JPH0521672A

JPH0521672A - 被冷却型の大パワー半導体装置

Info

Publication number: JPH0521672A
Application number: JP3017330A
Authority: JP
Inventors: Franz Kloucek; クロウツエツクフランツ
Original assignee: ABB Asea Brown Boveri Ltd; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB Asea Brown Boveri Ltd; ABB AB
Priority date: 1990-02-09
Filing date: 1991-02-08
Publication date: 1993-01-29
Also published as: DE4101205A1; GB9102141D0; GB2241112A; US5132777A

Abstract

(57)【要約】【目的】冷却性能が改善された、単純なハウジングを
特徴とする大パワー半導体装置を得ること。【構成】大パワー半導体装置において、ブラシ形状で
配置されて、その間に冷却材を流通させる冷却チャネル
１１ａ、ｂを形成する接点フィラメント３ａ、ｂが、物
質的に連続した接合により半導体基板１と接触する構成
により冷却作用が改善されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はパワーエレクトロニクス
の分野に関する。本発明は、特に、(a) ディスク状の半
導体基板と、(b) 該半導体基板の二つの側の各々におい
て該半導体基板に平行に配置され且つそれから離間する
一つの接点ディスクと、(c) 各接点ディスクと該半導体
基板との間において、物質的に連続した接合により、一
方の側においては随伴する接点ディスクに、他方の側に
おいては該半導体基板に接続された複数の相互に平行な
接点フィラメントとから成る被冷却型の大パワー半導体
装置に関する。

【０００２】この様な装置は、例えば、米国特許第4,３
３3,１０２号（US−Ａ−4,333,102)に開示されている。

【０００３】

【従来技術】約２００Ａ以上の電流レベルの大パワー半
導体装置（ダイオード、サイリスタ、ＧＴＯなど）は、
シリコンと金属接点部との熱膨張が非常に異なるため
に、物質的に連続した接合により（例えばハンダ接合に
より）容易に接点を設けることの出来ない大面積シリコ
ン基板を特徴とするものである。

【０００４】それ故に、この様な装置を包装するため
に、通常に、いわゆるディスク形状の圧力接点ハウジン
グ（ディスク型パッケージ）が使用される（これに関し
ては、例えば、刊行物ＵＳ−Ａ−4,４０2,００４を参照
のこと）。この様なディスク型パッケージでは、シリコ
ン基板の電極の接点形成は、圧力負荷により行われ、ま
たこれらの圧力接点を介して該装置を介して該装置の熱
損失を除去しなければならない。

【０００５】圧力接点ハウジングの熱抵抗は、互いに圧
接された部分と部分の間に存する分割線に起因するもの
である。従って、該装置をヒートシンクに熱効率良く締
着するために精巧な圧力フレームが必要である。また、
シリコン基板は、精巧な、密封されたセラミックハウジ
ング内に収容されなければならない。熱膨張効果を中和
しながら同時に熱除去性能を改善するために、半導体基
板及びそれぞれの熱除去ディスクの両方に物質的に連続
した接合部（ハンダ付け）により接合されるワイヤの捩
じれた束を半導体基板と外付けの熱除去ディスクとの間
に配置することが冒頭において言及した刊行物に提案さ
れている。

【０００６】この構成では、外からの圧力は最早不要で
あり、周囲に関しての熱抵抗は減少しているけれども、
熱損失は、そのワイヤの束を通して完全に伝送されなけ
ればならない。また、依然として、密封したセラミック
／金属のハウジングが必要である。

【０００７】

【発明の概要】従って、本発明の目的は、冷却性能が改
善された、単純なハウジングを特徴とする大パワー半導
体装置を提供することである。この目的は、冒頭に記載
した種類の装置において、(d) 冷却材が流通する冷却チ
ャネルが接点フィラメント間に存在し、(e) 半導体基板
の終端縁にパッシベーションが設けられており、(f) 半
導体基板の他の自由面は該冷却材と直接接触する。

【０００８】従って、本発明の装置では、内部冷却を行
い、これにより基板自体と、接点フィラメントと、接点
ディスクの内側とが冷却される。これには、熱源の非常
に近くで大面積にわたって冷却が行われるという利点が
ある。また、基板が冷却材自体の中にあるために、簡単
なカスト・オン（cast−on) 型プラスチック絶縁ハウジ
ングを使用することが出来る。また、多様な冷却材を使
用することが出来る。

【０００９】本発明の好適な模範的実施例では、接点フ
ィラメントは、Cu接点ディスクにろう付けされたCuワイ
ヤ片から成る。本発明の他の模範的実施例は、特許請求
の範囲の欄の従属項から明らかとなる。次に、図面を参
照して本発明の実施例について説明をする。

【００１０】

【実施例】図面において、同じ参照数字は同一又は対応
する部分を指す。図１は、本発明の装置の好適な模範的
実施例を示す。この装置の中央部分は、大面積のディス
ク状半導体基板１（シリコン製）であり、その終端縁に
はパッシベーション２が設けられている。

【００１１】半導体基板１への接点は、電気伝導率及び
熱伝導率を有する物質（好ましくは銅）から成る横方向
に撓むブラシ状構造によって該ディスクの両側で物質的
に連続した接合により作られる。この接点ブラシは、物
質的に連続した接合により外付けの接点ディスク４ａ、
ｂに各々接合された複数の、相互に平行な接点フィラメ
ント３ａ、ｂから成る。この接点ディスク４ａ、ｂは、
半導体基板１に平行で、これから離間している。

【００１２】接点ブラシは、半導体基板１のシリコンと
接点ディスク４ａ、ｂの材料（好ましくはCu）との熱膨
張の差を、該フィラメントの曲がりにより吸収する。好
ましくは水、空気、オイル又は炭化水素含有冷却材（例
えばフレオン）である冷却材は、半導体基板１の近傍の
接点フィラメント３ａ、ｂ間に形成された冷却チャネル
１１ａ、ｂを通して流れ、これにより非常に効率のよい
内部冷却を確保する。

【００１３】接点フィラメントの間隔、長さ、直径及び
形状を、冷却要件と、半導体基板１の表面構造とに同時
に適合させることが出来る。従って、例えばＧＴＯサイ
リスタなどに見られる複雑な表面構造に対して接点を有
益に作ることが出来る。接点フィラメント３ａ、ｂと、
随伴する接点ディスク４ａ、ｂとは、例えば、切削によ
り銅の固まりから作ることの出来るものである。しか
し、ろう付けの結果として物質的に連続した接合により
接点ディスク４ａ、ｂに接合されるワイヤ片を接点ディ
スク３ａ、ｂとして使う方が有利である。

【００１４】パッシベーション２は、半導体基板１に付
けたガラスの層により設けるのが好都合である。この様
にすれば、冷却材は、半導体基板１の上を直接に、その
高圧強度を損なうことなく、流れることが出来る。その
ガラス層は、熱的に７００ないし９００℃でガラスリン
グの形で設け、或いは７００℃未満での陽極プロセス
（これに関しては刊行物US−Ａ−3,397,278を参照のこ
と）により設けられる。このプロセスに適したガラス
は、パイレックス・ガラスの様に、シリコンと同様の熱
膨張率を持っていなければならない。

【００１５】上記のガラス・パッシベーションは、通常
の密封ハウジングを不要にする。逆に、半導体基板１
は、両側において物質的に連続した接合により（好まし
くは軟質はんだ付け又は共融Au−Si結合の結果として）
接点フィラメント３ａ、ｂの自由端に接合され、次に該
半導体基板にポッティングによりプラスチック絶縁ハウ
ジング８を設けることが出来る。同時に、冷却回路を密
封するためにシール６を設けるが、これは、例えば収縮
スリーブ（shrinkdown sleeve)の形で構成することの出
来るものである。

【００１６】半導体基板１は、二つの接点ディスク４
ａ、ｂの間に形成されたチャンバを細分し、その結果と
して二つの冷却回路が作られている。二つの冷却材継手
９ａ、ｂ及び１０ａ、ｂが各冷却回路にそれぞれ設けら
れている。接点ディスク４ａ、ｂと絶縁ハウジング８と
の間の接合の強度を向上させるために、接点ディスク４
ａ、ｂに取り付けられている係留素子７も封入すること
が出来る。同時に、該装置をトリガーするための通し導
線も封入することが出来る。

【００１７】エポキシ樹脂は、水分吸収が少ないので、
絶縁ハウジング８には非常に適している。この様なエポ
キシ樹脂の熱膨張率を、電気絶縁性の充填材（セラミッ
ク粉末）により、ポッティングされるべき金属部分と整
合させるべきである。図１の構成は無圧力接点を包含す
るものであるので、電流端子５ａ、ｂを接点ディスク４
ａ、ｂの外面に直接付けることが出来るしかし、特殊な
目的では、内部冷却を省略して、エア・ヒートシンク又
は液体冷却用冷却ボックスを接点ディスク４ａ、ｂの外
面に機械的に締着させる場合もある。この場合には電流
端子５ａ、ｂは不要である。

【００１８】既に述べた様に、直径を有すると共に（隣
接するフィラメント間に距離ｂを置いて）六角形に配置
された丸いワイヤ片（図２）を接点フィラメント３ａ、
ｂに使用するのが好都合である。本発明の装置で実際に
見られる幾何学的及び物理的関係の例について述べる。例オン状態で７００Ａの最大連続電流を有するＣＳＧ２０
００型の大電流ＧＴＯにおいて、二つのCu接点ブラシ
が、直径６０mmにわたって半導体基板に物質的に連続し
た接合で接触する。。各接点ブラシは、直径1.０mm、長
さ１０mmで六角形に配置された１４５０本の円柱状接点
フィラメントを含む。外フィラメントの最短中心間間隔
はｂ＝1.５mmである。

【００１９】約５５mm²の断面積を有する冷却媒体用流
路が生じる様に、金属ガイド板が更に接点ブラシに間隔
１７mmで挿入される。この様な金属板は、例えば、螺旋
形に挿入すると有益である。この場合、入口はハウジン
グ内の周辺部に配置され、出口は中央に配置される。こ
の様なガイド板を使用する理由は二つある。即ち、冷却
材は冷却内面全体にわたって均一に流れることとなり、
また、達成される大流量により冷却作用が向上するので
ある。

【００２０】この様な構成では、該装置でのパワー消費
２１００Ｗ、最大接合部温度１２５℃、許容冷却材温度
上昇１０Ｋで種々の冷却材について下記の流入温度Ｔ_IN
を許容することが出来る：これは、圧力接点と、外付けの冷却ボックスとを有す
る通常の構造の場合における許容流入温度Ｔ_INが５8.９
℃であるのと対照的である。

【００２１】明らかに、上記の教示から本発明の多数の
変形、別形が可能である。従って、特許請求の範囲の記
載内容の範囲内で、以上に詳しく記載した以外の態様で
発明を実施し得ることが理解されなければならない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の装置の好適な実施例の断面図である。

【図２】図１の装置の接点フィラメントの好適な構成を
詳細に示す。

【符号の説明】

１半導体基板２パッシベーション３ａ、ｂ接点フィラメント４ａ、ｂ接点ディスク５ａ、ｂ電流端子６シール７係留素子８絶縁ハウジング９ａ、ｂ冷却材継手１０ａ、ｂ冷却材継手１１ａ、ｂ冷却チャネルａ直径（接点フィラメント）ｂ間隔（接点フィラメント）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】 (a) ディスク状半導体基板(1) と、 (b) 該半導体基板(1) の両側の各々において、該半導体
基板(1) に平行に配置され且つそれから離間する一つの
接点ディスク（４ａ、ｂ）と、 (c) 各接点ディスク（４ａ、ｂ）と該半導体基板(1) と
の間において、物質的に連続した接合により、一方の側
においては随伴する接点ディスク（４ａ、ｂ）に、他方
の側においては該半導体基板(1) に接続された複数の相
互に平行な接点フィラメント（３ａ、ｂ）とから成る被
冷却型の大パワー半導体装置であって、 (d) 冷却材が流通する冷却チャネル（１１ａ、ｂ）が接
点フィラメント（３ａ、ｂ）間に存在し、 (e) 半導体基板(1) の終端縁にパッシベーション(2) が
設けられており、 (f) 半導体基板(1) の他の自由面は該冷却材と直接接触
することを特徴とする大パワー半導体装置。
【請求項２】該接点ディスク（４ａ、ｂ）及び該接点
フィラメント（１１ａ、ｂ）は各々Cuから成ることを特
徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】該接点フィラメント（３ａ、ｂ）は、軟
質はんだ付け又はAuを用いる共融接着により半導体基板
(1) に接合されることを特徴とする請求項２に記載の装
置。
【請求項４】接点フィラメント（３ａ、ｂ）は、ろう
付けの結果として物質的に連続した接合により接点ディ
スク（４ａ、ｂ）に接合されたワイヤ片から成ることを
特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項５】冷却材を案内する金属ガイド板が追加さ
れて接点フィラメント（３ａ、ｂ）間に配置されている
ことを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項６】冷却材として、水、空気、オイル又は炭
化水素含有冷却材が使用されることを特徴とする請求項
１に記載の装置。
【請求項７】該パッシベーション(2) はガラス層から
なることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項８】半導体基板(1) 、接点フィラメント（３
ａ、ｂ）及び接点ディスク（４ａ、ｂ）から成る装置
は、環状プラスチック絶縁ハウジング(8) 内に封入され
ることを特徴とする請求項１に記載の装置。