JP6541593B2

JP6541593B2 - 電力用半導体装置

Info

Publication number: JP6541593B2
Application number: JP2016047789A
Authority: JP
Inventors: 稔江草; 秀俊石橋; 義貴大坪; 寛之益本; 浩司川田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2015-05-15
Filing date: 2016-03-11
Publication date: 2019-07-10
Anticipated expiration: 2036-03-11
Also published as: JP2016219778A

Description

本技術は、プレスフィット端子を有する電力用半導体装置に関するものである。

半導体装置の中でも電力用半導体装置は、幅広い機器の主電力の制御に用いられ、特に輸送機器などにおいては高い信頼性が求められる。

上記のような電力用半導体装置として、プレスフィット端子を有する電力用半導体装置がある（たとえば、特許文献１を参照）。

一方で、挿入されるプレスフィット端子の先端を分割する技術がある（たとえば、特許文献２を参照）。このような構造であれば、プレスフィット端子を外部基板の穴などに挿入する際、挿入開始時には分割された先端が挿入され、挿入作業の後半では先端で分割された一対の腕部が繋がった部分が挿入される。

特開２０１３−１５２９６６号公報独国実用新案出願公開第２０２１８２９５号明細書

プレスフィット端子は、電力用半導体装置の外形ケースの上面に設けられる。特許文献１の場合では、当該外形ケースの上面は平面形状である。よって、外部基板に反りなどが生じた場合、外部基板の穴などへプレスフィット端子を挿入する際に意図しない機械的応力が電力用半導体装置に発生する場合がある。

本技術は、上記のような問題を解決するためのものであり、外部基板の穴などへプレスフィット端子を挿入する際の、外部基板による機械的応力を抑制することができる電力用半導体装置に関するものである。

本技術の一態様に関する電力用半導体装置は、外形ケースと、前記外形ケースの上面に埋め込まれる少なくとも１つのプレスフィット端子と、前記外形ケースの上面から突出して形成される複数の支持部とを備え、前記プレスフィット端子の上端は、前記支持部の上面よりも前記外形ケースの上面から突出し、複数の前記プレスフィット端子を備え、前記外形ケースの上面から突出して形成される複数の保護部をさらに備え、各前記保護部は、各前記プレスフィット端子を平面視において少なくとも部分的に囲んで形成され、前記支持部の上面は、各前記保護部の上面よりも前記外形ケースの上面から突出する。

このような構成によれば、外形ケースの上面は、支持部のみが外部基板と接触することとなる。よって、外部基板の穴などへプレスフィット端子を挿入する際の、外部基板による電力用半導体装置への機械的応力を抑制することができる。

本技術に関する目的と、特徴と、局面と、利点とは、以下に示される詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。

実施形態に関する電力用半導体装置の構造を例示する平面図である。実施形態に関する電力用半導体装置の構造を例示する断面図である。実施形態に関する電力用半導体装置の内部構造を例示する断面図である。外部基板の断面形状を概略的に示す拡大図である。外部基板が取り付けられた後の電力用半導体装置の構造を例示する平面図である。外部基板が取り付けられた後の電力用半導体装置の構造を例示する側面図である。外部基板が取り付けられた後の電力用半導体装置の構造を例示する正面図である。外形ケースに設けられた状態のプレスフィット端子の構造を例示する図である。複数のプレスフィット端子が一体化された構造を例示する図である。外形ケースの上面におけるプレスフィット端子などの構造を例示する図である。プレスフィット端子を挿入している間の抵抗力の波形を例示する図である。変形例に関する電力用半導体装置の内部構造を例示する正面図である。変曲点がない場合の、プレスフィット端子の構造を例示する正面図である。変曲点がない場合の、プレスフィット端子の構造を例示する側面図である。くびれ部が設けられた場合の、プレスフィット端子の構造を例示する側面図である。

以下、添付される図面を参照しながら実施形態について説明する。なお、図面は概略的に示されるものであり、異なる図面にそれぞれ示される画像の大きさと位置との相互関係は、必ずしも正確に記載されるものではなく、適宜変更され得るものである。また、以下に示される説明では、同様の構成要素には同じ符号を付して図示し、それらの名称と機能とについても同様のものとする。よって、それらについての詳細な説明を省略する場合がある。

また、以下に示される説明において、「上」、「下」、「側」、「底」、「表」または「裏」などの特定の位置と方向とを意味する用語が用いられる場合があっても、これらの用語は、実施形態の内容を理解することを容易にするために便宜上用いられるものであり、実際に実施される際の方向とは関係しない。

＜実施形態＞
＜構成＞
以下、本実施形態に関する電力用半導体装置について説明する。

図１は、本実施形態に関する電力用半導体装置の構造を例示する平面図である。また、図２は、本実施形態に関する電力用半導体装置の構造を例示する断面図である。

電力用半導体装置は外形ケース１１によって覆われる。外形ケース１１は、インサート成形されたケースである。外形ケース１１の材料は、たとえば、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅｓｕｌｆｉｄｅｒｅｓｉｎ、すなわちＰＰＳ）である。外形ケース１１には、ヒートシンク１０１を取り付けるための取り付け穴１２が形成される。なお、ヒートシンク１０１は、電力用半導体装置が使用された際に、発生した熱を放熱するための部材である。

外形ケース１１の上面には、外部回路などとの電気的な接続を確保するためのプレスフィット端子３１が設けられる。ここで、プレスフィット端子とは、はんだ付けなどをせずに、穴などに挿入されることによって保持される端子をいう。図２においては、先端が一体化された外形ケース１１の四隅付近には、取り付けられた外部基板（ここでは図示せず）をネジ止めするためのネジ穴１３がそれぞれ形成される。図１に示される場合では、ネジ穴１３は、合計４箇所形成される。

外形ケース１１の上面には、プレスフィット端子３１を平面視において少なくとも部分的に囲む端子保護部５２と、外形ケース１１の上面から突出して形成される基板支持部５１とが設けられる。

端子保護部５２は、外形ケース１１の上面から突出して形成されるが、基板支持部５１は、端子保護部５２よりもさらに突出して形成される。

基板支持部５１は、図２に示される例では、外形ケース１１の四隅付近にそれぞれ形成される。基板支持部５１は、四隅のそれぞれにおいて、それぞれ少なくとも１つ形成される。

図３は、本実施形態に関する電力用半導体装置の内部構造を例示する断面図である。以下、図３を参照しつつ、電力用半導体装置の内部構造について説明する。なお、図３においては、プレスフィット端子３１に関する構造は簡略的に示される。

電力用半導体装置には回路基板１０３が搭載される。回路基板１０３においては、厚さが２ｍｍ程度である銅ベース板２１上に、絶縁層としての樹脂層２２を挟んで、厚さが５００μｍ程度である銅パターン２６が形成される。

さらに、一部の銅パターン２６上に、シリコン（Ｓｉ）の電力用半導体素子である絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ｉｎｓｕｌａｔｅｄｇａｔｅｂｉｐｏｌａｒｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、すなわちＩＧＢＴ）２４がはんだを用いて接合される。また、一部の銅パターン上２６に、ｆｒｅｅ−ｗｈｅｅｌｉｎｇｄｉｏｄｅ（ＦＷＤ）２５がはんだを用いて接合される。

ＩＧＢＴ２４上およびＦＷＤ２５上には、直径が２００μｍ程度以上４００μｍ程度以下であるアルミニウムワイヤー２７が複数本ワイヤーボンディングされる。そして、ＩＧＢＴ２４は、アルミニウムワイヤー２７を通じて、銅パターン２６上またはプレスフィット端子３１のワイヤーボンディング部（ここでは図示せず）に接続される。同様に、ＦＷＤ２５は、アルミニウムワイヤー２７を通じて、銅パターン２６上またはプレスフィット端子３１のワイヤーボンディング部に接続される。なお、銅パターン２６はさらに端子１００に接続される。

また、外形ケース１１の内部にはエポキシ樹脂が充填される。

図４は、外部基板の断面形状を概略的に示す拡大図である。外部基板４１は、厚さが１．６ｍｍ程度（実測値は１．２ｍｍ程度以上２．０ｍｍ程度以下となる）である。

外部基板４１の基材４２には、ｆｌａｍｅｒｅｔａｒｄａｎｔｔｙｐｅ−４（ＦＲ−４）が用いられる。また、外部基板４１は、基板の表裏および内部に回路パターン４３が形成されることによって、基板と回路パターン４３とを合わせて４つの層を有する基板である。なお、図４においては、基板の内部に形成される回路パターン４３は図示されない。

回路パターン４３の厚さは３５μｍ程度である。ただし、基板の表裏に形成される回路パターン４３は、後述の貫通穴を銅めっきする際に当該めっきの厚さ分が加わるため、最終的には６０μｍ程度以上８５μｍ程度以下となる。

外部基板４１には、貫通穴４４が形成される。貫通穴４４には、プレスフィット端子３１が挿入される。表面処理された貫通穴４４の内壁には、銅めっき４５が形成される。銅めっき４５の厚さは、２５μｍ程度以上５０μｍ程度以下である。銅めっき４５上には、銅の酸化を防止するための無電解Ｓｎめっきが形成される。無電解Ｓｎめっきの厚さは、１μｍ程度である。貫通穴の直径は２．２ｍｍ程度である。

また、電力用半導体装置が取り付けられる前の外部基板４１には、電力用半導体装置を駆動させるための部品（ここでは図示せず）が搭載される。そのため、外部基板４１自体の初期の反り、または、電力用半導体装置を駆動させるための部品が外部基板４１にはんだ付けされた後に生じる応力の影響による反りとして、外部基板４１には２００μｍ程度の反りが発生する。

図５は、外部基板が取り付けられた後の電力用半導体装置の構造を例示する平面図である。また、図６は、外部基板が取り付けられた後の電力用半導体装置の構造を例示する側面図である。また、図７は、外部基板が取り付けられた後の電力用半導体装置の構造を例示する正面図である。図５から図７を参照しつつ、電力用半導体装置への外部基板の取り付けについて説明する。なお、図７においては、外形ケース１１の上面である溝部５３と、溝部の幅５３ａとが示される。

電力用半導体装置のプレスフィット端子３１は、外部基板４１の貫通穴４４に挿入される。そして、貫通穴４４の内壁に形成された銅めっきまたは最表面のＳｎめっきと、プレスフィット端子３１とが接触することで、両者の電気的な接続が確保される。

ここで、プレスフィット端子３１について、図８を参照しつつ詳細に説明する。図８は、外形ケースに設けられた状態のプレスフィット端子の構造を例示する図である。

プレスフィット端子３１は、先端側のプレスフィット部３２と、胴体部３３と、外形ケース１１内に埋め込まれる埋め込み部３４と、ワイヤーボンド部３５とを備える。プレスフィット部３２は、外部基板４１の貫通穴４４に挿入されることによって、貫通穴４４とプレスフィット端子３１とを電気的に接続させる部分である。

プレスフィット部３２の表面および胴体部３３の表面には、電気接点として一般的に用いられるＮｉ下地Ｓｎめっきが施される。また、ワイヤーボンド部３５には、アルミニウムによるワイヤーボンドが可能となるようにＮｉめっきが施される。

プレスフィット部３２の板厚は０．８ｍｍ程度であり、プレスフィット部３２の中心からの最大幅は１．１５ｍｍ程度である。プレスフィット端子３１が外部基板４１の貫通穴４４に挿入された後に、プレスフィット端子３１と外部基板４１とが摩擦などによって適切に固定されるように、プレスフィット部３２の幅は貫通穴４４の直径よりもやや大きい。

プレスフィット部３２は、貫通穴４４の内壁との接触を確保するため、内部に開口部３６を有して外側に膨らんだ形状（ニードルアイ形状とも称する）である。また、プレスフィット部３２の、プレスフィット端子３１の挿入方向と垂直な面における断面形状は、貫通穴４４の内壁の円筒形状に追随して接触面積が大きくなるように、外周部の四隅が円弧状である。

通電する電流値が大きい場合、複数のプレスフィット端子が一体化されたプレスフィット端子３１ａを用いることができる。図９は、複数のプレスフィット端子が一体化された構造を例示する図である。なお、一体化された各プレスフィット端子を「ピン」と称する場合がある。

図９に示される場合では、１ピンあたりの許容される電流値は６７Ａ程度である。よって、３ピンを一体化させると２００Ａ程度の電流を通電することができる。複数のピンを一体化させることで、各ピンにおける胴体部３３の断面積が増大するため、通電時の発熱量を抑制することができる。そのため、一体化されたプレスフィット端子３１ａにおける温度上昇を抑制することができる。なお、信号送信用のピンなどであれば、１ピンあたり数Ａ程度の通電が想定されるに過ぎないため、複数のピンを一体化させる必要はない。

図１０は、外形ケース１１の上面におけるプレスフィット端子３１などの構造を例示する図である。図１０に例示されるように、端子保護部５２は、端子保護部の上面５２ａと、端子保護部の側壁５２ｂと有する。

プレスフィット部３２の、プレスフィット端子３１の挿入方向と垂直な面における断面積は、プレスフィット端子３１の先端側よりも根元側が大きい。または、プレスフィット部３２の、プレスフィット端子３１の挿入方向と垂直な面における断面積は、プレスフィット端子３１の根元側から先端側へ向けて増大し、ある地点（変曲点）を過ぎると先端側へ向けて減少する。

また、断面積の増減が変化する変曲点がある場合は、プレスフィット端子３１が外形ケース１１に埋め込まれた状態で、変曲点は、外形ケース１１の上面における基板支持部５１の上面よりも上に位置する。また、外部基板４１が電力用半導体装置に取り付けられた後では、上記の変曲点は貫通穴４４内に位置する。

さらに、開口部３６の根元側の端部、すなわち、開口部３６の最も根元側の内壁は、外形ケース１１の上面における端子保護部の上面５２ａよりも下に位置する。これは、プレスフィット端子３１のバネ性を確保するためである。このようにすることで、外形ケース１１の上面からのプレスフィット端子３１の出代を小さくすることができる。よって、外部基板４１が取り付けられた状態の電力用半導体装置の外形を小さくすることができる。

プレスフィット端子３１は、端子保護部の上面５２ａと端子保護部の側壁５２ｂとを有する端子保護部５２によって周囲を囲まれる。よって、端子保護部の側壁５２ｂによって端子間の沿面距離を長くすることができる。そのため、異電極間の端子距離を縮めることができる。すなわち、製品を小さくすることができる。

端子保護部の上面５２ａは、平面視において複数の基板支持部５１に挟まれて位置する。外形ケース１１の上面である溝部５３は、平面視において、複数の端子保護部の上面５２ａに挟まれて位置する。

基板支持部５１の高さを基準とすると、端子保護部の上面５２ａは１ｍｍ程度低い。また、基板支持部５１の高さを基準とすると、外形ケース１１の上面である溝部５３は４ｍｍ程度低い。また、溝部の幅５３ａは、２．７３ｍｍ程度である。

図１３は、変曲点がない場合の、プレスフィット端子３１の構造を例示する正面図である。図１３に例示されるように、プレスフィット部３２の幅方向の長さ（図１３における左右方向の長さ）が、プレスフィット端子３１の先端側に向けて減少する。このような構造とすることで、プレスフィット部３２の、プレスフィット端子３１の挿入方向と垂直な面における断面積が、プレスフィット端子３１の先端側よりも根元側が大きい構造を実現することができる。

図１４は、変曲点がない場合の、プレスフィット端子３１の構造を例示する側面図である。図１４に例示されるように、プレスフィット部３２の厚さ方向の長さ（図１４における左右方向の長さ）が、プレスフィット端子３１の先端側に向けて減少する。このような構造とすることで、プレスフィット部３２の、プレスフィット端子３１の挿入方向と垂直な面における断面積が、プレスフィット端子３１の先端側よりも根元側が大きい構造を実現することができる。

＜作用＞
このような構造とした理由を以下で説明する。

電力用半導体装置の外形の大きさは、一般に数十ｍｍ程度から数百ｍｍ程度である。電力用半導体装置の外形の大きさが比較的大きいため、組み立てに用いられる部材の製造誤差の影響が大きい。よって、プレスフィット端子が設けられる位置も、設計寸法に対して最大で０．２５ｍｍ程度のずれを見込む必要がある。さらに、プレスフィット端子が挿入される外部基板の穴の位置についても、最大で０．１ｍｍ程度のずれを見込む必要がある。これらのずれを足し合わせると、最大で０．３５ｍｍ程度のずれを見込む必要がある。

このように比較的大きなずれが見込まれる設計であるため、プレスフィット端子の先端が外部基板の穴に適切に誘導されない場合がある。プレスフィット端子が外部基板の穴に適切に誘導されないと、プレスフィット端子が座屈する場合がある。その場合、外部基板における外部回路と電力用半導体装置との間を電気的に接続できない。

上記のようなずれに対して許容範囲の広いプレスフィット端子として、ニードルアイ形状のプレスフィット端子がある。ニードルアイ形状のプレスフィット端子を用いる場合、プレスフィット端子を外部基板の穴などに挿入する際の抵抗力（主に摩擦抵抗）を低減するために、プレスフィット端子の厚さを薄くしまたは幅を狭くし、プレスフィット端子の挿入方向と垂直な面における断面積を小さくすることが望ましい。しかし、電力用半導体装置にニードルアイ形状のプレスフィット端子を用いる場合には、プレスフィット端子に数十Ａ程度の電流が通電することとなるため、発熱量を抑える観点では、プレスフィット端子の挿入方向と垂直な面における断面積を大きくすることが望ましい。

本実施形態によれば、電力用半導体装置または外部基板の製造誤差が生じた場合でも、ニードルアイ形状のプレスフィット端子３１を用いることで、プレスフィット端子３１は外部基板４１の貫通穴４４内に挿入され、プレスフィット部３２と貫通穴４４とを適切に接触させることができる。よって、信頼性の高い電力用半導体装置を実現することができる。

また、本実施形態によれば、プレスフィット部３２の、プレスフィット端子３１の挿入方向と垂直な面における断面積が先端側で小さいことで、貫通穴４４にプレスフィット端子３１が挿入される際の抵抗力（主に摩擦抵抗）を低減することができる。これは、変曲点がある場合でも、ない場合でも同様である。

また、プレスフィット部３２の根元側の断面積を大きいことで、通電経路における熱容量が大きくなる。そのため、局所的な発熱による温度上昇を抑制することができる。したがって、１ピン辺りの許容電流を上げることができ、電力用半導体装置で用いられるピンの数を減らすことができる。よって、電力用半導体装置を小さくすることができる。なお、これは、変曲点がある場合でも、ない場合でも同様である。

図１１は、プレスフィット端子を挿入している間の抵抗力の波形を例示する図である。図１１においては、縦軸が抵抗力の大きさを示し、横軸が変位の大きさを示す。また、図１１において、波形ａは、プレスフィット部の断面積をプレスフィット端子の挿入方向に沿って均一、かつ比較的大きくした場合を示す。また、波形ｂは、本実施形態に関するプレスフィット部３２の場合を示す。また、波形ｃは、プレスフィット部の断面積をプレスフィット端子の挿入方向に沿って均一、かつ波形ａの場合よりも小さくした場合を示す。なお、挿入完了時の抵抗力と抜去力とには相関がある。

図１１に例示されるように、プレスフィット部の断面積を均一にして、かつ断面積を大きくすると、波形ａのように、挿入開始時の抵抗力が高くなる。波形ａのように抵抗力が高くなれば貫通穴４４の変形量も大きくなるため、隣接する貫通穴４４との間でショートが生じる可能性が高まる。

また、プレスフィット部の断面積を均一にして、かつ断面積を小さくすると、波形ｃのように、挿入開始時の抵抗力は低くなる。しかし、波形ｃのような場合には、挿入完了時の抵抗力も大きく低下してしまうため、それにともないプレスフィット端子を抜去するために必要となる力も低下してしまう。よって、プレスフィット端子を外部基板の貫通穴に固定しておくことが難しくなる。

本実施形態に関するプレスフィット部３２では、プレスフィット部３２の先端側の断面積は小さく、プレスフィット部３２の根元側の断面積は大きく形成される。変曲点を設ける場合には、プレスフィット部３２の先端から一定範囲の断面積は、プレスフィット部３２の根元側の端部より小さい。そのように形成されることで、挿入開始時の抵抗力の増大を抑制することができる。加えて、プレスフィット端子３１の根元側の剛性が高いため、プレスフィット端子３１が外部基板４１の貫通穴４４に挿入された後は、プレスフィット端子３１を抜去するために必要となる力が高く維持される。そのため、振動または温度サイクル負荷の影響によってプレスフィット端子３１が意図せず抜去されてしまうことが抑制される。

さらに、変曲点へ向けてプレスフィット端子３１の根元側から先端側に向けて断面積を増大させることで、プレスフィット端子３１の胴体部３３またはプレスフィット端子３１の胴体部３３近傍のプレスフィット部３２において、断面積が小さい領域が形成される。これにより、外部基板４１の穴の位置とプレスフィット端子３１の位置とがわずかにずれた場合であっても、上記の断面積の小さい領域において応力が吸収され、位置ずれに対する許容範囲を広げることができる。

外部基板４１には電力用半導体装置を制御するための様々な部品がはんだ付けされる。そのため、電力用半導体装置が取り付けられる前の状態で、外部基板４１に２００μｍ程度の反りが発生する場合がある。

本実施形態によれば、電力用半導体装置に取り付けられる前に、外部基板４１に反りが発生した場合であっても、外形ケース１１の上面における基板支持部５１および端子保護部５２が設けられることで、外部基板４１の反りを吸収することができる。

すなわち、取り付けられた外部基板４１は基板支持部５１と接触するため、外部基板４１は、四隅付近に設けられた基板支持部５１によって、外形ケース１１の上面に固定されることとなる。そして、基板支持部５１と端子保護部の上面５２ａとの高さ方向における隙間に、反った形状の外部基板４１が収まる。

このようにすることで、電力用半導体装置に取り付けられる前に外部基板４１に反りが発生した場合であっても、外部基板４１の反りを基板支持部５１と端子保護部の上面５２ａとの高さ方向における隙間において吸収することができる。よって、電力用半導体装置に取り付けられる前に外部基板４１の反りを強制的に矯正する必要がなくなるため、外部基板４１上の部品における損傷またははんだ付け部における損傷を抑制することができる。

さらに、電力用半導体装置の使用時に温度サイクル負荷が生じた場合、構成部材の線膨脹係数のミスマッチなどにより、電力用半導体装置と外部基板４１との間で、膨張の度合いが異なる場合もある。しかし、本実施形態によれば、上記のように外部基板４１の反りを吸収することができるため、膨張の度合いが異なることによる影響を抑制することができる。

また、外形ケース１１に溝部５３が設けられることで、次の効果を発揮する。

電力用半導体装置においては、たとえば３５ピン程度のプレスフィット端子３１が用いられるが、各プレスフィット端子３１は、１ピンあたり５０Ｎ程度以上１００Ｎ程度以下の荷重を受けて、外部基板４１の貫通穴４４に挿入される。そのため、電力用半導体装置全体では、４０００Ｎ程度という高荷重を受けて、外部基板４１に取り付けられることとなる。

前述のとおり、電力用半導体装置は、銅ベース板、ＩＧＢＴまたはダイオードチップなどの様々な線膨脹係数を有する部材によって構成される。そのため、電力用半導体装置単体が製作された後では、最大１００μｍ程度の初期反りが発生する場合がある。

電力用半導体装置が外部基板４１に取り付けられる際の高荷重により、電力用半導体装置の初期反りは矯正される。しかし、溝部５３が複数設けられることにより、プレスフィット端子３１の挿入時に外形ケース１１に発生する応力に対して、溝部５３を優先的に変形させることができる。

また、電力用半導体装置が外部基板４１に取り付けられた後には、電力用半導体装置の裏面である銅ベース板２１がヒートシンク（ここでは図示せず）に取り付けられるが、上記と同様の作用により、発生する応力を緩和することができる。さらに、温度サイクル負荷が発生した際にも、溝部５３が変形することによって外形ケース１１にかかる応力を低減することができる。

また、溝部５３が設けられることで、複数のプレスフィット端子３１間における絶縁のための沿面距離を長くすることができるため、電力用半導体装置の小さくすることができる。

さらに、外形ケース１１に端子保護部５２が設けられることで、次の効果を発揮する。

すなわち、相の異なるプレスフィット端子３１間の絶縁のための沿面距離を長くすることができ、電力用半導体装置を小さくすることができる。また、端子保護部５２の構造自体により、電力用半導体装置の剛性を高めることができる。

また、電力用半導体装置が外部基板４１に取り付けられる際に、電力用半導体装置自体の反りにより、縦方向（たとえば図３における上下方向）だけでなく横方向（たとえば図３における紙面に垂直な方向）にも応力が生じるが、縦方向の応力については、外形ケース１１の底面における銅ベース板２１により剛性を確保することができる。横方向の応力については、端子保護部５２により剛性を確保することができる。

このようにすることで、電力用半導体装置内で使用することができるプレスフィット端子３１の数が増やすことができるため、通電電流を増大させることができる。

また、プレスフィット端子３１が位置のずれた貫通穴４４に入る場合でも、プレスフィット端子３１にバネ性を確保するための空間を保持することができる。また同時に、外部からの物理的な接触によるプレスフィット端子３１の変形またはプレスフィット端子３１に生じる傷を防止することができる。

本実施形態では、内部がエポキシ樹脂で封止された電力用半導体装置が示された。しかし、内部がゲル封止され、上部が樹脂などの蓋で形成された電力用半導体装置、または、全体がトランスファーモールドされた電力用半導体装置であっても、同様に適用可能である。

また、本実施形態に関する電力用半導体装置は、電力用半導体装置の上面から端子１００が突出する構造として例示されたが、図１２に例示されるように、電力用半導体装置の側面から端子１００ａが突出する構造であっても同様に適用可能である。なお、図１２は、変形例に関する電力用半導体装置の内部構造を例示する正面図である。

また、本実施形態に関する電力用半導体装置は、銅ベース板２１上に、絶縁層としての樹脂層２２が形成され、さらにその上に銅パターン２６が形成された構造として例示された。しかし、絶縁層としてセラミックなどの材料を適用した場合、または、放熱性を向上するために当該セラミックの下に銅ベース板がはんだ付けされた構造などであっても同様に適用可能である。

＜効果＞
以下に、上記の実施形態による効果を例示する。

上記の実施形態によれば、電力用半導体装置が、外形ケース１１と、少なくとも１つのプレスフィット端子３１と、複数の支持部としての基板支持部５１とを備える。

プレスフィット端子３１は、外形ケース１１の上面に埋め込まれる。基板支持部５１は、外形ケース１１の上面から突出して形成される。

また、プレスフィット端子３１の上端は、基板支持部５１の上面よりも外形ケース１１の上面から突出する。

このような構成によれば、取り付けられた外部基板４１は基板支持部５１と接触するため、外部基板４１は、四隅付近に設けられた基板支持部５１によって、外形ケース１１の上面に固定されることとなる。そして、基板支持部５１と端子保護部の上面５２ａとの高さ方向における隙間に、反った形状の外部基板４１であっても収まる。よって、外部基板４１の穴などへプレスフィット端子３１を挿入する際の、外部基板４１による電力用半導体装置への機械的応力を抑制することができる。

なお、これらの構成以外の構成については適宜省略することができるが、本明細書に示される他の構成のうちの少なくとも１つを適宜追加した場合でも、上記の効果を生じさせることができる。

また、上記の実施形態によれば、電力用半導体装置が、複数のプレスフィット端子３１を備え、外形ケース１１の上面から突出して形成される保護部としての複数の端子保護部５２を備える。

端子保護部５２は、プレスフィット端子３１を平面視において少なくとも部分的に囲んで形成される。また、基板支持部５１の上面は、端子保護部の上面５２ａよりも外形ケース１１の上面から突出する。

このような構成によれば、プレスフィット端子間の絶縁のための沿面距離を効率的に確保することができる。また、沿面距離を確保するために電力用半導体装置の外形ケースを大きくする必要がないため、電力用半導体装置を小さくすることができる。

また、上記の実施形態によれば、プレスフィット端子３１は、プレスフィット端子３１の挿入方向と垂直な方向に貫通する開口部３６を有する。

そして、端子保護部の上面５２ａが、開口部３６の下端よりも外形ケース１１の上面から突出して位置する。

このような構成によれば、開口部３６の下端が端子保護部の上面５２ａよりも突出していないため、プレスフィット端子３１の外部基板４１からの端子出代を抑制することができる。また、電力用半導体装置を小さくすることができる。

また、上記の実施形態によれば、基板支持部５１の上面において、少なくとも１つのネジ穴１３が形成される。

このような構成によれば、外部基板４１と電力用半導体装置とをネジ止めすることができるため、双方を固定する上での信頼性が向上する。

また、上記の実施形態によれば、プレスフィット端子３１の挿入方向と垂直な平面における断面積が、プレスフィット端子３１の先端側よりも根元側の方が大きい。

このような構成によれば、外部基板４１の貫通穴４４へプレスフィット端子３１を挿入する際、挿入開始時には抵抗力（主に摩擦抵抗）を低減することができる。また、プレスフィット端子３１が外部基板４１の貫通穴４４に挿入された後は、プレスフィット端子３１を抜去するために必要となる力が高く維持される。そのため、振動または温度サイクル負荷の影響によってプレスフィット端子３１が意図せず抜去されてしまうことが抑制される。

また、プレスフィット端子３１の根元側の断面積が大きいため、大電流を通電した際の温度上昇を抑制することができる。

また、上記の実施形態によれば、プレスフィット端子３１の挿入方向と垂直な平面における断面積が、プレスフィット端子３１の根元側から先端側へ向けて増大し、かつ、変曲点を過ぎるとプレスフィット端子３１の根元側から先端側へ向けて減少する。

そして、変曲点が、基板支持部５１の上面よりも外形ケース１１の上面から突出して位置する。

＜変形例＞
上記実施形態では、各構成要素の材質、材料、寸法、形状、相対的配置関係または実施の条件などについても記載する場合があるが、これらはすべての局面において例示であって、本明細書に記載されたものに限られることはない。よって、例示されていない無数の変形例が、本技術の範囲内において想定される。たとえば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合が含まれる。

電力用半導体装置における端子の位置、または、基板における穴の位置などは、それぞれの部品の個体差、または、組み立て工程における製造誤差などによってずれる場合がある。組み立て工程における製造誤差の要因としては、たとえば、エポキシ樹脂の充填後の収縮、または、はんだ付け後の基板の反りなどが考えられる。

上記のずれの度合いが大きい状態でプレスフィット端子が穴などに挿入される場合、プレスフィット部３２が塑性変形し、接触抵抗が高くなる場合がある。

このような場合には、たとえば、図１５に例示されるように、プレスフィット端子３１ｂの胴体部３３ｂにくびれ部１０４を設けることができる。なお、図１５は、くびれ部１０４が設けられた場合の、プレスフィット端子の構造を例示する側面図である。

ここで、くびれ部１０４は、プレスフィット端子３１ｂの胴体部３３ｂにおいて、周方向に連続して凹部が形成された部分である。したがって、くびれ部１０４は、胴体部３３ｂにおける他の部分よりも、プレスフィット端子３１ｂの挿入方向と垂直な方向における幅が小さい。

このような構造であることで、くびれ部１０４が優先的に変形するため、プレスフィット部３２の塑性変形を抑制することができる。したがって、外部基板４１の貫通穴４４へプレスフィット端子３１ｂを挿入する際の、接触抵抗の上昇を抑制することができる。また、プレスフィット端子３１ｂの信頼性を高めることができる。

なお、くびれ部１０４の、プレスフィット端子３１ｂの挿入方向と垂直な断面の形状は、円弧形状、または、楕円形状などであることが望ましい。

その場合、くびれ部１０４の、プレスフィット端子３１ｂの挿入方向と垂直な断面における直径（図１５におけるＸ）は、くびれ部１０４の座屈、および、通電時の発熱による温度上昇の観点から、プレスフィット端子３１ｂの板厚、すなわち、たとえば、０．８ｍｍ以上とすることができる。

なお、くびれ部１０４の、プレスフィット端子３１ｂの挿入方向と垂直な断面における直径（図１５におけるＸ）は、大きすぎると上記のような効果を得ることが難しくなる。そのため、たとえば、１．４ｍｍ以下とすることができる。

また、くびれ部１０４において周方向に連続して形成された凹部の、プレスフィット端子３１ｂの挿入方向おける幅（図１５におけるＹ）は、くびれ部１０４を優先的に変形させるため、たとえば、１ｍｍ以下とすることができる。

また、矛盾が生じない限り、上記実施形態において「１つ」備えられるものとして記載された構成要素は、「１つ以上」備えられていてもよい。さらに、各構成要素は概念的な単位であって、１つの構成要素が複数の構造物から成る場合と、１つの構成要素がある構造物の一部に対応する場合と、さらには、複数の構成要素が１つの構造物に備えられる場合とを含む。また、各構成要素には、同一の機能を発揮する限り、他の構造または形状を有する構造物が含まれる。

また、本明細書における説明は、本技術に関するすべての目的のために参照され、いずれも、従来技術であると認めるものではない。

また、上記実施形態において、特に指定されずに材料名などが記載された場合は、矛盾が生じない限り、当該材料に他の添加物が含まれた、たとえば、合金などが含まれるものとする。

１１外形ケース、１２取り付け穴、１３ネジ穴、２１銅ベース板、２２樹脂層、２４ＩＧＢＴ、２５ＦＷＤ、２６銅パターン、２７アルミニウムワイヤー、３１，３１ａ，３１ｂプレスフィット端子、３２プレスフィット部、３３，３３ｂ胴体部、３４埋め込み部、３５ワイヤーボンド部、３６開口部、４１外部基板、４２基材、４３回路パターン、４４貫通穴、５１基板支持部、５２端子保護部、５２ａ端子保護部の上面、５２ｂ端子保護部の側壁、５３溝部、５３ａ溝部の幅、１００，１００ａ端子、１０１ヒートシンク、１０３回路基板、１０４くびれ部、ａ，ｂ，ｃ波形。

Claims

外形ケースと、
前記外形ケースの上面に埋め込まれる少なくとも１つのプレスフィット端子と、
前記外形ケースの上面から突出して形成される複数の支持部とを備え、
前記プレスフィット端子の上端は、前記支持部の上面よりも前記外形ケースの上面から突出し、
複数の前記プレスフィット端子を備え、
前記外形ケースの上面から突出して形成される複数の保護部をさらに備え、
各前記保護部は、各前記プレスフィット端子を平面視において少なくとも部分的に囲んで形成され、
前記支持部の上面は、各前記保護部の上面よりも前記外形ケースの上面から突出する、
電力用半導体装置。
各前記プレスフィット端子は、各前記プレスフィット端子の挿入方向と垂直な方向に貫通する開口部を有し、
各前記保護部の上面が、各前記開口部の下端よりも前記外形ケースの上面から突出して位置する、
請求項１に記載の電力用半導体装置。
前記支持部の上面において、少なくとも１つのネジ穴が形成される、
請求項１または請求項２に記載の電力用半導体装置。
前記プレスフィット端子の挿入方向と垂直な平面における断面積が、前記プレスフィット端子の先端側よりも根元側の方が大きい、
請求項１から請求項３のうちのいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
前記プレスフィット端子の挿入方向と垂直な平面における断面積が、前記プレスフィット端子の根元側から先端側へ向けて増大し、かつ、変曲点を過ぎると前記プレスフィット端子の根元側から先端側へ向けて減少し、
前記変曲点が、前記支持部の上面よりも前記外形ケースの上面から突出して位置する、
請求項１から請求項３のうちのいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
前記プレスフィット端子の、前記開口部よりも根元側において設けられるくびれ部をさらに備え、
前記くびれ部は、前記プレスフィット端子の挿入方向と垂直な方向における幅が、前記プレスフィット端子の他の部分よりも小さい、
請求項２に記載の電力用半導体装置。
前記くびれ部の、前記プレスフィット端子の挿入方向と垂直な断面の形状は、円弧形状、または、楕円形状である、
請求項６に記載の電力用半導体装置。