JP7031347B2 - パワーモジュール及び半導体装置 - Google Patents

Description

本発明はパワーモジュールと半導体装置に関する。

比較的小容量モータのインバーター駆動などに使用されるパワーモジュールは、ＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)及びダイオードなどの半導体素子をモールド樹脂で外装し、ＤＩＰ(Dual in line)端子配列あるいはそれに近い配列の外部端子を有することが多い。そのようなパワーモジュールを基板に実装する場合、実装中及び実装後の使用中に、基板の曲げ、歪みなどによってモールド樹脂に応力が印加されて割れなどの破損が発生しないようにする。具体的には、端子部の適当な高さに設置されているストッパによってパワーモジュールのパッケージ底面が基板から浮いた状態で、パワーモジュールが基板にはんだ付け等で固定される。こうすることで端子がばねのように働き応力が緩和される。

また、このようなパワーモジュールは放熱が必要である。一般的にはアルミなどの金属製の外部ヒートシンクをパワーモジュールのパッケージにねじ止めなどで固定し、放熱を行う。パワーモジュールの用途又は搭載場所によっては、基板自体が大きく振動する場合がある。例えば、洗濯機または各種ポンプの筐体にインバーター基板が組み込まれた場合などに基板が振動する。振動周波数によっては共振などによる過振動でパワーモジュールの端子が折れるおそれがある。

それ以外にも、パワーモジュールにヒートシンクを取り付けた後に、その組立物を装置の筐体に組み込む場合に、作業者がヒートシンクを押したり引っかけたりすることで、端子部の曲がりなどが発生する可能性がある。このため、搭載用途によってはパッケージと基板を接触させてヒートシンクを強固に固定したいという市場要求がある。

特許文献１には、半導体装置の本体とＰＣＢ(Printed Circuit Board)を予め定められた間隔に維持する技術が開示されている。

特開２００４－１７９４９２号公報

パッケージと基板を接触させてヒートシンクを強固に固定するための方法としては、以下の３つの方法が考えられるが、いずれも課題がある。
（１）端子を通すために基板に設けるスルーホールのサイズを、端子に設けられたストッパが通過できるように拡大し、パッケージを基板に接触させて、基板、パワーモジュールおよびヒートシンクをねじで共締めする。この場合、スルーホールを拡大したことではんだ付けが困難になったり、基板から飛び出す端子の長さが長くなることで端子間ではんだブリッジが発生したりする。また、パッケージを基板にベタ付けするため基板からの過大な応力がパッケージの端部にかかり、破損の恐れがある。
（２）端子にストッパがついていない専用品を開発する。この場合、ストッパがあるパワーモジュールとストッパがないパワーモジュールを提供することになるので、ラインナップが増加し、生産効率低下および管理コスト増加が懸念される。また、パッケージを基板にベタ付けするため基板からの過大な応力がパッケージの端部にかかり、破損の恐れがある。
（３）ストッパはそのまま使用するがパッケージと基板との間にスペーサを挿入することでパッケージを基板から浮かせて基板に固定する。スペーサとして、プラスチックなどの樹脂を使用する。この場合、スペーサの部材費用と、スペーサ挿入のための工数がかかりコストアップとなる。例えば特許文献１には基板とパッケージ本体との間にスペーサを挿入することが開示されている。しかしながら、スペーサの具体的構造についての提案はない。単にスペーサを設けただけでは、基板からの過大な応力がパッケージの端部にかかるという問題が残る。
このように、使用時の振動またはアセンブリ時の接触によってパワーモジュールの端子が折れないよう、基板、ヒートシンク、パワーモジュールを強固に固定する必要があるが、そうすると、基板反りなどの応力によりパッケージがダメージを受ける問題があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、信頼性が高いパワーモジュールと半導体装置を提供することを目的とする。

本発明に係るパワーモジュールは、本体部と、該本体部から突出した突出部とを有する樹脂筐体と、該本体部から外部に伸びるリード端子と、を備え、該本体部と該突出部を貫き、前記突出部とプリント基板を密着させるねじが通される貫通孔が形成されたことを特徴とする。

本願の発明に係る半導体装置は、本体部と該本体部から突出した突出部とを有する樹脂筐体と、該本体部から外部に伸びるリード端子と、を有し、該本体部と該突出部を貫く貫通孔が形成されたパワーモジュールと、該リード端子が通る基板貫通孔が形成されたプリント基板と、を備え、該突出部は該プリント基板に接触し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。

本発明によれば、樹脂筐体に突出部を設け、その突出部とプリント基板を密着させるので、信頼性の高いパワーモジュールを得ることができる。
また、本発明によれば、樹脂筐体に突出部を設け、その突出部をプリント基板に接触させるので、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。

実施の形態１に係る半導体装置の断面図である。 パワーモジュールの底面図である。 変形例に係る半導体装置の断面図である。 他の変形例に係る半導体装置の断面図である。 図４の半導体装置のＶ－Ｖ´線における断面図である。 実施の形態２に係る半導体装置の側面図である。 図６のパワーモジュールの底面図である。 つなぎ部の平面形状の変形例を示す図である。 別の変形例に係る半導体装置の側面図である。 半導体装置にグリースを追加したことを示す図である。 実施の形態３に係る半導体装置の断面図である。 図１１のＢ－Ｂ´線における断面図である。 フィンの変形例を示す図である。 実施の形態４に係る半導体装置の断面図である。 図１４のＢ－Ｂ´線における断面図である。 変形例に係る半導体装置の断面図である。

実施の形態に係るパワーモジュールおよび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１０の断面図である。半導体装置１０は、パワーモジュール１１を備えている。パワーモジュール１１は、内部にＩＧＢＴ及びダイオードなどの半導体素子を有する。半導体素子は樹脂筐体１２に覆われている。樹脂筐体１２は本体部１２ａと突出部１２ｂを備えている。本体部１２ａは半導体素子を覆う部分である。突出部１２ｂは本体部１２ａから突出した部分である。樹脂筐体１２はパワーモジュール１１のパッケージである。本体部１２ａから外部にリード端子１４が伸びている。このリード端子１４が本体部１２ａの内部の半導体素子に電気的に接続されている。

突出部１２ｂはプリント基板１６に接している。具体的には、突出部１２ｂの底面は例えば平坦面となっている。その平坦面をプリント基板１６に接触させている。プリント基板１６にはリード端子１４が通る基板貫通孔１６ａが形成されている。リード端子１４を基板貫通孔１６ａに設けた状態で両者をはんだ又は導電性接着剤などの接着剤で接続する。これにより、リード端子１４と、プリント基板１６に形成された回路パターンを接続する。

樹脂筐体１２には、本体部１２ａと突出部１２ｂを貫く貫通孔１２ｃが形成されている。この貫通孔１２ｃの上側にはヒートシンク３０があり、下側にはプリント基板１６がある。ヒートシンク３０は、樹脂筐体１２の突出部１２ｂが形成された面とは反対の面である上面１２ｄに取り付けられている。ねじ１８の軸部１８ｂをワッシャ２０、プリント基板１６及び貫通孔１２ｃを通して、ヒートシンク３０にねじ締めすることで上面１２ｄとヒートシンク３０を密着させ、突出部１２ｂとプリント基板１６を密着させることができる。ねじ１８の頭部１８ａとプリント基板１６の間のワッシャ２０は省略することができる。

図２は、パワーモジュール１１の底面図である。突出部１２ｂは２つ設けられている。突出部１２ｂは貫通孔１２ｃを囲んでいる。平面視での突出部１２ｂの面積は、ねじ１８から及ぼされる力を安定的に受けることができる程度で足り、例えばワッシャ２０の面積と同程度とすることができる。突出部１２ｂの底面がプリント基板１６に接触した状態で、ねじ締結することで突出部１２ｂとプリント基板１６を密着させることができる。突出部１２ｂをプリント基板１６に対して安定的に接触できれば、突出部１２ｂの平面形状は特に限定されず、例えば円形、四角形又は三角形とすることができる。

実施の形態１に係るパワーモジュール１１と半導体装置１０によれば、パワーモジュール１１の突出部１２ｂとプリント基板１６を接触させるので、例えば振動が起こる環境下であっても高い信頼性を有する。具体的には、樹脂筐体の本体部の全面をプリント基板にベタ付けしたときと同等の信頼性を確保することができる。

根元が曲げ加工されたリード端子の一部にストッパを設けて、そのストッパによってパワーモジュールとプリント基板の間隙を設ける場合、ストッパの高さがバラツキやすい。これに対し、実施の形態１に係る半導体装置では、例えばモールド金型で成型される樹脂筐体１２に突出部１２ｂを設けたので、その突出部１２ｂの高さを調整することで、容易に本体部１２ａとプリント基板１６の間の距離を管理できる。これにより、ヒートシンク３０取り付け後の組立物をケースなどへ組み付ける際の精度を向上させたり、リード端子１４の基板貫通孔１６ａからの飛び出し長さの精度向上によってはんだ付け性を向上させたりすることができる。さらに、突出部１２ｂとプリント基板１６の接触面積は、本体部１２ａをプリント基板１６にべた付けする場合の接触面積より小さいので、プリント基板１６からパワーモジュール１１に及ぼされる応力を緩和することができる。

図３は、変形例に係る半導体装置の断面図である。突出部１２ｂの側面と、突出部１２ｂの底面である平坦面は、曲面で接続されている。言いかえれば、突出部１２ｂの平坦面の角の形状にＲを持たせる、あるいは、当該角がプリント基板１６に接触しないように面取りする。図１の突出部１２ｂの形状でも、突出部１２ｂとプリント基板１６との接触面積が小さいのでプリント基板１６が反るなどしたときにパワーモジュール１１へ及ぼされる応力は緩和されている。しかし、図３に示すように突出部１２ｂの角をとると、そのような応力をさらに低減できる。なお、突出部１２ｂの側面、曲面、平坦面を区別する必要はなく、側面と平坦面を曲面としてもよい。

図４は、他の変形例に係る半導体装置の断面図である。突出部１２ｂは本体部１２ａに対して１．５～２ｍｍ以上突出している。つまり、図４における長さｈ１が１．５～２ｍｍ以上となっている。図５は、図４の半導体装置のＶ－Ｖ´線における断面図である。図４、５に示すように、プリント基板１６と本体部１２ａの間には広い空間がある。その空間に例えば、セラミックコンデンサ４０およびチップ抵抗器４２といった背の低い表面実装部品を配置することができる。パワーモジュール１１の直下のプリント基板１６に表面実装部品を固定することで、表面実装部品をパワーモジュールの直下の外側に設けた場合と比べて、プリント基板１６の面積を縮小しコストを低減することができる。

実施の形態１で言及した変形は以下の実施の形態にかかるパワーモジュールと半導体装置にも応用することができる。なお、以下の実施の形態にかかるパワーモジュールと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６は、実施の形態２に係る半導体装置の側面図である。突出部１２ｂは２つ設けられている。樹脂筐体１２は、本体部１２ａから突出し、２つの突出部１２ｂをつなぐつなぎ部１２ｅを備えている。つなぎ部１２ｅの本体部１２ａからの突出量は、突出部１２ｂの本体部１２ａからの突出量と同程度とすることができる。図７は、図６のパワーモジュール１１の底面図である。例えば、つなぎ部１２ｅの幅を突出部１２ｂの幅と同程度とすることで、つなぎ部１２ｅの面積が過大にならないようになっている。

例えばパワーモジュールの外形が細長い場合に、パワーモジュール１１を二点でプリント基板１６にねじ締めすると、パワーモジュール１１の中央部が振動して共振し樹脂筐体１２が破損する可能性がある。そこで、実施の形態２では、当該中央部につなぎ部１２ｅを設けて、当該中央部に厚みを持たせた。これにより、振動により発生する振幅の少なくとも片側は、つなぎ部１２ｅがストッパとなって抑えられ破損から保護できる。また、中央部を厚くすることで樹脂筐体１２の剛性が上がり、パワーモジュール１１が振動しにくくなる。

図８は、つなぎ部の平面形状の変形例を示す図である。つなぎ部１２ｆは、平面視で、内側にカーブを描くようにへこんだ形状となっている。つまり、つなぎ部１２ｆの側面を曲面とした。２つの突出部１２ｂの間に設けたつなぎ部１２ｆが内側にへこむことで、振動への耐性を高める効果を維持しつつ、プリント基板１６の曲がりなどによりつなぎ部１２ｆに及ぼされる応力のうち２つの貫通孔１２ｃを結ぶ線に垂直な方向にかかる応力を緩和することができる。このような効果は、つなぎ部の側面を曲面とする場合に限らず、つなぎ部の幅を平面視で突出部１２ｂから離れるほど小さくすることで得ることができる。さらに、つなぎ部の側面と底面を曲面で接続すれば、つなぎ部の角がプリント基板１６に接触することによるパワーモジュール１１へのダメージを回避できる。突出部１２ｂとつなぎ部１２ｅ、１２ｆの両方において角を除去する、つまり角部にＲをもたせる、あるいは、面取りすることが好ましい。

図９は、別の変形例に係る半導体装置の側面図である。突出部１２ｂの本体部１２ａに対する突出量は、つなぎ部１２ｅの本体部１２ａに対する突出量より大きい。その結果、両者の突出量には長さｈ２だけ差が生じている。突出部１２ｂはプリント基板１６に接するが、つなぎ部１２ｅはプリント基板１６に接しない。こうすると、図６の構成と比べて振動の振幅は多少増加するが、振幅の抑制効果は得ることができる。また、プリント基板１６の反りなどで発生する応力はつなぎ部１２ｅには作用せず、突出部１２ｂだけに作用し、パワーモジュール１１が受ける応力を実施の形態１の構成並に減少させることができる。

図１０は、図９の半導体装置にグリースを追加したことを示す図である。つなぎ部１２
ｅの底面にグリース５０が提供されている。グリース５０は適当な粘性のある材料であれば特に限定されない。グリース５０の材料は例えばシリコーングリースなどの粘着性あるいは弾性のあるものとすることができる。パワーモジュール１１がプリント基板１６から離れる方向に振動する場合、グリース５０の粘性でパワーモジュール１１の動きが制限される。その結果、振動の振幅が制限され、振動または共振による樹脂筐体１２の破損を防止できる。なお、つなぎ部１２ｅがない構成において、本体部１２ａとプリント基板１６の間にグリース５０を設けてもよい。

実施の形態３．
図１１は、実施の形態３に係る半導体装置の断面図である。樹脂筐体１２は、本体部１２ａから突出部１２ｂと同じ方向に突出したフィン１２ｇを備えている。フィン１２ｇは薄い平板である。フィン１２ｇは、２つの突出部１２ｂの間に複数設けることができる。図１２は、図１１のＢ－Ｂ´線における断面図である。フィン１２ｇの幅を本体部１２ａの幅と同程度とすることができる。実施の形態３に係る半導体装置によれば、ヒートシンク３０側からだけでなく、樹脂筐体１２の表面からも放熱することができる。

図１３は、フィンの変形例を示す図である。フィン１２ｈの底面は曲面である。フィン１２ｈは２つの突出部の間に設けられ、フィン１２ｈの本体部１２ａからの突出量は２つの突出部を結ぶ線上で最大とすることができる。図１３には、２つの突出部１２ｂは示されていないが、２つの突出部１２ｂを結ぶ線を破線で示した。なお、２つの突出部１２ｂを結ぶ線は、２つの貫通孔１２ｃを結ぶ線と言いかえることができるが、両者は同じ意味である。

フィン１２ｈの高さは図１３の破線から離れるほど低くなっている。フィン１２ｈの底面を曲面とすると、図１１、１２に示すフィン１２ｇよりはフィンの表面積が減少するものの、プリント基板１６の反りなどによって２つの貫通孔１２ｃを結ぶ線に垂直な方向にかかる応力の影響を受けにくくすることができる。なお、上述のとおりフィン１２ｈの底面を曲面としつつ、樹脂筐体１２とプリント基板１６の接触を安定させるために突出部１２ｂの底面は平坦面としてもよい。

実施の形態４．
図１４は、実施の形態４に係る半導体装置の断面図である。樹脂筐体１２は、本体部１２ａから突出部１２ｂと同じ方向に突出した複数のブロック１２ｉを備えている。ブロック１２ｉはたとえば剣山状に複数設けることができる。図１５は、図１４のＢ－Ｂ´線における断面図である。複数のブロック１２ｉは図１４の紙面手前及び奥行き方向に複数設けることができる。複数のブロック１２ｉを設けることで、放熱面積が増加し、放熱効果を高めることができる。

ブロック１２ｉの底面形状は特に限定されず、四角形、三角形又は円形などとすることができる。しかしながら、複数のブロック１２ｉの底面を曲面とすることで、プリント基板１６の反りなどがパワーモジュール１１に大きな応力を及ぼす問題を抑制することができる。

図１６は、変形例に係る半導体装置の断面図である。この半導体装置は、ここまで述べてきた突出部１２ｂを２つ有し、複数のブロック１２ｋの本体部１２ａからの突出量は２つの突出部１２ｂを結ぶ線上で最大となるものである。言いかえれば、ブロック１２ｋの高さは、２つの貫通孔１２ｃを結んだ線上で一番高く、当該線から離れるほど低くなる。突出部１２ｂの底面は平坦面とすることができる。ブロック１２ｋの高さを上記のとおり不均一にすると、プリント基板１６の反りなどによる応力の影響をより受けにくくすることができる。

上述した各実施形態に係るパワーモジュール及び半導体装置は、例えば産業機器又は民生機器に搭載されるモータ制御に使用することができる。ここまでで説明した各実施の形態に係る特徴は組み合わせて用いてもよい。

１０ 半導体装置、 １１ パワーモジュール、 １２ 樹脂筐体、 １２ａ 本体部、 １２ｂ 突出部

Claims (22)

1. 本体部と、前記本体部から突出した突出部とを有する樹脂筐体と、
   前記本体部から外部に伸びるリード端子と、を備え、
   前記本体部と前記突出部を貫き、前記突出部とプリント基板を密着させるねじが通される貫通孔が形成されたことを特徴とするパワーモジュール。
2. 前記突出部の底面は平坦面であることを特徴とする請求項1に記載のパワーモジュール。
3. 前記突出部の側面と前記平坦面は曲面で接続されたことを特徴とする請求項２に記載のパワーモジュール。
4. 前記突出部は前記本体部に対して１．５～２ｍｍ以上突出したことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
5. 本体部と、前記本体部から突出した突出部とを有する樹脂筐体と、
   前記本体部から外部に伸びるリード端子と、を備え、
   前記本体部と前記突出部を貫く貫通孔が形成され、
   前記突出部を２つ有し、
   前記樹脂筐体は、前記本体部から突出し、２つの前記突出部をつなぐつなぎ部を備えたことを特徴とするパワーモジュール。
6. 前記つなぎ部の幅は、平面視で、前記突出部から離れるほど小さくなることを特徴とする請求項５に記載のパワーモジュール。
7. 前記つなぎ部の側面を曲面としたことを特徴とする請求項６に記載のパワーモジュール。
8. 前記つなぎ部の側面と底面を曲面で接続したことを特徴とする請求項５から７のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
9. 前記突出部の前記本体部に対する突出量は、前記つなぎ部の前記本体部に対する突出量より大きいことを特徴とする請求項５から８のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
10. 前記つなぎ部の底面に塗布されたグリースを備えたことを特徴とする請求項９に記載のパワーモジュール。
11. 本体部と、前記本体部から突出した突出部とを有する樹脂筐体と、
    前記本体部から外部に伸びるリード端子と、を備え、
    前記本体部と前記突出部を貫く貫通孔が形成され、
    前記樹脂筐体は、前記本体部から前記突出部と同じ方向に突出したフィンを備えたことを特徴とするパワーモジュール。
12. 前記フィンの底面は曲面であることを特徴とする請求項１１に記載のパワーモジュール。
13. 前記突出部を２つ有し、前記フィンは２つの前記突出部の間に設けられ、前記フィンの前記本体部からの突出量は２つの前記突出部を結ぶ線上で最大となることを特徴とする請求項１２に記載のパワーモジュール。
14. 本体部と、前記本体部から突出した突出部とを有する樹脂筐体と、
    前記本体部から外部に伸びるリード端子と、を備え、
    前記本体部と前記突出部を貫く貫通孔が形成され、
    前記樹脂筐体は、前記本体部から前記突出部と同じ方向に突出した複数のブロックを備えたことを特徴とするパワーモジュール。
15. 前記複数のブロックの底面は曲面であることを特徴とする請求項１４に記載のパワーモジュール。
16. 前記突出部を２つ有し、前記複数のブロックの前記本体部からの突出量は２つの前記突出部を結ぶ線上で最大となることを特徴とする請求項１４に記載のパワーモジュール。
17. 本体部と前記本体部から突出した突出部とを有する樹脂筐体と、前記本体部から外部に伸びるリード端子と、を有し、前記本体部と前記突出部を貫く貫通孔が形成されたパワーモジュールと、
    前記リード端子が通る基板貫通孔が形成されたプリント基板と、を備え、
    前記突出部は前記プリント基板に接触したことを特徴とする半導体装置。
18. 前記貫通孔を通り、前記突出部と前記プリント基板を密着させるねじを備えたことを特徴とする請求項１７に記載の半導体装置。
19. 前記突出部の底面が前記プリント基板に接触し、
    前記突出部の側面と前記底面は曲面で接続されたことを特徴とする請求項１７又は１８に記載の半導体装置。
20. 前記樹脂筐体の前記突出部が形成された面とは反対の面である上面に取り付けられたヒートシンクを備え、
    前記ねじを前記ヒートシンクにねじ締めすることで、前記上面と前記ヒートシンクを密着させ、前記突出部と前記プリント基板を密着させたことを特徴とする請求項１８に記載の半導体装置。
21. 前記パワーモジュールの直下の前記プリント基板に固定された表面実装部品を備えたことを特徴とする請求項１７から２０のいずれか１項に記載の半導体装置。
22. 前記本体部と前記プリント基板の間に設けられたグリースを備えたことを特徴とする請求項１７から２１のいずれか１項に記載の半導体装置。

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