(57)【要約】【課題】外部配線の接続により主端子部に発生する不良を低減でき、歩留まりが高く生産性に優れるともに、信頼性の高いトランスファーモールド樹脂により封止された電力用半導体装置を得ることである。【解決手段】回路基板の配線パターンに接合された電力用半導体素子と筒状外部端子連通部と、電力用半導体素子と筒状外部端子連通部との間などを電気的に接続する配線成手段とが、トランスファーモールド樹脂で封止された電力用半導体装置であって、筒状外部端子連通部が、配線パターンに対して略垂直に設置され、外部端子を挿入接続可能であり、且つ各主回路である配線パターンに複数個が２次元に配置されたものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属放熱板と上記金属放熱板の一方の面に接合された高熱伝導絶縁層と上記高熱伝導絶縁層における上記金属放熱板が接合された面と対向する面に設けられた配線パターンとからなる回路基板と、上記配線パターンに接合された電力用半導体素子と、上記配線パターンに接合された筒状外部端子連通部と、上記電力用半導体素子間、上記配線パターン間、上記電力用半導体素子と上記配線パターンとの間の各間の導通をとる配線手段とが、トランスファーモールド樹脂で封止された電力用半導体装置であって、上記筒状外部端子連通部は、主回路となる上記配線パターンに複数個が２次元に配置され、上記配線パターンに対して略垂直に接合され、外部端子の挿入接続を可能にする上記筒状外部端子連通部の開孔が上記トランスファーモールド樹脂の上面に露出したことを特徴とする電力用半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電力用半導体装置の筒状外部端子連通部に、板状部と上記板状部に設けられた連結ピンとで形成された外部端子を接続したことを特徴とする電力用半導体装置。
【請求項３】
請求項１に記載の電力用半導体装置の各主回路に配置された複数個の筒状外部端子連通部に、板状部と上記板状部に２次元に配置された複数個の連結ピンとで形成された外部端子を接続したことを特徴とする電力用半導体装置。
【請求項４】
外部端子の板状部と連結ピンとが別部品であり、上記板状部が金属であり、上記連結ピンがバネ性を有する金属であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の電力用半導体装置。
【請求項５】
外部端子の板状部と連結ピンとが別部品であり、上記板状部と上記連結ピンとが金属であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の電力用半導体装置。
【請求項６】
外部端子の板状部と連結ピンとが一体の金属であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の電力用半導体装置。
【請求項７】
配線パターンに２次元に配置された複数の交流側筒状外部端子連通部と、上記配線パターンに２次元に配置された複数の直流側筒状外部端子連通部と、上記交流側筒状外部端子連通部と上記直流側筒状外部端子連通部とに電気的に導通した電力用半導体素子とが、トランスファーモールド樹脂で封止され、上記各筒状外部端子連通部の開孔が上記トランスファーモールド樹脂の上面に形成され、上記交流側筒状外部端子連通部に交流側外部端子が接続され、上記直流側筒状外部端子連通部に直流側配線基板が接続された電力用半導体装置であって、上記交流側筒状外部端子連通部は、上記電力用半導体素子における正極側電力用半導体素子の負極側と上記電力用半導体素子における負極側電力半導体素子の正極側との接続部に接続され、上記交流側外部端子は、上記交流側外部端子の板状部に上記交流側筒状外部端子連通部と接続する複数の連結ピンが２次元に設けられ、上記直流側筒状外部端子連通部は、複数の正極側筒状外部端子連通部と複数の負極側筒状外部端子連通部とで構成され、上記正極側筒状外部端子連通部は上記正極側電力用半導体素子の正極に接続され、上記負極側筒状外部端子連通部は上記負極側電力用半導体素子の負極に接続され、上記直流側配線基板は、上記正極側筒状外部端子連通部に連結ピンを介して接続される正極側配線板と上記負極側筒状外部端子連通部に連結ピンを介して接続される負極側配線板とが絶縁層を挟んで一体化して形成され、この一体化して形成された上記直流側配線基板の板状部に上記直流側筒状外部端子連通部と接続する複数の連結ピンが２次元に設けられたことを特徴とする電力用半導体装置。
【請求項８】
少なくとも、正極側配線板の連結ピンと正極側筒状外部端子連通部との接続、および、負極側配線板の連結ピンと負極側筒状外部端子連通部との接続が、圧入接続、または、はんだ付けであることを特徴とする請求項７に記載の電力用半導体装置。
【請求項９】
交流側外部端子と直流側配線基板との、板状部と連結ピンとが別部品であり、上記板状部が金属であり、上記連結ピンがバネ性を有する金属であることを特徴とする請求項７に記載の電力用半導体装置。
【請求項１０】
交流側外部端子と直流側配線基板との、板状部と連結ピンとが別部品であり、上記板状部と上記連結ピンとが金属であることを特徴とする請求項７に記載の電力用半導体装置。
【請求項１１】
交流側外部端子と直流側配線基板との、板状部と連結ピンとが一体の金属であることを特徴とする請求項７に記載の電力用半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生産性に優れたトランスファーモールドによる樹脂封止型の電力用半導体装置に関し、特に、小型で大電流化を実現するとともに、信頼性に優れたトランスファーモールドによる樹脂封止型の電力用半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
大電流、高電圧で動作するとともに、動作に伴う発熱を外部に効率良く逃がす電力用半導体装置として、放熱板となる金属板に絶縁層としてのセラミック板を介して配線パターンが形成された基板に電力用半導体素子を搭載し、シリコーンゲルを介して熱硬化性樹脂で注型された電力用半導体装置がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
上記、特許文献１に記載の電力用半導体装置では、金属板に熱可塑性樹脂の外囲ケースを接着する工程、シリコーンゲルを充填し硬化させる工程、熱硬化性樹脂を注入し硬化させる工程等があり、製造工程が多いとともに製造時間が長くなり、生産性が低いとの問題があった。
このような問題を解決した生産性に優れた電力用半導体装置として、金属板上に絶縁層を介してリードフレームを設け、このリードフレーム上に電力用半導体素子を搭載し、トランスファーモールド樹脂により封止した電力用半導体装置がある（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
上記、特許文献２に記載のトランスファーモールド樹脂により封止した電力用半導体装置は、封止したトランスファーモールド樹脂の側面部からリードフレームが外部端子として突出した構造であり、電力用半導体装置の小型化が図りにくいとの問題があった。また、外部端子に用いられているリードフレームは、折り曲げ加工を行うため、厚みに制約があり、外部端子部に流す電流を大きくできず、電力用半導体装置の大電流化が制限されるとの問題があった。
【０００５】
このような問題を解決した小型、大電流化を可能にするトランスファーモールド樹脂で封止した電力用半導体装置として、金属の放熱ベースに接合された回路パターンに、ＩＧＢＴ等の電力用半導体素子を搭載するとともに、外部接続用の主端子と制御端子とを回路パターンの面に対して略垂直に接合して設けて、トランスファーモールドしたものがある。
この電力用半導体装置の主回路に接続されている主端子には、銅のブロック、ねじ穴が付いた円筒、ナットを樹脂モールドしたものが用いられており、銅のブロックの主端子は外部配線とはんだで接合され、ねじ穴が付いた円筒およびナットを樹脂モールドした主端子は外部配線と、ボルトで接続されている。また、この電力用半導体装置の制御回路に接続する制御端子には、メスコネクタが用いられ、外部配線とは、外部配線である制御基板に設けられたピンタイプの端子で接続されている。
そして、このトランスファーモールド樹脂で封止した電力用半導体装置は、主回路に接続されている主端子に接続する外部配線に、大電流を流すことができるブスバーが用いられている（例えば、特許文献３参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開平８−３１６３５７号公報（第３頁、第１図）
【特許文献２】特開２００１−１９６４９５号公報（第３頁、第１図）
【特許文献３】特開２００７−１８４３１５号公報（第７頁〜第９頁、第１図、第５図、第１０図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記、特許文献３に記載のトランスファーモールド樹脂で封止した電力用半導体装置は、主端子に大電流を流すことができるブスバーの外部配線が、ねじ止めやはんだ付けで固定されるため、電力用半導体装置の組み立て時において、主端子部におおきな応力が働く。この応力により、主端子の外側面とトランスファーモールド樹脂との接着面に隙間が発生したり、トランスファーモールド樹脂本体に微細なクラックが発生する等の不具合を主端子部に生じ、電力用半導体装置の歩留まりが低くなり生産性が低下するとともに、信頼性も低下するとの問題があった。ねじ止めによる外部配線の接続において、この問題はさらに顕著になる。
また、大電流を流すので、主端子に接続する外部配線にケーブルを用いても、ケーブルの剛性が高く、同様な問題がおこる。
【０００８】
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、トランスファーモールド樹脂により封止された電力用半導体装置であって、主回路に接続される主端子に大電流を流すことのできる外部配線を接続しても、外部配線の接続により主端子部に発生する不良を低減でき、歩留まりが高く生産性に優れるとともに、信頼性の高い電力用半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係わる電力用半導体装置は、金属放熱板と金属放熱板の一方の面に接合された高熱伝導絶縁層と高熱伝導絶縁層における金属放熱板が接合された面と対向する面に設けられた配線パターンとからなる回路基板と、配線パターンに接合された電力用半導体素子と、配線パターンに接合された筒状外部端子連通部と、電力用半導体素子間、配線パターン間、電力用半導体素子と配線パターンとの間の各間の導通をとる配線手段とが、トランスファーモールド樹脂で封止された電力用半導体装置であって、筒状外部端子連通部は、主回路となる配線パターンに複数個が２次元に配置され、配線パターンに対して略垂直に接合され、外部端子の挿入接続を可能にする筒状外部端子連通部の開孔がトランスファーモールド樹脂の上面に露出したものである。
【００１０】
また、本発明に係わる電力用半導体装置は、配線パターンに２次元に配置された複数の交流側筒状外部端子連通部と、配線パターンに２次元に配置された複数の直流側筒状外部端子連通部と、交流側筒状外部端子連通部と直流側筒状外部端子連通部とに電気的に導通した電力用半導体素子とが、トランスファーモールド樹脂で封止され、各筒状外部端子連通部の開孔がトランスファーモールド樹脂の上面に形成され、交流側筒状外部端子連通部に交流側外部端子が接続され、直流側筒状外部端子連通部に直流側配線基板が接続された電力用半導体装置であって、交流側筒状外部端子連通部は、電力用半導体素子における正極側電力用半導体素子の負極側と電力用半導体素子における負極側電力半導体素子の正極側との接続部に接続され、交流側外部端子は、交流側外部端子の板状部に交流側筒状外部端子連通部と接続する複数の連結ピンが２次元に設けられ、直流側筒状外部端子連通部は、複数の正極側筒状外部端子連通部と複数の負極側筒状外部端子連通部とで構成され、正極側筒状外部端子連通部は正極側電力用半導体素子の正極に接続され、負極側筒状外部端子連通部は負極側電力用半導体素子の負極に接続され、直流側配線基板は、正極側筒状外部端子連通部に連結ピンを介して接続される正極側配線板と負極側筒状外部端子連通部に連結ピンを介して接続される負極側配線板とが絶縁層を挟んで一体化して形成され、この一体化して形成された直流側配線基板の板状部に直流側筒状外部端子連通部と接続する複数の連結ピンが２次元に設けられたものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係わる電力用半導体装置は、金属放熱板と金属放熱板の一方の面に接合された高熱伝導絶縁層と高熱伝導絶縁層における金属放熱板が接合された面と対向する面に設けられた配線パターンとからなる回路基板と、配線パターンに接合された電力用半導体素子と、配線パターンに接合された筒状外部端子連通部と、電力用半導体素子間、配線パターン間、電力用半導体素子と配線パターンとの間の各間の導通をとる配線手段とが、トランスファーモールド樹脂で封止された電力用半導体装置であって、筒状外部端子連通部は、主回路となる配線パターンに複数個が２次元に配置され、配線パターンに対して略垂直に接合され、外部端子の挿入接続を可能にする筒状外部端子連通部の開孔がトランスファーモールド樹脂の上面に露出したものであるので、筒状外部端子連通部に外部端子を接続することにより発生する応力を分散、緩和でき、筒状外部端子連通部不具合を防止できる。
【００１２】
また、本発明に係わる電力用半導体装置は、配線パターンに２次元に配置された複数の交流側筒状外部端子連通部と、配線パターンに２次元に配置された複数の直流側筒状外部端子連通部と、交流側筒状外部端子連通部と直流側筒状外部端子連通部とに電気的に導通した電力用半導体素子とが、トランスファーモールド樹脂で封止され、各筒状外部端子連通部の開孔がトランスファーモールド樹脂の上面に形成され、交流側筒状外部端子連通部に交流側外部端子が接続され、直流側筒状外部端子連通部に直流側配線基板が接続された電力用半導体装置であって、交流側筒状外部端子連通部は、電力用半導体素子における正極側電力用半導体素子の負極側と電力用半導体素子における負極側電力半導体素子の正極側との接続部に接続され、交流側外部端子は、交流側外部端子の板状部に交流側筒状外部端子連通部と接続する複数の連結ピンが２次元に設けられ、直流側筒状外部端子連通部は、複数の正極側筒状外部端子連通部と複数の負極側筒状外部端子連通部とで構成され、正極側筒状外部端子連通部は正極側電力用半導体素子の正極に接続され、負極側筒状外部端子連通部は負極側電力用半導体素子の負極に接続され、直流側配線基板は、正極側筒状外部端子連通部に連結ピンを介して接続される正極側配線板と負極側筒状外部端子連通部に連結ピンを介して接続される負極側配線板とが絶縁層を挟んで一体化して形成され、この一体化して形成された直流側配線基板の板状部に直流側筒状外部端子連通部と接続する複数の連結ピンが２次元に設けられたものであるので、筒状外部端子連通部に外部端子を接続することにより発生する応力を分散、緩和でき、筒状外部端子連通部不具合を防止できるとともに、回路のインダクタンスを小さくでき、大電流の遮断時に発生するサージ電圧を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置における回路基板上のトランスファーモールド樹脂を除いた状態の平面模式図である。
図２は、図１に示す電力用半導体装置において回路基板上にトランスファーモールド樹脂がある状態でのＡ−Ａ断面の模式図である。
図１と図２とに示すように、本実施の形態の電力用半導体装置１００は、金属放熱板１の一方の面に樹脂絶縁層２を設け、この樹脂絶縁層２における金属放熱板１が接合された面と対向する面に配線パターンを設けて形成した金属回路基板が用いられている。配線パターン上には、電力用半導体素子である、ＩＧＢＴ４とＩＧＢＴ４に逆並列に接続されたダイオード５とが搭載され、配線パターンとはんだ６等により電気的に接続されている。また、ＩＧＢＴ４とダイオード５との上面電極は、配線手段であるワイヤーボンド７により、対応する配線パターンと電気的に接続されている。
【００１４】
配線パターンには筒状外部端子連通部が、配線パターンに対して略垂直に接合されている。
具体的には、主回路であるＩＧＢＴ４のコレクタ電極とダイオード５のアノード電極とに電気的に接続された第１の配線パターン３ａには、第１の筒状外部端子連通部８ａが接合され、主回路であるＩＧＢＴ４のエミッタ電極とダイオード５のカソード電極とに電気的に接続された第２の配線パターン３ｂには、第２の筒状外部端子連通部８ｂが接続され、制御回路であるＩＧＢＴ４のゲート電極に電気的に接続された第３の配線パターン３ｃには、第３の筒状外部端子連通部８ｃが接合され、制御回路であるＩＧＢＴ４のエミッタ電極のみと電気的に接続された第４の配線パターン３ｄには、第４の筒状外部端子連通部８ｄが接合されている。
【００１５】
本実施の形態の電力用半導体装置１００では、主回路となる配線パターンにつながる第１の筒状外部端子連通部８ａと第２の筒状外部端子連通部８ｂとは、対応する配線パターンに複数個が接合されている。例えば、第１の筒状外部端子連通部８ａは、２個の列が並列にならび２次元に配置された４個が、第１の配線パターン３ａに接合され、第２の筒状外部端子連通部８ｂは、２個の列が並列にならび２次元に配置された４個が、第２の配線パターン３ｂに接合されている。
しかし、制御回路につながる第３の筒状外部端子連通部８ｃと第４の筒状外部端子連通部８ｄとは、対応する配線パターンに、１個が接合されている。
本実施の形態では、第１の筒状外部端子連通部８ａおよび第２の筒状外部端子連通部８ｂは、各４個が２次元に配線パターン上に接合されているが、この数は４個に限定されず、３個以上で、スペース的に許容できる範囲であれば良い。具体的には、３個〜１２個が好ましい。
【００１６】
そして、上記の金属放熱板１と樹脂絶縁層２と配線パターンとＩＧＢＴ４とダイオード５とはんだ６とワイヤーボンド７と筒状外部端子連通部とで構成される構造体は、トランスファーモールド樹脂９により封止されている。このとき、金属放熱板１の樹脂絶縁層２が設けられた面に対向する面である放熱面と、筒状外部端子連通部の配線パターンと接合された面の反対側の面（筒状外部端子連通部の上面と記す）とは、トランスファーモールド樹脂９で封止されておらず、また、筒状外部端子連通部の内面にはトランスファーモールド樹脂９は存在せず、これらの面と筒状外部端子連通部の孔部が露出している。
【００１７】
本実施の形態の電力用半導体装置１００は、このような構造であるので、金属回路基板の放熱面からの放熱が優れるとともに、外部回路と電気的な接続を行う外部配線には、金属筒である筒状外部端子連通部に圧入接続可能なピンを備えて金属間接合ができる外部端子を用いることができる。特に、大電流が流れる主回路につながる第１の筒状外部端子連通部８ａと第２の筒状外部端子連通部８ｂとは、複数個の筒状外部端子連通部で構成されており、複数のピンを備えた外部端子を用いることができる。
複数のピンを備えた外部端子の具体例としては、複数のピンを備えたブスバーが挙げられる。
本実施の形態では、外部配線に外部端子を用いているが、筒状外部端子連通部にはんだ接合ができる金属ケーブルを用いても良い。主回路につながる筒状外部端子連通部は複数個で構成されているので、この筒状外部端子連通部に接続する金属ケーブルは、複数本が用いられる。
【００１８】
すなわち、本実施の形態の電力用半導体装置１００では、主回路につながる筒状外部端子連通部と外部回路との接続に、複数のピンを備えたブスバーの外部端子を用いることができるので、外部端子の接続により筒状外部端子連通部に作用する応力を分散し、小さくできる。
また、主回路につながる筒状外部端子連通部と外部回路との接続に、金属ケーブルを用いる場合でも、太い金属ケーブルを用いずに複数本の金属ケーブルを用いることができるので、金属ケーブルの接続により筒状外部端子連通部に作用する応力を分散し、小さくできる。
また、外部端子連通部がねじを備えていない筒状であり、外部端子や金属ケーブルの筒状外部端子連通部への接続が、ねじによらないので、外部端子や金属ケーブルを接続する場合の応力がさらに小さい。
【００１９】
すなわち、本実施の形態の電力用半導体装置１００は、各筒状外部端子連通部に作用する応力が小さくなっており、筒状外部端子連通部の外側面とトランスファーモールド樹脂９との接着面に隙間が発生する、トランスファーモールド樹脂９本体に微細なクラックが発生する等の筒状外部端子連通部の不具合がなくなり、製造時の歩留まりが高く生産性が優れているとともに、信頼性にも優れている。
また、本実施の形態の電力用半導体装置１００では、主回路と電気的につながる筒状外部端子連通部と、外部端子や金属ケーブル等の外部配線との接続が、複数個の筒状外部端子連通部で行われているので、大電流容量にも対応できる。
また、本実施の形態の電力用半導体装置１００では、金属放熱板１と樹脂絶縁層２と配線パターンとからなる金属回路基板上に、筒状外部端子連通部を配置するという構造なので、配線パターンのみの変更で、筒状外部端子連通部の配置や本数が自由に選択でき、接続する外部配線の本数や配置の自由度が極めて高い。
【００２０】
本実施の形態において、金属放熱板１には、熱伝導性に優れた金属、例えば、アルミニウムおよびアルミニウム合金、銅および銅合金、鉄および鉄合金等、あるいは、銅／鉄−ニッケル合金／銅、アルミニウム／鉄−ニッケル合金／アルミニウム等の複合材料を用いることができる。特に、電流容量が大きい電力用半導体素子を用いる場合には、電気伝導性に優れた銅を用いるのが好ましい。また、金属放熱板１の厚み、長さ、幅とは、電力用半導体素子の電流容量により、適宜決められる。すなわち、電力用半導体素子の電流容量が大きくなると、金属放熱板１の厚みを厚くし、金属放熱板１の長さと幅とを大きくする。
また、本実施の形態において、樹脂絶縁層２には、例えば、各種セラミックや無機粉末を含有する樹脂絶縁シート、ガラス繊維を含有する樹脂絶縁シートを用いることができる。上記樹脂絶縁層２に含有される無機粉末としては、アルミナ、ベリリヤ、ボロンナイトライド、マグネシア、シリカ、窒化珪素、窒化アルミニウムが挙げられる。そして、樹脂絶縁層の厚みは、例えば、２０〜４００μｍである。
【００２１】
また、本実施の形態において、配線パターンには、例えば、銅箔が用いられ、ワイヤーボンド７には、アルミニウム線が用いられる。配線パターンに用いられる銅箔の厚み、および、ワイヤーボンド７に用いられるアルミニウム線の線径も、電力用半導体素子の電流容量により、適宜決められる。
また、本実施の形態において、筒状外部端子連通部には、例えば、金属筒が用いられる。その材質は、熱伝導性と電気伝導性とに優れ、配線パターンとはんだで接合できる金属、例えば、銅および銅合金、アルミニウムおよびアルミニウム合金等のめっき品を用いるのが好ましい。
筒状外部端子連通部の厚みは、トランスファーモールド時の成形圧力により潰れない厚みであれば良い。筒状外部端子連通部の高さは、後で挿入接続する外部端子が十分に接続できる高さであれば良い。筒状外部端子連通部の内径は、後で挿入接続する外部端子の挿入部の外径から決まり、少なくとも、外部端子を取り付けることができる内径であれば良い。
そして、筒状外部端子連通部の上面の内径を、中心部の内径以上としても良い。このようにすると、筒状外部端子連通部への外部端子の挿入が容易になる。
【００２２】
トランスファーモールド樹脂９には、例えば、フィラーとしてシリカ粉末が充填されたエポキシ樹脂が用いられる。トランスファーモールド樹脂９において、充填されるシリカ粉末の含有率は、電力用半導体装置に用いられる部材の熱膨張係数等を考慮して最適な量が選定される。
例えば、配線パターンと金属放熱板１とに銅を用いた場合、トランスファーモールド樹脂９の熱膨張係数を銅の熱膨張係数である１６ｐｐｍ／℃に合わすように、エポキシ樹脂へのシリカ粉末の充填量が設定される。このようにすることにより、反りのない電力用半導体装置が得られる。
また、トランスファーモールド樹脂の放熱性を向上させる場合は、フィラーとしてシリカ粉末の代わりにアルミナ粉末を用いることが好ましい。
【００２３】
次に、本実施の形態における電力用半導体装置の製造方法の一例について説明する。
本実施の形態の電力用半導体装置１００は、例えば、厚み３ｍｍのアルミニウム板に、Ｂステージ状態のアルミナ粉末を含有するエポキシ樹脂シートを載せ、その上に厚み０．３ｍｍの銅箔を重ねる。そして、アルミニウム板とアルミナ粉末を含有するエポキシ樹脂シートと銅箔とを積層したものを加熱・加圧して、アルミニウム板と銅箔とをアルミナ粉末を含有するエポキシ樹脂シートで接合する。次に、銅箔をエッチングして配線パターンを形成する。
このようにして、アルミニウムの金属放熱板とアルミナ粉末を含有するエポキシ樹脂の樹脂絶縁層と銅の配線パターンとからなる金属回路基板を形成する。
【００２４】
次に、配線パターン上の所定の場所に設けられた素子搭載部に電力用半導体素子であるＩＧＢＴ４およびダイオード５を、そして、配線パターン上の所定の場所に設けられる筒状外部端子連通部接合部に筒状外部端子連通部を、各々はんだ６を用いて接合する。具体的には、ＩＧＢＴ４とダイオード５と第１の筒状外部端子連通部８ａとは第１の配線パターン３ａに、第２の筒状外部端子連通部８ｂは第２の配線パターン３ｂに、各々接合する。そして、制御回路につながる第３の筒状外部端子連通部８ｃと第４の筒状外部端子連通部８ｄとは、各々第３の配線パターン３ｃと第４の配線パターン３ｄとに接合する。
【００２５】
そして、配線パターンとＩＧＢＴ４との間、ＩＧＢＴ４とダイオード５との間、ダイオード５と配線パターンとの間、の各間の導通が必要な箇所をアルミニウムのワイヤーボンド７で接続する。
次に、ワイヤーボンディングされた電力用半導体素子と筒状外部端子連通部とを搭載した金属回路基板は、金型にセットされ、トランスファーモールド法により、例えば、シリカ粉末が充填されたエポキシ樹脂系トランスファーモールド樹脂９で封止して、電力用半導体装置を完成する。
【００２６】
図３は、本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置の、金型内においてトランスファーモールド樹脂で封止された状態を示す図である。
図３を用いて、電力用半導体装置をトランスファーモールド樹脂で封止する工程を詳細に説明する。
まず、ワイヤーボンディング工程まで完了した電力用半導体装置を、電力用半導体装置の高さとほぼ同寸法にザグリ加工を施した下金型１１にセットする。次に、トランスファーモールド樹脂９との接着性を有さず、弾性を有し、２００℃程度でも熱劣化を起こさない耐熱性を有する樹脂シート１２を真空引き等で上金型１０に密着させて一体化する。樹脂シート１２が密着した上金型１０を下金型１１と接触させた後、型締めする。次に、上金型１０と下金型１１とで形成された金型キャビティ内にトランスファーモールド樹脂９を充填する。
【００２７】
上金型１０に密着させる樹脂シート１２としては、例えば、テフロン(登録商標)等のフッ素系の樹脂シートが挙げられる。
また、下金型１１のザグリ深さは、ワイヤーボンディング工程まで完了した電力用半導体装置の筒状外部端子連通部が上記樹脂シート１２に多少めり込む深さとする。この下金型１１のザグリ深さは、用いる樹脂シート１２の厚みに大きく依存するので、例えば、２００μｍ厚みのフッ素系の樹脂シート１２を用いた場合、金属放熱板１の放熱面から筒状外部端子連通部の上面までの高さは、１００μｍ程度の公差で形成されれば良い。
このような方法で電力用半導体装置をトランファーモールドするので、本実施の形態における電力用半導体装置１００は、金属回路基板の放熱面、および、筒状外部端子連通部の上面と孔部とへのトランスファーモールド樹脂９の浸入が防止され、金属回路基板の放熱面、および、筒状外部端子連通部の上面と孔部内面とが露出している。
【００２８】
金属回路基板の放熱面、および、筒状外部端子連通部の上面と内面とを露出させて、電力用半導体装置をトランファーモールドする上記の第１の方法以外として、図示しないが、以下の第２の方法〜第４の方法がある。
第２の方法は、電力用半導体装置に用いられる部材の高さ、はんだの高さ（数μｍの精度が必要）、材料の公差等の管理と、プロセス上の管理とが厳しくなるが、金属回路基板の放熱面から筒状外部端子連通部の上面までの高さの精度を、さらに向上させる方法である。
このようにすることにより、トランスファーモールド樹脂９の、金属回路基板の放熱面や外部端子連通部の上面への回り込み、および、筒状外部端子連通部の孔部への浸入を防止できる。
【００２９】
第３の方法は、材料の装着および脱着等の作業が複雑になるとともに、金属回路基板の大きさや筒状外部端子連通部の配置が変わるたびに、設ける材料を再設計する必要があるが、金属放熱板１に接する下金型１１の面と筒状外部端子連通部に接する上金型１０の面とに、部分的に弾性を有する材料を設けるものである。
このようにすることにより、やはり、トランスファーモールド樹脂９の、金属回路基板の放熱面や外部端子連通部の上面への回り込み、および、筒状外部端子連通部の孔部への浸入を防止できる。
【００３０】
第４の方法は、筒状外部端子連通部が深くなれば筒状外部端子連通部から詰め物を取り除くのに複雑な手段が必要であるが、筒状外部端子連通部の孔部に、前もってトランスファーモールド樹脂９と接着性を示さない材料の詰め物を充填し、トランスファーモールド後に詰め物を取り除くものである。
このようにすることにより、やはり、トランスファーモールド樹脂９の、金属回路基板の放熱面や外部端子連通部の上面への回り込み、および、筒状外部端子連通部の孔部への浸入を防止できる。特に、トランスファーモールド樹脂９の筒状外部端子連通部の孔部への浸入防止が容易である。
【００３１】
特に、第１のトランスファーモールド法は、電力用半導体装置の高さ精度が低くても、金属回路基板の放熱面、および、筒状外部端子連通部の上面や孔部にトランスファーモールド樹脂９が浸入するのを容易に防止することができる。
また、上金型１０に設置する樹脂シート１２は、自動取替が可能であるとともに、金属回路基板の大きさや筒状外部端子連通部の配置が、どの様な場合でも、１台の金型で対応可能であり、量産性に優れ、電力用半導体装置の製造コストを低減できる。
【００３２】
本実施の形態では、電力用半導体素子に、ＩＧＢＴ４とダイオード５が用いられているが、電力用半導体素子は、これに限定されるものではなく、例えば、ＭＯＳＦＥＴやショットキーダイオードでもよく、またＭＯＳＦＥＴの場合は、ダイオードが逆並列に接続されていなくても良い。また、電力用半導体素子の材料としては、一般的なシリコンのほかに、炭化珪素（ＳｉＣ）等のワイドバンドギャップ半導体でも良い。
また、本実施の形態では、各電力用半導体素子間や電力用半導体素子と配線パターンとの間の接続、すなわち、配線手段にワイヤーボンド７を用いているが、この方法に限定されるものではない。
また、本実施の形態では、金属回路基板を用いているが、例えば、高熱伝導絶縁層であるセラミック板と、セラミック板の一方の面に設けられた銅箔の配線パターンと、セラミック板の他方の面に設けられた銅箔の金属放熱板からなるセラミック基板を用いても良い。
【００３３】
実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２に係る電力用半導体装置の上面模式図である。
図５は、図４に示す電力用半導体装置のＢ−Ｂ断面の模式図である。
本実施の形態では、電力用半導体装置における筒状外部端子連通部の開孔があるトランスファーモールド樹脂９の面を、上面としている。
図４と図５とに示すように、本実施の形態の電力用半導体装置２００は、実施の形態１の電力用半導体装置１００の筒状外部端子連通部に、連結ピン２１が設けられた外部端子２０を備えたこと以外、実施の形態１の電力用半導体装置１００と同様である。そして、制御回路の筒状外部端子連通部には、各１本の外部端子連結ピン２１が挿入されており、主回路の筒状外部端子連通部には、複数本の外部端子連結ピン２１が挿入されている。
【００３４】
図６は、本発明の実施の形態２に係る電力用半導体装置における主回路の筒状外部端子連通部に接続される４個の連結ピンを備えた外部端子の上面模式図（ａ）と、この上面模式図（ａ）におけるＣ−Ｃ断面の模式図（ｂ）である。
本実施の形態では、外部端子２０において、連結ピン２１が突出している板状部２２の面の反対側の面を上面としている。
図６に示すように、主回路の筒状外部端子連通部８ａ，８ｂに接続される外部端子２０は、板状部２２と連結ピン２１とで構成され、連結ピン２１は、２個の列が並列に並び２次元に配置された４個が、板状部２２の板面に略垂直に設けられている。
板状部２２は、その一端側には、連結ピン２１を接続する中継連通孔２３が設けられ、その他端側には、外部端子２０を外部回路に、例えば、ネジ等で接続するための貫通孔である外部回路接続孔２４が設けられている。
また、連結ピン２１は、対応する主回路の筒状外部端子連通部８ａ，８ｂへ挿入可能に、板状部２２に配置されている。そして、連結ピン２１は、筒状外部端子連通部に圧入接続であるプレスフィットで接続するので、連結ピン２１にはバネ性を付与するための孔（バネ性付与孔と記す）２５が設けられている。
【００３５】
本実施の形態では、外部端子２０は、連結ピン２１と板状部２２との別部品で構成され、板状部２２の中継連通孔２３に連結ピン２１を接続して形成されているので、連結ピン２１をバネ性がある材料とし、板状部２２を導電性が高い材料とすることができる。例えば、バネ性を有する材料として、りん青銅が挙げられ、導電性が高い材料として、銅が挙げられる。
すなわち、銅等と比べ電気伝導率が低いりん青銅のようなバネ性を有する材料は、連結ピン２１のみに用いられているので、主回路に接続される外部端子の低抵抗化が可能となる。
本実施の形態の電力用半導体装置２００において、主回路の筒状外部端子連通部８ａ，８ｂに外部端子２０を接合する方法としては、あらかじめ、板状部２２に連結ピン２１を取り付けてから、筒状外部端子連通部に挿入する方法と、あらかじめ、筒状外部端子連通部に連結ピン２１を挿入した後、連結ピン２１に板状部２２を接続する方法が挙げられる。
【００３６】
本実施の形態の電力用半導体装置２００では、各主回路に接合される複数の筒状外部端子連通部８ａ，８ｂに、１個の板状部２２に複数個の連結ピン２１を２次元に配置した外部端子２０が接続されている。
そのため、本実施の形態の電力用半導体装置２００は、外部端子２０に大電流を流すことが可能な大きなものを用いても、外部端子２０を主回路の筒状外部端子連通部８ａ，８ｂへ接合することにより発生する応力が分散、緩和されるので、応力による筒状外部端子連通部の外側面とトランスファーモールド樹脂９との接着面に隙間が発生したり、トランスファーモールド樹脂９本体に微細なクラックが発生する等の筒状外部端子連通部の不具合が防止でき、製造時の歩留まりが高く生産性が優れているとともに、信頼性にも優れている。
また、外部端子連通部がねじを備えていない筒状外部端子連通部であり、外部端子の筒状外部端子連通部への接続がねじによらないので、外部端子接続の応力が、さらに小さい。
【００３７】
本実施の形態では、１個の板状部２２に４個の連結ピン２１を２次元に配置した外部端子２０を用いているが、筒状外部端子連通部を４個より多くして、４個より多い連結ピンを、１個の板状部に２次元に配置した外部端子を用いても良い。
また、筒状外部端子連通部が３個の場合は、各筒状外部端子連通部を三角形の頂点に配列し、外部端子も１個の板状部に３個の連結ピンを三角形の頂点に配列しても良い。
また、本実施の形態では、連結ピン２１にバネ性を有する材料を用い、外部端子２０を筒状外部端子連通部にプレスフィットで接続しているが、連結ピン２１に導電性の高い材料を用い、はんだ接合で筒状外部端子連通部と外部端子２０とを接合しても良い。この場合は、さらに、外部端子の低抵抗化が図れる。
【００３８】
実施の形態３．
図７は、本発明の実施の形態３に係る電力用半導体装置における主回路の筒状外部端子連通部に接続される４個の連結ピンを備えた外部端子の上面模式図（ａ）と、この上面模式図（ａ）におけるＤ−Ｄ断面の模式図（ｂ）である。
外部端子２６における、連結ピン２１が突出している板状部２２の面の反対側の面を上面としている。
本実施の形態の電力用半導体装置（図示せず）は、板状部２２と連結ピン２１とが一体に形成され、４個の連結ピン２１を有する外部端子２６を用いた以外、実施の形態２の電力用半導体装置２００と同様である。
図７に示すように、本実施の形態の外部端子２６は、連結ピン２１が板状部２２と同一の金属板の曲げ加工等により形成されている。また、この外部端子２６には、実施形態２の外部端子２０と同様に、板状部２２に外部回路接続孔２４が設けられ、連結ピン２１にはバネ性付与孔２５が設けられている。
【００３９】
本実施の形態では、実施の形態２と同様な効果があるとともに、外部端子２６が、板状部２２と同一の金属板の曲げ加工で連結ピン２１を形成しているので、外部端子２６の生産性が高い。
本実施の形態において、バネ性を有する同一の金属板から外部端子２６を形成した場合は、外部端子の抵抗が、多少高くなるが、外部端子２６を筒状外部端子連通部にプレスフィットで接続できる。導電性の高い同一の金属板から外部端子２６を形成した場合は、外部端子２６の筒状外部端子連通部への接続が、はんだでできるとともに、外部端子２６は、さらに低抵抗化する。
【００４０】
実施の形態４．
図８は、本発明の実施の形態４に係る電力用半導体装置本体の上面模式図である。
図９は、本発明の実施の形態４に係る電力用半導体装置本体の回路構成を示す図である。
本実施の形態における電力用半導体装置本体５０は、電力用半導体素子をトランスファーモールド樹脂９で封止したものであり、筒状外部端子連通部の開孔があるトランスファーモールド樹脂９の面を上面としている。
図８と図９とに示すように、電力用半導体装置本体５０には、正極側電力用半導体素子４ａの正極と電気的に接続される複数の直流側の正極側筒状外部端子連通部８ｅと、負極側電力用半導体素子４ｂの負極と電気的に接続される複数の直流側の負極側筒状外部端子連通部８ｆと、正極側電力用半導体素子４ａの負極側と負極側電力用半導体素子４ｂの正極側との接続部に電気的に接続された複数の交流側筒状外部端子連通部８ｇと、正極側電力用半導体素子４ａの制御電極と電気的に接続される一対の制御電極用筒状外部端子連通部８ｈ，８ｉと、負極側電力用半導体素子４ｂの制御電極と電気的に接続される一対の制御電極用筒状外部端子連通部８ｊ，８ｋとを備えている。
そして、正極側筒状外部端子連通部８ｅと負極側筒状外部端子連通部８ｆとで直流側筒状外部端子連通部８ｎを構成している。
【００４１】
また、複数の交流側筒状外部端子連通部８ｇは２次元に配置され、この交流側筒状外部端子連通部８ｇの開孔は、トランスファーモールド樹脂９の上面に存在する。
また、直流側の正極側筒状外部端子連通部８ｅと直流側の負極側筒状外部端子連通部８ｆは各々２個ずつであるが、両方をあわせた直流側筒状外部端子連通部８ｎは、２次元の配置になる。これらの直流側筒状外部端子連通部８ｎの開孔も、トランスファーモールド樹脂９の上面に存在する。
そして、本実施の形態に係る電力用半導体装置本体５０は、インバータ等のパワエレ機器の基本形をなすものである。
【００４２】
図１０は、本発明の実施の形態４に係る、電力用半導体装置本体に外部回路と接続する外部配線を備えた電力用半導体装置の上面模式図である。
図１１は、図１０に示す電力用半導体装置の上面模式図におけるＥ−Ｅ断面の模式図である。
図１０と図１１とに示すように、本実施の形態の電力用半導体装置３００は、電力用半導体装置本体５０に、外部回路に接続する外部配線が設けられたものであり、具体的には、直流側配線基板３０を形成する正極側配線板３１と負極側配線板３２と、交流側外部端子３４と、制御基板３５とが設けられたものである。
そして、正極側配線板３１は正極側筒状外部端子連通部８ｅに、負極側配線板３２は負極側筒状外部端子連通部８ｆに、交流側外部端子３４は交流側筒状外部端子連通部８ｇに、制御基板３５は制御電極用筒状外部端子連通部８ｈ，８ｉ，８ｊ，８ｋに、各々、連結ピン２１を介して接続されている。
【００４３】
そして、直流側配線基板３０は、正極側配線板３１と負極側配線板３２とを絶縁層３３で挟んで一体化して形成されている。
また、交流側外部端子３４の板状部には、交流側外部端子３４を外部回路に接続するための外部回路接続孔２４が設けられている。
また、制御基板３５には、正極側電力用半導体素子４ａと負極側電力用半導体素子４ｂとの駆動回路が搭載されている。
また、直流側配線基板３０の板状部である正極側配線板３１および負極側配線板３２と連結ピン２１との接続、交流側外部端子３４の板状部と連結ピン２１との接続は、例えば、はんだ付けやロウ付けで行われる。
【００４４】
本実施の形態では、交流側外部端子３４は、２次元に配置された４個の連結ピン２１を備えており、これらにより交流側筒状外部端子連通部８ｇに接続されている。そのため、実施の形態２の電力用半導体装置と同様に、交流側外部端子３４を接続することにより交流側筒状外部端子連通部８ｇに発生する応力を分散、緩和でき、交流側筒状外部端子連通部８ｇの不具合を防止できる。
交流側筒状外部端子連通部８ｇと連結ピン２１との接続には、例えば、プレスフィットのような圧入接続やはんだ付け等の方法が用いられる。
【００４５】
また、正極側配線板３１は、一列に並んだ２個の連結ピン２１で正極側筒状外部端子連通部８ｅに接続され、負極側配線板３２も、一列に並んだ２個の連結ピン２１で負極側筒状外部端子連通部８ｆに接続されている。そして、正極側配線板３１と負極側配線板３２とが絶縁層３３を介して一体化され直流側配線基板３０を形成している。
すなわち、直流側配線基板３０には、正極側配線板３１に設けられた２個の連結ピン２１と負極側配線板３２に設けられた２個の連結ピン２１との４個が２次元に配置されており、この２次元に配置された４個の連結ピン２１で、直流側筒状外部端子連通部８ｎに接続されている。このような構造により、実施の形態２の電力用半導体装置と同様に、直流側配線基板３０を接続することにより直流側筒状外部端子連通部８ｎに発生する応力を分散、緩和でき、直側筒状外部端子連通部８ｎの不具合を防止できる。
本実施の形態の電力用半導体装置３００は、筒状外部端子連通部に発生する不具合が防止されているので、製造時の歩留まりが高く生産性が優れるとともに、信頼性にも優れている。
【００４６】
また、本実施の形態では、直流側配線基板３０を形成している正極側配線板３１と負極側配線板３２とは、連結ピン２１で直流側筒状外部端子連通部８ｎに接続されており、この接続には、プレスフィットのような圧入接続やはんだ付け等の方法が用いられる。これらの方法での接続は、直流側回路である直流側配線基板３０と、正極側電力用半導体素子４ａおよび負極側電力用半導体素子４ｂとを結ぶ回路のインダクタンスを、ネジで接続するより小さくできる。
そのため、電力用半導体装置の大電流の遮断時に、配線インダクタンスにより発生するサージ電圧を抑制することができる。
【００４７】
本実施の形態では、交流側外部端子３４と直流側配線基板３０との、板状部と連結ピン２１とは別部品であるので、板状部を高導電性の金属とし、連結ピンをバネ性を有する金属としても良く、板状部と連結ピンとを高導電性の金属としても良い。
また、板状部と連結ピン２１とを一体の金属で形成しても良い。
本実施の形態において、モールド内に内蔵する回路構成は、図９に示す構成に限定されるものでなく、例えば、図９に示す構成の３つが、正極側と負極側で並列に接続される３相インバータの構成であっても良い。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明に係る電力用半導体装置は、小型で大電流か可能であり、生産性と信頼性に優れているので、高性能で低コストが必要である電力機器に有効に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置における回路基板上のトランスファーモールド樹脂を除いた状態の平面模式図である。
【図２】図１に示す電力用半導体装置において回路基板上にトランスファーモールド樹脂がある状態でのＡ−Ａ断面の模式図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置の、金型内においてトランスファーモールド樹脂で封止された状態を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態２に係る電力用半導体装置の上面模式図である。
【図５】図４に示す電力用半導体装置のＢ−Ｂ断面の模式図である。
【図６】本発明の実施の形態２に係る電力用半導体装置における主回路の筒状外部端子連通部に接続される４個の連結ピンを備えた外部端子の上面模式図（ａ）と、この上面模式図（ａ）におけるＣ−Ｃ断面の模式図（ｂ）である。
【図７】本発明の実施の形態３に係る電力用半導体装置における主回路の筒状外部端子連通部に接続される４個の連結ピンを備えた外部端子の上面模式図（ａ）と、この上面模式図（ａ）におけるＤ−Ｄ断面の模式図（ｂ）である。
【図８】本発明の実施の形態４に係る電力用半導体装置本体の上面模式図である。
【図９】本発明の実施の形態４に係る電力用半導体装置本体の回路構成を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態４に係る、電力用半導体装置本体に外部回路と接続する外部配線を備えた電力用半導体装置の上面模式図である。
【図１１】図１０に示す電力用半導体装置の上面模式図におけるＥ−Ｅ断面の模式図である。
【符号の説明】
【００５０】
１  金属放熱板、２  樹脂絶縁層、３ａ  第１の配線パターン、
３ｂ  第２の配線パターン、３ｃ  第３の配線パターン、３ｄ  第４の配線パターン、
４  ＩＧＢＴ、４ａ  正極側電力用半導体素子、４ｂ  負極側電力用半導体素子、
５  ダイオード、６  はんだ、７  ワイヤーボンド、８ａ  第１の筒状外部端子連通部、
８ｂ  第２の筒状外部端子連通部、８ｃ  第３の筒状外部端子連通部、
８ｄ  第４の筒状外部端子連通部、８ｅ  正極側筒状外部端子連通部、
８ｆ  負極側筒状外部端子連通部、８ｇ  交流側筒状外部端子連通部、
８ｈ，８ｉ，８ｊ，８ｋ  制御電極用筒状外部端子連通部、
８ｎ  直流側筒状外部端子連通部、９  トランスファーモールド樹脂、１０  上金型、
１１  下金型、１２  樹脂シート、２０  外部端子、２１  連結ピン、２２  板状部、
２３  中継連通孔、２４  外部回路接続孔、２５  バネ性付与孔、２６  外部端子、
３０  直流側配線基板、３１  正極側配線板、３２  負極側配線板、３３  絶縁層、
３４  交流側外部端子、３５  制御基板、５０  電力用半導体装置本体、
１００，２００，３００  電力用半導体装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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