JP2008235502A

JP2008235502A - 樹脂封止型半導体装置

Info

Publication number: JP2008235502A
Application number: JP2007071863A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Nakajima; 泰中島; Takashi Inaguchi; 隆稲口; Tatsuya Hayashi; 龍也林; Nobuyoshi Kimoto; 信義木本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-03-20
Filing date: 2007-03-20
Publication date: 2008-10-02

Abstract

【課題】本発明は、電力用半導体素子が短絡故障して過電流が流れたときに、過電流を確実に遮断することができる過電流遮断機能を備えた樹脂封止型パワーモジュールを提供することを目的とする。
【解決手段】本発明に係る樹脂封止型半導体装置は、半導体素子と、前記半導体素子と外部端子とを電気的に接続する接続手段と、前記半導体素子および前記接続手段を封止するように成形された、開口部を有する封止樹脂部とを備え、前記接続手段の一部が前記開口部において前記封止樹脂部から露出していることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、電力用半導体チップなどの構成部品を樹脂封止するタイプの樹脂封止型半導体装置に関し、とりわけ電力用半導体チップが短絡故障した際に、過電流を確実に遮断する機能を有する樹脂封止型半導体装置に関する。

近年、モータやヒータなどの大電流を用いる電子機器を制御するための電力用半導体装置（パワーモジュール）は、パワーエレクトロニクスの分野において、キーデバイスとしての重要性がますます高まりつつある。こうしたパワーモジュールにおいて、電力用半導体チップが短絡故障して、異常な短絡電流が流れると、電子機器に致命的な損害を与える虞がある。

例えば、宇宙から飛来する中性子が電力用半導体素子に命中した場合などに電力用半導体素子が短絡故障する場合があると言われている。パワーモジュールが、とりわけ車両などの慣性力の大きい物体を駆動するモータを制御するために用いられていた場合、通常、モータの回転が減速する過程でモータの端子間に生じる電気エネルギは、母線側へ回生するか、あるいはブレーキ回路で熱エネルギに変換される。しかし、上述のように、宇宙から飛来する中性子により、電力用半導体素子が短絡故障した場合、パワーモジュール本来の保護機能（電気エネルギ回生機能）が働かなくなり、モータの端子間に予期せぬ大電流が流れ、モータ等の電子機器の破壊をもたらすことがある。

こうした事態を回避するために、パワーモジュールとモータの間に過電流遮断用ヒューズを介在させて、モータに過電流が流れることを阻止することが提案されてきた。しかしながら、従来式の過電流遮断用ヒューズは、非常に高価で嵩張るものであった。したがって、電力用半導体素子が短絡故障した際に、モータに流れ得る過電流を安全かつ確実に阻止できる、より安価で簡便な過電流遮断手段（機能）を有するパワーモジュールを実現することが求められていた。

一般に、パワーモジュールには大別して２通りのタイプがあり、絶縁シート（絶縁基板）上に実装された電力用半導体チップ、外部端子と電気的に接続するための接続手段等の構成部品を熱硬化型樹脂または熱可塑性樹脂で封止するタイプの樹脂封止型パワーモジュールと、電力用半導体チップなどの構成部品を枠体（ケース）内に実装した後に、ケース内にシリコーンゲルを充填する（流し込む）タイプのケース型パワーモジュールとがある。そして、樹脂封止型パワーモジュールは、ケース型パワーモジュールに比して安価に製造できるので、多くの家電製品に採用されている。

過電流遮断機能の観点からこれら２つのタイプのパワーモジュールを比較する。
ケース型パワーモジュールにおいて、電力用半導体素子が短絡故障して、過電流が流れると、電力用半導体素子のチップ表面電極（例えばＩＧＢＴチップのエミッタ電極）と外部端子とを電気的に接続するアルミニウムなどの金属からなる金属細線が溶融し、充填されたシリコーンゲルが焼損して生じた空間に溶融したアルミニウム金属が移動することにより、金属細線が確実に断線に至る。

これに対して樹脂封止型パワーモジュールによれば、金属細線が溶融しても封止用の熱硬化型樹脂または熱可塑性樹脂に含まれるフィラーに起因して、過電流により金属細線が高温なっても、封止樹脂部には焼損による空間が生じにくい。このため過電流が金属細線に流れる状態が長時間維持される。
したがって、従来式の過電流遮断用ヒューズを用いることなく、樹脂封止型パワーモジュールが慣性力の大きい物体を駆動するモータを駆動する場合、過電流が遮断されずにモータおよびモータ制御装置全体に過電流が流れ続ける可能性があった。

例えば特許文献１において、過電流遮断機能を具備する樹脂封止型パワーモジュールが教示されている。
特許文献１の樹脂封止型パワーモジュールは、封止樹脂部の外部に突出した端子部にＵ字状ヒューズ部を有し、このＵ字状ヒューズ部が過電流遮断機能を有する。すなわち特許文献１によれば、Ｕ字状ヒューズ部を構成するための空間（デッドスペース）が別途必要となり、樹脂封止型半導体装置を含む電子機器の大型化が避けられない。また特許文献１の端子部は、Ｕ字状ヒューズ部において溶断しやすくなるように、すなわち構造上脆弱に構成されているので、端子部を半田付けする場合など、細心の注意を払ってアセンブリする必要があり、組み立て作業性を著しく減退させるものであった。

また、特許文献１のＵ字状ヒューズ部が過電流により完全に溶断する途上において、Ｕ字状ヒューズ部を挟む端子部間の微小な間隙において、アーク放電が生じ、溶融した金属原子によるプラズマが発生してアーク放電が発生し続け、過電流が実質的に流れ続ける虞がある。このように特許文献１によれば、ヒューズ部が溶断した際に生じる溶融金属によるアーク放電を消弧することについては何ら考慮されていない。
特開平２００３−６８９６７号公報

そこで本発明は、電力用半導体素子が短絡故障して、過電流が流れたときに、過電流を確実に遮断することができる過電流遮断機能を備えた樹脂封止型パワーモジュールを提供することを目的とする。

本発明に係る樹脂封止型半導体装置は、半導体素子と、前記半導体素子と外部端子とを電気的に接続する接続手段と、前記半導体素子および前記接続手段を封止するように成形された、開口部を有する封止樹脂部とを備え、前記接続手段の一部が前記開口部において前記封止樹脂部から露出していることを特徴とする。

本発明に係る樹脂封止型半導体装置によれば、過電流が流れたときに、封止樹脂部の開口部において一部露出した接続手段が溶断することにより、過電流を確実に遮断することができる。

以下、添付図面を参照して本発明に係る樹脂封止型半導体装置（以下、「樹脂封止型パワーモジュール」という。）の実施の形態を説明する。実施の形態の説明において、理解を容易にするために方向を表す用語（例えば、「上方」および「下方」など）を適宜用いるが、これは説明のためのものであって、これらの用語は本発明を限定するものでない。なお、各実施の形態において同様の構成部品は、同様の符号をもって示す。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る樹脂封止型パワーモジュール１の概略的な平面図であり、図２は、図１のII−II線から見た断面図である。なお、本発明の理解を容易にするために、後述する各構成部品を封止する封止樹脂部１０を、図１では省略し、図２ではそのハッチングを省略して図示している。
本発明に係る実施の形態１の樹脂封止型パワーモジュール１は、モータなどの電子機器を駆動するインバータ回路として用いられるもので、数十アンペアから数百アンペア以上（１０^１〜１０^３Ａ）の定格電流を制御するものである。

図１および図２に示すように、実施の形態１に係る樹脂封止型パワーモジュール１は、概略、絶縁シート（絶縁基板）１２と、その上に固着されたダイパッドフレーム１４およびコモンフレーム２２と、半田などの導電性接着剤（図示せず）を介してダイパッドフレーム１４上に実装された絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）チップなどの半導体チップ１６とを備える。
また、このパワーモジュール１は、それぞれのダイパッドフレーム１４と主電流端子フレーム（単に「外部端子」ともいう）１８とを電気的に接続し、主電流が流れる負極側の接続手段２０と、ＩＧＢＴチップ１６の表面電極とコモンフレーム２２とを電気的に接続し、同様に主電流が流れる正極側の接続手段２４とを有する。実施の形態１における正極側および負極側の接続手段２０，２４は、例えばアルミニウムなどの金属からなる少なくとも１本（好適には複数本）の金属細線であることが好ましい。
さらに、このパワーモジュール１は、ＩＧＢＴチップ１６の制御電極（図示せず）にゲート信号を供給する制御用ＩＣチップ２６を有し、制御用ＩＣチップ２６と制御端子フレーム２８の間、および制御用ＩＣチップ２６とＩＧＢＴチップ１６の制御電極（図示せず）の間を電気的に接続する制御用金属細線３０を有する。

なお、これに限定されないが、ダイパッドフレーム１４、コモンフレーム２２、主電流端子フレーム１８および制御端子フレーム２８は、０．５ｍｍ〜１ｍｍ程度の厚みを有する銅または銅合金からなるプレートを打ち抜き加工することにより形成することができる。このとき、各フレームの最小のフレーム幅は、加工精度にもよるが、厚み程度となり、例えば厚みが０．５ｍｍでフレーム幅が２ｍｍのフレームを形成するとき、断面積が１ｍｍ^２となり、銅または銅合金で用いて形成すると、５０Ａ／ｍｍ^２程度の電流密度を有するフレームを形成することができる。

また、実施の形態１における正極側および負極側の接続手段を構成する金属細線２０，２４は、好適には、直径が０．２ｍｍ〜０．４ｍｍ程度のアルミニウム金属からなり、制御用金属細線３０は０．０３ｍｍ程度の金で構成されている。

この樹脂封止型パワーモジュール１は、絶縁シート１２の裏面全体、ならびに主電流端子フレーム１８および制御端子フレーム２８の周縁端部を露出させ、制御用ＩＣチップ２６、ＩＧＢＴチップ１６、ダイパッドフレーム１４、およびコモンフレーム２２の全体を覆うように成形された封止樹脂部１０を有する。封止樹脂部１０は、熱可塑性または熱硬化性の任意の樹脂材料を用いて成形することができるが、例えばエポキシ樹脂を用いて成形することが好ましい。

実施の形態１に係るパワーモジュール１の封止樹脂部１０は、図１（破線）および図２に示すように、コモンフレーム２２のほぼ上方に開口部３２を有し、この開口部３２において、負極側の接続手段である金属細線２０の少なくとも一部が露出するように構成されている。
こうした開口部３２は、例えばエポキシ樹脂からなる封止樹脂部１０に上方（図２の矢印Ａで示す方向）から、出力が数十Ｗ程度のＹＡＧレーザを照射してエポキシ樹脂を選択的に蒸散させること（アブレーション加工）により容易に形成することができる。

一般に、接続手段２０，２４を構成するアルミニウム金属の熱伝導率が１９０Ｗ／ｍＫ程度であるのに対し、エポキシ樹脂の熱伝導率は０．２〜０．７Ｗ／ｍＫ程度である。したがって、レーザ光により生じる熱エネルギは、アルミニウム金属には蓄積されずに他の部材に速やかに熱伝導するのに対し、エポキシ樹脂に照射されると、樹脂の熱伝導率が小さいことに起因して、熱伝導による入熱の拡散が起きないためエポキシ樹脂の温度が高くなり、レーザのエネルギの大部分がエポキシ樹脂を蒸散するために消費されるので、エポキシ樹脂のエッチングレートはアルミニウム金属に比して数十倍〜数百倍高くなる。こうして、半導体チップ１６と外部端子１８とを接続する金属細線２０の一部が開口部３２において封止樹脂部１０から露出するように構成されたパワーモジュール１を容易に実現することができる。このとき図２に示すように、開口部内３２に露出した金属細線２０の直下にはレーザ光が直接照射されず、また金属細線２０の入熱の拡散の影響による温度上昇も数十℃以下と小さいため除去されないという特徴がある。

このように構成された樹脂封止型パワーモジュール１において、半導体チップ１６が短絡故障して、定格電流の数倍から数十倍の過電流が流れると、そのジュール熱により金属細線２０が溶融する。このとき、このパワーモジュール１に設けた開口部３２において、図３（ａ）および（ｂ）に示すように、溶融したアルミニウム金属はその体積が最小となるように半球状または球状に近づくように形状変化する。すなわち、溶融したアルミニウム金属が開口部３２の空間内で移動して半球状または球状に変化することにより、金属細線２０は確実に溶断し、過電流の遮断機能を信頼性高く実現することができる。なお、図３（ｂ）に示すように、金属細線２０の直径Ｄに対して開口部３２の幅Ｗが３倍以上あれば、金属細線２０は確実に溶断され、過電流を再現性よく遮断できることが確認された。
このように、実施の形態１に係る樹脂封止型パワーモジュール１は、過電流の遮断機能をより安価で簡便な構成を用いて実現することができる。

これとは対照的に、封止樹脂部１０は、一般に、シリカフィラーやガラス繊維が含まれており、沸点が非常に高いため、短絡電流が流れた場合であっても、上述のように溶融したアルミニウム金属が移動して半球状または球状に近づくように形状変化できるスペースが封止樹脂部１０内に形成されることはない。換言すると、金属細線２０を構成するアルミニウム金属が溶融しても、溶融アルミニウム金属は封止樹脂部１０の当初の位置に維持されるので、電気的導通が維持され、金属細線２０は溶断しにくい。また溶融したアルミニウム金属がシリカフィラーやガラス繊維と混ざり合うと、金属細線２０はさらに溶断しにくくなる。こうした理由により、従来式の樹脂封止型パワーモジュールの金属細線２０は、定格電流の数百倍の過電流が流れなければ、溶断しないことが確認されている。

さらに、上記特許文献１に記載の樹脂封止型パワーモジュールと比較すると、本発明によれば、デッドスペースを設ける必要がなく、主電流端子フレーム１８および制御端子フレーム２８のそれぞれは封止樹脂部１０に支持されているので、小型化可能で、しかも頑健で組み立て作業性の高い樹脂封止型パワーモジュール１を実現することができる。

付言すると、開口部３２において金属細線２０が封止樹脂部１０から露出せず、数μｍオーダの極薄の封止樹脂部１０が金属細線２０を覆うように形成された樹脂封止型パワーモジュール１において、過電流により溶融したアルミニウム金属が極薄の封止樹脂部１０を突き破って、同様に開口部３２に流れ出ることにより、過電流の遮断特性を実現することは可能であるが、過電流の遮断機能を確実に得るためには、金属細線２０の少なくとも一部が封止樹脂部１０から露出していることが好ましい。

なお、上記説明においては、ダイパッドフレーム１４と主電流端子フレーム１８とを電気的に接続する負極側の接続手段である金属細線２０が、封止樹脂部１０から露出するように構成されたが、ＩＧＢＴチップ１６の表面電極とコモンフレーム２２とを電気的に接続する正極側の接続手段である金属細線２４を封止樹脂部１０から露出するように構成しても同様の効果が得られることは言うまでもない。

実施の形態２．
図４を参照しながら、本発明に係る樹脂封止型半導体装置の実施の形態２について以下に説明する。実施の形態２の樹脂封止型パワーモジュール２は、封止樹脂部１０より沸点の低い樹脂（低融点樹脂部）３４が開口部３２内に充填されている点を除き、実施の形態１の樹脂封止型パワーモジュール１と同様の構成を有するので、重複する部分に関する詳細な説明を省略する。

上述のとおり、実施の形態２の樹脂封止型パワーモジュール２によれば、封止樹脂部１０より沸点の低い低沸点樹脂部３４が開口部３２内に充填されている。こうした低沸点樹脂部３４の一例として、シリコーンゲルおよびポリエチレン樹脂が挙げられる。

図４に示すように、絶縁性を有する低沸点樹脂部３４を用いて、金属細線２０を覆うことにより、樹脂封止型パワーモジュール２の金属細線２０における絶縁特性を改善することができる。
さらに、実施の形態２によれば、樹脂封止型パワーモジュール２に過電流が流れたとき、実施の形態１と同様、封止樹脂部１０から露出し、低沸点樹脂部３４に覆われた金属細線２０が溶融し、さらにその周辺の低沸点樹脂部３４が発泡・蒸散するため、溶融したアルミニウム金属が移動して半球状または球状に形状変化できるスペースが確保され、金属細線２０を確実に溶断させることができる。

また、金属細線２０が溶断する際にアーク放電が生じた場合であっても、低沸点樹脂部３４が蒸散するときの蒸発潜熱により、アーク放電によるプラズマが直ちに冷却され、アーク放電を伴う過電流を遮断する機能・特性（アーク消弧性）を改善することができる。

実施の形態３．
図５〜図７を参照しながら、本発明に係る樹脂封止型半導体装置の実施の形態３について以下に説明する。実施の形態３の樹脂封止型パワーモジュール３は、開口部３２が段差部３６を有する点を除き、実施の形態１および２の樹脂封止型パワーモジュール１，２と同様の構成を有するので、重複する部分に関する詳細な説明を省略する。

実施の形態３の樹脂封止型パワーモジュール３の開口部３２の段差部３６は、モールド金型を用いて凹部３８をモールド成形加工した後、実施の形態１と同様、凹部３８内のより狭い範囲の領域においてＹＡＧレーザを照射してアブレーション加工を行うことにより形成される。すなわち、モールド成形される凹部３８は金属細線２０，２４に達しない程度の深さを有する。そしてＹＡＧレーザを照射して、金属細線２０の一部が露出するように封止樹脂部１０が除去される。

こうして得られた実施の形態３の樹脂封止型パワーモジュール３によれば、実施の形態１と同様、過電流を確実に遮断することができる。また、パワーモジュール３は、実施の形態１に比べて、金属細線２０が露出するまで封止樹脂部１０をアブレーション加工する深さを浅くすることができるので、アブレーション加工に要する製造コストを格段に削減することができる。さらに、金属細線２０からパワーモジュール３の上側主面までの沿面距離を大きくし、パワーモジュール３としての絶縁距離を確保することができる。

同様に、実施の形態３のパワーモジュール３において、図７に示すように、段差部３６を含む開口部３２に低沸点樹脂部３４を充填することにより、実施の形態２と同様の作用・効果が期待されるパワーモジュール３を実現することができる。さらに、パワーモジュール３の開口部３２の容量が実施の形態１の開口部３２よりも大きく設計されているので、低沸点樹脂部３４の供給量を必ずしも厳格に制御する必要がない。このように実施の形態３によれば、より柔軟性を有する作業工程で低沸点樹脂部３４を開口部３２内に充填できるので、製造コストをいっそう削減することができる。

実施の形態４．
図８〜図１０を参照しながら、本発明に係る樹脂封止型半導体装置の実施の形態４について以下に説明する。図８は、実施の形態４に係る樹脂封止型パワーモジュール４の概略的な平面図であり、図９は、図８のIX−IX線から見た断面図である。実施の形態４に係る樹脂封止型パワーモジュール４は、実施の形態１と同様の構成を有するので、重複する部分に関する詳細な説明を省略し、実施の形態１とは異なる点を中心に以下説明する。

実施の形態１では、金属細線２０を用いて、ダイパッドフレーム１４（ＩＧＢＴチップ１６）と主電流端子フレーム１８の間を電気的に接続していた。これに対し、実施の形態４では、ＩＧＢＴチップ１６を実装するダイパッドフレーム１４が主電流端子フレーム１８に向かって延び、半田やアルミニウムなどの金属薄膜からなる低融点導体部４０をダイパッドフレーム１４と主電流端子フレーム１８の間を橋渡しするように固着させることにより、両者間の電気的接続を実現している。
また、実施の形態４の樹脂封止型パワーモジュール４において、図８（破線）および図９に示すように、低融点導体部４０が封止樹脂部１０から露出するように貫通孔（開口部）４２が形成されている。すなわち、実施の形態４において、ＩＧＢＴチップ１６と外部端子（主電流端子フレーム）１８の間の接続手段は、低融点導体部（溶断導体部）４０とダイパッドフレーム（非溶断導体部）１４からなり、低融点導体部４０が貫通孔４２において封止樹脂部１０から露出するように構成されている。

こうした貫通孔４２は、上金型および下金型がダイパッドフレーム１４および主電流端子フレーム１８に密接した状態で樹脂モールド成形することで容易に形成することができる。必要ならば、ダイパッドフレーム１４および主電流端子フレーム１８上の樹脂バリを除去した後、低融点導体部４０をダイパッドフレーム１４と主電流端子フレーム１８の間を橋渡しするように固着させる。

このように構成された実施の形態４の樹脂封止型パワーモジュール４において、半導体チップ１６が短絡故障して、低融点導体部４０に過電流が流れると、低融点導体部４０が直ちに溶断するので、信頼性の高い過電流遮断特性を実現することができる。
なお、実施の形態４のパワーモジュール４の貫通孔４２は、単なる空間であるとして上記説明したが、実施の形態２と同様、図１０に示すように貫通孔４２内に低融点樹脂部４４を充填して、低融点導体部４０からパワーモジュール４の上側主面までの沿面距離を大きくして、パワーモジュール４の絶縁特性を改善するとともに、アーク消弧性を改善することができる。

実施の形態５．
図１１〜図１３を参照しながら、本発明に係る樹脂封止型半導体装置の実施の形態５について以下に説明する。実施の形態５の樹脂封止型パワーモジュール５は、実施の形態４の低融点導体部４０の代わりに、断面狭窄部４６を用いた点を除き、実施の形態４の樹脂封止型パワーモジュール４と同様の構成を有するので、重複する部分に関する詳細な説明を省略する。

上述のように、実施の形態５では、ＩＧＢＴチップ１６を実装するダイパッドフレーム１４は、断面狭窄部４６を介して主電流端子フレーム１８に連続している。また、樹脂封止型パワーモジュール５は、図１１（破線）および図１２に示すように、断面狭窄部４６が封止樹脂部１０から露出するように貫通孔（開口部）４２が形成されている。すなわち、実施の形態５では、ＩＧＢＴチップ１６と外部端子（主電流端子フレーム）１８の間の接続手段は、断面狭窄部（溶断導体部）４６とダイパッドフレーム（非溶断導体部）１４からなり、断面狭窄部４６が貫通孔４２において封止樹脂部１０から露出するように構成されている。
こうしたダイパッドフレーム１４、断面狭窄部４６、および主電流端子フレーム１８は、銅または銅合金からなるプレートを打ち抜き加工することにより一括して形成することができる。

こうして構成された樹脂封止型パワーモジュール５において、半導体チップ１６が短絡故障して、ダイパッドフレーム１４および断面狭窄部４６に過電流が流れると、断面狭窄部４６の断面積がダイパッドフレーム１４の断面積より小さく、その電気抵抗が大きく構成されているので、断面狭窄部４６がより溶断しやすく、その断面積を適宜設定することにより、所望の過電流遮断特性を実現することができる。
なお、実施の形態５のパワーモジュール５の貫通孔４２は、単なる空間であるとして上記説明したが、実施の形態２と同様、図１３に示すように貫通孔４２内に低融点樹脂４６を充填して、低融点導体部４０からパワーモジュール５の表面までの沿面距離を大きくして、パワーモジュール４の絶縁特性を改善するとともに、アーク消弧性を改善することができる。

実施の形態６．
図１４〜図１６を参照しながら、本発明に係る樹脂封止型半導体装置の実施の形態６について以下に説明する。実施の形態６の樹脂封止型パワーモジュール６は、実施の形態４の低融点導体部４０の代わりに、金属細線４８を用いて、ダイパッドフレーム１４および主電流端子フレーム１８を接続した点を除き、実施の形態４の樹脂封止型パワーモジュール４と同様の構成を有するので、重複する部分に関する詳細な説明を省略する。

上述のように、実施の形態６では、ＩＧＢＴチップ１６を実装するダイパッドフレーム１４と主電流端子フレーム１８の間を電気的に接続する手段は、アルミニウムなどの金属からなる少なくとも１本（好適には複数の）金属細線４８を用いて構成されている。すなわち、実施の形態６において、ＩＧＢＴチップ１６と外部端子（主電流端子フレーム）１８の間の接続手段は、金属細線（溶断導体部）４８とダイパッドフレーム（非溶断導体部）１４からなり、金属細線（溶断導体部）４８が貫通孔４２において封止樹脂部１０から露出するように構成されている。

実施の形態６の樹脂封止型パワーモジュール６において、半導体チップ１６が短絡故障して、ダイパッドフレーム１４および金属細線４８に過電流が流れると、金属細線４８の電気抵抗がダイパッドフレーム１４より大きくなるように設計されているので、金属細線４８がより溶断しやすく、その断面積を適宜設計することにより、所望する過電流遮断特性を得ることができる。
なお、実施の形態６のパワーモジュール６の貫通孔４２は、単なる空間であってもよいし、実施の形態２と同様、図１６に示すように貫通孔４２内に低融点樹脂部４４を充填してもよい。このとき、金属細線４８からパワーモジュール６の上側主面までの沿面距離を大きくして、パワーモジュール６の絶縁特性を改善するとともに、アーク消弧性を改善することができる。

実施の形態７．
図１７〜図１９を参照しながら、本発明に係る樹脂封止型半導体装置の実施の形態７について以下説明する。実施の形態７の樹脂封止型パワーモジュール７は、実施の形態４の低融点導体部４０の代わりに、並列に接続された低融点導体部５０および金属細線５２を用いて、ダイパッドフレーム１４および主電流端子フレーム１８を接続した点を除き、実施の形態４の樹脂封止型パワーモジュール４と同様の構成を有するので、重複する部分に関する詳細な説明を省略する。

上述のように、実施の形態７では、ＩＧＢＴチップ１６を実装するダイパッドフレーム１４と主電流端子フレーム１８の間を電気的に接続する手段は、低融点導体部５０および金属細線５２を用いて構成されている。すなわち、実施の形態７において、ＩＧＢＴチップ１６と外部端子（主電流端子フレーム）１８の間の接続手段は、並列に接続された低融点導体部（第１の溶断導体部）５０および金属細線５２（第２の溶断導体部）とダイパッドフレーム（非溶断導体部）１４とからなり、低融点導体部（第１の溶断導体部）５０および金属細線５２（第２の溶断導体部）が貫通孔４２において封止樹脂部１０から露出するように構成されている。

一般に、アーク消弧性、すなわちアーク放電を伴う過電流を遮断する機能・特性を改善するためには、溶断後の溶融導体部の端子の間の距離が急速に広がり、溶融導体部が速やかに冷却されることが必要である。したがって金属細線５２は、溶融すると球形状に変形して、端子間距離が急速に広がり、周辺にある空気またはシリコーンゲルなどの低沸点樹脂が実質的な面積で溶融金属細線と接触しているので、プラズマが消弧（冷却）されやすく、アーク消弧性を改善する上で好ましい形状の導体部である。しかし金属細線５２は、板状のフレームに比して断面積が小さく（電気抵抗が大きく）、この点において主電流を流す導体部として好ましくない。

そこで、実施の形態７の樹脂封止型パワーモジュール７は、図１７および図１８に示すように、並列に配置された低融点導体部５０および金属細線５２を配設する。低融点導体部（第１の溶断導体部）５０および金属細線（第２の溶断導体部）５２の電気抵抗値の比が例えば１００：１である場合、短絡電流は、抵抗値の逆数の比でそれぞれの溶断導体部に流れる。このとき、まず低融点導体部５０が溶断するが、その直後は金属細線５２が溶断していない（短絡過電流は金属細線５２に流れ続ける）ので、低融点導体部５０の溶断端子間においてアーク放電が発生することはない。そして、低融点導体部５０が溶断した後、所定の時間差をもって、金属細線５２が溶断する。この所定の時間差において、低融点導体部５０の溶断端子間は十分に冷却されるので、金属細線５２が溶断した後もアーク放電は生じない。また上述のように金属細線５２は、アーク消弧性を改善する上で好ましい形状を有し、同様にアーク放電が生じることはない。こうして、樹脂封止型パワーモジュール７によれば、アーク消弧性を格段に改善することができる。
同様に、実施の形態７のパワーモジュール７の貫通孔４２は、実施の形態２と同様、図１９に示すように貫通孔４２内に低融点樹脂部４４を充填して、パワーモジュール７の絶縁特性を改善するとともに、アーク消弧性を改善することができる。

実施の形態８．
図２０〜図２２を参照しながら、本発明に係る樹脂封止型半導体装置の実施の形態８について以下に説明する。実施の形態８の樹脂封止型パワーモジュール８は、実施の形態７の低融点導体部５０の代わりに第１の断面狭窄部５４、金属細線５２の代わりに第２の断面狭窄部５６を用いる点を除き、実施の形態７の樹脂封止型パワーモジュール７と同様の構成を有するので、重複する部分に関する詳細な説明を省略する。

上述のように、実施の形態８では、ＩＧＢＴチップ１６を実装するダイパッドフレーム１４は、並列に配設された第１および第２の断面狭窄部５４，５６を介して主電流端子フレーム１８に連続している。また、樹脂封止型パワーモジュール８は、図２０（破線）および図２１に示すように、第１および第２の断面狭窄部５４，５６が封止樹脂部１０から露出するように貫通孔（開口部）４２が形成されている。すなわち、実施の形態８において、ＩＧＢＴチップ１６と外部端子（主電流端子フレーム）１８の間の接続手段は、並列に接続された第１および第２の断面狭窄部５４，５６（溶断導体部）とダイパッドフレーム（非溶断導体部）１４とからなり、第１および第２の断面狭窄部（溶断導体部）５４，５６が貫通孔４２において封止樹脂部１０から露出するように構成されている。
ダイパッドフレーム１４、第１および第２の断面狭窄部５４，５６、および主電流端子フレーム１８は、銅または銅合金からなるプレートを打ち抜き加工することにより一括して形成することができる。

こうして構成された樹脂封止型パワーモジュール８において、半導体チップ１６が短絡故障して、ダイパッドフレーム１４ならびに第１および第２の断面狭窄部５４，５６に過電流が流れると、第１および第２の断面狭窄部５４，５６の断面積がダイパッドフレーム１４より小さく、その電気抵抗が大きいので、第１および第２の断面狭窄部５４，５６がより溶断しやすい。また、並列に接続された第１および第２の断面狭窄部５４，５６のうち、第２の断面狭窄部５６の断面積が第１の断面狭窄部５４より小さくなるように構成されているので、第１の断面狭窄部５４が第２の断面狭窄部５６より先に溶断する。第１の断面狭窄部５４が溶断したとき、第２の断面狭窄部５６は溶断せず、短絡電流が流れ続けているため、第１の断面狭窄部５４の溶断端子間においてアーク放電が発生することはない。そして第１の断面狭窄部５４が溶断した後、所定の時間差をもって、第２の断面狭窄部５６が溶断する。この所定の時間差において、第１の断面狭窄部５４の溶断端子間は十分に冷却されるので、第２の断面狭窄部５６が溶断した後もアーク放電は生じない。こうして、樹脂封止型パワーモジュール８によれば、アーク消弧性を格段に改善することができる。

なお、実施の形態８のパワーモジュール８の貫通孔４２は、単なる空間であるとして上記説明したが、実施の形態２と同様、図２２に示すように貫通孔４２内に低融点樹脂部４４を充填して、低融点導体部５０からパワーモジュール８の上側主面までの沿面距離を大きくして、パワーモジュール８の絶縁特性を改善するとともに、アーク消弧性を改善することができる。

本発明の実施の形態１による樹脂封止型パワーモジュールを概略的に示す平面図であり、封止樹脂部を省略したものである。図１のII−II線から見た断面図であり、封止樹脂部のハッチングを省略したものである。（ａ）および（ｂ）は、それぞれ金属細線が溶断する前後を示す概略図である。本発明の実施の形態２による樹脂封止型パワーモジュールを概略的に示す図２と同様の断面図である。本発明の実施の形態３による樹脂封止型パワーモジュールを概略的に示す平面図であり、封止樹脂部を省略したものである。図５のVI−VI線から見た断面図であり、封止樹脂部のハッチングを省略したものである。実施の形態３の変形例を概略的に示す図２と同様の断面図である。本発明の実施の形態４による樹脂封止型パワーモジュールを概略的に示す平面図であり、封止樹脂部を省略したものである。図８のIX−IX線から見た断面図であり、封止樹脂部のハッチングを省略したものである。実施の形態４の変形例を概略的に示す図２と同様の断面図である。本発明の実施の形態５による樹脂封止型パワーモジュールを概略的に示す平面図であり、封止樹脂部を省略したものである。図１１のXII−XII線から見た断面図であり、封止樹脂部のハッチングを省略したものである。実施の形態５の変形例を概略的に示す図２と同様の断面図である。本発明の実施の形態６による樹脂封止型パワーモジュールを概略的に示す平面図であり、封止樹脂部を省略したものである。図１４のXV−XV線から見た断面図であり、封止樹脂部のハッチングを省略したものである。実施の形態６の変形例を概略的に示す図２と同様の断面図である。本発明の実施の形態７による樹脂封止型パワーモジュールを概略的に示す平面図であり、封止樹脂部を省略したものである。図１７のXVIII−XVIII線から見た断面図であり、封止樹脂部のハッチングを省略したものである。実施の形態７の変形例を概略的に示す図２と同様の断面図である。本発明の実施の形態８による樹脂封止型パワーモジュールを概略的に示す平面図であり、封止樹脂部を省略したものである。図２０のXXI−XXI線から見た断面図であり、封止樹脂部のハッチングを省略したものである。実施の形態８の変形例を概略的に示す図２と同様の断面図である。

符号の説明

１０封止樹脂部、１２絶縁シート（絶縁基板）、１４ダイパッドフレーム、１６半導体チップ（ＩＧＢＴチップ）、１８主電流端子フレーム（外部端子）、２０，２４金属細線、２２コモンフレーム、２６制御用ＩＣチップ、２８制御端子フレーム、３０制御用金属細線、３２開口部、３４低融点樹脂部、３６段差部、３８凹部、４０低融点導体部、４２貫通孔、４４低融点樹脂部、４６断面狭窄部、４８金属細線、５０低融点導体部（第１の溶断導体部）、５２金属細線（第２の溶断導体部）、５４，５６第１および第２の断面狭窄部（第１および第２の溶断導体部）。

Claims

半導体素子と、
前記半導体素子と外部端子とを電気的に接続する接続手段と、
前記半導体素子および前記接続手段を封止するように成形された、開口部を有する封止樹脂部とを備え、
前記接続手段の一部が前記開口部において前記封止樹脂部から露出していることを特徴とする樹脂封止型半導体装置。
前記封止樹脂部から露出した前記接続手段の一部を覆うように、前記開口部に前記封止樹脂部より沸点の低い低融点樹脂部が充填されていることを特徴とする請求項１に記載の樹脂封止型半導体装置。
前記開口部に段差部を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の樹脂封止型半導体装置。
前記接続手段が溶断導体部および非溶断導体部からなり、
前記接続手段に過電流が流れたとき、前記溶断導体部は前記非溶断導体部より溶断しやすくなるように構成され、
前記溶断導体部が前記開口部において前記封止樹脂部から露出することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一に記載の樹脂封止型半導体装置。
前記溶断導体部は、前記非溶断導体部より低い融点を有する材料からなることを特徴とする請求項４に記載の樹脂封止型半導体装置。
前記溶断導体部は、前記非溶断導体部より小さい断面積を有することを特徴とする請求項４に記載の樹脂封止型半導体装置。
前記溶断導体部が金属細線からなり、前記非溶断導体部が金属板からなることを特徴とする請求項４に記載の樹脂封止型半導体装置。
前記接続手段が、並列に接続された第１および第２の溶断導体部と、非溶断導体部とからなり、
前記接続手段に過電流が流れたとき、前記第１および第２の溶断導体部は前記非溶断導体部より溶断しやすく、かつ前記第１の溶断導体部は前記第２の溶断導体部より溶断しやすくなるように構成され、
前記第１および第２の溶断導体部が前記開口部において前記封止樹脂部から露出することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一に記載の樹脂封止型半導体装置。
前記第１の溶断導体部は、前記第２の溶断導体部より低い融点を有することを特徴とする請求項８に記載の樹脂封止型半導体装置。
前記第１の溶断導体部は、前記第２の溶断導体部より大きい断面積を有することを特徴とする請求項８に記載の樹脂封止型半導体装置。
前記封止樹脂部は、熱硬化性または熱可塑性樹脂からなることを特徴とする請求項１または２に記載の樹脂封止型半導体装置。