JP2016157826A - パワーモジュール構造およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】枠体に求められる耐熱性を低減することのできるパワーモジュール構造およびその製造方法を提供する。【解決手段】冷却器５と、冷却器上に配置される回路基板１２と、回路基板に実装される半導体素子１５ａ、１５ｂと、半導体素子と回路基板の何れか一方に接続された板状のリード２０と、回路基板を囲繞するように冷却器上に配置された枠体５００とを備え、リードは、半導体素子と回路基板の何れか一方に接触する平板部２０ａと、平板部から起立する起立部２０ｂと、起立部の上端部から折り曲げられて枠体の上面側に位置する端子部２０ｃとを一体的に有し、枠体には、リードの起立部の上端部の内側と当接する突出部５０１が形成されている。【選択図】図３

Description

本発明は、パワーモジュール構造およびその製造方法に関する。

一端が回路配線パターンに接続され、他端でモータ等と接続される平板状の端子を有するパワー半導体装置が知られている（下記特許文献１参照）。
このパワー半導体装置では、枠状の樹脂ケースの内側に、回路配線パターン形成し、ケースの上端で、モータ等の外部機器と接続させている。

特開２０１３−８９７８４号公報

上記のパワー半導体装置を生産する際には、回路パターンを形成した後に、樹脂ケースを取り付け、その後に、端子を接合することになる。こういった工法をとる場合には、端子を接合するためのハンダ付けの工程で、ハンダを溶融する高温環境下に樹脂ケースが晒されることから、樹脂ケースを耐熱性樹脂で形成する必要があり、コストが嵩むという問題が考えられる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、枠体に求められる耐熱性を低減することのできるパワーモジュール構造およびその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るパワーモジュール構造は、冷却器と、前記冷却器上に配置される回路基板と、前記回路基板に実装される半導体素子と、前記半導体素子と前記回路基板の何れか一方に接続された板状のリードと、前記回路基板を囲繞するように前記冷却器上に配置された枠体とを備え、前記リードは、前記半導体素子と前記回路基板の何れか一方に接触する平板部と、該平板部から起立する起立部と、該起立部の上端部から折り曲げられて前記枠体の上面側に位置する端子部とを一体的に有し、前記枠体には、前記リードの前記起立部の上端部の内側と当接する突出部が形成されていることを要旨とする。

他の発明に係るパワーモジュール構造の製造方法は、回路基板上に、半導体素子およびリードの平板部を実装する工程と、冷却器上に前記回路基板を載置して固定する工程と、前記冷却器上に、前記回路基板および前記リードを囲繞する枠体を載置して接着する工程と、前記リードが有する起立部を前記枠体が有する突出部の先端に押圧させて、当該突出部の先端を曲げ支点として、前記起立部を前記枠体の外側方向に折り曲げ、該枠体の上面側に位置する端子部を形成する工程とを有することを要旨とする。

本発明は、リードの起立部の上端部の内側と当接する突出部が形成されているので、パワーモジュール構造の組立てを行う際に、回路基板上に半導体素子および平板部を実装し、冷却器上に枠体を配置した後に、リードが有する起立部を枠体が有する突出部の先端に押圧させて、当該突出部の先端を曲げ支点として、起立部を枠体の外側方向に折り曲げて枠体の上面側に位置する端子部を形成するようにできる。これにより、従来のように、リードと半導体素子との接合をハンダ付けで行う際に、枠体自体がハンダを溶融する高温環境下に晒されることがなく、枠体に求められる耐熱性を低減することのできるパワーモジュール構造および製造方法を提供することができる。

実施の形態に係るパワーモジュール構造の枠体設置前の構成例を示す斜視図である。 実施の形態に係るパワーモジュール構造の枠体設置後の構成例を示す斜視図である。 実施の形態に係るパワーモジュール構造のリードを折曲げた状態の構成例を示す斜視図である。 実施の形態に係るパワーモジュール構造の製造工程を示す工程図である。 図４に示す実施の形態に係るパワーモジュール構造の製造工程の続きを示す工程図である。 図５に示す実施の形態に係るパワーモジュール構造の製造工程の続きを示す工程図である。 図６に示す実施の形態に係るパワーモジュール構造の製造工程の続きを示す工程図である。 図７に示す実施の形態に係るパワーモジュール構造の製造工程の続きを示す工程図である。 図８に示す実施の形態に係るパワーモジュール構造の製造工程の続きを示す工程図である。 実施の形態に係るパワーモジュール構造の他の構成例を示す側方断面図である。

以下、本発明の一例としての実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。ここで、添付図面において同一の部材には同一の符号を付しており、また、重複した説明は省略されている。なお、ここでの説明は本発明が実施される最良の形態であることから、本発明は当該形態に限定されるものではない。

［実施の形態に係るパワーモジュール構造］
図１から図３を参照して、実施の形態に係るパワーモジュール構造１Ａの構成例について説明する。

図１は、実施の形態に係るパワーモジュール構造１Ａの枠体設置前の構成例を示す斜視図、図２は、枠体５００を設置後の構成例を示す斜視図、図３は、リード２０を折曲げた状態の構成例を示す斜視図である。

図１に示す本実施の形態に係るパワーモジュール構造１Ａは、例えばアルミニウムや銅などから成る水冷ジャケット等で構成される冷却器５と、冷却器５の一面に配置される回路基板１２と、回路基板１２に実装されるＩＧＢＴ等で構成される半導体素子１５ａ、１５ｂと、半導体素子１５ａ、１５ｂの一面に接触し、且つ、半導体素子１５ａ、１５ｂの端子に電気的に接続されるリード（主端子）２０とを備える。

なお、回路基板１２は、ハンダ接合部１０および金属パターン１１を介して冷却器５に接合される。

また、半導体素子１５ａ、１５ｂは、金属パターン１３およびハンダ接合部１４ａ、１４ｂを介して回路基板１２に接合される。

また、リード２０の平板部２０ａは、ハンダ接合部１６ａ、１６ｂを介して半導体素子１５ａ、１５ｂの端子部に接合される。

この際に、上記各部材は、所定の炉などのハンダを溶融可能な高温下に置かれて、ハンダ付け処理が行われる。

なお、回路基板１２は、銅、アルミニウム等で構成されるベース板上の両面に所定の金属パターンを電気メッキやエッチング等によって形成したセラミック製の絶縁基板などで構成される。

リード２０は、銅板等で構成され、冷却部材を構成する平板部２０ａと、該平板部２０ａから起立する起立部２０ｂとを有する。なお、起立部２０ｂの上端側は折り曲げられ、後述する枠体５００（図２、図３参照）の上面側に位置する端子部２０ｃを構成する。

そして、図２に示すように、接合された回路基板１２、リード２０等を囲繞するように、樹脂製のケース（枠体）５００が、冷却器５上に配置される。なお、枠体５００は、接着剤等により、冷却器５上に固定される。

ここで、枠体５００には、リード２０の起立部２０ｂの上端側と当接する突出部５０１が形成されている。なお、本実施の形態では、突出部５０１の先端には、Ｒ加工が施されてＲ部５０１ａが形成されている。

これにより、突出部５０１の先端のＲ部５０１ａの円弧の一部を曲げ支点として、リード２０の起立部２０ｂを枠体５００の外側方向に折り曲げて端子部２０ｃ（図３参照）を形成する折曲げ加工をし易くすることができる。

また、図２に示すように、枠体５００には、リード２０の端子部２０ｃ（図３参照）に形成されるボルト孔５０および外部から延設される導電部材（図示せず）と接続可能なボルトに螺合されるナット６００（図３参照）を保持するナット保持部５０２が突出部５０１の外側に設けられている。

また、ナット保持部５０２の周縁（図２および図３では、枠体５００の外側の周縁）には、突出部５０１より下方に位置し、ナット６００の逸脱を阻止する凸部５０３が形成されている。

これにより、ボルトとナット６００の螺合による導電部材の締結作業を行うまで、ナット６００の逸脱を防止して、ナット６００をナット保持部５０２に確実に保持することができる。

このような構成により、本実施の形態に係るパワーモジュール構造１Ａでは、パワーモジュール構造１Ａの組立てを行う際に、回路基板１２上に半導体素子１５ａ、１５ｂおよび冷却部材を兼ねるリード２０の平板部２０ａを実装し、冷却器５上に枠体５００を配置した後に、リード２０が有する起立部２０ｂを枠体５００が有する突出部５０１の先端部５０１ａに押圧させて、この先端部５０１ａを曲げ支点として、起立部２０ｂを枠体５００の外側方向に折り曲げて枠体５００の上面側に位置する端子部２０ｃを形成することができる。これにより、従来のように、リードと半導体素子との接合をハンダ付けで行う際に、枠体自体がハンダを溶融する高温環境下に晒されることがなく、枠体５００を耐熱性樹脂で構成する必要がなく、例えば、安価なＰＢＴ樹脂等を利用することができるので、製造コストを低廉化することができる。ちなみに、ハンダに代えて、或いは、ハンダに加えて銀シンターをパワーモジュールに用いる場合には、その接合温度が高温（２５０℃程度）になる。

［パワーモジュールの製造方法］
次に、図４〜図１０を参照して、実施の形態に係るパワーモジュール構造１Ａの製造方法について説明する。

図４〜図８は、パワーモジュール構造１Ａの製造工程（Ｓ１）〜（Ｓ６）を示す工程図である。

図４に示す工程（Ｓ１）では、回路基板１２上に、半導体素子１５ａ、１５ｂおよび冷却部材を兼ねるリード２０の平板部２０ａを実装する。

より具体的には、半導体素子１５ａ、１５ｂは、金属パターン１３およびハンダ接合部１４ａ、１４ｂを介して回路基板１２に接合され、リード２０の平板部２０ａは、ハンダ接合部１６ａ、１６ｂを介して半導体素子１５ａ、１５ｂの端子部に接合される。

次いで、冷却器５上に回路基板１２を載置して固定される。

具体的には、回路基板１２は、ハンダ接合部１０および金属パターン１１を介して冷却器５に接合される。

このような接合は、上記各部材を所定の炉に入れるなどしてハンダが溶融される高温下に置き、その後冷却することにより行われる。

この際に、樹脂製の枠体５００は、未だ冷却器５上には配置されていないので、枠体５００自体が、ハンダを溶融可能な高温下に晒されることはないので、枠体５００を耐熱性樹脂で構成する必要はなく、製造コストを低廉化することができる。

次に、図５に示す工程（Ｓ２）では、冷却器５上に、回路基板１２やリード２０等を囲繞する枠体５００を矢印Ｄ１０方向に降下させて載置し、接着剤等により接着して固定する。次いで、図示しないチップ又は基板パターンからケースの端子部間の信号系のワイヤボンディングを行い、その後、シリコーンゲルやエポキシ樹脂による樹脂封止工程を行う。

図６および図７に示す工程（Ｓ３）、（Ｓ４）では、リード２０が有する起立部２０ｂの上端側を枠体５００が有する突出部５０１の先端部５０１ａに押圧させて、この先端部５０１ａを曲げ支点として、起立部２０ｂの上端側を枠体５００の外側方向（矢印Ｄ１方向）に折り曲げ、この枠体５００の上面側に位置する端子部２０ｃを形成する。なお、上記の樹脂封止工程で、エポキシのような硬い樹脂を用いた場合には、この樹脂で半導体やリード２０が固定されるので、リード２０を曲げる際に、リード２０と半導体との接合部への応力を低減できる。

この際に、リード２０は、弾性を有する銅板等で構成されているので、矢印Ｄ２方向に多少スプリングバックされる。そこで、起立部２０ｂの上端側を折曲げ加工する際には、所望の位置より若干余分にＤ１方向に押圧するとよい。

これにより、図７に示すように、端子部２０ｃは、枠体５００のナット保持部５０２の平面部と略平行な状態で保持される。

次に、図８に示す工程（Ｓ５）では、枠体５００が有するナット保持部５０２に、ナット６００を矢印Ｄ３方向に押圧して装着する。

この際に、リード２０の端子部２０ｃは上方に弾性変形し、ナット６００は、ナット保持部５０２の周縁に形成されている凸部５０３を乗り越えて、ナット保持部５０２にセットされる。

これにより、後述するように、ボルト６０２とナット６００の螺合による導電部材６０１の締結作業を行うまで、ナット６００がナット保持部５０２から逸脱することが防止され、ナット６００はナット保持部５０２に確実に保持される。

図９に示す工程（Ｓ６）では、リード２０の端子部２０ｃ上に、外部から延設される導電部材６０１を載置し、端子部２０ｃおよび導電部材６０１の双方に形成されているボルト孔５０、６０１ａを介してボルト６０２を挿通し、このボルト６０２をナット保持部５０２に保持されているナット６００に螺合させて、端子部２０ｃと導電部材６０１とを電気的に接続して、パワーモジュール構造１Ａの組み立てが完了する。

このような製造方法によれば、従来のように、リード２０と半導体素子１５ａ、１５ｂとの接合をハンダ付けで行う際に、枠体５００自体がハンダを溶融する高温環境下に晒されることがなく、枠体５００を耐熱性樹脂で構成する必要がないので、製造コストを低廉化することができる。

［パワーモジュール構造の他の構成例］
図１０を参照して、他の構成例に係るパワーモジュール構造１Ｂの構成について説明する。

なお、上述のパワーモジュール構造１Ａと同様の構成については、同一符号を付して重複した説明は省略する。

他の構成例に係るパワーモジュール構造１Ｂが、パワーモジュール構造１Ａと異なる点は、半導体素子１５ａ、１５ｂの上面側の端子（例えば、Ｎ端子）に接合していたリード２０に代えて、半導体素子１５ａ、１５ｂの下面側の端子（例えば、Ｐ端子）にリード３０を接合している点である。

より具体的には、図１０に示すように、回路基板１２の上面側の金属パターン１３上にハンダ接合部４０を介してリード３０が接合されている。

リード３０は、銅板等で構成され、冷却部材を構成する平板部３０ａと、この平板部３０ａから起立する起立部３０ｂと、起立部３０ｂの上端側が折り曲げられて枠体５００の上面側に位置する端子部３０ｃとを有する。

なお、製造工程において、枠体５００の突出部５０１の先端のＲ部５０１ａの円弧の一部を曲げ支点として、リード３０の起立部３０ｂを枠体５００の外側方向に折り曲げて端子部３０ｃを形成する仕方は、パワーモジュール構造１Ａと同様である。

このような他の構成例に係るパワーモジュール構造１Ｂによれば、従来のように、リード３０と半導体素子１５ａ、１５ｂとの接合をハンダ付けで行う際に、枠体５００自体がハンダを溶融する高温環境下に晒されることがなく、枠体５００を耐熱性樹脂で構成する必要がないので、製造コストを低廉化することができる。

以上本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本明細書で開示された実施の形態はすべての点で例示であって開示された技術に限定されるものではないと考えるべきである。すなわち、本発明の技術的な範囲は、前記の実施の形態における説明に基づいて制限的に解釈されるものでなく、あくまでも特許請求の範囲の記載にしたがって解釈すべきであり、特許請求の範囲の記載技術と均等な技術および特許請求の範囲内でのすべての変更が含まれる。

１Ａ、１Ｂ…パワーモジュール構造
５…冷却器（冷却ジャケット）
１０…ハンダ接合部
１１…金属パターン
１２…回路基板
１３…金属パターン
１４ａ、１４ｂ…ハンダ接合部
１５ａ、１５ｂ…半導体素子
１６ａ、１６ｂ…ハンダ接合部
２０…リード（主端子）
２０ａ…平板部
２０ｂ…起立部
２０ｃ…端子部
３０…リード（主端子）
３０ａ…平板部
３０ｂ…起立部
３０ｃ…端子部
４０…ハンダ接合部
５０…ボルト孔
５００…枠体
５０１…突出部
５０１ａ…先端部
５０１ａ…Ｒ部
５０２…ナット保持部
５０３…凸部
６００…ナット
６０１…導電部材
６０２…ボルト

Claims (5)

1. 冷却器（５）と、
   前記冷却器上に配置される回路基板（１２）と、
   前記回路基板に実装される半導体素子（１５ａ、１５ｂ）と、
   前記半導体素子と前記回路基板の何れか一方に接続された板状のリード（２０）と、
   前記回路基板を囲繞するように前記冷却器上に配置された枠体（５００）とを備え、
   前記リードは、前記半導体素子と前記回路基板の何れか一方に接触する平板部（２０ａ）と、該平板部から起立する起立部（２０ｂ）と、該起立部の上端部から折り曲げられて前記枠体の上面側に位置する端子部（２０ｃ）とを一体的に有し、
   前記枠体には、前記リードの前記起立部の上端部の内側と当接する突出部（５０１）が形成されていることを特徴とするパワーモジュール構造。
2. 前記突出部の先端には、Ｒ形状を有するＲ部（５０１ａ）が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール構造。
3. 前記枠体には、前記リードの端子部と対向する位置でナット（６００）を保持するナット保持部（５０２）が前記突出部の外側に設けられ、
   前記ナット保持部の周縁には、前記突出部より下方に位置し、前記ナットの逸脱を阻止する凸部（５０３）が形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のパワーモジュール構造。
4. 回路基板上に、半導体素子およびリードの平板部を実装する工程と、
   冷却器上に前記回路基板を載置して固定する工程と、
   前記冷却器上に、前記回路基板および前記リードを囲繞する枠体を載置して接着する工程と、
   前記リードが有する起立部を前記枠体が有する突出部の先端に押圧させて、当該突出部の先端を曲げ支点として、前記起立部を前記枠体の外側方向に折り曲げ、該枠体の上面側に位置する端子部を形成する工程と
   を有することを特徴とするパワーモジュール構造の製造方法。
5. 前記枠体が有するナット保持部に、ナットを装着する工程と、
   前記リードの前記端子部上に、外部から延設される導電部材を載置する工程と、
   前記端子部および前記導電部材の双方に形成されているボルト孔を介してボルトを挿通し、該ボルトを前記ナット保持部に保持されている前記ナットに螺合させて、前記端子部と前記導電部材とを電気的に接続する工程と
   をさらに有することを特徴とする請求項４に記載のパワーモジュール構造の製造方法。

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