(57)【要約】【課題】生産性を落とすことなく、外部電極に樹脂バリが付着するのを防ぐことができる半導体装置及びその製造方法を得る。【解決手段】ＩＧＢＴ１６（半導体素子）と外部電極２４は電気的に接続されている。筐体３０は、外部電極２４の一部が外部に導出するようにＩＧＢＴ１６を封止している。外部電極２４には、筐体３０から導出した部分の根本に貫通穴３４が設けられている。貫通穴３４の少なくとも一部には、筐体３０を構成する熱可塑性樹脂が充填されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、
前記半導体素子と電気的に接続された外部電極と、
前記外部電極の一部が外部に導出するように前記半導体素子を封止した熱可塑性樹脂の筐体とを備え、
前記外部電極には、前記筐体から導出した部分の根本に貫通穴が設けられ、
前記貫通穴の少なくとも一部には、前記筐体を構成する前記熱可塑性樹脂が充填されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記筐体には、前記外部電極の前記貫通穴の周辺を覆い、前記筐体の内側から外側に向かって細くなる凸部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記筐体の前記外部電極が導出される部分の近傍の前記凸部を含む領域は、前記筐体の内側に向かって沈み込んでいることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
貫通穴が設けられた外部電極を半導体素子と電気的に接続する工程と、
成形金型のキャビティに前記半導体素子を入れた状態で前記外部電極の一部を前記キャビティの外に導出し、前記キャビティに熱可塑性樹脂を注入して前記半導体素子を封止する工程とを備え、
前記半導体素子を封止する際に、前記貫通穴を前記キャビティの外縁に配置し、前記貫通穴の少なくとも一部に前記熱可塑性樹脂を充填させることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記成形金型には、前記外部電極の前記貫通穴の周辺において、前記キャビティの内側から外側に向かって狭くなる凹部が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記成形金型は、前記外部電極が導出される部分の近傍の前記凹部を含む領域において、前記キャビティの内側に向かって突出していることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱可塑性樹脂の筐体から外部電極が導出した半導体装置及びその製造方法に関し、特に生産性を落とすことなく、外部電極に樹脂バリが付着するのを防ぐことができる半導体装置及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
樹脂封止型の半導体装置は、外部電極が取り付けられた樹脂製のケースを用いたケースタイプの半導体装置に比べて、ケース接続やゲル封止の工程の削減が可能であり、耐振動性も優れている。樹脂封止型の半導体装置の製造には、ＰＰＳなどの熱可塑性樹脂を用いたインジェクションモールドや、熱硬化性樹脂を用いたトランスファモールドなどが用いられる。インジェクションモールドの成形時間は、およそ３０秒であり、トランスファモールドのおよそ５分の１である。そして、インジェクションモールドは、樹脂の硬化を完了させるキュアを必要としないため、生産性が高い。
【０００３】
インジェクションモールドにおいて、樹脂が成形金型内に充填されると、成形機で設定した充填圧力で成形金型内が高圧となる。この段階で外部電極の導出部と成形金型との間隙に樹脂が押し込まれて、外部電極に樹脂バリが付着する。外部電極は電流の入出力のための端子であり、数百Ａの通電が行われる場合もある。このため、絶縁体である樹脂バリが外部電極に付着していると、接触抵抗が増大し、電力損失の増大や異常発熱が発生する。
【０００４】
従って、樹脂バリを取る必要があるが、薄い樹脂バリは除去が困難であるため、モールド時において樹脂バリを防ぐ方が望ましい。このような樹脂バリ防止方法として、樹脂の成形温度を下げて、流動性を抑制する方法が提案されている（例えば、特許文献１の図１及び図３参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開平９−２３２３４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の方法では成形後に熱処理が必要になる。このような熱処理や樹脂バリ取りなどの後処理により、製造時間が長くなり、生産性が落ちるという問題があった。
【０００７】
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、生産性を落とすことなく、外部電極に樹脂バリが付着するのを防ぐことができる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】
【０００８】
本発明に係る半導体装置は、半導体素子と、前記半導体素子と電気的に接続された外部電極と、前記外部電極の一部が外部に導出するように前記半導体素子を封止した熱可塑性樹脂の筐体とを備え、前記外部電極には、前記筐体から導出した部分の根本に貫通穴が設けられ、前記貫通穴の少なくとも一部には、前記筐体を構成する前記熱可塑性樹脂が充填されている。
【０００９】
本発明に係る半導体装置の製造方法は、貫通穴が設けられた外部電極を半導体素子と電気的に接続する工程と、成形金型のキャビティに前記半導体素子を入れた状態で前記外部電極の一部を前記キャビティの外に導出し、前記キャビティに熱可塑性樹脂を注入して前記半導体素子を封止する工程とを備え、前記半導体素子を封止する際に、前記貫通穴を前記キャビティの外縁に配置し、前記貫通穴の少なくとも一部に前記熱可塑性樹脂を充填させる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明により、生産性を落とすことなく、外部電極に樹脂バリが付着するのを防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る半導体装置の外形を示す斜視図であり、図２は、実施の形態１に係る半導体装置の内部構造を示す斜視図である。図３は図１のＩ−Ｉにおける断面図であり、図４は図１のＩＩ−ＩＩにおける断面図である。
【００１２】
放熱板１０は、縦４０ｍｍ×横６０ｍｍ、厚さ２ｍｍであり、アルミニウムを基材とする高熱伝導材料からなる。この放熱板１０上にセラミック板１２が搭載されている。セラミック板１２は、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素などの比較的熱伝導率の高い物質からなる。セラミック板１２上に、電力用半導体装置の回路を構成する厚さ０．３ｍｍの銅パターン１４ａが形成されている。セラミック板１２の裏面にも同様に銅パターン１４ｂが形成されている。裏面の銅パターン１４ｂと放熱板１０は、はんだ付などの放熱性の高い接続方法によって固着されている。
【００１３】
セラミック板１２上にＩＧＢＴ１６（半導体素子）とフリーホイールダイオード１８が搭載されている。ＩＧＢＴ１６は、縦７．５ｍｍ×横９ｍｍ、厚さが２５０μｍであり、表面にゲート電極とエミッタ電極を有し、裏面にコレクタ電極を有する。フリーホイールダイオード１８は、縦４ｍｍ×横９ｍｍ、厚さ２５０μｍであり、表面にアノード電極を有し、裏面にカソード電極を有する。
【００１４】
ＩＧＢＴ１６のコレクタ電極及びフリーホイールダイオード１８のカソード電極は、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕなどを基材とする半田を介して銅パターン１４ａに接続されている。ＩＧＢＴ１６のエミッタ電極及びフリーホイールダイオード１８のアノード電極は、厚さ０．３ｍｍの銅からなるリード２０を介して銅パターン１４ａに接続されている。ＩＧＢＴ１６のゲート電極は、アルミワイヤ２２を介して銅パターン１４ａに接続されている。
【００１５】
外部電極２４及び信号電極２６は、それぞれはんだ付けなどによって銅パターン１４ａに接続されている。即ち、ＩＧＢＴ１６と外部電極２４は銅パターン１４ａを介して電気的に接続されている。外部電極２４は、０．８ｍｍ厚程度の銅板であり、外部装置との間で１００Ａ以下の電流を入出力する。信号電極２６は、０．５ｍｍ□程度の細い電極であり、半導体素子を動作させる小さな電流を入出力する。このような細い信号電極２６ははんだ付けだけでは支持が困難であるため、はんだ付温度までの耐熱性を有する部材２８を用いて信号電極２６の間隔を維持している。
【００１６】
筐体３０は、外部電極２４及び信号電極２６の一部が外部に導出するようにＩＧＢＴ１６等を封止している。筐体３０は、ガラス繊維を配合することで強度を向上させたＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）やＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）などの熱可塑性樹脂からなる。放熱板１０の裏面から筐体３０の外部電極２４が導出している所までの高さは１７ｍｍ、筐体３０の外形は縦４５ｍｍ×横８０ｍｍである。
【００１７】
ＩＧＢＴ１６やフリーホイールダイオード１８で発生した熱は、放熱板１０の裏面からシリコーングリスなどの放熱補助部材（図示せず）を介して、ヒートシンク（図示せず）に放熱される。そこで、放熱板１０とヒートシンクとの熱交換を確実にするために、筐体３０には、ヒートシンクにネジ締結するための穴３２が形成されている。
【００１８】
外部電極２４には、筐体３０から導出した部分（導出部）の根本に直径２ｍｍの貫通穴３４が設けられている。貫通穴３４の少なくとも一部には、筐体３０を構成する熱可塑性樹脂が充填されている。外部電極２４は貫通穴３４の部分で折り曲げられて、外部電極２４の先端が筐体３０の上面と概ね平行になっている。外部電極２４の穴３６と筐体３０の穴３８にナット４０が挿入されて、外部電極２４がネジ止めされている。
【００１９】
本実施の形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。まず、貫通穴３４が設けられた外部電極２４をＩＧＢＴ１６と電気的に接続する等の工程を行って、図２に示す構造を形成する。
【００２０】
次に、図５に示すように、成形金型４２のキャビティ４４内にＩＧＢＴ１６等を入れた状態で外部電極２４の一部をキャビティ４４の外に導出する。この際に、貫通穴３４をキャビティ４４の外縁に配置する。
【００２１】
次に、図６に示すように、インジェクションモールド法によって、キャビティ４４に熱可塑性樹脂を注入してＩＧＢＴ１６等を封止して筐体３０を形成する。この際に、外部電極２４及び信号電極２６の一部と、放熱板１０の裏面は露出させる。また、貫通穴３４の少なくとも一部に熱可塑性樹脂を充填させる。その後、外部電極２４を曲げる等の工程を経て、本実施の形態に係る半導体装置が製造される。
【００２２】
ここで、モールド時において貫通穴３４には熱可塑性樹脂が早期に充填される。そして、熱可塑性樹脂は、成形金型４２に熱を奪われて次第に流速が遅くなり、やがて固化される。従って、キャビティ４４内において樹脂の充填圧力が上昇する頃には、外部電極２４の導出部の根本において樹脂が十分に固化されている。これにより、外部電極２４の導出部と成形金型４２との間隙に樹脂が押し込まれるのを抑制できるため、外部電極２４に樹脂バリが付着するのを防ぐことができる。また、熱処理や樹脂バリ取りなどの後処理が不要であるため、生産性を落とさない。
【００２３】
また、モールド時に外部電極２４の表裏に印加される圧力が貫通穴３４によって均等になる。このように圧力が分散されることも、樹脂バリの発生の抑制に寄与している。
【００２４】
また、外部電極２４が貫通穴３４内の樹脂で強固に支えられるため、貫通穴３４を形成した部分で外部電極２４を比較的容易に折り曲げることができ、外部電極２４の曲げ形状が安定する。樹脂が貫通穴３４を通過する際に樹脂に混合されたガラス繊維が揃うことで、筐体３０の強度が増す。従って、外部電極２４に他の設備や電源からのケーブルの圧着端子をネジ止めする際に、例えば工程短縮のために自動のネジ締め装置を使った場合に、瞬間的に規定値より大きな締め付け力が加わっても筐体３０が割れ難い。
【００２５】
また、ＰＰＳやＰＢＴなどの熱可塑性樹脂は金属との密着性が低いため、外部電極２４の導出部から筐体３０内への水分の浸入が懸念される。これに対し、外部電極２４に貫通穴３４を設けることで、モールド時の樹脂の硬化収縮による圧縮応力を維持できるため、水分の侵入経路が減少し、信頼性が向上する。
【００２６】
なお、貫通穴３４の形状や大きさは、外部電極２４の電気抵抗や強度を考慮して、外部電極２４の厚さや成形金型との間隙、使用する樹脂の粘度に合わせて自由に選択することができる。樹脂の粘度はガラス繊維などのフィラーを多く含むほど高くなる。粘度の高い樹脂を用いる場合は、貫通穴３４を大きくする。例えば３００Ｐａ・ｓの樹脂を用いる場合には、直径３〜４ｍｍの１つの貫通穴３４を形成する。一方、粘度の低い樹脂、例えば１００Ｐａ・ｓの樹脂を用いる場合には、図７に示すように直径１ｍｍ程度の小さい貫通穴３４を複数並べる。粘度の低い樹脂は小さい貫通穴３４でも十分に流入される。また、粘度の低い樹脂を用いると樹脂バリが発生しやすいが、貫通穴３４の間隔を小さくすることによって樹脂バリの発生を抑制することができる。また、図８に示すように貫通穴３４を楕円するか、長方形にしてもよい。これにより、折り曲げ部で外部電極２４の面積が小さくなり、更に樹脂バリの発生を抑制することができる。
【００２７】
また、外部電極２４としてネジ止め電極を用いたが、これに限らず、はんだ付け電極や圧接電極を用いてもよい。これらの場合でも、外部電極２４に樹脂バリが付着するのを防ぐことで同様の効果を有する。
【００２８】
また、銅パターン１４ａの回路上をエポキシ系又はシリコーン系の樹脂でコーティングしてもよい。これにより、絶縁耐圧及び信頼性が向上し、外部電極２４からの水分の侵入を防止することもできる。
【００２９】
また、セラミック板１２の表裏に銅パターン１４ａ，１４ｂが形成されたセラミック基板を用いたが、これに限らず、メタルベース基板を用いてもよい。放熱板１０上にセラミック板１２を搭載する代わりに、高熱伝導のフィラーを接着性のあるエポキシ絶縁層に混合したものを用いて放熱板１０上に銅パターン１４ａを接着してもよい。
【００３０】
また、半導体素子としてＩＧＢＴを用いた電力用半導体装置に限らず、例えばＭＯＳＦＥＴモジュールやダイオードモジュールでもよい。筐体３０を構成する材料として、ＰＰＳやＰＢＴに限らず、ＬＣＰ（液晶ポリマー）などを用いてもよい。その他、本発明の効果を損ねない範囲で様々な変更が可能である。これらの変更は以下の実施の形態でも同様に適用できる。
【００３１】
実施の形態２．
図９は、実施の形態２に係る半導体装置を示す断面図である。この図９は図１のＩＩ−ＩＩにおける断面図に対応する。電力用半導体装置の外形は実施の形態１とほぼ同一のため、説明を省略する。  
【００３２】
筐体３０には、筐体３０の一部が突出して外部電極２４の貫通穴３４の周辺を覆う凸部４６が設けられている。凸部４６は、貫通穴３４の領域内に存在し、筐体３０の内側から外側に向かって細くなる。また、凸部４６は、筐体３０の平面に対して概ね４０度ぐらいの角度で構成される。なお、２０度以下の場合は、外部電極２４を曲げる際に先端が欠損するのを防ぐため、先端の一部を平坦にする必要がある。  
【００３３】
本実施の形態に係る半導体装置を製造する場合、図１０のような成形金型を用いる。  成形金型４２には、外部電極２４の貫通穴３４の周辺において、キャビティ４４の内側から外側に向かって狭くなる凹部４８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。
【００３４】
ここで、外部電極２４に３００Ａ以上の大電流を通電する場合、外部電極２４での電力損失が大きくなるので、貫通穴３４の面積を大きくすることができない。そこで、本実施の形態では、貫通穴３４の周辺において凹部４８を形成して、貫通穴３４への樹脂の充填性を向上させている。これにより粘度の高い樹脂を使った場合でも、外部電極２４に樹脂バリが付着するのを防ぐことができる。
【００３５】
また、成形金型４２の凹部４８は、キャビティ４４内に樹脂を注入するゲートに近い側に形成するのが有効である。ただし、樹脂量のバランスを考慮すると、貫通穴３４の両側に形成することが好ましい。
【００３６】
また、筐体３０の凸部４６は、外部電極２４に接続するケーブルの圧着端子の位置決めに使用することができるため、組み立て性が向上する。なお、圧着端子のサイズやケーブルの配線方向の都合で凸部４６が干渉してしまう場合には、凸部４６が外部電極２４の表面から出ないようにするために、筐体３０の上面から突出している貫通穴３４の高さを外部電極２４の厚み以下とすれば良い。
【００３７】
また、筐体３０の凸部４６が貫通穴３４の周辺を覆うため、外部電極２４の変形に対する筐体３０の強度が実施の形態１よりも増す。従って、大電流に対応するために厚さが１ｍｍを超える外部電極２４を使用した場合でも、筐体３０が割れるのを防ぐことができる。
【００３８】
また、筐体３０の凸部４６は、外部電極２４を曲げる際に干渉しないようにするため、貫通穴３４の領域内に存在するのが好ましい。ただし、外部電極２４の曲げＲで吸収されるため、外部電極２４の厚さ分であれば貫通穴３４の領域外に凸部４６が存在してもよい。
【００３９】
実施の形態３．
図１１は、実施の形態３に係る半導体装置の外形を示す斜視図であり、図１２は図１１のＩＩＩ−ＩＩＩにおける断面図である。電力用半導体装置の外形は、外部電極２４の導出部の根本付近を除いて、実施の形態１とほぼ同一のため、説明を省略する。  
【００４０】
筐体３０の外部電極２４が導出される部分の近傍２ｍｍ程度の凸部４６を含む領域は、筐体３０の表面から１ｍｍ程度内側に向かって沈み込んでいる。
【００４１】
本実施の形態に係る半導体装置を製造する場合、図１３のような成形金型を用いる。  成形金型４２は、外部電極２４が導出される部分の近傍の凹部４８を含む領域において、キャビティ４４の内側に向かって突出している。その他の構成は実施の形態２と同様である。
【００４２】
ここで、実施の形態２の場合、樹脂の流動性、外部電極２４の厚さ、位置精度などの問題から、外部電極２４を曲げる際に凸部４６が干渉する可能性がある。これに対し、本実施の形態では、筐体３０の外部電極２４が導出される部分の近傍の凸部４６を含む領域が、筐体３０の表面から内側に向かって沈み込んでいるため、外部電極２４を曲げる際に凸部４６が干渉するのを防ぐことができる。
【００４３】
また、筐体３０を成形する際に、外部電極２４と成形金型４２の位置決めが必要となる。特に、外部電極２４をセラミック板１２上にはんだ付けする場合は、位置精度が良くなく、部材の寸法公差も考慮してプラスマイナス０．５ｍｍぐらいの位置ズレを許容しなくてはならない。しかし、成形金型４２と外部電極２４との間に０．５ｍｍの隙間を開けてしまうと、最大で１ｍｍ厚の樹脂バリが発生してしまう。これに対し、本実施の形態の成形金型４２は外部電極２４をそれ用の穴に誘い込み易い構造であるため、外部電極２４のはんだ付け位置精度が±１ｍｍ程度まで許容され、製造が容易になる。
【００４４】
かかる効果を発揮するためには、成形金型４２のキャビティ４４の内側への突出を外部電極２４の厚さ以上にすることが好ましい。成形金型４２の凹部４８の傾斜角度は、外部電極２４が１ｍｍ以上と厚い場合には例えば４５度と大きく、外部電極２４が薄い場合には例えば３０度と小さくすることで、成形金型４２や内部の電気回路へのダメージを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】実施の形態１に係る半導体装置の外形を示す斜視図である。
【図２】実施の形態１に係る半導体装置の内部構造を示す斜視図である。
【図３】図１のＩ−Ｉにおける断面図である。
【図４】図１のＩＩ−ＩＩにおける断面図である。
【図５】実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図６】実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図７】実施の形態１に係る半導体装置の変形例を示す断面図である。
【図８】実施の形態１に係る半導体装置の変形例を示す断面図である。
【図９】実施の形態２に係る半導体装置を示す断面図である。
【図１０】実施の形態２に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図１１】実施の形態３に係る半導体装置の外形を示す斜視図である。
【図１２】図１１のＩＩＩ−ＩＩＩにおける断面図である。
【図１３】実施の形態３に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【符号の説明】
【００４６】
１６  ＩＧＢＴ（半導体素子）
２４  外部電極
３０  筐体
３４  貫通穴
４２  成形金型
４４  キャビティ
４６  凸部
４８  凹部
【図１】
2009277959.tif 000003
【図２】
2009277959.tif 000004
【図３】
2009277959.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2009277959.tif 000009
【図８】
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【図９】
2009277959.tif 000011
【図１０】
2009277959.tif 000012
【図１１】
2009277959.tif 000013
【図１２】
2009277959.tif 000014
【図１３】
2009277959.tif 000015