JP2014049582A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は半導体装置に関し、特に、半導体素子をモールド樹脂などの封止材料で封止した半導体装置に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device in which a semiconductor element is sealed with a sealing material such as a mold resin.
電力用半導体装置を封止するのにモールド樹脂、ポッティング樹脂などが使われている。封止された電力用半導体装置においては、外部電極の取り出し方法が課題になる。例えば、特許文献1に関わる発明は、セラミックス基板の表面に外部電極取り出し部である銅円筒(円筒ソケット)をはんだ付けしている。その後、セラミックス基板を、エポキシ樹脂を用いてトランスファモールドすることで電力用半導体装置が形成される。出力端子は金属製の外部電極を用いて半導体装置の上面から取り出される。 Mold resin, potting resin, and the like are used to seal power semiconductor devices. In the sealed power semiconductor device, a method of taking out the external electrode becomes a problem. For example, the invention relating to Patent Document 1 solders a copper cylinder (cylindrical socket) as an external electrode lead-out portion to the surface of a ceramic substrate. Then, the semiconductor substrate for electric power is formed by carrying out transfer molding of the ceramic substrate using an epoxy resin. The output terminal is taken out from the upper surface of the semiconductor device using a metal external electrode.
電力用半導体装置では、通電電流が大きいため瞬時発熱が大きい。温度上昇を抑えるために、熱容量を考慮して、銅円筒を複数個使用する。しかしながら銅円筒にははんだ付け時に位置ずれが生じるため、複数の銅円筒のピッチ間隔は微妙に異なっている。外部電極接続用端子にはこの銅円筒の位置ずれを吸収できることが望まれる。 In power semiconductor devices, instantaneous heat generation is large due to a large energization current. In order to suppress the temperature rise, a plurality of copper cylinders are used in consideration of the heat capacity. However, because the copper cylinder is displaced during soldering, the pitch intervals of the plurality of copper cylinders are slightly different. It is desired that the external electrode connection terminal can absorb the displacement of the copper cylinder.
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、高放熱化を実現することに加えて、安価で信頼性が高く、生産性の良い半導体装置を得ることを目的としている。 The present invention has been made to solve the above-described problems. In addition to realizing high heat dissipation, an object of the present invention is to obtain a semiconductor device that is inexpensive, highly reliable, and highly productive. Yes.
本願にかかわる半導体装置は、金属製のベース板に絶縁層を介して固定された回路パターンと、回路パターンに接合された半導体素子と、回路パターンに一端が接合された複数の円筒ソケットと、回路パターンと複数の円筒ソケットと半導体素子を封止する封止体と、円筒ソケットに挿入される挿入部が複数個設けられている胴体部に外部電極への取付部が連結されている外部電極接続用端子とを備えている。取付部と胴体部は平板を折り曲げてなるものである。 A semiconductor device according to the present application includes a circuit pattern fixed to a metal base plate via an insulating layer, a semiconductor element bonded to the circuit pattern, a plurality of cylindrical sockets bonded at one end to the circuit pattern, and a circuit An external electrode connection in which a mounting portion to an external electrode is connected to a body portion provided with a plurality of insertion portions to be inserted into the cylindrical socket, a sealing body for sealing a pattern, a plurality of cylindrical sockets and semiconductor elements Terminal. The attachment portion and the body portion are formed by bending a flat plate.
円筒ソケットの位置ずれが大きくなっても、挿入部は正常な接触を得ることができるため、信頼性が高い。また、瞬時発熱に対して、外部端子が十分な熱容量を持つことで、温度上昇を抑えることができる。 Even if the displacement of the cylindrical socket becomes large, the insertion portion can obtain a normal contact, so that the reliability is high. In addition, an increase in temperature can be suppressed because the external terminal has a sufficient heat capacity against instantaneous heat generation.
以下に本発明にかかる半導体装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は以下の既述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。 Embodiments of a semiconductor device according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited to the following description, In the range which does not deviate from the summary of this invention, it can change suitably.
実施の形態1.
図1は半導体装置の全体構成を示す断面図である。回路基板19は、銅製のベース板17と、高熱伝導樹脂を使用した絶縁層16と、回路パターン15から構成されている。ベース板17はモールド樹脂18から片面が露出している。回路パターン15の上には、円筒ソケット11とIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)12とFWDi(Free-Wheeling Diode)13がはんだ14で接合されている。円筒ソケット11には、外部電極接続用端子21が圧入されている。銅系の材料からなる外部電極接続用端子21には取付穴22が設けられている。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the overall configuration of the semiconductor device. The
半導体装置1ではIGBT12、FWDi13などの電力用半導体素子がモールド樹脂18で封止されている。封止材料にはモールド樹脂のほかに、ポッティング樹脂、ゲルなども使用される。電力用半導体素子は、珪素(Si)によって形成したものの他、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成したものも好適に使用することができる。ワイドバンドギャップ半導体としては、例えば、炭化珪素(SiC)、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドがある。ワイドバンドギャップ半導体を用いた場合、許容電流密度が高く、電力損失も低いため、電力用半導体素子を用いた装置の小型化が可能となる。
In the semiconductor device 1, power semiconductor elements such as IGBT 12 and FWDi 13 are sealed with a
円筒ソケット11は、銅以外の金属あるいは他の導電性材料を適用することができる。半導体装置1の全体はモールド樹脂18にてトランスファモールドされており、外部との絶縁が保たれている。モールド樹脂18が線膨張係数の異なる回路基板19とIGBT12とFWDi13の表面を強固に接着し固定するため、使用時の温度上昇による熱疲労を抑えることができる。モールド樹脂で封止された電力半導体装置は、ゲルタイプの電力用半導体装置と比較して、信頼性が高い。
The
図2は、半導体装置を図1と垂直な方向から見た断面図で、円筒ソケット11に外部電極接続用端子21が挿入されている状態を示している。図3は外部電極接続用端子の構成を示す側面図である。外部電極接続用端子21は、挿入部26と胴体部27と取付部29から構成されている。取付部29と複数の挿入部26は胴体部27で連結されている。挿入部26は、開口部28が形成されており、ニードルアイ形状を有している。ニードルアイ形状は一般的にプレスフィットと呼ばれている。胴体部27には2個の挿入部26が間隔を隔てて設けられている。取付部29は胴体部27から90度折れ曲がっている。外部電極接続用端子21の挿入部26が円筒ソケット11に挿入される。挿入部26を有する外部電極接続用端子21を用いて半導体装置の上面から外部電極に取り付けるため、出力の取出しが容易である。外部電極接続用端子21の挿入部26が円筒ソケット11の内側に圧入されると、挿入部26の弾性変形により、円筒ソケット11の内壁に反発力が働き、導通が確保される。
FIG. 2 is a cross-sectional view of the semiconductor device viewed from a direction perpendicular to FIG. 1 and shows a state in which the external
図4は半導体装置1を示す上面図である。図には4個の外部電極接続用端子21と、4枚の外部電極30と、8個の円筒ソケット11が示されている。外部電極接続用端子21は雌ネジが加工された外部電極30と連結されている。外部電極接続用端子21の取付穴22は外部電極接続用端子21の取付部29に形成されている。取付穴22は、外部電極30と接続するために形成されている。外部電極30と外部電極接続用端子21の固定にはネジ31が用いられる。銅製の外部電極接続用端子21には、Ni下地めっきとSn表面めっきが施されている。これは、外部電極接続用端子21の表面酸化を抑止し、酸化膜による接触抵抗の増加を抑制するためである。
FIG. 4 is a top view showing the semiconductor device 1. In the figure, four external
回路基板19の回路パターン15と円筒ソケット11は前述したとおりはんだにより接合されている。はんだ付けの際、粘性を持ったはんだペーストを用いる場合のプロセスを説明する。回路パターン15の所定の位置にはんだペーストを印刷し、印刷したはんだペーストの上には部材(IGBT、FWDi、円筒ソケット)を搭載する。回路基板19はリフロー炉に投入され、はんだの融点以上まで加熱される。はんだは溶融し回路パターンおよび部材の所定箇所にはんだが濡れる。その後冷却され、はんだ付けによる部材と回路パターンとの接合が完了する。
The
このはんだ付けプロセスにおいて、円筒ソケットに位置ずれが生じる。まず、円筒ソケットにはんだが濡れる際に起こる。はんだが回路パターンと円筒ソケットに濡れる際に表面張力が円筒ソケット11に働き、円筒ソケット11に位置ずれを発生させる。更に、リフロー炉でのサンプルの搬送中に、振動によって円筒ソケットは位置ずれを起こす。この2つの因子により、円筒ソケットは初期の搭載位置から、大きい場合には数百μmほど位置がずれる。外部電極接続用端子21は、挿入部26の弾性変形により円筒ソケット11の内壁に反発力が働くため、数百μmほどの位置ずれがあっても、導通を確保する。
In this soldering process, the cylindrical socket is displaced. First, it occurs when the solder gets wet into the cylindrical socket. When the solder gets wet with the circuit pattern and the cylindrical socket, the surface tension acts on the
半導体装置の他の接続方法と比較してみる。例えば、円筒ソケットの代わりに、ネジ穴を形成したソケットを使用して、ネジにて固定する方法を考えてみる。ネジ穴を形成するための加工は煩雑でありコスト高になる。本願発明では挿入部を用いることで、外部電極接続用端子21を挿入するだけで、円筒ソケット11の内壁の酸化膜を除去し、低接触抵抗となる理想的な接続を得ることができる。外部電極接続用端子21は、例えば順送プレスによって、平板を打ち抜いて加工されているため、挿入部26と胴体部27と取付部29は同じ厚さを有する。順送プレスは1つの金型の中を材料の一部をつないだ状態で加工を進めるもので、抜き、曲げ、成型、絞り、鍛造、などを含む工程を1つの金型で行う。
Compare with other connection methods for semiconductor devices. For example, consider a method of using a socket in which a screw hole is formed instead of a cylindrical socket and fixing with a screw. The processing for forming the screw holes is complicated and expensive. In the present invention, by using the insertion portion, the oxide film on the inner wall of the
本発明は、SiCモジュールなどの高温動作する電力用半導体装置において、特に顕著な効果がある。電極接続部は高温になるため、電極接続部にははんだ接続信頼性が要求される。また、モジュールの小型化によって電極端子に流す電流が大電流となっており、同様にはんだ接続信頼性が要求される。はんだ付であることが一般的であった電極接続を本発明による外部電極接続用端子を採用することで、はんだの融点よりも高い温度において半導体を動作させることが可能となる。さらに、本発明による挿入部は、はんだ付と比べて、電極の接続面積が小さい。挿入部と円筒ソケットとの熱抵抗が大きくなるため、半導体から外部基板への熱伝導を抑えることができる。すなわち、半導体の熱が基板側に伝わりにくくなる。半導体の温度が高温になっても、基板の温度上昇が抑制され、基板の信頼性が高くなる。 The present invention has a particularly remarkable effect in a power semiconductor device such as a SiC module that operates at a high temperature. Since the electrode connection portion is at a high temperature, solder connection reliability is required for the electrode connection portion. Further, due to the downsizing of the module, the current flowing through the electrode terminal is a large current, and similarly, solder connection reliability is required. By adopting the external electrode connection terminal according to the present invention for the electrode connection that is generally soldered, the semiconductor can be operated at a temperature higher than the melting point of the solder. Furthermore, the insertion portion according to the present invention has a smaller electrode connection area than soldering. Since the thermal resistance between the insertion portion and the cylindrical socket is increased, heat conduction from the semiconductor to the external substrate can be suppressed. That is, the heat of the semiconductor is not easily transmitted to the substrate side. Even when the temperature of the semiconductor becomes high, the temperature rise of the substrate is suppressed, and the reliability of the substrate is increased.
実施の形態2.
次に、図5を用いて、実施の形態2に関わる外部電極接続用端子21の構造を詳細に説明する。なお、半導体装置1の構造は実施の形態1で説明したものと概ね同様であるため省略する。胴体部27には、挿入側端面27aと、側方側端面27bと、折り曲げ側端面27cが存在する。スリット23は胴体部27の中間部に形成されている。外部電極接続用端子21の挿入部26を円筒ソケット11へ圧入する際、円筒ソケットの位置ずれが大きいために挿入部26が塑性変形すると、所定の反発力が得られなくなる。しかしながら、外部電極接続用端子21にスリット23を形成することにより、外部電極接続用端子21の2つの挿入部26と連続した胴体部27はスリット23を介して、単独に変形することができる。
Next, the structure of the external
実施の形態2に関わる外部電極接続用端子によれば、胴体部27は挿入部26の圧入時に位置ずれした円筒ソケット11に倣うように変形するため、挿入部26の塑性変形を防止できる。円筒ソケット11の内壁からの反発力として所定のものが得られるため、挿入部26と円筒ソケット11との接触抵抗は十分に低くなる。半導体装置の使用時には、通電による接触部の発熱は十分に小さくなり、半導体装置の温度上昇をあらかじめ設計した温度以下に抑えることが可能となる。
According to the external electrode connection terminal according to the second embodiment, the
電力用半導体素子、回路パターンおよびその他の部材の発熱を効果的に放熱するためには、熱容量が必要である。本発明による半導体装置は150A以上の極めて大きな電流を通電するため、外部電極接続用端子においても十分な熱容量が必要である。挿入部と円筒ソケットの接触部で発生する熱は、回路パターン側および外部電極接続用端子の胴体部側に放熱される。スリットが形成されている箇所は放熱にはほとんど寄与しない箇所であるため、温度上昇はスリットを形成しない場合と比較して、ほとんど変化が無い。 In order to effectively dissipate heat generated by the power semiconductor elements, circuit patterns, and other members, heat capacity is required. Since the semiconductor device according to the present invention supplies a very large current of 150 A or more, a sufficient heat capacity is required even for the external electrode connection terminal. Heat generated at the contact portion between the insertion portion and the cylindrical socket is radiated to the circuit pattern side and the body portion side of the external electrode connection terminal. Since the portion where the slit is formed is a portion which hardly contributes to heat dissipation, the temperature rise hardly changes compared to the case where the slit is not formed.
実施の形態3.
図6に実施の形態3に係る外部電極接続用端子21を示す。スリット23は胴体部23の挿入側端面を起点23aとして折り曲げ側に向かっている。スリット23の根元(終点)に窪み(穿孔)24を設けることで、2つの円筒ソケットが互いに内側に位置ずれした場合に、窪み24が変形箇所となり、胴体部27の変形を容易にする。なお、外部電極接続用端子の材料は銅系の材料でも特に電気抵抗率が無酸素銅に近いものが良い。また挿入部26が適切な反発力を働くためには高い剛性を持つバネ性の高い材料であることが好ましい。これらの特性を満たす材料としてMZC1(三菱伸銅株式会社製)が存在する。スリットの起点23aは挿入部26と挿入部26の間に配置されている。
FIG. 6 shows an external
実施の形態4.
図7に実施の形態4に係る外部電極接続用端子21を示す。外部電極接続用端子21の側方側端面27bが半円状に切り取られている。胴体部27の外側にも窪み25を設けることで、円筒ソケットが互いに外側に位置ずれした場合でも胴体部27の変形が容易になる。図7では窪み25は胴体部27の両側に2箇所設けられている。
Embodiment 4 FIG.
FIG. 7 shows an external
実施の形態5.
図8から図10は実施の形態5に係る外部電極接続用端子21を示す。実施の形態5では外部電極接続用端子に形成されたスリット23が取付部29まで設けられていることを特徴とする。さらに、200A以上の大電流に対応するため、1つの外部電極接続用端子から3個の挿入部26を取り出すことを想定している。実施の形態5によれば、円筒ソケットの位置ずれが大きくなっても外部電極接続用端子は容易に変形することができる。さらに、本構造は、外部からの負荷に強い構造となる。すなわち、外部電極接続用端子21と外部電極をネジ固定する際に、外部電極接続用端子にはねじりの力が負荷される。胴体部を超えて取付部まで伸びているスリット23の効果で、外部電極接続用端子が回転方向の力を受けても、胴体部27の変形が容易になる。挿入部26には回転方向の力は直接負荷されずに、正常な接触状態を維持できる。
Embodiment 5 FIG.
8 to 10 show the external
上記と同様の効果は、通電時のパワーサイクル負荷や温度サイクル負荷においても発揮される。即ち、外部電極接続用端子には温度変化による部材間の線膨張ミスマッチによる繰り返し負荷が生じる。本実施の形態によれば、胴体部が変形し、挿入部には繰り返し負荷が生じない構造であるため、長期に渡って高い信頼性を得ることができる。本実施の形態では、1つの外部電極接続用端子に3つの挿入部を設けた例を説明したが、4つ以上の挿入部を形成する場合でも同様の効果を発揮する。 The same effect as described above is also exhibited in a power cycle load and a temperature cycle load during energization. That is, the external electrode connection terminal is subjected to repeated load due to linear expansion mismatch between members due to temperature change. According to the present embodiment, since the body portion is deformed and a load is not repeatedly generated in the insertion portion, high reliability can be obtained over a long period of time. In the present embodiment, an example in which three insertion portions are provided in one external electrode connection terminal has been described, but the same effect is exhibited even when four or more insertion portions are formed.
実施の形態6.
図11は実施の形態6に係る外部電極接続用端子21を示す正面図である。図12は実施の形態6に係る外部電極接続用端子21の挿入部を示すA−A断面図である(図11参照)。挿入部26は、長手方向に伸びる複数の筋または溝が表面に加工されていて、挿入部26の断面形状は星型を呈している。上記と同様の位置ずれ抑制効果を発揮する。
FIG. 11 is a front view showing the external
実施の形態7.
図13は実施の形態6に係る外部電極接続用端子21を示す正面図である。図14は実施の形態7に係る外部電極接続用端子21の挿入部を示すB−B断面図である(図13参照)。挿入部26の断面形状は割りピン型(或いはC形状)を呈している。上記と同様の位置ずれ抑制効果を発揮する。挿入部26は、平板を短手方向に湾曲させて作成する。
Embodiment 7 FIG.
FIG. 13 is a front view showing the external
半導体素子にSiCを用いた場合、半導体装置1はその特徴を生かすべくSiの時と比較してより高温で動作させることになる。SiCデバイスを搭載する半導体装置においては、半導体装置としてより高い信頼性が求められるため、高信頼の半導体装置を実現するという本発明のメリットはより効果的なものとなる。 When SiC is used for the semiconductor element, the semiconductor device 1 is operated at a higher temperature than in the case of Si in order to take advantage of the characteristics. In a semiconductor device on which an SiC device is mounted, since higher reliability is required as a semiconductor device, the merit of the present invention for realizing a highly reliable semiconductor device becomes more effective.
なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。 It should be noted that the present invention can be freely combined with each other within the scope of the invention, and each embodiment can be appropriately modified or omitted.
1 半導体装置、11 円筒ソケット、12 IGBT、13 FWDi、14 はんだ、15回路パターン、16 絶縁層、17 ベース板、18 モールド樹脂、19 回路基板、21 外部電極接続用端子、22 取付穴、23 スリット、24 窪み、25 窪み、26 挿入部、27 胴体部、28 開口部、29 取付部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor device, 11 Cylindrical socket, 12 IGBT, 13 FWDi, 14 Solder, 15 Circuit pattern, 16 Insulation layer, 17 Base board, 18 Mold resin, 19 Circuit board, 21 External electrode connection terminal, 22 Mounting hole, 23 Slit , 24 depression, 25 depression, 26 insertion part, 27 body part, 28 opening part, 29 attachment part
Claims (10)
前記回路パターンに接合された半導体素子と、
前記回路パターンに一端が接合された複数の円筒ソケットと、
前記回路パターンと前記複数の円筒ソケットと前記半導体素子を封止する封止体と、
前記円筒ソケットに挿入される挿入部が複数個設けられている胴体部に外部電極への取付部が連結されている外部電極接続用端子とを備えている半導体装置。 A circuit pattern fixed via an insulating layer to a metal base plate;
A semiconductor element bonded to the circuit pattern;
A plurality of cylindrical sockets joined at one end to the circuit pattern;
A sealing body for sealing the circuit pattern, the plurality of cylindrical sockets, and the semiconductor element;
A semiconductor device comprising: a body portion provided with a plurality of insertion portions to be inserted into the cylindrical socket; and an external electrode connection terminal connected to an attachment portion to an external electrode.
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