CN105027279A - 接触部件以及半导体模块 - Google Patents

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Abstract

本发明所提供的接触部件，即使为了防止焊料向上爬的问题而减少焊料的量，并且在筒状的接触部件的圆筒内部未填充焊料的焊接状态下，也能得到与现有焊接强度相同或更大的焊接强度。具有嵌合外部端子(101)的中空孔的筒状的接触部件在端部具备直径比该筒型的外径大的凸缘(6)，凸缘(6)的端面(6a)具备平坦的底面和从筒的内周端朝向凸缘外周端的凹部(7)，在通过凸缘端面(6a)与构成半导体模块的绝缘基板(2)表面的预定的金属区域焊接的筒状的接触部件(3)中，焊接时与焊料(11)接触的凸缘(6)面在接触部件的筒内部下端具有切口部，或者凸缘(6)的外周的高度为接触部件的筒部分的厚度的两倍以上。

Description

接触部件以及半导体模块
技术领域
本发明涉及一种具有在构成半导体模块的绝缘基板上通过焊接而搭载并通过插入外部输出端子而与外部电连接的构造的接触部件、以及搭载接触部件的半导体模块。
背景技术
半导体模块的内部如图13所示，设有具备绝缘基板102的构造，该绝缘基板102需要通过从未图示的外部电路导出的外部输出端子101与外部电路电连接。这样的半导体模块100示于图12。该半导体模块100具有如下结构，即，在绝缘基板102的预定的多个位置预先焊接圆筒状的接触部件103，并且在这些接触部件103的中心孔中分别插入具有对应布置的多个外部输出端子101。这些外部输出端子101通过铝线105等与半导体芯片104(设备芯片、电路芯片)等连接。并且，绝缘基板102搭载于金属基板109上，并由固定安装于该金属基板109上的树脂壳体108覆盖。对于上述接触部件103向上述绝缘基板102上的焊接，非常需要该焊接的强度在长时间都能够保持稳定。因此，如图14的立体图所示，现有的接触部件103为了在绝缘基板102的预定的多个位置各自稳定地自立并且确保焊接强度，具备直径大的凸缘106，以使圆筒的端面的面积扩展。并且，在该凸缘106的端面106a形成了凹部107，该凹部107在接合时成为焊料的积攒部，能够确保预定的焊料厚度(专利文献1)。
在图6示出按照沿图14的上述接触部件103的圆筒的轴的A1-A2线截取的剖面图。图6的上述接触部件103还能够如图7所示的相同的接触部件103a的剖面图那样，形成为使圆筒的端部的边缘具有圆弧110(曲率半径0.1mm)的构造。要将这样的接触部件103、103a固定于绝缘基板102的预定的多个位置，需要使用焊膏。例如，在绝缘基板102上按照预定的多个接触部件103的配置图案印刷焊膏，一边向各接触部件103的凸缘106的端面施加一定的负重，一边进行加热处理进行固定。
如此，在将各接触部件103的凸缘106端面焊接至绝缘基板102上时，如图5所示那样，在凸缘106的下侧的焊料111中，被排挤到凸缘106的内径侧的焊料111进入凸缘106的内侧的凹部107，形成填充圆筒内的数百微米厚的焊料111层，以加强接合强度。另一方面，被排挤到凸缘106的外侧的焊料111通过在凸缘106的外周侧面形成具有相当于凸缘106厚度的高度的焊脚111a，因此提高接合强度。
在半导体模块100内的接触部件103的圆筒内部，为了确保用于与外部电路电连接而插入的外部输出端子101的插入深度，圆筒内的焊料的厚度被限制在大约500μm以下。并且，为了通过将外部输出端子101插入到接触部件103的圆筒内而可靠地进行电接触，端子的外径被设置为接近圆筒的内径的圆形。为了能够可靠地进行该电接触，也可以将端子的形状设为四角形的棒状而插入到圆筒的孔中。
作为与上述技术相关的其他的公知文献，公开了针对IC(集成电路装置)的管脚，防止焊料向上爬的技术(专利文献2、3)。
已知有关于在中空的端子内部防止焊料向上爬的技术的记载(专利文献4)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：US2009/0194884号A1(图1、4、12)
专利文献2：日本特开1989-315167号公报(“作用”项)
专利文献3：日本特开2012-199340号公报(背景技术)
专利文献4：日本特开1994-020735号公报(摘要、目的)
发明内容
技术问题
如上述图5所示，为了加大向绝缘基板102的接合强度，接触部件103具有加大端面面积的凸缘构造，所以需要比较大量的焊料。而另一方面，如果增加了焊料的量，则由于受到焊接时通常使用的减压式加热炉的影响，如图8所示，被填充到接触部件103内的焊料111由于毛细管现象而沿着圆筒的内壁向上爬，常常会出现焊料保持在内壁或其中一部分焊料从圆筒的上侧开口吐出的现象。如果出现该现象，在向接触部件103的中心孔中插入外部输出端子时会出现问题，成为次品。已知该焊料向上爬的现象在焊料量多的情况下容易发生。因此，为了防止该焊料向上爬的现象，减少焊料的量即可。但是，如果减少焊料的量，则难以确保能够获得长期的可靠性的最低限度的接合强度(例如10N)。因此，需要调整焊料的量，以使焊料的量为能够确保上述最低限度的接合强度10N的焊料的量以上，并且尽量减少进入圆筒内、特别是进入中心孔中的焊料的量。
然而，已知在通过焊膏的涂布印刷进行焊料的量的调整的情况下，仅通过焊料的量的调整，而将焊料的量调整为满足即可以防止上述的焊料向上爬的现象又具有长期可靠性的接合强度这两方面是很难的。例如，在使与接合有关的焊料的量(斜线阴影部分)从图4所示的量按照图9(a)～(c)的顺序减少的实验中，以该顺序接合的形态如图进行变化，与之相伴接触部件103的接合强度也以该顺序降低。当接触部件103的接合强度低于上述的10N时，由于会降低半导体模块的可靠性，所以必须要避免。在图9(a)中，虽然接合强度良好，但圆筒内部的焊料的量还是很多，无法使焊料向上爬的现象消失。在图9(b)中，虽然可以使焊料向上爬的现象消失，但有可能会产生接合强度的可靠性问题。特别是，使焊料的量降低到如图9(c)所示的程度的情况下，由于很多的接合强度低于上述的最低限的接合强度10N，因此出现外部输出端子从半导体模块脱离等的问题变多而成为问题。其结果得出了以下的结论，即，在通过焊膏的涂布印刷进行焊料的量的调整的情况下，需要调整为图9(a)和图9(b)中间的焊料的量，而如此控制焊料的量是非常困难的。
本发明是考虑到以上说明的问题的情况下完成的。本发明的目的为提供一种即使为了防止焊料向上爬的问题而减少焊料的量，并且在接触部件的圆筒内部未填充焊料的焊接状态下，也能够得到与现有焊接强度相同或以上的焊接强度的接触部件、以及半导体模块。
技术方案
本发明为了达到上述发明的目的，在权力要求1所记载的发明中，该接触部件为被焊接在设置于半导体模块的绝缘基板上的金属区域的部件，并具有供外部端子嵌合的中空孔，该接触部件在其下端部具备直径比筒状部的外径还大的凸缘，在该凸缘的进行上述焊接的端面具备平坦的底面和从筒的内周端朝向上述凸缘外周端的凹部，并且，在上述接触部件的筒内部下端具有切口部。
在权力要求2所记载的发明中，优选上述切口部的位于上述接触部件的筒内部下端的至少一部分为倒角部的接触部件。
在权力要求3所记载的发明中，优选上述切口部为形成在上述接触部件的筒内部下端的至少一部分的阶梯部的接触部件。
在权利要求4所记载的发明中，优选上述切口部为形成在上述接触部件的筒内部下端的至少一部分的凹面加工部的接触部件。
在权利要求5所记载的发明中，优选供上述外部端子嵌合的中空孔的剖面形状为圆形或方形。
本发明为了达到上述发明的目的，在权力要求6所记载的发明中，该接触部件为被焊接在设置于半导体模块的绝缘基板上的金属区域的部件，并具有供外部端子嵌合的中空孔，该接触部件在其下端部具备直径比筒状部的外径还大的凸缘，在该凸缘的进行上述焊接的端面具备平坦的底面和从筒的内周端朝向上述凸缘的外周端的凹部，并且，上述凸缘的外周的高度是上述接触部件的筒部分的厚度的两倍以上。
在权利要求7所记载的发明中，优选接触部件，其中，上述凸缘的外周具有上述接触部件的筒部分的厚度的两倍以上的的高度，上述凸缘是在上述凸缘的外周的至少一部分上形成向上方延伸的凸部的加工面。
在权利要求8所记载的发明中，优选供上述外部端子嵌合的中空孔的剖面形状为圆形或方形。
并且，在权利要求9所记载的发明中，上述凸缘设置于上述接触部件的两端的结构也是优选的，其理由在于可以在接触部件的凸缘端面的任意侧进行焊接，能够提高工作效率。在权利要求10所记载的发明中，能够为在绝缘基板上搭载有上述权利要求1所记载的半导体模块用接触部件的半导体模块。
在权利要求11所记载的发明中，能够为在绝缘基板上搭载有上述权利要求6所记载的半导体模块用接触部件的半导体模块。
发明效果
根据本发明，能够提供一种即使为了防止焊料向上爬的问题而减少焊料的量，并且在圆筒状的接触部件103的圆筒内部未填充焊料的焊接状态下，也能够得到与现有焊接强度相同或以上的焊接强度的半导体模块用接触部件、搭载该接触部件的半导体模块以及它们的制造方法。
本发明的上述以及其他目的、特征以及优点通过表示作为本发明的例而优选的实施方式的附图以及相关联的以下的说明进行阐述。
附图说明
图1(a)为本发明的实施例1的接触部件的剖面图，图1(b)为表示将接触部件焊接在绝缘基板的状态的图11的虚线框内的剖面图。
图2(a)为本发明的实施例2的接触部件的剖面图，图2(b)为表示将接触部件焊接在绝缘基板的状态的图11的虚线框内的剖面图。
图3为本发明的实施例3的接触部件的剖面图。
图4(a)为本发明的实施例4的接触部件的剖面图，图4(b)为表示将接触部件焊接在绝缘基板的状态的图11的虚线框内的剖面图。
图5为表示将现有的接触部件的凸缘端面焊接在绝缘基板上的状态的剖面图。
图6为沿现有的接触部件的圆筒的轴的A1-A2线截取的剖面图。
图7为在图6的圆筒内周部的边缘形成圆弧的剖面图。
图8为现有的接触部件的剖面图，用于说明圆筒内填充的焊料通过毛细管现象而沿圆筒的内壁向上爬后，或者照原样保持在内壁，又或者其中一部分从圆筒的上侧开口吐出的现象。
图9表示使参与接合的焊料的量以(a)～(c)的顺序减少的情况下的接触部件和绝缘基板的焊料的接合形态的剖面图。
图10为通过比较剪切强度表示本发明和现有的焊接强度的关系图。
图11为搭载了本发明的接触部件的半导体模块的剖面图。
图12为搭载了现有的接触部件的半导体模块的剖面图。
图13为构成图12的半导体模块的绝缘基板的俯视图和从侧面观察的剖面图。
图14为现有的接触部件的立体图。
符号说明
3、3a、3b、103  接触部件
6、106  凸缘
6a、106a  端面
7、107  凹部
10  边缘
10a  倒角部
10b  阶梯部
10c  沟
11、111  焊料
12  凸部
100、200、201、202  半导体模块
101  外部输出端子
102  绝缘基板
104  半导体芯片
105  铝线
108  树脂壳体
109  金属基板
110  圆弧
111a  焊脚
具体实施方式
以下，关于本发明的半导体模块中使用的筒状的接触部件、搭载该接触部件的半导体模块以及它们的制造的方法的实施例，参照附图进行详细说明。在以下的实施方式的说明以及附图中，对同样的构成标记相同的符号，并省略重复的说明。并且，在实施例说明的附图，为了容易观察或者容易理解，未按照正确的比例、尺寸比进行绘制。
实施例1
图11为搭载本发明的接触部件的半导体模块的剖面图。图1(a)为本发明的实施例1的接触部件的剖面图，图1(b)为表示将本发明的实施例1的接触部件焊接在绝缘基板的状态的图11的虚线框内的剖面图。要将这样的接触部件3固定于绝缘基板102的预定的多个位置，需要使用焊膏。例如，在绝缘基板102上预定的多个接触部件3的配置图案上印刷焊膏，向各接触部件3的凸缘6的端面施加一定的负重，同时在减压加热炉进行加热处理来固定。在形成了包含半导体芯片104和/或其他电子部件等的预定的电路的绝缘基板102上，搭载上述的接触部件3。并且在绝缘基板102的下侧固定有金属基板109，在金属基板109的外周上固定树脂壳体108而形成半导体模块200。
本发明的半导体模块200(图11)与现有的半导体模块100(图12)相比，将搭载于现有的半导体模块100(图12)上的接触部件103变更为本发明的接触部件3的这点不同。但是，其他的构造以及搭载部件可以相同也可以不同。在图1(b)，当以斜线阴影表示的焊料11填充接触部件3的凸缘6的端面6a内的凹部7时，在接触部件3的内周侧的整个边缘10内周设置作为切口的倒角部10a。因此，扩大了凹部7的空间，以使滞留在凸缘6的下侧的凹部7中的焊料的量增加。倒角部10a的尺寸例如可形成为图1的a＝0.145mm、角度θ1＝45度。这样的倒角加工能够通过切削而形成，但更有效率的方法是，在形成凸缘时，将按照预定长度切断的圆筒线材经冲压加工一次形成。并且，形成于该接触部件3的端部的凸缘即使只有一侧，也能够达到固定至绝缘基板上的目的，但从组装工作效率的观点来看，优选如图1所示那样形成于两端的情况。由于倒角部10a导致焊料的量增加，因此能够相应地减少进入接触部件3中心的圆筒空间的焊料的量。并且，因为设置倒角部10a，使接触部件3与焊料11的接触面积也增加，因此能够加大焊接强度。因此，通过减少进入中心的圆筒空间的焊料的量，能够抑制现有的焊料向上爬的现象。此外，通过在内周侧的边缘10设置倒角部10a，因此即使与现有技术相比减少了焊料的量，也能够使焊接强度维持不变或增加。该接触部件3是在铁和/或铜等的导电型优良的金属材料上镀上焊料润湿性良好的镍，或者进一步镀金。
在该实施例1中，当倒角角度θ1为从30度到60度的范围时，能够充分发挥上述效果。当倒角尺寸a为从0.1mm至0.2mm时，能够充分发挥上述效果。并且，在上述说明中，介绍了在接触部件3的内周侧的整个边缘10内周设置了倒角部10a的例子，但即使倒角部10a仅设置于接触部件3的内周侧的边缘10的一部分，也能够发挥上述的效果。并且，虽然介绍了接触部件3的剖面为圆形的例子，但剖面也可以为方形。
实施例2
图2(a)为本发明的实施例2的接触部件的剖面图，图2(b)为表示将本发明的实施例2的接触部件焊接在绝缘基板的状态的图11的虚线框内的剖面图。本发明的实施例2的半导体模块201在将搭载于实施例1的半导体模块200的接触部件3变更为本发明的接触部件3a的这点上不同。但是，其他的构造以及搭载部件可以相同也可以不同。在图2(b)，当以斜线阴影表示的焊料11填充接触部件3a的凸缘6的端面6a内的凹部7时，在接触部件3a的内周侧的整个边缘10的内周设置作为切口的阶梯部10b。因此，扩大了凹部空间，以使凸缘6的下侧的凹部7中滞留的焊料的量增加。因为焊料的量增加，所以能够相应地减少进入接触部件3a中心的圆筒空间的焊料的量。并且，通过设置阶梯部10b，使接触部件3a与焊料11的接触面积，从而能够加大焊接强度。因此，通过减少进入中心的圆筒空间的焊料的量，能够抑制现有的焊料向上爬的现象。另外，通过在内周侧的边缘10设置阶梯部10b，因此即使与现有技术相比减少了焊料的量，也能够使焊接强度维持不变或增加。
在该实施例2中，当阶梯部10b的尺寸b以及c在不超过筒材料的板厚的范围内取0.1mm至0.2mm时，可发挥上述的效果。并且，在上述的说明中，介绍了在接触部件3a的内周侧的整个边缘10的内周设置了阶梯部10b的例子，但即使阶梯部10b仅设置于接触部件3a的内周侧的边缘10的一部分，也能够发挥上述的效果。并且，虽然介绍了接触部件3a的剖面为圆形的例子，但剖面也可以为方形。并且，虽然介绍了阶梯部10b的阶梯为一级的例子，但该阶梯部10b可以为剖面为阶梯状的多级结构。
实施例3
图3为本发明的实施例3的接触部件的剖面图。在该实施例中，实施例2中说明的阶梯部10b的剖面形成为圆弧形状的沟10c(凹面加工部)。但是，其他的构造以及搭载部件可以与实施例1相同也可以不同。在该实施例中，在焊料11填充接触部件3b的凸缘6的端面6a内的凹部7时，能够增加滞留在凸缘6的下侧的凹部7中的焊料的量。因为焊料的量增加，能够相应地减少进入接触部件3b中心的圆筒空间的焊料的量。并且，通过设置沟10c，使接触部件3b与焊料11的接触面积也增加，能够加大焊接强度。因此，通过减少进入中心的圆筒空间的焊料的量，能够抑制现有的焊料向上爬的现象。另外，通过在内周侧的边缘10设置作为切口的沟10c，即使与现有技术相比减少了焊料的量，也能够使焊接强度维持不变或增加。
在该实施例3中，当剖面为圆弧形状的沟10c的加工半径r在不超过筒材料的板厚的范围内取0.1mm至0.2mm时，可发挥上述的效果。并且，在上述的说明中，介绍了在接触部件3b的内周侧的整个边缘10的内周设置了沟10c的例子，但即使沟10c仅设置于接触部件3b的内周侧的边缘10的一部分，也能够发挥上述的效果。并且，虽然介绍了接触部件3b的剖面为圆形的例子，但剖面也可以为方形。
实施例4
图4(a)为本发明的实施例4的接触部件的剖面图，图4(b)为表示将本发明的实施例4的接触部件焊接在绝缘基板的状态的图11的虚线框内的剖面图。本发明的实施例4的半导体模块202在将搭载于实施例1的半导体模块200的接触部件3变更为本发明的接触部件3c的这点上不同。但是，其他的构造以及搭载部件可以相同也可以不同。在图4(b)中，在接触部件3c的内周侧的边缘10的下侧形成的凹部7的大小与现有的图9(c)所示的接触部件103的结构相同。即，为不使焊料侵入上述边缘10的内周侧的空间，减少了焊料的量。但是，在凸缘6的外周侧前端的上侧围绕整个外周设置有环状的凸部12，边缘6的外周侧侧面的高度t为接触部件3c的筒部分的厚度d的两倍。现有的接触部件103的凸缘6的外周侧侧面的高度与接触部件3c的筒部分的厚度大致相同，但在本实施例中，凸缘6的外周侧侧面的高度比现有的高度高。其结果为，能够使滞留在凸缘6的下侧的凹部7中的焊料的量保持较少的情况下，能够增大形成在凸缘6的外周侧侧面的焊脚的量。因此，能够得到抑制焊料向上爬的现象和提高焊接强度这两方面的效果。凸缘6的外周侧侧面的高度t为上述的接触部件3c的筒部分的厚度d的两倍至接触部件3c的高度为止的范围即可。
图4所示的凸缘6的形状能够通过对凸缘前端部分进行加压(折弯)而形成。在上述的实施例4的说明中，虽然为了提高凸缘6的外周的高度而设置环状的凸部12为例进行了说明，但提高凸缘6的外周的高度的方法不限于此，例如，通过整体加厚凸缘6的厚度也能够达成。并且，凸缘6的外周部的角度θ2在0度±30度的范围时容易制作，并且能够很好的发挥上述的效果。
并且，通过使接触部件具备组合了上述的实施例1、2、3所记载的切口部(倒角部10a、阶梯吧10b、沟10c)的形状和实施例4的凸缘6的形状的形状，能够进一步有效地抑制焊料向上爬的现象，使焊接强度提高。
针对将图9(a)、(c)中示出的现有的圆筒状的接触部件和图1(b)、图4(b)中示出的实施例1至4所记载的圆筒状的接触部件焊接在图13中示出的绝缘基板102上的结构，通过测定剪切强度对它们的焊接强度进行比较，结果在图10中示出。在图10，以线表示剪切强度的测定值的分布幅度，以棒状图表示平均值。从图10可以看出，在焊接强度的这点上，现有的图9(a)和实施例1的图1(b)具有在40N以上的强度，图4(b)具有30N以上的强度，能够确保充分的接合强度。但是，图9(a)的现有例，虽然剪切强度具有充分的强度，但由于观察到焊料向上爬的现象，不优选作为实施方式。并且，图9(c)的现有例，虽然焊接强度的平均值也具有10N以上，但从测定分布来观察，由于也具有10N以下的剪切强度，也不优选。
同样，针对将如图2(b)所示的实施例、图3所示的实施例焊接在绝缘基板102上的结构，也能够得到与上述图1(b)的结构相同的结果。
通过以上说明的实施例，能够提供一种即使为了防止焊料向上爬的问题而使焊料的量减少，并且在接触部件103的圆筒内部未填充焊料的焊接状态下，也能够得到与现有焊接强度相同或以上的焊接强度的接触部件以及使用该接触部件的半导体模块。
上述仅为表示本发明原理的说明。另外，本领域技术人员能够进行多种变形、变更，本发明并不限定于上述所示、所说明的正确的构成以及应用例，所对应的所有的变形例以及均等物都视为根据附带的权利要求以及其均等物所覆盖的本发明的范围。

Claims (11)

1.一种接触部件，其特征在于，该接触部件为被焊接在设置于半导体模块的绝缘基板上的金属区域的部件，并具有供外部端子嵌合的中空孔，该接触部件在其下端部具备直径比其筒状部的外径还大的凸缘，在该凸缘的进行所述焊接的端面具备平坦的底面和从筒的内周端朝向所述凸缘的外周端的凹部，
在所述接触部件的筒内部下端具有切口部。
2.根据权利要求1所述的接触部件，其特征在于，
所述切口部的位于所述接触部件的筒内部下端的至少一部分为倒角部。
3.根据权利要求1所述的接触部件，其特征在于，
所述切口部为形成在所述接触部件的筒内部下端的至少一部分的阶梯部。
4.根据权利要求1所述的接触部件，其特征在于，
所述切口部为形成在所述接触部件的筒内部下端的至少一部分的凹面加工部。
5.根据权利要求1所述的接触部件，其特征在于，
供所述外部端子嵌合的中空孔的剖面形状为圆形或方形。
6.一种接触部件，其特征在于，该接触部件为被焊接在设置于半导体模块的绝缘基板上的金属区域的部件，并具有供外部端子嵌合的中空孔，该接触部件在其下端部具备直径比筒状部的外径还大的凸缘，在该凸缘的进行所述焊接的端面具备平坦的底面和从筒的内周端朝向所述凸缘的外周端的凹部，
所述凸缘的外周的高度是所述接触部件的筒部分的厚度的两倍以上。
7.根据权利要求6所述的接触部件，其特征在于，
所述凸缘的外周具有所述接触部件的筒部分的厚度的两倍以上的高度，所述凸缘是在所述凸缘的外周的至少一部分上形成向上方延伸的凸部的加工面。
8.根据权利要求6所述的接触部件，其特征在于，
供所述外部端子嵌合的中空孔的剖面形状为圆形或方形。
9.根据权利要求6所述的接触部件，其特征在于，
所述凸缘设置于所述接触部件的两端。
10.一种半导体模块，其特征在于，具备：
绝缘基板；
接触部件，该接触部件为焊接在设置于所述绝缘基板上的金属区域的部件，并具有中空孔，该接触部件在其下端部具备直径比其筒状部的外径还大的凸缘，在该凸缘的进行所述焊接的端面具备平坦的底面和从筒的内周端朝向所述凸缘外周端的凹部，所述接触部件的筒内部下端具有切口部；和
外部端子，嵌合于所述中空孔。
11.一种半导体模块，其特征在于，具备：
绝缘基板；
接触部件，该接触部件为焊接在设置于所述绝缘基板上的金属区域的部件，并具有中空孔，该接触部件在其下端部具备直径比其筒状部的外径还大的凸缘，在该凸缘的进行所述焊接的端面具备平坦的底面和从筒的内周端朝向所述凸缘的外周端的凹部，所述凸缘的外周的高度是所述接触部件的筒部分的厚度的两倍以上；和
外部端子，嵌合于所述中空孔。
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