JP2014099487A

JP2014099487A - 半導体装置

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Publication number: JP2014099487A
Application number: JP2012249971A
Authority: JP
Inventors: Makoto Imai; 誠今井; Toru Tanaka; 徹田中
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-11-14
Filing date: 2012-11-14
Publication date: 2014-05-29
Anticipated expiration: 2032-11-14
Also published as: JP5737272B2; US20140131845A1; US9013047B2

Abstract

【課題】本明細書は、半導体素子と、コンデンサを樹脂でモールドした半導体装置において、セラミックコンデンサなどの比較的割れ易いコンデンサを用いる場合に熱変形によりコンデンサに加わる応力を緩和する技術を提供する。
【解決手段】半導体装置２は、トランジスタ５とコンデンサ３が第１樹脂でモールドされているデバイスである。トランジスタ５とコンデンサ３は、樹脂モールド体１３の両側に取り付けられたリードフレーム８ａ、８ｂの夫々と接続している。コンデンサ３は、第１樹脂１３よりも剛性が低い第２樹脂１２で覆われておりその外側が第１樹脂でモールドされている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置に関する。特に、半導体素子とコンデンサが共に樹脂でモールドされている半導体装置に関する。そのような半導体装置は、半導体カード、半導体パッケージ、あるいは、半導体モジュールと称されることがある。

電気自動車の走行用モータを駆動するインバータや電圧コンバータでは、大電流を扱う半導体素子（典型的にはスイッチング回路に用いられるトランジスタ）を樹脂でモールドした半導体パッケージ（半導体装置）が用いられることがある（特許文献１−４）。樹脂モールドは、半導体素子とリードフレームなどを組み立てたアセンブリを内部に配置した金型内に樹脂を射出して成形される。金属板のリードフレームは樹脂モールドの両側に配置され、モールド内部の半導体素子は夫々のリードフレームと電気的に接続される。リードフレームは、半導体素子と電気的に繋がっている端子、即ち、電極板に相当する。従って「リードフレーム」は単に「電極板」と換言することができる。また、リードフレームと半導体素子の物理的な接続（接合）には、典型的には、ハンダ材が用いられる。

半導体パッケージの両側のリードフレームの夫々に、絶縁板を挟んで冷却器を当接し、半導体装置を効率よく冷却する構造が知られている。樹脂モールドの両側のリードフレームは、半導体素子の熱を拡散させる放熱板としても機能する。また、樹脂でモールドするのは、半導体素子を外部の塵や水分から半導体素子を保護するためと、半導体素子とリードフレームを接合しているハンダ材の疲労劣化を抑制するためである。半導体素子とリードフレームは熱膨張率が異なるため、半導体素子の発熱によってハンダ材の両側に接している半導体素子とリードフレームが異なる膨張率で膨張し、ハンダ材に応力が発生する。発熱のサイクル毎に繰り返し応力が加わり、これが疲労劣化の原因となる。リードフレームの一部は樹脂に埋設されており、半導体素子とリードフレームを樹脂でモールドすることによって、半導体素子とリードフレームの変形が抑制され、ハンダ材に加わる応力が抑制され、ハンダ材の疲労劣化が抑制される。

半導体パッケージには、トランジスタとともにコンデンサがモールドされることがある。コンデンサは、トランジスタへのサージ電流を緩和するためにトランジスタと並列に接続される。特許文献１〜４に開示された半導体装置では、いずれもコンデンサとトランジスタがモールドされている。

特開２０１０−０５６２０６号公報特開２００６−３０３４５５号公報特開２０１２−１２９３０９号公報特開２００３−２８９１２９号公報

トランジスタには、耐熱性がより高く、より高速なものが求められている。具体的には、これまでのＩＧＢＴよりも耐熱性と応答性に優れたＳｉＣ（シリコンカーバイト）ベースのＭＯＳのトランジスタが有望視されている。これに応じて、コンデンサにも高い耐熱性と高応答性が求められる。耐熱性と応答性に優れるコンデンサとしては、セラミックコンデンサが有望である。反面、セラミックコンデンサは固くて割れ易いという短所がある。トランジスタとともにセラミックコンデンサを樹脂でモールドすると、樹脂とセラミックコンデンサの熱膨張率の相違により、セラミックコンデンサに応力が集中して破損し易くなることが判明した。本明細書は、トランジスタに代表される半導体素子と、コンデンサを樹脂でモールドした半導体装置において、コンデンサに加わる応力を緩和する技術を提供する。

本明細書が開示する技術は、半導体素子（典型的にはトランジスタ）とともにコンデンサを樹脂でモールドするものであるが、モールドする樹脂（第１樹脂）よりも剛性が低い別の樹脂（第２樹脂）でコンデンサを覆い、その外側を第１樹脂でモールドする。あるいは、コンデンサを第２樹脂で覆う代わりに、コンデンサの周囲に空隙を設けて樹脂でモールドしてもよい。即ち、本明細書が開示する技術は、モールドする樹脂（第１樹脂）とコンデンサの間に低剛性の材料（第２樹脂）を配置するかあるいは空隙とし、これによって、コンデンサの熱伸縮によって周囲から受ける荷重を低減し、コンデンサ内部に生じる応力を緩和する。

半導体素子やコンデンサをモールドするための樹脂（第１樹脂）には、多くの場合、エポキシ系の樹脂が用いられる。モールド樹脂の内側でコンデンサを被覆する別の樹脂（第２樹脂）としては、例えばシリコン系の樹脂、フッ素系樹脂、あるいは、ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）系の樹脂がある。これらの樹脂は、エポキシ系の樹脂よりも剛性が低いことが知られている。

また、モールド樹脂とコンデンサの間に空隙を設ける場合は、リードフレームの積層方向からみてコンデンサの周囲に仕切板を配置すればよい。コンデンサを仕切板で囲むことで、樹脂を射出成形する際に仕切板の内側に空間を保持できる。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

第１実施例の半導体装置の模式的斜視図である。図１のII−II線矢視における断面図である。第２実施例の半導体装置の断面図である。第３実施例の半導体装置の断面図である。図４のV−V線矢視における断面図である。

図１に、第１実施例の半導体装置２の模式的斜視図を示す。図２に、図１のII−II線矢視における断面図を示す。半導体装置２は、例えば電気自動車の走行用モータに電流を供給するインバータのスイッチング回路に用いられる。半導体装置２は、トランジスタ５（半導体素子）とコンデンサ３を樹脂でモールドした構成を有している。トランジスタ５は、ＳｉＣ基板を用いたＭＯＳトランジスタであり、耐熱性／応答性に優れる。コンデンサ３は、耐熱性／応答性に優れるセラミックコンデンサである。トランジスタ５とコンデンサ３をモールドしている樹脂全体を、樹脂モールド体１３と称する。樹脂モールド体１３は、直方体に成形されており、その最も広い２面にリードフレーム８ａ、８ｂ（電極板）が固定されている。図２によく示されているように、リードフレーム８ａ、８ｂは、厚み方向にその半分が樹脂モールド体に埋設されている。リードフレーム８ａ、８ｂは、導電体（金属）であり、トランジスタ５のエミッタとコレクタ（ドレインとソース）に接続している。リードフレーム８ａ、８ｂは、トランジスタ５の電極端子に相当する。また、樹脂モールド体１３からは、トランジスタ５の制御電極１９が延出している。エミッタとコレクタに通じるリードフレーム８ａ、８ｂには大電流が流れるためこれらの電極には面積の大きい金属板が用いられ、ゲートに通じる制御電極１９には大電流が流れないため、細い金属線が用いられる。

図２に示すように、トランジスタ５のエミッタ（あるいはコレクタ）に相当する一面はハンダ材９を介してリードフレーム８ｂに接続している。トランジスタ５のコレクタ（あるいはエミッタ）に相当する別の面は、ハンダ材９と金属スペーサ６を介してリードフレーム８ａに接続している。金属スペーサ６は、トランジスタ５の厚みに対して樹脂モールド体１３の厚みが比較的に大きいため、その間の距離を埋めるために挿入されている。

コンデンサ３は、その周囲が低剛性樹脂１２で覆われている。低剛性樹脂１２については後述する。コンデンサ３は、金属板４ａと４ｂによって、２枚のリードフレーム８ａ、８ｂ（電極板）に接続している。金属板４ａ、４ｂは、コンデンサ３の２個の端子を夫々リードフレーム８ａ、８ｂと電気的に接続する導電体の機能を果たすとともに、樹脂でモールドする前のコンデンサ３をリードフレーム８ａ、８ｂの間に保持する金具の役割を果たす。また、図２から明らかなとおり、回路的には、コンデンサ３は、トランジスタ５のエミッタ／コレクタ間に並列に接続される。コンデンサ３は、トランジスタ５に加わるサージ電流を緩和する目的で備えられている。

コンデンサ３を覆っている低剛性樹脂１２は、例えばシリコン樹脂であり、その剛性は、樹脂モールド体１３を形成している樹脂の剛性よりも低い。樹脂モールド体１３を形成する樹脂は、例えばエポキシ系の樹脂である。また、低剛性樹脂１２の厚みは、数ミクロン〜数十ミクロンである。樹脂モールド体１３を構成している樹脂が第１樹脂の一例に相当し、低剛性樹脂１２が第２樹脂の一例に相当する。次に、樹脂モールド体１３を構成する樹脂と、低剛性樹脂１２の機能を説明する。

樹脂モールド体１３は、絶縁体であり、トランジスタ５とコンデンサ３を周囲から絶縁するとともに、それらの素子を塵埃から保護する。また、樹脂モールド体１３は、トランジスタ５とリードフレーム８ａ、８ｂとの熱膨張率の相違によってハンダ材９に生じる応力を緩和する。これは、次の理由による。トランジスタ５とリードフレーム８ａ、８ｂは熱膨張率が異なる。樹脂モールド体１３は、トランジスタ５を直接に覆っているとともに、リードフレーム８ａ、８ｂの一部を覆っている。より正確には、樹脂モールド体１３は、リードフレーム８ａ、８ｂに接合しているハンダ材９を囲むように覆っている。その樹脂モールド体１３がトランジスタ５とリードフレーム８ａ、８ｂの伸縮を抑制する。それゆえ、両者の歪の差が小さくなり、両者を接合しているハンダ材に加わる歪（即ち応力）が抑えられる。

トランジスタ５の筐体は例えば樹脂であり、他方、コンデンサ３の筐体はセラミックである。セラミックは剛性が極めて高く、応力が加わると割れ易い。半導体装置２では、コンデンサ３は樹脂モールド体１３の樹脂（第１樹脂）よりも低剛性の別の樹脂１２（第２樹脂）で覆われているため、コンデンサ３の熱伸縮に対して周囲からの拘束が樹脂モールド体１３よりも弱い。別言すれば、樹脂モールド体１３と比較すると、コンデンサ３の周囲には、その伸縮により周囲から受ける応力が小さくて済む。従って、コンデンサ３を低剛性樹脂１２（第２樹脂）で覆うことによって、樹脂モールド体１３の樹脂（第１樹脂）で直接に覆うよりも、コンデンサ３を割れ難くすることができる。セラミックコンデンサは、絶縁体（セラミック）と誘電体を交互に積層した構造を有しており、破損すると、絶縁が破られて２つの電極の間が短絡してしまう虞がある。それゆえ、セラミックコンデンサの破損の可能性を低減することは重要である。なお、コンデンサ３の熱による歪は、数ミクロン〜数十ミクロンのオーダであるので、コンデンサ３を覆う低剛性樹脂１２の厚みも数ミクロン〜数十ミクロンのオーダでよい。

第１実施例では、低剛性樹脂１２はシリコン樹脂であった。低剛性樹脂１２は、樹脂モールド体１３を構成する第１樹脂（典型的にはエポキシ系樹脂）よりも剛性が低い樹脂であればよく、シリコン樹脂の他、フッ素樹脂、あるいは、ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）樹脂などでもよい。

次に、半導体装置２の製造工程を説明する。まず、２枚のリードフレーム８ａ、８ｂの間に、トランジスタ５と金属スペーサ６をハンダ付けする。また、２枚のリードフレーム８ａ、８ｂの間に、金属板４ａ、４ｂを介してコンデンサ３を固定する。コンデンサ３は、前もって低剛性樹脂１２で被覆される。金属板４ａ、４ｂとコンデンサ３の固定もハンダでよい。また、金属板４ａ、４ｂとリードフレーム８ａ、８ｂとの接合もハンダでよい。なお、図２では、金属板４ａ、４ｂを固定するハンダ材は図示を省略している。

トランジスタ５、金属スペーサ６、コンデンサ３、金属板４ａ、４ｂは、ハンダでリードフレーム８ａ、８ｂに固定されるので、その形状が保持される。そのアセンブリを金型に入れ、周囲に樹脂を射出し、樹脂モールド体１３をアセンブリと一体成形する。こうして、全体が樹脂でモールドされた半導体装置２が完成する。

次に、第２実施例の半導体装置２ａを説明する。図３は、半導体装置２ａの断面図である。図３の断面は、図２の断面に対応する。半導体装置２ａは、基本的な構成は第１実施例の半導体装置２と同じであるが、低剛性樹脂１２ａが金属板４ａ、４ｂの一部まで被覆している点が異なる。低剛性樹脂１２ａは、コンデンサ３だけでなく、コンデンサ３と金属板４ａ、４ｂの接合部分から、リードフレーム８ａ、８ｂに至る途中までを被覆している。半導体装置２ａでは、コンデンサ３を支持する金属板４ａ、４ｂまでを低剛性樹脂１２ａで覆うことによって、金属板４ａ、４ｂが動き易くなっている。すなわち、コンデンサ３の熱伸縮に伴って、コンデンサ３を支持する金属板４ａ、４ｂの先端も移動するが、低剛性樹脂１２ａにより金属板４ａ、４ｂの移動に伴って発生する応力が緩和されるので、結果としてコンデンサ３に加わる応力がより一層低減される。

次に、第３実施例の半導体装置２ｂを説明する。図４は、半導体装置２ｂの断面図である。図４の断面は、図２の断面に対応する。また、図５は、図４のV−V線矢視における断面図である。図５は、リードフレーム８ａ、８ｂの積層方向から見たときの断面図である。

半導体装置２ｂでは、コンデンサ３の周囲に空隙１４が確保されている。この空隙１４は、筒状の仕切板１５によって実現している。仕切板１５は、両端の夫々が２枚のリードフレーム８ａと８ｂに接しており、リードフレーム８ａ、８ｂの積層後方から見てコンデンサ３をその内側に囲むように配置される。即ち、仕切板１５は、リードフレーム８ａ、８ｂと共に、コンデンサ３の周囲の空間をその外側の空間から隔離する。この仕切板１５を備えることによって、射出成形の際にコンデンサ３の周囲に樹脂が充填されることを防ぐ。

コンデンサ３の周囲に空隙１４を設けることによって、コンデンサ３は、金属板４ａ、４ｂ以外からは拘束を受けずに伸縮できる。従って、伸縮に起因してコンデンサ３に作用する応力をほぼゼロとすることができる。なお、図４、図５によく示されているように、トランジスタ５は樹脂モールド体１３の樹脂で直接に覆われているため、熱による伸縮が抑制され、ハンダ材９に生じる応力が抑制される。

半導体装置２ｂの構造は次のように表現することができる。２枚のリードフレーム８ａ、８ｂの間にトランジスタ５（半導体素子）とコンデンサ３（セラミックコンデンサ）が配置されている。トランジスタ５とコンデンサ３は、２枚のリードフレーム８ａ、８ｂに、電気的／物理的に並列に接続している。半導体装置２ｂは、両端の夫々がリードフレーム８ａ、８ｂに接しているとともに、リードフレームの積層方向から見たときに、コンデンサ３の周囲を、空隙１４を有して囲む仕切板１５を備える。２枚のリードフレーム８ａ、８ｂの間で、仕切板の外側を、トランジスタとともに樹脂がモールドしている。ここでの樹脂は、第１樹脂であり、典型的にはエポキシ系の樹脂である。

実施例で説明した半導体装置２、２ａ、２ｂに関する留意点を述べる。コンデンサ３は低剛性の樹脂１２で覆われているか（図２、図３参照）、あるいは、その周囲に空隙１４が設けられている（図４参照）。他方、トランジスタ５は、高剛性の第１樹脂で直接に覆われている。コンデンサ３の周囲には、その伸縮を制限する部材として低剛性樹脂１２が存在するが、低剛性であるので、コンデンサ３の伸縮に対して低剛性樹脂から受ける荷重は比較的に大きくなく、コンデンサ３に発生する応力が抑制される。「応力が抑制される」とは、コンデンサ３を第１樹脂で直接に覆う場合と比較して抑制される、という意味である。トランジスタ５は直接に高剛性の第１樹脂で覆われており、逆に伸縮が抑制される。ここでいう伸縮は、主として熱膨張によるものである。トランジスタ５の伸縮が抑制されることによって、トランジスタ５を接合するハンダ材９の疲労劣化が抑制される。即ち、実施例の半導体装置２、２ａ、２ｂは、トランジスタとセラミックコンデンサを共に樹脂でモールドしているが、トランジスタについては伸縮を抑制してハンダ材の疲労劣化を抑える一方、比較的に割れ易いセラミックコンデンサについては伸縮に起因して発生する応力を抑制し、破損し難くしている。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２、２ａ、２ｂ：半導体装置
３：コンデンサ
４ａ、４ｂ：金属板
５：トランジスタ
６：金属スペーサ
８ａ、８ｂ：リードフレーム（電極板）
９：ハンダ材
１２、１２ａ：低剛性樹脂
１３：樹脂モールド体
１４：空隙
１５：仕切板
１９：制御電極

Claims

半導体素子とコンデンサが第１樹脂でモールドされているとともに第１樹脂の樹脂モールドの両側に取り付けられたリードフレームの夫々と接続されている半導体装置であり、
第１樹脂よりも剛性が低い第２樹脂でコンデンサが覆われておりその外側が第１樹脂でモールドされている、あるいは、モールドしている第１樹脂とコンデンサの間に空隙が設けられていることを特徴とする半導体装置。
コンデンサはセラミックコンデンサであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。