(57)【要約】【課題】小型で低コストな高絶縁耐圧の半導体パワーモジュールを提供すること。【解決手段】成形樹脂１４の背面側に溝状の凹部を設けたり、あるいは、成形樹脂１４に突出部分を設けることにより、外部端子１６から成形樹脂１４の表面に沿って外部ヒートシンク１５に至るまでの距離（沿面距離）Ｌがこれらの間隔Ｄに比べて長くなるように構成されているので、外部ヒートシンク１５と外部端子１６との間の実効的な絶縁間隔が長くなり、小型で低コストな高絶縁耐圧の半導体パワーモジュールを提供することが可能となる。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
封止樹脂内部に半導体素子がモールドされた半導体パワーモジュールであって、
前記半導体素子と前記封止樹脂内部で電気的に接続され、前記封止樹脂の側面から外部へ突出して前記封止樹脂の一方の主面側に曲折する外部端子を備え、
前記封止樹脂の他方の主面を含む第１の平面と、前記外部端子が外部に突出する前記封止樹脂の側面上の位置を含み前記第１の平面と平行な第２の平面との間隔（Ｄ）と、前記封止樹脂の他方の主面の縁から前記封止樹脂の側面に沿って前記外部端子に至る最短距離（Ｌ）とが、Ｌ＞Ｄとなるように前記外部端子が配置されていることを特徴とする半導体パワーモジュール。
【請求項２】
前記第１の平面と第２の平面との間の前記封止樹脂の側面形状が、少なくとも１つの凹または凸の部分を備えていることを特徴とする請求項１に記載の半導体パワーモジュール。
【請求項３】
前記封止樹脂の側面は、前記他方の主面側が前記一方の主面側よりも張り出した形状を有し、
前記外部端子が、前記封止樹脂の前記一方の主面側の側面から外部に突出するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体パワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体パワーモジュールに関し、より詳細には、小型で低コストな高絶縁耐圧の半導体パワーモジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の半導体パワーモジュールは、セラミックスや金属ベース等の絶縁基板上に設けられた銅箔をエッチングしてパターン化した回路基板上に、半導体素子やチップなどの部品が半田付け等されて実装されたものである。
【０００３】
このような半導体パワーモジュールの一般的な製造方法は以下のとおりである。先ず、金属ベース基板上の銅箔にパターニングを施して回路基板とし、次に、この回路基板上にクリーム半田を塗工して、半導体素子を半田付けした銅チップなどで構成される発熱拡散用のヒートスプレッダやゲート用抵抗素子やサーミスタを所定の位置にマウントしてこれらを半田付けする。さらに、基板に残存する半田フラックスを洗浄により除去した後にアルミ製のワイヤなどがボンディングされる。
【０００４】
この状態の基板を樹脂製の外部端子付きのケース枠に嵌め込んでケース枠の底部と基板の全周囲とを接着剤で固着し、ケース枠の端子部分を基板上に形成した回路パターンの所定の位置に半田付けした後に洗浄を施し、基板とケース枠で囲まれた部分にシリコーン樹脂やエポキシ樹脂などの封止樹脂を注入して硬化させ、ケース枠付きの半導体パワーモジュールとして実装する。
【０００５】
昨今の半導体パワーモジュールには、製造コストの低減と小型化とが求められており、このうち、製造コストの低減のためには、モジュールの構成部品を減らして製造方法を簡略化することが必要である。しかしながら、従来型の半導体パワーモジュールでは回路用基板と樹脂製ケース枠とが必須の構成要素となっているために、基板上に回路パターンをエッチングで形成する工程と外部端子との接続用端子を予め付属させたケース枠とが必要とされ、コストの低減には限界がある。
【０００６】
また、電気的な絶縁不良の原因となるボイドやクラックの発生を防止する目的でケース枠に封止樹脂を充填して硬化させる工程が不可欠であることから、この工程に要する時間分だけ製造時間が長くなりスループットが低下して製造コストを引き上げる原因となっていた。
【０００７】
半導体パワーモジュールの製造コストの低減のために、トランスファ成形や射出成形といったフルモールド成形でモジュール化する方法が考案されており、この方法によれば、リードフレームの外部端子部分などの一部を除いてはモジュール全体が成形樹脂によってモールドされる（フルモールド）こととなるために、金属ベース基板やケース枠といった高価な部材を必要とせず、さらに、比較的長時間を要する封止樹脂の充填・硬化工程も不要であるために製造コストの大幅な削減と小型化が可能となる。
【０００８】
そのような半導体パワーモジュールとしては、例えば、特開平９−１３９４６１号公報に記載されているように、打ち抜き加工されたリードフレーム上にＩＧＢＴ素子、フリーホイールダイオード、集積回路素子、抵抗素子、容量素子などの各素子を固定してワイヤボンディングを行い、金型を用いて絶縁樹脂で封止することで得られるモジュールの発明があり、この例では、リードフレームとヒートシンクとの間に絶縁性の封止樹脂を充填し、リードフレームとヒートシンクとの間の電気的絶縁を図りつつ相互に連結させて樹脂封止している。この他にも、金属板の上に絶縁層を介してリードフレームを設けた樹脂モールド用回路基板の発明が特開２００１−１９６４９５号公報に開示されている。
【０００９】
図４は、このようなフルモールド型の半導体モジュールの構成例を説明するための図で、この半導体モジュールは、リードフレーム４１上に半導体素子４２が固定され、半導体素子４２と外部端子４６とがアルミワイヤ４３で電気的に接続されて成形樹脂４４により封止されて実装され、半導体モジュールの成形樹脂４４の背面には、放熱用のフィンなどの金属製の外部ヒートシンク４５が固定されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
半導体パワーモジュールの外部端子と外部ヒートシンクとは、その絶縁性を担保するためにモジュールの使用電圧に応じて所定の間隔をあけて設けられる必要があるが、従来のフルモールド型のパッケージでは、上下金型の合わせ面である成形樹脂４４の側面から外部端子４６を取り出すために外部端子４６と外部ヒートシンク４５との間隔Ｄが狭くなり、電気的な絶縁が不充分となってそのままでは高耐圧のモジュールには適用が困難であるという問題があった。
【００１１】
この問題に対して、モジュールと外部ヒートシンクとの間に絶縁シートを挟んで電気的な絶縁性を確保するという方法もあるが、高電圧大容量のモジュールの場合には、絶縁シートによって外部ヒートシンクへの放熱経路の一部が塞がれることとなる結果、充分な放熱効率を確保するために外部ヒートシンクの放熱面積を広げる必要が生じて外部ヒートシンクが大型化してしまうという問題が生じてしまう。
【００１２】
また、外部端子と外部ヒートシンクとの間隔を確保するためにモジュールを厚くすると、モールドに大量の成形樹脂が必要となり硬化時間に長時間を要することとなる結果、製造コストが上昇することに加え、成形樹脂の回り込み不良が生じたり、さらには、モールド後の反りや内部応力に起因する信頼性の低下を招いてしまうという問題もあった。
【００１３】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、モジュールの外形や厚みを変えることなく、小型で低コストな高絶縁耐圧の半導体パワーモジュールを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、封止樹脂内部に半導体素子がモールドされた半導体パワーモジュールであって、前記半導体素子と前記封止樹脂内部で電気的に接続され、前記封止樹脂の側面から外部へ突出して前記封止樹脂の一方の主面側に曲折する外部端子を備え、前記封止樹脂の他方の主面を含む第１の平面と、前記外部端子が外部に突出する前記封止樹脂の側面上の位置を含み前記第１の平面と平行な第２の平面との間隔（Ｄ）と、前記封止樹脂の他方の主面の縁から前記封止樹脂の側面に沿って前記外部端子に至る最短距離（Ｌ）とが、Ｌ＞Ｄとなるように前記外部端子が配置されていることを特徴とする。
【００１５】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の半導体パワーモジュールにおいて、前記第１の平面と第２の平面との間の前記封止樹脂の側面形状が、少なくとも１つの凹または凸の部分を備えていることを特徴とする。
【００１６】
さらに、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の半導体パワーモジュールにおいて、前記封止樹脂の側面は、前記他方の主面側が前記一方の主面側よりも張り出した形状を有し、前記外部端子が、前記封止樹脂の前記一方の主面側の側面から外部に突出するように配置されていることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００１８】
図１は、フルモールド型の本発明の半導体モジュールの第１の構成例を説明するための図で、この半導体モジュールは、リードフレーム１１上に半導体素子１２が固定され、半導体素子１２と外部端子１６とがアルミワイヤ１３で電気的に接続されて成形樹脂１４により封止実装されている。この半導体パワーモジュールの成形樹脂１４の背面側には、例えば、深さ１ｍｍ、幅２ｍｍの溝状の凹部が設けられており、成形樹脂１４の背面に放熱用のフィンなどの金属製の外部ヒートシンク１５が外部端子１６と間隔Ｄを保って固定されている。
【００１９】
この半導体パワーモジュールでは、成形樹脂１４の背面側に設けられた溝状の凹部によって、外部端子１６から成形樹脂１４の表面に沿って外部ヒートシンク１５に至るまでの距離Ｌ（沿面距離）がこれらの間隔Ｄに比べて溝状の凹部の幅（２ｍｍ）だけ長くなり、空間的な間隔Ｄを一定にした状態で外部端子１６と外部ヒートシンク１５との実効的な絶縁間隔である沿面距離Ｌを長くすることができるように工夫されている。
【００２０】
この半導体パワーモジュールは以下のような工程により製造することが可能である。先ず、バラバラにならないようにガイドを付けた形状に打ち抜いた銅製のリードフレーム１１を準備し、このリードフレーム１１上の所定位置にクリーム半田をディスペンサで塗工する。次に、リードフレーム１１上に半導体素子１２を並べ、リフロー炉中で２４０℃、１０分間の半田付けによりリードフレーム１２上に固定する。さらに、残存する余分な半田フラックスを洗浄により除去した後に、０．３ｍｍ径のアルミワイヤ１３をボンディングして半導体素子１２を外部端子１６と電気的に接続し、トランスファ成形機を用いて１７５℃、２分間の成形でモールドし、１８０℃でアフターキュアして実装する。
【００２１】
図２はこのようにして得られる半導体パワーモジュールの概要を説明するための図で、図２（ａ）は上面概観図であり、図２（ｂ）はこのモジュールの内部レイアウト例を説明するための図である。これらの図に示すように、このモジュールは、リードフレーム２４上にアルミワイヤ２６でボンディングされた半導体素子２５と、制御端子２１と主電流端子２２とを備えており、制御端子２１は、厚さ０．８ｍｍ、幅１．５ｍｍで、２ｍｍの端子間隔で計１２本が設けられ、主電流端子２２は、厚さ０．８ｍｍ、幅４．０ｍｍで、６ｍｍ以上の端子間隔で計３本が設けられている。なお、これらの端子は成形樹脂２３の側面から１．５ｍｍ飛び出た箇所で曲げ加工されており、モジュールの背面には図示しない外部ヒートシンクがネジで固定されている。
【００２２】
図３は、フルモールド型の本発明の半導体パワーモジュールの第２の構成例を説明するための図で、この半導体パワーモジュールは、リードフレーム３１上に半導体素子３２が固定され、半導体素子３２と外部端子３６とがアルミワイヤ３３で電気的に接続されて成形樹脂３４により封止されて実装され、成形樹脂３４の背面に放熱用のフィンなどの金属製の外部ヒートシンク３５が外部端子３６と間隔Ｄを保って固定されている。
【００２３】
この半導体パワーモジュールの成形樹脂３４には、外部端子３６の外部ヒートシンク３５側に、例えば１．５ｍｍの突出部分が設けられており、これにより、外部端子３６から成形樹脂３４の表面に沿って外部ヒートシンク３５に至るまでの距離Ｌ（沿面距離）が間隔Ｄに比べて突出部分の幅（１．５ｍｍ）だけ長くなり実効的な絶縁距離が長く取れるように工夫されている。
【００２４】
なお、この半導体パワーモジュールも図１で示したモジュールと同様の方法で作製可能である。
【００２５】
（比較例）
このようにして得られた本発明の半導体パワーモジュールを用いたインバータ回路について、８５℃８５％ＲＨの条件で高湿度環境下での動作試験を実施した。この試験条件は、ＩＧＢＴベアチップ、ＦＷＤベアチップ、ゲート抵抗素子を各々６チップと、サーミスタ素子１チップを搭載した１２００Ｖ・１０Ａ定格のモジュールにおいて、定格印加で３０分の運転を行い、アウトプットの電流・電圧が別の制御回路により安定して取り出され、暴走や短絡がなく、かつ、運転時間中一定であるか否かで合否を判断した。
【００２６】
また、比較のため、図４に示した従来の構成の半導体パワーモジュールを用いたインバータ回路についても同様の評価を行った。なお、これらの半導体パワーモジュールにおける外部端子と外部ヒートシンクとの間隔Ｄを全て同じにして比較している。
【００２７】
図１に示した第１の構成例の本発明の半導体パワーモジュールを用いたインバータ回路は、定格の１００％での運転条件下で充分な特性を示したが、定格の１２０％での運転条件下では、一部のモジュールに暴走や短絡が認められた。
【００２８】
図３に示した第２の構成例の本発明の半導体パワーモジュールを用いたインバータ回路は、定格の１００％および１２０％での両運転条件下で充分な特性を示した。
【００２９】
これらの結果に対して、図４に示した従来の構成の半導体パワーモジュールを用いたインバータ回路では、定格の１００％での運転条件下でも短絡が認められ、充分な特性を得ることはできなかった。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の半導体パワーモジュールによれば、成形樹脂の背面側に溝状の凹部を設けたり、あるいは、成形樹脂に突出部分を設けることにより、外部端子から成形樹脂の表面に沿って外部ヒートシンクに至るまでの距離（沿面距離）がこれらの間隔に比べて長くなるように工夫されているので、これらの間の実効的な絶縁間隔が長くなり、小型で低コストな高絶縁耐圧の半導体パワーモジュールを提供することが可能となる。
【００３１】
なお、図１および図３では、実効的な絶縁距離である沿面距離Ｌを長くするために溝状の凹部を設けたり突起部分を設けた例のみを示して説明したが、これに限定されるものではなく、これらの組み合わせや他の凹凸を有する形状を採用することとしてもよいことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体パワーモジュールの第１の構成例を説明するための断面図である。
【図２】本発明の半導体パワーモジュールの概要を説明するための図で、（ａ）は上面概観図であり、（ｂ）はこのモジュールの内部レイアウト例を説明するための図である。
【図３】本発明の半導体パワーモジュールの第２の構成例を説明するための図である。
【図４】従来の半導体パワーモジュールの構成例を説明するための図である。
【符号の説明】
１１、２４、３１、４１　リードフレーム
１２、２５、３２、４２　半導体素子
１３、２６、３３、４３　アルミワイヤ
１４、２３、３４、４４　成形樹脂
１５、３５、４５　外部ヒートシンク
１６、３６、４６　外部端子
２１　制御端子
２２　主電流端子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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