JP4129219B2

JP4129219B2 - 半導体装置

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Publication number: JP4129219B2
Application number: JP2003346725A
Authority: JP
Inventors: 伸二奈須
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-10-06
Filing date: 2003-10-06
Publication date: 2008-08-06
Anticipated expiration: 2023-10-06
Also published as: JP2005116662A

Description

本発明は、半導体装置に係る発明であって、特に、半導体装置に用いられるケースの構造に関するものである。

従来の半導体パワーモジュールでは、絶縁基板上に回路パターンが形成され、その上に半導体素子が実装されている。さらに、絶縁基板を取り囲むようにケースが形成され、このケースには、外部から半導体素子への入力又は半導体素子から外部への出力のための外部接続用端子が設けられている。外部接続用端子と回路パターンとの間には、アルミワイヤで接合することで電気的に接続している。なお、ケースには樹脂が注入され、ケース内の各構成が封止されている。

特許文献１に示されている従来の半導体パワーモジュールでは、アルミワイヤを介さず外部接続用端子と回路パターンとを直接接続している。ケースにインサート成形された外部接続用端子は、ケース内部の絶縁基板上に形成された回路パターンに接合材を介して接合している。そのため、特許文献１の半導体パワーモジュールは、多数のアルミワイヤをボンディングする必要なしに、大きな電流を流すことができる。

特開２００２−２９９５５２号公報

従来の半導体パワーモジュールでは、外部接続用端子と回路パターンとの間をアルミワイヤで接合するので、ワイヤボンディング作業に多くの時間を要するなど組立性に問題があった。また、外部接続用端子に傷や割れなどの不具合がある場合、絶縁基板上の回路パターンと外部接続用端子とを接続するアルミワイヤの接合強度が劣化する問題があった。

さらに、特許文献１に示されている従来の半導体パワーモジュールでは、接合材を介して外部接続用端子と回路パターンとを接合している。そのため、外部接続用端子と回路パターンとを接合する作業が必要となり、組立作業に多くの時間必要となる問題があった。また、外部接続用端子と回路パターンとの間に接合部分を有することは、この部分で接合不良を生じる可能性があった。

そこで、本発明は、組立が簡単で生産性が向上し、接合不良による信頼性低下が生じない半導体装置を提供することを目的とする。

本発明に係る解決手段は、絶縁基板と、絶縁基板の表面に形成される回路パターンと、回路パターン上に実装される半導体素子と、絶縁基板及び半導体素子を取り囲む側壁を有するケースと、半導体素子に対して入出力を行い、回路パターンの一部を延在して形成される外部接続用端子とを備え、外部接続用端子は、延在する回路パターンの一部を折り返して形成された２層構造で、且つ外部接続用端子の一部は、ケースの側壁内に配設され、絶縁基板を支持することを特徴とする。

本発明に記載の半導体装置は、絶縁基板と、絶縁基板の表面に形成される回路パターンと、回路パターン上に実装される半導体素子と、絶縁基板及び半導体素子を取り囲む側壁を有するケースと、半導体素子に対して入出力を行い、回路パターンの一部を延在して形成される外部接続用端子とを備え、外部接続用端子は、延在する回路パターンの一部を折り返して形成された２層構造で、且つ外部接続用端子の一部は、ケースの前記側壁内に配設され、絶縁基板を支持するので、回路パターンと外部接続用端子との間に接合部が存在しないため、組立が簡単で生産性が向上し、接合不良による信頼性低下が生じない効果がある。また、本発明に記載の半導体装置は、回路パターンが形成される面と平行な方向に移動することを規制しているため、絶縁基板をケースに強固に固定することができる効果がある。さらに、本発明に記載の半導体装置は、外部接続用端子の折り曲げ部分が自由に変更できるため、半導体装置のパッケージを容易に縮小化することが可能である効果がある。

（実施の形態１）
図１に、本実施の形態に係る半導体装置の一部の断面図を示す。図１では、銅ベース板１上に絶縁基板であるセラミック基板２を半田３で固定している。このセラミック基板２の表面には、銅の回路パターン５が形成されている。図１では、セラミック基板２の上下の表面に回路パターン５が形成されている。この回路パターン５は、半導体装置の種類により様々なパターンが形成される。さらに、回路パターン５上には半導体素子６が実装される。半導体素子６と回路パターン５とは、半田７により接合されている。半導体素子６と回路パターン５との間には、必要に応じてアルミワイヤ８が設けられ、半導体素子６と回路パターン５とを電気的に接続している。

本実施の形態に係る半導体装置では、回路パターン５の一部を延在して外部接続用端子９を形成する。図１では、セラミック基板２の上側表面に形成された回路パターン５の一部が、左右方向に延在している。この延在する回路パターン５が、外部接続用端子９として用いられる。ここで、延在する回路パターン５とは、セラミック基板２の端部から外側へ延びた回路パターン５の一部をいう。なお、図１では、半導体素子６が実装される側を半導体装置の内側、その反対側を外側とする。

図２に、外部接続用端子９の一部が折り曲げられた半導体装置の断面図を示す。図２では、外部接続用端子９の一部が、回路パターン５の形成される面に対し略直角に折り曲げられる。なお、外部接続用端子９が折り曲げられる部分は、セラミック基板２の端部から少し外側である。また、折り曲げられた外部接続用端子９は、銅ベース板１の端よりも内側に存在する。

図３に、本実施の形態に係る半導体装置の断面図を示す。図３では、銅ベース板１を底面として、セラミック基板２及び半導体素子６を取り囲むように側壁を有する例えば樹脂製のケース１０が形成されている。このケース１０の側壁内には、外部接続用端子９の一部が埋め込まれている。埋め込む方法は、インサート成形であってもアウトサート形成であっても良い。外部接続用端子９の一部をケース１０の側壁内に埋め込む（配設する）ことにより、回路パターン５が形成される面と平行な方向に対して、外部接続用端子９がセラミック基板２及び半導体素子６を支持することになる。そのため、セラミック基板２及び半導体素子６は、回路パターン５が形成される面と平行な方向への移動が規制される。図３では、直角に折り曲げられた外部接続用端子９が、セラミック基板２及び半導体素子６を支持し、移動を規制している。

直角に折り曲げられた外部接続用端子９は、ケース１０の上面でさらに折り曲げられ回路パターン５が形成される面と平行になっている。このケース１０の上面でさらに折り曲げられた外部接続用端子９の部分が、ケース１０から露出し、外部との間で入出力を行う。本実施の形態では、延在する回路パターン５が外部接続用端子９を形成しているので、回路パターン５と外部接続用端子９との間でアルミワイヤ８をボンディングする必要も、接合材で接合する必要もない。なお、本実施の形態では、絶縁特性を向上させるために、ケース９内のセラミック基板２及び半導体素子６上にゲル１１が充填され、ケース９の開口部が樹脂１２及びフタ１３で封止されている。

以上のように、本実施の形態に記載の半導体装置では、セラミック基板２とセラミック基板２の表面に形成される回路パターン５と、回路パターン５上に実装される半導体素子６と、セラミック基板２及び半導体素子６を取り囲むケース１０側壁を有すると、半導体素子６に対して入出力を行い、回路パターン５の一部を延在して形成される外部接続用端子９とを備え、外部接続用端子９の一部が、ケース１０の側壁内に配設され、セラミック基板２を支持するので、回路パターン５が形成される面と平行な方向に移動することを規制し、セラミック基板２をケース９に強固に固定することができる。また、本実施の形態に記載の半導体装置では、回路パターン５と外部接続用端子９との間でアルミワイヤ８による接合がないので、組立が簡単で生産性が向上し、接合不良による信頼性低下が生じない。さらに、外部接続用端子９の折り曲げ部分は自由に変更できるため、半導体装置のパッケージを容易に縮小化することが可能である。

（実施の形態２）
図４に、本実施の形態に係る半導体装置の一部の断面図を示す。本実施の形態は、図４に示すように、実施の形態１とほぼ同じ構造である。具体的には、銅ベース板１上に絶縁基板であるセラミック基板２を半田３で固定している。このセラミック基板２の表面には、銅の回路パターン５が形成されている。図４では、セラミック基板２の上下の表面に回路パターン５が形成されている。さらに、回路パターン５上には半導体素子６が実装される。半導体素子６と回路パターン５とは、半田７により接合されている。半導体素子６と回路パターン５との間には、必要に応じてアルミワイヤ８が設けられ、半導体素子６と回路パターン５とを電気的に接続している。

しかし、本実施の形態では、実施の形態１と比べて外部接続用端子９の形状が異なる。実施の形態１では、延在する回路パターン５を単に外部接続用端子９として用いている。本実施の形態では、延在する回路パターン５を折り返して２層構造の外部接続用端子９として用いている。図４では、実施の形態１の場合に比べほぼ２倍に延在した回路パターン５を外側に折り返して外部接続用端子９を形成している。図４でも、半導体素子６が実装される側を半導体装置の内側、その反対側を外側とする。なお、延在する回路パターン５の先端は、折り返すことによりセラミック基板２の近傍に位置している。また、図４でも、外部接続用端子９の一部が、回路パターン５の形成される面に対し略直角に折り曲げられている。

図５に、本実施の形態に係る半導体装置の断面図を示す。図５では、実施の形態１同様、銅ベース板１を底面として、セラミック基板２及び半導体素子６を取り囲むように側壁を有する例えば樹脂製のケース１０が形成されている。このケース１０の側壁内には、外部接続用端子９の一部が埋め込まれている。埋め込む方法は、インサート成形であってもアウトサート形成であっても良い。本実施の形態でも、外部接続用端子９の一部をケース１０の側壁内に埋め込む（配設する）ことにより、回路パターン５が形成される面と平行な方向に対して、外部接続用端子９がセラミック基板２及び半導体素子６を支持し、移動を規制している。

直角に折り曲げられた外部接続用端子９は、ケース１０の上面でさらに折り曲げられ回路パターン５が形成される面と平行になっている。このケース１０の上面でさらに折り曲げられた外部接続用端子９の部分が、ケース１０から露出し、外部との間で入出力を行う。本実施の形態は、実施の形態１と比べて２層構造の外部接続用端子９以外は同じである。そのため、実施の形態１で示した効果は、本実施の形態も全て有している。

さらに、本実施の形態に記載の半導体装置は、外部接続用端子９が、延在する回路パターン５の一部を折り返して形成された２層構造であるので、外部接続用端子９が薄板であっても電流容量を増加させることができる。

（変形例）
上記で説明した本実施の形態では、図４に示すように実施の形態１の場合に比べほぼ２倍に延在した回路パターン５を外側に折り返して外部接続用端子９を形成していた。しかし、本変形例では、図６に示すように実施の形態１の場合に比べほぼ２倍に延在した回路パターン５を内側に折り返して外部接続用端子９を形成している。この点以外に、本実施の形態と本変形例との間に異なる点はない。そのため、図６についての詳細な説明は省略する。なお、図６でも、半導体素子６が実装される側を半導体装置の内側、その反対側を外側とする。

図７に、本変形例の形態に係る半導体装置の断面図を示す。図７に示す半導体装置は、図５に示す半導体装置と比べて延在する回路パターン５を内側に折り返している点以外は同じである。そのため、図７についての詳細な説明は省略する。本変形例では、本実施の形態で示した効果を全て含む。

さらに、本変形例に記載の半導体装置は、延在する回路パターン５の一部が半導体素子６側に折り返されるので、延在する回路パターン５を外側に折り返す場合に比べ、外部接続用端子９と銅ベース板１との絶縁距離を大きく取ることができ、半導体装置の絶縁性を向上させることができる。

（実施の形態３）
図８（ａ）に、本実施の形態に係る半導体装置の断面図を示す。図８（ａ）でも、延在する回路パターン５を折り返して２層構造の外部接続用端子９としている。この２層の間に導電性接着剤２０が充填され、外部接続用端子９の２層が貼り合わされている。図８（ａ）に示す半導体装置は、導電性接着剤２０で貼り合わされた外部接続用端子９以外、図５に示した半導体装置の断面図と基本的に同じである。そのため、図５に示す半導体装置と同じ符号を付した部分については詳細な説明を省略する。

延在する回路パターン５を折り返して２層の外部接続用端子９を形成する場合、折り返しによる復元力が延在する回路パターン５に生じることがある。そのため、折り返した回路パターン５の先端を導電性接着剤などで固着していた。しかし、単に先端を導電性接着剤などで固着するだけでは、折り返しによる復元力により固着部分が外れる場合があり、電流容量が低下する問題があった。そこで、本実施の形態では、外部接続用端子９の２層の間に導電性接着剤２０を充填して貼り合わせている。その結果、本実施の形態では、折り返しによる復元力に対しても貼り合わせ部分が外れ難く、電流容量が低下する不具合を回避することができる。

本実施の形態では、外部接続用端子９の先端部近傍の１層に充填孔２１を設け、この充填孔２１から導電性接着剤２０を外部接続用端子９の２層の間に充填している。図８（ｂ）に、外部接続用端子９の先端部近傍の平面図を示す。充填孔２１は、ほぼ直角に折り曲げられた２層の外部接続用端子９の間と直接繋がる貫通孔として２層のうちの１層（ケース１０と反対側の層）に設けられる。図８（ｂ）に示す外部接続用端子９の先端部近傍の１層に充填孔２１を設け、この充填孔２１から導電性接着剤２０を充填することで、外部接続用端子９の２層の間に導電性接着剤２０を容易に充填することができ生産性の向上を図れる。なお、図８（ｂ）では、外部からの配線を接続するためのネジ穴２２が記載されている。

また、本実施の形態では、図８（ｃ）に示すように導電性接着剤溜まり２３が外部接続用端子９の基部近傍（セラミック基板２近傍）に設けられている。この導電性接着剤溜まり２３は、延在する回路パターン５の折り返し前の先端部分に溝を形成して設けられている。そして、この導電性接着剤溜まり２３は、充填孔２１から充填し過ぎた導電性接着剤２０を溜めることができ、外部接続用端子９外部への導電性接着剤２０の流出を防いでいる。流出した導電性接着剤２０が回路パターン５やアルミワイヤ８に付着することにより半導体装置の絶縁性が劣化する場合がある。本実施の形態に示した導電性接着剤溜まり２３は、この絶縁性の劣化を防ぐことができる。

以上まとめると、本実施の形態に記載の半導体装置は、外部接続用端子９の２層が、導電性接着剤２０で貼り合わされているので、外部接続用端子９の２層を安定して固着することができ、外部接続用端子９の電気容量を増加させることができる。

また、本実施の形態に記載の半導体装置は、外部接続用端子９の先端部近傍の１層に充填孔２１をさらに備え、導電性接着剤２１が、充填孔２１から外部接続用端子９の２層の間に充填されるので、外部接続用端子９の２層の間に導電性接着剤２０を容易に充填することができ生産性の向上を図れる。

（実施の形態４）
図９（ａ）に、本実施の形態に係る半導体装置の一部の断面図を示す。図９（ａ）でも、延在する回路パターン５を内側に折り返して２層構造の外部接続用端子９としている。本実施の形態では、この２層の間に導電性接着剤２０を充填せずに、延在する回路パターン５の折り返し前の先端近傍（折り返し後は外部接続用端子９の基部に位置する）に設けた長孔２５に固着材である半田２６を充填して２層を固定している。図９（ｂ）に、長孔２５を半田２６で固定する外部接続用端子９の拡大図を示す。図９（ｂ）では、外部接続用端子９の基部近傍の１層に設けられた長孔２５に半田２６が充填されている様子が示されている。

図９（ａ）に示す半導体装置では、長孔２５を半田２６で固定している以外、図７に示した半導体装置の断面図と基本的に同じである。そのため、図７に示す半導体装置と同じ符号を付した部分については、詳細な説明を省略する。図１０に、長孔２５を半田２６で固定する外部接続用端子９の一部の平面図を示す。図１０では、長孔２５の形状が外部接続用端子９の幅方向に長い。しかし、本発明では長孔２５の形状及び設ける位置については特に制限はない。

折り返した回路パターン５の先端を単に半田などで固着しようとすると、半田が流れ回路パターン５やアルミワイヤ８に付着する場合があった。半田が流れ不必要な部分に付着した場合、半導体装置の絶縁性が劣化することもあった。そこで、本実施の形態では、延在する回路パターン５の折り返し前の先端近傍（折り返し後は外部接続用端子９の基部に位置する）に設けた長孔２５に半田２６を充填して固定することで、外部接続用端子９の２層を貼り合わせている。その結果、本実施の形態では、半田２６が長孔２５から流れ出すことなく、半導体装置の絶縁性劣化を生じさせる不具合を回避することができる。

なお、本実施の形態では、延在する回路パターン５を内側に折り返す場合を示したが、本発明は、延在する回路パターン５を外側に折り返す場合であっても良い。さらに、長孔２５を設ける数は、作業効率から考えると１つであることが好ましいが、外部接続用端子９の２層を安定して接合させる点から考えると長孔２５を複数設けても良い。

以上のように、本実施の形態に記載の半導体装置は、外部接続用端子９の基部近傍の１層に長孔２５をさらに備え、外部接続用端子９の２層が、長孔２５に半田２６を充填することで貼り合わされるので、半田２６が長孔２５から流れ出すことなく、半導体装置の絶縁性劣化を生じさせる不具合を回避することができる。また、１つの長孔２５で接合する場合は、作業効率が高くなり生産性を向上させることができる。

（実施の形態５）
図１１に、本実施の形態に係る半導体装置の一部の断面図を示す。本実施の形態では、延在する回路パターン５を折り返して２層構造の外部接続用端子９とするのではなく、外部接続用端子９とは別に形成した外部接続用補助端子３０を貼り合わせることで２層構造としている。図１１では、延在する回路パターン５で１層の外部接続用端子９を形成し、その上に別で形成した外部接続用補助端子３０を貼り合わせている。なお、外部接続用端子９と外部接続用補助端子３０との貼り合わせは、導電性接着剤２０を２層の間に充填しても良いし、長孔に固着材を充填して固定しても良い。

図１１に示す半導体装置は、外部接続用補助端子３０を貼り合わせる以外、図３に示した半導体装置の断面図と基本的に同じである。そのため、図３に示す半導体装置と同じ符号を付した部分については、詳細な説明を省略する。

以上のように、本実施の形態に記載の半導体装置では、外部接続用端子９が、外部接続用端子９とは別に形成された外部接続用補助端子３０を貼り合わせることで２層構造を形成するので、延在する回路パターン５を折り返す工程が不要となり、単純な形状である外部接続用補助端子３０を貼り合わせるだけで製造が容易になり、生産性が向上する。

なお、外部接続用補助端子３０の形状は、延在する回路パターン５（１層の外部接続用端子９）の形状と同じであっても良いが、延在する回路パターン５の形状より大きくすることで、さらに電流容量を増加させることも可能である。

本発明の実施の形態１に係る半導体装置の断面図である。本発明の実施の形態１に係る半導体装置の断面図である。本発明の実施の形態１に係る半導体装置の断面図である。本発明の実施の形態２に係る半導体装置の断面図である。本発明の実施の形態２に係る半導体装置の断面図である。本発明の実施の形態２の変形例に係る半導体装置の断面図である。本発明の実施の形態２の変形例に係る半導体装置の断面図である。本発明の実施の形態３に係る半導体装置を示す図である。本発明の実施の形態４に係る半導体装置の断面図である。本発明の実施の形態４に係る外部接続用端子の平面図である。本発明の実施の形態５に係る半導体装置の断面図である。

符号の説明

１銅ベース板、２セラミック基板、３，７，２６半田、５回路パターン、６半導体素子、８アルミワイヤ、９外部接続用端子、１０ケース、１１ゲル、１２樹脂、１３フタ、２０導電性接着剤、２１充填孔、２２ネジ穴、２３導電性接着剤溜まり、２５長孔、３０外部接続用補助端子。

Claims

絶縁基板と、
前記絶縁基板の表面に形成される回路パターンと、
前記回路パターン上に実装される半導体素子と、
前記絶縁基板及び前記半導体素子を取り囲む側壁を有するケースと、
前記半導体素子に対して入出力を行い、前記回路パターンの一部を延在して形成される外部接続用端子とを備え、
前記外部接続用端子は、延在する前記回路パターンの一部を折り返して形成された２層構造で、且つ前記外部接続用端子の一部は、前記ケースの前記側壁内に配設され、前記絶縁基板を支持することを特徴とする、半導体装置。
請求項１に記載の半導体装置であって、
延在する前記回路パターンの一部は、前記半導体素子側に折り返されることを特徴とする、半導体装置。
請求項１又は請求項２に記載の半導体装置であって、
前記外部接続用端子の２層は、導電性接着剤で貼り合わされていることを特徴とする、半導体装置。
請求項３に記載の半導体装置であって、
前記外部接続用端子の先端部近傍の１層に充填孔をさらに備え、
前記導電性接着剤は、前記充填孔から前記外部接続用端子の２層の間に充填され得ることを特徴とする、半導体装置。
請求項１又は請求項２に記載の半導体装置であって、
前記外部接続用端子の基部近傍の１層に孔をさらに備え、
前記外部接続用端子の２層は、前記孔に固着剤を充填することで貼り合わされていることを特徴とする、半導体装置。