JP2018164050A

JP2018164050A - 半導体モジュール

Info

Publication number: JP2018164050A
Application number: JP2017061590A
Authority: JP
Inventors: 崇功川島; Takayoshi Kawashima; 未浩中川; Mihiro Nakagawa
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-03-27
Filing date: 2017-03-27
Publication date: 2018-10-18
Anticipated expiration: 2037-03-27
Also published as: JP6834673B2

Abstract

【課題】半導体素子と放熱板との間にスペーサ部材を必要としない半導体モジュールの構造を提供する。【解決手段】半導体モジュールは、信号パッドを有する半導体素子と、半導体素子を封止する封止樹脂と、封止樹脂によって保持されているとともに半導体素子を挟んで互いに対向する一対の放熱板と、信号パッドに電気的に接続されているとともに封止樹脂の外部まで延びる信号用端子とを備える。この半導体モジュールはさらに、一対の放熱板の一方に設けられており、信号用端子を保持するとともに半導体素子に当接する位置決めガイドを備え、これによって、信号用端子が信号パッドに接触している、又は、はんだ付けされている。【選択図】図２

Description

本明細書で開示する技術は、半導体モジュールに関する。

特許文献１に、半導体モジュールが開示されている。この半導体モジュールは、信号パッドを有する半導体素子と、半導体素子を封止する封止樹脂と、封止樹脂によって保持されているとともに半導体素子を挟んで互いに対向する一対の放熱板と、信号パッドに電気的に接続されているとともに封止樹脂の外部まで延びる信号用端子とを備える。信号用端子は、ボンディングワイヤを介して半導体素子の信号パッドに接続されており、ボンディングワイヤのためのスペースを確保するために、半導体素子と放熱板との間にスペーサ部材が設けられている。

特開２００５−２６８４９６号公報

特許文献１に記載の構造によると、半導体素子と放熱板との間にスペーサ部材が介在することから、例えば、半導体素子で発生した熱を半導体モジュールの外部へ放出する性能（以下では、単に半導体モジュールの放熱性ということがある）の低下を招く。従って、本明細書では、半導体素子と放熱板との間にスペーサ部材を必要としない（あるいはスペーサ部材を縮小することができる）半導体モジュールの構造を提供する。

本明細書が開示する半導体モジュールは、信号パッドを有する半導体素子と、半導体素子を封止する封止樹脂と、封止樹脂によって保持されているとともに半導体素子を挟んで互いに対向する一対の放熱板と、信号パッドに電気的に接続されているとともに封止樹脂の外部まで延びる信号用端子とを備える。この半導体モジュールはさらに、一対の放熱板の一方に設けられており、信号用端子を保持するとともに半導体素子に当接する絶縁性の位置決めガイドを備えており、これによって、信号用端子が信号パッドに接触している、又は、はんだ付けされている。

スペーサ部材を省略又は縮小するためには、ボンディングワイヤを使用することなく、信号用端子と半導体素子の信号パッドとの間を接続する必要がある。そのためには、信号用端子と信号パッドとを互いに接触させるか、両者をはんだ付けすることが考えられるが、この場合、信号用端子と半導体素子との間の位置決めを正確に行う必要がある。両者の位置決めが不十分又は不安定であると、例えば封止樹脂によるモールド成形（樹脂成形、樹脂封止とも称される）を実施したときに、信号用端子と信号パッドとの間で接続不良が生じるおそれがある。この点に関して、上記した半導体モジュールでは、放熱板に位置決めガイドが設けられており、信号用端子と半導体素子との間の位置関係が、位置決めガイドによって規定される。これにより、例えばモールド成形を実施するときでも、両者の位置関係が正しく維持されて、信号用端子と信号パッドとの間の接続不良といった不具合の発生が抑制される。そして、スペーサ部材を省略又は縮小することによって、半導体モジュールの放熱性の向上を図ることができる。

実施例の半導体モジュール１０を示す。図１中のＩＩ−ＩＩ線における断面図。図１中のＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面図。図１中のＩＶ−ＩＶ線における断面図。図１中のＶ−Ｖ線における断面図。半導体素子１２を単体で示す斜視図。半導体モジュール１０の製造方法の一工程を説明する図であって、リードフレーム３０を示す図。半導体モジュール１０の製造方法の一工程を説明する図であって、リードフレーム３０の第１放熱板１６に、位置決めガイド２２が設けられた様子を示す図。半導体モジュール１０の製造方法の一工程を説明する図であって、第１放熱板１６に半導体素子１２がはんだ付けされた様子を示す図。半導体モジュール１０の製造方法の一工程を説明する図であって、半導体素子１２に第２放熱板１８がはんだ付けされた様子を示す図。半導体モジュール１０の製造方法の一工程を説明する図であって、封止樹脂１４がモールド成形された様子を示す図。

図面を参照して、実施例の半導体モジュール１０について説明する。本実施例の半導体モジュール１０は、電力用回路に用いられるものであり、例えばパワーモジュールやパワーカード等とも称される。半導体モジュール１０は、例えばハイブリッド車、電気自動車、燃料電池車といった、車輪を駆動するモータを有する自動車において、当該モータへ電力を供給する電力供給回路に用いることができる。但し、本実施例の半導体モジュール１０は、自動車に限られず、各種の装置や設備における電力用回路に採用することができる。

図１−図５に示すように、半導体モジュール１０は、二つの半導体素子１２と、二つの半導体素子１２を封止する封止樹脂１４とを備える。なお、半導体素子１２の数は二つに限定されず、半導体モジュール１０は、少なくとも一つの半導体素子１２を備えればよい。半導体素子１２は、いわゆるパワー半導体素子であり、比較的に大きな定格電流（例えば数十から数百アンペア以上）及び定格電圧（例えば数十〜数百ボルト以上）を有する。一例ではあるが、半導体素子１２は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）又はＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）であってよい。

図１−図３、図５、図６に示すように、半導体素子１２は、主に、半導体基板１２ｄと、第１主電極１２ａと、第２主電極１２ｂと、複数の信号パッド１２ｃとを有する。第１主電極１２ａは、半導体基板１２ｄの一方の主表面に設けられており、第２主電極１２ｂは、半導体基板１２ｄの他方の主表面に設けられている。ここでいう主表面とは、概して板状形状を有する半導体基板１２ｄにおいて面積が最も大きい二つの表面を意味し、例えば上面及び下面や表面及び裏面とも称される。第１主電極１２ａと第２主電極１２ｂは、前述した半導体基板１２ｄ内の素子構造（例えばＩＧＢＴ又はＭＯＳＦＥＴ）を介して互いに電気的に接続されている。

複数の信号パッド１２ｃは、第１主電極１２ａと同じ主表面に設けられている。各々の信号パッド１２ｃは、各種の電流信号又は電圧信号が入出力される信号用の小電極であり、第１主電極１２ａ及び第２主電極１２ｂと比較して十分に小さい。複数の信号パッド１２ｃには、一例ではあるが、ＩＧＢＴ構造へのゲート駆動信号が入力されるもの、第１主電極１２ａと同じ電圧を出力するもの、第１主電極１２ａに流れる電流に比例する微小電流を出力するもの、半導体素子１２に設けられた温度センサ（図示省略）に接続されたものなどが含まれる。なお、信号パッド１２ｃの数や具体的な機能は特に限定されず、半導体素子１２は、少なくとも一つの信号パッド１２ｃを有すればよい。

封止樹脂１４は、絶縁性を有する樹脂材料で構成されている。封止樹脂１４の具体的な材料は特に限定されず、パワー半導体素子向けの各種の封止材料を採用することができる。封止樹脂１４は、金型（モールド）を用いたモールド成形によって成形されたものであり、概して板状の形状を有している。なお、封止樹脂１４の形状についても特に限定されず、必要に応じて、封止樹脂１４には一又は複数の突出部や切欠部等が設けられていてもよい。

図１−図５に示すように、半導体モジュール１０は、二つの第１放熱板１６と二つの第２放熱板１８とを備える。各々の放熱板１６、１８は、封止樹脂１４によって一体的に保持されているとともに、封止樹脂１４の表面に露出している。各々の放熱板１６、１８は、例えば金属といった熱伝導率に優れた材料で構成することができる。一例ではあるが、本実施例の放熱板１６、１８は、半導体素子１２に接続された導電経路も兼ねていることから、例えば銅といった導電性に優れた金属材料で構成されている。但し、放熱板１６、１８の一部（例えば封止樹脂１４から露出する部分）は、例えばセラミックスといった絶縁性材料で形成されていてもよい。

それぞれの第１放熱板１６は、一つの第２放熱板１８とそれぞれ対を成しており、一つの半導体素子１２を挟んで第２放熱板１８に対向している。第１放熱板１６は、半導体素子１２の第１主電極１２ａにはんだ付けされており、当該第１主電極１２ａと電気的に接続されている。第１放熱板１６は、半導体素子１２と熱的にも接続されているので、半導体素子１２で発生した熱は、第１放熱板１６を通じて外部へ放出される。第２放熱板１８は、半導体素子１２の第２主電極１２ｂにはんだ付けされており、当該第２主電極１２ｂと電気的に接続されている。第２放熱板１８は、半導体素子１２と熱的にも接続されているので、半導体素子１２で発生した熱は、第２放熱板１８を通じて外部へ放出される。このように、半導体素子１２の放熱は、第１放熱板１６と第２放熱板１８によって、半導体モジュール１０の両面で行われる。このような構造は、両面冷却構造とも称され、通常、半導体モジュール１０の両側に冷却器が配置される。なお、第１放熱板１６と第１主電極１２ａとの間、及び、第２放熱板１８と第２主電極１２ｂとの間は、はんだ付けに限られず、他の接続態様によって電気的かつ熱的に接続されていてもよい。

図１−図３に示すように、半導体モジュール１０は、複数の主端子４０を備える。各々の主端子４０は、例えば銅といった金属又はその他の導電性材料で形成されており、封止樹脂１４の内部から外部に亘って延びている。封止樹脂１４の内部において、各々の主端子４０は、第１放熱板１６又は第２放熱板１８に接続されており、半導体素子１２の第１主電極１２ａ又は第２主電極１２ｂと電気的に接続されている。各々の主端子４０と第１放熱板１６又は第２放熱板１８との間は、例えばはんだ付けによって接続されていてもよいし、両者が一体に形成されることによって互いに接続されていてもよい。半導体モジュール１０が備える主端子４０の数、大きさ、形状といった具体的な構成については特に限定されない。

一例ではあるが、本実施例における複数の主端子４０には、中間端子４０ａと正極端子４０ｂと負極端子４０ｃとが含まれる。中間端子４０ａは、一方の半導体素子１２（図１で右側に位置するもの）に対する第１放熱板１６と一体に形成されており、当該第１放熱板１６へ電気的に接続されている。正極端子４０ｂは、前記一方の半導体素子１２に対する第２放熱板１８にはんだ付けされており、当該第２放熱板１８へ電気的に接続されている。負極端子４０ｃは、他方の半導体素子１２（図１で左側に位置するもの）に対する第１放熱板１６と一体に形成されており、当該第１放熱板１６へ電気的に接続されている。そして、前記一方の半導体素子１２に対する第１放熱板１６と、前記他方の半導体素子１２に対する第２放熱板１８は、はんだ付けによって互いに電気的に接続されている。以上の構成により、二つの半導体素子１２は、正極端子４０ｂと負極端子４０ｃとの間で直列に接続されており、二つの半導体素子１２の間に、中間端子４０ａが電気的に接続されている。このような回路構造により、半導体モジュール１０は、例えばインバータやコンバータにおいて上下のアームを構成する回路ユニットとして用いることができる。

図１、図２、図４に示すように、半導体モジュール１０は、複数の信号用端子２０を備える。各々の信号用端子２０は、例えば銅といった金属又はその他の導電性材料で形成されており、封止樹脂１４の内部から外部に亘って延びている。各々の信号用端子２０は、半導体素子１２の対応する一つの信号パッド１２ｃに電気的に接続されている。信号用端子２０は、各種の電流信号又は電圧信号を伝送する信号用の端子であり、電力用の主端子４０と比較して断面積が十分に小さい。信号用端子２０と半導体素子１２の信号パッド１２ｃとの間は、はんだ付けによって接続されている。なお、他の実施形態として、信号用端子２０と信号パッド１２ｃは、互いに接触することによって接続されていてもよい。

図１−図４に示すように、半導体モジュール１０は、位置決めガイド２２を備える。位置決めガイド２２は、絶縁性材料で構成されており、第１放熱板１６に設けられている。一例ではあるが、位置決めガイド２２は、封止樹脂１４と同じ材料によって構成することができる。位置決めガイド２２は、複数の信号用端子２０を保持しているとともに、半導体素子１２に当接している。これにより、詳しくは後述するが、半導体モジュール１０を製造する工程において、複数の信号用端子２０と半導体素子１２との間の位置関係が、位置決めガイド２２によって規定され、維持される。

従来の構造では、信号用端子２０と信号パッド１２ｃとの間がワイヤボンディングによって接続されており、ボンディングワイヤのためのスペースを確保するために、半導体素子１２と第１放熱板１６との間にスペーサ部材が設けられていた。これに対して、本実施例の半導体モジュール１０では、ワイヤボンディングに代えて、信号用端子２０と信号パッド１２ｃとの間が、はんだ付けによって接続されている。これにより、半導体素子１２と第１放熱板１６との間のスペーサ部材が省略されている。このような構造を採用するためには、ワイヤボンディングによる接続と比較して、信号用端子２０と半導体素子１２との間の位置決めを正確に行う必要がある。この点に関して、本実施例の半導体モジュール１０では、第１放熱板１６に位置決めガイド２２が設けられており、信号用端子２０と半導体素子１２との間の位置関係が、位置決めガイド２２によって規定される。これにより、例えば封止樹脂１４のモールド成形を実施するときでも、両者の位置関係が正しく維持されて、信号用端子２０と信号パッド１２ｃとの間の接続不良といった不具合の発生が抑制される。

本実施例の半導体モジュール１０では、上述したスペーサ部材が省略されていることで、半導体素子１２と第１放熱板１６とが直接的に接続されており、これによって、半導体モジュール１０の放熱性が向上されている。また、スペーサ部材を省略することで、半導体モジュール１０に必要とされる部品点数及びそれに関わる製造工程も削減される。さらに、一対の放熱板１６、１８の間の距離が縮小されることで、その間に存在する封止樹脂１４の体積も小さくなり、その熱収縮による応力も低減される。これにより、例えば封止樹脂１４と放熱板１６、１８との間の剥離といった不具合が抑制される。また、ワイヤボンディングが必要とされないことから、それに必要とされていた部品及び設備が不要となり、例えば製造コストが低減されている。また、従来の構造では、モールド成形時におけるボンディングワイヤの移動や変形により、ボンディングワイヤ間の短絡等が問題となり得たが、このような問題も解決される。これにより、例えば製造歩留り（良品率）が向上する。

位置決めガイド２２の具体的な構造は特に限定されず、様々に設計することができる。一例ではあるが、本実施例の位置決めガイド２２は、複数に分割された構造を有しているが、他の実施形態として、位置決めガイド２２は単体の構造を有してもよい。また、本実施例の位置決めガイド２２は、半導体素子１２の四隅に当接するように設けられており、これによって、第１放熱板１６上における半導体素子１２の位置が一意に規定される。なお、位置決めガイド２２は、半導体素子１２の四隅に当接する構造でなくても、半導体素子１２の外周縁に四方から当接する構造であれば、半導体素子１２の位置が一意に規定される。

加えて、本実施例の位置決めガイド２２は、半導体素子１２と第１放熱板１６との間に介在する部分を有する。これにより、位置決めガイド２２は、半導体素子１２と第１放熱板１６との間の距離（即ち、両者の間のはんだ接合層の厚み）も規定することができる。この場合、位置決めガイド２２がさらに、隣接する二つの信号パッド１２ｃの間で半導体素子１２に接触する部分を有していると、当該二つの信号パッド１２ｃの間でリフロー時におけるはんだのはみ出しを防止することができる。さらに、本実施例の位置決めガイド２２は、第２放熱板１８にも当接しており、半導体素子１２と第２放熱板１８との間の距離（即ち、両者の間のはんだ接合層の厚み）を規定し、かつ、第１放熱板１６と第２放熱板１８との間の距離も規定することができる。

次に、図７−図１１を参照して、半導体モジュール１０の製造方法について説明する。先ず、図７に示すように、リードフレーム３０と複数の信号用端子２０を用意する。このリードフレーム３０には、二つの第１放熱板１６と、複数の主端子４０（４０ａ、４０ｂ、４０ｃ）とが一体に形成されており、それらは後の工程で分割される。複数の信号用端子２０についても、この段階では一体に接続されており、後の工程で分割される。なお、リードフレーム３０と複数の信号用端子２０は、互いに独立した部材である。

次に、図８に示すように、第１放熱板１６上に位置決めガイド２２を形成する。位置決めガイド２２の形成は、モールド成形によって実施される。より詳しくは、リードフレーム３０及び複数の信号用端子２０が挿入されたモールド内に、溶融させた位置決めガイド２２の材料を注入する。これにより、複数の信号用端子２０を保持する位置決めガイド２２が、第１放熱板１６上に形成される。このようなモールド成形は、特にインサート成形とも称される。各々の信号用端子２０は、位置決めガイド２２を通過しており、その先端が露出している。

次に、図９に示すように、第１放熱板１６上に半導体素子１２を配置して、第１放熱板１６と半導体素子１２の第１主電極１２ａとの間、及び、複数の信号用端子２０と半導体素子１２の複数の信号パッド１２ｃとの間をはんだ付けする。このとき、半導体素子１２は、位置決めガイド２２により、リードフレーム３０及び複数の信号用端子２０に対して位置決めされる。特に、本実施例の位置決めガイド２２は、複数の信号用端子２０を保持するとともに、半導体素子１２に当接することから、複数の信号用端子２０と半導体素子１２の複数の信号パッド１２ｃとの間の位置関係が正しく規定され、両者の間のはんだ付けが確実に実施される。位置決めガイド２２の具体的な構造は特に限定されないが、本実施例のように、位置決めガイド２２が半導体素子１２の四隅に当接する構造であると、第１放熱板１６上における半導体素子１２の位置が一意に規定される。また、位置決めガイド２２の少なくとも一部が半導体素子１２と第１放熱板１６との間に位置する構造であると、半導体素子１２と第１放熱板１６との間の距離（即ち、両者の間のはんだ接合層の厚み）も規定される。はんだ付けの具体的な方法は特に限定されないが、例えば、接合対象の間に配置したはんだ箔（又は、はんだペースト）を加熱溶融（リフロー）させるリフロー方式を採用することができる。

次に、図１０に示すように、半導体素子１２上に第２放熱板１８を配置して、第２放熱板１８と半導体素子１２の第２主電極１２ｂとの間をはんだ付けする。このとき、一方の第２放熱板１８は、第１放熱板１６ともはんだ付けされ、他方の第２放熱板１８は、正極端子４０ｂともはんだ付けされる。これらのはんだ付けについても、特に限定されないが、リフロー方式を採用することができる。なお、図１０に示すはんだ付けは、図９に示したはんだ付けと同時に行われてもよい。特に、それらのリフローを同時に行うことによって、必要とされるリフローの回数を削減することができる。

次に、図１１に示すように、封止樹脂１４のモールド成形（詳しくは、インサート成形）を実施する。これにより、二つの半導体素子１２が、封止樹脂１４の内部に封止される。前述したように、それぞれの放熱板１６、１８は、封止樹脂１４の表面に露出する必要があり、そのために、モールド成形後の封止樹脂１４を切削又は研削する工程をさらに有してもよい。その後、リードフレーム３０及び複数の信号用端子２０の不要な部分を除去し、それぞれの端子を互いに独立させることによって、半導体モジュール１０が完成する。なお、半導体モジュール１０の製造方法は、上述した各工程の他に、必要に応じて他の各種の工程をさらに含むことができる。

以上、本技術の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。本明細書又は図面に記載された技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載された組合せに限定されるものではない。また、本明細書又は図面に例示された技術は複数の目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０：半導体モジュール
１２：半導体素子
１２ａ：第１主電極
１２ｂ：第２主電極
１２ｃ：信号パッド
１２ｄ：半導体基板
１４：封止樹脂
１６：第１放熱板
１８：第２放熱板
２０：信号用端子
２２：位置決めガイド
３０：リードフレーム
４０：主端子
４０ａ：主端子の一つである中間端子
４０ｂ：主端子の一つである正極端子
４０ｃ：主端子の一つである負極端子

Claims

信号パッドを有する半導体素子と、
前記半導体素子を封止する封止樹脂と、
前記封止樹脂によって保持されているとともに、前記半導体素子を挟んで互いに対向する一対の放熱板と、
前記信号パッドに電気的に接続されているとともに、前記封止樹脂の外部まで延びる信号用端子と、
前記一対の放熱板の一方に設けられており、前記信号用端子を保持するとともに前記半導体素子に当接する絶縁性の位置決めガイドと、を備え、
前記信号用端子が、前記信号パッドに接触している、又は、はんだ付けされている、
半導体モジュール。