JP2013157485A - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特にスイッチング素子などのパワーデバイスを含み、インバータなどの電力変換用途で使用される半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor device including a power device such as a switching element and used for power conversion such as an inverter.
太陽光発電システムのパワーコンディショナーや、モーターの回転制御に使用されるパワーデバイスは、実装面積の削減、半導体素子間距離の短縮による性能向上、ユーザー側の設計負荷低減を目的として、複数のパワーデバイスを一つのパッケージに収めたモジュール化された製品が増加している。1パッケージ化された半導体装置はパワーモジュールと呼ばれ、スイッチングを行うIGBT(insulated gate bipolar transistor)、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)のようなパワー半導体素子が複数個搭載されている。さらにそのパワー半導体素子を駆動するドライバ素子を複数搭載し、必要な場合にはさらに複数の受動素子を同時に内蔵して、パワー半導体の駆動・保護機能を持たせたモジュールは特にIPM(Intelligent Power Module)と呼称され、市場を伸ばしている。 Power conditioners for solar power generation systems and power devices used for motor rotation control are designed to reduce the mounting area, improve the performance by shortening the distance between semiconductor elements, and reduce the design load on the user side. The number of modularized products in a single package is increasing. One packaged semiconductor device is called a power module, and is mounted with a plurality of power semiconductor elements such as IGBTs (insulated gate bipolar transistors) and MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistors) that perform switching. In addition, IPM (Intelligent Power Module) is a module that incorporates multiple driver elements to drive the power semiconductor elements, and if necessary, incorporates multiple passive elements at the same time to provide power semiconductor drive and protection functions. ) And the market is growing.
図7に示すように、この半導体装置は、金属端子101がインサート成型された樹脂ケース102の下面に、主にCuを材料とした金属プレート103が接着剤104にて取り付けられている。
As shown in FIG. 7, in this semiconductor device, a
金属プレート103上には、アルミナや窒化アルミに代表されるセラミックの表面と裏面に、Cu箔が貼り付けられた配線パターンを有する絶縁基板105が半田106aで接合されている。
On the
絶縁基板105上にはIGBTや還流ダイオードなどのパワー半導体素子107が半田106bで接合されている。パワー半導体素子107の表面に形成された電極と樹脂ケース102の中継電極108の間が、アルミワイヤー109によって接続されている。
On the
さらに、パワー半導体素子107の直上には、それらを制御する制御素子110とコンデンサや抵抗などの受動部品111が実装された制御基板112が配置されている。制御基板112は、中継電極108に挿入されることによってパワー半導体素子107と制御素子110が電気的に接続されている。
Further, a
また、これらのパワー半導体素子107の周辺は外部環境からの保護のため、樹脂ケース102の凹部114にシリコーンゲル113などの樹脂を充填して封止されている。
In addition, the periphery of these
しかし、従来技術の半導体装置では、以下のような観点から課題を有している。
シリコーンゲル113はパワー半導体素子107を含む制御基板112より下の空間全てに充填されている。そのため、半導体装置の下面からの放熱が不十分であると、そのシリコーンゲル113を伝って制御基板112に熱が伝導する場合がある。
However, conventional semiconductor devices have problems from the following viewpoints.
The
パワー半導体素子107は通常150℃まで発熱しても信頼性上問題ないが、制御基板112の材料となる樹脂や搭載されている制御素子110は、パワー半導体素子107よりも耐熱性が低い場合があり、その耐熱性の差から伝達した熱によって制御基板112や制御素子110の信頼性を劣化させる恐れを有している。
Although the
また、パワー半導体素子107の表面電極(図示せず)からアルミワイヤー109が接合され、樹脂ケース102の中継電極108と接続されているが、アルミワイヤー109はその径が数百ミクロンと細く、半導体装置の端に位置する中継端子108までの距離が10mm以上と長いために、アルミワイヤーからの熱が伝わりにくく、よりシリコーンゲル113から制御基板112へ熱を伝える要因となっている。
Further, an
さらに、半導体装置の底面全体に金属プレート103が取り付けられており、絶縁基板105の接合工程や樹脂ケース102の接着工程によってベースプレート103の反りが発生しやすい。それによって、半導体装置の使用時にアルミヒートシンクなどに取り付けられた際に、その界面に使用されるグリスの厚みが、反りのために厚みばらつきを生じ、厚くなった部位の直上に存在するパワー半導体素子107は放熱性が低下し、より半導体装置内部に熱が溜まりやすく、やはり制御基板112の方向へ熱を伝える要因となる。
Further, the
近年ではパワー半導体素子の材料として従来のSi(シリコン)からSiC(シリコンカーバイド)やGaN(ガリウムナイトライド)という新規材料を用いたパワー半導体素子が実用化されつつある。これらの新規デバイスは従来の動作温度150℃から200℃を越えた動作が可能となるため、放熱機構を簡略化した構造により小型化が期待されている。しかしながら、制御基板112や制御素子110は従来通りであるため、新規デバイスを使用した場合、上記の理由からさらに熱による影響が顕著になり、その対策が必須である。
In recent years, power semiconductor elements using new materials such as SiC (silicon carbide) and GaN (gallium nitride) from conventional Si (silicon) are being put into practical use as materials for power semiconductor elements. Since these new devices can operate at temperatures exceeding the conventional operating temperature of 150 ° C. to 200 ° C., miniaturization is expected due to a simplified heat dissipation mechanism. However, since the
また、熱に対する課題に加え、従来技術では以下のような課題も有している。
従来技術のような半導体装置はコストに占める材料費の割合が高く、低価格化の妨げになっていた。特に、絶縁基板105として使用されるセラミックや、半導体装置の底面に配置される面積の大きい金属プレート、また半導体装置内のほぼ全体を覆うシリコーンゲルの材料費が高い。
Moreover, in addition to the subject with respect to a heat | fever, the following subjects also have the following subjects.
The semiconductor device as in the prior art has a high ratio of material cost to the cost, which hinders price reduction. In particular, the material cost of the ceramic used as the
さらに、従来技術のような半導体装置では、細長いアルミワイヤー109でパワー半導体素子107から中継端子108と接続し、さらに中継端子108と制御基板112を接続するため、パワー半導体素子107から制御素子110までの配線長が長く、インダクタンスが大きいために、動作時のサージ電圧による素子の破壊を引き起こす場合がある。
Further, in the semiconductor device as in the prior art, the
本発明はこのような課題を鑑みてなされたものであり、制御基板への過剰な熱伝導を抑制しながら、さらには低コストで電気特性の良い、半導体装置とその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a problem, and provides a semiconductor device and a method for manufacturing the same, which are low in cost and have good electrical characteristics while suppressing excessive heat conduction to the control substrate. Objective.
前記目的を達成するために、本発明の半導体装置製造方法は、外部から入力された制御信号でスイッチングされるパワー半導体素子を内蔵したパッケージを、外装体に載置するとともに、前記パッケージから引き出されている制御信号入力リードとパワー系入出力リードのうちの前記パワー半導体素子の出力側に接続されている前記パワー系入出力リードを、前記外装体に設けられた外部接続端子に電気接続し、パッケージから離れる方向にその形状が曲げられた前記制御信号入力リードの先端に、前記制御信号を発生する制御基板を、前記制御信号入力リードを介して前記パッケージへ前記制御信号を供給するとともに、前記パッケージとの間に空気層が形成されるように取り付けることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a semiconductor device manufacturing method according to the present invention places a package containing a power semiconductor element switched by a control signal input from the outside on an exterior body and pulls it out from the package. Of the control signal input lead and the power system input / output lead, the power system input / output lead connected to the output side of the power semiconductor element is electrically connected to an external connection terminal provided in the exterior body, At the tip of the control signal input lead bent in a direction away from the package, a control board for generating the control signal is supplied to the package via the control signal input lead, and It is attached so that an air layer may be formed between packages.
また、本発明の半導体装置製造方法は、外部から入力された制御信号でスイッチングされるパワー半導体素子を内蔵したパッケージを、外装体の凹部に挿入するとともに、前記パッケージから引き出されている制御信号入力リードとパワー系入出力リードのうちの前記パワー半導体素子の出力側に接続されている前記パワー系入出力リードを、外装体の前記凹部の底部で露出した外部接続端子に電気接続し、パッケージから外装体の前記凹部の上部開口に向かってその形状が曲げられた前記制御信号入力リードの先端に、前記制御信号を発生する制御基板を、前記制御信号入力リードを介して前記パッケージへ前記制御信号を供給するとともに、前記パッケージとの間に空気層が形成されるように取り付けることを特徴とする。 In the semiconductor device manufacturing method of the present invention, a package containing a power semiconductor element that is switched by a control signal input from the outside is inserted into the recess of the exterior body, and the control signal input drawn from the package is input. The power system input / output lead connected to the output side of the power semiconductor element of the lead and the power system input / output lead is electrically connected to the external connection terminal exposed at the bottom of the recess of the exterior body, from the package A control board for generating the control signal is provided to the package via the control signal input lead at the tip of the control signal input lead whose shape is bent toward the upper opening of the recess of the exterior body. And an air layer is formed between the package and the package.
本発明の半導体装置は、外部から入力された制御信号でスイッチングされるパワー半導体素子を内蔵したパッケージと、前記制御信号を発生する制御基板と、外部接続端子を有する外装体を有し、前記パッケージが、前記パッケージから引き出されている制御信号入力リードとパワー系入出力リードのうちの前記パワー半導体素子の出力側に接続されている前記パワー系入出力リードを外装体に設けられた前記外部接続端子に電気接続され、前記制御基板が、パッケージから離れる方向にその形状が曲げられた前記制御信号入力リードの先端に、前記制御信号入力リードを介して前記パッケージへ前記制御信号を供給するとともに、前記パッケージとの間に空気層が形成されるように取り付けたことを特徴とする。 The semiconductor device of the present invention includes a package including a power semiconductor element that is switched by a control signal input from the outside, a control board that generates the control signal, and an exterior body having an external connection terminal. The external connection provided in the exterior body with the power system input / output lead connected to the output side of the power semiconductor element among the control signal input lead and the power system input / output lead drawn from the package The control board is electrically connected to a terminal, and the control board supplies the control signal to the package via the control signal input lead at the tip of the control signal input lead bent in a direction away from the package, It is attached so that an air layer may be formed between the package.
また、本発明の半導体装置は、外部から入力された制御信号でスイッチングされるパワー半導体素子を内蔵したパッケージと、前記制御信号を発生する制御基板と、凹部の底部で外部接続端子が露出した外装体を有し、前記パッケージから引き出されている制御信号入力リードとパワー系入出力リードのうちの前記パワー半導体素子の出力側に接続されている前記パワー系入出力リードを外装体に設けられた前記外部接続端子の上に重なるように、前記パッケージを外装体の前記凹部の中に配置し、かつ前記パワー系入出力リードと前記外部接続端子が電気接続されており、前記制御基板が、パッケージから離れる方向にその形状が曲げられた前記制御信号入力リードの先端に、前記制御信号入力リードを介して前記パッケージへ前記制御信号を供給するとともに、前記パッケージとの間に空気層が形成されるように取り付けたことを特徴とする。 The semiconductor device of the present invention includes a package containing a power semiconductor element that is switched by a control signal input from the outside, a control board that generates the control signal, and an exterior in which an external connection terminal is exposed at the bottom of the recess. The power system input / output lead connected to the output side of the power semiconductor element among the control signal input lead and the power system input / output lead drawn from the package is provided on the exterior body. The package is disposed in the recess of the exterior body so as to overlap the external connection terminal, and the power input / output lead and the external connection terminal are electrically connected, and the control board is a package. At the tip of the control signal input lead bent in a direction away from the control signal, the control signal is transmitted to the package via the control signal input lead. Supplies, characterized in that attached to the air layer is formed between said package.
本発明によれば、パワー半導体素子を内蔵したパッケージを外装体に載置するとともに、パッケージから引き出されているパワー系入出力リードを外装体に設けられた外部接続端子に電気接続するので、配線経路のインダクタンスを低減することができ、サージ電圧の小さな半導体装置となり、電気的な破壊も抑制することが可能となる。さらには、パッケージと制御基板の間に空気層が形成されるように、パッケージから引き出されている制御信号入力リードによって、パッケージから制御基板を支持するため、パワー半導体素子から発生する熱が、制御基板へ伝わることを抑制し、熱破壊・熱劣化を防ぐことができる。 According to the present invention, the package containing the power semiconductor element is placed on the exterior body, and the power system input / output leads drawn from the package are electrically connected to the external connection terminals provided on the exterior body. The inductance of the path can be reduced, the semiconductor device has a small surge voltage, and electrical breakdown can be suppressed. Furthermore, since the control signal input leads drawn from the package support the control board from the package so that an air layer is formed between the package and the control board, the heat generated from the power semiconductor element is controlled. It is possible to suppress the transmission to the substrate and prevent thermal destruction and thermal deterioration.
以下、本発明の半導体装置製造方法を、具体的な各実施の形態に基づいて説明する。
なお、スイッチング素子として、IGBTを用いた半導体装置について説明するが、IGBTに限定されるものではなく、他のパワートランジスタを用いた半導体装置についても同様である。
The semiconductor device manufacturing method of the present invention will be described below based on specific embodiments.
Although a semiconductor device using an IGBT as a switching element will be described, the invention is not limited to the IGBT, and the same applies to a semiconductor device using another power transistor.
(実施の形態1)
図1〜図3は本発明の実施の形態を示す。
図1は実施の形態1において完成した半導体装置を示す。
(Embodiment 1)
1 to 3 show an embodiment of the present invention.
FIG. 1 shows a semiconductor device completed in the first embodiment.
パワー半導体素子を内蔵したパッケージ2から上方に向かって垂直に折り曲げて引き出されている制御信号入力リード5は、制御素子8や抵抗、コンデンサなどの受動部品9が実装されて制御信号発生用の電気回路が構築されている制御基板3のスルーホール18に挿入して半田付けなどによって電気的に接合されている。制御信号入力リード5の途中には突起7が形成されており、この突起7は、制御基板3の裏面に係合してパッケージ2と制御基板3の間隔保持に役立っている。
A control
このパッケージ2と制御基板3は外装体としての外装ケース1に組み付けられている。パッケージ2から水平に引き出されたパッケージ2のパワー系入出力リード4は、外装ケース1にインサート成形され外装ケース1の凹部19の底部に一端が露出した外部接続端子6aに重ねた状態で、パワー系入出力リード4と外部接続端子6aが、半田接合、ネジ止め、端子同士をかしめることなどによって電気的に接合されている。
The
外装ケース1の樹脂には、例えばトランスファーモールド用の熱硬化性のエポキシ樹脂を使用することができる。
外装ケース1の凹部19の底部には開口20が形成されており、パワー系入出力リード4と外部接続端子6aを電気接続した状態のパッケージ2の底面2aは、開口20で外装ケース1の外部に露出している。
As the resin of the outer case 1, for example, a thermosetting epoxy resin for transfer molding can be used.
An opening 20 is formed at the bottom of the
また、この図1に示した完成した状態では、図7に見られたシリコーンゲル113などはパッケージ2の凹部19に充填されていないため、突起7によって間隔保持されているパッケージ2と制御基板3の間には、空気層21が形成されている。
Further, in the completed state shown in FIG. 1, since the
このように外装ケース1の凹部19に、パッケージ2と制御基板3を収めた半導体装置では、制御基板3から制御信号入力リード5を介してパッケージ2のパワー半導体素子のゲート端子に制御信号を供給して、パッケージ2のパワー半導体素子のソース端子−ドレイン端子間のオン−オフを制御している。
As described above, in the semiconductor device in which the
パッケージ2には、例えば図2に示すように、IGBTのパワー半導体素子11a,11aを2つ直列接続してハーフブリッジ回路を構成して、正極端子P、負極端子N、AC端子を有する1相分のインバータとなっている。11bはダイオードである。
In the
このパッケージ2は、図3(a)〜図3(d)の工程で製造できる。図4(a)は完成したパッケージ2の内部平面構造を示す。図4(b)はパワー半導体素子11aの拡大平面図である。
This
図3(a)では、リードフレーム10にパワー半導体素子11aとダイオード11bを搭載している。リードフレーム10の材質は、放熱性の観点から熱伝導率の良いCuを用いることが望ましい。また前述の通り、パワー半導体素子11a,11aをリードフレーム10に接合するには熱伝導性の良い材料を使用することが望ましい。具体的には、Sn−Ag−Cu系はんだなど金属系の熱伝導性の良い接合材料を使用できる。
In FIG. 3A, the
次に図3(b)では、パワー半導体素子11aの表面電極とリードフレーム10をアルミ線14で電気的に接合する。ここではパワー半導体素子11aとダイオード11bを逆並列に接続している。アルミ線14は超音波接合にて接合すると、常温で接合材が不要のため好ましい。
Next, in FIG. 3B, the surface electrode of the
パワー半導体素子11aのソース電極12には数A〜数百Aの大電流が流れるため、溶断しない程度のアルミ線14を複数接合させる必要がある。またアルミ線14はワイヤー形状である必要はなく、箔状のアルミリボンであっても良い。
Since a large current of several A to several hundred A flows through the
一方、パワー半導体素子11aのゲート電極13にはソース電極12と比較して制御用の小電流しか流れないため、電極面積も小さく、アルミ線14はソース電極12用のものよりも細い形状で構わない。例えば150ミクロン径のアルミ線14を用いることができる。
On the other hand, since only a small control current flows through the
次に図3(c)では、リードフレーム10の裏面に、絶縁層16と放熱板17を接着する。絶縁層16は接着性を持ち、あらかじめ放熱板17と接着させ、所望の形状に加工したあとリードフレーム10と接着する。絶縁層16に熱硬化性の樹脂を用いる場合は、被接着体が放熱板17とリードフレーム10の2つとなるため、最初に接着する工程で樹脂が完全硬化し接着性が失われないように温度等の条件を調整する必要がある。この絶縁層16には放熱性と絶縁性を両立する樹脂を使用することが望ましい。絶縁層16としては、例えば、アルミナや窒化ホウ素などの高熱伝導フィラーを用いることができる。
Next, in FIG. 3C, the insulating
次に図3(d)では、リードフレーム10の周辺を樹脂15にて封止する。封止には例えば熱硬化性エポキシ樹脂と封止金型を使用したトランスファーモールドによる封止を行うことができる。この時、放熱板17の裏面は金型と接触するような設計にしておき、封止後に放熱板17の裏面がパッケージ2の外部に露出するようにしておく。これは、封止時に樹脂15が放熱板17の表面を覆うと、パワー半導体素子11a,11aからの放熱経路が妨げられ、熱抵抗が上昇してしまうためである。
Next, in FIG. 3D, the periphery of the
図4(a)に図示したように、パワー半導体素子11a,11aはリードフレーム10上で2箇所に搭載されているが、一方が正極側回路、他方が負極側回路となる。またそれぞれのオン・オフを切り替えるためのゲートが配置されている。例えばこのような回路構成をもつパッケージ2を3つ組み合わせることで三相交流用のインバータ回路を形成することができ、モーターの回転制御を司る回路を構築できる。
As shown in FIG. 4A, the
このように製造されたパッケージ2と制御基板3を、図3(e)〜図3(g)の工程で組み立てる。
図3(d)に示した状態のパッケージ2に対して、先ず、リードフレーム10の不要な部分を切り離し、図3(e)に示すように制御信号入力リード5を、パッケージ2から離れる方向にその形状を曲げる。具体的には、制御信号入力リード5をパワー系入出力リード4に対して垂直に曲げるよう端子加工する。
The
For the
次に図3(f)では、外装ケース1の凹部19に図3(e)でフォーミング加工したパッケージ2を搭載する。三相交流用のインバータ回路に使用する半導体装置の場合には、単一の外装ケース1に対して複数個のパッケージ2が搭載されるが、その数は半導体装置の回路構成で決定される。
Next, in FIG. 3F, the
外装ケース1には、パッケージ2のパワー系入出力リード4に対応した位置に、外部接続端子6aを予め配置したものを用意しておく。そして、パッケージ2のパワー系入出力リード4が、外装ケース1の外部接続端子6aに重なるようにセットし、パワー系入出力リード4と外部接続端子6aを電気的に接合する。
The outer case 1 is prepared by preliminarily arranging the
この接合には、前述のように半田接合、ネジ止め、かしめ工法などを選択することができる。半田接合など接合材料を使用すると熱膨張係数の差異により接合材料に破断が生じたり、ネジ止めの場合は機械的な締結であるため接触抵抗が高く、大電流を流す際に抵抗値が問題となったり、ネジの重量が軽量化の妨げとなったりするため、かしめ工法や超音波工法など端子を直接接合できる工法を選択することが望ましい。 For this joining, solder joining, screwing, caulking, or the like can be selected as described above. When joint materials such as solder joints are used, the joint materials may break due to the difference in thermal expansion coefficient, and in the case of screwing, the contact resistance is high due to mechanical fastening, and the resistance value is a problem when flowing a large current. Therefore, it is desirable to select a method that can directly join the terminals, such as a caulking method or an ultrasonic method.
次に図3(g)では、外装ケース1の側に電気接続したパッケージ2の上方にフォーミングされた制御信号入力リード5が、制御基板3のスルーホール18に挿入されるように、制御基板3を外装ケース1の凹部19にセットする。制御信号入力リード5には突起7が形成されているため、制御基板3がその位置で支持され、パッケージ2と制御基板3の間隔を規定するのに有効である。そして、この状態で制御信号入力リード5と制御基板3の間を半田付けなどの手段で電気的に接合して固定する。
Next, in FIG. 3G, the control
なお、制御基板3は複数のパッケージ2の制御信号入力リード5に対して挿入する必要がある場合には、制御信号入力リード5の先端にテーパー形状を施しておくと、挿入しやすくなる。
When it is necessary to insert the
このように構成された半導体装置によると、パワー半導体素子11aがパッケージ2の樹脂15で封止されているため、パッケージ2と制御基板3との間に空気層21が存在する。従来技術で使用されているシリコーンゲルの熱伝導率は少なくとも1W/(m・K)以上であるが、空気の熱伝導率は0.02〜0.03W/(m・K)程度であり、空気層21の存在によって制御基板への熱伝導を大きく抑えることができる。
According to the semiconductor device configured as described above, since the
さらに、パワー半導体素子11aからリードフレーム10へアルミ線14を接合しているために従来技術よりもその長さを3mm〜4mm程度と半減以下に短縮できる。
外装ケース1の外部接続端子6aとの接合はリードフレーム10であるパワー系入出力リード4と直接に行われるため、リードフレーム10のパターンによって容易に接合断面積を増やすことができ、さらにリードフレーム10の材質にCuを使用すれば、熱伝導率が398W/(m・K)と熱伝導率が237W/(m・K)であるアルミに対して約1.7倍熱を伝えやすくなるため、物性の点からも熱伝導に関して有利である。
Further, since the
Since the outer case 1 and the
このため電流路からの熱伝導は従来技術よりも格段に上昇し、さらに制御基板3へ伝わる熱を抑制することができる。制御基板3に挿入している制御信号入力リード5もリードフレーム10にて形成されるため、物性的には熱を伝えやすいが、その断面積をあらかじめ小さく形成しているので、制御信号入力リード5から伝わる制御基板3の熱は小さくて済む。制御用の信号伝達しか行わないために、おおよそパワー系入出力リード4の半分以下の断面積でも問題は無い。制御信号入力リード5に繋がるパッケージ2内のアルミ線14もパワー系入出力リード4に接合されているアルミ線14ものよりも細くしておけば、より熱が伝導し難く好ましい。
For this reason, the heat conduction from the current path is significantly higher than that of the prior art, and the heat transmitted to the
さらに、パッケージ2ごとに放熱板17を持っているため、従来技術のような半導体装置の底面全体を覆う金属プレートは必要ない。このため反りの発生によるグリスの厚みばらつきが発生せず、また放熱板17をパッケージ2毎に別に持つことによって、反り量自体も抑制できるため、熱抵抗の上昇、ばらつきを抑制することに繋がる。よってパワー半導体素子11から発生する熱を効果的に半導体装置の裏面から放熱することができるため、結果的に制御基板3へ伝わる熱量を抑制することができる。
Furthermore, since each
このように、制御基板3への熱伝導を抑制する構造であるため、パワー半導体素子11aが高温になっても制御基板3や制御基板3に搭載されている制御素子8の劣化・破壊を防ぐことができる。
Thus, since it is a structure which suppresses the heat conduction to the
加えて、本発明の実施の形態では熱に関する有効性以外にも以下のような利点を有する。
本発明の実施の形態では、パッケージ形態にすることによって、まず金属プレートが不要になる。さらに金型でのトランスファーモールドで封止樹脂の使用量が最小限になる。また、リードフレーム10と絶縁層16を組み合わせることで高価なセラミック基板の置き換えを図ることができる。このように構造上、材料費を大幅に削減することでコスト面でも有効な半導体装置となる。電気特性面でも以下のような利点を有する。
In addition, the embodiment of the present invention has the following advantages in addition to the effectiveness related to heat.
In the embodiment of the present invention, the metal plate is not required by adopting the package form. Furthermore, the amount of sealing resin used is minimized by transfer molding in the mold. Further, by combining the
本発明の実施の形態では、パワー半導体素子11a,11bから発生する熱は、放熱板17を通して外部へ放熱される。また、放熱板17は絶縁層16を介してリードフレーム10の裏面に接着されているため、パワー半導体素子11aを含む回路の電位が最大数百Vから1000Vを超える電圧であっても、放熱板17とリードフレーム10を電気的に絶縁できる。
In the embodiment of the present invention, heat generated from the
本発明の実施の形態では、パッケージ2から引き出した制御信号入力リード5を直上の制御基板3と接続しているために、横方向の配線長を大幅に削減できる。これによってインダクタンスも小さくなるため、サージ電圧による電気的な破壊も抑制するという効果を得ることができる。
In the embodiment of the present invention, since the control
なお、パッケージ2の内部構造および回路図は本実施例の形態に限定されるものではない。
この半導体装置は、パッケージ2の外側に露出している放熱板17が、組み込み対象装置の筐体または放熱板に直接に接触、または熱伝導性グリスあるいは熱伝導性シートを介在させて組み込み対象装置の筐体または放熱板に間接的に接触するように、外装ケース1の底面1aを組み込み対象装置の筐体または放熱板に向けて、外装ケース1の例えば四隅が組み込み対象装置の筐体または放熱板にネジ留めされる。
In addition, the internal structure and circuit diagram of the
In this semiconductor device, the
(実施の形態2)
図5と図6は本発明の実施の形態2を示す。
図5は実施の形態2において完成した半導体装置を示す。
(Embodiment 2)
5 and 6 show a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 shows the semiconductor device completed in the second embodiment.
実施の形態1における外装体は、凹部19が形成されていると共に、外部接続端子6aがインサート成型された外装ケース1で構成されていた。これに対して実施の形態2では図5に示すように、外装体27が、外部接続端子6aを有した板状のベース部22と、この板状のベース部22に取り付けられて制御基板3などの周囲を取り囲むガード部23とで構成されている。パッケージ2,制御基板3の構成、ならびにパッケージ2と制御基板3の組み立てなどは実施の形態1と同じである。
The exterior body in the first embodiment is composed of the exterior case 1 in which the
この実施の形態2の半導体装置は、次の工程で組み立てられる。
パッケージ2の組み立ては図3(a)〜図3(e)と同じである。このように形成されたパッケージ2は、先ず、図6(a)に示すように、ガード部23を取り付ける前のベース部22に、パッケージ2のパワー系入出力リード4が、ベース部22の外部接続端子6aに重なるようにセットし、パワー系入出力リード4と外部接続端子6aを電気的に接合する。
The semiconductor device according to the second embodiment is assembled in the following process.
The assembly of the
この接合には、半田接合、ネジ止め、かしめ工法などを選択することができる。半田接合など接合材料を使用すると熱膨張係数の差異により接合材料に破断が生じたり、ネジ止めの場合は機械的な締結であるため接触抵抗が高く、大電流を流す際に抵抗値が問題となったり、ネジの重量が軽量化の妨げとなったりするため、かしめ工法や超音波工法など端子を直接接合できる工法を選択することが望ましい。 For this joining, solder joining, screwing, caulking method or the like can be selected. When joint materials such as solder joints are used, the joint materials may break due to the difference in thermal expansion coefficient, and in the case of screwing, the contact resistance is high due to mechanical fastening, and the resistance value is a problem when flowing a large current. Therefore, it is desirable to select a method that can directly join the terminals, such as a caulking method or an ultrasonic method.
このようにしてベース部22に接合されたパッケージ2の底面2aは、ベース部22に形成された開口24において露出している。
次に図6(b)では、ベース部22の側に電気接続したパッケージ2の上方にフォーミングされた制御信号入力リード5が、制御基板3のスルーホール18に挿入されるように、制御基板3をセットする。制御信号入力リード5には突起7が形成されているため、制御基板3がその位置で支持され、パッケージ2と制御基板3の間隔を規定するのに有効である。そして、この状態で制御信号入力リード5と制御基板3の間を半田付けなどの手段で電気的に接合して固定する。図6(c)ではガード部23をベース部22に取り付ける。
The
Next, in FIG. 6B, the control
この半導体装置は、パッケージ2の外側に露出している放熱板17が、組み込み対象装置の筐体または放熱板に直接に接触、または熱伝導性グリスあるいは熱伝導性シートを介在させて組み込み対象装置の筐体または放熱板に間接的に接触するように、ベース部22の底面25を、組み込み対象装置の筐体または放熱板に向けて、ベース部22の例えば四隅が組み込み対象装置の筐体または放熱板にネジ留めされる。
In this semiconductor device, the
このように実施の形態2の場合も実施の形態1の場合とほぼ同じ外観形状の半導体装置を得ることができる。
また、図6(b)に仮想線で示すように、組み込み対象装置の側に制御基板3の周囲を被うカバー26が形成できる使用環境の場合には、ガード部23は必要でない。
As described above, in the second embodiment, a semiconductor device having substantially the same external shape as that in the first embodiment can be obtained.
In addition, as shown by a virtual line in FIG. 6B, the
本発明は、太陽光発電システムのパワーコンディショナーや、モーターの回転制御に使用されるパワーデバイスなどの信頼性の向上に寄与する。 The present invention contributes to improving the reliability of a power conditioner of a photovoltaic power generation system and a power device used for motor rotation control.
1 外装ケース(外装体)
2 パッケージ
3 制御基板
4 パワー系入出力リード
5 制御端子
6a 外部接続端子
7 突起
8 制御素子
9 受動部品
10 リードフレーム
11a パワー半導体素子
11b ダイオード
12 ソース電極
13 ゲート電極
14 アルミ線
15 樹脂
16 絶縁層
17 放熱板
18 スルーホール
19 凹部
20 開口
21 空気層
22 ベース部
23 ガード部
24 開口
25 ベース部の底面
27 外装体
1 Exterior case (exterior body)
2
Claims (7)
パッケージから離れる方向にその形状が曲げられた前記制御信号入力リードの先端に、前記制御信号を発生する制御基板を、前記制御信号入力リードを介して前記パッケージへ前記制御信号を供給するとともに、前記パッケージとの間に空気層が形成されるように取り付ける
半導体装置製造方法。 A package containing a power semiconductor element that is switched by a control signal input from the outside is placed on the exterior body, and the power of the control signal input lead and the power system input / output lead drawn from the package The power system input / output lead connected to the output side of the semiconductor element is electrically connected to an external connection terminal provided in the exterior body,
At the tip of the control signal input lead bent in a direction away from the package, a control board for generating the control signal is supplied to the package via the control signal input lead, and A semiconductor device manufacturing method for mounting an air layer between a package and a package.
パッケージから外装体の前記凹部の上部開口に向かってその形状が曲げられた前記制御信号入力リードの先端に、前記制御信号を発生する制御基板を、前記制御信号入力リードを介して前記パッケージへ前記制御信号を供給するとともに、前記パッケージとの間に空気層が形成されるように取り付ける
半導体装置製造方法。 A package containing a power semiconductor element that is switched by a control signal input from the outside is inserted into the recess of the exterior body, and the control signal input lead and the power system input / output lead that are drawn from the package are The power system input / output lead connected to the output side of the power semiconductor element is electrically connected to the external connection terminal exposed at the bottom of the recess of the exterior body,
A control board that generates the control signal is provided to the package via the control signal input lead at the tip of the control signal input lead that is bent from the package toward the upper opening of the recess of the exterior body. A semiconductor device manufacturing method for supplying a control signal and attaching an air layer to the package.
前記制御信号を発生する制御基板と、
外部接続端子を有する外装体を有し、
前記パッケージが、前記パッケージから引き出されている制御信号入力リードとパワー系入出力リードのうちの前記パワー半導体素子の出力側に接続されている前記パワー系入出力リードを外装体に設けられた前記外部接続端子に電気接続され、
前記制御基板が、パッケージから離れる方向にその形状が曲げられた前記制御信号入力リードの先端に、前記制御信号入力リードを介して前記パッケージへ前記制御信号を供給するとともに、前記パッケージとの間に空気層が形成されるように取り付けた
半導体装置。 A package containing a power semiconductor element that is switched by a control signal input from the outside;
A control board for generating the control signal;
An exterior body having external connection terminals;
The package has the power system input / output lead connected to the output side of the power semiconductor element among the control signal input lead and the power system input / output lead drawn from the package. Electrically connected to the external connection terminal
The control board supplies the control signal to the package via the control signal input lead at the tip of the control signal input lead bent in a direction away from the package, and between the package and the package. A semiconductor device attached so that an air layer is formed.
前記制御信号を発生する制御基板と、
凹部の底部で外部接続端子が露出した外装体を有し、
前記パッケージから引き出されている制御信号入力リードとパワー系入出力リードのうちの前記パワー半導体素子の出力側に接続されている前記パワー系入出力リードを外装体に設けられた前記外部接続端子の上に重なるように、前記パッケージを外装体の前記凹部の中に配置し、かつ前記パワー系入出力リードと前記外部接続端子が電気接続されており、
前記制御基板が、パッケージから離れる方向にその形状が曲げられた前記制御信号入力リードの先端に、前記制御信号入力リードを介して前記パッケージへ前記制御信号を供給するとともに、前記パッケージとの間に空気層が形成されるように取り付けた
半導体装置。 A package containing a power semiconductor element that is switched by a control signal input from the outside;
A control board for generating the control signal;
It has an exterior body with external connection terminals exposed at the bottom of the recess,
Of the control signal input lead drawn from the package and the power input / output lead, the power input / output lead connected to the output side of the power semiconductor element is connected to the external connection terminal provided on the exterior body. The package is disposed in the recess of the exterior body so as to overlap, and the power system input / output lead and the external connection terminal are electrically connected,
The control board supplies the control signal to the package via the control signal input lead at the tip of the control signal input lead bent in a direction away from the package, and between the package and the package. A semiconductor device attached so that an air layer is formed.
請求項3または4に記載の半導体装置。 5. The semiconductor device according to claim 3, wherein the control signal input lead has a smaller sectional area than the power system input / output lead.
請求項3〜5の何れかに記載の半導体装置。 6. The semiconductor device according to claim 3, wherein a tip of the control signal input lead is formed in a tapered shape.
前記外装体は、底部に前記凹部を外部と連通した開口が形成され、
パッケージの前記放熱板が外装体の凹部の前記開口から露出している
請求項4から6の何れかに記載の半導体装置。 The package includes a heat sink that is partially exposed to the outside and is configured by thermally coupling the power semiconductor element to the heat sink,
The exterior body is formed with an opening in the bottom that communicates the recess with the outside.
The semiconductor device according to claim 4, wherein the heat radiating plate of the package is exposed from the opening of the recess of the exterior body.
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