JP5136513B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

この発明は、例えば半導体素子が実装されているモジュールと、その半導体素子を制御する基板とを備える半導体装置（ＩＰＭ：インテリジェント・パワー・モジュール）に関する。

従来、この種の半導体装置としては、例えば特許文献１に記載された半導体装置がある。図３に、この特許文献１に記載の装置も含めて従来一般に知られている半導体装置について、その組み立て前の分解斜視構造を、また図４に、その組み立て後の斜視構造を示す。

まず図３に示すように、この半導体装置（ＩＰＭ：インテリジェント・パワー・モジュール）は、半導体素子（例えばパワー半導体素子）が実装されているモジュール１０と、例えばその半導体素子を制御する制御回路が設けられているＩＰＭ制御基板２０とから構成されている。具体的には、モジュール１０は、パワー半導体素子たるＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ）チップＴｒおよび複数の端子ＴＭを有し、これらはワイヤーボンディングによって電気的に接続されている。そして、モジュール１０には、これらの端子ＴＭと内部で電気的に導通されつつ、その上面から突き出た複数の導通ピン１１が、ＩＧＢＴチップＴｒと基板２０上の制御回路とを電気的に接続すべく一列に設けられている。なお、モジュール１０には、これらモジュール１０と基板２０とを位置決めし、かつ固定するための位置決めピン１２と、２つのねじ穴１３とがこれらの導通ピン１１を挟むように並設されている。また、基板２０には、導通ピン１１および位置決めピン１２が下面から上面に向けて貫入されるピン孔２１および位置決め孔２２と、ねじ穴１３の位置に対応するねじ貫通孔２３とが一列に設けられている。そして、位置決めピン１２を位置決め孔２２に嵌挿して導通ピン１１とピン孔２１との位置合わせをしつつ、導通ピン１１をピン孔２１に遊嵌して、モジュール１０上に基板２０を載置し、この状態でねじ３０を基板２０の上面からねじ貫通孔２３を介してねじ穴１３に螺入することによって、モジュール１０に基板２０を締結する。このようにして、モジュール１０に基板２０を組み付けた後は、図４に示すように、基板２０の上面のピン孔２１の周囲に設けられた制御回路の各端子と導通ピン１１とを半田付けによって電気的に接続して、当該半導体装置としての組み立てを終了する。

特開平６−２６０５６９号公報

このように、上記従来の半導体装置（ＩＰＭ：インテリジェント・パワー・モジュール）にあっては、ＩＰＭ制御基板２０をねじ３０でモジュール１０に固定することにより、振動等による分解を防止するとともに、導通ピン１１と基板２０上の端子とを半田４０を用いて結合、すなわち半田付けすることにより、これらを電気的に接続するようにしている。しかし、こうした半導体装置にあっては上述のように、ねじ止めした後でさらに半田付けせざるを得ないなど、その作業の煩雑さから作業時間の短縮を図ることが困難となっている。すなわち、生産コストの増大が無視できないものとなっている。

この発明はこうした実情に鑑みてなされたものであり、電気的かつ機械的な結合が必要
とされる半導体装置としての組み立てを容易としてその生産性を向上することのできる半導体装置を提供することを目的とする。

以下、上記課題を解決するための手段およびその作用効果について記載する。
請求項１に記載の発明では、半導体素子が実装されたモジュールと半導体素子を制御する制御回路基板とが電気的かつ機械的に結合される半導体装置であって、前記モジュールの前記制御回路基板との当接面には、前記半導体素子の１以上の端子と電気的に接続されて内周面が電気的な導通面となる端子穴および該端子穴を挟む位置にあって底部が段状に拡幅されたロック溝が穿設されてなるとともに、前記制御回路基板には、前記モジュールのこれら端子穴およびロック溝とそれぞれ対応する位置に、制御回路の端子として内周面に電気的な導通面を有して貫通された端子孔および前記ロック溝の延長線上に貫通された貫通孔が設けられてなり、これらモジュールおよび制御回路基板は、前記端子穴と前記端子孔とにそれぞれ対応する部分が密着可能に拡幅された導通ピンおよび前記貫通孔から挿入されて前記ロック溝に掛合される先端形状を有するロックピンが絶縁性のブロックから突出されてなる固定ブロックのそれら導通ピンおよびロックピンの嵌入によって電気的かつ機械的に結合されてなることを要旨とする。

このような半導体装置によれば、振動等による分解を防止するために、従来の半導体装置の組み立てで行われていたねじ止め作業と、そのねじ止め作業後に行われていた半田付け作業とを省くことができる。すなわち、ねじ止め作業および半田付け作業に要していた作業時間を削減することができるようになる。これにより、作業時間が短縮されて作業効率を向上させることができるようになるとともに、不必要となったねじおよび半田を組立部品から削除することができるようにもなる。

この発明に係る半導体装置の一実施の形態について、その組み立て前の各構成部品の配置を示す組立分解斜視図。 同実施の形態の半導体装置について、その組み立て後の状態を示す斜視図。 従来の半導体装置について、その組み立て前の各構成部品の配置を示す組立分解斜視図。 従来の半導体装置について、その組み立て後の状態を示す斜視図。

図１および図２に、この発明に係る半導体装置の一実施の形態を示す。
まず図１に示すように、本実施の形態の半導体装置（ＩＰＭ：インテリジェント・パワー・モジュール）は、半導体素子（例えばパワー半導体素子）１０１が実装されているモジュール１００と、例えばその半導体素子１０１を制御する制御回路が設けられている制御回路基板２００と、これらモジュール１００と制御回路基板２００とを電気的かつ機械的に結合する固定ブロック３００とから構成されている。

具体的には、モジュール１００には、パワー半導体素子としてＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ）チップたる半導体素子１０１および複数の端子１０２が設けられており、これらはワイヤーボンディングによって電気的に接続されている。そして、モジュール１００には、これらの端子１０２と内部で電気的に導通されつつ、内周面が電気的な導通面となっている複数の端子穴１１０と、これらの端子穴１１０を挟む位置にあって、底部が段状に拡幅されている２つのロック溝１２０とが、一列に穿設されている。

また、制御回路基板２００には、モジュール１００に実装された半導体素子１０１を制御する制御回路の端子として、貫通されつつ内周面が電気的な導通面となっている複数の
端子孔２１０と、これらの端子孔２１０を挟む位置にある２つの貫通孔２２０とが、一列に貫設されている。ここで、これらの端子孔２１０は、モジュール１００と制御回路基板２００とを組み立てる際に、同モジュール１００の各端子穴１１０とそれぞれ対応する位置に配されるように設けられている。一方、２つの貫通孔２２０も、モジュール１００と制御回路基板２００とを組み立てる際に、同モジュール１００の各ロック溝１２０とそれぞれ対応する位置に配されるように設けられている。

そして、樹脂等の絶縁体たる固定ブロック３００には、上記モジュール１００に穿設された端子穴１１０と、上記制御回路基板２００に貫設された端子孔２１０との各内周面と、密着可能なように拡幅された複数の導通ピン３１０が、突出して設けられている。さらに、固定ブロック３００には、上記制御回路基板２００に貫設された貫通孔２２０から挿入され、上記モジュール１００に穿設されたロック溝１２０の段状に拡幅されている底部と掛合する先端形状を有するロックピン３２０が、上記導通ピン３１０と同じ方向に突出して設けられている。すなわち、固定ブロック３００には、上記複数の導通ピン３１０と、これらの導通ピン３１０を挟む位置にある２本のロックピン３２０とが、同じ方向に向け、突出して一列に設けられている。なお、ロックピン３２０の先端形状は、上述のように掛合すべく、他の部分よりも拡幅された部分を有し、上記制御回路基板２００に貫設された貫通孔２２０および上記モジュール１００に穿設されたロック溝１２０に挿入し易くすべく、その拡幅された部分から先端に向けて徐々に狭幅された、略矢印形状をしている。さらにロックピン３２０の先端形状は、その中心に切れ込みを備えており、上記制御回路基板２００に貫設された貫通孔２２０等に挿入する際にはこの切れ込みの間隔が狭まる。そして、上記モジュール１００に穿設されたロック溝１２０の段状に拡幅されている底部と掛合する際には、再びその間隔が広がることで、一種の板ばねとしての機能を発揮するようになっている。また、ロックピン３２０の長さは、導通ピン３１０の長さよりも長くなっている。

ここで、上記モジュール１００および制御回路基板２００を、上記固定ブロック３００を用いて、電気的かつ機械的に結合する手順の一例を説明する。
まず、固定ブロック３００に設けられているロックピン３２０を、制御回路基板２００に貫設されている貫通孔２２０に挿入して、同じく貫設されている端子孔２１０と固定ブロック３００に設けられている導通ピン３１０との位置合わせを行う。そして、ロックピン３２０を貫通孔２２０に嵌挿して制御回路基板２００上に固定ブロック３００を載置しつつ、導通ピン３１０の拡幅された部分を端子孔２１０の各内周面と密着させ、これらの導通ピン３１０が、上記モジュール１００に実装された半導体素子１０１を制御する制御回路と電気的に接続するようにする。これにより、導通ピン３１０およびロックピン３２０が、制御回路基板２００が固定ブロック３００を載置する面の反対側の面から突出している状態となる。次に、その状態のまま、ロックピン３２０を、モジュール１００に穿設されているロック溝１２０に挿入して、同じく穿設されている端子穴１１０と導通ピン３１０との位置合わせを行う。そして、ロックピン３２０をロック溝１２０に挿入かつ掛合させてモジュール１００と制御回路基板２００とを機械的に結合させつつ、導通ピン３１０の拡幅された部分を端子穴１１０の各内周面と密着させ、これらの導通ピン３１０が、半導体素子１０１とワイヤーボンディングにより接続された端子１０２と電気的に接続されるようにする。この機械的な結合は、上述のように、モジュール１００に穿設されたロック溝１２０の段状に拡幅されている底部と、固定ブロックに設けられたロックピン３２０の先端形状とが掛合することで達成され、この掛合した状態は、ロックピン３２０の先端形状が備える板ばねとしての機能により、解除されることはない。このようにして、モジュール１００に制御回路基板２００を固定ブロック３００によって組み付けると同時に、図２に示すように、その固定ブロック３００に設けられた導通ピン３１０を介し、制御回路基板２００に設けられた制御回路と、モジュール１００に実装された半導体素子１０１とを電気的に接続して、本実施の形態の半導体装置としての組み立てを終了する。

以上説明したように、この実施の形態に係る半導体装置によれば、以下列記するような効果が得られるようになる。
（１）固定ブロック３００が備えるロックピン３２０を、制御回路基板２００に貫設された貫通孔２２０に嵌挿しつつ、そのロックピン３２０の先端形状と、モジュール１００に穿設されたロック溝１２０の段状に拡幅されている底部とを掛合させて、モジュール１００に制御回路基板２００を組み付けるようにした。すなわち、モジュール１００に制御回路基板２００を組み付けた後で、ロックピン３２０の先端形状が有する板ばねの機能によって、上述のような掛合した状態が解除されないようにした。これにより、振動等による分解を防止すべく、従来の半導体装置の組み立てで行われていたねじ止め作業を省くことができるようになる。すなわち、ねじ止め作業に要していた作業時間を削除して、電気的かつ機械的な結合が必要とされる半導体装置としての組み立てを容易としてその生産性を向上させることができるようになるとともに、不要となったねじを組立部品から削除することもできるようになる。

（２）モジュール１００に制御回路基板２００を組み付けると同時に、固定ブロック３００に設けられた導通ピン３１０を介し、モジュール１００に実装された半導体素子１０１と、制御回路基板２００に設けられた制御回路とを電気的に接続するようにした。すなわち、導通ピン３１０の拡幅された部分が、半導体素子１０１と電気的に接続している端子穴１１０の電気的な導通面となっている内周面と、その半導体素子１０１を制御する制御回路の端子たる端子孔２１０の電気的な導通面となっている内周面とに密着するようにした。これにより、従来、ねじ止め作業後に行われていた半田付け作業を省くことができるようになる。すなわち、半田付け作業に要していた時間を削減して電気的かつ機械的な結合が必要とされる半導体装置としての組み立てを容易としてその生産性を向上させることができるようになるとともに、不要となった半田を組立部品から削除することもできるようになる。

（３）導通ピン３１０の長さをロックピン３２０の長さよりも短くした。したがって、ロックピン３２０の先端がいち早く制御回路基板２００に貫設された貫通孔２２０と接触するため、ロックピン３２０を、導通ピン３１０を制御回路基板２００に貫設された端子孔２１０に挿入する際の位置決めガイドとして使用することができる。これと同様に、ロックピン３２０を、導通ピン３１０をモジュール１００に穿設された端子穴１１０に挿入する際の位置決めガイドとして使用することもできる。これにより、従来、モジュール１００に設けられていた位置決めピンと、制御回路基板２００に設けられていた位置決め孔とを削除することができるようになる。すなわち、モジュール１００を製造するための、例えばインジェクションモールド用の鋳型や、制御回路基板２００を製造するための抜き型等の構造を簡略化して、これら鋳型等の設計や保守を容易にすることができるようになるとともに、各部品形状の寸法管理項目を減らすことができるようにもなる。

なお、上記実施の形態は、以下のような態様をもって実施することもできる。
・上記実施の形態では、導通ピン３１０の拡幅された部分における、拡幅程度について何も言及していないが、端子穴１１０の内周面と密着する部分の幅が端子孔２１０の内周面と密着する部分の幅よりも狭くなるようにすることが望ましい。これに応じて、端子穴１１０の穴径が、端子孔２１０の穴径よりも小さくなるようにすることが望ましい。これにより、導通ピン３１０の形状を先細りの形状とすることができるため、半導体装置を組み立てる際に、導通ピン３１０の端子穴１１０および端子孔２１０への挿入作業が容易となり、組み立てを容易としてその生産性を向上させることができるようになる。また、組み立ての際に、導通ピン３１０の側面が、端子孔２１０の内周面と必要以上に接触することを回避し、その内周面を導電面とすべく設けられた金メッキ等の研削による剥離を防ぐこともできるようになる。

・上記実施の形態では、固定ブロック３００にロックピン３２０が設けられているが、モジュール１００にこのロックピンが設けられているようにしてもよい。具体的には例えば、ロックピンは、制御回路基板２００に貫設される貫通孔２２０に、上記実施の形態とは逆の方向（すなわち制御回路基板２００の下面から上面に向けて）から挿入され、このロックピンの先端形状が備える板ばねとしての機能により、固定ブロック３００に設けられた、ロック溝１２０と同様の機能を有するロック孔と掛合するようにする。これにより、上記実施の形態と同様の作用効果を奏しつつ、掛合する部分が固定ブロック３００上にあるため、半導体装置の組立後においても、モジュール１００、制御回路基板２００、および固定ブロック３００を破壊せずに分解することができるようになる。また、ここではモジュール１００が備えるロックピンが固定ブロック３００と掛合することにより機械的に固定するとしたが、ロックピンが、例えば熱可塑性樹脂等を用いて製造されたときは、ロックピンを熱かしめして固定ブロック３００と緊合するようにしてもよい。これにより、上記実施の形態と同様の作用効果を奏しつつ、ロックピンの形状を簡略化することができるため、上記鋳型等の構造の簡略化や設計および保守の容易化を図りつつ、固定ピンの形状の寸法管理項目を減らすことができるようにもなる。

・上記実施の形態では、導通ピン３１０は一列に並んでいるが、互い違いに配列する等して複数列に並ぶようにしてもよく、さらに、導通ピン３１０とロックピン３２０とが一列に並ばないようにしてもよい。

・上記実施の形態では、導通ピン３１０およびロックピン３２０の形状を板状としているが、上記実施の形態と同様の作用効果を奏することができるのであれば、どのような形状としてもよい。さらに、端子穴１１０および端子孔２１０の断面形状を円とし、ロック溝１２０および貫通孔２２０の断面形状を長方形としたが、これも上記実施の形態と同様の作用効果を奏することができるのであれば、どのような形状としてもよい。

ＴＭ…端子、Ｔｒ…ＩＧＢＴチップ、１０…モジュール、１１…導通ピン、１２…位置決めピン、１３…ねじ穴、２０…ＩＰＭ制御基板、２１…ピン孔、２２…位置決め孔、２３…ねじ貫通孔、３０…ねじ、４０…半田、１００…モジュール、１０１…半導体素子、１０２…端子、１１０…端子穴、１２０…ロック溝、２００…制御回路基板、２１０…端子孔、２２０…貫通孔、３００…固定ブロック、３１０…導通ピン、３２０…ロックピン。

Claims (1)

1. 半導体素子が実装されたモジュールと半導体素子を制御する制御回路基板とが電気的かつ機械的に結合される半導体装置において、
   前記モジュールの前記制御回路基板との当接面には、前記半導体素子の１以上の端子と電気的に接続されて内周面が電気的な導通面となる端子穴および該端子穴を挟む位置にあって底部が段状に拡幅されたロック溝が穿設されてなるとともに、前記制御回路基板には、前記モジュールのこれら端子穴およびロック溝とそれぞれ対応する位置に、制御回路の端子として内周面に電気的な導通面を有して貫通された端子孔および前記ロック溝の延長線上に貫通された貫通孔が設けられてなり、これらモジュールおよび制御回路基板は、前記端子穴と前記端子孔とにそれぞれ対応する部分が密着可能に拡幅された導通ピンおよび前記貫通孔から挿入されて前記ロック溝に掛合される先端形状を有するロックピンが絶縁性のブロックから突出されてなる固定ブロックのそれら導通ピンおよびロックピンの嵌入によって電気的かつ機械的に結合されてなる
   ことを特徴とする半導体装置。

Images