JP2015142018A - 電力用半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電力用半導体装置100は、電力用半導体素子3,4が搭載された下側基板1と、下側基板1に対向配置された上側基板2と、電力用半導体素子に形成された素子電極と上側基板に形成された回路パターン7aとを電気的に接続する板状の接続部材6と、などを備える。接続部材6は、素子電極に接触するコンタクト部6aと、上下方向に沿って延びるリード部6bと、これらの間の折曲げ部6cとを有する。リード部6bの少なくとも一部は、コンタクト部6aおよび折曲げ部6cよりも大きい厚さを有する。
【選択図】図1
Description
電力用半導体素子と、
電力用半導体素子が搭載された下側基板と、
下側基板に対向配置された上側基板と、
電力用半導体素子に形成された素子電極と上側基板に形成された回路パターンとを電気的に接続する板状の接続部材とを備える。
接続部材は、素子電極に接触するコンタクト部と、上下方向に沿って延びるリード部と、コンタクト部とリード部との間の折曲げ部とを有する。
リード部の少なくとも一部は、コンタクト部および折曲げ部よりも大きい厚さを有する。
図1は、本発明の実施の形態1による電力用半導体装置の断面図である。
電力用半導体装置100は、電力用半導体素子(以下、単に半導体素子という)3,4
が搭載された金属ベース基板1と、プリント基板7と、これら基板の間に設けられた接続部材(基板間接続部材)6と、基板1を保持する樹脂筐体8と、などを備える。金属ベース基板1は「下側基板」の一例であり、プリント基板7は「上側基板」の一例である。
基板間接続部材6は、厚さが不均一な板状の部材であり、銅、アルミニウムなど、電気伝導性、熱伝導性に優れた材料からなる。基板間接続部材6は、半導体素子3,4に形成された電極(素子電極)とプリント基板7に形成された回路パターン7aとを電気的に接続する。
回路が形成される金属ベース基板1の主面の面積は、80mm×40mmである。金属ベース1aの厚さは2mmである。絶縁層1bの厚さは0.15mmである。回路パターン1cの厚さは70μmである。IGBT3の主面の面積は7mm×7mmであり、厚さは250μmである。FWDi4の主面の面積は7mm×5mmであり、厚さは250μmである。基板間接続部材6のコンタクト部6aは、長さ(x方向)5mm、幅(y方向)5mm、厚さ(z方向)0.3mmである。折曲げ部6cの厚さも同じく0.3mmである。リード部6bの厚さ(x方向)は0.6mmである。凸部6dの幅は1.5mmである。
ただし、これらは例示的な値に過ぎず、本発明を限定するものではない。これは以下の説明でも同様である。
金属ベース基板1の回路パターン1aの上に半導体素子3,4をはんだ付けする(工程S1)。半導体素子3,4の上に基板間接続部材6、制御端子9を位置決めしてはんだ付けする(工程S2)。半導体素子3の素子電極と制御端子10の下の回路パターン1cとにワイヤ5を超音波接合する(工程S3)。外部端子9が一体化された樹脂筐体8を金属ベース基板1の側面に嵌めて取り付ける(工程S4)。樹脂筐体8の内側にディスペンサなどを用いて封止樹脂11を充填する(工程S5)。プリント基板7のスルーホール7bに基板間接続端子6、外部端子9および制御端子10を挿通すると共にこれらを回路パターン7aにはんだ付けする(工程S6)。
既に述べたように、金属ベース基板1の絶縁層(絶縁基板)1bは、放熱性と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。それゆえ、絶縁層1bの面積を縮小することでコストを低減できることは明らかである。絶縁層1bの面積縮小のためには、回路パターン1cでの回路配置とパターン間の絶縁距離により決定される配線面積の縮小化が効果的である。そこで、本実施形態1では、金属ベース基板1と半導体素子3,4の直上方向、すなわち金属ベース基板1の積層方向に追加の回路基板(プリント基板7)を配置している。
本実施形態1では、上記の通り基板間接続部材6を構成したことにより、これらの応力を軽減できる。
ひいては、生産性が高く、長期にわたる動作信頼性、高温環境での動作信頼性を確保可能な電力用半導体装置100が実現される。
上記の通り、工程S2,S6で先に基板間接続部材6を半導体素子3,4に接合し、後からプリント基板7を接続する場合には、基板間接続部材6の凸部6dをプリント基板7に挿入して金属ベース基板1側に押し込む必要がある。装置100の構成によれば、凸部6cとプリント基板7との位置ずれを修正したり、プリント基板7のスルーホール7bに凸部6cを充分に挿入するためプリント基板7を金属ベース基板1方向に押し込んだりする際の荷重を軽減でき、装置100の組立性が向上する。
図5は、本発明の実施の形態2による基板間接続部材の側面図(a)および正面図(b)である。
本実施形態2に係る電力用半導体装置の基本的な構成は実施形態1と同様であり、基板間接続部材26以外の構成については詳細な説明を省略する。
図4のように一枚の板部材に厚肉部分と薄肉部分とを形成する、あるいは基板間接続部材の厚さを不均一にするためには、プレス加工で潰す、機械加工で削るといった手法が考えられる。比較的安価に実施でき、さらに部品コストを低減できる点ではプレス加工が好都合であるが、加工により材料が硬化することから、一般的に容易に加工できるのは、実際には板厚の約半分程度までである。
図6に示す第1変形例では、図5の板部材27の2倍弱の長さを有する1枚の板部材を屈曲させて、リード部26bの厚肉部分を構成する積層構造が形成されている。この図6の構造によっても、図5の構造と同様の信頼性を得ることができる。このとき、電気特性を考慮すると、折曲げ部26cの近傍に溶接部26dが形成されることが好ましい。溶接部26dが形成されるのはこの一点のみでも構わない。
図8は、本発明の実施の形態3による基板間接続部材の側面図(a)および正面図(b)である。
本実施形態3に係る電力用半導体装置の基本的な構成は実施形態1と同様であり、基板間接続部材36以外の構成については詳細な説明を省略する。
実施形態1で示した通り、半導体素子3,4の発熱または電力用半導体装置100全体の温度上昇により、プリント基板7、封止樹脂11の熱変形、熱膨張が生じて基板間接続部材36が変形を受け、コンタクト部36aには応力が負荷される。
また、剥離の起点が発生してしまった場合にも、折曲げ部36cが引き剥がされる方向の応力に対し、対向する方向の折曲げ部36cとコンタクト部36aにより支持されるため、引き剥がされる力が軽減され、剥離の進展を抑制できる。
図9に示す第1変形例では、基板間接続部材36のリード部36bの一部が、複数の板部材37〜39からなる積層構造を有している。複数の板部材を用いる構成は、図5、図7で説明した通りである。図9では、第1の板部材37と第3の板部材39との間に第2の板部材38が挟持され、これらに溶接部36eが形成されている。また、電気抵抗を軽減するため、あるいは接合部の応力をさらに軽減してさらに信頼性の高い構造とするために、折り曲げ回数、屈曲回数をさらに増加させても構わない。この場合には、各層に均等に電流が流れるように溶接部36eを形成することが好ましい。
Claims (6)
- 電力用半導体素子と、
前記電力用半導体素子が搭載された下側基板と、
前記下側基板に対向配置された上側基板と、
前記電力用半導体素子に形成された素子電極と前記上側基板に形成された回路パターンとを電気的に接続する板状の接続部材とを備え、
前記接続部材は、前記素子電極に接触するコンタクト部と、上下方向に沿って延びるリード部と、前記コンタクト部と前記リード部との間の折曲げ部とを有し、
前記リード部の少なくとも一部は、前記コンタクト部および前記折曲げ部よりも大きい厚さを有することを特徴とする、電力用半導体装置。 - 前記接続部材は、1枚の板部材からなることを特徴とする、請求項1に記載の電力用半導体装置。
- 前記リード部の少なくとも一部は、複数枚の板部材からなる積層構造または1枚の板部材を屈曲させて形成された積層構造を有することを特徴とする、請求項1に記載の電力用半導体装置。
- 前記コンタクト部は、前記リード部に対して前方と後方の両方に設けられたことを特徴とする、請求項1から3のいずれか1項に記載の電力用半導体装置。
- 前記コンタクト部は、前記前方と後方に対して垂直な板幅方向に分割されたことを特徴とする、請求項4に記載の電力用半導体装置。
- 前記上側基板は、両面に回路パターンが形成されたプリント基板であり、
前記リード部には、前記プリント基板のスルーホールに挿通される凸部が形成されたことを特徴とする、請求項1から5のいずれか1項に記載の電力用半導体装置。
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