JP5885545B2

JP5885545B2 - 樹脂封止型パワーモジュール

Info

Publication number: JP5885545B2
Application number: JP2012052535A
Authority: JP
Inventors: 利弥只熊; 泰成日野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-03-09
Filing date: 2012-03-09
Publication date: 2016-03-15
Anticipated expiration: 2032-03-09
Also published as: JP2013187437A

Description

本発明は、電力用パワーモジュールとして適用される樹脂封止型パワーモジュールに関する。

従来の樹脂封止型パワーモジュールでは、ワイヤーボンディングを行うボンディングパッドを備えているため、樹脂封止型パワーモジュールを構成する面積を広くする必要があり、省スペース化が困難であった。

このような問題の対策として、棒状電極端子が、回路パターン又は半導体素子上に直立するように、該棒状電極端子の一端を該回路パターン又は該半導体素子上に接合され、その後該棒状電極端子の長手方向に可動であるスリーブを、該棒状電極の長手方向の長さより該棒状電極と該スリーブからなる構造の長さの方が長くなるように該棒状電極端子の他端に装着し、型締めと同時に該スリーブを該棒状電極端子に圧入し、圧入後にキャビティ内にモールド樹脂を充填することによって形成される半導体装置がある（例えば、特許文献１参照）。当該半導体装置を構成するトランスファーモールドの筐体からは、電極（棒状電極端子）が表出した状態となっている。特許文献１によれば、電極端子を直立して配置しているため、半導体装置の小型化（省スペース化）を図ることができる。

特開２０１０−１２９８１８号公報

特許文献１では、モールド樹脂の充填時に当該モールド樹脂が筐体から表出させるべき電極を覆わないようにするために、電極の端部にスリーブを装着したスリーブ構造を採用しているが、スリーブ構造と筐体（モールド樹脂）との密着性が悪いためモールド樹脂の剥離が生じるという問題があった。また、スリーブを取り付けるための作業を要していた。

また、筐体から電極を表出させるためには、モールド樹脂で封止される半導体素子や棒状電極を含む対象物の全体的な厚さを、モールド樹脂の封止に用いられる金型のキャビティ（金型の空洞部分）の厚さよりも大きくする必要があり、金型を締めたとき（型締めしたとき）に前記対象物全体に付与される応力によって、半導体素子にクラックが発生するなどの問題があった。

本発明は、これらの問題を解決するためになされたものであり、小型化とともに半導体素子に対するダメージを抑制することが可能な樹脂封止型パワーモジュールを提供することを特徴とする。

上記の課題を解決するために、本発明による樹脂封止型パワーモジュールは、表面に金属パターンを有する基板と、金属パターン上に配置された半導体チップと、金属パターン上、あるいは半導体チップ上に、基板と垂直方向に延在して配設された導電部材と、基板の裏面と、導電部材の先端とが露出するように、基板、半導体チップ、および導電部材を封止する封止樹脂とを備え、導電部材は、側面に貫通孔を有し、導電部材の貫通孔は複数存在し、各貫通孔は導電部材の側面の異なる２方向から立体交差するように形成されることを特徴とする。

本発明によると、表面に金属パターンを有する基板と、金属パターン上に配置された半導体チップと、金属パターン上、あるいは半導体チップ上に、基板と垂直方向に延在して配設された導電部材と、基板の裏面と、導電部材の先端とが露出するように、基板、半導体チップ、および導電部材を封止する封止樹脂とを備え、導電部材は、側面に貫通孔を有し、導電部材の貫通孔は複数存在し、各貫通孔は導電部材の側面の異なる２方向から立体交差するように形成されるため、小型化とともに半導体素子に対するダメージを抑制することが可能となる。

本発明の実施の形態１による樹脂封止型パワーモジュールの構成の一例を示す図である。本発明の実施の形態１による導電部材の貫通孔の形状および形成位置の一例を示す図である。本発明の実施の形態２による樹脂封止型パワーモジュールの構成の一例を示す図である。本発明の実施の形態３による樹脂封止型パワーモジュールの構成の一例を示す図である。本発明の実施の形態４による樹脂封止型パワーモジュールの構成の一例を示す図である。

本発明の実施の形態について、図面に基づいて以下に説明する。

＜実施の形態１＞
まず、本発明の実施の形態１による樹脂封止型パワーモジュールの構成について説明する。

図１は、本実施の形態１による樹脂封止型パワーモジュールの構成の一例を示す図である。

図１に示すように、本実施の形態１による樹脂封止型パワーモジュールは、絶縁基板８（基板）と、半導体素子７（半導体チップ）と、導電部材１とを備えており、これらは封止樹脂９によって封止されている。

絶縁基板８は、金属製のベース板５、高放熱絶縁層４、および銅などの金属パターン３を下から順に積層して形成されたものである。すなわち、絶縁基板８の表面には金属パターン３が形成されている。

半導体素子７は、例えば、ＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ダイオード、あるいはＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＦｉｅｌｄＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）であり、絶縁基板８の金属パターン３上に、接合材６を介して接続されている。

導電部材１は、金属パターン３上、あるいは半導体素子７上に、絶縁基板８と垂直方向に延在して配設されている。従って、上述の通り、樹脂封止型パワーモジュール全体を小型化することができる。

また、導電部材１の基端は、絶縁基板８あるいは半導体素子７に対して、それぞれ接合材２，１０を介して接続されている。接合材１０を用いることによって、導電部材１と半導体素子７との線膨張係数の差が要因となって発生する熱応力や歪みを緩和することができる。

また、導電部材１の形状は、角柱形状あるいは円柱形状である。導電部材１を角柱形状とすることによって、導電部材の加工が容易になる。また、導電部材１を円柱形状とすることによって、後述の金型の型締め時において、半導体素子７に付与される応力によるダメージを抑制することができる。

接合材２，６，１０は、例えば、はんだ等の導電性接合材、あるいは導電性接着剤である。

封止樹脂９は、例えばエポキシ樹脂等であり、絶縁基板８の裏面と、導電部材１の先端とが露出するように、絶縁基板８、半導体素子７、および導電部材１を封止する。以下、封止樹脂９によって封止される絶縁基板８、半導体素子７、および導電部材１を総じて被封止物とも称する。封止樹脂９による封止の詳細については後述する。

次に、本実施の形態１による導電部材１に形成される貫通孔１１について説明する。

図２は、本実施の形態１による導電部材１の貫通孔１１の形状および形成位置の一例を示す図である。図２（ａ）は図１の紙面正面から見た図を示し、図２（ｂ）は図１の紙面側面から見た図を示している。

図２に示すように、導電部材１の側面には、貫通孔１１が複数存在し、各貫通孔１１は導電部材１の側面の異なる２方向から立体交差するように形成されている。また、各貫通孔１１は、例えば、貫通孔１１の中心が導電部材１の側面において正三角格子をなす位置に規則的に形成されている。従って、後述の金型の型締め時において、導電部材１の剛性を保持しつつ、半導体素子７に付与される応力によるダメージを抑制することができる。

また、貫通孔１１は円筒形状であり、直径Ｒは導電部材１の幅（導電部材１の短手方向の長さ）の１／２以下である。従って、後述の金型の型締め時において、半導体素子７に付与される応力によるダメージを抑制することができる。また、図２に示すように、正三角格子の間隔（貫通孔１１の中心間距離）を貫通孔１１の直径Ｒの１．７倍（１．７Ｒ）とすると、直交する貫通孔１１同士が重なり合うことで封止樹脂９の入り込む空間が広がり封止樹脂９の食いつきが良くなり（密着性が増し）、かつ、貫通孔１１形成後の導電部材１が強度を保つように残存するため、好適である。

次に、本実施の形態１による樹脂封止型パワーモジュールの製造方法について説明する。

本実施の形態１による樹脂封止型パワーモジュールは、例えば、上金型および下金型からなる金型の内部に上記の被封止物を配置し、当該金型の内部に封止樹脂９を注入してパッケージングを行うことによって形成される。

具体的には、下金型に被封止物を配置し、当該下金型に対して上金型を合わせて締めこむ（型締めする）。このとき、ベース板５の底面から導電部材１の上面までの高さ（すなわち、被封止物の全体の厚さ）は、金型のキャビティ（上金型と下金型とを型締めしたときに形成される金型の内部の空間）の厚さよりも大きい。従って、型締め時において、被封止物全体に応力が付与されるが、導電部材１に形成された貫通孔１１が応力を緩衝（分散）させるため、応力による半導体素子７に対するダメージを抑制することができる。

型締めの後、金型の内部（キャビティ）に封止樹脂９を注入して被封止物を封止する（パッケージングする）。このとき、注入された封止樹脂９は、導電部材１に形成された貫通孔１１内にも流入する。従って、導電部材１と封止樹脂９との間ではアンカー効果によって密着性が増し、樹脂の剥離等の問題を解消することができる。

上記のようにしてパッケージングされた樹脂封止型パワーモジュールは、図１に示すように、導電部材１の上面、および絶縁基板８の裏面（ベース基板５の裏面）が封止樹脂９から露出した状態となる。なお、本実施の形態１による樹脂封止型パワーモジュールは、例えば、モールド工程に用いられるモールドプレス機によって形成される。

以上のことから、本実施の形態１によれば、導電部材１に形成された貫通孔１１が、金型の型締め時に被封止物全体に付与される応力を緩衝（分散）させるため、応力による半導体素子７に対するダメージ（クラック等）を抑制することができる。また、封止樹脂９の注入時において、貫通孔１１内にも封止樹脂９が流入するため、導電部材１と封止樹脂９との間ではアンカー効果によって密着性が増し、樹脂の剥離等の問題を解消することができる。また、導電部材１を半導体素子７および絶縁基板８に対して垂直方向に接続しているため、樹脂封止型パワーモジュール全体の小型化が可能となる。すなわち、本実施の形態１によれば、小型化とともに半導体素子に対するダメージを抑制することが可能となる。

なお、本実施の形態１において、半導体素子７は、図１に示すように、絶縁基板８上に２個備えられているが、１個でもよく、３個以上の複数個であってもよい。すなわち、本実施の形態１による樹脂封止型パワーモジュールには、半導体素子７が少なくとも１つ以上備えられているものとする。

また、本実施の形態１では、貫通孔１１は、導電部材１の側面の異なる２方向から立体交差するように形成されているが、各貫通孔１１は互いに直交してもよく、あるいは直交しなくてもよい。

また、本実施の形態１では、貫通孔１１は、導電部材１の側面の異なる２方向から立体交差するように形成されているが、各貫通孔１１が立体交差すれば２方向に限らず他方向から形成するようにしてもよい。

また、本実施の形態１では、貫通孔が正三角格子を成すように配置されているが、二等辺三角格子、正方格子、矩形格子、平行体格子であってもよい。

＜実施の形態２＞
図３は、本発明の実施の形態２による樹脂封止型パワーモジュールの構成の一例を示す図である。図３に示すように、本実施の形態２では、導電部材１２の側面に溝１３を形成することを特徴としている。

また、実施の形態１と同様に、導電部材１２は、金属パターン３上、あるいは半導体素子７上に、絶縁基板８と垂直方向に延在して配設されている。また、導電部材１２の基端は、絶縁基板８あるいは半導体素子７に対して、それぞれ接合材２，１０を介して接続されている。また、導電部材１２の形状は、角柱形状あるいは円柱形状である。

なお、その他の構成は、実施の形態１と同様であるため、ここでは説明を省略する。また、図３では、封止樹脂９の図示を省略している。

導電部材１２の側面には、複数の溝１３が存在し、各溝１３は導電部材１２の側面において対向し、かつ対称となる位置に形成されている。従って、金型の型締め時において、半導体素子７に付与される応力によるダメージを抑制することができる。

以上のことから、本実施の形態２によれば、導電部材１２に形成された溝１３が、金型の型締め時に被封止物全体に付与される応力を緩衝（分散）させるため、応力による半導体素子７に対するダメージ（クラック等）を抑制することができる。すなわち、本実施の形態２によれば、実施の形態１と同様に、小型化とともに半導体素子に対するダメージを抑制することが可能となる。

なお、本実施の形態２では、図３に示すように、溝１３は導電部材１２の側面において対向し、かつ対称となる位置に形成されているが、導電部材１２の側面において対向し、かつ非対称となる位置に形成するようにしてもよい。

＜実施の形態３＞
図４は、本発明の実施の形態３による樹脂封止型パワーモジュールの構成の一例を示す図である。図４に示すように、本実施の形態３では、導電部材１４に半円形状の溝１５を形成することを特徴としている。その他の構成は、実施の形態１と同様であるため、ここでは説明を省略する。なお、図４では、封止樹脂９の図示を省略している。

導電部材１４の側面には、複数の溝１５が存在し、各溝１５は導電部材１４の側面において対向し、かつ対称あるいは非対称となる位置に形成されている。従って、金型の型締め時において、半導体素子７に付与される応力によるダメージを抑制することができる。また、各溝１５の位置を非対称とすることによって、作成する溝の加工精度を問わなくてよいため低コスト化を図ることができる。

以上のことから、本実施の形態３によれば、導電部材１４に形成された溝１５が、金型の型締め時に被封止物全体に付与される応力を緩衝（分散）させるため、応力による半導体素子７に対するダメージ（クラック等）を抑制することができるとともに、作成する溝の加工精度を問わなくてよいため低コスト化を図ることができる。すなわち、本実施の形態３によれば、実施の形態１と同様に、小型化とともに半導体素子に対するダメージを抑制することが可能となる。

＜実施の形態４＞
図５は、本発明の実施の形態４による樹脂封止型パワーモジュールの構成の一例を示す図である。図５に示すように、本実施の形態４では、導電部材１６にＲ形状の溝１７を形成することを特徴としている。その他の構成は、実施の形態１と同様であるため、ここでは説明を省略する。なお、図５では、封止樹脂９の図示を省略している。

導電部材１６の側面には、複数の溝１７が存在し、各溝１７は導電部材１６の側面において対向し、かつ対称あるいは非対称となる位置に形成されている。従って、金型の型締め時において、半導体素子７に付与される応力によるダメージを抑制することができる。また、各溝１７の位置を非対称とすることによって、作成する溝の加工精度を問わなくてよいため低コスト化を図ることができる。

また、半導体素子７側の導電部材１６の面積（すなわち、導電部材１６と接合材２，１０との接触面積）は、導電部材１６の中央部よりも大きく、あるいは半導体素子７と同一である。すなわち、導電部材１６の幅は、中央部よりも両端部の方が大きい。従って、金型の型締め時において、半導体素子７に付与される応力によるダメージを抑制することができる。

以上のことから、本実施の形態４によれば、導電部材１６に形成された溝１７が、金型の型締め時に被封止物全体に付与される応力を緩衝（分散）させるため、応力による半導体素子７に対するダメージ（クラック等）を抑制することができる。すなわち、本実施の形態４によれば、実施の形態１と同様に、小型化とともに半導体素子に対するダメージを抑制することが可能となる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、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。

１導電部材、２接合材、３金属パターン、４高放熱絶縁層、５ベース板、６接合材、７半導体素子、８絶縁基板、９封止樹脂、１０接合材、１１貫通孔、１２導電部材、１３溝、１４導電部材、１５溝、１６導電性部材、１７溝。

Claims

表面に金属パターンを有する基板と、
前記金属パターン上に配置された半導体チップと、
前記金属パターン上、あるいは前記半導体チップ上に、前記基板と垂直方向に延在して配設された導電部材と、
前記基板の裏面と、前記導電部材の先端とが露出するように、前記基板、前記半導体チップ、および前記導電部材を封止する封止樹脂と、
を備え、
前記導電部材は、側面に貫通孔を有し、
前記導電部材の前記貫通孔は複数存在し、各前記貫通孔は前記導電部材の側面の異なる２方向から立体交差するように形成されることを特徴とする、樹脂封止型パワーモジュール。
前記導電部材の基端は、前記基板、あるいは前記半導体チップに対して接合材を介して接続されることを特徴とする、請求項１に記載の樹脂封止型パワーモジュール。
前記導電部材は、角柱形状であることを特徴とする、請求項１または２に記載の樹脂封止型パワーモジュール。
前記導電部材は、円柱形状であることを特徴とする、請求項１または２に記載の樹脂封止型パワーモジュール。
前記導電部材の前記貫通孔は、円筒形状であることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれかに記載の樹脂封止型パワーモジュール。
前記導電部材の各前記貫通孔は、前記導電部材の側面において格子をなす位置に規則的に形成されることを特徴とする、請求項１に記載の樹脂封止型パワーモジュール。
前記格子は、正三角格子であることを特徴とする、請求項６に記載の樹脂封止型パワーモジュール。
前記正三角格子の間隔は、前記貫通孔の直径の１．７倍であることを特徴とする、請求項７に記載の樹脂封止型パワーモジュール。
表面に金属パターンを有する基板と、
前記金属パターン上に配置された半導体チップと、
前記金属パターン上、あるいは前記半導体チップ上に、前記基板と垂直方向に延在して配設された導電部材と、
前記基板の裏面と、前記導電部材の先端とが露出するように、前記基板、前記半導体チップ、および前記導電部材を封止する封止樹脂と、
を備え、
前記導電部材は、側面に溝を有し、
前記導電部材の前記溝は複数存在し、各前記溝は前記導電部材の側面において対向しかつ非対称となる位置に形成されることを特徴とする、樹脂封止型パワーモジュール。
前記導電部材の基端は、前記基板、あるいは前記半導体チップに対して接合材を介して接続されることを特徴とする、請求項９に記載の樹脂封止型パワーモジュール。
前記導電部材は、角柱形状であることを特徴とする、請求項９または１０に記載の樹脂封止型パワーモジュール。
前記導電部材は、円柱形状であることを特徴とする、請求項９または１０に記載の樹脂封止型パワーモジュール。
前記導電部材の前記溝は、半円形状あるいはＲ形状であることを特徴とする、請求項９ないし１２のいずれかに記載の樹脂封止型パワーモジュール。
前記導電部材の幅は、中央部よりも両端部の方が大きいことを特徴とする、請求項９ないし１２のいずれかに記載の樹脂封止型パワーモジュール。