(57)【要約】【課題】ヒューズ機能を持たせる。【解決手段】半導体装置１００は、半導体素子１２１，１２２と、絶縁板１１１と、絶縁板１１１のおもて面に設けられ、半導体素子１２１，１２２が配置された回路板１１２ａとを有する積層基板１１０とを有する。また、積層基板１１０の主面に対向配置され、貫通孔１４１，１４２が形成されたプリント基板１４０と、貫通孔１４１，１４２に挿入されて、半導体素子１２１，１２２に接合材１３１ａ，１３２ａを介して電気的に接続された導電ポスト１３１，１３２と、を有する。さらに、半導体装置１００は、貫通孔１４１，１４２の内壁面と、導電ポスト１３１，１３２の外周面との間に設けられて、導電ポスト１３１，１３２とプリント基板１４０とを電気的に接合し、第１温度で溶断するヒューズ部材１４１ａ，１４２ａを有する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、
絶縁板と、前記絶縁板のおもて面に設けられ、前記半導体素子が配置された回路板とを有する積層基板と、
前記積層基板の主面に対向配置され、前記半導体素子に対向して第１貫通孔が形成されたプリント基板と、
前記第１貫通孔に挿入されて、前記半導体素子に接合材を介して電気的に接合された第１導電ポストと、
前記第１貫通孔の内壁面と前記第１導電ポストの外周面との間に設けられて、前記第１導電ポストと前記プリント基板とを電気的に接合する、第１温度で溶断する第１ヒューズ部材と、
を有する半導体装置。
【請求項２】
前記第１温度は、前記半導体装置の動作温度以上、半導体装置の過電流で発熱する導電ポストの温度以下である、
請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記動作温度は、１００度から１７５度である、
請求項２記載の半導体装置。
【請求項４】
前記過電流で発熱する導電ポストの温度が、１５０度から６９０度である、
請求項２記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第１ヒューズ部材は、錫系はんだ、または、アルミニウムにより構成されている、
請求項１記載の半導体装置。
【請求項６】
前記半導体素子と、前記積層基板と、前記プリント基板と、前記第１導電ポストとを封止し、開口部が前記第１貫通孔を覆う空間領域の金属溜まり部を含む封止樹脂、
をさらに有する請求項１記載の半導体装置。
【請求項７】
前記プリント基板に、前記回路板に対向して第２貫通孔が形成され、
前記第２貫通孔に挿入されて、前記回路板に前記接合材を介して電気的に接合された第２導電ポストと、
前記第２貫通孔の内壁面と前記第２導電ポストの外周面との間に設けられて、前記第２導電ポストと前記プリント基板とを電気的に接合する、前記第１温度よりも低い第２温度で溶断する第２ヒューズ部材と、
を有する請求項１記載の半導体装置。
【請求項８】
前記第２温度は、前記半導体装置の動作温度以上、半導体装置の過電流で発熱する導電ポストの温度以下である、
請求項７記載の半導体装置。
【請求項９】
前記動作温度は、５０度から１００度である、
請求項８記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記過電流で発熱する導電ポストの温度が、１００度から５００度である、
請求項９記載の半導体装置。
【請求項１１】
前記第２ヒューズ部材は、錫系はんだにより構成されている、
請求項７記載の半導体装置。
【請求項１２】
前記半導体素子と、前記積層基板と、前記プリント基板と、前記第２導電ポストとを封止し、開口部が前記第２貫通孔を覆う空間領域の金属溜まり部を含む封止樹脂、
をさらに有する請求項７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。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置は、パワー半導体素子を含み、電力変換装置、または、スイッチング装置として利用されている。例えば、半導体装置は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等を含む半導体素子が接続されて、スイッチング装置として機能することができる。
【０００３】
このような半導体装置では、おもて面に回路板が、裏面に金属板がそれぞれ形成された絶縁板を備える積層基板と、回路板上にはんだを介して設けられた半導体素子とを有する。半導体素子同士、並びに、半導体素子と回路板との間がアルミニウム等で構成されたワイヤにて電気的に接続されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
このような半導体装置は、半導体素子内の短絡等により過電流が流れた場合には、ワイヤが溶断することで過電流に対するヒューズの機能を果たし、過電流に起因した発熱、故障等を防止することができる。
【０００５】
ところで、パワー半導体素子を有する半導体装置では、ワイヤに代えて、例えば、導電性の支持体（例えば、プリント基板）の貫通孔に導電ポストを配置して、当該導電ポストを介して、半導体素子同士、並びに、半導体素子と回路板との間を電気的に接続する構造が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１３−２３９６９７号公報
【特許文献２】特開２０１１−０８２３０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、導電性の支持体に設けられた導電ポストを用いた接続構造を有する半導体装置では、過電流が流れても溶断する構成がないために、過電流に起因した発熱、故障等が生じるおそれがある。
【０００８】
また、このような発熱、故障等を抑制するためには、過電流に対するヒューズの機能を持たせた回路等を別途設ける必要がある。しかし、半導体装置にこのような機能を持たせるには、当該回路等を設けるための領域を設ける等のコストが嵩んでしまう。
【０００９】
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、ヒューズ機能を持たせ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】
【００１０】
本発明の一観点によれば、半導体素子と、絶縁板と、前記絶縁板のおもて面に設けられ、前記半導体素子が配置された回路板とを有する積層基板と、前記積層基板の主面に対向配置され、前記半導体素子に対向して第１貫通孔が形成されたプリント基板と、前記第１貫通孔に挿入されて、前記半導体素子に接合材を介して電気的に接合された第１導電ポストと、前記第１貫通孔の内壁面と前記第１導電ポストの外周面との間に設けられて、前記第１導電ポストと前記プリント基板とを電気的に接合する、第１温度で溶断する第１ヒューズ部材と、を有する半導体装置が提供される。
【発明の効果】
【００１１】
開示の技術によれば、半導体装置における過電流に起因した発熱、故障等を防止して、半導体装置の信頼性の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態の半導体装置の外観図である。
【図２】実施の形態の半導体装置の透視的側面図である。
【図３】実施の形態の半導体装置の要部拡大断面図である。
【図４】実施の形態の半導体装置のヒューズ機能を説明するための図である。
【図５】実施の形態の半導体装置のヒューズ部材部分の上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して実施の形態を説明する。
まず、実施の形態の半導体装置の外観について図１を用いて説明する。
図１は、実施の形態の半導体装置の外観図である。
【００１４】
半導体装置１００は、図１に示すように、エポキシ樹脂等の樹脂材でモールド成形された成形体として構成されている。この半導体装置１００は、図１中左右端部側に固定ねじを挿通する挿通孔２が形成され、これら挿通孔２を囲むように平面から見てＵ字状の絶縁用壁部３が形成されている。
【００１５】
また、半導体装置１００は、上面における左右の絶縁用壁部３間の前後端部側にそれぞれ外部接続用端子４Ａ，４Ｂ，４Ｃと制御用端子５Ａ，５Ｂとが上方に突出して形成されている。
【００１６】
次に、このような半導体装置１００の構成について、図２を用いて説明する。
図２は、実施の形態の半導体装置の透視的側面図である。
なお、図２では、後述する、半導体素子１２１，１２２、回路板１１２ｂに対する導電ポスト１３０の接続構造は簡略化して示している。当該接続構造の詳細については、図３により説明する。
【００１７】
半導体装置１００は、半導体素子１２１，１２２と、半導体素子１２１，１２２が配置された積層基板１１０と、積層基板１１０に対向配置されたプリント基板１４０とを有する。
【００１８】
半導体素子１２１は、パワー半導体素子としてのＩＧＢＴ（または、パワーＭＯＳＦＥＴ）である。また、半導体素子１２２は、ＦＷＤ（Free Wheeling Diode）である。
積層基板１１０は、絶縁板１１１と、絶縁板１１１のおもて面に形成された回路板１１２ａ，１１２ｂと、絶縁板１１１の裏面に形成された金属板１１３とを有する。
【００１９】
絶縁板１１１は、伝熱性の良いアルミナ等のセラミックスにより構成されている。
回路板１１２ａ，１１２ｂは、例えば、厚さが０．３ｍｍ〜１ｍｍ程度の銅板により構成されている。また、回路板１１２ａは、半導体素子１２１，１２２が搭載されるようなパターンで構成されており、さらに、外部接続用端子４Ａ，４Ｃが接続される。また、回路板１１２ｂは、回路板１１２ａに対して所定間隔を保って配置され、後述する導電ポストが接続されるようなパターンで構成されており、さらに、外部接続用端子４Ｂが接続される。
【００２０】
金属板１１３は、厚さが０．３ｍｍ〜１ｍｍ程度であり、放熱性が高い、例えば、銅等の金属により構成されて、絶縁板１１１の裏面全面に形成されている。
プリント基板１４０は、貫通孔が所定の位置に形成されており、当該貫通孔に導電ポスト１３０が挿入されている。このようなプリント基板１４０は、両面に、主回路の電流路となる導電パターンと、半導体素子１２１のゲート電極に導電ポスト１３０を介して接続されるゲート配線パターン、エミッタ補助端子用配線と、を有する。ゲート配線パターンは、制御用端子５Ｂと接続される端子接続パターンと接続されている。
【００２１】
なお、プリント基板１４０は、外部接続用端子４Ａ，４Ｂ，４Ｃが非接触で挿通されている。
したがって、このような積層基板１１０と、半導体素子１２１，１２２と、導電ポスト１３０が設けられたプリント基板１４０とにより、所望の回路構成が得られる。
【００２２】
次に、プリント基板１４０の貫通孔に挿入された導電ポスト１３０の半導体素子１２１，１２２に対する接続構造の詳細について、図３を用いて説明する。
図３は、実施の形態の半導体装置の要部拡大断面図である。
【００２３】
但し、図３は、半導体装置１００において導電ポスト１３０を長手方向に沿って断面した要部を拡大して、詳細に示したものである。なお、図３は、説明を行いやすくするために、構成によっては実際の半導体装置１００と縮尺等を一致させていない。
【００２４】
半導体装置１００は、既述の通り、積層基板１１０と、半導体素子１２１，１２２と、プリント基板１４０と、導電ポスト１３１，１３２，１３３（これらの総称として、導電ポスト１３０）とが封止樹脂１６０により封止されている。
【００２５】
半導体素子１２１，１２２は、積層基板１１０の回路板１１２ａ上にはんだ１２１ａ，１２２ａを介して設けられている。
また、例えば、半導体素子１２１は、半導体素子１２２よりも厚く、発熱量が大きいものとする。
【００２６】
プリント基板１４０は、積層基板１１０の回路板１１２ａ，１１２ｂに対向配置されており、貫通孔１４１，１４２，１４３が形成されている。なお、貫通孔１４１，１４２，１４３の径は、例えば、２．１ｍｍ以上、４．５ｍｍ以下程度である。
【００２７】
導電ポスト１３１，１３２，１３３は、貫通孔１４１，１４２，１４３にそれぞれ挿入されて、下端部が、はんだ等の接合材１３１ａ，１３２ａ，１３３ａにより半導体素子１２１，１２２と回路板１１２ｂとにそれぞれ接合されている。なお、導電ポスト１３１，１３２，１３３の径は、例えば、０．１ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下程度である。
【００２８】
そして、ヒューズ部材１４１ａ，１４２ａ（第１ヒューズ部材）とヒューズ部材１４３ａ（第２ヒューズ部材）とが、貫通孔１４１，１４２，１４３の内壁面と、導電ポスト１３１，１３２，１３３の外周面との間にそれぞれ設けられている。このヒューズ部材１４１ａ，１４２ａ，１４３ａの（径方向に対する）厚さは１ｍｍ以上、２ｍｍ以下程度である。
【００２９】
ヒューズ部材１４１ａ，１４２ａ，１４３ａは、導電ポスト１３１，１３２，１３３とプリント基板１４０とを電気的に接合するものであり、導電性を有する金属材料により構成されている。また、ヒューズ部材１４１ａ，１４２ａは、第１温度で溶断し、ヒューズ部材１４３ａは、後述するように、第１温度よりも低い第２温度で溶断する材料により構成されている。このようなヒューズ部材１４１ａ，１４２ａの第１温度とヒューズ部材１４３ａの第２温度とは、少なくとも、半導体装置１００の半導体素子１２１，１２２の最大動作温度１７５度とした場合の各導電ポスト１３１，１３２，１３３の温度（例えば、半導体素子１２１，１２２に接合されている導電ポスト１３１，１３２では１００度から１７５度程度、回路板１１２ｂに接合されている導電ポスト１３３では５０度から１００度程度）以上である必要がある。一方、ヒューズ部材１４１ａ，１４２ａの第１温度とヒューズ部材１４３ａの第２温度とは、半導体装置１００が、過電流により発熱した際の温度（例えば、半導体素子１２１，１２２に接合されている導電ポスト１３１，１３２では、１８０度から６９０度程度、回路板１１２ｂに接合されている導電ポスト１３３では１５０度から５００度程度）以下であるとする。
【００３０】
このようなヒューズ部材１４１ａ，１４２ａ，１４３ａの材料として、例えば、アルミニウム（融点：６６０度程度）、錫系はんだ等である。なお、錫系はんだは、例えば、Ｓｎ１３Ｓｂ（融点：２４５度以上、３００度以下）、Ｓｎ５Ｓｂ（融点：２３６度以上、２４２度以下）、Ｓｎ５．３Ａｇ共晶（融点：２２１度程度）、Ｓｎ（融点：２２１度程度）、ＳｎＡｇＣｕ８Ｉｎ（融点：２００度程度）、Ｓｎ７３Ｐｂ共晶（融点：１８３度程度）、Ｓｎ５８Ｂｉ（融点：１３９度程度）等である。
【００３１】
封止樹脂１６０は、開口部が（図３中上方側から）貫通孔１４１，１４２，１４３を覆うと共に、導電ポスト１３１，１３２，１３３の上端部を含む空間領域の金属溜まり部１６１ａ，１６２ａ，１６３ａを含む。このような金属溜まり部１６１ａ，１６２ａ，１６３ａは、例えば、予め、樹脂製の片方のみに開口部を有する中空筒を導電ポスト１３１，１３２，１３３の上端部に被せて、貫通孔１４１，１４２，１４３を開口部で覆っておき、この状態で封止樹脂１６０を充填して固化する。これにより、封止樹脂１６０内に金属溜まり部１６１ａ，１６２ａ，１６３ａが形成される。
【００３２】
また、封止樹脂１６０は、開口部が（図３中下方側から）貫通孔１４１，１４２，１４３を覆うと共に、導電ポスト１３１，１３２，１３３を含む空間領域の金属溜まり部１６１ｂ，１６２ｂ，１６３ｂを含む。このような金属溜まり部１６１ｂ，１６２ｂ，１６３ｂは、例えば、予め、樹脂製の片方のみに開口部を有する中空筒であって、底面に導電ポスト１３１，１３２，１３３を挿通させて、貫通孔１４１，１４２，１４３を開口部で覆っておき、この状態で封止樹脂１６０を充填して固化する。これにより、封止樹脂１６０内に金属溜まり部１６１ｂ，１６２ｂ，１６３ｂが形成される。
【００３３】
なお、金属溜まり部１６１ａ，１６２ａ，１６３ａ，１６１ｂ，１６２ｂ，１６３ｂは、例えば、円筒形を成している。但し、金属溜まり部１６１ａ，１６２ａ，１６３ａ，１６１ｂ，１６２ｂ，１６３ｂは、開口部が（上方側または下方側から）貫通孔１４１，１４２，１４３を覆っていればよく、円筒形に限らず、角柱形、円錐形、角錐形であっても構わない。
【００３４】
また、金属溜まり部１６１ａ，１６２ａ，１６３ａ，１６１ｂ，１６２ｂ，１６３ｂは、導電ポスト１３１，１３２，１３３に対して、図３中において少なくとも、上側の金属溜まり部１６１ａ，１６２ａ，１６３ａまたは下側の金属溜まり部１６１ｂ，１６２ｂ，１６３ｂのいずれか一方が形成されていればよい。また、各導電ポスト１３１，１３２，１３３に、各まとめて一つの金属溜まり部を形成されていてもよい。
【００３５】
次に、このような構成を有する半導体装置１００の動作時に過電流が流れた場合について、図４を用いて説明する。
図４は、実施の形態の半導体装置のヒューズ機能を説明するための図である。
【００３６】
なお、図４では、一例として、半導体装置１００のうち、半導体素子１２１の周辺部分の拡大図を示しており、半導体素子１２１に接合された導電ポスト１３１を例に挙げて説明する。
【００３７】
また、図４（Ａ）は、半導体装置１００の通常時を示しており、図４（Ｂ）は、半導体装置１００において過電流が流れる場合を示している。
ヒューズ部材１４１ａの第１温度は、既述の通り、半導体装置１００の動作温度以上、半導体装置１００の過電流発生時の温度以下である。このため、半導体装置１００に通常の電流が流れると、ヒューズ部材１４１ａは、発熱しても溶融することはなく、図４（Ａ）に示されるように、導電ポスト１３１と貫通孔１４１との間に配置して、導電ポスト１３１とプリント基板１４０との電気的接続を維持する。
【００３８】
一方、半導体装置１００は、過電流が発生して、当該過電流が導電ポスト１３１を通電すると、ヒューズ部材１４１ａは、過電流が通電してしまい、過電流に応じた発熱が発生してしまう。この発熱によりヒューズ部材１４１ａがその第１温度よりも高温になると、ヒューズ部材１４１ａは溶融（溶断）してしまう。
【００３９】
溶融したヒューズ部材１４１ａは、例えば、図４（Ｂ）に示されるように、金属溜まり部１６１ｂに流れ出して貯留される。すると、導電ポスト１３１とプリント基板１４０との電気的接続が切断されてしまい、導電ポスト１３１とプリント基板１４０との間の過電流の通電が防止されるようになる。このように、貫通孔１４１と導電ポスト１３１との間に設けられたヒューズ部材１４１ａは、過電流に対してヒューズ機能を果たすようになる。
【００４０】
なお、上記のことは、導電ポスト１３１に限らず、過電流が発生すると導電ポスト１３２，１３３に対するヒューズ部材１４２ａ，１４３ａでも同様のことが生じる。
上記半導体装置１００は、半導体素子１２１，１２２と、絶縁板１１１と、絶縁板１１１のおもて面に設けられ、半導体素子１２１，１２２が配置された回路板１１２ａとを有する積層基板１１０とを有する。また、積層基板１１０の主面に対向配置され、貫通孔１４１，１４２が形成されたプリント基板１４０と、貫通孔１４１，１４２に挿入されて、半導体素子１２１，１２２に接合材１３１ａ，１３２ａを介して電気的に接続された導電ポスト１３１，１３２と、を有する。さらに、半導体装置１００は、貫通孔１４１，１４２の内壁面と、導電ポスト１３１，１３２の外周面との間に設けられて、導電ポスト１３１，１３２とプリント基板１４０とを電気的に接合し、第１温度で溶断するヒューズ部材１４１ａ，１４２ａを有する。
【００４１】
また、上記半導体装置１００では、貫通孔１４３に挿入されて、回路板１１２ｂに接合材１３３ａを介して電気的に接続された導電ポスト１３３を有する。さらに、貫通孔１４３の内壁面と、導電ポスト１３３の外周面との間に設けられて、導電ポスト１３３とプリント基板１４０とを電気的に接合し、第１温度よりも低い第２温度で溶断するヒューズ部材１４３ａを有する。
【００４２】
このような半導体装置１００では、過電流が発生すると、ヒューズ部材１４１ａ，１４２ａ，１４３ａに過電流が通電することで、ヒューズ部材１４１ａ，１４２ａ，１４３ａが溶融してしまう。これにより、導電ポスト１３１，１３２，１３３とプリント基板１４０との電気的接続が切断されてしまい、過電流の通電が防止されるようになる。したがって、半導体装置１００では、ヒューズ機能を持たせた回路を別途設ける必要がなく、コストの増大を抑制して、過電流に起因した故障等を防止することができ、信頼性の低下を抑制することができる。
【００４３】
また、半導体装置１００において、半導体素子１２１，１２２の方が、（半導体素子がない）回路板１１２ｂよりも、温度が高くなる。すなわち、半導体素子１２１，１２２にそれぞれ接合されている導電ポスト１３１，１３２の方が、回路板１１２ｂに接合されている導電ポスト１３３よりも温度が高くなることが考えられる。これにより、半導体素子１２１，１２２に接合されている導電ポスト１３１，１３２に対するヒューズ部材１４１ａ，１４２ａの第１温度の方が、回路板１１２ｂのみに接合されている導電ポスト１３３に対するヒューズ部材１４３ａの第２温度よりも高く設定される。これにより、貫通孔１４１，１４２，１４３の内壁面と導電ポスト１３１，１３２，１３３の外周面との間に配置されたヒューズ部材１４１ａ，１４２ａ，１４３ａは、適切に過電流のみに対してヒューズ機能を果たすことができる。
【００４４】
さらに、半導体装置１００のヒューズ部材１４１ａ，１４２ａ，１４３ａについて図５を用いて説明する。
図５は、実施の形態の半導体装置のヒューズ部材部分の上面図である。
【００４５】
なお、図５では、ヒューズ部材１４１ａの場合を例に挙げて説明する。
また、図５（Ａ）は、ヒューズ部材１４１ａの上面図を、図５（Ｂ）は、別のヒューズ部材の上面図をそれぞれ表している。
【００４６】
図５（Ａ）では、導電ポスト１３１と貫通孔１４１の隙間全体に、本実施の形態で説明したヒューズ部材１４１ａが配置されている。
一方、図５（Ｂ）では、導電ポスト１３１と貫通孔１４１の隙間に、ここでは導電ポスト１３１を中心として、略十字状にヒューズ部材２４１ａが配置されている。導電ポスト１３１と比較してヒューズ部材２４１ａは、電気抵抗率が低い材料で形成され、過電流が流れると抵抗発熱を生じる。例えば、導電ポスト１３１が銅材、ヒューズ部材２４１ａを、錫系はんだ等で形成した場合である。図５（Ｂ）の場合では、過電流が発生した際の抵抗発熱により、ヒューズ部材２４１ａが確実に溶融するために、貫通孔１４１に部分的にヒューズ部材２４１ａを形成している。このことで、ヒューズ部材２４１ａに通電する電流密度が高くなり、より抵抗発熱が生じる。
【００４７】
なお、図５（Ｂ）の場合では、ヒューズ部材２４１ａを４つに分割して略十字状に形成したが、４つ以下または４つ以上で形成してもよく、ヒューズ部材２４１ａをボール状、円柱状等、その他通電が確保される形状であればよい。
【符号の説明】
【００４８】
２  挿通孔
３  絶縁用壁部
４Ａ，４Ｂ，４Ｃ  外部接続用端子
５Ａ，５Ｂ  制御用端子
１００  半導体装置
１１０  積層基板
１１１  絶縁板
１１２ａ，１１２ｂ  回路板
１１３  金属板
１２１，１２２  半導体素子
１３０，１３１，１３２，１３３  導電ポスト
１３１ａ，１３２ａ，１３３ａ  接合材
１４０  プリント基板
１４１，１４２，１４３  貫通孔
１４１ａ，１４２ａ，１４３ａ，２４１ａ  ヒューズ部材
１６０  封止樹脂
１６１ａ，１６１ｂ，１６２ａ，１６２ｂ，１６３ａ，１６３ｂ  金属溜まり部
【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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