JP2010219385A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基板表面に半導体素子が固着されその側面を囲むようにケースが形成された半導体装置について、その外形寸法の小型化が可能で、かつ、そのような半導体装置を絶縁性能の低下なく簡素な手段で製造できる構成である半導体装置を提供する。
【解決手段】表面に金属の回路パターン２４を有する基板２６と、回路パターン上に固着された半導体素子２８と、基板の側面と接し、基板の側面を囲むように配置されたケース４０とを備える。そして、ケースはそれが硬化収縮することにより基板の側面と固着される。
【選択図】図２

Description

本発明は基板表面に半導体素子が固着され、当該基板の側面を囲むようにケースが形成された半導体装置に関する。

金型を用いた打ち抜き等によって外形寸法が定められた絶縁基板の表面には半導体素子が固着される。半導体素子が固着された絶縁基板はその側面おいてケースと接着される。ケースには例えばＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）などが用いられる。また、前述した接着には接着剤が用いられる。ケースは主として半導体装置の筐体としての用途を有するものであるため、前述の絶縁基板を覆うように絶縁基板と接着される。ケースが絶縁基板と接着されたあとに、熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂などが、絶縁基板表面と密着するようにケース内に充填される。ここで、エポキシ樹脂は半導体素子と導通した端子を当該樹脂外部へ露出させるようにケースに充填される。半導体装置の製造は概ね上述の通り行われる。

図５は上述の半導体装置を説明する断面図である。ベース板１００の表面には絶縁層１０２を介して回路パターン１０４が配置される。ベース板１００、絶縁層１０２、回路パターン１０４は絶縁基板１０６と称する。回路パターン１０４には例えばＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)などの半導体素子１０８が固着される。半導体素子１０８と回路パターン１０８とはアルミワイヤー１１０で適宜接続される。さらに回路パターン１０４には半導体素子１０８を外部と接続するための主端子１１２、信号端子１１４が固着される。

このような絶縁基板１０６にはケース１１６が接着されている。絶縁基板１０６とケース１１６は当該接着される部分で両者が勘合できる形状を有する。そしてこの接着はシリコーン系接着剤１１８により行われている。接着剤１１８は絶縁基板１０６に設けられた塗りシロ部分に塗布されている。ケース１１６が絶縁基板１０６に接着されると、ケース１１６内に封止樹脂１２２が充填されて半導体装置が完成する。

半導体装置は上述のようにケースを基板に接着した後に封止樹脂を充填する以外にも様々な手段により製造される。例えば熱硬化性樹脂を用いたトランスファーモールドで筐体部分を形成した半導体装置がある。また、熱可塑性樹脂を用いたインジェクションモールドで筐体が形成される場合もある。

特開２００６−１５６３５号公報 特開２００８−１８７１４３号公報 特開昭５９−１３５７５０号公報

図５の構成の半導体装置では、絶縁基板１０６とケース１１６が勘合する形状を有する部分で組み立ての精度上例えば０．２〜０．５ｍｍ程度のクリアランスが設けられている。また、絶縁基板１０６とケース１１６の接着に接着剤１１８が用いられるため、絶縁基板１０６とケース１１６のそれぞれに、絶縁距離確保のための大きさに加えて例えば０．５〜２ｍｍ程度の接着剤の塗りシロが設けられる。このように絶縁基板とケースの接着のために「勘合する形状」を設けそこにクリアランスを持たせたり、絶縁基板とケースに塗りシロを設けたりすることにより絶縁基板が大型化し高コスト化する問題があった。さらにそれにより半導体装置の小型化ができない問題があった。

また、絶縁基板とケースの接着に接着剤を用いると接着剤中に気泡を巻き込むことがあり、絶縁基板の絶縁性能の劣化が起こりえる問題があった。

また、絶縁基板を、金型などを用いた打ち抜きによって必要な外形となるようにする場合、打ち抜き時のせん断応力等によって絶縁層にクラックが入る問題があった。

トランスファーモールドにより筐体を形成する場合には樹脂バリが発生することがあり、トランスファーモールド後に樹脂バリ除去工程を設けなければならない問題があった。さらに金型寸法精度を高める必要があり製造コストが高くなってしまう問題もあった。

インジェクションモールドで筐体を形成する場合には寸法精度の高い金型は要求されないため、製造コストを低減できる。しかしながらインジェクションモールドで用いる熱可塑性樹脂では絶縁基板の絶縁層と熱可塑性樹脂とが密着しない問題があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、小型化が可能で、かつ、絶縁性能を損なうことなく簡素な手段で製造できる半導体装置を提供することを目的とする。

本願の発明にかかる半導体装置は、表面に回路パターンを有する基板と、該回路パターン上に固着された半導体素子と、該基板の側面と接し、該基板の側面を囲むように配置されたケースとを備え、該ケースは硬化収縮により該基板の側面と固着したことを特徴とする。

本発明により簡素な手段で絶縁性能を高め、かつ、小型化した半導体装置を製造できる。

実施形態１の半導体装置の外観を説明する図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 実施形態２の半導体装置を説明する断面図である。 絶縁層がケースと接しない構成を説明する図である。 課題を説明するための半導体装置を説明する図である。

実施の形態１
本実施形態は図１、２を参照して説明する。なお、同一材料または同一、対応する構成要素には同一の符号を付して複数回の説明を省略する場合がある。他の実施形態についても同様である。

図１は本実施形態の半導体装置の外観を説明する斜視図である。本実施形態の半導体装置はケース４０に封止樹脂３６が充填されている構成である。後述するようにケース４０および封止樹脂３６の内部には半導体素子が配置される。ケース４０および封止樹脂３６からは半導体素子と導通した主端子１２と信号端子１４が外部に露出している。主端子１２にはケース４０に設けられたねじ穴に対応する孔が形成される。

図２は図１のＡ−Ａ断面図である。半導体素子２８から生じる熱を放熱するために、半導体素子２８は絶縁基板２６上に搭載される。絶縁基板２６はベース板２０の表面に絶縁層２２を介して回路パターン２４を備える構成である。ベース板２０は銅、アルミニウム等の金属であり、その裏面は外部に露出する。絶縁層２２は熱伝導性を有するようにＡｌＮ・ＢＮ・Ａｌ２Ｏ３・シリカなどの粒状物質等が含有される。回路パターン２４は銅、アルミニウム等がエッチングにて形成されたものである。すなわち、前述の半導体素子２８は回路パターン２４にはんだなどで固着されベース板２０から放熱される。

さらに、半導体素子２８と回路パターン２４とはアルミワイヤー３０により接続される。半導体素子２８と外部との接続は、回路パターン２４に固着された主端子１２および信号端子１４により行われる。

ケース４０は、半導体素子２８の保護、及び半導体装置の筐体強度確保のために絶縁基板２６を囲むように配置される。ケース４０はＰＰＳであり、インジェクションモールドによって形成される。図２では絶縁基板２６のベース板２０側面とケース４０が接することが表されており、その接触部分が接触部４１として描かれている。

封止樹脂３６は、前述のケース４０が絶縁基板２６と固着されてからケース４０内部に半導体素子２８等を封止するように充填されて形成される。封止樹脂３６は熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂が用いられる。エポキシ樹脂の充填の際にはケース４０がダムの役割を果たす。

以後、本実施形態のケース４０がベース板２０と固着することについて説明する。ベース板２０を例えば銅剤と仮定するとその線膨張率はおよそ１６．７ｐｐｍ／Ｋと非常に小さい。一方、ケース４０であるＰＰＳは成形収縮率が０．１〜０．７％であり有意な硬化収縮が起こる。そして、本実施形態ではインジェクションモールドによりケース４０がベース板２０の側面を囲むように配置される。そのため、ケース４０が硬化収縮するとケース４０がベース板２０の側面との接触部４１において隙間なく固着される。従って本実施形態のベース板２０とケース４０の固着には接着剤を用いる必要がない。

上述の通り、本実施形態のベース板２０とケース４０の固着には接着剤を要しない。よって図５で説明したような、「クリアランス」を持たせたり、絶縁基板とケースに接着剤の「塗りシロ」を設けたりすることを回避し半導体装置の小型化ができる。 また、接着剤を用いないため接着剤中の気泡に起因した絶縁基板の絶縁性能の劣化も回避できる。

よって、本実施形態の構成によれば、絶縁基板２６の最外周の回路パターン２４とベース板２０との沿面距離を「使用電圧に応じて必要となる絶縁距離」とすることができ、追加の塗りシロ等を要しない。一例を挙げると、電源電圧４４０Ｖの製品で使用する場合の絶縁距離は、絶縁基板がエポキシ樹脂で封止されていることを条件に２．５ｍｍ以上となる。

本実施形態ではケースの形成において、インジェクションモールドを用いる。インジェクションモールドでは１００Ｐａ・ｓ以上の溶融粘度の高い樹脂が用いられるため、樹脂バリが発生しづらい。よって樹脂バリ除去工程を必要とせず製造コストを低減できる。また、トランスファーモールドと比較して要求される金型寸法精度は低いため、製造コストを低減できる。しかも、本実施形態では封止樹脂として熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂が用いられるため、絶縁層と封止樹脂が密着しない問題を解消できる。よって半導体装置の信頼性を高めることができる。このようにケース４０形成には樹脂バリ抑制および金型低コスト化ができるインジェクションモールドを用い、封止樹脂には絶縁層と密着できる熱硬化性樹脂を用いる。

なお、金型を安価にできるのでスライド方式の金型等の採用によって、信号端子、主端子ともに半導体装置の上面から容易に取出すことができる。

なお、トランスファーモールドにより側面から端子を取り出す半導体装置を製造する場合には、モールド時の成形ストロークが大きくなることを抑制するために半導体装置が薄くなるように設計され沿面距離の観点から好ましくない場合があった。しかしながら、本実施形態ではそのような不都合を解消し十分な沿面距離を確保できる。

半導体装置の構成は本発明の特徴を失わない範囲において様々な変形が可能である。例えば、基板は本実施形態で説明した絶縁基板２６の構成に限定されず、ケースと接触する部分を構成する材料の硬化収縮がケースよりも少なければよい。

例えば、ケース４０の材料はＰＰＳに限定されず絶縁基板との固着が可能な程度の硬化収縮が起こる材料であればよい。ここで、樹脂バリ抑制の観点からケースは熱可塑性樹脂であることが好ましい。しかしながら本発明の「半導体装置を小型化する効果」を得るためには、ケースが熱可塑性樹脂である必要はない。

例えば、封止樹脂３６はエポキシ樹脂に限定されず熱硬化性樹脂であれば特に限定されない。

実施の形態２
本実施形態は図３、４を参照して説明する。図３は本実施形態の半導体装置の断面図である。本実施形態は、絶縁基板の側面を囲むように形成されたケースの硬化収縮によりケースが絶縁基板の側面と固着したことについては実施形態１と同様である。また、本実施形態の絶縁基板５２は、ベース板５０の表面に絶縁層２２を介して回路パターン２４が形成される点は実施形態１と同様であるが、ベース板の形状が実施形態１と相違する。すなわち、本実施形態のベース板５０の側面であって、ケース４０と接する部分はベース板５０の底面に対して鈍角を有する形状である点が実施形態１と相違する。

一般に、絶縁基板は、最初に面積の大きい原板を作成し、その後個々の半導体装置で利用するために必要な外形サイズとなるように個片化される。この個片化は金型などを用いた打ち抜きよって行われることが多かった。しかしながら、この打ち抜き時のせん断応力等によって絶縁層にクラックが入る問題があった。クラックは半導体装置の絶縁特性を確保する観点から好ましくない。

そのため、絶縁基板上の最外周の回路パターンとベース板側面との距離を大きくし、打ち抜き時の金型の受け面積を大きくすることで絶縁層が受ける応力を緩和させる措置をとる場合がある。この場合、絶縁基板のサイズが大きくなり、高コスト化し、半導体装置の小型化ができない問題があった。

本実施形態の半導体装置によれば上述の問題を解決できる。本実施形態のベース板５０の側面の鈍角形状は例えばＶ字形状の鋭利な刃先を有する刃物で、ベース板の原板の回路パターン２４側およびベース板５０底面に溝を入れ、最後に分割することで形成される。よって前述したクラックの懸念が解消され絶縁基板サイズを縮小することにより安価とすることができ、結果として半導体装置のコストも低廉とすることができる。なお、金型による打ち抜きによらない絶縁基板の個片化は上述以外にも様々な方法が考えられる。

絶縁基板サイズ縮小の効果に加えて、本施形態のベース板５０の形状によればベース板の側面が平面的な場合と比較してベース板５０の側面がケース４０と接する面積も増大する。すなわち、本実施形態の接触部５４は図２に示す実施形態１の接触部４１よりも大面積である。よってベース板５０とケース４０の密着性を向上させることができる。

本実施形態では特に限定しなかったが、絶縁基板のうちベース板のみをケースと接触させることは半導体装置の絶縁特性の観点から好ましい。このことは、図４を参照して説明する。図４はベース板６０を備える絶縁基板６４のうちベース板６０の側面のみがケース４０と接することを説明する拡大した断面図である。この図から明らかなように絶縁層２２はケース４０と接しない（同図中、非接触部６２で示される）。絶縁層２２は熱硬化性樹脂である封止樹脂３６と接する。よって絶縁層２２は封止樹脂３６と密着性良く密着するため、絶縁性能に優れた半導体装置を得ることができる。

本実施形態の半導体装置についても、少なくとも実施形態１相当の変形は可能である。

２０ ベース板、 ２２ 絶縁層、 ２４ 回路パターン、 ２６ 絶縁基板、 ２８ 半導体素子、 ４０ ケース、 ４１ 接触部

Claims (6)

1. 表面に回路パターンを有する基板と、
   前記回路パターン上に固着された半導体素子と、
   前記基板の側面と接し、前記基板の側面を囲むように配置されたケースとを備え、
   前記ケースは硬化収縮により前記基板の側面と固着したことを特徴とする半導体装置。
2. 前記基板は、金属であるベース板の表面に絶縁層を介して前記回路パターンが形成され、
   前記ベース板の側面が前記ケースと接し、
   前記ベース板の側面は、前記ベース板の裏面に対して鈍角となる形状を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記基板の側面のうち前記ベース板の側面のみが前記ケースと接することを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記基板は、金属であるベース板の表面に絶縁層を介して前記回路パターンが形成され、
   前記絶縁層は熱硬化性樹脂により樹脂封止されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
5. 前記ケースはＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
6. 前記ケースは溶融粘度が１００Ｐａ・ｓ以上の材料であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。

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