JP5171404B2 - 樹脂モールド型半導体モジュール - Google Patents

Description

本発明は、樹脂モールド型半導体モジュールに関するものであり、特に、放熱性能の向上及び歩溜まりの向上に寄与することのできる樹脂モールド型半導体モジュールに関する。

従来、半導体素子やリードフレームを樹脂系材料で一体的にモールドした樹脂モールド型半導体モジュールが広く用いられている。半導体素子は発熱部品であり、半導体素子の性能の向上に伴って半導体素子からの発熱量も大きくなっている。

そのため、樹脂モールド型半導体モジュールの放熱性を高めたものとして、ヒートシンクを備えたものがある。ヒートシンクとしては、熱伝導性の高い金属材料で形成された放熱板が用いられる場合がある。例えば、金属材料で形成された放熱板を、半導体素子等を含めて樹脂系材料で一体的にモールドして、放熱板の一面を露出させたものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開昭６３−２０５９３５号公報

しかしながら、上記従来の技術によれば、樹脂モールド型半導体モジュールからの放熱板の露出部分が平面となっているため、放熱板が外気と接する表面積が限られてしまう。放熱板は、半導体素子からの発熱を、露出部分を介して外気に放熱するため、放熱板の外気と接する表面積が限られることで、樹脂モールド型半導体モジュールの放熱性能も限定されてしまう。したがって、従来の樹脂モールド型半導体モジュールは十分な放熱性能を発揮しているとは言い難かった。

そこで、放熱板の露出部分に凹凸等を形成して、放熱板の外気に接する表面積を大きくすることも考えられる。しかし、樹脂系材料をモールドする際には、放熱板と金型とを密着させて樹脂系材料の漏れを防ぐ必要があり、放熱板の露出部分に凹凸等を形成した場合には、放熱板の凹凸と金型との間に隙間ができやすく、放熱板と金型とを密着させることが難しい。したがって、樹脂系材料をモールドする際に、放熱板の凹凸と金型との隙間から樹脂系材料が漏れ出しやすくなる。

放熱板の凹凸と金型との隙間から漏れ出した樹脂系材料によって放熱板の凹凸の一部が覆われた場合には、放熱板の外気と接する表面積が減ってしまい、放熱性能を十分に発揮させることができなくなる。したがって、放熱板の凹凸と金型との密着不良により、歩留まりが低下するといった問題が生じる。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、ヒートシンクの放熱性能を高めつつ、樹脂系材料をモールドする際のヒートシンクと金型との密着不良を抑えて歩留まりの向上に寄与することのできる樹脂モールド型半導体モジュールを得ることを目的とする。

上記課題を解決するために本発明の樹脂モールド型半導体モジュールは、リードフレームと、リードフレームの表面に実装された半導体素子と、リードフレームの裏面に接着される接着部を一方面側に有し、他方面側に、放熱用の凹凸部と、凹凸部の周囲に形成された平坦面を有するヒートシンクと、ヒートシンクの凹凸部及び平坦面以外の部分を覆い、リードフレーム及び半導体素子を一体的にモールドする樹脂モールド部と、を備える。

本発明によれば、ヒートシンクの他方面側において、凹凸部の周囲に平坦面が形成されているので、樹脂系材料をモールドする際の金型とヒートシンクとの隙間を平坦面によって密着しやすくすることができ、樹脂系材料の漏れを防いで歩留まりの向上に寄与することができるとともに、凹凸部によって表面積の拡大を可能にし、放熱性能の向上に寄与することができる樹脂モールド型半導体モジュールが得られる。

実施の形態１．
以下に、図面を用いて本発明の実施の形態１に係る樹脂モールド型半導体モジュールについて説明する。なお、本発明は以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。

図１は、本発明の実施の形態１に係る樹脂モールド型半導体モジュールの概略構成を示す横断面図である。樹脂モールド型半導体モジュール２は、ヒートシンク４と、半導体素子６と、リードフレーム８と、モールド樹脂（樹脂モールド部）９とを有して大略構成される。

ヒートシンク４は、樹脂モールド型半導体モジュール２のベース基板であるとともに、半導体素子６が駆動した際に発する熱を放熱する機能を有する。ヒートシンク４としては、熱伝導率が高く放熱性の良好な金属材料が用いられ、例えば、アルミニウムが用いられる。ヒートシンク４は、ベース部５とフィン部（凹凸部）１０とを有して構成される。

ベース部５は、リードフレーム８に接着される接着面（接着部）５ａを一方面側に有する。ベース部５の接着面５ａの外側領域には傾斜面（間隙形成面）５ｂが形成されている。樹脂モールド型半導体モジュール２にモールド樹脂９がモールドされる前の状態において、傾斜面５ｂとリードフレーム８との間に間隙７が形成される。傾斜面５ｂは、接着面５ａから外側に向かうにしたがって間隙７が広くなるような傾斜で形成されている。

図２は、ヒートシンク４をフィン部１０側から見た図である。フィン部１０は、接着面５ａの他方面側に形成された複数の放熱フィンによって形成されている。フィン部１０は、凹凸からなる放熱面１０ａによって放熱性能を向上させることができる。フィン部１０の周囲であって接着面５ａの他方面側には、接着面５ａと略平行とされた平坦な面である受け面（平坦面）５ｃが形成されている。

リードフレーム８は、半導体素子６に電力を供給するためのものであり、リードフレーム８を介して半導体素子６に電力が供給される。リードフレーム８は、正極側の正極側リードフレーム８ａと、負極側の負極側リードフレーム８ｂとを有して構成される。正極側リードフレーム８ａは、半導体素子６がはんだ付けされて実装される実装部（表面）８ｃを有する。なお、はんだ付けに用いられるはんだは、鉛や錫を含む導電性部材である。

正極側リードフレーム８ａの実装部８ｃには、複数の半導体素子６が実装されている。半導体素子６としては、例えばフリーホイールダイオード（ＦｒＤｉ）や絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）が用いられる。半導体素子６同士は、アルミ等のワイヤ１２によって電気的に接続されている。また、半導体素子６と負極側リードフレーム８ｂとが、ワイヤ１２で電気的に接続されている。正極側リードフレーム８ａの実装部８ｃの裏面がヒートシンク接着面（裏面）８ｄになっており、ヒートシンク４の接着面５ａがはんだ付けによって接着されるようになっている。

モールド樹脂９は、ベース部５の受け面５ｃ及びフィン部１０以外の部分を覆う樹脂系材料からなるモールド部材である。モールド樹脂９は、半導体素子６、リードフレーム８を一体的にモールドして、樹脂モールド型半導体モジュール２のケースとして機能する。樹脂系材料であるモールド部材により、半導体素子６やリードフレーム８を隙間無くモールドすることができる。

半導体素子６と正極側リードフレーム８ａとヒートシンク４とが、はんだ１１を介してつながっている。はんだには導電性の材料が用いられるため、熱伝導率が高い。半導体素子６で発生した熱は、はんだ１１及び正極側リードフレーム８ａを介して効率よくヒートシンク４に伝わり放熱性能が向上する。

なお、本実施の形態１では、正極側リードフレーム８ａに半導体素子６とヒートシンク４が取り付けられているが、負極側リードフレーム８ｂに半導体素子６とヒートシンク４が取り付けられていても構わない。すなわち、正極側リードフレーム８ａ又は負極側リードフレーム８ｂのいずれか一方に対して半導体素子６とヒートシンク４の両方が取り付けられていれば、半導体素子６で発生した熱を、ヒートシンク４を介して効率よく放熱させることができる。

次に、樹脂モールド型半導体モジュール２の製造工程の一部について図面を用いて説明する。

図３は、正極側リードフレーム８ａと負極側リードフレーム８ｂとが一体となって形成されたリードフレーム基板１６の外観斜視図である。リードフレーム基板１６は、正極側リードフレーム８ａと負極側リードフレーム８ｂとを一体的に連結した形状で形成された板状の部材であり、後の工程において、切断部分１６ａで切断されることによって、正極側リードフレーム８ａと負極側リードフレーム８ｂとに分離するようになっている。リードフレーム基板１６には、後に正極側リードフレーム８ａとなる部分に半導体素子６及びヒートシンク４（図３での図示は省略）が取り付けられる。

図４は、半導体素子６と、リードフレーム基板１６の正極側リードフレーム８ａ部分と負極側リードフレーム８ｂ部分とを電気的に接続するためにワイヤ１２をボンディングする工程を示す図である。ワイヤ１２をボンディングする際には、リードフレーム基板１６が安定的に支持されている必要がある。そこで、リードフレーム基板１６と、ベース部５の傾斜面５ｂとの間隙７にワイヤボンド支持具１４が挿入される。これにより、リードフレーム基板１６の正極側リードフレーム８ａ部分と負極側リードフレーム８ｂ部分とがワイヤボンド支持具１４によって下方から安定的に支持されるようになっている（図４（ａ），図４（ｂ）参照）。

ベース部５の傾斜面５ｂは、接着面５ａから外側に向かうにしたがって間隙７が広くなるような傾斜で形成されているので、間隙７に対してワイヤボンド支持具１４を円滑に挿入することができる。したがって、ワイヤボンド支持具１４を挿入する際に、ワイヤボンド支持具１４がベース部５やリードフレーム基板１６にぶつかって、これらを破損させてしまうことを防止することができる。

そして、ワイヤボンド支持具１４によってリードフレーム基板１６が下方から安定的に支持された状態で、ワイヤ１２のボンディングが行われる（図４（ｃ）参照）。

図５は、モールド部材をモールドする工程を示す図である。図５（ａ）に示すように半導体素子６及びヒートシンク４が取り付けられたリードフレーム基板１６が、上側金型１８ａと下側金型１８ｂとによって挟み込まれて、充填空間１８ｃが形成される。リードフレーム基板１６が、上側金型１８ａと下側金型１８ｂとによって保持されることで、充填空間１８ｃでの半導体素子６やヒートシンク４の位置決めがなされる。

そして、図５（ｂ）に示すように、充填空間１８ｃに樹脂系材料からなるモールド部材が流し込まれ、そのモールド部材が硬化することでモールド樹脂９が形成される。

ここで、ヒートシンク４の受け面５ｃと下側金型１８ｂの密着面１８ｄとが密着してモールド部材がフィン部１０側に漏れ出すのを防いでいる。受け面５ｃは平坦な面であるため、受け面５ｃと下側金型１８ｂの密着面１８ｄとが密着しやすく、モールド部材の漏れの原因となるような隙間ができにくい。

したがって、本実施の形態１に係る樹脂モールド型半導体モジュール２は、受け面５ｃと下側金型１８ｂの密着面１８ｄとの密着不良を防ぎ、半導体モジュールの製造における歩留まりの向上に寄与することができる。

なお、本実施の形態１では、ベース部５の接着面５ａの外周から連続的に間隙形成面である傾斜面５ｂが形成されているが、これに限られず、接着面５ａと間隙形成面である傾斜面５ｂとの間に段差があってもよい。また、接着面５ａと間隙形成面との間に段差を設けた場合には、間隙形成面をリードフレーム８と平行な面として形成しても、リードフレーム８と間隙形成面との間に間隙を形成することができ、ワイヤボンド支持具１４を円滑に挿入することができる。

実施の形態２．
図６は、本発明の実施の形態２に係る樹脂モールド型半導体モジュールの概略構成を示す横断面図である。実施の形態１のものと同じ部分については、実施の形態１のものと同じ符号を用い、それらについての説明は省略する。本実施の形態２にかかる樹脂モールド型半導体モジュール５２は、放熱フィンがヒートシンクとは別体で形成されていることを特徴とする。

ヒートシンク５４は、ベース部５５と、差込部（凹凸部）６０とを有して構成される。ベース部５５の一方面側に形成された接着面５５ａと正極側リードフレーム８ａのヒートシンク接着面８ｄとは、絶縁性の樹脂材料によって接着されるが、その接着工程については後述する。

差込部６０は、接着面５５ａの他方面側に形成されており、その溝６０ａに対して、金属製の薄板部材を折り曲げて形成された放熱フィン６２が差し込まれる。半導体素子６で発生した熱がヒートシンク５４を介して放熱フィン６２に伝わって放熱される。放熱フィン６２は折り曲げられていることによって、その表面積が大きくなっており、高い放熱性能を発揮することができる。差込部６０の周囲であって接着面５５ａの他方面側には、接着面５５ａと略平行とされた平坦な面である受け面（平坦面）５５ｃが形成されている。

受け面５５ｃと差込部６０とは、受け面５５ｃから略垂直に突出した突出面（位置決め部）６１で接続されている。

次に、本実施の形態２に係る樹脂モールド型半導体モジュール５２における、モールド部材をモールドする工程を説明する。

図７は、モールド部材をモールドする工程を示す図である。図７（ａ）に示すように半導体素子６が取り付けられたリードフレーム基板１６及びヒートシンク５４が、上側金型１８ａと下側金型１８ｂとによって挟み込まれて、充填空間１８ｃが形成される。

この状態では、ヒートシンク５４とリードフレーム基板１６とは、その間に絶縁性樹脂６４が配置されているだけで、未だ接着されていない。したがって、実施の形態１のようにリードフレーム基板１６を上側金型１８ａと下側金型１８ｂとによって保持するだけでは、金型１８ａ，１８ｂとヒートシンク５４との位置決めをすることができない。しかしながら、本実施の形態２では、下側金型１８ｂに当接面１８ｅが形成されており、この当接面１８ｅに囲まれた領域に、ヒートシンク５４の突出面６１を挿入することで、当接面１８ｅと突出面６１とが当接し、金型１８ａ，１８ｂとヒートシンク５４との位置決めをすることができる。

次に、図７（ｂ）に示すように、充填空間１８ｃに樹脂系材料からなるモールド部材が流し込まれ、そのモールド部材が硬化することでモールド樹脂９が形成される。ヒートシンク５４とリードフレーム基板１６との間に配置された絶縁性樹脂６４は、充填空間１８ｃに流し込まれたモールド部材の熱によって溶融される。その後、溶融した絶縁性樹脂６４が再硬化することでヒートシンク５４とリードフレーム基板１６とが接着される。

ここで、ベース部５５の受け面５５ｃと下側金型１８ｂの密着面１８ｄとが密着して、モールド部材が差込部６０側に漏れ出すのを防いでいる。受け面５５ｃは平坦な面であるため、受け面５５ｃと下側金型１８ｂの密着面１８ｄとが密着しやすく、モールド部材の漏れの原因となるような隙間ができにくい。さらに、ヒートシンク５４に形成された突出面６１と下側金型１８ｂの当接面１８ｅとにより、ヒートシンク５４と下側金型１８ｂとの接触面積が大きくなるため、モールド部材がより一層漏れにくくなっている。

したがって、本実施の形態２に係る樹脂モールド型半導体モジュール５２は、受け面５５ｃと突出面６１により、半導体モジュールの製造における歩留まりの向上に一層寄与することができる。

なお、放熱フィン６２は、上側金型１８ａと下側金型１８ｂとを取り外してから、差込部６０に差し込まれる。

以上のように、この発明に係る樹脂モールド型半導体モジュールは、歩留まりの向上及び放熱性能の向上に有用である。

本発明の実施の形態１に係る樹脂モールド型半導体モジュールの概略構成を示す横断面図である。 ヒートシンクをフィン部側から見た図である。 リードフレーム基板の外観斜視図である。 ワイヤ１２をボンディングする工程を示す図であって、（ａ）ワイヤボンド支持具が挿入される前の状態、（ｂ）ワイヤボンド支持具が挿入された後の状態、（ｃ）ワイヤ１２がボンディングされた状態、を示す図である。 モールド部材をモールドする工程を示す図であって、（ａ）リードフレーム基板が上側金型と下側金型とによって挟み込まれた状態、（ｂ）充填空間にモールド部材が流し込まれた状態、を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る樹脂モールド型半導体モジュールの概略構成を示す横断面図である。 モールド部材をモールドする工程を示す図であって、（ａ）リードフレーム基板が上側金型と下側金型とによって挟み込まれた状態、（ｂ）充填空間にモールド部材が流し込まれた状態、を示す図である。

符号の説明

２，５２ 樹脂モールド型半導体モジュール
４，５４ ヒートシンク
５，５５ ベース部
５ａ，５５ａ 接着面（接着部）
５ｂ 傾斜面（間隙形成面）
５ｃ，５５ｃ 受け面（平坦面）
６ 半導体素子
７ 間隙
８ リードフレーム
８ａ 正極側リードフレーム
８ｂ 負極側リードフレーム
８ｃ 実装部（表面）
８ｄ ヒートシンク接着面（裏面）
９ モールド樹脂（樹脂モールド部）
１０ フィン部（凹凸部）
１０ａ 放熱面（非平坦面）
１１ はんだ
１２ ワイヤ（ボンディングワイヤ）
１４ ワイヤボンド支持具
１６ リードフレーム基板
１６ａ 切断部分
１８ａ 上側金型
１８ｂ 下側金型
１８ｃ 充填空間
１８ｄ 密着面
１８ｅ 当接面
６０ 差込部（凹凸部）
６０ａ 溝
６１ 突出面（位置決め部）
６２ 放熱フィン
６４ 絶縁性樹脂

Claims (3)

1. リードフレームと、
   前記リードフレームの表面に実装された半導体素子と、
   前記リードフレームの裏面に接着される接着部を一方面側に有し、他方面側に、放熱用の凹凸部と、前記凹凸部の周囲を取り囲むように形成された平坦面を有するヒートシンクと、
   前記ヒートシンクの前記凹凸部及び前記平坦面以外の部分を覆い、前記リードフレーム及び前記半導体素子を一体的にモールドする樹脂モールド部と、を備え、
   前記平坦面と前記凹凸部との間に、前記平坦面に対して突出する位置決め部を形成し、
   前記位置決め部によって、前記モールド樹脂をモールドするための金型を位置決め可能とすることを特徴とする樹脂モールド型半導体モジュール。
2. 前記ヒートシンクの一方面側は、前記樹脂モールド部がモールドされる前の状態において、前記リードフレームと前記接着部の外側領域との間に間隙が形成される形状を呈しており、
   前記間隙に対して、リードフレームを支持する支持具を挿入可能であることを特徴とする請求項１に記載の樹脂モールド型半導体モジュール。
3. 前記ヒートシンクの一方面側における前記接着部の外側領域は、前記接着部から外側に向かうにしたがって前記間隙が広くなるように形成されていることを特徴とする請求項２に記載の樹脂モールド型半導体モジュール。

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