WO2000042664A1 - Dispositif a semiconducteur colle par compression - Google Patents

Dispositif a semiconducteur colle par compression Download PDF

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external
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gate electrode
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PCT/JP1999/000120
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Toshinobu Kawamura
Katsumi Satoh
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Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha
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    • H01L2924/1301—Thyristor

Definitions

  • the present invention relates to a press-contact type semiconductor device used for a power conversion device such as a GCT (Gate Commutated Turn-off) thyristor.
  • GCT Gate Commutated Turn-off
  • the GT 0 (Gate Turn-Off) thyristor has been widely used as a device that can be applied to large-capacity power electronics, but it requires a snubber circuit, and the snubber loss increases as the operating voltage increases. It was difficult to control However, the GCT (Gate Commutated Turn-off) thyristor (hereinafter simply referred to as GCT) without the snubber circuit has a maximum cutoff current of 600 A and an off-off accumulation time of 3 ⁇ s. The following performances have been realized, and further increase in capacity and speed have been spurred.
  • FIG. 6 shows a press-contact type semiconductor device described in, for example, JP-A-8-330572, which is a conventional press-contact type semiconductor device including a GCT and a gate drive device for controlling the GCT.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a configuration of the device.
  • 1 denotes a GCT
  • 2 denotes a semiconductor substrate
  • an aluminum gate electrode 2a is formed on the outer peripheral portion of the surface of the semiconductor substrate 2 and a cathode electrode 2b is formed inside the gate electrode 2a, and an anode electrode is formed on the back surface.
  • 2c is formed.
  • Reference numerals 3 and 4 denote cathode strain buffer plates and external cathode electrodes sequentially mounted on the side of the force source electrode 2 b on the surface of the semiconductor substrate 2, and reference numerals 5 and 6 denote the secondary mounting on the node electrode 2 c side, respectively.
  • the gate electrode 7 is a ring gate electrode made of molybdenum and is in contact with the gate electrode 2 a of the semiconductor substrate 2.
  • Reference numeral 8 denotes a ring-shaped external gate terminal made of an iron or nickel alloy, the inner peripheral portion of which is in contact with the ring gate electrode 7, and the outer peripheral portion of which is protruded outward from a side of an insulating cylinder 14 described later.
  • a bent portion 8a is formed on the inside and outside of 14 and a mounting hole 8c is formed in a concentrically uniform portion at a connection portion 8b with a plate-shaped control gate electrode 18 described later.
  • 24 GCTs with a rated 6 kV / 6 kA GCT are formed.
  • Reference numeral 9 denotes an elastic body, which presses the ring gate electrode 7 together with the external gate terminal 8 to the gate electrode 2a via the annular insulator 10.
  • 11 is an insulator
  • 12 is a first flange fixed to the external force electrode 4
  • 13 is a second flange fixed to the external anode electrode 6.
  • Reference numeral 14 denotes an insulating cylinder divided into upper and lower parts.
  • the outer peripheral portion of the external gate terminal 8 projects outward from the side of the insulating cylinder 14 and is fixed by brazing at the divided part 14a.
  • Each end 15 fixed to the first and second flanges 13 and 13 has a structure in which the GCT 1 is sealed.
  • Reference numeral 16 denotes a stack electrode, which pressurizes the GCT 1 and extracts a current, and simultaneously radiates heat from the external cathode electrode 4 and the external anode electrode 6.
  • Reference numeral 17 denotes a plate-shaped control electrode made of an annular metal plate disposed concentrically with the external gate terminal 8
  • reference numeral 18 denotes a plate-shaped control gate electrode made of an annular metal plate, which is concentric with the external gate terminal 8. It is provided and is electrically connected to the outer periphery of the external gate terminal 8 at the inner periphery.
  • Reference numeral 19 denotes an insulating sleeve that insulates the plate-shaped control electrode 17 from the plate-shaped control gate electrode 18, and is fixed to the plate-shaped control electrode 17 and the plate-shaped control gate electrode 18 by fasteners 20.
  • the shape control electrode 17 and the plate-shaped control gate electrode 18 are connected to a gate drive device 21 for controlling the GCT 1.
  • a holding plate such as a washer, which connects the outer periphery of the external gate terminal 8 to the inner periphery of the plate-shaped control gate electrode 18 Part 8b is fixed to the mounting holes 8c with fasteners 24 for each of the mounting holes 8c, and a straightening plate for maintaining the adhesion between the outer periphery of the external gate terminal 8 and the inner periphery of the plate-like control gate electrode 18 Has a role.
  • the connection part 8b is, for example, a GCT with a rating of 6 kV / 4 kA (outer diameter dimension is about 14.7 mm), 18 places, a GCT with a rating of 6 kV / 6 kA (outer diameter dimension is about In 200 mm), there are 24 places.
  • GCT 1 When the GCT 1 is turned on, a gate current is supplied from the gate drive device g 21 to the external gate terminal 8 of the GCT 1 isotropically from the entire circumferential surface, so that the external anode electrode 6 to the external force source electrode 4 Ignite the flowing main current.
  • the main current is extinguished instantaneously by supplying the gate current in the direction opposite to the turn-on.
  • the current falling slope of the gate current at the time of turn-off is about 600 A / us, which is about 100 A // S or more of the rising slope at the time of evening-on.
  • the switching speed can be increased.
  • Increasing the capacity of the GCT has increased the number of segments that are concentrically connected in parallel to the surface of the semiconductor substrate 2 with the increase in the maximum breaking current, inevitably increasing the diameter of the semiconductor substrate 2 and the package. Is conducive to.
  • the plate-like control gate electrode 18 connected to the gate drive device 21 at the outer peripheral portion of the outer gate terminal 8 drawn out from the side of the insulating tube 14 becomes larger.
  • the number of mounting holes 8c for connection will increase, and in the shipping inspection of GCT 1, if the number of gate drive devices 21 is limited, by repeatedly replacing GCT 1, We have to do a shipping inspection. At this time, it takes a lot of labor and time to attach or remove the fastener 24 that fixes the mounting portion 8b. There was a problem that.
  • the holding plate 23 plays a role of a distortion correcting plate for maintaining the adhesion between the outer peripheral portion of the external gate terminal 8 and the inner peripheral portion of the plate-shaped control gate electrode 18. If the thickness is relatively thin, the pressure near the fixing portion of the fastener 24 tends to increase. At this time, at the connecting portion 8b between the outer peripheral portion of the external gate terminal 8 and the inner peripheral portion of the plate-shaped control gate electrode 18, only the vicinity of the fixing portion of the fastener 24 comes into close contact with each other. As a result, the original capability of supplying a uniform gate current to the external gate terminal 8, which is a feature of the GCT 1, cannot be sufficiently exerted, and the current may be locally concentrated and the GCT 1 may be permanently destroyed. There was a problem that there is.
  • the material of the external gate terminal 10 is particularly iron or In the case of a ferromagnetic material such as nickel, the fluctuation of the magnetic flux induced by the repetitive phase reversal of the gate current causes the induction heating effect by the electromagnetic induction, which causes the temperature of the external gate terminal 8 to rise. become.
  • the temperature of the gate electrode 2a increases due to heat generation.
  • the gate electrode 2a provided at the end of the semiconductor substrate 2 is not sufficiently cooled, so that the semiconductor is cooled.
  • the in-plane temperature distribution of Substrate 2 becomes uneven and changes to the characteristics of GCT 1. There was a problem of giving the conversion.
  • an object of the present invention is to provide a press-contact type semiconductor device capable of easily attaching and detaching a GCT to and from a gate drive device.
  • the purpose is.
  • a gate electrode and a cathode electrode are formed on the front surface, a semiconductor substrate having an anode electrode formed on the back surface, an insulating cylinder containing the semiconductor substrate, and a ring gate electrode contacting the gate electrode.
  • a press-contact type semiconductor element having an outer peripheral portion protruding from the side of the insulating cylinder and being fixed to the insulating cylinder and having an inner peripheral portion having an external gate terminal in contact with the ring gate electrode is provided.
  • a control gate electrode that can be connected to an external control device that is electrically connected to the external gate terminal is provided.
  • a support member is provided concentrically with the external gate terminal and has an elastic body that presses a connection portion at which the external gate terminal and the plate-shaped control gate electrode are electrically connected.
  • the pressure-contact type semiconductor element is pressed by the electrode and the supporting member is supported.
  • a support member which is disposed concentrically with the external gate terminal and has an elastic body which presses a connection portion where the external gate terminal and the plate-shaped control gate electrode are electrically connected; When the pressure-contact type semiconductor element is pressed and the supporting member is supported by the step (b), the supporting member presses the external gate terminal against the plate-shaped control gate electrode.
  • the mounting holes and fasteners for fixing the GCT to the plate-shaped control gate electrode of the GCT can be easily removed.
  • the elastic body may be formed in a ring shape.
  • the connecting portion between the outer peripheral portion of the external gate terminal and the inner peripheral portion of the plate-shaped control gate electrode can be uniformly pressed. This makes it possible to prevent the contact of the GCT from becoming like a point contact, and also eliminates the danger of permanent destruction of the GCT due to local concentration of current.
  • a heat radiation mechanism may be provided on the support member.
  • a heat dissipating mechanism is provided on the support member, the heat of the gate electrode portion can be cooled via the ring gate electrode and the external gate electrode, and therefore, the in-plane temperature distribution of the semiconductor body of the GCT is not improved. Uniformity can be suppressed.
  • the heat radiating mechanism may be of a water cooling type. If the radiator is water-cooled, the heat of the gate electrode can be efficiently cooled through the ring gate electrode and the external gate electrode. It is possible to suppress the distribution from becoming uneven.
  • a gate electrode is formed on the outer peripheral portion of the front surface, a force source electrode is formed inside the gate electrode, and a disc-shaped semiconductor substrate having the anode electrode formed on the back surface is formed.
  • An external cathode electrode disposed so as to be capable of being pressed against the cathode electrode, an external anode electrode disposed so as to be capable of being pressed against the anode electrode, an insulating cylinder including a semiconductor substrate, and an annular contacting with the gate electrode.
  • a ring gate electrode and an annular plate protruding from the side of the insulating cylinder and fixed to the insulating cylinder, the inner periphery of which is a ring gate.
  • a press-contact type semiconductor element having an electrode and an external gate terminal in contact with the electrode is provided.
  • a plate-shaped control electrode which is disposed concentrically with the external gate terminal and is electrically connected to the external force source electrode, and which is disposed concentrically with the external gate terminal and has an A plate-shaped control gate electrode electrically connected to the external gate terminal, and the plate-shaped control electrode and the plate-shaped control gate electrode are fixed via a first insulator to form a plate-shaped control electrode and a plate-shaped control gate electrode.
  • a gate drive device that is connected to the gate electrode and controls the gate current.
  • the first solder electrode for pressing the pressure-contact semiconductor element from the external cathode electrode, the pressure-contact semiconductor element for pressure contact from the external anode electrode side, and the external gate terminal and the plate-like control gate electrode are electrically connected.
  • a second stack electrode extending below the electrically connected connection portion.
  • the outer gate terminal and the plate-like control gate electrode are disposed concentrically with the external gate terminal between the connection portion where the external gate terminal is electrically connected to the second stack electrode and press the connection portion in an annular shape.
  • a ring-shaped support member having the formed elastic body, a second stack electrode, and a second insulator that electrically insulates the external gate terminal is provided.
  • the external gate terminal is disposed concentrically with the external gate terminal between a connection portion where the external gate terminal and the plate-shaped control gate electrode are electrically connected and a second stack electrode extending below the connection portion.
  • a ring-shaped support member having an annularly shaped elastic body for pressing the portion
  • a second insulator electrically insulating the second stack electrode and the external gate terminal is provided. Since the supporting member presses the external gate terminal against the plate-shaped control gate electrode, the mounting holes and fasteners for fixing the external gate terminal to the plate-shaped control gate electrode can be eliminated. Attachment to and removal from the electrode can be simplified.
  • the elastic body is formed in a ring shape, the connecting portion between the outer peripheral portion of the external gate terminal and the inner peripheral portion of the plate-shaped control gate electrode can be uniformly pressed. It is possible to prevent the contact of the connecting portion from becoming like a point contact.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a press-contact type semiconductor device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • 2A, 2B and 2C are cross-sectional views showing the configuration of the main part of a press-contact type semiconductor device showing another modification according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a configuration of a main part of a press-contact type semiconductor device according to another modification of the first embodiment.
  • FIG. 4 is a perspective view showing a partial cross-sectional configuration of a press-contact type semiconductor device according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIGS. 5A, 5B, 5C, and 5D are cross-sectional views showing the configuration of main parts of a press-contact type semiconductor device showing another modification according to the second embodiment of the present invention. .
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a configuration of a conventional pressure contact type semiconductor device. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a press-contact type semiconductor device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the press-contact type semiconductor device such as a GCT has a press-contact type semiconductor device including a gate drive device for controlling the GCT.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a semiconductor device.
  • reference numeral 31 denotes a GCT
  • 32 denotes a disc-shaped semiconductor substrate
  • a gate electrode 32 a made of aluminum is formed on an outer peripheral portion of the surface of the semiconductor substrate 32, and a gate electrode 32 a is formed. Aluminium is placed on the back side of the force electrode 3 2 b and the gate electrode 32 a made of aluminum on the inside.
  • An anode electrode 32c made of a metal is formed.
  • 33 and 34 are the cathode strain buffer plates composed of molybdenum and the external force source electrode composed of copper, which are sequentially loaded on the cathode electrode 32b side of the surface of the semiconductor substrate 32, and 35 and 36 are various.
  • An anode strain buffer made of molybdenum and an external anode electrode made of copper are sequentially stacked on the anode electrode 32c side.
  • Reference numeral 37 denotes a ring gate electrode mainly composed of copper, molybdenum, stainless steel, or the like, which is in contact with the gate electrode 32 a of the semiconductor substrate 32.
  • Reference numeral 38 denotes an external gate terminal made of a non-magnetic annular plate composed mainly of a material not subject to electromagnetic induction, such as copper, molybdenum, tungsten, or an alloy thereof, such as phosphor bronze.
  • the outer peripheral portion of the insulating tube 44 comes into contact with the ring gate electrode 37 and protrudes outward from the side of an insulating tube 44 described later.
  • a bent portion 38 a is formed inside and outside the insulating tube 44, and a plate-like shape described later is formed. It is electrically connected to the control gate electrode 49 at the connection section 38b.
  • Reference numeral 39 denotes an elastic body such as a disc spring or a spring, which presses the ring gate electrode 37 together with the external gate terminal 38 via the annular insulator 40 against the gate electrode 32a.
  • Reference numeral 41 denotes an insulator made of an insulating sheet such as polyimide, which is provided between the ring gate electrode 37 and the external gate terminal 38 and the external cathode electrode 34.
  • 42 is a first flange made of iron, nickel or the like fixed to the external force electrode 34
  • 43 is a second flange made of iron, nickel or the like fixed to the external anode electrode 36.
  • Reference numeral 44 denotes an insulating cylinder made of ceramic or the like and divided into upper and lower parts.
  • the outer periphery of the external gate terminal 38 protrudes outward from the side of the insulating cylinder 44 and is fixed at the divided part 44 a.
  • Each end 45 fixed to the first flange 42 and the second flange 43 is fixed so that the GCT 31 is sealed.
  • Reference numeral 46 denotes a first stack electrode for pressing the GCT 31 from the external force electrode 34
  • reference numeral 47 denotes a GCT 31 for pressing the GCT 31 from the external anode electrode 36 side.
  • a second scan electrode extending below a connection portion 38b where the external gate terminal 38 and a plate-shaped control gate electrode 48 described later are electrically connected.
  • the stack electrode composed of the stack electrode 46 and the second stack electrode 47 presses the GCT 1 and draws current, and at the same time, radiates heat from the external force source electrode 34 and the external anode electrode 36.
  • Reference numeral 48 denotes a plate-like control electrode made of an annular metal plate disposed concentrically with the external gate terminal 34, and is pressed against the external force source electrode 34 by the first stack electrode 46.
  • Reference numeral 49 denotes a plate-shaped control gate electrode made of an annular metal plate, which is disposed concentrically with the external gate terminal 38 and is electrically connected to the outer peripheral portion of the external gate terminal 38 at its inner peripheral portion.
  • 50 is an insulating sleeve that insulates the plate-like control electrode 48 and the plate-like control gate electrode 49 from each other, and uses a fastener 51 such as a bolt to connect the plate-like control electrode 48 and the plate-like control gate electrode 49 to each other.
  • a gate drive device 52 for controlling the GCT 31 together with the plate-shaped control electrode 48 and the plate-shaped control gate electrode 49.
  • the reference numeral 53 denotes an external gate terminal 3 between the connection part 38 b where the external gate terminal 38 and the plate-shaped control gate electrode 49 are electrically connected and the second stack electrode 47.
  • the support member is formed concentrically with the support member 8, and is formed in an annular shape to press the connection portion 38b.
  • This support member 53 includes an annular elastic body 54 made of a disc spring or a wave spring, and has an annular gate terminal holding plate 55 made of a metal that presses the connecting portion 38b. , Provided between the second stack electrode 47 and the gate terminal pressing plate 55 to electrically insulate the second stack electrode 47 from the gate terminal pressing plate 55 And a second insulator 56 formed in an annular shape.
  • the GCT 31 When the GCT 31 is turned on, a gate current is supplied from the gate drive device 52 to the external gate terminal 38 of the GCT 31 isotropically from the entire circumferential surface, so that the external anode electrode 3 6 Or The main current flowing from the external force source electrode 34 to the external force source electrode 34 is ignited. When turning off, the main current is extinguished instantaneously by supplying the gate current in the direction opposite to the turn-on. The fall slope of the gate current when this is off is about 600 OA /// s, and the rise slope at turn-on is about 100 A // S. Together with the above, the switching speed can be increased.
  • an external gate terminal which forms a part of a current path from the external cathode electrode 34 to the plate-like control gate electrode 49 is required. It is necessary that the contact 38b between the plate 38 and the plate-like control gate electrode 49 be sufficiently contacted.
  • the second stack electrode 47 is extended to below the connection portion 38 b where the external gate terminal 38 and the plate-shaped control gate electrode 49 are electrically connected
  • the external gate terminal 38 is disposed concentrically with the external gate terminal 38 between the connection part 38 b where the external gate terminal 38 and the plate-shaped control gate electrode 49 are electrically connected and the second stack electrode 47.
  • a supporting member 53 having an elastic body 54 for pressing the connecting portion 38b.
  • the second elastic body 54 is formed in an annular shape. With this configuration, the connecting portion 38 b between the outer peripheral portion of the external gate terminal 38 and the inner peripheral portion of the plate-like control gate electrode 49 can be pressed uniformly, and therefore, the connection can be made. It is possible to prevent the contact of the part 38b from becoming like a point contact, and it is also possible to concentrate current locally and cause permanent destruction of the GCT. You can get rid of it.
  • the external gate terminal 38 can be prevented from being abnormally heated due to local electromagnetic induction due to the magnetic field of the external circuit during high-frequency operation. It becomes possible.
  • the positional relationship between the gate terminal pressing plate 55 containing the elastic body 54 and the second insulator 56 may be upside down, and the same operation and effect as described above can be obtained.
  • the first scanning electrode 46 may be extended to the connection portion 38b in the same manner as the second scanning electrode 47, and the same operation and effect as above can be achieved. .
  • the gate drive device may be an external control device as long as it controls the gate current, and the control gate electrode connectable to the external control device may have a shape other than a plate. Good.
  • FIG. 2A 53 a is arranged concentrically with the external gate terminal 38 between the connecting portion 38 b and the second stack electrode 47, and is formed in an annular shape to press the connecting portion 38 b. It is a supporting member.
  • the support member 53a includes a ring-shaped gate terminal pressing plate 55a made of metal that comes into contact with the external gate terminal 38, and a second elastic body 54. It is composed of a second insulator 56a formed in a ring shape for electrically insulating the anode 47 and the gate terminal pressing plate 55a, and has the same operation and effect as described above.
  • the second insulator 56a is configured to include the second elastic body 54 from the external gate terminal 38 side and the second stack electrode 47 side, and the external gate terminal 38 side
  • the connecting portion 38 b is fixed by the gate terminal pressing plate 55 a and the bolt 57, and is pressed by the urging force of the second elastic body 54.
  • 53 b is disposed concentrically with the external gate terminal 38 between the connection 38 b and the second stack electrode 46, and the connection 38 b is connected to the connection 38 b. It is a support member formed in an annular shape to be pressed.
  • the support member 53 b includes a ring-shaped gate terminal holding plate 55 b made of a metal that comes into contact with the external gate terminal 38, and a second elastic body 54.
  • 53 c is arranged between the connecting portion 38 b and the second stack electrode 47 concentrically with the external gate terminal 38, and presses the connecting portion 38 b in an annular shape. It is a formed support member.
  • This support member 53 c is provided between the connection part 38 b and the second stack electrode 46, and is formed in a second annular shape formed of an insulator including the second elastic body 54.
  • the external gate terminal 38 and the second stack electrode 47 are electrically insulated from the insulator 56c and have the same function and effect as described above.
  • connection part 38 b between the external gate terminal 38 and the plate-like control gate electrode 49 at least the gate terminal pressing plate 55 side Six bolts 58 may be attached.
  • the gate structure of the GCT 31 according to the first embodiment of the present invention has a gate electrode 32 a formed on the outer periphery of the surface of the semiconductor substrate 32 as an example.
  • the gate electrode may be formed in the middle part, and the same operation and effect as above can be obtained.
  • FIG. 4 is a perspective view showing a partial cross-sectional configuration of a press-contact type semiconductor device according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 4 differs from FIG. 1 in that a heat radiation mechanism is provided on the support member. That is, reference numeral 61 denotes a connection portion 38 b in which the external gate terminal 38 and the plate-shaped control gate electrode 48 are electrically connected to each other. An annular support member disposed concentrically with the external gate terminal 38 between the stack electrode 47 and the second stack electrode 47 and pressing the connection portion 38b.
  • the supporting member 61 is formed in a ring shape made of a metal in contact with the plate-shaped control gate electrode 48, for example, a metal obtained by coating oxygen-free copper with a soft metal, and has a heat radiation mechanism 62.
  • a second elastic body 54 formed in an annular shape made of a dish panel or a wave panel; a second stack electrode 47 and a gate terminal holding plate 63 enclosing the second elastic body 54; And a second insulator 64 formed in an annular shape for electrically insulating the second hook electrode 47 from the gate terminal pressing plate 63.
  • the heat radiating mechanism 62 has an annular water passage 65 provided in the gate terminal pressing plate 63, and circulates cooling water through the water passage 65.
  • the heat radiating mechanism 62 is provided on the support member 61.
  • the heat of the gate electrode 32a can be cooled by the heat radiating mechanism 62 via the ring gate electrode 37 and the external gate electrode 38a. It is possible to suppress the in-plane temperature distribution of the semiconductor substrate 32 of the GCT 31 from becoming non-uniform.
  • the heat dissipation mechanism is water-cooled.
  • the heat of the gate electrode 32a can be efficiently cooled by the heat radiation mechanism 62 through the ring gate electrode 37 and the external gate terminal 38, Therefore, it is possible to suppress the in-plane temperature distribution of the semiconductor substrate 32 of the GCT 31 from becoming non-uniform.
  • FIG. 5A, 5B, 5C, and 5D will be described below as modified examples of the heat radiation mechanism 62.
  • FIG. In Fig. 5A, 62a is a heat radiating mechanism, where the inlet and outlet of the cooling water 66 are both located at one point, and the water flow of the cooling water 66 is divided into two parts at the inlet. It is configured to flow in the water channel 65a provided in a and to join again at the outlet.
  • Fig. 5 Smell And 62 b is a heat radiation mechanism, where the inlet and outlet of the cooling water 66 are both located at one place, and the flow of the cooling water 66 goes around the water passage 65 b provided on the gate terminal holding plate 63 b. It is configured as follows. In FIG.
  • reference numeral 62c denotes a heat radiation mechanism, which has two inlets and two outlets for the cooling water 66, and the water flow of the cooling water 66 is substantially half the circumference provided on the gate terminal holding plate 63c.
  • the water passage 65c is configured so as to make a half circumference in the same direction.
  • 62d is a heat dissipating mechanism, which has two inlets and two outlets for cooling water 66, and the flow of cooling water 66 flows almost half way around the gate terminal holding plate 63d. It is configured to make a half circle around 65 d in the same direction in the opposite direction.
  • FIGS. 5A, 5B, 5C, and 5D the same operation and effect as in the second embodiment can be obtained.
  • the press-contact type semiconductor device is suitable for turning on and off a large current of a main circuit at high speed by gate control. ⁇ SVG (reactive power generation device), etc.
  • SVG reactive power generation device

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Description

明 細
圧接型半導体装置 技術分野
この発明は、 G C T (Gate Commutated Turn-off) サイ リス夕のよう な電力変換装置に使用される圧接型半導体装置に関するものである。 背景技術
G T 0 (Gate Turn-Off)サイ リス夕は、 これまで大容量パワーエレク ト ロニクスに応用出来るデバイスとして幅広く利用されているが、 スナバ 回路を必要とし、 この動作電圧の増加に伴うスナバ損失の増加を抑制す ることが困難であった。 しかし、 このスナバ回路を削除した G C T (Gate Commutated Turn-off) サイ リス夕 （以下、 単に G C Tという） によつ て、 最大遮断電流が 6 0 0 0 A及び夕一ンオフ蓄積時間が 3〃 s以下の 性能を実現し、 更なる大容量化及び高速化に拍車がかかっている。
第 6図は、 例えば特開平 8— 3 3 0 5 7 2号公報に記載された圧接型 半導体装置で、 G C Tとこの G C Tを制御するゲート ドライブ装置とを 含めたシステムとしての従来の圧接型半導体装置の構成を示す断面図で ある。 図において、 1は G C Tを示し、 2は半導体基体で、 半導体基体 2の表面の外周部にアルミニゥムのゲ一ト電極 2 a及びその内側にカソ 一ド電極 2 bが形成され、 裏面にアノード電極 2 cが形成されている。 3及び 4はそれそれ半導体基体 2の表面の力ソード電極 2 b側に順次積 載されたカソード歪緩衝板及び外部カソ一ド電極、 5及び 6はそれそれ ァノード電極 2 c側に顺次積載されたアノード歪緩衝板及び外部ァノ一 ド電極、 7はモリブデンからなるリングゲート電極で、 半導体基体 2の ゲート電極 2 aと当接する。 8は鉄もしくはニッケル合金からなる環状 の外部ゲート端子で、 その内周部がリングゲート電極 7と当接され、 そ の外周部が後述する絶縁筒 1 4の側方から外に突出し、 絶縁筒 1 4の内 側及び外側に曲がり部 8 aが形成されるとともに、 後述する板状制御ゲ —ト電極 1 8との接続部 8 bに取付穴 8 cが同心円状の均等箇所に所定 個 （例えば定格 6 k V/ 6 k Aの G C Tでは 2 4個） 形成されている。 9は弾性体で、 環状絶縁体 1 0を介して外部ゲート端子 8 とともにリン グゲート電極 7をゲート電極 2 aに押圧する。 1 1は絶縁体、 1 2は外 部力ソード電極 4に固着された第 1のフランジ、 1 3は外部アノード電 極 6に固着された第 2のフランジである。 1 4は上下に分割された絶縁 筒で、 外部ゲート端子 8の外周部が絶縁筒 1 4の側方から外に突出する とともに分割部 1 4 aでロー付けにて固着され、 絶縁筒 1 4に固着され た各端部 1 5が第 1のフランジ 1 2及び第 2のフランジ 1 3と固着され て、 G C T 1が密閉された構造となっている。
また、 1 6はスタック電極で、 G C T 1を加圧するとともに電流を取 り出し、 同時に外部カソード電極 4及び外部ァノ一ド電極 6からの放熱 を行う。 1 7は外部ゲ一ト端子 8と同心に配設された環状金属板からな る板状制御電極、 1 8は環状金属板からなる板状制御ゲート電極で、 外 部ゲート端子 8と同心に配設されるとともにその内周部において外部ゲ —ト端子 8の外周部と電気的に接続されている。 1 9は板状制御電極 1 7と板状制御ゲート電極 1 8とを絶縁する絶縁スリーブで、 締結具 2 0 で板状制御電極 1 7と板状制御ゲート電極 1 8とに固定され、 板状制御 電極 1 7と板状制御ゲート電極 1 8 とともに G C T 1を制御するゲート ドライブ装置 2 1に接続されている。 2 3は座金のような押さえ板で、 外部ゲート端子 8の外周部と板状制御ゲート電極 1 8の内周部との接続 部 8 bを取付穴 8 c毎に締結具 2 4で固定して外部ゲ一ト端子 8の外周 部と板状制御ゲート電極 1 8の内周部との密着性を保持させる歪矯正板 の役目を担っている。 その接続部 8 bは、 例えば定格 6 k V/ 4 k Aの G C T (外径寸法は約 1 4 7 m m ) では 1 8箇所、 定格 6 k V / 6 k A の G C T (外径寸法は約 2 0 0 m m ) では 2 4箇所設けられている。 次に、 G C T 1の動作について説明する。 G C T 1をターンオンする ときには、 ゲート ドライブ装 g 2 1から G C T 1の外部ゲート端子 8へ ゲート電流を全円周面から等方的に供給することで、 外部アノード電極 6から外部力ソード電極 4へ流れる主電流を点弧する。 また、 夕一ンォ フするときには、 ターンオンと逆方向のゲート電流を供給することで、 主電流を瞬時に消弧する。 このターンオフ時のゲ一ト電流の電流立ち下 がり傾きは、 約 6 0 0 0 A/u sの傾きとなっており、 夕一ンオン時の 立ち上がり傾きの約 1 0 0 0 A / / S以上と合わせて、 スイッチング速 度の高速化を可能としている。
従来の G C T 1は以上のように構成されているので、 以下のような問 題点があった。
G C Tの大容量化は、 最大遮断電流の増大に伴い、 半導体基体 2の表 面に同心円状に並列接続されるセグメント数を増やし、 必然的に半導体 基体 2の大口径化と共にパッケージの大口径化を助長している。 外径寸 法が大きくなればなるほど、 絶縁筒 1 4の側方から外部に引き出した外 部ゲート端子 8の外周部において、 ゲート ドライブ装置 2 1に接続され ている板状制御ゲート電極 1 8と連結するための取付穴 8 cの個数が増 えることになり、 G C T 1の出荷検査において、 ゲート ドライブ装置 2 1の数量に制限がある場合、 G C T 1を繰り返して交換することによつ て、 出荷検査を行わざるを得ない。 このとき、 取付部 8 bを固定する締 結具 2 4の取り付けあるいは取り外し作業に多大な労力及び時問を要す るという問題点があった。 例えば、 定格 6 k V / 6 k Aの G C T 1の出 荷検査 （高温時もしくは低温時のパルス試験による夕一ンオンテス ト， 夕一ンオフテス ト） においては、 2 4箇所の締結具 2 4の取り付け及び 取り外し作業を少なく とも各 3回必要とし、 G C T 1の大容量化によつ てはこのような作業にさらに多大な労力及び時間を要する。
また、 押さえ板 2 3は、 外部ゲート端子 8の外周部と板状制御ゲート 電極 1 8の内周部との密着性を保持させる歪矯正板の役目を担っている が、 押さえ板 2 3の厚みが比較的薄い場合、 締結具 2 4の固定部近傍の 圧力が強くなる傾向がある。 このとき、 外部ゲート端子 8の外周部と板 状制御ゲート電極 1 8の内周部との接続部 8 bにおいて、 締結具 2 4の 固定部近傍しか密着せずに点接触のようになる。 このため、 G C T 1の 特長である、 均一なゲート電流を外部ゲート端子 8に供給するという本 来の能力を十分に発揮出来なくなり、 局部的に電流が集中して G C T 1 の永久破壊を招くおそれがあるという問題点があった。
また、 G C T 1のスイ ッチング速度の高速化は、 例えば 1 k H zを超 える動作周波数領域での大電流制御応用の用途を拡大したが、 特に外部 ゲ一ト端子 1 0の材質が鉄あるいはニッケルのような強磁性体の場合、 ゲート電流の繰り返し位相反転によって誘起される磁束の変動が、 電磁 誘導による誘導加熱作用を引き起こし、 これによつて外部ゲ一ト端子 8 の温度が上昇することになる。 また、 外部ゲート端子 8の材質に関らず 、 部品形状及び配置から、 直接外部ゲート端子 8を冷却させることが難 しいため、 G C T 1の最大遮断電流の増大に伴う大容量化が、 必然的に ゲート電極 2 aの発熱による温度上昇を招く。 カソード電極 2 b及びァ ノード電極 2 cが効果的に冷却が行われるのとは対照的に、 半導体基体 2の端部に設けられたゲート電極 2 aの冷却が十分行われないので、 半 導体基体 2の面内温度分布が不均一なものとなり、 G C T 1の特性に変 化を与えるという問題点があった。
従って、 本発明は上述のような問題点を解決するためになされたもの で、 G C Tのゲ一ト ドライブ装置への取り付け及び取り外しを簡便にす ることができる圧接形半導体装置を提供することを目的としている。 また、 外部ゲート端子の外周部と板状制御ゲート電極の内周部との接 続部の接触が点接触のようになることを防止できる圧接形半導体装置を 提供することを目的としている。
また、 G C Tの半導体基体の面内温度分布が不均一になることを抑制 することができる圧接形半導体装置を提供することを目的としている。 発明の開示
本発明においては、 表面にゲート電極及びカソ一ド電極を形成すると ともに、 裏面にアノード電極が形成された半導体基体と、 この半導体基 体を内包した絶縁筒と、 ゲート電極に当接するリングゲート電極と、 外 周部が絶縁筒の側方から突出するとともに絶縁筒に固着され、 内周部が リングゲート電極と当接する外部ゲート端子とを備えた圧接型半導体素 子を設ける。 また、 外部ゲート端子と電気的に接続された外部の制御装 置に接続可能な制御ゲート電極を設ける。 そして、 外部ゲート端子と同 心に配設され、 上記外部ゲート端子と上記板状制御ゲート電極とが電気 的に接続された接続部を押圧する弾性体を有する支持部材を設け、 ス夕 ック電極で圧接型半導体素子を圧接するとともに支持部材を支持してい る。 外部ゲート端子と同心に配設され、 上記外部ゲート端子と上記板状 制御ゲート電極とが電気的に接続された接続部を押圧する弾性体を有す る支持部材を設け、 ス夕ック電極で圧接型半導体素子を圧接するととも に支持部材を支持している場合には、 支持部材が外部ゲート端子を板状 制御ゲート電極に押圧するので、 外部ゲート端子を板状制御ゲ一ト電極 に固定する取付穴及び締結具を削除でき、 このため、 G C Tの板状制御 ゲ一卜電極への取り付けあるいは取り外しを簡便にさせることが可能と なる。
さらに、 本発明においては、 弾性体が環状に形成されてもよい。 弾性 体が環状に形成された場合には、 外部ゲート端子の外周部と板状制御ゲ ート電極の内周部との接続部を、 均一に押圧することができ、 このため、 該接続部の接触が点接触のようになることを防止させることが可能とな り、 また、 局部的に電流が集中して G C Tの永久破壊を招くおそれをな くすことができる。
さらに、 本発明においては、 支持部材に放熱機構を設けてもよい。 支 持部材に放熱機構を設けた場合には、 ゲート電極部の熱をリングゲ一ト 電極及び外部ゲート電極を介して冷却することができ、 このため、 G C Tの半導体基体の面内温度分布を不均一になることを抑制させることが 可能となる。
さらに、 本発明においては、 放熱機構を水冷式にしてもよい。 放熱機 構を水冷式にした場合には、 ゲ一ト電極部の熱をリングゲート電極及び 外部ゲート電極を介して冷却することが効率的にでき、 このため、 G C Tの半導体基体の面内温度分布を不均一になることを抑制させることが 可能となる。
さらに、 本発明においては、 表面の外周部にゲート電極が形成され、 このゲート電極の内側に力ソード電極を形成するとともに、 裏面にァノ 一ド電極が形成された円板状の半導体基体と、 カソード電極に圧接可能 に配設された外部カソード電極と、 ァノ一ド電極に圧接可能に配設され た外部アノード電極と、 半導体基体を内包した絶縁筒と、 ゲート電極に 当接する環状のリングゲート電極と、 絶縁筒の側方から突出するととも に上記絶縁筒に固着された環状板からなり、 その内周部がリングゲ一ト 電極と当接した外部ゲート端子とを備えた圧接型半導体素子を設ける。 また、 外部ゲート端子と同心に配設されるとともに、 外部力ソード電極 と電気的に接続された板状制御電極と、 外部ゲ一ト端子と同心に配設さ れるとともに、 その内周部において外部ゲ一ト端子と電気的に接続され た板状制御ゲート電極と、 板状制御電極と板状制御ゲート電極とが第 1 の絶縁体を介して固定されて板状制御電極及び板状制御ゲート電極に接 続され、 ゲート電流を制御するゲート ドライブ装置を設ける。 また、 外 部カソード電極から圧接型半導体素子を圧接する第 1のス夕ック電極と、 外部アノード電極側から圧接型半導体素子を圧接するとともに外部ゲー ト端子と板状制御ゲート電極とが電気的に接続された接続部の下方まで 延在させた第 2のスタック電極とからなるス夕ック電極を設ける。 そし て、 外部ゲート端子と板状制御ゲート電極とが電気的に接続された接続 部と第 2のスタック電極との間に外部ゲート端子と同心に配設され、 接 続部を押圧する環状に形成された弾性体と第 2のスタック電極と外部ゲ 一ト端子とを電気的に絶縁する第 2の絶縁体とを有する環状に形成され た支持部材を設けている。 外部ゲ一ト端子と板状制御ゲート電極とが電 気的に接続された接続部とその下方まで延在させた第 2のスタック電極 との間に外部ゲート端子と同心に配設され、 接続部を押圧する環状に形 成された弾性体と第 2のスタック電極と外部ゲート端子とを電気的に絶 縁する第 2の絶縁体とを有する環状に形成された支持部材を設けた場合 には、支持部材が外部ゲート端子を板状制御ゲート電極に押圧するので、 外部ゲート端子を板状制御ゲート電極に固定する取付穴及び締結具を削 除でき、 このため、 G C Tの板状制御ゲート電極への取り付けあるいは 取り外しを簡便にさせることが可能となる。 また、 弾性体が環状に形成 されていることによって、 外部ゲート端子の外周部と板状制御ゲート電 極の内周部との接続部を、 均一に押圧することができ、 このため、 該接 続部の接触が点接触のようになることを防止させることが可能となる。 図面の簡単な説明
第 1図は本発明の実施の形態 1に係る圧接形半導体装置の構成を示す 断面図である。
第 2図 A , 第 2図 B及び第 2図 Cは実施の形態 1に係る他の変形例を 示す圧接形半導体装置の要部の構成を示す断面図である。
第 3図は実施の形態 1に係る他の変形例を示す圧接形半導体装置の要 部の構成を示す断面図である。
第 4図は本発明の実施の形態 2に係る圧接形半導体装置の一部断面構 成を示す斜視図である。
第 5図 A， 第 5図 B， 第 5図 C及び第 5図 Dは本発明の実施の形態 2 に係る他の変形例を示す圧接形半導体装置の要部の構成を示す断面図で ある。
第 6図は従来の圧接形半導体装置の構成を示す断面図である。 発明を実施するための最良の形態
本発明をより詳細に説述するために、 添付の図面に従ってこれを説明 する。
第 1図は本発明の実施の形態 1に係る圧接形半導体装置構成を示す断 面図で、 圧接形半導体素子例えば G C Tに、 この G C Tを制御するゲー ト ドライブ装置を含めたシステムとしての圧接形半導体装置の構成を示 す断面図である。 第 1図において、 3 1は G C Tを示し、 3 2は円板状 の半導体基体で、 半導体基体 3 2表面の外周部にアルミニウムからなる ゲート電極 3 2 aが形成され、 ゲート電極 3 2 aの内側にアルミニウム からなる力ソード電極 3 2 b及びゲート電極 3 2 aの裏側にアルミニゥ ムからなるァノ一ド電極 3 2 cが形成されている。 3 3及び 3 4はそれ それ半導体基体 3 2表面のカソード電極 3 2 b側に順次積載されたモリ ブデンからなるカソード歪緩衝板及び銅からなる外部力ソード電極、 3 5及び 3 6はそれそれアノード電極 3 2 c側に順次積載されたモリブデ ンからなるァノ一ド歪緩衝板及び銅からなる外部ァノード電極である。 3 7は銅、 モリプデン、 ステンレス等を主成分とするリングゲート電極 で、 半導体基体 3 2のゲート電極 3 2 aと当接する。 3 8は銅、 モリプ デン、 タングステン、 またはそれらの合金例えば燐青銅等の電磁誘導を 受けない材料を主成分として構成された非磁性材の環状板からなる外部 ゲート端子で、 その内周部がリングゲート電極 3 7と当接し、 その外周 部が後述する絶縁筒 4 4の側方から外に突出し、 絶縁筒 4 4の内側及び 外側に曲がり部 3 8 aが形成されるとともに後述する板状制御ゲート電 極 4 9と接続部 3 8 bで電気的に接続される。 3 9は皿ばねまたは波ば ねのような弾性体で、 環状絶縁体 4 0を介して外部ゲート端子 3 8とと もにリングゲート電極 3 7をゲート電極 3 2 aに押圧する。 4 1はポリ ィ ミ ド等の絶縁シ一卜からなる絶縁体で、 リングゲ一ト電極 3 7及び外 部ゲート端子 3 8と外部カソ一ド電極 3 4との間に設けられている。 4 2は外部力ソード電極 3 4に固着された鉄、 ニッケル等からなる第 1の フランジ、 4 3は外部アノード電極 3 6に固着された鉄、 ニッケル等か らなる第 2のフランジである。 4 4はセラミック等からなり上下に分割 された絶縁筒で、 外部ゲート端子 3 8の外周が絶縁筒 4 4の側方から外 に突出するとともに分割部 4 4 aで固着され、 絶縁筒 4 4に固着された 各端部 4 5が第 1のフランジ 4 2及び第 2のフランジ 4 3と固着されて、 G C T 3 1が密閉された構造となっている。
また、 4 6は外部力ソード電極 3 4から G C T 3 1を圧接する第 1の スタック電極、 4 7は外部ァノ一ド電極 3 6側から G C T 3 1を圧接す るとともに外部ゲート端子 3 8と後述する板状制御ゲート電極 4 8とが 電気的に接続された接続部 3 8 bの下方まで延在させた第 2のス夕ック 電極で、 第 1のスタック電極 4 6と第 2のスタック電極 4 7とからなる スタック電極が G C T 1を加圧するとともに電流を取り出し、 同時に外 部力ソード電極 3 4及び外部アノード電極 3 6からの放熱を行う。 4 8 は外部ゲート端子 3 4と同心に配設された環状金属板からなる板状制御 電極で、 第 1のスタック電極 4 6によって外部力ソード電極 3 4に圧接 されている。 4 9は環状金属板からなる板状制御ゲート電極で、 外部ゲ ―ト端子 3 8と同心に配設されるとともにその内周部において外部ゲ一 ト端子 3 8の外周部と電気的に接続されている。 5 0は板状制御電極 4 8と板状制御ゲ一ト電極 4 9とを絶縁する絶縁スリーブで、 ボルトなど の締結具 5 1で板状制御電極 4 8と板状制御ゲート電極 4 9とに固定さ れ、 板状制御電極 4 8と板状制御ゲ一ト電極 4 9とともに G C T 3 1を 制御するゲート ドライブ装置 5 2に接続されている。
そして、 5 3は外部ゲート端子 3 8と板状制御ゲート電極 4 9とが電 気的に接続された接続部 3 8 bと第 2のスタック電極 4 7との間に外部 ゲ一ト端子 3 8と同心に配置され、 接続部 3 8 bを押圧する環状に形成 された支持部材である。 この支持部材 5 3は、 皿ばねまたは波ばねから なる環状に形成された弾性体 5 4を内包し、 接続部 3 8 bを押圧する金 属からなる環状に形成されたゲート端子押え板 5 5と、 、 第 2のス夕ッ ク電極 4 7とゲ一卜端子押え板 5 5 との間に設けられ、 第 2のスタック 電極 4 7とゲート端子押え板 5 5とを電気的に絶縁する環状に形成され た第 2の絶縁体 5 6とから構成されている。
次に、 動作について説明する。 G C T 3 1をターンオンするときには、 ゲ一ト ドライブ装置 5 2から G C T 3 1の外部ゲート端子 3 8へゲ一ト 電流を全円周面から等方的に供給することで、 外部アノード電極 3 6か ら外部力ソード電極 3 4へ流れる主電流を点弧する。 また、 ターンオフ するときには、 ターンオンと逆方向のゲート電流を供給することで、 主 電流を瞬時に消弧する。 この夕一ンオフ時のゲート電流の電流立ち下が り傾きは、 約 6 0 0 O A / // sの傾きとなっており、 ターンオン時の立 ち上がり傾きの約 1 0 0 0 A / / S以上と合わせて、 スイッチング速度 の高速化を可能としている。 このように夕一ンオンあるいは夕一ンオフ するときの大電流を瞬時に通電するためには、 外部カソード電極 3 4か ら板状制御ゲート電極 4 9に至る通電路の一部をなす外部ゲート端子 3 8と板状制御ゲート電極 4 9との接続部 3 8 bの接触が十分に行われる 必要がある。
実施の形態 1では、 第 2のスタック電極 4 7を外部ゲ一ト端子 3 8と 板状制御ゲート電極 4 9 とが電気的に接続された接続部 3 8 bの下方ま で延在させ、 外部ゲート端子 3 8と板状制御ゲート電極 4 9とが電気的 に接続された接続部 3 8 bと第 2のスタック電極 4 7との間に外部ゲ一 ト端子 3 8と同心に配設され、 接続部 3 8 bを押圧するの弾性体 5 4を 有する支持部材 5 3を備えている。 このように構成することによって、 支持部材 5 3が接続部 3 8 bを押圧するので、 従来外部ゲート端子 8を 板状制御ゲ一ト電極 1 8に固定するために設けられていた例えば定格 6 k V / S k Aの G C Tでは 2 4箇所の取付穴 8 c， 押さえ板 2 3， 締結 具 2 4を削除でき、 このため、 G C Tの板状制御ゲート電極への取り付 けあるいは取り外しを簡便にさせることが可能となる。
さらに、 第 2の弾性体 5 4が環状に形成されている。 このように構成 することによって、 外部ゲート端子 3 8の外周部と板状制御ゲート電極 4 9の内周部との接続部 3 8 bを、 均一に押圧することができ、 このた め、 接続部 3 8 bの接触が点接触のようになることを防止させることが 可能となり、 また、 局部的に電流が集中して G C Tの永久破壊を招くお それをなくすことができる。
さらに、 外部ゲート端子 3 8の部材を非磁性材にしたことによって、 外部ゲート端子 3 8が、 高周波動作時に外部回路の磁界により局部的に 電磁誘導をうけて異常発熱することを抑制させることが可能となる。 尚、 弾性体 5 4を内包するゲート端子押え板 5 5と、 第 2の絶縁体 5 6との位置関係は上下逆でもよく、 上記と同様の作用効果を奏する。 さらに、 第 1のス夕ック電極 4 6を第 2のス夕ック電極 4 7と同じよ うに、 接続部 3 8 bまで延在させてもよく、 上記と同様の作用効果を奏 する。
また、 ゲート ドライブ装置は、 ゲート電流を制御するものであれば、 外部の制御装置であってもよく、 またこの外部の制御装置に接続可能な 制御ゲート電極は板状以外の形状であってもよい。
さらに、 支持部材 5 3の変形例として、 第 2図 A， 第 2図 B及び第 2 図 Cを次に説明する。 第 2図 Aにおいて、 5 3 aは接続部 3 8 bと第 2 のスタック電極 4 7との間に外部ゲート端子 3 8と同心に配置され、 接 続部 3 8 bを押圧する環状に形成された支持部材である。 この支持部材 5 3 aは、 外部ゲート端子 3 8と当接する金属からなる環状に形成され たゲート端子押え板 5 5 aと、 第 2の弾性体 5 4を内包し、 第 2のス夕 ック電極 4 7とゲート端子押え板 5 5 aとを電気的に絶縁する環状に形 成された第 2の絶縁体 5 6 aとから構成されており、 上記と同様の作用 効果を奏する。 尚、 第 2の絶縁体 5 6 aは第 2の弾性体 5 4を外部ゲー ト端子 3 8側と第 2のスタック電極 4 7側から内包するように構成され 、 その外部ゲート端子 3 8側が、 ゲート端子押え板 5 5 aとボルト 5 7 で固定され、 第 2の弾性体 5 4の付勢力で接続部 3 8 bを押圧している 。 また、 第 2図 Bにおいて、 5 3 bは接続部 3 8 bと第 2のスタック電 極 4 6との間に外部ゲ一ト端子 3 8と同心に配置され、 接続部 3 8 bを 押圧する環状に形成された支持部材である。 この支持部材 5 3 bは、 外 部ゲート端子 3 8と当接する金属からなる環状に形成されたゲ一ト端子 押え板 5 5 bと、 第 2の弾性体 5 4を内包し、 第 2のスタック電極 4 7 とゲート端子押え板 5 5 bとの間に設けられ、 第 2のスタック電極 4 7 とゲート端子押え板 5 5 bとを電気的に絶縁する環状に形成された第 2 の絶縁体 5 6 bとから構成されており、上記と同様の作用効果を奏する。 また、 第 2図 Cにおいて、 5 3 cは接続部 3 8 bと第 2のスタック電極 4 7との間に外部ゲート端子 3 8と同心に配置され、 接続部 3 8 bを押 圧する環状に形成された支持部材である。 この支持部材 5 3 cは、 接続 部 3 8 bと第 2のスタック電極 4 6 との間に設けられ、 第 2の弾性体 5 4を内包した絶縁体からなる環状に形成された第 2の絶縁体 5 6 cから 構成されて外部ゲート端子 3 8と第 2のスタック電極 4 7とを電気的に 絶縁しており、 上記と同様の作用効果を奏する。
さらに、 第 3図に示すように、 外部ゲート端子 3 8と板状制御ゲート 電極 4 9との接続部 3 8 bの接触性を向上させるために、 ゲート端子押 え板 5 5側から多く とも 6個のボルト 5 8を取り付けてもよい。
尚、 本発明の実施の形態 1の G C T 3 1のゲート構造は、 一例として、 半導体基体 3 2の表面の外周部にゲート電極 3 2 aが形成されているも のを示したが、 表面の中間部にゲート電極が形成されているものでもよ く、 上記と同様の作用効果を奏する。
次に、 本発明の実施の形態 2に係る圧接形半導体装置について、 第 4 図を用いて説明する。
第 4図は本発明の実施の形態 2に係る圧接形半導体装置の一部断面構 成を示す斜視図である。 第 4図において第 1図と異なるところは、 支持 部材に放熱機構を設けたところである。 即ち、 6 1は外部ゲート端子 3 8と板状制御ゲ一ト電極 4 8とが電気的に接続された接続部 3 8 bと第 2のスタック電極 4 7との間に外部ゲ一ト端子 3 8と同心に配置され、 接続部 3 8 bを押圧する環状に形成された支持部材である。 この支持部 材 6 1は、 板状制御ゲート電極 4 8と当接する金属例えば無酸素銅に軟 質金属を被膜した金属からなる環状に形成され、 放熱機構 6 2を有する ゲート端子押え板 6 3と、 皿パネまたは波パネからなる環状に形成され た第 2の弾性体 5 4と、 第 2の弾性体 5 4を内包し、 第 2のスタック電 極 4 7とゲート端子押え板 6 3との間に設けられ、 第 2のス夕ック電極 4 7とゲ一ト端子押え板 6 3とを電気的に絶縁する環状に形成された第 2の絶縁体 6 4とから構成されている。 放熱機構 6 2は、 ゲ一ト端子押 え板 6 3内に環状の水路 6 5を設け、 この水路 6 5に冷却水を循環させ ている。
実施の形態 2によれば、 支持部材 6 1に放熱機構 6 2を設けている。 このように構成することによって、 ゲ一卜電極 3 2 a部の熱をリングゲ ート電極 3 7及び外部ゲート電極 3 8 aを介して放熱機構 6 2で冷却す ることができ、 このため、 G C T 3 1の半導体基体 3 2の面内温度分布 を不均一になることを抑制させることが可能となる。
さらに、 放熱機構を水冷式にしている。 このように構成することによ つて、 ゲート電極 3 2 a部の熱をリングゲ一ト電極 3 7及び外部ゲ一ト 端子 3 8を介して放熱機構 6 2で効率的に冷却することができ、 このた め、 G C T 3 1の半導体基体 3 2の面内温度分布を不均一になることを 抑制させることが可能となる。
さらに、 放熱機構 6 2の変形例として、 第 5図 A， 第 5図 B， 第 5図 C及び第 5図 Dを次に説明する。 第 5図 Aにおいて、 6 2 aは放熱機構 で、 冷却水 6 6の入口及び出口が共に一箇所で、 冷却水 6 6の水流は入 口で二手に分かれた後、 ゲート端子押え板 6 3 aに設けられた水路 6 5 a内を流れ、 出口で再び合流するように構成している。 第 5図 Bにおい て、 6 2 bは放熱機構で、 冷却水 6 6の入口及び出口が共に一箇所で、 冷却水 6 6の水流はゲート端子押え板 6 3 bに設けられた水路 6 5 b内 を一周するように構成している。 第 5図 Cにおいて、 6 2 cは放熱機構 で、 冷却水 6 6の入口及び出口が共に二箇所で、 冷却水 6 6の水流はゲ 一ト端子押え板 6 3 cに設けられたほぼ半周の水路 6 5 c内を互いに同 方向に半周するように構成している。 第 5図 Dにおいて、 6 2 dは放熱 機構で、 冷却水 6 6の入口及び出口が共に二箇所で、 冷却水 6 6の水流 はゲート端子押え板 6 3 dに設けられたほぼ半周の水路 6 5 d内を互い に逆同方向に半周するように構成している。 このような第 5図 A , 第 5 図 B , 第 5図 C及び第 5図 Dにおいても、 上記実施の形態 2と同様の作 用効果を奏する。 産業上の利用可能性
以上のように、 本発明にかかる圧接型半導体装置は、 ゲート制御によ り主回路の大電流を高速にターンオン · 夕一ンオフするのに適しており 、 例えば電力用応用としては B T B (自冷式直流送電） · S V G (無効 電力発生装置） 等、 工業用応用としては製紙 ' 製鉄圧延機駆動用大容量 インバー夕等、 電鉄応用としては地上変電所等、 その他高圧大容量スィ ツチ等に適している。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 表面にゲート電極及び力ソード電極を形成するとともに、 裏面にァ ノ一ド電極が形成された半導体基体と、 上記半導体基体を内包した絶縁 筒と、 上記ゲート電極に当接するリングゲート電極と、 外周部が上記絶 縁筒の側方から突出するとともに上記絶縁筒に固着され、 内周部が上記 リングゲート電極と当接する外部ゲ一ト端子とを備えた圧接型半導体素 子、
上記外部ゲート端子と電気的に接続された外部の制御装置に接続可 能な制御ゲート電極、
上記外部ゲート端子と同心に配設され、 上記外部ゲート端子と上記 制御ゲート電極とが電気的に接続された接続部を押圧する弾性体を有す る支持部材、
上記圧接型半導体素子を圧接するとともに上記支持部材を支持する スタック電極
を備えたことを特徴とする圧接型半導体装置。
2 . 弾性体が環状に形成されていることを特徴とする請求項 1記載の圧 接型半導体装置。
3 . 支持部材に放熱機構を設けたことを特徴とする請求項 1記載の圧接 型半導体装置。
4 . 放熱機構が水冷式であることを特徴とする請求項 3記載の圧接型半 導体装置。
5 . 表面の外周部にゲート電極が形成され、 このゲート電極の内側に力 ソ一ド電極を形成するとともに、 裏面にァノ一ド電極が形成された円板 状の半導体基体と、 上記力ソード電極に圧接可能に配設された外部カソ ード電極と、 上記ァノ一ド電極に圧接可能に配設された外部アノード電 極と、 上記半導体基体を内包した絶縁筒と、 上記ゲート電極に当接する 環状のリングゲート電極と、 上記絶縁筒の側方から突出するとともに上 記絶縁筒に固着された環状板からなり、 その内周部が上記リングゲ一ト 電極と当接した外部ゲート端子とを備えた圧接型半導体素子、
上記外部ゲート端子と同心に配設されるとともに、 上記外部カソー ド電極と電気的に接続された板状制御電極と、 上記外部ゲート端子と同 心に配設されるとともに、 その内周部において上記外部ゲート端子と電 気的に接続された板状制御ゲート電極と、 上記板状制御電極と上記板状 制御ゲート電極とが第 1の絶縁体を介して固定されて上記板状制御電極 及び上記板状制御ゲート電極に接続され、 ゲート電流を制御するゲート ドライブ装置、
上記外部カソ一ド電極から上記圧接型半導体素子を圧接する第 1の スタック電極と、 上記外部アノード電極側から上記圧接型半導体素子を 圧接するとともに上記外部ゲート端子と上記板状制御ゲート電極とが電 気的に接続された接続部の下方まで延在させた第 2のスタック電極とか らなるスタック電極、
上記外部ゲ一ト端子と上記板状制御ゲート電極とが電気的に接続さ れた接続部と上記第 2のスタック電極との間に上記外部ゲート端子と同 心に配設され、 上記接続部を押圧する環状に形成された弾性体と上記第 2のスタック電極と上記外部ゲート端子とを電気的に絶縁する第 2の絶 縁体とを有する環状に形成された支持部材
を備えたことを特徴とする圧接型半導体装置。
6 . 支持部材に放熱機構を設けたことを特徴とする請求項 5記載の圧接 型半導体装置。
7 . 放熱機構が水冷式であることを特徴とする請求項 6記載の圧接型半
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