JP4583122B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特にトランスファモールド型パワーモジュールを用いた半導体装置及びその製造方法に関するものである。
従来、パッケージ型パワーモジュールは、パワー半導体素子をゲル封止する必要があり、組み立て工程数が多く、部品コストが高くなるという問題があった。
そのため、パワー半導体素子をトランスファモールド法により、モールディングしたトランスファモールド型パワーモジュールが開発されている。
そして、トランスファモールド型パワーモジュールに、シールド板、制御基板及び冷却フィンを組み合わせて半導体装置を完成している。
なお、本発明に関連する先行技術が特許文献1に開示されている。
特開2001−250890号公報
しかし、トランスファモールド型パワーモジュールを用いると、半導体装置の組み立てに際し、トランスファモールド型パワーモジュール、シールド板、及び制御基板等を固定するために冷却フィン又は仮固定部材が必要になる。そして冷却フィンは、ユーザ側で準備されることが多いため、通常半導体装置の組み立てはユーザ側で行うことになる。
そのため、半導体装置の組み立てに際し、冷却フィンの取り付けのみ必要なパッケージ型パワーモジュールに比べて、トランスファモールド型パワーモジュールを用いた場合は、組み立て工程数の増加などの問題をユーザ側に生じていた。
そこで、本発明の目的は、トランスファモールド型パワーモジュールを用いた場合であっても、ユーザ側に組み立て工程数の増加を生じさせない半導体装置を提供することである。
請求項1に記載の半導体装置は、パワー半導体素子をトランスファモールド法によって樹脂封止したパワーモジュールと、前記パワーモジュールを制御する制御基板と、前記パワーモジュールの主表面上に設けられたシールド板と、を備える半導体装置であって、前記パワーモジュールは、前記制御基板を実装する構造を備え、前記制御基板は、前記構造を介して前記シールド板の上方に実装され、前記パワーモジュールは、前記主表面上に形成された突起部を備え、前記制御基板は前記突起部上に接合され、前記制御基板、前記シールド板及び前記パワーモジュールはそれらを連通する孔を備え、前記シールド板は、前記孔に嵌入されるネジにより前記パワーモジュールに接合され、前記パワーモジュールの裏主面において、前記ネジを仮止めする仮固定部材をさらに備えることを特徴とする。
請求項1に記載の半導体装置によれば、冷却フィン若しくは仮固定部材が無くても、制御基板、シールド板をパワーモジュール上に実装することができる。制御基板及びシールド板を実装した状態でパワーモジュールをユーザに提供できるので、ユーザは冷却フィンを取り付ける工程のみで半導体装置を完成することができる。その結果、ユーザ側の組み立て工程数増加の問題を解消できる。
<実施の形態1>
図1は、本実施の形態に係る半導体装置の構造を示す図である。図2は、本実施の形態に係る半導体装置の分解図である。また図3には、本実施の形態に係る半導体装置の回路図を示している。図3に示すように、本実施の形態に係る半導体装置は、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor )10のコレクタ−エミッタ間に逆並列に接続された還流ダイオード11と、コレクタ電極に接続されたP極電極12と、エミッタ電極に接続されたN極電極13を備えている。
また、トランスファモールド型パワーモジュール(以下、単にTPMと称する場合がある。)36は、IGBT等のパワー半導体素子をトランスファモールド法により樹脂封止した構造を備えている。
以下図1,2を参照して本実施の形態に係る半導体装置の構成について説明する。モールド樹脂内部において、パワー半導体素子のコレクタ電極,エミッタ電極に接続された電極33,34がTPM36の側面から引き出されている。電極33,34にはバスバー電極(図示せず)を接続するためのネジ孔37が設けられている。電極33,34は、図3に示すP極電極12及びN極電極13にそれぞれ対応している。また、パワー半導体素子を制御するために、ゲート信号等をパワー半導体素子へ入力するための制御ピン32が、電極33,34に対向する側面から引き出されている。
TPM36の表主面の4隅には、制御基板50を固定するための突起部35が夫々設けられている。突起部35の上端にはネジ孔(図示せず)が設けられている。また、TPM36の中心部には、シールド板40を取り付けるためのネジ孔31が設けられている。シールド板40は半導体素子のスイッチングによる放射ノイズが制御基板50へ影響することを防ぐものであり、電線等を介して制御基板50のグランドラインと接続することにより、よりシールド効果を高めるものである。又、本シールド板40にはTPM36の裏面全面を冷却フィンに密着させる押え板の機能も有するものである。
突起部35は、パワー半導体素子をモールドするときに、モールド樹脂により同時に形成される。若しくは、突起部35を別に形成しておき、パワー半導体素子をモールド後、TPM36の主表面にネジ止め、あるいは接着するようにしてもよい。
シールド板40には、TPM36のネジ孔31に対応する位置に、ネジ孔42が設けられている。そして、シールド板40はTPM36の上面にネジ41によって取り付けられる。すなわち、シールド板40及びTPM36はそれらを連通する孔を備えている。そしてシールド板40は、前記孔に嵌入されるネジ41によりTPM36に接合される。
ネジ41は、ネジ孔31,42を通ってTPM36の裏面で仮固定部材43によって仮止めされている。仮固定部材43は、樹脂製ナット若しくはビニールチューブ等によって形成されている。シールド板40は、後述するようにTPM36の裏主面に冷却フィン(図示せず)を取り付けたとき、TPM36を冷却フィンに押さえ付けて密着させる役割をする。
制御基板50の表主面にI/Fコネクタ54が形成されている。TPM36のネジ孔31に対応する位置には、貫通孔53が設けられている。そして、後述する冷却フィンの取り付けに際し、ネジ締め用の工具により、制御基板50を取り外すことなしに、貫通孔53を介してネジ41をネジ締めできるように構成されている。また、制御基板50には、制御ピン32と接続するための図示しない複数の孔が設けられている。
さらに、制御基板50の4隅の突起部35に対応する位置にはネジ孔52が設けられており、ネジ51により、制御基板50をTPM36に固定できるように構成されている。
次に、本実施の形態に係る半導体装置の組み立て方法について説明する。まず、シールド板40をネジ41によりTPM36に固定する。ネジ41は、シールド板40に設けられたネジ孔42及びTPM36に設けられたネジ孔31を貫通して、TPM36の裏面において仮固定部材43によって仮止めされる。
次に、制御基板50がTPM36に固定される。制御基板50は、4隅に設けられたネジ孔52、及び突起部35に設けられたネジ孔を介してネジ51により固定される。
また制御ピン32の端は、制御基板50に設けられた孔を通って、制御基板50の上面に突出し、制御基板50と半田付けされる。
本実施の形態に係る半導体装置に用いられるトランスファモールド型パワーモジュールは、4隅に突起部35を備えている。さらに、シールド板40を固定するためのネジ孔31を備えている。そのため、制御基板50、シールド板40をトランスファモールド型パワーモジュール上に実装できる構造になっている。
すなわち、本実施の形態に係るTPM36は、制御基板50を実装できる構造(突起部35)を備え、制御基板50は、前記構造を介してシールド板40の上方に実装される。
制御基板50及びシールド板40を実装した状態でパワーモジュールをユーザに提供できるので、ユーザは冷却フィンに取り付ける工程のみで半導体装置を完成することができる。その結果、TPM36を用いることによってユーザ側の組み立て工程数増加の問題を解消できる。
また、冷却フィンを取り付けること無く、シールド板40及び制御基板50が実装された半導体装置に対し機能検査を行うことができるので、メーカー側で機能検査を行うことでユーザ側の負担を軽減できる。
また、シールド板40を固定するために、仮固定部材43を備えている。そのため、半導体装置を冷却フィンに固定するまでの間に、制御基板50とTPM36に挟まれた空間をシールド板40が自由に動くことにより制御基板50やTPM36が破損するおそれが無くなる。

なお、本実施の形態では、突起部35により制御基板50を実装するように構成したが、制御基板50を実装できる構成であればどのような構成であってもよい。例えば、突起部35の数を増してもよい。さらに、TPM36の上面に矩形環状の突起部35を形成してもよい。このように形成することで、突起部35とTPM36の接合部を強くできる。
<実施の形態2>
図4は、本実施の形態に係る半導体装置を形成するトランスファモールド型パワーモジュール60の構成を示す図である。本実施の形態に係るTPM60は、電極33,34の形成されていない対向する側面に第1嵌合部61と第2嵌合部62が夫々形成されている。
そして、複数のTPM60が存在する場合に、一のTPM60の第1嵌合部61と、他のTPM60の第2嵌合部62を互いに嵌合して、複数のTPM60を嵌合できるように構成されている。すなわち、TPM60は、側面に嵌合部(第1嵌合部61,第2嵌合部62)を備え、複数のTPM60の側面どうしを嵌合部を介して嵌合できるように構成されている。
その他の構成は実施の形態1と同様であり、同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
図5は、本実施の形態に係る複数個(図5の例では4個)のTPM60を嵌合部により一連に嵌合した構成を示している。また、図6は、4つのTPM60を嵌合した後、シールド板40、制御基板50及びバスバー電極120を実装した半導体装置を示している。そして図7は、図6に示した半導体装置の分解図を示している。
シールド板40は、夫々のTPM60に設けられたネジ孔31に対応して4つのネジ孔42が設けられている。そしてシールド板40は、ネジ41によりTPM60と接合されている。またネジ41は、ネジ孔31及びネジ孔42を通ってTPM60の裏面で仮固定部材43によって仮止めされている。
また制御基板50は、表主面にI/Fコネクタ54が設けられている。TPM60に設けられた突起部35に対応する位置に複数のネジ孔52が形成されている。そして制御基板50は、ネジ51によりTPM60の突起部35において接合されている。
また、制御基板50には、TPM60のネジ孔31に対応して4つの貫通孔53が設けられている。そして、TPM60に設けられた制御ピン32に対応する位置に図示しない孔が設けられており、制御基板50を実装した際、制御ピン32が制御基板50上に突出するように構成されている。
またバスバー電極120がTPM60に接続されている。バスバー電極120は、TPM60側の電極33,34と接続するための複数のモジュール側電極端子と、周辺部品を接続するための外部電極端子を備えている。
バスバー電極120は、モジュール側電極端子に設けられたネジ孔と、TPM60側の電極33,34に設けられたネジ孔37とを介して、ネジ121及び固定部材122により接続されている。
次に、バスバー電極120の構成について説明する。図8は、バスバー電極120の構成を説明するための図である。図8に示すように、バスバー電極120は、N極接続バスバー電極123、P極接続バスバー電極124、及びU極接続バスバー電極125からなる複数の部分バスバー電極と、絶縁シート(絶縁膜)126によって構成されている。
U極接続バスバー電極125上に絶縁シート126を介してP極接続バスバー電極124が接合されている。P極接続バスバー電極124上に絶縁シート126を介してN極接続バスバー電極123が接合されている。そしてN極接続バスバー電極123の上面及びU極接続バスバー電極125の裏面には絶縁シート126が接合されている。
N極接続バスバー電極123は、2つのTPM60のN極電極と接続されるモジュール側電極端子81,82、とN極外部電極端子103を備えている。そして、N極外部電極端子103は、モジュール側電極端子81,82と、N極外部電極端子103の中心を通るラインとの距離N1,N2が等しい距離となる位置に配置されている。言い換えると、N極外部電極端子103の中心を通るラインに対して対称な位置にモジュール側電極端子81,82が配置されている。
P極接続バスバー電極124及びU極接続バスバー電極125も同様に外部電極端子に対して対称な位置にモジュール側電極端子が配置されている。
以上のように構成された半導体装置の組み立て方法について説明する。まず、4つのTPM60を第1嵌合部61及び第2嵌合部62を嵌合することで結合する。次にシールド板40をTPM60の上面に接合する。この時、ネジ41をネジ孔42及びネジ孔31を通して、TPM60の裏面で仮固定部材43により仮止めする。
次に、制御基板50をネジ51により、TPM60の突起部35に取り付ける。その後、バスバー電極120を取り付ける。
次に、本実施の形態に係るTPM60を用いることによる効果について説明する。図9は、2個の2in1のパワーモジュールを並列接続した回路図である。IGBT91のコレクタ端子はP極電極に接続され、エミッタ端子はIGBT92のコレクタ端子及びU極電極に接続されている。IGBT92のエミッタ端子はN極電極に接続されている。
また、IGBT93のコレクタ端子はP極電極に接続され、エミッタ端子がIGBT94のコレクタ端子及びU極電極に接続されている。IGBT94のエミッタ端子はN極電極に接続されている。
IGBT91,92で一の2in1のパワーモジュールを構成し、IGBT93,94で別の2in1のパワーモジュールを構成している。また、IGBT91〜94のエミッタ端子−コレクタ端子間に還流ダイオード11がそれぞれ逆並列に接続されている。
図9に示す回路図に対応する半導体装置を実施の形態1のTPM36で構成する場合、図10に示すようにTPM36を配置する必要がある。図10は、図9のように表された回路図に対応する半導体装置を、4個のTPM36で構成した半導体装置を示す図である。
第1〜4TPM36が隣接して並べられている。夫々のTPM36は、2つの電極33,34を備えており、夫々の電極は、図10に示すようにP極電極、N極電極、及びU極電極に対応している。
第1TPM36の電極33,34は、P極電極及びU極電極にそれぞれ対応し、第2TPM36が第1TPM36に隣接して配置されている。そして第2TPM36の電極33,34もまたP極電極及びU極電極にそれぞれ対応している。
第2TPM36に隣接して配置された第3TPM36の電極33,34は夫々U極電極,N極電極に対応している。第3TPM36に隣接して配置された第4TPM36の電極33,34もまたU極電極,N極電極に夫々対応している。
第1,2TPM36のP極電極は接続され、P極外部電極端子101に接続されている。また第1〜4TPM36のU極電極が互いに接続され、U極外部電極端子102に接続されている。そして、第3,第4TPM36のN極電極は互いに接続され、N極外部電極端子103に接続されている。
ここで、TPM36から引き出された夫々の電極はバスバー電極120によって接続され、P極外部電極端子101、U極外部電極端子102、及びN極外部電極端子103はバスバー電極120に形成されている。
また、P極外部電極端子101は、図9において示したP極電極14に対応し、U極外部電極端子102はU極電極15に対応している。またN極外部電極端子103はN極電極16に対応している。
図9の回路に対応する半導体装置をTPM36により実現しようとすると、図10に示すように、TPM36を配置する必要があり、それぞれのTPM36を冷却フィンに固定しないで組み立てるのは難しい。
本実施の形態では、図に示すように、それぞれのTPM60が第1嵌合部61、第2嵌合部62を備えているので、4個のTPM60を嵌合して一つの固まりにすることができる。4つのTPM60が嵌合され一つの固まりとなっているので、冷却フィン等に固定しなくても制御基板50、シールド板40をTPM60上に実装し易く、半導体装置を容易に組み立てることができる。
また、本実施の形態に係る半導体装置は、それぞれのTPM60が第1嵌合部61及び第2嵌合部62によって結合されているので、TPM60の結合部の結合強度を強くすることができる。
さらに、本実施の形態に用いられているバスバー電極120は、外部電極端子対して対称な位置にモジュール側電極端子が設けられている。そのため、外部電極端子からモジュール側電極端子に至る配線長が等しくなる。その結果、各TPM60へ流入若しくは流出する電流の電流バランスが崩れた場合に半導体素子に生じる熱的なストレスを防止することができる。
また、例えばN極接続バスバー電極123とP極接続バスバー電極124は、絶縁シート126を挟んで重なり合っている。N極接続バスバー電極123とP極接続バスバー電極124が重なった部分に寄生コンデンサが形成される。そしてN極接続バスバー電極123とP極接続バスバー電極124が寄生コンデンサを介して接続されるため、等価的に寄生インダクタンスを低減し、スイッチングサージの発生を抑えることができる。
なお、本実施の形態では、4個のTPM60を用いて2in1の並列接続の回路を構成したが、さらに多くのTPM60を用いて6in1や12in1等の回路も容易に構成することができる。
<実施の形態3>
図11は、本実施の形態に係る半導体装置を構成するトランスファモールド型パワーモジュール90の構成を示す図である。図11に示すように本実施の形態では、例えば図9に示した2in1の回路構成に対応する半導体素子を全てトランスファモールド法により樹脂封止している。
TPM90は、主表面上の4隅に突起部35が形成されている。TPM90には、シールド板(図示せず)を接続するためのネジ孔31が形成されている。ネジ孔31は、上面からみて長手方向に、3箇所等間隔に配置されている。
そしてTPM90の長手方向に沿った側面から複数の電極111が引き出されている。TPM90の電極111に対向する側面から制御ピン32が引き出されている。
本実施の形態に係るTPM90は、実施の形態2に示されたTPM60に比べて、第1,2嵌合部を形成する必要が無いので、占有面積を減少することができる。また、突起部35等の部品点数を削減することができる。
<実施の形態4>
図12は、本実施の形態に係る半導体装置を構成するトランスファモールド型パワーモジュール200の構成を示す図である。本実施の形態に係るTPM200は、バスバー電極120をTPM200内部のパワー半導体素子(図示せず)とワイヤーボンドで結合した後、バスバー電極120とTPM200内部のパワー半導体素子とをまとめてトランスファモールド法により樹脂封止したパワーモジュールである。
図13は、本実施の形態に係るTPM200を用いた半導体装置の完成図を示している。TPM200上にシールド板40が取り付けられている。シールド板40は、ネジ41及び仮固定部材43により、TPM200に固定されている。
また、図14は、本実施の形態に係るTPM200を用いた半導体装置の分解図を示している。
次に本実施の形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。まず、シールド板40がTPM200の表主面に取り付けられる。シールド板40は、シールド板40に設けられたネジ孔42及びTPM200に設けられたネジ孔31を介して、ネジ41によりTPM200と接合される。次に、制御基板50がネジ51によりTPM200の突起部35に取り付けられる。そうして図13に示す半導体装置が完成する。
制御基板50が実装されているので、この段階でパワーモジュールの機能検査を行うことができる。機能検査を行った後、図15に示すように冷却フィン500に取り付ける。冷却フィン500には、TPM200に設けられたネジ孔31に対応する位置に、図示しないネジ孔が設けられている。
TPM200を冷却フィン500に取り付ける際には、まず仮固定部材43を取り外す。そして、冷却フィン500のネジ孔にネジ41が入るようにTPM200を設置する。制御基板50に設けられた貫通孔53を介して、適当な工具によりネジ41をネジ締めすることよりTPM200に冷却フィン500を取り付ける。この時、シールド板40により押さえ付けられ、TPM200が冷却フィン500に密着する。
本実施の形態に係る半導体装置は、以上のように構成されているので、バスバー電極120とTPM200内部のパワー半導体素子とをまとめてモールドすることにより、モジュール側電極端子が不要になり、部品点数の削減ができる。また、TPM側の電極とバスバー電極120のモジュール側電極端子との接合部分が不要になるので、その部分だけバスバー電極120の配線長が短縮され、寄生インダクタンスの削減が可能になる。

<実施の形態5>
パワー用途の半導体装置には、通常、平滑コンデンサ、放電抵抗、電極間のスナバコンデンサ、リアクトル等の周辺部品が接続される。本実施の形態では、このような周辺部品もトランスファモールド法により樹脂封止する。
周辺部品も含めて樹脂封止することにより、組み立て部品の削減、工程数の削減、また半導体装置の小型化が可能になる。
実施の形態1に係る半導体装置の構成を示す図である。 実施の形態1に係る半導体装置の分解図である。 実施の形態1に係る半導体装置の回路図である。 実施の形態2に係るトランスファモールド型パワーモジュールの構成を示す図である。 実施の形態2に係るトランスファモールド型パワーモジュールを4つ結合した状態を示す図である。 実施の形態2に係る半導体装置の完成図である。 実施の形態2に係る半導体装置の分解図である。 実施の形態2に係る半導体装置に用いられるバスバー電極の分解図である。 実施の形態2に係る半導体装置の回路図である。 実施の形態2に係る半導体装置の回路図に対応するトランスファモールド型パワーモジュールとバスバー電極による結線図である。 実施の形態3に係るトランスファモールド型パワーモジュールを示す図である。 実施の形態4に係るトランスファモールド型パワーモジュールを示す図である。 実施の形態4に係る半導体装置の完成図である。 実施の形態4に係る半導体装置の分解図である。 実施の形態4に係る半導体装置に冷却フィンを取り付けた状態を示す図である。
符号の説明
31,37,42,52 ネジ孔、32 制御ピン、35 突起部、40 シールド板、41 ネジ、43 仮固定部材、50 制御基板、53 貫通孔、120 バスバー電極、500 冷却フィン。

Claims (8)

  1. パワー半導体素子をトランスファモールド法によって樹脂封止したパワーモジュールと、
    前記パワーモジュールを制御する制御基板と、
    前記パワーモジュールの主表面上に設けられたシールド板と、
    を備える半導体装置であって、
    前記パワーモジュールは、前記制御基板を実装する構造を備え、前記制御基板は、前記構造を介して前記シールド板の上方に実装され
    前記パワーモジュールは、前記主表面上に形成された突起部を備え、
    前記制御基板は前記突起部上に接合され、
    前記制御基板、前記シールド板及び前記パワーモジュールはそれらを連通する孔を備え、前記シールド板は、前記孔に嵌入されるネジにより前記パワーモジュールに接合され、
    前記パワーモジュールの裏主面において、前記ネジを仮止めする仮固定部材をさらに備えることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記パワーモジュールは、側面に嵌合部を備え、複数の前記パワーモジュールの側面どうしを前記嵌合部を介して嵌合できることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置
  3. 複数の前記パワーモジュールを備え、
    前記複数のパワーモジュールは、前記嵌合部により一連に嵌合されていることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置
  4. 前記パワーモジュールの電極端子を接続するバスバー電極をさらに備え、
    前記バスバー電極は、周辺部品を接続する外部電極端子と、前記電極端子に接続されるモジュール側電極端子と、を有し、
    前記モジュール側電極端子は、前記外部電極端子に対して対称な位置に配置されていることを特徴とする請求項3に記載の半導体装置
  5. 前記バスバー電極は、複数の部分バスバー電極を備え、
    前記部分バスバー電極は、絶縁膜を介して接合されていることを特徴とする請求項4に記載の半導体装置
  6. 前記パワーモジュールは、前記パワー半導体素子に接続されたバスバー電極をさらに備え、
    前記パワー半導体素子と前記バスバー電極とをまとめて樹脂封止したことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置
  7. 前記パワーモジュールは、前記バスバー電極に接続される周辺部品をさらに備え、
    前記パワー半導体素子と、前記バスバー電極と、前記周辺部品とをまとめて樹脂封止したことを特徴とする請求項6に記載の半導体装置
  8. 請求項1に記載の半導体装置を準備するステップと、
    前記仮固定部材を取り外す工程と、
    前記孔に嵌入された前記ネジによって冷却フィンを取り付ける工程と、
    を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法
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