(57)【要約】【課題】半導体装置全体の高さ寸法が拡大することを抑制しつつ、半導体装置の電気絶縁性とプレスフィット端子の変形許容度とを両立させる。【解決手段】半導体装置は、絶縁基板と、絶縁基板の上に設けられた半導体素子と、ケース枠と、プレスフィット端子と、絶縁基板の上における内壁部の内側に設けられて半導体素子を封止する封止材と、を備える。ケース枠は、絶縁基板の平面視で半導体素子を囲うように絶縁基板の周縁に設けられている。ケース枠は、外壁部と、外壁部よりも絶縁基板の中央側に設けられた内壁部と、外壁部と内壁部との間に挟まれて外壁部および内壁部とともに凹部を構成する凹部底面と、を備え、絶縁物で構成されている。プレスフィット端子は、配線を介して半導体素子と接続される根元部と、根元部から立ち上がった胴体部と、胴体部の上端に設けられた圧入部と、を備え、根元部が凹部底面に埋まり、胴体部が凹部底面から起立することで胴体部が内壁部と外壁部との間を伸び、圧入部が凹部の上方に突き出ている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板と、
前記絶縁基板の上に設けられた半導体素子と、
前記絶縁基板の平面視で前記半導体素子を囲うように前記絶縁基板の周縁に設けられ、外壁部と、前記外壁部よりも前記絶縁基板の中央側に設けられた内壁部と、前記外壁部と前記内壁部との間に挟まれて前記外壁部および前記内壁部とともに凹部を構成する凹部底面と、を備え、絶縁物で構成されたケース枠と、
配線を介して前記半導体素子と接続される根元部と、前記根元部から立ち上がった胴体部と、前記胴体部の上端に設けられた圧入部と、を備え、前記根元部が前記凹部底面に埋まり、前記胴体部が前記凹部底面から起立することで前記胴体部が前記内壁部と前記外壁部との間を伸び、前記圧入部が前記凹部の上方に突き出たプレスフィット端子と、
前記絶縁基板の上における前記内壁部の内側に設けられて前記半導体素子を封止する封止材と、
を備える半導体装置。
【請求項２】
前記胴体部は、前記凹部の内側において前記凹部底面よりも上方に位置するクビレ部を備える請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記内壁部は、絶縁性部材を前記凹部底面に固定することで形成された請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記内壁部の上端が、前記圧入部の中央位置よりも下方であり且つ前記圧入部と前記胴体部との接続位置よりも上方の位置に設けられた請求項１に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特開２０１５−０２３２２６号公報に記載されているように、ケース枠に設けられた凹部の底面から信号端子を起立させた半導体装置が知られている。上記従来の半導体装置における信号端子は、プレスフィット端子ではない通常の端子である。凹部は、コネクタを挿入させるために設けられたものと考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−０２３２２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
プレスフィット端子は、根元部と、根元部から起立した胴体部と、胴体部の端部に設けられた圧入部と、を備えている。プレスフィット端子に設けられた圧入部は、プリント配線基板等のスルーホールに差し込まれる。圧入部がスルーホールに差し込まれると、スルーホールと圧入部とが互いに強く押し当てられる。互いに押し当たる力により、プリント配線基板等とプレスフィット端子との間で、機械接続および電気接続を得ることができる。
【０００５】
プレスフィット端子は、荷重を受けたときにある程度の変形を許容できることが好ましい。この点について説明すると、プリント配線基板のスルーホールをプレスフィット端子の圧入部にはめ込むときには、圧入部に荷重が加わる。この圧入部への荷重は、プレスフィット端子を軸方向に圧縮させようとする。また、スルーホールと圧入部とに位置ズレがあった場合には、プレスフィット端子を横方向に撓ませる力も働く。これらの力に対して胴体部がばねとして撓むことで、プレスフィット端子が上記各種の力を受け入れることができる。プレスフィット端子の胴体部が長いほど、圧入部への荷重が加わったときのプレスフィット端子の変形許容度を高めることができる。変形許容度はプレスフィット端子の接続原理上必要となる機能なので、従来のコネクタ用端子では重視されていない。
【０００６】
半導体素子が封止材で覆われている場合、封止材が厚いほど半導体素子の絶縁性を高めることができる。封止材を厚くすると、封止材の上面も高くなる。封止材の上面からプレスフィット端子を起立させる場合、封止材を厚くするとプレスフィット端子の胴体部の多くが樹脂に埋没してしまう。その対策として、封止材の上面から胴体部が十分に長く突出する構造とすると、プレスフィット端子の長さと封止材厚さとの合計により半導体装置全体の高さ寸法が増大してしまう。このように、プレスフィット端子の変形許容度と封止樹脂による電気絶縁性の確保とを両立しようとすると、半導体装置の高さ寸法が拡大するという問題があった。
【０００７】
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、半導体装置の高さ寸法が拡大することを抑制しつつ、半導体装置の電気絶縁性とプレスフィット端子の変形許容度とを両立させるように改善された半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明にかかる半導体装置は、
絶縁基板と、
前記絶縁基板の上に設けられた半導体素子と、
前記絶縁基板の平面視で前記半導体素子を囲うように前記絶縁基板の周縁に設けられ、外壁部と、前記外壁部よりも前記絶縁基板の中央側に設けられた内壁部と、前記外壁部と前記内壁部との間に挟まれて前記外壁部および前記内壁部とともに凹部を構成する凹部底面と、を備え、絶縁物で構成されたケース枠と、
配線を介して前記半導体素子と接続される根元部と、前記根元部から立ち上がった胴体部と、前記胴体部の上端に設けられた圧入部と、を備え、前記根元部が前記凹部底面に埋まり、前記胴体部が前記凹部底面から起立することで前記胴体部が前記内壁部と前記外壁部との間を伸び、前記圧入部が前記凹部の上方に突き出たプレスフィット端子と、
前記絶縁基板の上における前記内壁部の内側に設けられて前記半導体素子を封止する封止材と、
を備える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ケース枠に設けた内壁部および凹部を用いて、封止材を厚く設けることと、プレスフィット端子の胴体部を変形自在に保つことを両立することができる。その結果、半導体装置の高さ寸法が拡大することを抑制しつつ、半導体装置の電気絶縁性とプレスフィット端子の変形許容度とを両立させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる半導体装置を示す平面図である。
【図２】本発明の実施の形態１にかかる半導体装置を示す側面図である。
【図３】本発明の実施の形態１にかかる半導体装置における図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１にかかる半導体装置における図３のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
【図５】本発明の実施の形態１にかかる半導体装置のプレスフィット端子を示す斜視図である。
【図６】本発明の実施の形態１の変形例にかかる半導体装置の断面図である。
【図７】本発明の実施の形態１の変形例にかかる半導体装置の断面図である。
【図８】本発明の実施の形態２にかかる半導体装置における図１のＡ−Ａ線位置に対応する断面図である。
【図９】本発明の実施の形態２の変形例にかかる半導体装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる半導体装置１を示す平面図である。図２は、本発明の実施の形態１にかかる半導体装置１を示す側面図である。図３は、本発明の実施の形態１にかかる半導体装置１における図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【００１２】
図１および図２は、半導体装置１の外観を表している。半導体装置１は、ケース枠２と、絶縁基板３と、半導体素子９と、封止材１１と、プレスフィット端子２０と、を備えている。便宜上、上下方向を参照しながら半導体装置１の構造を説明する。この上下方向は、絶縁基板３を基準として定めた相対的な方向である。この上下方向は、絶縁基板３に対する相対的な位置関係を示しているに過ぎず、鉛直方向および水平方向との関係を限定するものではない。半導体装置１の各構造と鉛直方向および水平方向との関係は、半導体装置１の取り付け方向に従って決まる。図１および図２などには、便宜上、ｘｙｚ直交座標軸を示す。ｚ方向が、半導体装置１の「上」方向を示し、この上方向はすなわち、半導体装置１の「高さ」方向である。ｚ方向は、半導体装置１が備える各構造の「厚さ」を示す方向でもある。ｘ方向は半導体装置１の「長さ寸法」を表す方向であり、ｙ方向は半導体装置１の「幅寸法」を表す方向である。
【００１３】
図３を参照しつつ半導体装置１の内部構造を説明する。絶縁基板３およびケース枠２は、半導体装置１のケースを構成している。絶縁基板３は、ベース板４と、ベース板４の表面に設けられた絶縁層６と、絶縁層６の上に設けられ回路パターン７と、を備えている。絶縁基板３は、表面に半導体素子９を実装するための回路パターン７を有する回路基板でもある。ベース板４および回路パターン７の材質は、金属である。この金属材料として、具体的には、アルミニウムまたは銅が使用されてもよい。絶縁層６には、エポキシ樹脂等にセラミック系フィラーを加えたものが用いられてもよい。
【００１４】
半導体素子９は、絶縁基板３の上に設けられている。具体的には、半導体素子９は、絶縁基板３の上に設けられた回路パターン７の上に、接合剤８を介して実装されている。接合剤８の一例は、半田である。半導体素子９は、アルミワイヤ等の金属線１０により配線されている。半導体素子９には、スイッチング素子が使用されても良く、具体的にはＩＧＢＴまたはＭＯＳ−ＦＥＴが使用されていてもよい。半導体素子９の材料は、シリコンであってもよく、シリコンよりもバンドギャップの大きいワイドバンドギャップ半導体でもよい。ワイドバンドギャップ半導体は、ＳｉＣ、ＧａＮ、またはダイヤモンドでもよい。半導体素子９および絶縁基板３の回路によって、インバータ回路が構成されている。図示しないが、インバータ回路を構成するダイオード素子が半導体装置１に内蔵されていてもよい。
【００１５】
ケース枠２は、図１に示す絶縁基板３の平面視で、半導体素子９を囲うように絶縁基板３の周縁に設けられている。ケース枠２は、内壁部２ａと、凹部底面２ｂと、外壁部２ｃと、を備えている。内壁部２ａは、外壁部２ｃよりも絶縁基板３の中央側に設けられている。凹部底面２ｂは、外壁部２ｃと内壁部２ａとの間に挟まれて、外壁部２ｃおよび内壁部２ａとともに凹部２ｄを構成する。ケース枠２は、絶縁物で構成されている。ケース枠２は、高い絶縁性能を持つエンジニアリング・プラスチックで作られることが好ましい。
【００１６】
図４は、本発明の実施の形態１にかかる半導体装置１における図３のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。プレスフィット端子２０は、根元部２４と、根元部２４から立ち上がった胴体部２３と、胴体部２３の上端に設けられた圧入部２１と、を備えている。プレスフィット端子２０の概略形状はＬ字型であり、ケース枠２に固定される。根元部２４と胴体部２３の連結部が凹部底面２ｂに埋まっている。根元部２４の先端は、ケース枠２から露出されている。根元部２４の先端は、金属線１０を介して半導体素子９と接続されている。胴体部２３は、凹部底面２ｂから直立に起立している。胴体部２３は、内壁部２ａと外壁部２ｃとの間を伸びている。圧入部２１が凹部２ｄの上方に突き出ている。プレスフィット端子２０は、銅合金で作られることが好ましく、表面にＮｉまたはＳｎ等のめっきが施されることが好ましい。なお、図４では簡略化して図示しているが、実施の形態１では後述する図５のごとく胴体部２３にクビレ部２３ａが設けられている。
【００１７】
圧入部２１は、中央に開口部２２を有する楕円環状の構造を持っている。開口部２２をもつ圧入部２１が、プレスフィット機能を発揮する。圧入部２１がプリント配線基板３０のスルーホール３０ａに圧入されることで、プレスフィット端子２０がスルーホール３０ａと電気的に接続する。プレスフィット端子２０は、主回路および制御回路の端子として機能する。
【００１８】
図５は、本発明の実施の形態１にかかる半導体装置１のプレスフィット端子２０を示す斜視図である。胴体部２３は、クビレ部２３ａを備える。クビレ部２３ａは、胴体部２３の一部の幅が狭められた部分である。クビレ部２３ａは、凹部２ｄの内側において凹部底面２ｂよりも上方に位置する。
【００１９】
半導体素子９は、封止材１１で覆われることで、絶縁封止されている。封止材１１は、絶縁基板３の上における内壁部２ａの内側に充填されている。封止材１１が内壁部２ａの上端と同じ高さまで設けられていてもよく、封止材１１の上面１１ａが内壁部２ａの上端よりも低くてもよい。いずれの場合でも、封止材１１の上面１１ａは、凹部底面２ｂよりも高い位置に設けられる。封止材１１には、絶縁性能を持つシリカ入り硬質エポキシ樹脂、またはシリコーンゲルなどが用いられてもよい。
【００２０】
図３および図４においては、プリント配線基板３０を、便宜上、破線で図示している。半導体装置１を実際に作動させるときには、封止材１１の上面１１ａに重なるようにプリント配線基板３０が配置される。プリント配線基板３０はスルーホール３０ａを備えている。プレスフィット端子２０の圧入部２１が、スルーホール３０ａに差し込まれる。
【００２１】
半導体装置１によれば、凹部底面２ｂから胴体部２３を起立させることで、胴体部２３のうち絶縁物に埋め込まれていない部分の長さを大きくすることができる。仮にプレスフィット端子２０の胴体部２３全体が封止材１１で固定されると、熱応力に対する変形許容力が低下したり、プリント配線基板３０のスルーホール３０ａの位置ズレ等に対する変形許容力も低下したりする。この点、半導体装置１では絶縁物に埋め込まれていない胴体部２３を確保することで、圧入部２１への荷重が加わったときのプレスフィット端子２０の変形許容度を高めることができる。特に、半導体素子９がＳｉＣで形成されている場合、ＳｉＣ半導体デバイスは高温動作が可能なので、半導体装置１の高温運転時に発生する熱応力も大きくなりやすい。半導体装置１によれば、そのような高温動作時の熱応力に対してプレスフィット端子２０が高い変形許容度を発揮することができる。半導体素子９を覆うように内壁部２ａの内側を封止材１１で埋めることができるので、内壁部２ａの上端付近まで封止材１１を設けることができる。これにより、半導体素子９を覆う封止材１１の厚さを確保することができ、電気絶縁性を確保することができる。
【００２２】
内壁部２ａと外壁部２ｃとの間の凹部２ｄによって、胴体部２３が撓むことのできる開放空間が設けられている。内壁部２ａの上端付近まで封止材１１を充填させて封止材１１を厚くしたとしても、胴体部２３が封止材１１に埋没することがない。ケース枠２に設けた内壁部２ａおよび凹部２ｄを用いて、封止材１１を厚く設けることと、プレスフィット端子２０の胴体部２３を変形自在に保つこととを両立することができる。したがって、半導体装置１全体の高さ寸法が拡大することを抑制しつつ、半導体装置１の電気絶縁性確保とプレスフィット端子２０の変形許容度向上とを両立することができる。
【００２３】
封止材１１の材料を半導体素子９の上方へと投入したときに、ケース枠２に凹部２ｄが設けられているのでプレスフィット端子２０の胴体部２３を封止材１１から露出させることを確実に達成することができる。封止材１１の材料投入工程を簡単に行うことができるという利点もある。
【００２４】
実施の形態１では、クビレ部２３ａが設けられている。クビレ部２３ａを設けることで、スルーホール３０ａの位置ズレおよび環境要因の熱応力に追従するようにプレスフィット端子２０が変形しやすくなる効果がある。これにより半導体装置１の信頼性をより一層高めることができる。プリント配線基板３０のスルーホール３０ａとプレスフィット端子２０の位置がずれていた場合でも、クビレ部２３ａが容易に変形することで位置ずれを吸収することができる。圧入部２１に過度なストレスが加わって圧入部２１の異常変形や貫通孔の損傷を防止でき、接触導通の品質を安定化することができる。ただし、プレスフィット端子２０の変形例として、クビレ部２３ａを設けなくともよい。
【００２５】
半導体装置１はインバータ回路を内蔵している。半導体装置１によれば、上述したように装置の薄型化、電気絶縁性、およびプレスフィット端子の接続信頼性を高次元に両立できるので、安定品質の小型インバータユニットを得ることができる。
【００２６】
図６は、本発明の実施の形態１の変形例にかかる半導体装置１の断面図である。図６の変形例では、ケース枠２が、内壁部２ａを有さない形状に成形されている。成形直後のケース枠２に内壁部２ａが設けられていない代わりに、図６の変形例では、絶縁性部材がケース枠２の凹部底面２ｂに事後的に固定されることで内壁部１２が形成されている。すなわち、ケース枠２とは別に成形された絶縁性部材を取り付けることで、内壁部１２が設けられている。内壁部１２の材料は、絶縁性を有するものであれば限定は無いが、例えば樹脂材料としてもよい。図１のように内壁部２ａと凹部底面２ｂを一体成型したケース枠２を提供する場合には、樹脂成形性を考慮して、凹部２ｄをある一定の大きさ以上とするように金型を作製する必要がある。これに対して、本変形例のように別パーツに分割した内壁部１２とすることで、凹部２ｄの幅を最小化することができ、プレスフィット端子２０と内壁部１２および外壁部２ｃとを可能な限り近づけることができる。これにより、半導体装置１を小型化することができる。なお、図６の変形例では、内壁部１２の上端よりも封止材１１の上面１１ａのほうが低くなっており、その差はＤ１である。ただし、図６の変形例において、封止材１１の上面１１ａと内壁部１２の上端とを一致させても良い。
【００２７】
図７は、本発明の実施の形態１の変形例にかかる半導体装置１の断面図である。図７に示すように、内壁部２ａの上端が、圧入部２１の中央位置よりも低く且つ圧入部２１と胴体部２３との接続位置よりも高くされてもよい。図７では、内壁部２ａの上端よりも、寸法Ｄ２だけ下方に、圧入部２１の下端が設けられている。圧入部２１の下端を内壁部２ａよりも下側に配置することで、プレスフィット端子２０の先端位置を低くすることができ、半導体装置１のさらなる薄型化が期待できる。内壁部２ａの上端が圧入部２１の中央位置よりも低いので、スルーホール３０ａへの圧入部２１の差込が妨げられることもない。内壁部２ａで封止材１１が圧入部２１への付着を防ぐことができ、プレスフィット接続信頼性を確保することができる。
【００２８】
プレスフィット端子２０には各種公知のプレスフィット構造を適用することができる。公知のプレスフィット端子には、「開口部２２の無い圧入部」を有するものもある。このような開口部２２を持たない公知のプレスフィット端子が、プレスフィット端子２０の代わりに用いられてもよい。
【００２９】
絶縁基板３の変形例として、絶縁層６および回路パターン７を、セラミック製などの絶縁回路基板に置換してもよい。セラミック絶縁回路基板をベース板４の上面に重ねた絶縁基板は既に公知であるため、これ以上の説明は省略する。
【００３０】
実施の形態２．
図８は、本発明の実施の形態２にかかる半導体装置１０１における図１のＡ−Ａ線位置に対応する断面図である。実施の形態１と実施の形態２の違いは、プレスフィット端子２０およびプリント配線基板３０が半導体装置１０１の外部にあるか内部にあるかである。実施の形態２にかかる半導体装置１０１は、プレスフィット端子２０が内部電極として半導体装置１０１の内部に収納されており、プリント配線基板３０も半導体装置１０１の内部に収納されている。プリント配線基板３０を内蔵したインテリジェントパワーモジュールとして半導体装置１０１が提供される場合にも、実施の形態１で説明した作用効果が発揮されることによって半導体装置１０１の高さ寸法を抑制することができる。
【００３１】
実施の形態１とは異なり、プリント配線基板３０はケース枠１０２の内部に配置されており、プリント配線基板３０の上方にフタ１３０が配置されている。ケース枠１０２およびフタ１３０は、高い絶縁性能を持つエンジニアリング・プラスチックで作られることが好ましい。
【００３２】
ケース枠１０２は、実施の形態１と同様に、内壁部２ａと、凹部底面２ｂと、外壁部２ｃと、を備えている。実施の形態２にかかるケース枠１０２は、ケース枠１０２の外壁部２ｃの外側に、段差１０２ｅおよび外枠部１０２ｆが追加されたものである。段差１０２ｅには、プリント配線基板３０の周縁部が重なっている。外枠部１０２ｆの上端には、外部電極端子１２０が設けられている。外部電極端子１２０は、図示しない配線を介してプリント配線基板３０あるいは回路パターン７などと接続している。
【００３３】
ケース枠１０２には、プリント配線基板３０に重なるようにフタ１３０が取り付けられている。フタ１３０によって、プレスフィット端子２０およびプリント配線基板３０が覆われる。実施の形態２では、プレスフィット端子２０は、半導体装置１０１の内部電極端子として機能する。
【００３４】
図９は、本発明の実施の形態２の変形例にかかる半導体装置１０１の断面図である。図６の変形例と同様に、絶縁性部材を凹部底面２ｂに固定することで内壁部１２が形成されていてもよい。
【００３５】
実施の形態１において図７を用いて説明したのと同様の変形を施してもよい。すなわち、内壁部２ａの上端が、圧入部２１の中央位置よりも低く且つ圧入部２１と胴体部２３との接続位置よりも高くされてもよい。
【００３６】
その他、実施の形態２においても実施の形態１と同様の各種変形を施すことができる。なお、図４および図７では圧入部２１の上端に突起部が図示されているが、この突起は省略されてもよく図２、図３、図５等では簡略化のため図示を省略している。
【符号の説明】
【００３７】
１、１０１  半導体装置
２、１０２  ケース枠
２ａ、１２  内壁部
２ｂ  凹部底面
２ｃ  外壁部
２ｄ  凹部
３  絶縁基板
４  ベース板
６  絶縁層
７  回路パターン
８  接合剤
９  半導体素子
１０  金属線
１１  封止材
１１ａ  上面
２０  プレスフィット端子
２１  圧入部
２２  開口部
２３  胴体部
２３ａ  クビレ部
２４  根元部
３０  プリント配線基板
３０ａ  スルーホール
１０２ｅ  段差
１０２ｆ  外枠部
１２０  外部電極端子
１３０  フタ
【図１】
2019067970.tif 000003
【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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