JP4395096B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置に関し、とりわけ主電極とバスバーとの間の接触面積を増大させた半導体装置に関する。
近年の半導体装置は、さまざまな技術分野で応用され、大電力(高電圧・大電流)を必要とする電気自動車や産業用装置のモータの電流制御用スイッチング装置(パワーモジュール)としても極めて重要なキーデバイスの位置を確立している。
こうした従来式のパワーモジュールは、ここでは図示しないが、概略、ケースに内蔵された絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)などの電力用半導体素子と、電力用半導体素子と電気的に接続された主電極と、主電極およびモータなどの駆動部品に電気的に接続されたバスバーとを有する。主電極およびバスバーは、ケースの主面と実質的に平行に延びている。そして、主電極とバスバーは、それぞれ同心軸上に設けられた貫通孔を有し、これらの貫通孔を貫通するボルトをナットに締め付けることにより電気的に接続される。
一般に、主電極とバスバーの間における接触抵抗に起因して、電力損失が生じ得る。とりわけ、大きな電流が流れると、接触抵抗が小さくても、電力損失は無視できない程度に大きくなることがある。そこで、主電極とバスバーの間に生じ得る電気抵抗を極力抑えることが必要となる。そのためには、主電極とバスバーの間のより大きい接触面積において、バスバーを主電極により密着させなければならない。
特許文献1のバスバーの接続方法によれば、一対のあて板を介して、接続すべき一対のバスバーの両側から挟みつけ、あて板およびバスバーに同心軸上に設けられたねじ孔に貫通させたボルトをナットに締め付けることにより、一対のバスバーをより広範な領域でより密接に当接させることが開示されている。
特開平9−233658号公報
しかしながら、接続すべきバスバーにボルトを貫通させるためのねじ孔を設けると、ねじ孔の面積だけ両者間の接触面積が確実に減少し、接触抵抗が増大する。したがって、接触抵抗をできるだけ小さく抑えて、電力損失を極力避けるためには、バスバー自体の面積を大きくしなければならず、これは半導体装置の小型化を阻害するものであった。
また上記以外の従来技術によるパワーモジュールも同様に、バスバーおよび主電極にねじ孔(貫通孔)が設けられ、形成されたねじ孔の面積に呼応して両者間の接触面積が減り、接触抵抗が大きくなる。したがって、バスバーおよび主電極の間で実質的な電力損失が生じ、多量のジュール熱が発生する(極めて高温となる)ことを防止するためには、バスバーおよび主電極の接触面積を大きく設定する必要があり、その結果バスバー、ひいてはパワーモジュールの寸法を小さくすることが困難であった。
本発明の1つの態様による半導体装置は、ケースと、前記ケース内に配設された半導体素子と、前記半導体素子と電気的に接続された主電極と、固定部材を用いて、前記ケースに固定された圧接バーと、前記主電極と前記圧接バーの間に挟持され、前記主電極と電気的に接続されたバスバーとを備え、前記圧接バーが前記バスバーに対向する対向部および対向しない非対向部からなり、該圧接バーの該対向部と前記主電極の間に該バスバーが挟持されることを特徴とする。
本発明の1つの態様によれば、バスバーおよび主電極にねじ孔を形成することなく、バスバーおよび主電極の間の接触抵抗をできるだけ小さく抑えて(両者間の電力損失を極力抑えて)、信頼性の高い小型化された半導体装置を提供することができる。
以下、添付図面を参照して本発明に係る半導体装置の実施の形態を説明する。各実施の形態の説明において、理解を容易にするために方向を表す用語(例えば、「上方」および「下方」など)を適宜用いるが、これは説明のためのものであって、これらの用語は本発明を限定するものでない。
実施の形態1.
ここで図1を参照しながら、本発明に係る半導体装置(パワーモジュール)の実施の形態1について以下に説明する。図1(a)〜(c)に示すパワーモジュール1は、概略、良好な熱伝導性を有する銅などの金属板からなる金属ベース板10と、金属ベース板10上に固定された樹脂などの絶縁材料からなるケース20とを備えている。またパワーモジュール1は、ケース20の内部において、図1(c)に示すように、半田などの導電性接着材(図示せず)を介して金属ベース板10に固着された、一対の主面(表面および裏面)上に金属パターン11a,11bを含む絶縁基板12と、同様に半田などの導電性接着材(図示せず)を介して絶縁基板12上に実装された少なくとも1つの半導体素子14(例えば、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)チップまたはフリーホイールダイオード(FWD)チップ)と、ケース20の内部から上側主面22まで延びる主電極(外部接続用端子)24とを有する。また、半導体素子14は図示しないチップ電極を有し、チップ電極および主電極24はアルミニウムなどからなる導電性ワイヤ16を用いて電気的に接続されている。
さらに、図1(c)に示すパワーモジュール1は、絶縁基板12および半導体素子14の上方にある空間18に、半導体素子14および導電性ワイヤ16を保護するために充填されたシリコーンゲルと、その上方を封止するために配設されたエポキシ樹脂と(ともに図示せず)を有し、さらにその上方を覆う蓋26を備える。なお、蓋26は、ケース20と同様の樹脂などの絶縁材料からなる。
図1(a)に示すパワーモジュール1において、蓋26は、4つのねじ27を用いてケース20に固定されている。また、図1(a)および(c)に示すように、本実施の形態による主電極24は、ケース20から突出した部分において、ケース20の上側主面22に支持され、これに対して実質的に平行に延びている。
また主電極24上には、主電極24と実質的に平行に延びる金属材料からなる板状のバスバー30が配設されている。このバスバー30は、後述する圧接バー40に押圧されることにより、圧接バー40と主電極24の間に挟持され、主電極24との良好な電気的接続を実現する。
本実施の形態の圧接バー40は、銅などの金属材料からなり、バスバー30に対向・当接する中央部(対向部)42と、バスバー30に対向・当接しない両端部(非対向部)44a,44bとを有する。圧接バー40の両端部44a,44bには一対の貫通孔45a,45bが設けられている。また、図1(b)に示すように、これらの貫通孔45a,45bの位置に合わせてケース20内にナット46a,46bが埋め込み成型され、一対のボルト48a,48bが圧接バー40の貫通孔45a,45bを介してナット46a,46bに螺合することにより、圧接バー40がバスバー30を主電極24に向かって押圧し、圧接バー40の中央部(対向部)42と主電極24の間にバスバー30が挟持される。
このように、上述の従来式の半導体装置とは異なり、バスバー30および主電極24にはボルトを挿通させるための貫通孔が形成されないので、バスバー30と主電極24の間の接触面積を広げることができる。したがって、バスバー30と主電極24の間の接触抵抗を低減して、両者間で生じ得る電力損失を極力小さく抑えることができる。あるいは、電力損失を小さく維持しながら、バスバー30と主電極24の間の接触面積、さらにはバスバー30と主電極24の寸法を小さくして、パワーモジュール1の小型化を図ることができる。さらに、バスバー30および主電極24は、貫通孔を有さないことに起因して、機械的強度をこれまでのものに比べて実質的に改善することができ、特に、このパワーモジュール1が機械的振動に曝される場合、バスバー30および主電極24が貫通孔付近で破断することを防止し、信頼性の高いパワーモジュール1を実現できる。
実施の形態2.
図2を参照しながら、本発明に係る実施の形態2について以下に説明する。実施の形態2によるパワーモジュール2は、圧接バー40が蓋26の内部に埋め込み成型される点を除いて、実施の形態1のパワーモジュール1と同様の構成を有するので、重複する部分に関する詳細な説明を省略する。また、実施の形態1と同様の構成部品については、同様の符号を用いて説明する。
上述の通り、実施の形態2の圧接バー40は、図2(b)〜(d)に示すように、蓋26の内部に埋め込み成型されている。したがって、シリコーンゲルおよびエポキシ樹脂をケース20の内部に充填した後、蓋26をケース20上に配設し、バスバー30を圧接バー40と主電極24の間に挟んだ状態で、ケース20内に一体成型されたナット46a,46bにボルト44a,44bを螺合させることにより、容易にパワーモジュール2を完成させることができる。このように、実施の形態2のパワーモジュール2は構造が簡単で、製造しやすく、ナット46a,46bを確実に固定することができる。したがって、製造コストを削減して、安価で信頼の高いパワーモジュール2を提供することができる。
実施の形態3.
図3を参照しながら、本発明に係る実施の形態3について以下に説明する。実施の形態3によるパワーモジュール3は、概略、圧接バー40を固定するためのボルトを用いて、ケース20、ベース板10およびヒートシンクを固定する点を除いて、実施の形態2のパワーモジュール2と同様の構成を有するので、重複する部分に関する詳細な説明を省略する。また、実施の形態2と同様の構成部品については、同様の符号を用いて説明する。
実施の形態3のパワーモジュール3において、圧接バー40は、実施の形態2と同様、ケース20の内部に埋め込み成型されている。ただし、実施の形態2の圧接バー40の両端部44がバスバー30より上方の位置で固定され、中央部42がバスバー30と当接するために下向きに凹んだ断面形状を有するのに対し(図2(b))、実施の形態3の圧接バー40の両端部44a,44bはバスバー30より低い位置に配置され、その中央部42はバスバー30と当接するよう上向きに突出した断面形状を有する(図3(b))。
また、実施の形態3のパワーモジュール3は、図3(a)〜(d)に示すように、複数のねじ孔51が設けられたヒートシンク50を有し、ベース板10、蓋26、および圧接バー40は、ヒートシンク50のねじ孔51a,51bと同軸状に形成された貫通孔13a,13b、27a,27b,41a,41bをそれぞれ有する。
こうして、バスバー30を圧接バー40と主電極24の間に挟んだ状態で、実施の形態2のボルトよりやや長尺の一対のボルト52a,52bを、蓋26、圧接バー40、およびベース板10の貫通孔13a,13b、27a,27b,41a,41bに挿通させ、ヒートシンク50のねじ孔51a,51bに螺合させることにより、バスバー30を圧接バー40と主電極24の間で挟持するとともに、蓋26(およびケース20)をベース板10およびヒートシンク50に固定させることができる。したがって、実施の形態3によれば、実施の形態2に比して、組み立て作業性が格段に改善され、製造コストがさらに低減された安価なパワーモジュール3を実現することができる。
実施の形態4.
図4を参照しながら、本発明に係る実施の形態4について以下に説明する。実施の形態4によるパワーモジュール4は、概略、主電極24と、バスバー30の真上に固定されたボルトなどの固定部材の先端部との間にバスバー30を挟持する点を除いて、実施の形態1のパワーモジュール1と同様の構成を有するので、重複する部分に関する詳細な説明を省略する。また、実施の形態1と同様の構成部品については、同様の符号を用いて説明する。
実施の形態4によるパワーモジュール4は、ボルトなどの固定部材62を支持するクランパ60を有する。クランパ60は、ケース20と同様の樹脂からなり、ケース20上に固定されるか、蓋26と一体に成形されている。クランパ60は、図4(b)および(c)に示すように、バスバー30が延びる方向に開口し、空洞部64を有する。この空洞部64内において、バスバー30を主電極24とボルト62の先端部63との間に配置した状態で、ボルト62をケース20の方へ締め付けることにより、主電極24とボルト62の先端部63との間でバスバー30を確実に挟持することができる。特に図示しないが、ボルト62の締め付けを支援するために、クランパ60の天井部65にナットを埋め込み成型してもよい。
このように構成されたパワーモジュール4は、実施の形態1と同様、バスバー30および主電極24に貫通孔が形成されないので、バスバー30と主電極24の間の接触面積を従来のものより広げることができる。すなわち、バスバー30と主電極24の間の接触抵抗を低減して、電力損失を極力小さく抑えることができる。さらに換言すると、本実施の形態によれば、電力損失を小さく維持しながら、バスバー30と主電極24の間の接触面積、ひいてはバスバー30と主電極24の寸法を小さくして、パワーモジュール4の小型化を図ることができる。同様に、バスバー30および主電極24に貫通孔が形成されないので、金属疲労によるバスバー30の破断が生じにくい信頼性の高いパワーモジュール4を実現できる。
さらに、実施の形態4によれば、図4(b)および(c)に示すように、ボルト62の先端部63とバスバー30の間に、ボルト62の先端部63より大きい面積を有する圧接プレート66を設けることが好ましい。さらに好適には、圧接プレート66は、実施の形態1の圧接バー40と同様の金属またはセラミックなどの堅い材料を用いて形成される。こうして、より広い面積のバスバー30を均一な圧力で押圧することにより、バスバー30と主電極24の間の接触抵抗をさらに低減し、これらの間に生じ得る電力損失をいっそう小さく抑えることができる。
実施の形態5.
図5を参照しながら、本発明に係る実施の形態5について以下に説明する。実施の形態5によるパワーモジュール5は、概略、主電極24の一部がケース20の主面22に対して実質的に垂直な方向に延びる点、およびバスバー30および主電極24に設けられた貫通孔に挿通されたボルトを用いて、バスバー30と主電極24の間の電気的接触が実現される点を除いて、実施の形態1のパワーモジュール1と同様の構成を有するので、重複する部分に関する詳細な説明を省略する。また、実施の形態1と同様の構成部品については、同様の符号を用いて説明する。
実施の形態5によるパワーモジュール5の主電極24は、とりわけ図5(b)に示すように、半導体素子14の近傍においてはケース20の主面22に対して実質的に平行に延びる平行部分24aと、ほぼL字状に折り曲げられて、ケース20の主面22に対して実質的に垂直な方向に延びる垂直部分24bとを有する。すなわち、主電極24の垂直部分24bは、ケース20(または蓋26)の主面と直交する方向に延びている。
また、主電極24の垂直部分24bは、ケース20(または蓋26)から突出した端部において、貫通孔28が設けられ、この実施の形態のバスバー30にも貫通孔32が設けられている。そして、主電極24の垂直部分24bおよびバスバー30の貫通孔28,32に挿通されたボルトなどの固定部材72をナット74に固定することにより、バスバー30と主電極24の垂直部分24bが電気的に接続される。なお、図5(b)に示すように、ナット74を樹脂などの材料からなるナットホルダ70に埋め込み成形してもよい。また、このナットホルダ70は、ケース20または蓋26に固定してもよいし、独立した別部材として構成してもよい。
こうして構成されたパワーモジュール5によれば、従来式の半導体装置と同様、ボルト72とナット74を用いてバスバー30を主電極24に固定するが、固定位置がベース板10により近いため、より近接した主電極24およびバスバー30を介して、半導体素子14から生じる熱をより効率的に放熱させることができる。
また、ナットホルダ70を用いなければ、ボルト72をナット74に締め付ける際に、主電極24からケース20に機械的応力が加わり、主電極24と導電性ワイヤ16の間(主電極24が絶縁基板12の表面側の金属パターン11aと直接的に半田接続される場合は半田接合部)にも応力が加わるが、ナットホルダ70を用いることにより、こうした機械的応力を緩和することができる。
したがって、実施の形態5によれば、放熱効果が高く、信頼性の高いパワーモジュール5を実現することができる。
実施の形態6.
図6を参照しながら、本発明に係る実施の形態6について以下に説明する。実施の形態6によるパワーモジュール6は、実施の形態4とは別のクランパを用いる点、およびバスバー30および主電極24には貫通孔が形成されないようにした点を除いて、実施の形態5のパワーモジュール5と同様の構成を有するので、重複する部分に関する詳細な説明を省略する。また、上記の実施の形態と同様の構成部品については、同様の符号を用いて説明する。
実施の形態6によるパワーモジュール6の主電極24は、実施の形態5と同様、ケース20の主面22に対して実質的に平行に延びる平行部分24aと、ケース20から露出し、実質的に垂直な方向に延びる垂直部分24bとを有する。また、実施の形態6によれば、クランパ80が設けられ、このクランパ80は、図6(b)に示すように、U字状の断面形状を有し、その内部に空洞部82を有する。さらに、このクランパ80は、その一方の端部83において、蓋26に形成されたフランジ29と係合し、他方の端部84において、ねじ孔85を有する。こうして、実施の形態4と同様、クランパ80の空洞部82において、バスバー30を主電極24の垂直部分24bとボルト62の先端部63の間に配置した状態でボルト62をケース20に対して締め付けることにより、バスバー30を主電極24の垂直部分24bとボルト62の先端部63の間で確実に挟持することができる。こうして、主電極24の垂直部分24bおよびバスバー30を電気的に接続することができる。
したがって、実施の形態6によるパワーモジュール6によれば、実施の形態4と同様、バスバー30および主電極24には貫通孔が形成されないので、バスバー30と主電極24の間の接触面積を拡大し、バスバー30と主電極24の間の接触抵抗を低減して、電力損失を極力小さく抑えることができる。すなわち、電力損失を小さく維持しながら、バスバー30と主電極24の間の接触面積、ひいてはバスバー30と主電極24の寸法を小さくして、パワーモジュール6の小型化を図ることができる。また、バスバー30および主電極24は貫通孔を持たないので、金属疲労によるバスバー30の破断が生じにくい信頼性の高いパワーモジュール6を実現できる。さらに、実施の形態6によれば、実施の形態5と同様に、半導体素子14から生じる熱をより効率的に放熱させ、機械的ストレスを緩和することができるので、放熱効果が高く、信頼性の高いパワーモジュール6を実現することができる。
加えて、実施の形態4と同様、好適には、図6(b)に示すように、ボルト86の先端部87とバスバー30の間に、ボルト86の先端部87より大きい面積を有する圧接プレート88が配設される。こうして、より広い面積のバスバー30を均一な圧力で押圧することにより、バスバー30と主電極24の間の接触抵抗をさらに低減し、電力損失を極力抑えることができる。
実施の形態7.
図7を参照しながら、本発明に係る実施の形態7について以下に説明する。実施の形態7によるパワーモジュール7は、複数の小ねじを用いて、単一のバスバー30を主電極24との間に挟持する点を除いて、実施の形態4のパワーモジュール4と同様の構成を有するので、重複する部分に関する詳細な説明を省略する。また、上記の実施の形態と同様の構成部品については、同様の符号を用いて説明する。
実施の形態7によるパワーモジュール7のクランパ90は、図7(a)に示すように、上から見て四方に4つのねじ孔92を有し、図7(b)および(c)に示すように、バスバー30が延びる方向に開口し、リング状の断面形状を有する外枠で包囲された空間部94を有する。このクランパ90の空間部94には、バスバー30と主電極24を重ね合わせた状態で挿入され、小ねじ96をねじ孔92に螺合させることにより、小ねじ96の先端部と主電極24の間にバスバー30を挟持する。
実施の形態7のクランパ90は、4つのねじ孔92を四方に設けたが、任意の数のねじ孔を任意の適当な位置に設けてもよい。また、この実施の形態のクランパ90は、実施の形態6に適用することが可能であって、主電極24の垂直部分24bに配設してもよい。
こうして、実施の形態7によるパワーモジュール7によれば、上記の実施の形態と同様、バスバー30および主電極24には貫通孔が形成されないので、バスバー30と主電極24の間の接触面積を拡大して、バスバー30と主電極24の間の接触抵抗を低減し、電力損失を極力小さく抑えることができる。すなわち、電力損失を小さく維持しながら、バスバー30と主電極24の間の接触面積、ひいてはバスバー30と主電極24の寸法を小さくして、半導体装置の小型化を図ることができる。また、バスバー30および主電極24は貫通孔を持たないので、金属疲労によるバスバー30の破断が生じにくい信頼性の高いパワーモジュール7を実現できる。
なお、実施の形態7のパワーモジュール7によれば、バスバー30および主電極24は、図7(a)において、ともに左右方向に延びるように図示されているが、図8に示すように、クランパ90が互いに直交する方向(図中の矢印Aおよび矢印Bの方向)に開口し、主電極24がクランパ90内において矢印Aの方向に延びる一方、バスバー30が矢印Bの方向に延びるように、クランパ90を構成することができる。その結果、このクランパ90を用いることにより、バスバー30の配線方向を容易に変更することができるので、周辺回路装置の配置位置に対してより柔軟に対応可能な半導体装置を提供することができる。
本発明にかかる実施の形態1による半導体装置を示す平面図(a)、1B−1B線から見た端面図(b)、および1C−1C線から見た端面図(c)である。 本発明にかかる実施の形態2による半導体装置を示す平面図(a)、2B−2B線から見た端面図(b)、2C−2C線から見た端面図(c)、および2D−2D線から見た端面図(d)である。 本発明にかかる実施の形態3による半導体装置を示す平面図(a)、3B−3B線から見た端面図(b)、3C−3C線から見た端面図(c)、および3D−3D線から見た端面図(d)である。 本発明にかかる実施の形態4による半導体装置を示す平面図(a)、4B−4B線から見た端面図(b)、および4C−4C線から見た断面図(c)である。 本発明にかかる実施の形態5による半導体装置を示す平面図(a)、5B−5B線から見た端面図(b)、および5C−5C線から見た断面図(c)である。 本発明にかかる実施の形態6による半導体装置を示す平面図(a)、6B−6B線から見た側面端面図(b)、および正面図(c)である。 本発明にかかる実施の形態7による半導体装置を示す平面図(a)、7B−7B線から見た側面端面図(b)、および正面断面図(c)である。 実施の形態7の別のクランパを示す斜視図である。
符号の説明
1〜7 パワーモジュール、10 金属ベース板、11a,11b 金属パターン、12 絶縁基板、14 半導体素子、16 導電性ワイヤ、20 ケース、22 主面、24 主電極、26 蓋、27 ねじ、30 バスバー、40 圧接バー、42 中央部(対向部)、44a,44b 両端部(非対向部)、50 ヒートシンク、60 クランパ、66 圧接プレート、70 ナットホルダ、80 クランパ、88 圧接プレート、90 クランパ、96 小ねじ。

Claims (4)

  1. ケースと、
    前記ケース内に配設された半導体素子と、
    前記半導体素子と電気的に接続された主電極と、
    固定部材を用いて、前記ケースに固定された圧接バーと、
    前記主電極と前記圧接バーの間に挟持され、前記主電極と電気的に接続されたバスバーとを備え
    前記圧接バーが前記バスバーに対向する対向部および対向しない非対向部からなり、該圧接バーの該対向部と前記主電極の間に該バスバーが挟持されることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記固定部材は、ボルトと、前記ケース内に配設されたナットとからなり、
    前記圧接バーの前記非対向部に圧接バー貫通孔が設けられ、前記ボルトが前記圧接バーの前記圧接バー貫通孔を介して前記ナットに螺合することにより、前記圧接バーの前記対向部と前記主電極の間に前記バスバーが挟持されることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記ケース上に配設される蓋をさらに有し、
    前記圧接バーは、前記ケースまたは前記蓋と一体に成形されることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。
  4. 複数のベース板貫通孔を含むベース板と、
    前記ベース板の前記ベース板貫通孔と同軸に形成された複数のねじ孔を含むヒートシンクとをさらに有し、
    前記固定部材は複数のボルトからなり、
    前記圧接バーの前記非対向部に圧接バー貫通孔が設けられ、
    前記ボルトが前記圧接バー貫通孔および前記ベース板貫通孔を介して前記ヒートシンクの前記ねじ孔に螺合することにより、前記ケースおよび前記ベース板が前記ヒートシンクに固定されるとともに、前記圧接バーと前記主電極の間にバスバーが挟持されることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
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