JPS6021546A - 平型半導体装置 - Google Patents

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】 （利用分野） 本発明は平形半導体装置に関し、特に、主電極とこれを
取υ囲む譲状絶縁体の上下端縁とを連結するｉｉｌ撓性
フランジ構造を有する平形半導体装置に関する。さらに
具体的にいえば、本発明は、形状が簡単で、しかも熱疲
労前＃を大ならしめるに好適な可撓性フランジ構造金有
する平形半導体装置に関するものである。

（背　ｊＡ） 従来よｐｌこの種の干履牛導体装置として第１図に示す
ものが知られてぃる１。

第１図において、１はセラミック製の環状絶縁体で、そ
の上下開放一に１町鵜性フランジ２〜５を介して、銅製
の主′ｗ／Ｌ価６．７が取９付けられている、、前記譲
状絶縁体１、町！１ｌ！性フランジ２〜５および主電極
６，７によって、気密パッケージが形成されてンリ、内
部には不活性ガスが封入されている。

主電極６．７の間には、半導体素子９および、これと固
着されたタングステンおるいはモリブデンよりなる補助
電極板８が挾持・圧接されている。

前記半導体素子９に接続されたゲート端子１３は、前記
譲状絶縁体１ｔｌ−気密に貴通し、外部へ引出されてい
る。

第１図ＶＣ．おいて、司浦性フ２ンジ２と３及び４と５
の外周近傍はろう付によって接合されてぃるので、互い
にラッグしている面の間隙が極めて小となっている。一
方、土竜４１７と半導体素子９間の７Ｊｉｌ圧前のギャ
ップは、数百μｍ程度あるのが普通である。

そのため、主電極６．７に外部から圧接力を加えて実機
に装着すると、第１図に示したシップ境界部、すなわち
譲状絶縁体ｌの内径位１１ＤをよびＤ′において、月ｉ
ｌａ性フ２ンジ２と３及び４と５がＩＩｌｉ！接触し、
その部分に大きな圧接力または折曲力が作用する。

その結果として、主電極６と？ＩＪ浦性７２ンジ２の接
続部、及び主竃伽７と可撓性７２ンジ５の接続部に、前
記圧接力の反力として、大きな応力・またはへき一力が
加わるようになる。

その結果、必要寿命以前に、ｌ！ｔＩ記の接続部が破損
して気密が破れ、究極的に使用に耐えなくなるという欠
点があった。

このような欠点金除去するために、第２図に示すよ５な
溝付き７，５ンジ榊造がｍ案されている。

なン、弟２図において、第１図と同一の符号は、同一ま
たは同等部分′ｆ１：わらわしている。

同図からも明らかなように、この場合は、ｅＩＩ撓性積
板状フランジ２および５に、プレスなどによって、溝２
Ａ，５Ａがそれぞれ形成されている。

このような構造で壷よ、Ｉｌ１１Ｊｋ２溝２人，５人が
バッフ７として作用するので、土竜＠　ａ　ｅ　７に圧
接力を加えて実装した場合における、各主電極とフラン
ジとの績Ｍ＃に加わる応力１たは剥離力が、大幅に低減
される。

しかし、この場合は、Ｉｌ２Ａ，５Ａｔ−形成するため
に、プレス加エエ桶が必要である。

（ｌ　的） 本発明の目的は、上述した各点を改善し、形状が簡単で
、しかも充分な強度と寿命ｔ−有するフランジ構造を備
えた平形半導体鉋置ｔ−提供するζとにある。

（概　要） 前記の目的を達成するために、本発明は、水平フランジ
の溝を無くシ、その代りに、ラップしている種板状の外
および内水乎フランジ間に予定量の間隙を設け、前記間
隙の大きさを、主電極に圧接力を加えて実機に装着した
場合でも、対向している外および内水平フランジが線接
触状態にならないようにした点に４！徴がある。

（実施例） 以下、本発明の一実施例ｔ−第３図により説明する。第
３図は、この実施例の全体構造から、本発明に関する部
分のみを取り出して詳細に図示したものである。

なお、この図において、第１図と同一の符号は、同一ま
たは同等部分をあられしている。

図から明らかなように、本実施例は、種板状の外水平フ
ランジ１７０列端縁付近に下向きのテーパをつけ、前記
外水平フランジ１７と、同じく種板状の内水乎フ２ンジ
１６との間に、予定の間隙を形成した本のである。

前記間−の寸法Ｇは、１電４に７をよび半導体素子９間
の加圧前のギャップ（通常ｔ１５００μｍｌｉ［）と、
加圧力による主電極６．７および七すプデン板８の圧縮
変形量との和以上になるように選定しである。その状態
で内および外周フランジ１６と１７の外周端部を冶金的
に接合し、また、主電極７と町屍性外水平フフンジ１７
も冶金的に接合すれに１気ｖＩＩ性を有する平形半導体
装置が得られる。

また、この場合、１電１に７と外水平フランジ１７との
接合部では、第３図に示したように、下側−すなわち、
中導体累子９の側には、外水平フランジ１７を下向きＫ
（または内側へ）折曲げることによって、隅肉中径（寸
法ａＳ）を設け、一方、上側−すなわち、主電極７の露
出面側では、半田やろう材によって隅肉中径（寸法Ｒ，
）を形成する。

本実施例は、前記の構成であるので、半導体装置の実装
時に、主電極６．７に圧接力を加えた状態においても、
外水平フランジ１７の下面と内水平フランジ１６の上面
とが、線接触をすることはなくなる。

このために、主を極７と外水平フランジ１７の接続部及
びｊ８３図には示していないが、主電極６と対応するフ
ランジとの接続部）に、前記圧接力の反力として、大き
麦応カまたはへき開力か加わるようなことはなくなシ、
結果として信頼性を嵩め、寿命ｔ−延はすことかできる
。

第３図のフランジ構造について、本発明者らが、有限要
素法による応力解析を行なったところ、動作時には、半
導体索子９の発熱によって外水平フランジ１７が加熱さ
れ、熱膨張によってその径方向に伸長するので、外水平
フランジ１７と主電極７との接合部Ａ１外水平フランジ
１７と内水千フランジ１６との外周接合部Ｂ１および環
状絶縁体１の外周面と外水平フランジ１６の接合部Ｃの
３点に応力の集中が生ずることが確題された。

すなわち、主電極７と外水平フランジ１７との接合ｍＡ
では曲げ応力が、外水平フランジ１７と内水平フッンジ
１６との外周接合１１１ＳＢではへ自問応力とせん断応
力が、を九瀬状絶縁係１と内水千フランジ１６との冶金
的な接合外端Ｃではせん新応力が大となる。

しかし、本命ＩＰＩ’４らの実験によれば、前記Ａ。

Ｂ、Ｃの各置所に集中する応力とひずみの最大値は、い
ずれ奄従来の溝付−構造体の応力とひずみの最大値よｐ
小さく、シ九がって、本発明によるフランジ構造は長寿
命を有していることが確ｌＩされえ。

な）、本ｇｊｈｌｌｌ！者らが行なった解析と実験によ
れは、本発明をよシ効果的に実施するには、前記各接合
部Ａ、Ｂ、Ｃに発生する応力を低減することが必要であ
る。

まず、第１に、外水平７２ンジ１７と内水平フランジ１
６の各外径寸法Ｄ２の値を、主電極７の直径寸法り、の
１．５〜１．８倍の範囲に選定することによシ、前記接
合部ＢＫおける応力を減少させることができる。

以下、このことについて詳述する。

動作時に、半導体素子９での発熱によって主電極７０温
度が上昇すると、主電極７の材料と外水平フランジ１７
の材料の線膨張係数の差により、外水平７２ンジ１７は
半径方向外向きの内圧を受ける。

この場合、材料力学の円板の式に基づいて、外水平フ２
ンジ１７について、内径部と外径部の半径方向変位を計
算すると、 （１）寸法比り、／Ｄ、が１．５のときは、外水平フラ
ンジ１７の外径部位置の変位線、内径部の半径方向変位
の８３％となり、また （２）寸法比Ｄｖ／Ｄ、が１．８のときは７３Ｎと小さ
くなる。

その結果、外水平７う／ジ１７の外径端と内水乎フラン
ジ１６の外径端の接合部Ｂの強制変位を１７〜２７％緩
和できることがわかる。これは、外水平フランジ１７が
円板であり、円周方向応力を発生して変位を途中で順次
拘束しているためである。

また、環状絶縁体１の外径端よりの外および内水平フラ
ンジ１７．１６の半径方向突出寸法ｌを、主電極７の直
径寸法Ｉ）ｌの０．１〜０．２倍とすることにより、環
状絶縁体１と内水平７２ンジ１６の連結端Ｃ位置での半
径方向変位を抑え、接続部Ｃでの応力を減少さＷること
ができる。

すなわち、前述と同様に、材料力学の円板の式より　Ａ
ｌｌ記応力を算出すると、内水平フランジ１６も円板で
あ抄、前述と同様に変位拘束するので、Ｃ点の半径方向
変位は上記したＢ点の生様方向変位より小さくなってい
る。

さらに、環状絶縁体１の連結部Ｃ点も環状絶縁体１の熱
膨張によシ、半径方向外向きに変位する。

それ故に、総合的に見て、接続部ＢおよびＣにおけるせ
ん断応力を極めて小さくできる。

一方、土竜［７と外水平７２ンジ１７の接合部Ａでは、
半径方向に不連続形状となっているので、七の付根に応
力とひずみの集中が生じ、疲労強度の面で問題がある。

その対策としては、その付根部に隅肉半径を設けて応力
集中係数’？１１さくすることができる。

不連続の形状および隅肉半径の寸法に基づいて応力集中
係数が得られるデータテーブルと、有限ｌＩｌ素法によ
る応力解析との併用によって調べてみると、主電極７と
外水平フランジ１７との接合部人における隅肉半径凡の
値を、外水平７ツンジ１７の厚みｔの１．５倍Ｓ度以上
にすれば、充分なｇＪｉ度が得られることがわかった。

隅肉半径を大島〈すれば、それに伴い応力集中係数は小
さくなっていく。しかし、あまり大きくしようとすると
、 （１）その為の特別の加工が必要となること、及び（２
）Ｉ１４肉中径を付ける丸めに主電極７の寸法を大幅に
増加させなければならない等、 実用上の問題が生ずる。

本発明者らは、以上の点を総合的に考察し、土竜Ｉｍ７
、内および外水平フランジ１６　’＋　１７及び環状絶
縁体１の全体の組立時と通電稼動時の応力解析を行な９
た。

その結果、半導体素子に園する側には几、ｗ　ｌ、　５
ｔ〜２．０１なる寸法の隅肉半径をつけ、裏面接合部の
とζろはよシ多くの応力集中があるので鳥＝−３，０ｔ
〜４．Ｏｔの隅肉半径ｔ−ｐければ曳いことが分−１）
九〇 このようにすると、蛾大志力は従来の８０％程度にまで
低減出来て、撮寿命の半導体フランジ構造が得られる。

なお、本発明はつぎのように変形して実施することがで
きる。

（１）積板状外水平フラｙジにテーバを付ける代９に譲
板状内水平フランジ１６にテーパを付ける。） （２）　ＪＪＩ状絶状体縁体１側と主電極６との間に設
けられ九水千フランジを、第３図のよりな構成とし、間
隙Ｇを設ける。

（３）上下両側の水平フランジを第３図のような構成と
し、それぞれに間１１１１Ｇを設ける。

（４）積板状外水平７２ンジの内端を外側へ折曲げて隅
肉中径Ｒ１を形成する。

（５）補助電極板を用いずに半導体素子を主電極間に挟
圧させる。この変形において、内外水平フランジ間の間
隙を決める場合、主電極の加圧による圧縮変形量を考慮
すればよい。

（効　果） 以上の説明から明らかなように、本発明の７２ンジ構造
によれば、Ｕ溝等を設けなくてすむので、加工および形
状が簡単となｐ１設計計算の簡略化と信ＩＩＪＩ性の向
上が実現でき、さらに、従来品より応力とひずみが小さ
くなるので長寿命化が達成できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の平形半導体装置の横断面図、第２図は婢
付水乎フランジを有する従来の平形半導体装置の横断面
図、ＩＩ　ｓ図は本発明の一実施例の平形半導体装置の
水平フランジ部を詳細に示したＷｒＩｋｉ図でらる。 １・・・環状絶縁体、２〜５・・・同線性フランジ、６
・７・・・主電極、８・・・補助電極板（モリブデン板
）９・・・半導体素子、１６・・・内水平フラ／ジ、１
７・・・外水平７２ンジ 第１図 第２図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体卓子と、ｔｌｌｌｌ前記半導体金子側から
   挾むように配置され、外部から圧接力か加えられる一対
   の主′＃を極とＮ　ＩＩＪ記半導体水子、および一対の
   主電極を取り囲む譲状絶縁体と、前ｉ己壌状絶縁体の上
   面および一方の主１１１ｍに気密に固着された第１の水
   平フランジと、前起議状絶縁体の下面および他方の主Ｉ
   ｔ情に気密に固着された第２の水平７う／ジとｔ−４す
   る平形半導体装置であって、少なくとも一方の水平フラ
   ンジが、譲状絶縁体の面に気密に接合されて外側へ延在
   する積板状内水平フランジと、対応する主電極の側面に
   ４Ａ！に固着されてその半仕方同外側へ蝙在し、かつ外
   周端において酌配壌板状内水平フランジの外周端と気密
   に接合された環状外水平フランジとを具備し、前記積板
   状の内およびタ１水平フランジ間に、主電極および半導
   体重子間の加圧前のギャップと、加圧力による主電極の
   圧縮変形量との利よりも大白い間隙が残されたこと′４
   ｒ特黴とする平形半導体装置。
2. （２）１ｍ板状の内および外水子フランジの少なくとも
   一方の外周縁近傍にテーパをつけることによって、前記
   間＠全形成したことを特徴とする前１己特許請求の範囲
   第１項鱈已載の平形半導体装置。
3. （３）半導体ぶ子は補助電極に固着されておシ、積板状
   の内および外水子フランジ間に、主電極オよび半導体素
   子間の加圧前のギャップと、加圧力による主電極および
   補助電極板の圧縮変形量の和よりも大きい間隙が鵜され
   たことを特徴とする特許許一求の範囲第１項又は＄２項
   紀畝の平形半導体装置。
4. （４）　フランジの外径寸法が、主電極１１嫌寸法の１
   ．５〜１．８倍に選定されたことを特徴とするＭｉＪ記
   特許請求の範囲第１項〜第３項のいずれかに記載の平形
   半導体装置。
5. （５）ｆＪＩ状絶状体縁体径端よｐの外および内水平フ
   ランジの半径方向突出寸法　倉、主電極の直径寸法の０
   ．１〜０．２倍としたことを特徴とする特許請求の範囲
   第１項〜弟４項のいずれかに記載の平形半導体装置。