JP6183226B2 - Method for manufacturing power semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、樹脂で封止した電力用半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method of manufacturing a power semiconductor device sealed with resin.
半導体装置の中でも電力用半導体装置は、鉄道車両、ハイブリッドカー、電気自動車等の車両、家電機器、産業用機械等において、比較的大きな電力を制御、整流するために利用されている。使用時に電力用半導体素子が発熱するため、電力用半導体装置には素子の放熱性が要求される。また数百V以上の高電圧が印加されることから装置外部との絶縁が必要となる。 Among semiconductor devices, power semiconductor devices are used to control and rectify relatively large power in vehicles such as railway vehicles, hybrid cars, and electric vehicles, home appliances, and industrial machines. Since the power semiconductor element generates heat during use, the power semiconductor device is required to have heat dissipation of the element. Further, since a high voltage of several hundred volts or more is applied, insulation from the outside of the apparatus is necessary.
ここでIPM(Intelligent Power Module)は電力用半導体素子と制御用半導体素子とが一体となったモジュールである。配線材料にリードフレームを用いる場合、電力用半導体素子と制御用半導体素子は物理的に切り離されたダイパッドに実装され、金属細線などで電気的に接続される。電力用半導体素子は大電流を通電することから、発熱が大きくモジュールとしての放熱性が求められる。放熱構造の一つとして高熱伝導の樹脂を用いて、モジュールの裏面に薄く充填することで放熱する構造がある。この際、電力用半導体素子を搭載するダイパッドの位置を制御用半導体素子を搭載するダイパッドよりも低くすることで熱抵抗を下げる。 Here, the IPM (Intelligent Power Module) is a module in which a power semiconductor element and a control semiconductor element are integrated. When a lead frame is used as the wiring material, the power semiconductor element and the control semiconductor element are mounted on a physically separated die pad and electrically connected by a thin metal wire or the like. Since a power semiconductor element energizes a large current, heat generation is large and heat dissipation as a module is required. As one of the heat dissipation structures, there is a structure that uses a highly heat conductive resin and radiates heat by thinly filling the back surface of the module. At this time, the thermal resistance is lowered by making the position of the die pad on which the power semiconductor element is mounted lower than the die pad on which the control semiconductor element is mounted.
高熱伝導の樹脂は放熱を担うフィラーが高充填され粘度が高い。高粘度樹脂は流動抵抗が高くなるため、たとえば金属細線などはその流動抵抗によって変形してしまうことが想定される。 Highly heat conductive resin is highly filled with fillers for heat dissipation and has high viscosity. Since the high-viscosity resin has a high flow resistance, it is assumed that, for example, a thin metal wire is deformed by the flow resistance.
制御用半導体素子に接続する金属細線の変形を抑えるため、一般的に電力用半導体素子側から制御用半導体素子側に向かって樹脂が流れるようにすることが多い(例えば、特許文献1参照)。樹脂は、電力用半導体素子の電力用ダイパッド上面から制御用半導体素子の制御用ダイパッドに流動する際に、制御用ダイパッド上面、下面両方向に向かって流動する。このとき制御用ダイパッドの下面に向かう樹脂の流れは下向きのベクトルを持つため、金属細線に対して押しつぶすような流動抵抗が働き、金属細線の変形が大きくなり、リードフレームや素子とショートすることで歩留まりが悪くなってしまう。 In order to suppress deformation of the fine metal wire connected to the control semiconductor element, generally, the resin often flows from the power semiconductor element side toward the control semiconductor element side (see, for example, Patent Document 1). When the resin flows from the upper surface of the power die pad of the power semiconductor element to the control die pad of the control semiconductor element, the resin flows in both the upper and lower surfaces of the control die pad. At this time, since the resin flow toward the lower surface of the control die pad has a downward vector, a flow resistance that crushes against the fine metal wire works, the deformation of the fine metal wire becomes large, and the lead frame and the element are short-circuited. Yield will be worse.
これに対して、樹脂注入口のリードフレームを曲げて樹脂の流動性を変えて、予め幾らかの樹脂量を電力用ダイパッド下を経由させて制御用ダイパッド下に充填させることが提案されている(例えば、特許文献1参照)。 On the other hand, it is proposed that the lead frame of the resin injection port is bent to change the fluidity of the resin so that a certain amount of resin is previously filled under the control die pad via the power die pad. (For example, refer to Patent Document 1).
しかし、電力用ダイパッドの上下面の流量断面積が異なるため、大部分は電力用ダイパッド上面に向かって流れてしまう。このため、金属細線に対して下向きの流動が発生し、変形量が大きくなってしまうという問題があった。 However, since the flow cross-sectional areas of the upper and lower surfaces of the power die pad are different, most of them flow toward the upper surface of the power die pad. For this reason, there is a problem in that downward flow occurs with respect to the fine metal wire, and the amount of deformation becomes large.
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、その目的は金属細線とリードフレームとの接触を起こり難くし、歩留まりを向上することができる電力用半導体装置の製造方法を得るものである。 The present invention has been made to solve the above problems, its object is less likely to occur with contact between the thin metal wire and the lead frame, a method of manufacturing the power semiconductor device capable of improving the yield To get.
本発明に係る電力用半導体装置の製造方法は、電力用ダイパッド上に電力用半導体素子を実装する工程と、前記電力用ダイパッドより高い位置に配置された制御用ダイパッド上に、前記電力用半導体素子を制御する制御用半導体素子を実装する工程と、前記電力用半導体素子と前記制御用半導体素子とを金属細線により電気的に接続する工程と、上金型と下金型により構成されるキャビティ内に、前記電力用ダイパッド、前記制御用ダイパッド、前記電力用半導体素子、前記制御用半導体素子、及び前記金属細線を入れて樹脂で封止する工程とを備え、前記電力用ダイパッドは、前記金属細線の下方に配置され、上方に曲げられた屈曲部を有し、前記電力用ダイパッド側から前記制御用ダイパッド側に向かって前記樹脂を注入し、前記キャビティの底面と前記屈曲部との間にスリーブを配置し、前記スリーブから可動ピンを前記屈曲部に向けて突き出して前記電力用ダイパッドを前記下金型から離して支持した状態で前記キャビティ内に前記樹脂を注入して、前記電力用ダイパッドと前記下金型との間に前記樹脂を充填することを特徴とする。
The method for manufacturing a power semiconductor device according to the present invention includes a step of mounting a power semiconductor element on a power die pad, and the power semiconductor element on a control die pad disposed at a position higher than the power die pad. A step of mounting a control semiconductor element for controlling the power, a step of electrically connecting the power semiconductor element and the control semiconductor element by a fine metal wire, and an inside of a cavity constituted by an upper mold and a lower mold The power die pad, the control die pad, the power semiconductor element, the control semiconductor element, and the step of inserting the metal fine wire and sealing with a resin, and the power die pad includes the metal fine wire. disposed in the lower, has a bent portion which is bent upward, the resin is injected from the power die pad side to said control die pad side, the cavity A sleeve is disposed between the bottom surface of the die and the bent portion, and a movable pin protrudes from the sleeve toward the bent portion so that the power die pad is supported away from the lower mold and is supported in the cavity. The resin is injected, and the resin is filled between the power die pad and the lower mold .
本発明では、電力用ダイパッドは、金属細線の下方に配置され、上方に曲げられた屈曲部を有する。モールド時に電力用ダイパッド側から制御用ダイパッド側に向かって注入した樹脂が屈曲部を通過すると、流れのベクトルが上方に向くことで、金属細線が下から上に向かって抗力を受ける。このため、金属細線とリードフレームとの接触が起こり難くなって歩留まりが向上する。 In the present invention, the power die pad is disposed below the fine metal wire and has a bent portion bent upward. When the resin injected from the power die pad side toward the control die pad side at the time of molding passes through the bent portion, the flow vector is directed upward, so that the fine metal wire receives a drag force from the bottom to the top. For this reason, the contact between the fine metal wire and the lead frame hardly occurs, and the yield is improved.
本発明の実施の形態に係る電力用半導体装置及びその製造方法について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。 A power semiconductor device and a manufacturing method thereof according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The same or corresponding components are denoted by the same reference numerals, and repeated description may be omitted.
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係る電力用半導体装置を示す平面図である。図2は、図1のI−IIに沿った断面図である。図3は図1の装置内部を示す拡大平面図である。
FIG. 1 is a plan view showing a power semiconductor device according to
リードフレーム1はアウターリードとインナーリードを有し、インナーリードは、アウターリードに接続するリードと、電力用ダイパッド2と、電力用ダイパッド2より高い位置に配置された制御用ダイパッド3とを有する。RC−IGBT(Reverse Conducting-Insulated Gate Bipolar Transistor)などの電力用半導体素子4が電力用ダイパッド2上にPbフリーはんだにより実装されている。Pbフリーはんだに限らず導電性接着剤でもよく、導電性を有した接合材を用いればよい。
The
絶縁層と銅箔からなる絶縁シート5が電力用ダイパッド2の裏面に接着されている。電力用半導体素子4を制御する制御用半導体素子6が制御用ダイパッド3上に導電性接着剤により実装されている。
An
金属細線7が電力用半導体素子4と制御用半導体素子6とを電気的に接続する。具体的には、電力用半導体素子4の表面にはソース電極とゲート電極が設けられ、ソース電極とリードがAlワイヤにより電気的に接続され、ゲート電極と制御用半導体素子6がAuワイヤにより電気的に接続され、制御用半導体素子6とリードは全てAuワイヤにより電気的に接続されている。なお、AlワイヤはCuを含むワイヤでもよく、AuワイヤはCuを含むワイヤでもよい。
A
樹脂8が電力用ダイパッド2、制御用ダイパッド3、電力用半導体素子4、制御用半導体素子6、及び金属細線7を封止する。樹脂8は、絶縁性と放熱性を両立させるため、エポキシなどの樹脂にSiO2やBNなどの熱伝導フィラーを含有したものである。樹脂8で封止された電力用半導体装置は、裏面では絶縁シート5の銅箔が露出し、両端部からリードフレーム1のアウターリードが突出し、それ以外は樹脂によって封止された構造のDIPタイプのパッケージである。アウターリードのうち片側はパワーアウターリード、もう方側は制御アウターリードとなる。
Resin 8 seals power die
電力用半導体素子4と制御用半導体素子6の間において、電力用ダイパッド2は、金属細線7の下方に配置され、上方に曲げられた屈曲部9を有する。電力用ダイパッド2と屈曲部9は制御用ダイパッド3とは物理的に接触していない。
Between the
図4は、本発明の実施の形態1に係る電力用半導体装置の屈曲部の先端部と制御用ダイパッドを拡大した断面図である。屈曲部9の先端部は制御用ダイパッド3の上面よりも低い位置にある。このため、金属細線7とリードフレーム1との接触が起こり難くい。
FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of the tip of the bent portion and the control die pad of the power semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. The tip of the
続いて、上記の電力用半導体装置の製造方法を説明する。図5は、本発明の実施の形態1に係る電力用半導体装置の製造方法を示す断面図である。まず、電力用ダイパッド2上に電力用半導体素子4をはんだにより実装する。電力用ダイパッド2の裏面に絶縁シート5を接着する。次に、電力用ダイパッド2より高い位置に配置された制御用ダイパッド3上に、電力用半導体素子4を制御する制御用半導体素子6を導電性接着剤により実装する。
Then, the manufacturing method of said power semiconductor device is demonstrated. FIG. 5 is a cross-sectional view showing the method for manufacturing the power semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. First, the
次に、電力用半導体素子4と制御用半導体素子6とを金属細線7により電気的に接続する。具体的にはAlワイヤにより電力用半導体素子4とリードを接続し、Auワイヤにより電力用半導体素子4と制御用半導体素子6を接続し、かつ制御用半導体素子6とリードを接続する。
Next, the
次に、上金型10と下金型11により構成されるキャビティ12内に、電力用ダイパッド2、制御用ダイパッド3、電力用半導体素子4、制御用半導体素子6、及び金属細線7を入れて型締めする。その後、溶融した熱硬化性の樹脂8をキャビティ12内に押し出し、熱硬化させて成型して封止する。このトランスファーモールド時に樹脂8によるAuワイヤの流れを抑制するため、電力用ダイパッド2側から制御用ダイパッド3側に向かって樹脂8を注入する。キャビティ12内に樹脂8が行き渡ると溶融した樹脂8を介してキャビティ12内に静水圧がかかる。静水圧がかかった後、樹脂8が硬化したタイミングで金型を開き成型品を取り出してトランスファーモールドが完了する。このトランスファーモールドによって絶縁シート5と電力用ダイパッド2を押し固めて封止体とする。その後、アウターリードを所定のサイズ、形状に加工して完成となる。
Next, the
本実施の形態では、電力用ダイパッド2は、金属細線7の下方に配置され、上方に曲げられた屈曲部9を有する。モールド時に電力用ダイパッド2側から制御用ダイパッド3側に向かって注入した樹脂8が屈曲部9を通過すると、流れのベクトルが上方に向くことで、金属細線7が下から上に向かって抗力を受ける。このため、樹脂8として高粘度の高熱伝導樹脂を使用しても、金属細線7とリードフレーム1との接触が起こり難くなって歩留まりが向上する。さらに、金属細線7が変形し難くなるので、樹脂8の流速を高めて生産性を高めることができる。また、高熱伝導で高粘度の樹脂8を用いると共に電力用半導体素子4を小型化することで、製品の小型化が可能となる。
In the present embodiment, the
また、樹脂8で封止する際に、電力用ダイパッド2の裏面に絶縁シート5を接着する。そして、屈曲部9に樹脂8が衝突して電力用ダイパッド2に反作用が働くことで、電力用ダイパッド2と絶縁シート5との接着性が向上し、絶縁シート5を均一な厚みに押し固めることができるため、良好な絶縁性と放熱性が得られ、品質が安定する。
Further, when sealing with the
図6は、本発明の実施の形態1に係る電力用半導体装置の変形例を示す断面図である。金属細線7により電力用半導体素子4の上面と制御用半導体素子6の上面とを直接接続する。そして、屈曲部9を電力用半導体素子4と制御用半導体素子6との間に配置する。これにより、金属細線7とリードフレーム1との接触が更に起こり難くなる。さらに細い金属細線7を使用することでコストが低減する。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a modification of the power semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. The upper surface of the
実施の形態2.
図7は、本発明の実施の形態2に係る電力用半導体装置を示す平面図である。図8は、図7のI−IIに沿った断面図である。実施の形態1のような絶縁シート5が無く、代わりに電力用ダイパッド2の下方に樹脂8が充填されている。屈曲部9の下方において樹脂8の底面に窪み13が設けられている。その他の構成は実施の形態1と同様である。
FIG. 7 is a plan view showing a power semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. FIG. 8 is a cross-sectional view taken along the line I-II in FIG. There is no insulating
続いて、上記の電力用半導体装置の製造方法を説明する。図9は、本発明の実施の形態2に係る電力用半導体装置の製造方法を示す断面図である。図10は図9の装置内部を示す拡大平面図である。図11は可動ピンの動きを示す拡大断面図である。 Then, the manufacturing method of said power semiconductor device is demonstrated. FIG. 9 is a cross-sectional view showing the method for manufacturing the power semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. FIG. 10 is an enlarged plan view showing the inside of the apparatus of FIG. FIG. 11 is an enlarged cross-sectional view showing the movement of the movable pin.
キャビティ12の底面と屈曲部9との間にスリーブ14を配置する。このスリーブ14から可動ピン15を屈曲部9に向けて突き出して電力用ダイパッド2を下金型11から離して支持した状態でキャビティ12内に樹脂8を注入して、電力用ダイパッド2と下金型11との間に樹脂8を充填する。
A
また、屈曲部9の下方に配置したスリーブ14から可動ピン15を屈曲部9に向けて突き出す。これにより、モールド時に屈曲部9にぶつかった樹脂8によって電力用ダイパッド2が下に押し下げられても電力用ダイパッド2を下金型11から離して支持することができる。従って、電力用ダイパッド2と下金型11の間隔を維持できるため、樹脂8が電力用ダイパッド2の下方に十分に行き渡って絶縁性を確保することができる。
Further, the
そして、樹脂8を電力用ダイパッド2の下方まで充填して静水圧がかかる直前に、可動ピン15を下側に可動させて引き抜く。静水圧がかかった後、樹脂8が硬化したタイミングで金型を開き成型品を取り出してトランスファーモールドが完了する。この時に電力用半導体装置の裏面にスリーブ14が転写されて窪み13が残る。なお、スリーブ14は可動ピン15を引き抜く際に発生するバリを防ぐために設置している。
Then, immediately before the
また、樹脂8を電力用ダイパッド2の下方に充填させる際に、電力用ダイパッド2が上方にずれることが想定される。これを防ぐために従来は上金型10にも可動ピンを設けて電力用ダイパッド2を上からも押さえつけていた。これに対して本実施の形態では、屈曲部9に樹脂8が衝突すると電力用ダイパッド2は反作用により下方に力を受けるため、電力用ダイパッド2が上方にずれるのを防ぐことができる。従って、上金型10に可動ピン等を設ける必要が無いため、上金型10のメンテナンス性が向上し、コストを削減することができる。
Further, when the
また、屈曲部9が無い場合、電力用ダイパッド2と下金型11との間に設けたスリーブ14の高さが電力用ダイパッド2下の樹脂8の厚みの制約となる。しかし、屈曲部9の下方にスリーブ14を配置することで、電力用ダイパッド2下の樹脂8を薄くして熱抵抗を低減することができる。スリーブ14の高さは少なくとも0.1mm以上必要であるため、電力用ダイパッド2下の樹脂8の厚みを少なくとも0.1mm以上薄くすることができる。従って、放熱性が良好となるため、製品の寿命が向上し、電力用半導体素子4の小型化に伴う電力用半導体装置の小型化が可能となる。
Further, when there is no
実施の形態3.
図12は、本発明の実施の形態3に係る電力用半導体装置の製造方法を示す断面図である。屈曲部9は2個の曲げ部分を有し、屈曲部9の先端部がキャビティ12の底面に平行である。この屈曲部9の先端部に可動ピン15が接触する。これにより、可動ピン15の屈曲部9に対する接触が点から面になるため、電力用ダイパッド2の固定位置の厚み方向のずれが生じ難くなるため、電力用ダイパッド2下の樹脂8の厚みばらつきを減らすことができる。
FIG. 12 is a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing the power semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. The
実施の形態4.
図13は、本発明の実施の形態4に係る電力用半導体装置の製造方法を示す拡大平面図である。2個の可動ピン15により電力用ダイパッド2を支持する。このように電力用ダイパッド2を上金型10と下金型11を含めて3点で支持することにより、平面方向に安定して電力用ダイパッド2を固定できるため、電力用ダイパッド2下の樹脂8の厚みばらつきを減らすことができる。
FIG. 13 is an enlarged plan view showing the method for manufacturing the power semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention. The power die
実施の形態5.
図14は、本発明の実施の形態5に係る電力用半導体装置の製造方法を示す拡大平面図である。可動ピン15は、複数の電力用ダイパッド2の隣接する2つにまたがって支持する。これにより、少ない可動ピン15で安定した固定が可能となり、金型のメンテナンス性が向上する。
FIG. 14 is an enlarged plan view showing the method for manufacturing the power semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention. The
なお、電力用半導体素子4は、珪素によって形成されたものに限らず、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成されたものでもよい。ワイドバンドギャップ半導体は、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、又はダイヤモンドである。このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成された電力用半導体素子4は、耐電圧性や許容電流密度が高いため、小型化できる。この小型化された素子を用いることで、この素子を組み込んだ電力用半導体装置も小型化できる。また、素子の耐熱性が高いため、ヒートシンクの放熱フィンを小型化でき、水冷部を空冷化できるので、電力用半導体装置を更に小型化できる。また、素子の電力損失が低く高効率であるため、電力用半導体装置を高効率化できる。
The
1 リードフレーム、2 電力用ダイパッド、3 制御用ダイパッド、4 電力用半導体素子、5 絶縁シート、6 制御用半導体素子、7 金属細線、8 樹脂、9 屈曲部、10 上金型、11 下金型、12 キャビティ、14 スリーブ、15 可動ピン
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記電力用ダイパッドより高い位置に配置された制御用ダイパッド上に、前記電力用半導体素子を制御する制御用半導体素子を実装する工程と、
前記電力用半導体素子と前記制御用半導体素子とを金属細線により電気的に接続する工程と、
上金型と下金型により構成されるキャビティ内に、前記電力用ダイパッド、前記制御用ダイパッド、前記電力用半導体素子、前記制御用半導体素子、及び前記金属細線を入れて樹脂で封止する工程とを備え、
前記電力用ダイパッドは、前記金属細線の下方に配置され、上方に曲げられた屈曲部を有し、
前記電力用ダイパッド側から前記制御用ダイパッド側に向かって前記樹脂を注入し、
前記キャビティの底面と前記屈曲部との間にスリーブを配置し、
前記スリーブから可動ピンを前記屈曲部に向けて突き出して前記電力用ダイパッドを前記下金型から離して支持した状態で前記キャビティ内に前記樹脂を注入して、前記電力用ダイパッドと前記下金型との間に前記樹脂を充填することを特徴とする電力用半導体装置の製造方法。 Mounting a power semiconductor element on the power die pad;
Mounting a control semiconductor element for controlling the power semiconductor element on a control die pad disposed at a position higher than the power die pad;
Electrically connecting the power semiconductor element and the control semiconductor element with a thin metal wire;
A process of placing the power die pad, the control die pad, the power semiconductor element, the control semiconductor element, and the metal fine wire in a cavity constituted by an upper mold and a lower mold and sealing with resin And
The power die pad is disposed below the thin metal wire and has a bent portion bent upward,
Injecting the resin from the power die pad side toward the control die pad side ,
A sleeve is disposed between the bottom surface of the cavity and the bent portion;
The power die pad and the lower mold are injected by injecting the resin into the cavity with the movable pin protruding from the sleeve toward the bent portion and supporting the power die pad away from the lower mold. A method of manufacturing a power semiconductor device , wherein the resin is filled in between .
前記屈曲部の前記先端部に前記可動ピンが接触することを特徴とする請求項1に記載の電力用半導体装置の製造方法。 The bent portion has two bent portions, and a tip portion of the bent portion is parallel to the bottom surface of the cavity,
Method of manufacturing a power semiconductor device according to claim 1, characterized in that said movable pin is in contact with the tip portion of the bent portion.
前記可動ピンは、前記複数のダイパッドの隣接する2つにまたがって支持することを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の電力用半導体装置の製造方法。 The power die pad has a plurality of die pads,
The method of manufacturing a power semiconductor device according to any one of claims 1 to 3 , wherein the movable pin is supported across two adjacent die pads.
前記屈曲部を前記電力用半導体素子と前記制御用半導体素子との間に配置することを特徴とする請求項1〜5の何れか1項に記載の電力用半導体装置の製造方法。 The upper surface of the power semiconductor element and the upper surface of the control semiconductor element are directly connected by the metal thin wire,
Method of manufacturing a power semiconductor device according to any one of claim 1 to 5, characterized in that placing the bent portion between said power semiconductor element and the controlled semiconductor device.
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