JP2005277012A - 電力用半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、主電極端子の変形およびナット抜けなどの不具合を防止できる電力用外部配線取付け用ナットを有する電力用半導体装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 本発明の電力用半導体装置は、ケース主面を有し、樹脂で成形された樹脂ケースと、ナットと、を備える。ナットは、長手方向に延びる本体部と、長手方向に対して実質的に垂直な方向に延び、ケース主面と対向するフランジ主面を有するフランジとを有する。またナットは、フランジ主面が樹脂により支持されるように、樹脂ケース内に埋め込まれる。これにより、主電極端子の変形およびナット抜けなどの不具合を防止することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気自動車などに用いられる大電流を制御するための電力用半導体装置およびその製造方法に関する。とりわけ本発明は、主電極端子の変形およびナット抜けなどの不具合を防止できる電力用外部配線取付け用ナットを有する電力用半導体装置およびその製造方法に関する。

電気自動車の駆動用として用いられるＩＰＭ（インテリジェント・パワーモジュール）などの電力用半導体装置によれば、インサート成形されたナットと取付けボルトとの間に主回路端子およびバスバを挟んで、取付けボルトをナットに締め付けることにより、主回路端子とバスバとを電気的に接続している。

ところが、取付け時にボルトをナットに強く締め付けたことにより、あるいは使用中にバスバがボルトの長手方向に強く引っ張られることにより、ナットがインサート成形されているにもかかわらず、ナットの一部（フランジ部）が成形樹脂から剥離して、主電極端子を変形させ（電気的接続が不完全となり）、ひいてはナットが成形樹脂から完全に離脱して（抜け落ちて）断線故障を引き起すことがあった。

こうした問題に対処するため、例えば、特開平１０−１２２９２号による電力用半導体装置は、例えば図５に示すように、絶縁性樹脂材からなるユニット本体にバスバを埋設することにより、バスバとユニット本体部の接合強度を改善し、バスバがユニット本体から離脱しにくいように構成されていた。
特開平１０−１２２９２号公報

しかしながら、埋設されたバスバは、ボルトの長手方向に対して平行な方向に延びているため、長手方向に引っ張られる力に対して得られる抗力は、あまり大きくなく、依然として、主電極端子の変形やナット抜けといった問題を払拭することはできなかった。

そこで本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、主電極端子の変形およびナット抜けなどの不具合を防止できる電力用外部配線取付け用ナットを有する電力用半導体装置を提供することを目的とする。

本発明の１つの態様による半導体素子を有する電力用半導体装置は、ケース主面を有し、樹脂で成形された樹脂ケースと、ナットと、を備える。ナットは、長手方向に延びる本体部と、長手方向に対して実質的に垂直な方向に延び、ケース主面と対向するフランジ主面を有するフランジと、を有する。またナットは、フランジ主面が樹脂により支持されるように、樹脂ケース内に埋め込まれる。

本発明の電力用外部配線取付け用ナットを有する電力用半導体装置によれば、主電極端子の変形およびナット抜けなどの不具合を防止することができる。

以下、添付図面を参照して本発明に係る電力用半導体装置の実施の形態を説明する。各実施の形態の説明において、理解を容易にするために方向を表す用語（例えば、「上下方向（長手方向）」および「水平方向（垂直方向）」など）を適宜用いるが、これは説明のためのものであって、これらの用語は本発明を限定するものでない。

実施の形態１．
図１ないし図４を参照しながら、本発明に係る電力用半導体装置の実施の形態１について以下に説明する。図１に示す電力用半導体装置は、概略、フランジ付きナット１と、樹脂などの絶縁材料からなる樹脂ケース５と、図示しない半導体素子と電気的に接続された主電極６と、バスバ７と、ボルト８と、を有する。本発明のフランジ付きナット１は、長手方向（図１においては上下方向）に延びる本体部１０と、長手方向に対して実質的に垂直な方向に延びるフランジ１２とを有し、樹脂ケース５は、主電極６と接するケース主面２０を有する。

さらに、本発明のフランジ付きナット１は、ケース主面２０とフランジ１２の上面１４との間に樹脂が充填されるように、樹脂ケース５内にインサート成形される。このとき、フランジ１２の上面１４は、ケース主面２０から露出することなく、樹脂に完全に覆われるため、フランジ１２の上面１４が樹脂により支持される。

こうして構成されたフランジ付きナット１は、樹脂ケース５がフランジ１２の上面１４を支持しているので、ボルト８が締め付けられたときにボルト８が長手方向（特に上方向）に引っ張られる力に対して極めて強い抗力を発揮し、主電極６の変形およびフランジ付きナット１の抜けを防止することができる。

なお、フランジ１２は、図１ではフランジ付きナット１の本体部１０の最下端に配置したが、樹脂ケース５のケース主面２０から露出しない限り、図２に示すように、例えば、フランジ付きナット１の長手方向の中央位置付近に配置してもよい。

また、フランジ付きナット１のフランジ１２は、円形の平面形状を有していてもよいが、択一的には、任意の平面形状を有していてもよい。好適には、フランジ１２は、図３（ａ）および（ｂ）に示すように、四角形および六角形などの任意の多角形の平面形状を有する。これにより、フランジ１２が樹脂ケース５内に埋め込まれて、ボルト８がナットに締め付けられるときに、フランジ１２がボルト８とともに回転することを防止することができる（供回りの防止）。

同様に、フランジ付きナット１のフランジ１２は、図４（ａ）および（ｂ）に示すように、長手方向に貫通して延びる少なくとも１つのスリット１６またはスルーホール１８を有していていもよい。すなわち、インサート成形時、各スルーホールまたはスリットの内部に樹脂が回り込むように、フランジ１２が樹脂ケース５内に埋め込まれる。こうして、フランジ１２の平面形状を任意の多角形形状とした場合と同様、ボルト８がナット１に締め付けられるときに、ボルト８とともに回転しないようにフランジ１２を構成することができる。

実施の形態２．
図５および図６を参照しながら、本発明に係る電力用半導体装置の実施の形態２について以下に説明する。実施の形態２の電力用半導体装置は、フランジ付きナット１の代わりに、凹部付きナット２を用いた点を除いて、実施の形態１の電力用半導体装置１と同様の構成を有するので、重複する部分に関する詳細な説明を省略する。

上述のように、実施の形態２の凹部付きナット２は、長手方向に延びる本体部３０と、長手方向に対して実質的に垂直な垂直方向に延びる少なくとも１つの凹部３２と、を有する。凹部付きナット２は、その凹部３２の内部に樹脂が回り込むように、樹脂ケース５内にインサート成形される。

このように構成された凹部付きナット２は、樹脂ケース５が凹部３２の内部を支持しているので、特に上方向に引っ張られる力に対して極めて強く、主電極６の変形および凹部付きナット２の抜けを防止することができる。

また、実施の形態２による凹部付きナット２は、実施の形態１によるフランジ付きナット１よりも長手方向（上方向）から見た平面形状を小さくすることができる。したがって、実施の形態２によれば、電力用半導体装置を全体的に小型化することができる。

実施の形態２による凹部付きナット２の凹部３２は、図６（ａ）の斜線部に示すように、本体部３０の外側周辺全体に亙って連続的に形成してもよいが、ボルト８締め付け時の供回りを防止する観点から、図６（ｂ）の斜線部に示すように、不連続な領域に少なくとも１箇所設けることが好ましい。

実施の形態３．
図７を参照しながら、本発明に係る電力用半導体装置の実施の形態３について以下に説明する。実施の形態１のフランジ付きナット１がインサート成形により樹脂ケース５と一体に成形されるのに対し、実施の形態３の電力用半導体装置は、概略、先に成形された樹脂ケース５にフランジ付きナット３を組み込むことにより製造される。

電力用半導体装置３の製造方法によれば、まず大径挿入孔４０および小径挿入孔４２を有する樹脂ケース５を樹脂成形する（図７（ａ））。大径挿入孔４０は、樹脂ケース５のケース主面２０とは反対側の主面（図示せず）まで長手方向（上下方向）に延び、樹脂ケース５を貫通している。次に、小径挿入孔４２の径（Ｄ_１）より小さい外径（ｄ_１）を有する本体部５０と、小径挿入孔４２の径（Ｄ_１）より大きく大径挿入孔４０の径（Ｄ_２）より小さい外径（ｄ_２）を有するフランジ５２と、からなるフランジ付きナット３を形成する（図７（ｂ））。そして、ナット本体部５０を小径挿入孔４２に挿入した状態で、主電極６およびバスバ７を挟んで、ボルト８をフランジ付きナット３に締め付ける（図７（ｃ））。

なお、小径挿入孔４２の径（Ｄ_１）は、フランジ付きナット３の本体部５０の外径（ｄ_１）と実質的に同じであることが好ましい。このとき、本体部５０を小径挿入孔４２に圧入することにより、両者間の摩擦力により、ボルト８をフランジ付きナット３に締め付ける前において、フランジ付きナット３を小径挿入孔４２の所定位置に仮に保持することができる。すなわち、上記組立作業において、アセンブリ作業性を向上させることができる。

また、こうして製造された電力用半導体装置は、実施の形態１と同様、ケース主面２０と対向するフランジ５２の上側主面５４が樹脂ケース５により支持されているので、上方向に引っ張られる力に対して極めて強い抗力を発揮し、主電極６の変形およびフランジ付きナット３の抜けを防止することができる。

さらに、実施の形態３のフランジ５２は、実施の形態１と同様、任意の多角形の平面形状を有していてもよい。ただし、その場合、フランジ５２が接触する樹脂ケース５は、フランジ５２が嵌合するような形状および寸法を有する凹状収容部（図示せず）を事前に成形しておく必要がある。

実施の形態４．
図８を参照しながら、本発明に係る電力用半導体装置の実施の形態４について以下に説明する。実施の形態３の電力用半導体装置によれば、フランジ付きナット３が下方向から樹脂ケース５内に組み込まれたのに対し、実施の形態４の電力用半導体装置は、フランジ付きナット４が水平方向から樹脂ケース５内に組み込まれることにより製造される。

電力用半導体装置４の製造方法によれば、まず、図８（ａ）に示すように、長手方向（図８（ａ）では紙面と直交する方向）に延びる本体部６０と、長手方向に対して実質的に垂直な方向（図８（ａ）では紙面と平行な方向）に延びるフランジ６２とを有するフランジ付きナット４を形成する。次に、図８（ａ）ないし（ｃ）に示すように、本体部挿入孔７０およびフランジ挿入孔７５を有する樹脂ケース５を樹脂で成形する。より具体的には、本体部挿入孔７０は、長手方向の開口部７１（図８（ａ））および垂直方向の開口部７２（図８（ｃ））を有する。フランジ挿入孔７５は、本体部挿入孔７０と連通して垂直方向に延び、垂直方向の開口部７６（図８（ｃ））を有する。そして、本体部挿入孔７０およびフランジ挿入孔７５の垂直開口部７２，７６から水平方向にフランジ付きナット４を樹脂ケース５内に挿入する。当業者ならば理解されるように、本体部挿入孔７０およびフランジ挿入孔７５は、フランジ付きナット４の本体部６０およびフランジ６２をそれぞれ確実に挿入できるような寸法と形状を有し、実施の形態１および３と同様、実施の形態４によるフランジ６２は、任意の多角形形状を有していてもよい。

こうして製造された電力用半導体装置４によれば、フランジ付きナット４のフランジ６２の上側主面６４は、フランジ挿入孔７５の主面７８に支持されるので、上方向に引っ張られる力に対して極めて強く、主電極６の変形およびフランジ付きナット４の抜けを防止することができる。

図１は、本発明に係る実施の形態１の電力用半導体装置を示す一部拡大断面図である。 図２は、図１に示す電力用半導体装置の変形例を示す一部拡大断面図である。 図３（ａ）および（ｂ）は、フランジ付きナットの変形例を示す平面図であって、それぞれ四角形および六角形の平面形状を有するフランジを示す。 図４（ａ）および（ｂ）は、フランジ付きナットのさらなる変形例を示す平面図であって、それぞれスリットおよびスルーホールを有するフランジを示す。 図５は、本発明に係る実施の形態２の電力用半導体装置を示す一部拡大断面図である。 図６（ａ）および（ｂ）は、凹部付きナットの変形例を示す平面図であって、それぞれ連続および不連続の凹部を示す。 図７（ａ）ないし（ｃ）は、本発明に係る実施の形態３の電力用半導体装置の製造プロセスを示す分解断面図である。 図８（ａ）は、本発明に係る実施の形態４の電力用半導体装置の製造プロセスを示す平面図、図８（ｂ）は、図８（ａ）のＢ−Ｂ線から見た断面図、そして図８（ｃ）は、図８（ａ）のＣ−Ｃ線から見た断面図である。

符号の説明

１， フランジ付きナット、２ 凹部付きナット、３ フランジ付きナット、４ フランジ付きナット、５ 樹脂ケース、６ 主電極、７ バスバ、８ ボルト、１０，３０，５０，６０ 本体部、１２，５２，６２ フランジ、１４ フランジの上面、２０ ケース主面、３２ 凹部、４０ 大径挿入孔、４２ 小径挿入孔、７０ 本体部挿入孔、７５ フランジ挿入孔、７２，７６ 垂直方向の開口部、７８ フランジ挿入孔の主面。

Claims (9)

1. 半導体素子を有する電力用半導体装置であって、
   ケース主面を有し、樹脂で成形された樹脂ケースと、
   長手方向に延びる本体部と、長手方向に対して実質的に垂直な方向に延び、前記ケース主面と対向するフランジ主面を有するフランジとを有するナットと、を備え、
   前記ナットは、前記フランジ主面が樹脂により支持されるように、前記樹脂ケース内に埋め込まれることを特徴とする電力用半導体装置。
2. 請求項１に記載の電力用半導体装置であって、
   前記フランジは、長手方向に延びる少なくとも１つのスルーホールまたはスリットを有し、
   前記ナットは、前記スルーホールまたはスリットの内部が樹脂により支持されるように、前記樹脂ケース内に埋め込まれることを特徴とする電力用半導体装置。
3. 半導体素子を有する電力用半導体装置であって、
   ケース主面を有し、樹脂で成形された樹脂ケースと、
   長手方向に延びる本体部と、長手方向に対して実質的に垂直な方向に延びる少なくとも１つの凹部と、を有するナットと、を備え、
   前記ナットは、前記凹部の内部が樹脂により支持されるように、前記樹脂ケース内に埋め込まれることを特徴とする電力用半導体装置。
4. 請求項３に記載の電力用半導体装置であって、
   前記ナットの前記凹部は、前記ナットの外側周辺全体に亙って連続的に形成されることを特徴とする電力用半導体装置。
5. 半導体素子を有する電力用半導体装置であって、
   大径挿入孔および小径挿入孔を有する樹脂ケースと、
   前記小径挿入孔の径より小さい外径を有する本体部と、前記小径挿入孔の径より大きく前記大径挿入孔の径より小さいフランジとを有するナットと、
   前記小径挿入孔を貫通するボルトと、を有することを特徴とする電力用半導体装置。
6. 請求項５に記載の電力用半導体装置であって、
   前記本体部の外径は、前記小径挿入孔の径と実質的に同じであることを特徴とする電力用半導体装置。
7. 請求項１または５に記載の電力用半導体装置であって、
   前記フランジは、任意の多角形の平面形状を有することを特徴とする電力用半導体装置。
8. 半導体素子を有する電力用半導体装置の製造方法であって、
   大径挿入孔および小径挿入孔を有する樹脂ケースを樹脂で成形するステップと、
   前記小径挿入孔の径と実質的に同じ外径を有する本体部と、前記小径挿入孔の径より大きく、前記大径挿入孔の径より小さいフランジとを有するナットを形成するステップと、
   前記ナットを前記大径挿入孔から挿入し、前記本体部が前記小径挿入孔に嵌合するように圧入するステップと、を有することを特徴とする電力用半導体装置の製造方法。
9. 半導体素子を有する電力用半導体装置の製造方法であって、
   長手方向に延びる本体部と、長手方向に対して実質的に垂直な方向に延びるフランジとを有するナットを形成するステップと、
   長手方向および垂直方向に開口部を有する本体部挿入孔と、該本体部挿入孔と連通して垂直方向に延びる、垂直方向に開口部を有するフランジ挿入孔と、を有する樹脂ケースを樹脂で成形するステップと、
   前記本体部挿入孔および前記フランジ挿入孔の前記垂直方向の開口部から前記ナットを挿入するステップと、を有することを特徴とする電力用半導体装置の製造方法。
   
   

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