JP2004134569A

JP2004134569A - 電力用半導体装置

Info

Publication number: JP2004134569A
Application number: JP2002297407A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Ogawa; 小川　健
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-10-10
Filing date: 2002-10-10
Publication date: 2004-04-30
Anticipated expiration: 2022-10-10
Also published as: US6774468B2; JP3864130B2; DE10341560A1; DE10341560B4; US20040070066A1

Abstract

【課題】ボルト締め付け時に樹脂ケースの割れを防止し、ケースの小型化を実現した電力用半導体装置を提供する。
【解決手段】主回路端子の外部配線接続端部側４の裏面に隣接配置される多角形ナット５を樹脂ケース１に形成されたナット挿入孔６に挿入し、ナット挿入孔６の内周面６ａは多角形ナット５の外周面５ａと隣接対向して多角形ナット５を係止し、ナット挿入孔６の内周部において、多角形ナットの角部５ｂと対向する位置に、丸み形状の切り欠き凹部６ｂを形成した。
【選択図】　　　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電力用半導体装置に関し、特に、樹脂ケースの薄肉部分において外部電極を接続するためのナットを埋め込む際の樹脂ケースの成形形状を改善した電力用半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）等の電力用半導体装置（以後「半導体パワーモジュール」とも呼ぶ）は、半導体を利用して直流入力を任意の周波数の交流に変換して出力するもので、モータ制御や各種用途に応じたインバータ、あるいは無停電電源（ＵＰＳ）などに使用されている。通常、半導体パワーモジュールは四辺形に形成され、各種機能部品が四辺形の冷却用金属ベース上に設けられ、外部を樹脂ケースで囲っている。
【０００３】
冷却用金属ベースに絶縁基板が固着され、その表面に回路パターンが固着されている。回路パターンには複数の半導体チップが実装されており、各半導体チップの端子が電極板に接続され、回路パターンが更に別の電極板に接続されている。これらの各電極板は、相互に絶縁されて樹脂ケースの外部に延び、それぞれ外部接続用主回路端子を形成する。樹脂ケースの内部はシリコンゲルなどが充填され、半導体チップとその他の部品を保護している。
【０００４】
このように、金属ベース板（放熱板）上には絶縁層または絶縁メタライズ基板が設けられ、その上に半導体チップを半田付けして、樹脂葢を有する樹脂ケースが接着剤や取付けねじで金属ベース板に固定されている。他の半導体装置と接続する電極部は、主回路端子の外部配線接続端部として構成されている。
【０００５】
上記従来の半導体パワーモジュールでは、外部配線接続用の電極部は、電極下部に位置するボルト受けナットとして六角ナットが樹脂ケースに挿入・固定されている。即ち、六角ナットは、主回路端子の外部配線接続端部側の裏面に、樹脂ケースの薄肉部に形成された六角ナット挿入孔に挿入・固定されて互いに隣接配置される。樹脂ケースを樹脂成形するときに、これら六角ナットの形状に合わせて六角ナット挿入孔を形成して六角ナットを挿入し、上部電極を折り曲げて他の半導体装置とボルト等で締め付けることにより接続している。
【０００６】
一方、従来の半導体パワーモジュールの樹脂ケースの締付けにおいて、応力集中による割れを防止する構造として、ねじ部にＳ字型の金属円筒を挿入する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
また、樹脂ケースの角部の切り欠き部に丸みを持たせた構造により、クラックを防止する構成が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
また、ねじ類により締結される樹脂部材にスリット形状の溝を形成し、部分的な弾性作用を利用して破壊を防止することが開示されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平９−１２９８２３号公報（段落０００７〜０００８、図１）
【特許文献２】
特開平７−０６６３１０号公報（段落００１７、００１９、図２）
【特許文献３】
２０００−０７４０１６号公報（段落００１７〜００２８、図１〜図３）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の半導体パワーモジュールでは、外形寸法の互換性等の問題から、締付けボルトを受ける六角ナットが挿入・固定される樹脂ケース部の厚みを薄くする必要がある。この樹脂ケース薄肉部の六角ナットにボルトで他の半導体装置と締め付け接続したときに、樹脂ケースに挿入されている六角ナットと樹脂ケースとの間において、六角ナットの角部に応力が集中し、樹脂ケース薄肉部は締め付け時の応力に耐えられないために、樹脂ケース薄肉部にクラックが発生するといった問題があった。
【０００９】
このような角部から樹脂ケースが割れることを防止するために、従来の構成では樹脂ケースの肉厚を厚くすることが必要であり、結果的にケースが大きくなってしまうといった問題があった。また、雄ネジとナットとの緩み止めのために、バネ座金等の部材が必要であり、部品点数が多くなり、分解・組立て作業が多くなるといった課題があった。
【００１０】
一方、特許文献１に開示の構成は、ねじ締めの力をＳ字型金属円筒で支えることにより、樹脂ケースに発生するひび割れを防止する技術であるが、Ｓ字型金属円筒は通常の多角形ナットより複雑な加工工程で製作することが必要となり、樹脂ケース内に埋め込み成形固定する工程もナット挿入のように簡単ではなく、樹脂ケースから突出した部分を設けているため、組立後の全体としての厚みも大きくなってしまう。
【００１１】
また、特許文献２に開示の構成は、樹脂ケースの開口端面の角部に面取り部を形成し、挿入した電極端子を折り曲げるときに、角部に応力の集中が発生しないようにする技術であり、多角形ナットの締付け応力がナットの角部に集中してクラックが発生することを防止することは開示していない。
【００１２】
また、特許文献３に開示の構成は、ベースに形成された下孔に放射状に延びるスリットを備えたもので、樹脂薄膜部材のナット挿入穴のナット角部対応箇所を改善することは開示していない。
【００１３】
本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたもので、六角ナットの角部から樹脂ケースにひび割れが発生することを防止するとともに、前記樹脂ケースの肉厚をことさら厚くする必要がなく、樹脂ケースの小型化を図ることができる電力用半導体装置を提供することを目的とする。
【００１４】
また、本発明は、簡単な構成で雄ネジとナットとの緩み止めを行い、バネ座金の必要がなく、部品点数を少なくでき、分解・組立て上極めて至便で、生産性に優れた電力用半導体装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る電力用半導体装置は、主回路端子の外部配線接続端部側の裏面に隣接配置される多角形ナットを樹脂ケースに形成されたナット挿入孔に挿入し、ナット挿入孔の内周面は前記多角形ナットの外周面と隣接対向して前記多角形ナットを係止する構成において、ナット挿入孔の内周部は、多角形ナットの角部と対向する位置に丸み形状の切り欠き凹部を有することを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。本発明の実施の形態では、半導体装置としてハイパワー６パックトレンチモジュールの組立構成を例示しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の種々の半導体装置を用いた場合にも適用可能である。なお、各図において共通する要素には同一の符号を付し、重複する説明については省略している。
【００１７】
（実施の形態１）
図１（ａ）は本発明の実施の形態１に係る半導体パワーモジュールの平面図、図１（ｂ）はその側面図である。図示の半導体パワーモジュールにおいて、ヒートシンクとして機能する金属ベース板（放熱板）上に絶縁層または絶縁メタライズ基板を設け、その上に半導体チップを半田付けして、樹脂葢を有する外装用の樹脂ケース１が取付けねじ３で金属ベース板に固定されている。他の半導体装置と接続する電極接続端子部４は、主回路端子の外部配線接続端部として構成されている。半導体パワーモジュールは四辺形に形成され、以下に記す各種機能部品が四辺形の冷却用金属ベース上に搭載され、外部を樹脂ケース１で囲っている。
【００１８】
即ち、図１（ａ）において、冷却用金属ベース１１に絶縁基板が固着され、その表面に回路パターンが固着されている。この回路パターンには複数の半導体チップが実装されており、各半導体チップの各端子が各電極接続端子板４にそれぞれ接続され、さらに回路パターンが別の電極接続端子板に接続されている。これらの各電極接続端子板４は、相互に絶縁されて樹脂ケース１の外方向に延在し、それぞれ外部接続用主回路端子を形成する。樹脂ケース１の内部はシリコンゲルなどの充填材が充填され、半導体チップ等の部品を保護している。半導体パワーモジュールの四辺形の一辺の縁部には、各種制御端子（不図示）が配列されている。
【００１９】
図２はこの電極接続端子部４の要部拡大図であり、電極下部に位置するボルト受けナットとして六角ナット５が樹脂ケース１に挿入・固定されている状態を示す。即ち、六角ナット５は、互いに隣接配置された主回路端子の外部配線接続端部側の裏面で、樹脂ケース１の薄肉部１ａに形成された六角ナット挿入孔６に挿入・固定される。樹脂ケース１を樹脂成形するときに、これら六角ナット５の形状に合わせて六角ナット挿入孔６を形成して六角ナット５を挿入し、他の半導体装置とボルト等で締め付けることにより接続している。
【００２０】
さらに、本実施の形態では、他の半導体装置と接続するための取り付け電極下部において、六角ナット５の外周部は樹脂ケース薄肉部１ａに設けた六角ナット挿入孔６の内周面６ａと部分的に接触させて装着する構成としている。このように、六角ナット挿入孔６の内周面６ａは隣接対向する六角ナット５の外周面５ａと部分接触することにより六角ナット５の周り止めを行う。
【００２１】
ここで、樹脂ケース薄肉部１ａにおいて、六角ナット５を埋め込む際に樹脂ケースの成形を六角ナットの外周の角部５ｂが樹脂ケース部材と非接触となるように六角ナット挿入孔６を形成することを特徴としている。
【００２２】
具体的には、六角ナットの角部５ｂと樹脂ケース部材１とが非接触となる構造として、図２に示すように、樹脂ケース薄肉部１ａにおいて、六角ナット５を六角ナット挿入孔６内に埋め込む際に、六角ナット挿入孔６の形状を六角ナット５の角部５ｂと六角ナット挿入孔６の内周部とが非接触となるように、六角ナット挿入孔６の内周部において、装着された六角ナットの角部５ｂに対向する６個所の位置に、丸み形状の切欠き凹部６ｂを形成している。これにより、ボルト締め付け時に六角ナットの角部５ｂが樹脂ケースと接触しない構造となり、応力が六角ナットの角部に集中することを防止している。
【００２３】
これに対して図３は、六角ナットの角部に対向する位置に丸み形状の切欠き部が形成されていない構成を比較例として示すものである。図３に示す比較例では、六角ナット挿入孔の内周部において、上述のような六角ナットの角部５ｂに対向する位置に丸み形状の切欠き部が形成されていないため、樹脂ケース薄肉部において、六角ナットを六角ナット挿入孔内に埋め込む際に、六角ナットの角部と六角ナット挿入孔の内周部とが接触し、締付けボルト７の締め付け時に六角ナットの角部に対応する箇所４０に応力が集中し、樹脂ケース薄肉部の角部にクラック４１が発生することがあった。
【００２４】
本実施の形態では、六角ナットの角部と非接触とするように挿入孔内周部構造を改善することにより、このような従来の課題を効果的に解決している。即ち、ナット挿入孔６の内周部には、互いに隣り合う内周面６ａ間に位置し、前記ナット角部５ｂと対向する位置に切り欠き凹部６ｂを設け、非接触構造を採用することによりボルト締め付け時に樹脂ケース薄肉部１ａに発生する応力ひずみの緩和を図り、樹脂ケースのひび割れを防止した構成としている。
【００２５】
なお、本実施の形態では、ボルト受けナットとして六角ナットを使用したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ナットの形状として任意の多角形ナットを使用することができる。
【００２６】
上述のように、本実施の形態による半導体パワーモジュールでは、ナット挿入孔の内周面間に、多角形ナットの外周角部に対応した角部を無くして丸み形状の切欠き凹部を設けたので、ナットに加わる締め付けトルクで、前記ナット挿入孔の内周面間の角部へ応力が集中して前記角部から前記樹脂ケースが割れるといった従来の不具合を防止するとともに、前記樹脂ケースの肉厚をことさら厚くする必要がなく、結果的に樹脂ケースの小型化を図ることができる。
【００２７】
図４は本実施の形態の変形例を示し、上述のナット角部５ｂと対向する位置に形成された丸み形状の切り欠き凹部６ｂにゴム材等の弾性部材９を充填して樹脂ケース薄肉部１ａを補強し、この弾性を利用して六角ナットに加わる締め付けトルクを吸収する機能を持たせてもよい。これにより、ボルト締め付け時に樹脂ケース薄肉部１ａに発生する応力ひずみをさらに緩和することができ、樹脂ケースのひび割れをより効果的に防止できる。
【００２８】
（実施の形態２）
図５は本発明の実施の形態２に係る電極接続端子部４の要部拡大図である。図５に示す本実施の形態２は、図２に示す実施の形態１の変形例であり、電極接続端子部４において、電極下部の六角ナット５が樹脂ケース薄肉部１ａに挿入・固定された状態を示している。
【００２９】
図５に示すように、樹脂ケース１内に挿入された六角ナットの外周面５ａと接触する六角ナット挿入孔６の内周面６ａにおいて、複数個のスロット溝６ｃを放射状に形成し、部分的に弾性効果をもつトルク緩衝部８として、締め付けトルクを吸収する凸部８を樹脂ケースの六角ナット挿入孔６の内周部の所定箇所に突出形成した。即ち、スロット溝６ｃは、六角ナット角部５ｂと対向する位置に形成された各切り欠き部６ｂの近傍両側の対称位置に形成され、トルク緩衝部８は、各切り欠き凹部６ｂとその両側のスロット溝６ｃとの間に挟まれた部位に位置し、樹脂ケース部材の六角ナット挿入孔６内方向に突起する突起部（凸部）として形成されたことを特徴としている。
【００３０】
このように、六角ナット５に雄ネジ７を螺合して六角ナット挿入孔６の内周面６ａと六角ナット５の対向する外周面５ａとが接触した時に、締め付けトルク緩衝部８は、六角ナット５の外周面５ａの対向部に圧接付勢されて撓むように構成されている。この撓みによる弾性効果を利用して六角ナットに加わる締め付けトルクを吸収することができる。
【００３１】
本実施の形態によれば、締め付け時に、トルク緩衝部が撓みによる弾性により締め付けトルクを吸収し、雄ネジとナットとの緩み止めの作用をするので、ことさらバネ座金の必要がなく、部品点数が少なく、分解・組立て上極めて至便で、生産性に優れた分解・組立を行うことができる効果がある。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ナット挿入孔の内周面間に、多角形ナットの外周角部に対応した角部が無いので、ナットに加わる締め付けトルクで、前記ナット挿入孔の内周面間の角部へ応力が集中して前記角部から前記樹脂ケースが割れるといった従来の不具合を防止するとともに、前記樹脂ケースの肉厚をことさら厚くする必要がなく、樹脂ケースの小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半導体パワーモジュールの概略構成を示し、（ａ）はその平面図、（ｂ）はその側面図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る半導体パワーモジュールの接続端子部の要部拡大図である。
【図３】角部対向位置に丸み形状の切欠き部が形成されていない比較例の接続端子部の要部拡大図である。
【図４】本発明の実施の形態の１変形例に係る半導体パワーモジュールの接続端子部の要部拡大図である。
【図５】本発明の実施の形態２に係る半導体パワーモジュールの接続端子部の要部拡大図である。
【符号の説明】
１　樹脂ケース、　　１ａ　樹脂ケース薄肉部、　　３　取付けねじ、　　４　電極接続端子部、　　５　六角ナット、　　５ａ　六角ナット外周面、　　５ｂ　六角ナット角部、　　６　ナット挿入孔、　　６ａ　ナット挿入孔の内周面、　　６ｂ　切欠き凹部、　　６ｃ　スロット溝、　　７　締付けボルト、　８　トルク緩衝部、　　９　充填弾性部材、　　１１　金属ベース。

Claims

主回路端子の外部配線接続端部側の裏面に隣接配置される多角形ナットを樹脂ケースに形成されたナット挿入孔に挿入し、前記ナット挿入孔の内周面は前記多角形ナットの外周面と隣接対向して前記多角形ナットを係止する電力用半導体装置において、
前記ナット挿入孔の内周部は、前記多角形ナットの角部と対向する位置に丸み形状の切り欠き凹部を有することを特徴とする電力用半導体装置。
前記ナット挿入孔の内周面において、前記各切り欠き凹部の近傍両側にスロット溝が放射状に形成され、前記各切り欠き凹部とその両側の前記スロット溝との間に挟まれた部位に、締付けトルクを吸収する突起状のトルク緩衝部を前記樹脂ケースの一部として一体的に形成したことを特徴とする請求項１記載の電力用半導体装置。
前記多角形ナットの角部と対向する位置に形成された前記丸み形状の切り欠き凹部にゴム材の弾性部材を充填したことを特徴とする請求項１または２記載の電力用半導体装置。