JP5245880B2 - 電力用半導体モジュールとその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、端子が樹脂筐体外部に伸びる電力用半導体モジュールとその製造方法に関する。
トランスファーモールド樹脂封止型電力用半導体モジュールは、半導体素子などをトランスファーモールド法によって樹脂封止したものである。樹脂封止された半導体素子とモジュール外部を接続するべき端子もトランスファーモールド法によって樹脂封止される。端子は一部において半導体素子と接続され、他の部分において樹脂筐体外部に露出する。
特許文献１の図１などには典型的なトランスファーモールド樹脂封止型電力用半導体モジュールが開示されている。すなわち、ＩＧＢＴチップとＦＷＤｉ（フリーホイールダイオード）チップなどはワイヤで配線され、主端子が樹脂筐体外部に伸びる構成が開示されている。
特開２００７−１８４３１５号公報 特開２００１−２８４５２４号公報
特許文献１のように電力用半導体モジュールの内部配線にワイヤボンドを用いる場合、ワイヤボンドされるべき回路パターンを別途設ける必要があるため、その分スペースを要し電力用半導体モジュールの小型化が阻害される問題があった。
また、このようなワイヤボンドを行うためには、ワイヤボンディング装置のボンディングヘッド部の各機構が主端子や制御端子と干渉しないように十分なスペースを設ける必要がある。このスペース確保が原因で電力用半導体モジュールの小型化が阻害される問題もあった。
端子を電力用半導体モジュール外部と接続するためには、端子として内壁にねじ穴を有する筒状端子を用いたり、ナットを樹脂モールドして用いたり、メスコネクタを用いたりする場合がある。この場合、端子が長くなり電力用半導体モジュールの薄型化ができない問題があった。さらに配線の引き回しが長くなり電気抵抗が増加する問題もあった。また、外部と端子の間にねじやピンを用いて両者を接続する場合がある。この場合、接続部で電気抵抗が増加する問題があった。この接続をはんだで行った場合には接続部の上方に外部基板があることになり、はんだ付け部が隠れてしまい作業性が悪いうえにはんだ接合後の検査も困難である問題があった。
特許文献２に開示の電力用半導体モジュールは端子の先端が樹脂筐体から露出し、かつ、樹脂筐体外部へ伸びるため、簡素な構成で接続部もなく上述の問題を解決し得る。しかしながら、端子が樹脂筐体から外部へ伸びるようにトランスファーモールドを行うためには、端子を凸形状に露出させることに対応した金型が必要である。したがって設計変更があった場合や、端子の配置の異なる複数品種間では金型を使い分けなくてはならず、製造コストが高くなってしまう問題があった。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであって低コストで製造でき、かつ、小型化、薄型化が可能な電力用半導体モジュールとその製造方法を提供することを目的とする。
本願の発明にかかる電力用半導体モジュールは、基板の回路パターンに接続された半導体素子と、該回路パターンまたは該半導体素子上に接続された端子と、該基板と該半導体素子と該端子を覆う樹脂筐体とを備える。そして、該端子は該端子の一平面に形成された切込みを切上げて形成された切上げ部を有し、該切上げ部が該樹脂筐体から露出し、かつ、該樹脂筐体外部へ伸びることを特徴とする。
本願の発明にかかる電力用半導体モジュールの製造方法は、基板の回路パターンに半導体素子を接続する工程と、該回路パターンまたは該半導体素子上に端子を接続する工程と、該基板と該半導体素子と該端子を該端子の一平面が表面に露出するように樹脂封止し樹脂筐体を形成する工程と、該樹脂筐体から露出する該端子の一平面に形成された切込みを切上げて該樹脂筐体の外部に伸びる切上げ部を形成する工程とを備えることを特徴とする。
本願の発明にかかる電力用半導体モジュールの製造方法は、基板の回路パターンに半導体素子を接続する工程と、該回路パターンまたは該半導体素子上に端子を接続する工程と、該端子の一平面に形成された切込みを、該端子の一平面の方向に力を加えると平面に戻るが力を加えなければ該端子の一平面から突出することが可能な弾性を有するように切上げて切上げ部を形成する工程と、該半導体素子を接続する工程および該端子を接続する工程および該切上げ部を形成する工程のあとに、トランスファーモールドに用いる金型内壁によって該切上げ部が平面となるように力が加えられた状態で、樹脂筐体を形成する工程とを備えることを特徴とする。
本発明により弊害なく小型で薄型な電力用半導体モジュールを製造できる。
実施形態１の電力用半導体モジュールの断面図である。 図１の平面図である。 図２の矢示図である。 実施形態１の電力用半導体モジュールの製造方法を説明するフローチャートである。 樹脂封止前の構成を説明する断面図である。 図５の平面図である。 先細形状の切上げ部を説明する図である。 階段状に先細となる形状の切上げ部を説明する図である。 先太形状の切上げ部を説明する図である。 切り上げ部の他の構成を説明する断面図である。 切上げ部のみが樹脂筐体から露出する構成を説明する断面図である。 実施形態２の電力用半導体モジュールの製造方法を説明するフローチャートである。 実施形態２で樹脂封止されるべき構造物について説明する断面図である。 実施形態２の樹脂封止工程を説明する断面図である。 樹脂封止後の断面図である。
実施の形態１
本実施形態は低コストで小型化、薄型化が可能な電力用半導体モジュールとその製造方法に関する。本実施形態の説明にあたり、同一材料または同一、対応する構成要素には同一の符号を付して複数回の説明を省略する場合がある。他の実施形態においても同様である。
図１は本実施形態の電力用半導体モジュールの断面図である。本実施形態の電力用半導体モジュールは金属基板１５を備える。金属基板１５は電力用半導体モジュールの放熱のための金属ベース板１０を備える。金属基板１５はさらに金属ベース板１０上に高熱伝導絶縁層である絶縁シート１２および、絶縁シート１２上に金属パターンである回路パターン１４を備える。
回路パターン１４にはＩＧＢＴ１８とＦＷＤｉ２０（以後、ＩＧＢＴ１８とＦＷＤｉ２０を半導体素子と称する）がはんだ１６で接合されている。ＩＧＢＴ１８のチップ上面とＦＷＤｉ２０のチップ上面は配線用金属板２２で接合される。具体的にはＩＧＢＴ１８のエミッタとＦＷＤｉ２０のアノードが配線用金属板２２で接合される。さらにＩＧＢＴ１８のチップ上面にはゲートが配置され、ゲートには略垂直に制御端子２６が接合される。また回路パターン１４の所定位置には主端子３０が接続される。配線用金属板２２、制御端子２６、主端子３０はいずれも一平面にその一部を切上げて形成された切上げ部を有する。すなわち、配線用金属板２２は切上げ部２４を備え、制御端子２６は切上げ部２８を備え、主端子３０は切上げ部３２を備える。
本実施形態の電力用半導体モジュールは、金属基板１５、ＩＧＢＴ１８、ＦＷＤｉ２０、配線用金属板２２、制御端子２６、主端子３０が樹脂筐体３４に覆われている。しかしながら、配線用金属板２２の一平面および切上げ部２４、制御端子２６の一平面および切上げ部２８、主端子３０の一平面および切上げ部３２は樹脂筐体３４から露出する。特に切上げ部２４、切上げ部２８、切上げ部３２は樹脂筐体３４から外部へ伸びる。また、放熱のための金属ベース板１０の裏面も樹脂筐体３４外部へ露出する。配線用金属板２２、制御端子２６、主端子３０にはたとえば銅系またはアルミニウム系の電気抵抗が低く、曲げ加工性に優れた金属が用いられる。
図２は図１の平面図である。図２から明らかなように樹脂筐体３４の上面からは配線用金属板２２の切上げ部２４およびそれを含む平面が露出する。また、筒状に形成された制御端子２６の切上げ部２８およびそれを含む平面が露出する。同様に筒状に形成された主端子３０の切上げ部３２およびそれを含む平面が露出する。
図３は図２に矢示される側面図である。図３に示されるとおり配線用金属板２２の切上げ部２４は四角形状に形成される。他の切上げ部も同様である。切上げ部を四角形状とすると断面が均一であり最小限の幅で切上げ部を形成でき配線スペースを節減できる。
上述のとおり本実施形態の電力用半導体モジュールは樹脂筐体３４内部の配線にワイヤを用いず、それぞれが切上げ部を有する配線用金属板２２、制御端子２６、主端子３０（以後、配線用金属板２２、制御端子２６、主端子３０をまとめて端子と称する場合がある）を備える。以後、本実施形態の電力用半導体モジュールの製造方法について図４を参照して説明する。
図４は本実施形態の電力用半導体モジュールの製造方法を説明するフローチャートである。まずステップ１００において図５に示される構造物が製作される。すなわち、金属基板１５上に半導体素子がはんだにより接合される。また、半導体素子上に配線用金属板２２が接合され、制御端子２６がＩＧＢＴ１８のゲートに接合され、主端子３０が回路パターン１４に接合される。これらの接合は例えばはんだにより行われる。この段階では上述した切上げ部分は形成されていない。
図６は図５の平面図である。図６に示すとおり、端子には切込みが形成される。すなわち配線用金属板２２の樹脂筐体から露出すべき一平面には切込み４０が形成され、制御端子２６の樹脂筐体から露出すべき一平面には切込み４２が形成され、主端子３０の樹脂筐体から露出すべき一平面には切込み４４が形成される。これらの切込みは将来切上げ部となる部分である。
次いでステップ１０２へと処理が進められる。ステップ１０２では図５を参照して説明した構造物を金属金型内に配置し、モールド樹脂を注入することで樹脂筐体を製造するトランスファーモールドが行われる。このトランスファーモールドは切込みが形成された端子の一平面を樹脂筐体から露出させ、かつ、金属ベース板１０の裏面を樹脂筐体から露出させるように行われる。よって切込み４０、４２、４４が形成された端子の一平面が金型内壁と接し、かつ、金属ベース板１０の裏面が金型内壁に接するようにしてモールド樹脂が注入される。樹脂筐体が形成されると電力用半導体モジュールが金型から取り出されステップ１０２の処理を終える。
次いでステップ１０４へと処理が進められる。ステップ１０４では前述した切込み４０、４２、４４を利用して切上げ部を形成する。切上げ部は前述の切込み４０、４２、４４を持ち上げる（切上げる）ことにより形成する。このようにして切上げ部２４、２８、３２を形成し、図１に示す電力用半導体モジュールが製造される。
このように本実施形態の電力用半導体モジュールはワイヤボンドを用いないで配線用金属板２２、制御端子２６、主端子３０による配線を行う。よってワイヤボンドのための回路パターンが不要であるし、ワイヤボンディング装置のボンディングヘッドの機構移動用のスペースを設ける必要もない。ゆえに電力用半導体モジュールを小型化できる。
また上述のとおり配線用金属板２２と切上げ部２４、制御端子２６と切上げ部２８、主端子３０と切上げ部３２は同一部材である。よって外部との接続にねじやソケットを設ける必要がないため端子自体を短く形成できる。端子を短く形成できるため電力用半導体モジュールを薄型化し、しかも配線抵抗を低減することができる。また、本実施形態では端子が半導体素子と接続され、かつ、外部へ伸びるため、ねじやピン端子により外部と接続する場合と比較して低抵抗化できる。また、ねじやピン端子をはんだ付けする必要もない。よって小型、軽量であり、長期使用が可能な信頼性の高い電力用半導体モジュールを製造できる。
製造工程においては、電力用半導体モジュールの端子の配置に関わらず金型を共用化できる。すなわち、トランスファーモールド樹脂による実施封止の最中は端子の切上げ部は形成されておらず、切込み４０、４２、４４を有するのみである。よって金型内壁の端子と接する部分は平面でよく、切上げ部の形状に応じた凹部を要しない。よって、設計変更により端子の配置が変更されても同一の金型を用いてトランスファーモールドを行うことができる。同様に複数品種間で金型を共用化できる。ゆえに本実施形態の電力用半導体モジュールの製造方法によれば内壁が平面である安価な金型により電力用半導体モジュールを製造でき、他の製品との金型の共用化もでき製造コスト低減ができる。
本実施形態では図３で説明したように切上げ部は四角形状であるとしたが特にこれに限定されない。たとえば、図７に示すように先細形状であっても、図８に示す階段状に先細となる形状であっても、図９に示すように先太形状であっても良い。図７、８、９ともに図３と同様の方向から電力用半導体モジュールを見た図である。図７や図８のように切上げ部が先端に向かうほど細く形成された場合は、切上げ部を外部基板のスルーホールへ容易に挿入することができる。よって生産性を向上させ、組み立ての自動化ができ、電力用半導体モジュールの製造コストを低減できる。また、図９のように先太形状を採用すれば切込みの持ち上げ（切上げ）に要する力を低減でき、前述と同様に生産性向上等ができる。上述の切上げ部の形状を得るためには、それに対応する切込みを形成しておけばよい。
本実施形態では切込みの深さは端子の板厚よりも浅くても、端子を貫通することとしてもよい。また、本実施形態では切上げ部が樹脂筐体から略垂直方向に樹脂筐体３４外部へ伸びることとしたが本発明はこれに限定されない。切上げ部の伸びる方向は外部との接続が容易なように定められればよく例えば樹脂筐体の平面に対して４５°曲げられたものや、４５°の曲げが２回施されてもよい。
本実施形態は配線用金属板２２、制御端子２６、主端子３０などの端子を用い、ワイヤボンディングを要しない。この特徴を逸脱しないかぎり端子の構成や半導体素子の種類等は限定されない。たとえば、端子に形成される切上げ部の数は限定されず、例えば図１０に記載のように配線用金属板２２が第１切上げ部７０と第２切上げ部７２を有する構成であってもよい。他の端子も同様である。
図４のステップ１００では切込み部を形成することとしたがこれに限定されない。すなわち、トランスファーモールドの前に端子が切込みを有せず、トランスファーモールドの後に切上げ部を製作することとしても本発明の効果を失わない。
本実施形態では端子のうち切上げ部が形成された平面は樹脂筐体から露出する構成であるが、本発明はこれに限定されず例えば図１１に記載のように当該平面が露出しない構成であってもよい。端子のうち切上げ部のみが樹脂筐体から外部へ露出するようにすると、通電部分の露出が低減する。よって、外部の基板などを電力用半導体モジュールに近接配置できるため、外部基板などを含めた機器全体を小型化できる。
また、本実施形態の端子は、切上げ部と接続される外部配線端子と同一材料であると電気抵抗を低減できる。
実施の形態２
本実施形態はトランスファーモールド樹脂による樹脂封止の前に切上げ部を形成する電力用半導体モジュールの製造方法に関する。本実施形態は図１２〜１５を参照して説明する。
図１２は本実施形態の電力用半導体モジュールの製造方法を説明するフローチャートである。以後このフローチャートに沿って説明を進める。まずステップ２００で金属基板に半導体素子が接合され、実施形態１で説明したとおり配線用金属板、制御端子、主端子も接合される。本実施形態では配線用金属板、制御端子、主端子は弾性の高い材料であるリン青銅板を材料として製造される。このようにステップ２００では図５に記載の外観を有する構造物が製作される。
次いでステップ２０２へと処理が進められる。ステップ２０２は図１３を参照して説明する。ステップ２０２では配線用金属板２２、制御端子２６、主端子３０にそれぞれ、切上げ部２４、切上げ部２８、切上げ部３２を形成する。これらの切上げ部の形成は、事前に形成された切込みを利用してもよいし、他の方法であってもよいが実施形態１と同様に端子の一平面を持ち上げ（切上げ）ることにより形成される。
本実施形態で切上げ部２４、２８、３２は、リン青銅板が有する弾性を利用して端子の当該一平面の方向に力を加えると、切上げ前の位置に戻り、平面となるように形成される。
次いでステップ２０４へと処理が進められる。ステップ２０４ではステップ２０２で切上げ部を形成した際に、切上げ部が損傷を受けずに所望の形状で形成されているかの確認を行う。ここで、切上げ部の損傷が確認された場合には、ステップ２０８へと処理が進められる。ステップ２０８では端子を固体するはんだが再溶融され、損傷の確認された端子を交換し、再度ステップ２０２へにおいて切上げ部が形成される。一方、ステップ２０４において切上げ部の損傷が確認されなかった場合にはステップ２０６へと処理が進められる。
ステップ２０６は図１４、１５を参照して説明する。図１４に記載の通り、ステップ２０６では切上げ部の形成された構造（図１３）が上金型６０と下金型６２とからなる金型内部に配置される。上金型６０内壁は、端子のうち切上げ部２４、２８、３２を有する一平面方向に向かって切上げ部に力を加え、切上げ部２４、２８、３２を切上げ前の位置に戻す。また、下金型６２の内壁が金属ベース板１０の裏面と接する。このように、端子は樹脂筐体外部へ露出すべき面において平面をなした状態を維持するように型締めが行われ、金型内部にモールド樹脂が供給される。
樹脂筐体が形成されると、上金型６０が取り外される。このとき、上金型６０によって平面となるように押さえつけられていた切上げ部２４、２８、３２はそれらの有する弾性によって平面から略垂直方向に突出する状態へ戻る。本実施形態の電力用半導体モジュールは上述の工程で製造される。
本実施形態の電力用半導体モジュールの製造方法によれば、トランスファーモールド前に切上げ部を形成する。よって、たとえば切上げ部を製造するために切上げ動作を繰り返した結果端子が損傷した場合には端子の交換が容易にできる。よって製造工程中の補修性に優れ、製造コストを低減できる。
また、このようにトランスファーモールド前に切上げ部を製造すると、その切上げ部に対応した金型の内壁形状が要求されるため金型の加工や、複数種類の金型を準備することによるコスト高が懸念される。しかしながら本実施形態の電力用半導体モジュールの製造方法によれば、切上げ部が弾性を有し金型内で平面的に配置される構成であるため金型内壁に特別な加工を要せず平面でよい。しかも複数品種間での金型の共用化も可能である。よって製造コストを低減できる。
本実施形態では端子はリン青銅板を材料としたが、本発明はこれに限定されない。すなわち、上述の通り、切上げ部が金型内部で切上げ前の位置に戻ることができる程度に弾性を有していれば本発明の効果をえることができるため端子は他の材料で形成されてもよい。その他、本実施形態も実施形態１相当の変形が可能である。
１５ 金属基板、 １８ ＩＧＢＴ、 ２０ ＦＷＤｉ、 ２２ 配線用金属板、 ２６ 制御端子、 ３０ 主端子、 ２４、２８、３２ 切上げ部、 ３４ 樹脂筐体

Claims (8)

  1. 基板の回路パターンに接続された半導体素子と、
    前記回路パターンまたは前記半導体素子上に接続された端子と、
    前記基板と前記半導体素子と前記端子を覆う樹脂筐体とを備え、
    前記端子は前記端子の一平面に形成された切込みを切上げて形成された切上げ部を有し、前記切上げ部が前記樹脂筐体から露出し、かつ、前記樹脂筐体外部へ伸びることを特徴とする電力用半導体モジュール。
  2. 前記端子は、前記切上げ部と接続される外部配線端子と同一材料であることを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体モジュール。
  3. 前記端子の一平面が前記樹脂筐体から露出することを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体モジュール。
  4. 前記切上げ部は先端に向かうほど細く形成されたことを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体モジュール。
  5. 前記樹脂筐体内の配線は前記端子によって行われたことを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体モジュール。
  6. 基板の回路パターンに半導体素子を接続する工程と、
    前記回路パターンまたは前記半導体素子上に端子を接続する工程と、
    前記基板と前記半導体素子と前記端子を前記端子の一平面が表面に露出するように樹脂封止し樹脂筐体を形成する工程と、
    前記樹脂筐体から露出する前記端子の一平面に形成された切込みを切上げて前記樹脂筐体の外部に伸びる切上げ部を形成する工程とを備えることを特徴とする電力用半導体モジュールの製造方法。
  7. 前記樹脂筐体を形成する工程の前に前記端子の一平面に切込みを形成し、前記切上げ部を形成する工程では前記切込みを利用して前記切上げ部を形成することを特徴とする請求項６に記載の電力用半導体モジュールの製造方法。
  8. 基板の回路パターンに半導体素子を接続する工程と、
    前記回路パターンまたは前記半導体素子上に端子を接続する工程と、
    前記端子の一平面に形成された切込みを、前記端子の一平面の方向に力を加えると平面に戻るが力を加えなければ前記端子の一平面から突出することが可能な弾性を有するように切上げて切上げ部を形成する工程と、
    前記半導体素子を接続する工程および前記端子を接続する工程および前記切上げ部を形成する工程のあとに、トランスファーモールドに用いる金型内壁によって前記切上げ部が平面となるように力が加えられた状態で、樹脂筐体を形成する工程とを備えることを特徴とする電力用半導体モジュールの製造方法。
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