JPS62269322A - 電力用半導体装置 - Google Patents

電力用半導体装置

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JPS62269322A
JPS62269322A JP61111808A JP11180886A JPS62269322A JP S62269322 A JPS62269322 A JP S62269322A JP 61111808 A JP61111808 A JP 61111808A JP 11180886 A JP11180886 A JP 11180886A JP S62269322 A JPS62269322 A JP S62269322A
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pressure
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Yoshinari Uetake
植竹 義成
Takashi Fujiwara
隆 藤原
Hiroshi Okamura
岡村 弘
Yasunori Usui
碓氷 康典
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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】 [発明の目的コ (産業上の利用分野) 本発明は、電力用半導体装置における制御1電極の圧接
構造に関し、この圧接構造は、例えば遮断電流1000
Aを超えるGTOのような大容量の電力用半導体装置に
、適用されるものである。
(従来の技術) 近年の電力用半導体装置の大容量化にはめざましいもの
があり、例をゲート・ターンオフ・サイリスタ(GTO
と呼ばれる)にとると、1980年代始めには最大遮断
電流I工。が80OAであったものが、年々1200A
 、 2000A 、 2500Δと上り、1980年
代半ばにはl1Q270OAのものの商品化が実現して
いる。 そして最大遮断電流I 1coの増大に伴って
、GTO素子をターンオフする際に流す逆方向のゲート
電流の最大値(I RGP )も年々増大し、I pa
p200Aから、500A、そして700 Aまでにも
なってきている。
そのように大容量化した電力用半導体装置、すなわちパ
ワートランジスタ、サイリスタ、GTOなどにおいては
、素子の信頼性向上の目的で、ペレット上の素子制御電
極(サイリスタのゲート電極、トランジスタのベース電
極)と外部リードとの接触を、Δ1ワイヤのボンディン
グによるのではなく、圧接構造によって得るようになっ
てきている。
第7図はGTOゲート電極近傍の圧接部分断面図である
。 同図において、1はGTO素子が形成されている半
導体ペレット、該ペレット1の中央部にはA1のゲート
電極1aが配置され、グー1〜電極1aの周囲にはカソ
ードエレメント1bが配置されている。 2は銅製の圧
接カソードで、圧接カソード2はMO製の緩衝板2a及
びMO製フAイル2bを介してカソードエレメント1b
を圧接している。 3は、圧接カソード2に対して、テ
フロンリング3aとセラミックディスク3bの絶縁材で
絶縁をとった圧接ゲートである。 圧接ゲート3は、普
通、銅母材表面にNiメッキと数μm厚のA(Iメッキ
が施されており、圧接カソード2のバネ座2ck:置か
れたコイルバネ4によって附勢され、GTOのゲート電
極1aを圧接している。
第7図の圧接構造が採用されているITGQ2000A
のGTOでは、圧接面積52mm2を有する圧接グー1
〜が1.5k(]の加圧力でペレットのゲートAI電極
に圧接され、その単位当り圧接力は、約0.03に!1
/m+n2になっている。
上記第7図の圧接構造によって、ワイヤボンディング接
続方法のようにボンディング部の金属疲労によると考え
られるワイヤ断切れが発生せず、半永久的なグー+への
接触を保証することかできる。
しかしながら、上記従来の圧接構造では、逆方向のグー
1〜電流の最大値(1,、GP)が30OAを超える大
容量のGTOとなると、連続運転中に接触抵抗が次第に
増大してゆき、3〜5年で素子のゲート−カソード間の
抵抗が著しく増加し、ついには圧接部分の発熱によりペ
レットグー1〜電極1aのA1蒸着層が溶融し、その結
果GTOのアノード−カソード(A−K>間の耐圧が劣
化することが分った。 そのような現象は一す−イリス
タの場合のばかパワートランジスタのベース圧接構造に
おいても現れている。
(発明が解決しようとする問題点) 本発明の目的は、圧接構造の制御電極を有する大容量電
力用半導体装置において、長期間の連続運転で該圧接部
の接触抵抗の増大による素子破壊を防止することである
[発明の構成] (問題点を解決するだめの手段) 本発明の電力用半導体装置は、圧接制御電極とペレット
のAI電極間に軟質金属のシートを挟んで圧接すること
を特徴とし、好ましくは0,14 bg/mtn2以上
の単位面積当り圧接力となるように構成りる。 軟質金
属のシー1〜としては銀、金、白金などの導電性金属の
30〜150μmの厚さの箔が好ましい。
(作用) 従来装置にお(ブる接触抵抗の増大の原因は、第5図に
みるように、制御電極3(3CはN1メッキ、3dは銀
メッキ)の表面加工粗さ及びペレットA1電極18面の
A1グレイン粗さと、単位面積当りの圧接力が0.02
 kg/1II12程度の比較的低い値であることのた
めに、接触部52における接触が不十分であり、逆方向
のゲート電流1.最大値が300Δを超える値になると
、接触部52の電位差が0.IOV以上の値となる。 
接触部電位差が0.10 V以上になると、接触部近傍
に付着した電解質51を通してペレットのA1電極1a
のA1原子が圧接電極3側に移動しはじめ、3年〜5年
の連続運転のすえにはグー]・−カソード間の抵抗がし
ちじるしく増大することがわかった。
本発明装置においては、軟質金属のシートを挟んで圧接
されるから、第6図等価回路図に示ずように、圧接ゲー
トとペレットA1電極間の接触抵抗R8は、0,14 
ka/n+ll12以上の圧接力の場合、0゜05mΩ
と従来接触抵抗の1/10以下となって、接触部電子電
流18に関連して圧接グー1へ接触部の電位降下は、I
ゆ700Aの場合でも、ぜい「い0.028Vまでにし
かならないので、接触部電位差0.1V以−[である場
合に著しく進行する電解質におけるA1の移動によるイ
オン電流 iLが流れることなく、その結果、300倍
以上の耐用年数が見込めることとなる。
(実施例) 以下図面を参照して本発明の詳細な説明する。
実施例の図面の符号のうち第7図の符号と同じものは特
に従来構造と変更のないものであるため、その説明を省
略する。
第1図は、第一実施例のGTOのゲート圧接部分際面図
である。 13は銅製の圧接ゲートで、若干反りのある
ペレットに対して圧接を均一にするために中央部がくり
抜かれ、環状縁の接触部13aはペレットのA1グー1
〜電極(図示せず)に対して約50…m2の接触面積を
有している。 この環状縁の接触部13aを包むように
、厚さ 100μmのアニールをしたA[シートのキャ
ップ状成形品11を嵌装する。 圧接ゲート13は、4
0kow 〜1100ko (0,8kow/mm2〜
2 kgw/mm2)の圧接力を保持できるような皿バ
ネ12a。
12hで圧接させている。 冊バネ12bと圧接グー1
−13との間には座金14aが、また冊バネ12aど圧
接カソード2との間には座金141]と1/11が装着
されている。 そして高い圧接力に耐えられる絶縁材と
して、座金14bと14cの間に雲母の絶縁シート15
が挟装され、テフロンリング3aとともに圧接ゲート1
3と圧接カソード2間の絶縁がとられている。
m2図は、第一実施例GTOについて、横軸の圧接グー
1〜の単位面積当り圧接力と縦軸のゲート接触抵抗との
関係を示すグラフである。 比較のために「キャップな
し」と表示したグラフ曲線は、第一実施例の銀キャップ
を嵌装しない場合、つまり従来圧接構造と同じ構造のも
のの場合を示したものである。 第2図にみるように、
圧接力が0.06 kgw /mm2より低いところで
はキャップの有無ににって接触抵抗値にほとんど差がな
いが、キャップのない場合圧接力0,06 kgw /
 111m2以上にしても接触抵抗的0.08mΩで一
定になりそれ以上に接触抵抗は低下しないのに対し、第
一実施例のキャップのある場合圧接ノ30,06 kg
w /mm2以上でなお接触抵抗が低下し、圧接力0,
12 kow /ml112に至って接触抵抗は約0.
05mΩで一定になることがわかる。
接触抵抗が0.05mΩであると、T1.ll、Pが7
00Aであっても、その場合の接触部の電位差vdは、
V a = 700A X 0.051nΩ−0,03
5V rあり、A1の移動が発生し始める電位差0.1
vよりも充分に小さく抑えられる。 実際に、圧接力 
1.3 kgw/l1lIl12の第一実施例のGTO
と、キャップのない圧接力0.02 kgw /mm2
の従来構造のGTOとを、T30.を規格値より増やし
た加速条件下で連続運転試験を行ってみると、従来構造
のGTOでは3〜5時間でペレットのA1電極表面にA
1の移動による凹凸の変型部が発生したのに対して、第
一実施例のGTOでは1000時間の連続運転後でもそ
のような変化はみられなかった。 従って市場における
耐用年数が300倍以上となることが期待できる。
本発明において制御11電極の形状は、第一実施例にJ
3ける形状のものに限られない。
第3図は第二実施例のGTOのゲート圧接部分の断面図
である。 圧接ゲート33は全面でペレッ!〜△1電極
に圧接する形状であるとともに、圧接グー1〜の取出部
33aが圧接部の中心から上方に立上り、カソードボス
ト2の内部に至って横方向に取り出される形式のもので
ある。 取出部33aの表面には絶縁材33bが施され
ている。
圧接ゲート33の圧接面には全面に150μm厚の銀キ
ャップ31が嵌装されている。 そして4枚のワッシt
32a 、32b 、32c 、32dが圧接ゲートを
単位面積当りの圧接力0,14 kaw /l1lI1
12以上の圧接力で圧接する。
第4図は小型の圧接ゲートをもつ第三実施例のGTOの
ゲート圧接部分断面図である。 ブロック状の圧接ゲー
ト43の圧接面には50μA厚の銀キャップ41が嵌装
され、2枚の冊バネ42aと42bが、圧接ゲート43
を単位面積当り 0.14kgw /mm2以上の圧接
力で圧接する。
第二及び第三実施例の場合にも加速連続運転試験で第一
実施例と同様、耐用年数の増加が期待できる。
[発明の効果] 本発明の電力用半導体装置によれば、制御I主電極軟金
属の箔を介して素子電極に強く圧接できるから、その接
触抵抗が小となって制御電極における大容量の電流の流
れる場合にも接触電位差を0.1v以下の小さいもので
することができ、その結果素子A1電極から電極金属の
移動をほとんど皆無として、長期間の運転をした後にも
接触抵抗−10= の増大がなく、電力用半導体装置の寿命は格段の延長が
可能となった。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明第一実施例のGTOゲート圧接部分断面
図、第2図は本発明の効果を第一実施例について説明す
るグラフ、第3図は第二実施例のGTOゲート圧接部分
断面図、第4図は第三実施例のGTOゲート圧接部分断
面図、第5図は本発明の詳細な説明する図、第6図は第
5図の等価回路図、第7図は従来のGTOゲート圧接部
分断面図である。 11.31.41・・・銀シート、 13.33゜43
・・・圧接ゲート(制御電極)、 1a・・・ベレツ1
〜ゲート△1電極(素子電極)、 2・・・圧接カソー
ド、  12a 、12b 、32a 〜32d 。 42a、42b・・・皿バネ。 1l− chcotb、r>wc*  C%1  4g8f:e
:;6c;Oc;  c;    c;Q6=; ば 第3図 第4図 図面の浄書(内容に変更なし) 第5図    第6図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 制御電極が、軟金属の箔を介し、素子電極に圧接構
    造で接続していることを特徴とする電力用半導体装置。 2 単位面積当りの圧接力が、0.14kgw/mm^
    2以上である特許請求の範囲第1項記載の電力用半導体
    装置。
JP61111808A 1986-05-17 1986-05-17 電力用半導体装置 Pending JPS62269322A (ja)

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US07/045,468 US4882612A (en) 1986-05-17 1987-05-04 Power semiconductor device
DE87107084T DE3786951T2 (de) 1986-05-17 1987-05-15 Leistungshalbleiteranordnung.
EP19870107084 EP0246574B1 (en) 1986-05-17 1987-05-15 Power semiconductor device

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