JP2005005638A - 半導体モジュールおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】パワー半導体2または駆動IC3等の回路素子をボンディングワイヤ4,5によりリードフレーム1の回路パターンに接続して成形樹脂6で覆い、この成形樹脂6の反対面に、セラミックス絶縁層7を形成した半導体モジュール100とした。また、セラミックス絶縁層7をプラズマ溶射法・コールドスプレーにより形成する半導体モジュール100の製造方法とした。
【選択図】 図1
Description
【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、樹脂によって封止され、形成される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、金属ベース基板やセラミックス基板などの配線板に搭載される。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、プラスチックケース枠を接着し、シリコーンゲルやエポキシ樹脂などで封止することによって半導体モジュールを製造する。
【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り製造され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。
【0004】
図5に、このような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21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24,25により相互に接続されている。これらの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。
【0005】
図6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5に示したフルモールド半導体モジュールの構成に加え、さらにその下部にヒートシンク27を設けたものである。以下、図5,図6で示すように、リードフレームおよび回路素子が全て成型樹脂で覆われるようなフルモールド半導体モジュールを説明の便宜上のため、特に通常フルモールド半導体モジュールという。
【0006】
さらに、図7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。リードフレーム21に接触する金属ベース基板28が外部に露出するようなフルモールド半導体モジュールであり、導電層である銅箔28a,絶縁層28bおよびヒートシンク28cを積層した金属ベース基板28を設け、金属ベース基板28に絶縁と熱放出の2つの機能を持たせるようにしたものである。
【0007】
また、フルモールド半導体モジュールの他の従来技術として、ヒートシンクの露出面にアルミナ等を溶射した電気絶縁層が外部に露出するように構成され、電気絶縁部材,ヒートシンクおよび電気絶縁層を介してプリント回路基板へ効率的に熱放射するような樹脂封止型半導体装置について開示されている(例えば、特許文献2参照)。以下、図7および特許文献2で示すように、リードフレームおよび回路素子が直接接触するヒートシンクを外部に露出するようなフルモールド半導体モジュールを、説明の便宜上のため、特に一部露出型フルモールド半導体モジュールという。
【0008】
なお、特許文献2では電機絶縁層としてアルミナ等を溶射する点が記載されているが、一般的な層形成方法として、例えば特許文献3(発明の名称:複合構造物の作成方法および作成装置),特許文献4(発明の名称:超微粒子材料吹き付け成膜方法)などに記載された先行技術が知られている。
【0009】
【特許文献1】
特開平9−139461号公報(段落番号0038、図1)
【特許文献2】
特開平11−87573号公報(段落番号0010〜0011、図1)
【特許文献3】
特開2001−181859号公報(段落番号0053〜0071、図1〜図10)
【特許文献4】
特開2002−20878号公報(段落番号0013〜0031、図1〜図10)
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術の通常フルモールド半導体モジュール(図5,図6の半導体モジュール,特許文献1の図1の半導体パワーモジュール)では、その冷却性能が、金属ベース基板を用いた一部露出型フルモールド半導体モジュール(図7の半導体モジュール,特許文献2の図1の樹脂封止型半導体装置)の冷却性能よりも劣っていた。
【0011】
この原因としては、一部露出型半導体モジュールは、絶縁層(図7の絶縁層28aまたは特許文献2の図1の電気絶縁部材6等)の厚みを100〜150μmと薄くでき、パワー半導体の下部の熱抵抗を小さくすることができる一方で、通常フルモールド半導体モジュール(図5,図6の半導体モジュール,特許文献1の図1の半導体パワーモジュール)では、成形樹脂の充填性を確保するため成形樹脂の厚さを300μm以上にする必要があり、パワー半導体の下部の熱抵抗が大きくなる、ということが理由として挙げられる。
【0012】
例えば、図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26の下側の厚さ(リードフレーム21から下側表面までの厚さ)を200μm以下とすると、金型内で成形樹脂26の未充填部が発生し、絶縁不良が生じる。また、このような未充填部の発生を防止するため、成形時の樹脂注入圧力を高くして充填性を向上させることが可能であるが、ボンディングワイヤ24,25の変形、断線の原因にもなるため採用できないものであり、成型樹脂26の下側の厚さを薄くできなかった。
【0013】
図6に示したフルモールド半導体モジュールにおいても同様であり、例えば、リードフレーム21とヒートシンク27との間隙の成形樹脂26の厚さを200μm以下とすると、成形樹脂26の未充填部が残留し、絶縁不良が生じる。成形時の樹脂注入圧力を高くして充填性を向上させるとボンディングワイヤ24,25の変形、断線の原因にもなり、成型樹脂26の間隙を薄くできなかった。このような問題は特許文献1に記載された従来技術でも起こりうる問題である。
【0014】
このように従来の通常フルモールド半導体モジュールは熱抵抗が高く冷却特性が劣るものであり、現状では実用上の冷却特性を考慮して、フルモールド半導体モジュールの消費電力の適用範囲は200V50A程度までしか採用できなかった。電流容量が50Aを超えるパワー半導体を使用するとロスが大きくなって熱発生量が大きくなり、通常フルモールド半導体モジュールでは冷却性能が不十分であった。このように電流容量が50Aを超えるパワー半導体を搭載した通常フルモールド半導体モジュールの実用化が困難であるという問題があった。
【0015】
また、一部露出型フルモールド半導体モジュール(図7,特許文献2)において、例えば、図7で示すように、予め絶縁層28bとヒートシンク28cとが張り合わされた金属ベース基板28を用いることにより下側に成形樹脂がない構成とし、成形樹脂の充填性を考慮して厚みを確保する必要をなくすとともにパワー半導体下部の熱抵抗を小さくしている。
しかしながら、金属ベース基板28を別途製造しておく必要があるため、材料コスト・製造コストが増大するという問題点があった。このような問題は特許文献2に記載された従来技術でも起こりうる問題である。
【0016】
また、図7で示す一部露出型フルモールド半導体モジュールの金属ベース基板28の絶縁層28bには、エポキシ樹脂に無機フィラー(酸化珪素(SiO2)、酸化アルミニウム(Al2O3)、窒化珪素(Si3N4)、窒化ホウ素(BN)、窒化アルミニウム(AlN)からなるフィラー群から1種類以上を選択したもの)を充填し熱伝導率を向上させているが、現状の熱伝導率は3〜4W/m・Kが限度であり、冷却性能に限界があった。
【0017】
なお、熱伝導率を増大させて熱抵抗を小さくするため、配線板に酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウムなどを焼結体であるセラミックス性の配線板を用いることもできる。この場合、冷却性能は向上するが製造コストが金属ベース基板より増大するという問題点があった。
【0018】
まとめると、通常フルモールド半導体モジュールでは、充填性の維持のため等の理由により熱抵抗が小さくできないという問題があり、また、一部露出型フルモールド半導体モジュールでは、熱抵抗を小さくできるが材料コスト・製造コストの増加が防げないという問題があった。
【0019】
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、コスト上昇を抑えつつ放熱特性を向上させた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。
【0020】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の請求項1に係る発明の半導体モジュールは、
1または複数の回路素子を搭載し、樹脂封止してなる半導体モジュールにおいて、
前記回路素子を搭載するリードフレームと、
前記回路素子および前記リードフレームの回路素子搭載面を少なくとも封止する樹脂と、
少なくとも前記リードフレームの回路素子非搭載面に直接形成したセラミックス絶縁層と、
を備えることを特徴とする。
【0021】
また、本発明の請求項2に係る発明の半導体モジュールは、
1または複数の回路素子を搭載し、樹脂によって封止され、形成された半導体モジュールにおいて、
回路素子を搭載するための回路パターンが形成されたリードフレームと、
回路素子およびリードフレームを覆うように一方の面に設けられる成形樹脂と、
成形樹脂およびリードフレームを覆うように他方の面に設けられるセラミックス絶縁層と、
を備えることを特徴とする。
【0022】
この構成によれば、半導体モジュールの下部に設けられるセラッミクス絶縁層は、内側ではリードフレームと接触し、また外側では外部に露出する。このセラッミクス絶縁層は、熱伝導率が大きい(つまり熱抵抗が小さい)セラミックス材料であるため、回路素子下部の熱抵抗を小さくして放熱性を向上することができる。
【0023】
また、本発明の請求項3に係る発明の半導体モジュールは、
請求項2に記載の半導体モジュールにおいて、
前記セラミックス絶縁層は、熱伝導率が4〜270W/m・Kであり、かつ厚さが50〜500μmであることを特徴とする。
【0024】
また、本発明の請求項4に係る発明の半導体モジュールは、
請求項2または請求項3に記載の半導体モジュールにおいて、
前記セラミックス絶縁層は、酸化珪素、酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化ホウ素、窒化アルミニウムの中の1または2以上を選択的に組み合わせたセラミックス材料により溶射形成される層であることを特徴とする。
【0025】
また、本発明の請求項5に係る発明の半導体モジュールの製造方法は、
1または複数の回路素子を搭載し、樹脂によって封止され、形成された半導体モジュールの製造方法において、
予め成形加工されたリードフレームに回路素子を接合する第1工程と、
回路素子とリードフレームとをボンディングワイヤにより接続する第2工程と、
回路素子およびリードフレームを覆う成形樹脂を一方の面に形成する第3工程と、
溶射法により粒子セラミックスを他方の面に溶射して、成形樹脂およびリードフレームを覆うセラミックス絶縁層を形成する第4工程と、
を有することを特徴とする。
【0026】
また、本発明の請求項6に係る発明の半導体モジュールは、
1または複数の回路素子を搭載し、樹脂によって封止され、形成された半導体モジュールにおいて、
回路素子を搭載するための回路パターンが形成されたリードフレームと、
リードフレームの回路パターンが形成された面の反対面を覆うようにリードフレームに設けられるセラミックス絶縁層と、
回路素子、リードフレームおよびセラミックス絶縁層を覆い、かつセラミックス絶縁層の一部が外界に露出するように設けられる成形樹脂と、
を備えることを特徴とする。
【0027】
この構成でも、半導体モジュールの下部に設けられるセラッミクス絶縁層は、内側ではリードフレームと接触し、また外側では外部に露出する。このセラッミクス絶縁層は、熱伝導率が大きい(つまり熱抵抗が小さい)セラミックス材料であるため、回路素子下部の熱抵抗を小さくして放熱性を向上することができる。
【0028】
また、本発明の請求項7に係る発明の半導体モジュールは、
請求項6に記載の半導体モジュールにおいて、
前記セラミックス絶縁層は、熱伝導率が4〜270W/m・Kであり、かつ厚さが50〜500μmであることを特徴とする。
【0029】
また、本発明の請求項8に係る発明の半導体モジュールは、
請求項6または請求項7に記載の半導体モジュールにおいて、
前記セラミックス絶縁層は、酸化珪素、酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化ホウ素、窒化アルミニウムの中の1または2以上を選択的に組み合わせたセラミックス材料により溶射形成される層であることを特徴とする。
【0030】
また、本発明の請求項9に係る発明の半導体モジュールの製造方法は、
1または複数の回路素子を搭載し、樹脂によって封止され、形成された半導体モジュールの製造方法において、
予め成形加工されたリードフレームの回路パターンが形成された面の反対面に溶射法により粒子セラミックスを溶射してセラミックス絶縁層を設ける第1工程と、
リードフレームの回路パターンが形成された面に回路素子を接合する第2工程と、
回路素子とリードフレームとをボンディングワイヤにより接続する第3工程と、
回路素子、リードフレームおよびセラミックス絶縁層を覆い、かつセラミックス絶縁層の一部が外界に露出するように成形樹脂を設ける第4工程と、
を有することを特徴とする。
【0031】
また、本発明の請求項10に係る発明の半導体モジュールの製造方法は、
請求項5または請求項9に記載された半導体モジュールの製造方法において、
前記溶射法は、プラズマ溶射法であることを特徴とする。
【0032】
また、本発明の請求項11に係る発明の半導体モジュールの製造方法は、
請求項5または請求項9に記載された半導体モジュールの製造方法において、
前記溶射法は、コールドスプレーであることを特徴とする。
【0033】
【発明の実施の形態】
続いて、本発明の第1実施形態に係る半導体モジュールおよびその製造方法について、図を参照しつつ以下に説明する。図1は本実施形態の半導体モジュールの断面構成図である。
【0034】
本実施形態の半導体モジュール100は、図1で示すように、リードフレーム1、パワー半導体2、駆動IC3、ボンディングワイヤ4,5、成形樹脂6、セラミックス絶縁層7を備える。
このリードフレーム1の上には、回路素子の一具体例であるパワー半導体2、回路素子の一具体例である駆動IC3が実装され、ボンディングワイヤ4,5により相互に接続されている。これらリードフレーム1、パワー半導体2、駆動IC3、ボンディングワイヤ4,5を覆うように一方の側(図1では上側)で成形樹脂6が形成され、さらに他方の側(図1では下側)に成形樹脂6およびリードフレーム1を覆うようにセラミックス絶縁層7が形成される。
【0035】
このセラミックス絶縁層7は、酸化珪素(SiO2)、酸化アルミニウム(Al2O3)、窒化珪素(Si3N4)、窒化ホウ素(BN)、窒化アルミニウム(AlN)の中の1または2以上を選択的に組み合わせたセラミックス材料により形成されたものであり、熱伝導率が4〜270W/m・Kであり、厚さaが50〜500μmである。
【0036】
例えば、酸化珪素(SiO2)のみのセラミックス材料により形成されたセラミックス絶縁層7は、熱伝導率が約10W/m・Kであり、放熱特性を向上させている。なお、厚さは50〜500μmから任意の厚さを選択することができる。厚さが大きくなるにつれて外界からの衝撃に対する耐衝撃性を向上させることができるが熱抵抗が増大するというトレードオフの関係にあり、例えば150μmというような値が選択される。
【0037】
また、酸化アルミニウム(Al2O3)のみのセラミックス材料により形成されたセラミックス絶縁層7は、熱伝導率が20〜40W/m・Kであり、放熱特性を向上させている。厚さは50〜500μmから任意の厚さを選択することができ、例えば150μmというような値が選択される。
【0038】
また、窒化珪素(Si3N4)のみのセラミックス材料により形成されたセラミックス絶縁層7は、熱伝導率が約30〜80W/m・Kであり放熱特性を向上させている。厚さは50〜500μmから任意の厚さを選択することができ、例えば150μmというような値が選択される。
【0039】
また、窒化ホウ素(BN)のみのセラミックス材料により形成されたセラミックス絶縁層7は、熱伝導率が約60W/m・Kであり放熱特性を向上させている。厚さは50〜500μmから任意の厚さを選択することができ、例えば150μmというような値が選択される。
【0040】
また、窒化アルミニウム(AlN)のみのセラミックス材料により形成されたセラミックス絶縁層7は、熱伝導率が約70〜270W/m・Kであり放熱特性を向上させている。厚さは50〜500μmから任意の厚さを選択することができ、例えば150μmというような値が選択される。
【0041】
また、これら酸化珪素(SiO2)、酸化アルミニウム(Al2O3)、窒化珪素(Si3N4)、窒化ホウ素(BN)、窒化アルミニウム(AlN)の中の2以上を選択的に組み合わせたセラミックス材料により形成されたセラミックス絶縁層7は、熱伝導率が約4〜270W/m・Kの範囲内に入るように組成比が調整され、放熱特性を向上させている。厚さは50〜500μmから任意の厚さを選択することができ、例えば150μmというような値が選択される。
【0042】
これら酸化珪素(SiO2)、酸化アルミニウム(Al2O3)、窒化珪素(Si3N4)、窒化ホウ素(BN)、窒化アルミニウム(AlN)の中の1または2以上を選択的に組み合わせたセラミックス材料により形成されたセラミックス絶縁層7を厚み150μmで形成した半導体モジュールは、交流破壊電圧で10kV以上有しており、耐電圧定格が1200Vのパワー半導体3に使用できることが実験により確認されている。
【0043】
このような半導体モジュール100を回路基板に実装すると、例えば図示しない回路基板にこのセラミックス絶縁層7が接触して、回路基板を通じて放熱されることとなるが、従来よりも格段に熱抵抗が小さい(熱伝導率が大きい)セラミックス絶縁層7を通じて効率的に放熱されることとなり、放熱特性を向上させることができる。
【0044】
続いて、半導体モジュール100の製造方法について図を参照しつつ説明する。図2は、本実施形態の半導体モジュール100の製造方法の説明図である。
(1)0.3〜1.0mm程度の銅板を、プレス加工により打ち抜いて、所定の回路パターンが形成されたリードフレーム1を製作する(図2(a))。
【0045】
(2)リードフレーム1にパワー半導体2および駆動IC3をはんだ付けにより接合する(図2(b))。
はんだ付けはペレット状のはんだを利用し、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理由は、リードフレーム1の表面の酸化膜を水素還元により除去して活性化させることにより、はんだとの濡れ性を向上させるためである。はんだ材料には、例えば、Sn−Pb−Agからなる高温はんだ、Sn−Ag−Cu系からなる鉛フリーはんだを用いる。これらはんだは高温の成形樹脂に接触しても溶けないはんだであり、はんだ付けの温度は、はんだの融点に応じて設定される。
【0046】
なお、パワー半導体2とリードフレーム1のはんだ層にボイド(空孔)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、はんだが溶融している状態で、10Torr以下の真空引きを行う。真空環境下、泡が大きくなってはじけ、ボイドは消滅する。
【0047】
(3)ボンディングワイヤ4,5による接続を行う(図2(c))。リードフレーム1の回路とパワー半導体2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。リードフレーム1の回路と駆動IC3とを接続するボンディングワイヤ5は、線径が10μm程度のAuワイヤを使用して超音波接合する。
【0048】
(4)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(図示せず)。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樹脂をプランジャーにて金型内に流し込む。
この樹脂は、マトリクス(主剤)としてエポキシ樹脂を用い、フィラー(添加物)として酸化珪素(SiO2)、酸化アルミニウム(Al2O3)、窒化珪素(Si3N4)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化ホウ素(BN)の中の1または2以上を選択的に組み合わせたセラミック粉末を添加したものであり、熱伝導率は2〜5W/m・Kとなる。
【0049】
(5)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し、成形樹脂6を形成する(図2(d))。
なお、このようにして形成したセラミックス絶縁層形成前の半導体モジュールの底面は、リードフレーム1および成形樹脂6が下側に露出するが、同一平面となるように形成されている(理由は後述する)。従来技術ではリードフレーム1の下側にも成型樹脂を充填する必要があり、未充填部が発生するおそれがあったが、本実施形態ではリードフレーム1の下側に成形樹脂を充填させないため従来技術のような未充填部が発生する事態をなくし、また、充填性を考慮する必要もなくしている。
【0050】
(6)恒温槽から取り出したセラミックス絶縁層形成前の半導体モジュールの底面へマスク8をあてて、プラズマ溶射法にセラミックス絶縁層7を形成する(図2(e))。プラズマ溶射法は、加熱によりセラミックス粉末を溶融もしくは軟化させて微粒子状の粒子セラミックスとして加速し、セラミックス絶縁層形成前の半導体モジュールの底面に衝突させて、微粒子を凝固・堆積させて積層し、セラミックス絶縁層7を形成するというものである。
リードフレーム1および成形樹脂6が下側に露出する半導体モジュールの底面は、先に説明したように同一平面に形成されており、セラミックス絶縁層7の積層後に凹凸等が形成されることなく、セラミックス絶縁層7の下側面は平面状に形成される。
【0051】
このセラミックス粉末には酸化珪素(SiO2)、酸化アルミニウム(Al2O3)、窒化珪素(Si3N4)、窒化ホウ素(BN)、窒化アルミニウム(AlN)のセラミックス群の中から1種類を選択した粉末、または、セラミックス群の中から2種類以上を選択して混合した粉末を用いる。溶射方法は、例えば、プラズマ溶射法を用い、雰囲気は大気もしくは減圧下で行う。セラミックス絶縁層7の厚みは溶射時間を増減させて調整できる。セラミックス絶縁層7の厚みは50〜500μmが可能で、特に、150μmが好ましい。
交流破壊電圧で10kV以上有する半導体モジュールであってセラミックス絶縁層7の厚みが最も小さい厚み150μmであり、このような半導体モジュールでは耐電圧定格が1200Vのパワー素子にも用いることができる。
【0052】
(7)セラミックス絶縁層7が形成された後にマスク8を外して半導体モジュール100を完成させる(図2(f))
このように(1)〜(7)の工程を経て、半導体モジュール100が製造されることとなる。
【0053】
なお、先の(6)の工程のプラズマ溶射法に代えて、コールドスプレーを採用しても良い。
コールドスプレーとは、溶射法の一種であり、スプレーするセラミックス粉末の融点または軟化温度より低い温度に加熱(300〜500℃程度)したガスを先細末広(ラバル)ノズルにより超音速流にして、その流れの中にセラミックス粉末を投入にて加速させ、固相状態の粒子セラミックスを半導体モジュールの底面に高速で衝突させてセラミックス絶縁層7を形成する技術である。
【0054】
ガスの供給温度は300〜500℃であるが半導体モジュールの底面に到着するときには膨張するため室温〜100℃程度に低下する。ガスはヘリウム、窒素、空気などが使用され、へリウムは高い流速が得られる。粒子セラミックスの衝突速度が、500m/s以上になると粒子の運動エネルギーにより粒子が塑性変形して被膜を形成し始める。この被膜を形成し始める速度を臨界速度と呼び、この臨界速度は、粒子と基材の材料、粒径などにより異なる。セラミックス絶縁層の厚みはスプレー時間をコントロールすることにより調整できる。
【0055】
なお、コールドスプレーは、厳密にはセラミックスが溶融せずに固相のままの被膜となるため、溶射法といえるか否かが議論されているが、現状では溶射法に分類されており、本明細書においても現状の分類に従って溶射であるものとして説明した。
【0056】
続いて、本発明の第2実施形態に係る半導体モジュールおよびその製造方法について、図を参照しつつ以下に説明する。図3は本実施形態の半導体モジュールの断面構成図である。
本実施形態の半導体モジュール100’は、図3で示すように、リードフレーム1、パワー半導体2、駆動IC3、ボンディングワイヤ4,5、成形樹脂6、セラミックス絶縁層7を備える。
【0057】
このリードフレーム1の上には、回路素子の一具体例であるパワー半導体2、回路素子の一具体例である駆動IC3が実装され、ボンディングワイヤ4,5により相互に接続されている。セラミックス絶縁層7は、これらリードフレーム1の回路パターンが形成された面の反対面と、この反対面と接する側面と、を覆うように形成されている。セラミックス絶縁層7は、リードフレーム1の下面に直接溶射されるため、リードフレーム1の孔部にはセラミックス絶縁層7は形成されない。
【0058】
成形樹脂6は、一方の側(図3では上側)で、リードフレーム1、パワー半導体2、駆動IC3、ボンディングワイヤ4,5、およびセラミックス絶縁層7を覆い、かつ他方の側(図3では下側)でセラミックス絶縁層7の一部が外界に露出するように設けられる。また、図3で示すように、成形樹脂6は、セラッミクス絶縁層7をくるむように形成されるため、落下・剥離が起きないように配慮された構成となっている。
【0059】
半導体モジュールの底面は、凹凸等が形成されることなく平面状に形成される。なお、同一平面に形成する代わりに、拡大図で示すようにセラミックス絶縁層7が若干外側に突出する形式とすることも可能である。図示しない冷却体や放熱部品を取り付ける場合では、成形樹脂面から露出するセラミックス絶縁層7の裏面が確実に密着するため、放熱効率を高めることができる。さらに成形樹脂6への応力集中を避けることができる。このようにセラミックス絶縁層7は、成形樹脂6と同一面または若干の凸であることが望ましい。
【0060】
このセラミックス絶縁層7は、第1実施形態で説明したように、酸化珪素(SiO2)、酸化アルミニウム(Al2O3)、窒化珪素(Si3N4)、窒化ホウ素(BN)、窒化アルミニウム(AlN)の中の1または2以上を選択的に組み合わせたセラミックス材料により形成されたものであり、熱伝導率が4〜270W/m・Kであり、厚さaが50〜500μm、例えば150μmである。
【0061】
これら酸化珪素(SiO2)、酸化アルミニウム(Al2O3)、窒化珪素(Si3N4)、窒化ホウ素(BN)、窒化アルミニウム(AlN)の中の1または2以上を選択的に組み合わせたセラミックス材料により形成されたセラミックス絶縁層7を厚み150μmで形成した半導体モジュールは、交流破壊電圧で10kV以上有しており、耐電圧定格が1200Vのパワー半導体3に使用できることが実験により確認されている。
【0062】
このような半導体モジュール100’を回路基板に実装すると、例えば図示しない回路基板にこのセラミックス絶縁層7が接触して、回路基板を通じて放熱されることとなるが、従来よりも格段に熱抵抗が小さい(熱伝導率が大きい)セラミックス絶縁層7を通じて効率的に放熱されることとなり、放熱特性を向上させることができる。
【0063】
続いて、半導体モジュール100’の製造方法について図を参照しつつ説明する。図4は、本実施形態の半導体モジュール100’の製造方法の説明図である。
(1)0.3〜1.0mm程度の銅板を、プレス加工により打ち抜いて、所定の回路パターンが形成されたリードフレーム1を製作する(図4(a))。
【0064】
(2)このように予め成形加工されたリードフレーム1の回路パターンが形成された面の反対面と、この反対面に接する側面と、に溶射法により粒子セラミックスを溶射してセラミックス絶縁層7を設ける(図4(b))。
リードフレーム1の回路パターンが形成された面(外部リードおよび回路素子を搭載する面、並びに、ボンディングする面)にマスク9をあて、リードフレーム1の反対面およびこの反対面に接する側面(つまりマスク9が当たっていない面)に、セラミックス粉末を溶融もしくは軟化させて加速した微粒子状の粒子セラミックスを溶射して積層することによりセラミックス絶縁層7を形成する。
【0065】
この場合、リードフレーム1の孔部を覆わないようなマスク9(リードフレーム1の孔部と位置・大きさが一致するような孔部を有するマスク9)を採用している。仮に孔部も覆うようなマスク9とすると、セラミックス絶縁層7の形成後にリードフレームとマスクとにわたって一体に連なるセラミックス絶縁層が形成され、マスクを取り外すとき、セラミックス絶縁層が破損するおそれがあるが、本製造方法ではそのようなおそれをなくしている。
【0066】
前記したセラミックス粉末には酸化珪素(SiO2)、酸化アルミニウム(Al2O3)、窒化珪素(Si3N4)、窒化ホウ素(BN)、窒化アルミニウム(AlN)のセラミックス群の中から1種類を選択した粉末、または、セラミックス群の中から2種類以上を選択して混合した粉末を用いる。溶射方法は、例えば、プラズマ溶射法を用い、雰囲気は大気もしくは減圧下で行う。セラミックス絶縁層7の厚みは溶射時間を増減させて調整できる。セラミックス絶縁層7の厚みは50〜500μmが可能で、特に、150μmが好ましい。
交流破壊電圧で10kV以上有する半導体モジュールであってセラミックス絶縁層7の厚みが最も小さい厚み150μmであり、このような半導体モジュールでは耐電圧定格が1200Vのパワー素子にも用いることができる。
【0067】
(3)リードフレーム1の回路パターンが形成された面にパワー半導体2および駆動IC3をはんだ付けにより接合する(図4(c))。
はんだ付けは、第1実施形態と同様にペレット状のはんだを利用し、水素還元が可能な炉において行う。はんだ材料には、例えば、Sn−Pb−Agからなる高温はんだ、Sn−Ag−Cu系からなる鉛フリーはんだを用いる。これらはんだは高温の成形樹脂に接触しても溶けないはんだであり、はんだ付けの温度は、はんだの融点に応じて設定される。
【0068】
なお、パワー半導体2とリードフレーム1のはんだ層にボイド(空孔)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、はんだが溶融している状態で、10Torr以下の真空引きを行う。真空環境下、泡が大きくなってはじけ、ボイドは消滅する。
【0069】
(4)ボンディングワイヤ4,5による接続を行う(図4(d))。リードフレーム1の回路とパワー半導体2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。リードフレーム1の回路と駆動IC3とを接続するボンディングワイヤ5は、線径が10μm程度のAuワイヤを使用して超音波接合する。
【0070】
(5)図4(d)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(図示せず)。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樹脂をプランジャーにて金型内に流し込む。
この樹脂は、マトリクス(主剤)としてエポキシ樹脂を用い、フィラー(添加物)として酸化珪素(SiO2)、酸化アルミニウム(Al2O3)、窒化珪素(Si3N4)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化ホウ素(BN)の中の1または2以上を選択的に組み合わせたセラミック粉末を添加したものであり、熱伝導率は2〜5W/m・Kとなる。
【0071】
(6)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し、成形樹脂6を形成する(図4(e))。
このように(1)〜(6)の工程を経て、半導体モジュールが製造されることとなる。
【0072】
なお、先の(2)の工程のプラズマ溶射法に代えて、第1実施形態で説明したコールドスプレーを採用しても良い。またスパッタリングの技術を用いて形成することも可能である。
また、本実施形態では、特にリードフレーム1のセラミックス絶縁層7を形成する面の粗化を行ってセラミックス絶縁層7との密着性を向上させることができる。例えば、プレス加工により打ち抜く前に所定位置を祖面とし、この祖面位置に合わせてプレス加工を行ってリードフレーム1を形成することで実現できる。
また、リードフレーム1の端部にR加工C面取り加工等を施して絶縁性能を向上させるようにしてもよい。この工程はリードフレーム1の形成途中で行われることとなる。
【0073】
このような第2実施形態の半導体モジュール100’と従来技術とを比較すると、従来技術ではリードフレーム1の下側にも成型樹脂を充填する必要があり、未充填部が発生するおそれがあったが、本実施形態でもリードフレーム1の下側に成形樹脂を充填させないため従来技術のような未充填部が発生する事態をなくし、また、充填性を考慮する必要もなくしている。
【0074】
以上、本発明の第1,第2の実施形態の半導体モジュールおよびその製造方法について説明した。本実施形態では回路素子の具体例としてパワー半導体2,駆動IC3を例に挙げて説明した。しかしながら、本発明は回路素子がパワー半導体2,駆動IC3に限定される趣旨ではなく、他の半導体・IC・抵抗・コンデンサ・コイル等各種の素子を回路素子に含めるものである。このような各種の半導体モジュールにも本発明の適用は可能である。
【0075】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、リードフレーム1の下側に熱抵抗が小さい(熱伝導率が大きい)セラミックス絶縁層7をプラズマ溶射法・コールドスプレーにより形成することとした。これにより成形樹脂の充填性を考慮してパワー半導体の下側の成形樹脂の厚さを大きくする必要性や、ボンディングワイヤの変形、断線の原因ともなる成形時の樹脂注入圧力を高くする必要性をなくした。また、熱伝導率が高いセラミックス材料を用い、さらにセラミックス絶縁層を薄く(例えば150μm)形成して、従来よりも大幅に熱抵抗を小さくした。これにより、フルモールドの半導体モジュールの冷却性能を著しく向上させることができる。
【0076】
また、従来技術のように熱抵抗を小さくできるが、製造コスト・材料コストが増大する金属ベース基板、または、焼結体であるセラミックス製配線板を製造する代わりに、セラミックス絶縁層7を溶射形成するというものであり、製造コスト・材料コストが従来よりも増大する事態を回避することができる。
【0077】
また、消費電力からみた適用範囲が200V50Aを超えて熱発生量が大きいパワー半導体に対応するような冷却性能を有するフルモールド半導体モジュールを実用化することができる。
【0078】
総じて、このような本発明によれば、コスト上昇を抑えつつ放熱特性を向上させた半導体モジュールおよびその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態の半導体モジュールの断面構成図である。
【図2】本発明の第1実施形態の半導体モジュールの製造方法の説明図である。
【図3】本発明の第2実施形態の半導体モジュールの断面構成図である。
【図4】本発明の第2実施形態の半導体モジュールの製造方法の説明図である。
【図5】従来のフルモールド半導体モジュールの第1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2例を示す断面図である。
【図7】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 :リードフレーム
2 :パワー半導体
3 :駆動IC
4 :ボンディングワイヤ
5 :ボンディングワイヤ
6 :成形樹脂
7 :セラッミクス絶縁層
8,9 :マスク
100,100’:半導体モジュール
Claims (11)
- 1または複数の回路素子を搭載し、樹脂封止してなる半導体モジュールにおいて、
前記回路素子を搭載するリードフレームと、
前記回路素子および前記リードフレームの回路素子搭載面を少なくとも封止する樹脂と、
少なくとも前記リードフレームの回路素子非搭載面に直接形成したセラミックス絶縁層と、
を備えることを特徴とする半導体モジュール。 - 1または複数の回路素子を搭載し、樹脂によって封止され、形成された半導体モジュールにおいて、
回路素子を搭載するための回路パターンが形成されたリードフレームと、
回路素子およびリードフレームを覆うように一方の面に設けられる成形樹脂と、
成形樹脂およびリードフレームを覆うように他方の面に設けられるセラミックス絶縁層と、
を備えることを特徴とする半導体モジュール。 - 請求項2に記載の半導体モジュールにおいて、
前記セラミックス絶縁層は、熱伝導率が4〜270W/m・Kであり、かつ厚さが50〜500μmであることを特徴とする半導体モジュール。 - 請求項2または請求項3に記載の半導体モジュールにおいて、
前記セラミックス絶縁層は、酸化珪素、酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化ホウ素、窒化アルミニウムの中の1または2以上を選択的に組み合わせたセラミックス材料により溶射形成される層であることを特徴とする半導体モジュール。 - 1または複数の回路素子を搭載し、樹脂によって封止され、形成された半導体モジュールの製造方法において、
予め成形加工されたリードフレームに回路素子を接合する第1工程と、
回路素子とリードフレームとをボンディングワイヤにより接続する第2工程と、
回路素子およびリードフレームを覆う成形樹脂を一方の面に形成する第3工程と、
溶射法により粒子セラミックスを他方の面に溶射して、成形樹脂およびリードフレームを覆うセラミックス絶縁層を形成する第4工程と、
を有することを特徴とする半導体モジュールの製造方法。 - 1または複数の回路素子を搭載し、樹脂によって封止され、形成された半導体モジュールにおいて、
回路素子を搭載するための回路パターンが形成されたリードフレームと、
リードフレームの回路パターンが形成された面の反対面を覆うようにリードフレームに設けられるセラミックス絶縁層と、
回路素子、リードフレームおよびセラミックス絶縁層を覆い、かつセラミックス絶縁層の一部が外界に露出するように設けられる成形樹脂と、
を備えることを特徴とする半導体モジュール。 - 請求項6に記載の半導体モジュールにおいて、
前記セラミックス絶縁層は、熱伝導率が4〜270W/m・Kであり、かつ厚さが50〜500μmであることを特徴とする半導体モジュール。 - 請求項6または請求項7に記載の半導体モジュールにおいて、
前記セラミックス絶縁層は、酸化珪素、酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化ホウ素、窒化アルミニウムの中の1または2以上を選択的に組み合わせたセラミックス材料により溶射形成される層であることを特徴とする半導体モジュール。 - 1または複数の回路素子を搭載し、樹脂によって封止され、形成された半導体モジュールの製造方法において、
予め成形加工されたリードフレームの回路パターンが形成された面の反対面に溶射法により粒子セラミックスを溶射してセラミックス絶縁層を設ける第1工程と、
リードフレームの回路パターンが形成された面に回路素子を接合する第2工程と、
回路素子とリードフレームとをボンディングワイヤにより接続する第3工程と、
回路素子、リードフレームおよびセラミックス絶縁層を覆い、かつセラミックス絶縁層の一部が外界に露出するように成形樹脂を設ける第4工程と、
を有することを特徴とする半導体モジュールの製造方法。 - 請求項5または請求項9に記載された半導体モジュールの製造方法において、
前記溶射法は、プラズマ溶射法であることを特徴とする半導体モジュールの製造方法。 - 請求項5または請求項9に記載された半導体モジュールの製造方法において、
前記溶射法は、コールドスプレーであることを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
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