JP3749137B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（以下、ＩＧＢＴという）、ＭＯＳトランジスタ（以下、ＭＯＳＦＥＴという）等の半導体素子を金属製のベースプレートに実装するのに好適に用いられる半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、例えばＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等を備えた半導体装置としては、モータ制御に用いるインバータ等のパワーモジュールが知られている（例えば、特開２０００−５８７４６号公報）。
【０００３】
この種の従来技術による半導体装置は、金属板等により形成されたベースプレート上にパッケージ化された半導体素子が実装されている。また、半導体素子にはパッケージの外側に面して電極端子が設けられ、この電極端子は、金属板等からなるバスバ電極によって外部の電源等に接続されている。
【０００４】
そして、半導体素子の作動時には、電源側からバスバ電極、電極端子等を通じて半導体素子に大きな電流が供給され、この電流は例えば電動モータ用の駆動電流として半導体素子から出力されるものである。このため、半導体素子の電極端子とバスバ電極とは、両者間の抵抗が小さくなるように互いに面接触状態で衝合され、この状態でねじ止め等の手段によって接続されている。
【０００５】
また、従来技術にあっては、半導体素子とバスバ電極との間をベースプレートによって接続する構成としたものもある。この場合、半導体素子は、例えば絶縁基板等を介してベースプレート上に実装され、その電極は金属線等を介してベースプレートに接続されている。また、バスバ電極は、半導体素子から離れた位置でベースプレート上にねじ止めされることにより、ベースプレートと面接触状態で接続されている。そして、半導体素子の作動時には、電源側からバスバ電極、ベースプレート、金属線等を介して半導体素子に電流が供給されるものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来技術では、例えばバスバ電極をベースプレート上にねじ止めすることによって接続する構成としている。しかし、この場合には、取付ねじを挿通するためのねじ穴がベースプレートとバスバ電極の接触面に穿設されるため、これらの接触面積（電流経路の面積）がねじ穴の面積分だけ減少する。
【０００７】
しかも、これらのねじ穴内に配置される取付ねじは、例えば銅、アルミニウム等の高い導電率をもつ金属材料により形成されたベースプレートやバスバ電極と比較して抵抗が大きいため、ベースプレートとバスバ電極との間に大きな電流が供給される場合でも、取付ねじには微小な電流が流れるに過ぎない。
【０００８】
このため、従来技術では、例えばバスバ電極を大型化しない限り、ベースプレートとバスバ電極との間に十分な面積をもつ電流経路を確保するのが難しくなり、半導体装置を大電流に対して容易に適用できないという問題がある。
【０００９】
また、ベースプレートとバスバ電極との間に電流が流れるときには、取付ねじとねじ穴との間で抵抗が大きくなるため、これらの接触部位が局部的に発熱して高温となる虞れがあり、耐久性、信頼性が低下するという問題もある。
【００１０】
本発明は上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、本発明の目的は、簡単な構造でベースプレートとバスバ電極とを安定的に接続でき、バスバ電極を小型化しつつ、大きな面積の電流経路を確保できると共に、耐久性、信頼性を向上できるようにした半導体装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために本発明は、金属材料により形成されたベースプレートと、該ベースプレートに実装された半導体素子と、金属材料により形成され前記ベースプレートを通じて該半導体素子に電力を供給するため該半導体素子から離れた位置で前記ベースプレートの表面側に接続されたバスバ電極とからなる半導体装置に適用される。
【００１２】
そして、請求項１の発明が採用する構成の特徴は、ベースプレートには前記バスバ電極が接続される位置に空隙部を設け、該空隙部は前記バスバ電極を前記ベースプレートの表面に半田を用いて接続するときに前記バスバ電極から半導体素子側に熱が伝わるのを抑制する構成としたことにある。
【００１３】
このように構成することにより、バスバ電極をベースプレート上に半田付けして接続できるから、これらの間には半田材料を介して電流経路となる大きな接合面積を確保することができる。そして、バスバ電極を半田付けするために加熱するときには、その熱が半導体素子側の部位を含めてベースプレート全体に逃げるのを空隙部によって抑制でき、バスバ電極を効率よく加熱することができる。
【００１４】
また、請求項２の発明によると、ベースプレートは前記バスバ電極と空隙部との間の部位を熱抵抗を与えるために薄肉に形成する構成としている。
【００１５】
これにより、ベースプレートのうちバスバ電極を接続する部位を空隙部によって薄肉に形成できるから、バスバ電極を加熱してベースプレートに半田付けするときには、この薄肉部位によってバスバ電極の近傍部位と半導体素子側の部位との間に熱抵抗を与えることができ、バスバ電極側の熱が半導体素子側に逃げるのを抑制することができる。
【００１６】
また、請求項３の発明によると、空隙部は前記ベースプレートの表面と裏面との間を側面から切込んだ切込部により形成する構成としている。
【００１７】
これにより、ベースプレートのうちバスバ電極と切込部との間に位置する平板状の部位を薄肉に形成できるから、バスバ電極をこの薄肉部位上に半田付けすることにより、半田付け時の熱が半導体素子側の部位に逃げるのを抑制することができる。
【００１８】
さらに、請求項４の発明によると、空隙部は前記ベースプレートの表面と裏面との間にベースプレートに沿って穿設した穴部またはベースプレート裏面に設けた凹溝部により形成する構成としている。
【００１９】
これにより、ベースプレートのうちバスバ電極を接続する部位を穴部または凹溝部によって薄肉に形成できるから、バスバ電極を半田付けするときの熱が半導体素子側の部位に逃げるのを抑制することができる。
【００２０】
また、請求項５の発明によると、半導体素子を絶縁ゲート型バイポーラトランジスタまたはＭＯＳトランジスタによって構成している。
【００２１】
これにより、例えばＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等からなる大電力型の半導体素子に対しても、バスバ電極とベースプレートとを半田付けすることによって十分な電流を供給することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態による半導体装置を、モータ制御用の電子回路に適用した場合を例に挙げ、添付図面を参照して詳細に説明する。
【００２３】
１は半導体装置のベース部分となるベースプレートで、該ベースプレート１は、例えば銅、アルミニウム、またはこれらの合金等を含んだ金属材料からなり、四角形の平板状に形成されると共に、その表面１Ａ側には、後述の絶縁基板３、金属板４、半導体素子５、バスバ電極７等が搭載されている。
【００２４】
また、ベースプレート１のうちバスバ電極７が搭載された部位には、図２、図３に示す如く、その表面１Ａと裏面１Ｂとの間に位置して後述の切込部９が設けられている。これにより、ベースプレート１のうちバスバ電極７と切込部９との間に位置する表面１Ａ側の部位は、例えば０．５〜５．０ｍｍ程度の厚さｔを有する四角形状の薄肉部２として形成され、該薄肉部２は、バスバ電極７の近傍部位と半導体素子５側の部位との間に熱抵抗を与えるように構成されている。
【００２５】
３はベースプレート１の表面１Ａ側に設けられた絶縁基板で、該絶縁基板３は、例えば絶縁性の樹脂膜等によって形成され、ベースプレート１上に接着剤等を用いて固着されると共に、ベースプレート１と金属板４との間を絶縁している。
【００２６】
４はベースプレート１上に絶縁基板３を介して搭載された金属板で、該金属板４は、例えば銅、アルミニウム等の金属材料により四角形の平板状に形成され、その裏面側がバスバ電極７から離れた位置で絶縁基板３上に固着されている。また、半導体素子５が給電されたときには、半導体素子５から発生する熱が金属板４を通じてベースプレート１側に放熱されるものである。
【００２７】
５はベースプレート１上に絶縁基板３と金属板４とを介して実装された半導体素子で、該半導体素子５は、例えばＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子からなり、金属板４の表面側に半田付けされている。また、半導体素子５は、例えば表面側に位置するドレイン電極が金属線６，６等を介してベースプレート１と接続され、裏面側に位置するソース電極が金属板４と接続されると共に、ゲート電極が他の金属線（図示せず）等を用いて外部に引出されている。
【００２８】
ここで、本実施の形態による半導体装置は、例えば複数個の半導体装置が整流用のダイオード等と一緒に接続されることによってインバータ回路、Ｈブリッジ回路等を構成するものであり、これらのインバータ回路、Ｈブリッジ回路は、外部の電源から電動モータ（いずれも図示せず）に向けて駆動電流を供給するものである。そして、半導体素子５は、例えばドレイン電極とソース電極とが電源と電動モータとの間に接続され、ゲート電極がモータ制御用のコントロールユニット等に接続される構成となっている。
【００２９】
７は半導体素子５を外部に接続するためベースプレート１上に半田付けして設けられたバスバ電極で、該バスバ電極７は、例えば銅、アルミニウム、またはこれらの合金等を含んだ金属材料からなり、断面Ｌ字状に形成されている。
【００３０】
そして、バスバ電極７は、図２、図３に示す如く、後述の半田層８によってベースプレート１の薄肉部２上に面接触状態で固定、接続された四角形の固定板部７Ａと、該固定板部７Ａ上に突設された突板部７Ｂとによって構成され、固定板部７Ａは、例えば半導体素子５に対して図２中の間隔Ｄ分だけ離れた位置に配設されている。
【００３１】
８はベースプレート１の表面１Ａとバスバ電極７の固定板部７Ａとの間に設けられた半田層で、該半田層８は、後述の図４に示す如くベースプレート１上に半田材料８′を配置して溶融させることにより形成され、バスバ電極７の固定板部７Ａに対応する四角形の範囲に配設されると共に、固定板部７Ａの裏面全体とベースプレート１との間を接続している。
【００３２】
９はベースプレート１に設けられた空隙部としての切込部で、該切込部９は、図２、図３に示す如く、ベースプレート１の表面１Ａと裏面１Ｂとの間に位置する板厚方向の途中部位を側面から切込むことによりスリット状の溝として形成されている。そして、切込部９は、少なくともバスバ電極７の固定板部７Ａ全体を裏面側から覆うように、固定板部７Ａの裏面と平行に該固定板部７Ａの位置を横切り、ベースプレート１の内部に表面１Ａに沿ってほぼ水平方向に延設されている。
【００３３】
これにより、切込部９は、ベースプレート１のうちバスバ電極７の固定板部７Ａが接続された部位に薄肉部２を形成し、後述の図５に示す如く固定板部７Ａを加熱するときには、その熱が半導体素子５側の部位を含めてベースプレート１全体に逃げるのを抑制するものである。
【００３４】
また、切込部９は、図２に示す如く、半導体素子５に対してバスバ電極７とほぼ等しい間隔Ｄ′分だけ離れた位置に配設されている。これにより、半導体素子５から発生する熱が金属板４を介してベースプレート１側に放熱されるときには、この熱伝達が切込部９によって妨げられないように、熱の伝達経路を確保する構成となっている。
【００３５】
特に、半導体素子５から発生する熱は、図２中の境界線Ｌよりも半導体素子５側に位置する部位でベースプレート１に伝達し易いので、切込部９は、この境界線Ｌよりも半導体素子５から離れた位置に形成されている。この場合、境界線Ｌは、例えば金属板４の外縁側を起点としてベースプレート１の表面１Ａに対し４５°程度の角度θ分だけ斜めに傾斜した直線である。これにより、半導体素子５からベースプレート１に向けて熱伝達を効率よく行うことができる。
【００３６】
本実施の形態による半導体装置は上述の如き構成を有するもので、次にその作動について説明する。
【００３７】
まず、モータ制御用のコントロールユニット等から半導体素子５のゲート電極に向けて制御信号が出力され、半導体素子５がＯＮしたときには、例えばバスバ電極７に供給される電流がベースプレート１、金属線６等を介して半導体素子５を流れ、金属板４から他の配線等を介して電動モータに供給される。
【００３８】
このとき、バスバ電極７からベースプレート１に流込む電流は、図２中の矢示Ａに示す如く、その大部分が薄肉部２の表面側に沿って流れるようになる。このため、バスバ電極７が薄肉部２に接続されている状態でも、ベースプレート１中の電流経路は切込部９によって影響を受けることがなく、この電流をバスバ電極７から薄肉部２を介して半導体素子５側へと円滑に供給することができる。
【００３９】
また、半導体素子５は給電されることによって発熱するが、切込部９は半導体素子５から十分な間隔Ｄ′をもって離間しているので、このときの熱を金属板４を介してベースプレート１側に効率よく放熱することができる。
【００４０】
次に、半導体装置の組立時に行うベースプレート１とバスバ電極７との接続作業について説明する。
【００４１】
まず、バスバ電極７の接続時には、図４に示す如く、ベースプレート１に対して薄肉部２上の所定位置に半田材料８′を配置する。この場合、半田材料８′は、ペースト状に形成して薄肉部２上に塗布、印刷するか、または四角形のシート状に形成して薄肉部２上に貼付ける。そして、半田材料８′の表面側にバスバ電極７の固定板部７Ａを載置する。
【００４２】
次に、バスバ電極７を半田付けするときには、図５に示す如く、例えば抵抗加熱装置１１等を用いてバスバ電極７の固定板部７Ａを抵抗加熱することにより、半田材料８′を溶融させる。
【００４３】
この場合、まず抵抗加熱装置１１の電極棒１１Ａ，１１Ａをバスバ電極７の固定板部７Ａの両側部位に押付け、図６中の矢示Ｂに示す如く固定板部７Ａを介して各電極棒１１Ａ間に大きな電流を通電する。これにより、固定板部７Ａには、その抵抗値と電流値とに応じたジュール熱が発生するようになるため、半田材料８′が溶融し、バスバ電極７がベースプレート１上に半田付けされる。
【００４４】
このとき、固定板部７Ａは、ベースプレート１の薄肉部２上に配置されているので、薄肉部２によってバスバ電極７の近傍部位と半導体素子５側の部位との間に熱抵抗を付与できると共に、固定板部７Ａで発生する熱がベースプレート１全体に伝わるのを切込部９によって抑制でき、固定板部７Ａを効率よく加熱することができる。
【００４５】
かくして、本実施の形態では、ベースプレート１に切込部９を設け、ベースプレート１の薄肉部２上には、バスバ電極７の固定板部７Ａを半田層８によって接続する構成としたので、半田付けを用いた簡単な接続構造により、バスバ電極７の固定板部７Ａ全体をベースプレート１に対して面接触状態で安定的に接続でき、固定板部７Ａを大型化することなく、これらの間に広い面積をもつ電流経路を容易に確保することができる。
【００４６】
この場合、ベースプレート１には、バスバ電極７の固定板部７Ａ全体を裏面側から覆うように延びた切込部９を設けているので、固定板部７Ａの半田付け時には、固定板部７Ａの裏面側全体を薄肉部２上に接続でき、バスバ電極７側の熱が半導体素子５側の部位を含めたベースプレート１全体に逃げるのを切込部９によって確実に抑制できると共に、バスバ電極７を速やかに加熱して半田付け作業を効率よく行うことができる。
【００４７】
また、切込部９は、半導体素子５とバスバ電極７との間の間隔Ｄとほぼ等しい間隔Ｄ′分だけ半導体素子５から離れた位置に配設しているので、半導体装置の作動時には、半導体素子５から発生する熱をベースプレート１側に円滑に放熱でき、その作動を安定させることができる。
【００４８】
従って、本実施の形態によれば、例えばＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等からなる大電力型の半導体素子５に対しても、ベースプレート１、バスバ電極７等を介して十分な電流を供給でき、バスバ電極７を小型化しつつ、電流供給量の適用範囲等を広げて半導体装置の性能を向上させることができる。
【００４９】
そして、従来技術のようにバスバ電極７のねじ止め等を行う必要がなくなるから、このねじ止め部位等が通電によって局部的に発熱するのを防止でき、耐久性、信頼性を高めることができる。また、ねじ穴の穿設作業等を行う必要がなくなり、半導体装置を効率よく組立てることができる。
【００５０】
なお、前記実施の形態では、ベースプレート１に空隙部となる切込部９を設ける構成としたが、本発明はこれに限らず、例えば図７に示す第１の変形例のように、ベースプレート１には、空隙部としてバスバ電極７の位置で表面１Ａと裏面１Ｂとの間をほぼ水平方向に延びた貫通孔または有底穴等からなる穴部２１を穿設し、該穴部２１を固定板部７Ａの裏面と平行に固定板部７Ａの位置を横切るように配置し、薄肉部２を形成する構成としてもよい。
【００５１】
また、図８に示す第２の変形例のように、ベースプレート１の裏面１Ｂ側に空隙部となる凹溝部２２を設け、該凹溝部２２を固定板部７Ａの裏面と平行に固定板部７Ａの位置を横切るように配置し、薄肉部２を形成する構成としてもよい。
【００５２】
また、前記実施の形態では、ベースプレート１上に１個の半導体素子５とバスバ電極７とを設けた場合を例に挙げて述べたが、本発明はこれに限らず、例えば図９に示す第３の変形例のように、ベースプレート１上に２個または３個以上の半導体素子５とバスバ電極７とを設ける構成としてもよい。
【００５３】
さらに、前記実施の形態では、抵抗加熱装置１１を用いてバスバ電極７の固定板部７Ａを抵抗加熱する構成としたが、本発明はこれに限らず、例えばバスバ電極７を予め加熱（プリヒート）しておき、その抵抗値を増大させた状態で固定板部７Ａに通電する構成としてもよい。
【００５４】
また、実施の形態では、半導体装置をモータ制御用のインバータ回路、Ｈブリッジ回路等に適用した場合を例に挙げて述べたが、本発明はこれに限らず、大電力を扱う半導体素子が搭載された各種の半導体装置に適用されるものである。
【００５５】
【発明の効果】
以上詳述した通り、請求項１の発明によれば、ベースプレートには、バスバ電極をベースプレートの表面に半田を用いて接続するときに半導体素子側に熱が伝わるのを抑制する空隙部を設ける構成としたので、半田付けを用いた簡単な接続構造により、ベースプレートとバスバ電極との間に広い面積をもつ電流経路を容易に確保することができる。そして、バスバ電極の半田付け時には、バスバ電極に加わる熱が半導体素子側の部位を含めたベースプレート全体に逃げるのを空隙部によって抑制でき、半田付け作業を効率よく行うことができる。従って、例えば大電力型の半導体素子等に対しても、ベースプレート、バスバ電極等を介して十分な電流を供給でき、バスバ電極を小型化しつつ、電流供給量の適用範囲等を広げて半導体装置の性能を向上させることができる。また、従来技術のようにバスバ電極のねじ止め等を行う必要がなくなるから、ねじ止め部位等の発熱を防止して耐久性、信頼性を高めることができる。
【００５６】
また、請求項２の発明によれば、ベースプレートはバスバ電極と空隙部との間の部位を熱抵抗を与えるために薄肉に形成する構成としたので、バスバ電極を加熱してベースプレートに半田付けするときには、この薄肉部位によってバスバ電極の近傍部位と半導体素子側の部位との間に熱抵抗を与えることができ、バスバ電極側の熱が半導体素子側に逃げるのを抑制することができる。
【００５７】
また、請求項３の発明によれば、空隙部はベースプレートの表面と裏面との間を側面から切込んだ切込部により形成する構成としたので、ベースプレートのうちバスバ電極と切込部との間に位置する平板状の部位を薄肉に形成できるから、バスバ電極の裏面側全体をこの薄肉部位上に半田付けすることができ、半田付け時の熱が半導体素子側の部位に逃げるのを抑制することができる。
【００５８】
さらに、請求項４の発明によれば、空隙部はベースプレートの表面と裏面との間にベースプレートに沿って穿設した穴部またはベースプレート裏面に設けた凹溝部により形成する構成としたので、ベースプレートのうちバスバ電極を接続する部位を穴部または凹溝部によって薄肉に形成でき、バスバ電極を半田付けするときの熱が半導体素子側の部位に逃げるのを抑制することができる。
【００５９】
また、請求項５の発明によれば、半導体素子を、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタまたはＭＯＳトランジスタによって構成したので、例えばＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等からなる大電力型の半導体素子に対しても、バスバ電極とベースプレートとを介して十分な電流を供給でき、半導体装置の性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による半導体装置を示す斜視図である。
【図２】図１中の矢示II-II方向からみた半導体装置の拡大断面図である。
【図３】図１中の矢示III−III方向からみた半導体装置の拡大断面図である。
【図４】半導体装置の組立時にベースプレート上に半田材料とバスバ電極とを配置する状態を示す部分斜視図である。
【図５】抵抗加熱装置によりバスバ電極を加熱してベースプレート上にバスバ電極を半田付けする状態を示す部分斜視図である。
【図６】図５中の矢示VI-VI方向からみた半導体装置の拡大断面図である。
【図７】本発明の第１の変形例による半導体装置を示す斜視図である。
【図８】本発明の第２の変形例による半導体装置を示す斜視図である。
【図９】本発明の第３の変形例による半導体装置を示す部分斜視図である。
【符号の説明】
１ ベースプレート
２ 薄肉部
３ 絶縁基板
４ 金属板
５ 半導体素子
６ 金属線
７ バスバ電極
７Ａ 固定板部
７Ｂ 突板部
８ 半田層
８′半田材料
９ 切込部（空隙部）
２１ 穴部（空隙部）
２２ 凹溝部（空隙部）
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（以下、ＩＧＢＴという）、ＭＯＳトランジスタ（以下、ＭＯＳＦＥＴという）等の半導体素子を金属製のベースプレートに実装するのに好適に用いられる半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、例えばＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等を備えた半導体装置としては、モータ制御に用いるインバータ等のパワーモジュールが知られている（例えば、特開２０００−５８７４６号公報）。
【０００３】
この種の従来技術による半導体装置は、金属板等により形成されたベースプレート上にパッケージ化された半導体素子が実装されている。また、半導体素子にはパッケージの外側に面して電極端子が設けられ、この電極端子は、金属板等からなるバスバ電極によって外部の電源等に接続されている。
【０００４】
そして、半導体素子の作動時には、電源側からバスバ電極、電極端子等を通じて半導体素子に大きな電流が供給され、この電流は例えば電動モータ用の駆動電流として半導体素子から出力されるものである。このため、半導体素子の電極端子とバスバ電極とは、両者間の抵抗が小さくなるように互いに面接触状態で衝合され、この状態でねじ止め等の手段によって接続されている。
【０００５】
また、従来技術にあっては、半導体素子とバスバ電極との間をベースプレートによって接続する構成としたものもある。この場合、半導体素子は、例えば絶縁基板等を介してベースプレート上に実装され、その電極は金属線等を介してベースプレートに接続されている。また、バスバ電極は、半導体素子から離れた位置でベースプレート上にねじ止めされることにより、ベースプレートと面接触状態で接続されている。そして、半導体素子の作動時には、電源側からバスバ電極、ベースプレート、金属線等を介して半導体素子に電流が供給されるものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来技術では、例えばバスバ電極をベースプレート上にねじ止めすることによって接続する構成としている。しかし、この場合には、取付ねじを挿通するためのねじ穴がベースプレートとバスバ電極の接触面に穿設されるため、これらの接触面積（電流経路の面積）がねじ穴の面積分だけ減少する。
【０００７】
しかも、これらのねじ穴内に配置される取付ねじは、例えば銅、アルミニウム等の高い導電率をもつ金属材料により形成されたベースプレートやバスバ電極と比較して抵抗が大きいため、ベースプレートとバスバ電極との間に大きな電流が供給される場合でも、取付ねじには微小な電流が流れるに過ぎない。
【０００８】
このため、従来技術では、例えばバスバ電極を大型化しない限り、ベースプレートとバスバ電極との間に十分な面積をもつ電流経路を確保するのが難しくなり、半導体装置を大電流に対して容易に適用できないという問題がある。
【０００９】
また、ベースプレートとバスバ電極との間に電流が流れるときには、取付ねじとねじ穴との間で抵抗が大きくなるため、これらの接触部位が局部的に発熱して高温となる虞れがあり、耐久性、信頼性が低下するという問題もある。
【００１０】
本発明は上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、本発明の目的は、簡単な構造でベースプレートとバスバ電極とを安定的に接続でき、バスバ電極を小型化しつつ、大きな面積の電流経路を確保できると共に、耐久性、信頼性を向上できるようにした半導体装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために本発明は、金属材料により形成されたベースプレートと、該ベースプレートに実装された半導体素子と、金属材料により形成され前記ベースプレートを通じて該半導体素子に電力を供給するため該半導体素子から離れた位置で前記ベースプレートの表面側に接続されたバスバ電極とからなる半導体装置に適用される。
【００１２】
そして、請求項１の発明が採用する構成の特徴は、ベースプレートには前記バスバ電極が接続される位置に空隙部を設け、該空隙部は前記バスバ電極を前記ベースプレートの表面に半田を用いて接続するときに前記バスバ電極から半導体素子側に熱が伝わるのを抑制する構成としたことにある。
【００１３】
このように構成することにより、バスバ電極をベースプレート上に半田付けして接続できるから、これらの間には半田材料を介して電流経路となる大きな接合面積を確保することができる。そして、バスバ電極を半田付けするために加熱するときには、その熱が半導体素子側の部位を含めてベースプレート全体に逃げるのを空隙部によって抑制でき、バスバ電極を効率よく加熱することができる。
【００１４】
また、請求項２の発明によると、ベースプレートは前記バスバ電極と空隙部との間の部位を熱抵抗を与えるために薄肉に形成する構成としている。
【００１５】
これにより、ベースプレートのうちバスバ電極を接続する部位を空隙部によって薄肉に形成できるから、バスバ電極を加熱してベースプレートに半田付けするときには、この薄肉部位によってバスバ電極の近傍部位と半導体素子側の部位との間に熱抵抗を与えることができ、バスバ電極側の熱が半導体素子側に逃げるのを抑制することができる。
【００１６】
また、請求項３の発明によると、空隙部は前記ベースプレートの表面と裏面との間を側面から切込んだ切込部により形成する構成としている。
【００１７】
これにより、ベースプレートのうちバスバ電極と切込部との間に位置する平板状の部位を薄肉に形成できるから、バスバ電極をこの薄肉部位上に半田付けすることにより、半田付け時の熱が半導体素子側の部位に逃げるのを抑制することができる。
【００１８】
さらに、請求項４の発明によると、空隙部は前記ベースプレートの表面と裏面との間にベースプレートに沿って穿設した穴部またはベースプレート裏面に設けた凹溝部により形成する構成としている。
【００１９】
これにより、ベースプレートのうちバスバ電極を接続する部位を穴部または凹溝部によって薄肉に形成できるから、バスバ電極を半田付けするときの熱が半導体素子側の部位に逃げるのを抑制することができる。
【００２０】
また、請求項５の発明によると、半導体素子を絶縁ゲート型バイポーラトランジスタまたはＭＯＳトランジスタによって構成している。
【００２１】
これにより、例えばＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等からなる大電力型の半導体素子に対しても、バスバ電極とベースプレートとを半田付けすることによって十分な電流を供給することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態による半導体装置を、モータ制御用の電子回路に適用した場合を例に挙げ、添付図面を参照して詳細に説明する。
【００２３】
１は半導体装置のベース部分となるベースプレートで、該ベースプレート１は、例えば銅、アルミニウム、またはこれらの合金等を含んだ金属材料からなり、四角形の平板状に形成されると共に、その表面１Ａ側には、後述の絶縁基板３、金属板４、半導体素子５、バスバ電極７等が搭載されている。
【００２４】
また、ベースプレート１のうちバスバ電極７が搭載された部位には、図２、図３に示す如く、その表面１Ａと裏面１Ｂとの間に位置して後述の切込部９が設けられている。これにより、ベースプレート１のうちバスバ電極７と切込部９との間に位置する表面１Ａ側の部位は、例えば０．５〜５．０ｍｍ程度の厚さｔを有する四角形状の薄肉部２として形成され、該薄肉部２は、バスバ電極７の近傍部位と半導体素子５側の部位との間に熱抵抗を与えるように構成されている。
【００２５】
３はベースプレート１の表面１Ａ側に設けられた絶縁基板で、該絶縁基板３は、例えば絶縁性の樹脂膜等によって形成され、ベースプレート１上に接着剤等を用いて固着されると共に、ベースプレート１と金属板４との間を絶縁している。
【００２６】
４はベースプレート１上に絶縁基板３を介して搭載された金属板で、該金属板４は、例えば銅、アルミニウム等の金属材料により四角形の平板状に形成され、その裏面側がバスバ電極７から離れた位置で絶縁基板３上に固着されている。また、半導体素子５が給電されたときには、半導体素子５から発生する熱が金属板４を通じてベースプレート１側に放熱されるものである。
【００２７】
５はベースプレート１上に絶縁基板３と金属板４とを介して実装された半導体素子で、該半導体素子５は、例えばＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子からなり、金属板４の表面側に半田付けされている。また、半導体素子５は、例えば表面側に位置するドレイン電極が金属線６，６等を介してベースプレート１と接続され、裏面側に位置するソース電極が金属板４と接続されると共に、ゲート電極が他の金属線（図示せず）等を用いて外部に引出されている。
【００２８】
ここで、本実施の形態による半導体装置は、例えば複数個の半導体装置が整流用のダイオード等と一緒に接続されることによってインバータ回路、Ｈブリッジ回路等を構成するものであり、これらのインバータ回路、Ｈブリッジ回路は、外部の電源から電動モータ（いずれも図示せず）に向けて駆動電流を供給するものである。そして、半導体素子５は、例えばドレイン電極とソース電極とが電源と電動モータとの間に接続され、ゲート電極がモータ制御用のコントロールユニット等に接続される構成となっている。
【００２９】
７は半導体素子５を外部に接続するためベースプレート１上に半田付けして設けられたバスバ電極で、該バスバ電極７は、例えば銅、アルミニウム、またはこれらの合金等を含んだ金属材料からなり、断面Ｌ字状に形成されている。
【００３０】
そして、バスバ電極７は、図２、図３に示す如く、後述の半田層８によってベースプレート１の薄肉部２上に面接触状態で固定、接続された四角形の固定板部７Ａと、該固定板部７Ａ上に突設された突板部７Ｂとによって構成され、固定板部７Ａは、例えば半導体素子５に対して図２中の間隔Ｄ分だけ離れた位置に配設されている。
【００３１】
８はベースプレート１の表面１Ａとバスバ電極７の固定板部７Ａとの間に設けられた半田層で、該半田層８は、後述の図４に示す如くベースプレート１上に半田材料８′を配置して溶融させることにより形成され、バスバ電極７の固定板部７Ａに対応する四角形の範囲に配設されると共に、固定板部７Ａの裏面全体とベースプレート１との間を接続している。
【００３２】
９はベースプレート１に設けられた空隙部としての切込部で、該切込部９は、図２、図３に示す如く、ベースプレート１の表面１Ａと裏面１Ｂとの間に位置する板厚方向の途中部位を側面から切込むことによりスリット状の溝として形成されている。そして、切込部９は、少なくともバスバ電極７の固定板部７Ａ全体を裏面側から覆うように、固定板部７Ａの裏面と平行に該固定板部７Ａの位置を横切り、ベースプレート１の内部に表面１Ａに沿ってほぼ水平方向に延設されている。
【００３３】
これにより、切込部９は、ベースプレート１のうちバスバ電極７の固定板部７Ａが接続された部位に薄肉部２を形成し、後述の図５に示す如く固定板部７Ａを加熱するときには、その熱が半導体素子５側の部位を含めてベースプレート１全体に逃げるのを抑制するものである。
【００３４】
また、切込部９は、図２に示す如く、半導体素子５に対してバスバ電極７とほぼ等しい間隔Ｄ′分だけ離れた位置に配設されている。これにより、半導体素子５から発生する熱が金属板４を介してベースプレート１側に放熱されるときには、この熱伝達が切込部９によって妨げられないように、熱の伝達経路を確保する構成となっている。
【００３５】
特に、半導体素子５から発生する熱は、図２中の境界線Ｌよりも半導体素子５側に位置する部位でベースプレート１に伝達し易いので、切込部９は、この境界線Ｌよりも半導体素子５から離れた位置に形成されている。この場合、境界線Ｌは、例えば金属板４の外縁側を起点としてベースプレート１の表面１Ａに対し４５°程度の角度θ分だけ斜めに傾斜した直線である。これにより、半導体素子５からベースプレート１に向けて熱伝達を効率よく行うことができる。
【００３６】
本実施の形態による半導体装置は上述の如き構成を有するもので、次にその作動について説明する。
【００３７】
まず、モータ制御用のコントロールユニット等から半導体素子５のゲート電極に向けて制御信号が出力され、半導体素子５がＯＮしたときには、例えばバスバ電極７に供給される電流がベースプレート１、金属線６等を介して半導体素子５を流れ、金属板４から他の配線等を介して電動モータに供給される。
【００３８】
このとき、バスバ電極７からベースプレート１に流込む電流は、図２中の矢示Ａに示す如く、その大部分が薄肉部２の表面側に沿って流れるようになる。このため、バスバ電極７が薄肉部２に接続されている状態でも、ベースプレート１中の電流経路は切込部９によって影響を受けることがなく、この電流をバスバ電極７から薄肉部２を介して半導体素子５側へと円滑に供給することができる。
【００３９】
また、半導体素子５は給電されることによって発熱するが、切込部９は半導体素子５から十分な間隔Ｄ′をもって離間しているので、このときの熱を金属板４を介してベースプレート１側に効率よく放熱することができる。
【００４０】
次に、半導体装置の組立時に行うベースプレート１とバスバ電極７との接続作業について説明する。
【００４１】
まず、バスバ電極７の接続時には、図４に示す如く、ベースプレート１に対して薄肉部２上の所定位置に半田材料８′を配置する。この場合、半田材料８′は、ペースト状に形成して薄肉部２上に塗布、印刷するか、または四角形のシート状に形成して薄肉部２上に貼付ける。そして、半田材料８′の表面側にバスバ電極７の固定板部７Ａを載置する。
【００４２】
次に、バスバ電極７を半田付けするときには、図５に示す如く、例えば抵抗加熱装置１１等を用いてバスバ電極７の固定板部７Ａを抵抗加熱することにより、半田材料８′を溶融させる。
【００４３】
この場合、まず抵抗加熱装置１１の電極棒１１Ａ，１１Ａをバスバ電極７の固定板部７Ａの両側部位に押付け、図６中の矢示Ｂに示す如く固定板部７Ａを介して各電極棒１１Ａ間に大きな電流を通電する。これにより、固定板部７Ａには、その抵抗値と電流値とに応じたジュール熱が発生するようになるため、半田材料８′が溶融し、バスバ電極７がベースプレート１上に半田付けされる。
【００４４】
このとき、固定板部７Ａは、ベースプレート１の薄肉部２上に配置されているので、薄肉部２によってバスバ電極７の近傍部位と半導体素子５側の部位との間に熱抵抗を付与できると共に、固定板部７Ａで発生する熱がベースプレート１全体に伝わるのを切込部９によって抑制でき、固定板部７Ａを効率よく加熱することができる。
【００４５】
かくして、本実施の形態では、ベースプレート１に切込部９を設け、ベースプレート１の薄肉部２上には、バスバ電極７の固定板部７Ａを半田層８によって接続する構成としたので、半田付けを用いた簡単な接続構造により、バスバ電極７の固定板部７Ａ全体をベースプレート１に対して面接触状態で安定的に接続でき、固定板部７Ａを大型化することなく、これらの間に広い面積をもつ電流経路を容易に確保することができる。
【００４６】
この場合、ベースプレート１には、バスバ電極７の固定板部７Ａ全体を裏面側から覆うように延びた切込部９を設けているので、固定板部７Ａの半田付け時には、固定板部７Ａの裏面側全体を薄肉部２上に接続でき、バスバ電極７側の熱が半導体素子５側の部位を含めたベースプレート１全体に逃げるのを切込部９によって確実に抑制できると共に、バスバ電極７を速やかに加熱して半田付け作業を効率よく行うことができる。
【００４７】
また、切込部９は、半導体素子５とバスバ電極７との間の間隔Ｄとほぼ等しい間隔Ｄ′分だけ半導体素子５から離れた位置に配設しているので、半導体装置の作動時には、半導体素子５から発生する熱をベースプレート１側に円滑に放熱でき、その作動を安定させることができる。
【００４８】
従って、本実施の形態によれば、例えばＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等からなる大電力型の半導体素子５に対しても、ベースプレート１、バスバ電極７等を介して十分な電流を供給でき、バスバ電極７を小型化しつつ、電流供給量の適用範囲等を広げて半導体装置の性能を向上させることができる。
【００４９】
そして、従来技術のようにバスバ電極７のねじ止め等を行う必要がなくなるから、このねじ止め部位等が通電によって局部的に発熱するのを防止でき、耐久性、信頼性を高めることができる。また、ねじ穴の穿設作業等を行う必要がなくなり、半導体装置を効率よく組立てることができる。
【００５０】
なお、前記実施の形態では、ベースプレート１に空隙部となる切込部９を設ける構成としたが、本発明はこれに限らず、例えば図７に示す第１の変形例のように、ベースプレート１には、空隙部としてバスバ電極７の位置で表面１Ａと裏面１Ｂとの間をほぼ水平方向に延びた貫通孔または有底穴等からなる穴部２１を穿設し、該穴部２１を固定板部７Ａの裏面と平行に固定板部７Ａの位置を横切るように配置し、薄肉部２を形成する構成としてもよい。
【００５１】
また、図８に示す第２の変形例のように、ベースプレート１の裏面１Ｂ側に空隙部となる凹溝部２２を設け、該凹溝部２２を固定板部７Ａの裏面と平行に固定板部７Ａの位置を横切るように配置し、薄肉部２を形成する構成としてもよい。
【００５２】
また、前記実施の形態では、ベースプレート１上に１個の半導体素子５とバスバ電極７とを設けた場合を例に挙げて述べたが、本発明はこれに限らず、例えば図９に示す第３の変形例のように、ベースプレート１上に２個または３個以上の半導体素子５とバスバ電極７とを設ける構成としてもよい。
【００５３】
さらに、前記実施の形態では、抵抗加熱装置１１を用いてバスバ電極７の固定板部７Ａを抵抗加熱する構成としたが、本発明はこれに限らず、例えばバスバ電極７を予め加熱（プリヒート）しておき、その抵抗値を増大させた状態で固定板部７Ａに通電する構成としてもよい。
【００５４】
また、実施の形態では、半導体装置をモータ制御用のインバータ回路、Ｈブリッジ回路等に適用した場合を例に挙げて述べたが、本発明はこれに限らず、大電力を扱う半導体素子が搭載された各種の半導体装置に適用されるものである。
【００５５】
【発明の効果】
以上詳述した通り、請求項１の発明によれば、ベースプレートには、バスバ電極をベースプレートの表面に半田を用いて接続するときに半導体素子側に熱が伝わるのを抑制する空隙部を設ける構成としたので、半田付けを用いた簡単な接続構造により、ベースプレートとバスバ電極との間に広い面積をもつ電流経路を容易に確保することができる。そして、バスバ電極の半田付け時には、バスバ電極に加わる熱が半導体素子側の部位を含めたベースプレート全体に逃げるのを空隙部によって抑制でき、半田付け作業を効率よく行うことができる。従って、例えば大電力型の半導体素子等に対しても、ベースプレート、バスバ電極等を介して十分な電流を供給でき、バスバ電極を小型化しつつ、電流供給量の適用範囲等を広げて半導体装置の性能を向上させることができる。また、従来技術のようにバスバ電極のねじ止め等を行う必要がなくなるから、ねじ止め部位等の発熱を防止して耐久性、信頼性を高めることができる。
【００５６】
また、請求項２の発明によれば、ベースプレートはバスバ電極と空隙部との間の部位を熱抵抗を与えるために薄肉に形成する構成としたので、バスバ電極を加熱してベースプレートに半田付けするときには、この薄肉部位によってバスバ電極の近傍部位と半導体素子側の部位との間に熱抵抗を与えることができ、バスバ電極側の熱が半導体素子側に逃げるのを抑制することができる。
【００５７】
また、請求項３の発明によれば、空隙部はベースプレートの表面と裏面との間を側面から切込んだ切込部により形成する構成としたので、ベースプレートのうちバスバ電極と切込部との間に位置する平板状の部位を薄肉に形成できるから、バスバ電極の裏面側全体をこの薄肉部位上に半田付けすることができ、半田付け時の熱が半導体素子側の部位に逃げるのを抑制することができる。
【００５８】
さらに、請求項４の発明によれば、空隙部はベースプレートの表面と裏面との間にベースプレートに沿って穿設した穴部またはベースプレート裏面に設けた凹溝部により形成する構成としたので、ベースプレートのうちバスバ電極を接続する部位を穴部または凹溝部によって薄肉に形成でき、バスバ電極を半田付けするときの熱が半導体素子側の部位に逃げるのを抑制することができる。
【００５９】
また、請求項５の発明によれば、半導体素子を、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタまたはＭＯＳトランジスタによって構成したので、例えばＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等からなる大電力型の半導体素子に対しても、バスバ電極とベースプレートとを介して十分な電流を供給でき、半導体装置の性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による半導体装置を示す斜視図である。
【図２】図１中の矢示II-II方向からみた半導体装置の拡大断面図である。
【図３】図１中の矢示III−III方向からみた半導体装置の拡大断面図である。
【図４】半導体装置の組立時にベースプレート上に半田材料とバスバ電極とを配置する状態を示す部分斜視図である。
【図５】抵抗加熱装置によりバスバ電極を加熱してベースプレート上にバスバ電極を半田付けする状態を示す部分斜視図である。
【図６】図５中の矢示VI-VI方向からみた半導体装置の拡大断面図である。
【図７】本発明の第１の変形例による半導体装置を示す斜視図である。
【図８】本発明の第２の変形例による半導体装置を示す斜視図である。
【図９】本発明の第３の変形例による半導体装置を示す部分斜視図である。
【符号の説明】
１ ベースプレート
２ 薄肉部
３ 絶縁基板
４ 金属板
５ 半導体素子
６ 金属線
７ バスバ電極
７Ａ 固定板部
７Ｂ 突板部
８ 半田層
８′半田材料
９ 切込部（空隙部）
２１ 穴部（空隙部）
２２ 凹溝部（空隙部）
Claims (5)
- 金属材料により形成されたベースプレートと、該ベースプレートに実装された半導体素子と、金属材料により形成され前記ベースプレートを通じて該半導体素子に電力を供給するため該半導体素子から離れた位置で前記ベースプレートの表面側に接続されたバスバ電極とからなる半導体装置において、
前記ベースプレートには前記バスバ電極が接続される位置に空隙部を設け、該空隙部は前記バスバ電極を前記ベースプレートの表面に半田を用いて接続するときに前記バスバ電極から半導体素子側に熱が伝わるのを抑制する構成としたことを特徴とする半導体装置。 - 前記ベースプレートは前記バスバ電極と空隙部との間の部位を熱抵抗を与えるために薄肉に形成してなる請求項１に記載の半導体装置。
- 前記空隙部は前記ベースプレートの表面と裏面との間を側面から切込んだ切込部により形成してなる請求項１または２に記載の半導体装置。
- 前記空隙部は前記ベースプレートの表面と裏面との間にベースプレートに沿って穿設した穴部またはベースプレート裏面に設けた凹溝部により形成してなる請求項１または２に記載の半導体装置。
- 前記半導体素子は絶縁ゲート型バイポーラトランジスタまたはＭＯＳトランジスタである請求項１，２，３または４に記載の半導体装置。
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