JPH0770552B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明はゲートターンオフサイリスタ（以下GTOと記
す）などの電力用半導体装置に関し、特にそのゲート引
き出し電極からゲートリードに至る部分のゲート構造の
改良に関するものである。

〔従来の技術〕

第３図は従来の中間リングゲートタイプのGTOの断面
図、第４図は第３図のＶ−Ｖ線側断面図である。図にお
いて、10はGTOの陰極電極体、20,21は第１挿入板、30,3
1は第２挿入板、40はベーシックエレメント、51〜56は
ベーシックエレメントの第１主面上に形成されたカソー
ド電極、60はゲート引き出し電極、70はゲート引き出し
電極60上にボンディングされたゲートワイヤ、80はゲー
トワイヤを絶縁筒体90の外部へ導くためのゲートリード
である。また、GTOでは遮断時の局部的な電流集中によ
る遮断電流の低下を防ぐためにゲート電極に囲まれた細
長いカソードを多数個並列に配置する構造が一般に採用
されている。

このような装置では主電流の遮断のためには各カソード
セグメントのゲート電極に負の電圧を印加するが、これ
にはカソードセグメント個々のゲート電極と電気的に接
続されたゲート引き出し電極60に電圧を印加する方法が
とられており、第６図に示した例はベーシックエレメン
ト40の中心から外周方向に同心円状に３段のカソードが
配置され、第１段と第２段の間にゲート引き出し電極60
が設けられている。

また一般に上記のような加圧接触形の半導体装置におい
ては、ベーシックエレメント40と陰極電極体10とを電気
的に接続するのに、これらを機械的に圧接する構造を採
用しており、このような圧接構造では、圧接面の接触を
良好に保持し、さらに圧接面での滑動性を高め、電気
的，熱的抵抗を低下させることが重要である。このよう
な条件を満たすため、例えば特公昭47−4818号公報に記
載されているような陰極滑動補償板を圧接面に挿入する
構造が提案されている。

第３図に示す従来のGTOでは、ベーシックエレメント40
に形成されたカソード電極51,52,54,55のパターン上に
第２挿入板30,31及び第１挿入板20,21を重ねた後、陰極
電極体10をベーシックエレメント40の上に積み重ねて組
み立てる。

このような電力用半導体素子においては、通電及び電流
遮断の繰り返しにより温度変化が生じ、これに伴いベー
シックエレメント40から第２挿入板30,31、第１挿入板2
0,21及び陰極電極体10にいたる材料間での熱膨脹係数の
差により、接触面の相互間で大きな摩擦を生じ、ベーシ
ックエレメント40のカソード電極が著しく損傷され、か
つシリコン基板への熱ストレスも顕著となる。

この問題を避けるために、ベーシックエレメント40に接
触する第２の挿入板30,31の材質としては、シリコンと
熱膨脹係数に近いモリブデン，タングステン等の金属板
が用いられる。

また第２の挿入板30,31と陰極電極体10の間に位置する
第１挿入板20、21は上記ベーシックエレメント40を圧
接，保持させた時、本ベーシックエレメント40の歪みに
よって生ずる接触の不完全さを補償するため、例えば、
銅，銀などの軟質金属を用いることが多い。さらに第１
及び第２の挿入板を２枚挿入することで、ベーシックエ
レメント40と第２の挿入板30,31、第２挿入板30,31と第
１挿入板20,21、及び第１挿入板20,21と陰極電極体10の
相互間においてそれぞれ接触面を形成することができ
る。この計３つの接触面は上述の熱膨張係数の差に起因
するベーシックエレメント40の熱ストレスを緩和させる
ための滑動性に効果的であり、挿入板１枚の時における
２面の接触面より、より有効に働くこととなる。

ところでGTOの遮断能力を最大限に引き出すためにはゲ
ート引き出し電極60に負の電圧を印加した時に各セグメ
ントにゲート電圧が均一にかかる必要があり、ゲート引
き出し電極60の全周からゲートリード80に至る接触抵抗
をできるだけ小さくしなければならない。このため従来
のものではゲート引き出し電極60の全周にわたってゲー
トワイヤ70をボンディングし、これをゲートリード80に
接続していた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

このような構造の従来装置では以下のような欠点があっ
た。

（１）アルミニウムによるボンディングであるため、ゲ
ート引き出し電極60の周長が長い場合にはゲートワイヤ
70自身の線路抵抗が無視できなくなる。この場合、遮断
電流が大きくなるほどゲートワイヤ70の電圧降下が大き
くなってセグメント自身にかかるゲート電圧が小さくな
るため遮断能力が低下する。

（２）また、このような理由からゲートワイヤの本数を
多くした場合、ゲートワイヤを一括してより線にする際
に断線不良が生じやすく、また作業性が悪くなる。

この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、大きな遮断能力を有する半導体装置を得るこ
とを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係る半導体装置は、環状のゲート溝を有する
陰極電極体と、この陰極電極体と対向して配置され、そ
の主面上にゲート引出し電極を有する半導体ベーシック
エレメントと、上記ゲート溝に配設された１つまたは複
数の環状弾性体と、上記ゲート溝内に配置され、上記ゲ
ート引出し電極にその第１のリング状端面で当接するよ
うに上記環状弾性体により押圧される導電性リングゲー
トと、この導電性リングゲートの内周側，外周側にそれ
ぞれ別体で、上記陰極電極体と上記半導体ベーシックエ
レメントとの間に挿入された挿入板と、上記導電性リン
グゲートの内周側面，外周側面それぞれと上記陰極電極
体および上記挿入板との間に配設された第1,第２の側面
側電気絶縁部材と、上記第１のリング状端面と対向する
上記導電性リングゲートの第２のリング状端面とこの第
２のリング状端面に隣接する上記第1,第２の側面側電気
絶縁部材の端面との両方に当接するように上記ゲート溝
に配設された端面側電気絶縁部材と、上記第２のリング
状端面と上記環状弾性体との間に配設され、上記端面側
電気絶縁部材を介して上記側面側電気絶縁部材の上記端
面と当接する平座金とを備えるようにしたものである。

〔作用〕

この発明においては、導電性リングゲートが環状弾性部
材によりベース引き出し電極側に均一に加圧されるか
ら、ゲート電圧を各セグメントに均一にかけることがで
き、また導電性リングゲートの材質を電気抵抗の小さな
ものとすることにより線路抵抗を小さくでき、これによ
り遮断能力を大きくすることができる。

また、上記導電性リングゲートの内周面，外周面，底面
を被覆する各電気絶縁部材が、その内周面側と外周面側
とで別体となっているため、特に導電性リングゲートの
側面側の電気絶縁部材には変形可能な板状素材の使用が
可能となり、これらの部材の材料入手が容易となり、ま
た上記電気絶縁部材の加工についてはその作業が所定寸
法に切断するだけの簡単なものとなり、特殊な治工具も
不要である。この結果電気絶縁部材の製造に係るコスト
を低減することができる。

また、導電性リングゲートの裏面側端面を覆う端面側電
気絶縁部材を、これが上記リングゲートの裏面側端面及
びこれに隣接する側面側電気絶縁部材の端面の両方に一
体となって当接するよう配設し、しかも上記環状弾性体
とリングゲートの裏面側端面との間に平座金を、これが
上記端面側電気絶縁部材を介して側面側電気絶縁部材に
当接するように配設しているため、上記リングゲートの
内周側と外周側とで別体の側面側電気絶縁部材が上記端
面側電気絶縁部材下側の平座金により支持されることと
なって該電気絶縁部材の位置ずれは発生しなくなり、こ
の位置ずれによる挿入板とリングゲートとのショートを
回避することができ、装置の信頼性を高く保持すること
ができる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図について説明する。

第１図はこの発明の一実施例による半導体装置の部分断
面図、第２図は該装置のリングゲート等が組み込まれた
陰極電極体を示す図であり、図において、第３図と同一
符号は従来例のものと同一または相当部分を示し、10は
環状のゲート溝100を有する陰極電極体で、その上には
半導体ベーシックエレメント40が載置されている。600
は上記陰極電極体10のゲート溝100内に配置され、上記
エレメントのベース引き出し電極60と接触する導電性リ
ングゲート、300は上記ゲート溝100内のリングゲート60
0下側に挿入され、上記リングゲートをベース引き出し
電極側に押圧する一対の皿バネで、平座金200を介して
表面同志が対向し、上下から一対の平座金200により挟
まれて配置されている。

ここで上記リングゲートの内側の、上記陰極電極体10と
エレメント40との間には、第1,第２の挿入板21,31が滑
動可能に上下に重合わせて挿入されており、また上記リ
ングゲートの外側の、上記陰極電極体10とエレメント40
との間には、第1,第２の挿入板20,30が滑動可能に上下
に重合わせて挿入されている。

また、上記リングゲート600の内周側面及び外周側面そ
れぞれと上記陰極電極体10及び上記第1,第２の挿入板2
0,21、30,31との間には、これらを電気的に絶縁する絶
縁ガイド500及び501が上記リングゲートの内周側及び外
周側で別体として配設されており、またこれらの絶縁ガ
イドは第１挿入板20,21と第２挿入板30,31との位置決め
をかねている。さらに上記リングゲートの裏面側には該
裏面側端面を覆う絶縁板400が、これが上記リングゲー
トの裏面側端面及びこれに隣接する絶縁ガイド500,501
の端面の両方に一体となって当接するよう配設されてお
り、さらに上記皿バネ300とリングゲートの裏面側端面
との間の平座金200が、上記絶縁板400を介して絶縁ガイ
ド500,501の下端面に当接するようになっている。

また、一対の皿バネ，平座金及び導電性リングゲートの
外周とゲート溝の内周との間にはリングゲートの加圧力
がゲート全周にわたって均一になる程度の公差が設けら
れている。

次に作用効果について説明する。

一般にGTOの遮断能力を保持するためにはベーシックエ
レメント40上に配置された各カソードセグメントにでき
るだけ均一にゲート電圧をかける必要があり、このため
にはゲート引き出し電極60の全周にわたって導電性リン
グゲート600が均一に加圧接触しなければならない。こ
のため、リングゲート600の加圧力が皿バネ300により与
えられる場合、バネ特性のばらつきをゲート溝100全周
にわたってできるだけ小さくする必要がある。

そこで本実施例では表面同志が相対する皿ばね300の間
に平座金200を設け、これにより各々の皿バネの寸法公
差の相違による加圧力の差を緩和させるようにしてい
る。

さらにリングゲート600には銀，銅等の電気抵抗の小さ
な金属が使えるため、ゲート引き出し電極60の周長が長
く、かつ遮断電流が大きくなった場合でも線路抵抗を小
さくすることができ、線路の電圧降下をほとんど無視で
きるので、各セグメントには印加電圧がそのまま印加さ
れて遮断能力を損なうことはない。

また、上記のような構造では、挿入板21,31と20,30とは
導電性リングゲートの内側と外側とに別々に配置されて
おり、これらとリングゲート600とが接触しないようリ
ングゲートを絶縁性部材で被覆する必要があるが、ここ
では各絶縁性部材のコスト低減のためこれらを別体に構
成している。

つまり、陰極電極体10に設けられたゲート溝内にゲート
押圧手段である平座金200、皿バネ300、絶縁板400を組
み込んだ後、ゲートリード60をロー付け等によって接続
したリングゲート600を挿入し、その後板状の絶縁ガイ
ド500,501をゲート溝とリングゲート600の間に挿入す
る。

この場合絶縁ガイドの材質としてはテフロン等の柔軟性
に富みかつゲート溝の上下方向に平滑に移動可能な材料
とする。

上記絶縁ガイドをゲート溝の内周及び外周に各々個別材
で構成することで絶縁ガイドを板状素材で形成すること
が可能となり、材料を安価に構成できる。

つまり、絶縁ガイドは筒体ではなく板状のものを曲げ筒
状となすもので、その両端の接合部に形成される微小隙
間の絶縁は絶縁ガイドの板厚0.5mm〜1mmによる絶縁区間
距離により実現するものである。

なお絶縁ガイドは筒体でもよいことは言うまでもない
が、板状のものとすれば、加工は単に所定寸法に切断す
るだけでよいので、材料入手が簡単になり、加工の手間
が削減され、加工に特殊な治工具が不要となり、絶縁ガ
イドの製造が容易になる。

またこのように電気絶縁部材を別体とするためには、皿
バネの上部に平座金をおいてその上に導電性リングゲー
トの内周側，外周側及び底面で別体となった電気絶縁部
材を載置しないと、導電性リングゲートの底面側電気絶
縁部材400は必ずしも構造メンバーではないので、皿バ
ネの上部に直接底面側電気絶縁部材400を置いただけで
は底面側電気絶縁部材の剛性が低いから、導電性リング
ゲートの内側、外周側電気絶縁部材が下方にずれ、挿入
板が横方向移動してしまうこととなり、挿入板とリング
ゲートとショートする可能性があり、信頼性の点で問題
が生じる。

そこで、本実施例では、挿入板とリングゲートとの底面
側に配置することにより、上記問題を回避している。

このように本実施例では、導電性リングゲート600を一
対の皿バネ300によりベース引き出し電極側に均一に加
圧するようにしたので、ゲート電圧を各セグメントに均
一にかけることができ、また導電性リングゲートの材質
を電気抵抗の小さな部材とすることにより線路抵抗を小
さくでき、この結果遮断能力が大きくできる。

また、上記導電性リングゲートの内周面，外周面を被覆
する絶縁ガイド501,500とを別体の構造としているた
め、それぞれを変形可能な板状素材で形成でき、材料入
手が容易となり、また加工についてはその作業が所定寸
法に切断するだけの簡単なものとなり、特殊な治工具も
不要である。この結果電気絶縁部材の製造に係るコスト
を低減することができる。

また、導電性リングゲートの裏面側端面を覆う端面側電
気絶縁部材を、これが上記リングゲートの裏面側端面及
びこれに隣接する側面側電気絶縁部材の端面の両方に一
体となって当接するよう配設し、上記環状弾性体とリン
グゲートの裏面側端面との間に平座金を、これが上記端
面側電気絶縁部材を介して側面側電気絶縁部材に当接す
るよう配設しているため、上記リングゲートの内周側と
外周側とで別体の側面側電気絶縁部材が上記端面側電気
絶縁部材下側の平座金により支持されるととなって該電
気絶縁部材の位置ずれを阻止でき、この位置ずれによる
挿入板とリングゲートとのショートを回避することがで
き、送致の信頼性を高く保持することができる。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、導電性リングゲートを環
状弾性部材によりベース引き出し電極側に加圧するよう
にしたので、リングゲートがベース引き出し電極と均一
に接触することとなり、ゲート電圧を各セグメントに均
一にかけることができ、また導電性リングゲートの材質
を電気抵抗の小さな部材とすることにより線路抵抗を小
さくでき、これにより大きな遮断能力を有する半導体装
置を得ることができる。

また、上記導電性リングゲートの内周面，外周面を被覆
する側面側電気絶縁部材を別体に構成しているため、そ
れぞれを変形可能な板状素材で形成でき、材料入手が容
易となり、また加工についてはその作業が所定寸法に切
断するだけの簡単なものとなり、側面側電気絶縁部材の
製造にかかるコストを低減することができる。

また、導電性リングゲートの裏面側端面を覆う端面側電
気絶縁部材を、これが上記リングゲートの裏面側端面及
びこれに隣接する側面側電気絶縁部材の端面の両方に一
体となって当接するよう配設し、上記環状弾性体とリン
グゲートの裏面側端面との間に平座金を、これが上記端
面側電気絶縁部材を介して側面側電気絶縁部材に当接す
るよう配設しているため、上記リングゲートの内周側と
外周側とで別体の側面側電気絶縁部材が上記端面側電気
絶縁部材下側の平座金により支持されることとなって該
電気絶縁部材の位置ずれを阻止でき、この位置ずれによ
る挿入板とリングゲートとのショートを回避することが
でき、装置の信頼性を高く保持することできる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す部分断面図、第２図
は上記実施例のリングゲートを陰極電極体中に挿入した
ものの部分図、第３図及び第４図はそれぞれ従来の半導
体装置の例を示す図、第５図は従来の半導体装置におけ
るベーシックエレメントのセグメント配置状態を示す部
分図である。 図において、20,21は第１挿入板、30,31は第２挿入板、
100はゲート溝、200は平座金、300は皿バネ（環状弾性
体）、301は一体構造のバネ（環状弾性体）、400は絶縁
板（端面側電気絶縁部材）、500,501は絶縁ガイド（側
面側電気絶縁部材）、600はリングゲート（導電性リン
グゲート）である。 なお図中同一符号は同一又は相当部分を示す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】環状のゲート溝を有する陰極電極体と、 この陰極電極体と対向して配置され、その主面上にゲー
   ト引出し電極を有する半導体ベーシックエレメントと、 上記ゲート溝に配設された１つまたは複数の環状弾性体
   と、 上記ゲート溝内に配置され、上記ゲート引出し電極にそ
   の第１のリング状端面で当接するように上記環状弾性体
   により押圧される導電性リングゲートと、 この導電性リングゲートの内周側，外周側にそれぞれ別
   体で、上記陰極電極体と上記半導体ベーシックエレメン
   トとの間に配設された挿入板と、 上記導電性リングゲートの内周側面，外周側面それぞれ
   と上記陰極電極体および上記挿入板との間に配設された
   第1,第２の側面側電気絶縁部材と、 上記第１のリング状端面と対向する上記導電性リングゲ
   ートの第２のリング状端面とこの第２のリング状端面に
   隣接する上記第1,第２の側面側電気絶縁部材の端面との
   両方に当接するように上記ゲート溝に配設された端面側
   電気絶縁部材と、 上記第２のリング状端面と上記環状弾性体との間に配設
   され、上記端面側電気絶縁部材を介して上記側面側電気
   絶縁部材の上記端面と当接する平座金とを備えたことを
   特徴とする半導体装置。
2. 【請求項２】上記挿入板は上記導電性リングゲートの内
   周側，外周側それぞれで複数枚互いに滑動可能に重ねて
   配設され、上記挿入板の外周側面または内周側面で上記
   側面側電気絶縁部材により位置決めされていることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の半導体装置。