JP4543542B2

JP4543542B2 - Semiconductor device

Info

Publication number: JP4543542B2
Application number: JP2000359390A
Authority: JP
Inventors: 伸征矢野
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2000-11-27
Filing date: 2000-11-27
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2020-11-27
Also published as: JP2002164500A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インバータ装置などに適用するインテリジェントパワーモジュール（Intelligent Power Module) を対象とした半導体装置に関し、詳しくはその組立構造に係わる。
【０００２】
【従来の技術】
頭記したインテリジェントパワーモジュールとして、そのパッケージ内に主回路ブロックおよび制御回路を内装した構成のものが公知であり、その従来例の組立構造を図４，図５に示す。
各図において、１は放熱用の金属ベース板（銅ベース）、２は端子一体形の外囲ケース（樹脂成形品）、３は主回路端子（主回路に対する入，出力用の外部導出端子）、４は制御端子（制御回路に対する外部導出端子）、５はパワー回路、６は制御回路、７は内部配線のボンディングワイヤである。ここで、パワー回路５は、パワー回路基板５ａの上にＩＧＢＴなどのパワー半導体素子５ｂ，およびフリーホイーリングダイオード５ｃなどを実装した構成になり、パワー回路基板５ａは、アルミナ，窒化アルミニウムなどのセラミックス板の上面に銅回路パターン，下面に銅層を直接接合したDirect Bond Copper基板が採用されている。一方、制御回路６はプリント基板６ａに前記パワー素子５ｂの駆動要ＩＣ６ｂ，および各種の回路部品を実装した構成になる。
【０００３】
そして、図４(a),(b) の例では、金属ベース板１の上面に前記したパワー回路５と制御回路６を同一面上に並べて搭載した構成になり、次に記す手順で組み立てる。まず、パワー回路５はそのパワー回路基板５ａの銅層を下に向けて金属ベース板１に半田付し、制御回路６はそのプリント基板６ａを接着剤で金属ベース板１に接着する。続いてパワー回路５と制御回路６との間にワイヤ７をボンディング接続して内部配線を施す。次に、金属ベース板１の上に端子一体形の外囲ケース２を被せて接着剤で接合した後に、主回路端子３のインナーリード部３ａとパワー回路基板５ａの回路パターンとの間、および制御端子４と制御回路基板６ａの回路パターンとの間を半田付けする。そして、パッケージ内にゲル状充填材（例えばシリコーンゲル）を注入して主回路ブロック５，制御回路６を封止した上で、最後に外囲ケース２に上蓋（図示せず）を被せる。
【０００４】
一方、図５に示した例は、パッケージ内にパワー回路５と制御回路６を二階建て式に組み込んた構成になる。ここで、パワー回路５は図４と同様に金属ベース板１の上に半田付けするのに対して、制御回路６は、図示のようにプリント基板６ａがパワー回路基板５ａと略同形な方形状になり、パワー回路５を搭載した金属ベース板１に端子一体形の外囲ケース２を重ねて主回路端子３とパワー回路基板５ａの回路パターンとの間を半田付けした後、パワー回路５の上に樹脂フレーム８ａ，中継端子８ｂからなる中継端子ブロック８を重ねてその中継端子８ｂと回路パターンと半田付けした後に、該端子ブロック８の上に制御回路６を載置し、この状態でプリント基板基板６ａと中継端子８ｂ，および制御端子４との間を半田付けする。その後、図４で述べたと同様にパッケージ内にゲル状充填材を注入し、最後に上蓋を被せて組み立てる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図４あるいは図５の組立構造で構成した従来の半導体装置では、次記のような問題点がある。すなわち、
(1) 図４の構成では、パッケージの占有面積が大きくなって半導体装置が大形化するほか、その組立工程で金属ベース板１にパワー回路５，制御回路６を装着した状態で行う製品の中間テストで、制御回路６のプリント基板６ａに実装した回路部品の不良が発見された場合には、既にプリント基板６ａが金属ベース板１に接着剤で固着されていて、プリント基板５ａだけを金属ベース板１から剥がして不良部品を交換するといった手立てが不可能であることから、製品の中間組立体を廃棄処分せざるを得ず、その部品のロスが大きくなる。
【０００６】
(2) また、図５の構成では、二階建て方式としたことで、半導体装置の小型，コンパクト化、並びに組立工程の途中で行う中間テストで制御回路の実装部品に不良が発見された場合でも、制御回路を良品のものと簡単に交換できるなどの利点がある反面、パッケージ内でパワー回路５の上方にプリント基板が方形状になる制御回路６を組付けると、パワー回路５が制御回路６の裏側に隠れて外部から目視できなくなるため、パッケージ内部の構造チェックが行えなくなる。またパッケージ内にゲル状充填材を注入する工程では、外囲ケース２と制御回路６のプリント基板６ａの周縁との間には狭い隙間が残るだけで充填材の注入に時間が掛かる。さらに加えて、半導体装置の実使用状態でヒートサイクルが加わった際に、パワー回路５はそのセラミックス基板の全面が金属ベース板１に接合されているので殆ど問題はないが、二階建て方式で中継端子ブロック８の上に載置支持した方形状になる制御回路６のプリント基板６ａはヒートサイクルの影響を受け易く、このために端子との半田接合部に大きな応力が加わって半田接合が剥離するなどのトラブルを引き起こすおそれがある。
【０００７】
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、その目的は前記課題を解決し、パッケージ内に制御回路とパワー回路を上下に並べた二階建て方式の利点を生かしつつ、組立性，信頼性の改善，およびコストの低減化が図れるように改良した半導体装置の組立構造を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明によれば、放熱用の金属ベース板と、樹脂ケースの周縁部上面に主回路，制御回路の外部接続端子を配した端子一体形の外囲ケースからなるパッケージ内に、パワー回路および制御回路を組み込み、かつ前記の各回路ブロックをパッケージに注入したゲル状充填剤で封止した半導体装置であって、前記パワー回路はパワー回路基板にパワー半導体素子を搭載し、制御回路はプリント基板に制御回路部品を実装した構成になるものにおいて、
パワー回路の基板は従来と同様に金属ベース板上に半田付けして搭載するとともに、一方では制御回路のプリント基板の形状をコ字形となし、かつ該プリント基板を外囲ケースの内周側に沿わせてパワー回路の上方に二階建て式に配置した上で、パワー回路，および制御端子との間に内部配線を施して構成する。
【０００９】
この構成によれば、二階建て方式の特長を生かしつつ、パワー回路の上方に配置した制御回路のプリント基板をコ字形としたことで、その中央の開口部を通してパッケージ内の底部側に配置したパワー回路の組立状況を外部から目視してチェックできるとともに、パッケージ内へのゲル状充填材の注入が隅々までスムーズに行える。また、コ字形のプリント基板は、方形状のプリント基板と比べてヒートサイクルにより生じる変形量が小さく、これにより半田付け部への応力緩和が図れて信頼性が向上する。さらに加えて、大きなサイズの材料板からコ字形のプリント基板を多面取りする場合に、各個のプリント基板に対応するコ字形を左右で互いに入り組むようにパターンニングしてカットすれば、基板のカットによって生じる破材が殆ど発生せず、これにより基板材料を殆ど無駄なく使ってコ字形プリント基板を効率よく多面取りすることができてコストダウンが図れる。
【００１０】
また、本発明によれば、前記構成におけるパワー回路と制御回路との間の内部配線構造を次記のような態様で実現することができる。
(1) パッケージ内に組み込む制御回路のプリント基板と対峙するように、外囲ケースにはその底面側から起立する中継端子付き支持ブロックを設け、該支持ブロックを支持台としてその上に制御回路のプリント基板を載置した上で、中継端子を介してパワー回路と制御回路との間をワイヤボンディングして相互接続するようにし、具体的には前記の中継端子付き支持ブロックを、外囲ケースをモールド成形する際に前記のＬ字形の中継端子をインサートして一体に成形する。
【００１１】
このように、外囲ケースの底部側に支持ブロックを一体成形しておくことにより、制御回路を載置支持することができて組立工程が簡単になるとともに、この支持ブロックに中継端子をインサート成形しておくことで、パワー回路と制御回路との間の内部配線も簡単に行うことができる。
(2) また、前項(1) の中継端子付き支持ブロックに代わる態様として、制御回路の基板に対峙して外囲ケースの底部側にパワー素子駆動用ＩＣと一体成形した支持ブロックを起立形成し、該支持ブロックの上に制御回路を載置した上で、ＩＣのリードをパワー回路，制御回路に接続するようにした構成（請求項１）がある。この構成においては、パワー素子駆動用ＩＣとしてデュアル・イン・ライン・パッケージ型ＩＣを使用し、かつ該ＩＣのパッケージを横向きに起立させた姿勢にしてそのパッケージの側面から上下方向に引出したリードの一方を上方へ真っ直ぐに伸ばし、他方をＬ字状に折り曲げた上で、外囲ケースをモールド成形する際に、ＩＣを支持ブロックと一体にインサート成形する（請求項２）ようにする。
【００１２】
この構成によれば、二階建てのプリント基板にＩＣを実装したものと比べて、ＩＣの位置がパワー回路に実装したパワー半導体素子に近づいて両者間の配線長さが短くて済み、これにより配線インダクタンスの影響を低く抑えることができ、ＩＣの誤動作が防げる。また、樹脂封止したパッケージ型ＩＣをさらに支持ブロックと一体成形したことにより、図４，図５のようにベアチップのＩＣをプリント基板上に実装した構成と比べて、熱，湿気に対して高い信頼性が確保できる。さらに、ＩＣを制御回路のプリント基板から切り離して別置したことで、その分だけプリント基板の所要面積も少なくて済む。
【００１３】
(3) さらに別な実施の態様として、パワー回路の基板に、該基板から側方へ延在してその基板上面にパワー回路基板上の回路パターンから引出したリードをパターン形成した補助基板を一体に形成しておき、パワー回路基板を金属ベース板上に半田付けして搭載した後に、前記補助基板を折り曲げて直角に起立させた上で、そのリードを上方に配した二階建ての制御回路のプリント基板に接続するようにした構成がある（請求項３）。なお、この補助基板は裏面側に銅層を設けず、かつパワー回路基板との間の境界に沿ってあらかじめスクライブラインを形成しておき、リードが繋がったまま補助基板を直角に折り曲げて起立させることができるようにする。また、前記のようにして起立させた補助基板は、外囲ケースの底部側に一体成形した支持ブロックに添わせて嵌合式に保持させるようにする（請求項４）。
【００１４】
上記の構成により、補助基板，およびその基板にパターン形成したリードを使って制御回路の支持と内部配線が同時に行える。また、補助基板のリードを直接相手側のプリント基板に接続することで、パワー回路と制御回路との間にボンディングワイヤ，あるいは前項(1) で述べた中継端子を省略して内部配線を大幅に簡略化できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図１，図２，図３で示す参考例及び実施例に基づいて説明する。なお、各参考例及び実施例において、図４，図５に対応する部材には同じ符号を付してその説明は省略する。
〔参考例〕
図１(a),(b) は本発明の参考例の構成図である。この参考例においては、パワー回路５の基板５ａは、図５と同様に金属ベース板１の上面に半田付けして搭載されている。一方、制御回路６のプリント基板６ａは図示のようにコ字形の形状になる。そして、該プリント基板６ａは、外囲ケース２の内周側に沿わせて外囲ケース２の底部側に一体成形した中継端子ブロック９の上に載置し、パワー回路５の上方に二階建て式に配置しており、この位置でプリント基板６ａのスルーホールに通した中継端子ブロック９の中継端子９ａと半田付けするようにしている。なお、プリント基板６ａにはパワー回路５に実装したパワー半導体素子５ｂの駆動用ＩＣ６ｂ（ベアチップ）がそれぞのパワー半導体素子５ｂと対向するように実装されている。これにより、パワー半導体素子５ｂと駆動用ＩＣ６ｂとの間の距離が近づくので、駆動用ＩＣ６ｂの誤動作を防ぐことができる。
【００１６】
ここで、コ字形のプリント基板６ａを大きなサイズの基板材料の板から多面取りする際に、基板材料の板上に各個のプリント基板に対応したコ字形を左右で互いに入り組むようにパターンニングしてカットするようにする。これにより、基板のカットによって生じる破材が殆ど発生せず、これにより基板材料を殆ど無駄なく使ってコ字形のプリント基板を効率よく多面取りすることができてコストダウンが図れる。
【００１７】
また、前記の中継端子ブロック９は、外囲ケース（樹脂成形品）２をモールド成形する際に同時成形され、そのブロックにはＬ字状の中継端子９ａをインサート成形するようにしている。
そして、前記構成の半導体装置は次のような順序で組み立てる。まず、金属ベース板１の上面にパワー回路５の基板５ａを半田付けして搭載する。続いて、金属ベース板１の上に端子一体形の外囲ケース２を被せて接着し、この状態でパワー回路５の基板上に形成されている回路パターンと主回路端子３との間、および前記した中継端子ブロック９の中継端子９ａとの間をワイヤ７でボンディング接続する。次に、制御回路６のコ字形になるプリント基板６ａを中継端子ブロック９の上に載置した上で、基板上面に突き出している中継端子９ａ，および制御端子４との間を半田付け，または導電性接着剤を用いて接続する。その後に、パッケージの上面側から外囲ケース２の内部にシリコーンゲルなどのゲル状充填材を注入してパワー回路５，制御回路６を封止する。この際にゲル充填材は前記したコ字形プリント基板６ａの中央開口部６ａ-1を通じて基板の裏側に流れ込んで隅々まで充填する。最後に外囲ケース２に上蓋（図示せず）を被せて接着する。
【００１８】
上記の説明で判るように、パッケージ内にパワー回路５，制御回路６を組み込んだ組立途中の状態でも、プリント基板６ａの中央開口部６ａ-1を通してパワー回路５におけるパワー半導体素子５ｂなどの搭載状況を目視でチェックできる。また、コ字形のプリント基板６ａは図５に示した方形状のプリント基板と比べて撓み易く、かつプリント基板６ａの周縁部を中継端子ブロック９の上に載置して中継端子９ａ，制御端子４と半田付けしたことで、ヒートサイクルによって半田接合部に加わる応力を緩和できる効果もある。
【００１９】
〔実施例１〕
図２(a）〜(c) は、先記参考例の応用実施例である本発明の請求項１，２に対応した実施例を示すものである。この実施例は基本的な組立構造が先記参考例と同様であり、パワー回路５と制御回路６が二階建て方式でパッケージに内装され、かつ制御回路６のプリント基板６ａがコ字形になるが、この実施例では図１における中継端子ブロック９に代えて、次に記すような支持構造を採用している。
【００２０】
すなわち、参考例では制御回路６のプリント基板６ａにパワー半導体素子５ｂの駆動用ＩＣ（ベアチップ）６ｂを実装しているが、この実施例では駆動用ＩＣとして図２(c) で示すような樹脂封止されたパッケージ型のＩＣ６ｃを用い、これをプリント基板６ａには実装せずに、外囲ケース２の内周側辺に沿ってその底面側に一体形成した支持ブロック１０に、図示のような横向きに起立した姿勢でインサート成形する。なお、パッケージ型ＩＣ６ｃはそのパッケージ側面から上下に引出したＩＣリード６ｃ-1，６ｃ-2のうち、一方のリード６ｃ-1を上方へ真っ直ぐに伸ばし、他方のリード６ｃ-2をＬ字状に屈曲してその先端を外囲ケース２の内側に向けておく。
【００２１】
そして、半導体装置の組立時には、パワー回路５を搭載した金属ベース板１に外囲ケース２を被せた状態で、パワー回路５の基板５ａに実装したパワー半導体素子５ｂと前記ＩＣ６ｃのリード６ｃ-2との間をワイヤ７でボンディング接続する。その後に、ＩＣ６ｃと一体化した支持ブロック１０を支持台としてこの上に制御回路６のプリント基板６ａを載置し、該基板のスルーホールを通して基板上面側に突き出したＩＣ６ｃのリード６ｃ-1をプリント基板６ａの回路パターンに半田付け，または導電性接着剤を用いて接続する。なお、駆動用ＩＣ６ｃは図１の参考例と同じ位置に配置されている。
【００２２】
上記の構成によれば、二階建てのプリント基板６ａにベアチップのＩＣ６ｂを実装した図５の組立構造と比べて、それぞれのＩＣ６ｃの位置がパワー回路５に実装したパワー半導体素子５ｂに近づいて両者間の配線長さが短くて済み、これにより配線インダクタンスの影響を低く抑えることができてＩＣの誤動作が防げる。また、樹脂封止したパッケージ型ＩＣ６ｃを、支持ブロック１０にインサート成形した二重成形構造としたことにより、図４，図５のようにベアチップのＩＣをそのままプリント基板６ａに実装した構成と比べて、熱，湿気に対して高い信頼性が確保できる。さらに、ＩＣ６ｃを制御回路６のプリント基板６ａから切り離して別置したことで、その分だけプリント基板６ａの所要面積を縮小して中央開口部６ａ-1を広げることが可能である。
【００２３】
〔実施例２〕
図３(a) 〜(c) は本発明の請求項３，４に対応した実施例を示すものである。この実施例においては、パワー回路５の基板５ａに、そのセラミックス基板に連ねて側方に延在する補助基板５ｄを形成し、この補助基板５ｄの上面にはパワー回路基板５ａから引き出して制御回路に接続する内部配線用リード５ｄ-1をパターン形成する。なお、前記リード５ｄ-1の先端は補助基板５ｄの周縁から前方に突き出しており、また補助基板５ｄの裏面側には銅層を設けずに、パワー回路基板５ａとの境界に沿ってスクライブライン５ｅを入れておき、前記リード５ｄ-1が繋がったままこのスクライブライン５ｅの部分で補助基板５ｄが分断できるようにしている。
【００２４】
また、図３(c) で示すように、外囲ケース２と一体にその内周底部側には前記した補助基板５ｄに対応した横幅を有し、かつその左右両端に補助基板５ａを差し込んで起立姿勢に保持するように係合爪あるいは係合溝を形成した支持ブロック１１を外囲ケースのモールド形成時に同時成形しておく。
そして、半導体装置の組立工程では、図示のように金属ベース板１にパワー回路５の基板５ａを搭載して半田付けした後、前記したスクライブライン５ｅに沿って補助基板５ｄを折り曲げて上方に起立させ、金属基板１に外囲ケース２を被せた後に、前記のように起立させた補助基板５ｄを支持ブロック１１に添わせてその爪あるいは係合溝に差し込んで起立姿勢に保持する。次に、制御回路６を二階建て式に支持するには、支持ブロック１１を支持台としてその上にプリント基板６ａを載置し、この状態で補助基板５ｄにパターン形成したリード５ｄ-1の先端とプリント基板６ａとの間を半田付けする。
【００２５】
上記の構成によれば、パワー回路５と制御回路６との間の内部配線を、パワー回路基板５ａに連ねて補助基板５ｄにパターン形成したリード５ｄ-1を介して直接相手側のプリント基板６ａに接続することができ、したがってパワー回路５と制御回路６との間の接続にボンディングワイヤ，あるいは参考例で述べた中継端子９ａ（図１参照）を省略できるので、その内部配線構造が大幅に簡略化される。
【００２６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の構成によれば次記の効果を奏する。
パワー回路基板を金属ベース板上に搭載するとともに、プリント基板はその形状をコ字形となし、かつ外囲ケースの内周に沿わせてパワー回路の上方に配置した上で、パワー回路，および制御回路の外部導出端子との間に内部配線を施した構成によれば、
(a) 半導体装置の小型コンパクト化が図れる。
【００２７】
(b) 基板の中央開口部を通してパッケージの底部側に配置したパワー回路の状況を目視チェックできる。
(c) パッケージ内へのゲル状充填材の注入が行い易くなる。
(d) ヒートサイクルによるプリント基板の半田付け部への応力緩和が図れて信頼性が向上する。
【００２８】
(e) コ字形のプリント基板を基板材料から多面取りする際に、各個のプリント基板に対応するコ字形を左右で互いに入り組むようにパターンニングすることで、コ字形のプリント基板を効率よく多面取りすることができる。
【００２９】
さらに、制御回路の基板に対峙して外囲ケースの底部側に、デュアル・イン・ライン・パッケージ型のパワー素子駆動用ＩＣと一体になる支持ブロックを形成し、該支持ブロックの上に制御回路を載置した上で、ＩＣから引出したリードをパワー回路，制御回路に接続した請求項１，２の構成によれば、
(a) ＩＣの位置がパワー回路に実装したパワー半導体素子に近づいて両者間の配線長さが短くて済み、これにより配線インダクタンスの影響が低減する。
【００３０】
(b) パッケージ型ＩＣを支持ブロックと一体成形したことにより、ベアチップのＩＣをプリント基板上に実装した構成と比べて、熱，湿気に対して高い信頼性が確保できる。
(c) ＩＣをプリント基板から切り離して別置したことで、プリント基板の所要サイズが少なくて済む。
【００３１】
さらに、パワー回路のパワー回路基板に、該基板から側方へ延在してその基板上面にリードをパターン形成した補助基板を一体に形成し、パワー回路基板を金属ベース板上に搭載した後に補助基板を折り曲げて起立させるるとともに、その補助基板を外囲ケースの底部側に一体成形した支持ブロックに添わせて嵌合式に保持するようにした請求項３，４の構成によれば、
(a) 補助基板，および該基板にパターン形成したリードを使って制御回路の支持と内部配線が同時に行える。
【００３２】
(b) 補助基板のリードを直接相手側のプリント基板に接続することで、パワー回路と制御回路との間にボンディングワイヤ，あるいは中継端子を省略して内部配線を大幅に簡略化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の参考例に対応した半導体装置の組立構造図であり、(a) は分解斜視図、(b) は組立状態の斜視図
【図２】本発明の実施例１に対応した半導体装置の組立構造図であり、(a) は分解斜視図、(b) は組立状態の要部断面図、(c) はパッケージ型ＩＣの正面図
【図３】本発明の実施例２に対応した半導体装置の要部構成図であり、(a),(b) はそれぞれ金属ベース板にパワー回路の基板を搭載した状態の平面図，および側面図、(c) はパッケージに組付けた組立状態の要部断面図
【図４】従来例の半導体装置の組立構造図であり、(a) は分解斜視図、(b) は組立状態の斜視図
【図５】図４と別な従来例の半導体装置の組立構造図であり、(a) は分解斜視図、(b) は組立状態の斜視図
【符号の説明】
１金属ベース板
２外囲ケース
３主回路端子
４制御端子
５パワー回路
５ａパワー回路基板
５ｂパワー半導体素子
５ｄ補助基板
５ｄ-1 リード
５ｅスクライブライン
６制御回路
６ａプリント基板
６ｃパッケージ型ＩＣ
６ｃ-1，６ｃ-2 ＩＣリード
７ボンディングワイヤ
９中継端子付き支持ブロック
９ａ中継端子
１０，１１支持ブロック[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device intended for an intelligent power module applied to an inverter device or the like, and more particularly to an assembly structure thereof.
[0002]
[Prior art]
As the intelligent power module described above, a structure in which a main circuit block and a control circuit are housed in a package is known, and an assembly structure of a conventional example is shown in FIGS.
In each figure, 1 is a metal base plate for heat dissipation (copper base), 2 is a terminal-integrated enclosure case (resin molded product), 3 is a main circuit terminal (input / output terminal for main circuit, external lead-out terminal) 4 is a control terminal (external lead-out terminal for the control circuit), 5 is a power circuit, 6 is a control circuit, and 7 is a bonding wire for internal wiring. Here, the power circuit 5 has a configuration in which a power semiconductor element 5b such as an IGBT and a freewheeling diode 5c are mounted on the power circuit board 5a. The power circuit board 5a is made of ceramics such as alumina or aluminum nitride. A Direct Bond Copper board with a copper circuit pattern directly bonded to the upper surface and a copper layer directly bonded to the lower surface is used. On the other hand, the control circuit 6 has a configuration in which an IC 6b for driving the power element 5b and various circuit components are mounted on a printed board 6a.
[0003]
In the example of FIGS. 4A and 4B, the power circuit 5 and the control circuit 6 described above are mounted on the same surface on the upper surface of the metal base plate 1 and assembled in the following procedure. First, the power circuit 5 is soldered to the metal base plate 1 with the copper layer of the power circuit board 5a facing down, and the control circuit 6 adheres the printed board 6a to the metal base plate 1 with an adhesive. Subsequently, a wire 7 is bonded and connected between the power circuit 5 and the control circuit 6 to provide internal wiring. Next, after covering the metal base plate 1 with the terminal-integrated outer case 2 and bonding with an adhesive, between the inner lead portion 3a of the main circuit terminal 3 and the circuit pattern of the power circuit board 5a, and Soldering is performed between the control terminal 4 and the circuit pattern of the control circuit board 6a. Then, a gel filler (for example, silicone gel) is injected into the package to seal the main circuit block 5 and the control circuit 6, and finally the outer case 2 is covered with an upper lid (not shown).
[0004]
On the other hand, the example shown in FIG. 5 has a configuration in which the power circuit 5 and the control circuit 6 are incorporated into a package in a two-story manner. Here, the power circuit 5 is soldered onto the metal base plate 1 as in FIG. 4, whereas the control circuit 6 has a square shape in which the printed circuit board 6a is substantially the same shape as the power circuit board 5a as shown in the figure. After the terminal case-enclosed enclosure 2 is overlapped on the metal base plate 1 on which the power circuit 5 is mounted and soldered between the main circuit terminal 3 and the circuit pattern of the power circuit board 5a, the power circuit 5 A relay terminal block 8 composed of a resin frame 8a and a relay terminal 8b is overlaid and soldered to the relay terminal 8b and a circuit pattern, and then the control circuit 6 is placed on the terminal block 8 and printed in this state. The board substrate 6a, the relay terminal 8b, and the control terminal 4 are soldered. Thereafter, in the same manner as described with reference to FIG. 4, a gel filler is injected into the package, and finally the upper lid is put on and assembled.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
Incidentally, the conventional semiconductor device configured with the assembly structure of FIG. 4 or 5 has the following problems. That is,
(1) In the configuration shown in FIG. 4, the area occupied by the package increases and the size of the semiconductor device increases, and the product is manufactured with the power circuit 5 and the control circuit 6 mounted on the metal base plate 1 in the assembly process. In the intermediate test, when a defect of the circuit component mounted on the printed circuit board 6a of the control circuit 6 is found, the printed circuit board 6a is already fixed to the metal base plate 1 with an adhesive, and only the printed circuit board 5a is made of metal. Since it is impossible to remove the defective part from the base plate 1 and replace the defective part, the intermediate assembly of the product must be disposed of, and the loss of the part increases.
[0006]
(2) In addition, in the configuration of FIG. 5, the two-story method is adopted, so that even if a defect is found in the mounted part of the control circuit in the intermediate test performed in the middle of the miniaturization and downsizing of the semiconductor device and the assembly process. While the control circuit can be easily replaced with a non-defective product, the control circuit 6 having a square printed circuit board is assembled above the power circuit 5 in the package. Since it is hidden behind and cannot be seen from the outside, the structure inside the package cannot be checked. Further, in the step of injecting the gel-like filler into the package, it takes time to inject the filler because only a narrow gap remains between the outer case 2 and the peripheral edge of the printed circuit board 6a of the control circuit 6. In addition, when the heat cycle is applied in the actual use state of the semiconductor device, the power circuit 5 has almost no problem because the entire surface of the ceramic substrate is bonded to the metal base plate 1, but it is relayed by the two-story method. The printed circuit board 6a of the control circuit 6 having a rectangular shape placed and supported on the terminal block 8 is easily affected by the heat cycle. For this reason, a large stress is applied to the solder joint portion with the terminal, and the solder joint is peeled off. May cause trouble.
[0007]
The present invention has been made in view of the above points, and its object is to solve the above-mentioned problems, and to make use of the advantages of a two-story system in which a control circuit and a power circuit are arranged vertically in a package, while assembling and reliable. It is an object to provide an improved assembly structure of a semiconductor device so as to improve the cost and reduce the cost.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
To achieve the above object, the present invention comprises a metal base plate for heat dissipation and a terminal-integrated outer case in which the main circuit and control circuit external connection terminals are arranged on the upper surface of the peripheral portion of the resin case. A semiconductor device in which a power circuit and a control circuit are incorporated in a package and each circuit block is sealed with a gel filler injected into the package. The power circuit includes a power semiconductor element mounted on a power circuit board. However, the control circuit has a configuration in which control circuit components are mounted on a printed circuit board.
The power circuit board is mounted on the metal base plate by soldering as in the prior art, while the control circuit printed board has a U-shape and the printed circuit board is placed on the inner peripheral side of the outer case. The power circuit is arranged in a two-story manner above the power circuit, and internal wiring is provided between the power circuit and the control terminal .
[0009]
According to this configuration, while taking advantage of the two-story system, the printed circuit board of the control circuit placed above the power circuit has a U shape, so that the power placed on the bottom side in the package through the central opening The circuit assembly state can be visually checked from the outside, and the gel filler can be smoothly injected into the package. In addition, the U-shaped printed circuit board has a smaller amount of deformation caused by the heat cycle than the rectangular printed circuit board, thereby reducing stress on the soldered portion and improving the reliability. In addition, when multiple U-shaped printed circuit boards are taken from a large-sized material board, if the U-shaped corresponding to each printed circuit board is patterned and cut so as to be intertwined on the left and right, the board will be cut. Almost no broken material is generated, so that the substrate material can be used almost without waste, and the U-shaped printed circuit board can be efficiently and multi-sided to reduce costs.
[0010]
Further, according to the present invention, the internal wiring structure between the power circuit and the control circuit in the above configuration can be realized in the following manner.
(1) Provide a support block with a relay terminal standing up from the bottom side of the outer case so as to face the printed circuit board of the control circuit incorporated in the package, and use the support block as a support base on the control circuit. After the printed circuit board is placed, the power circuit and the control circuit are interconnected by wire bonding via the relay terminal. Specifically, the support block with the relay terminal is attached to the outer case. When molding, the L-shaped relay terminal is inserted and molded integrally .
[0011]
Thus, by integrally forming the support block on the bottom side of the outer case, the control circuit can be placed and supported, simplifying the assembly process, and the relay terminal is insert-molded on the support block. By doing so, internal wiring between the power circuit and the control circuit can be easily performed.
(2) Also, as an alternative to the support block with relay terminals in the preceding paragraph (1), a support block integrally formed with the power element driving IC is formed upright on the bottom side of the outer case facing the control circuit board. , on placing the control circuit on the said support block, the power circuit lead of IC, there is a structure in which to be connected to the control circuit (claim 1). In this configuration, a dual-in-line package type IC is used as the power element driving IC, and the lead of the IC package that has been pulled out vertically from the side surface of the package in a posture in which the IC package is erected horizontally. One is straightened upward, the other is bent into an L shape, and when the outer case is molded, the IC is insert-molded integrally with the support block (claim 2) .
[0012]
According to this configuration, the position of the IC is closer to the power semiconductor element mounted on the power circuit and the wiring length between the two is shorter than that in which the IC is mounted on the two-story printed circuit board. The influence of inductance can be kept low, and IC malfunction can be prevented. Further, since the resin-sealed package type IC is further integrally formed with the support block, it is higher with respect to heat and moisture than the configuration in which the bare chip IC is mounted on the printed board as shown in FIGS. Reliability can be secured. Furthermore, since the IC is separated from the printed circuit board of the control circuit and placed separately, the required area of the printed circuit board can be reduced accordingly.
[0013]
(3) As yet another embodiment, the power circuit board is integrated with an auxiliary board that is formed by patterning leads extending from the board and extending from the circuit pattern on the power circuit board. After the power circuit board is soldered and mounted on the metal base plate, the auxiliary board is bent and erected at a right angle, and then the lead is disposed on the upper side of the two-story control circuit. There is a configuration for connecting to a printed circuit board (claim 3) . This auxiliary board is not provided with a copper layer on the back side, and a scribe line is formed in advance along the boundary with the power circuit board, and the auxiliary board is bent at a right angle while the leads are connected to stand up. To be able to. Further, the auxiliary board erected as described above is held in a fitting manner along a support block integrally formed on the bottom side of the outer case (claim 4) .
[0014]
With the above configuration, the control circuit can be supported and the internal wiring can be performed at the same time by using the auxiliary substrate and leads formed on the substrate. In addition, by connecting the lead of the auxiliary board directly to the printed circuit board on the other side, the bonding wire or the relay terminal described in the previous section (1) is omitted between the power circuit and the control circuit, greatly increasing the internal wiring. It can be simplified.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described based on reference examples and examples shown in FIGS. In each reference example and embodiment, members corresponding to those in FIG. 4 and FIG.
[ Reference example ]
FIGS. 1A and 1B are configuration diagrams of a reference example of the present invention. In this reference example , the substrate 5a of the power circuit 5 is mounted on the upper surface of the metal base plate 1 by soldering as in FIG. On the other hand, the printed circuit board 6a of the control circuit 6 has a U-shape as illustrated. The printed circuit board 6 a is placed on the relay terminal block 9 integrally formed on the bottom side of the outer case 2 along the inner peripheral side of the outer case 2, and is two stories above the power circuit 5. The relay terminal 9a of the relay terminal block 9 that passes through the through hole of the printed board 6a is soldered at this position. Note that a driving IC 6b (bare chip) of the power semiconductor element 5b mounted on the power circuit 5 is mounted on the printed circuit board 6a so as to face each power semiconductor element 5b. As a result, the distance between the power semiconductor element 5b and the driving IC 6b is reduced, so that the malfunction of the driving IC 6b can be prevented.
[0016]
Here, when the U-shaped printed circuit board 6a is multi-sided from a large-sized board material plate, the U-shaped corresponding to each printed board is patterned on the board material board so as to be intertwined with each other on the left and right. Try to cut. As a result, almost no broken material is generated due to the cutting of the substrate, whereby the U-shaped printed circuit board can be efficiently and multi-sided by using the substrate material almost without waste, and the cost can be reduced.
[0017]
The relay terminal block 9 is simultaneously formed when the outer case (resin molded product) 2 is molded, and an L-shaped relay terminal 9a is insert-molded in the block.
And the semiconductor device of the said structure is assembled in the following orders. First, the substrate 5 a of the power circuit 5 is soldered and mounted on the upper surface of the metal base plate 1. Subsequently, a terminal integrated outer case 2 is put on the metal base plate 1 and bonded, and in this state, between the circuit pattern formed on the substrate of the power circuit 5 and the main circuit terminal 3, and The relay terminal block 9 is connected to the relay terminal 9 a by a wire 7. Next, after placing the printed circuit board 6a having a U-shape of the control circuit 6 on the relay terminal block 9, soldering between the relay terminal 9a protruding from the upper surface of the circuit board and the control terminal 4, or Connect using conductive adhesive. Thereafter, a gel-like filler such as silicone gel is injected into the outer casing 2 from the upper surface side of the package to seal the power circuit 5 and the control circuit 6. At this time, the gel filler flows into the back side of the substrate through the central opening 6a-1 of the U-shaped printed circuit board 6a and fills every corner. Finally, the outer case 2 is covered with an upper lid (not shown) and bonded.
[0018]
As can be seen from the above description, even when the power circuit 5 and the control circuit 6 are assembled in the package, the mounting state of the power semiconductor element 5b and the like in the power circuit 5 through the central opening 6a-1 of the printed circuit board 6a. Can be checked visually. Further, the U-shaped printed circuit board 6a is more flexible than the rectangular printed circuit board shown in FIG. 5, and the peripheral edge of the printed circuit board 6a is placed on the relay terminal block 9 to connect the relay terminal 9a and the control terminal. By soldering with 4, there is also an effect that the stress applied to the solder joint by heat cycle can be relieved.
[0019]
[ Example 1 ]
FIGS. 2A to 2C show an embodiment corresponding to claims 1 and 2 of the present invention, which is an application embodiment of the above-mentioned reference example . In this embodiment, the basic assembly structure is the same as that of the above-mentioned reference example . The power circuit 5 and the control circuit 6 are housed in a two-story package, and the printed circuit board 6a of the control circuit 6 is U-shaped. In this embodiment, the following support structure is adopted in place of the relay terminal block 9 in FIG.
[0020]
That is, in the reference example , the driving IC (bare chip) 6b of the power semiconductor element 5b is mounted on the printed circuit board 6a of the control circuit 6. In this embodiment, the resin as shown in FIG. As shown in the figure, a sealed package type IC 6c is used, and is not mounted on the printed circuit board 6a, and is integrally formed on the bottom side along the inner peripheral side of the outer casing 2 as shown in the figure. Insert molding is performed in an upright position. The package-type IC 6c has one lead 6c-1 straightly extended upward among the IC leads 6c-1 and 6c-2 drawn up and down from the side surface of the package, and the other lead 6c-2 in an L shape. It bends and its tip is directed to the inside of the outer case 2.
[0021]
When the semiconductor device is assembled, the power semiconductor element 5b mounted on the substrate 5a of the power circuit 5 and the lead 6c-2 of the IC 6c in a state where the outer casing 2 is put on the metal base plate 1 on which the power circuit 5 is mounted. Are connected by a wire 7. Thereafter, the printed circuit board 6a of the control circuit 6 is placed on the support block 10 integrated with the IC 6c as a support base, and the lead 6c-1 of the IC 6c protruding to the upper surface side of the board through the through-hole of the circuit board is printed. The circuit pattern of the substrate 6a is connected by soldering or using a conductive adhesive. The driving IC 6c is disposed at the same position as that of the reference example in FIG.
[0022]
According to the above configuration, the position of each IC 6c approaches the power semiconductor element 5b mounted on the power circuit 5 as compared with the assembly structure of FIG. 5 in which the bare chip IC 6b is mounted on the two-storied printed circuit board 6a. Therefore, the influence of the wiring inductance can be kept low and the malfunction of the IC can be prevented. Further, the resin-sealed package type IC 6c has a double-molded structure in which the support block 10 is insert-molded, so that compared to the configuration in which the bare chip IC is directly mounted on the printed circuit board 6a as shown in FIGS. High reliability against heat and moisture can be secured. Furthermore, by separating the IC 6c from the printed circuit board 6a of the control circuit 6 and arranging it separately, it is possible to reduce the required area of the printed circuit board 6a and expand the central opening 6a-1.
[0023]
[ Example 2 ]
3 (a) to 3 (c) show an embodiment corresponding to claims 3 and 4 of the present invention. In this embodiment, an auxiliary substrate 5d is formed on the substrate 5a of the power circuit 5 so as to continue to the side of the ceramic substrate. The control circuit is pulled out from the power circuit substrate 5a on the upper surface of the auxiliary substrate 5d. The internal wiring lead 5d-1 to be connected to is patterned. The tip of the lead 5d-1 protrudes forward from the peripheral edge of the auxiliary substrate 5d, and a scribe line is formed along the boundary with the power circuit substrate 5a without providing a copper layer on the back surface side of the auxiliary substrate 5d. 5e is inserted so that the auxiliary substrate 5d can be divided at the scribe line 5e while the lead 5d-1 is connected.
[0024]
Further, as shown in FIG. 3 (c), the outer case 2 has a width corresponding to the above-mentioned auxiliary board 5d integrally with the outer case 2, and the auxiliary board 5a is inserted into the left and right ends thereof. The support block 11 in which the engaging claw or the engaging groove is formed so as to be held in the standing posture is formed at the same time when the outer case is molded.
In the assembling process of the semiconductor device, the substrate 5a of the power circuit 5 is mounted on the metal base plate 1 and soldered as shown in the figure, and then the auxiliary substrate 5d is bent along the scribe line 5e to stand upward. Then, after covering the outer casing 2 on the metal substrate 1, the auxiliary substrate 5d erected as described above is inserted into the claw or engagement groove along the support block 11 and held in an upright position. Next, in order to support the control circuit 6 in a two-story manner, the printed circuit board 6a is placed on the support block 11 as a support base, and the tip of the lead 5d-1 patterned on the auxiliary board 5d in this state. And the printed circuit board 6a are soldered.
[0025]
According to the above configuration, the internal wiring between the power circuit 5 and the control circuit 6 is directly connected to the counterpart printed circuit board 6a via the lead 5d-1 patterned on the auxiliary circuit board 5d so as to be connected to the power circuit circuit board 5a. Therefore, since the bonding wire or the relay terminal 9a (see FIG. 1) described in the reference example can be omitted in the connection between the power circuit 5 and the control circuit 6, the internal wiring structure is greatly increased. Simplified.
[0026]
【The invention's effect】
As described above, according to the configuration of the present invention, the following effects can be obtained.
The power circuit board is mounted on the metal base plate, and the printed circuit board has a U-shape and is arranged above the power circuit along the inner periphery of the outer case, and then the power circuit and control. According to the configuration with internal wiring between the external lead-out terminal of the circuit,
(a) The semiconductor device can be reduced in size and size.
[0027]
(b) The state of the power circuit arranged on the bottom side of the package through the central opening of the board can be visually checked.
(c) It becomes easy to inject the gel filler into the package.
(d) The stress on the soldered part of the printed circuit board can be relaxed by heat cycle, and the reliability is improved.
[0028]
(e) When a U-shaped printed circuit board is multi-sided from the substrate material, the U-shaped printed circuit board is efficiently multi-sided by patterning the U-shaped corresponding to each printed circuit board so as to be intertwined on the left and right. it is Ru can be.
[0029]
Further, a support block that is integrated with the dual-in-line package type power element driving IC is formed on the bottom side of the enclosing case facing the control circuit board , and the control circuit is formed on the support block. According to the configuration of claims 1 and 2 , the lead drawn from the IC is connected to the power circuit and the control circuit.
(a) The position of the IC approaches the power semiconductor element mounted on the power circuit, and the wiring length between them can be shortened, thereby reducing the influence of wiring inductance.
[0030]
(b) Since the package type IC is integrally formed with the support block, high reliability against heat and moisture can be ensured as compared with the configuration in which the bare chip IC is mounted on the printed circuit board.
(c) Since the IC is separated from the printed circuit board and placed separately, the required size of the printed circuit board can be reduced.
[0031]
In addition, an auxiliary board is formed integrally on the power circuit board of the power circuit, extending laterally from the board and patterning the leads on the upper surface of the power circuit board, and the power circuit board is mounted on the metal base plate. According to the configuration of claims 3 and 4 , the substrate is bent and raised, and the auxiliary substrate is held in a fitting manner along a support block integrally formed on the bottom side of the outer case.
(a) The control circuit can be supported and the internal wiring can be performed simultaneously by using the auxiliary board and leads formed on the board.
[0032]
(b) By connecting the lead of the auxiliary board directly to the printed circuit board on the other side, the internal wiring can be greatly simplified by omitting the bonding wire or the relay terminal between the power circuit and the control circuit.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an assembly structure diagram of a semiconductor device corresponding to a reference example of the present invention, (a) is an exploded perspective view, and (b) is a perspective view of an assembled state. FIG. 2 corresponds to a first embodiment of the present invention. was a assembled structure view of a semiconductor device, (a) shows the exploded perspective view, (b) cross sectional view of the assembled state, (c) example 2 of the front view of the packaged IC [3] the present invention Fig. 2 is a configuration diagram of the main part of a semiconductor device corresponding to Fig. 1. (a) and (b) are a plan view and a side view of a state where a power circuit board is mounted on a metal base plate, respectively. FIG. 4 is an assembly structure diagram of a conventional semiconductor device, (a) is an exploded perspective view, and (b) is a perspective view of the assembled state. FIG. 2 is an assembly structure diagram of a conventional semiconductor device, where (a) is an exploded perspective view, and (b) is a perspective view of an assembled state.
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Metal base board 2 Enclosure 3 Main circuit terminal 4 Control terminal 5 Power circuit 5a Power circuit board 5b Power semiconductor element 5d Auxiliary board 5d-1 Lead 5e Scribe line 6 Control circuit 6a Printed board 6c Package type IC
6c-1, 6c-2 IC lead 7 Bonding wire 9 Support block with relay terminal 9a Relay terminal 10, 11 Support block

Claims

A power circuit and a control circuit are incorporated in a package comprising a metal base plate for heat dissipation and a terminal-integrated outer case in which a main circuit and an external lead-out terminal for the control circuit are arranged on the peripheral surface of the resin case. Is a semiconductor device in which each circuit block is sealed with a gel filler injected into a package, the power circuit having a power semiconductor element mounted on a power circuit board, and the control circuit having a control circuit component mounted on a printed circuit board In the case where the power circuit board is mounted on the metal base plate, the printed circuit board has a U-shape, and is arranged above the power circuit along the inner periphery of the outer case. Provide internal wiring between the power circuit and the external lead-out terminal of the control circuit,
Furthermore, a support block that is integrated with the power element driving IC is provided on the bottom side of the enclosure case so as to face the printed circuit board of the control circuit, and the control circuit is placed on the support block, and then the lead of the IC A semiconductor device characterized in that is connected to a power circuit and a control circuit.

2. The semiconductor device according to claim 1 , wherein the power element driving IC is a dual-in-line package type, and the IC package is placed in a standing posture, and one of the leads is drawn upward and the other is pulled sideways. A semiconductor device characterized by being inserted into a support block in a posture and integrally formed with an outer case.

A power circuit and a control circuit are incorporated in a package comprising a metal base plate for heat dissipation and a terminal-integrated outer case in which a main circuit and an external lead-out terminal for the control circuit are arranged on the peripheral surface of the resin case. Is a semiconductor device in which each circuit block is sealed with a gel filler injected into a package, the power circuit having a power semiconductor element mounted on a power circuit board, and the control circuit having a control circuit component mounted on a printed circuit board In the case where the power circuit board is mounted on the metal base plate, the printed circuit board has a U-shape, and is arranged above the power circuit along the inner periphery of the outer case. Provide internal wiring between the power circuit and the external lead-out terminal of the control circuit,
Further, the power circuit board of the power circuit is integrally formed with an auxiliary board extending laterally from the board and patterning leads on the upper surface of the power circuit board, and after the power circuit board is mounted on the metal base plate, A semiconductor device, wherein the auxiliary substrate is bent and erected, and the lead is connected to a control circuit disposed above.

4. The semiconductor device according to claim 3 , wherein the auxiliary substrate raised is held in a fitting manner along a support block integrally formed on the bottom side of the outer case.