(57)【要約】【課題】  端子の耐久性を高めることができる端子接続構造の提供。【解決手段】  端子接続構造は、雄端子と、ばね性を有し、前記雄端子を両側から挟むように前記雄端子と嵌合する雌端子とを備え、前記雄端子は、母材と、前記母材に被覆される第１下地層と、前記第１下地層に被覆される第２下地層と、前記第２下地層に被覆される最表層とを含み、前記第１下地層と前記第２下地層とは硬度が異なる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
雄端子と、
ばね性を有し、前記雄端子を両側から挟むように前記雄端子と嵌合する雌端子とを備え、
前記雄端子は、母材と、前記母材に被覆される第１下地層と、前記第１下地層に被覆される第２下地層と、前記第２下地層に被覆される最表層とを含み、
前記第１下地層と前記第２下地層とは硬度が異なる、端子接続構造。
【請求項２】
前記第１下地層は、前記第２下地層よりも硬度が高い、請求項１記載の端子接続構造。
【請求項３】
前記第１下地層は、無電解メッキ層であり、前記第２下地層は、電解メッキ層である、請求項２記載の端子接続構造。
【請求項４】
前記第２下地層は、前記第１下地層よりも硬度が高い、請求項１記載の端子接続構造。
【請求項５】
前記第２下地層は、無電解メッキ層であり、前記第１下地層は、電解メッキ層である、請求項４記載の端子接続構造。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れか一項記載の端子接続構造を備えた半導体装置であって、
前記雄端子は半導体モジュールの外部接続用の端子であり、
前記雌端子は基板に実装されたコネクタに内蔵された端子であることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、端子接続構造等に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子部品の外部接続用の端子（雄側）を基板の貫通孔（雌側）に挿入し、はんだ等を用いて基板の配線と接続する構造が知られている。一例として、半導体素子を樹脂封止した半導体モジュールの外部接続用の端子を基板の貫通孔に挿入し、はんだ等を用いて基板の配線と接続した半導体装置を挙げることができる（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１９９６２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記特許文献１に開示の技術では、はんだ等を用いて端子と配線とを接続する工程が必要となるため、製造工程が複雑となる。従って、はんだ等を用いて端子と配線とを接続するのではなく、はんだ等を用いずに雄側の端子を雌側の端子と接続する端子接続構造を用いることが好ましい。この場合、端子の耐久性を十分に考慮した構造とするのが有用である。
【０００５】
本開示は、端子の耐久性を高めることができる端子接続構造等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】
【０００６】
本開示の一局面によれば、雄端子と、
ばね性を有し、前記雄端子を両側から挟むように前記雄端子と嵌合する雌端子とを備え、
前記雄端子は、母材と、前記母材に被覆される第１下地層と、前記第１下地層に被覆される第２下地層と、前記第２下地層に被覆される最表層とを含み、
前記第１下地層と前記第２下地層とは硬度が異なる、端子接続構造が提供される。
【発明の効果】
【０００７】
本開示によれば、端子の耐久性を高めることができる端子接続構造等が得られる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施の形態に係る半導体装置を例示する図である。
【図２】第１の実施の形態に係る半導体モジュールを例示する斜視図である。
【図３】雄端子と雌端子とが嵌合する部分の構造を例示する断面模式図である。
【図４】耐久性の向上について説明するための断面模式図である。
【図５】第１下地層１６２１及び第２下地層１６２２による母材の反り低減効果の説明図である。
【図６】第２下地層１６２２（無電解ＮｉＰメッキ）の硬度を高くする方法の説明図である。
【図７】第２下地層１６２２（無電解ＮｉＰメッキ）の硬度を高くする他の方法の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、添付図面を参照しながら各実施例について詳細に説明する。各実施の形態では、端子接続構造の一例として、半導体モジュールの外部接続用の端子である雄端子が、基板に実装されたコネクタに内蔵された雌端子と嵌合している半導体装置について説明するが、これには限定されない。例えば、半導体素子を内蔵しない電子部品（例えば、コンデンサ等）の外部接続用の端子である雄端子が、基板に実装されたコネクタに内蔵された雌端子と嵌合してもよい。又、第１基板に実装された第１コネクタから突出する雄端子が、第２基板に実装された第２コネクタに内蔵された雌端子と嵌合してもよい。なお、各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
【００１０】
〈第１の実施の形態〉
図１は、第１の実施の形態に係る半導体装置を例示する図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＹＺ平面に平行で雄端子１６（後述）を通る平面に沿う断面図である。図１を参照するに、半導体装置１は、半導体モジュール１０と、基板２０と、コネクタ３０とを有する。半導体装置１において、半導体モジュール１０の外部接続用の端子である雄端子１６及び１７が、基板２０を介して、コネクタ３０に内蔵された雌端子３１と嵌合している。
【００１１】
以下、半導体装置１について詳説する。まず、半導体モジュール１０、基板２０、及びコネクタ３０について簡単に説明し、次に、半導体モジュール１０の雄端子１６及び１７とコネクタ３０の雌端子３１とが嵌合する部分の構造（端子接続構造）について詳細に説明する。
【００１２】
まず、半導体モジュール１０について説明する。半導体モジュール１０は、外部接続用の端子である雄端子を備えていれば内部構造は問わないが、本実施の形態では、ＩＧＢＴ（Insulated  gate  bipolar  transistor）及びダイオードを備えた半導体モジュールを例にして以下の説明をする。
【００１３】
図２は、第１の実施の形態に係る半導体モジュールを例示する斜視図である。図１及び図２を参照するに、半導体モジュール１０は、金属板１１と、金属板１２と、金属板１３と、金属板１４と、金属板１５と、複数の雄端子１６と、複数の雄端子１７と、封止樹脂１８とを有する。
【００１４】
半導体モジュール１０において、金属板１１及び１４に挟まれるように第１の半導体素子（図示せず）が実装されている。又、金属板１３及び１５に挟まれるように第２の半導体素子（図示せず）が実装されている。
【００１５】
金属板１１、１２、及び１３は、第１及び第２の半導体素子の何れか一方又は双方の電極と電気的に接続されており、第１及び第２の半導体素子の入出力端子の一部として用いることができる。又、金属板１１〜１５は、第１の半導体素子や第２の半導体素子の動作時に生じる熱を外部に放出することができる。
【００１６】
金属板１１〜１５の材料としては、例えば、銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）等を用いることができる。金属板１１〜１５の表面にめっき処理を施しても構わない。金属板１１〜１５は、例えば、リードフレームから作製できる。
【００１７】
第１の半導体素子は、例えば、車両に搭載されるインバータ回路や昇降圧コンバータ回路の一部を構成するＩＧＢＴ、及びＩＧＢＴのエミッタとコレクタとの間に接続される還流用のダイオードである。第２の半導体素子についても、第１の半導体素子と同様である。
【００１８】
雄端子１６は半導体モジュール１０の外部接続用の端子となる金属製の端子であり、例えばボンディングワイヤを介して、第１の半導体素子や温度センサ等と電気的に接続されている。雄端子１７は半導体モジュール１０の外部接続用の端子となる金属製の端子であり、例えばボンディングワイヤを介して、第２の半導体素子や温度センサ等と電気的に接続されている。
【００１９】
金属板１１〜１５、雄端子１６及び１７、並びに第１及び第２の半導体素子は、封止樹脂１８により封止されている。但し、金属板１１〜１３の端部は封止樹脂１８から外部に突出している。又、金属板１４及び１５の所定の面は封止樹脂１８から外部に露出している。又、雄端子１６及び１７の端部は封止樹脂１８から外部に突出している。なお、金属板１１〜１３の端部と、雄端子１６及び１７の端部とは、Ｚ方向の反対向きに突出している。封止樹脂１８の材料としては、例えば、フィラーを含有したエポキシ系樹脂等を用いることができる。
【００２０】
図１を参照するに、基板２０は、半導体モジュール１０を実装する部分である。基板２０には、半導体モジュール１０を駆動する回路（図示せず）を備えることができる。基板２０としては、ガラスクロスにエポキシ系樹脂等の絶縁性樹脂を含浸させた所謂ガラスエポキシ基板やシリコン基板、セラミック基板等を用いることができる。基板２０に多層の配線層が設けられていても構わない。
【００２１】
基板２０には、半導体モジュール１０の雄端子１６及び１７を挿入するための複数の貫通部２０ｘが形成されている。各貫通部２０ｘの平面形状は、雄端子１６及び１７の長手方向に垂直な方向の断面形状に合わせて、例えば、矩形状や円形状等とすることができる。なお、平面形状とは対象物を基板２０の一方の面２０ａの法線方向から視た形状を指すものとする。
【００２２】
雄端子１６及び１７を挿入可能とするため、各貫通部２０ｘの平面形状は、雄端子１６及び１７の長手方向に垂直な方向の断面形状よりも大きく形成されている。従って、各貫通部２０ｘの内壁面と雄端子１６及び１７の側面との間には隙間が生じている。貫通部２０ｘは、例えば、基板２０を貫通する孔や切り欠き等とすることができる。
【００２３】
コネクタ３０は、基板２０の一方の面２０ａ側に実装されている。コネクタ３０は、雄端子１６及び１７の端子の個数に対応する雌端子３１を備えている。各雌端子３１は、基板２０に形成された回路と電気的に接続することができる。
【００２４】
コネクタ３０の雌端子３１には、半導体モジュール１０の雄端子１６及び１７が、基板２０の一方の面２０ａとは反対側の面である他方の面２０ｂ側から貫通部２０ｘを介して挿入され、両者は嵌合している。これにより、半導体モジュール１０の第１及び第２の半導体素子を、雄端子１６及び１７、コネクタ３０の雌端子３１を介して、基板２０に形成された配線（回路）と電気的に接続することができる。
【００２５】
なお、半導体装置１では１つの半導体モジュール１０が基板２０を介してコネクタ３０と嵌合しているが、複数の半導体モジュール１０が基板２０を介して各半導体モジュール１０に対応するコネクタ３０と嵌合してもよい。
【００２６】
次に、半導体モジュール１０の雄端子１６及び１７とコネクタ３０の雌端子３１とが嵌合する部分の構造（端子接続構造）について詳細に説明する。図３は、雄端子と雌端子とが嵌合する部分の構造を例示する断面模式図であり、図１（ｂ）に対応する断面の一部を拡大して例示している。なお、雄端子１７の図示は省略するが、雄端子１７は雄端子１６と同一構造である。
【００２７】
図３を参照するに、雄端子１６は、中心側に形成された母材である金属材１６１と、金属材１６１を被覆して形成された金属膜１６２と、金属膜１６２を被覆して雄端子１６の最表面に形成された表面処理材である金属膜１６３とを有する。なお、母材とは、表面処理材等を形成するための基体となる部分である。
【００２８】
金属材１６１としては、例えば、銅（Ｃｕ）や銅合金、アルミニウム（Ａｌ）やアルミニウム合金等を主成分とする金属板を用いることができる。金属材１６１の厚さは、例えば、０．２〜０．８ｍｍ程度とすることができる。なお、主成分とは、その部材中に複数の金属が含まれている場合や添加物等が含まれている場合に、その部材中に占める割合（重量％）が最も大きい物質を指すものとする。
【００２９】
金属膜１６２は、金属材１６１を被覆する第１下地層１６２１と、第１下地層１６２１を被覆する第２下地層１６２２とを含む。従って、金属膜１６３は、第２下地層１６２２を被覆する。尚、金属膜１６２は、第１下地層１６２１及び第２下地層１６２２に加えて、更なる１層以上の層を含んでもよい。
【００３０】
第１下地層１６２１は、第２下地層１６２２に対して異なる硬度（ビッカース硬さ）を有する。具体的には、第２下地層１６２２は、第１下地層１６２１よりも硬度が高い。第１下地層１６２１は、Ｎｉ電解メッキにより形成され、第２下地層１６２２は、ＮｉＰ無電解メッキにより形成される。第１下地層１６２１の硬度は、好ましくは、１５０〜５００［ＨＶ］であり、第２下地層１６２２の硬度は、好ましくは、５００〜１０００［ＨＶ］である。
【００３１】
なお、本実施の形態では、第１下地層１６２１及び第２下地層１６２２は、それぞれ、Ｎｉ及びＮｉＰにより形成されるが、他の材料が使用されてもよい。例えば、スズ（Ｓｎ），銅（Ｃｕ），銀（Ａｇ），鉛（Ｐｂ），亜鉛（Ｚｎ），燐（Ｐ），ホウ素（Ｂ），クロム（Ｃｒ），マンガン（Ｍｎ），鉄（Ｆｅ），コバルト（Ｃｏ），パラジウム（Ｐｄ），白金（Ｐｔ），チタン（Ｔｉ），ジルコニウム（Ｚｒ），バナジウム（Ｖ），モリブデン（Ｍｏ），タングステン（Ｗ），インジウム（Ｉｎ），アンチモン（Ｓｂ），ビスマス（Ｂｉ）などが使用されてよく、また、ニッケル?ホウ素（ＮｉＢ）などの複合材が使用されてもよい。
【００３２】
金属膜１６３としては、例えば、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等の貴金属を主成分とする金属膜を用いることができる。金属膜１６３の厚さは、例えば、０．３〜０．８μｍ程度とすることができる。金属膜１６３は、例えば、めっき法により金属膜１６２上に形成できる。
【００３３】
雌端子３１は、母材である金属材３１１と、金属材３１１を被覆して雌端子３１の最表面に形成された表面処理材である金属膜３１２とを有する。
【００３４】
雌端子３１は、ばね性を有している。雄端子１６の両側に配置された雌端子３１は同一構造であり、ばね性を利用して雄端子１６を両側から挟むように２点で押さえている。雌端子３１の金属膜３１２が雄端子１６の金属膜１６３と接触している。
【００３５】
雄端子１６を挿入する前の雌端子３１は、雄端子１６を挿入可能であって挿入後に雄端子１６をばね性によって両側から押さえられる程度の間隔をあけて、金属膜３１２側が内側（雄端子１６と接触する側）を向くように対向配置されている。なお、雄端子１６の両側の雌端子３１は、コネクタ３０内で一体化され互いに導通している（図示せず）。
【００３６】
金属材３１１としては、例えば、銅（Ｃｕ）や銅合金、アルミニウム（Ａｌ）やアルミニウム合金等を主成分とする金属板を用いることができる。金属材３１１の厚さは、例えば、０．１〜０．３ｍｍ程度とすることができる。尚、雌端子３１の母材である金属材３１１は、雄端子１６の母材である金属材１６１に対して同一又は異なる硬度を有してよい。例えば、金属材３１１及び金属材１６１の硬度は、４０〜２００［ＨＶ］であってよい。
【００３７】
金属膜３１２としては、例えば、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等の貴金属を主成分とする金属膜を用いることができる。金属膜３１２の厚さは、例えば、０．３〜０．８μｍ程度とすることができる。金属膜３１２は、例えば、めっき法により金属材３１１上に形成できる。金属膜３１２の硬度は、任意であるが、例えば、金属膜１６３の硬度と同一とすることができる。
【００３８】
なお、雌端子３１は、金属材３１１と金属膜３１２との間に挟持される金属膜を有してもよい。金属材３１１と金属膜３１２との間に挟持される金属膜の材料や厚さは、任意である。
【００３９】
本実施の形態によれば、上述の如く、雄端子１６の金属膜１６２の第１下地層１６２１と第２下地層１６２２とは異なる硬度を有するので、半導体装置１が振動を受けやすい環境で使用された場合にも、雄端子１６の耐久性を高めることができる。なお、振動を受けやすい環境とは、例えば、半導体装置１が移動体に搭載された場合等を挙げることができる。移動体とは、例えば、自動車、オートバイ、電車等である。
【００４０】
ここで、図４を参照しながら、耐久性が向上する効果について、更に詳しく説明する。図４は、雄端子と雌端子とが嵌合し、振動を受けやすい環境で使用されている様子を模式的に示している。図４において、雄端子１６は、雌端子３１により接圧Ｐで両側から２点で押さえられている。又、雄端子１６及び雌端子３１は振動を受けており、相対的に摺動距離ΔＬだけ摺動している。
【００４１】
このとき、磨耗量をＷ、摩擦係数をＫ、ビッカース硬さをＨｖとすると、式（数１）の関係が成立する。なお、摩擦係数Ｋは、雄端子１６の金属膜１６３及び雌端子３１の金属膜３１２の表面粗さや接触面積等に依存して決定される。
【００４２】
【数１】
2015170570.tif 000003
式（数１）より、接圧Ｐを小さくすると磨耗量Ｗを低減できることがわかる。又、摺動距離ΔＬを小さくすると磨耗量Ｗを低減できることがわかる。又、ビッカース硬さＨｖを大きくすると磨耗量Ｗを低減できることがわかる。
【００４３】
ところで、単に雄端子１６の摺動部分の硬度を高めただけの構成（例えば、第１下地層１６２１を備えない構成）では、磨耗量Ｗを低減できるものの、第２下地層１６２２（ＮｉＰ無電解メッキ）にクラック（割れ）が入りやすいという問題がある。他方、雄端子１６の摺動部分の硬度を低くする構成（例えば、第２下地層１６２２を備えない構成）では、クラックを防止できるものの、雄端子１６の摺動部分の硬度が下がるため、最表層の金属膜１６３などが摩耗しやすくなる。
【００４４】
この点、本実施の形態では、上述の如く、雄端子１６の摺動部分は、第１下地層１６２１及び第２下地層１６２２を含み、第１下地層１６２１は、第２下地層１６２２の硬度よりも低い。従って、接圧Ｐに対して第１下地層１６２１が応力緩和層として機能し、第２下地層１６２２の硬度が高い場合でも第２下地層１６２２が割れてしまう可能性を低減することができる。また、雄端子１６の硬度は、第２下地層１６２２に起因して高くなるので、振動を受ける環境下においても、磨耗量Ｗが低減される。この結果、雄端子１６の金属膜１６３の磨耗量Ｗ（摺動磨耗量）を低減することができる。従って、本実施の形態では、雌端子３１との接圧Ｐを一定以上確保しつつ、雄端子１６の耐久性を高めることができる。
【００４５】
図５は、第１下地層１６２１及び第２下地層１６２２による母材の反り低減効果の説明図である。
【００４６】
母材（Ｃｕ）に電解Ｎｉメッキを行う場合は、図５（Ａ）に示すように、メッキ直後に、メッキ層は引張り応力を受けやすい。この場合、図５（Ａ）に示すように、母材は上に凸になる方向に反る傾向となる。また、母材（Ｃｕ）に無電解ＮｉＰメッキ（Ｐ：７〜１３％）を行う場合は、図５（Ｂ）に示すように、メッキ層は圧縮応力を受けやすい。この場合、図５（Ｂ）に示すように、母材は下に凸になる方向に反る傾向となる。
【００４７】
他方、母材（Ｃｕ）に電解Ｎｉメッキ及び無電解ＮｉＰメッキの双方を行う場合は、図５（Ｃ）に示すように、電解Ｎｉメッキ層の引張り応力と無電解ＮｉＰメッキ層の圧縮応力が打ち消す方向になるので、母材の反りを低減することができる。従って、本実施の形態では、第１下地層１６２１及び第２下地層１６２２を形成することで、母材である雄端子１６の金属材１６１の反りを低減することができる。
【００４８】
また、本実施の形態では、圧縮応力を受ける第２下地層１６２２が金属膜１６３の直接的な下地層になるので、仮に第２下地層１６２２の膜厚が厚くなり残留応力が高くなった場合や製造工程中に熱ストレスが発生した場合でも、金属膜１６３が割れてしまう可能性を低減することができる。これは、材料強度は、一般的に、引張りに対してよりも圧縮に対しての方が有意に高いためである。
【００４９】
また、本実施の形態では、第２下地層１６２２を形成するための無電解ＮｉＰメッキは、第１下地層１６２１（電解Ｎｉメッキ）をシード層として用いて行うことができる。これにより、製造工程を簡略化することができる。
【００５０】
図６及び図７は、第２下地層１６２２（無電解ＮｉＰメッキ）の硬度を高くする方法の説明図である。
【００５１】
第２下地層１６２２（無電解ＮｉＰメッキ）の硬度は、図６（Ａ）に示すように、熱処理温度を調整することで高くされてもよい。また、第２下地層１６２２の硬度は、図６（Ｂ）に示すように、メッキ厚を厚くすることで高くされてもよい。また、第２下地層１６２２の硬度は、図７（Ａ）に示すように、熱処理時間を長くすることで高くされてもよい。また、第２下地層１６２２の硬度は、図７（Ｂ）に示すように、Ｐの含有率を調整することで高くされてもよい。
【００５２】
〈第１の実施の形態の変形例〉
第１の実施の形態の変形例でも第１の実施の形態と同様に、第１下地層１６２１は、第２下地層１６２２に対して異なる硬度を有する。但し、第１の実施の形態の変形例では、第１の実施の形態とは異なり、第１下地層１６２１は、第２下地層１６２２よりも硬度が高い。第２下地層１６２２は、Ｎｉ電解メッキにより形成され、第１下地層１６２１は、ＮｉＰ無電解メッキにより形成される。第２下地層１６２２の硬度は、好ましくは、１５０〜５００［ＨＶ］であり、第１下地層１６２１の硬度は、好ましくは、５００〜１０００［ＨＶ］である。
【００５３】
第１の実施の形態の変形例によっても、第１の実施の形態と同様に、接圧Ｐに対して第２下地層１６２２が応力緩和層として機能し、第１下地層１６２１の硬度が高い場合でも第１下地層１６２１が割れてしまう可能性を低減することができる（耐久性を高めることができる）。また、雄端子１６の硬度は、第１下地層１６２１に起因して高くなるので、振動を受ける環境下においても、磨耗量Ｗが低減される。この結果、雄端子１６の金属膜１６３の磨耗量Ｗ（摺動磨耗量）を低減することができる（耐久性を高めることができる）。
【００５４】
また、第１の実施の形態の変形例によっても、第１の実施の形態と同様に、第１下地層１６２１及び第２下地層１６２２を形成することで、母材である雄端子１６の金属材１６１の反りを低減することができる。
【００５５】
また、第１の実施の形態の変形例によれば、リードフレーム全体を無電解ＮｉＰメッキした後、最表層の接点部のみに部分的に電解Ｎｉメッキ及び電解Ａｕメッキと連続処理を行うことができる。尚、この場合、電解Ａｕメッキは、金属膜１６３を形成する。これにより、製造工程を簡略化することができる。
【００５６】
以上、各実施例について詳述したが、特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。また、前述した実施例の構成要素を全部又は複数を組み合わせることも可能である。
【００５７】
例えば、上述した実施の形態及びその変形例では、ビッカース硬さを指標として対象物の硬さの違いを示したが、ビッカース硬さ以外を指標として対象物の硬さの違いを示してもよい。
【００５８】
また、上述した実施の形態及びその変形例による端子接続構造は、振動を受けやすい環境で使用された場合に所定の効果を奏するが、上述した実施の形態及びその変形例による端子接続構造は、振動を受けやすい環境以外でも使用できることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００５９】
１  半導体装置
１０  半導体モジュール
１１、１２、１３、１４、１５  金属板
１６  雄端子
１８  封止樹脂
２０  基板
３０  コネクタ
３１  雌端子
１６１、３１１  金属材
１６２  金属膜
１６２１  第１下地層
１６２２  第２下地層
１６３、３１２  金属膜
Ｐ  接圧
ΔＬ  摺動距離
【図１】
2015170570.tif 000004
【図２】
2015170570.tif 000005
【図３】
2015170570.tif 000006
【図４】
2015170570.tif 000007
【図５】
2015170570.tif 000008
【図６】
2015170570.tif 000009
【図７】
2015170570.tif 000010