JP6824913B2 - 電力用半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、電力用半導体装置及びその製造方法に関する。
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電力用半導体装置外部との絶縁が必要となる。
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。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互いに物理的に切り離されたダイパッドに搭載される。電力用半導体素子は電力用金属細線でリードフレームに電気的に接続され、制御用半導体素子は金属細線でリードフレームと電力用半導体素子にそれぞれ電気的に接続される。
電力用半導体素子の発熱に対する放熱構造としては様々なものがある。全体を封止樹脂によって覆ったディスクリードＩＣパッケージのように、電力用半導体装置で最もシンプルな構造は、高放熱かつ絶縁性を有する封止樹脂を用いて、放熱面としての役割を果たす絶縁部を封止樹脂で薄厚に形成したフルモールド構造となる。
封止樹脂はトランスファーモールド法によって成型されることが多いが、この手法では薄厚の絶縁部のような狭間隙に封止樹脂がいきわたりにくく、均一な厚みの絶縁部を形成することが困難であった。
これに対し、リードフレームの下面に事前にシート状の絶縁部を貼り付けた後、樹脂で封止することで、均一な厚みの絶縁部を形成した構造が報告されている（例えば、特許文献１参照）。しかし、シート状の絶縁部を貼り付けた後モールド金型に載置すると、リードフレームのうねりによって部分的にリードフレームと絶縁部との界面に応力が生じて端部の接合性が低下する。
日本特開２００２−１６４４９２号公報 日本特開平１−２６８１５９号公報 日本特開２００９−３０２５２６号公報
封止樹脂で絶縁部もトランスファーモールドにより一括形成する技術が報告されている（例えば、特許文献２参照）。しかし、一般にフィラーを含む粘弾性体を絶縁部に相当する狭間隙部分で流動させる場合、フィラーの目詰まりを防ぐために間隙厚みの１／２〜１／３程度のフィラーを流動させることができない。電力用半導体装置にとって絶縁部は放熱性も必要となるが、絶縁部にフィラーを充填する場合はフィラー径の３倍より大きい厚みの絶縁部を形成する必要があった。このため、電力用半導体素子の発熱密度を下げるためにモジュールのサイズを大きくしなければならないという問題があった。
さらに、絶縁部に高熱伝導樹脂をモールドで封止した後、その他を低熱伝導樹脂で封止する技術も報告されている（例えば、特許文献３参照）。しかし、リードフレームの上下面を別々でモールド形成しているため、セラミック基板の下面にのみ高熱伝導樹脂が配置される。従って、薄くて応力緩和効果が低い絶縁部はセラミック端部から高熱伝導樹脂と剥離しやすい。さらに、セラミック基板の長さよりも短い幅で高熱伝導樹脂の絶縁部が形成されると、高熱伝導樹脂と低熱伝導樹脂の界面がセラミック基板の直下に位置する。このときセラミック基板がリードフレームに置き換わった場合、両樹脂界面にはボイドなどの樹脂の密度が低い部分が存在し、絶縁耐圧が低くなり絶縁信頼性が低下するという問題があった。
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、その目的は小型化でき、高い絶縁信頼が得られる電力用半導体装置及びその製造方法を得るものである。
本発明に係る電力用半導体装置は、インナーリードと、インナーリードに接続されたアウターリードと、電力用ダイパッドと、制御用ダイパッドとを有し、前記制御用ダイパッドより下側に前記電力用ダイパッドが配置されるように段差が設けられたリードフレームと、電力用ダイパッド上に接合された電力用半導体素子と、インナーリードと電力用半導体素子を電気的に接続する第１の金属細線と、制御用ダイパッド上に前記電力用半導体素子の上面より上側に位置するように接合され、電力用半導体素子を制御する制御用半導体素子と、電力用半導体素子と制御用半導体素子を電気的に接続する第２の金属細線と、インナーリード、電力用ダイパッド、制御用ダイパッド、電力用半導体素子、第１の金属細線、制御用半導体素子及び第２の金属細線を封止する封止樹脂とを備え、封止樹脂は、電力用ダイパッドの真下に絶縁部を有し、絶縁部の厚みは封止樹脂内の無機物粒子の最大粒径の１〜４倍かつ２２０μｍ以下であり、封止樹脂の上面には、電力用ダイパッドの真上であって、電力用半導体素子に対して制御用ダイパッド側に、第１の金属細線、第２の金属細線及び電力用半導体素子が無い領域に第１の窪みが設けられていることを特徴とする。
本発明により絶縁部の厚みを均一とすることで、電界印加時に電界集中が起こりにくく、高い絶縁信頼が得られる。絶縁部の薄厚化により高発熱密度で小型な電力用半導体素子を用いることができ、電力用半導体装置を小型化することができる。
本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置を示す下面図である。 本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置の内部を示す平面図である。 本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置を示す断面図である。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 トランスファーモールド法により絶縁部を充填する様子を示す断面図である。 圧縮モールド法により絶縁部を充填する様子を示す断面図である。 チップ温度Ｔｊとのグリス下面の温度Ｔｆの差ΔＴｊ−ｆと絶縁部の厚みの関係を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る電力用半導体装置を示す断面図である。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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断面図である。 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断面図である。 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断面図である。 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断面図である。 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断面図である。 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断面図である。 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断面図である。 本発明の実施の形態５に係る電力用半導体装置を示す断面図である。
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。
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下面図である。電力用半導体装置は、上下面ともに封止樹脂１によって封止され、装置両端部からアウターリード２，３が突出したＤＩＰタイプのパッケージである。アウターリード２は電力用アウターリードであり、アウターリード３は制御用アウターリードである。
図２は、本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置の内部を示す平面図である。リードフレーム４は、インナーリード５，６と、インナーリード５，６にそれぞれ接続されたアウターリード２，３と、電力用ダイパッド７と、制御用ダイパッド８とを有する。リードフレーム４の厚みは０．４mmである。
ＲＣ−ＩＧＢＴ（Reverse Conducting-Insulated Gate Bipolar Transistor）である電力用半導体素子９がＰｂフリーはんだにより電力用ダイパッド７上に接合されている。電力用半導体素子９を制御するＩＣである制御用半導体素子１０が導電性接着剤により制御用ダイパッド８上に接合されている。なお、電力用半導体素子９は、ＲＣ−ＩＧＢＴに限らず、ＩＧＢＴとダイオードの組み合わせ、又はＭＯＳＦＥＴでもよい。電力用半導体素子９と電力用ダイパッド７の接合には、はんだに限らず、導電性接着剤など導電性を有した接合材を用いてもよい。
金属細線１１がインナーリード５と電力用半導体素子９の上面のソース電極を電気的に接続している。金属細線１２が電力用半導体素子９の上面のゲート電極と制御用半導体素子１０を電気的に接続している。金属細線１３がインナーリード６と制御用半導体素子１０を電気的に接続している。金属細線１１はφ０．３mmのＡｌワイヤであるが、Ａｌを主成分とする合金、Ａｇ、Ｃｕなど他の金属又は合金を用いたワイヤでもよい。金属細線１２，１３はＡｌワイヤよりも線径が小さいＡｕワイヤであるが、金を主成分とする合金、Ａｇ、Ｃｕなど他の金属又は合金を用いたワイヤでもよい。
図３及び図４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断面図である。図３は金属細線１１〜１３に沿った断面図であり、図４は金属細線１１〜１３が無い領域の断面図である。
封止樹脂１が、インナーリード５，６、電力用ダイパッド７、制御用ダイパッド８、電力用半導体素子９、制御用半導体素子１０及び金属細線１１〜１３を封止する。封止樹脂１の上面には、電力用ダイパッド７の真上であって金属細線１１，１２及び電力用半導体素子９が無い領域において、電力用半導体素子９に対して制御用ダイパッド８側に第１の窪み１４が設けられている。
電力用ダイパッド７がアウターリード２，３及びインナーリード５，６に比べて下側に配置されるようにリードフレーム４に段差が設けられている。封止樹脂１は電力用ダイパッド７の真下に絶縁部１５を有する。絶縁部１５の厚みは封止樹脂１内の無機物粒子の最大粒径の１〜４倍であり、放熱性が得られる２２０μｍ以下が望ましい。封止樹脂１は樹脂と高熱伝導性フィラーの混合物から構成され、フィラー量が多いほど熱伝導率が増加する。樹脂の原料は熱可塑性でも熱硬化性でも接着性を得ることができればよい。熱伝導性フィラーは、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＢＮなどの電気絶縁と高熱伝導率が両立できる無機材料の粒子である。
続いて、本実施の形態に係る電力用半導体装置の製造方法について説明する。図５〜１０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。図５，１０は金属細線１１〜１３に沿った断面図であり、図６〜９は金属細線１１〜１３が無い領域の断面図である。電力用半導体装置の封止方法は圧縮モールド法（コンプレッションモールド）である。
まず、図５に示すように、インナーリード５，６と、アウターリード２，３と、電力用ダイパッド７と、制御用ダイパッド８とを有するリードフレーム４を準備する。次に、電力用ダイパッド７上にＰｂフリーはんだにより電力用半導体素子９を接合させ、制御用ダイパッド８上に導電性接着材又ははんだにより制御用半導体素子１０を接合させる。金属細線１１によりインナーリード５と電力用半導体素子９のソース電極を電気的に接続させる。金属細線１２により電力用半導体素子９のゲート電極と制御用半導体素子１０を電気的に接続させる。金属細線１３によりインナーリード６と制御用半導体素子１０を電気的に接続させる。
次に、図６に示すように、上金型１６と下金型１７からなる樹脂封止用金型を用意する。下金型１７には底面に可動キャビティ１８が付いている。次に、可動キャビティ１８上に均等に粉末状の封止樹脂１を散布する。封止樹脂１は粉末状、顆粒状の固形、液状又はシート状でもよく、可動キャビティ１８上全体に均一に分布できる形態であればよい。
次に、図７に示すように、リードフレーム４を上金型１６に真空吸着などで固定し、上金型１６の第１の摺動部１９から第１の金型ピン２０を突き出させて電力用ダイパッド７の上面に接触させる。電力用半導体素子９、制御用半導体素子１０、金属細線１１〜１３は上金型１６に対向している。封止樹脂１は下金型からの熱によって溶融する。
次に、図８に示すように、封止樹脂１が溶融した状態で、上金型１６と下金型１７でリードフレーム４を挟んで金型を閉じる。このとき電力用ダイパッド７及び制御用ダイパッド８は溶融した封止樹脂１に沈み込む。可動キャビティ１８が上方に可動し、溶融した封止樹脂１を押し上げる。そのまま封止樹脂１を上金型１６全体まで充填させる。このように第１の金型ピン２０を電力用ダイパッド７の上面に接触させた状態で圧縮モールド成型により電力用ダイパッド７の下面から封止樹脂１を充填して電力用半導体素子９等を封止する。
次に、図９に示すように、第１の金型ピン２０を引き抜いて、更に加圧することで溶融した封止樹脂１によって静水圧をかけ、第１の摺動部１９から上金型１６と下金型１７の間にある揮発分を脱気する。樹脂封止用金型内で封止樹脂１を硬化させて封止体を形成し、樹脂封止用金型から封止体を取り出す。その後、ポストキュアなど追加硬化過程を経てパッケージ外形及びアウターリードを外形加工することで本実施の形態に係る電力用半導体装置が完成する。
従来のトランスファーモールド法では、パッケージの側面から内部に向かって封止樹脂を流動させる。このときダイパッド下面の絶縁部は厚みが小さく、トランスファーモールドでは流動抵抗やフィラーの目詰まりによって封止樹脂が流入しにくく充填が遅れる。この結果、絶縁部の封止樹脂充填が遅れたり、最終充填位置となることで、ボイド又はウェルドなどが発生し絶縁耐圧が低下するという問題がある。
これに対し、本実施の形態では圧縮モールド法により、予め下金型１７一面に封止樹脂１を散布し、封止樹脂１の流動初期で絶縁部１５に封止樹脂１が充填される。このため絶縁部１５にボイドとウェルドが発生しない。
さらに、第１の金型ピン２０を電力用ダイパッド７の上面に接触させることで、下方から流動する封止樹脂１の流動抵抗を受ける電力用ダイパッド７の変形を抑えて絶縁部１５の均一な厚みを確保することができる。絶縁部１５の厚みを均一とすることで、電界印加時に電界集中が起こりにくく、高い絶縁信頼が得られる。この場合、第１の金型ピン２０を抜いた痕として第１の窪み１４が設けられる。
また、電力用ダイパッド７の変形が抑制されると、電力用ダイパッド７上の電力用半導体素子９に接続された金属細線１１，１２の変形も抑制されワイヤ接合性が向上する。特に、金属細線１２の変形を抑制するために、電力用ダイパッド７の上面であって電力用半導体素子９に対して制御用ダイパッド８側の部分に第１の金型ピン２０を接触させることが好ましい。この場合、第１の窪み１４は、金属細線１２が無い領域において、電力用半導体素子９に対して制御用ダイパッド８側に設けられる。
圧縮モールドでは封止樹脂１が下方から上方に流動することで樹脂内部の揮発分が、上金型１６に面するパッケージ面が最終充填位置となる。最終充填はボイドになることが多いが、本発明のように上金型１６に摺動可能な第１の金型ピン２０を設けると、摺動部から揮発分が抜けてボイドが無く、高い絶縁品質を確保できる。
図１１は、トランスファーモールド法により絶縁部を充填する様子を示す断面図である。図１２は、圧縮モールド法により絶縁部を充填する様子を示す断面図である。表１は、トランスファーモールド法と圧縮モールド法により絶縁部を充填した実験結果である。フィラーの最大粒径が一般的な５５μｍの封止樹脂を用いている。
Figure 0006824913
厚みがフィラー最大粒径の１〜４倍に相当するｄ＝６０〜２２０μｍの絶縁部１５に封止樹脂１を充填する場合を考える。トランスファーモールド法では、図１１に示すように、流入口でフィラーが目詰まりして充填できず、絶縁部１５の厚みをフィラーの最大粒径の４倍よりも大きくする必要があった。一方、圧縮モールド法では、図１２に示すように、絶縁部１５にフィラー最大粒径相当まで充填することができるため、絶縁部１５の厚みをｄ’＜ｄにすることができる。
図１３は、チップ温度Ｔｊとのグリス下面の温度Ｔｆの差ΔＴｊ−ｆと絶縁部の厚みの関係を示す図である。絶縁部１５の下面全面に熱伝導率１．５Ｗ／ｍ・Ｋのグリスを２０μｍ厚塗布し、発熱密度が１Ｗ／ｍｍ２以上の高発熱密度の電力用半導体素子９を用いる。ΔＴｊ−ｆが２５℃以下となる熱抵抗は、熱伝導率３Ｗ／ｍ・Ｋの封止樹脂１を用いて絶縁部１５を２２０μｍ以下にする必要がある。このため、本実施の形態を用いると薄厚化により高発熱密度で小型な電力用半導体素子９を用いることができ、電力用半導体装置を小型化することができる。
なお、フィラー最大粒径が５５μｍ以外の封止樹脂１を用いた場合でも、絶縁部１５の厚みはフィラー最大粒径の４倍以下とすることが可能となる。フィラー粒径が小さい２５μｍの封止樹脂１を用いるとさらに薄厚化が可能となる。
実施の形態２．
図１４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断面図である。封止樹脂１の上面には、制御用ダイパッド８の真上であって金属細線１２及び制御用半導体素子１０が無い領域に第２の窪み２２が設けられている。
図１５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。上金型１６の第２の摺動部２３から第２の金型ピン２４を突出させて制御用ダイパッド８の上面に接触させた状態で封止樹脂１による封止を行う。次に、第２の金型ピン２４を引き抜いて封止樹脂１を硬化させる。
このように第２の金型ピン２４を制御用ダイパッド８の上面に接触させることで、下方から流動する封止樹脂１の流動抵抗を受ける制御用ダイパッド８の変形を抑えて金属細線１１，１２の変形が更に抑制されワイヤ接合性が向上する。この場合、第２の金型ピン２４を抜いた痕として第２の窪み２２が設けられる。
実施の形態３．
図１６〜２０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。図１６〜１９は金属細線１１〜１３が無い領域の断面図であり、図２０は金属細線１１〜１３に沿った断面図である。
まず、実施の形態１と同様に上金型１６と下金型１７からなる樹脂封止用金型を用意する。次に、図１６に示すように、可動キャビティ１８上に均等に、封止樹脂１として、第１の封止樹脂１ａと、第１の封止樹脂１ａ上に第２の封止樹脂１ｂとを供給する。第２の封止樹脂１ｂは、第１の封止樹脂１ａよりもフィラー（無機物粒子）の含有濃度が低く、樹脂成分が多い。従って、上層の第２の封止樹脂１ｂは高接着が得られ、下層の第１の封止樹脂１ａは上層の第２の封止樹脂１ｂよりも熱伝導率が高くなる。なお、第１及び第２の封止樹脂１ａ，１ｂは粉末状、顆粒状の固形、液状又はシート状である。
次に、図１７に示すように、リードフレーム４を上金型１６に真空吸着などで固定し、第１の金型ピン２０を突き出して電力用ダイパッド７の上面に接触させる。電力用半導体素子９、制御用半導体素子１０、金属細線１１〜１３は上金型１６に対向している。第１及び第２の封止樹脂１ａ，１ｂは下金型からの熱によってそれぞれ溶融する。
次に、図１８に示すように、第１及び第２の封止樹脂１ａ，１ｂが溶融した状態で、上金型１６と下金型１７でリードフレーム４を挟んで金型を閉じる。このとき電力用ダイパッド７及び制御用ダイパッド８は溶融した第２の封止樹脂１ｂに沈み込む。可動キャビティ１８が上方に可動し、溶融した第１及び第２の封止樹脂１ａ，１ｂを押し上げる。そのまま第２の封止樹脂１ｂを上金型１６全体まで充填させる。この際に低粘度の第２の封止樹脂１ｂは流動量が大きいため、電力用ダイパッド７の下方から押し出されるように排斥される。一方、高粘度の第１の封止樹脂１ａは電力用ダイパッド７の下方に留まり絶縁部１５の大部分を形成する。この結果、絶縁部１５として、薄い第２の封止樹脂１ｂの層と第１の封止樹脂１ａの積層体が形成される。従って、絶縁部１５に含まれる無機物粒子の濃度は、電力用ダイパッド７の下面から封止樹脂１の下面に向かって高くなる。
次に、図１９及び図２０に示すように、第１の金型ピン２０を引き抜いて、更に加圧することで溶融した第１及び第２の封止樹脂１ａ，１ｂによって静水圧をかける。樹脂封止用金型内で第１及び第２の封止樹脂１ａ，１ｂを硬化させて封止体を形成し、樹脂封止用金型から封止体を取り出す。その後、ポストキュアなど追加硬化過程を経てパッケージ外形及びアウターリードを外形加工することで本実施の形態に係る電力用半導体装置が完成する。
本実施の形態では、封止樹脂１は、第１の封止樹脂１ａと、第１の封止樹脂１ａ上に設けられ第１の封止樹脂１ａよりも無機物粒子の含有濃度の低い第２の封止樹脂１ｂとを有する。高熱伝導の第１の封止樹脂１ａで高放熱化できる。ただし、第１の封止樹脂１ａはフィラー量を増やした反面、樹脂成分が減って接着強度が低くなる。そこで、フィラー量の少ない高接着の第２の封止樹脂１ｂを電力用ダイパッド７の下面に接するように薄く形成することで、封止樹脂１と電力用ダイパッド７の接着強度を高めている。このため、絶縁部１５を高放熱化しながらも高い接合信頼性を得ることができる。
また、封止樹脂はフィラー量の増加に伴って粘度も増加する。モジュールを高放熱化しようとして全体を高熱伝導の第１の封止樹脂１ａで封止すると、高粘度化した第１の封止樹脂１ａにより金属細線１１〜１３への流動抵抗が増す。この結果、金属細線１１〜１３は、変形量が大きくなり、ショートする可能性が生じる。これに対し、本実施の形態では、高熱伝導の第１の封止樹脂１ａは絶縁部１５に留まって金属細線１１〜１３に接触することはない。
実施の形態４．
図２１〜２７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断面図である。図２１〜２６は金属細線１１〜１３が無い領域の断面図であり、図２７は金属細線１１〜１３に沿った断面図である。
まず、実施の形態１と同様に上金型１６と下金型１７からなる樹脂封止用金型を用意する。次に、図２１に示すように、下金型１７の可動キャビティ１８上に第１の封止樹脂１ａを供給する。
次に、図２２に示すように、リードフレーム４を上金型１６に真空吸着などで固定し、第１の金型ピン２０を突き出して電力用ダイパッド７の上面に接触させる。電力用半導体素子９、制御用半導体素子１０、金属細線１１〜１３は上金型１６に対向している。第１の封止樹脂１ａは下金型からの熱によって溶融する。
次に、図２３に示すように、第１の封止樹脂１ａが溶融した状態で、上金型１６と下金型１７でリードフレーム４を挟んで金型を閉じる。このとき電力用ダイパッド７及び制御用ダイパッド８は溶融した第１の封止樹脂１ａに沈み込む。
次に、図２４に示すように、再び上金型１６を上昇させて、リードフレーム４を下金型１７上に配置した状態で第２の封止樹脂１ｂをリードフレーム４上に供給する。このときＡｕワイヤである金属細線１２，１３を避けるように散布する。
次に、図２５に示すように、上金型１６を降下させた後、可動キャビティ１８が上方に可動し、溶融した第１及び第２の封止樹脂１ａ，１ｂを押し上げる。そのまま第２の封止樹脂１ｂを上金型１６全体まで充填させる。第１の封止樹脂１ａは電力用ダイパッド７の上面まで設けられる。ただし、電力用半導体素子９より上側は第２の封止樹脂１ｂで充填される。
次に、図２６及び図２７に示すように、第１の金型ピン２０を引き抜いて、更に加圧することで溶融した第１及び第２の封止樹脂１ａ，１ｂによって静水圧をかける。樹脂封止用金型内で第１及び第２の封止樹脂１ａ，１ｂを硬化させて封止体を形成し、樹脂封止用金型から封止体を取り出す。その後、ポストキュアなど追加硬化過程を経てパッケージ外形及びアウターリードを外形加工することで本実施の形態に係る電力用半導体装置が完成する。
本実施の形態では高熱伝導の第１の封止樹脂１ａが電力用ダイパッド７の上面まで設けられている。これにより、電力用ダイパッド７の側面及び上面と第１の封止樹脂１ａをアンカー効果により機械的に固定することができる。また、電力用ダイパッド７の下面に熱伝導率が低い第２の封止樹脂１ｂを設けることなく、電力用ダイパッド７と封止樹脂１の接合強度を高めることができるため、絶縁部１５の更なる高放熱化が可能となる。また、第１の封止樹脂１ａは電力用半導体素子９の上面より上には設けられていないため、金属細線１１〜１３の変形を抑制することができる。
第１の封止樹脂１ａと電力用ダイパッド７の機械的な固定ができる範囲で、第１の封止樹脂１ａと第２の封止樹脂１ｂの配分量を変えることができる。このため、応力を緩和する低応力の第２の封止樹脂１ｂの量を調整することで、パッケージの反り量を制御することができる。電力用半導体装置を外部基板に実装する場合では、パッケージの反りが大きいとリードフレーム４と封止樹脂１との間に応力が発生するが、第２の封止樹脂１ｂの量を調整して反り量を制御することで基板実装時の応力を低減することができる。このため基板実装における実使用時の信頼性が向上する。
実施の形態５．
図２８は、本発明の実施の形態５に係る電力用半導体装置を示す断面図である。無機物粒子の含有濃度の高い第１の封止樹脂１ａが電力用ダイパッド７の周囲に局所的に設けられている。従って、絶縁部１５に含まれる無機物粒子の濃度は電力用ダイパッド７の下面において局所的に高くなっている。
フィラー密度が高い封止樹脂と低い封止樹脂を一括で成型すると密度が高い封止樹脂は封止体全体にわずかに分散する。これに対して、本実施の形態のように含有濃度の高い第１の封止樹脂１ａを局所的に設けることで、面方向の広がりが少なくなり、分散量も少なくなる。基板実装時に封止樹脂間の応力が低減され、フィラーによるワイヤへの変形を更に抑制して信頼性を確保できる。
なお、電力用半導体素子９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９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半導体モジュールも小型化できる。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、半導体モジュール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、半導体モジュールを高効率化できる。
１ 封止樹脂、１ａ 第１の封止樹脂、１ｂ 第２の封止樹脂、２，３ アウターリード、４ リードフレーム、５，６ インナーリード、７ 電力用ダイパッド、８ 制御用ダイパッド、９ 電力用半導体素子、１０ 制御用半導体素子、１１〜１３ 金属細線、１４ 第１の窪み、１５ 絶縁部、１６ 上金型、１７ 下金型、１９ 第１の摺動部、２０ 第１の金型ピン、２２ 第２の窪み、２３ 第２の摺動部、２４ 第２の金型ピン

Claims (11)

  1. インナーリードと、前記インナーリードに接続されたアウターリードと、電力用ダイパッドと、制御用ダイパッドとを有し、前記制御用ダイパッドより下側に前記電力用ダイパッドが配置されるように段差が設けられたリードフレームと、
    前記電力用ダイパッド上に接合された電力用半導体素子と、
    前記インナーリードと前記電力用半導体素子を電気的に接続する第１の金属細線と、
    前記制御用ダイパッド上に前記電力用半導体素子の上面より上側に位置するように接合され、前記電力用半導体素子を制御する制御用半導体素子と、
    前記電力用半導体素子と前記制御用半導体素子を電気的に接続する第２の金属細線と、
    前記インナーリード、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、前記第１の金属細線、前記制御用半導体素子及び前記第２の金属細線を封止する封止樹脂とを備え、
    前記封止樹脂は、前記電力用ダイパッドの真下に絶縁部を有し、
    前記絶縁部の厚みは前記封止樹脂内の無機物粒子の最大粒径の１〜４倍かつ２２０μｍ以下であり、
    前記封止樹脂の上面には、前記電力用ダイパッドの真上であって、前記電力用半導体素子に対して前記制御用ダイパッド側に、前記第１の金属細線、前記第２の金属細線及び前記電力用半導体素子が無い領域に第１の窪みが設けられていることを特徴とする電力用半導体装置。
  2. 前記第１の窪みは、前記電力用ダイパッドの真上であって、前記電力用半導体素子に対して前記制御用ダイパッド側にのみ設けられてい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。
  3. 前記封止樹脂の上面には、前記制御用ダイパッドの真上であって前記第２の金属細線及
    び前記制御用半導体素子が無い領域に第２の窪みが設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力用半導体装置。
  4. 前記絶縁部に含まれる無機物粒子の濃度は、前記電力用ダイパッドの下面から前記封止樹脂の下面に向かって高くな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。
  5. 前記封止樹脂は、前記封止樹脂の下面から電力用ダイパッドの上面までの領域における無機物粒子の濃度が、前記電力用半導体素子より上側の領域における無機物粒子の濃度より高い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。
  6. 前記絶縁部に含まれる無機物粒子の濃度は、前記電力用ダイパッドの下面において局所的に高くな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。
  7. インナーリードと、前記インナーリードに接続されたアウターリードと、電力用ダイパ
    ッドと、制御用ダイパッドとを有し、前記制御用ダイパッドより下側に前記電力用ダイパッドが配置されるように段差が設けられたリードフレームを準備する工程と、
    前記電力用ダイパッド上に電力用半導体素子を接合させる工程と、
    前記制御用ダイパッド上に前記電力用半導体素子の上面より上側に位置するよう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接合させる工程と、
    前記インナーリードと前記電力用半導体素子を第１の金属細線により電気的に接続させ
    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を第２の金属細線により電気的に接続さ
    せる工程と、
    上金型の第１の摺動部から第１の金型ピンを突出させて、前記電力用ダイパッドの真下に封止樹脂内の無機物粒子の最大粒径の１〜４倍かつ２２０μｍ以下の厚みの絶縁部を形成するように、前記電力用半導体素子に対して前記制御用ダイパッド側の前記電力用ダイパッドの上面に接触させた状態で前記リードフレームを前記上金型と下金型で挟み、圧縮モールド成型により前記電力用ダイパッドの下面から前記封止樹脂を充填して、前記インナーリード、前記電力用ダイパッド、前記電力用半導体素子、前記第１の金属細線及び前記第２の金属細線を封止する工程と、
    前記第１の金型ピンを引き抜いて、前記第１の摺動部から前記上金型と前記下金型の間
    にある揮発分を脱気し、前記封止樹脂を硬化させる工程とを備えることを特徴とする電力
    用半導体装置の製造方法。
  8. 前記第１の金型ピンは、前記電力用半導体素子に対して前記制御用ダイパッド側のみの前記電力用ダイパッドの上面に接触させることを特徴とする請求項７に記載の電力用半導体装置の製造方法。
  9. 前記上金型の第２の摺動部から第２の金型ピンを突出させて前記制御用ダイパッドの上
    面に接触させた状態で前記封止樹脂による封止を行い、
    前記第２の金型ピンを引き抜いて前記封止樹脂を硬化させることを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の電力用半導体装置の製造方法。
  10. 前記封止樹脂として、第１の封止樹脂と、前記第１の封止樹脂上に前記第１の封止樹脂
    よりも無機物粒子の含有濃度の低い第２の封止樹脂とを供給することを特徴とする請求項７〜９の何れか１項に記載の電力用半導体装置の製造方法。
  11. 前記第１の封止樹脂を前記下金型に供給し、前記リードフレームを前記下金型上に配置
    した状態で前記第２の封止樹脂を供給することを特徴とする請求項１０に記載の電力用半
    導体装置の製造方法。
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