JP2010199152A - 電子部品の成形封止方法及びそれによる電子部品 - Google Patents

Abstract

【課題】パワー半導体モジュールの成形封止方法及びそれによる電子部品を提供する。
【解決手段】電子部品の成形方法であって、能動素子１が実装されたリードフレーム３と、受動素子２が実装された基板５とが接続端子６で平行に連結した２層構造１０を、金型８内部にセットする段階と、封止樹脂を、前記リードフレームと同一方向から前記金型に注入して、前記２層構造にボイドの発生を防止するように、前記封止樹脂が、前記２層構造がセットされた前記金型内部に流入する段階とからなる。
【選択図】図３

Description

本発明は、２層構造を封止した電子部品、特に、パワー素子をリードフレームに、受動素子を基板に実装する２層構造を封止したパワー半導体モジュールの成形封止方法及びそれによる電子部品に関する。

パワーモジュールの高機能化、小型化のためには、特許文献１に見られるように、パワーデバイスを封止樹脂中に封止し、この封止樹脂表面に制御基板を実装した後、さらに樹脂封止することにより、パワーデバイスと制御基板との積層を可能とし、所要面積の削減をはかるものが知られている。また、特許文献２に見られるように、第１の基板と、その上方に第２の基板を配置し、第１の基板上に一次封止樹脂層を配置し、その上に第２の基板を埋没させるように二次封止樹脂を配置したパワーモジュールも知られている。さらに、特許文献３に見られるように、リードフレーム上にパワーデバイスが樹脂封止されたパワー回路部と、このパワー回路部の上面に配置される制御回路部とを備え、全体が樹脂封止されたパワーモジュールも知られている。これらは、いずれも樹脂封止を２回に分けて行うものであった。このため工程のサイクルタイムに無駄が生じていた。

特開１１−３０７７２１号公報 特開２００１−２１０７５８号公報 特開２００１−８５６１３号公報

本発明は、上記問題に鑑み、２層構造を封止した電子部品、特に、パワー素子をリードフレームに、受動素子を基板に実装する２層構造を封止したパワー半導体モジュールの成形封止方法及びその方法による電子部品を提供するものである。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、能動素子（１）が実装されたリードフレーム（３）と、受動素子（２）が実装された基板（５）とが接続端子（６）で平行に連結した２層構造（１０）を、金型（８）内部にセットする段階と、封止樹脂（１１）を、前記リードフレーム（３）と同一方向から前記金型（８）に注入して、前記２層構造（１０）にボイドの発生を防止するように、前記封止樹脂（１１）が、前記２層構造（１０）がセットされた前記金型（８）内部に流入する段階とからなる電子部品の成形方法である。ここで、同一方向とは、厳密な意味での同一ではなく、ほぼ同一方向という意味である。

これにより、成形時に発生するボイドの発生が防止され、また、樹脂封止を１回で行うので、短時間でエネルギーが少ない封止方法が得られる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記能動素子（１）が、パワー素子であることを特徴としたパワー半導体モジュールの成形方法である。請求項１の発明と同様の効果がある。

請求項３の発明は、請求項２の発明において、ポッティング成形によることを特徴とする。これにより、樹脂が下側から充填されるため巻き込みボイドが発生しない。請求項１の発明と同様な効果がある。

請求項４の発明は、請求項３の発明において、前記金型（８）内部に、前記リードフレーム（３）が垂直になるようにセットし、さらに、前記封止樹脂（１１）が上方から加圧されずに注入されることを特徴とする。これにより、封止樹脂が下側から充填されるため巻き込みボイドが発生しない。加圧しないため設備が簡単となる。

請求項５の発明は、請求項２の発明において、射出成形によることを特徴とする。
これにより、サイクルタイムの短縮が可能となり、連続成形が可能となる。

請求項６の発明は、請求項２の発明において、トランスファー成形によることを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項１から６のいずれかの発明において、さらに、金型内部を真空引きする段階を含むことを特徴とする。これにより、金型内部が真空引きされているので、封止樹脂の充填が迅速であり、巻き込みボイドが発生することがない。

請求項８の発明は、請求項１から７のいずれか１つに記載の発明において、前記封止樹脂（１１）の粘度が０．１〜５００Ｐａ・ｓであることを特徴とする。これにより、封止樹脂が充填させやすくなる。

請求項９の発明は、請求項１から８のいずれか１つに記載の発明において、さらに、前記封止樹脂（１１）が連鎖硬化樹脂であることを特徴とする。これにより、連鎖硬化は硬化に必要な時間が短いため、工程で硬化に必要な時間が短縮可能となる。また、熱源が１点でよいため、必要エネルギーの低減が実現でき、省エネである。充填時に加熱しないため、充填中に硬化することがなく、大型封止も可能となる。巻き込みボイドが生じないので、連鎖硬化がボイド部分で止まることなく、連鎖がスムーズに進み、全体の完全硬化が期待できる。

請求項１０の発明は、請求項１から９のいずれか１つに記載の発明で製造された前記封止樹脂（１１）と前記２層構造（１０）とからなる電子部品である。小型化された、巻き込みボイドが生じない製品が得られる。

請求項１１の発明は、請求項２に記載の発明で製造された、前記金型（８）と一体となった前記封止樹脂（１１）と前記２層構造（１０）とからなる半導体パワーモジュールである。
なお、上記に付した符号は、後述する実施形態に記載の具体的実施態様との対応関係を示す一例である。

パワー半導体モジュールに封止する２層構造１０の一例であって、パワー素子をリードフレームに、受動素子を基板に実装する２層構造１０を示す概要図である。 本発明の基礎となった比較技術を示す概要図である。 ２層構造１０を金型８にセットした段階を示す概要図である。 封入樹脂１１がポティングにより充填されている途中の様子を示す概要図である。 充填後の２層構造１０の状態と金型の寸法の一例を示す説明図である。 射出成形を用いた場合の本発明の別の実施態様の説明図である。 連鎖硬化について説明する説明図であり、（ａ）は充填が終了した状態、（ｂ）は、熱源で加熱を開始した状態、（ｃ）は、連鎖硬化が上部に向って進展する状態を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態を説明する。各実施態様について、同一構成の部分には、同一の符号を付してその説明を省略する。本発明の各実施形態が、本発明の基礎となった比較技術に対しても同一構成の部分には同一の符号を付してその説明を省略する。

図１は、パワー半導体モジュールに封止する２層構造１０の一例であって、パワー素子をリードフレームに、受動素子を基板に実装する２層構造１０を示す概要図である。
図１において、１はパワー素子で、動作時に発熱するため４の放熱板上に接着剤や半田等により固定されており、３のリードフレームと電気的に接続されている。２は受動素子で、実装基板５上に、接着剤や半田等により固定され電気的に接続される。３はリードフレームで、外部との電気的導通がなされる。４は放熱板で、パワー素子から発生する熱を外部に放出することを目的とする。５は実装基板で、６の接続端子により固定され６の接続端子に電気的に接続されている。６は接続端子で、上部の実装基板５と下部のリードフレーム３を電気的に導通するとともに両者を固定している。

上部の実装基板５と下部のリードフレーム３は平行になっているが、ここで平行とは、必ずしも厳密な意味での平行でなくとも良く、ほぼ平行となっていれば良い。放熱が必要なパワー素子１を放熱性の良いリードフレーム３に直接実装し（１層目）、放熱を必要としないその他の素子２（受動素子）を配線基板に実装し（２層目）、この２層構造１０を立体的に実装するものである。リードフレームにはパワー素子１に限らず、その他の能動素子を実装してもよい。

図２は、本発明の基礎となった比較技術を示す概要図である。
この比較技術では、上記２層構造を樹脂封止する方法として、モールド技術で行ったものである。この方法では、上下２層の間に樹脂が充填せず、ボイド１２が発生するという問題が生じていた。ボイド（Void）とは、樹脂の流れ１３のスピード差等により充填しきれない部分が封止材中に残り、幾分大き目の泡のように存在する空所である。モールドでは樹脂が基板を回りこむため。合流部にボイドが発生する。ボイドの発生によって生じる問題としては、本来保護するべき部分に樹脂がなく、保護すべき部品が壊れたり、結露により電極間がリークする等の問題が発生する。

これに対して、このような問題に対処するために、本発明の一実施形態は、封入注型による、いわゆるポッティング（Potting）成形によるものであって、次のようなものである。なお、ポッティングには、封入品と型であるハウジング部分とを一体として使用する場合と、封入注型した後封入品を型から取り外して使用する場合とがあり、ここでは両方を含めてこの用語を用いるものとする。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態を説明する。
図３は、２層構造１０を金型８にセットした段階を示す概要図である。図４は、封入樹脂１１がポッティングにより充填されている途中の様子を示す概要図である。図５は、充填後の２層構造１０の状態と金型の寸法の一例を示す説明図である。

図３において、直方体の内部を有する金型８の底辺には、２層構造１０のリードフレーム下端部が、樹脂で覆われないように、スリット状の溝、又は穴に挿入されている。そして、２層構造１０は、リードフレーム３が垂直にセットされて、いわば縦置き状態となっている。金型の内面サイズの一例として、縦横一辺（Ｄ、Ｌ）５ｍｍ〜８０ｍｍ、厚み１ｍｍ〜３０ｍｍ程度であるが、これに限られるものではない。ポッティングにより充填される場合は、後で述べる射出成形やトランスファー成形のようなモールド成形と異なり、比較的自由にリードフレームと実装基板との間隔を設定することができる。

封入品（封入樹脂１１で封止された２層構造１０）と金型８であるハウジング部分とを一体として使用する場合は、２層構造１０のリードフレーム下端部は、金型８の外部に露出させる必要がある。封入注型した後封入品を取り外して使用する場合は、リードフレーム下端部は、金型８の外部に露出させてもよいが、金型８のスリット状の溝、又は穴に挿入して露出させなくてもよい。

２層構造１０を金型８にセットした後、封止樹脂１１を、基本的には上から、加圧することなく注入する。ポッティングの場合は、樹脂が下側から徐々に充填されるため巻き込みボイドが発生しない。
これまでは、封止技術において恒温槽や熱板などにより材料全体を加熱して硬化させる技術が用いられ、材料を加熱するのに時間がかかり、また大きなエネルギーが必要となっていた。縦置きポッティングにすると、例えば半田ごてのような熱源（樹脂の1点を加熱する熱源）から樹脂硬化を促すことが可能となり、短時間でかつエネルギーが少なくて済む。一方、モールドの場合は充填時に型が加熱されているので、このような１点からの加熱は困難である。その他、連鎖硬化開始のエネルギー源として、ＵＶ・誘電加熱・誘導加熱なども考えられる。連鎖硬化の手法の詳細は後述する。

本発明の別の一実施態様として、射出成形を用いた場合を次に説明する。
図６は、射出成形を用いた場合の本発明の別の実施態様の説明図である。
この場合は、射出成金型２０を横置きとして、側面から封止樹脂を充填する。図６の樹脂の流れ１３に示すように、封止樹脂１１の充填速度を、リードフレームと実装基板間（図５のａ）と、実装基板と金型２０の上面間(図５のｂ)とで、同じとなるようにする必要がある。このために、２層構造１０の上記ａの寸法に応じて、上記ｂの寸法を適宜設定する。樹脂の流れ１３の充填速度差がないか、又は微小であれば、ボイドの発生を防止することができる。その他、射出成形に限らず、トランスファー成形、ポット式トランスファー成形等を用いた場合も同様である。図６の場合は、射出成金型２０を横置きとしているが、これに限られるものではなく、必要に応じて縦置きその他任意の設定ができる。

さらに、射出成形の場合に限らず全ての場合において、封止樹脂１１の充填時に、注入側と反対側から真空引きを行っても良く、ボイドの発生防止、充填時間の短縮に効果がある。封止樹脂１１の粘度は、０．１〜５００Ｐａ・ｓにすると充填させ易くなる。

縦置きポッティングにした場合の、半田ごてのような熱源３０（封止樹脂の１点を加熱する熱源）から樹脂硬化を行う連鎖硬化の手法について、次に説明する。
図７は、連鎖硬化について説明する説明図であり、（ａ）は充填が終了した状態、（ｂ）は、熱源で加熱を開始した状態、（ｃ）は、連鎖硬化が上部に向って進展する状態を示す図である。充填が終了すると、熱源３０で封止樹脂の１点を加熱するように加熱を開始し、その後、連鎖硬化が上部に向って進展して、連鎖硬化が終了する。

下から硬化が連鎖的に進展すると、次のような観点でメリットが出る。
（１）熱源が１点でよいため、省エネである。
（２）充填時に加熱しないため、充填中に硬化することがなく、大型封止も可能となる。
（３）硬化時間が短く、タクトタイム低減が期待できる。
また、連鎖は起点が下からだけではなく、側面や上からの開始も考えられる。
本発明によれば、巻き込みボイドの発生が防止されるので、連鎖硬化がボイド部分でとまってしまう可能性がなく、連鎖がスムーズに進み、全体の完全硬化が期待できる。

連鎖硬化樹脂の例示として、具体的には、脂環式エポキシ基、ビニルエーテル基およびオキセタン基からなる群から選ばれるカチオン重合性官能基を分子内に少なくとも１個有する少なくとも１種のカチオン重合性化合物と、少なくとも１種の熱潜在性重合開始剤とを含む重合硬化性組成物であって、該重合硬化性組成物の一部分に対して一次熱エネルギーが与えられることにより該重合硬化性組成物に発熱重合反応が生じ、該発熱重合反応により発生した二次熱エネルギーにより該重合硬化性組成物全体が重合硬化するものであることを特徴とする重合硬化性組成物などが、挙げられる。この場合、前記少なくとも１種のカチオン重合性化合物が、前記脂環式エポキシ基を少なくとも１個有するものであると良い。また、一次熱エネルギーが、前記重合硬化性組成物全体の１０質量％以下に対して与えられるとよい。さらに、一次熱エネルギーが、前記重合硬化性組成物を１００℃〜４００℃で、好ましくは、１５０℃〜３５０℃に加熱することにより付与されると良い。
これにより、硬化時間の短縮と、熱エネルギー低減による省エネ化、充填後に硬化するので大部品への対応がより可能となる。

１ パワー素子
２ 受動素子
３ リードフレーム
４ 放熱板
５ 実装基板
６ 接続端子
８ 金型
１０ ２層構造
１１ 封止樹脂

Claims (11)

1. 能動素子（１）が実装されたリードフレーム（３）と、受動素子（２）が実装された基板（５）とが接続端子（６）で平行に連結した２層構造（１０）を、金型（８）内部にセットする段階と、封止樹脂（１１）を、前記リードフレーム（３）と同一方向から前記金型（８）に注入して、前記２層構造（１０）にボイドの発生を防止するように、前記封止樹脂（１１）が、前記２層構造（１０）がセットされた前記金型（８）内部に流入する段階とからなる電子部品の成形方法。
2. 前記能動素子（１）が、パワー素子であることを特徴とする請求項１に記載の半導体パワーモジュールの成形方法。
3. ポッティング成形によることを特徴とする請求項２に記載の半導体パワーモジュールの成形方法。
4. 前記金型（８）内部に、前記リードフレーム（３）が垂直になるようにセットし、さらに、前記封止樹脂（１１）が上方から加圧されずに注入されることを特徴とする請求項３に記載の半導体パワーモジュールの成形方法。
5. 射出成形によることを特徴とする請求項２に記載の半導体パワーモジュールの成形方法。
6. トランスファー成形によることを特徴とする請求項２に記載の半導体パワーモジュールの成形方法。
7. 請求項１から６のいずれか１つに記載の成形方法において、さらに、金型内部を真空引きする段階を含むことを特徴とする成形方法。
8. 請求項１から７のいずれか１つに記載の成形方法において、前記封止樹脂（１１）の粘度が０．１〜５００Ｐａ・ｓであることを特徴とする半導体パワーモジュールの成形方法。
9. 請求項１から８のいずれか１つに記載の成形方法において、さらに、前記封止樹脂（１１）が連鎖硬化樹脂であることを特徴とする半導体パワーモジュールの成形方法。
10. 請求項１から９のいずれか１つに記載の成形方法で製造された前記封止樹脂（１１）と前記２層構造（１０）とからなる電子部品。
11. 請求項２に記載の成形方法で製造された、前記金型（８）と一体となった前記封止樹脂（１１）と前記２層構造（１０）とからなる半導体パワーモジュール。

Images