JP2006013273A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 外部振動による配線部の断線や端子接合部の破損を防止できる半導体装置を提供する。
【解決手段】 ＩＰＭは、パワー回路２１を覆う充填剤が、樹脂プレート４０により押えられ、外部振動を受けたときの変位が防止されるため、外部振動によるパワー回路２１に接続されるボンディングワイヤ等の配線部の断線を防止することができる。また、制御回路基板３０が制御端子ブロック５０と樹脂プレート４０との間に挟まれるように固定されるため、これらのねじ接合時における制御回路基板３０の変形を防止することができ、その結果、制御回路３１と中継端子１３との半田接合部の破損を防止することができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は半導体装置に関し、特にケース内にパワー回路及び制御回路を二階建て式に内装して構成された半導体装置に関する。

インバータ装置，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には、例えば絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor：以下「ＩＧＢＴ」と表記する）などの各種のパワー半導体素子が使用されている。また、このパワー半導体素子に加え、その駆動回路や、電流センシング，温度センシングのための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（Intelligent Power Module：以下「ＩＰＭ」と表記する）も実用化されている（例えば、特許文献１参照。）。

図８は、このような従来のＩＰＭの構成例を表す斜視図であり、図９及び図１０は、この従来のＩＰＭの組立構造を表す分解斜視図である。
図８に示すように、このＩＰＭは、樹脂成形品で作られた外囲ケース１０１の内部に、ＩＧＢＴなどのパワー半導体素子が実装されたパワー回路基板と、そのパワー半導体素子の駆動回路や制御回路が実装された制御回路基板を備えている。また、外囲ケース１０１の外部には、パワー回路に対する入出力の外部導出端子である主端子１０２や、制御回路に対する制御信号の入出力用の外部導出端子である制御端子１０３が露出して設けられている。

このＩＰＭの組立工程においては、図９（Ａ）に示すように、パワー半導体素子を実装したパワー回路基板１０４が半田付けされた金属ベース１０５に、端子一体形の外囲ケース１０１を重ねて接着し、図９（Ｂ）に示すように、主端子１０２とパワー回路基板１０４との間、及び中継端子１０６とパワー回路基板１０４との間に、ボンディングワイヤ１０７を接続して内部配線を施す。この状態で外囲ケース１０１内にゲル状充填剤（例えばシリコーンゲル）を注入してパワー回路を封止して絶縁する。

続いて、図１０に示すように、充填剤の上方で外囲ケース１０１を架け渡すように制御端子ブロック１０８を配置し、さらに、その上から制御回路を実装した制御回路基板１０９を重ねて配置し、ねじ１１０を用いて固定する。この状態で、制御回路基板１０９の下方に露出した中継端子１０６及び制御端子１０３を、それぞれ制御回路の導体パターンにフロー半田付けする。最後に上蓋１１１を接着して組み立てる。
特開２００３−２４９６２４号公報（段落〔０００４〕，図１３）

しかしながら、上述したＩＰＭにおいて、パワー回路を封止するために外囲ケース１０１内に注入された充填剤は、注入後にゲル状に硬化するものであって、硬化した後も剛性が比較的小さい。そのため、例えばＩＰＭが外部から振動を受けたときに変位し、内部のボンディングワイヤ１０７を動かしてボンディング部を剥離させたりワイヤを切断してしまうことがあった。

また、ゲル状の充填材は、硬化前は液状であって、毛細管現象により壁面を伝って流動する性質を有するため、注入の際に外囲ケース１０１の内壁を伝って中継端子１０６を這い上がってこれに付着し、その結果、制御回路基板１０９と中継端子１０６との間の半田付けが不良になるという問題がある。

さらに、スペース上の都合から、制御回路基板１０９の中央部の２点を外囲ケース１０１に直接ねじ接合する構造であるため、そのねじの締結時の局所的な力により制御回路基板１０９の本体が反り、それにより中継端子１０６と制御回路基板１０９の導体パターンとの間の接合部が傾き、中継端子１０６と制御回路の導体パターンとの間の半田付けが不良になり、外部振動によりその半田接合部にクラックが発生しやすくな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、外部振動による配線部の断線や端子接合部の破損を防止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、主回路の外部導出端子を一体形成した端子一体形の外囲ケース内に、パワー回路及び制御回路を二階建て式に内装し、上蓋にて封止して構成される半導体装置において、前記パワー回路を構成するパワー半導体素子が実装され、前記外囲ケースの底部に配置されたパワー回路基板と、前記制御回路を構成する回路部品が実装された制御回路基板と、前記外囲ケースの内壁部に、前記パワー回路基板及び前記制御回路基板とは別に設けられ、前記パワー回路と前記制御回路とを相互接続するために並設された複数のピン端子からなる中継端子と、前記パワー回路基板と前記制御回路基板との間に介装されて絶縁物として機能するとともに、前記パワー回路基板の前記パワー回路を覆うように注入されて固着したゲル状充填剤を、前記制御回路基板とは反対側の面にて押える樹脂プレートと、前記制御回路の複数のピン端子からなる外部導出端子を一体形成して構成され、前記制御回路基板の前記樹脂プレートとは反対側に配置され、前記樹脂プレートとの間に前記制御回路基板を挟むように固定する制御端子ブロックと、を備えたことを特徴とする半導体装置が提供される。

このような半導体装置においては、パワー回路を覆う充填剤が、樹脂プレートにより押えられ、外部振動を受けたときの充填材の変位が防止される。また、制御回路基板が制御端子ブロックと樹脂プレートとの間に挟まれるように固定されるため、これらの接合時に外部から付与される力が制御端子ブロックにて分散される。

本発明の半導体装置によれば、樹脂プレートの押え力によりパワー回路を覆う充填剤の変位が防止されるため、外部振動によるパワー回路の配線部の断線を防止することができる。また、制御回路基板が制御端子ブロックを介して接合されるため、その接合時における制御回路基板の変形を防止することができ、その結果、制御回路と中継端子との接合部の破損を防止することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
本実施の形態は、本発明の半導体装置をインバータ装置に適用するＩＰＭとして構成したものであり、図１は当該半導体装置の外観を表す斜視図であり、図２は当該半導体装置の構成を表す分解斜視図である。なお、以下の説明においては、便宜上、各図に示される状態を基準に上下と表現することがある。

図１に示すように、本実施の形態のＩＰＭは、樹脂成形品からなる外囲ケース１０の内部に、後述するパワー回路基板及び制御回路基板を収容して構成されている。外囲ケース１０の外部には、後述する主端子１２や制御端子５１が露出して設けられている。

すなわち、図２に示すように、このＩＰＭは、端子一体形の枠状の外囲ケース１０，外囲ケース１０の底部を構成する放熱用の金属ベース２０，制御回路３１を構成する回路部品が実装された制御回路基板３０，制御回路基板３０と金属ベース２０との間に介装されて絶縁物として機能する樹脂プレート４０，インバータ装置に接続する制御端子５１を一体形成した制御端子ブロック５０，及び上蓋６０を備えている。

金属ベース２０は、正方形板状の銅板からなり、その上面には、パワー回路２１を構成するＩＧＢＴ等のパワー半導体素子を複数並列に実装したパワー回路基板２２が半田付けされている。

制御回路基板３０は、略正方形板状のプリント基板に上記パワー半導体素子の駆動回路や制御回路３１を実装して構成されている。この制御回路基板３０の中央位置には、制御端子ブロック５０の後述する複数の突状部をマウントさせる空領域からなる複数のマウント部３２と、制御端子ブロック５０から下方に延出した複数の制御端子５１を挿通させる複数の端子挿通孔３５が設けられている。さらに、その制御回路基板３０の中央位置の両端縁には、制御端子ブロック５０の両端に設けられた後述する着座部５８を挿通するスリット３４が形成され、その両端縁に沿って後述する中継端子１３の各ピン端子を挿通させる複数の端子挿通孔３３が設けられている。

図３は外囲ケース１０の構造を表す説明図であり、（Ａ）はその正面図であり、（Ｂ）は図２のＡ−Ａ矢視断面図であり、（Ｃ）は図２のＢ−Ｂ矢視断面図である。
この外囲ケース１０は、ポリフェニレンサルファイド樹脂（以下「ＰＰＳ樹脂」と表記する）などの樹脂材料からなる略正方形枠形状の本体１１を有し、その本体１１の一対の対向する側部には、パワー回路２１に接続される外部導出端子である複数の主端子１２がモールド成形され、残る一対の対向する側部には、パワー回路２１と制御回路３１とを相互接続するために並設された複数のピン端子からなる中継端子１３がモールド成形されている。また、本体１１の中継端子１３が設けられた側の一対の側壁には、その上半部において側方に開口した切欠部１４がそれぞれ形成されている。

主端子１２は、当該ＩＰＭの組み付け前においては外囲ケース１０の側部にモールドされた断面Ｌ字状の本体を有し、その一端部１２ａが、外囲ケース１０の側壁下部から内方に延出したフランジ部１０ａの上面に露出し、他端部１２ｂが外囲ケース１０の上端縁から上方に延出している。

中継端子１３の各ピン端子は、断面Ｌ字状の板状ベース部１３ａと、板状ベース部１３ａに連設された断面Ｌ字状のピン状接続部１３ｂとを備えている。この板状ベース部１３ａは、その一端が外囲ケース１０の側壁下部から内方に延出したフランジ部１０ｂの上面に露出し、他端が外囲ケース１０の側壁に埋設されている。ピン状接続部１３ｂは、その一端が板状ベース部１３ａに連設され、他端部が外囲ケース１０の側壁とほぼ平行に上方に起立している。このピン状接続部１３ｂと外囲ケース１０の側壁との間には、所定間隔の間隙があけられている。

また、中継端子１３の各ピン端子が並設される側の内周縁部の中央寄りには、樹脂プレート４０を着座させて支持する支持部１５が設けられている。この支持部１５の中央には、ねじ孔１５ａが形成されている。

図４は樹脂プレート４０の構造を表す説明図であり、（Ａ）はその平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＣ方向からみた側面図であり、（Ｃ）はそのＤ−Ｄ矢視図である。
この樹脂プレート４０は、ＰＰＳ樹脂等の樹脂材料からなる略正方形板状の外形を有し、格子状（田の字状）に形成された本体４１を備える。すなわち、この本体４１の前後左右の４箇所には、これを厚み方向に貫通する貫通孔４２が設けられている。各貫通孔４２の下側（金属ベース２０側）の内周縁部は、丸みを帯びた形状に形成してもよい。
また、本体４１の中央を架け渡すように外周部よりも幅の大きな中央支持部４３が形成され、その両端には、外囲ケース１０の支持部１５にそのねじ孔１５ａを避けて着座するマウント部４４が形成されている。この両端部に形成されたマウント部４４は、支持部１５に対応して、本体４１の中心線（図中二点鎖線）を基準に互いに反対側にずれて形成され、樹脂プレート４０が外囲ケース１０に対して誤って表裏逆に取り付けられることがないようにされている。また、本体４１においてマウント部４４がない側の一対の外周縁の中央からは外向きに延出した三角状のマウント部４５が形成され、樹脂プレート４０を外囲ケース１０に取り付けた際には、上記フランジ部１０ａに支持されるように構成されている。

また、本体４１のマウント部４４が形成された側の両端縁には、下方に傾斜しつつ一段下がって本体４１に平行に外側（外囲ケース１０の内壁部側）に延びる延出部４６が形成されている。この延出部４６の先端には、外囲ケース１０の側方で起立した中継端子１３のピン状接続部１３ｂの下部を内方から定位置に支持する複数の支持溝４６ａが形成されている。

図５は制御端子ブロック５０の構造を表す説明図であり、（Ａ）はその平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＥ方向からみた側面図である。
この制御端子ブロック５０は、ＰＰＳ樹脂等の樹脂材料からなる本体５２を有し、その本体５２は、制御回路３１と外部のインバータ装置とを接続する複数の制御端子５１を収容して支持する直方体状の端子収容部５３と、この端子収容部５３を下方で支持する支持ベース５４とを備えている。

制御端子５１は、起立した本体の下部が端子収容部５３にモールドされており、その本体の両端部はそれぞれ制御端子ブロック５０の外方に延出している。
端子収容部５３は、その高さ方向の中央部を側方に貫通して、その内部に制御端子５１を収容する収容部５５を有する。

支持ベース５４は、長尺板状の本体５６を有し、その本体５６の片側端部上に端子収容部５３が連設されている。本体５６の中央には、これを厚み方向に貫通する長方形状の露出孔５７が形成されており、その下方に実装した回路部品を露出させることが可能に構成されている。本体５６の両端には、一段下がって本体５６に平行に外側（外囲ケース１０の内壁部側）に延びる着座部５８がそれぞれ形成されている。この着座部５８は、その中央にねじ挿通孔５８ａが設けられ、当該ＩＰＭの組立時に制御回路基板３０のスリット３４を挿通して、樹脂プレート４０のマウント部４４に載置される。また、支持ベース５４の下面からは押圧部としての複数の突状部５９が設けられており、制御回路基板３０への組み付け時にそれぞれ上述した制御回路基板３０のマウント部３２に着座するように構成されている。

図６は上蓋６０の構造を表す説明図であり、（Ａ）はその平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＦ−Ｆ矢視図である。
この上蓋６０は、ＰＰＳ樹脂等の樹脂材料からなり、外囲ケース１０の上端縁に沿った略正方形板状の本体６１を有する。その６１の外囲ケース１０の切欠部１４に対向する両端縁から、切欠部１４と相補形状の側壁６２が延出して設けられている。このため、上蓋６０を外囲ケース１０に取り付けた際には、外囲ケース１０の内部が上蓋６０により完全に封止される。また、このように側壁６２を設けたことにより、上蓋６０の強度アップが図られている。

また、本体６１の側壁６２が設けられていない側の一対の周縁部には、外囲ケース１０から延出した主端子１２を組み付ける複数のベース部６３がやや突出して設けられている。さらに、本体６１の中央部のやや周縁部よりには、外囲ケース１０内に組み付けられた制御端子ブロック５０の端子収容部５３を挿通して外部に露出させる長方形状の挿通孔６４が形成されている。

次に、本実施の形態のＩＰＭの組立手順について、図２及び図７を参照して説明する。図７はＩＰＭの組立工程の途中の半完成品を表す断面図である。
図２に示すように、まず、パワー回路２１を構成するパワー半導体素子が実装されたパワー回路基板２２を金属ベース２０上に半田付けし、これに外囲ケース１０を重ねて接着する。続いて、外囲ケース１０内に露出した主端子１２の一端部１２ａとパワー回路２１との間、及び中継端子１３の板状ベース部１３ａとパワー回路２１との間に、図示しないボンディングワイヤを接続して内部配線を施す。そして、この状態で外囲ケース１０内のパワー回路基板２２上にゲル状充填剤（例えばシリコーンゲル）を注入してパワー回路２１を封止して絶縁する。上述したように、中継端子１３のピン状接続部１３ｂと外囲ケース１０の側壁との間には所定間隔の間隙があけられているため（図３（Ｃ）参照）、このとき注入されたゲル状充填剤は、板状ベース部１３ａの上面までにとどまり、ピン状接続部１３ｂを這い上がることはない。このゲル状充填剤は、その後に熱硬化される。

続いて、熱硬化した充填剤の上方から樹脂プレート４０を挿入して外囲ケース１０に組み付ける。このとき、樹脂プレート４０の端縁に設けられたマウント部４４，４５が、それぞれ外囲ケース１０の支持部１５、フランジ部１０ａに着座して支持され、樹脂プレート４０が充填剤を上方から押圧する。充填剤の上面は、この押圧力により樹脂プレート４０の貫通孔４２から部分的に盛り上がるように露出し、その反力によって下面側でパワー回路２１を安定に固定する。この充填剤は盛り上がる際に、貫通孔４２の下側内周縁部を部分的に通過するが、上述のようにこの下側内周縁部が丸みを帯びているため、充填剤を損傷させることがない。この組み付けの際、樹脂プレート４０の両端縁に設けられた支持溝４６ａが、中継端子１３のピン状接続部１３ｂを内方から押圧するように支持するため、そのピン状接続部１３ｂの先端は定位置に整列されて固定される。また、樹脂プレート４０の両端縁の延出部４６が充填剤側に一段下がっているため、特に中継端子１３近傍での充填剤の盛り上がりを阻止している。

続いて、樹脂プレート４０の上方から制御回路基板３０を組み付ける。この制御回路基板３０は、予め制御端子ブロック５０が組み付けられている。制御端子ブロック５０の突状部５９が制御回路基板３０のマウント部３２に当接し、制御端子ブロック５０の下方に延出した制御端子５１の先端が、制御回路基板３０の端子挿通孔３５を挿通してその下面に露出して制御回路基板３０の下面の導体パターンに半田付けされている。

そして、制御回路基板３０の端子挿通孔３３に中継端子１３の各ピン端子を挿通させるように組み付けられ、その本体全体が、樹脂プレート４０によって安定に支持される。このとき、制御端子ブロック５０の着座部５８が、制御回路基板３０のスリット３４を挿通して樹脂プレート４０のマウント部４４に載置される。

そして、ねじ７１を制御端子ブロック５０の各ねじ挿通孔５８ａに挿通して外囲ケース１０のねじ孔１５ａに螺合させることにより、制御端子ブロック５０を外囲ケース１０に対して締結固定する。このとき、制御端子ブロック５０の下方の制御回路基板３０及び樹脂プレート４０も同時に固定される。この場合、制御回路基板３０は、ねじ７１により直接締結されるわけではなく、制御端子ブロック５０を介して間接的に固定される。このため、制御回路基板３０には、ねじ７１による局所的な力が加わることがなく、その力が制御端子ブロック５０の支持ベース５４により分散されて伝わる。そのため、ねじ７１の締結時に制御回路基板３０が反る等の問題も発生しない。

このようにして組み付けられた半完成品は、図７のような状態になっており、この半完成品に対してフロー半田付け処理を行って、制御回路基板３０の表面の中継端子１３のピン状接続部１３ｂを半田付けする。この場合、樹脂プレート４０の支持により制御回路基板３０の下面が外囲ケース１０の切欠部１４の下端縁よりも高い位置にあるため、制御回路基板３０の裏面の半田付け部の半田フィレットを容易に確認することができ、半田付け不良を防止することができる。

そして、この半田付け処理終了後の半完成品に対して上方から上蓋６０を被せて接着し、この外囲ケース１０の上方に延出した主端子１２を内方に折り曲げてベース部６３に密着させる。これにより、上蓋６０が外囲ケース１０に対して固定されるとともに、外囲ケース１０内が封止される。

以上に説明したように、本実施の形態のＩＰＭは、パワー回路２１を覆う充填剤が、樹脂プレート４０により押えられ、外部振動を受けたときの変位が防止されるため、外部振動によるパワー回路２１に接続されるボンディングワイヤ等の配線部の断線を防止することができる。

また、制御回路基板３０が制御端子ブロック５０と樹脂プレート４０との間に挟まれるように固定されるため、これらのねじ接合時における制御回路基板３０の変形を防止することができ、その結果、制御回路３１と中継端子１３との半田接合部の破損を防止することができる。

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はその特定の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の精神の範囲内での変化変形が可能であることはいうまでもない。

例えば、上記実施の形態では、樹脂プレート４０に貫通孔４２を設けて田の字状に形成した例を示したが、樹脂プレート４０がその他の格子状になるように貫通孔の形状及び数を変更してもよいし、貫通孔ではなく、下方に開口した溝部を形成してもよい。また、下方の充填剤を十分に押えられる場合には、貫通孔や溝部を設けなくてもよい。

また、制御端子ブロック５０の下面に複数の突状部５９を突設した例を示したが、制御端子ブロック５０の本体の下面の比較的大きな領域で制御回路基板３０に当接するような構成としてもよい。また、制御回路基板３０をその中央部で固定する態様としたが、スペース状の問題がなければ、制御回路基板３０の隅部で固定するようにしてもよい。

実施の形態の半導体装置の外観を表す斜視図である。 半導体装置の構成を表す分解斜視図である。 外囲ケースの構造を表す説明図である。 樹脂プレートの構造を表す説明図である。 制御端子ブロックの構造を表す説明図である。 上蓋の構造を表す説明図である。 ＩＰＭの組立工程の途中の半完成品を表す断面図である。 従来のＩＰＭの構成例を表す斜視図である。 従来のＩＰＭの組立構造を表す分解斜視図である。 従来のＩＰＭの組立構造を表す分解斜視図である。

符号の説明

１０ 外囲ケース
１０ａ，１０ｂ フランジ部
１２ 主端子
１３ 中継端子
１３ａ 板状ベース部
１３ｂ ピン状接続部
１４ 切欠部
２０ 金属ベース
２１ パワー回路
２２ パワー回路基板
３０ 制御回路基板
３１ 制御回路
４０ 樹脂プレート
４２ 貫通孔
４４，４５ マウント部
４６ 延出部
４６ａ 支持溝
５０ 制御端子ブロック
５１ 制御端子
５４ 支持ベース
５８ 着座部
５９ 突状部
６０ 上蓋
６２ 側壁

Claims (7)

1. 主回路の外部導出端子を一体形成した端子一体形の外囲ケース内に、パワー回路及び制御回路を二階建て式に内装し、上蓋にて封止して構成される半導体装置において、
   前記パワー回路を構成するパワー半導体素子が実装され、前記外囲ケースの底部に配置されたパワー回路基板と、
   前記制御回路を構成する回路部品が実装された制御回路基板と、
   前記外囲ケースの内壁部に、前記パワー回路基板及び前記制御回路基板とは別に設けられ、前記パワー回路と前記制御回路とを相互接続するために並設された複数のピン端子からなる中継端子と、
   前記パワー回路基板と前記制御回路基板との間に介装されて絶縁物として機能するとともに、前記パワー回路基板の前記パワー回路を覆うように注入されて固着したゲル状充填剤を、前記制御回路基板とは反対側の面にて押える樹脂プレートと、
   前記制御回路の複数のピン端子からなる外部導出端子を一体形成して構成され、前記制御回路基板の前記樹脂プレートとは反対側に配置され、前記樹脂プレートとの間に前記制御回路基板を挟むように固定する制御端子ブロックと、
   を備えたことを特徴とする半導体装置。
2. 前記樹脂プレートには、その板状の本体を厚み方向に貫通する一又は複数の貫通孔が設けられ、凝固した前記充填剤の一部を露出させることができるように構成されたことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 前記樹脂プレートが、格子状に形成されたことを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
4. 前記中継端子は、少なくとも前記制御回路に接続される部分近傍が、前記外囲ケースの内壁部に対して所定間隔の間隙をあけて起立するとともに、前記外囲ケースの内方に露出して設けられ、
   前記樹脂プレートは、前記本体の端縁において一段下がって前記内壁部側に延出し、その先端に、起立した前記中継端子を内方から定位置に支持する複数の支持溝が形成されたこと、
   を特徴とする請求項２記載の半導体装置。
5. 前記制御端子ブロックは、前記外囲ケース内部の中央寄りの位置を架け渡すように延びる本体を有し、
   前記本体の下面に、前記制御回路基板の上面の所定の空領域に当接し、前記制御端子ブロックの接合時に前記制御回路基板を前記樹脂プレートに対して押圧する突状部が設けられたことを特徴とするとする請求項１記載の半導体装置。
6. 前記外囲ケースは、前記中継端子が並設された側の側部に、前記制御回路基板の下面よりも低い位置まで切り欠かれた切欠部を有し、
   前記樹脂プレートの先端と前記制御回路基板との間に延びる前記中継端子の部分が外部から視認可能に構成されたこと、
   を特徴とする請求項４記載の半導体装置。
7. 前記上蓋は、
   前記外囲ケースの上端縁に支持される本体と、
   前記本体の前記外囲ケースの前記切欠部に対向する端縁から、前記切欠部を封止するように延出した側壁と、
   を備えたことを特徴とするとする請求項６記載の半導体装置。

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