JP2002217362A

JP2002217362A - 半導体装置

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Publication number: JP2002217362A
Application number: JP2001005282A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Amano; 哲也天野
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2001-01-12
Filing date: 2001-01-12
Publication date: 2002-08-02

Abstract

(57)【要約】【課題】配線端子と半導体チップを搭載した絶縁基板
との接続部における熱による応力を緩和して信頼性の高
い半導体装置を得る。【解決手段】半導体チップ１を搭載した絶縁基板２の
配線パターン４と外部入出力端子１０−１との電気的接
続を行うための配線端子１４を、封止容器７内に互いに
離間配置し、且つスライド可能に設けた第１の金属板１
０及び第２の金属板１１と、これらの金属板１０、１１
の対向端部相互を電気的に接続する金属線１２とで構成
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体モジュール
に係り、特に電流容量の大きなパワーモジュールに好適
な半導体装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体チップを絶縁基板に搭載してモジ
ュール化した半導体モジュールは、民生用から産業用に
至るまで広く使用されている。これら半導体モジュール
のうち、半導体チップとしてＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バ
イポーラトランジスタ）等のベアチップを用いたパワー
モジュールが電気機器の制御用途として知られている。
このようなパワーモジュールは、過酷な環境条件下で使
用されることが多く、振動や衝撃などの機械的な負荷だ
けでなく、大電流、高耐圧、高速スイッチングを扱うと
ころから自ら発熱を伴うので、熱的ストレスによってモ
ジュール内部にひずみを生ずることがある。これは内部
回路の結線、並びに、内部回路と外部接続用入出力端子
との接続部分に熱応力となって作用する。したがって、
これらの部分の接合信頼性が、モジュールの信頼性、耐
久性を決定するものとして極めて重要である。

【０００３】そこで、このようなパワーモジュールにお
ける半導体装置の第１の従来例を、例えば特開平７−２
２１２６３号公報に記載された半導体装置と類似した図
７の断面構造に基づいて説明する。図７において、半導
体装置はＩＧＢＴベアチップ等の半導体チップ１や電子
部品がセラミックス等の絶縁基板２上に搭載されるとと
もに、絶縁基板２上に形成された配線パターンとボンデ
ィングワイヤ３で接続されている。配線端子２４は、半
導体チップ１と外部との接続に用いるためのもので、銅
や銅合金の金属板からなり、一方の端部は端子保持板５
に位置決め保持されて、外部入出力端子２４−１を形成
している。一方、他方の端部は絶縁基板２上の配線パタ
ーンの所定位置（基板接合部２４−２）に半田付け等の
方法で接合されている。ここで、配線端子２４には、そ
の一部にＣ字状の屈曲部（以下、Ｃベントと称する）２
４−３が形成してある。これは、主として半導体チップ
１によるモジュール内部の発熱が原因で後述のゲル状樹
脂８が膨張し、それに伴って生ずる端子保持板５の変形
によって外部入出力端子２４−１が上方へ変位すること
により、配線端子２４が引張力を受けて、熱応力が基板
接合部２４−２に及ぶのを緩和するためのものである。

【０００４】このＣベントの介在により、半田接合部で
の剥離や絶縁基板２のクラック発生を未然に防止して、
断線事故等を回避することができた。なお、上記した特
開平７−２２１２６３号公報では、外部入出力端子２４
−１の変位が、モジュールの中央部分では周縁部分に比
べて大きいので、中央部分での配線端子２４に関して
は、そのＣベント２４−３上側部分と下側部分の長さを
変えるなどして撓み可能範囲を拡大し、基板接合部２４
−２にかかる熱応力をさらに効果的に緩和している。

【０００５】そして、上記以外の構成については、絶縁
基板２は放熱板６に半田や接着剤により固着されるとと
もに、放熱板６には樹脂製のケース７が被せられ、その
周縁部が接着、固定されている。さらに、ケース７の内
部には、絶縁基板２に搭載された半導体チップ１や電子
部品相互間の配線を保護すべく、シリコン樹脂等のゲル
状樹脂８が充填され、上部を端子保持板５およびエポキ
シ樹脂等でなる封止部９で封止された構造になってい
る。

【０００６】次に、半導体装置の第２の従来例を図８に
基づいて説明する。この第２の従来例と先の第１の従来
例との大きな相違点は、配線端子２４が絶縁基板２の周
縁部に限定して設けられているか否かである。すなわ
ち、図８において、配線端子２４は樹脂製のケース７の
側壁部にインサート成型され、露出した下端部がボンデ
ィングワイヤ３を介して絶縁基板２上の配線パターンの
所定位置に接続されている。これにより、配線端子と絶
縁基板との接合部に及ぶ熱応力は、大幅に吸収、緩和す
ることができた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前述した第
１の従来例では、モジュール内部の発熱に起因して基板
接合部に及ぶ熱応力を、配線端子に設けたＣベントによ
って低減して、半田接合部での剥離や絶縁基板のクラッ
ク発生等を防止することで、断線事故を回避している。
しかし、モジュールの使用環境や用途によっては、この
ようなＣベント構造では十分に応力緩和できない場合が
ある。例えば、車載用電子機器等の場合では、機械的条
件や温度環境条件が一層厳しくなると同時に、長期信頼
性の点で問題になった。

【０００８】また、複数の配線端子を配置した場合、配
線端子同士の接触を回避するためには、Ｃベントがその
形状ゆえに横方向に張り出しているので、配線端子の配
置密度を緩やかにしなければならない。また、これに対
応する絶縁基板の配線パターンの配置に関しても、自由
度が制約される。このため、モジュール内の平面方向に
広い空間を必要とし、モジュールの小形化にとって不利
となる。

【０００９】第２の従来例では、配線端子をケースにイ
ンサート成形しているので、ケース自体を大きくしてモ
ジュールの大型化を招く。また、配線端子をケース側壁
部に設けているため、例えば、端子位置をモジュール中
央に設定することができず、レイアウト上の制約とな
る。さらに、配線端子は下端部を有してＬ字形状に形成
されるため、基板面から鉛直に設けられる場合に比較
し、配線端子の長さが増大して抵抗値を増加させること
となり、発熱性及び応答速度に悪影響を及ぼし、更にイ
ンダクタンスの増大を招く。

【００１０】本発明は上記事情に鑑みなされたもので、
半田接合部及びケース等の樹脂との接合部に生じる熱応
力を緩和して信頼性の向上が図れる半導体装置を提供す
ることを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明に係る請求項１記載の半導体装置は、容器内に
封止され、半導体チップを搭載した絶縁基板の配線パタ
ーンと外部入出力端子とを電気接続する配線端子を備え
た半導体装置において、前記配線端子は、互いに対向し
て離間配置した第１の金属板及び第２の金属板と、前記
第１の金属板及び第２の金属板の対向端部を相互に電気
接続する金属線とからなり、前記第１の金属板の他端部
は封止容器外部に延伸されて前記外部入出力端子を形成
するとともに、前記第２の金属板の他端部は前記絶縁基
板の配線パターンと電気接続されることを特徴とする。

【００１２】そして、第１の金属板及び第２の金属板の
対向端部が熱応力に応じて伸縮可能に弛ませた金属線で
接続されているので、配線端子と絶縁基板の所定配線パ
ターンとの接続部分に負荷される、熱応力を緩和するこ
とができる。

【００１３】また、本発明に係る請求項１記載の半導体
装置は、上記請求項２記載の半導体装置において、少な
くとも前記第１の金属板及び前記第２の金属板の対向端
部近傍を同軸上に配置し、且つスライド可能に保持する
位置決め手段を介装したことを特徴とする。

【００１４】そして、少なくとも第１の金属板及び第２
の金属板の対向端部近傍は、位置決め手段によって同軸
上をスライド可能に保持されるので、配線端子の絶縁基
板に対する位置決めが容易になり、また位置決めできる
ことによって配線端子の配置密度を上げることができ
る。また、配線端子の配置を絶縁基板の周縁部に限らな
くてもよくなり、絶縁基板上の配線パターンの自由度が
向上する。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る半導体装置の
好適な実施の形態を図面に基づいて参照に説明する。図
１は本発明に係る半導体装置の第１の実施の形態を示
し、（ａ）は断面構造図、（ｂ）は（ａ）の配線端子の
みの平面図、（ｃ）は配線端子の断面図である。断面構
造を表す図１(ａ)において、絶縁基板２はアルミナセラ
ミックスなどの絶縁材料で作られ、その表面には導体に
よる配線パターン４が形成されている。

【００１６】絶縁基板２の所定位置にはＩＧＢＴベアチ
ップ等の半導体チップ１が搭載され、配線パターン４の
所定位置と金線やアルミニウム線等のボンディングワイ
ヤ３により電気的に接続されている。一方、絶縁基板２
は裏面が、半田等の軟ろう材もしくは接着剤を用いて、
熱伝導の良好なアルミニウム合金、または銅合金からな
る放熱板６に固着されている。

【００１７】配線端子１４は、いずれも電気伝導性およ
び弾性に優れた銅合金、例えばりん青銅や洋白などの薄
板をプレス加工して得られる第１の金属板１０と第２の
金属板１１、さらに第１の金属板１０及び第２の金属板
１１の対向端部相互を電気的に接続するための細径の金
属線１２から構成されている。金属線１２は、第１及び
第２の金属板１０、１１と同様に電気伝導性及び弾性に
優れた、例えばりん青銅、洋白などの銅合金線、アルミ
線などである。

【００１８】配線端子１４について更に詳述すると、図
１(ｂ)及び(ｃ)に示すように、第１の金属板１０はＬ字
状に曲げ加工されると共に、エポキシ樹脂等でなる端子
保持板５にインサート成型され、この端子保持板５に保
持されている。そして、一方の端部は後述するケース
（封止容器）７の外部に延伸されて外部入出力端子１０
−１を形成すると共に、他端部は、ケース７の内部にお
いて、離間配置される第２の金属板１１の一方の端部と
対向する。第２の金属板１１は、第１の金属板１０と同
軸上に設けられると共に、その他端部が絶縁基板２上の
配線パターン４と半田等により電気的に接続されてい
る。そして、これらの第１及び第２の金属板１０、１１
の対向端部相互は、既述したように、金属線１２を弧状
に弛ませた状態で、超音波ボンディングや半田付け、あ
るいは圧着等の接合方法により接続される。

【００１９】上記のように形成された配線端子１４及び
半導体チップ１が搭載された絶縁基板２は、樹脂材料か
らなるケース７に収容される。さらに、ケース７の内部
には半導体チップ１や電子部品及びそれら相互間の配
線、配線端子１４と絶縁基板２との接続部を保護するた
めに、シリコン樹脂等のゲル状樹脂８が充填され、端子
保持板５及びエポキシ樹脂等により上方に開口した樹脂
封止部９が封止される。

【００２０】以上の構成による本発明に係る半導体装置
によれば、厳しい温度環境条件下やモジュール内部の発
熱に起因して、内部充填物であるゲル状樹脂８が膨張ま
たは収縮することに伴って熱応力が生じても、この熱応
力は、第１の金属板１０及び第２の金属板１１の端部相
互間に弧状に張られ、且つ、両者を接続する金属線３が
撓むことによって効果的に緩和されるため、配線端子１
４と絶縁基板２の接続部に及ぶことはない。従って、接
合部分が剥離したり、絶縁基板２にクラックが発生する
のを防止でき、もってパワーモジュールの信頼性を向上
させることができる。

【００２１】また、配線端子１４を第１の金属板１０と
第２の金属板１１及びそれらを接続する金属線１２で形
成したので、従来技術におけるＣベント構造を必要とせ
ず、よって配線端子の配置密度を上げることができて、
小形の半導体装置を得ることが可能になる。さらに、配
線端子１４は、絶縁基板２の周縁部に限定して配置する
必要がなく、自由に配置することができるので、絶縁基
板上の配線パターンの自由度も向上して半導体装置の小
形化を図ることができる。

【００２２】次に、本発明に係る半導体装置の第２の実
施の形態を示す。図２は本発明に係る半導体装置の第２
の実施の形態における配線端子を示し、（ａ）は平面
図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図、（ｃ）は配線端子
に適用される位置決め手段の外観斜視図である。なお、
この実施の形態では、配線端子の第１の金属板及び第２
の金属板のそれぞれの対向端部相互を同軸上に位置規制
すると同時に、スライド可能に保持する位置決め手段
（アタッチメント）を別途介装させたことにある。従っ
て、位置決め手段以外の各構成は、第１の実施の形態と
同一であるので、同一符号を付して説明を省略する。

【００２３】図２(ｃ)において、アタッチメント１３
は、第１の金属板１０及び第２の金属板１１が板厚方向
及び幅方向において僅かな間隙をもって摺動可能である
ような開口を設けた断面形状を有し、図における垂直方
向に貫通する開口部１３−１と、それと直交する方向に
貫通する開口部１３−２とを備える。アタッチメント１
３は機械的強度及び耐熱性に優れた樹脂、たとえばポ
リカーボネート、ポリアミドなどの樹脂成型、または鋼
薄板や銅合金板をプレス加工して作られる。このように
作られたアタッチメント１３は、図２(ａ)及び(ｂ)に示
すように、開口部１３−１に対して第１の金属板１０及
び第２の金属板１１がそれぞれ上下方向から挿通され、
両金属板１０、１１の各対向端部を開口部１３−２内に
位置させて保持する。そして、両金属板１０、１１は、
それぞれの対向端部が金属線１２を弧状に弛ませた状態
で電気的に接続される。これにより、配線端子１４は、
両金属板１０、１１が同軸上に位置決めされると同時
に、軸線方向へスライド可能に保持される。

【００２４】次に、本発明に係る半導体装置の第３の実
施の形態を示す。図３は本発明に係る半導体装置の第３
の実施の形態における配線端子を示し、（ａ）は平面
図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図、（ｃ）は配線端子
の要部拡大斜視図である。なお、この実施の形態では、
配線端子のスライド可能範囲を制限することによって対
向端部が位置決め手段であるアタッチメントから抜け出
さないように改良した点にある。

【００２５】図３(ｃ)に示すように、配線端子１４は、
アタッチメント１３内に配置される第１の金属板１０の
一方の端部に、狭小なスリットを設けて板面から切り起
こし可能なストッパ部１０−２を備える。なお、第２の
金属板１１の対向端部も同様に形成されている。そし
て、これらの金属板１０、１１は、図２と同様な方法
で、アタッチメント１３に挿入される。しかる後、スト
ッパ部１０−２をアタッチメント１３の開口部１３−２
の内縁に合わせて曲げ起こす。これにより、両金属板１
０、１１はアタッチメント１３から抜け出なくなくなる
とともに、各金属板１０、１１のスライド範囲が制限さ
れることになるので、組立に際して配線端子１４の取り
扱いが容易になる。なお、ストッパ部は、上記した部分
的な切り起こし片に限らず、金属板の板面全体を幅方向
にわたって屈曲させた構造とすることもできる。

【００２６】図４は、図２及び図３により説明したアタ
ッチメント１３を用いた配線端子４を、パワーモジュー
ルに適用した半導体装置の断面構造を表す図である。こ
こで図１との相違点は、配線端子４の形態のみなので全
体構造の詳細は省略するが、配線端子１４にアタッチメ
ント１３を用いたことで、端子保持板５に支持される第
１の金属板１０の平面的位置と、第２の金属板１１の下
端部を接続する絶縁基板２の配線パターン４との位置合
わせが容易になる。また、図２、図３で述べたように、
配線端子１４は上下方向にスライド可能であるので、ケ
ース段差部７−１に支持された端子保持板５と絶縁基板
２とを対向させて、第２の金属板１１の下端部を絶縁基
板２の配線パターン４の所定位置へ接続する際に、その
作業性が向上する。従って、配線端子の配置密度を従来
技術に比べて格段に向上させることができ、小形の半導
体装置を得ることが可能になる。

【００２７】次に、本発明に係る半導体装置の第４の実
施の形態を示す。図５は本発明に係る半導体装置の第４
の実施の形態における配線端子を示し、（ａ）は平面
図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図、（ｃ）は配線端子
に適用される位置決め手段の外観斜視図である。この実
施の形態では、複数の配線端子１４を配置する場合に、
配線インダクタンスを低減させる方法について示したも
のである。図５(ａ)、(ｂ)に示すように、配線端子１４
は２組の第１の金属板１０、１０、２組の第２の金属板
１１、１１、金属線１２、１２を、アタッチメント１３
により背中合わせに配置して構成される。

【００２８】アタッチメント１３は、図２(ｃ)示すもの
と同様な方法で作られるが、異なる点は各金属板が摺動
する二つの開口部１３−１、１３−３を備えた点であ
る。これらの開口部１３−１、１３−３のそれぞれに、
２組の第１の金属板１０、１０と２組の第２の金属板１
１、１１とが背中合わせとなるように挿入される。この
ように各金属板を配置することで、配線端子１４、１４
は外部入出力端子１０−１から絶縁基板上の配線パター
ンに至るまで平行状態に維持されるので、電流方向が逆
向きの場合、相互インダクタンスにより配線インダクタ
ンスを小さくすることができる。

【００２９】なお、上記した各実施形態では、第１及び
第２の金属板１０、１１を相互接続するために金属線１
２を用いる構成としたが、金属線１２が細径であること
から配線抵抗が増大し、大電流を流れたときこの部分に
おいて電圧降下を招くことがある。この場合は、図６に
示すように、多数本の金属線を用いて並列回路を形成
し、配線抵抗を減少させことができる。

【００３０】また、金属線に代えて、第１および第２の
金属板１０、１１の径よりさらに小さい板厚の、且つ弾
性及び電気伝導性に優れた金属板、例えば、りん青銅、
洋白などのバネ性銅合金板を用いてもよい。これによ
り、配線インダクタンスを減少させることが可能にな
り、かつ電流の表皮効果対策としても有効であるところ
から、特に高周波、大電流を扱うパワーモジュールに用
いるのに好適である。

【００３１】

【発明の効果】以上述べたように、本発明に係る半導体
装置によれば、配線端子が２つの離間配置した金属板と
それらを接続する弧状に張った金属線とで構成したの
で、過酷な温度環境下において、接続部等へ負荷される
熱応力による配線板の伸縮を金属線の撓みで吸収するこ
とができ、信頼性の高い半導体装置を得ることができ
る。

【００３２】また、配線端子を位置決めした状態で配置
して配置密度を上げることができるので、半導体装置の
小形化に有利である。さらに、配線端子を絶縁基板の周
縁部に限定することなく、配置の自由度が増すととも
に、それに伴って絶縁基板上の配線パターンの自由度も
向上するので、半導体装置の小形化を図ることができ
る。また、配線端子を基板面から鉛直に設けるようにし
て配線端子の長さの短縮化を実現することで、配線端子
による抵抗値の増大を抑えて発熱性及び応答速度に好影
響をもたらすことができる。

【００３３】また、配線端子の一部を構成する２つの金
属板に、アタッチメントを付加することによって相互の
空間的な位置を制限するようにしたので、配線端子と絶
縁基板上の配線パターンとの位置合わせが容易になり、
配線端子の配置密度をさらに向上させることができ、小
形の半導体装置を得ることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る半導体装置の第１の実施の形態を
示し、（ａ）は断面構造図、（ｂ）は（ａ）の配線端子
のみの平面図、（ｃ）は配線端子の断面図である。

【図２】本発明に係る半導体装置の第２の実施の形態に
おける配線端子を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は
（ａ）のＡ−Ａ断面図、（ｃ）は配線端子に適用される
位置決め手段の外観斜視図である。

【図３】本発明に係る半導体装置の第３の実施の形態に
おける配線端子を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は
（ａ）のＡ−Ａ断面図、（ｃ）は配線端子の要部拡大斜
視図である。

【図４】図２及び図３に示すアタッチメントを用いた半
導体装置の断面構造図である。

【図５】本発明に係る半導体装置の第４の実施の形態に
おける配線端子を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は
（ａ）のＡ−Ａ断面図、（ｃ）は配線端子に適用される
位置決め手段の外観斜視図である。

【図６】配線端子の他の例を示す図で（ａ）は平面図、
（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

【図７】従来技術による半導体装置の一例を示す断面図
である。

【図８】従来技術による半導体装置の別の例を示す断面
図である。

【符号の説明】

１半導体チップ２絶縁基板３ボンディングワイヤ４配線パターン５端子保持板６放熱板７ケース（封止容器）１０第１の金属板１０−１外部入出力端子１１第２の金属板１２金属線１３アタッチメント（位置決め手段）１４配線端子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】容器内に封止され、半導体チップを搭載
した絶縁基板の配線パターンと外部入出力端子とを電気
接続する配線端子を備えた半導体装置において、前記配
線端子は、互いに対向して離間配置した第１の金属板及
び第２の金属板と、前記第１の金属板及び第２の金属板
の対向端部を相互に電気接続する金属線とからなり、前記第１の金属板の他端部は封止容器外部に延伸されて
前記外部入出力端子を形成するとともに、前記第２の金
属板の他端部は前記絶縁基板２の配線パターンと電気接
続されることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】少なくとも前記第１の金属板及び前記第
２の金属板の対向端部近傍を同軸上に配置し、且つスラ
イド可能に保持する位置決め手段を介装したことを特徴
とする請求項１記載の半導体装置。