JP2014078564A - 電極の接続構造 - Google Patents

Abstract

【課題】チップ側の第１の電極板と外部端子側の第２の電極板の位置がずれても接合面積を確保することができる電極の接続構造を提供する。
【解決手段】チップ側の下部電極板３０と、外部端子側の上部電極板５０とが中間部材４０を介して接続されている。上部電極板５０に貫通孔５１が形成され、下部電極板３０に貫通孔５１に挿入される突起４１が形成され、少なくとも突起４１と貫通孔５１の内面との間が、はんだ１４０で充填されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、電極の接続構造に関するものである。

特許文献１に開示の半導体装置においては、平板状の第一のリード、第一のリードと離間して同一平面上に配置された平板状の第二のリード、第二のリードの端部形状は変化させず平面部の一部を突出させてなる突起部、第一のリード上に載置された半導体素子を備える。また、一端が半導体素子上に第一の接合部材を介して接合され、他端が第二のリードに設けられた突起部上に第二の接合部材を介して接合された平板状の内部リード、内部リードおよび半導体素子を含む第一、第二のリード上面を覆って封止するとともに第一、第二のリードの外部との接続のための端子部分を露出させる封止樹脂を備える。第二のリードの平面よりも突出した突起部の表面部を覆うように第二の接合部材が配置されている。

特開２０１１−２４９３９５号公報

ところで、下側の第二のリード（電極板）に設けられた突起部が内部リード（電極板）と接触して接合しているため、例えば内部リードが別の場所で位置を固定される場合においては縦方向に位置がずれたときには接合面積を確保できなかった。

本発明の目的は、チップ側の第１の電極板と外部端子側の第２の電極板の位置がずれても接合面積を確保することができる電極の接続構造を提供することにある。

請求項１に記載の発明では、チップ側の第１の電極板と、外部端子側の第２の電極板との電極の接続構造であって、前記第１の電極板および第２の電極板のうちの一方に貫通部が形成され、他方に前記貫通部に挿入される突起が形成され、少なくとも前記突起と前記貫通部の内面との間が導電性接合材で充填されてなることを要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、第１の電極板および第２の電極板のうちの一方に形成された貫通部に、他方に形成された突起が挿入され、少なくとも突起と貫通部の内面との間が導電性接合材で充填されることにより、チップ側の第１の電極板と、外部端子側の第２の電極板とが接続される。よって、チップ側の第１の電極板と外部端子側の第２の電極板の位置がずれても接合面積を確保することができる。

請求項２に記載のように、請求項１に記載の電極の接続構造において、前記突起は、台座部の一方の面から突出するとともに前記台座部の他方の面が前記他方の電極板に接合されているとよい。

請求項３に記載のように、請求項２に記載の電極の接続構造において、前記台座部は、前記一方の面における縁の全周に前記導電性接合材を受ける突条を有すると、突条にて導電性接合材を受けることができる。

請求項４に記載のように、請求項２または３に記載の電極の接続構造において、前記台座部は、前記一方の面と他方の面を連通する貫通孔を有すると、台座部の貫通孔を用いて導電性接合材により台座部の他方の面と他方の電極板を接合することができる。

請求項５に記載のように、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電極の接続構造において、前記第１の電極板と前記第２の電極板とは上下に離間して配置されているとよい。
請求項６に記載のように、請求項１〜５のいずれか１項に記載の電極の接続構造において、前記第１の電極板、前記第２の電極板および前記突起のうちの少なくとも一つは、母材の表面にめっき層が形成されているとよい。

本発明によれば、チップ側の第１の電極板と外部端子側の第２の電極板の位置がずれても接合面積を確保することができる。

（ａ）は実施形態における半導体装置の平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線での縦断面図。 電極の接続部における縦断面図。 （ａ）は電極の接続部における平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線での縦断面図。 （ａ），（ｂ）は電極の接続部における縦断面図。 （ａ）は別例の中間部材の平面図、（ｂ）は中間部材の正面図、（ｃ）は電極の接続部の縦断面図。 （ａ）は別例の中間部材の平面図、（ｂ）は電極の接続部の正面図、（ｃ）は電極の接続部の縦断面図。 別例の電極の接続部の縦断面図。 別例の電極の接続部の縦断面図。 半導体装置の回路構成図。 （ａ），（ｂ）は比較のための電極の接続部の正面図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
なお、図面において、水平面を、直交するＸ，Ｙ方向で規定するとともに、上下方向をＺ方向で規定している。

図１に示すように、半導体装置１０は、インバータであり、図９に示すように、６つのスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６を有している。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２が直列に接続され、Ｕ相用の上下のアームを構成している。スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４が直列に接続され、Ｖ相用の上下のアームを構成している。スイッチング素子Ｑ５，Ｑ６が直列に接続され、Ｗ相用の上下のアームを構成している。また、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６にはダイオードＤ１〜Ｄ６が逆並列接続されている。

スイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５は直流電源の正極に接続されるとともに、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６は直流電源の負極と接続される。また、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の間の接続点はモータのＵ相端子に接続される。スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４の間の接続点はモータのＶ相端子に接続される。スイッチング素子Ｑ５，Ｑ６の間の接続点はモータのＷ相端子に接続される。

スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６のゲートは図示しない制御部が接続され、制御部によりスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６がオン・オフされる。このスイッチング動作に伴い、入力した直流が交流に変換されてモータに出力され、モータが駆動される。

図１に示すように、半導体装置（インバータ）１０は、チップＣ１にスイッチング素子Ｑ１およびダイオードＤ１が形成されている。以下、同様に、チップＣ２にスイッチング素子Ｑ２およびダイオードＤ２が、チップＣ３にスイッチング素子Ｑ３およびダイオードＤ３が、チップＣ４にスイッチング素子Ｑ４およびダイオードＤ４が、チップＣ５にスイッチング素子Ｑ５およびダイオードＤ５が、チップＣ６にスイッチング素子Ｑ６およびダイオードＤ６が、それぞれ形成されている。

図１において、板状のケース（筐体）２０は水平に配置され、ケース２０の上面に箱型の冷却器２１が配置されているとともにケース２０の上面に端子台２２，２３が配置されている。端子台２２，２３はＸ方向において冷却器２１を挟んだ両側に配置されている。冷却器２１の上面には下部電極板３０が絶縁部材（図示略）を介して固定されている。下部電極板３０の上面にはチップＣ１，Ｃ３，Ｃ５が接合されている。また、下部電極板３０の上面には中間部材４０を介して上部電極板５０の一端側が電気的に接続されている。正極入力端子となる上部電極板５０は水平に延設され、上部電極板５０の他端側は端子台２２の上面に配置されている。端子台２２において上部電極板５０の上には外部接続端子板６０の一端側が重ねて配置され、ボルトＢ１が外部接続端子板６０および上部電極板５０を貫通して端子台２２に螺入されている。これにより、上部電極板５０と外部接続端子板６０とが電気的に接続されている。

また、冷却器２１の上面には下部電極板７０，７１，７２が絶縁部材（図示略）を介して固定されている。下部電極板７０の上面にはチップＣ２が、下部電極板７１の上面にはチップＣ４が、下部電極板７２の上面にはチップＣ６が、それぞれ、接合されている。また、下部電極板７０の上面には中間部材８０を介して上部電極板９０の一端側が電気的に接続されている。上部電極板９０は水平に延設され、上部電極板９０の他端側は端子台２３の上面に配置されている。端子台２３において上部電極板９０の上には外部接続端子板１００の一端側が重ねて配置され、ボルトＢ２が外部接続端子板１００および上部電極板９０を貫通して端子台２３に螺入されている。これにより、Ｕ相出力端子となる上部電極板９０と外部接続端子板１００とが電気的に接続されている。

同様に、下部電極板７１の上面には中間部材８１を介して上部電極板９１の一端側が電気的に接続されている。上部電極板９１は水平に延設され、上部電極板９１の他端側は端子台２３の上面に配置されている。端子台２３において上部電極板９１の上には外部接続端子板１０１の一端側が重ねて配置され、ボルトＢ３が外部接続端子板１０１および上部電極板９１を貫通して端子台２３に螺入されている。これにより、Ｖ相出力端子となる上部電極板９１と外部接続端子板１０１とが電気的に接続されている。また、下部電極板７２の上面には中間部材８２を介して上部電極板９２の一端側が電気的に接続されている。上部電極板９２は水平に延設され、上部電極板９２の他端側は端子台２３の上面に配置されている。端子台２３において上部電極板９２の上には外部接続端子板１０２の一端側が重ねて配置され、ボルトＢ４が外部接続端子板１０２および上部電極板９２を貫通して端子台２３に螺入されている。これにより、Ｗ相出力端子となる上部電極板９２と外部接続端子板１０２とが電気的に接続されている。

チップＣ１の上面がバスバー１１０の一端と接続されるとともにバスバー１１０の他端が下部電極板７０と接合されている。チップＣ３の上面がバスバー１１１の一端と接続されるとともにバスバー１１１の他端が下部電極板７１と接合されている。チップＣ５の上面がバスバー１１２の一端と接続されるとともにバスバー１１２の他端が下部電極板７２と接合されている。

チップＣ２，Ｃ４，Ｃ６の上面がバスバー１２０と接合されている。負極入力端子となるバスバー１２０は水平方向に延設され、端子台２２の上面に配置されている。端子台２２においてバスバー１２０の上には外部接続端子板１３０の一端側が重ねて配置され、ボルトＢ５が外部接続端子板１３０およびバスバー１２０を貫通して端子台２２に螺入されている。これにより、バスバー１２０と外部接続端子板１３０とが電気的に接続されている。

次に、チップ側の第１の電極板としての下部電極板３０，７０，７１，７２と、外部端子側の第２の電極板としての上部電極板５０，９０，９１，９２との電極の接続構造について図２，３を用いて説明する。

図２には、銅製の下部電極板（第１の電極板）３０と、銅製の上部電極板（第２の電極板）５０との電極の接続部を示している。他の電極の接続も図２と同様な構成となっている。

図２に示すように、銅の帯板よりなる上部電極板５０には円形の貫通孔５１が形成されている。一方、銅板よりなる下部電極板３０には円柱状の突起４１が形成されている。突起４１は貫通孔５１に挿入され、少なくとも突起４１と貫通孔５１の内面との間が導電性接合材としてのはんだ１４０で充填されている。

詳しく説明する。突起４１は、台座部４２の一方の面（上面）から突出するとともに台座部４２の他方の面（下面）が下部電極板３０に接合材（はんだ等）１４１により接合されている。突起４１と台座部４２とは共に銅よりなる。突起４１と台座部４２により中間部材４０が構成され、この中間部材４０は、上に凸の導電性の部材となっている。

接合前の状態を示す図３において、円板状の台座部４２の上面中央部から突起４１が上方に直線的に延び、貫通孔５１に挿入されている。このとき、突起４１の先端は上部電極板５０の貫通孔５１の上側開口部（上部電極板５０の上面）と面一またはそれよりも上方に延びている。そして、図４（ａ）に示すように、突起４１と貫通孔５１の内面との間が導電性接合材としてのはんだ１４０で充填される。また、はんだ１４０は台座部４２の上面と貫通孔５１の内面との間にも充填されている。

上部電極板５０の一端側は、外部の電極（外部接続端子板６０）と接続するための部位であり、上部電極板５０の他端には貫通孔５１が形成されている。円形をなす貫通孔５１は、径が、中間部材（上に凸の導電性の部材）４０の突起部分の径よりも大きい。具体的には、例えば、貫通孔５１の径φ１が６ｍｍ、中間部材４０の突起４１の径φ１０が２ｍｍである。突起４１の長さは、下部電極板３０と上部電極板５０との位置のばらつきを考慮し、少なくとも突起４１の先端が上部電極板５０のＺ方向側の面と同一面か、それより長く形成するのがよい。

図３（ａ），（ｂ）に示すように、下部電極板３０の上面に中間部材４０の台座部４２が導電性接合材としてのはんだ１４１により接合されており、中間部材４０の突起４１が上部電極板５０の貫通孔５１に挿入される。この状態で、上部電極板５０の貫通孔５１の内面と突起４１の間にはんだを充填することにより、図４（ａ）に示すように、導電性接合材としてのはんだ１４０により上部電極板５０と中間部材４０が接合される。

また、図２に示すように、冷却器２１の上の部品（電極板３０，７０，７１，７２、チップＣ１〜Ｃ６等）は樹脂Ｒにてモールドされる。即ち、インバータモジュールとして使用される。

次に、このように構成した半導体装置（インバータ）における電極の接続構造の作用について説明する。
電気自動車等に使用されるインバータは、大きな電流を流すことが要求される。このため、電極板３０，５０の断面積が大きいことが望ましい。例えば、銅電極板（３０，５０）の断面積が２０ｍｍ×０．５ｍｍである。

インバータは、入力端子としての正極入力端子、負極入力端子、および、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の出力端子を外部で接続するが、接続部は接続相手側の外部接続端子（６０）とボルト締め等で接続する際に、良好な接続を行うために（上下方向、横方向の）外部接続端子部（６０）との接続位置を精度良く配置することが望まれる。

外部との接続位置の位置精度を良くするためには、上部電極板５０をインバータモジュール内部で電気的に接合する際に、外部との接続位置で上部電極板５０を固定・保持した状態で接合することが望ましい。即ち、図３において位置精度が最も要求される部分である上部電極板５０の右側の位置を決めながら他の部分である上部電極板５０の左側を接合する必要がある。

このとき、インバータモジュール内部の上部電極板５０と下部電極板３０を接続する部分は、上部電極板５０の形状ばらつきにより、接合部の上部電極板５０と下部電極板３０の位置関係は様々な状態が存在する可能性がある。

特に、はんだ（導電性の接合材）を一定量供給する場合において、上部電極板５０と下部電極板３０の間の上下方向の距離（Ｌ）が変動すると次のようになる。中間部材（上に凸の導電性の部材）が無い状態では、図１０（ａ），（ｂ）に示すように、上部電極板５０と下部電極板３０の間の距離（Ｌ）が大きくなると（Ｌ１１＞Ｌ１０）、接合面積が減少する（Ｓ１１＜Ｓ１０、Ｓ２１＜Ｓ２０）。そのため、必要な接合面積が確保できない状態が起こりうる。

つまり、ケース２０上に冷却器２１および端子台２２，２３が独立して配置されているので、例えば、冷却器２１や端子台２２，２３の高さにばらつきが生じる。これにより、Ｌ寸法もばらつく。また、ケース２０上における水平方向での冷却器２１や端子台２２，２３の位置にもばらつきが生じる。

本実施形態においては、この上部電極板５０と下部電極板３０の間の距離（Ｌ）の変動に対応すべく、中間部材（上に凸の導電性の部材）４０が上部電極板５０と下部電極板３０の間に配置され、中間部材の突起（上に凸の突起部分）４１が上部電極板の貫通孔５１の内部に収まる構成になっている。これによって、上部電極板の貫通孔５１に、はんだ（導電性の接合材）１４０を供給することにより下部電極板３０上に中間部材（凸の導電性の部材）４０を介して上部電極板５０を必要な接合面積を確保しつつ接合することができる。即ち、図４（ａ）と図４（ｂ）で示すように、距離（Ｌ）が変化しても（Ｌ２＞Ｌ１）接合面積Ｓ１を一定にすることができる（確保することができる）。

このとき、中間部材（上に凸の導電性の部材）４０は、下部電極板３０に接合され、上部電極板５０と下部電極板３０の距離（Ｌ）の変動に強い接合部となる。
このようにして、上部電極板５０と下部電極板３０が接合部以外で位置を固定され配置された場合において、上部電極板５０と下部電極板３０の間の距離（Ｌ）のばらつきがある場合においても、一定の接合面積を確保することが可能になる。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）チップ側の下部電極板３０と、外部端子側の上部電極板５０との電極の接続構造として、上部電極板５０において貫通部としての貫通孔５１が形成され、下部電極板３０に貫通孔５１に挿入される突起４１が形成され、少なくとも突起４１と貫通孔５１の内面との間が、はんだ１４０で充填されている。広義には、下部電極板３０および上部電極板５０のうちの一方に貫通孔５１が形成され、他方に貫通孔５１に挿入される突起４１が形成され、少なくとも突起４１と貫通孔５１の内面との間が、はんだ１４０で充填されている。よって、図４（ａ），（ｂ）に示すように、チップ側の第１の電極板（３０）と外部端子側の第２の電極板（５０）の位置がずれても接合面積を確保することができる。詳しくは、上下方向（Ｚ方向）および水平方向（Ｘ，Ｙ方向）に位置がずれが生じた場合にも接合面積を確保することができる。

（２）突起４１は、台座部４２の一方の面から突出するとともに台座部４２の他方の面が他方の電極板（３０）に接合されている構成となっているので、突起４１を下部電極板３０側に強固に固定できる。

（３）下部電極板３０と上部電極板５０とは上下に離間して配置されている場合に適している。
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。

・図５（ａ），（ｂ）に示すように、中間部材４０は、台座部４２における縁の全周に突条４５を有し、図５（ｃ）に示すように、はんだ（接合材）１４０が供給されたときに受け皿になるような縁部構造としてもよい。このように、台座部４２は、一方の面における縁の全周にはんだ（導電性接合材）を受ける突条４５を有する。よって、突条４５にてはんだを受けることができる。

・図６（ａ），（ｂ）に示すように、中間部材４０は、台座部４２に貫通孔４６を有し、貫通孔４６は下部電極板３０と接合している面に開口している。そして、図６（ｃ）に示すように、はんだ（接合材）１４５が貫通孔４６を通過して台座部４２と下部電極板３０を接合する構成としてもよい。このように、台座部４２は、一方の面と他方の面を連通する貫通孔４６を有する。よって、台座部の貫通孔４６を用いてはんだ（導電性接合材）１４５により台座部４２の他方の面と他方の電極板を接合することができる。なお、図５に示した台座部４２に突条４５を形成する構成と図６に示した台座部４２に貫通孔４６を形成する構成とを組み合わせて実施してもよい。

・突起は直接、下部電極板３０から突出させてもよい。例えば、図７に示すように、下部電極板３０に突起１５０を溶接して突出させてもよい。あるいは、図８に示すように、下部電極板３０に形成した貫通孔１６０に突起１５０を嵌め込んでもよい。

・上部電極板５０の貫通孔５１の断面形状は、円形以外にも、四角形、三角形、もしくはそれ以外にも貫通孔と突起が異なる異形であってもよく、要は、突起４１よりも大きければよく、接合材を供給する空間が確保できればよい。

・中間部材４０（上に凸の導電性の部材）は、切削・プレス・鍛造・鋳造等により作成される形状と素材であることが好ましく、そのうちの良好な接合可能な中でコストの小さい方法が選定される。

・表面には接合材が濡れやすい表面処理が施されてもよい。具体的には、接合材がはんだの場合は、銅製の母材に対し無電解ニッケルめっき層を形成するとともに最表面に金（Ａｕ）めっき層を形成する。このように、下部電極板３０、上部電極板５０および中間部材（突起４１）のうちの少なくとも一つは、母材の表面にめっき層が形成されていると、接合材の濡れ性がよい。

・突起は１枚の下部電極板３０に対し１個でも複数個でもよい。あるいは、１つの貫通孔につき複数個あってもよい。また、突起の形状は、必要な接合面積が確保できる形状ならよい。

・実施形態では、チップ側の第１の電極板である下部電極板に突起を形成し、外部端子側の第２の電極板である上部電極板に貫通部を設けたが、逆でもよい。
・貫通部は貫通孔５１であったが、切り欠きでもよい。

・接合材は、はんだでもロウ等であってもよい。

１０…半導体装置、３０…下部電極板、４０…中間部材、４１…突起、４２…台座部、４５…突条、４６…貫通孔、５０…上部電極板、５１…貫通孔、１４０…はんだ。

Claims (6)

1. チップ側の第１の電極板と、外部端子側の第２の電極板との電極の接続構造であって、
   前記第１の電極板および第２の電極板のうちの一方に貫通部が形成され、他方に前記貫通部に挿入される突起が形成され、少なくとも前記突起と前記貫通部の内面との間が導電性接合材で充填されてなることを特徴とする電極の接続構造。
2. 前記突起は、台座部の一方の面から突出するとともに前記台座部の他方の面が前記他方の電極板に接合されてなることを特徴とする請求項１に記載の電極の接続構造。
3. 前記台座部は、前記一方の面における縁の全周に前記導電性接合材を受ける突条を有することを特徴とする請求項２に記載の電極の接続構造。
4. 前記台座部は、前記一方の面と他方の面を連通する貫通孔を有することを特徴とする請求項２または３に記載の電極の接続構造。
5. 前記第１の電極板と前記第２の電極板とは上下に離間して配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電極の接続構造。
6. 前記第１の電極板、前記第２の電極板および前記突起のうちの少なくとも一つは、母材の表面にめっき層が形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電極の接続構造。