JP6607077B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子を樹脂封止した半導体装置に関する。

特許文献１には、基板にケースを固定し、ケースの中に樹脂を形成することで、ケースの中の半導体素子を樹脂封止することが開示されている。

特開２０１２−２０４３６６号公報

ケース構造を採用したパワーモジュールなどの半導体装置において、例えば１７５℃以上の高Ｔｇ化を目指す場合、ダイレクトポッティング樹脂と呼ばれる粘度が高く、流動性が悪い樹脂で半導体素子を封止する。

半導体装置を小型化するために、ケースにひさし状に突出した突出部を設け、その突出部の上に端子をのせ、さらにその突出部の直下に基板の金属パターンを配置することがある。

ケースに上述の突出部を設けた場合、突出部と基板の間の狭い領域にダイレクトポッティング樹脂を充填することが困難である。突出部と基板の間の狭い領域にダイレクトポッティング樹脂を充填しようとすると、突出部の下において気泡を巻き込んでしまう。ダイレクトポッティング樹脂に限らず、樹脂を突出部と基板の間の狭い領域に充填しようとすると気泡を巻き込むおそれがある。気泡がケースの突出部と基板の間にあると、部分放電を起こして半導体装置にダメージを与えてしまう。

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、ケースの突出部と基板の間に樹脂を充填できる半導体装置を提供することを目的とする。

本願の発明に係る半導体装置は、上面に金属パターンを有する基板と、該基板の上面にはんだ付けされ、該基板の上の領域を囲むケースと、該ケースに充填された樹脂と、該金属パターンと電気的に接続され、該樹脂に覆われた半導体素子と、を備え、該ケースは、上方向に伸びる壁部分と、該壁部分につながり該基板の中央方向に突出した突出部とを有し、該突出部は、該突出部の先端につながり該突出部の先端から離れるほど該基板との距離が近づく斜面である第１面と、該第１面につながり該基板の上面に対して該第１面よりは垂直に近い第２面とを有し、該第１面の直下に該金属パターンがあり、該樹脂は該第１面と該第２面に接し、突出部には、突出部を貫く貫通孔が設けられており、貫通孔は、樹脂で満たされていることを特徴とする。
また、本願の発明に係る半導体装置は、上面に金属パターンを有する基板と、基板の上面にはんだ付けされ、基板の上の領域を囲むケースと、ケースに充填された樹脂と、金属パターンと電気的に接続され、樹脂に覆われた半導体素子と、を備えたものであり、ケースは、上方向に伸びる壁部分と、壁部分につながり基板の中央方向に突出した突出部とを有し、突出部は、突出部の先端につながり突出部の先端から離れるほど基板との距離が近づく斜面である第１面と、第１面につながり基板の上面に対して第１面よりは垂直に近い第２面とを有し、第１面の直下に金属パターンがあり、樹脂は第１面と第２面に接し、突出部は、第２面につながり、直接又ははんだを介して基板の上面に接する第３面を有することを特徴とする。

本発明によれば、ケースの突出部と基板の間の領域を大きくすることで、気泡の発生を回避してこの領域に樹脂を充填できる。

実施の形態に係る半導体装置の平面図である。 樹脂封止前の半導体装置の平面図である。 ケースと端子の平面図である。 半導体装置の断面図である。 図４の一部拡大図である。 半導体装置の断面図である。 ケースの斜視図である。 比較例に係る半導体装置の断面図である。

本発明の実施の形態に係る半導体装置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。

実施の形態．
図１は、実施の形態に係る半導体装置の平面図である。この半導体装置は、ケース１とケース１に取り付けられた端子２、３を備えている。端子２は信号端子であり、端子３は大電流が流れる主端子である。ケース１の中には樹脂５が充填されている。樹脂５は、熱膨張率の合わせ込み又は密着性などを高めた特別に調整されたエポキシ樹脂である。このような樹脂はダイレクトポッティング樹脂と呼ばれている。

図２は、樹脂封止前のケース１の内部を示す図である。基板６は金属パターン６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅを備えている。金属パターン６ｄに半導体素子７がはんだ固定され、金属パターン６ｃに半導体素子８がはんだ固定されている。半導体素子７は例えばＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)チップであり、半導体素子８は例えば還流ダイオード（Free Wheel diode）チップである。金属パターン６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅ、半導体素子７、８、端子２、３には、予め定められた回路を構成するためのワイヤが打たれている。ワイヤは例えばＡｌワイヤである。

図３は、図１のケース１と端子２、３の平面図である。ケース１には半導体装置の中央方向に突出した突出部１ａが形成されている。この突出部１ａは４箇所ある。突出部１ａの上面に端子２がのせられている。なお、端子２、３の横に沿えられた引き出し線のない数字は端子の番号を表す。番号１−５、８、９が添えられた端子２が突出部１ａの上に乗せられている。

図４は、図１のＩＶ−ＩＶ線における半導体装置の断面図である。ＩＶ−ＩＶ線はケース１の突出部１ａと端子２を通る線である。基板６は、金属で形成されたベース板６Ａと、ベース板６Ａの上に設けられた絶縁板６Ｂと、絶縁板６Ｂの上に設けられた金属パターン６Ｃを備えている。金属パターン６Ｃは、金属パターン６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅを備えている。金属パターン６Ｃの材料は例えば銅である。このような基板６は、樹脂絶縁銅ベース板と呼ばれている。金属パターン６ｃにははんだ１０で半導体素子８が固定され、金属パターン６ｄにははんだ１０で半導体素子７が固定されている。半導体素子は、樹脂５に覆われている。

ケース１は、全体としては、基板６の上の領域を囲むものである。ケース１は、上方向に伸びる壁部分１ｂと、壁部分１ｂにつながり基板６の中央方向に突出した突出部１ａとを有している。突出部１ａは庇のような形状を有している。突出部１ａの上には端子２がのせられている。この端子２には、半導体素子と端子２を電気的に接続するワイヤ４が固定されている。ワイヤ４は、金属パターン６ｂに固定されることで例えば半導体素子８と電気的に接続されている。なお、図４では、ワイヤ４以外のワイヤは省略している。

図５は、図４の突出部１a及びその周辺の拡大図である。ケース１の突出部１ａは、第１面１Ａ、第２面１Ｂ、第３面１Ｃを有している。第１面１Ａは、突出部１ａの先端につながり突出部１ａの先端から離れるほど基板６との距離が近づく斜面である。第２面１Ｂは、第１面１Ａにつながり基板６の上面に対して第１面１Ａよりは垂直に近い面である。実施の形態では、第２面１Ｂは基板６に対して垂直な面である。第３面１Ｃは、第２面１Ｂにつながり、直接又ははんだ９を介して基板６の上面に接する面である。実施の形態では、第３面１Ｃがはんだ９で基板６の上面に固定されることで、ケース１が基板６に固定されている。なお、第３面１Ｃとはんだ９の接合幅ｗはたとえば２．２５ｍｍであり、突出部１ａの最も突出した部分の厚みｈはたとえば１．５ｍｍである。

ケース１に充填された樹脂５は、第１面１Ａと第２面１Ｂに接している。第１面１Ａの直下に金属パターン６Ｃがある。金属パターン６Ｃの一部が第１面１Ａの下にまで入り込むことで、第１面の下に金属パターンがない場合と比べて半導体装置を小型化できる。端子２は、突出部１ａの上にのせられている。端子２とワイヤ４の接続点Ｐ１は、第３面１Ｃの直上にある。

図６は、図１のＶＩ−ＶＩ線における断面図である。ＶＩ−ＶＩ線は突出部１ａを通る線である。ケース１の突出部１ａには突出部１ａを貫く貫通孔１２が設けられている。図７は、突出部１ａの斜視図である。突出部１ａに貫通孔１２が形成されている。貫通孔の直径は例えば１ｍｍである。貫通孔１２には樹脂５が満たされている。

ここで、本発明の実施の形態に係る半導体装置の特徴の理解を容易にするために、比較例について説明する。図８は、比較例の半導体装置の一部断面図である。ケース２０は突出部２０ａと壁部分２０ｂを備えている。突出部２０ａの先端につながる部分は、基板６の上面に対して平行な面２０Ａである。この面２０Ａに斜面２０Ｂがつながっている。斜面２０Ｂには基板６の上面に平行な面２０Ｃが設けられている。この面２０Ｃははんだ９を介して基板６に固定されている。

比較例の構成では、突出部２０ａに基板６の上面に平行な面２０Ａがあるので、突出部２０ａと基板６の間の領域が狭い。この領域を樹脂５で充填するのは困難である。特に粘度が高く流動性の低い樹脂を用いた場合には、突出部２０ａと基板６の間の領域に気泡が発生する可能性が高い。突出部２０ａの直下に金属パターン６Ｃがある場合には、この領域がさらに狭くなるので、気泡の発生確率が高まる。また、ワイヤ４と突出部２０ａの接続点の直下に突出部２０ａと基板６の接続がないので、ワイヤボンド時にケース２０がたわみ、ワイヤボンド不良を起こしやすい。

本発明の実施の形態に係る半導体装置によれば、突出部１ａの先端につながる斜面である第１面１Ａを設けたので、突出部１ａと基板６の間の領域が比較例の場合より広い。したがって、突出部１ａと基板６の間の領域に気泡を巻き込む事なく、この領域に樹脂５を充填することができる。仮に第２面１Ｂがなく、第１面１Ａと第３面１Ｃがつながる場合、斜面の奥の方に樹脂を充填するのがやや困難になる。しかし、基板６の上面に対して第１面１Ａよりは垂直に近い第２面１Ｂを設けることで、樹脂を充填しやすい構造とすることができる。

ワイヤ４を端子２にワイヤボンド接合する際、ケース１の剛性が不十分であると、ワイヤボンディングの荷重によりケース１が端子２ごとたわむおそれがある。この現象は、ワイヤボンド接合不良の原因となる。本発明の実施の形態では、基板６の上面に対して第１面１Ａよりは垂直に近い第２面１Ｂを設けることで、基板６に直接または間接的に接する第３面１Ｃの面積を大きくすることができる。そのため、ワイヤ４と端子２の接続点Ｐ１を第３面１Ｃの直上に位置させ、ワイヤボンディングの荷重を直接基板６で受けることができる。

仮に、突出部１ａと基板６の間の領域に樹脂が入り込んだ際に気泡の巻き込みが起こった場合、当該気泡は、突出部１ａに設けた貫通孔１２から抜けるため、突出部１ａと基板６の間の領域に隙間なく樹脂５を充填させることが出来る。

本発明の実施の形態に係る半導体装置は、その特徴を失わない範囲で様々な変形が可能である。たとえば、基板６は樹脂絶縁銅ベース板に限定されない。突出部１ａの直下に金属パターンを設けるタイプの基板を用いることで、本発明の効果を得ることができる。また、突出部の形状により気泡の巻き込みを完全に抑制できる場合は、貫通孔１２は省略してもよい。樹脂としては、流動性の悪いダイレクトポッティング樹脂に限定されず、さまざまなタイプの樹脂を用いることができる。半導体素子７、８は、ＩＧＢＴとダイオードに限定されず任意の素子を採用することができる。

１ ケース、 １ａ 突出部、 １ｂ 壁部分、 １Ａ 第１面、 １Ｂ 第２面、 １Ｃ 第３面、 ２，３ 端子、 ４ ワイヤ、 ５ 樹脂、 ６ 基板、 １２ 貫通孔

Claims (6)

1. 上面に金属パターンを有する基板と、
   前記基板の上面にはんだ付けされ、前記基板の上の領域を囲むケースと、
   前記ケースに充填された樹脂と、
   前記金属パターンと電気的に接続され、前記樹脂に覆われた半導体素子と、を備え、
   前記ケースは、上方向に伸びる壁部分と、前記壁部分につながり前記基板の中央方向に突出した突出部とを有し、
   前記突出部は、前記突出部の先端につながり前記突出部の先端から離れるほど前記基板との距離が近づく斜面である第１面と、前記第１面につながり前記基板の上面に対して前記第１面よりは垂直に近い第２面とを有し、
   前記第１面の直下に前記金属パターンがあり、
   前記樹脂は前記第１面と前記第２面に接し、
   前記突出部には、前記突出部を貫く貫通孔が設けられており、前記貫通孔は、前記樹脂で満たされていることを特徴とする半導体装置。
2. 前記第２面は前記基板に対して垂直な面であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記基板は、金属で形成されたベース板と、前記ベース板の上に設けられた絶縁板と、前記絶縁板の上に形成された前記金属パターンを有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記樹脂はエポキシ樹脂であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
5. 上面に金属パターンを有する基板と、
   前記基板の上面にはんだ付けされ、前記基板の上の領域を囲むケースと、
   前記ケースに充填された樹脂と、
   前記金属パターンと電気的に接続され、前記樹脂に覆われた半導体素子と、を備え、
   前記ケースは、上方向に伸びる壁部分と、前記壁部分につながり前記基板の中央方向に突出した突出部とを有し、
   前記突出部は、前記突出部の先端につながり前記突出部の先端から離れるほど前記基板との距離が近づく斜面である第１面と、前記第１面につながり前記基板の上面に対して前記第１面よりは垂直に近い第２面とを有し、
   前記第１面の直下に前記金属パターンがあり、
   前記樹脂は前記第１面と前記第２面に接し、
   前記突出部は、前記第２面につながり、直接又ははんだを介して前記基板の上面に接する第３面を有することを特徴とする半導体装置。
6. 前記突出部の上面にのせられた端子と、
   前記半導体素子と前記端子を電気的に接続するワイヤを備え、
   前記端子と前記ワイヤの接続点は、前記第３面の直上にあることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。

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