JP5709739B2 - パワー半導体装置 - Google Patents

Description

この発明は、パワー半導体装置に関するものである。詳しくは、半導体装置に内蔵されるパワーチップ基板と、パワーチップを制御する制御基板とを、リードにより電気的に接続するパワー半導体装置に関する。

パワーチップが搭載されたパワーチップ基板と、パワーチップを駆動し制御するための回路が構成された制御基板とが、電気的に接続する接続手段を有して外囲ケース内に収納されたパワー半導体装置が、特開２０００−３０７０５６号公報や特開２０１０−２４５０９６号公報に提案されている。

特開２０００−３０７０５６号公報には、制御基板を外囲ケースから着脱可能にするために、制御基板とリードとの接続手段として、リードと嵌合するコネクタを制御基板に設けて接続する構成や、弾性を有するリードを圧縮し接続する構成が開示されている。

特開２０１０−２４５０９６号公報には、パワーチップ基板と制御基板との電気的接続部に生じる熱応力等のストレスを緩和するために、パワーチップ基板と制御基板とを電気的に接続する接続ピンに屈曲部を形成した構成が開示されている。また、特開２０１０−２４５０９６号公報には、チップ基板とリード間、リードと制御基板間をいずれも半田付け等により接続する構成が開示されている。

特開２０００−３０７０５６号公報 特開２０１０−２４５０９６号公報

しかしながら、上述の特開２０００−３０７０５６号公報に記載のパワー半導体装置では、パワーチップ基板とリードとの電気接続にワイヤボンディングを用いており、製造コストが高くなっていた。

特開２０１０−２４５０９６号公報に記載のパワー半導体装置では、制御基板とリードとが半田接続されているため、リード本数が多い場合は組立時間が長く製造コストが高くなっており、また、制御基板を外囲ケースから着脱できないため、修理作業が複雑なものとなり、結果的に修理コストが高くなっていた。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものである。この発明の主たる目的は、製造コストおよび修理コストを低減可能に構成されたパワー半導体装置を提供することにある。

本発明に係るパワー半導体装置は、パワーチップを搭載した基板と、パワーチップに関連する電子部品を搭載した制御基板と、パワーチップと制御基板とを電気的に接続するリードと、リードの一端とパワーチップとを接続する接続部材とを備える。リードは弾性部と、弾性部より剛性の高い根元部を含み、リードは接続部材側に根元部を含む。根元部とパワーチップの表面とを覆う保護部材をさらに備え、弾性部は保護部材から露出されている。リードの他端と制御基板とはリードの弾性部が弾性変形することにより互いに当接する。パワー半導体装置はパワーチップと制御基板とを電気的に接続する他のリードと、リードと他のリードとの間に位置し、電気絶縁性の材料からなる仕切り部材と、をさらに備える。

本発明のパワー半導体装置は、パワーチップとリード間のワイヤボンディングと、リードと制御基板との半田付けが不要であり、製造コストを低減できる。さらに、リードと制御基板とが接続されていないため、制御基板が外囲ケースから着脱可能となり、修理コストを低減できる。

本発明の実施の形態１に係るパワー半導体装置の概略構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態２に係るパワー半導体装置の概略構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態２に係るパワー半導体装置の変形例を示す断面図である。 本発明の実施の形態２に係るパワー半導体装置の他の変形例を示す断面図である。 本発明の実施の形態２に係るパワー半導体装置のさらに他の変形例を示す断面図である。 本発明の実施の形態１〜２に係るパワー半導体装置において使用可能なリードの変形例である。 本発明の実施の形態１〜２に係るパワー半導体装置において使用可能なリードの他の変形例である。 本発明の実施の形態１〜２に係るパワー半導体装置において使用可能なリードのさらに他の変形例である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１について説明する。まず、図１を参照して実施の形態１に係るパワー半導体装置１００の構成を説明する。パワー半導体装置１００は、パワーチップ１と、パワーチップ基板２と、制御基板３と、パワーチップ１と制御基板３とを電気的に接続するリード４と、を備える。

パワーチップ１は、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴなどのパワー半導体素子であり、パワーチップ基板２に、例えば半田などの接続部材（図示せず）を介して接続されている。

パワーチップ基板２は、金属製のベース板５に、例えば半田などの接続部材（図示せず）を介して接続されている。パワーチップ基板２は、下面がベース板５に接続されるとともに、側面を例えば樹脂からなるケース６で囲うように構成されている。パワーチップ基板２は、パワーチップ１からの発熱を、パワーチップ基板２およびベース板５を介して放熱する。そのため、パワーチップ基板２は、熱伝導性の良好な基板であることが好ましく、例えば、表面に銅などの配線パターンが形成されたセラミック板が使用可能である。なお、ケース６は、ベース板５の外周部表面に接続され、パワーチップ基板２を囲むような環状の平面構造を有する。

制御基板３は、例えば、プリント配線板であり、電子部品９および外部端子１０が実装され、これらの電子部品９によりパワーチップ１を駆動、制御する回路が構成されている。制御基板３は、パワーチップ基板２の上部に位置し、ケース６に接続される。ケース６と制御基板３との接続は、着脱可能であれば任意の接続部材を使用可能である。図１の例では、ボルト８によりケース６と制御基板３とを接続している。具体的には、制御基板３の外周部にはボルト８を挿入するための貫通孔が形成されている。また、ケース６には、当該貫通孔に対向する部分に、ボルト８を挿入固定するためのねじ孔が形成されている。上述した制御基板３の貫通孔とケース６のねじ孔とが重なるように、ケース６上に制御基板３を配置する。この状態で、貫通孔にボルト８を挿入するとともに、ねじ孔に当該ボルト８をねじこんで固定する。

リード４は、弾性を有する弾性部４ａを含む。すなわち、リード４は、パワーチップ１の電極パッドやパワーチップ基板２の配線部に接続部材１１を介して接続された接続部と、当該接続部に対して交差する方向（図１では接続部の延在方向に対して垂直な方向）に延びる根元部４ｂと、当該根元部４ｂにおいて接続部と反対側の端部に連なる弾性部４ａとを含む。根元部４ｂは、例えば平坦な板状形状を有する。

根元部４ｂは、板状の部材が屈曲することにより、弾性を有するばね状体である。弾性部４ａでは、根元部４ｂを介して上記接続部と対向する位置に、制御基板３と接触する部分（接触電極部）が形成されている。当該接触電極部は、例えば、弾性部４ａにおいて上記接続部から離れる方向に凸形状となった部分である。

リード４は、一端をパワーチップ１の電極パッドに、半田や導電性接着剤などの導電性の接続部材１１を介して接続される。なお、リード４は、パワーチップ基板２の配線部にも接続部材１１を介して接続可能である。パワーチップ基板２の配線部は、例えば、パワーチップ１の裏面電極が接続され、パワーチップ１の下からパワーチップの外側まで引き出された配線部や、パワーチップ１の表面電極とワイヤ１２で接続された配線部分である。これにより、パワーチップ１の電極パッドおよびパワーチップ基板２の配線部とリード４とを、直接接続でき、ワイヤボンディングを省くことができる。よって製造工程の簡略化および作業時間の短縮が実現でき、パワー半導体装置の製造コストを低減できる。

また、本実施の形態では、リード４とパワーチップ１の電極パッドとの直接接続が可能となることで、ケース６に埋め込まれたリード４に、パワーチップ１とのワイヤボンディングに必要なパッドスペースを設ける場合に比べて、パワー半導体装置の小型化が可能となる。

制御基板３をボルト８によりケース６に固定した状態では、リード４は、他端を制御基板３の電極パッドに、弾性部４ａの弾性変形によって、接触圧を持って当接される。このように、制御基板３は、ボルト８の締緩によりケース６に対して着脱可能となる。よって例えば制御基板３の故障時に、制御基板３のみの修理交換を行なうことができるので、パワー半導体装置１００全体を交換する場合より、修理コストを抑えることができる。また、リード４と制御基板３とを接続するための半田付け工程が省略可能となり、製造コストも低減できる。

リード４は、上述したように、パワーチップ１およびパワーチップ基板２と、制御基板３と、によって圧縮された状態になっている。リード４は、電気伝導性を有するものであれば任意の素材を使用可能であるが、図１の例では、リードの材料として銅を採用している。リードの材料として、バネ性を有する材料を選択してもよい。

なお、本発明の実施の形態１において、リード４は導電性接続部材により制御基板３のパッド部に接着され、リード４の弾性部４ａの弾性変形により接触圧を持ってパワーチップ１の電極パッドやパワーチップ基板２の配線部に当接されてもよい。

（実施の形態２）
図２を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態２によるパワー半導体装置１００は、基本的には図１に示したパワー半導体装置１００と同様の構成を備えるが、パワーチップ１およびパワーチップ基板２の表面と、パワーチップ１およびパワーチップ基板２に接着したリード４の根元部４ｂとを覆う、保護部材１３をさらに備える。

保護部材１３は、電気絶縁性を有するものであれば、任意の素材を使用可能である。好ましくは、エポキシ樹脂やシリコーンで構成される。このとき、リード４の弾性部４ａは、保護部材１３から露出している。これにより、保護部材１３は、弾性部４ａの弾性変形を阻害せずに、パワーチップ１およびパワーチップ基板２を保護することができる。弾性変形を阻害しないため、保護部材１３は、リード４と制御基板３との電気的接続に影響を及ぼさない。

図３を参照して、本実施の形態２の変形例にかかるパワー半導体装置１００は、保護部材１３の上に位置し、リード４の弾性部４ａの弾性変形に伴って変形可能で、かつ電気絶縁性を有する上層保護部材１６を備えてもよい。これにより、リード４の全体が保護部材１３と上層保護部材１６により覆われるため、パワー半導体装置１００に異物が混入しても、複数のリード４間での短絡やリード４の断線といった異常発生を抑止できる。パワーチップ基板２と、ケース６と、制御基板３とにより囲まれる空間を充填する保護部材を保護部材１３と上層保護部材１６の２層構造とすることで、保護部材１３として使用可能な材料の選択肢が広がり、例えば、パワーチップ１やパワーチップ基板２に対する機械的な保護機能を考慮して保護部材１３の材料を選択することができる。

図４を参照して、本実施の形態２の他の変形例にかかるパワー半導体装置１００は、保護部材１３の上に位置し、複数のリード４間を区分するように形成された電気絶縁性の仕切り部材１４を備えてもよい。仕切り部材１４は、リード４の弾性部４ａを覆わないようにスロット１５が形成されている。リード４の弾性部４ａは、仕切り部材１４のスロット１５内に収納された状態とすることができる。これにより、複数のリード４が形成されたパワー半導体装置１００において、個々のリード４は仕切り部材１４および保護部材１３により電気的に隔離されており、導電性異物混入時の短絡やリード同士の接近、接触を防止できる。

また、図５に示すように、リード４の弾性部４ａの弾性変形に伴って変形可能でかつ、電気絶縁性を有する軟質保護部材１７により、リード４とパワーチップ１およびパワーチップ基板２の表面を覆ってもよい。これにより、単層でリード４全体とパワーチップ１およびパワーチップ基板２の表面を保護可能となる。

なお、上述した本発明の実施の形態１および実施の形態２におけるパワー半導体装置１００を構成するリード４については、さまざまな形状を採用することができる。例えば、図６や図７に示すように、リード４の根元部４ｂには、貫通孔４ｃや切欠き４ｄが形成されていてもよい。より具体的には、図６に示したリード４では、根元部４ｂを貫通するように貫通孔４ｃが形成されている。貫通孔４ｃは、根元部４ｂの幅方向におけるほぼ中央部に形成されている。また、貫通孔４ｃは、根元部４ｂの高さ方向（接続部から弾性部４ａに向かう方向）での中央部より下方（接続部寄り）に形成されている。この場合、図２に示すように保護部材１３を配置するときに、当該貫通孔４ｃが形成された根元部４ｂの部分を保護部材１３中に確実に埋設した状態とすることができる。

また、図７に示したリード４では、根元部４ｂの幅方向の両端に２つの切欠き４ｄが形成されている。なお、切欠き４ｄの数や配置は任意に選択できる。例えば、根元部４ｂの幅方向の両端のそれぞれに、複数の切欠き４ｄを形成してもよい。また、図７にしめしたリード４では、２つの切欠き４ｄが対向するように配置されているが、複数の切欠き４ｄが高さ方向にずれて形成されていてもよい。これにより、根元部４ｂに対する保護部材１３の密着性を向上でき、密着不良箇所の発生を抑制できる。密着不良箇所からパワーチップ１表面への湿気や水分の浸入が防止でき、パワーチップ１を確実に保護することができる。

図８に示すように、リード４の根元部４ｂには、補強部材４ｅを含んでもよい。具体的には、リード４の根元部４ｂに、高さ方向に延在する補強部材４ｅが形成されていてもよい。補強部材４ｅは、例えば、厚みが根元部４ｂにおける他の部分より厚くなった厚肉部でもよいし、根元部４ｂの一部をプレス成形などにより凸状に変形させた変形部であってもよい。これにより根元部４ｂの剛性が高まり、制御基板３とリード４とが弾性部４ａの弾性変形により当接した状態においても、根元部４ｂの変形を抑制し、根元部４ｂの変形により保護部材１３へ加わるストレスを低減できる。保護部材１３へ加わるストレスを低減できることで、保護部材１３の損傷を防止し、パワーチップ１を確実に保護することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、パワーチップと制御基板とをリードによる接続する構造を備えるパワー半導体装置に特に有利に適用される。

１ パワーチップ、２ パワーチップ基板、３ 制御基板、４ リード、４ａ 弾性部、 ４ｂ 根元部、４ｃ 貫通孔、４ｄ 切欠き、４ｅ 補強部材、５ ベース板、６ 外囲ケース、８ ボルト、９ 電子部品、１０ 外部端子、１１ 接続部材、１２ ワイヤ、１３ 保護部材、１４ 仕切り部材、１５ スロット、１６ 上層保護部材、１７ 軟質保護部材、１００ パワー半導体装置。

Claims (4)

1. パワーチップを搭載したパワーチップ基板と、
   前記パワーチップに関連する電子部品を搭載した制御基板と、
   前記パワーチップと前記制御基板とを電気的に接続するリードと、
   前記リードの一端と前記パワーチップとを接続する接続部材と、を備え、
   前記リードは、弾性部と、前記弾性部より剛性の高い根元部と、を含み、
   前記リードは、前記接続部材側に前記根元部を含み、
   前記根元部と前記パワーチップの表面とを覆う保護部材をさらに備え、
   前記弾性部は前記保護部材から露出されており、
   前記リードの他端と前記制御基板とは、前記リードの前記弾性部が弾性変形することにより互いに当接し、
   前記パワーチップと前記制御基板とを電気的に接続する他のリードと、
   前記リードと前記他のリードとの間に位置し、電気絶縁性の材料からなる仕切り部材と、をさらに備える、パワー半導体装置。
2. パワーチップを搭載したパワーチップ基板と、
   前記パワーチップに関連する電子部品を搭載した制御基板と、
   前記パワーチップと前記制御基板とを電気的に接続するリードと、
   前記リードの一端と前記パワーチップとを接続する接続部材と、を備え、
   前記リードは、弾性部と、前記弾性部より剛性の高い根元部と、を含み、
   前記リードの他端と前記制御基板とは、前記リードの前記弾性部が弾性変形することにより互いに当接し、
   前記リードは、前記接続部材側に前記根元部を含み、
   前記根元部と前記パワーチップの表面とを覆う保護部材と、さらに、
   前記保護部材上に位置して前記リードの前記弾性部を覆い、前記弾性部の弾性変形に伴って変形可能な硬度を有する上層保護部材とを備える、パワー半導体装置。
3. 前記リードの前記根元部に、貫通孔もしくは切欠きが形成されている、請求項１または請求項２に記載のパワー半導体装置。
4. 前記リードの前記根元部は、補強部材を含む、請求項１または請求項２に記載のパワー半導体装置。

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