(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
その表面側で回路パターンが形成された上で電力用半導体素子が搭載される一方、その裏面側では金属パターンが形成された上でハンダ層を介して放熱および位置固定用のベース板に接合される絶縁基板を備えた電力用半導体装置において、
上記金属パターンが矩形状であり、上記金属パターンのコーナ部に切欠き部が設けられていることを特徴とする電力用半導体装置。
【請求項２】
更に、上記切欠き部が、上記金属パターンにおける、上記絶縁基板の表面側で電力用半導体素子が搭載される領域に対応する部位以外に設けられていることを特徴とする請求項１記載の電力用半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インバータ等の電力用半導体装置に関し、より詳しくは、その装置内での電力用半導体素子を搭載した絶縁基板のベース板に対する固定構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電力用半導体装置において、電力用半導体素子を搭載した絶縁基板は、放熱及び位置固定の必要性からベース板に対してハンダ接合されることが一般的である。図４に、従来知られる電力用半導体装置の内部構造の一例を示す。この電力半導体装置５０において、電力用半導体素子５１が搭載される絶縁基板５２の表面側には、半導体素子搭載用の回路パターン５３（以下、表面パターンと称す）が形成され、他方、絶縁基板５２の裏面側には、ほぼ全面に広がる金属パターン５４（以下、裏面パターンと称す）が形成される。
表面パターン５３上には、電力用半導体素子５１がハンダ５５を用いて接合される。そして、絶縁基板５２は、その裏面側で、裏面パターン５４の全面に広がるハンダ層５６を介し、金属製のベース板５９に接合される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、かかる電力用半導体装置５０においては、電力用半導体素子５１のスイッチング動作時に発生する熱により絶縁基板５２やベース板５９が熱膨張することによって、両者を接合しているハンダ層５６にクラックが生じる惧れがある。このクラックは、放熱性の低下による各素子の破壊や絶縁不良をもたらす要因となる。
【０００４】
本発明は、上記技術的課題に鑑みてなされたもので、電力用半導体素子を搭載した絶縁基板とベース板とを接合するハンダ層内でのクラック発生を確実に防止し得る電力用半導体装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本願の第１の発明は、その表面側で回路パターンが形成された上で電力用半導体素子が搭載される一方、その裏面側では金属パターンが形成された上でハンダ層を介して放熱および位置固定用のベース板に接合される絶縁基板を備えた電力用半導体装置において、金属パターンが矩形状であり、金属パターンのコーナ部に切欠き部が設けられていることを特徴とするものである。
【０００６】
また、本願の第２の発明は、更に、切欠き部が、金属パターンにおける、絶縁基板の表面側で電力用半導体素子が搭載される領域に対応する部位以外に設けられていることを特徴とするものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しながら説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置の内部構造を示す縦断面説明図である。この電力用半導体装置１０は、基本的に、制御基板２を含む制御部（図中の上段側の構成）と、電力用半導体素子９を搭載した絶縁基板６を含むパワー部（図中の下段側の構成）とから構成されている。制御部に含まれる制御基板２は、装置本体の外形を構成する樹脂ケース４内に規定された空間部５に保持され、その制御基板２上には、抵抗，コンデンサ，制御用ＩＣ等の部品３が搭載されている。他方、パワー部に含まれる絶縁基板６は、装置本体の底面を構成する金属製のベース板１１上に放熱および位置固定のために取り付けられ、その絶縁基板６上には、複数（この実施の形態では２つ）の電力用半導体素子９が搭載されている。
【０００８】
制御基板２と絶縁基板６とは、中継端子１１を介して電気的に接続され、電力用半導体素子９のスイッチング動作によって、絶縁基板６側から制御基板２側へ供給される電力が変換・制御されるようになっている。
【０００９】
樹脂ケース４は、ケース成形時にインサート成形された複数の主回路端子１６を有しており、各主回路端子１６は、その一部でケース４の外面に露出して、装置１０の外部端子を構成している。また、樹脂ケース４内には、制御基板２および絶縁基板６を収納する空間部５が規定されている。この空間部５は、ケース４の上面側で、蓋１８が取り付けられることにより閉じられ、他方、ケース４の下面側では、樹脂ケース４がその下端部にてベース板１１に接合されることにより閉じられる。なお、蓋１８には開口部１８ａが設けられ、この開口部１８ａを介して、信号回路用コネクタ１７が制御基板２に装着されるようになっている。
【００１０】
電力用半導体素子９が搭載される絶縁基板６の表面側には、半導体素子搭載用の回路パターン７（以下、表面パターンと称す）が形成され、他方、絶縁基板６の裏面側には、金属パターン８（以下、裏面パターンと称す）が形成されている。なお、図１において、表面パターン７は、べた一面に広がるように示されるが、平面視した場合には、搭載される半導体素子９用の電極や配線を構成する形状を有するものである。
【００１１】
表面パターン７上の所定位置には、電力用半導体素子９が、ハンダ１２を用いて接合されている。そして、絶縁基板６は、裏面パターン８が形成された側で、ハンダ層１３を介してベース板１１に接合されている。また、半導体素子９ともう一方の半導体素子９との間，半導体素子９と中継端子１５との間、および、半導体素子９と主回路端子１６との間が、アルミワイヤ１４で電気的に接続されている。このように、絶縁基板６がベース板１１にハンダ接合され、各構成要素間がアルミワイヤ１４で接続された状態で、絶縁基板６及びアルミワイヤ１４は、図１に示すように、樹脂ケース４内に規定される空間部５の下半分に充填されたシリコンゲル１９によって封止される。
【００１２】
この実施の形態１では、絶縁基板６の裏面側に形成された裏面パターン８が、その中央部に、切欠き部８ａを備えている。この中央部は、絶縁基板６の表面側に搭載される２つの電力用半導体素子９間の空き領域（半導体素子９が存在しない領域）に対応する部位である。また、ハンダ層１３には、切欠き部８ａに対応する部位にて、孔部１３ａが形成されている。
【００１３】
このように、裏面パターン８に切欠き部８ａが形成されることにより、電力用半導体素子９のスイッチング動作時に発生する熱によって裏面パターン８とベース板１１との間のハンダ層１３に生じる応力を緩和することができ、ハンダ層１３にクラックが発生する惧れをなくすることができる。また、この実施の形態１では、切欠き部８ａが絶縁基板６の表面側に搭載される２つの半導体素子９間の空き領域に対応して設けられ、各半導体素子９に対応する部位にて裏面パターン８は存在するため、放熱効果は十分に確保される。
【００１４】
なお、この実施の形態１では、絶縁基板６上に２つの半導体素子９が設けられる場合について説明したが、これに限定されることはなく、例えば、３つの半導体素子９が絶縁基板６上で所定の間隔を隔てて搭載されている場合には、切欠き部８ａを、それらの半導体素子９間の２つの空き領域に対応して設けることにより、上記と同様の効果を得ることができる。また、特に図示しないが、ハンダ層１３におけるクラック発生をより確実に防止するには、切欠き部８ａが、絶縁基板６の表面側での半導体素子９間の空き領域に対応する部位のみならず、半導体素子９が搭載される領域に対応する部位に形成されてもよい。
【００１５】
以下、本発明の別の実施の形態について説明する。なお、以下では、上記実施の形態１における場合と同じものについては同一の符号を付し、それ以上の説明を省略する。
実施の形態２．
図２は、本発明の実施の形態２に係る電力用半導体装置に組み込まれる絶縁基板およびその裏面パターンを示す平面図である。裏面パターン２３は、絶縁基板６の形状に対応して、矩形状に形成されている。この裏面パターン２３には、その中央に、すなわち、絶縁基板６の表面側に搭載される２つの電力用半導体素子９間の空き領域に対応する部位にて、矩形状の切欠き部２３ａが形成されている。更に、この裏面パターン２３には、４つのコーナ部を含む周縁部に、円形状の切欠き部２３ｂが所定の間隔を隔てて複数形成されている。
【００１６】
この実施の形態２では、裏面パターン２３の中央に形成される切欠き部２３ａが設けられることにより、上記実施の形態１における場合と同様の効果が得られるとともに、、裏面パターン２３の４つのコーナ部を含む周縁部に形成される切欠き部２３ｂが設けられることにより、裏面パターン２３とベース板１１（図１参照）との間のハンダ層８に生じる応力を一層緩和することができ、ハンダ層１３におけるクラック発生を一層確実に防止することができる。
【００１７】
なお、切欠き部２３ｂは、裏面パターン２３の４つのコーナ部を含む周縁部に限定されることなく、少なくとも４つのコーナ部に形成されればよい。また、切欠き部２３ｂの形状は、円形状に限定されるものでなく、ハンダ層８に生じる応力を緩和することができれば、いかなる形状であってもよい。
【００１８】
実施の形態３．
図３は、本発明の実施の形態３に係る電力用半導体装置の内部構造の一部を拡大して示す縦断面説明図である。この実施の形態３では、絶縁基板６の表面側に搭載された電力用半導体素子９の占める領域に基づき規定される部位に、裏面パターン３３が形成されている。この部位は、図３から分かるように、絶縁基板６の表面側における半導体素子９の下端部と絶縁基板６との接線を通過し、基板平面と角度θ（θ＜９０°）をなす平面によって規定される内側領域Ａ１及びＡ２に含まれる部位である。かかる部位の設定条件によれば、半導体素子９が搭載された領域に対応する部位及びその近傍に裏面パターン３３が形成されることになる。また、これを言い換えれば、半導体素子９が搭載された領域に対応する部位及びその近傍以外に、切欠き部３３ａ及び３３ｂが形成されることになる。
【００１９】
このように、裏面パターン３３に切欠き部３３ａ及び３３ｂが形成されることにより、電力用半導体素子９のスイッチング動作時に発生する熱によって裏面パターン３３とベース板１１との間のハンダ層１３に生じる応力を緩和することができ、ハンダ層１３にクラックが発生する惧れをなくすることができる。また、この実施の形態３によれば、切欠き部３３ａ及び３３ｂが、半導体素子９が搭載された領域に対応する部位及びその近傍以外に形成されることにより、各半導体素子９に対応する部位及びその近傍にて裏面パターン３３は存在するため、放熱効果は十分に確保される。
【００２０】
なお、本発明は、例示された実施の形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計上の変更が可能であることは言うまでもない。
【００２１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本願の第１の発明によれば、その表面側で回路パターンが形成された上で電力用半導体素子が搭載される一方、その裏面側では金属パターンが形成された上でハンダ層を介して放熱および位置固定用のベース板に接合される絶縁基板を備えた電力用半導体装置において、上記絶縁基板の裏面側に形成される金属パターンの所定部位に、切欠き部が設けられているので、簡単な構成で、裏面パターンとベース板との間のハンダ層に生ずる応力を緩和することができ、その結果、ハンダ層におけるクラック発生による放熱性の低下を有効に防止することができる。
【００２２】
また、本願の第２の発明によれば、上記切欠き部が、上記金属パターンにおける、上記絶縁基板の表面側で電力用半導体素子が搭載される領域に対応する部位以外に設けられているので、放熱効果を確保しつつ、簡単な構成で、裏面パターンとベース板とのハンダ層に生ずる応力を抑制することができる。
【００２３】
更に、上記金属パターンが矩形状に形成されており、上記切欠き部が、更に、該金属パターンにおけるコーナ部に設けられているので、簡単な構成で、裏面パターンとベース板とのハンダ層に生ずる応力を一層緩和することができ、その結果、ハンダ層におけるクラック発生による放熱性の低下を有効に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置の内部構造をあらわす縦断面説明図である。
【図２】  本発明の実施の形態２に係る電力用半導体装置に組み込まれる絶縁基板の裏面一体金属パターンを示す平面図である。
【図３】  本発明の実施の形態３に係る電力用半導体装置の内部構造の一部（ベース板に対する絶縁基板の接合構造）を拡大して示す縦断面説明図である。
【図４】  従来の電力用半導体装置の内部構造を示す縦断面説明図である。
【符号の説明】
６  絶縁基板，７  回路パターン，８，２３，３３  裏面パターン，８ａ，２３ａ，２３ｂ，３３ａ，３３ｂ  切欠き部，９  電力用半導体素子，１０  電力用半導体装置，１１  ベース板，１２  ハンダ，１３  ハンダ層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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