[发明专利]电力控制器件

说明书

本发明涉及中到大电流的电力控制器件，如硅可控整流器、三端双向可控硅开关元件等。

人们喜欢将电力控制器件，如硅可控整流器、三端双向可控硅开关元件等用作热水供应系统的开关。例如，硅可控整流器是具有阳极、阴极和栅极的三端半导体器件。该半导体器件用作开关元件，根据通过栅极的电流而允许或禁止电流在阴极和阳极之间流动。

图14A是典型电力控制器件1的正面图，而图14B是其侧面图。半导体元件3固定在金属底座2的中央，并连接到端子4a和4b。半导体元件3的底面通过焊接连接到底座2上，其顶面通过导线5连接到端子4a和4b。这些元件被合成树脂材料形成的封壳覆盖住，形成电力控制器件1。

图15和图16描述的是现有技术的第一个例子。图15是采用电力控制器件1的电路11的电路图。图16A是构成电力控制器件1的半导体元件3的平面图，而图16B是在图16A上沿F-F截取的截面图。图16特别描述了半导体元件3的电极结构。这种结构的半导体元件3构成电力控制器件1。采用该电力控制器件的电路11示于图15中。电路11包括一SSR(固态继电器)12，它由多种类型的电力控制器件(如硅可控整流器、三端双向可控硅开关元件等)组合而成。电路11用SSR12控制负载13产生的热。

在某些情况下，在包括电力控制器件1的电路中会出现，比如由冲流、照明电涌等造成的电流突然增大。这种电流一般称为冲击电流(或浪涌电流)。这种冲击电流会引起正向二次击穿，损坏电力控制器件1中半导体元件3的p-n结。通过采用能够完全承受冲击电流的用作半导体元件3的电极、半导体元件3和连接端子4a和4b的导线5，电力控制器件1确保能够承受是普通额定电流10到40倍的冲击电流。

从图15可以看出，电路11配用的熔断丝14作为SSR12的外部元件。选择的熔断丝14在流过的熔断电流超过预定电流值以上时熔断。预定电流值大于构成SSR12的电力控制器件1的承受冲击电流，但小于使电力控制器件1中半导体元件3损坏的电流值。当超过承受冲击电流的电流流过电路11时，即使在半导体元件3损坏以后熔断丝也断开，从而中断流过电路11的电流。这防止了负载产生过热，以确保安全。

接着描述构成电力控制器件1的半导体元件3的电极结构。从图16A和图16B看到，半导体芯片22的顶面由一掩蔽氧化膜23掩蔽，氧化膜23上有一个接触窗，使电极能够连接到半导体芯片22上。各窗口填充有铝，从而形成阴极24和栅极25。阴极24和栅极25在它们占据窗口的各个部分处接触半导体芯片22。半导体芯片22的底面被由可焊金属(如Ti-Ni合金之类)形成的阳极26覆盖。这种结构的半导体元件3中，阴极24和栅极25在各个底面处接触半导体芯片22，并且它们的各个顶面与导线相连。

在包含如图16所示的半导体元件3的电力控制器件1中，具有阴极电极24，考虑到器件的最大额定值和可靠性，阴极电极24具有足够的宽度和厚度。这就防止了由用作互连电阻的阴极24所引起的电压降或冲击电流和电迁移所引起的融化。特别是，定义了一个最大可能接触区，在该区域上，阴极24接触半导体芯片22。另外，导线5具有承受冲击电流的足够大的截面。

按照现有技术的第二个例子(未图示)，熔断丝由连接半导体元件和外部端子的导线取代，它也用作熔断部分。更具体地说，导线的尺寸可以调节成当熔断电流超过流过的预定电流值时，导线熔断。因此，由于熔断电流的流过，导线在电力控制器件的半导体元件击穿之前熔断，从而断开流过半导体元件的电流。

然而，如果电力控制器件用作电路的开关器件，那么采用熔断丝作为外部元件的电路，像现有技术第一个例子那样，会使尺寸和成本增大。

另一方面，在导线也用作熔断部分的现有技术的第二个例子中，存在下面的问题1至5。

(1)要求的熔断电流值的界定需要根据每一个半导体元件的特征从各种尺寸中选择出合适的导线，因而增加了额外的精力和费用。

(2)细长导线会在其中产生显著的电压降。因此，采用这样的细长导线来形成电路中所使用的电力控制器件是不经济的。

(3)导线连接期间施加的压力差会使导线变形而改变预定的熔断电流，因此使电力控制器件的可靠性下降。

(4)导线熔断所产生的热立即通过导线传导到半导体元件，从而半导体元件有时因膨胀而断裂，因而半导体元件会无法正常的工作。

(5)至于用于大电流装置而具有大电极和大截面导线的半导体芯片，很难将导线尺寸调节成所要求的熔断电流值。

所以，本发明的目的是提供一种具有简单结构用来提高其中装配的电路的可靠性的电力控制器件。