JP2016219778A - Power semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本技術は、プレスフィット端子を有する電力用半導体装置に関するものである。 The present technology relates to a power semiconductor device having a press-fit terminal.
半導体装置の中でも電力用半導体装置は、幅広い機器の主電力の制御に用いられ、特に輸送機器などにおいては高い信頼性が求められる。 Among semiconductor devices, power semiconductor devices are used to control main power of a wide range of equipment, and high reliability is particularly required for transportation equipment.
上記のような電力用半導体装置として、プレスフィット端子を有する電力用半導体装置がある(たとえば、特許文献1を参照)。 As a power semiconductor device as described above, there is a power semiconductor device having a press-fit terminal (see, for example, Patent Document 1).
一方で、挿入されるプレスフィット端子の先端を分割する技術がある(たとえば、特許文献2を参照)。このような構造であれば、プレスフィット端子を外部基板の穴などに挿入する際、挿入開始時には分割された先端が挿入され、挿入作業の後半では先端で分割された一対の腕部が繋がった部分が挿入される。 On the other hand, there is a technique for dividing the tip of a press-fit terminal to be inserted (see, for example, Patent Document 2). With such a structure, when the press-fit terminal is inserted into the hole of the external substrate, the divided tip is inserted at the start of insertion, and the pair of arms divided at the tip is connected in the latter half of the insertion work. Part is inserted.
プレスフィット端子は、電力用半導体装置の外形ケースの上面に設けられる。特許文献1の場合では、当該外形ケースの上面は平面形状である。よって、外部基板に反りなどが生じた場合、外部基板の穴などへプレスフィット端子を挿入する際に意図しない機械的応力が電力用半導体装置に発生する場合がある。 The press-fit terminal is provided on the upper surface of the outer case of the power semiconductor device. In the case of Patent Document 1, the upper surface of the outer case has a planar shape. Therefore, when a warp or the like occurs in the external substrate, unintended mechanical stress may occur in the power semiconductor device when the press-fit terminal is inserted into a hole or the like of the external substrate.
本技術は、上記のような問題を解決するためのものであり、外部基板の穴などへプレスフィット端子を挿入する際の、外部基板による機械的応力を抑制することができる電力用半導体装置に関するものである。 The present technology is for solving the above-described problem, and relates to a power semiconductor device capable of suppressing mechanical stress caused by an external substrate when a press-fit terminal is inserted into a hole or the like of the external substrate. Is.
本技術の一態様に関する電力用半導体装置は、外形ケースと、前記外形ケースの上面に埋め込まれる少なくとも1つのプレスフィット端子と、前記外形ケースの上面から突出して形成される複数の支持部とを備え、前記プレスフィット端子の上端は、前記支持部の上面よりも前記外形ケースの上面から突出する。 A power semiconductor device according to an aspect of the present technology includes an outer case, at least one press-fit terminal embedded in the upper surface of the outer case, and a plurality of support portions formed to protrude from the upper surface of the outer case. The upper end of the press-fit terminal protrudes from the upper surface of the outer case rather than the upper surface of the support portion.
本技術の一態様に関する電力用半導体装置は、外形ケースと、前記外形ケースの上面に埋め込まれる少なくとも1つのプレスフィット端子と、前記外形ケースの上面から突出して形成される複数の支持部とを備え、前記プレスフィット端子の上端は、前記支持部の上面よりも前記外形ケースの上面から突出する。 A power semiconductor device according to an aspect of the present technology includes an outer case, at least one press-fit terminal embedded in the upper surface of the outer case, and a plurality of support portions formed to protrude from the upper surface of the outer case. The upper end of the press-fit terminal protrudes from the upper surface of the outer case rather than the upper surface of the support portion.
このような構成によれば、外形ケースの上面は、支持部のみが外部基板と接触することとなる。よって、外部基板の穴などへプレスフィット端子を挿入する際の、外部基板による電力用半導体装置への機械的応力を抑制することができる。 According to such a configuration, only the support portion is in contact with the external substrate on the upper surface of the outer case. Therefore, it is possible to suppress mechanical stress on the power semiconductor device by the external substrate when the press-fit terminal is inserted into the hole of the external substrate.
本技術に関する目的と、特徴と、局面と、利点とは、以下に示される詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。 The objectives, features, aspects and advantages of the present technology will become more apparent from the detailed description and the accompanying drawings provided below.
以下、添付される図面を参照しながら実施形態について説明する。なお、図面は概略的に示されるものであり、異なる図面にそれぞれ示される画像の大きさと位置との相互関係は、必ずしも正確に記載されるものではなく、適宜変更され得るものである。また、以下に示される説明では、同様の構成要素には同じ符号を付して図示し、それらの名称と機能とについても同様のものとする。よって、それらについての詳細な説明を省略する場合がある。 Embodiments will be described below with reference to the accompanying drawings. Note that the drawings are schematically shown, and the mutual relationship between the size and position of images shown in different drawings is not necessarily described accurately, and can be changed as appropriate. Moreover, in the description shown below, the same code | symbol is attached | subjected and shown in the same component, and it is the same also about those names and functions. Therefore, the detailed description about them may be omitted.
また、以下に示される説明において、「上」、「下」、「側」、「底」、「表」または「裏」などの特定の位置と方向とを意味する用語が用いられる場合があっても、これらの用語は、実施形態の内容を理解することを容易にするために便宜上用いられるものであり、実際に実施される際の方向とは関係しない。 In the explanation given below, terms that mean a specific position and direction such as “top”, “bottom”, “side”, “bottom”, “front” or “back” may be used. However, these terms are used for convenience in order to facilitate understanding of the contents of the embodiment, and are not related to the direction in which they are actually implemented.
<実施形態>
<構成>
以下、本実施形態に関する電力用半導体装置について説明する。
<Embodiment>
<Configuration>
Hereinafter, the power semiconductor device according to this embodiment will be described.
図1は、本実施形態に関する電力用半導体装置の構造を例示する平面図である。また、図2は、本実施形態に関する電力用半導体装置の構造を例示する断面図である。 FIG. 1 is a plan view illustrating the structure of the power semiconductor device according to this embodiment. FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating the structure of the power semiconductor device according to this embodiment.
電力用半導体装置は外形ケース11によって覆われる。外形ケース11は、インサート成形されたケースである。外形ケース11の材料は、たとえば、ポリフェニレンサルファイド樹脂(poly phenylene sulfide resin、すなわちPPS)である。外形ケース11には、ヒートシンク101を取り付けるための取り付け穴12が形成される。なお、ヒートシンク101は、電力用半導体装置が使用された際に、発生した熱を放熱するための部材である。
The power semiconductor device is covered with an
外形ケース11の上面には、外部回路などとの電気的な接続を確保するためのプレスフィット端子31が設けられる。ここで、プレスフィット端子とは、はんだ付けなどをせずに、穴などに挿入されることによって保持される端子をいう。図2においては、先端が一体化された外形ケース11の四隅付近には、取り付けられた外部基板(ここでは図示せず)をネジ止めするためのネジ穴13がそれぞれ形成される。図1に示される場合では、ネジ穴13は、合計4箇所形成される。
On the upper surface of the
外形ケース11の上面には、プレスフィット端子31を平面視において少なくとも部分的に囲む端子保護部52と、外形ケース11の上面から突出して形成される基板支持部51とが設けられる。
On the upper surface of the
端子保護部52は、外形ケース11の上面から突出して形成されるが、基板支持部51は、端子保護部52よりもさらに突出して形成される。
The
基板支持部51は、図2に示される例では、外形ケース11の四隅付近にそれぞれ形成される。基板支持部51は、四隅のそれぞれにおいて、それぞれ少なくとも1つ形成される。
In the example shown in FIG. 2, the
図3は、本実施形態に関する電力用半導体装置の内部構造を例示する断面図である。以下、図3を参照しつつ、電力用半導体装置の内部構造について説明する。なお、図3においては、プレスフィット端子31に関する構造は簡略的に示される。
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating the internal structure of the power semiconductor device according to this embodiment. Hereinafter, the internal structure of the power semiconductor device will be described with reference to FIG. In addition, in FIG. 3, the structure regarding the
電力用半導体装置には回路基板103が搭載される。回路基板103においては、厚さが2mm程度である銅ベース板21上に、絶縁層としての樹脂層22を挟んで、厚さが500μm程度である銅パターン26が形成される。
A
さらに、一部の銅パターン26上に、シリコン(Si)の電力用半導体素子である絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(insulated gate bipolar transistor、すなわちIGBT)24がはんだを用いて接合される。また、一部の銅パターン上26に、free−wheeling diode(FWD)25がはんだを用いて接合される。
Furthermore, an insulated gate bipolar transistor (ie, IGBT) 24, which is a silicon (Si) power semiconductor element, is bonded onto a part of the
IGBT24上およびFWD25上には、直径が200μm程度以上400μm程度以下であるアルミニウムワイヤー27が複数本ワイヤーボンディングされる。そして、IGBT24は、アルミニウムワイヤー27を通じて、銅パターン26上またはプレスフィット端子31のワイヤーボンディング部(ここでは図示せず)に接続される。同様に、FWD25は、アルミニウムワイヤー27を通じて、銅パターン26上またはプレスフィット端子31のワイヤーボンディング部に接続される。なお、銅パターン26はさらに端子100に接続される。
A plurality of
また、外形ケース11の内部にはエポキシ樹脂が充填される。
The
図4は、外部基板の断面形状を概略的に示す拡大図である。外部基板41は、厚さが1.6mm程度(実測値は1.2mm程度以上2.0mm程度以下となる)である。
FIG. 4 is an enlarged view schematically showing a cross-sectional shape of the external substrate. The
外部基板41の基材42には、flame retardant type−4(FR−4)が用いられる。また、外部基板41は、基板の表裏および内部に回路パターン43が形成されることによって、基板と回路パターン43とを合わせて4つの層を有する基板である。なお、図4においては、基板の内部に形成される回路パターン43は図示されない。
For the
回路パターン43の厚さは35μm程度である。ただし、基板の表裏に形成される回路パターン43は、後述の貫通穴を銅めっきする際に当該めっきの厚さ分が加わるため、最終的には60μm程度以上85μm程度以下となる。
The thickness of the
外部基板41には、貫通穴44が形成される。貫通穴44には、プレスフィット端子31が挿入される。表面処理された貫通穴44の内壁には、銅めっき45が形成される。銅めっき45の厚さは、25μm程度以上50μm程度以下である。銅めっき45上には、銅の酸化を防止するための無電解Snめっきが形成される。無電解Snめっきの厚さは、1μm程度である。貫通穴の直径は2.2mm程度である。
A through
また、電力用半導体装置が取り付けられる前の外部基板41には、電力用半導体装置を駆動させるための部品(ここでは図示せず)が搭載される。そのため、外部基板41自体の初期の反り、または、電力用半導体装置を駆動させるための部品が外部基板41にはんだ付けされた後に生じる応力の影響による反りとして、外部基板41には200μm程度の反りが発生する。
In addition, a component (not shown here) for driving the power semiconductor device is mounted on the
図5は、外部基板が取り付けられた後の電力用半導体装置の構造を例示する平面図である。また、図6は、外部基板が取り付けられた後の電力用半導体装置の構造を例示する側面図である。また、図7は、外部基板が取り付けられた後の電力用半導体装置の構造を例示する正面図である。図5から図7を参照しつつ、電力用半導体装置への外部基板の取り付けについて説明する。なお、図7においては、外形ケース11の上面である溝部53と、溝部の幅53aとが示される。
FIG. 5 is a plan view illustrating the structure of the power semiconductor device after the external substrate is attached. FIG. 6 is a side view illustrating the structure of the power semiconductor device after the external substrate is attached. FIG. 7 is a front view illustrating the structure of the power semiconductor device after the external substrate is attached. The attachment of the external substrate to the power semiconductor device will be described with reference to FIGS. In FIG. 7, a
電力用半導体装置のプレスフィット端子31は、外部基板41の貫通穴44に挿入される。そして、貫通穴44の内壁に形成された銅めっきまたは最表面のSnめっきと、プレスフィット端子31とが接触することで、両者の電気的な接続が確保される。
The press-
ここで、プレスフィット端子31について、図8を参照しつつ詳細に説明する。図8は、外形ケースに設けられた状態のプレスフィット端子の構造を例示する図である。
Here, the press-
プレスフィット端子31は、先端側のプレスフィット部32と、胴体部33と、外形ケース11内に埋め込まれる埋め込み部34と、ワイヤーボンド部35とを備える。プレスフィット部32は、外部基板41の貫通穴44に挿入されることによって、貫通穴44とプレスフィット端子31とを電気的に接続させる部分である。
The press
プレスフィット部32の表面および胴体部33の表面には、電気接点として一般的に用いられるNi下地Snめっきが施される。また、ワイヤーボンド部35には、アルミニウムによるワイヤーボンドが可能となるようにNiめっきが施される。
Ni surface Sn plating generally used as an electrical contact is applied to the surface of the press-
プレスフィット部32の板厚は0.8mm程度であり、プレスフィット部32の中心からの最大幅は1.15mm程度である。プレスフィット端子31が外部基板41の貫通穴44に挿入された後に、プレスフィット端子31と外部基板41とが摩擦などによって適切に固定されるように、プレスフィット部32の幅は貫通穴44の直径よりもやや大きい。
The plate thickness of the
プレスフィット部32は、貫通穴44の内壁との接触を確保するため、内部に開口部36を有して外側に膨らんだ形状(ニードルアイ形状とも称する)である。また、プレスフィット部32の、プレスフィット端子31の挿入方向と垂直な面における断面形状は、貫通穴44の内壁の円筒形状に追随して接触面積が大きくなるように、外周部の四隅が円弧状である。
The press-
通電する電流値が大きい場合、複数のプレスフィット端子が一体化されたプレスフィット端子31aを用いることができる。図9は、複数のプレスフィット端子が一体化された構造を例示する図である。なお、一体化された各プレスフィット端子を「ピン」と称する場合がある。
When a current value to be energized is large, a press-
図9に示される場合では、1ピンあたりの許容される電流値は67A程度である。よって、3ピンを一体化させると200A程度の電流を通電することができる。複数のピンを一体化させることで、各ピンにおける胴体部33の断面積が増大するため、通電時の発熱量を抑制することができる。そのため、一体化されたプレスフィット端子31aにおける温度上昇を抑制することができる。なお、信号送信用のピンなどであれば、1ピンあたり数A程度の通電が想定されるに過ぎないため、複数のピンを一体化させる必要はない。
In the case shown in FIG. 9, the allowable current value per pin is about 67A. Therefore, when the 3 pins are integrated, a current of about 200 A can be applied. By integrating a plurality of pins, the cross-sectional area of the
図10は、外形ケース11の上面におけるプレスフィット端子31などの構造を例示する図である。図10に例示されるように、端子保護部52は、端子保護部の上面52aと、端子保護部の側壁52bと有する。
FIG. 10 is a diagram illustrating the structure of the press-
プレスフィット部32の、プレスフィット端子31の挿入方向と垂直な面における断面積は、プレスフィット端子31の先端側よりも根元側が大きい。または、プレスフィット部32の、プレスフィット端子31の挿入方向と垂直な面における断面積は、プレスフィット端子31の根元側から先端側へ向けて増大し、ある地点(変曲点)を過ぎると先端側へ向けて減少する。
The cross-sectional area of the press-
また、断面積の増減が変化する変曲点がある場合は、プレスフィット端子31が外形ケース11に埋め込まれた状態で、変曲点は、外形ケース11の上面における基板支持部51の上面よりも上に位置する。また、外部基板41が電力用半導体装置に取り付けられた後では、上記の変曲点は貫通穴44内に位置する。
Further, when there is an inflection point at which the increase / decrease in the cross-sectional area changes, the inflection point is from the upper surface of the
さらに、開口部36の根元側の端部、すなわち、開口部36の最も根元側の内壁は、外形ケース11の上面における端子保護部の上面52aよりも下に位置する。これは、プレスフィット端子31のバネ性を確保するためである。このようにすることで、外形ケース11の上面からのプレスフィット端子31の出代を小さくすることができる。よって、外部基板41が取り付けられた状態の電力用半導体装置の外形を小さくすることができる。
Furthermore, the end on the root side of the
プレスフィット端子31は、端子保護部の上面52aと端子保護部の側壁52bとを有する端子保護部52によって周囲を囲まれる。よって、端子保護部の側壁52bによって端子間の沿面距離を長くすることができる。そのため、異電極間の端子距離を縮めることができる。すなわち、製品を小さくすることができる。
The press-
端子保護部の上面52aは、平面視において複数の基板支持部51に挟まれて位置する。外形ケース11の上面である溝部53は、平面視において、複数の端子保護部の上面52aに挟まれて位置する。
The
基板支持部51の高さを基準とすると、端子保護部の上面52aは1mm程度低い。また、基板支持部51の高さを基準とすると、外形ケース11の上面である溝部53は4mm程度低い。また、溝部の幅53aは、2.73mm程度である。
Based on the height of the
図13は、変曲点がない場合の、プレスフィット端子31の構造を例示する正面図である。図13に例示されるように、プレスフィット部32の幅方向の長さ(図13における左右方向の長さ)が、プレスフィット端子31の先端側に向けて減少する。このような構造とすることで、プレスフィット部32の、プレスフィット端子31の挿入方向と垂直な面における断面積が、プレスフィット端子31の先端側よりも根元側が大きい構造を実現することができる。
FIG. 13 is a front view illustrating the structure of the press-
図14は、変曲点がない場合の、プレスフィット端子31の構造を例示する側面図である。図14に例示されるように、プレスフィット部32の厚さ方向の長さ(図14における左右方向の長さ)が、プレスフィット端子31の先端側に向けて減少する。このような構造とすることで、プレスフィット部32の、プレスフィット端子31の挿入方向と垂直な面における断面積が、プレスフィット端子31の先端側よりも根元側が大きい構造を実現することができる。
FIG. 14 is a side view illustrating the structure of the press-
<作用>
このような構造とした理由を以下で説明する。
<Action>
The reason for this structure will be described below.
電力用半導体装置の外形の大きさは、一般に数十mm程度から数百mm程度である。電力用半導体装置の外形の大きさが比較的大きいため、組み立てに用いられる部材の製造誤差の影響が大きい。よって、プレスフィット端子が設けられる位置も、設計寸法に対して最大で0.25mm程度のずれを見込む必要がある。さらに、プレスフィット端子が挿入される外部基板の穴の位置についても、最大で0.1mm程度のずれを見込む必要がある。これらのずれを足し合わせると、最大で0.35mm程度のずれを見込む必要がある。 The size of the outer shape of the power semiconductor device is generally about several tens mm to several hundreds mm. Since the size of the outer shape of the power semiconductor device is relatively large, the influence of manufacturing errors of members used for assembly is large. Therefore, the position where the press-fit terminal is provided also needs to allow a deviation of about 0.25 mm at the maximum with respect to the design dimension. Further, the position of the hole in the external board into which the press-fit terminal is inserted needs to allow a deviation of about 0.1 mm at the maximum. When these deviations are added together, it is necessary to allow for a deviation of about 0.35 mm at the maximum.
このように比較的大きなずれが見込まれる設計であるため、プレスフィット端子の先端が外部基板の穴に適切に誘導されない場合がある。プレスフィット端子が外部基板の穴に適切に誘導されないと、プレスフィット端子が座屈する場合がある。その場合、外部基板における外部回路と電力用半導体装置との間を電気的に接続できない。 Since the design is such that a relatively large deviation is expected, the tip of the press-fit terminal may not be properly guided into the hole of the external substrate. If the press-fit terminal is not properly guided into the hole of the external substrate, the press-fit terminal may buckle. In that case, the external circuit on the external substrate and the power semiconductor device cannot be electrically connected.
上記のようなずれに対して許容範囲の広いプレスフィット端子として、ニードルアイ形状のプレスフィット端子がある。ニードルアイ形状のプレスフィット端子を用いる場合、プレスフィット端子を外部基板の穴などに挿入する際の抵抗力(主に摩擦抵抗)を低減するために、プレスフィット端子の厚さを薄くしまたは幅を狭くし、プレスフィット端子の挿入方向と垂直な面における断面積を小さくすることが望ましい。しかし、電力用半導体装置にニードルアイ形状のプレスフィット端子を用いる場合には、プレスフィット端子に数十A程度の電流が通電することとなるため、発熱量を抑える観点では、プレスフィット端子の挿入方向と垂直な面における断面積を大きくすることが望ましい。 A press-fit terminal having a needle eye shape is a press-fit terminal having a wide allowable range with respect to such a shift. When using needle-fit press-fit terminals, reduce the thickness or width of the press-fit terminals to reduce the resistance (mainly frictional resistance) when inserting the press-fit terminals into holes on the external board. It is desirable to reduce the cross-sectional area in a plane perpendicular to the insertion direction of the press-fit terminal. However, when a needle-eye shaped press-fit terminal is used for the power semiconductor device, a current of about several tens of A is applied to the press-fit terminal. It is desirable to increase the cross-sectional area in a plane perpendicular to the direction.
本実施形態によれば、電力用半導体装置または外部基板の製造誤差が生じた場合でも、ニードルアイ形状のプレスフィット端子31を用いることで、プレスフィット端子31は外部基板41の貫通穴44内に挿入され、プレスフィット部32と貫通穴44とを適切に接触させることができる。よって、信頼性の高い電力用半導体装置を実現することができる。
According to this embodiment, even when a manufacturing error of the power semiconductor device or the external substrate occurs, the press-
また、本実施形態によれば、プレスフィット部32の、プレスフィット端子31の挿入方向と垂直な面における断面積が先端側で小さいことで、貫通穴44にプレスフィット端子31が挿入される際の抵抗力(主に摩擦抵抗)を低減することができる。これは、変曲点がある場合でも、ない場合でも同様である。
In addition, according to the present embodiment, when the press-
また、プレスフィット部32の根元側の断面積を大きいことで、通電経路における熱容量が大きくなる。そのため、局所的な発熱による温度上昇を抑制することができる。したがって、1ピン辺りの許容電流を上げることができ、電力用半導体装置で用いられるピンの数を減らすことができる。よって、電力用半導体装置を小さくすることができる。なお、これは、変曲点がある場合でも、ない場合でも同様である。
Moreover, the heat capacity in an electricity supply path becomes large because the cross-sectional area of the base side of the press
図11は、プレスフィット端子を挿入している間の抵抗力の波形を例示する図である。図11においては、縦軸が抵抗力の大きさを示し、横軸が変位の大きさを示す。また、図11において、波形aは、プレスフィット部の断面積をプレスフィット端子の挿入方向に沿って均一、かつ比較的大きくした場合を示す。また、波形bは、本実施形態に関するプレスフィット部32の場合を示す。また、波形cは、プレスフィット部の断面積をプレスフィット端子の挿入方向に沿って均一、かつ波形aの場合よりも小さくした場合を示す。なお、挿入完了時の抵抗力と抜去力とには相関がある。
FIG. 11 is a diagram illustrating a waveform of resistance force while the press-fit terminal is inserted. In FIG. 11, the vertical axis indicates the magnitude of the resistance force, and the horizontal axis indicates the magnitude of the displacement. Further, in FIG. 11, a waveform a indicates a case where the cross-sectional area of the press-fit portion is uniform and relatively large along the insertion direction of the press-fit terminal. Moreover, the waveform b shows the case of the press
図11に例示されるように、プレスフィット部の断面積を均一にして、かつ断面積を大きくすると、波形aのように、挿入開始時の抵抗力が高くなる。波形aのように抵抗力が高くなれば貫通穴44の変形量も大きくなるため、隣接する貫通穴44との間でショートが生じる可能性が高まる。
As illustrated in FIG. 11, when the cross-sectional area of the press-fit portion is made uniform and the cross-sectional area is increased, the resistance at the start of insertion increases as shown by a waveform a. If the resistance is increased as in the waveform a, the deformation amount of the through
また、プレスフィット部の断面積を均一にして、かつ断面積を小さくすると、波形cのように、挿入開始時の抵抗力は低くなる。しかし、波形cのような場合には、挿入完了時の抵抗力も大きく低下してしまうため、それにともないプレスフィット端子を抜去するために必要となる力も低下してしまう。よって、プレスフィット端子を外部基板の貫通穴に固定しておくことが難しくなる。 Further, if the cross-sectional area of the press-fit portion is made uniform and the cross-sectional area is made small, the resistance force at the start of insertion becomes low as shown by the waveform c. However, in the case of the waveform c, the resistance force at the time of completion of insertion is greatly reduced, and accordingly, the force necessary for removing the press-fit terminal is also reduced. Therefore, it becomes difficult to fix the press-fit terminal in the through hole of the external substrate.
本実施形態に関するプレスフィット部32では、プレスフィット部32の先端側の断面積は小さく、プレスフィット部32の根元側の断面積は大きく形成される。変曲点を設ける場合には、プレスフィット部32の先端から一定範囲の断面積は、プレスフィット部32の根元側の端部より小さい。そのように形成されることで、挿入開始時の抵抗力の増大を抑制することができる。加えて、プレスフィット端子31の根元側の剛性が高いため、プレスフィット端子31が外部基板41の貫通穴44に挿入された後は、プレスフィット端子31を抜去するために必要となる力が高く維持される。そのため、振動または温度サイクル負荷の影響によってプレスフィット端子31が意図せず抜去されてしまうことが抑制される。
In the press
さらに、変曲点へ向けてプレスフィット端子31の根元側から先端側に向けて断面積を増大させることで、プレスフィット端子31の胴体部33またはプレスフィット端子31の胴体部33近傍のプレスフィット部32において、断面積が小さい領域が形成される。これにより、外部基板41の穴の位置とプレスフィット端子31の位置とがわずかにずれた場合であっても、上記の断面積の小さい領域において応力が吸収され、位置ずれに対する許容範囲を広げることができる。
Further, by increasing the cross-sectional area from the base side to the tip side of the press-
外部基板41には電力用半導体装置を制御するための様々な部品がはんだ付けされる。そのため、電力用半導体装置が取り付けられる前の状態で、外部基板41に200μm程度の反りが発生する場合がある。
Various components for controlling the power semiconductor device are soldered to the
本実施形態によれば、電力用半導体装置に取り付けられる前に、外部基板41に反りが発生した場合であっても、外形ケース11の上面における基板支持部51および端子保護部52が設けられることで、外部基板41の反りを吸収することができる。
According to the present embodiment, the
すなわち、取り付けられた外部基板41は基板支持部51と接触するため、外部基板41は、四隅付近に設けられた基板支持部51によって、外形ケース11の上面に固定されることとなる。そして、基板支持部51と端子保護部の上面52aとの高さ方向における隙間に、反った形状の外部基板41が収まる。
That is, since the attached
このようにすることで、電力用半導体装置に取り付けられる前に外部基板41に反りが発生した場合であっても、外部基板41の反りを基板支持部51と端子保護部の上面52aとの高さ方向における隙間において吸収することができる。よって、電力用半導体装置に取り付けられる前に外部基板41の反りを強制的に矯正する必要がなくなるため、外部基板41上の部品における損傷またははんだ付け部における損傷を抑制することができる。
In this way, even when the
さらに、電力用半導体装置の使用時に温度サイクル負荷が生じた場合、構成部材の線膨脹係数のミスマッチなどにより、電力用半導体装置と外部基板41との間で、膨張の度合いが異なる場合もある。しかし、本実施形態によれば、上記のように外部基板41の反りを吸収することができるため、膨張の度合いが異なることによる影響を抑制することができる。
Furthermore, when a temperature cycle load is generated when the power semiconductor device is used, the degree of expansion may be different between the power semiconductor device and the
また、外形ケース11に溝部53が設けられることで、次の効果を発揮する。
Moreover, the following effects are exhibited by providing the
電力用半導体装置においては、たとえば35ピン程度のプレスフィット端子31が用いられるが、各プレスフィット端子31は、1ピンあたり50N程度以上100N程度以下の荷重を受けて、外部基板41の貫通穴44に挿入される。そのため、電力用半導体装置全体では、4000N程度という高荷重を受けて、外部基板41に取り付けられることとなる。
In the power semiconductor device, for example, press-
前述のとおり、電力用半導体装置は、銅ベース板、IGBTまたはダイオードチップなどの様々な線膨脹係数を有する部材によって構成される。そのため、電力用半導体装置単体が製作された後では、最大100μm程度の初期反りが発生する場合がある。 As described above, the power semiconductor device is constituted by members having various linear expansion coefficients, such as a copper base plate, an IGBT, or a diode chip. For this reason, after the power semiconductor device itself is manufactured, initial warping of about 100 μm at maximum may occur.
電力用半導体装置が外部基板41に取り付けられる際の高荷重により、電力用半導体装置の初期反りは矯正される。しかし、溝部53が複数設けられることにより、プレスフィット端子31の挿入時に外形ケース11に発生する応力に対して、溝部53を優先的に変形させることができる。
The initial warp of the power semiconductor device is corrected by the high load when the power semiconductor device is attached to the
また、電力用半導体装置が外部基板41に取り付けられた後には、電力用半導体装置の裏面である銅ベース板21がヒートシンク(ここでは図示せず)に取り付けられるが、上記と同様の作用により、発生する応力を緩和することができる。さらに、温度サイクル負荷が発生した際にも、溝部53が変形することによって外形ケース11にかかる応力を低減することができる。
In addition, after the power semiconductor device is attached to the
また、溝部53が設けられることで、複数のプレスフィット端子31間における絶縁のための沿面距離を長くすることができるため、電力用半導体装置の小さくすることができる。
In addition, since the
さらに、外形ケース11に端子保護部52が設けられることで、次の効果を発揮する。
Furthermore, the following effects are demonstrated by providing the
すなわち、相の異なるプレスフィット端子31間の絶縁のための沿面距離を長くすることができ、電力用半導体装置を小さくすることができる。また、端子保護部52の構造自体により、電力用半導体装置の剛性を高めることができる。
That is, the creeping distance for insulation between the press-
また、電力用半導体装置が外部基板41に取り付けられる際に、電力用半導体装置自体の反りにより、縦方向(たとえば図3における上下方向)だけでなく横方向(たとえば図3における紙面に垂直な方向)にも応力が生じるが、縦方向の応力については、外形ケース11の底面における銅ベース板21により剛性を確保することができる。横方向の応力については、端子保護部52により剛性を確保することができる。
Further, when the power semiconductor device is attached to the
このようにすることで、電力用半導体装置内で使用することができるプレスフィット端子31の数が増やすことができるため、通電電流を増大させることができる。
By doing in this way, since the number of the
また、プレスフィット端子31が位置のずれた貫通穴44に入る場合でも、プレスフィット端子31にバネ性を確保するための空間を保持することができる。また同時に、外部からの物理的な接触によるプレスフィット端子31の変形またはプレスフィット端子31に生じる傷を防止することができる。
Further, even when the press-
本実施形態では、内部がエポキシ樹脂で封止された電力用半導体装置が示された。しかし、内部がゲル封止され、上部が樹脂などの蓋で形成された電力用半導体装置、または、全体がトランスファーモールドされた電力用半導体装置であっても、同様に適用可能である。 In the present embodiment, a power semiconductor device whose inside is sealed with an epoxy resin is shown. However, the present invention can be similarly applied to a power semiconductor device in which the inside is gel-sealed and the upper portion is formed of a lid made of resin or the like, or a power semiconductor device in which the whole is transfer molded.
また、本実施形態に関する電力用半導体装置は、電力用半導体装置の上面から端子100が突出する構造として例示されたが、図12に例示されるように、電力用半導体装置の側面から端子100aが突出する構造であっても同様に適用可能である。なお、図12は、変形例に関する電力用半導体装置の内部構造を例示する正面図である。 Further, the power semiconductor device according to the present embodiment has been exemplified as a structure in which the terminal 100 protrudes from the upper surface of the power semiconductor device. However, as illustrated in FIG. 12, the terminal 100 a is formed from the side surface of the power semiconductor device. Even a protruding structure can be similarly applied. FIG. 12 is a front view illustrating the internal structure of the power semiconductor device according to the modification.
また、本実施形態に関する電力用半導体装置は、銅ベース板21上に、絶縁層としての樹脂層22が形成され、さらにその上に銅パターン26が形成された構造として例示された。しかし、絶縁層としてセラミックなどの材料を適用した場合、または、放熱性を向上するために当該セラミックの下に銅ベース板がはんだ付けされた構造などであっても同様に適用可能である。
The power semiconductor device according to this embodiment is exemplified as a structure in which the
<効果>
以下に、上記の実施形態による効果を例示する。
<Effect>
Below, the effect by said embodiment is illustrated.
上記の実施形態によれば、電力用半導体装置が、外形ケース11と、少なくとも1つのプレスフィット端子31と、複数の支持部としての基板支持部51とを備える。
According to the above embodiment, the power semiconductor device includes the
プレスフィット端子31は、外形ケース11の上面に埋め込まれる。基板支持部51は、外形ケース11の上面から突出して形成される。
The press-
また、プレスフィット端子31の上端は、基板支持部51の上面よりも外形ケース11の上面から突出する。
Further, the upper end of the press-
このような構成によれば、取り付けられた外部基板41は基板支持部51と接触するため、外部基板41は、四隅付近に設けられた基板支持部51によって、外形ケース11の上面に固定されることとなる。そして、基板支持部51と端子保護部の上面52aとの高さ方向における隙間に、反った形状の外部基板41であっても収まる。よって、外部基板41の穴などへプレスフィット端子31を挿入する際の、外部基板41による電力用半導体装置への機械的応力を抑制することができる。
According to such a configuration, the attached
なお、これらの構成以外の構成については適宜省略することができるが、本明細書に示される他の構成のうちの少なくとも1つを適宜追加した場合でも、上記の効果を生じさせることができる。 Note that configurations other than these configurations can be omitted as appropriate, but the above-described effects can be produced even when at least one of the other configurations shown in this specification is added as appropriate.
また、上記の実施形態によれば、電力用半導体装置が、複数のプレスフィット端子31を備え、外形ケース11の上面から突出して形成される保護部としての複数の端子保護部52を備える。
In addition, according to the above-described embodiment, the power semiconductor device includes the plurality of press-
端子保護部52は、プレスフィット端子31を平面視において少なくとも部分的に囲んで形成される。また、基板支持部51の上面は、端子保護部の上面52aよりも外形ケース11の上面から突出する。
The
このような構成によれば、プレスフィット端子間の絶縁のための沿面距離を効率的に確保することができる。また、沿面距離を確保するために電力用半導体装置の外形ケースを大きくする必要がないため、電力用半導体装置を小さくすることができる。 According to such a configuration, the creeping distance for insulation between the press-fit terminals can be efficiently ensured. Moreover, since it is not necessary to enlarge the outer case of the power semiconductor device in order to ensure the creepage distance, the power semiconductor device can be made smaller.
また、上記の実施形態によれば、プレスフィット端子31は、プレスフィット端子31の挿入方向と垂直な方向に貫通する開口部36を有する。
According to the above embodiment, the press-
そして、端子保護部の上面52aが、開口部36の下端よりも外形ケース11の上面から突出して位置する。
Then, the
このような構成によれば、開口部36の下端が端子保護部の上面52aよりも突出していないため、プレスフィット端子31の外部基板41からの端子出代を抑制することができる。また、電力用半導体装置を小さくすることができる。
According to such a structure, since the lower end of the
また、上記の実施形態によれば、基板支持部51の上面において、少なくとも1つのネジ穴13が形成される。
Further, according to the above embodiment, at least one
このような構成によれば、外部基板41と電力用半導体装置とをネジ止めすることができるため、双方を固定する上での信頼性が向上する。
According to such a configuration, since the
また、上記の実施形態によれば、プレスフィット端子31の挿入方向と垂直な平面における断面積が、プレスフィット端子31の先端側よりも根元側の方が大きい。
Further, according to the above embodiment, the cross-sectional area in a plane perpendicular to the insertion direction of the press-
このような構成によれば、外部基板41の貫通穴44へプレスフィット端子31を挿入する際、挿入開始時には抵抗力(主に摩擦抵抗)を低減することができる。また、プレスフィット端子31が外部基板41の貫通穴44に挿入された後は、プレスフィット端子31を抜去するために必要となる力が高く維持される。そのため、振動または温度サイクル負荷の影響によってプレスフィット端子31が意図せず抜去されてしまうことが抑制される。
According to such a configuration, when the press-
また、プレスフィット端子31の根元側の断面積が大きいため、大電流を通電した際の温度上昇を抑制することができる。
Moreover, since the cross-sectional area of the base side of the press-
また、上記の実施形態によれば、プレスフィット端子31の挿入方向と垂直な平面における断面積が、プレスフィット端子31の根元側から先端側へ向けて増大し、かつ、変曲点を過ぎるとプレスフィット端子31の根元側から先端側へ向けて減少する。
Further, according to the above-described embodiment, when the cross-sectional area in a plane perpendicular to the insertion direction of the press-
そして、変曲点が、基板支持部51の上面よりも外形ケース11の上面から突出して位置する。
The inflection point is positioned so as to protrude from the upper surface of the
このような構成によれば、外部基板41の貫通穴44へプレスフィット端子31を挿入する際、挿入開始時には抵抗力(主に摩擦抵抗)を低減することができる。また、プレスフィット端子31が外部基板41の貫通穴44に挿入された後は、プレスフィット端子31を抜去するために必要となる力が高く維持される。そのため、振動または温度サイクル負荷の影響によってプレスフィット端子31が意図せず抜去されてしまうことが抑制される。
According to such a configuration, when the press-
また、プレスフィット端子31の根元側の断面積が大きいため、大電流を通電した際の温度上昇を抑制することができる。
Moreover, since the cross-sectional area of the base side of the press-
<変形例>
上記実施形態では、各構成要素の材質、材料、寸法、形状、相対的配置関係または実施の条件などについても記載する場合があるが、これらはすべての局面において例示であって、本明細書に記載されたものに限られることはない。よって、例示されていない無数の変形例が、本技術の範囲内において想定される。たとえば、少なくとも1つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合が含まれる。
<Modification>
In the above-described embodiment, the material, material, dimension, shape, relative arrangement relationship, or implementation condition of each component may be described. However, these are examples in all aspects, and are described in this specification. It is not limited to what has been described. Therefore, innumerable modifications not illustrated are assumed within the scope of the present technology. For example, a case where at least one component is deformed, a case where it is added, or a case where it is omitted are included.
電力用半導体装置における端子の位置、または、基板における穴の位置などは、それぞれの部品の個体差、または、組み立て工程における製造誤差などによってずれる場合がある。組み立て工程における製造誤差の要因としては、たとえば、エポキシ樹脂の充填後の収縮、または、はんだ付け後の基板の反りなどが考えられる。 The position of the terminal in the power semiconductor device, the position of the hole in the substrate, or the like may be shifted due to an individual difference of each component or a manufacturing error in the assembly process. Possible causes of manufacturing errors in the assembly process include, for example, shrinkage after filling with an epoxy resin, or warping of a substrate after soldering.
上記のずれの度合いが大きい状態でプレスフィット端子が穴などに挿入される場合、プレスフィット部32が塑性変形し、接触抵抗が高くなる場合がある。
When the press-fit terminal is inserted into a hole or the like in a state where the degree of deviation is large, the press-
このような場合には、たとえば、図15に例示されるように、プレスフィット端子31bの胴体部33bにくびれ部104を設けることができる。なお、図15は、くびれ部104が設けられた場合の、プレスフィット端子の構造を例示する側面図である。
In such a case, for example, as illustrated in FIG. 15, the
ここで、くびれ部104は、プレスフィット端子31bの胴体部33bにおいて、周方向に連続して凹部が形成された部分である。したがって、くびれ部104は、胴体部33bにおける他の部分よりも、プレスフィット端子31bの挿入方向と垂直な方向における幅が小さい。
Here, the
このような構造であることで、くびれ部104が優先的に変形するため、プレスフィット部32の塑性変形を抑制することができる。したがって、外部基板41の貫通穴44へプレスフィット端子31bを挿入する際の、接触抵抗の上昇を抑制することができる。また、プレスフィット端子31bの信頼性を高めることができる。
With such a structure, the
なお、くびれ部104の、プレスフィット端子31bの挿入方向と垂直な断面の形状は、円弧形状、または、楕円形状などであることが望ましい。
Note that the shape of the cross section of the
その場合、くびれ部104の、プレスフィット端子31bの挿入方向と垂直な断面における直径(図15におけるX)は、くびれ部104の座屈、および、通電時の発熱による温度上昇の観点から、プレスフィット端子31bの板厚、すなわち、たとえば、0.8mm以上とすることができる。
In this case, the diameter (X in FIG. 15) of the
なお、くびれ部104の、プレスフィット端子31bの挿入方向と垂直な断面における直径(図15におけるX)は、大きすぎると上記のような効果を得ることが難しくなる。そのため、たとえば、1.4mm以下とすることができる。
If the diameter (X in FIG. 15) of the
また、くびれ部104において周方向に連続して形成された凹部の、プレスフィット端子31bの挿入方向おける幅(図15におけるY)は、くびれ部104を優先的に変形させるため、たとえば、1mm以下とすることができる。
Further, the width (Y in FIG. 15) in the insertion direction of the press-
また、矛盾が生じない限り、上記実施形態において「1つ」備えられるものとして記載された構成要素は、「1つ以上」備えられていてもよい。さらに、各構成要素は概念的な単位であって、1つの構成要素が複数の構造物から成る場合と、1つの構成要素がある構造物の一部に対応する場合と、さらには、複数の構成要素が1つの構造物に備えられる場合とを含む。また、各構成要素には、同一の機能を発揮する限り、他の構造または形状を有する構造物が含まれる。 In addition, as long as no contradiction arises, “one or more” components described as being provided with “one” in the above-described embodiment may be provided. Furthermore, each component is a conceptual unit, and one component consists of a plurality of structures, one component corresponds to a part of the structure, and a plurality of components. And the case where the component is provided in one structure. Each component includes a structure having another structure or shape as long as the same function is exhibited.
また、本明細書における説明は、本技術に関するすべての目的のために参照され、いずれも、従来技術であると認めるものではない。 Also, the descriptions in this specification are referred to for all purposes related to the present technology, and none of them is admitted to be prior art.
また、上記実施形態において、特に指定されずに材料名などが記載された場合は、矛盾が生じない限り、当該材料に他の添加物が含まれた、たとえば、合金などが含まれるものとする。 Further, in the above embodiment, when a material name or the like is described without being particularly specified, the material includes other additives, for example, an alloy or the like unless a contradiction arises. .
11 外形ケース、12 取り付け穴、13 ネジ穴、21 銅ベース板、22 樹脂層、24 IGBT、25 FWD、26 銅パターン、27 アルミニウムワイヤー、31,31a,31b プレスフィット端子、32 プレスフィット部、33,33b 胴体部、34 埋め込み部、35 ワイヤーボンド部、36 開口部、41 外部基板、42 基材、43 回路パターン、44 貫通穴、51 基板支持部、52 端子保護部、52a 端子保護部の上面、52b 端子保護部の側壁、53 溝部、53a 溝部の幅、100,100a 端子、101 ヒートシンク、103 回路基板、104 くびれ部、a,b,c 波形。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記外形ケースの上面に埋め込まれる少なくとも1つのプレスフィット端子と、
前記外形ケースの上面から突出して形成される複数の支持部とを備え、
前記プレスフィット端子の上端は、前記支持部の上面よりも前記外形ケースの上面から突出する、
電力用半導体装置。 An outer case,
At least one press-fit terminal embedded in the upper surface of the outer case;
A plurality of support portions formed to protrude from the upper surface of the outer case,
The upper end of the press-fit terminal protrudes from the upper surface of the outer case than the upper surface of the support part.
Power semiconductor device.
前記外形ケースの上面から突出して形成される複数の保護部をさらに備え、
各前記保護部は、各前記プレスフィット端子を平面視において少なくとも部分的に囲んで形成され、
前記支持部の上面は、各前記保護部の上面よりも前記外形ケースの上面から突出する、
請求項1に記載の電力用半導体装置。 A plurality of the press-fit terminals are provided,
And further comprising a plurality of protection portions formed to protrude from the upper surface of the outer case,
Each of the protection portions is formed so as to surround each of the press-fit terminals at least partially in plan view,
The upper surface of the support part protrudes from the upper surface of the outer case than the upper surface of each protection part,
The power semiconductor device according to claim 1.
各前記保護部の上面が、各前記開口部の下端よりも前記外形ケースの上面から突出して位置する、
請求項2に記載の電力用半導体装置。 Each press-fit terminal has an opening that penetrates in a direction perpendicular to the insertion direction of each press-fit terminal,
The upper surface of each of the protection portions is positioned so as to protrude from the upper surface of the outer case than the lower end of each opening.
The power semiconductor device according to claim 2.
請求項1から請求項3のうちのいずれか1項に記載の電力用半導体装置。 At least one screw hole is formed on the upper surface of the support portion.
The power semiconductor device according to any one of claims 1 to 3.
請求項1から請求項4のうちのいずれか1項に記載の電力用半導体装置。 The cross-sectional area in a plane perpendicular to the insertion direction of the press-fit terminal is larger on the root side than the tip side of the press-fit terminal,
The power semiconductor device according to any one of claims 1 to 4.
前記変曲点が、前記支持部の上面よりも前記外形ケースの上面から突出して位置する、
請求項1から請求項4のうちのいずれか1項に記載の電力用半導体装置。 The cross-sectional area in a plane perpendicular to the insertion direction of the press-fit terminal increases from the base side of the press-fit terminal toward the tip side, and when the inflection point is passed, the base side to the tip side of the press-fit terminal Decrease towards
The inflection point is located so as to protrude from the upper surface of the outer case than the upper surface of the support portion.
The power semiconductor device according to any one of claims 1 to 4.
前記くびれ部は、前記プレスフィット端子の挿入方向と垂直な方向における幅が、前記プレスフィット端子の他の部分よりも小さい、
請求項3に記載の電力用半導体装置。 The press-fit terminal further comprises a constricted portion provided on the base side from the opening,
The constricted portion has a width in a direction perpendicular to the insertion direction of the press-fit terminal smaller than other portions of the press-fit terminal,
The power semiconductor device according to claim 3.
請求項7に記載の電力用半導体装置。 The shape of the cross section of the constricted portion perpendicular to the insertion direction of the press-fit terminal is an arc shape or an elliptical shape,
The power semiconductor device according to claim 7.
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