JPS5929143B2 - 電力用半導体装置 - Google Patents

電力用半導体装置

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JPS5929143B2
JPS5929143B2 JP53000376A JP37678A JPS5929143B2 JP S5929143 B2 JPS5929143 B2 JP S5929143B2 JP 53000376 A JP53000376 A JP 53000376A JP 37678 A JP37678 A JP 37678A JP S5929143 B2 JPS5929143 B2 JP S5929143B2
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政美 岩崎
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Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は大電力を供給する圧接型半導体装置に係り、詳
しくは、パワー ・トランジスタ（以後Ｐ−ＴＲと略称
する）及びゲート・ターンオフ・サイリスタ（以後ＧＴ
Ｏと略称する）等の圧接電極の改良に関する。
このＰ−ＴＲならびにＧＴＯは電力用半導体装置どして
利用されているが、ＧＴＯでは局部的に大きな電力損失
が起き易く、又発生するとその部分でＳｉ基板が破損す
る恐れがある。
したがつて第１図のようにカソード領域を複数のメサ型
に分割する方式が採用されている。このメサ形状のパタ
ーンは、メサの高さ２０μ程度、巾２００μ〜３００μ
位、パターン間隔はほゞ４００μ〜５００μが従来より
採用されており、今後はより微細化の方向に向つている
。
この種の電力用半導体装置における圧接電極構造は幾多
の変遷を経ているが、その概要を述べる。先ず、拡散合
金型のサイリスタではカソード電極としてＡｕ箔等の貴
金属を適用し、この電極を圧接するＳｉとほゞ同一の熱
膨張係数を有する保償板は、この半導体素子を密封する
外囲器に固着したＣｕ電極にろう着で１体化され、この
積層体によつてカソード電極を圧接した。第１図は、従
来のＧＴＯ縦断面を示した。
即ち、異なる導電型の半導体層を交互に積層したＮＰＮ
ＰのＧＴＯ本体１０を設け、その最上層には複数の凸状
カソード領域１を形成する。この各カソード領域には電
極層２を設け、これに電極部材３を当接し更に冷却電極
体６を積層する。この冷却電極体６はＧＴＯ本体を密封
する外囲器にろう着するが、電極部材３と冷却電極体６
間は可滑動型としている。この電極部材３はＧＴＯ本体
１の熱緩衝材として機能するため、ＧＴＯ本体を構成す
るＳｉと熱膨張係数が近似した材料を選定した。前記電
極部材Ｍｏと前記冷却部材Ｃｕがろう着によつて１体化
されている場合、その熱膨張率の差による応力がＳｉに
加わり、遂にはＳｉにクラックが発生して特性劣化をも
たらした。従つて、前述のようなＭｏ（５Ｃｕを可動滑
動型とする方式が採用された。
ところが、厚さの大きいＭｏ板をＧＴＯのメサ電極に接
触、積層して熱疲労試験を行つたところ、メサ電極を構
成するＡｔ（５Ｍｏが合金化され、この合金層が剥離す
る現象が起つた。この熱疲労試験とは半導体素子に定格
電流を通電もしくは停止して、素子温度を常温付近から
定格温度間を多数回往復させて半導体素子機能に異常の
ないことを確認することである。
前記肉厚ＭＯ板の使用による難点を克服する対策として
、肉厚のＭＯ板を採用して加圧接触を繰返したところ、
カソード電極附近の凹凸に合致した形状に冷却電極体６
と電極部材３とが変形し、カソードゲート間の短絡を生
じた。
これはＣｕ電極の硬度が小さくて、電極部材が塑性変形
するためと判断される。本発明は上記欠点を解消した新
規な電力用半導体装置を提供するもので、具体的には突
出力ソート領域に設けた電極に肉薄及び肉厚の金属の積
層構造を隣接配置して、冷却電極体の変形をこの肉厚の
金属板によつて抑えた。
次に、第２図に示した１実施例により本発明を詳述する
。
この第２図はＧＴＯを内部に配置した平型半導体装置の
縦断面図であり、ＧＴＯは異なる導電型の半導体層を交
互に積層したＮＰＮＰの本体２０を用意し、その最上層
には複数の凸状カソード領域１１を有する。
この凸状カソード領域１１にはＡｌ電極層１２を形成し
、前記凸状カソード領域以外の隣接層１３にはゲート電
極１４が形成される。本体２０はＣｕ又はＣｕ合金より
なる冷却電極体１５，１６で圧接するが、これと本体の
間には、第１の熱緩衝部材１７と第２の熱緩衝部材１８
が設置される。又ＮＰＮＰ構造の中、最終層のＰ層はＧ
．Ｔ．Ｏのアノードとして動作するもので、前記冷却電
極体１６は本体２０との間に第３の熱緩衝部材１９を配
置する。この熱緩衝部材１７〜１９は、本体２０を構成
するＳｌの熱膨張係数２．５×１０−６〔Ｄｅｇ−１）
ζ近似したそれを有する材料を選定する。即ち、熱膨張
係数５．０Ｘ１０−６〔Ｄｅｇ−１〕、熱伝導率１．４
〔Ｗ／Ｃｌｎ−Ｄｅｇ〕を保有するＭＯ、又は熱膨張係
数４．５×１０−６〔Ｄｅｇ−１〕、熱伝導率１．７〔
Ｗ／Ｃ！！Ｌ−Ｄｅｇ〕を持つＷが一般に使用される。
前記凸状カソード領域１１は、その幅Ａを２００μ〜３
００μとし、前記第１の熱緩衝部材１７の厚さａは、前
記Ａの１／２が適用可能であるが、５０μ乃至１５０μ
を実際に採用した。
この厚さから想定されるように箔状の熱緩衝部材を前記
凸状カソード領域に設置したＡｌ電極層に隣接して配置
させ、この凸状カソード領域間に位置する隣接層１３を
カバーすることになる。前記第２の熱緩衝部材１８は、
第１の熱緩衝部材１７と類似の特性を有する材料が使用
されるが、相違点はその厚さｂである。
この厚さｂを数１００μとして鋼製の冷却電極体１５よ
り硬い性質を保有させる。又第３の熱緩衝部材１９は、
本体２０のアノード領域３１全面に被着したＡｌ２ｌに
積層配置するが、その材料選定条件は第１の熱緩衝部材
１７のそれと同様であり、本体２０は第３の熱緩衝部材
１９を介して冷却電極体１９に取り着けることになる。
このような本体２０は気密封止体２３内に収納するが、
気密封止体２６はニツケルと鉄からなるＴＮＦ又は鉄、
ニツケル、コバルトからなるＫＯＶ又はＣｕ製の蓋体２
３，２４と、セラミツクからなる筒体２５で構成され、
前記冷却電極体１５，１６は前記蓋体２３，２４に封着
される。更に、本体２０からのゲート電極取出しは金属
製細線により行われるが、１例としてはセラミツク筒体
２５の１部に形成した電極取り出し部電極２７の電極コ
ンタクト部２８にこの金属細線を接続し、ゲート信号を
この電極取り出し部電極２７に印加するようにした。勿
論周知の手段を採用しても良く要は気密封止体外に金属
細線を導出すれば良い。従来方式では、凸状カソード領
域に肉薄の熱緩衝部材を配置し、ここに冷却電極体を積
層していたので、冷却電極体が膨張すると、その膨張分
が肉薄の熱緩衝部材をたるませてしまい、カソード領域
と、この凸状カソード領域間の溝部に設けたゲート（ベ
ース）電極とを短絡する致命的な難点があつた。
これに対して本願にあつては、第１の熱緩衝部材と第２
の熱緩衝部材を使用し、しかも両者を第１を肉薄、第２
を肉厚とし、しかもこれら熱緩衝部材はＳ１半導体基体
と熱膨張係数が近似した材料を選定しているので、前述
の難点を解消した。
と言うのは、第２の熱緩衝部材が肉厚のため、Ｃｕ又は
Ｃｕ合金製の冷却電極体より硬く、その変形を抑える役
割りを果すことになる。一方、第１の熱緩衝部材は前述
のように５０μ〜１５０μと肉薄に形成されているので
弾性力に富み、更に複数の凸状カソード領域に設けたＡ
ｌ電極に直接積層したいわゆる可滑動型になつているの
で、熱負荷に伴うＡｌ電極の膨張収縮に追随可能となる
。
したがつて、本願の最大の目的である異なる導電型を有
する半導体層に夫々設けたＡｌ電極間が、熱緩衝部材に
よつて短絡する現象を防止した。
他の効果としては、半導体基体に多少の反りが存在して
いても、前記肉薄の熱緩衝部材の弾性力により凸状カソ
ード領域に形成したカソード電極をほマ均一に押圧する
ことができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、従来構造からなる平型半導体装置の縦断面図
、第２図は、本発明の１実施例を示す平型半導体装置の
縦断面図である。 １１：凸状カソード領域、１２：カソード電極層、１３
：カソード隣接領域、１４：ゲート電極、１５，１６：
冷却電極体、１７：第１の熱緩衝部材、１８：第２の熱
緩衝部材、１９：第３の熱緩衝部材、２０：本体、２３
，２４：ＴＮＦ蓋体、２５：セラミツク筒体、２６：気
密封止体、２７：電極取り出し部電極、２８：電極コレ
クタ部。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. １ 半導体基板の１主面に選択的に形成する複数の凸状
    領域と、この凸状領域に設置する電極と、この電極に隣
    接する第１の高融点金属熱緩衝部材と、この第１熱緩衝
    部材に隣接配置する、より肉厚の第２の高融点金属熱緩
    衝部材と、前記半導体基板の他主面に固定する第３の熱
    緩衝部材と、前記第２及び第３の熱緩衝部材に隣接配置
    する冷却電極体と、前記半導体基板を封止する封止体と
    を具備することを特徴とする電力用半導体装置。
JP53000376A 1978-01-07 1978-01-07 電力用半導体装置 Expired JPS5929143B2 (ja)

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