JP2012174748A - 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】樹脂モールド成形時に押し棒にて押圧しても基板を破損することなく、樹脂バリの発生をなくすことのできる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。
【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、高さ方向に弾性変形が可能で、かつ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１１ａを受けるための押圧棒受け弾性部材５を、接合した。
【選択図】図３

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、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、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、本発明による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、
絶縁基板上に、高さ方向に弾性変形が可能で、かつ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弾性部材を、接合した、
ことを特徴とする。

また、この目的のため、本発明による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、
絶縁基板上に、高さ方向に弾性変形が可能で、かつ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弾性部材を接合し、
この押圧棒受け弾性部材を接合した絶縁基板を一方の型内に入れて、他方の型に設けた押圧棒により、両型の型締め時に、押圧棒受け弾性部材を弾性変形させて基板の底面から押圧棒受け弾性部材の上面までの高さを決めた状態で樹脂を両型内に注入し、樹脂モールドで樹脂封止してパワー半導体モジュールを得るようにした、
ことを特徴とする。

本発明半導体モジュールの構造にあっては、樹脂モールド成形時に、型の押圧棒が当接することで弾性変形して絶縁基板の底面から押圧棒受け弾性部材の上面までの高さを厚さ公差内にした状態で樹脂を注入できるようにしたので、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のバリの発生をなくすことができる。

本発明半導体モジュールの製造方法にあっては、絶縁基板上に押圧棒受け弾性部材を設け、樹脂モールド成形時に、型の押圧棒が当接することで弾性変形して絶縁基板の底面から押圧棒受け弾性部材の上面までの高さを厚さ公差内にした状態で樹脂を注入できるようにしたので、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のバリの発生をなくすことができる。

本発明に係る実施例１の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１のS2−S2の切断線に沿った、パワー半導体モジュール組付体の断面側面図である。 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の半導体モジュールにおけるピン受け弾性部材の第１変形例を示す図である。 本発明に係る実施例３の半導体モジュールにおけるピン受け弾性部材の第２変形例を示す図である。 本発明に係る実施例４の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６のS7−S7の切断線に沿った、パワー半導体モジュール組付体の断面側面図である。 図７の一部拡大断面図である。 樹脂モールド成形工程終了後の半導体モジュールの一部拡大断面図である。

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７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９、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８（図２参照）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１、２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にピン受け弾性部材５がはんだ６で接合されている。このピン受け弾性部材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（図３の１１ａ）の押圧力を受けるとともに、このときピン受け弾性部材５が下方へ弾性変形して、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、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弾性部材５の上面までの高さが許容公差範囲内に収まるようにしてある。

ここで、許容公差範囲は、ピン１１ａでピン受け弾性部材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(図３の１０)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１１ａ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。
また、ロア基板１Ａの底面からピン受け弾性部材５の上面までの高さは、樹脂モールド成形工程前にあっては、上記許容公差範囲よりわずか大きめになるようにされる。
ピン受け弾性部材５は、本発明の押圧棒受け弾性部材に相当する。

上記のようにピン受け弾性部材５をはんだ６で４か所接合したパワー半導体モジュール組付体１'は、樹脂モールド成形工程へと進められる。樹脂モールド成形工程では、図３に示すように、パワー半導体モジュール組付体１'を下型１０の内底面に載置し、上型１１を下型１０に向けて相対移動させる。このとき、上型１１ａに一体的に設けられて下方へ伸びる４つのピン１１ａがそれぞれパワー半導体モジュール組付体１'のピン受け弾性部材５の上面に当接し、これを下方に押す。この押圧力により、ピン受け弾性部材５のピン１１ａの当接部分は、下方へ弾性変形され、ロア基板１Ａの底面からピン受け弾性部材５の上面までの高さが許容公差範囲内に収まる高さになって、下型１０および上型１１の型締めの間、上記高さを維持する。

この状態で、トランスファー・モールド法により、下型１０と上型１１の隙間から、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。この結果、ロア基板１Ａの底面からピン受け弾性部材５の上面までの高さは、樹脂２により許容公差範囲内に維持される。

このようにして、上型１１がピン１１ａとともにパワー半導体モジュール組付体１'および下型１０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１０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１１ａ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１０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、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１１ａを受けるためのピン受け弾性部材５をはんだ６で接合したので、樹脂モールド成形時におけるピン１１ａの押圧力でピン受け弾性部材５を弾性変形させて、ロア基板１Ａの底面からピン受け弾性部材５の上面までの高さを許容範囲内に維持した状態で樹脂モールド成形を実行することが可能となる。 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、ロア基板１Ａ等の樹脂モールド成形時におけるピン１１ａ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。
また、その製造装置は、繰り返し使用するため高耐久性が必要なばね付きの可動棒等が不要となって構造が簡単でメインテナンスが容易になる。一方、実施例１のパワー半導体モジュール１のピン受け弾性部材５は、耐久性について考慮する必要はなく、樹脂成モールド成形時にのみ持てばよいので、安価なもので済む。

次に、他の実施例について説明する。この他の実施例の説明にあたっては、前記実施例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。

次に、本発明に係る実施例２のパワー半導体モジュールにつき、説明する。
実施例２のパワー半導体モジュールでは、実施例１のピン受け弾性部材５の形状を、図４に示すように、横に寝させたＵ字状のピン受け弾性部材１２としたものである。その他の構成は、実施例１と同様である。
したがって、実施例２も、実施例１と同様の作用・効果を有する。

次に、本発明に係る実施例３のパワー半導体モジュールにつき、説明する。
実施例３のパワー半導体モジュールでは、実施例１のピン受け弾性部材５の形状を、図４に示すように、逆Ｕ字の両端をそれぞれ水平方向に突出した形状のピン受け弾性部材１３としたものである。その他の構成は、実施例１と同様である。
したがって、実施例３も、実施例１と同様の作用・効果を有する。

次に、本発明に係る実施例３のパワー半導体モジュールにつき、説明する。
実施例３のパワー半導体モジュールでは、実施例１のピン受け弾性部材５の代わりに、端子９の一部を、図６、７、８に示すように、パワー半導体モジュール組付体１'の端子９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弾性部９ａとする。このピン受け弾性部９ａの下面は、はんだ６でロア基板１Ａの上面に接合される。
なお、ピン受け部９ａは、本発明の押圧棒受け弾性部材に相当する。

上記のように構成したパワー半導体モジュール組付体１'は、樹脂モールド成形工程にて、実施例１の図３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９ａ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９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９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４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９ａを端子９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、 樹脂封止したパワー半導体モジュールの、ピン９ａ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９ａ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９ａ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、１２、１３ ピン受け弾性部材
６ はんだ
７ スペーサ
８ ボンディング・ワイヤ
９ 端子
９ａ ピン受け弾性部
１０ 下型
１１ 上型
１１ａ ピン

Claims (3)

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、高さ方向に弾性変形が可能で、かつ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弾性部材を、接合した、
   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に記載の半導体モジュールの構造において、
   前記押圧棒受け弾性部材は、前記絶縁基板に接続される端子の一部で形成した、
   ことを特徴とする半導体モジュールの構造。
3. 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、
   前記絶縁基板上に、高さ方向に弾性変形が可能で、かつ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弾性部材を接合し、
   該押圧棒受け弾性部材を接合した前記絶縁基板を一方の型内に入れて、他方の型に設けた押圧棒により、両型の型締め時に、前記押圧棒受け弾性部材を弾性変形させて前記絶縁基板の底面から前記押圧棒受け弾性部材の上面までの高さを決めた状態で樹脂を両型内に注入し、樹脂モールドで樹脂封止してパワー半導体モジュールを得るようにした、
   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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