JP5950684B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置に関し、より特定的には半導体素子を含む電気絶縁基板と端子により接続された制御基板とを備える半導体装置に関する。

半導体装置においては、産業・車載用途を中心に高温対応が求められ、はんだ接合レス化技術の開発が進んでいる。また、半導体装置に含まれる半導体（たとえばパワー半導体）に関して、パワー半導体素子と絶縁基板とをスプリング状端子を介して上下接続する構造を採用することにより、はんだ接合レス化が図られている。

例えば、独国特許発明第１９６３０１７３号明細書には、ケーシングと電気絶縁式の基板（ＤＣＢ（ダイレクト・カッパー・ボンディング）基板）とを備えた、パワー半導体モジュールの構成が開示されている。独国特許発明第１９６３０１７３号明細書におけるパワー半導体モジュールは、ケーシングと絶縁材料ボディを有するＤＣＢ（ダイレクト・カッパー・ボンディング）基板とを有し、この絶縁材料ボディは、当該絶縁材料ボディ上に設けられ互いに絶縁されている金属製の多数の接続パスと、当該絶縁材料ボディ上に設けられていて回路に適してそれらの接続パスと接続されている多数のパワー半導体構成要素（パワー半導体素子）とを備えている。ケーシングの外に配設されている導体プレート（プリント回路基板）に対する外部電気接続は、少なくとも部分的に弾性的に構成されているコネクティング導体（スプリング状端子）を用いて行われる。更にこのパワー半導体モジュールは、捩込接続部を通過させるために中央に配設されている孔を有する。この捩込接続部は、導体プレートにてパワー半導体モジュールの反対側に配設されていてこの導体プレート上に面を介して載置する形状安定性押付部材と共に、モジュールの押付接触のために用いられる構成となっている。この押付接触は、同時に２つの役割を有する。すなわち、一方では、導体プレートとコネクティング要素の確実な電気接触部としての役割を有し、他方では、冷却体とモジュールの熱接触部としての役割を有する。この際、両方の接触部はリバーシブルである。

さらに、例えば、特許第４３５９５１８号公報には、コネクティング導体と導体プレートとの確実な電気的接触を実現するため、押付接触のための形状安定性押付部材を用いて当該電気的接触を達成する押付接触装置が開示されている。特許第４３５９５１８号公報では、上記形状安定性押付部材の改善として、抵抗、コンデンサ、又は集積回路のような他の構成要素の配設（実装）を、導体プレートにてこの押付部材により覆われる部分上において可能としている。

独国特許発明第１９６３０１７３号明細書 特許第４３５９５１８号公報

しかしながら、従来の装置構成では、コネクティング導体すなわちスプリング状端子を保持するケーシングと、接触のための形状安定性押付部材が必要となるため、以下のような問題がある。

第一に、ケーシングのガイドが必要となるため、実装面積が大きくなっていた。
第二に、形状安定性押付部材が形成されているため、構成要素の実装位置が制限され、結果的に半導体装置の小型化を阻害していた。

第三に、コネクティング導体が決まったガイドを有するケーシングに配設されているため、導体プレートの配線パターンに制約があり、結果的に半導体装置の製造コストの低減の妨げとなっていた。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものである。本発明の主たる目的は、製造コストおよび修理コストを低減可能に、かつ、小型化を可能とする半導体装置を提供することにある。

本発明の半導体装置は、半導体素子を含む電気絶縁基板と、半導体素子に関連する電子部品を搭載した制御基板と、電気絶縁基板と制御基板とを電気的に接続するスプリング状端子と、スプリング状端子の一端と制御基板とを接続する接続部材と、電気絶縁基板の表面上であってスプリング状端子が設けられている場所以外を覆う保護層とを備え、スプリング状端子は、弾性部を含み、スプリング状端子の一端と制御基板とは、接続部材により，脱着可能に固定され、スプリング状端子の他端と電気絶縁基板とは、スプリング状端子の弾性部が弾性変形することにより互いに当接する。スプリング状端子には、接続部材の一部が嵌るくぼみが形成されている。

本発明の半導体装置は、スプリング状端子の一端と制御基板とを接続する接続部材を備え、スプリング状端子は、弾性部を含み、スプリング状端子の他端と電気絶縁基板とは、スプリング状端子の弾性部が弾性変形することにより互いに当接することにより、ケーシングのガイドなどが不要であるため、製造コストおよび修理コストを低減でき、かつ、半導体装置を小型化できる。

本発明の実施の形態１に係る半導体装置の構成を示す断面図である。 図１中のＩＩ−ＩＩ線に沿う部分断面図である。 本発明の実施の形態１〜２に係る半導体装置において使用可能なスプリング状端子の例である。 図２中のＩＶ−ＩＶ線に沿う部分断面図である。 図２の変形例である。 本発明の実施の形態２に係る半導体装置の構成を示す断面図である。 図３の変形例である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１について説明する。まず、図１を参照して実施の形態１に係る半導体装置１００の構成を説明する。半導体装置１００は、たとえばパワー半導体装置であって、半導体素子１と、電気絶縁基板２と、制御基板５と、半導体素子１と制御基板５とを電気的に接続するスプリング状端子１０と、を備える。

半導体素子１は、たとえばパワー半導体素子であってもよく、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴなどの半導体素子である。半導体素子１は、電気絶縁基板２の上部片面に、はんだや銀ペーストなどの接合部材（図示しない）を介して固定、実装されている。電気絶縁基板２は、例えば、下部片面を金属製の放熱板３に、はんだや銀ペーストなどの接合部材（図示しない）で固定されるとともに、側面（端面）を樹脂等からなるケース４で取り囲まれた状態で配置されている。電気絶縁基板２の平面形状は任意の形状を採用でき、たとえば四角形状などの多角形状であってもよい。

半導体素子１からの発熱は、電気絶縁基板２と放熱板３とを介して放熱される。電気絶縁基板２の材料としては、例えば、絶縁性が良いこと、熱伝導性が良いこと、高温に耐えられること、化学的に安定であること、などを条件として選択することができる。たとえば電気絶縁基板２の材料として、ガラス、ガラスエポキシ、アルミニウム板に樹脂を貼った複合板、鉄板上にホーローを付着させたもの、ポリイミドフィルム、アルミナ系酸化物セラミック基板に銅回路板を直接接合したＤＣＢ（ダイレクト・カッパー・ボンディング）基板等などを採用できる。

制御基板５は、例えば、プリント回路基板であり、電子部品７および外部端子８が実装される。これらの電子部品７により半導体素子１を駆動、制御する回路が構成されている。制御基板５は、電気絶縁基板２の上部に（平面的に重なるように）位置し、ケース４に接続される。ケース４と制御基板５との接続は、ケース４と制御基板５とを着脱可能であれば任意の接続部品を使用可能である。図１の例では、ボルト、リベット等の拘束要素６によりケース４と制御基板５とを接続している。具体的には、制御基板５の外周部には拘束要素６を挿入するための貫通孔（図示せず）が形成されている。また、ケース４には、当該貫通孔に対向する部分に、拘束要素６を挿入固定するためのねじ孔（図示せず）が形成されている。上述した制御基板５の貫通孔とケース４のねじ孔とが重なるように、ケース４上に制御基板５を配置する。この状態で、貫通孔に拘束要素６を挿入するとともに、ねじ孔に当該拘束要素６をねじこんで固定する。

スプリング状端子１０は、弾性を有する弾性部１０ａを含む。スプリング状端子１０は、帯状導体からなり、弾性部１０ａは、帯状導体が屈曲した部分であってもよい。スプリング状端子１０の材料としては、導電性を有する任意の材料を採用できるが、電気伝導性の観点から、銅が好ましく、その中でもバネ性のある材料である、銅合金を選択することが好ましい。

スプリング状端子１０は、一端を制御基板５に設けられた電気回路に接するように接続部材（位置決めピン９）により位置決めされ、かつ、拘束されることにより、制御基板５上の電気回路と電気的に接続される。

図２を参照して、位置決めピン９は、スプリング状端子１０の下面に接触するベース部と、当該ベース部の両端から突出する固定部とからなる。固定部はベース部の表面に対して交差する方向（たとえば垂直な方向）に延びるように形成されている。当該固定部は、制御基板５に設けられたスルーホール１４に挿入される。また、固定部の先端には、当該固定部の先端から固定部の延在方向に沿って伸びるように形成されたスリットと、当該固定部の先端側の側面から外側に突出する固定用凸部とが形成されている。このスリットと固定用凸部とから拘束形状部１１が構成されている。位置決めピン９は、ベース部がスプリング状端子１０の一端を制御基板５との間に挟むように配置されるとともに、当該位置決めピンの固定部がスルーホール１４に挿入固定されている。具体的には、固定部の固定用凸部がスルーホール１４の外側（ベース部が対向する制御基板５の一方表面（下面）と反対側の他方表面（上面）より外側）に位置する。固定部の幅はスルーホール１４の幅より広くなっている。また、上記スリットが形成されているため、固定用凸部は固定部の中心側に移動可能であるため、固定部はスルーホール１４を挿通可能である。

このようにして、位置決めピン９によりスプリング状端子１０と制御基板５とを位置決めするとともに、位置決めピン９に設けられた拘束形状部１１により、スプリング状端子１０を制御基板５に拘束できる。このとき、制御基板５は、ケース４により、電気絶縁基板２との位置決めがなされるため、上述のように、制御基板５とスプリング状端子１０との位置決めをすることによって、結果的にスプリング状端子１０と電気絶縁基板２との位置決めも可能となる。これにより、従来、スプリング状端子１０をケース内の所定の位置に導き、電気絶縁基板２と制御基板５との電気的接続を実現するために、ケース４に設けられていたガイドを不要とすることができる。ガイドを不要にできることで、ガイドによる電気絶縁基板２と制御基板５の設計制約がなくなる。具体的には、例えば、半導体装置１００を小型化できる。あるいはスプリング状端子１０を配設可能な場所を増やすことができる。

なお、位置決めピン９の材料としては、任意の部材を採用することができるが、耐熱性に優れた樹脂とすることが好ましい。例えば、位置決めピン９の材料として、エポキシ樹脂、ポリアミド、ポリブチレンテレフタレート、ポリプロピレン、フェノール樹脂、ポリイミドなどを採用できる。また、スルーホール１４は、祖の内周面の全体または一部に銅メッキを施してもよいし、銅メッキを施さなくともよい。

スプリング状端子１０の他端は、電気絶縁基板２の表面（上面）に形成された電極パッド（図示せず）に接触している。弾性部１０ａの弾性変形によって、スプリング状端子１０の他端は所定の接触面圧（接触圧）で電極パッドに当接される。電気絶縁基板２の配線部は、例えば、半導体素子１の裏面電極が接続され、半導体素子１の下から半導体素子の外側まで引き出された配線部や、半導体素子１の表面電極とワイヤ１５で接続された配線部分とを含む。当該配線部は、上記電極パッドと接続されている。

これにより、電極パッドを介して電気絶縁基板２の配線部とスプリング状端子１０とを直接接続できるので、スプリング状端子１０と当該配線部とをワイヤボンディングにより接続する必要がない。そのため、製造工程の簡略化および作業時間の短縮が実現でき、半導体装置の製造コストを低減できる。

さらに、スプリング状端子１０は、電気絶縁基板２と制御基板５とを接触圧を持って電気的に接続するが、このとき、スプリング状端子１０の一端が、位置決めピン９により制御基板５に取り付けられている。そのため、制御基板５を拘束要素６によりケース４に固定することで、上記接触圧を発生させ、さらに、当該接触圧を維持することができる。これにより、制御基板５と電気絶縁基板２とを、スプリング状端子１０を挟んで対向するように配置することにより、スプリング状端子１０と制御基板５との間、およびスプリング状端子１０と電気絶縁基板２との間で接触圧を発生させることができる。さらに、該接触圧を維持するための押付部材を別途準備する必要はなく、制御基板５をケース４に固定するだけで上記接触圧を維持できる。この結果、押付部材などを配置することによる制御基板５の設計制約がなくなるため、制御基板５の電気回路を最適化できる。例えば、制御基板５の電子部品７の集積度を上げることができ、または、制御基板５を小型化することもできる。

また、電気絶縁基板２と制御基板５とは、いずれもスプリング状端子１０と固着していない。そのため、本実施の形態のように、制御基板５を、拘束要素６の締緩によりケース４に対して着脱可能とすれば、例えば、制御基板５の故障時に、制御基板５のみの修理交換を行なうことができる。これにより、半導体装置１００全体を交換する場合より、修理コストを抑えることができる。また、スプリング状端子１０が故障した場合には、制御基板５をケース４から取り外し、さらに、位置決めピン９の固定部をスルーホール１４から取り外すことによって、制御基板５からスプリング状端子１０を取り外すことができる。そのため、スプリング状端子１０のみの修理交換を行うことができ、修理コストを抑えることができる。さらに、スプリング状端子１０と制御基板５とを接続するための半田付け工程が省略可能となり、製造コストも低減できる。

図３を参照して、スプリング状端子１０はたとえば６か所の屈曲部を有する帯状導体により構成してもよい。また、異なる観点から言えば、スプリング状端子１０は、制御基板５に接触する側の平坦な一方端部と、電気絶縁基板２に接触する側の平坦な他方端部と、当該一方端部と他方端部との間に位置する弾性部１０ａとを含む。弾性部１０ａは、上記一方端部または他方端部と平行に伸びる２つの平坦部と、当該平坦部と交差する方向に延びるとともに当該２つの平坦部の端部を繋ぐ接続部とからなる。また、異なる観点から言えば、スプリング状端子１０は側面から見た形状がＷ字状（具体的にはＷを反時計方向に９０°回転させた形状）である。

スプリング状端子１０には、位置決めピン９（図２参照）の一部（ベース部）が嵌るくぼみ１２が設けられていてもよい。くぼみ１２は、図４を参照して、位置決めピン９がスプリング状端子１０を、後述するように電気絶縁基板２および制御基板５の表面に垂直な方向（図１の上下方向）には固定しないように設けられる。これにより、スプリング状端子１０が常時接触圧を受けている方向（制御基板５の表面に垂直な方向）への、スプリング状端子１０の動きを妨げないため、接触圧が常時位置決めピン９やスルーホール１４に加わることを防ぐことができる。この結果、位置決めピン９やスルーホール１４における、当該接触圧に起因する欠け、クラック、変形等の故障発生を抑止できる。

このとき、くぼみ１２は、制御基板５の表面に平行な方向にはスプリング状端子１０を拘束し、スプリング状端子１０の当該平行な方向での位置ずれを防止可能なように設けられる。つまり、くぼみ１２の垂直方向の深さＡは、位置決めピン９（具体的にはベース部）の厚みＢより大きくなるように設けられる。また、位置決めピン９の固定部（図２参照）の長さ（ベース部の表面から固定部の先端部までの高さ）は、スプリング状端子１０のベース部の側面がくぼみ１２の内周側壁と接触可能なように設定されている。たとえば、固定部において上記固定用凸部の下からベース部までの長さは、制御基板５の厚さ（スルーホール１４の長さ）と、くぼみ１２の底部におけるスプリング状端子１０の部分の厚さとの合計長さより長く、当該合計長さにくぼみ１２の深さを加えた長さより短く設定されてもよい。これにより、スプリング状端子１０は、位置ずれや、位置決めピンからの脱離等を防止できる。

なお、スプリング状端子１０は、図７の例のように構成してもよい。すなわち、図７に示したスプリング状端子１０は、基本的には図３に示したスプリング状端子１０と同様の構成を備えるが、弾性部１０ａの形状が図３に示したスプリング状端子１０と異なっている。具体的には、図７に示したスプリング状端子１０では、弾性部１０ａを構成し、スプリング状端子１０の両端に位置する一方端部および他方端部に沿って伸びる平坦部が、当該一方端部および他方端部に対して傾斜するように形成されている。このような構成によっても、図３に示したスプリング状端子１０と同様の効果を得ることができる。また、図７に示したスプリング状端子１０の弾性部１０ａでは、２つの平坦部を繋ぐ接続部の長さより、当該平坦部において接続部と接続された側とは反対側の端部間の距離が短くなっているが、当該距離が接続部の長さより長くなるように弾性部１０ａを構成してもよい。

このように、スプリング状端子１０は、弾性変形可能で、かつ、電気絶縁基板２および制御基板５に安定して接続可能な任意の形態をとることができる。スプリング状端子１０において、電気絶縁基板２および制御基板５との接触面積が大きい方が、姿勢が安定するため、図３および図７の例では、スプリング状端子１０の両端を両基板に平行に設けている。

また、位置決めピン９は、図２の例では、制御基板５の下側（裏面側）から、制御基板５との間にスプリング状端子１０を挟むように配置されているが、図５を参照して、制御基板５の表面側から、スプリング状端子１０との間に制御基板５を挟んで状態で配置されてもよい。このとき、スプリング状端子１０には、穴１３が形成される。穴１３は、制御基板５に設けられたスルーホール１４と同一の開口面積を有してもよく、位置ずれを許容できる範囲において、開口面積をスルーホール１４より大きくしてもよい。位置決めピン９における拘束形状部１１を含む固定部の長さＣは、制御基板５およびスプリング状端子１０の厚さの合計Ｄよりも、十分大きくなっていることが好ましい。これにより、スプリング状端子１０が、電気絶縁基板２および制御基板５の表面に垂直な方向には固定されない（ある程度移動可能となる）。そのため、例えば、スプリング状端子１０の熱収縮による変形等を、電気絶縁基板２および制御基板５とスプリング状端子１０との間の接触圧が生じる限りにおいて許容することができる。また、図５の例では、位置決めピン９の固定部以外の場所においても位置決めピン９と制御基板５との接触部分を設けることができるため、当該接触部分の面積を増大でき、位置決めピン９と制御基板５とを安定して固定できる。

また、半導体装置１００において、スプリング状端子１０が設けられる場所以外を、保護層（図示しない）で覆ってもよい。保護層は、例えば、軟質で電気絶縁性のゲル状層とすることができ、エポキシ樹脂やシリコーンで構成してもよい。これにより、導電性異物混入時の短絡やスプリング状端子１０同士の接近、接触を防止できる。また、スプリング状端子１０を覆わないことで、スプリング状端子１０の弾性変形を阻害しないため、保護層は、スプリング状端子１０と制御基板５との電気的接続に影響を及ぼさない。保護層は、たとえばスプリング状端子１０の弾性部１０ａにまで到達しない厚さ（たとえば電気絶縁基板２の表面から弾性部１０ａまでの高さより小さい厚さ）を有することが好ましい。この場合、弾性部１０ａの変形が保護層により阻害されることを防止できる。

なお、半導体素子１、電子部品７、外部端子８、位置決めピン９、スプリング状端子１０、ワイヤ１５等は、当然ながら個数は限定されるものではなく、求められる機能に応じて、適宜選択される。また、制御基板５には、必ずしも電子部品７が実装されている必要はなく、単に配線のみが生成された基板を制御基板５として用いてもよい。

以上のように、本発明の実施の形態に係る半導体素子は、スプリング状端子１０と制御基板５とを位置決めピン９で位置決めを固定することにより、製造コストおよび修理コストを低減できる。さらに、従来、ケースに設けられていたガイドや、押付部材を不要とすることができることにより、電気絶縁基板２と制御基板５の設計制約を緩和でき、半導体装置１００を小型化できる。

（実施の形態２）
図６を参照して、本発明の実施の形態２による半導体装置について説明する。本実施の形態２による半導体装置２００は、基本的には図１に示した半導体装置１００と同様の構成を備えるが、半導体素子１の表面に形成された電極パッド１２にスプリング状端子１０が圧接する点で、実施の形態１と異なる。

これにより、半導体素子１の電極パッド１２とスプリング状端子１０とを、直接接続でき、半導体素子１とスプリング状端子１０とを接続するための導電層の形成（たとえばワイヤボンディング）を省くことができる。よって製造工程の簡略化および作業時間の短縮が実現でき、半導体装置１００の製造コストを低減できる。

ここで、上述した実施の形態と一部重複する部分もあるが、本発明の特徴的な構成を列挙する。

この発明に従った半導体装置１００、２００は、半導体素子１を含む電気絶縁基板２と、半導体素子１に関連する電子部品７を搭載した制御基板５と、電気絶縁基板２と制御基板５とを電気的に接続するスプリング状端子１０と、スプリング状端子１０の一端と制御基板５とを固定する接続部材（位置決めピン９）とを備える。スプリング状端子１０は、弾性部１０ａを含む。スプリング状端子１０の一端と制御基板５とは、接続部材（位置決めピン９）により，脱着可能に固定される。スプリング状端子１０の他端と電気絶縁基板２とは、スプリング状端子１０の弾性部１０ａが弾性変形することにより互いに当接する。

このようにすれば、端子を電気絶縁基板の半導体素子などと電気的に接続するために従来形成されていた押圧部材やガイドなどが不要となるため、半導体装置１００、２００を小型化できる。さらにスプリング状端子１０が制御基板５と着脱可能に接続され、また当該スプリング状端子１０が電気絶縁基板２と接した状態となっているため、製造コストや修理コストを低減できる。

上記半導体装置１００、２００において、電気絶縁基板２と制御基板５とは、スプリング状端子１０を挟んで対向するように配置されていてもよい。この場合、電気絶縁基板２と制御基板５との間にスプリング状端子１０を把持することにより、スプリング状端子１０の弾性部１０ａを容易に弾性変形させることができ、スプリング状端子１０と電気絶縁基板２との間の接触圧を容易に発生させることができる。

上記半導体装置１００、２００において、スプリング状端子１０の一端は、図６に示すように電気絶縁基板２に含まれる半導体素子１と当接していてもよい。この場合、半導体素子１とスプリング状端子１０とを直接接続するので、半導体素子１とスプリング状端子１０とを接続するための導電層の形成（たとえばワイヤボンディング）を省くことができる。

上記半導体装置１００、２００において、スプリング状端子１０は、図３などに示すように帯状導体からなっていてもよい。弾性部１０ａは、帯状導体が屈曲した部分であってもよい。この場合、帯状導体を用いてスプリング状端子１０を容易に形成できる。

以上のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明は、半導体素子と制御基板とを端子により接続する構造を備える半導体装置に特に有利に適用される。

１ 半導体素子、２ 電気絶縁基板、３ 放熱板、４ ケース、５ 制御基板、６ 拘束要素、７ 電子部品、８ 外部端子、９ 位置決めピン、１０ スプリング状端子、１０ａ 弾性部、１１ 拘束形状部、１２ 電極パッド、１３ 穴、１４ スルーホール、１５ ワイヤ、１００，２００ 半導体装置。

Claims (4)

1. 半導体素子を含む電気絶縁基板と、
   前記半導体素子に関連する電子部品を搭載した制御基板と、
   前記電気絶縁基板と前記制御基板とを電気的に接続するスプリング状端子と、
   前記スプリング状端子の一端と前記制御基板とを固定する接続部材と、
   前記電気絶縁基板の表面上であって前記スプリング状端子が設けられている場所以外を覆う保護層とを備え、
   前記スプリング状端子は、弾性部を含み、
   前記スプリング状端子の前記一端と前記制御基板とは、前記接続部材により，脱着可能に固定され、
   前記スプリング状端子の他端と前記電気絶縁基板とは、前記スプリング状端子の前記弾性部が弾性変形することにより互いに当接し、
   前記スプリング状端子には、前記接続部材の一部が嵌るくぼみが形成されている、半導体装置。
2. 前記電気絶縁基板と前記制御基板とは、前記スプリング状端子を挟んで対向するように配置される、請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記スプリング状端子の前記一端は、前記電気絶縁基板に含まれる前記半導体素子と当接している、請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記スプリング状端子は、帯状導体からなり、
   前記弾性部は、前記帯状導体が屈曲した部分である、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置。

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