JP4453498B2 - パワー半導体モジュールおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、パワー半導体素子が実装された半導体チップを内部に備えたパワー半導体モジュールおよびその製造方法に関する。

インバータ装置，無停電電源装置，工作機械，産業用ロボットなどでは、その本体装置とは独立してパッケージ化されたパワー半導体モジュールが用いられている。このパワー半導体モジュールは、電力変換回路を構成する絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor：以下「ＩＧＢＴ」と表記する）などの各種のパワー半導体素子が実装された半導体チップを内蔵し、本体装置を制御する所定の制御回路基板に実装される（例えば、特許文献１参照。）。

このようなパワー半導体モジュールは、一般に、半導体チップを絶縁回路基板に半田付けによって実装し、制御回路基板に接続される外部端子とその半導体チップとを金属ワイヤを用いてワイヤボンディングし、これを樹脂ケースにモールドすることによりパッケージングされる。また、樹脂ケースの外部端子の実装部とは反対側に設けられた放熱面が放熱フィン等に当接することにより、パワー半導体素子での発生熱を外部に放熱できるようになっている。
特開２００２−５０７２２号公報（図１，図２等）

しかしながら、上述したパワー半導体モジュールにおいては、外部端子と半導体チップとを接続する金属ワイヤの断面積が比較的小さいため、その金属ワイヤ１本あたりの電流容量に限界があった。この場合、太い金属ワイヤを用いることも考えられるが、超音波接合あるいは溶接によるワイヤボンディングが難しくなる。

また、このパワー半導体モジュールの製造工程においては、絶縁回路基板に半導体チップを半田付け後、さらにワイヤボンディングを行うため、二工程を要する。また、ワイヤボンディングは金属ワイヤ１本ごとに行われるが、通常、パワー半導体モジュールの製造においては２００本〜５００本の金属ワイヤが用いられるため、処理工程に長時間を要するといった問題があった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、効率よく製造できるパワー半導体モジュールおよびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明のパワー半導体モジュールは、パワー半導体素子が実装された半導体チップを内部に備え、本体装置の制御回路基板に実装される。このパワー半導体モジュールは、リードフレーム，端子ケースおよび絶縁回路基板を備える。

リードフレームは、その一端側が制御回路基板に接続される外部端子を構成し、他端側が半導体チップに接続される内部端子を構成する。
端子ケースには上記リードフレームが一体成形されている。この端子ケースは、リードフレームの内部端子側を収容する。

絶縁回路基板は、上記端子ケースに収容されるが、その片側面が端子ケースの制御回路基板とは反対側に露出して放熱面を構成する。この絶縁回路基板の放熱面とは反対側面には、上記半導体チップが実装される。

そして特に、上記半導体チップが絶縁回路基板にロー付けされ、上記リードフレームが半導体チップの絶縁回路基板とは反対側面にロー付けされている。これらのロー付けの方法は種々考えられるが、例えば半田付けにより面実装などにより行うのが好適である。
端子ケースには、その本体の外方に互いに反対方向に延出した一対のねじ取付部が一体成形され、ねじ取付部を介してねじを冷却フィンに締結することにより、絶縁回路基板の放熱面を冷却フィンに当接させることが可能に構成され、放熱面が、ねじ取付部の冷却フィンとの当接面よりも冷却フィン側に所定量突出する。
パワー半導体モジュールの１つは、端子ケースに絶縁封止用の熱硬化性樹脂が充填されて硬化され、ねじ取付部のねじ挿通部と端子ケースの本体との間に切欠部が形成され、ねじ取付部のねじ挿通部と端子ケースの本体との間が薄肉形状に形成される。
パワー半導体モジュールの１つは、ねじ取付部の当接面が、ねじ取付部の片側面から突出したボス部の先端面からなる。
パワー半導体モジュールの１つは、リードフレームの外部端子が、端子ケースの放熱面とは反対側で制御回路基板に半田付けにより面実装されるように構成され、端子ケースおよびねじ取付部の少なくとも一方の制御回路基板との対向面に、制御回路基板への半田付けの半田厚を確保するための一又は複数の突部が設けられる。
パワー半導体モジュールの１つは、リードフレームの外部端子が、端子ケースの放熱面とは反対側で制御回路基板に半田付けにより面実装されるように構成され、ねじ取付部は、パワー半導体モジュールと制御回路基板とを冷却フィンに対して共締めするための共用のねじ挿通孔を有する。

また、本発明のパワー半導体モジュールの製造方法においては、パワー半導体素子が実装された半導体チップを内部に備え、本体装置の制御回路基板に実装されるパワー半導体モジュールを製造する。

この製造方法では、チップ形成工程にて、所定の半導体基板にパワー半導体素子を形成して半導体チップを形成する。一方、絶縁回路基板形成工程にて、絶縁材料からなる絶縁層の一方の面に電極部を構成する電極層を形成するとともに、絶縁層の他方の面に放熱面を構成する放熱層を積層して絶縁回路基板を形成する。そして、第１半田層形成工程にて、上記電極部上に第１の半田層を形成する。そして、チップ搭載工程にて、第１の半田層に半導体チップを搭載し、第２半田層形成工程にて、半導体チップ上に第２の半田層を形成する。

一方、上述の各工程とは別のリードフレーム形成工程にて、所定の金属板を打ち抜いて複数のリードがタイバーでつながったリードフレームを形成する。そして、端子ケース形成工程にて、所定の金型を用いた樹脂材の射出成形により、リードフレームと一体化した端子ケースを形成する。

以上の工程の後、端子ケース装着工程にて、上記絶縁回路基板を上記端子ケースに装着し、リードフレームの内部端子を第２の半田層に当接させる。そして、リフロー半田付け工程にて、第１の半田層および第２の半田層を同時にリフローし、絶縁回路基板と半導体チップとを半田付けすると同時に、半導体チップとリードフレームとを半田付けする。

そして、絶縁封止工程にて、端子ケース内に絶縁封止用の熱硬化性樹脂を充填して硬化させる。そして、外部端子成形工程にて、リードフレームの各リードを切断分離して、各リードフレームの外部端子を成形する。

本発明のパワー半導体モジュールによれば、リードフレームに外部端子と内部端子が一体形成され、その内部端子，半導体チップおよび絶縁回路基板がロー付けされる。このため、ワイヤボンディングを採用した場合のように金属ワイヤを１本づつ接合する必要がなく、パワー半導体モジュールが効率よく得られ、また、部品点数を削減することができる。また、リードフレームによる接続としたため、十分な電流容量が確保される。

また、本発明のパワー半導体モジュールの製造方法によれば、ワイヤボンディングは行われず、絶縁回路基板と半導体チップとの接合と、半導体チップとリードフレームとの接合とが、リフロー半田付けにより同時に一工程で行われる。このため、その実装時間を極めて短くでき、パワー半導体モジュールを効率よく製造することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
本実施の形態は、本発明のパワー半導体モジュールをインバータ装置用に構成したものである。図１はパワー半導体モジュールの外観を表す斜視図である。なお、以下の説明においては、図１に示されるパワー半導体モジュールの状態を基準に上下と表現することがある。

図１に示すように、パワー半導体モジュール１は、樹脂材からなる端子ケース２の内部に、後述する絶縁回路基板およびこれに実装された半導体チップ等を収容して構成されている。なお、端子ケース２内はエポキシ樹脂３（熱硬化性樹脂）によって封止されているため、同図において、絶縁回路基板および半導体チップ等は表れていない。

また、端子ケース２の本体の一対の端面からは、パワー半導体モジュール１を後述する冷却フィンにねじ接合するためのねじ取付部４がそれぞれ延出して設けられている。各ねじ取付部４の上面には、パワー半導体モジュール１を図示しないインバータ装置（本体装置）の制御回路基板に実装する際の位置決めとなる位置決め用突起５が設けられている。

さらに、端子ケース２の残る一対の側面からは、上記制御回路基板に接続される複数の外部端子６が外方に延出して設けられている。
図２および図３は、パワー半導体モジュールの構成の詳細を表す説明図である。図２において、（Ａ）はパワー半導体モジュールの平面図であり、（Ｂ）は正面図であり、（Ｃ）は底面図である。図３において、（Ａ）はパワー半導体モジュールの側面図であり、（Ｂ）は図２（Ａ）のＡ−Ａ矢視断面図であり、（Ｃ）は（Ｂ）のＢ部拡大図である。

これらの図（特に図３（Ｂ））に示すように、パワー半導体モジュール１は、端子ケース２に、絶縁回路基板７、この絶縁回路基板７に実装された半導体チップ８、半導体チップ８と制御回路基板とを接続するリードフレーム９を収容し、この端子ケース２の内部をエポキシ樹脂３で封止して構成されている。なお、上記外部端子６は、リードフレーム９の一端部から構成される。

図２に示すように、端子ケース２は、長方形枠状の本体１１を有し、特に図３（Ｃ）に示すように、その上部開口部にはその内周縁に沿って段部１２が形成されている。この段部１２が、エポキシ樹脂３の端子ケース２に対する密着強度を高め、硬化したエポキシ樹脂３を保持できるようになっている。また、本体１１の下部開口部も拡開して段部１３を構成しており、絶縁回路基板７の収容部を構成している。この段部１３は、内方に向かって上方に傾斜するように形成されており、その４隅近傍には、絶縁回路基板７側に突出した突出部１４がそれぞれ設けられている。この突出部１４の機能については後述する。

また、特に図３（Ｂ）に示すように、この本体１１は、エポキシ樹脂３が充填される部分の幅が、絶縁回路基板７が収容される部分の幅よりもやや大きくなっており、高さ方向に段差形状を有する。さらに、図２に示すように、本体１１のエポキシ樹脂３が充填される部分の長手方向の両端部には、その長手方向とは直角な方向に互いに逆向きに延出する一対のフランジ部１５がそれぞれ設けられている。これにより、本体１１のエポキシ樹脂３が充填される部分の剛性が高められている。逆に、本体１１の底面には肉盗みのための複数の細溝１６が形成されており、絶縁回路基板７が収容される部分の剛性が低減されている。上記ねじ取付部４は、この本体１１の絶縁回路基板７が収容される部分の幅に沿って本体１１の外方に向かって延びている。

ねじ取付部４の端子ケース２の本体１１から離れた位置には、後述するねじを挿通させるねじ挿通部２１が設けられ、このねじ挿通部２１の中央には、ねじ挿通孔２２が上下に貫通して設けられている。ねじ取付部４の底面には円ボス部２３が突設されており、その中央をねじ挿通孔２２が貫通している。この円ボス部２３の先端面は、後述する冷却フィンとの当接面となる。ねじ挿通部２１と端子ケース２の本体１１との間には、断面Ｕ字状の切欠部２４が形成され、ねじ取付部４におけるねじ挿通部２１と端子ケース２の本体１１との間が薄肉形状に形成されている。さらに、この切欠部２４の中央には、幅方向に延びる長尺状のスリット２５が上下に貫通して設けられ、その切欠部２４の可撓性を高めている。

絶縁回路基板７は、図２（Ｂ）および（Ｃ）に示すように、端子ケース２の本体１１の下部内周面に沿うように長方形板状をなす。この絶縁回路基板７は、特に図３（Ｃ）に示すように、アルミニウム又は銅からなる本体基板２６の上面に、熱伝導性の良いフィラー（窒化アルミニウムや二酸化ケイ素等の粉末）を含有したエポキシ樹脂からなる絶縁樹脂層２７が設けられ、さらに、その上に銅箔からなるパターン２８が印刷されている。そして、この銅箔上に半田層２９を介して半導体チップ８が面実装されている。絶縁回路基板７と端子ケース２の本体１１との間には僅かに隙間が形成されており、この隙間に充填されたエポキシ樹脂３により、本体１１内に安定に保持されている。また、特に図３（Ａ）に示すように、この絶縁回路基板７の下面は、端子ケース２の下方に露出して放熱面を構成するが、円ボス部２３の先端面より所定量下方へ突出している。

リードフレーム９は、銅板を長尺状に成形して構成されており、端子ケース２の本体１１に平行に延びるようにモールドされている。このリードフレーム９の一端側は、本体１１の外方に延出して断面Ｌ字状の外部端子６を構成し、他端側が本体１１の内方に延出して断面Ｌ字状の内部端子３０を構成している。外部端子６の先端部は、本体１１の上面とほぼ同一平面上でこの上面に平行に延びており、後述するインバータ装置の制御回路基板に半田接合される。また、内部端子３０の先端部は、半導体チップ８の上面と平行に延びており、半田層３１を介して半導体チップ８の電極に接続されている。

以上のように構成されたパワー半導体モジュール１は、インバータ装置の制御回路基板に実装されるとともに、放熱フィンに取り付けられる。図４は、パワー半導体モジュールをインバータ装置の制御回路基板に実装した状態を表す説明図である。なお、同図においては、便宜上、構造の一部を断面図で表している。

パワー半導体モジュール１を制御回路基板１０１に実装する際には、パワー半導体モジュール１の位置決め用突起５を、制御回路基板１０１に予め設けられた位置決め用孔１０２に挿通することにより、パワー半導体モジュール１を制御回路基板１０１の所定の位置にセットする。制御回路基板１０１には、パワー半導体モジュール１の各外部端子６に相当する位置に予め半田層１０３がスクリーン印刷されており、パワー半導体モジュール１をセットした際には、その外部端子６が半田層１０３に載置される。また、パワー半導体モジュール１のねじ挿通孔２２が、制御回路基板１０１に予め設けられたねじ挿通孔１０４に対応する位置に配置される。

そして、この状態でリフロー半田付け処理を行い、パワー半導体モジュール１を制御回路基板１０１に半田接合する。このとき、端子ケース２の本体１１の上面の４隅近傍には、微小な突起１７がそれぞれ設けられているため、リフロー時の半田厚が確保されている。

続いて、このパワー半導体モジュール１と制御回路基板１０１とが組み付けられたユニットを、上面がフラットな冷却フィン１１０に取り付ける。冷却フィン１１０におけるパワー半導体モジュール１のねじ挿通孔２２に対応する位置には、ねじ孔１１１が設けられている。この取り付けの際には、ねじ１２０を、制御回路基板１０１の側からねじ挿通孔１０４，ねじ挿通孔２２に挿通してねじ１２０に締結することにより、ユニットを冷却フィン１１０に固定する。上述したように、絶縁回路基板７の放熱面が円ボス部２３の先端面より所定量下方へ突出しているため、ねじ孔１１１を締結した際には、その高低差により切欠部２４が撓み、絶縁回路基板７の放熱面が冷却フィン１１０に強く押し付けられる。これにより、絶縁回路基板７と冷却フィン１１０との間の熱伝導が良好となり、十分な放熱効果が得られる。

次に、パワー半導体モジュールの製造方法について詳細に説明する。図５はパワー半導体モジュールの製造工程の流れを表すフローチャートであり、図６〜図１４は、パワー半導体モジュールの製造工程の状態を表す説明図である。以下、図５のフローチャートのステップ番号（以下「Ｓ」と表記する）にしたがって説明する。

まず、半導体チップ８を形成する（Ｓ１１）。図６（Ａ）はこの半導体チップ８の平面図であり、（Ｂ）はそのＣ−Ｃ矢視断面図である。
すなわち、所定の半導体基板にＩＧＢＴ，フリーホイールダイオード（ＦＷＤ）等のパワー半導体素子をそれぞれ形成し、このパワー半導体素子の表面には電極部を除いてポリイミド層４２を表面処理により形成する。そして、電極部に無電解メッキ処理によりニッケル（Ｎｉ）メッキ４３を施し、その上にさらに金（Ａｕ）メッキ４４を施してチップ４１に切断する。パワー半導体素子の電極はアルミニウム層であり、半田のぬれ性をよくするために、上記メッキ処理を行う。これにより、後に塗布する半田の量が適切であれば、半田はポリイミド層４２の表面でははじかれ、電極部に正確に付着することになる。

また、半導体チップ８の形成と平行して絶縁回路基板７を形成する（Ｓ１２）。すなわち、図３（Ｃ）で示したように、アルミニウム又は銅からなる本体基板２６の上面に、熱伝導性の良いフィラー（窒化アルミニウムや二酸化ケイ素等の粉末）を含有したエポキシ樹脂からなる絶縁樹脂層２７を成膜し、さらに、図７（Ａ）に示すように、その上に電極部を構成する銅箔からなる複数のパターン２８を形成する。

続いて、図７（Ｂ）に示すように、各パターン２８上の所定の位置に半田層２９（第１の半田層）をスクリーン印刷する（Ｓ１３）。そして、図７（Ｃ）に示すように、各半導体チップ８を半田層２９の上に搭載する（Ｓ１４）。本実施の形態では、このとき、さらに感温素子としてのサーミスタ４５を搭載する。そして、図７（Ｄ）に示すように、ディスペンサーにより各半導体チップ８上の所定の位置、およびパターン２８の所定の位置に、それぞれ半田層３１（第２の半田層）を塗布する（Ｓ１５）。

一方、上述の各工程とは別に、端子ケース２等を形成する。
すなわち、まず所定の長方形状の銅板をプレス加工により打ち抜いて、図８（Ａ）に示すリードフレーム９を形成する（Ｓ２１）。このリードフレーム９は、複数のリード５１が複数のタイバーでつながり、図８（Ｂ）に（Ａ）のＤ−Ｄ矢視断面図を示すように、平板状をなす。隣接するリード５１は、その内側端子（インナーリード）側においてタイバー５２で互いにつながっており、各リード５１の外部端子（アウターリード）側は、タイバー５３により短絡されるようにつながっている。

続いて、このリードフレーム９を所定の金型にセットし、ポリフェニレンサルファイド樹脂（以下「ＰＰＳ樹脂」と表記する）の射出成形により、図９（Ａ）に示すようなリードフレーム９と一体化した端子ケース２を形成する（Ｓ２２）。このとき、端子ケース２に、図３（Ｃ）で示した複数の突出部１４や段部１２が形成される。また、ねじ取付部４が同時に一体成形される。図９（Ｂ）に（Ａ）のＥ−Ｅ矢視断面を示すように、この状態において、リードフレーム９は平板状のままである。なお、このＰＰＳ樹脂については、エポキシ樹脂３との密着性を高めるために、フェノキシ樹脂やエステル化合物を所定量配合したものを使用してもよい。

続いて、リードフレーム９の内部端子側のタイバー５２を切り落とし、上下にプレス加工して、図１０（Ａ）および（Ｂ）に示すように、各リード５１に内部端子３０を成形する（Ｓ２３）。このとき、図１０（Ｃ）に示すように、内部端子３０にコイニング加工が同時に施され、その先端部中央に部分的に下方に突出する突形状６１が形成される。

以上の工程の後、図１１（Ａ）および（Ｂ）に示すように、絶縁回路基板７を端子ケース２に装着し、図１１（Ｃ）に示すように、各リード５１の内部端子３０を半田層３１に当接させる（Ｓ３１）。このとき、上述したように、絶縁回路基板７の放熱面は、ねじ取付部４の円ボス部２３よりも下方に所定量突出する。

そして、この状態でリフロー半田付け処理を行い（Ｓ３２）、半田層２９および半田層３１を同時にリフローし、絶縁回路基板７と半導体チップ８とを半田付けすると同時に、半導体チップ８と内部端子３０とを半田付けする。このとき、半導体チップ８は先述のポリイミド層により半田がはじかれ、セルフアライメントにより内部端子３０と半導体チップ８の電極との間に移動して正確な位置に接合される。また、図１１（Ｃ）に示すように、上記内部端子３０の突形状６１により、内部端子３０と半導体チップ８との間の必要な半田厚が確保されるため、十分な半田接合強度が得られる。

続いて、プレヒートを行った上で（Ｓ３３）、図１２（Ａ）および（Ｂ）に示すように、端子ケース２内に溶融したエポキシ樹脂３を充填する（Ｓ３４）。図１２（Ｃ）に（Ｂ）のＦ部拡大図を示すように、このとき、エポキシ樹脂３は、端子ケース２の突出部１４と絶縁回路基板７との間を通って、端子ケース２と絶縁回路基板７との間に回り込むようにして充填される。そして、この状態で炉内でキュアしてエポキシ樹脂３を硬化させる（Ｓ３５）。このとき、エポキシ樹脂３は、端子ケース２の段部１２によって安定して保持される。なお、このエポキシ樹脂３には、熱膨張により半導体チップ８やリードフレーム９から剥離するのを防止するために、これらとほぼ同じ熱膨張係数を有するものを選択するのが好ましい。

そして、この状態で一対のタイバー５３に通電して絶縁試験を行い（Ｓ３６）、その絶縁試験に合格したものについて、リード５１の外部端子側を上下にプレス加工し、さらにタイバー５３を切り落として各リード５１を切断分離することにより、図１３（Ａ）および（Ｂ）に示すように外部端子６を形成する（Ｓ３７）。なお、本実施の形態では、外部端子６を端子ケース２の両側面に延出させたＤＩＰタイプの形状に構成したが、片側側面に延出させるＳＩＰタイプ、上面に延出させるＱＦＰタイプその他の形状に構成することもできる。

以上に説明したように、本実施の形態のパワー半導体モジュール１では、リードフレーム９が内部端子３０と外部端子６とを兼ね備え、その複数の外部端子６が半導体チップ８に同時に半田接合される。このため、外部端子と半導体チップとの間をワイヤボンディングする場合よりも部品点数を少なくすることができる。また、ワイヤボンディングのように１本づつ接合する必要がなく、パワー半導体モジュール１が効率よく得られる。また、ワイヤボンディングによる接続ではなく十分な電流容量が確保される。

また、本実施の形態のパワー半導体モジュール１の製造方法によれば、ワイヤボンディングは行われず、絶縁回路基板７と半導体チップ８との接合と、半導体チップ８とリードフレーム９との接合とが、リフロー半田付けにより同時に一工程で行われる。このため、その実装時間を極めて短くでき、パワー半導体モジュールを効率よく製造することができる。

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はその特定の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の精神の範囲内での変化変形が可能であることはいうまでもない。

例えば、上記実施の形態では、図３に示したように、絶縁回路基板７を、アルミニウムからなる本体基板２６に絶縁樹脂層２７を成膜したアルミニウム絶縁基板として構成した例を示したが、ＤＣＢ（Direct Copper Bond）絶縁基板として構成してもよい。図１４は、この絶縁基板を用いたパワー半導体モジュールの構成例を示した説明図であり、図３（Ｂ）に相当する矢視断面図である。なお、図３とほぼ同様の構成部分については同一の符号を付してその説明を省略する。

すなわち、このパワー半導体モジュール２０１の絶縁回路基板２０７は、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃），窒化アルミニウム（ＡｌＮ），窒化ケイ素（ＳｉＮ）等のセラミックからなる絶縁性のセラミック基板２１１の下面全体に銅箔を積層して放熱面２１２が形成される一方、上面に銅箔からなるパターン２１３が形成されている。そして、この銅箔上に半田層２９を介して半導体チップ８が面実装されている。端子ケース２の突出部１４は、セラミック基板２１１に当接するようになっている。

また、上記実施の形態では、図６で示した半導体チップ８の成形に際し、半田のぬれ性をよくするためにその電極部に無電解メッキ処理によりＮｉメッキ４３およびＡｕメッキ４４を施したが、Ｎｉ層やＡｕ層を無電界メッキ処理ではなく、プラズマＣＶＤ、蒸着、スパッタリングなどにより生成してもよい。また、Ｎｉ層でなく、スズ（Ｓｎ）層を成膜してもよい。

また、上記実施の形態では、図３に示したように、エポキシ樹脂３の端子ケース２への密着強度を高めるための密着強度強化形状として、端子ケース２の上端部に段部１２を設けた構成を示したが、エポキシ樹脂３を引っ掛けるような他の形状を採用してもよい。例えば図１５に図１２（Ａ）に対応した変形例を示すように、端子ケース２の上端周縁部に鋭角な切欠部３０２を設けるなどしてエポキシ樹脂３を密着させるようにしてもよい。

また、上記実施の形態では、図４においてパワー半導体モジュール１の制御回路基板１０１への実装形態の一例を示したが、それ以外の実装形態を採用することもできる。図１６および図１７はこの実装形態の変形例を表す説明図である。なお、図４とほぼ同様の構成部分については同一の符号を付してその説明を省略する。

例えば図１６（Ａ）に示すように、パワー半導体モジュールのねじ取付部４０４に上方に向かって突設され、パワー半導体モジュールの制御回路基板１０１に対する位置決めをするためのボス状挿通部４０５を設けるようにしてもよい。このボス状挿通部４０５が制御回路基板１０１側に設けられた挿通孔１１４に挿通されることにより、パワー半導体モジュールの位置決めがなされる。このボス状挿通部４０５には、上述したねじ挿通孔２２を兼ねる共締めのための共用のねじ挿通孔４０６が貫通しており、ねじ１２０を挿通させて冷却フィン１１０のねじ孔１１１に締結させることにより共締めが実現される。

また、図１６（Ｂ）に示すように、ねじ取付部４２４のボス状挿通部４２５を段付形状にし、その段部４２７の所定高さの位置で制御回路基板１０１に係止されるように構成してもよい。この段部４２７の高さを設定することにより、外部端子６と制御回路基板１０１との位置関係を調整することができ、それにより、半田層１０３のリフロー時の半田厚を確保することができる。

あるいは、図１７（Ａ）に部分拡大図を示すように、ねじ取付部４３４に上方に向かって突出したボス部４３５を設け、このボス部４３５の先端面が制御回路基板１０１に係止されるように構成してもよい。このボス部４３５の高さを設定することにより、外部端子６と制御回路基板１０１との位置関係を調整することができ、それにより、半田層１０３のリフロー時の半田厚を確保することができる。また、このボス部４３５には、上述したねじ挿通孔２２を兼ねる共締めのための共用のねじ挿通孔４３６が貫通しており、ねじ１２０を挿通させて冷却フィン１１０のねじ孔１１１に締結させることにより共締めが実現される。

さらに、図１７（Ｂ）に部分拡大図を示すように、ねじ取付部４４４に上方に向かってテーパ状に突出したボス状挿通部４４５を設け、このボス状挿通部４４５がそのテーパ面の所定位置で制御回路基板１０１の挿通孔１１４に係止されるように構成してもよい。このボス状挿通部４４５の高さおよびテーパ形状を設定することにより、外部端子６と制御回路基板１０１との位置関係を調整することができ、それにより、半田層１０３のリフロー時の半田厚を確保することができる。また、このボス状挿通部４４５には、上述したねじ挿通孔２２を兼ねる共締めのための共用のねじ挿通孔４３６が貫通しており、ねじ１２０を挿通させて冷却フィン１１０のねじ孔１１１に締結させることにより共締めが実現される。

また、上記実施の形態では、半導体チップ８が絶縁回路基板７に面実装され、リードフレーム９が半導体チップ８に面実装された例を示したが、いわゆる挿入実装により半田接合してもよい。また、銀ペースト等の導電性の接着剤など、半田以外のロー材を用いてロー付け接合を行ってもよい。

また、上記実施の形態では、絶縁封止剤としてエポキシ樹脂を用いた例を示したが、端子ケース２内に例えばシリコーンゲル等のゲル状充填剤を注入して硬化させてもよい。ただし、エポキシ樹脂の方が熱伝導性や耐熱性に優れ、剛性も高い点で好ましい。ゲル状充填剤を用いる場合には、その上面を樹脂プレート等で押えるなどの工夫が必要となる。

また、上記実施の形態では特に言及しなかったが、絶縁回路基板７に実装される複数の半導体チップ８の厚みを等しく構成するのが好ましい。このようにすれば、各リードフレーム９の内部端子３０側の曲げ寸法を統一することができる。その結果、その曲げ成形を所定の金型を用いたプレス加工により行う場合には、その金型の作製が簡素化されて有利となる。

さらに、上記実施の形態では特に言及しなかったが、半田層のリフロー時の半田厚を確保するために、所定の大きさ（例えば直径数十〜数百μｍ）の銅やニッケルからなるコアボールを、ペースト半田に分散して半田層を形成してもよい。

実施の形態のパワー半導体モジュールの外観を表す斜視図である。 パワー半導体モジュールの構成の詳細を表す説明図である。 パワー半導体モジュールの構成の詳細を表す説明図である。 パワー半導体モジュールをインバータ装置の制御回路基板に実装した状態を表す説明図である。 パワー半導体モジュールの製造工程の流れを表すフローチャートである。 パワー半導体モジュールの製造工程の状態を表す説明図である。 パワー半導体モジュールの製造工程の状態を表す説明図である。 パワー半導体モジュールの製造工程の状態を表す説明図である。 パワー半導体モジュールの製造工程の状態を表す説明図である。 パワー半導体モジュールの製造工程の状態を表す説明図である。 パワー半導体モジュールの製造工程の状態を表す説明図である。 パワー半導体モジュールの製造工程の状態を表す説明図である。 パワー半導体モジュールの製造工程の状態を表す説明図である。 パワー半導体モジュールの製造工程の状態を表す説明図である。 図１２（Ａ）に対応した変形例を示す説明図である。 パワー半導体モジュールの制御回路基板への実装形態の変形例を表す説明図である。 パワー半導体モジュールの制御回路基板への実装形態の変形例を表す説明図である。

符号の説明

１，２０１ パワー半導体モジュール
２ 端子ケース
３ エポキシ樹脂
４ ねじ取付部
５ 位置決め用突起
６ 外部端子
７，２０７ 絶縁回路基板
８ 半導体チップ
９ リードフレーム
１１ 本体
１２，１３ 段部
１４ 突出部
１７ 突起
２１ ねじ挿通部
２２ ねじ挿通孔
２３ 円ボス部
２４ 切欠部
２５ スリット
２６ 本体基板
２７ 絶縁樹脂層
２８ パターン
２９，３１，１０３ 半田層
３０ 内部端子
４１ チップ
４２ ポリイミド層
４３ Ｎｉメッキ
４４ Ａｕメッキ
５１ リード
５２，５３ タイバー
６１ 突形状
１０１ 制御回路基板
１０２ 位置決め用孔
１０４，１１４ 挿通孔
１１０ 冷却フィン
１１１ ねじ孔
２１１ セラミック基板
２１２ 放熱面
２１３ パターン
３０２ 切欠部
４０４，４２４，４３４，４４４ ねじ取付部
４０５，４２５，４４５ ボス状挿通部
４０６，４３６ 挿通孔
４２７ 段部
４３５ ボス部

Claims (25)

1. パワー半導体素子を内部に備え、本体装置の制御回路基板に実装されるパワー半導体モジュールにおいて、
   一端側が前記制御回路基板に接続される外部端子を構成し、他端側が半導体チップに接続される内部端子を構成するリードフレームと、
   前記リードフレームが一体成形され、その前記内部端子側を収容する端子ケースと、
   前記端子ケースに収容され、片側面が前記端子ケースの前記制御回路基板とは反対側に露出して放熱面を構成し、前記放熱面とは反対側面に前記半導体チップを実装する絶縁回路基板と、
   を備え、
   前記半導体チップが前記絶縁回路基板に半田付けにより面実装され、前記リードフレームが前記半導体チップの前記絶縁回路基板とは反対側面に半田付けにより面実装され、
   前記端子ケースに、その本体の外方に互いに反対方向に延出した一対のねじ取付部が一体成形され、前記ねじ取付部を介してねじを冷却フィンに締結することにより、前記絶縁回路基板の前記放熱面を前記冷却フィンに当接させることが可能に構成され、
   前記放熱面が、前記ねじ取付部の前記冷却フィンとの当接面よりも前記冷却フィン側に所定量突出し、
   前記端子ケースに絶縁封止用の熱硬化性樹脂が充填されて硬化され、前記ねじ取付部のねじ挿通部と前記端子ケースの本体との間に切欠部が形成され、前記ねじ取付部のねじ挿通部と前記端子ケースの本体との間が薄肉形状に形成されていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
2. 前記切欠部にスリットが設けられたことを特徴とする請求項１記載のパワー半導体モジュール。
3. 前記端子ケースの前記絶縁回路基板との接合部において前記絶縁回路基板側に突出し、前記絶縁回路基板との間に前記熱硬化性樹脂を回り込ませるための一又は複数の突出部が設けられたことを特徴とする請求項１記載のパワー半導体モジュール。
4. 前記端子ケースは、前記熱硬化性樹脂の密着強度を高めるための密着強度強化形状として、前記端子ケースの内周縁に沿って形成された段部、又は、前記端子ケースの上端周縁部に形成された鋭角な切欠部を有することを特徴とする請求項１記載のパワー半導体モジュール。
5. 前記半導体チップの前記リードフレーム側の表面に、その電極部を除いてポリイミド層が形成されていることを特徴とする請求項１記載のパワー半導体モジュール。
6. パワー半導体素子を内部に備え、本体装置の制御回路基板に実装されるパワー半導体モジュールにおいて、
   一端側が前記制御回路基板に接続される外部端子を構成し、他端側が半導体チップに接続される内部端子を構成するリードフレームと、
   前記リードフレームが一体成形され、その前記内部端子側を収容する端子ケースと、
   前記端子ケースに収容され、片側面が前記端子ケースの前記制御回路基板とは反対側に露出して放熱面を構成し、前記放熱面とは反対側面に前記半導体チップを実装する絶縁回路基板と、
   を備え、
   前記半導体チップが前記絶縁回路基板に半田付けにより面実装され、前記リードフレームが前記半導体チップの前記絶縁回路基板とは反対側面に半田付けにより面実装され、
   前記端子ケースに、その本体の外方に互いに反対方向に延出した一対のねじ取付部が一体成形され、前記ねじ取付部を介してねじを冷却フィンに締結することにより、前記絶縁回路基板の前記放熱面を前記冷却フィンに当接させることが可能に構成され、
   前記放熱面が、前記ねじ取付部の前記冷却フィンとの当接面よりも前記冷却フィン側に所定量突出し、
   前記ねじ取付部の前記当接面が、前記ねじ取付部の片側面から突出したボス部の先端面からなることを特徴とするパワー半導体モジュール。
7. パワー半導体素子を内部に備え、本体装置の制御回路基板に実装されるパワー半導体モジュールにおいて、
   一端側が前記制御回路基板に接続される外部端子を構成し、他端側が半導体チップに接続される内部端子を構成するリードフレームと、
   前記リードフレームが一体成形され、その前記内部端子側を収容する端子ケースと、
   前記端子ケースに収容され、片側面が前記端子ケースの前記制御回路基板とは反対側に露出して放熱面を構成し、前記放熱面とは反対側面に前記半導体チップを実装する絶縁回路基板と、
   を備え、
   前記半導体チップが前記絶縁回路基板に半田付けにより面実装され、前記リードフレームが前記半導体チップの前記絶縁回路基板とは反対側面に半田付けにより面実装され、
   前記端子ケースに、その本体の外方に互いに反対方向に延出した一対のねじ取付部が一体成形され、前記ねじ取付部を介してねじを冷却フィンに締結することにより、前記絶縁回路基板の前記放熱面を前記冷却フィンに当接させることが可能に構成され、
   前記放熱面が、前記ねじ取付部の前記冷却フィンとの当接面よりも前記冷却フィン側に所定量突出し、
   前記リードフレームの前記外部端子が、前記端子ケースの前記放熱面とは反対側で前記制御回路基板に半田付けにより面実装されるように構成され、
   前記端子ケースおよび前記ねじ取付部の少なくとも一方の前記制御回路基板との対向面に、前記制御回路基板への半田付けの半田厚を確保するための一又は複数の突部が設けられたことを特徴とするパワー半導体モジュール。
8. パワー半導体素子を内部に備え、本体装置の制御回路基板に実装されるパワー半導体モジュールにおいて、
   一端側が前記制御回路基板に接続される外部端子を構成し、他端側が半導体チップに接続される内部端子を構成するリードフレームと、
   前記リードフレームが一体成形され、その前記内部端子側を収容する端子ケースと、
   前記端子ケースに収容され、片側面が前記端子ケースの前記制御回路基板とは反対側に露出して放熱面を構成し、前記放熱面とは反対側面に前記半導体チップを実装する絶縁回路基板と、
   を備え、
   前記半導体チップが前記絶縁回路基板に半田付けにより面実装され、前記リードフレームが前記半導体チップの前記絶縁回路基板とは反対側面に半田付けにより面実装され、
   前記端子ケースに、その本体の外方に互いに反対方向に延出した一対のねじ取付部が一体成形され、前記ねじ取付部を介してねじを冷却フィンに締結することにより、前記絶縁回路基板の前記放熱面を前記冷却フィンに当接させることが可能に構成され、
   前記放熱面が、前記ねじ取付部の前記冷却フィンとの当接面よりも前記冷却フィン側に所定量突出し、
   前記リードフレームの前記外部端子が、前記端子ケースの前記放熱面とは反対側で前記制御回路基板に半田付けにより面実装されるように構成され、
   前記ねじ取付部は、当該パワー半導体モジュールと前記制御回路基板とを前記冷却フィンに対して共締めするための共用のねじ挿通孔を有することを特徴とするパワー半導体モジュール。
9. 前記ねじ取付部は、前記共用のねじ挿通孔を貫通させるとともに、前記制御回路基板側に設けられた挿通孔に挿通されることにより、当該パワー半導体モジュールの前記制御回路基板に対する位置決めをするためのボス状挿通部を有することを特徴とする請求項８記載のパワー半導体モジュール。
10. 前記リードフレームの半田付け部に、部分的に半田側に突出する突形状を有することを特徴とする請求項８記載のパワー半導体モジュール。
11. 前記絶縁回路基板に前記半導体チップが複数実装され、各半導体チップの厚みが等しく構成されたことを特徴とする請求項１，６，７，８のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール。
12. パワー半導体素子を内部に備え、本体装置の制御回路基板に実装されるパワー半導体モジュールの製造方法において、
    所定の半導体基板に前記パワー半導体素子を形成して半導体チップを形成するチップ形成工程と、
    絶縁材料からなる絶縁層と、前記絶縁層の一方の面に電極部を構成する電極層と、前記絶縁層の他方の面に放熱面を構成する放熱層とからなる絶縁回路基板を形成する絶縁回路基板形成工程と、
    前記電極部上に第１の半田層を形成する第１半田層形成工程と、
    前記第１の半田層に前記半導体チップを搭載するチップ搭載工程と、
    前記半導体チップ上に第２の半田層を形成する第２半田層形成工程と、
    所定の金属板を打ち抜いて複数のリードがタイバーでつながったリードフレームを形成するリードフレーム形成工程と、
    所定の金型を用いた樹脂材の射出成形により、前記リードフレームと一体化した端子ケースを形成する端子ケース形成工程と、
    前記絶縁回路基板を前記端子ケースに装着し、前記リードフレームの内部端子を前記第２の半田層に当接させる端子ケース装着工程と、
    前記第１の半田層および前記第２の半田層を同時にリフローし、前記絶縁回路基板と前記半導体チップとを、および前記半導体チップと前記リードフレームとを、それぞれ半田付けするリフロー半田付け工程と、
    前記端子ケース内に絶縁封止用の熱硬化性樹脂を充填して硬化させる絶縁封止工程と、
    前記リードフレームの各リードを切断分離して、各リードフレームの外部端子を成形する外部端子成形工程と、
    を備えたことを特徴とするパワー半導体モジュールの製造方法。
13. 前記端子ケース形成工程の後、各リードフレームの内部端子を成形する内部端子成形工程を備えたことを特徴とする請求項１２記載のパワー半導体モジュールの製造方法。
14. 前記外部端子成形工程の前に、前記リードフレームに対して絶縁試験を行い、その絶縁試験に合格したものについて、前記外部端子成形工程が実行されることを特徴とする請求項１２記載のパワー半導体モジュールの製造方法。
15. 前記端子ケース形成工程において、前記端子ケースの本体の外方に互いに反対方向に延出した一対のねじ取付部を一体成形することにより、前記ねじ取付部を介してねじを冷却フィンに締結することにより、前記絶縁回路基板の前記放熱面を前記冷却フィンに当接させることが可能となるようにされたことを特徴とする請求項１２記載のパワー半導体モジュールの製造方法。
16. 前記端子ケース装着工程において、前記絶縁回路基板の放熱面が、前記ねじ取付部の前記冷却フィンとの当接面よりも前記冷却フィン側に所定量突出するように、前記絶縁回路基板を前記端子ケースに装着することを特徴とする請求項１５記載のパワー半導体モジュールの製造方法。
17. 前記端子ケース形成工程において、前記ねじ取付部のねじ挿通部と前記端子ケースの本体との間に切欠部を一体成形し、前記ねじ取付部のねじ挿通部と前記端子ケースの本体との間を薄肉形状に形成することを特徴とする請求項１５記載のパワー半導体モジュールの製造方法。
18. 前記端子ケース形成工程において、前記端子ケースの前記絶縁回路基板との接合部において前記絶縁回路基板側に突出する一又は複数の突出部を一体成形し、
    前記絶縁封止工程において、前記端子ケースと前記絶縁回路基板との間に前記熱硬化性樹脂を回り込ませるようにしたことを特徴とする請求項１２記載のパワー半導体モジュールの製造方法。
19. 前記端子ケース形成工程において、前記端子ケースに前記熱硬化性樹脂の密着強度を高めるための密着強度強化形状として、前記端子ケースの内周縁に沿って形成された段部、又は、前記端子ケースの上端周縁部に形成された鋭角な切欠部を一体成形し、
    前記絶縁封止工程において、前記密着強度強化形状の部分に前記熱硬化性樹脂を保持させることを特徴とする請求項１２記載のパワー半導体モジュールの製造方法。
20. 前記チップ搭載工程において、前記絶縁回路基板に前記半導体チップが複数実装され、
    前記チップ形成工程においては、各半導体チップの厚みが等しく形成されたことを特徴とする請求項１２記載のパワー半導体モジュールの製造方法。
21. 前記内部端子成形工程において、前記リードフレームの半田付け部に、部分的に半田側に突出する突形状を形成するコイニング加工を施すことを特徴とする請求項１３記載のパワー半導体モジュールの製造方法。
22. 前記チップ形成工程において、前記半導体チップの前記リードフレーム側の表面に、その電極部を除いてポリイミド層を表面処理により形成する一方、その電極部の表面にメッキ層を形成し、前記リフロー半田付け工程において、前記半導体チップをセルフアライメントさせることを特徴とする請求項１２記載のパワー半導体モジュールの製造方法。
23. 前記リードフレーム形成工程において平板状の前記リードフレームを形成し、その平板状の前記リードフレームを前記端子ケース形成工程にて端子ケースと一体成形し、
    前記内部端子成形工程における前記内部端子の成形、および前記外部端子成形工程における前記外部端子の成形を、それぞれプレス加工により行うことを特徴とする請求項１３記載のパワー半導体モジュールの製造方法。
24. 前記絶縁封止工程において、前記熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂を用いることを特徴とする請求項１２記載のパワー半導体モジュールの製造方法。
25. 前記第１半田層形成工程における前記第１の半田層、および前記第２半田層形成工程における前記第２の半田層の少なくとも一方に、所定の大きさのコアボールを分散させることを特徴とする請求項１２記載のパワー半導体モジュールの製造方法。

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