JP5665452B2

JP5665452B2 - 圧接型ｇｔｏサイリスタ

Info

Publication number: JP5665452B2
Application number: JP2010211885A
Authority: JP
Inventors: 信久中島; 信一渡部
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-09-22
Filing date: 2010-09-22
Publication date: 2015-02-04
Anticipated expiration: 2030-09-22
Also published as: JP2012069639A

Description

本発明は、圧接型ＧＴＯ（ＧａｔｅＴｕｒｎＯｆｆ）サイリスタの構造に関するものであり、特に、電力用、工業用の製鉄圧延機駆動用インバータ、その他高電圧・大容量スイッチ等に適用されるセンターゲートタイプの圧接型ＧＴＯサイリスタに関する。

従来のセンターゲートタイプの圧接型ＧＴＯサイリスタとしては、例えば特許文献１に示すようなものがある。特許文献１においては、熱膨張係数の違いによる異種材料間の接触部あるいは接合部に発生する熱応力を緩和し、かつ低加圧でも均一に加圧できる圧接型ＧＴＯサイリスタが開示されている。

特開平８−１２４９４８号公報

従来のセンターゲートタイプの圧接型ＧＴＯサイリスタにおいて、半導体基体上に平面視環状に配置されてカソード電極を形成するエレメントパターンの環状の中心位置（第１平面中心）と、環状の中央近傍において半導体基体に圧接されるゲート電極の平面視における中心位置（第２平面中心）とは、同じ位置に配置されている。

センターゲートタイプの圧接型ＧＴＯサイリスタでターンオフ動作を行う際には、カソード電極及びゲート電極より遮断電流が流れるが、この時電流はゲート電極のゲートリード引き出し側に偏って流れ始めるため、それに伴って半導体基体上に形成されたエレメントパターンの、ゲートリード引き出し側と、それと相反する側との間で動作の時間差が生じ（具体的には、相反する側の動作が遅れる）、ターンオフ動作に失敗し素子の破壊が起こる場合があるという問題があった。

本発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、均一なターンオフ動作をさせ、ターンオフ動作の失敗による素子の破壊を抑制可能な圧接型ＧＴＯサイリスタを提供することを目的とする。

本発明にかかる圧接型ＧＴＯサイリスタは、半導体基体と前記半導体基体上に平面視環状に配置されてカソード電極を形成するエレメントパターンと、前記環状の中央近傍において、前記半導体基体上に圧接されたゲート電極と、前記ゲート電極の側面に接続されたゲートリードとを備え、前記環状の中心位置である第１平面中心が、前記ゲート電極の前記平面視における中心位置である第２平面中心に対し、前記ゲート電極の前記側面側の方向にずれて位置する。

本発明にかかる圧接型ＧＴＯサイリスタによれば、半導体基体と前記半導体基体上に平面視環状に配置されてカソード電極を形成するエレメントパターンと、前記環状の中央近傍において、前記半導体基体上に圧接されたゲート電極と、前記ゲート電極の側面に接続されたゲートリードとを備え、前記環状の中心位置である第１平面中心が、前記ゲート電極の前記平面視における中心位置である第２平面中心に対し、前記ゲート電極の前記側面側の方向にずれて位置することにより、均一なターンオフ動作をさせ、素子の破壊を抑制することが可能となる。

実施の形態１にかかる圧接型ＧＴＯサイリスタの断面図である。実施の形態１にかかる圧接型ＧＴＯサイリスタのエレメントパターンの上面図である。実施の形態１にかかる圧接型ＧＴＯサイリスタの圧接部拡大断面図である。実施の形態２にかかる圧接型ＧＴＯサイリスタの断面図である。実施の形態２にかかる圧接型ＧＴＯサイリスタのエレメントパターンの上面図である。実施の形態２にかかる圧接型ＧＴＯサイリスタの圧接部拡大断面図である。前提技術としての圧接型ＧＴＯサイリスタの断面図である。

本発明の前提技術としての圧接型ＧＴＯサイリスタは、図７に示すように、半導体基体１２と、半導体基体１２上に平面視環状に配置されてカソード電極１８を形成するエレメントパターンと、環状の中央近傍において、半導体基体１２上に圧接されたゲート電極３８と、ゲート電極３８の側面に接続されたゲートリード４４と、ゲート電極３８を支持するゲート支持体４０と、カソード電極１８上に形成されたカソード金属板３０と、半導体基体１２下に形成されたアノード電極１４と、アノード電極１４下に形成されたアノード金属板２０と、半導体基体１２の外縁を覆って形成されたエンキャップ材としての絶縁ゴム１００とを備える。

図７に示すＹは、エレメントパターンの環状の中心位置（第１平面中心）であり、かつ、ゲート電極３８の平面視における中心位置（第２平面中心）である。図の矢印に示すように、ターンオフ動作の際には、ゲート電極３８中のゲートリード４４側に偏った領域を電流が流れる。よって、Ｙから同心円状に形成されたエレメントパターンでは、ゲートリード４４とは相反する側に位置するパターンの遮断電流の引きが悪くなり（図７のＸ参照）、動作の時間差が生じてしまう。よって、ターンオフ動作に失敗し、ゲートリードと反対側の素子の破壊が起こる。以下に示す実施の形態は、上記の問題を解決するものである。

＜Ａ．実施の形態１＞
＜Ａ−１．構成＞
図１は本発明にかかる圧接型ＧＴＯサイリスタの構造を示した図である。図１に示すように圧接型ＧＴＯサイリスタは、半導体基体１２と、半導体基体１２上に平面視環状に配置されてカソード電極１８を形成するエレメントパターンと、環状の中央近傍において、半導体基体１２上に圧接されたゲート電極３８と、ゲート電極３８の側面に接続されたゲートリード４４と、ゲート電極３８を支持するゲート支持体４０と、カソード電極１８上に形成されたカソード金属板３０と、半導体基体１２下に形成されたアノード電極１４と、アノード電極１４下に形成されたアノード金属板２０と、半導体基体１２の外縁を覆って形成されたエンキャップ材としての絶縁ゴム１００とを備える。アノード金属板２０、カソード電極１８は、モリブデン等の半導体基体１２と線膨張係数が近い材料で形成されている。アノード金属板２０には、支持ピン２１で位置決めされた主電極２２が固着されている。アノード電極１４、ゲート電極３８、カソード電極１８は、例えばアルミニウムで形成することができる。エンキャップ材としては、形状、材質等は図に示すものに限られず、特に備えない場合があってもよい。

さらに、カソード金属板３０上に形成された主電極３２と、ゲート電極３８を圧接する皿バネ４２と、ゲートリード４４を包む絶縁筒４６と、フランジ５２を介して全体を支持するセラミックパッケージ５０とを備える。

図１に示すように、第１平面中心Ａと、第２平面中心Ｂとは、ずれた位置になっており、第１平面中心Ａが第２平面中心Ｂよりもゲートリード４４側へずれた（偏心した）構造となっている。ゲート電極３８と半導体基体１２との接触面のうち、最もゲートリード４４寄りの点が、第１平面中心と同じ位置となる。

図２は、圧接型ＧＴＯサイリスタのエレメントパターンの上面図である。カソード電極１８が環状のエレメントパターンを形成しており、その中心位置である第１平面中心Ａは、半導体基体１２の外縁を覆うエンキャップ材としての絶縁ゴム１００の平面視における中心位置とは、ずれた位置となっている。なお絶縁ゴム１００の平面視における中心位置は、ゲート電極３８の第２平面中心Ｂと同じ位置である。

ここで、半導体基体１２の平面視における中心位置とその上に形成されるエレメントパターンの環状の中心位置である第１平面中心Ａとは一致している。よって、半導体基体１２は、絶縁ゴム１００に対してゲートリード４４側にずれて位置しており、絶縁ゴム１００に覆われる割合が対称ではない構造となっている。エレメントパターンを形成した半導体基体１２を偏らせた状態で絶縁ゴム１００を形成することで、このような構造が容易に製作可能である。

エレメントパターンを形成した半導体基体１２を陰極、陽極、ゲート電極３８を内装したパッケージ（図１参照）に装着する際、ゲートリード４４側に第１平面中心Ａが位置されるようにする。パッケージに装着した際は、絶縁ゴム１００内径部にて位置決めされる。

＜Ａ−２．動作＞
図３は、圧接型ＧＴＯサイリスタの圧接部拡大断面図である。図３に矢印で示すように、ターンオフ動作を行った場合には、ゲート電極３８のゲートリード４４側に偏った位置に遮断電流が集中し、流れ始める。よって、ゲート電極３８の第２平面中心Ｂからゲートリード４４側にずらした位置がエレメントパターンの第１平面中心Ａとなるように構成する。このように構成することにより、ターンオフ動作により電流が流れる際にエレメントパターンの環状中心近傍から遮断電流が流れ出すことになり、エレメントパターンに均一に電流が流れ、電流の偏りによる動作の遅れが生じることを抑制することができる。よって、ターンオフ動作の失敗を抑制し、素子の破壊が起こることを抑制できる。

＜Ａ−３．効果＞
本発明にかかる実施の形態１によれば、圧接型ＧＴＯサイリスタにおいて、半導体基体１２と半導体基体１２上に平面視環状に配置されてカソード電極１８を形成するエレメントパターンと、環状の中央近傍において、半導体基体１２上に圧接されたゲート電極３８と、ゲート電極３８の所定方向の側面に接続されたゲートリード４４とを備え、環状の中心位置である第１平面中心Ａが、ゲート電極３８の平面視における中心位置である第２平面中心Ｂに対し、所定方向にずれて位置することで、第２平面中心Ｂよりもゲートリード４４側にずれた第１平面中心Ａを中心としたエレメントパターンを形成でき、第１平面中心Ａ近傍から遮断電流が流れ出すことができるので、均一なターンオフ動作をさせ、素子の破壊を抑制することが可能となる。

また、本発明にかかる実施の形態１によれば、圧接型ＧＴＯサイリスタにおいて、ゲート電極３８と半導体基体１２との接触面のうち最も前述の所定方向寄りの点が、第１平面中心と同じ位置であることで、より均一なターンオフ動作をさせることができる。

また、本発明にかかる実施の形態１によれば、圧接型ＧＴＯサイリスタにおいて、第１平面中心Ａは、半導体基体１２の平面視における中心位置と同じ位置であることで、半導体基体１２の平面視における中心位置から同心円状にエレメントパターンを形成したものを利用して、容易に第１平面中心Ａと第２平面中心Ｂとをずらした構造を実現することができる。

また、本発明にかかる実施の形態１によれば、圧接型ＧＴＯサイリスタにおいて、半導体基体１２の外縁を覆って形成されたエンキャップ材としての絶縁ゴム１００をさらに備え、絶縁ゴム１００の平面視における中心位置は、第２平面中心Ｂと同じ位置であることで、半導体基体１２等を装着するパッケージに対する絶縁ゴム１００の位置関係は変更せずに、第１平面中心Ａと第２平面中心Ｂとをずらした構造を実現することができる。

＜Ｂ．実施の形態２＞
＜Ｂ−１．構成＞
図４は本発明にかかる圧接型ＧＴＯサイリスタの構造を示した図である。図１の構造と同様の構成要素であるが、半導体基体１２のゲート電極３８に対する位置関係が異なっている。他の構造については実施の形態１と同様であるので、詳細な説明は省略する。

図１の構造とは半導体基体１２の位置関係は異なるが、第１平面中心Ａと、第２平面中心Ｂとは、ずれた位置になっており、第１平面中心Ａが第２平面中心Ｂよりもゲートリード４４側へずれた（偏心した）構造となっている。

図５は、圧接型ＧＴＯサイリスタのエレメントパターンの上面図である。カソード電極１８が環状のエレメントパターンを形成しており、その中心位置である第１平面中心Ａは、半導体基体１２の外縁を覆うエンキャップ材としての絶縁ゴム１００の平面視における中心位置とは、ずれた位置となっている。なお絶縁ゴム１００の平面視における中心位置は、ゲート電極３８の第２平面中心Ｂと同じ位置である。

ここで、半導体基体１２の平面視における中心位置と絶縁ゴム１００の平面視における中心位置とは一致している。半導体基体１２の平面視における中心位置は、その上に形成されたエレメントパターンの第１平面中心Ａに対してゲートリード４４と相反する側にずれて位置しており、外縁において絶縁ゴム１００に覆われる割合は対称な構造となっている。この構造では、エレメントパターンがずれる方向に半導体基体１２が突出してしまうことがなく、突出部分の冷却効果が損なわれることがない。よって、半導体基体１２のパッケージに対する位置関係は対称のまま保たれ均一な冷却が可能となり、熱暴走等の抑制に効果がある。

＜Ｂ−２．動作＞
図６は、圧接型ＧＴＯサイリスタの圧接部拡大断面図である。図６に矢印で示すように、ターンオフ動作を行った場合には、ゲート電極３８のゲートリード４４側に偏った位置に遮断電流が集中し、流れ始める。よって、ゲート電極３８の第２平面中心Ｂからゲートリード４４側にずらした位置がエレメントパターンの第１平面中心Ａとなるように構成する。このように構成することにより、ターンオフ動作により電流が流れる際にエレメントパターンの環状中心近傍から遮断電流が流れ出すことになり、エレメントパターンに均一に電流が流れ、電流の偏りによる動作の遅れが生じることを抑制することができる。よって、ターンオフ動作の失敗を抑制し、素子の破壊が起こることを抑制できる。

＜Ｂ−３．効果＞
本発明にかかる実施の形態２によれば、圧接型ＧＴＯサイリスタにおいて、第２平面中心Ｂは、半導体基体１２の平面視における中心位置と同じ位置であることで、半導体基体１２のパッケージに対する位置関係は対称のまま保たれ均一な冷却が可能となり、熱暴走等の抑制に効果がある。

また、本発明にかかる実施の形態２によれば、圧接型ＧＴＯサイリスタにおいて、半導体基体１２の外縁を覆って形成されたエンキャップ材としての絶縁ゴム１００をさらに備え、絶縁ゴム１００の平面視における中心位置は、第２平面中心Ｂと同じ位置であることで、半導体基体１２上に形成されたエレメントパターンのみがゲートリード４４側にずれた構造となり、半導体基体１２の外縁において、絶縁ゴム１００に覆われる割合は対称な構造とすることができる。よって均一な冷却が可能となり、熱暴走等の抑制に効果がある。

１２半導体基体、１４アノード電極、１８カソード電極、２０アノード金属板、２１支持ピン、２２，３２主電極、３０カソード金属板、３８ゲート電極、４０ゲート支持体、４２皿バネ、４４ゲートリード、４６絶縁筒、５０セラミックパッケージ、５２フランジ、１００絶縁ゴム。

Claims

半導体基体と、
前記半導体基体上に平面視環状に配置されてカソード電極を形成するエレメントパターンと、
前記環状の中央近傍において、前記半導体基体上に圧接されたゲート電極と、
前記ゲート電極の側面に接続されたゲートリードとを備え、
前記環状の中心位置である第１平面中心が、前記ゲート電極の前記平面視における中心位置である第２平面中心に対し、前記ゲート電極の前記側面側の方向にずれて位置することを特徴とする、
圧接型ＧＴＯサイリスタ。
前記ゲート電極と前記半導体基体との接触面のうち最も前記所定方向寄りの点が、前記第１平面中心と同じ位置であることを特徴とする、
請求項１に記載の圧接型ＧＴＯサイリスタ。
前記第１平面中心は、前記半導体基体の前記平面視における中心位置と同じ位置であることを特徴とする、
請求項１に記載の圧接型ＧＴＯサイリスタ。
前記第２平面中心は、前記半導体基体の前記平面視における中心位置と同じ位置であることを特徴とする、
請求項１に記載の圧接型ＧＴＯサイリスタ。
前記半導体基体の外縁を覆って形成されたエンキャップ材をさらに備え、
前記エンキャップ材の前記平面視における中心位置は、前記第２平面中心と同じ位置であることを特徴とする、
請求項１〜４のいずれかに記載の圧接型ＧＴＯサイリスタ。