JP2006222347A - 半導体モジュールと半導体モジュールの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 封止樹脂と表面側導電板、封止樹脂と裏面側導電板が剥がれてしまうのが防止された半導体モジュールを提供する。
【解決手段】 半導体モジュール１２は、半導体素子１５と、表面側導電板１４と、裏面側導電板１６、１７と、封止樹脂２０を備えている。半導体素子１５は、表面側電極と裏面側電極を有している。表面側導電板１４は、半導体素子１５の表面側電極に接続固定されているとともに、半導体素子１５よりも外方に延びている。裏面側導電板１６、１７は、半導体素子１５の裏面側電極に接続固定されているとともに、半導体素子１５よりも外方に延びている。封止樹脂２０は、表面側導電板１４と裏面側導電板１６、１７の間の空間を充填している。表面側導電板１４と裏面側導電板１６、１７の内面であって、封止樹脂２０と接する領域に、アンダーカット状の側面を持つ凹部２３が分散配置されている。
【選択図】 図１
【解決手段】 半導体モジュール１２は、半導体素子１５と、表面側導電板１４と、裏面側導電板１６、１７と、封止樹脂２０を備えている。半導体素子１５は、表面側電極と裏面側電極を有している。表面側導電板１４は、半導体素子１５の表面側電極に接続固定されているとともに、半導体素子１５よりも外方に延びている。裏面側導電板１６、１７は、半導体素子１５の裏面側電極に接続固定されているとともに、半導体素子１５よりも外方に延びている。封止樹脂２０は、表面側導電板１４と裏面側導電板１６、１７の間の空間を充填している。表面側導電板１４と裏面側導電板１６、１７の内面であって、封止樹脂２０と接する領域に、アンダーカット状の側面を持つ凹部２３が分散配置されている。
【選択図】 図１
Description
本発明は、半導体素子が封止樹脂によって封止されている半導体モジュールに関するものである。
表面側電極と裏面側電極を有する半導体素子と、半導体素子の表面側電極に接続固定されている表面側導電板と、半導体素子の裏面側電極に接続固定されている裏面側導電板を備える半導体モジュールが知られている。表面側導電板と裏面側導電板は、半導体素子に通電するとともに、半導体素子の放熱を行う機能を有している。半導体モジュールの発熱量は、年々大きくなっている。このため、半導体モジュールの放熱を効率良く行うために、表面側導電板と裏面側導電板が、半導体素子よりも外方に延びている半導体モジュールが出現している。表面側導電板と裏面側導電板が、半導体素子よりも外方に延びていることによって、放熱面積が大きく確保されている。表面側導電板と裏面側導電板の間の空間は、封止樹脂によって充填されている。封止樹脂は、半導体素子を封止するとともに、接着することによって表面側導電板と半導体素子と裏面側導電板を拘束している。
表面側導電板と半導体素子、裏面側導電板と半導体素子は、線膨張係数が異なっている。このため、半導体モジュールが繰り返し温度変化すると、表面側導電板と半導体素子、裏面側導電板と半導体素子を接続固定しているはんだ層に繰り返し応力が作用する。封止樹脂によって、表面側導電板と半導体素子と裏面側導電板が拘束されていると、はんだ層に作用する応力が緩和される。よって、はんだ層の破断が防止される。
表面側導電板と半導体素子、裏面側導電板と半導体素子は、線膨張係数が異なっている。このため、半導体モジュールが繰り返し温度変化すると、表面側導電板と半導体素子、裏面側導電板と半導体素子を接続固定しているはんだ層に繰り返し応力が作用する。封止樹脂によって、表面側導電板と半導体素子と裏面側導電板が拘束されていると、はんだ層に作用する応力が緩和される。よって、はんだ層の破断が防止される。
封止樹脂を充填するときには、接続固定して一体化した表面側導電板と半導体素子と裏面側導電板を成形型内に配置する。そして、表面側導電板と裏面側導電板の間の空間に、高温な液体状の樹脂を流し込んで硬化させる。樹脂は、硬化にともなって収縮する。また、常温まで温度が低下することによっても収縮する。このような収縮が起きると、封止樹脂が表面側導電板と裏面側導電板の内面のいずれかから、あるいは双方から剥がれてしまうことがある。
特許文献１には、封止樹脂を充填する前に、表面側導電板と裏面側導電板の内面に、封止樹脂と強く接着するコーティング層を形成する技術が記載されている。
特許文献１には、封止樹脂を充填する前に、表面側導電板と裏面側導電板の内面に、封止樹脂と強く接着するコーティング層を形成する技術が記載されている。
特許文献１に記載の技術のように、表面側導電板と裏面側導電板の内面に、封止樹脂と強く接着するコーティング層を形成しても、封止樹脂と表面側導電板、封止樹脂と裏面側導電板が剥がれてしまうのを防止するのは難しい。封止樹脂の収縮する力が非常に大きいからである。半導体素子の片側の電極にのみ導電板が接続固定されており、半導体素子を封止樹脂が封止している半導体モジュールでも、封止樹脂が導電板から剥がれようとする。この場合には、コーティング層によって封止樹脂が導電板から剥がれるのを防止することができる。しかしながら、半導体素子に表面側導電板と裏面側導電板が接続固定されており、その間を封止樹脂が充填している半導体モジュールでは、封止樹脂が剥がれようとする力が大きく、コーティング層では不十分である。
本発明は、その問題を解決するためになされたものであり、封止樹脂と表面側導電板、封止樹脂と裏面側導電板が剥がれてしまうのを防止する技術を提供する。
本発明は、その問題を解決するためになされたものであり、封止樹脂と表面側導電板、封止樹脂と裏面側導電板が剥がれてしまうのを防止する技術を提供する。
本発明の半導体モジュールは、半導体素子と、表面側導電板と、裏面側導電板と、封止樹脂を備えている。半導体素子は、表面側電極と裏面側電極を有している。表面側導電板は、半導体素子の表面側電極に接続固定されているとともに、半導体素子よりも外方に延びている。裏面側導電板は、半導体素子の裏面側電極に接続固定されているとともに、半導体素子よりも外方に延びている。封止樹脂は、表面側導電板と裏面側導電板の間の空間を充填している。表面側導電板と裏面側導電板の内面であって、封止樹脂と接する領域に、アンダーカット状の側面を持つ凹部が分散配置されている。
ここで、アンダーカット状の側面とは、表面側導電板と裏面側導電板の内面に垂直な方向に対して、凹部に入り込んで硬化した封止樹脂に掛止する向きに傾斜している側面を意味する。また「表面／裏面」は相対的な位置関係を示しており、半導体モジュールの表面／裏面と必ずしも一致するものではない。
この半導体モジュールによれば、充填された封止樹脂の一部は、分散配置されている凹部に流れ込んで硬化する。凹部に入り込んで硬化した封止樹脂は、アンダーカット状の側面に掛止される。よって、封止樹脂と表面側導電板、封止樹脂と裏面側導電板が、剥がれるのが防止された半導体モジュールを実現することができる。実験によれば、アンダーカット状の側面による封止樹脂の剥がれを防止する力は非常に大きい。このため、強く接着するコーティングでは封止樹脂の剥がれを防止できない表面側導電板と裏面側導電板を備える半導体モジュールでも、剥がれを充分に防止することができる。
ここで、アンダーカット状の側面とは、表面側導電板と裏面側導電板の内面に垂直な方向に対して、凹部に入り込んで硬化した封止樹脂に掛止する向きに傾斜している側面を意味する。また「表面／裏面」は相対的な位置関係を示しており、半導体モジュールの表面／裏面と必ずしも一致するものではない。
この半導体モジュールによれば、充填された封止樹脂の一部は、分散配置されている凹部に流れ込んで硬化する。凹部に入り込んで硬化した封止樹脂は、アンダーカット状の側面に掛止される。よって、封止樹脂と表面側導電板、封止樹脂と裏面側導電板が、剥がれるのが防止された半導体モジュールを実現することができる。実験によれば、アンダーカット状の側面による封止樹脂の剥がれを防止する力は非常に大きい。このため、強く接着するコーティングでは封止樹脂の剥がれを防止できない表面側導電板と裏面側導電板を備える半導体モジュールでも、剥がれを充分に防止することができる。
上記の半導体モジュールにおいて、凹部同士が連通していることが好ましい。
凹部同士が連通していると、その連通している部位を通過して、凹部から凹部に、液状の樹脂を順次流れ込ませることができる。このようにすると、凹部に液状樹脂が流れ込むときに、液状樹脂が空気を押し出すことによって、凹部に空気が残ったまま樹脂が硬化してしまうのが防止される。よって、封止樹脂は、より剥がれにくくなる。この技術は、液状樹脂を流し込むときに上方に配置される導電板の凹部（すなわち、下方を向いて開口している凹部）に対して特に有効である。下方に向いた凹部には、空気が残りやすいからである。
凹部同士が連通していると、その連通している部位を通過して、凹部から凹部に、液状の樹脂を順次流れ込ませることができる。このようにすると、凹部に液状樹脂が流れ込むときに、液状樹脂が空気を押し出すことによって、凹部に空気が残ったまま樹脂が硬化してしまうのが防止される。よって、封止樹脂は、より剥がれにくくなる。この技術は、液状樹脂を流し込むときに上方に配置される導電板の凹部（すなわち、下方を向いて開口している凹部）に対して特に有効である。下方に向いた凹部には、空気が残りやすいからである。
本発明の半導体モジュールの製造方法は、半導体素子の表面側電極に接続固定されている表面側導電板が半導体素子よりも外方に延びており、半導体素子の裏面側電極に接続固定されている裏面側導電板が半導体素子よりも外方に延びており、表面側導電板と裏面側導電板の間の空間に封止樹脂が充填されている半導体モジュールを製造する。その製造方法は、表面側導電板と裏面側導電板の内面であって、封止樹脂と接することになる領域に、分散配置された凹部を形成する第１工程と、凹部と凹部が挟む部位をクサビ状のプレス型の先端部でプレスする第２工程を備えている。
この半導体モジュールの製造方法によれば、凹部と凹部が挟む部位をクサビ状のプレス
型の先端部がプレスすることによって、凹部の側面がアンダーカット状に形成される。よって、封止樹脂と表面側導電板、封止樹脂と裏面側導電板が、剥がれてしまうのが防止される。
この半導体モジュールの製造方法によれば、凹部と凹部が挟む部位をクサビ状のプレス
型の先端部がプレスすることによって、凹部の側面がアンダーカット状に形成される。よって、封止樹脂と表面側導電板、封止樹脂と裏面側導電板が、剥がれてしまうのが防止される。
本発明の半導体モジュールの他の一つの製造方法は、表面側導電板と裏面側導電板の内面であって、封止樹脂と接することになる領域を、表面側導電板と裏面側導電板の内面に対して傾斜した方向からプレス型の先端刃でプレスすることによって、アンダーカット状の側面を持つ凹部を分散配置する工程を備えている。
表面側導電板と裏面側導電板の内面の封止樹脂と接することになる領域に、アンダーカット状の側面を持つ凹部を分散配置しておくと、封止樹脂と表面側導電板、封止樹脂と裏面側導電板が、剥がれてしまうのが防止される。
表面側導電板と裏面側導電板の内面の封止樹脂と接することになる領域に、アンダーカット状の側面を持つ凹部を分散配置しておくと、封止樹脂と表面側導電板、封止樹脂と裏面側導電板が、剥がれてしまうのが防止される。
本発明の半導体モジュールのさらに他の一つの製造方法は、表面側導電板と裏面側導電板の内面であって、封止樹脂と接することになる領域に、分散配置された凹部を形成する凹部形成工程と、表面側導電板と裏面側導電板の内面であって、封止樹脂と接することになる領域に、分散配置された溝を形成する溝形成工程とを備えている。凹部形成工程と溝形成工程が実行されることによって、凹部同士が溝によって連通される。
凹部同士が溝によって連通していると、その溝を通過して、凹部から凹部に、液状の樹脂を順次流れ込ませることができる。このようにすると、凹部に液状樹脂が流れ込むときに、液状樹脂が空気を押し出すことによって、樹脂は、凹部に充分に入り込んだ状態で硬化する。樹脂が凹部に充分に入り込んで硬化すると、封止樹脂と表面側導電板、封止樹脂と裏面側導電板が、剥がれてしまうのが防止される。
凹部同士が溝によって連通していると、その溝を通過して、凹部から凹部に、液状の樹脂を順次流れ込ませることができる。このようにすると、凹部に液状樹脂が流れ込むときに、液状樹脂が空気を押し出すことによって、樹脂は、凹部に充分に入り込んだ状態で硬化する。樹脂が凹部に充分に入り込んで硬化すると、封止樹脂と表面側導電板、封止樹脂と裏面側導電板が、剥がれてしまうのが防止される。
本発明によると、両面に導電板を有する放熱性と絶縁性に優れた半導体モジュールの信頼性を高めることができる。両面に導電板を有する半導体モジュールは、放熱性と絶縁性に優れているものの、大きな熱応力が発生する。従って、封止樹脂で確実に拘束しておかないと、はんだ層が応力によって破断してしまい、信頼性が低下する。封止樹脂が表面側導電板と裏面側導電板の内面から、長期に亘って剥がれないようにするのは困難である。この問題は、凹部を利用すると、見事に解決される。長期に亘って、表面側導電板と裏面側導電板の内面から封止樹脂が剥がれるのを防止することができる。本発明によって、両面に導電板を有する半導体モジュールで、初めて、長期に亘る信頼性を確保することができた。
後述する実施例の主要な特徴を記載する。
（形態１）
パワーモジュールは、コレクタ導電板、パワー素子、小型導電板、エミッタ導電板、封止樹脂を有している。パワー素子のコレクタ電極とコレクタ導電板は、はんだ層によって固定されている。パワー素子のエミッタ電極と小型導電板の一方側の面は、はんだ層によって固定されている。小型導電板の他方側の面とエミッタ導電板は、はんだ層によって固定されている。コレクタ導電板とエミッタ導電板の間には、封止樹脂が充填されている。
コレクタ導電板とエミッタ導電板の内面であって、封止樹脂と接する領域には、アンダーカット状の側面を持つ凹部が分散配置されている。凹部側面のアンダーカットは、隣接する凹部と凹部を隔てる壁の頂面を、クサビ状部を持つプレス型でプレスして形成する。
凹部に入り込んで硬化した封止樹脂は、アンダーカット状の側面に掛止される。よって、封止樹脂とコレクタ導電板、封止樹脂とエミッタ導電板が剥がれてしまうのが防止される。
（形態２）
隣接する凹部同士は、切欠きによって連通されている。
（形態３）
コレクタ導電板とエミッタ導電板の内面であって、封止樹脂と接する領域には、連続する凹部がプレス加工で形成されている。凹部と凹部に挟まれて、凸部が形成されている。凹部の側面は、アンダーカット状に形成されている。そのアンダーカットは、凸部の頂面をクサビ状部を持つプレス型でプレスして形成する。
（形態４）
コレクタ導電板とエミッタ導電板の内面であって、封止樹脂と接する領域には、掛止部が分散配置されている。掛止部は、連続する凹部を有している。連続する凹部の平面形状は、方形状である。凹部の一方の側面は、アンダーカット状に形成されている。凹部を形成するときには、コレクタ導電板あるいはエミッタ導電板の内面を、斜め方向からプレス型でプレスする。
（形態１）
パワーモジュールは、コレクタ導電板、パワー素子、小型導電板、エミッタ導電板、封止樹脂を有している。パワー素子のコレクタ電極とコレクタ導電板は、はんだ層によって固定されている。パワー素子のエミッタ電極と小型導電板の一方側の面は、はんだ層によって固定されている。小型導電板の他方側の面とエミッタ導電板は、はんだ層によって固定されている。コレクタ導電板とエミッタ導電板の間には、封止樹脂が充填されている。
コレクタ導電板とエミッタ導電板の内面であって、封止樹脂と接する領域には、アンダーカット状の側面を持つ凹部が分散配置されている。凹部側面のアンダーカットは、隣接する凹部と凹部を隔てる壁の頂面を、クサビ状部を持つプレス型でプレスして形成する。
凹部に入り込んで硬化した封止樹脂は、アンダーカット状の側面に掛止される。よって、封止樹脂とコレクタ導電板、封止樹脂とエミッタ導電板が剥がれてしまうのが防止される。
（形態２）
隣接する凹部同士は、切欠きによって連通されている。
（形態３）
コレクタ導電板とエミッタ導電板の内面であって、封止樹脂と接する領域には、連続する凹部がプレス加工で形成されている。凹部と凹部に挟まれて、凸部が形成されている。凹部の側面は、アンダーカット状に形成されている。そのアンダーカットは、凸部の頂面をクサビ状部を持つプレス型でプレスして形成する。
（形態４）
コレクタ導電板とエミッタ導電板の内面であって、封止樹脂と接する領域には、掛止部が分散配置されている。掛止部は、連続する凹部を有している。連続する凹部の平面形状は、方形状である。凹部の一方の側面は、アンダーカット状に形成されている。凹部を形成するときには、コレクタ導電板あるいはエミッタ導電板の内面を、斜め方向からプレス型でプレスする。
（第１実施例）
本発明を半導体モジュールの一種であるパワーモジュールに適用した第１実施例について、図面を参照しながら説明する。
図１に示すように、パワーモジュール１２は、コレクタ導電板１４、パワー素子１５、小型導電板１６、エミッタ導電板１７、制御端子１８、封止樹脂２０を有している。
コレクタ導電板１４は、略矩形板状に形成されている。コレクタ導電板１４の内側中央には、平面部２９が設けられている。平面部２９の周囲領域には、複数の凹部２３が形成されている（凹部２３が分散配置されている）。なお、図１では、明瞭化のために、凹部２３を実際よりも大きく、かつ少なく図示している。
パワー素子１５は、略方形板状に形成されている。パワー素子１５には、電力をスイッチングするトランジスタ（例えば「ＩＧＢＴ」）やダイオードが多数収容されている。パワー素子１５の一方側（図１の下方側）の面には、コレクタ電極（図示省略）が設けられている。パワー素子１５の他方側の面には、エミッタ電極（図示省略）が設けられている。パワー素子１５の他方側の面の端部には、制御電極や信号取出端子（図示省略）が複数設けられている。各制御電極には、配線３０の一端が接続されている。配線３０の他端には、制御端子１８が接続されている。配線３０と制御端子１８は、紙面垂直方向に複数配されている。パワー素子１５のコレクタ電極とコレクタ導電板１４の平面部２９は、はんだ層２４によって固定されている。
本発明を半導体モジュールの一種であるパワーモジュールに適用した第１実施例について、図面を参照しながら説明する。
図１に示すように、パワーモジュール１２は、コレクタ導電板１４、パワー素子１５、小型導電板１６、エミッタ導電板１７、制御端子１８、封止樹脂２０を有している。
コレクタ導電板１４は、略矩形板状に形成されている。コレクタ導電板１４の内側中央には、平面部２９が設けられている。平面部２９の周囲領域には、複数の凹部２３が形成されている（凹部２３が分散配置されている）。なお、図１では、明瞭化のために、凹部２３を実際よりも大きく、かつ少なく図示している。
パワー素子１５は、略方形板状に形成されている。パワー素子１５には、電力をスイッチングするトランジスタ（例えば「ＩＧＢＴ」）やダイオードが多数収容されている。パワー素子１５の一方側（図１の下方側）の面には、コレクタ電極（図示省略）が設けられている。パワー素子１５の他方側の面には、エミッタ電極（図示省略）が設けられている。パワー素子１５の他方側の面の端部には、制御電極や信号取出端子（図示省略）が複数設けられている。各制御電極には、配線３０の一端が接続されている。配線３０の他端には、制御端子１８が接続されている。配線３０と制御端子１８は、紙面垂直方向に複数配されている。パワー素子１５のコレクタ電極とコレクタ導電板１４の平面部２９は、はんだ層２４によって固定されている。
小型導電板１６は、ブロック状に形成されている。小型導電板１６の一方側の面とパワー素子１５のエミッタ電極は、はんだ層２５によって固定されている。
エミッタ導電板１７は、略矩形板状に形成されている。エミッタ導電板１７の内側中央には、平面部２６が設けられている。平面部２６の周囲領域には、複数の凹部２８が形成されている。凹部２８は、コレクタ導電板１４の凹部２３と同形状である。エミッタ導電板１７の平面部２６と小型導電板１６の他方側の面は、はんだ層２７によって固定されている。
コレクタ導電板１４、小型導電板１６、エミッタ導電板１７、制御端子１８は、金属製（例えば、銅製）である。
封止樹脂２０は、コレクタ導電板１４とエミッタ導電板１７との間、およびコレクタ導電板１４とエミッタ導電板１７の外周部を封止している。封止樹脂２０は、液状の樹脂が硬化したものである。封止樹脂２０を硬化させるときには、はんだ層２４、２５、２７によって固定されて一体化したコレクタ導電板１４とパワー素子１５と小型導電板１６とエミッタ導電板１７と、制御端子１８を成形型のキャビティ内に配置する。このときには、コレクタ導電板１４に設けられているバスバー２１と、エミッタ導電板１７に設けられているバスバー３１と、制御端子１８の一部を、キャビティから突出させておく。そして、成形型内に高温の液状樹脂を充填する。このときには、成形型も加熱されて高温になっている。すると、充填された液状樹脂は、成形型内で高温のまま硬化する。封止樹脂２０には、例えば、エポキシ樹脂を用いる。
エミッタ導電板１７は、略矩形板状に形成されている。エミッタ導電板１７の内側中央には、平面部２６が設けられている。平面部２６の周囲領域には、複数の凹部２８が形成されている。凹部２８は、コレクタ導電板１４の凹部２３と同形状である。エミッタ導電板１７の平面部２６と小型導電板１６の他方側の面は、はんだ層２７によって固定されている。
コレクタ導電板１４、小型導電板１６、エミッタ導電板１７、制御端子１８は、金属製（例えば、銅製）である。
封止樹脂２０は、コレクタ導電板１４とエミッタ導電板１７との間、およびコレクタ導電板１４とエミッタ導電板１７の外周部を封止している。封止樹脂２０は、液状の樹脂が硬化したものである。封止樹脂２０を硬化させるときには、はんだ層２４、２５、２７によって固定されて一体化したコレクタ導電板１４とパワー素子１５と小型導電板１６とエミッタ導電板１７と、制御端子１８を成形型のキャビティ内に配置する。このときには、コレクタ導電板１４に設けられているバスバー２１と、エミッタ導電板１７に設けられているバスバー３１と、制御端子１８の一部を、キャビティから突出させておく。そして、成形型内に高温の液状樹脂を充填する。このときには、成形型も加熱されて高温になっている。すると、充填された液状樹脂は、成形型内で高温のまま硬化する。封止樹脂２０には、例えば、エポキシ樹脂を用いる。
コレクタ導電板１４の凹部２３と、エミッタ導電板１７の凹部２８を形成する技術について説明する。凹部２３と凹部２８は、同じ技術によって形成されているので、凹部２３で代表して説明する。
最初に、コレクタ導電板１４の平面部２９の周囲領域に、図２、図３に示すように、等間隔に配置された方形状の凹部２３を複数形成する。凹部２３は、方形状の凸部を複数有するプレス型で、コレクタ導電板１４をプレスして形成する。凹部２３が形成されることによって、各凹部２３を隔てる壁３７が形成される。
続いて、コレクタ導電板１４をさらにプレス加工する。そのプレス加工では、図４に示すプレス型３５を用いる。プレス型３５は、直交する複数のクサビ状部３６を持っている。そして、図５に示すように、壁３７とクサビ状部３６が対向するようにプレス型３５を配置し、コレクタ導電板１４をプレス加工する。
図６に示すように、プレス型３５でコレクタ導電板１４をプレスすると、プレス型３５のクサビ状部３６が壁３７に食い込む。クサビ状部３６が壁３７に食い込むと、図７に示すように、凹部２３の側面３９がアンダーカット状に形成される（深部が拡大した凹部２３が形成される）。図８は、コレクタ導電板１４の凹部２３が形成された部分を平面視している。壁３７の上面には、プレス型３５のクサビ状部３６によって、溝３８が形成されている。
最初に、コレクタ導電板１４の平面部２９の周囲領域に、図２、図３に示すように、等間隔に配置された方形状の凹部２３を複数形成する。凹部２３は、方形状の凸部を複数有するプレス型で、コレクタ導電板１４をプレスして形成する。凹部２３が形成されることによって、各凹部２３を隔てる壁３７が形成される。
続いて、コレクタ導電板１４をさらにプレス加工する。そのプレス加工では、図４に示すプレス型３５を用いる。プレス型３５は、直交する複数のクサビ状部３６を持っている。そして、図５に示すように、壁３７とクサビ状部３６が対向するようにプレス型３５を配置し、コレクタ導電板１４をプレス加工する。
図６に示すように、プレス型３５でコレクタ導電板１４をプレスすると、プレス型３５のクサビ状部３６が壁３７に食い込む。クサビ状部３６が壁３７に食い込むと、図７に示すように、凹部２３の側面３９がアンダーカット状に形成される（深部が拡大した凹部２３が形成される）。図８は、コレクタ導電板１４の凹部２３が形成された部分を平面視している。壁３７の上面には、プレス型３５のクサビ状部３６によって、溝３８が形成されている。
封止樹脂２０は、１７５±１０（℃）の高温状態下で硬化する。封止樹脂２０は、硬化するときに、０．１±０．０５（％）（線収縮率）ほど体積が収縮する（硬化収縮）。また、封止樹脂２０は、高温で硬化してから常温まで温度が低下するときに、線膨張係数（１４±２（ｐｐｍ／Ｋ））によって定まる分だけ体積が収縮する（熱収縮）。
小型導電板１６を、例えば銅製とした場合、その線膨張係数は１７（ｐｐｍ／Ｋ）程度である。パワー素子１５の線膨張係数は、２〜４（ｐｐｍ／Ｋ）である。従って、硬化樹脂２０が硬化収縮と熱収縮を起こすと、その収縮量は、小型導電板１６とパワー素子１５の温度低下による収縮量よりも大きい。このため、硬化樹脂２０は、コレクタ導電板１４とエミッタ導電板１７から剥がれようとする。
小型導電板１６を、例えば銅製とした場合、その線膨張係数は１７（ｐｐｍ／Ｋ）程度である。パワー素子１５の線膨張係数は、２〜４（ｐｐｍ／Ｋ）である。従って、硬化樹脂２０が硬化収縮と熱収縮を起こすと、その収縮量は、小型導電板１６とパワー素子１５の温度低下による収縮量よりも大きい。このため、硬化樹脂２０は、コレクタ導電板１４とエミッタ導電板１７から剥がれようとする。
封止樹脂２０は、充填されたときに、その一部がコレクタ導電板１４の凹部２３とエミッタ導電板１７の凹部２８に入り込んで硬化する。上述したように、凹部２３と凹部２８の側面は、アンダーカット状に形成されている。このため、封止樹脂２０の凹部２３、２８に入り込んでいる部分は、アンダーカット状の側面に掛止される（凹部２３、２８から抜け出しにくくなる）。従って、封止樹脂２０とコレクタ導電板１４、封止樹脂２０とエミッタ導電板１７は強く接合され、剥がれてしまうのが防止される。
コレクタ導電板１４の内面とエミッタ導電板１７の内面に、封止樹脂と強く接着するコーティング層を形成する技術が知られている。このようなコーティング層を形成しても、封止樹脂は、コレクタ導電板１４とエミッタ導電板１７のそれぞれに凹部２３と凹部２８を形成する場合ほどには、強く接合されない。また、コーティング層がコレクタ導電板１４とエミッタ導電板１７の外面に付着すると、導電板１４、１７の放熱性能が低下する。このため、コレクタ導電板１４の外面とエミッタ導電板１７の外面をマスキングした状態で、コーティング液に浸漬することによって、コレクタ導電板１４とエミッタ導電板１７にコーティング層を形成しなければならない。このような複雑なプロセスでコレクタ導電板１４とエミッタ導電板１７にマスキング層を形成するのは、手間がかかる。本発明の技術によれば、マスキング層を形成することなく、コレクタ導電板１４、封止樹脂２０とエミッタ導電板１７を強く接合することができる。
（第２実施例）
第１実施例と重複する内容は省略し、本第２実施例の特徴的な内容のみを説明する。
図９、図１０に示すように、壁３７には、隣り合う凹部２３同士を連通させる切欠き４１が形成されている。
凹部２３と切欠き４１が形成されているコレクタ導電板１４をプレス型３５でプレス加工すると、第１実施例と同様に、凹部２３の側面３９がアンダーカット状に形成される。図１１は、コレクタ導電板１４の凹部２３が形成された部分を平面視している。
この場合、液状の樹脂を充填するときに、コレクタ導電板１４が拡がる方向に沿って、一方端から他方端に向かって流し込むのが好ましい。すると、液状樹脂は、切欠き４１を通過して順次隣の凹部２３に流れ込んでゆく。凹部２３の側面３９は、アンダーカット状に形成されている。このため、凹部２３の開口から液状樹脂を流し込むと、内部に空気が残ったまま封止樹脂２０が硬化してしまうことがある。凹部２３の内部に空気が残ったまま封止樹脂２０が硬化してしまうと、凹部２３から封止樹脂２０が抜け出しやすくなる。切欠き４１を通過して液状樹脂が凹部２３に流れ込むと、押し出されるようにして、空気が凹部２３から除去される。
切欠き４１を形成する技術は、導電板がパワー素子の片面側にのみ存在するパワーモジュール（片面冷却タイプ）にも適用することができる。
第１実施例と重複する内容は省略し、本第２実施例の特徴的な内容のみを説明する。
図９、図１０に示すように、壁３７には、隣り合う凹部２３同士を連通させる切欠き４１が形成されている。
凹部２３と切欠き４１が形成されているコレクタ導電板１４をプレス型３５でプレス加工すると、第１実施例と同様に、凹部２３の側面３９がアンダーカット状に形成される。図１１は、コレクタ導電板１４の凹部２３が形成された部分を平面視している。
この場合、液状の樹脂を充填するときに、コレクタ導電板１４が拡がる方向に沿って、一方端から他方端に向かって流し込むのが好ましい。すると、液状樹脂は、切欠き４１を通過して順次隣の凹部２３に流れ込んでゆく。凹部２３の側面３９は、アンダーカット状に形成されている。このため、凹部２３の開口から液状樹脂を流し込むと、内部に空気が残ったまま封止樹脂２０が硬化してしまうことがある。凹部２３の内部に空気が残ったまま封止樹脂２０が硬化してしまうと、凹部２３から封止樹脂２０が抜け出しやすくなる。切欠き４１を通過して液状樹脂が凹部２３に流れ込むと、押し出されるようにして、空気が凹部２３から除去される。
切欠き４１を形成する技術は、導電板がパワー素子の片面側にのみ存在するパワーモジュール（片面冷却タイプ）にも適用することができる。
（第３実施例）
本第３実施例の特徴的な内容のみを説明する。
本第３実施例では、図１２に示すように、コレクタ導電板１４の平面部２９の周囲領域に、連続する凹部（溝）４５をプレス加工によって形成する。凹部４５を形成したことによって、凹部４５と凹部４５に挟まれた凸部４４が形成される。そして、プレス型３５のクサビ状部３６の交差部分が凸部４４の頂面中央に対向するようにして、プレス型３５で凸部４４をプレスする。プレス型３５で凸部４４をプレスすると、クサビ状部３６が凸部４４に食い込むことによって、図１３に示すように、凹部４５の側面４６がアンダーカット状に形成される。図１４は、コレクタ導電板１４の凹部４５が形成された部分を平面視している。エミッタ導電板１７の平面部２６の周囲領域にも、凹部４５と同様な、アンダーカット状の側面を持つ凹部を形成する。
本第３実施例の特徴的な内容のみを説明する。
本第３実施例では、図１２に示すように、コレクタ導電板１４の平面部２９の周囲領域に、連続する凹部（溝）４５をプレス加工によって形成する。凹部４５を形成したことによって、凹部４５と凹部４５に挟まれた凸部４４が形成される。そして、プレス型３５のクサビ状部３６の交差部分が凸部４４の頂面中央に対向するようにして、プレス型３５で凸部４４をプレスする。プレス型３５で凸部４４をプレスすると、クサビ状部３６が凸部４４に食い込むことによって、図１３に示すように、凹部４５の側面４６がアンダーカット状に形成される。図１４は、コレクタ導電板１４の凹部４５が形成された部分を平面視している。エミッタ導電板１７の平面部２６の周囲領域にも、凹部４５と同様な、アンダーカット状の側面を持つ凹部を形成する。
封止樹脂２０を充填するときには、第２実施例と同様に、液状樹脂をコレクタ導電板１４が拡がる方向に沿って、一方端から他方端に向かって流し込むのが好ましい。そのようにすると、液状樹脂は、凹部４５を通過して充填されてゆく。このため、凹部４５内から、空気が押し流されるようにして除去される。
凹部４５の側面４６がアンダーカット状に形成されていると、凹部４５に入り込んで硬化した封止樹脂２０は、凹部４５から抜け出しにくくなる。従って、封止樹脂２０とコレクタ導電板１４は、強く接合され、剥がれるのが防止される。封止樹脂２０は、凹部４５と同形状の凹部が形成されているエミッタ導電板１７からも剥がれるのが防止される。
凹部４５の側面４６がアンダーカット状に形成されていると、凹部４５に入り込んで硬化した封止樹脂２０は、凹部４５から抜け出しにくくなる。従って、封止樹脂２０とコレクタ導電板１４は、強く接合され、剥がれるのが防止される。封止樹脂２０は、凹部４５と同形状の凹部が形成されているエミッタ導電板１７からも剥がれるのが防止される。
（第４実施例）
本第４実施例の特徴的な内容のみを説明する。本第４実施例の技術は、コレクタ導電板１４とエミッタ導電板１７の両者に適用することができる。以下においては、コレクタ導電板１４で代表して説明する。
図１６、図１７は、コレクタ導電板１４の平面部の周囲領域に分散配置される掛止部５８を示している。図１７に良く示すように、掛止部５８は、方形状に連なる凹部５２と、凹部５２の外方に形成された凹部５６と、凹部５６のさらに外方に形成された凹部５９を有している。図１７に良く示すように、凹部５２、５６、５９の一方の側面５５は、アンダーカット状に形成されている。
凹部５２、５６、５９を形成するときには、図１５に示すように、紙面直角方向に延びる３本の刃５１を持つプレス型５０で、コレクタ導電板１４を、その面に対して傾斜した状態でプレスする。
掛止部５８は、アンダーカット状の側面５５を有しているので、凹部５２，５６、５９に入り込んで硬化した封止樹脂２０は、コレクタ導電板１４と強く接合し、剥がれてしまうのが防止される。
本第４実施例の特徴的な内容のみを説明する。本第４実施例の技術は、コレクタ導電板１４とエミッタ導電板１７の両者に適用することができる。以下においては、コレクタ導電板１４で代表して説明する。
図１６、図１７は、コレクタ導電板１４の平面部の周囲領域に分散配置される掛止部５８を示している。図１７に良く示すように、掛止部５８は、方形状に連なる凹部５２と、凹部５２の外方に形成された凹部５６と、凹部５６のさらに外方に形成された凹部５９を有している。図１７に良く示すように、凹部５２、５６、５９の一方の側面５５は、アンダーカット状に形成されている。
凹部５２、５６、５９を形成するときには、図１５に示すように、紙面直角方向に延びる３本の刃５１を持つプレス型５０で、コレクタ導電板１４を、その面に対して傾斜した状態でプレスする。
掛止部５８は、アンダーカット状の側面５５を有しているので、凹部５２，５６、５９に入り込んで硬化した封止樹脂２０は、コレクタ導電板１４と強く接合し、剥がれてしまうのが防止される。
第１実施例〜第４実施例に記載した封止樹脂２０が剥がれるのを防止するアンダーカット面を、コレクタ導電板１４にのみ形成することもできる。このように構成すると、封止樹脂２０が収縮したときに、封止樹脂２０とエミッタ導電板１７の内面が剥がれる。すなわち、コレクタ導電板１４とパワー素子１５を固定しているはんだ層２４と、パワー素子１５と小型導電板１６を固定しているはんだ層２５が封止樹脂２０によって確実にカバーされる。コレクタ導電板１４と小型導電板１６は、パワー素子１５よりも線膨張係数が大きい。従って、半導体モジュール１２の温度が変化すると、はんだ層２４、２５に大きな応力が作用する。はんだ層２４、２５は、大きな応力によって破断することがある。
封止樹脂２０とエミッタ導電板１７の内面が剥がれ、はんだ層２４、２５が封止樹脂２０によって確実にカバーされた状態で、コレクタ導電板１４とパワー素子１５と小型導電板１６が封止樹脂２０に拘束されると、はんだ層２４、２５の破断が防止される。封止樹脂２０とエミッタ導電板１７の内面が剥がれると、小型導電板１６とエミッタ導電板１７を固定しているはんだ層２７は、封止樹脂２０によってカバーされなくなる。小型導電板１６とエミッタ導電板１７は同じ金属製なので、線膨張係数も等しい。このため、半導体モジュール１２の温度が変化しても、はんだ層２７に大きな応力は作用しない。よって、はんだ層２７が封止樹脂２０によってカバーされなくても、問題は生じない。
封止樹脂２０とエミッタ導電板１７の内面が剥がれ、はんだ層２４、２５が封止樹脂２０によって確実にカバーされた状態で、コレクタ導電板１４とパワー素子１５と小型導電板１６が封止樹脂２０に拘束されると、はんだ層２４、２５の破断が防止される。封止樹脂２０とエミッタ導電板１７の内面が剥がれると、小型導電板１６とエミッタ導電板１７を固定しているはんだ層２７は、封止樹脂２０によってカバーされなくなる。小型導電板１６とエミッタ導電板１７は同じ金属製なので、線膨張係数も等しい。このため、半導体モジュール１２の温度が変化しても、はんだ層２７に大きな応力は作用しない。よって、はんだ層２７が封止樹脂２０によってカバーされなくても、問題は生じない。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
１２：パワーモジュール
１４：コレクタ導電板
１５：パワー素子
１６：小型導電板１６
１７：エミッタ導電板
１８：制御端子
２０：封止樹脂
２１：バスバー
２３：凹部
２４、２５：はんだ層
２６：平面部
２７：はんだ層
２８：凹部
２９：平面部
３１：バスバー
３５：プレス型
３６：クサビ状部
３７：壁
３８：溝
３９：側面
４１：切欠き
４５：凹部
４６：側面
５０：プレス型
５１：刃
５２：凹部
５５：アンダーカット面
５６：凹部
５８：掛止部
５９：凹部
１４：コレクタ導電板
１５：パワー素子
１６：小型導電板１６
１７：エミッタ導電板
１８：制御端子
２０：封止樹脂
２１：バスバー
２３：凹部
２４、２５：はんだ層
２６：平面部
２７：はんだ層
２８：凹部
２９：平面部
３１：バスバー
３５：プレス型
３６：クサビ状部
３７：壁
３８：溝
３９：側面
４１：切欠き
４５：凹部
４６：側面
５０：プレス型
５１：刃
５２：凹部
５５：アンダーカット面
５６：凹部
５８：掛止部
５９：凹部
Claims (5)
- 表面側電極と裏面側電極を有する半導体素子と、
半導体素子の表面側電極に接続固定されているとともに、半導体素子よりも外方に延びている表面側導電板と、
半導体素子の裏面側電極に接続固定されているとともに、半導体素子よりも外方に延びている裏面側導電板と、
表面側導電板と裏面側導電板の間の空間を充填している封止樹脂を備えており、
表面側導電板と裏面側導電板の内面であって、封止樹脂と接する領域に、アンダーカット状の側面を持つ凹部が分散配置されていることを特徴とする半導体モジュール。 - 凹部同士が連通していることを特徴とする請求項１の半導体モジュール。
- 半導体素子の表面側電極に接続固定されている表面側導電板が半導体素子よりも外方に延びており、半導体素子の裏面側電極に接続固定されている裏面側導電板が半導体素子よりも外方に延びており、表面側導電板と裏面側導電板の間の空間に封止樹脂が充填されている半導体モジュールを製造する方法であり、
表面側導電板と裏面側導電板の内面であって、封止樹脂と接することになる領域に、分散配置された凹部を形成する第１工程と、
凹部と凹部が挟む部位をクサビ状のプレス型の先端部でプレスする第２工程を備えていることを特徴とする半導体モジュールの製造方法。 - 半導体素子の表面側電極に接続固定されている表面側導電板が半導体素子よりも外方に延びており、半導体素子の裏面側電極に接続固定されている裏面側導電板が半導体素子よりも外方に延びており、表面側導電板と裏面側導電板の間の空間に封止樹脂が充填されている半導体モジュールを製造する方法であり、
表面側導電板と裏面側導電板の内面であって、封止樹脂と接することになる領域を、表面側導電板と裏面側導電板の内面に対して傾斜した方向からプレス型の先端刃でプレスすることによって、アンダーカット状の側面を持つ凹部を分散配置する工程を備えていることを特徴とする半導体モジュールの製造方法。 - 半導体素子の表面側電極に接続固定されている表面側導電板が半導体素子よりも外方に延びており、半導体素子の裏面側電極に接続固定されている裏面側導電板が半導体素子よりも外方に延びており、表面側導電板と裏面側導電板の間の空間に封止樹脂が充填されている半導体モジュールを製造する方法であり、
表面側導電板と裏面側導電板の内面であって、封止樹脂と接することになる領域に、分散配置された凹部を形成する凹部形成工程と、
表面側導電板と裏面側導電板の内面であって、封止樹脂と接することになる領域に、分散配置された溝を形成する溝形成工程とを備えており、
凹部形成工程と溝形成工程が実行されることによって、凹部同士が溝によって連通され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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