JP4947135B2 - 半導体パッケージおよびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、パワー素子と制御回路を内蔵する半導体パッケージおよびその製造方法に関する。
従来から、パワーMOSFETを搭載したリードフレームのダイパッド下面に、銅箔に同じ形状で固着された絶縁シートをつけて一緒にモールドすることにより、絶縁性と高放熱性を実現した半導体パッケージが知られている(例えば、特許文献1参照。)。また、パワーMOSFETと制御回路を内蔵するとともに、パワーMOSFETを搭載したリードフレームのダイパッド下面に絶縁性樹脂シートをつけてモールドし、この樹脂シートとモールド樹脂の混合層を形成した半導体パッケージが知られている(例えば、特許文献2参照。)。
また、押さえピンを用いてダイパッドを絶縁シートに圧接してモールドするようにした半導体パッケージ製造方法が知られている(例えば、特許文献3参照。)。また、常温では固体であり高温では一旦溶融した後に完全に硬化する樹脂シートと、溶融温度より高温の金型を準備し、モールド樹脂を過熱加圧注入してこの樹脂シートを熱硬化させるようにした半導体パッケージ製造方法が知られている(例えば、特許文献4参照。)。また、ヒートシンクに樹脂シートを有し、樹脂シートと同形状の屈曲部を有するリードフレームを備える半導体パワーモジュールが知られている(例えば、特許文献5参照。)。
特許第3740116号公報 特許第4146785号公報 特許第3854957号公報 特開2008−4971号公報 特許第3846699号公報
ところで、特許文献1に開示された半導体パッケージでは、金属とモールド樹脂間の距離が短いため、被水に対する信頼性が低いという問題があった。また、外部との接触面積を増やすためにヒートシンクを大きくする場合に、大きな絶縁シートが必要になってコストが増大するという問題があった。
特許文献2に開示された半導体パッケージでは、制御回路は樹脂シートには接触しておらず、パワーMOSFETの温度が伝わりにくいため、パワーMOSFETの温度保護を考えた場合に、パワーMOSFETの温度検出が困難であるという問題があった。また、モールド樹脂との境界にある樹脂シートが溶けるため、シート厚が薄くなって熱伝導率が低下して冷却性が悪化するという問題があった。
特許文献3に開示された半導体パッケージ製造方法では、金型に押さえピン構造が必要であって工程が複雑化するという問題があった。また、ダイパッドにピン押さえ部分が必要になり、ダイパッドの距離が近づいて端子間の絶縁性が低下したり、素子を搭載しないダイパッドの面積が増えるためパッケージが大型化するという問題があった。
特許文献4に開示された半導体パッケージ製造方法では、樹脂シートの金型への位置合わせが難しく、位置合わせのために樹脂シートを金型の底面全部に対応させたり金型に位置合わせの突起が必要になったり、モールド樹脂注入時にリードフレームが押されて位置がずれるおそれがあり、加工性が低下するという問題があった。
特許文献5に開示された半導体パワーモジュールでは、絶縁層の上に接着層を積層しているため熱伝導率が低下して冷却性が悪く、部品点数増加に伴って加工工数が増加して加工性が低下するという問題があった。
本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、コスト低減、信頼性向上、冷却性向上、小型化、パワー素子温度検出の容易化が可能な半導体パッケージおよびその製造方法を提供することにある。
上述した課題を解決するために、本発明の半導体パッケージは、金属板と、パワー素子と、ダイパッドを有するリードフレームと、絶縁性を有する樹脂シートと、パワー素子を制御する制御回路と、一の面を除く金属板、樹脂シート、パワー素子、制御回路を封止するモールド樹脂とを有し、パワー素子と制御回路を内蔵している。パワー素子がダイパッド上に搭載され、ダイパッドが樹脂シートを介して金属板上に搭載されている。また、樹脂シートは、少なくともダイパッドの下面を包含し、かつ、金属板よりも小さく、制御回路は、金属板上であって、パワー素子の搭載領域以外の領域に配置されている。
これにより、ヒートシンクとなる金属板の面積を大きくした場合であっても必要最小限の樹脂シートを用いることによるコスト低減が可能となる。また、金属板より小さい樹脂シートを用いることにより、密着性が良好な金属板とモールド樹脂との間の界面距離が長くなるため、被水などに対する信頼性を向上させることができる。さらに、金属板上に制御回路を配置することにより、金属板を通してパワー素子の温度検出を精度よく行うことが可能になり、パワー素子の過熱警報や過熱時の制御が容易となる。
また、上述した制御回路は、樹脂シートを介して金属板上に配置されている。これにより、パワー素子の温度が、直接金属板を通さずに樹脂シートを介して制御回路に伝わるため、さらにパワー素子の温度検出精度を向上させることができる。また、制御回路と金属板とが樹脂シートを介して電気的に絶縁されるため、金属板にサージが印加されたときの信頼性を向上させることができる。
また、上述した制御回路が搭載された第2のダイパッドを有するフレームをさらに備え、パワー素子は、リードフレームに半田で接合され、制御回路は、第2のダイパッド上に搭載されているとともに、フレームに銀ペーストで接合されている。また、上述した金属板は、外部の放熱フィンと電気的接続手段によって接続されている。パワー素子を半田付けによってリードフレーム(ダイパッド)に接合することにより、パワー素子の良好な放熱性を確保することができる。また、制御回路については、半田付けによる接合を行わないため、冷熱ストレスが印加されたときの寿命を向上させることができる。また、制御回路の裏面(フレームに対向する側)に半田付けのための表面処理が不要になって工数低減が可能になる。さらに、金属板上に樹脂シート、リードフレーム(またはフレーム)を配置し、さらにその上にパワー素子と制御回路とを接合しているため、パワー素子と制御回路の上面の高さをほぼ同じにすることができ、ワイヤボンディングを容易に行うことができる。すなわち、高さが違う場合に必要な調整等が不要になって加工性がよくなる。
また、上述した樹脂シートで覆われていない金属板上に、ワイヤボンディングのパッドが形成されており、パワー素子および制御回路の少なくとも一方のグランド端子がパッドとボンディングワイヤを介して接続されていることが望ましい。金属板をグランド端子として用いることができるため、別にグランド端子用のリードフレームを備える必要がなく、構造を簡略化することができる。
また、上述した金属板は、貫通穴を有し、貫通穴およびその周辺領域が外部に露出しており、貫通穴にネジを通して金属板を放熱フィンまたは筐体に締め付け固定することにより電気的接続手段をなすことが望ましい。ネジによる締め付けによって放熱フィンや筐体に半導体パッケージを固定することができるため、高振動環境下での固定を確実に行うことができる。また、固定と同時に、外部のグランド端子との間の導通経路を確保することができ、グランド端子用の配線が不要になる。
また、上述した樹脂シートは、モールド樹脂と混合せずにモールド樹脂との間に界面を有することが望ましい。界面を有する溶け出さない樹脂シートを用いることにより、樹脂シートを介した安定した熱伝導を確保することができる。
本発明の半導体パッケージ製造方法は、上述した半導体パッケージを製造するために、ダイパッドにパワー素子および制御回路を含む素子をワイヤボンディングを含んで実装する工程と、金属板上に樹脂シートを配置する工程と、金属板上に配置された樹脂シートのさらに上に、素子が実装されたダイパッドを接着する工程と、金型に、ダイパッドが樹脂シートを介して実装された金属板をセットする工程と、金型にモールド樹脂を注入して加熱加圧硬化させる工程とを備えている。
樹脂モールド前に既にダイパッドと金属板とが相互に固定されているため、ダイパッドやリードフレームを金型にセットした段階で、同時に金属板の位置合わせを行うことができる。また、モールド樹脂注入時に、ダイパッド(リードフレーム)がモールド樹脂に押されて位置がずれることを防止することができる。また、ダイパッドが金属板上に固定されているため、ダイパッドを固定するために金型に押さえピンの構造を備える必要がない。さらに、ダイパッドにも押さえピンのためのスペースが不要になるため、ダイパッドを小さくするとともにダイパッド間の距離を大きくすることが可能となる。
また、上述した樹脂シートは、接着性を有することが望ましい。これにより、金属板上に樹脂シートを配置したり、樹脂シート上にダイパッド等を配置する際の工程の簡略化が可能となる。
一実施形態の半導体パッケージの構成を示す断面図である。 半導体パッケージの製造工程を示す図である。 半導体パッケージが一部に用いられる車両用発電機の構成を示す図である。 整流器モジュールの構成を示す図である。
以下、本発明を適用した一実施形態の半導体パッケージについて、図面を参照しながら説明する。図1は、一実施形態の半導体パッケージの構成を示す断面図である。図1に示すように、本実施形態の半導体パッケージ100は、金属板110、パワー素子112、リードフレーム116、118、ダイパッドフレーム122、樹脂シート124、制御回路126、モールド樹脂130を含んで構成されている。
金属板110は、ヒートシンクとして機能し、樹脂モールドされた状態で一の面(下面)のみが半導体パッケージ100の外部に露出している。パワー素子112は、パワーMOSFET等の素子であって、制御回路126やその他の素子に比べて発熱量が大きい。一方のリードフレーム116は、一部にダイパッド114を含んでおり、他の一部が外部の回路(図示せず)との電気的接続を行うリード端子となる。他方のリードフレーム118は、一部にダイパッドが含まれず、外部の回路との電気的接続を行うリード端子となる。ダイパッドフレーム122は、全体がダイパッド120として機能するフレームである。樹脂シート124は、絶縁性および接着性を有する。また、樹脂シート124は、モールド樹脂130を形成する際の加熱および加圧において溶融してモールド樹脂130と混合せずにモールド樹脂130との間に界面を有している。制御回路126は、パワー素子112と接続され、パワー素子112を駆動したり、パワー素子112周辺の温度検出を行うとともにその他の各種の処理を行う。
また、本実施形態では、パワー素子112はダイパッド114上に搭載されており、このダイパッド114は樹脂シート124を介して金属板110上に搭載されている。パワー素子112は、ダイパッド114上に半田で接合(半田付け)されている。
樹脂シート124は、熱伝導率が良好(具体的には、熱伝導率が7.5W/(m・K)以上)であって、パワー素子112で発生した熱を効率よく金属板110に伝えることができる。また、樹脂シート124は、少なくともダイパッド114、120の下面を包含し、かつ、金属板110の上面より小さい。したがって、金属板110の上面の一部は、樹脂シート124によって遮蔽されずに樹脂シート124の周囲に露出している。
また、制御回路126はダイパッド120上に搭載されており、このダイパッド120は樹脂シート124を介して金属板110上に搭載されている。制御回路126は、ダイパッド120上に銀ペーストを用いて接合されている。このように、制御回路126は、金属板110上であって、パワー素子112の搭載領域以外の領域に配置されている。
また、金属板110の上面であって樹脂シート124によって覆われていない領域(露出した領域)にはパッド140、142が形成されている。一方のパッド140は、パワー素子112のグランド端子とボンディングワイヤ141を用いて接続されており、他方のパッド142は、制御回路126のグランド端子とボンディングワイヤ143を用いて接続されている。また、パワー素子112と制御回路126はボンディングワイヤ144を用いて接続され、制御回路126とリードフレーム118はボンディングワイヤ145を用いて接続されている。
ところで、本実施形態の金属板110は下面が外部に露出しており、この金属板110と外部の筐体あるいは放熱フィン200との間が電気的接続手段によって接続されている。図1に示した例では、電気的接続手段としてネジ210が用いられている。例えば、金属板110は貫通穴150を有しており、貫通穴150およびその周辺領域がモールド樹脂130に設けられた穴152を通して外部に露出している。穴152を利用して貫通穴150にネジ210を通して締め付けることにより、金属板110を筐体または放熱フィン200に固定している。
本実施形態の半導体パッケージ100はこのような構造を有しており、次にその製造工程について説明する。図2は、半導体パッケージ100の製造工程を示す図である。図1に示すように、半導体パッケージ100の製造工程は次の各工程を含んでいる。
(工程1)
リードフレーム116のダイパッド114やダイパッドフレーム122のダイパッド120にパワー素子112および制御回路126を含む素子をワイヤボンディングを含む手法を用いて実装する(図2(A))。
(工程2)
金属板110上に樹脂シート124を配置する(図2(B))。
(工程3)
金属板110上に配置された樹脂シート124のさらに上に、パワー素子112や制御回路126等が実装されたダイパッド114、120を接着する(図2(C))。
(工程4)
金属板110上のパッド140とパワー素子112との間と、金属板110上のパッド142と制御回路126との間を、それぞれワイヤボンディングで接続する(図2(D))。
(工程5)
金型300に、ダイパッド114、120が樹脂シート124を介して実装された金属板110をセットする(図2(E))。
(工程6)
金型300にモールド樹脂を注入して加熱加圧硬化させる。
このように、本実施形態の半導体モジュール100では、ヒートシンクとなる金属板110の面積を大きくした場合であっても必要最小限の樹脂シート124を用いることによるコスト低減が可能となる。また、金属板110より小さい樹脂シート124を用いることにより、密着性が良好な金属板110とモールド樹脂130との間の界面距離が長くなるため、被水などに対する信頼性を向上させることができる。さらに、金属板110上に制御回路126を配置することにより、金属板110を通してパワー素子112の温度検出を精度よく行うことが可能になり(制御回路126が温度検出素子やそのための回路を含んでいる場合)、パワー素子112の過熱警報や過熱時の制御が容易となる。
また、制御回路126を樹脂シート124を介して金属板110上に配置することにより、パワー素子112の温度が、直接金属板110を通さずに熱伝導率が大きな樹脂シート124を介して制御回路126に伝わるようになるため、さらにパワー素子112の温度検出精度を向上させることができる。また、制御回路126と金属板110とが樹脂シート124を介して電気的に絶縁されるため、金属板110にサージが印加されたときの信頼性を向上させることができる。
また、パワー素子112を半田付けによってリードフレーム116(ダイパッド114)に接合することにより、パワー素子112の良好な放熱性を確保することができる。また、制御回路126については、半田付けによる接合を行わないため、冷熱ストレスが印加されたときの寿命を向上させることができる。また、制御回路126の裏面(ダイパッドフレーム122に対向する側)に半田付けのための表面処理が不要になって工数低減が可能になる。さらに、金属板110上に樹脂シート124、リードフレーム116(またはダイパッドフレーム122)を配置し、さらにその上にパワー素子112と制御回路126とを接合しているため、パワー素子112と制御回路126の上面の高さをほぼ同じにすることができ、ワイヤボンディングを容易に行うことができる。すなわち、高さが違う場合に必要な調整等が不要になって加工性がよくなる。
また、金属板110をグランド端子として用いることができるため、別にグランド端子用のリードフレームを備える必要がなく、構造を簡略化することができる。また。ネジ210による締め付けによって筐体や放熱フィン200に半導体パッケージ100を固定することができるため、高振動環境下での固定を確実に行うことができる。また、固定と同時に、外部のグランド端子との間の導通経路を確保することができ、グランド端子用の配線が不要になる。界面を有する溶け出さない樹脂シート124を用いることにより、樹脂シート124を介した安定した熱伝導を確保することができる。
また、本実施形態の半導体パッケージ製造工程によれば、樹脂モールド前に既にダイパッド114、120と金属板110とが相互に固定されているため、ダイパッド114、120やリードフレーム118を金型300にセットした段階で、同時に金属板110の位置合わせを行うことができる。また、モールド樹脂注入時に、ダイパッド114、120がモールド樹脂に押されて位置がずれることを防止することができる。また、ダイパッド114、120が金属板110上に固定されているため、ダイパッド114、120を固定するために金型300に押さえピンの構造を備える必要がない。さらに、ダイパッド114、120にも押さえピンのためのスペースが不要になるため、ダイパッド114、120を小さくするとともにこれらの間の距離を大きくすることが可能となる。また、接着性を有する樹脂シート124を用いることにより、金属板110上に樹脂シート124を配置したり、樹脂シート124上にダイパッド114等を配置する際の工程の簡略化が可能となる。
次に、上述した半導体パッケージ100の好適な適用例を説明する。図3は、半導体パッケージ100が一部に用いられる車両用発電機の構成を示す図である。図3に示す車両用発電機1は、2つの固定子巻線2、3、界磁巻線4、2つの整流器モジュール群5、6、発電制御装置7を含んで構成されている。
一方の整流器モジュール群5は、一方の固定子巻線2に接続されており、全体で三相全波整流回路が構成されている。この整流器モジュール群5は、固定子巻線2の相数に対応する数(三相巻線の場合には3個)の整流器モジュール5X、5Y、5Zを備えている。整流器モジュール5Xは、固定子巻線2に含まれるX相巻線に接続されている。整流器モジュール5Yは、固定子巻線2に含まれるY相巻線に接続されている。整流器モジュール5Zは、固定子巻線2に含まれるZ相巻線に接続されている。
他方の整流器モジュール群6は、一方の固定子巻線3に接続されており、全体で三相全波整流回路が構成されている。この整流器モジュール群6は、固定子巻線3の相数に対応する数(三相巻線の場合には3個)の整流器モジュール6U、6V、6Wを備えている。整流器モジュール6Uは、固定子巻線3に含まれるU相巻線に接続されている。整流器モジュール6Vは、固定子巻線3に含まれるV相巻線に接続されている。整流器モジュール6Wは、固定子巻線3に含まれるW相巻線に接続されている。
発電制御装置7は、界磁巻線4に流す励磁電流を制御することにより、車両用発電機1の発電電圧(各整流器モジュールの出力電圧)を制御する。また、発電制御装置7は、通信端子および通信線を介してECU8(外部制御装置)と接続されており、ECU8との間で双方向のシリアル通信(例えば、LIN(Local Interconnect Network)プロトコルを用いたLIN通信)を行い、通信メッセージを送信あるいは受信する。
車両用発電機1はこのような構成を有しており、この中に含まれる整流器モジュール5X等のそれぞれが半導体パッケージ100によって実現される。
図4は、整流器モジュール5Xの構成を示す図である。なお、他の整流器モジュール5Y、5Z、6U、6V、6Wも同じ構成を有している。図4に示すように、整流器モジュール5Xは、3つのMOSトランジスタ50、51、52、電流検出素子53、制御回路54を備えている。MOSトランジスタ50は、ソースが固定子巻線2のX相巻線に接続され、ドレインがMOSトランジスタ52を介してバッテリ9の正極端子に接続されたハイサイド側のスイッチ素子である。MOSトランジスタ51は、ドレインがX相巻線に接続され、ソースが電流検出素子53を介してバッテリ9の負極端子(アース)に接続されたローサイド側のスイッチ素子である。
MOSトランジスタ52は、ハイサイド側のMOSトランジスタ50とバッテリ9の正極端子との間に挿入され、ドレインがMOSトランジスタ50のドレイン側に接続されたスイッチ素子であり、バッテリ逆接続時およびロードダンプサージ抑止のための保護用に用いられる。MOSトランジスタ50、51のみが備わった構成では、バッテリ9が逆接続されたときに、MOSトランジスタ50、51のボディーダイオードを介して大電流が流れるが、逆接続時にこの保護用のMOSトランジスタ52をオフすることにより、MOSトランジスタ50、51のボディダイオードを介して流れる電流を阻止することができる。また、車両用発電機1に接続されたバッテリ9が外れた場合に固定子巻線2のX相巻線に大きなロードダンプサージが発生するが、このときにMOSトランジスタ52をオフすることにより、車両用発電機1から電気負荷10、12等に大きなサージ電圧が印加されることを阻止することができる。上述したMOSトランジスタ50、51、52が半導体パッケージ100のパワー素子112に対応し、制御回路54が半導体パッケージ100の制御回路126に対応する。
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態では、整流器モジュール5X等を半導体パッケージ100を用いて実現する適用例について説明したが、発電制御装置7にも、界磁巻線4に流れる励磁電流を断続するパワー素子と、その断続タイミング等を制御する制御回路が備わっているため、発電制御装置7を半導体パッケージ100の構造を用いて実現するようにしてもよい。また、半導体パッケージ100の適用例は車両用発電機に限定されず、パワー素子と制御回路を含むものであればその他の装置であってもよい。
上述したように、本発明によれば、ヒートシンクとなる金属板110の面積を大きくした場合であっても必要最小限の樹脂シート124を用いることによるコスト低減が可能となる。また、金属板110より小さい樹脂シート124を用いることにより、密着性が良好な金属板110とモールド樹脂130との間の界面距離が長くなるため、被水などに対する信頼性を向上させることができる。さらに、金属板110上に制御回路126を配置することにより、金属板110を通してパワー素子112の温度検出を精度よく行うことが可能になり、パワー素子112の過熱警報や過熱時の制御が容易となる。
100 半導体パッケージ
110 金属板
112 パワー素子
114、120 ダイパッド
116、118 リードフレーム
122 ダイパッドフレーム
124 樹脂シート
126 制御回路
130 モールド樹脂
140、142 パッド
141、143、144、145 ボンディングワイヤ
150 貫通穴
152 穴
200 放熱フィン
210 ネジ

Claims (6)

  1. 金属板と、
    パワー素子と、
    ダイパッドを有するリードフレームと、
    絶縁性を有する樹脂シートと、
    前記パワー素子を制御する制御回路と、
    一の面を除く前記金属板、前記樹脂シート、前記パワー素子、前記制御回路を封止するモールド樹脂と、
    前記制御回路が搭載された第2のダイパッドを有するフレームと、
    を有し、前記パワー素子と前記制御回路を内蔵する半導体パッケージにおいて、
    前記パワー素子は、前記ダイパッド上に搭載されているとともに、前記リードフレームに半田で接合され
    前記ダイパッドが前記樹脂シートを介して前記金属板上に搭載され、
    前記樹脂シートは、少なくとも前記ダイパッドの下面を包含し、かつ、前記金属板よりも小さく、
    前記制御回路は、前記第2のダイパッド上であって前記パワー素子の搭載領域以外の領域に配置されているとともに、前記樹脂シートを介して前記金属板上に配置され、前記フレームに銀ペーストで接合されており、
    前記金属板は、外部の放熱フィンと電気的接続手段によって接続されていることを特徴とする半導体パッケージ。
  2. 請求項1において、
    前記樹脂シートで覆われていない前記金属板上に、ワイヤボンディングのパッドが形成されており、
    前記パワー素子および前記制御回路の少なくとも一方のグランド端子が前記パッドとボンディングワイヤを介して接続されていることを特徴とする半導体パッケージ。
  3. 請求項2において、
    前記金属板は、貫通穴を有し、
    前記貫通穴およびその周辺領域が外部に露出しており、
    前記貫通穴にネジを通して前記金属板を前記放熱フィンまたは前記筐体に締め付け固定することにより前記電気的接続手段をなすことを特徴とする半導体パッケージ。
  4. 請求項1〜3のいずれかにおいて、
    前記樹脂シートは、前記モールド樹脂と混合せずに前記モールド樹脂との間に界面を有することを特徴とする半導体パッケージ。
  5. 請求項1〜4のいずれかに記載された半導体パッケージを製造する半導体パッケージ製造方法において、
    前記ダイパッドに前記パワー素子および前記制御回路を含む素子をワイヤボンディングを含んで実装する工程と、
    前記金属板上に前記樹脂シートを配置する工程と、
    前記金属板上に配置された前記樹脂シートのさらに上に、前記素子が実装された前記ダイパッドを接着する工程と、
    金型に、前記ダイパッドが前記樹脂シートを介して実装された前記金属板をセットする工程と、
    前記金型にモールド樹脂を注入して加熱加圧硬化させる工程と、
    を備える半導体パッケージ製造方法。
  6. 請求項5において、
    前記樹脂シートは、接着性を有することを特徴とする半導体パッケージ製造方法。
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