JP2018190894A - 半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】枠状の樹脂ケースの内側に接着剤がはみ出るのを抑制できる半導体モジュールを提供する。【解決手段】導体パターンが形成されるとともに半導体素子を搭載した基板２０と、枠状をなし、基板２０の上面において接着される樹脂ケース３０と、基板２０の上面の樹脂ケース３０内に配置されたポッティング樹脂４０と、を備え、樹脂ケース３０における基板２０との接着箇所において、樹脂ケース３０内側寄りに面当たり部７０が形成されるとともに面当たり部７０よりも外側に溝７２を形成してなる。【選択図】図３

Description

本発明は、半導体モジュールに関するものである。

ポッテングモールド構造の半導体モジュールにおいて、構成部品である樹脂ケースと基板をモールド前に接合する手段として一般的に接着剤が用いられる。その際、樹脂ケースと基板間が接着剤で満たされ接合される（例えば特許文献１）。

特開平８−１６２５７２号公報

ところで、基板の上面に枠状の樹脂ケースを接着した状態で枠状の樹脂ケースの内部にポッティング樹脂を充填する。基板の上面に枠状の樹脂ケースを接着するときに接着剤が使用される。この接着の際に、基板の上面と樹脂ケースとの間に荷重をかけた状態で接着剤を硬化させる。このとき、接着剤が樹脂ケースと基板との間の隙間を移動して枠状の樹脂ケースの内側にはみ出てしまう懸念がある。接着剤がはみ出していると、ポッティング樹脂と接着剤との間の接着力が小さいため、剥離が発生する虞がある。

本発明の目的は、枠状の樹脂ケースの内側に接着剤がはみ出るのを抑制できる半導体モジュールを提供することにある。

請求項１に記載の発明では、導体パターンが形成されるとともに半導体素子を搭載した基板と、枠状をなし、前記基板の上面において接着される樹脂ケースと、前記基板の上面の前記樹脂ケース内に配置されたポッティング樹脂と、を備え、前記樹脂ケースにおける前記基板との接着箇所において、前記樹脂ケース内側寄りに面当たり部が形成されるとともに前記面当たり部よりも外側に溝を形成してなることを要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、樹脂ケースと基板を接着剤により接合する際、押付力により接着剤が樹脂ケースにおける基板との接着箇所において移動する。樹脂ケース内側寄りに面当たり部が形成され塞いでいるので枠状の樹脂ケースの内側に接着剤がはみ出るのが抑制されるとともに、面当たり部よりも外側に形成された溝により接着剤が溜まり枠状の樹脂ケースの内側に接着剤がはみ出るのが抑制される。

請求項２に記載のように、請求項１に記載の半導体モジュールにおいて、ねじ止め孔が前記樹脂ケースと前記基板との両方を貫通しているとよい。
請求項３に記載のように、請求項１又は２に記載の半導体モジュールにおいて、前記樹脂ケースは、前記基板の孔に嵌め合う突起を有するとよい。

請求項４に記載のように、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体モジュールにおいて、前記樹脂ケースにおける前記基板との接着箇所において、前記樹脂ケース内側寄りの面当たり部よりも外側に溝を２つ有するとよい。

請求項５に記載のように、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体モジュールにおいて、前記樹脂ケースの下端よりも前記基板の下端面の方が突出しているとよい。

本発明によれば、枠状の樹脂ケースの内側に接着剤がはみ出るのを抑制できる。

（ａ）は実施形態における半導体モジュールの平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線での縦断面図。 （ａ）は樹脂ケースの正面図、（ｂ）は樹脂ケースの下面図（（ａ）のＡ矢視図）。 半導体モジュールの一部における縦断面図。 半導体モジュールの一部における分解断面図。 半導体モジュールの一部における分解断面図。 別例の半導体モジュールの一部における縦断面図。 別例の半導体モジュールの一部における縦断面図。 別例の半導体モジュールの一部における縦断面図。 別例の半導体モジュールの一部における分解断面図。 比較例における半導体モジュールの縦断面図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。なお、図示の都合上、ボンディングワイヤーや端子・電極の図示は省略している。
図１（ａ），（ｂ）に示すように、半導体モジュール１０は、四角板状の基板（放熱基板）２０と、四角枠状の樹脂ケース３０と、基板２０上での樹脂ケース３０内のポッティング樹脂（モールド樹脂）４０と、を備える。

基板２０は金属ベース基板であり、四角板状の金属基板２１の上に絶縁層２２が形成されている。絶縁層２２の上に金属箔による導体パターン２３が形成され、半導体素子２４が半田付けされて搭載されている。半導体モジュール１０は、例えばインバータモジュールであり、半導体素子２４は上アーム・下アームを構成するスイッチング素子（ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等のパワートランジスタ）である。

また、四角板状の基板２０には外周部に８つの貫通孔２５が形成されている。貫通孔２５は円形をなしている。
図２（ａ），（ｂ）に示すように、樹脂ケース３０は、基板２０の上面に配置される四角枠状の本体部３１を有する。本体部３１の下面には、８つの突起３２が形成されている。突起３２は本体部３１の下面から下方に延びている。突起３２は円柱状をなしている。各突起３２は基板２０の各貫通孔２５に嵌め込まれる（図１（ｂ）参照）。つまり、突起３２の外径は貫通孔２５の内径よりも若干小さく、嵌め合い可能となっており、突起３２と貫通孔２５の内壁とは若干の隙間が生じる。

なお、樹脂ケース３０の突起３２と基板２０の貫通孔２５とは嵌め合う形状であればよく、例えば、貫通孔２５が断面矩形をなし、突起３２も断面矩形状をなしていてもよい。
樹脂ケース３０には、突起３２を貫通する貫通孔３３が形成されている。貫通孔３３は突起３２の中心を上下に延びている。貫通孔３３には、図１（ｂ）に示すようにねじＳｃ１が挿通可能となっている。

図１に示すように、ポッティング樹脂４０は、基板２０の上面の樹脂ケース３０内に配置されている（充填されている）。
半導体モジュール１０はベース部材５０の上面に載置される。ベース部材５０は、板状をなす。ベース部材５０は、アルミ製であり、熱伝導性に優れている。半導体素子２４で発生する熱は基板２０を介してベース部材５０に逃がされる。

ベース部材５０の上面に基板２０が載置されている。基板２０の上に樹脂ケース３０が位置し、この状態で、ねじＳｃ１が樹脂ケース３０の貫通孔３３及び基板２０の貫通孔２５を通してベース部材５０に螺入されている。これにより、半導体モジュール１０がベース部材５０にねじ締結される。ねじ締結により樹脂ケース３０には基板２０側に向かう下向きの締結力（押付力）が加わる。なお、ねじ締結の本数は８箇所に限らず樹脂ケース３０を介して基板２０をベース部材５０へ押し付けることが可能であれば何本でもよい。

基板２０と樹脂ケース３０は接着剤６０により接合されている。接着剤６０は基板２０の上面と樹脂ケース３０の本体部３１の下面との間に配置されている。
図３，４に示すように、樹脂ケース３０における基板２０との接着箇所において本体部３１の下面には面当たり部７０が内側寄りに形成されている。つまり、樹脂ケース３０の面当たり部７０で樹脂ケース３０が基板２０の上面に面当たりしている。

樹脂ケース３０における基板２０との接着箇所において本体部３１の下面における突起３２よりも内側には、接着剤注入用の溝７１が形成されている。溝７１は、下面が開口する断面四角形状の凹部である。溝７１は、図２（ｂ）に示すように、樹脂ケース３０の本体部３１の下面における突起３２よりも内側において突起３２に接近した位置に四角環状に形成されている。図５に示すように溝７１には硬化前の接着剤６０が注入される。

樹脂ケース３０における基板２０との接着箇所において本体部３１の下面における接着剤注入用の溝７１よりも内側には接着剤溜まり用の溝７２が形成されている。溝７２は、下面が開口する断面四角形状の凹部である。溝７２は、図２（ｂ）に示すように、樹脂ケース３０の本体部３１の下面における接着剤注入用の溝７１よりも内側に四角環状に形成されている。図４に示すように溝７１，７２の断面での大きさについて、接着剤注入用の溝７１よりも溝７２は小さい。

このように、樹脂ケース３０における基板２０との接着箇所において、樹脂ケース３０内側寄りに面当たり部７０が形成されるとともに面当たり部７０よりも外側に溝７２が形成されている。

接着する時において樹脂ケース３０は、突起３２が基板２０の孔２５に嵌め合う。また、図３に示すように、樹脂ケース３０の下端３４、即ち、突起３２の先端よりも基板２０の下端面２６、即ち、基板２０の下面の方がより下方、即ち、ベース部材５０側に突出している。

次に、作用について説明する。
接着にあたり、図４に示すように、基板２０と、樹脂ケース３０と、ベース部材５０と、ねじＳｃ１を用意する。

そして、図５に示すように、樹脂ケース３０における溝（凹部）７１に、硬化前の接着剤６０を塗布する。
基板２０の上から、接着剤６０を塗布した樹脂ケース３０を載置する。この状態で治具を用いて基板２０と樹脂ケース３０とを固定する。治具を用いないでベース部材５０の上に基板２０、樹脂ケース３０を順に載せねじＳｃ１で締結することにより基板２０と樹脂ケース３０とを固定してもよい。

基板２０と樹脂ケース３０とを固定するとき、樹脂ケース３０には基板２０側に向かう下向きの押付力（締結力）が加わる。
引き続き、基板２０と樹脂ケース３０とを固定した状態で接着剤６０を硬化させる。

接着工程において、樹脂ケース３０の面当たり部７０で樹脂ケース３０が基板２０の上面に面当たりする。このとき、硬化前の接着剤６０は、溝（凹部）７１から樹脂ケース３０の内側に広がり溝７２に溜まる。

接着剤６０を硬化した後、硬化前のポッティング樹脂４０を、基板２０の上面の樹脂ケース３０内に注入し、その後にポッティング樹脂４０を硬化させる。
そして、治具等を外した後、半導体モジュール１０をベース部材５０の上に載置した状態で、ねじＳｃ１で半導体モジュール１０をベース部材５０に締結する。

このような製造工程（組立工程）において樹脂ケース３０と基板２０を接着剤６０により接合する際、押付力により接着剤６０が樹脂ケース３０における基板２０との接着箇所において移動する。

このとき、樹脂ケース３０内側寄りに面当たり部７０が形成され塞いでいるので枠状の樹脂ケース３０の内側に接着剤６０がはみ出るのが抑制されるとともに、面当たり部７０よりも外側に形成された溝７２により接着剤６０が溜まり枠状の樹脂ケース３０の内側に接着剤６０がはみ出るのが抑制される。

また、面当たり部７０が基板２０に面当たりしているので、下端面２６がベース部材５０に強固に接触可能であるとともに、ポッティング樹脂４０と樹脂ケース３０との間に剥離が生じることを抑制できる。

以下、詳しく説明する。
図１０は比較例である。
図１０に示すように、接合時に接着剤６０が押付力や毛細管現象によって樹脂ケース３０と基板２０の隙間を移動する。そして、樹脂ケース３０の内側に接着剤６０がはみ出すと、ポッティング樹脂４０との材質相性（例えば、シリコーン系接着剤とエポキシ樹脂とを用いた場合）によってポッティング樹脂４０側にはみ出した接着剤６０におけるポッティング樹脂４０と接着剤６０との界面において剥離が生じやすい。そして、接着剤６０とポッティング樹脂４０との間の界面剥離した部位を起点にポッティング樹脂４０と基板２０間の剥離につながる懸念がある。また、樹脂ケース３０の外側に接着剤６０がはみ出す場合において、基板２０の放熱面に接着剤６０がはみ出すと基板２０の下面の放熱面にベース部材５０が接触せず放熱性が悪化する。また、側面への接着剤６０のはみ出しにより樹脂バリが発生し、バリの脱落により異物が発生する。

また、ねじにより締結した場合、接着剤６０が締結力にて変形して基板２０の下端面２６に伝わる締結力を低下させるとともに、基板２０と樹脂ケース３０とが相対移動するため、ポッティング樹脂４０と樹脂ケース３０との間に剥離が生じやすい。

これに対し、図３に示す本実施形態においては、樹脂ケース３０の押さえ込み時に樹脂ケース３０内側寄りに面当たり部７０が形成されているので樹脂ケース３０と基板２０との間の隙間を無くしてポッティング樹脂４０側への接着剤６０のはみ出しを防止することができる。また、樹脂ケース３０と基板２０を接着剤６０により接合する際に押付力により移動してくる接着剤６０が樹脂ケース３０に設けた溝７２に溜まり押付時の接着剤６０を吸収してポッティング樹脂４０側への接着剤６０のはみ出しを抑制できる。また、溝７２により樹脂ケース３０と基板２０との間の隙間が部分的に拡がり毛細管現象も抑制することにより、接着剤６０のはみ出しを抑制することができる。他にも樹脂ケース３０の簡易な形状の変更により接着剤６０のはみ出しを抑制することができる。

また、面当たり部７０が基板２０に面当たりしているので、ねじＳｃ１による締結力が接着剤を介さないことになる。それゆえ、基板２０の下端面２６がベース部材５０に強固に接触可能である。また、基板２０と樹脂ケース３０との相対位置が変化しないので、ポッティング樹脂４０と樹脂ケース３０との間に剥離が生じることを抑制できる。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）半導体モジュール１０の構成として、導体パターン２３が形成されるとともに半導体素子２４を搭載した基板２０と、枠状をなし、基板２０の上面において接着される樹脂ケース３０と、基板２０の上面の樹脂ケース３０内に配置されたポッティング樹脂４０と、を備える。樹脂ケース３０における基板２０との接着箇所において、樹脂ケース３０内側寄りに面当たり部７０が形成されるとともに面当たり部７０よりも外側に溝７２を形成してなる。よって、樹脂ケース３０と基板２０を接着剤６０により接合する際、樹脂ケース３０における基板２０との接着箇所において移動する接着剤を面当たり部７０で塞いで枠状の樹脂ケース３０の内側に接着剤６０がはみ出るのが抑制されるとともに溝７２により接着剤６０が溜まり枠状の樹脂ケース３０の内側に接着剤６０がはみ出るのが抑制される。その結果、枠状の樹脂ケース３０の内側に接着剤６０がはみ出るのを抑制できる。

（２）半導体モジュール１０はベース部材５０にねじ締結されるが、ねじ止め孔（３３，２５）が樹脂ケース３０と基板２０との両方を貫通している。よって、樹脂ケース３０と基板２０との両方を容易に締結できる。

（３）樹脂ケース３０は、基板２０の孔２５に嵌め合う突起３２を有する。よって、樹脂ケース３０と基板２０とを容易に位置決めすることができる。
（４）樹脂ケース３０における基板２０との接着箇所において、樹脂ケース３０内側寄りの面当たり部７０よりも外側に溝（７１，７２）を２つ有する。これにより、外側の溝７１を接着剤注入用とし、内側の溝７１を接着剤溜まり用とすることができる。

（５）樹脂ケース３０の下端３４よりも基板２０の下端面２６の方が突出している。樹脂ケース３０の下端が基板２０の下端面より突出していると、基板２０の下面がベース部材５０の上面に対し浮いてしまい（空隙ができ）放熱性能が悪い。これに対し、樹脂ケース３０の下端３４よりも基板２０の下端面２６の方が突出しているので、基板２０の下面がベース部材５０の上面に当接した状態で突起３２が嵌め込まれて放熱性に優れている。このようにして、基板２０と樹脂ケース３０とを浮くことなく放熱性向上が図られる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 図６に示すように、樹脂ケース３０における基板２０との接着箇所において、樹脂ケース３０内側寄りの面当たり部７０よりも外側に３つの溝８０，８１，８２を形成してもよい。つまり、内外に３重に溝を配置し、中央の溝８１を接着剤注入用の溝とする。

○ 図７に示すように、樹脂ケース３０の貫通孔８３を通るねじＳｃ２をベース部材５０に螺入して、樹脂ケース３０をねじＳｃ２によりベース部材５０に固定してもよい。
○ 図８に示すように、樹脂ケース３０における基板２０との接着箇所において、樹脂ケース３０の下面において内側に溝８４を、外側に溝８５を形成して、図９に示すように、樹脂ケース３０の下面における溝８４と溝８５との間に接着剤６０を塗布してもよい。

○ 樹脂ケース３０は、四角枠状でなくてもよく、他の形状の枠であってもよい。
○ 基板２０として金属ベース基板（金属板の上面に絶縁層を形成した基板）を用いたが、これに限るものでない。例えば、金属基板（絶縁層を形成しない金属板）、セラミック基板、プリント基板等を用いてもよい。

１０…半導体モジュール、２０…基板、３０…樹脂ケース、４０…ポッティング樹脂、７０…面当たり部、７１…溝、７２…溝。

Claims (5)

1. 導体パターンが形成されるとともに半導体素子を搭載した基板と、
   枠状をなし、前記基板の上面において接着される樹脂ケースと、
   前記基板の上面の前記樹脂ケース内に配置されたポッティング樹脂と、
   を備え、
   前記樹脂ケースにおける前記基板との接着箇所において、前記樹脂ケース内側寄りに面当たり部が形成されるとともに前記面当たり部よりも外側に溝を形成してなることを特徴とする半導体モジュール。
2. ねじ止め孔が前記樹脂ケースと前記基板との両方を貫通していることを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
3. 前記樹脂ケースは、前記基板の孔に嵌め合う突起を有する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。
4. 前記樹脂ケースにおける前記基板との接着箇所において、前記樹脂ケース内側寄りの面当たり部よりも外側に溝を２つ有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
5. 前記樹脂ケースの下端よりも前記基板の下端面の方が突出していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体モジュール。