JP6780781B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

この発明は、例えば大電力の制御に用いられる半導体装置に関する。
例えば電力用半導体装置と呼ばれる大電力を扱う半導体装置では、半導体素子に制御端子を設け、その制御端子によりゲートへの電圧印加、電流検出および温度検出のための信号の取り出しを行う。この制御端子を制御用の基板に接続するため、制御端子にはある程度の長さが必要である。また、制御端子はむき出しであることから外部からのノイズの影響を受けやすい。
高い信頼性が求められる電力用半導体装置などにおいては、制御端子を制御基板へ直接接続しはんだ接合することで両者を確実に固定する必要がある。電気接続として一般的に用いられるソケットなど簡易的に取り外しできる接続は好ましくない。このことから、半導体素子から制御基板に至るまで比較的長い制御端子部がむき出しになる。外部に露出した制御端子は外来ノイズを受けやすくなり、誤動作または信号の誤検出が生じることがあった。なお、外来ノイズとは、例えば半導体素子からのノイズまたは負荷配線からのノイズである。
特許文献1にはシールドを備えた電子部品用ソケットが開示されている。特許文献2には端子を基板に直接接続しシールド電位を端子と接触させることでシールド効果を持たせる構造が開示されている。
日本特開2013−239278号公報 日本特開2004−200235号公報
特許文献1に開示の電子部品用ソケットは、接触抵抗または耐振動性の観点から、高い信頼性が求められる電力用半導体装置などには適用できない問題があった。特許文献2に開示の技術ではシールド電位をいずれかの端子の電位と一致させなければならないので、配線インダクタンスの影響でノイズ電圧が発生し、安定したシールドを供給することができなかった。例えばエミッタ端子を基準にシールドした場合、ゲートオンオフの瞬間にゲート−エミッタ間に大電流が流れるため、制御端子よりも制御基板側のエミッタ配線のインダクタンスの影響で、ノイズ電圧がシールドにのる懸念があった。また、カソード端子を基準にシールドした場合、アノード−カソード間の電位を安定して測定するために制御基板のセンサ回路内にインダクタを直結させる場合があるので、カソードがGND電位に直結されず、安定したシールド効果を得ることができなかった。
本発明は上述の問題を解決するためになされたものであり、ノイズの影響を抑制することができる半導体装置を提供することを目的とする。
本願の発明にかかる半導体装置は、貫通孔が形成された金属体と、該貫通孔を塞がずに該金属体を覆うソケットと、該金属体に接続され、該ソケットの外部に露出する接続端子と、メタルパターンと回路パターンを有する制御基板と、該金属体と接することなく該貫通孔をとおって該回路パターンに接続された制御端子を有する半導体チップと、を備え、該接続端子は該メタルパターンに接続されたことを特徴とする。
本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。
この発明によれば、制御端子のシールドに用いる金属体を制御基板のメタルパターンに接続するので、ノイズの影響を抑制した半導体装置を提供することができる。
実施の形態1に係る半導体装置の構成図である。 シールド構造と制御端子の斜視図である。 半導体装置の断面図である。 半導体装置の別の断面図である。 実施の形態2に係る半導体装置のシールド構造の斜視図である。 実施の形態2に係る半導体装置の断面図である。 実施の形態3に係る半導体装置のシールド構造の斜視図である。 実施の形態3に係る半導体装置の断面図である。 実施の形態4に係る半導体装置のシールド構造の斜視図である。 実施の形態5に係る半導体装置のシールド構造の斜視図である。 実施の形態5に係る半導体装置の断面図である。 実施の形態6に係る半導体装置のシールド構造の斜視図である。 実施の形態7に係る半導体装置のシールド構造の斜視図である。 実施の形態7に係る半導体装置の断面図である。 実施の形態8に係る半導体装置の断面図である。 実施の形態9に係る半導体装置の断面図である。
本発明の実施の形態に係る半導体装置について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係る半導体装置の構成図である。この半導体装置は制御基板10を備えている。制御基板10は、例えば、基板と、回路を構成する複数のデバイスと、デバイスを接続する回路パターンと、メタルパターンを備える。図1には、制御基板10が駆動回路12、センサ回路14および配線インダクタンス16を備えることが示されている。
制御基板10は、制御端子TG、TS、TE、TA、TKによって半導体チップ20に接続されている。半導体チップ20にはIGBT20aとダイオード20bが形成されている。別の種類のデバイスを半導体チップ20に形成してもよい。半導体チップ20は外部に伸びる制御端子TG、TS、TE、TA、TKを備えている。制御端子TG、TS、TE、TA、TKはそれぞれIGBT20aのゲート、信号端子、エミッタ、ダイオード20bのアノード、カソードに接続されている。
例えば、高い信頼性が求められる電力用半導体装置においては、むき出しの制御端子TG、TS、TE、TA、TKを制御基板10へ接続することで、制御基板10と半導体チップ20の電気的接続をとる必要がある。そのため、半導体チップ20から制御基板10まで比較的長い制御端子TG、TS、TE、TA、TKが露出する。そのような制御端子TG、TS、TE、TA、TKを外部ノイズの影響から守るためにシールド構造30が設けられている。シールド構造30は、制御端子TG、TS、TE、TA、TKを覆っている。
図2は、シールド構造30と制御端子TG、TS、TE、TA、TKの斜視図である。シールド構造30は貫通孔30cが形成された金属体30bを備えている。金属体30bの材料はシールド効果のある金属であれば特に限定されないが、例えばAl又はCuとすることができる。金属体30bには金属体30bをz方向に貫く5つの貫通孔30cが形成されている。
金属体30bはソケット30aに覆われている。ソケット30aは貫通孔30cを塞がずに金属体30bを覆う。例えば、ソケット30aを金属体30bの上下面に接触させる。ソケット30aの材料は絶縁体とすることが好ましい。
金属体30bには接続端子30dが接続されている。接続端子30dはソケット30aの外部に露出している。接続端子30dは金属体30bを外部に接続する端子である。より詳しく言えば、接続端子30dは、制御基板10上にあるシールドの基準とする電位を与える部分に金属体30bを接続するための端子である。例えば、接続端子30dは、センサ回路のように大電流が流れず配線インダクタンスによるノイズの影響が少ない回路のGND電位に接続することが好ましい。
ソケット30aの側面に取り付け部30eが取り付けられている。取り付け部30eにはネジ孔30fが形成されている。図2には、2つの取り付け部30eがソケット30aに取り付けられたことが示されている。
制御端子TG、TS、TE、TA、TKはL字型の形状を有している。制御端子TG、TS、TE、TA、TKは金属体30bと接することなく貫通孔30cをとおっている。制御端子TG、TS、TE、TA、TKは金属体30bと電気的に接触していない。制御端子TG、TS、TE、TA、TKのx方向に伸びる部分は半導体チップ20に接続され、z方向に伸びる部分は制御基板10に接続される。
図3は、半導体装置の断面図である。制御基板10には貫通孔10a、10bが設けられている。制御基板10の上面には回路パターン10Aとメタルパターン10Bが形成されている。制御端子TKは貫通孔10aを貫通している。制御端子TKははんだ40によって回路パターン10Aに接続されている。他の制御端子も同様に回路パターンに接続することができる。
接続端子30dは貫通孔10bを貫通している。接続端子30dははんだ42でメタルパターン10Bに接続されている。すなわち、接続端子30dは、制御基板10の貫通孔10bをとおって、制御基板10の上面に形成されたメタルパターン10Bにはんだ付けされている。メタルパターン10Bは、金属体30bによるシールドの基準電位を与えるパターンである。例えば、センサ回路のGND電位を与える金属をメタルパターン10Bとすることが好ましい。
図4は、半導体装置の別の断面図である。制御基板10には貫通孔10cが形成されている。ねじ50、52は貫通孔10cをとおって、取り付け部30eのネジ孔30fにネジ締めされている。こうして、制御基板10は取り付け部30eに固定されている。
制御基板10の駆動回路12から制御端子TGを介してIGBT20aのゲートにゲート駆動信号を伝送する。制御基板10は、制御端子TSから信号電流を受け、制御端子TEのエミッタ電位を検知し、制御端子TA、TKからダイオード20bの電流を検知することで、半導体チップ20の動作をモニタする。制御端子TG、TS、TE、TA、TKは金属体30bで覆われているので、外部からのノイズが制御端子TG、TS、TE、TA、TKに与える影響を抑制することができる。具体的には、外部の電圧変化又は電流変化による誘導ノイズを抑制し、誤動作を防止でき、電流センスまたは温度センスなどのセンシングを安定させることができる。さらに、接続端子30dはソケット30aと一体化されているので、接続端子30dを制御基板10の貫通孔10bに通すことで、制御端子TG、TS、TE、TA、TKと制御基板10の位置決めが可能となる。
制御基板10に電気的に接続される制御端子TG、TS、TE、TA、TKをシールド構造30で覆う場合には、シールド構造30の金属体30bをノイズの乗りにくい安定した電位に接続することが重要である。そこで、実施の形態1では、接続端子30dを制御基板10のメタルパターン10Bに接続した。制御基板10のメタルパターンのうち、電位が安定したメタルパターンをメタルパターン10Bとして選定することで、安定したシールド効果を得ることができる。そのようなメタルパターンは、例えば、センサ回路のGNDパターンである。金属体30bの基準電位としたい電位を与えるメタルパターンをメタルパターン10Bとして選定することができる。
半導体装置の組み立てプロセスでは、まず制御端子TG、TS、TE、TA、TKを貫通孔30cの下方に入れて、図2のz正方向に制御端子TG、TS、TE、TA、TKを移動させる。このとき、金属体30bの貫通孔30cを下端で幅が最大になるテーパ形状とすることで、容易に制御端子TG、TS、TE、TA、TKを貫通孔30cへ挿入できる。z正方向に制御端子TG、TS、TE、TA、TKをさらに移動させることで、制御基板10の貫通孔に制御端子TG、TS、TE、TA、TKを通す。
その後、制御端子TG、TS、TE、TA、TKと回路パターンをはんだ付けする。回路パターンは制御基板10に複数形成され、1つの制御端子に1つの回路パターンを接続する。制御端子TG、TS、TE、TA、TKを取り付ける際に制御端子が曲がったり、そのような曲がりに伴って隣接する制御端子が接触したりすることを防ぐために、金属体30bの貫通孔30cの内径を制御基板10の貫通孔の内径よりも小さくすることが好ましい。
実施の形態1に係る半導体装置はその特徴を失わない範囲で様々な変形が可能である。例えば制御端子の数は半導体チップ20の構成に応じて変化させることができる。上述の変形例は以下の実施の形態に係る半導体装置にも応用できる。なお、以下の実施の形態に係る半導体装置は実施の形態1との共通点が多いので実施の形態1との相違点を中心に説明する。
実施の形態2.
図5は、実施の形態2に係る半導体装置のシールド構造30の斜視図である。このシールド構造30は、接続端子30d、30gを備えている。接続端子30d、30gはソケット30aの側面から外部に露出している。図6は、実施の形態2に係る半導体装置の断面図である。接続端子30d、30gは制御基板10の貫通孔10b、10cをとおって制御基板10の上に達している。接続端子30d、30gははんだ42、44でメタルパターン10B、10Cに接続されている。メタルパターン10B、10Cは制御基板10上でつなげてもよい。
制御端子TG、TS、TE、TA、TKと接続端子30d、30gを制御基板10にはんだ付けする際には、接続端子30d、30gを制御基板10の予め定められた貫通孔に挿入することでシールド構造30を制御基板10に対して位置決めできる。また、シールド構造30は接続端子30d、30gによって制御基板10に安定的に固定されるので、ねじを用いてシールド構造30を制御基板10に固定する必要はない。よって、図2の取り付け部30eを省略できるので、半導体装置の小型化に好適である。なお、接続端子を複数設けることで上述の効果を得ることができるので、接続端子の数は2つに限定されない。
実施の形態3.
図7は、実施の形態3に係る半導体装置のシールド構造30の斜視図である。この半導体装置は、金属体30bに接続された接続端子30h、30i、30j、30kを備えている。接続端子30h、30i、30j、30kはソケット30aの上面に露出している。
図8は、実施の形態3に係る半導体装置の断面図である。半導体チップ20は制御基板10の下に設けられている。メタルパターン10B、10Cは制御基板10の下面側に形成されている。すべての接続端子30h、30i、30j、30kは、制御基板10の下面側に設けられたメタルパターンに接続される。図8には、接続端子30h、30iがはんだ46、48でメタルパターン10C、10Bに接続されたことが示されている。
このように、実施の形態3では、制御基板10の下面であるシールド構造実装面に、接続端子をはんだ付けする。そのため、リフローはんだ工程で制御基板10の上面に表面実装部品を固定するのと同時に、接続端子30h、30i、30j、30kをメタルパターンに固定することができる。よって、実施の形態3に係る半導体装置は製造工程の簡略化に好適である。
実施の形態4.
図9は、実施の形態4に係る半導体装置のシールド構造30の斜視図である。金属体30m、30n、30oがソケット30aに覆われている。金属体30m、30n、30oにはそれぞれ接続端子30p、30q、30rが接続されている。制御端子TG、TS、TE、TA、TKは半導体チップの端子である。
制御端子TGの一部は金属体30mの貫通孔30cの中にあり、制御端子Tの一部は金属体30nの貫通孔の中にあり、制御端子Tの一部は金属体30oの貫通孔の中にある。制御端子T、Tは金属体に覆われていない。制御端子T、Tは、制御端子TG、T、Tと並んで設けられ、金属体の貫通孔をとおらずにソケット30aを貫通する非保護制御端子である。
実施の形態4では、全ての制御端子を一括して金属体により囲うのではなく、特にノイズの影響を抑えたい制御端子を個別に金属体で覆う。特にノイズの影響を抑えたい制御端子は、例えば、ゲート端子である制御端子TG、電流センス端子である制御端子TSおよびアノード端子である制御端子TAである。どの制御端子を金属体で覆うかは必要に応じて決めることができる。図9に示す構造により、すべての制御端子を金属体で覆う場合と比べてシールド構造の材料費を抑えることができる。また、隣接する制御端子からのノイズを遮断することができる。
実施の形態5.
図10は、実施の形態5に係る半導体装置のシールド構造30の斜視図である。接続端子30sは、取り付け部30eの上に設けられるとともに、ネジ孔30fの中にも設けられている。接続端子30sはソケット30aの中で金属体30bにつながっている。
図11は、実施の形態5に係る半導体装置の断面図である。ネジ50が制御基板10の貫通孔をとおって取り付け部30eのネジ孔30fにネジ締めされることで、制御基板10が取り付け部30eに固定される。このとき、ネジ50はメタルパターン10Bに接触する。ねじ50は、取り付け部30eのネジ孔30fにネジ締めされることで、接続端子30sに接する。つまり、ねじ50の頭部はメタルパターン10Bに接し、軸部は接続端子30sに接する。これにより、メタルパターン10Bと接続端子30sが電気的に接続される。
接続端子30sを取り付け部30eに設けることで、ネジ50と接続端子30sを接触させることができる。ねじ50をメタルパターン10Bに接触させることで、接続端子30sをメタルパターン10Bに電気的に接続することができる。実施の形態5の半導体装置によれば、接続端子30sのための貫通孔を制御基板10に設ける必要がなくるので、制御基板10に形成される回路パターンの自由度を高めることができる。
実施の形態5では接続端子30sをネジ孔30fの中に設けた。しかしながら、接続端子とねじを接続できれば、接続端子をネジ孔に設けなくてもよい。例えば、接続端子を取り付け部30eの下面に形成し、ネジ50と嵌合するナットをその接続端子に接触させてもよい。
実施の形態6.
図12は、実施の形態6に係る半導体装置のシールド構造30の斜視図である。ソケット30aの中には、金属体30t、30u、30vが設けられている。金属体30t、30u、30vにはそれぞれ接続端子30w、30x、30yが接続されている。接続端子30w、30x、30yは制御基板のメタルパターンに接続される。
図12におけるGは制御端子TGが挿入される部分を示し、Eは制御端子TEが挿入される部分を示し、Sは制御端子TSが挿入される部分を示し、Aは制御端子TAが挿入される部分を示し、Kは制御端子TKが挿入される部分を示す。したがって、金属体30tは制御端子TGと制御端子TEを覆い、金属体30uは制御端子TSと制御端子TEを覆い、金属体30vは制御端子TAと制御端子TKを覆う。全ての制御端子は金属体と絶縁されている。
このように、実施の形態6では対になる信号の制御端子を1つの金属体で覆う。これにより、対になる信号の往路復路のインピーダンスがそろうため、特に差動で信号を操作する際にノイズの影響を小さくすることができる。
実施の形態6では、対になる信号として、制御端子TGを伝送するゲート信号と制御端子TEを伝送するエミッタ電流、制御端子TSを伝送する信号電流と制御端子TEを伝送するエミッタ電流、および制御端子TAを流れるアノード電流と制御端子TKを流れるカソード電流を挙げた。しかしながら、対となる信号として上述していない組み合わせを採用してもよい。一般的に言えば、制御端子として、第1制御端子と、第1制御端子の電流に比例した電流が流れる第2制御端子を有し、金属体で第1制御端子と第2制御端子を覆うことで上記効果を得ることができる。
実施の形態7.
図13は、実施の形態7に係る半導体装置のシールド構造30の斜視図である。ソケット30aの上面には位置決め用凸部31が設けられている。凸部31は、制御基板10に向かう方向である軸方向に伸びるボスである。図14は、実施の形態7に係る半導体装置の断面図である。制御基板10の下面には凹部10Eがあり、凸部31はその凹部10Eに収まっている。凹部10Eに凸部31を挿入することで、制御基板10の予め定められた位置に半導体チップ20を実装することができる。さらに、凸部31を設けることで、図2の取り付け部30eを省略することができるので、図2の場合と比べて制御基板10の実装面積を減らすことができる。そのため、制御基板に形成する回路パターンの自由度を高めることができる。
実施の形態8.
図15は、実施の形態8に係る半導体装置の断面図である。ソケット30aの上面には凸部60、62が設けられている。凸部の数は複数であれば特に限定されない。凸部60、62の間に金属体30bの貫通孔30cが設けられており、その貫通孔30cを制御端子TKがとおっている。凸部60、62は幅x1の範囲に設けられている。言い換えれば、凸部60の貫通孔30cと反対側の面から、凸部62の貫通孔30cと反対側の面までの距離がx1である。
制御基板10には位置決め孔10iが形成されている。位置決め孔10iの幅はx1である。破線で示された制御基板10をz負方向に動かし、またはシールド構造30をz正方向に動かし、制御基板10を実線で示された場所に位置させる。このとき、位置決め孔10iに凸部60、62を挿入することで、シールド構造30を制御基板10の予め定められた位置に実装する。この構造により、各制御端子での位置決めが可能となり、組み立て時の位置ずれを生じにくくすることができる。
実施の形態9.
実施の形態9では実施の形態8とは異なる方法でシールド構造30を制御基板10に対して位置決めする。図16は、実施の形態9に係る半導体装置の断面図である。金属体30bは、ソケット30aよりも上方に伸びる複数の金属体凸部37、39を有している。金属体凸部37、39は幅x1の範囲に設けられている。言い換えれば、金属体凸部37の貫通孔30cと反対側の面から、金属体凸部39の貫通孔30cと反対側の面までの距離がx1である。
制御基板10に位置決め孔10iが形成されている。位置決め孔10iの幅はx1である。破線で示された制御基板10をz負方向に動かし、またはシールド構造30をz正方向に動かし、制御基板10を実線で示された場所に位置させる。このとき、位置決め孔10iに金属体凸部37、39を挿入することで、シールド構造30を制御基板10の予め定められた位置に実装する。この構造により、各制御端子での位置決めが可能となり、組み立て時の位置ずれを生じにくくすることができる。さらに、実施の形態8の凸部60、62を不要とすることができる。
実施の形態8、9のシールド構造30としては、実施の形態1−7の構造のいずれかで説明したシールド構造を採用することができる。なお、上記の各実施の形態に係る半導体装置の特徴を組み合わせて、本発明の効果を高めても良い。
10 制御基板、 20 半導体チップ、 30 シールド構造、 30a ソケット、 30b 金属体、 30c 貫通孔、 30d 接続端子、 30e 取り付け部、
TG,TS,TE,TA,TK 制御端子

Claims (12)

  1. 貫通孔が形成された金属体と、
    前記貫通孔を塞がずに前記金属体を覆うソケットと、
    前記金属体に接続され、前記ソケットの外部に露出する接続端子と、
    メタルパターンと回路パターンを有する制御基板と、
    前記金属体と接することなく前記貫通孔をとおって前記回路パターンに接続された制御端子を有する半導体チップと、を備え、
    前記接続端子は前記メタルパターンに接続されたことを特徴とする半導体装置。
  2. 前記ソケットの側面に取り付けられ、ネジ孔が形成された取り付け部と、
    前記制御基板の貫通孔をとおって前記ネジ孔にネジ締めされることで、前記制御基板を前記取り付け部に固定するネジと、を備えたことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記接続端子は、前記制御基板の貫通孔をとおって、前記制御基板の上面に形成された前記メタルパターンにはんだ付けされたことを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。
  4. 前記接続端子を複数設けたことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体装置。
  5. 前記半導体チップは前記制御基板の下に設けられ、前記メタルパターンは前記制御基板の下面側に形成されたことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体装置。
  6. 前記半導体チップは、前記制御端子と並んで設けられ、前記貫通孔をとおらずに前記ソケットを貫通する非保護制御端子を備えたことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の半導体装置。
  7. 前記ソケットの側面に取り付けられ、ネジ孔が形成された取り付け部と、
    前記制御基板の貫通孔をとおって前記ネジ孔にネジ締めされることで、前記制御基板を前記取り付け部に固定するネジと、を備え、
    前記接続端子は前記取り付け部に設けられることで前記ネジと接し、
    前記ネジが前記メタルパターンに接触することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  8. 前記接続端子は前記ネジ孔の中に設けられたことを特徴とする請求項7に記載の半導体装置。
  9. 前記制御端子は、第1制御端子と、前記第1制御端子の電流に比例した電流が流れる第2制御端子を有し、
    前記金属体は、前記第1制御端子と前記第2制御端子を覆うことを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の半導体装置。
  10. 前記ソケットの上面には位置決め用凸部が設けられ、
    前記制御基板の下面には凹部があり、前記位置決め用凸部は前記凹部に収まることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の半導体装置。
  11. 前記ソケットの上面には複数の凸部が設けられ、
    前記制御基板に位置決め孔が形成され、
    前記位置決め孔に前記複数の凸部が挿入されることを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載の半導体装置。
  12. 前記金属体は前記ソケットよりも上方に伸びる複数の金属体凸部を有し、
    前記制御基板に位置決め孔が形成され、
    前記位置決め孔に前記複数の金属体凸部が挿入されることを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載の半導体装置。
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