JP2714115B2

JP2714115B2 - 電力用半導体スイッチ装置

Info

Publication number: JP2714115B2
Application number: JP1065859A
Authority: JP
Inventors: 勝石塚; 泰之横野; 弘通大橋; 良雄亀井; 麻子松浦
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-03-31
Filing date: 1989-03-20
Publication date: 1998-02-16
Anticipated expiration: 2013-02-16
Also published as: JPH01315146A

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、電力用半導体スイッチ装置に関する。

（従来の技術）最近、電力回路のスイッチとして半導体スイッチ装置
が広く使用されている。このような用途のうち、数100A
以上の電力回路に用いられる電力用半導体スイッチ装置
は、通常、第11図に示すように構成されている。すなわ
ち、ヒートシンクを兼ねた銅製のアノード電極１と同じ
くヒートシンクを兼ねた銅製のカソード電極２との間に
サイリスタやGTOで代表される半導体スイッチング要素
を構成する半導体チップ３を介在させるとともに半導体
チップ３と各電極1,2との間に異種金属層４を介在さ
せ、さらにアノード電極１とカソード電極２との間から
ゲート電極線５を取り出したものとなっている。なお、
半導体チップ３が収容されている空間は、実際には図示
しない外囲器によって覆われている。そして、実装する
ときには、アノード電極１とカソード電極２との間に図
中太矢印で示すように大きな圧接力を加え、これによっ
て半導体チップ３とアノード電極１およびカソード電極
２との間の熱抵抗を十分小さな値まで減少させるように
している。なお、異種金属層４は、アノード電極１およ
びカソード電極２と半導体チップ３との熱膨張係数の違
いによって半導体チップ３に大きな熱応力が発生するの
を緩和する役目を担っている。

しかしながら，上記のように構成された従来の電力用
半導体スイッチ装置にあっては次のような問題があっ
た。すなわち、電流容量を増加させようとする場合に
は、半導体チップ３からの放熱特性を向上させる必要が
ある。従来のスイッチ装置では、半導体チップ３の電極
面を放熱路として利用しているので、半導体チップ３か
らの放熱を促進させるには大きな圧接力を加える必要が
ある。しかし、圧接力と放熱特性との間には必ずしも比
較関係が成立しないので、大きな圧接力を加えたことに
よって、逆に半導体チップ３に発生する熱応力を緩和さ
せることが困難となり、冷却と言う面から大容量化が困
難であった。また、電流容量を大きくするために、半導
体チップ３の径を大きくすることが考えられる。この場
合には大きな半導体ウェハを必要とする。しかし、スイ
ッチング特性を向上させるには、一般的に半導体ウェハ
に微細加工処理を施す必要があり、上記のように大きな
半導体ウェハ全体に一様な精度で微細加工処理を施すこ
とは極めて難しい。このため，従来の電力用半導体スイ
ッチ装置では，構造上の制約からも大容量でしかもスイ
ッチング特性の良いものを形成することが困難であっ
た。

（発明が解決しようとする課題）上述の如く、従来の電力用半導体スイッチ装置にあっ
ては、構造的に大容量化および高性能化が困難であっ
た。

そこで本発明は、大容量化および高性能化を実現でき
る構造で、しかも実装も容易な電力用半導体スイッチ装
置を提供することを目的としている。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）上記目的を達成するために、本発明に係る電力用半導
体スイッチ装置の１つの例では、ヒートシンクを兼ねた
アノード電極と同じくヒートシンクを兼ねたカソード電
極とで半導体スイッチング要素を構成するチップを挟む
とともに上記両電極間からゲート電極線を取出す構造の
ものにおいて、それぞれ独立した半導体スイッチング素
子チップを定格電流条件を満す数だけ前記両電極間に並
列に配置してなる半導体スイッチング素子チップ群で前
記半導体スイッチング要素を構成している。この例にあ
って、各半導体スイッチング素子チップの回りに、上記
チップに発生する熱応力を緩和させる機能と上記チップ
の外面全体から前記両電極に熱を伝達させる機能とを備
えた伝熱手段を設けると一層効果的である。

（作用）上述した１つの例では、アノード電極とカソード電極
との間に並列に配置される半導体スイッチング素子チッ
プの個数を選択するだけで所望とする電流容量のスイッ
チ装置を得ることが可能なる。一般に、大型の半導体ス
イッチング素子チップを製作する場合に比べ、小型の半
導体スイッチング素子チップを製作する場合の方がはる
かに容易で、しかも微細加工処理精度を上げることがで
きる。つまり、小型であれば特性が均一で、しかも高性
能の半導体スイッチング素子チップを製作できる。した
がって、上記構成であると、小型かつ高性能の半導体ス
イッチング素子チップを必要な数だけ並列配置する方式
を採用できるので、大容量化および高性能化が可能とな
る。しかも、チップの細分化によって，合計断面積が同
じとして比較すると、単一のチップを設けた場合よりチ
ップの側面の面積を大幅に増加させることができる。し
たがって、チップの側面をも有効に使って放熱させるこ
とが可能となる。このため、大容量化しようとしたとき
問題となる放熱の問題も解決できることになる。また、
この構造と前述した伝熱手段とを組み合わせた構造にす
ると、各チップを保護した状態で放熱特性を一層向上さ
せることができる。したがって、圧接方式を採用するこ
となく、放熱上の問題を解決できる。

（実施例）以下、図面を参照しながら実施例を説明する。第１図
には一実施例に係る電力用半導体スイッチ装置の平面図
が示されている。このスイッチ装置は、第２図に示すよ
うに大きく分けて、たとえば厚さ10mm、直径90mmの銅板
で形成され互いに対向配置されたアノード電極11および
カソード電極12と、この両電極間に挿設された窒化アル
ミニウム板13（以後、Al N板と略称する。）と、このAl
N板13に囲まれた状態でアノード電極11とカソード電極
12との間に第１図に示すように挿設された10個の小型の
半導体スイッチング素子チップ14（以後、単にチップと
略称する。）と、アノード電極11とカソード電極12とで
挟まれた部分を封じる絶縁性の外囲器15とで構成されて
いる。

Al N板13は、アノード電極11側に位置する第１のAl N
板16と、カソード電極12側に位置する第２のAl N板17と
を重ね合せた構成となっている。第１のAl N板16および
第２のAl N板17の中心と外縁との間に位置する部分に
は、第３図および第４図に示すように、これら板を重ね
た合せたときアノード電極11とカソード電極12との間に
たとえば一辺が10mmの立方体状の空間18を形成する孔1
9,20が上記中心を中心点として描かれる円に沿って等間
隔に10組設けられている。そして、これら孔19,20によ
って形成された10個の立方体状の空間18に、第４図に示
すように、それぞれアノード電極11との間およびカソー
ド電極12との間にモリブデン板21を介在させた状態で前
述したチップ14が装着されている。なお、２枚のモリブ
デン板21とチップ14とを合計した厚みはAl N板13の厚み
より僅かに大きい値に設定されている。

各チップ14は、シリコンウェハを用いて形成されたMO
SFET,IGBT等の絶縁ゲート形トランジスタで構成されて
いる。これらチップ14のゲート電極線22は、第３図およ
び第４図に示すようにAl N板16,17の合せ面に形成され
た溝23内に沿って、第１図に示すように、一旦、装置の
中心部に導かれ共通に接続されている。そして、この接
続点から第２図に示すようにリード線24が同じく溝23内
に沿って外周方向に延び、このリード線24は外囲器15の
壁を貫通して外部に導かれている。

このように構成された電力用半導体スイッチ装置は、
第４図中に太矢印で示すように、圧接力が加えられた状
態で実装される。なお、モリブデン板21は、熱膨張係数
がチップ14を構成しているシリコンに近い。したがっ
て、モリブデン板21は、アノード電極11およびカソード
電極12とチップ14との熱膨張係数の違いによってチップ
14に発生する厚み方向の熱応力を緩和させるのに寄与す
る。また、Al N板13は、シリコンの熱膨張係数に近い熱
膨張係数を有し、しかも絶縁性に富み、熱伝導性も勝れ
ている。このため、Al N板13は、各チップ14に発生する
径方向の熱応力を緩和させるとともにアノード電極11と
カソード電極12との間の絶縁を保持した状態で各チップ
14の外周面とアノード電極11およびカソード電極12との
間の熱抵抗を減少させるのに寄与する。

このように、アノード電極11とカソード電極12との間
に、この例では10個の独立した小型のチップ14を並列に
配置してスイッチ装置を構成している。チップ14の１個
当りの定格電流容量を50Aとすると、500Aの電流容量を
持ったスイッチ装置を得ることができる。勿論、チップ
14の個数の選択によって所望とする電流容量のスイッチ
装置を得ることができる。一般に、１つの半導体チップ
で500Aの電流容量を得、しかも良好なスイッチング特性
をも得ようとするときには製作上の制約から各部の精度
を一様とすることが困難で、高性能のチップを製作する
こが極めて困難である。しかし、この実施例のようにチ
ップ14を複数並列に配置して所要の電流容量を得る構造
であると、小型かつ高性能のチップを必要な数だけ並列
配置する方式を採用できるので、大容量化および高性能
化が可能となる。しかも、チップの細分化によって、合
計断面積が同じとして比較すると、単一のチップを設け
た場合よりチップの側面の面積を大幅に増加させること
ができる。したがって、側面をも有効に使って良好に放
熱させることが可能となる。このため、大きな圧接力を
必要とせずに良好に放熱させることができ、それだけ各
チップに発生する熱応力の緩和処理も容易となり、結
局、大容量化しようとしたとき問題となる放熱上および
熱応力上の問題も解決できる。なお、この実施例のよう
に、各チップ14を同一円に沿って配置するとともに、各
ゲート電極線22を上記円の中心で共通に結線する構造で
あると各チップ14のスイッチング特性を均一化すること
ができる。

第５図および第６図には、別の実施例に係る電力用半
導体スイッチ装置の要部、つまり第３図および第４図に
対応する部分だけが示されている。したがって、重複す
る部分の説明は省略する。

この実施例に係る電力用半導体スイッチ装置が前記実
施例と異なる点は、第１および第２のAl N16,17に設け
られる孔19a,20aの形状と、チップ14とアノード電極11
との間およびカソード電極12との間に介在させる金属材
の材質とにある。すなわち、孔19a,20aは、第１および
第２のAl N16,17を重ね合せたとき形成される立方体状
の空間18aが第６図に示すように、中央に大径部31が形
成されるように段突き孔に形成されている。なお、この
大径部31は、第１および第２のAl N板16,17を重ね合せ
たときチップ14の周縁部を挟み込み、しかもチップ14の
外周に僅かの環状間隙が形成される大きさに形成されて
いる。一方、チップ14とアノード電極11、カソード電極
12との間ならびにAl N板13とアノード電極11、カソード
電極12との間には、それぞれ導電性および熱伝導性に富
んだ鉛錫合金等の低融点金属が充填されており、組み立
て時にこの低融点金属層32を溶かしてチップ14とアノー
ド電極11およびカソード電極12との間を、いわゆるハン
ダ付けしたものとなっている。

このような構成であると、通電時にチップ14が発熱し
たとき、低融点金属層32が溶解し、これによってチップ
14とアノード電極11およびカソード電極12との間の熱抵
抗を大幅に低下させる。また、Al N板13はチップ14の外
周面からの放熱をアノード電極11およびカソード電極12
に速やかに伝える。したがって、前記実施例に比べて放
熱特性は向上する。また、低融点金属層32ならびにAl N
板13はチップ14に発生する熱応力を緩和させる。したが
って、この実施例では、大容量化ならびに高性能化を図
った状態で、なおかつ圧接治具を不要化できる。

第７図および第８図には、さらに別の実施例に係る電
気用半導体スイッチ装置の要部、つまり第２図および第
４図に対応する部分だけが示されている。したがって、
重複する部分の説明は省略する。

この実施例が前記各実施例と異なる点は、アノード電
極11aおよびカソード電極12aの構成と、電極間に充填さ
れる絶縁材料とにある。すなわち、アノード電極11aお
よびカソード電極12aのチップ14側に位置する面には、
第８図に示すようにチップ14の径より大きい径の凹部41
がそれぞれ設けてあり、これら凹部41内にはこれら凹部
41を完全に埋める大きさのAl N板42が装着されている。
そして、その内側には凹部41を蓋する形に薄い銅板43が
溶接付けされている。チップ14の両端は、アノード電極
11a側に位置する銅板43とカソード電極12a側に位置する
銅板43とに溶接付けされている。一方、アノード電極11
a側に位置する銅板43とカソード電極12a側に位置する銅
板43との間に存在する空間にはAl N粉末44が充填されて
いる。

このような構成であると，チップ14が薄い銅板43に溶
接されており、しかもこの銅板43を介して、このチップ
14を構成しているシリコンの熱膨張係数に近い熱膨張係
数を有したAl N板42に隣接していることになる。また，
チップ14の外周面は力を吸収し易く、しかも熱伝導性に
勝れたAl N粉末44に接触している。したがって、この実
施例においても大容量化ならびに高性能化を図った状態
で、なおかつ圧接治具を不要化できる。

第９図には、さらに別の実施例に係る電力用半導体ス
イッチ装置の要部、つまり前記実施例における第８図に
対応する部分だけが示されている。したがって、重複す
る部分の説明は省略する。

この実施例が前記実施例と異なる点は、アノード電極
11bおよびカソード電極12bの構成と、電極間に充填され
る絶縁材料とにある。すなわち，アノード電極11b内お
よびカソード電極12b内でチップ14に対向する部分に
は、チップ14の径より大きい径の範囲に亙ってチップ14
を構成している材料と同じで、かつ所定の厚みのシリコ
ン板51が埋め込まれている。また、アノード電極11bと
カソード電極12bとの間に形成された空間にはチップ14
を包囲する形に表面が酸化シリコン層52で覆われたシリ
コン板53,54が充填されている。

このような構成であると、チップ14が比較的薄い銅層
55を介して、このチップ14を構成しているシリコンと同
じシリコン板52に隣接していることになる。また，チッ
プ14の外周面も酸化シリコン層52を介して熱膨張係数が
同じであるシリコン板53に接触している。したがって、
シリコン板51,53の存在によって通電発熱時にチップ14
に発生する熱応力が緩和される。また、チップ14で発生
した熱を、一方においては直接アノード電極11bおよび
カソード電極12bに伝えることができ，他方においては
シリコン板53を介してアノード電極11bおよびカソード
電極12bに伝えることができる。したがって、この実施
例においても大容量化ならびに高性能化を図った状態
で，なおかつ圧接治具を不要化できる。

第10図には、本発明のさらに別の実施例に係る電力用
半導体スイッチ装置の縦断面図が示されている。そし
て、この図では第２図および第４図と同一部分が同一符
合で示されている。したがって、重複する部分の詳しい
説明は省略する。

前述した各実施例では、アノード電極11とカソード電
極12との間にチップ14を複数介在させている。この実施
例ではチップ14を１つだけ介在させている。このような
構成でも、モリブデン板21およびAl N板13の存在によっ
て、チップ14の熱応力を緩和させた状態で、チップ14で
発生した熱をチップ14の外面全体を通してアノード電極
11およびカソード電極12に良好に伝えることができる。
したがって、従来の装置に比べて放熱特性を向上させる
ことができ、同じチップを使って、なおかつ大容量化を
実現できる。

［発明の効果］以上述べたように、本発明によれば、放熱上の問題、
熱応力上の問題、製作上の問題を容易に解決でき、大容
量化ならびに高性能化を実現できる。また、容易に大容
量化を図れるので、圧接治具を省略することも可能で、
実装の簡単化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は一実施例に係る電力用半導体スイッチ装置の平
面図、第２図は第１図におけるＡ−Ａ線切断矢視図、第
３図は同装置に組み込まれたAl N板を局部的に取出して
示す分解斜視図、第４図は第１図におけるＢ−Ｂ線に沿
って切断し矢印方向に見た図、第５図は別の実施例に係
る電力用半導体スイッチ装置を局部的に取出して示す分
解斜視図、第６図は同装置の要部だけを取出して示す断
面図、第７図はさらに別の実施例に係る電力用半導体ス
イッチ装置の縦断面図、第８図は同装置の要部だけを取
出して示す断面図、第９図はさらに異なる実施例に係る
電力用半導体スイッチ装置における要部だけを取出して
示す断面図、第10図はさらに異なる実施例に係る電力用
半導体スイッチ装置の縦断面図、第11図は従来の電力用
半導体スイッチ装置の模式図である。 11,11a,11b……アノード電極、12,12a,12b……カソード
電極、13,16,17,42……Al N板、14……半導体スイッチ
ング素子チップ、15……外囲器、21……モリブデン板、
22……ゲート電極線、24……リード線、32……低融点金
属層、43……銅板,44……Al N粉末、51……シリコン
板、53,54……表面が酸化シリコンで覆われたシリコン
板。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者亀井良雄神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝総合研究所内 (72)発明者松浦麻子神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝総合研究所内 (56)参考文献特開昭55−160437（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ヒートシンクを兼ねたアノード電極と同じ
くヒートシンクを兼ねたカソード電極とで半導体スイッ
チング要素を構成するチップを挟むとともに上記両電極
間からゲート電極線を取出してなる電力用半導体スイッ
チ装置において、前記半導体スイッチング要素は、それ
ぞれ独立した半導体スイッチング素子チップを定格電流
条件を満たす数だけ前記両電極間に並列に配置してなる
半導体スイッチイング素子チップ群で構成されているこ
とを特徴とする電力用半導体スイッチ装置。
【請求項２】前記各半導体スイッチング素子チップは、
同一円に沿って配列されている請求項１に記載の電力用
半導体スイッチ装置。
【請求項３】前記各半導体スイッチング素子チップの回
りには、上記各チップに発生する熱応力を緩和させると
ともに上記各チップの表面から前記両電極へ熱を伝達さ
せる伝熱手段が設けられている請求項１に記載の電力用
半導体スイッチ装置。
【請求項４】前記半導体スイッチング素子チップはシリ
コンで構成され、前記伝熱手段は前記両電極内に埋め込
まれた窒化アルミニウム層もしくはシリコン層を含んで
構成されている請求項３に記載の電力用半導体スイッチ
装置。
【請求項５】前記半導体スイッチング素子チップはシリ
コンで構成され、前記伝熱手段は窒化アルミニウム層、
粉末の窒化アルミニウム層、表面が酸化シリコン層で覆
われたシリコン層の中から選ばれた１種を含んで構成さ
れている請求項３に記載の電力用半導体スイッチ装置。