JPH1174456A - 圧接型半導体装置 - Google Patents

圧接型半導体装置

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JPH1174456A
JPH1174456A JP9232945A JP23294597A JPH1174456A JP H1174456 A JPH1174456 A JP H1174456A JP 9232945 A JP9232945 A JP 9232945A JP 23294597 A JP23294597 A JP 23294597A JP H1174456 A JPH1174456 A JP H1174456A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 電気的諸特性に優れ、特に温度サイクルやパ
ワーサイクルに対する信頼性が向上された電力用の半導
体装置を提供する。 【解決手段】 本発明の圧接型半導体装置では、４個の
ＩＧＢＴ１１ａと４個のＦＲＤ１１ｂとが同一平面上で
並列に配置・接続された半導体ユニット１３の２組が、
共通電極板１４を挟んで直列に配置・接続されており、
これらの両側に陽極板１５および陰極板１６がそれぞれ
並置され、皿ばね１７の押圧付勢力により、モリブデン
ディスク１２を介してＩＧＢＴ１１ａおよびＦＲＤ１１
ｂの対向する主面に圧接されている。また、皿ばね１７
嵌着部の外側には、セラミック薄層１９を介して放熱フ
ィン２０がそれぞれ配置されており、さらにこれら全体
が、中央の挿通孔に挿通された通しボルト２１とナット
２２とにより締付け結合されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、圧接型半導体装置
に係り、特に温度サイクル試験やパワーサイクル試験に
対する信頼性が向上された電力用の圧接型半導体装置に
関する。
【０００２】
【従来の技術】従来から、電気自動車やエアコンディシ
ョナー、各種工作機械等において、駆動モーターの回転
数を制御するインバータとして、大電力用の半導体装置
が使用されている。
【０００３】従来から使用されている電力用半導体装置
の構造を、図８に示す。
【０００４】この図において、符号１は、窒化アルミニ
ウムやアルミナのようなセラミック基板の両面に、それ
ぞれ銅箔により配線１ａが形成された配線基板を示し、
この配線基板１の主面上の所定の位置に、ＩＧＢＴ（イ
ンシュレイティッドゲートバイポーラトランジスタ）と
ＦＲＤ（フリーホィールダイオード）との、いずれも矩
形を有する２種類の半導体ペレット２が、それぞれはん
だ付けされている。また、このような半導体ペレット２
がマウントされた配線基板１が、銅製の放熱板３上には
んだ付けされており、さらにこれらが、陽極部材４と陰
極部材５と共通電極部材６および複数の信号端子７がそ
れぞれ取付けられた絶縁樹脂製のケース８内に、それぞ
れ収容されている。そして、半導体ペレット２の電極パ
ッドと配線基板１の所要の配線１ａ、およびこれらの配
線１ａとケース８に取付けられた電極部材等とが、Ａｌ
線９によりワイヤーボンディングされている。なお、図
示を省略したが、ワイヤーボンディング部の上部には、
絶縁樹脂の被覆・封止層が形成され、さらにその上に蓋
が被せられた構造になっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな半導体装置においては、温度サイクルやパワーサイ
クルが加えられたとき、異種材料間の熱膨脹係数の違い
によって生ずる熱応力のために、はんだ接合部分やボン
ディングワイヤーの接合部分が疲労を起こすおそれがあ
った。
【０００６】すなわち、従来の半導体装置では、セラミ
ックを絶縁基材とする配線基板１と半導体ペレット２と
が、Ｓｎ／Ｐｂ系のはんだで接合されるとともに、半導
体ペレット２の電極パッドと配線基板１の配線１ａおよ
びこれらの配線１ａと電極部材等とが、ワイヤーボンデ
ィングにより接続されているため、半導体ペレット２の
動作時に発生する熱により、装置全体の温度が上昇・下
降を繰り返したとき、はんだ接合部分またはＡｌ線９の
接合部分が疲労を起こし、最終的に装置が破壊してしま
うおそれがあった。
【０００７】本発明は、このような問題を解決するため
になされたもので、電気的諸特性に優れ、特に温度サイ
クルやパワーサイクルに対する信頼性が向上された、電
力用の半導体装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の圧接型半導体装
置は、両主面にそれぞれ電極端子を有する矩形の半導体
素子の複数個を、並列に接続されるように同一平面上に
配置してなる半導体素子ユニットと、該半導体素子ユニ
ットを前記両主面側からそれぞれ挟持し、各半導体素子
の電極端子にそれぞれ熱緩衝板を介して接触する複数枚
の電極板と、これらの電極板を前記半導体素子の主面に
対して垂直な方向に押圧付勢するばね部材と、前記半導
体素子ユニットおよび電極板をそれぞれ貫通する通しボ
ルトとナットとから成り、前記ばね部材の押圧付勢力を
調整する機構とを備え、前記半導体素子ユニットにおい
て、各半導体素子が前記通しボルトを取り囲むように配
置されていることを特徴とする。
【０００９】本発明では、ＩＧＢＴやＦＲＤ等の半導体
素子の複数個が同一平面上に配置された半導体素子ユニ
ットの１組または複数組が、複数枚の電極板により両主
面側からそれぞれ挟持されて、直列に配置されている。
そして、これらの電極板は、ばね部材により半導体素子
の主面に対して垂直な方向に押圧付勢され、各半導体素
子の電極端子に熱緩衝板を介してそれぞれ圧接されてい
る。
【００１０】このように本発明の半導体装置において
は、電極板を介して、各半導体素子ユニットを構成する
半導体素子はそれぞれ並列に接続されるとともに、半導
体素子ユニットは互いに直列に接続されており、はんだ
付けやワイヤーボンディングによることなく、所要の電
気的接続が行なわれている。したがって、半導体素子の
動作時の発熱や冷却の温度サイクルが繰り返されても、
部材間の熱膨脹係数の差に起因する疲労が生じることが
なく、接続部の信頼性が大幅に向上する。
【００１１】また、各電極板が半導体素子を挟んで隣り
合わせに配置され、電極間の距離が短くなっているた
め、インダクタンスが小さくなっている。そのうえ、電
極間が近いため、半導体素子の動作時に相互インダクタ
ンスが働き、素子の合計インダクタンスも従来に比べて
大幅に低減される。
【００１２】さらに、ばね部材により、各電極板を半導
体素子の主面に対して垂直な方向に押圧付勢しているう
えに、ばね部材の押圧付勢力が調整されるように構成さ
れているので、押圧力が分散することがなく電極板の各
部に均一にかかり、必要かつ十分な力で電極板を半導体
素子に圧接することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面に基
いて説明する。
【００１４】図１は、本発明の圧接型半導体装置の一実
施例を示す正面図であり、図２は、同実施例の中心軸方
向の縦断面図である。また、図３は同実施例の圧接型半
導体装置の構成の概略（ゲート電極の引出し構造を除
く。）を示す分解斜視図である。
【００１５】これらの図において、符号１０は、複数個
（例えば８個）の矩形の透窓部１０ａを有し、中央に圧
接用通しボルトの挿通孔１０ｂが設けられた絶縁樹脂製
のペレットガイドを示し、このペレットガイド１０の透
窓部１０ａに、いずれも矩形を有する複数個（例えば４
個）のＩＧＢＴ１１ａと複数個（例えば４個）のＦＲＤ
１１ｂとが、それぞれ嵌め込まれており、これらの半導
体ペレット１１の両主面には、それぞれ熱緩衝板である
モリブデンディスク１２が重ねて配置されている。ここ
で、各半導体ペレット１１の配設位置は、ＩＧＢＴ１１
ａとＦＲＤ１１ｂとがボルトの挿通孔１０ｂの周りに交
互に並び、かつＩＧＢＴ１１ａが４つのコーナー部に位
置するように配置されている。また、各ＩＧＢＴ１１ａ
においては、引き出される配線長ができるだけ短くなる
ように、また引出し構造の製作容易性を考慮して、ゲー
ト電極Ｇは、引出し方向である上方向の周囲に近い隅位
置にそれぞれ配置されている。
【００１６】このようにペレットガイド１０により位置
決めされて同一平面上に配置された半導体ユニット１３
の２組が、上部に外部接続用端子１４ａが突設され、中
央に通しボルトの挿通孔１４ｂが穿設された銅製の共通
電極板１４を挟んで立設されている。
【００１７】また、このように立設された半導体ユニッ
ト１３の外側面には、共通電極板と同様に外部接続用端
子１５ａ、１６ａと通しボルトの挿通孔１５ｂ、１６ｂ
とがそれぞれ設けられた、一対の銅製の電極板（陽極板
１５および陰極板１６）が、それぞれ並べて配置されて
いる。さらに、これら陽極板１５および陰極板１６の外
側面において、ボルト挿通孔１５ｂ、１６ｂの周りに
は、それぞれ陥凹部１５ｃ、１６ｃが形成されており、
これらの陥凹部１５ｃ、１６ｃにはそれぞれ皿ばね１７
が嵌着されている。そして、これら全体が、ポリフェニ
レンサルファイド、ポリブチレンテレフタレートのよう
な絶縁樹脂製で、上部ケース１８ａと下部ケース１８ｂ
とから成る箱形外囲器１８により覆われており、箱形外
囲器１８と電極板等との間は、接着剤（図示を省略。）
により接着がなされ、気密封止が図られている。
【００１８】さらに、陽極板１５および陰極板１６の皿
ばね１７嵌着部の外側には、窒化アルミニウムやアルミ
ナのようなセラミックの薄層１９を介して、上部にフィ
ン部２０ａが形成されたアルミニウム製の放熱フィン２
０がそれぞれ配置されている。また、これらの放熱フィ
ン２０と各電極板（陽極板１５と陰極板１６および共通
電極板１４）およびペレットガイド１０の各ボルト挿通
孔を順に繋いで、通しボルト２１が挿通され、この通し
ボルト２１とそのねじ部に螺合されたナット２２とによ
り締付け結合がなされている。そして、ナット２２の締
付け力を調節することで、通しボルト２１の挿通方向に
作用する皿ばね１７の押圧付勢力を調整し、この押圧付
勢力により、各電極板を半導体ペレット１１の主面にモ
リブデンディスク１２を介して圧接するようになってい
る。
【００１９】またさらに、各ＩＧＢＴ１１ａのゲート電
極Ｇには、以下に示す電極引出し構造２３が設けられて
いる。
【００２０】すなわち、図４および図５にそれぞれ示す
ように、中央に配置された共通電極板１４および一方の
電極板（例えば陰極板１６）において、ＩＧＢＴ１１ａ
のゲート電極Ｇに対向する面側の両側面部に、段差状の
切削部２４が形成されるとともに、この段差状切削部２
４に連接して、ＩＧＢＴ１１ａのゲート電極Ｇに対応す
る位置にそれぞれ凹溝が設けられている。また、これら
の凹溝に、樹脂製の円筒状ガイド管２５がそれぞれ配設
され、これらのガイド管２５内に、後端部にコイルばね
２６が固着されたプローブピン２７が同心的に挿嵌され
ている。そして、このプローブピン２７の先端が、モリ
ブデンディスク１２の所定の位置に設けられた透孔を同
心的に（孔の内壁面に接触することなく）挿通して、Ｉ
ＧＢＴ１１ａのゲート電極Ｇに当接されている。さら
に、共通電極板１４および陰極板１６の段差状切削部２
３には、銅張積層板（ガラスエポキシ積層板）を用いて
コの字形に作製され、一方の主面に所定の配線が形成さ
れた枠形の配線板２８が嵌め込まれている。そして、こ
の枠形配線板２８の銅配線に、コイルスばね２６を覆う
導電性の鞘体２９の基端部が当接され、この導電性鞘体
２９を介して、プローブピン２７が配線に接続されてい
る。
【００２１】このような実施例の半導体装置における電
気的接続を、図６の等価回路図に示す。
【００２２】この図に示すように、実施例の装置では、
互いに並列に接続された４個のＩＧＢＴ１１ａと４個の
ＦＲＤ１１ｂとにより半導体ユニット１３が構成され、
このような半導体ユニット１３の２組が、中間に接続さ
れた共通電極により直列に接続されるとともに、両端部
（エミッタ側およびコレクタ側）が陽極および陰極にそ
れぞれ接続された回路が形成されている。また、各ＩＧ
ＢＴ１１ａのゲート電極Ｇが、引出し構造によりそれぞ
れ外部に引き出されている。
【００２３】このように構成される実施例の半導体装置
においては、４個のＩＧＢＴ１１ａと４個のＦＲＤ１１
ｂとが同一平面上で並列に配置・接続された半導体ユニ
ット１３の２組が、共通電極板１４を挟んで直列に配置
・接続されており、これらの両側に陽極板１５および陰
極板１６がそれぞれ並置され、これらの電極板が皿ばね
１７の押圧付勢力により、モリブデンディスク１２を介
して半導体ペレット１１の主面に圧接されている。この
ように、半導体ペレット１１と電極板との所要の接続
が、はんだ接合やワイヤーボンディングによることな
く、圧接によりなされているので、動作時の発熱、冷却
による熱膨脹係数差に起因する疲労が生じることがな
く、温度サイクルやパワーサイクルに対する信頼性が大
幅に向上する。例えば、温度サイクル試験の結果は、従
来の非圧接型の半導体装置では、 300サイクルであった
のに対して、実施例の半導体装置では、1000サイクル以
上を示す。また、パワーサイクル試験の結果は、従来の
半導体装置が 10000サイクルであったのに対して、実施
例の半導体装置では、100000サイクル以上と飛躍的に向
上している。
【００２４】さらに、実施例の半導体装置では、各電極
板が薄い半導体ペレット１１を挟んで隣り合わせに配置
され、電極間の距離が短くなっているので、インダクタ
ンスが減少しているうえに、電極間の距離が短く、半導
体ペレット１１の動作時に相互インダクタンスが働くた
め、素子の合計インダクタンスも従来の 1/3以下と大幅
に低減される。
【００２５】またさらに、皿ばね１７により電極板を両
側から挟むように押圧付勢するとともに、電極板および
半導体ユニット１３等の中央部を貫通して設けられた通
しボルト２１とナット２２とからなる圧接用ねじ部材の
締付けにより、各電極板が半導体ペレット１１の対向す
る主面に圧接されているので、押圧力が分散することな
く電極板の各部に均一にかかり、電極板が各半導体ペレ
ット１１に確実に圧接される。さらに、ナット２２の締
付け力を調節することで、皿ばね１７の押圧付勢力を調
整することが可能であり、必要かつ十分な力で電極板を
半導体ペレット１１に圧接することができる。そして、
半導体ペレット１１を３次元的に高密度で実装すること
ができ、従来の半導体装置に比べて、設置スペースを約
1/2に節減することができる。
【００２６】次に、本発明の別の実施例を、図７（ａ）
および（ｂ）にそれぞれ示す。これらの図において、図
１および図２と同一の部分には、同一の符号を付して説
明を省略する。
【００２７】この実施例の半導体装置では、前記実施例
と同じ構造を有する３つの半導体装置３０ａ、３０ｂ、
３０ｃが、通しボルト２１の挿通方向に対して垂直な方
向に、圧接用ねじ部材等による圧接方向が平行になるよ
うに、並べて配置されている。そして、各半導体装置に
おいて、共通電極板１４はそれぞれ個別に設けられてい
るが、陽極板および陰極板としては、３つの半導体装置
に共通する一括型陽極板３１および一括型陰極板３２が
それぞれ配設されており、これらの一括型電極板を介し
て各半導体装置が並列に接続されている。そして、一方
の端部の半導体装置３０ａにおいて、一括型陽極板３１
および一括型陰極板３２の上部に、それぞれ外部接続用
端子部３１ａ、３２ａが突出して形成され、共通電極板
１４と同様に上方に引き出されている。
【００２８】このように構成される実施例の半導体装置
においては、前記実施例と同様に、半導体ペレット１１
と電極板等との所要の接続が、圧接により確実になされ
ているので、温度サイクルやパワーサイクルに対する信
頼性が大幅に向上する。また、多数の半導体ペレット１
１がより高密度で実装されているうえに、３つの半導体
装置３０ａ、３０ｂ、３０ｃに共通する一括型の陽極板
３１と陰極板３２がそれぞれ設けられ、これらの一括型
電極板が共通電極板１４と同様に上方に引き出されてい
るので、ブスバーのような外部端子との接続が容易で、
接続構造が簡易化されるという利点を有している。
【００２９】なお、以上の実施例では、皿ばね１７を嵌
着した陽極板１５および陰極板１６の外側に、ヒートシ
ンクとしてアルミニウム製の放熱フィン２０を設けた
が、ヒートシンクとしては、冷却水を流す管を設置して
水冷することも可能である。また、セラミック材料によ
りヒートシンクを形成することもできる。すなわち、ア
ルミニウム製の放熱フィン２０に代わり、ヒートシンク
としての機能を有するセラミック製の支持部材により、
電極板および半導体ユニット１３を両側から挟み込んだ
構造としても良い。
【００３０】さらに、陽極板１５および陰極板１６の外
部接続用端子１５ａ、１６ａは、必ずしも曲げる必要は
ないが、ブスバー等に連結する場合には、上部を屈曲す
ることが望ましい。またさらに、電極板を押圧付勢して
半導体ペレット１１の主面に圧接するためのばね部材と
して、実施例ではばね鋼製の皿ばね１７を使用したが、
これに限定されず、各種の材料から成る種々の形状のば
ねを使用することができ、樹脂製のばねも使用可能であ
る。
【００３１】さらに、半導体ペレット１１としてダイオ
ードのみを使用することも可能である。その場合には、
ゲート電極の引出し構造を設ける必要がないので、半導
体ペレット１１と各電極板とを圧接した装置全体の構造
を、より簡易化することができる。
【００３２】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、電気的諸特性に優れ、特に温度サイクルやパ
ワーサイクルに対する信頼性が向上された、圧接型の半
導体装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の圧接型半導体装置の一実施例で、通し
ボルトを取り除いた状態を示す一部切欠正面図。
【図２】同実施例の中心軸方向の縦断面図。
【図３】同実施例の概略構成を示す分解斜視図。
【図４】実施例の圧接型半導体装置において、ゲート電
極引出し部の構造を示す正面図。
【図５】同実施例において、ゲート電極引出し部の構造
を拡大して示す一部断面図。
【図６】実施例の半導体装置の等価回路図。
【図７】本発明の圧接型半導体装置の別の実施例を示
し、（ａ）は上面図、（ｂ）は一部切欠正面図。
【図８】従来から使用されている電力用半導体装置の構
造を示す断面図。
【符号の説明】
１０………ペレットガイド １１………半導体ペレット １２………モリブデンディスク １３………半導体ユニット １４………共通電極板 １５………陽極板 １６………陰極板 １７………皿ばね １８………箱形外囲器 １９………セラミック薄層 ２０………放熱フィン ２１………通しボルト ２２………ナット ２５………円筒状ガイド管 ２６………コイルばね ２７………プローブピン ２８………枠形配線板 ２９………導電性の鞘体 ３０………半導体装置 ３１………一括型陽極板 ３２………一括型陰極板

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 両主面にそれぞれ電極端子を有する矩形
    の半導体素子の複数個を、並列に接続されるように同一
    平面上に配置してなる半導体素子ユニットと、該半導体
    素子ユニットを前記両主面側からそれぞれ挟持し、各半
    導体素子の電極端子にそれぞれ熱緩衝板を介して接触す
    る複数枚の電極板と、これらの電極板を前記半導体素子
    の主面に対して垂直な方向に押圧付勢するばね部材と、
    前記半導体素子ユニットおよび電極板をそれぞれ貫通す
    る通しボルトとナットとから成り、前記ばね部材の押圧
    付勢力を調整する機構とを備え、前記半導体素子ユニッ
    トにおいて、各半導体素子が前記通しボルトを取り囲む
    ように配置されていることを特徴とする圧接型半導体装
    置。
  2. 【請求項２】 請求項１記載の半導体装置の３個を、前
    記通しボルトの挿通方向に対して垂直な方向に並置し、
    かつ各半導体装置の電極板を全て同一の方向に引き出し
    たことを特徴とする圧接型半導体装置。
  3. 【請求項３】 前記ばね部材の外側に、ヒートシングが
    配設されていることを特徴とする請求項１または２記載
    の圧接型半導体装置。
  4. 【請求項４】 前記ヒートシングが、セラミックからな
    る支持部材であることを特徴とする請求項３記載の圧接
    型半導体装置。
  5. 【請求項５】 前記ヒートシングが、フィン部を有する
    銅製の支持部材であることを特徴とする請求項４記載の
    圧接型半導体装置。
  6. 【請求項６】 前記半導体素子ユニットが、インシュレ
    イティッドゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）
    の複数個とダイオードの複数個とにより構成されている
    ことを特徴とする請求項１または２記載の圧接型半導体
    装置。
  7. 【請求項７】 前記ＩＧＢＴのゲート電極に、プローブ
    ピンとその後端部に固着されたばね部材、および主面に
    所要の配線が形成された配線板から成る引出し機構が接
    続され、この引出し機構により、前記ゲート電極が外部
    に引き出されていることを特徴とする請求項６記載の圧
    接型半導体装置。
  8. 【請求項８】 前記ＩＧＢＴとダイオードとが、前記通
    しボルトの周りに交互に並びかつ前記ＩＧＢＴがコーナ
    ーに位置するように、それぞれ配置され、かつ各ＩＧＢ
    Ｔにおいて、ゲート電極が前記引出し方向に近い隅位置
    に配置されていることを特徴とする請求項７記載の圧接
    型半導体装置。
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