CN1722418A

CN1722418A - 半导体装置

Info

Publication number: CN1722418A
Application number: CN 200510074946
Authority: CN
Inventors: 内山拓; 冲田宗一
Original assignee: FUJI ELECTRIC ELECTRONIC Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2004-06-08
Filing date: 2005-06-06
Publication date: 2006-01-18
Anticipated expiration: 2025-06-06
Also published as: CN100517669C

Abstract

本发明的在向外部导出的控制端子上使用弹簧端子的半导体装置中，可以自由地设定弹簧端子的配置位置。将向盒2外侧导出的弹簧端子8保持在设置于盒2内的框架15上，据此，可以使弹簧端子8在盒2内侧任意的位置上配置。弹簧端子8在被框架15保持的状态下，在盒内基板12的电极上焊接接合，而用于焊接接合的盒内基板12的接近，借助框架15上形成的开口部18实现。

Description

半导体装置

技术领域

本发明涉及在变换器装置等电力变换装置内使用的半导体装置，尤其是涉及IGBT(传导率调制型晶体管)等半导体装置的控制端子构造。

背景技术

在泛用变换器，不停电电源装置，工作机械、工业用机器人等的功率电子技术应用装置内使用电源模块。该电源模块在盒内安装组合多个IGBT芯片的电源开关电路和驱动IGBT的驱动电路等，这些驱动电路与在盒外形成的各种端子连接。例如，在用于变换器而使用的电源模块中，在外部配备直流功率输入·输出用的P及N的接线板和控制信号用控制端子。控制端子由一端与IGBT的驱动电路等连接的多只插针或板状焊片和保持这些插针或焊片的绝缘性的端子板构成，端子板通过二次成形、焊接、螺丝拧紧等方法安装在盒上。

在用户使用这种电源模块的情况下，用户通过在各接线板上对主电路用螺丝拧紧安装在装置上。在这种情况下，在从端子板引出的插针或者在焊片上直接焊接安装了控制用集成电路等的基板，或者在与基板连接或安装的连接器上插入从接线板引出的插针或焊片，将装到盒内的电源模块安装在装置中。

这样一来，在现有技术的半导体装置上，通过用户方焊接或者连接器的配置等成为必要，对布线工时及部件材料存在极高成本费用。因此，提出一种半导体装置，该半导体装置的结构使得用户方在盒的外部没有控制端子向控制电路基板的焊接，降低制品材料及加工成本(参照例如，专利文献1)

根据该半导体装置，通过波纹状弹簧或线卷弹簧构成控制端子，不通过焊接，通过利用控制端子弹力的加压接触来进行控制端子和外部控制电路基板的电连接。该控制端子通过在树脂盒侧壁上嵌入成形，保持在树脂盒上，在树脂盒侧壁集中配置的控制端子和盒内基板之间的连接通过接合线(bonding wire)进行接合。

[专利文献1]特开2001-144249号公报(段落号[0024]～[0025]，图3)。

可是，在现有技术的半导体装置中，由于一切控制端子在树脂盒侧壁上嵌入成形，控制端子的配置位置限于树脂盒的外周附近，所以即使希望在例如半导体装置中央配置控制端子，使得与外部的控制电路基板之间的配线为最短距离，但盒内基板当然也需要在由控制端子连接的外部控制电路基板上，从其相互连接的位置开始至少直到侧壁位置来回走线。因此，存在所谓控制端子的配置位置及配线的设计自由度低的问题点。

发明内容

本发明是鉴于这种问题而完成的，其目的在于：在控制端子中使用弹簧端子的半导体装置上，可以自由地设定弹簧端子的配置位置。

本发明为了解决上述问题，提供一种半导体装置，其在一只盒内具有电源模块；所述模块用的驱动电路；以及收容从所述驱动电路向盒外侧导出的控制信号用的控制端子，并对其定位的框架，将所述控制端子作为弹簧端子，其特征为，所述弹簧端子具有：一端与外部的控制电路基板加压接触的线卷部；与所述线卷部的另一端一体形成，与所述线卷部向同一轴线方向延伸的直线部；以及在与所述直线部的所述线卷部连接侧的相反侧的端部上与所述直线部一体形成，与所述盒内的基板电极接合的接合部，所述框架在设置于所述盒内的状态下，形成可以向所述弹簧端子的所述接合部接近的开口部和端子收容部，通过所述端子收容部保持所述线卷部。

并且，为了解决上述问题，提供一种半导体装置，其在一只盒内具有电源模块；所述模块用的驱动电路；以及形成端子收容部的盖，所述端子收容部用于收容从所述驱动电路向盒外侧导出的控制信号用的控制端子，将所述控制端子作为弹簧端子，其特征为，所述弹簧端子具有：一端与外部的控制电路基板加压接触的线卷部；与所述线卷部的另一端一体形成，与所述线卷部向同一轴线方向延伸的直线部；以及在与所述直线部的所述线卷部连接侧的相反侧的端部上与所述直线部一体形成，与所述盒内的基板电极接合的接合部，所述弹簧端子的所述线卷部由一端与外部的控制电路基板加压接触的小直径的第1线卷部，和与所述第1线卷部的另一端一体地在同一轴线方向形成，且外径比所述第1线卷部的外径大的第2线卷部构成，通过将所述端子收容部的端子导出口的直径比所述第2线卷部的外径小，使所述弹簧端子不脱离所述弹簧端子收容部地被保持。

在这样的半导体装置中，用框架或者盖的端子收容部支持弹簧端子，据此，可以使弹簧端子在盒侧壁内侧上任意的位置上配置。

本发明的半导体装置，通过弹簧端子的弹性力确保与外部的控制电路基板之间的连接，所以不使用焊料，使与外部的控制电路基板的电连接成为可能，可以对控制电路基板的装卸自如且容易地进行。

因为可以使弹簧端子在盒侧壁的内侧任意位置上配置，所以存在使由弹簧端子连接的外部控制电路基板之间的配线作成最短距离，可以减轻因来回走线产生感应杂音影响的优点。

附图说明

图1是示出本发明的半导体装置的外观平面图。

图2是示出实施方式1的半导体装置的控制端子安装状态的截面图。

图3是放大示出图2的控制端子的详细图。

图4是从图3的a-a箭头方向看的截面图。

图5是示出实施方式2的半导体装置的控制端子安装状态的截面图。

图6是放大示出图5的控制端子的详细图。

图7是进一步通过框架对图6的控制端子定位状态的详细图。

符号说明：1IGBT电源模块；2盒；3，4，5，6端子板；7盖；7a开口部；8弹簧端子；9螺丝孔；10插针；11基底；12盒内基板；13IGBT；14引线；15框架；16端子收容部；16a端子导出口；16b台阶落差；17基板接触面；18开口部；19端子接触面；20线卷部；20a第1线卷部；20b第2线卷部；21直线部；22焊接部；23弹簧端子受压部；24连接部位；25主电极；26控制电路基板。

具体实施方式

以下，作为半导体装置，以适用于IGBT功率模块的实施方式为例，参照附图对本发明加以详细说明。

(实施方式1)

图1是示出本发明的半导体装置外观的平面图，图2是示出实施方式1的半导体装置的控制端子安装状态的截面图，图3是示出图2的控制端子的详细图，图4是从图3的a-a箭头方向看的截面图。

IGBT模块1的外观如图1所示，在构成外框的盒2内、组装有作为功率半导体部的IGBT13等的半导体元件、以及盒内基板12等。IGBT功率模块1，其外观如图1所示地，配备以下构件，即，在构成外框架的盒2上设置的直流电力输入用的端子板3，4及电力输出用的端子板5，6，贯通盖7并导出到外部的控制信号用的弹簧端子8。盒2配有螺丝孔9以及插针10。而且，在用户方，通过与盖7一体设置的插针10，在IGBT功率模块1的外部进行控制电路基板定位的同时，使该控制电路基板在螺丝孔9内拧接。因为在该IGBT功率模块1上，弹簧端子8成为控制信号用的控制端子，所以在用户方，只通过把外部的控制电路基板拧紧在IGBT功率模块1上，可以合适地维持弹簧端子8的通电部负重。此外，不需要在用户的外部控制电路基板的焊接或连接器配置等。

如图2所示，IGBT功率模块1的内部，配备散热用基底11，在散热用基底11上焊接有用陶瓷作为基材且在背面覆盖有铜板的盒内基板12。在盒内基板12的表面上形成电路图形。在盒内基板12的电路图形中搭载有IGBT13、FWD(Free Wheeling Diode，未图示)等半导体元件，构成功率半导体部。形成在IGBT13或FWD的背面的电极与盒内基板的电路图形接合，同时，形成在表面上的电极通过引线14与电路图形连接。功率半导体部的控制信号电极，具体的是在与IGBT13的控制极端子连接的电路图形中通过焊料或导电粘合剂接合有弹簧端子8的一端。半导体装置可以作为IPM(Intelligent Power Module)而构成。IPM是在IGBT功率模块1的内部组装入IGBT13的驱动电路而成的。驱动电路从外部的控制电路基板接收控制信号后将驱动信号输出给IGBT13的栅极。IPM是在IGBT13和弹簧端子8之间连接有驱动电路。即，驱动电路的一端与焊接有弹簧端子8的电路图形连接。

在盖7的内侧上配置框架15，该框架15在配置弹簧8的位置上用树脂一体形成端子收容部16。弹簧端子8在框架15的端子收容部16上从外部的控制电路基板的基板接触面17开始只突出弹簧挠曲容许限度A的部分的状态下保持。因而，未图示的外部的控制电路基板通过定位用插针10定位后，在基板拧紧用的螺丝孔9中以基板接触面17作为基准，在IGBT功率模块1上拧紧时，通过外部电路基板压缩直到弹簧设置长度B为止。

在这里，控制电路基板的基板接触面17只要是框架15的端子收容部16的高位置即可，也可以不必一致。此外，弹簧端子8的弯曲容许限度A的长度通过在盒2上设置的基板拧紧用螺丝孔9的高度，即，通过基板接触面17的位置来规定。据此，借助弹簧端子8，回避了从控制电路基板向框架15的过剩的推压。

框架15整体形成例如栅格状，具有许多开口部18。这些开口部18在盒内设置框架15的状态下，使烙铁或者高热气体接近弹簧端子8和盒内基板12上搭载的驱动电路的控制信号用电极之间的焊接部成为可能。

弹簧端子8，如图3所示包含：具有在图的上端与外部的控制电路基板直接加压接触的接触端子面19的线卷部20，与该线卷部20的下端一体形成，与线卷部20沿同一轴线方向延伸的直线部21，和与该直线部21的下端部一体形成，在盒内基板电极上焊接的焊接部22。

收容弹簧端子8的线卷部20的框架15的端子收容部16具有抵接线卷部20的下端部的锥状的弹簧端子受压部23。因而，在使外部的控制电路基板与IGBT功率模块1拧紧时，弹簧端子8的线卷部20以该弹簧端子受压部23为基准挠曲，由此使接触端子面19通过合适的弹簧力与在外部控制电路基板侧上配置的电路加压接触，确保导通性。

与弹簧端子8的接触端子面19的相反侧由用于确保在盒内基板12上导通的直线状的直线部21构成。该直线部21具有直到盒内基板12为止的距离的长度，在盒内基板12的电极上通过焊接接合。为了丧失在把弹簧端子8插入框架15的端子收容部16之际的旋转方向，该直线部21配置在与线卷部20的同一轴线上。而且，为了考虑耐热疲劳性，赢得连接面积，将焊接部22作成环状的构造。

在这里，如果弹簧端子8的锡焊部22与盒内基板12的电极连接，则在弹簧端子受压部23与盒内基板12的电极之间配置弹簧端子8的直线部21。可是，该直线部21的一端通过焊料连接固定在盒内基板12的电极上，另一端通过弹簧端子受压部23成为约束状态。

可是，由于IGBT功率模块1作为盒内基板12的绝缘材料在基材上使用耐热性的陶瓷，所以它与焊接的基板11的线膨胀系数不同。因此，如果在IGBT功率模块1工作时发热，则因焊料接合的两者的线膨胀系数之差，在基板11上产生翘曲。如果在该基底11上产生翘曲，则在弹簧端子8的焊接部22和端子收容部16的弹簧端子受压部23之间的位置发生相对变位，在弹簧端子8的直线部21和焊接部22之间产生应力。尤其是，对于在基底11的中央附近配置的弹簧端子8而言相对变位大，视情况而异，也有成为数百μm变位的，在弹簧端子8的焊接部22上产生大的应力，这与可靠性下降有联系。

对于因这样反复引起的热周期产生的对焊接部22的应力，通过使弹簧端子受压部23作成锥状得以消除。即，通过使弹簧端子受压部23作成锥状，弹簧端子8的线卷部20只是其外周部被弹簧端子受压部23支持。在线卷部20和直线部21之间，如图4所示，存在与其连接的连接部位24，然而由于该连接部位24的弹性吸收了在焊接部22的连接部和弹簧端子受压部23之间发生的相对变位，所以可以缓和在焊接部22的连接部上所加的应力。

在上述实施方式中，由于连接部位24可沿直线部21的轴线方向变形，所以以弹簧端子受压部23形成锥状的情况为例加以说明，然而，因为只要是弹簧端子8的线卷部20的外周部被弹簧端子受压部23支持即可，所以弹簧端子受压部23也可以按照只支持线卷部20的外周部的方式形成台阶形状。

实施方式2

图5是示出实施方式2的半导体装置的控制端子安装状态的截面图。图6是放大示出图5的控制端子的详细图。

IGBT功率模块1本身收容在图1所示的盒2内，具备同样的外观。如图5所示，在IGBT功率模块1的盒2内，用陶瓷作基材且在背面覆盖有铜板的盒内基板12焊接在散热用的基底11上。

在盒内基板12的表面上形成电路图形。在盒内基板12的电路图形上搭载有IGBT13和FWD(Free Wheeling Diode)等半导体元件，构成功率半导体部。在IGBT13或FWD的背面形成的电极与盒内基板的电路图形接合的同时，形成在表面上的电极通过引线14与电路图形连接。功率半导体部的控制信号电极，具体的是在与IGBT13的控制极端子连接的电路图形上，通过焊料或导电粘合剂连接有弹簧端子8的一端。并且，功率半导体部的主电极，具体的是IGBT的集电极、发射极、FWD的阳极、阴极与设在盒2中的主电极25连接。功率半导体部的主电极与主端子25通过引线14连接。换句话说，也可令主端子25接合在连接有功率半导体部的主电极的电路图形12上。半导体装置可以作为IPM(Intelligent Power Module)而构成。IPM是在IGBT功率模块1的内部组装有IGBT13的驱动电路。驱动电路在从外部的控制电路基板接收控制信号后将驱动信号输出给IGBT13的栅极。IPM是在IGBT13和弹簧端子8之间连接有驱动电路。即，驱动电路的一端与焊接有弹簧端子8的电路图形连接。并且，盒2内的主电极25的上部端面位于与基板拧紧用的螺丝孔9相同的高度。

在盖板7上，在配置弹簧端子8的位置上通过树脂一体形成收容部16。弹簧端子8如后述所示具有外径大小不同的线卷部。盖7的端子收容部16的端子导出口16a以比弹簧端子8的大径的线卷部外径更小的直径形成。因而，弹簧端子8在端子收容部16上以从外部控制电路基板26的基板接触面17只突出弹簧挠曲容许限度A的部分的状态下，不向盒2的外部脱离地被保持。

在盒2的内部规定位置上分别形成多个基板拧紧用的螺丝孔9和定位用的插针10，在通过这些定位用的插针10对外部控制电路基板26定位之后，在螺丝孔9上以基板接触面17作为基准，在IGBT功率模块1上拧紧。这时，弹簧端子8的线卷部通过控制电路基板26压缩到弹簧设置长B为止，在这里，弹簧端子8的挠曲容许限度A的长度通过在盒2上设置的基板拧紧用的螺丝孔9的高度，即，由基板接触面17的位置规定，据此，在基板拧紧后，借助弹簧端子8避免从控制电路基板26向盒内基板12的过剩的推压，可以确保合适的接触状态。

弹簧端子8，如图6所示，具有：由第1线卷20a和第2卷线部20b构成的卷线部20，该第1线卷具有图的上端被向外部的控制电路基板26直接加压接触的接触端子面19，该第2卷线部与第1线卷20a的另一端一体在同一轴线方向形成，比第1卷线部20a的外径更大；还具有与该卷线部20的下端一体形成，与卷线部20在同一轴线方向延伸的直线部21以及与该直线部21的下端部一体形成，在盒内基板的电极上焊接的焊接部22。

弹簧端子8的第1卷线部20a被端子收容部16的端子导出口16a收容，第2卷线部20b被在盖7上形成的开口部7a收容。端子导出口16a和开口部7a在同一轴线上形成，由于开口部7a的直径比端子导出口16a更大，所以在其连接面上形成台阶状落差16b。因而，在外部的控制电路基板26与IGBT功率模块1的盒2拧接时，弹簧端子8的线卷部20挠曲。据此，弹簧端子8的接触端子面19通过合适的弹性力在外部控制电路基板26侧配置的电路上加压接触，可确保其导通性。

与弹簧端子8的接触端子面19的相反侧，通过用于确保盒内基板12导通的直线形状的直线部21构成。该直线部21也如实施方式1所说明地具有直到盒内基板12的距离的长度，在盒内基板12的电极上通过焊接部22接合。

在这里，由于外部的控制电路基板26通常由用户方准备，所以弹簧端子8的线卷部20只以弹簧挠曲容许限度A的部分向盖7的外侧突出的状态下处理。因此，在现有技术的IGBT功率模块1上，在其操纵时，或者在控制电路基板26安装作业时，由于弹簧端子8的接触端子面19拉伸产生应力，所以担心该焊接部22和盒内基板12之间的固定接合状态产生不合适的情况。

在实施方式2中，在盖7与在那里形成的端子收容部16之间的接合面形成台阶落差16b，通过第2卷线部20b，使弹簧端子8与盒2的外部不脱离。因此，即使在弹簧端子8的接触端子面19被拉伸的情况下，也具有不影响与盒内基板12固定状态的效果。通过焊料或导电粘合剂接合在所述基板的电路图形上，并被焊料或导电粘合剂所覆盖的弹簧端子8的直线部21的端部具有L字形、圆弧形等除直线形以外的形状。

在焊接连接弹簧端子8和盒内基板12的情况下，二百几十℃的加热是必要的，通过使弹簧端子8经受热考验，有时形成退火的状态。另一方面，如果使用热固化型的导电性粘接剂，则用于固化的加热温度可以为一百几十℃。因而，由于热固化型的导电性粘接剂是不要高温加热处理，在不用担心丧失弹簧端子8原来的弹性这一点是有利的。

图7是示出通过框架对图6的控制端子定位的状态的详细图。

框架15与实施方式1同样地，整体例如形成网格状，具有多个开口部。这些开口部使框架15设置在盒内的状态下，使烙铁或热气体接近在弹簧端子8和盒内基板12上搭载的驱动电路的控制信号用电极的焊接部成为可能。在该框架15的锥形的弹簧端子受压部23上抵接弹簧端子8的第2线卷部20b的下端部，在盒2上拧接外部的控制电路基盘26时成为线卷部20挠曲的基准。

因此，通过将弹簧端子受压部23做成锥状可以消除对于由上述热循环产生的向焊接部22的应力。

Claims

1、一种半导体装置，其在一只盒内具有功率半导体部；以及收容从所述驱动电路向盒外侧导出的控制信号用的控制端子并对其定位的框架，将所述控制端子作为弹簧端子，其特征为，

所述弹簧端子具有：一端与外部的控制电路基板加压接触的线卷部；与所述线卷部的另一端一体形成并与所述线卷部向同一轴线方向延伸的直线部；以及在与所述直线部的所述线卷部连接侧的相反侧的端部上与所述直线部一体形成，与所述盒内的基板电极接合的接合部，

所述框架在设置于所述盒内的状态下，形成可以向所述弹簧端子的所述接合部接近的开口部和端子收容部，通过所述端子收容部保持所述线卷部。

2、根据权利要求1所述的半导体装置，其特征为，所述弹簧端子的接合部通过焊料或导电性粘接剂与所述盒内的基板电极接合。

3、根据权利要求2所述的半导体装置，其特征为，所述框架的所述端子收容部具备在所述盒与所述外部的控制电路基板紧固时成为所述线卷部挠曲基准的弹簧端子受压部，只通过所述弹簧端子受压部支持所述弹簧端子的所述线卷部的挠曲应力。

4、根据权利要求3所述的半导体装置，其特征为，所述弹簧端子受压部形成为锥形。

5、一种半导体装置，其在一只盒内具有功率半导体部；以及形成端子收容部的盖，所述端子收容部用于收容从所述驱动电路向盒外侧导出的控制信号用的控制端子，将所述控制端子作为弹簧端子，其特征为，

所述弹簧端子的所述线卷部由一端与外部的控制电路基板加压接触的小直径的第1线卷部，和与所述第1线卷部的另一端一体地在同一轴线方向形成，且外径比所述第1线卷部的外径大的第2线卷部构成，通过以比所述第2线卷部的外径小的径形成所述端子收容部的端子导出口，使所述弹簧端子不脱离所述弹簧端子收容部地被保持。

6、根据权利要求5所述的半导体装置，其特征为，所述弹簧端子的接合部通过焊料或导电性粘接剂与所述盒内的基板电极接合，在被所述焊料或导电性粘接剂覆盖的部位形成异形部。

7、根据权利要求6所述的半导体装置，其特征为，在所述盒内具有收容从所述驱动电路向所述盒的外侧导出的控制信号用的控制端子并进行其定位的框架，在所述框架上，在所述盒内设置的状态下，形成可接近所述弹簧端子的所述焊接部的开口部。

8、根据权利要求7所述的半导体装置，其特征为，所述框架的所述端子收容部具有在紧固所述盒和所述外部的控制电路基板时成为所述线卷部的挠曲基准的弹簧端子受压部，只通过所述弹簧端子受压部支持所述弹簧端子的所述线卷部的挠曲应力。

9、根据权利要求8所述的半导体装置，其特征为，所述弹簧端子受压部形成为锥形。