WO2017086248A1 - 電力用半導体装置および電力用半導体装置の製造方法 - Google Patents

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semiconductor device
insulating layer
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metal frame
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佐武郎 田中
範之 別芝
孝信 梶原
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三菱電機株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a power semiconductor device and a method for manufacturing the power semiconductor device, and in particular, a transfer mold type power semiconductor device including a chip-type component inside and an insulating sheet on a heat dissipation surface, and a method for manufacturing the power semiconductor device.
  • a transfer mold type power semiconductor device including a chip-type component inside and an insulating sheet on a heat dissipation surface, and a method for manufacturing the power semiconductor device.
  • In-vehicle power semiconductor devices mounted on in-vehicle electrical components which are power semiconductor devices, solder a power semiconductor element on an insulating substrate with patterned wiring, and connect the wiring member with silicone gel or the like. It has been manufactured by combining a sealed case type power semiconductor device, a discrete type power semiconductor device in which a semiconductor element such as a diode or a MOS-FET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) is transfer molded.
  • MOS-FET Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor
  • ⁇ In-vehicle power semiconductor devices need to be downsized due to the small mounting space.
  • power semiconductor elements that are switching elements such as MOS-FETs and IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) mounted on in-vehicle electrical components operate in a high-voltage environment, ensuring insulation and heat dissipation. Therefore, an insulating sheet made of an insulating layer and a metal radiator may be provided on the heat radiating surface.
  • MOS-FETs and IGBTs Insulated Gate Bipolar Transistors
  • the power semiconductor device In the discrete power semiconductor device using the insulating sheet, a portion where the insulating layer and the molding resin are in contact with each other is generated between the terminals. Where the insulating layer and the molding resin are in contact with each other, different resin materials are in contact with each other, so that stress may be generated during the production of the power semiconductor device or in the use environment, and peeling may occur. For this reason, it is necessary to increase the distance between the terminals in order to ensure the creepage distance in consideration of the case where peeling occurs. As a result, the power semiconductor device has been an obstacle to downsizing.
  • Patent Document 1 a metal cooling plate, an insulating layer made of an inorganic component that is formed on the metal cooling plate and does not contain a resin component, a metal conductor plate bonded to the insulating layer via a resin layer, and the metal conductor plate
  • a semiconductor device is provided by bonding a metal conductor plate mounted with a semiconductor element to the insulating layer with a resin while ensuring insulation by providing an insulating layer on the metal cooling plate with a semiconductor element connected by a bonding member
  • a power module that can reduce the thermal resistance during heat dissipation is disclosed.
  • Patent Document 2 a metal frame provided with unevenness on the heat radiating surface side and subjected to blasting, and a metal heat radiator subjected to blasting provided with unevenness provided apart from the metal frame, By arranging the concavo-convex surfaces facing each other and sealing them with a resin, both the metal radiator and the metal frame have irregularities, so that the metal frame and the metal radiant body and the molded resin layer There is disclosed a resin-encapsulated semiconductor device that can improve the adhesive strength and improve the heat dissipation as a result.
  • JP 2013-145814 paragraph 0006, FIG. 1
  • Japanese Patent No. 2507343 page 2, right column, lines 14 to 28, FIG. 2
  • Patent Document 1 when the metal conductor plate is simply joined to the insulating layer with a resin, the mold resin and the insulating layer are brought into contact between the terminals of the metal conductor plate due to the shrinkage stress of the mold resin at the time of molding. There is a problem in that peeling occurs at the locations where they are present. Also in Patent Document 2, in order to further improve the heat dissipation performance, it is conceivable that molding is performed using a resin having a high heat dissipation property different from the molding resin between the metal frame and the metal radiator. In that case, a state in which different resins contact each other between the terminals of the metal frame occurs. In such a situation, there was a problem that peeling occurred between the resins as in the case of the prior art document 1.
  • the rigidity of the insulating layer itself decreases, and the thickness difference between the mold resin and the insulating layer increases relatively, so that the stress applied to the insulating layer itself increases.
  • the stress applied to the insulating layer itself increases.
  • the present invention has been made in order to solve the above-described problems, and prevents the peeling between the insulating layer and the molding resin, and further ensures a creepage distance to enable miniaturization. It is another object of the present invention to provide a method for manufacturing a power semiconductor device.
  • An electric power semiconductor device includes an insulating layer having a metal frame placed on a surface thereof, a recess or a protrusion formed in a region of the surface on which the metal frame is not placed, and a surface of the metal frame. And a molding resin that seals the semiconductor element together with the concave portion or the convex portion of the insulating layer.
  • the method for manufacturing a power semiconductor device includes a step of pressing a resin material applied on a metal radiator to form an insulating layer provided with a recess or a protrusion on a surface region where the metal frame is not placed.
  • the recess or projection of the insulating layer is molded by sealing the semiconductor element with the molding resin together with the recess or projection of the insulating layer formed in the surface region where the metal frame is not placed. It has an anchor effect on the resin and can suppress peeling due to stress acting between the molding resin and the insulating layer.
  • FIG. 1 is a schematic external view of a power semiconductor device 100 according to a first embodiment of the present invention.
  • 2 is a cross-sectional view taken along line AA ′ in FIG.
  • FIG. 3 is an external perspective view of an insulating sheet in the power semiconductor device 100.
  • the power semiconductor device 100 according to the first embodiment includes a plurality of metal frames 11 formed in a wiring pattern, a switchable power semiconductor element 2, and a voltage generated by switching of the power semiconductor element 2.
  • a member 3, a metal frame 11, a power semiconductor element 2, a mounting component such as a chip component, and a molding resin 13 for sealing the wiring member 3 are provided.
  • the power semiconductor device 100 has a heat dissipation property and a heat dissipation property on the lower surface side opposite to the upper surface side of the metal frame 11 to which the power semiconductor element 2 is bonded through the conductive bonding member 7. It has an insulating sheet 80 composed of an insulating layer 6 having an insulating property and a metal heat dissipating body 14, and is fixed by pressure through soldering, heat dissipating grease or the like.
  • the terminals protruding to the outside of the power semiconductor device 100 include power terminals 11a, 11b, 11c, 11d, and 11e through which a large current of several A to several hundreds A flows, and gate signal lines and sensor signal lines of the power semiconductor element 2.
  • Control terminals 12a and 12b, power terminals 11a, 11b, 11c, 11d, and 11e are connected to a power supply device and a power source such as a battery via a relay member, and the control signal terminal 12 is controlled. Connected to the board.
  • the power semiconductor element 2 uses a switchable MOS-FET, IGBT, or the like, and is switched by a signal transmitted from a gate signal line connected to the control substrate, whereby output power terminals 11a, 11b, 11c, 11d, and 11e. Controls the amount of current that is applied to.
  • the lower surface (surface facing the metal frame 11) of the power semiconductor element 2 and the bonding surface of the metal frame 11 are connected by a conductive bonding member 7 such as solder or conductive paste.
  • the electrode part formed on the chip of the power semiconductor element 2 and the metal frame 11 are a wire bond for bonding a circular or rectangular wire made of aluminum or copper by ultrasonic vibration, a lead frame for wiring, a metal They are connected by a wiring member 3 such as a terminal.
  • Mounting components such as the metal frame 11, the multilayer capacitor 5, and the chip-type resistance element 4 are joined by a conductive joining member 7 such as solder. As shown in FIG.
  • the insulating sheet 80 is provided with a concavo-convex portion 6 a having a height of 10 ⁇ m or more and 3 mm or less on the surface side of the insulating layer 6 bonded to the metal frame 11, for example, by press working, and a metal on the back side.
  • a radiator 14 is provided.
  • the temperature of the power semiconductor device varies greatly due to the operation of the on-vehicle equipment, the change in the atmosphere in which it is installed, and the energization of the power semiconductor element.
  • the temperature change of the power semiconductor device is large, stress is generated between the molding resin and the insulating layer due to the difference in linear expansion coefficient between the molding resin and the insulating layer, and peeling occurs between the molding resin and the insulating layer. Since the necessary electrical insulation distance between adjacent terminals is not maintained by peeling, the necessary insulation cannot be maintained, causing a short circuit failure.
  • the structure having the concavo-convex portion 6a on the joint surface with the metal frame 11 of the insulating layer 6 allows power between the metal frames 11 arranged in parallel.
  • the molding resin 13 covering the semiconductor element 2, the metal frame 11, and the like via the concavo-convex portion 6 a of the insulating layer 6, at the dissimilar material interface between the molding resin 13 and the insulating layer 6 due to temperature change during manufacturing.
  • Manufactures power semiconductor devices with a structure in which an insulating sheet with an insulating layer is placed on the heat dissipation surface of a metal frame and sealed with molding resin even when thermal stress due to the difference in linear expansion coefficient occurs can do.
  • the power semiconductor device 100 when the power semiconductor device 100 is manufactured, insulation is caused when thermal stress or other external force is applied between the insulating layer 6 of the insulating sheet 80 and the molding resin 13 due to a difference in coefficient of linear expansion at the interface between different materials.
  • the concavo-convex portion 6a provided on the surface of the layer 6 has an anchor effect on the molding resin, can suppress peeling caused by stress acting between the molding resin 13 and the insulating layer 6 during molding, and can reduce the thickness. Therefore, the yield at the time of manufacture can be improved by increasing the rigidity of the insulating layer itself and suppressing the separation.
  • 4 (a), 4 (b), and 4 (c) are diagrams showing a manufacturing process of the insulating sheet 80 of the power semiconductor device 100 according to the first embodiment of the present invention.
  • an insulating sheet insulating material 60 is applied on the metal radiator 14 placed on the lower mold 21 for manufacturing an insulating sheet.
  • the insulating sheet insulating material 60 applied on the metal radiator 14 is pressed by the upper mold 20 and the lower mold 21 for manufacturing the insulating sheet.
  • An uneven portion 20 a is provided on the press surface of the upper mold 20.
  • the insulating layer 6 having the uneven portion 6a on the press surface is formed.
  • the sawtooth wave shape shown in FIG. 3 is used as the shape of the concavo-convex portion 6a of the insulating layer 6, but the shape is not limited to this.
  • the power semiconductor device 100 has a structure in which an insulating sheet 80 composed of the insulating layer 6 and the metal heat radiating body 14 is disposed on the heat radiating surface of the metal frame 11 and sealed with the molding resin 13.
  • the insulating sheet 80 of the power semiconductor device 100 by providing the uneven portion 6 a on the joint surface of the insulating layer 6 with the molding resin 13, a temperature change occurs in the power semiconductor device 100 even under a use environment, and the metal frame 11
  • stress occurs due to a difference in linear expansion coefficient between the insulating layer 6 and the molding resin 13 at a location where the insulating layer 6 and the molding resin 13 are in contact, such as between the power terminals 11a and 11b, for example, the insulating layer 6 prevents the occurrence of peeling between the insulating layer 6 and the molding resin 13 and the progress of peeling.
  • the creepage distance cannot be satisfied and the insulation is reduced. It is difficult to shorten the distance between them, and it may be difficult to reduce the size of the power semiconductor device.
  • the uneven portion 6 a is provided on the joint surface of the insulating layer 6 with the molding resin 13, the separation between the insulating layer 6 and the molding resin 13 can be suppressed, so that in the power semiconductor device 100. Even if the distance between the terminals of the metal frame 11 is reduced, the creepage distance can be secured. By reducing the distance between the terminals, the power semiconductor device 100 can be reduced in size.
  • the insulating sheet 80 made of the insulating layer 6 and the metal heat radiating body 14 may be stored by stacking individual sheets in the storage state.
  • the insulating sheet 80 in the storage state is in a state where the back surface of the metal radiator 14 and the surface of the insulating layer 6 are in contact with each other.
  • the two overlapping insulating sheets 80 may be simultaneously gripped by surface tension and sealed with the molding resin 13 while the two insulating sheets 80 remain overlapped.
  • the surface tension between the surface of the insulating layer 6 and the back surface of the metal radiator 14 when stacked is due to the presence of the concavo-convex portion 6a on the bonding surface of the insulating layer 6. Can be reduced, and when the insulating sheet 80 is used, the two overlapping insulating sheets 80 can be prevented from being simultaneously gripped.
  • metal frame 11 is placed on the surface, and uneven portion 6a is formed in the region of the surface where metal frame 11 is not placed.
  • the insulating layer 6, the power semiconductor element 2 disposed on the surface of the metal frame 11, and the molding resin 13 that encapsulates the power semiconductor element 2 together with the concavo-convex portion 6 a of the insulating layer 6 are provided. Even if thermal stress due to the difference in linear expansion coefficient occurs at the dissimilar material interface between the molding resin and the insulating layer due to the change, an insulating sheet with an insulating layer is placed on the heat dissipation surface of the metal frame.
  • a power semiconductor device having a structure sealed with a molding resin can be manufactured.
  • the uneven portions provided on the surface of the insulating layer It has an anchoring effect on the molded resin, can suppress peeling caused by stress acting between the molded resin and the insulating layer during molding, and increases the rigidity of the insulating layer itself by partially increasing the thickness. By suppressing the peeling, the yield during manufacturing can be improved.
  • the temperature change occurs in the power semiconductor device even under the usage environment, and linear expansion of the insulating layer and the molding resin occurs at a location where the insulating layer and the molding resin are in contact, such as between the terminals of the metal frame, for example, between the power terminals
  • the anchor effect by the uneven portion of the insulating layer prevents the occurrence of peeling between the insulating layer and the molding resin and the progress of the peeling.
  • the separation between the insulating layer and the molding resin can be suppressed, the creepage distance can be secured even if the distance between the terminals of the metal frame is narrowed.
  • the power semiconductor device can be miniaturized.
  • the surface tension between the surface of the insulating layer and the back surface of the metal radiator when stacked is reduced, and it is possible to prevent the two overlapping insulating sheets from being gripped at the same time when the insulating sheet is used. .
  • Embodiment 2 FIG. In the first embodiment, a case where the sawtooth wave uneven portion 6a is provided in the insulating layer 6 is shown, but in the second embodiment, a case where a rectangular stripe-shaped uneven portion is provided is shown.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the power semiconductor device 101 according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is an external perspective view of an insulating sheet in the power semiconductor device 101. As shown in FIGS. 6 and 7, in the insulating sheet 81 of the power semiconductor device 101, the uneven portion 16 a of the insulating layer 16 has a rectangular stripe shape. Other configurations are the same as those of power semiconductor device 100 of the first embodiment shown in FIG. 2, and the same portions are denoted by the same reference numerals and the description thereof is omitted.
  • 8 (a), 8 (b), and 8 (c) are diagrams showing a manufacturing process of the insulating sheet 81 of the power semiconductor device 101 according to the second embodiment of the present invention.
  • an insulating material 61 for insulating sheet is applied on the metal radiator 14 placed on the lower mold 21 for manufacturing an insulating sheet.
  • a release agent is applied to the surface, and the printed sheet 23 in which the insulating material 62 for the insulating sheet is formed in a rectangular stripe shape on the lower side is placed on the insulating material 61 for the insulating sheet, as shown in FIG.
  • the insulating material 62 is pressed. After the pressing, the printed sheet 23 is removed, thereby forming the insulating layer 16 having the concavo-convex portions 16a on the surface as shown in FIG. 8C.
  • the rectangular stripe shape becomes a barrier and blocks the progress of peeling, thereby reducing the peeling size. Can be less than the width of the rectangular stripe. That is, even if peeling occurs, the creepage distance is prevented from becoming shorter than the width of the rectangular stripe even at the maximum. In addition, when peeling occurs between the insulating layer 16 and the molding resin 13, if peeling occurs along the outer shape of the rectangular stripe shape, the creepage distance can be increased.
  • the concave and convex portion 16a having the rectangular stripe shape is provided on the surface of the insulating layer 16, in addition to the effect in the first embodiment, the insulating When peeling occurs at a part of the interface between the layer and the molding resin, the shape of the rectangular stripe becomes a barrier, and by blocking the progress of peeling, the peeling size can be made equal to or smaller than the width of the rectangular stripe. Further, when peeling occurs between the insulating layer and the molding resin, the creeping distance can be increased when peeling occurs along the outer shape of the rectangular stripe shape.
  • Embodiment 3 In the second embodiment, the case where the uneven portion 16a is provided in one type of insulating layer 16 is shown, but in the third embodiment, the case where the uneven portion is provided in two types of insulating layers is shown.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of the power semiconductor device 102 according to the third embodiment of the present invention.
  • the insulating layer includes two types of insulating layers 36 and 36c.
  • the insulating layer 36c is formed of a highly heat-dissipating resin, for example, a high heat-dissipating resin containing a large amount of filler, at a position corresponding to a position directly below the power semiconductor element 2.
  • the molding resin 13 and a resin having strong adhesiveness for example, a resin having a large amount of epoxy component are formed.
  • Other configurations are the same as those of the power semiconductor device 101 according to the second embodiment shown in FIG. 6, and the same portions are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
  • 10 (a), 10 (b), and 10 (c) are views showing a part of the manufacturing process of the insulating sheet 81 of the power semiconductor device 102 according to the third embodiment of the present invention.
  • the insulating sheet is placed at a position other than directly below the power semiconductor element 2.
  • An insulating material 63 is applied.
  • a release agent is applied to the surface, and the printed sheet 23 in which the insulating sheet insulating material 73 is formed in a rectangular parallelepiped shape at a position corresponding to the position immediately below the lower power semiconductor element 2 is used as the insulating sheet insulating material 63.
  • the formed rectangular parallelepiped insulating sheet insulating material 73 is pressed. After pressing, the printed sheet 23 is removed, so that the insulating layer 36c and the position corresponding to a position other than the position immediately below the power semiconductor element 2 are still in positions corresponding to the positions immediately below the power semiconductor elements 2 as shown in FIG.
  • the insulating layer 36b without the uneven shape is formed.
  • the uneven portion 36a is formed on the formed insulating layer 36b by the same method as the manufacturing method shown in FIG. 8 of the second embodiment.
  • an insulating sheet 83 having two types of insulating layers 36 and 36c is formed.
  • an insulating layer 36 c made of a resin with high heat dissipation is provided at a position corresponding to a position directly below the power semiconductor element 2, and insulation is provided at a location where the molding resin 13 and the insulating sheet 83 are in contact with each other. Since the sheet 83 is composed of the insulating layer 36 having high adhesiveness, it is possible to suppress the occurrence of peeling when the power semiconductor device 102 is manufactured and used. In general, it is known that a resin material with high heat dissipation has a high cost because it contains a large amount of filler with high heat dissipation. According to the insulating sheet 83, it is possible to reduce the amount of the high heat dissipation resin material that is expensive and to reduce the material cost.
  • the power semiconductor device 102 is directly below the power semiconductor element 2.
  • the power semiconductor device is formed of a resin with high heat dissipation at a position corresponding to the above, and formed with a resin having strong adhesiveness to the molding resin 13 at a position other than directly below the power semiconductor element 2.
  • the occurrence of peeling at the time can be further suppressed.
  • the material cost can be reduced by reducing the amount of high heat dissipation resin material that is costly.
  • silicon is used as the material of the power semiconductor element 2, but this is not restrictive. It may be formed of a wide gap semiconductor having a larger band gap than silicon. Examples of the wide gap semiconductor material include silicon carbide, a gallium nitride-based material, and diamond. Since the power semiconductor element 2 formed of such a wide gap semiconductor material has a high voltage resistance and a high allowable current amount, the power semiconductor element can be downsized. By using it, the power semiconductor device incorporating these elements can be miniaturized.
  • the power semiconductor element 2 formed of such a wide gap semiconductor material has high voltage resistance and high allowable current density. Therefore, in order to ensure insulation, the metal frame 11 on which the power semiconductor element 2 is mounted. In order to ensure the creepage distance between the terminals, it is necessary to increase the width between the terminals. As a result, it may be difficult to reduce the size of the power semiconductor device.
  • the structure that improves the bondability with the molding resin 13 provided on the surface of the insulating layer suppresses the separation of the molding resin and the insulating layer, thereby ensuring the creepage distance.
  • the power semiconductor device can be downsized even when the power semiconductor element 2 using the wide gap semiconductor material as described above is used.

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Abstract

表面に金属フレーム11が載置され、金属フレーム11が載置されていない表面の領域には凹凸部6aが形成された絶縁層6と、金属フレーム11の表面に配置されたパワー半導体素子2と、絶縁層6の凹凸部6aとともにパワー半導体素子2を封止した成形樹脂13とを備えたことで、絶縁層6と成形樹脂13との剥離を防止し、沿面距離を確保して小型化を可能とする。

Description

電力用半導体装置および電力用半導体装置の製造方法
 本発明は、電力用半導体装置および電力用半導体装置の製造方法に関し、特にチップ型部品を内部に備え、放熱面に絶縁シートを備えるトランスファーモールド型の電力用半導体装置および電力用半導体装置の製造方法に関する。
 電力用半導体装置である車載電装品に搭載される車載用パワー半導体装置は、配線がパターニングされた絶縁性の基板上にパワー半導体素子をはんだ付けし、配線部材を接続した物をシリコーンゲルなどで封止したケース型パワー半導体装置や、ダイオードやMOS―FET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)などの半導体素子をトランスファー成形したディスクリート型のパワー半導体装置等を組み合わせることで製造されてきた。
 車載用パワー半導体装置は、その搭載スペースの狭さから、小サイズ化する必要がある。しかしながら、車載用電装品に搭載されるMOS―FETやIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などのスイッチング素子であるパワー半導体素子では、高電圧環境下での動作を行う為、絶縁性と放熱性を確保する為、放熱面に絶縁層と金属放熱体からなる絶縁シートを設ける場合がある。一方、パワー半導体素子は高電圧環境下で動作を行う為、絶縁性を確保する為に、端子間での沿面距離の確保が必要となる。前記絶縁シートを使用したディスクリート型のパワー半導体装置においては、この端子間において絶縁層と成形樹脂が接触する箇所が発生する。この絶縁層と成形樹脂が接触している箇所では、異なる樹脂材料が接触している事により、パワー半導体装置の製造時もしくは使用環境下において応力が発生し、剥離が発生する場合がある。この為、剥離が発生した場合を考慮し、沿面距離を確保するため、端子間の距離を大きくする必要があった。結果として、パワー半導体装置の小型化の阻害要因となっていた。
 特許文献1では、金属冷却板と、前記金属冷却板に形成され樹脂成分含まない無機成分からなる絶縁層と、前記絶縁層に樹脂層を介して接着した金属導体板と、前記金属導体板とを接合部材によって接続された半導体素子を備え、金属冷却板に絶縁層を設けることにより絶縁性を確保したまま、半導体素子を実装した金属導体板を樹脂により前記絶縁層と接合する事により半導体装置の放熱時の熱抵抗を低減させることができるパワーモジュールが開示されている。
 また、特許文献2では、放熱面側に凹凸が設けられると共にブラスト処理が施された金属フレームと、前記金属フレームと離間して設けられた凹凸が設けられブラスト処理された金属放熱体とを、凹凸面同士を向き合わせた状態で離間して配置し、樹脂により封止することで、金属放熱体と金属フレームの両方に凹凸が存在する事により、金属フレーム及び金属放熱体と成形樹脂層との接着強度を向上させ、結果として放熱性の向上を図ることができる樹脂封止型半導体装置が開示されている。
特開2013-145814号公報(段落0006、図1) 特許第2507343号公報(第2頁右欄第14行目~28行目、第2図)
 しかしながら、特許文献1においては、単に金属導体板を樹脂により絶縁層と接合しようとした場合、成形時のモールド樹脂の収縮応力により、金属導体板の端子間で、モールド樹脂と絶縁層が接触している箇所において、剥離が発生するという問題があった。特許文献2においても、更に放熱性能の向上を図る場合、金属フレームと金属放熱体の間を成形樹脂とは異なる放熱性の高い樹脂を使用して成形を行う場合が考えられる。その場合、金属フレームの端子間では異なる樹脂が接触した状態が発生する。このような状況においては、先行文献1の場合と同様に樹脂間で剥離が発生するという問題があった。
 さらに、特許文献1および特許文献2では、界面部の剥離は隣接する導体間に必要な電気絶縁距離が維持されなくなることから、必要な絶縁性を維持できず最悪の場合短絡故障を引き起こしてしまうという問題があった。また、パワー半導体素子からモジュール裏面までの放熱経路の中において絶縁層の熱抵抗はパワー半導体素子下の接合部、金属フレームと比較して熱伝導率が桁違いに小さいものになってしまうため、必要な絶縁性を確保しながら可能な限り薄くすることで熱抵抗を小さくし、放熱性を高め、パワー半導体素子のサイズを小さくすることで低コスト化を図りたいという事情がある。絶縁層の厚みを薄くしていくと絶縁層自体の剛性は小さくなり、相対的にモールド樹脂と絶縁層の厚み差は大きくなるため絶縁層自体に加わる応力が大きくなる。最悪の場合、繰り返し熱応力によって絶縁層自体のバルク内にクラックが進展し、必要な絶縁耐量を維持できなくなるという問題があった。
 本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、絶縁層と成形樹脂との剥離を防止し、さらに沿面距離を確保して小型化が可能となる電力用半導体装置および電力用半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
 本発明にかかる電力用半導体装置は、表面に金属フレームが載置され、前記金属フレームが載置されていない表面の領域には凹部または凸部が形成された絶縁層と、前記金属フレームの表面に配置された半導体素子と、前記絶縁層の前記凹部または凸部とともに前記半導体素子を封止した成形樹脂とを備えたことを特徴とする。
 本発明にかかる電力用半導体装置の製造方法は、金属放熱体の上に塗布された樹脂材料をプレスして、金属フレームが載置されない表面の領域に凹部または凸部が設けられた絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層の凹部または凸部とともに前記金属フレーム上に配置した半導体素子を成形樹脂で封止する工程とを含むことを特徴とする。
 この発明によれば、金属フレームが載置されていない表面の領域に形成された絶縁層の凹部または凸部とともに半導体素子を成形樹脂で封止することで、絶縁層の凹部または凸部が成形樹脂に対しアンカー効果を持ち、成形樹脂と絶縁層の間に働く応力に起因する剥離を抑制することができる。
本発明の実施の形態1にかかる電力用半導体装置の構成を説明するための上面図である。 本発明の実施の形態1にかかる電力用半導体装置の構成を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態1にかかる電力用半導体装置の絶縁シートの構成を説明するための斜視図である。 本発明の実施の形態1にかかる電力用半導体装置の絶縁シートの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態1にかかる電力用半導体装置の絶縁シートの一例を示す斜視図である。 本発明の実施の形態2にかかる電力用半導体装置の構成を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態2にかかる電力用半導体装置の絶縁シートの構成を説明するための斜視図である。 本発明の実施の形態2にかかる電力用半導体装置の絶縁シートの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態3にかかる電力用半導体装置の構成を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態3にかかる電力用半導体装置の絶縁シートの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態3にかかる電力用半導体装置の絶縁シートの製造方法を説明するための斜視図である。
実施の形態1.
 図1は、本発明の実施の形態1にかかる電力用半導体装置100の外観模式図である。図2は、図1のA-A’線での矢視断面図である。図3は、電力用半導体装置100における絶縁シートの外観斜視図である。図に示すように、本実施の形態1の電力用半導体装置100は、配線パターン状に形成された複数の金属フレーム11と、スイッチング可能なパワー半導体素子2と、パワー半導体素子2のスイッチングによる電圧変動を低減させるセラミック積層コンデンサ5と、チップ型抵抗素子4などのチップ部品と、端子が形成される複数の金属フレーム11の間や、金属フレーム11とパワー半導体素子2との間を接続する配線部材3と、金属フレーム11、パワー半導体素子2、チップ部品等の実装部品、及び配線部材3を封止する成形樹脂13とを備える。
 また、電力用半導体装置100は、図2に示すように、パワー半導体素子2が導電性接合部材7を介して接合される金属フレーム11の上面側とは反対側の下面側に、放熱性および絶縁性を有した絶縁層6と金属放熱体14により構成される絶縁シート80を有し、はんだ付けや放熱グリース等を介して加圧固定される。
 電力用半導体装置100の外部に突出する端子は、数Aから数百A程度の大電流が流れるパワー端子11a、11b、11c、11d、11eとパワー半導体素子2のゲート信号線やセンサ信号線などの制御用の信号端子12a、12bがあり、パワー端子11a、11b、11c、11d、11eは電力を供給する装置およびバッテリーなどの電源と中継部材を介して接続し、制御用信号端子12は制御基板へ接続される。パワー半導体素子2には、スイッチング可能なMOS―FETやIGBTなどを用い、制御基板と接続したゲート信号線から伝わる信号によりスイッチングすることで、出力用のパワー端子11a、11b、11c、11d、11eに通電する電流量を制御する。
 パワー半導体素子2の下面(金属フレーム11と対抗する面)と金属フレーム11の接合面は、はんだもしくは、導電性ペーストなどの導電性接合部材7で接続されている。パワー半導体素子2のチップ上に形成された電極部と金属フレーム11とは、アルミや銅製の円形断面もしくは矩形断面の線材を超音波振動によって接合するワイヤーボンドや、配線用のリードフレームや、金属ターミナル等の配線部材3で接続されている。金属フレーム11と積層コンデンサ5やチップ型抵抗素子4などの実装部品は、はんだ等の導電性接合部材7で接合される。絶縁シート80には、図3に示すように、金属フレーム11と接合する絶縁層6の表面側に、例えばプレス加工により高さが10μm以上、3mm以下の凹凸部6aを設け、裏面側に金属放熱体14を設けている。従来の手法で絶縁シートを製造した際に、絶縁層表面に自然発生的に生じる凹凸の大きさである10μm以上の凹凸を意図的に作りこみ、さらに絶縁シートと金属フレームを密着させる際に、絶縁層にムラが発生を抑止するために3mm以下の凹凸を設けるものとする。
 従来の凹凸部のない構成では、電力用半導体装置の製造時において、成形樹脂による成形を実施した際、金属フレームの端子間では絶縁シートの絶縁層と成形樹脂が接触する箇所が発生する。成形樹脂で封止する際は、成形樹脂をゲル化させるために、成形樹脂およびそれ以外の電力用半導体装置の構成要素は高温環境下に置かれる。成形樹脂による封止完了後、電力用半導体装置は冷却されるが、この時の成形樹脂と絶縁層の間には線膨張係数差に起因した熱応力が加わり、熱応力が成形樹脂と絶縁層の間の接着力よりも大きくなると界面での剥離が発生する。また、車載用機器の動作や、設置される雰囲気の変動や、パワー半導体素子の通電によって、電力用半導体装置の温度は大きく変動する。電力用半導体装置の温度変化が大きい場合、成形樹脂および絶縁層の線膨張係数差により、成形樹脂と絶縁層の間には応力が生じ、成形樹脂と絶縁層の間に剥離が発生する。剥離によって、隣接する端子間に必要な電気絶縁距離が維持されなくなることから、必要な絶縁性を維持できず、短絡故障を引き起こしてしまう。
 しかし、本発明の実施の形態1の電力用半導体装置100においては、絶縁層6の金属フレーム11との接合面に凹凸部6aを有する構成とすることで、並列する金属フレーム11の間ではパワー半導体素子2や金属フレーム11等を覆う成形樹脂13と絶縁層6の凹凸部6aを介して接合することで、製造時の温度変化により成形樹脂13と絶縁層6との間の異種材料界面で線膨張係数の差に起因した熱応力が発生する場合であっても、絶縁層を有した絶縁シートを金属フレームの放熱面に配置し、成形樹脂で封止する構造の電力用半導体装置を製造することができる。
 また、電力用半導体装置100の製造時に、絶縁シート80の絶縁層6と成形樹脂13との間に異種材料界面での線膨張係数差に起因する熱応力やその他の外力が加わった際、絶縁層6の表面に設けられた凹凸部6aが成形樹脂に対しアンカー効果を持ち、成形時の成形樹脂13と絶縁層6の間に働く応力に起因する剥離を抑制するこができ、厚みを部分的に増加することで絶縁層自体の剛性を上げて剥離を抑制することにより、製造時の歩留まりを向上することができる。
 次に、本発明の実施の形態1にかかる電力用半導体装置100の絶縁シート80の製造方法について説明する。図4(a)、図4(b)、および図4(c)は、本発明の実施の形態1による電力用半導体装置100の絶縁シート80の製造工程を示す図である。
 まず最初に、図4(a)に示すように、絶縁シート製造用の下金型21に載置した金属放熱体14の上に絶縁シート用絶縁材料60を塗布する。続いて、図4(b)に示すように、絶縁シート製造用の上金型20および下金型21により金属放熱体14の上に塗布された絶縁シート用絶縁材料60をプレス加工する。上金型20のプレス面には凹凸部20aが設けられている。
 絶縁シート用絶縁材料60をプレス加工後には、図4(c)に示すように、プレス面に凹凸部6aが設けられた絶縁層6が形成される。なお、本実施の形態1では、絶縁層6の凹凸部6aの形状に図3に示すノコギリ波形状を用いたが、これに限るものではない。例えば、図5に示すような円筒状突起26aを設けた絶縁層26のような形状でもよい。電力用半導体装置100では、この絶縁層6と金属放熱体14とからなる絶縁シート80を、金属フレーム11の放熱面に配置し、成形樹脂13により封止した構造をとる。
 電力用半導体装置100の絶縁シート80において、絶縁層6の成形樹脂13との接合面に凹凸部6aを設けることで、使用環境下でも電力用半導体装置100に温度変化が生じ、金属フレーム11の端子間、例えばパワー端子11aと11bの間等、絶縁層6と成形樹脂13が接触している箇所で、絶縁層6と成形樹脂13の線膨張係数差により応力が生じたときに、絶縁層6の凹凸部6aによるアンカー効果により、絶縁層6と成形樹脂13の間での剥離の発生や剥離の進展を防止する。
 また、電力用半導体装置の金属フレームの端子間の距離を狭くした場合、端子間での絶縁層と成形樹脂が剥離した場合、沿面距離を満たすことが出来ず、絶縁性が低下する為、端子間の距離を短くすることが困難であり、電力用半導体装置の小型化が困難な場合がある。
 この場合も、絶縁層6の成形樹脂13との接合面に凹凸部6aが設けられていることで、絶縁層6と成形樹脂13の間での剥離が抑制できることにより、電力用半導体装置100における金属フレーム11の端子間の距離を狭くしても、沿面距離を確保するこができる。端子間の距離を狭くすることにより、電力用半導体装置100の小型化が可能となる。
 さらに、絶縁層6および金属放熱体14からなる絶縁シート80は、保管状態において、個々のシートを積み重ねて保管する場合がある。前記保管状態の絶縁シート80は、金属放熱体14の裏面と絶縁層6の表面が接した状態となる。絶縁シート80を使用する際、表面張力により、2つの重なる絶縁シート80を同時に把持し、2つの絶縁シート80が重なったままで、成形樹脂13により封止してしまう場合がある。
 しかしながら、実施の形態1における絶縁シート80においては、絶縁層6の接合面に凹凸部6aが存在する事により、積み重ねた場合の絶縁層6の表面と金属放熱体14の裏面の間の表面張力は軽減され、絶縁シート80使用時に、重なった2つの絶縁シート80を同時に把持してしまうことを防止できる。
 以上のように、本発明の実施の形態1における電力用半導体装置100では、表面に金属フレーム11が載置され、金属フレーム11が載置されていない表面の領域には凹凸部6aが形成された絶縁層6と、金属フレーム11の表面に配置されたパワー半導体素子2と、絶縁層6の凹凸部6aとともにパワー半導体素子2を封止した成形樹脂13とを備えたので、製造時の温度変化により成形樹脂と絶縁層との間の異種材料界面で線膨張係数の差に起因した熱応力が発生する場合であっても、絶縁層を有した絶縁シートを金属フレームの放熱面に配置し、成形樹脂で封止する構造の電力用半導体装置を製造することができる。
 また、製造時に絶縁シートの絶縁層と成形樹脂との間に異種材料界面での線膨張係数差に起因する熱応力やその他の外力が加わった際、絶縁層の表面に設けられた凹凸部が成形樹脂に対しアンカー効果を持ち、成形時の成形樹脂と絶縁層の間に働く応力に起因する剥離を抑制するこができ、厚みを部分的に増加することで絶縁層自体の剛性を上げて剥離を抑制することにより、製造時の歩留まりを向上することができる。
 また、使用環境下でも電力用半導体装置に温度変化が生じ、金属フレームの端子間、例えばパワー端子の間等、絶縁層と成形樹脂が接触している箇所で、絶縁層と成形樹脂の線膨張係数差により応力が生じたときに、絶縁層の凹凸部によるアンカー効果により、絶縁層と成形樹脂の間での剥離の発生や剥離の進展を防止する。
 さらに、絶縁層と成形樹脂の間での剥離が抑制できることにより、金属フレームの端子間の距離を狭くしても、沿面距離を確保するこができる。端子間の距離を狭くすることにより、電力用半導体装置の小型化が可能となる。
 また、保管状態において、積み重ねた場合の絶縁層の表面と金属放熱体の裏面の間の表面張力は軽減され、絶縁シート使用時に、重なった2つの絶縁シートを同時に把持してしまうことを防止できる。
実施の形態2.
 実施の形態1では、絶縁層6にノコギリ波形状の凹凸部6aを設けた場合を示したが、実施の形態2では、矩形ストライプ形状の凹凸部を設けた場合について示す。
 図6は、本発明の実施の形態2にかかる電力用半導体装置101の断面図である。図7は、電力用半導体装置101における絶縁シートの外観斜視図である。図6および図7に示すように、電力用半導体装置101の絶縁シート81において、絶縁層16の凹凸部16aは、矩形ストライプ形状を有する。その他の構成については、図2に示す実施の形態1の電力用半導体装置100と同様であり、同一の部分には同一の符号を付して、その説明を省略する。
 次に、本発明の実施の形態2にかかる電力用半導体装置101の絶縁シート81の製造方法について説明する。図8(a)、図8(b)、および図8(c)は、本発明の実施の形態2による電力用半導体装置101の絶縁シート81の製造工程を示す図である。
 まず最初に、図8(a)に示すように、絶縁シート製造用の下金型21に載置した金属放熱体14の上に絶縁シート用絶縁材料61を塗布する。続いて、表面に離型剤を塗布し、下側に矩形のストライプ形状に絶縁シート用絶縁材料62を形成した印刷シート23を絶縁シート用絶縁材料61に載せて、図8(b)に示すように、絶縁シート製造用の上金型22および下金型21により金属放熱体14の上に塗布された絶縁シート用絶縁材料61と、印刷シート23に形成された矩形ストライプ形状の絶縁シート用絶縁材料62とをプレスする。プレス後、印刷シート23を除去することにより、図8(c)に示すように、表面に凹凸部16aが設けられた絶縁層16が形成される。
 電力用半導体装置101の絶縁シート81において、絶縁層16と成形樹脂13の界面の一部で剥離が発生した場合、矩形ストライプ形状が障壁となり、剥離の進展をブロックする事により、剥離大きさを矩形ストライプの幅以下にする事ができる。すなわち、剥離が発生しても、沿面距離は最大でも矩形ストライプの幅以上は短くなる事を防ぐ。また、絶縁層16と成形樹脂13との間で剥離が発生した場合において、矩形ストライプ形状の外形に沿って剥離が発生した場合、沿面距離を大きくすることができる。
 以上のように、本発明の実施の形態2における電力用半導体装置101では、絶縁層16の表面に矩形ストライプ形状の凹凸部16aを設けたので、実施の形態1での効果に加えて、絶縁層と成形樹脂の界面の一部で剥離が発生した場合、矩形ストライプ形状が障壁となり、剥離の進展をブロックする事により、剥離大きさを矩形ストライプの幅以下にする事ができる。また、絶縁層と成形樹脂との間で剥離が発生した場合において、矩形ストライプ形状の外形に沿って剥離が発生した場合、沿面距離を大きくすることができる。
実施の形態3.
 実施の形態2では、1種類の絶縁層16に凹凸部16aを設けた場合を示したが、実施の形態3では、2種類の絶縁層に凹凸部を設けた場合について示す。
 図9は、本発明の実施の形態3にかかる電力用半導体装置102の断面図である。図9に示すように、電力用半導体装置102の絶縁シート83において、絶縁層は、2種類の絶縁層36、36cからなる。絶縁層36cは、パワー半導体素子2の直下に対応する位置に、放熱性の高い樹脂、例えばフィラーを多量に含む高放熱性樹脂で形成されている。パワー半導体素子2の直下以外に対応する位置には、成形樹脂13と接着性の強い樹脂、例えばエポキシ成分の多い樹脂で形成されている。その他の構成については、図6に示す実施の形態2の電力用半導体装置101と同様であり、同一の部分には同一の符号を付して、その説明を省略する。
 次に、本発明の実施の形態3にかかる電力用半導体装置102の絶縁シート83の製造方法について説明する。図10(a)、図10(b)、および図10(c)は、本発明の実施の形態3による電力用半導体装置102の絶縁シート81の一部の製造工程を示す図である。
 まず最初に、図10(a)に示すように、絶縁シート製造用の下金型21に載置した金属放熱体14の上に、パワー半導体素子2の直下以外に対応する位置に絶縁シート用絶縁材料63を塗布する。続いて、表面に離型剤を塗布し、下側のパワー半導体素子2の直下に対応する位置に直方体の形状で絶縁シート用絶縁材料73を形成した印刷シート23を絶縁シート用絶縁材料63に載せて、図10(b)に示すように、絶縁シート製造用の上金型22および下金型21により金属放熱体14の上に塗布された絶縁シート用絶縁材料63と、印刷シート23に形成された直方体形状の絶縁シート用絶縁材料73とをプレスする。プレス後、印刷シート23を除去することにより、図10(c)に示すように、パワー半導体素子2の直下に対応する位置に絶縁層36cとパワー半導体素子2の直下以外に対応する位置にまだ凹凸形状が設けられていない絶縁層36bが形成される。
 次いで、形成された絶縁層36bに、実施の形態2の図8で示した製造方法と同様の方法により、凹凸部36aを形成する。これにより、2種類の絶縁層36、36cを有する絶縁シート83が形成される。
 電力用半導体装置102の絶縁シート83において、パワー半導体素子2の直下に対応する位置に、放熱性の高い樹脂からなる絶縁層36cにより構成され、成形樹脂13と絶縁シート83が接触する箇所では絶縁シート83は接着性の強い絶縁層36により構成されている為、電力用半導体装置102の製造時および使用時における剥離の発生を抑制する事ができる。また、一般的に高放熱性の樹脂材料は、放熱性の高いフィラーの含有量が多いため、高コストとなることが知られている。絶縁シート83によれば、高コストとなる高放熱性の樹脂材料の使用量を減らし、材料コストダウンを図ることができる。
 以上のように、本発明の実施の形態3における電力用半導体装置102では、2種類の絶縁層で構成するようにしたので、実施の形態2での効果に加えて、パワー半導体素子2の直下に対応する位置では放熱性の高い樹脂で形成し、パワー半導体素子2の直下以外に対応する位置では成形樹脂13と接着性の強い樹脂で形成することにより、電力用半導体装置の製造時および使用時における剥離の発生をさらに抑制する事ができる。また、高コストとなる高放熱性の樹脂材料の使用量を減らすことにより、材料コストダウンを図ることができる。
 なお、本実施の形態においては、パワー半導体素子2の材料には、珪素を用いたが、これに限るものではない。珪素に比べてバンドギャップが大きい、ワイドギャップ半導体によって形成されてもよい。ワイドギャップ半導体材料としては、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、またはダイヤモンドがある。このようなワイドギャップ半導体材料によって形成されたパワー半導体素子2は、耐電圧性が高く、許容電流量も高いため、パワー半導体素子の小型が可能であり、これらの小型化されたパワー半導体素子を用いることにより、これらの素子を組み込んだ電力用半導体装置の小型化が可能である。
 しかし、このようなワイドギャップ半導体材料によって形成されたパワー半導体素子2は、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、絶縁性を確保する為、パワー半導体素子2の実装された金属フレーム11の端子間の沿面距離を確保する為、端子間の幅が大きくする必要が発生する。結果として、電力用半導体装置の小型化が困難となる可能性がある。しかし、上記のいずれの実施の形態においても、絶縁層の表面に設けられた成形樹脂13との接合性を向上させる構造により、成形樹脂と絶縁層の剥離が抑制されるため、沿面距離の確保が可能となり、電力用半導体装置は前述のようなワイドギャップ半導体材料を使用したパワー半導体素子2を使用しても、小型化が可能となる。
 なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
11 金属フレーム、2 パワー半導体素子、6、16、26、36、36c 絶縁層、6a、16a、26a、36a 凹凸部、7 導電性接合部材、13 成形樹脂、14 金属放熱体、21 下金型、22 上金型、23 印刷シート60、61、63、73 樹脂材料、100、101、102 電力用半導体装置。
 

Claims (12)

  1.  表面に金属フレームが載置され、前記金属フレームが載置されていない表面の領域には凹部または凸部が形成された絶縁層と、
     前記金属フレームの表面に配置された半導体素子と、
     前記絶縁層の前記凹部または凸部とともに前記半導体素子を封止した成形樹脂と
     を備えたことを特徴とする電力用半導体装置。
  2.  前記凹部または凸部は、高さが10μm以上、3mm以下であ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.  前記凹部または凸部は、ノコギリ波形状であ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.  前記凹部または凸部は、矩形のストライプ形状であ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。
  5.  前記凹部または凸部は、円筒状の突起の形状であ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。
  6.  前記絶縁層は、前記半導体素子の直下に対応する位置で異なる樹脂材料を用いて形成されたことを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の電力用半導体装置。
  7.  前記樹脂材料は、前記半導体素子の直下に対応する位置の樹脂材料が、直下以外に対応する位置の樹脂材料に比べて、フィラーの含有量が多いことを特徴とする請求項6に記載の電力用半導体装置。
  8.  前記半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体材料により形成されたことを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の電力用半導体装置。
  9.  前記ワイドバンドギャップ半導体材料は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、およびダイヤモンドのうちのいずれかであることを特徴とする請求項8に記載の電力用半導体装置。
  10.  金属放熱体の上に塗布された樹脂材料をプレスして、金属フレームが載置されない表面の領域に凹部または凸部が設けられた絶縁層を形成する工程と、
     前記絶縁層の凹部または凸部とともに前記金属フレーム上に配置した半導体素子を成形樹脂で封止する工程と
     を含むことを特徴とする電力用半導体装置の製造方法。
  11.  前記絶縁層を形成する工程では、プレス面に前記凹部または凸部に対応する凸部または凹部を有する金型によりプレス加工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。
  12.  前記絶縁層を形成する工程では、印刷シートに形成した前記凹部または凸部となる樹脂材料を、前記塗布された樹脂材料の上にプレス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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