JPS5850425B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は半導体装置に係り、特にその短絡電流による
爆発に対する耐量の向上を図るための構造の改良に関す
るものである。

最近、半導体装置、特に電力用半導体装置では、大電力
・小形化が進められている。

しかしながら、定格電流容量が増大すると、保護用ヒユ
ーズとの協調をとることが困難となり、保護用ヒユーズ
が適当でない場合には、このヒユーズがしゃ断するまで
の数サイクルの間に、半導体装置にその定格電流の数十
倍の短絡電流が流れ、この短絡電流により上記半導体装
置が爆発破壊するおそれがあった。

以下、図面を用いて説明する。

第１図は従来の電力用半導体整流装置を示す要部破砕正
面図である。

図において、１は半導体整流素子、２は半導体整流素子
１のＰＮＮ＋接合（図示せず）が形成されたシリコン基
板、３はシリコン基板２とほぼ等しい膨張係数を有する
モリブデン板からなりシリコン基板２を支持する支持板
、４はシリコン基板２と支持板３とをろう付けするアル
ミニウムーアルミニウムシリコン（ＡＩ−ＡＩＳｉ）共
晶層、５はシリコン基板１の主面上にアルミニウム（Ａ
１）の蒸着により形成されたＡＩ電極層、６は銅からな
り半導体整流素子１のＡ１電極層５に加圧されて接触す
る第１の主電極、７は銅からなり、半導体整流素子１の
支持板３に加圧されて接触する第２の主電極、８はセラ
ミックなどの絶縁材料からなり半導体整流素子１と第１
・第２の主電極６，７とを取り囲んで設けられた筒状の
絶縁体、９は銅薄板からなり内周部が第１の主電極６に
ろう付けされ外周部が絶縁体８の第１の端面にろう付け
された可撓性のある可撓金属板、１０は鉄板もしくは鉄
−ニッケル合金板からなり絶縁体８の第２の端面にろう
付けされたつば状平板、１１は鉄板もしくは鉄−ニッケ
ル合金板からなり内周部が第２の主電極７にろう付けさ
れ外周部がつば状平板１０に溶接された環状平板、１２
は第１の主電極６および第２の主電極１にそれぞれろう
付けされた放熱フィンを示す。

次に、このように構成された電力用半導体整流装置の短
絡電流による破壊状態の一例を第２図に示す短絡電流の
波形図および第３図に示す要部破砕正面図で説明する。

この電力用半導体整流装置の両生電極間に、定格サージ
順電流よりも大きい順電流が流れ得るような交流電圧を
印加すると、第２図に示すように、第１のサイクルでは
、第１図に示したシリコン基板２に流れる順電流により
シリコン基板２の温度が上昇するが、そのＰＮＮ＋接合
が破壊に至らず、逆電流が阻止される。

ところが、第２のサイクルでは、シリコン基板２の温度
が更に上昇し、この温度上昇により、シリコン基板２の
ＰＮＮ＋接合が整流機能を失い、逆電流が流れるように
なる。

この逆電流が流れるようになると、シリコン基板２の温
度が益々上昇し、第２のサイクル以後は短絡電流が流れ
るようになる。

このように、短絡電流が流れるようになると、シリコン
基板２の温度がその主面に形成されたＡＩ −ＡＩ Ｓ
ｉ共晶層４およびＡ１電極層５の融点以上となり、こ
れらの層４，５がシリコン基板２の周辺部から蒸発する
。

この蒸発に伴ないシリコン基板２の周辺部において、シ
リコン基板２と第１の主電極６との間、およびシリコン
基板２と支持板３との間に高温アークが発生する。

この高温アークにより、シリコン基板２の周辺部ならび
にこの周辺部近傍の第１の主電極６および支持板３がそ
れぞれ溶融され溶融片となって第１の主電極６と第２の
主電極７と絶縁体８とで作る空間内に飛散するとともに
、この空間内の封入ガスがプラズマ状態となり、急膨張
する。

ところで、従来の電力用半導体装置の構造では、第１の
主電極６と第２の主電極７と絶縁体８とで作る空間内に
可撓金属板９および環状平板１１などの厚さの薄い金属
板が露出しているので、これらの金属板に上記封入ガス
のプラズマがふれてその温度が上昇する上に、更にこれ
らの金属板に上記溶融片がぶつかるので、その溶融片の
もつエネルギにより上記金属板の温度が融点に達し、上
記溶融片のぶつかった部分に穴があく。

この穴から上記急膨張した封入ガスが上記溶融片を伴う
て外部へ爆発的に噴出する。

この破壊状態を第３図に示す。

よって、従来の構造では、この外部へ爆発的に噴出する
溶融片により、半導体装置の設置場所によっては重大な
災害を招く危険性があるという欠点があった。

この発明は、上述の欠点に鑑みてなされたもので、半導
体素子から可撓金属板への通路に容易に弾性変形しない
部材からなる閉鎖体を設けることによって、爆発耐量の
ある半導体装置を提供することを目的とする。

第４図はこの発明による電力用半導体整流装置の一実施
例を示す要部破砕正面図である。

図において、１３ａ、１３ｂはそれぞれ絶縁体８の両端
面に設けられたつば状平板１０に外周部が溶接され、後
述の第１、第２の主電極６，７の突出部に内周部が取り
付けられた可撓金属板、１４ａ、１４ｂはそれぞれ第１
、第２の主電極６゜７の全周にわたり設けられ半導体整
流素子１の厚さ方向への変形可能な例えば厚さ１間程度
幅２〜３朋程度の突出部、１５ａ、１５ｂはそれぞれ容
易に弾性変形しない高融点で融解熱の大きい金属もしく
は絶縁材料からなり突出部１４ａ 、１４ｂと絶縁体８
の両端面との間に介在し半導体整流素子１から可撓金属
板１３ａ 、１３ｂへの通路を閉鎖するように設けられ
た閉鎖体、１６ａ 、１６ｂはそれぞれ突出部１４ａ
、１４ｂの閉鎖体１５ａ。

１５ｂの内周部と接する部分に設けられた間げきである
。

このように構成された電力用半導体整流装置では、半導
体整流素子１から可撓金属板１３ａ。

１３ｂへの通路を閉鎖する閉鎖体１５ａ 、１５ｂが設
けであるので、短絡電流により半導体整流素子１の周辺
部に発生した高温アークによって溶融した部材の溶融片
が直接可撓金属板１３ａ、１３ｂにぶつかることを防止
することができるとともに、上記高温アークによりプラ
ズマ化された封入ガスのプラズマが直接可撓金属板１３
ａ 、１３ｂにふれることも防止することができる。

よって、第１図に示した従来例の構造のように、可撓金
属板１３ａ 、１３ｂの温度が急速に融点に達し、融解
して穴があくのを抑制できるので、上記溶融片が爆発状
態になって装置の設置場所周辺に飛び散るのを防止する
ことができる。

閉鎖体１５ａ、１５ｂの構成材料として、融点が高く、
融解熱の大きいことが要求されるので、例えば鉄、ニッ
ケル、銅、チタン、モリブデン、タングステンなどの単
体もしくはこれら、を主成分とする合金からなる金属ま
たはアルミナ系セラミック磁器などからなる絶縁材料を
用いることが好ましい。

ここで、直径が５５′Ｉｎ７ＩＬで、厚さが０．６ｍｍ
のシリコン基板からなる半導体整流素子で構成された電
力用半導体整流装置で行われた実験結果について説明す
る。

短絡電流による爆発耐量実験によれば、第１図に示した
構造では、電流二乗・時間積（Ｉ２ｔ）が２０ｘ１０６
Ａ”Ｓ以下で爆発したのに対し、この実施例の構造では
、厚さ１７ｎＩＬ程度のニッケル板もしくはチタン板か
らなる閉鎖体を用いることによって、５５×１０６Ａ２
Ｓの爆発耐量があり、従来例の構造に比べて、約２倍以
上の爆発耐量の向上を図ることができた。

また、印加電圧が１０００■、パルス幅が４μｓで、サ
ージ破壊短絡電流が５０ＫＡ 、１００ＫＡ。

１６５ＫＡの各段階における破壊耐量実験によれば、従
来例の構造に比べて、約５倍以上の破壊耐量の向上を図
り得ることが判明した。

なお、この実施例の構造では、閉鎖体１５ａ１および１
５ｂがそれぞれ第１の主電極６の突出部１４ａと絶縁体
８との間および第２の主電極７の突出部１４ｂと絶縁体
８との間に介在するように構成されているので、半導体
整流素子１の厚さに変動があっても、この厚さの変動を
可動金属板１３ａ 、１３ｂの変形と突出部１４ａ、１
４ｂの変形に伴う閉鎖体１５ａ 、１５ｂの間げき１６
ａ。

１６ｂへの移動とにより吸収し半導体整流素子１と第１
、第２の主電極６，７との接触を確保することができる
。

よって、閉鎖体１５ａ 、１５ｂにそれぞれ容易に弾性
変形しない部材でも使用することができる利点がある。

第５図ａ〜Ｃはそれぞれこの発明による電力用半導体整
流装置の他の実施例の主電極と閉鎖体と絶縁体との関係
状態を説明するための要部断面図である。

第５図ａに示す実施例では、絶縁体８の端面内側の一部
全周において切り欠き部を設け、この切り欠き部に閉鎖
体１５ａを配置するようにしたものである。

このような構造にすることによって、第４図に示した実
施例よりも形状の小形化を図ることができるとともに、
第４図の実施例と同様の利点がある。

第５図すに示す実施例では、絶縁体８の端面内側の一部
全周において切り欠き部を設け、この切り欠き部内に閉
鎖体１５ａを配置し、この閉鎖体１’５ ａと傾斜端面
で接するようにした突出部１４ｃを第１の主電極６に設
け、この突出部１４ｃの傾斜端面を閉鎖体１５ａに加圧
するときに生ずる上記傾斜端面の変形を利用して半導体
整流素子１の厚さの変動を吸収するようにしたものであ
る。

この実施例でも、第５図ａの実施例と同様に、形状の小
形化を図ることができるとともに、第４図の実施例と同
様の利点がある。

第５図Ｃに示す実施例では、これまでの実施例のように
、主電極の外側面の一部に突出部を設けることなく、主
電極６の一部が閉鎖体１５ａと対向するようにし、この
主電極６の一部に閉鎖体１５ａと接触し加圧されて変形
するような形状の突出部１４ｄを設けたものである。

この突起部１４ｄの変形を利用して、これまでの実施例
と同様に、半導体整流素子１の厚さの変動を吸収するこ
とができる。

この実施例の構造を第５図ａの実施例の構造にも適用す
ることができる。

このような構造でも、第４図の実施例と同様の利点があ
ることは言うまでもない。

なお、これまで、電力用半導体整流装置を例にとり述べ
てきたが、この発明はこれに限らず、この他の半導体装
置に適用することができる。

以上、説明したように、この発明によれば、第１の主電
極の第１の可撓金属板と半導体素子との間の部分および
第２の主電極の第２の可撓金属板と上記半導体素子との
間の部分にそれぞれの全周において設けられ上記半導体
素子の厚さ方向への変形可能な突出部と、容易に弾性変
形しない高融点で融解熱の大きい金属もしくは絶縁材料
からなり上記突出部と上記半導体素子と上記第１、第２
の主電極とを取り囲む絶縁体の端面との間に介在し上記
半導体素子から上記第１、第２の可撓金属板への通路を
閉鎖する閉鎖体とを備えているので、次のような効果が
ある。

すなわち、短絡電流により発生した高温アークにより溶
融された上記半導体素子の周辺部およびこの周辺部近傍
の部材の溶融片が上記第１、第２の可撓金属板に直接ぶ
つかることがなく、かつ上記高温アークによりプラズマ
化された封入ガスのプラズマも上記第１、第２の可撓金
属板に直接ふれることがない。

よって、上記溶融片のエネルギーおよび上記プラズマの
エネルギーにより上記第１、第２の可撓金属板に穴があ
くのを抑制し、爆発耐量の向上を図ることができる。

また、上記半導体素子の厚さに変動があっても、この厚
さの変動を上記突出部の変形によって吸収し上記半導体
素子と上記第１、第２の主電極との接触を確保すること
ができるので、上記閉鎖体を容易に弾性変形しない高融
点で融解熱の大きい金属もしくは絶縁材料で構成するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の電力用半導体整流装置を示す要部破砕正
面図、第２図は従来の電力用半導体整流装置の短絡電流
の一例を示す電流波形図、第３図は従来の電力用半導体
整流装置の短絡電流による破壊状態の一例を示す要部破
砕正面図、第４図はこの発明による電力用半導体整流装
置の一実施例を示す要部破砕正面図、第５図ａ ”’−
ｃはそれぞれこの発明による電力用半導体整流装置の他
の実施例の主電極と閉鎖体と絶縁体との関係状態を説明
するための要部断面図である。 図において、１は半導体整流素子、２はシリコン基板、
３は支持板、４はＡＩ −Ａｔ Ｓ ｉ共晶層、５はＡ
Ｉ電極層、６は第１の主電極、７は第２の主電極、８は
絶縁体、９．１３ａ、１３ｂはそれぞれ可撓金属板、１
０はつば状平板、１１は環状平板、１２は放熱フィン、
１４ａ 、１４ｂ、１４ｃ 、１４ｄはそれぞれ突出部
、１５ａ、１５ｂはそれぞれ閉鎖体、１６ａ、１６ｂは
それぞれ間げきを示す。 なお、図中同一符号は夫々同一または相当部分を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 半導体素子、この半導体素子をはさんで設けられた
   第１、第２の主電極、上記半導体素子と上記第１、第２
   の主電極の上記半導体素子への当接部との外周を囲むよ
   うに配設された絶縁体、この絶縁体の両端面にそれぞれ
   外周部が取り付けられ上記第１、第２の主電極に内周部
   が取り付けられた第１、第２の可撓金属板、ならびに上
   記第１および第２の主電極に上記半導体素子の厚さ方向
   に変形可能なように設けられた突出部と上記絶縁体の端
   面部との間に上記半導体素子周縁から上記第１および第
   ２の可撓金属板への通路を閉鎖するように配設され容易
   に弾性変形しない高融点で融解熱の大きい金属もしくは
   絶縁材料からなる閉鎖体を備えた半導体装置。 ２ 絶縁体の端面内側の一部にその全周にわたり設けら
   れた切り欠き部に閉鎖体を配置した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。 ３ 絶縁体の端面内側の一部に設けられた切り欠き部に
   配置された閉鎖体と傾斜端面で接するようにした突出部
   を主電極に設けた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。