JP2017005200A - プレスフィット端子、半導体装置、電力変換装置、およびプレスフィット端子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】希望の角度にプレスフィット部の面を向けることができ、かつ高い強度を有するプレスフィット端子およびこれを備えた半導体装置、電力変換装置、並びにプレスフィット端子の製造方法を提供する。【解決手段】プレスフィット端子用板材６０を作成したら、続いてその根元部５１と胴体部５３とを折り曲げる。根元部５１の端において胴体部５３が根元部５１から立ち上がるように、かつ根元部５１の長手方向軸に対して折り目５２が傾くようにする。これにより図３に示すプレスフィット端子５０を形成することができる。本実施の形態によれば、金型で打ち抜いたプレスフィット端子５０を図３のように折り曲げることで、ひねり加工を施すことなく、根元部５１の長手方向と折り目５２とが成す角度θが９０°ではないプレスフィット端子５０を得ることができる。【選択図】図３

Description

本発明は、プレスフィット端子、半導体装置、電力変換装置、およびプレスフィット端子の製造方法に関する。

従来、一般的なプリント配線基板（ＰＣＢ）と外部素子との接続方法として、スルーホールにはんだ付端子を挿入した後にこれをはんだ付けする方法が用いられてきた。しかし、近年ソルダレス化の要求が高まっていることから、はんだ付け方式ではなく、プレスフィット接合に注目が集まっている。プレスフィット接合は、プレスフィット端子の接触応力によってプリント配線基板と端子とのコンタクトを行うものである。

国際公開第２０１４／１３２８０３号の図８などには、プレスフィット端子の一部にくびれ構造を設ける技術が記載されている。このくびれ構造を起点にプレスフィット部をひねることによって、希望の角度にプレスフィット部の表面を向けることができる。

国際公開第２０１４／１３２８０３号

しかしながら、上記従来の構造では、ひねりを加えることによってプレスフィット端子に応力がかかる。ひねりがない場合と比べて余分な応力が付与されてしまうので、プレスフィット端子の強度が低下するという問題があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、希望の角度にプレスフィット部の面を向けることができ、かつ高い強度を有するプレスフィット端子およびこれを備えた半導体装置、電力変換装置、並びにプレスフィット端子の製造方法を提供することを目的とする。

本発明にかかる半導体装置は、筐体と、前記筐体内に設置され、電気回路が形成された回路基板と、前記筐体内において互いに間隔をおいて並べられた複数の端子と、を備え、前記端子は、前記筐体内で前記電気回路と電気的に接続される根元部と、前記根元部の端において前記根元部から立ち上がるように前記根元部との間に折り目を付けて折り曲げられ、先端にプレスフィット部を有する胴体部と、を有し、前記折り目が前記根元部の長手方向軸に対して傾けられており、隣り合う前記端子同士で、それぞれの前記プレスフィット部がプレスフィットにより縮んだ状態から復元する方向が互いに逸らされたものである。

本発明にかかる電力変換装置は、少なくとも１つの半導体装置を備える電力変換装置であって、前記半導体装置は、筐体と、前記筐体内に設置され、電気回路が形成された回路基板と、前記筐体内において互いに間隔をおいて並べられた複数の端子と、を備え、前記端子は、前記筐体内で前記電気回路と電気的に接続される根元部と、前記根元部の端において前記根元部から立ち上がるように前記根元部との間に折り目を付けて折り曲げられ、先端にプレスフィット部を有する胴体部と、を有し、前記折り目が前記根元部の長手方向軸に対して傾けられており、隣り合う前記端子同士で、それぞれの前記プレスフィット部がプレスフィットにより縮んだ状態から復元する方向が互いに逸らされたものである。

本発明にかかるプレスフィット端子の製造方法は、金属板を金型で打ち抜くことにより、根元部と前記根元部の端に接続した胴体部と前記胴体部の先端に設けられたプレスフィット部とを有し前記根元部の長手方向に対して前記胴体部の長手方向が傾けられた平板状のプレスフィット端子用板材を形成する工程と、前記根元部の端において前記胴体部が前記根元部から立ち上がるように、かつ前記根元部の長手方向軸に対して折り目が傾くように、前記プレスフィット端子用板材の前記根元部と前記胴体部とを折り曲げることで、プレスフィット端子を形成する工程と、を備える。

本発明にかかるプレスフィット端子は、根元部と、前記根元部の端において前記根元部から立ち上がるように前記根元部と前記胴体部の間に折り目を付けて折り曲げられ、先端にプレスフィット部を有する胴体部と、を有し、前記折り目が前記根元部の長手方向軸に対して傾けられたものである。

本発明によれば、折り目を傾けつつ根元部と胴体部とを折り曲げることでプレスフィット端子を形成するので、ひねりを加えることなく希望の角度にプレスフィット部の面を向けることができる。従って、高い強度を有するプレスフィット端子が提供される。

本発明の実施の形態にかかるプレスフィット端子用板材を示す図である。 本発明の実施の形態にかかるプレスフィット端子用板材を示す図である。 本発明の実施の形態にかかるプレスフィット端子を示す図である。 本発明の実施の形態にかかる半導体装置の一例を示す図である。 本発明の実施の形態にかかる半導体装置の他の例を示す図である。 本発明の実施の形態にかかるプレスフィット端子の作用を説明するための図である。 本発明の実施の形態にかかるプレスフィット端子の作用を説明するための図である。 実施の形態に対する比較例にかかる半導体装置を示す図である。 実施の形態に対する比較例にかかるはんだ付け端子を示す図である。 実施の形態に対する比較例にかかるはんだ付け端子を示す図である。 実施の形態に対する比較例にかかるプレスフィット端子用板材を示す図である。 実施の形態に対する比較例にかかるプレスフィット端子用板材を示す図である。 実施の形態に対する比較例にかかるプレスフィット端子を示す図である。 実施の形態に対する比較例にかかるプレスフィット端子を示す図である。 実施の形態に対する比較例にかかる半導体装置を示す図である。 実施の形態に対する比較例にかかる半導体装置を示す図である。 実施の形態に対する比較例にかかるプレスフィット端子の作用を説明するための図である。 実施の形態に対する比較例にかかるプレスフィット端子の作用を説明するための図である。 実施の形態に対する比較例にかかるプレスフィット端子の作用を説明するための図である。 実施の形態に対する比較例にかかるプレスフィット端子の作用を説明するための図である。 実施の形態に対する比較例にかかるプレスフィット端子の作用を説明するための図である。

まず、実施の形態に対する比較例を説明する。

図８は、実施の形態に対する比較例にかかる半導体装置を示す図であり、プリント配線基板１４を内蔵したインテリジェント半導体装置（ＩＰＭ）の内部構造図である。図９および図１０は、実施の形態に対する比較例にかかるはんだ付け端子２５０（中継端子２５０）を示す図である。図８の半導体装置は、筐体１２と、Ｃｕ製のベース板１６と、半導体素子（半導体チップ）３２と、基板（絶縁基板）３０と、ワイヤ２２と、を備え、ワイヤ２２によりはんだ付け端子２５０と半導体素子３２とが電気的に接続されるようになっている。

しかし、近年ソルダレス化の要求が高まっていることから、上記のようなはんだ付け方式ではなく、プレスフィット接合に注目が集まっている。プレスフィット接合のためのプレスフィット部１５４は、スルーホール１４ｈの直径よりも大きな幅を有している。プレスフィット端子１５０をプリント配線基板１４のスルーホール１４ｈに差し込むことにより、プレスフィット部１５４に発生する接触応力でプレスフィット端子１５０とプリント配線基板１４とをはんだレス実装することができる。

図１１および図１２は、実施の形態に対する比較例にかかるプレスフィット端子用板材１６０を示す図である。金型で金属板を打ち抜くことで、図１２のプレスフィット端子用板材１６０を図１１に示すように複数本まとめて形成することができる。図１３および図１４は、実施の形態に対する比較例にかかるプレスフィット端子１５０を示す図である。プレスフィット端子用板材１６０を図１３のようにＬ字型に折り曲げることで、根元部１５１、胴体部１５３、およびプレスフィット部１５４を備えたプレスフィット端子１５０が得られる。なお、図１４に示すように、図１２に示す胴体部１５３よりも狭い幅の胴体部１５３ｂを設けても良い。胴体部１５３ｂはプレスフィット部１５４の幅よりも狭くされており、図１２とは異なり胴体部１５３とプレスフィット部１５４との間にくびれ（幅の狭い部分）がない。

図１５および図１６は、実施の形態に対する比較例にかかる半導体装置２１０、３１０を示す図である。図１５は、プレスフィット端子１５０を外部信号端子として用いたものであり、図１６は、プレスフィット端子１５０を内部信号端子として用いたものである。

図１７〜図２１は、実施の形態に対する比較例にかかるプレスフィット端子１５０の作用を説明するための図である。図１７の状態からプリント配線基板１４を押し込むと、図１８に示すようにプレスフィット端子１５０のプレスフィット部１５４が圧迫されながら、プレスフィット端子１５０がスルーホール１４ｈ内に挿入される。プレスフィット端子１５０がスルーホール１４ｈ内に挿入される。その後、図１９に示すように、プレスフィット部１５４の弾性力により、プリント配線基板１４とプレスフィット端子１５０の電気的接続が実現される。

図２０および図２１は、比較例にかかるプレスフィット端子１５０の作用を説明するための図である。図２０および図２１はプリント配線基板１４のスルーホール１４ｈにプレスフィット端子１５０がはめ込まれて電気的接続が実現された状態を示しており、図２０はプリント配線基板１４を平面視した平面図、図２１は図２０の側面図である。

図２０および図２１に示した比較例のように、プレスフィット端子１５０をスルーホール１４ｈ並び方向Ｘと平行に配置した場合を考える。この場合、それぞれのプレスフィット部１５４がプレスフィットにより縮んだ状態から復元する復元方向Ｅが、方向Ｘに沿って一直線上に並ぶ。プレスフィット部１５４の弾性力（復元力）により、プレスフィット端子１５０が挿入されたスルーホール１４ｈに接触応力が発生する。複数のスルーホール１４ｈが近接して配置されていると、プリント配線基板１４におけるスルーホール１４ｈの間の部分に応力が集中する。この応力集中に十分に耐えるために、比較例のプレスフィット端子１５０を図２０および図２１に示す配置では、隣り合うプレスフィット部１５４同士およびスルーホール１４ｈ同士をある程度離すべきである。このため、半導体装置２１０を購入したユーザが半導体装置２１０に組み付けるべきユーザー側基板を設計する際に、ユーザー側基板のスルーホール１４ｈの狭ピッチ化が妨げられ、ユーザー側で設計するユニットの小型化を阻害しているという問題点もある。

上記に記述したように、プレスフィット端子１５０に関しては、（１）プレスフィット端子１５０が接触するスルーホール１４ｈ周辺のプリント配線基板１４への応力集中、および（２）スルーホール１４ｈの狭ピッチ化阻害という２つの問題点がある。

この問題点を解決するための従来技術として、国際公開第２０１４／１３２８０３号にかかる技術を利用することもできる。スルーホール１４ｈの並び方向とプレスフィット端子１５０断面長手方向とを非平行とすれば、プレスフィット端子１５０をプリント配線基板１４へ挿入した際の応力を緩和することができるからである。

しかしながら、国際公開第２０１４／１３２８０３号にかかるプレスフィット端子では、ひねりを加えることによってプレスフィット端子１５０に応力がかかる。従って、ひねりがない場合と比べて余分な応力が付与されてしまうので、プレスフィット端子１５０の強度が低下するという問題があった。例えば、国際公開第２０１４／１３２８０３号にかかる構造のようにプレスフィット端子をひねる場合には、筐体にプレスフィット端子１５０を挿入した後に、ひねり治具等で先端部をチャッキングし、プレスフィット端子１５０の先端（プレスフィット部）を任意の角度までひねるという手順が一例として考えられる。これにより、プレスフィット部１５４の表面を所望角度に向けたプレスフィット端子１５０へ加工することもできる。しかしながら、ひねりによってくびれ部にストレスがかかり、プレスフィット端子１５０にクラックあるいは強度低下が生ずるおそれがある。

次に、本発明の実施の形態について説明する。

図１および図２は、本発明の実施の形態にかかるプレスフィット端子用板材６０を示す図である。プレスフィット端子５０の製造方法を説明すると、まず、金属板を金型で打ち抜くことにより、図１に示す形状の平面体７０を形成し、これを分離して図２に示すプレスフィット端子用板材６０を形成する。

図２は、本発明の実施の形態にかかるプレスフィット端子用板材６０の展開平面視である。根元部５１は長手形状である。胴体部５３の長手方向は、根元部５１の長手方向と交差しており、これら２つの長手方向軸が角度θを成している。胴体部５３を折り曲げたときに、根元部５１と胴体部５３との折り目と根元部５１の長手方向とが交わる角度θが９０°とはならず、斜めに傾くようになっている。プレスフィット端子用板材６０においては、根元部５１は細長形状の「第１平面部」であり、胴体部５３は「第２平面部」である。第２平面部は、第１平面部の端に接続して第１平面部とともに平面体を成し、第１平面部の長手方向に対して傾けられた細長形状の平面部である。プレスフィット部５４はこの第２平面部の先端に設けられている。図２（ａ）〜図２（ｃ）に示す各プレスフィット端子５０は、それぞれ角度θが異なっている。予め必要な角度θを決定しておくことで、図２（ａ）〜図２（ｃ）に示すように所望の角度θを有するプレスフィット端子用板材６０を打抜くための金型を設計しておけばよい。

所望の角度θを有するプレスフィット端子用板材６０を作成したら、続いてその根元部５１と胴体部５３とを折り曲げる。このとき、根元部５１の端において胴体部５３が根元部５１から立ち上がるように、かつ根元部５１の長手方向軸に対して折り目５２が傾くようにする。これにより図３に示すプレスフィット端子５０を形成することができる。本実施の形態によれば、金型で打ち抜いたプレスフィット端子５０を図３のように折り曲げることで、ひねり加工を施すことなく、根元部５１の長手方向と折り目５２とが成す角度θが９０°ではないプレスフィット端子５０を得ることができる。その後、根元部５１を回路基板等に接続するの際の接続方法は特に限定されず、はんだ付あるいはワイヤボンド等の接続方法を用いることができる。

図３は、本発明の実施の形態にかかるプレスフィット端子５０を示す図である。図３（ａ）に示すように、プレスフィット端子５０は、根元部５１と、胴体部５３を備えている。例えば後述する図５に示すような半導体装置１１０においては、筐体１２に内蔵された基板３０上の電気回路（具体的にはＩＧＢＧ、ＭＯＳＦＥＴ，ダイオード等の半導体素子３２を含む電気回路）と根元部５１とがワイヤボンド等により電気的に接続される。胴体部５３は、根元部５１の端において根元部５１から立ち上がるように根元部５１と胴体部５３の間に折り目５２を付けて折り曲げられる。胴体部５３は、先端にプレスフィット部５４を有する。図３（ａ）に示すように、折り目５２が、根元部５１の長手方向軸に対して傾けられている。プレスフィット部５４は、中央に貫通孔が設けられた楕円リング形状を有している。プレスフィット部５４は金属製であり弾性力を有している。プレスフィット時に、この楕円リング形状のプレスフィット部５４がその楕円短軸方向に縮む弾性変形をすることで、プレスフィット部５４が縮んで細くなる。プレスフィット部５４の弾性力で、プリント配線基板１４との接触部分に接触応力が生じる。

図３（ｂ）および図３（ｃ）は、複数のプレスフィット端子５０を一列に並べた状態の例である。図３（ｂ）および図３（ｃ）に示すように、隣り合うプレスフィット端子５０同士で、それぞれのプレスフィット部５４がプレスフィットにより縮んだ状態から復元する復元方向Ｅが一直線上に並ばないように互いに逸らされている。具体的には、図６に示すように、それぞれのプレスフィット部５４の復元方向Ｅを、スルーホール並び方向であるＸ軸に対して垂直にすることができる。これは、図２０の比較例では復元方向Ｅが一直線に並んでいるのと対照的である。

図４は、本発明の実施の形態にかかる半導体装置１０を示す図である。図４に示すように、プレスフィット端子５０を外部信号端子として使用した半導体装置が提供されてもよい。半導体装置１０は、筐体１２と、筐体１２内に設置され電気回路が形成された回路基板（図示せず）と、筐体１２内において互いに間隔をおいて並べられた複数のプレスフィット端子５０とを備えている。筐体１２は、箱型のものであってもよく、あるいはトランスファーモールド樹脂であってもよい。複数のプレスフィット端子５０のプレスフィット部５４が、筐体１２の上面から筐体１２外へ突き出ている。

図５は、本発明の実施の形態にかかる半導体装置１１０を示す図である。図５に示すようにプレスフィット端子５０を内部信号端子として使用した半導体装置が提供されてもよい。半導体装置１１０は、筐体１２（ここでは箱型のもの）と、筐体１２内に設置され電気回路が形成された基板３０と、筐体１２内において互いに間隔をおいて並べられた複数のプレスフィット端子５０とを備えている。プリント配線基板１４は、複数のスルーホールを備え、複数のスルーホールそれぞれに複数のプレスフィット端子５０のプレスフィット部５４がはまり込むように回路基板に重ねられる。主端子２４は、プリント配線基板１４に形成された回路と電気的に接続し、筐体１２の外に露出する。なお、図８の比較例に示した半導体装置と同様の構成としてもよい。つまり、Ｃｕ製のベース板１６と、半導体素子（半導体チップ）３２と、基板（絶縁基板）３０とが積層され、ワイヤ２２によりプレスフィット端子５０の根元部５１と半導体素子３２とが電気的に接続されるようになっていてもよい。

図６および図７は、本発明の実施の形態にかかるプレスフィット端子５０の作用を説明するための図である。図６および図７はプリント配線基板１４のスルーホール１４ｈにプレスフィット端子５０がはめ込まれて電気的接続が実現された状態を示しており、図６はプリント配線基板１４を平面視した平面図、図７は図６の側面図である。図示は省略するが、図１７〜図１９の比較例で説明したのと同様に、プレスフィット端子５０にプリント配線基板１４を押し込むと、プレスフィット端子５０の膨れたプレスフィット部５４が圧迫されながら、プレスフィット端子５０がスルーホール１４ｈ内に挿入される。その後、プレスフィット部５４の弾性力により、プリント配線基板１４とプレスフィット端子５０の電気的接続が実現される。

プレスフィット部５４が縮んだときの復元力で、スルーホール１４ｈの縁に力が加わる。隣り合うプレスフィット端子５０同士で、それぞれのプレスフィット部５４のプレスフィットにより縮んだ状態からの復元方向Ｅが、一直線上に並ばないように互いに逸らされている。このため、プレスフィット部５４とスルーホール縁とが接触する接触点が一箇所に集中しないように、隣り合う２つのプレスフィット端子５０の間で互いに遠ざけることができる。これにより、プレスフィットによってプリント配線基板１４に加わる力を分散させることができる。

プレスフィット端子５０を用いることで、図４に示す半導体装置１０については、図１５の比較例と比べて、プレスフィット端子５０の狭ピッチ化が可能となる。これにより、半導体装置１０に組み付けられるユーザー側基板（プリント配線基板）において、高密度化および電子部品の近接配置が可能となる。

また、図５に示す半導体装置１１０においても、プレスフィット端子５０を用いることで、図１６の比較例よりも端子ピッチを縮小化することができる。その結果、半導体装置１１０内部の高密度化および電子部品の近接配置が可能となり、半導体装置１１０自体の小型化、もしくは電子部品実装エリアの拡大が可能である。

プレスフィットによる接合では、プレスフィット端子５０の上方からプリント配線基板１４を押しつけてスルーホール１４ｈにプレスフィット部５４を挿入することによって、コンタクトを実現する。挿入時には、プリント配線基板１４およびプレスフィット部５４にストレスが発生する。プレスフィット部５４にクラックが入るおそれがあるので、挿入前のプレスフィット端子５０への過度な応力は可能な限り軽減したい。この点、本実施の形態では、金属板からの打ち抜き形状を図１のようにすることでプレスフィット部５４の角度θをつける際にプレスフィット端子５０にかかる応力を低減することが可能になる。また、実施の形態によれば、プレスフィット端子用板材６０を折り曲げることにより角度θをつけることができるので、プレスフィット端子５０をひねる工程が不要であり、国際公開第２０１４／１３２８０３号にかかるプレスフィット端子５０と比べて作業工程を少なくすることもできる。

なお、半導体装置１０、１１０の内部において電気回路が含む半導体素子３２は、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されていてもよい。特に、半導体素子３２の材料として、シリコン以外のワイドバンドギャップ半導体を用いてもよい。ワイドバンドギャップ半導体には、ＳｉＣ、ＧａＮ、あるいはダイヤモンドが含まれる。一般的にこれらのワイドバンドギャップ半導体は高温で使用することが可能などの利点がある。

上述した半導体装置１０、１１０を少なくとも１つ搭載した電力変換装置が提供されても良い。電力変換装置は、具体的には、インバータ装置、コンバータ装置、サーボアンプ、電源ユニットなどである。これにより半導体装置の端子ピッチを狭くしたり、半導体装置自体を小型化したりでき、ユニット自体の小型化が可能になる。

１０、１１０、２１０、３１０ 半導体装置、１２ 筐体、１４ プリント配線基板、１４ｈ スルーホール、１６ ベース板、２２ ワイヤ、２４ 主端子、３０ 基板、３２ 半導体素子、５０、１５０、 プレスフィット端子、５１、１５１ 根元部、５２ 折り目、５３、１５３、１５３ｂ胴体部、５４、１５４フィット部、６０、１６０ プレスフィット端子用板材、７０ 平面体、２５０ はんだ付け端子（中継端子）

Claims (7)

1. 筐体と、
   前記筐体内に設置され、電気回路が形成された回路基板と、
   前記筐体内において互いに間隔をおいて並べられた複数の端子と、
   を備え、
   前記端子は、
   前記筐体内で前記電気回路と電気的に接続される根元部と、
   前記根元部の端において前記根元部から立ち上がるように前記根元部との間に折り目を付けて折り曲げられ、先端にプレスフィット部を有する胴体部と、
   を有し、
   前記折り目が前記根元部の長手方向軸に対して傾けられており、
   隣り合う前記端子同士で、それぞれの前記プレスフィット部がプレスフィットにより縮んだ状態から復元する方向が互いに逸らされた半導体装置。
2. 複数のスルーホールを備え、前記複数のスルーホールそれぞれに前記複数の端子の前記プレスフィット部がはまり込むように前記回路基板に重ねられた他の基板と、
   前記他の基板に形成された回路と電気的に接続し、前記筐体外に露出する主端子と、
   を更に備える請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記複数の端子のプレスフィット部が、前記筐体の上面から前記筐体外へ突き出ている請求項１に記載の半導体装置。
4. 前記電気回路は、半導体素子を含み、
   前記半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
5. 少なくとも１つの半導体装置を備える電力変換装置であって、
   前記半導体装置は、
   筐体と、
   前記筐体内に設置され、電気回路が形成された回路基板と、
   前記筐体内において互いに間隔をおいて並べられた複数の端子と、
   を備え、
   前記端子は、
   前記筐体内で前記電気回路と電気的に接続される根元部と、
   前記根元部の端において前記根元部から立ち上がるように前記根元部との間に折り目を付けて折り曲げられ、先端にプレスフィット部を有する胴体部と、
   を有し、
   前記折り目が前記根元部の長手方向軸に対して傾けられており、
   隣り合う前記端子同士で、それぞれの前記プレスフィット部がプレスフィットにより縮んだ状態から復元する方向が互いに逸らされた電力変換装置。
6. 金属板を金型で打ち抜くことにより、根元部と前記根元部の端に接続した胴体部と前記胴体部の先端に設けられたプレスフィット部とを有し前記根元部の長手方向に対して前記胴体部の長手方向が傾けられた平板状のプレスフィット端子用板材を形成する工程と、
   前記根元部の端において前記胴体部が前記根元部から立ち上がるように、かつ前記根元部の長手方向軸に対して折り目が傾くように、前記プレスフィット端子用板材の前記根元部と前記胴体部とを折り曲げることで、プレスフィット端子を形成する工程と、
   を備えるプレスフィット端子の製造方法。
7. 根元部と、
   前記根元部の端において前記根元部から立ち上がるように前記根元部との間に折り目を付けて折り曲げられ、先端にプレスフィット部を有する胴体部と、
   を有し、
   前記折り目が前記根元部の長手方向軸に対して傾けられたプレスフィット端子。

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