JP4644008B2 - 半導体モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置に関するものであり、特にグランド電位に接続された放熱器が当接される半導体装置からなる半導体モジュールに関する。
従来、半導体素子をパッケージ封止してなる半導体装置において、半導体素子から発生する熱を放出するための放熱器が当接された状態で使用されるものがある。半導体装置の種類によっては、放熱器にグランド電位が接続されて駆動するものもある。このような場合、特に高い絶縁耐圧（例えば、６００Ｖや１２００Ｖ）が求められる電力用半導体装置の場合、半導体装置の端子とグランド電位に接続された放熱器との間で適切な絶縁空間距離と絶縁沿面距離が設けられる。適切な絶縁空間距離と絶縁沿面距離を設けるための構造を有する半導体装置（モジュール）として特許文献１のものがある。これは、適切な絶縁空間距離と絶縁沿面距離を設ける必要がある端子間において、樹脂製の壁と、壁と連なるように設けた溝とによって適切な絶縁空間距離と絶縁沿面距離を確保している。
特開２００３−３０３９３９公報
しかしながら、既製の半導体装置、言い換えると形状が決まっている半導体装置を用いて半導体モジュールを構成する場合、壁と溝とを形成するのは困難である。特に、半導体素子を封止して放熱器が当接されるための主面を有するパッケージと、パッケージ側面から突出して主面から離れる方向に曲折する端子とを有する半導体装置（例えば、ＤＩＰ（Ｄｕａｌ Ｉｎｌｉｎｅ Ｐａｃｋａｇｅ）型の半導体装置）においてグランド電位に接続された放熱器が当接される場合、端子と放熱器の距離は近くなるため、絶縁空間距離と絶縁沿面距離の確保が大きな問題となっていた。
そこで、本発明は、半導体素子を封止して放熱器が当接されるための主面を有するパッケージとパッケージ側面から突出して主面から離れる方向に曲折する端子とを有する半導体装置からなり、グランド電位に接続された放熱器が当接されても適切な絶縁空間距離と絶縁沿面距離を確保することができる半導体モジュールを提供することを目的とする。
本発明に係る半導体モジュールは、グランド電位に接続された放熱器と、放熱器が当接される主面および側面を含むパッケージで封止された半導体素子、および該側面から突出して主面から離れる方向に曲げられた複数の端子を有する少なくとも１つ半導体装置と、複数の端子穴を有する底部およびこれに対向する開口部を有し、前記半導体装置の前記端子が該端子穴に挿通された状態で該半導体装置を収容する桝型のケーシングと、前記半導体装置と前記ケーシングの間に形成された間隙を充填して、前記半導体装置の前記パッケージの側面における端子部分を封止する絶縁性樹脂とを備えたことを特徴とする。
本発明によれば、グランド電位に接続された放熱器が当接された半導体モジュールにおいて、ケーシングと絶縁性樹脂により、これらがない場合に比べて絶縁空間距離と絶縁沿面距離が長くなる。その結果、半導体モジュールの絶縁耐性も向上する。
実施の形態１．
本発明の実施の形態１に係る、全体が符号１０で表される半導体モジュールの概略的な断面を図１に示す（半導体装置内部は省略している）。図に示すように、半導体モジュール１０は、電力用の半導体装置１２と枡型のケーシング１４から構成され、半導体装置１２から熱を受け取り放熱するとともにグランド電位が接続された放熱器１６に当接されている。半導体装置１２は、半導体素子（図示せず）を封止するパッケージ１８を有し、パッケージ１８の主面２０で放熱器１６に当接している。
また、半導体装置１２は、パッケージ側面２４から突出して主面２０（放熱器１６）から離れる方向に曲折する複数の端子２６を有する。このような半導体装置１２は、例えば、ＤＩＰ（Ｄｕａｌ Ｉｎｌｉｎｅ Ｐａｃｋａｇｅ）型構造の半導体装置が該当する。
ケーシング１４は、絶縁材料、例えば、ＰＰＳ、ＰＢＴ、ＰＥＴなどの樹脂から形成されている。ケーシング１４は、桝型であって半導体装置１２のパッケージ１８を少なくとも部分的に収容する構成を有する。ここで言う「収容」とは、パッケージ側面２４と垂直な方向から見た場合、半導体装置１２のパッケージ１８の少なくとも一部がケーシング１４に覆われて見えない状態で枡型のケーシング１４内に位置することをいう。ケーシング１４の深さＤは、半導体装置１２の端子２６の根元２８が十分に収容される大きさに設定されている。
また、ケーシング１４は、半導体装置１２のパッケージ１８の収容を可能とするために、半導体装置１２の端子２６と対応する底部３０の位置に、端子が挿通する端子穴３２を有する。半導体装置１２は、端子穴３２に端子２６が挿通された状態でケーシング１４に収容される。
半導体装置１２のパッケージ１８とケーシング１４の間には、例えばエポキシ樹脂などの絶縁性樹脂３４が充填されている。絶縁性樹脂３４は、充填時は液状であってパッケージ１８とケーシング１４の間隙の細部まで流れ入る流動性を有し、簡易な方法で硬化することができるものが好ましい。なお、液状の樹脂は、図１とは異なり、底部３０が下に来るように（ケーシング１４の開口が上方にくるように）配置されたケーシング１４内に半導体装置１２を収容して充填される。
ケーシング１４と絶縁性樹脂３４により、端子２６の端子穴３２から先端までの部分が外気に露出することになる。その結果、端子２６と放熱器１６までの空間を介する最短距離（絶縁空間距離）はＬ１となり、端子２６と放熱器１６の間の沿面上の最短距離（絶縁沿面距離）はＬ２となる。半導体モジュール１０は、ケーシング１４と絶縁性樹脂３４がない場合の絶縁空間距離および絶縁沿面距離に比べて（参考のために、点線Ｌで示している。）、長い絶縁空間距離Ｌ１と絶縁沿面距離Ｌ２を有することになる。その結果、絶縁耐性も向上する。
実施の形態２．
本発明に係る実施の形態２の半導体モジュールの概略的な部分断面を図２に示す。図２の断面図は、半導体装置の側面と平行な断面図である。複数の半導体装置がケーシングに収容されている点で実施の形態１と異なる。実施の形態１と異なる点を説明する。
本実施の形態に係る半導体モジュール１１０は、ケーシング１１４に２つの半導体装置１１２ａと１１２ｂとを収容している。ケーシング１１４は、２つの半導体装置１１２ａと１１２ｂの端子１２６ａと１２６ｂが挿通する端子穴１３２を有する。
２つの半導体装置で１つの半導体モジュールを形成する利点を説明する。２つの半導体装置の機能を組み合わせた１つの半導体装置、言い換えると、２つの機能部を有する半導体装置を作成した場合、１つの機能部に不良が生じると、もう１つの機能部が良品にかかわらず、半導体装置は不良となる（良品な機能部が無駄になる。）。例えば、複数の機能部を有する半導体装置に代わって、他の機能部に比べて歩留まりが悪い（不良率が高い）機能部を有する半導体装置と残りの機能部を有する半導体装置とを用い、同一の機能部を有する半導体モジュールを作製する。歩留まりが悪い機能部を有する半導体装置の良品を使用することで、残りの機能部を有する半導体装置が無駄になることがなくなる。その結果、同機能部を有する半導体装置よりも同機能を有する半導体モジュールの方が歩留まりが良くなる。
また、半導体装置１１２ａにおいて、２本の端子１２６ａが絶縁性樹脂１３４内で配線１３６によって電気的に接続されている。さらに、２つの半導体装置１１２ａ、１１２ｂの端子１２６ａ、１２６ｂそれぞれ１つが、絶縁性樹脂１３４内で配線１３８によって電気的に接続されている。したがって、半導体モジュール１１０外部で、これらの端子を電気的に接続する必要がなくなる。その結果、本実施形態に係る半導体モジュール１１０を使用するユーザは、これらの端子を接続する必要がなくなる。
実施の形態３．
本発明に係る実施の形態３の半導体モジュールの概略的な部分断面を図３に示す。上述の実施形態と異なる点は、半導体装置に接続される回路基板が、半導体装置とケーシングとの間隙に収容されていることである。上述の実施の形態と異なる点を説明する。
本実施の形態に係る半導体モジュール２１０は、半導体装置２１２の主面２２０と対向する面２４０とケーシング２１４の底部２３０との間に、半導体装置２１２と端子２２６ｃによって電気的に接続される回路基板２４２を収容している。
また、回路基板２４２が外部の部材と電気的に接続するための端子２４４を有し、ケーシング２１４は、端子２４４用の端子穴２４６を有する。
本実施形態によれば、半導体装置２１２と電気的に接続される回路基板２４２が絶縁性樹脂２３４によって保護される。
実施の形態４．
本発明に係る実施の形態４の半導体モジュールの概略的な部分断面を図４に示す。上述の実施形態と異なる点は、ケーシングに端子台を有する点である。上述の実施の形態と異なる点を説明する。
本実施形態に係る半導体モジュール３１０は、半導体装置３１２の端子３２６ｄとケーシング３１４が端子台３４８を構成している。ケーシング３１４は、端子台３４８を構成する端子台ベース３５０を有し、その内部にナット３５２を収容している。端子３２６ｄは、ナット３５２と螺合するねじのねじ部（図示せず）が挿通する穴３５４を有し、ナット３５２と穴３５４が同軸上に存在するように、また、端子台ベース３５０と当接するように折り曲げられている。
本実施形態よれば、端子台により、バスバーなどの配線が容易に着脱可能になる。
以上、４つの実施形態の半導体モジュールを挙げたが、これらは相互に独立して実施する必要があるわけでない。例えば、複数の半導体装置を有し、ケーシングの底部と半導体装置の間に回路基板があって、さらに、端子台を備えた半導体モジュールであってもよい。また、本発明の適切な絶縁空間距離と絶縁沿面距離を確保するという目的を逸脱することなく、改良可能であることは明らかである。
例えば、端子穴は、端子穴と端子が接触するような、具体的には、端子穴の穴深さ方向の一部において端子の外周と接触するように構成されても良い。例えば、図５に示すように、一辺がＷの正方形の断面を有する端子４２６に対し、ケーシング４１４の端子穴４３２が、ケーシング４１４の内部４５６側の開口断面がＷより大きいＷ１の正方形形状であるとともに外部側４５８の開口断面がＷと等しいＷ２の正方形状であれば、端子４２６と端子穴４３２は接触する。これにより、ケーシング４１４に対して端子４２６が位置決めされ、また、充填する絶縁性樹脂の流動性が高い場合、該絶縁性樹脂の端子穴４３２からの漏れを防げる。
また、端子穴４３２は、図５に示すように、内部側の断面が大きくなるように、すなわち、テーパ状に構成するのが好ましい。テーパ状に形成されることにより、テーパがガイドとして機能し、端子４２６が端子穴４３２に挿通し易くなる。
さらに、図１を参照すれば、ケーシング１４は半導体装置１２の端子２６の根元２８が最小限収容される深さ（深さＤ）になるように構成されるのが好ましい。半導体装置のパッケージを完全に収容するようにケーシングを構成すると、ケーシングに使用する樹脂材料が多くなる。ケーシングは、半導体装置の端子の根元が外気に露出しないように充填された絶縁性樹脂が溢れない深さを備えればよい。
さらにまた、図１を参照すれば、半導体モジュール１０は、絶縁性樹脂３４から露出した半導体装置１２のパッケージ１８の側面２４の長さ（図中、露出側面長さＳ）が絶縁沿面距離Ｌ２として認められる最小値以上になるように構成するのが好ましい。図１に示すように、放熱効果を高めるために、主面２０と当接する放熱器１６がケーシング１４とパッケージ１８の間の絶縁性樹脂３４と対向するような大きさで構成されていても、パッケージ１８の露出側面長さＳが絶縁沿面距離Ｌ２の一部として確保される。また、図１のように主面２０全体と接触するのと異なり、パッケージの主面の一部と接触するような放熱器が使用される場合、ケーシング内の絶縁性樹脂から露出する半導体装置のパッケージの側面（露出側面）と、放熱器と接触していない主面部分が絶縁沿面距離として利用できる。さらに、そのパッケージの露出側面の長さを上述のように絶縁沿面距離として認められる最小値とすることは好ましく、それにより、半導体モジュールは絶縁沿面距離が確保されつつ小型化される。
加えて、ケーシングは、半導体装置をケーシングに収容する際に、端子を端子穴にガイドするガイド部を有してもよい。図６は、ガイド部５６０が形成されたケーシング５１４を示している。ガイド部５６０は、ケーシング５１４の内側面５６２（半導体装置収容時、端子が突出する側面と対向する面）から底面５６４に設けられた端子穴５３２に向かって傾斜する傾斜面からなる端子先端誘導部５６６と、誘導部５６６の間に設けられて誘導部５６６より大きくケーシングから隆起している、端子挿通時に端子の端子並列方向５６８の移動を規制する端子規制部５７０から構成される。これにより、半導体装置をケーシングに収容する際の、端子の端子穴への挿通が容易になる。
最後に、図７に示すように、ケーシング６１４は、端子６２６の根元６２８が絶縁性樹脂６３４に覆われ、端子６２６の外気への露出部分（端子穴６３２）が放熱器６１６から遠い位置（半導体装置６１２を介して放熱器６１６と対向する位置）にあれば、適切な絶縁空間距離と絶縁沿面距離が確保されるため、底部６３０に開口部６７２を設けても良い。これにより、ケーシング６１４を構成する材料が少なくて済む。
本発明の実施の形態１に係る半導体モジュールの断面図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体モジュールの部分断面図である。 本発明の実施の形態３に係る半導体モジュールの断面図である。 本発明の実施の形態４に係る半導体モジュールの断面図である。 改良された端子穴を示す図である。 端子ガイドを示す図である。 改良された半導体モジュールの断面図である。
符号の説明
１０ 半導体モジュール、 １２ 半導体装置、 １４ ケーシング、 １６ 放熱器、 １８ パッケージ、 ２０ 主面、 ２４ 側面、 ２６ 端子、 ２８ 端子根元、 ３０ 底部、 ３２ 端子穴、 ３４ 絶縁性樹脂、

Claims (10)

  1. グランド電位に接続された放熱器と、
    放熱器が当接される主面および側面を含むパッケージで封止された半導体素子、および該側面から突出して主面から離れる方向に曲げられた複数の端子を有する少なくとも１つ半導体装置と、
    複数の端子穴を有する底部およびこれに対向する開口部を有し、前記半導体装置の前記端子が該端子穴に挿通された状態で該半導体装置を収容する桝型のケーシングと、
    前記半導体装置と前記ケーシングの間に形成された間隙を充填して、前記半導体装置の前記パッケージの側面における端子部分を封止する絶縁性樹脂とを備えたことを特徴とする半導体モジュール。
  2. 複数の半導体装置がケーシング内に収容され、各半導体装置のそれぞれの端子が各端子穴に挿通されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
  3. 絶縁性樹脂内に配置された配線を介して、半導体装置の１つの端子が別の端子に電気的に接続されていることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の半導体モジュール。
  4. 半導体装置と電気的に接続され、半導体装置とケーシングの間の絶縁性樹脂内に収容された回路基板をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
  5. ケーシングは、半導体装置の端子と協働して端子台を形成する端子台ベースを有することを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
  6. ケーシングの端子穴が半導体装置の端子と接触していることを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
  7. ケーシングが、半導体装置の端子の根元が最小限収容される深さになるように構成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一に記載の半導体モジュール。
  8. ケーシングの端子穴の断面が半導体装置から離れる方向に向かって先細っていることを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
  9. ケーシングが、半導体装置をケーシングに収容する際に、端子を端子穴にガイドするガイド部を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
  10. 半導体装置の主面に当接される放熱器をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
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