JP2013135105A - Power semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電力用半導体素子を組み合わせてインバータ回路などを構成する電力用半導体装置に関する。 The present invention relates to a power semiconductor device that constitutes an inverter circuit or the like by combining power semiconductor elements.
一般的に電力用半導体装置は、放熱性に優れた絶縁基板上に電力用半導体素子を実装し、電力用半導体素子から例えばアルミワイヤなどで配線を行うことで回路を構成し、この回路と、絶縁基板を支持する樹脂筐体に設けられた外部端子とが電気的に接続されている。 In general, a power semiconductor device is configured by mounting a power semiconductor element on an insulating substrate excellent in heat dissipation and wiring the power semiconductor element with, for example, an aluminum wire. An external terminal provided on a resin casing that supports the insulating substrate is electrically connected.
このような構造にあっては、絶縁基板上で配線し、かつ樹脂筐体の外部端子へ配線を行うため、高価である絶縁基板の面積が大きくなりコストアップすると共に、電力用半導体装置の外形も大きくなるという課題がある。よって、電力用半導体装置の小型化が検討されてきた。 In such a structure, since wiring is performed on the insulating substrate and wiring is performed to the external terminal of the resin housing, the area of the expensive insulating substrate is increased, the cost is increased, and the outer shape of the power semiconductor device is increased. There is also a problem of becoming larger. Therefore, downsizing of power semiconductor devices has been studied.
装置小型化の手法として、例えば、絶縁基板上の配線パターンに外部端子を実装し、この外部端子の先端面を露出させるように樹脂封止することで、外部端子を絶縁基板面積内から取り出す構造が提案されている(特許文献1)。 As a method for downsizing the device, for example, a structure in which an external terminal is mounted on a wiring pattern on an insulating substrate, and the external terminal is taken out from the area of the insulating substrate by resin sealing so as to expose the end surface of the external terminal. Has been proposed (Patent Document 1).
また、アルミワイヤの配線面積を削減する構造として、半導体素子の面に固着され、かつプリント基板に固着されたインプラントピンを用い、かつインプラントピンと電気的に接続された外部端子を取り出す構造が提案されている(特許文献2)。 In addition, as a structure for reducing the wiring area of the aluminum wire, a structure using an implant pin fixed to the surface of a semiconductor element and fixed to a printed circuit board and taking out an external terminal electrically connected to the implant pin is proposed. (Patent Document 2).
しかしながら、上述の各特許文献に開示される構造では、特に多数の半導体素子が搭載される3相インバータ回路などの複雑な回路構成の装置にあっては、絶縁基板上へはんだ付けしたときに生じた半導体素子の傾きや、絶縁基板の反りに起因して、外部端子の高さにバラツキが発生する。このようなバラツキを吸収するために、はんだなどの接合材を多く供給する、あるいはピンの高さを調整する等の手当が必要となり、電力用半導体装置の生産性向上に対して問題があった。
また、プリント基板を用いた場合には、半導体素子が実装されその動作中に高温になる絶縁基板と、比較的温度上昇が起こり難いプリント基板との熱変形差に起因した応力が端子接続部に作用することから、電力用半導体装置の高温環境での使用や、長期の動作信頼性の確保に対しても問題があった。
However, in the structure disclosed in each of the above-mentioned patent documents, particularly in an apparatus having a complicated circuit configuration such as a three-phase inverter circuit on which a large number of semiconductor elements are mounted, it occurs when soldered onto an insulating substrate. Due to the inclination of the semiconductor element and the warp of the insulating substrate, the height of the external terminal varies. In order to absorb such variations, it is necessary to supply a large amount of bonding material such as solder or to adjust the height of the pins, which has a problem in improving the productivity of power semiconductor devices. .
In addition, when a printed circuit board is used, stress due to a thermal deformation difference between the insulating substrate that is mounted with the semiconductor element and becomes high temperature during operation and the printed circuit board that is relatively difficult to rise in temperature is applied to the terminal connection portion. As a result, there are problems in using the power semiconductor device in a high temperature environment and ensuring long-term operation reliability.
本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、従来に比べて生産性が高く、長期にわたる動作信頼性を確保可能な電力用半導体装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide a power semiconductor device that is higher in productivity than conventional ones and can ensure long-term operation reliability.
上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の第1態様における電力用半導体装置は、放熱板に絶縁層を介して形成した回路パターンに電力用半導体素子を実装した第1基板と、両面に配線回路を形成した第2基板と、上記放熱板を一側面に露出させて第1基板を保持しかつ上記電力用半導体素子に対向して配置した上記第2基板を保持する樹脂筐体と、第2基板における上記配線回路に接続され樹脂筐体外部へ導出される外部端子と,を備えた電力用半導体装置において、樹脂筐体内に充填される絶縁性樹脂と、樹脂筐体内にて第1基板と第2基板との間に設けられる基板間接続端子と、をさらに備え、基板間接続端子は、第1基板における上記回路パターン及び上記電力用半導体素子の少なくとも一方と、これらに対向する第2基板における上記配線回路とを電気的に接続し、かつ可撓性を有する屈伸部を有することを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.
That is, the power semiconductor device according to the first aspect of the present invention includes a first substrate in which a power semiconductor element is mounted on a circuit pattern formed on a heat sink via an insulating layer, and a second substrate in which wiring circuits are formed on both sides. And a resin casing that holds the first substrate with the heat dissipation plate exposed on one side surface and holds the second substrate disposed to face the power semiconductor element, and the wiring circuit on the second substrate. In a power semiconductor device having an external terminal connected and led out to the outside of the resin casing, an insulating resin filled in the resin casing and between the first substrate and the second substrate in the resin casing The board-to-board connection terminal further includes at least one of the circuit pattern and the power semiconductor element on the first board, and the wiring circuit on the second board facing the board. Electrically It continued to, and characterized by having a bending portion having flexibility.
本発明の第1態様における電力用半導体装置によれば、互いに対向する第1基板と第2基板との間に基板間接続端子が設けられ、この基板間接続端子は屈伸部を有する。よって、第1基板の反りや電力用半導体素子の傾きが存在する場合でも、屈伸部がこれらを吸収可能なことから、これらの影響を受けることなく、第1基板における回路パターン及び電力用半導体素子の少なくとも一方と第2基板における配線回路とは、電気的に接続可能となる。よって、電力用半導体装置の組み立てが容易になり、生産性を向上させることができる。さらに、第1基板と第2基板との間の熱変形差を基板間接続端子の屈伸部で吸収することができ、電力用半導体装置の長期にわたる電気接続の信頼性向上も達成することができる。また、第1基板に電力用半導体素子が実装され、第1基板の回路パターンと第2基板の配線回路とが基板間接続端子によって電気的に接続され、配線回路から外部端子を樹脂筐体の外部へ導出したことから、第1基板の面積を縮小でき、電力用半導体装置の小型化を図ることができる。 According to the power semiconductor device of the first aspect of the present invention, the inter-substrate connection terminal is provided between the first substrate and the second substrate facing each other, and the inter-substrate connection terminal has the bending portion. Therefore, even when there is a warp of the first substrate or an inclination of the power semiconductor element, the bending portion can absorb them, so that the circuit pattern and the power semiconductor element on the first substrate are not affected by these. At least one of these and the wiring circuit on the second substrate can be electrically connected. Therefore, assembly of the power semiconductor device is facilitated, and productivity can be improved. Furthermore, the thermal deformation difference between the first substrate and the second substrate can be absorbed by the bent portion of the inter-substrate connection terminal, and the reliability improvement of the electrical connection over a long period of the power semiconductor device can also be achieved. . In addition, the power semiconductor element is mounted on the first substrate, the circuit pattern on the first substrate and the wiring circuit on the second substrate are electrically connected by the inter-substrate connection terminal, and the external terminal is connected to the resin housing from the wiring circuit. Since it is derived to the outside, the area of the first substrate can be reduced, and the power semiconductor device can be miniaturized.
本発明の実施形態である電力用半導体装置について、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。 A power semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. In each figure, the same or similar components are denoted by the same reference numerals.
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1にかかる電力用半導体装置100の断面図であり、また図2は、電力用半導体装置100の絶縁基板1に構成された回路の平面図であり、図3は、プリント基板7に構成された配線回路7aのパターンを示す平面図である。尚、絶縁基板1は、第1基板の一例に相当し、プリント基板7は、第2基板の一例に相当する。第1基板及び第2基板は、実施形態のものに限定されるものではなく、特に熱膨張率に差がある2種類の基板が相当し、以下に説明するように、このような基板の場合に本発明はさらに効果的となる。しかしながら、第1基板及び第2基板は、熱膨張率にほとんど差がないような基板であってもよい。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a cross-sectional view of a
電力用半導体装置100に用いられる絶縁基板1は、主面の面積80mm×40mmであり、厚み2mmの放熱板としてのAl板1a、高熱伝導のセラミックフィラーを混合した厚み0.15mmの絶縁層1b、厚み70μmのアルミニウムからなる回路パターン1cが積層されて形成された、所謂メタルベース基板である。
The insulating substrate 1 used for the
回路パターン1cには、図2に示すような配置形態にて、はんだ2を用いて、IGBT3(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)及びFWDi4(フリーホイーリングダイオード)がそれぞれ接合されている。尚、IGBT3及びFWDi4は、電力用半導体素子の一例に相当する。
An IGBT 3 (insulated gate bipolar transistor) and an FWDi 4 (free wheeling diode) are joined to the
IGBT3は、主面の面積7mm×7mm、厚み250μmからなり、その表面には、制御電極であるゲート電極と主電極であるエミッタ電極とを有し、その裏面には、回路パターン1cとはんだ付けされる主電極であるコレクタ電極を有する。IGBT3のゲート電極は、Alワイヤ5を用いて回路パターン1cに電気的に接続されている。
FWDi4は、主面の面積7mm×5mm、厚み250μmからなり、その表面には、主電極であるアノード電極を、その裏面には、回路パターン1cとはんだ付けされる主電極であるカソード電極を有する。
The IGBT 3 has a main surface area of 7 mm × 7 mm and a thickness of 250 μm, and has a gate electrode as a control electrode and an emitter electrode as a main electrode on its front surface, and a
FWDi4 has a main surface area of 7 mm × 5 mm and a thickness of 250 μm, and has an anode electrode as a main electrode on its surface and a cathode electrode as a main electrode soldered to the
図1に示すように、絶縁基板1に実装されたIGBT3等の電力用半導体素子に平行または略平行にプリント基板7が配置される。プリント基板7は、本実施形態では面積90mm×50mmの材質FRの基材7bの両面に配線回路が形成され、IGBT3等の電力用半導体素子に対面した表面には、図3に示すようなパターンの配線回路7aが形成されている。
As shown in FIG. 1, a printed circuit board 7 is arranged in parallel or substantially parallel to a power semiconductor element such as an IGBT 3 mounted on an insulating substrate 1. In the present embodiment, the printed circuit board 7 has a wiring circuit formed on both surfaces of the
互いに対向して配置される絶縁基板1とプリント基板7との間には、両者間の電気的接続を行い、基板間接続端子に相当する可撓性端子6が設けられる。このような可撓性端子6は、本実施形態では短冊状の板材で構成され、一例として厚み0.5mm、幅3mmの黄銅板を、例えば図4に示すように、折り重ねるように屈曲させた屈伸部61を形成した端子である。このような可撓性端子6の一端部62(図4)は、回路パターン1c、IGBT3のエミッタ電極、及びFWDi4のアノード電極に、はんだ(図示せず)を用いて電気的、機械的に固定される。また、可撓性端子6の他端部63(図4)は、プリント基板7の配線回路7aに、Agフィラーが混合されている導電性接着剤(図示せず)によって電気的に接続される。このようにして可撓性端子6は、絶縁基板1とプリント基板7との間で、屈伸部61によって伸縮されて配置される。
Between the insulating substrate 1 and the printed circuit board 7 arranged to face each other, a
また、回路パターン1c、IGBT3のエミッタ電極、及びFWDi4のアノード電極と接続される可撓性端子6は、本実施形態ではそれぞれ同一形状である。一方、IGBT3のゲート電極に接続される可撓性端子6は、エミッタ電極用の端子に比べて小さい端子を使用している。勿論、このような構成に限定されず、例えば電流容量の小さい電力用半導体装置にあっては、ゲート電極及びエミッタ電極共に、同一形状の可撓性端子6を用いても構わない。
The
プリント基板7において、可撓性端子6が接続された配線回路7aには、外部端子8がはんだ付けされ、配線回路7aに対向する、プリント基板7の対向面側へ導出されている。
In the printed circuit board 7, the
絶縁基板1及びプリント基板7の外縁部分には、図1に示すように、主にPPS(ポリフェニレンサルファイド)からなる樹脂筐体9が取り付けられ、樹脂筐体9と、絶縁基板1及びプリント基板7とは、シリコーン接着剤(図示せず)で接着される。絶縁基板1が取り付けられた状態において、樹脂筐体9の一側面9aには、絶縁基板1のAl板1aが面一の状態で露出する。この露出したAl板1aには、装置外部への放熱のために放熱グリースを介してヒートシンク(共に図示せず)が接続される。このため樹脂筐体9には、ヒートシンク取付用のネジを通すための取付穴(図示せず)が形成されている。
また、樹脂筐体9の内側には、絶縁基板1とプリント基板7との隙間からプリント基板7の上面を覆う部分まで、空間放電、沿面放電に対する絶縁封止用のシリコーンゲル11が注入される。さらに、樹脂筐体9の他方側面9bには、PPSからなり外部端子8の導出部を形成した蓋10が取り付けられる。
As shown in FIG. 1, a resin housing 9 mainly made of PPS (polyphenylene sulfide) is attached to the outer edge portions of the insulating substrate 1 and the printed circuit board 7, and the resin housing 9, the insulating substrate 1, and the printed circuit board 7. Is bonded with a silicone adhesive (not shown). In a state where the insulating substrate 1 is attached, the
In addition, a
絶縁基板1、プリント基板7、及び樹脂筐体9の接着工程は、次のように行う。つまり、絶縁基板1、IGBT3、FWDi4、及び可撓性端子6の一端部62をはんだ付けし、IGBT3のゲート電極にアルミニウムワイヤ5を接続し、樹脂筐体9と、絶縁基板1及びプリント基板7との接着部にシリコーン接着剤を塗布し、さらに、可撓性端子6の他端部63との接続部に導電性接着剤を塗布したプリント基板7を重ねて、これらを加熱硬化させることで接着される。その際、可撓性端子6の屈伸部61による反発力でプリント基板7が撓まないように、可撓性端子6のばね定数、押しつけ量が選定される。
以下には、電力用半導体装置100をこのような構造とした理由について説明する。
The bonding process of the insulating substrate 1, the printed circuit board 7, and the resin housing 9 is performed as follows. That is, the insulating substrate 1, the
Hereinafter, the reason why the
即ち、従来技術説明で既に述べたように、絶縁基板1は、放熱性及び絶縁性を有する反面、電力用半導体装置の中では高価な部品であることから、その面積の縮小化が求められる。これには、配線面積の縮小化が効果的である。よって、本実施形態の電力用半導体装置100では、絶縁基板1、及びIGBT3等の電力用半導体素子の直上に配線を配置する方法、つまり絶縁基板1に積層するように、両面配線したプリント基板7を配置する方法が取られる。特に、本実施形態では、絶縁基板1における回路パターン1cの一部又は全部を、電力用半導体装置100内のプリント基板7に形成することにより、絶縁基板1の面積を一層縮小する効果を得ている。また、プリント基板7を多層化することにより、プリント基板7の配線パターンと蓋10とを変更するだけで、外部端子8の配置をニーズに合わせて変更することが可能となる。
That is, as already described in the description of the prior art, the insulating substrate 1 has heat dissipation and insulating properties, but is an expensive component in the power semiconductor device, so that the area thereof is required to be reduced. For this purpose, reduction of the wiring area is effective. Therefore, in the
一方、このように絶縁基板1とプリント基板7とを重ねて配置した構成においても、主としてSiからなる電力用半導体素子を絶縁基板1にはんだ付けすることで、絶縁基板1の主材料であるAlとSiとの熱膨張率差に起因する反りが絶縁基板1に発生する。また、IGBT3等の電力用半導体素子をはんだ付けするとき、電力用半導体素子を完全な水平状態にて接続することは困難である。また特に、面積が大きい半導体素子や、図2に示すように多数の素子及び接続点を有する半導体装置にあっては、はんだなどの接合材だけで、絶縁基板1とプリント基板7との間の距離のばらつきを吸収することは、困難である。 On the other hand, even in the configuration in which the insulating substrate 1 and the printed circuit board 7 are arranged so as to overlap with each other, by soldering a power semiconductor element mainly made of Si to the insulating substrate 1, Al that is a main material of the insulating substrate 1 is used. Warp due to the difference in thermal expansion coefficient between Si and Si occurs in the insulating substrate 1. Further, when soldering power semiconductor elements such as IGBT3, it is difficult to connect the power semiconductor elements in a completely horizontal state. In particular, in a semiconductor element having a large area or a semiconductor device having a large number of elements and connection points as shown in FIG. 2, only a bonding material such as solder is used. It is difficult to absorb distance variations.
そこで、本実施形態では、絶縁基板1とプリント基板7とを電気的に接続する可撓性端子6に屈伸部61を形成して可撓性を持たせた。屈伸部61を設けることで、絶縁基板1とプリント基板7との距離を近付けるだけで、可撓性端子6が撓み、可撓性端子6自体の傾きを含めた高さのばらつきを吸収することができるとともに、すべての接点の接続を確実に行うことができる。よって、電力用半導体装置100の組立性及び生産性の向上を図ることができる。
Therefore, in the present embodiment, the bending
また、電力用半導体装置100では、IGBT3等の電力用半導体素子は発熱し、その放熱板として機能する、絶縁基板1のAl板1aは、上記発熱伴い熱膨張する。一方、絶縁基板1に積層して配置されるプリント基板7において発生する熱は、電流によるジュール熱が主である。よって、絶縁基板1とプリント基板7との間には温度差が発生し、かつ両者の熱膨張率も異なる。したがって、絶縁基板1とプリント基板7とを接続する可撓性端子6には、基板の主面平行方向、つまり絶縁基板1及びプリント基板7の板厚方向20に直交する基板長手方向21に熱応力が発生する。この熱応力は、可撓性端子6自体、及び可撓性端子6と、各基板1、7の回路との接続部における劣化を促進する原因になる。しかしながら、本実施形態では、可撓性端子6が屈伸部61で変形可能なことから、上記劣化を効果的に緩和することができる。
In the
また、電力用半導体装置100内のシリコーンゲル11や基板間を接続する可撓性端子6の熱膨張によっても、絶縁基板1とプリント基板7との間の距離を離す方向、つまり板厚方向20に応力が加わる。しかしながら、可撓性端子6が屈伸部61で撓むことによって、回路との接続部に作用する引き剥し応力は、緩和され、電力用半導体装置100の動作信頼性の向上にも寄与することができる。
したがって、本実施形態の電力用半導体装置100は、高温環境下や長時間使用に適した電力用半導体装置である。
Further, due to the thermal expansion of the
Therefore, the
上述の効果を発揮する可撓性端子6の形状は、本実施形態における形状に限定されず、可撓性及び電気抵抗を阻害しない形状であればどのような形態も適用可能である。但し、可撓性端子6として板材を使用する場合、屈伸部61は、本実施の形態で図4に示すM字のように、3個以上の折り曲げ回数を有する、つまり3個以上の折り曲げ部を有するのが望ましい。
The shape of the
その理由としては、折り曲げ回数が2回である例えばZ字形状の場合には、先に一端を固定し、その後に他端を接続するときに、他端の平面方向における位置合わせが難しくなる、つまり他端において平面方向の位置ずれが生じやすいという欠点があるからである。 The reason for this is that, for example, in the case of a Z-shape that is bent twice, when one end is fixed first and then the other end is connected, it is difficult to align the other end in the planar direction. That is, there is a drawback that a positional deviation in the planar direction tends to occur at the other end.
また、図5に示すように、対向する2方向から曲げた形状、例えば2つのM字を結合させた形状を採ることもできる。このような可撓性端子では、例えば半導体素子上ではんだ付けするときの接合面積は増すが、はんだ付けするまでの可撓性端子の設置姿勢が安定し、かつ半導体素子内での電流が分散されることから、半導体素子の最大温度が抑制され、より高い電流で動作が可能となる。 Moreover, as shown in FIG. 5, the shape bent from two opposing directions, for example, the shape which couple | bonded two M-characters, can also be taken. In such a flexible terminal, for example, the bonding area when soldering on a semiconductor element is increased, but the installation posture of the flexible terminal until soldering is stable and the current in the semiconductor element is dispersed. Therefore, the maximum temperature of the semiconductor element is suppressed, and operation with a higher current becomes possible.
また、可撓性端子6がはんだ付けで接合される場合、図4及び図5に示すように、はんだ付けされる可撓性端子6の例えば一端部62には、電極や回路パターンと接触する接触面62aに対して直交方向へ一端部62から突出する突起64を形成しておくのが好ましい。突起64を設けることで、例えば一端部62がはんだ付けされるとき、突起64にフィレットが形成され、はんだのぬれ力が釣り合い、可撓性端子6が傾きにくくなるというメリットが得られる。
When the
さらには、可撓性端子6の一端部62及び他端部63に相当する接合部、特に、はんだ付けされる方のはんだ接合部には、図6に示すように、接合部を貫通する貫通穴65を設けることができる。貫通穴65を設けることで、はんだが貫通穴65内に進入して、はんだの表面積が減少する。よって、接合部つまり一端部62及び他端部63と、電極や回路パターンとの隙間におけるはんだ厚が薄くなり、可撓性端子6の傾きを抑制する効果が発揮される。
Furthermore, in the joint corresponding to the one
また、可撓性端子6の配置方向は、熱変形の影響を考慮すると変形が容易となるように、図1に示すように、絶縁基板1及びプリント基板7の基板長手方向21へ、屈伸部61の凸部61a(図4)を突出させるのが好ましい。
一方、あらゆる方向への変形に対応するためには、図4に示すように屈伸部61の第1部61b及び第2部61cを同一面で折り返すのではなく、第1部61bと第2部61cとを互いに異なる方向へねじる形態、例えば90度直交する方向へ第1部61b及び第2部61cを折り返す形態が好ましい。このような形態を採ることで、可撓性を維持しつつ、絶縁基板1とプリント基板7との熱変形差を吸収することが可能となる。
In addition, as shown in FIG. 1, the
On the other hand, in order to cope with the deformation in any direction, the
また、可撓性端子6の材質としては、本実施の形態で示した黄銅の他、りん青銅も使用可能である。また、可撓性端子6を接合する構造であるため、充分な反発力が必要でない場合や、大電流を通電する場合には、無酸素銅を使用することも可能である。
In addition to the brass shown in the present embodiment, phosphor bronze can be used as the material of the
本実施の形態で示した効果については、ここで示した材料の他、電力用半導体装置で一般的に用いられる材料を使用しても同様の効果が得られる。例えば、絶縁基板としてメタルベース基板の代わりに、AlNやAl2O3などの放熱性に優れるセラミックスに、Cuパターンを貼り付けたセラミック基板や、セラミック基板をCuやAlなどの高放熱金属ブロックにはんだ付けなどで固着し、放熱性を向上させたものを使用しても良い。 As for the effects shown in the present embodiment, the same effects can be obtained by using materials generally used in power semiconductor devices in addition to the materials shown here. For example, instead of a metal base substrate as an insulating substrate, a ceramic substrate with a Cu pattern affixed to ceramics with excellent heat dissipation such as AlN or Al 2 O 3, or a ceramic substrate with a high heat dissipation metal block such as Cu or Al You may use what fixed by soldering etc. and improved heat dissipation.
実施の形態2.
図7は、本発明の実施の形態2にかかる電力用半導体装置200の断面図である。電力用半導体装置200の基本的な構成は、実施の形態1の電力用半導体装置100と同様であり、個々の構成の詳細な説明は省略する。
本実施の形態における電力用半導体装置200と電力用半導体装置100との相違点は、絶縁基板1がプリント基板7よりも大きい面積で構成される点である。具体的には、絶縁基板1は、本例では100mm×60mmに拡大されている。
以下に、このような構造を採る理由について説明する。
FIG. 7 is a cross-sectional view of the
The difference between
The reason for adopting such a structure will be described below.
特に、電力用半導体装置の扱う電流が大きくなると、接続部の電気抵抗を抑制するため、可撓性端子6と、絶縁基板1及びIGBT3やFWDi4との接続と同様に、可撓性端子6とプリント基板7の配線回路7aとの接続もはんだで接合されるほうが良い。このような構成において、実施の形態1の構造では、樹脂筐体9の耐熱性が不足し、可撓性端子6の両端のはんだ付けは困難である。
In particular, when the current handled by the power semiconductor device increases, the
そこで、予め、可撓性端子6の両端部62,63を、それぞれ電極や配線回路7aとはんだ付けして、絶縁基板1とプリント基板7とを積層した構造を作製する。ここで、プリント基板7は、絶縁基板1よりも小さいことから、積層構造を作製後、プリント基板7側から樹脂筐体9を被せることができ、実施の形態1の電力用半導体装置100と同様の構造を容易に形成することができる。またこのとき、絶縁基板1とプリント基板7とは可撓性端子6で接続されていることから、絶縁基板1及びプリント基板7の各表面と、樹脂筐体9の平坦面とを接触させるだけで、絶縁基板1とプリント基板7との平行を保つことができ、さらに、外部端子8の先端の高さを揃えることも容易になる。このように、基板面積の変更と可撓性端子6とを組み合わせることによって、電力用半導体装置の組立性を向上させることができる。
Therefore, both ends 62 and 63 of the
また、絶縁基板1の面積を大きくする構成では、前述の実施の形態1で示した、樹脂筐体9に設けるヒートシンク用の取り付け穴を絶縁基板1に設けることもできる。これにより、絶縁基板1とヒートシンクとを直接に接続することができ、大きな締結力を得ることができる。よって、電力用半導体装置200の放熱性を向上させることができる。かかる効果は、電力用半導体装置200が扱う電流の拡大にも有効である。
Further, in the configuration in which the area of the insulating substrate 1 is increased, the heat sink mounting hole provided in the resin casing 9 described in the first embodiment can be provided in the insulating substrate 1. Thereby, the insulating substrate 1 and the heat sink can be directly connected, and a large fastening force can be obtained. Therefore, the heat dissipation of the
このような効果を発揮するために、絶縁基板1は、前述の実施の形態1で述べたようなセラミック基板を用いる構造でも構わない。その際、セラミック基板は、回路パターン1cを構成する最小限の面積としてプリント基板7の面積よりも小さくて良く、ヒートシンクに相当する高放熱金属ブロックをプリント基板7より大きくすれば良い。
In order to exhibit such an effect, the insulating substrate 1 may have a structure using the ceramic substrate as described in the first embodiment. At this time, the ceramic substrate may be smaller than the area of the printed circuit board 7 as a minimum area constituting the
実施の形態3.
図8は、本発明の実施の形態3にかかる電力用半導体装置300の断面図である。電力用半導体装置300の基本的な構成は、実施の形態1の電力用半導体装置100と同様であり、個々の構成の詳細な説明は省略する。
本実施の形態における電力用半導体装置300と電力用半導体装置100との相違点は、絶縁封止のために樹脂筐体9内に注入する材料について、シリコーンゲル11ではなく、曲げ弾性率14MPaのエポキシ樹脂11aを用いる点である。
以下に、このような構造を採る理由について説明する。
FIG. 8 is a cross-sectional view of the
The difference between
The reason for adopting such a structure will be described below.
封止樹脂としてのエポキシ樹脂11aは、熱伝導性フィラーを混合することで放熱性が向上すると共に、電力用半導体装置300内の部品に対して強固に接着する。これにより、IGBT3やFWDi4からの発熱の一部を樹脂筐体9内に放熱することができ、特に、瞬間的な過電流が流れたときのIGBT3等の半導体素子の熱破壊を抑制する効果を発揮することができる。
さらには、プリント基板7と同等の弾性率を有するエポキシ樹脂11aを用いることにより、電力用半導体装置300全体の温度上昇や、IGBT3等の半導体素子の発熱による温度上昇で発生する反りや熱応力を抑制することができる。よって、電力用半導体装置300の温度サイクルなどの長期使用に関する信頼性が向上する。
The
Further, by using an
また、本実施の形態3では、実施の形態1で説明した、絶縁基板1とプリント基板7とが板厚方向20に離れることで接合部に作用する応力を可撓性端子6が緩和するという効果は、エポキシ樹脂11aの充填により失われる。しかしながら、可撓性端子6との接合部を含む構成部品は、エポキシ樹脂11aで拘束されることから、電力用半導体装置300の信頼性への影響は無い。また、板材を折り曲げて形成される可撓性端子6は、その表面積が大きいことから、エポキシ樹脂11aが剥離しにくく、かつ剥離の影響を受けにくいことから、可撓性端子6との組み合せも信頼性向上には好適である。
Moreover, in this
実施の形態4.
図9は、本発明の実施の形態4にかかる電力用半導体装置400の断面図である。電力用半導体装置400の基本的な構成は、実施の形態1の電力用半導体装置100と同様であり、個々の構成の詳細な説明は省略する。
本実施の形態における電力用半導体装置400と電力用半導体装置100との相違点は、蓋10に、プリント基板7と当接する当接部10aを複数設けた点である。この構成によって、樹脂筐体9に蓋10が取り付けられた状態において、各当接部10aはプリント基板7に接触し、プリント基板7を概ね平坦に維持することができる。
以下に、このような構造を採る理由について説明する。
Embodiment 4 FIG.
FIG. 9 is a cross-sectional view of the
The difference between the
The reason for adopting such a structure will be described below.
1本の可撓性端子6で扱う電流が大きくなると、可撓性端子6の断面積は増加し、それにより、可撓性端子6のばね定数は増加する。このような大きいばね定数を有する可撓性端子6が設けられた構成において、プリント基板7を、その外縁部分のみで樹脂筐体9に保持したときには、可撓性端子6の反発力によってプリント基板7に反りが発生して大きな歪みが生じる。よって、プリント基板7の配線回路7aの剥離など、プリント基板7にダメージが発生することが懸念される。
このようなプリント基板7の反りに対して、蓋10の全面でプリント基板7を支持することも可能であるが、プリント基板7の上面への封止材料の流入が阻害されることが懸念される。
When the current handled by one
Although it is possible to support the printed circuit board 7 on the entire surface of the
そこで、蓋10に部分的に設けた当接部10aをプリント基板7に接触させることによって、可撓性端子6を押し縮める方向へプリント基板7を押下し、プリント基板7の反りを抑制する。これにより、断面積の大きい可撓性端子6を使用することが可能となる。
Therefore, the printed circuit board 7 is pressed in the direction in which the
当接部10aの配置は、図9に示すように、基板長手方向21において、可撓性端子6に対向する位置が好ましい。しかしながらこれに限定されず、プリント基板7の曲げ応力が低減できるように、可撓性端子6の周辺位置や、あるいは可撓性端子6の設置位置にかかわらず等ピッチでの均一配置など、自由に選択可能である。
As shown in FIG. 9, the
また、当接部10aは、プリント基板7に形成した回路パターン間の電気的絶縁を確保するため、それ自体を絶縁性材料で構成してもよいが、プリント基板7からの放熱性を付与するためにAlやCuなどの金属材料で形成して、その表面にポリイミドやエポキシなどの絶縁材料を塗布して絶縁性を確保する構成がより好ましい。
また、蓋10は、比較的成形しやすい形状であるので、放熱性フィラーを多く充填した高熱伝導の樹脂材料を使用することが可能である。したがって、当接部10aを含めて蓋10を高熱伝導の樹脂材料で成形することで、通電にてプリント基板7の回路から発生するジュール発熱を、蓋10で構成される電力用半導体装置400の表面から放熱することができる。その結果、プリント基板7の回路に通電可能な電流を増大することができるという効果も得られる。
Further, the abutting
Moreover, since the lid | cover 10 is a shape which is comparatively easy to shape | mold, it is possible to use the resin material of the high heat conductivity which filled many heat dissipation fillers. Therefore, by forming the
以上説明した各実施の形態を適宜組み合わせた構成を採ることもできる。このような構成では、各実施の形態にて奏する効果が組み合わされる。 A configuration in which the embodiments described above are appropriately combined may be employed. In such a configuration, the effects obtained in each embodiment are combined.
1 絶縁基板、1a Al板、1b 絶縁層、1c 回路パターン、
3 IGBT、4 FWDi、
6 可撓性端子、61 屈伸部、62 一端部、63 他端部、65 貫通穴、
7 プリント基板、7a 配線回路、8 外部端子、9 樹脂筐体、
10 蓋、10a 当接部、11 シリコーンゲル、11a エポキシ樹脂、
20 板厚方向、
100,200,300,400 電力用半導体装置。
1 Insulating substrate, 1a Al plate, 1b Insulating layer, 1c Circuit pattern,
3 IGBT, 4 FWDi,
6 flexible terminal, 61 bending portion, 62 one end, 63 other end, 65 through hole,
7 Printed circuit board, 7a Wiring circuit, 8 External terminal, 9 Resin housing,
10 lid, 10a contact part, 11 silicone gel, 11a epoxy resin,
20 Plate thickness direction,
100, 200, 300, 400 Semiconductor device for electric power.
Claims (5)
樹脂筐体内に充填される絶縁性樹脂と、
樹脂筐体内にて第1基板と第2基板との間に設けられる基板間接続端子と、をさらに備え、
基板間接続端子は、第1基板における上記回路パターン及び上記電力用半導体素子の少なくとも一方と、これらに対向する第2基板における上記配線回路とを電気的に接続し、かつ可撓性を有する屈伸部を有する、
ことを特徴とする電力用半導体装置。 A first substrate in which a power semiconductor element is mounted on a circuit pattern formed through an insulating layer on a heat sink, a second substrate in which a wiring circuit is formed on both surfaces, and the heat sink is exposed on one side surface to form a first substrate. A resin casing that holds the second substrate disposed opposite to the power semiconductor element, and an external terminal that is connected to the wiring circuit on the second substrate and is led out of the resin casing. In the power semiconductor device provided,
An insulating resin filled in the resin case;
An inter-substrate connection terminal provided between the first substrate and the second substrate in the resin casing;
The inter-substrate connection terminal electrically connects at least one of the circuit pattern and the power semiconductor element on the first substrate and the wiring circuit on the second substrate opposite to the circuit pattern, and has flexibility. Having a part,
A power semiconductor device.
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