JP2011198864A - 電力用半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁シートの欠けを防ぐことができる電力用半導体装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】絶縁シート１０が板状のヒートシンク１２の主面に接着されている。ヒートシンク１２は、プレス加工により外形加工されている。ヒートシンク１２の主面の外周部にダレ３２が形成されている。絶縁シート１０は、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂と、熱硬化性樹脂に混錬された熱伝導性のセラミックス微粉フィラーとを有する。絶縁シート１０上にダイパッド１４が配置され、ダイパッド１４上に電力用半導体素子１６がダイボンドされている。ヒートシンク１２の一部、絶縁シート１０、ダイパッド１４、及び電力用半導体素子１６がモールド樹脂２６により封止されている。ヒートシンク１２の主面の外周部の少なくとも一部に、絶縁シート１０が接着されていない領域が存在する。
【選択図】図３

Description

本発明は、絶縁シートの欠けを防ぐことができる電力用半導体装置及びその製造方法に関する。

近年、モーター駆動などに利用される電力用半導体装置として、トランスファーモールド法により製造されたモールドパッケージが実用化されている。こうした電力用半導体装置では、電力用半導体素子がフレーム上にダイボンドされ、モールド樹脂で封止される。この電力用半導体素子が発した熱を効率的に装置外に伝達するため、電力用半導体素子の下のフレームに熱伝導率の高い絶縁シートを介して、ヒートシンクが配置される。ヒートシンクの少なくとも一面が装置外に露出している（例えば、特許文献１参照）。

絶縁シートは、フィルム上に塗工され、真空プレスなどの工程を経てヒートシンクに接着される。この絶縁シートをヒートシンクに接着する工法として以下の３つ工法がある。

第１の工法では、絶縁シートをヒートシンクの上面と同じ外形に打ち抜いた後に、１枚ずつヒートシンクに接着する。このようなシート状態の絶縁シートの裁断は、プレス装置で簡単に行うことができる。ただし、１枚ずつヒートシンクに載せ、それぞれ位置ずれしないようにプレスを行う必要があるため、接着の生産性は低くなる。

第２の工法では、複数のヒートシンクを並べたものの上に大きい絶縁シートを一括して接着した後に、絶縁シートを裁断する。これにより、精密な位置合わせが不要であり、フィルムをまとめて剥離できるため、接着の生産性が高くなる。ただし、裁断に関しては若干の工夫を要する。

第３の工法では、ヒートシンクの材料となる平板上に絶縁シートを塗工又は貼付した後、一括してプレス加工により打ち抜いてヒートシンク及び絶縁シートの外形を形成する。これにより、絶縁シートの裁断の手間がかからないため、合理的である。

特開平２００１−１８９３２５号公報

絶縁シートは、ベース樹脂に多くのフィラーを混錬するほど、熱伝導率を高められるが、極めて脆くなる。従って、絶縁シートがヒートシンク外形よりはみ出している場合、フレームとヒートシンクの沿面距離が長くなって絶縁耐圧は向上するが、製造工程においてヒートシンクをハンドリングする際に絶縁シートが欠けてしまう。例えば、自動化のためヒートシンクを多段に重ねてマガジンに格納した場合に、マガジン搬送時のマガジン内壁面との擦れにより、絶縁シートが欠けてしまう。

欠けによる小片屑が絶縁シート上に残ると、ダイパッドとの密着不良の原因となる。また、ヒートシンクの表面に小片屑が付着すると、ヒートシンクに凹みや傷を生じる。従って、欠けの不具合を防止するには、絶縁シートがヒートシンク外形と同じになるように裁断されていることが望ましい。しかし、以下のような問題がある。

ヒートシンクの外形加工を行う場合、通常、コストの低いプレス加工が用いられる。プレス加工により平板を打ち抜くと、切り口においてダレと呼ばれる沈み込みが上面の外周部に形成され、カエリ（バリ）と呼ばれる突起が裏面に形成される。カエリが形成された面は絶縁耐圧の観点から不利となるため、ダレが形成された面に絶縁シートを貼付する。

第１の工法又は第２の工法では、プレス用の平板により絶縁シートにほぼ均一に圧力をかけながら加熱して、絶縁シートをヒートシンクに接着する。ただし、絶縁シートはフィラー含有量が多く、樹脂成分が少ないため、接着には２ＭＰａ以上の圧力をかける必要がある。しかし、ダレが形成された外周部において、圧力が弱まるため、絶縁シートとヒートシンクの接着力が弱まる。従って、ダレが形成された外周部において絶縁シートが剥離して欠けやすいという問題があった。

第３の工法では、ヒートシンク厚みが２ｍｍを超えるような場合、一括打ち抜きの衝撃により、ダレが形成された外周部を中心にして大きく絶縁シートが剥離するという問題があった。

また、電力用半導体装置をフィンなどの冷却装置に固定するための固定用ネジを挿入する貫通孔が、電力用半導体装置に設けられている。そのため、ヒートシンクにも貫通孔又は貫通孔の一部を取り巻くＵ字形状の切り欠きが設けられている。これにより、固定用ネジを締め付ける際の応力がヒートシンクにかかり、モールド樹脂にかかる応力を低減できる。従って、固定用ネジを締め付ける際の応力に対する装置の機械的強度を高めることができる。

しかし、貫通孔やＵ字形状の切り欠きのような複雑な形状にヒートシンクを打ち抜き加工すると、切断面が長くなる。従って、切り欠きや貫通孔の近傍において特にダレが大きくなる。

また、打ち抜き工程で用いるパンチとダイの適切な空隙幅はヒートシンクの厚みにほぼ比例して大きくなる。従って、ヒートシンク厚みが２．５ｍｍ以上になると、ダレが大きくなり、上記のダレによる問題が顕著となる。なお、切削加工でヒートシンクを作製すれば、ダレが形成されないが、コストが数倍になるため実用的でない。

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、その目的は、絶縁シートの欠けを防ぐことができる電力用半導体装置及びその製造方法を得るものである。

本発明は、プレス加工により外形加工され、主面の外周部にダレが形成された板状のヒートシンクと、圧力をかけて前記ヒートシンクの前記主面に接着された絶縁シートと、前記絶縁シート上に配置されたダイパッドと、前記ダイパッド上にダイボンドされた電力用半導体素子と、前記ヒートシンクの一部、前記絶縁シート、前記ダイパッド、及び前記電力用半導体素子を封止するモールド樹脂とを備え、前記絶縁シートは、熱硬化性樹脂と、前記熱硬化性樹脂に混錬された熱伝導性のフィラーとを有し、前記ヒートシンクの前記主面の前記外周部の少なくとも一部に、前記絶縁シートが接着されていない領域が存在することを特徴とする電力用半導体装置である。

本発明により、絶縁シートの欠けを防ぐことができる。

実施の形態１に係る電力用半導体装置を示す上面図である。 実施の形態１に係る電力用半導体装置を示す断面図である。 実施の形態１に係る絶縁シート及びヒートシンクを示す図である。 図３の構造をＣ方向から見た側面図である。 図３の構造をＤ方向から見た側面図である。 実施の形態１に係る電力用半導体装置のヒートシンクの長辺の近傍を拡大した断面図である。 実施の形態１に係る電力用半導体装置の製造方法を説明するための図である。 実施の形態１に係る電力用半導体装置の製造方法を説明するための図である。 実施の形態１に係る電力用半導体装置の製造方法を説明するための図である。 実施の形態１に係る電力用半導体装置の製造方法を説明するための図である。 実施の形態２に係る絶縁シート及びヒートシンクを示す図である。 図１１の構造をＣ方向から見た側面図である。 図１１の構造をＤ方向から見た側面図である。 実施の形態２に係る電力用半導体装置のヒートシンクの長辺の近傍を拡大した断面図である。 実施の形態３に係る絶縁シート及びヒートシンクを示す図である。 図１５の構造をＣ方向から見た側面図である。 図１５の構造をＤ方向から見た側面図である。 実施の形態４に係る電力用半導体装置の製造方法を説明するための図である。

実施の形態１．
図１は実施の形態１に係る電力用半導体装置を示す上面図であり、図２はその断面図である。

絶縁シート１０が板状のヒートシンク１２の上面（主面）に接着されている。ここで、ヒートシンク１２は、アルミニウム、銅、又はそれらを主成分とする合金などからなり、プレス加工により外形加工されている。絶縁シート１０は、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂と、熱硬化性樹脂に混錬された熱伝導性のセラミックス微粉フィラーとを有する。また、絶縁シート１０は、銅箔やＰＥＴ（Poly Ethylene Terephthalate）などのフィルム上に塗工されている。

絶縁シート１０上にダイパッド１４が配置され、ダイパッド１４上にＩＧＢＴやダイオードなどの電力用半導体素子１６がダイボンドされている。電力用半導体素子１６を制御するための制御チップ１８（ロジックチップ）がダイパッド２０上にダイボンドされている。電力用半導体素子１６と制御チップ１８及びリード２２とがワイヤ２４により接続されている。

ヒートシンク１２の一部、絶縁シート１０、ダイパッド１４、及び電力用半導体素子１６がモールド樹脂２６により封止されている。ただし、ヒートシンク１２の下面はモールド樹脂２６から露出している。

この電力用半導体装置には、貫通孔２８が設けられている。放熱フィンなどの冷却装置に電力用半導体装置を固定する際に、貫通孔２８に固定用ネジを挿入する。この際にヒートシンク１２の露出面に熱伝導性グリースを塗工し、グリースを介して放熱フィンを外付けする。

なお、絶縁シート１０の厚みの下限は、ダイパッド１４，２０やリード２２などのリードフレームの寸法精度や接着特性を考慮すると８０μｍ、好ましくは１３０μｍである。そして、絶縁シート１０の厚みの上限は、塗工の問題や熱抵抗を考慮すると３００μｍ、好ましくは２５０μｍである。

図３は、実施の形態１に係る絶縁シート及びヒートシンクを示す図である。図４は図３の構造をＣ方向から見た側面図であり、図５は図３の構造をＤ方向から見た側面図である。なお、図３にはダイパッド１４，２０及びリード２２も図示する。

ヒートシンク１２は、貫通孔２８の一部を取り巻くＵ字形状の切り欠き３０を有する。ヒートシンク１２の上面において、切り欠き３０から遠い領域Ａに絶縁シート１０が接着されている。一方、切り欠き３０の近傍領域Ｂには絶縁シート１０が接着されていない。

電力用半導体素子１６用のダイパッド１４は絶縁シート１０に接触する必要がある。一方、制御チップ１８用のダイパッド１４は、絶縁シート１０に接触する必要はないため、ヒートシンク１２の外側に配置してもよい。リード２２がヒートシンク１２の長辺側から突き出している。なお、モーター駆動用の３相出力の電力用半導体装置では、一般に６個のＩＧＢＴとダイオードが、ダイパッド１４上に略一列に配置される。

図６は、実施の形態１に係る電力用半導体装置のヒートシンクの長辺の近傍を拡大した断面図である。ヒートシンク１２の上面の外周部にダレ３２と呼ばれる沈み込みが形成されている。また、電力用半導体素子１６用のダイパッド１４には、リード２２からの沈め込み（ディプレス）が設けられている。この沈め込みの距離を０．３ｍｍ以上にすれば、モールド樹脂２６を介してリード２２とヒートシンク１２との間に２ｋＶ以上の耐電圧を確保できる。このように必要とされる耐電圧を確保できるように、ダイパッド１４と絶縁シート１０の端部との沿面距離を設定する。

続いて、実施の形態１に係る半導体装置の製造方法について説明する。まず、図７に示すように、プレス加工により板状のヒートシンク１２の外形を加工する。この際に、図８に示すように、ヒートシンク１２の上面の外周部にダレ３２が形成される。

次に、図９に示すように、プレス用の平板３４により絶縁シート１０にほぼ均一に２ＭＰａ以上の圧力をかけながら加熱して、絶縁シート１０をヒートシンク１２の上面に接着する。ただし、切り欠き３０の近傍領域Ｂには絶縁シート１０を接着しない。この時点では、絶縁シート１０のエポキシ樹脂は完全に硬化した状態ではなく、ほとんど硬化していない状態、又は、硬化反応が未完了の半硬化状態である。

ここで、絶縁シート１０をヒートシンク１２に接着する工法として上記の３つ工法がある。第１の工法では、長方形に裁断した絶縁シート１０を１枚ずつヒートシンク１２上に配置し、加熱プレスによって接着する。このように長方形に裁断すると、裁断後の残留分が少なくなり、効率的に部材を利用してコストを削減できる。通常は、絶縁シート１０を接着した後に塗工用のフィルムを剥離する。

また、第２の工法では、複数のヒートシンク１２を並べたものの上に、領域Ａと同じ幅の短冊状の絶縁シート１０を一括して接着する。その後に、フィルムを剥離してから絶縁シート１０をヒートシンク１２の長辺方向にブレードなどにより裁断する。

また、第３の工法では、短冊状の絶縁シート１０をヒートシンク１２の材料となる平板に接着した後、一括してプレス加工により打ち抜いてヒートシンク１２及び絶縁シート１０の外形を形成する。

次に、図１０に示すように、ダイパッド１４上に電力用半導体素子１６をダイボンドし、制御チップ１８をダイパッド２０上にダイボンドする。電力用半導体素子１６と制御チップ１８及びリード２２とをワイヤ２４により接続する。その後、絶縁シート１０上にダイパッド１４を接着する。これらをモールド金型３６内に配置する。そして、モールド金型３６内にモールド樹脂２６を注入し、モールド金型３６により加熱及び加圧して成形する。これにより、ヒートシンク１２の一部、絶縁シート１０、ダイパッド１４、及び電力用半導体素子１６をモールド樹脂２６により封止する。

その後、電力用半導体装置をモールド金型３６から取り出し、樹脂注入径路の余分なモールド樹脂２６を取り除く。キュアと呼ばれる加熱工程によりモールド樹脂２６を完全に硬化し、リード２２を加工する。なお、この時点で、モールド樹脂２６と共に絶縁シート１０のエポキシ樹脂も完全に硬化する。以上の構成により本実施の形態に係る半導体装置が製造される。

以上説明したように、切り欠き３０のような複雑な形状にヒートシンク１２を打ち抜き加工すると、切断面が長くなる。従って、切り欠き３０の近傍領域Ｂにおいて特にダレ３２が大きくなる。そこで、本実施の形態では、切り欠き３０の近傍領域Ｂには絶縁シート１０を接着しない。これにより、ダレ３２が形成された領域において絶縁シート１０とヒートシンク１２の接着力が弱まるという問題を回避できるため、絶縁シート１０の欠けを防ぐことができる。

なお、ヒートシンク１２の長辺部分は比較的ダレ３２が小さく、絶縁シート１０の欠けが比較的少ない。そこで、本実施の形態では、絶縁距離を確保するため、ヒートシンク１２の長辺の近傍に絶縁シート１０を接着する。

実施の形態２．
実施の形態２に係る電力用半導体装置について図面を参照しながら説明する。図１１は、実施の形態２に係る絶縁シート及びヒートシンクを示す図である。図１２は図１１の構造をＣ方向から見た側面図であり、図１３は図１１の構造をＤ方向から見た側面図である。

ヒートシンク１２の厚みが大きくなるほど、図８に示すダレの幅Ｗと深さＤが大きくなる。例えばアルミニウム製のヒートシンク１２の厚みが２．５ｍｍを超えて３ｍｍ以上になると、ヒートシンク１２の長辺の近傍においてもダレの問題が顕著となる。そこで、本実施の形態では、切り欠き３０の近傍領域Ｂだけでなく、ヒートシンク１２の長辺の近傍にも絶縁シート１０を接着しない。絶縁シート１０をヒートシンク１２に接着する工法として第１の工法を用いる。その他の構成は実施の形態１と同様である。

図１４は、実施の形態２に係る電力用半導体装置のヒートシンクの長辺の近傍を拡大した断面図である。ヒートシンク１２の外周からのクリアランス距離ＣＬを次の関係式を満たすように決める。
ＣＬ≧Ｗ・（１−ｋ・ｄ／Ｄ）
ここで、ｄは絶縁シート１０の厚み、ｋは定数である。

アルミニウム製のヒートシンク１２と、窒化ホウ素フィラーを５０ｖｏｌ％含有した絶縁シート１０を用いた実験の結果、定数ｋを０．３とすれば絶縁シート１０の欠けを防ぐことができた。なお、Ａ５０５２アルミニウム合金製のヒートシンク１２を用いた場合、Ｗ及びＤの値は小さくなるため、精度の高い実験を行うことが困難となる。しかし、この場合にも定数ｋの値として０．３を用いることは合理的である。

実施の形態３．
実施の形態３に係る電力用半導体装置について図面を参照しながら説明する。図１５は、実施の形態３に係る絶縁シート及びヒートシンクを示す図である。図１６は図１５の構造をＣ方向から見た側面図であり、図１７は図１５の構造をＤ方向から見た側面図である。

本実施の形態では、ヒートシンク１２は、その中央部に貫通孔３８を有する。この１点の貫通孔３８でのネジ留めにより放熱フィンに固定される。ダレの大きい貫通孔３８の近傍とコーナー部には絶縁シート１０が接着されていない。これにより、絶縁シート１０の欠けを防ぐことができる。

実施の形態４．
実施の形態４に係る電力用半導体装置の製造方法について図面を参照しながら説明する。まず、実施の形態１と同様に、プレス加工により板状のヒートシンク１２の外形を加工する。この際に、ヒートシンク１２の上面の外周部にダレ３２が形成される。

次に、実施の形態１と同様に、プレス用の平板により絶縁シート１０にほぼ均一に２ＭＰａ以上の圧力をかけながら加熱して、絶縁シート１０をヒートシンク１２の上面に接着する。ただし、本実施の形態では、ヒートシンク１２の主面の外周部にも絶縁シート１０を接着する。なお、絶縁シート１０をヒートシンク１２に接着する工法として第１〜第３の工法の何れを用いてもよい。

次に、図１８に示すように、絶縁シート１０の外周部をレーザー照射により選択的に加熱して、絶縁シート１０の他の領域よりも硬化反応を進行させる。レーザー照射には、ＹＡＧレーザーやＣＯ_２やＡｒなどの気体レーザーを用いることができる。また、レーザー照射に限らず、加熱された金属枠を押し当ててもよい。金属枠の温度を、絶縁シート１０の樹脂のガラス転移温度（Ｔｇ）よりも１０〜３０℃高くする。押し当てる時間は例えば２秒から５秒程度である。

次に、実施の形態１と同様に、ダイパッド１４上に電力用半導体素子１６をダイボンドしてからワイヤボンディングを行う。そして、絶縁シート１０上にダイパッド１４を接着する。その後、実施の形態１と同様に樹脂封止などを行うことで、本実施の形態に係る半導体装置が製造される。

以上説明したように、本実施の形態では、ダレ３２により接着性の弱い絶縁シート１０の外周部を選択的に加熱する。これにより、絶縁シート１０の切断面をいったん軟化させて表面を安定化させ、続いて外周部の表面のみ硬化反応を進行させることで、絶縁シート１０の外周部の強度が増す。さらに、ダレ３２が形成されたヒートシンク１２の主面の外周部と絶縁シート１０の外周部との密着を高めることもできる。よって、絶縁シート１０の欠けを防ぐことができる。

１０ 絶縁シート
１２ ヒートシンク
１４ ダイパッド
１６ 電力用半導体素子
２６ モールド樹脂
３０ 切り欠き
３２ ダレ
３８ 貫通孔

Claims (5)

1. プレス加工により外形加工され、主面の外周部にダレが形成された板状のヒートシンクと、
   圧力をかけて前記ヒートシンクの前記主面に接着された絶縁シートと、
   前記絶縁シート上に配置されたダイパッドと、
   前記ダイパッド上にダイボンドされた電力用半導体素子と、
   前記ヒートシンクの一部、前記絶縁シート、前記ダイパッド、及び前記電力用半導体素子を封止するモールド樹脂とを備え、
   前記絶縁シートは、熱硬化性樹脂と、前記熱硬化性樹脂に混錬された熱伝導性のフィラーとを有し、
   前記ヒートシンクの前記主面の前記外周部の少なくとも一部に、前記絶縁シートが接着されていない領域が存在することを特徴とする電力用半導体装置。
2. 前記ヒートシンクは切り欠き又は貫通孔を有し、
   前記切り欠き又は前記貫通孔の近傍に、前記絶縁シートが接着されていない領域が存在することを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
3. 前記ヒートシンクの前記主面の外周と前記絶縁シートの外周との最短距離ＣＬは、前記ダレの幅をＷ、前記ダレの深さをＤ、前記絶縁シート厚みをｄとして、ＣＬ≧Ｗ・（１−０．３ｄ／Ｄ）の関係を満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載の電力用半導体装置。
4. プレス加工により板状のヒートシンクの外形を加工して、前記ヒートシンクの主面の外周部にダレが形成される工程と、
   熱硬化性樹脂と、前記熱硬化性樹脂に混錬された熱伝導性のフィラーとを有する絶縁シートを、圧力をかけて前記ヒートシンクの前記主面に接着する工程と、
   前記絶縁シート上にダイパッドを配置し、前記ダイパッド上に電力用半導体素子をダイボンドする工程と、
   前記ヒートシンクの一部、前記絶縁シート、前記ダイパッド、及び前記電力用半導体素子をモールド樹脂により封止する工程とを備え、
   前記ヒートシンクの前記主面の前記外周部の少なくとも一部に、前記絶縁シートが接着されていない領域が存在することを特徴とする電力用半導体装置の製造方法。
5. プレス加工により板状のヒートシンクの外形を加工して、前記ヒートシンクの主面の外周部にダレが形成される工程と、
   熱硬化性樹脂と、前記熱硬化性樹脂に混錬された熱伝導性のフィラーとを有する絶縁シートを、圧力をかけて前記ヒートシンクの前記主面に接着する工程と、
   前記絶縁シートの外周部を選択的に加熱して、前記絶縁シートの他の領域よりも硬化反応を進行させる工程と、
   前記絶縁シート上にダイパッドを配置し、前記ダイパッド上に電力用半導体素子をダイボンドする工程と、
   前記ヒートシンクの一部、前記絶縁シート、前記ダイパッド、及び前記電力用半導体素子をモールド樹脂により封止する工程とを備えることを特徴とする電力用半導体装置の製造方法。

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