JP2604997B2 - 圧接型半導体装置 - Google Patents

圧接型半導体装置

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JP2604997B2
JP2604997B2 JP7281866A JP28186695A JP2604997B2 JP 2604997 B2 JP2604997 B2 JP 2604997B2 JP 7281866 A JP7281866 A JP 7281866A JP 28186695 A JP28186695 A JP 28186695A JP 2604997 B2 JP2604997 B2 JP 2604997B2
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昭 石田
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ゲートターンオフ
サイリスタ(以下GTOと呼ぶ)、シリコン制御素子、
ダイオードおよびトランジスタ等の半導体素子と電極と
を、加圧接触させた圧接型半導体装置に係り、特に、半
導体素子への圧縮応力の集中を緩和し、均一な応力分布
を得るのに好適な圧接型半導体装置に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】GTO、サイリスタ、ダイオード、トラ
ンジスタ等の半導体素子と電極とを加圧接触させた圧接
型半導体装置は、一般に電力用の半導体装置として知ら
れている。この種の圧接型半導体装置として、たとえ
ば、特開昭60−4260号公報に開示されている。こ
の従来の圧接型半導体装置をGTOを例として図3を参
照して説明する。
【0003】半導体素子1の両側に、該半導体素子1の
熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する温度補償板3、
4、5を接合する。半導体素子1のカソード側には、環
状のゲート電極2の外周に環状の外側温度補償板3、ま
た、ゲート電極2の内周には、中央部に開口穴4aが設
けられた環状の内側温度補償板4が接合されている。ま
た、半導体素子1のアノード側には円板状の温度補償板
5が接合されている。上記各温度補償板3、4、5の背
面側には、熱及び電気伝導率の高いポスト電極7、8が
接合され、このポスト電極7、8を矢印方向に押圧し加
圧圧接する構造になっている。また、上記ゲート電極2
は、絶縁体9で覆われ、板ばね10を介し、半導体素子
1側に押圧され位置決めされている。
【0004】上記図3の構造のように、半導体素子1の
両側に温度補償板3、4、5を設けた理由は、半導体素
子1とポスト電極7、8との熱膨張係数の違いにより、
半導体装置の稼働時と停止時等の温度変化によって、半
導体素子1に大きな剪断力が加わるのを防ぐためであ
る。従って、温度補償板3、4、5は、タングステンあ
るいはモリブデン等、半導体素子1と熱膨張係数の近い
金属が用いられる。
【0005】また、従来から使用されているサイリス
タ、ダイオード等の電力用半導体素子のカソード電極
は、電気的に一体で構成されているが、GTOや大電力
トランジスタ等の半導体素子1は、図4(a)、(b)
に示すように、カソード電極11が、多数の突起状に分
割されているため、ポスト電極(温度補償板)の圧接に
より半導体素子1に加わる応力が問題になる。特に、G
TOでは分割された各々のカソード電極11がそれぞれ
独立したGTOであり、これらが並列動作するので、カ
ソード面全体に均一な圧接力が要求される。
【0006】ところが、この種の圧接型半導体装置を図
6に示すようにモデル化し、圧接時に半導体素子1に加
わる応力を有限要素法(FEM)等で解析すると、温度
補償板3、4の周縁部直下に圧縮応力が集中する。そし
て場合によっては、圧縮応力の集中のため、半導体素子
1を破壊するまでになる。図5は、図4に示すカソード
電極11の一つを拡大したものであり、カソード電極1
1aが温度補償板の周縁部直下で圧接され、潰された状
態を呈しているものである。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】上記の従来技術におい
ては、圧接時に発生する応力の集中については、何らの
配慮もされていないため、半導体素子の変形や破損によ
り、半導体装置としての信頼性が低いものになってい
た。
【0008】上記の事情に鑑み、本発明の目的は、半導
体素子に圧接されるポスト電極の周縁部直下に発生する
応力集中を緩和し、半導体素子の変形や破損を防止し
て、信頼性を向上させた圧接型半導体装置を提供するこ
とにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明においては、半導体素子とポスト電極とを温
度保証板を介して圧接してなる圧接型半導体装置におい
て、カソード側の温度補償板の縁部を圧接されるポスト
電極の縁部より適宜寸法突出状に大きく形成するととも
に、アノード側の温度補償板を半導体素子と同径に形成
し、アノード側のポスト電極を温度補償板より適宜寸法
だけ小さく形成し、各ポスト電極周縁部直下の応力を
各ポスト電極の周縁部から突出する温度保証板の突出部
に分散させることにより、応力集中を緩和するようにし
た。
【0010】また、温度補償板の突出寸法lは、温度補
償板の板厚をtとすると、 l=0.5t〜1.1t とすることが望ましい。
【0011】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。図1は、本発明による圧接型半導
体装置の断面図、図2は、図1における圧接型半導体装
置の組付け構造を示す断面図である。同図において、円
板状の半導体素子21は、その上面のカソード側には、
中心部に開口穴23aが形成された環状の温度補償板2
3と、環状のゲート電極27及び、環状の温度補償板2
2が同心円状に配設されている。また、半導体素子21
の下面のアノード側には、半導体素子21と同径の円板
状の温度補償板24が配設されている。
【0012】上記各温度補償板22、23、24の背面
側には、夫々ポスト電極25、26が配設される。な
お、上記半導体素子21のカソード側に配設された温度
補償板22、23は、厚さtを有している。また、上記
ゲート電極27の外壁部は、絶縁性スペーサ28で覆わ
れている。
【0013】上記温度補償板22、23、ゲート電極2
7の外側に接合されるカソード側ポスト電極25には、
上記ゲート電極24が移動可能に挿入される環状の溝2
5aが形成され、その中央部には、凹部25bが形成さ
れている。上記ゲート電極27は、上記溝25aに移動
可能に装着され、溝25a内に配設されたばね等の弾性
部材29により半導体素子21側に押圧される。
【0014】上記半導体素子21、温度補償板24は、
環状の外壁部材35の内壁に配設された位置決めリング
30に嵌入され、樹脂等の充填材31で接着され、位置
決め固定される。また、ポスト電極25は、その外周に
上部フランジ32が固定され、この上部フランジ32の
下面に固定された裏フランジ33を介して上記外壁部材
35の端面に固定されている。また、半導体素子21よ
り小径に形成された上記ポスト電極26は、その外周に
下部フランジ34が固定され、この下部フランジ26を
介して上記外壁部材35に固定されている。そして、各
ポスト電極25、26が外壁部材35に固定されること
により、各ポスト電極25、26は、温度補償板22、
23、24を介して半導体素子21に所定の加圧力で圧
接される。この時、ゲート電極27は、弾性部材29の
圧力で半導体素子21に圧接される。 上記の構成にお
いて、温度補償板22、23の内外径は、その上面に圧
接されるポスト電極25の外径、環状溝25aの内外径
及び凹部25bの内径の周縁より適宜寸法突出してい
る。すなわち、温度補償板22の外径は、ポスト電極2
5の外径よりl寸法だけ突出し、その内径は、ポスト電
極25の溝25aの外径よりl寸法だけ溝25の内側に
突出している。また、温度補償板23の外径は、ポスト
電極25の溝25aの内径よりl寸法だけ溝25aの内
側に突出し、その内径は、ポスト電極25の凹部25b
の外径よりl寸法だけ凹部25bの内側に突出してい
る。
【0015】上記各l寸法は、温度補償板22、23の
板圧をtとしたとき、l=0.5t〜1.1tとするこ
とが望ましい。このようにl寸法を設定すると、ポスト
電極25の加圧圧接時及び半導体装置の作動時に、上記
半導体素子21の上記ポスト電極25との圧接面の周縁
部に作用する圧縮応力が、温度補償板22、23の突出
部に分散され、突出部が弾性変形することにより応力集
中が緩和される。すなわち、図7にモデル化して示すよ
うに、半導体素子21に配設された温度補償板22(2
3)をポスト電極25で、加圧力qで加圧した場合を有
限要素法で解析すると、図6に示すモデルと比較して、
応力集中のないほぼ平坦な応力分布になることがわか
る。
【0016】図7に示すモデルの右半分を拡大して、便
宜上図8に示すモデルに置き換える。図8のモデルにお
いても、温度補償板22をポスト電極25で加圧力qで
加圧すると、温度補償板22とポスト電極25の圧接面
u−vラインの面圧力(応力)は、ポスト電極25の外
周面近傍(v側)に大きく集中する。この応力分布につ
いてみると、ポスト電極25の外周面からa寸法だけ内
(u側)に入ったところまでの平均面圧力がQであり、
a寸法を小さい値にとれば、厚さtの温度補償板22と
半導体素子が圧接されるm−n面に作用する面圧力分布
は、図9の計算モデルによりもとめられる。
【0017】前記計算モデルにおける圧縮応力分布の算
出法の一例として、S.P.Timosheko an
d J.N.Goodier共著のTheory of
Elasticity(チモシェンコとグッドイヤー
両氏による弾性学)なる世界及び国内で一般的となって
いる参考書に記載されている計算方法がある。この計算
方法によれば、図9のm−n面に作用する圧縮応力σz
は次式により求められる。
【0018】
【数1】
【0019】一例として、Q=80Mpa、a=0.0
1mm、l=0.8mm、t=1mm、すなわち、l/
t=0.8の場合で、i=1〜50まで計算したとき
(i=30程度で充分に収束している)の計算結果を図
10に示す。図10から明らかなように、最大応力は、
x=0の位置に生じ、その値σz1 で端面のl=0.8
mm位置の応力σz2 を除すと0.45求まる。
【0020】次に、温度補償板に厚みtと突出長さlの
比l/tと、最大応力σz1 と端面の応力σz2 の比σ
2 /σz1 の関係を求める。すなわち、突出部端面の
圧縮応力σz2 が、最大応力σz1 より10%以上小さ
くなれば、温度補償板が圧接される半導体素子の強度は
充分保証されることになる。
【0021】図11は、前記比l/tと比σz2 /σz
1 の関係を示すものである。図において、縦軸で、突出
部端面の圧縮応力σz2 が、最大応力σz1 より10%
以上小さくなる位置、すなわち、σz2 /σz1 =0.
9に対応する横軸をみると、l/t=0.5であり、温
度補償板の突出長さを、温度補償板の厚みtの0.5倍
以上あれば良いことがわかる。また、比l/tが大きく
なるに従って比σz2/σz1 が小さくなり、比l/t
=1.35のところで、比σz2 /σz1 =0となる。
半導体装置の寸法から受ける制約と経済性を考慮し、比
σz2 /σz1=0.9〜0.1を適正範囲とすると、
温度補償板の突出寸法l=0.5t〜1.1tと定める
ことができる。
【0022】この結果、図1及び図2に示した本発明に
よる圧接型半導体装置における半導体素子21の圧縮応
力の分布は図12に示すように、応力集中のないほぼ均
一な分布となる。また、半導体素子21と温度補償板2
2、23の接触面積が増大し、機械的な信頼性を向上さ
せることができ、さらに、電気的、熱的特性も向上させ
ることができる。
【0023】なお、上記の実施の形態においては、GT
Oについて説明したが、サイリスタ、ダイオード、トラ
ンジスタ等に応用しても、上記と同様の効果を得ること
ができる。
【0024】
【発明の効果】以上述べたごとく、本発明によれば、半
導体素子とポスト電極とを温度補償板を介して圧接して
なる圧接型半導体装置において、カソード側の温度補償
板の縁部を圧接されるポスト電極の縁部より適宜寸法突
出状に大きく形成することにより、半導体素子に応力集
中が発生するのを防止することができ、圧接型半導体装
置の機械的な信頼性を向上させ、さらに、電気的、熱的
特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるGTOサイリスタの一例を示す横
断面図。
【図2】図1におけるGTOサイリスタの組付け構造を
示す横断面図。
【図3】従来の圧接面に溝のある半導体装置の要部を示
す横断面図。
【図4】GTOサイリスタのカソード側の構造を示し、
(a)は平面図、(b)はその横断面図。
【図5】GTOサイリスタのカソード側の突起の構造を
示し、(a)は平面図、(b)はその横断面図。
【図6】従来の圧接型半導体装置をモデル化した形状
図。
【図7】本発明による圧接型半導体装置をモデル化した
形状図。
【図8】図7における圧接部端部近傍の応力計算用のモ
デル図。
【図9】図7における圧接部端部近傍の応力計算用のモ
デル図。
【図10】圧接部における温度補償板の突出寸法と圧縮
応力の関係を示す特性図。
【図11】寸法比と応力比の関係を示す特性図。
【図12】本発明の圧接型半導体装置における圧縮応力
の分布を示すモデル図。
【符号の説明】
21 半導体素子 22、23 温度補償板 24 温度補償板 25 ポスト電極 26 ポスト電極

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】少なくとも一対のP層とN層を有する半導
    体素子と、この半導体素子のカソード側に、所定の厚さ
    と半導体素子の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する内
    外一対の温度補償板を同心状に配置して接合し、両温度
    補償板の背面に円板状のポスト電極を接合状に配設し、
    また、半導体素子のアノード側に、上記温度補償板と同
    じ熱膨張係数を有するアノード側温度補償板とその背面
    のポスト電極とを接合状に配設し、両ポスト電極に加圧
    力を与えて半導体素子とポスト電極とを温度補償板を介
    して圧接してなる圧接型半導体装置において、カソード
    側の温度補償板の縁部を圧接されるポスト電極の縁部よ
    り適宜寸法突出状に大きく形成するとともに、アノード
    側の温度補償板を半導体素子と同径に形成し、アノード
    側のポスト電極を温度補償板より適宜寸法だけ小さく形
    成したことを特徴とする圧接型半導体素子。
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JPH0691117A (ja) * 1992-09-11 1994-04-05 Ebara Corp フィルターを用いる空気浄化装置と浄化方法

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