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１０ＦＴ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１０ＦＴ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１０ＦＴ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１０ＦＴ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２ｆＴと樹脂封止体１との境目Ｂ1-2のそれぞれが、主面１０ＦＴ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１ｓＩ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１０ＦＢ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３ＦＣ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２ｆＢ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２ｆＢと対向する端部２ｆＴ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２ｆＨ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１０ＦＴ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２ｆＴ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１０ＦＴに対して４５°の勾配が設けられ、端子２の上面部２ｆＴにある露出部分２ｆＥ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１０ＦＴ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１０ＦＴから回路面３ＦＣ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１０Ｂ（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８Ｔと下型８Ｂ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８Ｐが設けられており、金型８を締めた際に、固定ピン８Ｐがメス型端子２ｆの頭部２ｆＴに密着することによって、空孔部２ｆＨ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３ＦＣ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１０ＦＴ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１０ＦＴ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１ｓＩ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１０ＦＴ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１０ＦＴよりも低い部分に形成されるので、境目Ｂが主面１０ＦＴ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１０ＦＴ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１０ＦＴにかけて勾配１ｓＩ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１０ＦＴ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２ｆＨ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２ｍＰ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１ｓＩの角度θがピン端子２ｍの先端部２ｍＰ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１ｓＩ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２ｍＰの角度との関係で勾配部１ｓＩ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１０ＦＴにかけて形成された勾配部１ｓＩ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１ｓＩに確実に接触するためには、勾配部１ｓＩの幅ＷＩ（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ＷＰ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２ｍＰ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２ｍＰ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３ＦＣを有する回路基板３と、少なくとも回路面３ＦＣを封止するとともに、一部に凹部１ｓＩ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１ｓＩ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１ｓＩには、端子２ｆの露出部分２ｆＥとの境目Ｂ1-2から主面１０ＦＴにかけて所定角度の勾配部１ｓＩが形成（本実施の形態では凹部１ｓＩが勾配部１ｓＩ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２ｍＰをメス型端子２ｆの空孔部２ｆＨ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１ｓＩ自体が勾配部１ｓＩ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１ｓＩ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２１０ＦＴにかけての勾配部２０１ｓＩには、主面２１０ＦＴ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２０２ｆＥであるメス型端子２０２ｆの上面部２０２ｆＴには、樹脂封止体の主面２１０ＦＴ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２０１ＳＩの勾配に沿ってピン端子２ｍの先端部２ｍＰが空孔部２０２ｆＨ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２０２ｆＴ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２ｍＰを空孔部２０２ｆＨ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２０１ｓＩの勾配よりもメス型端子２０２ｆの上面部２０２ｆＴ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２０１ｓＩの面よりもメス型端子２０２ｆの上面部２０２ｆＴ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２０１ｓＩ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２０２ｆＴ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２０１ｓＩ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２０８Ｐの角度を実施の形態１で示した固定ピン８Ｐ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８Ｐ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８Ｐ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２０２ｆＴの勾配よりも勾配が急な固定ピン２０８Ｐ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２０８Ｐ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２０８Ｐ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２１０Ｂ（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２１０Ｂのメス型端子２０２ｆの上面２０２ｆＴ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９Ｐからかぶせるように設置し、図７に示すように金型２０８Ｖにセットし、金型２０８Ｖ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９Ｂも金型２０８Ｖの内面２０８ＦＶ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９Ｐ、９Ｂ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２０２ｆＴより上側の部分は、メス型端子２０２ｆの上面部２０２ｆＴ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２０１ｓＩの勾配は、露出するメス型端子２０２ｆの上面部２０２ｆＴ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２０８Ｖ（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１ｓＩから露出する端部２０２ｆＴの断面が環状のメス型端子２０２ｆであり、断面が環状の端部２０２ｆＴ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２０１ｓＩ勾配が、断面が環状の端部２０２ｆＴ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３ＦＣ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２１０Ｂを形成する工程と、複数の端子２０２ｆの回路面３ＦＣと反対側の端部２０２ｆＴに対し、一端９Ｐが円錐状のカバー部材９を一端９Ｐ側からかぶせる工程と、カバー部材９の他端９Ｂが金型２０８Ｖの内面２０８ＦＶに密着するように組立品２１０Ｂを金型２０８Ｖ内に設置する工程と、金型２０８Ｖ内に熱硬化性樹脂を注入し、組立品２１０Ｂ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２０２ｆＥと樹脂封止体１との境目Ｂ1-2が、樹脂封止体１の主面２１０ＦＴ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２１０ＦＴにかけて所定角度の勾配部２０１ｓＩ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３０２ｆＴ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３０２ｆＥと樹脂封止体１との境界Ｂ1-2から主面３１０ＦＴにかけては、前述の実施の形態２と同様、主面３１０ＦＴ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３０２ｆＴにも、中心に向けてくぼむように主面３１０ＦＴ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３０２ｆＴの外周側の一部３０２ｆＣ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３０２ｆＴにおける外周側の一部３０２ｆＣ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３０２ｆＴの一部３０２ｆＣ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３０２ｆＴは、径方向の外側から中心に向かう所定の領域３０２ｆＣが樹脂封止体１で覆われるように構成したので、端部３０２ｆＴ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４１０ＦＴ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４０２Ｂの反対側の端部４０２Ｔ側が、樹脂封止体１の主面４１０ＦＴ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４０２Ｅとの境目Ｂ1-2は、略平面よりなる樹脂封止体１の主面４１０ＦＴに対して１ｍｍ程度低くなっており、境目Ｂ1-2から主面４１０ＦＴにかけて勾配部４０１ｓＩ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４１０ＦＴ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４１０ＦＴ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４０１ｓＩ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４１０Ｂ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４０２Ｂの反対側の端部４０２Ｔに下部４０９Ｐ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４０９Ｐ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４０８Ｈ内にキャップ４０９の上部４０９Ｂが挿入され、型締圧で加圧されることで金型溝４０８Ｈ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４０２Ｅと樹脂封止体１との境目Ｂ1-2を、樹脂封止体１の主面４１０ＦＴに対して１ｍｍ程度低くし、境目Ｂ1-2から主面４１０ＦＴにかけて勾配部４０１ｓＩ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４０８Ｈ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３ＦＣを有する回路基板３と、少なくとも回路面３ＦＣ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３ＦＣ側の主面４１０ＦＴ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４０２Ｅと樹脂封止体１との境目Ｂ1-2が、主面４１０ＦＴから回路面３ＦＣ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３ＦＣ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４１０Ｂを形成する工程と、複数の端子４０２の回路面３ＦＣと反対側の端部４０２Ｔに対し、一端４０９Ｐが円錐状のカバー部材４０９を一端４０９Ｐ側からかぶせる工程と、カバー部材４０９の他端４０９Ｂが金型４０８の金型溝４０８Ｈに密着するように組立品４１０Ｂ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４１０Ｂ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４０２Ｅと樹脂封止体１との境目Ｂ1-2が、樹脂封止体１の主面４１０ＦＴ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４１０ＦＴにかけて所定角度の勾配部４０１ｓＩ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、１ｓＩ 凹部（勾配部））、 ２ 端子（２ｆ メス型端子、２ｆＴ （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、３ＦＣ 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（８Ｐ 固定ピン、８Ｈ 金型溝）、 ９ キャップ（９Ｐ 円錐側の端部、
９Ｂ 他端）、 １０ 電力用半導体装置（１０Ｂ 組立品（封止前）、１０ＦＴ 主面）、
Ｂ1-2 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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