JPS58101433A - 加圧接触型半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の接衝分野 この発明は、加圧接触型半導体装置に関する。

発明の技術的背景 一般に、トランジスタ、サイリスタ、　　ＧＴＯ等のよ
うに、半導体基体と金属端子が、加圧によシ接触されて
いる半導体装置を、加圧接触１１牛導体装置といい、電
圧用半導体素子として爽〈知られている。加圧接触型半
導体装置は、一般に第１図に示すような構造をとってい
る。すなわち、２主面を有する半導体基体（１１）の両
面に、金属板（１２）。

−（１３）を介して、円柱状の金属スタンプ（１４）、
（１５）を設け、この金属スタンプ（１４）、（１５）
で、前記半導体基体（１１）を加圧接触する構造である
。

前記金属板（１２）、（１３）は、温度補償板と呼ばれ
、前記半導体基体（１１）Ｋ近い熱膨張係数を有する金
属例えば、モリブデン（Ｍｏ　）　、タングステン＜Ｗ
＞　郷が用いられる。この温度補償板は、半導体基体（
１１）と金属スタンプ（１４）、（１５）との熱膨張係
数の違いの丸めに、装置稼動による温度変化に伴う両者
間のバイメタル効果による機械的ストレスが半導体基体
（ｕ）　Ｋ加わるのを防止するために用いられる。まえ
前記金属スタンプ（１４）、（１５）には、熱伝導率お
よび電気伝導率の高い例えば鋼（Ｃｕ遺が用いれる。

例えば、サイリスタの場合について第１図に基づき説明
する。サイリスタ構造の形成された半導体基体（１１）
におけるアノード電極側の面は、タングステン板（１３
）に合金法で直接固着せしめ、このタングステン板（１
３）をはんだ層（１７）を介して鋼スタンプ（１５）　
Ｋ固着している。ま九カソード電極側板（１２）を半導
体基体（１１）のカソード電極側の面に接触させ、第１
図中の矢印方向に圧力を加え、加圧接触している。

従来から使用されているサイリスクやダイオード等は第
２図に示すように、カソード電極（２１）は一体化され
ている。これに対し、最近開発の進んでいる大電力トラ
ンジスタ、　ＧＴＯ等の電力用半導体素子においては、
大電力を制御するため電極領域が複数に分割されている
。例え［ＧＴＯの場合、［３図（ａ）、（ｂ）に示すよ
うに、カソード電極（３１）は豪数に分割されている。

絹２図のように電極が一体化されている場合はり九〇 しかし複数個に電極領域が分割されている場合ｔ、分割
された１つ１つの領域が独立した素子として並列動作を
行なう。したがうて例えばＧＴＯの場合、部分圧接や接
触抵抗の差による分割された各カソード関の電流のアン
バランスを防止し、半導体基体内の応力の不均一によっ
て生じるターンオフ特性のばらつきに伴う電流のアンバ
ランスを防止するため、カソード領域全体を均一に加圧
接触する必要がある。

従来技術の問題点 一般に加圧接触型半導体装置において、半導体基体内の
応力分布は基本的には、半導体基体に相通する半無限弾
性体（４１）を、金属板および金属ポスト半無限弾性体
（４１）内に生じる加圧接触面に喬直方向の応力を前記
剛体ボス）　（４２）の中心からの距離をＸ、応力を〜
とじて示すと第４図（ｂ）のようになあ。この解析には
、複合構造物の応力解析を目的として作られ九解析プロ
グラム通称５ＡＰ（ＳｔｒｕｃｔｕｒａＩＡｎａｌｙｓ
ｉｓ　Ｐｒｏｇｒａｍ）を用いる（特開昭５５−１２１
６５４参照）。第４図（ｂ）より明らかなように、半無
限弾性体（４１）内の応力は剛体ボス）　（４２）の周
端で無限大となり、半無隔弾性体（４１）内の応力分布
は著しく不均一となる。

以上のことから、加圧接触型半導体装置において、半導
体基体内の応力分布も第４図（ｂ）のようＫなると考え
られる。

１＋、応力の大きさの違いＫよるターンオフ特性の変化
について実験を行なり九。この実験によれば、応力が大
きくなるにつれターンオフが遅れることがわかっ九。

第３図中における点！Ｉ（３２）で示した部分は、金属
板を接触した時、この金属板の周端が接触する場所であ
る。一方、動作中破壊し九〇ＴＯを開對するとその多く
は前記点線（３２）部分にリング状の圧接の跡が観察さ
れ、この跡に沿って破壊点が存在していた。そして、こ
のような圧接の跡が観察されたＧＴＯは、動作の途中最
大アノード電流（最大可制御陽極電流ＩＴＧＱ）が著し
く低下していることが判りた。

この現象は、第４図（ｂ）に示すような半無限弾性体（
４１）内の応力分布と、前述の応力の違いによるター／
オフ特性の変化から考え次のように考えられる。つまヤ
、第１５！！ＪＩＣおける半導体基体（１１）内の金属
板（１２）の周端部分に接触する領域の応力が高くなり
、この領域のターンオフ特性が違れ、過電流密度の状態
になり九ためと考えられる。

ま九、圧接跡の観察され九〇ＴＯは、装置稼動時の熱疲
労によって、金属板の周端部分に接触しているカソード
電極での、カソード電極−ゲート電極間の短絡事故が発
生するなどのＧＴＯ装置にとりて致命的な特性劣化が生
じていた。

以上のような問題を解決する方法として第５図及び第６
図に示すような方法が考えられている。

８ｇ５図に示す方法は、半導体基体（５２）に正旋する
金属スタンプ（５１）Ｋ凹部（５１ａ）を設けて、応力
の不均一を緩和しようというものである。第６図に示す
方法は、パリ取プの意味で半導体基体（６１）に加圧接
触する金属ボス）　（６２）の周端部を角度−で研削す
るものである。

しかしながら、第５図に示す方法は、応力の不均一をな
くす本質的表解決にはならず、を九、第６図に示す方法
は単に最外周点がＰからＱに移動し九にすぎなかりた（
Ｉｌ＃開昭５５−１２１６５４参照）。

以上述べたように、加圧接触型半導体装置においては、
必ず起こる半導体基体内の応力分布の不均一、これを原
因とする電気的特性の不均一の発生、さらにこの結果生
じる半導体基体の破壊という一連の挙動は従来の加圧接
触製半導体装置の構造ではさけられないものであり九。

発明の目的 この発明は、以上の点を考慮してなされたもので、半導
体基体の破壊を防止し、信頼性を向上させた加圧接触型
半導体装置を提供するものである。

発明の概要 この発明は、半導体基体の電極領域に加圧接触し友金属
板を有する加圧接触型半導体装置において、前記金属板
にょシ加圧接触され圧電極領域の外周部に電気的速断領
域を設けることにより、前記半導体基体内の応力の高い
領域を素子の動作に無関係とし圧加圧接触型半導体装置
を得るものである。

発明の実施例 この発明の実施例を第７図乃至鮪１２図を参照して説明
する。

まず、半導体基体内の応力を前記解析プログラムを用い
て第４図とは違う観点からみえものを第７図乃至菖９図
に示す。

第７１＠ｌは、半導体基体（７１）Ｋ半１ｋＲｏ　ノ金
属板（７２）を加圧接触させ、金属板（７２）の中心（
７３）からの距離をＸとし、半導体基体（７１）内の応
力Ｐ（ｘ）の大きさを矢印の長さで表わしたものである
。第８図は前記金属板’（７２）の半径ａＯをパラメー
タとして、縦軸に応力Ｐ（ｘχ横軸に中心からの距離Ｘ
をとったものである。第８図の計算において、金属板（
７２）に加圧する荷動Ｗは、各ＦＬｏの金属板（７２）
に対する算術平均の圧力が等しくなる値をとった。すな
わちＷ／　ｇＲ□　＝　（一定）である。また第９図は
、に＝Ｐ（ｘ）／Ｐ（ｏ）とし、とのＫをパラメータと
し、横軸に金ｊＩＫ板（７２）の中径〜縦軸に各パラメ
ータＫを横走す距離Ｘと半径〜との比、すなわちｘ　／
　Ｒ（１をとり友ものである。

経験によれば、Ｋ竺３１！度までは、電気的特性に悪影
響を及ぼさないことが確認されている。ま九加圧接触蓋
牛導体装置においては、Ｒ〉５（ｍｍ）のものが大多数
である。従うて例えばＫ＞３のような着しく応力の高い
領域は、半導体基体（７１）において、金属板（７２）
に接触している部分の前記金属板（７２）の周端部分の
数ｓ１！度のわずかの領域である。

前述の半導体基体（７１）における応力の高い領域に電
気的速断領域を設けることＫより、素子の動作時に前記
応力の高い領域が動作しなくなり、前記半導体基体の破
壊が防止できる。この半導体基体（７１）の金属板（７
２）に接触する面がメす蓋領域になっている場合特に有
効である。

ここで大きくわけて２つの場合が考えられる。

金属板（１００）を半径Ｒの円板とし、半導体基体（１
０１）を前記金属板（１００）に接触する面の電極とな
シうる領域を半径ｒの円領域とする。電極となりうる領
域が一体化している場合は、この領域の半径ｒでよいが
、例えばＧＴＯのように電極となりうる領域が複数に分
割されている場合は、この被数に分割されている領域を
含む円領域の半径である。ここで電極とな）うる領域と
は、電極となりうる構造を有している領域で、金属板（
１０Ｇ）と接触することによシミ極となる領域をいう。

第１の場合は、Ｒ＜ｒの場合である。この状態を第１０
１１（１）に示す。この場合電気的速断領域とするのは
、図中斜線部（１０２）で示すように金属１［（１００
）Ｏ１ｉｌ端部分（１０３）　Ｋ接触する領域である。

図中Ｗは電気的連断領域の幅を表わす。

縞２の場合は、Ｒ＞ｒの場合である。この状態を第１Ｏ
図（ｂ）に示す。この場合、電気的連断領域とするのは
、図中斜線部（１０２）で示すように１電極と唯りうる
領域の外局領域（１０４）である。

第２の場合の変形として、第１θ図（Ｃ）において斜曽
郁（１０２）で示すように電極となりうる領域の外方に
電気的連断領域を設けることもできる。

いずれの場合においても、電極となりうる領域のうち、
金属板（１００）と接触することにより、電極となり友
領域、すなわち電極領域の外肩部に電気的連断領域を設
けたことＫなる。

以上説明では、金属＠　（１００）の形状を円形とし九
が、円形にわぎらず、例えば多角形にし九場合でも同様
である。

電気的連断領域を設ける手段としては、例えば非導電性
物質を用いる手段がある。つまり、電気的連断領域とす
る領域を例えばポリイミドメイ・／ゴム、　５ｔｏ２等
の非導電性物質（絶縁膜）で覆うことによシミ気的遣断
領域を形成するわけである。

次にこの発明をＧＴＯに適用し九具体的與施例を１１１
Ｉ図および第１２図を参照して説明する。

第１１図６）は、ＧＴＯの断面図である。例えばタング
ステン郷の機械的支持板（１１０）と、半導体基体娼４ （１１１着され、この半導体基体（１１１）はエツチン
グ等によシメサ型構造に形成されている。このメサ型領
域においては、エミッタ電極（１１２）として電流を流
す領域とポリイミド等の非導電性物質（１１３）で覆わ
れた領域（１１４）とに分かれている。また網目状にゲ
ート電極（１１５）が設けられている。第１１　図（荀
をみてわかるように島状の単独二ｆｙ夕の周囲に非導電
帯のえん提を設は九ととＫなる。

さて、前述のように非導電帯を設は九前記半導体基体（
１１１）に、この非導電帯に金属板が接触するように圧
接用の金属板を接触させる。このように接触させると、
前記半導体基体（１１１）の応力の高い領域は電気的に
は前記金属板に接触されないことＫなる。

以上のような構造を一つＧＴＯにおいては、半導体基体
（１１１）内の応力の高い領域は電気的特性には関係な
くな如、実質的に応力分布の不均一から生じる電気的特
性の不均一が解消される。よって前述のように半導体基
体（１１１）を破壊にいたらしめることがない。

この発明をＧＴＯＫ適用した他の実施料を第１２１１に
示す。前述の実施料との違いは、前記非導電帯が分割さ
れている仁とＫある。構造は前述の実施料と同じであり
、機械的支持板（１２０）と半導体基体（Ｌｉ２）が固
着され、この半導体基体（１２１）　Ｋはエミッタ電＠
（１２２）と非導電性物質（１２３）で覆われ九メす置
領域（１２４）と、ゲート電極（１２５）が設けられて
いる。

こＯ場合も前述の場合と同様に圧接用の金属板を接触さ
せ九場合、半導体基体（１２１）内の応力の高い領域は
電気的には接触されず、電気的特性の不均一が解消され
、上述の奥論例の場合と同様で、半導体基体（１２１）
を破壊にいたらしめることがない。

を九、前述のごとく、電気的特性に悪影響なおよぽす領
域は、半導体基体において金属板に接触している部分の
、前記金属板の周端部から数−の領域であるので、金属
板の形状が円形である時、半導体基体を覆う非導電性物
質の幅Ｗは金属板の中径Ｒに対し、Ｗン０．０１Ｂの条
件を満たせば、電気的特性に悪影響をおよばず領域が非
導電性物質で覆われると考えられる。金属板の形状が円
形である場合をのべ九が、円形以外の場合でも周端部に
接触する半導体基体のわずかな領域を非導電性物質で覆
うことによｐ半導体基体の破壊を防止できる。

また、半導体基体の一部を電気的連断領域にするわけで
あるから、熱抵抗および接触抵抗が増加すると考えられ
るが、前述のごとくわずかな領域を電気的連断領域にす
るだけであるので、このことによる熱抵抗および接触抵
抗の増加はほとんどない。かえりて電気的特性に悪影響
をおよばず領域を電気的連断領域としているため前記領
域に電流が集中するという実質上の接触面積の減少を防
止している。

さらに１半導体基体において金属板Ｏ周端部に接触する
部分が非導電性物質で覆われておシ、電極が存在しない
ため、前述装置稼動時の熱疲労によりておこるカソード
電極の周辺部でおこるカソード電極−ゲート電極間の短
絡事故が起きず、装置ＯＳＳ性が向上する。

前述のこの発明の実施例においてはこの発明をＧＴＯＫ
適用し友場合について述べたが、ＧＴＯ以外の加圧接触
型半導体装置にこの発明を適用した場合も同様の効果を
得ることは明らかである。

発明の効果 以上この発明によれば、加圧接触製半導体装置において
、電極領域の外周部のわずかな部分に電気的連断領域を
設けることにより、半導体基体内の応力の高い領域が実
質的に除去されることとなる。このことによ多素子動作
時における半導体基体内の電流の不均一がなくなる。よ
りて、この半導体基体の破壊を防止し、信頼性を向上す
るという効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

＠１図は一般の加圧接触型半導体装置の構造を示すため
の断面図、第２図は、従来のサイリスタのカソード電極
の構成を示すための平面図、纂３図（ａ）、（ｂ）はθ
ＴＯのカソード電極の構成を示すための図であり、第３
図（ａ）は平面図、第３図（０は第３図（ａ）中におけ
るＡ　−Ａ’面で切断したときの断面図、第４図は半無
限弾性体を剛性ポストで加圧した場例を示すための断面
図、第７図乃至第１０図はこの発明を説明するための図
であり、第７図は半導体基体を金属ポストで加圧した場
合の断面図、第８図は半導体基体内の応力分布を表わす
〜ｒｘ特性―纏図、第９図は同じく半導体基体内の応力
分布を嵌わすｘ　／　Ｒ−Ｒｇ　％性曲線図、嬉１０図
（ａ）、（ｂ）、（Ｃ）は、金属板及び半導体基体の断
面図、第１１図及び第１２面で切断したときの断面図で
ある。 図において １００　・・・金属板　　　１０１・・・半導体基体１
０２・・・電気的連断領域 １０３・・・金属板の周端部 １０４・・・電ａとなりうる領域の外Ｊ４ＬｆＩＡ域１
１０．１２０・・・磯−的支持板 １１１．１２１・・・半導体基体 １１２．１２２・・・工ｉツタ電極 １１３．１２３・・・非導電性物質 １１４．１２４・・・非導電性物質で覆われた領域１１
５．１２５・・・ゲート電極 １１６．１２６　　・・・　Ａ鳳 第４図 ｎす１月ｆ ↓ 第５図 第７図 第８図 第９図 ρ　　４Ｆ Ｒ，（ｃ７ｒＬ） 第１１図 （ムノ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）半導体基体の電極領域に加圧接触し九金属板を有
   する加圧接触量半導体装置において、前記金属板によ）
   加圧接触された電極領域の外周部に電気的速断領域を設
   けた仁とを特徴とする加圧接触型半導体装置。 偉）前記金属板が半１１Ｌの円板であり、前記金属板に
   加圧接触される半導体基体の電極となりうる領域が半径
   ｒの円領域である場合において、ａ≦ｒが満足されてい
   るとき、前記半導体基体の前記金属板の周端部分に接触
   する領域が電気的速断領域である特許請求の範囲第１項
   記載の加圧接触型半導体装置。 （萄−記電気的遣断領域に非鴫電性物質を用いた特許請
   求の範１ｔｌ第１項記載の加圧接触型半導体装置。 （４）前記電気的速断領域の＠Ｗが、前記金属−板の亭
   １１Ｈに対して、Ｗ≧０ｆｌｌ・Ｒ１２）関係を満足し
   ている特許請求の範囲第２項記載の加圧接触型半導体装
   置。