JP2013157398A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】制御ＩＣ素子がパワー半導体素子の動作時の発熱による熱干渉を受けないようにした半導体装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】パワー半導体素子１，２をトランスファーモールドにより封入する第１のモールド部８と、制御ＩＣ素子９をトランスファーモールドにより封入する第２のモールド部１３と、前記第１のモールド部と前記第２のモールド部とを接続する中継端子６と、前記第１のモールド部と外部とを接続するための主端子４，５と、前記第２のモールド部と外部とを接続するための信号端子１２とを備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、パワー半導体素子と制御ＩＣ素子とを有する半導体装置に係り、それらの組立構造およびその製造方法の改良に関するものである。
半導体パワーモジュールは、負荷への電力の供給を担う主電流の流れを変調制御するパワー半導体素子を備える電力回路と、このパワー半導体素子の動作を制御する制御回路とが、１個の装置に組み込まれた半導体装置である。制御回路は、パワー半導体素子を駆動する駆動回路と、異常発生時の損傷からパワー半導体素子を保護するための保護回路を有するのが通例である。この半導体パワーモジュールは、例えば、電気自動車や電車等のモータの動作を制御するインバータや回生用のコンバータなどに利用が拡大しつつある。
従来の半導体パワーモジュールでは、その筐体から導出された、パワー半導体素子の駆動制御や温度検出のための信号端子に、制御ＩＣ素子や抵抗等の電子部品を実装した制御回路基板を半田付けで接続していた。しかしながら、装置の製造工程が複雑であるため、特許文献１においては、その図１に開示されているような半導体パワーモジュールが提案されている。
上述の半導体パワーモジュールにおいては、打ち抜き加工されたリードフレームが制御回路と電力回路の配線パターン、および外部端子を兼ねており、その他の部品と共にモールド樹脂で成形されて筐体を形成しているので、放熱特性を劣化させることなく、製造コストを削減している。
特開２００４−４８０８４号公報 （図１）
しかしながら、特許文献１の図１に開示されているような半導体パワーモジュールでは、同じヒートスプレッダ上にパワー半導体素子と制御ＩＣ素子とが共に配置されているので、制御ＩＣ素子がパワー半導体素子の動作時の発熱による熱干渉を受けやすい、という問題があった。
同じく特許文献１の図１５に開示されているように、ヒートスプレッダをパワー半導体素子の下部のみに配置し、制御ＩＣ素子の下部に延在させないような構造として、パワー半導体素子の動作時の発熱による熱干渉を抑制させることも可能ではあるが、一般的に筐体を形成しているモールド樹脂には高熱伝導樹脂を採用するため、筐体を経由したパワー半導体素子の動作時の発熱による熱干渉が少なからず存在し、制御ＩＣ素子の動作が不安定となるという問題があった。
このため、制御ＩＣ素子の冷却が必須となり、半導体装置を冷却する冷却器を制御ＩＣ素子の下部にまで延在させる必要があり、冷却器が大型化し、そのコストも大きくなるという問題もあった。
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、製造コストを削減しながら、パワー半導体素子の動作時の発熱による制御ＩＣ素子への熱干渉を防止できる半導体装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、この発明に係る半導体装置では、パワー半導体素子をトランスファーモールドにより封入する第１のモールド部と、制御ＩＣ素子をトランスファーモールドにより封入する第２のモールド部と、前記第１のモールド部と前記第２のモールド部とを接続する中継端子と、前記第１のモールド部と外部とを接続するための主端子と、前記第２のモールド部と外部とを接続するための信号端子とを備えることを特徴とする。
また、上記課題を解決するため、この発明に係る半導体装置の製造方法では、枠体と、ダイパッド部と、信号端子部と、中継端子部と、主端子部と、これらを相互に固定しているタイバーとを含むリードフレームを準備する工程と、ヒートスプレッダが接合されたパワー半導体素子を前記主端子部に接合し、制御ＩＣ素子をダイパッド部に接合することにより、前記パワー半導体素子と前記制御ＩＣ素子と前記リードフレームとの中間組立体を形成する工程と、前記中間組立体における前記パワー半導体素子を封入するように樹脂成形することにより第１のモールド部を形成する工程と、前記中間組立体における前記制御ＩＣ素子を封入するように樹脂成形することにより第２のモールド部を形成する工程と、前記タイバーを除去する工程とを含むことを特徴とする。
上記のような構成としたため、本発明に係る半導体装置は、パワー半導体素子および制御ＩＣ素子を一枚のリードフレームに搭載した中間組立体を金型のキャビティ内に設置し、モールド樹脂を金型のキャビティ内に注入成形して筐体となすように製造することができ、製造コストを削減されているにもかかわらず、パワー半導体素子を封入する第１のモールド部と、制御ＩＣ素子を封入する第２のモールド部とを分離して形成したので、パワー半導体素子の動作時の発熱による制御ＩＣ素子に対する熱干渉が抑制され、制御ＩＣ素子の動作が安定する、という効果を奏する。さらには、制御ＩＣ素子の冷却が不要となるため、半導体装置を冷却する冷却器を小型化でき、そのコストを低減できる、という効果を奏する。
本発明の実施の形態に係る半導体装置の構成を模式的に示す平面図およびそのＡ−Ａ断面を示した断面図である。 本実施の形態に係る半導体装置の実装例を示す図である。 本実施の形態に係る半導体装置の製造方法を示す図である。 本実施の形態に係る半導体装置の製造方法を示す図である。 本実施の形態に係る半導体装置の製造方法を示す図である。 本実施の形態に係る半導体装置の製造方法を示す図である。 本実施の形態に係る半導体装置の製造方法を示す図である。 本実施の形態に係る半導体装置の製造方法を示す図である。
＜実施の形態＞
図１は本発明の実施の形態に係る半導体装置である半導体パワーモジュールの構成を模式的に示す平面図およびそのＡ−Ａ断面を示した断面図である。なお、説明の便宜上、平面図においては一部の構成要素を破線で表示している。
図１において、パワー半導体素子１は、例えば構成材料がシリコンであるＩＧＢＴであり、図示していないがその一方の主面にはコレクタ電極が、他方の主面にはエミッタ電極及びゲート電極が形成されている。パワー半導体素子２は、例えば構成材料がシリコンであるダイオードであり、図示していないがその一方の主面にはカソード電極が、他方の主面にはアノード電極が形成されている。本実施の形態においては、パワー半導体素子１およびパワー半導体素子２の構成材料としてシリコンとした場合で説明するが、より高温動作が可能な炭化珪素等のワイドギャップ半導体を構成材料として使用することも可能であるし、またそのほうが半導体装置の放熱設計が簡略化され小型化が可能となるため望ましい。
パワー半導体素子１の一方の主面に形成されたコレクタ電極は、ヒートスプレッダ３の一方の主面に半田を介して接合されている。パワー半導体素子２の一方の主面に形成されたカソード電極は、ヒートスプレッダ３の一方の主面に半田を介して接合されている。ヒートスプレッダ３は矩形の板材で、例えば銅のような熱伝導性及び電気伝導性の良好な材料で構成されている。
パワー半導体素子１の他方の主面に形成されたエミッタ電極には、第１の主端子４が半田を介して接合されている。パワー半導体素子２の他方の主面に形成されたアノード電極には、パワー半導体素子１から延びてくる第１の主端子４が、半田を介してその一方の主面において接合されている。ヒートスプレッダ３の一方の主面には、第２の主端子５が半田を介して接合されている。パワー半導体素子１の他方の主面に形成されたゲート電極は、アルミニウムワイヤ７を介して中継端子６の一端に電気的に接続されている。第１の主端子４、第２の主端子５および中継端子６は厚みが０．５〜０．７ｍｍの板材で、例えば銅のような熱伝導性及び電気伝導性の良好な材料で構成されている。本実施の形態においては、第１の主端子４、第２の主端子５および中継端子６の厚みは０．６４ｍｍである。
外部環境からの保護のために、パワー半導体素子１、パワー半導体素子２、ヒートスプレッダ３、第１の主端子４、第２の主端子５、中継端子６およびアルミニウムワイヤ７を覆うように、エポキシ樹脂を構成材料とするモールド樹脂がトランスファーモールド技術で樹脂成形され、電力回路部の筐体として直方体の第１のモールド部８を形づくっている。直方体の第１のモールド部８のヒートスプレッダ３と対向する外形面は、冷却器を設置するための冷却面８ａとなっている。第１の主端子４および第２の主端子５は、外部との接続のため、その一端が第１のモールド部８の１つの面から外部に露出している。中継端子６は、制御回路との接続のため、その一端が第１のモールド部８の前記１つの面と対向する面から外部に露出している。
制御ＩＣ素子９は、例えば構成材料がシリコンである集積回路であり、図示していないがその一方の主面には複数の電極パッドが形成されている。制御ＩＣ素子９の他方の主面はダイパッド１０の上に戴置されている。制御ＩＣ素子９の複数の電極パッドは、金ワイヤ１１を介して中継端子６の他端および信号端子１２の一端に電気的に接続されている。ダイパッド１０および信号端子１２は第１の主端子４、第２の主端子５および中継端子６と同じ材料で構成されている。
外部環境からの保護のために、制御ＩＣ素子９、ダイパッド１０、信号端子１２、中継端子６および金ワイヤ１１を覆うように、エポキシ樹脂を構成材料とするモールド樹脂がトランスファーモールド技術で樹脂成形され、制御回路部の筐体として直方体の第２のモールド部１３を形づくっている。信号端子１２は、外部との接続のため、その他端が第２のモールド部１３の１つの面から外部に露出している。中継端子６は、電力回路との接続のため、その一端が第２のモールド部１３の前記１つの面と対向する面から外部に露出している。
本実施の形態に係る半導体装置である半導体パワーモジュールは、図２に示されるように、さらに抵抗やコンデンサ等の受動部品および冷却器とともに用いられる。図２において、半導体パワーモジュールの第１のモールド部８は、その冷却面８ａ側を冷却器１４に対向させた状態でグリスを介して冷却器１４の上に戴置され、図示しないボルト等で固定されている。半導体パワーモジュールの中継端子６は冷却面８ａとは反対方向に直角に折り曲げられており、それにより半導体パワーモジュールの第２のモールド部１３は第１のモールド部８の上方に配置されることになる。
第２のモールド部１３のさらに上方には回路基板１５が配設され、半導体パワーモジュールの信号端子１２は回路基板１５のスルーホールに挿入されている。回路基板１５には抵抗１５ａやコンデンサ１５ｂ等の受動部品が実装されており、それぞれ回路基板１５により所定の信号端子１２と電気的に接続されている。これらの抵抗１５ａやコンデンサ１５ｂ等の受動部品は、その電気特性やサイズによっては第２のモールド部１３に内蔵させることも可能である。
このように抵抗やコンデンサ等の受動部品および冷却器とともに用いる場合には、本実施の形態に係る半導体装置である半導体パワーモジュールのように第１のモールド部８と第２のモールド部１３とに分割し、第１のモールド部８と第２のモールド部１３とを中継端子６により接続し、中継端子６を直角に折り曲げ、第２のモールド部１３を第１のモールド部８の上方に配置させることにより、半導体装置の冷却器１４への投影面積を小さくすることができると共に、冷却器１４の小型化も可能となる。また、第２のモールド部１３から露出している信号端子１２の長さを短くしているため、寸法精度が出しやすく、ハンドリング等による変形も起こりにくい。
次に本実施の形態に係る半導体装置の製造方法について図３〜８を用いて説明する。
まず、図３に示されるようなリードフレーム１６を準備する。図３において、リードフレーム１６は一様な厚み０．５〜０．７ｍｍを有する銅の板材を母材とし、打ち抜き加工におよび曲げ加工により所定の形状に形成されている。本実施の形態においては、リードフレーム１６の厚みは０．６４ｍｍである。主端子部１６ａ、主端子部１６ｂ、中継端子部１６ｃ、ダイパッド部１６ｄおよび信号端子部１６ｅは、完成後それぞれ主端子４、主端子５、中継端子６、ダイパッド１０および信号端子１２となる部分であり、これら各部分はタイバー１６ｆにより枠体１６ｇに相互に固定されている。
次に、予めヒートスプレッダ３に半田により接合されたパワー半導体素子１およびパワー半導体素子２をリードフレーム１６の主端子部１６ａに半田により接合し、ヒートスプレッダ３をリードフレーム１６の主端子部１６ｂに半田により接合し、制御ＩＣ素子９をリードフレーム１６のダイパッド部１６ｄに接合することにより、パワー半導体素子１、パワー半導体素子２、ヒートスプレッダ３、制御ＩＣ素子９およびリードフレーム１６からなる中間組立体を形成する（図４）。
次に、前記中間組立体の中継端子部１６ｃとパワー半導体素子１とをアルミニウムワイヤ７により接続し、前記中間組立体の中継端子部１６ｃおよび信号端子部１６ｅと制御ＩＣ素子９とを金ワイヤ１１により接続する（図５）。
次に、ワイヤ接続の完了した中間組立体を所定の金型のキャビティ内に設置し、金型の温度を所定の温度に上昇させた後、金型のゲートからエポキシ樹脂等のモールド樹脂を注入しモールド樹脂を硬化させ、パワー半導体素子１およびパワー半導体素子２を封入する第１のモールド部８および制御ＩＣ素子９を封入する第２のモールド部１３を同時に成形し、金型から取り出す（図６）。
次に、金型より取り出した成形品からタイバー１６ｆを切断し、枠体１６ｇを取り除き、図７に示されるような構造体が出来上がる。しかる後に、本構造体に、第１の主端子４および第２の主端子５の曲げ加工を施し、必要であれば中継端子６の曲げ加工を施すことにより、本発明の実施の形態に係る半導体装置である半導体パワーモジュールが完成する（図８）。
本実施の形態に係る半導体装置は、パワー半導体素子１およびパワー半導体素子２を封入する第１のモールド部８と、制御ＩＣ素子９を封入する第２のモールド部１３とを分離して形成し、第１のモールド部８と第２のモールド部１３との間を中継端子６により接続した構成としたので、パワー半導体素子１およびパワー半導体素子２の動作時の発熱は、従来例のようにヒートスプレッダやモールド樹脂を伝わって制御ＩＣ素子９に到達することはない。中継端子６を経由した伝熱の影響も考慮されるが、中継端子６の断面積が小さいことと外気により冷却されることを考慮すると、その影響は小さいといわざるを得ない。したがって、本実施の形態に係る半導体装置によれば、パワー半導体素子の動作時の発熱による制御ＩＣ素子に対する熱干渉が抑制され、制御ＩＣ素子の動作が安定する、という効果を奏する。さらには、制御ＩＣ素子の冷却が不要となるため、半導体装置を冷却する冷却器を小型化でき、そのコストを低減できる、という効果を奏する。これらの効果は、パワー半導体素子１およびパワー半導体素子２の構成材料がより高温動作が可能な炭化珪素等のワイドギャップ半導体であるような場合には、特に顕著である。
一方、本実施の形態に係る半導体装置は、パワー半導体素子１、パワー半導体素子２、ヒートスプレッダ３および制御ＩＣ素子９を一枚のリードフレーム１６に搭載した中間組立体を形成し、その中間組立体を所定の金型のキャビティ内に設置し、モールド樹脂を金型のキャビティ内に注入成形して筐体となすように製造しているので、放熱特性を劣化させることなく、製造コストを削減する、という効果を奏する。
また、本実施の形態に係る半導体装置は、上記製造方法においてリードフレームを一様な厚みを有する板材で構成したため、リードフレームを安価に製作することができ、全体の製造コストを削減する、という効果を奏する。
さらに、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法においては、第１のモールド部８および第２のモールド部１３を同時に形成したため、製造工程が簡略化され全体の製造コストを削減する、という効果を奏する。
さらに、従来の半導体装置においては、電力回路部と制御回路部とを接続する中継端子部をタイバーによりリードフレームの枠体に接続させるため、中継端子を引き回してその一部をモールド筐体から露出させる必要があり、それが装置のモールド部の体積を増大させていたが、本実施の形態に係る半導体装置においては、中継端子がモールド筐体から露出している構造のため、タイバーにより直接中継端子とリードフレームの枠体とを接続でき、モールド部の体積を削減できる、という効果を奏する。
なお、以上の実施の形態の説明においては、パワー半導体素子がＩＧＢＴおよびダイオードである場合を示したが、本発明に係る半導体装置のパワー半導体素子はこれに限定されるものではない。例えば、パワー半導体素子はパワーＭＯＳＦＥＴやダイオード、サイリスタなどでもよい。第１のモールド部および第２のモールド部の構成材料はエポキシ樹脂であったが、他の熱硬化性樹脂であってもよいし、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ樹脂）のような熱可塑性樹脂であってもよい。熱可塑性樹脂の場合は、その樹脂成形はインジェクションモールド技術によりなされる。
この発明に係る半導体装置は、電気自動車や電車等のモータ制御機器に適用することにより、その機器の電力変換効率の向上に寄与することができる。
１ パワー半導体素子
２ パワー半導体素子
３ ヒートスプレッダ
４ 第１の主端子
５ 第２の主端子
６ 中継端子
７ アルミニウムワイヤ
８ 第１のモールド部
８ａ 冷却面
９ 制御ＩＣ素子
１０ ダイパッド
１１ 金ワイヤ
１２ 信号端子
１３ 第２のモールド部
１４ 冷却器
１５ 回路基板
１５ａ 抵抗
１５ｂ コンデンサ
１６ リードフレーム
１６ａ 主端子部
１６ｂ 主端子部
１６ｃ 中継端子部
１６ｄ ダイパッド部
１６ｅ 信号端子部
１６ｆ タイバー
１６ｇ 枠体

Claims (6)

  1. パワー半導体素子をトランスファーモールドにより封入する第１のモールド部と、
    制御ＩＣ素子をトランスファーモールドにより封入する第２のモールド部と、
    前記第１のモールド部と前記第２のモールド部とを接続する中継端子と、
    前記第１のモールド部と外部とを接続するための主端子と、
    前記第２のモールド部と外部とを接続するための信号端子と、
    を備えることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記中継端子は、直角に折れ曲がっていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
  3. 前記主端子と前記中継端子と前記信号端子のそれぞれの板厚が等しいことを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
  4. 前記パワー半導体素子は、ワイドギャップ半導体を材料としていることを特徴とする請求項２または請求項３記載の半導体装置。
  5. 枠体と、ダイパッド部と、信号端子部と、中継端子部と、主端子部と、これらを相互に固定しているタイバーとを含むリードフレームを準備する工程と、
    ヒートスプレッダが接合されたパワー半導体素子を前記主端子部に接合し、制御ＩＣ素子をダイパッド部に接合することにより、前記パワー半導体素子と前記制御ＩＣ素子と前記リードフレームとの中間組立体を形成する工程と、
    前記中間組立体における前記パワー半導体素子を封入するように樹脂成形することにより第１のモールド部を形成する工程と、
    前記中間組立体における前記制御ＩＣ素子を封入するように樹脂成形することにより第２のモールド部を形成する工程と、
    前記タイバーを除去する工程と、
    を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  6. 前記第１のモールド部を形成する工程と前記第２のモールド部を形成する工程とは同時に実施されることを特徴とする請求項５記載の半導体装置の製造方法。
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