JP7155052B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、半導体装置に関する。
発電や送電、ポンプやブロアなどの回転機、通信システムや工場などの電源装置、交流モータによる鉄道、電気自動車、家庭用電化製品等の幅広い分野に向けた、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ－Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ－Ｅｆｆｅｃｔ－Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）といった半導体素子を含む、電力制御用に設計されたパワー半導体装置の開発が行われている。
通常、パワー半導体装置においては、ベース（基板）上に設けられた複数の半導体素子をボンディングワイヤや端子板を用いて並列接続し、大きな電力を扱うことを可能としている。ここで、端子板にはネジ（ボルト）を挿入可能な穴が設けられている。また、半導体装置には、例えば樹脂で形成されたケース（容器）が設けられている、そして、ケースの、穴の下に対応する部分には、例えばネジ山（ナット部）を有しネジ（ボルト）で締結可能な締結部材（ブッシュ）が設けられている。半導体装置の外部に設けられたブスバー等と端子板の穴の部分を、ネジ（ボルト）と締結部材の間に挿入して、ネジ（ボルト）を締め付けて固定する。これにより、ブスバー等と端子板を、接触抵抗が小さい状態で固定することが可能となる。
しかし、ネジ（ボルト）を締め付ける際に、例えば右ネジであれば右回りの力がネジ（ボルト）に加わる。この右回りの力が、半導体素子近傍に接続された端子板の部分に加わると、半導体素子又は半導体素子が接続された電極部材から、上述の端子板が剥離してしまう。そのため、端子板と半導体素子との電気的接続状態が劣化してしまうという問題があった。
また、締結部材はケース（容器）に単に挿入されているだけである。そのため、端子板と締結部材が固定された部分に対して、例えば端子板がベース（基板）から引き剥がされる上方の方向の力が加わった場合に、ケースから締結部材が外れてしまい、結果として半導体素子又は半導体素子が接続された電極部材から、上述の端子板が剥離してしまうという問題があった。
本発明が解決しようとする課題は、信頼性の向上した締結部材及び半導体装置を提供することである。
実施形態の締結部材は、柱状の締結部材であって、締結部材の高さ方向に平行な方向に設けられた第１の穴を有し、第１の穴の側面にネジ山を有し、第１の穴の周囲に平面部を有し、平面部と第１の穴の間に突起部を有する。
実施形態の半導体装置は、柱状の締結部材であって、締結部材の高さ方向に平行な方向に設けられた第１の穴と、第１の穴の側面にネジ山と、第１の穴の周囲に突起部と、突起部の周囲を囲む第１平面部と、を有する締結部材と、基板と、基板の上に設けられた第１の電極部材と、第１の電極部材に電気的に接続された第１の半導体素子と、基板の上に設けられた第２の電極部材と、第２の電極部材に電気的に接続された第２の半導体素子と、第１の電極部材及び第２の電極部材に電気的に接続された端子板と、第１平面部の周囲を囲み、かつ、第１平面部の面と同一面上の第２平面部を有し、基板の上に、第１の電極部材、第１の半導体素子、第２の電極部材及び第２の半導体素子を囲むように設けられた樹脂製の容器と、を備える。
以下、図面を用いて実施形態を説明する。なお、図面中、同一又は類似の箇所には、同一又は類似の符号を付している。
本明細書中、同一又は類似する部材については、同一の符号を付し、重複する説明を省略する場合がある。
本明細書中、部品等の位置関係を示すために、図面の上方向を「上」、図面の下方向を「下」と記述する。本明細書中、「上」、「下」の概念は、必ずしも重力の向きとの関係を示す用語ではない。
（実施形態）
実施形態の締結部材は、柱状の締結部材であって、締結部材の高さ方向に平行な方向に設けられた第１の穴を有し、第１の穴の側面にネジ山を有し、第１の穴の周囲に平面部を有し、平面部と第１の穴の間に突起部を有する。
実施形態の半導体装置は、基板と、基板の上に設けられた第１の電極部材と、第１の電極部材に電気的に接続された第１の半導体素子と、基板の上に設けられた第２の電極部材と、第２の電極部材に電気的に接続された第２の半導体素子と、第１の電極部材の上に設けられ、第１の電極部材に接続された第１の板部と、第２の電極部材の上に設けられ、第１の電極部材に接続された第２の板部と、第１の板部及び第２の板部の上に設けられ、第１の板部及び第２の板部に接続されており、第２の穴を有する第３の板部と、を有する端子板と、基板の上に、第１の電極部材、第１の半導体素子、第２の電極部材及び第２の半導体素子を囲むように設けられ、締結部材を第２の穴の下に収容可能な収容部を有する容器と、収容部内に設けられた締結部材と、を備える。
図１は、実施形態の締結部材１００及び半導体装置３００の模式図である。図１（ａ）は、実施形態の端子板２４０及び半導体素子周辺の構造を示す模式斜視図である。図１（ｂ）は、実施形態の容器２００を含む半導体装置３００の構造を示す模式斜視図である。図１（ｃ）は、実施形態の締結部材１００及びその近傍の構造を示すための、図１（ｂ）のＡ－Ａ’断面における模式断面図である。
半導体装置３００は、締結部材１００と、基板２２０と、第１の電極部材２２２と、第１の半導体素子２２６と、第２の電極部材２２４と、第２の半導体素子２２８と、ボンディングワイヤ２２９と、収納部２１０を有する容器２００と、端子板２４０と、を備える。
締結部材１００は、第１の穴４ａと、ネジ山６と、平面部８と、突起部１０と、ローレット１２と、を有する。
端子板２４０は、第１の板部２３０と、第２の板部２３２と、第２の穴２３６を有する第３の板部２３４と、を有する。
実施形態の半導体装置３００は、半導体素子が、電極部材、ボンディングワイヤ及び端子板によって接続された、電力変換装置である。
基板（ベース）２２０は、例えば、Ｃｕ（銅）やＡｌＳｉＣで形成された、板状の基板である。
ここで、ｘ軸と、ｘ軸に垂直なｙ軸と、ｘ軸及びｙ軸に垂直なｚ軸を定義する。基板２２０の表面は、ｘｙ面に平行に配置されているものとする。
基板２２０上には、電極部材が設けられている。図１（ａ）においては、第１の電極部材としての、電極部材２２２ａ及び電極部材２２２ｂが設けられている。また、第２の電極部材としての、電極部材２２４ａ及び電極部材２２４ｂが設けられている。電極部材は、例えば、Ｃｕ（銅）製の板材を有する。また、電極部材は、例えば、２枚のＣｕ製の板材で、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）やＳｉＮ（窒化シリコン）等のセラミック製の板材を挟んだものであっても良い。電極部材は、例えば基板２２０上にはんだ等により接着されている。
半導体素子は、電極部材に電気的に接続されて設けられている。図１（ａ）においては、第１の半導体素子２２６が電極部材２２２ｂの上に設けられることにより、第１の半導体素子２２６ｂの底面が電極部材２２２ｂと電気的に接続されている。また、第１の半導体素子２２６の上面がボンディングワイヤ２２９により電極部材２２２ａと電気的に接続されている。第２の半導体素子２２８が電極部材２２４ｂの上に設けられることにより、第２の半導体素子２２８の底面が電極部材２２４ｂと接続されている。また、第２の半導体素子２２８の上面がボンディングワイヤ２２９により電極部材２２４ａと電気的に接続されている。なお第１の半導体素子２２６及び第２の半導体素子２２８はそれぞれ４個ずつ設けられているが、個数はこれに限定されるものではない。
半導体素子は、例えば縦型のＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）又はＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ－Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）である。半導体素子が縦型のＭＯＳＦＥＴである場合、半導体素子の底面に設けられた図示しないドレイン電極により、半導体素子は電極部材と電気的に接続されている。また、半導体素子の上面に設けられた図示しないソース電極及びボンディングワイヤによって、半導体素子は電極部材と電気的に接続されている。なお、実施形態においては、半導体素子の種類や導電型等については、特に限定されるものではない。
端子板２４０の第１の板部２３０は、電極部材２２２ａの上に設けられ、電極部材２２２ａと電気的に接続されている。端子板２４０の第２の板部２３２は、電極部材２２４ａの上に設けられ、電極部材２２４ａと電気的に接続されている。なお、第１の板部２３０及び第２の板部２３２は、それぞれ電極部材２２２ｂ及び電極部材２２４ｂと電気的に接続されていても良い。
端子板２４０の第３の板部２３４は、第１の板部２３０及び第２の板部２３２の上に設けられ、例えばＭ５以上Ｍ１０以下程度のボルト、すなわち、ボルト径が５ｍｍ以上１０ｍｍ以下のボルトを挿入することが可能な、第２の穴２３６を有している。
端子板２４０は、例えば板金を用いて、例えば厚さ１ｍｍ以上１．５ｍｍ以下程度のＣｕ製の板を成型することにより、一体の部品として形成されることが、簡易に作成できるため好ましい。しかし、端子板２４０の製造方法は、これに限定されるものではない。
容器２００は、例えば樹脂製のケースである。図１（ｂ）に示すように、容器２００は、基板２２０の上に、電極部材、半導体素子、ボンディングワイヤ、第１の板部２３０及び第２の板部２３２を囲むように設けられている。そして、図１（ｃ）に示すように、容器２００は、端子板２４０の第２の穴２３６の下に位置する部分に、締結部材１００を収納可能な収納部２１０を有している。そして、収納部２１０内に締結部材１００が設けられている。
なお、容器２００内の、電極部材、半導体素子、ボンディングワイヤ、第１の板部２３０及び第２の板部２３２の上に、シリコンゲル等のゲルが形成されていても良い。
次に、締結部材について、図１（ｃ）及び図２を用いて説明する。図２は、実施形態の締結部材の模式図である。図２（ａ）は実施形態の締結部材の斜視模式図である。図２（ａ）は実施形態の締結部材の上面模式図である。
締結部材１００は、柱状の部材である。例えば、図２（ａ）及び図２（ｂ）においては、締結部材１００は円柱状の部材である。そして、締結部材１００は、底面２に、締結部材の高さ方向に平行な方向に設けられた第１の穴４ａを有している。第１の穴４ａは止まり穴であり、第１の穴４ａの側面にボルトが締結可能なネジ山６が設けられている。底面２の、第１の穴４ａの周囲には、平面部８が設けられている。
底面２の、平面部８と第１の穴４ａの間には、突起部１０が設けられている。図２（ａ）及び図２（ｂ）において、突起部１０は、第１の穴４ａの周囲に連続して、第１の穴４ａを囲むように設けられた、全体として円形を成す、鋸刃状の形状を有する瓦状部材１４を有している。それぞれの瓦状部材１４は凸部１６を有している。凸部１６は、締結部材１００の中心軸から垂直且つ放射状に延びる線に対して、図２（ｂ）のように底面２を上方から見た場合において、左に傾斜している。
締結部材１００の側面には、ローレット（ローレット加工）が設けられている。ローレットとしては、斜めローレット、平目ローレット又は綾目ローレット等が可能である。
図３は、実施形態の他の態様における締結部材の模式図である。図３（ａ）に示した締結部材１１０は、六角柱状の形状をしている。図３（ｂ）に示した締結部材１２０は、三角柱状の形状をしている。これらのような締結部材も、好ましく用いることができる。なお図３に示した締結部材の場合には、例えば側面に図示しない平目ローレットや斜めローレットが設けられていても良い。なお、締結部材の形状は、上述の円柱状、六角柱状及び三角柱状に限定されない。
図４は、実施形態の他の態様における締結部材の模式図である。図４（ａ）に示したように、締結部材１３０の突起部１０は、第１の穴４ａの周囲に設けられた複数の矩形状の突起であっても良い。なお突起部１０の構造は、上述のものに限定されない。図４（ｂ）に示したように、締結部材１４０を高さ方向に平行な方向に貫通している第１の穴４ｂが設けられていても良い。図４（ｃ）に示したように、締結部材１５０の側面に、側面を囲うように設けられた側面凹部１８が設けられていても良い。また、図４（ｄ）に示したように、締結部材１５０の側面に、側面を加工用に設けられた側面凸部２０が設けられていても良い。
図５は、実施形態の半導体装置の製造工程において、締結部材１００の周辺の構造を示した模式図である。第１の樹脂成形金型５００ａと第２の樹脂成形金型５００ｂの間に締結部材１００を固定し、左右から容器２００の材料である樹脂を流し込んで固めることにより、締結部材１００が収納部２１０に収納された形で容器２００を形成する。第１の樹脂成形金型５００ａは、締結部材１００の平面部８に対応する部分に平面５２０を有している。樹脂成形時に平面５２０と平面部８が接触することにより、収納部２１０となる部分の内部に樹脂が流れ込むことを防いでいる。また、第１の穴４ａに対応する部分には棒５１０が設けられている。樹脂成形時に棒５１０が第１の穴４ａに差し込まれることにより、締結部材１００が収納部２１０となる部分の内部で動いてしまうことを防いでいる。
次に、本実施形態の作用効果を記載する。
締結部材１００においては突起部１０が設けられている。ブスバー等と端子板２４０の第２の穴の部分を、ネジ（ボルト）と締結部材１００の間に挿入して、ネジ（ボルト）を締め付けて固定する際に、突起部１０がブスバー等に食い込む。そのため、上述の、ネジ（ボルト）に加わる右回りの力が、第１の板部２３０及び第２の板部２３２に加わることが抑制される。結果として、良好な締め付けが行われ、端子板と半導体素子との電気的接続状態が劣化してしまうという問題の発生が抑制される。よって、信頼性の向上した締結部材及び半導体装置の提供が可能となる。
第１の穴４ａが止まり穴であることにより、樹脂成形時に樹脂が第１の穴４ａの内部に流れ込むことが抑制される。
一方、第１の穴４ｂが貫通孔であることにより、ネジ山６の形成が容易となる。
締結部材１００の側面にローレット１２が設けられていることにより、収納部２１０内において締結部材１００と収納部２１０の側壁との摩擦が大きくなり、締結部材１００が収納部内で回転しづらくなる。これにより、締め付けがより良好に行われるようになり、信頼性の向上した締結部材及び半導体装置の提供が可能となる。
突起部１０を形成する瓦状部材１４の凸部１６が、締結部材の中心軸から垂直かつ放射状に延びる線に対して、底面２を上方から見た場合において左に傾斜している場合、右ネジであるボルトで締め付けると凸部１６がブスバーに食い込みやすくなる。そのため、締め付けがより良好に行われるようになり、信頼性の向上した締結部材及び半導体装置の提供が可能となる。
締結部材が円柱状である場合、丸棒を加工して作製可能であるため作製が容易である。また、特に綾目ローレットを側面に形成することが容易である。
締結部材の側面に側面凹部１８や側面凸部２０が設けられている場合、側面凹部１８や側面凸部２０と収納部２１０の間の摩擦が大きくなり、信頼性がより向上する。また、収納部２１０から締結部材が抜けづらくなるため、やはり信頼性がより向上する。
本発明のいくつかの実施形態及び実施例を説明したが、これらの実施形態及び実施例は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことが出来る。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
２ 底面
４ａ 第１の穴（止まり穴）
４ｂ 第１の穴（貫通孔）
６ ネジ山
８ 平面部
１０ 突起部
１２ ローレット
１４ 瓦状部材
１６ 凸部
１８ 側面凹部
２０ 側面凸部
１００ 締結部材
１１０ 締結部材
１２０ 締結部材
２００ 容器
２１０ 収納部
２２０ 基板
２２２ａ 第１の電極部材
２２２ｂ 第１の電極部材
２２４ａ 第２の電極部材
２２４ｂ 第２の電極部材
２２６ 第１の半導体素子
２２８ 第２の半導体素子
２２９ ボンディングワイヤ
２３０ 第１の板部
２３２ 第２の板部
２３４ 第３の板部
２３６ 第２の穴
２４０ 端子板
３００ 半導体装置
５００ａ 第１の樹脂成形金型
５００ｂ 第２の樹脂成形金型
５１０ 棒
５２０ 平面
４ａ 第１の穴（止まり穴）
４ｂ 第１の穴（貫通孔）
６ ネジ山
８ 平面部
１０ 突起部
１２ ローレット
１４ 瓦状部材
１６ 凸部
１８ 側面凹部
２０ 側面凸部
１００ 締結部材
１１０ 締結部材
１２０ 締結部材
２００ 容器
２１０ 収納部
２２０ 基板
２２２ａ 第１の電極部材
２２２ｂ 第１の電極部材
２２４ａ 第２の電極部材
２２４ｂ 第２の電極部材
２２６ 第１の半導体素子
２２８ 第２の半導体素子
２２９ ボンディングワイヤ
２３０ 第１の板部
２３２ 第２の板部
２３４ 第３の板部
２３６ 第２の穴
２４０ 端子板
３００ 半導体装置
５００ａ 第１の樹脂成形金型
５００ｂ 第２の樹脂成形金型
５１０ 棒
５２０ 平面
Claims (8)
- 柱状の締結部材であって、前記締結部材の高さ方向に平行な方向に設けられた第１の穴と、前記第１の穴の側面にネジ山と、前記第１の穴の周囲に突起部と、前記突起部の周囲を囲む第１平面部と、を有する前記締結部材と、
基板と、
前記基板の上に設けられた第１の電極部材と、
前記第１の電極部材に電気的に接続された第１の半導体素子と、
前記基板の上に設けられた第２の電極部材と、
前記第２の電極部材に電気的に接続された第２の半導体素子と、
前記第１の電極部材及び前記第２の電極部材に電気的に接続された端子板と、
前記第１平面部の周囲を囲み、かつ、前記第１平面部の面と同一面上の第２平面部を有し、前記基板の上に、前記第１の電極部材、前記第１の半導体素子、前記第２の電極部材及び前記第２の半導体素子を囲むように設けられた樹脂製の容器と、
を備える半導体装置。 - 前記第１の穴は止まり穴である請求項１記載の半導体装置。
- 前記第１の穴は、前記締結部材を前記高さ方向に平行な方向に貫通している請求項１記載の半導体装置。
- 前記締結部材の側面にローレットが設けられている請求項１乃至請求項３いずれか一項に記載の半導体装置。
- 前記突起部は複数の瓦状部材を有し、それぞれの前記瓦状部材は凸部を有し、前記凸部は前記締結部材の中心軸から垂直かつ放射状に延びる線に対して、上方から見た場合において左に傾斜して設けられている請求項４記載の半導体装置。
- 前記柱状は、円柱状である請求項１乃至請求項５いずれか一項に記載の半導体装置。
- 前記締結部材は、側面に側面凸部を有する、請求項１乃至請求項６いずれか一項に記載の半導体装置。
- 前記締結部材は、側面に側面凹部を有する、請求項１乃至請求項６いずれか一項に記載の半導体装置。
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