(57)【要約】【課題】金属細線とリードフレームとの接触を起こり難くし、歩留まりを向上することができる電力用半導体装置及びその製造方法を得る。【解決手段】まず、電力用ダイパッド２上に電力用半導体素子４を実装する。次に、電力用ダイパッド２より高い位置に配置された制御用ダイパッド３上に、電力用半導体素子４を制御する制御用半導体素子６を実装する。次に、電力用半導体素子４と制御用半導体素子６とを金属細線７により電気的に接続する。電力用ダイパッド２は、金属細線７の下方に配置され、上方に曲げられた屈曲部９を有する。次に、上金型１０と下金型１１により構成されるキャビティ１２内に、電力用ダイパッド２、制御用ダイパッド３、電力用半導体素子４、制御用半導体素子６、及び金属細線７を入れて樹脂８で封止する。この際に電力用ダイパッド２側から制御用ダイパッド３側に向かって樹脂８を注入する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力用ダイパッド上に電力用半導体素子を実装する工程と、
前記電力用ダイパッドより高い位置に配置された制御用ダイパッド上に、前記電力用半導体素子を制御する制御用半導体素子を実装する工程と、
前記電力用半導体素子と前記制御用半導体素子とを金属細線により電気的に接続する工程と、
上金型と下金型により構成されるキャビティ内に、前記電力用ダイパッド、前記制御用ダイパッド、前記電力用半導体素子、前記制御用半導体素子、及び前記金属細線を入れて樹脂で封止する工程とを備え、
前記電力用ダイパッドは、前記金属細線の下方に配置され、上方に曲げられた屈曲部を有し、
前記電力用ダイパッド側から前記制御用ダイパッド側に向かって前記樹脂を注入することを特徴とする電力用半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記樹脂で封止する際に、前記電力用ダイパッドの裏面に絶縁シートを接着することを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記キャビティの底面と前記屈曲部との間にスリーブを配置し、
前記スリーブから可動ピンを前記屈曲部に向けて突き出して前記電力用ダイパッドを前記下金型から離して支持した状態で前記キャビティ内に前記樹脂を注入して、前記電力用ダイパッドと前記下金型との間に前記樹脂を充填することを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記屈曲部は２個の曲げ部分を有し、前記屈曲部の先端部が前記キャビティの底面に平行であり、
前記屈曲部の前記先端部に前記可動ピンが接触することを特徴とする請求項３に記載の電力用半導体装置の製造方法。
【請求項５】
２個以上の前記可動ピンにより前記電力用ダイパッドを支持することを特徴とする請求項３又は４に記載の電力用半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記電力用ダイパッドは複数のダイパッドを有し、
前記可動ピンは、前記複数のダイパッドの隣接する２つにまたがって支持することを特徴とする請求項３〜５の何れか１項に記載の電力用半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記屈曲部の先端部は前記制御用ダイパッドの上面よりも低い位置にあることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の電力用半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記金属細線により前記電力用半導体素子の上面と前記制御用半導体素子の上面とを直接接続し、
前記屈曲部を前記電力用半導体素子と前記制御用半導体素子との間に配置することを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の電力用半導体装置の製造方法。
【請求項９】
電力用ダイパッドと、前記電力用ダイパッドより高い位置に配置された制御用ダイパッドとを有するリードフレームと、
前記電力用ダイパッド上に実装された電力用半導体素子と、
前記制御用ダイパッド上に実装され、前記電力用半導体素子を制御する制御用半導体素子と、
前記電力用半導体素子と前記制御用半導体素子とを電気的に接続する金属細線と、
前記電力用ダイパッド、前記制御用ダイパッド、前記電力用半導体素子、前記制御用半導体素子、及び前記金属細線を封止する樹脂とを備え、
前記電力用ダイパッドは、前記金属細線の下方に配置され、上方に曲げられた屈曲部を有することを特徴とする電力用半導体装置。
【請求項１０】
前記電力用ダイパッドの裏面に接着された絶縁シートを更に備えることを特徴とする請求項９に記載の電力用半導体装置。
【請求項１１】
前記屈曲部の先端部は前記制御用ダイパッドの上面よりも低い位置にあることを特徴とする請求項９又は１０に記載の電力用半導体装置。
【請求項１２】
前記金属細線は前記電力用半導体素子の上面と前記制御用半導体素子の上面とを直接接続し、
前記屈曲部は前記電力用半導体素子と前記制御用半導体素子との間に配置されていることを特徴とする請求項９〜１１の何れか１項に記載の電力用半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、樹脂で封止した電力用半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の中でも電力用半導体装置は、鉄道車両、ハイブリッドカー、電気自動車等の車両、家電機器、産業用機械等において、比較的大きな電力を制御、整流するために利用されている。使用時に電力用半導体素子が発熱するため、電力用半導体装置には素子の放熱性が要求される。また数百Ｖ以上の高電圧が印加されることから装置外部との絶縁が必要となる。
【０００３】
ここでＩＰＭ（Intelligent Power Module）は電力用半導体素子と制御用半導体素子とが一体となったモジュールである。配線材料にリードフレームを用いる場合、電力用半導体素子と制御用半導体素子は物理的に切り離されたダイパッドに実装され、金属細線などで電気的に接続される。電力用半導体素子は大電流を通電することから、発熱が大きくモジュールとしての放熱性が求められる。放熱構造の一つとして高熱伝導の樹脂を用いて、モジュールの裏面に薄く充填することで放熱する構造がある。この際、電力用半導体素子を搭載するダイパッドの位置を制御用半導体素子を搭載するダイパッドよりも低くすることで熱抵抗を下げる。
【０００４】
高熱伝導の樹脂は放熱を担うフィラーが高充填され粘度が高い。高粘度樹脂は流動抵抗が高くなるため、たとえば金属細線などはその流動抵抗によって変形してしまうことが想定される。
【０００５】
制御用半導体素子に接続する金属細線の変形を抑えるため、一般的に電力用半導体素子側から制御用半導体素子側に向かって樹脂が流れるようにすることが多い（例えば、特許文献１参照）。樹脂は、電力用半導体素子の電力用ダイパッド上面から制御用半導体素子の制御用ダイパッドに流動する際に、制御用ダイパッド上面、下面両方向に向かって流動する。このとき制御用ダイパッドの下面に向かう樹脂の流れは下向きのベクトルを持つため、金属細線に対して押しつぶすような流動抵抗が働き、金属細線の変形が大きくなり、リードフレームや素子とショートすることで歩留まりが悪くなってしまう。
【０００６】
これに対して、樹脂注入口のリードフレームを曲げて樹脂の流動性を変えて、予め幾らかの樹脂量を電力用ダイパッド下を経由させて制御用ダイパッド下に充填させることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−１７２２３９号公報
【特許文献２】特開平１−２６８１５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、電力用ダイパッドの上下面の流量断面積が異なるため、大部分は電力用ダイパッド上面に向かって流れてしまう。このため、金属細線に対して下向きの流動が発生し、変形量が大きくなってしまうという問題があった。
【０００９】
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、その目的は金属細線とリードフレームとの接触を起こり難くし、歩留まりを向上することができる電力用半導体装置及びその製造方法を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る電力用半導体装置の製造方法は、電力用ダイパッド上に電力用半導体素子を実装する工程と、前記電力用ダイパッドより高い位置に配置された制御用ダイパッド上に、前記電力用半導体素子を制御する制御用半導体素子を実装する工程と、前記電力用半導体素子と前記制御用半導体素子とを金属細線により電気的に接続する工程と、上金型と下金型により構成されるキャビティ内に、前記電力用ダイパッド、前記制御用ダイパッド、前記電力用半導体素子、前記制御用半導体素子、及び前記金属細線を入れて樹脂で封止する工程とを備え、前記電力用ダイパッドは、前記金属細線の下方に配置され、上方に曲げられた屈曲部を有し、前記電力用ダイパッド側から前記制御用ダイパッド側に向かって前記樹脂を注入することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明では、電力用ダイパッドは、金属細線の下方に配置され、上方に曲げられた屈曲部を有する。モールド時に電力用ダイパッド側から制御用ダイパッド側に向かって注入した樹脂が屈曲部を通過すると、流れのベクトルが上方に向くことで、金属細線が下から上に向かって抗力を受ける。このため、金属細線とリードフレームとの接触が起こり難くなって歩留まりが向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置を示す平面図である。
【図２】図１のＩ−ＩＩに沿った断面図である。
【図３】図１の装置内部を示す拡大平面図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置の屈曲部の先端部と制御用ダイパッドを拡大した断面図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図６】本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置の変形例を示す断面図である。
【図７】本発明の実施の形態２に係る電力用半導体装置を示す平面図である。
【図８】図７のＩ−ＩＩに沿った断面図である。
【図９】本発明の実施の形態２に係る電力用半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図１０】図９の装置内部を示す拡大平面図である。
【図１１】可動ピンの動きを示す拡大断面図である。
【図１２】本発明の実施の形態３に係る電力用半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図１３】本発明の実施の形態４に係る電力用半導体装置の製造方法を示す拡大平面図である。
【図１４】本発明の実施の形態５に係る電力用半導体装置の製造方法を示す拡大平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の実施の形態に係る電力用半導体装置及びその製造方法について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
【００１４】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置を示す平面図である。図２は、図１のＩ−ＩＩに沿った断面図である。図３は図１の装置内部を示す拡大平面図である。
【００１５】
リードフレーム１はアウターリードとインナーリードを有し、インナーリードは、アウターリードに接続するリードと、電力用ダイパッド２と、電力用ダイパッド２より高い位置に配置された制御用ダイパッド３とを有する。ＲＣ−ＩＧＢＴ（Reverse Conducting-Insulated Gate Bipolar Transistor）などの電力用半導体素子４が電力用ダイパッド２上にＰｂフリーはんだにより実装されている。Ｐｂフリーはんだに限らず導電性接着剤でもよく、導電性を有した接合材を用いればよい。
【００１６】
絶縁層と銅箔からなる絶縁シート５が電力用ダイパッド２の裏面に接着されている。電力用半導体素子４を制御する制御用半導体素子６が制御用ダイパッド３上に導電性接着剤により実装されている。
【００１７】
金属細線７が電力用半導体素子４と制御用半導体素子６とを電気的に接続する。具体的には、電力用半導体素子４の表面にはソース電極とゲート電極が設けられ、ソース電極とリードがＡｌワイヤにより電気的に接続され、ゲート電極と制御用半導体素子６がＡｕワイヤにより電気的に接続され、制御用半導体素子６とリードは全てＡｕワイヤにより電気的に接続されている。なお、ＡｌワイヤはＣｕを含むワイヤでもよく、ＡｕワイヤはＣｕを含むワイヤでもよい。
【００１８】
樹脂８が電力用ダイパッド２、制御用ダイパッド３、電力用半導体素子４、制御用半導体素子６、及び金属細線７を封止する。樹脂８は、絶縁性と放熱性を両立させるため、エポキシなどの樹脂にＳｉＯ２やＢＮなどの熱伝導フィラーを含有したものである。樹脂８で封止された電力用半導体装置は、裏面では絶縁シート５の銅箔が露出し、両端部からリードフレーム１のアウターリードが突出し、それ以外は樹脂によって封止された構造のＤＩＰタイプのパッケージである。アウターリードのうち片側はパワーアウターリード、もう方側は制御アウターリードとなる。
【００１９】
電力用半導体素子４と制御用半導体素子６の間において、電力用ダイパッド２は、金属細線７の下方に配置され、上方に曲げられた屈曲部９を有する。電力用ダイパッド２と屈曲部９は制御用ダイパッド３とは物理的に接触していない。
【００２０】
図４は、本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置の屈曲部の先端部と制御用ダイパッドを拡大した断面図である。屈曲部９の先端部は制御用ダイパッド３の上面よりも低い位置にある。このため、金属細線７とリードフレーム１との接触が起こり難くい。
【００２１】
続いて、上記の電力用半導体装置の製造方法を説明する。図５は、本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置の製造方法を示す断面図である。まず、電力用ダイパッド２上に電力用半導体素子４をはんだにより実装する。電力用ダイパッド２の裏面に絶縁シート５を接着する。次に、電力用ダイパッド２より高い位置に配置された制御用ダイパッド３上に、電力用半導体素子４を制御する制御用半導体素子６を導電性接着剤により実装する。
【００２２】
次に、電力用半導体素子４と制御用半導体素子６とを金属細線７により電気的に接続する。具体的にはＡｌワイヤにより電力用半導体素子４とリードを接続し、Ａｕワイヤにより電力用半導体素子４と制御用半導体素子６を接続し、かつ制御用半導体素子６とリードを接続する。
【００２３】
次に、上金型１０と下金型１１により構成されるキャビティ１２内に、電力用ダイパッド２、制御用ダイパッド３、電力用半導体素子４、制御用半導体素子６、及び金属細線７を入れて型締めする。その後、溶融した熱硬化性の樹脂８をキャビティ１２内に押し出し、熱硬化させて成型して封止する。このトランスファーモールド時に樹脂８によるＡｕワイヤの流れを抑制するため、電力用ダイパッド２側から制御用ダイパッド３側に向かって樹脂８を注入する。キャビティ１２内に樹脂８が行き渡ると溶融した樹脂８を介してキャビティ１２内に静水圧がかかる。静水圧がかかった後、樹脂８が硬化したタイミングで金型を開き成型品を取り出してトランスファーモールドが完了する。このトランスファーモールドによって絶縁シート５と電力用ダイパッド２を押し固めて封止体とする。その後、アウターリードを所定のサイズ、形状に加工して完成となる。
【００２４】
本実施の形態では、電力用ダイパッド２は、金属細線７の下方に配置され、上方に曲げられた屈曲部９を有する。モールド時に電力用ダイパッド２側から制御用ダイパッド３側に向かって注入した樹脂８が屈曲部９を通過すると、流れのベクトルが上方に向くことで、金属細線７が下から上に向かって抗力を受ける。このため、樹脂８として高粘度の高熱伝導樹脂を使用しても、金属細線７とリードフレーム１との接触が起こり難くなって歩留まりが向上する。さらに、金属細線７が変形し難くなるので、樹脂８の流速を高めて生産性を高めることができる。また、高熱伝導で高粘度の樹脂８を用いると共に電力用半導体素子４を小型化することで、製品の小型化が可能となる。
【００２５】
また、樹脂８で封止する際に、電力用ダイパッド２の裏面に絶縁シート５を接着する。そして、屈曲部９に樹脂８が衝突して電力用ダイパッド２に反作用が働くことで、電力用ダイパッド２と絶縁シート５との接着性が向上し、絶縁シート５を均一な厚みに押し固めることができるため、良好な絶縁性と放熱性が得られ、品質が安定する。
【００２６】
図６は、本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置の変形例を示す断面図である。金属細線７により電力用半導体素子４の上面と制御用半導体素子６の上面とを直接接続する。そして、屈曲部９を電力用半導体素子４と制御用半導体素子６との間に配置する。これにより、金属細線７とリードフレーム１との接触が更に起こり難くなる。さらに細い金属細線７を使用することでコストが低減する。
【００２７】
実施の形態２．
図７は、本発明の実施の形態２に係る電力用半導体装置を示す平面図である。図８は、図７のＩ−ＩＩに沿った断面図である。実施の形態１のような絶縁シート５が無く、代わりに電力用ダイパッド２の下方に樹脂８が充填されている。屈曲部９の下方において樹脂８の底面に窪み１３が設けられている。その他の構成は実施の形態１と同様である。
【００２８】
続いて、上記の電力用半導体装置の製造方法を説明する。図９は、本発明の実施の形態２に係る電力用半導体装置の製造方法を示す断面図である。図１０は図９の装置内部を示す拡大平面図である。図１１は可動ピンの動きを示す拡大断面図である。
【００２９】
キャビティ１２の底面と屈曲部９との間にスリーブ１４を配置する。このスリーブ１４から可動ピン１５を屈曲部９に向けて突き出して電力用ダイパッド２を下金型１１から離して支持した状態でキャビティ１２内に樹脂８を注入して、電力用ダイパッド２と下金型１１との間に樹脂８を充填する。
【００３０】
また、屈曲部９の下方に配置したスリーブ１４から可動ピン１５を屈曲部９に向けて突き出す。これにより、モールド時に屈曲部９にぶつかった樹脂８によって電力用ダイパッド２が下に押し下げられても電力用ダイパッド２を下金型１１から離して支持することができる。従って、電力用ダイパッド２と下金型１１の間隔を維持できるため、樹脂８が電力用ダイパッド２の下方に十分に行き渡って絶縁性を確保することができる。
【００３１】
そして、樹脂８を電力用ダイパッド２の下方まで充填して静水圧がかかる直前に、可動ピン１５を下側に可動させて引き抜く。静水圧がかかった後、樹脂８が硬化したタイミングで金型を開き成型品を取り出してトランスファーモールドが完了する。この時に電力用半導体装置の裏面にスリーブ１４が転写されて窪み１３が残る。なお、スリーブ１４は可動ピン１５を引き抜く際に発生するバリを防ぐために設置している。
【００３２】
また、樹脂８を電力用ダイパッド２の下方に充填させる際に、電力用ダイパッド２が上方にずれることが想定される。これを防ぐために従来は上金型１０にも可動ピンを設けて電力用ダイパッド２を上からも押さえつけていた。これに対して本実施の形態では、屈曲部９に樹脂８が衝突すると電力用ダイパッド２は反作用により下方に力を受けるため、電力用ダイパッド２が上方にずれるのを防ぐことができる。従って、上金型１０に可動ピン等を設ける必要が無いため、上金型１０のメンテナンス性が向上し、コストを削減することができる。
【００３３】
また、屈曲部９が無い場合、電力用ダイパッド２と下金型１１との間に設けたスリーブ１４の高さが電力用ダイパッド２下の樹脂８の厚みの制約となる。しかし、屈曲部９の下方にスリーブ１４を配置することで、電力用ダイパッド２下の樹脂８を薄くして熱抵抗を低減することができる。スリーブ１４の高さは少なくとも０．１ｍｍ以上必要であるため、電力用ダイパッド２下の樹脂８の厚みを少なくとも０．１ｍｍ以上薄くすることができる。従って、放熱性が良好となるため、製品の寿命が向上し、電力用半導体素子４の小型化に伴う電力用半導体装置の小型化が可能となる。
【００３４】
実施の形態３．
図１２は、本発明の実施の形態３に係る電力用半導体装置の製造方法を示す断面図である。屈曲部９は２個の曲げ部分を有し、屈曲部９の先端部がキャビティ１２の底面に平行である。この屈曲部９の先端部に可動ピン１５が接触する。これにより、可動ピン１５の屈曲部９に対する接触が点から面になるため、電力用ダイパッド２の固定位置の厚み方向のずれが生じ難くなるため、電力用ダイパッド２下の樹脂８の厚みばらつきを減らすことができる。
【００３５】
実施の形態４．
図１３は、本発明の実施の形態４に係る電力用半導体装置の製造方法を示す拡大平面図である。２個の可動ピン１５により電力用ダイパッド２を支持する。このように電力用ダイパッド２を上金型１０と下金型１１を含めて３点で支持することにより、平面方向に安定して電力用ダイパッド２を固定できるため、電力用ダイパッド２下の樹脂８の厚みばらつきを減らすことができる。
【００３６】
実施の形態５．
図１４は、本発明の実施の形態５に係る電力用半導体装置の製造方法を示す拡大平面図である。可動ピン１５は、複数の電力用ダイパッド２の隣接する２つにまたがって支持する。これにより、少ない可動ピン１５で安定した固定が可能となり、金型のメンテナンス性が向上する。
【００３７】
なお、電力用半導体素子４は、珪素によって形成されたものに限らず、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成されたものでもよい。ワイドバンドギャップ半導体は、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、又はダイヤモンドである。このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成された電力用半導体素子４は、耐電圧性や許容電流密度が高いため、小型化できる。この小型化された素子を用いることで、この素子を組み込んだ電力用半導体装置も小型化できる。また、素子の耐熱性が高いため、ヒートシンクの放熱フィンを小型化でき、水冷部を空冷化できるので、電力用半導体装置を更に小型化できる。また、素子の電力損失が低く高効率であるため、電力用半導体装置を高効率化できる。
【符号の説明】
【００３８】
１  リードフレーム、２  電力用ダイパッド、３  制御用ダイパッド、４  電力用半導体素子、５  絶縁シート、６  制御用半導体素子、７  金属細線、８  樹脂、９  屈曲部、１０  上金型、１１  下金型、１２  キャビティ、１４  スリーブ、１５  可動ピン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2015135907.tif 000009
【図８】
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【図９】
2015135907.tif 000011
【図１０】
2015135907.tif 000012
【図１１】
2015135907.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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