JP4330294B2 - 電力用半導体装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータの制御回路、エアコン等に組み込まれるインバータ、あるいはＮＣ制御回路などに用いられるパワーモジュールのように、制御基板と放熱用の絶縁基板とが別体で形成され、絶縁基板上に配置された半導体素子が、制御基板上に配置された駆動回路によって駆動されるようになっている電力用半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、モータの制御回路、エアコン等に組み込まれるインバータ、あるいはＮＣ制御回路などには、パワーデバイス素子を搭載した半導体装置が広く用いられる。そして、近年、市場では、この種の半導体装置の小型化・軽量化、低価格化及び高品質化（とくに、自動車用半導体装置）が求められ、とくに低価格化及び高品質化に対する要求が強くなっている。
【０００３】
ただ、この種の半導体装置においては、高品質を確保しようとすれば価格が上昇し、価格を下げようとすれば品質が低下するといった相反する現象が顕著にみられるので、低価格化と高品質化とをともに実現するのはなかなかむずかしい。このような状況下、この種の半導体装置の技術分野では、前記の市場要求にできる限り応えられるよう、パッケージ構造、材料の選定、生産性等の観点から種々の技術開発が行われている。
【０００４】
図６は、この種の従来の半導体装置を示す立面断面図である。なお、この半導体装置は、パワーデバイス素子を搭載した６素子インバータ結線の半導体装置である。
図６に示すように、半導体装置１００は、実質的に、これを外部機器に接続するためのパターン端子１０１と、パワーデバイス素子１０２と、アルミニウムからなるワイヤ１０３と、駆動回路１０４と、セラミックスからなる絶縁基板１０５（放熱用絶縁基板）と、樹脂からなるケース１０６（インサートケース）と、制御基板１０８とで構成されている。ここで、制御基板１０８は、ケース１０６の上面に接着剤により接着・固定されている。他方、絶縁基板１０５は、ケース１０６に嵌合ないしは接着により固定されている。
【０００５】
この半導体装置１００においては、絶縁基板１０５上に配置されたパワーデバイス素子１０２は、制御基板１０８上に配置された駆動回路１０４によって駆動される。そして、制御基板１０８と、表面に銅、アルミ等の金属箔が張り付けられた絶縁基板１０５とは、ワイヤ１０３によって接続されている。なお、図示していないが、ケース１０６内は、エポキシ系の樹脂が充填された構造、あるいはシリコーンのゲル状樹脂で封止された後でエポキシ系の樹脂で充填された構造とされている。また、ケース１０６は、必要に応じてエポキシ樹脂からなる蓋で閉塞される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前記のとおり、この従来の半導体装置１００では、制御基板１０８は接着剤でケース１０６に固定され、また絶縁基板１０５もケース１０６に固定されている。つまり、制御基板１０８と絶縁基板１０５とは、樹脂からなるケース１０６と接着剤とを介して結合されている。他方、ケース１０６を形成する樹脂あるいは接着剤は弾力性をもつ。このため、この弾力性に起因して、制御基板１０８と絶縁基板１０５との間には、共振等により振動が惹起されやすい。その結果、かかる振動によりワイヤ１０３のネック部にクラックが生じることがある。
【０００７】
また、この従来の半導体装置１００においては、接着剤の塗布状態あるいは制御基板１０８の材質等により、ワイヤ１０３（ワイヤボンド）に対する引っ張り強度が異なるので、製品毎の品質に差が生じる可能性がある。しかしながら、現状の技術では、製品毎に条件を変えてワイヤ１０３を同一状態となるように打つことは困難である。また、たとえワイヤ１０３を同一状態に打つことができたとしても、半導体装置１００（パワーモジュール）は、自動車、電鉄、パイプなどといった振動を伴う環境で使用されることが多く、このような使用環境下では、振動によりワイヤ１０３のネック部にクラックが生じ、事情によっては破壊に至ることもありうる。
【０００８】
このため、従来のこの種の半導体装置１００では、ワイヤ１０３が制御基板１０８あるいは絶縁基板１０５から剥れたり、ワイヤ１０３が切断されるなどといった問題がある。なお、ワイヤ１０３が切断されると、パワーデバイス素子１０２が駆動されないので、該半導体装置１００は用をなさなくなる。
【０００９】
ここで、制御基板と絶縁基板とを同一素材で一体化した構成にして、上記不具合を回避するといった対応も考えられる。しかしながら、このようにすると、微細なパターンを形成することができなくなり、半導体素子駆動用のＩＣやディスクリートの面実装トランジスタなどの小型電子部品を搭載することができなくなり、かつコストが上昇するなどといった新たな問題が生じてしまう。
【００１０】
本発明は、上記従来の問題を解決するためになされたものであって、制御基板と絶縁基板とが別体形成されていても、制御基板と絶縁基板との電気的接続、ひいては駆動回路と半導体素子との電気的接続を確実に行うことができる高品質（とくに、製品寿命が長い）で低コストの半導体装置を提供することを解決すべき課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためになされた本発明にかかる電力用半導体装置は、（ｉ）表主面に主回路パターンが配設された絶縁基板と、（ii）主回路パターン上に実装された電力用半導体素子と、（iii）樹脂ケースの平面部に載置される一方表主面に制御回路パターンが配設された制御基板と、（iv）制御回路パターン上に実装された制御用半導体素子とが設けられていて、（ｖ）主回路パターンと制御回路パターンとが電気的に接続されているといった基本構成を備えている。
【００１３】
本発明の第１の態様にかかる電力用半導体装置は、上記基本構成を備えた電力用半導体装置において、（ａ）絶縁基板と制御基板とが、互いに離間しつつ平面視では一部で重複するように配置され、（ｂ）該重複部において、制御基板の裏主面の周縁部に配設されるとともに、スルーホールを介して制御回路パターンと電気的に接続された接続パターンが設けられ、（ｃ）接続パターンが主回路パターンに半田付けされていることを特徴とするものである。
【００１４】
本発明の第２の態様にかかる電力用半導体装置は、上記基本構成を備えた電力用半導体装置において、（ａ）絶縁基板と制御基板とが、互いに離間しつつ平面視では一部で重複するように配置され、（ｂ）該重複部において、制御基板の周縁近傍にスルーホールが形成され、（ｃ）該重複部において、主回路パターンが絶縁基板から制御基板に向かって立ち上がってスルーホールに挿入され、制御回路パターンに半田付けされていることを特徴とするものである。
【００１５】
本発明の第３の態様にかかる電力用半導体装置は、本発明の第２の態様にかかる電力用半導体装置において、主回路パターンの立ち上がっている部分（曲がり部）にベンド部が設けられていることを特徴とするものである。
【００１６】
本発明の第４の態様にかかる電力用半導体装置は、本発明の第１〜第３の態様のいずれか１つにかかる電力用半導体装置において、絶縁基板の裏主面に裏面パターンが形成され、該裏面パターンが金属製のベース板に半田付けされていることを特徴とするものである。
【００１８】
また、特開平１０−２４２３８５号公報には、本発明の第１又は第２の態様にかかる電力用半導体装置に一見類似するようにもみえる電力用混合集積回路装置が開示されているが、この電力用混合集積回路装置は、端子を断面Ｌ字形に形成し、横方向に延びる下辺部を絶縁基板の導体パターンに半田付けしたものである。したがって、横方向に延びる導体を絶縁基板の導電パターンに半田付けしていない本発明の第１又は第２の態様にかかる電力用半導体装置とは、明らかに異なる構成のものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１を具体的に説明する。
図１は、本発明の実施の形態１にかかる、パワーデバイス素子を搭載した６素子インバータ結線の半導体装置（電力用半導体装置）の立面断面図である。また、図２は、図１の破線Ａで示す部分を拡大して示した図である。なお、図１は、後記の実施の形態２〜４にも共通な図である。
【００２０】
図１及び図２に示すように、半導体装置Ｓには、これを外部機器に接続するための２つのパターン端子１と、複数のパワーデバイス素子２（電力用半導体素子）と、アルミニウムからなる複数のワイヤ３（ボンディングワイヤ）と、駆動回路４（制御用半導体素子）と、セラミックスからなる絶縁基板５（放熱用絶縁基板）と、樹脂からなるケース６（樹脂ケース）と、制御基板８（制御用絶縁基板）とが設けられている。
【００２１】
なお、詳しくは図示していないが、セラミックスからなる絶縁基板５の表面には、銅、アルミ等の金属箔が張り付けられ、これらにより、主回路パターン、裏面パターン等の種々の回路パターンが形成されている。そして、絶縁基板５の表主面には主回路パターン（図示せず）が配設され、この主回路パターン上にパワーデバイス素子２が実装されている。他方、ケース６上に載置された制御基板８の表主面には制御回路パターン（図示せず）が配設され、この制御回路パターン上に駆動回路４が実装されている。また、絶縁基板５の裏主面に裏面パターン（図示せず）が形成され、該裏面パターンは金属製のベース板（図示せず）に半田付けされている。
【００２２】
この半導体装置Ｓにおいては、制御基板８は、ケース６の上側の平面部に接着剤等により接着・固定されている。また、絶縁基板５は、ケース６に嵌合ないしは接着により固定されている。ここで、絶縁基板５と制御基板８とは、互いに上下に離間しつつ、平面視では一部で重複するように配置されている。つまり、制御基板８の一部は、所定の間隔を保って、絶縁基板５の一部の真上に位置している。
【００２３】
この重複部（離間しているが、平面視では重複する部分）において、絶縁基板５の表主面の周縁部（図１、図２では右端近傍部）には第１の接合パターン（図示せず）が配設される一方、制御基板８の裏主面の周縁部（図１、図２では左端近傍部）に第２の接合パターン（図示せず）が配設されている。そして、第１の接合パターンと第２の接合パターンとは、半田７を用いて重ねて半田付けされている（半田接合部）。
【００２４】
すなわち、第１の接合パターンと第２の接合パターンとは、鏡面対となるように形成された上で、半田７で接合されている。なお、制御基板８は、エポキシ樹脂等の多層構成が可能な材料で形成される。そしてケース６は、半田接合後の絶縁基板５及び制御基板８に取り付けられる。なお、この場合、半田７の高さないしは厚さはあまり大きくすることができないので、これによりケース６の厚さＴは制約を受けることになる（あまり、厚くすることができない）。
【００２５】
制御基板８の表主面上においては、制御回路パターンが、第２の接合パターンと対応する位置、すなわち重複部に対応する位置に延在させられている。そしてこの延在部における制御回路パターンと、絶縁基板５の主回路パターンとが、ワイヤ３により電気的に接続されている。
【００２６】
この半導体装置Ｓにおいて、絶縁基板５上のパワーデバイス素子２は、制御基板８上の駆動回路４によって駆動される。なお、図示していないが、ケース６内は、エポキシ系の樹脂が充填された構造、あるいはシリコーンのゲル状樹脂で封止された後にエポキシ系の樹脂で充填された構造とされている。また、ケース６は、エポキシ樹脂からなる蓋（図示せず）で閉塞されている。
【００２７】
実施の形態１にかかる半導体装置Ｓによれば、絶縁基板５と制御基板８とが硬い半田７（半田接合部）を介して結合されているので、絶縁基板５と制御基板８との間には、共振等による振動が惹起されにくい。したがって、ワイヤ３のネック部にクラックが生じない。このため、半導体装置Ｓの製品寿命を延ばすことができ、その品質を高めることができる。また、絶縁基板５と制御基板８との半田接合は容易であるので、該半導体装置の製造コストが低減される。つまり、絶縁基板５と制御基板８との電気的接続を確実に行うことができる高品質で低コストの半導体装置が得られる。さらに、絶縁基板５と制御基板８とが硬い半田７を介して結合されているので、ワイヤボンドを強く打つことができ、ワイヤボンドないし半導体装置の信頼性を高めることができる。
【００２８】
実施の形態２．
以下、図１及び図３を参照しつつ、本発明の実施の形態２を説明する。しかしながら、実施の形態２にかかる半導体装置は、図１及び図２に示す実施の形態１にかかる半導体装置と多くの共通点をもつので、説明の重複を避けるため、以下では、主として実施の形態１と異なる点を説明する。
【００２９】
図１及び図３に示すように、実施の形態２にかかる半導体装置Ｓでは、絶縁基板５と制御基板８の重複部において、制御基板８に、その裏主面の周縁部で下方に突出する接続パターン１０が設けられている。この接続パターン１０は、制御基板８に形成されたスルーホール１２を介して、制御基板８上の制御回路パターンに電気的に接続されている。そして、接続パターン１０の下端部は、半田７を用いて、絶縁基板５上の主回路パターンの一部（端部近傍部）をなす中継端子９に半田付けされている。その他の構成は、実施の形態１の場合と同様である。
【００３０】
実施の形態２にかかる半導体装置Ｓでは、接続パターン１０の下方への突出長を任意に設定することができるので、ケース６の厚さＴはとくには制約を受けない（厚くすることができる）。すなわち、ケース６の厚さＴに応じて、接続パターン１０の下方への突出長を設定すればよい。
【００３１】
実施の形態２にかかる半導体装置Ｓによれば、絶縁基板５（主回路パターン）と制御基板８（制御回路パターン）とが、ワイヤボンディングではなく、接続パターン１０を用いた半田接合により接続されているので、その接続強度が大幅に高められる。また、かかる半田付けは低コストで容易に行うことができる。このため、絶縁基板５（主回路パターン）と制御基板８（制御回路パターン）との接続強度を安定的に確保することができ、これらの電気的接続を確実に行うことができる高品質で低コストの半導体装置が得られる。
【００３２】
実施の形態３．
以下、図１及び図４を参照しつつ、本発明の実施の形態３を説明する。しかしながら、実施の形態３にかかる半導体装置は、図１及び図２に示す実施の形態１にかかる半導体装置と多くの共通点をもつので、説明の重複を避けるため、以下では、主として実施の形態１と異なる点を説明する。
【００３３】
図１及び図４に示すように、実施の形態３にかかる半導体装置Ｓでは、絶縁基板５と制御基板８の重複部において、制御基板８の周縁近傍にスルーホール１２が形成されている。そして、絶縁基板５上の主回路パターンの一部（端部近傍部）をなす中継端子９が折れ曲がって、絶縁基板５から制御基板８に向かって（上向きに）立ち上がり、これにより曲がり部９ａ（折れ曲がり部）が形成されている。
【００３４】
この曲がり部９ａはスルーホール１２に挿入され、その上端は制御基板８の上方に突出している。そして、曲がり部９ａの上端近傍部は、半田７を用いて、制御基板８ないし制御基板８上の制御回路パターンに半田付けされている。その他の構成は、実施の形態１の場合と同様である。この半導体装置Ｓでは、曲がり部９ａの長さを任意に設定することができるので、ケース６の厚さＴは、とくには制約を受けない。なお、中継端子９の曲がり部９ａは、絶縁基板５上に主回路パターンを形成する際に、セラミックスより長めの銅、アルミニウム等の金属箔からなるパターンをセラミックスに張り付けた後で、これを図４に示すような端子形状に折り曲げることにより形成される。
【００３５】
実施の形態３にかかる半導体装置Ｓによれば、絶縁基板５（主回路パターン）と制御基板８（制御回路パターン）とが、ワイヤボンディングではなく、中継端子９（曲がり部９ａ）を利用して半田接合により接続（接合）されているので、その接続強度が大幅に高められる。また、かかる半田付けは低コストで容易に行うことができる。このため、絶縁基板５（主回路パターン）と制御基板８（制御回路パターン）との接続強度を安定的に確保することができ、これらの電気的接続を確実に行うことができる高品質で低コストの半導体装置が得られる。さらに、中継端子９の曲がり部９ａの制御基板８側への接合面積を大きくすることができるので、上記接続強度を一層高めることができる。
【００３６】
実施の形態４．
以下、図１及び図５を参照しつつ、本発明の実施の形態４を説明する。しかしながら、実施の形態４にかかる半導体装置は、図１及び図４に示す実施の形態３にかかる半導体装置と多くの共通点をもつので、説明の重複を避けるため、以下では、主として実施の形態３と異なる点を説明する。
【００３７】
図１及び図５に示すように、実施の形態４にかかる半導体装置Ｓでは、絶縁基板５上の主回路パターンの一部（端部近傍部）をなす曲がり部９ａにベンド部９ｂが設けられている。つまり、曲がり部９ａはベンド構造とされている。その他の構成は、実施の形態１の場合と同様である。なお、この半導体装置Ｓでも、実施の形態３の場合と同様の理由により、ケース６の厚さＴは、とくには制約を受けない。
【００３８】
実施の形態４にかかる半導体装置Ｓによれば、まずもって、実施の形態３にかかる半導体装置Ｓの場合と同様の作用・効果が得られる。さらに、ベンド部９ｂによって半田７に加わる応力が吸収され、半田７にかかるストレスが緩和される。このため、実施の形態３にかかる半導体装置Ｓよりも、さらに寿命を延ばすことができる。
【００４０】
【発明の効果】
本発明の第１の態様にかかる電力用半導体装置によれば、絶縁基板（主回路パターン）と制御基板（制御回路パターン）とが、ワイヤボンディングではなく、接続パターンを用いた半田接合により接続されているので、その接続強度が大幅に高められる。また、かかる半田付けは低コストで容易に行うことができる。このため、絶縁基板（主回路パターン）と制御基板（制御回路パターン）との接続強度を安定的に確保することができ、これらの電気的接続を確実に行うことができる。
【００４１】
本発明の第２の態様にかかる電力用半導体装置によれば、絶縁基板（主回路パターン）と制御基板（制御回路パターン）とが、ワイヤボンディングではなく、主回路パターンの端部近傍部を利用して半田接合により接続されているので、その接続強度が大幅に高められる。また、かかる半田付けは低コストで容易に行うことができる。このため、絶縁基板（主回路パターン）と制御基板（制御回路パターン）との接続強度を安定的に確保することができ、これらの電気的接続を確実に行うことができる。さらに、半田接合部の接合面積を大きくすることができるので、その接合強度を一層高めることができる。
【００４２】
本発明の第３の態様にかかる電力用半導体装置によれば、まずもって、本発明の第２の態様にかかる電力用半導体装置の場合と同様の作用・効果が得られる。さらに、ベンド部によって半田に加わる応力が吸収され、半田にかかるストレスが緩和されるので、電力用半導体装置の寿命をさらに延ばすことができる。
【００４３】
本発明の第４の態様にかかる電力用半導体装置によれば、まずもって、本発明の第１〜第３の態様のいずれか１つにかかる電力用半導体装置の場合と同様の作用・効果が得られる。さらに絶縁基板の裏主面に裏面パターンが形成され、該裏面パターンが金属製のベース板に半田付けされているので、電力用半導体装置の放熱性ないしは冷却性が良好となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１〜４にかかる電力用半導体装置の立面断面図である。
【図２】 本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の拡大された立面断面図である。
【図３】 本発明の実施の形態２にかかる電力用半導体装置の拡大された立面断面図である。
【図４】 本発明の実施の形態３にかかる電力用半導体装置の拡大された立面断面図である。
【図５】 本発明の実施の形態４にかかる電力用半導体装置の拡大された立面断面図である。
【図６】 従来の電力用半導体装置の立面断面図である。
【符号の説明】
Ｓ 半導体装置（電力用半導体装置）、 １ パターン端子、 ２ パワーデバイス素子（電力用半導体素子）、 ３ ワイヤ（ボンディングワイヤ）、 ４駆動回路（制御用半導体素子）、 ５ 絶縁基板（放熱用絶縁基板）、 ６ ケース（樹脂ケース）、 ７ 半田（半田接合部）、 ８ 制御基板（制御用絶縁基板）、 ９ 中継端子（主回路パターンの一部）、 ９ａ 曲がり部、 ９ｂ ベンド部、 １０ 接続パターン、 １２ スルーホール。

Claims (4)

1. 表主面に主回路パターンが配設された絶縁基板と、前記主回路パターン上に実装された電力用半導体素子と、樹脂ケースの平面部に載置される一方表主面に制御回路パターンが配設された制御基板と、前記制御回路パターン上に実装された制御用半導体素子とが設けられていて、前記主回路パターンと前記制御回路パターンとが電気的に接続されている電力用半導体装置において、
   前記絶縁基板と前記制御基板とが、互いに離間しつつ平面視では一部で重複するように配置され、
   前記重複部において、前記制御基板の裏主面の周縁部に配設されるとともに、スルーホールを介して前記制御回路パターンと電気的に接続された接続パターンが設けられ、
   前記接続パターンが前記主回路パターンに半田付けされていることを特徴とする電力用半導体装置。
2. 表主面に主回路パターンが配設された絶縁基板と、前記主回路パターン上に実装された電力用半導体素子と、樹脂ケースの平面部に載置される一方表主面に制御回路パターンが配設された制御基板と、前記制御回路パターン上に実装された制御用半導体素子とが設けられていて、前記主回路パターンと前記制御回路パターンとが電気的に接続されている電力用半導体装置において、
   前記絶縁基板と前記制御基板とが、互いに離間しつつ平面視では一部で重複するように配置され、
   前記重複部において、前記制御基板の周縁近傍にスルーホールが形成され、
   前記重複部において、前記主回路パターンが前記絶縁基板から前記制御基板に向かって立ち上がって前記スルーホールに挿入され、前記制御回路パターンに半田付けされていることを特徴とする電力用半導体装置。
3. 前記主回路パターンの立ち上がっている部分にベンド部が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の電力用半導体装置。
4. 前記絶縁基板の裏主面に裏面パターンが形成され、該裏面パターンが金属製のベース板に半田付けされていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の電力用半導体装置。

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