JP3533317B2 - 圧接型半導体装置 - Google Patents
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Description
に係り、特に温度サイクル試験やパワーサイクル試験に
対する信頼性が向上された電力用の圧接型半導体装置に
関する。
ョナー、各種工作機械等において、駆動モーターの回転
数を制御するインバータとして、大電力用の半導体装置
が使用されている。
の構造を、図8に示す。
ウムやアルミナのようなセラミック基板の両面に、それ
ぞれ銅箔により配線1aが形成された配線基板を示し、
この配線基板1の主面上の所定の位置に、IGBT(イ
ンシュレイティッドゲートバイポーラトランジスタ)と
FRD(フリーホィールダイオード)との、いずれも矩
形を有する2種類の半導体ペレット2が、それぞれはん
だ付けされている。また、このような半導体ペレット2
がマウントされた配線基板1が、銅製の放熱板3上には
んだ付けされており、さらにこれらが、陽極部材4と陰
極部材5と共通電極部材6および複数の信号端子7がそ
れぞれ取付けられた絶縁樹脂製のケース8内に、それぞ
れ収容されている。そして、半導体ペレット2の電極パ
ッドと配線基板1の所要の配線1a、およびこれらの配
線1aとケース8に取付けられた電極部材等とが、Al
線9によりワイヤーボンディングされている。なお、図
示を省略したが、ワイヤーボンディング部の上部には、
絶縁樹脂の被覆・封止層が形成され、さらにその上に蓋
が被せられた構造になっている。
うな半導体装置においては、温度サイクルやパワーサイ
クルが加えられたとき、異種材料間の熱膨脹係数の違い
によって生ずる熱応力のために、はんだ接合部分やボン
ディングワイヤーの接合部分が疲労を起こすおそれがあ
った。
ックを絶縁基材とする配線基板1と半導体ペレット2と
が、Sn/Pb系のはんだで接合されるとともに、半導
体ペレット2の電極パッドと配線基板1の配線1aおよ
びこれらの配線1aと電極部材等とが、ワイヤーボンデ
ィングにより接続されているため、半導体ペレット2の
動作時に発生する熱により、装置全体の温度が上昇・下
降を繰り返したとき、はんだ接合部分またはAl線9の
接合部分が疲労を起こし、最終的に装置が破壊してしま
うおそれがあった。
になされたもので、電気的諸特性に優れ、特に温度サイ
クルやパワーサイクルに対する信頼性が向上された、電
力用の半導体装置を提供することを目的とする。
置は、両主面にそれぞれ電極端子を有する矩形の半導体
素子の複数個を、同一平面上に配置し並列に接続してな
る半導体素子ユニットの複数組と、前記複数組の半導体
素子ユニットを前記半導体素子の両主面側からそれぞれ
挟持し、かつ各半導体素子の電極端子にそれぞれ熱緩衝
板を介して接触して、前記複数組の半導体素子ユニット
を直列に接続する複数枚の電極板と、前記複数枚の電極
板を前記半導体素子の主面に対して垂直な方向に押圧付
勢するばね部材と、前記半導体素子ユニットにおける前
記半導体素子の配列の中心と前記電極板とをそれぞれ貫
通する通しボルトとナットとから成り、前記ばね部材の
押圧付勢力を調整する機構とを備え、絶縁樹脂製の外囲
器により封止されていることを特徴とする。
素子の複数個が同一平面上に配置された半導体素子ユニ
ットの1組または複数組が、複数枚の電極板により両主
面側からそれぞれ挟持されて、直列に配置されている。
そして、これらの電極板は、ばね部材により半導体素子
の主面に対して垂直な方向に押圧付勢され、各半導体素
子の電極端子に熱緩衝板を介してそれぞれ圧接されてい
る。
は、電極板を介して、各半導体素子ユニットを構成する
半導体素子はそれぞれ並列に接続されるとともに、半導
体素子ユニットは互いに直列に接続されており、はんだ
付けやワイヤーボンディングによることなく、所要の電
気的接続が行なわれている。したがって、半導体素子の
動作時の発熱や冷却の温度サイクルが繰り返されても、
部材間の熱膨脹係数の差に起因する疲労が生じることが
なく、接続部の信頼性が大幅に向上する。
合わせに配置され、電極間の距離が短くなっているた
め、インダクタンスが小さくなっている。そのうえ、電
極間が近いため、半導体素子の動作時に相互インダクタ
ンスが働き、素子の合計インダクタンスも従来に比べて
大幅に低減される。
体素子の主面に対して垂直な方向に押圧付勢しているう
えに、ばね部材の押圧付勢力が調整されるように構成さ
れているので、押圧力が分散することがなく電極板の各
部に均一にかかり、必要かつ十分な力で電極板を半導体
素子に圧接することができる。
いて説明する。
施例を示す正面図であり、図2は、同実施例の中心軸方
向の縦断面図である。また、図3は同実施例の圧接型半
導体装置の構成の概略(ゲート電極の引出し構造を除
く。)を示す分解斜視図である。
(例えば8個)の矩形の透窓部10aを有し、中央に圧
接用通しボルトの挿通孔10bが設けられた絶縁樹脂製
のペレットガイドを示し、このペレットガイド10の透
窓部10aに、いずれも矩形を有する複数個(例えば4
個)のIGBT11aと複数個(例えば4個)のFRD
11bとが、それぞれ嵌め込まれており、これらの半導
体ペレット11の両主面には、それぞれ熱緩衝板である
モリブデンディスク12が重ねて配置されている。ここ
で、各半導体ペレット11の配設位置は、IGBT11
aとFRD11bとがボルトの挿通孔10bの周りに交
互に並び、かつIGBT11aが4つのコーナー部に位
置するように配置されている。また、各IGBT11a
においては、引き出される配線長ができるだけ短くなる
ように、また引出し構造の製作容易性を考慮して、ゲー
ト電極Gは、引出し方向である上方向の周囲に近い隅位
置にそれぞれ配置されている。
決めされて同一平面上に配置された半導体ユニット13
の2組が、上部に外部接続用端子14aが突設され、中
央に通しボルトの挿通孔14bが穿設された銅製の共通
電極板14を挟んで立設されている。
ト13の外側面には、共通電極板と同様に外部接続用端
子15a、16aと通しボルトの挿通孔15b、16b
とがそれぞれ設けられた、一対の銅製の電極板(陽極板
15および陰極板16)が、それぞれ並べて配置されて
いる。さらに、これら陽極板15および陰極板16の外
側面において、ボルト挿通孔15b、16bの周りに
は、それぞれ陥凹部15c、16cが形成されており、
これらの陥凹部15c、16cにはそれぞれ皿ばね17
が嵌着されている。そして、これら全体が、ポリフェニ
レンサルファイド、ポリブチレンテレフタレートのよう
な絶縁樹脂製で、上部ケース18aと下部ケース18b
とから成る箱形外囲器18により覆われており、箱形外
囲器18と電極板等との間は、接着剤(図示を省略。)
により接着がなされ、気密封止が図られている。
ばね17嵌着部の外側には、窒化アルミニウムやアルミ
ナのようなセラミックの薄層19を介して、上部にフィ
ン部20aが形成されたアルミニウム製の放熱フィン2
0がそれぞれ配置されている。また、これらの放熱フィ
ン20と各電極板(陽極板15と陰極板16および共通
電極板14)およびペレットガイド10の各ボルト挿通
孔を順に繋いで、通しボルト21が挿通され、この通し
ボルト21とそのねじ部に螺合されたナット22とによ
り締付け結合がなされている。そして、ナット22の締
付け力を調節することで、通しボルト21の挿通方向に
作用する皿ばね17の押圧付勢力を調整し、この押圧付
勢力により、各電極板を半導体ペレット11の主面にモ
リブデンディスク12を介して圧接するようになってい
る。
極Gには、以下に示す電極引出し構造23が設けられて
いる。
ように、中央に配置された共通電極板14および一方の
電極板(例えば陰極板16)において、IGBT11a
のゲート電極Gに対向する面側の両側面部に、段差状の
切削部24が形成されるとともに、この段差状切削部2
4に連接して、IGBT11aのゲート電極Gに対応す
る位置にそれぞれ凹溝が設けられている。また、これら
の凹溝に、樹脂製の円筒状ガイド管25がそれぞれ配設
され、これらのガイド管25内に、後端部にコイルばね
26が固着されたプローブピン27が同心的に挿嵌され
ている。そして、このプローブピン27の先端が、モリ
ブデンディスク12の所定の位置に設けられた透孔を同
心的に(孔の内壁面に接触することなく)挿通して、I
GBT11aのゲート電極Gに当接されている。さら
に、共通電極板14および陰極板16の段差状切削部2
3には、銅張積層板(ガラスエポキシ積層板)を用いて
コの字形に作製され、一方の主面に所定の配線が形成さ
れた枠形の配線板28が嵌め込まれている。そして、こ
の枠形配線板28の銅配線に、コイルスばね26を覆う
導電性の鞘体29の基端部が当接され、この導電性鞘体
29を介して、プローブピン27が配線に接続されてい
る。
気的接続を、図6の等価回路図に示す。
互いに並列に接続された4個のIGBT11aと4個の
FRD11bとにより半導体ユニット13が構成され、
このような半導体ユニット13の2組が、中間に接続さ
れた共通電極により直列に接続されるとともに、両端部
(エミッタ側およびコレクタ側)が陽極および陰極にそ
れぞれ接続された回路が形成されている。また、各IG
BT11aのゲート電極Gが、引出し構造によりそれぞ
れ外部に引き出されている。
においては、4個のIGBT11aと4個のFRD11
bとが同一平面上で並列に配置・接続された半導体ユニ
ット13の2組が、共通電極板14を挟んで直列に配置
・接続されており、これらの両側に陽極板15および陰
極板16がそれぞれ並置され、これらの電極板が皿ばね
17の押圧付勢力により、モリブデンディスク12を介
して半導体ペレット11の主面に圧接されている。この
ように、半導体ペレット11と電極板との所要の接続
が、はんだ接合やワイヤーボンディングによることな
く、圧接によりなされているので、動作時の発熱、冷却
による熱膨脹係数差に起因する疲労が生じることがな
く、温度サイクルやパワーサイクルに対する信頼性が大
幅に向上する。例えば、温度サイクル試験の結果は、従
来の非圧接型の半導体装置では、 300サイクルであった
のに対して、実施例の半導体装置では、1000サイクル以
上を示す。また、パワーサイクル試験の結果は、従来の
半導体装置が 10000サイクルであったのに対して、実施
例の半導体装置では、100000サイクル以上と飛躍的に向
上している。
板が薄い半導体ペレット11を挟んで隣り合わせに配置
され、電極間の距離が短くなっているので、インダクタ
ンスが減少しているうえに、電極間の距離が短く、半導
体ペレット11の動作時に相互インダクタンスが働くた
め、素子の合計インダクタンスも従来の 1/3以下と大幅
に低減される。
側から挟むように押圧付勢するとともに、電極板および
半導体ユニット13等の中央部を貫通して設けられた通
しボルト21とナット22とからなる圧接用ねじ部材の
締付けにより、各電極板が半導体ペレット11の対向す
る主面に圧接されているので、押圧力が分散することな
く電極板の各部に均一にかかり、電極板が各半導体ペレ
ット11に確実に圧接される。さらに、ナット22の締
付け力を調節することで、皿ばね17の押圧付勢力を調
整することが可能であり、必要かつ十分な力で電極板を
半導体ペレット11に圧接することができる。そして、
半導体ペレット11を3次元的に高密度で実装すること
ができ、従来の半導体装置に比べて、設置スペースを約
1/2に節減することができる。
および(b)にそれぞれ示す。これらの図において、図
1および図2と同一の部分には、同一の符号を付して説
明を省略する。
と同じ構造を有する3つの半導体装置30a、30b、
30cが、通しボルト21の挿通方向に対して垂直な方
向に、圧接用ねじ部材等による圧接方向が平行になるよ
うに、並べて配置されている。そして、各半導体装置に
おいて、共通電極板14はそれぞれ個別に設けられてい
るが、陽極板および陰極板としては、3つの半導体装置
に共通する一括型陽極板31および一括型陰極板32が
それぞれ配設されており、これらの一括型電極板を介し
て各半導体装置が並列に接続されている。そして、一方
の端部の半導体装置30aにおいて、一括型陽極板31
および一括型陰極板32の上部に、それぞれ外部接続用
端子部31a、32aが突出して形成され、共通電極板
14と同様に上方に引き出されている。
においては、前記実施例と同様に、半導体ペレット11
と電極板等との所要の接続が、圧接により確実になされ
ているので、温度サイクルやパワーサイクルに対する信
頼性が大幅に向上する。また、多数の半導体ペレット1
1がより高密度で実装されているうえに、3つの半導体
装置30a、30b、30cに共通する一括型の陽極板
31と陰極板32がそれぞれ設けられ、これらの一括型
電極板が共通電極板14と同様に上方に引き出されてい
るので、ブスバーのような外部端子との接続が容易で、
接続構造が簡易化されるという利点を有している。
着した陽極板15および陰極板16の外側に、ヒートシ
ンクとしてアルミニウム製の放熱フィン20を設けた
が、ヒートシンクとしては、冷却水を流す管を設置して
水冷することも可能である。また、セラミック材料によ
りヒートシンクを形成することもできる。すなわち、ア
ルミニウム製の放熱フィン20に代わり、ヒートシンク
としての機能を有するセラミック製の支持部材により、
電極板および半導体ユニット13を両側から挟み込んだ
構造としても良い。
部接続用端子15a、16aは、必ずしも曲げる必要は
ないが、ブスバー等に連結する場合には、上部を屈曲す
ることが望ましい。またさらに、電極板を押圧付勢して
半導体ペレット11の主面に圧接するためのばね部材と
して、実施例ではばね鋼製の皿ばね17を使用したが、
これに限定されず、各種の材料から成る種々の形状のば
ねを使用することができ、樹脂製のばねも使用可能であ
る。
ードのみを使用することも可能である。その場合には、
ゲート電極の引出し構造を設ける必要がないので、半導
体ペレット11と各電極板とを圧接した装置全体の構造
を、より簡易化することができる。
によれば、電気的諸特性に優れ、特に温度サイクルやパ
ワーサイクルに対する信頼性が向上された、圧接型の半
導体装置を得ることができる。
ボルトを取り除いた状態を示す一部切欠正面図。
極引出し部の構造を示す正面図。
を拡大して示す一部断面図。
し、(a)は上面図、(b)は一部切欠正面図。
造を示す断面図。
Claims (9)
- 【請求項1】 両主面にそれぞれ電極端子を有する矩形
の半導体素子の複数個を、同一平面上に配置し並列に接
続してなる半導体素子ユニットの複数組と、 前記複数組の半導体素子ユニットを前記半導体素子の両
主面側からそれぞれ挟持し、かつ各半導体素子の電極端
子にそれぞれ熱緩衝板を介して接触して、前記複数組の
半導体素子ユニットを直列に接続する複数枚の電極板
と、 前記複数枚の電極板を前記半導体素子の主面に対して垂
直な方向に押圧付勢するばね部材と、 前記半導体素子ユニットにおける前記半導体素子の配列
の中心と前記電極板とをそれぞれ貫通する通しボルトと
ナットとから成り、前記ばね部材の押圧付勢力を調整す
る機構とを備え、 絶縁樹脂製の外囲器により封止されていることを特徴と
する圧接型半導体装置。 - 【請求項2】 請求項1記載の半導体装置の3個を、前
記通しボルトの挿通方向に対して垂直な方向に並置し、
かつ各半導体装置の電極板を全て同一の方向に引き出し
たことを特徴とする圧接型半導体装置。 - 【請求項3】 前記ばね部材の外側に、ヒートシングが
配設されていることを特徴とする請求項1または2記載
の圧接型半導体装置。 - 【請求項4】 前記ヒートシングが、セラミックからな
る支持部材であることを特徴とする請求項3記載の圧接
型半導体装置。 - 【請求項5】 前記ヒートシングが、フィン部を有する
銅製の支持部材であることを特徴とする請求項4記載の
圧接型半導体装置。 - 【請求項6】 前記各半導体素子ユニットが、インシュ
レイティッドゲートバイポーラトランジスタ(IGB
T)の複数個とダイオードの複数個とをそれぞれ有する
ことを特徴とする請求項1または2記載の圧接型半導体
装置。 - 【請求項7】 前記IGBTのゲート電極に、プローブ
ピンとその後端部に固着されたばね部材、および主面に
所要の配線が形成された配線板を有するゲート電極引出
し機構が接続されていることを特徴とする請求項6記載
の圧接型半導体装置。 - 【請求項8】 前記IGBTとダイオードとが、前記通
しボルトの周りに交互に並びかつ前記IGBTがコーナ
ーに位置するようにそれぞれ配置され、かつ各IGBT
において、ゲート電極が前記引出し方向に近い隅位置に
配置されていることを特徴とする請求項7記載の圧接型
半導体装置。 - 【請求項9】 前記半導体ユニットの2組が共通電極板
を間に挟んで配設されており、これら2組の半導体ユニ
ットの外側面に、一対の電極板である陽極板と陰極板が
それぞれ並置されていることを特徴とする請求項1記載
の圧接型半導体装置。
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