JP2005064398A - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＩＧＢＴやＧＴＯ等のパワーモジュールやその他の半導体装置において、バスバーと筐体とを一体成形した時に複数のバスバーの端部（基板と圧接される部位）の高さがばらついていると、接合ツールにより基板に圧接する時に筐体からの突出基部においてバスバーが大きく塑性変形して破損の原因となる場合がある。あるいは、大きな歪み量で弾性変形した状態となり、圧接強度の低下、圧接箇所の信頼性の低下（圧接が確実に行われない、あるいは熱サイクルによる負荷を受けた場合に圧接箇所が外れてしまう）といった問題が生じる場合がある。
【解決手段】半導体装置の筐体１１とバスバー１３との当接部位に緩衝材１４を介装し、バスバーの端部１３Ｃを接合ツール１５で基板１２に圧接する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ（またはＩｎｅｒｔｅｄ） Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＧＴＯサイリスタ（Ｇａｔｅ Ｔｕｒｎ Ｏｆｆ Ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）等のパワー半導体装置やその他の半導体装置、およびその製造方法に関する。

従来、ＩＧＢＴやＧＴＯサイリスタ等のパワー半導体装置（パワーモジュール）において、基板上のチップと電極との間をワイヤーボンディング等で接合する技術は公知となっている。例えば、特許文献１に記載の如くである。
また、ＩＧＢＴやＧＴＯサイリスタ等のパワーモジュールやその他の半導体装置において、バスバー（電極板）とハウジング（筐体）とを一体成形（インサート成形）し、バスバーを基板に圧接しながら接合（超音波接合、熱圧着、冷間圧接等）する技術も公知となっている。
このような半導体装置は、樹脂製のハウジングにバスバーの一部がインサートされた状態となるようにハウジングとバスバーとを一体成形し、次にハウジングから突出したバスバーの端部を接合ツールにより基板に圧接している。

特開平６−３０２６３９号公報

上記の如き半導体装置においては、バスバーとハウジングとが一体成形された時に複数のバスバーの端部（バスバーの基板と圧接される部位）の高さが揃っており、バスバーの端部と基板の高さが圧接前から略一致していることが好ましい。
しかし、ハウジングとバスバーとを一体成形する際、及び基板をハウジングにセットする際の寸法精度には限界がある。そのため、複数の圧接箇所を有するバスバーや複数個のバスバーを用いる場合には、実際にはバスバーの端部の高さにばらつきが生じている。
このような高さにばらつきのあるバスバーを接合ツールにより基板に圧接すると、ハウジングからの突出基部においてバスバーが大きく塑性変形する場合がある。特に、超音波接合による圧接の場合、１００〜１０００Ｎの荷重でバスバーを基板の接合面に押し付けるので、バスバーの破損の原因となる場合がある。
また、高さにばらつきのあるバスバーを接合ツールにより基板に圧接すると、大きな歪み量で弾性変形した状態となり、接合部に大きな応力がかかって、圧接強度の低下、圧接箇所の信頼性の低下（圧接が確実に行われない、あるいは熱サイクルによる負荷を受けた場合に圧接箇所が外れてしまう）といった問題が生じる場合がある。

特に、ＨＶ（Ｈｙｂｒｉｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ）のモータ用インバータモジュール等に用いられるＩＧＢＴモジュールのようにバスバー（電極板）に大電流が流れるものの場合、発熱量および熱サイクルによる負荷が通常のＩＧＢＴモジュールと比較して大きいので、バスバーの板厚を大きくするとともに、放熱性に優れるがガラスエポキシ基板に比べて破損しやすいセラミックス基板（ＤＢＡ基板等）を用いている。
従って、バスバーの弾性変形時の弾性定数が大きく、バスバーが弾性変形したまま基板に圧接されることによる基板への負荷が大きい。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、バスバーと筐体とを一体成形し、筐体から延出したバスバーの端部を基板に接合する半導体装置において、筐体とバスバーとの当接部位に緩衝材を介装したものである。

請求項２においては、バスバーと筐体とを一体成形した半導体装置において、
バスバーを、筐体内に埋設される基部と、基部から筐体外部へ延出し、基板への接合時にバスバーの変形を吸収する撓み部と、撓み部の先端に配置され基板に接合される端部とで構成し、前記撓み部を筐体側壁の一面から延出させるとともに途中で屈曲して、前記端部を筐体側壁の他面側に配置するものである。

請求項３においては、バスバーと筐体とを一体成形した半導体装置の製造方法において、
バスバーと筐体とを、両者の当接部位に介装した緩衝材と共に一体成形し、筐体から延出したバスバーの端部を基板に圧接しながら接合するものである。

請求項４においては、バスバーと筐体とを一体成形した半導体装置の製造方法において、バスバーを、筐体内に埋設される基部と、基部から筐体外部へ延出し、基板への接合時にバスバーの変形を吸収する撓み部と、撓み部の先端に配置され基板に接合される端部とで構成し、筐体側壁の一面から延出するバスバーの撓み部を屈曲して、端部を筐体側壁の他面側に配置し、該端部を基板に圧接しながら接合するものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

請求項１においては、筐体とバスバーとを一体成形したときの寸法精度が良くない状態でバスバーを基板に圧接したときのバスバーの歪みを小さくすることが可能である。従って、バスバーと基板との圧接強度を十分に確保し、圧接箇所の信頼性を向上させることが可能である。
また、筐体とバスバーとを一体成形する際の寸法精度そのものを向上させるための作業等を省略することができ、かつ製造工程における半導体装置の製造歩留まりが向上するので、生産性の向上および製造コストの削減を可能とする。

請求項２においては、筐体とバスバーとを一体成形したときの寸法精度が良くない状態でバスバーを基板に圧接したときのバスバーの歪みを小さくすることが可能である。従って、バスバーと基板との圧接強度を十分に確保し、圧接箇所の信頼性を向上させることが可能である。
また、筐体とバスバーとを一体成形する際の寸法精度そのものを向上させるための作業等を省略することができ、かつ製造工程における半導体装置の製造歩留まりが向上するので、生産性の向上および製造コストの削減を可能とする。

請求項３においては、筐体とバスバーとを一体成形したときの寸法精度が良くない状態でバスバーを基板に圧接したときのバスバーの歪みを小さくすることが可能である。従って、バスバーと基板との圧接強度を十分に確保し、圧接箇所の信頼性を向上させることが可能である。
また、筐体とバスバーとを一体成形する際の寸法精度そのものを向上させるための作業等を省略することができ、かつ製造工程における半導体装置の製造歩留まりが向上するので、生産性の向上および製造コストの削減を可能とする。

請求項４においては、筐体とバスバーとを一体成形したときの寸法精度が良くない状態でバスバーを基板に圧接したときのバスバーの歪みを小さくすることが可能である。従って、バスバーと基板との圧接強度を十分に確保し、圧接箇所の信頼性を向上させることが可能である。
また、筐体とバスバーとを一体成形する際の寸法精度そのものを向上させるための作業等を省略することができ、かつ製造工程における半導体装置の製造歩留まりが向上するので、生産性の向上および製造コストの削減を可能とする。

次に、発明の実施の形態を説明する。
以下では図１から図４に示す本発明の半導体装置の第一実施例について詳細説明する。

図１および図２に示す如く、本発明の半導体装置の第一実施例であるＩＧＢＴモジュール１０（以下「モジュール１０」と略記する）は、産業用半導体スイッチやＨＶのモータ用インバータモジュールとして用いられるものであり、主にハウジング１１、基板１２、バスバー１３・１３・・・、緩衝材１４・１４・・・等で構成される。

ハウジング１１はモジュール１０の筐体を成す部材であり、本実施例の場合には底面と四つの側壁からなる上面が開口した略直方体形状の箱となっている。ハウジング１１はＰＰＳ（Ｐｏｌｙ Ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ Ｓｕｌｐｈｉｄｅ；ポリフェニレンサルファイド）やＰＢＴ（Ｐｏｌｙ Ｂｕｔｈｙｌｅｎｅ Ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌｅｔｅ；ポリブチレンテレフタレート）、あるいはＰＡ（Ｐｏｌｙ Ａｍｉｄｅ；ポリアミド）等の熱可塑性樹脂からなり、射出成形により形成される。
なお、本実施例ではハウジング１１の形状は上面が開口した略直方体形状の箱となっているが、これに限定されず他の形状でも良い。

本実施例における基板１２としては、窒化珪素や窒化アルミニウム等の絶縁セラミックス基板の両面に純アルミニウム回路を接合した高放熱性の絶縁基板であるＤＢＡ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｒａｚｅｄ Ａｌｕｍｉｎｕｍ）基板が用いられる。該ＤＢＡ基板は従来の銅回路接合基板と比較して熱サイクル特性に優れている。基板１２の板面には図示せぬベアチップが実装され、基板１２はハウジング１１の底面に固定される。
なお、基板１２はＤＢＡ基板に限定されず、他の基板（例えばガラスエポキシ基板等）でも良い。

バスバー１３・１３・・・は基板１２（より厳密には、基板１２の板面上の回路パターン）と圧接される電極板であり、その板面がハウジング１１の底面と略平行となる姿勢でハウジング１１にインサートされた（ハウジング１１に埋設された）基部１３ａと、該基部１３ａのハウジング１１の側壁からの突出端より屈曲してハウジング１１の底面に向かって延設された胴体部１３ｂと、該胴体部１３ｂの先端より屈曲して板面がハウジング１１の底面（言い換えれば、基板１２の板面）と略平行となる端部１３ｃからなる側方視で略クランク形状の部材である。
バスバー１３・１３・・・は銅、銅合金、アルミニウム等、電気伝導性が良好な材料を母材とし、その表面はニッケルメッキやスズメッキ等のメッキ処理が施されている。
バスバー１３・１３・・・は一個のハウジング１１に対して複数個インサート成形され、一枚の基板１２に対して複数箇所（通常は５〜５０箇所程度）の圧接箇所を持っている。図１に示す第一実施例の場合、圧接箇所は６箇所である。
ハウジング１１が射出成形される際には、胴体部１３ｂおよび端部１３ｃがハウジング１１の内壁面（ハウジング１１の側壁において基板１２と対向する面）より突出する（言い換えれば、バスバー１３がハウジング１１から延出される）ように基部１３ａの一部がハウジング１１にインサートされ、該ハウジング１１とバスバー１３とが一体成形されている。
なお、バスバー１３・１３・・・の形状は本実施例の如き側面視略クランク形状に限定されず、他の形状でも良い。

緩衝材１４はバスバー１３と同じくハウジング１１にインサートされて一体成形される部材である。緩衝材１４は例えば略直方体に形成され、バスバー１３の基部１３ａとハウジング１１との当接部位に介装される。第一実施例の場合、図２に示す如く緩衝材１４はバスバー１３の基部１３ａの下面に当接している。
緩衝材１４を構成する材料としては、適度な柔軟性（ヤング率で１ｋＰａ〜１００ＭＰａ程度）を有し、かつハウジング１１との一体成形時におけるハウジング１１の母材温度（２００℃程度）に耐え得る（変質して柔軟性を失うことがない）材料が選択される。緩衝材１４を構成する材料の具体例としては、シリコン樹脂、ウレタン樹脂、ゴム、エラストマー等が挙げられる。

図３に示す如く、ハウジング１１、バスバー１３および緩衝材１４を一体成形したときの寸法精度が十分でなく、バスバー１３の端部１３ｃが基板１２から上方に浮いた状態であったとき、接合ツール１５により端部１３ｃを下方に押し下げて基板１２に圧接すると、主にバスバー１３の基部１３ａが弾性変形する。
すなわち、図４に示す如く、バスバー１３の基部１３ａの下面とハウジング１１との間には緩衝材１４が介装されているので、該緩衝材１４がバスバー１３の弾性変形に伴って下方に弾性変形し、基部１３ａは、緩衝材１４との当接部位において端部１３ｃ側から最も離れた変形開始点１６から屈曲点１７（基部１３ａと胴体部１３ｂとの間の屈曲している部位）の間で弾性的に曲げ変形される。

このように、本実施例のモジュール１０においては、バスバー１３と基板１２との位置のずれを弾性変形により吸収する部位（変形開始点１６から屈曲点１７までの部位）が長いので、該部位の曲げ歪みは小さく、大きな弾性エネルギーがバスバー１３に蓄えられたままになることがない。すなわち、圧接箇所への負担が小さい。
また、端部１３ｃと基板１２の板面との成す角度は小さく、圧接強度へ与える影響は図９から図１１に示す従来のモジュール１１０と比較して小さい（圧接強度を十分に確保することが容易である）。

つまり、図９に示す如く、従来の半導体装置であるＩＧＢＴモジュール１１０（以下「モジュール１１０」と略記する）は、主にハウジング１１１、基板１１２、バスバー１１３・１１３・・・等で構成され、各構成部材の機能については図２に示す第一実施例と略同じである。そして、従来の半導体装置であるモジュール１１０が本発明の半導体装置の第一実施例であるモジュール１０と異なる点は、ハウジング１１１とバスバー１１３との当接部位に緩衝材が介装されていないことである。

図１０に示す如く、ハウジング１１１およびバスバー１１３を一体成形したときの寸法精度が十分でなく、バスバー１１３の接合部１１３ｃが基板１１２から上方に浮いた状態であったとき、接合ツール１５により接合部１１３ｃを下方に押し下げて基板１１２に圧接すると、主にバスバー１１３の基部１１３ａが弾性変形（または塑性変形）する。
すなわち、図１１に示す如く、バスバー１１３の基部１１３ａの下面とハウジング１１１との間には緩衝材が介装されていないので、バスバー１１３の基部１１３ａは、変形開始点１１６（バスバー１１３の基部１１３ａがハウジング１１１の側壁から突出している根元の部位）から屈曲点１１７（基部１１３ａと胴体部１１３ｂとの間の屈曲している部位）の間で弾性的に曲げ変形される。

このように、従来のモジュール１１０においては、バスバー１１３と基板１１２との位置のずれを弾性変形により吸収する部位（変形開始点１１６から屈曲点１１７までの部位）が本発明の第一実施例と比較して短いので、該部位の曲げ歪みは大きく、大きな弾性エネルギーがバスバー１１３に蓄えられたままになる（すなわち、圧接箇所への負担が大きい）。あるいは曲げ歪みがバスバー１１３を構成する材料の弾性変形領域よりも大きくなってバスバー１１３が塑性変形したり、破損したりする場合がある。
また、接合部１１３ｃと基板１１２の板面との成す角度は大きく、圧接強度へ与える影響は大きい（圧接強度を十分に確保できない場合がある）。

以上の如く構成することにより、本発明の半導体装置の第一実施例であるモジュール１０は、ハウジング１１とバスバー１３とを一体成形したときの寸法精度が良くない状態でバスバー１３を基板１２に圧接したときのバスバー１３の歪みを（従来のモジュール１１０と比較して）小さくすることが可能である。従って、圧接強度を十分に確保し、圧接箇所の信頼性を向上させることが可能である。
また、ハウジング１１とバスバー１３とを一体成形する際の寸法精度そのものを向上させるための作業等を省略することができ、かつ製造工程における半導体装置の製造歩留まりが向上するので、生産性の向上および製造コストの削減を可能とする。

以下では図５および図６に示す本発明の半導体装置の第二実施例について詳細説明する。

図５および図６に示す如く、本発明の半導体装置の第二実施例であるＩＧＢＴモジュール２０（以下「モジュール２０」と略記する）は、主にハウジング２１、基板２２、バスバー２３・２３・・・、緩衝材２４ａ・２４ａ・・・、緩衝材２４ｂ・２４ｂ・・・等で構成され、各構成部材の機能については図２に示す第一実施例と略同じである。そして、本発明の半導体装置の第二実施例であるモジュール２０が本発明の半導体装置第一実施例であるモジュール１０と異なる点は、ハウジング２１とバスバー２３の下面との当接部位に加えて、ハウジング２１とバスバー２３の上面との当接部位にも緩衝材２４ａが介装されていることである。

以上の如く構成することにより、本発明の半導体装置の第二実施例であるモジュール２０は、ハウジング２１とバスバー２３とを一体成形したときの寸法精度が良くない状態でバスバー２３を基板２２に圧接したときのバスバー２３の歪みを（従来のモジュール１１０と比較して）小さくすることが可能である。
従って、圧接強度を十分に確保し、圧接箇所の信頼性を向上させることが可能である。なお、図６に示す如く、バスバーの上下面の両方においてハウジングとの当接部位に緩衝材を介装させることにより、バスバーが圧接時に上方または下方のいずれに変形する場合でも歪みを小さくすることが可能である。
また、ハウジング２１とバスバー２３とを一体成形する際の寸法精度そのものを向上させるための作業等を省略することができ、かつ製造工程における半導体装置の製造歩留まりが向上するので、生産性の向上および製造コストの削減を可能とする。

以下では図７および図８に示す本発明の半導体装置の第三実施例について詳細説明する。

図７および図８に示す如く、本発明の半導体装置の第二実施例であるＩＧＢＴモジュール３０（以下「モジュール３０」と略記する）は、産業用半導体スイッチやＨＶのモータ用インバータモジュールとして用いられるものであり、主にハウジング３１、基板３２、バスバー３３・３３・・・等で構成され、各構成部材の機能については図２に示す第一実施例と略同じである。そして、本発明の半導体装置の第三実施例であるモジュール３０が従来の半導体装置であるモジュール１１０と異なる点は、バスバー３３の形状およびバスバー３３とハウジング３１との位置関係である。

バスバー３３・３３・・・は基板３２（より厳密には、基板３２の板面上の回路パターン）と圧接される電極板であり、その板面がハウジング３１の底面と略平行となる姿勢でハウジング３１にインサートされた（ハウジング３１に埋設された）基部３３ａと、基部３３ａからハウジング３１の外部に延出され、圧接時のバスバー３３の変形を吸収する撓み部３３ｄと、該撓み部３３ｄから屈曲してハウジング３１の底面に向かって延設された胴体部３３ｂと、該胴体部３３ｂの先端より屈曲して長手方向がハウジング１１の底面（言い換えれば、基板３２の板面）と略平行となる端部３３ｃからなる部材である。
撓み部３３ｄの一端は、基部３３ａにおけるハウジング３１の側壁の外壁面からの突出端から延設されており、側面視で略Ｕ字型に屈曲される。また、撓み部３３ｄの略Ｕ字型に屈曲された部位より以降はハウジング３１の側壁上方に配置され、撓み部３３ｄの他端には胴体部３３ｂが延設される。
ハウジング３１が射出成形される際には、バスバー３３がハウジング３１の外壁面（ハウジング３１の側壁において基板３２と対向する内壁面とは反対側の面）から延出されるように基部３３ａの一部がハウジング３１にインサートされ、該ハウジング３１とバスバー３３とが一体成形される。

本発明の半導体装置の第三実施例であるモジュール３０は本発明の半導体装置の第一実施例の如く緩衝材を用いてはいないが、その代わりにバスバー３３と基板３２との位置のずれを弾性変形により吸収する部位である撓み部３３ｄ（図８に示す変形開始点３６から屈曲点３７の間）をバスバー３３に設けている。
そのため、ハウジング３１およびバスバー３３を一体成形したときの寸法精度が十分でない場合でも、撓み部３３ｄ（変形開始点３６から屈曲点３７の間）の曲げ歪みは小さく、大きな弾性エネルギーがバスバー３３に蓄えられたままになることがない。すなわち、圧接箇所への負担が小さい。
また、端部３３ｃと基板３２の板面との成す角度は小さく、圧接強度へ与える影響は図９から図１１に示す従来のモジュール１１０と比較して小さい（圧接強度を十分に確保することが容易である）。

以上の如く構成することにより、本発明の半導体装置の第三実施例であるモジュール３０は、ハウジング３１とバスバー３３とを一体成形したときの寸法精度が良くない状態でバスバー３３を基板３２に圧接したときのバスバー３３の歪みを（従来のモジュール１１０と比較して）小さくすることが可能である。従って、圧接強度を十分に確保し、圧接箇所の信頼性を向上させることが可能である。
また、ハウジング３１とバスバー３３とを一体成形する際の寸法精度そのものを向上させるための作業等を省略することができ、かつ製造工程における半導体装置の製造歩留まりが向上するので、生産性の向上および製造コストの削減を可能とする。

なお、本実施例においては、バスバー３３はハウジング３１の外壁面（一面）から延出され、内壁面（他面）側に端部が来るように配置されているが、側壁の上端面から上方に突出しても撓み部を長く設定することが可能であり、同様の効果を奏する。
さらに、図１２に示す如く、ハウジング３１においてバスバー３３が配置される位置に凹部３１ａを設け、バスバー３３の基部３３ａを平面視で略Ｔ字型とし、該基部３３ａの左右両端がハウジング３１と一体成形（インサート成形）されるとともに基部３３ａの中央部は露出ハウジング３１から露出する構成とすることにより、バスバー３３の変形による歪みをより小さくすることが可能である。

本発明の半導体装置の第一実施例を示す斜視図。 第一実施例の側面断面図。 第一実施例の基板から浮いた状態のバスバーを示す側面断面図。 第一実施例の基板から浮いたバスバーを圧接した状態を示す側面断面図。 本発明の半導体装置の第二実施例を示す側面断面図。 第二実施例の圧接前から基板に当接した状態のバスバーを示す側面断面図。 本発明の半導体装置の第三実施例を示す側面断面図。 第三実施例の基板から浮いたバスバーを圧接した状態を示す側面断面図。 従来の半導体装置を示す側面断面図。 従来の半導体装置の基板から浮いた状態のバスバーを示す側面断面図。 従来の半導体装置の基板から浮いたバスバーを圧接した状態を示す側面断面図。 本発明の半導体装置の第三実施例においてハウジング形状を変更したものの斜視図。

符号の説明

１０ ＩＧＢＴモジュール（半導体装置）
１１ ハウジング（筐体）
１２ 基板
１３ バスバー
１４ 緩衝材

Claims (4)

1. バスバーと筐体とを一体成形し、筐体から延出したバスバーの端部を基板に接合する半導体装置において、
   筐体とバスバーとの当接部位に緩衝材を介装したことを特徴とする半導体装置。
2. バスバーと筐体とを一体成形した半導体装置において、
   バスバーを、筐体内に埋設される基部と、基部から筐体外部へ延出し、基板への接合時にバスバーの変形を吸収する撓み部と、撓み部の先端に配置され基板に接合される端部とで構成し、
   前記撓み部を筐体側壁の一面から延出させるとともに途中で屈曲して、
   前記端部を筐体側壁の他面側に配置することを特徴とする半導体装置。
3. バスバーと筐体とを一体成形した半導体装置の製造方法において、
   バスバーと筐体とを、両者の当接部位に介装した緩衝材と共に一体成形し、
   筐体から延出したバスバーの端部を基板に圧接しながら接合することを特徴とする半導体装置の製造方法。
4. バスバーと筐体とを一体成形した半導体装置の製造方法において、
   バスバーを、筐体内に埋設される基部と、基部から筐体外部へ延出し、基板への接合時にバスバーの変形を吸収する撓み部と、撓み部の先端に配置され基板に接合される端部とで構成し、
   筐体側壁の一面から延出するバスバーの撓み部を屈曲して、端部を筐体側壁の他面側に配置し、該端部を基板に圧接しながら接合することを特徴とする半導体装置の製造方法。

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