JPS5915073Y2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は半導体装置に関するものであり、特に大電流動
作を可能にし、動作中に発生する熱損失を効果的に放散
せしめ、構成部品の熱膨張の差異に起因する機械的応力
の影響を最小限とする目的で広く採用されている加圧接
触型半導体装置の構造に関する。

従来、圧延用ミル、紡績機、鉄道等のモーター制御や、
溶接機、化学処理装置等の電源として、大電力を制御す
る半導体装置に於ては、大きな発熱損失による温度上昇
を速やかに冷却し或は間欠する過激な負荷により半導体
基体に機械的応力の蓄積を生じさせない様に半導体基体
を電極或は冷却用ベース上にろう付けをしないで可滑動
接触となし外部より締付圧力を加えることによって電流
および熱流の良好な接続を得ると同時に構成部品の熱膨
張係数の相違に起因する機械的応力から半導体基体を防
御する加圧接触型半導体装置が最も適切である。

このような加圧接触型半導体装置に於ては、半導体基体
の電気的特性が損なわれない様にこれを電極或は冷却用
ベースの定められた位置で相互に相対位置関係を常に保
持することが要求される。

このため半導体基体の一部に穴や切り欠きを設けてそこ
にピンを通す方法又はシリコンゴムその他の合成樹脂で
保持リングを設ける等の手段が従来採用されている。

しかしながら前者に於ては半導体基体に精度よくピン穴
を加工することが非常に困難であり後者に於ては純度の
高い極めて特殊な材料の入手が難かしく樹脂の性質上か
らも動作中の温度上昇に伴って材質が変化したり半導体
の表面に悪影響を及ぼすガスを発生したりするのを長時
間に渡る信頼性を維持することが困難であった。

従って材料の特殊性や加工の特殊性は半導体装置のコス
トアップ要因となると伴に、応力のアンバランスが生じ
たり電気的特性が変化したりするので、製造工程中に於
て、動作確認試験や信頼性確認のための特別の作業が不
可欠であった。

本考案の目的は、前記の種々の欠点を除き、容易に、精
度良く、信頼性も高く、且つ廉価な、半導体基体の位置
決め手段を有する加圧接触型半導体装置を提供すること
である。

本考案は、半導体基体と電極或は冷却用ベースとの相対
的位置関係を保持するために、バネ性を有する金属材料
例えばバネ鋼又はリン青銅で半導体基体の保持リングと
威し、これを予め電極或は冷却用ベースにロー付は又は
その他の手段で固定し、半導体基体の外周を保持リング
の適当なバネ力に依って挟持することを特徴とする特 以下、本考案を図示の実施例に基づいて説明するにあた
り先ず第１図〜第３図を参照すると、これらは従来の半
導体装置に於ける半導体基体の保持構造の例であって、
例えばシリコンより戒る半導体素片と例えばタングステ
ンより戊る熱補償板とで形成される半導体基体１と、例
えば銅より成る電極２及び３と例えばセラミックより戒
る絶縁リング４と例えばコバールより成る金属板５及び
６とで形成される外囲器とで構成されている。

電極２及び３の外部より適当な押圧カフ及び８を加える
ことによって半導体基体１と電極２及び３との間には可
滑動的な電気及び熱の接触接続面９及び１０を得る。

第１図に於ては半導体基体１の熱補償板の一部に凹部１
１を設は一方電極３の対応位置にピン状の凸部１２を設
けて両者を嵌合することに依って半導体基体１の電極３
に対する位置を決定する。

第２図に於ては熱補償板の外周部に切り欠き１３を設は
一方外囲器の対応部分に同形状の変形ピン１４を設ける
ことに依り半導体基体１の位置を決定するものである。

これらの保持構造に於ては熱補償板を加工することが必
要となるが通常、熱補償板としては半導体素片と熱膨張
係数が類似のタングステン又はモリブデンが用いられる
ためその物理的性質上加工が難かしくダイヤモンド切削
工具を使用するため非常に高価となる。

近年、型押し焼結法が開発されたが、焼結時に大きな体
積収縮を起すため寸法精度が良くないので修正加工が必
要になり、同様に高価格となることは避けられない。

更にこの場合形状が複雑であるために熱補償板内に機械
的応力の不均一な分布を形成するので、半導体基体１の
製造時或は半導体装置としての使用時に加わる応力が影
響すると破損に致る場合があり、高い信頼度を要求され
る大電力の制御装置としては看過することの出来ない重
要な潜在欠陥である。

第３図の実施例に於てはシリコンゴム等の合成樹脂で円
筒状の保持リング１５に依り半導体基体１を外囲器内で
保持すると同時に電極２，３との相対位置を決定してい
る。

この実施例では合成樹脂材料が経時変化を起こし易いた
め半導体素片に影響を与えて信頼性を悪くする要因とな
る。

一般に合成樹脂は成形の容易さ、価格の安さ等利点は多
いが反面材質が物理的、化学的に不安定であると伴に不
純物物質も多く含有している。

特に湿度に対して安定性を欠き、硬化、軟化、脆化、膨
張等の変化や構成物質の気化、残留不純物のガス化等電
気的に活性なイオン粒子が放出され、これらイオン粒子
は半導体素片の表面に徐々に影響を及ぼして電気特性を
劣化に到らしめる場合がある。

この様に従来の実施例では加工の困難さ、機械的応力の
影響、信頼性の問題、高価格など多くの欠点を有してい
る。

次に本考案の実施例として第４図を参照すると、同様の
金属及び絶縁物で構成される外囲器内に半導体基体１を
収納し、外部押圧力を加えることによって電極との間に
可滑動的な電気及び熱の接触接続面を得る。

この外囲器の内部には予めろう付けされた例えばリン青
銅のバネリング１６を有しており、このバネリングは複
数個のツメを持ち、ツメのバネ特性を利用することに依
って半導体基体１をその外周で挾持する構造となってい
る。

この様な構造では外周で挾持するために半導体基体１の
形状が円形のみならず複雑な多角形状であっても対応し
得ること、半導体基体１の外形工作精度が悪くてもバネ
リング１６と半導体基体１との中心位置をＱ、１ｍｍ以
下の高い精度で合致させ得ること、バネ強さを適当に設
計することに依って半導体基体１の回転を抑止出来るな
どの特徴を有しているので外囲器と半導体基体との相対
位置関係が確実に決定され得る。

これはトランジスタ、サイリスタ等で制御電極を半導体
基体から引き出す場合や、半導体装置が並列接続運転さ
れる場合に非常に重要であって、半導体基体１と電極２
，３との相対位置が僅かでも変化すると動作特性及び電
気的特性に影響し、トリガ特性の変化や順方向電圧降下
特性の変化により負荷電流アンバランスを生じて装置運
転上支障となるが本実施例に於ては持続的なバネ力で半
導体基体を挾持している為問題が生ずることはない。

更に金属材料を使用するので物理的化学的に安定であっ
て合成樹脂の如き経時変化が全く懸念されないと伴に、
成形が極めて容易であって、プレス加工に依って種々の
形状のバネリングを目的に応じて得ることが出来る。

金属製バネリングは有機容剤に依る表面清浄化処理後、
数百度の高温で表面の枯化処理を施すことが可能で、こ
の安定化処理を行った部品を使用すれば前記合成樹脂に
見られる材質変化、不純物のガス化、イオン粒子放出等
に起因する半導体基体表面特性の劣化が全く起らないの
で半導体装置の信頼性が格段に向上する。

第５図は外囲器として堅固な電極を有しない例えば銀或
は銅の薄板５，６と絶縁リング４とで外囲器が構成され
ている場合の実施例で、絶縁リング４の内側に保持棚１
７を設け、断面Ｃ形のリン青銅バネリング１８を使用す
ることに依り半導体基体１を外囲器内の適切な位置に保
持することが可能であると伴に、高い信頼度を維持する
ことが出来る。

第６図は、適当な安定化処理を施こした半導体基体１を
外囲器内に気密封止することなく、冷却体ベース１９．
２０及び押圧治具２１に依って直接加圧装着された実施
例であって、半導体基体１は前記第４図に於ける実施例
と同様一方の冷却体ベース２０に予めロー付けされたリ
ン青銅バネ１６により挾持され、冷却体ベース２０の適
切な位置に精度よく相対位置関係を保持し得ると伴に押
圧治具２１を取り除いても半導体基体１が落下すること
がない為、半導体装置の組立及び保守作業に於て非常に
便利である。

以上、図示の実施例に基づいて説明を行ったが、半導体
基体１がダイオードの場合のみならず制御電極例えばゲ
ート電極や補助電極等を有するトランジスタ、サイリス
タの場合も全く同様である。

又金属性のバネ材料としてリン青銅の例を示したが、モ
リブデン薄板やバネ鋼等バネ性を有する材料であれば同
様の効果が実現出来ることは明白である。

形状についても半導体基体の形状に合わせて円形のみな
らず多角形状に底形することは従来一般に利用されてい
る機械的加工技術により容易に実現可能である。

又、本考案において、半導体基体１を構成する半導体素
片と熱補償板とがお互に固着している場合には、バネは
熱補償板を直接支えればよく、一方、熱補償板が無い場
合もしくは熱補償板と半導体素片とが固着されていない
場合であって半導体素片の側面にＰ−Ｎ接合面が露出し
ている場合には電気的絶縁のみを考慮した絶縁物をバネ
と素片の側面に設ければよい。

勿論この絶縁物は、バネと素片との接触部のみに設けれ
ばよく、機械的強度、位置合せ等の考慮は必要ない。

以上のように、本考案による半導体装置において、半導
体基体の保持、位置決めは、容易に精度良く実現出来る
ものであり、不測の残留応力を有さないものであり又、
廉価な材料、加工費用で達成できるものであるから、本
考案の半導体装置は経済的で信頼性の高いものとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図Ａおよび第３図はそれぞれ従来技術によ
る半導体装置の断面図であり、第２図Ｂは第２図Ａの切
断線Ｂ−Ｂ’に沿って矢印方向に視た断面図である。 第４図Ａ、第５図および第６図はそれぞれ本考案の実施
例の断面図であり、第４図Ｂは第２図Ａの切断線Ｂ、Ｂ
’に沿って矢印方向に視た断面図である。 内国において、１・・・・・・半導体基体、２３・・・
・・・電極、４・・・・・・絶縁リング、５，６・・・
・・・金属板、７，８・・・・・・外部押圧力、９，１
０・・・・・・電気的熱的接触接続面、１１・・・・・
・半導体基体に設けられた凹部、１２・・・・・・電極
に設けられたピン、１３・・・・・・切り欠き、１４・
・・・・・変形ピン、１５・・・・・・円筒状の保持リ
ング、１６・・・・・・バネリング、１７・・・・・・
バネリングの保持棚、１８・・・・・・断面Ｃ形のバネ
リング、１９．２０・・・・・・冷却ベース、２１・・
・・・・押圧治具である。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 半導体基体の平面部に電極もしくは冷却体を加圧接触し
   て成る半導体装置において、前記半導体基体の側面方向
   に複数の方向から力を加えるバネ性を有する金属材料の
   物体を有し、前記電極もしくは冷却体から前記半導体基
   体に加わる圧力でもって前記半導体基体と前記電極もし
   くは冷却体との相対位置が固定されていることを特徴と
   する半導体装置。