(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面にゲート電極及びカソー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、
上記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、
上記アノード電極に圧接可能に配設された外部アノード電極、
上記半導体基体を内包した絶縁筒、
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定され、内周部に上記ゲート電極と当接するリング状の突起部が形成された外部ゲート端子、
上記外部ゲート端子を上記ゲート電極に押圧する弾性体
を備えたことを特徴とする圧接型半導体装置。
【請求項２】
外部ゲート端子の突起部と弾性体との間にリング状の圧接補助ブロック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。
【請求項３】
外部ゲート端子の部材を非磁性材にしたことを特徴とする請求項２記載の圧接型半導体装置。
【請求項４】
外部ゲート端子に突起部が一体形成されたことを特徴とする請求項１記載の圧接型半導体装置。
【請求項５】
外部ゲート端子の部材を非磁性材にしたことを特徴とする請求項４記載の圧接型半導体装置。
【請求項６】
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カソー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円板状の半導体基体、
上記カソード電極にカソード歪緩衝板を介して圧接可能に配設され、第１のフランジを有する外部カソード電極、
上記アノード電極にアノード歪緩衝板を介して圧接可能に配設され、第２のフランジを有する外部アノード電極、
上記半導体基体、カソード歪緩衝板及びアノード歪緩衝板を内包し、上記第１のフランジ及び上記第２のフランジと固着された各端部に固着された絶縁筒、
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気密に固着された環状板からなり、内周部が上記ゲート電極と当接するリング状の突起部が形成された外部ゲート端子、
上記外部ゲート端子を上記ゲート電極に押圧する弾性体、
上記外部ゲート端子の内周部と上記外部カソード電極とを電気的に絶縁する絶縁体を備えたことを特徴とする圧接型半導体装置。
【請求項７】
外部ゲート端子の突起部と弾性体との間にリング状の圧接補助ブロックを設けたことを特徴とする請求項６記載の圧接型半導体装置。
【請求項８】
外部ゲート端子に突起部が一体形成されたことを特徴とする請求項６記載の圧接型半導体装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
この発明は、GTO（Gate Commutated Turn−off）サイリスタのような圧接型半導体装置に関するものである。
背景技術
GCT（Gate Turn−Off）サイリスタは、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GCT（Gate Commutated Turn−off）サイリスタ（以下、単にGCTという）によって、最大遮断電流が6000A及びターンオフ蓄積時間が３μｓ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３図は、従来の圧接型半導体装置で、例えば特開平８−330572号公報に記載されたGCTの構成を示す断面図である。図において、１はGCT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ウムのゲート電極2aが形成され、ゲート電極2aの内側にカソード電極2b及びゲート電極2aの裏側にアノード電極2cが形成されている。３及び４はそれぞれ半導体基体２の表面のカソード電極2b側に順次積載されたカソード歪緩衝板及び外部カソード電極、５及び６はそれぞれアノード電極2c側に順次積載されたアノード歪緩衝板及び外部アノード電極、７は鉄もしくはニッケル合金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2aに接する。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、固定されていないがリングゲート電極７と電気的に接続されている。９は皿ばねのような弾性体で、環状絶縁体10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2aに押圧する。11はリングゲート電極７とカソード歪緩衝板３及び外部カソード電極４とを絶縁する絶縁体、12は外部カソード電極４に固着された第１のフランジ、13は外部アノード電極６に固着された第２のフランジ、14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８の外周が絶縁筒14の側方から外に突出するとともに分割部14aにロー付けにて気密に固着され、絶縁筒14にロー付けにて固着された端部15は第１及び第２のフランジ12及び13とアーク溶接にて気密に固着されて、GCT1は密閉された構造になっており、この内部は不活性ガスで置換されている。
次に、GCT1の動作について説明する。GCT1をターンオフするときには外部ゲート端子８から外部カソード電極４に向かって電流を流す。このときのゲート電流の電流立ち上がり傾きは、例えばGCT1を電流制限リアクトル無しで動作させる場合、一般に1000A/μｓ以上とし、GCT1のターンオン広がり速度を速める必要がある。又、ターンオフするときには外部カソード電極４から外部ゲート端子８に向かって電流を流すが、ターンオフを補助するスナバ回路無しで動作させるためには、GCT1の主電流に相当する電流を約１μｓでゲートに転流させるため、数千A/μｓの傾きで通電する必要がある。このような大電流を瞬時に通電するためには外部ゲート端子８から外部カソード電極４に至る通電路の接触抵抗を極力小さくする必要がある。
半導体基体２のカソード電極2b、カソード歪緩衝板３、外部カソード電極４はGCT1の外側から数100kg/cm2の大きな力で圧接されるが、弾性体９が外部カソード電極４の外周部に配置されているため、半導体基体２のゲート電極2aとリングゲート電極７、外部ゲート端子８は弾性体９のみで圧接される。このため、外部ゲート端子８とリングゲート電極７の接触部Ａの圧力は数kg/cm2となり、前記のような大電力を瞬時に通電するのに十分な接触抵抗を得られない場合があった。
従来のGCT1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。
外部ゲート端子８と絶縁筒14の分割部14aとのロー付け時の熱残留応力による歪みにより、外部ゲート端子８の内周部とリングゲート電極７の接触部Ａにおいて、外部ゲート端子８が円周方向にうねりを発生することがあった。しかし、外部ゲート端子８が弾性体９のみで圧接されるため、接触部Ａの圧力は数kg/cm2となり、該うねりを矯正することができなかった。このため、接触部Ａの接触抵抗が所望の接触抵抗よりも大きくなる、即ち外部ゲート端子８から外部カソード電極４に至る通電路の接触抵抗が大きくなるという問題点があった。この結果、GCT1のターンオフ時における逆方向ゲート電流の傾きが不足する等、ゲートの通電能力を阻害する要因となっていた。
又、該うねりに伴う接触異常は、環状の外部ゲート端子８の面内で接触抵抗のばらつきを生むという問題点があった。この結果、部分的にゲート電流の通電能力が低下して極端なターンオフ能力の低下を招くことがあった。
又、外部ゲート端子８には、絶縁筒14の材料であるセラミックとのロー付けの容易さから鉄もしくはニッケル合金を用いているので、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し、半導体基体２の特性にも影響を及ぼす場合があるという問題点があった。
従って、本発明は、外部ゲート端子から外部カソード電極に至る通電路の接触抵抗が大きくなることを抑制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。
又、外部ゲート端子の内周部とリングゲート電極の接触部において、外部ゲート端子が円周方向に発生するうねりに伴う外部ゲート端子の面内での接触抵抗のばらつきを発生することを抑制できる圧接形導体装置を提供することを目的としている。
又、外部ゲート端子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、半導体基体の表面にゲート電極及びカソード電極を形成するとともに、裏面にアノード電極を形成する。また、このカソード電極に外部カソード電極を圧接可能に配設し、アノード電極に外部アノード電極を圧接可能に配設する。そして、半導体基体を内包した絶縁筒を設け、この絶縁筒の側方から外周部が突出されるとともに内周部がゲート電極と当接する突起部が形成された外部ゲート端子を設けて、この外部ゲート端子をゲート電極に弾性体で押圧している。このようにゲート電極と当接する突起部が形成された外部ゲート端子を設けて、この外部ゲート端子をゲート電極に弾性体で押圧した場合には、外部ゲート端子とゲート電極とが直接接触し、従来の技術で外部ゲート端子とリングゲート電極との間に介在していた接触抵抗をなくすことができ、このため、外部ゲート端子から外部カソード電極に至る通電路の接触抵抗が大きくなることを抑制させることが可能となり、また、ゲートの通電能力を向上させることができる。
さらに、本発明においては、外部ゲート端子の突起部と弾性体との間にリング状の圧接補助ブロックを設けもよい。このように外部ゲート端子の突起部と弾性体との間にリング状の圧接補助ブロックを設けた場合には、外部ゲート端子と電極との接触部における圧接力のばらつきを緩和することができ、このため、外部ゲート端子と絶縁筒とのロー付け時の熱残留応力による歪みにより、外部ゲート端子の内周部に発生するうねりに伴う外部ゲート端子の面内で接触抵抗のばらつきが発生す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、ゲート電極と当接する突起部を外部ゲート端子に一体形成にしてもよい。このようにゲート電極と当接する突起部を外部ゲート端子に一体形成にした場合には、外部ゲート端子とゲート電極とが直接接触し、従来の技術で外部ゲート端子とリングゲート電極との間に介在していた接触抵抗をなくすことができ、このため、外部ゲート端子から外部カソード電極に至る通電路の接触抵抗が大きく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、ゲート電極と当接する突起部をリング状にしてもよい。このようにゲート電極と当接する突起部をリング状にした場合には、外部ゲート端子とゲート電極との接触部の圧接力は、従来の数10倍程度に増加することができ、このため、外部ゲート端子と絶縁筒とのロー付け時の熱残留応力による歪みにより、外部ゲート端子の内周部に発生するうねりを矯正し、大電力を瞬時に通電するのに十分な接触抵抗を得させることが可能となる。
さらに、本発明においては、外部ゲート端子の部材を非磁性材にしてもよい。このように外部ゲート端子の部材を非磁性材にした場合には、外部ゲート端子が、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。
さらに、本発明においては、円板状をした半導体基体の表面の外周部にゲート電極を形成してこのゲート電極の内側にカソード電極を形成するとともに、裏面にアノード電極を形成する。また、このカソード電極にカソード歪緩衝板を介して第１のフランジを有する外部カソード電極を圧接可能に配設するとともに、アノード電極にアノード歪緩衝板を介して第２のフランジを有する外部アノード電極を圧接可能に配設し、半導体基体、カソード歪緩衝板及びアノード歪緩衝板を内包して第１のフランジ及び第２のフランジと固着された各端部に固着された絶縁筒を設けている。そして、この絶縁筒に固着され、外周部が絶縁筒の側方から突出されるとともに内周部がゲート電極と当接する突起部が形成された環状板からなる外部ゲート端子を設け、この外部ゲート端子を弾性体でゲート電極に押圧して、外部ゲート端子の内周部と外部カソード電極とを電気的に絶縁する絶縁体を備えている。このようにゲート電極と当接する突起部が形成された環状板からなる外部ゲート端子を設け、この外部ゲート端子を弾性体でゲート電極に押圧した場合には、外部ゲート端子とゲート電極とが直接接触し、従来の技術で外部ゲート端子とリングゲート電極との間に介在していた接触抵抗をなくすことができ、このため、外部ゲート端子から外部カソード電極に至る通電路の接触抵抗が大きくなることを抑制させることが可能となり、また、ゲートの通電能力を向上させることができる。
【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図は本発明の実施の形態２に係る圧接形半導体装置の構成を示す断面図である。
第３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、例えばGCTの構成を示す断面図である。第１図において、21はGCTを示し、22は円板状の半導体基体で、半導体基体22表面の外周部にアルミニウムからなるゲート電極22aが形成され、ゲート電極22aの内側にアルミニウムからなるカソード電極22b及びゲート電極22aの裏側にアルミニウムからなるアノード電極22cが形成されている。23及び24はそれぞれ半導体基体22表面のカソード電極22b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カソード電極、25及び26はそれぞれアノード電極22c側に順次積載されたモリブデンからなるアノード歪緩衝板及び銅からなる外部アノード電極である。27は外部カソード電極24に固着された鉄、ニッケル等からなる第１のフランジ、28は外部アノード電極26に固着された鉄、ニッケル等からなる第２のフランジ、29はセラミックなどからなる絶縁筒で、分割部29aで上下に分割されている。30は銅、モリブデン、タングステン、又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、外周部が絶縁筒29の側方から外に突出するとともに分割部29aにロー付けにて気密に固着され、内周部にゲート電極22aに当接するリング状の突起部30aが形成されており、この突起部30aのゲート電極22aに当接する先端部は約0.5mmのリング状の平面部を有している。31は皿ばね又は波ばね等からなる弾性体で、後述の圧接補助ブロック32を介して外部ゲート端子30をゲート電極22aに押圧している。32はリング状のモリブデン等の剛性があり熱膨脹率がシリコンに近い材料からなる圧接補助ブロックで、弾性体31と外部ゲート端子30の突起部30aとの間に配設され、環状絶縁体33で弾性体31と圧接補助ブロック32とを電気的に絶縁している。35はテフロンあるいはポリイミド等の絶縁シートからなる絶縁体で、外部ゲート端子30の内周部と外部カソード電極24との間に設けられ、外部ゲート端子30の内周部と外部カソード電極24とを電気的に絶縁している。36は鉄、ニッケル等からなる端部で、一方が絶縁筒29と気密に固着され他方が第１のフランジ27または第２のフランジ28と気密に固着されてGCT21が密閉された構造になっており、この内部は不活性ガスで置換されている。
次に、動作について説明する。GCT21をターンオフするときには、外部ゲート端子30から外部カソード電極24に向かって電流を流す。このときのゲート電流の電流立ち上がり傾きは、例えばGCT21を電流制限リアクトル無しで動作させる場合、一般に1000A/μｓ以上とし、GCT21のターンオン広がり速度を速める必要がある。又、ターンオフするときには外部カソード電極24から外部ゲート端子30に向かって電流を流すが、ターンオフを補助するスナバ回路無しで動作させるためには、GCT21の主電流に相当する電流を約１μｓでゲートに転流させるため、数千A/μｓの傾きで通電する必要がある。このようにターンオンあるいはターンオフするときの大電流を瞬時に通電するためには、外部ゲート端子30から外部カソード電極24に至る通電路の接触抵抗を極力小さくすることが必要である。
実施の形態１では、外部ゲート端子30がゲート電極22aと当接するとともに、突起部30aが形成されている。このように構成することによって、外部ゲート端子30とゲート電極22aとが直接接触し、従来の技術で外部ゲート端子８とリングゲート電極７との間に介在していた接触抵抗をなくすことができ、このため、外部ゲート端子30から外部カソード電極24に至る通電路の接触抵抗が大きくなることを抑制させることが可能となり、また、ゲートの通電能力を向上させることができる。
また、外部ゲート端子30の突起部30aと弾性体31の間にリング状の圧接補助ブロック32を設けている。このように構成することによって、薄板からなる外部ゲート端子30とゲート電極22aとの接触部における圧接力のばらつきを緩和することができ、このため、外部ゲート端子30と絶縁筒29とのロー付け時の熱残留応力による歪みにより、外部ゲート端子30の内周部に発生するうねりに伴う外部ゲート端子30の面内での接触抵抗のばらつきを発生することを抑制させることが可能となる。
また、突起部30aがリング状に形成されており、この突起部30aがゲート電極22aに当接する先端部は約0.5mmのリング状の平面部を有している。このように構成することによって、外部ゲート端子30とゲート電極22aとの接触部の圧接力は、従来の数10倍程度に増加することができ、このため、外部ゲート端子30と絶縁筒29とのロー付け時の熱残留応力による歪みにより、外部ゲート端子30の内周部に発生するうねりを矯正し、大電力を瞬時に通電するのに十分な接触抵抗を得させることが可能となる。
また、外部ゲート端子30の部材を非磁性材にしている。このように構成することによって、外部ゲート端子30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、実施の形態１に示すGCT21の組立においては、第１のフランジ27が固着された外部カソード電極24を下側に載置した状態で、絶縁体35、弾性体31、環状絶縁体33、圧接補助ブロック32を組み込んだ後、別の工程で絶縁筒29に外部ゲート端子30及び端部36を固着した半完成品を位置決めし、その後、第１のフランジ27を所望の位置で絶縁筒29に固着された端部36と固着して一体化している。このように構成することによって、外部カソード電極24と外部ゲート端子30とが位置決めされることができ、このため、半導体基体22はその外周部に施したモールド部22dが外部ゲート端子30と係合するので、半導体基体22、外部ゲート端子30、外部カソード電極24が互いに精度よく位置決めさせることが可能となる。
次に、本発明の他の実施の形態に係る圧接形半導体装置について、第２図を用いて説明する。
第２図は本発明の実施の形態２に係るGCTの構成を示す断面図である。第２図で使用した符号のうち、第１図で使用した符号と同一のものは、同一または相当品を示す。第２図において第１図と異なるところは第１図で示された補助圧接ブロック32を不要とし、外部ゲート端子30の構成を変えているところのみである。即ち、42は銅、モリブデン、タングステン、又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、外周部42aが絶縁筒29の側方から外に突出するとともに分割部29aにロー付けにて気密に固着され、内周部にロー付けされた銅、モリブデン、タングステン、又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リングゲート部42bにゲート電極22aと当接するリング状の突起部42cが一体形成されており、この突起部42cのゲート電極22aに当接する先端部は約0.5mmのリング状の平面部を有している。尚、41はGCTである。
実施の形態２では、外部ゲート端子42の内周部にロー付けされたリングゲート部42bにゲート電極22aと当接するリング状の突起部42cが一体形成されている。このように構成することによって、外部ゲート端子42とゲート電極22aとが直接接触し、従来の技術で外部ゲート端子８とリングゲート電極７との間に介在していた接触抵抗をなくすことができ、このため、外部ゲート端子42から外部カソード電極24に至る通電路の接触抵抗が大きくなることを抑制させることが可能となり、また、ゲートの通電能力を向上させることができる。
尚、実施の形態1,2ではGCTのゲート構造の一例として、半導体基体の表面の外周部にゲート電極が形成しているものについて説明したが、半導体基体の表面の中間部にゲート電極が形成しているものでもよく、同様の作用効果を奏する。
また、実施の形態1,2ではGCTについて説明したが、圧接型GTOあるいは圧接型IGBT等の主電極と制御電極を有する圧接型半導体装置にも適用でき、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・ターンオフするのに適しており、例えば電力用応用としてはBTB（バスタイブレーカ）・SVG（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タ等、電鉄応用としては地上変電所等、その他高圧大容量スイッチ等に適している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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