JP5198174B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体素子とバスバーとが実装された半導体装置に関する。
モータの制御に用いるインバータ装置では、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタなどの半導体素子を電子回路基板に実装し、金属板等からなるバスバーを用いて半導体素子に外部電源から給電したり、信号の入出力を行ったりしていた。
ここで、半導体素子とバスバーの接続構造の従来例としては、例えば、特許文献1に開示されているように、導電性を有するベースプレートを用いる構造が知られている。ベースプレートには、半導体素子が実装された電子回路基板が搭載されると共に、バスバーが半田で固定される。半導体素子のリードには金属線の一端が接合され、金属線の他端はベースプレートに接続される。ベースプレートはバスバーに半田付けされているので、ベースプレート及び金属線を介して半導体素子とバスバーとが電気的に接続される。バスバーの固定位置には、ベースプレートに切込部を設けることで肉薄部が形成されており、バスバーを抵抗加熱したり、コテで加熱したりする際の熱マスを減少させることで半田を溶融させ易くしていた。なお、切込部は、バスバーの接合時に発生する熱がベースプレート全体に伝わることを抑制する役割も担っていた。
特開2002−280489号公報
しかしながら、従来のように抵抗加熱やコテによる加熱で端子を半田付けしようとすると、端子数が多いときに作業時間を短縮することができず、生産性が悪かった。さらに、コテ等を当てる部分をバスバーに設ける必要があるので、バスバーの形状が大きくなって、半導体装置を小型化することができなかった。これに対して、リフローによる半田付けを行おうとすると、バスバーやベースプレートの熱マスが大きいことから半田付け性が悪かった。
この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、バスバーの取り付け工程に要する時間を短縮化しつつ、半田付け性を向上させることを主な目的とする。
ことを主な目的とする。
上記の課題を解決する本発明の請求項1に係る発明は、導電性のバスバーを有する端子と、前記端子を通して電力の供給や信号の入出力が行われる半導体素子とを備え、半田を用いて前記バスバーを前記電子回路基板に接合させた半導体装置において、前記バスバーの一部を前記電子回路基板に対向して配置させ、前記電子回路基板に貫通孔からなる開口部を前記バスバーの前記電子回路基板に対向配置された部分と少なくとも一部が重なるように設けたことを特徴とする半導体装置とした。
請求項2に係る発明は、請求項1に記載の半導体装置において、前記端子は前記バスバーの一部を前記電子回路基板に対向配置させるように支持する絶縁性の支持部を有し、前記開口部は前記支持部が前記電子回路基板上に載置される位置から前記半田が配置される位置に至るまでの間に設けられていることを特徴とする。
請求項3に係る発明は、請求項1又は請求項2に記載の半導体装置において、前前記開口部の開口幅は、前記バスバーの対向配置された部分の幅以下であることを特徴とする。
請求項4に係る発明は、請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の半導体装置において、前記バスバーの前記電子回路基板に対向配置された部分に、前記バスバーが接合される前記電子回路基板の基板面と交差する方向に前記バスバーを貫通する開口部、又は前記バスバーの断面積を減少させる切り欠きを設けたことを特徴とする。
請求項5に係る発明は、導電性のバスバーを有する端子と、前記端子を通して電力の供給や信号の入出力が行われる半導体素子とを備え、半田を用いて前記バスバーを前記電子回路基板に接合させた半導体装置において、前記端子は前記バスバーの一部を前記電子回路基板に対向配置させるように支持する絶縁性の支持部を有し、前記バスバーの前記電子回路基板に対向配置された部分に、前記バスバーが接合される前記電子回路基板の基板面と交差する方向に前記バスバーを貫通する開口部、又は前記バスバーの断面積を減少させる切り欠きを設けたことを特徴とする。
請求項6に係る発明は、請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の半導体装置において、前記バスバーは、前記電子回路基板に対向配置された部分として、前記電子回路基板から離間して配置される対向部を有し、前記対向部から前記電子回路基板に半田付けされる接合部に至るまでの間に前記電子回路基板に対して傾斜する傾斜部を設けたことを特徴とする。
本発明の請求項1に係る発明によれば、バスバーを電子回路基板にリフロー接合するときに、開口部を通って電子回路基板を通過した熱風がバスバーに吹き付けられてバスバーを温める。これによって、半田の溶融が促進されて半田付け性が向上する。
請求項2又は請求項3に係る発明によれば、電子回路基板を通過した熱風でバスバーを効率良く温めることができる。
請求項4又は請求項5に係る発明によれば、開口部又は切り欠きによってバスバーの熱マスが減少させられるので、温度を上昇させ易くなる。また、開口部又は切り欠きを通過した熱風で電子回路基板が温められる。これらのことから、半田の溶融が促進されて半田付け性が向上する。
請求項6に係る発明によれば、傾斜部を設けることによってバスバーが熱風に曝され易くなる。バスバーが効率良く温められて半田付け性が向上する。
本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図1及び図2に本実施の形態に係る半導体装置の一例としてインバータ装置の構成を示す。インバータ装置1は、樹脂製のケース10上に制御基板12が固定され、ケース10内に本実施の形態が特徴とするバスバーの接合構造を有する電子回路基板14が収容されている。なお、ケース10は、図示を省略するが、ボルト等の締結部材で、金属製等の放熱部材に固定される。
電子回路基板14は、図示を省略するが、ケース10の内側に配置される面に金等の導電性材料からなる回路パターンが形成されており、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタである半導体素子16が実装されている。半導体素子16は、図示は省略するが、電子回路基板上に形成された導電性のパッドに半田により接着されている。なお、半導体素子16は、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタに限定されない。
また、電子回路基板14上には、半導体素子16に加えて、入力端子18、出力端子20及び中継端子22が実装されている。具体的には、入力端子18は、半導体素子16の動作を安定化する平滑コンデンサを介して直流の入力電源に接続されるP端子及びN端子の2端子を有し、出力端子20は、半導体素子16から出力されて車両用モータや電動コンプレッサ等の負荷に印加される3相交流用のU相端子20U、V相端子20V及びW相端子20Wの3端子を有する。また、中継端子22は、半導体素子16の動作を制御するために制御基板12側に設けられたコントローラに接続される複数本のピンを有する。このような入力端子18、出力端子20及び中継端子22は、いずれも図示は省略するが、導電性のパッドに対して接続面を位置整合された状態で、半田により半田接合部を形成されながら各々接着される。なお、説明の便宜上、平滑コンデンサ、入力電源、車両用モータや電動コンプレッサ等の負荷及びコントローラは、図示を省略している。
さらに、入力端子18は、絶縁性を有する樹脂部18m(支持部)からP端子のバスバー18bp及びN端子のバスバー18bnをインサート成形によって突設させた構造を有する。また、出力端子20のU相端子20Uは、樹脂部20mu(支持部)からバスバー20buが突設され、V相端子20Vは、樹脂部20mv(支持部)からバスバー20bvが突設され、W相端子20Wは、樹脂部20mw(支持部)からバスバー20bwが突設された構造を各々有する。また、中継端子22においては、樹脂部22m(支持部)から複数本の接続ピン22bが突設された構造を有する。
つまり、かかる構成においては、入力端子18の樹脂部18m、U相端子20Uの樹脂部20mu、V相端子20の樹脂部20mv、W相端子20Wの樹脂部20mw及び中継端子22の樹脂部22mは、電子回路基板14上で互いが分割されており、入力端子18、出力端子20のU相端子20U、V相端子20V及びW相端子20W、並びに中継端子22は、電子回路基板14上で互いに空間的に独立した分割モジュールをなしている。
ここで、この実施の形態に係るバスバーと電子回路基板との接合構造について出力端子20のU相端子20Uを例にして図3及び図4を参照して説明する。
U相端子20Uのバスバー20buは、樹脂部20muに支持されており、樹脂部20muから電子回路基板14外に延出される一方の端部は、図示を省略する外部機器などに接続される。樹脂部20muから電子回路基板14の上方に延びる部分は、電子回路基板14から離間し、かつ電子回路基板14の基板面14に略平行して延びる対向部31になっている。さらに、屈曲部32によって電子回路基板14に向かって略垂直に折り曲げられた後、電子回路基板14に略平行な接続部33が形成されている。接続部33は、半田34によって電子回路基板14上の導電性のパッド35に接合されている。
電子回路基板14は、パッド35と樹脂部20muの載置位置との間であって、バスバー20buの対向部31の直下に相当する位置に貫通孔からなる開口部36が形成されている。開口部36は、パッド35の近傍、即ち半田34による接合位置に対応し、より具体的には基板面14Aに直交する方向からみた平面視でバスバー20buの対向部31の真下に設けられている。開口部36の開口径(開口幅)は対向部31の長さ方向に直交する幅方向の長さ以下になっている。
なお、開口部36は、平面視で対向部31と少なくとも一部が重なる位置及び大きさに形成されていれば良く、対向部31の真下からずらした位置や、対向部31の幅より大きい開口径であっても良い。このような開口部36は半田34の近傍にあるので、バスバー20buの接触部33の半田付けを電子回路基板14の裏面側から確認するときに使用することもできる。また、図示及び説明を省略するが他の端子20V,20Wについても同様のバスバーの接続構造を有する。さらに、他の端子18、22も同様のバスバーの接続構造を設けても良い。
次に、U相端子20Uの実装方法について図5及び図6を主に参照して説明する。
U相端子20Uを電子回路基板14に実装する際には、予め公知の印刷技術を用いてペースト状の半田34を電子回路基板14のパッド35上に印刷しておく。その後、図示を省略する吸着パッドを備えるマウンタで樹脂部20muを吸着保持し、U相端子20Uを電子回路基板14上の予め定められた位置に載置させる。他の必要な部品も同様にして所定位置に載置させたら電子回路基板14をリフロー炉に搬入して半田付けを行う。
図5に概略構成を示すように、リフロー炉41は、電子回路基板14を搬送するコンベア42を有し、コンベア42の搬送方向に複数の加熱ヒータ43がコンベア42を上下に挟むように配置されている。各加熱ヒータ43には送風ファン44が取り付けられており、加熱ヒータ43で暖められた空気を電子回路基板14に向かって送風するようになっている。リフロー炉41は、搬送方向の上流側が予備加熱ゾーンHZ1になっており、これに次いで本加熱ゾーンHZ2が形成されている。さらに搬送方向の下流には、加熱ヒータ43を設けずに冷却ゾーンCZ1を形成している。図6に示すように、予備加熱ゾーンHZ1では、炉内温度が第1の温度T1付近に保持される。予備加熱によって電子回路基板14及び入力端子18などの素子やその他の部品が温められ、半田34で接合し易くなる。さらに、本加熱ゾーンHZ2では、第1の温度T1より高温の第2の温度T2まで昇温させられ、このときに半田34が溶融して入力素子18のバスバー20buの接続部33と電子回路基板14のパッド35とが接合され、接合部が形成される。
ここで、下側の加熱ヒータ43から電子回路基板14に吹き付けられる熱風は、電子回路基板14の下面の略全面に上向きに吹き付けられ、電子回路基板14全体を温めると共に、図3に矢印で示すようにその一部が開口部36を通過する。開口部36を通して電子回路基板14を通過した熱風は、開口部36に対向配置されている対向部31に吹き付けられ、対向部31を中心にしてバスバー20buを温める。即ち、開口部36が無い場合には下側からの熱風が直接に吹き付けられ難いバスバー20buの対向部31に開口部36を通して直接に熱風が吹き付けられる。しかも、開口部36の径が対向部31の幅以下なので、開口部36を通った熱風の殆どが対向部31に吹き付けられて、対向部31が効率良く加熱される。
この結果、バスバー20buが上側からの熱風と、開口部36を通過した下側からの熱風の両方に温められて温度が速やかに上昇する。しかも、この位置は半田34に接触する接続部33の近傍であるので、半田34の温度を効率良く上昇させることができる。そして、本加熱ゾーンHZ1で熱風の温度が上昇すると、これに伴って対向部31の温度も速やかに上昇する。対向部31に一体に設けられている接続部33の温度も上昇し、この熱が電子回路基板14のパッド35との間に配置されたペースト状の半田34に伝達され、半田34の溶解を促進させる。この後、電子回路基板14が冷却ゾーンCZ1に移動すると、溶融状態の半田34が固まってバスバー20buの接続部33とパッド35とが接合される。
次に、以上の構成において、インバータ装置1の動作について詳細に説明する。
具体的には、図示を省略する入力電源から平滑コンデンサを介して、入力端子18におけるP端子のバスバー18bp及びN端子のバスバー18bnに直流電流が供給される一方で、コントローラからの制御信号が接続ピン22bを介して中継端子22に入力されると、半導体素子16は、コントローラの制御の下でスイッチング動作をしながら、出力端子20におけるU相端子20Uのバスバー20bu、V相端子20Vのバスバー20bv及びW相端子20Wのバスバー20bwから、対応してU相、V相及びW相の3相交流を出力し、負荷を駆動させる。
以上、説明したように本実施の形態に係るバスバーの接合構造によれば、電子回路基板14側に設けた開口部36を通してバスバー20buの対向部31が温められるので、バスバー20buからの熱伝達によって半田34の溶解が促進されるようになり、半田付け性が向上する。これによって、製造時のタクトタイムを減少できると共に、半田付けの不良を防止できる。また、このようなバスバーの接合構造を採用することで、信頼性の高く安価なインバータ装置1を実現できる。
ここで、この実施の形態の変形例について図7から図13を参照して説明する。
図7に示すバスバーの接合構造は、バスバー20buの対向部31に開口部51を有することを特徴とする。開口部51は、バスバー20buを接合する半田34が設けられた位置から樹脂部20muに至るまでの間に設けられ、半田34による接合部に対応し、その近傍に設けられている。開口部51は基板面14Aに交差する方向、より好ましくは基板面14Aに略直交する方向に対向部31を貫通する。開口部51の形状は、対向部31の長さ方向に延びる長円形であるが、真円やその他の形状でも良い。
このようなバスバー20buを含む入力端子18の接合時には、上側からの熱風でバスバー20buが温められる。このとき、対向部31に開口部51を有することで熱風が通り易いと共に、バスバー20buの熱マスが減少することから、バスバー20buが所定温度まで速やかに温められる。さらに、上側からの熱風の一部が開口部51を通過して電子回路基板14に直接に吹き付けられる。開口部51が無い場合には熱風が直接に吹き付けられ難い部分が熱風によって直接に温められ、しかもその位置が半田34の近傍であることから、半田34が確実に溶融させられる。その結果、バスバー20buが電子回路基板14に接合される。
図8及び図9に示すバスバーの接合構造は、バスバー20buの対向部31と接続部33の間に傾斜部61を有することを特徴とする。傾斜部61は、対向部31に一体に連なり、そこから基板面14Aに対して斜めに、かつ直線的に下って接続部33に連なっている。
このようなバスバー20buを含む入力端子18の接合時には、上側からの熱風がバスバー20buを温める。バスバー20buは傾斜部61を有することで平面視の投影面積が大きくなっているので、熱風が当たり易く所定温度まで速やかに温められる。傾斜部61は、半田34の配置に対応し、半田34の近傍に設けられているので、傾斜部61から伝達された熱で半田34が速やかに温められる。この結果、半田34が確実に溶融してバスバー20buが電子回路基板14に接合される。
なお、傾斜部61は、平面視におけるバスバー20buの投影面積を増大させるものであれば良く、直線形状に限定されずに曲面形状や、階段形状等であっても良い。
図10に示すバスバーの接合構造は、電子回路基板14に開口部36を有し、バスバー20buの対向部31と接続部33の間に傾斜部61を有することを特徴とする。
バスバー20buは、接合時に上側からの熱風で温められ、特に傾斜部61の存在によって半田34に近い領域が所定温度まで速やかに昇温させられる。さらに、対向部31は、開口部36を通過した下側からの熱風によっても温められる。この結果、半田34が確実に溶融してバスバー20buが電子回路基板14に接合される。
図11に示すバスバーの接合構造は、バスバー20buの対向部31に開口部51を形成すると共に、傾斜部61を有することを特徴とする。
バスバー20buは、接合時に上側からの熱風で温められる。開口部51によって熱マスを減少させられており、さらに傾斜部61が形成されていることから半田34に近い領域が所定温度まで速やかに昇温させられる。さらに、開口部51を通って上側からの熱風の一部が、半田34の近傍の電子回路基板14に直接に吹き付けられる。この結果、半田34が確実に溶融してバスバー20buが電子回路基板14に接合される。
図12に示すバスバーの接合構造は、バスバー20buに開口部51を設け、電子回路基板14に開口部36を設けたことを特徴とする。バスバー20bu側の開口部51は対向部31に形成されており、電子回路基板14の基板面14Aに交差する方向にバスバー20buを貫通している。平面視での開口部51の形状は、対向部31の長さ方向に延びる長円形を有し、その一部のみが電子回路基板14側の開口部36に重なっている。つまり、上方からは電子回路基板14の一部が開口部51を通して露出し、下方からは対向部31の一部が開口部36を通して露出している。
接合時にバスバー20buは、上側からの熱風によって略全体が温められると共に、電子回路基板14側の開口部36を通過した下側からの熱風によって対向部31が温められる。その一方、電子回路基板14は、上下からの熱風によって略全体が温められ、特に対向部31と重なる部分が開口部51を通過した上側からの熱風によって温められる。この結果、半田34が確実に溶融してバスバー20buが電子回路基板14に接合される。
なお、バスバー20bu側の開口部51を平面視で真円にし、電子回路基板14側の開口部36を開口部51に一部が重なる長穴にしても良い。また、2つの開口部36,51の両方を長穴又は真円にしても良い。一部を重ねる代わりに、全く重ならない位置に形成しても良い。
さらに、図12に示すバスバーの接合構造において、バスバー20buに傾斜部61を設けても良い。
図13に示すバスバーの接合構造は、対向部31に切り欠き71を有することを特徴とする。切り欠き71は、半田34の配置に対応して半田34の近傍に形成されて、対向部31の長さ方向に交差する側部のそれぞれに1つずつ円弧状に形成されている。このような一対の切り欠き71によって基板面14Aに平行な方向のバスバー20buの断面積が減少させられている。
バスバー20buは、接合時に上側からの熱風で温められる。バスバー20buが切り欠き71を有することで熱風が通り易いと共に、バスバー20buの熱マスが減少することから、バスバー20buが所定温度まで速やかに温められる。さらに、上側からの熱風の一部が切り欠き71を通過して電子回路基板14に直接に吹き付けられる。切り欠き71が無い場合には熱風が直接には吹き付けられ難い部分が熱風によって直接に温められ、しかもこの部分が半田34の近傍であるため、半田34が所定温度まで速やかに温められる。この結果、半田34が確実に溶融してバスバー20buが電子回路基板14に接合される。
なお、図11において開口部51の代わりに切り欠き71を設けても良い。これによって、切り欠き71と傾斜部61を有するバスバーの接合構造が得られる。図12においてバスバー20buに開口部51の代わりに切り欠き71を設けても良い。バスバー20buは、開口部51や切り欠き71を設けた場合でも電力の供給や信号の入出力を行うのに十分な断面積を有するものとする。
電子回路基板14の開口部36の径は、対向部31の幅より大きくても良い。
また、本発明の半導体装置は、半導体素子16とバスバー(例えば、バスバー20bu)を電子回路基板14に実装した構成を有していれば良く、インバータ装置1に限定されない。
さらに、本発明は前記の実施の形態に限定されずに発明の要旨を逸脱しない範囲で広く応用することができる。
本発明の実施形態における分割モジュール端子を有するインバータ装置の斜視図である。 本実施形態におけるインバータ装置の分解斜視面図である。 バスバーの接合構造を示す側面図である。 バスバーの接合構造を示す斜視図である。 バスバーの接合に使用されるリフロー炉を模式的に示す図である。 半田付け工程における温度上昇カーブの一例を示す図である。 バスバーの接合構造の変形例を示し、バスバー側に開口部を設けた構成を示す斜視図である。 バスバーの接合構造の変形例を示し、バスバーに傾斜部を設けた構成を示す斜視図である。 図8のバスバーの接合構造を説明するための側面図である。 バスバーの接合構造の変形例を示し、バスバーに傾斜部を設け、電子回路基板に開口部を設けた構成を示す斜視図である。 バスバーの接合構造の変形例を示し、バスバーに開口部と傾斜部を設けた構成を示す斜視図である。 バスバーの接合構造の変形例を示し、バスバーと電子回路基板の両方に開口部を設けた構成を示す斜視図である。 バスバーの接合構造の変形例を示し、バスバーに切り欠きを設けた構成を示す斜視図である。
符号の説明
1 インバータ装置(半導体装置)
14 電子回路基板
20U U相端子
20bu バスバー
20mu 樹脂部
31 対向部
33 接続部
34 半田
36,51 開口部
61 傾斜部
71 切り欠き

Claims (6)

  1. 導電性のバスバーを有する端子と、前記端子を通して電力の供給や信号の入出力が行われる半導体素子とを備え、半田を用いて前記バスバーを電子回路基板に接合させた半導体装置において、
    前記バスバーの一部を前記電子回路基板に対向して配置させ、前記電子回路基板に貫通孔からなる開口部を前記バスバーの前記電子回路基板に対向配置された部分と少なくとも一部が重なるように設けたことを特徴とする半導体装置。
  2. 前記端子は前記バスバーの一部を前記電子回路基板に対向配置させるように支持する絶縁性の支持部を有し、前記開口部は前記支持部が前記電子回路基板上に載置される位置から前記半田が配置される位置に至るまでの間に設けられていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前前記開口部の開口幅は、前記バスバーの対向配置された部分の幅以下であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の半導体装置。
  4. 前記バスバーの前記電子回路基板に対向配置された部分に、前記バスバーが接合される前記電子回路基板の基板面と交差する方向に前記バスバーを貫通する開口部、又は前記バスバーの断面積を減少させる切り欠きを設けたことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の半導体装置。
  5. 導電性のバスバーを有する端子と、前記端子を通して電力の供給や信号の入出力が行われる半導体素子とを備え、半田を用いて前記バスバーを電子回路基板に接合させた半導体装置において、
    前記端子は前記バスバーの一部を前記電子回路基板に対向配置させるように支持する絶縁性の支持部を有し、前記バスバーの前記電子回路基板に対向配置された部分に、前記バスバーが接合される前記電子回路基板の基板面と交差する方向に前記バスバーを貫通する開口部、又は前記バスバーの断面積を減少させる切り欠きを設けたことを特徴とする半導体装置。
  6. 前記バスバーは、前記電子回路基板に対向配置された部分として、前記電子回路基板から離間して配置される対向部を有し、前記対向部から前記電子回路基板に半田付けされる接合部に至るまでの間に前記電子回路基板に対して傾斜する傾斜部を設けたことを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の半導体装置。
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