(57)【要約】【課題】放熱性に優れた、低コストの半導体モジュールを構成する。【解決手段】１または複数の回路素子２，３を搭載し、成形樹脂で封止された半導体モジュールにおいて、回路素子２，３を搭載するための回路パターンが形成された導電層１ａと、導電層１ａの回路素子２，３が搭載された面と反対の面に接合された絶縁層１ｂとを備え、絶縁層１ｂは、導電層１ａと接合された面と反対の面を露出する。半導体モジュールは、金属ベース板１ｃを除去することにより、絶縁層を露出させて完成する。【選択図】　　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１または複数の回路素子を搭載し、成形樹脂で封止された半導体モジュールにおいて、
前記回路素子を搭載するための回路パターンが形成された導電層と、
該導電層の前記回路素子が搭載された面と反対の面に接合された絶縁層とを備え、
該絶縁層は、前記導電層と接合された面と反対の面が露出されていることを特徴とする半導体モジュール。
【請求項２】
前記回路素子は、パワー半導体と、該パワー半導体を駆動する駆動ＩＣとを含み、
前記絶縁層に接合されたヒートシンクをさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項３】
前記絶縁層は、熱伝導率が１〜７Ｗ／ｍ・Ｋであり、厚さが５０〜３００μｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体モジュール。
【請求項４】
前記絶縁層は、酸化珪素、酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素からなるフィラー群の１種類以上を含むエポキシ樹脂からなることを特徴とする請求項１、２または３に記載の半導体モジュール。
【請求項５】
１または複数の回路素子を搭載し、成形樹脂で封止された半導体モジュールの製造方法において、
金属ベース板の上に接合された絶縁層と、該絶縁層の上に接合された導電層とを有する金属ベース基板の前記導電層に、前記回路素子を搭載するための回路パターンを形成する第１工程と、
前記金属ベース基板に、前記回路素子と予め成形加工されたリードフレームとを接合する第２工程と、
前記回路素子と前記リードフレームと前記導電層とを、ボンディングワイヤにより接続する第３工程と、
前記回路素子と前記リードフレームとが接合された前記金属ベース基板を、成形樹脂により封止する第４工程と、
前記金属ベース板を溶解して前記絶縁層を露出させる第５工程と
を備えたことを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
【請求項６】
前記金属ベース板は、Ｃｕからなり、
前記第５工程は、エッチングにより前記Ｃｕを溶解することを特徴とする請求項５に記載の半導体モジュールの製造方法。
【請求項７】
１または複数の回路素子を搭載し、成形樹脂で封止された半導体モジュールの製造方法において、
金属ベース板の上に接合された絶縁層と、該絶縁層の上に接合された導電層とを有する金属ベース基板の前記導電層に、前記回路素子を搭載するための回路パターンを形成する第１工程と、
前記金属ベース基板に、前記回路素子と予め成形加工されたリードフレームとを接合する第２工程と、
前記回路素子と前記リードフレームと前記導電層とを、ボンディングワイヤにより接続する第３工程と、
前記回路素子と前記リードフレームとが接合された前記金属ベース基板を、成形樹脂により封止する第４工程と、
前記金属ベース板を前記絶縁層から引き剥がして、前記絶縁層を露出させる第５工程と
を備えたことを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
【請求項８】
前記金属ベース基板の前記絶縁層は、前記金属ベース板の上に粗化処理を施さないで接合されていることを特徴とする請求項７に記載の半導体モジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体モジュールおよびその製造方法に関し、より詳細には、１または複数の回路素子を搭載し、成形樹脂で封止された半導体モジュールおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電源装置に使用される半導体モジュールは、家庭用エアコン、冷蔵庫などの民生機器から、インバータ、サーボコントローラなどの産業機器まで、広範囲にわたって適用されている。半導体モジュールは、消費電力の点から、金属ベース基板や金属ケース枠が用いられている。金属ベース基板は、銅箔、絶縁層などを真空プレスで積層して、配線板を構成する。この配線板にパワー半導体などの１または複数の回路素子を搭載し、金属ケース枠に接着して、シリコンゲルで封止することによって半導体モジュールを構成する。
【０００３】
一方、製造コストを低減するために、トランスファー成形方式によるフルモールド半導体モジュールが用いられている（例えば、特許文献１参照）。フルモールド半導体モジュールは、リードフレーム、ヒートシンクの間に封止樹脂を充填し、リードフレームとヒートシンクとを固定的に連結するとともに、電気的絶縁を確保している。図４に、従来のフルモールド半導体モジュールの第１例を示す。リードフレーム２５の上には、パワー半導体２２、駆動ＩＣ２３が実装され、ボンディングワイヤ２４，２７により相互に接続されている。これら部品を、金型にセットして、成形樹脂２６を流し込むことにより、フルモールド半導体モジュールを構成する。図５に、従来のフルモールド半導体モジュールの第２例を示す。図４に示したフルモールド半導体モジュールに加えて、ヒートシンク２８を設けたものである。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−１３９４６１号公報（段落番号００３８、第１図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のフルモールド半導体モジュールは、消費電力からみた適用範囲は、２００Ｖ，３０Ａ程度であった。電流容量が３０Ａを超えると、パワー半導体のロスが大きくなり、フルモールド半導体モジュールにおける冷却特性が不十分となるという問題があった。金属ベース基板を用いた半導体モジュールは、絶縁層を１００〜１５０μｍと薄くできるので、パワー半導体下部の熱抵抗を小さくすることができる。一方、フルモールド半導体モジュールでは、充填性を確保するために、成形樹脂の厚さを３００μｍ以上にする必要があり、熱抵抗が高くなるからである。
【０００６】
図４，５に示したフルモールド半導体モジュールにおいて、成形樹脂の厚さを２００μｍ以下とすると、例えば、リードフレーム２５とヒートシンク２８との間隙に、成形樹脂の未充填部分が残留し、絶縁不良を生じる。成形時の樹脂注入圧力を高くすることにより、充填性は向上するが、ボンディングワイヤ２４，２７の変形、断線の原因となる。
【０００７】
図６に、従来のフルモールド半導体モジュールの第３例を示す。ボンディングワイヤ２４，２７を予め樹脂２９で封止することにより、成形樹脂の注入圧力を高めることができ、ボンディングワイヤ２４，２７の変形、断線を防ぐことができる。しかしながら、この方法では、樹脂２９と封止のための工程が必要となり、製造コストが増大するという問題があった。
【０００８】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、放熱性に優れた、低コストの半導体モジュールおよびその製造方法を提供することにある。
【０００９】
【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、１または複数の回路素子を搭載し、成形樹脂で封止された半導体モジュールにおいて、前記回路素子を搭載するための回路パターンが形成された導電層と、該導電層の前記回路素子が搭載された面と反対の面に接合された絶縁層とを備え、該絶縁層は、前記導電層と接合された面と反対の面が露出されていることを特徴とする。
【００１０】
この構成によれば、露出された絶縁層を薄くすることができ、これによって、回路素子下部の熱抵抗を小さくすることができるので、放熱性を向上することができる。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の前記回路素子は、パワー半導体と、該パワー半導体を駆動する駆動ＩＣとを含み、前記絶縁層に接合されたヒートシンクをさらに備えたことを特徴とする。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の前記絶縁層は、熱伝導率が１〜７Ｗ／ｍ・Ｋであり、厚さが５０〜３００μｍであることを特徴とする。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、請求項１、２または３に記載の前記絶縁層は、酸化珪素、酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素からなるフィラー群の１種類以上を含むエポキシ樹脂からなることを特徴とする。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、１または複数の回路素子を搭載し、成形樹脂で封止された半導体モジュールの製造方法において、金属ベース板の上に接合された絶縁層と、該絶縁層の上に接合された導電層とを有する金属ベース基板の前記導電層に、前記回路素子を搭載するための回路パターンを形成する第１工程と、前記金属ベース基板に、前記回路素子と予め成形加工されたリードフレームとを接合する第２工程と、前記回路素子と前記リードフレームと前記導電層とを、ボンディングワイヤにより接続する第３工程と、前記回路素子と前記リードフレームとが接合された前記金属ベース基板を、成形樹脂により封止する第４工程と、前記金属ベース板を溶解して前記絶縁層を露出させる第５工程とを備えたことを特徴とする。
【００１５】
この方法によれば、絶縁層は、金属ベース基板の一部分として予め形成されているので、薄くすることができ、これによって、回路素子下部の熱抵抗を小さくすることができるので、放熱性を向上することができる。
【００１６】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の前記金属ベース板は、Ｃｕからなり、前記第５工程は、エッチングにより前記Ｃｕを溶解することを特徴とする。
【００１７】
請求項７に記載の発明は、１または複数の回路素子を搭載し、成形樹脂で封止された半導体モジュールの製造方法において、金属ベース板の上に接合された絶縁層と、該絶縁層の上に接合された導電層とを有する金属ベース基板の前記導電層に、前記回路素子を搭載するための回路パターンを形成する第１工程と、前記金属ベース基板に、前記回路素子と予め成形加工されたリードフレームとを接合する第２工程と、前記回路素子と前記リードフレームと前記導電層とを、ボンディングワイヤにより接続する第３工程と、前記回路素子と前記リードフレームとが接合された前記金属ベース基板を、成形樹脂により封止する第４工程と、前記金属ベース板を前記絶縁層から引き剥がして、前記絶縁層を露出させる第５工程とを備えたことを特徴とする。
【００１８】
この方法によれば、絶縁層は、金属ベース基板の一部分として予め形成されているので、薄くすることができ、これによって、回路素子下部の熱抵抗を小さくすることができるので、放熱性を向上することができる。
【００１９】
請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の前記金属ベース基板の前記絶縁層は、前記金属ベース板の上に粗化処理を施さないで接合されていることを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００２１】
図１に、本発明の第１の実施形態にかかる半導体モジュールを示す。図１（ａ）は、トランスファー成形により封止した状態の半導体モジュールである。金属ベース基板１は、導電層である銅箔１ａと絶縁層１ｂと金属ベース板１ｃとから構成されている。金属ベース基板１の銅箔１ａには回路パターンが形成され、その上に、回路素子であるパワー半導体２および駆動ＩＣ３と、リードフレーム５とが実装されている。これらの部品は、ボンディングワイヤ４，７により相互に接続されている。半導体モジュールは、これら部品が搭載された金属ベース基板１を、成形樹脂６により封止することによって構成されている。
【００２２】
図１（ｂ）は、絶縁層を露出して完成した半導体モジュールである。図１（ａ）に示した半導体モジュールの金属ベース板１ｃを除去することにより、絶縁層を露出させ、半導体モジュールが完成する。
【００２３】
次に、半導体モジュールの作製方法について説明する。図２に、本発明の第１の実施形態にかかる半導体モジュールの作製方法を示す。最初に、厚さ０．３〜１．０ｍｍ程度の銅板を、プレス加工により、所定の回路パターンを打ち抜いて、リードフレーム５を製作する。リードフレーム５の半導体モジュール外部に露出する部分は、Ｎｉメッキを施しておく。
【００２４】
一方、リードフレーム５を接合する金属ベース基板１を予め加工しておく（図２（ａ））。金属ベース基板１の絶縁層１ｂは、酸化珪素、酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素からなるフィラー群の１種類以上を含むエポキシ樹脂からなる。熱伝導率は、１〜７Ｗ／ｍ・Ｋであり、その厚さは５０〜３００μｍであり、好ましくは７０〜１５０μｍである。金属ベース基板１の銅箔１ａを、所定の回路パターンにエッチング加工した後、所定の外形寸法に打ち抜く。金属ベース板１ｃには、Ｃｕ，Ａｌを用いるが、溶解しやすいＣｕが好ましく、その厚さは、０．３〜１．０ｍｍである。絶縁層１ｂと金属ベース板１ｃとは、接着力を高めるために、金属ベース板１ｃの接着面の粗化処理を施す。材料が銅板の場合には黒化処理、アルミニウム板の場合にはアルマイト処理を施して、接着面を数μｍ単位で粗化する。
【００２５】
金属ベース基板１と、成形加工されたリードフレーム５、パワー半導体２および駆動ＩＣ３とを積層した状態で、半田付けにより接合する（図２（ｂ））。半田付けは、ペレット上の半田を使用し、水素還元が可能な炉において行う。水素還元が可能な炉を使用するのは、リードフレーム５の表面の酸化膜を水素還元により除去し、活性化させることにより、半田との濡れ性を向上させるためである。半田材料には、例えば、ＳｎＰｂからなる高温半田、ＳｎＡｇＣｕ系からなる鉛フリー半田を用いる。半田付けの温度は、半田の融点に応じて設定される。
【００２６】
パワー半導体２とリードフレーム５の半田層にボイドが残留すると、熱抵抗が高くなり、パワー半導体２から生じる熱を効率よく放熱することができない。そこで、ボイドが発生しないように、半田が溶融している状態で、１０Ｔｏｒｒ以下の真空引きを行う。
【００２７】
次に、ボンディングワイヤ４，７による接続を行う（図２（ｃ））。パワー半導体２と外部回路とを接続するボンディングワイヤ４は、線径が１２５〜５００μｍのＡｌワイヤを使用して超音波接合する。駆動ＩＣ３と外部回路とを接続するボンディングワイヤ７は、線径が１０μｍ程度のＡｕワイヤを使用して超音波接合する。
【００２８】
図２（ｃ）に示した部品を、トランスファー成形機に取り付けられた金型にセットする。金型は、１７０〜１８０℃程度に保温されており、予熱後にタブレット状のエポキシ樹脂をプランジャーにて金型に流し込む。エポキシ樹脂は、酸化珪素、酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素からなるフィラー群の１種類以上を含むエポキシ樹脂からなり、熱伝導率は、２〜５Ｗ／ｍ・Ｋである。エポキシ樹脂の注入を行うと数十秒で硬化するので、直ぐに金型から取り出し、恒温槽で後硬化を行って封止を完了る（図２（ｄ））。
【００２９】
最後に、金属ベース基板１の金属ベース板１ｃを溶解する（図２（ｅ））。Ｃｕを用いる場合には、銅箔のエッチング加工と同様に、ＦｅＣｌ２、ＣｕＣｌ２などのエッチング液を用いる。金属ベース板１ｃを溶解することにより、厚さが３００μｍ以下の絶縁層１ｂが露出する。リードフレーム５を所定の形状に折り曲げて半導体モジュールが完成する。
【００３０】
このような方法により、絶縁層１ｂは、金属ベース基板１の一部分として予め形成されているので、薄くすることができ、絶縁性に優れている。例えば、厚さ１００μｍで交流破壊電圧が８ｋＶ以上、厚さ１５０μｍで交流破壊電圧が１０ｋＶ以上を有しており、耐電圧が１２００Ｖ以上のパワー半導体モジュールに適用することができる。
【００３１】
図３に、本発明の第２の実施形態にかかる半導体モジュールを示す。第２の実施形態における半導体モジュールは、その作製方法が第１の実施形態と異なる。トランスファー成形により封止するまでの工程（図２（ａ）〜図２（ｄ）、図３（ａ））は、第１の実施形態と同じである。第２の実施形態では、金属ベース基板１の金属ベース板１ｃを引き剥がすことにより、絶縁層１ｂを露出させる（図３（ｂ）、図３（ｃ））。従って、絶縁層１ｂと金属ベース板１ｃとは、容易に引き剥がせるように、接着力を弱くしておく。すなわち、上述した粗化処理を行わない。
【００３２】
金属ベース基板１の絶縁層１ｂは、酸化珪素、酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素からなるフィラー群の１種類以上を含むエポキシ樹脂からなる。熱伝導率は、１〜７Ｗ／ｍ・Ｋであり、その厚さは５０〜３００μｍであり、好ましくは７０〜１５０μｍである。金属ベース基板１の銅箔１ａを、所定の回路パターンにエッチング加工した後、所定の外形寸法に打ち抜く。金属ベース板１ｃには、Ｃｕ，Ａｌを用いるが、溶解しやすいＣｕが好ましく、その厚さは、０．３〜１．０ｍｍである。
【００３３】
本実施形態によれば、半導体モジュールは、金属ベース基板１の一部分として、厚さ５０〜３００μｍの絶縁層１ｂが露出されている。従って、回路素子下部の熱抵抗を小さくすることができるので、絶縁層１ｂに直接ヒートシンクを接合することにより、放熱性に優れた半導体モジュールを低コストで構成することができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、露出された絶縁層を薄くすることができ、これによって、回路素子下部の熱抵抗を小さくすることができるので、放熱性に優れた、低コストの半導体モジュールを構成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかる半導体モジュールを示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態にかかる半導体モジュールの作製方法を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施形態にかかる半導体モジュールを示す断面図である。
【図４】従来のフルモールド半導体モジュールの第１例を示す断面図である。
【図５】従来のフルモールド半導体モジュールの第２例を示す断面図である。
【図６】従来のフルモールド半導体モジュールの第３例を示す断面図である。
【符号の説明】
１　　金属ベース基板
１ａ　　銅箔
１ｂ　　絶縁層
１ｃ　　金属ベース板
２，２２　　パワー半導体
３，２３　　駆動ＩＣ
４，７，２４，２７　　ボンディングワイヤ
５，２５　　リードフレーム
６，２６　　成形樹脂
２８　　ヒートシンク
２９　　樹脂
【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】
2004128420.tif 000007
【図６】
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