(57)【要約】【課題】効率的に製造でき、かつ、サージ電圧を低減できる構成の半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置は、絶縁板の表主面に主回路パターンが形成された絶縁基板と、その主回路パターン上に実装された半導体素子と、絶縁基板および半導体素子を囲繞する絶縁性ケースと、内部端子および中継端子からなる電源端子を有する。内部端子と中継端子とは、絶縁板の表主面に略垂直な方向に延びている。内部端子は、中継端子と結合される結合部と、ケース内に露出して半導体素子と接続される内露出部とを有し、中継端子は、内部端子と結合される結合部と、ケースの外部の配線に接続される接続端部とを有する。また半導体装置は、絶縁基板の表主面と対向して設けられ、半導体素子を制御する制御用半導体素子を有する制御基板と、中継端子の外周に嵌合し、電源端子に流れる電流を検出して制御基板へ出力する電流センサとを備えている。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁板の表主面に主回路パターンが形成された絶縁基板と、
前記絶縁基板の主回路パターン上に実装された電力用半導体素子と、
前記絶縁基板および前記電力用半導体素子を囲繞する絶縁性のケースと、
内部端子と中継端子とからなる電源端子であって、該内部端子と該中継端子とは、前記絶縁板の表主面に略垂直な方向に延びており、該内部端子は、該中継端子と電気的および物理的に結合される結合部と、前記ケース内に露出して前記電力用半導体素子と電気的に接続される内露出部とを有し、該中継端子は、該内部端子と電気的および物理的に結合される結合部と、前記ケースの外部の配線に接続される接続端部とを有する、電源端子と、
前記電力用半導体素子を制御する制御用半導体素子を有し、前記絶縁基板の表主面と対向して設けられた制御基板と、
前記中継端子の外周に嵌合し、前記電源端子に流れる電流を検出し、検出結果を前記制御基板へ出力する電流センサと
を備えた半導体装置。
【請求項２】
前記内部端子の結合部と、前記中継端子の結合部とは、前記絶縁板の表主面に略平行な方向に延びた面を形成する、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記制御基板は、貫通孔を有し、該中継端子の外露出部は、該制御基板の貫通孔を貫通する、請求項１または２のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項４】
前記電流センサは、前記制御基板上に設けられている、請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置において、電流センサ等のセンシング装置を取り付ける構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は、従来の第１の半導体装置５０の断面図を示す。半導体装置５０は、電源端子６に流れる電流を検出する電流センサ３を備えている。半導体装置５０の組み立て工程は、以下のとおりである。まず、半導体主素子７が配置されたケース５が提供されて、電源端子６がインサート成形により配置される。次に、ボンディング装置（図示せず）が電源端子６と半導体主素子７とをワイヤボンディングする。次に電源端子６は、電極接続ねじ４により、外部との電気的接続を確保するための外部バスバー１（外部からの入力線）と固定され、電気的に接続される。また、電流センサ３の出力を用いて電流の検出処理を行う制御基板８が設けられる。その後、電流センサ３が、外部バスバー１を通して取り付けられ、制御基板８と接続される。半導体装置５０には、平滑コンデンサ２がさらに設けられる。平滑コンデンサ２は、外部バスバー１に接続される。以上のようにして、半導体装置５０の組み立てが終了する。
【０００３】
図６は、従来の第２の半導体装置６０の断面図を示す。制御基板８は、図示されている２本の電源端子６の間に配置されている。電流センサ３は、制御基板８上に載置されているが、その一部は、制御基板８からオーバーハングした状態、換言すれば、制御基板８から外に飛び出した状態で取り付けられる。その他の構成および組み立て工程も、半導体装置５０（図５）と同様である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図５に示す半導体装置５０では、半導体主素子７と平滑コンデンサ２との間の電極距離が長いので、スイッチング動作に伴い、より大きいサージ電圧が半導体主素子７に印加されてしまう。サージ電圧の大きさによっては、半導体装置５０が誤動作することがあるため、より大きなサージ電圧が印加されるのは好ましくない。なお、サージ電圧は、Ｖ＝−Ｌ・ｄｉ／ｄｔに代表される電圧である（Ｌ：配線インダクタンス、ｉ：電流）。
【０００５】
ここで、半導体主素子７と平滑コンデンサ２との間の電極距離が長くなる理由は、平滑コンデンサ２を、半導体主素子７から離れた外部バスバー１に取り付けなければならないことにある。本来、電流センサ３を電源端子６に取り付けることができれば、半導体主素子７と電流センサ３との距離を短くでき、その結果、半導体主素子７と平滑コンデンサ２との距離も短くできる。しかし、電流センサ３を電源端子６に取り付けることはできない。それは、高さ方向に長い電源端子６を用いると、電源端子６と半導体主素子７とを接続する際、ボンディング装置のボンディングアームが電源端子６の下部および半導体主素子７に届かなくなるおそれが生じるため、電流センサ３まで届かない、高さ方向に短い電源端子６を用いなければならないからである。「高さ方向に」とは、半導体主素子７のボンディング面に対して垂直な方向に、という意味である。よって、外部バスバー１を用いて電流センサ３および平滑コンデンサ２を接続せざるを得ず、半導体主素子７と平滑コンデンサ２との間の電極距離が長くなってしまう。
【０００６】
図６の半導体装置６０では、さらに別の問題が生じている。それは、制御基板８のサイズが、半導体装置５０の両端に存在する電極間のサイズに制限されることである。電流センサ３が制御基板８に対してオーバーハングして配置せざるを得ないのも、この問題に起因している。これでは、基板、構成要素の配置等の設計の自由度を制限していることになる。
【０００７】
本発明の第１の目的は、効率的に製造でき、かつ、サージ電圧を低減できる構成の半導体装置を提供することである。また、本発明の第２の目的は、さらに、電流センサが接続される制御基板のサイズに関する設計の自由度を向上させることである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置は、絶縁板の表主面に主回路パターンが形成された絶縁基板と、前記絶縁基板の主回路パターン上に実装された電力用半導体素子と、前記絶縁基板および前記電力用半導体素子を囲繞する絶縁性のケースと、内部端子と中継端子とからなる電源端子であって、該内部端子と該中継端子とは、前記絶縁板の表主面に略垂直な方向に延びており、該内部端子は、該中継端子と電気的および物理的に結合される結合部と、前記ケース内に露出して前記電力用半導体素子と電気的に接続される内露出部とを有し、該中継端子は、該内部端子と電気的および物理的に結合される結合部と、前記ケースの外部の配線に接続される接続端部とを有する、電源端子と、前記電力用半導体素子を制御する制御用半導体素子を有し、前記絶縁基板の表主面と対向して設けられた制御基板と、前記中継端子の外周に嵌合し、前記電源端子に流れる電流を検出し、検出結果を前記制御基板へ出力する電流センサとを備えている。これにより上記目的が達成される。
【０００９】
前記内部端子の結合部と、前記中継端子の結合部とは、前記絶縁板の表主面に略平行な方向に延びた面を形成してもよい。
前記制御基板は、貫通孔を有し、該中継端子の外露出部は、該制御基板の貫通孔を貫通する。これにより前記第２の目的が達成される。
【００１０】
前記電流センサは、前記制御基板上に設けられていてもよい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、本実施の形態による半導体装置１５の断面図である。半導体装置１５は、下部から順に、電力用絶縁基板１０、電力用半導体主素子７、半導体主素子７とボンディングワイヤ１１で電気的に接続された内部電源端子６（以下、単に「内部端子６」と称する）、中継電源端子９（以下、単に「中継端子９」と称する）、電流センサ３、外部バスバー１および平滑コンデンサ２が設けられている。図では便宜的に簡略化して記載しているが、少なくとも電力用絶縁基板１０および半導体主素子７は、絶縁性のケース５内に配置され、囲繞されている。なお、固定された状態では、内部端子６および中継端子９は一体となって、１つの電源端子を構成する。そこで、以下の固定された状態の説明において、単に「電源端子」と称するときは、電気的および物理的に結合され、一体となった内部端子６および中継端子９をいうとする。
【００１２】
半導体装置１５の特徴は、電源端子を、内部端子６および中継端子９により構成したことにある。すなわち、ボンディング装置（図示せず）のボンディングアームと干渉しない長さを有する内部端子６のみを用いて、半導体主素子７とボンディングし、その後、中継端子９を設けて、その外周に嵌合するように、電流センサ３を設ける。電流センサ３は、中継端子９に流れる電流の大きさを、誘導電流により検出する。このように、電源端子を、内部端子６と中継端子９とで構成することにより、以下の利点（１）および（２）が得られる。すなわち（１）ワイヤボンディングの際には、内部端子６のみを設けることにより、電源端子が短くなければならないという要求を満足できる。これにより、ボンディング装置のボンディングアームは電源端子６の下部および半導体主素子７に必ず届くことになる。よって、半導体装置１５の製造効率を高く維持できる。（２）電流センサ３等のセンシング装置をパッケージ内に設ける際には、内部端子６と接続した中継端子９を設けることにより、ある程度の長さの電源端子が必要となるという条件を満足できる。これにより、パッケージ内、すなわち外部バスバー１にいたるまでの間に、電流センサ３等のセンシング装置を設けることができるようになる。半導体装置１５に外部バスバー１を接続した際、より半導体装置１５に近い位置に平滑コンデンサ２を設けることができるので、半導体主素子７は、サージ電圧の影響を受けにくくなる。なお、中継端子９の外周には、電流センサ３が嵌合しているので、製品パッケージの購入者にとっても、電流センサ３をパッケージ外部で外部バスバー１を用いて接続する手間が省ける。
【００１３】
以下、半導体装置１５を組み立てる工程の説明とともに、半導体装置１５の各構成要素を説明する。
【００１４】
まず、絶縁性のケース５内に電力用絶縁基板１０が提供される。電力用絶縁基板１０の表主面には、予め主回路パターンが形成されている。そして、電力用絶縁基板１０の主回路パターン上に、電力用スイッチング半導体チップである半導体主素子７が実装される。続いて、内部端子６がインサート成形によりケース内に露出して配置され、ボンディング装置（図示せず）が電源端子６と半導体主素子７とをワイヤボンディングする。ワイヤボンディング作業を効率的に、かつ、確実に行うため、内部端子６の端部は、半導体主素子７の載置面に平行になるように折り曲げられている。
【００１５】
本実施の形態では、電源端子６は高さ方向に短く構成されている。「高さ方向に短く」とは、半導体主素子７のボンディング面、または、電力用絶縁基板１０の主表面に対して略垂直な方向に、ボンディング装置（図示せず）のボンディングアームが電源端子６の下部および半導体主素子７に届く程度に短いことをさす。これにより、ワイヤボンディングの際、ボンディングアームの可動範囲、および、到達範囲に関する制約がなくなる。
【００１６】
ボンディング装置（図示せず）が、電源端子６と半導体主素子７とのボンディングを終了すると、続いて、中継電極９が電源端子６とともに、固定具である電極接続ねじ４−２によりケース５に固定される。中継電極９と電源端子６とが結合される結合部は、結合作業を効率的に行うため、半導体主素子７のボンディング面、または、電力用絶縁基板１０の主表面に対して略平行な方向に折り曲げられている。そして、電極接続ねじ４−１は、その折り曲げ面に略垂直に通されている。なお、電極接続ねじ４−２を用いることなく、溶接等により固定することもできる。折り曲げ面は、半導体装置１５の載置面に平行であるため、接合面から溶接材が流出しない。これにより、溶接の作業性を高めることができる。なお、溶接接合に代えて、超音波接合に代表される圧接接合により固定してもよい。これにより、内部端子６および中継端子９は、物理的かつ電気的に確実に結合できる。
【００１７】
図２は、溶接接合により結合した、内部端子６および中継端子９の結合部を示す拡大図である。内部端子６および中継端子９は、はんだ付けに代表される所定の溶接ろう材１２により固定されている。ここで、中継端子９を設けた主な理由は、内部端子６の短さを補い、かつ、パッケージ内に後述の電流センサ３を設けるためである。中継端子９は、高さ方向に所定の長さを有するので、例えば、半導体主素子７の上部に設けられる制御基板８が、下部の半導体主素子７に接して短絡しないようにし、また、電極接続ねじ４−２のねじ頭部が制御基板８に接して短絡することはない。
【００１８】
再び図１を参照して、次に、絶縁基板の表主面と対向して、制御基板８が設けられる。制御基板８は、所定の回路パターン上に電力用半導体素子を制御する制御用半導体素子を有する。制御基板８の上には、電流センサ３が載置される。このように構成することにより、電流センサを支持する手段が殊更必要なくなるので、構造が簡単になり、製造費用を低減できる。制御基板８と電流センサ３とは、電気的に接続される。制御基板８には、電流センサ３からの信号に基づいて、電流の大きさを検出する所定の回路等が形成されている。電流センサ３は、中継電極９の外周に嵌合して設けられており、誘導電流により電源端子の電流を検出できる。電流センサ３は、パッケージ内において電源端子の電流を検出できるので、従来のようにパッケージ外部に設けられていた場合と比較して、半導体主素子７との距離が近くなる。
【００１９】
図から明らかなように、図１の制御基板８は、中継電極９の電極間を超えて設けられており、電流センサ３はオーバーハングした状態で載置されていない。これは、電極間の幅を超える大きさの制御基板８に、中継電極９を通過させる孔を設けたからである。図３は、孔１３が設けられた制御基板８の拡大図を示す。このように、中継電極９が通過するための孔１１を制御基板８に設けることで、電極間の幅を超える大きさの制御基板８を用いることができる。よって、制御基板８の大きさが電極間に収まるように制限を受けることはなくなり、設計の自由度が向上し、基板が有効に活用できる。また、孔の位置を適宜調整することにより、ケースと同心状に制御基板をバランスよく配置できる。この時点で、パッケージ化の工程は終了である。必要であれば、上蓋等を設け、外部バスバー１を挿入するための孔等を設けて封止すればよい。
【００２０】
次に、外部バスバー１および平滑コンデンサ２を接続する手順を説明する。再び図１を参照して、電流センサ３が設けられた後は、電極接続ねじ４−１により、外部バスバー１が中継電極９と電気的に接続される。その後、平滑コンデンサ２が外部バスバー１に接続される。これにより、平滑コンデンサ２は、中継電極９および内部端子６を介して、半導体主素子７と電気的に接続される。平滑コンデンサ２は、電流変化を平滑化する機能を有する。なお、平滑コンデンサ２は１つの端子のみが図示されているが、別の端子は、例えばグランド端子（図示せず）に接続されている。平滑コンデンサ２は、電流センサの近傍に設けることができる。上述のように、電流センサ３が、従来よりも半導体主素子７に近い位置に配置されているので、平滑コンデンサ２も、半導体主素子７により近い位置に配置できる。そのため、半導体主素子７に印加されるサージ電圧が抑制でき、よって、半導体装置１５自身の誤動作の発生を抑制できる。
【００２１】
なお、外部バスバー１および平滑コンデンサ２は、半導体装置１５の本質的な構成要素でなくともよい。換言すれば、外部バスバー１および平滑コンデンサ２は、いずれも製品として出荷される半導体装置１５の製品パッケージに必ず含まれる必要はない。ただし、半導体装置１５を動作させるためには必要である。
【００２２】
図１は、ケース５内に電力用絶縁基板１０および半導体主素子７を含み、かつ、電流センサ３までの構成要素をモジュール化した半導体装置を説明した。しかし、いうまでもなく、モジュール化することに限定する必要はない。モジュール化するということは、例えば、制御基板８の大きさをモジュールの範囲内に限定することを意味するからである。例えば、図４は、半導体主素子７の載置面に平行な方向に、十分な広がりを持つ制御基板８を含む半導体装置２０を示す図である。制御基板８は、半導体主素子７、内部端子６、および、中継端子９までをパッケージ化した場合の、後付け基板として位置付けられる。パッケージからは中継端子９が露出しており、中継端子９は、制御基板８上の孔を貫通し、電流センサ３と接触して、外部バスバー１に接続される。これにより、従来電極間にしか配置できなかった制御基板８の面積上の制限がなくなり、設計自由度の向上を図れ、制御基板８を有効に活用できる。
【００２３】
以上、本発明の実施の形態を説明した。これまでの説明（例えば図１）では、内部端子６および中継端子９の接続面は、電力用絶縁基板１０の表主面に平行になるように折り曲げているとした。しかし、内部端子６および中継端子９の接続が確実に得られる場合には、必ずしも平行でなくてもよく、例えば、垂直であってもよい。これは、電極接続ねじを使用する場合にも、また、溶接接合、超音波接合する場合にも適用できる。これにより、電極接続ねじ４−２を通すための、内部端子６および中継端子９の折り曲げ部、および、電力用絶縁基板１０の表主面に平行な方向のスペースを設ける必要がなくなる。よって作業工程の簡略化、および、スペースの削減を実現できる。
【００２４】
【発明の効果】
電源端子を内部端子と中継端子とに分割して構成した。これにより、内部端子は電力用半導体素子とのボンディングに支障のないように短く構成できるので、ボンディング作業の作業効率を高く維持できる。また、中継端子の外周に嵌合するように電流センサを設けることにより、電流用半導体主素子と電流センサとの距離が近くなり、パッケージ内に収めることができる。これにより、外部バスバーを介して接続される他の構成要素、例えば、平滑コンデンサとの距離も近くなるので、電力用半導体主素子に印加されるサージ電圧が抑制でき、よって、半導体装置自身の誤動作の発生を抑制できる。
【００２５】
内部端子の結合部と、中継端子の結合部とは、絶縁板の表主面に略平行な方向に延びた面を形成する。これにより、特に内部端子と中継端子とを溶接材により接合する場合に、接合面から溶接材が流出しないので、溶接の作業性を高めることができる。
【００２６】
制御基板は、貫通孔を有し、中継端子の外露出部は、制御基板の貫通孔を貫通する。これにより、制御基板電源端子に挟まれ寸法上規制を受ける従来の不具合を解消できるだけでなく、ケースと同心状に制御基板をバランス良く配置できる効果がある。
【００２７】
電流センサを制御基板上に設けたことにより、電流センサを支持する手段が殊更必要なくなる。よって、構造が簡単になり、安価な電力用半導体装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態による半導体装置の断面図である。
【図２】溶接接合により結合した、内部端子および中継端子の結合部を示す拡大図である。
【図３】孔が設けられた制御基板の拡大図を示す。
【図４】半導体主素子の載置面に平行な方向に、十分な広がりを持つ制御基板を含む半導体装置を示す図である。
【図５】従来の第１の半導体装置の断面図を示す。
【図６】従来の第２の半導体装置の断面図を示す。
【符号の説明】
１　外部バスバー、　２　平滑コンデンサ、　３　電流センサ、　４−１、４−２　電極接続ねじ、　５　ケース、　６　内部電源端子、　７　半導体主素子、　８　制御基板、　９　中継電源端子、　１０　電力用絶縁基板、　１１　ボンディングワイヤ、　１５　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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