JP5935809B2 - プリント基板の取り付け構造およびその構造を用いた半導体装置 - Google Patents

プリント基板の取り付け構造およびその構造を用いた半導体装置 Download PDF

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Description

この発明は、トランスなどの重量物が搭載されたプリント基板を本体に取り付ける場合のプリント基板の取り付け構造およびその構造を用いた半導体装置に関する。
インバータ装置やコンバータ装置などの電力変換装置および車載用電気回路などにパワー半導体モジュールなどの半導体装置やその他の各種部品が用いられている。これらの半導体装置や各種部品は、動作中に振動環境に晒される場合がある。
つぎに、電気回路部品であるトランス、コンデンサなどの重量物がプリント基板に搭載され、そのプリント基板がパワー半導体モジュールや自動車のエンジンを固定するシャーシ（支持枠）に取り付けられた場合のプリント基板の取り付け構造について説明する。ここではプリント基板が取り付けられる対象物（パワー半導体モジュールや自動車のシャーシなど）を本体と呼ぶことにする。
図７は、従来のプリント基板の取り付け構造を示す要部断面図である。本体１の隅にネジ止め部材２を固定し、このネジ止め部材２上にプリント基板５の隅が位置するようにプリント基板５を配置する。このプリント基板５の隅をネジ１０でネジ締めしてネジ止め部材２にプリント基板５を固定する。
但し、このプリント基板５が本体１よりも大きい場合はプリント基板５の隅以外に所定の間隔を空けてネジ１０で固定する。
プリント基板５の中央部には重量物３であるトランス、コンデンサまたはインダクタなどが固定され、その重量物３の周辺には軽量物４である抵抗や半導体素子が固定されている。つまり、重量物３および軽量物４とはここでは電気部品のことである。
このように、ネジ１０とネジ止め部材２でプリント基板５の隅を固定する従来のプリント基板５の取り付け構造では、プリント基板５は両端支持の梁（はり）モデル構造となり、本体１が振動することによりプリント基板５も振動する。このプリント基板５の振動は中央部に重量物３が固定しているため、振幅が大きく、その共振周波数は低くなる。
特許文献１に記載されている電子回路装置は、主回路が形成された下側基板と、主回路を駆動制御する駆動制御回路が形成された上側基板と、樹脂ケースを備える。この樹脂ケースは、主回路及び駆動制御回路の外部導出端子を周縁部の外面に有し、基板収納空間を周縁部より内側に有する。この電子回路装置は、下側基板の上方に上側基板が位置する配置で、下側基板の上方空間が充填材で充填されている。この電子回路装置は、その充填材を樹脂とし、硬化状態にある樹脂により下側基板より上方に位置決め固定される支持体を備え、この支持体で上側基板を固定支持することで、上側基板の耐振動性が高く、信頼性の高いものとする。この支持体（ボルトなど）は重量物の周りに例えば４箇所配置され上側基板に重量物を固定する。
また、特許文献２では、パワー素子がパッケージ内に封入された電力用半導体装置において、パッケージと、パッケージ内に固定されたパワー素子と、パワー素子に接続されたボンディングワイヤと、パワー素子を覆うゲル状絶縁体とを含み、更に、パッケージ内に残る中空部を満たすように発泡材が充填されることで、外部から振動が与えられる条件下で電力用半導体装置が使用された場合における、電力用半導体装置の構成部分の共振による破損を防止することが記載されている。
特開２００８−１６６３５８号公報 特開２００３−６８９４０号公報
図７で説明したように、従来のプリント基板５の取り付け構造では、プリント基板５の共振周波数が低いため、この共振周波数は本体１の振動周波数帯域に入ってくる。
そのため、プリント基板５が共振するようになり、重量物３の振幅は増幅され、激しく振動し、重量物３が搭載されたプリント基板５は振動により破壊する。このプリント基板５の振動はＸ，Ｙ，Ｚの方向で生じる。前記の重量物３が搭載されたプリント基板５の振動による破壊は、具体的には、例えば、重量物３であるトランスやコンデンサの端子とプリント基板５との接続箇所の破壊や端子の破断などである。
それを防止するために、前記の特許文献１のように重量物の回りをボルトで止める方法がある。しかし、ボルトと重量物の間には多少距離があり、共振周波数はアップするが、重量物は振動するので、振動破壊を完全には防止できない。また、重量物の周囲をボルトで止めるため、デットスペースが広くなる。
また、前記の特許文献２のように、ポリウレタンなどの発泡材で重量物の周りを囲んで共振周波数を外しても、高温環境で使用される本体に対して発泡材は適用できない。
また、高温環境での使用に耐えるシリコン樹脂やエポキシ樹脂を用いる方法も考えられるが、シリコン樹脂は柔らかいので振動を抑える効果が小さく使用できない。一方、硬いエポキシ樹脂では振動を抑える効果はあるが、プリント基板に搭載される部品とプリント基板の隙間にエポキシ樹脂が入り込み、熱膨張係数の差で部品を基板から剥がしたり、部品自身を破壊したりするため使用できない。
この発明の目的は、前記課題を解決して、重量物が搭載されたプリント基板の共振周波数を高めて、本体の振動周波数帯域から外し、共振による破壊を防止できるプリント基板の取り付け構造およびその構造を用いた半導体装置を提供することにある。
前記の目的を達成するために、この発明にかかるプリント基板の取り付け構造は、次の特徴を有する。重量物が固定されたプリント基板と、前記重量物の直下のプリント基板に固定された固定部材と、本体に固定された受け部材とを備え、前記固定部材の底部を前記受け部材に配設し、樹脂接着剤で固定部材の底部と受け部材を固定する。
また、この発明にかかるプリント基板の取り付け構造は、上述した発明において、前記固定部材が金属製のアンカー（anchor）であり、前記受け部材が樹脂製の受け皿であり、前記樹脂接着剤がエポキシ樹脂である。
また、この発明にかかるプリント基板の取り付け構造は、上述した発明において、前記固定部材の底部側面に突起を設けたことである。
また、この発明にかかるプリント基板の取り付け構造は、上述した発明において、前記受け部材が前記本体の一部である。
また、上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置は、次の特徴を有する。放熱ベースと、該放熱ベース上に固定された導電パターン付絶縁基板と、該導電パターン付絶縁基板に固定された半導体チップと、該半導体チップと外部導出端子を接続している導電体と、前記半導体チップが固定された前記導電パターン付絶縁基板を収納するとともに前記放熱ベースに固定された樹脂ケースと、該樹脂ケースに固定された蓋と、該蓋上に固定された受け部材と、該受け部材に樹脂接着剤で底部が固定された固定部材と、該固定部材の上部が固定されたプリント基板と、該プリント基板の隅を前記樹脂ケースに固定するためのネジ部材と、を具備し、前記プリント基板に重量物が固定され、前記固定部材が前記重量物の直下のプリント基板に固定され、前記プリント基板、前記固定部材、前記受け部材および樹脂接着剤でプリント基板の取り付け構造を構成している半導体装置である。
また、上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置は、次の特徴を有する。放熱ベースと、該放熱ベース上に固定された導電パターン付絶縁基板と、該導電パターン付絶縁基板に固定された半導体チップと、該半導体チップと外部導出端子を接続している導電体と、前記導電パターン付絶縁基板上に固定された受け部材と、該受け部材に樹脂接着剤で底部が固定された固定部材と、該固定部材の上部が固定されたプリント基板と、該プリント基板の隅を前記導電パターン付絶縁基板に固定しているネジ部材と、前記半導体チップが固定された前記導電パターン付絶縁基板、前記受け部材、前記固定部材および前記プリント基板を収納するとともに前記放熱ベースに固定された樹脂ケースと、該樹脂ケースに固定された蓋と、を具備し、前記プリント基板に重量物が固定され、前記固定部材が前記重量物の直下のプリント基板に固定され、前記プリント基板、前記固定部材、前記受け部材および前記樹脂接着剤でプリント基板の取り付け構造を構成している半導体装置である。
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記固定部材が金属製のアンカーであり、前記受け部材が樹脂製の受け皿であり、前記樹脂接着剤がエポキシ樹脂であるとよい。
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記アンカーの底部に水平方向の突起を配置したことである。
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記受け部材が前記蓋の一部であるとよい。
この発明によれば、プリント基板に搭載された重量物の直下を取り付け部材を用いて本体に固定することで、プリント基板の共振周波数を上昇させ、本体の振動周波数帯域から外し、重量物の振幅を小さくする。これによって、重量物が搭載されたプリント基板の共振による破壊を防止することができる。
また、このプリント基板の取り付け構造を用いて半導体装置を製作することで、重量物が搭載されたプリント基板が共振により破壊することを防止することができる。
図１は、この発明の第１実施例のプリント基板の取り付け構造の構成図であり、（ａ）は要部断面図、（ｂ）はアンカー６の拡大図である。 図２は、重量物が複数ある場合を示す要部断面図である。 図３は、図１の取り付け部材９の図であり、（ａ）はアンカー６の要部平面図、（ｂ）は（ａ）を矢印Ｂ方向から見た要部側面図、（ｃ）は受け皿７の要部平面図、（ｄ）は（ｃ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図、（ｅ）は別のアンカー１１の要部平面図、（ｆ）は（ｅ）のアンカー１１の受け皿１２の要部平面図、（ｇ）は別のアンカー１３を、（ｂ）のアンカー６のＣの箇所を矢印Ｄ方向から見たのと同じ箇所、同じ方向で見た要部平面図、（ｈ）は（ｇ）のアンカー１３の要部側面図である。 図４は、プリント基板の取り付け構造の一例を示す要部構成図である。 図５は、この発明の第２実施例の半導体装置の要部断面図である。 図６は、この発明の第３実施例の半導体装置の要部断面図である。 図７は、従来のプリント基板の取り付け構造を示す要部断面図である。
実施の形態を以下の実施例で説明する。従来と同一部位には同一符号を付した。
＜実施例１＞
図１は、この発明の第１実施例のプリント基板の取り付け構造の構成図であり、同図（ａ）は要部断面図、同図（ｂ）はアンカー６の拡大図である。本発明のプリント基板の取り付け構造は点線で囲まれたＡの箇所である。本体１の隅にネジ止め部材２を固定し、このネジ止め部材２上にプリント基板５の隅が位置するようにプリント基板５を配置する。このプリント基板５の隅をネジ１０でネジ締めしてネジ止め部材２にプリント基板５を固定する。このネジ止め部材２とネジ１０でネジ部材１４を構成する。
プリント基板５の表面の中央部には重量物３であるトランス、リアクトル、コンデンサ（特に電解コンデンサ）、インダクタまたはコネクタなどが固定され、その重量物３の周辺には軽量物４である抵抗や半導体素子などが固定されている。重量物３は、プリント基板にもよるが、電気部品のうち、およそ２．５グラム以上の重さを有するものをいい、より詳しくは、２．５〜１０グラム程度のものである。軽量物４は、電気部品のうち、重量物３よりも軽いものをいう。
この重量物３直下のプリント基板５の裏面にアンカー６（金属製の固定部材）を半田などで固定し、本体１上には受け皿７（樹脂製の受け部材）を樹脂接着剤などで固定する。勿論、この受け皿７は本体１を構成する部材を形成するとき、一体で形成する場合もある。プリント基板５をネジ止め部材２に載せたとき、アンカー６を受け皿７に挿入する。その後、ネジ１０をネジ止め部材２に差し込みネジ止め部材２にプリント基板５を固定する。また、エポキシ樹脂などの硬い材料の樹脂接着剤８でアンカー６を受け皿７に固定する。
前記したアンカー６の底面６ｄと凹状の受け皿７の底面７ａの間に隙間Ｔができるようにする。この隙間Ｔは０．１ｍｍ程度あり、この隙間Ｔがあるために、プリント基板５と本体１に寸法バラツキがあってもアンカー６の底面６ｄが受け皿７の底面７ａに接触することなく配置できる。アンカー６は中心の柱部６ａと柱部６ａの底部の周りに配置される凸部６ｂおよび上部の周りに配置される庇部６ｃで構成される。また、重量物３が複数ある場合は、図２に示すようにアンカー６および受け皿７もそれに対応して複数必要になる。重量物３直下のプリント基板５と本体１の間の距離Ｐ１，Ｐ２、Ｐ３にバラツキがある場合や複数あるアンカー６と受け皿７の間のそれぞれの距離Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３にバラツキがある場合でも、アンカー６の底面６ｄと受け皿７の底面７ａの間に隙間Ｔがあるために、この間隔Ｔがバラツキを吸収し、アンカー６の底面６ｄが受け皿７の底面７ａに当たることなく、確実にアンカー６を受け皿７に配置することができる。
尚、前記のアンカー６は例えば金属、受け皿７は例えば樹脂で製作する。また、アンカー６のプリント基板５裏面への固定はエポキシ樹脂のような樹脂接着剤で行なってもよいが半田で行なう方が接合強度が大きくなるので好ましい。また、受け皿７の本体１への固定は樹脂接着剤か半田で行なうとよい。半田で行なう場合は接着する樹脂面を金属膜でコーティングする必要がある。
また、重量物３がプリント基板５、アンカー６および受け皿７を介して本体１に固定されるため、重量物３の振幅は、本体１の振幅と同じになる。また、プリント基板５が重量物３の箇所で本体１に固定されるため、プリント基板５が固定されるネジ１０の箇所と重量物３の箇所の間の横方向の距離が短くなる。そのためプリント基板５の共振周波数は本体１の振動周波数より高くなり、重量物３が搭載されたプリント基板５は共振による破壊が防止される。
図３は、図１の取り付け部材９の図であり、同図（ａ）はアンカー６の要部平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）を矢印Ｂ方向から見た要部側面図、同図（ｃ）は受け皿７の要部平面図、同図（ｄ）は同図（ｃ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図、同図（ｅ）は別のアンカー１１の要部平面図、同図（ｆ）は同図（ｅ）のアンカー１１の受け皿１２の要部平面図、同図（ｇ）は別のアンカー１３で同図（ｂ）のＣの箇所を矢印Ｄ方向から見た要部平面図、同図（ｈ）は同図（ｇ）のアンカー１３の要部側面図である。尚、図中の７ａ，１２ａは受け皿７，１２の底面、７ｂ，１２ｂは受け皿７，１２の側壁である。
図示したアンカー６，１１，１３は、上部に庇部６ｃ、１１ｃ、１３ｃが設けられた例であり、庇部６ｃ、１１ｃ、１３ｃによりプリント基板５との接合面積を広げている。この庇部６ｃ、１１ｃ、１３ｃはアンカー６，１１，１３の柱部６ａ，１１ａ，１３ａの上端部の面積が広い場合は必ずしも必要としない。また、アンカー６，１１，１３の底部には水平方向に凸部６ｂ、１１ｂ、１３ｂが形成され、この凸部６ｂ、１１ｂ、１３ｂによりアンカー６，１１，１３が上下方向に動くのを阻止している。そのため、凸部６ｂ、１１ｂ、１３ｂがあることは重要である。
また、アンカー６，１１，１３の底部が受け皿７，１２内のエポキシ樹脂などの樹脂接着剤８で固定されることで、アンカー６，１１，１３は前後左右に動かなくなる。ここで、アンカー１３の受け皿はアンカー６の受け皿と同じである。
例えば、図１で説明すると、アンカー６と受け皿７とエポキシ樹脂などの樹脂接着剤８で構成される取り付け部材９を用いることで、重量物３が搭載されたプリント基板５は本体１に対してＸ，Ｙ，Ｚ方向で固定され、振動周波数の低い本体１の動きと同じ動きをするようになる。
図４は、プリント基板の取り付け構造の一例を示す要部構成図である。これは自動車のシャーシ２１（エンジンやタイヤを取り付ける支持枠）に取り付けられる保護箱２２内に重量物３が搭載されたプリント基板５を固定した場合の例である。シャーシ２１と保護箱２２が請求項１に記載の本体に相当する。重量部３直下のプリント基板５が取り付け部材９を介して保護箱２２に固定され、この保護箱２２をシャーシ２１に取り付ける。重量物３直下のプリント基板５がシャーシ２１に固定されているので、共振による破壊は起こらない。
＜実施例２＞
図５は、この発明の第２実施例の半導体装置の要部断面図である。この半導体装置はパワー半導体モジュールを例に挙げた。また図は概念図である。
放熱ベース３１上に導電パターン付絶縁基板３２を図示しない半田で接合し、導電パターン付絶縁基板３２上に半導体チップ３３を図示しない半田で接合する。半導体チップ３３上はボンディングワイヤ３４などの接続導体に接続し、ボンディングワイヤ３４は外部導出端子３５に接続する。樹脂ケース３６が放熱ベース３１に図示しない接着剤で固定され、蓋３７が樹脂ケース３６に固定される。
蓋３７の上方にはプリント基板５が配置され、このプリント基板５は、樹脂ケース３６に固定されたネジ止め部材２にネジ１０でネジ止めされている。このプリント基板５には半導体チップ３３を制御・駆動・保護する図示しない駆動回路が形成される。この駆動回路は重量物３であるトランス、コンデンサおよびインダクタと、軽量物４である半導体素子や抵抗などの電気回路部品が搭載されている。重量物３を搭載したプリント基板５直下に図３（ａ）で示すアンカー６を固定し、蓋３７上に図３（ｄ）で示す受け皿７を固定する。この受け皿７にアンカー６を嵌合しエポキシ樹脂などの樹脂接着剤８を受け皿７に充填してアンカー６と受け皿７をエポキシ樹脂などの樹脂接着剤８で固定する。
重量物３がプリント基板５、アンカー６および受け皿７を介してパワー半導体モジュールの蓋３７に固定されるため、重量物３の振幅は、蓋３７の振幅と同じになる。また、プリント基板５が重量物３の位置でも蓋３７に固定されるため、プリント基板５の固定位置の間隔がネジ１０の箇所のみで固定される場合に比べて狭くなる。そのためプリント基板５の共振周波数は蓋３７の振動周波数より高くなり、重量物３が搭載されたプリント基板５は共振による破壊が起こらなくなる。
また、プリント基板５、アンカー６および受け皿７を介して重量物３をパワー半導体モジュールの蓋３７に固定するのに樹脂接着剤や半田を用いているため、ポリウレタンなどの発泡材と異なり高温にも耐えるパワー半導体モジュールとすることができる。
＜実施例３＞
図６は、この発明の第３実施例の半導体装置の要部断面図である。この半導体装置はパワー半導体モジュールを例に挙げた。また図は概念図である。
図５との違いはプリント基板５が樹脂ケース３６内に配置されている点である。放熱ベース３１上に導電パターン付絶縁基板３２を図示しない半田で接合し、導電パターン付絶縁基板３２上に半導体チップ３３を図示しない半田で接合する。半導体チップ３３上は例えば、ボンディングワイヤ３４に接続し、ボンディングワイヤ３４は外部導出端子３５に接続する。樹脂ケース３６が放熱ベース３１に図示しない接着剤で固定される。半導体チップ３３の上方にはプリント基板５が配置され、このプリント基板５は、導電パターン付絶縁基板３２に固定されたネジ止め部材２にネジ１０でネジ止めされている。このプリント基板５には半導体チップ３３を制御・駆動・保護する図示しない駆動回路が形成される。この駆動回路は重量物３であるコンデンサやインダクタおよび軽量物４である半導体素子や抵抗などが搭載されている。プリント基板５を固定するネジ止め箇所の間隔はこの場合は４箇所に配置され、また、重量物３直下のプリント基板５の裏面にはアンカー６が固定され、アンカー６は受け皿７に樹脂接着剤８で固定され、受け皿７は導電パターン付絶縁基板３２に固定される。アンカー６と受け皿７の構造は図３と同じである。この場合も前記と同様の効果が得られる。
１ 本体
２ ネジ止め部材
３ 重量物
４ 軽量物
５ プリント基板
６，１１，１３ アンカー
６ａ、１１ａ，１３ａ 柱部
６ｂ，１１ｂ，１３ｂ 凸部
６ｃ，１１ｃ，１３ｃ 庇部
６ｄ 柱部６ａの底面
７，１２ 受け皿
７ａ 受け皿７の底面
８ 樹脂接着剤
９ 取り付け部材
１０ ネジ
２１ シャーシ
２２ 保護箱
３１ 放熱ベース
３２ 導電パターン付絶縁基板
３３ 半導体チップ
３４ ボンディングワイヤ
３５ 外部導出端子

Claims (9)

  1. 重量物が固定されたプリント基板と、前記重量物の直下のプリント基板に固定された固定部材と、本体に固定された受け部材とを備え、前記固定部材の底部を前記受け部材に配設し、樹脂接着剤で固定部材の底部と受け部材を固定していることを特徴とするプリント基板の取り付け構造。
  2. 前記固定部材が金属製のアンカーであり、前記受け部材が樹脂製の受け皿であり、前記樹脂接着剤がエポキシ樹脂であることを特徴とする請求項１に記載のプリント基板の取り付け構造。
  3. 前記固定部材の底部側面に突起を設けたことを特徴とする請求項１に記載のプリント基板の取り付け構造。
  4. 前記受け部材が前記本体の一部であることを特徴とする請求項１に記載のプリント基板の取り付け構造。
  5. 放熱ベースと、該放熱ベース上に固定された導電パターン付絶縁基板と、該導電パターン付絶縁基板に固定された半導体チップと、該半導体チップと外部導出端子を接続している導電体と、前記半導体チップが固定された前記導電パターン付絶縁基板を収納するとともに前記放熱ベースに固定された樹脂ケースと、該樹脂ケースに固定された蓋と、該蓋上に固定された受け部材と、該受け部材に樹脂接着剤でその底部が固定された固定部材と、該固定部材の上部が固定されたプリント基板と、該プリント基板の隅を前記樹脂ケースに固定するためのネジ部材と、を具備し、前記プリント基板に重量物が固定され、前記固定部材が前記重量物の直下のプリント基板に固定され、前記プリント基板、前記固定部材、前記受け部材および樹脂接着剤でプリント基板の取り付け構造を構成していることを特徴とする半導体装置。
  6. 放熱ベースと、該放熱ベース上に固定された導電パターン付絶縁基板と、該導電パターン付絶縁基板に固定された半導体チップと、該半導体チップと外部導出端子を接続している導電体と、前記導電パターン付絶縁基板上に固定された受け部材と、該受け部材に樹脂接着剤でその底部が固定された固定部材と、該固定部材の上部が固定されたプリント基板と、該プリント基板の隅を前記導電パターン付絶縁基板に固定しているネジ部材と、前記半導体チップが固定された前記導電パターン付絶縁基板、前記受け部材、前記固定部材および前記プリント基板を収納するとともに前記放熱ベースに固定された樹脂ケースと、該樹脂ケースに固定された蓋と、を具備し、前記プリント基板に重量物が固定され、前記固定部材が前記重量物の直下のプリント基板に固定され、前記プリント基板、前記固定部材、前記受け部材および前記樹脂接着剤でプリント基板の取り付け構造を構成していることを特徴とする半導体装置。
  7. 前記固定部材が金属製のアンカーであり、前記受け部材が樹脂製の受け皿であり、前記樹脂接着剤がエポキシ樹脂であることを特徴とする請求項５または６に記載の半導体装置。
  8. 前記固定部材の底部に水平方向の突起を配置したことを特徴とする請求項５または６に記載の半導体装置。
  9. 前記受け部材が前記蓋の一部であることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
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