(57)【要約】【課題】  押さえピンを用いずに金属板と樹脂シートとを密着させた、小型化された半導体素子を提供する。【解決手段】  半導体素子で発生した熱が絶縁シートを介して放出される半導体装置が、絶縁シートと、絶縁シート上に載置された金属板と、金属板の上に固定された半導体素子およびフレームと、絶縁シートが露出した第１面と、第１面に対向する第２面とを備え、少なくとも絶縁シート、金属板、半導体素子、およびフレームが埋め込まれた筐体とを含む。更に筐体内に、金属板の上から筐体の第２面まで延び、金属板を絶縁シートに押し付けるための弾性部を含む。【選択図】図１
2006319084.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子で発生した熱が絶縁シートを介して放出される半導体装置であって、
絶縁シートと、
該絶縁シート上に載置された金属板と、
該金属板の上に固定された半導体素子およびフレームと、
該絶縁シートが露出した第１面と、該第１面に対向する第２面とを備え、少なくとも該絶縁シート、該金属板、該半導体素子、および該フレームが埋め込まれた筐体とを含み、
更に該筐体内に、該金属板の上から該筐体の第２面まで延び、該金属板を該絶縁シートに押し付けるための弾性部を含むことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
上記弾性部が、所定の角度で屈曲したことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
上記弾性部が、上記金属板に２箇所の固定部で固着され、該固定部の間で上記筐体の第２面まで延びたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
上記弾性部が、上記フレームの一部からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項５】
半導体素子で発生した熱が絶縁シートを介して放出される半導体装置であって、
絶縁シートと、
該絶縁シート上に載置されたフレームと、
該フレームの上に固定された半導体素子と、
該絶縁シートが露出した第１面と、該第１面に対向する第２面とを備え、少なくとも該絶縁シート、該半導体素子、および該フレームが埋め込まれた筐体とを含み、
該フレームが、該絶縁シートの上から該筐体の第２面まで延び、該フレームを該絶縁シートに押し付けるための弾性部を含むことを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
半導体素子で発生した熱が絶縁シートを介して放出される半導体装置であって、
第１絶縁シートと、
該第１絶縁シート上に載置された金属板と、
該金属板の上に固定された半導体素子およびフレームと、
該フレーム上に載置された第２絶縁シートと、
該第１絶縁シートが露出した第１面と、該第１面に対向し該第２絶縁シートが露出した第２面とを備え、少なくとも該第１および第２絶縁シート、該金属板、該半導体素子、および該フレームが埋め込まれた筐体とを含み、
該フレームが、該金属板を該第１絶縁シートに押し付ける弾性部を含むことを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
上記弾性部が、板状体からなることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はインバーター等に用いる樹脂封止型パワーモジュールに関し、特に小型化された樹脂封止型パワーモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、樹脂封止型パワーモジュールの封止にはトランスファモールド技術が用いられている。図６は、トランスファモールド中の樹脂封止型パワーモジュールの断面図である（特許文献１）。
全体が６００で表される樹脂封止型パワーモジュールは、金属板１を含む。金属板１の上面には、ＩＧＢＴ等の半導体素子２が半田３で取り付けられている。半導体素子２は、金等のワイヤ４により、金属のフレーム５に接続されている。金属板１の下面は、絶縁シート６の上に固着されている。絶縁シート６は、絶縁樹脂層７と、その下面に設けられた保護層８からなる。
かかる状態でモールド金型（図示せず）に入れられた後、モールド金型内にモールド樹脂が注入されて筐体９が形成される。
【０００３】
樹脂封止型パワーモジュール６００では、半導体素子２から発生した熱は、金属板１から絶縁シート６を介して外部に放出される。従って、金属板１と絶縁シート６との間の接触熱抵抗を小さくするために、金属板１と絶縁シート６との間の密着性を高くする必要がある。
このため、樹脂封止型パワーモジュール６００の樹脂封止工程において、モールド金型に設けられた押さえピン１０で、金属板１を絶縁シート６に向かって押しつけながら、モールド樹脂をモールド金型内に充填し、金属板１と絶縁シート６とを密着させた状態で樹脂封止していた。
【特許文献１】特開２００４−１６５２８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、押さえピン１０で金属板１を加圧するためには、金属板１の上面に押さえピン１０で押さえる領域が必要であった。この時、絶縁シート６に対して金属板１を略均等に押し付けることが、絶縁シート６の厚みの確保などの観点から重要であるが、金属板１の片あたりを防止するためには、押さえピン１０を金属板１に略均等に配置する必要があり、例えば金属板１の各コーナーもしくはコーナー近傍に押さえピン１０が接する領域を設けるなどの措置が必要であった。このため、金属板１の面積をある程度大きくする必要があり、樹脂封止型パワーモジュール６００の小型化が困難であるとの問題があった。
また、押さえピン１０を設けた場合、トランスファモールド法に用いるトランスファモールド装置（図示せず）が複雑化するという問題もあった。
更に、樹脂封止型パワーモジュール６００では、パッケージの放熱面（図６では下面）と対向する面（図６では上面）に放熱部材を密着させることは、押さえピン１０が放熱面と対向する面（上面）に設けられていることから困難であった。
【０００５】
そこで、本発明は、押さえピンを用いずに金属板と樹脂シートとを密着させた、小型化された樹脂封止型パワーモジュールの提供を目的とする。また、本発明は、放熱面と対向する面にも放熱部材を密着させた樹脂封止型パワーモジュールの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、半導体素子で発生した熱が絶縁シートを介して放出される半導体装置であって、絶縁シートと、絶縁シート上に載置された金属板と、金属板の上に固定された半導体素子およびフレームと、絶縁シートが露出した第１面と、第１面に対向する第２面とを備え、少なくとも絶縁シート、金属板、半導体素子、およびフレームが埋め込まれた筐体とを含み、更に筐体内に、金属板の上から筐体の第２面まで延び、金属板を絶縁シートに押し付けるための弾性部を含むことを特徴とする半導体装置である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明にかかる半導体装置では、押さえピンのような複雑な機構を用いることなく、フレームと絶縁シートとの間にモールド樹脂が入り込むのを防止できる。また、放熱面と対向する面にも放熱部材を形成でき、放熱性を高くできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
以下に、図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、以下の説明では、「上」、「下」、「左」、「右」、およびこれらの用語を含む名称を適宜使用するが、これらの方向は図面を参照した発明の理解を容易にするために用いるものであり、実施形態を上下反転、あるいは任意の方向に回転した形態も、当然に本願発明の技術的範囲に含まれる。
【０００９】
図１は、全体が１００で表される、本実施の形態１にかかる樹脂封止型パワーモジュールの断面図である。
樹脂封止型パワーモジュール１００は、金属からなるフレーム１５を含む。フレーム１５の表面には、ＩＧＢＴやフリーホイールダイオードのような半導体素子２が半田３で取り付けられている。半導体素子２は、金等のワイヤ４により、金属のフレーム５に接続されている。フレーム５は、例えば厚みが１ｍｍの銅、銅合金、鉄ニッケル合金等からなる。
【００１０】
フレーム１５の下面は、絶縁シート６の上に固着されている。絶縁シート６は、絶縁樹脂層７と、その下面に設けられた保護層８からなる。絶縁シート６は、例えば、アルミナやＢＮ、ＡｌＮなどのフィラーにエポキシ樹脂を含浸させて形成される。厚みは略０．１ｍｍ〜略１ｍｍである。保護層は、例えば、銅箔からなり、厚みは略０．１ｍｍである。
【００１１】
フレーム１５の一部は、絶縁シート６に接した部分から上方に立ち上がり、弾性部１６を形成している。図１では、弾性部１６の端部が、筐体９の表面に沿う方向に曲げられている。
フレーム１５は、例えば厚みが１ｍｍの板状体からなり、銅、銅合金、鉄ニッケル合金等から形成される（図１では、紙面に垂直方向に広がった板状体となっている。）。
かかる状態でモールド金型（図示せず）に入れられた後、モールド金型内にモールド樹脂が注入され、トランスファモールド技術を用いて樹脂封止される。
【００１２】
絶縁シート６は、モールド樹脂からなる筐体９の下面から露出している。絶縁シート６の下面には、例えば、図示しない加圧手段により、熱伝導グリスを介してヒートシンク（図示せず）が取り付けられ、半導体素子２から発生した熱を外部に放出する。
【００１３】
上述のように、筐体９の上面には、フレーム１５から延びた弾性部１６が内接するように配置されている。かかる弾性部１６は、トランスファモールド工程中に次のような作用をする。
【００１４】
トランスファモールド工程では、モールド金型（図示せず）の底面の所定の位置に絶縁シート６を配置し、半導体素子２やワイヤ４が予め固定されたフレーム１５を、絶縁シート６の上に載置する。フレーム１５の一部には、予め弾性部１６が形成されている。弾性部１６の高さは、モールド金型（図示せず）を閉じたときにモールド金型の上面に接するような高さに調整されている。これにより、モールド金型を閉じた場合に弾性部１６が撓み、フレーム１５が絶縁シート６に向かって押し付けられる。
【００１５】
このように、フレーム１５が絶縁シート６に押し付けられた状態で、モールド樹脂がタブレットからゲートを通ってモールド金型のキャビティに注入され（図示せず）、絶縁シート６やフレーム１５を封止して筐体９を形成する。モールド樹脂は、例えばシリカなどのフィラーにエポキシ樹脂を含浸させたものからなる。モールド樹脂から形成される筐体９の厚みは、略２ｍｍ〜略１０ｍｍである。
【００１６】
かかる工程では、特に、弾性部１６が、フレーム１５を絶縁シート６に押し付けた状態に維持することにより、モールド樹脂がフレーム１５を押し上げて、絶縁シート６とフレーム１５との間にモールド樹脂の層が形成されるのを防止できる。
なお、弾性部１６による加圧力は、例えば略５０Ｎ／ｃｍ２以上であれば、モールド樹脂の進入を防止できる。
【００１７】
これに対して、もし、弾性部１６を用いてフレーム１５を絶縁シート６に押し付けていなければ、例えば、略１００気圧に達するモールド樹脂の加圧力により、フレーム１５が押し上げられ、絶縁シート６とフレーム１５との間にモールド樹脂が入り込む。モールド樹脂の熱伝導率は略０．５〜略２Ｗ／ｍＫ程度と小さいため、モールド樹脂がフレーム１５と絶縁シート６の間に入り込むと、両者の間の熱抵抗が大きくなり、放熱特性が低下する。
【００１８】
本実施の形態１にかかる樹脂封止型パワーモジュール１００では、フレーム１５に弾性部１６が設けられていることにより、押さえピンのような複雑な押さえ機構を用いることなく、フレーム１５と絶縁シート６との間にモールド樹脂が入り込むのを防止できる。このため、モールド金型等の構造や製造工程が簡素化でき、生産性を高めることができる。
また、押さえピンで押さえる領域が不要となり、樹脂封止型パワーモジュール１００の小型化が可能となる。
【００１９】
なお、本実施の形態１では、樹脂封止型パワーモジュール１００が絶縁シート６を備える場合について述べたが、絶縁シート６に代えて、例えばアルミナ基板のように絶縁性の放熱部材を用いても同様の効果が得られる。
また、絶縁シート６が、絶縁樹脂層７と保護層８の複合体からなる場合ついて述べたが、例えば放熱面（下面）に樹脂が露出しても問題のない場合や、モールド金型に絶縁シートが固着しない場合は、単層の絶縁シートを用いても構わない。単層の絶縁シートとしては、例えば厚みが略０．３ｍｍ〜略１ｍｍのアルミナシート、ＳｉＮシート、ＡｌＮシート等が挙げられる。
【００２０】
実施の形態２．
図２は、全体が２００で表される、本発明の実施の形態２かかる樹脂封止型パワーモジュールの断面図である。図２中、図１と同一符合は、同一又は相当箇所を示す。
【００２１】
樹脂封止型パワーモジュール２００では、図２に示すように、例えば銅からなる金属板１に半導体素子２が半田３で固着されている。また、フレーム２５が金属板１に固着されるとともに、フレーム２５の一部が上方に立ち上げられ、弾性部２６を形成している。弾性部２６の端部は、筐体９の表面に接し、かつ表面に沿う方向に曲げられている。フレーム２５は、例えば厚みが１ｍｍの銅、銅合金、鉄ニッケル合金等の板状体からなる。
【００２２】
フレーム２５がこのような弾性部２６を有することにより、樹脂モールド工程において、弾性部２６が撓んで金属板１を絶縁シート６に押し付けた状態で金属板１等を封止し、筐体９を形成できる。
なお、フレームとは別体の金属板１を用いることにより、フレームの厚みの影響を受けずに半導体素子２から放出された熱を水平方向に拡散させることができ、放熱性を向上させることができる。
なお、金属板１は、例えば厚みが略２ｍｍ〜略５ｍｍの銅または銅合金のブロックからなる。モールド樹脂からなる筐体９の厚みは、全体で略５ｍｍ〜略１０ｍｍである。
【００２３】
実施の形態３．
図３は、全体が３００で表される、本発明の実施の形態３かかる樹脂封止型パワーモジュールの断面図である。図３中、図１と同一符合は、同一又は相当箇所を示す。
樹脂封止型パワーモジュール３００では、フレーム３５が金属板１に固着されるとともに、フレーム３５の一部が上方に立ち上がり、屈曲構造を有する弾性部３６を形成している。フレーム３５は、例えば厚みが１ｍｍの銅、銅合金、鉄ニッケル合金等の板状体からなる。
【００２４】
このような屈曲構造を有することにより、弾性部３６に上方から力を加えて金属板１を絶縁シート６に押し付ける場合に、弾性体３６は垂直方向（上下方向）に屈曲するため、金属板１の水平方向（左右方向）のずれは殆ど発生しない。このため、例えば、絶縁シート６に対する金属板１の位置決め精度が向上する。
【００２５】
このように、位置決め精度が向上すると、位置ずれを考慮した設計サイズのマージンを小さくでき、樹脂封止型パワーモジュール３００の小型化が可能となる。
【００２６】
実施の形態４．
図４は、全体が４００で表される、本発明の実施の形態４にかかる樹脂封止型パワーモジュールの断面図である。図４中、図１と同一符合は、同一又は相当箇所を示す。
樹脂封止型パワーモジュール４００では、フレーム４５が弾性部４６を有する。弾性部４６は、金属板１に２箇所で固定され、その間が上方に延びて屈曲構造を形成する。屈曲した弾性部４６の上端は、筐体９の上面に接するように配置されている。フレーム４５は、例えば厚みが１ｍｍの銅、銅合金、鉄ニッケル合金等の板状体からなる。
【００２７】
このような弾性部４６を設けることにより、比較的薄く、剛性の小さいフレーム４５を用いても、大きな押圧力で金属板１を絶縁シート６に押し付けることができ。このため、弾性部４６の高さを小さくすることができ、樹脂封止型パワーモジュール４００の小型化が可能となる。
【００２８】
図４では、弾性部４６がフレーム４５の一部から形成する場合について説明したが、フレーム４５とは別体の構造としても構わない。この場合、弾性部４６は、銅、銅合金、鉄ニッケル合金等の金属に加えて、エポキシ樹脂等の樹脂から形成しても構わない。
特に、弾性部４６を絶縁性の樹脂から形成することにより、筐体９の上面から弾性部４６の上端が露出しても、絶縁性が損なわれることがない。
【００２９】
実施の形態５．
図５は、全体が５００で表される、本発明の実施の形態５にかかる樹脂封止型パワーモジュールの断面図である。図５中、図１と同一符合は、同一又は相当箇所を示す。
樹脂封止型パワーモジュール５００では、金属板１の上面に弾性部５６が設けられ、その上に絶縁シート６６が載置されている。絶縁シート６６は、絶縁シート６と同様に絶縁樹脂層６７と保護膜６８からなり、保護膜６８の上面が筐体９の上面に露出している。また、弾性部５６は、例えば、銅、銅合金、鉄ニッケル合金等の金属からなる板状体から形成されるが、金属以外にエポキシ樹脂等の樹脂から形成しても構わない。
【００３０】
樹脂封止型パワーモジュール５００では、絶縁シート６６を下方に向かって加圧することにより、弾性部５６が金属板１を絶縁シート６に向かって押し付ける。これにより、モールド工程において、金属板１と絶縁シート６との間にモールド樹脂が入るのを防止できる。
【００３１】
更に、樹脂封止型パワーモジュール５００では、２つの絶縁シート６、６６を設けることにより、筐体９の上面と下面の両方から熱を放出することができ、放熱面の面積を略２倍にすることができ、放熱効率を高くすることができる。
【００３２】
図５では、弾性部５６がフレーム５５とは別体として形成されているが、フレーム５５の一部として形成しても構わない。この場合、弾性部５６は、フレーム５５と同じ材料である銅、銅合金、鉄ニッケル合金等から形成される。
【００３３】
なお、図５では、半導体素子２の上面に、半田１７を介して銅等からなるリード１８が接続され、配線層となっている。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる樹脂封止型パワーモジュールの断面図である。
【図２】本発明の実施の形態２にかかる樹脂封止型パワーモジュールの断面図である。
【図３】本発明の実施の形態３にかかる樹脂封止型パワーモジュールの断面図である。
【図４】本発明の実施の形態４にかかる樹脂封止型パワーモジュールの断面図である。
【図５】本発明の実施の形態５にかかる樹脂封止型パワーモジュールの断面図である。
【図６】従来の樹脂封止型パワーモジュールの断面図である。
【符号の説明】
【００３５】
１  金属板、２  半導体素子、３  半田、４  ワイヤ、５  フレーム、６絶縁シート、７  絶縁樹脂層、８  保護層、９  筐体、１５  フレーム、１６  弾性部、１００  樹脂封止型パワーモジュール。
【図１】
2006319084.tif 000003
【図２】
2006319084.tif 000004
【図３】
2006319084.tif 000005
【図４】
2006319084.tif 000006
【図５】
2006319084.tif 000007
【図６】
2006319084.tif 000008