JP2014236150A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 複数の半導体モジュールによって半導体装置を構成することにより、半導体装置全体として電流容量の大容量化を図り、かつ、複数の半導体モジュールの端子同士の接続を、当該半導体装置に最適な方式での接合により実施した半導体装置を提供する。【解決手段】外部接続端子がケースから突出している半導体モジュール１０と、並列に配列された複数個の半導体モジュール１０における特定の外部接続端子１６、１７、１８を連結して電気的に接続するバスバー３Ａ、３Ｂ、３Ｃと、バスバー３Ａ、３Ｂ、３Ｃにより連結された複数個の半導体モジュール１０が覆われ、かつ固定される半導体モジュール用ケース２とを備え、バスバー３Ａ、３Ｂ、３Ｃと半導体モジュールの外部接続端子１６、１７、１８とが、レーザ溶接により接合されている。【選択図】図２

Description

本発明は、半導体装置に関する。より詳しくはパワー半導体チップ等を備えた複数の半導体モジュールによって構成された半導体装置であって、各半導体モジュールの端子同士の接続方式に関する。
半導体モジュール、例えばIGBT（Insulated Gate BipolarTransistor）等のパワー半導体チップが絶縁回路基板上に搭載され、ケースに収容されてなるパワー半導体モジュールは、一般に、定格の電流容量ごとに専用パッケージが作製されている。パワー半導体モジュールの大容量化を図る場合、電流容量毎に専用チップを作製することは困難である。そのため、通常は、所定の電流容量を有するパワー半導体チップの複数個を並列に配置した構造のパッケージが用いられている。
シリコンIGBTの場合、数百Ａ〜１０００Ａクラスの大容量半導体モジュールにおいては、半導体チップを数個〜数十個並べて配置したパッケージとなっている。また、近年では、インバータ装置を構成する半導体チップとして、ＳｉＣを用いる半導体モジュールが開発されている。このＳｉＣを半導体チップに用いた半導体モジュールでは、ＳｉＣ半導体チップの電流容量が小さいため、数十Ａ〜１００Ａ程度の定格のパッケージであっても、ＳｉＣ半導体チップを複数個、並列に配置している。そのため数百Ａ〜１０００Ａクラスの大容量半導体モジュールを作製しようとすると、原理的に数十個〜数百個のＳｉＣ半導体チップを並列に配置する必要があり、このため商用利用に至っていないのが現状である。
また、電流容量ごとに完全な専用パッケージにした半導体モジュールでは、組み立て中に１つのチップや部品が不良になるだけで、半導体モジュール全体が不良になるので、廃棄せざるを得ない。また、半導体モジュールの使用中においても、１つのチップ又は部品が壊れるだけで、半導体モジュール全体の交換となる。したがって、専用パッケージは、大容量になるほど、半導体モジュールのメーカーのコスト及びユーザーのリスクが増大する。
専用パッケージの半導体モジュールにおいて、絶縁基板までユニット化した中容量の共通部品を作製し、この共通部品を必要な電流容量分だけ並列に配置する一方で、端子やケースについては電流容量に応じた配置、形状にして大容量化したパッケージがある。絶縁基板までユニット化した中容量の部品を並列に配置したパッケージは、少なくとも絶縁基板ユニットまでの組み立て不良によって、半導体モジュール全体が不良になることは避けられる。しかし、その後の組み立て工程や、使用中においては、一つの半導体チップや部品が壊れたら、半導体モジュール全体の廃棄、交換となる。
また、半導体チップを少量搭載するディスクリートのような小容量小型パッケージを多数並べ、専用取り付け治具で接続して大容量化に対応させる例がある。ディスクリートのような小容量小型パッケージを多数並べる場合、上記問題は生じないが、ユーザーにおいて多数の取り付けになったり、装置への取り付け方が従来と大きく異なったりするなど、新たな問題が発生する。また、パッケージが小型なので、絶縁距離規定を満足できない場合も生じ得る。
専用パッケージの一例は、次の構造を有する。複数の半導体チップが絶縁回路基板上にはんだ等によって接続、搭載される。半導体チップと絶縁回路基板とがボンディングワイヤ等で配線され、絶縁回路基板における半導体チップが搭載された面とは反対側の面が放熱用金属ベースにはんだ付けされている。また、絶縁回路基板上には、外部端子を含むバスバーがねじ締結やはんだ等で接続、搭載されている。放熱用金属ベースにケースが固着され、このケース内にゲル等を充填して半導体チップが封止されている。ケースの蓋部からはバスバーの外部端子が突出している。このような構造を有する専用パッケージに関して、動作時の温度が２００℃以上になるような高温対応のパッケージについては、ゲルの代わりに、ケースを兼ねた樹脂モールドによって半導体チップが封止されている構造が望ましい。しかし、大型の半導体モジュールをモールド成型すると、樹脂割れや反りの発生による歩留まり低下、材料コストの増大等の問題が生じる。
また、バスバーとそれに接続される部材とを、ねじ締結で接続する場合には、接続部のスペースによっては、ねじ締結が困難である。また、はんだで接合する場合には、バスバーが銅等の熱導電性の高い材料からなるため、接合部においてはんだ接合に必要な熱容量が得られず、十分な接合ができない場合がある。また、はんだ接合のために多大な熱を接合部に加えると、バスバーと接合される部材を通じて半導体モジュールにも熱影響が生じてしまう。更に、はんだ接合の際は、糸はんだ等を用いるのが通常であり、はんだ接合後は接合部にフラックスの残渣が生じる。この残渣を半導体モジュールごと洗浄するのは困難である。
複数の半導体装置用ユニットの外部導出端子と、配線パターンが形成された配線基板とをはんだ接合することにより、さまざまな容量の半導体モジュールを構成可能な半導体装置がある（特許文献１）。しかし、特許文献１の装置は、外部導出端子と配線基板とがはんだ接合されるため、上述の残渣等の問題が残されている。
電子部品の端子等となる母材にリード線等の細線を電子ビームやレーザ等で溶接する方法がある（特許文献２）。しかし、特許文献２の方法は、端子等とリード線等との接合であって、アーク溶接によって半導体モジュールにおけるバスバーとそれに接続される部材、例えば外部接続端子との接合については記載されていない。
板状導体と線材とをアーク溶接、特にＴＩＧ（Tungsten Inert Gas）溶接によって接合する方法もある（特許文献３）。しかし、特許文献３の方法は、アーク溶接によって半導体モジュールにおけるバスバーとそれに接続される部材、例えば外部接続端子とを接合すると、接続される部材を通じて半導体モジュールにも熱影響が生じてしまう。
プリント回路基板のスルーホールに中継端子のタブを貫通させて、パルスレーザ照射を行って両者を接合する方法がある（特許文献４）。しかし、特許文献４は、中継端子本体部よりも細いタブを接合する方法であり、中継端子それ自体と接合する方法ではない。
特開２０１１−１４２１２４号公報 特開昭６３−１３０２９１号公報 特開２００１−２１９２７０号公報 特開２００２−２５６３９号公報
本発明は、上記の問題を有利に解決するものであり、パワー半導体チップ等を備えた複数の半導体モジュールによって半導体装置を構成することにより、半導体装置全体として電流容量の大容量化を図ることができ、かつ、複数の半導体モジュールの端子同士の接続を、当該半導体装置に最適な方式での接合により実施した半導体装置を提供することを目的とする。
本発明の半導体装置は、半導体チップが絶縁回路基板上に搭載されてケース内に設けられ、該半導体チップ又は該絶縁回路基板に接続する外部接続端子が該ケースから突出している半導体モジュールと、並列に配列された複数個の該半導体モジュールにおける特定の外部接続端子を連結して電気的に接続するバスバーと、該バスバーの一部を外部端子として外方に突出させる孔を有し、該バスバーにより連結された複数個の該半導体モジュールが覆われ、かつ固定される半導体モジュール用ケースとを備え、該バスバーと該半導体モジュールの外部接続端子とが、レーザ溶接により接合されていることを特徴とする。
本発明の半導体装置の別の形態は、半導体チップが絶縁回路基板上に搭載されてケース内に設けられ、該半導体チップ又は該絶縁回路基板に接続する外部接続端子が該ケースから突出している半導体モジュールと、並列に配列された複数個の該半導体モジュールにおける特定の外部接続端子を連結して電気的に接続するバスバーと、複数個の該半導体モジュールにおける、バスバーが連結する外部接続端子とは異なる特定の外部接続端子を連結して電気的に接続するプリント基板と、該バスバーの一部を外部端子として外方に突出させる孔を有し、該バスバーにより連結された複数個の該半導体モジュールが覆われ、かつ固定される半導体モジュール用ケースとを備え、該プリント基板と該半導体モジュールの外部接続端子とが、レーザ溶接により接合されていることを特徴とする。
本発明の半導体装置によれば、パワー半導体チップ等を備えた複数の半導体モジュールの外部接続端子をバスバーやプリント基板によって連結して半導体装置を構成することにより、半導体装置全体として電流容量の大容量化を図ることができ、かつ、複数の半導体モジュールの外部接続端子と、バスバーやプリント基板との接続を、レーザ溶接により行うので半導体チップに熱影響を与えることがなく、フラックス洗浄が不要で工程を削減することができる。
本発明の一実施形態の半導体装置の斜視図である。 図１の半導体装置の分解図である。 本発明の一実施形態の半導体装置を構成するパワー半導体モジュールの斜視図である。 パワー半導体モジュールの模式的な断面図である。 本発明の一実施形態の半導体装置を構成するバスバーの斜視図である。 バスバーと端子との接合の態様を示す図である。 バスバーと端子との接合の態様を示す図である。 バスバーと端子との接合の態様を示す図である。 プリント基板と端子との接合の態様を示す図である。 プリント基板と端子との接合の態様を示す図である。 プリント基板と端子との接合の態様を示す図である。 本発明の一実施形態の半導体装置を構成する半導体モジュール用ケースの斜視図である。 半導体モジュール用ケースにパワー半導体モジュールが装入される途中の状態を示す斜視図である。 本発明の一実施形態の半導体装置の組み立て説明図である。 本発明の一実施形態の半導体装置の平面図である。 図１５の半導体装置のＡ−Ａ線断面図である。 図１５の半導体装置のＢ−Ｂ線断面図である。
以下、本発明の半導体装置の実施形態について、図面を参照しつつ具体的に説明する。
図１に、本発明の一実施形態の半導体装置１の斜視図を示す。図１（ａ）は、半導体装置１を上面斜め上方向から見た図であり、図１（ｂ）は半導体装置１を底面斜め下方向から見た図である。図１（ｂ）から分かるように、半導体装置１は、並列に配列された複数の、図示した例では４個のパワー半導体モジュール１０と、これらのパワー半導体モジュール１０が覆われて、かつ固定される半導体モジュール用ケース２とを備えている。図１（ａ）に示すように、半導体装置１は、短辺側の側面から見て凸形状を有する概略直方体の形状を有している。図示した例では、半導体装置１を上から見た時の長方形の平面形状において、パワー半導体モジュール１０の長手方向が半導体装置１の短手方向であり、パワー半導体モジュール１０の並列方向が半導体装置１の長手方向である。また半導体装置１は、上下方向に貫通する取り付け孔１ａが、上方から見た平面形状における短手方向の端部近傍に形成され、長手方向に沿って複数個配列されている。この取り付け孔１ａは、半導体装置１を構成する、並列に配置された半導体モジュール１０に設けられた取り付け孔１０ａ（図３参照）と対応し、同一軸線上に位置している。つまり、半導体装置１は、パワー半導体モジュール１０に形成された取り付け孔１０ａを利用して、本実施形態の半導体装置１が使用される装置等に固定される。したがって、半導体モジュール用ケース２それ自体は、取り付け孔２ａの近傍の部分について、装置等に固定するのに必要な剛性は不要である。
半導体装置１の凸部の最上面には、３個の外部端子３０Ａ、３０Ｂ及び３０Ｃが露出している。これらの外部端子３０Ａ、３０Ｂ及び３０Ｃは、半導体装置１の主回路用の端子である。また、半導体装置１の凸部の肩面に、４個の外部端子４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃ及び４０Ｄが突出している。これらの外部端子４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃ及び４０Ｄは、半導体装置１を構成する各半導体モジュール１０の半導体チップの制御用又は計測用の端子である。図示した半導体装置１の外形及び端子形状は、一般的な半導体モジュールの外形及び端子形状と類似している。
図２に半導体装置１の分解図を示す。図２に示すように半導体装置１は、４個のパワー半導体モジュール１０と、半導体モジュール用ケース２の他に、３個のバスバー３Ａ、３Ｂ、３Ｃと、プリント基板４とを備えている。外部端子３０Ａ、３０Ｂ及び３０Ｃは、それぞれバスバー３Ａ、３Ｂ、３Ｃの一部分である。また、外部端子３０Ａ、３０Ｂ及び３０Ｃを他の電子部品と電気的に接続する際にボルト又はねじと結合するためのナット５が、半導体モジュール用ケース２に埋設される。
複数のパワー半導体モジュール１０は、同一の構成とすることができ、よって代表的に一つのパワー半導体モジュール１０について図３を用いて具体的に説明する。図３（ａ）は、パワー半導体モジュール１０の上面を斜め上方向から見た斜視図であり、図３（ｂ）はパワー半導体モジュール１０の底面を斜め下方向から見た斜視図である。図３に示すパワー半導体モジュール１０は、概略直方体形状を有している。このパワー半導体モジュール１０の外形は、本実施形態では、熱硬化性樹脂、例えばエポキシ樹脂のモールド成型によって形成されている。モールド成型された熱硬化性樹脂は、パワー半導体モジュール１０の内部に設けられた半導体チップを封止し、パワー半導体モジュール１０のケース２０を兼ねる。
パワー半導体モジュール１０の内部を模式的な断面図で図４に示す。図４に示したパワー半導体モジュール１０の例では、２個の半導体チップ１１が、絶縁回路基板１２Ａ、１２Ｂの一方の表面に、はんだによって接合されることにより、当該絶縁回路基板１２Ａ、１２Ｂ上に搭載されている。半導体チップ１１は、例えばパワーＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）チップやＩＧＢＴチップ、ＦＷＤ（FreeWheeling Diode）チップである。また半導体チップ１１は、シリコン半導体でもよいし、ＳｉＣ半導体であってもよい。例えば半導体チップ１１がパワーＭＯＳＦＥＴチップである場合に、当該絶縁回路基板１２Ａ、１２Ｂのそれぞれには、半導体チップ１１としてパワーＭＯＳＦＥＴチップと、このパワーＭＯＳＦＥＴチップと逆並列接続するＦＷＤチップ（図示せず）とが設けられ、パワー半導体モジュール１０として２ｉｎ１ユニットの構成として、例えばインバータ装置における上アーム及び下アームを備える１相分として用いられる。
絶縁回路基板１２Ａ、１２Ｂは、いずれもセラミックス等からなる絶縁基板１２ａと、この絶縁回路基板１２Ａ、１２Ｂの両面にそれぞれ設けられた、銅等からなる導電層１２ｂ、１２ｃとからなる。半導体チップ１１と対向する側の導電層１２ｂは、回路パターンが形成されている。導電層１２ｃは、図４で示すようにモールド成型された熱硬化性樹脂よりなるケース２０の底面と略面一か、もしくはケース２０の底面よりもわずかに外方に露出している。
また、半導体チップ１１の上方には、所定の回路パターンが形成された配線基板１４が設けられ、この配線基板１４と、各半導体チップ１１及び導電層１２ｂとが導電ピン１５により電気的に接続されている。配線基板１４又は導電層１２ｂに接続して、複数の外部接続端子１６、１７、１８、１９Ａ、１９Ｂ、１９Ｃ、１９Ｄが設けられている。外部接続端子１６、１７、１８は、主回路端子であり、例えば外部接続端子１６はドレイン側接続端子、外部接続端子１７はソース側接続端子、１８は出力端子に対応する。外部接続端子１９Ａ、１９Ｂ、１９Ｃ、１９Ｄは制御用又は計測用の端子である。
これらの外部接続端子１６、１７、１８、１９Ａ、１９Ｂ、１９Ｃ、１９Ｄの先端は、熱硬化性樹脂２０でモールド成型されたパワー半導体モジュール１０の上面から突出している。
外部接続端子１６、１７、１８は、図３（ａ）においては、上方から見た長方形の平面形状のパワー半導体モジュール１０における短手方向の両端部に１個ずつ合計２個が設けられている。また、外部接続端子１９Ａ、１９Ｂ、１９Ｃ、１９Ｄは、パワー半導体モジュール１０の短手方向のいずれかの端部に１個ずつ設けられている。
また、パワー半導体モジュール１０を上から見たときの長手方向の両端部近傍に、取り付け孔１０ａがそれぞれ設けられている。取り付け孔１０ａは、パワー半導体モジュール１０の熱硬化性樹脂よりなるケース２０を上下方向に貫通する孔である。
パワー半導体モジュール１０の取り付け孔１０ａと外部接続端子１６、１７、１８、１９Ａ、１９Ｂ、１９Ｃ、１９Ｄとの間には、絶縁壁１０ｂが形成されている。図示したパワー半導体モジュール１０の絶縁壁１０ｂは、取り付け孔１０ａの周りに略半円筒状に形成されている。この絶縁壁１０ｂにより、取り付け孔１０ａに挿入されて締結固定するためのボルト（図示せず）等と、外部接続端子１６、１７、１８、１９Ａ、１９Ｂ、１９Ｃ、１９Ｄとの絶縁距離を延ばすことができる。
パワー半導体モジュール１０の長辺側の側壁１０ｃには、半導体モジュール用ケース２の裏面に設けられたガイドリブ２ｆ（図１２参照）を案内するガイド溝１０ｆが、図示した例では一つの側壁当たり２個、両側壁の合計で４個形成されている。また、パワー半導体モジュール１０の短辺側の両側壁１０ｅの、下面との接続部近傍には、半導体モジュール用ケース２の内面に設けられた突起部２ｇ（図１２参照）と係止する凹部１０ｇがそれぞれ形成されている。
図２に示したバスバー３Ａ、３Ｂ、３Ｃは、それぞれ並列に配列された複数個のパワー半導体モジュール１０における特定の端子、具体的には外部接続端子１６、１７、１８を連結して電気的に接続するためのものである。バスバー３Ａ、３Ｂ、３Ｃの斜視図を図５に示す。バスバー３Ａ、３Ｂ、３Ｃはそれぞれ、上下方向に立てて設けられる本体部３１と、本体部３１の下端から折り曲げられて形成された接合部３２と、本体部３１の上端から部分的に上方に延びて半導体装置１の外部端子３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃとなる部分である端子部３３とを有している。端子部３３には、半導体モジュール用ケース２に埋設されたナット５とねじ結合するボルト（図示せず）を挿通させるための孔３３ａが形成されている。接合部３２は、図５に示したような、本体部３１と同様に長手方向に延在する形状であってもよいし、図２に示したような、半導体モジュール１０における特定の端子と連結する部分のみの形状３２Ａであってもよい。
バスバー３Ａ、３Ｂ、３Ｃは、導電性が良好な金属板、例えば銅板やアルミニウム板を材料とする。特に電気抵抗の少ない銅材や銅合金材が望ましい。しかし、銅材や銅合金材は、鉄鋼やアルミニウムに比べて、レーザの吸収率が低いため、後述するレーザ溶接の際には、通常の溶接条件では溶接が困難であり、そのため溶接出力の高い装置が必要となり、設備コストが増加するおそれがある。そこで、バスバー３Ａ、３Ｂ、３Ｃの少なくとも接合部３２の表面は、めっきされてなることが好ましい。めっきされてなることにより、レーザの吸収率を高め、溶接を容易にする。また、溶接出力を抑えることができるため、装置選択が広がり、装置価格も抑えることができる。めっきの種類としては、ニッケルめっき、ニッケル合金めっき、金めっき、銀めっき、銅合金めっき、クロムめっき、鉄めっきなどが挙げられる。特に、ニッケルめっきが望ましい。
またバスバー３Ａ、３Ｂ、３Ｃはそれぞれ、複数のパワー半導体モジュール１０を並列に配列させたときに各パワー半導体モジュール１０の外部接続端子１６、１７、１８にわたって延在し得る長さを有している。バスバー３Ａは、接合部３２で各パワー半導体モジュール１０の外部接続端子１６と電気的に接続される。バスバー３Ｂは、接合部３２で各パワー半導体モジュール１０の外部接続端子１７と電気的に接続される。バスバー３Ｃは、接合部３２で各パワー半導体モジュール１０の外部接続端子１８と電気的に接続される。これらの外部接続端子１６、１７、１８と接続されたときに、バスバー３Ａ、３Ｂ、３Ｃは、互いに非接触で、かつ、互いに平行に配置される。
各バスバー３Ａ、３Ｂ、３Ｃの接合部３２と、パワー半導体モジュール１０の外部接続端子１６、１７、１８とは、レーザ溶接により接合されることによって、電気的に接続される。各バスバー３Ａ、３Ｂ、３Ｃの接合部３２と、パワー半導体モジュール１０の外部接続端子１６、１７、１８との接合部分を模式的に図６〜８に示す。
図６は、接合部３２に外部接続端子１６（又は１７、１８）を挿通可能な孔３２ａが形成され、その孔３２ａに外部接続端子１６（又は１７、１８）を挿入した例を平面図（同図（ａ））及び正断面（同図（ｂ））で示している。外部接続端子１６（又は１７、１８）の先端は、接合部３２の表面と同一平面上に位置するようにしてもよいし（紙面左側の例）、接合部３２の表面から上方に突出させてもよい（紙面右側の例）。レーザは、孔３２ａと外部接続端子１６等との境界部分に、外部接続端子１６等の直径方向に２点で照射すればよい。つまり、外部接続端子１６等を孔３２ａ内で完全に溶融させることは不要であり、２点で照射すれば、接合部は十分な接合強度及び良好な導電性を有する。もっとも、接合不良がないように接合する観点からは、外部接続端子１６等を孔３２ａ内で完全に溶融させることは好ましい。孔３２ａに外部接続端子１６等を挿入したときのギャップ、レーザ出力は、レーザ照射による接合に影響を及ぼすので、所定の数値範囲内に管理することが好ましい。例えば、外部接続端子１６の直径が１．０ｍｍの場合、孔３２ａの直径は１．２ｍｍ（１ｍｍ以上）であることが好ましい。
図７は、接合部３２における、外部接続端子１６（又は１７、１８）を当接させる部分に凹部３２ｂが形成され、その凹部３２ｂに外部接続端子１６（又は１７、１８）の先端を当接させた例を平面図（同図（ａ））及び断面図（同図（ｂ））で示している。この例でレーザは、凹部３２ｂの上方から凹部３２ｂに向けて照射され、この凹部３２ｂによって厚さが薄くなった接合部３２を溶融させ、更に外部接続端子１６等の先端を溶融させることによって接合する。
図８は、接合部３２として、外部接続端子１６（又は１７、１８）を把持するＣ字形状の把持部３２ｃが形成され、この把持部３２ｃに外部接続端子１６（又は１７、１８）の先端部を通し、かしめることにより、把持部３２ｃが外部接続端子１６等を把持し、外部接続端子１６等の先端部の周面が本体部３１の側面に接するようにした例を平面図（同図（ａ））及び正面図（同図（ｂ））で示している。この例でレーザは、外部接続端子１６等と本体部３１との接触部及び／又は把持部３２ｃに向けて照射し、接合する。
レーザ溶接は、小スペースの箇所であっても溶接が可能であり、熱伝導率の高い銅材や銅合金材であっても、局所的な小さい入熱量で接合が可能であり、はんだ接合の場合と比べて、はんだフラックス残渣の洗浄が不要である。したがって、レーザ溶接による接合は、本実施形態の半導体装置１のように、溶接のためのスペースが限られ、銅材や銅合金材よりなるバスバー３Ａ、３Ｂ、３Ｃの接合部３２と、パワー半導体モジュール１０の外部接続端子１６、１７、１８との接合に好ましく、パワー半導体モジュールに熱影響を与えることなく接合が可能である。
図２に示したプリント基板４は、複数のパワー半導体モジュール１０における、バスバー３Ａ、３Ｂ、３Ｃが連結する端子とは異なる特定の端子、具体的には外部接続端子１９Ａ、１９Ｂ、１９Ｃ、１９Ｄを連結して電気的に接続するためのものである。プリント基板４は、外部接続端子１９Ａ、１９Ｂ、１９Ｃ、１９Ｄと電気的に接続するための、所定の回路パターンが形成されている。この回路パターンに接続して、プリント基板４上には、外部端子４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃ及び４０Ｄが上下方向に延びるように形成されている。
またプリント基板４は、複数のパワー半導体モジュール１０を並列に配列させたときに各パワー半導体モジュール１０の外部接続端子１９Ａ、１９Ｂ、１９Ｃ、１９Ｄにわたって延在し得る長さを有している。プリント基板４によって、各パワー半導体モジュール１０の外部接続端子１９Ａは、例えばプリント基板４の外部端子４０Ａと電気的に接続され、外部接続端子１９Ｂは、外部端子４０Ｂと電気的に接続され、外部接続端子１９Ｃは、外部端子４０Ｃと電気的に接続され、外部接続端子１９Ｄは、外部端子４０Ｄと電気的に接続される。
プリント基板４と、パワー半導体モジュール１０の外部接続端子１９Ａ、１９Ｂ、１９Ｃ、１９Ｄとはレーザ溶接により接合されることによって、電気的に接続される。プリント基板４とパワー半導体モジュール１０の外部接続端子１９Ａ、１９Ｂ、１９Ｃ、１９Ｄとの接合部分を模式的に図９〜１１に示す。
図９は、プリント基板４に外部接続端子１９Ａ（又は１９Ｂ、１９Ｃ、１９Ｄ）を挿通可能なスルーホール４ａが形成され、このスルーホール４ａに外部接続端子１９Ａ（又は１９Ｂ、１９Ｃ、１９Ｄ）を挿入した例を平面図（同図（ａ））及び断面図（同図（ｂ））で示している。外部接続端子１９Ａ（又は１９Ｂ、１９Ｃ、１９Ｄ）の先端は、スルーホール４ａの表面と同一平面上に位置するようにしてもよいし（紙面左側の例）、スルーホール４ａの表面から上方に突出させてもよい（紙面右側の例）。レーザは、スルーホール４ａと外部接続端子１９Ａ等との境界部分に、当該端子１９Ａ等の直径方向に２点で照射すればよい。つまり、外部接続端子１９Ａ等をスルーホール４ａ内で完全に溶融させることは不要であり、２点で照射すれば、接合部は十分な接合強度及び良好な導電性を有する。もっとも、接合不良がないように接合する観点からは、外部接続端子１９Ａ等をスルーホール４ａ内で完全に溶融させることは好ましい。スルーホール４ａに外部接続端子１９Ａ等を挿入したときのギャップ、レーザ出力は、レーザ照射による接合に影響を及ぼすので、所定の数値範囲内に管理することが好ましい。例えば、外部接続端子１９Ａ等の直径が１ｍｍの場合、スルーホール４ａの直径は１．２ｍｍ（１ｍｍ以上）であることが好ましい。
図１０は、プリント基板４にスルーホール４ａが形成され、このスルーホールに中空円筒状の中間ピン４１が挿入されていて、この中間ピン４１の内周側に外部接続端子１９Ａ（又は１９Ｂ、１９Ｃ、１９Ｄ）を挿入した例を平面図（同図（ａ））及び断面図（同図（ｂ））で示している。中間ピン４１は、軸方向上端部にフランジ４１ａが形成されていて、このフランジ４１ａにより中間ピン４１がスルーホール４ａから脱落するのを防止している。レーザは、中間ピン４１と外部接続端子１９Ａ等との境界部分に、外部接続端子１９Ａ等の直径方向に２点で照射すればよい。
図１１は、プリント基板４にスルーホール４ａが形成され、このスルーホール４ａに中空円筒部を有する中間ピン４２が挿入されていて、この中間ピン４２の中空円筒部に外部接続端子１９Ａ（又は１９Ｂ、１９Ｃ、１９Ｄ）を挿入した例を示している。中間ピン４２は、軸方向上端部に蓋部４２ａが形成されていて、この蓋部４２ａの下面に中空円筒部４２ｂが接続されている。蓋部４２ａの直径はプリント基板４のスルーホール４ａの径よりも大きく、これにより中間ピン４２がスルーホール４ａから脱落するのを防止している。端子１９Ａ（又は１９Ｂ、１９Ｃ、１９Ｄ）の先端は、中間ピン４２の中空円筒部４２ｂ内を通り、蓋部４２ａの下面に当接するように位置させる。この例でレーザは、中間ピン４２の上方から中間ピン３２の蓋部４２ａに向けて照射され、この蓋部４２ａを溶融させ、更に外部接続端子１９Ａ等の先端を溶融させることによって接合する。
プリント基板４のスルーホール４ａ、中間ピン４１及び４２の表面は、めっきされてなることが好ましい。めっきされてなることにより、レーザの吸収率を高め、溶接を容易にする。また、溶接出力を抑えることができるため、装置選択が広がり、装置価格も抑えることができる。めっきの種類としては、ニッケルめっき、ニッケル合金めっき、金めっき、銀めっき、銅合金めっき、クロムめっき、鉄めっきなどが挙げられる。特に、ニッケルめっきが望ましい。
レーザ溶接は、小スペースの箇所であっても溶接が可能であり、熱伝導率の高い銅材や銅合金材であっても、局所的な小さい入熱量で接合が可能であり、はんだ接合の場合と比べて、はんだフラックス残渣の洗浄が不要である。したがって、レーザ溶接による接合は、本実施形態の半導体装置１のように、溶接のためのスペースが限られ、スルーホールや回路パターンが銅材や銅合金よりなるプリント基板４と、パワー半導体モジュール１０の外部接続端子１９Ａ、１９Ｂ、１９Ｃ、１９Ｄとの接合に好ましく、パワー半導体モジュールに熱影響を与えることなく接合が可能である。
図２に示す半導体モジュール用ケース２は、バスバー３Ａ、３Ｂ、３Ｃの端子部３３よりなる外部端子３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃを、当該ケース２の外方に突出させるための孔２ｈと、プリント基板４に設けられた外部端子４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃ及び４０Ｄを当該ケース２の外方に突出させるための孔２ｉとが形成されている。
半導体モジュール用ケース２を裏面側から見た斜視図を図１２に示すように、半導体モジュール用ケース２は、複数の、図示した例では４個のパワー半導体モジュール１０の取り付け孔１０ａに対応した取り付け孔２ａが形成されている。この取り付け孔２ａを囲うように、円筒形状の絶縁リブ２ｂ及び半円円筒形状の絶縁リブ２ｃが形成されている。これらの絶縁リブ２ｂ、２ｃは、取り付け孔２ａから挿入されて半導体モジュール１０の取り付け孔１０ａにより半導体装置１を装置に締結固定するために用いられるボルト等（図示せず）と、パワー半導体モジュール１０の外部接続端子１６、１７、１８、１９Ａ、１９Ｂ、１９Ｃ、１９Ｄや、バスバー３Ａ、３Ｂ、３Ｃや、プリント基板４との絶縁距離を延ばすことができる。
また、半導体モジュール用ケース２の裏面には、バスバーで連結された複数のパワー半導体モジュール１０が装入されたときに、バスバー３Ａとバスバー３Ｂとの間に位置するように形成され直線状に延びる絶縁リブ２ｄが形成されている。この直線状の絶縁リブ２ｄは、バスバー３Ａとバスバー３Ｂとの絶縁距離を延ばすことができる。また半導体モジュール用ケース２は、バスバー３Ｂとバスバー３Ｃの間に位置するように形成される直線状の絶縁リブ２ｅが形成されている。この直線状に延びる絶縁リブ２ｅは、バスバー３Ｂとバスバー３Ｃとの絶縁距離を延ばすことができる。
半導体モジュール用ケース２の裏面には、複数のパワー半導体モジュール１０が並列されて半導体モジュール用ケース２内に装入される際に、当該パワー半導体モジュール１０を案内するためのガイドリブ２ｆが、隣り合う当該パワー半導体モジュール１０の間に位置するように形成されている。このガイドリブ２ｆは、パワー半導体モジュールの側面１０ｃに形成されたガイド溝１０ｆに沿って延在し、ガイド溝１０ｆに嵌まり合う形状を有していて、当該ガイド溝１０ｆと摺動可能になる。
また半導体モジュール用ケース２の裏面における、各パワー半導体モジュール１０の短辺側両側壁１０ｄに形成された凹部１０ｇに対応する位置には、当該凹部１０ｇと係止する突起部２ｇが形成されている。
図１３は、複数のパワー半導体モジュール１０が並列されて半導体モジュール用ケース２内に装入される途中の状態を示す斜視図であり、図１３（ａ）は全体斜視図、図１３（ｂ）は図１３（ａ）の部分拡大斜視図である。図１３に示されるように各パワー半導体モジュール１０は、そのガイド溝１０ｆに沿って延在するガイドリブ２ｆに案内されて半導体モジュール用ケース２内に装入される。各パワー半導体モジュール１０を半導体モジュール用ケース２内に装入し終えたとき、パワー半導体モジュール１０の短辺側の側壁に設けられた凹部１０ｇに半導体モジュール用ケース２の裏面に形成された突起部２ｇが係合する。つまり、半導体モジュール用ケース２の突起部２ｇと、パワー半導体モジュール１０の凹部１０ｇとにより、スナップフィット構造となっている。このことにより、各パワー半導体モジュール１０は、半導体モジュール用ケース２に対し、ねじ止めや接着剤を用いることなく固定される。半導体モジュール用ケース２は、上記スナップフィット構造を実現可能な程度に弾性を有する樹脂によって成型することができる。
図２の分解図に示した部材を有する半導体装置１の組み立ては、図１４に組み立て説明図を示すように、複数個、図中では４個のパワー半導体モジュール１０を、並列に配列させる。次いで、各パワー半導体モジュール１０の外部接続端子１６、１７、１８とバスバー３Ａ、３Ｂ、３Ｃとをレーザ溶接で接合し、各パワー半導体モジュール１０の端子１９Ａ、１９Ｂ、１９Ｃ、１９Ｄとびプリント基板４とをレーザ溶接で接合する。次いで半導体モジュール用ケース２を、パワー半導体モジュール１０、バスバー３Ａ、３Ｂ、３Ｃ及びプリント基板を覆うように取り付け、パワー半導体モジュール１０の凹部１０ｇと半導体モジュール用ケース２の突起部２ｇとを係合させて固定する。このとき、半導体モジュール用ケース２の孔２ｈから外部端子３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃを当該ケース２外に突出させ、その先端部を水平方向に折り曲げる。半導体モジュール用ケース２の孔２ｉから外部端子４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃ及び４０Ｄを該ケース２外に突出させる。外部端子３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃや、外部端子４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃ及び４０Ｄは、半導体モジュール用ケース２と固着していないので、半導体モジュール用ケース２を、破壊することなく取り外すことができる。
半導体装置１の平面図を図１５に、図１５のＡ−Ａ線断面図を図１６に、図１５のＢ−Ｂ線断面図を図１７に示す。図１６から分かるように、バスバー３Ａとバスバー３Ｂとの間及びバスバー３Ｂとバスバー３Ｃとの間には、それぞれ半導体モジュール用ケース２の裏面に形成された絶縁リブ２ｄ、２ｅが介在している。このことにより各バスバー３Ａ、３Ｂ、３Ｃの絶縁に必要な距離が確保される。また、図１７から分かるように、取り付け孔１ａに挿入されて半導体装置１を取り付けるためのボルトやねじ等の締結手段Ｆを囲むように、半導体モジュール用ケース２の裏面に形成された円筒形状の絶縁リブ２ｂ及び半円円筒形状の絶縁リブ２ｃが設けられている。このことにより、半導体モジュール用ケース２内にゲル等の充填剤を入れる必要がなく、各バスバー３Ａ、３Ｂ、３Ｃとボルトやねじとの絶縁に必要な距離が図られる。
本実施形態の半導体装置１は、複数のパワー半導体モジュール１０を組み合わせて構成され、これにより電流容量の大容量化を図っているので、歩留まりがよい。また、半導体装置１は、従来と類似の外形や端子取り出し形状であるため、半導体装置１を用いる装置側の大きな改造が不要である。また、半導体モジュール用ケース２とパワー半導体モジュール１０が簡便な方法で固定され、ゲル等の封止も必要ないので、一つのパワー半導体モジュール１０が壊れたとしても、そのパワー半導体モジュール１０を交換するのみで対処することができ、その交換も比較的簡単に行うことができる。また、組み立て精度は、各パワー半導体モジュール１０を独立に取り付ける場合に近い精度であるため、半導体装置１を冷却フィンに取り付けるときの当該半導体装置１の底面の平坦度管理や、冷却フィンに均一に接触させるための管理は、各パワー半導体モジュール１０と同等である。また、半導体装置１はゲル封止を行わず、かつ、大型の樹脂モールドでもないので、チップ温度が２００℃以上の高温対応の半導体装置とすることが容易である。更に、半導体装置１は、バスバー３Ａ、３Ｂ、３Ｃと、外部接続端子１６、１７、１８との接続や、プリント基板４と外部接続端子１９Ａ、１９Ｂ、１９Ｃ、１９Ｄとの接続がレーザ溶接であるため、小スペースの箇所であっても溶接が可能であり、熱伝導率の高い銅材や銅合金材であっても、パワー半導体モジュールに熱影響を与えることなく接合が可能であり、はんだ付けによって接合した場合に発生するフラックス残渣の洗浄が不要となるため、工程の削減にも繋がる。
１ 半導体装置
２ 半導体モジュール用ケース
３Ａ、３Ｂ、３Ｃ バスバー
４ プリント基板
１０ パワー半導体モジュール
１１ 半導体チップ
１２Ａ、１２Ｂ 絶縁回路基板
１６、１７、１８ 外部接続端子
１９Ａ、１９Ｂ、１９Ｃ、１９Ｄ 外部接続端子
２０ ケース
３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ 外部端子
４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃ、４０Ｄ 外部端子

Claims (6)

  1. 半導体チップが絶縁回路基板上に搭載されてケース内に設けられ、該半導体チップ又は該絶縁回路基板に接続する外部接続端子が該ケースから突出している半導体モジュールと、
    並列に配列された複数個の該半導体モジュールにおける特定の外部接続端子を連結して電気的に接続するバスバーと、
    該バスバーの一部を外部端子として外方に突出させる孔を有し、該バスバーにより連結された複数個の該半導体モジュールが覆われ、かつ固定される半導体モジュール用ケースとを備え、
    該バスバーと該半導体モジュールの外部接続端子とが、レーザ溶接により接合されていることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記バスバーが、前記外部接続端子を挿通可能な孔、該端子を当接させる凹部又は該端子を把持する把持部を有する請求項１記載の半導体装置。
  3. 前記バスバーの少なくともレーザ溶接される部分が、めっきされてなる請求項１又は２記載の半導体装置。
  4. 半導体チップが絶縁回路基板上に搭載されてケース内に設けられ、該半導体チップ又は該絶縁回路基板に接続する外部接続端子が該ケースから突出している半導体モジュールと、
    並列に配列された複数個の該半導体モジュールにおける特定の外部接続端子を連結して電気的に接続するバスバーと、
    複数個の該半導体モジュールにおける、バスバーが連結する外部接続端子とは異なる特定の外部接続端子を連結して電気的に接続するプリント基板と、
    該バスバーの一部を外部端子として外方に突出させる孔を有し、該バスバーにより連結された複数個の該半導体モジュールが覆われ、かつ固定される半導体モジュール用ケースとを備え、
    該プリント基板と該半導体モジュールの外部接続端子とが、レーザ溶接により接合されていることを特徴とする半導体装置。
  5. 前記プリント基板が、前記端子を挿通可能な孔又は該孔に挿入されて前記端子を挿通可能若しくは当接可能な中間ピンを有する請求項４記載の半導体装置。
  6. 前記プリント基板の少なくともレーザ溶接される部分又は前記中間ピンがめっきされてなる請求項４又は５記載の半導体装置。
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