JP6012533B2 - 電力用半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力用半導体素子を有する電力用半導体装置に関する。

一般的に電力用半導体装置は、放熱性に優れた絶縁基板上に電力用半導体素子を実装し、この電力用半導体素子に例えばアルミワイヤなどで配線を行うことで回路を構成する。この回路には、絶縁基板を支持する樹脂筐体に設けた外部端子が電気的に接続されている。
このような構造では、絶縁基板上で配線が行われ、さらに樹脂筐体の外部端子にも配線が行われるため、高価である絶縁基板の面積が大きくなりコストアップすると共に、電力用半導体装置の外形も大きくなるという課題がある。よって、電力用半導体装置の小型化が検討されてきた。

装置小型化の手法として、例えば、絶縁基板上の配線パターンに外部端子を実装し、この外部端子の先端面を露出させるように樹脂封止することで、外部端子を絶縁基板面積内から取り出す構造が提案されている（特許文献１）。この特許文献１の図８から図１３では、チップ下部の導電パターンに設けた可撓性配線構造（図１０）、及び、向きを変えた応力緩和構造（図９ｂ）が示されている。
また、アルミワイヤの配線面積を削減する構造として、特許文献２には、半導体素子に固着され、かつプリント基板に固着されたインプラントピンを用い、このインプラントピンと電気的に接続された外部端子を樹脂ケース外部へ取り出す構造が提案されている。

特開２００１−２８４５２４号公報 特開２０１１−１４２１２４号公報

しかしながら、特に多数の半導体素子が搭載される３相インバータ回路などの複雑な回路構成の装置の場合、上述の各特許文献に開示される構造では、絶縁基板上へはんだ付けしたときに生じた半導体素子の傾きあるいは絶縁基板の反りに起因して、外部端子の高さにバラツキが発生する。このようなバラツキを吸収するために、はんだなどの接合材を通常よりも多めに供給するあるいはピンの高さを調整する等の手当が必要となる。よって、電力用半導体装置の生産性向上に対して問題があった。
また、プリント基板を用いた場合には、半導体素子が実装されてその動作中に高温になる絶縁基板と、比較的温度上昇が起こり難いプリント基板との熱変形差に起因した応力が端子接続部に作用することから、電力用半導体装置の高温環境での使用、及び、長期の動作信頼性の確保に対して問題があった。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、従来に比べて生産性が高く、長期にわたる動作信頼性を確保可能な電力用半導体装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の一態様における電力用半導体装置は、放熱板に絶縁層を介して形成した回路パターンに複数の電力用半導体素子を実装した第１基板と、表裏両面に配線回路を形成した第２基板と、上記放熱板を一側面に露出させて上記第１基板を保持し、かつ上記電力用半導体素子に対向して配置した上記第２基板を保持する樹脂筐体と、上記第２基板における上記配線回路に接続され上記樹脂筐体の外部へ導出される外部端子と、を備えた電力用半導体装置において、上記第１基板と上記第２基板との間に設けられる基板間接続端子と、上記樹脂筐体内に充填され、上記基板間接続端子を封止する絶縁性樹脂と、をさらに備え、上記基板間接続端子は、２つの上記電力用半導体素子における電極間を電気的に接続する素子間接続部と、この素子間接続部と一体に形成され上記素子間接続部に対して折れ曲がって延在して上記素子間接続部を上記第２基板における配線回路に電気的に接続する素子−回路接続部とを有し、この素子−回路接続部は、一方の電力用半導体素子の上方に位置し可撓性を有する屈伸部を有することを特徴とする。

本発明の一態様における電力用半導体装置によれば、互いに対向する第１基板と第２基板との間に基板間接続端子が設けられ、この基板間接続端子は屈伸部を有する。よって、第１基板の反りあるいは電力用半導体素子の傾きが存在する場合でも、屈伸部がこれらの反り又は傾斜を吸収可能である。したがって、第１基板における回路パターン及び電力用半導体素子の少なくとも一方と、第２基板における配線回路とは、電気的に接続可能となる。その結果、電力用半導体装置の組み立てが容易になり、生産性を向上させることができる。さらに、第１基板と第２基板との間の熱変形差を基板間接続端子の屈伸部で吸収することができ、電力用半導体装置の長期にわたる電気接続の信頼性向上も達成することができる。

また、第１基板に電力用半導体素子が実装され、第１基板の回路パターンと第２基板の配線回路とが基板間接続端子によって電気的に接続され、配線回路から外部端子を樹脂筐体の外部へ導出したことから、第１基板の面積を縮小でき、電力用半導体装置の小型化を図ることができ、第１基板における配置に依存せずに端子取り出し位置の自由度を向上させることができる。また、第１基板における複数の電力用半導体素子を基板間接続端子における素子間接続部で接続したことで部品点数の削減を図ることができ、さらに、第２基板を固定する力を軽減することで組み立て工程を簡略化でき、さらに生産性を向上させることが可能となる。

またこれにより、電力用半導体装置の長寿命化及び歩留まりの向上を図ることも可能となる。

本発明の実施の形態１における電力用半導体装置の断面図である。 図１に示す絶縁基板に形成した回路パターンを示す平面図である。 図１に示すプリント基板に形成した配線回路のパターンを示す平面図である。 図１に示す基板間接続端子の正面図である。 図１に示す基板間接続端子の変形例における正面図である。 本発明の実施の形態２における電力用半導体装置に備わる基板間接続端子を示し、（ａ）はその正面図であり（ｂ）は側面図である。 本発明の実施の形態３における電力用半導体装置に備わる基板間接続端子を示し、（ａ）はその正面図であり（ｂ）は側面図である。 図７に示す基板間接続端子の変形例を示し、（ａ）はその正面図であり（ｂ）は側面図である。 図７に示す基板間接続端子の別の変形例を示し、（ａ）はその正面図であり（ｂ）は側面図である。 本発明の実施の形態４における電力用半導体装置に備わる基板間接続端子を示し、（ａ）はその正面図であり（ｂ）は側面図である。 図１０に示す基板間接続端子の展開図である。

本発明の実施形態である電力用半導体装置について、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。また、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け当業者の理解を容易にするため、既によく知られた事項の詳細説明及び実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。また、以下の説明及び添付図面の内容は、特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における電力用半導体装置１０１の断面図であり、また図２は、電力用半導体装置１０１の絶縁基板１に構成された回路の一例を示す平面図であり、図３は、プリント基板７に構成された配線回路７ａのパターンの一例を示す平面図である。尚、絶縁基板１は、第１基板の一例に相当し、プリント基板７は、第２基板の一例に相当する。第１基板及び第２基板は、実施形態のものに限定されるものではなく、要するに熱膨張率に差がある２種類の基板に相当する。

電力用半導体装置１０１は、基本的構成として、絶縁基板１と、プリント基板７と、樹脂筐体９と、外部端子８と、基板間接続端子６と、絶縁性樹脂の一例としてのシリコーンゲル１１とを備え、ここで基板間接続端子６は、素子間接続部６０と、素子−回路接続部６１Ａとを有し、さらに素子−回路接続部６１Ａは屈伸部６１を有する。これらの各構成部分について以下に説明する。

電力用半導体装置１０１に用いられる絶縁基板１は、一例として、主面の大きさが８０ｍｍ×４０ｍｍ、厚み２ｍｍの放熱板としてのＡｌ板１ａと、高熱伝導のセラミックフィラーを混合した厚み０．１５ｍｍの絶縁層１ｂと、厚み７０μｍのアルミニウムからなる回路パターン１ｃとが積層されて形成された、所謂メタルベース基板である。

回路パターン１ｃには、図２に示すような配置形態にて、はんだ２を用いて、ＩＧＢＴ３（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）及びＦＷＤｉ４（フリーホイーリングダイオード）がそれぞれ接合されている。尚、ＩＧＢＴ３及びＦＷＤｉ４は、電力用半導体素子の一例に相当する。このように回路パターン１ｃには、複数の電力用半導体素子が実装されている。
ＩＧＢＴ３は、一例として、主面の大きさが７ｍｍ×７ｍｍ、厚み２５０μｍの素子であり、その表面には、制御電極であるゲート電極と主電極であるエミッタ電極とを有し、その裏面には、回路パターン１ｃとはんだ付けされる主電極であるコレクタ電極を有する。またＩＧＢＴ３のゲート電極は、Ａｌワイヤ５を用いて回路パターン１ｃに電気的に接続されている。
ＦＷＤｉ４は、一例として、主面の大きさが７ｍｍ×５ｍｍ、厚み２５０μｍの素子であり、その表面には、主電極であるアノード電極４ａを有し、その裏面には回路パターン１ｃとはんだ付けされる主電極であるカソード電極を有する。このようにＦＷＤｉ４は、各表面に単一の電極を有する素子である。

図１に示すように、絶縁基板１に実装されたＩＧＢＴ３等の電力用半導体素子に平行または略平行にプリント基板７が配置される。プリント基板７は、本実施形態では、大きさが９０ｍｍ×５０ｍｍで材質ＦＲ−４（Flame Retardant Type 4）の基板である。その基材７ｂの表裏両面には配線回路がそれぞれ形成され、ＩＧＢＴ３等の電力用半導体素子に対面した表面には、図３に示すようなパターンの配線回路７ａが形成されている。

互いに対向して配置される絶縁基板１とプリント基板７との間には、両者間の電気的接続を行い、基板間接続端子に相当する可撓性端子６が設けられる。このような可撓性端子６は、本実施形態では短冊状の金属製板材で構成され、一例として厚み０．３ｍｍ、幅３ｍｍの黄銅板で形成され、例えば図４に示すように、素子間接続部６０と、素子−回路接続部６１Ａとを有する。

素子間接続部６０は、２つの電力用半導体素子つまりＩＧＢＴ３及びＦＷＤｉ４における各電極間を電気的に接続する部分であり、各電極に接合する接合部６２，６４を有する。尚、接合部６２については接合端部６２と記す場合もある。図４に示すような可撓性端子６において、素子−回路接続部６１Ａに近い接合部６４がＦＷＤｉ４の電極にはんだを用いて電気的及び機械的に固定される。
また、パワー半導体素子であるＩＧＢＴ３及びＦＷＤｉ４では、一般的にインバータ回路などで同電位となるエミッタ電極とアノード電極４ａとは次のように接続される。即ち、図５に示すように、ＦＷＤｉ４上のアノード電極４ａには、はんだ（図示せず）を用いて可撓性端子６の接合部６４を電気的及び機械的に固定する。この接合部６４から延び、パワー半導体素子であるＩＧＢＴ３及びＦＷＤｉ４との絶縁を確保する距離を保つために設けた、接合部６４からの高さ０．３ｍｍの湾曲部６３を介して、可撓性端子６の接合部６２をＩＧＢＴ３のエミッタ電極に電気的及び機械的に固定する。このように、本実施形態では、接合部６２はＩＧＢＴ３の電極とはんだを用いて電気的及び機械的に固定され、接合部６４はＦＷＤｉ４の電極とはんだを用いて電気的及び機械的に固定されている。

尚、上述のようにＩＧＢＴ３の裏面電極であるコレクタ電極及びＦＷＤｉ４の裏面電極であるカソード電極は、回路パターン１ｃで接続されている。これらの電極をさらにプリント基板７へ電気的に接続するために、図１内の右端に図示するような、素子−回路接続部６１Ａに類似した蛇腹形状の可撓性の端子１３が設けている。

素子−回路接続部６１Ａは、接合部６２，６４の一方から延在し素子間接続部６０と一体に形成され、素子間接続部６０をプリント基板７の配線回路７ａに電気的に接続し、かつ、素子間接続部６０に対して折り曲げて屈曲させた屈伸部６１を有する部分である。また素子−回路接続部６１Ａの端部に位置する接合部６５（図４、図５）は、プリント基板７の配線回路７ａに、Ａｇフィラーが混合されている導電性接着剤（図示せず）によって電気的に接続される。このようにして可撓性端子６は、絶縁基板１とプリント基板７との間で、屈伸部６１によって伸縮されて配置される。

また、ＩＧＢＴ３のゲート電極からアルミニウムワイヤを用いて接続された別の回路パターン１ｃと、プリント基板７との接続に用いられる可撓性の端子１４は、回路パターン１ｃ上の端子に接続される場合の可撓性の端子１３に比べて小さい端子を使用している。勿論、このような構成に限定されず、例えば電流容量の小さい電力用半導体装置にあっては、ゲート電極及びエミッタ電極共に、同一形状の可撓性の端子を用いても構わない。

プリント基板７において、可撓性端子６が接続された配線回路７ａには、外部端子８がはんだ付けされ、配線回路７ａに対向する、プリント基板７の対向面側へ導出されている。

絶縁基板１及びプリント基板７の外縁部分には、図１に示すように、主にＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）からなる樹脂筐体９が取り付けられ、樹脂筐体９と、絶縁基板１及びプリント基板７とは、シリコーン接着剤（図示せず）で接着される。絶縁基板１が取り付けられた状態において、樹脂筐体９の一側面９ａには、絶縁基板１のＡｌ板１ａが面一の状態で露出する。この露出したＡｌ板１ａには、装置外部への放熱のために放熱グリースを介してヒートシンク（共に図示せず）が接続される。このため樹脂筐体９には、ヒートシンク取付用のネジを通すための取付穴（図示せず）が形成されている。

また、樹脂筐体９の内側には、絶縁基板１とプリント基板７との隙間からプリント基板７の上面を覆う部分まで、空間放電、沿面放電に対する絶縁封止用で、絶縁性樹脂の一例に相当するシリコーンゲル１１が注入される。これにより可撓性端子６もシリコーンゲル１１によって樹脂封止される。さらに、樹脂筐体９の一側面９ａに対向する他方側面９ｂには、ＰＰＳからなり外部端子８の導出部を形成した蓋１０が取り付けられる。

絶縁基板１、プリント基板７、及び樹脂筐体９の接着工程は、次のように行う。つまり、絶縁基板１にＩＧＢＴ３及びＦＷＤｉ４を、ＩＧＢＴ３及びＦＷＤｉ４に可撓性端子６の接合部６２、６４を、それぞれはんだ付けし、ＩＧＢＴ３のゲート電極にアルミニウムワイヤ５を接続し、樹脂筐体９と、絶縁基板１及びプリント基板７との接着部にシリコーン接着剤を塗布する。さらに、可撓性端子６における他端の接合部６５に対応した接続部に導電性接着剤を塗布したプリント基板７を重ねて、これらを加熱硬化させることで接着を行う。その際、可撓性端子６の屈伸部６１による反発力でプリント基板７が撓まないように、可撓性端子６のばね定数、押しつけ量が選定される。

以下には、電力用半導体装置１０１をこのような構造とした理由について説明する。
即ち、従来技術説明で既に述べたように、絶縁基板１は、放熱性及び絶縁性を有する反面、電力用半導体装置の中では高価な部品であることから、その面積の縮小化が求められる。これには、配線パターン及びパターン同士の間の絶縁距離によって決定される配線面積の縮小化が効果的である。よって、本実施形態の電力用半導体装置１０１では、絶縁基板１、及びＩＧＢＴ３等の電力用半導体素子の直上に配線を配置する方法、つまり絶縁基板１に積層するように、両面配線したプリント基板７を配置する方法を採っている。特に、本実施形態では、絶縁基板１における回路パターン１ｃの一部又は全部を、電力用半導体装置１０１内のプリント基板７に形成することにより、絶縁基板１の面積を一層縮小する効果を得ている。また、一般的に電力用半導体装置では、半導体素子の回路構成、あるいは素子が扱う電流容量が異なる仕様をラインナップすることが求められる。これに対しては、プリント基板７を多層化することによって対応可能である。つまりプリント基板７の配線パターンと蓋１０とを変更するだけで、外部端子８の配置をニーズに合わせて変更することが可能となることから、部品の共通化が可能となり、部品コストを抑制することが可能となる。

一方、このように絶縁基板１とプリント基板７とを重ねて配置した構成においても、主としてＳｉからなる電力用半導体素子を絶縁基板１にはんだ付けすることで、絶縁基板１の主材料であるＡｌと、電力用半導体素子のＳｉとの熱膨張率差に起因する反りが絶縁基板１に発生する。また、ＩＧＢＴ３等の電力用半導体素子を絶縁基板１にはんだ付けするとき、電力用半導体素子を完全な水平状態にて接続することは困難である。また特に、面積が大きい半導体素子、あるいは図２に示すように多数の素子及び接続点を有する半導体装置にあっては、はんだなどの接合材だけで、絶縁基板１とプリント基板７との間の距離のばらつきを吸収することは、困難である。

そこで、本実施形態では、絶縁基板１とプリント基板７との間に配置されるＩＧＢＴ３等の電力用半導体素子に接続される可撓性端子６に屈伸部６１を形成して可撓性を持たせた。屈伸部６１を設けることで、絶縁基板１とプリント基板７との距離を近付けるだけで、可撓性端子６が撓み、可撓性端子６自体の傾きを含めた高さのばらつきを吸収することができるとともに、すべての接点の接続を確実に行うことができる。また、絶縁基板１とプリント基板７とを電気的に接続する可撓性の端子１３，１４によっても同様の効果が得られる。よって、電力用半導体装置１０１の組立性及び生産性の向上を図ることができる。

また、電力用半導体装置１０１では、ＩＧＢＴ３等の電力用半導体素子は発熱し、その放熱板として機能する、絶縁基板１のＡｌ板１ａは、上記発熱伴い熱膨張する。一方、絶縁基板１に積層する形態で配置されるプリント基板７において発生する熱は、電流によるジュール熱が主である。よって、絶縁基板１とプリント基板７との間には温度差が発生し、かつ両者の熱膨張率も異なる。したがって、絶縁基板１とプリント基板７との間に配置されるＩＧＢＴ３等の電力用半導体素子に接続する可撓性端子６には、基板の主面に平行な方向で、ＩＧＢＴ３等の電力用半導体素子間の距離が離れる方向、つまり絶縁基板１及びプリント基板７の板厚方向２０に直交する基板長手方向２１に熱応力が発生する。この熱応力は、可撓性端子６自体、及び可撓性端子６と、絶縁基板１及びプリント基板７における各回路との接続部における劣化を促進する原因になる。
これに対して本実施形態では、可撓性端子６が屈伸部６１で変形可能なことから、上記劣化を効果的に緩和することが可能である。

さらには、屈伸部６１のばね定数を増す、あるいは撓み量を増すことにより、可撓性端子６がプリント基板７へ作用する反発力を大きくし、ＦＷＤｉ４と可撓性端子６の接合部６４との間、及び配線回路７ａと他端の接合部６５との間に作用する圧縮する応力が大きくなる。これにより、はんだあるいは導電性接着剤で接合された可撓性端子６の接合部６４とＦＷＤｉ４とが、ＦＷＤｉ４の断続発熱により発生する熱応力に起因した亀裂あるいは剥離などで劣化した場合でも、電気的及び熱的な接続を維持することができ、信頼性の向上を図ることができる。また、絶縁基板１とプリント基板７との間には、図示するように屈伸部６１と同態様の可撓性の端子１３，１４を設けており、端子１３，１４のばね定数あるいは撓み量を増すことにより、端子１３，１４の接合部の回路パターン１ｃへの圧縮する応力が大きくなる。

このような信頼性向上については、屈伸部６１の反発力が大きいほど効果が大きくなるため、ＩＧＢＴ３上及びＦＷＤｉ４上にそれぞれ可撓性端子６を設ける構成も考えられる。しかしながら、かかる技術思想の元で半導体装置を作製する際には、反発力の大きい可撓性端子６を各素子上に配置する場合、本実施形態に示すような半導体素子が多数配置される電力用半導体装置では部品点数が増加して組立性が低下する。さらに、プリント基板７及び固定する蓋１０の撓みを抑制するために、蓋１０を厚くする必要があり、かつ外部端子８を長くする必要が生じる。これによって外部端子８の発熱が増加し、温度が上昇しやすくなり、部材コストも上がる。
そこで、本実施形態のように同電位であるＩＧＢＴ３とＦＷＤｉ４とを一体の端子で接続することによって、プリント基板７が受ける反発力を３分の２程度に軽減することが可能となり、上述の問題点が解消する。この効果は、特に扱う電流が大きい半導体装置、及び昨今多く製造されている、インバータ回路、コンバータ回路、ブレーキ回路を内蔵するような多数の半導体素子を配置する半導体装置において有効である。

また、ＩＧＢＴ３のエミッタ電極内部には、一般的に知られているように、エミッタ電極とはＳｉＯ_２などの絶縁層（図示せず）にて絶縁して、ゲート電極からの配線が行われている。よって、ＩＧＢＴ３上に反発力の大きい可撓性端子６を配置した場合、絶縁層の破壊によってＩＧＢＴ３が不作動となる可能性も懸念される。一方、ＦＷＤｉ４のアノード電極４ａについては、エミッタ電極のような絶縁層が設けられていない。これらのことから、大電流を扱う場合、及び高い信頼性を求められる場合において、反発力の大きい屈伸部６１を用いる構成にあっては、可撓性を有する屈伸部６１は、ＦＷＤｉ４上に、つまり表面に単一の電極を有する半導体素子上に、設置する方が好ましい。このように表面に単一の電極を有する半導体素子上に屈伸部６１を配置することで、屈伸部６１の反発力を上げたときでも半導体素子が破損し難く、また、異電極、上述例ではＩＧＢＴ３のゲート電極への配線の妨げとならないという効果が得られる。

また、ＩＧＢＴ３のゲート配線のためにアルミニウムワイヤ５をボンディングする際、ボンディングツール（図示せず）と可撓性端子６との干渉を回避するため、およそ３ｍｍ程度の距離を取らなくてはならない。このためＩＧＢＴ３上のエミッタ電極における可撓性端子６の接合面積が減少する。その結果、ＩＧＢＴ３の電流及び発熱がエミッタ電極における接合部に集中し、抵抗損失などの電気特性が低下する。
よって接合面積を確保した上でボンディングツールの干渉を回避するためには、ＩＧＢＴ３上の接合高さを小さくすることが有効であり、そのためには、ＩＧＢＴ３からプリント基板７までの高さが比較的大きな可撓性端子６ではなく、本実施形態で示したように可撓性端子６の板厚である０．３ｍｍ程度の高さとなる湾曲部６３を接合する構造が好適である。

以上説明したように、本実施形態の電力用半導体装置１０１は、生産性が従来に比して高く、かつ高温環境下及び長時間使用に適して動作信頼性を有する電力用半導体装置である。
上述の効果を発揮する可撓性端子６の形状は、本実施形態における形状に限定されず、可撓性及び電気抵抗を阻害しない形状であればどのような形態も適用可能である。但し、可撓性端子６として板材を使用する場合、屈伸部６１は、本実施の形態で図４に示すＭ字のように、３個以上の折り曲げ回数を有する、つまり３個以上の折り曲げ部６１ｂ（図４）を有する蛇腹形状が望ましい。
その理由としては、折り曲げ回数が２回である例えばＺ字形状の場合には、先に屈伸部６１の一端を固定し、その後に他端を接続するときに、他端の平面方向における位置合わせが難しくなる、つまり他端において平面方向の位置ずれが生じやすいという欠点があるからである。

また、本実施の形態１における可撓性端子６では、屈伸部６１における折り曲げ部６１ｂの折り目は、図４に示すように、可撓性端子６の素子間接続部６０の延在方向６０ａ及び板厚方向６０ｂに対して直交する方向、つまり図４の紙面を貫通する方向に沿って延在している。

また、可撓性端子６がはんだ付けで接合される場合、図５に示すように、はんだ付けされる可撓性端子６の接合部６４、接合端部６２、他端の接合部６５のいずれにおいても接合面側が電極等の被接合部に向かって凸となるような湾曲形状を有しても良い。このようにすることで、ＩＧＢＴ３、ＦＷＤｉ４の表面電極の高さが異なった場合でも、可撓性端子６と半導体素子との接触面積が安定し、かつはんだあるいは導電性接着剤のフィレットが安定的に形成され、接合性及び信頼性が向上する。

また、可撓性端子６の材質としては、本実施の形態で示した黄銅の他、りん青銅も使用可能である。また、可撓性端子６を接合する構造であるため、充分な反発力が必要でない場合、あるいは大電流を通電する場合には、無酸素銅を使用することも可能である。

封止材料として組立後の可撓性端子６の反発力による信頼性向上などの効果を考慮して、本実施形態ではシリコーンゲルを用いているが、組立時の接続にのみ可撓性を発揮することで充分となるように、エポキシ樹脂によって封止して接合部周辺を固定した半導体装置とすることも有効である。

本実施の形態で示した効果については、ここで示した材料の他、電力用半導体装置で一般的に用いられる材料を使用しても同様の効果が得られる。例えば、絶縁基板としてメタルベース基板の代わりに、ＡｌＮあるいはＡｌ_２Ｏ_３などの放熱性に優れるセラミックスに、Ｃｕパターンを貼り付けたセラミック基板、あるいはセラミック基板をＣｕあるいはＡｌなどの高放熱金属ブロックにはんだ付けなどで固着し、放熱性を向上させたものを使用しても良い。
また、電力用半導体素子の構成についても、複数のダイオードチップを並列するなどダイオード上に屈伸部６１を配置する構造であれば同様に適用し効果を発揮することが可能である。

また、上述したようにＩＧＢＴ３及びＦＷＤｉ４の上に可撓性端子６を配置することで、既に説明したがまとめると以下の効果を得ることができる。即ち、
（１）絶縁基板１の面積を縮小することができる。
（２）ＩＧＢＴ３及びＦＷＤｉ４の電力用半導体素子上の可撓性端子６に反発力を持たせることで、電力用半導体素子の厚み方向における各接合部の信頼性を向上することができる。
（３）全ての電力用半導体素子について反発力を有する端子を配置した場合、反発力を抑える蓋１０が端子数に比例して厚くなってしまう。よって、同電位のある電力用半導体素子のみを可撓性端子６で接続することで、蓋１０に関する懸念も解決される。
（４）加圧力に対して破壊しやすいＩＧＢＴ３ではなく、ＦＷＤｉ４上に屈伸部６１を配置することにより、ＦＷＤｉ４の断続発熱により発生する熱応力に起因した亀裂あるいは剥離などで劣化した場合でも、接続を電気的及び熱的接続を維持することができ、信頼性向上を図ることができる。

実施の形態２．
図６は、本発明の実施の形態２における電力用半導体装置１０２に備わる可撓性端子６−２の形状を示す。上述した実施の形態１の電力用半導体装置１０１と、本実施の形態２における電力用半導体装置１０２との相違部分は可撓性端子６−２であり、電力用半導体装置１０２の基本的な構成は、電力用半導体装置１０１と同様である。よって個々の構成部分の詳細な説明は、ここでは省略する。

本実施形態における可撓性端子６−２は、厚さ０．５ｍｍの黄銅製であり、屈伸部６１における折り曲げ部６１ｂの折り目は、図６に示すように、可撓性端子６の素子間接続部６０の延在方向６０ａに沿って延在している。即ち、屈伸部６１の向きが実施の形態１の電力用半導体装置１０１の構成に対して９０度ずれている点で相違する。
以下に、このような構造を採る理由について説明する。

特に、一般的に電力用半導体装置の扱う電流が大きくなると、配線部における電気抵抗を抑制するため、配線にも用いる可撓性端子６の板厚をより厚くする必要がある。一方、可撓性端子を製造する上で、素子間接続部６０の平坦度、換言すると接合部６４と接合端部６２との平坦度を維持した上で屈伸部６１を製造するためには、接合部６２と接合端部６４との間に形成する湾曲部６３を先に曲げ加工し、接合部６２と接合端部６４とを平坦に維持した状態で屈伸部６１を形成する必要がある。ここで可撓性端子６の板厚が大きくなると、屈伸部６１を形成する曲げ型も充分剛性を持ったものが必要である。また屈伸部６１の反発力を用いて電力用半導体装置を組み立てることから、屈伸部６１のばね定数を管理するため、屈伸部６１の曲げ形状は精度良く成形する必要がある。

さらに、湾曲部６３について、本実施形態２のように板厚の大きい可撓性端子６−２の場合には、絶縁基板１と可撓性端子６−２との熱膨張率の差によって接合部６４とＦＷＤｉ４のアノード電極４ａとの接合部、及び接合端部６２とＩＧＢＴ３のエミッタ電極との接合部のそれぞれに発生するせん断応力を、湾曲部６３が撓むことによって緩和する効果を発生する。このように湾曲部６３は、絶縁基板１と可撓性端子６−２との熱膨張差によって、可撓性端子６−２と電力用半導体素子表面との接合部にかかるせん断応力を緩和する。この効果をより有効にするためには、湾曲部６３は、電力用半導体素子からより離れる方向つまり板厚方向６０ｂに高く成形することが望ましいが、その結果、屈伸部６１を成形する際の曲げ型を設置することが著しく困難となった。

このような屈伸部６１の成形が困難となる問題を解消するため、上述のように、屈伸部６１の向きを配線方向つまり素子間接続部６０の延在方向６０ａと直交させた。換言すると、屈伸部６１における折り曲げ部６１ｂの折り目を延在方向６０ａに沿って延在させている。これによって湾曲部６３の形状とはほぼ無関係に屈伸部６１を成形することが可能となり、可撓性端子６−２の生産性向上、並びに、電力用半導体装置１０２の信頼性向上及び大電流化を同時に実現することが可能となった。また、屈伸部６１の圧縮量を大きくしたときに屈伸部６１が倒れる方向に変形した場合でも、湾曲部６３と干渉することがないため、圧縮量の増加及び湾曲部６３の高さを大きくするなど設計製造の自由度を向上させることも可能となる。

本実施の形態２で示した効果について、特に湾曲部６３の高さを大きくすることによって接合界面に発生するせん断応力を緩和する効果は、絶縁基板１としてセラミックス基板を用いた際に可撓性端子６−２との熱膨張率差が大きくなることから、より顕著に効果を発揮する。

また、実施の形態１において説明した種々の電力用半導体装置１０１に対する変形例は、この実施の形態２における電力用半導体装置１０２に対しても適用可能である。

実施の形態３．
図７、図８、及び図９は、本発明の実施の形態３における電力用半導体装置１０３に備わる可撓性端子６−３の形状を示す。本実施の形態３においても上述した実施の形態１の電力用半導体装置１０１との相違部分は可撓性端子であり、電力用半導体装置１０３の基本的な構成は、電力用半導体装置１０１と同様である。よって個々の構成部分の詳細な説明は省略する。

図７に示す可撓性端子６−３Ａは、厚さ０．３ｍｍからなる黄銅製であり、素子間接続部６０が湾曲部６３を有さずに絶縁基板１に概ね平行に配置され、接合部６４及び接合端部６２において突出部６６を有する。この突出部６６は、素子間接続部６０から電力用半導体素子の電極側へ突出し、当該電極と電気的に接続する凸形状で、その高さが一例として０．２ｍｍである。また、可撓性端子６−３では湾曲部６３は設けていないので、突出部６６の高さによって電力用半導体素子３，４との絶縁距離が０．２ｍｍ以上を確保する構成としている。

図８に示す可撓性端子６−３Ｂにおいても、図７の可撓性端子６−３Ａと同様に厚さ０．３ｍｍの黄銅製で、湾曲部６３を有していない。また、可撓性端子６−３Ｂは、接合部６４及び接合端部６２にて、素子間接続部６０の幅方向の片側に形成した折曲片６７ａを、素子間接続部６０から電力用半導体素子３，４の電極側へ折り曲げて、素子間接続部６０と重なり当該電極と電気的に接続する積層部６７を有する。また、可撓性端子６−３Ｂにおいても湾曲部６３は設けていないので、積層部６７の厚さによって電力用半導体素子３，４との絶縁距離を確保している。

また、図９の可撓性端子６−３Ｃに示すように、積層部６７は、素子間接続部６０の幅方向の両側に形成した折曲片６７ａのそれぞれを電極側へ折り曲げて作製してもよい。
以下に、このような可撓性端子６−３の構造を採る理由について説明する。

前述の実施の形態２で説明したように、可撓性端子６−２に対して屈伸部６１を曲げ加工する際に、ＩＧＢＴ３とＦＷＤｉ４との間に湾曲部６３を有すると曲げ加工が困難であると言う課題があった。また、一般的にＩＧＢＴ３とＦＷＤｉ４とを並べた場合、ＩＧＢＴ３に比べてＦＷＤｉ４の発熱密度が小さいことから、電極面積及び電極に対応した素子の面積が小さく設計される。ここで前述の実施の形態２で示した構造においては、ＩＧＢＴ３とＦＷＤｉ４とを接続する素子間接続部６０の端子幅に合わせてＦＷＤｉ４の１辺の長さを決定した場合、例えば図７に示す屈伸部６１の幅Ｗが小さくなるという問題があった。屈伸部６１の幅Ｗが小さくなると、電気抵抗の低減及び放熱性の向上のために、可撓性端子の板厚を大きくする必要があった。尚、元々扱う電流値が大きい場合には当初より充分な断面積を確保することが可能であるが、扱う電流値が小さいときには、屈伸部６１における反発力を維持するため、及び放熱性を維持するために、端子幅を大きくすることが求められる。

このように可撓性端子における素子間接続部６０の幅と屈伸部６１の幅とが異なる場合には、可撓性端子の電気抵抗、放熱性、及びばね定数のいずれかの特性が低下してしまう。

このような課題を解決するため、湾曲部を形成しない可撓性端子において、突出部６６あるいは積層部６７を形成することによって、湾曲部を設けることなく電力用半導体素子３，４と可撓性端子６−３Ａ、６−３Ｂ、６−３Ｃとの絶縁距離を確保した上で屈伸部６１を加工するための曲げ型が容易に配置できる構成とした。

本実施形態３で示した構造では、上述のように、ＩＧＢＴ３、ＦＷＤｉ４の間を配線する可撓性端子６−３Ａ等の素子間接続部６０には湾曲部を設けていない。よって、突出部６６あるいは積層部６７と、ＩＧＢＴ３及びＦＷＤｉ４の各電極との間におけるせん断応力を緩和するためには、可撓性端子６−３Ａ等の板厚を小さくするのが好ましい。また、絶縁基板１についても、可撓性端子６−３Ａ等と比較的熱膨張率の近い銅あるいはアルミニウムを放熱板１ａとした金属ベース基板を用いることが好ましい。

また、図７に示す可撓性端子６−３Ａを用いる場合、０．２ｍｍの高さを有する突出部６６を介してＩＧＢＴ３と接合端部６２、及び、ＦＷＤｉ４と接合部６４とを接合することから、比較的厚い接合部に適したはんだ付けが用いられることが好ましいが、電気的及び機械的に接合される手法であれば他の方法を用いても構わない。

また、図８に示す可撓性端子６−３Ｂを用いた場合には、可撓性端子６−３Ｂの幅を変化させることなくＩＧＢＴ３及びＦＷＤｉ４の各電極と積層部６７とを面接合することが可能となる。よって、ＩＧＢＴ３及びＦＷＤｉ４の各電極に対して、薄い接合部に適した導電性接着剤を用いられることができる。尚、接合方法は、導電性接着剤の使用に限定されず、電気的及び機械的に接合される手法であれば他の方法を用いても構わない。また、プリント基板７を搭載する前に接合部６４と積層部６７との間に隙間が存在する場合には、この隙間がなくなるまでは、屈伸部６１を撓ませる力よりも小さな力で接合部６４が変形することがあり、また変形によって傾きが発生することから、屈伸部６１のばね定数及び反発力が不安定になることがある。しかしながら、接合部６４の直下の積層部６７は、その一部がＦＷＤｉ４の電極と接触することで、積層部６７の影響を受けず屈伸部６１のばね定数及び反発力が安定するため、好ましい。

さらに、図９に示す可撓性端子６−３Ｃによれば、ＩＧＢＴ３及びＦＷＤｉ４において、積層部６７を通して対向する２方向から均一に電流が引き出され、電流密度及び発熱密度が分散されることから、電力用半導体素子の電気特性、具体的には抵抗損失を減少させることができる。またこれに付随して、温度上昇が抑制されることから、通電サイクルによって発生する、電力用半導体素子表面の温度サイクルに対する信頼性が向上する。

また、実施の形態１において説明した種々の電力用半導体装置１０１に対する変形例は、この実施の形態３における電力用半導体装置１０３に対しても適用可能である。

実施の形態４．
図１０は、本発明の実施の形態４における電力用半導体装置１０４に備わる可撓性端子６−４の形状を示す。また、図１１には図１０で示す可撓性端子６−４の曲げ加工前の展開図を示す。本実施の形態４においても上述した実施の形態１の電力用半導体装置１０１との相違部分は可撓性端子であり、電力用半導体装置１０４の基本的な構成は、電力用半導体装置１０１と同様である。よって個々の構成部分の詳細な説明は省略する。

図１０に示す可撓性端子６−４は、板厚０．３ｍｍの黄銅製であり、概ね図８に示す可撓性端子６−３Ｂと同じ構成を有するが、以下の点で相違する。即ち、図８の可撓性端子６−３Ｂでは、ＦＷＤｉ４の電極との接合部６４における積層部６７を形成する折曲片６７ａは、素子間接続部６０の板厚方向６０ｂにおいて屈伸部６１の投影領域６９のすべてに渡り延在していない。これに対し本実施の形態４における可撓性端子６−４では、図１０に示すように、ＦＷＤｉ４の電極との接合部６４における積層部６７を形成する折曲片６７ａは、素子間接続部６０の板厚方向６０ｂにおいて屈伸部６１の投影領域６９のすべてに渡り延在する。このような構成を採るために、図１１に示すように、接合部６４に対応する折曲片６７ａと、可撓性端子６−４の内、屈伸部６１となる部分との間に、スリット６８を設けている。
以下に、このような構造を採る理由について説明する。

屈伸部６１の圧縮量を大きく構成した場合、屈伸部６１の直下に空間が存在すると、屈伸部６１の圧縮力により、屈伸部６１がＦＷＤｉ４に近づくように変形する。ＦＷＤｉ４の外周に屈伸部６１が近接すると、屈伸部６１とＦＷＤｉ４との絶縁距離が不足する可能性があることから、近接状態でも例えば１ｍｍ程度の充分な絶縁距離を確保する必要があった。チップが大きい場合にはＦＷＤｉ４表面のアノード電極４ａの面積も大きいため、１ｍｍの距離確保は、積層部６７とＦＷＤｉ４との接合面積に影響しないが、一方、チップが小さくＦＷＤｉ４表面のアノード電極４ａの面積が小さい場合には、１ｍｍの距離確保のために接合面積が小さくなるという懸念がある。

そこで、図１０に示すように、板厚方向６０ｂにおける屈伸部６１の投影領域６９のすべてに渡り、換言すると屈伸部６１の折れ曲がり部分の直下部分にまで、折曲片６７ａつまり積層部６７を配置するように構成した。これにより、屈伸部６１の圧縮量を大きく設定した場合でも、屈伸部６１は積層部６７で支持され、ＦＷＤｉ４の外周に近接することはない。よって比較的小さいＦＷＤｉ４においてもアノード電極４ａの面積に対して接合面積を拡大することが可能となり、電流密度及び発熱密度の分散が可能となる。また、屈伸部６１の圧縮量を大きく設定できることから、屈伸部６１の反発力により得られる信頼性向上などの効果を充分発揮することが可能となる。

また、実施の形態１において説明した種々の電力用半導体装置１０１に対する変形例は、この実施の形態４における電力用半導体装置１０４に対しても適用可能である。

以上説明した各実施の形態を適宜組み合わせた構成を採ることもできる。このような構成では、各実施の形態にて奏する効果が組み合わされる。

１ 絶縁基板、１ａ 放熱板、１ｂ 絶縁層、１ｃ 回路パターン、３ ＩＧＢＴ、
４ ＦＷＤｉ、４ａ アノード電極、
６，６−２，６−３Ａ，６−３Ｂ，６−３Ｃ，６−４ 可撓性端子、
７ プリント基板、７ａ 配線回路、８ 外部端子、９ 樹脂筐体、
１１ シリコーンゲル、６０ 素子間接続部、６１ 屈伸部、
６１Ａ 素子−回路接続部、６２ 接合端部、６３ 湾曲部、
６４ 接合部、６６ 突出部、６７ 積層部、プリント基板基材、
１０１〜１０４ 電力用半導体装置。

Claims (7)

1. 放熱板に絶縁層を介して形成した回路パターンに複数の電力用半導体素子を実装した第１基板と、表裏両面に配線回路を形成した第２基板と、上記放熱板を一側面に露出させて上記第１基板を保持し、かつ上記電力用半導体素子に対向して配置した上記第２基板を保持する樹脂筐体と、上記第２基板における上記配線回路に接続され上記樹脂筐体の外部へ導出される外部端子と、を備えた電力用半導体装置において、
   上記第１基板と上記第２基板との間に設けられる基板間接続端子と、
   上記樹脂筐体内に充填され、上記基板間接続端子を封止する絶縁性樹脂と、をさらに備え、
   上記基板間接続端子は、２つの上記電力用半導体素子における電極間を電気的に接続する素子間接続部と、この素子間接続部と一体に形成され上記素子間接続部に対して折れ曲がって延在して上記素子間接続部を上記第２基板における配線回路に電気的に接続する素子−回路接続部とを有し、この素子−回路接続部は、一方の電力用半導体素子の上方に位置し可撓性を有する屈伸部を有する、
   ことを特徴とする電力用半導体装置。
2. 上記屈伸部が上方に位置する上記一方の電力用半導体素子は、その表面に単一の電極を有する素子である、請求項１に記載の電力用半導体装置。
3. 上記素子間接続部は、当該素子間接続部の延在方向に伸縮性を有する湾曲部を有する、請求項１又は２に記載の電力用半導体装置。
4. 上記基板間接続端子は板材で形成され、上記屈伸部は蛇腹形状であり、この蛇腹形状の折り目を上記素子間接続部の延在方向に沿って配置される、請求項１から３のいずれか１項に記載の電力用半導体装置
5. 上記素子間接続部は、各電力用半導体素子の電極側へ突出し当該電極と電気的に接続する突出部を有する、請求項１に記載の電力用半導体装置。
6. 上記基板間接続端子は板材で形成され、上記素子間接続部は、各電力用半導体素子の電極側へ折り曲げられ当該電極と電気的に接続する積層部を有する、請求項１に記載の電力用半導体装置。
7. 上記屈伸部は、上記積層部の板厚方向における当該積層部の主面の投影領域に位置する、請求項６に記載の電力用半導体装置。

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