JPH03201543A - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、圧接型半導体装置特に圧接型大電力用半導体
装置のゲート（Ｇａｔｅ）を均一に加圧するのに好適す
るものである。

（従来の技術） 従来の圧接型半導体装置特に圧接型大電力用半導体装置
例えばＧＴＯ（Ｇａｔｅ　Ｔｕｒｎ　０ｆｆＴｈｙｒｉ
ｓｔｅｒ）などでは、ゲート部分に均一な圧力を印加す
るために幾多の改良が加えられており、その構造を第１
図により説明する。

この素子は、セラミック（Ｃｅｒａｍｉｃ）などから成
り外囲器として機能する筒状絶縁物１内にシリコン半導
体基板２から構成するＧＴＯを組込む。この素子中、セ
ンターゲート（Ｃｅｎｔｅｒ　Ｇａｔｅ）方式に限らず
シリコン半導体基板２は、導電型の違う少なくとも４半
導体層を交互に重ねて構成し、その頂面ば、突出した複
数の第１導電型（Ｎ型）の半導体層即ちカソード領域と
し、これに連続して形成する第２導電型（Ｐ型）の半導
体層の一部を露出してゲート領域とする。これに対して
サイドゲート方式にあっては、ゲート領域とカソード領
域の位置関係は同然違ってくる。

ところで、半導体基板２の表面及び他の表面には、ＡＱ
などからなる第１と第２主電極（図示せず）を設け、こ
れに対向して第１及び第２電極部材（図では省略）′を
配置し、更に、第１と第２の電極ポスト５．６を形成す
る。ところで、第１導電型（Ｎ型）のカソード領域の中
央付近に位置するゲート領域を圧接する金属製圧接ゲー
ト電極７を設置するために、シリコン半導体基板２の表
面付近に配置する第１電極ポスト５に段差８を形成する
。この段差８内に設置する金属製圧接ゲート電極７と第
１電極ポスト５間には、例えばテフロンなどの絶縁物Ｊ
１９及び例えば皿バネなどから成る弾性部材１０を設け
てゲート領域を均一に圧接する。

なお、絶縁物ＷＪ９は、半導体基板２の表面に沿った方
向ばかりでなくこれに直交する方向にも配置して電気的
絶縁を確保する。これらの第１電極ボスト５、第１電極
部材及び第１主電極間は、ロー材で固着するか固着しな
いアロイ（ＡＱｎ。ｙ）型かアロイレス（ＩＬＱＱｏｙ
Ｑｅｓｓ）型のいずれかにする。金属製圧接ゲート電極
電極７は、ここを起点にした端部１１を形成し、筒状絶
縁物１を横切って外部に導出する。更に、第２図に明ら
かなように端部１１には、幅が３１＋ＩＩ＋程度の板状
リード１２が途中まで、その先に１＋ｎｍφの線状リー
ド１３がロー付けにより一体として金属製圧接ゲート電
極７を構成する。第３図はリードに単線１４を使用した
例である。なお。

第１電極部材は、熱膨張係数がＳｉに近い高融点金属例
えばＷやＭｏからなる温度補償板（熱緩衝板図示せず）
と、ＡＱ、　Ａｇ、　Ｃｕなどの軟質金属薄板で構威し
、後者を第１主電極に接触配置する。軟質金属薄板とし
ては、箔状の上記金属複数枚で構成することもある。し
かし、第２電極部材は、上記の高融点金属からなる温度
補償板により構成し、第２１！極ポスト及び第２主電極
間は、アロイ型かアロイレス型のいずれかの構造とする
。

（発明が解決しようとする課題） 最近のＧ−Ｔ−０のオフ（Ｏｆｆ）動作用のゲート電極
は、２０００Ａクラスで６０Ａ程度になっておりまた、
高周波領域での使用も増えている。従って、金属製圧接
ゲート電極端部１０の太さも大きくなる傾向にあるため
に、剛性も大きくなって半導体基板２表面と板状及び線
状リード１１．１２の平行度を一定値に維持するのが難
しい。

この結果、弾性体９からの押圧力が金属製圧接ゲート電
極６に均一に掛からずひいてはシリコン半導体基板２も
均等に押圧されないことになり、大電流が部分的に流れ
る現象が起り、シリコン半導体基板２が溶融・破壊が発
生する。

本発明は、このような事情により威されたもので、特に
、金属製圧接ゲート電極が弾性部材の圧力により半導体
基板を均等に押圧する構造を提供することを目的とする
ものである。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 導電型の異なる少なくとも４半導体層を交互に重ねて形
成する半導体基板と、半導体基板の表面に突出して形成
する第１導電型の複数の半導体層と、この半導体層に接
触・連続しかつ表面が露出する第１導電型の半導体層と
、半導体基板の底部である他表面に露出する第２導電型
の半導体層と、半導体基板の表面及び他表面に形成する
第１と第２主電極と、第１と第２主電極に対向・接続し
て形成する第１及び第２電極部材と、第１及び第２電極
部材に隣接して設ける第１と第２の電極ポストと、第１
電極部材に形成する段差部に設置しかつ突出する第１導
電型の複数の半導体層に隣接する第２導電型の半導体層
に電気的に接続する金属製圧接ゲート電極と、第１と第
２の電極ポストの表面の一部を露出した状態で半導体基
板を収容する筒状絶縁物と、金属製圧接ゲート電極を起
点にして筒状絶縁物を横切って外部に導出する金属製圧
接ゲート電極端部と、金属製圧接ゲート電極と延長部間
に形成する金属製緩衝部材に本発明に係わる圧接型半導
体装置の特徴がある。

（作　用） 金属製圧接ゲート電極と金属製圧接ゲート電極端部間に
金属製緩衝部材を配置することより弾性部材の押圧力を
ゲート電極に均等に伝えることができるので、圧接型半
導体装置の信頼性及び歩留りを向上することができる。

（実施例） 本発明に係わる実施例としてアノード短緒型アロイレス
ＧＴＯの断面図を示す第４図を参照して説明する。ただ
し、本発明は、この機種に限らず他のＧＴＯであるアロ
イ型更に、ダーリントントランジスタ（Ｄａｒｌｉｎｇ
ｔｏｎ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｅｒ）にも適用可能であり、
いわゆるセンターゲート（ＣｅｎｔｅｒＧａｔｅ）方式
の機種について説明する。即ち、外囲器として動作し、
アロイレスＧＴＯとして機能する素子を造り込んだシリ
コン半導体基板２０を組込んだ例えばセラミック製の筒
状絶縁物２１は、直線部２２とひだ状部２３で構成され
ている。夫々の長さは、Ｇ−Ｔ−０の定格により決めら
れており、図に明らかなようにひだ状部２３の長さの方
が直線部２２のそれより大きいのが一般的であり、ひだ
状部２３は、外囲器に求められる絶縁耐力により長さが
決められるので、機種によりまちまちである。

筒状絶縁物２１内にマウントされるアロイレスＧＴＯの
細部について簡単に説明すると、導電型が異なる最低４
個のシリコン半導体層を交互に重ねてシリコン半導体基
板２０を構成し、この表面には、第１導電型即ちＮ型を
示してカソード領域として機能する複数の半導体層２４
を突出して形成する。この複数の半導体層２４・・・に
は、ゲート領域として動作する第２導電型即ちＰ型の半
導体層２５が連続して形成されておりかつ、その一部が
突出した第１導電型の半導体層２４・・・底部に露出し
ている。

一方、このＰ型の半導体層２５に連続して第１導電型の
半導体層２６と第２導電型の半導体ＷＪ２７が連続して
形成して導電型の異なる半導体層を交互に重ねた半導体
基板２０を設ける。この底部に露出し素子の陽極として
機能するＰ型の半導体層２７には。

選択的にＮ型の半導体層２６が形成され両＠２７．２６
が露出し更に後述するように共通の導電性金属層例えば
Ａｌ２−５ｉ層を７００℃で溶着して短絡構造の第２主
電極３０を形成する。

突出して形成したＮ型半導体層２４には、例えばＡＱな
との導電性金属層を堆積して第１主電極２９を設置する
が、露出する第２導電型の半導体層２５にも同じく導電
性金居例えばＡＱを堆積して電極３１を形成する。

この表１及び第２主電極２９．３０に隣接・対向して第
１及び第２電極部材３２．３３を半田などの利用なしの
状態即ちアロイレスで設置するが、第１ｆｆｉ極部材３
２は、高融点金属Ｗ、Ｎｏなどの第１の温度補償板３４
に加えて肋、Ａｇ、　Ｃｕなどからなる軟質金属板３５
を配置する。この軟質金属板３５としては。

箔状のこの金属複数枚で構成することもある。これらの
部品及び後述する電極ポストの取付けは、上記のように
アロイレス状態で行うので１反りの問題が発生するので
、圧接電極を設置するために第１及び第２電極部材３２
．３３の構造更に電極ポストの構造も相違する。

このため第２電極部材３３は、第２の温度補償板３６だ
けで構成しており、面電極部材３２．３３には、第１及
び第２電極ポスト３７．３８を接触かつ対向状態で８置
する。この内温１電極ボスト３７には、均一な押圧状態
を得るために銅または銅合金がら成る金属製圧接ゲート
電極３９をＲｗ！するために段差部４０を形成し、はぼ
半導体基板２０の中央部分に露出したゲート電極３１に
金属製圧接ゲート電極３９を押圧状態で接触させる。

この状態を作るために、金属製圧接ゲート電極３９に対
応する段差部４０には、例えばマイカなどの純縁物層４
１を設置して金属製圧接ゲートｆｆ電極３９のほぼ周り
を囲んで絶縁を確保すると共に、両者間に例えばコイル
バネなどの弾性部材４２を設置して２０〜６０ｋｇの均
一な押圧力が印加されるようにする。

金属製圧接ゲート電極３９は、第５図乃至第８図ａ、ｂ
にあるように、筒状絶縁物２１の直線部２２に形成する
Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ製スリーブ４４　（Ｓｌｅｅｖｅ）に
金属製圧接ゲート電極端部４５を挿入固定して外部との
接続に備える。この金属製圧接ゲート電極端部４５は、
素子の機種により異なる寸法に形成されるので、大小の
剛性を持っており、スリーブ４４との中間に金！ｉ４製
緩衝部材４６を設置している。その形状は、第５図の撚
線、第６図に示した網目、第７図に明らかにしたクツシ
ョン（Ｃｕｓｈｉｏｎ）のようにし、寸法としては、長
さが１０ＩＩＩ１１〜１５ｎ１１１、幅３ｎｎ程度とし
。

撚線や網目用銅または銅合金細線径を０．１ｎｎ位とす
る。また、網目の大きさは、使用する銅または銅合金細
線径の約１７３か２／３とする。この外には、０．１ｍ
径の銅または銅合金細線を上記の寸法に束ねたり、銅ま
たは調合金製の薄板を液状に撓ませて金属製緩衝部材４
６としても良い。

要するに金属製圧接ゲート電極３９と金属製圧接ゲート
電極端部４５の保有する大小の剛性を中間に設置する金
属製緩衝部材４６により緩和する役割りを果たすもので
、材質は、加工硬化の程度が小さい銀の外に銅及び銅合
金が適用できる。網目の形成には、無酸素銅が、撚線や
網目用素線（φ０．１２〜０．１８ｎ＊）にＮｉまたは
銀メツキしたものが都合が良い。と言うのは、銀や銀合
金製圧接ゲート電極端部４５は、第８図ａ、ｂに示した
カシメ部４７に金属製緩衝部材４６をロー付けにより一
体としているので、銀ロー付は工程における相互拡散に
より素線同士が接合するのを防止できるからである。第
７図のクツションを形成するのには、素線を潰して平板
状とし、その中央部をＵ字状として形成する。

このように金属製圧接ゲート電極端部４５には、銅また
は銅合金を利用するが、直径が１　ｎｎ程度のものをＦ
ｅ−Ｎｉ−Ｃｏ１１Ｉスリーブ４４に挿入して筒状絶縁
物２１外に導出するのは上述の通りである。また、筒状
Ｍ屑物２１内にＧＴＯをマウントするには、第１及び第
２電極ポスト３７，３８端に取付けたフランジ４８．４
９と筒状絶縁物２１の直線部２２間をロー付けにより一
体として、圧接型半導体装置を完成する。

〔発明の効果〕

金Ｘ製圧接ゲート電極を半導体基板に押付ける力は１弾
性部材により決り、ＧＴＯなどの定格にもよるが１０〜
６０ｋｇが一般的であり、金属製圧接ゲート電極端部即
ち外部導出リードは、ゲート電流に応じて太くなり、φ
２〜３画の単線も利用されており、このように太い場合
には、均一に押付けることができない。

しかし、本発明では、金属製緩衝部材が金ｇｔ製圧接ゲ
ート１を極端部とスリーブの中間に設置されて自由に曲
げられる箇所を設置したので、太い外部リードの使用が
可能になった。半導体基板とゲート電極間における圧力
が均一に当たっているかどうかを金属製圧接ゲート電極
とゲート電極間に感圧紙に挟んで調査したところ、従来
構造では、ゲート電極面積の約半分しか当たらないのに
対して、本発明に係わる圧接型半導体装置では、９５％
以上が当たっていることが確認され、また、ＧＴＯの通
電テストでも５００時間位で従来構造の素子に発生する
微小な溶融跡が、本発明素子では倍の１０００時間経過
後でも見られなかった。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の圧接型半導体装置の概略を示す断面図
、第２図及び第３図は、その要部の断面図、第４図は、
本発明の一実施例に係わる圧接型半導体装置の要部断面
図、第５図乃至第７図は、第４図に示した装置の主要部
の断面図、第８図ａ。 ｂは、この主要部の取付状態を明らかにする断面図であ
る。 ２．２０：半導体基板、１．２１　：　ｆ２ｉ状絶縁物
、２２：直線部、２３：ひだ状部、２４：カソード領域
。 ２５：ゲート領域、２Ｇ＝第１導電型の半導体層、２７
：第２導電型の半導体層、２９：第１の主電極、３０：
第２の主電極、３１：ゲート電極、３２：第１の電極部
材、３３：第２の電極部材、３４．３６：第１及び第２
の温度補償板、３５：軟質金属板、 ５、６，３７，３８：第１及び第２の電極ポスト。 ７．３９：金属製圧接ゲート電極、 ８．４０：段差部、９．４］：Ｉ！！縁物屑物層０．４
２：弾性部材、４４ニスリーブ、１１．４５：金属製圧
接ゲート電極端部、４６：金属製緩衝部材、４７：カシ
メ部、４８．４９：フランジ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 導電型の異なる少なくとも４半導体層を交互に重ねて形
   成する半導体基板と、半導体基板の表面に突出して形成
   する第１導電型の複数の半導体層と、この半導体層に接
   触・連続しかつ表面の一部が露出する第２導電型の半導
   体層と、半導体基板の底部である他表面に露出する第２
   導電型の半導体層と、半導体基板の表面及び他表面に形
   成する第１と第２主電極と、第１と第２主電極に対向接
   続して形成する第１及び第２電極部材と、第１及び第２
   電極部材に隣接して設ける第１と第２の電極ポストと、
   第１電極部材に形成する段差部に設置かつ突出する第１
   導電型の複数の半導体層に隣接する第２導電型の半導体
   層に電気的に接続する金属製圧接ゲート電極と、第１と
   第２の電極ポストの表面の一部を露出した状態で半導体
   基板を収容する筒状絶縁物と、金属製圧接ゲート電極を
   起点にして筒状絶縁物を横切って外部に導出する金属製
   圧接ゲート電極端部と、金属製圧接ゲート電極と延長部
   間に形成する金属製緩衝部材を具備することを特徴とす
   る圧接型半導体装置。