JP6119313B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

この発明は、半導体装置に係り、特にパワー半導体素子を搭載したパワーモジュールに関する。

ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）やパワーＭＯＳＦＥＴ、ＦＷＤ（フリーホイールダイオード）などのパワー半導体素子を複数個搭載し、インバータなどで電力制御用に用いられるパワーモジュールと呼ばれる半導体装置が産業分野で広く用いられている。

一般的にパワーモジュールは、電力を変換するパワー半導体素子が、主回路パターンが組み込まれている絶縁回路基板の上に実装されており、またそれらは放熱用の金属ベース板の上に実装され、さらにその外周が樹脂製のケースに覆われた構造を有している。

また、このパワーモジュールに各種制御機能が付加されているＩＰＭ（インテリジェントパワーモジュール：Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｐｏｗｅｒ Ｍｏｄｕｌｅ）と呼ばれる半導体装置は、主回路用の絶縁回路基板に加え、制御用素子や制御回路用パターンを有するプリント基板を内蔵している。

このＩＰＭでは、絶縁回路基板とプリント基板の２層に分けられた構造が一般的に採用されており、各々の基板間や、基板と外部端子の間などを電気的に接続する必要がある。このため装置内部において、リードフレームと呼ばれる金属板やボンディングワイヤ、各種はんだ材などを用いて電気的接続がなされ、半導体装置が正常に機能するために必要な回路を成立させている。そしてＩＰＭの外部より、制御端子を通じて供給された制御信号がＩＰＭ内の制御回路に供給され、その制御回路から出力された信号に基づいて主回路のパワー半導体素子を駆動させることにより、効率の良い電力制御を行うことができる。

ＩＰＭの制御信号用の内部配線に関しては、特許文献１及び２に記載されている技術が公知である。詳細を以下に述べる。
図６は従来のＩＰＭ１００の断面図である。金属ベース板１１１に絶縁回路基板１１２が載置され、さらにパワー半導体素子１１３が載置されている。また制御端子１３０、接続端子１３１ａ及び１３１ｂと一体で成形されている樹脂製のケース１２０が、絶縁回路基板１１２を取り囲むように金属ベース板１１１上に載置されている。

パワー半導体素子１１３には、主回路配線及び制御用配線がボンディングワイヤなどを用いて施されており、そのうち制御用配線は、ボンディングワイヤ１４０、接続端子１３１ａ及び１３１ｂを用いてプリント基板１５０に接続されている。

さらにプリント基板１５０とＩＰＭ外部との制御用配線は、Ｕ字形状の制御端子１３０を用いて行われている。なお制御端子１３０は、ケース側壁１２０ａに埋め込まれるように構成されている。ＩＰＭ１００の内部は絶縁性ゲル（図示せず）などで封止され、上部には異物混入防止などのための蓋１６０が載置されている。

次にＩＰＭ１００の製造方法について述べる。まず絶縁回路基板１１２の上にパワー半導体素子１１３をはんだなどを用いて実装し、さらにこれらを金属ベース板１１１上にはんだなどを用いて実装する。

一方、金属板を所定の形状に加工した制御端子１３０、接続端子１３１ａ及び１３１ｂを金型にセットし、インサート成形を行うことによりケース１２０が成形される。この成形されたケース１２０を金属ベース板１１１上の絶縁回路基板１１２を取り囲むように、接着剤などを用いて実装する。この状態で接続端子１３１ａ及び１３１ｂとパワー半導体素子１１３を、ボンディングワイヤ１４０により接続する。

この段階での平面図を図７に、ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ’断面図を図８に示している。図７に示すように、ケース１６０の周囲４辺のうち対向する２辺に接続端子１３１ａ、１３１ｂが設けられ、また１辺に制御端子１３０が設けられている。

続いてプリント基板１５０を、それに設けられているスルーホールに制御端子１３０、接続端子１３１ａ及び１３１ｂが挿入されるように取り付けをする。さらにスルーホールとそれぞれの端子の接続部にはんだ付けなどを施すことにより、プリント基板１５０と各端子との電気的接続が確保されるとともに、プリント基板１５０がＩＰＭ１００内に固定される。

最後に絶縁性ゲル（図示せず）を内部に注入し、蓋１６０を接着剤などを用いて取り付けることによりＩＰＭが完成する。
なお上記ＩＰＭ１００の主回路配線に関しては、制御用配線と同様にＩＰＭ外部に導出されるように各種配線が施されているが、ここでは図示及び説明は省略する。

特開平１１−６８０３５号公報 特開２０００−６８４４６号公報

しかしながら本発明者の鋭意研究の結果、従来構造のＩＰＭでは様々な課題があることが明らかとなった。詳細を以下に述べる。
ＩＰＭは、最終的には電力制御を必要とする各種装置の内部に組み込まれて使用されるが、ＩＰＭの専有面積が大きいと、組み込まれる装置もそれに伴い大型化するため、ＩＰＭのさらなる小型化が近年強く求められている。一方、ケース側壁１２０ａは制御端子１３０をインサート成形により保持しなければならず、制御端子１３０が保持可能となる厚さ以下にはすることができない。また図６に示すように、制御端子１３０をケース側壁１２０ａ上に配置させるため、プリント基板１５０からの水平方向の配線が必要であるが、この延長配線分のスペース確保も必要となる。このように側壁厚さや水平方向の配線の必要性が、ＩＰＭの専有面積を縮小する妨げになっていることが明らかとなった。

さらにＩＰＭにおける制御端子の取り付け位置に関しては標準規格が存在しないため、使用用途に応じて求められる様々な位置に制御端子１３０を取り付ける必要がある。一方前述の通り制御端子１３０はケース１２０にインサート成形で取り付けられるため、制御端子１３０の様々な取り付け位置に対応した様々な種類のインサート成形用の金型を用意する必要がある。このように様々な種類の金型を用意する必要性が、ＩＰＭの製造コストの増大につながっていた。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、ＩＰＭの専有面積を縮小でき、さらに様々な種類の金型を用意すること無く、様々な制御端子の取り付け位置を可能にする半導体装置を提供するものである。

前記の目的を達成するために、この発明の一態様では、パワー半導体素子と、前記パワー半導体素子が載置されている絶縁回路基板と、前記パワー半導体素子と電気的に接続され、制御回路を有するプリント基板と、底部に樹脂で成形された制御端子挿入穴を有するケースと、前記プリント基板と半導体装置外部を電気的に接続する制御端子とを備え、前記プリント基板は、前記絶縁回路基板及び前記ケース底部と階層構造を有しており、前記制御端子は直線形状であり、前記制御端子挿入穴及び前記プリント基板のスルーホールに挿入されていることを特徴とする構成とする。

上記の手段によれば、直線形状の制御端子を、ケース底部に備えられた制御端子挿入穴、及びプリント基板のスルーホールに挿入して立たせる構造を採用することにより、前述した従来構造のケース側壁において、インサート成形された制御端子を保持するだけの樹脂厚さが不要となり、側壁の薄型化が可能となる。また従来構造で必要であった、制御端子からプリント基板に接続するための水平方向の延長配線も不要となることから、この延長配線分のスペース確保も不要となる。これらにより、ＩＰＭの専有面積を縮小することが可能となっている。

この発明の実施例に係る半導体装置の断面図である。 この発明の実施例に係る半導体装置の製造フロー図である。 この発明の実施例に係る半導体装置の製造段階における平面図である。 この発明の実施例に係る半導体装置の製造段階における断面図である。 この発明の実施例に係る制御端子挿入穴の平面図及び断面図である。 この発明の従来例における半導体装置の断面図である。 この発明の従来例における半導体装置の製造段階における平面図である。 この発明の従来例における半導体装置の製造段階における断面図である。

以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を図面に基づいて説明する。
実施の形態を通して共通の構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。

なおこの実施例は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。
図１は本発明の実施例に係る半導体装置であるＩＰＭ１の断面図である。装置の構成を以下に説明する。

銅やアルミニウムなどの放熱性が高い金属で構成されている金属ベース板１１に、絶縁回路基板１２が載置されている。ここで絶縁回路基板１２は、アルミナや窒化珪素などの絶縁性でかつ熱伝導性の高いセラミックス等で形成した絶縁板の下面に、銅などの金属薄膜が接合されているとともに、その上面には主回路用の電気回路パターンが設けられた銅などの金属薄膜が接合されて構成されている。絶縁回路基板１２は、ＤＣＢ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｏｐｐｅｒ Ｂｏｎｄｉｎｇ）基板あるいは金属絶縁基板とも呼称されるものである。

この絶縁回路基板１１の電気回路パターン薄膜上に、ＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴ、ＦＷＤなどのパワー半導体素子１３が載置されている。
また金属製の接続端子３１ａ及び３１ｂと一体で成形されている樹脂製のケース２０が、ケース底部２０ｂで絶縁回路基板１２を取り囲むように金属ベース板１１上に載置されている。なお、絶縁回路基板１２及びケース底部２０ｂは、ともに金属ベース板１１に載置されていることから、ほぼ同一平面上に配置されている。

パワー半導体素子１３には、主回路配線及び制御用配線がボンディングワイヤやリードフレームなどを用いて施されており、そのうち制御用配線は、ボンディングワイヤ４０、接続端子３１ａ及び３１ｂを用いて、プリント基板５０に接続されている。

図１に示すようにプリント基板５０は、絶縁回路基板１２及びケース底部２０ｂとは異なる平面上に配置されており、すなわち階層構造を有している。これは、絶縁回路基板１２と同一平面上に配置される場合に比べ、ＩＰＭの専有面積を縮小することができるからである。

このプリント基板５０には、表面に制御用半導体素子や受動素子（図示せず）が固定され、それらの部品間は電気配線で接続されている。また、この電気配線と各種端子との電気的接続を可能にするため、内壁が導電処理されたスルーホールが各種端子と対応する箇所に設けられている。

プリント基板５０とＩＰＭ１の外部との制御用配線は、直線形状の制御端子３０を用いて行われている。制御端子３０は、ケース２０の底部２０ｂに設けられている制御端子挿入穴３２、及びプリント基板５０のスルーホールに挿入されることにより保持されている。

さらにＩＰＭ１の内部は絶縁性ゲル（図示せず）などで封止され、上部には異物混入防止などのための蓋６０が載置されている。
この様に直線形状の制御端子３０を、ケース底部２０ｂに備えられた制御端子挿入穴３２、及びプリント基板５０のスルーホールに挿入して立たせる構造を採用することにより、ケース側壁２０ａにおいてインサート成形された制御端子を保持するだけの樹脂厚さが不要となり、ケース側壁２０ａの薄型化が可能となる。また従来構造で必要であった、制御端子からプリント基板に接続するための水平方向の延長配線も不要となることから、この延長配線分のスペース確保も不要となる。これらにより、従来構造に比べＩＰＭの専有面積を縮小することが可能となっている。

また制御端子３０をケース底部２０ｂから垂直に立たせることにより、制御端子を斜めに立たせたり、折れ形状にしたりする場合に比べてＩＰＭ１の専有面積を極小化することができることから、より効果的である。

続いてＩＰＭ１の製造方法について述べる。図２はこの発明の実施例に係るＩＰＭ１の製造フロー図である。詳細を以下に述べる。
まず絶縁回路基板１２の電気回路パターン薄膜上に、パワー半導体素子１３をはんだ付けなどにより実装する。ここではんだ付けを用いるのは、パワー半導体素子１３と絶縁回路基板１２の電気回路パターン薄膜との電気的接続を確保するためである。

さらにこれらを、金属ベース板１１上にはんだ付けなどにより実装する。ここではんだ付けを用いるのは、ＩＰＭが動作する際にパワー半導体素子１３から発生する熱を、金属ベース板１１に効率良く放熱させるためである。

一方、金属板を所定の形状に加工した接続端子３１ａ及び３１ｂを金型にセットし、インサート成形を行うことによりケース２０が成形される。なおこの成形の際、ケース底部２０ｂに制御端子挿入穴３２も同時に成形される。

この成形されたケース２０を金属ベース板１１上に、ケース底部２０ｂが絶縁回路基板１２を取り囲む位置に、接着剤などを用いて実装する。
この状態で接続端子３１ａ及び３１ｂとパワー半導体素子１３を、アルミニウムや銅などで構成されたボンディングワイヤ４０により接続する。さらに金属製で直線形状の制御端子３０を、所定位置の制御端子挿入穴３２に圧入することにより実装する。この段階での平面図を図３に、ＩＶ−ＩＶ’断面図を図４に示す。

図３に示されているように、ケース２０の周囲４辺のうち対向する２辺に接続端子３１ａ、３１ｂが設けられている。また１辺に制御端子挿入穴３２があらかじめ多数、等ピッチで用意され、その中からＩＰＭのそれぞれの使用用途に応じた位置に対応する穴に、制御端子３０が実装されている。

続いてプリント基板５０を、それに設けられているスルーホールに制御端子３０、接続端子３１ａ及び３１ｂが挿入されるように取り付けをする。さらにスルーホールとそれぞれの端子の接続部にはんだ付けなどを施すことにより、プリント基板５０と各端子との電気的接続が確保されるとともに、プリント基板５０がＩＰＭ１内に固定される。

最後に絶縁性ゲル（図示せず）を内部に注入し、蓋６０を取り付けることによりＩＰＭ１が完成する。なお前記従来技術と同様、上記ＩＰＭ１の主回路配線に関しても外部に導出されるように各種配線が施されているが、ここでは図示及び説明は省略する。

このように制御端子挿入穴３２をあらかじめ多数、等ピッチで用意しておき、それぞれのＩＰＭで必要な制御端子の位置に対応する穴に制御端子３０を圧入して実装可能とすることにより、制御端子３２の端子ピッチや配置の組合せを任意に設定できる。このことから多数の用途に応じて様々な種類のケース成形用金型を用意する必要が無くなるとともに、外部装置への取り付け自由度も増えるという利点がある。

また制御端子を絶縁回路基板やプリント基板、金属ベース板の表面に取り付けようとした場合、はんだや接着剤などを用いて端部を固定する必要があるが、本発明では制御端子挿入穴への圧入による固定手法を採用していることから、はんだや接着剤を用いる場合に比べ工数が少なくなるため、コスト低減の効果も得られる。

続いて制御端子挿入穴３２の形状について説明する。図５はこの発明の実施例に係る制御端子挿入穴３２の平面図及び断面図である。
図５（ａ）は円筒形状の穴を示している。円筒形状などにすることにより、樹脂の成形を容易に行うことができるため有効である。なお、挿入穴３２ａの穴径は、制御端子３０の直径以下にする必要がある。図５（ｂ）は四角柱形状の挿入穴である。四角柱の制御端子３０を採用する場合、穴内面との接触面積が増大することから、圧入のみでも保持力を強くすることができるため有効である。

図５に示すようにケース底部２０ｂの表面から突出し、制御端子３０の端部を覆うような筒状凸部で制御端子挿入穴３２を構成することにより、単にケース底部２０ｂの表面に穴を設ける場合に比べて制御端子挿入穴３２が変形し易くなり、制御端子３０の径にばらつきが生じた場合においても圧入が容易になるため有効である。さらに制御端子３０を圧入のみでも保持できるようにするため、制御端子挿入穴３２は一定以上の深さを必要とするが、ケース底部２０ｂに単に穴を設ける場合に比べケース底部２０ｂの厚さを薄くすることができる。そのためケース２０の成形に必要となる部材を低減でき、製造コストの削減に寄与することができる。

これらの制御端子挿入穴３２は、制御端子３０の端部が圧入のみで実装される様に構成されているが、接着剤などを追加して実装することも可能である。この場合圧入のみに比べて保持力をより強くすることが可能であり、ＩＰＭの長期信頼性を向上させることに効果がある。

１、１００ ＩＰＭ
１１、１１１ 金属ベース板
１２、１１２ 絶縁回路基板
１３、１１３ 半導体素子
２０、１２０ ケース
２０ａ、１２０ａ ケース側壁
２０ｂ、１２０ｂ ケース底部
３０、１３０ 制御端子
３１ａ、３１ｂ、１３１ａ、１３１ｂ 接続端子
３２ 制御端子挿入穴
４０、１４０ ボンディングワイヤ
５０、１５０ プリント基板
６０、１６０ 蓋

Claims (5)

1. パワー半導体素子と、
   前記パワー半導体素子が載置されている絶縁回路基板と、
   前記パワー半導体素子と電気的に接続され、制御回路を有するプリント基板と、
   底部に樹脂で成形された制御端子挿入穴を有するケースと、
   前記プリント基板と半導体装置外部を電気的に接続する制御端子と、
   を備え、
   前記プリント基板は、前記絶縁回路基板及び前記ケース底部と階層構造を有しており、
   前記制御端子は直線形状であり、前記制御端子挿入穴及び前記プリント基板のスルーホールに挿入されていることを特徴とする半導体装置。
2. 前記制御端子挿入穴の数が、前記制御端子の数よりも多いことを特徴とする、
   請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記制御端子が、前記ケース底部から垂直に立っていることを特徴とする、
   請求項１または２に記載の半導体装置。
4. 前記制御端子挿入穴が、前記ケース底部の表面から突出し、前記制御端子の一端を包み込むように構成され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項に記載の半導体装置。
5. 前記制御端子挿入穴の挿入口が、円柱構造もしくは四角柱構造を有することを特徴とする、
   請求項１ないし４のいずれか１項に記載の半導体装置。