JP3846699B2 - Semiconductor power module and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor power module and a manufacturing method therefor in which heat radiation is improved, costs are reduced and electric insulation characteristics are satisfactory. SOLUTION: In the semiconductor power module, a lead frame 4 comprising a wiring pattern and an external terminal is fixed through an adhesive resin layer 3 onto an insulating resin layer 2. Besides, a metal insulating board, the adhesive resin layer 3 and the lead frame 4 previously packaging an element 6 are laminated and molded with resins while being pressurized and heated in such a state that the lead frame can be fixed through the adhesive resin layer 3 onto the insulating resin layer 2 in resin-molding. Further, the metal insulating board of a large area is manufactured by forming the adhesive resin layer 3 on the metal insulating board beforehand, and a punching process for an adhesive sheet in forming the adhesive resin layer 3 is not required.

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体パワーモジュールおよびその製造方法に関し、より詳細には、放熱性に優れ、低コストで、かつ、電気絶縁特性が良好な半導体パワーモジュールおよびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体パワーモジュールは、回路基板上に半導体素子等の電子部品を実装して構成されるものであり、回路基板には、従来より、セラミック等の絶縁性基板に比較して放熱性の高い金属ベース基板が多用されてきた。この金属ベース基板は、銅板やアルミニウム板等の金属板の上に、エポキシ樹脂からなる絶縁層と回路パターニングを施した銅箔とを積層させて構成されている。
【0003】
図6は、従来の一般的な半導体パワーモジュールの製造工程を説明するためのフローチャートで、先ず、金属ベース基板の銅箔上に回路パターニングを施す(S601)。次に、銅チップ等で構成した発熱拡散用のヒートスプレッダを準備し(S602)、金属ベース基板上にヒートスプレッダを半田付けする(S603)。更に、半導体素子を別途準備し(S604)、ヒートスプレッダを半田付けした金属ベース基板上にこの半導体素子を半田付けする(S605)。
【0004】
半田付けが終了した金属ベース基板上に残存している半田フラックスは洗浄により除去され(S606)、アルミ製ワイヤー等がボンディングされる(S607)。次に、樹脂製の外部端子つきのケース枠を準備し(S608)、これを金属ベース基板の周囲を囲むように嵌め込んでケース枠の底部と金属ベース基板の全周囲とを接着剤で固着し(S609)、更に、ケース枠の端子部分を金属ベース基板上の銅箔パターンの所定の位置に半田付けし(S610)、その後、洗浄を施し(S611)、シリコーンゲルやエポキシ樹脂などの封止樹脂を準備して(S612)、これを金属ベース基板とケース枠で囲まれた部分に注入し(S613)、硬化させる(S614)。このようにして、金属ベース基板上に半導体素子が実装された、ケース枠付きの半導体パワーモジュールが作製される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、昨今の半導体パワーモジュールには、製造コストを低減させ、かつ、半導体素子と放熱フィンとの間の熱抵抗を低減させることが要求されている。
【0006】
このうち、製造コストの低減のためには、半導体パワーモジュールの構成部品数を減らして製造方法を簡略化することが必要とされるものの、従来型の半導体パワーモジュールでは、金属ベース基板と樹脂製ケース枠を必須の構成要素とするために、銅箔をエッチングして回路パターンを形成したり、外部素子との接続用に予め端子を付属させたケース枠を必要とされることから、コストの低減には限界があった。
【0007】
また、電気的絶縁不良の原因となるボイドやクラックの発生を防止するためには、ケース枠に封止樹脂を充填しそれを硬化させる工程が必要とされるため、製造に要する時間が長くなり、スループットが低下して製造コストを上昇させる原因となっていた。
【0008】
半導体パワーモジュールの製造コストの低減のために、トランスファー成型などの成型方法を採用して、高価な金属ベース基板やケース枠を不要とした構成の低コストの半導体パワーモジュールや、特開平9−139461号公報に記載された発明のように、リードフレームとヒートシンクとの間に絶縁性を有する封止樹脂を充填させて、リードフレームとヒートシンクの間の電気的絶縁を図りつつこれらを相互に連結させて樹脂封止した半導体パワーデバイスも考案されているものの、特開平9−139461号公報に記載された半導体パワーモジュールでは、リードフレームとヒートシンクとの間の絶縁層が封止樹脂により形成されているため、絶縁層形成後の厚み精度が低く、また、封止能力を担保する必要から絶縁層厚を充分に薄くすることも困難であり、絶縁層の放熱性を向上させてリードフレームとヒートシンクとの間の熱抵抗を低減させるという要請に対応した特性を備える半導体パワーモジュールが得られない。
【0009】
パワーモジュールに備えられた半導体素子により発生した熱は、その大半が、素子をマウントした銅箔またはリードフレームへと伝熱された後、さらに、絶縁層、金属板(ヒートシンク)を伝熱経路として伝熱結合した放熱フィンに達して周囲へと放熱される。この場合、上述の伝熱経路の熱抵抗が大きいと半導体素子の温度が上昇し、素子特性を劣化させてしまうことになるため、半導体パワーモジュールの電流容量の増大化やモジュールの小型化に伴い、伝熱経路の熱抵抗を低減させることが益々重要となる。
【0010】
このような技術上の問題を解決するために、特開2001−196495号公報において、ヒートシンクである金属板上にリードフレームを絶縁層を介して設けた構成の樹脂モールド用回路基板の発明が開示されている。しかし、ここで用いられている絶縁層は、金属板とリードフレームとを接着しながらも電気絶縁性と熱伝導性に富む材料であることが要求され、絶縁層として利用可能な材料の選択に制約がある。更に、この絶縁層は、金属板上に無機粉体を含有させたエポキシ樹脂等を塗布したり、Bステージ状態の絶縁シートをプレス圧着したりすることにより形成されるため、形成後に得られる絶縁層の膜厚の均一性を充分に担保することが困難であり、その結果、絶縁層内での熱抵抗値が不均一になってしまうといった問題があった。
【0011】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、低コストで、放熱性および絶縁特性に優れ、かつ、これらの特性が面内で均一な半導体パワーモジュールおよびその製造方法を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、半導体パワーモジュール用回路基板であって、板状金属のヒートシンクの一方の主面に、熱伝導率が1.0〜7.5W/(m・K)であり、厚さが50〜150μmである絶縁樹脂層を備えて構成した金属絶縁板と、該金属絶縁板の前記絶縁樹脂層上に設けられたリードフレームとからなり、前記リードフレームは段差状の屈曲部を有し、前記屈曲部は前記ヒートシンクの主面の端部から2mm以上内側に位置し、かつ、前記ヒートシンク端部での前記リードフレームの浮き上がり寸法が1mm以上となるように屈曲し、前記金属絶縁板と前記リードフレームとが、厚さが10〜50μmである接着樹脂層を介してプレス接着されていることを特徴とする。
【0013】
また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の半導体パワーモジュール用回路基板において、前記絶縁樹脂層が、酸化珪素、酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、および、窒化ホウ素のうちの少なくとも1種類以上のフィラーを含有するエポキシ樹脂からなることを特徴とする。
【0017】
また、請求項に記載の発明は、半導体パワーモジュールであって、請求項1又は2に記載の半導体パワーモジュール用回路基板と、該回路基板に備えられた前記リードフレーム上に半田付けされた半導体素子と、該半導体素子と前記リードフレームとを電気的に接続するためのボンディングワイヤとを備え、前記リードフレームの外端部および前記ヒートシンクの他方の主面以外の部分がモールド用樹脂でモールドされていることを特徴とする。
【0018】
また、請求項に記載の発明は、請求項に記載の半導体パワーモジュールにおいて、前記モールド用樹脂の熱膨張率が、前記ヒートシンクの熱膨張率の60〜110%であることを特徴とする。
【0019】
また、請求項に記載の発明は、半導体パワーモジュールの製造方法であって、板状金属のヒートシンクの一方の主面に、熱伝導率が1.0〜7.5W/(m・K)であり、厚さが50〜150μmである絶縁樹脂層を設けて金属絶縁板を形成するステップと、前記絶縁樹脂層上の所望の場所に厚さが10〜50μmである接着シートを載置するステップと、前記絶縁樹脂上に前記接着シートを載置した状態で前記金属絶縁板をプレス積層するステップと、段差状の屈曲部を有するリードフレーム上の所望の位置に半導体素子を半田付けするステップと、前記接着シート上に、前記半導体素子を半田付けした前記リードフレームを、前記屈曲部が前記ヒートシンクの主面の端部から2mm以上内側に位置し、かつ、前記ヒートシンク端部での前記リードフレームの浮き上がり寸法が1mm以上となるように載置するステップと、前記リードフレーム上に半田付けした前記半導体素子を、前記リードフレームの所望の位置にワイヤボンディングするステップと、前記金属絶縁板と、前記接着シートと、前記リードフレームとを積層させた状態で樹脂モールドするステップとからなり、前記接着シートを介して前記リードフレームを前記絶縁樹脂層上にプレス接着させることを特徴とする。
【0021】
また、請求項に記載の発明は、請求項5に記載の半導体パワーモジュールの製造方法において、前記半田付けは、前記リードフレーム上の所望の位置にフラックスを含まない板半田を載置し、該板半田上に前記半導体素子を配置させ、還元雰囲気中の所定温度下で前記半導体素子を前記リードフレーム上に固着させ、前記半田付け後の洗浄なしに前記ワイヤボンディングをおこなうことを特徴とする。
【0022】
更に、請求項に記載の発明は、請求項5に記載の半導体パワーモジュールの製造方法において、前記半田付けは、予め前記リードフレーム上の所望の位置にエポキシ樹脂を主成分とするフラックス入りの半田を塗工し、該半田の塗工箇所に前記半導体素子を配置させ、還元雰囲気中の所定温度下で前記半導体素子を前記リードフレーム上に固着させ、前記半田付け後の洗浄なしに前記ワイヤボンディングをおこなうことを特徴とする。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
【0024】
〔実施例1〕
図1は、本発明の半導体パワーモジュールの構成例を説明するための図で、金属のヒートシンク1の上に絶縁樹脂層2を設けた金属絶縁板と、接着樹脂層3を介して絶縁樹脂層2上に固着されたリードフレーム4と、リードフレーム4上に半田5で固着された半導体の素子5と、素子5の上面電極とリードフレーム4の所定位置とを導通させるためのボンディングワイヤー7と、これらをモールドするモールド樹脂8とから構成されている。
【0025】
ここで、絶縁樹脂層2は、ヒートシンク1とリードフレーム4とを電気的に絶縁し、かつ、良好な熱伝導を得る役割を果たすためのもので、その熱伝導率は、1.0〜7.5W/(m・K)の範囲とすることが好ましい。これは、熱伝導度を1.0W/(m・K)以下とすると、その放熱性の低さから定格容量が大きく制限され、600V・20A定格でのチップの使用が困難となるからであり、7.5W/(m・K)以上とすると、特殊なフィラーを大量に用いて絶縁層を形成する必要が生じるために絶縁層の信頼性が低下し、その結果、定格電圧が制約されて600V耐圧のチップが使用できなくなる可能性があるためである。なお、600V・20A定格でのより安定したチップの使用、若しくはそれ以上の定格値での使用のためには、熱伝導度を1.8〜5.0W/(m・K)の範囲とすることがより好ましい。
【0026】
この構造の半導体パワーモジュールでは、ヒートシンク1の下面とリードフレーム4の外部端子部分の一部を除くモジュール全体が、モールド樹脂8によってモールドされているため、ケース枠や、回路をパターニングした金属ベース基板などの高価な部材を必要としない。また、比較的長時間を必要とする封止樹脂の充填・硬化工程も不用である。このため製造コストを大幅に削減することが可能となるとともに、薄い絶縁樹脂層2を高い精度で形成することが可能なため、放熱性にも優れるという利点がある。
【0027】
〔実施例2〕
図2は、本発明の半導体パワーモジュールの第1の製造工程例を説明するためのフローチャートで、先ず、絶縁樹脂層として酸化珪素フィラーを分散させたエポキシ樹脂をシート成型した後にヒートシンクとなる厚さ2mmのアルミニウム板の上にプレス積層させて、絶縁樹脂層厚が80μmの金属絶縁板を作製する(S201)。
【0028】
次に、この金属絶縁板を40×100mmの大きさに打抜き加工し、その上に、40×100mmの酸化珪素フィラーを分散させたBステージのエポキシ樹脂からなる接着シートを重ね(S202)、更に、所定の回路パターン形状に加工したリードフレームを載せる(S203)。この状態で、加熱プレス成形機中で加圧4MPa、温度180℃の条件下で30分保持してプレス接着する(S204)。なお、このときの接着樹脂層厚は20μmとする。
【0029】
このようにして作製した回路基板の所定の位置に、フラックス入りのクリーム半田をディスペンサーで塗工し、その上に半導体素子を並べ(S205)、リフロー炉中で、220℃で10分間の半田付けを行ない(S206)、その後、不要なフラックスを洗浄し(S207)、φ0.3mmのアルミニウムワイヤーを用いてワイヤーボンディングして素子を実装(S208)した後、別途、モールド樹脂を準備し(S209)、トランスファー成型機を使って175℃で120分間のトランスファ成型を行って樹脂モールドする(S210)。
【0030】
このようにして作製した半導体パワーモジュールを用いたインバータ回路について、動作試験、および、−40〜150℃で1000回のヒートサイクル試験を行ったところ、半導体パワーモジュールとしての特性を充分に満足していることが確認された。
【0031】
ここで、インバータ回路の動作試験条件は、IGBTチップおよびFWDチップの各々6チップと、シャント抵抗1つを搭載させた600V・20A定格のモジュールにおいて、120%印加で30分の運転を行なったものであり、その合否の判定は、別の制御回路により、3相のアウトプットの電流・電圧が安定して取り出され、暴走や短絡がなく、かつ、運転時間中一定であるか否かで判断した。
【0032】
従って、絶縁樹脂層の熱伝導率を、1.0〜7.5W/(m・K)の範囲とすることで実用上充分な特性を有する半導体パワーモジュールが得られることが分る。
【0033】
なお、絶縁樹脂層の樹脂を、エポキシ樹脂に替えて、ポリイミド樹脂やフッ素樹脂としても同様の特性の半導体パワーモジュールが得られた。
【0034】
〔実施例3〕
絶縁樹脂層に含まれるフィラーは、絶縁樹脂層の電気絶縁性や熱伝導性、更には、損失とノイズの誘導にかかわる誘電率等にも関係するため、半導体パワーモジュールにおける特に重要な構成要素である。
【0035】
そこで、各種の材質のフィラーを分散させたエポキシ樹脂をシート成型して絶縁樹脂層を形成し、半導体パワーモジュールを作製した。なお、絶縁樹脂層のエポキシ樹脂に含有されるフィラーの材質以外は、実施例2で説明したのと同様の製造工程により作製した。
【0036】
その結果、酸化珪素、酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、またはそれらの混合物を含有したエポキシ樹脂からなる絶縁樹脂層を備える半導体パワーモジュールにおいて、インバータ回路での動作試験、および、−40〜150℃で1000回のヒートサイクル試験ともに充分に満足できる結果を得ることができた。
【0037】
ここで、インバータ回路の動作試験条件は、IGBTチップおよびFWDチップの各々6チップと、シャント抵抗1つを搭載させた600V・20A定格のモジュールにおいて、120%印加で30分の運転を行なったものであり、その合否の判定は、別の制御回路により、3相のアウトプットの電流・電圧が安定して取り出され、暴走や短絡がなく、かつ、運転時間中一定であるか否かで判断した。
【0038】
〔実施例4〕
本発明の半導体パワーモジュールへの、絶縁樹脂層および接着樹脂層の厚みの影響を検討した。なお、絶縁樹脂層、接着樹脂層の厚さ以外は、実施例2で説明したものと同様の製造工程により作製した。
【0039】
表1は、絶縁樹脂層厚を25〜200μm、接着樹脂層厚を5〜100μmの範囲で変化させて作製した半導体パワーモジュールの特性を纏めたものである。
【0040】
【表1】

Figure 0003846699
【0041】
この表から分るように、絶縁樹脂層の厚さが50〜150μmで、かつ、接着樹脂層の厚さが10〜50μmの半導体パワーモジュールにおいて、インバータ回路での動作試験、および、−40〜150℃で1000回のヒートサイクル試験ともに充分に満足できる結果を得ることができた。
【0042】
ここで、インバータ回路の動作試験条件は、IGBTチップおよびFWDチップの各々6チップとシャント抵抗1つを搭載させた600V・20A定格のモジュールにおいて、120%印加で30分の運転を行なったものであり、その合否の判定は、別の制御回路により、3相のアウトプットの電流・電圧が安定して取り出され、暴走や短絡がなく、かつ、運転時間中一定であるか否かで判断した。
【0043】
〔実施例5〕
本発明の半導体パワーモジュールに備えるリードフレームの形状を検討した。なお、リードフレームの形状以外は、実施例2において説明したものと同様の製造工程により作製した。
【0044】
図3は、本発明の半導体パワーモジュールに備えるリードフレームの形状を説明するための図で、図1に示した構造の半導体パワーモジュールの外部端子部分近傍の様子を示しており、金属のヒートシンク31の上に絶縁樹脂層32を設けた金属絶縁板と、接着樹脂層33を介して絶縁樹脂層32上に固着されたリードフレーム34と、リードフレーム34上に半田35で固着された図示しない半導体素子とがモールド樹脂36で封止されている。
【0045】
リードフレーム34は、ヒートシンク31の主面の端部から距離aの位置に段差状の屈曲部分を有し、これにより、リードフレーム34の一部は接着樹脂層33から距離bだけ離隔し、この状態でモールド樹脂36の外部へと突出している。なお、距離bは、ヒートシンク端部でのリードフレームの浮き上がり寸法のことである。
【0046】
表2は、距離aおよび距離bをパラメータとする様々な形状のリードフレーム34を備えた、本発明の半導体パワーモジュールの特性を纏めたものである。
【0047】
【表2】
Figure 0003846699
【0048】
この表から分るように、リードフレーム34の屈曲部分の位置を、ヒートシンク31の主面の端部から2mm以上とし、かつ、ヒートシンク端部でのリードフレームの浮き上がり寸法を1mm以上とすることで、リードフレーム34の加工不良や半導体パワーモジュールの電気絶縁不良をなくすことができた。
【0049】
〔実施例6〕
本発明の半導体パワーモジュールを構成するモールド樹脂およびヒートシンク部材が、半導体パワーモジュールの特性に及ぼす効果について検討した。
【0050】
表3は、熱膨張率の異なるモールド樹脂およびヒートシンク部材を用いて本発明の半導体パワーモジュールを構成し、これらの材料間の熱膨張率差に起因する樹脂層の応力破壊によってモジュール不良が発生するか否かテストした結果を纏めたものである。なお、モールド樹脂とヒートシンク部材以外は、実施例2において説明したものと同様の製造工程により作製した。
【0051】
【表3】
Figure 0003846699
【0052】
この表から分かるように、モールド樹脂の熱膨張率がヒートシンク材の熱膨張率の60〜110%となるように材料を選択すれば、成型後の割れやヒートサイクル試験後の不良は生じておらず、更に、インバータ回路での動作試験、および、−40〜150℃で1000回のヒートサイクル試験ともに充分に満足できる結果を得ることができた。
【0053】
ここで、インバータ回路の動作試験条件は、IGBTチップおよびFWDチップの各々6チップとシャント抵抗1つを搭載させた600V・20A定格のモジュールにおいて、120%印加で30分の運転を行なったものであり、その合否の判定は、別の制御回路により、3相のアウトプットの電流・電圧が安定して取り出され、暴走や短絡がなく、かつ、運転時間中一定であるか否かで判断した。
【0054】
〔実施例7〕
図4は、本発明の半導体パワーモジュールの第2の製造工程例を説明するためのフローチャートで、先ず、酸化珪素フィラーを分散させたエポキシ樹脂をシート成型して1000×1000×2mmのアルミニウム板上にプレス積層し、絶縁樹脂層厚が80μmの金属絶縁板を作製して、40×100mmの面積に打ち抜き加工する(S401)。また、酸化珪素フィラーを分散させたBステージのエポキシ樹脂からなる接着シートも40×100mmの面積に打ち抜く(S402)。
【0055】
別途、所定の回路パターンに加工したリードフレームを準備し(S403)、回路基板の所定の位置にフラックス入りのクリーム半田をディスペンサーで塗工してその上に半導体素子を並べ(S404)、220℃のリフロー炉で10分間の半田付けを行なう(S405)。その後、不要なフラックスを洗浄し(S406)、φ0.3mmのアルミニウムワイヤーを所定位置にワイヤーボンディングし(S407)て実装する。
【0056】
更に、モールド樹脂を準備し(S408)、金属絶縁板上に接着シートおよび実装したリードフレームを積層させてトランスファー成型金型中にセットし、トランスファー成型機を用いて、リードフレームを押え込みながら175℃で120分の条件でトランスファ成型を実行する(S409)。なお、このトランスファ成型工程では、金属絶縁板上へのリードフレームの接着と樹脂モールドとを同時に実行する。
【0057】
このようにして作製した半導体パワーモジュールを用いて構成したインバータ回路の動作試験、および、−40〜150℃で1000回のヒートサイクル試験ともに充分に満足できる結果を得ることができた。
【0058】
ここで、インバータ回路の動作試験条件は、IGBTチップおよびFWDチップの各々6チップとシャント抵抗1つを搭載させた600V・20A定格のモジュールにおいて、120%印加で30分の運転を行なったものであり、その合否判定は、別の制御回路により、3相のアウトプットの電流・電圧が安定して取り出され、暴走や短絡がなく、かつ、運転時間中一定であるか否かで判断した。
【0059】
〔実施例8〕
図5は、本発明の半導体パワーモジュールの第3の製造工程を説明するためのフローチャートで、先ず、酸化珪素フィラーを分散させたエポキシ樹脂をシート成型し、1000×1000×2mmのアルミニウム板上にプレス積層して絶縁樹脂層厚が80μmの金属絶縁板を作製し、この金属絶縁板上に酸化珪素フィラーを分散させた未硬化のエポキシ樹脂からなる接着シートを重ねプレス成型し(S501)、この大面積の接着シート付き金属絶縁板を40×100mmに打抜き加工する(S502)。別途、所定の回路パターンに加工したリードフレームを準備し(S503)、回路基板の所定の位置にフラックス入りのクリーム半田をディスペンサーで塗工してその上に半導体素子を並べ(S504)、220℃のリフロー炉で10分間の半田付けを行なう(S505)。その後、不要なフラックスを洗浄し(S506)、φ0.3mmのアルミニウムワイヤーを所定位置にワイヤーボンディングし(S507)て実装する。
【0060】
次に、接着シート付き金属絶縁板上に素子を実装したリードフレームをトランスファー成型金型中に積層し(S508)、別途、モールド樹脂を準備し(S509)、金属絶縁板上に接着シートおよび実装したリードフレームを積層させてトランスファー成型金型中にセットし、トランスファー成型機を用いて、リードフレームを押え込みながら175℃で120分の条件でトランスファ成型を実行する(S510)。なお、このトランスファ成型工程では、金属絶縁板上へのリードフレームの接着と樹脂モールドとを同時に実行する。
【0061】
このようにして作製した半導体パワーモジュールを用いて構成したインバータ回路の動作試験、および、−40〜150℃で1000回のヒートサイクル試験ともに充分に満足できる結果を得ることができた。
【0062】
ここで、インバータ回路の動作試験条件は、IGBTチップおよびFWDチップの各々6チップとシャント抵抗1つを搭載させた600V・20A定格のモジュールにおいて、120%印加で30分の運転を行なったものであり、その合否判定は、別の制御回路により、3相のアウトプットの電流・電圧が安定して取り出され、暴走や短絡がなく、かつ、運転時間中一定であるか否かで判断した。
【0063】
〔実施例9〕
実施例2で説明したのと同様の工程で作製した、リードフレームを接着した金属絶縁板の所定の位置に、所定の形状に打抜いた、フラックスを含まない半田シートおよび半導体素子を並べ、水素と窒素の混合ガスの還元雰囲気でパージし、還元雰囲気の熱処理炉で275℃、10分保持して半田付けした。
【0064】
その後、洗浄を行なうことなく、φ0.3mmのアルミニウムワイヤーを所定位置にワイヤーボンディングし、最後にトランスファー成型機を使って175℃で120分の条件で、樹脂モールドした。
【0065】
このようにして作製した半導体パワーモジュールを用いて構成したインバータ回路の動作試験、および、−40〜150℃で1000回のヒートサイクル試験ともに充分に満足できる結果を得ることができた。
【0066】
ここで、インバータ回路の動作試験条件は、IGBTチップおよびFWDチップの各々6チップとシャント抵抗1つを搭載させた600V・20A定格のモジュールにおいて、120%印加で30分の運転を行なったものであり、その合否判定は、別の制御回路により、3相のアウトプットの電流・電圧が安定して取り出され、暴走や短絡がなく、かつ、運転時間中一定であるか否かで判断した。
【0067】
〔実施例10〕
実施例2において説明したのと同様の工程で作製した、リードフレームを接着した金属絶縁板の所定の位置に、エポキシ樹脂が主成分の半田フラックス入りの半田(アルファメタルズ社製AP4000)をディスペンサーで所定量分だけ塗布し、その上に半導体素子を並べ、220℃で10分間の条件でリフロー炉中で半田付けした。
【0068】
その後、洗浄を行なうことなく、φ0.3mmのアルミニウムワイヤーを所定位置にワイヤーボンディングし、最後にトランスファー成型機を使って175℃で120分の条件で樹脂モールドした。
【0069】
このようにして作製した半導体パワーモジュールを用いて構成したインバータ回路の動作試験、および、−40〜150℃で1000回のヒートサイクル試験ともに充分に満足できる結果を得ることができた。
【0070】
ここで、インバータ回路の動作試験条件は、IGBTチップおよびFWDチップの各々6チップとシャント抵抗1つを搭載させた600V・20A定格のモジュールにおいて、120%印加で30分の運転を行なったものであり、その合否判定は、別の制御回路により、3相のアウトプットの電流・電圧が安定して取り出され、暴走や短絡がなく、かつ、運転時間中一定であるか否かで判断した。
【0071】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明によれば、半導体パワーモジュールの配線パターンおよび外部端子を構成しているリードフレームを、接着樹脂層を介して絶縁樹脂層上に固着させる構成としたので、従来の半導体パワーモジュールに比較して、放熱性に優れ、製造コストが低く、かつ、絶縁特性が良好な半導体パワーモジュールおよびその製造方法を提供することが可能となる。
【0072】
また、ヒートシンクと絶縁樹脂層からなる金属絶縁板、接着樹脂層、および、予め素子を実装させたリードフレームを積層させた状態で、加圧加熱しながら樹脂モールドすることとしたので、樹脂モールド時にリードフレームが絶縁樹脂層上に接着樹脂層を介して固着するため、プレス接着の工程が不要となり製造コストが更に削減される。
【0073】
また、ヒートシンクと絶縁樹脂層とからなる金属絶縁板に、予め接着樹脂層を形成することとしたので、大面積の金属絶縁板を製造することが可能となり、接着樹脂層を形成する際に接着シートのみを打抜く工程が不要となり、製造コストを更に削減することができる。
【0074】
また、リードフレーム上の所定の位置に、板半田、半導体素子、制御素子を配置させて還元雰囲気中でパージし、その状態で所定の温度に維持することとしたので、半導体素子を制御する素子がリードフレーム上に半田付けされ、半田付け後の洗浄なしにワイヤーボンディングが可能となり、製造コストをさらに削減することができる。
【0075】
また、リードフレーム上の所定の位置に、エポキシ樹脂が主成分の半田フラックス入りの半田を塗工し、半導体素子や制御素子を配置して、その状態で所定の温度に維持することとしたので、半導体素子および制御素子の半田付け後の洗浄なしにワイヤーボンディングが可能となり、製造コストをさらに削減することができる。
【0076】
また、絶縁樹脂層の材料を、酸化珪素、酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素からなるフィラー群のうち1種類以上を含有するエポキシ樹脂としたので、絶縁樹脂層の熱伝導率が高くなり、放熱性を向上させることが可能となる。
【0077】
また、絶縁樹脂層の厚みを50〜150μmとし、かつ、接着樹脂層の厚みを10〜50μmとしたので、電気絶縁性、絶縁信頼性、および、熱抵抗率といった諸特性のバランスを望ましい状態に設定することが可能となる。
【0078】
また、リードフレームの一部を、金属絶縁板の沿面と絶縁させるために段差を有するように屈曲させることとしたので、ヒートシンクの沿面との絶縁距離を大きくすることができて絶縁性を高めることが可能となり、更に、リードフレームの屈曲部をヒートシンクの端部からの寸法が2mm以上内側に入っており、ヒートシンク端部でのリードフレームの浮き上り寸法が1mm以上としたので、リードフレームの加工不良や電気絶縁不良を低減させることができる。
【0079】
更に、モールド用樹脂の熱膨張率を、ヒートシンクの熱膨張率の80〜110%と設定することとしたので、モールド後のクラックがなく、また、ヒートサイクルとパワーサイクルによる信頼性を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体パワーモジュールの構成例を説明するための図である。
【図2】本発明の半導体パワーモジュールの、第1の製造工程例を説明するためのフローチャートである。
【図3】本発明の半導体パワーモジュールの、リードフレーム形状を説明するための図である。
【図4】本発明の半導体パワーモジュールの、第2の製造工程例を説明するためのフローチャートである。
【図5】本発明の半導体パワーモジュールの、第3の製造工程例を説明するためのフローチャートである。
【図6】従来の半導体パワーモジュールの製造工程を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
1、31 ヒートシンク
2、32 絶縁樹脂層
3、33 接着樹脂層
4、34 リードフレーム
5、35 半田
6 素子
7 ボンディングワイヤ
8、36 モールド樹脂[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor power module and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor power module having excellent heat dissipation, low cost, and good electrical insulation characteristics, and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
A semiconductor power module is configured by mounting electronic components such as semiconductor elements on a circuit board. Conventionally, a circuit board has a metal base with higher heat dissipation than an insulating board such as ceramic. Substrates have been heavily used. This metal base substrate is configured by laminating an insulating layer made of an epoxy resin and a copper foil subjected to circuit patterning on a metal plate such as a copper plate or an aluminum plate.
[0003]
FIG. 6 is a flowchart for explaining a manufacturing process of a conventional general semiconductor power module. First, circuit patterning is performed on a copper foil of a metal base substrate (S601). Next, a heat spreader for heat diffusion composed of a copper chip or the like is prepared (S602), and the heat spreader is soldered on the metal base substrate (S603). Further, a semiconductor element is separately prepared (S604), and this semiconductor element is soldered on the metal base substrate to which the heat spreader is soldered (S605).
[0004]
The solder flux remaining on the metal base substrate after soldering is removed by cleaning (S606), and an aluminum wire or the like is bonded (S607). Next, a case frame with external terminals made of resin is prepared (S608), which is fitted around the periphery of the metal base substrate, and the bottom of the case frame and the entire periphery of the metal base substrate are fixed with an adhesive. (S609) Further, the terminal portion of the case frame is soldered to a predetermined position of the copper foil pattern on the metal base substrate (S610), and then washed (S611), and sealed with silicone gel or epoxy resin. Resin is prepared (S612), which is injected into a portion surrounded by the metal base substrate and the case frame (S613) and cured (S614). In this manner, a semiconductor power module with a case frame in which a semiconductor element is mounted on a metal base substrate is manufactured.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, recent semiconductor power modules are required to reduce the manufacturing cost and reduce the thermal resistance between the semiconductor element and the radiation fin.
[0006]
Among these, in order to reduce the manufacturing cost, it is necessary to reduce the number of components of the semiconductor power module and simplify the manufacturing method. However, in the conventional semiconductor power module, the metal base substrate and the resin are used. In order to make the case frame an indispensable constituent element, it is necessary to form a circuit pattern by etching the copper foil, or a case frame with a terminal attached in advance for connection to an external element. There was a limit to the reduction.
[0007]
In addition, in order to prevent the occurrence of voids and cracks that cause electrical insulation failure, a process for filling the case frame with sealing resin and curing it is required, which increases the time required for manufacturing. As a result, the throughput is lowered and the manufacturing cost is increased.
[0008]
In order to reduce the manufacturing cost of the semiconductor power module, a low cost semiconductor power module having a configuration in which an expensive metal base substrate and a case frame are not required by adopting a molding method such as transfer molding, or Japanese Patent Laid-Open No. 9-139461 As in the invention described in this publication, an insulating sealing resin is filled between the lead frame and the heat sink, and these are connected to each other while achieving electrical insulation between the lead frame and the heat sink. However, in the semiconductor power module described in Japanese Patent Laid-Open No. 9-139461, an insulating layer between the lead frame and the heat sink is formed of a sealing resin. Therefore, the thickness accuracy after forming the insulating layer is low, and the insulating layer thickness is sufficiently thin because it is necessary to ensure the sealing ability. Rukoto be difficult, not to obtain a semiconductor power module with corresponding characteristics to the needs of reducing the thermal resistance between the lead frame and the heat sink to improve the heat radiation property of the insulating layer.
[0009]
Most of the heat generated by the semiconductor elements provided in the power module is transferred to the copper foil or lead frame on which the elements are mounted, and then the insulating layer and metal plate (heat sink) are used as heat transfer paths. It reaches the heat dissipating heat radiating fin and is radiated to the surroundings. In this case, if the thermal resistance of the heat transfer path described above is large, the temperature of the semiconductor element rises and the element characteristics are deteriorated. It is increasingly important to reduce the thermal resistance of the heat transfer path.
[0010]
In order to solve such technical problems, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-196495 discloses an invention of a circuit board for a resin mold having a structure in which a lead frame is provided on a metal plate as a heat sink via an insulating layer. Has been. However, the insulating layer used here is required to be a material that is rich in electrical insulation and thermal conductivity while adhering the metal plate and the lead frame. There are limitations. Furthermore, since this insulating layer is formed by applying an epoxy resin containing inorganic powder on a metal plate or by press-bonding an insulating sheet in a B-stage state, the insulating layer obtained after the formation is formed. There is a problem that it is difficult to sufficiently ensure the uniformity of the layer thickness, and as a result, the thermal resistance value in the insulating layer becomes non-uniform.
[0011]
The present invention has been made in view of such problems. The object of the present invention is to provide a semiconductor power module that is low in cost, excellent in heat dissipation and insulation characteristics, and uniform in the surface. It is in providing the manufacturing method.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides a circuit board for a semiconductor power module, wherein one main surface of a plate-shaped metal heat sink is formed on one main surface. The thermal conductivity is 1.0 to 7.5 W / (m · K), A metal insulating plate comprising an insulating resin layer having a thickness of 50 to 150 μm and a lead frame provided on the insulating resin layer of the metal insulating plate, wherein the lead frame has a stepped bent portion The bent portion is located at least 2 mm inside from the end of the main surface of the heat sink, and the lead frame is bent at the end of the heat sink so that the floating dimension is 1 mm or more, and the metal The insulating plate and the lead frame are press-bonded via an adhesive resin layer having a thickness of 10 to 50 μm.
[0013]
According to a second aspect of the present invention, in the circuit board for a semiconductor power module according to the first aspect, the insulating resin layer is made of silicon oxide, aluminum oxide, silicon nitride, aluminum nitride, and boron nitride. It consists of an epoxy resin containing at least one kind of filler.
[0017]
Claims 3 The invention described in claim 1 is a semiconductor power module, wherein Or 2 A semiconductor power module circuit board according to claim 1, a semiconductor element soldered onto the lead frame provided on the circuit board, and a bonding wire for electrically connecting the semiconductor element and the lead frame. And a portion other than the outer end portion of the lead frame and the other main surface of the heat sink is molded with a molding resin.
[0018]
Claims 4 The invention described in claim 3 In the semiconductor power module according to the item 1, the thermal expansion coefficient of the molding resin is 60 to 110% of the thermal expansion coefficient of the heat sink.
[0019]
Claims 5 The invention described in is a method for manufacturing a semiconductor power module, on one main surface of a plate-shaped metal heat sink, The thermal conductivity is 1.0 to 7.5 W / (m · K), Providing an insulating resin layer having a thickness of 50 to 150 μm to form a metal insulating plate; placing an adhesive sheet having a thickness of 10 to 50 μm on a desired location on the insulating resin layer; and Press laminating the metal insulating plate with the adhesive sheet placed on the insulating resin, soldering a semiconductor element to a desired position on a lead frame having a stepped bent portion, The lead frame on which the semiconductor element is soldered on an adhesive sheet The bent portion is located 2 mm or more inside from the end of the main surface of the heat sink, and the lead frame lifted at the end of the heat sink is 1 mm or more. A step of placing; a step of wire bonding the semiconductor element soldered on the lead frame to a desired position of the lead frame; the metal insulating plate; the adhesive sheet; and the lead frame. And the step of resin molding in a state where the lead frame is pressed, and the lead frame is press-bonded onto the insulating resin layer via the adhesive sheet.
[0021]
Claims 6 In the method for manufacturing a semiconductor power module according to claim 5, the soldering is performed by placing a plate solder not containing flux at a desired position on the lead frame, and placing the solder on the plate solder. The semiconductor element is disposed, the semiconductor element is fixed on the lead frame at a predetermined temperature in a reducing atmosphere, and the wire bonding is performed without cleaning after the soldering.
[0022]
Further claims 7 In the method for manufacturing a semiconductor power module according to claim 5, the soldering is performed by previously applying solder containing flux containing epoxy resin as a main component at a desired position on the lead frame. , Arranging the semiconductor element at a location where the solder is applied, fixing the semiconductor element on the lead frame at a predetermined temperature in a reducing atmosphere, and performing the wire bonding without cleaning after the soldering. Features.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0024]
[Example 1]
FIG. 1 is a diagram for explaining a configuration example of a semiconductor power module according to the present invention. A metal insulating plate in which an insulating resin layer 2 is provided on a metal heat sink 1 and an insulating resin layer 3 through an adhesive resin layer 3. 2, a lead frame 4 fixed on the lead frame 4, a semiconductor element 5 fixed on the lead frame 4 with solder 5, a bonding wire 7 for electrically connecting the upper surface electrode of the element 5 and a predetermined position of the lead frame 4, And a mold resin 8 for molding them.
[0025]
Here, the insulating resin layer 2 serves to electrically insulate the heat sink 1 and the lead frame 4 and obtain good heat conduction, and the thermal conductivity is 1.0 to 7 It is preferable to be in the range of 5 W / (m · K). This is because if the thermal conductivity is 1.0 W / (m · K) or less, the rated capacity is greatly limited due to its low heat dissipation, and it becomes difficult to use the chip with a rating of 600V · 20A. If it is 7.5 W / (m · K) or more, it becomes necessary to form an insulating layer using a large amount of special fillers, so that the reliability of the insulating layer is lowered, and as a result, the rated voltage is restricted. This is because a chip with a withstand voltage of 600 V may not be usable. In order to use a more stable chip with a rating of 600V · 20A or a rating value higher than that, the thermal conductivity should be in the range of 1.8 to 5.0 W / (m · K). It is more preferable.
[0026]
In the semiconductor power module having this structure, the entire module except for the lower surface of the heat sink 1 and a part of the external terminal portion of the lead frame 4 is molded with the mold resin 8, so that the case base and the metal base substrate on which the circuit is patterned Such expensive members are not required. In addition, a sealing resin filling / curing step requiring a relatively long time is also unnecessary. For this reason, the manufacturing cost can be greatly reduced, and the thin insulating resin layer 2 can be formed with high accuracy.
[0027]
[Example 2]
FIG. 2 is a flowchart for explaining a first manufacturing process example of the semiconductor power module according to the present invention. First, a thickness serving as a heat sink after sheet-molding an epoxy resin in which a silicon oxide filler is dispersed as an insulating resin layer. A metal insulating plate having an insulating resin layer thickness of 80 μm is manufactured by press lamination on a 2 mm aluminum plate (S201).
[0028]
Next, this metal insulating plate is punched into a size of 40 × 100 mm, and an adhesive sheet made of a B-stage epoxy resin in which a 40 × 100 mm silicon oxide filler is dispersed is stacked thereon (S202), Then, a lead frame processed into a predetermined circuit pattern shape is placed (S203). In this state, press bonding is performed by holding for 30 minutes under conditions of pressure of 4 MPa and temperature of 180 ° C. in a hot press molding machine (S204). At this time, the thickness of the adhesive resin layer is 20 μm.
[0029]
A solder paste containing flux is applied to a predetermined position of the circuit board thus prepared with a dispenser, and semiconductor elements are arranged on the dispenser (S205), and soldered at 220 ° C. for 10 minutes in a reflow oven. (S206), then, unnecessary flux is washed (S207), wire bonding is performed using an aluminum wire of φ0.3 mm, and an element is mounted (S208), and a mold resin is separately prepared (S209). Then, transfer molding is performed at 175 ° C. for 120 minutes using a transfer molding machine, and resin molding is performed (S210).
[0030]
The inverter circuit using the semiconductor power module thus produced was subjected to an operation test and a heat cycle test of 1000 times at -40 to 150 ° C., and the characteristics as a semiconductor power module were sufficiently satisfied. It was confirmed that
[0031]
Here, the operation test condition of the inverter circuit is that a module of 600V / 20A rating in which 6 chips each of IGBT chip and FWD chip and one shunt resistor are mounted is operated for 30 minutes by applying 120%. Whether or not to pass or fail is judged by whether or not the current and voltage of the three-phase output are stably taken out by another control circuit, are not runaway or short-circuited, and are constant during the operation time. did.
[0032]
Therefore, it can be seen that a semiconductor power module having practically sufficient characteristics can be obtained by setting the thermal conductivity of the insulating resin layer in the range of 1.0 to 7.5 W / (m · K).
[0033]
A semiconductor power module having the same characteristics was obtained by replacing the resin of the insulating resin layer with an epoxy resin instead of a polyimide resin or a fluororesin.
[0034]
Example 3
The filler contained in the insulating resin layer is a particularly important component in a semiconductor power module because it is related to the electrical insulation and thermal conductivity of the insulating resin layer, as well as the dielectric constant related to the induction of loss and noise. is there.
[0035]
Accordingly, an epoxy resin in which fillers of various materials are dispersed is sheet-molded to form an insulating resin layer, thereby producing a semiconductor power module. In addition, it produced with the manufacturing process similar to having demonstrated in Example 2 except the material of the filler contained in the epoxy resin of an insulating resin layer.
[0036]
As a result, in a semiconductor power module including an insulating resin layer made of an epoxy resin containing silicon oxide, aluminum oxide, silicon nitride, aluminum nitride, boron nitride, or a mixture thereof, an operation test in an inverter circuit, and −40 Sufficiently satisfactory results were obtained with 1000 heat cycle tests at ˜150 ° C.
[0037]
Here, the operation test condition of the inverter circuit is that the module is a 600V / 20A rated module in which 6 chips each of IGBT chip and FWD chip and one shunt resistor are mounted, and the operation is performed for 30 minutes by applying 120%. Whether or not to pass or fail is judged by whether or not the current and voltage of the three-phase output are stably taken out by another control circuit, are not runaway or short-circuited, and are constant during the operation time. did.
[0038]
Example 4
The influence of the thickness of the insulating resin layer and the adhesive resin layer on the semiconductor power module of the present invention was examined. In addition, it produced by the manufacturing process similar to what was demonstrated in Example 2 except the thickness of the insulating resin layer and the adhesive resin layer.
[0039]
Table 1 summarizes the characteristics of the semiconductor power module manufactured by changing the insulating resin layer thickness in the range of 25 to 200 μm and the adhesive resin layer thickness in the range of 5 to 100 μm.
[0040]
[Table 1]
Figure 0003846699
[0041]
As can be seen from this table, in the semiconductor power module in which the thickness of the insulating resin layer is 50 to 150 μm and the thickness of the adhesive resin layer is 10 to 50 μm, the operation test in the inverter circuit, and −40 to 40 Sufficiently satisfactory results were obtained with 1000 heat cycle tests at 150 ° C.
[0042]
Here, the operation test conditions of the inverter circuit were those in which a 600V / 20A rated module in which 6 chips each of IGBT chip and FWD chip and one shunt resistor were mounted was operated for 30 minutes with 120% applied. Yes, the pass / fail judgment is based on whether the current and voltage of the three-phase output is stably taken out by another control circuit, and there is no runaway or short circuit and is constant during the operation time. .
[0043]
Example 5
The shape of the lead frame included in the semiconductor power module of the present invention was examined. The manufacturing process was the same as that described in Example 2 except for the shape of the lead frame.
[0044]
FIG. 3 is a view for explaining the shape of the lead frame provided in the semiconductor power module of the present invention, showing a state in the vicinity of the external terminal portion of the semiconductor power module having the structure shown in FIG. A metal insulating plate provided with an insulating resin layer 32 thereon, a lead frame 34 fixed on the insulating resin layer 32 via an adhesive resin layer 33, and a semiconductor (not shown) fixed on the lead frame 34 with solder 35 The element is sealed with a mold resin 36.
[0045]
The lead frame 34 has a stepped bent portion at a distance a from the end of the main surface of the heat sink 31, whereby a part of the lead frame 34 is separated from the adhesive resin layer 33 by a distance b. It protrudes to the outside of the mold resin 36 in a state. Note that the distance b is the floating dimension of the lead frame at the end of the heat sink.
[0046]
Table 2 summarizes the characteristics of the semiconductor power module of the present invention including lead frames 34 having various shapes with the distance a and the distance b as parameters.
[0047]
[Table 2]
Figure 0003846699
[0048]
As can be seen from this table, the position of the bent portion of the lead frame 34 is set to 2 mm or more from the end of the main surface of the heat sink 31, and Lifting dimensions of the lead frame at the end of the heat sink By setting the length to 1 mm or more, it was possible to eliminate processing defects in the lead frame 34 and electrical insulation defects in the semiconductor power module.
[0049]
Example 6
The effect of the mold resin and the heat sink member constituting the semiconductor power module of the present invention on the characteristics of the semiconductor power module was examined.
[0050]
Table 3 shows that the semiconductor power module of the present invention is configured by using a mold resin and a heat sink member having different thermal expansion coefficients, and a module failure occurs due to stress breakdown of the resin layer due to the difference in thermal expansion coefficient between these materials. This is a summary of the test results. In addition, it produced with the manufacturing process similar to what was demonstrated in Example 2 except mold resin and a heat sink member.
[0051]
[Table 3]
Figure 0003846699
[0052]
As can be seen from this table, if the material is selected so that the thermal expansion coefficient of the mold resin is 60 to 110% of the thermal expansion coefficient of the heat sink material, cracks after molding and defects after the heat cycle test have not occurred. Furthermore, sufficiently satisfactory results were obtained for both the operation test in the inverter circuit and the 1000 heat cycle tests at -40 to 150 ° C.
[0053]
Here, the operation test conditions of the inverter circuit were those in which a 600V / 20A rated module in which 6 chips each of IGBT chip and FWD chip and one shunt resistor were mounted was operated for 30 minutes with 120% applied. Yes, the pass / fail judgment is based on whether the current and voltage of the three-phase output is stably taken out by another control circuit, and there is no runaway or short circuit and is constant during the operation time. .
[0054]
Example 7
FIG. 4 is a flowchart for explaining a second example of the manufacturing process of the semiconductor power module of the present invention. First, an epoxy resin in which a silicon oxide filler is dispersed is formed into a sheet and is 1000 × 1000 × 2 mm. 3 A metal insulating plate having an insulating resin layer thickness of 80 μm is manufactured by press lamination on an aluminum plate of 40 × 100 mm. 2 (S401). An adhesive sheet made of B-stage epoxy resin in which a silicon oxide filler is dispersed is also 40 × 100 mm. 2 (S402).
[0055]
Separately, a lead frame processed into a predetermined circuit pattern is prepared (S403), cream solder containing flux is applied to a predetermined position of the circuit board with a dispenser, and semiconductor elements are arranged on the lead (S404) at 220 ° C. In the reflow furnace, soldering is performed for 10 minutes (S405). Thereafter, unnecessary flux is washed (S406), and an aluminum wire of φ0.3 mm is wire-bonded at a predetermined position (S407) and mounted.
[0056]
Further, a mold resin is prepared (S408), an adhesive sheet and a mounted lead frame are laminated on a metal insulating plate, set in a transfer molding die, and 175 ° C. while pressing the lead frame using a transfer molding machine. The transfer molding is executed under the condition of 120 minutes (S409). In this transfer molding process, adhesion of the lead frame onto the metal insulating plate and resin molding are simultaneously performed.
[0057]
The operation test of the inverter circuit configured using the semiconductor power module thus manufactured and the heat cycle test of 1000 times at −40 to 150 ° C. were sufficiently satisfactory.
[0058]
Here, the operation test conditions of the inverter circuit were those in which a 600V / 20A rated module in which 6 chips each of IGBT chip and FWD chip and one shunt resistor were mounted was operated for 30 minutes with 120% applied. Yes, the pass / fail judgment was made based on whether or not the current / voltage of the three-phase output was stably taken out by another control circuit, and there was no runaway or short circuit and was constant during the operation time.
[0059]
Example 8
FIG. 5 is a flowchart for explaining a third manufacturing process of the semiconductor power module of the present invention. First, an epoxy resin in which a silicon oxide filler is dispersed is formed into a sheet, and 1000 × 1000 × 2 mm. 3 A metal insulating plate having an insulating resin layer thickness of 80 μm is manufactured by press lamination on the aluminum plate, and an adhesive sheet made of an uncured epoxy resin in which a silicon oxide filler is dispersed is press-molded on the metal insulating plate. (S501), this large-area metal insulating plate with an adhesive sheet is 40 × 100 mm 2 (S502). Separately, a lead frame processed into a predetermined circuit pattern is prepared (S503), cream solder containing flux is applied to a predetermined position of the circuit board with a dispenser, and semiconductor elements are arranged on it (S504), 220 ° C. In the reflow furnace, soldering is performed for 10 minutes (S505). Thereafter, unnecessary flux is washed (S506), and an aluminum wire of φ0.3 mm is wire-bonded at a predetermined position (S507) and mounted.
[0060]
Next, a lead frame having an element mounted on a metal insulating plate with an adhesive sheet is laminated in a transfer molding die (S508), and a mold resin is separately prepared (S509). The adhesive sheet and the mounting are mounted on the metal insulating plate. The lead frames thus laminated are stacked and set in a transfer molding die, and transfer molding is performed using a transfer molding machine at 175 ° C. for 120 minutes while pressing the lead frame (S510). In this transfer molding process, adhesion of the lead frame onto the metal insulating plate and resin molding are simultaneously performed.
[0061]
The operation test of the inverter circuit configured using the semiconductor power module thus manufactured and the heat cycle test of 1000 times at −40 to 150 ° C. were sufficiently satisfactory.
[0062]
Here, the operation test conditions of the inverter circuit were those in which a 600V / 20A rated module in which 6 chips each of IGBT chip and FWD chip and one shunt resistor were mounted was operated for 30 minutes with 120% applied. Yes, the pass / fail judgment was made based on whether or not the current / voltage of the three-phase output was stably taken out by another control circuit, and there was no runaway or short circuit and was constant during the operation time.
[0063]
Example 9
A solder sheet and a semiconductor element which do not contain flux and are punched in a predetermined shape are arranged at predetermined positions on a metal insulating plate to which a lead frame is bonded, which are manufactured in the same process as described in Example 2, and hydrogen The sample was purged in a reducing atmosphere of a mixed gas of nitrogen and nitrogen, and soldered by holding at 275 ° C. for 10 minutes in a heat treatment furnace in a reducing atmosphere.
[0064]
Thereafter, an aluminum wire having a diameter of φ0.3 mm was wire-bonded at a predetermined position without cleaning, and finally, resin molding was performed at 175 ° C. for 120 minutes using a transfer molding machine.
[0065]
The operation test of the inverter circuit configured using the semiconductor power module thus manufactured and the heat cycle test of 1000 times at −40 to 150 ° C. were sufficiently satisfactory.
[0066]
Here, the operation test conditions of the inverter circuit were those in which a 600V / 20A rated module in which 6 chips each of IGBT chip and FWD chip and one shunt resistor were mounted was operated for 30 minutes with 120% applied. Yes, the pass / fail judgment was made based on whether or not the current / voltage of the three-phase output was stably taken out by another control circuit, and there was no runaway or short circuit and was constant during the operation time.
[0067]
Example 10
Solder containing solder flux (AP4000 manufactured by Alpha Metals Co., Ltd.) containing epoxy resin as a main component is applied to a predetermined position of a metal insulating plate to which a lead frame is bonded, manufactured in the same process as described in Example 2 with a dispenser. A predetermined amount was applied, semiconductor elements were arranged thereon, and soldered in a reflow furnace at 220 ° C. for 10 minutes.
[0068]
Thereafter, an aluminum wire having a diameter of 0.3 mm was wire-bonded at a predetermined position without cleaning, and finally, resin molding was performed at 175 ° C. for 120 minutes using a transfer molding machine.
[0069]
The operation test of the inverter circuit configured using the semiconductor power module thus manufactured and the heat cycle test of 1000 times at −40 to 150 ° C. were sufficiently satisfactory.
[0070]
Here, the operation test conditions of the inverter circuit were those in which a 600V / 20A rated module in which 6 chips each of IGBT chip and FWD chip and one shunt resistor were mounted was operated for 30 minutes with 120% applied. Yes, the pass / fail judgment was made based on whether or not the current / voltage of the three-phase output was stably taken out by another control circuit, and there was no runaway or short circuit and was constant during the operation time.
[0071]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since the lead frame constituting the wiring pattern of the semiconductor power module and the external terminal is fixed on the insulating resin layer via the adhesive resin layer, It is possible to provide a semiconductor power module excellent in heat dissipation, low in manufacturing cost, and having good insulation characteristics and a method for manufacturing the same as compared with the semiconductor power module.
[0072]
In addition, since the metal insulating plate composed of the heat sink and the insulating resin layer, the adhesive resin layer, and the lead frame on which the element is mounted in advance are laminated, the resin mold is performed while heating with pressure. Since the lead frame is fixed on the insulating resin layer via the adhesive resin layer, the press bonding step is not required, and the manufacturing cost is further reduced.
[0073]
In addition, since the adhesive resin layer is formed in advance on the metal insulating plate composed of the heat sink and the insulating resin layer, it becomes possible to manufacture a large-area metal insulating plate, and the adhesive resin layer is bonded when the adhesive resin layer is formed. The process of punching only the sheet is not necessary, and the manufacturing cost can be further reduced.
[0074]
In addition, since the sheet solder, the semiconductor element, and the control element are arranged at a predetermined position on the lead frame and purged in a reducing atmosphere and maintained at a predetermined temperature in this state, the element that controls the semiconductor element Is soldered onto the lead frame, wire bonding is possible without cleaning after soldering, and manufacturing costs can be further reduced.
[0075]
In addition, it was decided to apply solder containing epoxy resin as the main component of solder flux to a predetermined position on the lead frame, and to arrange a semiconductor element and a control element, and to maintain that temperature at a predetermined temperature. In addition, wire bonding is possible without cleaning after soldering the semiconductor element and the control element, and the manufacturing cost can be further reduced.
[0076]
Moreover, since the material of the insulating resin layer is an epoxy resin containing one or more of the filler group consisting of silicon oxide, aluminum oxide, silicon nitride, aluminum nitride, and boron nitride, the thermal conductivity of the insulating resin layer is high. Thus, heat dissipation can be improved.
[0077]
In addition, since the thickness of the insulating resin layer is set to 50 to 150 μm and the thickness of the adhesive resin layer is set to 10 to 50 μm, the balance of various characteristics such as electrical insulation, insulation reliability, and thermal resistivity is desired. It becomes possible to set.
[0078]
In addition, since a part of the lead frame is bent so as to have a step to insulate it from the creeping surface of the metal insulating plate, it is possible to increase the insulation distance from the creeping surface of the heat sink and improve the insulation. In addition, the lead frame bends from the end of the heat sink at least 2mm inside the bent part of the lead frame, and the lead frame floating dimension at the end of the heat sink is set to 1 mm or more. Defects and electrical insulation defects can be reduced.
[0079]
Furthermore, since the thermal expansion coefficient of the mold resin is set to 80 to 110% of the thermal expansion coefficient of the heat sink, there is no crack after molding, and the reliability by heat cycle and power cycle is improved. Is possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram for explaining a configuration example of a semiconductor power module of the present invention.
FIG. 2 is a flowchart for explaining a first manufacturing process example of the semiconductor power module of the present invention;
FIG. 3 is a view for explaining a lead frame shape of the semiconductor power module of the present invention.
FIG. 4 is a flowchart for explaining a second manufacturing process example of the semiconductor power module of the present invention;
FIG. 5 is a flowchart for explaining a third manufacturing process example of the semiconductor power module of the present invention;
FIG. 6 is a flowchart for explaining a manufacturing process of a conventional semiconductor power module.
[Explanation of symbols]
1,31 Heat sink
2, 32 Insulating resin layer
3, 33 Adhesive resin layer
4, 34 Lead frame
5, 35 Solder
6 elements
7 Bonding wire
8, 36 Mold resin

Claims (7)

板状金属のヒートシンクの一方の主面に、熱伝導率が1.0〜7.5W/(m・K)であり、厚さが50〜150μmである絶縁樹脂層を備えて構成した金属絶縁板と、該金属絶縁板の前記絶縁樹脂層上に設けられたリードフレームとからなり、前記リードフレームは段差状の屈曲部を有し、前記屈曲部は前記ヒートシンクの主面の端部から2mm以上内側に位置し、かつ、前記ヒートシンク端部での前記リードフレームの浮き上がり寸法が1mm以上となるように屈曲し、前記金属絶縁板と前記リードフレームとが、厚さが10〜50μmである接着樹脂層を介してプレス接着されていることを特徴とする半導体パワーモジュール用回路基板。Metal insulation comprising an insulating resin layer having a thermal conductivity of 1.0 to 7.5 W / (m · K) and a thickness of 50 to 150 μm on one main surface of a plate-shaped heat sink. And a lead frame provided on the insulating resin layer of the metal insulating plate. The lead frame has a stepped bent portion, and the bent portion is 2 mm from the end of the main surface of the heat sink. Adhesion that is located on the inside and is bent so that the floating dimension of the lead frame at the end of the heat sink is 1 mm or more, and the metal insulating plate and the lead frame have a thickness of 10 to 50 μm A circuit board for a semiconductor power module, which is press-bonded via a resin layer. 前記絶縁樹脂層が、酸化珪素、酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、および、窒化ホウ素のうちの少なくとも1種類以上のフィラーを含有するエポキシ樹脂からなることを特徴とする請求項1に記載の半導体パワーモジュール用回路基板。  2. The semiconductor according to claim 1, wherein the insulating resin layer is made of an epoxy resin containing at least one filler of silicon oxide, aluminum oxide, silicon nitride, aluminum nitride, and boron nitride. Circuit board for power module. 請求項1又は2に記載の半導体パワーモジュール用回路基板と、該回路基板に備えられた前記リードフレーム上に半田付けされた半導体素子と、該半導体素子と前記リードフレームとを電気的に接続するためのボンディングワイヤとを備え、前記リードフレームの外端部および前記ヒートシンクの他方の主面以外の部分がモールド用樹脂でモールドされていることを特徴とする半導体パワーモジュール。  The circuit board for a semiconductor power module according to claim 1, a semiconductor element soldered on the lead frame provided on the circuit board, and the semiconductor element and the lead frame are electrically connected. A semiconductor power module, wherein a portion other than the outer end portion of the lead frame and the other main surface of the heat sink is molded with a molding resin. 前記モールド用樹脂の熱膨張率が、前記ヒートシンクの熱膨張率の60〜110%であることを特徴とする請求項に記載の半導体パワーモジュール。4. The semiconductor power module according to claim 3 , wherein a thermal expansion coefficient of the molding resin is 60 to 110% of a thermal expansion coefficient of the heat sink. 板状金属のヒートシンクの一方の主面に、熱伝導率が1.0〜7.5W/(m・K)であり、厚さが50〜150μmである絶縁樹脂層を設けて金属絶縁板を形成するステップと、前記絶縁樹脂層上の所望の場所に厚さが10〜50μmである接着シートを載置するステップと、前記絶縁樹脂上に前記接着シートを載置した状態で前記金属絶縁板をプレス積層するステップと、段差状の屈曲部を有するリードフレーム上の所望の位置に半導体素子を半田付けするステップと、前記接着シート上に、前記半導体素子を半田付けした前記リードフレームを、前記屈曲部が前記ヒートシンクの主面の端部から2mm以上内側に位置し、かつ、前記ヒートシンク端部での前記リードフレームの浮き上がり寸法が1mm以上となるように載置するステップと、前記リードフレーム上に半田付けした前記半導体素子を、前記リードフレームの所望の位置にワイヤボンディングするステップと、前記金属絶縁板と、前記接着シートと、前記リードフレームとを積層させた状態で樹脂モールドするステップとからなり、前記接着シートを介して前記リードフレームを前記絶縁樹脂層上にプレス接着させることを特徴とする半導体パワーモジュールの製造方法。An insulating resin layer having a thermal conductivity of 1.0 to 7.5 W / (m · K) and a thickness of 50 to 150 μm is provided on one main surface of the plate-shaped metal heat sink to provide a metal insulating plate. A step of forming, a step of placing an adhesive sheet having a thickness of 10 to 50 μm at a desired location on the insulating resin layer, and the metal insulating plate in a state where the adhesive sheet is placed on the insulating resin Pressing and laminating, a step of soldering a semiconductor element to a desired position on a lead frame having a stepped bent portion, and the lead frame soldered to the semiconductor element on the adhesive sheet , Placing the bent portion so that the bent portion is located 2 mm or more inside from the end of the main surface of the heat sink, and the lifted dimension of the lead frame at the end of the heat sink is 1 mm or more. And a step of wire bonding the semiconductor element soldered on the lead frame to a desired position of the lead frame, the metal insulating plate, the adhesive sheet, and the lead frame in a laminated state. A method of manufacturing a semiconductor power module, comprising the steps of resin molding, wherein the lead frame is press-bonded onto the insulating resin layer via the adhesive sheet. 前記半田付けは、前記リードフレーム上の所望の位置にフラックスを含まない板半田を載置し、該板半田上に前記半導体素子を配置させ、還元雰囲気中の所定温度下で前記半導体素子を前記リードフレーム上に固着させ、前記半田付け後の洗浄なしに前記ワイヤボンディングをおこなうことを特徴とする請求項5に記載の半導体パワーモジュールの製造方法。  In the soldering, plate solder not containing flux is placed at a desired position on the lead frame, the semiconductor element is arranged on the plate solder, and the semiconductor element is placed under a predetermined temperature in a reducing atmosphere. 6. The method of manufacturing a semiconductor power module according to claim 5, wherein the wire bonding is performed without fixing after being soldered and fixed on a lead frame. 前記半田付けは、予め前記リードフレーム上の所望の位置にエポキシ樹脂を主成分とするフラックス入りの半田を塗工し、該半田の塗工箇所に前記半導体素子を配置させ、還元雰囲気中の所定温度下で前記半導体素子を前記リードフレーム上に固着させ、前記半田付け後の洗浄なしに前記ワイヤボンディングをおこなうことを特徴とする請求項5に記載の半導体パワーモジュールの製造方法。  In the soldering, a solder containing flux containing epoxy resin as a main component is applied in advance to a desired position on the lead frame, and the semiconductor element is disposed at a location where the solder is applied. 6. The method of manufacturing a semiconductor power module according to claim 5, wherein the semiconductor element is fixed on the lead frame under temperature and the wire bonding is performed without cleaning after the soldering.
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