JP2023033569A - 電力半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】端子の変形、湾曲を抑制し、端子間の絶縁性を確保するとともに、制御基板への実装性を容易にしたリードフレームを用いた電力半導体装置及びその製造方法を提供する。【解決手段】リードフレーム2上に半導体素子が搭載され、封止されたリードフレーム2を有したパッケージ1と、パッケージ1の側面から露出し、折り曲がっている端子3と、端子3の折り曲がった部分であり、幅は端子3の先端幅より大きく、パッケージ1に接している端子3の幅以下である端子曲げ部4を設けることにより、端子3の変形、湾曲を抑制し、隣り合う端子3の間において、必要な絶縁性を確保し、制御基板への実装を容易に行うことができる。【選択図】図1

Description

本発明は、リードフレームを用いた電力半導体装置及びその製造方法に関するものである。
従来のリードフレームを用いた半導体装置では、タイバーカット後、タイバーカット跡の残部により、隣り合う端子間の絶縁性が低下しないように、タイバーとともに端子の一部を切断し、除去している。(例えば、特許文献1参照)
特開2013-4771号公報(段落0024、0028、図1~3、図5)
このような半導体装置の端子形状では、端子としての剛性を確保できず、タイバーカットし、リードフォーミング後、端子が変形、湾曲してしまい、端子の先端位置がずれてしまうことがあった。その結果、端子間の絶縁性、制御回路を有した制御基板のスルーホールに対し端子の挿入、実装性に影響を及ぼす場合があった。
本発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、端子の変形、湾曲を抑制することにより、端子間の絶縁性確保、制御基板への実装性を容易にしたリードフレームを用いた電力半導体装置を提供することを目的とする。
また端子の変形、湾曲を抑制し、端子間の絶縁性確保、制御基板への実装性を容易にしたリードフレームを用いた電力半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
本発明にかかる電力半導体装置は、リードフレーム上に半導体素子が搭載され、封止されたパッケージと、パッケージの側面から露出し、折り曲がっている端子と、端子の折り曲がった部分であり、幅は端子の先端幅より大きく、パッケージに接している端子の幅以下である端子曲げ部とを備えたものである。
また、本発明にかかる電力半導体装置の製造方法は、封止後のリードフレームを有するパッケージにおいて、パッケージに接している端子の幅より小さい幅となるように、タイバーカット金型がリードフレームのタイバーをカットし除去する工程と、めっき装置が前記端子をめっきする工程と、リードカット金型がリードフレームのリードをカットする工程と、リードフォーミング金型が前記端子を折り曲げる工程とを備えた電力半導体装置の製造方法である。
本発明にかかる電力半導体装置によれば、隣り合う端子間の絶縁性、制御基板への実装性を容易に確保することができる。
また本発明にかかる電力半導体装置の製造方法によれば、隣り合う端子間の絶縁性、制御基板への実装性を容易に可能とする電力半導体装置を得ることができる。
実施の形態1にかかる電力半導体装置を示す平面図である。 実施の形態1にかかる電力半導体装置を示す側面図である。 実施の形態1にかかる電力半導体装置を示す拡大側面図である。 実施の形態1にかかる電力半導体装置を示す拡大平面図である。 実施の形態1にかかる電力半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。 実施の形態1にかかる封止後のリードフレームを有するパッケージを示す平面図である。 実施の形態1にかかるタイバーカットを示す平面図である。 実施の形態1にかかるタイバーカット後のパッケージを示す平面図である。 実施の形態1にかかるリードカット後のパッケージを示す平面図である。 実施の形態1にかかるリードカット後のパッケージを示す拡大平面図である。 実施の形態2にかかる電力半導体装置を示す平面図である。 実施の形態2にかかる電力半導体装置を示す側面図である。 実施の形態2にかかる電力半導体装置を示す拡大平面図である。 実施の形態2にかかる封止後のリードフレームを有するパッケージを示す平面図である。 実施の形態2にかかるタイバーカットを示す平面図である。 実施の形態2にかかるタイバーカット後のパッケージを示す平面図である。 実施の形態2にかかるリードカット後のパッケージを示す拡大平面図である。 実施の形態3にかかる電力半導体装置を示す平面図である。 実施の形態3にかかる電力半導体装置を示す側面図である。 実施の形態3にかかる封止後のリードフレームを有したパッケージを示す平面図である。 実施の形態3にかかるタイバーカットを示す平面図である。 実施の形態3にかかるタイバーカット後のパッケージを示す平面図である。 実施の形態3にかかるリードカット後のパッケージを示す平面図である。 実施の形態4にかかる電力半導体装置を示す平面図である。 実施の形態4にかかる電力半導体装置を示す側面図である。 実施の形態4にかかる封止後のリードフレームを有したパッケージを示す平面図である。 実施の形態4にかかる封止後のリードフレームを有したパッケージを示す側面図である。 実施の形態4にかかるタイバーカット後のパッケージを示す平面図である。 実施の形態4にかかるリードカット後のパッケージを示す平面図である。 実施の形態4にかかるリードカット後のパッケージを示す側面図である。
実施の形態1.
実施の形態1にかかる電力半導体装置の構成を説明する。図1は、実施の形態1にかかる電力半導体装置を示す平面図、図2は、図1を紙面右からみた電力半導体装置を示す側面図である。
図1及び図2に示すように、電力半導体装置は、パッケージ1と、パッケージ1から露出している端子3から構成されている。パッケージ1は、樹脂を用いて、トランスファーモールドにより封止されている。パッケージ1の内部には、リードフレーム2上に半導体素子が搭載されており、金属ワイヤにて内部配線され、端子3に接続している。端子3は、パッケージ1から複数露出しており、図示しない制御回路を有した制御基板のスルーホールに挿入され、実装される。また電力半導体装置の仕様に応じて、必要な個数の電力半導体素子を搭載することができる。なおパッケージ1内部の半導体素子及び金属ワイヤの図示は省略する。
パッケージ1を封止している樹脂は、エポキシ樹脂を用いて構成されているが、これに限定されるものではなく、所望の弾性率と密着性を有する樹脂であればよい。
半導体素子は、例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、MOSFET(Metal-Oxide―Semiconductor Field-Effect Transistor)、ダイオードである。なおSi製に限らず、SiCもしくはGaN製でもかまわない。
金属ワイヤは、Alワイヤ、Auワイヤ、Agワイヤ、またはCuワイヤのいずれかであり、ワイヤボンディングにより、パッケージ1の内部を配線接続している。金属ワイヤ材、金属ワイヤ径は、金属ワイヤを流れる電流容量に応じて使い分けされている。
端子3は、0.3~1.0mmの厚みであり、パッケージ1に対し、対向した側面から露出している。通常、銅を用いて形成されるが、これに限定されるものではなく、必要な放熱特性を有する材料であれば特に限定されるものではない。例えばAlを用いても良く、銅/インバー/銅などの複合材料を用いても良く、またCuMoなどの合金を用いてもよい。
図3は、図1において破線で囲まれた範囲Aを抜き出して拡大した側面図である。図4は、図1において破線で囲まれた範囲Aを抜き出して拡大した平面図である。
図2及び図3に示すように、端子3は、端子曲げ部4において、リードフォーミング金型により曲げ加工され、ほぼ直角に折り曲がっている。端子3は、図1の紙面裏側から表側に向かって折り曲がっている。端子曲げ部4において、図3に示した矢印の方向に圧縮応力が生じる。従って、端子曲げ部4は、リードフォーミング金型による曲げ加工によって変形するため、図1に示されたパッケージ1の長手方向、つまり隣の端子3に向かって、リードフォーミング金型により曲げ加工される前の幅より大きくなる。
しかしながら、図4の矢印が示すように、隣り合う端子3において、端子曲げ部4における空間絶縁距離は、端子3のパッケージ1側における空間絶縁距離以上となっている。
この理由は、リードフォーミング前の形状である図10に示すように、端子曲げ部4の幅を端子3のパッケージ1に接している幅より小さい形状とすることにより、リードフォーミング後、隣の端子3に向かって変形する端子曲げ部4においても、隣の端子3の端子曲げ部4に対し空間絶縁距離を確保することができる。なお制御基板に実装する端子3の先端の幅は、端子曲げ部4の幅より小さい。
このように隣り合う端子3の間において、絶縁性を確保できる。また端子3においてパッケージ1側の幅は大きく剛性があるので、複数ある端子3の先端位置の配置がずれることはない。従って、電力半導体装置から制御基板への実装が容易に可能となる。
次に、電力半導体装置の製造方法について説明する。
電力半導体装置の製造方法に関するフローチャートを図5に示す。
はじめに、図6に示すようなトランスファーモールドにより封止され、リードフレーム2を用いたパッケージ1を準備する(S101)。リードフレーム2の中に、端子3、タイバー5が含まれている。従って、リードフレーム2の厚みは、0.3~1.0mmである。図示は省略しているが、トランスファーモールド時に生じたレジンをカットし除去したものである。
次に、図6の範囲Bを抜き出して拡大した平面図である図7に示すように、タイバーカット金型6により、せん断加工し、タイバー5を切断し除去する(S102)。タイバーカット後の平面図を図8に示す。その後、図8に示す端子3を含むリードフレーム2をめっきする(S103)。めっきは、Snを主成分としためっきである。めっき後、リードカット金型を用いて、せん断加工により、リードフレーム2のリードをカットし除去する(S104)。リードカット後の平面図を図9に示す。また図9の範囲Cを抜き出した拡大平面図を図10に示す。
このように、隣り合う端子3において、端子曲げ部4の幅が制御基板に実装する端子3の先端の幅より大きく、端子3のパッケージ1に接している幅より小さいので、リードフォーミング前の端子曲げ部4における空間絶縁距離は、端子3のパッケージ1側における空間絶縁距離より大きい。図9の状態からリードフォーミング金型により、端子3は折り曲げられ、図1に示す端子3を有する電力半導体装置を得ることができる(S105)。
図9に示す端子3をリードフォーミングすると、端子曲げ部4に対する圧縮応力により隣の端子方向に変形するが、隣り合う端子3の端子曲げ部4における空間絶縁距離は、端子3のパッケージ1側における空間絶縁距離以上となる。
従って、隣り合う端子3の間において空間絶縁距離を確保することができるので、異極である隣の端子3との絶縁性を確保することができる。また端子3の幅は、制御基板に実装される先端部よりもパッケージ1側の方を大きくしているため(1.5~4倍)、剛性を確保できる。つまりリードカット後においても端子3の変形、湾曲を抑制することができる。よって、制御基板への挿入、実装を容易にすることができる。
また電力半導体装置は、省エネ化を実現可能とするので、産業用途をはじめ、使用用途が拡大しており、電流は数Aクラスから20~75Aクラス、素子耐圧は600Vクラスから1200Vクラスへと高出力化している。しかしながら、電力半導体装置を用いたシステムのサイズ制約、同一の制御回路への実装を求められている関係上、パッケージ1のサイズに加えて、端子3の配置を変更するのは難しい。
ところが、本発明の電力半導体装置及びその製造方法を用いることにより、高出力仕様をはじめとした各仕様に対応することができるため、パッケージ1の端子3の配置を変更することなく、共通化されたパッケージ1及び端子3にて対応することができる。例えば、隣り合う端子3の間の空間絶縁距離が不足すれば、リードフレーム2の形状、高価なモールド金型の変更をする必要なく、タイバー金型6の調整のみにより、不足している空間絶縁距離に応じてタイバー5をカットし、リードフォーミング加工にて端子曲げし、隣り合う端子3の間において必要な空間絶縁距離を確保することができる。
実施の形態1では、半導体素子が封止され、リードフレーム2を有したパッケージ1において、パッケージ1に接している端子3の幅より小さい幅となるようにタイバーをカットし、めっき、リードカット、リードフォーミングを経て、パッケージの側面から露出し、折り曲がった端子曲げ部4の幅は、パッケージ1に接している端子3の幅以下となる。
以上のような構成としたことにより、隣り合う端子3の間の空間絶縁距離を確保することができ、隣り合う端子3の間において絶縁性を確保することができる。さらに端子3のパッケージ1側の幅は大きく剛性を確保しているので、端子3を変形、湾曲することはない。よって、制御基板への実装性を容易にすることができる。
また電力半導体装置の仕様に応じて、パッケージ1、端子3の位置を変更することなく、タイバーカット金型6の調整により、隣り合う端子3の間において必要な空間絶縁距離を確保することができる。また同一制御基板への実装を可能とする。
端子3の形状は全て同一である必要はなく、電力半導体装置の平面を示す図1の紙面下側の端子のように隣り合う端子3の間の距離が十分にあり、リードフォーミング後、隣り合う端子3の端子曲げ部4の空間絶縁距離が十分に確保できる場合は、図10に示すような段々形状となっている端子3のような形状にする必要はなく、図10に示す端子曲げ部4の幅は端子3のパッケージと接している幅と同一のストレート形状でもかまわない。つまりリードフォーミング後、隣り合う端子曲げ部4において、電力半導体装置の仕様に応じて必要な空間絶縁距離を確保し、端子3の間において絶縁性を確保できればよい。
また本発明は、制御基板のスルーホールに挿入し実装する電力半導体装置だけでなく、制御基板に面実装する電力半導体装置にも適用することができる。リードフォーミング後の形状が異なるのみである。
実施の形態2.
図11は、実施の形態2にかかる電力半導体装置を示す平面図、図12は、実施の形態2にかかる電力半導体装置を示す側面図である。なお本実施の形態における電力半導体装置及びその製造方法は、多くの構成が実施の形態1と共通する。このため、実施の形態1における電力半導体装置及びその製造方法と異なる点について説明するとともに、同一または対応する構成については同じ符号を付けて示し、その説明を省略する。実施の形態1とは、図13、図15~図17に示すように端子3の端子曲げ4のパッケージ1側において、隣り合う端子3側に凹みを設けた構成が相違している。
図13は、図11において破線で囲まれた範囲Dを拡大した平面図である。実施の形態1同様に、隣り合う端子3において、端子曲げ部4における空間絶縁距離は、端子3のパッケージ1側の空間絶縁距離以上となっている。
タイバーカット金型6の使用頻度により、金型の摩耗、金型角部の鈍化、クリアランスなどの影響により、タイバーカット工程にてヒゲ状のバリが発生する場合がある。
そこで、図14の破線で囲まれた範囲Eを拡大した平面図である図15に示すように、タイバー5からパッケージ1側において、端子3の幅方向に対し両側に凹状の切り欠けを設ける。なお凹部の端子3幅は、端子3の先端幅より大きい。従って、端子3の剛性は確保可能である。
このようにタイバーカット金型6の角部がタイバー5に接しない状態で、タイバーカットする。こうすることにより、タイバーカット工程にて、バリの発生を抑制することができる。また高価なタイバーカット金型6の使用寿命を向上することができる。タイバーカット後の平面図を図16に示す。
次に、リードフレーム2をリードカットし(図17)、リードフォーミングにより、図11及び図12に示すような電力半導体を得ることができる。
図17に示すように、端子曲げ部4の幅は、端子3のパッケージに接している幅より小さい形状とすることで、リードフォーミング後、端子曲げ部4における空間絶縁距離を確保することができる。なお制御基板に実装する端子3の先端の幅は、端子曲げ部4の幅より小さい。
実施の形態2においても、半導体素子が封止され、リードフレーム2を有したパッケージ1において、パッケージ1に接している端子3の幅より小さい幅となるようにタイバー5をタイバーカット金型6に負担をかけずカットし、めっき、リードカット、リードフォーミングを経て、パッケージ1の側面から露出し、折り曲がっている端子3の端子曲げ部4の幅は、パッケージ1に接している端子3の幅以下となる。以上のような構成としたことにより、隣り合う端子3の間の空間絶縁距離を確保することができ、隣り合う端子3の間において絶縁性を確保することができる。さらに端子3のパッケージ1側の幅は大きく剛性を確保しているので、端子3を変形、湾曲することなく、制御基板への実装性を容易にすることができる。
また電力半導体装置の仕様に応じて、パッケージ1、端子3の位置を変更することなく、タイバーカット金型6の調整により、隣り合う端子3の間の空間絶縁距離を確保することができる。また同一制御基板への実装を可能とする。
またタイバーカット工程で発生するバリを抑制することができ、隣り合う端子3の間の空間絶縁距離を確保することができる。またタイバーカット金型の使用寿命を向上させることができる。
実施の形態3.
図18は、実施の形態3にかかる電力半導体装置を示す平面図、図19は、実施の形態3にかかる電力半導体装置を示す側面図である。なお本実施の形態における電力半導体装置及びその製造方法は、多くの構成が実施の形態1と共通する。このため、実施の形態1における電力半導体装置及びその製造方法と異なる点について説明するとともに、同一または対応する構成については同じ符号を付けて示し、その説明を省略する。実施の形態1とは、図18、図20~図23に示すように端子3の端子曲げ部4の内側に、コイニング7による溝を設けた構成が相違している。
図18に示すように、実施の形態1同様、隣り合う端子3において、端子曲げ部4における空間絶縁距離は、端子3のパッケージ1側の空間絶縁距離以上となっている。
コイニング7を行ったリードフレームを有したパッケージ1を図20に示す。リードフォーミング工程にて端子曲げ部4に該当するタイバー5において、リードフレーム2の厚さに対し20%程の深さの溝形状が設けられている。コイニング7は、プレス加工し凹ませているので、生産性に優れている。
次に、実施の形態1のように、タイバーカットし(図21、図22)、めっき、リードフレーム2のリードをカットし除去し(図23)、リードフォーミングすることにより、図18及び図19に示すような電力半導体装置を得ることができる。
リードフレーム2はコイニング7されているため、リードフォーミング工程では、端子3を精度よく折り曲げやすくなるため、隣り合う端子3の間の空間絶縁距離を狙い通り確保することができる。また制御基板への実装においても、精度よい曲げ加工により、端子3の先端位置の配置がずれることを抑制でき、容易に実装することができる。
実施の形態3においても、半導体素子が封止され、リードフレーム2を有したパッケージ1において、パッケージ1に接している端子3の幅より小さい幅となるようにタイバー5をカットし、めっき、リードカット、容易に精度よくリードフォーミングを行うことができる。パッケージ1の側面から露出し、折り曲がっている端子3の幅は、パッケージ1に接している端子3の幅以下となる。以上のような構成としたことにより、隣り合う端子3の間の空間絶縁距離を確保することができ、隣り合う端子3の間において絶縁性を確保することができる。さらに端子3のパッケージ1側の幅は大きく剛性を確保しているので、端子3を変形、湾曲することなく、制御基板への実装性を容易にすることができる。
また電力半導体装置の仕様に応じて、パッケージ1、端子3の位置を変更することなく、タイバーカット金型6の調整により、隣り合う端子3の間の空間絶縁距離を確保することができる。また同一制御基板への実装を可能とする。
なおコイング7は、リードフレームの片面だけでなく、両面に行ってもよい。
実施の形態4.
図24は、実施の形態4にかかる電力半導体装置を示す平面図、図25は、実施の形態4にかかる電力半導体装置を示す側面図である。なお本実施の形態における電力半導体装置及びその製造方法は、多くの構成が実施の形態1と共通する。このため、実施の形態1における電力半導体装置及びその製造方法と異なる点について説明するとともに、同一または対応する構成については同じ符号を付けて示し、その説明を省略する。実施の形態1とは、図24~図28、図30に示すように、対向した側に異なった厚さを用いた端子3を設けた構成が相違している。
図24に示すように、実施の形態1同様、隣り合う端子3において、端子曲げ部4における空間絶縁距離は、端子3のパッケージ1側の空間絶縁距離以上となっている。
図26に封止後のリードフレーム有した電力半導体装置の平面図を示し、図27にその側面図を示す。図26及び図27に示すように、リードフレーム2が対向するように厚みが異なっている。実施の形態1同様に、タイバーカットし(図28)、めっき、リードカットを行う(図29及び図30)。従って、図25に示すように、端子3の厚みは異なっている。端子3の厚みは、0.3~1.0mmであり、対向するもう一方の端子3の厚みは、1.5倍程度となる。電流が高出力化する電力半導体装置に対応することができる。
また電力半導体装置の仕様に対応し、例えば、MOSFET、IGBT等の半導体素子から接続された端子3であれば、流れる電流値が大きくなるので、端子3の厚みは大きくなる。一方、IC等の半導体素子から接続された端子3であれば、流れる電流値が小さいので、端子3の厚みは小さくてよい。このように電流値に応じることにより、電力半導体装置の軽量化を図ることができる。
実施の形態4においても、半導体素子が封止された、リードフレーム2を有したパッケージ1において、パッケージ1に接している端子3の幅より小さい幅となるようにタイバー5をカットし、めっき、リードカット、リードフォーミングを行う。パッケージの側面から露出し、折り曲がっている端子3の幅は、パッケージ1に接している端子3の幅以下となる。以上のような構成としたことにより、隣り合う端子3の間の空間絶縁距離を確保することができ、隣り合う端子3の間において絶縁性を確保することができる。さらに端子3のパッケージ1側の幅は大きく剛性を確保しているので、端子3を変形、湾曲することなく、制御基板への実装性を容易にすることができる。
また電力半導体装置の仕様に応じて、パッケージ1、端子3の位置を変更することなく、タイバーカット金型6の調整 により、隣り合う端子3の間の空間絶縁距離を確保することができる。また同一制御基板への実装を可能とする。
なお本発明は、発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせることや、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
1 パッケージ
2 リードフレーム
3 端子
4 端子曲げ部
5 タイバー
6 タイバーカット金型
7 コイニング
本発明にかかる電力半導体装置は、半導体素子封止たパッケージと、パッケージの側面から露出し、折り曲がっている端子と、端子の折り曲がった部分であり、幅は端子の先端幅より大き端子曲げ部とを備え、端子曲げ部よりパッケージから遠い部分の端子の幅は端子曲げ部の幅より小さく、端子の端子曲げ部のパッケージ側において、隣り合う端子側方向に凹みがあり、凹みがある端子の幅は、端子の先端幅より大きく、パッケージに接している端子幅より小さい幅を備える。
また、本発明にかかる電力半導体装置の製造方法は、封止されたリードフレームを有するパッケージにおいて、端子の曲げ部の幅が、端子の曲げ部より先端側の部分の幅より大きくなり、端子の端子曲げ部のパッケージ側において、隣り合う端子側方向に凹みがあり、凹みがある端子の幅は、端子の先端幅より大きく、パッケージに接している端子幅より小さい幅となるようにタイバーカット金型がリードフレームのタイバーをカットし除去する工程と、めっき装置が端子をめっきする工程と、リードカット金型がリードフレームのリードをカットし除去する工程と、リードフォーミング金型が曲げ部で端子を折り曲げる工程とを備えた電力半導体装置の製造方法である。

Claims (6)

  1. リードフレーム上に搭載された半導体素子を封止したパッケージと、
    前記パッケージの側面から露出し、折り曲がっている複数の端子と、
    前記端子の折り曲がった部分であり、幅は前記端子の先端幅より大きく、前記パッケージに接している前記端子の幅以下である端子曲げ部と、
    を備えた電力半導体装置。
  2. 隣り合う前記端子の前記端子曲げ部間における空間絶縁距離は、前記パッケージに接している前記端子の空間絶縁距離より大きい距離を備えた請求項1記載の電力半導体装置。
  3. 前記端子の前記端子曲げ部のパッケージ側において、隣り合う端子側方向に凹みがあり、前記凹みがある前記端子の幅は、前記端子の先端幅より大きく、前記パッケージに接している端子幅より小さい幅を備えた請求項1または請求項2に記載の電力半導体装置。
  4. 前記端子の前記端子曲げ部にコイニング処理された溝を備えた請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の電力半導体装置。
  5. 前記端子は、対向した向きで異なった厚みを備えた請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の電力半導体装置。
  6. 封止されたリードフレームを有するパッケージにおいて、前記パッケージに接している端子の幅より小さい幅となるようにタイバーカット金型が前記リードフレームのタイバーをカットし除去する工程と、
    めっき装置が前記端子をめっきする工程と、
    リードカット金型が前記リードフレームのリードをカットし除去する工程と、
    リードフォーミング金型が前記端子を折り曲げる工程と、
    を備えた電力半導体装置の製造方法。
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