JP2019140334A - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置および半導体装置の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】接続端子とスルーホールとの間に間隔を維持し、接合部の均一なはんだ厚さを確保できる半導体装置および半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】半導体装置は、半導体素子を内部に封入する封止部1と、半導体素子と電気的に接続され、封止部1から外部に立設する接続端子3と、接続端子3に設けられた台座2と、を備える。台座2は、封止部1上に設けられた根本部21と、根本部21上に設けられた傾斜部を有するガイド部22と、からなる。【選択図】図1

Description

この発明は、半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。
近年、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)を中心として、パワー半導体モジュールが電力変換装置に広く用いられるようになっている。パワー半導体モジュールは1つまたは複数のパワー半導体チップを内蔵して変換接続の一部または全体を構成するパワー半導体デバイスである。
パワー半導体モジュールは、薄型化、小型化、大電流容量化する傾向にある。従って、端子ケース、金属基板、蓋をなくしたモールドタイプのパワー半導体モジュールが検討されている。モールドタイプのパワー半導体モジュールは、パワー半導体チップを備えた積層基板を金型中で封止樹脂によりモールド成形する。
図7は、従来のパワー半導体モジュールを示す側面図である。従来のパワー半導体モジュールにおいては、パワー半導体チップを搭載した積層基板が封止部101の中に封止されている。接続端子103は、積層基板上にはんだ付け等で固定され、封止部101を貫通して外部に突き出ている。
図8は、従来のパワー半導体モジュールの接続端子の側面拡大図である。接続端子103は、図示しない配線板を支持するため、平坦部106を有する円柱形状の台座102から上方に突出している。このように、平坦部106を有する台座102を設けることで、配線板を水平に接続することを可能にする半導体装置が公知である(例えば、特許文献1参照)。
国際公開第2014/061211号
ここで、図9は、従来のパワー半導体モジュールを配線板に接続した際の接続端子付近の側面拡大図である。図9のように、接続端子103を配線板104に形成したスルーホール107を挿通させ、台座102の平坦部106により配線板104を支持している。接続端子103は、例えばはんだ付けによってスルーホール107と電気的に接続される。
しかしながら、接続端子103の形成位置またはスルーホール107の形成位置がずれる場合がある。これにより、図9の領域Aで示されるように、接続端子103とスルーホール107との間にクリアランス(間隔)がなくなる場合がある。この場合、図9の領域Aでは、接続端子103とスルーホール107との間にはんだが十分に入らず、接合部の接着性が低下してしまう。このような状態のパワー半導体モジュールを、振動の激しいところで使用すると、接続端子103とスルーホール107との電気的接続が切れてしまいパワー半導体モジュールの信頼性が低下するおそれがある。
この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、接続端子とスルーホールとの間に間隔を維持し、接合部の均一なはんだ厚さを確保できる半導体装置および半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置は、次の特徴を有する。封止部は、半導体素子を内部に有する。接続端子は、前記半導体素子と電気的に接続され、前記封止部から外部に立設する。台座は、前記接続端子に設けられる。前記台座は、前記封止部に設けられた根本部と、前記根本部上に設けられた傾斜部を有するガイド部と、からなる。
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記ガイド部の上面に平坦部が設けられていないことを特徴する。
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記傾斜部が前記根本部の表面となす角度は、30°より大きく、90°より小さいことを特徴とする。
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記根本部が前記封止部の表面となす角度は、前記傾斜部が前記根本部の表面となす角度以上であり、前記根本部が前記封止部の表面となす角度は、30°より大きく、90°以下であることを特徴とする。
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記傾斜部の高さと前記根本部の高さとの和に対する前記傾斜部の高さの比は、0.05以上0.50以下であることを特徴とする。
上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、次の特徴を有する。まず、半導体素子と電気的に接続された接続端子を立設する第1工程を行う。次に、樹脂を注入し、前記半導体素子を内部に封入し、前記接続端子に、前記樹脂上の根本部と、前記根本部上の傾斜部を有するガイド部と、からなる台座を形成する第2工程を行う。
上述した発明によれば、半導体装置は、接続端子に傾斜部を有するガイド部と根本部とからなる台座を設けている。これにより、配線板のスルーホールに接続端子を入れやすくなり、配線板の位置決めが容易になる。さらに、配線板と接続端子との間の適切なクリアランスを確保して、配線板を支持することができるようになる。このため、接続端子とスルーホールとの間にはんだを十分に注入でき、接合部の接着性を向上させることができ、半導体装置の振動耐量が向上する。
本発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法によれば、接続端子とスルーホールとの間に間隔を維持し、接合部の均一なはんだ厚さを確保できるという効果を奏する。
実施の形態にかかるパワー半導体モジュールを示す側面図である。 実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの接続端子の側面拡大図である。 実施の形態にかかるパワー半導体モジュールを配線板と接続した際の接続端子付近の側面拡大図である。 実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの他の形状の接続端子の側面拡大図である(その1)。 実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの他の形状の接続端子の側面拡大図である(その2)。 実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの他の形状の接続端子の側面拡大図である(その3)。 実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの他の形状の接続端子の側面拡大図である(その4)。 実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの他の形状の接続端子の側面拡大図である(その5)。 実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの接続端子の上面図である(その1)。 実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの接続端子の上面図である(その2)。 実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの接続端子の上面図である(その3)。 実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの接続端子の上面図である(その4)。 実施例にかかるパワー半導体モジュールの根本部の高さとガイド部の高さを示す表である。 従来のパワー半導体モジュールを示す側面図である。 従来のパワー半導体モジュールの接続端子の側面拡大図である。 従来のパワー半導体モジュールを配線板に接続した際の接続端子付近の側面拡大図である。
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。発明者らは、鋭意研究の結果、接続端子に設けられた台座の形状を変えることで、接続端子とスルーホールとの間に間隔を維持し、接合部の均一なはんだ厚さを確保できることを見出した。
(実施の形態)
図1は、実施の形態にかかるパワー半導体モジュールを示す側面図である。パワー半導体モジュールは、パワー半導体チップ(不図示)を内部に有する封止部1と、パワー半導体チップと接続され、封止部1から外部に立設する接続端子3と、接続端子3に設けられた台座2とを備える。
封止部1は、おもて面に接続端子3を備える。接続端子3の根本には、台座2を有する。台座2の底面は封止部1のおもて面と接し、台座2の上面(封止部1と接する面と反対側の面)から接続端子3が露出する。台座2の上面は、封止部1より高い位置、つまり、接続端子3の上端に近い位置にある。また、パワー半導体モジュールは、封止部1の裏面に放熱フィンや水冷ジャケット等の放熱部材が取り付けられてもよい。この場合、封止部1に、放熱部材を取り付けるための締結部11を備えることができる。台座2の上面は、締結部11を含めた封止部1より高い位置、つまり、接続端子3の上端に近い位置でよい。
封止部1、台座2は、熱硬化性樹脂、または熱可塑樹脂を用いることができる。更に、密着助剤を含んでいてもよい。また、目的に応じて、無機充填剤として、例えば、シリカ、アルミナ、窒化ボロン、窒化アルミニウムなどの無機粒子からなるマイクロフィラーやナノフィラーを含んでいてもよい。
パワー半導体チップは、シリコン(Si)、炭化シリコン(SiC)、窒化ガリウム(GaN)等の材料からなる。パワー半導体チップは、IGBT、パワーMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)等のスイッチング素子を含んでいる。このようなパワー半導体チップは、例えば、裏面に主電極としてドレイン電極(または、コレクタ電極)を、おもて面に、主電極としてゲート電極およびソース電極(または、エミッタ電極)をそれぞれ備えている。
また、パワー半導体チップは、必要に応じて、SBD(Schottky Barrier Diode)、FWD(Free Wheeling Diode)等のダイオードを含んでいる。このようなパワー半導体チップは、裏面に主電極としてカソード電極を、おもて面に主電極としてアノード電極をそれぞれ備えている。上記のパワー半導体チップは、その裏面側の電極が所定の導電性板(図示を省略)のおもて面に接合材(図示を省略)により接合されている。また、上記のパワー半導体チップは、封止部1内に樹脂により封止されている。
導電性板は、絶縁基板の一方の面であるおもて面に銅などで設けられた板であり、封止部1内に樹脂により封止されている。絶縁基板の他方の面である裏面には銅などの放熱板が配置され、導電性板、絶縁基板および放熱板から積層基板が構成される。図示は省略されているが、積層基板の導電性板のおもて面には、導電接合層を介して、複数のパワー半導体チップが搭載されている。さらに、パワー半導体チップのおもて面には、金属ワイヤーが配線されている。また、金属ワイヤーの代わりに導電接合層を介して、金属端子を接続してもよい。また、導電接合層により金属端子(インプラントピン)を備えたインプラント方式プリント基板が取り付けられていてもよい。また、パワー半導体チップのおもて面には、リードフレームが取り付けられてもよい。絶縁基板および放熱板は、封止部1内に樹脂により封止されていても、封止されずに外部に露出されていてもよい。
また、導電性板は、リードフレームであってもよい。この場合、導電性板のおもて面には、導電接合層を介して、複数のパワー半導体チップが搭載されている。導電性板の裏面は、封止部1内に樹脂により封止されていても、封止されずに外部に露出されていてもよい。このような導電性板は、少なくともおもて面が封止部1内に封止されている。
接続端子3は、導電性、例えば銅(Cu)製の金属端子である。接続端子3は、その表面にニッケル(Ni)や錫(Sn)などのめっきが施されてもよい。接続端子3の一方は、封止部1の内部で、図示しない導電性板や導電接合層を介して、パワー半導体チップの各電極と電気的に接続される。また、接続端子3のもう一方は、パワー半導体モジュール外部に配置される図示しない配線板と電気的に接続される。配線板は、例えば、バスバー、配線基板や制御基板である。また、接続端子3では、配線板を支持するための台座2が設けられている。
図2は、実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの接続端子の側面拡大図である。図2に示すように、接続端子3に設けられている台座2は、根本部21と、ガイド部22とからなる。根本部21は、封止部1の表面と接し、根本部21の上部にガイド部22が設けられる。また、ガイド部22は、傾斜部を有している。傾斜部とは、根本部21の上面(封止部1と接する面と反対側の面)に対して傾いている部分であり、ガイド22の傾斜部は図2の部分Bに対応する。
図2では、ガイド部22の傾斜部は傾斜角度αの傾斜を有している。傾斜角度αとは、ガイド部22の傾斜部と根本部21の上面とがなす角度である。根本部21が、傾斜角度βの傾斜部を有していてもよい。傾斜角度βとは、根本部21の傾斜部と封止部1の上面とがなす角度である。また、ガイド部22の上面に平坦部が設けられていない。このため、傾斜部と接続端子3とが連続し、ガイド部22の上面(根本部21と接する面と反対側の面)の幅w1と接続端子3の幅は同じ広さになっている。
ガイド部22の傾斜角度αは、根本部21の傾斜角度β以下となっている。傾斜角度αは、30°<α<90°を満たし、さらに、傾斜角度βは、30°<β≦90°を満たす。また、ガイド部22の高さaと根本部21の高さbとの和に対するガイド部22の高さaの比、つまり、a/(a+b)は、0.05以上0.50以下であればよい。より好ましくは、0.10以上0.30以下であり、さらに好ましくは0.15以上0.25以下である。このような角度、高さにすることで、配線板のスルーホールに接続端子3を入れやすくなり、配線板の位置決めが容易になる。また、以下の図3に示すように、配線板と接続端子3との間の適切なクリアランスを確保して、傾斜部で配線板を支持することができるようになる。
図3は、実施の形態にかかるパワー半導体モジュールを配線板と接続した際の接続端子付近の側面拡大図である。ここで、ガイド部22の上面の幅w1は、配線板4のスルーホール7の幅wより狭く、かつ、ガイド部22の底面(根本部21と接する面)の幅w2は、配線板4のスルーホール7の幅wより広くなっている。また、ガイド部22の上面の幅w1は、接続端子3の幅と同じであるため、接続端子3の幅は、配線板4のスルーホール7の幅wより狭くなっている。
このため、配線板4のスルーホール7を接続端子3が挿通し、配線板4がガイド部22の傾斜部により支持されるようになる。これにより、接続端子3の形成位置またはスルーホール7の形成位置にずれが生じた場合でも、傾斜部がずれを吸収でき、接続端子3とスルーホール7との間にクリアランスが確保される。このため、接続端子3とスルーホール7との間にはんだを十分に注入でき、接続端子3とスルーホール7との接合部の接着性を向上させることができ、パワー半導体モジュールの振動耐量が向上する。
また、根本部21の底面の幅w3は、根本部21の上面の幅w2と同じ広さでもよく、より広くてもよい。
実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの接続端子は、図2に示す形状以外も採用可能である。図4A〜図4Eは、実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの他の形状の接続端子の側面拡大図である。
図4Aは、接続端子3の幅w4が図2の場合より狭く、ガイド部22の上面に平坦部6を設けた形状である。この場合、ガイド部22の上面の幅w1を、配線板4のスルーホール7の幅wより狭く、かつ、ガイド部22の底面の幅w2を、配線板4のスルーホール7の幅wより広くする。これにより、配線板4が平坦部6により支持されずに、配線板4のスルーホール7がガイド部22で支持されるようになる。このため、図2の場合と同様に、接続端子3とスルーホール7との間にクリアランスを確保することができる。
図4B、図4Cは、根本部21が上部根本部211と下部根本部212から構成される形状である。このため、根本部21は、傾斜角度βの上部根本部211と傾斜角度γの下部根本部212と複数の傾斜部を有している。図4Bは、傾斜角度γが直角の形状であり、図4Cは、傾斜角度γが鋭角の形状の例である。この場合、傾斜角度α≦傾斜角度βであればよく、傾斜角度γは、傾斜角度α、傾斜角度βに依存しない。
図4Dは、1つの根本部21に対して、複数のガイド部22および複数の接続端子3が設けられている形状である。また、1つの根本部21に設けられるガイド部22および接続端子3は、図4Dのように一列からなってもよいし、複数の列からなってもよい。図4Dの場合、傾斜角度βは側端部の角度になる。
図4Eは、ガイド部22の傾斜角度αと根本部21の傾斜角度βが同じ角度の形状である。この場合、ガイド部22と根本部21は一体化している。
また、図4A〜図4Eにおいて、ガイド部22の傾斜角度αおよび根本部21の傾斜角度βは、図2の場合と同様の値でよい。さらに、ガイド部22の高さaと根本部21の高さbとの和に対するガイド部22の高さaの比も図2の場合と同様の値でよい。このため、図2の形状と同様に、配線板4のスルーホール7に接続端子3を入れやすくなり、配線板の位置決めが容易になる。また、配線板4と接続端子3との間の適切なクリアランスを確保して、配線板4を支持することができるようになる。
また、上述の台座2の形状では、傾斜部は直線であったが、根本部21またはガイド部22のいずれか一つまたは両方の傾斜部が曲率を有する形状であってもよい。曲率を有する形状である場合、ガイド部22の傾斜角度αは、ガイド部22の傾斜部の平均傾斜角度であり、根本部21の傾斜角度βは、根本部21の傾斜部の平均傾斜角度である。図4B、図4Cの傾斜角度β、傾斜角度γも同様に上部根本部211、下部根本部212の傾斜部の平均傾斜角度である。
次に、接続端子3の上面図を示す。図5A〜図5Dは、実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの接続端子の上面図である。図5Aは、接続端子3が円柱で、根本部21およびガイド部22が円錐台の形状である。また、図5Bは、接続端子3が角柱で、根本部21およびガイド部22が円錐台の形状である。また、図5Cは、接続端子3が角柱で、根本部21およびガイド部22が角錐台の形状である。また、図5Dは、接続端子3が板状の角柱で、根本部21およびガイド部22が長方形上の角錐台の形状である。
また、根本部21とガイド部22が別の形状であってもよい。例えば、根本部21が角錐台で、ガイド部22が円錐台であってもよいし、根本部21が円錐台で、ガイド部22が角錐台であってもよい。また、角錐台は図5B〜図5Dの四角錐台以外の形状も可能であり、例えば、六角錐台でもよい。また、円柱は楕円柱でもよく、円錐台は、楕円錐台でもよい。
図4A〜図4Eの側面図、図5A〜図5Dの上面図に示した、接続端子3の形状は、一つのパワー半導体モジュールに混在して使用することができる。つまりパワー半導体モジュールにおいて、接続端子3の形状は、すべて同じ形状にする必要はなく、別々の形状であってもよい。
このようなパワー半導体モジュールの製造方法は、従来技術によるパワー半導体モジュールと同様である。パワー半導体モジュールの製造方法では、まず、絶縁基板のおもて面に導電性板が設けられ、裏面に放熱板が設けられた積層基板を用意する。次に、積層基板に設けられた導電性板のおもて面にパワー半導体チップを実装し、パワー半導体チップと、導電性板とを電気的に接続する。次に、金属ワイヤーなどでパワー半導体チップと接続端子3との間を電気的に接続する。このようにして、スイッチング回路を形成したパワー半導体回路部材を組み立てる。また、積層基板の代わりに、導電性板のみからなるリードフレームであってもよい。この場合でも、同様に、スイッチング回路を形成したパワー半導体回路部材を組み立てることができる。
次に、パワー半導体回路部材に、導電性板を介してパワー半導体チップと電気的に接続する接続端子3を立設させる。次に、樹脂成形用のモールド金型内に、パワー半導体回路部材をセットし、エポキシなどの硬質樹脂からなる樹脂を充填する。このモールド金型に、封止部1および台座2に対応する形状を組み込んでおくことにより、封止部1と台座2は一体で成形される。この時、傾斜部を有するガイド部22と根本部21からなる台座2に対応する形状を組み込んでおくことにより、実施の形態における台座2が形状される。樹脂の成形は、トランスファー成形、射出成形でもよい。これにより、図1に示す実施の形態にかかるパワー半導体モジュールが完成する。
(実施例)
図6は、実施例にかかるパワー半導体モジュールの根本部の高さとガイド部の高さを示す表である。この表は、実施例1〜実施例3における根本部21の高さbと、ガイド部22の高さaと、それぞれの和a+bの値を示し、単位はmmである。ここで、実施例1は、a/(a+b)が、0.05以上0.50以下の例であり、実施例2は、より好ましい0.10以上0.30以下の例であり、実施例3は、さらに好ましい0.15以上0.25以下の例である。
これらのいずれの実施例においても、配線板4と接続端子3との間の適切なクリアランスを確保して、傾斜部で配線板4を支持することができる。
また、図1では、すべての接続端子3に傾斜部を有するガイド部22と根本部21からなる台座2を設けているが、すべての接続端子3に台座2を設ける必要はない。例えば、パワー半導体モジュールの端の部分の接続端子3(例えば、図1の端子31、32)にのみ傾斜部を有するガイド部22と根本部21からなる台座2を設けてもよい。この部分で配線板4を支持することができれば、配線板4を確実に固定できるためである。
さらに、図4Dのように、1つの根本部21に対して、複数の接続端子3が設けられている場合も、すべての接続端子3に傾斜部を有するガイド部22と根本部21からなる台座2を設けなくてもよい。この場合、端の部分の接続端子3にのみ傾斜部を有するガイド部21と根本部22からなる台座2を設けてもよい。
以上、説明したように、実施の形態にかかる半導体装置によれば、接続端子に傾斜部を有するガイド部と根本部とからなる台座を設けている。これにより、配線板のスルーホールに接続端子を入れやすくなり、配線板の位置決めが容易になる。さらに、配線板と接続端子との間の適切なクリアランスを確保して、配線板を支持することができるようになる。このため、接続端子とスルーホールとの間にはんだを十分に注入でき、接合部の接着性が向上させることができ、半導体装置の振動耐量が向上する。
以上において本発明は、上述した実施の形態に限らず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、モールドタイプのパワー半導体モジュールを例に説明してきたが、本発明は、ポリフェニレンサルファイド(PPS:Poly Phenylene Sulfide)等の熱可塑性樹脂で、外部に信号を取り出す金属端子を固定するためインサート成形されている端子ケースにも適用可能である。この場合、接続端子に配線板を支持するための台座が設けられ、台座は、実施の形態と同様に根本部とガイド部とすることで、同様の効果を得ることができる。また、例えば、封止部1のおもて面(パワー半導体チップを搭載した導電性板側の上面)に接続端子3を有するパワー半導体モジュールを例に説明してきたが、本発明は、封止部の側面や底面に接続端子を有する場合にも適用可能である。この場合にも、接続端子に配線板を支持するための台座が設けられ、台座は、実施の形態と同様に根本部とガイド部とすることで、同様の効果を得ることができる。
以上のように、本発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法は、インバータなどの電力変換装置や種々の産業用機械などの電源装置や自動車のパワーコントロールユニットなどに使用されるパワー半導体装置に有用である。
1、101 封止部
2、102 台座
3、103 接続端子
4、104 配線板
6、106 平坦部
7、107 スルーホール
11 締結部
21 根本部
211 上部根本部
212 下部根本部
22 ガイド部

Claims (6)

  1. 半導体素子を内部に有する封止部と、
    前記半導体素子と電気的に接続され、前記封止部から外部に立設する接続端子と、
    前記接続端子に設けられた台座と、
    を備え、
    前記台座は、前記封止部に設けられた根本部と、前記根本部上に設けられた傾斜部を有するガイド部と、からなることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記ガイド部の上面に平坦部が設けられていないことを特徴する請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記傾斜部が前記根本部の表面となす角度は、30°より大きく、90°より小さいことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置。
  4. 前記根本部が前記封止部の表面となす角度は、前記傾斜部が前記根本部の表面となす角度以上であり、
    前記根本部が前記封止部の表面となす角度は、30°より大きく、90°以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一つに記載の半導体装置。
  5. 前記傾斜部の高さと前記根本部の高さとの和に対する前記傾斜部の高さの比は、0.05以上で0.50未満であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一つに記載の半導体装置。
  6. 半導体素子と電気的に接続された接続端子を立設する第1工程と、
    樹脂を注入し、前記半導体素子を内部に封入し、前記接続端子に、前記樹脂上の根本部と、前記根本部上の傾斜部を有するガイド部と、からなる台座を形成する第2工程と、
    を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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