JP6617490B2

JP6617490B2 - 半導体装置

Info

Publication number: JP6617490B2
Application number: JP2015181572A
Authority: JP
Inventors: 堀　元人; 元人堀; 池田　良成; 良成池田
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2015-09-15
Filing date: 2015-09-15
Publication date: 2019-12-11
Anticipated expiration: 2035-09-15
Also published as: DE102016213914B4; DE102016213914A1; US20170077005A1; CN106531693B; CN106531693A; US10026665B2; JP2017059619A

Description

本発明は、半導体装置に関する。

従来、ＩＧＢＴ等のパワー半導体素子を樹脂ケースに収納した半導体装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１特開平１０−２７０６０８号公報

半導体装置を高耐圧化するには、外部端子と他の金属部分との沿面距離および空間距離を広げることが好ましい。

本発明の一つの態様における半導体装置は、半導体素子と、半導体素子を収容するケース部と、ケース部のおもて面に設けられた外部端子とを備える。ケース部のおもて面には、おもて面から突出する壁部が形成される。また、ケース部のおもて面には、壁部に囲まれた領域に設けられ、おもて面よりも窪んだ凹部が形成される。また、外部端子は、凹部の底面に配置されている。

なお、上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

一つの実施形態に係る半導体装置２００の斜視図である。図１におけるＡ−Ａ'断面の一例を示す図である。壁部１２および凹部１４の周囲の拡大図である。蓋部２６の底部３１の形状の変形例を示す図である。凹部１４の形状の変形例を示す図である。凹部１４の構造の変形例を示す図である。ケース部１００のおもて面形状、および、外部端子２０の配置の変形例を示す図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、一つの実施形態に係る半導体装置２００の斜視図である。半導体装置２００は、ケース部１００および１以上の外部端子２０を備える。ケース部１００は、ＩＧＢＴ等の半導体素子を収納する。外部端子２０は、ケース部１００のおもて面１０に設けられる。ケース部１００は、例えば樹脂等の絶縁材料で形成される。外部端子２０は、ケース部１００に収納された半導体素子等の電気部品と、ケース部１００の外部とを電気的に接続する金属端子である。

なおケース部１００のおもて面１０とは、ケース部１００が有する面のうちの任意の面を指しており、地面と逆側の面には限定されない。また、本明細書における「上」および「下」等の方向を指す用語は、重力方向を基準としたものではなく、相対的な方向を示している。

本例のケース部１００は概ね直方体形状を有する。ただし、直方体のそれぞれの面は平面に限定されず、各面には適宜凹凸、切欠き等が形成されている。ケース部１００において、おもて面１０の逆側の面を裏面、おもて面１０および裏面を接続する面を側面１６と称する。また、裏面からおもて面１０に向かう方向を上方向、おもて面１０から裏面に向かう方向を下方向とする。

ケース部１００のおもて面１０には、壁部１２および凹部１４が設けられる。壁部１２は、おもて面１０から上方に突出する。本例において壁部１２は、ケース部１００のおもて面において最も上方に突出している部分を有している。壁部１２は、おもて面１０における所定の領域を囲んで設けられる。本例の壁部１２は、おもて面１０の縁に沿って設けられ、おもて面１０の全体を囲む。ただし、壁部１２はおもて面１０の縁から離れて設けられていてもよい。

凹部１４は、壁部１２により囲まれた領域に設けられる。凹部１４は、おもて面１０よりも窪んでいる。本例において凹部１４は、ケース部１００のおもて面において最も下方に窪んでいる部分を有している。凹部１４の少なくとも一部は、壁部１２から離れて設けられる。凹部１４の全体が、壁部１２から離れて設けられていてもよい。

凹部１４の底面には、１以上の外部端子２０が配置される。このような構造により、外部端子２０と、他の金属部材との沿面距離および空間距離を大きくすることができる。例えば、ケース部１００の裏面には放熱板等の金属部材が設けられる場合がある。本例の半導体装置２００によれば、ケース部１００のおもて面１０に壁部１２および凹部１４を設けているので、金属部材と外部端子２０の沿面距離および空間距離を大きくすることができる。

また、本例のケース部１００の側面１６には、凹凸部１８が設けられる。凹凸部１８は、ケース部１００のおもて面１０と裏面とを結ぶ方向において、突起および窪みを交互に有する。このような構造により、ケース部１００の裏面の金属部材と外部端子２０との沿面距離を更に大きくすることができる。

なお、半導体装置２００において、壁部１２には外部端子２０が設けられていないことが好ましい。本例では、全ての外部端子２０が、凹部１４の底面に設けられる。このような構造により、すべての外部端子２０と、ケース部１００の裏面の金属部材との沿面距離および空間距離を大きくとることができるので、半導体装置２００を高耐圧化することができる。

図２は、図１におけるＡ−Ａ'断面の一例を示す図である。本例のケース部１００は、容器部２１および蓋部２６を有する。本例においては、蓋部２６のおもて面に、壁部１２および凹部１４が設けられる。容器部２１は、半導体素子２８等の電気部品を収容する。本例の容器部２１は、金属板２４および側壁部２２を有する。

金属板２４は、ケース部１００の底部の少なくとも一部として設けられる。金属板２４の上には、半田部３４、積層基板３５、半田部４２および半導体素子２８が順に載置される。積層基板３５は、回路層４０、絶縁層３８及び金属層３６がこの順に積層して構成されるものである。積層基板３５は例えばＤＣＢ（ＤｉｒｅｃｔＣｏｐｐｅｒＢｏｎｄｉｎｇ）基板である。積層基板３５は、半田部３４を介して、金属板２４のおもて面に固定される。金属板２４は放熱板として機能する。

半導体素子２８は、半田部４２により、積層基板３５の回路層４０に固定される。回路層４０は、所定の回路パターンで構成されており、半導体素子２８と外部端子２０とを接続する。外部端子２０は、ケース部１００の蓋部２６を貫通して設けられる。外部端子２０の一端は回路層４０に接続され、他端は蓋部２６のおもて面に露出する。本例においては、外部端子２０を囲んで絶縁部４６が設けられる。

また、本例の半導体素子２８のおもて面電極には、導電性のピン３０が接続される。ピン３０は、半導体素子２８と配線板３２とを接続する。また、配線板３２は、他のピン３０を経由して回路層４０に接続される。配線板３２は、例えばプリント基板である。

側壁部２２は、金属板２４上に配置された電気部品を囲んで設けられる。側壁部２２は、例えば絶縁樹脂で構成される。側壁部２２と金属板２４は、接着剤等で固定される。本例の側壁部２２は、金属板２４の縁に沿って設けられる。つまり、側壁部２２は筒状に設けられ、一方の開口は金属板２４により覆われている。また、側壁部２２で囲まれる空間の一部には、封止部５０が設けられる。封止部５０は、例えばシリコーンゲル等の絶縁材料で構成される。

封止部５０は、少なくとも半導体素子２８を封止するように配置される。筒状の側壁部２２の、金属板２４とは逆側の開口は、蓋部２６により覆われる。側壁部２２は、金属板２４のおもて面とほぼ垂直な方向に延伸する。本例の側壁部２２の側面１６には、凹凸部１８が設けられる。

側壁部２２のおもて面には、壁部１２および支持部１３が設けられる。支持部１３は、蓋部２６の端部２７と接触して、蓋部２６を支持する。側壁部２２の支持部１３と蓋部２６とは、接着剤またはねじ等で固定される。

壁部１２は、支持部１３よりも上方に突出する。また、壁部１２は、支持部１３により支持される蓋部２６の端部２７よりも上方に突出する。本例の壁部１２は、矩形の断面を有するが、壁部１２の断面形状は矩形に限定されない。壁部１２の一部の領域は曲面であってもよい。支持部１３は、おもて面１０において壁部１２よりも内側に配置される。

蓋部２６は、容器部２１の開口を覆うように配置される。本例の蓋部２６は、端部２７、底部３１および接続部２９を有する。端部２７、底部３１および接続部２９は、絶縁樹脂で一体に形成される。

本例の底部３１は、容器部２１の側面１６と垂直な方向に延伸する板形状を有する。本例の底部３１は、側壁部２２により形成される筒形状の内部に配置される。この場合、底部３１を、側壁部２２の支持部１３よりも下方に配置することができる。これにより、凹部１４の底面をより下方に設け、外部端子２０と金属板２４との沿面距離および空間距離を容易に広げることができる。

接続部２９は、底部３１の外縁部と、端部２７の内縁部とを接続する。接続部２９の一部は、支持部１３よりも下方に設けられる。端部２７は、容器部２１の側面と垂直な方向に延伸する面を有する。端部２７の裏面は、支持部１３に接触する。端部２７のおもて面は、壁部１２の上端よりも下方に設けられる。

また、底部３１を貫通して外部端子２０が設けられる。また、外部端子２０は、底部３１に設けたねじ穴４８と対向する位置まで延伸して、ねじ等により底部３１に固定される。外部端子２０の上端は、凹部１４の内部に設けられることが好ましい。つまり、外部端子２０の上端は、端部２７のおもて面よりも下方に配置されることが好ましい。これにより、外部端子２０と金属板２４との空間距離を広げることができる。

本例によれば、ケース部１００の上面に壁部１２および凹部１４を設けることができる。このため、金属板２４と外部端子２０との間の、ケース部１００の外面に沿った沿面距離および空間距離を広げることができ、半導体装置２００を高耐圧化することができる。

図３は、壁部１２および凹部１４の周囲の拡大図である。本例では、蓋部２６の端部２７のおもて面から見た壁部１２の高さをＨ１、凹部１４の深さをＨ２、側壁部２２の高さをＨ３、壁部１２の幅をＬ１、端部２７の幅をＬ２、接続部２９から外部端子２０までの距離をＬ３、凹凸部１８の深さをＬ４とする。また、凹凸部１８の窪みの段数をＮとする。

金属板２４と外部端子２０との沿面距離は、概ねＨ１＋Ｈ２＋Ｈ３＋Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３＋Ｎ・Ｌ４となる。一方で、壁部１２および凹部１４を設けない場合、沿面距離は、概ねＨ３＋Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３＋２Ｎ・Ｌ４となる。

外部端子２０の位置は、収納する電気部品の仕様で定まるので、Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３を大きくしようとすると、ケース部１００の横方向の幅を大きくしなければならない。また、Ｈ３および２Ｎ・Ｌ４を大きくしようとすると、ケース部１００を高くしなければならない。このため、壁部１２および凹部１４を設けない場合、沿面距離を大きくしようとすると、ケース部１００自体が大きくなってしまう。これは、空間距離についても同様である。

一方、壁部１２および凹部１４を設けることで、Ｈ１およびＨ２を調整できるので、ケース部１００自体を大きくせずに、沿面距離および空間距離を広げることができる。特に凹部１４を側壁部２２で囲まれる筒状の空間内に配置する場合、Ｈ２を大きくすることが容易となる。

本例の凹部１４の深さＨ２は、壁部１２の高さＨ１よりも大きい。これにより、外部端子２０と金属板２４との沿面距離および空間距離をより広げることができる。一例として、凹部１４の深さＨ２は、壁部１２の高さＨ１の２倍以上である。凹部１４の深さＨ２は、壁部１２の高さＨ１の４倍以上であってもよい。また、本例の凹部１４の深さＨ２は、５ｍｍ以上である。凹部１４の深さＨ２は、１０ｍｍ以上であってもよく、１５ｍｍ以上であってもよい。

なお、図１〜図３に示した例において、壁部１２とは、ケース部１００のおもて面１０において最も上方に配置された上面を含む。また、凹部１４とは、ケース部１００のおもて面１０において最も下方に配置された底面を含む。また、壁部１２の上面および凹部１４の底面の間に設けられた面のうち、最も面積の大きい平坦面を基準面とする。壁部１２の高さＨ１は、当該基準面から、壁部１２の上面までの高さを指す。凹部１４の深さＨ２は、当該基準面から、凹部１４の底面までの深さを指す。図２に示した例のように、蓋部２６の端部２７が、側壁部２２の支持部１３に支持される構造においては、当該基準面を端部２７のおもて面として、高さＨ１および深さＨ２を定めてもよい。

また、外部端子２０の少なくとも一部の領域は、ケース部１００のおもて面１０の法線に対して傾きを有する方向に延伸する。本例の外部端子２０は、第１領域２３および第２領域２５を有する。第１領域２３は、蓋部２６の底部３１を貫通する。第２領域２５は、第１領域２３の端部から、ケース部１００のおもて面１０と平行な方向に延伸する。第２領域２５は、少なくともねじ穴４８と対向する位置まで延伸する。第２領域２５は、ねじ等により、底部３１に固定される。

このように、外部端子２０が凹部１４内で屈曲していることで、外部端子２０が凹部１４の底面から突出する高さを抑制できる。このため、外部端子２０と金属板２４との空間距離を広げることができる。

（変形例１）
図４は、蓋部２６の底部３１の形状の変形例を示す図である。本例の底部３１は、１以上のねじ穴４８、および、１以上の溝部５２を有する。底部３１に溝部５２を設けることで、外部端子２０と金属板２４との沿面距離を更に広げることができる。ねじ穴４８は、外部端子２０毎に設けられ、外部端子２０を底部３１に固定する。

少なくとも一つの溝部５２は、底部３１の表面（すなわち、凹部１４の底面）において、ねじ穴４８を囲むように設けられる。これにより、ねじ穴４８に挿入される金属のねじと、他の金属部材との沿面距離を広げることができる。

また、本例における底部３１には、外部端子２０および接続部２９との間にも溝部５２が設けられる。また、２つの外部端子２０の間にも溝部５２が設けられる。これにより、外部端子２０と他の金属部材との沿面距離を広げることができる。

（変形例２）
図５は、凹部１４の形状の変形例を示す図である。本例の凹部１４は、深さの異なる第１領域５４および第２領域５６を有する。具体的には、第１領域５４の深さＨ２１は、第２領域５６の深さＨ２２よりも大きい。それぞれの領域における凹部１４の底面には、外部端子２０が設けられる。

ケース部１００の内部空間の形状や、半導体素子などの配置により、一部の領域には深い凹部１４を形成でき、他の領域には深い凹部１４が形成できない場合も考えられる。係る場合であっても、凹部１４が深さの異なる複数の領域を有することで、領域毎に、凹部１４の深さを最大化することができる。

なお、深い第１領域５４には、比較的に高電圧が印加される外部端子２０が露出することが好ましい。浅い第２領域５６には、低電圧または接地電位が印加される外部端子２０が露出することが好ましい。これにより、高電圧が印加される外部端子２０に係る沿面距離を、更に広げることができる。

なお、変形例２は、変形例１と組み合わせることもできる。この場合、第１領域５４および第２領域５６の少なくとも一方の領域の底面に、１以上の溝部５２が設けられる。これにより、沿面距離を大きくすることができる。

（変形例３）
図６は、凹部１４の構造の変形例を示す図である。本例の凹部１４の内部には、外部端子２０の少なくとも一部を封止する封止部６０が設けられる。また、ねじ穴４８に挿入され、且つ、外部端子２０と電気的に接続する接続端子５８が、凹部１４の内部に挿入される。一例として接続端子５８は、半導体装置２００と電気的に接続する外部装置の端子である。また、接続端子５８は、外部端子２０との接続部以外は絶縁樹脂５７で封止され、接続ユニット５９として一体化されている。

封止部６０は、例えばシリコーンゲル等の絶縁材料で構成される。本例の封止部６０は、外部端子２０の全体及び接続端子５８の露出部を覆うように配置される。凹部１４の内部に外部端子２０が設けられているので、外部端子２０を封止する封止部６０を容易に設けることができる。また、外部端子２０及び接続端子５８は、凹部１４において、封止部６０及び絶縁樹脂５７で封止されていることから、短絡を確実に防止することもできる。このような構造により、外部端子２０の周囲の耐圧を向上させることができる。なお変形例３は、変形例１および変形例２のいずれか、または、両方と組み合わせることができる。

（変形例４）
図７は、ケース部１００のおもて面形状、および、外部端子２０の配置の変形例を示す図である。図７においては、ケース部１００の上面を示している。本例において凹部１４の開口形状と、ケース部１００のおもて面形状は、互いに相似する形状を有する。本例では、相似する２つの形状の一方において、角部等の一部が切り欠かれている場合は、互いに相似する形状に含める。

本例におけるケース部１００のおもて面形状および凹部１４の開口形状は矩形である。２つの矩形の長辺および短辺の比はほぼ等しい。ただし、ケース部１００のおもて面の矩形のそれぞれの角部には、内側に凸となるような切欠きが設けられている。当該切欠きは、ケース部１００の底面側の一部分が残るように設けられる。つまり、ケース部１００のおもて面は角部が切り欠かれた矩形であり、ケース部１００の底面は角部が切り欠かれていない矩形である。おもて面側から見て、ケース部１００の角部には底部６１が露出する。露出した底部６１には、例えば半導体装置２００を固定するための貫通孔６４が設けられる。

ケース部１００の角部が切り欠かれている場合、切り欠かれた角部の側面１６には、図１に示したような凹凸部１８を形成しにくい。このため、当該部分の側面１６における沿面距離は小さくなる。

一方、凹部１４の矩形形状に沿って、複数の外部端子２０をマトリクス状に配置した場合、マトリクスの角部６２に配置した外部端子２０と、ケース部１００の裏面の金属板２４との間において、ケース部１００の角部を通過する経路の沿面距離が小さくなる。

本例の半導体装置２００においては、複数の外部端子２０を配置する矩形形状の角部６２には、外部端子２０を配置しない。これにより、金属板２４との沿面距離が比較的に小さくなる場所に外部端子２０が設けられないので、ケース部１００の角部に切欠きを設けても半導体装置２００の耐圧を維持することができる。なお変形例４は、変形例１から３４のいずれか、または、これらの組み合わせと組み合わせることができる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１０・・・おもて面、１２・・・壁部、１４・・・凹部、１６・・・側面、１８・・・凹凸部、２０・・・外部端子、２１・・・容器部、２６・・・蓋部、２８・・・半導体素子、３０・・・ピン、３２・・・配線板、３４・・・半田部、３５・・・積層基板、４２・・・半田部、４６・・・絶縁部、４８・・・ねじ穴、５０・・・封止部、１００・・・ケース部、２００・・・半導体装置

Claims

半導体素子と、
前記半導体素子を収容するケース部と、
前記ケース部のおもて面に設けられた外部端子と
を備え、
前記ケース部の前記おもて面には、
前記おもて面から突出する壁部と、
前記壁部に囲まれた領域に設けられ、前記おもて面よりも窪んだ凹部と
が形成され、
前記外部端子が、前記凹部の底面に配置されている半導体装置。
前記壁部には、外部端子が設けられていない
請求項１に記載の半導体装置。
前記外部端子の上端は、前記凹部内に設けられる
請求項１または２に記載の半導体装置。
前記外部端子の少なくとも一部の領域は、前記ケース部のおもて面の法線に対して傾きを有する方向に延伸する
請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体装置。
前記凹部の深さは、前記壁部の高さよりも大きい
請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体装置。
前記凹部の深さは、前記壁部の高さの２倍以上である
請求項５に記載の半導体装置。
前記ケース部は、
前記半導体素子を収容し、開口を有する容器部と、
前記容器部の開口を覆う蓋部と
を備え、
前記蓋部のおもて面に、前記凹部が形成される
請求項１から６のいずれか一項に記載の半導体装置。
前記ケース部の側面に凹凸部が形成された
請求項１から７のいずれか一項に記載の半導体装置。
前記凹部の深さが５ｍｍ以上である
請求項１から８のいずれか一項に記載の半導体装置。
前記凹部は、深さの異なる第１領域および第２領域を有する
請求項１から９のいずれか一項に記載の半導体装置。
前記凹部の底面には、
前記外部端子を前記底面に固定するねじ穴と、
前記ねじ穴を囲む溝部と
が形成されている請求項１から１０のいずれか一項に記載の半導体装置。
前記凹部の内部に設けられ、前記外部端子の少なくとも一部を封止する封止部を更に備える
請求項１から１１のいずれか一項に記載の半導体装置。
前記凹部の開口および前記ケース部のおもて面は、互いに相似する形状を有する
請求項１から１２のいずれか一項に記載の半導体装置。
前記ケース部のおもて面は、角部が切り欠かれた矩形形状を有し、
前記凹部の開口は矩形形状を有し、
前記凹部の底面には、複数の前記外部端子が矩形形状に沿って配置され、
前記矩形形状の角部には、前記外部端子が配置されていない
請求項１３に記載の半導体装置。