JP2739954B2 - 電力用半導体装置とその製造方法 - Google Patents

電力用半導体装置とその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は大電力を取扱う電気回路に使用される電力
用半導体装置の、その製造方法に関する。
〔従来の技術〕
このような電力用半導体装置は、西独出願番号3,604,
313で知られている。この電力用半導体装置は、底部で
開いているプラスチックの容器を具備する。その上面に
導電パターン層（金属被膜基板）を持ち、半導体素子と
装置内部のための電気接続素子をもち半田で電気的に接
続されているセラミック製基板は、基礎の面となる。加
えて、外部に負荷電流を運ぶ基本端子の接続素子は、形
成された基板に溶接されている。制御端子は、基板の平
板上の突出物が基板の外の部分に広がっているため、い
わゆる突出端子と呼ばれている。制御端子はワイアーボ
ンダーによる配線工程がすんだ後、二回目の半田溶接で
溶接されるか、薄い套管に挿入される。しかし主接続の
ためのコネクタ板は、ちょうど他の一般的な装置のよう
に、一回目の半田溶接で前記基板上のコネクタ板が直立
して半田溶接される。溶接を行なうには高価な溶接用の
ジグが必要であり、これは半田溶接する際にコネクタ板
が破損しないよう必要な場所に設置されるものである。
1987年１月８日付けのエレクトロニック・デザイン誌
（Electronic Design）の156頁に、4e図において装置の
製造過程が示される中で、横になった状態のコネクタ板
が溶接される製造工程が示されている。この説明の結論
は一方では、半田溶接の通路が溶接後でも形成でき、溶
接ジグが不必要になり、単なる整列のための道具のみ必
要であることを示している。しかしコネクタ板は溶接の
後、本体容器から分離され上に向けて曲げられなければ
ならない。これは一定の複雑さをともない、半田溶接の
部分に機械的な圧力を加えることとなる。
〔発明が解決しようとする課題〕
この発明は電力用半導体装置の生産が簡略化するよ
う、また生産するとき特に位置決めや配列のための装置
の助けが不必要となるように、電力用半導体装置の構造
を工夫することを目的としている。
〔課題を解決するための手段及び作用〕
この目的は、請求項１で特徴づけられた電力用半導体
装置により達成されている。
さらに好ましい実施例は、他の請求項で明記されてい
る。また、請求項10と11はこの装置の製造方法を明記し
ている。
この発明の一つの実施例によれば、装置は異なった半
田溶接温度において二回に分けて半田溶接を行なうこと
によりつくられ、一回目のみでは外部接続素子は完成し
ない。一回目の半田溶接が終り部品を組込んだ後の電力
用半導体装置の基板は溶接するに適しており、また装置
の機能を試験するにも都合がよい。適切な形状に形成さ
れたプラスチック製の本体容器の凹部は、二回目の溶接
において溶接ジグとして使用される。すなわち、この容
器の凹部により接続部品は正確に一直線に整列させられ
る。二回目の溶接においてプラスチックの容器は体積が
少ないので、都合のよい短時間の溶接時間のみでよい。
また連続した高熱で溶接が可能なように、耐熱構造をと
っている。もう一つの方法として、接続素子の必要部分
だけを溶接に必要な温度に短時間熱するだけで、二回目
の溶接は都合よく可能である。この場合プラスチックの
容器に対する熱の負担は最も小さく、一回目の溶接の場
合と同じ温度で半田が溶ける。温度抵抗と関係がある普
通の条件を満足するプラスチックの容器を使ってもよ
い。一回目の場合よりも低温で行なわれた二回目の溶接
を終えた後、電力用半導体装置は普通の方法で容器に納
められ、スプリングのロック付のカバーがその上に装着
される。そして、カバーの狭い開口部より突き出した一
対のコネクタ板が単純に曲げられる。
この発明の他の実施例によれば、配線工程を必要とし
ない装置が示され、この装置は半導体のチップや外部端
子につながる接続金具やコネクタ板が挿入され、半田溶
接の段階でその状態を維持される埋込み穴を具備した耐
熱性のあるプラスチックの容器を有する。
〔実施例〕
発明は明細書の実施例の中で、さらに詳しく陳述され
る。
第２図から第９図までの電力用半導体装置のさらに詳
しい説明は、発明の詳細な説明により明らかになり、ま
た第１図はこの発明の基礎となる回路図を示す。第１図
においてこの電力用半導体装置は、二つのゲート・オフ
・サイリスタ１と二つのダイオード２を具備し、三つの
基本端子３と四つの制御用端子４を具備する。
第２図は、直接に溶接する方法で装着された導体部分
としての銅領域６を持つ、酸化アルミニウムによるセラ
ミック製基板５を示す。半導体（ダイオード）1,2は、
銅領域６に半田溶接される。半田溶接部分７、すなわち
銅領域６のある部分は製造工程の一段階目で、溶接材料
により半田メッキされる。その後に接続部品は、前記溶
接領域７に溶接される。第２図はさらに、ダイオード２
と銅領域６の間に溶接され電気的な関係をつくる留め金
具８を示している。そして、超音波溶接法により作られ
た配線９は、サイリスタ１と銅領域６の間にされる。
第３図は、耐熱性のプラスチックによる本体容器10の
平面図である。当該電力用半導体装置の本体容器10とし
て示されている架構はこの発明の本質である構成を示し
ており、位置決め凹部11を作るための位置決め凹部壁13
を具備しており、第5a図と第5b図に示すコネクタ板12は
第７図に示すように製造工程において位置決め凹部11に
挿入される。
位置決め凹部壁13による位置決め凹部11の形成は、第
４図に示す外観を考え合せれば明らかになる。第４図
は、第３図に示された当該電力用半導体装置の本体容器
10の破線ABにおける断面を示した図である。さらに位置
決め凹部11は第３図と第４図で明らかなように、それぞ
れ狭い位置決め凹部14と広い位置決め凹部15とからな
る。さらに第４図は、広い位置決め凹部15は狭い位置決
め凹部14よりも高い位置にあることを示している。広い
位置決め凹部15は、位置決め凹部壁13上のモールド部材
16により形成されている。モールド部材16をもつ二つの
位置決め凹部壁13は、広い部分と狭い部分とからなる十
字架構造の部屋11を形成するべく鏡像のように構成さ
れ、適当な距離を置いて形成されている。第４図に見ら
れるように、位置決め凹部壁13は当該電力用半導体装置
の本体容器10のほぼ中央に約1/3の高さで設けられてい
る。この結果、位置決め凹部壁13の下の空間は、当該電
力用半導体装置の本体容器10に挿入されるセラミック製
基板５の上の部品1,2（第４図では見られぬが）が収納
されるために残されている。形成された部分16により形
成された広い位置決め凹部15は、第８図，第９図で示さ
れる容器カバー17がその上を覆っている当該電力用半導
体装置の本体容器10の最上部の縁に達している。
さらに当該電力用半導体装置の本体容器10の詳細は、
これは従来技術でも知られていたが、第３図、第４図で
見ることができる。固定ネジのための穴19を備えた固定
突縁18は、当該電力用半導体装置の本体容器10に具備さ
れている。溝20は突縁18の領域に設けられており、固定
ネジの領域からセラミック製基板５への機械的圧力の伝
達が妨げるように設けられている。当該電力用半導体装
置の本体容器10の底部において、セラミック製基板５を
受けるための埋込み穴21と、埋込み穴21の中の粘着性の
残余物を受ける溝22が用意されている。またさらに形成
された成型凹部23は第３図にその平面図が示されてお
り、第6a図に示されたプラグ・コネクタ29は制御端子４
を形作っている。
第5a図と第5b図は、すでに述べたがコネクタ板12の側
面図と正面図を示している。コネクタ板上部24におい
て、コネクタ板12が引伸ばされた穴25を持っている。本
体容器のカバー17が装着された後は、前記コネクタ板上
部24は本体容器カバー17の狭い開口部26を通して突き出
され、第８図で見られるように開口部26で曲げられる。
さらに、だ円の穴25を持つ広いコネクタ板上部24で、
第5a図と第5b図で示されるコネクタ板12は、Ｚ形に角を
つけられた半田溶接部を持つ狭い接続金具27を備えてい
る。
第6a図と第6b図は、制御端子４で説明したプラグ・コ
ネクタ29を示す。これらは、当該電力用半導体装置の本
体容器10の成型凹部部23に挿入されるために設けられた
コネクタ・タブ30と、コネクタ基礎部31を備えている。
コネクタ基礎部31は、二箇所で曲げられた一本のワイア
ー32を備えている。前記ワイアー32は、プラグ・コネク
タ29が成型凹部23に挿入された後、セラミック製基板５
に備えられた半田溶接領域７にこのワイアーの先端33が
達するように曲げ加工してある。
第７図では、当該電力用半導体装置の本体容器10の平
面図が再び示されているが、しかし各部品が装着された
後であり、セラミック製基板５は当該電力用半導体装置
の本体容器10の底の面に接着され、コネクタ板12は位置
決め凹部11に位置され、プラグ・コネクタ29は成型凹部
23に挿入されている。目的を明快にするために、第２図
で示された配線９と留め金具８は、第７図では省略して
いる。
第８図は本体容器カバー17の平面図で、当該電力用半
導体装置の本体容器10の上に装着される。三つのコネク
タ板上部24は、本体カバー17の狭い開口部26を貫通した
後、曲げられる。ネジ34は基本端子３を形成するよう、
コネクタ板上部24の延長穴25を通してナット止めされ
る。最終的に第９図は、さらに完成した当該電力用半導
体装置の側面図を示している。
図で示した当該電力用半導体装置の製造方法につい
て、以下に述べる。
まず第一に導電体である銅領域６を備えたセラミック
製基板５について述べる。銅領域６は既知の直接半田溶
接する方法で、セラミック製基板５に接続される。サイ
リスタ１と（ここではGTOサイリスタであるが）、ダイ
オード２と留め金具８は銅領域６に溶接される。この半
田溶接は、たとえば連続的に熱せられた炉で約300度の
温度の溶解した半田により行なわれる。さらに、第２図
に示された半田溶接領域７は、後の半田溶接の準備段階
として、例えばPbSn60のような低温で溶解する材料で半
田メッキされる。配線９は、ターン・オフ・サイリスタ
１のカソードとゲートの端子と銅領域６の間は超音波の
太線ワイアーボンディング法により配線される、明らか
に配線９は、留め金具８の代りにダイオード２と接続が
できる。部品が実装済みの基板は第２図で示され、重要
な電気パラメーターを試験できる状態にある。この広さ
の中に部品が実装してあるセラミック製基板５は、第４
図と第５図で示される当該電力用半導体装置の本体容器
10の底の面に備えられた埋込み穴21に、本体容器と基板
の間の機械的な衝撃を避ける目的で弾力のあるシリコン
・ゴムによって接着されている。しかしそれ以外の方法
としては、一度目の半田溶接で前記基板５を銅板の上に
溶接し（この銅板は図にはないが）、次にそれを当該電
力用半導体装置の本体容器10に接着させることで製造さ
れる。
当該電力用半導体装置の本体容器10は、後の二回目の
半田溶接で破壊されないように、耐熱性のあるプラスチ
ックでできている。部分的には、例えば200度から260度
の間の溶解点をもつ、透明で熱可塑性のあるポリエステ
ルなどが適している。
接着の準備の後、第5a図と第5b図に示されたコネクタ
板12は、第７図で示したように位置決め凹部11に挿入さ
れる。位置決め凹部11は、二回目の溶接工程において溶
接ジグとして作用する。コネクタ板12の半田溶接部28
は、銅領域６の半田溶接領域７に接面している。溶接面
に半田がよく乗るように、コネクタ板はあらかじめニッ
ケル・メッキか錫メッキにする。
また第７図に示すように、第6a図と第6b図で示すプラ
グ・コネクタ29は、ワイアーの先端33が半田溶接領域７
に達するよう整列されたワイアーを装着し、成型凹部23
に挿入される。ワイアー32は銅領域６とプラグ・コネク
タ29の間の接続部品として好都合であり、その理由は簡
単にワイアーを曲げるだけで、銅領域６を備えた基板５
の異なった設計の回路が実現するからである。
言うなれば、必要とされる部品の数または経済的効率
によっては、さらに多くの変形例が可能である。つま
り、プラグコネクタ29が、複数のワイア32の代わりとし
て、成型された形状で製造元から提供されているのであ
れば、このコネクタのみを直接装着してもよい。又、銅
領域６に備えられた半田溶接領域７の代りに、溶剤を含
んだ数滴の半田ペーストを備えたコネクタ板12の半田溶
接部28とワイアー32の解放された先端33を用意してもよ
い。装着する手数を省くために、ダイオード２とプラグ
・コネクタ29がすでに装着された形で当該電力用半導体
装置の本体容器10を供給者から受取ることにしてもよ
い。
コネクタ板12とワイアー32は、二回目の溶接において
銅領域６に接続される。表面処理された半田溶接領域７
が用意できた場合は、減圧下のもとで最大溶接温度の22
0度の連続燃焼炉で半田溶接が可能である。赤外線ラン
プの照射により連続的に熱せられた炉を使用すれば、当
該電力用半導体装置の本体容器10や基板５はその質量が
小さいので、例えば１分から２分の短い時間で半田溶接
が可能である。例えば3M社製のFC−70などの蒸気相半田
溶接槽を用いて、沸騰点215度の沸騰した半田溶液を用
いれば同等の効果を得られる。しかしながら他の半田溶
接技術も用いられ、例えばレーザービームやあるいは抵
抗加熱、加圧プローブを使ういわゆるパルス・リフロー
を用いた半田溶接の一点加熱による半田溶接技術が使用
される。この場合、耐熱性のプラスチックの使用を少な
くするために、プラスチックの部分に及ぼす熱による損
害は最小となるようにしてある。
最後の製造工程として、この大きさで完成された装置
は柔らかいシリコンで内部を満たされ、既知の方法でエ
ポキシ樹脂で満たされたのち、プラスチックの本体容器
カバー17を装着される。ナットは本体容器カバー17の基
本端子３のある場所の埋込み穴に備えられ、コネクタ板
上部24の延長穴25はそれぞれナットの上に位置してそこ
にネジが入るように、カバーから突き出したコネクタ板
上部24は曲げられる。
第二の実施例については、第10図から第16図で示され
る。この電力用半導体装置のプラスチック容器は、外部
端子を配列させる半田溶接ジグとして機能するだけでな
く、半導体チップと当該装置内部の接続金具のための半
田溶接ジグとしても機能する。この装置は、西独特許出
願3,610,288において類似した実施例をすでに知られて
いる。しかしこの出願の装置では、装置の本体容器は半
田溶接ジグとしては使用できない。出願の装置は単相整
流器の実施例として開示されているにすぎない。
第10図はこの場合セラミック製ではない基板35の平面
図であり、たとえばポリイミド樹脂またはエポキシ樹脂
などの絶縁層で表面処理された金属板であり、例えばア
ルミニウムの薄板等である。絶縁層36は適当な静電容量
を持ち、（たとえば１秒間に3kVくらいの耐久電圧を持
つ）また同じ時間で良好な温度状態を保つものである。
さらに導電パターン層37が、絶縁層36に備えられてい
る。絶縁層と銅層を備えたこのような金属基板として
は、デンカ（DENKA）のヒット・プレート（Hit Plate）
などがある。そのため、この基板の製造方法の説明は不
必要である。
この第２の実施例の基板35は四角い形をしており、装
置は中央のネジにより固定されその結果として中央に配
列されるように、中央には穴38が開いている。さらに第
10図の平面図は、第11図の半田部分40をその上に具備し
た領域39を表わしている。領域39は融剤を含んだ半田部
分40を、例えばスクリーン印刷の方法で焼付けられてい
る。半田部分40は乾いている。この部分を乾燥させる工
程はもう一つの工程と同時に達成される、すなわち、プ
ラスチック製の本体容器45（第14図）に基板35を接合さ
せるための粘着性を乾燥させる工程と同時に行なわれ
る。
第11図は、第10図に描かれた直線Ｃ−Ｄに沿っての断
面図である。基板35は、例えば、約1mm厚のアルミニウ
ム板と、70μｍの絶縁層36と、約35μｍの導電パターン
層37からなっている。
第12図は、基板に装着される部品を示しており、すな
わちコネクタ上部41と、ループ状拡張部分42、装置の内
部に半導体チップ44を接続するための金具43とを示して
いる。
第13図は、プラスチック製の本体容器45の平面図であ
る。第14図は、プラスチック製の本体容器の断面図であ
り、第13図の直線Ｅ−Ｆによる。
さらに中央穴46はネジを留めるためのものであり、ま
たプラスチック製の本体容器45は、半田溶接工程時に部
品41,43,44の位置を固定するために特に形成された埋込
み穴47.1,47.2を具備している。この接続において、埋
込み穴47.1にはプラグ・コネクタ上部41を、埋込み穴4
7.2には半導体チップ44をそれぞれ挿入してその位置を
固定する。金具43は第15図のようにそれぞれ埋込み穴4
7.1,47.2を通過し、装着するものである。またちょうど
初めに示した実施例の本体容器10のように、プラスチッ
ク製の本体容器45は耐熱性を持っていなければならな
い。埋込み穴48は基板35を挿入するために、プラスチッ
ク製の本体容器45の底の部分に設けられている。
基板35は例えば温度上昇で硬質化されたシリコン・ゴ
ムを用いて、プラスチック容器45に接着されている。そ
して、本体容器の埋込み穴47.1と47.2に構成部品が挿入
される。初めに半導体チップ44が挿入され、そして金具
43が、そして最後にプラグ・コネクタ上部41が挿入され
る。これらの部品は溶接の前に任意に半田メッキされ、
その結果として、あらかじめ半田メッキされた基板35の
半田メッキ領域39に接合され、埋込み穴47.1,47.2によ
り整列される。部品が装着された当該装置は、第15図で
示される。
低温で融解するPbSn（半田）は、溶接材料としてよく
使用される。部品を装着された装置は、赤外線の照射に
より連続的に熱せられた炉で溶接される。溶接の後のフ
ラックスの残余は溶解液で洗い落される。最終的に装置
は既知の方法で、第16図の容器の角の上部のやや下に見
ることができる高さまで封入合成物49で満たされる。第
16図は完成された当該電力用半導体装置を示している。
〔発明の効果〕
この発明の本体容器によれば、生産の一過程である半
田溶接の際に、溶接すべき構成部品を本体容器に設けら
れた埋込み穴、位置区分凹部に挿入しその配列を固定す
ることで、従来のような半田溶接用のジグ（補助装置）
を必要とせずに溶接を行うことが可能となり設備、工程
の簡略化が計られる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、第２図〜第９図の電力用半導体の回路図、 第２図は、各構成要素を装着したセラミック製基板の平
面図、 第３図は、プラスチックの容器の平面図、 第４図は、第３図のプラスチックの容器の内部の図、 第５図（ａ）は、取付け金具の側面図、 第５図（ｂ）は、取付け金具の正面図、 第６図（ａ）は、取付けワイヤーが溶接されたプラグ・
コネクターの正面図、 第６図（ｂ）は、取付けワイヤーが溶接されたプラグ・
コネクターの側面図、 第７図は、セラミック製の基板が挿入され、接続用突起
物、プラグ・コネクターが装着された容器の平面図、 第８図は、プラスチックのカバーが取付けられて完成さ
れた電力用半導体素子の平面図 第９図は、完成された電力用半導体素子の側面図、 第10図、第11図は、第15図、第16図による２番目の模範
的な実施例で説明される単相整流器の基板の平面図、 第12図は、２番目の模範的な実施例のための部品の側面
図、 第13図、第14図は、２番目の模範的な実施例のプラスチ
ックの容器の平面図、 第15図は、部品が装着された電力用半導体素子の平面
図、 第16図は、ケースに納められた電力用半導体素子の側面
図である。 1,2……半導体（ダイオード）、３……基本端子、４…
…制御端子、５……セラミックの基板、６……銅領域、
７……半田溶接領域、８……留め金具、９……配線、10
……本体容器、11……位置決め凹部、12……コネクタ
板、13……位置決め凹部壁、14……狭い位置決め凹部、
15……広い位置決め凹部、16……形成された部分、17…
…本体容器カバー、18……固定突縁、19……穴、20……
溝、21……埋込み穴、22……溝、23……成形凹部、24…
…コネクタ板上部、25……延長された穴、26……狭い開
口部、27……狭い接続部分、28……半田溶接部、29……
プラグ・コネクタ、30……コネクタ・タブ、31……コネ
クタ・基礎部、32……ワイアー、33……ワイアーの先端
部、34……ネジ、35……基板、36……絶縁層、37……導
電パターン層、38……穴、39……露出領域、40……半田
部分、41……プラグ・コネクタ上部、42……ループ状拡
張部分、43……金具、44……半導体チップ、45……プラ
スチック製の本体容器、46……中央穴、47.1……特別に
形成された埋込み穴、47.2……特別に形成された埋込み
穴、48……埋込み穴、49……封入合成物。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 フーベルト・ヘットマン ドイツ連邦共和国、デー‐6832 ホッケ ンハイム、バルトシュトラーセ 16 (56)参考文献 特開 昭62−108552（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−72758（ＪＰ，Ａ)

Claims (11)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】上面に電路として形成される導電パターン
    層と、前記導電パターン層に半田溶接された電力用半導
    体部品とを有する絶縁性基板と、 前記基板と構成部品とを保持し位置決めを行なう位置決
    め部と、半田溶接のための開口部とを有し、前記基板と
    構成部品との半田溶接の際に治具として機能する本体容
    器と、 を有する電力用半導体装置。
  2. 【請求項２】前記本体容器は、前記基板の半田溶接に必
    要な温度に耐える耐熱性を持った耐熱性プラスチックに
    より形成される請求項１に記載の電力用半導体装置。
  3. 【請求項３】前記位置決め部は、コネクタ板を装備する
    ための広い位置決め部と、コネクタ板に設けられた狭い
    接続部品を装着するための狭い位置決め部からなる十字
    形状である請求項１又は２に記載の電力用半導体装置。
  4. 【請求項４】前記本体容器は、枠部分とカバー部分に分
    離できる請求項1,2又は３に記載の電力用半導体装置。
  5. 【請求項５】前記枠部分は、溶融温度が200度以上であ
    り、ガラス変態温度は100度以上である請求項４に記載
    の電力用半導体装置。
  6. 【請求項６】前記構成部品の一つであるプラグコネクタ
    であって、一本のワイアーが半田溶接されており、制御
    端子を形成するためのプラグ・コネクタを有する請求項
    1,2,3,4又は５に記載の電力用半導体装置。
  7. 【請求項７】前記制御端子のためのプラグ・コネクタ
    が、前記本体容器の成形凹部に挿入される請求項６に記
    載の電力用半導体装置。
  8. 【請求項８】前記基板は、セラミック製である請求項1,
    2,3,4,5,6又は７に記載の電力用半導体装置。
  9. 【請求項９】前記基板は、前記基板との間に絶縁層を介
    した銅の導電パターン層を有する金属基板である請求項
    1,2,3,4,5,6又は７に記載の電力用半導体装置。
  10. 【請求項１０】半導体部品を基板に半田溶接を行なう第
    １半田溶接工程と、 前記基板と構成部品とを保持し位置決めを行なう位置決
    め部と、半田溶接のための開口部とを有し、前記基板と
    構成部品との半田溶接の際に治具として機能する本体容
    器に、前記基板を接続する接続工程と、 前記本体容器の前記位置決め部に接続端子を挿入する工
    程と、 前記接続端子と前記基板とを前記開口部から半田溶接を
    行なう第２半田溶接工程と、 前記本体容器内に封入物を封入し、カバーを装着する工
    程と、 を有する電力用半導体装置の製造方法。
  11. 【請求項１１】前記第１半田溶接工程の際に前記基板の
    金属被膜に半田ペーストを塗布する工程と、 前記第１半田溶接工程の際に、内部接続を行なう工程
    と、 前記接続工程の際に前記基板を本体容器に接着する工程
    と、 を更に有する請求項10に記載の電力用半導体装置の製造
    方法。
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