JPH0691117B2 - 圧接型半導体装置 - Google Patents

圧接型半導体装置

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JPH0691117B2
JPH0691117B2 JP61058328A JP5832886A JPH0691117B2 JP H0691117 B2 JPH0691117 B2 JP H0691117B2 JP 61058328 A JP61058328 A JP 61058328A JP 5832886 A JP5832886 A JP 5832886A JP H0691117 B2 JPH0691117 B2 JP H0691117B2
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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、ゲートターンオフサイリスタ(以下GTOと呼
ぶ)、シリコン制御素子、ダイオードおよびトランジス
タ等の半導体素子と電極とを、加圧接触する半導体装置
に係り、特に半導体素子の圧縮応力の集中を低減し、均
一な応力分布を得るのに好適な圧接型半導体装置に関す
るものである。
〔従来の技術〕
GTO、サイリスタ、ダイオード、トランジスタ等の半導
体素子と電極とを加圧接触させる圧接型半導体装置は、
一般に電力用の半導体装置として知られている。
この種の半導体装置は、特開昭60-4260号にて開示され
ている。この従来の圧接型半導体装置をGTOを例として
第3図を参照して説明する。
半導体素子1の両側に、該素子1の熱膨張係数に近い熱
膨張係数を有する温度補償板を接合する。半導体素子1
のカソード側の温度補償板は環状のゲート電極2の外周
に外側の環状温度補償板3、またゲート電極2の内周に
は、中央部に開口孔4aが設けられた円板状の内側補償板
4が接合され、半導体素子1のアノード側には円板状の
補償板5が接合されている。上記温度補償板3,4,5の更
に背面側には、熱及び電気伝導率の高いポスト電極7,8
が接合され、このポスト電極7,8を矢印の方向に押圧し
加圧圧接する構造になっている。また、上記ゲート電極
2は絶縁体9で覆われ、板バネ10を介し、半導体素子1
側に押圧され位置決めされている。
上記第3図の構造のように、半導体素子1の両側に温度
補償板3,4と5を設けた理由は、半導体素子1とポスト
電極7,8との熱膨張係数の違いにより、装置稼働時と停
止時等の温度変化によって半導体素子1に大きなせん断
力が加わるのを防ぐためである。従って、温度補償板3,
4,5はタングステンあるいはモリブデン等の半導体素子
1と熱膨張係数の近い金属が用いられる。また、従来か
ら使用されているサイリスタ、ダイオード等の電力用半
導体素子のカソード電極は電気的に一体で構成されてい
るが、GTOや大電力トランジスタ等の半導体素子1は第
4図(a),(b)に示すようにカソード電極11が多数
の突起状に分割されているため、圧接により半導体素子
1に加わる応力が問題となる。特にGTOでは分割された
各々のカソード電極11が独立したGTOであり、これが並
列動作するので、カソード面全体に均一な圧接が要求さ
れる。ところがこの種の圧接型半導体装置は、圧接時に
半導体素子へ加わる応力を有限要素法(FEM)等で計算
すると、モデル化した第6図の構造と基本的に同じであ
るので、第6図のように温度補償板3,4の周端直下に面
圧力(圧縮応力)が集中する。そして場合によっては圧
縮応力の集中のため、半導体素子を破壊するまでにな
る。第5図は上記半導体素子1の1つの独立したGTOを
拡大したものであるが、温度補償板3および4の周辺近
傍に圧接された部分の電極11aが潰された状態を呈する
ことがある。
このように、特開昭60-4260号公報に記載されている半
導体装置の構造は強度信頼性の点については配慮されて
いなかった。
〔発明が解決しようとする問題点〕
上記従来技術は前述のように強度信頼性の点について配
慮がされておらず、機械的強度の面で問題があった。
本発明の目的は、ポスト電極の圧接周端縁直下に位置す
る分割電極への部分的な圧縮応力の集中を緩和し、さら
に、ゲート電極や温度補償板を精度良く位置決めして、
強度信頼性を向上させる圧接型半導体装置を提供するこ
とにある。
〔問題点を解決するための手段〕
上記目的は、半導体素子を圧接する温度補償板の内外周
寸法を、圧接されるポスト電極より、内,外径側とも周
縁部より適宜巾だけ大きく突出させることにより達成さ
れる。
また、本発明の実施例によれば、温度補償板の厚みをt
とすると、突出寸法l=0.5t〜1.1tが望ましい。
〔作用〕
圧接型半導体装置の加圧時に温度補償板にはポスト電極
に接していない突出部分が形成されており、この突出部
分を含む温度補償板で半導体素子を加圧するようにした
ので、ポスト電極に接合されていない突出部分が弾性変
形して荷重分担する。それによって、温度補償金属板の
周縁直下位置の電極への応力集中は緩和されて、局部に
大きな応力が生じることがない。
〔実施例〕
以下本発明の一実施例を第1図,第2図にもとずき説明
する。第1図は組付完了した圧接型半導体装置の断面
図、第2図は組付構造を示す断面図である。
円板状の半導体素子21は、上面にカソード側の温度補償
板22、環状のゲート電極27、温度補償板23を配設し、下
面にアノード側の温度補償板24を配設し、更にその背面
側に夫々ポスト電極25,26を配置している。上記半導体
素子21の一面(図示では上面)のカソード側に接合され
る環状の温度補償板22は厚さtを有し、その内側に環状
のゲート電極27が配設され、更に、このゲート電極27の
内側に、中心部に開口穴23aを穿ち、厚さtを有する円
板状の温度補償板23が配置されている。また、上記ゲー
ト電極27の外壁部は絶縁性スペーサ28で覆われている。
上記温度補償板22,23、ゲート電極27の外側に接合され
るカソード側ポスト電極25は、上記ゲート電極27が挿入
される環状溝25a及び中央に凹部25bが形成されている。
上記ゲート電極27は上記溝25a内に配設され、バネ等の
弾性部材29を介在して半導体素子21に押圧されている。
半導体素子21の他の面(図示では下面)のアノード側に
は、素子21と同径の円板状の温度補償板24が接合され、
更にその外側には温度補償板24よりやや小径の円板状の
ポスト電極26が接合されている。上記半導体素子21,ア
ノード側温度補償板24は、環状の外壁部材35の内壁に配
設された位置決めリング30に嵌入され、樹脂等の充填材
31にて接着され、位置決め固定される。また、上記カソ
ード側ポスト電極25の外周には上部フランジ32、その裏
側には裏フランジ33を突設し、このフランジを上記外壁
部材35の端面にポスト電極25を素子21側に押圧状に固着
され、該電極25及び温度補償板22,23は素子21に加圧圧
接されている。
また、アノード側ポスト電極26も外周に下部フランジ34
を突設し、このフランジ34を上記外壁部材35の他方の端
面にポスト電極26を素子21側に押圧状に固着し、上記ポ
スト電極26及び温度補償板24は半導体素子21に加圧圧接
される。更に、ゲート電極27も弾性部材29を介在して半
導体素子21に加圧圧接される。
しかして、上記カソード側の温度補償板22,23は、その
内外径は、上面に圧接されるポスト電極25の外径,環状
溝25a,凹部25bの内外径の周縁より、適宜寸法突出され
ている。即ち、温度補償板22の外径は、ポスト電極25の
外径よりl寸法だけ大径に、内径は、環状溝25aの外径
よりl寸法だけ小径に、また温度補償板23の外径はポス
ト電極25の環状溝25aの内径よりl寸法だけ大径に、開
口穴23aの径(内径)は、凹部25bの径(内径)よりl寸
法だけ小径に形成される。上記各l寸法はl=0.5t〜1.
1tである。このように寸法を定めると、ポスト電極25の
加圧圧接時及び装置稼働時に半導体素子21の、上記ポス
ト電極の周縁部の対向位置に圧縮応力が集中することな
く応力集中は緩和される。即ち、温度補償板22,23はポ
スト電極25に接していないl寸法の突出部を含む全面積
で半導体素子21を加圧するようになり、ポスト電極25に
接していないl寸法の部分が弾性変形して荷重分担す
る。
この作用をモデル化した第7図について有限要素法(FE
M)により計算すると第7図のように応力集中がほとん
ど集中しないほぼ平坦な圧縮応力分布を得ることができ
る。
いわゆる、温度補償板22,23の半径方向の突出寸法lは
厚みtと深い関係があり、既に、l=0.5t〜1.1tとすれ
ば良いことを説明した。次にその根拠を説明する。
先ず、第7図の形状を便宜上、第8図のようにおきかえ
る。第7図の場合と同様に第8図でも温度補償板22,23
をポスト電極25で上面よりqなる力で圧接すると、22,2
3と25の圧接面u-vラインの面圧力分布は第8図のように
なり、右側のv近傍に比較的大きな面圧力が作用する。
その応力分布について、端部vからaだけ内に入ったと
ころまでの平均面圧力がQであり、aを小さい寸法にと
れば、第7図及び第8図の厚みtの温度補償板22,23の
突出部lのm-n面(半導体素子の圧接面でもある)に作
用する面圧分布は第9図の計算モデルより求められる。
第9図のm-n面に作用する圧縮応力分布の算出方法の一
例として、S.P.Timoshemko and J.N.Goodier共著のTheo
ry of Elasticity(チモシェンコとグッドイヤー両氏に
よる弾性学)なる世界及び国内で一般的となっている参
考書に記載されているものがある。いわゆる、第9図の
m-n面に作用する圧縮応力σZは次の(1)式より求ま
る。
一例として、Q=80MPa,a=0.01mm,l=0.8mm,t=1mm,す
なわち、 の場合で、i=1〜50まで計算したとき(i=30程度で
充分に収束している)と計算結果を第10図に示す。
最大応力はx=0の位置に生じ、その値σZ1で端面のl
=0.8mm位置の応力σZ2を除すと0.45と求まる。
次に温度補償板の厚みtと と最大応力σZ1と端面の応力σZ2の比の関係を求め、結
果を第11図に示す。
すなわち、突出部端面の圧縮応力σZ2が、最大応力σZ1
より10%以上小さくなれば、温度補償板で圧接される半
導体素子の強度は充分保障されることになり、第11図に
おいて、その に対応する横軸を調べると、 であり、半径方向の突出寸法lは厚みの0.5倍以上であ
れば良い。
ところで、第11図によると、l寸法が大になるに従い、
なだらかに圧縮応力は小となっていき、l=1.35tのと
ころで効果が零となる。このことより、経済性と寸法の
制約を考えれば が強度向上の適正範囲と考えられ、このときの突出寸法
l=0.5t〜1.1tと定められる。
この結果、第1図と第2図に示した本発明による圧接型
半導体装置の半導体素子21の圧縮応力分布は第12図のよ
うにほぼ平坦となる。また半導体素子21と温度補償板2
2,23の接触面積が増大し、さらに、圧縮応力分布がほぼ
均一となることより、機械的強度信頼性の向上と、電気
的,熱的特性の向上も図れるのである。実施例ではGTO
について説明したが、これらの効果はサイリスタ、ダイ
オード、トランジスタ等に応用できることは当然であ
る。
〔発明の効果〕
以上説明したように本発明によれば、温度補償板を介し
てポスト電極により圧接される半導体素子の部分的な応
力集中を効果的に防ぎ、圧接型半導体装置の電気的,熱
的特性を向上させ、さらに機械的強度を増大させること
ができ、信頼性の向上をはかることが出来る。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例を示すGTOサイリスタを示す
横断面図、第2図はその組付状態を示す横断面図、第3
図は圧接面に溝のある従来の半導体装置、第4図はGTO
サイリスタのカソード側の突起を示し、(a)図は平面
図、(b)図は断面図、第5図は突起のつぶれ変形状況
図で、(a)図は平面図、(b)図は断面図、第6図は
従来の圧接型半導体装置をモデル化した形状図を示す。
第7図は本発明の半導体装置のモデル図、第8図,第9
図は圧接端部近傍の応力算出用のモデル図、第10図は圧
接部の突出寸法と圧縮応力の関係図、第11図は寸法比と
応力比の関係図、第12図は本発明半導体装置の圧縮応力
分布図である。 21……半導体素子、22,23……カソード側の温度補償
板、24……アノード側の温度補償板、25……カソードポ
スト電極、27……ゲート電極、28……絶縁性スペーサ、
29……板ばね、30……位置決めリング。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】少なくとも一対のP層とN層を有する半導
    体素子と、この半導体素子のカソード側に、所定の厚さ
    と半導体素子の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する環
    状板状の外側温度補償板と、上記外側温度補償板と同一
    厚さ及び同一熱膨張係数で中心部に開口穴を設けた内側
    温度補償板とを、上記外側温度補償板の内側に適宜間隔
    を有して内側温度補償板を配置して接合し、両温度補償
    板の背面に円板状のポスト電極を接合状に配設し、この
    ポスト電極は、温度補償板との接触面中央部に前記内側
    温度補償板の中心部の開口穴と重なる凹部を、外周部の
    内外温度補償板の間隔部に対向する位置に環状溝を形成
    し、上記間隔部及び環状溝に環状のゲート電極と、この
    電極を半導体素子側に押圧付勢する弾性部材を配設し、
    一方、半導体素子のアノード側に、上記温度補償板と同
    じ熱膨張係数を有するアノード側温度補償板とその背面
    のポスト電極とを接合状に配設し、上記各温度補償板、
    両ポスト電極及び環状のゲート電極を同心状に配置した
    状態で、両ポスト電極に加圧力を与えて半導体素子とポ
    スト電極とを温度補償板を介在して圧接してなる圧接型
    半導体装置において、カソード側の外側温度補償板の外
    周縁、内周縁及び内側温度補償板の外周縁、中心部の開
    口穴周縁を、圧接されるポスト電極の外周,環状溝及び
    凹部の周縁より適宜寸法突出状に大きく形成することを
    特徴とする圧接型半導体装置。
  2. 【請求項2】カソード側の内外側温度補償板の厚さがt
    で、突出寸法l=0.5t〜1.1tである特許請求の範囲第1
    項記載の圧接型半導体装置。
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