JP3953959B2 - Power semiconductor device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は電力用半導体装置に関し、特に電力用半導体装置の電極接続部の構造に関する。
【0002】
【従来の技術】
IGBT等の電力用半導体素子とその電力用半導体素子を制御する制御回路とを実装した絶縁基板を一つのケース内に収納したパワーモジュールは、電力用半導体素子と外部との間で電力の入出力を行うための電極を備えている。その電極はケース上面からケース内部へ延在し、ケース底部に配された絶縁基板上に半田接合またはワイヤボンド接続により固設されている。
【0003】
ケース上面において電極には、外部配線部材であるブスバが接続されるが、このブスバ配線時に電極に上向き応力がかかる。この応力により、電極と絶縁基板との接面に亀裂または剥離が生じることがある。この問題を解決するため、従来では、電極の一部に、ケース上面の少なくとも一部に嵌装される蓋と、蓋下方より係合するように突起部を設けていた。これにより、電極に係る応力(特に、ブスバ配線時等に働く上向きの応力)を分散し、応力が直接的に電極と絶縁基板との接面に働くことを防止していた。なお、電力用半導体装置における電極接続構造に関する先行技術としては上記以外に特許文献1に開示されたものがある。
【0004】
【特許文献1】
特開2002−076255号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の電極に突起部を設けた構成においては蓋および突起部の製作において高い精度が要求された。そのため製作時の精度が低いと突起部が有効に機能せず、上記電極と絶縁基板との接面に対して直接的な力が働き、場合によっては接面の亀裂または剥離が生じることがあった。
【0006】
本発明は上記課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、高い精度を要求せずに製作でき、ブスバ配線時等、電極に上向きの応力がかかるおそれのある場合においても、絶縁基板と電極との接面の亀裂または剥離を防止可能とする電力用半導体装置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る電力用半導体装置は、樹脂ケース内に電力用半導体素子及びその制御回路を収納し、電力用半導体素子と外部との間で電力の入出力を行なうための電極を樹脂ケース上端面に有する電力用半導体装置である。電力用半導体装置は、樹脂ケース上端面内側にナットを挿入し、そのナットと中心軸方向にネジ孔が設けられた第一ボルトを螺合させて電極を挟持する。さらに、第一ボルトのネジ孔に第二ボルトを螺合させることにより第一ボルトとの間で外部配線部材を固定可能とする。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照し、本発明に係る電力用半導体装置の実施の形態を詳細に説明する。
【0009】
以下に説明する本発明によるパワーモジュールは図11に示すようにIGBT等の電力用半導体素子3と、その電力用半導体素子3を制御する制御回路5とを実装した絶縁基板7を樹脂からなるケース11内に収納した電力用デバイスであり、絶縁基板7からケース11上面に延在する、外部電源や電気機器と電力用半導体素子との間で電力の入出力を行うための電極15を有する。
【0010】
実施の形態1.
図1(a)は本発明実施の形態1のパワーモジュールの電極接続部近傍の断面を示した図である。同図に示すように、ケース11側部上面の凹所にナット13が圧入されている。そのナット13にはボルト17が螺合するようになっている。
【0011】
このボルト17は図1(b)に示すように、その中心軸方向にネジ孔が形成されている。以下、このネジ孔が形成されたボルト17を「ネジ切りボルト」と称する。このネジ切りボルト17のネジ孔にはさらに別のボルト21が螺合するようになっている。
【0012】
図1(a)に戻り、ナット13とネジ切りボルト17との間には電極15が配され、ネジ切りボルト17をナット13と螺合させることにより電極15がケース11上面に固定される。このため、電極15にはネジ切りボルト17が洞貫するための開口部が設けられている。
【0013】
また、ボルト21とネジ切りボルト17との間にはブスバ19が配され、ボルト21をネジ切りボルト17のネジ部に螺合させることでブスバ19を固定する。このため、ブスバ19にはボルト21が洞貫するための開口部が設けられている。
【0014】
このように、本実施形態のパワーモジュールでは、電極15をケースに固定し、ブスバ19を2つのボルト17、21の間に挟持して固定する。このように電極15をネジ切りボルト17でケース11に固定した上でブスバ19を2つのボルト17、21の間に固定することにより、ブスバ19配線時において電極15にかかる上向きの応力を低減でき、絶縁基板基板7と電極15との接面の亀裂、剥離を防止できる。
【0015】
また、ネジ切りボルト17に、ブスバ19を固定するためのナット機能を含めたことにより、ブスバ19を固定するための更なるスペースを必要とせず、装置全体として小型化が可能となる。なお、本実施形態においては、ネジ切りボルト17がブスバ19と直接的に接しているため、ネジ切りボルト17は電気伝導度の高い材料で形成されることが好ましい。
【0016】
実施の形態2.
図2に本発明の実施の形態2を示す。本実施の形態においては、実施の形態1の構成に加え、ナット13の下方に別のナット(以下、「追加ナット」と称する。)23が、その開口部中心軸をナット13の開口部中心軸と一致させてケース11に圧入されている。この追加ナット23はボルト21と螺合するのに適した径の開口部を有し、ブスバ19を洞貫してネジ切りボルト17と螺合しているボルト21と螺合する。本実施の形態では、ボルト21はケース11にも固定されるため、ボルト21の緊締度が向上する。
【0017】
実施の形態3.
図3に本発明の実施の形態3を示す。本実施の形態においては、上記実施の形態1、2におけるネジ切りボルト17の代わりに、ネジ山が形成されていない中空部を有したボルト(以下、「中空ボルト」と称す。)25を用いている。その他の構成は実施の形態2と同一である。この構成により、中空ボルト25とボルト21は螺合せず、ボルトは追加ナット23とのみ螺合するので、ブスバ19等の配線時において、電極15にかかるストレスが軽減され、より確実に本発明の目的が実現されることとなる。
【0018】
実施の形態4.
図4に本発明の実施の形態4を示す。本実施の形態においては、実施の形態1における電極15を固定するためのネジ切りボルト17と螺合するナット13の代わりに、その形状に工夫を加えたナット(以下、専用ナットと称する。)27aを使用している。専用ナット27aは、ケース11内に挿嵌可能かつその上部端面の少なくとも一部においてケース11開口部の張り出しと衝合するように形成されている。これにより、ボルト緊締時におけるナット27aの浮き上がりを確実に防止することができる。
【0019】
実施の形態5.
図5に本発明の実施の形態5を示す。本実施形態においては、ケース11に挿嵌される専用ナット27bの側面外周部の周方向に凹凸が設けられている。専用ナット27bは、その凹部とケース11の一部とが係合するようにケース11に挿入される。専用ナット27bは第二ボルトおよび中空ボルト25のそれぞれと螺合するように径を異にする二つのネジ孔を有している。これにより、ボルト緊締時におけるナット27bの浮き上がりを確実に防止している。さらに、ケース11内部において上記浮き上がり防止に係る凹凸形状を有するため、ケース11上面においてその目的を達成するための特別な構造を必要としない。したがって、ケース11の小型化が可能となる。
【0020】
なお、本実施形態における専用ナット27bは、一つの径のみを有してもよい。但し、その場合、中空ボルト25の代わりにネジ切りボルト17を用いてボルト21を固定する必要がある。
【0021】
実施の形態6.
図6に本発明の実施の形態6を示す。本実施形態においては、専用ナット27cがケース11上端の凹所に圧入されている。専用ナット27cの内部には径を異にする二つのネジ孔が設けられている。専用ナット27cは上方のネジ孔により中空ボルト25と螺合し、下方のネジ孔によりボルト21と螺合する。なお中空ボルト25の代わりに、ネジ切りボルト17を使用してもよい。この単一のナット27cを使用することで、ケース11全高を小さくすることが可能であり、装置全体を小型化することができる。
【0022】
実施の形態7.
図7に本発明の実施の形態7を示す。本実施形態のパワーモジュールにおいては、上下面に開口部を有するコの字型電極29によって電極15を挟持している。図8にコの字型電極29取付け部近傍の斜視図を示す。ネジ切りボルト17が、コの字型電極29開口部を洞貫して、ナット13と螺合する。これにより電極15が固定される。電極15の少なくとも下端面がコの字型電極29と接し、コの字型電極29と電極15は電気的に接続される。従って、コの字型電極29により、ブスバ19と電極15との電気的接続における接触面積を、ネジ切りボルト17を導体とした先の実施の形態と比較して増大させることが可能である。よって、電極に大電流が流れる場合においても、発熱効果を抑えることが可能であり、エネルギー損失も先の実施の形態と比較して小さくなる。なお、本実施形態においてネジ切りボルト17の代わりに中空ボルト25を使用してもよい。
【0023】
実施の形態8.
図9および図10を参照して、本発明の実施の形態8を示す。本実施の形態においては、電極を固定するためのボルトとしてその六角穴を備え、外周部を円形状にしたボルト18(以下、「六角穴式ボルト」と称する。)を使用している(図9参照)。図10(a)は六角穴式ボルト18の平面図であり、図10(b)はその縦断面図である。図10(a)において、六角穴式ボルト18の六角穴18aはボルト締め付け作業時の六角レンチ取付け用の開口部であり、その内部の真円は内部中空孔18bの外周を示している。実施の形態7の図8に示した例においては、コの字型電極29の上端面の開口部の径を、ボルト17の締め付け作業時の締付け器具の使用のためにボルト17頭部の径よりもさらに大きくする必要があった。そのため、ブスバ等との電極の接触面積が小さくなっていた。そこで、図9、図10に示すように、ボルト18の頭部外周を円形状とし、開口部に六角穴を備えることで、六角穴式ボルト18の頭部の外径をコの字型電極29上端面の開口部の径近傍にまで小さくすることができる。これにより、コの字型電極29とブスバとの接触面積は実施の形態7の場合と比較して更に増し、より良好な導電性が得られる。なお、その内部孔18bにネジ構造が描かれているが、六角式ボルト18の内部構造はネジ構造を有していなくてもよい。
【0024】
【発明の効果】
本発明の電力用半導体装置によれば、高い精度を要求せずに製作でき、ブスバ配線時等、電極に上向きの応力がかかるおそれのある場合においても、絶縁基板と電極との接面の亀裂または剥離を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 (a):本発明の実施の形態1によるパワーモジュールのケース側部断面図、および(b):使用するネジ切りボルトの断面図である。
【図2】 実施の形態2のパワーモジュールの電極接続部近傍の断面図である。
【図3】 実施の形態3のパワーモジュールの電極接続部近傍の断面図である。
【図4】 実施の形態4のパワーモジュールの電極接続部近傍の断面図である。
【図5】 実施の形態5のパワーモジュールの電極接続部近傍の断面図である。
【図6】 実施の形態6のパワーモジュールの電極接続部近傍の断面図である。
【図7】 実施の形態7のコの字型電極接続部近傍の断面図である。
【図8】 実施の形態7のコの字型電極接続部近傍の斜視図である。
【図9】 実施の形態8の六角穴式ボルト近傍の斜視図である。
【図10】 (a)六角穴式ボルトの平面図、および(b)六角穴式ボルトの縦断面図である。
【図11】 本発明のパワーモジュールの全体の構成を示した図である。
【符号の説明】
3 電力用半導体素子、 5 制御回路、 7 絶縁基盤、 11 ケース、13 ナット、 15 電極、 17 ネジ切りボルト、
18 六角穴式ボルト、 19 ブスバ、 21 ボルト、23 追加ナット、25 中空ボルト、 27 専用ナット、 29 コの字型電極[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a power semiconductor device, and more particularly to a structure of an electrode connection portion of the power semiconductor device.
[0002]
[Prior art]
A power module in which an insulating substrate mounted with a power semiconductor element such as an IGBT and a control circuit for controlling the power semiconductor element is housed in one case is a power module that inputs and outputs power between the power semiconductor element and the outside. The electrode for performing is provided. The electrode extends from the upper surface of the case to the inside of the case, and is fixed to the insulating substrate disposed on the bottom of the case by solder bonding or wire bond connection.
[0003]
A bus bar, which is an external wiring member, is connected to the electrode on the upper surface of the case, and an upward stress is applied to the electrode during the bus bar wiring. This stress may cause cracking or peeling at the contact surface between the electrode and the insulating substrate. In order to solve this problem, conventionally, a part of the electrode is provided with a lid fitted to at least a part of the upper surface of the case and a protrusion so as to be engaged from below the lid. As a result, the stress related to the electrode (especially upward stress acting during bus bar wiring) is dispersed, and the stress is prevented from acting directly on the contact surface between the electrode and the insulating substrate. In addition to the above, there is one disclosed in Patent Document 1 as a prior art relating to an electrode connection structure in a power semiconductor device.
[0004]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-076255
[Problems to be solved by the invention]
However, in the structure in which the above-described electrode is provided with a protrusion, high accuracy is required in manufacturing the lid and the protrusion. For this reason, if the manufacturing accuracy is low, the protrusions do not function effectively, a direct force acts on the contact surface between the electrode and the insulating substrate, and in some cases, the contact surface may crack or peel off. It was.
[0006]
The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and the object of the present invention is that it can be manufactured without requiring high accuracy, and even when there is a possibility that upward stress is applied to the electrode, such as during bus bar wiring. Another object of the present invention is to provide a power semiconductor device capable of preventing cracking or peeling of a contact surface between an insulating substrate and an electrode.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
A power semiconductor device according to the present invention houses a power semiconductor element and its control circuit in a resin case, and an electrode for inputting / outputting power between the power semiconductor element and the outside is provided on the upper end surface of the resin case. This is a power semiconductor device. In the power semiconductor device, a nut is inserted inside the upper end surface of the resin case, and a first bolt provided with a screw hole in the central axis direction is screwed together so as to sandwich the electrode. Further, the external wiring member can be fixed to the first bolt by screwing the second bolt into the screw hole of the first bolt.
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of a power semiconductor device according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.
[0009]
As shown in FIG. 11, the power module according to the present invention described below is a case in which an
[0010]
Embodiment 1 FIG.
Fig.1 (a) is the figure which showed the cross section of the electrode connection part vicinity of the power module of Embodiment 1 of this invention. As shown in the figure, a
[0011]
As shown in FIG. 1B, the
[0012]
Returning to FIG. 1A, an
[0013]
Further, a
[0014]
Thus, in the power module of this embodiment, the
[0015]
Further, since the nut function for fixing the
[0016]
Embodiment 2. FIG.
FIG. 2 shows a second embodiment of the present invention. In the present embodiment, in addition to the configuration of the first embodiment, another nut (hereinafter referred to as “additional nut”) 23 is provided below the
[0017]
FIG. 3 shows a third embodiment of the present invention. In the present embodiment, a bolt (hereinafter referred to as “hollow bolt”) 25 having a hollow portion in which no thread is formed is used instead of the threaded
[0018]
Embodiment 4 FIG.
FIG. 4 shows a fourth embodiment of the present invention. In the present embodiment, instead of the
[0019]
FIG. 5 shows a fifth embodiment of the present invention. In the present embodiment, unevenness is provided in the circumferential direction of the outer peripheral portion of the side surface of the
[0020]
In addition, the
[0021]
Embodiment 6 FIG.
FIG. 6 shows a sixth embodiment of the present invention. In the present embodiment, a
[0022]
FIG. 7 shows a seventh embodiment of the present invention. In the power module of the present embodiment, the
[0023]
Embodiment 8 FIG.
With reference to FIGS. 9 and 10, an eighth embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, a
[0024]
【The invention's effect】
According to the power semiconductor device of the present invention, it is possible to manufacture without requiring high accuracy, and even when there is a risk that upward stress is applied to the electrode, such as during busbar wiring, cracks on the contact surface between the insulating substrate and the electrode Or peeling can be prevented.
[Brief description of the drawings]
1A is a cross-sectional side view of a case of a power module according to Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 1B is a cross-sectional view of a threaded bolt to be used.
FIG. 2 is a cross-sectional view of the vicinity of an electrode connection portion of a power module according to a second embodiment.
FIG. 3 is a cross-sectional view of the vicinity of an electrode connection portion of a power module according to a third embodiment.
FIG. 4 is a cross-sectional view of the vicinity of an electrode connection portion of a power module according to a fourth embodiment.
FIG. 5 is a cross-sectional view of the vicinity of an electrode connecting portion of a power module according to a fifth embodiment.
FIG. 6 is a cross-sectional view in the vicinity of an electrode connection portion of a power module according to a sixth embodiment.
FIG. 7 is a cross-sectional view of the vicinity of a U-shaped electrode connection part according to a seventh embodiment.
FIG. 8 is a perspective view of the vicinity of a U-shaped electrode connection part according to a seventh embodiment.
9 is a perspective view of the vicinity of a hexagon socket head bolt according to an eighth embodiment. FIG.
10A is a plan view of a hexagon socket head bolt, and FIG. 10B is a longitudinal sectional view of the hexagon socket bolt. FIG.
FIG. 11 is a diagram showing an overall configuration of a power module according to the present invention.
[Explanation of symbols]
3 Power Semiconductor Element, 5 Control Circuit, 7 Insulation Base, 11 Case, 13 Nut, 15 Electrode, 17 Threaded Bolt,
18 Hexagon socket head bolt, 19 Busbar, 21 bolt, 23 Additional nut, 25 Hollow bolt, 27 Dedicated nut, 29 U-shaped electrode
Claims (8)
上記樹脂ケース上端面内側に挿入されたナットと、
上記ナットと螺合して上記電極を挟持し、中心軸方向にネジ孔が設けられた第一ボルトと、
該第一ボルトのネジ孔に螺合することにより該第一ボルトとの間で外部配線部材を固定可能とする第二ボルトと
を備えたことを特徴とする電力用半導体装置。In the power semiconductor device that houses the power semiconductor element and its control circuit in the resin case, and has an electrode on the upper end surface of the resin case for inputting and outputting power between the power semiconductor element and the outside.
A nut inserted inside the upper end surface of the resin case;
A first bolt screwed with the nut to sandwich the electrode and having a screw hole in the central axis direction;
A power semiconductor device comprising: a second bolt capable of fixing an external wiring member between the first bolt by screwing into a screw hole of the first bolt.
上記樹脂ケース上端面内側に挿入されたナットと、
上記ナットとの間で上記電極を挟持し、中心軸方向に中空部を有した第一ボルトと、
該ナットと螺合することにより該第一ボルトとの間で外部配線部材を固定可能とする第二ボルトと
を備えたことを特徴とする電力用半導体装置。In the power semiconductor device that houses the power semiconductor element and its control circuit in the resin case, and has an electrode on the upper end surface of the resin case for inputting and outputting power between the power semiconductor element and the outside.
A nut inserted inside the upper end surface of the resin case;
A first bolt sandwiching the electrode between the nut and having a hollow portion in the central axis direction;
A power semiconductor device, comprising: a second bolt capable of fixing an external wiring member between the first bolt by screwing with the nut.
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