端面８３２ｂの形状は前記柱の中心線にほぼ直交する平坦面となっている。端面８３２ｂからは、溶接しろとしてゲートリード線８ａを約２〜３ｍｍ程度だけ突出させて、この溶接しろを溶接する。これにより、ゲートパイプ８ｂ内部を気密状態に保つことができる。

図４は、従来のセンターゲート型ＧＴＯにおいて、ゲートリード線８ａの溶接しろを溶接させ端面８３２ｂに固定させる様子を示す断面図である。

図４に示すように、ゲートパイプ８ｂを鉛直に立て、アーク溶接機２０のトーチ部分２１からのアークにより、ゲートリード線８ａの溶接しろを溶解させる。このとき、ゲートパイプ８ｂが鉛直であることにより、溶解した溶接しろが、かしめ部８３ｂの側面を流れ落ち、流出ゲートリード線８２ａとなりかしめ部８３ｂの側面に固着されてしまう場合がある。

図５は、従来のセンターゲート型ＧＴＯにおいて、流出ゲートリード線８２ａがかしめ部８３ｂの側面に固着される様子を示す斜視図である。図５（ａ）における溶接しろ８１ａは、アーク溶解されることにより、図５（ｂ）に示すような流出ゲートリード線８２ａとなりかしめ部８３ｂの側面に固着される。このとき、図５（ｂ）に示すように、端面８３２ｂが完全には密閉されないことがある。これにより、外部雰囲気中の気体がゲートパイプ８ｂ内部に進入するので、半導体基体１等のＧＴＯの内装部品が劣化（酸化等）してしまい、ＧＴＯの故障を引き起こす場合があるという問題点があった。また、審美性を損ねるという問題点もあった。

さらに、図６（ａ）の斜視図に示すような側部が折り曲げられた端子２２の内側主面を、図６（ｂ）の断面図に示すようにゲートパイプ８ｂのかしめられていない側面に押し当てて接続する場合には、かしめ部８３ｂに固着された流出ゲートリード線８２ａにより、端子２２とかしめ部８３ｂとの間にギャップ２３が発生し、規定の寸法で接続できないという問題点があった。

図７は、本実施の形態に係る圧接型半導体装置において、ゲートリード線８ａの溶接しろ８１ａを溶接させ端面８３３ｂに固定させる様子を示す断面図である。

図７に示すように、ゲートパイプ８ｂを鉛直に立て、アーク溶接機２０のトーチ部分２１からのアークにより、ゲートリード線８ａの溶接しろ８１ａを溶解させる。このとき、溶解した溶接しろ８１ａは、すり鉢状の端面８３３ｂの内側に溜められるので、かしめ部８３ｂの側面に流れ落ちることはない。従って、ゲートパイプ８ｂを完全に密閉できるので、外部雰囲気中の気体がゲートパイプ８ｂ内部に進入することによるＧＴＯの故障を防止することができる。また、審美性を損ねることを防止することができる。さらに、端子２２をゲートパイプ８ｂに規定の寸法で接続することができる。

このように本実施の形態に係るＧＴＯにおいては、ゲートパイプ８ｂを鉛直に立ててゲートリード線８ａの溶接しろ８１ａの溶解を行うときに、溶解した溶接しろ８１ａは、かしめ部８３ｂの側面を流れ落ちない。従って、外部雰囲気中の気体がゲートパイプ８ｂ内部に進入することによるＧＴＯの故障を防止することができる。また、審美性を損ねることを防止することができる。さらに、端子２２をゲートパイプ８ｂに規定の寸法で接続することができる。

なお、かしめ部８３ｂにおいて、前記柱の中心線に対して端面８３３ｂがなす角度は、４５°に限らず、端面８３３ｂが、すり鉢状に窪んでいればよい。

＜実施の形態２＞
実施の形態１に係るＧＴＯが備えるかしめ部８３ｂにおいては、端面８３３ｂが、すり鉢状に窪んでいる。しかし、端面８３３ｂをすり鉢状に窪ませるようにゲートパイプ８ｂの最外端を加工する代わりに、図８に示すように、かしめ部８３ｂを、その長さ方向に最外端に向かって広がる先太のテーパー形状の第１部分８３４ｂを有するように加工してもよい。このとき、溶解した溶接しろは、第１部分８３４ｂの内側に溜められるので、かしめ部８３ｂの側面に流れ落ちることはない。従って、実施の形態１と同様に、ゲートパイプ８ｂを完全に密閉できるので、外部雰囲気中の気体がゲートパイプ８ｂ内部に進入することによるＧＴＯの故障を防止することができる。また、審美性を損ねることを防止することができる。さらに、端子２２をゲートパイプ８ｂに規定の寸法で接続することができる。

また、実施の形態１においては、端面８３３ｂがすり鉢状に窪むようにゲートパイプ８ｂの最外端を加工する必要があるが、本実施の形態においては、従来のかしめ用の刃の形状を変更するだけで対応できる。従って、上記の加工が不要となるので、その分だけ製造コストを低減することができる。

このように、本実施の形態に係るＧＴＯにおいては、ゲートパイプ８ｂの最外端を加工する必要がない。従って、実施の形態１の効果に加えて、製造コストを低減することができるという効果を有する。

＜実施の形態３＞
実施の形態２に係るＧＴＯが備えるかしめ部８３ｂは、その長さ方向に最外端に向かって広がる先太のテーパー形状の第１部分８３４ｂを有する。しかし、ゲートパイプ８ｂをゲートリード線８ａにかしめ圧着させる場合には、かしめ部８３ｂは、長さ方向に太さが均一な柱状に加工される方が、より広い範囲で接着されるので、かしめ圧着率を高めることができる。

図９は、実施の形態３に係るＧＴＯの構造を示す断面図である。図９において、かしめ部８３ｂは、先端付近に位置する第１部分８３４ｂと、長さ方向に太さが均一な柱状の第２部分８３６ｂとを有する。これにより、溶解した溶接しろ８１ａが、かしめ部８３ｂの側面に流れ落ちることを防止しつつ、かしめ圧着率を高めることができる。従って、ゲート電流をより多く流すことができる。

このように、本実施の形態に係るＧＴＯが備えるかしめ部８３ｂは、溶解した溶接しろ８１ａが、かしめ部８３ｂの側面に流れ落ちることを防止しつつ、かしめ圧着率を高くしているので、実施の形態２の効果に加えて、ゲート電流をより多く流すことができるという効果を有する。

＜実施の形態４＞
実施の形態３に係るＧＴＯが備えるかしめ部８３ｂにおいては、端面８３２ｂの形状は前記柱の中心線にほぼ直交する平坦面となっている。しかし、図１０に示すように、端面８３２ｂに代えて、前記柱の中心線に対して約４５°程度の角度をなす端面８３７ｂを用いてもよい。

即ち、端面８３７ｂはすり鉢状に窪んでおり、実施の形態４に係るＧＴＯは、実施の形態１〜３の構造を全て有している。従って、溶解した溶接しろ８１ａがかしめ部８３ｂの側面に流れ落ちることを防止する効果を最大にしつつ、かしめ圧着率を高くすることができる。

このように、本実施の形態に係るＧＴＯは、外部雰囲気中の気体がゲートパイプ８ｂ内部に進入することによる、ＧＴＯの故障や審美性の低下を防止する効果を最大にしつつ、製造コストを低減し、且つゲート電流をより多く流すことができる。

実施の形態１に係るセンターゲート型ＧＴＯの構造を示す断面図である。実施の形態１に係るゲートパイプの構造を示す断面図である。実施の形態１の背景となるゲートパイプの構造を示す断面図である。実施の形態１の背景となるゲートパイプの構造を示す断面図である。実施の形態１の背景となるゲートパイプの構造を示す斜視図である。実施の形態１の背景となるゲートパイプの構造を示す図である。実施の形態１に係るゲートパイプの構造を示す断面図である。実施の形態２に係るゲートパイプの構造を示す断面図である。実施の形態３に係るゲートパイプの構造を示す断面図である。実施の形態４に係るゲートパイプの構造を示す断面図である。

符号の説明

１半導体基体、２カソード歪緩衝板、３アノード歪緩衝板、４外部カソード電極、５外部アノード電極、６バネ、７マイカワッシャ、８外部ゲート電極、８ａゲートリード線、８ｂゲートパイプ、９指示管、１０ゲートスリーブ、１１絶縁筒、１２第１のフランジ、１３第２のフランジ、１４ピン、１５絶縁保護材、１６内部ゲート電極、１７内部カソード電極、２０アーク溶接機、２１トーチ部分、２２端子、２３ギャップ、８１ａ溶接しろ、８２ａ流出ゲートリード線、８３ｂかしめ部、８３２ｂ，８３３ｂ，８３７ｂ端面、８３４ｂ第１部分、８３６第２部分。

Claims

内部ゲート電極が主面上に形成された半導体基体と、
前記内部ゲート電極と圧接により電気的接続された外部ゲート電極と、
前記外部ゲート電極と外部とを接続させるゲートリード線と、
前記ゲートリード線を挿通させ外部に導くゲートパイプとを備え、
前記ゲートパイプはその外端部分に、前記ゲートリード線とかしめ固着したかしめ部を有し、
前記かしめ部は、その最外端の端面形状がすり鉢状に窪んでおり、
前記ゲートパイプの前記外端部分の端面から突出した前記リード線が溶接しろとして溶解されて溶接されることにより前記ゲートパイプ内部が気密状態に保たれている
圧接型半導体装置。
内部ゲート電極が主面上に形成された半導体基体と、
前記内部ゲート電極と圧接により電気的接続された外部ゲート電極と、
前記外部ゲート電極と外部とを接続させるゲートリード線と、
前記ゲートリード線を挿通させ外部に導くゲートパイプとを備え、
前記ゲートパイプはその外端部分に、前記ゲートリード線とかしめ固着したかしめ部を有し、
前記かしめ部は、その長さ方向に最外端に向かって広がる先太のテーパー形状の第１部分を有し、
前記ゲートパイプの前記外端部分の端面から突出した前記リード線が溶接しろとして溶解されて溶接されることにより前記ゲートパイプ内部が気密状態に保たれている
圧接型半導体装置。
請求項２に記載の圧接型半導体装置であって、
前記かしめ部は、その長さ方向に太さが均一な柱状の第２部分をさらに有する
圧接型半導体装置。
請求項３に記載の圧接型半導体装置であって、
前記かしめ部は、その最外端の端面形状がすり鉢状に窪んでいる
圧接型半導体装置。