JP5496304B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

この発明は、例えば車両などの移動体に搭載されるパワーモジュール等の半導体装置に関するものである。

従来、電気モータにより駆動される電気自動車やハイブリッド自動車などで半導体装置が用いられている。半導体装置は、半導体素子を複合化した半導体モジュール、冷却装置、平滑コンデンサ、配線電極、及び外構ケースなどを備えている。

半導体モジュールには外部への接続端子が設けられ、一般にナットとボルトにより配線電極と締結される。配線電極は通常冷却装置等との電気的絶縁のため樹脂モールドでインサート成形され、締結用のナットも配線電極の内側に接触した状態でインサートされている。半導体モジュールの接続端子と配線電極との接続手段としては例えば特開２０１１−１７６９２８号公報が挙げられる。

しかし、近年自動車のスペース効率の向上のため半導体装置のより一層の小型化が求められている。図５に従来の半導体モジュールの接続端子締結部の断面図を示す。冷却装置1に半導体モジュール２、配線電極６がインサート成形された樹脂ケース５が取り付けられ、半導体モジュール２の接続端子２２は配線電極６にボルト７１で取り付けられている。ボルト７１を締結するためのナット８は配線電極６の内側表面に当接され配線電極６と共にインサート成形されている。

特開２０１１−１７６９２８号公報

上述した従来の半導体装置において、省スペースを達成するための手段としては、ナット８の厚みを減らす、あるいは樹脂ケース５の厚みを減らす、または接続端子２２と配線電極６の厚みを減らすことが考えられる。しかし、ナット８の厚みはボルト７１のかかり量に直結するため締結の強度が低下する、また樹脂ケース５の厚みを減らすとナット８と冷却装置1の距離が短くなり電気的絶縁性が低下する、接続端子２２と配線電極６の厚みを減らすと断面積が小さくなり電気抵抗が増加してしまうといった問題が生じるため、上述した従来の構成での省スペース化には限界があるという問題点があった。

また、配線電極６の材料には導電率の高い銅が通常用いられるが、コストの観点からアルミニウムを用いられる場合がある。しかし、アルミニウムは銅と比較すると強度が低くクリープ現象によってボルト７１の締め付け力が次第に低下してしまう問題があった。このため、必要な締め付け力を維持させるには初期のボルト７１の締め付け力を上げる、あるいはアルミニウムの種類を変更する、またはボルト７１のサイズアップが必要となり、締め付け力を上げると組み立て性の低下や配線電極６の変形が起こる。アルミニウムの種類を変更すると導電率の低下やコストアップにつながる。また、ボルト７１のサイズアップは半導体装置が大型化するという問題点があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、その第一の目的としては、締結強度や電気的絶縁性能の低下あるいは電気抵抗の増加を招くことなく、より省スペースな半導体装置を提供するものである。また、第二の目的としては、配線電極にアルミニウムを使用した場合にも必要な締め付け力を、組み立て性の低下やアルミニウムの種類変更、ボルトのサイズアップをすることなく確実に得られる半導体装置を提供するものである。

この発明に係わる半導体装置は、半導体素子が実装され外部と接続するための接続端子が設けられた半導体モジュールと、前記半導体モジュールの前記接続端子に接続される配線電極と、前記配線電極の裏面に当接されたナットと、前記半導体モジュールの前記接続端子を前記ナットに螺合して前記配線電極に固定するボルトとを有する半導体装置において、前記配線電極裏面の前記ナットが当接する当接面に凹形状部を設け、前記凹形状部に前記ナットの一部が入り込んで配置されたものである。

この発明に係わる半導体装置によれば、スペース効率に優れ、電極の確実な締結が得られる半導体装置を得ることができる。

この発明の実施の形態１に係わる半導体装置を示す平面図である。 この発明の実施の形態１に係わる半導体装置を示す要部断面図である。 この発明の実施の形態２に係わる半導体装置を示す平面図である。 この発明の実施の形態２に係わる半導体装置を示す要部断面図である。 従来の半導体装置を示す要部断面図である。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図１および図２に基づいて説明するが、各図において、同一、または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。図１はこの発明の実施の形態１に係わる半導体装置を示す平面図である。図２はこの発明の実施の形態１に係わる半導体装置を示す要部断面図である。

これら各図において、冷却装置１には例えば複数の半導体モジュール２，３，４と、複数の配線電極６１，６２，６３，６４，６５がインサート成形された樹脂ケース５１が取り付けられている。半導体モジュール２，３，４はこの実施の形態においてはＩＧＢＴを用いている場合を示しているが、これに限定されるものではなくＭＯＳＦＥＴ等他の半導体素子を用いた場合も同様である。

半導体モジュール２は、その接続端子２１が配線電極６３にボルト７７によって取り付けられ、接続端子２２が配線電極６１にボルト７１によって取り付けられ、接続端子２３が配線電極６２にボルト７２によって取り付けられている。半導体モジュール３は、その接続端子３１が配線電極６４にボルト７８によって取り付けられ、接続端子３２が配線電極６１にボルト７３によって取り付けられ、接続端子３３が配線電極６２にボルト７４によって取り付けられている。半導体モジュール４は、その接続端子４１が配線電極６５にボルト７９によって取り付けられ、接続端子４２が配線電極６１にボルト７５によって取り付けられ、接続端子４３が配線電極６２にボルト７６によって取り付けられている。配線電極６１，６２，６３，６４，６５には銅あるいはアルミニウムが通常用いられる。なお、図１においては図示していないが、各ボルトを締結するためのナットは配線電極６１，６２，６３，６４，６５の裏面に当接され配線電極６１，６２，６３，６４，６５と共に樹脂ケース５１にインサート成形されている。

図２は半導体モジュール２の接続端子２２の締結部を示す要部断面図である。例えば半導体モジュール２の接続端子２２は、配線電極６１裏面の前記ナット８が当接する当接面に設けられた凹形状部６６にナット８の一部が入り込んで配置されたナット８にボルト７１を螺合して配線電極６１と共に締結されている。配線電極６１と配線電極６１に設けられた凹形状部６６に一部が入り込んで配置されたナット８とは樹脂ケース５１にインサート成形されている。配線電極６１はナット８との当接部周辺に例えばプレス加工によって凹形状部６６を設けた場合を示しており、ナット８はその一部が凹形状部６６に入り込む構成となっている。これにより、従来の構成に比べて凹形状部の深さ分だけ省スペース化が可能となる。

半導体モジュール２の接続端子２２との接触面は凹形状部６６の範囲より大きくとってあるため凹形状部６６による電気抵抗の増加はない。配線電極６１の凹形状部６６は切削加工によっても形成できるが、プレス加工によって形成すれば加工硬化が得られ、ボルト締め付け時の変形を抑えることができる。配線電極６１にアルミニウムを用いた場合は配線電極６１の凹形状部６６の深さを変更することで、ボルト締結時のクリープによる締め付け力の低下を調整することができる。

以上は半導体モジュール２の接続端子２２と配線電極６１とをボルト７１および配線電極６１の凹形状部６６に一部が入り込んだナット８によって締結する場合について述べたが、半導体モジュール２の接続端子２３と配線電極６２とをボルト７２および配線電極６２の凹形状部６６に一部が入り込んだナット８（図示せず）によって締結する場合、半導体モジュール２の接続端子２１と配線電極６３とをボルト７７および配線電極６３の凹形状部６６に一部が入り込んだナット８（図示せず）によって締結する場合も同様に締結される。また、半導体モジュール３の接続端子３１と配線電極６４との締結はボルト７８および配線電極６４の凹形状部６６に一部が入り込んだナット８（図示せず）によって同様に締結され、半導体モジュール３の接続端子３２と配線電極６１との締結はボルト７３および配線電極６１の凹形状部６６に一部が入り込んだナット８（図示せず）によって同様に締結され、半導体モジュール３の接続端子３３と配線電極６２の締結はボルト７４および配線電極６２の凹形状部６６に一部が入り込んだナット８（図示せず）によって同様に締結される。さらに、半導体モジュール４の接続端子４１と配線電極６５との締結はボルト７９および配線電極６５の凹形状部６６に一部が入り込んだナット８（図示せず）によって同様に締結され、半導体モジュール４の接続端子４２と配線電極６１との締結はボルト７５および配線電極６１の凹形状部６６に一部が入り込んだナット８（図示せず）によって同様に締結され、半導体モジュール４の接続端子４３と配線電極６２との締結はボルト７６および配線電極６２の凹形状部６６に一部が入り込んだナット８（図示せず）によって同様に締結される。

以上のように構成されたこの実施の形態１によれば、上述した従来の構成に比べて、配線電極の凹形状部にナットを入れ込んだ分の厚みを減らすことができ、省スペース化を達成できる。また、ナットの厚みやモールドの厚みは上述した従来の構成と変わらないため、締結強度や電気的絶縁性能を損なうことはない。電気抵抗についても、半導体モジュールの接続端子と配線電極の接触部までの断面積は上述した従来の構成と変化はないため、電気抵抗は増加することはない。

また、配線電極にアルミニウムを用いた場合には凹形状部をプレス加工にて成形し、加工硬化により締結部の強度を向上させクリープを回避することができる。また、凹形状部の深さを変更することによりクリープ現象によるボルトの締め付け力の低下量を調整することができ、必要な締め付け力を確実に得ることができる。より確実に締め付け力を維持させるため、初期の締め付け力を上げる場合でも配線電極の変形を抑えることができる。

実施の形態２．
上述した実施の形態１は、半導体装置内の半導体モジュールの接続端子と配線電極の締結部について説明したが、この発明の実施の形態２は半導体装置と半導体装置外の電気回路の締結部にも適用することができ、半導体装置内部に実施した場合と同様に装置の小型化と電極の確実な締結が得られる。以下に半導体装置外の電気回路の接合部に適用した場合の形態を説明する。

図３にこの発明の実施の形態２における半導体装置および半導体装置外の電気回路接合部を示す。
半導体装置の配線電極６１に外部電気回路の接続端子８１がボルト１０１によって取り付けられ、配線電極６２に外部接続端子８２がボルト１０２によって取り付けられ、配線電極６３に外部接続端子８３がボルト１０３によって取り付けられ、配線電極６４に外部接続端子８４がボルト１０４によって取り付けられ、配線電極６５には外部接続端子８５がボルト１０５によって取り付けられている。なお、図３には図示していないが、各ボルトを締結するためのナットは配線電極６１，６２，６３，６４，６５の裏面に当接され、配線電極６１，６２，６３，６４，６５と共に樹脂ケース５１にインサート成型されている。

図４は配線電極６１と半導体装置外部回路の接続端子８１の締結部を示す要部断面図である。例えば接続端子８１は、配線電極６１裏面の前記ナット８が当接する当接面に設けられた凹形状部６６にナット８の一部が入り込んで配置されたナット８にボルト１０１を螺合して配線電極６１と共に締結されている。配線電極６１と配線電極６１に設けられた凹形状部６６に一部が入り込んで配置されたナット８とは樹脂ケース５１にインサート成形されている。配線電極６１はナット８との当接部周辺に例えばプレス加工によって凹形状部６６を設けた場合を示しており、ナット８はその一部が凹形状部６６に入り込む構成となっている。これにより、従来の構成に比べて凹形状部の深さ分だけ省スペース化が可能となる。

外部接続端子８１との接触面は凹形状部６６の範囲より大きくとってあるため凹形状部６６による電気抵抗の増加はない。配線電極６１の凹形状部６６は切削加工によっても形成できるが、プレス加工によって形成すれば加工硬化が得られ、ボルト締め付け時の変形を抑えることができる。配線電極６１にアルミニウムを用いた場合は配線電極６１の凹形状部６６の深さを変更することで、ボルト締結時のクリープによる締め付け力の低下を調整することができる。

以上は外部接続端子８１と配線電極６１とをボルト１０１および配線電極６１の凹形状部６６に一部が入り込んだナット８によって締結する場合について述べたが、外部接続端子８２と配線電極６２とをボルト１０２および配線電極６２の凹形状部６６に一部が入り込んだナット８(図示せず)によって締結する場合、外部接続端子８３と配線電極６３とをボルト１０３および配線電極６３の凹形状部６６に一部が入り込んだナット８(図示せず)によって締結する場合、外部接続端子８４と配線電極６４とをボルト１０４および配線電極６４の凹形状部６６に一部が入り込んだナット８(図示せず)によって締結する場合、外部接続端子８５と配線電極６５とをボルト１０５および配線電極６５の凹形状部６６に一部が入り込んだナット８(図示せず)によって締結する場合も同様に締結される。

なお、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

この発明は、スペース効率に優れ、電極の確実な締結が得られる半導体装置の実現に好適である。

１ 冷却装置、２ 半導体モジュール、３ 半導体モジュール、４ 半導体モジュール、８ ナット、２１ 接続端子、２２ 接続端子、２３ 接続端子、３１ 接続端子、３２ 接続端子、３３ 接続端子、４１ 接続端子、４２ 接続端子、４３ 接続端子、５１ 樹脂ケース、６１ 配線電極、６２ 配線電極、６３ 配線電極、６４ 配線電極、６５ 配線電極、６６ 凹形状部、７１ ボルト、７２ ボルト、７３ ボルト、７４ ボルト、７５ ボルト、７６ ボルト、７７ ボルト、７８ ボルト、７９ ボルト、８１ 外部接続端子、８２ 外部接続端子、８３ 外部接続端子、８４ 外部接続端子、８５ 外部接続端子、１０１ ボルト、１０２ ボルト、１０３ ボルト、１０４ ボルト、１０５ボルト。

Claims (3)

1. 半導体素子が実装され外部と接続するための接続端子が設けられた半導体モジュールと、前記半導体モジュールの前記接続端子に接続される配線電極と、前記配線電極の裏面に当接されたナットと、前記半導体モジュールの前記接続端子を前記ナットに螺合して前記配線電極に固定するボルトとを有する半導体装置において、前記配線電極裏面の前記ナットが当接する当接面に凹形状部を設け、前記凹形状部に前記ナットの一部が入り込んで配置されていることを特徴とする半導体装置。
2. 前記配線電極と半導体装置外の電気回路の接合部とはナットとボルトで締結され、前記ナットは前記配線電極に当接されており、前記配線電極の前記ナット当接面は凹形状部が設けられ、前記ナットは前記配線電極の前記凹形状部にその一部が入り込んで配置されていることを特徴とする請求項1に記載されている半導体装置。
3. 前記配線電極および前記ナットは樹脂ケースにインサート成形されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体装置。