JP2014183302A

JP2014183302A - 半導体モジュール及びその製造方法

Info

Publication number: JP2014183302A
Application number: JP2013058781A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Yoshida; 博吉田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-03-21
Filing date: 2013-03-21
Publication date: 2014-09-29

Abstract

【課題】コストを低減しつつ、品質を向上させることができる半導体モジュール及びその製造方法を得る。
【解決手段】ベース板１上に半導体素子６、コレクタ配線３、エミッタ配線４、及びゲート配線５が設けられている。半導体素子６がそれぞれエミッタ配線４及びゲート配線５にアルミワイヤ７，８により接続されている。第１の樹脂１７が半導体素子６とアルミワイヤ７，８を覆っている。第１の樹脂１７とは特性が異なる第２の樹脂１８が第１の樹脂１７上に設けられている。第１の樹脂１７と第２の樹脂１８の間に両樹脂の混在層１９が存在する。
【選択図】図１

Description

本発明は、産業用機器や民生機器のモータ制御などに使用される半導体モジュール及びその製造方法に関する。

半導体モジュールは、回路が形成された基板上に半導体素子などを実装してワイヤボンディングし、樹脂でトランスファーモールドしたものである。従来は、樹脂として、線膨張係数が他の部材に近く、作業性を考慮して流動性が高いなど、使用するパッケージに適した特性をもつ一種類の樹脂を用いていた。

特開２０００−７７６０３号公報

従来、半導体素子と近接する箇所に要求される特性を持つ樹脂を用いていた。例えば、半導体素子の使用温度が最大１７５℃の場合、耐熱温度が１７５℃以上の樹脂を用いていた。しかし、半導体素子と近接しない箇所では、１７５℃以上の耐熱性は必要ない場合がほとんどであった。樹脂の耐熱性をあげるため高価な材料を用いなければならなかった。

また、半導体モジュールのベース板の裏面の反り量は、樹脂の収縮率、線膨張係数、に大きく左右される。そこで、ベース裏面の反り量を減らすために、樹脂に含有するフィラーと呼ばれる混入材の量を多くしていた。しかし、樹脂の粘度が上がってしまい、成形時の作業性が悪くなり、ワイヤが倒れるという不具合が生じていた。さらに、フィラーとしてアルミナやシリカを用いるため、フィラーの含有量を多くするとコストも上がってしまう。

なお、２層構造の樹脂を用いることが提案されている（例えば、特許文献１の段落００５１〜００５３及び図１２参照）。しかし、下層の樹脂の硬化反応が完了した後に上層の樹脂を重ねるため、物性値の異なる２層の樹脂の間で界面ができる。このため、樹脂内の部品は、一方の樹脂で拘束され、他方の樹脂の熱変形により部分的な応力がかかって破壊される場合がある。また、界面ではがれが生じる。

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、その目的はコストを低減しつつ、品質を向上させることができる半導体モジュール及びその製造方法を得るものである。

本発明に係る半導体装置は、ベース板と、前記ベース板上に設けられた半導体素子と、前記ベース板上に設けられた配線と、前記半導体素子と前記配線を接続するワイヤと、前記半導体素子と前記ワイヤを覆う第１の樹脂と、前記第１の樹脂上に設けられ、前記第１の樹脂とは特性が異なる第２の樹脂と、前記第１の樹脂と前記第２の樹脂の間に存在する両樹脂の混在層とを備えることを特徴とする。

本発明により、コストを低減しつつ、品質を向上させることができる。

本発明の実施の形態１に係る半導体モジュールを示す断面図である。本発明の実施の形態１に係る半導体モジュールの樹脂内部を示す上面図である。本発明の実施の形態１に係る半導体モジュールのトランスファーモールド工程を示す断面図である。本発明の実施の形態１に係る半導体モジュールのトランスファーモールド工程を示す上面図である。本発明の実施の形態２に係る半導体モジュールを示す断面図である。

本発明の実施の形態に係る半導体モジュール及びその製造方法について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体モジュールを示す断面図である。図２は、本発明の実施の形態１に係る半導体モジュールの樹脂内部を示す上面図である。

金属製のベース板１上に絶縁シート２を介してコレクタ配線３、エミッタ配線４、及びゲート配線５が設けられている。このベース板１のコレクタ配線３上に半導体素子６がはんだ等により実装されている。ここでは半導体素子６はＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であり、そのコレクタがコレクタ配線３に接続されている。半導体素子６のエミッタとエミッタ配線４がアルミワイヤ７により接続されている。半導体素子６のゲートとゲート配線５がアルミワイヤ８により接続されている。

コレクタ配線３、エミッタ配線４、及びゲート配線５上にそれぞれ円筒形状の第１の主端子用ソケット９、第２の主端子用ソケット１０、及び信号端子用ソケット１１が設けられている。トランスファーモールド時にソケット内に樹脂が入るのを防ぐシール材として、第１の主端子用スリーブ１２、第２の主端子用スリーブ（不図示）、及び信号端子用スリーブ１３がそれぞれ第１の主端子用ソケット９、第２の主端子用ソケット１０、及び信号端子用ソケット１１を囲むように樹脂上面付近に設けられている。第１の主端子１４、第２の主端子１５、及び信号端子１６が、それぞれ第１の主端子用ソケット９、第２の主端子用ソケット１０、及び信号端子用ソケット１１に挿入されて、それぞれコレクタ配線３、エミッタ配線４、及びゲート配線５に接続されている。

第１の樹脂１７が半導体素子６、コレクタ配線３、エミッタ配線４、ゲート配線５、アルミワイヤ７，８、及びベース板１の上面と側面を覆っている。第１の樹脂１７は、半導体素子６とアルミワイヤ７を完全に覆う高さまで設けられている。

第１の樹脂１７とは特性が異なる第２の樹脂１８が第１の樹脂１７上に設けられている。特性の違いとして、第１の樹脂１７は、第２の樹脂１８よりも耐熱性が高い。また、第１の樹脂１７は第２の樹脂１８よりもフィラー含有量が小さい。このため、第１の樹脂１７は、第２の樹脂１８よりも粘度と弾性係数が小さく、第２の樹脂１８よりも収縮率と線膨張係数が小さい。第１の樹脂１７と第２の樹脂１８の間に両樹脂の混在層１９が存在する。この混在層１９では樹脂の特性は連続的に変化していく。

続いて、本実施の形態に係る半導体モジュールの製造方法を説明する。図３及び図４は、それぞれ本発明の実施の形態１に係る半導体モジュールのトランスファーモールド工程を示す断面図と上面図である。

まず、ベース板１上にコレクタ配線３、エミッタ配線４、及びゲート配線５を形成し、半導体素子６を実装する。次に、半導体素子６をそれぞれアルミワイヤ７，８によりエミッタ配線４及びゲート配線５に接続する。次に、図２及び図３に示すように、それらを下金型２０と上金型２１の間のキャビティ２２内に入れる。下金型２０に設けられたポット部２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄに固形化された第１の樹脂１７をセットし、その次に固形化された第２の樹脂１８をセットする。下金型２０と上金型２１が勘合した後、プランジャー２４により第１の樹脂１７を押し上げ、金型内のゲート部２５を経由してキャビティ２２内に注入する。この際に下金型２０と上金型２１は高温（例えば１７５℃）に設定されており、熱硬化型の第１の樹脂１７は硬化状態へ変化しながら注入されていく。キャビティ２２内において第１の樹脂１７はベース板１の部品搭載面に接する箇所から充填されていき、少しずつ半導体モジュール上面へと注入されていく。なお、半導体モジュールの外形サイズによって必要な樹脂量が決まり、必要なポット数が決定される。

このようにして半導体素子６とアルミワイヤ７，８等を第１の樹脂１７で覆う。次に、第１の樹脂１７を硬化させる前に、第１の樹脂１７上に第２の樹脂１８を形成し、第１の樹脂１７と第２の樹脂１８の間に両樹脂の混在層１９を形成する。その後に、第１及び第２の樹脂１７，１８と混在層１９を硬化させる。以上の工程により本実施の形態に係る半導体モジュールが製造される。

以上、説明したように、本実施の形態では特性が異なる２種類の樹脂を積層させるため、それぞれの樹脂として最適な特性を持つものを選択することができる。そして、第１の樹脂１７と第２の樹脂１８の間に両樹脂の混在層１９が存在する。これにより第１及び第２の樹脂１７，１８と混在層１９が一体化されて応力分散されるため、樹脂内の部品にかかる部分的な応力を低減することができる。また、第１の樹脂１７と第２の樹脂１８の間でのはがれを防止することができる。この結果、コストを低減しつつ、品質を向上させることができる。

また、第１の樹脂１７と第２の樹脂１８の二層構造を用いている。これにより、第２の樹脂１８として耐熱性が低く安価な樹脂を用いることができるため、耐熱性が高い樹脂のみを用いた場合に比べて、コストを低減することができる。例えば、半導体素子６の使用最大温度Ｔｊ（ｍａｘ）が１７５℃の場合、製品特性への影響が大きい第１の樹脂１７のガラス転位温度Ｔｇを１７５℃以上とする必要がある。一方、半導体モジュールの最大ケース温度Ｔｃ（ｍａｘ）が１２５℃以上となるように第２の樹脂１８の樹脂特性を選択する必要がある。

また、アルミワイヤ７，８を封止する第１の樹脂１７のフィラー含有量を第２の樹脂１８よりも小さくする。これにより、第１の樹脂１７の粘度と弾性係数を第２の樹脂１８よりも小さくできるため、成形時の作業性が向上し、アルミワイヤ７，８が倒れるという不具合を防ぐことができる。この結果、半導体モジュールの高寿命化が図れる。また、第２の樹脂１８の収縮率と線膨張係数を第１の樹脂１７よりも小さくできるため、ベース板１の裏面の反り量を減らすことができる。

また、本実施の形態では、第１の樹脂１７を硬化させる前に、第１の樹脂１７上に第２の樹脂１８を形成する。第１の樹脂１７と第２の樹脂１８は溶融状態で注入されるため、第１の樹脂１７と第２の樹脂１８の間に両樹脂の混在層１９を形成することができる。

実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２に係る半導体モジュールを示す断面図である。第１の樹脂１７は、半導体素子６とアルミワイヤ７，８の周囲に制限され、各配線の一部とベース板１の一部を覆っていない。これにより、第２の樹脂１８の比率を実施の形態１よりも増やすことができるため、更にベース板１の裏面の反り量を減らすことができる。例えば、キャビティ２２の中央のポット部２３ｂ，２３ｃから第１の樹脂１７を注入した後に第２の樹脂１８を注入し、外側のポット部２３ａ，２３ｄからは第２の樹脂１８のみを注入することで、第１の樹脂１７を半導体素子６とアルミワイヤ７，８の周囲に制限することができる。その他の構成及び効果は実施の形態１と同様である。

１ベース板、３コレクタ配線（配線）、４エミッタ配線（配線）、５ゲート配線（配線）、６半導体素子、７，８アルミワイヤ、１７第１の樹脂、１８第２の樹脂、１９混在層

Claims

ベース板と、
前記ベース板上に設けられた半導体素子と、
前記ベース板上に設けられた配線と、
前記半導体素子と前記配線を接続するワイヤと、
前記半導体素子と前記ワイヤを覆う第１の樹脂と、
前記第１の樹脂上に設けられ、前記第１の樹脂とは特性が異なる第２の樹脂と、
前記第１の樹脂と前記第２の樹脂の間に存在する両樹脂の混在層とを備えることを特徴とする半導体モジュール。
前記第１の樹脂は、前記第２の樹脂よりも耐熱性が高く、前記第２の樹脂よりも粘度と弾性係数が小さく、前記第２の樹脂よりも収縮率と線膨張係数が小さいことを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
前記第１の樹脂は、前記半導体素子と前記ワイヤの周囲に制限され、前記配線の一部と前記ベース板の一部を覆っていないことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体モジュール。
ベース板上に半導体素子を形成する工程と、
前記ベース板上に配線を形成する工程と、
前記半導体素子と前記配線をワイヤで接続する工程と、
前記半導体素子と前記ワイヤを第１の樹脂で覆う工程と、
前記第１の樹脂を硬化させる前に、前記第１の樹脂上に第２の樹脂を形成し、前記第１の樹脂と前記第２の樹脂の間に両樹脂の混在層を形成する工程と、
前記第１及び第２の樹脂と前記混在層を硬化させる工程とを備えることを特徴とする半導体モジュールの製造方法。