JP6472033B1 - 半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】外部端子周囲の封止材の流れ込みを良好にすることによって封止材と外部端子の間に空洞が形成されることを防ぎ、半導体モジュールを確実に封止することが可能な半導体モジュールを提供する。【解決手段】半導体モジュールは、ベース板上で回路基板を取り囲む壁２０１からなるモジュール筐体２０と、壁２０１の内周面に沿うようにモジュール筐体２０内に配置された板状の外部端子１２と、モジュール筐体２０の内部に注入されてモジュール筐体２０の内部を封止する封止材とを備える。壁２０１の内周面には、外部端子１２の保持部２３が形成される。保持部２３は、端子側面対向部２３１と、端子内面対向部２３２と、端子側面対向部と端子内面対向部との間に連続して形成され、突出部１２６を下から支持する端子受け部２３３とを有する。端子側面対向部の上面は第１斜面２３１ａを、端子内面対向部の上面は第２傾斜面２３２ａを有する。【選択図】図４

Description

本発明は、ダイオード、サイリスタ、トランジスタ等の半導体素子や外部端子が実装された基板をモジュールケースに収容し、モジュールケース内を封止材で封止した半導体モジュールに関する。

半導体モジュールは、ベース板にダイオード、サイリスタ、トランジスタ等の半導体素子を実装した回路基板に外部端子を接続し、少なくとも回路基板を取り囲むように、モジュールケース内に収容したものである。モジュールケースは、モジュール筐体或いは、モジュール筐体とこれを覆うモジュール蓋から構成される。外部端子はモジュールケースの外部、例えば上部に引き出される端子部を有し、この端子部に配線等が接続されて用いられる。

モジュール蓋には、外部端子の端子部（先端部）を引き出すための外部端子孔が形成されるとともに、上面には、六角環状（すなわち、外形が六角形のリング状）のナットを収容するための六角柱形状のナット収容部が形成されている。そして、ナット収容部にナットが収容され、外部端子の端子部が折り曲げられて、端子部がナット収容部を覆うようにされている。

このような半導体モジュールでは、半導体素子や回路基板等への水分の侵入を阻止し、これら部材の腐食を防止するとともに、半導体モジュール内部の絶縁特性を保持するために、モジュール筐体と基板とモジュール蓋とで形成された内部空間が、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂等の封止材で封止されている（例えば特許文献１参照）。

ここで、このような半導体モジュールの製造方法について説明する。まず、ベース板に半導体素子等が実装された回路基板を搭載し、回路基板を囲むようにモジュール筐体の下部をベース板に接着剤を塗布し、熱処理にて外部端子を半導体素子や回路基板に半田付けするのと同時に、ベース板にモジュール筐体を接着する。次に、モジュール筐体の内部に所定量の封止材を注入する。

次に、モジュール蓋の外部端子孔に外部端子の端子部を挿通させながら、モジュール蓋をモジュール筐体の上部に嵌め合わせ、封止材を硬化させる。

最後に、モジュール蓋のナット収容部にナットを収容し、外部端子の端子部をモジュール蓋の上面に沿うように略直角に折曲げて、半導体モジュールを完成させる。そして、各工程の終了後に目視による検査が行われる。

特開平８−２３０５４号公報

このような半導体モジュールを製造する場合、外部端子を基板の上面に立てた状態で半田付けするには、外部端子の位置合わせ用の治具が必要となり作業が煩雑でコストがかかる。
そこで、モジュール筐体の内周面に沿って外部端子を保持した状態で基板に実装できるように、モジュール筐体の内周面に保持部を設けることが考えられる。この場合、外部端子は、保持部によって立った姿勢が保持された状態で半田付けされた後に、保持部を含めた必要高さまで封止材が注入されて、モジュール筐体内が封止される。

しかし、封止材は粘性が高いために、外部端子と保持部の間に流れ込みにくく、保持部の角などに引っかかって停滞する恐れがある。すると保持部の下等の周囲に気泡を抱き込みやすくなり、そのまま硬化すると、封止材と外部端子の間に空洞ができるおそれがある。この空洞内の空気や水分、塵埃の影響で、半導体モジュールの動作不良や故障の原因になることがある。

そこで、本発明は、上述した如き課題に鑑みてなされたものであり、外部端子を保持する保持部を有する構成において、外部端子周囲の封止材の流れ込みを良好にすることによって封止材と外部端子の間に空洞が形成されることを防ぎ、半導体モジュールを確実に封止することが可能な半導体モジュールを提供することを目的とする。

以上のような目的を達成するために、本発明に係る半導体モジュールは、ベース板と、前記ベース板上の回路基板に実装された半導体素子と、前記ベース板に取り付けられ、前記回路基板を取り囲む壁からなるモジュール筐体と、下端が前記回路基板に接続され、前記壁の内周面に沿うように前記モジュール筐体内に配置され、上端に前記モジュール筐体から引き出される端子部を有する板状の外部端子と、前記モジュール筐体の内部に注入されて前記モジュール筐体内部を封止する封止材と、を備える半導体モジュールであって、前記外部端子は、両側面に突出部を有し、前記モジュール筐体の前記壁の内周面には、前記外部端子の両側に対応する部位に一対の保持部が形成されており、前記保持部は、前記モジュール筐体の内側に向けて突出し、前記外部端子の側面に対向する端子側面対向部と、前記端子側面対向部の先端から前記外部端子の内面に向けて形成されて前記外部端子の前記突出部に内側から対向する端子内面対向部と、前記端子側面対向部と前記端子内面対向部との間に連続して形成され、前記外部端子の前記突出部を下から支持する端子受け部と、を有し、前記端子側面対向部の上面は、前記外部端子の側面に向けて下方に向けて傾斜する第１斜面を有し、前記端子内面対向部の上面は、前記外部端子の内面に向けて下方に向けて傾斜する第２傾斜面を有することを特徴とする。

このような構成とすることにより、保持部が外部端子の前後左右の移動を規制するので、半導体素子や回路基板との接続時の位置ずれが防止される。前記モジュール筐体内部に樹脂などの封止材を注入する際には、封止材が保持部の端子側面対向部の第１傾斜面、端子内面対向部の第２傾斜面によって案内されて、保持部と外部端子との間から下に向けて周辺に回り込むため、封止材と外部端子の間に空洞ができるのを防止できる。また、保持部の端子内面対向部と対向する外部端子の両側面の突出部が、保持部の端子受け部に載置されて下から支持されるため、半田付けや組み立ての際に、モジュール筐体の保持部に外部端子が位置決めされ、組立性を向上することができる。

本発明においては、外部端子の突出部の上辺は、端子側面対向部に向けて下降する斜辺とすることで、封止材が、突出部の斜辺に案内されて、保持部の端子側面対向部に向けて流れ、保持部の下に回り込むので、封止材の流れが滑らかになり、封止材と外部端子の間に空洞が発生するのを防止できる。

本発明においては、保持部の端子受け部は、外部端子の側面に向けて下降する斜面を有するようにしてもよい。このようにすると、封止材が端子受け部の斜面に案内されて下に流れやすくなり、封止材の回り込みを良好にすることができる。また、保持部の斜面で外部端子の突出部を下から支えるようにすると、保持部と外部端子との接触面積が小さく、封止材が保持部と外部端子との接触部にも回り込み易くなる。

本発明においては、前記モジュール筐体の前記壁の内側に向けて突出する張出部をさらに備え、前記一対の保持部の少なくとも一方は、前記張出部に形成されるようにできる。
このような構成とすることにより、張出部をモジュール筐体の外周全体、あるいは少なくとも保持部が形成される箇所に作ることによって、モジュール筐体の変形を防止する補強となる。また、封止材が硬化した後に、封止材が張出部と一体化するとともに、張出部が硬化した封止材の抜け止めとしても作用する。

本発明においては、前記張出部の上面は、前記外部端子の外面に向けて下方に傾斜する第３傾斜面を有することができる。
このような構成とすることにより、封止材が上記の第１傾斜面および第２傾斜面だけでなく、外部端子の外面に向けて下方に傾斜する第３傾斜面によっても案内されることにより、保持部と外部端子との間により円滑に流れ込み、保持部の下に回り込むため、封止材と外部端子の間に空洞ができるのを確実に防止できる。

本発明においては、前記モジュール筐体の内部には、梁が設けられ、前記一対の保持部のうちの少なくとも一方は、前記梁に設けられていてもよい。
このような構成とすることにより、モジュール筐体を補強するための梁に保持部を形成するので、補強された箇所に外部端子を固定することになり、外部端子のモジュール筐体への固定が強固になる。そのため、外部端子を折り曲げる際に外部端子が移動や回転することがなく、折り曲げが容易になる。また、外部端子に外力が加わっても、半導体モジュール内部に影響を与えないので、外部端子による回路基板や半導体素子等の破損を防止することができる。

本発明においては、前記封止材は、少なくとも前記保持部の高さまでを封止するのが好ましい。
このような構成にすることにより、封止材が保持部と抱えた状態で硬化し、保持部が封止材の抜け止めとなり、外部端子の移動を阻止することが可能である。

以上のような半導体モジュールによれば、外部端子を保持する保持部を有する構成において、外部端子周囲に注入される封止材の回り込みを良好にすることよって封止材と外部端子の間に空洞が形成されることを防ぎ、半導体モジュールを確実に封止することができる。

本発明に係る半導体モジュールの斜視図である。 図１に示すＡ−Ａ線の断面図である。 モジュール蓋が取り外された半導体モジュールの斜視図である。 図２のαの外部端子及び保持部を示す部分拡大斜視図である。 外部端子及び保持部を示す断面図である。 本発明に係るモジュール蓋の表面の平面図である。 本発明に係るモジュール蓋の裏面の平面図である。 凹所を示す図である。 封止材の注入量について説明するための図である。

以下に、本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。

図１〜３に示すように、半導体モジュール１は、ベース板１０と、ベース板１０に固着された回路基板１１と、ベース板１０の外周上に回路基板１１を囲むように接着されたモジュール筐体２０と、モジュール蓋３０とを備える。

ベース板１０上に回路基板１１が固着されており、回路基板１１に、半導体素子１４や内部端子１５および外部端子１２等が半田付けされている。

モジュール筐体２０は、回路基板１１を取り囲むように形成された壁２０１を有し、壁２０１間を水平方向に横切る梁２２が形成されている。そして、壁２０１の下部が、ベース板１０の外周側面に接着剤で接着されている。モジュール筐体２０にはモジュール蓋３０が被せられ、外部端子１２がモジュール蓋３０の外部に引き出されている。

外部端子１２と、モジュール筐体２０に形成された、外部端子１２を保持する保持部２３の一例について図２〜図５を用いて説明する。
外部端子１２は、板状の部材であって、下端部が半導体素子１４に直接、或いは回路基板１１と電気接続される。外部端子１２は、その上部に端子部１２１を有する。

外部端子１２は、回路基板１１から立ち上がった面がモジュール筐体２０の壁２０１の内面に沿うように配置され、外部に引き出された先端の端子部１２１は、モジュール蓋３０の上面に沿うように水平方向に曲げられた状態で、用いられる。外部端子１２の両側面には、一対の突出部１２６が外部端子１２の幅方向に突出している。外部端子１２の突出部１２６の上辺は、外側に向けて下降する斜辺１２６ａをなしており、突出部１２６は三角形状をなしている。この斜辺１２６ａは、後述する保持部２３の端子側面対向部２３１に向けて下降している。

図２および図３に示すように、モジュール筐体２０には、壁２０１の水平方向に沿って内周面２０１ａの内側に張り出した張出部２３４が形成されている。張出部２３４には、外部端子１２が配置されたときその両外側に対応する位置に、一対の保持部２３がモジュール筐体２０の内側に向けて突出するように形成されている。張出部２３４の外部端子１２の外面に対向する上面には、外部端子１２の外面に向けて下方に傾斜する第３の傾斜面２３４ａを有する。張出部２３４は、モジュール筐体２０を補強するように作用する。ここで、張出部２３４には梁２２が連結されており、一対の保持部２３の一方が、この張出部２３４と梁２２との連結部に形成されている。本例では張出部２３４が壁２０１の全周に形成されているが、張出部２３４は、保持部２３が形成される位置に対応して、壁２０１の一部に形成するようにしてもよい。また、一対の保持部２３は、梁２２に形成してもよく、一対の保持部２３の内一方を張出部２３に形成し、他方を梁２２に形成することもできる。図２に点線で示すように、張出部２３４は、梁２２と共に後述する封止材４０内に封止される。

図４および図５に示されるように、保持部２３は、外部端子１２の側面に対向する端子側面対向部２３１と、端子側面対向部２３１の先端から連続して形成され、外部端子１２の内面に対向する端子内面対向部２３２とを有する。また、端子側面対向部２３１の下部に連続して、外部端子１２の側面方向に延びる端子受け部２３３が形成されている。端子内面対向部２３２を省略した図５に示すように、この端子受け部２３３の上面の斜面２３３ａに、外部端子１２の突出部１２６を載置し、外部端子１２を下から支持する。

端子側面対向部２３１の上面は、外部端子１２の側面に向けて下方に傾斜する第１傾斜面２３１ａを有する。
また、端子内面対向部２３２の上面は、外部端子１２の内面に向けて下方に傾斜する第２傾斜面２３２ａを有する。
保持部２３の端子受け部２３３は、外部端子１２の側面に向けて下降するように形成された内向きの斜面２３３ａを有している。この斜面２３３ａに外部端子１２の突出部１２６を載置すると、外部端子１２の突出部１２６の先端が、斜面２３３ａに支持されるので、外部端子１２と保持部２３とが上下に接触する面積が小さく、外部端子１２と保持部２３の間の上下の隙間を大きくすることができる。そのため、後述するように、封止材４０を注入する際に、外部端子１２と保持部２３との隙間に封止材４０を埋め易くなっている。

外部端子１２の突出部１２６を保持部２３の端子受け部２３３に載置すると、外部端子１２が立った姿勢でモジュール筐体２０に保持される。また、外部端子１２の突出部１２６が端子側面対向部２３１に、外部端子１２の内面が端子内面対向部２３２に、外部端子の外面が張出部２３４に夫々位置規制されるため、モジュール筐体２０に対して上下及び前後左右の位置が定まり、外部端子１２を半導体素子１４或いは回路基板１１の所望の接続位置に正しく配置するよう位置決めできる。このようにして、複数の外部端子１２をそれぞれ対応する保持部２３に保持することで、モジュール筐体２０に複数の外部端子１２を正しい位置に保持した状態で持ち運ぶこともでき、ベース板１０にモジュール筐体２０を位置決めした後で、外部端子１２を保持部２３の上から挿入させて、外部端子１２を半田付けする場所に保持できるので、治具等がなくても外部端子１２をモジュール筐体２０に自立させて位置決めでき、組立性が向上する。

モジュール筐体２０の内部には、水平方向に延びる梁２２が設けられている。梁２２の両端は、壁２０１の内側に沿って延びる張出部２３４に連結されている。
一対の保持部２３のうちの少なくとも一方（例えば図４の左側）は、梁２２に設けられている。梁２２は、モジュール筐体２０を補強する役目をなしている。なお、梁２２を壁２０１の内周面２０１ａ間を接続するように形成しても良い。

例えば、外部端子１２を半田付けする際に外部端子１２が移動したり回転してしまうと、半田付けができずに不良品となる。また、端子部１２１を折り曲げる際に外部端子１２が回転すると、回路基板１１や半導体素子１４を押圧し、これらの部材を破損する恐れがある。本実施形態の半導体モジュール１では、保持部２３が外部端子１２の前後左右の移動を規制するので、半導体素子１４や回路基板１１との接続時の位置ずれが防止される。モジュール筐体２０内部を封止材４０で封止する際には、封止材４０が保持部２３の端子側面対向部２３１の第１傾斜面２３１ａ、端子内面対向部２３２の第２傾斜面２３２ａ、第３傾斜面２３４ａによって案内されて、引っかかることなく保持部２３と外部端子１２との間から下方に流れ込み、保持部２３の下にも円滑に回り込むため、封止材４０と外部端子１２の間に空洞ができるのを防止できる。
また、外部端子１２の突出部１２６の先端を端子受け部２３３の斜面２３３ａに載置して下から支持するため、封止材４０が流れにくい外部端子１２と保持部２３との上下方向の接触面積が小さくなり、両者の隙間が大きくなる。そのため、封止材４０が外部端子１２と保持部２３との隙間に埋まり、保持部２３の斜面２３３ａに沿って封止材４０が下に回り込み、封止材４０と外部端子１２の間に空洞ができるのを防止し、半導体モジュール１に不具合が生じるのを防ぐことができる。このように、封止材４０と外部端子１２の間に空洞ができないようにする構成には、モジュール蓋３０は必須の要件ではない。

次に、モジュール蓋３０の一例について図６〜図８を用いて説明する。図８（ａ）はモジュール蓋３０の四隅に形成された凹所３５の平面図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）に示すＤ−Ｄ線断面図である。

モジュール蓋３０は、上面３０ａと下面３０ｂを有する板状に形成されている。図６はモジュール蓋３０の上面３０ａから見た平面図を、図７は下面３０ｂから見た平面図を夫々示している。モジュール蓋３０には、外部端子１２の端子部１２１を挿通するための外部端子孔３１と、ナット５０を収容するための複数のナット収容部３５１が形成されている。ナット収容部３５１の内、モジュール蓋３０の四隅のナット収容部３５１には、ナット収容部３５１に連続して、成型流入部３５２が形成され、モジュール蓋３０の四隅には、ナット収容部３５１と成型流入部３５２から、４つの凹所３５が構成されている。ナット収容部３５１は、四隅とそれ以外のものとで同じ形状をしているため、ここでは、四隅の凹所３５を構成するナット収容部３５１と、これに連続して形成された成型流入部３５２を例に、説明する。

図８に示すように、ナット収容部３５１は、モジュール蓋３０の内部にナット５０を収容するものであり、ナット収容部３５１の下部はモジュール蓋３０の下面３０ｂから下に突出している。ナット収容部３５１の内周面には、その上端よりも少し低い位置から下方向に伸びた３個のナット抑え部３５４が形成されている。ナット抑え部３５４は下方向に進むにしたがって他のナット抑え部３５４との間の距離が広くなる、三角形のテーパ形状となっている。ナット５０は一般に、横からみて上面の角部が外側に向けて下降する傾斜を有しており、ナット抑え部３５４のテーパは、ナット５０の傾斜に沿う角度を有している。ナット抑え部３５４と他のナット抑え部３５４との間隔は、上方ではナット５０の外径よりも若干小さく、下方に向けて広がっている。ナット収容部３５１にナット５０を収容する際には、ナット５０の側面でナット抑え部３５の上部押し広げるようにナット５０を圧入する。ナット５０を収容すると、テーパ形状のナット抑え部３５４の下面が、ナット５０上面の傾斜を上から抑えるようになり、これにより、ナット５０がナット収容部３５１から抜けなくなっている。なお、ナット抑え部３５４のテーパの傾斜角度を、ナット５０の上面の傾斜と同じにすると、ナット５０の移動を阻止する効果が高い。全てのナット収容部３５１は、モジュール蓋３０の外部端子孔３１から引き出された外部端子１２を折り曲げて、端子部１２１がモジュール蓋３０の上面３０ａに沿うようにすると、端子部１２１で隠されて、外から見えないようになる。

また、四隅の凹所３５には、ナット収容部３５１に連続して、半円柱形状の成型流入部３５２が形成されている。成型流入部３５２は、モジュール蓋３０の上面３０ａより低い位置に形成されている。射出成型で樹脂成型品を成型すると、金型の射出口の個所に、凸状又は凹状の射出跡３５２ａが残されてしまう。凸状の射出跡３５２ａがモジュール蓋３０の上面３０ａに残されると、上面３０ａに沿うように外部端子１２の端子部１２１を折り曲げる際に、端子部１２１がきちんと曲がらずに、浮いた状態になる可能性がある。また、このような射出跡３５２ａが見えるのは、外観上好ましくない。そこで、成型流入部３５２を、端子部１２１の折り曲げを阻害しないモジュール３０の上面３０ａよりも低い位置であって、外部端子１２を折り曲げた後は、端子部１２１によって、射出跡３５２ａが見えないような位置に形成している。また、成型流入部３５２をナット収容部３５１と外部端子孔３１との間に形成すると、ナット収容部３５１と成型流入部３５２からなる凹所３５全体を、端子部１２１で確実に覆って隠すことができる。

このように、四隅の凹所３５の成型流入部３５２から成型樹脂を注入してモジュール蓋３０を形成するので、成型樹脂が素早く均一に注入される。また、射出跡３５２ａが残ってしまっても、凹所３５はモジュール蓋３０の上面３０ａより低い位置にあるため、外部端子１２を折り曲げる際に射出跡３５２ａが邪魔になることがない。

モジュール蓋３０の中央領域には、モジュール蓋３０を貫通する複数の空気孔３４が形成されている。また、モジュール蓋３０の外周領域には、外部端子１２の端子部１２１を挿通させて外部に引き出すよう、モジュール蓋３０を貫通する複数の外部端子孔３１が形成されている。これら空気孔３４と外部端子孔３１は、上端がモジュール蓋３０の上面３０ａの高さで、下端が下面３０ｂの高さに一致している。モジュール蓋３０の上面３０ａには、深さを有する平面視でＬ字形状の溝３３が形成されている。溝３３の底面の高さは、後述するように溝３３に液体等が付着してもモジュール蓋３０の上面３０ａに影響を与えない程度に、上面３０ａよりも十分に低く、モジュール蓋３０の下面３０ｂより若干高い位置に形成されている。溝３３は、モジュール蓋３０の上面３０ａに沿って折り曲げられる複数の外部端子１２の端子部１２１間を夫々区画するように形成されている。各外部端子１２の端子部１２１の間に溝３３が形成されているため、端子部１２１と他の端子部１２１を繋ぐ経路は、モジュール蓋３０の上面３０ａ−溝３３−上面３０ａとなり、上面３０ａ上の直線距離に比べて沿面距離が長くなっている。溝３３は後述する塀部３３３により仕切られ、塀部３３３よりも内側に位置する内溝３３ａと塀部３３３よりも外側の最外周領域に位置する外溝３３ｂで構成される。内溝３３ａの外周領域には、モジュール蓋３０を貫通する封止材孔３３１が形成されて、封止材孔３３１と外溝３３ｂとの間に、前述の塀部３３３が位置している。つまり、溝３３は、外周領域の封止材孔３３１を含む内溝３３ａと、最外周領域の外溝３３ｂとの間が、塀部３３３で仕切られている。塀部３３３の高さは、モジュール蓋３０の上面３０ａより低い高さに設定されている。そして図７に示すように、モジュール蓋３０の下面３０ｂは、封止材孔３３１が形成されている溝３３の一部が、下方に突出する凸部３３２にされている。封止材孔３３１は、内溝３３ａの底面から凸部３３２を貫通しており、封止材孔３３１の下端はモジュール蓋３０の下面３０ｂより低い高さにある。後に詳述する図９にも示すように、各部材の高さ関係を説明すると、高い位置から順に、空気孔３４及び外部端子孔３１の上端（モジュール蓋３０の上面３０ａの高さ）、溝３３の塀部３３３、封止材孔３３１の上端（溝３３の底面の高さ）、空気孔３４及び外部端子孔３１の下端（モジュール蓋３０の下面３０ｂの高さ）、封止材孔３３１の下端（溝３３の凸部３３２の下端の高さ）となっている。

封止材孔３３１及び空気孔３４の大きさは、溶融状態の封止材４０が毛細管現象で上昇しない程度に選択されている。そのため、封止材４０が封止材孔３３１及び空気孔３４に接触する高さ以上に注入されても、封止材４０が封止材孔３３１及び空気孔３４の内壁を伝って上昇することがなく注入された封止材４０の高さに留まる。外部端子孔３１も同様に、毛細管現象が起きないような大きさにされている。

ここで、モジュール蓋３０の上面３０ａに封止材４０が付着して固まると、上面３０ａに出っ張りができてしまい、外部端子１２の端子部１２１を正しい位置まで折り曲げようとしたときに、この出っ張った封止材４０が邪魔になり、端子部１２１の折り曲げの障害になり、不良品となってしまうことがある。そのため、空気孔３４と外部端子孔３１は、封止材４０が毛細管現象で上昇しない大きさにする必要がある。また、溝３３に少量の封止材４０が付着してまだらに固まると、外観上好ましくない。したがって、封止材孔３３１の大きさも、毛細管現象が起きない大きさにされている。

モジュール蓋３０の上面の最外周領域には、上面３０ａより低く溝３３の底面より高い位置に、モジュール蓋３０の外周を１周するように段差部３６が形成されている。なお、モジュール蓋３０の最外周領域の溝３３には、段差部３６が形成されず、最外周領域は溝３３の底面が露出している。本例では、段差部３６の高さは、塀部３３３の高さと同じとなっている。なお、段差部３６は、複数段あってもよい。

モジュール蓋３０の下面３０ｂは、ナット収容部３５１が下方に突出している。
また、モジュール蓋３０の下面３０ｂには、下方に突出した補強梁３７が形成されている。

補強梁３７は、外周領域付近では、隣接するナット収容部３５１と他のナット収容部３５１とを連結するように形成され、中央領域では、対向する外周領域の補強梁３７と他の補強梁３７を連結する補強梁３７と、対向するナット収容部３５１と他のナット収容部３５１を連結する補強梁３７を中央領域で交差させ、補強梁３７で各空気孔３４を個別に取り囲んで仕切るようにして形成されている。また、外周領域付近の補強梁３７は、前述の溝３３の一部の凸部３３２に連結されており、モジュール蓋３０の外周領域付近と中央領域付近を補強し、モジュール蓋３０の成型時の反りや歪みの発生を防止している。

モジュール蓋３０はこのように構成されており、上面３０ａから見て、最外周領域に段差部３６と外溝３３ｂを有し、外部端子１２の端子部１２１が配される上面３０ａを区画するように溝３３が形成されている。内溝３３ａの外周領域の封止材孔３３１と外溝３３ｂとの間が塀部３３３で仕切られ、封止材孔３３１に並ぶ外周領域には、外部端子孔３１が形成されている。外部端子孔３１は、ナット収容部３５１と対をなして形成され、四隅のナット収容部３５１には、これに連続して上面３０ａより低い位置に成型流入部３５２が、外部端子孔３１とナット収容部３５１との間に形成されている。また、モジュール蓋３０の中央領域には、空気孔３４が設けられている。
また、モジュール蓋３０は、ナット収容部３５１と補強梁３７が下面３０ｂから下に突出しており、更に溝３３の封止材孔３３１が形成された箇所が、下面３０ｂから下に突出している。

モジュール筐体２０とベース板１０とモジュール蓋３０とで形成された内部空間には、所定量の封止材４０が封止されているが、本発明では、所定量として内部空間に空気層が形成されないよう、モジュール蓋３０の下面３０ｂの高さまで封止材４０が封止される。

次に、半導体モジュール１を組み立てる組立方法（半導体モジュールの製造方法）について説明する。モジュール筐体２０をベース板１０の外周に配置し、モジュール筐体２０の保持部２３の端子側面対向部２３１と端子内面対向部２３２の間に外部端子１２を挿入し、外部端子１２の突出部１２６を保持部２３の端子受け部２３３上面の斜面２３３ａに載置して、モジュール筐体２０の保持部２３に外部端子１２を支持させる。外部端子１２は保持部２３によって、位置決めされ、半田付け時に移動することがない。なお、外部端子１２を保持部２３に保持させた後で、モジュール筐体２０をベース板１０上に配置させることもできる。いずれも、モジュール筐体２０とベース板１０の配置が定まれば、外部端子１２を所定の位置に位置決めできる。また、外部端子１２が保持部２３で立った姿勢で前後左右の位置を拘束されるため、外部端子１２を正しい位置に半田付けすることができる。

半田付けの後に、モジュール筐体２０の内部に所定量の溶融された封止材４０を注入する（注入工程）。本例では、所定量は、封止材４０の上面がモジュール蓋３０の下面３０ｂの高さになる量とする。封止材４０を注入する際に、封止材４０の粘性により、封止材４０が滑らかに広がらずに、保持部２３の周辺等に停滞して空洞を生じる恐れがある。しかし本発明では、保持部２３の上端に、第１傾斜面２３１ａ、第２傾斜面２３２ａを形成し、張出部２３４の上端にも第３傾斜面２３４ａを形成しているため、封止材４０が各傾斜面２３１ａ、２３２ａ、２３４ａに沿って外部端子１２に向けて流れ込み、封止材４０が良好に周辺に回り込む。また、端子受け部２３３の上面を斜面２３３ａとし、外部端子１２の突出部１２６の上辺を斜辺１２６ａで構成しているため、封止材４０が外部端子１２から保持部２３の隙間に流れ込み、斜面２３３ａに沿って下に回り込むため、封止材４０が円滑に回り込み、封止材４０と外部端子１２の間に空洞が生じるのが防止されている。さらに、端子受け部２３３の上面の斜面２３３ａに外部端子１２の突出部１２６の先端を載置して支持しているので、外部端子１２と保持部２３との接触面積が小さく、封止材４０が停滞し易い外部端子１２と保持部２３との間の隙間が大きく、端子受け部２３３の斜面２３３ａに沿って封止材４０が流れるため、封止材４０が外部端子１２と保持部２３との隙間にも埋まり易くなっている。このように、外部端子１２と保持部２３の周囲に、封止材４０が回り込み易くしているため、封止材４０と外部端子１２の間に空洞ができるのを防止し、半導体モジュール１の不具合の発生を防ぐことができる。

このような、モジュール筐体２０内に封止材４０を注入する際に、封止材４０の回り込みを円滑にし、封止材４０と外部端子１２の間に空洞を生じないような効果を得るためには、モジュール蓋３０は必須ではなく、これを省略することができる。

次に、封止材４０が硬化する前に、モジュール蓋３０の外部端子孔３1に外部端子１２の端子部１２１を挿通させながら、モジュール蓋３０をモジュール筐体２０の上部に嵌め合わせ、封止材４０を熱処理等で硬化させる。（取付工程）。空気孔３４は、モジュール蓋２０の下面３０ｂ側で、補強梁３７で夫々囲まれて仕切られている。モジュール蓋３０をモジュール筐体２０の上部に嵌め合わせていくときに、封止材４０の高さに補強梁３７の高さが一致すると、補強梁３７と封止材４０からなる小部屋ができ、この小部屋に空気が誘導されて少量ずつ溜る。この後、モジュール蓋２０を更に下降させると少量の空気が、夫々の部屋の空気孔３４から排出されることになる。その後封止材４０を硬化させる際に発生するガスを、空気孔３４から排出できので、空気が抜け易く、空気が急激に抜けた衝撃で、空気孔３４から封止材４０が飛散するのを防止することができる。

封止材４０が適量のとき、モジュール蓋３０をモジュール筐体２０への取付位置に置くと、モジュール蓋３０の下面３０ｂの高さが封止材４０の上面と一致する。このとき、ナット収容部３５１のモジュール蓋３０の下面３０ｂより下に突出した、ナット収容部３５１と補強梁３７および、溝３３の一部の下方に突出した凸部３３２も封止材４０に埋め込まれた状態になる。このとき、封止材４０の上面は、空気孔３４の下端の高さに位置し、封止材孔３３１の途中の高さに位置する。モジュール蓋３０の最外周領域は、モジュール蓋３０とモジュール筐体２０との隙間が狭いため、封止材４０がこの隙間を毛細管現象により上昇し、外溝３３ｂの上に到達する。しかし、外溝３３ｂと内溝３３ａの外周領域の封止材孔３３１との間には、塀部３３３が形成されているため、封止材４０が塀部３３３に阻止されて、外溝３３ｂから内溝３３ａに流れ込むのが防止されている。また、溝３３が形成されていない最外周領域の段差部３６の高さは、塀部３３３と同じ高さと十分に高く、毛細管現象によって上昇した封止材４０が、段差部３６を超えない高さに選択されている。

封止材４０を硬化させると、封止材４０がモジュール筐体２０の梁２２や保持部２３及び張出部２３４を抱え込んで一体となっている。したがって、硬化した封止材４０とモジュール筐体２０とが相対的に移動することがなく、強固に両者が固定される。また、外部端子１２と保持部２３の隙間にも封止材４０が充分に回り込んでいるため、外部端子１２がモジュール筐体２０にしっかりと固定される。さらに、保持部２３は、モジュール筐体２０を補強する梁２２や張出部２３４に形成されているため、外部端子１２が堅牢な位置に固定された状態にされている。

モジュール蓋３０は、下方に突出するナット収容部３５１、補強梁３７と溝３３の凸部３３２が封止材４０に埋め込まれて、封止材４０とモジュール蓋３０が一体的に固定される。また、モジュール蓋３０の外溝３３ｂの上面に、毛細管現象で這い上がった封止材４０が硬化するので、モジュール蓋３０と封止材４０とが強固に固定される。モジュール蓋３０の外溝３３ｂは、外部端子孔３１の両側に形成されるため、外溝３３ｂが封止材４０で固定されることで、モジュール蓋３０は、外部端子１２の近傍の固定が強固になる。したがって、端子部１２１を折り曲げる力を加えても、モジュール蓋３０が外れることがなく、外部端子１２が移動しない。さらに、後述するように、半導体モジュール１が完成した後に目視検査する際に、モジュール蓋３０の上面３０ａ側から見て、外部端子１２付近に形成された外溝３３ｂに、封止材４０が硬化していること、封止材孔３３１の途中まで封止材４０が充填していることを確認するだけで、封止材４０の量が適切であったことが分かり、検査工程が容易になる。また、これら封止材孔３３１と外溝３３ｂはモジュール蓋３０の外周領域と最外周領域に、近接して配置されているため、一目で確認することができる。

次に、ナット５０をナット収容部３５１に圧入して収容し、外部端子１２の端子部１２１を、モジュール蓋３０の上面３０ａに沿うように折り曲げ、半導体モジュール１が完成する。完成状態では、モジュール蓋３０を射出成型した際にできた射出跡３５２ａは、端子部１２１で隠れて見えないため、外観を損なうことはない。また、外部端子１２は、モジュール蓋３０が強固に固定された箇所の近傍にあり、モジュール筐体２０内部では、補強用の梁２２に形成された保持部２３によって確実に固定されている。したがって、端子部１２１を折り曲げる際に、外部端子１２が移動することがないため、折り曲げが容易にできる。また、モジュール蓋３０が強固に固定されているため、外部端子１２の折り曲げ時のガタツキにより、外部端子１２と接続されている半導体素子１４や回路基板１１へのダメージを防止することができる。
ここで、封止材４０は、少なくとも前記保持部２３の高さまで（例えば図５の高さＬまで）を封止すれば封止する効果を得ることができる。しかし、封止材４０を注入した後でモジュール蓋３０を被せると、封止材４０の量が適量であるか否かを視認することができない。そのため、本発明によれば、以下のようにして封止材４０の量の適否を確認できるようにしている。

封止材４０の注入量について詳細に説明する。図９は、封止材の注入量について説明するための図であり、図９（ａ）〜（ｄ）は図１に示すＢ−Ｂ線断面図及びＣ−Ｃ線断面図であるが、注入量を明示するために外部端子１２は省略されている。
封止材４０は、同量を注入したとしても、モジュール筐体２０やモジュール蓋３０の反りや、半田量等の少しの条件の違いにより、半導体モジュール１によって状態がばらつくことがある。そのため、封止材４０の注入高さには、多少のばらつきが発生することがある。

（Ａ）封止材４０の注入量が適量である場合（図９（ａ）の状態）
モジュール蓋３０の下面３０ｂの高さＬを封止材４０の適量としている。このとき、封止材孔３３１が形成された溝３３の一部は下方に突出した凸部３３２とされていることから、モジュール蓋３０の下面３０ｂの高さまで封止材４０を注入すると、封止材４０が封止材孔３３1の途中まで、埋められる。また、モジュール蓋３０とモジュール筐体２０との間に隙間は狭く、毛細管現象で封止材４０が上昇し、外溝３３ｂに封止材４０が乗り上がるが、塀部３３３により移動を阻止されて、内溝３３ａに封止材４０が流れ込むことはない。このように、モジュール蓋３０の外周領域に形成されている封止材孔３３1の途中まで封止材４０が充填される。また、封止材孔３３１の近傍にある外溝３３ｂは、ここに乗り上がった封止材４０で固められて、モジュール蓋３０と封止材４０が強固に固定される。図６からも明らかなように、外溝３３ｂと封止材孔３３１は上面から見て、近い位置に形成されていて、封止材４０の量が適量であるか、容易に目視確認することができる。

このように、封止材４０が適量の場合には、封止材４０はモジュール蓋３０の最外周領域と封止材孔３３１の途中の高さまで存在するが、モジュール蓋３０の上面３０ａの塀部３３３よりも内側には存在していない。

（Ｂ）封止材４０の注入量が少し多い場合（図９（ｂ）の状態）
封止材４０の注入量が少しだけ多く、例えば溝３３の底面の高さを僅かに超えるが、塀部３３３を超えないＬの高さの場合を説明する。封止材４０の上面は、溝３３の底面を超えるため、封止材孔３３１を経由して、内溝３３ａの中に溢れて侵入する。また、外部端子孔３１の途中まで封止材４０が埋められた状態になるが、外部端子孔３１内で毛細管現象は生じないため、封止材４０がモジュール蓋３０の上面３０ａにまでは到達することはない。封止材４０は溝３３の高さを超えるため、モジュール蓋３０の外溝３３ｂにも、封止材４０が乗り上げるが、塀部３３３でせき止められて内溝３３ａと外溝３３ｂ間で封止材４０が移動しない。溝３３の底面はモジュール蓋３０の上面３０ａよりも十分低い深さに形成されているため、溝３３内に溢れた封止材４０は、モジュール蓋３０の上面３０ａに付着することがなく、端子部１２１が配置される上面３０ｂには影響しない。また、封止材４０が少しだけ多い場合には、段差部３６の側面を封止材４０が這い上がり、少量の封止材４０が段差部３６上に乗り上げることがあるが、段差部３６はモジュール蓋３０の上面３０ａより低い位置に設けられているため、この段差部３６に余分な封止材４０を留めることができる。このように、封止材４０が少しだけ多い場合、余分な封止材４０は封止材孔３３１から溝３３内に溢れるため、モジュール筐体２０から外側にこぼれることを防止できる。封止材４０がモジュール筐体２０の壁２０１の外側にこぼれると、モジュール筐体２０の外観を損なうため、不良品となってしまう。しかし、本発明のように、モジュール蓋３０に溝３３と塀部３３３を形成することで、半導体モジュール１の品質を損なわないようにできる。ここで、溝３３以外のモジュール蓋３０とモジュール筐体２０との隙間にも、毛細管現象により封止材４０が吸いあがるが、段差部３６と上面３０ａには高さの差があるため、封止材４０はモジュール蓋３０の上面３０ａまでは到達しない。このように、溝３３、塀部３３３、段差部３６を形成しているため、余分な封止材４０が半導体モジュール１の品質を損なうことを防止できるため、廃棄品を減らすことができる。

（Ｃ）封止材４０の注入量が非常に多い場合（図９（ｃ）の状態）
封止材４０の注入量が非常に多く、封止材４０が塀部３３３を乗り越える場合には、内溝３３ａと外溝３３ｂの間を封止材４０が移動するのを阻止することができず、モジュール蓋３０の上面３０ａに、封止材４０が付着する恐れがある。また、塀部３３３と同じ高さの最外周領域の段差部３６の上に大量の封止材４０が乗り上がることになる。すると、モジュール蓋３０の上面３０ａに封止材４０が付着する可能性があることから、不良品と判定して除外する。このように、塀部３３３及び段差部３６の両方が封止材４０で覆われているか否かを、不良品の判定基準としており、塀部３３３と段差部３６が同じ高さに設定されているので、目視確認が容易で、作業性が良好になる。なお塀部３３３と段差部３６を同じ高さとすることで、モジュール蓋３０を成型するための金型の加工高さを揃えることができ、金型が複雑にならない。

（Ｄ）封止材４０の注入量が少ない場合（図９（ｄ）の状態）
封止材４０が封止材孔３３1に注入されないほど少ない高さＬの場合、封止材４０が封止材孔３３１に入っていないことが目視で確認できる。また、外溝３３ｂにも封止材４０が乗り上がらず、これも同様に目視で確認できる。このような場合には、モジュール蓋３０が固定されていない状態であるので、不良品と一目で判定することができる。

本実施形態においては、モジュール蓋３０の上面３０ａには、平面視でＬ字形状の溝３３が形成されている場合について述べたが、これに限定されるものではなく、平面視で一直線形状の溝が形成されているように構成してもよく、溝３３は、モジュール蓋３０の外部端子１２の端子部１２１が配置される上面を仕切るものであれば良く、任意の形状の任意の個数の溝３３が形成されているように構成してもよい。また、溝３３の封止材孔３３１が形成された部分を、モジュール蓋３０の下面３０ｂより下に突出した凸部３３２にした例を示したが、溝３３或いは内溝３３ａ全体を凸部３３２とし、補強梁３７の一部として兼用することもできる。

また、封止材孔３３１や空気孔３４の数は、任意の個数が形成されているように構成してもよい。 本実施形態においては、モジュール筐体２０の内部に所定量の溶融された封止材４０を注入する場合について述べたが、シリコーン樹脂等のゲルと封止材４０を併用してもよい。
モジュール蓋３０の最外周領域の段差部３６の高さを塀部３３３と同じ場合を例示したが、両者の高さを異ならせてもよい。例えば封止材４０が少しだけ多い場合には、毛細管現象で上昇した封止材４０が段差部３６に届かないが、封止材４０が多すぎて塀部３３３を超える場合に、段差部３６上にも封止材４０が到達するように、段差部３６を塀部３３３より高くしても良い。そうすることで、塀部３３３と段差部３６の両方が封止材４０で埋まっていたら、不良品と判定することができる。
また、段差部３６を複数段形成してもよい。この場合、封止材４０が少しだけ多い場合には、毛細管現象で１段目の段差部３６に封止材４０が乗りあげるが、１段目より高い段差部３６には毛細管現象が生じないため、２段目以上の段差部３６まで封止材４０が乗りあげたら、封止材４０が多すぎて不良品だと判定するように、段差部３６を用いることができる。

本発明に係る半導体モジュールは、半導体素子や外部端子が実装された回路基板をモジュールケース内に収容し、モジュールケース内を封止材で封止した半導体モジュールに適用することができる。

１ 半導体モジュール
１０ ベース板
１１ 回路基板
１２ 外部端子
１２１ 端子部
１２６ 突出部
１２６ａ 斜辺
１４ 半導体素子
１５ 内部端子
２０ モジュール筐体
２０１ 壁
２０１ａ 内周面
２２ 梁
２３ 保持部
２３１ 端子側面対向部
２３１ａ 第１傾斜面
２３２ 端子内面対向部
２３２ａ 第２傾斜面
２３３ 端子受け部
２３３ａ 斜面
２３４ 張出部
２３４ａ 第３傾斜面
３０ モジュール蓋
３０ａ 上面
３０ｂ 下面
３１ 外部端子孔
３２ ゲート端子孔
３３ 溝
３３ａ 内溝
３３ｂ 外溝
３３１ 封止材孔
３３２ 凸部
３３３ 塀部
３４ 空気孔
３５ 凹所
３５１ ナット収容部
３５２ 成型流入部
３５２ａ 射出跡
３５４ ナット抑え部
３６ 段差部
３７ 補強梁
４０ 封止材
５０ ナット

Claims (7)

1. ベース板と、
   前記ベース板上の回路基板に実装された半導体素子と、
   前記ベース板に取り付けられ、前記回路基板を取り囲む壁からなるモジュール筐体と、
   下端が前記回路基板に接続され、前記壁の内周面に沿うように前記モジュール筐体内に配置され、上端に前記モジュール筐体から引き出される端子部を有する板状の外部端子と、
   前記モジュール筐体の内部に注入されて前記モジュール筐体内部を封止する封止材と、を備える半導体モジュールであって、
   前記外部端子は、両側面に突出部を有し、
   前記モジュール筐体の前記壁の内周面には、前記外部端子の両側に対応する部位に一対の保持部が形成されており、
   前記保持部は、前記モジュール筐体の内側に向けて突出し、前記外部端子の側面に対向する端子側面対向部と、前記端子側面対向部の先端から前記外部端子の内面に向けて形成されて前記外部端子の前記突出部に内側から対向する端子内面対向部と、前記端子側面対向部と前記端子内面対向部との間に連続して形成され、前記外部端子の前記突出部を下から支持する端子受け部と、を有し、
   前記端子側面対向部の上面は、前記外部端子の側面に向けて下方に向けて傾斜する第１斜面を有し、
   前記端子内面対向部の上面は、前記外部端子の内面に向けて下方に向けて傾斜する第２傾斜面を有する
   ことを特徴とする半導体モジュール。
2. 前記外部端子の前記突出部の上辺は、前記保持部の前記端子側面対向部に向けて下降する斜辺を有する請求項１に記載の半導体モジュール。
3. 前記保持部の前記端子受け部は、前記外部端子の前記側面に向けて下降する斜面を有する請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
4. 前記モジュール筐体の前記壁の内側に向けて突出する張出部をさらに備え、
   前記一対の保持部の少なくとも一方は、前記張出部に形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
5. 前記張出部の上面は、前記外部端子の外面に向けて下方に傾斜する第３傾斜面を有する請求項４記載の半導体モジュール。
6. 前記モジュール筐体の内部には、梁が設けられ、
   前記一対の保持部のうちの少なくとも一方は、前記梁に設けられている、
   ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
7. 前記封止材は、少なくとも前記保持部の高さまでを封止することを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の半導体モジュール。

Images