JPS61251043A - 圧接型半導体装置 - Google Patents
圧接型半導体装置Info
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- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の利用分野〕
本発明は圧接型半導体装置に係り、特に、ダイオード、
サイリスタ或いはゲートターンオフサイリスタＣ以下、
ＧＴｏｌ等の半導体素子に温度補償金属板を介してスタ
ンプ電極を加圧接触させる圧接型半導体装置の面圧力均
一化構造に関する。
サイリスタ或いはゲートターンオフサイリスタＣ以下、
ＧＴｏｌ等の半導体素子に温度補償金属板を介してスタ
ンプ電極を加圧接触させる圧接型半導体装置の面圧力均
一化構造に関する。
一般にダイオード、サイリスタ或いはＧＴＯ等の半導体
素子にスタンプ電極を加圧圧接する圧接型半導体装置は
、電力用として良く知られている。
素子にスタンプ電極を加圧圧接する圧接型半導体装置は
、電力用として良く知られている。
そしてこの種の圧接型半導体装置は、第３図に示すよう
に構成されている。すなわち、半導体素子１の両面に、
この半導体素子１の熱膨張係数に近・い値の温度補償金
属板２，３を介して熱および電気伝導率の高い、円柱状
のスタンプ電極４．５で半導体素子１を積層方向に圧接
する構造になっている。さらに、上フランジ１１’、１
２、下フランジ１３．１４と同心円状に位置するセラミ
ック円筒１０等の部材により、窒素ガスおよび不活性ガ
ス中で封じ、半導体素子１に外気の水分が触れないよう
に構成されている。
に構成されている。すなわち、半導体素子１の両面に、
この半導体素子１の熱膨張係数に近・い値の温度補償金
属板２，３を介して熱および電気伝導率の高い、円柱状
のスタンプ電極４．５で半導体素子１を積層方向に圧接
する構造になっている。さらに、上フランジ１１’、１
２、下フランジ１３．１４と同心円状に位置するセラミ
ック円筒１０等の部材により、窒素ガスおよび不活性ガ
ス中で封じ、半導体素子１に外気の水分が触れないよう
に構成されている。
半導体素子１は通常ＰＮ拡散されたシリコン３ｉ板、ス
タンプ電極４．５は銅Ｃｕ円柱、そして温度補償金属板
２． ３ｔｉタングステンＷとかモリブデンＭＯ板等が
一般に用いられている。
タンプ電極４．５は銅Ｃｕ円柱、そして温度補償金属板
２． ３ｔｉタングステンＷとかモリブデンＭＯ板等が
一般に用いられている。
実機稼動時には、停止時に比べ８０ｒ程度温度上昇する
。これら起動停止が長年にわたって行われることになる
。３ｉの熱膨張係数はα：２９×１０−６／Ｃ％Ｃｕの
ａ＝１７ＸＩ Ｏ−’／Ｃとその熱膨張係数の差が大な
ので、半導体素子１とスタンプ電極４．５間には、熱膨
張係数α＝ ４．３ Ｘｌ ０−’／ＣのＷとか、α＝
４９ Ｘ １０−’／ＣのＭｏ板を挿入し、半径方向
の熱伸び対策を行っている。
。これら起動停止が長年にわたって行われることになる
。３ｉの熱膨張係数はα：２９×１０−６／Ｃ％Ｃｕの
ａ＝１７ＸＩ Ｏ−’／Ｃとその熱膨張係数の差が大な
ので、半導体素子１とスタンプ電極４．５間には、熱膨
張係数α＝ ４．３ Ｘｌ ０−’／ＣのＷとか、α＝
４９ Ｘ １０−’／ＣのＭｏ板を挿入し、半径方向
の熱伸び対策を行っている。
第３図に示した構造及びそれと類似の構造は多くの特許
、登録実用新案の説明図等に表示されており公知である
。第３図中、本発明と関連する重要な部分は、カソード
側スタンプ電極４の圧接面の直径寸法を’１％スタンプ
電極４に加圧される厚みがｈなるカンード側温度補償金
属板３の直径をｄ！とすると、ｄ、）ｄｌのときである
。このようになっている場合、半導体素子１とスタンプ
電極４との熱膨張の差をすべらせて逃がすという温度補
償金属板３の本来の目的の他に、スタンプ電極４，５で
上、下より加圧したとき、半導体素子１にかかる面圧力
を若干均一化させて、機械的強度を向上させるという別
の面の効果もある。こコテ、ｄｓ＞ｄｔとなッテｔｎて
ｄ、＝ｄ１＋２Δｒと温度補償金属板３０半径寸法がス
タンプ電極４の圧接面の寸法よりΔｒだけ大きく、温度
補償金属板３の厚みがｈのとき、上記面圧力均一化に対
し、Δｒとｈの寸法によって効果は大分左右される。し
かし、温度補償金属板３の材料は前記したようにタング
ステンＷとかモリブデンＭｏなので、スタンプ電極４．
５の材料鋼Ｃｕに比べ、温度及び電気伝導率が小であり
、温度補償金属板３の厚みをある値以上にすると性能低
下をもたらすし、さらに、材料費の面でも不経済なので
温度補償金属板３の厚みを充分く確保し、かつ半径寸法
をΔｒだけ大として半導体素子１に作用する面圧力を均
一化させることには問題がある。
、登録実用新案の説明図等に表示されており公知である
。第３図中、本発明と関連する重要な部分は、カソード
側スタンプ電極４の圧接面の直径寸法を’１％スタンプ
電極４に加圧される厚みがｈなるカンード側温度補償金
属板３の直径をｄ！とすると、ｄ、）ｄｌのときである
。このようになっている場合、半導体素子１とスタンプ
電極４との熱膨張の差をすべらせて逃がすという温度補
償金属板３の本来の目的の他に、スタンプ電極４，５で
上、下より加圧したとき、半導体素子１にかかる面圧力
を若干均一化させて、機械的強度を向上させるという別
の面の効果もある。こコテ、ｄｓ＞ｄｔとなッテｔｎて
ｄ、＝ｄ１＋２Δｒと温度補償金属板３０半径寸法がス
タンプ電極４の圧接面の寸法よりΔｒだけ大きく、温度
補償金属板３の厚みがｈのとき、上記面圧力均一化に対
し、Δｒとｈの寸法によって効果は大分左右される。し
かし、温度補償金属板３の材料は前記したようにタング
ステンＷとかモリブデンＭｏなので、スタンプ電極４．
５の材料鋼Ｃｕに比べ、温度及び電気伝導率が小であり
、温度補償金属板３の厚みをある値以上にすると性能低
下をもたらすし、さらに、材料費の面でも不経済なので
温度補償金属板３の厚みを充分く確保し、かつ半径寸法
をΔｒだけ大として半導体素子１に作用する面圧力を均
一化させることには問題がある。
一方、特開昭５８−７１６３３号公報によると、第４図
に示すように半無限弾性体２１を円柱状のポスト２０で
加圧力ｑをもって圧接すると半無限弾性体２１中に生じ
る圧接面に垂直な方向の応力Ｐ（Ｚ）は圧接周端部で非
常に大となり、半無限弾性体２１内の応力分布は著しく
不均一になる。そこで、特開昭５８−７１６３３号公報
に記述されている内容によれば、圧接型半導体装置の半
導体素子に上記のような著しい応力分布の不均一を解消
するため、第５図に示すように、半導体素子２５を圧接
するスタンプ電極２２の側面に溝２３を設け、加圧時に
その溝２３が弾性変形することを利用して、スタンプ電
極２２の周辺直下での半導体素子２５の応力集中を緩和
するようにしている。さらに、半導体素子２５がシリコ
ンＳｉ％温度補償金属板２４が０．５ｆｉ厚みのモリブ
デンＭｏ板、スタンプ電極２２が半径２５５ｗの銅Ｃｕ
円柱体、温度補償金属板２６がタングステンＷであって
、スタンプ電極２２に総荷重５０００〜ｆを印加したと
きのスタンプ電極２２及び温度補償金属板２４０周辺直
下直下の応力を第６図に示したように、溝２３の深さＬ
と高さＨのパラメータとして算出し、Ｐ点での応力集中
を緩和させる構造を提案し、良い結果が得られたと報じ
ている。しかし、本発明者らの実験によれば、それでも
なお、応力集中が充分緩和されているとは云えない結果
が得られた。
に示すように半無限弾性体２１を円柱状のポスト２０で
加圧力ｑをもって圧接すると半無限弾性体２１中に生じ
る圧接面に垂直な方向の応力Ｐ（Ｚ）は圧接周端部で非
常に大となり、半無限弾性体２１内の応力分布は著しく
不均一になる。そこで、特開昭５８−７１６３３号公報
に記述されている内容によれば、圧接型半導体装置の半
導体素子に上記のような著しい応力分布の不均一を解消
するため、第５図に示すように、半導体素子２５を圧接
するスタンプ電極２２の側面に溝２３を設け、加圧時に
その溝２３が弾性変形することを利用して、スタンプ電
極２２の周辺直下での半導体素子２５の応力集中を緩和
するようにしている。さらに、半導体素子２５がシリコ
ンＳｉ％温度補償金属板２４が０．５ｆｉ厚みのモリブ
デンＭｏ板、スタンプ電極２２が半径２５５ｗの銅Ｃｕ
円柱体、温度補償金属板２６がタングステンＷであって
、スタンプ電極２２に総荷重５０００〜ｆを印加したと
きのスタンプ電極２２及び温度補償金属板２４０周辺直
下直下の応力を第６図に示したように、溝２３の深さＬ
と高さＨのパラメータとして算出し、Ｐ点での応力集中
を緩和させる構造を提案し、良い結果が得られたと報じ
ている。しかし、本発明者らの実験によれば、それでも
なお、応力集中が充分緩和されているとは云えない結果
が得られた。
本発明の目的は上述したスタンプ電極と半導体素子の圧
接面の境界、いわゆる圧接周辺直下に大きな面圧力が生
じるという欠点を解消して、圧接面の面圧力分布がほぼ
均一となる構造の圧接型半導体装置を提供することにあ
る。
接面の境界、いわゆる圧接周辺直下に大きな面圧力が生
じるという欠点を解消して、圧接面の面圧力分布がほぼ
均一となる構造の圧接型半導体装置を提供することにあ
る。
〔発明の概要〕 ゛
本発明は、半導体素子を圧接するスタンプ電極の側面だ
溝をつけ、さらにスタンプ電極と同心円状にある温度補
償金属板の直径寸法をスタンプ電極の圧接面の直径寸法
より大きくして、圧接力の力線の流れと全体の変形及び
その反力により、溝の直下、スタンプ電極周辺直下、さ
らに温度補償金属板の周辺直下での半導体素子の圧縮応
力及び曲げ応力集中を緩和するようにしたものである。
溝をつけ、さらにスタンプ電極と同心円状にある温度補
償金属板の直径寸法をスタンプ電極の圧接面の直径寸法
より大きくして、圧接力の力線の流れと全体の変形及び
その反力により、溝の直下、スタンプ電極周辺直下、さ
らに温度補償金属板の周辺直下での半導体素子の圧縮応
力及び曲げ応力集中を緩和するようにしたものである。
第１図は本発明の一実施例の構成図、第２図は第１図の
要部構成図である。これら２つの図で示すようにダイオ
ード等の半導体素子３１のカンード側を、厚みがｈ２、
直径寸法がＤ ｔ ＝ Ｄｔ ＋２１．ｔである温度補
償金属板３３を介して、圧接面の直径寸法がＤｒのスタ
ンプ電極３４で圧接している。
要部構成図である。これら２つの図で示すようにダイオ
ード等の半導体素子３１のカンード側を、厚みがｈ２、
直径寸法がＤ ｔ ＝ Ｄｔ ＋２１．ｔである温度補
償金属板３３を介して、圧接面の直径寸法がＤｒのスタ
ンプ電極３４で圧接している。
このスタンプ電極３４の側面には全周にわたって圧接面
より高さり、の位置に深さｔｌの溝３５を設けている。
より高さり、の位置に深さｔｌの溝３５を設けている。
３２はアノード側の温度補償金属板である。なお、第３
図に示したものと同一部分には同一符号を付けている。
図に示したものと同一部分には同一符号を付けている。
εのように構成した装置に第５図と同様の軸方向（積層
方向）ＩＣ荷重を加え、加圧接触させる。
方向）ＩＣ荷重を加え、加圧接触させる。
上記本発明構造体に対し、現在一般的になっている有限
要素法によって圧接型半導体装置の応力計算を行うと、
スタンプ電極３４の溝３５の寸法ｈ１ ｖ ｔｌ ｓ
及びカンート°側の温度補償金属板３３の厚みｈ２と半
径当りの突出寸法ｔ、をパラメータとして半導体素子３
１の面圧力分布が得られる。
要素法によって圧接型半導体装置の応力計算を行うと、
スタンプ電極３４の溝３５の寸法ｈ１ ｖ ｔｌ ｓ
及びカンート°側の温度補償金属板３３の厚みｈ２と半
径当りの突出寸法ｔ、をパラメータとして半導体素子３
１の面圧力分布が得られる。
具体例として、シリコンＳｉ半導体素子の直径寸法が８
０ｍのとき、銅Ｃｕボスト電極３４の直径寸法ＤＩ＝６
０ｍ、溝３５の高さｈ１＝１．５ｓａｗ。
０ｍのとき、銅Ｃｕボスト電極３４の直径寸法ＤＩ＝６
０ｍ、溝３５の高さｈ１＝１．５ｓａｗ。
＃１３５の深さｔＩ＝１ｍｍ、モリブデンＭ ｏ ｇ温
度補償金属板３３の直径寸法ｉ）２＝６３ｍ、厚みｈ２
＝ｏ、５■とすると、温度補償金属板３３の半径寸法突
出ｔｌ、ｓ ＝１．５ａ＋であり、この構成時における
温度補償金属板３３０周辺直下の圧縮応力は零に近い小
さな値であり、また、ポスト電極３４の周辺直下相当の
半導体素子３１の圧縮応力は全体の平均面圧力の値より
若干小さく、圧縮応力の最大は＃３５の深さｔｌの軸方
向直下より若干内に入った部に生じている。
度補償金属板３３の直径寸法ｉ）２＝６３ｍ、厚みｈ２
＝ｏ、５■とすると、温度補償金属板３３の半径寸法突
出ｔｌ、ｓ ＝１．５ａ＋であり、この構成時における
温度補償金属板３３０周辺直下の圧縮応力は零に近い小
さな値であり、また、ポスト電極３４の周辺直下相当の
半導体素子３１の圧縮応力は全体の平均面圧力の値より
若干小さく、圧縮応力の最大は＃３５の深さｔｌの軸方
向直下より若干内に入った部に生じている。
軸方向加圧だけで、振動等による外力の曲げモーメント
を略して、この圧縮応力を更に詳しく調べてみると、溝
３５を付けること等による圧縮応力集中の低下はポスト
電極３４の方が５０チ以下と顕著であり、半導体素子３
１の応力は溝３５等を付けたことにより、大きな応力の
発生する位置が内部に移るが、そのピーク圧縮応力の低
下は２５憾程度である。このような面圧集中低減の違い
は、材料力学の分野で一般化している材料定数の差によ
って説明がつく。いわゆる、銅Ｃｕスタンプ電極３４の
縦弾性係数Ｅ ＝ １２０００Ｋｇｆ／ｍ”であるのに
対し、シリコンＳｉ半導体素子３１のＥ ＝ １８００
０Ｋｆｆ／■２であることより、スタンプ電極３４の方
が変形しやすいので、それに伴い、対応する部のひずみ
ε（単位長さ当りの伸び）が大きくなり、応力σは材料
力学の基本式、σ＝Ｅεより、ひずみεが縦弾性係数Ｅ
の比より大となれ芦、その部の応力の方が大きくなるの
である。
を略して、この圧縮応力を更に詳しく調べてみると、溝
３５を付けること等による圧縮応力集中の低下はポスト
電極３４の方が５０チ以下と顕著であり、半導体素子３
１の応力は溝３５等を付けたことにより、大きな応力の
発生する位置が内部に移るが、そのピーク圧縮応力の低
下は２５憾程度である。このような面圧集中低減の違い
は、材料力学の分野で一般化している材料定数の差によ
って説明がつく。いわゆる、銅Ｃｕスタンプ電極３４の
縦弾性係数Ｅ ＝ １２０００Ｋｇｆ／ｍ”であるのに
対し、シリコンＳｉ半導体素子３１のＥ ＝ １８００
０Ｋｆｆ／■２であることより、スタンプ電極３４の方
が変形しやすいので、それに伴い、対応する部のひずみ
ε（単位長さ当りの伸び）が大きくなり、応力σは材料
力学の基本式、σ＝Ｅεより、ひずみεが縦弾性係数Ｅ
の比より大となれ芦、その部の応力の方が大きくなるの
である。
一方、第１図、第２図の構成の各積層面盾にろう何部が
ないオール半田レス構造としたときを考え調べてみると
、本発明の構造は半導体素子３１の曲げ応力集中の低減
に威力を発揮する。いわゆる、前記した圧縮、応力の所
で記述した寸法によれば、本発明の構造のもとて半導体
素子３１の最大曲げ応力は内部に移行し、ピーク値を第
５図に示した従来の溝付構造の物に比べＬ以下と小さく
でき、半導体素子３１の機械的強度を５倍以上とするこ
とかできる。
ないオール半田レス構造としたときを考え調べてみると
、本発明の構造は半導体素子３１の曲げ応力集中の低減
に威力を発揮する。いわゆる、前記した圧縮、応力の所
で記述した寸法によれば、本発明の構造のもとて半導体
素子３１の最大曲げ応力は内部に移行し、ピーク値を第
５図に示した従来の溝付構造の物に比べＬ以下と小さく
でき、半導体素子３１の機械的強度を５倍以上とするこ
とかできる。
ダイオードについて本発明の効果を具体的忙説明したが
、その他、サイリスタ、ＧＴＯ’またトランジスタにつ
いても同様の応用効果があるのは当然である。また、ア
ノード側のスタンプ電極４０に溝を設けてもよい。
、その他、サイリスタ、ＧＴＯ’またトランジスタにつ
いても同様の応用効果があるのは当然である。また、ア
ノード側のスタンプ電極４０に溝を設けてもよい。
本発明によれば、温度補償金属板を介してスタンプ電極
釦より圧接される半導体素子の部分的なｉできるので、
信頼性の向上を図ることができる。
釦より圧接される半導体素子の部分的なｉできるので、
信頼性の向上を図ることができる。
第１図は本発明の一実施例になる圧接型ダイオードを示
す縦断面図、第２図は第４図本発明の要部構成断面図、
第３図は従来の一般に知られている圧接型ダイオードを
示す縦断面図、第４図は半無限板を同性で圧接したとき
の応力分布説明図、第５図、第６図は従来の圧接型半導
体装置の縦断面図である。 ３１・・・半導体素子、３２・・・アノード側温度補償
金属板、３３・・・カソード側温度補償金属板、３４・
・・カソード側スタンプ電極、３５・・・スタンプ電極
３４の溝。
す縦断面図、第２図は第４図本発明の要部構成断面図、
第３図は従来の一般に知られている圧接型ダイオードを
示す縦断面図、第４図は半無限板を同性で圧接したとき
の応力分布説明図、第５図、第６図は従来の圧接型半導
体装置の縦断面図である。 ３１・・・半導体素子、３２・・・アノード側温度補償
金属板、３３・・・カソード側温度補償金属板、３４・
・・カソード側スタンプ電極、３５・・・スタンプ電極
３４の溝。
Claims (1)
- １、半導体素子と、該半導体素子の少なくとも一方の面
に設けられた該半導体素子の熱膨張係数に近い熱膨張係
数を有する温度補償金属板と、該温度補償金属板を介し
て前記半導体素子を圧接するスタンプ電極とを備えた圧
接型半導体装置において、前記スタンプ電極の側面の圧
接面より離れた位置に溝を付け、さらに、前記スタンプ
電極と同心円状にある前記温度補償金属板の直径を、前
記スタンプ電極の圧接面の直径より大きくしたことを特
徴とする圧接型半導体装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9085685A JPS61251043A (ja) | 1985-04-30 | 1985-04-30 | 圧接型半導体装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9085685A JPS61251043A (ja) | 1985-04-30 | 1985-04-30 | 圧接型半導体装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61251043A true JPS61251043A (ja) | 1986-11-08 |
Family
ID=14010203
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9085685A Pending JPS61251043A (ja) | 1985-04-30 | 1985-04-30 | 圧接型半導体装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS61251043A (ja) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5189509A (en) * | 1989-12-15 | 1993-02-23 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Semiconductor device and electrode block for the same |
| US6072240A (en) * | 1998-10-16 | 2000-06-06 | Denso Corporation | Semiconductor chip package |
| US6380622B1 (en) | 1998-11-09 | 2002-04-30 | Denso Corporation | Electric apparatus having a contact intermediary member and method for manufacturing the same |
| US6538308B1 (en) | 1998-07-14 | 2003-03-25 | Denso Corporation | Semiconductor apparatus with heat radiation structure for removing heat from semiconductor element |
| US6693350B2 (en) | 1999-11-24 | 2004-02-17 | Denso Corporation | Semiconductor device having radiation structure and method for manufacturing semiconductor device having radiation structure |
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| JP2015044350A (ja) * | 2013-08-28 | 2015-03-12 | キヤノン株式会社 | 液体吐出ヘッドおよび記録装置 |
-
1985
- 1985-04-30 JP JP9085685A patent/JPS61251043A/ja active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US6960825B2 (en) | 1999-11-24 | 2005-11-01 | Denso Corporation | Semiconductor device having radiation structure |
| US6967404B2 (en) | 1999-11-24 | 2005-11-22 | Denso Corporation | Semiconductor device having radiation structure |
| US6992383B2 (en) | 1999-11-24 | 2006-01-31 | Denso Corporation | Semiconductor device having radiation structure |
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