JP2010027813A - 電力用半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】トランスファーモールド樹脂で封止された電力用半導体装置であって、筒状外部端子連通部が、配線パターンに対して略垂直に設置され、外部端子を挿入接続可能であり、挿入される外部端子と配線パターンとを電気的に接続でき、且つ、少なくとも配線パターンと接合される端部にテーパーを設けたものである。
【選択図】図1
Description
このような電力用半導体装置として、放熱板となる金属板に絶縁層としてセラミック板を介して配線パターンが形成された基板に電力用半導体素子を搭載し、シリコーンゲルを介して熱硬化性樹脂で注型された電力用半導体装置がある(例えば、特許文献1参照)。
このような問題を解決し生産性に優れた電力用半導体装置として、金属板上に絶縁層を介してリードフレームを設け、このリードフレーム上に電力用半導体素子を搭載し、トランスファーモールド樹脂により封止した電力用半導体装置がある(例えば、特許文献2参照)。
すなわち、金属板上に絶縁層を介して設けられ、且つ電力用半導体素子を搭載したリードフレームは、電力用半導体素子とともに、トランスファーモールド樹脂により封止されるが、リードフレーム外周部の他端が樹脂封止部から突出している。そして、この樹脂封止部から突出したリードフレームは、タイバーを切断して、独立した外部端子として用いられる。
また、外部端子に用いられているリードフレームは、折り曲げ加工を行うため、厚みに制約があり、それにより、外部端子部に流す電流を大きくできず、電力用半導体装置の大電流化が制限されるとの問題があった。
図1は、本発明の実施の形態1に係る電力用半導体装置の断面模式図である。
図1に示すように、本実施の形態の電力用半導体装置100は、電力用半導体装置100の熱を放熱する金属放熱体である金属板1の一方の面に、高熱伝導絶縁層である樹脂絶縁層2が設けられている。この樹脂絶縁層2における金属板1に接合された面と対向する面には、金属箔の配線パターン3が設けられている。
すなわち、金属板1と樹脂絶縁層2と配線パターン3とで、回路基板である金属回路基板8を構成している。配線パターン3上には、電力用半導体素子5と筒状外部端子連通部6とが、はんだ4で接合されている。特に、筒状外部端子連通部6は配線パターン3に対し略垂直に設けられている。また、配線パターン3と配線パターン3との間、電力用半導体素子5と電力用半導体素子5との間、および、配線パターン3と電力用半導体素子5との間は、これらを電気的に接続する回路形成手段であるワイヤーボンド9で接続されている。
そして、金属回路基板8の配線パターン形成面部および周囲側面部と、電力用半導体素子5と、ワイヤーボンド9と、筒状外部端子連通部6の外面は、トランスファーモールド樹脂7で封止されている。しかし、金属板1の樹脂絶縁層2が設けられた面と対向する面はトランスファーモールド樹脂7で封止されておらず、筒状外部端子連通部6の孔部にはトランスファーモールド樹脂7は充填されていない。
図2に示すように、電力用半導体装置101は、電力用半導体装置100の筒状外部端子連通部6に棒状の外部端子12が挿入された状態のものである。しかし、挿入する外部端子12は、棒状に限定されるものではなく、電力用半導体装置と外部回路との導通を実現できるものであれば、棒状以外の形状であっても良い。
図3に示すように、本実施の形態の電力用半導体装置100に用いられた筒状外部端子連通部6における配線パターン3と接合する一方の端部には、テーパー61が形成されている。このテーパー61は、筒状外部端子連通部6の上方から配線パターン3との接合部方向に向かって内径が大きくなる形状である。
図示しないが、上記端部のテーパーは、筒状外部端子連通部6の上方から配線パターン3との接合部方向に向かって外径が小さくなる形状であっても良い。そして、これらのテーパーの角度は、はんだの種類によって、適宜決められる。
本実施の形態の電力用半導体装置100では、筒状外部端子連通部6の配線パターン3に接合させる一方の端部にテーパーが形成されているので、筒状外部端子連通部6へのはんだ4の付きが、良好となる。これにより、筒状外部端子連通部6と配線パターン3との接合不良が防止でき、電力用半導体装置の製造における歩留まりが増加し、生産性が向上する。併せて、電力用半導体装置の使用時の信頼性も向上する。
また、筒状外部端子連通部6の内径は、後で挿入接続する外部端子12の挿入部の外径から決まり、少なくとも、外部端子12を取り付けることができる内径であれば良い。そして、筒状外部端子連通部6のトランスファーモールド樹脂表面側端部の内径を、中心部の内径以上としても良い。このようにすると、筒状外部端子連通部6への外部端子12の挿入が容易になる。
筒状外部端子連通部6は、貫通穴が開いているため、外部端子12を挿入した際に、外部端子12が、筒状外部端子連通部6が接合している配線パターン3と接触し、配線パターン3との電気的な接続が可能である。
また、金属板1の厚み、長さ、幅とは、電力用半導体装置100の電流容量により、適宜決められる。すなわち、電力用半導体装置100の電流容量が大きくなると、金属板1の厚みを厚くし、金属板1の長さと幅とを大きくする。
また、本実施の形態において、樹脂絶縁層2には、例えば、各種セラミックスや無機粉末を含有する樹脂絶縁シート、ガラス繊維を含有する樹脂絶縁シートを用いることができる。上記樹脂絶縁層2に含有される無機粉末としては、アルミナ、ベリリヤ、ボロンナイトライド、マグネシア、シリカ、窒化珪素、窒化アルミニウムが挙げられる。そして、樹脂絶縁層2の厚みは、例えば、20〜400μmである。
また、本実施の形態において、筒状外部端子連通部6には、例えば、金属筒が用いられ、その材質は、熱伝導性と電気伝導性とに優れ、配線パターン3に、はんだ4で接合できる金属、例えば、銅および銅合金、アルミニウムおよびアルミニウム合金等のめっき品を用いるのが好ましい。
例えば、配線パターン3と金属板1とに銅を用いた場合、トランスファーモールド樹脂7の熱膨張係数を銅の熱膨張係数である16ppm/℃に合わすように、エポキシ樹脂へのシリカ粉末の充填量が設定される。このようにすることにより、反りのない電力用半導体装置が得られる。
また、トランスファーモールド樹脂7の放熱性を向上させる場合は、フィラーとしてシリカ粉末の代わりにアルミナ粉末を用いることが好ましい。
また、本実施の形態において、筒状外部端子連通部6に挿入する外部端子12には、熱伝導性と電気伝導性に優れた金属が用いられ、特に、銅系の材料が好ましい。外部端子12の断面積は、電力用半導体装置100の電流容量により、適宜決められる。
本実施の形態の電力用半導体装置100は、例えば、厚み3mmのアルミニウム板に、Bステージ状態のアルミナ粉末を含有するエポキシ樹脂シートを載せ、その上に厚み0.3mmの銅箔を重ねる。そして、アルミニウム板とアルミナ粉末を含有するエポキシ樹脂シートと銅箔とを積層したものを加熱・加圧して、アルミニウム板と銅箔とをアルミナ粉末を含有するエポキシ樹脂シートで接合する。次に、銅箔をエッチングして配線パターン3を形成する。このようにして、アルミニウムの金属板1とアルミナ粉末を含有するエポキシ樹脂の樹脂絶縁層2と銅の配線パターン3とからなる金属回路基板8を形成する。
その後、図示していないが、ソルダーレジストを所定の場所に形成する。しかし、この工程は、なくても良い。
そして、配線パターン3と配線パターン3との間、電力用半導体素子5と電力用半導体素子5との間、および、配線パターン3と電力用半導体素子5との間において、導通が必要な箇所をアルミニウムのワイヤーボンド9で接続する。
また、本実施の形態では、導通が必要な箇所をワイヤーボンド9で接続しているが、これに限定されるものではなく、これ以外の電気的接続を行えるものであっても良い。
本実施の形態の電力用半導体装置100における筒状外部端子連通部6の孔部は、電力用半導体装置100を外部回路と導通させる外部端子12が設けられる部位である。
そして、筒状外部端子連通部6へ外部端子12を接続する方法としては、はんだ付け、金属間接合であるプレスフィットに代表される圧入接続、ネジ接続等が挙げられるが、低コストで接続部の信頼性が高く、工程が容易なプレスフィットに代表される圧入接続が好ましい。
このようにすると、ワイヤーボンディング時におけるワイヤーボンディング装置の制約がないので、例え高さが高い筒状外部端子連通部6を用いる場合でも、筒状外部端子連通部6の近傍にワイヤーボンディングすることができ、高さが高い筒状外部端子連通部6を用いた場合に生じる、部品の実装面積の増大を防止できる。
この製造方法では、筒状外部端子連通部6の接合は、すでに電力用半導体素子5が接合された配線パターン3に行うので、低融点はんだを用いるか、もしくは、はんだ以外の接合方法を用いる。はんだ以外の接合方法としては、例えば、銀ペーストで接着する方法や、超音波接合による方法が挙げられる。
このため、本実施の形態の電力用半導体装置では外部回路基板などへ実装するに必要な面積が小さくできる。また、電力用半導体装置のトランスファーモールド樹脂の周辺側面部から外部端子が突出した構造ではないので、隣接する電力用半導体装置同士を近接して外部回路基板などへ実装でき、機器への実装密度を向上できる。
また、本実施の形態の電力用半導体装置100では、筒状外部端子連通部6の配線パターン3に接合させる一方の端部にテーパー61が形成されているので、筒状外部端子連通部6へのはんだ4の付きが、良好となる。これにより、筒状外部端子連通部6と配線パターン3との接合不良が防止でき、電力用半導体装置の製造における歩留まりが増加し、生産性が向上する。
図4は、本発明の実施の形態2に係る電力用半導体装置に設けられた筒状外部端子連通部の近傍を示す断面模式図である。
図4は、電力用半導体装置の筒状外部端子連通部に外部端子が挿入された状態を示している。
図4に示すように、本実施の形態の電力用半導体装置200は、外側面に凹凸を有する筒状外部端子連通部16が用いられている以外、実施の形態1と同様である。そして、筒状外部端子連通部16における凹凸の谷部から山部までの高さは、10〜100μmが好ましい。
本実施の形態の電力用半導体装置200は、実施の形態1の電力用半導体装置100と同様な効果があるとともに、筒状外部端子連通部16の外側面に凹凸が設けられているので、トランスファーモールドを行った際に、トランスファーモールド樹脂7と筒状外部端子連通部16との接着性が増し、電力用半導体装置の長期信頼性が向上する。
図5は、本発明の実施の形態3に係る電力用半導体装置に設けられた筒状外部端子連通部の近傍を示す断面模式図である。
図5は、電力用半導体装置の筒状外部端子連通部に外部端子が挿入された状態を示している。
図5に示すように、本実施の形態の電力用半導体装置300は、配線パターン3における筒状外部端子連通部6を接合する部位に、筒状外部端子連通部搭載用の溝10が設けられている以外、実施の形態1と同様である。
本実施の形態の電力用半導体装置300は、実施の形態1の電力用半導体装置100と同様な効果を有する。さらに、配線パターン3に筒状外部端子連通部搭載用の溝10が設けられているので、配線パターン3上での筒状外部端子連通部6の位置決めが正しくでき、配線パターン3の筒状外部端子連通部搭載位置に筒状外部端子連通部6を精度良くはんだ接合ができるとともに、はんだ接合の信頼性が向上する。
すなわち、筒状外部端子連通部6と配線パターン3との接合不良率がさらに低下し、電力用半導体装置の製造における歩留まりがさらに増加し、より生産性が向上する。
図6は、本発明の実施の形態4に係る電力用半導体装置に設けられた筒状外部端子連通部の近傍を示す断面模式図である。
図6は、電力用半導体装置の筒状外部端子連通部に外部端子が挿入された状態を示している。
図6に示すように、本実施の形態の電力用半導体装置400は、配線パターン3における筒状外部端子連通部6が搭載される部位に、筒状外部端子連通部6の内径より小さい円状のソルダーレジスト11が設けられている以外、実施の形態1と同様である。
本実施の形態の電力用半導体装置400は、実施の形態1の電力用半導体装置100と同様な効果があるとともに、上記のようなソルダーレジスト11が設けられているので、配線パターン3における筒状外部端子連通部搭載位置に筒状外部端子連通部6を精度良くはんだ接合ができ、配線パターン3に対する筒状外部端子連通部6の接合位置ずれによる不良が低減し、電力用半導体装置の製造における歩留まりがさらに増加し、より生産性が向上する。
図7は、本発明の実施の形態5に係る電力用半導体装置に設けられた筒状外部端子連通部の近傍を示す断面模式図(a)と、この断面模式図(a)におけるX−X断面の模式図(b)とである。
図7に示すように、本実施の形態の電力用半導体装置500は、実施の形態1の電力用半導体装置100の筒状外部端子連通部6に、筒状外部端子連通部6の内壁部と接触する3個の凸部を備えた棒状の外部端子22が挿入されたものである以外、実施の形態1と同様である。
図8は、実施の形態1の電力用半導体装置の筒状外部端子連通部に、外部端子としてのコンプライアントアイピンが挿入された状態における、筒状外部端子連通部の近傍を示す断面模式図(a)と、この断面模式図(a)におけるY−Y断面の模式図(b)とである。
しかし、図7に示す本実施の形態の電力用半導体装置500では、外部端子22が筒状外部端子連通部6と3点で接触するので、コンプライアントアイピンの外部端子32に比べ、外部端子と筒状外部端子連通部との接触面積を増やすことができ、電力用半導体装置の大電流化、高電圧化を可能とする。
本実施の形態では、筒状外部端子連通部6と接触する3個の凸部を備えた棒状の外部端子22を用いているが、筒状外部端子連通部6と接触する外部端子の凸部は、形成可能な範囲で、3個以上であっても良い。すなわち、筒状外部端子連通部6と接触する外部端子の凸部の最適な数は、筒状外部端子連通部6の内径によって決まる。
図9は、本発明の実施の形態6に係る電力用半導体装置の断面模式図である。
図9は、電力用半導体装置の筒状外部端子連通部に外部端子が挿入された状態を示している。
図9に示すように、本実施の形態の電力用半導体装置600は、ワイヤーボンディング可能なパッド27を外側面途中に備えたパッド付き筒状外部端子連通部26が用いられ、筒状外部端子連通部と導通のある各配線パターン3にワイヤーボンド9を接続する替わりに、パッド付き筒状外部端子連通部26のパッド27にワイヤーボンド9が接続された以外、実施の形態1と同様である。
すなわち、パッド付き筒状外部端子連通部26は狭い間隔で設置できるので、配線パターン3の縮小化、ならびに、部品の高密度実装が可能であり、電力用半導体装置のいっそうの小型化ができる。
本実施の形態の電力用半導体装置600は、1回のはんだ付けの工程で全ての部品を実装できるので、生産性にも優れている。
図10は、本発明の実施の形態7に係る電力用半導体装置の断面模式図である。
図10は、電力用半導体装置の筒状外部端子連通部に外部端子が挿入された状態を示している。
図10に示すように、本実施の形態の電力用半導体装置700は、ワイヤーボンドによる接続を用いず、ブスバー端子付き筒状外部端子連通部36と、その他の実装部品間を接続するダイレクトリード用ブスバー13とを用いた以外、実施の形態1と同様である。
本実施の形態の電力用半導体装置700は、ワイヤーボンドを用いないので、ワイヤーボンディング工程を無くすことができ、また、ブスバー端子付き筒状外部端子連通部36の配線パターン3への接合と、電力用半導体素子5の配線パターン3への接合と、ダイレクトリード用ブスバー13の電力用半導体素子5への接合とが、同時に1回のはんだ工程でできるので、生産性に優れている。
また、大電流に対応する電力用半導体装置を、複数のワイヤーボンドを並列に用いることなしに、ブスバーの幅・厚みを変えることにより実現でき、この面からも生産性に優れている。
5 電力用半導体素子、6 筒状外部端子連通部、7 トランスファーモールド樹脂、
8 金属回路基板、9 ワイヤーボンド、10 筒状外部端子連通部搭載用の溝、
11 ソルダーレジスト、12 外部端子、13 ダイレクトリード用ブスバー、
16 外側面に凹凸を有する筒状外部端子連通部、22 外部端子、
26 パッド付き筒状外部端子連通部、27 パッド、32 外部端子、
36 ブスバー端子付き筒状外部端子連通部、61,62 テーパー、
100,101,200,300,400 電力用半導体装置、
500,501,600,700 電力用半導体装置。
Claims (7)
- 金属放熱体とこの金属放熱体の一方の面と接合した高熱伝導絶縁層とこの高熱伝導絶縁層における上記金属放熱体と接合した面と対向する面に設けられた配線パターンとからなる回路基板と、上記配線パターンの素子搭載部に接合された電力用半導体素子と、上記配線パターンに接合された筒状外部端子連通部の外面と、上記電力用半導体素子間、上記配線パターン間、上記電力用半導体素子と上記配線パターンとの間の各間を電気的に接続する回路形成手段とが、トランスファーモールド樹脂で封止された電力用半導体装置であって、上記筒状外部端子連通部が、上記配線パターンに対して略垂直に設置され、外部端子を挿入接続可能であり、且つ、少なくとも上記配線パターンに接合される端部にテーパーを設けたことを特徴とする電力用半導体装置。
- 筒状外部端子連通部の外側面に凹凸が設けられたことを特徴とする請求項1に記載の電力用半導体装置。
- 配線パターンにおける筒状外部端子連通部を接合する部位に、筒状外部端子連通部搭載用の溝が設けられたことを特徴とする請求項1に記載の電力用半導体装置。
- 配線パターンにおける筒状外部端子連通部が搭載される部位に上記筒状外部端子連通部の内径より小さい円状のソルダーレジストを設けたことを特徴とする請求項1に記載の電力用半導体装置。
- 筒状外部端子連通部の内壁部と接触する、3個から形成可能な範囲以内までの個数の凸部を備えた外部端子が上記筒状外部端子連通部に挿入されたことを特徴とする請求項1に記載の電力用半導体装置。
- 筒状外部端子連通部に、ワイヤーボンディングが可能なパッドが設けられたことを特徴とする請求項1に記載の電力用半導体装置。
- 筒状外部端子連通部に、回路形成手段としてのブスバー端子が設けられたことを特徴とする請求項1に記載の電力用半導体装置。
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