JP2012174747A - パワー半導体モジュールの構造およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 比較的大きな厚さ公差を有する絶縁基板であっても、簡単な構造の製造装置で、樹脂モールド成形時に絶縁基板を破損することなく、また樹脂のバリの発生をなくすことができるパワー半導体モジュールの構造を提供する。
【解決手段】
パワー半導体モジュール１は、絶縁層１ａを挟む両面にそれぞれ金属パターン１ｂ、１ｃを設けた絶縁基板１Ａ上に、半導体を実装した状態で、これらを樹脂２にてモールドし、絶縁基板１Ａの半導体を実装した面と反対側の面に設けた金属パターン１ｂをモールドした樹脂２から外側へ露出させる。絶縁基板１Ａ上に、パワー半導体モジュール１のモールド成形時の型１１に設けた押圧棒１１ａを受けるための押圧棒受け部材５を、高温で溶融し常温で凝固する温度変形部材６を介して設けた。
【選択図】図６

Description

本発明は、絶縁基板上のパワー半導体等を樹脂封止したパワー半導体モジュールの構造およびその製造方法に関する。

従来、パワー半導体モジュールの製造方法としては、パワー・トランジスタ等の半導体チップを載せたリードフレーム（放熱部）を樹脂モールドによるパッケージの表面に露呈させ、ここから放熱させる半導体装置を製造するにあたって、上側モールド用金型と下側モールド用金型とで形成されたキャビティ内に半導体チップ、放熱部、リード等を挿入し、上側モールド用金型を貫通する押し棒（あるいは可動棒）にて放熱部（あるいは載置片）を下側モールド用金型に押しつけこれら間の隙間をなくした状態で、モールド用の樹脂を注入してパッケージ化することで、放熱部や載置片の周辺に樹脂によるバリが発生するのを抑止しようとするものが知られている（例えば、特許文献１、２を参照）。

特開昭５９−６３７３５号公報 特開平９−６９５３５号公報

しかしながら、上記従来のパワー半導体モジュールの製造方法にあっては、押し棒あるいは可動棒で放熱部あるいは載置片を押しつけてこれらの裏面と下側モールド用金型の載置片との間の隙間を無くそうとするものであるが、基板の厚さ等によっては、以下に説明するような問題がある。

すなわち、パワー半導体モジュールでは、セラミックを焼成して得たセラミック基板（絶縁基板）上に、アルミニウム・パターンや銅パターンを溶湯接合により、あるいは物理蒸着や化学蒸着を利用した薄膜形成によるメタライズ（活性金属による接合）により接合することが多いが、この場合、基板全体の厚さ公差が比較的大きくなってしまう。

この場合、従来の方法のように、押し棒だけで押圧してばらつきを吸収しようとすると、基板の変形が大きくなって破損してしまうといった問題がある。
また、特許文献１に記載のように、可動棒にてばねを介して弾力的に押すようにすることで基板の大きな変形を避けることも可能となるが、製造装置が複雑で高価になる上、装置のメインテナンス工数の増加や押し棒やばねの交換頻度の増加を避けることができず、生産性が悪くなってしまうといった問題があった。

本発明は、上記問題に着目してなされたもので、その目的とするところは、比較的大きな厚さ公差を有する絶縁基板であっても、簡単な構造でかつメインテナンスが容易な製造装置でありながら、絶縁基板等の樹脂モールド成形時に押し棒の押圧により絶縁基板を破損することなく、また絶縁基板側露出面における樹脂バリの発生をなくすことができるパワー半導体モジュールの構造およびその製造方法を提供することにある。

この目的のため、本発明のパワー半導体モジュールの構造は、
絶縁層を挟む両面にそれぞれ金属パターンを設けた絶縁基板上に、半導体を実装した状態で、これらを樹脂にてモールドし、絶縁基板の半導体を実装した面と反対側の面に設けた金属パターンがモールドした樹脂から外側へ露出したパワー半導体モジュールの構造において、
絶縁基板上に、パワー半導体モジュールのモールド成形時の型に設けた押圧棒を受けるための押圧棒受け部材を、高温で溶融し常温で凝固する温度変形部材を介して設けた、
ことを特徴とする。

また、この目的のため、本発明のパワー半導体モジュールの製造方法は、
絶縁層を挟む両面にそれぞれ金属パターンを設けた絶縁基板上に、半導体を実装した状態で、これらを樹脂にてモールドし、絶縁基板の半導体を実装した面と反対側の面に設けた金属パターンがモールドした樹脂から外側へ露出したパワー半導体モジュールの製造方法であって、
高温で溶融し常温で凝固する温度変形部材を介して絶縁基板上に押圧棒受け部材を載置し、温度変形部材を加熱して溶融させた状態で治具を用いて、絶縁基板の底面から押圧棒受け部材の上面までの高さを、温度変形部材の変形にて調整した後、温度変化部材を凝固させる高さ調整工程と、
絶縁基板を治具から取り出した後、絶縁基板を型に入れて、この型に設けた押圧棒で押圧棒受け部材を押圧しながら樹脂モールド成形して半導体および押圧棒受け部材を設けた絶縁基板を樹脂封止する樹脂モールド成形工程と、
を有することを特徴とする。

本発明のパワー半導体モジュールの構造にあっては、絶縁基板上に、高温で溶融し常温で凝固する温度変形部材を介して、パワー半導体モジュールのモールド成形時の型に設けた押圧棒を受けるための押圧棒受け部材を設けたので、温度変形部材にて絶縁基板の底面から押圧棒受け部材の上面までの高さを調整できるようになる。したがって、比較的大きな厚さ公差を有する絶縁基板であっても、ばね付きの可動棒が不要となって構造が簡単でかつメインテナンスが容易な製造装置を用いることができ、また、絶縁基板等の樹脂モールド成形時における押し棒や可動棒の押圧に起因した絶縁基板の破損を防止し、絶縁基板等の樹脂モールド成形に伴う絶縁基板側露出面上の樹脂バリの発生をなくすことができる。

本発明のパワー半導体モジュールの製造方法にあっては、温度変化部材を温度に応じて溶融・凝固させて温度変形部材にて絶縁基板の底面から押圧棒受け部材の上面までの高さを調整する高さ調整工程を設けたので、温度変形部材にて絶縁基板の底面から押圧棒受け部材の上面までの高さを調整できるようになる。したがって、比較的大きな厚さ公差を有する絶縁基板であっても、ばね付きの可動棒が不要となって構造が簡単でかつメインテナンスが容易な製造装置を用いることができ、また、絶縁基板等の樹脂モールド成形時における押し棒や可動棒の押圧による絶縁基板を破損することなく、絶縁基板等の樹脂モールド成形に伴う絶縁基板側露出面上の樹脂バリの発生をなくすことができる。

樹脂モールド成形後の、本発明に係る実施例１のパワー半導体モジュールの平面図である。 実施例１のパワー半導体モジュールの、樹脂モールド成形工程における樹脂注入前の状態であるパワー半導体モジュール組付体の平面図である。 図２のS3−S3の切断線に沿った、パワー半導体モジュール組付体の一部拡大断面図である。 図２、３のパワー半導体モジュール組付体を樹脂モールド成形する工程の前段階である、ピン受け部材の高さ調整工程で用いるパワー半導体モジュール組付体を模式的に示す説明図である。 ピン受け部材の高さ調整工程で、治具を用いて図４のパワー半導体モジュール組付体の高さを調整する状態を模式的に示す説明図である。 ピン受け部材の高さ調整工程後に実行される樹脂モールド成形工程の、樹脂モールド成形前における型とこの型内に配置されたパワー半導体モジュール組付体とを示す一部断面側面図である。 本発明に係る実施例２のパワー半導体モジュールの、樹脂モールド成形前の状態であるパワー半導体モジュール組付体の平面図である。 図７のS8―S8の切断線に沿った、樹脂モールド成形前における図７の半導体モジュール組付体の断面側面図である 図７、８のパワー半導体モジュール組付体の一部拡大した断面側面図である。 樹脂モールド成形後の実施例２のパワー半導体モジュールの一部を拡大して示した断面側面図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面に示す実施例に基づき詳細に説明する。

まず、実施例１のパワー半導体モジュールは、たとえば電気自動車の走行用三相交流モータ(図示せず)をパルス幅変調（PWM： Pulse Width Modulation）駆動するインバータ(図示せず)の各相（U相、V相、W相）に対応するインバータ回路の上下アーム直列回路を形成して同一モジュールとして内蔵したものである。このような３つのパワー半導体モジュールを組み合わせて三相インバータ回路が形成される。

図１に、実施例１のパワー半導体モジュール１を示す。同図は、図２、３に示すパワー半導体モジュール組付体１'を樹脂モールド成形した後に型から取り出し、その上面の樹脂２を削り終えた状態を示す。なお、その下面は、後述するように、樹脂２のバリ等が発生しないように樹脂モールド成形するので、上面のように削る必要はない。また、図１は不要箇所を切り落す前のパワー半導体モジュール１の状態を示し、これらの作業を終えることで、完成したパワー半導体モジュール１が得られる。

パワー半導体モジュール１は、セラミックを基材として焼成したロア・セラミック基板１ａおよびアッパ・セラミック基板１ｄの両面にアルミニウム・パターンや銅パターンなどの金属パターン１ｂ、１ｃおよび１ｅ、１ｆをそれぞれ溶湯接合により、あるいは活性金属によるメタライズなどにより接合するとともに、ロア・セラミック基板１ａ上に絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（IGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor）・チップやダイオード・チップ等が高温はんだで接合されている。
ロア・セラミック基板１ａとアッパ・セラミック基板１ｄとの間には複数のスペーサ９が介装され、IGBTチップ、ダイオード・チップ、金属パターン１ｅなどに高温はんだで接合されている。

なお、以後、ロア・セラミック基板１ａおよびこの両面の金属パターン１ｂ、１ｃを合わせてロア基板１Ａ、またアッパ・セラミック基板１ｄおよびこの両面の金属パターン１ｅ、１ｆを合わせてアッパ基板１Ｂと言う。ロア・セラミック基板１ａおよびアッパ・セラミック基板１ｄは本発明の絶縁層に相当し、ロア基板１Ａ、アッパ基板１Ｂは本発明の絶縁基板に相当し、IGBTチップおよびダイオード・チップは、本発明の半導体に相当する。

また、ロア・セラミック基板１ａの上面の金属パターン１ｃには、図１中、それぞれ横方向両側へ突出する端子１１、また図１中の上下方向へそれぞれ突出するアウト・リード端子３ａ、Ｎリード端子３ｂ、Ｐリード端子３ｃが接合されるとともに、ロア・ゲート端子４ａとアッパ・ゲート端子４ｂとが設けられる。ロア・ゲート端子４ａとアッパ・ゲート端子４ｂは、ボンディング・ワイヤ１０（図３、６参照）を介してIGBTチップに接合されている。

さらに、実施例１のパワー半導体モジュール１には、樹脂モールド前のパワー半導体モジュール組付体１'が描かれた図２、３に示すように、ロア・セラミック基板１ａの上面側の金属パターン１ｃの四隅Ｐにはんだ６を介してピン受け部材５が設けられている。このピン受け部材５は、パワー半導体モジュール１の樹脂モールド成形工程において、後述する型と一体のピン１３ａ（図６参照）の押圧力を受けるとともに、ロア基板１Ａの厚さに起因してその公差厚さが大きい場合でも、高さ調整工程前のパワー半導体モジュール組付体１'におけるロア基板１Ａの底面からピン受け部材５の上面までの高さＡ（図４参照）が高さ調整工程により高さＨ(図５参照)前後となる許容公差範囲内に収まるようにその高さの調整を行えるようにしてある。ここで、許容公差範囲は、ピン１３ａでピン受け部材５が押圧されている時、ロア基板１Ａの底面とモールド用の下型１２(図６参照)の内底面との間に樹脂が流れ込む隙間を形成することなく、またピン１３ａの押圧力によりロア基板１Ｂが過大変形して破損することがない範囲に設定されている。
なお、ピン受け部材５は、本発明の押圧棒受け部材に相当する。

次に、これらピン受け部材５の高さ調整工程につき、図４、５に基づき説明する。なお、これらの図は、分かりやすくするため、図１、２、３に示した構造からアッパ基板１Ｂ等を省略して、その一部を模式的に描いてある。

高さ調整工程では、図４に示すように、まず、ピン受け部材５とはんだ６を、図５に示すロア治具７の内側底面に載せたロア基板１Ａのロア・セラミック基板１ａの上面側金属パターン１ｃの四隅上にそれぞれセットする。この状態で図５に示すようにアッパ治具８をロア治具７上にセットして加熱する。すると、加熱されたはんだ６が溶融し始めて柔らかくなり、流動可能となる。そして、アッパ治具８をロア治具７に押し付けてこれらを当接させた状態のままで冷却すると、はんだ６は図４に示すロア基板１Ａの底面からピン受け部５の上面までの高さＡの状態から図５に示す公差許容範囲の高さＨ（＜Ａ）の状態になって固化（凝固）し、その高さＨを維持する。

このとき、パワー半導体モジュール組付体１'における高さＡは、基板１Ａやピン受け部材５等のばらつきにかかわらず、ロア治具７とアッパ治具８により決まる高さＨとなって、はんだ６がそれらの厚さのばらつきを吸収する。
なお、はんだ６は、本発明の温度変化部材に相当し、IGBTチップやダイオード・チップ等を両セラミック基板１ａ、１ｄに接合するのに用いる高温はんだよりも低い溶融点をもつはんだを用いる。したがって、高さ調整工程では、はんだ６の溶融温度以上で高温はんだの溶融温度より低い温度で加熱するようにする。
また、ロア治具７およびアッパ治具８は、本発明の治具に相当する。

次に、はんだ６の冷却後、アッパ治具８をロア治具７から外してパワー半導体モジュール組付体１'(図２、３参照)をロア治具７の内側から取り出して、次の樹脂モールド成形工程へと進む。

樹脂モールド成形工程では、まず、図６に示すように、高さ調整工程を終えたパワー半導体モジュール組付体１'を下型１２内に載置する。
一方、上型１３は、この内側で、ロア基板１Ａのロア・セラミック基板１ａの上面側金属パターン１ｃの四隅に対応する箇所Ｐに対応する部位に、それぞれピン１３ａが一体的に設けられて下方に向けて突出されている。

このピン１３ａの長さは、上型１３が下型１２に互いに合わされて型締めされたとき、ピン１３ａの先端がピン受け部材５の上面に当接して、パワー半導体モジュール組付体１'のロア基板１Ａの底面側の金属パターン１ｂを下型１２の内底面に隙間が発生しないように、またロア基板１Ａを過剰に変形させて破損しないような範囲で、ロア基板１Ａを確実に押し付けることが可能な長さに設定してある。
なお、ピン１３ａは本発明の押圧棒に相当し、下型１２および上型１３は本発明の型に相当する。

続いて、上型１３を下型１２に合わせて型締めを行う。このとき、上型１３のピン１３ａがパワー半導体モジュール組付体１'のピン受け部材５に当接してこれを下方に押圧することで、ロア基板１Ａの底面側の金属パターン１ｂと下型１２の型内面との間に隙間をなくした状態にする。この状態でトランスファー・モールド法により、樹脂（たとえば、エポキシ樹脂にシリカの充填剤を充填したモールド樹脂）２(図１参照)を下型１２と上型１３との隙間から充填してパワー半導体モジュール組付体１'の隙間を樹脂封止する。

このようにして、上型１３がピン１３ａとともにパワー半導体モジュール組付体１'および下型１２から離された後、樹脂封止されたパワー半導体モジュール組付体１'が下型１２から取り出される。この樹脂モールド工程により、ロア基板１Ａとアッパ基板１Ｂとの間の隙間が、樹脂封止されるが、このとき、ロア基板１Ａと下型１２の内底面には隙間がないようにしていたので、ロア基板１Ａの底面側の金属パターン１ｂには樹脂２が付着していない。一方、アッパ基板１Ｂの上面側の金属パターン１ｆ上は、樹脂２で覆われている。また、パワー半導体モジュール組付体１'の樹脂２には、４つのピン１３ａの跡としてのピン孔が残っている。

樹脂モールド成形工程後、下型１２から取り出したパワー半導体モジュール組付体１'は、アッパ基板１Ｂの上面側に設けた金属パターン１ｆ上の樹脂２を削り取って金属パターン１ｆが露呈するようにする。また図１に示すように、端子１１の不要な端部部分を一点鎖線Ｃ１に沿ってそれぞれ切り離すなどして、完成品としてのパワー半導体モジュール１を得る。

以上のように、実施例１のパワー半導体モジュール１にあっては、ロア基板１Ａ上に、高温で溶融し常温で凝固するはんだ６を介して、パワー半導体モジュール組付体１'の樹脂モールド成形時に使用する型に設けたピン１３ａを受けるためのピン受け部材５を設けたので、はんだ６を高温で溶融した状態で治具７、８を用いてロア基板１Ａの底面からピン受け部材５の上面までの高さを許容範囲内に調整できるようになる。
したがって、比較的大きな厚さ公差を有するロア基板１Ａであっても、ばね付きの可動棒等が不要となって構造が簡単でかつメインテナンスが容易な製造装置を用いることができ、また、ロア基板１Ａ等の樹脂モールド成形時におけるピン１３ａの押圧に起因したロア基板１Ａの過大変形による破損を防止するとともに、ロア基板１Ａ等の樹脂モールド成形に伴う樹脂２のバリの発生をなくすことができる。

次に、本発明に係る実施例２のパワー半導体モジュールの構造について説明する。この実施例２の説明にあたっては、実施例１と同様の構成部分については図示を省略し、もしくは同一の符号を付けてその説明を省略し、相違点についてのみ説明する。

実施例２のパワー半導体モジュールの構造では、実施例１のパワー半導体モジュールの構造におけるピン受け部材５に代えて、図７、８、９に示すように、パワー半導体モジュール組付体１'の端子１１の四隅に近い部分をそれぞれ一部切り欠いて下方へ折り曲げて伸ばし、その先端部分を曲げてロア基板１Ａの上面に平行にしてピン受け部１１ａとする。このピン受け部１１ａの下面とロア基板１Ａの上面との間には、はんだ６を介在させる。
なお、ピン受け部１１ａは、本発明の押圧棒受け部材に相当する。

実施例２についても、高さ調整工程において、上記パワー半導体モジュール組付体１'のはんだ６を加熱して溶融させた状態で、図５の治具７、８と同様の治具を用いて、実施例１と同様に、ロア基板１Ａの底面から押圧棒受け部材の上面までの高さＡを高さＨとなるように調整する。

高さの調整を終えたはんだ６は、冷却されて凝固し、その後、調整された高さＨを維持する。凝固後、パワー半導体モジュール組付体１'は、治具から取り出して、樹脂モールド成形工程へと移る。

樹脂モールド成形工程では、ピン受け部１１ａの高さ調整を終えたパワー半導体モジュール組付体１'を、実施例１の図６の場合と同様に、図示を省略した下型の内面上に載置し、上型と下型とを互いに型締めする。このとき、上型のピンがピン受け部１１ａに当接してこれらを下方へ押圧し、下型の内底面とロア基板１Ａの底面との間の隙間をなくす。この状態で、樹脂２を上型と下型の間からパワー半導体モジュール組付体１'の空隙へ流し込み、図１０にその一部を示すように樹脂封止する。
樹脂２が凝固したら、上型を下型から離してパワー半導体モジュール組付体１を取り出し、実施例１と同様に、アッパ基板１Ｂの上方を覆う樹脂２を削ってアッパ基板１Ｂの上面に設けた金属パターンが外に露出されるようにするとともに、端子１１など不要な部分を切断して切り離し、パワー半導体モジュール１を得る。

以上のように、実施例２では、実施例１の効果に加え、以下の効果がある。
すなわち、ピン受け部１１ａを端子１１と一体に形成したので、部品点数が減り、製造工数を削減できる。

以上、本発明を上記各実施例に基づき説明してきたが、本発明はこれらの実施例に限られず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で設計変更等があった場合でも、本発明に含まれる。

たとえば、本発明の温度変化部材は、上記実施例でははんだを用いたが、これに限る必要はなく、高温で溶融し常温で凝固してその形を保つものであればよい。なお、その場合、温度変化部材の溶融温度が半導体等を絶縁基板に接合するはんだの溶融温度より低いことが望ましい。

樹脂封止したパワー半導体モジュールの、ピン１３ａを抜いた後にできたピン孔は、後で樹脂を入れて埋めるようにしてもよい。この場合、ピン受け部材５やピン受け部１１ａのピン孔の部分がさびなくなる。

ピン受け部材５やピン受け部１１ａは、少なくともその表面がさびない材料で作るようにしてもよい。また、それらの数や位置は適宜設定可能である。

パワー半導体モジュールは、アッパ基板１Ｂがないものであってもよい。

１ パワー半導体モジュール
１' パワー半導体モジュール組付体
１ａ ロア・セラミック基板
１ｂ、１ｃ、1ｅ、１ｆ 金属パターン
１ｄ アッパ・セラミック基板
１Ａ ロア基板
１Ｂ アッパ基板
２ 樹脂
３ａ アウト・リード端子
３ｂ Ｎリード端子
３ｃ Ｐリード端子
４ａ ロア・ゲート端子
４ｂ アッパ・ゲート端子
５ ピン受け部材
６ はんだ
７ ロア治具
８ アッパ治具
９ スペーサ
１０ ボンディング・ワイヤ
１１ 端子
１１ａ ピン受け部
１２ 下型
１３ 上型
１３ａ ピン

Claims (5)

1. 絶縁層を挟む両面にそれぞれ金属パターンを設けた絶縁基板上に、半導体を実装した状態で、これらを樹脂にてモールドし、前記絶縁基板の半導体を実装した面と反対側の面に設けた前記金属パターンが前記モールドから外側へ露出したパワー半導体モジュールの構造において、
   前記絶縁基板上に、前記パワー半導体モジュールのモールド成形時の型に設けた押圧棒を受けるための押圧棒受け部材を、高温で溶融し常温で凝固する温度変形部材を介して設けた、
   ことを特徴とするパワー半導体モジュールの構造。
2. 請求項１に記載のパワー半導体モジュールの構造において、
   前記温度変形部材は、はんだである、
   ことを特徴とするパワー半導体モジュールの構造。
3. 請求項１又は請求項２に記載のパワー半導体モジュールの構造において、
   前記温度変形部材は、この溶融温度が前記半導体と前記金属パターンを接合するはんだの溶融温度より低い、
   ことを特徴とするパワー半導体モジュールの構造。
4. 請求項１乃至３のうちのいずれか１項に記載のパワー半導体モジュールの構造において、
   前記押圧棒受け部材は、前記絶縁基板に接続される端子の一部で形成した、 ことを特徴とするパワー半導体モジュールの構造。
5. 絶縁層を挟む両面にそれぞれ金属パターンを設けた絶縁基板上に、半導体を実装した状態で、これらを樹脂にてモールドし、前記絶縁基板の前記半導体を実装した面と反対側の面に設けた前記金属パターンが前記モールドから外側へ露出したパワー半導体モジュールの製造方法であって、
   高温で溶融し常温で凝固する温度変形部材を介して前記絶縁基板上に押圧棒受け部材を載置し、前記温度変形部材を加熱して溶融させた状態で治具を用いて、前記絶縁基板の底面から前記押圧棒受け部材の上面までの高さを、前記温度変形部材の変形にて調整した後、前記温度変化部材を凝固させる高さ調整工程と、
   前記絶縁基板を前記治具から取り出した後、前記絶縁基板を型に入れて、該型に設けた押圧棒で前記押圧棒受け部材を押圧しながら樹脂モールド成形して前記半導体および前記押圧棒受け部材を設けた前記絶縁基板を樹脂封止する樹脂モールド成形工程と、
   有することを特徴とするパワー半導体モジュールの製造方法。
   

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