JP5817834B2 - 半導体装置および半導体装置製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、パワー半導体素子（ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）等の半導体素子を有する半導体装置および半導体装置を製造する半導体装置製造方法に関する。

半導体装置は、一般的に、放熱用の金属ベース板に搭載された、半導体素子と絶縁基板とがワイヤボンディングされて、これらの部品が外囲ケースに覆われた構造を有している。

外囲ケースの主な形状としては、外囲ケースの周囲４辺のうち、対向する２辺に同極性の外部端子を２箇所持ち、対面するこれら外部端子が端子バーによって接続されるタイプが広く使用されている。また、端子バーには、絶縁基板と接続するための端子部が形成されている。

このような外囲ケースを使用して、半導体装置を製造する場合、まず、半導体素子が実装された絶縁基板を外囲ケースに位置決めし、絶縁基板が搭載されている金属ベース板を外囲ケースに接着剤にて取り付ける。その後、外囲ケースに設けられている端子バーの端子部と、絶縁基板とをペースト半田を用いて半田付けする。

従来技術として、半導体素子を組み込んだパッケージに対し、パッケージの対向する２辺に正負１対の直流入力端子を同極性同士が向かい合わせになるように配列した半導体装置が提案されている（特許文献１）。

特開平７−１１１３１０号公報

半導体素子が実装された絶縁基板を外囲ケースに組み込んで、端子バーの端子部と絶縁基板とを半田付けする場合、半田付け時の熱により、金属製の端子バーが加熱されることによって、熱膨張を起こす。

このとき、端子バーの両端は固定されているので、常温では平坦な端子バーが熱膨張分だけ変形し、端子バーの端子部と絶縁基板との間にクリアランス（隙間）が生じるおそれがある。端子バーの端子部と絶縁基板との間にクリアランスが生じてしまうと、半田付け性が悪化し、接続不良を起こしてしまうといった問題があった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、半田付け性の安定化を図り、接続不良を防止した半導体装置を提供することを目的とする。
また、本発明の他の目的は、半田付け性の安定化を図り、接続不良を防止した半導体装置製造方法を提供することである。

上記課題を解決するために、半導体装置が提供される。半導体装置は、半導体素子が実装されている絶縁基板と、絶縁基板を収容する外囲ケースと、絶縁基板の上部に配置され、外囲ケースの側壁に両端が固定されている金属製の端子バーとを備えている。また、端子バーの両端部の、絶縁基板と向かい合う面とは反対側の面であって、かつ外囲ケースの側壁の近傍の位置に、それぞれプレス溝が設けられている。

半導体装置は、絶縁基板、外囲ケースおよび絶縁基板の上部に配置され、外囲ケースの側壁に両端が固定されている金属製の端子バーを備え、端子バーの両端部には、絶縁基板と向かい合う面とは反対側の面であって、かつ外囲ケースの側壁の近傍の位置に、それぞれプレス溝が設けられている構成とした。これにより、半田付けの加熱時において、半田付け性の安定化を図ることができ、接続不良を防止することが可能になる。

また、半導体装置製造方法は、絶縁基板の上部に配置され、外囲ケースの側壁に両端が固定され、両端部に対し、絶縁基板と向かい合う面とは反対側の面であって、該側壁の近傍の位置にプレス溝が設けられている金属製の端子バーを有する外囲ケースで、絶縁基板を収容して半導体装置を製造することとした。これにより、半田付けの加熱時において、半田付け性の安定化を図ることができ、接続不良を防止することが可能になる。

本発明の上記および他の目的、特徴および利点は本発明の例として好ましい実施の形態を表す添付の図面と関連した以下の説明により明らかになるであろう。

半導体装置の構成例を示す図である。 半導体装置の平面図である。 半導体装置の断面図である。 端子バーの変形を説明するための図である。 端子バーの変形を説明するための図である。 端子バーの変形を説明するための図である。 半導体装置の平面図である。 半導体装置の断面図である。 プレス溝を示す図である。 プレス溝を示す図である。 プレス溝を示す図である。 半導体装置の構成例を示す図である。 同一位置にあるプレス溝を示す図である。 半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は半導体装置の構成例を示す図である。半導体装置１は、絶縁基板１１と外囲ケース２０を備える。絶縁基板１１には、半導体素子１２が実装されている。外囲ケース２０は、絶縁基板１１を収容している。

外囲ケース２０の側壁２０ａ、２０ｂには、両端が固定された金属製（例えば、銅製）の端子バー３０が絶縁基板１１の上部に設けられ、端子バー３０には、絶縁基板１１側に向けて突起した端子部３２−１、３２−２が形成されている。

また、端子バー３０の両端には、プレス溝加工が施されて、プレス溝３３−１、３３−２が設けられている。プレス溝３３−１、３３−２は、端子バー３０上において、絶縁基板１１と向かい合う面３１ａとは反対側の面３１ｂであって、かつ外囲ケース２０の側壁２０ａ、２０ｂの近傍の位置に対して設けられている。

ここで、端子部３２−１、３２−２と絶縁基板１１とを半田付けする場合、半田付けの加熱によって、金属製の端子バー３０は、熱膨張によって変形する。しかしながら、プレス溝３３−１、３３−２が上記に示す位置に設けられているために、端子バー３０は、絶縁基板１１が位置する下方向へ変形することになる。

このように、プレス溝３３−１、３３−２は、端子部３２−１、３２−２と絶縁基板１１との半田付け時に、半田付けの加熱によって、絶縁基板１１が位置する下方向へ端子バー３０が変形し、端子バー３０が絶縁基板１１に近づくように、熱変形方向を固定的に定める。

これにより、半田付けの加熱時において、端子バー３０の端子部３２−１、３２−２と、絶縁基板１１との間にクリアランスが生じることを抑制することができるため、半田付け性の安定化を図ることができ、接続不良の発生を防止することが可能になる。

次に一般的な外囲ケースを備えた半導体装置の構成について説明する。図２は半導体装置の平面図であり、図３は半導体装置の断面図である。半導体装置１００は、放熱用の金属ベース板４０、絶縁基板４１および外囲ケース５０を備える。

半導体装置１００は、金属ベース板４０の上に絶縁基板４１が搭載され、金属ベース板４０に外囲ケース５０が接着されている。なお、絶縁基板４１には、図示していないが半導体素子が実装されている。

外囲ケース５０は、樹脂で成型されたケースであって、金属製の外部端子６４−１、６４−２および端子バー６０を備える。外部端子６４−１、６４−２と端子バー６０は、例えば銅板等の金属板を加工、成形したものであり、電気的に接続している。

外囲ケース５０の周囲の４辺のうち、対向する２辺に同極性の外部端子６４−１、６４−２が設けられている。端子バー６０は外囲ケース５０と一体成型され、その両端部２箇所が樹脂によって側壁５０ａ、５０ｂに固定されている。なお、端子バー６０は、常温状態で外囲ケース５０を金属ベース板４０に置いたとき、その面が絶縁基板４１と平行になるように、外囲ケース５０に配置されるとよい。

また、端子バー６０には、内部配線用の端子部６２−１、６２−２が備えられ、端子部６２−１、６２−２は、絶縁基板４１が位置する下方に向けて突起した状態で形成されている。端子バー６０から突起している端子部６２−１、６２−２と、絶縁基板４１とは、ペースト半田によって半田付けされている。

端子部６２−１、６２−２と絶縁基板４１とが半田付けされることで、外囲ケース５０から突出している外部端子６４−１、６４−２は、回路パターンまたは導電材料が敷設されている絶縁基板４１と導通することになる。これにより、外部端子６４−１、６４−２を介して、外部の他のシステムと、半導体装置１００内部の半導体素子が実装された絶縁基板４１とを電気的に接続することができる。

次に金属製の端子バーの加熱によって生じる変形について説明する。図４〜図６は端子バーの変形を説明するための図である。図４は、常温時（例えば、２５℃）において、端子バー６０が、絶縁基板４０と平行位置にある状態を示している（熱変形していない状態である）。

図５、図６は、加熱により端子バー６０が熱変形している状態を示している。半導体素子が実装されている絶縁基板４１を外囲ケース５０に組み込んで、端子バー６０に設けられている端子部６２−１、６２−２と絶縁基板４１とを半田付けする場合、半田付け時の熱により、金属製の端子バー６０が加熱されて熱膨張を起こす。

端子バー６０の両端は固定されているため、常温状態では、絶縁基板４１に対して平行位置にあった端子バー６０が熱膨張分だけ変形することになる。図５では、半田付け時の加熱による端子バー６０の熱膨張により、端子バー６０は、絶縁基板４１が位置する反対の上方向に変形しており、絶縁基板４１に対して離れるように曲がっている。

一方、図６では、半田付け時の加熱による端子バー６０の熱膨張により、端子バー６０は、絶縁基板４１が位置する下方向に変形しており、絶縁基板４１に対して近づくように曲がっている。

このように、端子バー６０は、両端が外囲ケース５０の側壁５０ａ、５０ｂに固定されているため、加熱による金属の熱膨張が生じると、絶縁基板４１に対して平行位置にあった端子バー６０は、上方向または下方向に変形して曲がることになる。

したがって、端子部６２−１、６２−２と、絶縁基板４１との半田付け時において、半田付けの加熱によって、図６に示すように、絶縁基板４１が位置する下方向に対して、端子バー６０が変形して近づく場合には、端子部６２−１、６２−２と絶縁基板４１との間にクリアランスは生じない。

これに対し、端子部６２−１、６２−２と絶縁基板４１との半田付け時において、半田付けの加熱によって、図５に示すように、絶縁基板４１が位置する反対の上方向に対して、端子バー６０が変形して離れる場合には、端子部６２−１、６２−２と絶縁基板４１との間にクリアランスが生じるおそれがある。

このように、従来の半導体装置１００では、端子部６２−１、６２−２と絶縁基板４１との半田付け時において、半田付けの加熱によって、端子部６２−１、６２−２と絶縁基板４１との間にクリアランスが生じる場合があった。

端子部６２−１、６２−２と絶縁基板４１との間にクリアランスが生じてしまうと、半田付け性が悪化し、接続不良を起こしてしまうことになる。本技術はこのような点に鑑みてなされたものであり、半田付けの加熱時において、常に半田付け性の安定化を図り、接続不良の発生を防止した半導体装置および半導体製造方法を提供するものである。

次に半導体装置１の構成について詳しく説明する。図７は半導体装置の平面図であり、図８は半導体装置の断面図である。半導体装置１は、放熱用の金属ベース板１０、絶縁基板１１および外囲ケース２０を備える。

半導体装置１は、金属ベース板１０の上に絶縁基板１１が搭載され、金属ベース板１０に外囲ケース２０が接着されている。なお、絶縁基板１１には、図示していないが半導体素子が実装されている。

外囲ケース２０は、樹脂で成型されたケースであって、金属製の外部端子３４−１、３４−２および端子バー３０を備える。外部端子３４−１、３４−２と端子バー３０は、例えば、銅板等の金属板を加工、成形したものであり、電気的に接続している。

外囲ケース２０の周囲の４辺のうち、対向する２辺に同極性の外部端子３４−１、３４−２が設けられている。端子バー３０は、外囲ケース２０と一体成型され、その両端部２箇所が樹脂によって側壁２０ａ、２０ｂに固定されている。なお、端子バー３０は、常温状態で外囲ケース２０を金属ベース板１０に置いたとき、その面が絶縁基板１１と平行になるように、外囲ケース２０に配置されるとよい。

また、端子バー３０には、内部配線用の端子部３２−１、３２−２が備えられ、端子部３２−１、３２−２は、絶縁基板１１が位置する下方に向けて突起した状態で形成している。端子バー３０から突起している端子部３２−１、３２−２と、絶縁基板１１とは、ペースト半田によって半田付けされている。

端子部３２−１、３２−２と絶縁基板１１とが半田付けされることで、外囲ケース２０から突出している外部端子３４−１、３４−２は、回路パターンまたは導電材料が敷設されている絶縁基板１１と導通することになる。これにより、外部端子３４−１、３４−２を介して、外部の他のシステムと、半導体装置１内部の半導体素子が実装された絶縁基板１１とを電気的に接続することができる。

ここで、端子バー３０の両端部の、絶縁基板１１と向かい合う面３１ａとは反対側の面３１ｂであって、かつ外囲ケース２０の側壁２０ａ、２０ｂの近傍の位置に、それぞれプレス溝加工が施されている。端子バー３０が外囲ケース２０に固定された固定端と、端子部３２−１、３２−２との間の端部に、それぞれ１本ずつ、計２本のプレス溝（スリット）３３−１、３３−２が設けられている。

端子バー３０にこのようなプレス溝３３−１、３３−２を設けることで、半田付けの加熱時に生じる端子バー３０の熱膨張による変形は、常に、絶縁基板１１が位置する下方向に変形し、絶縁基板１１に近づくように曲がることになる。

次にプレス溝の形状について説明する。図９はプレス溝を示す図である。四角形状のプレス溝３３ａを示している。四角形状にすることにより、プレス溝加工を容易に行うことができる。また、プレス溝３３ａの幅（溝幅）は、１ｍｍ以上にする。

図１０、図１１はプレス溝を示す図である。プレス溝の形状のバリエーションを示している。図１０に示すプレス溝３３ｂは、三角形状であり、図１１に示すプレス溝３３ｃは、円形状である。

これらのプレス溝の形状は、それらの凹部が絶縁基板１１と反対側の面に開口するように端子バー３０をプレスし、屈曲させて形成されている。また、これらの形状では溝の底側の凸部が絶縁基板１１側へ突出するように形成されているが、突出していなくてもよい。また、プレス溝は１本の連なった溝のほか、点線状、破線状、波線状もしくはジグザグ状に形成されていてもよい。

上記では、プレス溝形状の一例を示したが、端子バー３０の熱膨張による変形が、常に、絶縁基板１１が位置する下方向へ変形し、絶縁基板１１に近づくように熱変形方向を固定的に定めるものであるならば、プレス溝の形状は任意でよい。

また、上記に示したような形状のプレス溝は、絶縁基板１１が向かい合う面３１ａとは反対側の面３１ｂにプレス溝加工を施して設けられるものである。さらに、端子バー３０を固定している両端樹脂面の近傍（または、端子バー３０の両端に位置する外部端子３４−１、３４−２の近傍）に対して設けられるものである。なお、プレス溝と両端樹脂面との距離は例えば、およそ１．５ｍｍである。

端子バー３０の両端部に、このようなプレス溝加工を施すことにより、熱膨張による変形方向を、絶縁基板１１に近づくように下向きに制御することができる。したがって、端子バー３０の変形する方向が、常に端子部３２−１、３２−２が絶縁基板１１に近づく方向に統一されるので、端子部３２−１、３２−２と絶縁基板１１との間にクリアランスが生じることを抑制することが可能になる。

なお、上記では、プレス溝は、端子バー３０の端部に１本（両端部合わせて２本）設けるとして説明したが、端子バー３０の端部に対して、複数本のプレス溝を設ける構成にしてもよい。

また、端子バー３０が熱変形したときに、複数の端子部３２−１、３２−２の底部と絶縁基板１１が平行になるように、端子部３２−１、３２−２から離れた、外囲ケース２０に固定されている固定端近傍の端子バー３０の端部にプレス溝を形成するとよい。

次に変形例について説明する。変形例では、一定間隔を空けて層状に重ねられた複数の端子バーが設けられている外囲ケースを有する半導体装置の場合である。図１２は半導体装置の構成例を示す図である。半導体装置１−１は、放熱用の金属ベース板１０、絶縁基板１１および外囲ケース２０−１を備える。

半導体装置１−１の基本的な構成は、図１、図７、図８に示した半導体装置１と同じであるが、異なる主な構成は、２枚の端子バー３０ａ、３０ｂを有し、端子バー３０ａ、３０ｂが一定間隔ｄを空けて平行して、外囲ケース２０−１の向かい合う側壁に固定されている点である（図１２は端子バーが２枚の例を示している）。

端子バー３０ａには、絶縁基板１１と向かい合う面３ａ−１とは反対側の面３ａ−２であって、かつ外囲ケース２０−１の側壁２０ａ、２０ｂの近傍に対して、プレス溝加工が施されて、両端部合わせて２本のプレス溝３３ａ−１、３３ａ−２が設けられている。また、端子バー３０ａには、絶縁基板１１と接続する端子部３２ａ−１、３２ａ−２が形成されている。

同様に、端子バー３０ｂには、絶縁基板１１と向かい合う面３ｂ−１とは反対側の面３ｂ−２であって、かつ外囲ケース２０−１の側壁２０ａ、２０ｂの近傍に対して、プレス溝加工が施されて、両端部合わせて２本のプレス溝３３ｂ−１、３３ｂ−２が設けられている。また、端子バー３０ｂには、絶縁基板１１と接続する端子部３２ｂ−１、３２ｂ−２が形成されている。

ここで、半田付けの加熱時に生じる端子バー３０ａ、３０ｂの熱膨張の変形方向を、端子バー３０ａ、３０ｂが常に絶縁基板１１が位置する下方向へ曲がるように、端子バー３０ａ、３０ｂにプレス溝加工を施すことになる。

この場合、端子バー３０ａのプレス溝３３ａ−１、３３ａ−２と、端子バー３０ｂのプレス溝３３ｂ−１、３３ｂ−２とは、同一位置に設けることが必要である。
図１３は同一位置にあるプレス溝を示す図である。例えば、端子バー３０ａのプレス溝３３ａ−１が、外囲ケース２０−１の側壁２０ａから距離Ａだけ離れているとする。

この場合、端子バー３０ｂのプレス溝３３ｂ−１も、外囲ケース２０−１の側壁２０ａから距離Ａだけ離れている箇所に形成されることになる。図には示さないが、もう片方のプレス溝３３ａ−２、３３ｂ−２についても同様である。

端子バー３０ａ、３０ｂそれぞれに対してプレス溝加工位置が異なっていると、加熱時の金属の熱膨張によって、端子バー３０ａ、３０ｂの変形量（曲がり具合）が異なってしまい、互いに接触してしまうおそれがある。

したがって、複数の端子バー３０ａ、３０ｂが一定間隔を空けながら層状に設けられる外囲ケースでは、端子バー３０ａのプレス溝３３ａ−１、３３ａ−２と、端子バー３０ｂのプレス溝３３ｂ−１、３３ｂ−２とは、同一位置に設けられる。

これにより、端子バー３０ａに形成されている端子部３２ａ−１、３２ａ−２と絶縁基板１１との半田付け時、および端子バー３０ｂに形成されている端子部３２ｂ−１、３２ｂ−２と絶縁基板１１との半田付け時において、端子バー３０ａ、３０ｂは、共に同じ変形方向、同じ変形量曲がることになる。

すなわち、端子バー３０ａ、３０ｂ間の一定間隔を維持しながら互いに接触せずに、端子バー３０ａ、３０ｂが下方向へ絶縁基板１１に近づくように、同じ変形方向、同じ変形量曲がることが可能になる。

次に半導体装置１の製造工程をフローチャートで説明する。図１４は半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。
〔Ｓ１〕金属ベース板１０に、絶縁基板１１を半田マウントする。

〔Ｓ２〕絶縁基板１１上に半導体素子１２を実装する。
〔Ｓ３〕金属ベース板１０に外囲ケース２０の取り付けを行う。なお、外囲ケース２０は、絶縁基板１１と向かい合う面３１ａとは反対側の面３１ｂであって、かつ側壁２０ａ、２０ｂの近傍の位置に対して、プレス溝３３−１、３３−２が両端に設けられている金属製の端子バー３０を備えている。

また、プレス溝３３−１、３３−２は、端子部３２−１、３２−２と、絶縁基板１１との半田付け時に、半田付けの加熱によって、絶縁基板１１が位置する下方向へ端子バー３０が変形して、端子バー３０が絶縁基板１１に近づくように、熱変形方向を定める。

〔Ｓ４〕絶縁基板１１と、端子バー３０に形成されている端子部３２−１、３２−２を半田付けする。なお、端子バー３０に形成された端子部３２−１、３２−２と、絶縁基板１１との半田付け時には、半田付けの加熱によって、端子バー３０は、絶縁基板１１が位置する下方向へ絶縁基板１１に近づくように変形する。

〔Ｓ５〕半導体装置１内部の半導体素子１２および絶縁基板１１を気密封止し、外囲ケース２０の上蓋を接着剤で固着する。
以上説明したように、本発明によれば、端子バーにプレス溝加工を施して、半田付けの加熱時に生じる端子バーの熱膨張変形の方向を、端子バーが常に絶縁基板が位置する下方向へ曲がる構成とした。

これにより、端子バーから突起している端子部と、絶縁基板との間に、半田付け時にクリアランスが生じることを抑制することができる。したがって、半田付けする際に、端子部が絶縁基板から離れて浮いてしまうといった現象を改善することができるので、半田付け性が安定化し、接続不良の発生を防止することが可能になる。

以上、実施の形態を例示したが、実施の形態で示した各部の構成は同様の機能を有する他のものに置換することができる。また、他の任意の構成物や工程が付加されてもよい。
上記については単に本発明の原理を示すものである。さらに、多数の変形、変更が当業者にとって可能であり、本発明は上記に示し、説明した正確な構成および応用例に限定されるものではなく、対応するすべての変形例および均等物は、添付の請求項およびその均等物による本発明の範囲とみなされる。

１ 半導体装置
１１ 絶縁基板
１２ 半導体素子
２０ 外囲ケース
２０ａ、２０ｂ 側壁
３０ 端子バー
３１ａ、３１ｂ 面
３２−１、３２−２ 端子部
３３−１、３３−２ プレス溝

Claims (8)

1. 半導体素子が実装されている絶縁基板と、
   前記絶縁基板を収容する外囲ケースと、
   前記絶縁基板の上部に配置され、前記外囲ケースの側壁に両端が固定されている金属製の端子バーと、
   を備え、
   前記端子バーの両端部の、前記絶縁基板と向かい合う面とは反対側の面であって、かつ前記外囲ケースの側壁の近傍の位置に、それぞれプレス溝が設けられている、
   ことを特徴とする半導体装置。
2. 前記プレス溝の凹部が、前記絶縁基板と向かい合う面とは反対側の面に開口していることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 前記プレス溝は、前記端子バーに形成された端子部と、前記絶縁基板との半田付け時に、半田付けの加熱によって、前記絶縁基板が位置する下方向へ前記端子バーが変形して、前記端子バーが前記絶縁基板に近づくように、熱変形方向を定めることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
4. 前記外囲ケースは、一定間隔を空けて層状に重ねられた複数の端子バーを有し、前記複数の端子バーは、前記プレス溝が同一位置に設けられていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
5. 半導体装置製造方法において、
   半導体素子が実装されている絶縁基板を、金属製の端子バーを有する外囲ケースで収容し、
   前記端子バーは、前記絶縁基板の上部に配置され、前記外囲ケースの側壁に両端が固定され、両端部に対し、前記絶縁基板と向かい合う面とは反対側の面であって、かつ前記外囲ケースの側壁の近傍の位置に、それぞれプレス溝が設けられており、
   前記端子バーに形成している端子部と、前記絶縁基板とを半田付けして半導体装置を製造する、
   ことを特徴とする半導体装置製造方法。
6. 前記プレス溝の凹部が、前記絶縁基板と向かい合う面とは反対側の面に開口していることを特徴とする請求項５記載の半導体装置製造方法。
7. 前記プレス溝は、前記端子部と、前記絶縁基板との半田付け時に、半田付けの加熱によって、前記絶縁基板が位置する下方向へ前記端子バーが変形して、前記端子バーが前記絶縁基板に近づくように、熱変形方向を定めることを特徴とする請求項５記載の半導体装置製造方法。
8. 前記外囲ケースは、一定間隔を空けて層状に重ねられた複数の端子バーを有し、前記複数の端子バーは、前記プレス溝が同一位置に設けられていることを特徴とする請求項５記載の半導体装置製造方法。
   

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