JPH0864621A - 平形半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】アロイフリー半導体基体と容器外面に露出する
電極体の心合わせを確実にできるようにする。 【構成】半導体基体の両面に接触電極板を介して電極体
を心合わせして重ね、電極体外面中心の凹部を用いて両
電極体の中心軸を一線上にして保持しながら中心軸の周
りに回転させ、フランジ外縁を溶接結合する。溶接の前
に重ね合わせたフランジ外縁を加工して一致させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ゲートターンオフサイ
リスタ (以下ＧＴＯサイリスタと記す) などの半導体基
体を基板に固着しないでその両面に接触体を加圧接触さ
せるアロイフリー型の平形半導体装置の製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】ＧＴＯサイリスタなどの電力用半導体装
置において、半導体基体から容器の両面に同等に放熱で
きる構造とした平形半導体装置がよく知られている。そ
のような平形半導体装置で、シリコン基板の一主面とシ
リコンと近似した熱膨張係数をもつモリブデンなどの基
板との間をろう付けしたものでは、近似しているとはい
え、2.８×１０^-8／℃のＳｉと4.９×１０^-6／℃のＭｏ
の間の熱膨張係数の差によるバイメタル効果によって曲
がりが発生する。この曲がりは半導体基体の口径が大で
あるほど大きく、特にＧＴＯサイリスタのように一枚の
シリコンウエーハに微小なカソード面積を有する多数の
小サイリスタ群を集積した素子では、半導体基体の曲が
りは基板と電極体との接触性を悪くし、多数の小サイリ
スタ群の電流分担が不均一となり、所定の特性が発揮出
来なくなるなどの問題がある。

【０００３】このような曲がりによる影響を阻止するた
めに、通常ではスタックに組立てた状態で半導体装置を
外部の加圧機構により締めつけ、半導体基体の曲がりを
強制的に矯正して使用する方式で対処しているが、口径
が大きくなるほど大きな矯正圧力を必要とする。現実に
は数トンにも及ぶ矯正圧力を必要としていることから、
加圧機構が複雑かつ大形化して操作性の悪化、コスト高
を招く。

【０００４】そこで、最近では半導体基体に基板をろう
付けせずに加圧接触させるようにしたアロイフリー方式
にしたものが採用される傾向にある。このアロイフリー
化した加圧接触方式は半導体基体と基板とをろう付けし
ないので、半導体基体と基板との熱膨張係数の差による
バイメタル効果によっての曲がりは生ずることがない。

【０００５】図３は、特願平５−４０３２９号明細書に
記載されているアロイフリー方式の平型半導体装置を示
し、半導体基体２１の外周部を被覆し、二つのタングス
テンあるいはモリブデンからなる接触電極板２２、２３
が嵌合する開口部を有する環状固定部材２４により、半
導体基体２１と両接触電極板２２、２３が一体にされて
いる。一体化されたこれら部材を、気密絶縁環２５の下
面とフランジ２６により結合された下部電極体２７とフ
ランジ２９に結合された上部電極体２８の間に挟持し、
気密絶縁環２５の上面に結合されたフランジ３０とフラ
ンジ２９を溶接封止することにより、半導体基体２１を
両電極体２７、２８、気密絶縁環２５、フランジ２６、
２９、３０よりなる容器内に気密封入することができ
る。

【０００６】このような平形半導体装置の容器は気密
性、絶縁性、耐熱性および高信頼性を要求されるため、
セラミックス製の気密絶縁膜２５とフランジ２６、２９
とはＡｇ−Ｃｕ系合金のろう材を用いてろう付けされ
る。また、電極体２７、２８とフランジ２６、２９との
結合もろう付けで行われる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】以上説明したようなア
ロイフリー方式の加圧接触構造をもつ平形半導体装置を
構成するに際しては、容器内に組み込む半導体基板２１
の中心と、上部および下部電極体２８、２７の中心を完
全に一致させる必要がある。一致していない場合には、
次の問題がある。

【０００８】(１) 半導体基体２１、接触電極板２２、
２３、電極体２７、２８の間を加圧接触させるときに、
芯ずれによる半導体基体２１に応力過不足を生じ、半導
体基体が破損することがある。 (２) 加圧力が不均一となり、所定の特性が発揮出来な
くなるなどの致命的問題となることがある。

【０００９】(３) 半導体装置の容器に外力、振動など
が加わった場合、半導体基体２１と接触する接触電極板
２２、２３を介して、外力が剪断力として作用し、これ
が原因で半導体基体２１のシリコンウエーハに亀裂など
機械的な損傷を受けて破壊することがある。 (４) 溶接封止するフランジ２９、３０の合わせがずれ
て溶接出来ないか、気密不良が発生する危険がある。

【００１０】しかし、気密絶縁環２５の材料のセラミッ
クとフランジ２６、２９、３０の材料の金属とは熱膨脹
係数が大幅に異なっているため、ろう付け後の寸法精度
は機械加工に要求されるように寸法精度に比して劣る。
さらに半導体基体２１が大口径のウエーハになるほど寸
法精度は悪くなり、各部材の高精度の中心合わせは不可
能な状態である。このため、信頼性の高い平形半導体装
置を製造することが困難であった。

【００１１】本発明の目的は、上述の問題を解決し、半
導体基体を収容する容器の電極体と半導体基体の中心合
わせが完全に行われ、組立操作性が良好な、高信頼性平
形半導体装置の製造方法を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の平形半導体装置の製造方法は、下部電極
体上に半導体材料と近似した熱膨脹係数をもつ材料から
なる接触電極体を介して半導体基体を心合わせして重
ね、次に半導体基体上に半導体材料と近似した熱膨脹係
数をもつ材料からなる接触電極板を介して上部電極体を
心合わせして重ね、一方の電極体に結合されたフランジ
に一方の端面が結合される絶縁環の他方の端面に結合さ
れたフランジと他方の電極体に結合されたフランジを溶
接結合する際に、両電極体およびその間に重ねられた部
材を両電極体の中心軸を一致させて保持するものとす
る。両電極体の外面中心に形成した凹部を衝として両電
極体の中心軸を一致させて保持することが有効である。
保持した両電極体およびその間に重ねられた部材を両電
極体の中心軸の周りに回転させながらフランジを外縁で
溶接結合することも有効である。溶接を行う前に保持し
た両電極体およびその間に重ねられた部材を両電極体の
中心軸の周りに回転させながら加工し、溶接結合される
両フランジの外径寸法を一致させることも良い方法であ
る。フランジ外径寸法の一致は、切削加工によって得て
もレーザ加工によって得てもよい。

【００１３】

【作用】下部電極体の上に接触電極板を介して半導体基
体を心合わせして重ね、その上に上部電極体を接触電極
板を介して心合わせして重ねたのち、上下電極体の中心
軸を一致させて保持して電極体と結合される容器フラン
ジ相互を溶接すれば、各部材の中心合わせが完全に行わ
れる。このような保持は、電極体外面の中心に形成され
た凹部を衝として行うことにより容易となる。溶接は、
保持した各部材を両電極体の中心軸の周りに回転させな
がらフランジ外縁で行うことが作業性が良い。そして同
様に回転させながらフランジを加工して外径寸法を一致
させ、そのあと重なった外縁で溶接すれば、溶接不能や
気密不良が避けられる。このためには、フランジを設計
寸法より予め大きくしておいても良い。

【００１４】

【実施例】図２は、本発明の一実施例で製造された平形
半導体装置の断面構造を示し、図３に示したものとほと
んど同じであるが、下部および上部電極体２７、２８の
外面の中心に凹部３１、３２が形成されている。アロイ
フリー化した半導体基体２１を容器に組み込む実際の手
順は、先ず絶縁環２５にろう付けされたフランジ２６と
ろう付けで結合された下部電極体２７の中心に合わせる
か、あるいは機械加工された電極体２７の外周部に合わ
せて下部接触電極板２２を挿入する。そして、半導体基
体２１外周部を被覆するシリコーン樹脂からなる固定部
材２４の開口部にその接触電極板２２を嵌合させ、さら
に半導体基体２１の他側で固定部材２４の開口部に上部
接触電極板２３を嵌合させる。

【００１５】このあと、上部電極体２８と接触電極板２
３とを位置合わせして重ねながら電極体２８にろう付け
されたフランジ２９を絶縁環２５の上部端面にろう付け
されたフランジ３０に重ね合わせ、フランジ２９とフラ
ンジ３０の縁部を溶接して一体化させる。図１は、本発
明の一実施例でフランジ２９、３０の溶接に用いたＴＩ
Ｇ溶接装置を示し、図４はこの装置への平形半導体装置
各部材装着の状態を一部断面で示す。平形半導体装置
は、溶接装置の同一軸１０の周りに回転する下部保持体
１と上部保持体２の間に挟着されるが、保持体１、２の
対向面の中央には凹部３をそれぞれ備え、その中で図４
に示すようにばね４を介して嵌着体５が収容されてお
り、上方からの圧力２０によりこの嵌着体５を電極体２
７、２８の凹部３１、３２に嵌入させることによって位
置合わせが行われる。この状態で、平形半導体装置を下
部および上部保持体１、２と共にに軸１０の周りに回転
させる。しかし、フランジ３０と下部電極体２７との中
心が合っていないと、フランジ２９とフランジ３０の外
縁の間にずれが生ずる。このずれがフランジの厚み以上
となると、フランジ外縁でのＴＩＧ溶接が不可能となる
ため、溶接前にフランジ外縁のずれを切削用バイト６で
切削補正し、そのあと溶接トーチ７のアークによって溶
接封止する。

【００１６】下部電極体２７と下部接触電極板２２、上
部電極体２８と上部接触電極板２３が位置合わせされて
おれば、内部構成部材の中心と両電極体の凹部３１、３
２の中心は一致しており、この半導体装置使用時の外部
加圧機構の中心を容器外面の凹部３１、３２の中心に合
わせれば、半導体基体への均一な加圧が行われる。上記
実施例では、フランジの溶接結合をＴＩＧ溶接で行った
が、レーザを用いて溶接してもよく、その場合、フラン
ジ外縁の不一致部の補正のための切断にもレーザを用い
ることができる。なお、溶接結合をリング抵抗溶接で行
う場合は、フランジ外縁の不一致部の補正は不要にな
る。また、両フランジ２９、３０の外径寸法を設計より
大きくしておき、両保持体１、２の間に半導体装置を挟
着後、軸１０の周りに回転させながら切削あるいは切断
して所定の外径寸法にしてもよい。

【００１７】

【発明の効果】本発明によれば、半導体基体をはさんで
接触電極板、電極体を位置合わせして重ね、電極体の中
心軸を一致させて保接して電極体と結合されたフランジ
を溶接することにより、外部より加圧される電極体と内
部の各部材の中心合わせができ、加圧力の不均一や偏心
外力あるいは振動に基づく半導体基体損傷のおそれがな
くなり、平形半導体装置の信頼性が向上した。また、保
持したまま回転させ溶接する前に、回転させながらの加
工により溶接結合されるフランジの外縁寸法の不一致を
補正させることにより、溶接不可能や気密不良を招くず
れを回避でき、容器組立時の寸法精度の低下を補うこと
ができるので、容器コストの低減が可能になった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の平形半導体装置の製造に用
いるＴＩＧ溶接装置の側面図

【図２】本発明の一実施例により製造された平形半導体
装置の断面図

【図３】従来の平形半導体装置の断面図

【図４】図１の装置への平形半導体装置各部材装置の状
態を示す一部破砕断面図

【符号の説明】

１ 下部保持体 ２ 上部保持体 ３ 保持体凹部 ４ ばね ５ 嵌着体 ６ バイト ７ 溶接トーチ １０ 中心軸 ２１ 半導体基体 ２２、２３ 接触電極板 ２５ 絶縁環 ２６、２９、３０ フランジ ２７ 下部電極体 ２８ 上部電極体 ３１、３２ 電極体凹部

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】下部電極体上に半導体材料と近似した熱膨
   脹係数をもつ材料からなる接触電極板を介して半導体基
   体を心合わせして重ね、次に半導体基体上に半導体材料
   と近似した熱膨脹係数をもつ材料からなる接触電極板を
   介して上部電極体を心合わせして重ね、一方の電極体に
   結合されたフランジに一方の端面が結合される絶縁環の
   他方の端面に結合されたフランジと他方の電極体に結合
   されたフランジを溶接結合する際に、両電極体およびそ
   の間に重ねられた部材を両電極体の中心軸を一致させて
   保持することを特徴とする平形半導体装置の製造方法。
2. 【請求項２】両電極体の外面中心に形成した凹部を衝と
   して両電極体の中心軸を一致させて保持する請求項１記
   載の平形半導体装置の製造方法。
3. 【請求項３】保持した両電極体およびその間に重ねられ
   た部材を両電極体の中心軸の周りに回転させながらフラ
   ンジを外縁で溶接結合する請求項１あるいは２記載の平
   形半導体装置の製造方法。
4. 【請求項４】溶接を行う前に保持した両電極体およびそ
   の間に重ねられた部材を両電極体の中心軸の周りに加工
   させながら加工し、溶接結合される両フランジの外径寸
   法を一致させる請求項３記載の平形半導体装置の製造方
   法。
5. 【請求項５】フランジ外径寸法の一致を切削加工によっ
   て得る請求項４記載の平形半導体装置の製造方法。
6. 【請求項６】フランジ外径寸法の一致をレーザ加工によ
   って得る請求項４記載の平形半導体装置の製造方法。