(57)【要約】【課題】本発明は、封止樹脂の収縮にともなうパッケージサイズのばらつきがない電力用半導体装置を提供することを目的とする。【解決手段】放熱ベース板上に設けられた絶縁基板と、絶縁基板上に一方の端部が接続された金属端子と、金属端子の他方の端部に保持され、放熱ベース板の上方に設けられた第１の外装部材と、放熱ベース上に設けられた、絶縁基板と第１の外装部材とを囲む第２の外装部材と、絶縁基板上に設けられ、第１外装部材と第２外装部材とで囲まれた内部空間に収容された電力用半導体素子と、を備え、第２の外装部材は、内部空間を囲む側壁を有し、第１の外装部材と放熱ベース板の間において、側壁から内部空間に向けて延出した支持部が設けられたことを特徴とする電力用半導体装置が提供される。【選択図】図１
2011100875.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放熱ベース板と、
前記放熱ベース板上に設けられた絶縁基板と、
前記絶縁基板上に一方の端部が接続された金属端子と、
前記金属端子の他方の端部に保持され、前記放熱ベース板の上方に設けられた第１の外装部材と、
前記放熱ベース上に設けられた、前記絶縁基板と前記第１の外装部材とを囲む第２の外装部材と、
前記絶縁基板上に設けられ、前記第１外装部材と前記第２外装部材とで囲まれた内部空間に収容された電力用半導体素子と、
を備え、
前記第２の外装部材は、前記内部空間を囲む側壁を有し、
前記第１の外装部材と前記放熱ベース板との間において、前記側壁から前記内部空間に向けて延出した支持部が設けられたことを特徴とする電力用半導体装置。
【請求項２】
前記第２の外装部材は、複数の部材からなり、前記放熱ベース上に組み付けて設けられたことを特徴とする請求項１記載の電力用半導体装置。
【請求項３】
前記支持部は、前記第２の外装部材の側壁に設けられた開口から前記内部空間に向けて挿入された支持板であることを特徴とする請求項１記載の電力用半導体装置。
【請求項４】
前記支持部は、前記第２の外装部材の対向する側壁のそれぞれに設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の電力用半導体装置。
【請求項５】
前記支持部は、前記第２の外装部材の対向する側壁のそれぞれに設けられた第１の開口と第２の開口との間に渡された支持板であることを特徴とする請求項１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、電力用半導体装置に関し、特に、樹脂封止型の電力用半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
大電力の制御に用いられる半導体素子を組み込んだ電力用半導体装置、所謂パワーモジュールが広く用いられている。これら電力用半導体装置の中には、プラスチックケースに、半導体素子と、ゲル状の樹脂、例えばシリコン樹脂と、を封入し、その表面をエポキシ樹脂のような硬化性樹脂で固めた構成を有しているものがある。例えば、特許文献１には、樹脂封止型の構造を有し、簡単かつ安価に製造することができる放熱効果の高い電力用半導体装置が開示されている。
【０００３】
一方、これらの樹脂封止型の電力用半導体装置では、例えば、エポキシ樹脂が熱硬化する際に、外部から応力を受けて変形し、完成したパッケージのサイズがばらつくという不具合が生じる場合がある。そこで、樹脂が硬化するまでの間に外部からの応力を受けても、パッケージサイズか変化しない構造を有する樹脂封止型電力用半導体装置が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１４８６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、樹脂封止後のパッケージサイズにばらつきのな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】
【０００６】
本発明の一態様によれば、放熱ベース板上に設けられた絶縁基板と、前記絶縁基板上に一方の端部が接続された金属端子と、前記金属端子の他方の端部に保持され、前記放熱ベース板の上方に設けられた第１の外装部材と、前記放熱ベース上に設けられた、前記絶縁基板と前記第１の外装部材とを囲む第２の外装部材と、前記絶縁基板上に設けられ、前記第１外装部材と前記第２外装部材とで囲まれた内部空間に収容された電力用半導体素子と、を備え、前記第２の外装部材は、前記内部空間を囲む側壁を有し、前記第１の外装部材と前記放熱ベース板との間において、前記側壁から前記内部空間に向けて延出した支持部が設けられたことを特徴とする電力用半導体装置が提供される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、樹脂封止後のパッケージサイズにばらつきのない電力用半導体装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】一実施形態に係る電力用半導体装置を示す模式図である。
【図２】一実施形態に係る電力用半導体装置の組み立て工程を模式的に示す断面図である。
【図３】第１の実施例に係る電力用半導体装置の外装ケースを示す模式図である。
【図４】第１の実施例の変形例に係る電力用半導体装置を示す模式図である。
【図５】第２の実施例に係る電力用半導体装置を示す模式図である。
【図６】第２の実施例の変形例に係る電力用半導体装置を示す模式図である。
【図７】第２の実施例の第２の変形例に係る電力用半導体装置を示す模式図である。
【図８】従来技術に係る電力用半導体装置を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態では、図面中の同一部分には同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について適宜説明する。
【００１０】
図１は、一実施形態に係る電力用半導体装置１０を示す模式図である。図１（ａ）は、電力用半導体装置１０の外観を模式的に示す斜視図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）中に示したＩｂ−Ｉｂ断面を示す模式図である。
【００１１】
図１（ａ）に示すように、電力用半導体装置１０は、放熱ベース板２と、放熱ベース板２の上に設けられた第２の外装部材である外装ケース５と、放熱ベース板２と対向して設けられた第１の外装部材である外装ホルダ４と、を有する。
【００１２】
放熱ベース板２の上には、外装ホルダ４と、外装ケース５と、で囲まれた空間が形成され、樹脂部材８が充填されている。外装ホルダ４の表面には、金属端子３の端部３ａが露出しており、内部に収納された電力用半導体素子１４との間で電気的な接続が可能となっている。
【００１３】
さらに、図１（ｂ）に示すように、電力用半導体装置１０の内部には、放熱ベース板２の上に、絶縁基板１２と、絶縁基板１２上にボンディングされた電力用半導体素子１４と、が配置されている。また、絶縁基板１２の表面および裏面には、メタル層１１および１３が設けられている。
【００１４】
絶縁基板１２の表面に設けられたメタル層１３は、金属端子３と電力用半導体素子１４とを電気的に接続する回路パターンの形状に加工されている。一方、裏面のメタル層１１は、絶縁基板１２を放熱ベース板２にハンダ付けするために設けられている。メタル層１１および１３が貼着された絶縁基板１２として、例えば、セラミック基板の両面に銅箔が貼り付けられたＤＢＣ(Direct Bonding Copper)基板やＡＭＣ(Active Metal Brazed Copper)基板などを用いることができる。
【００１５】
図１（ｂ）中に示すように、電力用半導体素子１４と、絶縁基板１２の表面に設けられたメタル層１３と、の間は、金属ワイヤ１６により電気的に接続されている。さらに、金属端子３の端部３ｂが、メタル層１３の上に固定されている。これにより、金属端子３と電力用半導体素子１４との間で、電気的な接続が取られている。金属端子３の端部３ｂは、例えば、ハンダ付けまたは超音波圧着により、メタル層１３の上に固定することができる。また、金属端子３の他方の端部３ａは、外装ホルダ４の表面（外面）に固定されており、外部機器に接続する外部端子として使用される。
【００１６】
さらに、絶縁基板１２と外装ホルダ４とを囲んで、外装ケース５が放熱ベース板２上に設けられている。電力用半導体装置の１０の組み立てに際して、金属端子３と、金属端子３の端部３ａが固定された外装ホルダ４と、を、絶縁基板１２の上部に固定した後、外装ケース５を放熱ベース板２の上に組み付ける。これにより、放熱ベース板２と、外装ホルダ４と、外装ケース５と、で囲まれた内部空間６が形成され、絶縁基板１２の上にメタル層１３を介してボンディングされた電力用半導体素子１４が収容された状態となる。その後、内部空間６には、例えば、シリコン樹脂とエポキシ樹脂との２層からなる樹脂部材８を充填し、電力用半導体素子１４を絶縁するとともに、外装ホルダ４と、外装ケース５と、の間を固定する。
【００１７】
このような電力用半導体装置１０が使用される電力制御装置では、例えば、装置内のボード上に、複数の電力用半導体装置１０が、放熱ベース板２の裏面を固定して設置される。一方、外装ホルダ４の表面に露出している金属端子３の端部３ａに設けられたネジ穴１８には、外部機器との間を電気的に接続する電力板がネジ止めされる。従って、各々の電力用半導体装置１０は、放熱ベース板２から端部３ａまでの高さが均一に揃っていることが望ましい。
【００１８】
そこで、本実施形態に係る電力用半導体装置１０では、内部空間６を囲む外装ケース５の側壁９ａおよび９ｂに、それぞれ支持部７が設けられている。図１（ｂ）に示すように、支持部７は、外装ホルダ４と放熱ベース板２との間において、対向する側壁９ａおよび９ｂの双方に、内部空間６に向けて延出して設けられている。これにより、例えば、外装ホルダ４が、外力を受けて放熱ベース板２に向けて沈み込むような場合に、外装ホルダ４の両端を支持して、その上下方向の位置を安定させることができる。また、放熱ベース板２から外装ホルダ４の表面に露出する金属端子３の端部３ａまでの高さを、所定の高さに保持することができる。
【００１９】
例えば、図８に示す従来の樹脂封止型の電力用半導体装置６０では、支持部７が設けられておらず、外装ホルダ４は金属端子３により支えられている。一方、金属端子３には、電力用半導体装置６０の信頼性の向上を図るために、動作中に生じる温度サイクルによる金属疲労を回避するスプリング部３ｃが設けられている。このスプリング部３ｃは、機械的強度を下げて変形し易くしている。
【００２０】
したがって、内部空間６に樹脂部材８が充填された後、樹脂部材８が硬化して外装ホルダ４と外装ケース５とが固定される迄の間に、何らかの外力が加わると、外装ホルダ４が下方に沈み込み、その状態で樹脂部材８が硬化する。これにより、放熱ベース板２から外装ホルダ４までの高さにバラつきが生じるという問題があった。
【００２１】
これに対して、本実施形態に係る電力用半導体装置１０では、支持部７で外装ホルダ４を支えることにより、沈み込みによる変位を防ぎ、外装ホルダ４の高さのバラツキを小さくすることが可能となる。
【００２２】
さらに、内部空間６に樹脂部材８を充填する前の段階において、電力用半導体装置１０は、外部より機械的応力を受ける可能性あり、強度の弱い金属端子３が変形または潰れを生じて、外装ホルダ４が傾く不具合や、高さのバラツキが発生することがあった。本実施形態によれば、このような場合でも、支持部７で外装ホルダ４を支えることができるので、外部からの応力による金属端子３の変形による高さのバラツキを防止することができる。
【００２３】
図２は、電力用半導体装置１０の組み立て工程を模式的に示す断面図である。
図２（ａ）に示すように、放熱ベース板２の上に、絶縁基板１２をハンダ付けする。絶縁基板１２上には、電力用半導体素子１４がボンディングされ、絶縁基板１２の表面に設けられたメタル層１３と、電力用半導体素子１４の端子と、の間が、金属ワイヤ１６によって接続されている。
【００２４】
次に、絶縁基板１２の表面に設けられたメタル層１３の上に、金属端子３の一方の端部３ｂをハンダ付けする。金属端子３の他方の端部３ａは、外装ホルダ４の表面に固定されているので、図２（ｂ）中に示すように、外装ホルダ４が、放熱ベース板２の上方に保持された状態となる。また、金属端子３と電力用半導体素子１４とは、メタル層１３により電気的に接続される。
【００２５】
次に、外装ケース５を放熱ベース板２上に組み付ける。本実施形態に係る電力用半導体装置１０では、外装ケース５の内面に支持部７が設けられている。このため、外装ケース５の組み付けの際に、図２（ｃ）に示すように、支持部７が、金属端子３によって支持された外装ホルダ４に当接する問題がある。
【００２６】
例えば、図８に示す従来の電力用半導体装置６０では、外装ケース５に支持部７は設けられていないため、外装ホルダ４の上から単純に組み付けることが可能であり、このような問題が生じることは無かった。そこで、この問題を避けるために、本実施形態に係る電力用半導体装置では、以下に述べる実施形態に係る外装ケース５を用いる。
【００２７】
（第１の実施例）
図３は、第１の実施例に係る外装ケースの一例を示す模式図である。
本実施例では、外装ケース５は、複数の部材（パーツ）からなり、放熱ベース板２上に組み付けて一体とすることにより設けられる。例えば、図３（ａ）に示すように、外装ケース５を２つのパーツ５ａおよび５ｂで構成することができる。これにより、図３（ａ）中に矢印で示す横方向からパーツ５ａおよび５ｂを組み付け、図３（ｂ）に示す一体の外装ケース５とすることができる。
【００２８】
また、図３（ｂ）中の部分断面に示すように、パーツ５ａと５ｂが一体化した状態で、側壁９ｂに設けられた支持部７が、外装ホルダ４を支持する。支持部７は、パーツ５ａおよび５ｂの両方の対向する側壁９ａおよび９ｂに設けられ、外装ホルダ４の両端を支持する（図１（ｂ）参照）。この際、外装ホルダ４と、支持部７と、の間のクリアランスを好適に設計し、パーツ５ａと５ｂを結合する際に、外装ホルダ４と支持部７との接触を回避することができる。
【００２９】
具体的には、外装ケース５が放熱ベース板２の上に設置された後、外装ホルダ４が支持部７に接触して支持される状態において、放熱ベース板２の裏面から外装ホルダ４の表面までの高さが、許容される高さの下限となるように、外装ホルダ４と、支持部７と、の間のクリアランスを設定する。これにより、外装ホルダ４に外力が加わって変位したとしても、外装ホルダ４の表面の高さが、許容値の下限を下回らないようにすることができる。
【００３０】
また、図３（ｂ）に示すように、２つのパーツ５ａおよび５ｂは、一体化した状態で、例えば、シリコンゴムを用いて放熱ベース板２上に固定される。この際、パーツ５ａおよび５ｂが当接する境界１９に、嵌合構造を設けて、パーツ５ａおよび５ｂの結合を強化してもよい。
【００３１】
図４は、第１の実施例の変形例に係る電力用半導体装置２０を示す模式図である。図４（ａ）は、本変形例に係る外装ケースのパーツ５ｂの外観を模式的に示す斜視図である。また、図４（ｂ）は、外装ケースのパーツ５ａおよび５ｂを、放熱ベース板２上で一体化した状態を模式的に示す平面図である。
【００３２】
本変形例に係る電力用半導体装置２０では、パーツ５ｂの３方の側壁９ｂおよび２６ｂ、２７ｂに、それぞれ支持部７ｂおよび３６ｂ、３７ｂが設けられている。また、パーツ５ｂと組み合わされるパーツ５ａについても同様に、三方の側壁に支持部が設けられている。
【００３３】
したがって、パーツ５ａとパーツ５ｂとが一体化された場合、図４（ｂ）に示すように、２つの外装ホルダ４は、側壁９ａと９ｂとに設けられた支持部７ａおよび７ｂと、側壁２６ａと２６ｂとに設けられた支持部３６ａおよび３６ｂと、側壁２７ａと２７ｂとに設けられた支持部３７ａおよび３７ｂと、によって四方から支持される。
【００３４】
本実施例に係る電力用半導体装置１０および２０では、例えば、図１（ｂ）に示すように、放熱ベース２の上に外装ケース５を取り付けた後の工程において、シリコン樹脂とエポキシ樹脂との２層からなる樹脂部材８が内部空間６に充填される。この際、放熱ベース２の裏面から外装ホルダ４の表面までの高さが、所定の範囲に収まるように調整される。
【００３５】
次に、シリコン樹脂の上層として充填されるエポキシ樹脂を熱硬化させることにより、外装ホルダ４と外装ケース５とを固定する。この際、下層に充填されるシリコン樹脂は、ゲル状を保ち、電力用半導体素子１４および金属端子３のスプリング部３ｃを保護する。
【００３６】
また、エポキシ樹脂が硬化して外装ホルダ４と外装ケース５とが固定されるまでの間、外力などが加わらず、充填された状態が維持されれば、外装ホルダ４の表面の高さは所定の範囲に保たれる。しかしながら、前述したように、何らかの外力が加わることにより、外装ホルダ４の位置が変位すれば、エポキシ樹脂が硬化した後において、外装ホルダ４の表面の高さにバラツキが生じる可能性がある。
【００３７】
本実施例に係る電力用半導体装置１０および２０では、外装ケース５の側壁に支持部が設けられているので、外装ホルダ４の変位（沈み込み）を所定の範囲に抑えることが可能であり、放熱ベース板２からの高さのバラツキを小さくすることができる。さらに、エポキシ樹脂の充填前に、外装ホルダ４を上から押圧し、支持部に接触した状態で硬化させれば、外装ホルダ４の高さのバラツキをさらに小さくすることが可能である。
【００３８】
また、内部空間６に樹脂部材８を充填する前の組み立て工程において、外力が加わったとしても、外装ホルダ４は支持部により保持される。したがって、金属端子３が変形を起こすことはなく、外装ホルダ４の高さにバラツキを生じることもない。
【００３９】
（第２の実施例）
図５は、第２の実施例に係る電力用半導体装置３０を示す模式図である。図５（ａ）は、電力用半導体装置３０の外観を模式的に示す斜視図である。また、図５（ｂ）は、図５（ａ）中に示したＶｂ−Ｖｂ断面を示す模式図である。
【００４０】
図５（ａ）に示すように、本実施例に係る電力用半導体装置３０では、外装ケース５の側壁９ｂに、外部から内部空間６へ貫通する開口２３ｂが設けられている。開口２３ｂは横長に設けられており、図５（ａ）中に示すように、外部から内部空間６に向けて支持板２１ｂを挿入することができる。
【００４１】
図５（ｂ）は、電力用半導体装置３０の内部構成を模式的に示す断面図である。
電力用半導体装置３０においても、電力用半導体素子１４がボンディングされた絶縁基板１２が、放熱ベース板２の上にハンダ付けされている。
【００４２】
また、図５（ｂ）中に示すように、図中の左右方向に対向する側壁９ａおよび９ｂに設けられた開口２３ａおよび２３ｂには、それぞれ外部から支持板２１ａおよび２１ｂが挿入され、外装ホルダ４を支える構造となっている。すなわち、本実施例において、支持部は、外装ケース５の側壁９ａおよび９ｂに設けられた開口２３ａおよび２３ｂから内部空間６に挿入された支持板２１ａおよび２１ｂである。
【００４３】
外装ケース５をこのような構成としたことにより、外装ホルダ４の上方から外装ケース５を被せて放熱ベース板２に組み付けた後に、開口２３ａ、２３ｂに外部から支持板２１ａ、２１ｂを挿入して、外装ホルダ４を支えることができる。こうすることにより、支持部（支持板２１ａ、２１ｂ）が外装ホルダ４に当接することなく、電力用半導体装置３０を容易に組み立てることができる。
【００４４】
図６は、第２の実施例の変形例に係る電力用半導体装置４０を示す模式図である。
本変形例では、図６中に示すように、開口２３ｂが設けられた外装ケース５の側壁９ｂに直交する側壁２６にも開口２４が設けられている。開口２３ｂおよび開口２４のそれぞれには、支持板２１ｂおよび支持板２５が挿入されて、外装ホルダ４を支持する構成となっている。
【００４５】
また、外装ケース５の側壁９ｂおよび２６のそれぞれに対向する側壁９ａおよび２７においても、開口が設けられ、図示しない支持板が挿入される構成となっている。すなわち、電力用半導体装置４０の組み立てに際しては、外装ホルダ４の上方から外装ケース５を被せて放熱ベース２に取り付けた後に、外装ケース５の４つの側壁９ａおよび９ｂ、２６、２７から、それぞれ支持板を挿入し、外装ホルダ４を支持する。これにより、外装ホルダ４は、より安定して支持される。すなわち、外装ホルダ４に外力が加わったとしても、金属端子３の変形や沈み込みをより確実に防止することができる。
【００４６】
図７は、第２の実施例の第２の変形例に係る電力用半導体装置５０を示す模式図である。図７（ａ）は、電力用半導体装置５０の外観を模式的に示す斜視図である。また、図７（ｂ）は、図７（ａ）中に示すVIIb−VIIb断面を示す模式図である。
【００４７】
本変形例に係る電力用半導体装置５０では、外装ケース５の側壁２６に第１の開口である開口３２が設けられている。また、側壁２６に対向する側壁２７にも第２の開口である開口３４が設けられている。さらに、図７（ａ）中に示すように、支持板３３が、側壁２６の開口３２から挿入され、対向する側壁２７に設けられた開口３４に渡されている。
【００４８】
図７（ｂ）に示すように、電力用半導体装置５０においても、放熱ベース板２の上に、絶縁基板１２と電力用半導体素子１４とが配置されている。
外装ケース５の側壁２６に設けられた開口３２から挿入された支持板３３は、側壁２７に設けられた開口３４に渡され、外装ケース５の側壁２６および２７によって支持されている。さらに、２つの外装ホルダ４は、支持板３３によって支えられている。すなわち、本変形例において、支持部は、外装ケース５の対向する側壁２６および２７のそれぞれに設けられた開口３２と開口３４との間に渡された支持板３３である。
【００４９】
このような構成とすることにより、外装ホルダ４は、支持板３３によって安定して保持され、外力によって沈み込むこともなく、放熱ベース板２からの高さが変動することはない。また、樹脂部材を内部空間６に充填する前の状態において、外部から加わる応力による金属端子３の変形も、確実に防止することができる。
【００５０】
なお、外装ホルダ４および外装ケースの材料としては、難燃性で耐熱温度の高いポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂やポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）樹脂を用いることができる。
【００５１】
以上、本発明に係る実施形態及び実施例を参照して本発明を説明したが、本発明はこれらの実施形態及び実施例に限定されるものではない。例えば、出願時の技術水準に基づいて、当業者がなし得る設計変更や、材料の変更等、本発明と技術的思想を同じとする実施態様も本発明の技術的範囲に含有される。
【符号の説明】
【００５２】
２ 放熱ベース板
３ 金属端子
３ａ、３ｂ 端部
４ 外装ホルダ
５ 外装ケース
５ａ、５ｂ パーツ
６ 内部空間
７ 、７ａ、７ｂ、３６ａ、３６ｂ、３７ａ、３７ｂ 支持部
８ 樹脂部材
９ａ、９ｂ 側壁
１０、２０、３０、４０，５０ 電力用半導体装置
１２ 絶縁基板
１１、１３ メタル層
１４ 電力用半導体素子
２１ａ、２１ｂ、２５、３３ 支持板
２３ａ、２３ｂ、２４、３２、３４ 開口
２６、２６ａ、２７、２７ａ 側壁
【図１】
2011100875.tif 000003
【図２】
2011100875.tif 000004
【図３】
2011100875.tif 000005
【図４】
2011100875.tif 000006
【図５】
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【図６】
2011100875.tif 000008
【図７】
2011100875.tif 000009
【図８】
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