JP2009289980A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】制御基板とパワー回路基板とを接続する、屈曲したストレスリリーフ部を有する線材ピンであって、留め部への接続が容易に行うことができ、かつ留め部との接続部の摩耗を防止した線材ピンを備えた電力用半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体装置が、半導体素子９が載置された回路基板６と、回路基板と平行に配置され、半導体素子を制御する制御基板１３と、回路基板と制御基板との間に、半導体素子を囲むように設けられたケース１１と、回路基板に設けられた留め部３に接続され、回路基板と制御基板とを接続する線材ピン２とを含み、線材ピンは、屈曲したストレスリリーフ部４と段差部とを有し、段差部を留め部方向に押して線材ピンを留め部に接続させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置に関し、特に、パワー半導体素子が搭載されたパワー回路基板と、制御用ＩＣが搭載された制御基板とが、線材ピンで接続された電力用半導体装置に関する。
従来の電力用半導体装置では、パワー回路基板の上にパターンが形成され、その上にパワー半導体素子が固定されている。パワー半導体素子とパターンとの間は金属細線により接続されている。パワー回路基板を囲むようにケースと上面ケースが設けられている。ケースの上にはパワー半導体素子を制御するための制御基板が設けられ、制御基板とパワー回路基板とを接続するように直線状の線材ピンが設けられている。線材ピンは、パワー回路基板のパターンに半田付けされた、漏斗状または円筒状の留め部の中に差し込んで、半田で固定されている（例えば、特許文献１参照）。
特許第３６９１４０２号
しかしながら、制御基板とパワー回路基板とを接続する線材ピンが直線状の場合、熱応力により制御基板とパワー回路基板との間隔が変化して線材ピンにストレスが発生する。このため、線材ピンに屈曲したストレスリリーフ部を設けてストレスを緩和することが提案されているが、一方で、線材ピンを留め部に挿入する際に、座屈により線材ピンのストレスリリーフ部が曲がり過ぎたり、ストレスリリーフ部が屈曲して線材ピンの先端に力がかからず、挿入できないという問題があった。
また、横方向から線材ピンを治具等で挟んで挿入する場合、冶具と線材ピンの間の摩擦力によって線材ピンを挟んで挿入するため、線材ピンを挟む２つの冶具が平行でないと線材ピンと冶具の間の摩擦力が小さくなり、挿入する力を線材ピンに伝えることが難しくなるという問題もあった。
更に、直線状の線材ピンを用いて制御基板とパワー回路基板とを接続すると、例えば熱応力により制御基板が反った場合、線材ピンと留め部との接続部に繰り返しストレスが加わり、接続部が摩耗し接続不良が発生するという問題もあった。線材ピンと留め部との接続部をある程度可動な状態で接続した場合でも、繰り返しストレスが加わった場合にはこのような問題が発生していた。
そこで、本発明は、制御基板とパワー回路基板とを接続する、屈曲したストレスリリーフ部を有する線材ピンであって、留め部への接続が容易に行うことができ、かつ線材ピンと留め部との接続部の摩耗を防止した線材ピンを備えた電力用半導体装置の提供を目的とする。
本発明は、半導体素子が載置された回路基板と、回路基板と平行に配置され、半導体素子を制御する制御基板と、回路基板と制御基板との間に、半導体素子を囲むように設けられたケースと、回路基板に設けられた留め部に接続され、回路基板と制御基板とを接続する線材ピンとを含み、線材ピンは、屈曲したストレスリリーフ部と段差部とを有し、段差部を留め部方向に押して線材ピンを留め部に接続させたことを特徴とする半導体装置である。
以上のように、本発明によれば、屈曲したストレスリリーフ部を有する線材ピンであっても、線材ピンと留め部との接合が容易かつ完全に行うことができ、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
図１（ａ）は、全体が１００で表される、本発明の実施の形態にかかる電力用半導体装置の断面図である。電力用半導体装置１００は、パワー回路基板６を含む。パワー回路基板６の表面には、例えば銅からなるパターン８が形成されている。パターン８の上には、半田７によりＩＧＢＴ等のパワー半導体素子９が固定されている。パワー半導体素子９の電極とパターン８との間は、例えばアルミニウムからなる金属細線５により接続されている。
パワー回路基板６の周囲には、パワー半導体素子９を囲むケース１１と、上面ケース１２が設けられている。ケース１１、上面ケース１２は、絶縁性を有するプラスチック等から形成される。ケース１１とパワー回路基板６によって囲まれた空間には、絶縁性を確保するために、例えばシリコンゲール１０が充填されている。
なお、パワー回路基板６や制御基板１３には他の半導体素子が載置されているが、ここでは省略する。
ケース１１の上には、パワー半導体素子９を制御するための制御基板１３が設けられている。制御基板１３は、例えばネジなどによりケース１１に固定されている。制御基板１３とパワー回路基板６とを接続するように線材ピン２が設けられている。線材ピン２には、ストレスを緩和するために、屈曲したストレスリリーフ部４が設けられている。線材ピン２は、金属細線５のボンディング後に、上面ケース１２に設けられた穴を通して、その一端がパワー回路基板６上に半田付けされた留め部３に挿入されて半田付けされ、他端が制御基板１３を貫通して制御基板１３に半田付けされる。
なお、図１（ｂ）に示すように、制御基板１３と線材ピン２との接続は、制御基板１３の下側に平坦な電極１４を設け、そこに線材ピン２を接触させることによって行っても良い。
図２は、電力用半導体装置１００に用いられる基板間接続手段１の拡大図である。基板間接続手段１は、線材ピン２と留め部３からなる。線材ピン２は、例えばニッケルメッキされた銅などの、断面が略円形の棒状の金属からなる。なお、本実施の形態では、線材ピン２は、円柱形状として説明するが、例えば四角柱や六角柱のような棒状でも構わない。
線材ピン２は、屈曲したストレスリリーフ部４、挿入部１６を有するとともに、挿入部１６より直径の大きいつば状の段差部１５を有する。段差部１５以外の線材ピン２の直径は略一定である。
一方、パワー回路基板６上のパターン８の上には、留め部３が半田７で固定されている。留め部３には開口部１７が設けられている。留め部３は、例えば薄い金属板を深絞り加工して形成される。
また、この例ではパターン８の上に留め部３が配置される構成を示しているが、留め部３はパワー半導体素子９の表面電極に直接固着しても良い。
図２の線材ピン２は、段差部１５の両側を治具等で挟み、留め部３の開口部１７中に挿入部１６を挿入する。留め部３と挿入部１６は半田で接合されるが、両者を機械的に噛み合わせても良い。かかる線材ピン２では、段差部１５の上部を留め部３の方向（矢印方向）に押すため、挿入部１６を開口部１７中に十分に挿入することができるとともに、ストレスリリーフ部４には無用な力が加わらず、ストレスリリーフ部４が曲がることもない。
図３は、電力用半導体装置１００に用いられる他の基板間接続手段１の拡大図であり、図２と同一符号は、同一または相当箇所を示す。線材ピン２は、屈曲したストレスリリーフ部４、挿入部１６を有するとともに、挿入部１６より直径の小さい切り欠き部からなる段差部１８を有する。段差部１８は、線材ピン２の他の部分と同軸（同心円）で直径の小さな構造であることが好ましい。
図４は、線材ピン２の段差部１８と噛み合う治具１９を示す。治具１９は、その幅が、線材ピン２の直径より小さく、段差部１８の直径より大きい切り込み部２０を有する。
図３の線材ピン２は、図４の水平矢印の方向から治具２０を切り欠き部２０に噛み合わせ、垂直矢印の方向に押す。これにより、ストレスリリーフ部４に無用な力を加えることなく、留め部３の開口部１７中に挿入部１６を挿入し、半田で固定できる。
図５は、電力用半導体装置１００に用いられる他の基板間接続手段１の拡大図であり、図２と同一符号は、同一または相当箇所を示す。図５では、線材ピン２の挿入部１６が、線材ピン２より断面の直径が大きい円柱部（段差部）２１と、先端ほど直径が小さくなった円錐台部２２から構成されている。この構成によれば、円柱部２１が段差部の役割を果たし、挿入部１６を開口部１７に挿入する際に、円柱部２１の上面に矢印方向の力を加えることにより、挿入部１６を開口部１７に挿入することができる。
また、円錐台部２２はテーパー形状であり、挿入部１６の先端の直径は開口部１７の開口径より小さくなっている。このため、挿入時の位置合わせの精度が緩和され、挿入が容易となる。
更に、挿入部１６に円柱部２１を設けているため、留め部３の開口部１７の側壁と円柱部２１の側壁が接することにより、パワー回路基板６に対して線材ピン２を垂直に固定できる。
図６は、特許文献１に記載された構造と、図５の構造との比較であり、（ａ）、（ｂ）は従来構造、（ｃ）、（ｄ）は本実施の形態にかかる構造を示す。図６中、図２と同一符号は同一又は同等箇所を示す。
従来構造の電力用半導体装置では、直線状の線材ピン２ｂが、留め部３ａに挿入されて半田で固定されるとともに、（ａ）のように、制御基板１３を貫通した状態で制御基板１３に半田で固定されたり、（ｂ）のように、制御基板１３に設けられた電極１４の半田で固定されている。
電力用半導体装置１００に熱が加わり、例えば制御基板１３が反った場合、従来構造では線材ピン２ｂが直線であるため、（ａ）に示すように線材ピン２ｂが留め部３ａから抜けたり、（ｂ）に示すように線材ピン２ｂが電極１４からはずれたりした。
これに対して、本実施の形態にかかる電力用半導体装置１００では、例えば制御基板１３が反った場合でも、（ｃ）、（ｄ）に示すようにストレスリリーフ部４が伸縮して反り量を吸収するため、線材ピン２がパワー回路基板６や電極１４から外れるのを防止できる。このように、本実施の形態にかかる線材ピン２を用いることにより、信頼性の高い電力用半導体装置１００を得ることができる。
なお、留め部３と線材ピン２の間には接触抵抗が生じるが、通電による抵抗発熱は、パターン８、パワー半導体素子９およびパワー回路基板６を通して図示しない放熱手段へと排出されるため、余分な抵抗発熱は生じない。これは、接触部をパワー回路基板６に近接配置したため得られる効果である。また、温度上昇による抵抗率の増大も防止でき、通電抵抗を低く保つことができる。
図７は、電力用半導体装置１００に用いられる他の基板間接続手段１の拡大図であり、図２と同一符号は、同一または相当箇所を示す。図７では、図２の構造に対して、更に挿入部１６を円柱部２１と円錐台部２２から形成している。この構造によれば、段差部１５を用いて挿入部１６を開口部１７に挿入できるとともに、円錐台部２２により挿入が容易となり、また、円柱部２１と開口部とを噛み合わせることによりパターン８の表面に対して線材ピン２を垂直に保持することができる。
図８は、電力用半導体装置１００に用いられる他の基板間接続手段１の拡大図であり、図２と同一符号は、同一または相当箇所を示す。図８では、挿入部１６を２つ以上の段差部１５から形成している。２つの段差部１５は、線材ピン２より直径の大きなつば状部分からなり、同一形状であることが好ましい。一方、留め部３の開口部１７は、段差部１５の直径と略同一の直径を有する断面が円状の開口部からなる。
図８では、段差部１５の上部を矢印方向に押すことにより、段差部１５を開口部１７に挿入できる。かかる構造では、複数の段差部１５が開口部１７の内壁と接して固定されるため、安定した接合を得ることができる。
図９、１０は、電力用半導体装置１００に用いられる他の基板間接続手段１の拡大図であり、図２と同一符号は、同一または相当箇所を示す。図９では、パターン８の上に突起状の留め部３が設けられ、線材ピン２には、これに対応するように、先端に開口部２３が設けられている。また、線材ピン２の先端は、拡がって段差部１５となっている。段差部１５は図２のようなつば状であっても良い。また、図１０では、更に、留め部３の上部に円錐台部２５が設けられている。
図９では、段差部１５を矢印方向に押すことにより、線材ピン２に設けた開口部２３に留め部３を挿入して、半田で固定することができる。段差部１５を挟んで留め部３方向に押すため、線材ピン２がストレスリリーフ部４を有しても、段差部１５と留め部３の固定が行える。
また、図１０のように、留め部３の端部に円錐台部２５を備えることにより、開口部２３に留め部３を容易に挿入できる。
ここで、線材ピン２の段差部１５は、例えばヘッダー加工などにより形成され、その後、開口部２３が形成される。また、パターン８上に半田付けされた留め部３の下部も、ヘッダー加工などにより形成され、半田付けし易い形状となっている。
特に、線材をヘッダー加工して留め部３を形成することにより、適度な長さに線材を切断するだけの簡単な方法で留め部３を作製できる。
なお、図示していないが、段差部１５は、図３に示すような線材ピン２の直径より直径の小さい窪み部であっても良い。この場合、窪み部は、ストレスリリーフ部４より下（パターン８側）で、かつ開口部２３の最上部より上に形成される。
図１１は、図５の構造において、留め部３の開口部１７に挿入部１６を挿入した後に、留め部３を変形させて開口部１７と挿入部１６を噛み合わせて固定した場合である。また、図１２は、図１０の構造において、留め部３を開口部２４に挿入した後に、開口部２４を変形させて開口部２４と留め部３を噛み合わせて固定した場合である。
このように、半田材で固定する代わりに、または半田材の固定に加えて、線材ピン２と留め部３とを噛み合わせて固定することにより、固定強度を高くすることができる。かかる噛み合わせによる固定は、図２等に示す他の構造にも適用することができる。
なお、図２〜１２に示す構造では、いずれも、パワー回路基板６上に形成された銅のパターン８上に、留め部３が半田付けされ、更に、線材ピン２は制御基板１３に対して半田付けで固定される。このため、線材ピン２、留め部３ともに、耐食性、半田付け性に優れた、例えばニッケルメッキされた銅などの金属から形成することが好ましい。
以上のように、本実施の形態にかかる基板間接続手段１を用いることにより、段差部１５を治具で挟むなどして力を加え、線材ピン２と留め部３とを接続できる。このため、線材ピン２が、湾曲したストレスリリーフ部４に負荷をかけることなく線材ピン２と留め部３の接合が可能となる。
また、線材ピン２がストレスリリーフ部４を備えるため、熱の影響で制御基板１３等が反った場合でも、かかる反りをストレスリリーフ部４が変形することにより吸収できる。この結果、線材ピン２と留め部３等の接合部分には負荷がかからず、熱サイクルに対しても信頼性の高い電力用半導体装置１００を提供することができる。
なお、本実施の形態では、パワー素子としてＩＧＢＴを用いた例について説明したが、ＭＯＳＦＥＴやダイオード等、他の半導体素子を用いた構造にも適用することは可能である。
（ａ）は本発明の実施の形態にかかる電力用半導体装置の断面図であり、（ｂ）は接続部の拡大図である。 本発明の実施の形態にかかる基板間接続手段の拡大図である。 本発明の実施の形態にかかる他の基板間接続手段の拡大図である。 本発明の実施の形態にかかる基板間接続手段の段差部に治具を挿入する工程である。 本発明の実施の形態にかかる他の基板間接続手段の拡大図である。 従来構造の基板接続手段と、本発明の実施の形態にかかる基板間接続手段との比較である。 本発明の実施の形態にかかる他の基板間接続手段の拡大図である。 本発明の実施の形態にかかる他の基板間接続手段の拡大図である。 本発明の実施の形態にかかる他の基板間接続手段の拡大図である。 本発明の実施の形態にかかる他の基板間接続手段の拡大図である。 本発明の実施の形態にかかる他の基板間接続手段の拡大図である。 本発明の実施の形態にかかる他の基板間接続手段の拡大図である。
符号の説明
１ 基板間接続手段、２ 線材ピン、３ 留め部、４ ストレスリリーフ部、５ 金属細線、６ パワー回路基板、７ 半田、８ パターン、９ 半導体素子、１０ シリコンゲール、１１ ケース、１２ 上面ケース、１３ 制御基板、１４ 電極、１５ 段差部、１６ 挿入部、１７ 開口部、１００ 電力用半導体装置。

Claims (9)

  1. 半導体素子が載置された回路基板と、
    該回路基板と平行に配置され、該半導体素子を制御する制御基板と、
    該回路基板と該制御基板との間に、該半導体素子を囲むように設けられたケースと、
    該回路基板に設けられた留め部に接続され、該回路基板と該制御基板とを接続する線材ピンとを含み、
    該線材ピンは、屈曲したストレスリリーフ部と段差部とを有し、該段差部を該留め部方向に押して該線材ピンを該留め部に接続させたことを特徴とする半導体装置。
  2. 上記段差部は、上記線材ピンの周囲につば状に突出した突出部であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 上記線材ピンが円柱からなり、上記段差部は、該線材ピンと同軸で直径の大きいつば部からなることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
  4. 上記段差部は、上記線材ピンの周囲に設けた切り欠き部からなることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置、
  5. 上記線材ピンが円柱からなり、上記段差部は、該線材ピンと同軸で直径の小さい切り欠き部からなることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
  6. 上記留め部は上記回路基板の上に固定された突出部からなり、該突出部は上記線材ピンがその中に挿入される開口部を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  7. 上記留め部は上記回路基板の上に固定された突出部からなり、上記線材ピンはその端部に該突出部がその中に挿入される開口部を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  8. 上記線材ピンと上記留め部が、半田により接続されたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の半導体装置。
  9. 上記線材ピンと上記留め部が、嵌合接続されたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の半導体装置。
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