(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の主電極を備え、裏面側に一方の主電極を有する電力半導体素子と、
前記電力半導体素子を制御するための制御用集積回路と、
一方主面と他方主面を有する板状であって、前記電力半導体素子を前記一方主面に搭載するとともに、前記一方の主電極と電気的に接続される第１フレーム部、前記制御用集積回路を前記一方主面に搭載する第２フレーム部、前記第１フレーム部に接続される第１リード端子および前記第２フレーム部に接続される第２リード端子を有する銅からなる導電性のリードフレーム部と、
前記第１フレーム部の前記他方主面に対し、一方主面が対向するよう配設された良熱伝導性の放熱板と、
前記第１フレーム部と前記放熱板の間に介在し、これらの間を電気的に絶縁するとともに、熱的に結合せしめる電気絶縁性かつ良熱伝導性の絶縁シートと、
互いに対向する第１側面部および第２側面部を有し、前記第１リード端子を前記第１側面部から突出させるとともに、前記第２リード端子を前記第２側面部から突出させて、前記電力用チップおよび前記制御用集積回路を含む前記リードフレーム部、前記放熱板、および前記絶縁シートを封止するエポキシ樹脂からなるモールド樹脂と、
を備え、
前記放熱板は、前記一方主面の反対側に他方主面を有し、前記他方主面の少なくとも一部が前記モールド樹脂の外部に露出し、
前記第１フレーム部は、前記第１リード端子から延伸された第１のリード段差部と、前記モールド樹脂の端面近傍にて切断されるダミーリード部から延伸された第２のリード段差部を介して前記第２フレーム部と略平行であるよう支持されるよう配置され、前記第１リード端子から前記放熱板側への沈め寸法が０．１〜０．７ｍｍであり、
前記第１リード端子は、前記電力半導体素子の前記一方の主電極の取り出し電極とされ、
前記第１リード端子と前記放熱板との間の絶縁耐圧が少なくとも２．５ｋＶｒｍｓ以上であることを特徴とする電力半導体モジュール。
【請求項２】
前記第１のリード段差部と前記第２のリード段差部はそれぞれが前記第１フレーム部の対向する二辺に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電力半導体モジュール。
【請求項３】
前記第１のリード段差部と前記第２のリード段差部はそれぞれが前記第１フレーム部の隣り合う二辺に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電力半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力半導体モジュールに係る発明であって、特に、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の電力半導体素子および制御用集積回路等が搭載されたトランスファーモールド型電力半導体モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
産業・電鉄・自動車・ＯＡ・家電製品などの電力制御やモータ制御に、ＩＧＢＴなど複数のスイッチング素子とフリーホイールダイオードなどの電力半導体素子と、前記スイッチング素子の駆動および短絡や過熱などの異常状態からの保護を行う制御用集積回路を１パッケージに搭載した電力半導体モジュール、いわゆるＩＰＭ（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ  Ｐｏｗｅｒ  Ｍｏｄｕｌｅ）が使用されている。こうしたＩＰＭにおいては、製造コストや工数の低減、モジュール外形の小型化などに加え、電力半導体素子の発熱を効率よく放熱することや、６００〜１２００Ｖ程度の高電圧が印加されるため、良好な電気絶縁性が要求される。
【０００３】
上記のような電力半導体モジュールにおいては、たとえば特許文献１に記載された発明が提案されている。前記特許文献１によれば、電力半導体素子と、この電力半導体素子を制御する制御用集積回路を金属製リードフレームの一方主面に固着し、前記リードフレームの他方主面側と対向するようにヒートシンクを載置し、これらを電気絶縁性および良熱伝導性のモールド樹脂にて封止するといった電力半導体モジュールが提供される。
【０００４】
また、モジュール外形のさらなる小型化や放熱性、電気絶縁性のさらなる向上のために、たとえば特許文献２に記載された発明が提案されている。前記特許文献２によれば、電力半導体素子を搭載するリードフレームのダイパッド面がモジュール外部に導出されるリード部と略平行となるようリード段差部を介してモジュール下面近傍に載置され、前記ダイパッド面の裏面には電気絶縁性および熱伝導性に富む樹脂シートが直接接するよう取り付けられ、また、樹脂シート裏面には金属箔が取り付けられ、モールド樹脂の裏面から露出するといった電力半導体モジュールが提供される。これにより、リード部とモジュール裏面の金属箔に接触するように設置される放熱フィンとの間の電気絶縁性を保ちながら、電力半導体素子からの発熱を効率よく放熱することができる。
【０００５】
【特許文献１】特開平９−１３９４６１号公報  （段落００１６、第２図）
【特許文献２】特開２００５−１０９１００号公報  （段落００１３〜００１５、第３図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、従来技術に係る半導体装置では、以下のような解決すべき問題があった。
【０００７】
特許文献１記載の従来技術においては、モジュール内部において電力半導体素子が載置されるリードフレームとヒートシンク間は高放熱性やモジュール外形の小型化にためにできるだけ近づけることが望ましいが、両者の電気絶縁性を確保するためにはある一定以上の距離を置く必要があり、望ましい特性を備えた電力半導体モジュールを得ることができない。
【０００８】
さらに特許文献１記載の従来技術においては、前記リードフレームとヒートシンク間に充填されるモールド樹脂は熱伝導率の高いものを使用する必要があるが、そのような樹脂はフィラーを多く含み載置される半導体素子への攻撃性が高く、長期信頼性上の問題がある。また前記フィラーを多く含むモールド樹脂は電気絶縁性も比較的低いので前記リードフレームとヒートシンク間の距離を大きくとる必要があり、モジュールの小型化を実現するのが困難である。さらには材料コストも高いため、モジュール全体のコスト上昇を引き起こす。
【０００９】
特許文献２記載の従来技術においては、リード部と放熱フィンとの間の電気絶縁性を保ちながら放熱性を向上させるため、電力半導体素子が載置されるリードフレームのリード段差部における沈め寸法が大きくなる。一般にリードフレームは一枚板状の金属板などをパンチングなどの方法により打ち抜きその後リード段差部の曲げ加工を行うため、リード段差部の沈め寸法を大きくとると電力半導体素子を搭載するダイパッド部の有効面積がその分縮小することになる。よって、チップ面積の大きな電力半導体素子を搭載しようとすれば、リードフレーム自体の面積、さらにはモジュール外形自体の大きさを拡大せざるを得ないという欠点がある。
【００１０】
さらに特許文献２記載の従来技術においては、電力半導体素子を搭載するダイパッド面を片側にあるリード段差部一つで保持している。そのため製造工程において、電力半導体素子へのワイヤボンディング時にダイパッド面がばたつくことにより、押え不足によるワイヤボンド不良が発生しやすいといった問題がある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明においては、上記問題を解決するために、一対の主電極を備え、裏面側に一方の主電極を有する電力半導体素子と、前記電力半導体素子を制御するための制御用集積回路と、一方主面と他方主面を有する板状であって、前記電力半導体素子を前記一方主面に搭載するとともに、前記一方の主電極と電気的に接続される第１フレーム部、前記制御用集積回路を前記一方主面に搭載する第２フレーム部、前記第１フレーム部に接続される第１リード端子および前記第２フレーム部に接続される第２リード端子を有する銅からなる導電性のリードフレーム部と、前記第１フレーム部の前記他方主面に対し、一方主面が対向するよう配設された良熱伝導性の放熱板と、前記第１フレーム部と前記放熱板の間に介在し、これらの間を電気的に絶縁するとともに、熱的に結合せしめる電気絶縁性かつ良熱伝導性の絶縁シートと、互いに対向する第１側面部および第２側面部を有し、前記第１リード端子を前記第１側面部から突出させるとともに、前記第２リード端子を前記第２側面部から突出させて、前記電力用チップおよび前記制御用集積回路を含む前記リードフレーム部、前記放熱板、および前記絶縁シートを封止するエポキシ樹脂からなるモールド樹脂と、を備え、前記放熱板は、前記一方主面の反対側に他方主面を有し、前記他方主面の少なくとも一部が前記モールド樹脂の外部に露出し、前記第１フレーム部は、前記第１リード端子から延伸された第１のリード段差部と、前記モールド樹脂の端面近傍にて切断されるダミーリード部から延伸された第２のリード段差部を介して前記第２フレーム部と略平行であるよう支持されるよう配置され、前記第１リード端子から前記放熱板側への沈め寸法が０．１〜０．７ｍｍであり、前記第１リード端子は、前記電力半導体素子の前記一方の主電極の取り出し電極とされ、前記第１リード端子と前記放熱板との間の絶縁耐圧が少なくとも２．５ｋＶｒｍｓ以上であることを特徴とする電力半導体モジュールが提供される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の半導体装置は、モジュール内部において電力半導体素子が載置されるリードフレームとヒートシンク間は良熱伝導性の絶縁シートを介して両者が接触するように配置されるため、高放熱性やモジュール外形の小型化を実現する電力半導体モジュールを得ることができる。
また、前記リードフレームとヒートシンク間の絶縁は前記絶縁シートによって担保され、また電力半導体素子からの発熱も絶縁シートを通しヒートシンクからモジュール外部に効率よく放出されるため、モールド樹脂に熱伝導率の高いものを使用する必要がなく、フィラーの含有率が低いものが使用できる。そのためモジュールにおける長期信頼性が向上する上に、材料コストを抑えることができる。
また、リードフレームのリード段差部における沈め寸法を０．１〜０．７ｍｍとし、従来の電力半導体モジュールと比較して浅い沈め寸法であるため、電力半導体素子を搭載するダイパッド部の有効面積を広く取ることができ、チップ面積の大きな電力半導体素子を搭載する場合においてもモジュール外形を拡大する必要がない。
また、電力半導体素子を搭載するダイパッド面を前記第１リード端子から延伸された第１のリード段差部と、前記モールド樹脂の端面近傍にて切断されるダミーリード部から延伸された第２のリード段差部の複数箇所で支持するため、電力半導体素子へのワイヤボンディング時にもダイパッド面が安定し、確実なワイヤボンド処理が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
実施の形態１
この発明を実施するための実施の形態１における電力半導体モジュールについて以下説明する。電力半導体モジュールの平面外観を図１に示し、側面外観をそれぞれ図２および図３に示す。
既に背景技術の項で説明した通り、電力半導体モジュールにおいては、ＩＧＢＴなど複数のスイッチング素子とフリーホイールダイオードなどの電力半導体素子と、前記スイッチング素子の駆動および短絡や過熱などの異常状態からの保護を行う制御用集積回路を１パッケージに搭載されている。これらの電力半導体素子と制御用集積回路は、例えば熱硬化性エポキシ樹脂などのモールド樹脂１２によって封止されている。また、電力半導体モジュールの使用者によって、電力半導体モジュールの裏面に接触するように放熱フィン（図示せず）が設置されるが、この放熱フィンとの締結用に貫通穴２０を設けている。
【００１４】
電力半導体素子と制御用集積回路の回路ブロック図を図４に示す。同図回路ブロック図において、周囲に示されている各端子の名称は、図１に示す各リード端子２ｂ、２ｄの名称とそれぞれ対応している。
【００１５】
図５に第１リード端子２ｂおよび第２リード端子２ｄの曲げ加工前の側面断面を示す。同図において、電力半導体としてのＩＧＢＴチップ４およびフリーホイールダイオード５は第１フレーム部２ａの一方主面に搭載されている。一方制御用集積回路６は第２フレーム部２ｃの一方主面に搭載されている。
【００１６】
後で詳細に説明するように、ＩＧＢＴチップ４およびフリーホイールダイオード５はアルミニウム線のボンディングワイヤ１０によってに所定のリードフレームと電気的に接続され、また制御用集積回路６は金線のボンディングワイヤ８によって所定のリードフレームと電気的に接続される。
【００１７】
ここで前記第１フレーム部２ａ、前記第２フレーム部２ｃ、前記第１フレーム部に接続される第１リード端子２ｂおよび前記第２フレーム部に接続される第２リード端子２ｄを含むリードフレーム部２の作成行程を説明する。
前記リードフレーム部２は、銅などの導電性かつ良熱伝導性の材質が用いられ、一枚板状の銅板をパンチングなどによって所定の形状に打ち抜かれると同時に、次の段落で説明する前記第１フレーム部２ａの沈め加工が施される。さらに、  前記第１フレーム部２ａ、前記第２フレーム部２ｃの一方主面およびボンディングワイヤ８が接続される所定のリードフレームのボンディング領域に銀などでメッキ処理が施される。
【００１８】
前記第１フレーム部２ａは、第１のリード端子２ｂから延伸された第１のリード段差部２ｅと図示しないダミーリード部より延伸された第２のリード段差部２ｈを介し、前記第１のリード端子２ｂからの沈め寸法ｈが０．１〜０．７ｍｍかつ、前記第２フレーム部２ｃと略平行であるように配置、支持される。
【００１９】
また、前記第１フレーム部２ａの他方主面と一方主面が近接して対向するように、金属など良熱伝導性の放熱板１４が配置される。前記放熱板１４の他方主面はモールド樹脂１２の外部に露出しており、図示しない放熱フィンなどが接触するように設けられる。このため、前記第１フレーム部２ａの他方主面から下側は放熱板１３が占めており、その厚さは本実施の形態においてはおよそ３．３ｍｍ程度である。
【００２０】
前記第１フレーム部２ａと前記放熱板１４との間には、０．２ｍｍ程度の厚さである電気絶縁性かつ良熱伝導性の絶縁シート１３が介在し、両者間を電気的に絶縁するとともに熱的に結合させる。絶縁シート１３と放熱板１４は少なくとも第１フレーム部２ａと対向する範囲全面にあり、好ましくは、前記第１のリード段差部２ｅと前記第１リード端子２ｂとの接続点ａおよび、前記第２のリード段差部２ｈと図示しない前記ダミーリード部との接続点ｂの範囲まである。
【００２１】
前記絶縁シート１３は例えば、フィラーとしてＢＮ、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮのいずれかを含むエポキシ樹脂などが使用され、その熱伝導率は３〜１５Ｗ／ｍ・Ｋ程度であることが望ましい。
【００２２】
このような構造により、ＩＧＢＴチップ４にて発生した熱は、それぞれが接触している第１リードフレーム部２ａ、絶縁シート１３、放熱板１４を通って半導体モジュール外部に効率よく放出される。
【００２３】
表１は、第１リードフレーム部２ａの沈め寸法ｈを０〜０．９ｍｍの範囲で変化させて
製作された電力半導体モジュールの特性をまとめたものである。
【００２４】
【表１】
0005163055.tif 000002
【００２５】
表１から分かるように、第１リードフレーム部２ａの沈め寸法が０．１ｍｍ未満である場合、第１リード端子２ｂと絶縁シート１３に覆われていない放熱板１４の側面との間の絶縁耐圧が製品規格である２．５ｋＶｒｍｓを満足せず絶縁性に支障をきたす。また、同沈め寸法が０．８ｍｍ以上である場合は、リードフレームのパンチング時にフレーム材の伸びが大きくなりすぎ強度を保てない。以上のことより、前記沈め寸法が０．１〜０．７ｍｍの範囲にある場合において、絶縁性やリードフレームの加工性を損なうことなく所望の性能を有する電力半導体モジュールを得ることができる。
【００２６】
次に本実施の形態に係る電力半導体モジュールの内部構造について詳細に説明する。
図６に半導体素子搭載およびワイヤボンディング後の電力半導体モジュールにおける内部構成を示す平面図を示す。
【００２７】
電力半導体素子としてのＩＧＢＴチップ４およびフリーホイールダイオード５は第１フレーム部２ａに搭載され、所定のリード端子にアルミニウム線のボンディングワイヤ１０によって電気的に接続される。
また制御用集積回路６は同様に第２フレーム部２ｃに搭載され、所定のリード端子に金線などのボンディングワイヤによって電気的に接続される。なお、金線ボンディングワイヤのフレーム側接続点には接着性および電気伝導性向上の目的で部分銀メッキ処理が施されている。
ＩＧＢＴチップ４と制御用集積回路６との接続は中継リード２ｆによって行う。すなわち、制御用集積回路６と中継リード２ｆが金線ボンディングワイヤにて接続され、同じ中継リード２ｆとＩＧＢＴチップ４がアルミニウム線ボンディングワイヤにて接続される。
また、リードフレーム部２の各端子はタイバー２ｉによってそれぞれが接続、保持されている。
【００２８】
前記のボンディングワイヤ時において、第１フレーム部２ａのバタツキが従来問題となっていたが、本実施の形態においては、一部の第１フレーム部２ａが、第１のリード段差部２ｅだけでなく、ダミーリード２ｇから延在された第２のリード段差部２ｈとの２箇所において保持される。このため、ワイヤボンディング時にリードフレーム部が上下にばたつくことなく確実なワイヤボンディングが実施できる。
【００２９】
第１および第２のリード段差部は、それぞれ第１フレーム部２ａの対向する二辺に設けることがバタツキを抑えることにおいては好ましいが、図６における右端の第１フレーム部２ａのように、リードフレームのレイアウト上の都合により隣り合う二辺に設けることも可能である。
【００３０】
また、第１のリード段差部２ｅおよび第２のリード段差部２ｇにおける沈め寸法を０．１〜０．７ｍｍと比較的浅く形成したので、電力半導体素子を搭載する第１フレーム部２ａの有効面積が縮小しない。発明者らの試作結果によれば、深い沈め寸法である従来の電力半導体モジュールにおいては第１フレーム部の長手方向寸法が１２ｍｍであったのに対し、本発明の電力半導体モジュールにおいては、同寸法が１３．５ｍｍと１２．５％広い第１フレーム部を得ることが出来た。
【００３１】
図７に本実施の形態に係る電力半導体モジュールの平面透視図を示す。絶縁シートおよび放熱板（図示せず）を第１フレーム部２ａの裏面に載置後、モールド樹脂１２によってリードフレーム部を封止する。その後、図６におけるタイバー２ｉ、中継リード２ｆおよびダミーリード２ｇなどの、電力半導体モジュールの使用に不必要なリードフレームをカットした後、第１リード端子２ｂおよび第２リード端子２ｄの曲げ加工が行われる。
なお、ダミーリード２ｇは第２のリード端子２ｄとの絶縁距離確保のため距離を離して短くカットされ、近傍のモールド樹脂１２自体もダミーリード２ｇを短くカットできるようにモジュール内部方向にえぐれて形成されている。
【００３２】
以上、本発明の具体的な実施の形態を説明したが、本発明はこれに限らず種々の変形が可能である。例えば、本発明では電力半導体素子としてＩＧＢＴを用いる例を示したが、その他ＭＯＳＦＥＴやパワートランジスタなど他の制御電極を有する電力半導体素子を用いてもよいので本発明に含まれる。また、本発明においては制御用集積回路を含んだＩＰＭを例に説明したが、その他ＩＧＢＴモジュールなどの制御用集積回路を含まないものに適用することは当業者にとって容易に想到可能であるので、本発明の範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施の形態に係る電力半導体モジュールの平面外観図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る電力半導体モジュールの側面外観図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る電力半導体モジュールの側面外観図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る電力半導体モジュールの回路ブロック図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る電力半導体モジュールの曲げ加工前の側面断面である。
【図６】本発明の実施の形態に係る電力半導体モジュールの半導体素子搭載およびワイヤボンディング後の内部構成を示す平面図である。
【図７】本発明の実施の形態に係る電力半導体モジュールの平面透視図である。
【符号の説明】
【００３４】
２ａ．  第１フレーム部  ２ｂ．第１リード端子  ２ｃ．第２フレーム部  ２ｄ．第２リード端子  ２ｅ．第１のリード段差部  ２ｈ．第２のリード段差部  ４．ＩＧＢＴチップ  ５．フリーホイールダイオード  ６．制御用集積回路  １２．モールド樹脂  １３．絶縁シート  １４．放熱板
【図１】
0005163055.tif 000003
【図２】
0005163055.tif 000004
【図３】
0005163055.tif 000005
【図４】
0005163055.tif 000006
【図５】
0005163055.tif 000007
【図６】
0005163055.tif 000008
【図７】
0005163055.tif 000009