JP2010245096A

JP2010245096A - 半導体装置

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Publication number: JP2010245096A
Application number: JP2009089007A
Authority: JP
Inventors: Shuzo Araya; 修三荒谷; Yasushi Nakajima; 泰中島
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-04-01
Filing date: 2009-04-01
Publication date: 2010-10-28
Anticipated expiration: 2029-04-01
Also published as: JP5100694B2

Abstract

【課題】パワー回路基板と制御基板間の電気的接続部に生じる熱応力等によるストレスを緩和し、さらに絶縁性を向上させた電力用半導体装置を提供する。
【解決手段】回路基板１６と制御基板４とを接続ピン２で接続した半導体装置において、表面に導電性パターンを有する回路基板と、導電性パターンの上に設けられた半導体素子１３と、側面と上面とを有し回路基板の上に載置されたケース７とを含むパワーモジュールと、ケースの上面に沿って配置された制御基板と、ケースの上面に設けられた孔９を通って、互いに平行になるように配置され、半導体素子と制御基板とを電気的に接続する接続ピンとを含み、隣り合った２つの接続ピンが、接続ピンの間の距離が小さくなるように屈曲したことを特徴とする半導体装置である。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力用の半導体装置に関し、特に、半導体素子が搭載された回路基板と、半導体素子を制御するための制御用ＩＣが搭載された制御基板とを、基板間接続ピン端子で接続した電力用の半導体装置に関する。

パワー回路基板と制御基板を基板間接続ピン端子で接続した従来の電力用半導体装置では、例えば特許文献１に記載されているように、基板間接続ピン端子は、パワー回路基板上に半田付けされた端子と、その端子に挿入される円柱または角柱の直線状の線材ピンとにより構成されている。

このような基板間接続ピン端子を用いることにより、パワー回路基板から直接、制御基板に配線できるため、インサートケースが不要となり、材料コストの低減やモジュールの小型化が可能となる。

また、パワー半導体素子表面に基板間接続ピン端子を直接搭載するため、パワー回路基板上のエミッタ、コレクタ、ゲートの接続は、パワー回路基板上での金属細線による配線ではなく、制御基板上で行なうこととなり、パワー回路基板上での煩雑な配線引き回しが低減できる。

特許第３６９１４０２号

しかし、従来の技術では、第１に、直線形状の線材ピンを、パワー回路基板上のエミッタと制御基板とを接続する線材ピン、およびパワー回路基板上のコレクタと制御基板とを接続する線材ピンに用いると、エミッタ、コレクタの線材ピンで囲まれる面の面積が大きく、インダクタンスが大きくなり、サージ電圧が大きくなるという問題があった。
第２に、直線形状の線材ピンを、パワー回路基板上のゲートと制御基板とを接続する線材ピン、およびパワー回路基板上のエミッタと制御基板とを接続する線材ピンに用いると、ゲート、エミッタの線材ピンで囲まれる面の面積が大きく、ゲート、エミッタの線材ピンで囲まれた面を通る磁束が大きくなり、周辺の電磁波によって誤動作を引き起こすノイズの耐量が低くなるという問題があった。
第３に、パワー回路基板と制御基板間との電気的接続部に熱応力等によるストレスが生じ、かかるストレスの緩和が問題となっていた。
第４に、半導体装置の小型化が進むと、振動等で線材ピン同士が接触するという問題もあった。

そこで、本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、サージ電圧を低減し、周辺の電磁波によって誤動作を引き起こすノイズの耐量を高め、パワー回路基板と制御基板間の電気的接続部に生じる熱応力等によるストレスを緩和し、さらに絶縁性を向上させた電力用半導体装置の提供を目的とする。

本発明は、回路基板と制御基板とを接続ピンで接続した半導体装置であって、表面に導電性パターンを有する回路基板と、導電性パターンの上に設けられた半導体素子と、側面と上面とを有し回路基板の上に載置されたケースとを含むパワーモジュールと、ケースの上面に沿って配置された制御基板と、ケースの上面に設けられた孔を通って、互いに平行になるように配置され、半導体素子と制御基板とを電気的に接続する接続ピンと、を含み、隣り合った２つの接続ピンが、接続ピンの間の距離が小さくなるように屈曲したことを特徴とする半導体装置である。

以上のように、本発明にかかる半導体装置では、屈曲部を有する線材ピンを用いることにより、サージ電圧を低減できるとともに、ノイズの耐量を高めることができる。

また、本発明にかかる半導体装置では、線材ピンが屈曲部を有することにより、パワー回路基板と制御基板との間に生じる熱応力等に起因する接続部へのストレスを緩和することができる。

また、本発明の半導体装置では、インサートケースが不要となり、小型化、軽量化が図れるとともに、インダクタンスが低減でき、エネルギー効率を高くできる。

本発明の実施の形態にかかる半導体装置の断面図である。パワーモジュールの部分拡大図（エミッタ、コレクタ）であり、（ａ）は本実施の形態にかかる構造、（ｂ）は従来の構造を示す。パワーモジュールの部分拡大図（ゲート、エミッタ）であり、（ａ）は本実施の形態にかかる構造、（ｂ）は従来の構造を示す。（ａ）は、パワーモジュールのケース上面の一部を拡大した断面図であり、（ｂ）はその上面図である。

以下に、図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、以下の説明では、「上」、「下」、「左」、「右」およびこれらの用語を含む名称を適宜使用するが、これらの方向は図面を参照した発明の理解を容易にするために用いるものであり、実施形態を上下反転、あるいは任意の方向に回転した形態も、当然に本願発明の技術的範囲に含まれる。

図１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の半導体装置の断面図であり、特に、パワーモジュール５０と制御基板４の構成を示している。なお、図１では、パワー回路基板１６に搭載されるパワー半導体素子１３以外の部品や、制御基板４に搭載されるパワー半導体素子１３を制御するための制御用ＩＣ等の部品は簡略化のために図示していない。

図１に示すように、半導体装置１００は、パワーモジュール５０と制御基板４を含む。パワーモジュール５０は、パワー回路基板１６とケース７から構成されている。パワー回路基板１６の上には、銅パターン１５が形成されており、その上部には、パワー半導体素子１３やその他部品ならびに端子１１が半田１４を介して搭載されている。なお、端子１１は、パワー半導体素子１３の表面上にも半田付けされている。パワー半導体素子１３は、ＩＧＢＴ、パワーＦＥＴ等からなる。

ケース７は、絶縁性を有するように、例えばプラスチックから形成される。ケース側面６とパワー回路基板１６によって囲まれた空間には、絶縁のために、例えばシリコンゲール１２が充填されている。ケース７と制御基板４は、例えばネジによって固定されている。

線材ピン１、２、３は、金属細線１０のボンディング後に、パワー回路基板１６上の銅パターン１５やパワー半導体素子１３上に半田付けされた端子１１に挿入され、ケース上面５に設けられた孔９を通り、更に、制御基板４のスルーホールに通されて半田付けされる。このとき、パワー回路基板１６上のエミッタ、コレクタ、ゲートから制御基板４へ接続された線材ピン１、２、３は、制御基板４上で電気的に接続される。ケース上面５に設けられた線材ピン１、２、３を通すそれぞれの孔９の間には、ケース７の成型と同時に、ケース上面５に対して垂直に配置され、ケース７と同じ材料からなる絶縁板８が設けられている。

図２は、パワーモジュールの部分拡大図であり、（ａ）は本実施の形態にかかる構造、（ｂ）は従来の構造を示す。図２中、図１と同一符号は、同一または相当箇所を示す。

図２において、（ａ）は、エミッタ、コレクタから制御基板４へ接続する線材ピンとして、本発明にかかる線材ピン同士を互いに近づけるように折り曲げた線材ピン１、２を設けた場合であり、（ｂ）は、同じくエミッタ、コレクタから制御基板４へ接続する線材ピンとして、従来の直線形状の線材ピン１ａ、２ａを設けた場合を示す。

本実施の形態にかかる半導体装置では、（ａ）に示すように、エミッタの端子１１は、パワー半導体素子１３表面上に半田付けされ、コレクタの端子１１は、パワー回路基板１６の上の銅パターン１５上に半田付けされている。エミッタ、コレクタから制御基板４に接続する線材ピンは、線材ピンを互いに近づけるように屈曲部１９で折り曲げた線材ピン１、２となっている。

線材ピン１、２は、同一平面内に位置するように折り曲げられていることが好ましいが、若干、この面からずれるように折り曲げられても構わない。また、屈曲部１９に挟まれた部分は直線状で、互いに平行であることが好ましい。

かかる構造を用いることにより、（ｂ）に示す従来の直線形状の線材ピン１ａ、２ａを設けた構造に比較して、エミッタ、コレクタの線材ピンで囲まれる面１８（斜線で表す部分）の面積を縮小できる。この結果、インダクタンスを低減でき、従来よりもサージ電圧が低減された半導体装置を得ることができる。

図３は、パワーモジュールの他の部分拡大図であり、（ａ）は本実施の形態にかかる構造、（ｂ）は従来の構造を示す。図３中、図１と同一符号は、同一または相当箇所を示す。

図３において、（ａ）は、ゲート、エミッタから制御基板４へ接続する線材ピンとして、本発明にかかる線材ピン同士を互いに近づけるように折り曲げた線材ピン３、１を設けた場合であり、（ｂ）は、同じくゲート、エミッタから制御基板４へ接続する線材ピンとして、従来の直線形状の線材ピン３ａ、１ａを設けた場合を示す。

本実施の形態にかかる半導体装置では、（ａ）に示すように、エミッタの端子１１は、パワー半導体素子１３表面上に半田付けされ、ゲートの端子１１は、パワー回路基板１６上の銅パターン１５上に半田付けされている。ゲート、エミッタから制御基板４に接続する線材ピンは、線材ピンを互いに近づけるように屈曲部１９で折り曲げた線材ピン３、１となっている。

線材ピン３、１は、同一平面内に位置するように折り曲げられていることが好ましいが、若干、この面からずれるように折り曲げられても構わない。また、屈曲部１９に挟まれた部分は直線状で、互いに平行であることが好ましい。

かかる構造を用いることにより、従来の直線形状の線材ピン３ａ、１ａを設けた構造に比較して、ゲート、エミッタの線材ピンで囲まれる面２１（斜線で表す部分）の面積を縮小できる。この結果、面２１を通る磁束が小さくなり、従来よりも周辺の電磁波によって誤動作を引き起こすノイズの耐量を高めることができる。

また、図２（ｂ）、図３（ｂ）に示すような従来の基板間接続ピン端子では、パワー回路基板１６と制御基板４の間に生じる、熱応力等に起因する電気的接続部へのストレスは、パワー回路基板１６上に半田付けされた端子１１内で、線材ピン１ａ、２ａ、３ａが軸方向に動くことによって緩和していた。しかし、ストレスが繰り返し加わると、線材ピン１ａ、２ａ、３ａと端子１１の接触部が磨耗し、接触不良の原因となっていた。

これに対し、図２（ａ）、図３（ａ）に示すように、本実施の形態にかかる板間接続ピン端子では、線材ピン１、２、３の屈曲部１９によって、パワー回路基板１６と制御基板４間に生じる、熱応力等に起因する電気的接続部へのストレスを緩和、吸収することができる。このため、線材ピン１、２、３と端子１１との接触部にはストレスは加わらず、線材ピン１、２、３と端子１１の接触部の磨耗を防ぐことができる。

また、図２（ａ）、図３（ａ）に示す本実施の形態にかかる線材ピン１、２、３では、屈曲部１９と端子１１に挿入される線材ピン１、２、３の先端部との間に、線材ピン１、２、３の主たる径よりも大きい径を有するつば状の段差部２０が設けられている。このような段差部２０を設けることにより、例えば段差部２０の上部を挿入治具で挟んで、線材ピン１、２、３の先端部を端子１１に容易に挿入することができる。特に、屈曲部１９を有する線材ピン１、２、３であっても、屈曲部１９が曲りすぎたり、屈曲部１９に力が吸収される等の問題を発生させずに、先端部を端子１１に挿入できる。また、挿入治具で段差部２０の上部を挟むことにより、挿入治具に段差部２０を固定でき、挿入を容易に行うことができる。

また、図２（ａ）、図３（ａ）に示す本実施の形態にかかる半導体装置では、パワー回路基板１６の上の銅パターン１５の上、またはパワー半導体素子１３の表面上に、端子１１が半田付けされている。また、線材ピン１、２、３も、制御基板４に半田付けで接続される場合がある。このため、線材ピン１、２、３、および端子１１は、耐食性、半田付け性が良好な、例えばニッケルメッキされた銅などの金属から形成されることが好ましい。

なお、端子１１は、例えば薄板の金属を深絞り加工し、線材ピン孔を開けることによって形成される。

図４（ａ）は、パワーモジュール５０のケース上面５の一部を拡大した断面図であり、図４（ｂ）はその上面図である。図４（ａ）、（ｂ）に示すように、ケース上面５に形成された、線材ピン２２が通る２つの孔９の間に、絶縁板８が設けられている。絶縁板８は、ケース７と同じ材質からなり、ケース７の成型と同時に、ケース上面５に垂直に成型される。図４（ａ）に示すように、絶縁板８は、線材ピン２２と線材ピン２２の間に挟まれるように配置される。

線材ピン２２同士の間隔、特に、エミッタの線材ピン１とコレクタの線材ピン２の間隔や、ゲートの線材ピン３とエミッタの線材ピン１の間隔は、サージ電圧やノイズ耐量向上のため、狭く設計されている。電力用半導体装置の動作時に発生する、パワー回路基板１６と制御基板４との間の熱応力等による電気的接続部へのストレスが、前記線材ピン１、２、３の屈曲部１９に加わると、これらの間隔は更に狭くなる場合もある。また、振動等により線材ピン１、２、３同士が接触する可能性もある。

これに対して、図４に示すような絶縁板８を２つの孔９の間に設けることにより、隣り合った線材ピン２２（図１〜３では１、２、３）同士の間が遮蔽され、接触を防止できる。

また、本実施の形態にかかる電力用の半導体装置１００では、インサートケースが不要となり、小型化、軽量化が図れる。

更に、インダクタンスが低減出来ることから、スイッチングロスが低減でき、エネルギー効率を上げることができる。

１、１ａ線材ピン（エミッタ）、２、２ａ線材ピン（コレクタ）、３、３ａ線材ピン（ゲート）、４制御基板、５ケース上面、６ケース側面、７ケース、８絶縁板、９孔、１０金属細線、１１端子、１２シリコンゲール、１３パワー半導体素子、１４半田、１５銅パターン、１６パワー回路基板、１７銅裏箔、１８エミッタ、コレクタの線材ピンで囲まれる面、１９屈曲部、２０段差部、２１ゲート、エミッタの線材ピンで囲まれる面、２２線材ピン、５０パワーモジュール、１００半導体装置。

Claims

回路基板と制御基板とを接続ピンで接続した半導体装置であって、
表面に導電性パターンを有する回路基板と、該導電性パターンの上に設けられた半導体素子と、側面と上面とを有し該回路基板の上に載置されたケースとを含むパワーモジュールと、
該ケースの上面に沿って配置された制御基板と、
該ケースの上面に設けられた孔を通って、互いに平行になるように配置され、該半導体素子と該制御基板とを電気的に接続する接続ピンと、を含み、
隣り合った２つの該接続ピンが、該接続ピンの間の距離が小さくなるように屈曲したことを特徴とする半導体装置。
上記隣り合った２つの接続ピンは、上記半導体装置のゲートと上記制御基板とを接続する接続ピン、および該半導体素子のエミッタと該制御基板とを接続する接続ピン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。
上記隣り合った２つの接続ピンは、上記半導体装置のコレクタと上記制御基板とを接続する接続ピン、および該半導体素子のエミッタと該制御基板とを接続する接続ピン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。
上記隣り合った２つの接続ピンは、２つの屈曲部と該屈曲部に挟まれた直線部を含み、該直線部同士が平行に配置されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
上記隣り合った２つの接続ピンは、同一平面内に配置されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。
更に、上記隣り合った２つの接続ピンの間を遮蔽するように、上記ケースの上面に固定された絶縁板を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置。
上記回路基板の上、および上記半導体素子の上に筒状の端子を有し、上記接続ピンが、該端子の中に差し込まれて固定されたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体装置。
上記接続ピンは、上記回路基板に近い方の端部近傍に、つば状に張り出した段差部を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体装置。