JP2011187819A - Resin sealed power module and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、トランスファーモールド法を用いてパワー半導体素子などを樹脂封止した樹脂封止型パワーモジュールおよびその製造方法に関する。 The present invention relates to a resin-sealed power module in which a power semiconductor element or the like is resin-sealed using a transfer mold method, and a method for manufacturing the same.
特許文献1には、QFN(Quad Flat Non leaded package)型の半導体パッケージなどをモールド成形法により封止する技術が開示されている。この技術は離型性シートを用いた射出成型法により電極を筺体の同一面上に露出させるプロセスに関するものである。特許文献2には、放熱板が露出する面と反対の面に円柱状の電極が伸びる構成が開示されている。これは、一旦複数の電極をまとめて配置し、その後にその上面を切断するプロセスに関するものである。
樹脂封止型パワーモジュールで用いられる電極は、放熱板と十分な沿面距離を確保して配置される必要がある。そのため、放熱板の露出する樹脂筐体底面と反対の面である樹脂筐体上面から電極を露出させることが検討されている。ところが、樹脂筐体上面から電極を露出させると樹脂筐体上面に電極が集中することになり、小型化が求められる樹脂封止型パワーモジュールでは、電極間の十分な沿面距離を確保することが困難となる。よって電極間の絶縁特性が劣化する問題があった。 The electrode used in the resin-encapsulated power module needs to be arranged with a sufficient creepage distance from the heat sink. Therefore, it has been studied to expose the electrode from the upper surface of the resin casing, which is the opposite surface of the bottom surface of the resin casing from which the heat sink is exposed. However, if the electrodes are exposed from the top surface of the resin casing, the electrodes are concentrated on the top surface of the resin casing, and in a resin-sealed power module that requires downsizing, a sufficient creepage distance between the electrodes can be secured. It becomes difficult. Therefore, there has been a problem that the insulating characteristics between the electrodes deteriorate.
ここで、電極間の沿面距離を伸ばすために、電極間の樹脂筐体上面を非平面となるよう変形させることが考えられる。しかしながら、特許文献1のプロセスでは離型性シートを用いるため樹脂筐体上面は平坦となる。また、特許文献2のプロセスの場合、柱状電極を切断する工程が必要であり、パッケージ上面を変形することは困難である。よって、特許文献1又は特許文献2に開示のプロセスでは絶縁特性などが良好な樹脂封止型パワーモジュールを簡易な方法で製造できない問題があった。
Here, in order to extend the creeping distance between the electrodes, it is conceivable to deform the upper surface of the resin housing between the electrodes so as to be non-planar. However, since the release sheet is used in the process of
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、絶縁特性などが良好な樹脂封止型パワーモジュールを簡易な方法で製造することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to manufacture a resin-encapsulated power module having good insulation characteristics and the like by a simple method.
本発明にかかる樹脂封止型パワーモジュールは、絶縁基板と、該絶縁基板上に配置されたパワー半導体素子と、該絶縁基板上に配置された複数の中空円筒ソケットと、上面に複数の凹部が形成され、かつ該パワー半導体素子および該複数の中空円筒ソケットを覆うように形成された樹脂筐体とを備える。そして、該複数の中空円筒ソケットは、該複数の凹部の1つの凹部から該複数の中空円筒ソケットの1つの中空円筒ソケットが露出するように、該複数の凹部から露出することを特徴とする。 A resin-encapsulated power module according to the present invention includes an insulating substrate, a power semiconductor element disposed on the insulating substrate, a plurality of hollow cylindrical sockets disposed on the insulating substrate, and a plurality of recesses on the upper surface. And a resin housing formed to cover the power semiconductor element and the plurality of hollow cylindrical sockets. The plurality of hollow cylindrical sockets are exposed from the plurality of recesses such that one hollow cylinder socket of the plurality of hollow cylinder sockets is exposed from one recess of the plurality of recesses.
本発明にかかる樹脂封止型パワーモジュールの製造方法は、絶縁基板上にパワー半導体素子および複数の中空円筒ソケットを固着する工程と、該複数の中空円筒ソケットの開口に該開口を塞ぐように弾性体のキャップ治具を挿入する工程と、上金型が該キャップ治具と接しかつ該キャップ治具を該絶縁基板方向に押し、下金型が該絶縁基板の底面と接するように型締めを行う工程と、トランスファーモールド法により該パワー半導体素子および該複数の中空円筒ソケットを樹脂封止する工程と、該キャップ治具を該複数の中空円筒ソケットから取り外す工程とを備えたことを特徴とする。 A method for manufacturing a resin-encapsulated power module according to the present invention includes a step of fixing a power semiconductor element and a plurality of hollow cylindrical sockets on an insulating substrate, and an elasticity so as to block the openings in the openings of the plurality of hollow cylindrical sockets. A step of inserting the body cap jig, and clamping so that the upper mold is in contact with the cap jig and the cap jig is pushed toward the insulating substrate, and the lower mold is in contact with the bottom surface of the insulating substrate. And a step of resin-sealing the power semiconductor element and the plurality of hollow cylindrical sockets by a transfer molding method, and a step of removing the cap jig from the plurality of hollow cylindrical sockets. .
本発明によれば、簡易な方法で絶縁特性が良好な樹脂封止型パワーモジュールを製造できる。 According to the present invention, it is possible to manufacture a resin-encapsulated power module having good insulation characteristics by a simple method.
図1ないし図7を参照して本発明にかかる実施の形態を説明する。なお、同一又は対応する構成要素には同一の符号を付して説明の繰り返しを省略する場合がある。 An embodiment according to the present invention will be described with reference to FIGS. In addition, the same code | symbol may be attached | subjected to the same or corresponding component, and description of description may be abbreviate | omitted.
図1Aと図1Bは本発明にかかる実施の形態の樹脂封止型パワーモジュール10の断面図と平面図である。樹脂封止型パワーモジュール10は放熱板として機能する熱伝導性が良好な銅で形成された金属基板12を備える。金属基板12上には絶縁層14を介して回路パターン16が形成されている。絶縁層14には高熱伝導タイプのエポキシ系樹脂が使用される。回路パターン16には銅の薄板が使用される。金属基板12と絶縁層14と回路パターン16とは一体的に接合されて形成されるため、これらをまとめて絶縁基板18と称することがある。
1A and 1B are a sectional view and a plan view of a resin-sealed
回路パターン16にはパワー半導体素子20が半田により固着されている。つまり、絶縁基板18上にパワー半導体素子20が配置されている。パワー半導体素子20はたとえばIGBTやダイオードである。回路パターン16にはさらに中空円筒ソケット24が半田により固着されている。つまり、図1に示すとおり、絶縁基板18上に複数の中空円筒ソケット24が配置されている。中空円筒ソケット24は樹脂封止型パワーモジュール10の外部接続端子であり、銅で形成されている。中空円筒ソケット24には、開口(穴)が形成されている。この開口はたとえばプレスフィット端子を用いて簡単に外部構成との電気的接続がとれるように設けられるものである。中空円筒ソケット24の開口は樹脂封止型パワーモジュール10の外部方向に向いている。パワー半導体素子20と、中空円筒ソケット24が固着された回路パターン16との間はアルミの金属ワイヤ22によって電気的に接続されている。
The
図3に示される各構成要素(一部を除く)を覆うように樹脂封止することで樹脂筐体26が形成されている。また、樹脂筐体26の上面には複数の凹部28が形成されている。図1に示すとおり、複数の凹部28は斜面と底面を有する形状である。より具体的には、凹部28の幅は樹脂筐体26の内部に向かうほど狭くなる。この複数の凹部28から中空円筒ソケット24の開口が露出する。ここで、複数の中空円筒ソケット24は、複数の凹部28の1つの凹部28から複数の中空円筒ソケット24の1つの中空円筒ソケット24が露出するように、複数の凹部28から露出する。これにより中空円筒ソケット24と他の中空円筒ソケット24の間には凹部28が存在することとなる。よって中空円筒ソケット24間の沿面距離を長くすることができる。
A
樹脂筐体26の底面には金属基板12の底面が露出する。これにより金属基板12は放熱板として機能することができる。
The bottom surface of the
図2は樹脂封止型パワーモジュール10の製造方法を説明するフローチャートである。以後、図2のフローチャートに沿って樹脂封止型パワーモジュール10の製造方法を説明する。まず被モールド物(インサート)の組み立てが行われる(ステップ50)。被モールド物は後の工程において樹脂で覆われる構造物である。図3は被モールド物を示す図である。絶縁基板18における回路パターン16上には半田リフローを用いてパワー半導体素子20と中空円筒ソケット24が固着される。回路パターン16とパワー半導体素子20の表面の電極とはアルミの金属ワイヤ22で超音波ボンディングされている。なお、金属ワイヤ22の代わりにアルミリボンや銅のリードを使って接合してもよい。
FIG. 2 is a flowchart illustrating a method for manufacturing the resin-encapsulated
ステップ50の処理を終えるとステップ52へと処理が進められる。ステップ52はキャップ治具30を中空円筒ソケット24へ挿入する工程である。図4はキャップ治具30が中空円筒ソケット24に挿入された様子を示す図である。キャップ治具30はたとえばシリコーンゴムやフッ素系ゴムなどの弾性の高い材料で形成されたものである。図5はキャップ治具30の各部の寸法例が示されている。図5に示すようにキャップ治具30は非挿入部32と挿入部34を備える。非挿入部32は中空円筒ソケット24の開口へ挿入されない部分であり、挿入部34は中空円筒ソケット24の開口へ挿入される部分である。非挿入部32は上面が平坦であって、その平坦な上面で後述する上金型と面接触する。また、非挿入部32は樹脂筐体の凹部28(図1参照)の形状を決める部分でもある。そのため、非挿入部32は凹部28の斜面と底面を形成できる形状となっている。
When the process of
挿入部34の外径は中空円筒ソケット24の開口の内径と等しい。また、挿入部34は、中空円筒ソケット24への挿入が容易となるように先端部が先細の形状である。なお、図5の寸法のキャップ治具30に対応する中空円筒ソケット24の寸法はたとえば、内径φ1.70mm、外径φ2.70mm、長さ5.0mmである。このような形状および材質のキャップ治具30が複数の中空円筒ソケット24の開口を塞ぐように挿入される。図4に示すようにキャップ治具30の挿入前の被モールド物の高さはAで表される。キャップ治具30が挿入されるとこの高さがBで示される高さまで上昇する(図4参照)。
The outer diameter of the
ステップ52の処理を終えるとステップ54へと処理が進められる。ステップ54ではキャップ治具30が挿入された被モールド物が下金型40に配置される。図6は被モールド物が下金型40に配置された状態を示す図である。キャップ治具30が挿入された被モールド物は、トランスファー成型するために、高温(170〜180℃)の下金型40の上に配置される。そして、被モールド物を室温から金型と同等の温度に上昇させるため、数分間放置する。
When the process of
ステップ54の処理を終えるとステップ56へと処理が進められる。ステップ56は上金型42と下金型40で型締めを行う工程である。図7は上金型42と下金型40によって型締めした状態を示す図である。図7に示すとおり、型締めの際、上金型42がキャップ治具30と接しかつキャップ治具30を絶縁基板18方向に押し付ける。このとき下金型40は絶縁基板18の底面と接している。ここで、上金型42と下金型40で構成されるキャビティ内の高さをXとする(図7参照)。本発明にかかる実施の形態ではXが図4におけるAより大きくかつBより小さくなるように被モールド物およびキャップ治具30が形成されている。なお、これらの寸法は後述する各条件に適合するように適宜定められる。
When the process of
このように下金型40および上金型42で型締めをすることで、キャップ治具30の上面(天面)に歪が発生する。この歪はキャップ治具30が上金型42によって中空円筒ソケット24に押し付けられて生じる。この歪による圧力は、後述するトランスファーモールド法による射出圧力である5MPaないし30MPaよりも大きくなる。弾性体であるキャップ治具30を用いてこのような歪を故意に発生させる。射出圧力以上の応力がキャップ治具30に生じることで、キャップ治具30の非挿入部32と中空円筒ソケット24の上端の隙間が埋まる。
In this way, by clamping with the
ステップ56の処理を終えるとステップ58へと処理が進められる。ステップ58はトランスファーモールド法を行う工程である。トランスファーモールド法のプロセスの概要は以下のとおりである。まず、トランスファーモールド法で用いるエポキシ樹脂などの樹脂を加熱溶融させ、低粘度の状態でキャビティに注入する。この工程は注入工程と呼ばれる。そして、キャビティへの樹脂の充填完了後に圧力を保持しながら樹脂を硬化反応させる。この工程は保圧工程と呼ばれる。
When the process of
中空円筒ソケット24と上金型42との間に挟まれたキャップ治具30により中空円筒ソケット24に蓋がされている状態となるため、注入工程では低粘度の溶融樹脂は中空円筒ソケット24内に流入しない。ここで、保圧工程にてキャップ治具30には射出圧力が加わる。しかしながらキャップ治具30には上述のとおり射出圧力以上の歪が発生しているため、保圧工程においても溶融樹脂は中空円筒ソケット24内に流入しない。このようにステップ58ではトランスファーモールド法により樹脂筐体の形成が行われる。
Since the hollow
ステップ58の処理を終えるとステップ60へと処理が進められる。ステップ60は上金型42、下金型40およびキャップ治具30を被モールド物から取り外す工程である。樹脂筐体26(図1参照)を構成する樹脂が十分硬化した後に上金型42と下金型40を開く。このとき、上金型42により押さえられていたキャップ治具30が元の厚みに復元し離型する。離型したキャップ治具30を中空円筒ソケット24から取り外すと樹脂筐体26に凹部28ができる。また、キャップ治具30の非挿入部32は、モールド樹脂と接する部分において勾配が形成されている。そのため、容易にキャップ治具30を樹脂筐体26から取り外すことができる。
When the process of
ステップ60を終えると図1に示す樹脂封止型パワーモジュール10が完成し処理を終了する。
When
本発明にかかる実施の形態の樹脂封止型パワーモジュール10は樹脂筐体26の1つの凹部28から1つの中空円筒ソケット24が露出する構成である。よって中空円筒ソケット24と他の中空円筒ソケット24は凹部28の分だけ沿面距離が離間する。故に樹脂筐体26の上面の抵抗を大きくし、表面放電を抑制することができる。また、凹部28は斜面と底面を有し中空円筒ソケット24から樹脂筐体26上面までの距離を長くしているため、耐トラッキング特性を向上できる。
The resin-sealed
本発明にかかる実施の形態ではトランスファーモールド法を行う際にキャップ治具30を用いる。キャップ治具30は中空円筒ソケット24に挿入されるものであり、離型性シートのようなシート状のものではない。よってシートがエアベントを塞ぐことはなく、これに伴って樹脂筐体にボイドが生成されるようなことも防止できる。
In the embodiment according to the present invention, the
本発明にかかる実施の形態では樹脂筐体26に形成された凹部28の形状は、キャップ治具30の非挿入部32の形状により自由に変形できる。よって樹脂封止型パワーモジュール10の仕様等に応じて必要な特性を満たすような凹部28の形状を容易に得ることができる。故に絶縁特性が良好な樹脂封止型パワーモジュール10を製造できる。また、外部接続端子(中空円筒ソケット24)の配置変更だけであれば、金型を変更する必要が生じないので設計変更の際のコスト削減も可能である。
In the embodiment according to the present invention, the shape of the
本発明にかかる実施の形態ではトランスファーモールド法を行う際に弾性体で構成されたキャップ治具30を用いる。キャップ治具30は射出圧力よりも大きな圧力で上金型42により押さえつけられている。よって樹脂が中空円筒ソケット24内に侵入することを防止できる。
In the embodiment according to the present invention, a
なお、キャップ治具30は室温からトランスファーモールド法の温度までの温度範囲において、圧縮弾性率が20MPaないし1000MPa、かつ圧縮強度が20MPa以上の材料で製造されることが好ましいがこれに限定されない。
The
その他、本発明の特徴を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。 In addition, various modifications can be made without departing from the characteristics of the present invention.
10 樹脂封止型パワーモジュール、 18 絶縁基板、 20 パワー半導体素子、 22 金属ワイヤ、 24 中空円筒ソケット、 26 樹脂筐体、 28 凹部、 30 キャップ治具、 40 下金型、 42 上金型
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記絶縁基板上に配置されたパワー半導体素子と、
前記絶縁基板上に配置された複数の中空円筒ソケットと、
上面に複数の凹部が形成され、かつ前記パワー半導体素子および前記複数の中空円筒ソケットを覆うように形成された樹脂筐体とを備え、
前記複数の中空円筒ソケットは、前記複数の凹部の1つの凹部から前記複数の中空円筒ソケットの1つの中空円筒ソケットが露出するように、前記複数の凹部から露出することを特徴とする樹脂封止型パワーモジュール。 An insulating substrate;
A power semiconductor element disposed on the insulating substrate;
A plurality of hollow cylindrical sockets disposed on the insulating substrate;
A plurality of recesses are formed on the upper surface, and the resin housing is formed so as to cover the power semiconductor element and the plurality of hollow cylindrical sockets,
The plurality of hollow cylindrical sockets are exposed from the plurality of recesses such that one hollow cylinder socket of the plurality of hollow cylindrical sockets is exposed from one recess of the plurality of recesses. Type power module.
前記複数の中空円筒ソケットの開口に前記開口を塞ぐようにキャップ治具を挿入する工程と、
上金型が前記キャップ治具と接しかつ前記キャップ治具を前記絶縁基板方向に押し、下金型が前記絶縁基板の底面と接するように型締めを行う工程と、
トランスファーモールド法により前記パワー半導体素子および前記複数の中空円筒ソケットを樹脂封止する工程と、
前記キャップ治具を前記複数の中空円筒ソケットから取り外す工程とを備えたことを特徴とする樹脂封止型パワーモジュールの製造方法。 Fixing a power semiconductor element and a plurality of hollow cylindrical sockets on an insulating substrate;
Inserting a cap jig so as to close the openings in the openings of the plurality of hollow cylindrical sockets;
The upper mold is in contact with the cap jig and the cap jig is pushed toward the insulating substrate, and the mold is clamped so that the lower mold is in contact with the bottom surface of the insulating substrate;
A step of resin-sealing the power semiconductor element and the plurality of hollow cylindrical sockets by a transfer mold method;
And a step of removing the cap jig from the plurality of hollow cylindrical sockets.
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