JPH0464183B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 この発明は電力用半導体装置の構造に係り、特
に、その半導体素子の短絡故障時に端子間が開放
状態になつて周辺回路にまで破壊が及ぶのを防止
するために、短絡状態を維持できるようにする構
造に関するものである。

〔従来技術〕

まず、トランジスタを用いたインバータ回路の
場合を例にとつて説明する。第１図はこの種のイ
ンバータ回路を単純化して示す回路構成図で、
１，２，３，４はトランジスタ、５，６，７，８
はそれぞれトランジスタ１，２，３，４に逆並列
に接続されたダイオード、９は直流電源、１０は
負荷、１１は直流電源９に並列に接続されたコン
デンサである。

トランジスタ１，２およびトランジスタ３，４
はそれぞれ直列に接続され、各直列接続体の両端
には直流電源９の電圧が印加され、トランジスタ
１，２の接続点とトランジスタ３，４の接続点と
の間には負荷１０が接続されている。ダイオード
５，６，７，８は還流電流を流すために不可欠で
ある。

このインバータ回路の動作は周知であるので説
明を省略する。一般に電源電圧は、トランジスタ
の定格電圧の2/3程度である。したがつて、短絡
事故の時のトランジスタには、高電圧が印加され
たままで大電流が流れるので、極短時間に破壊す
る。

トランジスタが破壊した場合、トランジスタの
チツプは一般に局所が熔融し、コレクタ・エミツ
タ間はシヨート状態となる。しかしながら、この
短絡時には一般に保護回路が働いて電源を切るの
であるが、電源が切れるまでの時間が長い場合、
あるいは電源に接続されているコンデンサーの容
量が大きい場合には、トランジスタのチツプのエ
ミツタ電極を接続するリード線が熔断して、ベー
ス・エミツタ間が開放状態になることがしばしば
現出する。このエミツタリード線の熔断後には、
電源からの電流は、トランジスタのコレクタから
ベースに流れるが、この電流値が大きいことと、
この時には、コレクタ・ベース接合は既に破壊さ
れているのでベースには電源電圧がかかつておる
ので、ベース・ドライブ回路はたやすく破壊し、
場合によつては発火することもあり、重大な問題
となつている。

第２図は、このような状況を試験するための回
路を示す回路図で、被試験トランジスタ１２に可
変直流電源１３が抵抗１４を介して接続され、ま
たコンデンサー１５も並列に接続されている。こ
の試験回路で上記現象を評価した結果を第３図に
示す。横軸はリード線の総断面積、縦軸はコンデ
ンサ１５に蓄積されるエネルギー（CVV／２）
をとつている。図中、ａはアルミニウム（Al）
ワイヤ、ｂは銀リード、ｃはチツプアルミニウム
（Al）電極厚みを２倍にした場合のAlワイヤのリ
ード線の熔断に対する耐量である。ｄについては
後述する。

一般にリード線の数を増やすか、リード線を太
くすれば耐量は増大するが、電源のコンデンサー
１５の容量が増えると耐量がさがる。また、エミ
ツタ電極の厚みを増やしてもあまり差はない。そ
のため、Alワイヤを使い超音波ボンデイングで
リード付けを行つているトランジスタでは通常使
用されているコンデンサー容量で、熔断に耐える
ことは、極めて困難であると言える。それに対し
て、銀線を使い半田付けでリード付けを行つてい
るトランジスタは、Alワイヤの数倍の耐量をも
つことが言える。

しかしながら、半田付けでリード付けを行つて
いるトランジスタは、生産性が悪いとか、チツプ
あるいは組立構造の信頼性が悪い、微細パターン
ができない為にチツプの特性が十分でない等の欠
点があるため、現在ではパワートランジスタのほ
とんどはAlワイヤボンデイングで作られている
のが実情である。

第４図は従来のトランジスタのAlワイヤボン
デイングの一例を示す斜視図、第５図はその−
線での断面図で、１６はトランジスタチツプ、
１７はコレクタ高不純物濃度領域、１８はコレク
タ低不純物濃度領域、１９はベース領域、２０は
エミツタ領域、２１はエミツタ電極、２２はベー
ス電極、２３はコレクタ電極、２４はエミツタリ
ード、２５はベースリードを示す。そして、矢印
はエミツタに流れる電流分布を示す。

第６図は銀線を用い半田付けでリード付けを行
つた従来のトランジスタの断面図で、第４図、第
５図と同一符号は同等部分を示す。２４ａはエミ
ツタリード２４をエミツタ電極２１に半田付けす
る半田である。

第２図の回路で行つた調査から、Alワイヤと
銀線半田付けの場合のリード熔断に対する耐量の
差は、Al線と銀線との通電可能な電流容量の差
のみでは説明できないことが判つた。この差につ
いては、以下のように見なすのが妥当であると考
えられる。つまり、Alワイヤボンデイングの場
合のエミツタ電流の通路が最も狭まく、熔断が起
り易い箇所は、チツプ１６上のエミツタAl電極
２１のワイヤボンデイング部の周辺部分であると
考えられる。これは、Alワイヤの径は通常の
300μm〜400μmであるのに対しAl電極の厚みは
４〜6μmであることと、トランジスタ・チツプ１
６における電流径路が、第５図の矢印で示すよう
にエミツタ・ボンデイング・パツドの直下にはあ
まり流れず、エミツタ領域２０のフインガー部に
流れ込んだものがAl電極２１を経てリード線２
４に集まる基本構造になつており、Alボンデイ
ング部の周辺長がリード熔断耐量を左右している
からである。

このワイヤボンデイング部周辺の熔断について
は、半田付けでのリード付けではリードの周りに
数百〜数十μmの半田層が形成されているので、
Alワイヤ方式に較べて大変有利である構造にな
つている。

上記の考えは、次に述べる実験結果からも裏付
けられよう。

インバータ用のパワートランジスタは、前記し
たように環流ダイオードと対になつて用いられ
る。第７図はこのインバータ用トランジスタの従
来の実際的な構成例を示す斜視図、第８図はその
等価回路図である。前出のものと同一符号は同等
部分を示す。２６はここで用いられるモノリシツ
ク・ダーリントン・トランジスタ・チツプ、２７
はスピードアツプ・ダイオード・チツプ、２８は
環流ダイオード・チツプ、２９，３０は絶縁板で
ある。なお、３１は抵抗部を示す。

このように、環流ダイオード・チツプ２８がト
ランジスタ・チツプのすぐ隣に配置されている構
造の複合素子を第２図の試験回路で試験を行つた
場合に、Alワイヤ方式でも半田リード方式と同
程度以上の熔断耐量を示すことがあつた。これは
第３図においてｄで示しているデータである。こ
の時にはいつも環流ダイオード２８が破壊してい
るという際立つた特徴があつた。環流ダイオード
２８の破壊は、トランジスタ・チツプ２６が破壊
して激しく割れた場合に横に密着していたダイオ
ード２８も割れるという形で起ると見なせた。こ
のような場合には、トランジスタ２６のエミツ
タ・ワイヤは熔断しているのであるが、ダイオー
ド２８のワイヤの熔断は起りにくく、破壊された
ダイオード２８側を大電流が流れているのであ
る。第９図はこの環流ダイオードの断面図で、３
２はカソード高不純物濃度領域、３３はカソード
低不純物濃度領域、３４はアノード領域、３５は
アノード電極、３６はカソード電極、３７はトラ
ンジスタ２６のエミツタ電極２１に接続されるア
ノード・リードである。この環流ダイオード２８
が破壊したときに流れる電流を矢印で示す。図示
のように、ワイヤボンデイング直下の電流が最も
大きく、トランジスタの場合ワイヤボンデイング
部の接合の周辺長に依存するのに対して、接合面
積の寄与が大きいことがダイオードのワイヤの熔
断が起りにくい原因であると考えられるわけであ
る。

〔発明の概要〕

この発明は以上のような考察にもとづいてなさ
れたもので、電力用能動素子とダイオードとが同
一半導体チツプ内に逆並列に構成されたものにお
いて、基板側ではない共通主電極からリード線を
引き出す際に、複数本のリード線をダイオード領
域から引出すことによつて、事故時に積極的にダ
イオードを破壊させリード線の熔断耐量の大きい
電力用半導体装置を提供するものである。

〔発明の実施例〕

第１０図はこの発明の第１の実施例の構成を示
す平面図、第１１図はその−線での断面
図で、前出の符号と同一符号は同等部分を示す。
３６は絶縁膜である。トランジスタのコレクタ領
域１７，１８は環流ダイオードのカソードを兼
ね、環流ダイオードのアノード領域３４はコレク
タ領域１８内にベース領域１９に囲まれて形成さ
れている。当然、共用電極としてのエミツタ電極
２１はダイオードのアノード電極を兼ね、コレク
タ電極２３はダイオードのカソード電極を兼ねて
いる。そして、ダイオードのアノードリードを兼
ねるトランジスタのエミツタ・リード２４はこの
実施例ではアノード領域との対向領域である第１
１図のＡの領域において、２つの点で接続されて
いる。

短絡時のリード線の熔断は、通常総てのリード
線について同時に起ることはなく、条件の一番悪
いものから順次熔断する。また、リード線の熔断
が発生した場合には、リード線の接続部でチツプ
が熔解し、しばしばチツプが割れることはよく知
られていることである。本発明による構造の目的
は、第１に、初期のリード線の熔断時に、ダイオ
ード領域にチツプの熔解、あるいはチツプの割れ
を誘起して、後続する短絡電流を主としてダイオ
ード領域に流すことによつて素子全体としてのリ
ード線の熔断に対する耐量を上げることである。
第２に、副次的効果としてエミツタ電極のワイ
ヤ・ボンデイング領域が大幅に増大するので、ワ
イヤの本数を増大することによる耐量の改善され
る効果もある。

第１２図はこの発明の第２の実施例の構成を示
す平面図で、第１０図に示した第１の実施例と異
る点は、エミツタ・リード２４の接続部の数が増
加したことと、エミツタ通電領域までの距離の異
る接続部が共存していることである。エミツタ通
電領域に対する距離が小さいリード線の接続部
は、距離が大きいダイオード領域中央の接続部よ
りも破壊し易いのでまず最初に破壊して、後続電
流が破壊されたダイオードの中央辺を流れ第１０
図の場合よりもいつそう効果を上げることができ
る。

第１３図は、この発明の第３の実施例の構成を
示す平面図である。第１，２の実施例では、ダイ
オードをエミツタ領域の中央に設けたが、ダイオ
ードをエミツタ領域に隣接させている点のみ異な
つている。第１，２の実施例のほうが本発明の主
旨は徹底しているが、比較的小電力素子では、こ
ちらの構造のほうが現実的である場合がある。

この発明を適用した素子を第２図の回路で試験
した結果、Alワイヤを使用した場合においても、
高い確率でもつて銀線を使用した場合と同程度の
リード熔断耐量を得ることができた。

以上述べたように、この発明はAlワイヤによ
るリード取出し方式に著しい効果をもたらすもの
であるが、リード取出し方式は、Alワイヤに限
らず半田方式あるいは他の方式でもかまわない。
半田方式のリード熔断耐量は大きいと言うもの
の、所詮程度の差に過ぎない。この発明の構造に
おいてAlワイヤ方式の代りに半田方式を適用し
た場合一段と熔断耐量が向上することは明らかで
ある。

また、上記説明中のトランジスタの図は、いず
れも単体のトランジスタであつたが、ダーリント
ン・トランジスタについて同様に適用できること
は言うまでもない。

また、上記説明は、トランジスタと環流ダイオ
ードの組合せであつたが、トランジスタと同様に
インバータ回路で使用されるスイツチング素子で
ある、パワーモストランジスタ、ゲートターンオ
フサイリスタ、サイリスタ等と環流ダイオードの
組合せにおいても短絡時のリード熔断に対して、
トランジスタの場合と同様の効果があることは明
らかである。

第１４図は環流ダイオードとゲートターンオフ
サイリスタまたはサイリスタとを組合わす場合の
チツプの断面図で、３７，３８，３９及び４０は
それぞれサイリスタのアノード領域、ベース領
域、ゲート領域及びカソード領域である。４１は
ダイオードのアノード電極を兼ねるサイリスタの
カソード電極、４２はゲート電極、４３はダイオ
ードのカソード電極を兼ねるサイリスタのアノー
ド電極である。このように当然ながら、ダイオー
ドの形成領域にはサイリスタのアノード領域３７
を形成せずに置くことが必要である。

これらの本発明の適用するにあたつての注意す
べきこととして、高周波インバーターの場合、環
流ダイオードは高周波動作にむいた所謂ハイリカ
バリー・ダイオードである必要がある。このため
ダイオード部分に選択的にライフタイム・キラー
を入れる必要がおうおうにして生じる。

ダイオードをスイツチング素子と同一チツプ上
に形成することを含めてこれらのことは、選択拡
散技術を中心とした比較的簡単な工程の追加ある
いは変更によつて可能である。

〔発明の効果〕

以上詳述したように、この発明になる電力用半
導体装置では電力用能動素子とこれに逆並列に接
続されたダイオードとが同一半導体チツプ内に構
成されたものにおいて、共通主電極の一方からリ
ード線を引き出すに際して複数本のリード線をダ
イオード領域から引き出すようにしたので、事故
時に積極的にダイオードを破壊してリード線の熔
断耐量を改善することができ、事故の周辺回路へ
の波及するのを防止できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は一般的なインバータ回路の回路図、第
２図はリード熔断試験回路図、第３図はリード熔
断試験結果を示す図、第４図は従来のトランジス
タのAlワイヤボンデイングの一例を示す斜視図、
第５図は第４図の−線での断面図、第６図は
半田付けでリード付けを行つた従来のトランジス
タの断面図、第７図はインバータ用トランジスタ
の従来の実際例を示す斜視図、第８図はその等価
回路図、第９図は環流ダイオードの断面図、第１
０図はこの発明の第１の実施例の構成を示す平面
図、第１１図は第１０図の−線での断面
図、第１２図および第１３図はそれぞれこの発明
の第２および第３の実施例の構成を示す平面図、
第１４図は環流ダイオードとサイリスタまたはゲ
ートターンオフサイスタとを組み合わす場合のチ
ツプの断面図である。 図において、１７はトランジスタのコレクタ領
域、２０はトランジスタのエミツタ領域、２１は
第２の共通主電極、２３は第１の共通主電極、２
４は引出しリード線、３４はダイオードのアノー
ド領域、４０はサイリスタのアノード領域、４１
は第２の共通主電極、４３は第１の共通主電極で
ある。なお、図中同一符号は同一または相当部分
を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 電力用半導体能動素子とダイオードとが互い
   に逆並列に同一半導体チツプ内に形成された電力
   用半導体装置において、 上記ダイオードのアノードと、上記半導体能動
   素子との共通電極表面の上記アノードとの対向領
   域に複数のリード線をボンデイングしてなること
   を特徴とする電力用半導体装置。 ２ 上記電力用半導体能動素子はパワートランジ
   スタであることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の電力用半導体装置。 ３ 上記電力用半導体能動素子はパワー・モスト
   ランジスタであることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の電力用半導体装置。 ４ 上記電力用半導体能動素子はサイリスタであ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   電力用半導体装置。 ５ 上記サイリスタはゲート・ターン・オフ・サ
   イリスタであることを特徴とする特許請求の範囲
   第４項記載の電力用半導体装置。