特開 2024-158124 端子構造

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024158124

(43)【公開日】2024-11-08

(54)【発明の名称】端子構造

(51)【国際特許分類】

   H01L 25/07 20060101AFI20241031BHJP

   H01L 23/48 20060101ALI20241031BHJP

【ＦＩ】

H01L25/04 C

H01L23/48 G

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023073063

(22)【出願日】2023-04-27

(71)【出願人】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088672

【弁理士】

【氏名又は名称】吉竹 英俊

(74)【代理人】

【識別番号】100088845

【弁理士】

【氏名又は名称】有田 貴弘

(72)【発明者】

【氏名】西尾 駿

(57)【要約】

【課題】端子間のクリアランスを抑制し、安定したレーザ溶接品質を実現することが可能な技術を提供することを目的とする。
【解決手段】各外部端子３０は、各リード端子１２と溶接されかつ各リード端子１２側へ行く程下方に位置するように傾斜する溶接部３３と、外部機器と接続される外部機器接続部３２と、溶接部３３と外部機器接続部３２との間に設けられかつ溶接部３３が各リード端子１２と接触した状態で変形する変形部３１とを有し、ケース部１４がコア１１の外周側に配置された状態で、各変形部３１が変形することで各溶接部３３は各リード端子１２を上方から押し付けている。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数のリード端子を有するコアと前記コアの外周側に配置されかつ複数の外部端子を有するケース部とで構成された半導体装置の組み立て時に、レーザによって各前記リード端子と各前記外部端子とが溶接される端子構造であって、
各前記外部端子は、各前記リード端子と溶接されかつ各前記リード端子側へ行く程下方に位置するように傾斜する溶接部と、外部機器と接続される外部機器接続部と、前記溶接部と前記外部機器接続部との間に設けられかつ前記溶接部が各前記リード端子と接触した状態で変形する変形部とを有し、
前記ケース部が前記コアの外周側に配置された状態で、各前記変形部が変形することで各前記溶接部は各前記リード端子を上方から押し付けている、端子構造。

【請求項2】

各前記溶接部と各前記外部機器接続部との間の角度は９０度以上である、請求項１に記載の端子構造。

【請求項3】

各前記変形部は、下方に突出するＶ字形状を有する板ばねにより構成されている、請求項２に記載の端子構造。

【請求項4】

各前記変形部は、各前記溶接部よりも厚みが薄くなるように、各前記変形部の上面側には下方に凹む凹部が設けられている、請求項２に記載の端子構造。

【請求項5】

前記凹部の角部はＲ面取り形状である、請求項４に記載の端子構造。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、端子構造に関するものである。

【背景技術】

【0002】

車両の電動化に合わせて、車両のキーパーツであるパワーモジュールの配線に使用されている銅接合の需要が増加している。それに伴い、銅に対する吸収率が高いブルーレーザでの溶接が注目されている。

【0003】

しかし、パワーモジュールの構造上、外部端子とリード部とを重ね合わせ溶接する場合に、外部端子とリード端子との間に公差に起因するクリアランスが発生する。レーザ溶接ではクリアランスが溶接品質に大きく影響するため、レーザ溶接前に端子間のクリアランスを抑制する必要がある。

【0004】

端子間のクリアランスを抑制する方法として、例えば、特許文献１には、レーザビーム照射位置において、被溶接体の裏面に形成された凸部を溶接体に接触させた状態で、重ね合わせ溶接を行う方法が提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開平１１－１８５８３８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

パワーモジュールは外部端子とリード端子とを共に複数有しており、複数の外部端子と複数のリード端子の各々が公差を持つため、外部端子とリード端子との間で異なる寸法を有するクリアランスが発生する。しかし、特許文献１に記載の技術では、被溶接体の裏面に形成された凸部の大きさは一定であり、異なる寸法を有するクリアランスを抑制することは難しかった。

【0007】

端子間にクリアランスがある状態でレーザ溶接を実施すると、クリアランスが０の場合と比べて、熱の伝わりが遅く十分な溶接面積を確保することができない。端子間を溶接することができた場合でも端子間にブリッジが発生する。パワーモジュールに対する振動などにより、ブリッジの根元部に応力がかかることでブリッジが破断し、端子間の溶接強度が低下するという問題があった。

【0008】

そこで、本開示は、端子間のクリアランスを抑制し、安定したレーザ溶接品質を実現することが可能な技術を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本開示に係る端子構造は、複数のリード端子を有するコアと前記コアの外周側に配置されかつ複数の外部端子を有するケース部とで構成された半導体装置の組み立て時に、レーザによって各前記リード端子と各前記外部端子とが溶接される端子構造であって、各前記外部端子は、各前記リード端子と溶接されかつ各前記リード端子側へ行く程下方に位置するように傾斜する溶接部と、外部機器と接続される外部機器接続部と、前記溶接部と前記外部機器接続部との間に設けられかつ前記溶接部が各前記リード端子と接触した状態で変形する変形部とを有し、前記ケース部が前記コアの外周側に配置された状態で、各前記変形部が変形することで各前記溶接部は各前記リード端子を上方から押し付けている。

【発明の効果】

【0010】

本開示によれば、各溶接部が各リード端子に対して平行になり両者が密着することで、端子間のクリアランスを抑制することができるため、安定したレーザ溶接品質を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】実施の形態１における外部端子の側面図である。

【図2】実施の形態１における外部端子とリード端子との溶接時の挙動を示す断面図である。

【図3】実施の形態２における外部端子の側面図である。

【図4】実施の形態２における外部端子とリード端子との溶接時の挙動を示す断面図である。

【図5】関連技術におけるパワーモジュールの斜視図である。

【図6】関連技術におけるコアの斜視図である。

【図7】関連技術におけるケース部の斜視図である。

【図8】関連技術におけるパワーモジュールの断面図である。

【図9】関連技術における外部端子とリード端子との溶接時の状態を示す断面図である。

【図10】関連技術におけるパワーモジュールの組み立て時に発生する端子間のクリアランスを示す断面図である。

【図11】関連技術におけるパワーモジュールの組み立て時に端子間のクリアランスが発生した場合の溶接時の状態を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

＜関連技術＞
＜パワーモジュールの構成＞
最初に、本開示の実施の形態の関連技術について説明する。図５は、関連技術におけるパワーモジュール１０の斜視図である。図６は、関連技術におけるコア１１の斜視図である。図７は、関連技術におけるケース部１４の斜視図である。

【0013】

図５において、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向は、互いに直交する。以下の図に示されるＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向も、互いに直交する。以下においては、Ｘ方向と、当該Ｘ方向の反対の方向である－Ｘ方向とを含む方向を「Ｘ軸方向」ともいう。また、以下においては、Ｙ方向と、当該Ｙ方向の反対の方向である－Ｙ方向とを含む方向を「Ｙ軸方向」ともいう。また、以下においては、Ｚ方向と、当該Ｚ方向の反対の方向である－Ｚ方向とを含む方向を「Ｚ軸方向」ともいう。

【0014】

図５に示すように、パワーモジュール１０（半導体装置）は、集積化されたパワー半導体チップ１１４（図８参照）が樹脂でモールドされたコア１１と、コア１１の外周側に配置されたケース部１４と、ベース１５とを備えている。

【0015】

図５と図６に示すように、コア１１は、上方（Ｚ方向）から視て矩形状に形成され、かつ、パワー半導体チップ１１４（図８参照）と接続されている複数のリード端子１２を備えている。複数のリード端子１２は、６本のリード主端子１２１と１０本のリード信号端子１２２とを含んでいる。３本のリード主端子１２１と５本のリード信号端子１２２が、コア１１のＸ方向の側面からＸ方向へ突出し、同様に３本のリード主端子１２１と５本のリード信号端子１２２が、コア１１の－Ｘ方向の側面から－Ｘ方向へ突出している。

【0016】

図５と図７に示すように、ケース部１４は、上方（Ｚ方向）から視て矩形枠状に形成され、かつ、外部機器（図示しない）と接続される複数の外部端子１３を備えている。複数の外部端子１３は、６本の外部主端子１３１と１０本の外部信号端子１３２とを含んでいる。３本の外部主端子１３１と５本の外部信号端子１３２が、ケース部１４のＸ方向の側壁からＸ軸方向へ突出し、同様に３本の外部主端子１３１と５本の外部信号端子１３２が、ケース部１４の－Ｘ方向の側壁からＸ軸方向へ突出している。各外部主端子１３１は、各リード主端子１２１と接続され、各外部信号端子１３２は、各リード信号端子１２２と接続されている。

【0017】

ベース１５は、上方（Ｚ方向）から視て矩形状に形成され、ベース１５の表面（Ｚ方向の面）には、コア１１とケース部１４がはんだにより固定されている。

【0018】

次に、パワーモジュール１０の内部構造について説明する。図８は、関連技術におけるパワーモジュール１０の断面図である。図８に示すように、コア１１は、コアベース板１１１と、絶縁シート１１２と、ヒートスプレッダ１１３と、パワー半導体チップ１１４と、リード主端子１２１と、リード信号端子１２２とを備えており、これらはモールド樹脂１１５によって封止されている。パワー半導体チップ１１４は、ヒートスプレッダ１１３にはんだ付けされており、リード主端子１２１は、パワー半導体チップ１１４と直接はんだ接合するＤＬＢ（Direct Lead Bond）技術を用いて、パワー半導体チップ１１４と接続されている。リード信号端子１２２は、ワイヤ１１６によってパワー半導体チップ１１４と接続されている。

【0019】

＜パワーモジュールの組み立て＞
次に、パワーモジュール１０の組み立て手順について説明する。まず、ベース１５の表面（Ｚ方向の面）にコア１１を配置し、ベース１５の表面（Ｚ方向の面）とコア１１の底面（－Ｚ方向の面）とをはんだ１１７により固定する。このとき、コア１１はベース１５の基準位置に配置されている。その後、複数の外部端子１３を有するケース部１４をコア１１に対して上方（Ｚ方向）からかぶせるように配置する。このとき、ケース部１４もベース１５の基準位置に配置されている。ケース部１４を配置した状態で、各リード端子１２と各外部端子１３は重なり合っている。次に、レーザを用いて各リード端子１２と各外部端子１３とを溶接する。

【0020】

＜リード端子と外部端子のレーザ溶接＞
次に、各リード端子１２と各外部端子１３とのレーザ溶接について説明する。図９は、関連技術における外部端子１３とリード端子１２との溶接時の状態を示す断面図である。図１０は、関連技術におけるパワーモジュール１０の組み立て時に発生する端子間のクリアランス２４を示す断面図である。図１１は、関連技術におけるパワーモジュール１０の組み立て時に端子間のクリアランス２４が発生した場合の溶接時の状態を示す断面図である。

【0021】

図９に示すように、外部端子１３はリード端子１２よりも上側（Ｚ方向）に位置している。外部端子１３とリード端子１２は共に直線状に形成されており、互いに平行である。また、図９には示されていないが、外部端子１３とリード端子１２のうちの外部主端子１３１とリード主端子１２１、外部信号端子１３２とリード信号端子１２２が重なり合っている。

【0022】

レーザ２１は、外部端子１３の上方（Ｚ方向）から、外部端子１３とリード端子１２が重なり合っている部分に対して照射される。このとき、レーザ２１によって外部端子１３が先に溶融し、その後、レーザ２１がリード端子１２まで到達することでリード端子１２が溶融する。レーザ２１の照射が止まる、または走査することにより、レーザ２１が照射された部分であるレーザ照射部２２が冷却され、溶接部２３が形成されることにより、リード端子１２と外部端子１３が溶接される。

【0023】

次に、図１０に示すように、外部端子１３とリード端子１２との間、つまり、端子間のクリアランス２４が発生した場合を考える。パワーモジュール１０は外部端子１３とリード端子１２とを共に複数有しており、複数の外部端子１３と複数のリード端子１２の各々が公差を持つため、外部端子１３とリード端子１２との間で異なる寸法を有するクリアランス２４が発生する。

【0024】

端子間のクリアランス２４が発生した場合、図１１に示すように、溶接部としてブリッジ２５が形成される可能性がある。ブリッジ２５が形成された場合、パワーモジュール１０に対する振動、またはケース部１４の膨張などにより、ブリッジ２５の根元部に応力がかかることでブリッジ２５が破断し、端子間の溶接強度が低下するという問題があった。実施の形態では、このような問題を解決するためになされたものであり、以下に詳細に説明する。

【0025】

＜実施の形態１＞
実施の形態１について、図面を用いて以下に説明する。図１は、実施の形態１における外部端子３０の側面図である。図２は、実施の形態１における外部端子３０とリード端子１２との溶接時の挙動を示す断面図である。

【0026】

図１に示すように、実施の形態１では、外部端子１３に代えて、外部端子３０が設けられている。実施の形態１におけるパワーモジュール１は、関連技術におけるパワーモジュール１０に対して外部端子３０を除いて同じ構造であるため、ここでは外部端子３０のみを説明し、他の構成要素の説明は省略する。

【0027】

図１に示すように、外部端子３０は、溶接部３３と、外部機器接続部３２と、変形部３１とで一体的に構成されている。外部端子３０の材料として、例えば、銅（Ｃｕ）が採用される。外部端子３０は、銅（Ｃｕ）からなる板ばねにより構成されている。

【0028】

溶接部３３は、リード端子１２と接続される部分であり、リード端子１２側（Ｘ方向）へ行く程、下方（－Ｚ方向）に位置するように傾斜している。外部機器接続部３２は、外部機器（図示しない）と接続される部分であり、Ｚ軸方向に延在している。変形部３１は、溶接部３３と外部機器接続部３２との間に設けられている部分であり、下方（－Ｚ方向）に突出するＶ字形状に形成されている。すなわち、変形部３１は、下方（－Ｚ方向）に凹むＶ字形状を有する板ばねにより構成されている。

【0029】

溶接部３３と外部機器接続部３２との間の角度は９０度以上であり、この角度はパワーモジュール１の積み上げ公差によって発生するクリアランス２４（図１０参照）の寸法に応じて決定される。これと同様に、変形部３１の突出量についてもクリアランス２４の寸法に応じて決定される。

【0030】

図２に示すように、外部端子３０をケース部１４にあらかじめセットした状態で、外部端子３０の溶接部３３が、リード端子１２に対して平行に接触する位置まで上方（Ｚ方向）から押し付けることで固定する。このとき、外部端子３０の変形部３１はばねの役割を担う。具体的には、溶接部３３がリード端子１２と接触した状態で変形部３１は変形し、変形部３１が変形することで溶接部３３はリード端子１２を上方（Ｚ方向）から押し付けている。その結果、溶接部３３がリード端子１２に対して平行になり両者が密着する。なお、図２では、リード端子１２に対する接触前の溶接部３３を２点鎖線で示し、接触後の溶接部３３を実線で示している。

【0031】

＜効果＞
以上のように、実施の形態１では、端子構造は、複数のリード端子１２を有するコア１１とコア１１の外周側に配置されかつ複数の外部端子３０を有するケース部１４とで構成されたパワーモジュール１の組み立て時に、レーザ２１によって各リード端子１２と各外部端子３０とが溶接される端子構造である。各外部端子３０は、各リード端子１２と溶接されかつ各リード端子１２側へ行く程下方に位置するように傾斜する溶接部３３と、外部機器と接続される外部機器接続部３２と、溶接部３３と外部機器接続部３２との間に設けられかつ溶接部３３が各リード端子１２と接触した状態で変形する変形部３１とを有し、ケース部１４がコア１１の外周側に配置された状態で、各変形部３１が変形することで各溶接部３３は各リード端子１２を上方（Ｚ方向）から押し付けている。

【0032】

したがって、各溶接部３３が各リード端子１２に対して平行になり両者が密着することで、端子間のクリアランス２４を抑制することができるため、安定したレーザ溶接品質を実現することができる。

【0033】

これにより、端子間で十分な溶接面積を確保することができるため、端子間に大電流が流れた場合においても問題が生じない。

【0034】

また、各変形部３１が変形することで、端子間のクリアランス２４を広範囲で抑制することができる。

【0035】

また、各溶接部３３と各外部機器接続部３２との間の角度は９０度以上であるため、交差内の範囲で発生した端子間のクリアランス２４であれば、各変形部３１の変形により抑制することができる。

【0036】

また、各変形部３１は、下方（－Ｚ方向）に突出するＶ字形状を有する板ばねにより構成されている。各変形部３１がばねの役割を担い、各変形部３１のみが変形することで、外部機器接続部３２の位置ズレを抑制することができる。

【0037】

＜実施の形態２＞
次に、実施の形態２におけるパワーモジュール１について説明する。図３は、実施の形態２における外部端子４０の側面図である。図４は、実施の形態２における外部端子４０とリード端子１２との溶接時の挙動を示す断面図である。なお、実施の形態２において、実施の形態１で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。

【0038】

図３に示すように、実施の形態２では、外部端子３０に代えて、外部端子４０が設けられている。

【0039】

外部端子４０は、溶接部４３と、外部機器接続部４２と、変形部４１とで一体的に構成されている。外部端子４０の材料として、例えば、銅（Ｃｕ）が採用される。

【0040】

溶接部４３は、リード端子１２と接続される部分であり、リード端子１２側（Ｘ方向）へ行く程、下方（－Ｚ方向）に位置するように傾斜している。外部機器接続部４２は、外部機器（図示しない）と接続される部分であり、Ｚ軸方向に延在している。変形部４１は、溶接部４３と外部機器接続部４２との間に設けられている部分であり、リード端子１２側（Ｘ方向）へ行く程、下方（－Ｚ方向）に位置するように傾斜している。溶接部４３と変形部４１は連続的に形成されており、溶接部４３と変形部４１の傾斜の度合いは同じである。

【0041】

溶接部４３と外部機器接続部４２との間の角度は９０度以上であり、この角度はパワーモジュール１０の積み上げ公差によって発生するクリアランス２４（図１０参照）の寸法に応じて決定される。

【0042】

変形部４１の上面側（Ｚ方向の面側）には、下方（－Ｚ方向）に凹む凹部４１ａが設けられている。これにより、変形部４１は、溶接部４３よりも厚みが薄く形成されている。また、凹部４１ａの角部４１ｂは、Ｒ面取り形状に形成されている。ここで、凹部４１ａの角部４１ｂとは、凹部４１ａ内における溶接部４３側（Ｘ方向）の角部である。

【0043】

図４に示すように、外部端子４０をケース部１４にあらかじめセットした状態で、外部端子４０の溶接部４３が、リード端子１２に対して平行に接触する位置まで上方（Ｚ方向）から押し付けることで固定する。このとき、溶接部４３がリード端子１２と接触した状態で、凹部４１ａにより変形部４１は変形し、変形部４１が変形することで溶接部４３はリード端子１２を上方（Ｚ方向）から押し付けている。その結果、溶接部４３がリード端子１２に対して平行になり両者が密着する。なお、図４では、リード端子１２に対する接触前の溶接部４３を２点鎖線で示し、接触後の溶接部４３を実線で示している。

【0044】

＜効果＞
以上のように、実施の形態２では、外部端子３０に代えて、外部端子４０が設けられているため、各溶接部４３が各リード端子１２に対して平行になり両者が密着することで、端子間のクリアランス２４を抑制することができるため、安定したレーザ溶接品質を実現することができる。

【0045】

また、各変形部４１は、各溶接部４３よりも厚みが薄くなるように、各変形部４１の上面側（Ｚ方向側）には下方（－Ｚ方向）に凹む凹部４１ａが設けられている。したがって、凹部４１ａにより各変形部３１のみが変形することで、外部機器接続部３２の位置ズレを抑制することができる。

【0046】

また、凹部４１ａの角部４１ｂはＲ面取り形状であるため、凹部４１ａの角部４１ｂへの応力集中を抑制することができる。これにより、外部端子４０の断線を抑制することが可能となる。

【0047】

なお、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

【0048】

以下、本開示の諸態様を付記としてまとめて記載する。

【0049】

（付記１）
複数のリード端子を有するコアと前記コアの外周側に配置されかつ複数の外部端子を有するケース部とで構成された半導体装置の組み立て時に、レーザによって各前記リード端子と各前記外部端子とが溶接される端子構造であって、
各前記外部端子は、各前記リード端子と溶接されかつ各前記リード端子側へ行く程下方に位置するように傾斜する溶接部と、外部機器と接続される外部機器接続部と、前記溶接部と前記外部機器接続部との間に設けられかつ前記溶接部が各前記リード端子と接触した状態で変形する変形部とを有し、
前記ケース部が前記コアの外周側に配置された状態で、各前記変形部が変形することで各前記溶接部は各前記リード端子を上方から押し付けている、端子構造。

【0050】

（付記２）
各前記溶接部と各前記外部機器接続部との間の角度は９０度以上である、付記１に記載の端子構造。

【0051】

（付記３）
各前記変形部は、下方に突出するＶ字形状を有する板ばねにより構成されている、付記１または付記２に記載の端子構造。

【0052】

（付記４）
各前記変形部は、各前記溶接部よりも厚みが薄くなるように、各前記変形部の上面側には下方に凹む凹部が設けられている、付記１または付記２に記載の端子構造。

【0053】

（付記５）
前記凹部の角部はＲ面取り形状である、付記４に記載の端子構造。

【符号の説明】

【0054】

１ パワーモジュール、１１ コア、１２ リード端子、１４ ケース部、３０ 外部端子、３１ 変形部、３２ 外部機器接続部、３３ 溶接部、４０ 外部端子、４１ 変形部、４２ 外部機器接続部、４３ 溶接部、４１ａ 凹部、４１ｂ 角部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】