JP5171777B2 - 電力用半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、絶縁性樹脂で封止された電力用半導体装置およびその製造方法に関するものである。
電力用半導体装置では、1kV以上の絶縁耐圧を要する場合があり、内蔵された半導体チップで発生した熱を外部に放熱する放熱板と外部への電気接続を行う端子との絶縁距離を確保する必要がある。さらに、装置を小型化する必要があり、放熱板が形成される面の反対側の面である回路面側から端子を取り出すとともに、回路面側を耐熱性と絶縁性に優れた熱硬化性樹脂で封止することにより装置筺体を構成することが多い。
例えばエポキシ樹脂のような熱硬化性樹脂は、成形時の流動性が高く、トランスファ成形のように高速な成形により装置筺体を構成することが可能であるが、狭隘な部分にも樹脂が流入することから、端子が樹脂に埋没しないようにする必要がある。そこで、樹脂封止後に樹脂と端子をともに切断して端子の一部を露出させる半導体装置の製造方法や、予め端子部材を焼鈍して軟化させ、端子と金型とを密着させて成形を行うことにより、端子の露出面を確保する電力用半導体装置が提案されている(例えば、特許文献1または特許文献2参照。)。
特開2001−223321号公報(段落0068、図7) 特開2007−184315号公報(段落0021、図1)
しかしながら、上記のような方法で封止樹脂から端子を露出させると、端子の樹脂封止体から露出した部分と樹脂封止体との境目が樹脂封止体の主面と同じ高さに形成される。一方、電力用の半導体装置は高温で動作するので、使用のたびにヒートサイクルが発生し、装置内で応力が発生する。その際、上記のように境目が樹脂封止体の主面と同じ高さに形成されると、樹脂封止体の表面近傍に発生する引張応力が樹脂封止体と端子との境目に集中し、樹脂封止体と端子間の剥離、もしくは剥離を起点とする樹脂封止体の亀裂が発生しやすくなる。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、絶縁性に優れ、機械的な信頼性の高い電力用半導体装置およびその製造方法を得ることを目的とする。
本発明の電力用半導体装置は、複数の半導体素子が配置された回路面を有する回路基板と、少なくとも前記回路面を封止するとともに、一部に凹部が形成される絶縁性の樹脂封止体と、前記回路基板から前記樹脂封止体の主面に向かって立ち上がるように配置されるとともに、一端が前記回路基板と電気的に接続され、少なくとも外側面が前記樹脂封止体に封止され、かつ、断面が環状の他端が前記主面よりも内側の位置で前記樹脂封止体の凹部から露出するメス型端子と、を備え、前記断面が環状の他端には、径方向の中心側がくぼむように勾配が付けられており、前記樹脂封止体の凹部には、前記断面が環状の他端の勾配よりも急で、前記樹脂封止体の主面に対して所定角度を有する勾配部が形成されていることを特徴とする。
本発明の電力用半導体装置およびその製造方法によれば、端子が樹脂封止体の凹部から露出するので、樹脂封止体の表面近傍に発生する引張応力の樹脂封止体と端子との境目への集中を低減し、機械的な信頼性が向上する。
本発明の実施の形態1にかかる電力用半導体装置の外形図である。 本発明の実施の形態1にかかる電力用半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態1にかかる電力用半導体装置およびその製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態1にかかる電力用半導体装置の構成を説明するためのピン端子圧入部の部分断面図である。 本発明の実施の形態2にかかる電力用半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態2にかかる電力用半導体装置およびその製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態2にかかる電力用半導体装置の製造方法の変形例を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態3にかかる電力用半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態4にかかる電力用半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態4にかかる電力用半導体装置およびその製造方法を説明するための断面図である。
実施の形態1.
図1〜図4は、本発明の実施の形態1にかかる電力用半導体装置および電力用半導体装置の製造方法を説明するためのもので、図1は電力用半導体装置の外形を示す斜視図、図2は図1におけるII−II線による切断面を示す断面図、図3は電力用半導体装置の筺体を成形するために組立品を金型に設置した状態での図2と同様の切断面による断面図、図4は端子形状と端子周囲の樹脂封止体の形状を説明するためのピン端子圧入部の部分断面図である。
はじめに、図1と図2を用いて本発明の実施の形態1にかかる電力用半導体装置10の構成について説明する。電力用半導体装置10の外観は、水分や異物などから内部に実装された後述する半導体素子や回路基板を保護するため、また外部との電気接続に用いる端子などを設計値に基づいた寸法で保持するため、図1に示すように主としてエポキシ樹脂から構成される樹脂封止体1で覆われている。樹脂封止体1で覆われた電力用半導体装置10本体は、外形寸法76mm×45mm×厚さ8mmの板状で、電力用半導体装置10上面に形成された樹脂封止体の主面10Fから装置内部の電気回路を外部の回路と接続するための電極として、断面形状が円となっている柱状の端子2が突出している。なお、主面10Fから突出した端子2は、後述するように樹脂封止体1により封止されたメス型端子2fにピン端子2mを挿入したものであり、ピン端子2mを挿入する前の段階では、主面10Fから装置内部の電気回路を外部の回路と接続するための電極として、断面形状が環状のメス型端子2fが露出している状態となっている。そして、メス型端子2fが露出している部分は、樹脂封止体1の主面10Fに対して45°の勾配が設けられ、樹脂封止体1の表面1sにおけるメス型端子2と樹脂封止体1との境目B1-2、別の言い方をすれば、メス型端子2fの露出する端部2fと樹脂封止体1との境目B1-2のそれぞれが、主面10Fよりも低い(厚み方向で内側)位置に形成されている。つまり、端子2fは、樹脂封止体1に形成された勾配部1sからなる凹部から露出していることになる。また、樹脂封止体1には貫通穴1Hが設けられており、ネジ止めによりヒートシンク(図示せず)を取付けることが可能となっている。
電力用半導体装置10の内部構成は、図2に示すように回路基板3として、熱伝導に優れ、電力用半導体装置10の底面10F側から露出する銅製の放熱板31(厚さ2.0mm)にアルミナなどの比較的熱伝導率の高い絶縁性材料をエポキシ樹脂に混合した熱伝導性絶縁接着層32(厚さ0.2mm)を介して、銅を主とした金属製の回路パターン33(厚さ0.3mm)が接着された40mm×45mmのメタルベース基板を用いている。回路基板3の第1の面3F上に形成された回路パターン33は複数の配線で構成されており、そのうちの一部(以下、他の配線もまとめて回路パターン33と称する)には、半導体素子4である厚さ0.25mmのIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)4AとFWDi(Free Wheeling Diode)4BがSn−Ag−Cu系のはんだ6(厚さ50μm)によって接続されている。これにより、IGBT4AおよびFWDi4Bのそれぞれの裏面電極であるコレクタ電極、アノード電極(共に図示せず)への電気的接続と、半導体素子4で発生した熱の放熱板31への熱伝導が可能となる。
IGBT4AやFWDi4Bといった半導体素子4の表面電極であるエミッタ電極、カソード電極(共に図示せず)には直径400μmからなるアルミニウムワイヤ7が超音波ワイヤボンディングにより接続され、回路パターン33と接続されている。また、IGBT4Aの制御電極であるゲート電極(図示せず)にも同様にアルミニウムワイヤ7が接続され、回路パターン33と接続されている。また、回路パターン33には、メス型端子2f(高さ5.5mm)が、一端部である底部2fがはんだづけにより接続されて回路基板3から直立し、半導体素子4のそれぞれの電極は回路パターン33を介して、メス型端子2fと電気的に接続される。メス型端子2fの回路パターン33との接続端2fと対向する端部2fは、樹脂封止体1から露出する構造となっており、露出されるメス型端子2fの空孔部2fに、対応するピン端子2mを挿入することにより、メス型端子2fにピン端子2mが突き刺さった状態である柱状の端子2が樹脂封止体1の主面10Fから突出することになる。なお、メス型端子2fへのピン端子2mの接続には、従来から用いられている例えば、スター付ピンの圧入による固着などが適用できるほか、低融点はんだや、導電性接着剤による固着でもよい。
ここで、端子2(本実施の形態1では、厳密にはメス型端子2f)と樹脂封止体1との関係について注目すると、メス型端子2fの上面部2fが樹脂封止体1から露出しており、端子2の周囲の樹脂封止体1は、主面10Fに対して45°の勾配が設けられ、端子2の上面部2fにある露出部分2fと樹脂封止体1との境目B1-2が、樹脂封止体1の略平面で構成される主面10Fに対して1mm低い位置(厚み方向の内側)に形成されている。つまり、境目B1-2が、樹脂封止体1の主面10Fから回路面3F側へくぼんだ位置に形成されている。
つぎに、上述した構造の電力用半導体装置の製造方法について図3を用いて説明する。はじめに、はんだ付とワイヤボンディングにより,回路基板3に形成された回路パターン33の所定の配線上に柱状端子2のメス型端子2f、IGBT4A、FWDi4Bを機械的、電気的に接続する。接続が完了した組立品10(封止前の電力用半導体装置)の状態で170℃に加熱された上型8と下型8からなるモールド金型8に設置して、モールド金型8を締めた後に樹脂封止体1を構成するエポキシ樹脂を充填し、加熱加圧硬化した後にモールド金型8から取り出す。モールド金型8のメス型端子2fに対応する部分には、勾配を有する固定ピン8が設けられており、金型8を締めた際に、固定ピン8がメス型端子2fの頭部2fに密着することによって、空孔部2f内への樹脂の流入を防ぐ。
このようにして底面側から放熱板31が露出し、その反対側である回路面3F側から一部が露出した端子2が樹脂封止体1により封止された電力用半導体装置10を得ることができる。そして、端子2の周囲は、樹脂封止体1の主面10Fに対して45°の勾配が設けられ、樹脂封止体1の表面1sにおける端子2と樹脂封止体1との境目B1-2が、樹脂封止体1の略平面で構成される主面10Fから1mmくぼんだ部分に形成される。つまり、端子2fは、樹脂封止体1に形成された勾配部1sからなる凹部から露出することになる。
このような構造としたため、ピン状の端子2を樹脂封止体の主面10Fから突出させることができ、一般的な技術により容易に電気接続ができるようになった。さらに、樹脂封止体1の表面1sにおける端子2と樹脂封止体1との境目Bが、樹脂封止体1の略平面で構成される主面10Fよりも低い部分に形成されるので、境目Bが主面10Fと同じ高さに形成される場合より、端子間の沿面絶縁距離を延ばすことができ、端子間の絶縁性が向上する。さらに、樹脂封止体1の主面10Fよりも厚さ方向で内側に境目B1-2が配置されることにより、樹脂封止体1の表面1s近傍に発生する引張応力の境目B1-2への集中を抑制し、樹脂封止体1と端子2間の剥離、もしくは剥離を起点とする樹脂封止体1の亀裂の発生を抑えることができる。とくに、界面B1-2から主面10Fにかけて勾配1sをもうけるようにしたので、樹脂自体に発生する応力を緩和することが可能となるため、亀裂を抑制することが可能となった。
端子2は樹脂封止体1の表面1sから露出しているため、樹脂封止体1と端子2の界面に剥離を生じると、電力用半導体装置10の内部へ水分や異物が浸入し、絶縁性能に悪影響を及ぼす。これらは特に高温高湿環境におかれると顕著になる。また、貫通穴1Hによりヒートシンクへ取り付けた際にも、樹脂封止体1全体に曲げ応力が発生し、特に樹脂封止体1の表面1s近傍に発生する引張応力による剥離、もしくは樹脂自体の亀裂を起点とする剥離が発生しやすくなるが、上記のような構造としたため、これら悪影響を防止し絶縁性に優れるとともに信頼性の高い電力用半導体装置を得ることができるようになった。
また、電力用半導体装置10の主面10Fから端子2を突出させるためには、図2で説明したように、樹脂封止体1から露出したメス型端子2fの空隙2fに対してピン端子2mを挿入することが必要となる。その際、ピン端子2mの先端2mをテーパ加工などすることで、メス型端子2fへの誘い込みとなり、位置決めに多少の誤差があっても挿入することが可能である。しかしながら、挿入時にピン端子2mが樹脂封止体1の角部などに接触して樹脂が削れると、メス型端子2fとの接触面に削られた樹脂が侵入して接触抵抗が増大することや、ピン端子2mが座屈変形して挿入できなくなることが懸念される。
そこで、本実施の形態1にかかる電力用半導体装置10では、図4(a)に示すように樹脂封止体1の勾配部1sの角度θがピン端子2mの先端部2mのテーパ加工(45°)よりも急となるように60°に設定した。そのため、ピン端子2mの挿入時に多少の位置ずれを生じても、境目B1-2の周囲に設けられた勾配部1sが誘いとなってメス型端子2fにピン端子2mを適切に挿入することが可能となる。特にピン端子2mがメス型端子2fに対して圧入により接続される場合には製品の不良率が低減される。
なお、上記例は、ピン端子2mの先端2mの角度との関係で勾配部1sの角度θを設定したものであるが、ピン端子の形状とは独立して、ピン端子が接触した際に、端子挿入方向の反力を軽減するために、樹脂封止体1側の境目B1-2から主面10Fにかけて形成された勾配部1sの角度θは45°以上であることが好ましい。さらに、ピン端子2mの先端が樹脂封止体1の勾配部1sに確実に接触するためには、勾配部1sの幅W(端子2を中心とする径方向の長さ)はピン端子2mの最大幅Wの半分以上であることが好ましい。これらの関係は、ピン端子2mの先端部2mがテーパ加工ではなく、図4(b)に示すように圧入ピンとして広く用いられているニードルアイ型ピンを用いる場合でも同様である。また、効果を発揮するには、先端部2mが円弧状に形成されていると良い。
以上のように、本発明の実施の形態1にかかる電力用半導体装置によれば、複数の半導体素子4が配置された回路面3Fを有する回路基板3と、少なくとも回路面3Fを封止するとともに、一部に凹部1sが形成される絶縁性の樹脂封止体1と、回路基板3(半導体素子4のうち、所定の半導体素子4)と電気的に接続され、樹脂封止体1の凹部1sから露出する端子2fと、を備えるように構成したので、沿面距離を確保して絶縁性を高めるとともに、封止樹脂1の表面近傍に発生する引張応力の境目B1-2への集中を低減し、剥離や亀裂の発生を抑制するので、機械的な信頼性の高い電力用半導体装置が得られるようになった。
とくに、樹脂封止体1の凹部1sには、端子2fの露出部分2fとの境目B1-2から主面10Fにかけて所定角度の勾配部1sが形成(本実施の形態では凹部1sが勾配部1sで構成)されるように構成したので、封止樹脂1の表面近傍に発生する引張応力を均一に分散して、境目B1-2への集中をより低減することができる。さらに、メス型端子2fへピン端子2mを接続する際、ピンコネクタ2mの先端2mをメス型端子2fの空孔部2fへ確実に誘い込むことができ、製品の不良率が低減できる。
なお、本実施の形態1においては、凹部1s自体が勾配部1sである構成について説明したので、凹部と勾配部とを同じ符号で示している。しかし、凹部1sの一部のみに勾配部を形成するようにしても良い。
なお、本実施の形態1においては、回路基板3としてメタルベース基板を用いているが、電力用半導体装置に一般的に用いられているセラミック基板を用いる事も可能である。その際には、メタルベース基板を用いた場合に必要となる放熱板31との間の絶縁層を設ける必要がないので、放熱性が優れる。
また、端子2の形状についても、半導体素子4の主電極からの配線と信号電極からの配線は異なる径の端子を使っても構わず、また断面形状についても樹脂封止体1への応力の面から円形が望ましいが、回路基板3へのはんだ付位置を規定する目的などで多角形にしてもよい。
半導体素子4からの配線については,アルミニウムワイヤのほか、幅広のアルミニウムリボンや銅リボンの接続でも構わない。また、端子2を回路パターン33ではなく、直接半導体素子4に実装するようにしてもよい。
実施の形態2.
図5〜図7は、本発明の実施の形態2にかかる電力用半導体装置および電力用半導体装置の製造方法を説明するためのもので、図5は電力用半導体装置の図1におけるII−II線と同様の切断面を示す断面図、図6は電力用半導体装置の筺体を成形するために金型に設置した状態での図5と同様の切断面による断面図、図7は電力用半導体装置の筺体を成形するための変形例の金型に設置した状態での断面図である。
本発明の実施の形態2にかかる電力用半導体装置210の構成について図5を用いて説明する。樹脂封止体1の境目B1-2から主面210Fにかけての勾配部201sには、主面210Fに対して60°の勾配が設けられており、また端子202のうち、樹脂封止体を成型した時点における露出部分202fであるメス型端子202fの上面部202fには、樹脂封止体の主面210Fに対して45°の勾配が設けられている。つまり、樹脂封止体1側に設けた勾配の方が端子202fの勾配より急になる構成となっている。その他の構成については実施の形態1と同様であるので、説明を省略する。
上記のような構成の電力用半導体装置210で、ピン端子2mを挿入するときの動作について説明する。樹脂封止体1中に封止されたメス型端子202fにピン端子2mを挿入するとき、樹脂封止体1に設けられた勾配部201Sの勾配に沿ってピン端子2mの先端部2mが空孔部202fに向けて無理なく誘導されるので、樹脂を削ることなくピン端子2mが挿入される。しかも、メス型端子202fの上面部202fにも中心に向かって下がる勾配が設けられているので、端子2mの先端部2mを空孔部202fの中心に向けて確実に誘導し、圧入することができるので、生産性が向上する。
樹脂封止体1の勾配部201sの勾配よりもメス型端子202fの上面部202fの勾配が大きいか同じであると、樹脂成形後の樹脂の硬化時や冷却時の収縮によって、樹脂封止体1の勾配部201sの面よりもメス型端子202fの上面部202fが突出する形状となる場合があるため、樹脂封止体1の勾配部201sの勾配を急にすることが好ましい。これにより、成形直後の収縮によってメス型端子202fの露出部分が凸形状となりにくく、ピン端子2mの挿入が容易となる。また、形状的な面でも隣接する異なる電位の端子202間の沿面距離が大きくなるため、勾配が緩やかな場合に比べて端子間距離を短くすることができる。さらに、メス型端子202fの上面部202fにも勾配をつけたことにより、メス型端子202fの先端部分の肉厚が薄くなり、樹脂封止体1との界面B1-2に働く応力が軽減され、温度サイクル信頼性や高温高湿環境での信頼性が向上する。
また、樹脂封止体1を成形する時についても、かかる構成とすることで下記の効果が発揮される。樹脂封止体1の勾配部201sの勾配を急にするためには、図6に示したように固定ピン208の角度を実施の形態1で示した固定ピン8の角度より急にする必要がある。金型の平坦な面で押すことも含め、角度の緩やかな固定ピン8でメス型端子を押さえると、メス型端子の先端に固定ピン8のピンが接触したときに、メス型端子の傾きによっては、メス型端子の内周側に母材が変形することがある。すると、ピン端子2mの挿入が困難になるが、本実施の形態のようにメス型端子202fの先端部202fの勾配よりも勾配が急な固定ピン208で押さえる事によって、メス型端子202fは、外周側に変形するようになり、ピン端子2mの挿入に支障が出なくなる。なお、上述した効果を確実にするためには、メス型端子202fの外周直径よりも固定ピン208の先端直径を小さくして、型締時にメス型端子202fの先端をつぶして変形させることが好適である。
実施の形態2における電力用半導体装置の製造方法の変形例。
本変形例では、金型に固定ピン208を設けずにかかる構造を製造する方法について説明する。はんだ6付け、ワイヤボンディング7等により、メタルベース基板3に半導体素子やメス型端子202fを設置した組立品210(封止前の電力用半導体装置)を作成するところまでは、上記各実施の形態と同様である。その後、組立品210のメス型端子202fの上面202fにシリコーンゴムからなる円錐状のキャップ9を径の小さい側9からかぶせるように設置し、図7に示すように金型208にセットし、金型208を締めて成形する。その際、弾性率の低いキャップ9が変形してメス型端子202fと密着し、キャップ9の上面9も金型208の内面208Fと接触して摩擦力が働くため、上下方向に圧縮されても、キャップの上下の面9、9における水平方向(メタルベース基板の面方向)の広がりが抑制されるので、キャップ9の中央部が膨らむことになる。そのため、キャップ9のメス型端子202fの上面部202fより上側の部分は、メス型端子202fの上面部202fの勾配よりも急になる。
成形後は、シリコーンゴムの反発力と、冷却による収縮でキャップ9は樹脂封止体1から容易に取り除くことが可能である。こうして、樹脂封止体1の勾配部201sの勾配は、露出するメス型端子202fの上面部202fの勾配より急となる電力用半導体装置を得ることができる。また、この方法によれば、金型208(の上型208TV)の内面208FVは、端子202の配置に関係なく任意に構成することが可能であるため、端子202の配置を自由にすることが可能である。
なお、キャップ9に用いる材料としては、金型温度以上の耐熱を有し、樹脂封止体1から容易に剥離できる材料であれば使用することが可能である。とくに、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、ETFE(エチレンテトラフルオロエチレン)、PPS(ポリフェニレンサルファイド)、PBT(ポリブチレンテレフタレート)などの熱可塑性樹脂や本実施の形態2で用いたシリコーンゴムやフッ素系ゴムといったエラストマーは、耐熱性がありながら、成形時には軟化し、エポキシ樹脂との接着性も低いため、本製造法に適している。
以上のように、本実施の形態2にかかる電力用半導体装置によれば、複数の端子の少なくとも一部は凹部1sから露出する端部202fの断面が環状のメス型端子202fであり、断面が環状の端部202fには、径方向の中心側がくぼむように勾配が付けられており、樹脂封止体1の勾配部の201s勾配が、断面が環状の端部202fの勾配よりも急になるように構成したので、沿面距離をより長くとることができ、絶縁性が向上する、メス型端子202fの先端部分の肉厚が薄くなり、樹脂封止体1との界面B1-2に働く応力が軽減され、温度サイクル信頼性や高温高湿環境での信頼性が向上するといった効果を得ることができる。
また、本実施の形態2にかかる電力用半導体装置の製造方法によれば、複数の半導体素子4が配置された回路面3Fを有する回路基板3に対し、外部との電気接続用の複数の端子202fを接合した組立品210を形成する工程と、複数の端子202fの回路面3Fと反対側の端部202fに対し、一端9が円錐状のカバー部材9を一端9側からかぶせる工程と、カバー部材9の他端9が金型208の内面208Fに密着するように組立品210を金型208内に設置する工程と、金型208内に熱硬化性樹脂を注入し、組立品210を封止する絶縁性の樹脂封止体1を成型する工程と、カバー部材9を取り外す工程と、を備えるように構成したので、端子2の配置が変化しても同じ金型を用いて、端子202fの樹脂封止体1から露出する部分202fと樹脂封止体1との境目B1-2が、樹脂封止体1の主面210Fからくぼんだ位置に形成されるとともに、境目B1-2から主面210Fにかけて所定角度の勾配部201sが形成された電力用半導体装置を容易に得ることができる。
実施の形態3.
本発明の実施の形態3にかかる電力用半導体装置の構成について図8を用いて説明する。図8は本発明の実施の形態3にかかる電力用半導体装置の断面図であり、図8(a)は、実施の形態2における図5と同様の切断面における断面図、図8(b)は、メス型端子302fの上端部302f近傍の拡大図である。メス型端子302fの樹脂封止体1からの露出部分302fと樹脂封止体1との境界B1-2から主面310Fにかけては、前述の実施の形態2と同様、主面310Fに対して60°の勾配が設けられ、メス型端子302fの樹脂封止体1から露出する環状の端部302fにも、中心に向けてくぼむように主面310Fに対して45°の勾配が設けられている。一方、本実施の形態3においては、メス型端子302fの上端部302fの外周側の一部302fは、樹脂封止体1に埋没する構造となっている。それ以外の構造については、実施の形態2で開示した構造と同様である。
上記のような構成の電力用半導体装置310での動作について説明する。電力用半導体装置310を動作させると、半導体素子4の発熱により、樹脂封止体1の温度が上昇する。その際、樹脂封止体1が熱膨張することで、メス型端子302fから離れる方向に力が働く。しかし、メス型端子302fの勾配の設けられた環状の端部302fにおける外周側の一部302fが樹脂封止体1で覆われていることで、メス型端子302fから離れようとする力を覆っている樹脂が抑える状態となり、剥離の発生を防止することが可能となる。また、メス型端子302fの表面でわずかに剥離をしても、メス型端子302fの上端部302fの一部302fを樹脂が包んでいることから、電気的に影響を及ぼす回路パターン33近傍まで剥離が進展しにくい構造となった。
これにより、特に半導体素子自体が高温でも使用できるSiC(炭化珪素)を基材とした電力用半導体素子を用いる場合など、樹脂封止体1内部が高温になる場合や、周囲が高温の環境下で使用する電力用半導体装置において、樹脂封止体1の熱膨張および弾性率の低下に起因する剥離の防止効果が顕著となる。
以上のように、本実施の形態3にかかる電力用半導体装置によれば、メス型端子302fの断面が環状の端部302fは、径方向の外側から中心に向かう所定の領域302fが樹脂封止体1で覆われるように構成したので、端部302fの一部を覆う樹脂封止体1が、樹脂封止体1をメス型端子302fから離れようとする力を抑え、剥離の発生を防止して信頼性が向上する。
実施の形態4.
図9と図10は、本発明の実施の形態4にかかる電力用半導体装置および電力用半導体装置の製造方法を説明するためのもので、図9は電力用半導体装置の図1におけるII−II線と同様の切断面を示す断面図、図10は電力用半導体装置の筺体を成形するために組立品を金型に設置した状態での図9と同様の切断面による断面図である。上記各実施の形態においては、樹脂封止体1に封止されたメス型端子にピン端子を挿入することで、樹脂封止体の主面から突出する端子を形成する例を示したが、本実施の形態4における電力用半導体装置410およびその製造方法では、一体の柱状の端子402を主面410Fから突出した状態で、樹脂封止体1内に封止している。
図9に示すように、メタルベース基板3上の回路パターン33には銅よりなる柱状のピン端子402がはんだ付によって直接接続され、接続端402の反対側の端部402側が、樹脂封止体1の主面410Fから突出するように露出している。ここで、樹脂封止体1の表面1sのピン端子402の露出部分402との境目B1-2は、略平面よりなる樹脂封止体1の主面410Fに対して1mm程度低くなっており、境目B1-2から主面410Fにかけて勾配部401sが設けられている。
上記のような構成をとることにより、ピン端子402が直接主面410Fから突出するように露出する構造においても、樹脂封止体1とピン端子402との境目B1-2が主面410Fより厚み方向の内側に位置する、つまり、端子402は、樹脂封止体1に形成された勾配部401sからなる凹部から露出することになるので、樹脂封止体1内に発生し、表面1sに沿って伝わる応力が境目B1-2に集中することを回避でき、樹脂の剥離や亀裂の発生を抑制することができ、信頼性が向上する。
つぎに、上述した構成の電力用半導体装置の製造方法について図10を用いて説明する。図10に示すように、組立品410の回路基板3に接続されたピン端子402の回路基板3との接続端402の反対側の端部402に下部409が円錐状のシリコーンゴムよりなるキャップ409を径の小さい側409からかぶせ、モールド金型408が締められた際に、金型に設けられた金型溝408内にキャップ409の上部409が挿入され、型締圧で加圧されることで金型溝408とキャップ409が密着する。かかる状態で樹脂成形することによってピン端子402およびキャップ409の周囲に樹脂封止体1を構成する樹脂が回り込むことなく、ピン端子402の上部を突出するように露出させることが可能となる。また、キャップ409の成形時に樹脂が当たる部分に勾配を設ける事によって、ピン端子402の露出部分402と樹脂封止体1との境目B1-2を、樹脂封止体1の主面410Fに対して1mm程度低くし、境目B1-2から主面410Fにかけて勾配部401sを設けることが可能となる。キャップ409の除去についてもシリコーンゴムが冷却された事による収縮と、樹脂封止体1と接する部分に設けられた勾配により容易に行える。
上記のような製造法により電力用半導体装置を製造する場合、ピン端子402を取り出す位置が、モールド金型408に設けられた溝408の位置に依存することから、端子402の配置に制約は出るものの、メス型端子とピン端子との接続工程や接続部を省略でき、製品の不良率の抑制や端子接続部の水分や振動に対する信頼性が向上する。さらに信頼性を向上させるためには、従来用いられているピン端子402の表面の粗面化や凹凸の形成により、樹脂との密着力を向上させる事も有効である。
以上のように、本発明の実施の形態4にかかる電力用半導体装置によれば、複数の半導体素子4が配置された回路面3Fを有する回路基板3と、少なくとも回路面3Fを封止する絶縁性の樹脂封止体1と、複数の半導体素子4のうち、所定の半導体素子4A、4Bに対して電気的に接合されるとともに一部が樹脂封止体1における回路面3F側の主面410Fから露出する複数の端子402と、を備え、複数の端子402の樹脂封止体1から露出する部分402と樹脂封止体1との境目B1-2が、主面410Fから回路面3F側へくぼんだ位置に形成されるように構成したので、沿面距離を確保して絶縁性を高めるとともに、樹脂封止体1の表面近傍に発生する引張応力の境目B1-2への集中を低減し、剥離や亀裂の発生を抑制するので、機械的な信頼性の高い電力用半導体装置が得られるようになった。
また、本実施の形態4にかかる電力用半導体装置の製造方法によれば、複数の半導体素子4が配置された回路面3Fを有する回路基板3に対し、外部との電気接続用の複数の端子402を接合した組立品410を形成する工程と、複数の端子402の回路面3Fと反対側の端部402に対し、一端409が円錐状のカバー部材409を一端409側からかぶせる工程と、カバー部材409の他端409が金型408の金型溝408に密着するように組立品410を金型408内に設置する工程と、金型408内に熱硬化性樹脂を注入し、組立品410を封止する絶縁性の樹脂封止体1を成型する工程と、カバー部材409を取り外す工程と、を備えたので、複数の端子402の樹脂封止体1から露出する部分402と樹脂封止体1との境目B1-2が、樹脂封止体1の主面410Fからくぼんだ位置に形成されるとともに、境目B1-2から主面410Fにかけて所定角度の勾配部401sが形成され、信頼性の高い電力用半導体装置が得られるようになった。
1 樹脂封止体(1s 樹脂表面、1s 凹部(勾配部))、 2 端子(2f メス型端子、2f (環状の)上端部、2m ピン端子)、 3 回路基板(31 放熱板、32 絶縁接着層、33 回路パターン、3F 回路面)、 4 半導体素子(4A IGBT、4B FWDi)、 6 はんだ、 7 アルミニウムワイヤ、 8 モールド金型(8 固定ピン、8 金型溝)、 9 キャップ(9 円錐側の端部、
他端)、 10 電力用半導体装置(10 組立品(封止前)、10F 主面)、
1-2 境目。
添え字:E 露出部分。
100位の数字は変形例を示す。

Claims (2)

  1. 複数の半導体素子が配置された回路面を有する回路基板と、
    少なくとも前記回路面を封止するとともに、一部に凹部が形成される絶縁性の樹脂封止体と、
    前記回路基板から前記樹脂封止体の主面に向かって立ち上がるように配置されるとともに、一端が前記回路基板と電気的に接続され、少なくとも外側面が前記樹脂封止体に封止され、かつ、断面が環状の他端が前記主面よりも内側の位置で前記樹脂封止体の凹部から露出するメス型端子と、を備え、
    前記断面が環状の他端には、径方向の中心側がくぼむように勾配が付けられており、
    前記樹脂封止体の凹部には、前記断面が環状の他端の勾配よりも急で、前記樹脂封止体の主面に対して所定角度を有する勾配部が形成されていることを特徴とする電力用半導体装置。
  2. 前記断面が環状の他端は、径方向の外側から中心に向かう所定の領域が前記樹脂封止体で覆われていることを特徴とする請求項1に記載の電力用半導体装置。
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