JP4129082B2 - 圧接型半導体装置及びそのリング状ゲート端子並びに電力応用装置 - Google Patents

圧接型半導体装置及びそのリング状ゲート端子並びに電力応用装置 Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えばＧＣＴ（Ｇａｔｅ−Ｃｏｍｍｕｔａｔｅｄ Ｔｕｒｎ−ｏｆｆ）サイリスタのような電力変換装置に使用される圧接型半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
大容量パワーエレクトロニクス装置の分野では、従来のＧＴＯ（Ｇａｔｅ Ｔｕｒｎ−ｏｆｆ）サイリスタに代わるものとして、最大遮断電流４０００Ａ及びターンオフ蓄積時間３μｓ以下のスナバレスＧＣＴサイリスタが実現されているところである。ＧＣＴサイリスタの動作原理及びその構造については、例えば特開平９−２０１０３９号公報や特開平８−３３０５７２号公報や三菱電機技報Ｖｏｌ．７１のＮｏ．１２のｐｐ６１−６６に開示されている。その特徴を要約すれば、次の通りである。即ち、ＧＣＴサイリスタにおいては、リングゲート電極に接し且つ絶縁筒の外部に引き出されるゲート端子の形状を、従来のＧＴＯサイリスタのリード状からリング状に置き換えると共に、ＧＣＴサイリスタとゲートドライブ回路との接続をも、ＧＴＯサイリスタのリード線構成から積層基板による構成に改良している。これにより、ゲート端子及びゲート配線のインダクタンスをＧＴＯサイリスタのインダクタンスの約１／１００までに低減化しており、ターンオフの際に流す逆方向のゲート電流をゲート電極の全円周面より等方的に供給することが可能となり、併せてターンオフ蓄積時間の短縮が可能になっている。又、ＧＣＴサイリスタのウェハ構造については、従来のＧＴＯサイリスタのウェハ構造と同様に、数千個のセグメントが同心円状に数段構成で並列的に配置され、その最外周部にゲート電極と界面をなすゲート電極領域が配置されている。
【０００３】
図４は、ゲートドライバをも含めて、従来のＧＣＴ装置の構造を示す縦断面図である。尚、図４においては、ＧＣＴ装置１Ｐは中心軸ＣＡに関して左右対称の構造を有するので、その一方側の構造のみが示されている。
【０００４】
図４中の各参照符号は次の各要素を示す。即ち、２はＧＣＴ装置１Ｐを制御するためのゲートドライブ装置、３はＧＣＴ装置１を加圧すると共に電流を取り出すスタック電極である。４は半導体基板（ウェハ）であり、その第１主面の最外周部上には、ゲート電極領域と接するアルミニウムのゲート電極４ａがリング状に形成され、更にゲート電極４ａの内側の半導体基板４の第１主面上には複数のカソード電極４ｂが同心円状に形成されている。５及び６はそれぞれ半導体基板４のカソード電極４ｂ上に順次に積載されたカソード歪緩衝板及びカソードポスト電極であり、半導体基板４の裏面にあたる第２主面（第１主面と反対側の面）上には図示しないアノード電極が全面的に形成されており、当該アノード電極上に順次にアノード歪緩衝板７及びアノードポスト電極８が積載されている。又、９はその第１表面（下面）が半導体基板４のゲート電極４ａに面接触するリングゲート電極であり、１０Ｐは金属板からなるリング状ゲート端子であり、その内周平面部１０ＰＩの内周側端部がリングゲート電極９の第２表面（上記第１表面と対向する上面）上に摺動可能に配設されている。しかも、皿バネ又は波バネのような弾性体１１は、環状絶縁体１２を介して、リング状ゲート端子１０Ｐの内周平面部１０ＰＩの上記端部と共に、リングゲート電極９をゲート電極４ａに対して押圧している。この押圧により、ゲート電極４ａ，リングゲート電極９及びリング状ゲート端子１０Ｐは互いに電気的に接続される。又、１３はリングゲート電極９を対面するカソード歪緩衝板５及びカソードポスト電極６から絶縁するための絶縁シートである。リング状ゲート端子１０Ｐは、上記の内周平面部１０Ｉの他、更に中間部ないしは固着部１０ＰＦ及び外周平面部１０ＰＯより成り、内周平面部１０ＰＩの内でリングゲート電極９と面接触していない部分には曲がり部１０Ｐｄが設けられ、かつ外周平面部１０ＰＯの途中部分にも曲がり部１０Ｐａが形成されている。
【０００５】
一方、１４はセラミックスからなる絶縁筒であり、リング状ゲート端子１０Ｐの中間部１０ＰＡを挟んで上下に分割されており、しかも突起部１４ａを有する。そして、リング状ゲート端子１０Ｐの固着部１０ＰＡと絶縁筒１４とは、ろう付け接合によって気密に互いに固着されている。また、絶縁筒１４の外周側面から外部に引き出されたリング状ゲート端子１０Ｐの外周平面部１０ＰＯの内で、その外周端よりも若干内周部側に寄った部分には、当該リング状ゲート端子１０Ｐをゲートドライブ装置２に連結するための複数個の取り付け穴１０Ｐｂが円周方向に向けて所定の間隔で設けられている。更に、絶縁筒１４の上面より外側に向けて折れ曲がって突出した第１Ｌ字部の端部１４ｂ１と、リング状の第１フランジ１５の一方の端部とは、アーク溶接によって気密に固着されており、絶縁筒１４の下面より突出した第２Ｌ字部の端部１４ｂ２及び第２フランジ１６の一方の端部も、同様にアーク溶接によって気密に固着されている。そして、第１及び第２フランジ１５，１６の他方の端部は、それぞれカソードポスト電極６及びアノードポスト電極８の切込み部の一部に固着されている。これにより、ＧＣＴ装置１Ｐは外部に対して密閉された構造になっている。尚、この内部は不活性ガスで置換されている。
【０００６】
更に、１７はリング状ゲート端子１０Ｐと同心となるように配接された環状金属板からなる板状制御電極であり、スタック電極３によってカソードポスト電極６に圧接されている。又、環状金属板からなる板状制御ゲート電極１８は、板状制御電極１７と同様に、リング状ゲート端子１０Ｐと同心となるように配置されると共に、その内周側端部においてリング状ゲート端子１０Ｐの外周平面部１０ＰＯの外周側端部と電気的に接続されている。その接続は、次の部材１９，２０によって実現される。即ち、１９は、リング状ゲート端子１０Ｐ及び板状制御ゲート電極１８を板状制御電極１７から絶縁するための絶縁スリーブであり、２０は、板状制御電極１７と板状制御ゲート電極１８との間に絶縁スリーブ１９を介してリング状ゲート端子１０Ｐ及び板状制御ゲート電極１８を互いに電気的に接続するための、ボルト・ナット等より成る接続部品であり、接続部品２０の内のナットは、取り付け穴１０Ｐｂに対応して板状制御ゲート電極１８に設けられた取り付け穴と取り付け穴１０Ｐｂとを貫通している。そして、板状制御電極１７及び板状制御ゲート電極１８はそれぞれゲートドライブ装置２に直結されている。
【０００７】
リング状ゲート端子１０Ｐの材料には、当該端子１０Ｐとアルミナ（セラミック）より成る絶縁筒１４とのろう付け接合部において大きな封着強度を得るために、アルミナの熱膨張係数と近似した熱膨張特性を持ち、しかも、比較的加工性及び強度性にも優れた鉄と４２％ニッケルとから成る合金が一般的に用いられている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べたＧＣＴサイリスタの開発により、パワーエレクトロニクス用半導体装置の大容量化及び高速化が実現可能となったわけであるが、ＧＣＴサイリスタの更なる大容量化及び高速化が要求されている。しかし、この要求を実現するにあたっては、以下に示す新たな問題点が生じている。
【０００９】
（問題点１）
図４に示すＧＣＴサイリスタのような従来の圧接型半導体装置では、既述したように、リング状ゲート端子１０の材料に鉄−４２％ニッケル合金が用いられている。このような材料が選定された理由は、次のような設計上の配慮からである。即ち、アルミナより成る絶縁筒１４とリング状ゲート端子１０Ｐとのろう付け接合において十分な封着強度を確保するためには、アルミナの熱膨張係数（約６．５×１０-6／℃）とほぼ同一の熱膨張係数を有する材質をリング状ゲート端子１０Ｐとして用いる必要がある。この要求に答えうる材質としては、例えばモリブデンやタングステンという金属を挙げることができる。しかし、これらの金属はコスト的にみて実用的でないため、これらの金属をリング状ゲート端子１０Ｐとして用いることができない。そこで、それらの金属に代わるべきものとして、アルミナの熱膨張係数に近い値である、熱膨張係数が４×１０-6〜１３×１０-6／℃（３０℃〜８００℃）の範囲内にある鉄−４２％ニッケル合金が用いられるに至っている。この場合、実際にろう付け接合部分の強度は温度サイクルが加わっても影響を受けないことが検証されており、このため鉄−４２％ニッケル合金が、コスト面及び加工性等の面と共に、最適材料とされてきたのである。このような材料の検討及び選定は、正にコストパフォーマンスの観点からなされた設計事項の範疇にあると言える。
【００１０】
ところが、鉄−４２％ニッケル合金は、その最大透磁率が約４０，０００となる比較的強い磁性を持つ強磁性体材料である。この鉄−４２％ニッケル合金が有する強磁性という性質は、従来のＧＴＯサイリスタのみならず、図４のＧＣＴサイリスタにおいても、設計上全く考慮されることのなかった点であると言える。それは、数百Ｈｚ程度の動作周波数領域で以て低電流を制御する場合には、後述するリング状ゲート端子１０Ｐの電磁誘導による誘導加熱作用が問題とはならなかったためであると考える。しかし、例えば１ｋＨｚを超える動作周波数領域（例えばｍａｘ．５ｋＨｚ〜１０ｋＨｚ）においては、ゲート電流の短時間での繰返し位相反転によって磁束の変動が誘起される結果、鉄損としてリング状ゲート端子１０Ｐの内部に蓄えられた磁気及び電気エネルギーが熱エネルギーの形態に変換されて、リング状ゲート端子１０Ｐの温度が上昇してしまうという問題点が生じている。このリング状ゲート端子１０Ｐにおける発熱は装置内のリングゲート電極９を介して半導体基板４へと伝わって、同基板４の温度上昇を招くと共に、同基板４の面内温度の不均一性を生じさせることとなり、同基板４内の各セグメントの電気的特性に変化をもたらすこととなる。
【００１１】
このような誘電加熱作用によるリング状ゲート端子１０の温度上昇という問題点を、本願発明者は、半導体基板の代わりに銅板を素子として用いた実験を通じて発見したのである。即ち、素子のアノード及びカソード間に約１ｋＡの電流を動作周波数領域（１ｋＨｚ〜１０ｋＨｚ）内で約５分間流してアノード銅ブロックの温度を測定した結果、各測定点で温度上昇が生ずるのを見出した。そのときの実験データを、図５に示す。図５中、記号ＡＣｕ１〜ＡＣｕ４，ＡＦ１〜ＡＦ４及びＧ１〜Ｇ４は、図６の平面図に示す観測点の位置（熱電対取付け位置）を示す。図５より、温度上昇度ΔＴは、動作周波数（１ｋＨｚ〜１０ｋＨｚ）に対して、ほぼ線型的に増加してゆくことが理解される。図５の実験データは、直接的には、誘導加熱作用によるリング状ゲート端子１０Ｐの温度上昇可能性を示すものであるが、このデータより半導体基板の温度上昇可能性を推測することは可能と考える。
【００１２】
そこで、このような温度上昇を冷却させる必要性が生ずる。ところが、図４に示す各部品の形状及び配置から生ずる機構的制限によって、リング状ゲート端子１０Ｐを直接冷却することは至難の業である。
【００１３】
したがって、この電磁誘導による誘導加熱作用の防止という観点から、しかも、リング状ゲート端子と絶縁物とのろう付け接合の強度を従来の装置と同程度に維持しておくという観点をも含めて、リング状ゲート端子の材料選定が問題点として浮上してくるのである。
【００１４】
（問題点２）
また、ＧＣＴ装置の大容量化は、最大遮断電流の増大に伴い、半導体基板内で同心円状に並列接続されるセグメント数の増大化をもたらし、必然的に半導体基板の大口径化と共に、パッケージの大口径化をも助長している。このため、半導体基板及びパッケージの外径寸法が大きくなればなる程に、リード状ゲート端子１０Ｐと絶縁筒１４とのろう付け時にろう付け接合部及び内周平面部１０ＰＩに歪みが無視できない大きさとして残り、その残留歪みが装置の動作時に熱応力としてリング状ゲート端子の外周平面部１０ＰＯにおいて働く結果、外周平面部１０ＰＯの形状が塑性変形することが十分に考えられる。
【００１５】
なる程、リング状ゲート端子１０Ｐの外周平面部１０ＰＯには、リング状ゲート端子１０Ｐの絶縁筒１４に対する固着部１０ＰＦにおける外部からの応力集中を軽減するための曲り部１０Ｐａ，１０Ｐｄが形成されてはいる。しかし、例えば外形寸法が２００ｍｍを超えるリング状ゲート端子１０Ｐの場合においては、内周平面部１０ＰＩから又は絶縁筒１４との固着部１０ＰＦから外周平面部１０ＰＯに渡って等方的に働く上述の熱応力に対しては、曲がり部１０Ｐａ，１０Ｐｄのみでは不十分であると考える。このため、外周平面部１０ＰＯの形状が塑性変形し、ＧＣＴ装置１Ｐとゲートドライブ装置２とを連結する取り付け穴１０Ｐｂ及び接続部品２０の連結部分（給電点）に機械的ストレスによる接触不良が生じ、ゲート電流の等方的な供給が妨げられることが考えられる。また、リング状ゲート端子１０Ｐと絶縁筒１４とのろう付け接合の際に残留した上記の熱応力が形状のうねりをもたらして、リング状ゲート端子１０Ｐと絶縁筒１４との一体型部品の製作が困難になりうる事態も考えられる。
【００１６】
従って、このような問題点を予め防止或いは抑制しておくことが必要となる。
【００１７】
本発明は、先ず、上記の問題点１を解決するためになされたものである。即ち、本発明の第１次的な目的とするところは、リング状ゲート端子の電磁誘導による誘導加熱作用を防止或いは格段に軽減することにある。
【００１８】
加えて、本発明は、上記の問題点２を解決すること、即ち、リング状ゲート端子の外周平面部において、ろう付け接合の際に残留した熱応力が動作時に作用した場合の塑性変形を防止或いは抑制させることを、第２次的目的としている。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、圧接型半導体装置において、その表面上に環状のゲート電極が形成された円板状の半導体基板と、前記ゲート電極に接触するリングゲート電極と、その一方の端部が前記リングゲート電極に接触し且つ他方の端部が外部にまで引き延ばされたゲート端子と、前記一方及び他方の端部を除く前記ゲート端子の中間部を上下より挟持しつつ前記中間部に固着され且つ前記半導体基板、前記リングゲート電極及び前記ゲート端子の内で前記一方の端部と前記中間部との間の部分を内包する絶縁筒とを備え、前記ゲート端子の材料はその最大透磁率がＣＧＳガウス単位系で１５，０００以下となる磁性体であり、且つ、その熱膨張係数が３０℃から８００℃までの温度範囲内で４×１０ -6 ／℃〜１３×１０ -6 ／℃の範囲内にある磁性体又はそのヤング率が６０ＧＰａ〜２１０ＧＰａの範囲内にある磁性体であることを特徴とする。
【００３８】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
図１は、ゲートドライバをも含めて、本実施の形態に係る圧接型半導体装置の一例であるＧＴＣ装置１の構造を示す縦断面図である。尚、図１においては、ＧＣＴ装置１は中心軸ＣＡに関して左右対称の構造を有するので、その一方側の構造のみが示されている。
【００３９】
図１中の各参照符号は次の各構成要素を示す。即ち、２はＧＣＴ装置１を制御するためのゲートドライブ装置、３はＧＣＴ装置１を加圧すると共に電流を取り出すスタック電極である。４はｐｎｐｎ構造を有し、且つ数千個のセグメントが同心円状に並列的に配置された半導体基板（ウェハ）であり、その第１主面ないしは表面の最外周部上には、同基板の最外周部におけるゲート電極領域と電気的に接するアルミニウムのゲート電極４ａがリング状に形成され、更に、ゲート電極４ａよりも内側に位置する半導体基板４の第１主面上には、複数のカソード電極４ｂが同心円状に形成されている。５及び６はそれぞれ半導体基板４のカソード電極４ｂ上に順次に積載されたカソード歪緩衝板及びカソードポスト電極であり、半導体基板４の裏面にあたる第２主面（第１主面と反対側の面）上には図示しないアノード電極が全面的に形成されており、当該アノード電極上に順次にアノード歪緩衝板７及びアノードポスト電極８が積載されている。又、９はその第１表面（下面）が半導体基板４のゲート電極４ａに面接触するリングゲート電極であり、１０は金属板からなるリング状ゲート端子であり、その内周平面部１０Ｉの内周側端部がリングゲート電極９の第２表面（上記第１表面と対向する上面）上に摺動可能に配設されている。しかも、皿バネ又は波バネのような弾性体１１は、環状絶縁体１２を介して、リングゲート端子１０の内周平面部１０Ｉの上記端部と共に、リングゲート電極９をゲート電極４ａに対して押圧している。この押圧により、ゲート電極４ａ，リングゲート電極９及びリング状ゲート端子１０は互いに電気的に接続される。又、１３はリングゲート電極９を対面するカソード歪緩衝板５及びカソードポスト電極６から絶縁するための絶縁シートである。リング状ゲート端子１０は、上記の内周平面部１０Ｉの他、更に中間部ないしは固着部１０Ｆ及び外周平面部１０Ｏより成り、内周平面部１０Ｉの内でリングゲート電極９と面接触していない部分には曲がり部１０ｄが設けられ、かつ外周平面部１０Ｏの途中部分にも曲がり部１０ａが形成されている。
【００４０】
一方、１４はセラミックス（例えばアルミナ）からなる絶縁筒であり、リング状ゲート端子１０の中間部１０Ｆを挟んで上下に分割されており、しかも、その外周側面部に突起部１４ａを有し、筒内に主要部４，５，７，９，１０，１１，１２を内包している。そして、リング状ゲート端子１０の固着部１０Ｆと絶縁筒１４とは、ろう付け接合によって気密に互いに固着されている。また、絶縁筒１４の外周側面部から外部に引き出されたリング状ゲート端子１０の外周平面部１０Ｏの内で、その外周端よりも若干量だけ内周部側に寄った部分には、当該リング状ゲート端子１０をゲートドライブ装置２に連結するための複数個の取り付け穴１０ｂが円周方向に向けて所定の間隔で設けられている。この点を、リング状ゲート端子１０の上面図である図２に示す。更に、絶縁筒１４の上面より外側に向けて折れ曲がって突出した第１Ｌ字部の端部１４ｂ１と、リング状の第１フランジ１５の一方の端部とは、アーク溶接によって気密に固着されており、絶縁筒１４の下面より突出した第２Ｌ字部の端部１４ｂ２及び第２フランジ１６の一方の端部も、同様にアーク溶接によって気密に固着されている。そして、第１及び第２フランジ１５，１６の他方の端部は、それぞれカソードポスト電極６及びアノードポスト電極８の切込み部の一部に固着されている。これにより、ＧＣＴ装置１は外部に対して密閉された構造になっている。尚、この内部は不活性ガスで置換されている。
【００４１】
更に、１７はリング状ゲート端子１０と同心となるように配接された環状金属板からなる板状制御電極であり、スタック電極３によってカソードポスト電極６に圧接されている。又、環状金属板からなる板状制御ゲート電極１８は、板状制御電極１７と同様に、リング状ゲート端子１０と同心となるように配置されると共に、その内周側端部においてリング状ゲート端子１０の外周平面部１０Ｏの外周側端部と電気的に接続されている。その接続は、次の部材１９，２０によって実現される。即ち、１９は、リング状ゲート端子１０及び板状制御ゲート電極１８を板状制御電極１７から絶縁するための絶縁スリーブであり、２０は、板状制御電極１７と板状制御ゲート電極１８との間に絶縁スリーブ１９を介してリング状ゲート端子１０及び板状制御ゲート電極１８を互いに電気的に接続するための、ボルト・ナット等より成る接続部品であり、接続部品２０の内のナットは、取り付け穴１０ｂに対応して板状制御ゲート電極１８に設けられた取り付け穴と取り付け穴１０ｂとを貫通している。そして、板状制御電極１７及び板状制御ゲート電極１８はそれぞれゲートドライブ装置２に直結されている。
【００４２】
図１のＧＣＴ装置１が図４のＧＣＴ装置１Ｐと相違する点は、リング状ゲート端子の材料にある。即ち、従来のＧＣＴ装置では、単に絶縁筒の材料の熱膨張係数に親和的な材料をリング状ゲート端子に用いるという配慮しかなされていないため、組成比が鉄−４２％ニッケルより成る合金をリング状ゲート端子に使用している。このため、結果的に、比較的磁性の強い強磁性体材料をリング状ゲート端子に用いるという事態が生じていたのであり、しかも、この点が、比較的高い動作周波数領域では、リング状ゲート端子における電磁誘導による誘導加熱作用の起因となっていることを、本願発明者は見出したのである。そこで、本ＧＣＴ装置１では、リング状ゲート端子１０の材料として強磁性体でないもの、つまり、下記に定義する弱磁性体を用いることにしている。これにより、誘導加熱作用の源たるリング状ゲート端子１０の磁性を大幅に低減化することができ、１ｋＨｚを超える動作周波数領域においてＧＣＴ装置１を動作させても、リング状ゲート端子１０内では磁束の変動が十分に抑止される又は生じないこととなり、特別な冷却装置をＧＣＴ装置１内に設けることなく、リング状ゲート端子１０の温度上昇及び半導体基板４の面内温度の不均一性を十分に低減する又は完全に防止することが可能となる。この場合、リング状ゲート端子１０に使用可能な材料には、最大透磁率がＣＧＳガウス単位系として１５，０００以下となる磁性体であることが、以下に各実施例として後述するように、望まれる。このような最大透磁率を有する磁性体は、（ｉ）非磁性体、（ｉｉ）強磁性体の一部及び（ｉｉｉ）反強磁性体の一部を含む。そこで、最大透磁率がＣＧＳガウス単位系で１５，０００以下となる磁性体を「弱磁性体」と定義する。特に、ここで言う「非磁性体」は、▲１▼外部磁場によって磁化するものの他に、▲２▼強磁性体がキュリー温度（反強磁性体ならばネール温度）以上で非磁性体となるものをも含む。又、「非磁性体」は、広義では、「常磁性体」及び「反磁性体」を含む概念である。
【００４３】
更に、従来のＧＣＴ装置１Ｐと同様に、本ＧＣＴ装置１においても、リング状ゲート端子１０と絶縁筒１４とのろう付け接合部における封着強度を実用上十分なレベルにまで確保しておく必要がある。そして、従来のリング状ゲート端子１０Ｐに用いられている鉄−４２％ニッケル合金の熱膨張係数と同程度の値ないしは近傍値の熱膨張係数を有する弱磁性体をリング状ゲート端子１０の材料に用いるならば、実用上問題とはならないレベルの封着強度を確保することができると考えられる。そこで、本ＧＣＴ装置１においては、リング状ゲート端子１０の材料として、熱膨張係数αが４×１０-6／℃〜１３×１０-6／℃（３０℃〜８００℃）の範囲内にある弱磁性体を用いている。又、延性を有する銅やアルミニウムをリング状ゲート端子に用いるときにも、上記延性により、鉄−４２％ニッケル合金をリング状ゲート端子に用いている従来のＧＣＴ装置１０Ｐの場合と同様なレベルの封着強度が得られることが確認されている。そして、延性を有する上記金属のヤング率Ｅは６０ＧＰａ〜２１０ＧＰａの範囲内にある。そこで、本ＧＣＴ装置１では、上記熱膨張係数を有する弱磁性体に代えて、ヤング率Ｅが６０ＧＰａ〜２１０ＧＰａの範囲内にある弱磁性体をリング状ゲート端子１０の材料として用いることも可能である。このような熱膨張係数α又はヤング率Ｅを有する弱磁性体を用いるときには、従来のＧＣＴ装置と同程度の封着強度を維持して残留熱応力を緩和することも可能となる。
【００４４】
上記の条件を満たすリング状ゲート端子１０の材料例としては様々なものを挙げることが可能であるが、以下では、その代表的なものを具体的に説明する。
【００４５】
但し、磁性や接合性や加工性といった特性向上の目的のために、以下に列挙する各材料成分（主成分）に、少量のチタン（Ｔｉ），ケイ素（Ｓｉ），マンガン（Ｍｎ），炭素（Ｃ），ニッケル（Ｎｉ），鉄（Ｆｅ），クロム（Ｃｒ），コバルト（Ｃｏ），ニオブ（Ｎｂ），バナジウム（Ｖ），窒素（Ｎ），カルシウム（Ｃａ），リン（Ｐ），マグネシウム（Ｍｇ），錫（Ｓｎ）又は硫黄（Ｓ）等を添加したり、或いは不純物として混入させても構わない。又、以下に示す各材料（主成分）に、Ｎｉ，Ａｌ，Ａｕ，Ａｇ又はＣｕ等の軟質金属を被覆ないしはメッキしても良い。
【００４６】
【実施例１】
本例は、リング状ゲート端子１０の材料として、銅を主成分とする金属を採用するものである。即ち、図１のリング状ゲート端子１０を、無酸素銅にする。この場合、無酸素銅のヤング率Ｅはおおよそ１２６ＧＰａである。
【００４７】
本例により、リング状ゲート端子１０は非磁性体より形成されることとなり、従来の鉄−４２％ニッケル合金よりもリング状ゲート端子１０の磁性を大幅に低減できる。
【００４８】
【実施例２】
本例は、リング状ゲート端子１０の材料として、モリブデンを採用するものである。尚、モリブデン自体の熱膨張係数α（×１０-6／℃）は、おおよそ４．９となる。
【００４９】
本例により、リング状ゲート端子１０は弱磁性体より形成されることとなり、従来の鉄−４２％ニッケル合金よりもリング状ゲート端子１０の磁性を大幅に低減できる。
【００５０】
【実施例３】
本例は、リング状ゲート端子１０の材料として、銅を主成分とする金属を採用した一例である。即ち、図１のリング状ゲート端子１０を真鍮（黄銅）にする。この場合、真鍮のヤング率Ｅは約９８ＧＰａ程度である。
【００５１】
本例により、リング状ゲート端子１０は弱磁性体となるので、従来の鉄−４２％ニッケル合金としたときよりもリング状ゲート端子１０の磁性を大幅に低減できる。
【００５２】
【実施例４】
本例は、リング状ゲート端子１０の材料として、アルミニウムを主成分とする金属を採用した一例である。即ち、図１のリング状ゲート端子１０を、ジュラルミンにする。この場合、ジェラルミンのヤング率Ｅはおおよそ６９ＧＰａである。
【００５３】
本例によれば、リング状ゲート端子１０は弱磁性体となるので、従来の鉄−４２％ニッケル合金よりもリング状ゲート端子１０の磁性を大幅に低減できる。
【００５４】
【実施例５】
本例は、鉄を主成分とする金属をリング状ゲート端子１０に用いる第１例である。ここでは、図１のリング状ゲート端子１０を、鉄及び１８．５％クロムの合金にする。これにより、リング状ゲート端子１０は最大透磁率が約４，５００（ＣＧＳガウス単位系）の弱磁性体となり、従来の鉄−４２％ニッケル合金よりもリング状ゲート端子１０の磁性を大幅に低減できる。この場合の鉄クロム合金は後述するステンレス鋼の一種であり、又、それは鉄及びクロムを両主成分とする金属であるとも言うことができる。本例の鉄クロム合金の熱膨張係数αはおおむね１０．９×１０-6／℃である。
【００５５】
【実施例６】
本例は、鉄を主成分とする金属をリング状ゲート端子１０に用いる第２例である。ここでは、図１のリング状ゲート端子１０をステンレス鋼にする。ステンレス鋼は、鉄中に約１１％以上のクロムを添加した合金であり、従って、鉄及びクロムを両主成分とする金属であるとも言える。特に、鉄に１５〜２５％クロム及び８〜２５％ニッケルを含むオーステナイト系ステンレス鋼は非磁性体である。オーステナイト系ステンレス鋼（例えばＳＵＳ３１６）の場合には、そのヤング率Ｅはおおむね１９７ＧＰａである。
【００５６】
これにより、リング状ゲート端子１０は弱磁性体となるので、従来の鉄−４２％ニッケル合金よりもリング状ゲート端子１０の磁性を大幅に低減できる。
【００５７】
【実施例７】
本例は、鉄を主成分とする金属をリング状ゲート端子１０に用いる第３例である。ここでは、図１のリング状ゲート端子１０を、鉄、２９％ニッケル及び１７％コバルトの合金（コバール）にする。コバールの平均熱膨張係数α（×１０-6／℃）は、５．３（３０℃〜２００℃）、５．０（３０℃〜３００℃）、４．８（３０℃〜４００℃）、６．３（３０℃〜５００℃）及び１１．０（３０℃〜８００℃）である。
【００５８】
尚、コバールは鉄、ニッケル及びコバルトを主成分とする金属であるとも言うことができる。
【００５９】
これにより、リング状ゲート端子１０は、ＣＧＳガウス単位系における最大透磁率が約１０，０００の弱磁性体となるので、従来の鉄−４２％ニッケル合金よりもリング状ゲート端子１０の磁性を大幅に低減できる。
【００６０】
【実施例８】
本例は、リング状ゲート端子１０の材料を、コバールを主成分とするクラッド金属とするものである。即ち、図１のリング状ゲート端子１０を、コバールに２つの銅を上下よりクラッドした３層構造の金属（ＣＫＣクラッド材（Ｃ：銅，Ｋ：コバール））にする。この場合、コバール及び銅の板厚比率において、銅の比率が高くなるに従い、クラッド金属の最大透磁率は小さくなり、且つその熱膨張係数は大きくなる傾向にあり、板厚比率を適切に変えることによって、既述した熱膨張係数の条件（４Ｅ−６〜１３Ｅ−６（３０〜８００℃））を満たす所望の材料特性を得ることができる。但し、その最大透磁率はＣＧＳガウス単位系で１５，０００を越えることはない。例えば、板厚比１：８：１のＣＫＣクラッド材の場合には、その熱膨張係数αは５．０×１０-6／℃である。
【００６１】
ここで、「クラッド金属」は広義の「金属」に属すると言える。従って、本例のＣＫＣクラッド材は、コバールを主成分とする金属でもあり、又は、コバール及び銅を両主成分とする金属でもある。
【００６２】
更に、コバールに２つのキュプロニッケルを上下よりクラッドしたクラッド金属を用いることも同様に可能である。
【００６３】
更に、銅にコバールをクラッドしたＫＣＫクラッド材を用いることができる。この場合も、ＣＫＣクラッド材と同様に適切に板厚比を制御して、その熱膨張係数が既述の範囲内になるようにする。
【００６４】
以上のクラッド金属を用いることによりリング状ゲート端子１０は弱磁性体となるので、従来の強磁性体としての鉄−４２％ニッケル合金よりも、リング状ゲート端子１０の磁性を大幅に低減できる。
【００６５】
（変形例）
（１） リング状ゲート端子１０の材料として、コバルトを少なくとも主成分の一つとする金属を用いることができる。例えば、４０％コバルト、１５％ニッケル、２０％クロム、７％モリブデン及び鉄の合金を挙げることができる。
【００６６】
（２） リング状ゲート端子１０として、クロムを少なくとも主成分の一つとする金属を用いることもできる。
【００６７】
例えば、▲１▼１４％ニッケル、１５％クロム及び鉄の合金、▲２▼３８％ニッケル、１８％クロム及び鉄の合金又は▲３▼クロム及び５．５％鉄の合金を用いることができる。これらの合金▲１▼，▲２▼，▲３▼は共に非磁性体であり、後述の（３）の１例でもあり、又、鉄を主成分とする金属の１例でもある。
【００６８】
（３） リング状ゲート端子１０として、ニッケルを少なくとも主成分の一つとする金属を用いても良い。
【００６９】
例えば、▲１▼非磁性体である、ニッケル及び２０％クロムの合金（これはニッケル及びクロムを両主成分とする金属でもある）や、▲２▼同じく非磁性体である、銅及び５５％ニッケルの合金（これは銅及びニッケルを主成分とする金属でもある）を用いることができる。又、▲３▼非磁性体であるキュプロニッケル（銅及び３０％ニッケルの合金）を用いても良い（これは、銅及びニッケルを両主成分とする金属でもあり、又、銅を主成分とする金属の１つでもある）。
【００７０】
（４） 又、リング状ゲート端子１０として、アルミニウムを主成分とするクラッド金属を用いても良い。
【００７１】
例えば、▲１▼アルミニウムに２枚のオーステナイト系ステンレス銅をクラッドした３層構造の金属、又は、▲２▼オーステナイト系ステンレス鋼にアルミニウムをクラッドした３層構造の金属を用いることができる。
【００７２】
（５） 又、リング状ゲート端子１０として、銅を主成分とするクラッド金属を施したものを用いることもできる。
【００７３】
又、▲１▼銅に２枚のオーステナイト系ステンレス銅（例えばＳＵＳ３０４）をクラッドした金属や、▲２▼銅に２枚のキュプロニッケルをクラッドした金属を用いることもできる。勿論、▲１▼，▲２▼のクラッド金属の各々については、その構成比を逆転させたものも利用可能である。
【００７４】
（６） 更に、リング状ゲート端子１０の材料として、銅及びアルミニウム、又は銅及びモリブデン、又はアルミニウム及びモリブデン、又は銅、アルミニウム及びモリブデンを主成分とする金属を用いることもできる。例えば、銅及び３０％モリブデンの合金を利用することができる。
【００７５】
更に、モリブデンを少なくとも主成分の一つとする金属を用いることもできる。例えばモリブデン及び３０％銅の合金を利用することができる。
【００７６】
（７） 更に、リング状ゲート端子１０の材料として、鉄、ニッケル、コバルト、クロム、マンガン及びモリブデンの内の少なくとも２つを主成分とする金属を用いることができる。尚、これらの金属の中には、室温における熱膨張係数がほぼ４×１０-6／℃となるものがあり、且つ非磁性体の例として前述（２）の（３）が挙げられる。
【００７７】
（８） 更に、リング状ゲート端子１０の材料として、マンガンを主成分とする金属を用いても良い。例えば、▲１▼２２％マンガン、１３％クロム及び鉄の合金や、▲２▼２５％マンガン、５％クロム及び鉄の合金や、▲３▼３２％マンガン、７％クロム及び鉄の合金を挙げることができる。
【００７８】
（９） 更に、リング状ゲート端子１０の材料に、チタンを主成分とする金属を挙げることができる。この例としては、▲１▼チタン単体、▲２▼５％アルミニウム、２．５％錫及びチタンの合金、▲３▼６％アルミニウム、４％バナジウム及びチタンの合金がある。
【００７９】
（まとめ）
上述した例の内で、実施例１，実施例６のオーステナイト系ステンレス鋼、変形例（１）、変形例（２）、変形例（３）、変形例（４）、変形例（５）、変形例（８）及び変形例（９）で挙げた材料例は、いずれも「非磁性体」に属する。又、実施例３、実施例４、実施例６、実施例８、変形例（６）及び変形例（７）で挙げた材料例は、構成元素の成分或いは板厚比を制御することで、「非磁性体」にもなりうる。但し、合金の組成比については、上述した例以外のものも可能である。
【００８０】
以上のように、図１のリング状ゲート端子１０を、熱膨張係数が４×１０-6／℃〜１３×１０-6／℃（３０℃〜８００℃）或いはヤング率が６０Ｇｐａ〜２１０ＧＰａの範囲を持つ弱磁性の金属にすることで、比較的高い動作周波数で大電流を制御する圧接型半導体装置１のリング状ゲート端子１０において、（ｉ）絶縁筒１４の材料であるセラミックスとの接合に際し大きな封着強度が得られ、しかも、（ｉｉ）電磁誘導による誘導加熱作用を防止できる或いは格段に軽減することが可能となる。
【００８１】
（実施の形態２）
本実施の形態２に係る圧接型半導体装置の一例としてのＧＣＴ装置は、既述した問題点２を解決するためになされたものであり、構造上、リング状ゲート端子においてのみ実施の形態１に係るＧＣＴ装置と異なり、その他の構造は同一である。但し、リング状ゲート端子の材料は不問である。即ち、図１のＧＣＴ装置１のようにリング状ゲート端子を非強磁性体より形成しても良いし、図４のＧＣＴ装置のように強磁性体としても良い。勿論、前者とする方が問題点１をも同時に克服できる点で好ましいと言える。以下、リング状ゲート端子の構造についてのみ説明する。
【００８２】
図３は、図１のＧＣＴ装置１に相当するＧＣＴ装置からリング状ゲート端子１０Ａのみを抽出して描いた平面図である。図３に示すように、同端子１０Ａの外周平面部１０ＡＯ内には、その外周端から同端子１０Ａの直径方向ないしは中心軸方向に延びた複数のスリットが設けられている。より詳細には、外周平面部１０ＡＯ内において、その外周端から対応する取り付け穴１０ｂに至るまで各スリット１０ｃが形成されている。
【００８３】
このような構造とすることによって、動作時（特に膨張から収縮時）にリング状ゲート端子１０Ａの外周平面部１０ＡＯにおいて生じる残留熱応力による歪をスリット１０ｃによって吸収することができるので、外周平面部１０ＡＯにおける形状の塑性変形の発生を防止或いは抑制することができる。その結果、ゲートドライブ装置２とリング状ゲート端子１０Ａとの連結部分に於いて（図１参照）、同端子１０Ａの接続部品２０との接触及び摺動を良好なものとすることができる。
【００８４】
（付記）
実施の形態１及び２では、リング状ゲート端子の材料を弱磁性体にして電磁誘導による誘導加熱作用を防止することについて記述したが、リード状ゲート端子を上記のように弱磁性体（その最大透磁率がＣＧＳガウス単位系で１５．０００以下となる磁性体）とすることも可能である。
【００８５】
又、実施の形態１及び２に係る圧接型半導体装置（ＧＣＴ）は様々な応用装置において用いられる。例えば、ＧＣＴサイリスタは、無効電力発生装置（Static Var Generator）やBack to Back装置や周波数変換装置等の電力応用装置における大電力素子として用いられる。
【００８６】
【発明の効果】
請求項１〜１５及び請求項１７，１８に係る各発明によれば、例えば１ｋＨｚを越える比較的高い動作周波数で大電流を制御する圧接型半導体装置のリング状ゲート端子において、電磁誘導による誘導加熱作用を防止することができる、或いは格段に軽減することができる。
【００８７】
特に、請求項４ないし６に係る各発明によれば、リング状ゲート端子と絶縁筒との接合に際して十分実用に耐え得る封着強度が得られ、しかも、電磁誘導による誘導加熱作用を防止或いは格段に軽減することができる。
【００８８】
請求項１６及び１９に係る発明によれば、上記リング状ゲート端子の外周平面部において、熱応力による形状の塑性変形が発生するのを防止できる、或いは抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１に係るＧＣＴ装置の構造を示す縦断面図である。
【図２】 この発明の実施の形態１に係るＧＣＴ装置のリング状ゲート端子の形状を示す上面図である。
【図３】 この発明の実施の形態２に係るＧＣＴ装置のリング状ゲート端子の形状を示す上面図である。
【図４】 従来のＧＣＴ装置の構造を示す断面図である。
【図５】 問題点を示す図である。
【図６】 測定個所を示す平面図である。
【符号の説明】
１ ＧＣＴ装置、４ 半導体基板、４ａ ゲート電極、９ リングゲート電極、１０，１０Ａ リング状ゲート端子、１０Ｉ，１０ＡＩ 内周平面部、１０Ｏ，１０ＡＯ 外周平面部、１０Ｆ 固着部（中間部）、１０ｃ スリット。

Claims (19)

  1. その表面上に環状のゲート電極が形成された円板状の半導体基板と、
    前記ゲート電極に接触するリングゲート電極と、
    その一方の端部が前記リングゲート電極に接触し且つ他方の端部が外部にまで引き延ばされたゲート端子と、
    前記一方及び他方の端部を除く前記ゲート端子の中間部を上下より挟持しつつ前記中間部に固着され且つ前記半導体基板、前記リングゲート電極及び前記ゲート端子の内で前記一方の端部と前記中間部との間の部分を内包する絶縁筒とを備え、
    前記ゲート端子の材料はその最大透磁率がＣＧＳガウス単位系で１５，０００以下となる磁性体であり、且つ、その熱膨張係数が３０℃から８００℃までの温度範囲内で４×１０ -6 ／℃〜１３×１０ -6 ／℃の範囲内にある磁性体又はそのヤング率が６０ＧＰａ〜２１０ＧＰａの範囲内にある磁性体であることを特徴とする、
    圧接型半導体装置。
  2. 請求項１記載の圧接型半導体装置であって、
    前記ゲート端子はリング状ゲート端子であり、
    前記リング状ゲート端子は、内周平面部、前記内周平面部とつながった前記中間部及び前記中間部とつながった外周平面部を備え、
    前記内周平面部の内周側端部が前記一方の端部に該当し、
    前記外周平面部の外周側端部が前記他方の端部に該当することを特徴とする、
    圧接型半導体装置。
  3. 請求項２記載の圧接型半導体装置であって、
    前記リング状ゲート端子の前記材料は非磁性体であることを特徴とする、
    圧接型半導体装置。
  4. 請求項２記載の圧接型半導体装置であって、
    前記リング状ゲート端子の前記材料は、前記リング状ゲート端子と前記絶縁筒との固着強度に基づき決定されていることを特徴とする、
    圧接型半導体装置。
  5. 請求項４記載の圧接型半導体装置であって、
    前記リング状ゲート端子は、熱膨張係数が３０℃から８００℃までの温度範囲内で４×１０-6／℃から１３×１０-6／℃までの範囲内の値となる金属であることを特徴とする、
    圧接型半導体装置。
  6. 請求項４記載の圧接型半導体装置であって、
    前記リング状ゲート端子は、６０ＧＰａから２１０ＧＰａまでの範囲内のヤング率を有する金属であることを特徴とする、
    圧接型半導体装置。
  7. 請求項２記載の圧接型半導体装置であって、
    前記リング状ゲート端子は、少なくとも銅を主成分の一つとして有する金属であることを特徴とする、
    圧接型半導体装置。
  8. 請求項２記載の圧接型半導体装置であって、
    前記リング状ゲート端子は、少なくともアルミニウムを主成分の一つとして有する金属であることを特徴とする、
    圧接型半導体装置。
  9. 請求項２記載の圧接型半導体装置であって、
    前記リング状ゲート端子は、少なくともモリブデンを主成分の一つとして有する金属であることを特徴とする、
    圧接型半導体装置。
  10. 請求項２記載の圧接型半導体装置であって、
    前記リング状ゲート端子は、少なくとも鉄を主成分の一つとして有する金属であることを特徴とする、
    圧接型半導体装置。
  11. 請求項２記載の圧接型半導体装置であって、
    前記リング状ゲート端子は、少なくともニッケルを主成分の一つとして有する金属であることを特徴とする、
    圧接型半導体装置。
  12. 請求項２記載の圧接型半導体装置であって、
    前記リング状ゲート端子は、少なくともコバルトを主成分の一つとして有する金属であることを特徴とする、
    圧接型半導体装置。
  13. 請求項２記載の圧接型半導体装置であって、
    前記リング状ゲート端子は、少なくともクロムを主成分の一つとして有する金属であることを特徴とする、
    圧接型半導体装置。
  14. 請求項２記載の圧接型半導体装置であって、
    前記リング状ゲート端子は、少なくともマンガンを主成分の一つとして有する金属であることを特徴とする、
    圧接型半導体装置。
  15. 請求項２記載の圧接型半導体装置であって、
    前記リング状ゲート端子は、少なくともチタンを主成分の一つとして有する金属であることを特徴とする、
    圧接型半導体装置。
  16. 請求項２記載の圧接型半導体装置であって、
    前記リング状ゲート端子の前記外周平面部において設けられた、その直径方向に延びたスリットを更に備えることを特徴とする、
    圧接型半導体装置。
  17. 請求項１ないし請求項１６のいずれかに記載の前記圧接型半導体装置を有する電力応用装置であって、
    前記電力応用装置は、無効電力発生装置、Ｂａｃｋ ｔｏ Ｂａｃｋ装置、又は、周波数変換装置の何れかに該当する装置であることを特徴とする、
    電力応用装置。
  18. 圧接型半導体装置のリング状ゲート端子であって、
    その材料はその最大透磁率がＣＧＳガウス単位系で１５，０００以下となる磁性体であり、且つ、その熱膨張係数が３０℃から８００℃までの温度範囲内で４×１０ -6 ／℃〜１３×１０ -6 ／℃の範囲内にある磁性体又はそのヤング率が６０ＧＰａ〜２１０ＧＰａの範囲内にある磁性体であることを特徴とする、
    リング状ゲート端子。
  19. 請求項１８記載のリング状ゲート端子であって、
    その外周端部において、直径方向に延在して設けられたスリットと、
    前記リング状ゲート端子をその中に挿入された接続部品を介してゲートドライブ装置に連結するための取り付け穴とを備えており、
    前記スリットは前記取り付け穴と繋がっていることを特徴とする、
    リング状ゲート端子。
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