JP4688751B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、トランファーモールドタイプのパワーモジュールを冷却フィンに固定した半導体装置に関し、特に冷却フィンと外部端子の間に一定の空間距離・沿面距離を確保することができる半導体装置に関するものである。

トランファーモールドタイプのパワーモジュールは、産業民生機器のモータ制御に用いられ、近年ではエアコンなどに対する需要が伸びている。このようなパワーモジュールは、高電圧・大電流を扱うことにより発生した熱を放熱するため、冷却フィンに固定される（例えば、特許文献１参照）。

パワーモジュールを冷却フィンに固定した従来の半導体装置を図７に示す。Ｃｕからなる板状のリードフレーム１上に、ＩＣ２、ＩＧＢＴ３及びダイオード４がそれぞれハンダ付けされている。そして、これらの素子同士及びリードフレーム１との間がＡｌワイヤ５によって電気的に接続されている。このように、リードフレーム１は、回路の配線パターンを構成するとともに、外部装置との電気的接続を行うための外部端子６も構成している。

また、リードフレーム１の素子載置面とは反対側の面に板状のヒートシンク７が設けられている。そして、絶縁性の封止樹脂８によって、リードフレーム１の外部端子６を除いた部分、ＩＣ２、ＩＧＢＴ３、ダイオード４、及び、ヒートシンク７の上面及び側面が封止されている。このようにしてパワーモジュール１０は形成され、その外形はＤＩＰ（Dual In-line Package）やＳＩＰ（Single In-line Package）になっている。

また、ヒートシンク７の裏面はパワーモジュール１０から露出している。そして、外部端子６はパッケージ側面から外部へ突出し、その先端部がヒートシンク７の露出面とは反対側へ突出するように折り曲げられている。

また、パワーモジュール１０は冷却フィン１１に固定される。この際、ヒートシンク７の露出面が冷却フィン１１の平坦面に面接触する。これにより、ＩＣ２、ＩＧＢＴ３及びダイオード４で発生した損失熱が、ヒートシンク７から冷却フィン１１へ放散される。

特開平８−９７３３３号公報

高電圧・大電流を扱うパワーモジュール１０では、安全性のため、外部端子６同士の間、及び、冷却フィン１１と外部端子６の間に一定の空間距離・沿面距離を確保する必要がある。しかし、外部端子６同士の距離を確保するためには、パッケージサイズを大きくしなければならないという問題があった。

また、外部端子６はパッケージ側面から外部へ突出しているため、外部端子６から冷却フィン１１までの空間距離・沿面距離を確保するのが困難であった。そして、図８に示すように、冷却フィン１１の形状を凸型に加工すれば、外部端子６から冷却フィン１１までの空間距離・沿面距離を確保することができる。しかし、この場合、冷却フィン１１の加工により製造コストが増大するという問題があった。さらに、パワーモジュール１０と冷却フィン１１の間に絶縁シートを敷いた場合、放熱性が損なわれるという問題があった。

また、パワーモジュール１０を基板１２に実装する際、図９に示すように、通常は外部端子６に設けられたストッパ１３で決まる高さで実装される。これに対し、図１０に示すように、基板面積を低減するためにパワーモジュール１０と基板１２との間の空間にコンデンサ１５や抵抗１６などの他の電子部品を配置する場合、ストッパ１３で決まる高さよりも高い位置で実装する必要がある。そこで、パワーモジュール１０と基板１２との間にスペーサ１４を設けて高さを確保する必要があった。また、図１１に示すように、ダイオードブリッジ１７など他のパワー部品を冷却フィン１１に固定する場合にも、スペーサ１４を設けて高さを確保する必要があった。

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、その目的は、容易に組み立てることができる構造により、冷却フィンと外部端子の間に一定の空間距離・沿面距離を確保することができる半導体装置を得るものである。

また、本発明の他の目的は、新たな部品を追加することなく、外部端子同士の間に一定の空間距離・沿面距離を確保することができる半導体装置を得るものである。

また、本発明の更に別の目的は、新たな部品を追加することなく、パワーモジュールと基板との間に他の電子部品を設けるための空間を確保することができる半導体装置を得るものである。

本発明に係る半導体装置は、側面から外部に突出し、上方に折り曲げられた複数の外部端子を有するトランファーモールドタイプのパワーモジュールと、複数の外部端子の折り曲げ部を覆うようにパワーモジュールの側面に取り付けられた絶縁性のキャップと、パワーモジュールが固定された冷却フィンとを備え、複数の外部端子には高電圧を扱うパワー端子が含まれ、キャップは、上板部と下板部とを有する断面がコの字状の構造をしており、上板部にパワー端子ごとの開口が設けられている。本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。

本発明により、容易に組み立てることができる構造により、冷却フィンと外部端子の間に一定の空間距離・沿面距離を確保することができる半導体装置を得ることができる。

実施の形態１．
図１（ａ）は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置を示す上面図であり、図１（ｂ）はその側面図である。トランファーモールドタイプのパワーモジュール１０の側面から複数の外部端子６が外部に突出している。この複数の外部端子６は、リードのカット・ベンドにより形成され、上方に折り曲げられている。

また、ＰＰＳ（poly phenylene sulfide）樹脂などからなる絶縁性のキャップ２１が、複数の外部端子６の折り曲げ部を覆うようにパワーモジュール１０の側面に取り付けられている。図２では、図１における半導体装置について理解がより得られ易いようにパワーモジュール１０にキャップ２１及び２７が取り付けられる前の状態を表したもので、図２（ａ）はその上面図、図２（ｂ）は側面図、図２（ｃ）は下面（裏面）図、そして図２（ｄ）はキャップ２１におけるパワーモジュール１０が取り付けられる面の側面図である。このキャップ２１は、上板部２２と下板部２３とを有する断面がコの字状の構造をしており、上板部２２には複数の外部端子６ごとに開口２４が設けられている。そして、キャップ２１は、上板部２２と下板部２３によりパワーモジュール１０の端部を挟み込むように取り付けられている。さらに、上板部２２と下板部２３に設けられたツメ２９が、予めモールドパッケージ成型時にパワーモジュール１０に形成された窪みを有する係合部２５に嵌め合わされる。

また、図３に示すように、パワーモジュール１０は、ネジ３０により冷却フィン１１に固定される。この際、キャップ２１の下板部２３は、パワーモジュール１０と冷却フィン１１の間に挟まれる。これにより、キャップ２１が外れるのを防止することができる。なお、パワーモジュール１０における冷却効率向上のためには、パワーモジュール１０と冷却フィン１１とがグリースなどを介して密着していることが必要となる。そのため、キャップ２１及び２７をパワーモジュール１０に取り付けた場合に、キャップ２１や２７の下板部２３がパワーモジュール１０の冷却フィン１１を取り付ける面より突出することがないように、係合部２５と下板部２３の寸法及び形状は形成されている。

上記キャップ２１を用いた容易に組み立てることができる構造により、外部端子６の冷却フィン１１に近い部分の露出を防ぐことで、冷却フィン１１と外部端子６との間に一定の空間距離・沿面距離を確保することができる。従って、高電圧・大電流を扱うパワーモジュールの安全性を向上させることができ、またパッケージ厚のより一層の小型化を可能とする。

なお、図１の右側の外部端子６はパワー端子であり、高電圧（例えば、百数十ボルト以上）が印加される。従って、端子間の空間距離を確保するために、キャップ２１の上板部２２には外部端子６ごとに開口２４を設けている。一方、図１の左側の外部端子２６は制御端子であり、低電圧（例えば、百数十ボルト以下）しか印加されない。従って、端子間の空間距離をあまり確保する必要がないため、外部端子２６を覆うキャップ２７には、複数の外部端子２６をまとめて通す１つの開口２８を設ける。これにより、アセンブリが容易になる。

実施の形態２．
図４（ａ）は、本発明の実施の形態２に係る半導体装置を示す上面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ｂにおける断面図である。図５は、図４における半導体装置についての理解がより得られ易いようにパワーモジュール１０にキャップ２１及び２７が取り付けられる前の状態を表したもので、図５（ａ）はその上面図、図５（ｂ）は側面図、そして図５（ｃ）はキャップ２１におけるパワーモジュール１０が取り付けられる面の側面図である。パワーモジュール１０の筐体には、複数の外部端子６同士の間にそれぞれ複数の凹部３１が設けられている。また、キャップ２１には、複数の外部端子６同士の間を隔てるように複数の壁状突起３２が設けられている。そして、この複数の壁状突起３２は、キャップ２１がパワーモジュール１０の側面に取り付けられた際に、複数の凹部３１にそれぞれ挿入される。

このように、複数の凹部３１を設けたことにより、複数の外部端子６同士の沿面距離を確保することができる。また、複数の壁状突起３２を設けたことにより、複数の外部端子６同士の空間距離を確保することができる。従って、パッケージを小型化して外部端子同士の間隔が狭くなっても、新たな部品を追加することなく、外部端子同士の間に一定の空間距離・沿面距離を確保することができる。従って、パワーモジュールの安全性を実施の形態１よりも向上させることができる。

なお、上述の実施の形態１及び２では、パワーモジュール１０の外形がＤＩＰの場合、即ち対向する二辺の側面から突出し、上方に折り曲げられた複数の外部端子を有する外形のパワーモジュールを対象としているが、ＳＩＰのように一側面のみから外部端子が突出した外形のパワーモジュールやその他に複数の側面から外部端子が突出した外形を有するパワーモジュールについても本発明を同様に適用できることは言うまでもない。

実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３に係る半導体装置を示す側面図である。パワーモジュール１０は、基板１２に実装されている。この際、基板１２はキャップ２１及び２７の上板部２２に当接し、この上板部２２により隔てられてパワーモジュール１０と基板１２との間に空間ができる。そして、キャップ２１及び２７の上板部２２を厚くすることによって当該空間の高さを確保し、当該空間にコンデンサ１５や抵抗１６などの他の電子部品電子部品を設ける。

このようにキャップの厚みを利用することで、スペーサなどの新たな部品を追加することなく、パワーモジュールと基板との間に電子部品を設けるための空間を確保することができる。

本発明の実施の形態１に係る半導体装置を示す上面図（ａ）及び側面図（ｂ）である。 パワーモジュールにキャップが取り付けられる前の状態を表した上面図（ａ）、側面図（ｂ）及び下面（裏面）図（ｃ）、キャップにおけるパワーモジュールが取り付けられる面の側面図（ｄ）である。 本発明の実施の形態１に係る半導体装置を示す側面図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体装置を示す上面図（ａ）及び同上面図のＡ−Ｂにおける断面図（ｂ）である。 パワーモジュールにキャップが取り付けられる前の状態を表した上面図（ａ）及び側面図（ｂ）、キャップにおけるパワーモジュールが取り付けられる面の側面図（ｃ）である。 本発明の実施の形態３に係る半導体装置を示す側面図である。 パワーモジュールを冷却フィンに固定した従来の半導体装置を示す断面図である。 冷却フィンの形状を凸型に加工した従来の半導体装置を示す側面図である。 パワーモジュールを基板に実装した従来の半導体装置を示す側面図である。 パワーモジュールと基板との間の空間に他の電子部品を配置した従来の半導体装置を示す側面図である。 他のパワー部品を冷却フィンに固定した従来の半導体装置を示す側面図である。

符号の説明

６ 外部端子
１０ パワーモジュール
１１ 冷却フィン
１２ 基板
１５ コンデンサ（電子部品）
１６ 抵抗（電子部品）
２１ キャップ
２２ 上板部
２３ 下板部
２４ 開口
３１ 凹部
３２ 壁状突起

Claims (4)

1. 側面から外部に突出し、上方に折り曲げられた複数の外部端子を有するトランファーモールドタイプのパワーモジュールと、
   前記複数の外部端子の折り曲げ部を覆うように前記パワーモジュールの側面に取り付けられた絶縁性のキャップと、
   前記パワーモジュールが固定された冷却フィンとを備え、
   前記複数の外部端子には高電圧を扱うパワー端子が含まれ、
   前記キャップは、上板部と下板部とを有する断面がコの字状の構造をしており、前記上板部に前記パワー端子ごとの開口が設けられていることを特徴とする半導体装置。
2. 前記キャップの前記下板部は、前記パワーモジュールと前記冷却フィンの間に挟まれていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記パワーモジュールは、前記複数の外部端子同士の間にそれぞれ設けられた複数の凹部を有し、
   前記キャップは、前記複数の外部端子同士の間を隔て、前記複数の凹部にそれぞれ挿入される複数の壁状突起を有する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. 前記キャップの前記上板部に当接する基板と、
   前記キャップの前記上板部により隔てられた、前記パワーモジュールと前記基板との間の空間に設けられた電子部品とを更に有することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体装置。

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