(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外囲ケースに電力用の主回路組立体を組み込んだパワー半導体装置であり、前記主回路組立体がセラミックス板を基材とする絶縁基板にパワー半導体素子を搭載した構成になり、該絶縁基板を前記外囲ケースの底面に開口した基板取付穴に下方から嵌め込んでその周縁と前記基板取付穴の裏面側周縁に形成した段付き座面との間を接着剤で固着したものにおいて、
絶縁基板の裏面と外囲ケースの裏面と同一面に揃えるとともに、前記外囲ケースの底面に開口した基板取付穴の段付き座面の周域に沿って、絶縁基板のセラミックス板周縁との間にゴム弾性を有するスペーサを分散介挿し、前記基板取付穴の段付き座面と絶縁基板の周縁との間に充填した接着剤の層厚さを０．５±０．３mmの範囲に確保したことを特徴とするパワー半導体装置。
【請求項２】
請求項１記載のパワー半導体装置において、スペーサがシリコーン系，ないしはエポキシ系，ウレタン系樹脂からなる突起体であり、該スペーサを基板取付穴の段付き座面，もしくは絶縁基板のセラミックス板周縁に固着したことを特徴とするパワー半導体装置。
【請求項３】
請求項１記載のパワー半導体装置において、接着剤がゴム弾性を有するシリコーン系，ないしエポキシ系，ウレタン系の接着剤であることを特徴とするパワー半導体装置。
【請求項４】
請求項１記載のパワー半導体装置において、主回路組立体の絶縁基板，および外囲ケースを接着用治具の平坦なテーブル上に載置して各部品を定位置に支持し、この状態で外囲ケース側に形成した基板取付穴の段付き座面と絶縁基板のセラミックス板周縁との間を接着剤で固着したことを特徴とする半導体装置の組立方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワートランジスタモジュール，ＩＧＢＴモジュール，インテリジェントパワーモジュールなどを実施対象としたパワー半導体装置に関し、詳しくはパッケージ構造，およびその組立方法に係わる。
【０００２】
【従来の技術】
まず、頭記したインテリジェントパワーモジュールを例に、従来におけるパワー半導体装置の組立構造を図４，図５(a),(b) に示す。各図において、１は端子一体型の外囲ケース（樹脂ケース）、２は外囲ケース１の上蓋、３は外囲ケース１の一方の側壁部にインサート成形して上方に引出した主回路端子（入力端子＋，−，出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗ）、４は外囲ケース１の他方側の側壁部から上方に引出した制御用信号端子であり、外囲ケース１には次記の構成になる電力用の主回路組立体５，および制御回路組立体６が組み込まれている。
【０００３】
ここで、主回路組立体５は、パワー半導体素子（パワートランジスタ，ＩＧＢＴ，フリーホイーリングダイオードなど）５ａをセラミックス板（板厚：０．６mm程度）を基材とした絶縁基板（セラミックス板５ｂ-1の上下主面に回路パターン，放熱用の銅板５ｂ-2，５ｂ-3を接合したダイレクト・ボンディング・カッパー基板など）５ｂに搭載した構成になり、外囲ケース１の底面に開口した基板取付穴１ａ（絶縁基板５ｂの外形寸法に相応した角穴）へ下面側から嵌め込み、セラミックス板５ｂ-1周縁を前記基板取付穴１ａの周縁に沿って形成した段付き座面１ａ-1とを重ね合わせて、両者の間が接着剤（シリコーン系の接着剤）７で固着されている。なお、主回路組立体５の絶縁基板５ａと外囲ケース１との間を固着する接着剤にシリコーン系接着剤７を採用するのは、セラミックス板５ｂ-1と外囲ケース１との熱膨張差に起因して接着剤層に加わる応力をシリコーン系接着剤のゴム弾性を利用して吸収して接着剤の剥離を防ぐようにするためである。
【０００４】
一方、制御回路組立体６はＩＣなどの回路素子６ａをプリント板６ｂに実装した構成になり、前記の主回路組立体５の側方に並べて外囲ケース１の底面に形成した凹状台座面１ｂ（プリント板の外形寸法に相応した窪み）の上に載置して接着剤（エポキシ系接着剤など）８で固着されている。
【０００５】
また、前記の主回路組立体５と主回路端子３の間，制御回路組立体６と制御用信号端子４の間，および主回路組立体５と制御回路組立体６の間はボンディングワイヤ９で接続され、さらに外囲ケース１の内部に封止樹脂（シリコーンゲル）１０を充填した上で上蓋２が被着されている。なお、外囲ケース１は樹脂ケース以外に金属ケース，セラミックスケースを用いる場合もある。
【０００６】
ここで、前記主回路組立体５を外囲ケース１に接着組立する際の手順について述べると、外囲ケース１の底面に開口した基板取付穴１ａの内周面全域に液状の接着剤７を塗布した上で、絶縁基板５ｂを下面側から嵌め込み、セラミックス板５ｂ-1の上面が段付き座面１ａ-1に殆ど密着するように押圧力を加え、この状態で接着剤７を加熱硬化させる。なお、この組立状態では前記接着剤７の層厚さは０．１mm以下となる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記した従来の半導体装置のパッケージ構造では、特に外囲ケースに主回路組立体を接着剤で固着する際に次記のような問題点がある。
すなわち、主回路組立体５の通電に伴ってパワー素子５ａから発熱する熱を冷却フィンを介して外部へ効率よく放熱させるには、組立状態で外囲ケース１の裏面と絶縁基板５ｂの裏面（放熱面）とを面一に合わせることが品質管理面で重要である。すなわち、図５に示した半導体装置の組立状態で、組立精度のばらつきから絶縁基板５ｂの裏面が外囲ケース１の裏面よりも０．１mm以上引っ込んでいると、絶縁基板５ｂを冷却フィンに密着させることが困難となって絶縁基板５ｂの放熱性が低下する。また、逆に絶縁基板５ｂの裏面が外囲ケース１の裏面よりも０．１mm（段差ΔＳ）以上突き出していると、外囲ケース１をその左右両端に開口しているボルト穴１ｃにボルトを通して冷却フィンに締結する際に、絶縁基板５ｂに反りを生じさせるような曲げ力が加わり、このために曲げに脆いセラミックス基板５ｂ-1にクラック，割れが生じることがある。
【０００８】
このように従来構造では、外囲ケース１に主回路組立体５を接着組立てする工程での組立精度のばらつきがそのまま欠陥の要因となるために、このことが製品の品質維持を図る上でのネックとなっている。
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、その目的は前記課題を解決し、組立状態で加わる外力に対して絶縁基板のセラミックス板をクラック割れから安全に保護し、併せて外囲ケースに主回路組立体を組付ける接着組立工程で高い組立精度が確保できるように改良したパワー半導体装置，およびその組立方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明によれば、セラミックス板を基材とする絶縁基板にパワー半導体素子を搭載した構成になる電力用の主回路組立体を、外囲ケースの底面に開口した基板取付穴に下方から嵌め込んでその周縁と前記基板取付穴の裏面側周縁に形成した段付き座面との間を接着剤で固着したパワー半導体装置において、絶縁基板の裏面と外囲ケースの裏面と同一面に揃えるとともに、前記外囲ケースの底面に開口した基板取付穴の段付き座面の周域に沿って、絶縁基板のセラミックス板周縁との間にゴム弾性を有するスペーサを分散介挿し、前記基板取付穴の段付き座面と絶縁基板の周縁との間に充填した接着剤の層厚さを０．５±０．３mmの範囲に確保（請求項１）ものとし、そのために次記のような具体的態様で接着組立てを行う。
【００１０】
(1)  スペーサをシリコーン系，ないしはエポキシ系，ウレタン系樹脂を材料とした凸起体となし、該スペーサを基板取付穴の段付き座面，もしくは絶縁基板のセラミックス板周縁に固着する（請求項２）。
【００１１】
(2)  前記の接着剤として、ゴム弾性を有するシリコーン系，ないしはエポキシ系，ウレタン系の接着剤を用いる（請求項３）
(3)  また、前記構成の組立方法として、主回路組立体の絶縁基板，および外囲ケースを接着用治具の平坦テーブル上に載置して各部品を定位置に支持し、この状態で外囲ケース側に形成した基板取付穴の段付き座面と絶縁基板のセラミックス板周縁との間を接着剤で接合する（請求項４）。
【００１２】
上記のように外囲ケースと絶縁基板との間を固着してシールする接着剤の層厚さを従来（０．１mm以下）と較べて十分に厚く設定することにより、製品を放熱フィンに取付けるなどの際に絶縁基板のセラミックス板に過大な外力が加わった場合でも、そのストレスを層厚の厚い接着剤層のゴム弾性が吸収してセラミックス板のクラック割れが防げるので、製品の信頼性が向上する。なお、この点については、発明者等が行った破壊テストの結果からも、従来製品と較べて破壊強度が１．３〜１．５倍に改善されることが確認されている。
【００１３】
また、前項(1),(2) のように外囲ケース側の段付き座面と絶縁基板のセラミックス板との間にゴム弾性を有する突起状のスペーサを介挿し、ここでスペーサの突起高さを適正寸法に定めて接着組立てを行うことにより、段付き座面とセラミックス板との間に充填した接着剤の層厚を所定の厚さに確保することができるとともに、外力が加わった際にはスペーサが接着剤層と一緒に変形するのでストレスの吸収作用をいささかも阻害することはない。
【００１４】
さらに、外囲ケースに主回路組立体を接着組立てする工程で、前項(3) の組立用治具を用いることにより、外囲ケースの裏面と絶縁基板の裏面とを同じ面上に揃えた状態で接着を行うことができ、これにより段付き座面とセラミックス板との間に所定層厚の接着剤層を保持しつつ、接着後の組立状態では高い組立精度が確保できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図１〜図３の実施例に基づいて説明する。なお、実施例の図中で図５に対応する同一部材には同じ符号を付してその説明は省略する。
【００１６】
〔実施例１〕
図１は本発明の請求項１，２に対応する実施例を示すものである。この実施例においては、半導体装置の組立構造は基本的に図５と同様であるが、図示実施例では従来構造と比べて次の点が相違する。
【００１７】
まず、外囲ケース１の底面に開口した基板取付穴１ａについて、外囲ケース１の裏面から基板取付穴１ａの周縁に形成した段付座面１ａ-1までの深さ（高さ方向）寸法Ｈは次のように設定されている。すなわち、外囲ケース１の裏面と絶縁基板５ｂの裏面とを同一面に揃えて主回路組立体５の絶縁基板５ｂを外囲ケース１の基板取付穴１ａに裏面側から挿入した仮組立状態で、絶縁基板５ｂのセラミックス板５ｂ-1の上面と前記段付座面１ａ-1とが０．５mmの間隔を隔てて対向し合うように前記深さＨを定める。
【００１８】
また、前記した段付座面１ａ-1の周域に沿って、セラミックス板５ｂ-1の周縁との間にゴム弾性を有するスペーサ１１が分散して介挿されている。このスペーサ１１は接着剤７と同じ種類のシリコーン系，ないしは多少ゴム弾性が低いエポキシ系，ウレタン系樹脂を材料とした直径１mm，高さが０．５mmより若干大き目な半球状の突起体であって、図示実施例ではスペーサ１１が外囲ケース１側の段付座面１ａ-1の周域に沿って等間隔に３〜６箇所に接着されている。
【００１９】
そして、外囲ケース１に主回路組立体５を組み込む接着組立工程では、あらかじめ段付座面１ａ-1を含めて外囲ケース１の基板取付穴１ａの内周面にシリコーン系，ないしはエポキシ系，ウレタン系の接着剤７を厚く塗布しておき、外囲ケース１の裏面側から基板取付穴１ａに主回路組立体５を挿入した後、前記したスペーサ１１の先端が相手側部材であるセラミックス板５ｂ-1の上面に突き当たるように加圧して外囲ケース１の裏面と絶縁基板５ｂの裏面とが同じ面に揃うようにセットし、この状態を保持して接着剤７を加熱硬化させる。
【００２０】
これにより、接着後の組立状態では、基板取付穴１ａの段付座面１ａ-1と絶縁基板５ｂのセラミックス板５ｂ-1の上面との間に充填された接着剤７の層厚さＤが０．５mmないしは０．５±０．３mmの範囲に確保されるようになる。なお、この接着剤７は外部から湿気などがケース内に侵入するのを阻止するシーリング材としての役目も果たす。
【００２１】
〔実施例２〕
図２は先記実施例１の応用実施例を示すものであり、この実施例においては、先記した半球状突起体のスペーサ１１が外囲ケース１の段付座面１ａ-1に対向して絶縁基板５ｂのセラミックス板５ｂ-1の上面周域に分散して取付けられており、そのほかの構成，基板取付穴１ａの深さ寸法などは図１と同様である。
【００２２】
〔実施例３〕
図３は本発明の請求項４に対応した組立方法の実施例を示すものである。この組立方法の実施には図示のような接着用治具１２を用いて外囲ケース１と主回路組立体５の絶縁基板５ｂとの間を接着する。
【００２３】
すなわち、接着用治具１２は上面が平坦なテーブルで、外囲ケース１，主回路組立体５をテーブル上の定位置に位置決め支持するために、外囲ケースのボルト穴１ｃに嵌合する位置決めピン１２ａ，および外囲ケース１の裏面を前記テーブル面に押し付ける押さえ具（一端を治具にねじ締結した板ばね）１２ｂと、主回路組立体５の絶縁基板５ｂをテーブル面に押し付ける押さえ具（ばね付勢されたピン）１２ｃを装備しいてる。なお、１２ｄは接着工程で裏面側にはみ出した接着剤を逃がすように、外囲ケース１の基板取付穴１ａの周域に沿ってテーブル上面に形成した凹溝である。
【００２４】
そして、半導体装置の組立工程で外囲ケース１に主回路組立体５を接着する際には、先記実施例と同様に外囲ケース１の基板取付穴１ａの内周面に接着剤７を塗布した後、図示のように接着用治具１２のテーブル上に主回路組立体５の絶縁基板５ｂ，および外囲ケース１を載置し、各部品を治具１２の押さえ具１２ｃ，１２ｄで定位置に加圧保持し、この状態で接着剤７を加熱硬化させる。
【００２５】
これにより、接着剤硬化後の組立状態では、外囲ケース１の裏面と絶縁基板５ｂの裏面が同一面上に揃い、図５で述べたような段差ΔＳの発生を抑えた高い組立精度が確保できる。しかも、外囲ケース１に開口した基板取付穴１ａの深さを図１と同様に設定しておくことにより、実施例１，２で述べたスペーサ１１を用いなくても、接着後の組立状態では、基板取付穴１ａの段付座面１ａ-1と絶縁基板５ｂのセラミックス板５ｂ-1の上面との間に充填された接着剤７の層厚さＤを所定の厚さである０．５±０．３mmの範囲に確保できる。
なお、この実施例の接着用治具１２は、スペーサ１１を用いた先記実施例１，２の接着組立工程にも同様に使用することができるのは勿論である。
【００２６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、製品を使用先で冷却フィンに取付ける際のボルト締結で絶縁基板のセラミックス板に大きな外力が加わった場合でも、ゴム弾性を有する層厚の厚い接着剤がストレスを吸収してセラミックス板をクラック割れから安全に保護することができて製品の信頼性が向上する。なお、この点については発明者等が行った破壊テストからも、従来製品と較べて１．３〜１．５倍の過大な外力に耐えることが実証されている。また、接着部に請求項１，２のスペーサを付加することにより、接着組立ての際に接着剤の層厚を所定の厚さ０．５±０．３mmの範囲に確保することができる。
【００２７】
さらに請求項４の接着用治具を採用することにより、組立状態では外囲ケースの裏面と絶縁基板の裏面が同一面に揃って両者の間に段差のない高い組立精度が確保できるなど、半導体装置の組立工程における信頼性の向上，製品の品質安定化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１に対応したパワー半導体装置の要部構造の断面図
【図２】本発明の実施例２に対応したパワー半導体装置の要部構造の断面図
【図３】本発明の実施例３に対応する接着用治具を用いたパワー半導体装置の接着組立工程の状態を表す図
【図４】本発明の実施対象となるインテリジェントパワーモジュールの外観斜視図
【図５】従来におけるパワー半導体装置の組立構造を表す構成図であり、(a) は半導体装置全体の側視断面図、(b) は(a) 図におけるＡ部の詳細構造を表す拡大図
【符号の説明】
１    外囲ケース
１ａ  基板取付穴
１ａ-1  段付座面
５    主回路組立体
５ａ  パワー半導体素子
５ｂ  絶縁基板
５ｂ-1  セラミックス板
７    接着剤
１１    スペーサ
１２    接着用治具
【図１】
0003758383.tif 000002
【図２】
0003758383.tif 000003
【図３】
0003758383.tif 000004
【図４】
0003758383.tif 000005
【図５】
0003758383.tif 000006