JP6580015B2 - モールド樹脂封止型パワー半導体装置 - Google Patents

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Description

この発明は、例えば、モールド樹脂で封止してなるモールド樹脂封止型パワー半導体装置に関するものである。
従来、一般的なモールド樹脂封止型パワー半導体装置は、半導体素子とインナーリードが釣り部を設けたリードフレームに半田付けされ、全体をモールド樹脂で封止されている。半導体素子は冷却が不可欠であり、また、リードフレームは外部配線と釣り部を含めヒートシンクとの絶縁性が必要であるため、絶縁シートを介してヒートシンクの突起部へ固定されている。
半導体素子とインナーリードは、リードフレームにリフロー半田付けされるが、片面実装であり、リードフレームの剛性が低い場合は熱収縮による変形が大きく発生する。モールド成形時にリードフレームは、成形金型内でフラットに矯正されるので、矯正による大きな応力が半導体素子と半田に発生し、寿命が悪化してしまう。従来のモールド樹脂封止型パワー半導体装置においては、外部配線部と釣り部を保持してリードフレームの剛性を確保する構造にされており、半田付けによる半導体素子近傍の変形を防止し、成形時に発生する応力を無くし、寿命劣化が防止されている。
また、特許文献１に開示されたモールド樹脂封止型パワー半導体装置においては、半導体素子が半田付けされたヒートシンクである金属板と外部配線であるリードフレームとを有し、アルミニウムワイヤにより半導体素子と外部配線が接続されている。アルミニウムワイヤは剛性が低く柔らかいため、成形時にリードフレームがフラットに矯正されても半導体素子に発生する応力を低減させ、高信頼性が図られている。
特許第３７４０１１６号公報
通常、リードフレームは厚みが一定な銅材をプレス加工して製作されており、半導体素子の反対面は冷却効率を高めるためにリードフレームが剥き出しになっている。外部配線を保持するためのモールド樹脂（配線保持部）を含めリードフレームの剥き出し部以外はモールド樹脂により絶縁できているが、剥き出し部は絶縁が必要になるので、ヒートシンクの突起部への取付けには絶縁シートが必要になる。モールド樹脂（配線保持部）は、リードフレームの剥き出し面より飛び出しているため、外部配線はヒートシンクに段差を設けて絶縁する必要があり、ヒートシンクの製造方法とレイアウトの制約が発生し、低コスト化ができないという問題があった。
また、特許文献１で開示された従来のモールド樹脂封止型パワー半導体装置の構造では、アルミニウムワイヤは許容電流値が低いため、複数本のワイヤーボンディングが必要となり、小型化、低コスト化ができないという問題があった。
この発明は、上述のような問題点を解決するためになされたものであり、小型で安価なモールド樹脂封止型パワー半導体装置を得ることを目的とする。
この発明に係るモールド樹脂封止型パワー半導体装置は、パワー半導体素子と、前記パワー半導体素子が搭載された厚肉部と前記厚肉部よりも薄い薄肉部とを有するリードフレームと、前記パワー半導体素子と前記リードフレームを電気的に接続するインナーリードと、前記厚肉部の前記パワー半導体素子が搭載された第１の面の反対側の第２の面を露出した状態で前記パワー半導体素子、前記リードフレームおよび前記インナーリードを封止するモールド樹脂と、アルミ材または銅板から構成された平坦面を有するヒートシンクと、を備え、前記リードフレームの前記厚肉部は、前記パワー半導体素子が搭載された前記第１の面から前記ヒートシンクに向かって厚みを有し、前記ヒートシンクの前記平坦面の上に絶縁シートを介して載置されており、前記リードフレームの前記薄肉部は、前記厚肉部の４方向に形成され、外部と接続するための外部配線と釣り部とを構成しており、前記モールド樹脂で封止された状態で前記モールド樹脂の側面の４方向から外部に露出されており、４方向に露出された前記薄肉部は、前記ヒートシンクの前記平坦面とそれぞれ絶縁距離を有するものである。
この発明に係るモールド樹脂封止型パワー半導体装置によれば、レイアウトの自由度が向上し、小型で安価なモールド樹脂封止型パワー半導体装置を得ることができる。
この発明の実施の形態１に係るモールド樹脂封止型パワー半導体装置を模式的に示す平面図である。 図１におけるモールド樹脂封止型パワー半導体装置のＡ−Ａ線の断面図である。 比較例に係るモールド樹脂封止型パワー半導体装置を模式的に示す平面図である。 図３におけるモールド樹脂封止型パワー半導体装置のＢ−Ｂ線の断面図である。
実施の形態１．
以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態１について説明する。なお、各図面において、同一符号は同一あるいは相当部分を示す。
図１は、この発明の実施の形態１に係るモールド樹脂封止型パワー半導体装置を模式的に示す平面図である。また、図２は、図１におけるパワー半導体装置のＡ−Ａ線の断面図である。
図１および図２において、パワー半導体装置２０は、スイッチング動作により電力変換を行うパワー半導体素子１と、このパワー半導体素子１が搭載されたリードフレーム３と、パワー半導体素子１の電極（図示なし）とリードフレーム３の電極（図示なし）を電気的に接続するインナーリード２と、パワー半導体素子１、インナーリード２およびリードフレーム３を封止するように形成されたモールド樹脂６とを備えている。
リードフレーム３は、異なる板厚を有しており、リードフレーム３の中央部に形成されたリードフレーム（厚肉部）３ａと、このリードフレーム（厚肉部）３ａより薄い板厚を有しリードフレーム（薄肉部）である外部配線（薄肉部）４ａ、リードフレーム（薄肉部）である釣り部（薄肉部）５ａと、を有している。
図１および図２おいて、パワー半導体素子１とインナーリード２は、リードフレーム３の中央部を下方向に厚みを持たせたリードフレーム（厚肉部）３ａに半田付けされ、全体をモールド樹脂６で封止されている。パワー半導体素子１は、冷却が不可欠であるため、リードフレーム３は、リードフレーム（厚肉部）３ａ、外部配線（薄肉部）４ａおよび釣り部（薄肉部）５ａを含めヒートシンク８との絶縁性が必要である。よって、リードフレーム３は、絶縁シート７を介してヒートシンク８へ固定されている。
具体的には、外部配線（薄肉部）４ａ、釣り部（薄肉部）５ａの膜厚は、例えば０．５〜０．８ｍｍであり、好ましくは０．６ｍｍである。また、リードフレーム（厚肉部）３ａの膜厚は、例えば、外部配線（薄肉部）４ａ、釣り部（薄肉部）５ａの膜厚の１．５〜２倍であり、好ましくは１ｍｍとする。
実施の形態１においては、リードフレーム３の中央部を下方向に厚みを持たせたリード
フレーム（厚肉部）３ａとし、外部配線（薄肉部）４ａと釣り部（薄肉部）５ａをリードフレーム３の中央部よりも薄肉に形成することにより、パワー半導体素子１の反対面が冷却効率を高めるためにリードフレーム（厚肉部）３ａが剥き出しになっている構造においても、モールド樹脂６から露出している外部配線（薄肉部）４ａと釣り部（薄肉部）５ａはヒートシンク８の上面から絶縁距離を保つことができる。
つまり、リードフレーム（厚肉部）３ａは、リードフレーム（厚肉部）３ａにおけるパワー半導体素子１の搭載面からヒートシンク８側に向かって厚みを有している。よって、外部配線（薄肉部）４ａの底面または釣り部（薄肉部）５ａの底面からヒートシンク８のリードフレーム３の搭載面までの距離は、リードフレーム（厚肉部）３ａの底面からヒートシンク８のリードフレーム３の搭載面までの距離よりも長い構成となっている。リードフレーム（厚肉部）３ａの剥き出し部は、ヒートシンク８との絶縁が必要になるので、ヒートシンク８への取付けには絶縁シート７が必要になるが、この発明の実施の形態１によれば、ヒートシンク８に段差形状を設ける必要が無いので、熱伝導率の高いアルミ押出し材やプレス銅板等の低コストで製作できるヒートシンクを採用することができる。これにより、ヒートシンク８上面におけるパワー半導体装置２０のレイアウトの自由度の向上も含め、小型化、低コスト化が実現できる。
半田付け時に釣り部（薄肉部）５ａに発生する変形力は、パワー半導体素子１とインナーリード２の重量と熱収縮力であり、釣り部（薄肉部）５ａを薄肉化することで剛性は低下する。しかし、パワー半導体素子１近傍のリードフレーム（厚肉部）３ａ自体が、変形する外力に対して大きく余裕があるので、リードフレーム３の中央部であるリードフレーム（厚肉部）３ａを左右の外部配線（薄肉部）４ａと上下の釣り部（薄肉部）５ａの４方向で保持することにより、半田付けによるパワー半導体素子１近傍の変形を防止し、成形時に発生する応力を無くし、高信頼性を得ることができる。
また、リードフレーム（薄肉部）である外部配線（薄肉部）４ａ、リードフレーム（薄肉部）である釣り部（薄肉部）５ａは、モールド樹脂６の４方向の側面（上下左右）の少なくとも３方向以上から外部に露出しており、モールド樹脂６により保持されている。例えば、外部配線（薄肉部）４ａが左右出しではなく片側出しの場合や、釣り部（薄肉部）５ａを１方向のみに配置する場合もあるが、モールド樹脂６により保持する箇所は、２方向だけでは変形を防止できない。
リードフレーム３の材料としては、一定厚み材を使用し、薄肉部を機械加工で切削することでリードフレーム（厚肉部）３ａは製作可能である。また、リードフレーム３の材料として、中央部を下方向に厚みを持たせた異形圧延材や異形押出し材等を使用することにより、安価で寸法精度の高い任意の断面形状の材料が選択できる。さらにまた、釣り部（薄肉部）５ａの平面方向の形状を小型化にすれば、プレス加工で釣り部（薄肉部）５ａの薄肉化が可能となるので、プレス加工のみでリードフレーム３全体を製作できることとなり、低コスト化が実現できる。
一方、図３は、比較例に係るパワー半導体装置を模式的に示す平面図であり、図４は、図３におけるパワー半導体装置のＢ−Ｂ線の断面図である。
ここで、比較例としての従来のパワー半導体装置２０について、図３および図４を用いて説明する。図３および図４において、パワー半導体素子１とインナーリード２は、釣り部５を設けたリードフレーム３に半田付けされ、全体をモールド樹脂６で封止されている。パワー半導体素子１は、冷却が不可欠であり、リードフレーム３は外部配線部４と釣り部５を含めヒートシンク８との絶縁性が必要であるため、絶縁シート７を介してヒートシンク８の突起部８ａへ固定されている。
パワー半導体素子１とインナーリード２は、リードフレーム３にリフロー半田付けされるが、片面実装であり、リードフレーム３の剛性が低い場合は熱収縮による変形が大きく発生する。モールド成形時にリードフレーム３は成形金型内でフラットに矯正されるので、矯正による大きな応力がパワー半導体素子１と半田に発生し、寿命が悪化してしまう。比較例におけるモールド樹脂封止型パワー半導体装置においては、外部配線部４と釣り部５を保持してリードフレーム３の剛性を確保する構造にされており、半田付けによるパワー半導体素子１近傍の変形を防止し、成形時に発生する応力を無くし、寿命劣化が防止されている。
通常、リードフレーム３は厚みが一定な銅材をプレス加工して製作されており、パワー半導体素子１の反対面は冷却効率を高めるためにリードフレーム３が剥き出しになっている。外部配線部４を保持するためのモールド樹脂（配線保持部）６ａを含めリードフレーム３の剥き出し部以外はモールド樹脂６により絶縁できているが、剥き出し部は絶縁が必要になるので、ヒートシンク８の突起部８ａへの取付けには絶縁シート７が必要になる。比較例においては、モールド樹脂（配線保持部）６ａは、リードフレーム３の剥き出し面より飛び出しているため、外部配線部４は、ヒートシンク８に段差を設けて絶縁する必要があり、ヒートシンク８の製造方法とパワー半導体素子１のレイアウトの制約が発生し、低コスト化ができないという欠点があった。
しかし、この発明の実施の形態１に係るモールド樹脂封止型パワー半導体装置は、ヒートシンク８に段差形状を設ける必要が無いので、熱伝導率の高いアルミ押出し材やプレス銅板等の低コストで製作できるヒートシンクを採用することができる。これにより、ヒートシンク８上面におけるパワー半導体装置２０のレイアウトの自由度の向上も含め、小型化、低コスト化が実現できる。
なお、上述した実施の形態１においては、絶縁のために個別の絶縁シート７を使用しているが、モールド樹脂成形時に絶縁シート７を一体成型するか、モールド樹脂成形時にリードフレーム（厚肉部）３ａの裏面までモールド樹脂６で封止する等で、絶縁機能をモールド樹脂封止型パワー半導体装置の裏面に持たすことが可能であるので、ヒートシンク８との組立性を向上させることができ、更なる低コスト化が実現できる。
なお、この発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
１ パワー半導体素子、２ インナーリード、３ リードフレーム、３ａ リードフレーム（厚肉部）、４ 外部配線部、４ａ 外部配線（薄肉部）、５ 釣り部、５ａ 釣り部（薄肉部）、６ モールド樹脂、６ａ モールド樹脂（配線保持部）、７ 絶縁シート、８ ヒートシンク、８ａ 突起部、２０ パワー半導体装置

Claims (2)

  1. パワー半導体素子と、
    前記パワー半導体素子が搭載された厚肉部と前記厚肉部よりも薄い薄肉部とを有するリードフレームと、
    前記パワー半導体素子と前記リードフレームを電気的に接続するインナーリードと、
    前記厚肉部の前記パワー半導体素子が搭載された第１の面の反対側の第２の面を露出した状態で前記パワー半導体素子、前記リードフレームおよび前記インナーリードを封止するモールド樹脂と、
    アルミ材または銅板から構成された平坦面を有するヒートシンクと、を備え、
    前記リードフレームの前記厚肉部は、前記パワー半導体素子が搭載された前記第１の面から前記ヒートシンクに向かって厚みを有し、前記ヒートシンクの前記平坦面の上に絶縁シートを介して載置されており、
    前記リードフレームの前記薄肉部は、前記厚肉部の４方向に形成され、外部と接続するための外部配線と釣り部とを構成しており、前記モールド樹脂で封止された状態で前記モールド樹脂の側面の４方向から外部に露出されており、
    ４方向に露出された前記薄肉部は、前記ヒートシンクの前記平坦面とそれぞれ絶縁距離を有することを特徴とするモールド樹脂封止型パワー半導体装置。
  2. 前記釣り部の前記ヒートシンクに対向する底面から前記ヒートシンクの前記平坦面までの距離は、前記厚肉部の前記第２の面から前記ヒートシンクの前記平坦面までの距離よりも長いことを特徴とする請求項１に記載のモールド樹脂封止型パワー半導体装置。
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