JP5789264B2 - 回路装置 - Google Patents

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Description

本発明は回路装置に関し、特に、大電流のスイッチングを行うパワー系の半導体素子が回路基板の上面に実装された回路装置に関する。
図９を参照して、従来型の構成集積回路装置１００の構成を説明する。先ず、矩形の基板１０１の表面には、厚みが２００μｍ程度の絶縁層１０２を介して導電パターン１０３が形成され、この導電パターン１０３の所望の箇所に回路素子が接続されて、所定の電気回路が形成される。ここでは、回路素子として半導体素子１０５Ａおよびチップ素子１０５Ｂが固着されている。そして、半導体素子１０５Ａの上面に形成された電極は、金属細線１１４を経由して所望の導電パターン１０３と接続され、チップ素子１０５Ｂの両端に設けられた電極は半田を介して導電パターンに固着されている。また、リード１０４は、基板１０１の周辺部に形成された導電パターン１０９から成るパッドに接続され、外部端子として機能している。封止樹脂１０８は、基板１０１の表面に形成された電気回路を封止する機能を有する。
ケース材１１１は、略額縁形状を有して基板１０１の側面に当接しており、このことにより、基板１０１の上面に封止樹脂１０８を充填するための空間が形成される。
上記構成の混成集積回路装置１００の製造方法は次の通りである。先ず、上面が樹脂から成る絶縁層１０２により被覆された基板１０１の上面に、所定形状の導電パターン１０３を形成する。次に、半導体素子１０５Ａ等の回路素子を基板１０１の上面に載置して、所定の導電パターン１０３と半導体素子１０５Ａとを電気的に接続する。更に、パッド状に形成された導電パターン１０９にリード１０４を固着する。次に、ケース材１１１を取り付け、ケース材１１１により囲まれる空間に、液状又は半固形状の封止樹脂１０８を注入した後に加熱硬化することにより、半導体素子１０５Ａや金属細線１１４を樹脂封止する。
特開２００７−０３６０１４号公報
しかしながら、上記した構成の混成集積回路装置１００の場合、基板１０１の上面に形成された厚みが１００μｍ程度の導電パターン１０３を経由して、リード１０４と半導体素子１０５Ａとが接続される。従って、数十アンペア程度の大電流が半導体素子１０５Ａによりスイッチングされる場合、大きな電流容量を確保するために、導電パターン１０３の幅を広くする必要があり、このことが混成集積回路装置１００の小型化を阻んでいた。
本発明は、上述した問題を鑑みてなされ、本発明の主な目的は、大電流のスイッチングを行う半導体素子が内蔵された小型の回路装置を提供することにある。
本発明の回路装置は、回路基板と、前記回路基板の上面に配置された半導体素子と、前記回路基板の上面にて前記半導体素子に電気的に接続される第１リードと、前記半導体素子と電気的に接続されると共に、少なくとも一部が前記第１リードと重畳する第２リードと、前記半導体素子と電気的に接続されると共に、少なくとも一部が前記第１リードおよび前記第２リードと重畳する複数の第３リードと、を備え、前記第１リード、前記第２リードおよび前記第３リードの一部は、前記回路基板の中央部付近の重畳領域で重畳し、前記第３リードは、前記重畳領域で前記第１リードおよび前記第２リードと重畳する第１部分と、前記重畳領域から外部まで伸びる第２部分とを有し、Ｌ字状を呈し、前記第２リードの両端部は、前記回路基板の周縁部よりも内側に配置され、前記第１リードおよび前記第３リードの端部は、前記回路基板の周縁部よりも外側に配置されて外部に導出されることを特徴とする。
本発明によれば、内蔵される半導体素子と接続される第１リード、第２リード及び第３リードを、回路基板から絶縁された状態で、重畳して配置している。このことにより、回路基板の上面に於いて、これらのリードが占有する面積が狭くなるので、装置全体の小型化に寄与する。
更に、回路基板の上面に実装される半導体素子は、回路基板上の導電パターンではなく、回路基板の上面に配置されたリードに直に接続される。従って、回路基板の上面に導電パターンを形成する必要がないので、回路基板と導電パターンがショートする問題が排除される。
更に本発明では、再上層に配置される第３リードは、各リードが重畳して配置される領域から外部まで連続して延在している。従って、インバータ回路を回路装置に内蔵した場合、変換された交流電力が外部に出力される経路の大部分が第３リードになるので、金属細線が経路となる場合と比較すると、変換された電流が通過する経路の抵抗値が低くなる。
図１は本発明の回路装置を示す図であり、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は断面図である。 図２は本発明の回路装置でセラミック基板が実装される箇所を拡大して示す断面図である。 図３は本発明の回路装置でコンバータ回路を構成する回路素子が実装される箇所を拡大して示す平面図である。 図４は本発明の回路装置でインバータ回路を構成する回路素子が実装される箇所を拡大して示す平面図である。 図５は（Ａ）は本発明の回路装置が組み込まれた太陽発電システムを示す回路図であり、（Ｂ）は一部を拡大した回路図である。 図６は本発明の回路装置の製造方法を示す図であり、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は断面図であり、（Ｃ）は拡大された断面図である。 図７は本発明の回路装置の製造方法を示す図であり、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は断面図であり、（Ｃ）は拡大された断面図である。 図８は本発明の回路装置の製造方法を示す図であり、（Ａ）−（Ｃ）は断面図である。 図９は背景技術の回路装置を示す断面図である。
図１から図４を参照して、回路装置の一例として混成集積回路装置１０の構造を説明する。
図１を参照して、混成集積回路装置１０は、回路基板１２と、回路基板１２の上面で重畳された３つのリード２８、３０、３１Ａ−３１Ｃと、回路基板１２の上面でこれらのリードに接近して配置されたトランジスタ３４等の回路素子と、回路基板１２の上面に固着された額縁状のケース材１４と、ケース材１４に囲まれる領域に充填された封止樹脂１６とを主に備えている。
回路基板１２は、アルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）等を主材料とする回路基板である。回路基板１２としてアルミニウムより成る基板を採用した場合は、回路基板１２の両主面は陽極酸化膜により被覆されている。回路基板１２の厚みは、放熱性を高めるために例えば０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下程度である。尚、回路基板１２の材料としては金属以外の材料も採用可能であり、例えばガラスエポキシ基板等の樹脂材料またはセラミック等も採用可能である。ここでは、図２に示すように、金属からなる回路基板１２の上面は樹脂材料から成る厚みが６０μｍ程度の絶縁層５０により被覆され、この絶縁層５０の上面にアイランド１８が形成されている。
リード２８は、ケース材１４に組み込まれており、一端が紙面上にて左側で外部に導出すると共に、回路基板１２の中央部を横切るように回路基板１２の上面に配置されている。このリード２８は直流電源の正極側に接続され、インバータ回路により変換される前の直流電力が通過する。また、リード２８の幅は例えば８ｍｍ程度であり、リード２８の上方に重畳して配置されるリード３０の幅（６．５ｍｍ）や、リード３１Ａ−３１Ｃの幅（５．０ｍｍ）よりも幅広に形成される。このことにより、下方に配置される出力リード２８の上面を部分的に露出させて、この露出する上面部分に金属細線を接続することが可能となる。
リード３０は、リード２８の上方で重畳するように、ケース材１４に組み込まれている。ここでは、リード３０は外部に露出せずに、セラミック基板２２Ｄの上面に形成された導電パターンを経由して、外部に導出するリード２９と接続されている。リード３０は、外部に露出するリード２９と、セラミック基板２２Ｄに実装された抵抗を経由して直流電源の負極側に接続され、装置内部に於いて、直流電力を引き回す機能を有する。また、上記したようにリード３０の幅は、リード３０の上方に重畳して配置されるリード３１Ａ−３１Ｃよりも広いので、リード３０の上面の一部は、リード３１Ａ−３１Ｃに被覆されず露出する。そして、この露出する部分のリード３０の上面には金属細線が接続される。
リード３１Ａ−３１Ｃは、略Ｌ字形状を備えており、その一辺（紙面上にて横方向に長い辺）がリード２８、３０と重畳する位置に配置されている。更に、リード３１Ａ−３１Ｃの紙面上に於ける下端は、ケース材１４から外部に露出している。
リード３１Ａは、セラミック基板２２Ａ、２２Ｅに実装されたトランジスタ等の回路素子と金属細線を経由して接続されている。リード３１Ｂは、セラミック基板２２Ｂ、２２Ｆに実装されたトランジスタ等の回路素子と接続されている。更に、リード３１Ｃは、セラミック基板２２Ｇ、２２Ｃに実装された回路素子と接続されている。リード３１Ａ−３１Ｃが接続される構造は、図３および図４を参照して後述する。ここで、リード３１Ａ、３１Ｂは、装置に内蔵されたインバータ回路により変換された交流電力が外部に出力されるリードである。
ここで、上記した各リード２８、３０、３１Ａ−３１Ｃの厚みは、例えば１ｍｍ以上である。更に、各リードの外部に露出する部分には、ネジ止めの為の貫通孔が設けられる場合とセット側ＰＣＢに半田接続されるオンボードの場合がある。
また、図１（Ｂ）を参照して、リード２８、リード３０、リード３１Ａとは、ケース材１４の絶縁材料が両者の間に介在することにより絶縁されている。具体的には、リード２８とリード３０とが厚み方向に離間する距離は例えば１ｍｍ以上である。同様に、リード３０とリード３１Ａとが厚み方向に離間する距離も１ｍｍ以上である。更に、リード２８の下面と回路基板１２の上面も、ケース材１４の絶縁材料により絶縁されており、この絶縁材料の厚さは例えば１ｍｍ以上である。
ケース材１４は、エポキシ樹脂等の樹脂材料を額縁形状に射出成形したものであり、上記した各リードが組み込まれている。また、回路基板１２の周辺部上面にケース材１４が固着されることにより、トランジスタ３４等の回路素子を樹脂封止する空間が回路基板１２の上面に設けられる。更に、ケース材１４の紙面上における上下側辺には、内蔵される半導体素子の制御電極と接続される配線リード４０が配置されている。
セラミック基板２２Ａ−２２Ｇは、Ａｌ２０３（アルミナ）やＡｌＮ（窒化アルミニウム）等の無機固体材料から成り、厚みは例えば０．２５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下である。セラミック基板２２は、上面に実装されるトランジスタ３４と回路基板１２とを絶縁させる働きを有する。セラミック基板２２が回路基板１２に固着される構造は図２を参照して後述する。また、トランジスタ３４やダイオード３６が動作時に発生する熱は、セラミック基板２２および回路基板１２を経由して外部に放出される。ここで、トランジスタ３４等の回路素子は必ずしもセラミック基板を介して回路基板１２に固着される必要はなく、回路基板１２の上面に直に回路素子が固着されても良い。
図１（Ｂ）を参照して、配線リード４０の上端部付近は基板４２の貫通孔に差し込まれて固定されている。即ち、回路基板１２の上面に配置されたトランジスタ３４等の回路素子は、配線リード４０を経由して基板４２と電気的に接続されている。基板４２には、複数個の信号リード４４が配置されており、この信号リード４４は外部接続端子として機能する。基板４２は、例えば厚みが１ｍｍ程度のガラスエポキシ基板の主面に導電パターンが形成されたものである。基板４２はセラミック基板、金属基板でもかまわない。
封止樹脂１６は、アルミナ等のフィラーが充填されたエポキシ等の樹脂材料から成り、ケース材１４により囲まれる回路基板１２の上面の空間に充填される。そして、封止樹脂１６は、セラミック基板２２Ａ等、トランジスタ３４、ダイオード３６、金属細線２６、基板４２等を樹脂封止している。
図１（Ａ）を参照して、回路基板１２の上面には、複数個のセラミック基板が配置されている。具体的には、７個のセラミック基板２２Ａ−２２Ｇが回路基板１２の上面に固着されており、各々のセラミック基板２２Ａ−２２Ｇの上面に所定の回路素子が実装されている。
セラミック基板２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｅ、２２Ｆの上面には、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等のトランジスタおよびダイオードが実装されており、これらの素子によりインバータ回路が構成される。そして、セラミック基板２２Ｃにはダイオードが実装され、セラミック基板２２ＧにはＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等のトランジスタが実装され、これらの素子によりコンバータ回路が構成される。また、セラミック基板２２Ｄの上面には電流値を検出するための抵抗が配置されている。
本形態では、例えば７０アンペア程度の直流電流が通過する幅の広いリード２８とリード３０とを、回路基板１２の上面にて重畳して配置している。このようにすることで、両リードを同一平面上に配置した場合と比較すると、リード２８、３０が占有する面積が狭くなるので、装置全体の小型化なものになる。
更に本形態では、回路基板１２の中央部付近を等分する領域に、リード２８、３０を重畳して配置している。そして、これらのリードが重畳して配置される領域の近傍にトランジスタ等の回路素子を配置して金属細線を経由して接続している。このようにすることで、リード２８、３０に対してトランジスタ等の回路素子が接近して配置され、両者を接続する金属細線の線長を短くして、接続手段の電気抵抗を小さくすることが可能となる。
更にまた、本形態では、リード２８とリード３０と共に、リード３１Ａ−３１Ｃの一部をこれらのリードと重畳させている。更に、リード３１Ａ−３１Ｃの重畳する箇所に配置された部分は金属細線を経由して半導体素子等の回路素子と接続され、これらのリード３１Ａ−３１Ｃの端部は外部に露出している。このことにより、装置に内蔵された半導体素子を経由して出力される電流の経路の大部分がリード３１Ａ−３１Ｃとなるので、この経路の電気抵抗を低減することが可能となる。
また、リード３１Ａ−３１Ｃは、アルファベットのＬ字状を呈しており、一辺が半導体素子等の回路素子に接続されると共に、他辺の端部がケース材１４から外部に露出して外部端子を形成している。このことにより、回路素子と外部端子とが最短の距離で接続される。
更に本形態では、直流電源の正極側に接続されるリード２８と、直流電源の負極側に接続されるリード３０とを重畳することによりペア配線の効果が得られる。具体的には、リード３０を電流が通過する際に発生する磁界と、リード２８を電流が通過する際に発生する磁界とが互いに打ち消しあう事により、発生するノイズが小さくなる。
更に本形態では、断面積が大きいリード２８、３０、３１Ａ−３１Ｃを経由して回路基板１２の上面にてトランジスタ等の回路素子同士を接続することにより、電気特性が向上される。具体的には、配線インダクタンスが低減され、Ｌ負荷でのスイッチング動作時に発生するスイッチング電圧振動、ノイズの発生量が抑制される。
図２を参照して、セラミック基板２２が回路基板１２に固着される構造を説明する。先ず、回路基板１２がアルミニウムから成る回路基板の場合は、回路基板１２の上面および下面は、陽極酸化により形成されたアルマイトから成る酸化膜４６、４８により被覆される。そして、酸化膜４６が形成される回路基板１２の上面は、フィラーが高充填された樹脂材料から成る絶縁層５０により被覆される。
回路基板１２の上面には、厚みが５０μｍ程度の銅等の金属膜を所定形状にエッチングしたアイランド１８が形成されている。このアイランド１８は電気信号が通過する配線としては用いられない。本形態では、アイランド１８は、セラミック基板２２の固着に用いられる固着材３８（半田）の濡れ性を向上させるために用いられる。
セラミック基板２２の下面は、厚みが２５０μｍ程度の金属膜２０により被覆されている。ここで、金属膜２０は、セラミック基板２２の下面全域にベタの状態で形成されている。このようにすることで、固着材３８として半田を用いた場合、セラミック基板２２の下面全域に半田が良好に溶着する。また、回路基板１２の上面に設けられたアイランド１８にも良好に半田が溶着する。従って、固着材３８を介してセラミック基板２２が強固に回路基板１２に固着される。更に、固着材３８として、熱伝導性に優れる金属である半田を採用することで、トランジスタ３４の動作時に発生する熱が良好に回路基板１２に伝導する。
セラミック基板２２の上面には、厚みが２５０μｍ程度の金属膜を所定形状にエッチングした導電パターン２４が形成されている。そして、この導電パターン２４にトランジスタ３４やダイオード３６が半田等の導電性固着材を介して実装されている。
トランジスタ３４としては、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、バイポーラ・トランジスタが採用される。本形態では、トランジスタ３４は、例えば電流値が１アンペア以上の大電流のスイッチングを行う。トランジスタ３４の下面に設けられた電極は、半田等の導電性固着材を介して導電パターン２４と接続される。以下の説明では、トランジスタとしてＩＧＢＴが採用された場合について説明する。
ダイオード３６は、上面に設けられた電極が金属細線２６を介してトランジスタ３４と接続され、下面の電極は半田等の導電性固着剤を介して導電パターン２４に接続されている。
具体例としては、トランジスタ３４がＩＧＢＴの場合は、トランジスタ３４の上面に設けられたエミッタ電極が、金属細線２６を経由して、ダイオードの上面に設けられたアノード電極と接続される。そして、トランジスタ３４の下面に設けられたコレクタ電極が、導電パターン２４を経由して、ダイオードの下面に設けられたカソード電極と接続される。この接続構造の詳細は、図３および図４を参照して後述する。
ここで、上記したトランジスタ等の電気的接続に用いられる金属細線２６は、例えば直径が１５０μｍ〜５００μｍ程度のアルミニウムから成るものである。また、金属細線２６の替りに、アルミニウム等の金属箔をリボン状に形成したリボンボンディングが採用されても良い。
本形態では、背景技術と同様に、回路基板１２の上面には樹脂から成る絶縁層５０が設けられる。絶縁層５０の厚みは例えば６０μｍ（５０μｍ以上７０μｍ以下）である。絶縁層５０の材料は背景技術と同様であり、エポキシ樹脂等の樹脂材料にアルミナ等のフィラーが高充填されたものである。
絶縁層５０で回路基板１２の上面を被覆する目的は、アイランド１８の形成を容易にするためである。即ち、回路基板１２の上面を被覆する酸化膜４６の上面に直に銅から成るアイランド１８を形成することも可能ではあるが、このようにすると回路基板１２とアイランド１８との密着強度が弱くなる。このため、本形態では、回路基板１２とアイランド１８との間に有機性材料からなる絶縁層５０を介在させることにより、アイランド１８と回路基板１２との密着強度を向上させている。
薄く形成される絶縁層５０の耐圧は背景技術のものと比較して低くなる。しかしながら、絶縁層５０の上面に形成されるアイランド１８はトランジスタ３４とは接続されないので、本形態では絶縁層５０には高耐圧は必要とされない。
更に、本形態の薄い絶縁層５０の熱伝導率は４Ｗ／ｍＫ以上であり、背景技術の２００μｍ程度に厚い絶縁層１０２の熱伝導率と比較すると４倍以上である。従って、トランジスタ３４から発生した熱を、絶縁層５０を経由して良好に外部に放出させることが可能となる。
図３は、混成集積回路装置の内部にて、コンバータ回路を構成するＩＧＢＴ（Ｑ１）およびダイオードＤ１が接続される構造を説明する。ここでは、セラミック基板２２Ｇの上面に２つのＩＧＢＴ（Ｑ１）が実装され、セラミック基板２２Ｃの上面に５個のダイオードが実装されている。また、ＩＧＢＴ（Ｑ１）とダイオードＤ１とは、リード２８、リード３０およびリード３１Ｃが重畳される領域を挟んで、紙面上にて上下方向に対向するように配置されている。
ＩＧＢＴ（Ｑ１）の裏面に設けられたコレクタ電極は、半田等の導電性固着材を介してセラミック基板２２Ｇの導電パターンに接続され、上面のエミッタ電極は金属細線２６を介してリード３０と接続され、上面のゲート電極は金属細線２６を介して配線リード４０と接続される。更に、セラミック基板２２Ｇの導電パターンは、金属細線２６を経由してリード３１Ｃと接続されている。このことにより、ＩＧＢＴ（Ｑ１）のエミッタ電極はリード３０を経由して直流電源の正極側と接続される。ここでは、２つのＩＧＢＴ（Ｑ１）の各電極が並列に接続されており、このことにより大きな電流容量が確保される。
セラミック基板２２Ｃの上面には、５つのダイオードＤ１のカソード電極が半田を介して接続されている。そして、ダイオードＤ１の上面のアノード電極は、金属細線２６を経由してリード３１Ｃと接続され、下面のカソード電極は半田を介してセラミック基板２２Ｃの上面に形成された導電パターンと接続されている。更に、セラミック基板２２Ｃ上の導電パターンは金属細線を経由してリード２８と接続されている。このことにより、ダイオードＤ１のカソード電極は直流電源の負極側と接続される。
上記構成により、セラミック基板２２Ｇに実装されたＩＧＢＴ（Ｑ１）のカソード電極と、セラミック基板２２Ｃに実装されたダイオードＤ１のアノード電極とは、金属細線およびリード３１Ｃを経由して接続される。ここで、ＩＧＢＴ（Ｑ１）等が含まれるコンバータ回路の構成等は図５（Ａ）を参照して後述する。
図４を参照して、インバータ回路を構成する各素子が接続される構造を説明する。ここでは、回路基板１２の中央部付近に紙面上で横方向にリード２８、リード３０およびリード３１Ａが重畳して配置されている。リード２８は、コンバータ回路により昇圧された直流電圧が印加されている。更に、リード３１Ａからは、リード２８、３０から供給された電流をスイッチングすることにより変換された交流電流が外部に出力される。
リード２８、３０、３１Ａの紙面に於ける上側では、セラミック基板２２ＥにＩＧＢＴ（Ｑ３）およびダイオードＤ３が接続されている。これらの裏面電極は半田を介してセラミック基板２２Ｅの上面に設けられた同一の導電パターンに固着される。従って、ＩＧＢＴ（Ｑ３）の裏面に設けられたコレクタ電極と、ダイオードＤ３の裏面に設けられたカソード電極とは、セラミック基板２２Ｅの導電パターンを経由して接続される。また、ＩＧＢＴ（Ｑ３）の上面に設けられたゲート電極は、金属細線２６を経由してケース材１４の側壁に備えられた配線リード４０と接続される。更に、ＩＧＢＴ（Ｑ３）のエミッタ電極およびダイオードＤ３のアノード電極は、複数の金属細線２６を経由して、リード３０と接続される。また、セラミック基板２２Ｅの導電パターンは、金属細線２６を経由して、リード３１Ａと接続されている。
尚、セラミック基板２２Ｅの上面には２つのＩＧＢＴ（Ｑ３）が実装されて両素子の各電極は共通に接続されている。即ち、２つのＩＧＢＴ（Ｑ３）は並列に接続されており、多くの電流容量が確保される。このことに関しては、他のセラミック基板に関して同様である。
セラミック基板２２Ａの上面に設けられた導電パターンには、半田等の導電性固着材を介して、ＩＧＢＴ（Ｑ２）の裏面に設けたコレクタ電極と、ダイオードＤ２の裏面に設けたカソード電極が実装されている。これらの素子が実装される導電パターンは、金属細線２６を経由して、リード２８と接続される。ＩＧＢＴ（Ｑ２）のゲート電極は金属細線２６を介して夫々が配線リード４０に接続されている。また、ＩＧＢＴ（Ｑ２）の上面に形成されたエミッタ電極とダイオードＤ２の上面に形成されたアノード電極は、金属細線を経由してリード３１Ａと接続されている。
即ち、本形態では、セラミック基板２２Ｅに実装されたＩＧＢＴ（Ｑ３）と、セラミック基板２２Ａに実装されたＩＧＢＴ（Ｑ２）とは、金属細線２６およびリード３１Ａを経由して接続される。
上記のように接続されたＩＧＢＴ（Ｑ２）およびＩＧＢＴ（Ｑ３）により直流電力が交流電力に変換される。具体的には、リード２８およびリード３０から供給される直流電力が、ＩＧＢＴ（Ｑ２）およびＩＧＢＴ（Ｑ３）に供給される。そして、これらのＩＧＢＴが制御信号に基づいて相補的にスイッチングを行うことにより交流電力が生成され、この交流電力はリード３１Ａを経由して外部に出力される。
上記したように、インバータ回路を構成するＩＧＢＴ（Ｑ２）およびＩＧＢＴ（Ｑ３）は、リード３１Ａの直近に配置されて接続されており、このリード３１Ａは外部まで連続して延在して外部出力端子を構成している。従って、両ＩＧＢＴにより変換された交流電力を外部に出力する経路の大部分が、断面積が大きいリード３１Ａとなるので、この経路の電気抵抗を小さくすることが可能となる。
ここで、図１（Ａ）を参照して、セラミック基板２２Ｆ、２２Ｂの上面に実装される回路素子およびその接続構造も、上記の場合と同様である。即ち、セラミック基板２２Ｆ、２２Ｂの上面には、ダイオードとＩＧＢＴが実装される。そして、セラミック基板２２Ｆに実装されたＩＧＢＴと、セラミック基板２２Ｂに実装されたＩＧＢＴとが、金属細線２６を経由して直列に接続される。この結果、リード３０、リード２８から供給される直流電力は、セラミック基板２２Ｆ、２２Ｂに実装されたＩＧＢＴにより交流電力に変換され、この交流電力はリード３１Ｂを経由して外部に出力される。
図５を参照して、次に、上記した混成集積回路装置１０が組み込まれる太陽電池発電システムの回路構成を説明する。図５（Ａ）は太陽電池発電システムを全体的に示す回路図であり、図５（Ｂ）はこのシステムに含まれるＩＧＢＴ（Ｑ３）を詳細に示す回路図である。
この図に示す発電システムは、太陽電池７０と、太陽電池開閉部７２と、昇圧チョッパ７４と、インバータ７６とリレー７８、８０とを備えている。この様な構成の発電装置により発電された電力は、電力系統８２や自立運転用負荷８４に供給される。また、本形態の混成集積回路装置１０には、昇圧チョッパ７４の一部であるコンバータ８６およびインバータ７６が組み込まれる。
太陽電池７０は、照射された光を電力に変換して出力する変換器であり、直流の電力を出力している。ここでは、１つの太陽電池７０が図示されているが、複数個の太陽電池７０が直列、および並列で接続された状態で採用されても良い。
太陽電池開閉部７２は、太陽電池７０で発電された電気を集めて逆流を防止すると共に、昇圧チョッパ７４に直流電流を供給する機能を備えている。
昇圧チョッパ７４は、太陽電池７０から供給された直流電力の電圧を昇圧させる機能を備えている。昇圧チョッパ７４では、ＩＧＢＴ（Ｑ１）がオン動作およびオフ動作を周期的に繰り返すことにより、太陽電池７０により発電された２５０Ｖ程度の電圧の直流電力を、３００Ｖ程度の直流電力に昇圧している。具体的には、昇圧チョッパ７４は、太陽電池の出力端子に対して直列に接続されたコイルＬ１と、コイルＬ１と接地端子との間に接続されたＩＧＢＴ（Ｑ１）とを備えている。そして、コイルＬ１により昇圧された直流電力は、逆流素子の為のダイオードＤ１および平滑用コンデンサＣ１を介して、次段のインバータ７６に供給される。
本形態では、昇圧チョッパ７４に含まれるＩＧＢＴ（Ｑ１）およびダイオードＤ１が、図１（Ａ）に示すセラミック基板２２Ｇ、２２Ｃの上面に載置される。また、ＩＧＢＴ（Ｑ１）のスイッチングは、図１（Ｂ）に示す、信号リード４４および配線リード４０を経由して外部から供給される制御信号に基づいて行われる。即ち、基板４２に実装された制御素子から出力される制御信号に基づいて、インバータ回路およびコンバータ回路は動作する。
昇圧チョッパ７４により昇圧された直流電力は、インバータ７６により所定の周波数の交流電力に変換される。インバータ７６は、昇圧チョッパ７４の出力端子間に直列に接続された２つのＩＧＢＴ（Ｑ２）およびＱ３と、同様に直列に接続された２つのＩＧＢＴ（Ｑ４）およびＱ５とを備えている。また、これらのトランジスタのスイッチングは、外部から供給される制御信号により制御されており、Ｑ２とＱ３およびＱ４とＱ５は相補にスイッチングしている。そして、これらのスイッチングにより所定の周波数とされた交流電力は、Ｑ２とＱ３との接続点およびＱ４とＱ５との接続点から、外部に出力される。ここでは、４つのトランジスタから成る２相のインバータ回路が構築されている。尚、図１（Ａ）を参照すると、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４およびＱ５は、セラミック基板２２Ａ、２２Ｅ、２２Ｂおよび２２Ｆに実装されている。
インバータ７６により変換された交流電力は、商用の電力系統８２または自立運転用負荷８４に供給される。電力系統８２とインバータ７６との間にはリレー７８が介装されており、通常時にはリレー７８は導通状態と成っており、どちらか一方に異常が検出されたらリレー７８は遮断状態とされる。また、インバータ７６と自立運転用負荷との間にもリレー８０が介装されており、異常状態の際にはリレー８０により電力の供給が遮断される。
本形態では、図１（Ａ）を参照して、上記したインバータ回路の出力の経路の大部分は、リード３１Ａ、３１Ｂである。リード３１Ａ、３１Ｂは、電気抵抗値の低い銅から成り、更に上記したように断面積が大きいので、変換された電極が出力される経路の電気抵抗が低くなる。
更に本実施の形態では、昇圧チョッパ７４およびインバータ７６に含まれる素子を、図２に示すセラミック基板２２の上面に固着している。従って、インバータ回路が動作しても、回路基板１２の上面に形成されたアイランド１８の上面には電圧は印加されないので、回路基板１２とアイランド１８とのショートは発生しない。
図５（Ｂ）を参照して、上記したインバータ７６に含まれるトランジスタの一つであるＩＧＢＴ（Ｑ３）は、２つのＩＧＢＴであるＩＧＢＴ（Ｑ３１）、（Ｑ３２）と、これらのトランジスタの主電極に逆接続された４つのダイオードＤ３１、Ｄ３２、Ｄ３３、Ｄ３４とから構成されている。
ＩＧＢＴ（Ｑ３１）とＩＧＢＴ（Ｑ３２）とは並列に接続されている。具体的には、ＩＧＢＴ（Ｑ３１）およびＩＧＢＴ（Ｑ３２）の、ゲート電極、エミッタ電極およびコレクタ電極が、共通に接続されている。このようにすることで、１つのトランジスタの場合と比較すると、大きい電流容量が得られる。
また、ダイオードＤ３１、Ｄ３２、Ｄ３３、Ｄ３４のアノード電極はＩＧＢＴ（Ｑ３１）とＩＧＢＴ（Ｑ３１）のエミッタ電極に接続さている。そして、これらのダイオードのカソード電極は、ＩＧＢＴ（Ｑ３１）とＩＧＢＴ（Ｑ３２）のコレクタ電極に接続されている。
図６から図８を参照して、次に、上記した混成集積回路装置１０の製造方法を説明する。
図６を参照して、先ず、回路基板１２を用意する。図６（Ａ）は本工程を示す平面図であり、図６（Ｂ）および図６（Ｃ）は本工程を示す断面図である。
図６（Ａ）および図６（Ｂ）を参照して、用意される回路基板１２は厚みが１ｍｍ〜３ｍｍ程度の厚いアルミニウムや銅等の金属から成る回路基板である。回路基板１２の材料としてアルミニウムが採用された場合、回路基板１２の上面および下面は陽極酸化膜により被覆されている。尚、回路基板１２は、大型の回路基板に対してプレス加工または研削加工を行うことにより所定の形に成形されている。
回路基板１２の上面に貼着された銅箔を所定形状にエッチングすることにより、アイランド１８Ａ−１８Ｇが形成されている。このアイランド１８Ａ−１８Ｇは、トランジスタ等の回路素子が実装されるものではなく、後述するセラミック基板の実装に使用される半田の濡れ性を向上させるためのものである。
図６（Ｃ）を参照して、回路基板１２の材料としてアルミニウムが採用された場合、回路基板１２の上面および下面は、陽極酸化により生成されたアルマイトから成る酸化膜４６、４８により被覆される。更に、酸化膜４６が形成される酸化膜４６の上面は絶縁層５０により被覆される。絶縁層５０の組成や厚みは上記したとおりである。絶縁層５０を設けることにより、有機性材料である樹脂を含む絶縁層５０とアイランド１８との密着性が良好なので、アイランド１８を回路基板１２に対して強固に密着させることが可能となる。
図７を参照して、次に、回路基板１２の所定箇所にセラミック基板を配置する。図７（Ａ）は本工程を示す平面図であり、図７（Ｂ）および図７（Ｃ）は断面図である。
図７（Ａ）を参照して、トランジスタやダイオード等の所定の回路素子が実装されたセラミック基板２２Ａ−２２Ｇを、回路基板１２の上面に固着する。ここで、各セラミック基板２２Ａ−２２Ｇは、前工程にて回路基板１２の上面に形成されたアイランド１８Ａ−１８Ｇの上面に固着される。
図７（Ｃ）を参照して、セラミック基板２２の上面および下面には、導電パターン２４および金属膜２０が形成されている。そして、セラミック基板２２の下面を被覆する金属膜２０が、半田等の固着材３８を介して、回路基板１２の上面に設けられたアイランド１８に固着される。セラミック基板２２の下面に全面的にベタの金属膜２０を設けることにより、セラミック基板２２の下面全域に固着材３８が密着する。従って、セラミック基板２２は強固に回路基板１２に接合される。ここで、セラミック基板２２の上面には予めトランジスタ３４およびダイオード３６が固着されても良いし、セラミック基板２２を回路基板１２に固着した後にこれらの素子が実装されても良い。
本工程では、アイランド１８の上面に半田ペーストを塗布し、この半田ペーストの上面にセラミック基板２２を載置した後に加熱硬化するリフロー工程により、セラミック基板２２を面実装している。ここで、セラミック基板２２の下面に形成される金属膜２０と、回路基板１２の上面に形成されるアイランド１８は、両者ともに金属から成り半田の濡れ性が優れている。従って、溶融された半田からなる固着材３８が両者に全面的に接触し、良好な接合が得られる。
図８（Ａ）を参照して、次に、回路基板１２の上面周辺部にケース材１４を接着する。ケース材１４には、上記したように、出力リード２８、３０、３１Ａや配線リード４０が予め組み込まれている。ケース材１４は、エポキシ樹脂等の接着材を介して回路基板１２の上面に接着される。
図８（Ｂ）を参照して、次に、金属細線２６で回路素子と各リードとを電気的に接続する。具体的には、セラミック基板２２Ｂの上面に固着されたトランジスタ３４のゲート電極を、金属細線２６を経由して配線リード４０と接続する。また、トランジスタ３４の上面に配置されたエミッタ電極を、ダイオード３６の上面に設けられたアノード電極と共に、出力リード３０と接続する。また、セラミック基板２２Ｆの上面に実装されたトランジスタ３４は、金属細線２６を経由して出力リード２８と接続される。更に、セラミック基板２２Ｅの上面に形成された導電パターンは、金属細線２６を経由してリード３１Ａと接続される。
本工程では、回路素子の接続には直径が１５０μｍ〜５００μｍ程度のアルミニウムから成る金属細線が使用される。また、金属細線によるワイヤボンディングの替りに、リボン状のアルミ箔を用いたリボンボンディングが採用されても良い。
図８（Ｃ）を参照して、次に、配線リード４０の上端部を基板４２の孔部に挿入する。このことにより、各配線リード４０が、基板４２の表面に形成された導電パターンを経由して、基板４２に備えられた信号リード４４と接続される。
更に、ケース材１４に囲まれる空間に封止樹脂１６を充填する。封止樹脂１６としては、シリコン樹脂やエポキシ樹脂が採用される。また、アルミナ等のフィラーが充填された樹脂材料が封止樹脂１６として採用されても良い。封止樹脂１６により、トランジスタ３４、ダイオード３６、金属細線２６、配線リード４０、基板４２等が樹脂封止される。
以上の工程を経て図１に示す混成集積回路装置１０が製造される。
１０ 混成集積回路装置
１２ 回路基板
１４ ケース材
１６ 封止樹脂
１８、１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄ、１８Ｅ、１８Ｆ、１８Ｇ アイランド
２０ 金属膜
２２、２２Ａ、２２Ｂ．２２Ｃ、２２Ｄ、２２Ｅ、２２Ｆ、２２Ｇ セラミック基板
２４ 導電パターン
２６ 金属細線
２８ リード
２９ リード
３０ リード
３１、３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ リード
３４ トランジスタ
３６ ダイオード
３８ 固着材
４０ 配線リード
４２ 基板
４４ 信号リード
４６ 酸化膜
４８ 酸化膜
５０ 絶縁層
７０ 太陽電池
７２ 太陽電池開閉部
７４ 昇圧チョッパ
７６ インバータ
７８ リレー
８０ リレー
８２ 電力系統
８４ 自立運転用負荷
８６ コンバータ
Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５、Ｑ３１、Ｑ３２ トランジスタ
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ３１、Ｄ３２、Ｄ３２、Ｄ３４ ダイオード

Claims (8)

  1. 回路基板と、
    前記回路基板の上面に配置された半導体素子と、
    前記回路基板の上面にて前記半導体素子に電気的に接続される第１リードと、
    前記半導体素子と電気的に接続されると共に、少なくとも一部が前記第１リードと重畳する第２リードと、
    前記半導体素子と電気的に接続されると共に、少なくとも一部が前記第１リードおよび前記第２リードと重畳する複数の第３リードと、を備え、
    前記第１リード、前記第２リードおよび前記第３リードの一部は、前記回路基板の中央部付近の重畳領域で重畳し、
    前記第３リードは、前記重畳領域で前記第１リードおよび前記第２リードと重畳する第１部分と、前記重畳領域から外部まで伸びる第２部分とを有し、Ｌ字状を呈し、
    前記第２リードの両端部は、前記回路基板の周縁部よりも内側に配置され、
    前記第１リードおよび前記第３リードの端部は、前記回路基板の周縁部よりも外側に配置されて外部に導出されることを特徴とする回路装置。
  2. 前記回路基板の上面に組み込まれる額縁形状のケース材を更に備え、
    前記第１リード、前記第２リードおよび前記第３リードは、前記ケース材に組み込まれた状態で、前記回路基板の上面に配置されることを特徴とする請求項１に記載の回路装置。
  3. 前記第１リード、前記第２リードおよび前記第３リードは、前記ケース材を構成する樹脂材料により互いに絶縁されることを特徴とする請求項２に記載の回路装置。
  4. 前記第１リードと前記回路基板とは、前記ケース材を構成する樹脂材料により互いに絶縁されることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の回路装置。
  5. 前記回路基板の上面にはインバータ回路が組み込まれ、
    前記第１リードおよび前記第２リードは、直流電力が外部から供給されるリードであり、
    前記第３リードは、前記インバータ回路により変換された交流電力が外部に出力されるリードであることを特徴とする請求項１から請求項４の何れかに記載の回路装置。
  6. 前記回路基板は金属からなる基板であり、
    前記半導体素子は、前記回路基板の上面に固着されたセラミック基板の上面に実装されることを特徴とする請求項１から請求項５の何れかに記載の回路装置。
  7. 前記第３リードの前記第１部分は、前記第１リードおよび前記第２リードの上方で、実質的に直線状に延在することを特徴とする請求項１から請求項６の何れかに記載の回路装置。
  8. 前記回路基板の上面には導電パターンが形成されないことを特徴とする請求項１から請求項７の何れかに記載の回路装置。

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