JP2014049582A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高放熱化を実現することに加えて、安価で信頼性が高く、生産性の良い半導体装置を提供する。
【解決手段】金属製のベース板１７に絶縁層１６を介して固定された回路パターン１５と、回路パターン１５に接合された半導体素子と、回路パターン１５に一端が接合された複数の円筒ソケット１１と、回路パターン１５と複数の円筒ソケット１１と半導体素子を封止する封止体と、円筒ソケット１１に挿入される挿入部２６が複数個設けられている胴体部２７に外部電極への取付部２９が連結されている外部電極接続用端子２１とを備えている。取付部２９と胴体部２７は平板を折り曲げてなるものである。
【選択図】図２

Description

この発明は半導体装置に関し、特に、半導体素子をモールド樹脂などの封止材料で封止した半導体装置に関するものである。

電力用半導体装置を封止するのにモールド樹脂、ポッティング樹脂などが使われている。封止された電力用半導体装置においては、外部電極の取り出し方法が課題になる。例えば、特許文献１に関わる発明は、セラミックス基板の表面に外部電極取り出し部である銅円筒（円筒ソケット）をはんだ付けしている。その後、セラミックス基板を、エポキシ樹脂を用いてトランスファモールドすることで電力用半導体装置が形成される。出力端子は金属製の外部電極を用いて半導体装置の上面から取り出される。

電力用半導体装置では、通電電流が大きいため瞬時発熱が大きい。温度上昇を抑えるために、熱容量を考慮して、銅円筒を複数個使用する。しかしながら銅円筒にははんだ付け時に位置ずれが生じるため、複数の銅円筒のピッチ間隔は微妙に異なっている。外部電極接続用端子にはこの銅円筒の位置ずれを吸収できることが望まれる。

特開2007-184315号公報

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、高放熱化を実現することに加えて、安価で信頼性が高く、生産性の良い半導体装置を得ることを目的としている。

本願にかかわる半導体装置は、金属製のベース板に絶縁層を介して固定された回路パターンと、回路パターンに接合された半導体素子と、回路パターンに一端が接合された複数の円筒ソケットと、回路パターンと複数の円筒ソケットと半導体素子を封止する封止体と、円筒ソケットに挿入される挿入部が複数個設けられている胴体部に外部電極への取付部が連結されている外部電極接続用端子とを備えている。取付部と胴体部は平板を折り曲げてなるものである。

円筒ソケットの位置ずれが大きくなっても、挿入部は正常な接触を得ることができるため、信頼性が高い。また、瞬時発熱に対して、外部端子が十分な熱容量を持つことで、温度上昇を抑えることができる。

半導体装置の全体構成を示す正面断面図である。 円筒ソケットと外部電極接続用端子の関係を示す断面図である。 実施の形態１に関わる外部電極接続用端子の側面図である。 半導体装置を示す上面図である。 実施の形態２に関わる外部電極接続用端子の正面図である。 実施の形態３に関わる外部電極接続用端子の正面図である。 実施の形態４に関わる外部電極接続用端子の正面図である。 実施の形態５に関わる外部電極接続用端子の斜視図である。 実施の形態５に関わる外部電極接続用端子の正面図である。 実施の形態５に関わる外部電極接続用端子の側面図である。 実施の形態６に関わる外部電極接続用端子の正面図である。 実施の形態６に関わる外部電極接続用端子の挿入部を表す断面図である。 実施の形態７に関わる外部電極接続用端子の正面図である。 実施の形態７に関わる外部電極接続用端子の挿入部を表す断面図である。

以下に本発明にかかる半導体装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は以下の既述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。

実施の形態１．
図１は半導体装置の全体構成を示す断面図である。回路基板１９は、銅製のベース板１７と、高熱伝導樹脂を使用した絶縁層１６と、回路パターン１５から構成されている。ベース板１７はモールド樹脂１８から片面が露出している。回路パターン１５の上には、円筒ソケット１１とIGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）１２とFWDi（Free-Wheeling Diode）１３がはんだ１４で接合されている。円筒ソケット１１には、外部電極接続用端子２１が圧入されている。銅系の材料からなる外部電極接続用端子２１には取付穴２２が設けられている。

半導体装置１ではIGBT１２、FWDi１３などの電力用半導体素子がモールド樹脂１８で封止されている。封止材料にはモールド樹脂のほかに、ポッティング樹脂、ゲルなども使用される。電力用半導体素子は、珪素（Ｓｉ）によって形成したものの他、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成したものも好適に使用することができる。ワイドバンドギャップ半導体としては、例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドがある。ワイドバンドギャップ半導体を用いた場合、許容電流密度が高く、電力損失も低いため、電力用半導体素子を用いた装置の小型化が可能となる。

円筒ソケット１１は、銅以外の金属あるいは他の導電性材料を適用することができる。半導体装置１の全体はモールド樹脂１８にてトランスファモールドされており、外部との絶縁が保たれている。モールド樹脂１８が線膨張係数の異なる回路基板１９とIGBT１２とFWDi１３の表面を強固に接着し固定するため、使用時の温度上昇による熱疲労を抑えることができる。モールド樹脂で封止された電力半導体装置は、ゲルタイプの電力用半導体装置と比較して、信頼性が高い。

図２は、半導体装置を図１と垂直な方向から見た断面図で、円筒ソケット１１に外部電極接続用端子２１が挿入されている状態を示している。図３は外部電極接続用端子の構成を示す側面図である。外部電極接続用端子２１は、挿入部２６と胴体部２７と取付部２９から構成されている。取付部２９と複数の挿入部２６は胴体部２７で連結されている。挿入部２６は、開口部２８が形成されており、ニードルアイ形状を有している。ニードルアイ形状は一般的にプレスフィットと呼ばれている。胴体部２７には２個の挿入部２６が間隔を隔てて設けられている。取付部２９は胴体部２７から９０度折れ曲がっている。外部電極接続用端子２１の挿入部２６が円筒ソケット１１に挿入される。挿入部２６を有する外部電極接続用端子２１を用いて半導体装置の上面から外部電極に取り付けるため、出力の取出しが容易である。外部電極接続用端子２１の挿入部２６が円筒ソケット１１の内側に圧入されると、挿入部２６の弾性変形により、円筒ソケット１１の内壁に反発力が働き、導通が確保される。

図４は半導体装置１を示す上面図である。図には４個の外部電極接続用端子２１と、４枚の外部電極３０と、８個の円筒ソケット１１が示されている。外部電極接続用端子２１は雌ネジが加工された外部電極３０と連結されている。外部電極接続用端子２１の取付穴２２は外部電極接続用端子２１の取付部２９に形成されている。取付穴２２は、外部電極３０と接続するために形成されている。外部電極３０と外部電極接続用端子２１の固定にはネジ３１が用いられる。銅製の外部電極接続用端子２１には、Ni下地めっきとSn表面めっきが施されている。これは、外部電極接続用端子２１の表面酸化を抑止し、酸化膜による接触抵抗の増加を抑制するためである。

回路基板１９の回路パターン１５と円筒ソケット１１は前述したとおりはんだにより接合されている。はんだ付けの際、粘性を持ったはんだペーストを用いる場合のプロセスを説明する。回路パターン１５の所定の位置にはんだペーストを印刷し、印刷したはんだペーストの上には部材（IGBT、FWDi、円筒ソケット）を搭載する。回路基板１９はリフロー炉に投入され、はんだの融点以上まで加熱される。はんだは溶融し回路パターンおよび部材の所定箇所にはんだが濡れる。その後冷却され、はんだ付けによる部材と回路パターンとの接合が完了する。

このはんだ付けプロセスにおいて、円筒ソケットに位置ずれが生じる。まず、円筒ソケットにはんだが濡れる際に起こる。はんだが回路パターンと円筒ソケットに濡れる際に表面張力が円筒ソケット１１に働き、円筒ソケット１１に位置ずれを発生させる。更に、リフロー炉でのサンプルの搬送中に、振動によって円筒ソケットは位置ずれを起こす。この２つの因子により、円筒ソケットは初期の搭載位置から、大きい場合には数百μmほど位置がずれる。外部電極接続用端子２１は、挿入部２６の弾性変形により円筒ソケット１１の内壁に反発力が働くため、数百μmほどの位置ずれがあっても、導通を確保する。

半導体装置の他の接続方法と比較してみる。例えば、円筒ソケットの代わりに、ネジ穴を形成したソケットを使用して、ネジにて固定する方法を考えてみる。ネジ穴を形成するための加工は煩雑でありコスト高になる。本願発明では挿入部を用いることで、外部電極接続用端子２１を挿入するだけで、円筒ソケット１１の内壁の酸化膜を除去し、低接触抵抗となる理想的な接続を得ることができる。外部電極接続用端子２１は、例えば順送プレスによって、平板を打ち抜いて加工されているため、挿入部２６と胴体部２７と取付部２９は同じ厚さを有する。順送プレスは１つの金型の中を材料の一部をつないだ状態で加工を進めるもので、抜き、曲げ、成型、絞り、鍛造、などを含む工程を１つの金型で行う。

本発明は、ＳｉＣモジュールなどの高温動作する電力用半導体装置において、特に顕著な効果がある。電極接続部は高温になるため、電極接続部にははんだ接続信頼性が要求される。また、モジュールの小型化によって電極端子に流す電流が大電流となっており、同様にはんだ接続信頼性が要求される。はんだ付であることが一般的であった電極接続を本発明による外部電極接続用端子を採用することで、はんだの融点よりも高い温度において半導体を動作させることが可能となる。さらに、本発明による挿入部は、はんだ付と比べて、電極の接続面積が小さい。挿入部と円筒ソケットとの熱抵抗が大きくなるため、半導体から外部基板への熱伝導を抑えることができる。すなわち、半導体の熱が基板側に伝わりにくくなる。半導体の温度が高温になっても、基板の温度上昇が抑制され、基板の信頼性が高くなる。

実施の形態２．
次に、図５を用いて、実施の形態２に関わる外部電極接続用端子２１の構造を詳細に説明する。なお、半導体装置１の構造は実施の形態１で説明したものと概ね同様であるため省略する。胴体部２７には、挿入側端面２７ａと、側方側端面２７ｂと、折り曲げ側端面２７ｃが存在する。スリット２３は胴体部２７の中間部に形成されている。外部電極接続用端子２１の挿入部２６を円筒ソケット１１へ圧入する際、円筒ソケットの位置ずれが大きいために挿入部２６が塑性変形すると、所定の反発力が得られなくなる。しかしながら、外部電極接続用端子２１にスリット２３を形成することにより、外部電極接続用端子２１の２つの挿入部２６と連続した胴体部２７はスリット２３を介して、単独に変形することができる。

実施の形態２に関わる外部電極接続用端子によれば、胴体部２７は挿入部２６の圧入時に位置ずれした円筒ソケット１１に倣うように変形するため、挿入部２６の塑性変形を防止できる。円筒ソケット１１の内壁からの反発力として所定のものが得られるため、挿入部２６と円筒ソケット１１との接触抵抗は十分に低くなる。半導体装置の使用時には、通電による接触部の発熱は十分に小さくなり、半導体装置の温度上昇をあらかじめ設計した温度以下に抑えることが可能となる。

電力用半導体素子、回路パターンおよびその他の部材の発熱を効果的に放熱するためには、熱容量が必要である。本発明による半導体装置は150Ａ以上の極めて大きな電流を通電するため、外部電極接続用端子においても十分な熱容量が必要である。挿入部と円筒ソケットの接触部で発生する熱は、回路パターン側および外部電極接続用端子の胴体部側に放熱される。スリットが形成されている箇所は放熱にはほとんど寄与しない箇所であるため、温度上昇はスリットを形成しない場合と比較して、ほとんど変化が無い。

実施の形態３．
図６に実施の形態３に係る外部電極接続用端子２１を示す。スリット２３は胴体部２３の挿入側端面を起点２３ａとして折り曲げ側に向かっている。スリット２３の根元（終点）に窪み（穿孔）２４を設けることで、２つの円筒ソケットが互いに内側に位置ずれした場合に、窪み２４が変形箇所となり、胴体部２７の変形を容易にする。なお、外部電極接続用端子の材料は銅系の材料でも特に電気抵抗率が無酸素銅に近いものが良い。また挿入部２６が適切な反発力を働くためには高い剛性を持つバネ性の高い材料であることが好ましい。これらの特性を満たす材料としてMZC1（三菱伸銅株式会社製）が存在する。スリットの起点２３ａは挿入部２６と挿入部２６の間に配置されている。

実施の形態４．
図７に実施の形態４に係る外部電極接続用端子２１を示す。外部電極接続用端子２１の側方側端面２７ｂが半円状に切り取られている。胴体部２７の外側にも窪み２５を設けることで、円筒ソケットが互いに外側に位置ずれした場合でも胴体部２７の変形が容易になる。図７では窪み２５は胴体部２７の両側に２箇所設けられている。

実施の形態５．
図８から図１０は実施の形態５に係る外部電極接続用端子２１を示す。実施の形態５では外部電極接続用端子に形成されたスリット２３が取付部２９まで設けられていることを特徴とする。さらに、200Ａ以上の大電流に対応するため、1つの外部電極接続用端子から３個の挿入部２６を取り出すことを想定している。実施の形態５によれば、円筒ソケットの位置ずれが大きくなっても外部電極接続用端子は容易に変形することができる。さらに、本構造は、外部からの負荷に強い構造となる。すなわち、外部電極接続用端子２１と外部電極をネジ固定する際に、外部電極接続用端子にはねじりの力が負荷される。胴体部を超えて取付部まで伸びているスリット２３の効果で、外部電極接続用端子が回転方向の力を受けても、胴体部２７の変形が容易になる。挿入部２６には回転方向の力は直接負荷されずに、正常な接触状態を維持できる。

上記と同様の効果は、通電時のパワーサイクル負荷や温度サイクル負荷においても発揮される。即ち、外部電極接続用端子には温度変化による部材間の線膨張ミスマッチによる繰り返し負荷が生じる。本実施の形態によれば、胴体部が変形し、挿入部には繰り返し負荷が生じない構造であるため、長期に渡って高い信頼性を得ることができる。本実施の形態では、1つの外部電極接続用端子に３つの挿入部を設けた例を説明したが、４つ以上の挿入部を形成する場合でも同様の効果を発揮する。

実施の形態６．
図１１は実施の形態６に係る外部電極接続用端子２１を示す正面図である。図１２は実施の形態６に係る外部電極接続用端子２１の挿入部を示すＡ−Ａ断面図である（図１１参照）。挿入部２６は、長手方向に伸びる複数の筋または溝が表面に加工されていて、挿入部２６の断面形状は星型を呈している。上記と同様の位置ずれ抑制効果を発揮する。

実施の形態７．
図１３は実施の形態６に係る外部電極接続用端子２１を示す正面図である。図１４は実施の形態７に係る外部電極接続用端子２１の挿入部を示すＢ−Ｂ断面図である（図１３参照）。挿入部２６の断面形状は割りピン型（或いはＣ形状）を呈している。上記と同様の位置ずれ抑制効果を発揮する。挿入部２６は、平板を短手方向に湾曲させて作成する。

半導体素子にＳｉＣを用いた場合、半導体装置１はその特徴を生かすべくＳｉの時と比較してより高温で動作させることになる。ＳｉＣデバイスを搭載する半導体装置においては、半導体装置としてより高い信頼性が求められるため、高信頼の半導体装置を実現するという本発明のメリットはより効果的なものとなる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ 半導体装置、１１ 円筒ソケット、１２ IGBT、１３ FWDi、１４ はんだ、１５回路パターン、１６ 絶縁層、１７ ベース板、１８ モールド樹脂、１９ 回路基板、２１ 外部電極接続用端子、２２ 取付穴、２３ スリット、２４ 窪み、２５ 窪み、２６ 挿入部、２７ 胴体部、２８ 開口部、２９ 取付部

Claims (10)

1. 金属製のベース板に絶縁層を介して固定された回路パターンと、
   前記回路パターンに接合された半導体素子と、
   前記回路パターンに一端が接合された複数の円筒ソケットと、
   前記回路パターンと前記複数の円筒ソケットと前記半導体素子を封止する封止体と、
   前記円筒ソケットに挿入される挿入部が複数個設けられている胴体部に外部電極への取付部が連結されている外部電極接続用端子とを備えている半導体装置。
2. 前記外部電極接続用端子の取付部と胴体部は、平板を折り曲げてなることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記外部電極接続用端子は、前記胴体部の挿入側端面を起点として折り曲げ側端面に向かうスリットが設けられていて、前記スリットの起点は挿入部と挿入部の間に配置されていること特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記外部電極接続用端子は、前記スリットが前記胴体部に収まっていることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
5. 前記外部電極接続用端子は、前記スリットの終点が前記スリットの幅よりも大きく穿孔されていることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
6. 前記外部電極接続用端子は、前記胴体部の側方側端面が半円状に切り取られていることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
7. 前記外部電極接続用端子は、前記スリットが前記胴体部を超えて前記取付部まで伸びていることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
8. 前記外部電極接続用端子の挿入部は、ニードルアイ形状を有していることを特徴とする請求項１ないし７のうちいずれか１項に記載の半導体装置。
9. 前記外部電極接続用端子の挿入部は、長手方向に伸びる複数の筋が表面に加工されていることを特徴とする請求項１ないし７のうちいずれか１項に記載の半導体装置。
10. 前記外部電極接続用端子の挿入部は、断面がＣ形状を有することを特徴とする請求項１ないし７のうちいずれか１項に記載の半導体装置。

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