JPS60154552A - 電力用半導体装置 - Google Patents

電力用半導体装置

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JPS60154552A
JPS60154552A JP59010572A JP1057284A JPS60154552A JP S60154552 A JPS60154552 A JP S60154552A JP 59010572 A JP59010572 A JP 59010572A JP 1057284 A JP1057284 A JP 1057284A JP S60154552 A JPS60154552 A JP S60154552A
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JP
Japan
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diode
electrode
lead
transistor
region
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JP59010572A
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Ikunori Takada
高田　育紀
Takayuki Kitamura
北村　孝幸
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Mitsubishi Electric Corp
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Mitsubishi Electric Corp
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Publication of JPH0464183B2 publication Critical patent/JPH0464183B2/ja
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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】 〔発明の技術分野〕 この発明は電力用半導体装置の構造に係り、特許、その
半導体素子の短絡故障時に端子間が開放状態になって周
辺回路にまで破壊が及ぶのを防止するために１短絡状態
を維持できるようＫする構造に関するものである。
〔従来技術〕
まず、トランジスタを用いたインバータ回路の場合を例
にとって説明する。第１図はこの種のインバータ回路を
単純化して示す回路構成図で、（１）。
（２）　、　（３）　１　（４）はトランジスタ、（５
）　、　（６）Ｉ　（？）　、　ｉ８）はそれぞれトラ
ンジスタ（１）　Ｉ　（２）　、　（３）　、　（４）
に逆並列に接続されたダイオード、（９）は直流電源、
ａＯは負荷、Ｏυは直流電源（９）に並列に接続された
コンデンサである。
トランジスタ（１）　、　（２）およびトランジスタ（
ａ）　、　（４）はそれぞれ直列に接続され、各直列接
続体の両端には直流電源（９）の電圧が印加され、トラ
ンジスタ（１）。
（２）の接続点とトランジスタ（３）　、　（４）の接
続点との間には負荷ＱＯが接続されている。ダイオード
（５）　、　（６）　。
（７）　、　（８）は環流電流を流すために不可欠であ
る。
このインバータ回路の動作は周知であるので説のトラン
ジスタには、為電圧が印加されたままで大電流が流れる
ので、極短時間に破壊する。　−トランジスタが破壊し
た場合、トランジスタのチップは一般に局所が溶融し、
コレクタ・エミッタ間はショート状態となる。しかしな
がら、この短絡時には一般に保譲回路が働いて４源を切
るのであるが、電源が切れるまでの時間が長い場合、あ
るいは電源に接続されているコンデンサー〇容量が大き
い場合には、トランジスタのチップのエミッタ電極を接
続するリード線が溶断して、ベース・エミッタ間が開放
状態になることがしばしば現出する。このエミッタリー
ド線の溶断後には、電源からの電流は、トランジスタの
コレクタからベースに流れるが、この電流値が大きいこ
とと、仁の時には、コレクタ・ベース接合は既に破壊さ
れているのでベースには電源電圧がかかつておるので、
ベース骨ドオイブ回路はたやすく破壊し、場合によって
は発火することもあり、重大な問題となっている。
第２図は、このような状況を試験するための回路を示す
回路図で、被試峡トランジスタ１Ｊ功に可変直流電源（
１１が抵抗ｕ４）を介して接続され、またコンデンサー
ａ〜も並列に接続されている。この試験回路で上記現象
を評価した結果を第３図に示す０横軸はリード線の総断
面積、縦軸はコンデンサ（ハ）忙。ｄ　ｈ　４　ｘ　４
　／Ｌ＝−、ｆ−（。ＶＶ／２）　□ッ１い、。　）図
中、（ａ）はアルミニウム（Ａｔ）ワイヤ、（ｂ）は銀
リード、（Ｃ）はチップアルミニウム（Ａｔ）電極厚み
を２倍にした場合のＡ７ワイヤのリード線の溶断に対す
る耐量である。（ｄ）については後述する。
一般にリード線の数を増やすか、リード線を太くすれば
ｔｒｉは増大するが、電源のコンデンサーＱ５の容量が
増えると耐量がさがる。また、エミッタ電極の厚みを増
やしてもあまり差はない。そのため、Ａｔワイヤを使い
超音波ボンディングでリード付けを行２ているトランジ
スタでは通常使用されているコンデンサー容量で、溶断
に耐えることは、極めて内靴であると言える。それに対
して、銀線を使い半田付りでリード付けを行っているト
ランジスタは、Ａｔワイヤの数倍の耐量をもつことが１
える。
しかしながら、半田付けでリード付けを行っているトラ
ンジスタは、生産性が悪いとか、チップあるいは組立構
造の信頼性が悪い、微細パターンができない為にチップ
の特性が十分でない等の欠点があるため、現在ではパワ
ートランジスタのほとんどはＡｔワイヤボンディングで
作られているのが実情である。
第４図は従来のトランジスタのＡｔワイヤボンディング
の一例を示す一視図、第５図はそのｖ−ｖ線での断面図
で１．ＱＱはトランジスタチップ、Ｑηはコレクタ高不
純物濃度領域、（財）はコレクタ低不純物濃度領域、四
はベース領域、■はエミッタ領域、−ａυはエミッタ電
極、（２）はゲート電極、（２）はコレクタ電極、（財
）はエミッタリード、（ホ）はベースリードを示す。そ
して、矢印はエミッタに流れる電流分布を示す。
第６図は銀線を用い半田付けでリード付けを行った従来
のトランジスタの断面図で、第４図、第５図と同一符号
は同等部分を示す。に）はエミッタリード（ハ）をエミ
ッタ電極Ｑ１）に半田付けする半田である。
第２図の回路で行った調査から、Ａｔワイヤと銀線半田
付けの場合のリード溶断に対する耐量の差は、Ａｔ線と
銀線との通電可能な電流容量の差のみでは説明できない
ことが判った。この差については、以下のように見なす
のが妥当であると考えられる。つまり、Ａｔワイヤボン
ディングの場合の工ミッタ電流の通路が最も狭まく、溶
断が起り易い箇所は、チップＭ上のエミッタＡｔ電極ｃ
２◇のワイヤボンディング部の周辺部分であると考えら
れる。
これは、Ａｔワイヤの径は通常３００４ｍ〜４００μｍ
であるのに対しＡｔ電極の厚みは４〜６μｍであること
と、トランジスタ・チップ（ＩＱにおける電流径路が、
第５図の矢印で示すようにエミッタ・ポンディンを経て
リードＭ（ハ）に集まる基本構造になっており、Ａ７ボ
／ディング部の周辺長がリード溶断耐険を左４　右して
いるからである。
このワイヤボンディング部周辺の溶断については、半田
付けでのリード付けではリードの周りに数百〜数十μｍ
ｎの半田層が形成されているので、Ａｔワイヤ方式に較
べて大変有利である構造になっている。
上記の考えは、次に述べる実験結果からも裏付けられよ
う。
インバータ用のパワートランジスタは、前記したように
環流ダイオードと対になって用いられる。
第７図はこのインバータ用トランジスタの従来の実際的
な構成例を示す斜視図、第８図はその等価回路図である
。前出のものと同一符号は同等部分を示す。°（ホ）は
ここで用いられるモノリシック・ダーリントン会トラン
ジスタ争チップ、（イ）はスピードアップ・ダイオード
・チップ、（ホ）は環流ダイオード・チップ、翰、■は
絶縁板である。なお、Ｇυは抵抗部を示す。
このように、環流ダイオード骨チップ（ホ）がトランジ
スターチップのすぐ隣に配置されている構造の複合素子
を第２図の試験回路で試験を行った場合に、Ａｔワイヤ
方式でも半田リード方式と同程度以上の溶断耐量を示す
ことがあった。これは第３図において（ｄ）で示してい
るデータである。この時にはいつも環流ダイオードに）
が破壊しているという際立った特徴があった。環流ダイ
オード（２）の破　１壊は、トランジスタ・チップ（イ
）が破壊して激しく割れた場合に４Ａに密着していたダ
イオード■も割−れるという形で起ると見なせた。この
ような場合には、トランジスタに）のエミッタ・ワイヤ
は溶断しているのであるが、ダイオード（ホ）のワイヤ
の溶断は起りにくく、破壊きれたダイオード（ホ）側を
大電流が流れているのである。第９図はこの環流ダイオ
ードの断面図で、０４はカソード高不純物濃度Ｃ荀はト
ランジスタ（７）のエミッタ電極Ｑυに接続されるアノ
ード・リードである。この環流ダイオードに）が破壊し
たときに流れる電流を矢印で示す。図示のように、ワイ
ヤボンディング直下の電流が最も大きく、トランジスタ
の場合ワイヤボンディング部の接合の１１を辺長に依存
するのに対して、接合面積の寄与が大きいことがダイオ
ードのワイヤの溶断が起りにくい原因であると考えられ
るわけである。
〔発明の概要」 この発明は以上のような考察にもとづいてなされたもの
で、屯カ用能動素子とダイオードとが同一半導体チップ
内に逆並列に構成されたものにおいて、基板側ではない
共通主電極からリード線を引き出す際に、複数本のリー
ド線をダイオード領域から引出すことによって、事故時
に積極的にダイオードを破壊させリード線の溶断４暇の
大きい電力用半導体装置を提供するものである。
〔発明の実施例〕
第１Ｏ図はこの発明の第１の実施例の構成を示す平面図
、第１１図はそのＭ−Ｍ線での断面図で、前出の符号と
同一符号は同等部分を示す。に）は絶−ドのアノード領
域■はコレクタ領域ｏＳ内にベース＠＊　（１１Ｋ囲ま
れて形成されている。当然、エミッタ電極Ｑυはダイオ
ードのアノード電極を兼ね、コレクタ電極■はダイオー
ドのカソード電極を兼ねている。そして、ダイオードの
アノードリードを兼ねるトランジスタのエミッタ・リー
ド（ハ）はこの実施例では２つの点で接続されている。
短絡時のリード線の溶断は、通常線てのリード　□ｄ’
について同時に起ることはなく一条件の−：＃塘いもの
から順次溶断する。また、リード線の溶断が発生した場
合には、リード線の接続部でチップが熔解し、しばしば
チップが割れることはよく知られていることである。本
発明による構造の目的は、第１に、初期のリード線の溶
断時に１ダイオード領域にチップの熔解、あるいはチッ
プの割れを誘起して、後続する短絡電流を主としてダイ
オード領域に流すことによって素子全体としてのリード
線の溶断に対する耐量ヲ上げることである。
第２に、副次的効果としてエミッタ電極のワイヤ・ボン
ディング１屓域が大幅に増大するので、ワイヤの本数を
増大することによる耐量の改善される効果もある。
第１２図はこの発明の第２の実施例の構成を示す平面図
で、第１０図に示した第１の実施例と異る点は、エミッ
タ・リード（財）の接続部の数が増加したことと、エミ
ッタ通電頭載までの距離の異る接続部が共存しているこ
とである。エミッタ通電ｌ１Ｊｔ域に対する距離が小さ
いリード線の接続部は、距離が大きいダイオード領域中
央の接続部よりも破壊し易いのでまず最初に破壊して、
後続電流が破壊されたダイオードの中央辺を流れ第１０
図の場合よりもいっそう効果を上げることができる。
第１３図は、この発明の第３の実施例の構成を示す平面
図である。第１．２の実施例では、ダイオードをエミッ
タ領域の中央に設けたが、ダイオードをエミッタ領域に
騰接させている点のみ異なっている。第１，２の実施例
の＃ようが本発明の主旨は徹底しているが、比較的小電
力素子では、こちらの構造の＃ようが現実的である場合
がある。
この発明を適用した素子を第２図の回路で試験した結果
、Ａｔワイヤを使用、した場合においても、高い薙率で
もって銀線を使用した場合と同程度のリード溶断耐量を
得ることができた。
以上述べたように、この発明はＡｔワイヤによるリード
取出し方式に著しい効果をもたらすものであるが、リー
ド取出し方式は、Ａｔワイヤに限らず　１半田方式ある
いは他の方式でもかまわない。半田方式のリード溶断耐
量は大きいと言うものの、所詮程度の差に過ぎない。こ
の発明の構造においてＡｔワイヤ方式の代りに半田方式
を適用した場合一段と溶断耐量が向上することは明らか
である。
また、上記説明中のトランジスタの図は、いずれも単体
のトランジスタであったが、ダーリントン・トランジス
タについて同様に適用できることは言うまでもない。
また、上記説明は、トランジスタと環流ダイオードの組
合せであったが、トランジスタと同様にインバータ回路
で使用されるスイッチング素子である、パワーモストラ
ンジスタ、ゲートターンオフサイリスタ、サイリスタ等
と環流ダイオードの組合せにおいても短絡時のリード溶
断に対して、トランジスタの場合と同様の効果があるこ
とは明らかである。
第１４図は環流ダイオードとゲートターンオフサイリス
タまたはサイリスタとを組合わす場合のチップの断面図
で、（２）、（至）、ｒＡ及び■はそれぞれサイリスタ
のアノード領域、ベース領域、ゲート領域及びカソード
領域である。いっけダイオードのアノード電極を兼ねる
サイリスタのカソード電極、に）はゲート電極、（財）
はダイオードのカソード電極を兼ねるサイリスタ゛のア
ノード電極である。このようＫｆｉ然ながら、ダイオー
ドの形成領域にはサイリスタのアノード領域（ロ）を形
成せずにｉｆｔ　＜ことが必要である。
これらの、本発明の適用するにあたっての注意すべきこ
ととして、高周波インバーターの場合、環流ダイオード
は高周波動作にむいた所謂ハイリカバリー・ダイオード
である必要がある。このためダイオード部分に選択的に
ライフタイム・キラーを入れる必要がおうぉうにして生
じる。
ダイオード・をスイッチング素子と同一チップ上に形成
することを含めてこれらのことは、選択拡散技術を中心
とした比較的簡単な工程の追加あるいは変更によって可
能である。
〔発明の効果〕
以上詳述したように１この発明になる車カ用半専体装置
では電力用能動素子とこれに逆並列に接続されたダイオ
ードとが同−半専体チツブ内に構成されたものにおいて
、共通主電極の一方からり−ド線を引き出すに際して複
数本のリード線をダイオード＠域から引き出すようにし
たので、事故時に積極的にダイオードを破壊してリード
線の溶断耐液を改善することができ、事故の周辺回路へ
の波及するのを防止できる。
【図面の簡単な説明】
第１図は一般的なインバータ回路の回路図、第２図はり
一ド溶断試験回路図、第３図はリード溶断試験結果を示
す図、第４図は従来のトランジスタのｈｔワイヤボンデ
ィングの一例を示す斜視図、第５図は第４図のｖ−Ｖ線
での断面図、第６図は半田４＝Ｊけでリード（Ｊけを行
った従来のトランジスタの断面図、第７図はインバータ
用トランジスタの従来の実際例を示す斜視図、第８図は
その等価回路図、＠９図は環流ダイオードの断面ト１、
第１０図はこの発明ｏ’５施例の構成を示す平面図、第
１１図は第１０図の刈−Ｍ線での断面図、第１２図およ
び第１３図はそれぞれこの発明の第２および第３の実施
例の構成を示す平面図、第１４図は環流ダイオードとサ
イリスタまたはゲートターンオアサイリスタとを組み合
わす場合のチップの断面図である。 図において、０ηはトランジスタのコレクター直載、貨
Ｊ１７．□。、オワ２．４私藁′１２゜１通主電極、（
２）は第１の共通主電極、（財）は引出しリード線、（
ロ）はダイオードのアノード領域、（１０はサイリスタ
のアノード領域、０υは第２の共通主電極、（財）は第
１の共通主電極である。 なお、図中−−拘号は同一または相当部分を示す０ 代理人大岩増雄 ？Ｐ　１図 第３１ｙｌ Ａ（辷７うＩｇ丁Ｉ！］稽 ２１５４図 １ 第５図 第７図　：、’ｊ、’　３　、ｒス１ でｒｉｔｌｌ・１ 第１０図 ／Ｊ 第１２１／１ 第１３図　。 １ １ Ｍ５１４１シ１ 手続補正書（自発） 帛 件の表示　１４′願昭５９−０１０５’７２号正をする
者 ４、代 ５、　補正の対象 明細■の詳細な税引の欄並びに図２面の第４図および第
６図 ６、　補正の内容 （１）明細書の第６頁第６行に「＠けゲート亀釦とある
のを「＠けベース電極」と訂正する。 （２）　同、ＷＪ６頁第１２行に「四ハ」とあるのをｒ
　（２４ａ）は」と訂正する。 （８）図面の第４図および第６図をそれぞれ添付図の通
りに訂正する。 マ、　添付書類の目録 訂正後の第４図および第６図を示す図面　１通−以　−
Ｅ 第４０ ！！ 第６１図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 （１）電力用半導体能動素子とダイオードとが互い忙逆
    並列に同一半導体チップ内に形成されたものにおいて、
    上記半導体チップ内の基板層を共有する第１の主電極側
    でない第２の共通主電極からの引き出しリード線をダイ
    オード領域から複数本引き出したことを特徴とする電力
    用半導体装置０（２）電力用半導体能動素子がパワート
    ランジスタで、第２の共通主電極が上記パワートランジ
    スタのエミッタとダイオードの一電極との共通電極であ
    ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の電力用
    半導体装置。 （３）電力用半導体能動素子がパワー・モストランジス
    タで、＃！２の共通主電極が上記パワー・モストランジ
    スタのソースとダイオードの一電極との共通電極である
    ことを特徴とする特許請求の範ｔｔｕｓ　ｉ　’ｍｓ；
    ＋ｓ　σ）ｍ　→１１）＊　４４ｋ　ｍ　ｌ！ＩＦ　−
    （４）　電力用半導体能動素子がサイリスタで、第２の
    共通主電極が上記サイリスタのカソードとダイオードの
    一電極との共通電極であることを特徴とする特許請求の
    範囲第１項記載の電力用半導体装置。 （６）　サイリスタがゲート拳ターン書オフ警サイリス
    タであることを特徴とする特許請求の範囲第４項記載の
    電力用半導体装置。
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