JP2005123328A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 パワーボードとピン端子との接続部分の破損を防止し、その安定した接続状態を維持することができる半導体装置を提供する。
【解決手段】 車載用のＩＧＢＴインテリジェントパワーモジュールは、外囲樹脂ケース１００に設けたＵ、Ｖ、Ｗなどの出力用端子台１〜３と、制御信号用のリード端子５とから構成されている。リード端子５を構成する１０本のピン端子１０〜１９は、いずれもその中間部分に側面視Ｕ字状をなす屈曲部分を備えている。
【選択図】 図１

Description

この発明は、パワーデバイスと、このパワーデバイス用の駆動回路および制御回路とを一つのケース内部に収納した半導体装置に関し、特に、パワーデバイスの制御回路とケース外部のプリント配線板との間で制御信号を授受するための複数のピン端子をケースの所定面から外部に延長形成した半導体装置に関する。

汎用インバータ、無停電電源装置、工作機械、産業用ロボットなどで使用される半導体装置のパワーエレクトロニクス応用装置では各種のパワーデバイスが使用されているが、このパワーデバイスとしては、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）が主流になってきている。また、ＩＧＢＴに加えてその駆動回路や、電流センシング、温度センシングなどトランジスタやダイオードからなる制御回路などを一つのモジュール内に集積して高性能、高機能化したインテリジェントパワーモジュール（ＩＰＭ：Intelligent Power Module）も実用化されている。

このようなパワーモジュールは、複数のＩＧＢＴチップを組み合わせたパワースイッチング回路と、ＩＧＢＴを駆動する主回路と、過電流保護、短絡保護、加熱保護などの機能を備えた制御用集積回路とをケース内に実装して、これらの回路がケースの外に形成された各種端子を介して本体装置などに接続される。

図１５は、たとえば三相モータ駆動用に使われるＩＰＭ（１相分）の一例を示す外観図である。このパワーモジュールは、樹脂成形品で作られた外囲樹脂ケース１００の内部に、ＩＧＢＴなどのパワーデバイスを搭載したモジュール基板と前記パワーデバイスの制御回路が格納され、その外部に、電力用（Ｐ，Ｎ，Ｍ（ＡＣ）など）の端子台１〜３や制御信号伝送用のリード端子４などを備えている。これらのうち制御信号用のリード端子４は、例えばアラーム（製品異常）等の信号を本体装置側のプリント基板に出力するためのものであって、モジュール基板上のＩＧＢＴの駆動回路、保護回路などと接続される複数のピン端子４０〜４９と、これらのピン端子４０〜４９を保持するための絶縁性の端子ブロック５０とから構成されている。この端子ブロック５０は、外囲樹脂ケース１００に対して二重成形、接着、ねじ止めなどの方法によって一体化される。

特許文献１には、樹脂封止型パワー半導体装置における内部平板導電リード構造の発明が記載されている。この特許文献１によれば、従来から内部導電リード端子と外部パッケージ樹脂との熱膨張係数の差で生じる熱的な膨張収縮によるモジュール基板（絶縁基板）への引張りや圧縮応力を緩和するために、内部導電リードの中間にＵ字型ベンド構造を設けて、モジュールの破壊を防いでいた。

また、本体装置のコントローラとＩＰＭの制御用集積回路との接続については、コントローラを載せたパワーボードに端子ブロック５０から出ているピン端子４０〜４９をそれぞれ直接半田付けし、あるいはパワーボードに装着されたコネクタに端子ブロック５０のピン端子４０〜４９の先端を挿入することによって、本体装置への取り付けが行われていた。

このようなパワーモジュールをＩＰＭとして使用する場合には、モータと主回路との接続について各出力用端子台１〜３に出力ラインがねじ止めされることによって本体装置側のプリント基板への取り付けが行われるため、モジュール基板やモジュールの外囲樹脂ケース１００が破壊されないような工夫が必要となる。
特開平９−１２９７９７号公報（段落番号〔０００１〕〜〔０００５〕，第１図など）

上述したパワーモジュールは、本体装置として例えば車載用インバータ装置に適用する場合には、ＩＰＭをインバータ装置の冷却フィンに固定して、ＩＧＢＴでの発熱を逃がすようにしていた。その場合、端子ブロック５０から出ているピン端子４０〜４９をコネクタ接続とすると、車載用インバータ装置からの振動によりピン端子４０〜４９の先端でコネクタの壁面が削られてしまい接触不良を生じさせる虞があることから、一般にピン端子４０〜４９の先端とパワーボードとは直接半田付けされ、本体装置への取り付け処理がなされていた。

ところが、従来のピン端子４０〜４９は端子ブロック５０から直線状に延長形成されていたため、半田付けなど、ろう材による接続処理を行うと、それらの接合部分で本体装置からの振動を受けてパワーボードとの間のろう付け部分に繰返し応力が加わる。そのため、ＩＰＭを長期間継続して使用しているうちにろう付け部分にクラックが入るなどして、本体装置のコントローラとＩＰＭの制御用集積回路とが接続不良となることがあるといった問題があった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、パワーボードとピン端子との接続部分の破損を防止し、その安定した接続状態を維持することができる半導体装置を提供することを目的とする。

本発明では上記問題を解決するために、パワーデバイスと、そのパワーデバイス用の駆動回路および制御回路とを一つのケース内部に収納し、前記制御回路と前記ケース外部のプリント基板との間で制御信号を授受するための複数のピン端子を、前記ケースの所定面から延長形成した半導体装置において、前記各ピン端子の中間部分に、前記プリント基板から前記ピン端子に伝達される応力を吸収するためのクッション部となる屈曲部分を備えたものが提供される。

本発明の半導体装置によれば、ピン端子の屈曲部分によりパワーボードとピン端子との接続部分に生じる応力を緩和することが可能になり、パワーボードとピン端子との接続部分の破損を防止し、その安定した接続状態を維持することができる。

また、ピン端子の延長部分を屈曲部分より先端側でガイドする構成をとれば、ピン端子の位置精度についてのばらつきをなくすことができ、本体装置との間での組立を容易かつ確実に行うことができる。

以下、発明を実施するための最良の形態を、車載用のＩＧＢＴインテリジェントパワーモジュール（ＩＰＭ）に適用した場合を例に図面を参照して詳細に説明する。
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態にかかるＩＰＭを示す外観図である。図１では、図１５と同様に、外囲樹脂ケース１００に設けた電力用（Ｐ，Ｎ，Ｍ（ＡＣ）など）の端子台１〜３と、制御信号用のリード端子５とを示している。そして特に、リード端子５を構成する１０本のピン端子１０〜１９は、いずれもその中間部分に側面視Ｕ字状をなす屈曲部分を備えている。

図２は、リード端子５の形状を図１のＡ−Ａ断面に沿って示す側断面図である。このリード端子５は、ピン端子１０の先端部分が本体装置のパワーボード（プリント基板）２００に半田などによってろう付けされる。このピン端子１０に形成されたＵ字状の屈曲部分１０ａは、パワーボード（プリント基板）２００から伝達される応力を吸収するためのクッション部をなしている。ピン端子１０は、例えば真鍮板を打ち抜き加工したものであって、プレス成形によってＵ字状の屈曲部分１０ａが形成されている。ピン端子１０の屈曲部分１０ａの下部は、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）などの樹脂材料で成形される端子ブロック５０によって保持され、その下端部１０ｂはコ字状に屈曲して外囲樹脂ケース１００内のモジュール基板（図示せず）との接続点となっている。

端子ブロック５０自体は、図２に示すように、外囲樹脂ケース１００の上面板１０１と所定位置で一体に固着されている。したがって、ピン端子１０からパワーボード２００に対して図示のような上下方向の振動が伝達されるが、本実施の形態では、ピン端子１０の屈曲部分１０ａにおいて振動による応力が吸収される。そのため、このＩＧＢＴインテリジェントパワーモジュールを車載用インバータ装置の冷却フィンに固定したとしても、パワーボード２００とのろう付け部分での応力を緩和して、半田クラックの発生やコントローラとの接触不良などの問題を回避することができる。この場合、クッション部をなす屈曲部分におけるＵ字の寸法については、本体装置で想定される振動特性に応じて最適な大きさの形状に選定されることは言うまでもない。

次に、第１の実施の形態のＩＰＭを構成する端子ブロックの製造方法について説明する。
図３（ａ），（ｂ），（ｃ）は、上述した図２の端子ブロック５０とは別の端子ブロックを示す正面図、そのＢ−Ｂ断面、及びＣ−Ｃ断面を示す図であって、同図（ｄ），（ｅ）はその成形工程を示す図である。

この端子ブロックの樹脂成形では、最初に１０本のピン端子１０〜１９を等間隔に直立して保持する一次モールド体５１が、同図（ｂ）に示すように、側面視Ｌ字状に射出成形される。この一次モールド体５１は、同図（ａ）に示すように、その両側端部５２にそれぞれ貫通孔５３が形成されており、これらの貫通孔５３によって外囲樹脂ケース１００の所定位置に植設されたガイドピン（図示せず）との位置合わせが可能である。また、一次モールド体５１のＬ字の起立部５４は、ピン端子１０〜１９の下端部からその屈曲部分１０ａ〜１９ａまでの長さより僅かに短く形成され、そこには同図（ｂ），（ｃ）に示すように、上面に開口する縦穴５５と、１０本のピン端子１０〜１９を片側から支持するための溝５６が形成される。

次に、同図（ｄ）に示すように、一次モールド体５１に１０本のピン端子１０〜１９を溝５６に沿って挿入した状態で、同図（ｅ）に示すように、Ｌ字の起立部５４の切欠き部５４ａを跨いで縦穴５５からピン端子１０〜１９の外側に被さるように、二次モールド体５７がインサート成形によって流し込まれる。

図４は、本実施の形態のリード端子の変形例を示す側断面図、図５（ａ），（ｂ），（ｃ）は、それぞれ図４のリード端子５ａのガイドブロックを示す正面図、側面図、及びガイドブロックのＤ−Ｄ線に沿った断面図である。

リード端子５ａは、ピン端子１０（〜１９）、端子ブロック５０、及びガイドブロック６０から構成されている。ピン端子１０（〜１９）と端子ブロック５０は、図２のものと同じであるが、ここでは、各ピン端子１０（〜１９）の先端部分から、各ピン端子１０（〜１９）の先端部位置をガイドする鞘ブロックとして、端子ブロック５０とは別体のガイドブロック６０を嵌め込んでいる点に特徴がある。

このガイドブロック６０は、側面視コ字状の樹脂成形品として構成されており、図５（ａ），（ｃ）に示すように、その一方の脚部６１には断面楕円形状の貫通孔６２が貫通形成され、さらに、１０本のピン端子１０〜１９がそれぞれ貫通するガイド孔６３が、他方の脚部６１に形成された断面円形の貫通孔６４との間で等間隔に形成されている。ガイド孔６３は、いずれもピン端子１０〜１９の挿入側がすり鉢状に加工されている。また、外囲樹脂ケース１００の端子ブロック５０の固定位置に合わせて、これら貫通孔６２，６４に挿入可能な形状で、図示しない位置決め用のガイドピンを植設することで、端子ブロック５０に対してガイドブロック６０の位置決めと、各ピン端子１０〜１９の先端部分への係合が容易になる。

このリード端子５ａでは、ガイドブロック６０によって端子ブロック５０の各ピン端子１０〜１９の先端部を所定の位置に保持できるから、ピン端子１０〜１９の位置精度のばらつきをなくして、パワーボード２００などの本体装置との間で容易に自動組立を行うことができる。

尚、一般に車載用インバータ装置では、リード端子４に加わる振動方向は、必ずしも図２の上下方向だけに限られない。すなわち、このリード端子４には、ピン端子１０の軸線方向に対して水平な前後左右方向での振動も加わることが予想される。こうした水平振動については、ピン端子１０自体を一定以上の長さに形成しておくことにより、ある程度まで吸収することが可能である。また、ガイドブロック６０は、ガイド孔６３に代えてガイド溝を形成したものであってもよい。

図６は、図５のガイドブロック６０とは別のガイドブロックを示す正面図である。
図６のガイドブロック６５では、図５の貫通孔６２に代えてスリット６６が設けられ、また各ピン端子１０〜１９のガイド孔６３に代えて溝６７が形成され、整列したピン端子１０〜１９の側方から取り付けられる構成となっている。

尚、図１においては、電力用の端子を３つ備えたモジュールを示したが、これに限られるものではなく、６組のパワーデバイスを格納した３相出力のＩＰＭなどにも適用できることはいうまでもない。以下においても同様である。

［第２の実施の形態］
図７は、本発明の第２の実施の形態にかかるＩＰＭを示す外観図である。本実施の形態は、リード端子６の端子ブロック７０と一体に、各ピン端子１０〜１９をそれらの屈曲部分１０ａ等より先端側でガイドするための鞘部を備えている点に特徴がある。

図８は、リード端子６の形状を図７のＥ−Ｅ断面に沿って示す側断面図である。上面板１０１の所定位置で外囲樹脂ケース１００と一体に固着される端子ブロック７０には、上面板１０１の上方で側面方向に開口する穴部７１が形成され、ピン端子１０〜１９の屈曲部分１０ａを露出させるようにしており、この穴部７１には各屈曲部分１０ａを側面から支持する溝部７２が形成されている。

本実施の形態によれば、このリード端子６は、第１の実施の形態のように別体のガイドブロック６０を用いなくても、ピン端子１０〜１９の先端部位置のばらつきをなくして、パワーボード２００などの本体装置との間で容易に自動組立を行える利点がある。

尚、図８のリード端子は、その端子ブロック７０を一体成形品として構成しているが、２つの部分成形品から構成してもよい。
図９は、図８の端子ブロック７０の製造方法の概略を表す説明図である。

この端子ブロック７０は、まず図９（ａ）に示すように、溝部７２を備えた一次モールド体７３を成形し、この一次モールド体７３に下方からピン端子１０（〜１９）を挿入する。そしてこの状態で、所定の型を用いて射出成形等の二次成形を行い、二次モールド体７４を形成して構成される。

［第３の実施の形態］
図１０は、本発明の第３の実施の形態にかかるリード端子の形状を示す側断面図である。

このリード端子７は、端子ブロック８０がピン端子１０の屈曲部分１０ａを側面から支持するガイド壁８１を一体に備えており、さらにガイド壁８１にはピン端子１０を嵌め込んで、その先端部の位置決めをするための溝部８２が形成されている。

本実施の形態では、リード端子７が第２の実施の形態のリード端子６に比べて、端子ブロック８０の形状及びモールド加工の工程を簡素化できる利点がある。
［第４の実施の形態］
図１１は、本発明の第４の実施の形態にかかるリード端子の形状を示す側断面図である。

このリード端子８は、ピン端子２０（〜２９）の屈曲部が側面視Ｓ字状をなしており、それらが固定される端子ブロック９０はピン端子２０の屈曲部分２０ａ等より先端側でガイドするための鞘部９１を一体に備えている点に特徴がある。

このピン端子２０では、Ｓ字状の屈曲部分２０ａがパワーボード（プリント基板）２００から伝達される応力を吸収するクッション部となる。しかも、屈曲部分２０ａがピン端子２０の軸線に対して左右のそれぞれに設けられているため、上記実施の形態１〜３に示したＵ字状の屈曲部のものと比較した場合、パワーボード２００など本体装置からピン端子２０に伝達された応力によって、その軸線に対して傾斜が生じにくいという利点がある。

図１１のリード端子は、その端子ブロック９０を一体成形品として構成しているが、２つの部分成形品から構成してもよい。
図１２は、図１１の端子ブロック９０を２つの部分成形品から構成したリード端子の変形例を示す断面図である。

このリード端子は、ピン端子２０（〜２９）を図中右側から支持する一次モールド体９２と、図中左側から支持する二次モールド体９３とから端子ブロックを構成している。一次モールド体９２の上部は、ピン端子２０（〜２９）の屈曲部分２０ａよりも上部をガイドするガイド部９２ａになっており、ピン端子２０（〜２９）の先端部の位置決めがなされる。

［第５の実施の形態］
図１３は、本発明の第５の実施の形態にかかるリード端子の形状を示す側断面図である。

このリード端子９は、ピン端子３０（〜３９）の屈曲部が側面視Ｌ字状をなしており、それらが固定される端子ブロック９０は、ピン端子３０の屈曲部分３０ａ等より先端側でガイドするための鞘部９１を一体に備えている点に特徴がある。

このリード端子９では、そのピン端子３０の加工が容易であるという利点がある。
尚、図１３のリード端子は、その端子ブロック９０を一体成形品として構成しているが、２つの部分成形品から構成してもよい。

図１４は、図１３の端子ブロック９０を２つの部分成形品から構成したリード端子の変形例を示す断面図である。
このリード端子は、ピン端子３０（〜３９）を図中右側から支持する一次モールド体９４と、図中左側から支持する二次モールド体９５とから端子ブロックを構成している。一次モールド体９４の上部は、ピン端子３０（〜３９）の屈曲部分３０ａよりも上部をガイドするガイド部９４ａになっており、ピン端子３０（〜３９）の先端部の位置決めがなされる。

第１の実施の形態のＩＰＭを示す外観図である。 第１の実施の形態のリード端子の形状を示す側断面図である。 第１の実施の形態の端子ブロックの変形例を示す正面図及び断面図と、その成形工程を示す図である。 第１の実施の形態のリード端子の変形例を示す側断面図である。 図４のリード端子のガイドブロックを示す正面図、側面図、及び断面図である。 第１の実施の形態のガイドブロックの変形例を示す正面図である。 第２の実施の形態のＩＰＭを示す外観図である。 第２の実施の形態のリード端子の形状を示す側断面図である。 第２の実施の形態のリード端子の製造方法の概略を表す説明図である。 第３の実施の形態のリード端子の形状を示す側断面図である。 第４の実施の形態のリード端子の形状を示す側断面図である。 第４の実施の形態のリード端子の変形例を示す部分断面図である。 第５の実施の形態のリード端子の形状を示す側断面図である。 第５の実施の形態のリード端子の変形例を示す部分断面図である。 従来のＩＰＭの一例を示す外観図である。

符号の説明

１〜３ 出力用端子台
５，５ａ，６，７，８，９ リード端子
１０〜１９，２０〜２９，３０〜３９ ピン端子
１０ａ，２０ａ，３０ａ 屈曲部
５０，７０，８０，９０ 端子ブロック
６０ ガイドブロック（鞘ブロック）
１００ 外囲樹脂ケース
２００ パワーボード（プリント基板）

Claims (7)

1. パワーデバイスと、前記パワーデバイス用の駆動回路および制御回路とを一つのケース内部に収納し、前記制御回路と前記ケース外部のプリント基板との間で制御信号を授受するための複数のピン端子を、前記ケースの所定面から延長形成した半導体装置において、
   前記各ピン端子の中間部分に、前記プリント基板から前記ピン端子に伝達される応力を吸収するためのクッション部となる屈曲部分を備えたことを特徴とする半導体装置。
2. 前記各ピン端子は、それらの基部が単一の端子ブロックに固着され、前記端子ブロックを前記ケース内部に固定することにより前記ケースの所定面に保持するようにしたことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 前記端子ブロックは、前記各ピン端子を前記屈曲部分より先端側でガイドする鞘部を一体に備えていることを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
4. 前記各ピン端子の先端から挿入され、前記各ピン端子の先端部位置をガイドする前記端子ブロックとは別体の鞘ブロックを備えていることを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
5. 前記各ピン端子の前記屈曲部分が側面視Ｕ字状をなすことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体装置。
6. 前記各ピン端子の前記屈曲部分が側面視Ｓ字状をなすことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体装置。
7. 前記各ピン端子の前記屈曲部分が側面視Ｌ字状をなすことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体装置。

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