JP6435794B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device.
DC−DCコンバータにはダイオードチップを内蔵したパワー半導体モジュールが用いられているものがある。
図5は,かかるパワー半導体モジュールの一例の断面図である。また、図6は、図5に示したパワー半導体モジュールの平面図である。なお、図5は、図6のV−V矢視断面図である。図5及び図6に示したパワー半導体モジュール101は、絶縁基板102に半導体チップ106が搭載されている。絶縁基板102は、絶縁板103と、絶縁板103の一方の主面に形成された回路板104と、絶縁板103の他方の主面に形成された放熱板105とからなる。回路板104は、回路パターンを構成するように絶縁板103上に選択的に形成され、この回路板104に、半導体チップ106が、はんだ107により接合されている。
Some DC-DC converters use a power semiconductor module incorporating a diode chip.
FIG. 5 is a cross-sectional view of an example of such a power semiconductor module. FIG. 6 is a plan view of the power semiconductor module shown in FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line VV in FIG. In the
樹脂ケース109は絶縁基板102と接着剤110により接着されている。樹脂ケース109には、外部端子111a及び外部端子111bが一体的に設けられている。外部端子111aの一端と、半導体チップ106とが、ボンディングワイヤ112aにより、外部端子111bの一端と絶縁基板102の回路板104とが、112bによって電気的に接続されている。
The
また、ボンディングワイヤ112aとボンディングワイヤ112bが配線された樹脂ケース109内に、エポキシ樹脂等の絶縁性熱硬化性樹脂からなる封止材113が注入、固化されて、樹脂ケース109内の回路板104や半導体チップ106や外部端子111a、111bやボンディングワイヤ112a、112b等を保護している。なお、図6では理解を容易にするために封止材113の図示を省略している。
上記構成を具備する半導体装置は、特許文献1に記載がある。
Further, a sealing
A semiconductor device having the above structure is described in
近年、絶縁基板の熱伝導率を高めて放熱効果を高めるために、絶縁基板を構成する絶縁板に、熱伝導性フィラーを含む有機絶縁板を用いたものがある。このような熱伝導性フィラーを含む有機絶縁板の熱膨張係数は比較的小さく、そのために、放熱板との熱膨張係数差が相対的に大きくなり、よって絶縁基板の初期反り量が大きくなる。 In recent years, in order to increase the thermal conductivity of an insulating substrate and enhance the heat dissipation effect, there is one in which an organic insulating plate containing a heat conductive filler is used as an insulating plate constituting the insulating substrate. The organic insulating plate containing such a heat conductive filler has a relatively small thermal expansion coefficient, and therefore, the difference in thermal expansion coefficient from the heat radiating plate is relatively large, thereby increasing the initial warpage of the insulating substrate.
また、パワー半導体モジュールの耐熱性、耐圧性を高めるために、封止材にエポキシ樹脂が用いられたものがある。エポキシ樹脂は硬化収縮率が大きいので、ケース内に封止材を注入し、固化した後は、封止材の収縮により樹脂ケースが中心に向けて引っ張られ、この樹脂ケースに接着している絶縁基板も同様に引っ張られて絶縁基板の反りが生じる。絶縁基板は、放熱板が冷却器に取り付けられるため、絶縁基板の反りを抑制することは、冷却器との密着性を向上させるために重要である。 Moreover, in order to improve the heat resistance and pressure resistance of a power semiconductor module, there is one in which an epoxy resin is used as a sealing material. Since the epoxy resin has a large cure shrinkage rate, after injecting the sealing material into the case and solidifying it, the resin case is pulled toward the center by the shrinkage of the sealing material, and the insulation that adheres to this resin case The substrate is also pulled in the same manner, causing warpage of the insulating substrate. Since the heat sink is attached to the cooler in the insulating substrate, suppressing the warpage of the insulating substrate is important for improving the adhesion to the cooler.
反りを低減する基板に関し、パターン形成された金属板の一主面と反対面側に平坦に樹脂が形成され、この樹脂の表面に凹部を設けたものがある(特許文献2)。また、パワー半導体装置に関し、金属ベースを複数枚に分割し、この金属ベース間に仕切り板を設けたものがある(特許文献3)。 With respect to a substrate for reducing warpage, there is a substrate in which a resin is formed flat on one surface opposite to a main surface of a patterned metal plate and a recess is provided on the surface of the resin (Patent Document 2). Further, there is a power semiconductor device in which a metal base is divided into a plurality of pieces and a partition plate is provided between the metal bases (Patent Document 3).
しかし、特許文献2、特許文献3は絶縁基板の反りの抑制について、なお改良の余地があった。
そこで、本発明は、絶縁基板の反りを適切な範囲に調整することのできる半導体装置を提供することを目的とする。
However,
Therefore, an object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of adjusting the warpage of an insulating substrate within an appropriate range.
上記目的を達成するために以下のような半導体装置が提供される。
この半導体装置は、回路板、有機絶縁板及び放熱板を順次に積層してなる絶縁基板と、該絶縁基板の回路板に接合された半導体素子と、該絶縁基板と該半導体素子とを収容する樹脂ケースと、該樹脂ケースと一体的に成形され、一端が該樹脂ケースの内側に露出し他端が該樹脂ケースより外方に延出する外部端子と、該半導体素子のおもて面に形成された電極及び該絶縁基板の回路板の少なくとも一つに電気的に接続し、かつ、該外部端子の一端に電気的に接続するボンディングワイヤと、該樹脂ケースの内側に注入して固化され、該半導体素子、該絶縁基板及び該ボンディングワイヤを封止する熱硬化性樹脂よりなる封止材と、を備えている。該絶縁基板の放熱板に、該絶縁基板の長手方向の中央部において短手方向に沿って線状に溝が形成されていて、前記樹脂ケースが、前記封止材の仕切り板を備え、前記仕切り板が、前記絶縁基板の放熱板に形成された溝から該放熱板の厚さ方向の延長線上に位置する。
In order to achieve the above object, the following semiconductor device is provided.
The semiconductor device accommodates an insulating substrate formed by sequentially stacking a circuit board, an organic insulating plate, and a heat sink, a semiconductor element bonded to the circuit board of the insulating substrate, and the insulating substrate and the semiconductor element. A resin case, an external terminal formed integrally with the resin case, one end exposed inside the resin case and the other end extending outward from the resin case, and a front surface of the semiconductor element A bonding wire electrically connected to at least one of the formed electrode and the circuit board of the insulating substrate and electrically connected to one end of the external terminal, and injected into the resin case and solidified. And a sealing material made of a thermosetting resin for sealing the semiconductor element, the insulating substrate, and the bonding wire. In the heat sink of the insulating substrate, a groove is formed linearly along the short side direction in the central portion in the longitudinal direction of the insulating substrate, and the resin case includes the partition plate of the sealing material, A partition plate is positioned on an extension line in the thickness direction of the heat sink from a groove formed in the heat sink of the insulating substrate.
本発明によれば、絶縁基板の反りを調整できるようにして、平坦又は所定の範囲の若干の反り量に収めることができる。 According to the present invention, it is possible to adjust the warpage of the insulating substrate so as to be flat or within a certain amount of warpage within a predetermined range.
(実施形態1)
本発明の半導体装置の実施形態を、図面を用いて具体的に説明する。
本発明の実施形態1の半導体装置を図1に断面図で示す。本実施形態の半導体装置は、パワー半導体モジュール1として構成されたものである。絶縁基板2に複数の半導体チップ6が搭載されている。
(Embodiment 1)
Embodiments of a semiconductor device of the present invention will be specifically described with reference to the drawings.
A semiconductor device according to
絶縁基板2は、有機絶縁板3と、有機絶縁板3の一方の主面に形成された回路板4と、有機絶縁板3の他方の主面に形成された放熱板5とからなる。換言すれば、絶縁基板2は回路板4、有機絶縁板3及び放熱板5を順次に積層してなる。絶縁基板2は、略長方形の平面形状を有している。
The
有機絶縁板3は、エポキシ樹脂等の絶縁性を有する樹脂よりなる。有機絶縁板3は、熱伝導率を向上させるために、フィラーを含むことが好ましい。フィラーの有無やフィラー量の多寡により絶縁基板2の反りの程度は異なる。したがって、反りの調整をフィラー量の調整によって行うことは可能である。しかし、有機絶縁板3に添加するフィラー量は熱伝導のために好ましい量とし、あわせて、後述するように放熱板5に溝5a、5bを形成することにより反りの調整を行う方が、高い放熱性を維持しながら反りを調整できるので好ましい。
回路板4は、一例では銅箔よりなり、回路パターンを構成するように有機絶縁板3上に選択的に形成されている。この回路板4に、半導体チップ6が、はんだ7により接合されて電気的かつ機械的に接続している。もっとも、回路板4と半導体チップ6との接合は、はんだ7にはんだに限られず、銀ペースト等の金属ペーストを用いた焼結材でもよい。回路板4には、半導体チップ6の他にコンデンサチップ8が取り付けられている。
The
The
放熱板5は、図示しない冷却板に接続して半導体チップ6からの熱を伝える。放熱板5は、アルミニウムや銅などの熱伝導性の良好な金属板よりなる。
半導体チップ6は、本実施形態ではダイオードである。半導体チップ6の個数や種類は問わない。また、半導体チップ6は基板として単結晶シリコンの他、シリコンカーバイド(SiC)やガリウムナイトライド(GaN)等のワイドバンドギャップ半導体を用いることもできる。
The
The
樹脂ケース9は中空(枠形状)の略直方体の箱型形状を有し、絶縁基板2と半導体チップ6とを収容する空間が形成されている。樹脂ケース9の底面と絶縁基板2の有機絶縁板3の周縁とが接着剤10により接着されて、樹脂ケース9と絶縁基板との隙間をなくし、隙間から封止材13が外部に漏れ出るのを防止している。樹脂ケース9は、好適にはポリフェニレンサルファイド樹脂(PPS樹脂)等の樹脂よりなる。樹脂ケース9には、リードよりなる外部端子11aおよび外部端子11bが金型を用いたトランスファー成型によって一体的に設けられている。この外部端子11aおよび外部端子11bの一端は、樹脂ケース9の内側で露出している。また、外部端子11aの一端と半導体チップ6とがボンディングワイヤ12aにより、外部端子11bの一端と絶縁基板2の回路板4とが、ボンディングワイヤ12bによって電気的に接続されている。
The
また、ボンディングワイヤ12aとボンディングワイヤ12bが配線された後の樹脂ケース9の上端部の開口から、エポキシ樹脂やウレタン樹脂等の絶縁性熱硬化性樹脂からなる封止材13が注入され、さらに固化されて、樹脂ケース9内の回路板4や半導体チップ6や外部端子11a、11bやボンディングワイヤ12a、12b等を保護している。
A sealing
図2(a)に図1のパワー半導体モジュール1の平面図を、図2(b)に図2(a)のb−b線で切断した断面図を、図2(c)に図1のパワー半導体モジュール1の背面図をそれぞれ示す。なお、図1は、図2(a)のI−I矢視断面図であり、図2(b)は図2(a)のIIb−IIb矢視断面図である。また図2(a)及び図2(b)では理解を容易にするために封止材13の図示を省略している。本実施形態のパワー半導体モジュール1は、絶縁基板2の放熱板5に、その長手方向の中央部から短手方向に線状に延びる溝5aを有している。また、短手方向の中央部から長手方向に線状に延びる溝5bを有している。
2A is a plan view of the
溝5a、溝5bの作用効果について説明する。パワー半導体モジュール1が組み立てられたときに、絶縁基板2は、ほぼ平坦又は外側に凸になるような若干の反りを有していることが好ましい。また、外側に向かって凸になるときの反り量は、所定の範囲の若干量に収まることが好ましい。かかる絶縁基板2の反りに関して、絶縁基板2の製造法について説明すると、パワー半導体モジュール1に組み立てられる前の絶縁基板2は、回路板4と、有機絶縁板3と、放熱板5とを順次に積層し、熱プレスにより圧着することにより製造される。製造された絶縁基板2は、有機絶縁板3の線膨張係数と放熱板5の線膨張係数とに相違があるため、望ましい形状の反りを有していない場合がある。例えば、有機絶縁板3に含まれ得るフィラーの有無(添加量)や、放熱板5の材質によっては、パワー半導体モジュール1が組み立てられたときに外側に凹になるような反り(これを「逆反り」という。)が生じることさえある。
The effects of the
この点、本実施形態のパワー半導体モジュール1は、絶縁基板2の放熱板5に溝5a、5bが形成されていることから、有機絶縁板3の線膨張係数と放熱板5の線膨張係数との相違による反り量を減少させることができる。また、放熱板5に溝5a、5bが形成されていることにより、放熱板5の曲げ剛性を下げ、これによりパワー半導体モジュール1の組み立て時において樹脂ケース9に注入した封止材13が固化するときの収縮による反りを所定量の範囲に調整するのを容易にできる。
In this respect, in the
絶縁基板2の反りは、長手方向ばかりでなく短手方向においても生じる。したがって、本実施形態のパワー半導体モジュール1は、溝5aばかりでなく、溝5bを有している。
溝5aは、絶縁基板2の長手方向の中央部であることが好ましい。中央部は、必ずしも長手方向を二等分する真中の位置に限られない。長手方向を中央部と端部とに分類したときの中央部に溝5aが位置していればよい。溝5aは、絶縁基板2のサイズにもよるが、1本あれば十分であるが、中央部に2本以上を有していてもよい。
溝5bは、絶縁基板2の短手方向の中央部であることが好ましい。中央部は、必ずしも短手方向を二等分する真中の位置に限られない。短手方向を中央部と端部とに分類したときの中央部に溝5bが位置していればよい。溝5bは、絶縁基板2のサイズにもよるが、1本あれば十分であるが、中央部に2本以上を有していてもよい。
Warpage of the insulating
The
The
溝5a、溝5bの断面形状は、図2(b)に示すようにV溝とすることができる。V溝に限られず、U溝でもよい。溝5a、溝5bを形成するための加工方法は特に問わないが、エンドミル等による切削加工を実施することができる。
溝5a、溝5bの幅、すなわち、放熱板5の表面における溝5a、溝5bの開口の幅は、加工工具によるが、例えば1mm以下とすることができる。
The cross-sectional shapes of the
The widths of the
溝5a、溝5bの深さ、すなわち放熱板5の表面から溝5a、溝5bの最深部までの厚み方向の距離は、絶縁基板2の曲げ強度を考慮して放熱板5の厚さの20〜50%程度とすることが好ましい。
溝5a、溝5bは、有機絶縁板3に対向する側の放熱板5の表面に形成してもよい。この場合、熱プレスにより有機絶縁板3と圧着する前に、放熱板5の表面に溝5a、溝5bを形成しておく。
The depth of the
The
図1に示す本実施形態のパワー半導体モジュールは、樹脂ケース9に、封止材13を仕切る仕切り板9a、9bを備えている。仕切り板9aは、樹脂ケース9の長手方向の中央部において短手方向に沿って延びるものであり、仕切り板9bは、短手方向の中央部において長手方向に沿って延びるものである。
The power semiconductor module of this embodiment shown in FIG. 1 includes
本実施形態のパワー半導体モジュール1は、仕切り板9a、9bにより、4つの仕切られた区画を備えている。仕切られた区画ごとに封止材13が固化する。したがって、封止材13が収縮するときのエリアが分割されているので、絶縁基板2に作用する圧縮力が、仕切り板を有しない場合に比べて小さくなる。したがって、絶縁基板2の反り量を減少させることができ、また、絶縁基板2が過度に反ることを抑制して、反りを所定量の範囲に調整するのを容易にできる。
The
仕切り板9a、9bは、樹脂ケース9と同じ材料により、トランスファー成型により樹脂ケース9と同時に成形される。仕切り板9a、9bの幅は、金型で成形可能なサイズとして1〜2mm幅程度でよい。
The
仕切り板9a、9bによる樹脂ケース内の封止材13の区分けは、なるべく仕切り板9a、9bにより区分けされた各封止材13の収縮が同程度になるようにするのがよい。図1及び図2に示すパワー半導体モジュール1は、封止材13が仕切り板9a、9bにより四分割されるが、分割数は4個に限られない。
As for the partitioning of the sealing
仕切り板9a、9bは、半導体チップ6やボンディングワイヤ12aの大きさや配置に応じて、半導体チップ6及びボンディングワイヤ12aを避けるように設けられている。図示した例では、4つの区画それぞれに、半導体チップ6およびボンディングワイヤ12aと、ボンディングワイヤ12bのいずれかが収容されている。
また、仕切り板9bは、半導体チップ6とボンディングワイヤ12bとの間において、半導体チップ6寄りに設けると、半導体チップ6を接合しているはんだ7のフィレット部を起点とした樹脂剥離の進展を抑制して信頼性を高めることができる。もっとも、半導体チップ6のおもて面に形成された電極にボンディングワイヤ12aを接続するワイヤボンダが、仕切り板9bに干渉するのは避けなければならない。したがって、仕切り板9bは、作製上の観点からワイヤボンダが仕切りに干渉しない限度で、半導体チップ6に近づけた位置に設けることが、信頼性を高めるために好ましい。
The
Further, when the
仕切り板9a、9bと絶縁基板2とは、接着剤により接着することが好ましい。もっとも、仕切り板9a、9bにより樹脂ケース9内の封止材13がほぼ分離されていれば必ずしも接着されなくてもよい。
The
仕切り板9a、9bは、好適には絶縁基板2の放熱板5の溝5a、5bから放熱板5の厚さ方向の延長線上に位置するように設ける。換言すれば、パワー半導体モジュール1を上方からみて、仕切り板9a、9bの位置を、溝5a、5bの位置と一致させる。仕切り板9a、9bと溝5a、5bは有機絶縁板3を挟んで対向している。このことにより、封止材13の収縮と絶縁基板2の反りとを調整して、絶縁板の反り量を適切な範囲に調整することができる。
The
仕切り板9a、9bの上端は、樹脂ケース9の上端と同一平面に位置することが好ましい、換言すれば仕切り板9a、9bの高さは、樹脂ケース9の側壁の高さと同じとすることである。このことにより、封止材13を仕切り板9a、9bの上端近傍まで注入することができ、よって封止材13によるボンディングワイヤ12a、12bの絶縁性能を高く維持することができる。また、仕切り板9a、9bの上端が、樹脂ケース9の上端と同一平面に位置することにより、パワー半導体モジュール1の上に、他の部品を載置することができる。
It is preferable that the upper ends of the
(実施形態2)
図3に本発明の実施形態2の半導体装置の平面図(図3(a))及び断面図(図3(b))で示す。なお、図3(b)は図3(a)のIIIb−IIIb矢視断面図である。また、図3(b)では理解を容易にするために封止材13の図示を省略している。また、図3において、図1及び図2に示したのと同じ部材については図1、図2と同一の符号を付している。したがって、本実施形態において、実施形態1のパワー半導体モジュール1と同一部材についての重複する説明は省略する。
(Embodiment 2)
FIG. 3 is a plan view (FIG. 3A) and a cross-sectional view (FIG. 3B) of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. FIG. 3B is a cross-sectional view taken along the line IIIb-IIIb in FIG. Further, in FIG. 3B, the sealing
本実施形態のパワー半導体モジュール21は、樹脂ケース9が、当該樹脂ケース9の上面から部分的に突出する突起部9cを有している。突起部9cは、樹脂ケース9の上面の一つの角部において樹脂ケース9の長手方向及び短手方向に沿って当該角部に隣接する位置にそれぞれ一つずつと、長手方向の一辺に沿って二個が形成されている。
In the
突起部9cを有することにより、封止材13を樹脂ケース9の上面まで満たされるような量で注入することができる。これにより封止材13による絶縁性を十分に確保することができる。また、封止材13の注入時、又は封止材13が注入された後であって固化前の搬送時に、樹脂ケース9の上面に封止材13が乗り上げた場合であっても、封止材13は、突起部9cの側面に回り込み上面には乗り上げない。したがって、本実施形態のパワー半導体モジュール21は、外観不良にならない。また、封止材13を注入するときの作業性を向上させることができる。更に、樹脂ケース9の上面の突起部9cの上面に封止材13が乗り上げないことから、樹脂ケース9上に蓋や部品を載置するための平板を取り付けた場合であっても、これらとの接着性の低下を招くことはない。
By having the protruding
突起部9cの数は、蓋を平坦に支持できるという観点から、最低3個があればよい。もっとも、樹脂ケース9の寸法精度や突起部9cの高さの精度を考慮すると、確実に支持できるように図3に示したように角部に隣接しケース9の長手方向及び短手方向に沿ったそれぞれに突起部9cを有することが好ましい。
The number of the
また、突起部9cの位置は、ボンディングワイヤ12aおよびボンディングワイヤ12bをワイヤボンディングする際に、押さえ治具と干渉しない位置とすることが望ましい。
Further, it is desirable that the position of the protruding
樹脂ケース9の上面からの突起部9cの高さは、封止材13が上面に乗り上げた場合であっても突起部9cには乗り上げない高さとして、0.1〜1mm程度あれば十分である。
The height of the protruding
実施形態1のパワー半導体モジュール1において、絶縁基板2の放熱板5にアルミニウム板を用い、この放熱板の厚さと絶縁基板の反りの目標値からの変位量との関係をグラフにした。その結果を図4に示す。
放熱板5の厚さが厚くなるほど、単位長当たりの反り量が小さくなる。そして、本実施形態1では、仕切り板9a、9bが設けられて封止材13のエリアを分割するとともに、放熱板5には溝5a、5bが形成されているから、封止材13の硬化収縮率を見掛け上小さくすることができていて、目標値からの変位量を小さく調整できる。図4では、目標値からの変位量を2〜2.5割低減することができた。
In the
As the thickness of the
1 パワー半導体モジュール
2 絶縁基板
3 有機絶縁板
4 回路板
5 放熱板
5a、5b 溝
6 半導体チップ
9 樹脂ケース
9a、9b 仕切り板
9c 突起部
11a、11b 外部端子
12a、12b ボンディングワイヤ
13 封止材
DESCRIPTION OF
Claims (5)
該絶縁基板の回路板に接合された半導体素子と、
該絶縁基板と該半導体素子とを収容する樹脂ケースと、
該樹脂ケースと一体的に成形され、一端が該樹脂ケースの内側に露出し他端が該樹脂ケースより外方に延出する外部端子と、
該半導体素子のおもて面に形成された電極及び該絶縁基板の回路板の少なくとも一つに電気的に接続し、かつ、該外部端子の一端に電気的に接続するボンディングワイヤと、
該樹脂ケースの内側に注入されて固化され、該半導体素子、該絶縁基板及び該ボンディングワイヤを封止する熱硬化性樹脂よりなる封止材と、
を備え、
該絶縁基板の放熱板に、該絶縁基板の長手方向の中央部において短手方向に沿って線状に溝が形成されていて、
前記樹脂ケースが、前記封止材の仕切り板を備え、前記仕切り板が、前記絶縁基板の放熱板に形成された溝から該放熱板の厚さ方向の延長線上に位置する
ことを特徴とする半導体装置。 An insulating substrate formed by sequentially laminating a heat sink, an organic insulating plate, and a circuit board;
A semiconductor element bonded to the circuit board of the insulating substrate;
A resin case for housing the insulating substrate and the semiconductor element;
An external terminal formed integrally with the resin case, one end exposed to the inside of the resin case and the other end extending outward from the resin case;
A bonding wire electrically connected to at least one of an electrode formed on the front surface of the semiconductor element and a circuit board of the insulating substrate, and electrically connected to one end of the external terminal;
A sealing material made of a thermosetting resin that is injected and solidified inside the resin case and seals the semiconductor element, the insulating substrate, and the bonding wire;
With
In the heat sink of the insulating substrate, a groove is formed in a linear shape along the short direction in the central portion in the longitudinal direction of the insulating substrate ,
The resin case is provided with a partition plate of the sealing member, wherein the partition plate, and characterized that you position from the insulation trenches formed in the heat sink substrate on the thickness direction of the extension line of the heat radiating plate Semiconductor device.
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