(57)【要約】      （修正有）【課題】  カソードキャップの熱抵抗を低減し、放熱特性を向上させたゲート転流型ターンオフ半導体装置を提供する。【解決手段】  アノード電極３とカソード電極６との間に流れる電流をゲート電極に転流させてターンオフさせるゲート転流型ターンオフ半導体装置が、半導体素子が形成された半導体基板１と、半導体基板１を挟んで対向配置されたアノード電極３およびカソード電極６と、半導体素子のゲートに接続された略円板状のゲートリング１１と、ゲートリング１１を両面から挟む略円筒状の絶縁容器１３，１４と、カソード電極６の周囲に接続された略円板状のカソードフランジ９とを含む。カソードフランジ９には、略円板状のカソード端子３０が接合され、カソード端子３０とゲートリング１１との間にゲートドライブユニットが接続される。【選択図】図１
2006253533.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード電極とカソード電極との間に流れる電流をゲート電極に転流させてターンオフさせるゲート転流型ターンオフ半導体装置であって、
半導体素子が形成された半導体基板と、
該半導体基板を挟んで対向配置されたアノード電極およびカソード電極と、
該半導体素子のゲートに接続された略円板状のゲートリングと、
該ゲートリングを両面から挟む略円筒状の絶縁容器と、
該カソード電極の周囲に接続された略円板状のカソードフランジとを含み、
該カソードフランジに略円板状のカソード端子が接合され、該カソード端子と該ゲートリングとの間にゲートドライブユニットが接続されることを特徴とするゲート転流型ターンオフ半導体装置。
【請求項２】
上記カソードフランジが上記絶縁容器に取り付けられ、上記カソード端子が該絶縁容器と反対側の該カソードフランジに接合されたことを特徴とする請求項１に記載のゲート転流型ターンオフ半導体装置。
【請求項３】
上記カソード端子が、上記カソードフランジと接合される領域に貫通孔を有し、該貫通孔を介して該カソード端子と該カソードフランジとを接合する半田を補充できることを特徴とする請求項１または２に記載のゲート転流型ターンオフ半導体装置。
【請求項４】
上記カソード端子が、上記カソードフランジと接合される領域に該カソード端子を挟む爪部を有することを特徴とする請求項１または２に記載のゲート転流型ターンオフ半導体装置。
【請求項５】
アノード電極とカソード電極との間に流れる電流をゲート電極に転流させてターンオフさせるゲート転流型ターンオフ半導体装置であって、
半導体素子が形成された半導体基板と、
該半導体基板を挟んで対向配置されたアノード電極およびカソード電極と、
該半導体素子のゲートに接続された略円板状のゲートリングと、
該ゲートリングを両面から挟む略円筒状の絶縁容器とを含み、
該カソード電極の周囲に略円板状のカソード端子が接合され、該カソード端子と該ゲートリングとの間にゲートドライブユニットが接続されることを特徴とするゲート転流型ターンオフ半導体装置。
【請求項６】
上記該カソード電極の周囲に溝部が設けられ、該溝部に上記カソード端子が嵌るように接合されたことを特徴とする請求項５に記載のゲート転流型ターンオフ半導体装置。
【請求項７】
アノード電極とカソード電極との間に流れる電流をゲート電極に転流させてターンオフさせるゲート転流型ターンオフ半導体装置であって、
半導体素子が形成された半導体基板と、
該半導体基板を挟んで対向配置されたアノード電極およびカソード電極と、
該半導体素子のゲートに接続された略円板状の第１ゲートリングと、
該第１ゲートリングと重ねられて接合された第２ゲートリングと、
該第１ゲートリングと該第２ゲートリングとを両面から挟む略円筒状の絶縁容器とを含み、
該カソード電極の周囲に略円板状のカソード端子が接合され、該第２ゲートリングに円板状のゲートフランジが接合され、該カソード端子と該ゲートフランジとの間にゲートドライブユニットが接続されることを特徴とするゲート転流型ターンオフ半導体装置。
【請求項８】
上記カソードフランジおよび／または上記ゲートフランジが、上記ゲートドライブユニットと接合される部分より上記半導体基板側においてＵ字ベント部を含むことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のゲート転流型ターンオフ半導体装置。
【請求項９】
アノード電極とカソード電極との間に流れる電流をゲート電極に転流させてターンオフさせるゲート転流型ターンオフ半導体装置の製造方法であって、
半導体素子が形成された半導体基板と、
該半導体基板を挟んで対向配置されたアノード電極およびカソード電極と、
該半導体素子のゲートに接続された略円板状のゲートリングと、
該ゲートリングを両面から挟む略円筒状の絶縁容器と、
該カソード電極の周囲に接続された略円板状のカソードフランジとを組み立てた状態で加熱装置に入れて、該カソード電極と該カソードフランジとの間に配置した接合材を溶かし、続いて該接合材を冷却して固化することにより該カソード電極と該カソードフランジとを接合することを特徴とするゲート転流型ターンオフ半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ゲート転流型ターンオフ半導体装置に関し、特に、放熱効率を高めたゲート転流型ターンオフ半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ゲート転流型ターンオフ半導体装置（以下、「ＧＣＴ半導体装置」という。）は、ゲートターンオフサイリスタ（以下、「ＧＴＯサイリスタ」という。）に比較して、スナバ回路が不要で、スナバ損失がないという利点がある。
図１７は、全体が１０００で表される、従来構造のゲート転流型ターンオフ半導体装置の断面図であり、図１８は、底面図である。
【０００３】
ＧＣＴ半導体装置１０００は、半導体基板１を有する。半導体基板１には、ゲート転流型ターンオフサイリスタ（図示せず）が形成されている。半導体基板１の両面は、それぞれゲート転流型ターンオフサイリスタのアノードとカソードになっている。
半導体素子１のアノード電極側には、熱緩衝板２を介してアノード電極３が載置されている。更に、アノード電極３の上にはアノードフィン電極４が載置されている。
一方、半導体素子１のカソード電極側には熱緩衝板５を介してカソード電極６が載置されている。更に、カソード電極６の上にカソードフィン電極７が載置されている。
アノード電極３の周囲にはアノードフランジ８が配置され、カソード電極６の周囲にはカソードフランジ９が配置されている。
【０００４】
半導体基板１のゲート部（図示せず）には、リングゲート１０を介してゲートリング１１が電気的に接続されている。リングゲート１０は、板バネ１２により半導体基板１のゲート部に押しつけられる。
ゲートリング１１の上下には、セラミック筒１３、１４が取り付けられている。また、セラミック筒１３、１４には、フランジ１５、１６が取り付けられている。
フランジ１５とカソードフランジ９と、フランジ１６とアノードフランジ８とは、それぞれ接続されている。
また、半導体基板１の周囲には、保護用ゴム１７が設けられている。
【０００５】
更に、ＧＣＴ半導体装置１０００では、カソード電極６とカソードフィン電極７との間に、カソードキャップ２０が挟み込まれている。かかるカソードキャップ２０は、ＧＣＴ半導体装置１０００を駆動させるゲートドライブユニット（ＧＤＵ）基板（図示せず）に接続される。ゲートドライブユニット（ＧＤＵ）基板は、ゲートリング１１とカソードキャップ２０との間に挿入され、それぞれに設けられたネジ孔にネジ止めされる。
【０００６】
ＧＣＴ半導体装置１０００は、例えばスタックに組み込まれ、アノードフィン電極３とカソードフィン電極６との間に圧力をかけることによりそれぞれの構成部品が固定される。
【０００７】
このようなＧＣＴ半導体装置１０００では、ＧＴＯサイリスタに比較して、ゲート配線のインダクタンスを１００分の１程度に低減してターンオフ時のゲート逆電流上昇率（ｄｉＧＱ／ｄｔ）を大幅に上昇させ、主電流の殆どを短時間でゲート回路に流す（転流させる）ことができる。このため、半導体基板の局部破壊を防止し、制御電流の大容量化、高速スイッチングが可能となる（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００１−２１７２６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ＧＣＴ半導体装置１０００では、カソード電極６とカソードフィン７との間にカソードキャップ２０が挟まれているため、接続部において熱抵抗が大きくなり、十分な放熱効果が得られなかった。
【０００９】
そこで、本発明は、カソードキャップの熱抵抗を低減し、放熱特性を向上させたＧＣＴ半導体装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、アノード電極とカソード電極との間に流れる電流をゲート電極に転流させてターンオフさせるゲート転流型ターンオフ半導体装置であって、半導体素子が形成された半導体基板と、半導体基板を挟んで対向配置されたアノード電極およびカソード電極と、半導体素子のゲートに接続された略円板状のゲートリングと、ゲートリングを両面から挟む略円筒状の絶縁容器と、カソード電極の周囲に接続された略円板状のカソードフランジとを含み、カソードフランジに略円板状のカソード端子が接合され、カソード端子とゲートリングとの間にゲートドライブユニットが接続されることを特徴とするゲート転流型ターンオフ半導体装置である。
【発明の効果】
【００１１】
以上のように、本発明にかかるＧＣＴ半導体装置では、放熱効率を高くすることができ、制御電流の大容量化、高速スイッチング等が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に、図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、以下の説明では、「上」、「下」、「左」、「右」およびこれらの用語を含む名称を適宜使用するが、これらの方向は図面を参照した発明の理解を容易にするために用いるものであり、実施形態を上下反転、あるいは任意の方向に回転した形態も、当然に本願発明の技術的範囲に含まれる。
【００１３】
実施の形態１．
図１は、全体が１００で表される、本実施の形態１にかかるＧＣＴ半導体装置の断面図である。図１中、図１７と同一符合は、同一または相当箇所を示す。なお、図１では、アノードフィン電極４、カソードフィン電極７は省略されている。
【００１４】
ＧＣＴ半導体装置１００は、半導体基板１を有する。半導体基板１には、ゲート転流型ターンオフサイリスタ（図示せず）が形成されている。半導体基板１の両面は、それぞれゲート転流型ターンオフサイリスタのアノードとカソードになっている。
半導体素子１のアノード電極側には、例えばモリブデンからなる熱緩衝板２を介してアノード電極３が載置されている。アノード電極３は、例えば銅からなる。
【００１５】
半導体素子１のカソード電極側には、例えばモリブデンからなる熱緩衝板５を介してカソード電極６が載置されている。カソード電極６は、例えば銅からなる。
【００１６】
アノード電極３の周囲にはアノードフランジ８が設けられ、カソード電極６の周囲にはカソードフランジ９が設けられている。アノードフランジ８、カソードフランジ９は、例えば銅からなる。
【００１７】
半導体基板１のゲート部（図示せず）には、例えばモリブデンからなるリングゲート１０を介してゲートリング１１が電気的に接続されている。ゲートリング１１は、例えば銅からなる。リングゲート１０は、板バネ１２により半導体基板１のゲート部（図示せず）に押しつけられ、電気的に接続される。
【００１８】
ゲートリング１１の上下には、セラミック筒１３、１４が銀ろうで取り付けられている。また、セラミック筒１３、１４には、フランジ１５、１６が銀ろうで取り付けられている。
フランジ１５とカソードフランジ９、フランジ１６とアノードフランジ８とは、それぞれ接続されている。
また、半導体基板１の周囲には、例えばシリコーンゴムからなる保護用ゴム１７が設けられている。
【００１９】
ＧＣＴ半導体装置１００では、カソードフランジ９のカソード電極側（図１では下側）に、リング状のカソード端子３０が、半田により接続されている。カソード端子は、例えば銅からなる。
【００２０】
図２は、カソードフランジ９とカソード端子３０との接続部分の拡大図であり、カソードフランジ９とカソード端子３０とが、例えばＰｂ−Ｓｎからなる半田３２により接続されている。
【００２１】
カソードフランジ９とカソード端子３０との接続には、例えば図３に示されたような組み立て治具１５０が用いられる。組み立て治具は、ベース板１５１と、複数のピン１５２からなり、ピン１５２にゲートリング１１の貫通孔１８と、カソード端子３０の貫通孔３１とを通した状態で位置決めした後、高温糟等の加熱装置に入れて、カソードフランジ９とカソード端子３０とを半田で固定する。
【００２２】
ＧＣＴ半導体装置１００では、ゲートドライブユニット（ＧＤＵ）基板は、ゲートリング１１とカソード端子３０との間に挿入され、それぞれに設けられた貫通孔１８、３１にネジ止めされる。
【００２３】
最終的にＧＣＴ半導体装置１００は、例えばスタックに組み込まれ、アノードフィン電極３とカソードフィン電極６との間に圧力をかけることによりそれぞれの構成部品が固定される。
【００２４】
このように、本実施の形態１にかかるＧＣＴ半導体装置１００では、カソード端子３０がカソードフランジ９を介してカソード電極６に接続されるため、カソードフランジ９とカソードフィン電極（図示せず）とが直接接続でき、両者の間の熱抵抗が低減できる。この結果、ＧＣＴ半導体装置１００の放熱特性を向上させることが可能となる。
【００２５】
実施の形態２．
図４は、全体が４０で表されるカソード端子を用いた場合の、ＧＣＴ半導体装置１００の底面図である。
カソード端子４０では、カソードフランジ９に半田で接続される領域に、複数の貫通孔４１が設けられている。
【００２６】
このように、カソード端子４０に複数の貫通孔４１を設けることにより、カソード端子４０とカソードフランジ９とを半田で接続した場合に、貫通孔４１を通して半田の延びを検査することができる。そして、半田が不足している場合には、貫通孔４１から半田を追加供給することができる。これにより、カソード端子４０とカソードフランジ９との接続を確実にできる。
【００２７】
実施の形態３．
図５は、全体が５０で表されるカソード端子を用いた場合の、ＧＣＴ半導体装置１００の底面図であり、図６は、図５をＡ−Ａ方向に見た場合の部分断面図である。
カソード端子５０では、カソードフランジ９に半田で接続される領域に、環状の爪部５１が設けられている。
【００２８】
図６に示すように、Ａ−Ａ断面において爪部５１は曲げられて、カソードフランジ９を下方から挟む。一方、Ｂ−Ｂ断面（図示せず）では爪部５１は曲げられず、フランジ１５を上方から挟む。このように、爪部５１は、曲げられた領域（図５の実線部分）と曲げられていない部分（図５の点線部分）とを交互に備え、これにより、カソードフランジ９とフランジ１５とを挟み込む。
【００２９】
爪部５１およびカソード端子５０と、カソードフランジ９およびフランジ１５との間は、半田３１で接続される。
【００３０】
なお、爪部５１を備えたカソード端子５０は、直径方向に２分割されており、ＧＣＴ半導体装置の側面から挟み込むように取り付けられる。
【００３１】
このように、爪部５１を備えたカソード端子５０を用いることにより、カソード端子５０とカソードフランジ９との接続を確実にできる。また、温度サイクル等によりストレスに対して耐久性が高く、信頼線の高いＧＣＴ半導体装置が得られる。
【００３２】
実施の形態４．
図７は、全体が２００で表される、本実施の形態４にかかるＧＣＴ半導体装置の断面図である。図７中、図１７と同一符合は、同一または相当箇所を示す。なお、図７では、アノードフィン電極４、カソードフィン電極７は省略されている。
【００３３】
図８の部分断面図に示すように、本実施の形態４にかかるＧＣＴ半導体装置２００では、カソード電極６の側面に、カソード端子５５の接合部５６が、半田５７により接続されている。他の構造は、上述のＧＣＴ半導体装置１００と同じである。
【００３４】
かかる構造を用いることにより、ＧＣＴ半導体装置２００では、カソード端子５５の取り付けが容易になる。特に、図３に示すように、ＧＣＴ半導体装置１００を裏向けることなく、カソード端子５５の接続が可能となる。
【００３５】
また、カソード電極６とカソード端子５５とが直接接続されるため、電気抵抗が小さくなる。
【００３６】
実施の形態５．
図９は、全体が３００で表される、本実施の形態５にかかるＧＣＴ半導体装置の断面図である。図９中、図１７と同一符合は、同一または相当箇所を示す。なお、図９では、アノードフィン電極４、カソードフィン電極７は省略されている。
【００３７】
図１０の部分断面図に示すように、本実施の形態５にかかるＧＣＴ半導体装置３００では、カソード電極６の側面に溝部６１が設けられ、カソード端子６０が溝部６１に挿入されて、ろう材６２で接続されている。
【００３８】
図１１に示すように、溝部６１に差し込むために、カソード端子６０は半径方向に２分割されている。他の構造は、上述のＧＣＴ半導体装置１００と同じである。
【００３９】
かかる構造を用いることにより、ＧＣＴ半導体装置３００では、カソード端子６０の取り付けが容易になる。特に、カソード端子６０とカソード電極６とをろう材６２を用いて接続することにより、接続強度を向上させることができる。
【００４０】
実施の形態６．
図１２は、全体が４００で表される、本実施の形態６にかかるＧＣＴ半導体装置の断面図である。図１２中、図１７と同一符合は、同一または相当箇所を示す。なお、図１２では、アノードフィン電極４、カソードフィン電極７は省略されている。
【００４１】
図１３の部分断面図に示すように、本実施の形態６にかかるＧＣＴ半導体装置４００では、フランジ１５の上面（セラミック筒１３側）にカソード端子７０がろう材７１で接続されている。他の構造は、上述のＧＣＴ半導体装置１００と同じである。
カソード端子７０は、セラミック筒４３にゲートリング１１やフランジ１５等を取り付ける際に、同時に取り付けておく。
【００４２】
このように、予めカソード端子７０をフランジ１５に取り付けておくことにより、ＧＣＴ半導体装置４００の組み立て工程が簡素化できる。
【００４３】
実施の形態７．
図１４は、全体が５００で表される、本実施の形態７にかかるＧＣＴ半導体装置の断面図である。図１４中、図１７と同一符合は、同一または相当箇所を示す。なお、図１４では、アノードフィン電極４、カソードフィン電極７は省略されている。
【００４４】
図１４に示すように、本実施の形態７にかかるＧＣＴ半導体装置５００では、セラミック筒１４に、ゲートリング８１を予め取り付けておく。また、セラミック筒１３の上側に、ゲートリング８２とゲートフランジ９０を、セラミック筒１３の下側に、カソードフランジ９を、予め取り付けておく。取り付けには、例えばろう材が用いられる。
【００４５】
構成部品の組み立ては、セラミック筒１３にバネ材１２を装填した後、セラミック筒１４を載せ、ゲートリング８１、８２を溶接してゲートリング８０とする。ゲートリング８０と、アノードフランジ（アノードフランジ８とフランジ１６）は、カソードフランジ９より外径が小さいため、ＧＣＴ半導体装置５００を裏返すことなく、組み立て工程を行うことができる。
【００４６】
実施の形態８．
図１６は、本実施の形態にかかるカソードフランジおよび／またはゲートフランジの部分断面図であり、例えば、図１５のゲートフランジ９０に相当する断面図である。フランジ９５は、ドーナツ形状である。
【００４７】
図１６に示すように、カソードフランジおよび／またはゲートフランジが、ゲートドライブユニットと接合される部分より半導体基板側に、垂直断面がＵ字型の曲げ部（Ｕ字ベント）を有することにより、カソードフランジやゲートフランジが弾性を有する。かかる弾性を有することにより、取り付け誤差による応力や熱ストレスによる変形応力等を吸収することができ、信頼性の高いカソードフランジやゲートフランジを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の実施の形態１にかかるＧＣＴ半導体装置の断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１にかかるＧＣＴ半導体装置の部分断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１にかかるＧＣＴ半導本装置の側面図である。
【図４】本発明の実施の形態２にかかるＧＣＴ半導体装置の底面図である。
【図５】本発明の実施の形態３にかかるＧＣＴ半導体装置の底面図である。
【図６】本発明の実施の形態３にかかるＧＣＴ半導体装置の部分断面図である。
【図７】本発明の実施の形態４にかかるＧＣＴ半導体装置の断面図である。
【図８】本発明の実施の形態４にかかるＧＣＴ半導体装置の部分断面図である。
【図９】本発明の実施の形態５にかかるＧＣＴ半導体装置の断面図である。
【図１０】本発明の実施の形態５にかかるＧＣＴ半導体装置の部分断面図である。
【図１１】本発明の実施の形態５にかかるＧＣＴ半導体装置の底面図である。
【図１２】本発明の実施の形態６にかかるＧＣＴ半導体装置の断面図である。
【図１３】本発明の実施の形態６にかかるＧＣＴ半導体装置の部分断面図である。
【図１４】本発明の実施の形態７にかかるＧＣＴ半導体装置の断面図である。
【図１５】本発明の実施の形態７にかかるＧＣＴ半導体装置の部分断面図である。
【図１６】本発明の実施の形態８にかかるＧＣＴ半導体装置の部分断面図である。
【図１７】従来のＧＣＴ半導体装置の断面図である。
【図１８】従来のＧＣＴ半導体装置の底面図である。
【符号の説明】
【００４９】
１  半導体基板、２  熱緩衝板、３  アノード電極、５  熱緩衝板、６  カソード電極、８  アノードフランジ、９  カソードフランジ、１０  リングゲート、１１  ゲートリング、１２  板バネ、１３  セラミック筒、１４  セラミック筒、１５  フランジ、１６  フランジ、１７  保護用ゴム、３０  カソード端子、１００  ＧＣＴ半導体装置。
【図１】
2006253533.tif 000003
【図２】
2006253533.tif 000004
【図３】
2006253533.tif 000005
【図４】
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【図５】
2006253533.tif 000007
【図６】
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【図７】
2006253533.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
2006253533.tif 000012
【図１１】
2006253533.tif 000013
【図１２】
2006253533.tif 000014
【図１３】
2006253533.tif 000015
【図１４】
2006253533.tif 000016
【図１５】
2006253533.tif 000017
【図１６】
2006253533.tif 000018
【図１７】
2006253533.tif 000019
【図１８】
2006253533.tif 000020