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JP3747699B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置に関し、特にパワーデバイス、駆動回路、保護回路などを一つのパッケージに集積し、大電流を扱う主端子と制御信号を扱う制御端子とを備えた半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
汎用インバータ、無停電電源装置、工作機械、産業用ロボットなどのパワーエレクトロニクス応用装置では、パワーデバイスが使用されているが、このパワーデバイスとしては、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）が主流になってきている。さらに、ＩＧＢＴに加えてその駆動回路および保護回路を一つのモジュール内に集積して高性能、高機能化したインテリジェントパワーモジュールが実用化されている。
【０００３】
このようなパワーモジュールは、複数のＩＧＢＴチップを組み合わせたパワースイッチング回路と、ＩＧＢＴを駆動する回路と、過電流保護、短絡保護、加熱保護などの機能を備えた保護回路とをケース内に実装し、これらの回路はケースの外に形成された各種端子に接続されている。たとえば三相モータ駆動用に使われるインテリジェントパワーモジュールでは、外部に、直流電力入力用のＰおよびＮの端子台と、出力用のＵ、Ｖ、Ｗの端子台と、ブレーキ用のＢの端子台と、制御信号用の制御端子とを備えている。制御端子は、一端がＩＧＢＴの駆動回路、保護回路などに接続された複数のピンまたは板状のタブとこれらのピンまたはタブを保持した絶縁性の端子ブロックとから構成され、端子ブロックをケースに二次成形、接着、ねじ止めなどの方法により一体に形成されている。
【０００４】
このようなインテリジェントパワーモジュールをユーザが使用する場合、主回路については各端子台にねじ止めすることによって装置への取り付けを行うが、制御回路については、制御用集積回路などを実装したパワーボードを端子ブロックから出ているピンまたはタブに直接はんだ付けしたり、あるいはパワーボードに接続または装着されたコネクタに端子ブロックから出ているピンまたはタブを挿入することによって装置への取り付けを行っている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の半導体装置では、制御信号用の端子は半導体装置から突出した凸形状をしているため、製造過程や製造後の輸送中に何らかの荷重が加わって曲がったりすることがあるが、たとえばロボットによる自動実装では、端子のピッチなど寸法精度が悪くなると、パワーボードのコネクタとの嵌合ずれが生じてコネクタなどを破壊することがある。また、制御信号用の端子にコネクタを装着するときには、コネクタを半導体装置から端子が突出している方向に移動させることによって端子をコネクタに差し込まなければならない。
【０００６】
さらに、制御信号用の端子は半導体装置から露出しているため、誤って手を触れてしまうことがあるが、場合によっては、静電気の作用により半導体装置の内部の素子を破壊してしまうという問題点があった。
【０００７】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、パワーボードとの接続において嵌合ずれがなく、直接手で触れることのない制御用信号の端子を備えた半導体装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明では上記問題を解決するために、パワーデバイスと、該パワーデバイス用の駆動回路および保護回路とを一つのケース内に備えた半導体装置において、前記駆動回路および保護回路から前記ケースの外側へ導出される制御信号用の端子部を、ピンまたはタブ形状の端子を受け入れるレセプタクルタイプのコネクタとし、前記レセプタクルタイプのコネクタは、前記駆動回路および保護回路からの接続端子部および前記ピンまたはタブ形状の端子との接触部からなる前記端子部を保持し、前記ケースに二次成形、接着またはねじ止めにより固着した端子ブロックを有し、前記端子ブロックは、前記駆動回路および保護回路との接続を行う前記接続端子部と前記ピンまたはタブ形状の端子が接触される前記接触部との間を閉止して前記ケース内の流体が前記接触部に浸出しないようにしたことを特徴とする半導体装置が提供される。
【０００９】
このような半導体装置によれば、半導体装置側の制御信号用の端子部がレセプタクルタイプのコネクタとしたことにより、内部の回路素子と直接接続される端子部がケースより突出したり露出していない。これにより、端子部に輸送中に荷重が加わることがないため、端子部が変形することがなく、また、端子部に直接手を触れることができないので、取扱中に半導体装置内の素子を静電気で破壊されることもない。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、ＩＧＢＴインテリジェントパワーモジュールに適用した場合を例に図面を参照して詳細に説明する。
【００１１】
図１はパワーモジュールとパワーボードとの接続関係を示す斜視図である。ＩＧＢＴインテリジェントパワーモジュール１は、そのケースの外周上面に、主回路の外部端子として、直流電力入力用のＰおよびＮの端子台２ａ，２ｂと、出力用のＵ、Ｖ、Ｗの端子台２ｃ，２ｄ，２ｅと、ブレーキ用のＢの端子台２ｆと、制御信号用の制御端子部３とを備えている。
【００１２】
この制御端子部３は、レセプタクルタイプのコネクタであり、外部からオス型の端子であるピンまたはタブを受け入れるスリット状の開口部３ａを長手方向に所定間隔を置いて複数個設けられたコネクタハウジング３ｂと、このコネクタハウジング３ｂ内に開口部３ａに対応してそれぞれ配置された端子群とによって端子ブロックを構成している。コネクタハウジング３ｂは、ＩＧＢＴインテリジェントパワーモジュール１のケースと一体に形成されるか、ケースに二次成形するか、別体に形成した端子ブロックを接着、ねじ止めなどの方法によりケースに固着される。
【００１３】
制御端子部３の開口部３ａは、図示の例では、ＩＧＢＴインテリジェントパワーモジュール１の上面および外側側面の２方向に開口しており、このコネクタハウジング３ｂに対するオス型端子の挿抜方向を縦または横方向のいずれにも可能なようにしている。
【００１４】
このＩＧＢＴインテリジェントパワーモジュール１に対してパワーボード４を取り付ける場合、パワーボード４に搭載されるコネクタ５はピンまたはタブタイプの端子を備えたものとなる。図示の例では、コネクタ５は複数のタブタイプの端子５ａを備えている。このようなコネクタ５を制御端子部３に嵌合接続することによってパワーボード４をＩＧＢＴインテリジェントパワーモジュール１に取り付けることになる。このとき、パワーボード４は立てた状態でＩＧＢＴインテリジェントパワーモジュール１に接近させていき（矢印６）、まず、パワーボード４のコネクタ５の端子５ａを制御端子部３の側面の開口部３ａに挿入する。次いで、コネクタ５の端子５ａを制御端子部３に挿入した状態で、その挿入位置を支点にしてパワーボード４をＩＧＢＴインテリジェントパワーモジュール１の方へ倒していく。パワーボード４が水平になるまで倒されると、次に、そのパワーボード４を、コネクタ５の端子５ａが制御端子部３の開口部３ａの縁部に当接するまで矢印６の方向に移動させることにより、パワーボード４はＩＧＢＴインテリジェントパワーモジュール１の上面に位置決めされることになる。その後、そのパワーボード４を図示しないねじによって各端子台２ａ〜２ｆにねじ止めされることにより、パワーボード４のＩＧＢＴインテリジェントパワーモジュール１への取り付けが完了する。このように、コネクタ５がパワーボード４の取り付け面の側にある場合には、コネクタ５を制御端子部３に取り付ける際に、コネクタ５の端子５ａがパワーボード４によって隠れて見えないが、コネクタ５の端子５ａの制御端子部３への嵌合をパワーボード４を立てた状態で行うことができるため、嵌合ずれを起こすことなく確実かつ迅速に行うことが可能になる。
【００１５】
また、パワーボード４を立てた状態で、コネクタ５の端子５ａを上方から接近させて（矢印７）、制御端子部３の開口部３ａへ挿入し、同様にして、その挿入位置を支点にしてパワーボード４を傾動させるようにしてもよい。
【００１６】
もちろん、ロボット組み立てのように、パワーボード４とＩＧＢＴインテリジェントパワーモジュール１との相対位置が正確である場合には、最初から、パワーボード４を水平状態に保持した状態でコネクタ５の端子５ａを制御端子部３に直接挿入するようにしてもよい。
【００１７】
図２は制御端子部の一部を拡大して示した側面図である。制御端子部３は、そのコネクタハウジング３ｂの側面および上面にスリット状の開口部３ｃ，３ｄが開口している。各開口部３ｃ，３ｄは、コネクタ５の端子５ａの厚さ寸法よりも大きな寸法の開口幅を有し、開口端近傍は奥に行くほど狭小となるようにテーパが付けられていている。コネクタ５の端子５ａが挿入される各開口部３ｃ，３ｄの空間には、互いに対向して配置された２枚の接触板３ｅ，３ｆが配置されている。各接触板３ｅ，３ｆは、好ましくは１枚の金属板をコ字状に折り曲げることによって形成され、向き合う面にはそれぞれ内側に突出した隆起部３ｇ，３ｈが形成されている。
【００１８】
ここで、コネクタ５の端子５ａが制御端子部３に縦または横方向から押し込まれると、端子５ａは接触板３ｅ，３ｆの隆起部３ｇ，３ｈと摺動しながら挿入される。これにより、挿入された端子５ａは接触板３ｅ，３ｆの隆起部３ｇ，３ｈによって挾持状態に保持され、コネクタ５と制御端子部３との機械的および電気的な接続が行われる。
【００１９】
図３はパワーモジュールの内部構成例を示す断面図である。ここに例示したＩＧＢＴインテリジェントパワーモジュール１は、金属ベース１１の上にセラミック基板１２が固着されており、そのセラミック基板１２の上面に複数のＩＧＢＴチップ、フリーホイーリングダイオードチップなどが銅の回路パターンを介して搭載されている。たとえばＩＧＢＴチップにおけるコレクタおよびエミッタなどの主回路電極は、導電性の端子部１３によってたとえば端子台２ｅに接続され、端子部１４によってたとえば端子台２ａに接続されている。これらの端子部１３，１４は、好ましくは、端子台２ｅ，２ａと一体に形成されている。
【００２０】
金属ベース１１の辺縁上に設けられたケース１５は、端子台２ｅ，２ａ側の端子部１３，１４を保持するとともに、中に接触板が並置された端子ブロック１６を保持している。この例では、端子ブロック１６をケース１５に二次成形するかまたは別体に形成した端子ブロック１６をたとえば接着剤によりケース１５に固着している。
【００２１】
端子ブロック１６は、接触板１７とこの接触板１７と一体に形成された端子部１７ａとを保持している。端子部１７ａは、その先端部がケース１５の内部にて上方に突出している。また、ケース１５の内部において、端子部１８を保持している端子保持部１９がケース１５に固定されている。端子部１８の一端は、セラミック基板１２に搭載されたたとえばＩＧＢＴチップにおけるゲートなどの制御電極や過電流検出または温度検出用の電極などに接続されている。さらに、端子部１８の他端と端子ブロック１６に保持された端子部１７ａとは、プリント基板２０にはんだ付けされている。このプリント基板２０は、たとえば、端子ブロック１６からの端子部１７ａとのインタフェース回路、ＩＧＢＴチップのドライブ回路、保護回路などの集積回路を搭載している。
【００２２】
なお、プリント基板２０の機能に相当する回路が、セラミック基板１２上に搭載されている場合には、端子ブロック１６からの端子部１７ａは、直接、セラミック基板１２上のチップに接続するように構成される。
【００２３】
図４は端子ブロックの別の構成例を示す断面図である。端子ブロック１６は、その下端部に開口部２１を有し、その開口部２１を介して接触板１７および端子部１７ａを挿入し、スリット状の開口部３ｃ，３ｄと通じている中空部に圧入することによって組み立てられる。接触板１７および端子部１７ａの装着後は、開口部２１は蓋２２によって閉止され、端子ブロック１６における接触板１７および端子部１７ａの装着空間部とケース１５の内部とが遮断される。これにより、ケース１５の内部にシリコーンゲルあるいはエポキシ樹脂を充填する場合、シリコーンゲルあるいは硬化前のエポキシ樹脂が端子ブロック１６の内部に浸入することがなくなり、接触板１７がシリコーンゲルあるいはエポキシ樹脂によって接触不良になることを防止することができる。
【００２４】
図５は別の制御端子部を備えたパワーモジュールの概観斜視図である。ここに例示したＩＧＢＴインテリジェントパワーモジュール１ａによれば、その制御端子部３は、オス型コネクタの端子を挿入するためのスリット状の開口部２３がコネクタハウジングの両側面および上面の３方に設けられている。
【００２５】
これにより、たとえばパワーボードに搭載されたコネクタの端子をＩＧＢＴインテリジェントパワーモジュール１ａに取り付ける場合、制御端子部３に対してコネクタの端子を、矢印２４で示す上方向から、矢印２５で示す横方向外側から、または矢印２６で示す横方向内側から挿入することができる。もちろん、コネクタの端子の挿入方向は、これら直角の３方向だけではなく、斜めに挿入するようにしてもよい。これにより、コネクタ嵌合時の挿入方向の自由度を高めることができる。
【００２６】
図６はさらに別の制御端子部を備えたパワーモジュールの部分平面図である。ここに例示したＩＧＢＴインテリジェントパワーモジュール１ｂによれば、その制御端子部３は、外部からオス型の端子であるピンを受け入れるための矩形の開口部２７を長手方向に所定間隔を置いて複数個備えているレセプタクルタイプのコネクタである。各開口部２７の奥には、挿入された角ピン形状の端子との電気的な接触を行う接触部材が収容されている。
【００２７】
したがって、この制御端子部３においても、ＩＧＢＴインテリジェントパワーモジュール１ｂの内部回路と接続された信号端子部は、外部に露出することがないので、輸送中に変形したり、取り扱い時に誤って触れることにより内部の回路素子が静電破壊される危険性もない。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、主回路端子とともに制御端子部を備えるモジュールにおいて、制御端子部をレセプタクルタイプのコネクタとする構成にした。これにより、ピンなどの端子が突出していないので、外形がコンパクトになり、製品を梱包する場合に安全かつ小スペースに収納することができる。また、制御端子部の端子がケーシング内に収納されていて変形されることがないので、ロボットによる自動実装など組み立てが容易になる。さらに、オス型の端子であるピンまたはタブタイプの端子を受け入れる開口部を２方向または３方向にスリット状に設けることにより、挿入角度のずれを吸収できたり、嵌合の方向性を自由に設定できるなど、組み立ての自由度を広げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】パワーモジュールとパワーボードとの接続関係を示す斜視図である。
【図２】制御端子部の一部を拡大して示した側面図である。
【図３】パワーモジュールの内部構成例を示す断面図である。
【図４】端子ブロックの別の構成例を示す断面図である。
【図５】別の制御端子部を備えたパワーモジュールの概観斜視図である。
【図６】さらに別の制御端子部を備えたパワーモジュールの部分平面図である。
【符号の説明】
１ ＩＧＢＴインテリジェントパワーモジュール
２ａ〜２ｆ 端子台
３ 制御端子部
３ａ 開口部
３ｂ コネクタハウジング
３ｃ，３ｄ 開口部
３ｅ，３ｆ 接触板
３ｇ，３ｈ 隆起部
４ パワーボード
５ コネクタ
５ａ 端子
１１ 金属ベース
１２ セラミック基板
１３，１４ 端子部
１５ ケース
１６ 端子ブロック
１７ 接触板
１７ａ 端子部
１８ 端子部
１９ 端子保持部
２０ プリント基板
２１ 開口部
２２ 蓋
２３ 開口部
２７ 開口部

Claims (5)

  1. パワーデバイスと、該パワーデバイス用の駆動回路および保護回路とを一つのケース内に備えた半導体装置において、
    前記駆動回路および保護回路から前記ケースの外側へ導出される制御信号用の端子部を、ピンまたはタブ形状の端子を受け入れるレセプタクルタイプのコネクタとし、
    前記レセプタクルタイプのコネクタは、前記駆動回路および保護回路からの接続端子部および前記ピンまたはタブ形状の端子との接触部からなる前記端子部を保持し、前記ケースに二次成形、接着またはねじ止めにより固着した端子ブロックを有し、
    前記端子ブロックは、前記駆動回路および保護回路との接続を行う前記接続端子部と前記ピンまたはタブ形状の端子が接触される前記接触部との間を閉止して前記ケース内の流体が前記接触部に浸出しないようにしたことを特徴とする半導体装置。
  2. 前記レセプタクルタイプのコネクタは、前記ピンまたはタブ形状の端子を１方向からのみ挿入するよう設けられた開口部を備えていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
  3. パワーデバイスと、該パワーデバイス用の駆動回路および保護回路とを一つのケース内に備えた半導体装置において、
    前記駆動回路および保護回路から前記ケースの外側へ導出される制御信号用の端子部を、ピンまたはタブ形状の端子を受け入れるレセプタクルタイプのコネクタとし、
    前記レセプタクルタイプのコネクタは、前記ピンまたはタブ形状の端子を上面および片側面側から挿入できるスリット状の開口部を備えていることを特徴とする半導体装置。
  4. パワーデバイスと、該パワーデバイス用の駆動回路および保護回路とを一つのケース内に備えた半導体装置において、
    前記駆動回路および保護回路から前記ケースの外側へ導出される制御信号用の端子部を、ピンまたはタブ形状の端子を受け入れるレセプタクルタイプのコネクタとし、
    前記レセプタクルタイプのコネクタは、前記ピンまたはタブ形状の端子を上面および両側面側から挿入できるスリット状の開口部を備えていることを特徴とする半導体装置。
  5. 前記レセプタクルタイプのコネクタは、前記端子部を収容するハウジングが前記ケースに一体に形成されていることを特徴とする請求項１、請求項３および請求項４のいずれか１項に記載の半導体装置。
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