JPH0294448A

JPH0294448A - 電力用半導体スイッチ装置

Info

Publication number: JPH0294448A
Application number: JP24381388A
Authority: JP
Inventors: Shigeki Kadoma; 茂樹門間
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-09-30
Filing date: 1988-09-30
Publication date: 1990-04-05

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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、電力用半導体スイッチ装置に関する。

（従来の技術）最近、電力回路のスイッチとして半導体スイッチ装置が
広く使用されている。このような用途のうち、数１０Ｏ
Ａ以上の電力回路に用いらける電力用半導体スイッチ装
置は、通常、第５図に示づように構成されている。ずな
わら、じ−１ヘシンクを兼ねた銅製のアノード電極１と
同じくヒートシンクを兼ねた銅製のカソード電極２との
間にサイリスタヤＧＴＯで代表される半導体スイッチン
グ要素を構成する半導体デツプ３を介在させるとと−す
に半導体チップ３と各電極１．２との間に異種金属層４
を介在させ、ざらにアノード電極１とカソード電極２と
の間からゲート電極線５を取り出したものとなっている
。なお、半導体チップ３が収容されている空間は、実際
には図示しない外囲器によって覆われている。そして、
実装するときには、アノード電極１とカソード電極２と
の間に図中太矢印で示すように大きな圧接力を加え、こ
れによって半導体チップ３と７ノード電極１およびカソ
ード電極２との間の熱抵抗を十分率さな値まで減少させ
るようにしている。なお、異種金属層４は、アノード電
極１およびカソード電極２と半導体チップ３との熱膨張
係数の違いによって半導体チップ３に大きな熱応力が発
生するのを緩和する役目を担っている。

しかしながら、上記のように構成された従来の電力用半
導体スイッチ装置にあっては次のような問題があった。

すなわち、電流容量を増加さけようとすると、それに対
応させて半導体デツプ３の径を大きくする必要がある。

したがって、大ぎな半導体ウェハを必要とする。また、
スイッチング特性を向上させるには、−設面に半導体ウ
ェハに微細加工処理を施す必要がある。このように、大
ぎな半導体ウェハ仝体に−様な精度で微細加工処理を施
すことは極めて難しい。このため、従来の電力用半導体
スイッチ装置では、構造上の制約から大容量でしかもス
イッチング特性の良いものを形成することが困難であっ
た。また、従来の電力用半導体スイッチ装置では、単一
の半導体チップ３（ａ−用い、この半導体デツプ３の電
極面を放熱炉として利用しているので、半導体チップ３
からの放熱を促進ざＶるには大きな圧接力を加える必要
かある。しかし、圧接力と放熱特性との間には必ずしも
比例関係が成立しないので、大きな圧接力を加えたこと
によって、逆に半導体チップ３に発生する熱応力を緩和
させることが困難となり、結局、冷却と言う面からも人
寄は化が困難であった。

（発明が解決しようとする課題）上述の如く、従来の電力用半導体スイッチ装置にあって
は、構造的に大容量化および高性能化が困難であった。

そこで本発明は、大容量化および高性能化を実現できる
構造で、しかも実装も容易な電力用半導体スイッチ装置
を提供することを目的としている。

（発明の構成）（課題を解決するための手段）本発明にあっては、ヒートシンクを兼ねたアノード電極
と同じくヒートシンクを兼ねたカソード電極とで半導体
スイッチング要素を構成するデツプを挟むとともに上記
両電極間からゲートリード線を取出してなる電力用半導
体スイッチ装置において、前記半導体スイッチング要素
は、それぞれ独立した半導体スイッチング素子チップを
定格電流条件を漏す数だけ前記両電極間に並列に配置し
てなる半導体スイッチング素子チップ群で構成されこれ
ら半導体スイッチング素子チップの各々とゲートリード
線との接続を行なうためのゲート分扉部材を設けたこと
を特徴としている。

また、前記ゲート分配部材と前記アノード電極及びカソ
ード電極との間に電気絶縁機能と良熱伝導機能とを備え
た手段が設けられていることを特徴としている。

また、前記半導体スイッチング素子チップは、同一円に
沿って配列されてａ３す、前記ゲート分配部材は円板状
に形成されており、このゲート分配部材の大きさを前記
各半導体スイッチング素子チップ近傍まで延ばしたこと
を特徴としている。

また、前記ゲートリード線は前記円板状に形成されたゲ
ート分配部材のほぼ中央で接続されていることを特徴と
する請求項５記載の電力用半導体スイッチ装置。

（作　用）このようにゲート分配部材を設けたために、各チップと
ゲートリード線との接続が安定して行なえる。つまり、
各チップからの複数のゲート接続線を一つにまとめる必
要がないため配線の複雑ざを解決できる。

また、請求項２のように構成されたものでは、画電極と
ゲート分配部材の電気絶縁が行なえ、しかも良熱伝導で
あるため温度分布の均一化が囲まれ熱応力を緩和できる
。

また、請求項５および６のように構成されたものにおい
ては、各チップとゲート分配部材との接続距離が短かく
でき各チップのスイッチング特性を均一化するのに奇与
し、円板状のゲート分配部材の中央にゲートリード線を
接続したことによりさらにスイッチング特性が安定する
。

（実施例）以下図面を参照しながら実施例をば１明する。第１図に
は一実施例に係る電力用半導体スイッチ装置の平面図が
示されている。第２図は第１図におけるＡ−Ａ断面図で
ある。このスイッチ装置は第２図に示すように大きくわ
けて例えば厚さ１０簡、直径９０ｍの銅板で形成され互
いに対向配置されたアノード電極１１およびカソード電
極１２とこの電極間に挿設された窒化アルミニウム板１
３ａ（以後ＭＮ板と略称する。）と１３ｂ　、　／ｆｆ
１Ｎ板１３ａ、　１３ｂ間に配置された絶縁ゴム板１４
に囲まれた状態でアノード電極１１とカソード電極１２
との間に第１図に示すように挿設された１０個の小型の
半導体スイッチング素子チップ１５（以後単にチップと
略称する。）とアノード電皆１１とカソード電極１２と
で挟まれた部分を封じる絶縁性の外囲器１６、ＭＮ板１
３ｂとアノード電極１１との間には円板形状のゲート分
配置φ１７とＡ１Ｎ板１３Ｃが挿設された構成となって
いる。

ゲート分配極１７の大きさは、可能な限りチップ１５の
位置まで近づけるように大きくされている。

Ａ１Ｎ板１３ｂはＡｆｆＮ板１３ａの内側に円板状をな
している。絶縁ゴム板１４中には第３図で示すＪ：うに
アノード電極１１とカソード電極１２との間にたとえば
一辺が１０＃の立方体状の空間を形成する孔（この孔は
デツプ１５を収納するためのもの）が上記円形電極１１
．１２の中心を中心点として描かれる円に沿って等間隔
に１０組設置プられている。そして、これら孔によって
形成された１０個の立方体状の空間にそれぞれアノード
電極１１との間およびカソード電極１２との間に各々モ
リブデン板１８ａ、１８ｂを介在さぜた状態で前述した
チップ１５が装着されている。

なお、この孔の大きさは２枚のモリブデン板１８ａ。

１８ｂとチップ１５とを合計した厚みより僅かに大ぎい
値に設定されている。

各チップ１５はシリコンウェハを用いて形成されたＭＯ
ＳＦＥＴ、ＩＧＥＴ等の絶縁グー１〜形１〜ランジスク
で構成されている。これらチップ１５のグー１〜電極線
１９は第３図に示すようにアノード電極１１に形成され
た溝２０に沿ってグー１ル分配極１７に接続され、さら
に第１図又は第２図に示すようにゲート分配極１７から
ゲートリード線２１が同じく溝２２内に沿つ′Ｃ外周方
向に延びこのリード線２１は外囲器１６の壁を貫通して
外部に導かれている。

なお、絶縁ゴム１４はチップ１５とＭＮ板１３が直接接
触してチップ１５が損傷するのを防ぐ目的で設（プてお
り、設けなくてもよいものである。

このように構成された電力用半導体スイッチ装置は圧接
力が加えられた状態あるいは各部がハンダ付けされた状
態で実装される。なお、モリブデン板１８ａ、　１８ｂ
は熱膨張係数がチップ１５を構成しているシリコンに近
い。したがってモリブデン板１８ａ、　１８ｂはアノー
ド電極１１およびカソード電極１２とチップ１５との熱
膨張係数の違いによってチップ１５に発生する平面方向
の熱応力を緩和させるのに寄与する。また、Ｉ’ＵＮ板
１３はシリコンの熱膨張係数に近い熱膨張係数を有し、
しかも絶縁性に富み、熱伝導性も勝れている。このため
ＭＮＮ板３は各チップ１５に発生する径方向の熱応力を
緩和させる（径方向の熱応力の緩和は前記の絶縁ゴム１
４が挿入されていない場合に限られる）とともにアノー
ド電極１１とカソード電極１２との間の絶縁を保持した
状態でアノード電（※１１とカソード電極１２との温度
差を小さくするのに奇ちする。また、ゲート分配極１１
とアノード電極１１との間のＭＮＮ板３ｃ又はカソード
電極１２との間のＭ、Ｎ板１３ｂを挿設することにより
アノード電極１１とカソード電極１２との温度差を小さ
くするのに寄与する。

したかつてスイッチ装置全体の温度の均一化に効果があ
る。

前述のようにグー１ル分配極１７の大きざをチップ１５
群の近くまで大ぎくし、絶縁をｄＮＮ板３ｂ、　１３ｃ
により行うことによりアノード電極１１とカソード電極
１２との熱伝導を良くして電極間の温度差を小さくし、
チップ群１５に発生ずる熱応力を緩和さぜる効果が大き
くなる。また、ゲート分配極１７を大きくしてチップ１
５に近づけ、チップ１５との距離を短かくすることによ
りゲート分配極１７とチップ群１５とを接続するグーｉ
−電極線１９を短くすることができスイッチング特性を
均一化することが出来る。

第４図と第５図は、本発明の他の実施例に係る電力用半
導体スイッチ装置を示覆もので第４図は平面図、第５図
は第４図におけるＢ−８断面図である。

この実施例は、複数のチップ１５のスイッチング特性を
さらに均一化する目的でなされたしので、ゲートリード
線２１を円板−状のゲート分配（本１７のほぼ中心位置
で接続したもので必る。

つまり、第５図に示すようにアノード電極１１にグー１
ル分配極１７の中心近傍まで延びる満２２を形成し、こ
の溝２２に沿ってグー１〜リード線２１を導いてグー１
ル分配（〜１７と接続している。ゲート分配極１７とチ
ップ１５との接続は第３図と同様にゲート化（か１９で
行なっている。

この実施例の構成では、グー１へリード線２１からチッ
プ１５までの配線距離は各デツプ１５ともに実質的に同
じになり、スイッチング特性はざらに均一化できる。

また、この実施例ではチップ１５と／ｕＮ板１３ａとの
間に先の実施例のような絶縁ゴム１４を介在ざＶていな
いのＣ、チップ１５の径ノ）向の熱応力を緩和できると
ともに、ＭＮＮ板Ｊ、熱伝達特性も優れているｌこめチ
ップ１５の側面も使って有効に放熱できる。

なｄ３、本発明は上記実施例に限定されることなく種々
変形して用いることができる。

例えば、ＭＮ板はアルミナあるいは粉末の窒化アルミニ
ウムまたは表面か酸化シリコンで覆われたシリコン等を
用いてもにり、また、複数に独立させた各デツプ１５の
配置ら円周状に等間隔に配置されるものに限られず並列
接続であればどのような配列でもよい。またチップ１５
の配列に応じてゲート分配極１７の形状も円板状に限定
されず種々変形できる。仮にチップを円周に沿って配列
した場合で−しゲート分配極１７を例えば略星形状とし
て、１なわらゲート分配極１７の外周をチップ１５の近
傍まで延ばせばよい。

以上に）ホべたように本発明によればグー１ル分配極と
アノード電極及びカソード電極との絶縁をＡ１．Ｎ板で
行ない、ゲート分配極を大きくすることによりチップに
発生する熱応力上の問題を゛容易に解決でき、しかも人
寄最化ならびに高性能化を実現できる。

また外囲器からのゲート線をゲート分配）へ中心で接続
することによりスイッチング特性を均一化し高速スイッ
チング特性をうろことか出来る。

（発明の効果〕以上詳述したように本発明によれば複数に分割したチッ
プとグーミルリード線の接続をグー１ル分配部材を介し
て行なうことにより、確実な接続が行なえるとともにス
イッチング特性が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は一実施例に係る電力用半導体スイッチ装置の平
面図、第２図は第１図にお（）るＡ−Ａ線切断矢視図、
第３図は同装置に組み込まれたＭＮ板を局部的に取出し
て示１分解斜視図、第４図は伯の実施例に係る電力用半
導体スイッチ装置の平面図、第５図は第４図にお（プる
Ｂ−１３線切断矢視図、第６図は、従来の電力用半導体
スイッチ装置の模式図である。１・・・アノード電極２・・・カソード電（〜３ａ、１３ｂ、１３ｃ　・ＮＩＮ板５・・・半導体スイッチング素子チップ６・・・外囲器７・・・ゲート分配極（ゲート分配部＋Ａ）代理人　弁
理士　則　近　憲　佑同　　松山光速第図第図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）ヒートシンクを兼ねたアノード電極と同じくヒー
トシンクを兼ねたカソード電極とで半導体スイッチング
要素を構成するチップを挟むとともに上記両電極間から
ゲートリード線を取出してなる電力用半導体スイッチ装
置において、前記半導体スイッチング要素は、それぞれ
独立した半導体スイッチング素子チップを定格電流条件
を満す数だけ前記両電極間に並列に配置してなる半導体
スイッチング素子チップ群で構成されこれら半導体スイ
ッチング素子チップの各々とゲートリード線との接続を
行なうためのゲート分配部材を設けたことを特徴とする
電力用半導体スイッチ装置。
（２）前記ゲート分配部材と前記アノード電極及びカソ
ード電極との間に電気絶縁機能と良熱伝導機能とを備え
た手段が設けられていることを特徴とする請求項１記載
の電力用半導体スイッチ装置。
（３）前記ゲート分配部材と前記ゲートリード線との接
続箇所から前記各々の半導体スイッチング素子チップま
での接続距離をほぼ等しく構成したことを特徴とする請
求項１記載の電力用半導体スイッチ装置。
（４）前記各半導体スイッチング素子チップの回りには
、上記チップに発生する熱応力を緩和させね機能と上記
チップの外面全体から前記両電極に熱を伝達させる機能
とを備えた手段が設けられていることを特徴とする請求
項１に記載の電力用半導体スイッチ装置。
（５）前記半導体スイッチング素子チップは、同一円に
沿って配列されており、前記ゲート分配部材は円板状に
形成されており、このゲート分配部材の大きさを前記各
半導体スイッチング素子チップ近傍まで延ばしたことを
特徴とする請求項１記載の電力用半導体スイッチ装置。
（６）前記ゲートリード線は前記円板状に形成されたゲ
ート分配部材のほぼ中央で接続されていることを特徴と
する請求項５記載の電力用半導体スイッチ装置。
（７）前記半導体スイッチング素子チップはシリコンで
構成され、前記手段は窒化アルミニウム層、粉末の窒化
アルミニウム層、表面が酸化シリコン層で覆われたシリ
コン層の中から選ばれた１種を含んで構成されているこ
とを特徴とする請求項４に記載の電力用半導体スイッチ
装置。