JPS5841771B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は半導体装置に係り、特にその短絡電流による
爆発に対する耐量の向上を図るための構造の改良に関す
るものである。

最近、半導体装置、特に電力用半導体装置では、大電力
・小形化が進められている。

しかしながら、定格電流容量が増大すると、保護用ヒユ
ーズとの協調をとることが困難となり、保護用ヒユーズ
が適当でない場合には、このヒユーズがしゃ断する筐で
の数サイクルの間に、半導体装置にその定格電流の数十
倍の短絡電流が流れ、この短絡電流により上記半導体装
置が爆発破壊するおそれがあった。

以下、図面を用いて説明する。

第１図は従来の電力用半導体整流装置を示す要部破砕正
面図である。

図において、１は半導体整流素子、２は半導体整流素子
１のＰＮＮ＋接合（図示せず）が形成されたシリコン基
板、３はシリコン基板２とほぼ等しい熱膨張係数を有す
るモリブデン板からなりシリコン基板２を支持する支持
板、４はシリコン基板２と支持板３とをろう付けするア
ルミニウムアルミニウムシリコン（Ａｌ−ＡｌＳｉ）共
晶層、５はシリコン基板１の主面上にアル□ニウムＡ７
の蒸着により形成されたＡｌ電極層、６は銅からなシ半
導体整流素子１のＡ７電極層５に加圧されて接触する第
１の主電極、Ｔは銅からなり、半導体整流素子１の支持
板３に加圧されて接触する第２の主電極、８はセラ□ツ
クなどの絶縁材料からなり半導体整流素子１と第１．第
２の主電極６，７とを取り囲んで設けられた筒状の絶縁
体、９は銅薄板からなり内周部が第１の主電極６にろう
付けされ外周部が絶縁体８の第１の端面にろう付けされ
た可撓性のある可撓金属板、１０は鉄板もしくは鉄−ニ
ッケル合金板からなり絶縁体８の第２の端面にろう付け
されたつば状平板、１１は鉄板もしくは鉄−ニッケル合
金板からなり内周部が第２の主電極Ｔにろう付けされ外
周部がつば状平板１０に溶接された環状平板、１２は第
１Ｑ主電極６および第２の主電極７にそれぞれろう付け
された放熱フィンを示す。

次に、このように構成された電力用半導体整流装置の短
絡電流による破壊状態の一例を第２図に示す短絡電流の
波形図および第３図に示す要部破砕正面図で説明する。

この電力用半導体整流装置の両生電極６，７間に、定格
サージ順電流よりも大きい順電流が流れ得るような交流
電圧を印加すると、第２図に示すように、第１のサイク
ルでは、第１図に示したシリコン基板２に流れる順電流
によりシリコン基板２の温度が２５０〜５００’Ｃｔで
上昇するが、そのＰＮＮ＋接合が破壊に至らず、逆電流
が阻止される。

ところが、第２のサイクルでは、シリコン基板２の温度
が更に１２００〜２０００’Ｃ４で上昇し、この温度上
昇により、シリコン基板２０ＰＮＮ＋接合が整流機能を
失い、逆電流が流れるようになる。

この逆電流が流れるようになると、シリコン基板２の温
度が益々上昇し、第２のサイクル以後は短絡電流が流れ
るようになる。

このように、短絡電流が流れるようになると、シリコン
基板２の温度がその主面に形成されたＡｌ−ＡｌＳｉ共
晶層４およびＡＡ電極層５の融点以上となり、これらの
層４，５がシリコン基板２の周辺部から蒸発する。

この蒸発に伴ないシリコン基板２の周辺部にトいて、シ
リコン基板２と第１の主電極６との間、およびシリコン
基板２と支持板３との間に高温アークが発生する。

この高温アークにより、シリコン基板２の周辺部ならび
にこの周辺部近傍の第１の主電極６および支持板３がそ
れぞれ溶融され溶融片となって第１の主電極６と第２の
主電極７と絶縁体８とで作る空間内に飛散するとともに
、この空間内の封入ガスがプラズマ状態となり、急膨張
する。

ところで、従来の電力用半導体装置の構造では第１の主
電極６と第２の主電極７と絶縁体８とで作る空間内に可
撓金属板９および環状平板１１などの厚さの薄い金属板
が露出しているので、これらの金属板に上記封入ガスの
プラズマがふれてその温度が上昇する上に、更にこれら
の金属板に上記溶融片がぶつかるので、その溶融片のも
つエネルギにより上記金属板の温度が融点に達し、上記
溶融片のぶつかった部分に穴があく。

この穴から上記急膨張した封入ガスが上記溶融片を伴な
って外部へ爆発的に噴出する。

この破壊状態を第３図に示す。

よって、従来の構造では、この外部へ爆発的に噴出する
溶融片により、半導体装置の設置場所によっては重大な
災害を招く危険性があるという欠点があった。

な釦上述の実験に用いた半導体装置は、サージ順電流（
ＩＦｓＭ）３３．ｏｏｏＡ、電流二乗時間積（Ｉ２ｔ
）５Ｘ１０ Ａ Ｓを保障するものであり、印加電
圧１，０ＯＯＶ、短絡電流１７０ＫＡ、電流二乗時間積
２０ＸＩ０６Ａ２Ｓの条件で実験を行った結果、全ての
試料が破壊した。

この発明は上述の欠点に鑑みてなされたもので、第１お
よび第２の主電極がその対向方向においてそれぞれ絶縁
体と対向し、上記第１および第２の主電極と絶縁体との
対向部間に弾性を有する遮蔽体を設けることによって、
爆発耐量のある半導体装置を提供することを目的とする
。

第４図はこの発明による電力用半導体整流装置の一実施
例を示す要部破砕正面図である。

図において、１３ａおよび１３ｂはそれぞれ第１および
第２の主電極６，７の全周にわたって設けられた突出部
、１４は絶縁体８の内面に全周にわたって設けられた突
出部、１５は第１および第２の主電極６，７の突出部１
３ａ、１３ｂと絶縁体８の突出部１４との対向面間に介
在し、半導体整流素子１から可撓金属板９および環状平
板１１への通路を閉鎖するように設けられた金属からな
る断面Ｕ字形の環状遮蔽体である。

このように構成された電力用半導体整流装置では、短絡
電流により半導体整流素子１の周辺部に発生した高温ア
ークによって溶融した部材の溶融片が、図中に実線矢印
で示すように、各突出部１３ａ、１３ｂ、１４に当り、
可撓金属板９および環状平板１１に肖ることを防止する
ことができると共に、上記高温アークによりプラズマ化
された封入ガスのプラズマが直接可撓′金属板９および
環状平板１１にふれることも防止することができる。

絶縁体８は大きな熱容量を持っており、また第１および
第２の主電極６，７の各突出部１３ａ。

１３ｂの厚さが１ｍ以上であれば、図中に点線矢印で示
すように、各主電極６，７および絶縁体８内部に上記溶
融片のもつエネルギが吸収され、溶融片はこれに固着す
る。

突出部１３ａ、１３ｂ。１４に集中的に溶融片が当る場
合は、大きなエネルギにてこれを溶かすことになるが、
これに要するエネルギが大きく消費され、また加速され
た溶融片が一時的に停止するために、可撓金属板９およ
び環状平板１１を溶かし破るだけのエネルギを持たなく
なる。

更に各突出部１３ａ、１３ｂ。１４間を通過しようとす
る溶融片は全体の数多であり、しかもここには遮蔽体１
５があるため、この遮蔽体を通り抜けることなくこれの
表面に固着する。

よって第１図に示した従来装置のように、可撓金属板９
および環状平板１１の温度が急速に融点に達し、融解し
て穴かあくのを抑制できるので、上記溶融片が爆発状態
となって装置の設置場所周辺に飛び散るのを防止するこ
とができる。

な卦絶縁体８の内壁と各主電極６，７の端面との間隙は
、それらの熱膨張差と加工精度によって決１す、銅から
なる主電極が直径７０ｍｍのものでは、片側Ｑ、 ６
ＭＡＩＬあればよい。

また各主電極６，７の突出部１３ａ、１３ｂと絶縁体８
の突出部１４の対向面間の間隙は、挿入する遮蔽体１５
により決めればよいが、挿入する遮蔽体１５の弾性力は
、各主電極６，７にそれぞれ取り付けられている可撓金
属板９および環状平板１１の弾性力より小さくすること
が望曾しい。

なお上述の実施例においては、各主電極６，７と絶縁体
８にそれぞれ突出部１３ａ、１３ｂ。

１４を設け、各主電極６，７の突出部１３ａ。

１３ｂと絶縁体８の突出部１４との対向部間に弾性を有
する遮蔽体１５を挿入するようにしたが、第５図に示す
ように、絶縁体８には突出部を設けず、各主電極６，７
の突出部１３ａ、１３ｂが絶縁体８の両端面に対向する
ようにして、この対向部間に例えば断面円形の環状遮蔽
体１５を挿入しても同等の効果を奏する。

第６図ａ−ｅはそれぞれこの発明の特徴とする環状遮蔽
体１５の直径方向断面を示す断面図である。

第６図ａ、ｂ、ｅはそれぞれ金属ばね材例えば洋白、ス
テンレス、キュプロニッケルなどからなる厚さ０．１〜
Ｑ、 ３ ｙｔｍのリング板を弾性をもつように加工し
て形成したもので、ａは断面が傾斜した長方形に、ｂは
断面Ｕ字形に、ｅは断面中空円形に形成したものである
。

また第６図ｃ、ｄはそれぞれ弾性絶縁物例えばケイ素、
フッ素系ゴムを加工して形成したもので、Ｃは断面円形
に、ｄは断面方形に形成したものである。

実験によれば、厚さ０．２ ｍｍ（ＩＪｆｒ面Ｕ字形遮
蔽体１５を用いたものでは、電流二乗時間積が８×１０
７Ａ２Ｓ以下の値では、破壊しないことが判明した。

以上述べたようにこの発明によれば、第１および第２の
主電極がその対向方向においてそれぞれ絶縁体と対向し
、上記第１および第２の主電極と絶縁体との対向部間に
弾性を有する遮蔽体を挿入したので、従来のものより電
流二乗時間積値を大きくすることができ、爆発耐量のあ
る半導体装置を実現することができる。

な釦以上は電力用半導体整流装置を例にとって述べてき
たが、この発明はこれに限らず、この他の半導体装置に
適用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の電力用半導体整流装置を示す要部破砕正
面図、第２図は従来の電力用半導体整流装置の短絡電流
の一例を示す電流波形図、第３図は第１図に示す従来装
置の短絡電流による破壊状態の一例を示す要部破砕正面
図、第４図はこの発明の一実施例を示す要部破砕正面図
、第５図はこの発明の他の実施例を示す要部破砕正面図
、第６図ａ−ｅはそれぞれこの発明の特徴とする遮蔽体
を示す断面図である。 図において、１は半導体整流素子、６は第１の主電極、
７は第２の主電極、８は絶縁体、９は可撓金属板、１０
はつば状平板、１１は環状平板、１３ａ、１３ｂ、１４
は突出部、１５は環状遮蔽体である。 なお、図中同一符号は夫々同一または相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 半導体素子、この半導体素子をはさんで設けられた
   第１．第２の主電極、上記半導体素子ど上記第１．第２
   の主電極の上記半導体素子への当接部の外周を囲むよう
   に配設された絶縁体、この絶縁体の両端面にそれぞれ外
   周部が取９付けられ、上記第１．第２の主電極に内周部
   が取り付けられた第１．第２の可撓金属板を備えてなる
   半導体装置に釦いて、上記第１．第２の主電極がその対
   向方向においてそれぞれ上記絶縁体と対向する部分を有
   し、この対向部分と上記絶縁体との間に弾性を有する遮
   蔽体を挿入したことを特徴とする半導体装置。