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JP3521785B2 - 樹脂封止した半導体装置 - Google Patents

樹脂封止した半導体装置

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Publication number
JP3521785B2
JP3521785B2 JP2811199A JP2811199A JP3521785B2 JP 3521785 B2 JP3521785 B2 JP 3521785B2 JP 2811199 A JP2811199 A JP 2811199A JP 2811199 A JP2811199 A JP 2811199A JP 3521785 B2 JP3521785 B2 JP 3521785B2
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JP
Japan
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control circuit
resin
semiconductor device
power
air
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卓義 中村
昭浩 丹波
敏夫 小川
一二 山田
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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    • H01L2224/45117—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 400°C and less than 950°C
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    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/4805—Shape
    • H01L2224/4809—Loop shape
    • H01L2224/48091—Arched
    • H—ELECTRICITY
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    • H01L2224/732—Location after the connecting process
    • H01L2224/73251—Location after the connecting process on different surfaces
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  • Structures Or Materials For Encapsulating Or Coating Semiconductor Devices Or Solid State Devices (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、樹脂封止する半導
体装置の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の２階建て構造を持つパワーモジュ
ールの典型例が、特開昭62−16554 号公報に述べられて
いるので、以下説明する。
【０００３】従来構造においては、パワー半導体素子が
搭載されたパワー回路搭載基板と制御回路部品が搭載さ
れた制御回路搭載基板とを備えており、パワー回路搭載
基板は、モールド用樹脂外枠に結合され、シリコーンゲ
ル等の樹脂を注入することにより、半導体の耐環境保護
がなされる。パワー半導体で生じた熱は、主にパワー回
路搭載基板を介して放熱される。制御回路搭載基板は、
モールド用樹脂外枠に結合されるとともにエポキシ樹脂
等の樹脂の注入硬化により固定され、両回路基板がモー
ルド用樹脂外枠に互いに平行に積層保持されている。パ
ワー回路搭載基板３０には、外部入出力用端子がはんだ
付けされ、この外部入出力用端子が封止樹脂および制御
回路搭載基板を貫通して上部に導出されている。また、
制御回路搭載基板には、外部入出力用コネクタが封止樹
脂上で固定されて上部に導出されている。パワー回路搭
載基板３０および制御回路搭載基板とは、基板接続用コ
ネクタにより互いに電気的に接続されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上記の従来構造は、モ
ジュールの熱に関する信頼性の面で以下の課題を持って
いる。
【０００５】パワー回路搭載基板を封止した樹脂と制御
回路搭載基板との間を樹脂封止しているため、制御回路
部からパワー回路部への熱の流出が制御回路部への熱の
流入よりも小さい場合、パワー部から制御部への伝達熱
により、制御回路搭載基板の温度が上昇し、上昇温度が
制御回路部品の動作保証温度上限を超えると、制御回路
が誤動作する可能性がある。また、制御回路部からパワ
ー回路部への熱の流出が制御回路部への熱の流入よりも
大きい場合、制御回路部品から発生した熱はパワー部へ
伝達しにくく、制御回路部品の温度が上昇し、制御回路
が誤動作する可能性がある。
【０００６】本発明は、上述したような問題点を考慮し
てなされたものであり、制御回路の誤動作を防ぎ、高信
頼のパワーモジュールを提供する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明による、樹脂封止
した半導体装置においては、パワー部と、該パワー部の
上方に位置する制御部との間に、パワー部封止樹脂と熱
伝導率の異なる絶縁体を介在させる。
【０００８】
【発明の実施の形態】本発明の実施例を、以下図面を使
用して詳細に説明する。
【０００９】（実施例１）図１は、パワー回路部と制御
回路搭載基板の間に空気層を設けた構造を有する、樹脂
封止したパワー半導体装置の実施例であり、図２は、図
１の仕切り蓋101の説明図である。本実施例は、制御回
路部から主回路すなわちパワー回路部への熱の流出が制
御回路部への熱の流入よりも小さい場合に用いられる。
【００１０】パワー半導体素子１３がリードフレーム１
２にはんだ１０２を介して搭載され、Ａｌワイヤ１４で
リードフレーム１２とワイヤボンディングにより接続さ
れている。前記リードフレーム１２は、外部入出力端子
として働くと同時に熱拡散板の役割も担っており、Ｃｕ
で作られ、厚さは０.７mm である。前記パワー半導体素
子１３，Ａｌワイヤ１４，リードフレーム１２は樹脂１
５で封止される。前記樹脂１５は、熱硬化性のエポキシ
樹脂や熱可塑性のＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイ
ド）樹脂などが使われる。前記パワー半導体素子１３，
Ａｌワイヤ１４，リードフレーム１２で構成されるパワ
ー回路部は金型に据え付けられ、前記樹脂１５の流し込
みにより樹脂封止される。樹脂１５の厚さは３mm程度で
ある。樹脂封止の際、リードフレーム１２の裏面は樹脂
１５の表面に出ており、前記パワー回路部は樹脂シート
１１を介して放熱板１０に熱圧着される。該樹脂シート
１１は、アルミナフィラ（α−Ａｌ2Ｏ3）を６５ｗｔ％
以上含んだビスフェノールＡ型エポキシ樹脂が使用され
るが、ＡｌＮ，ＳｉＣ，ＳｉＯ2 ，ＭｇＯフィラでもよ
い。熱圧着の条件は、５kgｆ／cm2 ，１５０℃，３分間
である。該樹脂シート１１の厚さは０.１５mmであり、
熱抵抗は１.５℃／Ｗ程度と高熱伝導性である。前記放
熱板１０は、Ａｌで作られ、厚さは２mm程度である。こ
の製作プロセスには他の順序もある。例えば、リードフ
レーム１２と放熱板１０が樹脂シート１１を介して熱圧
着された後、パワー半導体素子１３がリードフレーム１
２にはんだ付けされ、Ａｌワイヤ１４でワイヤボンディ
ングされる。次に、全体を金型に入れ、樹脂１５でモー
ルドする。
【００１１】仕切り蓋１０１と、マイコン１７や制御Ｉ
Ｃ１８および周辺回路部品１０３と、が実装された制御
回路搭載基板１６が前記封止樹脂１５上に配置される。
前記制御回路搭載基板１６は、ガラスエポキシ樹脂で作
られ、厚さは１mmである。前記仕切り蓋１０１は、前記
パワー回路部から前記制御回路部への熱伝達を抑える空
気層１００を形成するために設けられており、前記封止
樹脂１５と前記制御回路搭載基板１６の間に位置し、少
なくとも、前記パワー半導体素子１３の真上と、前記マ
イコン１７や制御ＩＣ１８など熱の影響を受けやすい特
性を持つ制御回路部品の真下とを含むように配置され
る。該仕切り蓋１０１は、ガラスエポキシ樹脂で作ら
れ、エポキシ系などの接着剤により該制御回路搭載基板
１６に接着されるが、セラミックスやガラスで製作して
もよい。前記空気層１００の厚さは１mm程度である。空
気の熱膨張によるパワーモジュール１０００の破壊を防
ぐため、該空気層１００は、前記制御回路搭載基板１６
に開けられたスルーホール104および前記スルーホール
１０４の真上にあって制御回路部封止樹脂１９に開けら
れた空気穴１０５によって、外気とつながっている。前
記スルーホール１０４は、該制御回路搭載基板１６の任
意の位置に配置され、直径１mm以下である。該スルーホ
ール１０４および空気穴１０５は２組以上存在してもよ
い。前記マイコン１７や制御ＩＣ１８および周辺回路部
品１０３は、前記制御回路搭載基板１６に実装されてお
り、パワー回路部および外部入出力端子とコネクタ１０
６を介して電気的に接続されている。該コネクタ１０６
は、Ｃｕなどの金属で作られ、はんだ付け等の手法によ
り、制御部および外部入出力端子をつないでいる。
【００１２】制御用外部入出力端子としてリードフレー
ム１２を使用せずに該制御回路搭載基板１６から直接制
御端子（図示せず）を延ばしてもよい。
【００１３】前記制御回路部は樹脂１９でポッティング
することにより封止される。該樹脂１９は、前記空気穴
１０５を設けるため、前記スルーホール１０４を塞ぐよ
うにピンを立てた状態で流し込まれる。該樹脂１９は、
熱硬化性のエポキシ樹脂や熱可塑性のＰＰＳ（ポリフェ
ニレンサルファイド）樹脂などが使われ、厚さは２mm程
度である。前記樹脂１５は樹脂封止用外枠の役割も担っ
ている。該樹脂１９は、前記パワー回路部封止樹脂１５
と前記仕切り蓋１０１の隙間に充填されてもよい。前記
空気層１００の熱伝導率は０.０３ ［Ｗ／ｍＫ］で、前
記樹脂１５および樹脂１９の熱伝導率０.７１［Ｗ／ｍ
Ｋ］(エポキシ樹脂）の１／２０程度である。該低熱伝
導性により、前記パワー半導体素子１３から発生した熱
の伝達による前記制御回路搭載基板１６の温度上昇は、
前記マイコン１７の動作保証温度上限値（７５℃）に対
して余裕があるレベルとなり、制御回路部の誤動作を防
ぐことができる。
【００１４】（実施例２）図３は、パワー回路部と制御
回路部の間に介在する空気層に制御回路の一部を搭載し
た構造を有する、樹脂封止したパワー半導体装置の実施
例である。本実施例は、制御回路部からパワー回路部へ
の熱の流出が制御回路部への熱の流入よりも小さい場合
に用いられる。
【００１５】前記制御回路搭載基板１６の両面に、マイ
コン１７や制御ＩＣ１８および周辺回路部品１０３が実
装され、少なくとも、前記パワー半導体素子１３の真上
と、前記マイコン１７や制御ＩＣ１８など熱の影響を受
けやすい特性を持つ制御部品の真下と、該制御回路搭載
基板１６の裏面に搭載された制御回路部品と、を含むよ
うに、前記仕切り蓋１０１が設けられることにより、前
記空気層１００が形成される。前記制御回路部は、前記
樹脂１９でポッティングすることにより封止される。熱
の影響を受けやすい特性を持つ前記制御部品を該制御回
路搭載基板１６の表面に実装し、熱の影響を受けにくい
特性を持つ受動部品４０のみを該制御回路搭載基板１６
の裏面に実装することもできる、など回路設計の自由度
が大きいという利点がある。また、該制御回路を前記制
御回路搭載基板１６の両面に実装できるので、面積が前
記制御回路搭載基板１６の大きさに支配される場合に
は、パワーモジュール４０００の小型化が実現できる。
【００１６】（実施例３）図４は、スルーホールおよび
空気穴の代わりに、制御部を貫通する空気抜けを設けた
構造を有する、樹脂封止したパワー半導体装置の実施例
である。本実施例は、制御回路部からパワー回路部への
熱の流出が制御回路部への熱の流入よりも小さい場合に
用いられる。
【００１７】前記スルーホール１０４（図１）および空
気穴１０５（図１）の代わりに、該制御回路搭載基板１
６を貫通し、一端は該制御回路搭載基板１６の裏面より
下側に突出しており、他端は前記制御回路部封止樹脂１
９の表面より上側に突出しているような空気抜け５０を
設けることにより、空気層１００を外気とつなぐ。前記
空気抜け５０はセラミックス等で制作され、直径３mm程
度、長さは５mm程度の円筒形をしており、２個以上存在
してもよい。前記制御回路を前記制御回路搭載基板１６
の両面に実装することもできるので、熱による制御回路
の誤動作を防ぐことができるとともにパワーモジュール
５０００の小型化が実現できる。
【００１８】（実施例４）図５は、パワー回路部と制御
回路部の間に空気層を設けて２回トランスファモールド
した構造を有する、樹脂封止したパワー半導体装置の実
施例である。本実施例は、制御回路部からパワー回路部
への熱の流出が制御回路部への熱の流入よりも小さい場
合に用いられる。
【００１９】パワー半導体素子１３を含むパワー回路部
は樹脂１５でトランスファモールドされる。該パワー回
路部封止樹脂１５には、熱硬化性のエポキシ樹脂が用い
られる。少なくとも、前記パワー半導体素子１３の真上
と熱の影響を受けやすい特性を持つ制御部品の真下とを
含むように設けられた前記仕切り蓋１０１，前記制御回
路部および前記スルーホール１０４が設けられた制御回
路搭載基板１６が該樹脂１５上に配置される。前記パワ
ー回路部と制御回路部は前記コネクタ１０６により電気
的に接続される。該パワー回路部および制御回路部は、
空気穴１０５を設けるためのピンを含んだ金型に入れら
れ、樹脂１９でトランスファモールドすることにより封
止される。該樹脂１９には、熱硬化性のエポキシ樹脂が
用いられる。該樹脂１９のトランスファーモールドは樹
脂圧５０kg／cm2 以上でなされるので、前記制御回路搭
載基板１６の反りを小さくし、実装部品のはんだ部が破
壊しないようにする必要がある。熱の影響を受けにくい
受動部品４０のみを該制御回路搭載基板１６の裏面に搭
載することもでき、パワーモジュール６０００の小型化
が実現できるとともに、熱による制御回路の誤動作を防
ぐことができる。
【００２０】（実施例５）図６は、仕切り蓋を使わずに
パワー回路部封止樹脂の金型のみによって空気層を形成
する、樹脂封止したパワー半導体装置の実施例である。
本実施例は、制御回路部からパワー回路部への熱の流出
が制御回路部への熱の流入よりも小さい場合に用いられ
る。
【００２１】前記パワー回路部を前記樹脂１５で封止
し、前記制御回路搭載基板１６を該樹脂１５上に配置す
ることによって、空気層１００を確保する。該空気層１
００は、少なくとも、前記パワー半導体素子１３の真上
と、熱の影響を受けやすい特性を持つ制御部品の真下と
を含むように設けられる。前記制御回路搭載基板１６に
は空気の熱膨張によるパワーモジュール７０００の破壊
を防ぐためのスルーホール１０４が設けられる。該空気
層１００内に前記樹脂１９が入り込まないように、該制
御回路搭載基板１６は、少なくとも２つ以上のピンで前
記樹脂１５に押さえつけられた状態で該樹脂１９が注入
される。ピン穴６０のうち少なくとも一つは、前記スル
ーホール１０４上にあり、空気穴１０５の役割を担う。
該空気層１００を設けるための仕切り蓋を使わなくて済
むことにより、熱による制御回路の誤動作を防ぐ効果を
持ちながら、工程を減らすことができる。該制御回路搭
載基板１６の裏面にも制御回路部品を実装することがで
きるので、パワーモジュール７０００の小型化が実現で
きる。
【００２２】（実施例６）図７は、パワー回路部と制御
回路搭載基板の間にシリコーンゲルを介在させた構造を
有する、樹脂封止したパワー半導体装置の実施例であ
る。本実施例は、制御回路部からパワー回路部への熱の
流出が制御回路部への熱の流入よりも小さい場合に用い
られる。
【００２３】前記パワー回路部封止樹脂１５上に前記制
御回路搭載基板１６を配置し、パワー回路部と制御回路
部の間に、空気層を設ける代わりに、該パワー回路部封
止樹脂１５よりも熱伝導率の小さい絶縁体であるシリコ
ーンゲル８０を介在させる。シリコーンゲル８０の熱伝
導率は０.１７ ［Ｗ／ｍＫ］と、エポキシ樹脂の１／４
程度である。該低熱伝導性により、該パワー回路部から
該制御回路搭載基板１６への熱伝達を抑え、制御回路部
の温度上昇を抑制しており、熱による制御回路の誤動作
を防いでいる。該シリコーンゲル８０は、少なくとも、
前記パワー半導体素子１３の真上と熱の影響を受けやす
い特性を持つ制御部品の真下とを含むように設けられ、
該樹脂１５と該制御回路搭載基板１６の隙間に充填され
る。前記パワー回路部と制御回路部は、樹脂１９でポッ
ティングすることにより封止される。仕切り蓋は特に設
ける必要はなく、熱膨張によるパワーモジュール8000の
破壊を防ぐための穴も設ける必要がないので工程を減ら
すことができる。また、該制御回路搭載基板１６の裏面
にも制御回路部品を搭載できるので、パワーモジュール
８０００の小型化が実現できるとともに、前記マイコン
１７よりも熱の影響を受けにくい受動部品４０のみを該
制御回路搭載基板１６の裏面に実装することができるな
ど、回路設計の自由度が大きいという利点がある。ま
た、シリコーンゲル８０により、制御回路搭載基板１６
表面が保護されるので、配線間距離を小さくすることも
できる。
【００２４】（実施例７）図８は、パワー回路部と制御
回路搭載基板の間にフェノール硬化型エポキシ樹脂（結
晶シリカ）を介在させた構造を有する、樹脂封止したパ
ワー半導体装置の実施例である。本実施例は、制御回路
部からパワー回路部への熱の流出が制御回路部への熱の
流入よりも大きい場合に用いられる。
【００２５】前記パワー回路部封止樹脂１５上に前記制
御回路搭載基板１６を配置し、パワー回路部と制御回路
部の間に、空気層を設ける代わりに、該パワー回路部封
止樹脂１５よりも熱伝導率の大きい絶縁体であるフェノ
ール硬化型エポキシ樹脂（結晶シリカ）９０を介在させ
る。該フェノール硬化型エポキシ樹脂（結晶シリカ）９
０は、高熱伝導性の結晶シリカフィラを含んでいるた
め、熱伝導率は２.５１［Ｗ／ｍＫ］と、エポキシ樹脂
の３.５ 倍程度である。該高熱伝導性により、制御回路
部から発生した熱を速やかに放熱板１０へ伝達し、制御
回路部の温度上昇を抑制しており、熱による制御回路の
誤動作を防いでいる。該フェノール硬化型エポキシ樹脂
（結晶シリカ）９０は、少なくとも、熱の影響を受けや
すい特性を持つ制御部品の真下を含むように設けられ、
該樹脂１５と該制御回路搭載基板１６の隙間に充填され
る。前記パワー回路部と制御回路部は、樹脂１９でポッ
ティングまたはトランスファモールドすることにより封
止される。仕切り蓋は特に設ける必要はないので工程を
減らすことができる。また、該制御回路搭載基板１６の
裏面にも制御回路部品を搭載できるので、パワーモジュ
ール９０００の小型化が実現できるとともに、熱の影響
を受けやすい前記マイコン１７を該制御回路搭載基板１
６の裏面に実装することができるなど、回路設計の自由
度が大きいという利点がある。
【００２６】
【発明の効果】本発明によると、制御回路部の温度上昇
を抑え、制御回路部の誤動作を防ぐことができる効果を
もつ。
【図面の簡単な説明】
【図１】パワー回路部と制御回路部の間に空気層を設け
た、樹脂封止したパワー半導体装置の実施例。
【図２】パワー回路部と制御回路部の間に空気層を設け
た、樹脂封止したパワー半導体装置の実施例の仕切り蓋
の説明図。
【図３】パワー回路部と制御回路部の間に介在する空気
層に制御回路の一部を搭載した構造を有する、樹脂封止
したパワー半導体装置の実施例。
【図４】スルーホールおよび空気穴の代わりに、制御部
を貫通する空気抜けを設けた構造を有する、樹脂封止し
たパワー半導体装置の実施例。
【図５】パワー回路部と制御回路部の間に空気層を設け
て２回トランスファモールドした構造を有する、樹脂封
止したパワー半導体装置の実施例。
【図６】仕切り蓋を使わずにパワー回路部封止樹脂の金
型のみによって空気層を形成する、樹脂封止したパワー
半導体装置の実施例。
【図７】パワー回路部と制御回路搭載基板の間にシリコ
ーンゲルを介在させた構造を有する、樹脂封止したパワ
ー半導体装置の実施例。
【図８】パワー回路部と制御回路搭載基板の間にフェノ
ール硬化型エポキシ樹脂（結晶シリカ）を介在させた構
造を有する、樹脂封止したパワー半導体装置の実施例。
【符号の説明】
１０…放熱板、１１…樹脂シート、１２…リードフレー
ム、１３…パワー半導体素子、１４…Ａｌワイヤ、１
５，１９，３２，３４…樹脂、１６…制御回路搭載基
板、１７…マイコン、１８…制御ＩＣ、３０…パワー回
路搭載基板、３１…モールド用樹脂外枠、３３…制御回
路部品、３５…外部入出力用端子、３６…外部入出力用
コネクタ、３７…基板接続用コネクタ、４０…受動部
品、５０…空気抜け、６０…ピン穴、８０…シリコーン
ゲル、９０…フェノール硬化型エポキシ樹脂（結晶シリ
カ）、１００…空気層、１０１…仕切り蓋、１０２…は
んだ、１０３…周辺回路部品、１０４…スルーホール、
１０５…空気穴、１０６…コネクタ、１０００，４００
０，５０００，６０００，７０００,８０００,９０００
…パワーモジュール。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山田 一二 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株式会社 日立製作所 日立研究所内 (56)参考文献 特開 昭62−16554（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−162571（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−173098（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−178151（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−90449（ＪＰ，Ａ) 実開 平１−108951（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 25/07 H01L 25/18 H01L 23/28 - 23/30

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】放熱手段を備え、パワー半導体素子を備え
    た主回路部と、該主回路部を制御する制御回路部と、前
    記主回路部および制御回路部に接続される外部入出力端
    子と、を備えた半導体装置において、 前記主回路部は樹脂封止され、前記制御回路部は前記主
    回路部の上方に配置され、該主回路部と該制御回路部と
    の間に、主回路部封止樹脂と熱伝導率の異なった絶縁体
    が介在し、 該絶縁体が、制御回路部に設けた仕切り蓋内に存在する
    ことを特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項２】請求項１において、前記制御回路部の裏面
    に回路部品が実装され、前記絶縁体は、該回路部品を覆
    う厚さを持つことを特徴とする半導体装置。
  3. 【請求項３】請求項１において、前記絶縁体は空気であ
    ることを特徴とする半導体装置。
  4. 【請求項４】請求項３において、前記空気が外気とつな
    がる手段を有することを特徴とする半導体装置。
  5. 【請求項５】請求項４において、前記空気は制御回路基
    板に設けられたスルーホールおよび制御部封止樹脂に設
    けられた空気穴とによって外気につながることを特徴と
    する半導体装置。
  6. 【請求項６】請求項４において、前記空気は制御回路基
    板と制御部封止樹脂とを貫通する空気抜けとによって外
    気につながることを特徴とする半導体装置。
  7. 【請求項７】請求項１において、前記仕切り蓋が前記パ
    ワー半導体素子の上方に配置されていることを特徴とす
    る半導体装置。
  8. 【請求項８】請求項７において、前記制御回路部がマイ
    クロプロセッサを備えており、前記仕切り蓋が該マイク
    ロプロセッサの下方に配置されていることを特徴とする
    半導体装置。
  9. 【請求項９】請求項１において、前記放熱手段が放熱板
    であって、該放熱板と前記パワー半導体素子を備えた主
    回路部とが、樹脂シートを介して対向していることを特
    徴とする半導体装置。
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