JP2007165588A - パワーモジュール構造及びこれを用いたソリッドステートリレー - Google Patents

パワーモジュール構造及びこれを用いたソリッドステートリレー Download PDF

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Abstract

【課題】端子の反りの発生を抑制し得て、放熱性の問題を解決できる他、製品完成後の外部応力（ヒートショック）にも柔軟に対応でき、製品寿命の延びが期待できるパワーモジュール構造を提供する。
【解決手段】第１の端子４に応力緩和部としての複数のスリット４ａを形成して、第１の端子４と絶縁板２との熱膨張係数の差に起因して発生する応力を緩和すると共に、第１の端子４を絶縁板２に半田付けする半田接合領域である応力束縛部を部分的に形成するようにした。
【選択図】図４

Description

本発明は、高い信頼性、放熱性を要する電子部品のパワーモジュール構造及びこれを用いたソリッドステートリレーに関するものである。
近年、回路の集積化に伴い発熱する電子部品の放熱にはヒートシンクを用いることが一般的である。そのために、電子部品あるいは基板とヒートシンクとの密着は、放熱性に対し高い重要性を持つようになってきている。しかしながら、有害物質削減の動きから、高融点の半田が使われるようになってきたために、前述の密着性を阻害する“反り”が問題になっている。
また、熱膨張係数の異なる板材を、複数枚半田接合すると反りが発生することは知られている。半田の種類が異なれば（融点が異なれば）、反りの発生も異なる。その傾向は融点が高くなるにつれ大きくなる。高い融点の半田にはＰｂが主成分のものが一般的に使われている。Ｐｂは“柔らかい”特性を有しているために、反り応力に対する対策として以前から知られている。
上記した発熱する電子部品を使用する電子部品としてのパワーモジュール構造は、図２５に示すように、ヒートシング（図示せず）に接触するヒートプレート１に絶縁板２を半田により接合し、この絶縁板２に第１の端子４を半田により接合し、第１の端子４に半導体チップ３を半田により接合して、この第１の端子４を、その対応する半導体チップ３の接点に接続し、この半導体チップ３に、第２、第３の端子５、６を半田により接合して、第２、第３の端子５、６のそれぞれを、その対応する半導体チップ３の接点に接続するようにした構成であり、第１の端子４は、短冊状の端子本体４Ａの先側に端子部４Ｂを有している。そして、ヒートプレート１のシートシング表面への保持は、ヒートプレート１に設けた取付け部７をシートシングにネジ止めすることにより行っている。
上記したパワーモジュール構造において、ヒートプレート１のプレート本体１Ａには、図２６に点線で示す長方形状の半田付け領域１０−１において絶縁板２が半田付けされるし、また、絶縁板２には、図２７に点線で示す長方形状の半田付け領域１０−２において第１の端子４が半田付けされるし、また、第１の端子４の端子本体４Ａの中央部には、図２８に点線で示す長方形状の半田付け領域１０−３において、半導体チップ３が半田付けされるし、また、半導体チップ３には、図２９に点線で示す三角形状の半田付け領域１０−４において第２の端子５が半田付けされるし、半導体チップ３には長方形状の半田付け領域１０−５において第３の端子６が半田付けされる。
上記した半田付けは、ヒートプレート１と、絶縁板２と、半導体チップ３と、第１、第２、第３の端子４、５、６とを積層状態で加熱処理により各半田付け領域１０−１〜１０−５の半田を溶融後硬化させて行うか、ヒートプレート１と絶縁板２、絶縁板２と第１の端子４、第１の端子４と半導体チップ３、半導体チップ３と第２、第３の端子５、６とを別々に半田接合する場合もある。そして、上記のように半田接合して構成されたモジュール構成体１１を樹脂１２でモールドすることで、図２４に示すパワーモジュール構造が構成してある。
また、上記したパワーモジュール構造において、絶縁板２と第１の端子４の反り発生のメカニズムを図３０乃至図３３を参照して説明する。
図３０は、絶縁板２にＡｌ２Ｏ３材を用い、第１の端子４にＣｕ材を用いて、絶縁板２に第１の端子４を半田１０で接合する状態を模式的に表わしたものであり、図中Ｌ１は絶縁板２の基準長さであり、Ｌ２は第１の端子４の基準長さである。そして、温度を室温（２５°）からＴｐに昇温した場合、絶縁板２は、その材質上あまり熱膨張しないが、第１の端子４は外方向Ｆ１に熱膨張する。このために、第１の端子４は、図３０に示すように、その基準長さＬ２を越えて伸びることになる。
温度がＴｐから降温すると、第１の端子４は、図３１に示す矢印方向Ｆ２に収縮し、温度がＴｍ（＜Ｔｐ）から降温し始めると、第１の端子４は、図３２に示す矢印方向Ｆ３に収縮し、温度が室温（２５°）になると、第１の端子４伸びた状態で、半田１０が硬化するために、第１の端子４及び絶縁板２に、図３３において下に凸になるような反りが発生する。
すなわち、半田１０は高融点の半田が使用してあり、硬化する温度が３００℃近辺（従来より高い数値：従来は１８０℃程度）であるために、半田は３００℃近辺で硬化して第１の端子４が絶縁板２に接合される。この場合、第１の端子４が熱膨張して伸びた状態であり、絶縁板２は元の寸法から余り熱膨張せずに伸びていないので、温度が下降すると、第１の端子４と絶縁板２には、互いに元の寸法に戻ろうとする力が働いて、第１の端子４だけ収縮する状態になるので、下に凸になるような反りが発生する。
また、従来のパワーモジュール構造に関連して、パワーモジュール用等の発熱の大きい用途に回路基板を実装する場合、ヒートシンク銅板への接合時等に回路基板製造時に発生する残留応力を増大させ、クラックを生じ易い問題を解決するものとして、反りを持つセラミックス焼結板であって、一方向の反り量が、該方向の長さの１／４０００から１／１００で有り、該方向の直角方向の反り量が該方向の反り量の１／２以下（０を含む）であるセラミックス基板を使用し、また、このセラミックス基板の凸面側に回路形成用金属板を、凹面側に放熱部形成用金属板を配置して加熱接合する回路基板の製造方法を提唱したものがある（特許文献１参照）。
特開平１０−１６７８０４号公報
上記した従来のパワーモジュール構造にあっては、上記したように熱膨張係数の差に起因して反りが発生するが、この反り変形がヒートプレート１とヒートシンクとの間に間隙を生じさせ、良好な放熱効果を奏することができない等の問題があった。
また、上記したように、第１の端子４が反っているパワーモジュール構造では、反りが少なくなる側に熱が伝達されることになって、接合部である半田１０にストレスがかかってきて、疲労が起こるという問題があった。
また、上記したように、半田付け領域である固定箇所が、図２７に点線で示すように全域にしてあるために、位置決めのしわ寄せが来ることから、変形は外側端で起こり、第１の端子４に、固定箇所の全長分の応力がかかることになって、反りの原因になるという問題点があった。
本発明は上記の問題点を解決するものであって、その目的とするところは、端子の反りの発生を抑制し得て、放熱性の問題を解決できる他、製品完成後の外部応力（ヒートショック）にも柔軟に対応でき、製品寿命の延びが期待できるパワーモジュール構造及びこれを用いたソリッドステートリレーを提供することである。
上記の目的を達成するために、本発明に係るパワーモジュール構造は、ヒートシングに接触するヒートプレート、絶縁部材、端子及び半導体チップを、順次半田により接合して、前記端子を、その対応する前記半導体チップの接点に接続するようにしたパワーモジュール構造であって、端子に、当該端子と絶縁部材との熱膨張係数の差に起因して発生する応力を緩和する応力緩和部を設けると共に、端子を絶縁部材に半田付けする半田接合領域である応力束縛部を部分的に形成するようにしたことを特徴とする。
かかる構成により、端子には応力緩和部が設けてあり、しかも応力束縛部が部分的に形成してあるために、反りの原因となる応力が緩和され、しかも応力の束縛が部分的になって反りの発生を抑制することができ、端子の反りに起因するヒートプレートのヒートシンクへの密着性も改善されて放熱性の問題を解決することができる。
また、端子の反りが抑制されるために、反りが少なくなる側に熱が伝達されることになって、接合部である半田にストレスがかかってきて、疲労が起こるという不具合を無くすことができる。
このように反りを軽減し放熱性の問題を解決できる他、製品完成後の外部応力（ヒートショック）にも柔軟に対応でき、製品寿命の伸びが期待できるようになる。ここで、端子とは第１の端子が該当するし、絶縁部材とは絶縁板が該当する。
また、本発明に係るパワーモジュール構造は、上記した本発明に係るパワーモジュール構造において、応力束縛部分が端子の片側であることを特徴とする。
かかる構成により、応力束縛部分が端子の片側にのみ、部分的に形成してあるために、反りの発生を抑制することができて、端子の反りに起因するヒートプレートのヒートシンクへの密着性も改善されて放熱性の問題を解決することができる。
また、本発明に係るパワーモジュール構造は、上記した本発明に係るパワーモジュール構造において、応力束縛部分が端子の両側であることを特徴とする。
かかる構成により、応力束縛部分が端子の両側に部分的に形成してあるために、反りの発生を抑制することができて、端子の反りに起因するヒートプレートのヒートシンクへの密着性も改善されて放熱性の問題を解決することができる。
また、本発明に係るパワーモジュール構造は、上記した本発明に係るパワーモジュール構造において、応力緩和部が端子に形成した複数のスリットであることを特徴とする。
かかる構成により、端子には、複数のスリットで応力緩和部が形成してあり、しかも応力束縛部が部分的に形成してあるために、反りの原因となる応力が緩和され、しかも応力の束縛が部分的になって反りの発生を抑制することができて、端子の反りに起因するヒートプレートのヒートシンクへの密着性も改善されて放熱性の問題を解決することができる。
また、端子の反りが抑制されるために、反りが少なくなる側に熱が伝達されることになって、接合部である半田にストレスがかかってきて、疲労が起こるという不具合を無くすことができる。
また、本発明に係るパワーモジュール構造は、上記した本発明に係るパワーモジュール構造において、端子を、その長手方向に分割して、この分割部を応力緩和部にすると共に、端子の分割部位を絶縁部材に半田付けすることで応力束縛部を分散させるようにしたことを特徴とする。
かかる構成により、端子には分割部で応力緩和部が形成してあって、反りの原因となる応力が緩和されるし、それぞれの分割部位が絶縁部材に半田付けされることで応力束縛部を分散させるので、応力の束縛が部分的になって反りの発生を抑制することができて、端子の反りに起因するヒートプレートのヒートシンクへの密着性も改善されて放熱性の問題を解決することができる。
また、端子の反りが抑制されるために、反りが少なくなる側に熱が伝達されることになって、接合部である半田にストレスがかかってきて、疲労が起こるという不具合を無くすことができる。
なお、分割部としては、直線形状もしくは鍵型形状であることが好ましく、分割が二以上の複数であることが好ましい。
また、本発明に係るパワーモジュール構造は、上記した本発明に係るパワーモジュール構造において、応力緩和部は、端子の表面に形成した凹状溝であることを特徴とする。
かかる構成により、端子の表面に凹状溝を形成することで応力緩和部が設けてあり、しかも応力束縛部が部分的に形成してあるために、反りの原因となる応力が緩和され、しかも応力の束縛が部分的になって反りの発生を抑制することができ、端子の反りに起因するヒートプレートのヒートシンクへの密着性も改善されて放熱性の問題を解決することができる。
また、端子の反りが抑制されるために、反りが少なくなる側に熱が伝達されることになって、接合部である半田にストレスがかかってきて、疲労が起こるという不具合を無くすことができる。なお、凹状溝が複数であることが好ましい。
また、本発明に係るパワーモジュール構造は、上記した本発明に係るパワーモジュール構造において、応力緩和部は、端子の裏面に形成した凹状溝であることを特徴とする。
かかる構成により、端子の裏面に凹状溝を形成することで応力緩和部が設けてあり、しかも応力束縛部が部分的に形成してあるために、反りの原因となる応力が緩和され、しかも応力の束縛が部分的になって反りの発生を抑制することができ、端子の反りに起因するヒートプレートのヒートシンクへの密着性も改善されて放熱性の問題を解決することができる。
また、端子の反りが抑制されるために、反りが少なくなる側に熱が伝達されることになって、接合部である半田にストレスがかかってきて、疲労が起こるという不具合を無くすことができる。なお、凹状溝が複数であることが好ましい。
また、本発明に係るパワーモジュール構造は、上記した本発明に係るパワーモジュール構造において、ヒートプレートにヒートプレート側応力緩和部を形成するようにしたことを特徴とする。
かかる構成により、端子には応力緩和部が設けてあり、しかも応力束縛部が部分的に形成してあることに加えて、ヒートプレートにもヒートプレート側応力緩和部があるために、反りの原因となる応力が緩和され、しかも応力の束縛が部分的になって反りの発生を抑制することができる。このために、ヒートプレートのヒートシンクへの密着性も改善されて放熱性の問題を解決することができる。
また、端子の反りが抑制されるために、反りが少なくなる側に熱が伝達されることになって、接合部である半田にストレスがかかってきて、疲労が起こるという不具合を無くすことができる。
しかも、このように反りを軽減し放熱性の問題を解決できる他、製品完成後の外部応力（ヒートショック）にも柔軟に対応でき、製品寿命の延びが期待できるようになる。
また、本発明に係るソリッドステートリレーは、上記した本発明の何れか一に係るパワーモジュール構造を用いて構成することを特徴とする。
かかる構成により、パワーモジュール構造が、反りを軽減し放熱性の問題を解決できるために、ソリッドステートリレーの外部応力（ヒートショック）にも柔軟に対応でき、ソリッドステートリレーとしての製品寿命の延びが期待できるようになる。
本発明に係るパワーモジュール構造によれば、端子には応力緩和部が設けてあり、しかも応力束縛部が部分的に形成してあるために、反りの原因となる応力が緩和され、しかも応力の束縛が部分的になって反りの発生を抑制することができ、端子の反りに起因するヒートプレートのヒートシンクへの密着性も改善されて放熱性の問題を解決することができる。
また、端子の反りが抑制されるために、反りが少なくなる側に熱が伝達されることになって、接合部である半田にストレスがかかってきて、疲労が起こるという不具合を無くすことができる。
このように反りを軽減し放熱性の問題を解決できる他、製品完成後の外部応力（ヒートショック）にも柔軟に対応でき、製品寿命の延びが期待できるようになる。
また、本発明に係るパワーモジュール構造によれば、パワーモジュール構造が、反りを軽減し放熱性の問題を解決できるために、ソリッドステートリレーの外部応力（ヒートショック）にも柔軟に対応でき、ソリッドステートリレーとしての製品寿命の延びが期待できるようになる。
以下、図面によって本発明の実施の形態について詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１に、本発明に係るパワーモジュール構造を使用したソリッドステートリレーの外観を示す。このソリッドステートリレー２０は、図２に示すように、ヒートシング２１と、このヒートシンク２１の端面２１Ａに取り付けられるベース２２と、このベース２２内に収容されてヒートシンク２１に面接触する本発明に係るパワーモジュール構造Ａと、このパワーモジュール構造Ａに接続される回路基板２３と、ベース２２に係脱可能に係止されて、回路基板２３を覆うケース２４とを備えており、このケース２４には揺動自在にカバー（図示せず）が取り付けてある。
ヒートシング２１の端面２１Ａには、その長手方向の両側にネジ穴２１Ｂが設けてある。また、ベース２２は、ヒートシング２１の端面２１Ａに倣う箱形状であって、その底部２２Ａにはパワーモジュール構造装着部２８が開口しており、また、ベース２２の底部２２Ａの長手方向の両側には端子受け部２９が設けてある。
また、回路基板２３には、その長手方向に両端縁部に基板側端子部２３−１、２３−２が設けてあり、また、回路基板２３の実装面には一対の端子部２３−３、２３−４が設けてあり、また、回路基板２３にはゲート端子接続部２３−５が設けてある。
また、ケース２４は、その長手方向の両端部に端子表出部２４Ａ、２４Ｂを有しており、また、その短手方向の一側縁部に一対の端子表出孔２４Ｃ、２４Ｄを有しているし、また、ケース２４の長手方向の両端部には、裏側に突出するボス部２４Ｅが突設してあり、これらのボス部２４Ｅに先部にはネジ穴２４Ｆが設けてある。
そして、ベース２２はヒートシング２１の端面２１Ａに装着してあり、このベース２２のパワーモジュール構造装着部２８にパワーモジュール構造Ａが装着されるし、このパワーモジュール構造Ａの取付け部７の取付け溝７ａがヒートシング２１のネジ穴２１Ｂに重なるようになる。また、パワーモジュール構造Ａのヒートプレート２１の裏面がヒートシング２１の端面２１Ａに接触する。そして、パワーモジュール構造Ａの端子部４Ｂ、５Ｂがベース２２の端子受け部２９に沿うようになる。
そして、パワーモジュール構造Ａには回路基板２３が重ねてあり、この場合、回路基板２３の基板側端子部２３−１、２３−２が、パワーモジュール構造Ａの端子部４Ｂ、５Ｂに重なる。そして、パワーモジュール構造Ａのゲート端子部５Ｂが回路基板２３のゲート端子接続部２３−５に接続される。
また、ベース２２には、回路基板２３を覆うようにしてケース２４が取付けてあり、このケース２４の一方の端子表出部２４Ａに端子部２３−１と端子ネジ（図示せず）が表出するし、他方の端子表出部２４Ｂに端子部２３−２と端子ネジ（図示せず）が表出する。また、回路基板２３の端子部２３−３、２３−４がケース２４の端子表出孔２４Ｃ、２４Ｄに挿入される。そして、ケース２４のボス部２４Ｅがヒートプレート１の取付け部７を押えるようになって、ボス部２４Ｅのネジ穴２４Ｆに挿入した取付けネジ（図示せず）をヒートシング２１のネジ穴２１Ｂに螺合することで、ヒートプレート１の取付け部７がヒートシンク２１に取付けられる。
パワーモジュール構造Ａは、図３及び図４に示すように、単相のヒートプレート１と、絶縁部材である絶縁板２と、半導体チップ３と、端子である第１の端子４と、第２、第３の端子５、６とを備えている。
そして、ヒートプレート１はＣｕ材から形成してあり、図６に示すように、そのプレート本体１Ａの長手方向に両端部にはヒートシンク２１に取り付けるための取付け部７が延出してあり、各取付け部７には、ヒートシンクにネジ止めするための取付け溝７ａが形成してある。
また、絶縁板２は、図４に示すように、セラミック製の板本体２Ａの両面にモリブデン、マンガン等の金属が蒸着されて金属層（図示せず）が形成してあって、半田付けが可能にしてある。
また、半導体チップ３としては、例えば、出力素子としてのトライアック（図示せず）が使用されており、四角形状の板状体であって、図５に示すように、第１、第２の接点部３ａ、３ｂとゲート接点部３ｃを備えている。
第１の端子４は、図７に示すように、端子本体４Ａを備えており、この端子本体４Ａは短冊形状であって、その短手方向の両側縁部にはスリット４ａがそれぞれ一対形成してあって、これらのスリット４ａが応力緩和部を構成しており、端子本体４Ａの先端側にはクランク形状に屈曲された端子部４Ｂが形成してある。
第２の端子５はゲート端子であり、図４に示すように、細長い形状であって、その基端部が接合部５ａにしてあり、先端部が屈曲されて端子部５Ｂにしてある。
第３の端子６は、図４に示すように、幅広な帯状の端子本体６Ａを備えており、この端子本体６Ａの先端部にはクランク形状に屈曲された端子部６Ｂが形成してある。
そして、ヒートプレート１のプレート本体１Ａには、半田により絶縁板２が接合してあり、また、この絶縁板２の板本体２Ａには、図４に示すように部分的な半田付け領域として第１の端子４の端子本体４Ａの片側である基端部４ｂ側のみが半田付けしてある。
また、図４に示すように、第１の端子４の端子本体４Ａの中央部には半導体チップ３が半田付けしてあり、半導体チップ３には、第２の端子５が、その基端部の接合部５ａで、また、第３の端子６が、その基端部でそれぞれ半田付けしてある。上記のように半田接合して構成されたモジュール構成体１１を樹脂１２でモールドすることで、図３に示すパワーモジュール構造Ａが構成してある。
上記したように、絶縁板２の板本体２Ａと第１の端子４との半田接合では、第１の端子４の端子本体４Ａの先端部４ｂのみが半田付けされていて、この半田は従来の半田付け領域より狭い半田付け領域に部分的に形成されることで、第１の端子４には応力の束縛が部分的になる。そして、この半田接合部が応力束縛部を構成する。
そして、パワーモジュール構造Ａは、図３に示すように、その長手方向の両側に、第１、第３の端子４、６の端子部４Ｂ、６Ｂを有すると共に、表側に第２の端子５の端子部（ゲート端子部）５Ｂが突出しており、更に、パワーモジュール構造Ａには、長手方向の両側に、ヒートシンク２に取り付けるためのヒートプレート１の取付け部７が延出している。
上記したパワーモジュール構造Ａにおいて、絶縁板２の板本体２Ａには、半田付け領域として第１の端子４の端子本体４Ａの先端部４ｂのみが半田付けされていて、応力の束縛が部分的になっており、また、第１の端子４には複数のスリット６ａからなる応力緩和部が形成してあって反りの原因となる応力が緩和されることで、第１の端子４の反りの発生が抑制され、第１の端子４の反りに起因するヒートプレート１のヒートシンクへの密着性も改善されて放熱性の問題を解決することができる。
また、第１の端子４の反りが抑制されるために、反りが少なくなる側に熱が伝達されることになって、接合部である半田にストレスがかかってきて、疲労が起こるという不具合を無くすことができる。
このように反りを軽減し放熱性の問題を解決できる他、製品完成後の外部応力（ヒートショック）にも柔軟に対応でき、製品寿命の伸びが期待できるようになる。
上記した本発明の実施の形態１では、絶縁板２の板本体２Ａに対する第１の端子４の半田接合部を先端部４ｂのみ行なうようにしたが、図４に示すように、絶縁板２の板本体２Ａに対して第１の端子４の端子本体４Ａを、その両側である両端部４ｂ、４ｃ側で半田付けするようにしてもよい。この場合、両端部４ｂ、４ｃ側での半田接合部が応力束縛部を構成する。
この場合、絶縁板２の板本体２Ａには、半田付け領域として第１の端子４の端子本体４Ａの両端部４ｂ、４ｃが半田付けされていて、応力の束縛が部分的になっており、また、第１の端子４には複数のスリット６ａからなる応力緩和部が形成してあって反りの原因となる応力が緩和されることで、第１の端子４の反りの発生が抑制され、第１の端子４の反りに起因するヒートプレートのヒートシンクへの密着性も改善されて放熱性の問題を解決することができる。
また、第１の端子４の反りが抑制されるために、反りが少なくなる側に熱が伝達されることになって、接合部である半田にストレスがかかってきて、疲労が起こるという不具合を無くすことができる。
このように反りを軽減し放熱性の問題を解決できる他、製品完成後の外部応力（ヒートショック）にも柔軟に対応でき、製品寿命の伸びが期待できるようになる。
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２を、図８及び図９を参照して説明する。
本発明の実施の形態２では、図９に示すように、第１の端子４の端子本体４Ａは、基端側部位４ｇ、中部部位４ｈ及び先側部位４ｉに三分割した構成であり、基端側部位４ｇ、中部部位４ｈ及び先側部位４ｉのそれぞれは、部分的に絶縁板２に半田接合してあり、基端側部位４ｇと中部部位４ｈとの直線分割部４ｊ及び中部部位４ｈと先側部位４ｉとの直線分割部４ｋで応力緩和部が形成してある。他の構成は、本発明の実施の形態１と同じである。
したがって、第１の端子４には複数の直線分割部４ｊ、４ｋからなる応力緩和部が形成してあって、反りの原因となる応力が緩和されるし、しかも、それぞれの基端側部位４ｇ、中部部位４ｈ及び先側部位４ｉを絶縁板２の板本体２Ａに半田付けして応力束縛部を分散させてあるために、応力の束縛が部分的になって反りの発生を抑制することができ、第１の端子４の反りに起因するヒートプレート１のヒートシンクへの密着性も改善されて放熱性の問題を解決することができる。
また、第１の端子４の反りが抑制されるために、反りが少なくなる側に熱が伝達されることになって、接合部である半田にストレスがかかってきて、疲労が起こるという不具合を無くすことができる。
このように反りを軽減し放熱性の問題を解決できる他、製品完成後の外部応力（ヒートショック）にも柔軟に対応でき、製品寿命の伸びが期待できるようになる。
また、第１の端子４の端子本体４Ａを、基端側部位４ｇ、中部部位４ｈ及び先側部位４ｉに三分割するにあたって、分割部４ｊ、４ｋを、図１０に示すように、鍵型にしても良い。
また、第１の端子４における応力緩和部は、図１１に示すように、端子本体４Ａの表面Ｐ１に、その短手方向に沿う凹状溝８を、長手方向に複数形成することで構成してもよい。そして、このような第１の端子４は、その裏面Ｐ２で半田を用いて、従来の半田付け領域より狭い半田付け領域で、部分的に絶縁板２に半田接合させる。
したがって、第１の端子４には複数の凹状溝８からなる応力緩和部が形成してあって、反りの原因となる応力が緩和され、しかも、絶縁板２の板本体２Ａと第１の端子４との半田接合では、半田は従来の半田付け領域より狭い半田付け領域に、部分的に形成されることで、第１の端子４には応力の束縛が部分的になっているために、反りの発生が抑制され、第１の端子４の反りに起因するヒートプレート１のヒートシンクへの密着性も改善されて放熱性の問題を解決することができる。
また、第１の端子４の反りが抑制されるために、反りが少なくなる側に熱が伝達されることになって、接合部である半田にストレスがかかってきて、疲労が起こるという不具合を無くすことができる。
また、第１の端子４における応力緩和部は、図１２に示すように、端子本体４Ａの裏面Ｐ２に、その短手方向に沿う凹状溝９を、長手方向に複数形成することで構成してもよい。そして、このような第１の端子４は、その裏面Ｐ２で半田を用いて、従来の半田付け領域より狭い半田付け領域で、部分的に絶縁板２に半田接合させる。
したがって、第１の端子４には複数の凹状溝９からなる応力緩和部が形成してあって、反りの原因となる応力が緩和され、しかも、絶縁板２の板本体２Ａと第１の端子４との半田接合では、半田は従来の半田付け領域より狭い半田付け領域に、部分的に形成されることで、第１の端子４には応力の束縛が部分的になっているために、反りの発生が抑制され、第１の端子４の反りに起因するヒートプレート１のヒートシンクへの密着性も改善されて放熱性の問題を解決することができる。
また、第１の端子４の反りが抑制されるために、反りが少なくなる側に熱が伝達されることになって、接合部である半田にストレスがかかってきて、疲労が起こるという不具合を無くすことができる。
上記した本発明の実施の形態１、２では、ヒートプレート１にはヒートプレート側応力緩和部を形成しないものを用いたが、図１３に示すように、ヒートプレート１のプレート本体１Ａを二分割して、分割部１Ｆで応力緩和部を構成し、しかも、分割部位１ａ、１ｂのそれぞれを絶縁板２に半田接合することで応力束縛部を分散させるようにしてもよい。
したがって、ヒートプレート１には分割部１Ｆからなるヒートプレート側応力緩和部が形成してあるために、反りの原因となる応力が緩和され、しかも、ヒートプレート１と絶縁板２の板本体２Ａとの半田接合では、半田は従来の半田付け領域より狭い半田付け領域に、部分的に形成されることで、ヒートプレート１には応力の束縛が部分的になっているために、反りの発生が抑制され、ヒートプレート１のヒートシンクへの密着性も改善されて放熱性の問題を解決することができる。
（実施の形態３）
本発明に係るパワーモジュール構造の実施の形態３を図１４乃至図１６に示す。このパワーモジュール構造Ａ−１は三相構成であって、図１５に示すように、ヒートプレート１−１と、絶縁板２−１と、半導体チップ３−１と、第１、第２、第３の端子４−１、５−１、６−１とを備えており、絶縁板２−１、半導体チップ３−１及び第１、第２、第３の端子４−１、５−１、６−１は、上記した本発明の実施の形態１における絶縁板２、半導体チップ３及び第１、第２、第３の端子４、５、６と同構成であるために、同じ符号を付して説明を省略する。
ヒートプレート１−１はＣｕ材から形成してあり、図１６に示すように、そのプレート本体１Ａ−１の四隅部には取付け部７が延出してあり、各取付け部７には、ヒートシンクにネジ止めするための取付け穴７ｂが形成してある。
そして、ヒートプレート１−１のプレート本体１Ａには、半田により三枚の絶縁板２−１が接合してあり、また、この絶縁板２−１の板本体２Ａには、図１５に示すように部分的な半田付け領域として第１の端子４−１の端子本体４Ａの両端部４ｂ、４ｃ側が半田付けしてある。
また、図１５に示すように、第１の端子４−１の端子本体４Ａの中央部には半導体チップ３−１が半田付けしてあり、半導体チップ３−１には、第２の端子５−１が、その基端部の接合部５ａで、また、第３の端子６−１が、その基端部でそれぞれ半田付けしてある。上記のように半田接合して構成されたモジュール構成体１１−１を樹脂１２−１でモールドすることで、パワーモジュール構造Ａ−１が構成してある。
上記したように、絶縁板２−１の板本体２Ａと第１の端子４−１との半田接合では、第１の端子４−１の端子本体４Ａの両端部４ｂ、４ｃが半田付けされていて、この半田は従来の半田付け領域より狭い半田付け領域に部分的に形成されることで、第１の端子４−１には応力の束縛が部分的になる。そして、この半田接合部が応力束縛部を構成する。
このパワーモジュール構造Ａ−１は、図１４に示すように、その長手方向の両側に、第１、第３の端子４、６の端子部４Ｂ、６Ｂを有すると共に、表側に第２の端子５の端子部（ゲート端子部）５Ｂが突出しており、更に、パワーモジュール構造Ａ−１には、長手方向の両側に、ヒートシンク（図示せず）に取り付けるためのヒートプレート１−１の取付け部７が延出している。
上記したパワーモジュール構造Ａ−１において、上記したように、第１の端子４−１には複数のスリット４ａからなる応力緩和部が形成してあって、反りの原因となる応力が緩和され、しかも、絶縁板２−１の板本体２Ａと第１の端子４−１との半田接合では、半田は従来の半田付け領域より狭い半田付け領域に、部分的に形成されることで、第１の端子４−１には応力の束縛が部分的になっているために、反りの発生が抑制され、ヒートプレート１−１のヒートシンクへの密着性も改善されて放熱性の問題を解決することができる。
また、第１の端子４−１の反りが抑制されるために、反りが少なくなる側に熱が伝達されることになって、接合部である半田にストレスがかかってきて、疲労が起こるという不具合がなくなる。
上記した本発明の実施の形態３では、第１の端子４−１には複数のスリット４ａからなる応力緩和部が形成したものを使用したが、図９に示すように、第１の端子４−１の端子本体４Ａを、基端側部位４ｇ、中部部位４ｈ及び先側部位４ｉに三分割したもの。また、端子本体４Ａを、基端側部位４ｇ、中部部位４ｈ及び先側部位４ｉに三分割するにあたって、分割部４ｊ、４ｋを、図１０に示すように、鍵型にしたもの。また、図１１に示すように、第１の端子４−１として、応力緩和部として端子本体４Ａの表面に、その短手方向に沿う凹状溝８を、長手方向に複数形成しているもの。また、応力緩和部として、図１２に示すように、端子本体４Ａの裏面に、その短手方向に沿う凹状溝９を、長手方向に複数形成することで構成しているものを用いても良い。
上記した本発明の実施の形態３では、ヒートプレート１−１には、ヒートプレート側応力緩和部を形成しないものを用いたが、図１７に示すように、ヒートプレート１−１のプレート本体１Ａを二分割して、分割部位１ａ−１、１ｂ−１のそれぞれを、従来の半田付け領域より狭い半田付け領域で、部分的に絶縁板２−１に半田接合して応力束縛部を分散させるようにし、また、分割部１Ｆで応力緩和部を構成するようにしてもよい。
したがって、ヒートプレート１−１には分割部１Ｆからなるヒートプレート側応力緩和部が形成してあるために、反りの原因となる応力が緩和され、しかも、ヒートプレート１−１と絶縁板２−１の板本体２Ａとの半田接合では、半田は従来の半田付け領域より狭い半田付け領域に、部分的に形成されることで、ヒートプレート１−１には応力の束縛が部分的になっているために、反りの発生が抑制され、ヒートプレート１−１のヒートシンクへの密着性も改善されて放熱性の問題を解決することができる。
また、ヒートプレート１−１としては、図１８に示すように、そのプレート本体１Ａを二分割して、分割部位１ａ−１、１ｂ−１を、分割部１Ｆの両側に半田１３で接合してヒートプレート側応力緩和部とした構成のもの、図１９に示すように、そのプレート本体１Ａに片側を残してスリット１４を形成してヒートプレート側応力緩和部とした構成のもの、図２０に示すように、そのプレート本体１Ａに両側を残してスリット１５を形成してヒートプレート側応力緩和部とした構成のもの、また、図２１に示すように、そのプレート本体１Ａの表面に、その長手方向に沿う一条の凹状溝１６を形成してヒートプレート側応力緩和部とした構成のもの、また、図２２に示すように、そのプレート本体１Ａの表面Ｐ１に、その短手方向に沿う二条の凹状溝１７を、その長手方向に形成してヒートプレート側応力緩和部とした構成のもの、また、図２３に示すように、そのプレート本体１Ａの表面Ｐ１に、その短手方向に沿う二条の凹状溝１８と、その長手方向に沿う三条の凹状溝１９をそれぞれ形成して、これら凹状溝１８、１９を格子状に配列してヒートプレート側応力緩和部とした構成のものを用いても良い。
そして、このようなヒートプレート１−１は、従来の半田付け領域より狭い半田付け領域で、部分的に絶縁板２−１に半田接合させる。
したがって、ヒートプレート１−１にはヒートプレート側応力緩和部が形成してあって、反りの原因となる応力が緩和され、しかも、絶縁板２−１の板本体２Ａとヒートプレート１−１との半田接合では、半田は従来の半田付け領域より狭い半田付け領域に、部分的に形成されることで、ヒートプレート１−１には応力の束縛が部分的になっているために、反りの発生が抑制され、ヒートプレート１−１のヒートシンクへの密着性も改善されて放熱性の問題を解決することができる。
本発明によれば、端子には応力緩和部が設けてあり、この応力束縛部が部分的に形成してあるために、反りの原因となる応力が緩和され、しかも応力の束縛が部分的になって反りの発生を抑制することができ、端子の反りに起因するヒートプレートのヒートシンクへの密着性も改善されて放熱性の問題を解決することができるという効果を有しており、高い信頼性、放熱性を要する電子部品のパワーモジュール及びこれを用いたソリッドステートリレー等に有用である。
本発明に係るパワーモジュール構造を使用したソリッドステートリレーの外観を示す斜視図である。 同ソリッドステートリレーの分解状態の斜視図である。 本発明に係るパワーモジュール構造の実施の形態１の斜視図である。 同パワーモジュール構造において樹脂モールドを除いた状態の斜視図である。 図４のＸ−Ｘ線断面位置での斜視図である。 ヒートプレートの斜視図である。 第１の端子の斜視図である。 本発明に係るパワーモジュール構造の実施の形態２において樹脂モールドを除いた状態の斜視図である。 同パワーモジュール構造に使用する第１の端子の斜視図である。 第１の端子の別の形態例の斜視図である。 第１の端子の他の別の形態例の斜視図である。 第１の端子の他の別の形態例の斜視図である。 ヒートプレートの他の別の形態例の斜視図である。 本発明に係るパワーモジュール構造の実施の形態３の斜視図である。 同パワーモジュール構造であって、樹脂モールドを除いた状態の平面図である。 同パワーモジュール構造におけるヒートプレートの斜視図である。 ヒートプレートの他の形態例の斜視図である。 ヒートプレートの他の別の形態例の斜視図である。 ヒートプレートの他の別の形態例の斜視図である。 ヒートプレートの他の別の形態例の斜視図である。 ヒートプレートの他の別の形態例の斜視図である。 ヒートプレートの他の別の形態例の斜視図である。 ヒートプレートの他の別の形態例の斜視図である。 従来のパワーモジュール構造の斜視図である。 同パワーモジュール構造において、樹脂モールドを除いた状態の斜視図である。 同パワーモジュール構造において、ヒートプレートに絶縁板を半田接合する状態の斜視図である。 同パワーモジュール構造において、絶縁板に第１の端子を半田接合する状態の斜視図である。 同パワーモジュール構造において、第１の端子に半導体チップを半田接合する状態の斜視図である。 同パワーモジュール構造において、半導体チップに第２、第３の端子を半田接合する状態の斜視図である。 パワーモジュール構造における絶縁板と第１の端子との反りの発生のメカニズムの模式図である。 絶縁板に対して第１の端子が熱膨張した状態の模式図である。 絶縁板に対して第１の端子が収縮した状態の模式図である。 絶縁板及び第１の端子に反りが発生した状態の模式図である。
符号の説明
Ａ パワーモジュール構造
Ａ−１ パワーモジュール構造
１ ヒートプレート
１Ａ プレート本体
１Ｆ 分割部（応力緩和部）
１ａ 分割部位
１ｂ 分割部位
１ａ−１ 分割部位
１ｂ−１ 分割部位
１−１ ヒートプレート
２ 絶縁板（絶縁部材）
２Ａ 板本体
２−１ 絶縁板
３ 半導体チップ
３−１ 半導体チップ
４ 第１の端子（端子）
４Ａ 端子本体
４ａ スリット（応力緩和部）
４ｂ 基端部（片側）
４ｃ 端部
４ｇ 基端側部位
４ｈ 中部部位
４ｉ 先側部位
４ｊ 直線分割部（応力緩和部）
４ｋ 直線分割部（応力緩和部）
４Ｂ 端子部
４−１ 第１の端子
５ 第２の端子
５Ｂ 端子部
５−１ 第２の端子
６ 第３の端子
６Ａ 端子本体
６Ｂ 端子部
６−１ 第３の端子
７ 取付け部
８ 凹状溝（応力緩和部）
９ 凹状溝（応力緩和部）
１０ 半田
１１ モジュール構成体
１１−１ モジュール構成体
１２ 樹脂
１２−１ 樹脂
１４ スリット
１５ スリット
１６ 凹状溝（ヒートプレート側応力緩和部）
１７ 凹状溝（ヒートプレート側応力緩和部）
１８ 凹状溝（ヒートプレート側応力緩和部）
１９ 凹状溝（ヒートプレート側応力緩和部）
２０ ソリッドステートリレー
２１ ヒートシンク

Claims (9)

  1. ヒートシングに接触するヒートプレート、絶縁部材、端子及び半導体チップを、順次半田により接合して、前記端子を、その対応する前記半導体チップの接点に接続するようにしたパワーモジュール構造であって、
    前記端子に、当該端子と前記絶縁部材との熱膨張係数の差に起因して発生する応力を緩和する応力緩和部を設けると共に、前記端子を前記絶縁部材に半田付けする半田接合領域である応力束縛部を部分的に形成するようにしたことを特徴とするパワーモジュール構造。
  2. 前記応力束縛部が前記端子の片側であることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール構造。
  3. 前記応力束縛部が前記端子の両側にあることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール構造。
  4. 前記応力緩和部が、前記端子に形成した複数のスリットであることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかの一に記載のパワーモジュール構造。
  5. 前記端子を、その長手方向に分割して、この分割部を前記応力緩和部にすると共に、前記端子の分割部位を前記絶縁部材に半田付けすることで前記応力束縛部を分散させるようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかの一に記載のパワーモジュール構造。
  6. 前記応力緩和部は、前記端子の表面に形成した凹状溝であることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかの一に記載のパワーモジュール構造。
  7. 前記応力緩和部は、前記端子の裏面に形成した凹状溝であることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかの一に記載のパワーモジュール構造。
  8. 前記ヒートプレートにヒートプレート側応力緩和部を形成するようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れかの一に記載のパワーモジュール構造。
  9. 請求項１乃至請求項８の何れかの一に記載のパワーモジュール構造を用いて構成したことを特徴とするソリッドステートリレー。
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