JPS62216367A - 圧接型半導体装置 - 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】 〔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１−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、１〜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Ｇ　Ｔ　
Ｏ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１０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゜５０更に背面側には、熱及び電気伝導率
の高いポスト電極極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側に抑圧され位置決めさ
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、装置稼動時
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ン−１く電極は電気的に一体で
構成されているが、Ｇ　Ｔ”　０や大電力トランジスタ
等の半導体素子］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（８）の構造と基本的に同じであるので、第６図
（ｂ）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＋１ａ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〕

」１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。

４一 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−１ニ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中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Ｑ　＝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ボス１〜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、−１−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。−１−起生導体素子２１の一面（図示では−１
−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。」二部温
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、」二部ゲート電極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。」二部ゲート電極２７は」二部溝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。」二部半導
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、」二部カソード側ポスト電極２５の外周
には」二部フランジ３２、その裏側には裏フランジ３３
を突設し、このフランジを」二部外壁部材３５の端面に
ポスト電ｐＡ２５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髪突設し、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０寸法だけ大径に、内径は、
環状溝２５ａの外径より０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０寸法だけ大径に、開口穴２３ａの径（内径）は、
凹所２５ｂの径（内径）より０寸法だけ小径に形成され
る。−に記各Ｑ寸法はｆｌ＝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
接時及び装置稼動時に半導体素子２１の、」二部ポスト
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０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０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（Ｆ
ＥＭ）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
Ｑは厚みｔと深い関係があり、既に、Ｑ＝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
、　２２．２３と４３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■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■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Ｑ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　、　Ｔ　ｉｍｏｓｈｅｍｋｏ
　ａｎｄ　Ｊ　。

Ｎ、　Ｇｏｏｄｊｅｒ共著のＴｈｅｏｒｙ　ｏｆ　Ｅｌ
ａｓｔｊｃｉｔｙ　（チモシェンコとグツドイヤー両氏
による弾性学）なる則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σ２は次の（１）式より
求まる。

・・・・・・・・・（１） 一例として、Ｑ＝８０Ｍ　Ｐａ、　　ａ　＝０．０］ｍ
ｍ、　　Ｑ　＝０．８ｍｍ、　ｔ　＝　１ｍｍ、すなわ
ち、↓＝０．８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＝Ｏの位置に生じ、その値σｚ１で端面の
Ｑ　＝０．８ｍｍ位置の応力σ２．を除すと０．４５と
最大応力σ２．と端面の応力σ２゜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σ２．が、最大応力σ
２．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対応する横軸を
調べると、−’−＝０．５であり、半径を 方向の突出寸法Ｑは厚みの０．５倍以」二であれば良い
。

ところで、第１１図によると、０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、ｆｉ＝１．３
５ｔのところで効果が零となる。このこと〜０．１が強
度向」二の適正範囲と考えられ、このときの突出寸法ｆ
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２２．２３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」二も図れるのである。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」二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Ｇ
ＴＯ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 (1)

1. 【特許請求の範囲】 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凹所を、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、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。