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JPH05267491A - Pressure contact type semiconductor device and power converter using the same - Google Patents

Pressure contact type semiconductor device and power converter using the same

Info

Publication number
JPH05267491A
JPH05267491A JP4062327A JP6232792A JPH05267491A JP H05267491 A JPH05267491 A JP H05267491A JP 4062327 A JP4062327 A JP 4062327A JP 6232792 A JP6232792 A JP 6232792A JP H05267491 A JPH05267491 A JP H05267491A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
semiconductor device
type semiconductor
pressure contact
contact type
electrode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP4062327A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hitoshi Onuki
仁 大貫
Mitsuo Sato
満雄 佐藤
Masahiro Koizumi
正博 小泉
Masayasu Nihei
正恭 二瓶
Takashi Saito
高 斉藤
Shuroku Sakurada
修六 桜田
Tsutomu Yao
勉 八尾
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
Priority to JP4062327A priority Critical patent/JPH05267491A/en
Publication of JPH05267491A publication Critical patent/JPH05267491A/en
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 低加圧力でも、諸特性に優れ、しかも、信頼
性の高い小型、大容量の圧接型半導体装置及びこれを用
いた電力変換装置を得る。 【構成】 Si半導体1の両主面上のAl電極3に接触
するように熱緩衝板4、6及び7、5が設けられ、熱緩
衝板4、6の間及び熱緩衝板7、5の間に、IB属の軟
金属による軟質層8、9が設けられて構成される。これ
らの熱緩衝板と軟質層とは、これらをAl電極3に圧接
する電極導出部材10、11により加圧されている。 【効果】 圧接型半導体装置の加圧力を低減した場合に
も、熱抵抗の低減を実現することができ、遮断耐量の向
上、熱サイクル耐量の向上、装置の小型化を図ることが
できる。
(57) [Abstract] [Purpose] To obtain a small-sized, large-capacity pressure contact type semiconductor device which is excellent in various characteristics even with a low pressure and has high reliability, and a power conversion device using the same. [Structure] Thermal buffer plates 4, 6 and 7, 5 are provided so as to contact the Al electrodes 3 on both main surfaces of the Si semiconductor 1, and between the thermal buffer plates 4, 6 and between the thermal buffer plates 7, 5. The soft layers 8 and 9 made of a soft metal belonging to the IB group are provided and configured between them. The heat buffer plate and the soft layer are pressed by the electrode lead-out members 10 and 11 that press-contact them with the Al electrode 3. [Effect] Even when the pressure applied to the pressure contact type semiconductor device is reduced, the thermal resistance can be reduced, and the breaking resistance, the thermal cycle resistance, and the size of the device can be reduced.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、圧接型半導体装置及び
これを用いた電力変換装置に係り、特に、低加圧力で
も、諸特性に優れ、信頼性の高い電力用半導体装置とし
て利用して好適な圧接型半導体装置及びこれを用いた電
力変換装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a pressure contact type semiconductor device and a power converter using the pressure contact type semiconductor device, and in particular, it is used as a highly reliable power semiconductor device having various characteristics even under a low pressure. The present invention relates to a suitable pressure contact type semiconductor device and a power conversion device using the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来技術による圧接型半導体装置は、半
導体基板としてのSi基板に形成される半導体素子と、
Mo、W等の熱緩衝板と、Cu等からなる電極導出部材
とが重ね合わされて圧接されて構成されており、Si基
板とMo、W等の熱緩衝板、及び、熱緩衝板とCu等か
らなる電極導出部材との異種金属間の熱膨張係数との違
いによって発生する熱応力を、これらの滑りにより逃す
ことができる構造を有している。
2. Description of the Related Art A pressure contact type semiconductor device according to the prior art includes a semiconductor element formed on a Si substrate as a semiconductor substrate,
A heat buffer plate such as Mo or W and an electrode lead-out member made of Cu or the like are overlapped and pressed against each other, and a Si substrate and a heat buffer plate such as Mo or W, or a heat buffer plate and Cu or the like. The structure has a structure in which thermal stress generated due to the difference between the electrode lead-out member made of and the thermal expansion coefficient between different kinds of metals can be released by these slips.

【0003】しかし、この従来技術は、これらの部材界
面に対してよほど大きな加圧力を加えない限り、接触抵
抗が大きくなり、その結果、半導体装置の熱抵抗が大き
くなるという問題を有している。
However, this conventional technique has a problem that the contact resistance becomes large unless a large pressure is applied to the interface between these members, and as a result, the thermal resistance of the semiconductor device becomes large. .

【0004】このような熱応力を緩和することのできる
従来技術として、例えば、特願昭59−21033号等
に記載された技術が知られている。
As a conventional technique capable of relieving such thermal stress, for example, the technique described in Japanese Patent Application No. 59-21033 is known.

【0005】この従来技術は、熱応力を緩和する手段と
して、Mo、W等の熱緩衝板とCu等の電極導出部材と
の間に、熱緩衝板側では熱膨張係数が熱緩衝板と同じ
で、Cu側ではCuと熱膨張係数が同じであるような熱
緩衝板を挿入するというものである。しかし、この従来
技術は、熱応力の発生をある程度回避することができる
が、接触抵抗に関しては加圧力をよほど大きくしない限
りその増大が避けられないものである。
In this prior art, as a means for relieving thermal stress, the thermal expansion coefficient is the same as that of the thermal buffer plate between the thermal buffer plate such as Mo and W and the electrode lead-out member such as Cu. Then, on the Cu side, a thermal buffer plate having the same coefficient of thermal expansion as Cu is inserted. However, although this prior art can avoid the occurrence of thermal stress to some extent, it is unavoidable that the contact resistance increases unless the pressing force is increased significantly.

【0006】そして、この従来技術は、加圧力を大きく
した場合、これらの部材界面、特に、Si半導体主面上
のAl電極とMo、W等の熱緩衝板との間に生ずる凝着
(スティッキング)について配慮されていない。
In this prior art, when the applied pressure is increased, the adhesion (sticking) that occurs between the interface between these members, particularly between the Al electrode on the Si semiconductor main surface and the thermal buffer plate such as Mo or W (sticking). ) Is not considered.

【0007】また、接触抵抗を下げることのできる従来
技術として、例えば、実開昭50−54974号公報、
実開昭50−120372号公報等に記載された技術が
知られている。
As a conventional technique capable of reducing the contact resistance, for example, Japanese Utility Model Laid-Open No. 50-54974,
The technique described in Japanese Utility Model Laid-Open No. 50-120372 is known.

【0008】この従来技術は、Mo、W等の熱緩衝板と
接着されたSi半導体の反対側のAl電極と、Mo、W
等の熱緩衝板との間に軟金属を介在させて加圧する、あ
るいは、同様に一方の主電極がMo、W等の熱緩衝板と
接着されたSi半導体を用いた半導体装置において、装
置を形成する各部材の界面に金属箔を使用するというも
のである。
In this prior art, the Al electrode on the opposite side of the Si semiconductor bonded to the thermal buffer plate of Mo, W, etc. and Mo, W
In a semiconductor device using a Si semiconductor in which a soft metal is interposed between a heat buffer plate such as H.C. or the like, or similarly, one of the main electrodes is bonded to the heat buffer plate such as Mo or W, a semiconductor device is used. A metal foil is used at the interface of each member to be formed.

【0009】しかし、前述の従来技術は、合金型の半導
体装置であり、その大きなそりのために軟金属を界面に
挾んだ場合にも、接触抵抗を充分に低減することができ
ず、接触抵抗を下げるためには、大きな加圧力が必要と
なり、各部材と軟金属とのスティックを引き起し、半導
体Siの割れ、電流集中による軟金属の溶解、耐圧の劣
化等が生じる可能性のあるものである。
However, the above-mentioned prior art is an alloy type semiconductor device, and even if a soft metal is sandwiched at the interface due to its large warpage, the contact resistance cannot be sufficiently reduced and the contact resistance is reduced. In order to reduce the resistance, a large pressing force is required, which may cause sticking between each member and the soft metal, which may cause cracking of the semiconductor Si, melting of the soft metal due to current concentration, deterioration of withstand voltage, and the like. It is a thing.

【0010】図10は前述した従来技術による合金型の
半導体装置の一例を示す断面図であり、ゲート・ターン
オフサイリスタの例である。図10において、1はSi
半導体、2はAlろう、3はAl電極、4、5は熱緩衝
板、10、11は電極導出部材である。
FIG. 10 is a cross-sectional view showing an example of the above-mentioned alloy type semiconductor device according to the prior art, which is an example of a gate turn-off thyristor. In FIG. 10, 1 is Si
Semiconductor, 2 is Al solder, 3 is Al electrode, 4 and 5 are thermal buffer plates, and 10 and 11 are electrode lead-out members.

【0011】図示従来技術は、Si半導体1と熱緩衝板
5とがAlろう2により、高温(約700°C)に加熱
されて接着され、Si半導体1のAl電極3側に熱緩衝
板4が載せられ、さらに、これらの上下に電極導出部材
6、7が配置され、これらの電極導出部材6、7を介し
て締め付けられて構成されている。このため、Si半導
体1と熱緩衝板5とがAlろう2により接着された半導
体部材は、これらの熱膨張係数の差に基づいて生ずる熱
応力によりそりが生じる。
In the illustrated prior art, the Si semiconductor 1 and the thermal buffer plate 5 are heated to a high temperature (about 700 ° C.) and adhered by the Al solder 2, and the thermal buffer plate 4 is attached to the Al electrode 3 side of the Si semiconductor 1. Is placed, and electrode lead-out members 6 and 7 are arranged above and below them, and they are tightened via the electrode lead-out members 6 and 7. Therefore, the semiconductor member in which the Si semiconductor 1 and the thermal buffer plate 5 are bonded by the Al solder 2 is warped due to the thermal stress generated based on the difference in the thermal expansion coefficients thereof.

【0012】前記従来技術は、電極導出部材10、11
を介して締め付けることにより前記部材のそりを無く
し、全体を半導体装置として機能させるものであるが、
良好なデバイス特性を得るためには、例えば、直径60
mmの素子の場合に、少なくとも3500Kg、直径80
mmの素子の場合に、4000Kgの加圧力で締めつける
必要がある。
In the above-mentioned prior art, the electrode lead-out members 10, 11 are used.
It is intended to eliminate the warp of the member by tightening through and to make the whole function as a semiconductor device.
To obtain good device characteristics, for example, a diameter of 60
mm element, at least 3500 Kg, diameter 80
In the case of a mm element, it is necessary to tighten with a pressure of 4000 kg.

【0013】[0013]

【発明が解決しようとする課題】大容量のサイリスタ、
ゲート・ターンオフサイリスタ等の大電力用半導体装置
において、その使用時の加圧力を低減させ、その状態に
おける諸特性の改善を図ることは極めて重要な課題であ
る。
A large-capacity thyristor,
In a high power semiconductor device such as a gate turn-off thyristor, it is an extremely important task to reduce the pressure applied during its use and to improve various characteristics in that state.

【0014】しかし、前述した従来技術による半導体装
置は、遮断耐量、過電流耐量、熱抵抗等の特性を改善し
ようとすると、加圧力を相当に高くしなければならず、
このため、半導体素子がゲート・ターンオフサイリスタ
等である場合、Al電極の変形によるゲート・カソード
の短絡、Cuの電極導出部材の変形、各部材、特に、カ
ソードAl電極と熱緩衝部材とのスティックによるSi
半導体の割れ等が生じ、信頼性が低下するという問題点
を有している。
However, in the semiconductor device according to the above-mentioned conventional technique, in order to improve the characteristics such as the breaking resistance, the overcurrent resistance, and the thermal resistance, the pressing force must be considerably increased,
For this reason, when the semiconductor element is a gate turn-off thyristor or the like, the gate and cathode are short-circuited by the deformation of the Al electrode, the electrode lead-out member of Cu is deformed, and each member, particularly the stick of the cathode Al electrode and the thermal buffer member Si
There is a problem that the semiconductor is cracked and the reliability is lowered.

【0015】また、前述の従来技術は、加圧力の増大の
ためにこれらの半導体素子を含むシステムを大型化し、
一方、加圧力の低減が特性の低下を招くという問題点を
有している。
Further, in the above-mentioned conventional technique, a system including these semiconductor elements is enlarged in order to increase the pressing force,
On the other hand, there is a problem that the reduction of the pressing force leads to the deterioration of the characteristics.

【0016】本発明の目的は、前記従来技術の問題点を
解決し、低加圧力でも、諸特性に優れ、しかも、信頼性
の高い圧接型半導体装置及びこれを用いた電力変換装置
を提供することにある。
An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, and to provide a pressure contact type semiconductor device which is excellent in various characteristics even at a low pressurizing force and has high reliability, and a power conversion device using the same. Especially.

【0017】[0017]

【課題を解決するための手段】加圧力を大きくしなくて
も、軟質層により、接触抵抗を低減されるためには、従
来の合金型の半導体素子、すなわち、Si半導体の主面
の片側に熱緩衝板を接着したものをベースとする半導体
素子はそりが大きいため使用することができない。この
ため、本発明は、合金型の半導体素子ではなく、全圧接
型の半導体素子を使用する。
In order to reduce the contact resistance by the soft layer without increasing the pressing force, the conventional alloy type semiconductor element, that is, one side of the main surface of the Si semiconductor is required. The semiconductor element based on the one to which the heat buffer plate is bonded cannot be used because of its large warpage. For this reason, the present invention uses a full pressure contact type semiconductor element rather than an alloy type semiconductor element.

【0018】そして、本発明によれば前記目的は、M
o、W等の熱緩衝板と合金接着していない全圧接型のS
i半導体を用い、両主面を熱緩衝板、電極導出部材で挾
み、これらの間に軟質層を設けることにより達成され
る。
According to the present invention, the above-mentioned object is M
Full pressure contact type S that is not alloy-bonded to heat buffer plates such as o and W
This is achieved by using an i semiconductor, sandwiching both main surfaces with a heat buffer plate and an electrode lead-out member, and providing a soft layer between them.

【0019】すなわち、前記本発明の目的は、圧接型構
造とすることにより、各部材のそり、変形を防止し、さ
らに、各部材界面の接触抵抗を低加圧力の状態で低抵抗
化するために、熱緩衝板をSi半導体の各電極の主面側
に2枚ずつ設け、この2枚の熱緩衝板の間に周期率表の
IB族の金属により形成される軟質層を設けることによ
り達成される。
That is, the object of the present invention is to prevent warpage and deformation of each member by adopting a pressure contact type structure, and further to reduce the contact resistance at the interface of each member in the state of low pressing force. , Two heat buffer plates are provided on the main surface side of each electrode of the Si semiconductor, and a soft layer formed of a metal of Group IB of the periodic table is provided between the two heat buffer plates. ..

【0020】熱緩衝板をSi半導体の各主面側に2枚ず
つ設けることにより、Si半導体主面上のAl電極との
熱緩衝板とがステイツキングした場合にもSiが割れる
ことがなく、熱緩衝板同士の界面の熱抵抗を、軟質金属
により低減することができる。
By providing two heat buffer plates on each main surface side of the Si semiconductor, even if the Al electrode on the main surface of the Si semiconductor and the heat buffer plate are staked, Si will not be cracked. The thermal resistance at the interface between the heat buffer plates can be reduced by the soft metal.

【0021】また、前記本発明の目的は、熱緩衝板の数
を各主面に対し前述した2枚からそれぞれ1枚に減ら
し、これと軟質金属層と組み合せることにより、さら
に、熱緩衝板の表面に軟質層をめっき、蒸着等により直
接設けることにより達成される。
Further, the object of the present invention is to further reduce the number of heat buffer plates from the above-mentioned two to one for each main surface, and to combine this with a soft metal layer, thereby further providing a heat buffer plate. It is achieved by directly providing a soft layer on the surface of the plate by plating, vapor deposition, or the like.

【0022】[0022]

【作用】全圧接型の半導体素子は、Si半導体に他の部
材が合金されていないため、Si半導体のそりが少ない
ため、各部材間を比較的低加圧力で接触させることがで
きる。しかし、各部材間が接着されていないため、各部
材界面での接触抵抗が大きい。
In the full pressure contact type semiconductor element, since the Si semiconductor is not alloyed with any other member, the warpage of the Si semiconductor is small. However, since the members are not bonded to each other, the contact resistance at each member interface is large.

【0023】各部材の界面における接触抵抗を低減する
ため、本発明により設けられた各部材の界面に存在する
軟質層は、加圧力により変形し部材界面のすき間を埋
め、接触抵抗を低減する役割を果す。
In order to reduce the contact resistance at the interface of each member, the soft layer existing at the interface of each member provided by the present invention is deformed by the applied pressure to fill the gap at the interface of the member and reduce the contact resistance. Fulfill.

【0024】本発明は、Si半導体が全圧接型であるこ
と、軟質層を各部材の界面に設けることが不可欠であ
り、特に、ゲート・ターンオフサイリスタの場合、カソ
ード側のAl電極と熱緩衝板との界面における遮断耐
量、過電流耐量等の電気特性が極めて重要である。この
ため、本発明では、軟質層がAl電極と熱緩衝板との界
面、熱緩衝板と熱緩衝板との界面、及び、熱緩衝板と電
極導出部材との界面の少なくとも1つの界面に設ける必
要がある。
In the present invention, it is indispensable that the Si semiconductor is a full pressure contact type and that a soft layer is provided at the interface of each member. Particularly, in the case of a gate turn-off thyristor, the Al electrode on the cathode side and the thermal buffer plate are required. Electrical characteristics such as interruption resistance and overcurrent resistance at the interface with and are extremely important. Therefore, in the present invention, the soft layer is provided on at least one of the interface between the Al electrode and the thermal buffer plate, the interface between the thermal buffer plate and the thermal buffer plate, and the interface between the thermal buffer plate and the electrode lead-out member. There is a need.

【0025】これにより、本発明は、加圧力をそれほど
大きくすることなく、接触抵抗、すなわち、熱抵抗を低
減することができ、スティックも生じにくくすることが
できる。
As a result, according to the present invention, the contact resistance, that is, the thermal resistance can be reduced without increasing the pressing force so much, and sticking can be made less likely to occur.

【0026】[0026]

【実施例】以下、本発明による圧接型半導体装置の実施
例を図面により詳細に説明する。図1は本発明の第1の
実施例の構成を示す断面図であり、サイリスタの例を示
すものである。図1において、6、7は熱緩衝板、8、
9は軟質層であり、他の符号は図10の場合と同一であ
る。
Embodiments of the pressure contact type semiconductor device according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a sectional view showing the structure of the first embodiment of the present invention, showing an example of a thyristor. In FIG. 1, 6 and 7 are thermal buffer plates, and 8,
Reference numeral 9 is a soft layer, and other symbols are the same as those in FIG.

【0027】図1に示す本発明の第1の実施例は、Si
半導体1の両主面にAl電極3が設けられて全圧接型の
半導体素子としてのサイリスタが構成されており、Si
半導体1の両主面側に、Mo、W等による熱緩衝板4、
6、及び、5、7が設けられ、これらの熱緩衝板の間に
IB属の金属による軟質層8、9が設けられ、さらに、
電極導出部材10、11を介して前記各部材が圧接され
て構成されている。
The first embodiment of the present invention shown in FIG.
Al electrodes 3 are provided on both main surfaces of the semiconductor 1 to form a thyristor as a full pressure contact type semiconductor element.
On both main surface sides of the semiconductor 1, a thermal buffer plate 4 made of Mo, W, or the like,
6 and 5, 7 are provided, and soft layers 8 and 9 made of a metal of IB group are provided between these thermal buffer plates, and
The respective members are pressure-contacted via the electrode lead-out members 10 and 11.

【0028】このように構成される本発明の第1の実施
例は、Si半導体1の両主面側に、熱緩衝板4と6、及
び、5と7がそれぞれ2枚ずつ存在し、これらの熱緩衝
板の間に軟質層8、9が存在しているので、Al電極3
と熱緩衝板6、及び、Al電極3と熱緩衝板7とがそれ
ぞれ凝着した場合にも、熱緩衝板4及び5の界面で相互
にすべるため、熱応力を発生させることのないものであ
る。
In the first embodiment of the present invention thus constructed, two heat buffer plates 4 and 6 and two heat buffer plates 5 and 7 are provided on both main surface sides of the Si semiconductor 1, respectively. Since the soft layers 8 and 9 exist between the heat buffer plates of
Even when the heat shock absorbing plate 6 and the Al electrode 3 and the heat shock absorbing plate 7 are adhered to each other, they do not generate thermal stress because they slide at the interface between the heat shock absorbing plates 4 and 5. is there.

【0029】しかし、硬度の高い熱緩衝板同士の界面で
の接触抵抗は極めて高いため、本発明は、この接触抵抗
を低減するため、前記熱緩衝板の界面、すなわち、熱緩
衝板4と6との間、及び熱緩衝板7と9との間にそれぞ
れ軟質層8及び9を存在させている。これにより、本発
明の第1の実施例は、低加圧力状態における接触抵抗を
低減することができる。
However, since the contact resistance at the interface between the heat buffer plates having high hardness is extremely high, in the present invention, in order to reduce the contact resistance, the interface between the heat buffer plates, that is, the heat buffer plates 4 and 6 is used. And soft layers 8 and 9 are present between the heat absorbing plates 7 and 9 and between the heat absorbing plates 7 and 9, respectively. As a result, the first embodiment of the present invention can reduce the contact resistance in the low pressure state.

【0030】図2は本発明の第2の実施例の構成を示す
断面図であり、ゲート・ターンオフサイリスタの例を示
すものである。図の符号は図1の場合と同一である。
FIG. 2 is a sectional view showing the structure of the second embodiment of the present invention, showing an example of a gate turn-off thyristor. The reference numerals in the figure are the same as those in FIG.

【0031】この本発明の第2の実施例は、Si半導体
1にゲート・ターンオフサイリスタを構成したものであ
り、その他の構成は、図1の場合と全く同一である。そ
して、この本発明の実施例においても、前述した本発明
の第1の実施例と同様な効果を得ることができる。
In the second embodiment of the present invention, a gate turn-off thyristor is formed on the Si semiconductor 1, and the other structure is exactly the same as that of FIG. Also in this embodiment of the present invention, the same effect as that of the first embodiment of the present invention described above can be obtained.

【0032】前述した本発明の第1及び第2の実施例
は、低加圧力で半導体装置の低熱抵抗化を図ることが可
能であり、また、低加圧力化することにより部材間の凝
着、偏加重等による部材の変形を防止することが可能で
あり、半導体装置そのものを小型化することができる。
さらに、このような半導体装置を使用して構成される電
力変換装置等の機器の小型化をも図ることができる。
In the first and second embodiments of the present invention described above, it is possible to reduce the thermal resistance of the semiconductor device with a low pressurizing force, and the adhesion between the members can be reduced by reducing the pressurizing force. Further, it is possible to prevent the deformation of the member due to the unbalanced weight and the like, and it is possible to reduce the size of the semiconductor device itself.
Further, it is possible to reduce the size of equipment such as a power conversion device configured using such a semiconductor device.

【0033】前述した本発明の第1、第2の実施例は、
Si半導体の両主面側にそれぞれ2枚の熱緩衝板を設け
るとして説明したが、半導体装置の低熱抵抗化をさらに
促進させるためには、前述の実施例の構造の熱緩衝板の
数を減少させるとよい。
The above-mentioned first and second embodiments of the present invention are as follows.
Although it has been described that two thermal buffer plates are provided on each of the two main surfaces of the Si semiconductor, the number of thermal buffer plates in the structure of the above-described embodiment is reduced in order to further reduce the thermal resistance of the semiconductor device. You should let me.

【0034】図3は本発明の第3の実施例の構成を示す
断面図であり、この本発明の第3の実施例は、図2によ
り説明した本発明の第2の実施例における熱緩衝板7を
除去した構造としたものである。
FIG. 3 is a sectional view showing the structure of the third embodiment of the present invention. This third embodiment of the present invention is the thermal buffer in the second embodiment of the present invention described with reference to FIG. The plate 7 is removed.

【0035】図4は本発明の第4の実施例の構成を示す
断面図であり、この本発明の第4の実施例は、図2によ
り説明した本発明の第2の実施例における熱緩衝板7を
除去すると共に、熱緩衝板5の上、すなわち、Si半導
体側に軟質層9’をめっき、蒸着等により直接設けた構
造としたものである。
FIG. 4 is a sectional view showing the structure of the fourth embodiment of the present invention. The fourth embodiment of the present invention is the thermal buffer in the second embodiment of the present invention described with reference to FIG. The structure is such that the plate 7 is removed and the soft layer 9 ′ is directly provided on the heat buffer plate 5, that is, on the Si semiconductor side by plating, vapor deposition, or the like.

【0036】図5は本発明の第5の実施例の構成を示す
断面図であり、この本発明の第5の実施例は、図4に示
した本発明の第4の実施例の構造から熱緩衝板6を除去
した構造としたものである。
FIG. 5 is a sectional view showing the structure of the fifth embodiment of the present invention. The fifth embodiment of the present invention is based on the structure of the fourth embodiment of the present invention shown in FIG. The structure has the heat buffer plate 6 removed.

【0037】図6は本発明の第6の実施例の構成を示す
断面図であり、この本発明の第6の実施例は、図4によ
り説明した本発明の第4の実施例における熱緩衝板6を
除去すると共に、熱緩衝板4のSi半導体側に軟質層
8’を直接設けた構造としたものである。
FIG. 6 is a sectional view showing the structure of the sixth embodiment of the present invention. The sixth embodiment of the present invention is the thermal buffer in the fourth embodiment of the present invention described with reference to FIG. The structure is such that the plate 6 is removed and the soft layer 8 ′ is directly provided on the Si semiconductor side of the heat buffer plate 4.

【0038】図7は本発明の第2の実施例(図2)、第
3の実施例(図3)による構造及び従来技術(図10)
の構造を持つ直径60mmのゲート・ターンオフサイリス
タにおける熱抵抗と加圧力との関係を示す図である。
FIG. 7 shows the structure according to the second embodiment (FIG. 2) and the third embodiment (FIG. 3) of the present invention and the prior art (FIG. 10).
FIG. 6 is a diagram showing the relationship between thermal resistance and pressure in a gate turn-off thyristor having a structure of 60 mm in diameter.

【0039】この図から判るように、従来技術の場合、
3000Kg以上に加圧力を大きくしないと熱抵抗が飽
和しないのに対し、本発明の実施例の場合、2000K
g以上の力で加圧すれば、熱抵抗が飽和する。
As can be seen from this figure, in the case of the prior art,
The thermal resistance is not saturated unless the applied pressure is increased to 3000 Kg or more, whereas in the case of the embodiment of the present invention, 2000 K is used.
Pressurizing with a force of g or more saturates the thermal resistance.

【0040】そして、従来技術は、3000Kgの加圧
力で、Al電極に対する面圧が3Kg/mm2 程度となる
ので、半導体装置の運転、停止に基づく素子のヒートサ
イクルによって、Al電極が著しく変形し、ゲート・カ
ソード短絡等の問題を引き起す可能性がある。これに対
して、本発明の実施例は、2Kg/mm2 程度の加圧力で
よいため、Al電極の変形量を少なくすることができ
る。
In the prior art, since the surface pressure against the Al electrode is about 3 Kg / mm 2 with the applied pressure of 3000 Kg, the Al electrode is remarkably deformed by the heat cycle of the element due to the operation and stop of the semiconductor device. , There is a possibility of causing problems such as a gate / cathode short circuit. On the other hand, in the embodiment of the present invention, since the applied pressure is about 2 Kg / mm 2 , the deformation amount of the Al electrode can be reduced.

【0041】図8は本発明の第1の実施例による構造及
び従来技術の構造を持つ直径60mmのゲート・ターンオ
フサイリスタのゲート・トリガ電流の加圧力依存特性を
説明する図である。
FIG. 8 is a view for explaining the pressure-dependent characteristic of the gate trigger current of the gate turn-off thyristor having a diameter of 60 mm having the structure according to the first embodiment of the present invention and the structure of the prior art.

【0042】一般に、ゲート・ターンオフサイリスタの
ゲート・トリガ電流は、カソードのAl電極と熱緩衝板
との真実接触面積に依存するが、この図から、従来技術
のゲート・ターンオフサイリスタは、ゲート・トリガ電
流の加圧力依存性が大きいのに対し、本発明の実施例
は、その加圧力依存性が少ないことが判る。
Generally, the gate trigger current of the gate turn-off thyristor depends on the real contact area between the Al electrode of the cathode and the thermal buffer plate. It can be seen that the current dependence of the applied pressure is large, whereas the embodiment of the present invention is less dependent on the applied pressure.

【0043】すなわち、本発明の実施例は、全圧接型の
半導体素子と軟質層との相乗効果により、カソードのA
l電極と熱緩衝板との真実接触面積を大きくすることが
できており、これにより、優れた特性を得ることができ
る。
That is, in the embodiment of the present invention, due to the synergistic effect of the full pressure contact type semiconductor element and the soft layer, the cathode A
Since the true contact area between the 1-electrode and the thermal buffer plate can be increased, excellent characteristics can be obtained.

【0044】図9は本発明の実施例と従来技術とによる
ゲート・ターンオフサイリスタの遮断耐量を示したもの
である。ここでは、遮断耐量が4000Aの従来技術と
同一の素子を用い、本発明の実施例により半導体装置を
組み立てた場合の遮断耐量を示している。
FIG. 9 shows the breaking capability of the gate turn-off thyristor according to the embodiment of the present invention and the prior art. Here, the breaking tolerance when the semiconductor device is assembled according to the embodiment of the present invention using the same element as that of the prior art having a breaking tolerance of 4000A is shown.

【0045】この図より、従来の合金型の方式であって
も、カソードのAl電極と熱緩衝板との間に軟質層を設
けることにより、(b)に示すように遮断耐量を増加さ
せることができるが、本発明の実施例の場合、(c)〜
(e)に示すように、さらに遮断耐量を大幅に増大させ
ることができることが判る。
From this figure, even in the case of the conventional alloy type method, by providing the soft layer between the Al electrode of the cathode and the heat buffer plate, the breaking resistance can be increased as shown in (b). However, in the case of the embodiment of the present invention, (c)-
As shown in (e), it can be seen that the breaking resistance can be greatly increased.

【0046】前述した本発明の各実施例に使用される軟
質層としては、IB族のCu、Ag、Auを主体とした
単層あるいはこれらを2層にした構造のものがよく、そ
の厚さは10μm〜500μmの範囲であるのがよい。
また、その形状としては、箔あるいはめっき膜蒸着膜、
スパッタ膜等であってよい。
As the soft layer used in each of the embodiments of the present invention described above, a single layer mainly composed of Cu, Ag, and Au of the IB group or a structure having two layers thereof is preferable, and its thickness. Is preferably in the range of 10 μm to 500 μm.
In addition, as the shape, foil or plating film vapor deposition film,
It may be a sputtered film or the like.

【0047】また、前述した本発明の各実施例における
電極導出部材10、11は、その内部に冷却液等が導入
されるように構成されており、強制的に半導体装置を冷
却することが可能である。
Further, the electrode lead-out members 10 and 11 in each of the above-described embodiments of the present invention are constructed such that a cooling liquid or the like is introduced therein, and it is possible to forcibly cool the semiconductor device. Is.

【0048】前述した本発明の各実施例によれば、従来
技術の場合に比較して、半導体装置に対する加圧力を1
/2に低減した場合にも、1.5倍の遮断耐量を得るこ
とができ、本発明の実施例による半導体装置を使用して
電力変換装置を構成した場合、その大きさを従来技術に
よる半導体装置を使用した場合の2/3程度に小型、軽
量化することができる。
According to each of the above-described embodiments of the present invention, the pressure applied to the semiconductor device is 1 as compared with the prior art.
Even if the power consumption is reduced to 1/2, the breaking resistance of 1.5 times can be obtained, and when the power conversion device is configured by using the semiconductor device according to the embodiment of the present invention, the size thereof is reduced by the conventional semiconductor. The size and weight can be reduced to about 2/3 of the case of using the device.

【0049】以上、いくつかの本発明の実施例について
説明したが、本発明は、さらに多くの変形を行うことが
でき、例えば、Si半導体の両主面側のそれぞれに設け
られる熱緩衝板をそれぞれ1枚とする構造でもよく、ま
た、熱緩衝板と電極導出部材との間に軟質層を設ける構
造であってもよい。
Although several embodiments of the present invention have been described above, the present invention can be modified in many ways. For example, thermal buffer plates provided on both main surface sides of a Si semiconductor can be used. The structure may be one, or a structure in which a soft layer is provided between the heat buffer plate and the electrode lead-out member.

【0050】[0050]

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、半
導体装置を構成する全圧接型Si半導体及び各部材の界
面に軟質層を設けることにより、加圧力を低減させた状
態で、各部材界面の接触抵抗の低減を図ることができ、
熱抵抗を従来技術に比較して約20%低減させることが
でき、遮断耐量を1.5倍に向上させることができる。
As described above, according to the present invention, by providing a soft layer at the interface between all the pressure contact type Si semiconductors and each member constituting a semiconductor device, each member can be reduced in a pressure applied state. It is possible to reduce the contact resistance at the interface,
The thermal resistance can be reduced by about 20% as compared with the conventional technique, and the breaking resistance can be improved by 1.5 times.

【0051】また、本発明による半導体装置を使用する
装置、システムの小型化を図ることができる。
Further, it is possible to miniaturize the device and system using the semiconductor device according to the present invention.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の第1の実施例の構成を示す断面図であ
る。
FIG. 1 is a sectional view showing a configuration of a first exemplary embodiment of the present invention.

【図2】本発明の第2の実施例の構成を示す断面図であ
る。
FIG. 2 is a sectional view showing a configuration of a second exemplary embodiment of the present invention.

【図3】本発明の第3の実施例の構成を示す断面図であ
る。
FIG. 3 is a sectional view showing a configuration of a third exemplary embodiment of the present invention.

【図4】本発明の第4の実施例の構成を示す断面図であ
る。
FIG. 4 is a sectional view showing a configuration of a fourth exemplary embodiment of the present invention.

【図5】本発明の第5の実施例の構成を示す断面図であ
る。
FIG. 5 is a sectional view showing a configuration of a fifth exemplary embodiment of the present invention.

【図6】本発明の第6の実施例の構成を示す断面図であ
る。
FIG. 6 is a sectional view showing a configuration of a sixth exemplary embodiment of the present invention.

【図7】本発明の実施例の熱抵抗と加圧力との関係を示
す図である。
FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the thermal resistance and the applied pressure according to the embodiment of the present invention.

【図8】本発明の実施例のゲート・トリガ電流の加圧力
依存特性を説明する図である。
FIG. 8 is a diagram illustrating a pressure-dependent characteristic of a gate trigger current according to an example of the present invention.

【図9】本発明の実施例の遮断耐量を示説明する図であ
る。
FIG. 9 is a diagram illustrating the breaking tolerance of the embodiment of the present invention.

【図10】従来技術による合金型の半導体装置の一例を
示す断面図である。
FIG. 10 is a cross-sectional view showing an example of an alloy type semiconductor device according to a conventional technique.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 Si半導体 2 Alろう 3 Al電極 4〜7 熱緩衝板 8、9 軟質層 10、11 電極導出部材 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Si semiconductor 2 Al brazing 3 Al electrode 4-7 Thermal buffer plate 8, 9 Soft layer 10, 11 Electrode lead-out member

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 二瓶 正恭 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (72)発明者 斉藤 高 茨城県日立市幸町三丁目1番1号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 桜田 修六 茨城県日立市幸町三丁目1番1号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 八尾 勉 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 ─────────────────────────────────────────────────── --- Continuation of the front page (72) Inventor Masayasu Nihei 4026 Kujimachi, Hitachi City, Hitachi, Ibaraki Prefecture Hitachi Research Laboratory, Hitachi, Ltd. (72) Inventor Taka Saito 3-1-1, Saiwaicho, Hitachi City, Ibaraki Hitachi, Ltd., Hitachi Plant (72) Inventor, Shuroku Sakurada, 3-1-1, Sachimachi, Hitachi City, Ibaraki Prefecture Hitachi Ltd., Hitachi, Ltd. (72), Inventor, Tsutomu Yao 4026 Kuji Town, Hitachi City, Ibaraki Prefecture Hitachi Research Laboratory, Hiritsu Manufacturing Co., Ltd.

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 半導体基板の両主面に電極を有する半導
体素子と、該半導体素子を両主面から挾み、前記両主面
の電極のそれぞれに接触する熱緩衝板と、これらの熱緩
衝板を前記電極に圧接する電極導出部材とを備えて構成
される圧接型半導体装置において、前記半導体基板の両
主面の各主面側にそれぞれ2枚の熱緩衝板を備え、2枚
の熱緩衝板の間に、熱緩衝板より軟質の軟質層が配置さ
れていることを特徴とする圧接型半導体装置。
1. A semiconductor element having electrodes on both main surfaces of a semiconductor substrate, a heat buffer plate sandwiching the semiconductor element from both main surfaces and in contact with each of the electrodes on the both main surfaces, and heat buffers for these. In a pressure contact type semiconductor device including an electrode lead-out member that presses a plate into pressure contact with the electrode, two heat buffer plates are provided on each main surface side of both main surfaces of the semiconductor substrate, and two heat buffer plates are provided. A pressure contact type semiconductor device characterized in that a soft layer, which is softer than the thermal buffer plates, is arranged between the buffer plates.
【請求項2】 半導体基板の両主面に電極を有する半導
体素子と、該半導体素子を両主面から挾み、前記両主面
の電極のそれぞれに接触する熱緩衝板と、これらの熱緩
衝板を前記電極に圧接する電極導出部材とを備えて構成
される圧接型半導体装置において、前記半導体基板の両
主面の一方の主面側に2枚の熱緩衝板を備え、2枚の熱
緩衝板の間に、熱緩衝板より軟質の軟質層が配置されて
おり、他方の主面側に1枚の熱緩衝板を備え、この1枚
の熱緩衝板と半導体基板の電極との間に、熱緩衝板より
軟質の軟質層が配置されていることを特徴とする圧接型
半導体装置。
2. A semiconductor element having electrodes on both main surfaces of a semiconductor substrate, a heat buffer plate sandwiching the semiconductor element from both main surfaces and in contact with each of the electrodes on the both main surfaces, and heat buffers for these. A pressure-contact type semiconductor device comprising a plate and an electrode lead-out member that press-contacts the electrode, wherein two heat buffer plates are provided on one main surface side of both main surfaces of the semiconductor substrate. Between the buffer plates, a soft layer softer than the thermal buffer plates is arranged, one thermal buffer plate is provided on the other main surface side, and between the one thermal buffer plate and the electrode of the semiconductor substrate, A pressure contact type semiconductor device characterized in that a soft layer softer than a heat buffer plate is arranged.
【請求項3】 半導体基板の両主面に電極を有する半導
体素子と、該半導体素子を両主面から挾み、前記両主面
の電極のそれぞれに接触する熱緩衝板と、これらの熱緩
衝板を前記電極に圧接する電極導出部材とを備えて構成
される圧接型半導体装置において、前記半導体基板の両
主面の各主面側にそれぞれ1枚の熱緩衝板を備え、この
1枚の熱緩衝板と前記半導体基板の電極との間に、熱緩
衝板より軟質の軟質層が配置されていることを特徴とす
る圧接型半導体装置。
3. A semiconductor element having electrodes on both main surfaces of a semiconductor substrate, a heat buffer plate sandwiching the semiconductor element from both main surfaces and in contact with each of the electrodes on the both main surfaces, and heat buffers for these. A pressure contact type semiconductor device comprising a plate and an electrode lead-out member for pressing the plate to the electrode, wherein one heat buffer plate is provided on each main surface side of both main surfaces of the semiconductor substrate. A pressure contact type semiconductor device, wherein a soft layer, which is softer than the heat buffer plate, is disposed between the heat buffer plate and the electrode of the semiconductor substrate.
【請求項4】 前記半導体基板の電極に直接接する、あ
るいは、軟質層を介して接する少なくとも一方の熱緩衝
板の前記電極に対向する面に軟質層が直接設けられてい
ることを特徴とする請求項1、2または3記載の圧接型
半導体装置。
4. The soft layer is provided directly on the surface of at least one of the thermal buffer plates that is in direct contact with the electrode of the semiconductor substrate or in contact with the soft layer via the soft layer. Item 8. A pressure contact type semiconductor device according to item 1, 2 or 3.
【請求項5】 前記電極導出部材と該部材に接する熱緩
衝板との間に熱緩衝板より軟質の軟質層が配置されてい
ることを特徴とする請求項1ないし4のうち1記載の圧
接型半導体装置。
5. The pressure contact according to claim 1, wherein a soft layer softer than the heat buffer plate is arranged between the electrode lead-out member and the heat buffer plate in contact with the member. Type semiconductor device.
【請求項6】 前記電極導出部材は直接冷却されている
ことを特徴とする請求項1ないし5のうち1記載の圧接
型半導体装置。
6. The pressure contact type semiconductor device according to claim 1, wherein the electrode lead-out member is directly cooled.
【請求項7】 前記軟質層の材料は周期律表のIB族の
物質であることを特徴とする請求項1ないし6のうち1
記載の圧接型半導体装置。
7. The material of the soft layer is a substance of Group IB of the periodic table, which is one of claims 1 to 6.
The pressure contact type semiconductor device described.
【請求項8】 請求項1ないし7のうち1記載の圧接型
半導体装置を使用して構成されることを特徴とする電力
変換装置。
8. A power conversion device comprising the pressure contact type semiconductor device according to claim 1. Description:
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE10352670A1 (en) * 2003-11-11 2005-06-16 eupec Europäische Gesellschaft für Leistungshalbleiter mbH Electric component with equaliser of temperature caused mechanical stresses, connecting two part-elements with different length expansion coefficients, e.g. for optical components, i.e. glass plate connected to copper electrode etc
US6946730B2 (en) 2001-04-25 2005-09-20 Denso Corporation Semiconductor device having heat conducting plate

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