(57)【要約】【課題】安価かつ高機能な、信頼性に優れた電力用半導体装置を提供する。【解決手段】電力用半導体装置１００は、電流を制御する半導体素子３と、半導体素子が搭載された回路基板１と、回路基板に対向配置され、導体部６，７ａを有するプリント基板７と、半導体素子とプリント基板の導体部とを電気的に接続する可撓性端子４とを備える。可撓性端子の一端は半導体素子に接合され、可撓性端子の他端はプリント基板の導体部と弾性的に接触している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流を制御する半導体素子と、
半導体素子が搭載された回路基板と、
回路基板に対向配置され、導体部を有するプリント基板と、
半導体素子とプリント基板の導体部とを電気的に接続する可撓性端子とを備え、
可撓性端子の一端は半導体素子に接合され、可撓性端子の他端はプリント基板の導体部と弾性的に接触することを特徴とする電力用半導体装置。
【請求項２】
プリント基板には、１つ以上のスルーホールが形成され、
導体部は、スルーホールに充填された導電性の充填材を含み、
可撓性端子は、該充填材と弾性的に接触することを特徴とする、請求項１に記載の電力用半導体装置。
【請求項３】
プリント基板には、１つ以上のスルーホールが形成され、
導体部は、プリント基板に形成された導体パターンを含み、
可撓性端子は、スルーホール周囲の導体パターンと弾性的に接触することを特徴とする、請求項１に記載の電力用半導体装置。
【請求項４】
スルーホールに挿入されると共にプリント基板の導体パターンに接合されたスルーホール挿入部品をさらに備えたことを特徴とする、請求項３に記載の電力用半導体装置。
【請求項５】
スルーホールに挿入された中空の筒状導体をさらに備えたことを特徴とする、請求項３に記載の電力用半導体装置。
【請求項６】
プリント基板の導体部間を橋絡すると共に電気的に接続する配線材をさらに備えたことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項７】
プリント基板に電気的に接続された主端子と、
導電性ワイヤを用いて半導体素子に電気的に接続され、該半導体素子の制御信号を送信する信号端子と、
該主端子及び信号端子が設けられた外装ケースとをさらに備え、
プリント基板側で可撓性端子の少なくとも一部が覆われないように、電力用半導体装置の一部が封止材で封止されたことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
【請求項８】
可撓性端子は、半導体素子の電極面に面接合されたことを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項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、半導体装置、特に、電流を制御する半導体素子が搭載された電力用半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、電力用半導体装置は、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）、高耐圧ダイオードなどの電力用半導体素子が、接合、接着により回路基板へ搭載され、樹脂ケース内に収容及びパッケージ化された構成を有する。また一般に、回路基板として、銅貼り又はアルミ貼りセラミック基板、金属ベース板に絶縁シートを介して銅箔を接着した金属ベース基板などの放熱性に優れた回路基板が用いられる。これらの回路基板を用いて回路を形成し、電力用半導体素子をダイボンドし、ケースを取り付ける。そして、最終的にワイヤボンド、バスバーによる配線と共に、封止材を用いたケース内の封止により、電力用半導体素子を製造している。
【０００３】
ここで、上記のような放熱性に優れた回路基板は一般的なプリント基板よりも高価であるため、これらの回路基板を用いた電力用半導体装置も結果として高価になるという課題があった。また、上記の回路基板は、プリント基板に比べて多層化が困難であるため、高密度配線による高機能化が困難であるという課題があった。
【０００４】
そこで、例えば特許文献１では、ポスト電極を介して、プリント基板と半導体素子とをはんだ付けにより接合することにより、電流経路及び放熱経路を拡大した半導体装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開第２００９−０６４８５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１で開示された半導体装置の場合、例えば温度サイクルが負荷されたときに、半導体素子とプリント基板の熱膨張率の差に起因した熱応力がはんだ接合部に集中する。このとき、はんだクラックが進展するおそれがあることから、信頼性上の問題が生じる。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、低コストかつ高機能な、信頼性に優れた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】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明に係る電力用半導体装置は、電流を制御する半導体素子と、半導体素子が搭載された回路基板と、回路基板に対向配置され、導体部を有するプリント基板と、半導体素子とプリント基板の導体部とを電気的に接続する可撓性端子とを備える。また、可撓性端子の一端は半導体素子に接合され、可撓性端子の他端はプリント基板の導体部と弾性的に接触している。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、第１に、可撓性端子がプリント基板の導体部に弾性的に接触していることから、半導体素子に加わる熱応力が低減し、電力用半導体装置の信頼性が向上する。第２に、半導体装置が搭載された回路基板の回路機能の一部が安価なプリント基板に担保される結果、電力用半導体装置が低コスト化する。第３に、多層化されたプリント基板を用いて高密度配線することにより、電力用半導体装置が高機能化する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置を示す断面図である。
【図２】電力用半導体装置に備えられた可撓性端子を示す斜視図である。
【図３】本発明の効果の説明図であり、図３（ａ）は従来のワイヤによる半導体素子の電気的接続を、図３（ｂ）は可撓性端子による電気的接続をそれぞれ示している。
【図４】本発明の実施の形態２に係る電力用半導体装置を示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態３に係る電力用半導体装置を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の実施の形態に係る電力用半導体装置について、以下で図を参照しながら説明する。なお、各図において、同様の構成部分については同一の符号を付している。また、以下で説明する各実施の形態では、本発明による効果が顕著に現れることから、電力用半導体素子を備えた電力用半導体装置を例として説明するが、本発明はこれに限定されることなく、通常の半導体装置にも適用可能である。また、図示した電力用半導体装置は１つの半導体素子を備えているが、これに限定されることなく、２つ以上の半導体素子を備えてもよい。さらに、以下の説明では、「上」「下」などの方向を示す用語は、回路基板１が下側に、プリント基板７が上側に設けられた場合の方向を指し、実際に電力用半導体装置が設置される方向は、以下で説明する方向に限られない。
【００１２】
実施の形態１．
まず、本発明の実施の形態１について、図１などを用いて説明する。
本実施形態に係る電力用半導体装置１００は、主として、回路基板１と、その回路基板１に搭載された電力用半導体素子（電流を制御する半導体素子、以下、半導体素子）３と、回路基板１の上方に設けられたプリント基板７と、半導体素子３とプリント基板７の一部とを電気的に接続する可撓性端子４とを備えている。また、図１の右側に示す可撓性端子４のように、半導体素子３を介さず、回路基板１の導電層１ａに接合された可撓性端子４が存在してもよい。
【００１３】
なお、図１では、図をわかりやすくするために、回路基板１の電気絶縁層１ｂ及び熱拡散層１ｃ、半導体装置３、プリント基板７の絶縁基板７ｂ及びケース１０については、ハッチングを省略している。これは、他の図についても同様である。
【００１４】
回路基板１は、熱伝導性に優れた導電層１ａと、同じく熱伝導性に優れた電気絶縁層１ｂと、熱拡散層１ｃとを有している。また、回路基板１として、例えば、銅貼りセラミック基板、アルミ貼りセラミック基板、金属ベース基板などを用いることができる。一例として、銅箔が、アルミナフィラーを配合した樹脂絶縁層を介して、アルミニウムベース或は銅ベースに接合された金属ベース基板を用いることができる。また、放熱性を向上させるために、回路基板１の下面にヒートシンク（図示せず）を取り付けてもよい。
【００１５】
半導体素子３は、例えばＳｉ製のＩＧＢＴ、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）製の高耐圧ダイオードなどである。半導体素子３を構成する半導体材料は、Ｓｉ、ＳｉＣに限定されることはなく、ＧａＮ（窒化ガリウム）のような他の材料でもよい。また、半導体素子３は、電極面３ａ，３ｂ（図３を参照）を有し、電極面３ａ，３ｂの外側には、絶縁を保つための絶縁領域３ｃが、例えば表面の面積の１割程度の割合で設けられる。半導体素子３が例えばＩＧＢＴであれば、上側の電極面３ａにエミッタ電極及びゲート電極が形成され、下側の電極面３ｂにコレクタ電極が形成される。また、半導体素子３は、ダイボンド材２を用いて回路基板１の導電層１ａに接合されている。
【００１６】
図２は、電力用半導体装置に備えられた可撓性端子を示す斜視図である。
図２に示すように、可撓性端子４は、板状で、かつ、交互に折り返された形状を有している。また、図１、図２では、可撓性端子４が略Ｓ字状（即ち、ｙ方向に見て曲線状）に折り返されているが、これに限定されることなく、例えばＺ字状、「＜」状、「＞」状に折り返されてもよく、これらを組み合わせた折り返し方でもよい。また、可撓性端子４は、ｙ方向に見て一部が直線状に形成されてもよい。さらに、折り返された可撓性端子４の最も上側の面４ａは、中央部分が凸状に形成されている。
【００１７】
また、可撓性端子４の下端は、接合材１１を用いて半導体素子３の上側の電極面３ａに面接合されている。一方、可撓性端子４の上端は、上記の凸状に形成された中央部分で、後述する充填材６と弾性的に接触している。即ち、可撓性端子４は、上下方向（図２中のｚ方向）に力を受けると上下方向に撓むようになっている。
【００１８】
接合材１１及び前述のダイボンド材２は、導電性及び熱伝導性に優れた材料、例えば、Ｓｎ−Ｐｂ系はんだ、Ｓｎ−Ｃｕ系はんだ、Ｓｎ−Ｂｉ系はんだ、Ｓｎ−Ｉｎ系はんだ、Ｓｎ−Ｓｂ系はんだ、銀ペースト、焼結銀、ＣｕＳｎペースト、又はこれらの組合せ、などで構成することができる。
【００１９】
また、可撓性端子４として、導電性及び熱伝導性に優れた材料、例えば銅、アルミニウム、ベリリウム銅などからなる、可撓性を有するコイルスプリング、板ばねなどの部材を用いることができる。さらに、可撓性端子４は、その損傷を防止するために、所定の被覆部材（図示せず）で被覆してもよい。
【００２０】
なお、本実施形態では、可撓性端子４の上端を充填材６と接触させることを考慮して、可撓性端子４の上側の面を凸状に形成したが、これに限定されることはない。即ち、可撓性端子４の上端を接触させる部材に応じて、上下方向に撓みやすいよう、折り返された可撓性端子４の最も上側の面４ａを、例えば平面状に形成してもよい。
【００２１】
充填材６は、導電性及び熱伝導性に優れた材料、例えば、銅、Ｓｎ−Ｐｂ系はんだ、Ｓｎ−Ｃｕ系はんだ、Ｓｎ−Ｂｉ系はんだ、Ｓｎ−Ｉｎ系はんだ、Ｓｎ−Ｓｂ系はんだ、銀ペースト、焼結銀、ＣｕＳｎペースト、又はこれらの組合せ、などで構成することができる。
【００２２】
プリント基板７は、導電性及び熱伝導性に優れた層（導体パターン）７ａと、熱伝導性に優れた電気絶縁層（絶縁基板）７ｂとの積層構造を有し、例えば、片面板、両面板、多層板などを用いることができる。即ち、導体パターン７ａは、絶縁基板７ｂの上面又は下面の少なくとも一方に形成されており、さらに絶縁基板７ｂの内部に形成されてもよい。導体パターン７ａは、例えば銅箔パターンである。また、プリント基板７には、スルーホールめっきが施された１つ以上のスルーホール５が形成されており、本実施形態では、そのスルーホール５が充填材６により充填されている。
【００２３】
また、充填材６は、スルーホールめっきを介して導体パターン７ａに電気的に接続されている。このように、充填材６と導体パターン７ａとが、プリント基板７の「導体部」を構成している。
【００２４】
なお、図１では、プリント基板７が両面板である場合を示しており、導体パターン７ａについては、スルーホール周囲の所謂ランド部分についてのみ示している。また、そのランド部分とスルーホールめっきが施された部分とは、区別なく示している。これは、他の図についても同様である。
【００２５】
また、電力用半導体装置１００は、プリント基板７の導体パターン７ａの間を電気的に接続する配線材８を備える。配線材８は、導体パターン７ａの間を橋絡、即ち橋のように（曲面状に）架け渡している。
【００２６】
さらに、電力用半導体装置１００には、主端子９及び信号端子１２が設けられた外装用のケース１０が取り付けられている。ケース１０は、下側で回路基板１が嵌るように形成されており、電力用半導体装置１００は、下面に回路基板１が露出するようになっている。
【００２７】
主端子９は、ケース１０の外面に沿って設けられており、外部回路に接続されて主回路を構成するようになっている。また、信号端子１２は、ケース１０の内部に固定されており、例えば半導体素子３のスイッチングのための制御信号を与える外部回路に接続されて半導体素子３に制御信号を送信するようになっている。
【００２８】
プリント基板７と主端子９とは、はんだ、導電性接着剤などを用いて電気的に接続されている。信号端子１２は、ワイヤ１３が半導体素子３の電極面３ａに例えば超音波接合されることにより、電極面３ａに電気的に接続されている。ワイヤ１３は、導体パターン７ａの間を橋絡している。半導体素子３が例えばＩＧＢＴである場合、信号端子１２は、ＩＧＢＴの上面に形成された、制御電極であるゲート電極に接合される。
【００２９】
また、図１に示すように、電力用半導体装置１００は、回路基板１から少なくともワイヤ１３を覆う高さまで、封止材１４で封止されている。また、可撓性端子４は、プリント基板側で封止材１４に封止されておらず、上下方向に撓むことができるようになっている。
【００３０】
また、ワイヤ１３及び前述の配線材８として、導電性及び熱伝導性に優れた、例えば、アルミワイヤ、銅ワイヤのような金属ワイヤ、アルミリボン、銅リボンのような金属リボンなどを用いることができる。また、封止材１４として、空気より電気抵抗率又は誘電率の少なくとも一方が高い材料、例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂などを用いることができる。
【００３１】
なお、本実施形態では、可撓性端子４とスルーホール５の充填材６とが接触するが、後述する実施形態と同様に、可撓性端子４がプリント基板７の導体パターン７ａと接触するようにしてもよい。
【００３２】
次に、本実施形態に係る電力用半導体装置によって得られる効果について説明する。
電力用半導体装置１００では、可撓性端子４と充填材６とが弾性的に接触しているため、半導体素子３に加わる熱応力は可撓性端子４により吸収され、低減する。さらに、可撓性端子４がはんだなどによって接合されていないため、熱応力がはんだ接合部に集中することによるはんだクラックの進展という問題が生じない。その結果、可撓性端子４と充填材６（又は、プリント基板７の導体部）との接続部が長寿命化し、信頼性に優れた電力用半導体装置１００が実現されるという効果がある。
【００３３】
さらに、可撓性端子４は、スルーホール５内の充填材６と接触している。また、充填材６は、プリント基板７の導体パターン７ａに電気的に接続されている。これにより、半導体素子３から、プリント基板７の各導体層、即ち絶縁基板７ｂの上面、下面、内部に形成された導体パターン７ａへ一括して電流と熱を伝導することができるという効果がある。
【００３４】
この効果は、可撓性端子４を導体パターン７ａに接触させることによっても得られるところ、可撓性端子４を充填材６に接触させたことにより、より少ないスルーホールを用いて同じ大きさの電流と熱を伝導することができ、したがって他の電子部品などを搭載する面積を低下させることがないという利点がある。
【００３５】
また、プリント基板７を設けることにより、回路基板１が有する回路機能の一部を安価なプリント基板７に担保させることができる。その結果、回路基板１として、高価な金属貼りセラミック基板、金属ベース基板などを用いる場合でも、その面積を縮小することができる。それゆえ、低コスト化され、更には小型かつ軽量の電力用半導体装置１００が実現されるという効果がある。
【００３６】
また、多層化されたプリント基板を用いて高密度配線することにより、高機能な電力用半導体装置１００が実現されるこという効果がある。
【００３７】
図３（ａ）は従来のワイヤによる半導体素子の電気的接続を、図３（ｂ）は可撓性端子による電気的接続をそれぞれ示している。
本実施形態では、可撓性端子４が、下端で半導体素子３の電極面３ａと、図３（ａ）のような点接合或は線接合（即ち、微小な面積での接合）でなく、充分に広い面積で面接合している。これにより、半導体素子３の電極面３ａ全体に略均一に電流が流れるため、半導体素子３が動作する際の電極面内での温度を均一化することができる。その結果、電極面内で温度にバラつきが生じず、半導体素子３での局所的な応力の発生が防止され、電力用半導体装置１００の信頼性をさらに向上させることができるという効果がある。
【００３８】
また、半導体装置３への通電、スイッチング動作などにより発生した熱は、可撓性端子４を通じて上方のプリント基板７へ伝熱され、プリント基板７、主端子９から外部へ放熱されることになる。このように放熱性が向上する結果、動作温度が低減し、電力用半導体装置１００の信頼性をさらに向上させることができる。
【００３９】
また、プリント基板７は、導体パターン７ａに加えて配線材８によっても配線されている。配線材８に金属ワイヤ、金属リボンを用い、導体パターン７ａの間を橋絡させることで、電流経路の断面積をプリント基板７の導体パターン７ａよりも大きくとることができる。それゆえ、配線材８を用いることで、プリント基板の導体パターン７ａの厚さを大きくするよりも安価に大きな電流と熱を流すことができるという効果がある。
【００４０】
以上で説明した電力用半導体装置１００は、例えば、１）回路基板１の導電層１ａに、ダイボンド材２を用いて半導体素子３を接合し、２）半導体素子３の電極面３ａに、接合材１１を用いて可撓性端子４を接合し、３）半導体素子３の電極面３ａと、ケース１０に設けられた信号端子１２に、ワイヤ１３を超音波接合し、４）さらに主端子９も設けられているケース１０を回路基板１に嵌めて取り付け、５）スルーホール５に充填材６が充填されたプリント基板７を、充填材６と可撓性端子４の面４ａの凸状に形成された中央部分が接触するように配置し、６）プリント基板７の導体パターン７ａと主端子９とをはんだなどを用いて接合し、７）導体パターン７ａを配線材８を用いて配線し、８）プリント基板７に穴を設け、ディスペンサなどを用いて封止材１４を電力用半導体装置１００の内部に注入することにより、製造することができる。
【００４１】
なお、上記の８）では、好ましくはワイヤ１３を超える高さまで封止材１４を注入する。これにより、可撓性端子４は、下側で封止材１４により固定され、撓み方向（ｚ方向）以外の動きが充分に抑制される。また、可撓性端子４のプリント基板側の一部が封止されない高さまで、封止材１４を注入する。このとき、可撓性端子４が撓んで半導体基板３に加わる熱応力を吸収できるように、可撓性端子４のプリント基板側の一部が封止されないようにする。
【００４２】
実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について、図４などを用いて説明する。
実施形態１では、スルーホール５を充填材６で充填し、可撓性端子４は、充填材６に接触させた。一方、本実施形態では、スルーホール５に、中空部２６ａを有する筒状導体２６が挿入されている。また、可撓性端子４は、プリント基板７の導体パターン７ａと弾性的に接触している。このとき、好ましくは、可撓性端子４は、スルーホール５の周囲の導体パターン７ａ、例えばランド部分と弾性的に接触している。その他の点は実施形態１と同様であり、各構成について説明は省略する。
【００４３】
筒状導体２６は、導電性及び熱伝導性に優れた材料、例えば銅で構成することができる。また、筒状導体２６の中空部２６ａは、封止材１４の注入時にディスペンサを挿入できる程度の幅を有することが好ましい。
【００４４】
このように、スルーホール５に挿入する筒状導体２６を中空の形状とすることで、プリント基板７をケース１０に搭載した状態で封止材１４を注入することができる。このとき、プリント基板７に封止材１４の注入用の穴を設けて実装面積を減らす必要がないため、電力用半導体装置をさらに高機能化できるという効果がある。
【００４５】
また、本実施形態では、可撓性端子４は、上端でプリント基板７の導体パターン７ａと接触するため、図４に示すように、折り返された可撓性端子４の最も上側の面４ａを略平坦に形成することができる。このとき、可撓性端子４と導体パターン７ａとは面接触することになるため、可撓性端子４の位置精度、及び、可撓性端子４と導体パターン７ａとの接触部分のパターン精度を緩くすることができるという効果がある。
【００４６】
さらに、可撓性端子４は、プリント基板７の導体パターン７ａであってスルーホール５の周囲の部分と接触している。これにより、半導体素子３から、プリント基板７の各導体層、即ち絶縁基板７ｂの上面、下面、内部に形成された導体パターン７ａへ一括して電流と熱を伝導することができるという効果がある。
【００４７】
実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３について、図５などを用いて説明する。
実施形態２では、スルーホール５に筒状導体２６を挿入した。一方、本実施形態では、プリント基板７の上方にスルーホール挿入部品３６が設けられ、そのスルーホール挿入部品３６の脚部（又はリード）３６ａがスルーホール５に挿入されている点で、実施形態２と異なる。その他の点は実施形態２と同様であり、各構成について説明は省略する。
【００４８】
スルーホール挿入部品３６として、導電性及び熱伝導性に優れた、例えば抵抗体、コンデンサなどの電子部品、又は、バスバー、放熱フィンなどの放熱部品を用いることができる。スルーホール挿入部品３６の脚部３６ａは、スルーホール接合材３０を用いてプリント基板７の導体パターン７ａに接合されている。このようにして、スルーホール挿入部品３６は支持されている。
【００４９】
スルーホール接合材３０は、導電性及び熱伝導性に優れた材料、例えば、Ｓｎ−Ｐｂ系はんだ、Ｓｎ−Ｃｕ系はんだ、Ｓｎ−Ｂｉ系はんだ、Ｓｎ−Ｉｎ系はんだ、Ｓｎ−Ｓｂ系はんだ、銀ペースト、焼結銀、ＣｕＳｎペースト、又はこれらの組合せ、などで構成することができる。
【００５０】
本実施形態に係る電力用半導体装置３００によれば、スルーホール５の導体パターン７ａと接触している可撓性端子４を通じて、スルーホール５に脚部３６ａが挿入されたスルーホール挿入部品３６に、半導体素子３から効率よく電流と熱が伝わる。このように放熱性が向上する結果、動作温度が低減し、電力用半導体装置３００の信頼性をさらに向上させることができるという効果がある。
【符号の説明】
【００５１】
１  回路基板、  ２  ダイボンド材、  ３  半導体素子、  ４  可撓性端子、
５  スルーホール、  ６  充填材、  ７  プリント基板、  ７ａ  導体パターン、
７ｂ  絶縁基板、  ８  配線材、  ９  主端子、  １０  ケース、  １１  接合材、
１２  信号端子、  １３  ワイヤ、  １４  封止材、２６  筒状導体、
３０  スルーホール接合材、  ３６  スルーホール挿入部品、
１００，２００，３００  電力用半導体装置。
【図１】
2014107378.tif 000003
【図２】
2014107378.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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