JP2012104688A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】組立工程の中で加熱によりケースが膨張しても固定が緩くならず、コレクタ外部電極を強固に固定する半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体装置は、電力半導体素子の高電圧側主電流電極を外部と接続する主電流外部電極１と、主電流外部電極１が圧入される樹脂ケース２とを備え、主電流外部電極１は、樹脂ケース２に対する圧入固定部及び爪固定部とを備え、爪固定部は、樹脂ケース２の貫通穴を貫通し、折り曲げ可能な爪部４をその先端に有する突起部３を備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、高電圧半導体パワーモジュールにおける外部電極の固定技術に関する。
電鉄等に使用される半導体パワーモジュールの中には、パワーユニット構成時のメリットなどから高い定格電圧（６５００Ｖ以上）を必要とするものがある（特許文献１）。この場合、高電圧部（コレクタ）と低電圧部（エミッタ、ゲート）との絶縁を確保することが重要である。
ＩＧＢＴモジュールの場合、高電圧部としてはコレクタ主電極と、コレクタ主電極を外部と接続するためのコレクタ外部電極がある。このうち、コレクタ外部電極については製造が安価にできるなどの理由から、樹脂製のケースに圧入固定されてパワーモジュールが組み立てられる。
特開２００９−８８２１８号公報
しかし、組立工程の中での加熱によりケースが膨張して固定が緩くなり、最終製品の状態でコレクタ外部電極が浮くなどしてしっかりと固定されないという問題があった。
そこで、本発明は上述の問題点に鑑み、コレクタ外部電極を強固に固定する半導体装置の提供を目的とする。
本発明の半導体装置は、コレクタ電極を外部と接続するコレクタ外部電極と、コレクタ外部電極が下面から圧入される樹脂ケースとを備え、コレクタ外部電極は前記下面に、樹脂ケースの貫通穴に嵌合する複数の突起部を備え、突起部の少なくとも一つは、圧入時に樹脂ケースの貫通穴を貫通し、前記貫通穴が設けられた前記樹脂ケースの面に沿って折り曲げ可能な爪部をその先端に備える。
本発明の半導体装置において、コレクタ外部電極は下面に、樹脂ケースの貫通穴に嵌合する複数の突起部を備えるので、コレクタ外部電極は樹脂ケースに対して２箇所以上で強固に固定される。また、突起部の少なくとも一つは、コレクタ外部電極の樹脂ケースに対する圧入時に樹脂ケースの貫通穴を貫通し、前記貫通穴が設けられた前記樹脂ケースの面に沿って折り曲げ可能な爪部をその先端に備えるので、爪部によりコレクタ外部電極は樹脂ケースに強固に固定される。
実施の形態１の半導体装置の構成を示す断面図である。 爪部周辺の拡大断面図である。 実施の形態１の変形例に係る爪部周辺の拡大断面図である。 実施の形態２の半導体装置の構成を示す断面図である。 実施の形態２の変形例に係る爪部周辺の拡大断面図である。 前提技術の半導体装置の構成を示す断面図である。
＜前提技術＞
図６は、前提技術に係る半導体装置の構成を示す断面図である。コレクタ外部電極１は、製造が安価に出来るなどの理由から、樹脂ケース２に圧入固定され、製品が組み立てられる。しかし、組立工程中の加熱により樹脂ケース２が膨張して固定が緩くなり、最終製品の状態ではコレクタ外部電極１の浮きが発生してしまう。そこで、本発明は、コレクタ外部電極１に複数個所の突起部を設けることにより、コレクタ外部電極１を樹脂ケース２に強固に固定するものである。
（実施の形態１）
＜構成＞
図１は、実施の形態１の半導体装置の構成を示す断面図である。図１において実施の形態１の半導体装置は、電力半導体素子のコレクタ電極（図示せず）を外部と接続するコレクタ外部電極１と、コレクタ外部電極１が圧入固定される樹脂ケース２とを備えている。
コレクタ外部電極１は、外部と接続する端子部１ａと、樹脂ケース２に圧入される圧入部１ｂと、電力半導体素子（図示せず）と接続する接続部１ｃとで構成される。
コレクタ外部電極１は、圧入部１ｂが樹脂ケース２の内壁と当接して固定される他、圧入部１ｂには樹脂ケース２に対する圧入方向に複数の突起部３が設けられ、突起部３が樹脂ケース２の貫通穴に嵌合することにより、樹脂ケース２に対して固定される。1箇所だけの固定では、当該固定箇所を中心とする回転方向のずれを抑制することが出来ないが、上記のように複数の突起部３によって固定することにより、コレクタ外部電極１は樹脂ケース２に対して強固に固定される。
さらに、複数の突起部３のうち、少なくとも1つは樹脂ケース２の貫通穴を貫通し、露出した先端が、貫通穴が設けられた樹脂ケース２の面に沿って折り曲げられた爪部４となっている。図２は、図１におけるＡ部の拡大図であり、爪部４とその近傍を示している。突起部３が樹脂ケース２と嵌合する他、爪部４が樹脂ケース２に引っ掛かることによって、コレクタ外部電極１は樹脂ケース２に強固に固定される。
このように、爪部４が設けられない突起部３が、圧入によって貫通穴と嵌合して固定される圧入固定部となり、爪部４が設けられた突起部３は、圧入による嵌合の他、爪部４の引っ掛かりにより固定される爪固定部となり、圧入固定部と爪固定部の双方によってコレクタ外部電極１は樹脂ケース２に強固に固定される。
なお、図１ではコレクタ外部電極１の下面に2つの突起部３が設けられ、そのうち一つの突起部３の先端に爪部４が設けられた状態を示したが、突起部３の数は複数である限りにおいて任意である。また、爪部４が設けられる突起部３（爪固定部）の数も任意である。
＜変形例＞
図３に示すように、コレクタ外部電極１の突起部３が挿入される樹脂ケース２の開口部に面取り加工を施しても良い。これにより、コレクタ外部電極１を樹脂ケース２に挿入する際の作業性が向上する。また、爪部４を含む突起部３の先端にアール加工を施すことによっても、同様の効果を奏する。
＜効果＞
本実施の形態の半導体装置は、電力半導体素子のコレクタ電極（高電圧側主電流電極）を外部と接続するコレクタ外部電極１（主電流外部電極）と、コレクタ外部電極１が圧入される樹脂ケース２とを備え、コレクタ外部電極１は、樹脂ケース２に対する圧入固定部及び爪固定部とを備え、爪固定部は、樹脂ケース２の貫通穴を貫通し、折り曲げ可能な爪部４をその先端に有する突起部３を備える。圧入固定部と爪固定部により、複数個所で固定されることにより、コレクタ外部電極１は樹脂ケース２に強固に固定される。また、爪固定部の突起部３が爪部４を有するので、爪部４の引っ掛かりによって、コレクタ外部電極１はより強固に樹脂ケース２に固定される。
また、本実施の形態の半導体装置において、樹脂ケース２の貫通穴の開口部に面取り加工が施されることにより、コレクタ外部電極１の突起部３を樹脂ケース２の貫通穴に嵌合させる際の作業性が向上する。
また、本実施の形態の半導体装置において、突起部３の先端の角にアール加工が施されることにより、突起部３を樹脂ケース２の貫通穴に嵌合させる際の作業性が向上する。
（実施の形態２）
＜構成＞
図４は、実施の形態２に係る半導体装置の構成を示す断面図である。図４では、コレクタ外部電極１の接続部１ｃと接続する半導体素子も示している。図４において、ヒートシンク５上に基板６ａ、６ｂが設けられ、基板６ａ上に低電圧部である半導体素子７ａが、基板６ｂ上に高電圧部である電力半導体素子７ｂ、７ｃがそれぞれ設けられている。基板６ａと半導体素子７ａ、電力半導体素子７ａと基板６ｂ、基板６ｂと電力半導体素子７ｃは、それぞれワイヤ８ａ、８ｂ、８ｃで接続されている。また、図示しないが、半導体素子７ａ、電力半導体素子７ｂ、７ｃ及びワイヤ８ａ，８ｂ，８ｃは、基板６ａ、６ｂ、６ｃと共に絶縁性の封止樹脂で封止されており、低電圧部である半導体素子７ａと高電圧部であるコレクタ外部電極１との絶縁が図られている。
半導体素子７ａや電力半導体素子７ｂの低電圧側主電流電極に接続されたエミッタワイヤ８ａ等の低電圧部が、コレクタ外部電極１の端子部１ａの下部近傍に位置するため、図１のように端子部１ａの下部中央に爪部４を設けるならば、爪部４と低電圧部とが近接してしまう。定格電圧が低い（４５００Ｖ以下）パワーモジュールでは問題ないが、定格電圧が高くなると（６５００Ｖ以上）、絶縁距離の確保が困難になる。そこで、実施の形態２では図４に示すように、端子部１ａの下部中央よりも、低電圧部７ａから離れた位置に爪部４を設けることにより、十分な絶縁距離を確保し、高電圧のパワーモジュールにも適用可能な構成とした。
＜変形例＞
折り曲げられた爪部４と接する樹脂ケース２の面に、図５に示すような溝あるいは凹みを設けることにより、爪部４と低電圧部７ａとの絶縁距離を長くすることができ、絶縁耐量がさらに向上する。
＜効果＞
本実施の形態の半導体装置は、主電流外部電極（コレクタ外部電極１）の下部近傍において基板６ａ上に設けられ、電力半導体素子の低電圧が主電流電極に接続されたエミッタワイヤ８ａを含む低電圧部７ａをさらに備え、爪部４を備える突起部３は、コレクタ外部電極１の端子部１ａの下部中央よりも、低電圧部７ａから遠い位置に設けられるので、爪部４と低電圧部７ａとの絶縁距離を確保することができ、高電圧のパワーモジュールにも本実施の形態の半導体装置を適用することが出来る。
また、本実施の形態の半導体装置において、低電圧部７ａ，８ａを含む基板６ａは絶縁性樹脂で封止することにより、低電圧部７ａと爪部４及び爪部４が設けられていない突起部３との絶縁が確保される。
また、本実施の形態の半導体装置において、折り曲げた爪部４と接する樹脂ケース２の面を凹凸形状とすることにより、爪部４と低電圧部７ａとの絶縁距離を確保することが出来る。
１ コレクタ外部電極、２ 樹脂ケース、３ 突起部、４ 爪部、５ ヒートシンク、６ａ，６ｂ 基板、７ａ 半導体素子（低電圧部）、７ｂ，７ｃ 電力半導体素子（高電圧部）、８ａ エミッタワイヤ、８ｂ，８ｃ ワイヤ。

Claims (6)

  1. 電力半導体素子の高電圧側主電流電極を外部と接続する主電流外部電極と、
    前記主電流外部電極が圧入される樹脂ケースとを備え、
    前記主電流外部電極は、前記樹脂ケースに対する圧入固定部及び爪固定部とを備え、
    前記爪固定部は、前記樹脂ケースの貫通穴を貫通し、折り曲げ可能な爪部をその先端に有する突起部を備える、
    半導体装置。
  2. 前記主電流外部電極の下部近傍において基板上に設けられ、前記電力半導体素子の低電圧側主電流電極に接続されたワイヤを含む低電圧部をさらに備え、
    前記爪部を備える前記突起部は、前記主電流外部電極の端子部の下部中央よりも、前記低電圧部から遠い位置に設けられる、
    請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記低電圧部を含む前記基板は絶縁性樹脂で封止される、
    請求項１又は２に記載の半導体装置。
  4. 前記爪部の折り曲げ箇所と接する前記樹脂ケースの面は凹凸形状である、
    請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置。
  5. 前記樹脂ケースの貫通穴の開口部に面取り加工が施された、
    請求項１〜４のいずれかに記載の半導体装置。
  6. 前記突起部の先端の角にアール加工が施された、
    請求項１〜５のいずれかに記載の半導体装置。
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