JP4137840B2 - 電力用半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力用半導体装置に関し、特にベース板を樹脂ケースに接着材を介して接合する電力用半導体装置において、接着材の厚みを一定にする技術に関する。

電力用半導体装置は、一般に、ベース板とベース板上に接合された樹脂ケースを備えている。そして、樹脂ケースとベース板の接合面に接着材を塗布することにより、樹脂ケースとベース板は接合されている。さらに、ベース板を樹脂ケースにネジ等で螺着することで、樹脂ケースとベース板の接合部の強度を増している。

しかし、ネジの締め込みが場所によって異なった場合、樹脂ケースとベース板の間に形成された接着材の厚みを一定にすることができない。すなわち、ネジの締め込みがきつい場所は、接着材は薄くなり、緩い場所は接着材は厚く形成される。その結果、半導体装置の外形高さ寸法にばらつきを生じるという問題があった。

そこで、特許文献１では、樹脂ケースのうち、ベース板との接合面に突起部を設けている。さらに、ベース板のうち、樹脂ケースとの接合面には前記突起部と形状の異なる溝部を設けている。そして突起部を溝部に嵌め込んで接合することで、樹脂ケースとベース板を一定の間隔で離間して接合し、接着材の厚みを一定に規定する発明が開示されている。

また、特許文献２では、樹脂ケースにＳ字型金属円筒が埋め込まれている。特許文献３では、樹脂ケースに金属製筒状カラーが埋め込まれている。そしてＳ字金属円筒又は金属製筒状カラーの先端を樹脂ケースの裏面から所定部分だけ突出させている。そしてその突出部でベース板と樹脂ケースの間隔を一定に保ち、接着材の厚みを一定にする発明が開示されている。

特開昭６４−０１７４５５号公報 特開平０９−１２９８２３号公報 特開平０８−１６２５７２号公報

しかし、特許文献１の発明では、樹脂ケースとベース板の両方に突起部又は溝部を形成する必要がある。そのため、製造工程が増加し製造コストが増加する。また特許文献２，３の発明は、Ｓ字型金属円筒又は金属製筒状カラーを埋め込む必要があるため、組み立てが複雑化する。製造工程が増加するため、製造コストも増加する。

そこで本発明は、製造コストを抑えつつ、接着材の厚みがばらつくことなくベース板と樹脂ケースを接合する半導体装置を提供する。

この発明に係る電力用半導体装置は、ベース板と、前記ベース板上に絶縁基板を介して接合された半導体素子と、前記半導体素子を囲うように、前記ベース板上に接合された樹脂ケースを備える電力用半導体装置であって、前記ベース板と前記樹脂ケースの接合面のうち、前記ベース板若しくは前記樹脂ケースの少なくとも一方に形成され、所定の高さを有する突起部と、前記樹脂ケースと前記ベース板を押圧して接合する押圧手段と、を備える。そして、前記押圧手段は、前記樹脂ケースと反対側から前記ベース板を前記樹脂ケースに螺着する螺着体であって、前記螺着体の端が前記ベース板の裏主面より突出しないことを特徴とする。

本発明は、樹脂ケース又はベース板に形成された突起部の先端を押圧手段によって樹脂ケースに密着することができる。そのため、突起部の高さによって、樹脂ケースとベース板の間隔を一定に保つことができる。その結果、接着材の厚みがばらつくことなく、ベース板と樹脂ケースを接合することができる。

また突起部は、樹脂ケース又はベース板のどちらか一方に形成すればよく、さらに樹脂ケースに金属性カラー等を埋め込む必要がないので、製造コストを抑えることができる。また、螺着体がベース板の裏主面から突出しないように形成されている。そのため、放熱フィンをベース板の裏主面に密着して取り付けることができ、その結果、放熱効果の低減を防止することができる。

実施の形態１．
図１は、本実施の形態１に係る電力用半導体装置の構成を示す断面図である。絶縁基板２の表主面上に電極パターン４を介して電力用半導体素子（以下単に半導体素子と称する場合がある）６，７が並列に配置されている。半導体素子６は、例えばダイオードである。また半導体素子７は、例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）である。そして半導体素子６と半導体素子７の図示しない上部電極同士が、アルミワイヤ８等の金属配線で接続されている。半導体素子６，７の図示しない下部電極は、電極パターン４と電気的に接続されている。そして、電極パターン４と外部電極２５がアルミワイヤ１０で接続されている。また、半導体素子７の図示しない上部電極と外部電極１４が、アルミワイヤ９で接続されている。

絶縁基板２の裏主面には半田パターン３が形成されている。そして、半田パターン３と金属ベース板（以下、単にベース板と称する場合がある）１は半田層５を介して接合されている。

樹脂ケース１２は、半導体素子６，７の周囲を囲うように形成されている。そして樹脂ケース１２は、ベース板１上に接着材１８を介して接合されている。樹脂ケース１２のうち、ベース板１との接合面には、突起部１９が形成されている。ベース板１にはネジ孔１５が形成されている。そして、樹脂ケース１２とベース板１は、螺着体としてネジ１６等を用いた押圧手段によって押圧されて接合されている。またネジ１６の端は、ベース板１の裏主面から突出しないように形成されている。ここで螺着体は、ネジ以外にボルトであってもよい。ネジは、締め付け力が大きくなるとネジ頭部が変形する可能性がある。しかし、ボルトを使用するとその心配が無くなる。なお、ネジに代えてボルトを使用する場合は、ネジ孔１５のうち、ボルトの頭部が収まる部分の径を大きく形成する。このようにすることで、ボルトを用いた場合でも、ボルトをベース板１の内部まで締めこむことが容易にできる。

そして外部電極１４，２５の一部は、図示しない外部機器と接続するために樹脂ケース１２から外部に引き出されている。樹脂ケース１２内部にはシリコンゲル１３が充填されている。そして蓋１１が樹脂ケース１２の上端に取り付けネジ（図示せず）で固着され、樹脂ケース１２内を密封している。ベース板１の裏主面には放熱フィン２０が取り付けられている。ベース板１の四隅には、ネジ孔２２が設けられている。ネジ孔２２には、バネ座金２１を介してボルト１７が挿入されている。そして、ベース板１と放熱フィン２０は、ボルト１７によって接合されている。

次にベース板１と樹脂ケース１２の接合部について詳細に説明する。図２は、ベース板１の上面図を示す図である。ベース板１上には、円柱状の突起部１９が形成されている。この突起部１９は、ベース板１のうち、樹脂ケース１２との接合面に対応する位置に形成されている。すなわち、樹脂ケース１２の接合面に沿って周状に配置されている。また突起部１９は、所定間隔毎に配置されている。そして突起部１９は、所定の高さに形成されている。

このような突起部１９は、例えば金属片を所望の形状の部品に加工した後、接着材でベース板１上の所定位置に接合することで形成できる。また、ベース板１上の所定位置に金属片を接合した後に、所望の形状に整形するようにしてもよい。ここで、突起部１９とベース板１は、接着材による接合である必要はなく、圧接接合によって接合してもよい。さらに、ベース板１の厚みが薄い場合には、裏面からのプレス加工により突起を形成し、必要に応じて所望の形状に加工するようにしてもよい。

ベース板１には、ネジ孔１５が設けられている。ネジ孔１５は、突起部１９が配列された所定の配列線上に配置されている。さらに、放熱フィン２０を取り付けるためのネジ孔２２がベース板１の四隅に設けられている。図３，４は、以上のように形成した突起部１９を備えるベース板１と樹脂ケース１２の接合部の拡大図を示している。

図３は、突起部１９が形成された領域の断面に対応する拡大図を示している。ベース板１と樹脂ケース１２はネジ１６により押圧して接合されている。そのため、突起部１９の上端は樹脂ケース１２に密着している。そして突起部１９により、樹脂ケース１２とベース板１との間が所定の間隔に保たれる。その結果、突起部１９以外の部分に形成された接着材１８の厚みもまた、突起部１９の高さによって規定されて形成される。

図４は、ネジ１６が形成された領域の断面図を示している。樹脂ケース１２とベース板１との間に形成される隙間のうち、ネジ１６以外の部分に接着材１８が形成されている。この領域に形成された接着材１８の厚みもまた突起部１９の高さによって規定されている。

ここで図３，４において、樹脂ケース１２とベース板１の接合面のうち、樹脂ケース１２側に設けられた突起は、接着材１８が外部に食み出るのを防止するために設けられたものである。

次に、以上のように形成された樹脂ケース１２とベース板１の接合部の形成過程について説明する。まず、ベース板１上の突起部１９に沿って接着材１８を塗布する。そして、樹脂ケース１２の接着面を張り合わせる。この段階では、樹脂ケース１２と突起部１９の先端は密着しておらず、樹脂ケース１２と突起部１９の間には接着材１８の層が存在している。次に、ネジ１６で押圧していくと、徐々に突起部１９上に存在する接着材１８は押し出される。最終的に、突起部１９は樹脂ケース１２に密着する。その結果、接着材１８の厚みは、突起部１９の高さによって規定される。

本実施の形態に係る電力用半導体装置は、ベース板１が突起部１９を備えている。さらにネジ１６等の押圧手段によって、ベース板１と樹脂ケース１２は、押圧して接合されている。そのため、突起部１９を樹脂ケース１２に確実に密着することができる。その結果、突起部１９の高さにより、接着材１８の厚みが一定に保たれる。接着材１８の厚みを一定にすることができるので、半導体装置の外形寸法のばらつきを抑えることができる。

また、本実施の形態ではベース板１に突起部１９を形成している。この突起部１９は、プレス加工法等により容易に形成することができる。そのため、製造コスト増加の問題なく、接着材１８の厚みを一定にすることができる。さらに突起部１９は、部分的に設けられているので、材料費を抑えることができる。さらにまた、接着材１８によって接合される面積が広いため、接着強度を高めることができる。

本実施の形態においては、ネジ１６がベース板１の裏主面から突出しないように形成されている。ネジ１６がベース板１の裏主面から突出した場合、ベース板１と放熱フィン２０の間には隙間が形成される。そのため、ベース板１と放熱フィン２０間の熱抵抗が増大し、放熱効果が低減される。本実施の形態では、放熱フィン２０をベース板１の裏主面に密着して取り付けできる。その結果、放熱効果の低減を防止することができる。

本実施の形態では、突起部１９は、所定の配列線に沿って設けられている。そしてネジ孔１５も突起部１９が配列されている所定の配列線上に配列されている。ここで、樹脂ケース１２とベース板１が接合できればよく、必ずしもネジ孔１５は、突起部１９が配列された配列線上に形成する必要はない。しかし、例えば突起部１９が配列された配列線上以外にネジを配置すると、ネジを接合するための場所を確保するため、樹脂ケース１２の接合面を広くする必要がある。その結果、樹脂ケース１２の内容積が小さくなる。

本実施の形態では、ネジ孔１５が突起部１９が配列された配列線上に形成されているため、樹脂ケース１２の内容積を大きく確保しつつ、樹脂ケース１２の平面寸法がコンパクトな半導体装置を形成することができる。

なお、本実施の形態においては、突起部１９は部分的に設けられた突起としたが、連続的な形状に形成してもよい。図５は、突起部１９が連続的な形状を備えるベース板１の上面図を示している。ベース板１の樹脂ケース１２との接合面に対応する位置に、突起部１９が形成されている。突起部１９は、四角形の環状に形成されている。そして、ネジ孔１５が突起部１９内に形成されている。このように突起部１９を連続的な形状に形成することで、樹脂ケース１２と接触する突起部１９の面積が大きくなる。その結果、突起部１９の強度を大きく確保することができる。

実施の形態２．
図６は本実施の形態に用いられるベース板１の上面図を示す。本実施の形態においては、ベース板１上の樹脂ケース１との接合面に対応する位置に、金属ワイヤ３１が配置されている。金属ワイヤ３１は所定の長さに切断されており、所定の間隔毎に長手方向が樹脂ケース１の接合面の周方向に沿うように配置されている。金属ワイヤ３１は、半田等の接着材３２により、ベース板１に接合されている。その他の構成は実施の形態１と同様であり、同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図７は、ベース板１と樹脂ケース１２の接合部分の拡大図を示している。本実施の形態においても、押圧手段によって金属ワイヤ３１が樹脂ケース１２に接することで、接着材１８の厚みは金属ワイヤ３１の高さによって規定される。その結果、実施の形態１と同様の効果を有する。さらに本実施の形態においては、金属ワイヤ３１をベース板１の表面上に接合することにより突起部を形成している。その結果、突起部の形成が容易となり、製造コストを低減できる。

なお、金属ワイヤ３１の形状は、上記の形状に限られるものではない。例えば、複数の金属ワイヤ３１を接合するのではなく、一つの環状の金属ワイヤ３１を形成して、ベース板１に接合するようにしてもよい。このようにすることで、ベース板１の製造が容易になる。

実施の形態３．
図８は本実施の形態３に用いられる樹脂ケース１２の下面図を示している。本実施の形態においては、樹脂ケース１２に突起部１９が形成されている。突起部１９は、樹脂ケース１２のうち、ベース板１への接合面に形成されている。突起部１９は、円柱状の形状を備えている。そして突起部１９は、所定間隔毎に配置されている。

また、突起部１９が配列された配列線上には、ネジ孔２３が形成されている。ネジ孔２３は、ベース板１に形成されるネジ孔１５に対応する位置に形成されている。その他の構成は、実施の形態１と同一であり、同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

以上の構成を備えているので、突起部１９の高さによって接着材１８の厚みは規定され、実施の形態１と同様の効果を有する。また、突起部１９が円柱状に部分的に設けられているので、樹脂ケース１２の材料費を削減することができる。そして、接着材１８の樹脂ケース１２との接合面積が広がることで、樹脂ケース１２とベース板１との接合強度を増すことができる。

さらに、樹脂ケース１２は、金型に樹脂を流すことによって形成される。金型において突起部１９に対応する部分を形成すれば、樹脂ケース１２と一体に突起部１９を形成できる。そのため突起部１９を形成するための工程及びその形成に用いる製造装置が必要なく、容易に突起部１９を形成することができるとともに生産性を高めることができる。また金型において突起部１９を形成するので、突起部１９の寸法精度を向上することできる。その結果、半導体装置の外形寸法の精度をさらに向上することができる。

なお、突起部１９は連続的な形状に形成してもよい。図９は、突起部１９が連続的な形状に形成された樹脂ケース１２の下面図を示す図である。樹脂ケース１２のうち、ベース板１との接合面に突起部１９が連続的な形状に周状に形成されている。また突起部１９には、ベース板１１と接合するためのネジ孔２３が設けられている。ネジ孔２３はベース板１に形成されるネジ孔１５に対応する位置に形成されている。連続的な形状に突起部１９を形成した場合、突起部１９が部分的に設けられた場合に比べて、突起部１９の強度を増すことができる。

実施の形態４．
図１０は、本実施の形態４に用いられる樹脂ケース１２の下面図を示す図である。本実施の形態では、突起部１９の両側に２つの溝部６１が設けられている。２つの溝部６１は、樹脂ケース１２の接合面に周状に形成されている。そして突起部１９を挟んで内側と外側にそれぞれ形成されている。その他の構成は実施の形態３と同一であり、同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図１１は、ベース板１と樹脂ケース１２の接合部の拡大図である。図１１に示すように、突起部１９の両側には溝部６１が形成されている。従来の半導体装置では、接着材１８が樹脂ケース１２の内側に食み出す可能性がある。そして接着材１８の量によっては、絶縁基板２に至って硬化する可能性がある。接着材１８の内部には、一般に、多数の気泡が存在する。接着材１８が絶縁基板２に至って硬化すると、電極パターン４からこの気泡を介してベース板１へ至る電流の経路が形成される。そのため、電極パターン４から放電が生じ易くなり、半導体装置の絶縁耐圧が低下することが実験の結果確認されている。また、接着材１８が樹脂ケース１２の外部に食み出すと、樹脂ケース１２の接合後に食み出した接着材１８をふき取る作業がさらに必要になるという問題もあった。

本実施の形態に係る電力用半導体装置では、突起部１９の内側及び外側に溝部６１を設けている。その結果、接着材１８の食み出しを防止することができる。本実施の形態では、溝部６１を連続的な形状にしたが、必ずしも連続的な形状にする必要はない。溝部６１を不連続な形状に形成してもよい。図１２は、不連続に溝部６１を形成した樹脂ケース１２の下面図を示す。溝部６１を不連続に形成した場合であっても、内外部への接着材１８の食み出しを防止することができる。

なお本実施の形態では、溝部６１を樹脂ケース１２に形成したが、ベース板１に形成してもよい。

実施の形態５．
図１３は、本実施の形態に係る電力用半導体装置の上面図である。また図１４は、図１３のＢ−Ｂ線断面図を示している。図１５は、図１３のＣ−Ｃ線断面図を示している。図１４に示すように、本実施の形態に係る電力用半導体装置は、複数のベース板（部分ベース板）１を備えている。ここで本実施の形態では、３つのベース板１を備えた例を示している。

樹脂ケース１２は、樹脂ケース１２内部を仕切る複数の仕切り部５１を備えている。仕切り部５１は、複数のベース板１が互いに接する領域に対向するように形成されている。そのため樹脂ケース１２は、仕切り部５１によって仕切られた複数の開口部（本実施の形態では３つ）を有している。そして夫々の開口部に対して、ベース板１が配置されている。

また夫々の開口部は、蓋１１によって密封されている。そして開口部内にはシリコンゲルが充填されている。図１６は、本実施の形態に用いられる樹脂ケース１２の下面図を示す図である。樹脂ケース１２の下面には複数の突起部１９が形成されている。

突起部１９は、樹脂ケース１２に形成された開口部の外周に沿って形成されている。そのため、仕切り部５１にも突起部１９が形成されている。そして、仕切り部５１に形成された突起部１９は、隣り合うベース板１が接する領域が同一の突起部１９を共有できるように、形成されている。樹脂ケース１２には、ネジ孔２３が形成されている。そしてネジ孔２３は、夫々のベース板１の四隅部に対応する位置に形成されている。

その他の構成は実施の形態１と同様であり、同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

複数のベース板１を備える電力用半導体装置では、隣り合うベース板１が段差を生じる場合がある。段差が生じると放熱フィン２０をベース板に密着して取り付けることができず、熱抵抗が増加し放熱性が悪化する。

本実施の形態では、図１４に示すように隣り合うベース板１が同一の突起部１９に接するように、突起部１９が形成されている。そのため、隣り合うベース板１と樹脂ケース１２の間隔は、突起部１９の高さによって規定される。その結果、隣り合うベース板１同士に生じる段差を防止することができる。

樹脂ケース１２は、金型内に高温の樹脂を流し、冷まして固めることで形成される。そして樹脂を冷まして固める段階で、一般に樹脂ケース１２は歪みを生じる。本実施の形態では、樹脂ケース１２が一体成形された仕切り部５１を備えているので、樹脂ケース１２の歪みを低減することができる。その結果、樹脂ケース１２とベース板１をネジ１６により押圧して接合する際に、樹脂ケース１２に生じる応力を低減することができる。

なお、突起部１９の形状は、図１６に示した形状に限られるものではない。図１７に示すように、突起部１９を連続的な形状にしてもよい。図１７では、四角形状の開口部の各辺に対応して、長方形の突起部１９が形成されている。このような形状にすることで、ベース板１と接する面積が大きくなり、より突起部１９の強度を増すことができる。

また、本実施の形態では、樹脂ケース１２に突起部１９を形成したが、ベース板１に形成するようにしてもよい。図１８は、突起部１９が形成されたベース板１の上面図である。ベース板１上の樹脂ケース１２との接合面に対応する位置に、突起部１９が形成されている。夫々のベース板１に形成された突起部１９の高さは同一に形成されている。また、ベース板１と樹脂ケース１２との接合のための複数のネジ孔１５が設けられている。

図１９はこのように形成されたベース板１が使用された電力用半導体装置の断面図（図１３のＢ−Ｂ線断面図に対応）を示す。夫々のベース板１は、同一の高さを持つ突起部１９を備えている。図１９に示すように、ベース板１と樹脂ケース１２の間隔が夫々のベース板１で同一になるので、隣り合うベース板１間に段差が生じるのを防止することができる。

さらに突起部１９の形状を夫々のベース板１で同一の形状にしてもよい。図２０は、突起部１９の形状を同一にしたベース板１の上面図を示す。図２０に示すように、中央に配置されたベース板１と端に配置されたベース板１は、突起部１９の形状が同一なので、ベース板１の取り付け位置を間違える問題が無くなり、組み立てを容易にすることができる。

実施の形態１に係る電力用半導体装置の断面図である。 実施の形態１の部分的に設けられた突起部を備えるベース板の構成を示す上面図である。 実施の形態１に係る電力用半導体装置のベース板と樹脂ケースの接合部のうち、突起部が形成された領域の断面を示す拡大図である。 実施の形態１に係る電力用半導体装置のベース板と樹脂ケースの接合部のうち、ネジ部分の断面を示す拡大図である。 実施の形態１における連続的な形状に形成された突起部を備えるベース板の構成を示す上面図である。 実施の形態２の突起部が金属ワイヤにより形成されたベース板を示す上面図である。 実施の形態２に係る電力用半導体装置のベース板と樹脂ケースの接合部の断面を示す拡大図である。 実施の形態３の部分的に設けられた突起部を備える樹脂ケースの構成を示す下面図である。 実施の形態３の連続的な形状に形成された突起部を備える樹脂ケースの構成を示す下面図である。 実施の形態４における突起部の両側に溝部が形成された樹脂ケースの構成を示す断面図である。 実施の形態４に係る電力用半導体装置におけるベース板と樹脂ケースの接合部の断面を示す拡大図である。 実施の形態４の溝部が不連続な形状に形成された樹脂ケースの構成を示す下面図である。 実施の形態５に係る電力用半導体装置の上面図である。 図１３のＢ−Ｂ線断面図である。 図１３のＣ−Ｃ線断面図である。 実施の形態５における樹脂ケースの構成を示す下面図である。 実施の形態５における樹脂ケースの別の構成を示す下面図である。 実施の形態５におけるベース板の上面図である。 実施の形態５におけるベース板に突起部を設けた電力用半導体装置を示す断面図である。 実施の形態５におけるベース板に形成された突起部の別形状を示す上面図である。

符号の説明

１ 金属ベース板、２ 絶縁基板、６，７ 電力用半導体素子、１２ 樹脂ケース、１５，２２ ネジ孔、１６ ネジ、１８ 接着材、１９ 突起部、３１ 金属ワイヤ、５１ 仕切り部、６１ 溝部。

Claims (3)

1. ベース板と、
   前記ベース板上に絶縁基板を介して接合された半導体素子と、
   前記半導体素子を囲うように、前記ベース板上に接合された樹脂ケースを備える電力用半導体装置であって、
   前記ベース板と前記樹脂ケースの接合面のうち、前記ベース板若しくは前記樹脂ケースの少なくとも一方に形成され、所定の高さを有する突起部と、
   前記樹脂ケースと前記ベース板を押圧して接合する押圧手段と、
   を備え、
   前記押圧手段は、前記樹脂ケースと反対側から前記ベース板を前記樹脂ケースに螺着する螺着体であって、
   前記螺着体の端が前記ベース板の裏主面より突出しないことを特徴とする電力用半導体装置。
2. 前記突起部は、所定の配列線に沿って設けられ、
   前記螺着体は、前記配列線上に配列されたことを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
3. ベース板と、
   前記ベース板上に絶縁基板を介して接合された半導体素子と、
   前記半導体素子を囲うように、前記ベース板上に接合された樹脂ケースを備える電力用半導体装置であって、
   前記ベース板と前記樹脂ケースの接合面のうち、前記ベース板若しくは前記樹脂ケースの少なくとも一方に形成され、所定の高さを有する突起部と、
   前記樹脂ケースと前記ベース板を押圧して接合する押圧手段と、
   を備え、
   前記樹脂ケースは、前記接合面のうち、前記突起部に対応する部分の両側に設けられた溝部を有することを特徴とする電力用半導体装置。

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