JP4125908B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、絶縁容器内に半導体素子を収容し、その半導体素子の電極の電位を制御するための外部端子を有する半導体装置に関し、特に、ターンオフ時に主電流が転流するゲート転流型半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体装置において、主電流を全てターンオフ時にゲート側へ転流することができるゲート転流型ターンオフ(Gate Commuted Turn-off)半導体素子としてGCTサイリスタがある。一般に、GCTサイリスタは、そのゲートを駆動するための回路であるゲートドライブユニットと配線で接続され、GCTユニットとして使用される。
【0003】
図8に従来のGCTサイリスタの構成を示す。同図に示すようにGCTサイリスタは、アノードポスト電極1とカソードポスト電極2の間に導電性を有する緩衝材5を介して半導体基板3を配した構造を有する。アノードポスト電極1とカソードポスト電極2に挟まれた半導体基板3は絶縁性を有するセラミック筒4内に収容される。セラミック筒4の開口部にはフランジ16及びカソードキャップ18とが配置される。カソードキャップ18はゲートドライブユニット基板のカソード端子台とGCTサイリスタのカソード電極との接続部材となる。半導体基板3には、ゲート電極を有し、そのゲート電極に印加されるゲート信号により制御され、主電流を全てターンオフ時にゲート側へ転流することができる半導体素子が形成されている。
【0004】
図9は、従来のGCTサイリスタのリングゲート31a及びリード線31bを示した図である。半導体基板3へはこのリングゲート31a及びリード線31bを介して外部よりゲート信号が伝達される。従来のGCTサイリスタでは、セラミック筒4に貫通孔が設けられており、その中にリード線31bが通され、外部に取り出されていた。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
GCTサイリスタにおいては、GCTサイリスタとゲートドライブユニットを接続する配線のインダクタンスが大きいと、ターンオフ時の迅速な転流を妨げ、また、半導体基板内部の局部発熱における破壊を招く場合がある。このような場合、制御電流の大容量化、高速スイッチング動作の実現が妨げられるという弊害がある。
【0006】
図9に示す構成において、配線インダクタンスを小さくするためには複数のリード線を設ければよい。しかし、単に1つのリングゲート31aに対して複数のリード線31bを取りつけただけでは、組立工程において、複数のリード線が妨げになり、リングゲート31aをセラミック筒4内に収容することは不可能である。
【0007】
配線インダクタンスを低減するGCTサイリスタの例として図10に示す構成が考案されている。同図に示すGCTサイリスタでは、図11に示すように半導体素子の中心に対し放射状に設けた複数のゲート端子を有するゲートリング8を用いている。この構成により、インダクタンスの低減を図り、ターンオフ時のゲート逆電流上昇率(diGQ/dt)を大幅に上昇させ、ターンオフ時の迅速な転流を可能とし、制御電流の大容量化、高速スイッチング動作を実現する。
【0008】
同図において、アノードポスト電極1の外側にアノードフィン10を配置し、カソードキャップ18の外側にカソードフィン11を配置し、これらを圧接により接続している。ゲートリング8は、2つのセラミック筒4a、4bに挟まれ、Agロー付けで固着され、ゲートとカソード間の絶縁性を保持するように支持される。また、ゲートリング8は、バネ等の弾性体7によりゲート電極であるリングゲート6に圧接される。従来において以上の構成によりインダクタンスの低減を図っている。
【0009】
しかし、上述の様に、2つの分割したセラミック筒4a、4bを使用しているため、セラミックの加工処理が煩雑となり、また、構成部品数が増加するため部品精度の保持が困難となり、部材コストが高くなるという問題がある。
【0010】
本発明は上記課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、絶縁容器内に半導体素子を収容し、その半導体素子の電極の電位を制御するための外部端子を有する半導体装置において、部材コストを低減しつつ制御電流の大容量化、高速スイッチング動作を実現する半導体装置を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体装置は、ターンオフ時に主電流が転流するゲート電極を有する半導体素子が絶縁容器内に収容されてなるゲート転流型半導体装置であって、半導体素子のゲート電極に接続した複数の外部端子を有する。絶縁容器には複数の貫通孔が設けられ、各貫通孔には各外部端子に接続されたリード線が通される。各リード線には、半導体素子のゲート電極と電気的接続を得るためにリード線毎に設けられた、所定の形状を有する内部端子が接続されている。各リード線は等ピッチに配設されている。
このような半導体装置によれば、ゲート電極に接続された複数の外部端子を有するため配線インダクタンスを低減でき、制御電流の大容量化、高速スイッチング動作を実現できる。また、絶縁容器に複雑な加工処理を施す必要がなく、部品点数を低減できるため、製造コストを低減できる。
【0012】
上記の半導体装置において、リード線の端子の形状は円板形状であってもよい。このとき、各リード線の内部端子は積み重ねられて半導体素子のゲート電極と接続されるのが好ましい。円板形状の内部端子を用いて半導体素子と電気的接続を得ることにより、半導体素子の中心部からゲート信号を供給するための有効電極面積を十分に確保できる。
【0013】
また、上記の半導体装置において、リード線の内部端子の形状はリング形状であってもよい。このとき、各リード線の端子は積み重ねられて半導体素子のゲート電極と接続されるのが好ましい。リング形状の内部端子を用いて半導体素子と電気的接続を得ることにより、半導体素子の外周部からゲート信号を供給することが可能となる。
【0014】
また、上記の半導体装置において、リード線の内部端子の形状は扇形状であってもよい。このとき、各端子が並置されて半導体素子のゲート電極に接続されるのが好ましい。扇形状の内部端子を並置して半導体素子と電気的接続を得ることにより、ゲート信号がほぼ均等にゲート電極に供給されるため、内部端子を積み重ねて用いる場合に比してより効率的に転流動作が実現できる。
【0015】
また、上記の半導体装置において、リード線の内部端子の形状は略U字状であってもよい。各内部端子は並置されて半導体素子のゲート電極に接続されるのが好ましい。略U字状の内部端子を並置して半導体素子と電気的接続を得ることにより、半導体素子の外周部からゲート信号を供給する場合に、ゲート信号がほぼ均等にゲート電極に供給されるため、端子を積み重ねて用いる場合に比してより効率的に転流動作が実現できる。
【0016】
また、上記の半導体装置において、一部のリード線の内部端子の形状は円板形状であり、残りのリード線の端子の形状はリング形状であってもよい。このとき、円板形状の内部端子を複数積み重ねて半導体素子のゲート電極の中心付近に接続し、リング形状の内部端子を複数積み重ねて半導体素子のゲート電極の外周部分に接続し、さらに、円板形状の内部端子及びリング形状の内部端子のそれぞれのリード線を等ピッチに配設するのが好ましい。本構成により、半導体素子の中心部と外周部の双方からゲート信号が供給が可能となり、より均一な転流動作が実現され、信頼性高い半導体装置を実現できる。
【0017】
また、上記の半導体装置において、一部のリード線の内部端子の形状は扇形状であり、残りのリード線の内部端子の形状はリング形状であってもよい。このとき、扇形状の電極部を並置して半導体素子のゲート電極の中心付近に接続し、リング形状の内部端子を積み重ねて半導体素子のゲート電極の外周部分に接続し、さらに、並置された複数の内部端子のリード線を等ピッチに配設し、積み重ねられた複数の内部端子のリード線を等ピッチに配設するのが好ましい。本構成により、半導体素子の中心部と外周部の双方からゲート信号が供給が可能となり、さらに、半導体素子の中心部においてより均等にゲート信号が伝達されるため、より信頼性高い半導体装置を実現できる。
【0018】
また、上記の半導体装置において、一部のリード線の内部端子の形状は円板形状であり、残りのリード線の内部端子の形状は略U字状であってもよい。このとき、円板形状の内部端子を積み重ねて半導体素子のゲート電極の中心付近に接続し、略U字状の内部端子を並置して半導体素子のゲート電極の外周部分に接続し、さらに、並置された複数の内部端子のリード線を等ピッチに配設し、積み重ねられた複数の端子のリード線を等ピッチに配設するのが好ましい。本構成により、半導体素子の中心部と外周部の双方からゲート信号が供給が可能となり、さらに、半導体素子の外周部においてより均等にゲート信号が伝達されるため、より信頼性高い半導体装置を実現できる。
【0019】
また、上記の半導体装置において、一部のリード線の内部端子の形状は扇形状であり、残りのリード線の内部端子の形状は略U字状であってもよい。このとき、扇形状の内部端子を並置して半導体素子のゲート電極の中心付近に接続し、略U字状の内部端子を並置して半導体素子のゲート電極の外周部分に接続し、さらに、並置された複数の内部端子のリード線を等ピッチに配設し、積み重ねられた複数の内部端子のリード線を等ピッチに配設するのが好ましい。本構成により、半導体素子の中心部と外周部の双方からゲート信号が供給が可能となり、さらに、半導体素子の中心部及び外周部においてより均等にゲート信号が伝達されるため、より信頼性高い半導体装置を実現できる。
【0020】
以上の半導体装置において、リード線と内部端子との接続部において可撓部を設けてもよい。可撓部により、温度上昇時の熱応力を吸収し、より信頼性の高い半導体装置を構成できる。
【0021】
また、リード線の少なくとも一部分を平板状に形成してもよい。平板状部分を設けることにより、表面積が増大し、リード線の配線インダクタンスをより低減することができる。
【0022】
また、リード線の内部端子に無光沢メッキを施すのが好ましい。これにより、ゲートリード線の電極間の接触抵抗の低減を図ることができる。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下添付の図面を参照して、本発明に係る半導体装置の実施の形態を詳細に説明する。以下に説明する本発明に係る半導体装置は、ターンオフ時に主電流を全てゲート側へ転流することができるゲート転流型ターンオフ(Gate Commuted Turn-off)半導体素子(GCT素子)である。半導体装置は、そのゲートを駆動するための回路であるゲートドライブユニットと配線で接続されて一体になり、GCTユニットとして使用される。
【0024】
実施の形態1.
図1に本実施形態の半導体装置の構成を示す。図1(a)は半導体装置の横断面図であり、図1(b)は上面図である。本実施形態の半導体装置は2つのゲート端子17を有する。半導体装置は、アノードポスト電極1とカソードポスト電極2の間にタングステン等の導電性材料からなる緩衝材5を介して半導体基板3を配した構造を有する。半導体基板3はアノードポスト電極1とカソードポスト電極2とともに絶縁容器であるセラミック筒4内に収容される。セラミック筒4の開口部にはフランジ16及びカソードキャップ18とが配置される。これらは、アノードポスト電極1とカソードポスト電極2とともにセラミック筒4に圧接される。半導体基板3はアノード電極、カソード電極及びゲート電極を有しており、その基板3上にはゲート電極に印加されるゲート信号により制御され、主電流を全てターンオフ時にゲート側へ転流することができる半導体素子が形成されている。
【0025】
セラミック筒4には、ゲート端子数に対応して2つの貫通孔が設けられ、それぞれの貫通孔内にゲートパイプ12a、12bが取りつけられている。ゲートパイプ12a、12bは他の金具部品とともにAgロー付けされる。そのパイプ12a、12b内には、2つのゲート端子から半導体基板3のゲート電極にゲート信号を伝達するためのゲートリード線13a、13bが通されている。ゲートリード線13a、13bの一端はゲート端子17に接続される。
【0026】
ゲートリード線13a、13bは、図2(a)に示すように、ゲート端子17に接続された側と反対の端に円板状の薄板電極である内部ゲート端子13x、13yがAgでロー付けされて接続されている。内部ゲート端子13x、13yはAgロー付けに限らず、圧着によりゲートリード線13a、13bに接続されてもよい。ゲートリード線は可撓性を有するものが好ましい。
【0027】
図1に示す半導体装置は半導体基板3の中央部からゲ−ト配線を引き出す構成を有する。このため、ゲート電極6が半導体基板3の中央部(ゲート電極)と電気的接続されるよう配置されている。ゲートリード線13a、13bの内部ゲート端子13x、13yは積み重ねられて、バネ等の弾性体7によってゲート電極6に圧接される。これにより半導体基板3のゲート電極とゲートリード線13a、13bとの電気的な接続が得られる。なお、N個(N≧2)のゲート端子を設ける場合は、N個の円板状の電極が積み重ねられることになる。このとき、各ゲートリード線は等ピッチに配設されるのが好ましい。
【0028】
以上のように構成される半導体装置はゲート端子に対応させてゲートリ−ド線を複数設けているため、ゲート部の配線インダクタンスを低減でき、高速スイッチング動作を実現できる。
【0029】
また、セラミック筒4において貫通孔を設け、そこにゲートリード線13a、13bを通しているため、セラミック筒を分割する必要がなく、部品数の増加、加工の煩雑さ等の弊害がない。
【0030】
また、本実施形態の半導体装置においては、ゲートリード線13a、13bの内部ゲート端子13x、13yを、各ゲート端子に対応するリード線毎に設けている。これにより、半導体装置の製造工程において、リード線毎に容器内への収納が可能となるため、ゲート端子が複数設けられて収容すべきリード線数が多数になった場合であっても、ゲートリード13a、13bを容易に容器内へ収納することができる。
【0031】
図2(b)に本実施形態における内部ゲート端子の別の形状を示す。本実施形態では、2つのゲート端子17を設けていることから、電極の形状を図2(a)に示す円板を2分割した形状すなわち半円板状にしている。この場合は、内部ゲート端子13p、13qを、円板となるように並置し、その上にゲート電極6を配置して半導体基板3のゲート電極に対して電気的接続を得る。これにより、2枚の電極を積み重ねる必要がなく、各リード線14a、14bからのゲート信号がほぼ均等にゲート電極6に供給されるため、実施の形態1の場合に比してより効率的に転流動作が実現できる。なお、N個(N≧2)のゲート端子を設けた場合は、内部ゲート端子の形状を図2(a)に示す円板をN等分した形状(すなわち扇形状)にしてもよい。各ゲートリード線は等ピッチに配設されるのが好ましい。
【0032】
本実施形態のように半導体基板の中心部にゲート電極を配置することで、半導体基板の有効電極面積を多くとることができる。
【0033】
実施の形態2.
図3に、実施の形態2の半導体装置の構成を示す。図3(a)は半導体装置の横断面図であり、図3(b)は上面図である。本実施形態では、半導体基板3の外周部からゲート配線を引き出すための構成を示す。
【0034】
図3(a)に示すように、半導体装置においてゲート電極6は半導体基板3の外周部に接続する。ゲート電極6はリング形状を有する。ゲートリード線14a、14bの電極である内部ゲート端子14x、14yは弾性体7によりゲート電極6に圧接される。ゲートリード線14a、14bの内部ゲート端子14x、14yは図4(a)に示すようにリング形状を有している。他の構成は実施の形態1の場合と同様である。
【0035】
本実施形態の構成によれば、半導体基板の外周辺部からゲート配線を引き出すことが可能となる。このように外周部からゲート配線を引き出すことによりリード線14a、14bの長さを短くでき、配線インダクタンスを低減できる。
【0036】
図4(b)に本実施形態における内部ゲート端子の別の形状を示す。同図に示すように内部ゲート端子14p、14qは、リング形状の内部ゲート端子14x、14yを2分割した形状すなわち略U字状であってもよい。この場合は、内部ゲート端子14p、14qをリング形状を形成するように並置し、その上にゲート電極6を配置し、半導体基板3のゲート電極に対して電気的接続を得る。このように電極部を積み重ねる必要がないので、各リード線14p、14qからのゲート信号がほぼ均等にゲート電極6に供給されるため、より効率的に転流動作が実現できる。特に、リード線の数を増加する場合により有効である。なお、N個のゲート端子を設ける場合は、内部ゲート端子の形状を図4(a)に示すリングをN等分した形状(略U字状)にしてもよい。
【0037】
実施の形態3.
図5にゲートリード線の好ましい構成を示す。本実施形態では、ゲートリード線13a、13b…と内部ゲート端子13p、13q…の接続部にベンド部19を設けており、これによりリード線13a、13b…が可撓可能になり、ゲート部の通電による温度上昇時の熱応力を吸収し、信頼性の高い素子を構成できる。すなわち、半導体基板の中心部にゲート電極を配置するものについては、必然的にリード線が長くなり、より高温になりやすく、温度サイクルによる金属疲労が生じやすいため、特に、このような場合に図5に示すリード線の構成が有効となる。
【0038】
実施の形態4.
図6にゲートリード線の好ましい構成を示す。同図に示すように本実施形態のリード線は少なくとも一部に平板形状部分21を有している。このように、平板形状部分21を設けることにより、表面積が増大し、ゲートリードの配線インダクタンスをより低減することができる。
【0039】
実施の形態5.
図7に実施の形態5の半導体装置の構成を示す。本実施形態の半導体装置は、半導体基板3の中心部と外周部のそれぞれに対してゲート信号の伝達を可能とするものである。
【0040】
図7に示す例では、半導体装置において、半導体基板3の中心部には実施の形態1で示した電極構造を採用し、半導体基板3の外周部には実施の形態2で示した電極構造を採用する。半導体基板3の中心部、外周部においては、電極構造として前述の実施形態に示した電極構造を種々組み合わせて使用できる。
【0041】
ゲート端子からの転流信号に対し、ゲート電極からの距離が遠い部分では、主電流の影響を受けて局部的に発熱し破壊に至ることがある。本実施形態の構成によれば、半導体基板の中心部及び外周部からゲート信号(転流信号)を供給できるため、より均一な転流動作がなされ、大電流に対応でき、高い信頼性を有するGCT素子を実現できる。
【0042】
以上の実施形態において、ゲートリード線の内部ゲート端子13x、13y、13p、13q、14x、14y、14p、14qには、無光沢(軟質)メッキを施してもよい。これにより、内部ゲート端子間の接触抵抗の低減を図ることができる。また、半導体基板3の中心部、外周部において内部ゲート端子に接続する各リード線は等ピッチに配設されるのが好ましい。
【0043】
【発明の効果】
本発明の半導体装置によれば、半導体素子のゲート電極に接続した複数の外部端子を設けることができるため配線インダクタンスを低減でき、制御電流の大容量化、高速スイッチング動作を実現できる。また、絶縁容器に複雑な加工処理を施す必要がなく、部品点数を低減できるため、製造コストを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態1に係る半導体装置(GCT素子)の(a)横断面図、及び(b)上面図。
【図2】 ゲートリード線とその電極を説明した図。
【図3】 本発明の実施の形態2に係る半導体装置(GCT素子)の(a)横断面図、及び(b)上面図。
【図4】 ゲートリード線とその電極を説明した図。
【図5】 ベンド部を設けたゲートリード線を説明した図(実施の形態3)。
【図6】 一部に平板形状部を設けたゲートリード線を説明した図(実施の形態4)。
【図7】 本発明の実施の形態5に係る半導体装置(GCT素子)の(a)横断面図、及び(b)上面図。
【図8】 従来の半導体装置(GCT素子)の(a)横断面図、及び(b)上面図。
【図9】 従来のゲートリード線とその電極を説明した図。
【図10】 従来の半導体装置(GCT素子)の(a)横断面図、及び(b)上面図。
【図11】 従来のゲート電極を説明した図。
【符号の説明】
1 アノードポスト電極、 2 カソードポスト電極、 3 半導体基板、 4 セラミック筒、 6 ゲート電極、 7 弾性体(バネ)、 13a,13b,14a,14b ゲートリード線、 13x,13y,13p,13q,14x,14y,14p,14q 内部ゲート端子。
Claims (12)
- ターンオフ時に主電流が転流するゲート電極を有する半導体素子が絶縁容器内に収容されてなるゲート転流型半導体装置であって、
前記半導体素子のゲート電極に接続した複数の外部端子を有しており、
前記絶縁容器には複数の貫通孔が設けられ、各貫通孔には前記各外部端子に接続されたリード線が通され、
各リード線には、前記半導体素子のゲート電極と電気的接続を得るためにリード線毎に設けられた、所定の形状を有する内部端子が接続され、各リード線は等ピッチに配設されている
ことを特徴とする半導体装置。 - 前記リード線の内部端子の形状は円板形状であり、各リード線の端子は積み重ねられて半導体素子のゲート電極と接続されることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 前記リード線の内部端子の形状はリング形状であり、各リード線の端子は積み重ねられて半導体素子のゲート電極と接続されることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 前記リード線の内部端子の形状は扇形状であり、各端子が並置されて半導体素子のゲート電極に接続されることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 前記リード線の内部端子の形状は略U字状であり、各端子が並置されて半導体素子のゲート電極に接続されることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 一部のリード線の内部端子の形状は円板形状であり、残りのリード線の内部端子の形状はリング形状であり、前記円板形状の内部端子を複数積み重ねて半導体素子のゲート電極の中心付近に接続し、前記リング形状の内部端子を複数積み重ねて半導体素子のゲート電極の外周部分に接続し、前記円板形状の内部端子のリード線及び前記リング形状の内部端子のリード線をそれぞれ等ピッチに配設したことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 一部のリード線の内部端子の形状は扇形状であり、残りのリード線の内部端子の形状はリング形状であり、前記扇形状の内部端子を並置して半導体素子のゲート電極の中心付近に接続し、前記リング形状の内部端子を積み重ねて半導体素子のゲート電極の外周部分に接続し、前記並置された複数の内部端子のリード線を等ピッチに配設し、前記積み重ねられた複数の内部端子のリード線を等ピッチに配設したことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 一部のリード線の内部端子の形状は円板形状であり、残りのリード線の内部端子の形状は略U字状であり、前記円板形状の内部端子を積み重ねて半導体素子のゲート電極の中心付近に接続し、前記略U字状の内部端子を並置して半導体素子のゲート電極の外周部分に接続し、前記並置された複数の内部端子のリード線を等ピッチに配設し、前記積み重ねられた複数の内部端子のリード線を等ピッチに配設したことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 一部のリード線の内部端子の形状は扇形状であり、残りのリード線の内部端子の形状は略U字状であり、前記扇形状の内部端子を並置して半導体素子のゲート電極の中心付近に接続し、略U字状の内部端子を並置して半導体素子のゲート電極の外周部分に接続し、前記並置された複数の内部端子のリード線を等ピッチに配設したことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 前記リード線と前記内部端子との接続部において可撓部を設けたことを特徴とする請求項1ないし請求項9のいずれか一に記載の半導体装置。
- 前記リード線の少なくとも一部分を平板状に形成したことを特徴とする請求項1ないし請求項9のいずれか一に記載の半導体装置。
- 前記リード線の内部端子に無光沢メッキを施したことを特徴とする請求項1ないし請求項9のいずれか一に記載の半導体装置。
Priority Applications (3)
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