(57)【要約】【課題】枠体を耐熱性樹脂で形成することなく比較的低コストでハンダ付けによる端子接合を行うことのできるパワー半導体装置を提供する。【解決手段】冷却器５０と、冷却器上に配置された配線パターンＰ１、Ｐ２と、配線パターン上において接続されたスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２および整流素子Ｄ１、Ｄ２と、端子部Ｌ２ａ、Ｌ３ａおよび接続部Ｌ２ｂ、Ｌ３ｂを有し、接続部を介してスイッチング素子および整流素子と接続された板状リードＬ２、Ｌ３と、配線パターン、スイッチング素子および整流素子を囲繞し、端子部が固定される枠体１０とを備え、枠体は、少なくとも２つの分割体１０Ａ、１０Ｂから構成され、各分割体は、冷却器と板状リードの間に配線パターンの側方から挿入されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却器（５０）と、
前記冷却器上に配置された配線パターン（Ｐ１、Ｐ２）と、
前記配線パターン上において接続されたスイッチング素子（Ｓ１、Ｓ２）および整流素子（Ｄ１、Ｄ２）と、
端子部（Ｌ２ａ、Ｌ３ａ）および接続部（Ｌ２ｂ、Ｌ３ｂ）を有し、前記接続部を介して前記スイッチング素子および前記整流素子と接続された板状リード（Ｌ２、Ｌ３）と、
前記配線パターン、前記スイッチング素子および前記整流素子を囲繞し、前記端子部が固定される枠体（１０）と、
を備え、
前記枠体は、少なくとも２つの分割体（１０Ａ、１０Ｂ）から構成され、
前記各分割体は、前記冷却器と前記板状リードの間に前記配線パターンの側方から挿入されていることを特徴とするパワー半導体装置。
【請求項２】
前記枠体の内側に、前記配線パターン、前記スイッチング素子および前記整流素子を囲繞するように前記冷却器上に起立される壁部（５１）をさらに備え、
前記壁部内に樹脂（２００）が充填されていることを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体装置。
【請求項３】
前記枠体の前記各分割体は、前記壁部の上端に係止される係止部（３０）を有することを特徴とする請求項２に記載のパワー半導体装置。
【請求項４】
前記係止部は、弾性アーム部（３１ａ）と、該弾性アーム部の先端の下方側に形成される突起部（３１ｂ）を有し、前記突起部の下面にはテーパ面（３１ｄ）が形成されていることを特徴とする請求項３に記載のパワー半導体装置。
【請求項５】
前記枠体は、前記板状リードが有する前記端子部の直下に螺合部（ナット６０ａ〜６０ｃ）を有し、
前記係止部は、前記螺合部の上端よりも低い位置に形成されていることを特徴とする請求項３または請求項４に記載のパワー半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワー半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、ハイブリッド車や電気自動車等の車両に搭載されるパワー半導体装置として、半導体素子と配線パターンとをワイヤで接続し、この配線パターンと端子（例えば、直流正極側端子、或いは直流負極側端子）とを超音波接合させた半導体装置が提案されている（例えば特許文献１等）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−８９７８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のパワー半導体装置は、冷却器上に半導体素子、配線パターン等から成る半導体モジュールを設け、この半導体モジュールを樹脂製の枠体で囲繞し、枠体内に絶縁性の樹脂を充填していた。
【０００５】
ところが、半導体モジュールの各構成部材の接合を超音波接合に代えてハンダ付けによって行う場合には、ハンダを溶融する際に、枠体が高温環境下に晒されることになる。
【０００６】
即ち、各構成部材の接合を超音波接合で行う場合には、冷却器上に枠体を設置した後に接合工程を行うことができた。しかし、冷却器上に枠体を設置した後に、各構成部材の接合を加熱炉によって一括してハンダ付けを行う場合には、必然的に枠体自体もハンダ溶融温度まで加熱されることになる。
【０００７】
そのため、枠体が高温の熱で損傷しないように耐熱性樹脂で形成するなどの措置が必要となり、コストが嵩むという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明に係るパワー半導体装置は、冷却器と、前記冷却器上に配置された配線パターンと、前記配線パターン上において接続されたスイッチング素子および整流素子と、端子部および接続部を有し、前記接続部を介して前記スイッチング素子および前記整流素子と接続された板状リードと、前記配線パターン、前記スイッチング素子および前記整流素子を囲繞し、前記端子部が固定される枠体と、を備え、前記枠体は、少なくとも２つの分割体から構成され、前記各分割体は、前記冷却器と前記板状リードの間に前記配線パターンの側方から挿入されていることを要旨とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係るパワー半導体装置によれば、配線パターンとスイッチング素子、整流素子および接続部を高温環境下でハンダ付けした後に、枠体を取り付けることができるので、枠体を耐熱性樹脂で形成することなく低コスト化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態に係るパワー半導体装置の組立中の構成例を示す分解側面図である。
【図２】実施の形態に係るパワー半導体装置の組立中の構成例を示す分解平面図である。
【図３】実施の形態に係るパワー半導体装置の組立後の構成例を示す側面図である。
【図４】実施の形態に係るパワー半導体装置の組立後の構成例を示す平面図である。
【図５】実施の形態に係るパワー半導体装置の回路構成例を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の一例としての実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。ここで、添付図面において同一の部材には同一の符号を付しており、また、重複した説明は省略されている。なお、ここでの説明は本発明が実施される最良の形態であることから、本発明は当該形態に限定されるものではない。
【００１３】
［実施の形態に係るパワー半導体装置］
（構成例）
図１〜図５を参照して、実施の形態に係るパワー半導体装置Ｍの構成例について説明する。
【００１４】
ここで、図１は、実施の形態に係るパワー半導体装置Ｍの組立中の構成例を示す分解側面図、図２はその分解平面図である。なお、図１および図２において、符号５００は、枠体１０を取付ける前の半導体モジュールの構造物を示す。
【００１５】
図３は、実施の形態に係るパワー半導体装置Ｍの組立後の構成例を示す側面図、図４はその平面図である。また、図５は、実施の形態に係るパワー半導体装置Ｍの回路構成例を示す回路図である。
【００１６】
図３等に示すように、インバータ装置としてのパワー半導体装置Ｍは、主に、冷却器５０と、この冷却器５０上に設けられる半導体モジュールの構造物５００と、冷却器５０上にあって半導体モジュールの構造物５００を囲繞する壁部５１と、壁部５１を囲繞する枠体１０と、壁部５１内に充填される絶縁性の樹脂２００とから構成されている。
【００１７】
冷却器５０は、例えば、銅やアルミニウム等の押出し成形により形成される。なお、図示は省略するが、冷却器５０には冷却水等の冷媒を流通させる流路を形成したり、空冷用のフィン等を設けてもよい。
【００１８】
半導体モジュールの構造物５００は、ＩＧＢＴ等で構成されるスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２と、ダイオードで構成される整流素子Ｄ１，Ｄ２とがそれぞれに接続される金属層（例えば、Ｃｕ層等）で構成される第１配線パターンＰ１および第２配線パターンＰ２と、第１配線パターンＰ１に接続される銅板等から成る第１板状リードＬ１と、第１配線パターンＰ１上に配置されたスイッチング素子Ｓ１および整流素子Ｄ１の上部端子に接続される銅板等から成る第２板状リードＬ２と、第２配線パターンＰ２上に配置されたスイッチング素子Ｓ２および整流素子Ｄ２の上部端子に接続される銅板等から成る第３板状リードＬ３等から構成される。
【００１９】
壁部５１は、冷却器５０上に起立され、半導体モジュールの構造物５００を繋ぎ目なく囲繞するように形成される。これにより、壁部５１内に充填されたシリコン樹脂やエポキシ樹脂等からなる絶縁性の樹脂が漏れ出さないように保持することができる。
【００２０】
なお、壁部５１は、銅やアルミニウムから成る冷却器５０と一体的に構成してもよいし、或いは金属製の別部材として構成し、冷却器５０上にロウ付けして設けるようにしてもよい。
【００２１】
枠体１０は、例えばＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）等の樹脂で成形される２つの分割体１０Ａ、１０Ｂから構成され、図１および図２に示すように、各分割体１０Ａ、１０Ｂは配線パターン（第１配線パターンＰ１および第２配線パターンＰ２）の側方からＡ１、Ａ２方向に挿入されて係合されるように構成されている。
【００２２】
なお、枠体１０は、２つの分割体１０Ａ、１０Ｂで構成する場合に限定されず、３つ以上の分割体で構成されるようにしてもよい。
【００２３】
また、図示は省略するが、分割体１０Ａには、温度センサや電流センサ等に接続される端子１６０ａ、１６０ｂがインサート成形され、図２等に示すように、分割体１０Ａから露出されている。
【００２４】
また、枠体１０の各分割体１０Ａ、１０Ｂは、壁部５１の上端５１ａ、５１ｂに係止される係止部３０を備えている。
【００２５】
図１等に示す構成例では、係止部３０は、弾性アーム部３１ａと、この弾性アーム部３１ａの先端の下方側に形成される突起部３１ｂを有している。
【００２６】
突起部３１ｂの分割体１０Ａ、１０Ｂ側には係止面３１ｃが形成され、分割体１０Ａ、１０Ｂの内壁と係止面３１ｃとの間隔は、壁部５１の幅と一致するように形成されている。  これにより、係止部３０が壁部５１の上端５１ａ、５１ｂに係止された際に、壁部５１の外壁と分割体１０Ａ、１０Ｂの内壁が密着した状態で、分割体１０Ａ、１０Ｂが壁部５１に固定される（図３参照）。
【００２７】
また、枠体１０は、板状リードＬ１〜Ｌ３が有する端子部Ｌ１ａ〜Ｌ３ａの直下に螺合部を有している。図２等に示すように、本実施の形態では、螺合部は、各分割体１０Ａ、１０Ｂの上面側に形成されたナット保持部１５ａ〜１５ｃにナット６０ａ〜６０ｃが載置されている。なお、ナット６０ａ〜６０ｃは、分割体１０Ａ、１０Ｂの上端部にインサート成形されるようにしてもよい。
【００２８】
なお、上述の係止部３０は、螺合部（ナット６０ａ〜６０ｃ）の上端よりも低い位置に形成されている。
【００２９】
これにより、係止部３０を壁部５１に固定する際に、係止部３０の係止動作（弾性変形等）で板状リードＬ１〜Ｌ３等に応力が及んで変形等する事態を回避することができる。
【００３０】
また、図３に示すように、係止部３０と板状リードＬ１および板状リードＬ２との間には、クリアランスＣ１が形成されるようになっている。
【００３１】
これにより、共に金属で形成される壁部５１、冷却器５０と板状リードＬ１、Ｌ２が短絡する事態を防止することができる。また、クリアランスＣ１を設けることにより、係止部３０を壁部５１の上端５１ａ、５１ｂに係止させる際に、弾性アーム部３１ａの上方への弾性変形が妨げられないようにできる。
【００３２】
ここで、配線パターンＰ１、Ｐ２や板状リードＬ１〜Ｌ３の詳細な構成について、図２等を参照して説明する。
【００３３】
第１配線パターンＰ１に接続された第１板状リードＬ１に形成される正極端子Ｌ１ａと、第２配線パターンＰ２上のスイッチング素子Ｓ２および整流素子Ｄ２と接続された第３板状リードＬ３に形成される負極端子Ｌ３ａとは、枠体１０の一辺側に配置されている。
【００３４】
また、第２板状リードＬ２に形成され、第１配線パターンＰ１上のスイッチング素子Ｓ１、第１配線パターンＰ１上の整流素子Ｄ１および第２配線パターンＰ２と接続される交流端子Ｌ２ａが枠体１０の他辺側に配置されている。
【００３５】
また、壁部５１内において、第１配線パターンＰ１と第２配線パターンＰ２とは、所定のクリアランスＣ２を挟んで近接配置されている。
【００３６】
なお、正極端子Ｌ１ａ、交流端子Ｌ２ａ、負極端子Ｌ３ａには、枠体１０に固定するためのボルト孔２０ａ、２０ｂ、２０ｃが穿設されている。
【００３７】
図１等に示すように、冷却器５０上には、ハンダ等の接合層７１を介して、絶縁層７３の一面（図上は下面）に形成される金属の接合パターン７２が接合されている。
【００３８】
絶縁層７３の他面（図上は上面）には、第１配線パターンＰ１が形成されている。
【００３９】
第１配線パターンＰ１上には、整流素子Ｄ１とスイッチング素子Ｓ１がハンダ層Ｄ１ａ、Ｓ１ａを介して接合されている。
【００４０】
第１板状リードＬ１は、銅板等を折曲げ加工して形成され、平板状の接続部Ｌ１ｂと、起立部Ｌ１ｃと、端子部（正極端子）Ｌ１ａとを有している。
【００４１】
第１板状リードＬ１は、接続部Ｌ１ｂがハンダ等から成る接合層７５を介して第１配線パターンＰ１に接合されている。この状態において、端子部（正極端子）Ｌ１ａは、ナット６０ａと当接する位置に保持され、図示しないボルトにより固定される。
【００４２】
第２板状リードＬ２は、銅板等を折曲げ加工して形成され、平板状の接続部Ｌ２ｂと、起立部Ｌ２ｃと、端子部（交流端子）Ｌ２ａとを有している。
【００４３】
第２板状リードＬ２は、接続部Ｌ２ｂがハンダ等から成る接合層を介して第１配線パターンＰ１上に配置されたスイッチング素子Ｓ１および整流素子Ｄ１の上部端子Ｓ１ｂ、Ｄ１ｂに接合されている。なお、スイッチング素子Ｓ１および整流素子Ｄ１は、下部端子Ｓ１ａ、Ｄ１ａを介して第１配線パターンＰ１上に接合されている
また、第２板状リードＬ２の接続部Ｌ２ｄは、ハンダ等から成る接合層７４を介して第２配線パターンＰ２に接合されている。
【００４４】
この状態において、端子部（交流端子）Ｌ２ａは、ナット６０ｂと当接する位置に保持され、図示しないボルトにより固定される。
【００４５】
なお、図１に現れない第３板状リードＬ３等も同様にして構成される。
【００４６】
また、図３に示す構成例では、絶縁性の樹脂２００は、壁部５１の高さの上限まで充填されている。
【００４７】
なお、本実施の形態に係るパワー半導体装置Ｍを三相モータ等の駆動に用いる場合には、各相毎に対応させてパワー半導体装置Ｍを並設するようにできる。
【００４８】
この場合には、壁部５１は、並設されたパワー半導体装置Ｍの全体を囲繞するように形成される。また、枠体１０は、壁部５１の全体を囲繞するように構成される。
【００４９】
また、図４に示すように、枠体１０内の第２配線パターンＰ２側には、基板用端子台８０が設けられている。
【００５０】
この基板用端子台８０には、端子１６０ｃ、１６０ｄがインサート成形されている。
【００５１】
そして、図４に示すように、分割体１０Ａから露出している端子１６０ａ、１６０ｂには、スイッチング素子Ｓ１の端子９０ａ、第１配線パターンＰ１が、ワイヤ７０ａ、７０ｂを介して接続されている。
【００５２】
また、図４に示すように、基板用端子台８０から露出している端子１６０ｃ、１６０ｄには、スイッチング素子Ｓ２の端子９０ｂ、第２配線パターンＰ２が、ワイヤ７０ｃ、７０ｄを介して接続されている。
【００５３】
このような構成のパワー半導体装置Ｍによれば、配線パターンＰ１、Ｐ２とスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２、整流素子Ｄ１、Ｄ２および接続部Ｌ１ｂ〜Ｌ３ｂを高温環境下でハンダ付けした後に、枠体１０（分割体１０Ａ、１０Ｂ）を取り付けることができるので、枠体１０（分割体１０Ａ、１０Ｂ）を耐熱性樹脂で形成する必要がなく、低コスト化を図ることができる。
【００５４】
なお、壁部５１は、冷却器５０と同様に銅やアルミニウム等の金属で構成されているので、壁部５１を設けた状態で配線パターンＰ１、Ｐ２とスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２、整流素子Ｄ１、Ｄ２および接続部Ｌ１ｂ〜Ｌ３ｂのハンダ付けを行うことができる。
【００５５】
（製造工程）
図１および図２等を参照して、本実施の形態に係るパワー半導体装置Ｍの製造工程について説明する。
【００５６】
なお、説明の簡易化のため、冷却器５０上には図１および図２に示すような半導体モジュールの構造物５００が作製されているものとする。
【００５７】
そして、半導体モジュールの構造物５００は、各部材間のハンダ接合を行うために、ハンダの溶融温度まで加熱可能な炉等により加熱後、冷却される。これにより、各部材間のハンダ接合が完了する。
【００５８】
なお、このようなハンダ接合を行う状態において、枠体１０を構成する分割体１０Ａ、１０Ｂは未だ組み付けられていないので、枠体１０自体が高温環境下に晒されることは無い。したがって、枠体１０を構成する分割体１０Ａ、１０Ｂは、耐熱性樹脂で形成する必要が無く、比較的安価な樹脂（例えば、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）等）で形成することができ、パワー半導体装置Ｍ全体の低コスト化を図ることができる。
【００５９】
次いで、図１および図２に示すように、半導体モジュールの構造物５００に対して、Ａ１方向およびＡ２方向から枠体１０を構成する分割体１０Ａ、１０Ｂを挿入して係合させる。
【００６０】
この際に、係止部３０の突起部３１ｂの下面に形成されたテーパ面３１ｄが壁部５１の上端５１ａ、５１ｂに当接されると、突起部３１ｂが押圧されて弾性アーム部３１ａが上方に弾性変形する。そして、突起部３１ｂが壁部５１の上端５１ａ、５１ｂを乗り越えた時点で弾性アーム部３１ａが弾性復帰して突起部３１ｂの係止面３１ｃと壁部５１の上端５１ａ、５１ｂとが係合される。これにより、各分割体１０Ａ、１０Ｂが壁部５１に係止され、壁部５１の外壁と分割体１０Ａ、１０Ｂの内壁が密着した状態で、分割体１０Ａ、１０Ｂが壁部５１に固定される。この際に、板状リードＬ１、Ｌ２、Ｌ３と壁部５１との間に係止部３０が介在することで、両者が絶縁される。
【００６１】
その後、板状リードＬ１、Ｌ２、Ｌ３は、各端子部Ｌ１ａ、Ｌ２ａ、Ｌ３ａに、図示しないボルトが挿入され、ナット６０ａ〜６０ｃに螺合されて枠体１０に固定される。
【００６２】
次いで、図４に示すような基板用端子台８０を枠体１０内の第２配線パターンＰ２側に取付ける。
【００６３】
続いて、分割体１０Ａから露出している端子１６０ａ、１６０ｂとスイッチング素子Ｓ１の端子９０ａ、第１配線パターンＰ１との間を超音波接合によりワイヤ７０ａ、７０ｂを介して接続する。
【００６４】
同様にして、基板用端子台８０から露出している端子１６０ｃ、１６０ｄとスイッチング素子Ｓ２の端子９０ｂ、第２配線パターンＰ２との間をワイヤ７０ｃ、７０ｄを介して接続する。
【００６５】
次に、壁部５１内に、エポキシ樹脂等の絶縁性の樹脂２００を充填する。なお、樹脂２００は、図３に示す構成例のように、壁部５１の高さを上限として充填するとよい。
【００６６】
なお、樹脂２００を充填する際に、壁部５１は、樹脂２００の漏出を防止するシールとして機能するので、分割体１０Ａ、１０Ｂの係合部から樹脂漏れを生じる事態が防止される。
【００６７】
このような工程により、図３に示すようなパワー半導体装置Ｍが作製される。
【００６８】
以上本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本明細書で開示された実施の形態はすべての点で例示であって開示された技術に限定されるものではないと考えるべきである。すなわち、本発明の技術的な範囲は、前記の実施の形態における説明に基づいて制限的に解釈されるものでなく、あくまでも特許請求の範囲の記載にしたがって解釈すべきであり、特許請求の範囲の記載技術と均等な技術および特許請求の範囲内でのすべての変更が含まれる。
【００６９】
例えば、配線パターンＰ１、Ｐ２とスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２、整流素子Ｄ１、Ｄ２および接続部Ｌ１ｂ〜Ｌ３ｂの接合をハンダ材を用いたハンダ付けに代えて、導電性の焼結材を用いて接合するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００７０】
Ｍ…パワー半導体装置
１０…枠体
１０Ａ、１０Ｂ…分割体
１５ａ〜１５ｃ…ナット保持部
２０ａ〜２０ｃ…ボルト孔
３０…係止部
３１ａ…弾性アーム部
３１ｂ…突起部
３１ｃ…係止面
３１ｄ…テーパ面
５０…冷却器
５１…壁部
６０ａ〜６０ｂ…ナット（螺合部）
７０ａ〜７０ｄ…ワイヤ
７１…接合層
７２…接合パターン
７３…絶縁層
７４、７５…接合層
２００…樹脂
５００…半導体モジュールの構造物
Ｌ１ｃ、Ｌ２ｃ、Ｌ３ｃ…起立部
Ｃ１、Ｃ２…クリアランス
Ｄ１、Ｄ２…整流素子
Ｌ１…第１板状リード
Ｌ２…第２板状リード
Ｌ３…第３板状リード
Ｌ１ｂ、Ｌ２ｂ、Ｌ２ｄ、Ｌ３ｂ…接続部
Ｌ１ａ…正極端子（端子部）
Ｌ２ａ…交流端子（端子部）
Ｌ３ａ…負極端子（端子部）
Ｓ１、Ｓ２…スイッチング素子
Ｐ１…第１配線パターン
Ｐ２…第２配線パターン
【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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