JP2006319084A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 押さえピンを用いずに金属板と樹脂シートとを密着させた、小型化された半導体素子を提供する。
【解決手段】 半導体素子で発生した熱が絶縁シートを介して放出される半導体装置が、絶縁シートと、絶縁シート上に載置された金属板と、金属板の上に固定された半導体素子およびフレームと、絶縁シートが露出した第1面と、第1面に対向する第2面とを備え、少なくとも絶縁シート、金属板、半導体素子、およびフレームが埋め込まれた筐体とを含む。更に筐体内に、金属板の上から筐体の第2面まで延び、金属板を絶縁シートに押し付けるための弾性部を含む。
【選択図】図1
【解決手段】 半導体素子で発生した熱が絶縁シートを介して放出される半導体装置が、絶縁シートと、絶縁シート上に載置された金属板と、金属板の上に固定された半導体素子およびフレームと、絶縁シートが露出した第1面と、第1面に対向する第2面とを備え、少なくとも絶縁シート、金属板、半導体素子、およびフレームが埋め込まれた筐体とを含む。更に筐体内に、金属板の上から筐体の第2面まで延び、金属板を絶縁シートに押し付けるための弾性部を含む。
【選択図】図1
Description
本発明はインバーター等に用いる樹脂封止型パワーモジュールに関し、特に小型化された樹脂封止型パワーモジュールに関する。
従来、樹脂封止型パワーモジュールの封止にはトランスファモールド技術が用いられている。図6は、トランスファモールド中の樹脂封止型パワーモジュールの断面図である(特許文献1)。
全体が600で表される樹脂封止型パワーモジュールは、金属板1を含む。金属板1の上面には、IGBT等の半導体素子2が半田3で取り付けられている。半導体素子2は、金等のワイヤ4により、金属のフレーム5に接続されている。金属板1の下面は、絶縁シート6の上に固着されている。絶縁シート6は、絶縁樹脂層7と、その下面に設けられた保護層8からなる。
かかる状態でモールド金型(図示せず)に入れられた後、モールド金型内にモールド樹脂が注入されて筐体9が形成される。
全体が600で表される樹脂封止型パワーモジュールは、金属板1を含む。金属板1の上面には、IGBT等の半導体素子2が半田3で取り付けられている。半導体素子2は、金等のワイヤ4により、金属のフレーム5に接続されている。金属板1の下面は、絶縁シート6の上に固着されている。絶縁シート6は、絶縁樹脂層7と、その下面に設けられた保護層8からなる。
かかる状態でモールド金型(図示せず)に入れられた後、モールド金型内にモールド樹脂が注入されて筐体9が形成される。
樹脂封止型パワーモジュール600では、半導体素子2から発生した熱は、金属板1から絶縁シート6を介して外部に放出される。従って、金属板1と絶縁シート6との間の接触熱抵抗を小さくするために、金属板1と絶縁シート6との間の密着性を高くする必要がある。
このため、樹脂封止型パワーモジュール600の樹脂封止工程において、モールド金型に設けられた押さえピン10で、金属板1を絶縁シート6に向かって押しつけながら、モールド樹脂をモールド金型内に充填し、金属板1と絶縁シート6とを密着させた状態で樹脂封止していた。
特開2004−165281号公報
このため、樹脂封止型パワーモジュール600の樹脂封止工程において、モールド金型に設けられた押さえピン10で、金属板1を絶縁シート6に向かって押しつけながら、モールド樹脂をモールド金型内に充填し、金属板1と絶縁シート6とを密着させた状態で樹脂封止していた。
しかしながら、押さえピン10で金属板1を加圧するためには、金属板1の上面に押さえピン10で押さえる領域が必要であった。この時、絶縁シート6に対して金属板1を略均等に押し付けることが、絶縁シート6の厚みの確保などの観点から重要であるが、金属板1の片あたりを防止するためには、押さえピン10を金属板1に略均等に配置する必要があり、例えば金属板1の各コーナーもしくはコーナー近傍に押さえピン10が接する領域を設けるなどの措置が必要であった。このため、金属板1の面積をある程度大きくする必要があり、樹脂封止型パワーモジュール600の小型化が困難であるとの問題があった。
また、押さえピン10を設けた場合、トランスファモールド法に用いるトランスファモールド装置(図示せず)が複雑化するという問題もあった。
更に、樹脂封止型パワーモジュール600では、パッケージの放熱面(図6では下面)と対向する面(図6では上面)に放熱部材を密着させることは、押さえピン10が放熱面と対向する面(上面)に設けられていることから困難であった。
また、押さえピン10を設けた場合、トランスファモールド法に用いるトランスファモールド装置(図示せず)が複雑化するという問題もあった。
更に、樹脂封止型パワーモジュール600では、パッケージの放熱面(図6では下面)と対向する面(図6では上面)に放熱部材を密着させることは、押さえピン10が放熱面と対向する面(上面)に設けられていることから困難であった。
そこで、本発明は、押さえピンを用いずに金属板と樹脂シートとを密着させた、小型化された樹脂封止型パワーモジュールの提供を目的とする。また、本発明は、放熱面と対向する面にも放熱部材を密着させた樹脂封止型パワーモジュールの提供を目的とする。
本発明は、半導体素子で発生した熱が絶縁シートを介して放出される半導体装置であって、絶縁シートと、絶縁シート上に載置された金属板と、金属板の上に固定された半導体素子およびフレームと、絶縁シートが露出した第1面と、第1面に対向する第2面とを備え、少なくとも絶縁シート、金属板、半導体素子、およびフレームが埋め込まれた筐体とを含み、更に筐体内に、金属板の上から筐体の第2面まで延び、金属板を絶縁シートに押し付けるための弾性部を含むことを特徴とする半導体装置である。
本発明にかかる半導体装置では、押さえピンのような複雑な機構を用いることなく、フレームと絶縁シートとの間にモールド樹脂が入り込むのを防止できる。また、放熱面と対向する面にも放熱部材を形成でき、放熱性を高くできる。
実施の形態1.
以下に、図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、以下の説明では、「上」、「下」、「左」、「右」、およびこれらの用語を含む名称を適宜使用するが、これらの方向は図面を参照した発明の理解を容易にするために用いるものであり、実施形態を上下反転、あるいは任意の方向に回転した形態も、当然に本願発明の技術的範囲に含まれる。
以下に、図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、以下の説明では、「上」、「下」、「左」、「右」、およびこれらの用語を含む名称を適宜使用するが、これらの方向は図面を参照した発明の理解を容易にするために用いるものであり、実施形態を上下反転、あるいは任意の方向に回転した形態も、当然に本願発明の技術的範囲に含まれる。
図1は、全体が100で表される、本実施の形態1にかかる樹脂封止型パワーモジュールの断面図である。
樹脂封止型パワーモジュール100は、金属からなるフレーム15を含む。フレーム15の表面には、IGBTやフリーホイールダイオードのような半導体素子2が半田3で取り付けられている。半導体素子2は、金等のワイヤ4により、金属のフレーム5に接続されている。フレーム5は、例えば厚みが1mmの銅、銅合金、鉄ニッケル合金等からなる。
樹脂封止型パワーモジュール100は、金属からなるフレーム15を含む。フレーム15の表面には、IGBTやフリーホイールダイオードのような半導体素子2が半田3で取り付けられている。半導体素子2は、金等のワイヤ4により、金属のフレーム5に接続されている。フレーム5は、例えば厚みが1mmの銅、銅合金、鉄ニッケル合金等からなる。
フレーム15の下面は、絶縁シート6の上に固着されている。絶縁シート6は、絶縁樹脂層7と、その下面に設けられた保護層8からなる。絶縁シート6は、例えば、アルミナやBN、AlNなどのフィラーにエポキシ樹脂を含浸させて形成される。厚みは略0.1mm〜略1mmである。保護層は、例えば、銅箔からなり、厚みは略0.1mmである。
フレーム15の一部は、絶縁シート6に接した部分から上方に立ち上がり、弾性部16を形成している。図1では、弾性部16の端部が、筐体9の表面に沿う方向に曲げられている。
フレーム15は、例えば厚みが1mmの板状体からなり、銅、銅合金、鉄ニッケル合金等から形成される(図1では、紙面に垂直方向に広がった板状体となっている。)。
かかる状態でモールド金型(図示せず)に入れられた後、モールド金型内にモールド樹脂が注入され、トランスファモールド技術を用いて樹脂封止される。
フレーム15は、例えば厚みが1mmの板状体からなり、銅、銅合金、鉄ニッケル合金等から形成される(図1では、紙面に垂直方向に広がった板状体となっている。)。
かかる状態でモールド金型(図示せず)に入れられた後、モールド金型内にモールド樹脂が注入され、トランスファモールド技術を用いて樹脂封止される。
絶縁シート6は、モールド樹脂からなる筐体9の下面から露出している。絶縁シート6の下面には、例えば、図示しない加圧手段により、熱伝導グリスを介してヒートシンク(図示せず)が取り付けられ、半導体素子2から発生した熱を外部に放出する。
上述のように、筐体9の上面には、フレーム15から延びた弾性部16が内接するように配置されている。かかる弾性部16は、トランスファモールド工程中に次のような作用をする。
トランスファモールド工程では、モールド金型(図示せず)の底面の所定の位置に絶縁シート6を配置し、半導体素子2やワイヤ4が予め固定されたフレーム15を、絶縁シート6の上に載置する。フレーム15の一部には、予め弾性部16が形成されている。弾性部16の高さは、モールド金型(図示せず)を閉じたときにモールド金型の上面に接するような高さに調整されている。これにより、モールド金型を閉じた場合に弾性部16が撓み、フレーム15が絶縁シート6に向かって押し付けられる。
このように、フレーム15が絶縁シート6に押し付けられた状態で、モールド樹脂がタブレットからゲートを通ってモールド金型のキャビティに注入され(図示せず)、絶縁シート6やフレーム15を封止して筐体9を形成する。モールド樹脂は、例えばシリカなどのフィラーにエポキシ樹脂を含浸させたものからなる。モールド樹脂から形成される筐体9の厚みは、略2mm〜略10mmである。
かかる工程では、特に、弾性部16が、フレーム15を絶縁シート6に押し付けた状態に維持することにより、モールド樹脂がフレーム15を押し上げて、絶縁シート6とフレーム15との間にモールド樹脂の層が形成されるのを防止できる。
なお、弾性部16による加圧力は、例えば略50N/cm2以上であれば、モールド樹脂の進入を防止できる。
なお、弾性部16による加圧力は、例えば略50N/cm2以上であれば、モールド樹脂の進入を防止できる。
これに対して、もし、弾性部16を用いてフレーム15を絶縁シート6に押し付けていなければ、例えば、略100気圧に達するモールド樹脂の加圧力により、フレーム15が押し上げられ、絶縁シート6とフレーム15との間にモールド樹脂が入り込む。モールド樹脂の熱伝導率は略0.5〜略2W/mK程度と小さいため、モールド樹脂がフレーム15と絶縁シート6の間に入り込むと、両者の間の熱抵抗が大きくなり、放熱特性が低下する。
本実施の形態1にかかる樹脂封止型パワーモジュール100では、フレーム15に弾性部16が設けられていることにより、押さえピンのような複雑な押さえ機構を用いることなく、フレーム15と絶縁シート6との間にモールド樹脂が入り込むのを防止できる。このため、モールド金型等の構造や製造工程が簡素化でき、生産性を高めることができる。
また、押さえピンで押さえる領域が不要となり、樹脂封止型パワーモジュール100の小型化が可能となる。
また、押さえピンで押さえる領域が不要となり、樹脂封止型パワーモジュール100の小型化が可能となる。
なお、本実施の形態1では、樹脂封止型パワーモジュール100が絶縁シート6を備える場合について述べたが、絶縁シート6に代えて、例えばアルミナ基板のように絶縁性の放熱部材を用いても同様の効果が得られる。
また、絶縁シート6が、絶縁樹脂層7と保護層8の複合体からなる場合ついて述べたが、例えば放熱面(下面)に樹脂が露出しても問題のない場合や、モールド金型に絶縁シートが固着しない場合は、単層の絶縁シートを用いても構わない。単層の絶縁シートとしては、例えば厚みが略0.3mm〜略1mmのアルミナシート、SiNシート、AlNシート等が挙げられる。
また、絶縁シート6が、絶縁樹脂層7と保護層8の複合体からなる場合ついて述べたが、例えば放熱面(下面)に樹脂が露出しても問題のない場合や、モールド金型に絶縁シートが固着しない場合は、単層の絶縁シートを用いても構わない。単層の絶縁シートとしては、例えば厚みが略0.3mm〜略1mmのアルミナシート、SiNシート、AlNシート等が挙げられる。
実施の形態2.
図2は、全体が200で表される、本発明の実施の形態2かかる樹脂封止型パワーモジュールの断面図である。図2中、図1と同一符合は、同一又は相当箇所を示す。
図2は、全体が200で表される、本発明の実施の形態2かかる樹脂封止型パワーモジュールの断面図である。図2中、図1と同一符合は、同一又は相当箇所を示す。
樹脂封止型パワーモジュール200では、図2に示すように、例えば銅からなる金属板1に半導体素子2が半田3で固着されている。また、フレーム25が金属板1に固着されるとともに、フレーム25の一部が上方に立ち上げられ、弾性部26を形成している。弾性部26の端部は、筐体9の表面に接し、かつ表面に沿う方向に曲げられている。フレーム25は、例えば厚みが1mmの銅、銅合金、鉄ニッケル合金等の板状体からなる。
フレーム25がこのような弾性部26を有することにより、樹脂モールド工程において、弾性部26が撓んで金属板1を絶縁シート6に押し付けた状態で金属板1等を封止し、筐体9を形成できる。
なお、フレームとは別体の金属板1を用いることにより、フレームの厚みの影響を受けずに半導体素子2から放出された熱を水平方向に拡散させることができ、放熱性を向上させることができる。
なお、金属板1は、例えば厚みが略2mm〜略5mmの銅または銅合金のブロックからなる。モールド樹脂からなる筐体9の厚みは、全体で略5mm〜略10mmである。
なお、フレームとは別体の金属板1を用いることにより、フレームの厚みの影響を受けずに半導体素子2から放出された熱を水平方向に拡散させることができ、放熱性を向上させることができる。
なお、金属板1は、例えば厚みが略2mm〜略5mmの銅または銅合金のブロックからなる。モールド樹脂からなる筐体9の厚みは、全体で略5mm〜略10mmである。
実施の形態3.
図3は、全体が300で表される、本発明の実施の形態3かかる樹脂封止型パワーモジュールの断面図である。図3中、図1と同一符合は、同一又は相当箇所を示す。
樹脂封止型パワーモジュール300では、フレーム35が金属板1に固着されるとともに、フレーム35の一部が上方に立ち上がり、屈曲構造を有する弾性部36を形成している。フレーム35は、例えば厚みが1mmの銅、銅合金、鉄ニッケル合金等の板状体からなる。
図3は、全体が300で表される、本発明の実施の形態3かかる樹脂封止型パワーモジュールの断面図である。図3中、図1と同一符合は、同一又は相当箇所を示す。
樹脂封止型パワーモジュール300では、フレーム35が金属板1に固着されるとともに、フレーム35の一部が上方に立ち上がり、屈曲構造を有する弾性部36を形成している。フレーム35は、例えば厚みが1mmの銅、銅合金、鉄ニッケル合金等の板状体からなる。
このような屈曲構造を有することにより、弾性部36に上方から力を加えて金属板1を絶縁シート6に押し付ける場合に、弾性体36は垂直方向(上下方向)に屈曲するため、金属板1の水平方向(左右方向)のずれは殆ど発生しない。このため、例えば、絶縁シート6に対する金属板1の位置決め精度が向上する。
このように、位置決め精度が向上すると、位置ずれを考慮した設計サイズのマージンを小さくでき、樹脂封止型パワーモジュール300の小型化が可能となる。
実施の形態4.
図4は、全体が400で表される、本発明の実施の形態4にかかる樹脂封止型パワーモジュールの断面図である。図4中、図1と同一符合は、同一又は相当箇所を示す。
樹脂封止型パワーモジュール400では、フレーム45が弾性部46を有する。弾性部46は、金属板1に2箇所で固定され、その間が上方に延びて屈曲構造を形成する。屈曲した弾性部46の上端は、筐体9の上面に接するように配置されている。フレーム45は、例えば厚みが1mmの銅、銅合金、鉄ニッケル合金等の板状体からなる。
図4は、全体が400で表される、本発明の実施の形態4にかかる樹脂封止型パワーモジュールの断面図である。図4中、図1と同一符合は、同一又は相当箇所を示す。
樹脂封止型パワーモジュール400では、フレーム45が弾性部46を有する。弾性部46は、金属板1に2箇所で固定され、その間が上方に延びて屈曲構造を形成する。屈曲した弾性部46の上端は、筐体9の上面に接するように配置されている。フレーム45は、例えば厚みが1mmの銅、銅合金、鉄ニッケル合金等の板状体からなる。
このような弾性部46を設けることにより、比較的薄く、剛性の小さいフレーム45を用いても、大きな押圧力で金属板1を絶縁シート6に押し付けることができ。このため、弾性部46の高さを小さくすることができ、樹脂封止型パワーモジュール400の小型化が可能となる。
図4では、弾性部46がフレーム45の一部から形成する場合について説明したが、フレーム45とは別体の構造としても構わない。この場合、弾性部46は、銅、銅合金、鉄ニッケル合金等の金属に加えて、エポキシ樹脂等の樹脂から形成しても構わない。
特に、弾性部46を絶縁性の樹脂から形成することにより、筐体9の上面から弾性部46の上端が露出しても、絶縁性が損なわれることがない。
特に、弾性部46を絶縁性の樹脂から形成することにより、筐体9の上面から弾性部46の上端が露出しても、絶縁性が損なわれることがない。
実施の形態5.
図5は、全体が500で表される、本発明の実施の形態5にかかる樹脂封止型パワーモジュールの断面図である。図5中、図1と同一符合は、同一又は相当箇所を示す。
樹脂封止型パワーモジュール500では、金属板1の上面に弾性部56が設けられ、その上に絶縁シート66が載置されている。絶縁シート66は、絶縁シート6と同様に絶縁樹脂層67と保護膜68からなり、保護膜68の上面が筐体9の上面に露出している。また、弾性部56は、例えば、銅、銅合金、鉄ニッケル合金等の金属からなる板状体から形成されるが、金属以外にエポキシ樹脂等の樹脂から形成しても構わない。
図5は、全体が500で表される、本発明の実施の形態5にかかる樹脂封止型パワーモジュールの断面図である。図5中、図1と同一符合は、同一又は相当箇所を示す。
樹脂封止型パワーモジュール500では、金属板1の上面に弾性部56が設けられ、その上に絶縁シート66が載置されている。絶縁シート66は、絶縁シート6と同様に絶縁樹脂層67と保護膜68からなり、保護膜68の上面が筐体9の上面に露出している。また、弾性部56は、例えば、銅、銅合金、鉄ニッケル合金等の金属からなる板状体から形成されるが、金属以外にエポキシ樹脂等の樹脂から形成しても構わない。
樹脂封止型パワーモジュール500では、絶縁シート66を下方に向かって加圧することにより、弾性部56が金属板1を絶縁シート6に向かって押し付ける。これにより、モールド工程において、金属板1と絶縁シート6との間にモールド樹脂が入るのを防止できる。
更に、樹脂封止型パワーモジュール500では、2つの絶縁シート6、66を設けることにより、筐体9の上面と下面の両方から熱を放出することができ、放熱面の面積を略2倍にすることができ、放熱効率を高くすることができる。
図5では、弾性部56がフレーム55とは別体として形成されているが、フレーム55の一部として形成しても構わない。この場合、弾性部56は、フレーム55と同じ材料である銅、銅合金、鉄ニッケル合金等から形成される。
なお、図5では、半導体素子2の上面に、半田17を介して銅等からなるリード18が接続され、配線層となっている。
1 金属板、2 半導体素子、3 半田、4 ワイヤ、5 フレーム、6絶縁シート、7 絶縁樹脂層、8 保護層、9 筐体、15 フレーム、16 弾性部、100 樹脂封止型パワーモジュール。
Claims (7)
- 半導体素子で発生した熱が絶縁シートを介して放出される半導体装置であって、
絶縁シートと、
該絶縁シート上に載置された金属板と、
該金属板の上に固定された半導体素子およびフレームと、
該絶縁シートが露出した第1面と、該第1面に対向する第2面とを備え、少なくとも該絶縁シート、該金属板、該半導体素子、および該フレームが埋め込まれた筐体とを含み、
更に該筐体内に、該金属板の上から該筐体の第2面まで延び、該金属板を該絶縁シートに押し付けるための弾性部を含むことを特徴とする半導体装置。 - 上記弾性部が、所定の角度で屈曲したことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 上記弾性部が、上記金属板に2箇所の固定部で固着され、該固定部の間で上記筐体の第2面まで延びたことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 上記弾性部が、上記フレームの一部からなることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の半導体装置。
- 半導体素子で発生した熱が絶縁シートを介して放出される半導体装置であって、
絶縁シートと、
該絶縁シート上に載置されたフレームと、
該フレームの上に固定された半導体素子と、
該絶縁シートが露出した第1面と、該第1面に対向する第2面とを備え、少なくとも該絶縁シート、該半導体素子、および該フレームが埋め込まれた筐体とを含み、
該フレームが、該絶縁シートの上から該筐体の第2面まで延び、該フレームを該絶縁シートに押し付けるための弾性部を含むことを特徴とする半導体装置。 - 半導体素子で発生した熱が絶縁シートを介して放出される半導体装置であって、
第1絶縁シートと、
該第1絶縁シート上に載置された金属板と、
該金属板の上に固定された半導体素子およびフレームと、
該フレーム上に載置された第2絶縁シートと、
該第1絶縁シートが露出した第1面と、該第1面に対向し該第2絶縁シートが露出した第2面とを備え、少なくとも該第1および第2絶縁シート、該金属板、該半導体素子、および該フレームが埋め込まれた筐体とを含み、
該フレームが、該金属板を該第1絶縁シートに押し付ける弾性部を含むことを特徴とする半導体装置。 - 上記弾性部が、板状体からなることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の半導体装置。
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DE102008025705A1 (de) | 2007-08-31 | 2009-03-05 | Mitsubishi Electric Corp. | Halbleitervorrichtung |
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-
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