JP2014197639A - 樹脂封止型パワーモジュール及び成形金型 - Google Patents

樹脂封止型パワーモジュール及び成形金型 Download PDF

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Abstract

【課題】 搬送治具で被封止物をつかむ必要があるが、搬送治具も必然的に下金型のキャビティ内に入り込むこととなり、このことによりパワーモジュールの外形の大型化を招くとともに、材料コストの増大を招くこととなる。
【解決手段】 ベース板１と、ベース板１に絶縁層２を介して戴置された半導体素子４と、半導体素子４に電気的に接続された端子５と、上面と下面と互いに対向する２つの側面を有しベース板１を前記下面に露出するように収容し端子５を前記上面に露出するように収容する樹脂筐体８とを備える樹脂封止型パワーモジュールであって、樹脂筐体８には前記側面のそれぞれから相互に対向して突出した複数の突起８ａが設けられ、突起８ａの下面は樹脂筐体８の下面と同一平面にあることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

この発明は、樹脂封止型パワーモジュール及びそれを製造するための成形金型に係り、特に上出し電極用金属製電極端子をベース板に対し直立するように配置する樹脂封止型パワーモジュールに関するものである。
パワーモジュールのパッケージは、製造コストや生産性などの観点からトランスファーモールド成形による樹脂封止で形成されることが多い。トランスファーモールド成形では、樹脂組成物（モールド樹脂）が必要に応じて溶融され、高温に保たれた金属成形金型内部の空洞（キャビティ）内に充填される。成形金型は、一般に上金型とこれに組み合わされる下金型からなり、キャビティは上金型と下金型の内壁により規定される。モールド樹脂の充填とその後に行われるモールド樹脂の加圧にはプランジャーが用いられ、モールド樹脂が加熱溶融しキャビティ内に充填された後、硬化される。型締めが行われた状態でキャビティへモールド樹脂が充填された後は、周知の方法によりモールド樹脂により樹脂封止されたパワーモジュールが製造される。
トランスファーモールド成形では、型締めされる際にリードフレームを代表とする金属性電極端子が上下金型と接触した状態で挟まれることによって、樹脂が封止された後も金属性電極端子は樹脂外部へ露出する。ここでいう金属製電極端子は、トランスファーモールド成形後にパッケージ外部へ露出し、パッケージ外部と電気的に接続される。一般にリードフレームを金属製電極端子として用いる場合、端子はモールド樹脂で成形されたパッケージの側面周辺から外部端子として形成される。しかし、複数のパッケージを高密度にプリント基板に実装し、システム及び半導体装置を小型化する観点からは、金属製電極端子をパッケージ側面（絶縁基板の表面と平行方向）に露出させるのではなく、パッケージ上面（絶縁基板の表面と垂直な方向）に露出させる方が良い。
特許文献１には、金属製電極端子がパッケージ上面方向に露出する構成が開示されている。特許文献１に記載のパワーモジュールを複数個配線接続する場合、接続工程の簡略化を目的として、しばしば特許文献２に記載されているようなインサートケースがパワーモジュールにセットされる。すなわち、インサートケースに設けられた外部端子のインサートケースの内面側に突出した部分が、パワーモジュールのインサートケースの上面に開口を有する筒状導通体に挿入接続される。
特開２０１１−０４９３４３号公報 （図１） 特開２０１０−１２９７９７号公報 （図１）
このようなパワーモジュールは、特許文献１に記載されているように、ベース板の上に半導体素子や端子が配置された被封止物を成形金型のキャビティ内に設置し、キャビティ内にモールド樹脂を加圧充填することにより形成される。この際、リードフレームを金属製電極端子として用いるパワーモジュールの場合、リードフレームのパッケージ側面から露出する部分の上面を吸着し、成形金型のキャビティ内に被封止物を搬送すればよいが、特許文献１に開示された金属製電極端子がパッケージ上面方向に露出しているパワーモジュールの場合は、このような搬送方法を採用するためには、以下のような問題点があった。
すなわち、金属製電極端子がパッケージ上面方向に露出しているパワーモジュールの場合は、回路パターンへのダメージを考慮してベース板の上面を吸着するという手段が採れず、搬送治具で被封止物のベース板をつかむ必要があるが、被封止物は下金型の底面に戴置されるため搬送治具も必然的に下金型のキャビティ内に入り込むこととなる。この場合、下金型のキャビティは搬送治具の挿入を考慮して大きめに作成しておく必要があるが、このことはパワーモジュールの外形の大型化を招くとともに、キャビティ内に加圧充填されるモールド樹脂が多量に必要となり材料コストの増大を招くこととなる。パワーモジュールの外形の大型化を避けようとすれば、成形金型のキャビティ内への被封止物の搬送をマニュアルで行わなければならず、製造コストの増大につながる。
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、材料コスト及び製造コストの増大を防止しつつ、外形が小型化された樹脂封止型パワーモジュール及びそれを製造するための成形金型を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、この発明に係る樹脂封止型パワーモジュールは、ベース板と、前記ベース板に絶縁層を介して戴置された半導体素子と、前記半導体素子に電気的に接続された端子と、上面と下面と互いに対向する２つの側面を有し前記ベース板を前記下面に露出するように収容し前記端子を前記上面に露出するように収容する樹脂筐体とを備える樹脂封止型パワーモジュールであって、前記樹脂筐体には前記側面のそれぞれから相互に対向して突出した複数の突起が設けられ、前記突起の下面は前記樹脂筐体の下面と同一平面にあることを特徴とする。
また、上記課題を解決するため、この発明に係る成形金型は、上金型と下金型とから構成され、前記上金型と前記下金型とで画定されるキャビティを有し、前記下金型には前記キャビティと外部とを繋ぐエアベントが設けられ、前記下金型の内壁は底面と互いに対向する２つの内側面を有し、前記下金型は前記内側面のそれぞれにおいて相互に対向して掘り込まれた複数の凹部が設けられ、前記凹部の底面は前記下金型の底面と同一平面にあることを特徴とする。
上記のような構成としたため、本発明に係る樹脂封止型パワーモジュール及びそれを製造するための成形金型によれば、材料コスト及び製造コストの増大を防止できると同時に、パワーモジュールの外形の小型化が可能となるという効果を奏する。
本発明の実施の形態に係る樹脂封止型パワーモジュールを模式的に示す平面図、側面図及び正面図である。 本発明の実施の形態に係る半導体素子の製造方法を模式的に示す断面図である。 本実施の形態に係る樹脂封止型パワーモジュールを成形するための成形金型の一実施例を示す図である。 本実施の形態に係る樹脂封止型パワーモジュールを成形するための成形金型の変形例１を示す図である。 本実施の形態に係る樹脂封止型パワーモジュールを成形するための成形金型の変形例２を示す図である。 本実施の形態に係る樹脂封止型パワーモジュールを成形するための成形金型の変形例３を示す図である。 本実施の形態に係る樹脂封止型パワーモジュールを成形するための成形金型の変形例４を示す図である。 本実施の形態に係る樹脂封止型パワーモジュールを成形するための成形金型の変形例５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樹脂封止型パワーモジュールを模式的に示す平面図、側面図及び正面図であり、正面図については平面図のＡ−Ａ断面についての断面図を示している。以下図１に基づき本実施の形態に係る樹脂封止型パワーモジュールの構成について説明する。
図１において、縦４０ｍｍ、横７０ｍｍ、厚さ２ｍｍの板状のベース板１の上には絶縁層２が接着されている。本実施の形態においては、ベース板１はその材料として熱伝導度の高い銅を用いているが、熱伝導度の高い他の材料、例えば銅合金、アルミニウム又はＡｌＳｉＣであっても良い。絶縁層２はその材料として電気的絶縁性を有するエポキシ樹脂を基材として熱伝導性を改善するためのフィラーを添加した絶縁シートを用いているが、電気的絶縁性を有する他の材料、例えば他の樹脂又はセラミックスであっても良い。
絶縁層２の上には、絶縁層２の接着性を利用して、複数の回路パターン３が固着されている。複数の回路パターン３は、導電性が良好で厚さが０．５ｍｍの銅の板材を所定の形状に加工したものが用いられる。複数の回路パターン３の１つの上には半導体素子４が戴置されている。本実施の形態においては、半導体素子４はＩＧＢＴ４ａとダイオード４ｂであるが、他の半導体素子、例えばパワーＭＯＳＦＥＴやダイオード、サイリスタであっても良い。
複数の回路パターン３のそれぞれの上には、外部回路との接続のための端子としての複数の筒状導通体５が、該回路パターン３と電気的に接続されるように、該回路パターン３に垂直に接合されている。複数の回路パターン３と半導体素子４との間は、金属細線６により電気的接続が施されている。
筒状導通体５は、その材料として導電性が良好な銅を用いているが、他の金属材料であっても良い。また、外部回路との接続に供するため、筒状導通体５はその上面に開口が設けられ、中空となっている。複数の筒状導通体５は、特許文献１に開示されているような樹脂製スリーブ７で相互に結合されている。
内部を保護するために、ベース板１、絶縁層２、回路パターン３、半導体素子４、筒状導通体５、金属細線６及び樹脂製スリーブ７を収容するように樹脂筐体８が設けられている。本実施の形態においては、樹脂筐体８はその材料として熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂を用いているが、例えば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良い。樹脂筐体８はその平面形状が四角形であり、互いに対向する上面と下面とを有し、互いに対向する２つの側面を二組有している。
外部への熱放散のためにベース板１の下面は樹脂筐体８の下面に露出している。また、外部回路との接続に供するため、筒状導通体５の開口は樹脂筐体８の上面に露出している。樹脂筐体８の互いに対向する２つの側面には、それぞれの側面から相互に対向して突出した一対の突起８ａが複数個設けられている。突起８ａは樹脂筐体８の一部として設けられており、材質は樹脂筐体８と同じであり、突起８ａの下面は樹脂筐体８の下面と同一平面にある。
図２は本発明の実施の形態に係る樹脂封止型パワーモジュールの製造方法を示す模式図である。図２は図１の側面図方向から見た断面で描かれている。以下図２に基づき本実施の形態に係る樹脂封止型パワーモジュールの製造方法について説明する。
まず、図２（ａ）を参照して、ベース板１と、ベース板１上に絶縁層２を介して接着された回路パターン３と、回路パターン３上に電気的に接続された半導体素子４（図示省略）と、同じく回路パターン３上に電気的に接続され樹脂製スリーブ７で相互に結合されている筒状導通体５と、回路パターン３と半導体素子４との間を電気的に接続する金属細線６（図示省略）とが実装された被封止物９を用意する。
次に、図２（ｂ）を参照して、トランスファーモールド成形するため、用意された被封止物９を搬送治具１０で成形金型１１の下金型１１ａのキャビティ内に搬送する。搬送治具１０は開閉可能な２つのアームを有しており、アームの先端には鉤爪が形成されている。搬送治具１０はアームを閉じて用意された被封止物９のベース板１の下面をその鉤爪でつかみ、被封止物９を下金型１１ａのキャビティ内に搬送し、そこでアームを開いて被封止物９をキャビティ内に落とし込む。
次に、図２（ｃ）を参照して、成形金型１１の下金型１１ａに成形金型１１の上金型１１ｂを合わせて型締めを行い、キャビティ内にモールド樹脂を加圧充填しモールド樹脂の加熱硬化を行う。モールド樹脂が硬化すると、成形金型１１を外し、必要なら後硬化処理を施す。以上により、本実施の形態に係る樹脂封止型パワーモジュールが形成される。
ここで、上述した製造工程で使用した成形金型について説明する。図３は本実施の形態に係る樹脂封止型パワーモジュールを成形するための成形金型の一実施例を示す平面図とそのＢ−Ｂ断面図である。
成形金型１１は下金型１１ａと上金型１１ｂとで構成されている。下金型１１ａの内壁は底面と互いに対向する２つの内側面を二組有しており、上金型１１ｂの内壁は頂面と互いに対向する２つの内側面を二組有しており、下金型１１ａの内壁と上金型１１ｂの内壁とでキャビティを画定している。下金型１１ａは、さらにキャビティと外部とを繋ぐエアベント１１ｄを備えている。エアベント１１ｄはモールド樹脂を加圧充填する際にキャビティ内の空気を外部に逃がすための排気路であり、下金型１１ａの上金型１１ｂとの接合面に溝を形成する形で設けられている。
下金型１１ａの内側面のそれぞれには、相互に対向して掘り込まれた一対の凹部１１ｃが二組設けられている。凹部１１ｃはその底面が下金型１１ａの底面と同一平面にあるように設けられている。凹部１１ｃの位置は、搬送治具１０により被封止物９を下金型１１ａのキャビティ内に搬送する際の、搬送治具１０のアームの位置に対応している。
このように、成形金型１１には一対の凹部１１ｃが二組設けられているので、上述した本実施の形態に係る樹脂封止型パワーモジュールの製造工程における被封止物９の搬送治具１０による下金型１１ａのキャビティ内への搬送の際において、アームを凹部１１ｃ内に収容でき、下金型１１ａのキャビティ内でアームを開くことが可能となり、被封止物９をキャビティ内に落とし込むことができる。したがって、成形金型のキャビティ内への被封止物の搬送を自動化でき、材料コスト及び製造コストの増大を防止できると同時に、パワーモジュールの外形の小型化が可能となる。
以上説明してきたように、本実施の形態に係る樹脂封止型パワーモジュール及びそれを製造するための成形金型によれば、材料コスト及び製造コストの増大を防止できると同時に、パワーモジュールの外形の小型化が可能となるという効果を奏する。
このような樹脂封止型パワーモジュールは、接続工程の簡略化を目的として、しばしば特許文献２に記載されているような外部端子を備えたインサートケースが装着される。本実施の形態に係る樹脂封止型パワーモジュールのようにその平面形状が回転対称である四角形である場合、インサートケースが正規の接続形態ではなく、１８０°回転した形態で装着される虞がある。このように装着された場合は、インサートケースの外部端子はパワーモジュールの筒状導通体５に適切に接続されなくなる。
このような誤装着を防止するために、樹脂筐体８の側面から相互に対向して突出した一対の突起８ａを、平面視において樹脂筐体８を１８０°回転した時に互いに一致しないように配置することが望ましい。インサートケースが１８０°回転した形態で装着された場合には、インサートケースに突起８ａに対応するように形成された凹部が突起８ａと篏合せず誤装着を防止できるからである。本実施の形態に係る樹脂封止型パワーモジュールの場合では、相互に対向して突出した一対の突起８ａの一方の中心線を他方の中心線に対して僅かにずらして配置している。また、搬送治具１０が安定して被封止物９をつかめるよう、一対の突起８ａの一方の突起８ａの中心線が他方の突起８ａと重なるように一対の突起８ａを配置している
図４は本実施の形態に係る樹脂封止型パワーモジュールを成形するための成形金型の変形例１を示す平面図とそのＣ−Ｃ断面図である。エアベント１１ｄが樹脂溜り１１ｅを有している点を除き図３と同様であるため、説明を省略する。
リードフレームを金属製電極端子として用いる場合、リードフレームによりエアベントにおけるモールド樹脂のバリの拡がりが防止できたが、本実施の形態に係る樹脂封止型パワーモジュールのような金属製電極端子がパッケージ上面方向に露出しているパワーモジュールの場合は、リードフレームによるエアベントにおけるモールド樹脂のバリの拡がり防止は期待できない。したがって、本変形例のようにエアベント１１ｄに樹脂溜り１１ｅを設けることにより、エアベント１１ｄにおけるモールド樹脂のバリの拡がりが防止できる。
図５は本実施の形態に係る樹脂封止型パワーモジュールを成形するための成形金型の変形例２を示す平面図とそのＤ−Ｄ断面図である。樹脂溜り１１ｅにエジェクターピン１１ｆが設けられている点を除き図４と同様であるため、説明を省略する。
図４の変形例１においては樹脂溜り１１ｅを設けることによりモールド樹脂のバリの拡がりが防止できたが、その代わり樹脂溜り１１ｅにおいて硬化した樹脂がバリとなり、その排出が困難となったが、樹脂溜り１１ｅにエジェクターピン１１ｆを設け、エジェクターピン１１ｆを上下動させることにより、成形金型１１の清掃を自動的に効率よく行うことが可能となり、製造コストの増大の防止に寄与する。
図６は本実施の形態に係る樹脂封止型パワーモジュールを成形するための成形金型の変形例３を示す平面図とそのＥ−Ｅ断面図である。エアベント１１ｄが下金型１１ａのキャビティ側から外部に向かってその方向に垂直な断面積が小さくなっていく形状である点を除き図３と同様であるため、説明を省略する。
エアベント１１ｄを上述したような形状としたため、エアベント１１ｄに形成された樹脂バリと成形物との繋がりが強固となり、エアベント１１ｄに形成された樹脂バリが成形物の取り出しと共に成形金型１１から取り出されるため、成形金型１１の清掃を自動的に効率よく行うことが可能となり、製造コストの増大の防止に寄与する。成形物に繋がった上記樹脂バリは、他の樹脂バリと共に後に実施されるバリ取り工程で除去される。
図７は本実施の形態に係る樹脂封止型パワーモジュールを成形するための成形金型の変形例４を示す平面図とそのＦ−Ｆ断面図である。上金型１１ｂが下金型１１ａの凹部１１ｃに対応する領域に延在する凸部１１ｇを有している点を除き図３と同様であるため、説明を省略する。
上金型１１ｂが上述したような凸部１１ｇを有することにより、成形金型１１の型締め時に凸部１１ｇが下金型１１ａの凹部１１ｃに入り込むこととなり、凹部１１ｃにおけるモールド樹脂の充填が抑制され、材料コストの増大の防止に寄与する。
図８は本実施の形態に係る樹脂封止型パワーモジュールを成形するための成形金型の変形例５を示す平面図とそのＧ−Ｇ断面図である。凹部１１ｃが下金型１１ａの内側面から底面にかけて延在する延在部１１ｈを有する点を除き図３と同様であるため、説明を省略する。延在部１１ｈは凹部１１ｃから連続して下金型１１ａの底面まで掘り込まれて形成されている部分である。
このように、成形金型１１には凹部１１ｃから連続して下金型１１ａの底面まで掘り込まれて形成された延在部１１ｈを備えているので、上述した本実施の形態に係る樹脂封止型パワーモジュールの製造工程における被封止物９の搬送治具１０による下金型１１ａのキャビティ内への搬送の際において、アームの先端の鉤爪を延在部１１ｈ内に収容できるため、被封止物９をキャビティ内に鉤爪の高さ分だけ落下させることを回避でき、被封止物９に与える機械的衝撃を緩和でき、パワーモジュールの信頼性の向上に寄与する。
なお、以上の実施の形態の説明においては、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、本発明に係る樹脂封止型パワーモジュールの半導体素子はこれに限定されるものではない。例えば、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。
この発明に係る半導体装置は、交流から直流への変換、直流から交流への変換、あるいは周波数変換等の電力変換を行う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 ベース板
２ 絶縁層
３ 回路パターン
４ 半導体素子
４ａ ＩＧＢＴ
４ｂ ダイオード
５ 筒状導通体
６ 金属細線
７ 樹脂製スリーブ
８ 樹脂筐体
８ａ 突起
９ 被封止物
１０ 搬送治具
１１ 成形金型
１１ａ 下金型
１１ｂ 上金型
１１ｃ 凹部
１１ｄ エアベント
１１ｅ 樹脂溜り
１１ｆ エジェクターピン
１１ｇ 凸部
１１ｈ 延在部

Claims (8)

  1. ベース板と、前記ベース板に絶縁層を介して戴置された半導体素子と、前記半導体素子に電気的に接続された端子と、上面と下面と互いに対向する２つの側面を有し前記ベース板を前記下面に露出するように収容し前記端子を前記上面に露出するように収容する樹脂筐体と、を備える樹脂封止型パワーモジュールであって、
    前記樹脂筐体には前記側面のそれぞれから相互に対向して突出した複数の突起が設けられ、
    前記突起の下面は前記樹脂筐体の下面と同一平面にあることを特徴とする樹脂封止型パワーモジュール。
  2. 前記複数の突起は、平面視において前記樹脂筐体１８０°回転した時に互いに一致しないように配置されていることを特徴とする請求項１記載の樹脂封止型パワーモジュール。
  3. 上金型と下金型とから構成され、前記上金型の内壁と前記下金型の内壁とで画定されるキャビティを有し、前記下金型には前記キャビティと外部とを繋ぐエアベントが設けられ、前記下金型の内壁は底面と互いに対向する２つの内側面を有し、前記下金型は前記内側面のそれぞれにおいて相互に対向して掘り込まれた複数の凹部が設けられ、前記凹部の底面は前記下金型の底面と同一平面にあることを特徴とする成形金型。
  4. 前記エアベントは樹脂溜りを有していることを特徴とする請求項３記載の成形金型。
  5. 前記樹脂溜りにはエジェクターピンが設けられていることを特徴とする請求項４記載の成形金型。
  6. 前記エアベントは前記キャビティ側から外部に向かってその方向に垂直な断面積が小さくなっていく形状であることを特徴とする請求項３記載の成形金型。
  7. 前記上金型は前記下金型の前記凹部に対応する領域に延在する凸部を有していることを特徴とする請求項３記載の成形金型。
  8. 前記凹部は前記内側面から前記底面にかけて延在部を有していることを特徴とする請求項３記載の成形金型。
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