JPWO2011125747A1 - プレスフィット端子および半導体装置 - Google Patents
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Abstract
Description
図1〜図3は本発明の実施の形態1にかかるプレスフィット端子の構成を説明するためのもので、図1はプレスフィット端子の構成を説明するための外観図および断面図、図2はプレスフィット端子の圧入(接続)対象となるメス側電極である配線基板スルーホール(貫通孔)の平面図および断面図、図3はプレスフィット端子がスルーホールに圧入された状態を説明するための側面図および平面断面図である。以下、詳細に説明する。
プレスフィット端子は一般的にプレス加工によって作製される。プレス加工により作製する理由は、加工が低コストであり、同仕様の製品を精度よく大量に生産できることである。しかしながら、プレス加工は、板厚よりも小さい円の直径もしくは楕円の短手の寸法、つまり、開口部に対する板厚の比(板厚/開口部径=tO/Ws)が1よりも大きい形状を加工することは、加工精度上非常に難しい。また、板厚よりも細い部分を残して打ち抜く、つまり、板厚よりも細い圧接部を形成する加工(板厚/圧接部太さ=tO/WaL>1となる加工)は困難である。そのため、歩留まりが悪くなって端子の作製コストが高くなるという問題があった。しかしながら、本実施の形態に示した通り、板厚の薄い板材をプレスフィット端子の平面形状に打ち抜いただけのプレスフィット端子単体ユニット10L1と10L2を複数枚積層してプレスフィット端子10を作製することで、プレス加工により、容易に精度よく製造することができる。
さらに、上記の構成では、プレス加工やエッチング加工等により、接合部15の内部形状(開口部15s)の加工が容易になるため、開口部15sの形状を必要特性に合わせて様々に変更することができる。図5〜図8は、本発明の実施の形態1にかかるプレスフィット端子の変形例を示したものである。図5〜図8に記載のプレスフィット端子10V1〜10V4の形状は、スルーホール31に圧入後にスルーホール内壁31wに対して圧接力を増強する目的で設計されたものである。例えば、図5〜図7においては、圧入時に圧接部を内側から押しつける突起部15pV1〜15pV3を設けたり、図8においては圧入前から圧接部15V4を内側から支える支柱部15bV4を設けたりしている。
本実施の形態2にかかるプレスフィット端子は実施の形態1にかかるプレスフィット端子に対して各端子単体ユニットの材質の構成を変えたものである。図9は本実施の形態2にかかるプレスフィット端子210を示す図である。図において、プレスフィット形状の端子単体ユニット210L1を純銅板で形成し、もう一方のプレスフィット形状の端子単体ユニット210L2をリン青銅の板で形成した。本発明の各実施の形態にかかるプレスフィット端子では、プレスフィット形状をもった端子単体ユニットを複数枚積層する構造であるため、異なる材料からなるプレスフィット端子210を容易に構成することができる。その他の構成については実施の形態1に示したプレスフィット端子と同じであるので説明を省略する。
本実施の形態3にかかるプレスフィット端子は、板厚方向の分割数を3以上とし、板厚方向で外側の層となる端子単体ユニットと内側の層になる端子単体ユニットの材質を変えたものである。図10は本発明の実施の形態3にかかるプレスフィット端子310の構成を示したものである。図において、プレスフィット端310は、板厚方向(y方向)の分割数が3であり、最外側の薄板310L1と310L3が同じ材質である。各層310L1、310L2、310L3それぞれの板厚は0.33mmであり、板材を3枚積層すると全体では約1mm厚となる。中央層となるプレスフィット端子単体ユニット310L2の材質は強度の高いステンレスを、最外層となるプレスフィット端子単体ユニット310L1と310L3の材質は導電性の高い純銅を用いることを例に説明する。なお、プレスフィット端子の各層となる端子単体ユニット同士は一体化されている。上記以外は概ね実施の形態1で示したものと同じ構成であるため、重複する説明を省略する。
純銅の線膨張係数は17ppm/K程度であるが、ステンレスは14ppm/K程度である。プレスフィット端子が高温環境下にさらされると、各材料は熱膨張する。その際、材料の線膨張係数が異なるため、それぞれの材料と材料の界面に熱応力が発生し、そりの原因となるが、最外側に同じ材料を使うことで、高温上昇時に、板厚方向で対称の位置にある材料と材料の界面に均一な熱応力が発生し、結果として、端子全体が反ることなく、膨張する。このようにすることで、スルーホール内壁の接触部に対して、高温時においても均一に圧接力を生じることができるため、安定した電気接続を得られるようになり、温度サイクル信頼性を高めることができる。
本実施の形態4にかかるプレスフィット端子は、板厚方向の分割数を3以上とし、板厚方向で外側の層となる端子単体ユニットと内側の層になる端子単体ユニットの厚さを変えたものである。図11は本発明の実施の形態4にかかるプレスフィット端子410の構成を示すものである。図において、プレスフィット端子単体ユニット3枚(410L1〜410L3)を積層したプレスフィット端子410において、全体の板厚を1mmとした場合に、中央層となるプレスフィット端子単体ユニット410L2の板厚を0.2mmとし、最外層となるプレスフィット端子単体ユニット410L1、410L3の板厚を0.4mmとし、各端子単体ユニット間を接合して、各層を一体化している。また、各端子単体ユニットの材質としては、中央層となるプレスフィット端子単体ユニット410L2の材質を強度の高いステンレスとし、最外層となるプレスフィット端子単体ユニット410L1、410L3の材質を導電性の高い純銅とした。その他の構成については、上記各実施の形態で示したものと同じ構成であるため、説明を省略する。
上記のような構成にした場合、全体の板厚が1mmで、各端子単体ユニットの板厚を同じとする場合と比較して、端子全体の導電性を高くすることができる。なぜなら、本実施の形態4によるプレスフィット端子410は、全体の板厚の5分の4(0.8mm)が導電性の高い純銅の板厚となっており、端子全体の導電性は、全体を純銅とした場合と比較して、最低でも80%以上となる。また、中央層となる端子単体ユニット410L2には、純銅よりも強度の高い材料を用いたので、板厚を全体の20%程度まで薄く(0.2mm)しても、スルーホール内壁31wに対する面圧を維持することができる。その結果、同じ板厚で上記材質を組み合わせるよりも大電流を流した際に端子の発熱をさらに抑制することができる。
本実施の形態5にかかるプレスフィット端子は、板厚方向の分割数を3以上とし、板厚方向で外側の層となる端子単体ユニットと内側の層になる端子単体ユニットのプレスフィット形状を変えたものである。図12は、本発明の実施の形態5にかかるプレスフィット端子510の構成を示すものであり、図12(a)はプレスフィット端子510をスルーホールに圧入した時の側面図、図12(b)は図12(a)のB−B線による断面図、つまりプレスフィット端子510のスルーホール圧入後のスルーホール厚さ方向の中央の位置における断面図、図12(c)はスルーホール圧入前の寸法関係を説明するための図である。図において、プレスフィット端子510は、板厚方向に3分割されており、最外層となるプレスフィット端子単体ユニット510L1、510L3(以下510LEと称する)の圧接部515における幅WOEが、中央層となるプレスフィット端子単体ユニット510L2(以下510LMと称する)の圧接部515の幅WOMよりも小さくなっている。そして、各端子単体ユニットの端子の圧接部の幅WOE、WOMが厚み方向の外側面FEEとなる位置でのスルーホール内壁31wの断面形状である円弧A31Wの弦の長さ(弦の距離DCE、DCMに対応した弦の長さ)LCE、LCMよりも大きくなるようにしている。
このようにすることで、プレスフィット端子510とスルーホール内壁31wに接触する箇所が、最外層の端子単体ユニット510LEの4点のコーナー部515cだけでなく、内層の端子単体ユニット510LMの4つのコーナー515cMも加えて8点となり、接触する面積を大きくすることができる。そのため、接触部の抵抗を低減することができる。その結果、大電流を流す際に接触部の発熱による温度上昇を抑えることができ、長期信頼性が高まる。
本実施の形態6にかかるプレスフィット端子も、実施の形態5と同様に板厚方向の分割数を3以上とし、板厚方向で外側の層となる端子単体ユニットと内側の層になる端子単体ユニットのプレスフィット形状を変えたものであるが、本実施の形態6においては、外側層となる端子単体ユニットの圧接部の幅の方を内側層となる端子単体ユニットの圧接部の幅よりも広くした。
本実施の形態によるプレスフィット端子610は、板厚み方向(y方向)で最外層となるプレスフィット端子単体ユニット610L1が、圧入終了時に、スルーホール内壁31wに沿って、板厚み方向の内側に向かって扇型に変形する。そのため、端子圧接部615の外側面EEEおよび、プレスフィット形状の横の面ESEがスルーホール内壁31wと接触する。そのため、プレスフィット端子610とスルーホール内壁31wとの接触面積が大きくなるという効果がある。このようにすることで、接触抵抗が低減し、大電流を流した際の接触部の発熱による温度上昇を抑制することができる。
最外層となるプレスフィット端子単体ユニット610LEは、プレスフィット端子610の圧入後、厚み方向(xy平面内)に曲げ変形するため、曲げによる弾性力をスルーホール内壁31wに対する抗力として発揮する。そのため、スルーホール内壁31wに対してより大きな接触力を生じることができる。このようにすることで、接触抵抗が低減し、大電流を流した際の接触部の発熱による温度上昇を抑制することができる。
本実施の形態では、上記各実施の形態1〜6で説明したプレスフィット端子を用いた電力用半導体装置について説明する。図14〜図16は、本発明の実施の形態7にかかる電力用半導体装置の構成を説明するためのもので、図14は電力用半導体装置の内部構造を説明するための部分平面図(図14(a))および部分断面図(図14(b))、図15は、電力用半導体装置の外観を説明するための正面図(図15(a))および側面図(図15(b))、図16は、変形例にかかる電力用半導体装置の外観を説明するための正面図(図16(a))および側面図(図16(b))である。なお、図では、プレスフィット端子710、710Vと表記しているが、上記各実施の形態で示したプレスフィット端子10,10V1〜10V5,110,210,310,410,510,610のいずれを用いても構わない。
図15は、実施の形態7の変形例に係る電力用半導体装置を示すもので、ケース型の電力用半導体装置100Vである。プレスフィット端子710Vはケース100pVの上面から露出する構造となっている。本構造では、ケース100pVの上からプレスフィット端子710Vが出ているため、トランスファー型のようにプレスフィット端子(基部712)を曲げる必要が無いため、配線基板のスルーホールに圧入する際の位置決め性が向上するというメリットがある。さらに、プレスフィット端子を曲げる必要がないため、簡単にプレスフィット端子を立てることができ、さらにはんだ付が必要ないため、ピン間の距離を狭くすることが可能となり、電力用半導体装置の小型化が可能である。
添え字:L プレスフィット端子単体ユニット、O 端子全体、V 変形例。
百位の数字の違いは、実施の形態ごとの違いを示す。
Claims (16)
- 電気接点用の貫通孔に圧入し、電気接続を行うためのプレスフィット端子であって、
板材からなり、先細状に形成された先端部と、前記先端部から分岐し、分岐した部分のそれぞれの側面が所定の間隔を隔てて対向するように形成され、前記貫通孔に挿入圧接される圧接部とを有するプレスフィット端子単体ユニットを、厚さ方向に複数重ねて構成し、
前記複数のプレスフィット端子単体ユニットのそれぞれの板厚は、前記所定の間隔または前記先端部から分岐した部分のそれぞれの幅よりも薄いことを特徴とするプレスフィット端子。 - 当該プレスフィット端子の板厚は、前記先端部から分岐した部分のそれぞれの幅よりも厚いことを特徴とする請求項1に記載のプレスフィット端子。
- 前記重ねあわされたプレスフィット端子単体ユニットどうしは、少なくとも前記先端部の領域では接合されていることを特徴とする請求項1または2に記載のプレスフィット端子。
- 前記重ねあわされたプレスフィット端子単体ユニットどうしは、少なくとも前記圧接部の領域では分離していることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載のプレスフィット端子。
- 前記複数のプレスフィット端子単体ユニットには、材質の異なる板材を用いたことを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載のプレスフィット端子。
- 前記複数のプレスフィット端子単体ユニットのうち、重ね合わせ方向の中心からの距離が同じ位置のプレスフィット端子単体ユニットには、同じ材質の板材を用いたことを特徴とする請求項5に記載のプレスフィット端子。
- 前記複数のプレスフィット端子単体ユニットには、厚みの異なる板材を用いたことを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1項に記載のプレスフィット端子。
- 前記複数のプレスフィット端子単体ユニットのうち、重ね合わせ方向の中心からの距離が同じ位置のプレスフィット端子単体ユニットには、厚みの同じ板材を用いたことを特徴とする請求項7に記載のプレスフィット端子。
- 前記複数のプレスフィット端子単体ユニットには、圧接部の幅が異なるものを用いたことを特徴とする請求項1ないし8のいずれか1項に記載のプレスフィット端子。
- 前記プレスフィット端子単体ユニットの圧接部の幅は、当該プレスユニット端子単体ユニットの位置が重ね合わせ方向の中心から遠いほど狭くなっていることを特徴とする請求項9に記載のプレスフィット端子。
- 前記貫通孔の内壁の断面形状を円弧とすると、
前記プレスフィット端子単体ユニットのうち、重ね合わせ方向で最外層となるプレスフィット端子単体ユニットの圧接部の幅が、前記円弧における円の中心から当該プレスフィット端子の厚みの半分の距離の弦の長さよりも広く、
前記最外層となるプレスフィット端子単体ユニットの内側に隣接するプレスフィット端子単体ユニットの圧接部の幅が、前記弦の長さよりも狭い、
ことを特徴とする請求項9に記載のプレスフィット端子。 - 前記先端部から分岐した部分のそれぞれの側面には、対向する側面に向かって突出する突起部が形成されていることを特徴とする請求項1ないし11のいずれか1項に記載のプレスフィット端子。
- 前記突起部は、それぞれ前記側面からの付根部分がテーパ状に形成されていることを特徴とする請求項12に記載のプレスフィット端子。
- 回路基板に形成された回路パターン上に取り付けられた半導体素子と、
前記半導体素子の電極に対して、前記先端部の他端側が電気接続された請求項1ないし13のいずれか1項に記載のプレスフィット端子と、
を備えたことを特徴とする半導体装置。 - 前記半導体素子がワイドバンドギャップ半導体材料により形成されていることを特徴とする請求項14に記載の半導体装置。
- 前記ワイドバンドギャップ半導体材料は、炭化ケイ素、窒化ガリウム、またはダイヤモンドのうちのいずれかであることを特徴とする請求項15に記載の半導体装置。
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