JPS5871633A - 圧接型半導体装置 - Google Patents

圧接型半導体装置

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JPS5871633A
JPS5871633A JP56169890A JP16989081A JPS5871633A JP S5871633 A JPS5871633 A JP S5871633A JP 56169890 A JP56169890 A JP 56169890A JP 16989081 A JP16989081 A JP 16989081A JP S5871633 A JPS5871633 A JP S5871633A
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pressure
metal
groove
metal stamp
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Inventor
Katsuhiko Takigami
滝上 克彦
Keiko Tokuyado
徳宿 恵子
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Original Assignee
Toshiba Corp
Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
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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】 (1)抛!111(L)技術分野 本尭明は、トランジスタ、サイリスタ或いはゲートター
ンオフサイリスタ (以下GTO)等り半導体索子1i
−加圧接触する圧接製半導体lI&置に胸する。
(2)  従来技術 一般にトランジスタ、ナイリスタ或いFiGTQ勢の半
導体索子を加圧圧接する圧振M4導体装置kt=t、−
力用として嵐〈知られている。そしてこの柚の圧接型半
導体装置は鉋1崗に示すように構成場れている。即ち牛
導体素子基体110両餉に、この素子基体ノーの熱j1
張係数に近り金属板II、IIを介して、熱および電気
伝導率の高い円柱状の金属スタンプ14.11を設け、
この金属スタンプ14.IIで半導体索子基体11を矢
印の方向に圧接する構造になっている。半導体素子基体
IIと金属スタンプ14゜11と0間に金−板I1.I
llを設けたのは、半導体素子基体11と金属スタンプ
14.I!iとOwk膨張係数が具ガるために装置の稼
動により生ずる亀に変化に伴なって両省間のノくイメタ
ル効果によって機械的ストレスが牛導体素子基体JJK
加わるのを防ぐためである。したがって通常金−&rx
、zxとして用いられるOは牛4体本子基体11がシリ
コンSiの場合、七すブデンMO’やタングステンWな
どでこれは温鼓補償板とも呼ばれる。例えは半導体素子
基体11としてS1サイリスメを用いた場合、アノード
電極l1llの金属板13としてW板を用釣これを含金
法で素子に直接固着せしめ、さらに金属スタンプ15と
して例えば円柱状tD f14 Cuスタンプに−の金
属板目を半田層1rを介して1着している。またカソー
ド電極側では同様に金14の他On[1を半導体素子基
%s rK接触さぜ・ている。
ところで従来から使用されているサイリスタ中ダイオー
ド等O電力用半導体素子のカソード11L極は、& 2
 fW (a) 、伽)に示すように電気的に一体化し
て構成されている。したがって圧接が多少不均一であっ
ても電気的に均一な圧*1−行なった場合と同様な挙動
を示し、圧接の不均一による電気的な欠点が余9関連に
ならなかった。
なお第2図で21は半導体素子基体、JJはカソード電
極、2JFiゲート電極、24はアノード電健である。
これに均し、最近開発がすすんでする大電カド2ンジス
/−?GTO’等の半導体素子はいずれもカソード電極
(エンツタtii) IIが第3図の(a) 、 (b
) K示すようにIl数に分割されてお9、この分割さ
れたカソード領域11上の電極を金属Mo+W板([3
図(a)で点線で示す内側の部分)を介して金属Cuス
タンプで圧接して釣る。セしてGTOの場合それぞれの
カンードII斌IIt独立したGTO七して並列動作さ
せ大電流をゲートターンオフしている。従ってカソード
電極全体を均一に圧接することにより、部分圧警中接触
抵抗の差によるカソードエレメント間の亀t!t、Oア
ンバシンスを防止し、シリコン内の応力の不均一によっ
て生ずるターンオフ特性ノパラツキに伴う′ftfLの
アンバランスを防止して−る0 (3)  従来技術の問題点 この種の圧接型半導体装置においては、基本的に半導体
素子にかかる応力分布は、半無限の板を剛体で圧接する
場合と等価である。この仮定を基にIJ&した場合、即
ち、第41葎)に示すように牛無限弾性体41を円柱状
剛体ボスト42で圧接した場合、半無限弾性体41中に
止じる圧接面に画直な方向の応力Pωは、被合榊造物の
五δ力解析を目的としてつくられたプログラム、通称S
 A P (5tructural Analysis
 Pro −gr關0を用いて解くと第4図(b>の如
く1示で龜る。(旺:8APは、1969年酎カリ耐ォ
ルニア大参のE、L、Wllson 教授らが開発し、
撫在でFi世界各地でこt)WA形ノログラムをアレン
ジして使っている。)この謔4N(b)から明らかなよ
うに、生態VL51IIL性体41と剛体42との圧接
面O11M−上の応力分布は剛体の周端部で無限大とな
9、千無@弾性体4I内の応力分布は着しく不均一にな
る。
こO事実から半導体素子基体(半無限円板)t−餐X*
及び金属Cuスタンプで加圧接触させた場合、半導体素
子内の応力分布は館416)のようになると謁見られる
。このようKl来の圧接mの牛4体装置においては半導
体素子基体の周辺部に応力が集中することはさけがた―
ものである。参集、使用ψ破馳し良GTO装置を1笥す
ると、その多くFi第3図(a)の点一部分にリング状
TiJff接跡がtIIi察された。そしてこのような
圧嫉跡か観察され九〇TO装置は、使用途中電入7ノー
ドを流(4大可制御陽&電流I?GQ)が着しく低下し
ている。これは圧力分布の不均一によシアイード電流の
面内不均一が襞じてターンオフ時間のバラツキが面内で
起っている輿−事爽から一定すると圧力の高い周辺Sリ
ターンオフが遅れ過電流密度の状態になったためと思わ
れ、を九圧接跡υ靭証され九〇TO装置は、稼動時の熱
り労によってカソード電極V崗辺部でカソード電極−ゲ
ート電極間の蝙絡事故が妬主するなど、GTO装置にと
って敦令的な特性の劣化が生じていた。
このような問題を解決するための適切な方法は従来なか
′)た0ただ従来145i1i!uに示す如く、牛導体
素子基体szK*触する金1g板5xtb畠子@OS端
飾をバリ取プの意林で飴制して傾斜EliijJを形成
する方法があシ、これによれば周辺sの応力が緩和され
るかにみえる0しかし過電そviFFM角f0は023
0° に堆ることが多かつ九〇そして違算用いられる金
属板61の厚さが500〜1000μ賜位であって、研
削の部分の量が100〜300μm位でめった。一方牛
導体素子のカソード領域部の扁さけlO〜30μ畷位で
あった。したがってtQ者を比較してみると研削する長
さが大−にカソード懺scO^畜O負を上まわ)、バリ
堆ルの有無は単に最外絢OS点かに5−のP点からQA
に移動するように径の小さ一円柱状のものを立て良のと
寮策的に同じになる。
前述した応力M釘プログラムSAPを用φてW#φても
、ぞO応力分布の結果rat第4図と同じようになる。
しかもこの場合加圧する総萄重を同一とすれは午尋体巣
子基体6111C接する面積が減少し7た分たけ一辺の
応力が増加し、半導体素子にとってより−い県件になる
ことがわかっている。
以上のように、軌米O加圧級触製の半導体装置にお1て
は、必らず起きる半導体素子基体内の応力分布の不拘−
1それによってひき起こされる電気的特性の不拘−〇発
生、そしてその結果として生じる半導体素子の破壊とi
う一連の挙動は避けられないものであった。
軸) 発明の目的 本発IfAは110点に条みなされたもOで、半導体垢
子へのbb分的応Ai系中を防止し、もって半導体装置
の特性安定化を図ると共に破壊を防止し、cIiM性を
向上させた圧歇配半@体鉄Vt′#M供するものである
(5)発明V歓賛 本発明は、半導体素子基体を圧接する金属スタンプの@
面に4をしけ、加圧時にその溝が弾性1形することを利
用して、金属スタンプ−送直下での半導体素子基体への
応力系中を緩沌するようにしたものである。
(6)発明0夾施例 !1%6図は本発明の一実施例O要部構成lである。今
同図で示すようにGTO等0半尋体集子基体61の#1
分化したカソード餉を温度補償板62を介して金属スタ
ンプ63と接触せしめておplこの金属スタンプの側面
には全周にわたって#64を設けている。65はアノー
ド@O温度槓慣板である。このようにm成した装置に同
一に示す矢印O方向に荷重を加えカロ圧級触をさ舷ると
、溝64ii前記8APC)解析結果によれtim7e
Nで示す妬くi形する。こし時4」1qO大自さ【半導
体素子II&体61と温度補償板62との接触面&8か
ら求められる平均的圧力P (三q/S)をおよそ20
0〜400  (kg/(が)Kなるよう軌釦すると、
#jiC4の変形は弾性限界内にあシ、り41k t−
取り去ると元の形状に復元する。
第8図1−1a!7図で示した温度補償板62の域外周
端直下(P点)の半導体素子基体6I内の応力と溝64
り深さLおよび高さHとの関係を示したものである□。
どのデータは、半導体素子基体6Jが5IStki度補
償板62が0.5鴎厚のMo、金属スタンプ63が半径
251;Iq)Cu円柱体、温度−償板65がWであっ
て、金属スタンプ63に総荷重soookgt印加した
ときの解析結果である。
同図でわかるように、層外jid端の応力集中を酸相す
るには、栴64を深くすればその効果が着しい。卸も、
本FA明の主眼としている応力集中がひき起す、−気I
#性のバラツキ、そして最昶釣にiJ装象O破壊にした
らしめる原因を除去する方法としてすぐれていることを
示している。
発明省らO実験によっても、Sを金属スタンプ匈−に設
けると応力集中の一本1に明らかに寄与してりることが
−められた。実用上からは細−1111t−深く形成す
ることの複雑さ、熱抵抗の増加等t)乗件から自ずと、
神tD深さも限度がある〇経験によれは600  (k
i/Cm” )程度の応力では、電気的に思わしくない
影響を与えない仁とがわかっている0111%8凶によ
れは、鳥の深さを1.5(關)筒板にすれは、11配し
た許容で睡るであろう応力以下となり、と4t)8にの
擲ならは、熱抵抗の増加#1516栓ILですみむしろ
応力集中を防止する利点Oyjがはるかに大きい事がわ
かる◎鵞たhb4の−さ位には、温度補償板61から余
り遠くなφ位置であれは効果がある。
鯖9eiiJFi本発物の他の実施例を示したもので、
擲の形状、構造についでは、幅が大きく、内部が丸みを
おびているもの(a)、v字状vp(b)、擲を複数個
設は友も0(c)−(do、など種々変形実施できる@
鵞た金属スタンプとしてドーナツ状のもυを用いた場合
にもその側面に擲を設けることで四徐の効果が得られる
(7)  発明の効果 金属スタンプによシ圧級される半導体素子基体の部分的
な応力集中を効果的に防ぎもって圧接浚半導体装IIt
の電気的特性oy定化と値麺性向上t−hることかでき
る。
【図面の簡単な説明】
#41内Fi11′来の加圧社牛尋体装置を示す断面図
、馳2ki(s)、(b)tj従従来サイリスクの構成
を −示す平i1T嫡とその六−に断面1、諏3図(1
)、伽)HGTOOカソードを極を示す平面1とそのB
−B’断面函、第4図−)、伽)は従来の圧接製半導体
装置における応力状態を説明する丸めの図、側5図は従
来の他の圧接製半導体装置0問題を説明するためCt、
ZH面図、阿6図は本発明〇一実施例の装部構成断面図
、1pI7図は、絡6図の鋏i1に加圧した時に鍵形す
る金属スタンプの状態−1餓8区は同じく加圧した時の
半導体素子の応力と溝の深さおよび高さとの関係を示す
図、tit4 #A葎)〜ω)は本妬宍O匍の実施例の
無の構造を示す1である。 61・・・半導体素子基体、gz、6B・・・楓&袖償
板、61・・・金−スタンプ、f4・・・鍵0出願人鴎
人 弁理士 鈴  江  武  彦第1図 jI2図 2 第6図 第8図 第9図 (a)     (t)) (c)     (d)

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 (1)  半導体素子基体と、販半尋体素子基体の少な
    くとも一方の面に設けられた一半導体素子基体の熱jl
    張係数に近−熱診張係数を有する金属板ン、該金麺板を
    介して前記半導体素子基体を圧接する金属スタンプとを
    偽え良圧接製半導体装11において、前記金輌スタンプ
    の側1oK#It−設けたこと1−特徴とする圧接型半
    導体装置。 伐)金属スタンプの側面に設けられた鉤の数が1個また
    Fi2個以上からなる特許請求の範囲第(1)項記載の
    圧接型半導体装置。 (3)  金属スタンプの形状を円柱状またはドーナツ
    状とした特許請求の範18第(1)項記載υ圧接製半尋
    体装置。 (4)半導体索子がゲートターンオフサイリスタであっ
    て、少なくともその細分化したカソード電1!、Iil
    lKl1m記擲を有する金属スメンプを設けるようにし
    た特許請求の範囲II (1)項記載の圧級蓋牛褥体装
    置。
JP56169890A 1981-10-23 1981-10-23 圧接型半導体装置 Pending JPS5871633A (ja)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
JP56169890A JPS5871633A (ja) 1981-10-23 1981-10-23 圧接型半導体装置
US06/419,477 US4500907A (en) 1981-10-23 1982-09-17 Pressure-applied type semiconductor device
DE8282108708T DE3278748D1 (en) 1981-10-23 1982-09-21 Pressure-applied type semiconductor device
EP19820108708 EP0077922B1 (en) 1981-10-23 1982-09-21 Pressure-applied type semiconductor device

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