JP2015106682A - モールドパッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】制御部品が搭載された回路基板と、パワー素子が搭載された放熱シートを含むパワー素子搭載部とを平面的に配置し、これらをモールド樹脂で封止してなるモールドパッケージにおいて、温度変化によるパッケージの平面方向の変形の際に、パワー素子搭載部における放熱シートへ発生するダメージを軽減する。【解決手段】パワー素子搭載部２０は、一面２１側がリードフレーム２１０、他面２２側が電気絶縁性樹脂よりなる放熱シート２２０とされた積層板であって、回路基板１０とは平面的に離間して配置されている。パワー素子搭載部２０の他面２２はモールド樹脂４０の下面４２より露出している。モールド樹脂４０のうちパワー素子搭載部２０の封止部を含む部分が、モールド樹脂４０の上面４１が凹んだ凹み部４３とされており、この凹み部４３の樹脂厚さｔ１は、凹み部４３以外の部分の樹脂厚さｔ２に比べて薄いものとされている。【選択図】図１

Description

本発明は、制御部品が搭載された回路基板と放熱を要するパワー素子とを平面的に配置し、これらをモールド樹脂で封止してなるモールドパッケージに関する。

従来より、この種のモールドパッケージとして、たとえば、特許文献１に記載のものが提案されている。このものは、半導体素子等の制御部品が搭載されたセラミック等よりなる回路基板と、制御部品よりも発熱が大きいパワー素子が搭載されたパワー素子搭載部とを備える。ここで、パワー素子搭載部は、パワー素子側から金属製のリードフレーム、板状の電気絶縁性樹脂よりなる放熱シートが順次積層された積層板よりなる。

そして、回路基板とパワー素子搭載部とは平面的に配置されている。つまり、回路基板とパワー素子搭載部とは、パワー素子搭載部におけるパワー素子の搭載面と平行な平面方向にて離間して配置されている。そして、回路基板、パワー素子およびパワー素子搭載部は、モールド樹脂で封止されるとともに、パワー素子搭載部の放熱シートについては、放熱のためにモールド樹脂より露出している。

特開２０１０−２４５１８８号公報

ところで、このようなモールドパッケージにおいては、モールド樹脂の硬化収縮時や使用時など、モールドパッケージが高温から低温へ温度変化するとき、モールド樹脂、回路基板、および、パワー素子搭載部の三者の線膨張係数差等により、パッケージの平面方向にて当該パッケージが変形する。

具体的には、当該温度変化の際、当該平面方向にてパワー素子搭載部が収縮変形しようとするが、それに比べて回路基板の変形は小さいため、パッケージ全体としては、パワー素子搭載部側の方が回路基板側よりも収縮した状態に変形しようとする。

たとえば上記平面方向にて一方に回路基板、他方にパワー素子搭載部が配置された構成の場合、当該パッケージは、パワー素子搭載部側から回路基板側に広がる扇状の平面形状に変形しようとする。

この変形が発生するとき、回路基板は変形しにくいので、この回路基板による拘束力がパワー素子搭載部の収縮変形を阻害する。そのため、この変形の際、パワー素子搭載部における放熱シートにクラック等のダメージが生じやすく、電気的な絶縁信頼性が低下するおそれがある。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、温度変化によるパッケージの平面方向の変形の際に、パワー素子搭載部における放熱シートへ発生するダメージを軽減することを目的とする。

本発明は、上記した変形時における回路基板によるパワー素子搭載部への拘束力は、パワー素子搭載部を封止するモールド樹脂の厚さが大きいほど、大きいものとなることに着目して、創出されたものである。

すなわち、請求項１に記載の発明では、制御部品（５０、５１）が搭載された回路基板（１０）と、一面（２１）側が金属製のリードフレーム（２１０）、他面（２２）側が板状の電気絶縁性樹脂よりなる放熱シート（２２０）とされた積層板であって、当該一面と平行な平面方向にて回路基板とは平面的に離間して配置されたパワー素子搭載部（２０）と、パワー素子搭載部の一面上に搭載され制御部品よりも発熱が大きいパワー素子（３０）と、回路基板、パワー素子およびパワー素子搭載部を封止するモールド樹脂（４０）と、を備え、パワー素子搭載部の一面側に位置するモールド樹脂の外面をモールド樹脂の上面（４１）とし、モールド樹脂における当該上面とは反対側の外面を下面（４２）としたとき、パワー素子搭載部の他面が、モールド樹脂の下面より露出しているモールドパッケージであって、
モールド樹脂における上面と下面との距離を樹脂厚さ（ｔ１、ｔ２）とし、モールド樹脂のうちパワー素子搭載部の封止部を含む部分が、上面および下面の少なくとも一方の面が凹んだ凹み部（４３）とされており、この凹み部の樹脂厚さ（ｔ１）は、モールド樹脂における凹み部以外の部分の樹脂厚さ（ｔ２）に比べて薄いものとされていることを特徴とする。

それによれば、パワー素子搭載部を封止するモールド樹脂の部分では、凹み部を形成し、凹み部以外の部位に比して樹脂厚さを薄くしているので、回路基板によるパワー素子搭載部側への拘束力も小さくできる。そのため、本発明によれば、パワー素子搭載部における放熱シートへのダメージを軽減することができる。

ここで、請求項２に記載の発明では、請求項１に記載のモールドパッケージにおいて、モールド樹脂の線膨張係数α１、回路基板の線膨張係数α２、および、パワー素子搭載部の線膨張係数α３の三者の大小関係は、α３＞α１＞α２となっていることを特徴としている。

このような場合に、上記したようなパッケージの平面方向の変形が発生しやすいので、凹み部による上記効果が有効に発揮される。

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

本発明の第１実施形態にかかるモールドパッケージを示す概略断面図である。 本発明の第２実施形態にかかるモールドパッケージを示す概略断面図である。 本発明の第３実施形態にかかるモールドパッケージを示す概略斜視図である。 本発明の他の実施形態にかかるモールドパッケージを示す概略断面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態にかかるモールドパッケージＳ１について、図１を参照して述べる。このモールドパッケージＳ１は、たとえば自動車などの車両に搭載され、車両用の各種電子装置を駆動するための装置として適用されるものである。

本実施形態のモールドパッケージＳ１は、大きくは、回路基板１０と、パワー素子搭載部２０と、パワー素子搭載部２０に搭載されたパワー素子３０と、これら回路基板１０、パワー素子３０および前記パワー素子搭載部２０を封止するモールド樹脂４０と、を備えて構成されている。

回路基板１０は、表裏の板面の一方を一面１１、他方を他面１２とするアルミナ等のセラミック基板であり、単層、多層を問わない。この回路基板１０の一面１１には、制御部品５０、５１が搭載されている。

制御部品５０、５１は、回路基板１０に対して、はんだや導電性接着剤等の図示しないダイボンド材や、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕ等のボンディングワイヤ６０等を介して接合されている。これら制御部品としては、たとえばマイコン等の半導体チップ５０やコンデンサ、抵抗等の受動素子５１が挙げられる。

そして、回路基板１０は、自身に搭載されている制御部品５０、５１とともに制御回路を構成している。ここでは回路基板１０は、制御部品５０、５１の実装面である一面１１とは反対側の他面１２にて、接着剤７０を介してアイランド８０に接続されている。限定するものではないが、たとえば、接着剤７０としては、シリコーン系樹脂等の高放熱且つ低弾性の接着剤が望ましいが、エポキシ樹脂などの熱硬化樹脂やアクリル樹脂などの熱可塑性樹脂であってもよい。

このアイランド８０は、表裏の板面の一方を一面８１、他方を他面８２とするＣｕ等よりなる板状のものである。そして、回路基板１０の他面１２とアイランド８０の一面８１とが、接着剤７０を介して対向し、接合されている。

パワー素子搭載部２０は、一面２１側が金属製のリードフレーム２１０、他面２２側が板状の電気絶縁性樹脂よりなる放熱シート２２０とされた積層板により構成されている。そして、当該パワー素子搭載部２０の一面２１と平行な平面方向（図１の左右方向、パッケージＳ１の平面方向に相当）にて、パワー素子搭載部２０と回路基板１０とは、平面的に離間して配置されたものとされている。

リードフレーム２１０は板状をなし、たとえばＣｕやＦｅ等の金属よりなる。このリードフレーム２１０には、リードフレーム２１０より突出する接続端子２１１が一体に設けられている。接続端子２１１の突出先端部はモールド樹脂４０より突出しており、パッケージ外部と電気的に接続されるようになっている。

放熱シート２２０は、リードフレーム２１０側から、エポキシ樹脂等の電気絶縁性樹脂よりなる樹脂層２２１、Ｃｕ等の金属よりなる金属層２２２が順次積層された構造とされている。つまり、本実施形態のパワー素子搭載部２０は、一面２１側からリードフレーム２１０、樹脂層２２１、金属層２２２の３層が積層された構造とされており、一面２１はリードフレーム２１０、他面２２は金属層２２２により構成されている。

限定するものではないが、放熱性確保の点では、放熱シート２２０はリードフレーム２１０よりも一回り大きいことが望ましい。また、これも限定するものではないが、樹脂層２２１の厚みは、たとえば０．２±０．１ｍｍ程度である。この樹脂層２２１は、放熱性を良くするため、極力薄いことが望ましいが、トレードオフとして絶縁性が低下するため、たとえば０．２ｍｍ程度の厚さが望ましい。

なお、リードフレーム２１０と放熱シート２２０との積層構造よりなるパワー素子搭載部２０において、リードフレーム２１０と放熱シート２２０との平面サイズが異なり、一方の周辺部が他方の外郭よりはみ出している場合であっても、パワー素子搭載部２０の一面２１はリードフレームの面であり、他面２２は放熱シート２２０（ここでは金属層２２２）の面である。

そして、このパワー素子搭載部２０の一面２１すなわちリードフレーム２１０上に、パワー素子３０が搭載されている。このパワー素子３０は、制御部品５０、５１よりも駆動時の発熱が大きいものであり、たとえばパワー素子３０としてはＭＯＳトランジスタやＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラトランジスタ）等が挙げられる。

このパワー素子３０は、パワー素子搭載部２０の一面２１すなわちリードフレーム２１０に対して図示しない上記ダイボンド材を介して接合されている。このダイボンド材としては、限定するものではないが、たとえばＳｎ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｐはんだ等の材料が挙げられる。

そして、回路基板１０とパワー素子３０とは、それぞれボンディングワイヤ６０等により電気的に接続されることにより、パッケージＳ１における電気回路を構成している。たとえば、パワー素子３０は、回路基板１０側にて構成された上記制御回路により制御されるようになっている。

また、ここでは、回路基板１０におけるパワー素子搭載部２０とは反対側に、回路基板１０とパッケージＳ１の外部とを電気的に接続するためのリード９０が、設けられている。そして、このリード９０と回路基板１０とがボンディングワイヤ６０により電気的に接続されている。

リード９０におけるワイヤ接続側はモールド樹脂４０で封止され、ワイヤ接続側とは反対側はモールド樹脂４０より突出している。これにより、リード９０はモールド樹脂４０からの突出部分にて、外部との接続が可能とされている。

なお、上記したアイランド８０、リードフレーム２１０、および、リード９０は、たとえば共通のリードフレーム素材を用いてモールド後にカットされることにより形成されたものにできる。ただし、これらについては、別々の素材より形成されたものであってもよいことはもちろんである。

モールド樹脂４０は、図１に示されるように、制御部品５０、５１、回路基板１０、アイランド８０、リード９０の一部、パワー素子３０、パワー素子搭載部２０、および、各ボンディングワイヤ６０を封止している。このモールド樹脂４０は、エポキシ樹脂等の典型的なモールド材料よりなるもので、トランスファーモールド法やコンプレッションモールド法等により成形されている。

ここで、パワー素子搭載部２０の一面２１側に位置するモールド樹脂４０の外面をモールド樹脂４０の上面４１とし、モールド樹脂４０における当該上面４１とは反対側の外面を下面４２とする。このとき、パワー素子搭載部２０の他面２２は、モールド樹脂４０の下面４２より露出している。これにより、パワー素子搭載部２０の他面２２、すなわち金属層２２２の外面がモールド樹脂４０の下面４２にて露出している。

ここでは、パワー素子搭載部２０の他面２２は、モールド樹脂４０の下面４２と同一平面の状態、いわゆる面一（つらいち）の状態とされている。しかしながら、パワー素子搭載部２０については、一面２１側がモールド樹脂で封止され、且つ他面２２側が露出していればよく、他面２２側は、モールド樹脂４０の下面４２に対して多少突出していてもよいし、引っ込んでいてもよい。

そして、本実施形態では、アイランド８０における回路基板１０とは反対側の面である他面８２も、モールド樹脂４０の下面４２にて露出している。つまり、本実施形態では、回路基板１０側およびパワー素子搭載部２０側の両方ともに、いわゆるハーフモールド構造とされている。

このようなモールドパッケージＳ１においては、モールド樹脂４０における樹脂厚さｔ１、ｔ２は、モールド樹脂４０の上面４１と下面４２との距離に相当する。ここで、本実施形態においては、図１に示されるように、モールド樹脂４０のうちパワー素子搭載部２０の封止部を含む部分が、モールド樹脂４０の上面４１が凹んだ凹み部４３として構成されている。

つまり、本実施形態では、モールド樹脂４０の上面４１については、凹み部４３の部分は、凹み部４３以外の部分よりも凹んだものとされている。一方、モールド樹脂４０の下面４２については、全体が平坦な面とされている。これにより、この凹み部４３の樹脂厚さｔ１は、モールド樹脂４０における凹み部４３以外の部分の樹脂厚さｔ２に比べて薄いものとされている。

図１の例では、凹み部４３の樹脂厚さｔ１は、凹み部４３以外の部分、すなわちモールド樹脂４０の残部全体の樹脂厚さｔ２よりも薄く、凹み部４３は、モールド樹脂４０の中で樹脂厚さが最も薄い部分とされている。

また、ここでは、凹み部４３は、モールド樹脂４０の上面４１の上方から視て、パワー素子搭載部２０の直上から外側まではみ出した領域に設けられている。このような凹み部４３を有するモールド樹脂４０は、上記したトランスファーモールド法やコンプレッションモールド法等の樹脂成形手法により成形されている。

ところで、上記したように、この種のモールドパッケージにおいては、モールド樹脂４０が高温から低温へ温度変化するときに、比較的変形しにくい回路基板１０によって、比較的変形しやすいパワー素子搭載部２０の変形が拘束される。

これについて、本実施形態によれば、パワー素子搭載部２０を封止するモールド樹脂４０の部分では、凹み部４３を形成し、モールド樹脂４０の残部すなわち凹み部４３以外の部位に比して樹脂厚さを薄くしている。これにより、当該温度変化時にて回路基板１０によるパワー素子搭載部２０側への拘束力を小さくできるため、パワー素子搭載部２０における放熱シート２２０へのダメージを軽減することができる。

ここで、モールドパッケージＳ１におけるモールド樹脂４０の線膨張係数をα１、回路基板１０の線膨張係数をα２、パワー素子搭載部２０の線膨張係数をα３とする。ここで、回路基板１０の線膨張係数α２は、回路基板１０に搭載された構成要素５０、５１、６０を除く回路基板１０単体の線膨張係数である。

また、パワー素子搭載部２０は、本実施形態では、金属製のリードフレーム２１０、放熱シート２２０を構成する樹脂層２２１および金属層２２２の３層の積層構造であるが、この積層構造全体の見かけ上の線膨張係数が、パワー素子搭載部２０の線膨張係数α３とされる。

そして、本実施形態では、これら３個の線膨張係数α１〜α３の大小関係は、α３＞α１＞α２となっている。このような各部の線膨張係数の大小関係を有する場合に、各部の線膨張係数の差によって、上記したようなパッケージの平面方向における変形が発生しやすい。しかし、本実施形態では、上記した凹み部４３による作用効果が発揮されるため、当該変形時における放熱シート２２０のダメージが抑制される。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態にかかるモールドパッケージＳ２について、図２を参照して述べる。この図２では、回路基板１０上の制御部品５０、５１、ボンディングワイヤ６０、リード９０、リードフレーム２１０の接続端子２１１は省略してあるが、これら省略された構成要素についても、上記図１のものと同様に構成できることはもちろんである。

本実施形態は、上記第１実施形態との相違点を中心に述べることとする。上記第１実施形態では、上記図１に示したように、凹み部４３はモールド樹脂４０の上面４１を凹ませたものであった。それに対して、本実施形態では、モールド樹脂４０の上面４１は全体に平坦な面としつつ、モールド樹脂４０の下面４２を凹ませたものとして凹み部４３を構成している。

この場合も、パワー素子搭載部２０を封止するモールド樹脂４０の部分では、凹み部４３を形成し、それ以外の部位よりも樹脂厚さを薄くしているので、温度変化時にて回路基板１０によるパワー素子搭載部２０側への拘束力を小さくできる。そのため、本実施形態によっても、パワー素子搭載部２０における放熱シート２２０へのダメージを軽減することができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態にかかるモールドパッケージＳ３について、図３を参照して述べる。また、図３では、モールド樹脂４０の外形を一点鎖線で示し、モールド樹脂４０内部の構成要素については実線で示してある。なお、この図３においても、回路基板１０上の制御部品５０、５１、ボンディングワイヤ６０、リード９０、リードフレーム２１０の接続端子２１１は省略してあるが、本実施形態においても、これら省略された構成要素について、上記図１と同様に構成できることはもちろんである。

上記各実施形態に示したように、凹み部４３は、モールド樹脂４０のうちパワー素子搭載部２０の封止部を含む部分に設けられていればよい。このとき、パワー素子搭載部２０の封止部とは、実質的にパワー素子搭載部２０の直上に位置するモールド樹脂４０の部分であるが、凹み部４３は、パワー素子搭載部２０上の全体に位置していなくてもよく、パワー素子搭載部２０上の一部のみに位置していてもよい。

つまり、モールド樹脂４０の上面４１の上方、すなわちパッケージの平面方向と直交する方向から視たとき、凹み部４３の少なくとも一部がパワー素子搭載部２０に重なった位置にあればよい。

そのような点から、図３に示される例では、凹み部４３の一部がパワー素子搭載部２０に重なった位置にあるものとされている。さらに、本実施形態では、凹み部４３は、パワー素子搭載部２０側より連続して回路基板１０側まで延びるように設けられている。なお、図３におけるパワー素子搭載部２０は、１個の共通の放熱シート２２０と、その上に積層された複数個のリードフレーム２１０との積層構造として構成されるものである。

（他の実施形態）
なお、上記第１実施形態では、凹み部４３はモールド樹脂４０の上面４１を凹ませたものであり、上記第２実施形態では、凹み部４３はモールド樹脂４０の下面４２を凹ませたものであった。これに加えて、凹み部４３としては、上記第１および第２実施形態を組みあわせたもの、たとえばモールド樹脂４０の上面４１と下面４２との両側から凹ませたものとしてもよい。

また、回路基板１０としては上記したα３＞α１＞α２の線膨張係数の大小関係を満足するものであるならば、セラミック基板に限定されるものではなく、それ以外にも、たとえばプリント基板等であってもよい。

また、上記した凹み部４３を有する構成は、当該凹み部４３による上記作用効果が適切に発揮されるものであるならば、上記したα１〜α３の大小関係を満足しないモールドパッケージに対して、適用してもよい。

また、放熱シート２２０としては、板状の電気絶縁性樹脂よりなるものであればよく、上記各実施形態に示した放熱シート２２０において金属層２２２を省略して樹脂層２２１のみよりなるものであってもよい。この場合、樹脂層２２１がパワー素子搭載部２０の他面２２を構成して、モールド樹脂４０の下面４２より露出するものとされる。

また、モールドパッケージとしては、パワー素子搭載部２０側は上記したハーフモールド構造であることが必要である。しかし、回路基板１０側については、図４に示されるモールドパッケージＳ４のように、アイランド８０の他面８２側も封止されたフルモールド構造であってもよい。また、回路基板１０側については、アイランド８０および接着剤７０は省略された構成であってもよい。

また、たとえば上記図１、図２の例では、モールドパッケージＳ１、Ｓ２において左から右に向かって回路基板１０、パワー素子搭載部２０が配列した構成であった。それに対して、図示しないが、たとえば上記図１、図２のモールド樹脂４０内において回路基板１０の左に、もう一つのパワー素子搭載部２０が配置されたものであってもよい。

つまり、１個のモールドパッケージにおいて、モールド樹脂４０内部にて平面的に離間して配置される回路基板１０、パワー素子搭載部２０は、１個ずつでなくてもよく、複数個であってもよい。また、その配置順についても限定するものではない。

また、回路基板１０と制御部品５０、５１との電気的接続については、ボンディングワイヤ６０を用いずに、たとえばバンプ電極等により行ってもよい。また、回路基板１０には、制御部品５０、５１以外にも他の実装部品が搭載されていてもよい。また、回路基板１０−パワー素子３０間等、モールド樹脂４０内の構成要素間の電気的接続についても、上記したボンディングワイヤ６０以外に、たとえばフレキシブル配線等を用いるようにしてもよい。

また、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能であり、また、上記各実施形態は、上記の図示例に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されるものではない。

１０ 回路基板
２０ パワー素子搭載部
２１ パワー素子搭載部の一面
２２ パワー素子搭載部の他面
３０ パワー素子
４０ モールド樹脂
４１ モールド樹脂の上面
４２ モールド樹脂の下面
４３ 凹み部
５０ 制御部品としての半導体チップ
５１ 制御部品としての受動素子
２１０ リードフレーム
２２０ 放熱シート

Claims (2)

1. 制御部品（５０、５１）が搭載された回路基板（１０）と、
   一面（２１）側が金属製のリードフレーム（２１０）、他面（２２）側が板状の電気絶縁性樹脂よりなる放熱シート（２２０）とされた積層板であって、当該一面と平行な平面方向にて前記回路基板とは平面的に離間して配置されたパワー素子搭載部（２０）と、
   前記パワー素子搭載部の一面上に搭載され前記制御部品よりも発熱が大きいパワー素子（３０）と、
   前記回路基板、前記パワー素子および前記パワー素子搭載部を封止するモールド樹脂（４０）と、を備え、
   前記パワー素子搭載部の一面側に位置する前記モールド樹脂の外面を前記モールド樹脂の上面（４１）とし、前記モールド樹脂における当該上面とは反対側の外面を下面（４２）としたとき、
   前記パワー素子搭載部の他面が、前記モールド樹脂の下面より露出しているモールドパッケージであって、
   前記モールド樹脂における前記上面と前記下面との距離を樹脂厚さ（ｔ１、ｔ２）とし、
   前記モールド樹脂のうち前記パワー素子搭載部の封止部を含む部分が、前記上面および前記下面の少なくとも一方の面が凹んだ凹み部（４３）とされており、
   この凹み部の前記樹脂厚さ（ｔ１）は、前記モールド樹脂における前記凹み部以外の部分の前記樹脂厚さ（ｔ２）に比べて薄いものとされていることを特徴とするモールドパッケージ。
2. 前記モールド樹脂の線膨張係数α１、前記回路基板の線膨張係数α２、および、前記パワー素子搭載部の線膨張係数α３の三者の大小関係は、α３＞α１＞α２となっていることを特徴とする請求項１に記載のモールドパッケージ。

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