JPH0246742A - 圧接平型半導体装置 - 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、センターゲート型サイリスタ等の圧接平型半
導体装置に関するもので、特にシリコンベレッ、トとモ
リブデン板又はタングステン板とを合金接合しないで、
特性の改善と生産性向上が得られる構造の圧接平型半導
体装置に使用される。

（従来の技術） 圧接平型半導体装置は、車両制御、製鉄所の制御或いは
溶接機制御等の産業用大電力の制御に多く使用されてい
る。　このうちセンターゲート型サイリスタに属するＧ
ＴＯ（Ｇａｔｅ　Ｔｕｒｎ　−０ｆｆＴｈｙｒｉｓｔｏ
ｒ）を従来例としてその構造等について説明する。

第４図は従来の合金接合型のＧＴＯの断面図であるが、
構成部品を見易くするため便宜上加圧方向に沿って各部
品を切り離した状態で示している。

外囲器は底部構体１と頂部構体ｌとから成る。

銅製カソード＠極ボスト１とセラミックの絶縁物筒体１
ａの底面とは輪形金属板（ドリングと呼ばれる）ｌｂを
介して銀ローを使用し接合され、セラミック筒体１ａの
頂面には溶接輪形金属板（ウェルドリングと呼ばれる）
ＩＣが、又セラミック筒体１ａの側面にはゲート電極取
出し用のゲートパイプ１ｄが、それぞれ銀ロー材けされ
る。　底部構体１は、符号１及び１ａないし１ｄで示す
部材より構成される。　頂部構体スは、銅製アノード電
極ポスト２と、これに銀ロー材けされたウェルドリンク
２ａより成る。　この外囲器内に後述の符号３ないし２
０で示す部材を封入する。　封止はウェルドリングＩＣ
とウェルドリンク２ａとを溶接により接合し、ゲートリ
ード９のリードワイヤをゲートパイプｌｄ内に通し、内
部にＮ２ガスを満たした状態で溶接し最終封止とする。

ＧＴＯ素子のＳｔ　　・ペレット１６のアノード電極ポ
スト側の主面（図面では上面）には図示していないアノ
ード電極、又カソード電極ポスト側の主面（図面では下
面）にはカソード電極とゲート電極とが形成されている
。　Ｓｉ　・ペレット１６の上面のアノード電極とＷ・
ディスク（タングステン板）１８とは、あらかじめＡｌ
−５ｉシート１７のロー材を使用し、合金接合しておく
、　このＳｉ　　・ペレットとＷ・ディスクの接合体は
、ＳｌとＷとの熱膨Ｍ係数の違いにより反りが生じ、圧
接に対し障害をきなす、　このなめアノード電極ポスト
２とＷ・ディスク１８との間に軟金属のＡｇ　〈銀）二
シート１９を挟み、又カソード電極ポスト１とＳｉ　　
・ペレット１６のカソード電極及びゲートｔ［！どの間
にＡｇ　・キャップ１３及び１１をそれぞれ挟み込んで
良好な圧接状態即ちより均一な圧接がされるようにして
いる。　なお、Ｍｏ　・フォイル（モリブデン箔）１４
は、Ａ（１キヤツプ１３がＳｔ　　・ペレット１６のア
ルミカソードｔ　’ｋにくっつかないよう、その間に挿
入され、又カソード電極ボスト１にはゲートリード９を
取り出すための切欠＃２Ｉが設けられているので、やや
厚いＭＯ・ディスク１２を介して、Ａｇ−’７ヤツプ１
３の全面をできるだけ均一に加圧できるようにしている
。　シリコーンゴム１５及び２０は、主としてＳｉ　　
・ペレット１６のアノード電＠側とカソード電極側とを
電気絶縁するために用いられる。　Ｓｉ　　・ペレット
１６の中央部のゲート電極とカソード電極ボスト１との
間に、マイカ４、テフロン・リング５及びテフロン・チ
ューブ１０によりカソードを極ボスト１等と電気絶縁し
た鋼板（１，５ｔ）　６、皿バネ（２枚）７、ＭＯ板（
０，３ｔ）８、ゲートリード９及び銀・キャップ１１が
設けられ、これら部材によりカソード電極ボスト１は、
鋼板３を介してＡＱ　−キャップ１１を８１　・ペレッ
ト１６のゲート電極に圧接する。　上記構成のＧＴＯは
、図示していない外部加圧手段によって、アノード電極
ボストとカソード電極ボストとに、対向方向の圧力が加
えられ圧接状態で使用される。

上述のＧＴＯについて、従来技術の欠点を以下列記する
。

（ａ）Ｓｉ　　・ペレット１６をＷ・ディスク１８にＡ
Ｉ　Ｓｉシート１７を用い合金接合（アロイ接合）をす
るので、接合体には反りが生ずる。

圧接時に、より均一に圧接されるために、この反りを吸
収できるよう、高価な軟金属である銀を使用したＡＱ　
・キャップ１１．１３及びＡｇ・シート１９を挟み込ま
なければならない。

（ｂ）Ｓｉ　　・ペレット１６とＷ・ディスク１８とを
合金接合するので、合金接合しない場合に比ベニ程増と
なる。

（ｃ）Ｓｉ　・ペレット１６とＷ・ディスク１８との接
合体に反りが出るので、前述の通りＡｇキャップ１３を
用いる必要があるが、Ｓｉ　　・ペレット１６のカソー
ド電極であるアルミ電極とＡｇ・キャップ１３とがくっ
つかないために、間にＭＯ・フォイル１４を入れている
。

（ｄ　）　　アノード電極ボスト２とカソード電極ボス
ト１との間に挟み込む部品数が多く、しかも高価である
（第４図において、ＭＯ・ディスク１２ないしＡ（］　
・シート１９まで）。

（ｅ）Ｓｉ　　・ペレットのアノード側とカソード側と
を電気絶縁するための絶縁用シリコーンゴム１５及び２
０の形状が複雑で且つ部品数が多い。

（発明が解決しようとする課題） 上述のように従来技術では、Ｓｉ　　・ペレットをＷ・
ディスク又はＭＯ・ディスクにＡ１−５ｔシートを用い
て合金接合した後、合金接合により生ずる接合体の反り
を吸収するために、ＡＱ　、ＭＯ等の高価な金属部品を
アノード電極ポストとカソード電極ポストとの間に挟み
込んでいた。　又挟み込む部品数が多いのに対応して電
気絶縁に使用するシリコーンゴムの形状が複雑となり且
つその数も多い。

本発明の目的は、圧接平型半導体装置において、Ｓｉ　
　・ペレットの反りに起因する前記課題を解決し、より
均一な圧接が得られ、従来より生産性が向上でき、低価
格で且つ長寿命の圧接平型半導体装置を提供することで
ある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明は、側面にゲートな極取出部を設けた中空の絶縁
物筒体を挟んで、互いに対向するアノード電極ポストと
カソード電極ポストとを有する外囲器内に、制御電極を
持つシリコン整流素子ペレット（Ｓｉ　　・ペレットと
略記する）を封止する圧接平型半導体装置において、 アノード電極ポストとＳ；　・ペレット上のアノード電
極との間にモリブデン（ＭＯ）又はタングステン（Ｗ＞
から成る金属板を、　又Ｓｉ　　・ペレット上のカソー
ド電極とカソード電極ポストとの間に、ペレットに近い
側から軟質銅薄板、硬質銅板を挟み込み、それぞれ主面
を互いに合金化等で固着することなく単に接触配置し、
アノード電極ポスト及びカソード電極ポストにより、そ
れぞれを圧接して成ることを特徴とする圧接平型半導体
装置である。

（作用） 本発明の装置では、Ｓｉ　　・ペレットをＭＯ又はＷ・
ディスクに合金接合しないので、Ｓｉ　　・ペレットの
反りは従来技術に比し大幅に減少し、均一な圧接状態が
得られる。　これによりアノード電極ポストとＳｉ　　
・ペレット間には、ペレットの反りを吸収するＡ（＋　
　・シートを省略し、従来より薄いＭＯ又はＷ・ディス
クを挟み込むだけでよい。

又Ｓ１　・ペレットのカソード電極とカソード電極ポス
トとの間には、従来のＭＯ・フォイルとＡｇ・キャップ
に代えて、軟らかい展延性に富むアニール処理した銅（
ＣＵ　）・キャップと、又従来のＭＯ・ディスクに代え
て、カソード電極ポストのゲートリード取出用切欠部に
対向するカソード電極面をも均一に圧接できるよう、十
分な厚さで剛性があり且つアニールしない安価な硬質銅
板を使用する。　又Ｓｉ　　・ペレットをＭＯ又はＷ・
ディスクに合金接合をしないので、Ｓｉ　・ペレットの
アノード電極とカソード電極間の耐圧を得るためのベベ
ル加工、絶縁用シリコーンゴムの塗布作業等が容易で簡
単化される。

これらにより、従来にもまさる均一な圧接状態が得られ
、低価格で長寿命の圧接平型半導体装置を提供できる。

（実施例） 本発明の実施例として、ＧＴＯを取り上げ以下説明する
。　第１図及び第２図は、本発明のＧＴｏの模式的断面
図であり、第１図は構成部品を見易くするため便宜上加
圧方向に沿って各部品を切り離した状態を、又第２図は
接触圧接された状態を、それぞれ示す、　第４図と同じ
符号は、同じ部分を表わすが、寸法等は、同一とは限ら
ない。

セラミック絶縁物筒体１ａの側面にあるゲート電極取出
部２２は、筒体１ａの側面に銀ロー付けされた取出用ゲ
ートパイプ１ｄ部分である。

従来の第４図に示すＧＴＯと、特に相異する点は、アノ
ードを極ボスト２とＳ＋　　・ペレット１６との間に、
従来のＡｇ・シート１９及びＡｌ−３ｉ　　・シート１
７によりペレットと合金接合されたＷ・ディスク１８の
代わりに、合金接合されないＭＯ・ディスク（１ｔＸφ
４８）１１８を挟み、又Ｓｉ　　・ペレッＩ・１６のカ
ソード電極とカソード電極ポスト１との間に、従来のＭ
Ｏ・フォイル１４、ＡＱ　−キャップ１３及びＭＯ・デ
ィスク１２の代わりに、軟質銅薄板（ＣＬＩ　・キャッ
プ、Ｑ、１ｔＸφ４８）　１１３及び硬質銅板（３ｔ×
φ４８）１１２を挟み込み、又Ｓｉ　　・ペレット１６
のアノード電極側とカソード電極側とを絶縁するための
従来のシリコーンゴム１５及び１６に代え、シリコーン
ゴム１１５を使用したことである。

次にこれら各構成部品について更に詳述する。

ＭＯ・ディスク１１８は、Ｓｉ　　・ペレット１６のア
ノード電極面とアノード電極ポスト２とが圧接時に均一
に接触するため挟み込む金属板で、ＭＯに代えてＷが使
用される場合もある。　このためＭＯ・ディスクは、面
粗さを２ないし３μｌ以下に押さえ、平面度も２０μｍ
以下に押さえるため両面を研磨仕上げしておき、平行度
も１０μｌ以下に押さえである。

Ｓｉ　　・ペレット１６には、一方の主面にＡＩから成
るアノード電極、他方の主面の中央部にＡＩゲート電極
及びこのゲート電極を囲んでペレット外周に向けて多数
の島状に分割されたメサ型ＡＩカソード電極が配設され
る。　又ペレット外側壁にはアノード側とカソード側の
耐圧を保つため二重正ベベル構造の溝部が設けられる。

シリコーンゴム１１５は、アノード側とカソード側の沿
面耐圧を保つために前記溝部を包み込んで形成される。

　これは液状シリコーン樹脂を型に流し込み、２００℃
でキュアすることにより形成される。

Ｃｕ−キャップ（軟質銅板）１１３はＳｉ　　・ペレッ
ト１６の前記島状の分割配設された多数のメサ型Ａ１カ
ソード電極と、Ｃｕ　　・ディスク１１２との間の接触
を均一にするため５００℃×１時間のアニールをして軟
化させた０、１ｎｎ厚の銅板であり、外周を折り曲げキ
ャップ状にしたもので、中央部にはゲートリード用穴が
おいている。　特に表面粗さは０，２μを程度とし、板
厚のバラツキを５μｍ以下にしておく。

Ｃｕ　・ディスク（硬質銅板）１１２は、Ｃｕキャップ
１１３とカソード電極ポストとの間に挟み込まれ、ゲー
トリード９を挿通ずるため中央部に穴を開けたドーナツ
状銅板である。　他方カソード電極ポストのペレット側
の一部にはゲートリード９を取り出すための切欠部２１
が設けられている。　このため切欠部２１と対向するＣ
ｕ　・キャップ１１３の部分は直接加圧されない、　　
Ｃｕ・ディスク１１２は、この直接加圧されないＣｕ・
キャップ部分が出来るだけ均一に圧接されるように、ア
ニールをせず、剛性を持たせるため３１ＩＩ程度の厚さ
としている。　面粗さは、圧延した銅板を用いることに
より容易に０．２ないし０．３μｌが得られる。

以上のように、Ｓｉ　　・ペレット１６のアノード電極
ポスト側には、硬質の剛性に富んだ、しかもＳｉに熱膨
脹係数が近いＭｏ　・ディスク１１８を用い、定盤に相
当するようなこの平面板１１８を介してＳｉ　　・ペレ
ット１６のアノード電極をアノード電極ボスト２に重ね
、一方Ｓｉ　　・ペレット１６のカソード電極側には、
軟質の展延性に富んだアニールを施した軟質銅薄板１１
３及び適度の剛性のある硬質銅板１１２を介してカソー
ド電極にカソード電極ポスト１を重ねることにより、圧
接時にＳｉ　　・ペレット１６のアノード電極及びカソ
ード電極は、均一に圧接されるようになる。

次に、アノード電極ボストとＳｉ　　・ペレット（単に
アノード側と呼ぶ）及びＳｉ　　・ベレッ１〜とカソー
ド電極ポスト（単にカソード側と呼ぶ）の間に挟み込む
電極材料の組合わせを選ぶにあたって行なった試行につ
いて説明する。　即ちアノード側及びカソード側に挟み
込む電極材料の種類とその組合わせにより、或いは実際
に圧接される圧接力を２トン〈φ６０のＳ（・ペレット
の時）、４トン、６トン及び８トンと変えたことにより
、Ｓｉ　　・ペレットが割れるか割れないかを調べた。

又温度サイクルテスト（ＴＣＴ、Ｔｅ１ｌｐｅｒａｔｔ
ｌｒｆ３Ｃｙｃｌｅ　Ｔｅ５ｔ）によりＳｉ　　・ペレ
ットが割れるか割れないか、Ｓｌ　・ペレットのＡＩｉ
＆に、くっつく材料かくっつかない材料か等を判定し、
更に熱抵抗値の比較をした。

第１表 （注） ｘ：Ｓｉ　　・ペレットが割れたもの △：Ｓｉ　・ペレットが割れないが、Ｓｉ　　・ペレッ
トのＡｌｌ電極に固着したもの Ｑ　：　Ｓ　ｉ　　・ペレットが割れず、Ｓｉ　　・ペ
レットのＡＩ電極に固着しなかったもの ＊：熱抵抗値が大きいもの これらの試行とその結果の一例を第１表に示す。

同表の左側の列は、アノード側に挟む金属板（ＭＯ・デ
ィスク１１８に相当するもの）の板厚と材質を示し、即
ちＡＩ　＜０．５ｔ）　、ＣＬＩ　　（０，５ｔ）、Ｍ
ｏ［１，Ｏｔ）及びＦｅ　　（ＬＯｔ）の４種類の金属
板を表わす。　又同表の上側の行は、カソード側に挟む
金属板１枚の場合と、Ｃｕ　・ディスク（３ｔ）と、Ｍ
Ｏ（０，０５ｔ　）　、Ａｆｌｌ　　（０，１ｔ）　、
アニールＣｕ　　（０，１ｔ）及びアニールＣｕ　　（
０，Ｓｔ）の７．ｔイルとを組合わせた２枚の場合との
それぞれについて合計８種類の金属板又は金属板の組合
わせを表わす、　圧接力は６トン、ＴＣＴの条件は２０
０℃１時間−＋２５℃１時間→−５０℃１時間→２５°
Ｃ１時間を５サイクル実施する。　同表の欄内において
、Ｘ印は、Ｓｌ　・ペレットが割れたもの、Δ印は、Ｓ
ｉ　　・ペレットは割れないが、Ｓ：　・ペレットのＡ
Ｉ電極にくっついたもの、Ｏ印は、Ｓｉ　　・ペレット
が割れず、Ｓｉ　　・ペレットのＡＩ電極にくっつかな
かったもの（使用可）、＊印は、熱抵抗値が大きいもの
を示す、　又空欄は、当該組合わせで実施しなかったも
のである。　この結果から、アノード側は、Ｍｏ（１ｔ
）、カソード側は、Ｃｕ・ディスク（３ｔ）とＭＯ（０
，０５ｔ）、アニールＣｕ（０，１ｔ）及びアニールｃ
ｕ　　（ｏ、ｏｓｔ　）　７ｆイルのいずれか１つとの
組合わせが望ましいことがわかる。

次に第１図の実施例に示す実際の製品のＧＴＯについて
、温度疲労試験（Ｔ　Ｆ　’Ｔ’、Ｔｅ＋ｌｐｅｒａｔ
ｕｒｅＦａｔｉｇｕｅ　Ｔｅ５ｔ）を（２５℃→１２５
℃→、ΔＴＣ＝１００℃）の条件で実施したところ、５
０キロサイクルでもゲート電極とカソード電極間の短絡
（破損）やアノード電極とカソード電極間の耐圧劣化等
が発生していないことが確認された。

従来の第４図に示すＧＴＯについて、同一条件でＴＰＴ
を実施すると、３０キロサイクルまでは破損率はほぼ０
％で、それ以上ＴＰＴを続けると第３図の実線ａで示す
ように破損率が増加することが従来のデータから確めら
れている。　本発明のＧＴＯは前記の通りＴＰＴの５０
キロサイクルまで破損率はほぼ０％であるので、更にＴ
ＰＴを続けるとサイクル数と破損率［％］との関係は破
線すとなることが予測される。　従って本発明の合金接
合をしないＧＴＯは、従来の合金接合型のＧＴＯに対し
約１．６倍以上長寿命化が出来たといえる。

上記の実施例について得られた本発明の効果を以下列記
する。

（ａ）　　Ｓｉ　　・ペレットをＷ・ディスク又はＭＯ
・ディスクに合金接合しないため、Ｓｉ　　・ペレット
の反りが、例えば従来約５０μ僧のものが約１５μｍと
大幅に減少し、合金接合されたものに比しその剛性も減
るため、加圧時の８１　・ペレットの平面精度を上げる
ことができ、より均一な圧接が実現できる。

（ｂ　）　　合金接合をしないため、Ｓｉ　　・ペレッ
トのアノード電極とカソード電極間の耐圧を得るために
設ける二重正ベベル構造の溝部の加工及びその処理、特
に清切り後のエツチング作業及びシリコーンゴムのコー
ティング作業が容易になる。

（Ｃ）　　合金接合しないのでＳｉ　　・ペレットの反
りが減り、アノード電極ポストとカソード電極ポスト間
に挟み込む部品数が少なくなり、且つ低価格にできる。

（ｄ　）　　前項（Ｃ）の部品数が少ないことにより、
組立てが容易になる。

（ｅ）　　Ｓｉ　　・ペレットの反りが大幅に減少し、
電極材料を適当に選んだことにより、第３図に示すＴＰ
Ｔの結果からも分るように、製品の寿命が約１．６倍に
延びた。

なお本実施例においてはＭＯ・ディスクを使用したが、
Ｗ・ディスクを用いても、はぼ同等の作用、効果が得ら
れる。　又ＣＩＩ　・ディスクには防錆のためＮｉメツ
キを施しても差支えない。　又Ｃｕ　・ディスクの代わ
りにＣｕ　・ディスク相当の剛性を有するＭＯ・ディス
ク又はＷ・ディスクを用いてもよい。

本発明は、実施例で述べなＧＴＯに対しては、特にその
効果が発揮されるが、Ｓｉ　・ペレットとＭＯ・ディス
ク又はＷ・ディスクとを合金接合しないその他の圧接平
型半導体装置にも適用できることは勿論である。

［発明の効果］ これまで詳述したように、本発明により、圧接平型半導
体装置のＳｉ　　・ペレットの反りに起因する諸課題は
解決され、より均一な圧接が得られ、従来より生産性が
向上でき、低価格で且つ長寿命の圧接平型半導体装置を
提供することが出来な。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例のＧＴＯの構成部品を分離した
状態の断面図、第２図は第１図のＧ　Ｔ　Ｏの圧接され
た状態の断面図、第３図は本発明及び従来のそれぞれの
ＧＴＯについてＴＰＴのサイクル数と破損率との相関を
示す図、第４図は従来のＧＴＯの構成部品を分離した状
態の断面図である。 １・・・カソード電極ポスト、　　１ａ・・・絶縁物筒
体、２・・・アノード電極ポスト、　　３，６・・・鋼
板、　　４・・・マイカ、　５・・・テフロン・リング
、　７・・・弾性体、　９・・・ゲートリード、　　１
１・・・Ａ（Ｊ　・キャップ、　１６・・・半導体整流
素子ペレット（Ｓｉ　　・ペレット）、　２２・・・ゲ
ート電極取出部、　１１２・・・硬質銅板（ＣＵ　・デ
ィスク）、　１１３・・・軟質銅薄板（ＣＵ　・キャッ
プ）、　　１１５・・・シリコーンゴム、　１１８・・
・ＭＯ又はＷ・金属板（Ｍ。 ディスク）。 「−ｍ− 一トー１１３・軟質銅１板 特許出願人　株式会社　東　　芝 代理人　　　弁理士　諸１）英二 ８　：　ＭＯ板 第１図 第 図 サイクツ１枚（ω） 第 図 「−ｍ− 「−ｍ− ｍ−−１−−１４ −トー１３ 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １側面にゲート電極取出部を設けた中空の絶縁物筒体と
   、該絶縁物筒体を挟んで互いに対向するアノード電極ポ
   スト及びカソード電極ポストとを有する外囲器内に、ア
   ノード電極ポストよりカソード電極ポストに向けて、ア
   ノード電極ポスト、モリブデン又はタングステンから成
   る金属板、アノード電極がアノード電極ポスト側及びカ
   ソード電極がカソード電極ポスト側となる半導体整流素
   子ペレット、軟質銅薄板、硬質銅板及びカソード電極ポ
   ストを上記順序にそれぞれの主面を互いに固着すること
   なく接触配置し、且つ前記半導体整流子ペレット中央部
   のゲート電極とカソード電極ポストとの間に、該カソー
   ド電極ポストと電気絶縁をしたゲートリード及び弾性体
   を配置し、アノード電極ポスト及びカソード電極ポスト
   によりそれぞれを圧接して成ることを特徴とする圧接平
   型半導体装置。