CN104037147A - 半导体装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种半导体装置，并提供一种能缩小智能功率模块的占有面积的模块的控制端子结构。使安装有功率半导体元件的绝缘电路基板与具有控制电路的印刷基板采用层级结构，并采用如下结构：使将控制信号输入到控制基板的控制端子形成为直线形，并将其插入到模块的壳体底部所具备的控制端子插入孔、以及印刷基板的通孔中。

Description

半导体装置
技术领域
本发明涉及半导体装置，尤其涉及搭载了功率半导体元件的功率模块。
背景技术
搭载有多个IGBT(绝缘栅双极晶体管)、功率MOSFET、FWD(续流二极管)等功率半导体元件、在逆变器等中用于进行电力控制的称为功率模块的半导体装置在产业领域中得到了广泛使用。
通常，功率模块具有如下结构：对电力进行转换的功率半导体元件安装在设有主电路图案的绝缘电路基板上，将这些部件安装在散热用的金属底板上，并在其外周覆盖树脂制的壳体。
此外，对该功率模块添加了各种控制功能的被称为IPM(智能功率模块：Intelligent Power Module)的半导体装置内置有主电路用的绝缘电路基板以及具有控制用元件和控制电路用图案的印刷基板。
在该IPM中，通常采用划分为绝缘电路基板和印刷基板这两层的结构，因而需要对各个基板之间、基板与外部端子之间等进行电连接。因此，在装置内部，利用被称为引线框的金属板、接合引线、各种焊接材料等来实现电连接，构建半导体装置正常工作所需的电路。并且，从IPM的外部通过控制端子提供的控制信号被提供给IPM内的控制电路，基于从该控制电路输出的信号来驱动主电路的功率半导体元件，由此能进行高效的电力控制。
关于IPM的控制信号用的内部布线，已知有专利文献1和2所记载的技术。以下进行详细描述。
图6是现有的IPM100的剖视图。金属底板111上放置有绝缘电路基板112，还放置有功率半导体元件113。此外，与控制端子130、连接端子131a以及131b一体成形的树脂制的壳体120以包围绝缘电路基板112的方式放置在金属底板111上。
利用接合引线等在功率半导体元件113上设置了主电路布线以及控制用布线，其中，控制用布线利用接合引线140、连接端子131a以及131b与印刷基板150相连。
另外，印刷基板150与IPM外部之间的控制用布线利用U字形的控制端子130来实现。另外，控制端子130构成为埋入壳体侧壁120a中。IPM100的内部由绝缘性胶(未图示)等来密封，上部放置有用于防止异物混入等的盖160。
接着，对IPM100的制造方法进行描述。首先，利用焊料等在绝缘电路基板112上安装功率半导体元件113，并利用焊料等将上述部件安装在金属底板111上。
另一方面，在金属模具中设置将金属板加工成规定形状后得到的控制端子130、连接端子131a以及131b，进行嵌入成形，由此形成壳体120。利用粘接剂等将该成形后的壳体120以包围金属底板111上的绝缘电路基板112的方式进行安装。在该状态下，利用接合引线140对连接端子131a、131b以及功率半导体元件113进行连接。
该阶段下的俯视图如图7所示，VIII-VIII’剖视图如图8所示。如图7所示，在壳体120的周围四条边中的相对的两条边上设有连接端子131a、131b，此外，在一条边上设有控制端子130。
接着，对印刷基板150进行安装，使控制端子130、连接端子131a以及131b插入到设置在该印刷基板150上的通孔中。并且对通孔与各个端子的连接部实施焊接等，从而确保印刷基板150与各端子的电连接，并将印刷基板150固定在IPM100内。
最后将绝缘性胶(未图示)注入到内部，利用粘接剂等对盖160进行安装，从而完成IPM。
另外，关于上述IPM100的主电路布线，与控制用布线同样地设置了各种布线，以将其导出到IPM外部，这里省略了图示以及说明。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开平11-68035号公报
专利文献2：日本专利特开2000-68446号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，本发明人经过潜心研究，发现现有结构的IPM存在着各种问题。以下进行详细描述。
IPM最终安装在需要进行电力控制的各种装置的内部来使用，但若IPM的占有面积较大，则安装有该IPM的装置也相应地大型化，因此近年来强烈要求IPM进一步小型化。另一方面，壳体侧壁120a必须通过嵌入成形来保持控制端子130，其厚度不能低于能对控制端子130进行保持的厚度。此外，如图6所示，为了将控制端子130配置在壳体侧壁120a上，需要来自印刷基板150的水平方向的布线，但也需要相应地确保该延长布线的空间。由此，侧壁厚度、水平方向布线的必要性显然会对IPM的占有面积的缩小造成妨碍。
另外，关于IPM中控制端子的安装位置，不存在标准规格，因此需要将控制端子130安装于根据使用用途而被需求的各种位置。另一方面，如上所述，控制端子130利用嵌入成形从而安装于壳体120，因此需要准备与控制端子130的各种安装位置相对应的各种嵌入成形用的金属模具。由此，准备各种金属模具的必要性会导致IPM的制造成本的上升。
本发明是鉴于上述内容而完成的，提供一种能缩小IPM的占有面积、且无需准备各种金属模具就能实现各种控制端子的安装位置的半导体装置。
解决技术问题所采用的技术方案
为了实现上述目的，本发明的一个方式的结构的特征在于，包括：功率半导体元件；绝缘电路基板，该绝缘电路基板上放置有所述功率半导体元件；印刷基板，该印刷基板与所述功率半导体元件进行电连接，并具有控制电路；壳体，该壳体的底部具有控制端子插入孔；以及控制端子，该控制端子将所述印刷基板与半导体装置的外部进行电连接，所述印刷基板与所述绝缘电路基板以及所述壳体底部形成分层结构，所述控制端子为直线形，并被插入到所述控制端子插入孔以及所述印刷基板的通孔中。
发明效果
根据上述结构，通过采用将直线形的控制端子插入到壳体底部所具备的控制端子插入孔、以及印刷基板的通孔中而形成的结构，从而不需要上述现有结构的壳体侧壁具有能对嵌入成形的控制端子进行保持的树脂厚度，能实现侧壁的薄型化。此外也不需要现有结构中必须的、用于从控制端子连接到印刷基板的水平方向的延长布线，因此也无需确保与该延长布线相应的空间。由此，能缩小IPM的占有面积。
附图说明
图1是本发明的实施例所涉及的半导体装置的剖视图。
图2是本发明的实施例所涉及的半导体装置的制造流程图。
图3是本发明的实施例所涉及的半导体装置的制造阶段中的俯视图。
图4是本发明的实施例所涉及的半导体装置的制造阶段中的剖视图。
图5是本发明的实施例所涉及的控制端子插入孔的俯视图和剖视图。
图6是本发明的现有例中的半导体装置的剖视图。
图7是本发明的现有例中的半导体装置的制造阶段的俯视图。
图8是本发明的现有例中的半导体装置的制造阶段的剖视图。
具体实施方式
下面，基于附图对本发明的优选实施方式(实施例)进行说明。
对于实施方式中共同的结构标注相同的标号，并省略其重复说明。
另外，本实施例不限于所说明的实施方式，在不脱离专利权利要求的范围所示的技术思想的范围内可以变更为各种各样的实施方式。
图1是本发明的实施例所涉及的半导体装置即IPM1的剖视图。以下对装置的结构进行说明。
在由铜、铝等散热性较高的金属所构成的金属底板11上，放置有绝缘电路基板12。这里，通过在由氧化铝、氮化硅等绝缘性和热传导性较高的陶瓷等形成的绝缘板的下表面上，接合有铜等的金属薄膜，并在其上表面上接合有设有主电路用的电路图案的铜等的金属薄膜，从而构成绝缘电路基板12。绝缘电路基板12也被称为DCB(Direct Copper Bonding：直接覆铜)基板或者金属绝缘基板。
该绝缘电路基板12的电路图案薄膜上放置有IGBT、功率MOSFET、FWD等功率半导体元件13。
此外，与金属制的连接端子31a以及31b一体成形的树脂制的壳体20以利用壳体底部20b包围绝缘电路基板12的方式放置在金属底板11上。另外，由于绝缘电路基板12和壳体底部20b均放置在金属底板11上，因此大致配置在同一平面上。
利用接合引线、引线框等在功率半导体元件13上设置了主电路布线以及控制用布线，其中，控制用布线利用接合引线40、连接端子31a以及31b，与印刷基板50相连。
如图1所示，印刷基板50配置在与绝缘电路基板12以及壳体底部20b不同的平面上，即，形成分层结构。这是因为，相比于与绝缘电路基板12配置于同一平面上的情况，能缩小IPM的占有面积。
该印刷基板50的表面固定有控制用半导体元件、无源元件(未图示)，这些元器件之间通过电气布线进行连接。此外，为了实现该电气布线与各种端子的电连接，在与各种端子相对应的部位设置有对内壁进行了导电处理的通孔。
印刷基板50与IPM1外部的控制用布线利用直线形的控制端子30来实现。控制端子30通过插入到设置在壳体20的底部20b上的控制端子插入孔32、以及印刷基板50的通孔中来进行保持。
另外，IPM1的内部由绝缘性胶(未图示)等来密封，上部放置有用于防止异物混入等的盖60。
通过采用这种将直线形的控制端子30插入到壳体底部20b所具备的控制端子插入孔32、以及印刷基板50的通孔而形成的结构，从而不需要壳体侧壁20a具有能对嵌入成形的控制端子进行保持的树脂厚度，从而能使壳体侧壁20a薄型化。此外也不需要现有结构中所必须的、用于从控制端子连接到印刷基板的水平方向的延长布线，因此也无需确保与该延长布线相应的空间。由此，与现有结构相比能缩小IPM的占有面积。
此外，通过使控制端子30垂直地从壳体底部20b立起，从而与使控制端子斜着立起、或者形成为弯曲形状的情况相比，能使IPM1的占有面积变得极小，因此更为有效。
接着，对IPM1的制造方法进行描述。图2是本发明的实施例所涉及的IPM1的制造流程图。以下进行详细描述。
首先，利用焊接等在绝缘电路基板12的电路图案薄膜上安装功率半导体元件13。这里使用焊接是为了确保功率半导体元件13与绝缘电路基板12的电路图案薄膜的电连接。
并且，利用焊接等将这些部件安装在金属底板11上。这里使用焊接是为了将IPM动作时从功率半导体元件13产生的热高效地释放到金属底板11。
另一方面，在金属模具中设置将金属板加工成规定形状后得到的连接端子31a以及31b，进行嵌入成形，由此形成壳体20。另外，在进行该成形时，同时也在壳体底部20b上形成控制端子插入孔32。
利用粘接剂等将该成形得到的壳体20安装在金属底板11上、由壳体底部20b包围绝缘电路基板12的位置上。
在该状态下，利用由铝、铜等构成的接合引线40对连接端子31a、31b以及功率半导体元件13进行连接。另外，通过将金属制且呈直线形的控制端子30压入到规定位置的控制端子插入孔32中来安装该控制端子30。该阶段中的俯视图如图3所示，IV-IV’剖视图如图4所示。
如图3所示，在壳体20的周围四条边中的、相对的两条边上设有连接端子31a、31b。此外，预先在一条边上等间隔地准备多个控制端子插入孔32，并在其中与IPM的各个使用用途相对应的位置所对应的孔中安装控制端子30。
接着，对印刷基板50进行安装，使控制端子30、连接端子31a以及31b插入到设置在该印刷基板50上的通孔中。并且对通孔与各个端子的连接部实施焊接等，从而确保印刷基板50与各端子的电连接，并将印刷基板50固定在IPM1内。
最后将绝缘性胶(未图示)注入到内部，对盖60进行安装，从而完成IPM1。另外，与上述现有技术同样，关于上述IPM1的主电路布线，也设置了各种布线，以将其导出到外部，这里省略了图示以及说明。
像这样预先等间隔地准备多个控制端子插入孔32，能将控制端子30压入到各个IPM所需的控制端子的位置所对应的孔中来进行安装，从而能任意地设定控制端子30的端子间距、配置的组合。因此具有如下优点：无需根据多个用途准备各种壳体成形用金属模具，安装到外部装置的安装自由度也得以提高。
此外，在要将控制端子安装到绝缘电路基板、印刷基板、金属底板的表面时，需要利用焊料、粘接剂等来固定端部，但由于本发明采用了通过压入到控制端子插入孔中而进行固定的固定方法，因此与使用焊料、粘接剂的情况相比，工序数得以减少，因此也能获得降低成本的效果。
接着对控制端子插入孔32的形状进行说明。图5是本发明的实施例所涉及的控制端子插入孔32的俯视图和剖视图。
图5(a)示出了圆筒形的孔。通过形成为圆筒形等，从而能容易地进行树脂的成形，因此较为有效。另外，需要使插入孔32a的孔径在控制端子30的直径以下。图5(b)为四棱柱形的插入孔。对于采用四棱柱的控制端子30的情况，增大了与孔内表面的接触面积，因此仅利用压入也能增强保持力，因此较为有效。
通过利用如图5所示从壳体底部20b的表面突出、并覆盖控制端子30的端部的筒状凸部来构成控制端子插入孔32，从而与仅在壳体底部20b的表面设置孔的情况相比，控制端子插入孔32容易变形，即使在控制端子30的直径产生偏差的情况下，压入也较为容易，因此较为有效。另外，为了仅通过压入也能保持控制端子30，需要使控制端子插入孔32达到一定以上的深度，但与仅在壳体底部20b设置孔的情况相比，能减小壳体底部20b的厚度。因此，能减少壳体20的成形所需的构件，有助于降低制造成本。
这些控制端子插入孔32构成为仅通过压入来安装控制端子30的端部，但也可以添加粘接剂等来进行安装。此时，与仅进行压入相比，能进一步增强保持力，就提高IPM的长期可靠性而言是有效的。
标号说明
1、100 IPM
11、111 金属底板
12、112 绝缘电路基板
13、113 半导体元件
20、120 壳体
20a、120a 壳体侧壁
20b、120b 壳体底部
30、130 控制端子
31a、31b、131a、131b 连接端子
32 控制端子插入孔
40、140 接合引线
50、150 印刷基板
60、160 盖

Claims (5)

1.一种半导体装置，其特征在于，包括：
功率半导体元件；
绝缘电路基板，该绝缘电路基板上放置有所述功率半导体元件；
印刷基板，该印刷基板与所述功率半导体元件进行电连接，并具有控制电路；
壳体，该壳体的底部具有控制端子插入孔；以及
控制端子，该控制端子将所述印刷基板与半导体装置的外部进行电连接，
所述印刷基板与所述绝缘电路基板以及所述壳体底部形成分层结构，
所述控制端子为直线形，并被插入到所述控制端子插入孔以及所述印刷基板的通孔中。
2.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，
所述控制端子插入孔的数量比所述控制端子的数量要多。
3.如权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，
所述控制端子垂直地从所述壳体底部立起。
4.如权利要求1至3的任一项所述的半导体装置，其特征在于，
所述控制端子插入孔具有以下结构：从所述壳体底部的表面突出，并包围所述控制端子的一端。
5.如权利要求1至4的任一项所述的半导体装置，其特征在于，
所述控制端子插入孔的插入口具有圆柱结构或者四棱柱结构。
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