JP2016143441A - 圧入端子及び半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低挿入力及び高抜去力を有し、位置ずれ裕度が高く、接続部のジュール発熱による温度上昇を低減することができる圧入端子及び半導体装置を提供する。
【解決手段】基部１０及び一対の対向する挿入部２０を備え、貫通孔に挿入部を圧入して貫通孔と電気的接続を行う圧入端子３０であって、それぞれの挿入部は、基部から分岐して形成される部分であり、非圧入状態では互いに分離している先細り形状の先端部２１と、基部と先端部との間に位置し圧入状態では貫通孔を押圧する接触部２２とを有し、先端部は圧入状態において互いに係合する係合部２４，２５を有する。
【選択図】図１ａ

Description

本発明は、基板のスルーホールに挿入される圧入端子、及びこれを有する半導体装置に関する。

従来、プリント配線基板に対してはんだ付けを行わずに端子を接続する方法として、プリント配線基板上のスルーホールに端子を挿入して接触させる圧入接続が知られている。例えば特許文献１には、一般的な圧入端子形状であるニードルアイ形状を変形させた圧入端子が開示されている。この圧入端子は、スルーホールへの挿入前には、例えばピンセットのように、端子の先端部が分割されており、この先端部がスルーホールへ挿入され、挿入終了直前には、分割した各先端部が当接することを特徴としている。このように構成することで、圧入端子のスルーホールへの挿入中では、先端部に発生する応力が低減され挿入力は低減され、一方、挿入後には、分割した先端部同士が当接することで、スルーホールに対する先端部の反力が増強されること、即ち圧入端子の抜去力が増強されることを可能にしている。

ＤＥ ２０２１８２９５ Ｕ１ 公報

しかしながら、特許文献１に記載の圧入端子は、分割した先端部同士が挿入後に正常に当接しない場合があり、スルーホールへの圧入端子の接触力がばらつくという問題がある。さらに、先端部同士が正常に当接せずに大きな位置ずれが発生した状態にて、当該圧入端子へ例えば数十Ａの大電流を通電した場合には、スルーホールへの圧入端子の接続状態が不十分であることから、接続部のジュール発熱により温度上昇が発生するという問題もある。

本発明はこのような問題点を解決するために成されたものであり、従来に比べて、低挿入力及び高抜去力を有し、位置ずれ裕度が高く、かつ、接続部のジュール発熱による温度上昇を低減することが可能な、圧入端子及び半導体装置を提供することを目的とする。

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、本発明の一態様における圧入端子は、基部及び一対の対向する挿入部を備え、電気接点用の貫通孔に上記挿入部を圧入して上記貫通孔と電気的接続を行う圧入端子であって、それぞれの上記挿入部は、上記基部から分岐して形成される部分であり、非圧入状態では互いに分離している先細り形状の先端部と、上記基部と上記先端部との間に位置し圧入状態では上記貫通孔を押圧する接触部とを有し、上記先端部は、圧入状態において互いに係合する係合部を有することを特徴とする。

本発明の一態様における圧入端子によれば、まず、挿入部は、非圧入状態では互いに分離していることから、圧入端子の、貫通孔への挿入初期における挿入力の上昇を抑制することができる。さらに係合部を有することから、圧入状態では、各挿入部の先端部同士が係合して先端部同士の位置ずれを抑制することができ、位置ずれ裕度を高めることができる。よって挿入部は、圧入状態において、貫通孔に対して適切な接触力（押圧力）を作用させることができ、高い抜去力を得ることが可能となる。また、貫通孔に対して挿入部が適切な接触力で保持されることから、貫通孔と挿入部との接続部におけるジュール発熱による温度上昇を低減することができる。

本発明の実施の形態１における圧入端子の構成を説明するための、圧入端子の正面図である。 図１ａに示す圧入端子の側面図である。 図１ａに示す圧入端子に形成した凹部の板厚方向に沿った形状を示す図である。 図１ａに示す圧入端子に形成した凸部の板厚方向に沿った形状を示す図である。 図１ａに示す圧入端子に形成した凹部の変形例を示し、板厚方向に沿った形状を示す図である。 図１ａに示す圧入端子に形成した凸部の変形例を示し、板厚方向に沿った形状を示す図である。 圧入端子の接続対象であるプリント配線基板に形成したスルーホールの断面図である。 図２ａに示すスルーホール部分の平面図である。 図１ａに示す圧入端子が図２ａに示すスルーホールに挿入された状態を示す断面図である。 図３ａに示す挿入状態をプリント配線基板表面に沿って切断した断面図である。 図１ａに示す圧入端子が図２ａに示すスルーホールに挿入された状態を示す断面図であり、凹部及び凸部の大きさの関係を説明する図である。 本発明の実施の形態２における圧入端子の構成を説明するための、圧入端子の正面図である。 図５に示す圧入端子をプリント配線基板のスルーホールに挿入した状態を示す図である。 図５に示す圧入端子の変形例における正面図である。 図５に示す圧入端子の別の変形例における正面図である。 本発明の実施の形態３における電力用半導体装置の側面図である。 図８に示す電力用半導体装置をプリント配線基板に取り付けた状態を示す図である。 図１ａに示す圧入端子の変形例を示す正面図である。

本発明の実施形態である圧入端子、及びこの圧入端子を有す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。また、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け当業者の理解を容易にするため、既によく知られた事項の詳細説明及び実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。また、以下の説明及び添付図面の内容は、特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。
また以下の実施の形態では、電力用半導体装置を例に採るが、これに限定するものではなく、通常一般の電圧が印加される半導体装置に実施形態の圧入端子を適用することも可能である。

実施の形態１．
本実施形態における圧入端子の構成について、図１から図４を参照して以下に説明する。尚、図１は図１ａから図１ｆの、図２は図２ａ、図２ｂの、図３は図３ａ、図３ｂの、それぞれ総称である。
図１ａに示すように圧入端子３０は、大きく分けて、基部１０と、一対の対向する挿入部２０とを有し、図２に示すプリント配線基板４１と電気的接続を行う端子である。このような圧入端子３０は、プリント配線基板４１を貫通して形成した中空円柱状の貫通孔の一例に相当するスルーホール４２に、図３及び図４に示すように挿入部２０を圧入することによって、スルーホール４２との電気的接続を行う。尚、図９を参照して後述するが、圧入端子３０の基部１０には、さらにインサート部１１及びワイヤボンド部１２が続く。

それぞれの挿入部２０は、基部１０から各々分岐して形成される部分であり、先端部２１と、接触部２２と、テーパー部２３とを有する。先端部２１は、挿入方向５１において、圧入端子３０の先端に位置し先細りに形成されている。テーパー部２３は、基部１０に隣接して位置し、基部１０から分岐して端子幅を拡大する部分であり、一対の挿入部２０間に空間２９を形成する。接触部２２は、基部１０（詳しくはテーパー部２３）と先端部２１との間に位置し、スルーホール４２に挿入部２０を圧入した状態においてスルーホール４２の内面を押圧する部分である。またこれらの先端部２１、接触部２２、テーパー部２３、及び基部１０は一体的に成形されている。

また、スルーホール４２に挿入部２０を圧入していない非圧入状態では、各挿入部２０において対向する先端部２１同士は、分離している。このように挿入部２０の先端を分離することで、先端が分割されていないニードルアイ形状の一般的な圧入端子と比較して、本実施形態の圧入端子３０は、スルーホール４２への挿入力を低減することができる。即ち、非圧入状態では両方の挿入部２０は先端で互いから分離されているため、各挿入部２０は片持ち梁のような構造となり、挿入初期の挿入力の上昇を抑制することができる。

さらに本実施形態における圧入端子３０では、特徴的構成として、各先端部２１は、スルーホール４２に挿入部２０を圧入した圧入状態において当接する当接面２６を有し、この当接面２６には、圧入状態において互いに係合する係合部を有する。この係合部に相当するものとして、本実施の形態では一例として、一方の挿入部２０の先端部２１に一つの凹部２４を設け、他方の挿入部２０の先端部２１に一つの凸部２５を設けており、上記圧入状態において凹部２４と凸部２５とが係合する。また、本実施の形態では、図１ｃ及び図１ｄに示すように、凹部２４及び凸部２５は、圧入端子３０の板厚方向２８において板厚の全幅に渡り直線状に形成している。

図３は、圧入端子３０の挿入部２０をプリント配線基板４１のスルーホール４２に挿入した状態を示している。圧入端子３０の挿入後、圧入端子３０の接触部２２は、スルーホール４２の内面における銅めっき４５と接触し、導通が確保されている。導通確保をより確実にするため、挿入部２０の断面形状において、図３ｂに示すように、スルーホール４２と接触する４つの角部分は、スルーホール４２の形状に追随するように円弧状に成形されている。また、挿入前においては互いに分離していた、挿入部２０の各先端部２１における当接面２６は、挿入後、詳しくは挿入後挿入終了直前までには、当接している。既に説明したように、２つの挿入部２０に分割した構成は、先端が分割されていないニードルアイ形状の一般的な圧入端子と比較して、スルーホール４２への挿入力を低減するためである。また、挿入終了直前までに、分離していた各当接面２６が当接することで、スルーホール４２の銅めっき４５への接触部２２の接触力及び押圧力を増強することができる。

次に、上述の係合部を設けた理由について説明する。
圧入端子３０は、バネ構造となった挿入部２０をプリント配線基板４１のスルーホール４２に挿入し、そのバネ力により発生する接触力（押圧力）により電気的接続を維持する構造である。したがって、適切な接触力を発生させるためには、スルーホール４２の中心軸と圧入端子３０の中心軸とは一致している、即ち位置ずれが無いことが望ましい。
しかしながら、部材の製造誤差等により、数十から数百μｍ程度の相対的な位置ずれが発生する場合がある。このような状況において、当接面２６において本実施形態におけるような係合部を設けない場合には、各挿入部における当接面２６同士が例えば挿入方向５１においてずれて外れてしまい、さらに挿入部の片端が塑性変形してしまう。その結果、各挿入部は、スルーホール４２に対して接触力を発生させることができなくなる。

これに対して本実施の形態のように、当接面２６に係合部、例えば凹部２４及び凸部２５を設けることで、たとえ上述のような位置ずれが発生した場合でも、係合部が互いに係合する。このように係合部は、各挿入部２０の先端部２１における両方の当接面２６の位置ずれの裕度を高めることができる。また、係合部が係合することにより、当接面２６同士が外れることは防止でき、挿入部２０の片端が塑性変形するのを抑制することができる。その結果、プリント配線基板４１のスルーホール４２に対して、挿入部２０は適切な接触力（押圧力）を作用させ、かつ保持することが可能となる。
さらに、スルーホール４２に圧入端子３０を圧入した接続部が高温環境下で使用された場合、構成部材における線膨張係数のミスマッチにより接続部には、プリント配線基板４１の表面に平行な方向に変位負荷が生じる。このような負荷が発生した場合でも、係合部によって当接面２６同士の係合が維持されることから、適切な接触力（押圧力）が保持可能である。

また、図４に示すように、挿入方向５１における凹部２４の長さＷ１を、凸部２５の長さＷ２よりも大きく設定することで、スルーホール４２の直径がばらついた場合、及びプリント配線基板４１と圧入端子３０とが多少傾いている場合においても、確実に凹部２４と凸部２５とは係合することができ、より高信頼な接続部を得ることができる。さらに確実な凹部２４及び凸部２５の係合を発生させるためには、長さＷ１と長さＷ２との寸法差を少なくとも０．１ｍｍ以上とし、さらに、長さＷ２をＷ１÷２以下とすることが望ましい。またさらに、凹部２４の深さを０．０１ｍｍ以上とすることでより十分な係合を発生させることができる。
尚、図４等の圧入状態に対応する図では、図示の便宜上、各先端部２１の当接面２６は、完全には当接していない図示となっているが、圧入状態では上述したように両当接面２６は当接した状態にある。

以上のように構成される圧入端子３０は、一例として、図１ｂに示すように板厚が０．８ｍｍの銅合金からなる板材から形成され、その表面には、Ｎｉを下地として、最表面に１μｍのＳｎめっきが施されている。
また、プリント配線基板４１は、一例として、厚さ１．６ｍｍのＦＲ−４材から作製され、スルーホール４２と、基板の表裏に形成された厚さ３５μｍの銅パターン４４とを有する。スルーホール４２は、基板上にドリルにて貫通された孔に、銅めっき４５が施されて形成される。よって、圧入端子３０の挿入部２０における接触部２２は、銅めっき４５と接触し導通する。ここでは、一例として、ドリル径は直径２．３５ｍｍ、銅めっき厚２５μｍで、最終的なめっき後の仕上げ径直径は直径２．３ｍｍとなる。また、最表面には、銅パターン４４及び銅めっき４５の酸化を防ぐための水溶性プリフラックス処理が施されている（図示せず）。

また、係合部は、上述した凹部２４及び凸部２５のように圧入端子３０の板厚方向２８において板厚の全幅に渡り直線状に延在する形態に限定されない。例えば図１ｃ及び図１ｄに示すように、各先端部２１の当接面２６において、板厚方向２８の中央に例えば円形状の凹部２４及び凸部２５を設けもよい。円形状とすることで、紙面に垂直な方向、つまり挿入方向５１及び板厚方向２８に直交する方向におけるずれのみならず、板厚方向２８におけるずれに対しても、高い矯正力を働かせることができる。また、円形状に限定されず、例えば、正方形、長方形、あるいは多角形の形状でも同様の効果を発揮することができる。

以上説明したように本実施の形態における圧入端子３０によれば、スルーホール４２に対する低挿入力及び高抜去力を有し、スルーホール４２と圧入端子３０との位置ずれ裕度を高くすることができる。また、プリント配線基板４１のスルーホール４２に圧入された状態においては、スルーホール４２と接触部２２とにおける接続部のジュール発熱による温度上昇を低減することができる。

また、圧入端子３０の変形例として、図１０に示すように、凸部２５の根元部分よりも先端部分の幅を大きくし、凹部２４の上部よりも底部の幅を大きくした蟻溝形状とすることもできる。このような構成を採ることで、温度サイクル等の環境負荷が発生した場合でも凹部２４と凸部２５とが外れにくく、より強固な係合を発生させることができる。尚、凸部２５の先端部分の幅よりも凹部２４の上部の幅は大きい方が、挿入時に容易に係合させることができる。

実施の形態２．
次に、図５及び図６を参照して、実施の形態２による圧入端子３１の構成を説明する。
上述の実施の形態１では、係合部の一例に相当する凹部２４及び凸部２５は、各先端部２１に一つずつ設けているが、本実施の形態２では、各先端部２１に複数の凹部２４及び凸部２５を設けた形態である。その他の構成については実施の形態１に示した圧入端子３０と同じであるので、ここでの説明を省略する。

各先端部２１に複数の凹部２４及び凸部２５を設けた理由を以下に説明する。
実施の形態１で説明したように、スルーホール４２に圧入端子３１を挿入したとき、両者間で位置ずれは無いのが好ましいが、実際には構成部材の製造誤差の影響から相対位置ずれが発生する場合がある。
このような場合、図６に示すように、圧入端子３１の中心軸に対して圧入端子３１は左右対称に変形しない場合もある。一方、本実施の形態２の圧入端子３１のように各先端部２１に複数の凹部２４及び凸部２５を設けることで、左右非対称な変形が発生した場合でも、少なくとも一つの凹部２４と凸部２５とが係合する。その結果、圧入端子３１は、スルーホール４２に対して適切な接触力（押圧力）を発生させ、保持することが可能となる。

また、当接面２６における凹部２４及び凸部２５のような係合部は、図６に示す形態に限定されず、例えば図７ａ及び図７ｂに示す圧入端子３２のように、ノコギリ歯状あるいは円弧形状、若しくはノコギリ歯状と円弧形状とが混在する形状とすることもできる。これらの形状は、プレス加工において容易に形成することができるという利点がある。また、これらの形状では、係合部の係合が複数箇所で生じ易いことから、圧入端子３２は、さらに高い信頼性を得ることができる。ここで、ノコギリ歯状及び円弧形状における凹凸は、それらの深さを１０μｍ以上とすることで、充分な摩擦力を得ることができ、良好な係合を形成することができる。

以上説明したように本実施の形態２における圧入端子３１、３２によれば、実施の形態１において圧入端子３０が奏する上述した効果と同じ効果が得られるとともに、実施の形態１の圧入端子３０に比べて、より確実に接触力（押圧力）を発生させることができ、かつより高い信頼性を得ることができる。
また、実施の形態１で説明した変形例は、本実施の形態２における圧入端子３１、３２にも適用することができる。

実施の形態３．
本実施の形態３では、上述した実施の形態１，２で説明した圧入端子３０〜３２を用いた電力用半導体装置について説明する。
図８及び図９を用いて、電力用半導体装置１０１の構成及び電力用半導体装置の組み付けについて説明する。尚、図８及び図９では圧入端子３０を用いて図示を行っている。
電力用半導体装置１０１で使用される回路基板１１１は、絶縁材料であるセラミックからなり、回路基板１１１の底面には金属製薄板を形成して、放熱用の銅製ベース板１２１上にはんだ付けされている。回路基板１１１の上面は、銅パターン１１２にて回路形成されており、銅パターン１１２には、Ｓｉの電力用半導体素子であるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）１１３及びＦｗＤｉ（Free-Wheeling Diode）１１４がはんだ１１５で接合されている。ＩＧＢＴ１１３及びＦｗＤｉ１１４には、例えば直径２００〜４００μｍの複数本のＡｌワイヤ１１６がワイヤボンディングされており、銅パターン１１２及び圧入端子３０に接続されている。インサートケース１１７の内部は、シリコンゲル１１８にて封止され、インサートケース１１７の上部は、蓋１１９で覆われている。
また、既に説明したように、圧入端子３０の挿入部２０は、プリント配線基板４１のスルーホール４２に挿入され、スルーホール４２の内面に施された銅めっき４５と挿入部２０とが接触することで導通が確保される。

ここで、図９を用いて、電力用半導体装置１０１との関係の観点から圧入端子３０について詳しく説明する。
圧入端子３０は、プリント配線基板４１に挿入されてスルーホール４２と導通する挿入部２０、基部１０、インサートケース１１７内に埋め込まれるインサート部１１、ワイヤ
ボンド（以下Ｗ／Ｂ）部１２から構成される。挿入部２０及び基部１０の表面には、電気接点では一般的に用いられるＮｉ下地Ｓｎめっきが施され、Ｗ／Ｂ部１２には、Ａｌワイヤ１１６とのワイヤボンディングが可能なように光沢Ｎｉめっきが施される。一例として、基部１０の幅は３ｍｍ、板厚は０．８ｍｍである。また、実施の形態１で説明したように、スルーホール４２と接触する挿入部２０の角部分は、円弧状に成形されている。尚、プリント配線基板４１のスルーホール４２は、一例として、仕上り径が２．３ｍｍ、スルーホール４２における銅めっき４５の厚さが２５μｍであり、挿入部２０の最大幅よりもやや小さく形成されている。

以上のように構成された、圧入端子３０を有する電力用半導体装置１０１は、以下のような利点を有する。
電力用半導体装置１０１は、使用に際してＩＧＢＴ１１３及びＦｗＤｉ１１４の発熱により高温になる。また、電力用半導体装置１０１の設置環境においても高温にさらされ、モジュール自体が１７５℃程度まで上昇する場合がある。このような使用環境では、電力用半導体装置１０１及びプリント配線基板４１は、膨張及び収縮を繰り返すため、スルーホール４２に圧入された圧入端子３０における接続部には、数百μｍの変位が発生する。

これに対して本実施の形態における、圧入端子３０を有する電力用半導体装置１０１では、上述のような変位が発生した場合においても、圧入端子３０は、既に説明したように係合部を有することから、各挿入部２０における当接面２６同士が外れてしまうことはなく、圧入端子３０のバネ力、つまりスルーホール４２に対する挿入部２０の押圧力を維持することができる。したがって、適切な接触力（押圧力）を長期に渡り発生させることができる。その結果として、高温にて電力用半導体装置１０１を使用することができるようになり、さらに、電力用半導体装置１０１の長寿命化を図ることが可能となる。

このように、実施の形態１，２における圧入端子３０〜３２を用いることで、挿入部２０はスルーホール４２内に強固に保持され、温度変化による変位が生じても接続部が変形することがなく、高い接続信頼性をも維持することができる。即ち、ワイドバンドギャップ半導体の特性を活かして半導体装置の小型化及び高効率化を進めた場合でも、信頼性の高い電力用半導体装置を容易に得ることが可能となる。つまり、各実施の形態における効果を発揮することで、ワイドバンドギャップ半導体である炭化ケイ素（ＳｉＣ）半導体及び窒化ガリウム（ＧａＮ）半導体において格段の効果を発揮することができるようになる。

また、上述した各実施の形態を組み合わせた構成を採ることも可能であり、また、異なる実施の形態に示される構成部分同士を組み合わせることも可能である。

１０ 基部、２０ 挿入部、２１ 先端部、２２ 接触部、２３ テーパー部、
２４ 凹部、２５ 凸部、２６ 当接面、２８ 板厚方向、
３０、３１、３２ 圧入端子、４１ プリント配線基板、４２ スルーホール、
１０１ 電力用半導体装置。

Claims (5)

1. 基部及び一対の対向する挿入部を備え、電気接点用の貫通孔に上記挿入部を圧入して上記貫通孔と電気的接続を行う圧入端子であって、
   それぞれの上記挿入部は、上記基部から分岐して形成される部分であり、非圧入状態では互いに分離している先細り形状の先端部と、上記基部と上記先端部との間に位置し圧入状態では上記貫通孔を押圧する接触部とを有し、
   上記先端部は、圧入状態において互いに係合する係合部を有することを特徴とする圧入端子。
2. 上記係合部は、一方の上記挿入部に凹部を設け、他方の上記挿入部に凸部を設ける、請求項１に記載の圧入端子。
3. 上記挿入部から上記基部へ向かう挿入方向において、上記凹部の長さは上記凸部の長さよりも大きい、請求項２に記載の圧入端子。
4. 上記係合部は、それぞれの先端部に複数個ずつ設けられる、請求項１から３のいずれか１項に記載の圧入端子。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の圧入端子を備えたことを特徴とする半導体装置。

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