(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹脂ケース内に包容された、少なくとも一つの半導体素子と、
前記樹脂ケースに固定された複数の支柱と、
前記支柱にねじ止めにより支持された配線基板と、
を備え、
前記配線基板内に貫通した前記支柱の側面に形成された凸部と前記配線基板に形成された凹部とが嵌合していることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
樹脂ケース内に包容された、少なくとも一つの半導体素子と、
前記樹脂ケースに固定された複数の支柱と、
前記支柱にねじ止めにより支持された配線基板と、
を備え、
前記配線基板内に貫通する前記支柱の側面の一部が前記配線基板と接触し、前記側面の他の部分が前記配線基板と離間し、
前記側面の一部に形成された凸部と前記配線基板に形成された凹部とが嵌合している、
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
前記側面の一部と前記配線基板とが、２乃至４個の箇所で、互いに接触していることを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
【請求項４】
樹脂ケース内に包容された、少なくとも一つの半導体素子と、
前記樹脂ケースに固定された複数の支柱と、
前記支柱にねじ止めにより支持された配線基板と、
を備え、
前記配線基板に、第１の貫通孔と、前記第１の貫通孔に連通し、前記第１の貫通孔から遠ざかる方向に所定の幅で延在する第２の貫通孔とが設けられ、
前記支柱は、前記樹脂ケースに固定される側の第１の部分と反対側の第２の部分とを備え、前記第２の部分は、前記第２の貫通孔に挿入され、
前記第１の貫通孔の大きさは、前記第２の部分の外径よりも大きく、前記第２の貫通孔の前記所定の幅は、前記外径と同じか、または、前記外径に１ｍｍ以下の長さを加えたものと同じである、
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
前記第２の部分の側面に形成された凸部と前記配線基板に形成された凹部とが嵌合していることを特徴とする請求項４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し、特に半導体素子を樹脂ケース内に包容した半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
インバータ装置、無停電電源装置、工作機械、産業用ロボット等では、その本体装置とは独立して、パワー半導体素子を樹脂ケース内に包容（パッケージ）させた半導体装置（汎用モジュール）が使用されている。そして、このような半導体装置には、プリント基板等で代表される配線基板が取り付けられる場合が多い（例えば、特許文献１，２）。
【特許文献１】特開２００６−０９３２５５号公報（図４）
【特許文献２】特開２００１−０３６００３号公報（図３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上述した構造の半導体装置では、配線基板を樹脂ケースに設けた支柱にねじ止めにより直接的に取り付けている。
また、パワー半導体素子を搭載した半導体装置では、当該半導体装置を作動または停止することにより温度サイクルが発生する。
【０００４】
従って、上述した構造の半導体装置では、配線基板が温度サイクルにて膨張或いは収縮すると、ねじ止めに用いられているねじが緩むという問題があった。
また、このような緩みが発生すると、配線基板と端子との間に断線が発生したり、配線基板に配設されている回路、素子等の劣化が進行し、半導体装置を長期間、使用できないという問題があった。
【０００５】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、配線基板を固定するねじの緩みを抑制し、配線基板が上記支柱から外れ難い構造を有し、信頼性の高い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】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の一態様では、樹脂ケース内に包容された、少なくとも一つの半導体素子と、前記樹脂ケースに固定された複数の支柱と、前記支柱にねじ止めにより支持された配線基板と、を備え、前記配線基板内に貫通した前記支柱の側面に形成された凸部と前記配線基板に形成された凹部とが嵌合していることを特徴とする半導体装置が提供される。
【０００７】
また、本発明の一態様では、樹脂ケース内に包容された、少なくとも一つの半導体素子と、前記樹脂ケースに固定された複数の支柱と、前記支柱にねじ止めにより支持された配線基板と、を備え、前記配線基板内に貫通する前記支柱の側面の一部が前記配線基板と接触し、前記側面の他の部分が前記配線基板と離間し、前記側面の一部に形成された凸部と前記配線基板に形成された凹部とが嵌合している、ことを特徴とする半導体装置が提供される。
【０００８】
また、本発明の一態様では、樹脂ケース内に包容された、少なくとも一つの半導体素子と、前記樹脂ケースに固定された複数の支柱と、前記支柱にねじ止めにより支持された配線基板と、を備え、前記配線基板に、第１の貫通孔と、前記第１の貫通孔に連通し、前記第１の貫通孔から遠ざかる方向に所定の幅で延在する第２の貫通孔とが設けられ、前記支柱は、前記樹脂ケースに固定される側の第１の部分と反対側の第２の部分とを備え、前記第２の部分は、前記第２の貫通孔に挿入され、前記第１の貫通孔の大きさは、前記第２の部分の外径よりも大きく、前記第２の貫通孔の前記所定の幅は、前記外径と同じか、または、前記外径に１ｍｍ以下の長さを加えたものと同じである、ことを特徴とする半導体装置が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
上記手段によれば、配線基板を固定するねじの緩みが抑制され、配線基板が支柱から外れ難い構造の半導体装置が実現する。これにより、信頼性の高い半導体装置が実現する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本実施の形態に係る半導体装置を、図面を参照して詳細に説明する。
＜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の要部模式図である。ここで、図１（ａ）には、半導体装置の平面模式図が例示され、図１（ｂ）には図１（ａ）の破線Ｘ−Ｙに沿った位置での断面の拡大図が表示されている。尚、図１では、例えば、インバータ回路、チョッパ回路等を備えた半導体モジュール（パワーモジュール）が例示されている。
【００１１】
図示する半導体装置１は、板厚が数ミリの金属ベース板１０を基体とし、当該金属ベース板１０上に形成された回路パターン（図示しない）に、パワー半導体素子であるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）素子、並びにＦＷＤ（Free Wheeling Diode）素子等が複数個、実装されている（図示しない）。そして、半導体装置１内には、更に、配線パターン、配線端子等が設けられ、上記回路が構成されている（図示しない）。更に、半導体装置１は、上述したパワー半導体素子等を樹脂ケース２０によりパッケージングしている。
【００１２】
ここで、樹脂ケース２０は、例えば、ＰＰＳ（ポリ・フェニレン・サルファイド）製の樹脂であり、金属ベース板１０の上端縁に固設されている。そして、樹脂ケース２０の外枠には、例えば、上記ＩＧＢＴ素子の主電極に導通する、外部接続用端子３０ａ，３０ｂがインサート成形されている。このような外部接続用端子３０ａ，３０ｂは、例えば、銅（Ｃｕ）またはアルミニウム（Ａｌ）またはこれらの合金を主成分とした材質により構成されている。
【００１３】
また、樹脂ケース２０の外枠には、支柱４０が貫設されている。例えば、支柱４０の下部４０ｂの一部を樹脂ケース２０の外枠に貫入することにより、当該外枠に支柱４０が設置されている。
【００１４】
また、半導体装置１においては、配線基板（プリント基板）５０が支柱４０に、取り付けられている。例えば、支柱４０の上部４０ａを配線基板５０に貫通させ、支柱４０の下部４０ｂの上端に、配線基板５０の下面を接触させている。そして、ねじ６０によるねじ止めにより、配線基板５０が支柱４０に固定・支持されている。
【００１５】
更に、半導体装置１においては、上述したねじ止めの他に、支柱４０の上部４０ａと配線基板５０とを嵌合させている。
このような嵌合は、例えば、支柱４０の上部４０ａの側面に形成された凸部４０ａａと、配線基板５０内に設けられた凹部５０ａとを、互いに衝合させ、凸部４０ａａと凹部５０ａとを接触させることにより実施している。
【００１６】
即ち、半導体装置１においては、配線基板５０を、ねじ止めにより、支柱４０に取り付けると共に、上記の嵌合により、支柱４０に取り付けている。
尚、図１（ｂ）においては、凸部４０ａａの断面形状として、逆Ｖ字型形状のものが例示されているが、このような断面形状は、逆Ｖ字型形状に限らない。例えば、断面形状は、逆Ｗ字型であってもよく、四角状であってもよい。或いは、支柱４０の上部４０ａの表面に、アヤメローレット加工を施してもよい。
【００１７】
また、このような配線基板５０の主面には、上記ＩＧＢＴ素子等を制御する回路等が形成されている（図示しない）。例えば、ＩＣ回路部、コンデンサ部、抵抗部等が配線基板５０の主面に実装されている。
【００１８】
また、支柱４０の位置、数は、図１で示される構成に限定されるものではなく、必要に応じて、支柱４０を半導体装置１の内部領域に設置してもよく、４個以外の数の支柱４０を樹脂ケース２０に配置してもよい。
【００１９】
また、ねじ６０と支柱４０との間には、図示する如く、ワッシャ６１を挟んでもよい。
また、半導体装置１においては、配線基板５０下に、ＩＧＢＴ素子の制御電極に導通するピン端子（制御用端子）７０が複数個、設置している。そして、ピン端子７０は、配線基板５０を貫通し、配線基板５０の主面に設けられた回路と、半田付けにより電気的に接続されている。
【００２０】
また、半導体装置１にあっては、樹脂ケース２０及び金属ベース板１０で取り囲まれた空間に、半導体素子、半導体素子に接続された金属ワイヤ等の保護を目的として、例えば、ゲルまたはエポキシ樹脂を主成分とする封止用樹脂が充填されている（図示しない）。
【００２１】
このように半導体装置１では、配線基板５０を、上記の嵌合及びねじ６０によるねじ止めにより、支柱４０に取り付けることができる。また、支柱４０の上部４０ａと配線基板５０とを嵌合させていることから、半導体装置１に温度サイクルが生じても、配線基板５０の伸縮による応力が直接的に、ねじ６０に伝動しない構造となっている。従って、配線基板５０が伸縮しても、半導体装置１は、ねじ６０が緩み難い構造を有している。
【００２２】
その結果、配線基板５０は、支柱４０に強固に固定され、上述したような、配線基板５０とピン端子７０との間の断線が抑制される。また、配線基板５０に配設されている回路、半導体素子等の劣化が抑制される。これにより、半導体装置１を長期間にわたり、使用することができる。
【００２３】
また、半導体装置１が外部から振動、衝撃等を受け、ねじ６０が支柱４０から離反したとしても、配線基板５０が支柱４０の上部４０ａに嵌合されているために、配線基板５０は、支柱４０から離反することはない。
【００２４】
また、半導体装置１においては、配線基板５０を支柱４０にねじ止めする前に、配線基板５０を支柱４０の上部４０ａに嵌合することができるので、配線基板５０の取り付け、位置決めが容易になる。
【００２５】
また、支柱４０に取り付ける配線基板５０の枚数は、特に１枚に限ることはなく、複数の配線基板５０を、所定の間隔を設けて支柱４０に取り付けてもよい。
また、配線基板５０の上下の主面に配線パターンを配設する場合、或いは複数の配線基板５０を支柱４０に設ける場合には、支柱４０の材質を、例えば、銅（Ｃｕ）等の金属製としてもよい。このような材質の支柱４０を設ければ、当該支柱４０を配線基板５０の上下の主面に配設された配線パターン、或いは、夫々の配線基板５０の主面に配設された配線パターンのビア電極とすることもできる。
【００２６】
尚、半導体装置１内に配置する半導体素子は、上述したＩＧＢＴ素子に限らず、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）を配置してもよい。
【００２７】
次に、半導体装置１を変形させた形態について説明する。尚、以下に示す全ての図においては、図１と同一の部材には、同一の符号を付し、その説明の詳細については省略する。
【００２８】
＜第２の実施の形態＞
図２は第２の実施の形態に係る半導体装置の要部模式図である。ここで、図２（ａ）には、半導体装置２に設けられた支柱周辺部の平面模式図が例示され、図２（ｂ）には図２（ａ）の破線Ｘ−Ｙに沿った位置での断面図が表示されている。尚、図２（ａ）には、図２（ｂ）に表示した、ねじ６０並びにワッシャ６１が表示されていない。
【００２９】
第２の実施の形態に係る半導体装置２は、半導体装置１と同様の構造を有している。但し、上記樹脂ケース２０の外枠に設けられた支柱４１の周辺部の形態を変形させている。
図示するように、樹脂ケース２０の外枠には、支柱４１の下部４１ｂの一部が貫設されている。そして、支柱４１の上部４１ａを配線基板５０に貫通させ、当該支柱４１の下部４１ｂの上端に、配線基板５０の下面を接触させている。また、配線基板５０は、ねじ６０によるねじ止めにより、支柱４１に固定・支持されている。
【００３０】
但し、第２の実施の形態に係る半導体装置２においては、支柱４１の近傍の配線基板５０に、例えば、２個の孔部５０ｂを設け、支柱４１の上部４１ａの一部に配線基板５０の一部を接触させている。
【００３１】
即ち、半導体装置２においては、配線基板５０の一部を、支柱４１の上部４１ａの一部に接触させ、ねじ６０によるねじ止めにより、配線基板５０を支柱４１に取り付けている。
【００３２】
このような構造であれば、上記の如く、配線基板５０の伸縮が生じても、伸縮により発する応力が上記の接触部分において緩和される。また、配線基板５０の一部を、支柱４１の上部４１ａの一部に接触させているために、当該応力が直接的に、ねじ６０に伝動することがない。従って、半導体装置２は、配線基板５０が伸縮しても、ねじ６０が緩み難い構造を有している。
【００３３】
その結果、上述したような、配線基板５０とピン端子７０との間の断線が抑制される。また、配線基板５０に配設されている回路、半導体素子等の劣化が抑制される。これにより、半導体装置２を長期間にわたり、使用することができる。
【００３４】
また、支柱４１の周辺部の配線基板５０の形態は、図２で示される構成に限定されるものではなく、必要に応じて、その形態を変形してもよい。
例えば、図３、図４に、第２の実施の形態を変形した例を示す。
【００３５】
先ず、図３（ａ）に示すように、支柱４１の近傍の配線基板５０に、３個の孔部５０ｂを設け、配線基板５０の一部を支柱４１の上部４１ａの一部に接触させてもよい。
また、図３（ｂ）に示すように、支柱４１の近傍の配線基板５０に、４個の孔部５０ｂを設け、配線基板５０の一部を支柱４１の上部４１ａの一部に接触させてもよい。
【００３６】
このように、半導体装置２においては、配線基板５０の一部と、支柱４１の上部４１ａの一部とを、２乃至４個の箇所で、互いに接触させ、配線基板５０をねじ６０によるねじ止めにより、支柱４１に取り付けている。このように、半導体装置２は、配線基板５０が伸縮しても、ねじ６０が緩み難い構造を有している。
【００３７】
また、図４に示すように、半導体装置２においては、支柱４１に代えて、上述した支柱４０を用いてもよい。
このような構造であれば、配線基板５０を、上記の嵌合及びねじ６０によるねじ止めにより、支柱４０に取り付けることができる。従って、図４に例示する半導体装置２では、上記の効果に加え、ねじ６０がより緩み難い構造を有している。
【００３８】
＜第３の実施の形態＞
図５、図６は第３の実施の形態に係る半導体装置の要部模式図である。ここで、各図の図（ａ）には、半導体装置３に設けられた支柱周辺部の平面模式図が例示され、図（ｂ）には図（ａ）の破線Ｘ−Ｙに沿った位置での断面図が表示されている。
【００３９】
第３の実施の形態に係る半導体装置３は、半導体装置１と同様の構造を有している。但し、上記樹脂ケース２０の外枠に設けられた支柱４１の周辺部の形態を変形させている。
図５に示すように、樹脂ケース２０の外枠には、支柱４１の下部４１ｂの一部が貫設されている。そして、支柱４１の上部４１ａを配線基板５０に貫通させ、当該支柱４１の下部４１ｂの上端に、配線基板５０の下面を接触させている。また、配線基板５０は、上記ねじ６０によるねじ止めにより、支柱４１に固定・支持されている。
【００４０】
但し、第３の実施の形態に係る半導体装置３においては、支柱４１の近傍の配線基板５０に、例えば、連通する貫通孔５０ｃ，５０ｄを設けている。また、貫通孔５０ｃの径は、支柱４１の上部４１ａの外径よりも大きく、貫通孔５０ｄの短手方向の幅は、支柱４１の上部４１ａの外径と同幅に構成されている。尚、貫通孔５０ｄと支柱４１の上部４１ａとの間には、例えば、１ｍｍ以下のクリアランスを設けてもよい。
【００４１】
そして、配線基板５０を、支柱４１に取り付ける場合は、図５に示すように、支柱４１の上部４１ａを配線基板５０の貫通孔５０ｃに貫入し、配線基板５０の下面を支柱４１の下部４１ｂの上端に接触させた後、図中に示した矢印の方向に配線基板５０を移動させる。このような移動により、図６に示すように、支柱４１の上部４１ａが配線基板５０の貫通孔５０ｄに貫入する。そして、支柱４１の上部４１ａを配線基板５０の貫通孔５０ｄに貫入させた状態で、ねじ６０によるねじ止めにより、配線基板５０を支柱４１に取り付ける。
【００４２】
このように、半導体装置３では、配線基板５０の一部を、支柱４１の上部４１ａの一部に接触させ、ねじ６０によるねじ止めにより、支柱４１に取り付けている。
このような構造であれば、上記の如く、配線基板５０の伸縮が生じても、伸縮により発する応力が上述した接触部分において緩和される。また、支柱４１の上部４１ａを配線基板５０の貫通孔５０ｄに貫入させているために、当該応力が直接的に、ねじ６０に伝動することがない。従って、半導体装置３は、配線基板５０が伸縮しても、ねじ６０が緩み難い構造を有している。
【００４３】
その結果、上述したような、配線基板５０とピン端子７０との間の断線が抑制される。また、配線基板５０に配設されている回路、半導体素子等の劣化が抑制される。これにより、半導体装置３を長期間にわたり、使用することができる。
【００４４】
特に、配線基板５０が多層配線構造を備えている場合には、配線基板５０の厚み方向に負荷（例えば、貫入による摩擦力）が印加されると、配線基板５０の各層が剥離するという現象が度々起きる。
【００４５】
しかし、半導体装置３では、配線基板５０の貫通孔５０ｃに支柱４１の上部４１ａを非接触で貫入することができる。また、貫入後に、配線基板５０を横方向に移動させて、配線基板５０の貫通孔５０ｄに支柱４１の上部４１ａを貫入することができる。
【００４６】
従って、半導体装置３では、配線基板５０の装着時に、その厚み方向に負荷がかかることがない。その結果、半導体装置３では、上述した剥離が起き難い構造となっている。
また、図７に、第３の実施の形態を変形した例を示す。ここで、図（ａ）には、半導体装置４に設けられた支柱周辺部の平面模式図が例示され、図（ｂ）には図（ａ）の破線Ｘ−Ｙに沿った位置での断面図が表示されている。
【００４７】
図示するように、半導体装置４においては、上記の支柱４１に代えて、上述した支柱４０を用いている。
このような構造であれば、配線基板５０を、上記の嵌合及びねじ６０によるねじ止めにより、支柱４０に取り付けることができる。従って、図７に例示する半導体装置４では、上記の効果に加え、ねじ６０がより緩み難い構造を有している。
【００４８】
尚、第１乃至第３の実施の形態は、夫々が独立の実施の形態となるものではない。必要に応じて、第１乃至第３の実施の形態のうち、複数の実施の形態を複合させてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】第１の実施の形態に係る半導体装置の要部模式図である。
【図２】第２の実施の形態に係る半導体装置の要部模式図である。
【図３】第２の実施の形態の変形例に係る半導体装置の要部模式図である（その１）。
【図４】第２の実施の形態の変形例に係る半導体装置の要部模式図である（その２）。
【図５】第３の実施の形態に係る半導体装置の要部模式図である（その１）。
【図６】第３の実施の形態に係る半導体装置の要部模式図である（その２）。
【図７】第３の実施の形態の変形例に係る半導体装置の要部模式図である。
【符号の説明】
【００５０】
１，２，３  半導体装置
１０  金属ベース板
２０  樹脂ケース
３０ａ，３０ｂ  外部接続用端子
４０，４１  支柱
４０ａ，４１ａ  上部
４０ａａ  凸部
４０ｂ，４１ｂ  下部
５０  配線基板
５０ａ  凹部
５０ｂ  孔部
５０ｃ，５０ｄ  貫通孔
６０  ねじ
６１  ワッシャ
７０  ピン端子
【図１】
0004973488.tif 000002
【図２】
0004973488.tif 000003
【図３】
0004973488.tif 000004
【図４】
0004973488.tif 000005
【図５】
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【図６】
0004973488.tif 000007
【図７】
0004973488.tif 000008