(57)【要約】【課題】本発明は、電極端子の信頼性が高く低コストで製造可能な半導体モジュールの提供を目的とする。【解決手段】本発明の半導体モジュールは、絶縁板２と、絶縁板２上に互いに離間して形成された複数の金属パターン２２，２３と、一の金属パターン２３上に半田接合されたパワーデバイスチップ３と、パワーデバイスチップ３が半田接合されていない金属パターン２２上とパワーデバイスチップ３上とに半田接合されたリードフレーム５と、外囲ケース８に設けられ、パワーデバイスチップ３が接合されていない金属パターン２２上においてリードフレーム５とワイヤボンディングで接合された外部主電極５１と、ポッティングにより形成されてパワーデバイスチップ３、リードフレーム５、金属パターン２２，２３を封止する封止樹脂７とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁板と、
前記絶縁板上に互いに離間して形成された複数の金属パターンと、
一の前記金属パターン上に半田接合されたパワーデバイスチップと、
前記パワーデバイスチップが半田接合されていない前記金属パターン上と前記パワーデバイスチップ上とに半田接合されたリードフレームと、
外囲ケースに設けられ、前記パワーデバイスチップが接合されていない前記金属パターン上において前記リードフレームとワイヤボンディングで接合された外部主電極と、
ポッティングにより形成されて前記パワーデバイスチップ、前記リードフレーム、前記金属パターンを封止する封止樹脂とを備える、半導体モジュール。
【請求項２】
絶縁板と、
前記絶縁板上に形成された金属パターンと、
前記金属パターン上に個別に半田接合されたパワーデバイスチップ及び絶縁スペーサと、
前記パワーデバイスチップ上と前記絶縁スペーサ上とに半田接合されたリードフレームと、
外囲ケースに設けられ、前記絶縁スペーサ上において前記リードフレームとワイヤボンディングで接合された外部主電極と、
ポッティングにより形成されて前記パワーデバイスチップ、前記絶縁スペーサ、前記リードフレーム、前記金属パターンを封止する封止樹脂とを備える、半導体モジュール。
【請求項３】
絶縁板と、
前記絶縁板上に形成された金属パターンと、
前記金属パターン上に個別に半田接合されたパワーデバイスチップ及びフリーホイールダイオードチップと、
前記パワーデバイスチップ上と前記フリーホイールダイオードチップ上に半田接合されたリードフレームと、
外囲ケースに設けられ、前記フリーホイールダイオードチップ上において前記リードフレームとワイヤボンディングで接合された外部主電極と、
ポッティングにより形成されて前記パワーデバイスチップ、前記フリーホイールダイオードチップ、前記リードフレーム、前記金属パターンを封止する封止樹脂とを備える、半導体モジュール。
【請求項４】
前記封止樹脂は液状エポキシ樹脂を硬化したものである、
請求項１〜３のいずれかに記載の半導体モジュール。
【請求項５】
前記パワーデバイスチップは、半田接合に代えて銀ナノ接合により前記金属パターン及び前記リードフレームと接合される、
請求項１〜４のいずれかに記載の半導体モジュール。
【請求項６】
前記外囲ケースの内部で前記ポッティングによる封止樹脂以外の部分を封止するシリコーン樹脂をさらに備える、
請求項１〜５のいずれかに記載の半導体モジュール。
【請求項７】
前記ポッティングによる封止樹脂を有さず、当該封止樹脂による封止を前記シリコーン樹脂により行う、
請求項６に記載の半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体モジュールに関するものであり、特にパワーデバイスチップと外部電極との接続構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワーデバイスから電流を取り出す手段として、アルミや金などの細いワイヤを用いてパワーデバイスの電極部と外部電極とを接続するワイヤボンドという手法が、１９８０年代から実施されている（特許文献１参照）。しかしこの手法によれば、パワーデバイスのＯＮ／ＯＦＦの繰り返しによる熱ストレスがワイヤボンドの接合部の寿命を縮めるため、長寿命を優先すると最大接合温度を低く設計する必要があり、パワーモジュールの大型化や高コスト化を招いてしまう。
【０００３】
そこで、接合部の信頼性を向上するために、リードフレームを素子表面で直接素子の電極部に接続するダイレクトリードボンド（ＤＬＢ）方式が提案されている。
【０００４】
また、パワーデバイスの封止方法については、加熱加圧した樹脂を閉鎖した金型に注入して成形するトランスファーモールド方式が採用されている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−２３８８９２号公報
【特許文献２】特開２０１１−１０３３６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＤＬＢ方式は接合部の信頼性を向上するものの、ワイヤボンドに比べてコストが高いという問題がある。
【０００７】
また、トランスファーモールド方式によるパワーデバイスの封止は優れた信頼性と量産性を有するが、金型などの初期投資を多く必要とすることから端子形状や寸法の自由度に大きな制約があり、多品種や少量の製品群に適用するとコストが高くなるという問題がある。
【０００８】
本発明は上述の問題点に鑑み、電極端子の信頼性が高く低コストで製造可能な半導体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】
【０００９】
本発明の半導体モジュールは、絶縁基板と、前記絶縁基板上に互いに離間して形成された複数の金属パターンと、一の前記金属パターン上に半田接合されたパワーデバイスチップと、前記パワーデバイスチップが半田接合されていない前記金属パターン上と前記パワーデバイスチップ上とに半田接合されたリードフレームと、外囲ケースに設けられ、前記パワーデバイスチップが接合されていない前記金属パターン上において前記リードフレームとワイヤボンディングで接合された外部主電極と、ポッティングにより形成されて前記パワーデバイスチップ、前記リードフレーム、前記金属パターンを封止する封止樹脂とを備える。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の半導体モジュールによれば、パワーデバイスチップ上にリードフレームを半田接合するので、当該接合部はパワーデバイスチップのＯＮ／ＯＦＦに起因する熱サイクルストレスに対して高い耐性を有する。
【００１１】
さらに、リードフレームのパワーデバイスチップを搭載した金属パターンとは別の金属パターン上の部分からワイヤボンディングで外部電極と接合している。当該接合部のリードフレームはパワーデバイスチップ上部に比べて低温であるため、ワイヤボンディングを採用してコストを低減しながらも、当該接合部の信頼性を高めることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態１に係る半導体モジュールの構成を示す断面図である。
【図２】実施の形態２に係る半導体モジュールの構成を示す断面図である。
【図３】実施の形態３に係る半導体モジュールの構成を示す断面図である。
【図４】実施の形態４に係る半導体モジュールの構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１の半導体モジュールの構成を示す断面図である。この半導体モジュールでは、銅、アルミ、又はＡｌＳｉＣなどの金属からなるベース板１上に、半田３１を介して絶縁基板が接合されている。絶縁基板は、セラミック製の絶縁板２の両面に銅またはアルミの金属パターンがエッチング法で形成された構成である。絶縁板２の裏面に金属パターン２１が形成され、金属パターン２１が半田３１を介してベース板１と接合している。絶縁板２の表面には金属パターン２２，２３が形成されている。金属パターン２２上には半田３２，３４を介してＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴなどのパワーデバイスチップ３、フリーホイールダイオードチップ４がそれぞれ接合されている。
【００１４】
パワーデバイスチップ３、フリーホイールダイオードチップ４上には、それぞれ半田３３、３５を介してリードフレーム５が接合され、パワーデバイスチップ３とフリーホイールダイオードチップ４とを並列接続している。リードフレーム５は一端でパワーデバイスチップ３と接合し、他端で半田３６を介して金属パターン２３と接合している。なお、リードフレーム５に銅を用いれば、リードフレーム５自体の耐熱性を高めることが出来る。
【００１５】
外部主電極５１及び外部信号電極５２は半導体モジュールの外囲ケース８においてインサートまたはアウトサート成型で形成されている。リードフレーム５は金属パターン２３との接合箇所においてアルミワイヤ４１で外部主電極５１と接続される。外部信号電極５２はアルミワイヤ４２でパワーデバイスチップ３と接続される。アルミワイヤ４１は直径２００〜５００μｍ、アルミワイヤ４２は直径５０〜１５０μｍが一般的である。
【００１６】
絶縁板２に金属パターン２１，２２，２３を形成した後、絶縁板２を囲うようにしてＳｉゴムからなるダム６を成形型で形成する。ダム６の内部には液状のエポキシ樹脂７をポッティングして熱硬化させる。エポキシ樹脂７は、パワーデバイスチップ３やフリーホイールダイオードチップ４のＯＮ／ＯＦＦによる熱サイクルストレスから半田３３，３５を保護する。
【００１７】
さらに、外囲ケース８の内部にエポキシ樹脂７の上からシリコーンゲルなどの低弾性の封止樹脂９を充填し、エポキシ樹脂７で封止されていないアルミワイヤ４１，４２や外部主電極５１、外部信号電極５２を絶縁保護する。
【００１８】
＜効果＞
実施の形態１の半導体モジュールは、絶縁板２と、絶縁板２上に互いに離間して形成された複数の金属パターン２２，２３と、金属パターン２３上に半田接合されたパワーデバイスチップ３と、パワーデバイスチップ３が半田接合されていない金属パターン２２上とパワーデバイスチップ３上とに半田接合されたリードフレーム５と、外囲ケース８に設けられ、パワーデバイスチップ３が接合されていない金属パターン２２上においてリードフレーム５とワイヤボンディングで接合された外部主電極５１と、ポッティングにより形成されてパワーデバイスチップ３、リードフレーム５、金属パターン２２，２３を封止する封止樹脂（エポキシ樹脂７）とを備える。パワーデバイスチップ３上にリードフレーム５が半田接合されるので、ワイヤボンディングに比べて接合面積が増加し、パワーデバイスチップ３のＯＮ／ＯＦＦ動作に起因する熱ストレスに対して高い信頼性を有する。また、リードフレーム５の一端は、パワーデバイスチップ３やフリーホイールダイオードチップ４を搭載した金属パターン２２とは分離した金属パターン２３上に接合するので、動作時のリードフレーム５の温度を下げることが出来る。さらに、リードフレーム５と外部主電極５１との接合は、パワーデバイスチップ３付近に比べて低温な金属パターン２２上からワイヤボンディングにて行うため、安価なワイヤボンディングであっても高い信頼性を保つ。また、エポキシ樹脂７はポッティングにより形成するため、端子形状や寸法に制約が少なく、多品種や少量の製品群にも適用し易いという利点がある。
【００１９】
また、実施の形態１の半導体モジュールは、ポッティングにより形成する封止樹脂に液状のエポキシ樹脂を用いることにより、パワーデバイスチップ３上面の半田接合部をチップのＯＮ／ＯＦＦ動作に起因する熱ストレスから保護する。
【００２０】
また、実施の形態１の半導体モジュールは、外囲ケース８の内部でポッティングによる封止樹脂７以外の部分を封止するシリコーン樹脂９を備えるので、外部主電極５１やアルミワイヤ４１の絶縁保護が可能である。
【００２１】
（実施の形態２）
異極間では絶縁劣化が発生する確率が高くなることが実験で確認されているため、実施の形態２では絶縁板２上の金属パターンを単一にして一つの電位とすることにより絶縁性能の向上を図る。
【００２２】
図２は、実施の形態２に係る半導体モジュールの構成を示す断面図である。この半導体モジュールにおいて、絶縁板２上には単一の金属パターン２２を形成し、金属パターン２２上にパワーデバイスチップ３とフリーホイールダイオードチップ４を半田３２，３４でそれぞれ接合する。さらに、金属パターン２２のパワーデバイスチップ３から離れた端部には絶縁スペーサ１０が半田３７で接合され、絶縁スペーサ１０上に半田３６を介してリードフレーム５が接合される。この絶縁スペーサ１０は、リードフレーム５を金属パターン２２と絶縁するために設けられる。また、エポキシ樹脂７と同等（±２０％）の線膨張係数を有し、アルミワイヤ７１の荷重を支える役割も果たしている。
【００２３】
パワーデバイスチップ３、フリーホイールダイオードチップ４上には、それぞれ半田３３、３５を介してリードフレーム５が接合され、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴなどのパワーデバイスチップ３とフリーホイールダイオードチップ４とを並列接続している。リードフレーム５は一端でパワーデバイスチップ３と接合し、他端で半田３６を介して絶縁スペーサ１０と接合している。リードフレーム５は絶縁スペーサ１０との接合箇所においてアルミワイヤ４１で外部主電極５１と接続される。
【００２４】
これ以外の構成は実施の形態２と同様であるため、説明を省略する。
【００２５】
＜効果＞
実施の形態２の半導体モジュールは、絶縁板２と、絶縁板２上に形成された金属パターン２２と、金属パターン２２上に個別に半田接合されたパワーデバイスチップ３及び絶縁スペーサ１０と、パワーデバイスチップ３上と絶縁スペーサ１０上とに半田接合されたリードフレーム５と、外囲ケース８に設けられ、絶縁スペーサ１０上においてリードフレーム５とワイヤボンディングで接合された外部主電極５１と、ポッティングにより形成されてパワーデバイスチップ３、絶縁スペーサ、リードフレーム５、金属パターン２２を封止する封止樹脂７とを備える。絶縁板２上に単一の金属パターン２２を設けることにより、金属パターンを分割する場合に比べてリードフレーム５とアルミワイヤ７１の接合部の温度が高くなるが、異極間で生じる絶縁劣化を避けるため絶縁強度が向上する。また、ベース板１と絶縁基板間の半田に発生するストレスを平均化する。
【００２６】
（実施の形態３）
＜構成＞
図３は、実施の形態３に係る半導体モジュールの構成を示す断面図である。実施の形態３では実施の形態１，２よりもリードフレーム５の寸法を小さくし、半導体モジュールの小型化を図る。
【００２７】
絶縁板２の表面には金属パターン２２が形成される。金属パターン２２上には半田３２，３４を介してパワーデバイスチップ３、フリーホイールダイオードチップ４がそれぞれ接合されている。
【００２８】
パワーデバイスチップ３、フリーホイールダイオードチップ４上には、それぞれ半田３３、３５を介してリードフレーム５が接合され、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴなどのパワーデバイスチップ３とフリーホイールダイオードチップ４とを並列接続している。リードフレーム５はフリーホイールダイオードチップ４上において外部主電極５１とアルミワイヤ７１で接続される。フリーホイールダイオードチップ４はパワーデバイスチップ３に比べて温度上昇が小さいため、パワーデバイスチップ３上のリードフレーム５からワイヤボンディングするよりは、接合部の信頼性を確保することが出来る。これ以外の構成は実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。
【００２９】
＜効果＞
実施の形態３の半導体モジュールは、絶縁板２と、絶縁板２上に形成された金属パターン２２と、金属パターン２２上に個別に半田接合されたパワーデバイスチップ３及びフリーホイールダイオードチップ４と、パワーデバイスチップ３上とフリーホイールダイオードチップ４上に半田接合されたリードフレーム５と、外囲ケース８に設けられ、フリーホイールダイオードチップ４上においてリードフレーム５とワイヤボンディングで接合された外部主電極５１と、ポッティングにより形成されてパワーデバイスチップ３、フリーホイールダイオードチップ、リードフレーム５、金属パターン２２を封止する封止樹脂７とを備える。フリーホイールダイオードチップ４上のリードフレーム５から外部主電極５１とワイヤボンディングを行うので、接合部分は実施の形態１，２と比べて高温になる。しかし、リードフレーム５の寸法をパワーデバイスチップ３及びフリーホイールダイオードチップ４の投影面積に近づけることが出来るので、半導体モジュールの小型化が可能となる。半導体モジュールの寿命よりも小型化を優先する場合に、本構成は有用である。
【００３０】
（実施の形態４）
実施の形態１ではパワーデバイスチップ３とフリーホイールダイオードチップ４はリードフレーム５や金属パターン２２に対して半田接合されると説明したが、半田３２，３３，３４，３５の代わりに銀ナノ接合層６１，６２を用いても良い。
【００３１】
銀ナノ接合とは、直径がナノメートル単位のＡｇ粒子（銀ナノ粒子）を加圧や過熱により焼結させて接合する接合方式であり、この方法を用いることにより、接合部分を低抵抗で安定にすることが出来る。また、銀ナノ粒子の融点は半田よりも高いため、半田接合よりも高い耐熱性を付与することが出来る。
【００３２】
よって、銀ナノ接合層６１，６２を用いる場合には、図１に示す実施の形態１の半導体モジュールの構成から、ダム６とエポキシ樹脂７を除去し、外囲ケース８の内部を全てシリコーンゲル９で封止する構成としても良い。当該構成の半導体モジュールを図４に示す。
【００３３】
図４の構成によれば、ダムの形成工程とエポキシ樹脂の充填工程を省略できるので、製造工程を簡略化できる。
【００３４】
また、図２に示す実施の形態２や図３に示す実施の形態３の半導体モジュールの構成において、パワーデバイスチップ３やフリーホイールダイオードチップ４の両面の接合に銀ナノ接合を用い、ダム６とエポキシ樹脂７を省略した構成としても、同様の効果を奏する。
【００３５】
＜効果＞
実施の形態４の半導体モジュールにおいて、パワーデバイスチップ３は、半田接合に代えて銀ナノ接合層６１，６２により金属パターン２２及びリードフレーム５と接合されるので、半田接合に比べてより高いチップの動作温度に対応できる。
【００３６】
実施の形態４の半導体モジュールは、ポッティングによる封止樹脂であるエポキシ樹脂７を有さず、エポキシ樹脂７による封止をシリコーン樹脂９により行う。パワーデバイスチップ３のリードフレーム５や金属パターン２２との接合に銀ナノ接合を用いる場合には、半田接合よりも熱サイクルに対する信頼性を有するので、エポキシ樹脂７を省略することが可能である。これにより、ダムの形成工程とエポキシ樹脂の充填工程を省略できるので、製造工程を簡略化できる。
【符号の説明】
【００３７】
１  ベース板、２  絶縁板、３  パワーデバイスチップ、４  フリーホイールダイオードチップ、５  リードフレーム、６  ダム、７  エポキシ樹脂、８  外囲ケース、９  シリコーンゲル、１０  絶縁スペーサ、２１，２２，２３  金属パターン、３１，３２，３３，３４，３５，３６  半田、４１，４２  アルミワイヤ、５１  外部主電極、５２  外部信号電極。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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