JP2020178060A - 半導体モジュール用外部端子 - Google Patents

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Abstract

【課題】端子本体部の左右の曲げ強度やせん断強度を変えることで、外部端子を変形しやすくする。【解決手段】半田付けされる底部と、前記底部から垂直に折り曲げられた端子本体部と、を備え、前記端子本体部は、前記底部からの折り曲げ部の直上の左端部側に第１溝部、右端部側に第２溝部を有し、前記第１溝部と前記第２溝部は前記端子本体部を垂直方向に通過する中心線に対して非対称である。【選択図】図４

Description

本発明は、半導体モジュールに使用される外部端子に関し、特に大電力用半導体モジュールに適した外部端子に関する。
大電力用半導体モジュールでは、基板の温度上昇により基板に応力が生じると、熱応力（曲げ応力やせん断応力）によって半田の剥がれやクラックの問題が生じる。特に、長方形状の基板の長手方向に外部端子が半田付けされている場合には、基板の長手方向への曲げが生じやすくなるため、外部端子が半田付けされる底部において半田クラックが生じやすくなる。また、外部端子は、その端子本体部が熱膨張率の小さいエポキシ樹脂などの封止材で固定されるため、封止材の熱膨張差により外部端子の底部に位置する半田付け部は不均等な応力がかかりさらに熱応力の影響を受けやすい。
すなわち、大電力用半導体モジュールの信頼性を確保するためには、外部端子の半田付け部に生じる熱応力の分散が課題となる。
上記課題を解決するために、従来は、端子にスリットを形成した構造が提案されている（特許文献１）。この端子では、半田付け部に対し基板から熱応力が加えられたときにスリットが曲がるようにして応力緩和を図っている。
特開平６−２１６０３号公報
しかしながら、特許文献１に示される端子では、基板３からの熱応力の分布が複雑に変遷する場合、十分に応力緩和を図ることができない。この原因は、端子本体部の左右の曲げ強度やせん断強度が同じであるため、基板に半田付けされる底部から端子本体部に拡散する応力を効果的に吸収することができず、それにより端子本体部が変形しないからである。
この発明は、端子本体部の左右の曲げ強度やせん断強度を変えることで、端子本体部を変形しやすくする半導体モジュール用外部端子を提供することを目的とする。
この発明の半導体モジュール用外部端子は、半田付けされる底部と、前記底部から垂直に折り曲げられた板状の端子本体部と、を備える。
前記端子本体部は、前記底部からの折り曲げ部の直上の左端部側に第１溝部、右端部側に第２溝部を有し、前記第１溝部と前記第２溝部は前記端子本体部を垂直方向に通過する中心線に対して非対称である。
この発明の実施態様では、前記第１溝部と前記第２溝部は、それぞれの水平方向の長さが異なっている。
この発明の他の実施態様は、第３溝部と第４溝部とを備える。これらの第３溝部と第４溝部も前記端子本体部を垂直方向に通過する中心線に対して非対称である。
この発明では、第１溝部と第２溝部は、半田付けされる底部からの折り曲げ部の直上に設けられているため、底部に集中している応力は第１溝部と第２溝部の影響を受けて端子本体部が変形しやすくなる。また、第１溝部と第２溝部は、端子本体部を垂直方向に通過する中心線に対して非対称であるため、端子本体部は応力に対してさらに変形しやすくなる。これにより、底部に集中している応力は端子本体部の変形によって吸収され、底部において半田割れやクラックが生じることを防ぐことができる。
この発明の実施形態である半導体モジュールの斜視図である。 半導体モジュールの上面図である。 外部端子４の左斜視図である。 外部端子４の上面図（同図（Ａ））、正面図（同図（Ｂ））、底面図（同図（Ｃ））、右側面図（同図（Ｄ））である。 第２の実施形態に係る外部端子の正面図である。
図１はこの発明の実施形態である半導体モジュールの斜視図である。図２は、前記半導体モジュールの上面図である。
この半導体モジュールは、金属導体のベース板１と、ベース板１上に取り付けられた樹脂製のケース２と、ケース２内に収納されたセラミック基板（以下、基板と称する）３とを備えている。
基板３は、図示しない複数の半導体素子、回路部品等を実装し、基板３の上下端部および右側端部には、外部接続用の７個の外部端子４（４ａ〜４ｇ）が半田接続されている。実際には、基板３は複数のセラミック基板に銅板を直接接合したＤＣＢ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｏｐｐｅｒ Ｂｏｎｄ）基板で構成され、図２の右側に位置する３個の外部端子４ｃ〜４ｅは長方形のＤＣＢ基板３０の長手方向に一列に配置されている。他の外部端子４ａ、４ｂ、４ｆ、４ｇは、図示していない他のＤＣＢ基板の短手方向に配置されている。
７個の外部端子４（４ａ〜４ｇ）は、すべて同一形状であり、板状の金属製導体を所定の形状に打ち抜いたのち、折り曲げ加工を行うことによって形成される。図１、図２では、７個の外部端子４（４ａ〜４ｇ）の上端部は折り曲げられていないが、底部が半田付けされてケース内が樹脂封止されたのちに折り曲げられる。以下、外部端子４（４ａ〜４ｇ）を外部端子４と称し、一つの外部端子４について説明する。
図３は、外部端子４の左斜視図である。
外部端子４は、基板３に半田付けされる底部４０と、底部４０から垂直方向に折り曲げられた第１垂直片４１と、垂直片４１から水平方向に折り曲げられた水平片４２と、水平片４２から垂直方向に折り曲げられた第２垂直片４３とで構成される。端子本体部４４は、第１垂直片４１と、水平片４２と、第２垂直片４３とで構成している。
端子本体部４４の第１垂直片４１には、底部４０からの折り曲げ部の直上の左端部側に第１溝部４５、右端部側に第２溝部４６が形成されている。また、第１溝部４５と第２溝部４６の上方であって、第２垂直片４３の下端部の左端部側に第３溝部４７、右端部側に第４溝部４８が形成されている。
端子本体部４４の第２垂直片４３の略中央位置には、折り曲げ部４９が形成されている。端子本体部４４の上部には、端子をケーブルやブスバーにネジ止めするための接続用孔５０が形成されている。第２垂直片４３の折り曲げ部４９よりやや下方には、その両端部に位置合わせ用突起５１、５２が形成されている。第２垂直片４３の位置合わせ用突起５１、５２よりやや下方には、第２垂直片４３の中央部に固定用アンカー孔５３が形成されている。これらの位置合わせ用突起５１、５２をケース２に引っ掛けてケース２の所定の箇所で位置合わせする。そして、外部端子４を基板３に半田付けする。そして封止材をケース２に注入すると、アンカー孔５３にも封止材が入り込み、端子本体部４４が封止材内に固定される。
図４は、外部端子４の上面図（同図（Ａ））、正面図（同図（Ｂ））、底面図（同図（Ｃ））、右側面図（同図（Ｄ））である。
底部４０からの折り曲げ部の直上の左端部側に設けられている第１溝部４５と、右端部側に設けられている第２溝部４６とは、端子本体部を垂直方向に通過する中心線Ｘに対して水平方向に非対称である。すなわち、図４では、第１溝部４５の長さＬ１＜第２溝部４６の長さＬ２である。
第１溝部４５と第２溝部４６とを底部４０の直上、すなわち、底部４０に接して設けていること、および、Ｌ１＜Ｌ２であることから、外部端子４は底部４０に生じる熱応力に対し左右にアンバランスな状態で応力吸収する。この結果、底部４０の熱応力に対し、外部端子４の第１垂直片４１が左右に変形しやすくなり、より応力吸収をするように挙動する。実験によれば、Ｌ１＝Ｌ２とするよりも、Ｌ１＜Ｌ２とすることで、熱応力に対するアンバランスな状態となり、応力吸収が大きくなって底部４０の半田クラックが生じにくくなった。さらに、第１溝部４５と第２溝部４６とを底部４０の直上に形成しているため、この効果がより顕著に観測された。
本実施形態では、熱応力に対する左右のさらなるアンバランスな状態を形成するため、第３溝部４７と第４溝部４８を設けている。第３溝部４７と第４溝部４８は、第２垂直片４３の下端部に設けられ、その位置は、第１溝部４５と第２溝部４６の上方である。第３溝部４７は第２垂直片４３の左端部側、第４溝部４８は垂直片４３の右端部側に設けられている。第３溝部４７の長さＬ４は、第１溝部Ｌ１の長さＬ１と同じである。また、第３溝部４７と第４溝部４８は、中心線Ｘに対して水平方向に非対称である。すなわち、図４では、第３溝部４７の長さＬ４（＝Ｌ１）＞第４溝部４８の長さＬ３である。
第３溝部４７と第４溝部４８も、第１溝部４５と第２溝部４６と同様に、底部４０に生じる熱応力に対してアンバランスな状態を形成する。したがって、底部４０の熱応力に対し、外部端子の端子本体部４４が左右により変形しやすくなる。ここで、第１溝部４５と第２溝部４６との組、或いは第３溝部４７と第４溝部４８との組のいずれか一組のみ形成しても、熱応力に対してアンバランスな状態を形成できる。また、第１溝部４５と第２溝部４６と、第３溝部４７と第４溝部４８の両方を設ける場合、それらの各溝部の長さは、アンバランスな状態を形成することが可能な任意の長さに設定できる。例えば、Ｌ１＞Ｌ２とＬ３＞Ｌ４の組み合わせ、Ｌ１＞Ｌ２とＬ３＜Ｌ４の組み合わせが可能である。また、これらの組み合わせにおいて、Ｌ１とＬ４の関係を、Ｌ１＞Ｌ４またはＬ１＜Ｌ４とすることが可能である。これらの組み合わせでは、Ｌ１またはＬ２の長い方の溝部Ｌｘと、Ｌ３またはＬ４の長い方の溝部Ｌｙとを、中心線Ｘに対して左側に配置しても良いし、または、中心線Ｘに対して右側に配置しても良い。他の例として、Ｌｘを中心線Ｘに対して左側に配置し、Ｌｙを中心線Ｘに対して右側に配置することも出来る。いずれの場合も、熱応力に対してアンバランスな状態を形成できる。
また、第２垂直片４３は封止材で固定されるため、第３溝部４７と第４溝部４８は、端子本体部４４が左右により変形しやすくなるように挙動する。
以上の構成により、基板３の高温状態が継続し、又は熱サイクルが繰り返されて、外部端子４の底部４０に大きな熱応力が生じても、この熱応力は端子本体部４４、本例では第１垂直片４１と第２垂直片４３の両方或いはいずれか一方が変形することで吸収される。これにより、底部４０を固定している半田付け部にクラックが生じることを防止できる。
以上の効果は、少なくとも第１溝部４５、第２溝部４６を中心線Ｘに対して非対称とすることで得られる。また、同効果は外部端子４ｃ〜４ｅにおいて顕著である。この理由は、外部端子４ｃ〜４ｅは長方形状のＤＣＢ基板３０の長手方向の側部に一列に配置されているからである。長方形状のＤＣＢ基板３０は熱により長手方向に撓みやすくなるが、これにより、外部端子４ｃ〜４ｅは他の外部端子よりも相対的に熱応力がかかりやすくなると推定される。
次に、他の実施形態について説明する。
図５は、第２の実施形態に係る外部端子の正面図である。
第３溝部４７と第４溝部４８は、それぞれの垂直方向の位置が異なっている。その他は図４と同様である。第３溝部４７と第４溝部４８の長さは同一であっても異なっていても良い。
これにより、第１溝部４５と第２溝部４６は、中心線Ｘに対して非対称であり、第３溝部４７と第４溝部４８も、中心線Ｘに対して非対称である。
なお、外部端子４は、位置合わせ用突起５１、５２をケース２に引っ掛けて基板内部の所定の箇所で位置決めした後、底部４０を半田付けする。その後ゲル状封止材で半田付け部が覆われるようにケース２内を封止し、さらにその上からエポキシ封止材でケース２内を封止する。このとき、エポキシ封止材がアンカー孔５３にも入り込んで固化し、端子本体部４４が封止材中に固定される。
１−ベース板
２−ケース
３−基板
４−外部端子
４５−第１溝部
４６−第２溝部
４７−第３溝部
４８−第４溝部
Ｘ−中心線

Claims (7)

  1. 半導体モジュール内に配置される基板に対し垂直に半田付けされる外部端子において、
    半田付けされる底部と、
    前記底部から垂直に折り曲げられた端子本体部と、を備え
    前記端子本体部は、前記底部からの折り曲げ部の直上の左端部側に第１溝部、右端部側に第２溝部を有し、前記第１溝部と前記第２溝部は前記端子本体部を垂直方向に通過する中心線に対して非対称であることを特徴とする半導体モジュール用外部端子。
  2. 前記第１溝部と前記第２溝部は、それぞれの水平方向の長さが異なっている、請求項１記載の半導体モジュール用外部端子。
  3. 前記端子本体部は、前記第１溝部と前記第２溝部の上方の左端部側に第３溝部、右端部側に第４溝部を有し、前記第３溝部と前記第４溝部は前記中心線に対して非対称である、請求項１記載の半導体モジュール用外部端子。
  4. 前記第３溝部と前記第４溝部は、それぞれの水平方向の長さが異なっている、請求項３記載の半導体モジュール用外部端子。
  5. 前記第３溝部と前記第４溝部は、それぞれの垂直方向の位置が異なっている、請求項４記載の半導体モジュール用外部端子。
  6. 前記第１溝部と前記第３溝部は、それぞれの水平方向の長さが異なっている、請求項３〜請求項５のいずれかに記載の半導体モジュール用外部端子。
  7. 前記第２溝部と前記第４溝部は、それぞれの水平方向の長さが異なっている、請求項３〜請求項６のいずれかに記載の半導体モジュール用外部端子。
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