JP2016092346A - 電力用半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】はんだ等の接合材を用いることなく電力用半導体素子の表面との電気的な接続を確保する、信頼性が高い電力用半導体装置を提供する。
【解決手段】電力用半導体装置１００は、放熱基板１と、放熱基板１上に設けられた電力用半導体素子と、電力用半導体素子に対向するよう配設されたプリント基板５と、複数の突出部を有する波形の弾性を有する板であり、プリント基板に両端部が接合され、複数の突出部が電力用半導体素子およびプリント基板５とそれぞれ電気的に接続するよう、電力用半導体素子とプリント基板５との間に設けられた導電性の主回路用ばね４と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、インバータ等に使用される電力用半導体素子が搭載された電力用半導体装置に関するものである。

従来の電力用半導体装置は、例えば回路基板と、その回路基板に搭載された電力用半導体素子（電流を制御する半導体素子）と、回路基板の上方に設けられたプリント基板と、半導体素子とプリント基板の一部とを電気的に接続する可撓性端子とを備えたものなどがある。可撓性端子として、可撓性を有するコイルばねまたは板ばねを用い、可撓性端子の下端は、半導体素子の電極面にはんだ等の接合材を用いて接合されているものが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１４―１０７３７８号公報（段落００１２〜００１９、図１）

このような電力用半導体装置にあっては、プリント基板と電力用半導体素子は、可撓性を有するコイルばねを用いて接続し、はんだ等の接合材でコイルばねと接合されている。高温の電力用半導体素子の表面にはんだ等の接合材によるコイルばねとの接合部が存在すると、熱による膨張収縮を繰り返すと接合部での応力が増大し、剥離等が発生していた。それゆえ、信頼性に問題があった。

本発明は、上述のような問題を解決するためになされたもので、はんだ等の接合材を用いることなく電力用半導体素子の表面との電気的な接続を確保でき、信頼性が高い電力用半導体装置を提供することを目的とする。

本発明に係る電力用半導体装置は、放熱基板と、放熱基板上に設けられた電力用半導体素子と、電力用半導体素子に対向するよう配設されたプリント基板と、複数の突出部を有する波形の弾性を有する板であり、プリント基板に両端部が接合され、複数の突出部が電力用半導体素子およびプリント基板とそれぞれ電気的に接続するよう、電力用半導体素子とプリント基板との間に設けられた導電性の主回路用ばねと、を備えたものである。

本発明に係る電力用半導体装置によれば、電力用半導体素子との電気的な接続に際し、はんだ等の接合材を用いることなく主回路用ばねが電力用半導体素子の表面との電気的な接続を確保でき、信頼性が高い電力用半導体装置を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置の要部断面図である。 本発明の実施の形態１に係る主回路用ばねの外観図である。 本発明の実施の形態２に係る電力用半導体装置の要部断面図である。 本発明の実施の形態３に係る電力用半導体装置の要部断面図である。 本発明の実施の形態３に係る主回路用ばねの外観図である。 本発明の実施の形態４に係る主回路用ばねの外観図である。 本発明の実施の形態４に係る主回路用ばねの変形例の外観図である。 本発明の実施の形態５に係る主回路用ばねの長手方向断面図である。 本発明の実施の形態６に係る電力用半導体装置の要部断面図である。 本発明の実施の形態７に係るプリント基板周囲の要部断面図である。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置を図１および図２により説明する。図において、同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものであり、このことは、明細書の全文において共通することである。

図１は本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置１００の要部断面図である。図１に示すように、本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置１００は、放熱基板１、電力用半導体素子、プリント基板５、主回路用ばね４、信号用ばね３、筐体７、および押圧蓋６を備えている。

放熱基板１は、金属板１ａ、第一絶縁層１ｂ、および配線パターン１ｃで構成されている。図１に示すように、金属板１ａ、第一絶縁層１ｂ、および配線パターン１ｃが順に積層されて設けられている。金属板１ａおよび配線パターン１ｃは、銅またはアルミニウム等の金属材料が用いられ、電力用半導体素子の電流容量により金属板１ａおよび配線パターン１ｃの厚みは適宜決定される。第一絶縁層１ｂは、絶縁性と放熱性を兼ね備える必要があるため、熱伝導率が良好なアルミナ、窒化アルミニウム、若しくは窒化ホウ素等のセラミック絶縁材料、または無機フィラーを充填した有機絶縁材料が用いられる。

電力用半導体素子は放熱基板１上に設けられており、放熱基板１の配線パターン１ｃ上にはんだ等の接合材で実装されている。また、電力用半導体素子として、自己消孤型半導体素子２ａと還流用ダイオード２ｂ等がある。本発明の実施の形態１では、図１に示すように自己消孤型半導体素子２ａと還流用ダイオード２ｂが設けられている。

プリント基板５は、放熱基板１上に設けられた電力用半導体素子に対向するよう配設されている。プリント基板５の、電力用半導体素子に対向する第二絶縁層５ｃの面には、主電流が流れる主回路配線用電極パターン５ａと、電力用半導体素子の制御信号用の制御信号用電極パターン５ｂとが、エッチング等で形成されている。主回路配線用電極パターン５ａおよび制御信号用電極パターン５ｂに用いる金属材料は、銅またはアルミニウムが用いられ、大電流が流れる場合には銅が好んで用いられる。主回路配線用電極パターン５ａおよび制御信号用電極パターン５ｂの厚みは、電力用半導体装置１００の電流容量により適宜決定される。また、第二絶縁層５ｃは、エポキシ樹脂またはポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂が一般的に用いられ、補強部材としてガラス繊維を用いる場合が多い。一方、第二絶縁層５ｃは、セラミック等の無機絶縁層としても良い。

主回路用ばね４は、複数の突出部４ａを有する波形の弾性を有する導電性の板である。主回路用ばね４は、プリント基板５に両端部４ｂが接合され、複数の突出部４ａが電力用半導体素子およびプリント基板５とそれぞれ電気的に接続するよう、電力用半導体素子とプリント基板５との間に設けられている。また、主回路用ばね４は、複数の突出部４ａの内の一部の突出部４ａが自己消孤型半導体素子２ａ、および還流用ダイオード２ｂで構成された電力用半導体素子とそれぞれ接続する。

本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置１００では図１より、主回路用ばね４は放熱基板１側に突出した３つの突出部４ａおよびプリント基板５側に突出した２つの突出部４ａを有する。放熱基板１側に突出した３つの突出部４ａは、それぞれ自己消孤型半導体素子２ａ、還流用ダイオード２ｂ、および放熱基板１の配線パターン１ｃと電気的に接続している。また、プリント基板５側に突出した２つの突出部４ａはプリント基板５の主回路配線用電極パターン５ａと電気的に接続している。主回路用ばね４を用いることで、自己消孤型半導体素子２ａ、還流用ダイオード２ｂ、放熱基板１の配線パターン１ｃ、およびプリント基板５の主回路配線用電極パターン５ａを個別に配線して電気的に接続するのではなく、一括で電気的に接続することができる。よって、自己消孤型半導体素子２ａ、還流用ダイオード２ｂ、配線パターン１ｃ、および主回路配線用電極パターン５ａを個別に配線する必要がないため組立性に優れる。なお、主回路用ばね４の両端部４ｂは平面状になっており、主回路配線用電極パターン５ａにはんだ等の接合材で接合され、固定されている。

また、主回路用ばね４は、複数の突出部４ａの少なくとも１つが放熱基板１と電気的に接続していてもよい。本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置１００では、主回路用ばね４の複数の突出部４ａのうち、放熱基板１側に突出した１つの突出部４ａが放熱基板１と電気的に接続している。これにより、はんだ等の接合材を用いることなく、主回路用ばね４は放熱基板１と電気的な接続を得ることができ、高い接続信頼性を得ることができる。

図２は、本発明の実施の形態１に係る主回路用ばね４の外観図である。図２に示すように、主回路用ばね４は波形の弾性を有する板であり、複数の突出部４ａを有している。主回路用ばね４の複数の突出部４ａは、電力用半導体素子を含む放熱基板の形状に応じてそれぞれ突出度合が異なっていても良い。本発明の実施の形態１では放熱基板１側に突出した３つの突出部４ａおよびプリント基板５側に突出した２つの突出部４ａを有するが、図２より放熱基板１側に突出した３つの突出部４ａのうち最も右側の突出部４ａは、他の２つの突出部４ａより放熱基板１側に突出している。これは、右側の突出部４ａに対応する位置では、電力用半導体素子が配線パターン１ｃ上に設けられていないため、電力用半導体素子の厚みの分だけ、右側の突出部４ａは他の突出部４ａより放熱基板１側に突出しているためである。

ここで主回路用ばね４の幅（図２の紙面奥行方向）は、自己消孤型半導体素子２ａおよび還流用ダイオード２ｂ等の電力半導体素子のガードリング内に接続できる幅となっている。

主回路用ばね４は波形の弾性を有する板であり、放熱基板１とプリント基板５に挟まれ、圧力を加えると容易に変形し、自己消孤型半導体素子２ａ、還流用ダイオード２ｂ、および配線パターン１ｃとの十分な電気的接続信頼性を確保できる。また、容易に主回路用ばね４が変形するため、十分な接続信頼性を確保でき、主回路用ばね４の両端部４ｂへ加わる応力が低減し、はんだ等で接合された両端部４ｂの接続信頼性が向上する。

信号用ばね３は、一端が制御信号用電極パターン５ｂに、他端が電力用半導体素子に電気的に接続されている。

主回路用ばね４および信号用ばね３の材質としては、ばね性を有し電気抵抗が小さい導電性の金属が好ましく、例えばコルソン合金等の銅合金が用いられるが、これに限られるものではない。また、主回路用ばね４の厚みは、０．２ｍｍ〜１．０ｍｍが好ましい。主回路用ばね４の厚みが０．２ｍｍ未満では、ばね性は良好であるが、主回路用ばね４の断面積が小さくなるため導通時に発熱の問題が生じてしまう場合がある。一方、主回路用ばね４の厚みが１．０ｍｍを超えると、主回路用ばね４の断面積が大きくなるため導通時の発熱は問題ないがばね性が低下し、電力用半導体素子、プリント基板５、または主回路配線用電極パターン５ａと電気的に接続する際に接触面積が低下する場合がある。

筐体７は、放熱基板１およびプリント基板５を内包し、外周にねじ締め部７ａを有する。また、筐体７には外部端子７ｂが設けられており、主回路用ばね４が電気的に接続された主回路配線用電極パターン５ａ、および信号用ばね３が電気的に接続された制御信号用電極パターン５ｂは、筐体７に設けられた外部端子７ｂとそれぞれ導通する。外部端子７ｂは、電力用半導体装置１００と外部装置とを電気的に接続する。なお、筐体７は例えばガラス繊維で強化したポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、またはポリエチレン等の熱可塑性樹脂が好んで用いられるが、これに限られるものではない。

押圧蓋６は、筐体７と嵌合し、プリント基板５の主回路用ばね４に接続する面の反対面から押圧する。また、押圧蓋６は、プリント基板５の主回路用ばね４に接続する面の反対面に接触する突起６ａを有している。本発明の実施の形態１では、押圧蓋６はプリント基板５の第二絶縁層５ｃに突起６ａで均等に加圧し、プリント基板５と放熱基板１に挟まれた主回路用ばね４および信号用ばね３が加圧されることで弾性変形する。

これにより、主回路用ばね４は、自己消孤型半導体素子２ａ、還流用ダイオード２ｂ、配線パターン１ｃ、および主回路配線用電極パターン５ａと電気的に接続される。同様に、信号用ばね３は自己消孤型半導体素子２ａと制御信号用電極パターン５ｂを一定荷重を保ちながら電気的に接続する。主回路用ばね４と信号用ばね３が押圧蓋６で加圧され弾性変形するため、信頼性の高い電気的接続が得られる。ここで、押圧蓋６に設けられた突起６ａは、プリント基板５を均一に加圧する位置に適宜配置される。

押圧蓋６に用いる材料は、プリント基板５を均一に加圧するため剛性に優れた高強度な材料が望ましい。例えば、ガラス繊維で強化したポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、またはポリエチレン等の熱可塑性樹脂が好んで用いられるが、これに限られるものではない。また、更に高強度が必要な場合、熱可塑性樹脂内部に補強用の金属板１ａが挿入された押圧蓋６を用いてもよい。

本発明の実施の形態１では、図１に示すように押圧蓋６は筐体７と嵌合する。筐体７には押圧蓋６が嵌合するための溝７ｃが形成されており、溝７ｃに押圧蓋６を圧入することで嵌合する。溝７ｃは、押圧蓋６の厚みとほぼ同じ寸法であるが、押圧蓋６を圧入できるよう適宜寸法が調整されている。そのため、溝７ｃに押圧蓋６を容易に嵌合でき、押圧蓋６を固定することができる。また、押圧蓋６を溝７ｃに嵌合すると、押圧蓋６の突起６ａが第二絶縁層５ｃを加圧するため、主回路用ばね４と信号用ばね３が圧縮され、弾性変形する。

次に本発明の実施の形態１における電力用半導体装置１００の組立方法を説明する。放熱基板１に自己消孤型半導体素子２ａ、還流用ダイオード２ｂを実装し、主回路用ばね４と信号用ばね３が予め実装されたプリント基板５と放熱基板１とを固定するため位置決めする。その後、プリント基板５と外部端子７ｂとをはんだ等の接合材で接合し、押圧蓋６でプリント基板５を加圧し、筐体７に押圧蓋６を圧入し固定する。そして、筐体７、押圧蓋６、および放熱基板１に囲まれ形成された空間に封止樹脂を注入する。なお、封止樹脂を注入するための穴が押圧蓋６に設けられている（図示せず）。封止樹脂としては、主回路用ばね４および信号用ばね３のばね性を保つため弾性率が低い封止樹脂を用いても良い。封止樹脂としてシリコーンゲルなどを用いることが望ましいが、これに限られるものではない。

また、本発明の実施の形態１では電力用半導体素子として、自己消孤型半導体素子２ａ、還流用ダイオード２ｂの２つを放熱基板１上に設けた。放熱基板１上に電力用半導体素子を複数備え、主回路用ばね４は、複数の電力用半導体素子のそれぞれに、複数の突出部４ａの少なくとも１つが電気的に接続される構成としてもよい。主回路用ばね４が複数の電力用半導体素子のそれぞれに、複数の突出部４ａの少なくとも１つが電気的に接続されることで、複数の電力用半導体素子、放熱基板１の配線パターン１ｃ、およびプリント基板５の主回路配線用電極パターン５ａを一括で電気的に接続することができ組立性に優れ、高い接続信頼性を得ることができる。

一方、電力用半導体素子がたとえ１つの場合であっても同様に、主回路用ばね４の複数の突出部４ａの少なくとも１つが電気的に電力用半導体素子に接続される。接続は、はんだ等の接合材を用いることなく、主回路用ばね４と放熱基板１との電気的な接続を得ることができるため、高い接続信頼性を得ることができる。電力用半導体素子の表面は特に高温になるため、はんだ等の接合材を用いることなく主回路用ばね４と電気的な接続を得ることができるため、剥離等が生じることの抑制ができる。

従来、電力用半導体素子間の電気的な接続、または電力用半導体素子と配線パターン１ｃとの電気的な接続には、ワイヤーボンド接続法または先行技術文献（特開２０１４―１０７３７８号公報）に示す接続法があった。両接続法では、はんだ等の接合部材と電力半導体の接合部、またははんだ等の接合部材と配線パターン１ｃの接合部において、弾性率の違いおよび熱膨張係数の違いから応力が発生し、接合部でクラック、または剥離が生じ機械的信頼性および熱的信頼性が問題となっていた。

以上のとおり、本発明の実施の形態１における電力用半導体装置１００では、放熱基板１と、放熱基板１上に設けられた電力用半導体素子と、電力用半導体素子に対向するよう配設されたプリント基板５と、複数の突出部４ａを有する波形の弾性を有する板であり、プリント基板５に両端部４ｂが接合され、複数の突出部４ａが電力用半導体素子およびプリント基板５とそれぞれ電気的に接続するよう、電力用半導体素子とプリント基板５との間に設けられた導電性の主回路用ばね４と、を備える。

このような構成によれば、電力用半導体素子、放熱基板１、またはプリント基板５との電気的な接続に際し、接合材を用いることなく主回路用ばね４は電力用半導体素子の表面、放熱基板１、またはプリント基板５との電気的な接続を確保でき、接続の信頼性が高い電力用半導体装置１００を得ることができる。

主回路用ばね４は、電力用半導体素子、放熱基板１の配線パターン１ｃ、およびプリント基板５の主回路配線用電極パターン５ａを一括で容易に配線できるため組立性に優れる。また、電気的な接続に際し、はんだ等の接合材を用いず押圧蓋６で加圧して電気的に接続するため、接合材を用いた場合のように、熱膨張係数の違いから応力が発生し、接合部でクラック、または剥離が生じないため、機械的、熱的長期信頼性に優れる電力用半導体装置１００が得られる。

また、放熱基板１上に設けられた電力用半導体素子の厚み分だけ、放熱基板１上で段差が生じるが、主回路用ばね４の突出部４ａの放熱基板１側への飛び出し量を調整することで、電力用半導体素子、配線パターン１ｃ、および主回路配線用電極パターン５ａを簡単に一括で接続できるため、組立性に優れる。さらに、主回路用ばね４がばね性を有することから、主回路用ばね４の自由変形により各接続部での接続圧力を均等化でき、各々の接続部での接続信頼性が向上する。

ここで、電力用半導体素子にはんだ付けするためには、Ｎｉめっき等の新しいめっき層を電力用半導体素子に施す必要がありコストが増加する。一方で、本発明では電力用半導体素子にはんだ付けを施す必要がないため、既存のＡｌフロントメタル電力用半導体素子を使用でき、コストの増加を抑制することができる。

更に、プリント基板５を電力用半導体素子が実装された放熱基板１と対向するよう配置し、主回路用ばね４を介することでそれぞれの導通を得ることができる。また、主回路用ばね４は、主回路用ばね４の両端をプリント基板５に接合するのみで、容易に固定することができ、コイルばね等を用いた場合よりも接合箇所を少なくすることができる。さらに、立体的な配置をすることができるため、電力用半導体装置１００の小型化が可能となる。小型化が可能となるため、より多くの電力用半導体素子等を電力用半導体装置１００に設けることが可能となり、高密度化を図ることができる。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係る電力用半導体装置２００を図３により説明する。なお、実施の形態１に係る電力用半導体装置２００においては、プリント基板５が１層の場合を説明した。本発明の実施の形態２では、プリント基板１５が２層の変形例について説明する。以下に実施の形態１と異なる点を中心に説明し、同一または対応する部分についての説明は省略する。

図３は本発明の実施の形態２に係る電力用半導体装置２００の要部断面図である。図３に示すように、本実施の形態２における電力用半導体装置２００は、２層に電極パターンが積層されたプリント基板１５を有する。主回路用ばね４と接続する面に１層目の主回路配線用電極パターン１５ａ、および信号用ばね３と接続する面に１層目の制御信号用電極パターン１５ｂとを有し、それぞれの反対面に２層目の主回路配線用電極パターン１５ａおよび２層目の制御信号用電極パターン１５ｂとを有する。主回路配線用スルーホール１５ｄは、主回路配線用電極パターン１５ａに、制御信号用スルーホール１５ｅは、制御信号用電極パターン１５ｂに形成される。また、電力用半導体素子である自己消孤型半導体素子２ａに接続した信号用ばね３は、制御信号用スルーホール１５ｅに実装される。

主回路配線用スルーホール１５ｄは、１層目の主回路配線用電極パターン１５ａと２層目の主回路配線用電極パターン１５ａを導通するためにプリント基板１５に設けられており、主回路配線用スルーホール１５ｄを通じて１層目の主回路配線用電極パターン１５ａの配線を２層目の主回路配線用電極パターン１５ａに引き回すことができる。

制御信号用スルーホール１５ｅは、１層目の制御信号用電極パターン１５ｂと２層目の制御信号用電極パターン１５ｂを導通するためにプリント基板１５に設けられており、制御信号用スルーホール１５ｅを通じて１層目の制御信号用電極パターン１５ｂを２層目の制御信号用電極パターン１５ｂに引き回すことができる。ここで、制御信号用スルーホール１５ｅは、信号用ばね３と同等な数で形成される。信号用ばね３は、電力用半導体素子である自己消孤型半導体素子２ａにおけるゲート電極、さらにはエミッター電極と接続される。本発明の実施の形態２では、信号用ばね３は、制御信号用スルーホール１５ｅの内部にはんだ付け等で挿入実装される。信号用ばね３は、線材から作られたばねで形成されている。線材から作られた信号用ばね３は、ばね性を保持しているため、電力用半導体素子である自己消孤型半導体素子２ａのゲート電極、さらにはエミッター電極と小面積での接続が可能となる。

なお、主回路配線用スルーホール１５ｄおよび制御信号用スルーホール１５ｅは、スルーホール直径、スルーホール数、およびスルーホール内のめっき厚さについて、スルーホールを流れる電流容量により適宜設計される。

また、プリント基板１５は、２層以上から構成され、少なくとも１層が負極パターンを形成してもよい。プリント基板１５に負極パターンを形成すると、放熱基板１の配線パターン１ｃ（正極パターン）と、平行になるため電界が相殺し、電力用半導体装置２００の配線から生ずるインダクタンスを低減することができる。さらに、負極パターンが形成されたプリント基板１５は、放熱基板１と対向する位置に配置され、主回路用ばね４を介して立体的な配線構造となる。そのため、平面上に広く配線する必要が無く、電力用半導体装置２００の小型化が可能となる。

以上のとおり、本発明の実施の形態２に係る電力用半導体装置２００によると、プリント基板１５は、２層以上で構成され、主回路用ばね４と接続する面に、主回路配線用電極パターン１５ａと制御信号用電極パターン１５ｂとを有し、主回路配線用電極パターン１５ａは、主回路用ばね４と接続し、制御信号用電極パターン１５ｂは、制御信号用スルーホール１５ｅを有し、電力用半導体素子に接続した信号用ばね３が制御信号用スルーホール１５ｅに実装されることを特徴としている。また、プリント基板１５は、２層以上で構成され、主回路配線用電極パターン１５ａに主回路配線用スルーホール１５ｄが形成されたことを特徴としている。さらに、プリント基板１５は、２層以上から構成され、少なくとも一層が負極パターンを形成していることを特徴としている。

このような構成によれば、信号用ばね３は、ばね性を保持したまま電力用半導体素子と小面積で電気的に接続することができるため、接続信頼性を維持した状態でプリント基板１５、更には電力用半導体装置２００の小型化が可能となる。

また、プリント基板１５が２層以上から構成され、少なくとも１層が負極パターンを形成することで、インダクタンスを低減でき高機能化が図れる。

実施の形態３．
本発明の実施の形態３に係る電力用半導体装置３００を図４および図５により説明する。なお、本発明の実施の形態３では、主回路用ばね２４の変形例について説明する。以下に実施の形態１と異なる点を中心に説明し、同一または対応する部分についての説明は適宜省略する。

図４は本発明の実施の形態３に係る電力用半導体装置３００の要部断面図である。図５は本発明の実施の形態３に係る主回路用ばね４の外観図である。図４に示すように、主回路用ばね２４の２つの突出部２４ａは、電力用半導体素子である自己消孤型半導体素子２ａおよび還流用ダイオード２ｂとそれぞれ接続する。図５に示すように、本発明の実施の形態３における主回路用ばね２４は、図２に示す実施の形態１の主回路用ばね２４より長手方向（図５の主回路用ばね２４の両端部２４ｂを結ぶ直線方向）に短く、突出部２４ａの数が少ない負極用の主回路用ばね２４である。主回路用ばね２４はプリント基板５側に１つおよび放熱基板１側に２つの突出部２４ａを有するため、プリント基板５、自己消孤型半導体素子２ａ、および還流用ダイオード２ｂとそれぞれ電気的に接続することができる。

このような構成によれば、主回路用ばね２４は、長手方向に短くなった波形の弾性を有する板であるため、より小さい圧力で変形し、ばね性を有することから十分な電気的接続信頼性を得ることができる。また、主回路用ばね２４の長手方向の両端の両端部２４ｂは、ばねの弾性で加わる力が小さくなるため、両端の両端部２４ｂへの応力が低減し、接合部の接合信頼性が向上する。

実施の形態４．
本発明の実施の形態４に係る電力用半導体装置を図６および図７により説明する。なお、本発明の実施の形態４では、主回路用ばね３４（主回路用ばね４４）の変形例について説明する。以下に実施の形態１と異なる点を中心に説明し、同一または対応する部分についての説明は省略する。

図６は本発明の実施の形態４に係る主回路用ばね３４の外観図である。また、図７は本発明の実施の形態４に係る主回路用ばね４４の変形例の外観図である。図６に示すように、本実施の形態４における主回路用ばね３４は、長手方向に複数のスリット３４ｃを有する。図６の主回路用ばね３４は放熱基板１側に３つの突出部３４ａ、プリント基板５側に２つの突出部３４ａを有する波形の弾性を有する板であり、自己消孤型半導体素子２ａ、還流用ダイオード２ｂ、配線パターン１ｃ、並びにプリント基板５とそれぞれ電気的に接合する。一方、図７に示す主回路用ばね４４は、長手方向に複数のスリット４４ｃを有し、放熱基板１側に２つの突出部４４ａ、プリント基板５側に１つの突出部４４ａを有する波形の弾性を有する板である。自己消孤型半導体素子２ａ、還流用ダイオード２ｂ、並びにプリント基板５とそれぞれ電気的に接合する。なお、スリット４ｃは主回路用ばね４４の長手方向に設けられ、主回路配線用電極パターン５ａとはんだ等で接合する両端の両端部４４ｂには設けていない。

図６に示すように、主回路用ばね３４の長手方向にスリット３４ｃを形成すると、主回路用ばね３４の波形の板は短冊状に分割される。短冊状になった板は力が加わると変形しやすくなるため、自己消孤型半導体素子２ａ、還流用ダイオード２ｂ、配線パターン１ｃ、またはプリント基板５と、突出部３４ａとの接触面積がそれぞれ増加する。スリット３４ｃの本数は特に制約がないが、スリット３４ｃの本数が多すぎると接触できる板の面積が減少し、十分な電流容量が得られない可能性があるため、接触面積の確保に注意する必要がある。図６において、直線状のスリット３４ｃであるが形状はこれに限られず、ジグザグ状の屈曲した線等のスリット３４ｃでもよい。なお、図６に示す主回路用ばね３４の特徴を、図７に示す主回路用ばね４４も同様に有している。

以上のとおり、本発明の実施の形態４に係る電力用半導体装置によると、主回路用ばね３４（主回路用ばね４４）は、長手方向に複数のスリット３４ｃ（スリット４４ｃ）を有することを特徴としている。

このような構成によれば、主回路用ばね４の長手方向に複数のスリット３４ｃ（スリット４４ｃ）があることで主回路用ばね３４（主回路用ばね４４）は短冊状に分割され、力が加わると容易に変形するため、電力用半導体素子、配線パターン１ｃ、またはプリント基板５と、突出部４ａとの接触面積がそれぞれ増加する。よって、接触面で凹凸が発生していても個々に変形するため接続面積が十分に確保できる。それゆえ、接続信頼性が向上すると同時に、十分な電流容量を得ることができる。

実施の形態５．
本発明の実施の形態５に係る電力用半導体装置を図８により説明する。なお、本発明の実施の形態５では、主回路用ばね５４の変形例について説明する。以下に実施の形態３と異なる点を中心に説明し、同一または対応する部分についての説明は省略する。

図８は本発明の実施の形態５に係る主回路用ばね５４の長手方向断面図である。主回路用ばね５４は、複数の突出部５４ａの少なくとも一部に突起５４ｄを有している。図８に示すように、本実施の形態５における主回路用ばね５４は放熱基板１側の２つの突出部５４ａに突起５４ｄが設けられている。主回路用ばね５４と、電力用半導体素子である自己消孤型半導体素子２ａおよび還流用ダイオード２ｂと、がそれぞれ電気的に接続する箇所に突起５４ｄを設けることで、主回路用ばね５４と電力用半導体素子の表面との電気的な接続信頼性を向上することができる。一方で、突起５４ｄ形状に起因して、主回路用ばね５４と電力用半導体素子の表面との接続する面積が逆に減少する恐れがあり、その場合には電流容量が制限される可能性が生じる。そこで、突起５４ｄ形状は部分的に平面形状とし、電力用半導体素子表面との接続面積を確保する。ただし、突起５４ｄ形状は平面形状に限られるものではなく、電力用半導体素子等の表面との接続面積を確保できる形状であればよい。

主回路用ばね５４の突起５４ｄは、機械加工により形成される方法、または別部材を主回路用ばね５４に溶接等で接合し形成される方法などがある。機械加工で突起５４ｄを形成すると安価に形成可能となる。なお、本発明の実施の形態５の主回路用ばね５４に、実施の形態４で示した複数のスリットを設けてもよい。

なお、本発明の実施の形態５では、実施の形態３と異なる点を中心に説明したが、実施の形態１の主回路用ばね５４に突起５４ｄを設けても何ら問題ない。

以上のとおり、本発明の実施の形態５に係る電力用半導体装置によると、主回路用ばね５４は、複数の突出部５４ａの少なくとも一部に突起５４ｄを有していることを特徴としている。

このような構成によれば、主回路用ばね５４と電力用半導体素子、配線パターン１ｃ、または主回路配線用電極パターン５ａとが電気的に接続する箇所に突起５４ｄを設けることで、電気的な接続信頼性を向上することができる。

実施の形態６．
本発明の実施の形態６に係る電力用半導体装置６００を図９により説明する。なお、実施の形態２に係る電力用半導体装置６００においては、押圧蓋６を筐体７に圧入して固定する場合を説明した。本発明の実施の形態６では、押圧蓋６６と筐体７７をねじ締めで固定する場合の変形例について説明する。以下に実施の形態２と異なる点を中心に説明し、同一または対応する部分についての説明は省略する。

図９は本発明の実施の形態６に係る電力用半導体装置６００の要部断面図である。電力用半導体装置６００は、放熱基板１およびプリント基板１５を内包する筐体７を備え、押圧蓋６６は、筐体７とネジ止めされることを特徴とする。図９に示すように、本発明の実施の形態６における電力用半導体装置６００は、実施の形態２で図示した筐体７に押圧蓋６が嵌合する構造ではなく、筐体７７の外周に設けられたねじ締め部７７ａにおいて、筐体７７と押圧蓋６６が固定される構造である。押圧蓋６６を放熱フィン等の放熱装置とねじで締結すると、押圧蓋６６の突起６６ａがプリント基板１５を加圧し、主回路用ばね４および信号用ばね３に力を加えることができる。

なお、本発明の実施の形態６では、実施の形態２と異なる点を中心に説明したが、実施の形態１の電力用半導体装置１００に、本発明の実施の形態６の押圧蓋６６および筐体７７を適用することは何ら問題ない。

以上のとおり、本発明の実施の形態６に係る電力用半導体装置６００によると、電力用半導体装置６００は、放熱基板１およびプリント基板１５を内包する筐体７７を備え、押圧蓋６６は、筐体７７とネジ止めされることを特徴としている。

このような構成によれば、押圧蓋６６をねじ締めにより固定しているため、振動、または熱履歴等で押圧蓋６６からプリント基板５へ加わる圧力が変動するといった問題もなく、安定して力を加えることができ、信号用ばね３、および主回路用ばね４部の接続信頼性が向上する効果が得られる。

実施の形態７．
本発明の実施の形態７に係る電力用半導体装置を図１０により説明する。なお、本発明の実施の形態７では、プリント基板６５に電子部品８が実装された場合について説明する。以下に実施の形態１と異なる点を中心に説明し、同一または対応する部分についての説明は省略する。

図１０は本発明の実施の形態７に係るプリント基板６５周囲の要部断面図である。プリント基板６５は、２層以上から構成され、主回路用ばね４と接続する面と反対方向の最外層面に、電子部品８が搭載される。図１０に示すように本発明の実施の形態７において、電力用半導体装置におけるプリント基板６５は３層の電極パターンで構成されている。第二絶縁層６５ｃは平行な２層の絶縁層からなり、どちらの絶縁層の両面にも電極パターンが設けられている。

１層目の第二絶縁層６５ｃは、主回路用ばね４と接続する面に１層目の主回路配線用電極パターン６５ａ、および信号用ばね３と接続する面に１層目の制御信号用電極パターン６５ｂとを有する。また、１層目の第二絶縁層６５ｃは、１層目の主回路配線用電極パターン６５ａおよび制御信号用電極パターン６５ｂがそれぞれ形成された面の反対面に２層目の主回路配線用電極パターン６５ａおよび制御信号用電極パターン６５ｂをそれぞれ有する。さらに、２層目の第二絶縁層６５ｃは、２層目の主回路配線用電極パターン６５ａおよび制御信号用電極パターン６５ｂがそれぞれ形成された面の反対面にそれぞれ３層目の主回路配線用電極パターン６５ａおよび制御信号用電極パターン６５ｂをそれぞれ有する。主回路配線用スルーホール６５ｄは、主回路配線用電極パターン６５ａに、制御信号用スルーホール６５ｅは、制御信号用電極パターン６５ｂに形成される。

信号用ばね３は、制御信号用スルーホール６５ｅに実装される。さらに、主回路用ばね４と接続する面（１層目の主回路配線用電極パターン６５ａ）と反対方向の最外層面は、抵抗等の電子部品８が搭載されたドライブ回路となっている。

以上のとおり、本発明の実施の形態７に係る電力用半導体装置によると、プリント基板６５は、２層以上から構成され、主回路用ばね４と接続する面と反対方向の最外層面に、電子部品８が搭載されることを特徴としている。

このような構成によれば、抵抗等の電子部品８が搭載されたドライブ回路が内蔵された電力用半導体装置であるため、ドライブ回路を電力用半導体装置の外部に設ける場合に比べ、電力用半導体素子との配線距離が短くなり応答性が向上する。よって、信頼性が高く小型化が可能な電力用半導体装置を得ることができる。

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

１ 放熱基板、２ａ 自己消孤型半導体素子、２ｂ 還流用ダイオード、３ 信号用ばね、４ 主回路用ばね、４ａ突出部、４ｂ 両端部、４ｃ スリット、４ｄ 突起、５ プリント基板、５ａ 主回路配線用電極パターン、５ｂ 制御信号用電極パターン、５ｄ 主回路配線用スルーホール、５ｅ 制御信号用スルーホール、６ 押圧蓋、６ａ 突起、７ 筐体、８ 電子部品

Claims (14)

1. 放熱基板と、
   前記放熱基板上に設けられた電力用半導体素子と、
   前記電力用半導体素子に対向するよう配設されたプリント基板と、
   複数の突出部を有する波形の弾性を有する板であり、前記プリント基板に両端部が接合され、前記複数の突出部が前記電力用半導体素子および前記プリント基板とそれぞれ電気的に接続するよう、前記電力用半導体素子と前記プリント基板との間に設けられた導電性の主回路用ばねと、
   を備える電力用半導体装置。
2. 前記電力用半導体素子を複数備え、
   前記主回路用ばねは、複数の前記電力用半導体素子のそれぞれに、前記複数の突出部の少なくとも１つが電気的に接続される
   請求項１に記載の電力用半導体装置。
3. 前記プリント基板は、２層以上で構成され、前記主回路用ばねと接続する面に、主回路配線用電極パターンと制御信号用電極パターンとを有し、
   前記主回路配線用電極パターンは、前記主回路用ばねと接続し、
   前記制御信号用電極パターンは、制御信号用スルーホールを有し、前記電力用半導体素子に接続した信号用ばねが前記信号用スルーホールに実装される
   請求項１または請求項２に記載の電力用半導体装置。
4. 前記電力用半導体素子は、自己消弧型半導体素子と還流用ダイオードとで構成され、
   前記主回路用ばねは、前記複数の突出部の内の一部の突出部が前記自己消弧型半導体素子、および前記還流用ダイオードとそれぞれ接続する
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の電力用半導体装置。
5. 前記主回路用ばねは、長手方向に複数のスリットを有する
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の電力用半導体装置。
6. 前記主回路用ばねは、前記複数の突出部の少なくとも一部に突起を有している
   請求項１〜５のいずれか一項に記載の電力用半導体装置。
7. 前記プリント基板の前記主回路用ばねに接続する面の反対面から押圧する押圧蓋
   を備える請求項１〜６のいずれか一項に記載の電力用半導体装置。
8. 前記押圧蓋は、前記反対面と接触する突起を有する
   請求項７に記載の電力用半導体装置。
9. 前記放熱基板および前記プリント基板を内包する筐体を備え、
   前記押圧蓋は、前記筐体と嵌合する
   請求項７または請求項８に記載の電力用半導体装置。
10. 前記放熱基板および前記プリント基板を内包する筐体を備え、
    前記押圧蓋は、前記筐体とネジ止めされる
    請求項７または請求項８に記載の電力用半導体装置。
11. 前記主回路用ばねは、前記複数の突出部の少なくとも１つが前記放熱基板と電気的に接続する
    請求項１〜１０のいずれか一項に記載の電力用半導体装置。
12. 前記プリント基板は、２層以上で構成され、前記主回路配線用電極パターンに主回路配線用スルーホールが形成された
    請求項３に記載の電力用半導体装置。
13. 前記プリント基板は、２層以上から構成され、少なくとも一層が負極パターンを形成する
    請求項１〜１２のいずれか一項に記載の電力用半導体装置。
14. 前記プリント基板は、２層以上から構成され、前記主回路用ばねと接続する面と反対方向の最外層面に、電子部品が搭載される
    請求項１〜１３のいずれか一項に記載の電力用半導体装置。

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