WO2026018399A1 - 半導体モジュール、半導体モジュールの製造方法 - Google Patents

半導体モジュール、半導体モジュールの製造方法

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semiconductor
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径裕 高橋
聡 池尾
雄志 金野
浩奈 田中
直哉 東
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Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor module and a method for manufacturing a semiconductor module.
  • Patent Document 1 discloses a configuration in which an island and a semiconductor chip mounted on the island are held in place by tape attached to a lead frame.
  • the present invention aims to provide a semiconductor module and a method for manufacturing a semiconductor module that achieves improved insulation, reduced costs, and miniaturization.
  • a semiconductor module comprising a lead frame, a semiconductor element soldered to a first surface of the lead frame, and a resin member encapsulating the lead frame and the semiconductor element, the semiconductor module further comprising an insulating position-retaining member bonded to the lead frame, extending from the lead frame toward a side surface of the resin member and having an exposed portion partially exposed from the side surface of the resin member, the position-retaining member having an opening in an area where the solder is bonded to the first surface, and the periphery of the opening in the position-retaining member being bonded to the first surface.
  • Schematic diagram of a lead frame mounted on a double-sided cooled power module during manufacturing is a schematic diagram of a problem that occurs in a power module when the lead frame of FIG. 1 is cut.
  • 1 is a schematic diagram of a lead frame according to one embodiment of the present invention.
  • 4 is a schematic diagram of a power module after the lead frame of FIG. 3 has been cut.
  • Fig. 1A is a plan view of a lead frame 100
  • Fig. 1B is a cross-sectional view showing a state in which a semiconductor module 400 is mounted on the lead frame 100 of Fig. 1A.
  • the lead frame 100 before a cutting process described below has leads 101 and suspension leads 102.
  • the leads 101 are connected to the outer frame portion of the lead frame 100 by the suspension leads 102, and are held in a suspended position.
  • the semiconductor module 400 is mounted on the leads 101.
  • the surface of the lead 101 on which the semiconductor element 105 is mounted is referred to as the first surface.
  • One surface of the semiconductor element 105 is joined to the first surface side of the lead 101 on the lead frame 100 with solder 104.
  • the other surface of the semiconductor element 105 is joined to another lead 101 via solder 104. This structure allows the semiconductor element 105 to be cooled on both sides.
  • the lead frame 100 on which the semiconductor element 105 is mounted has the area shown as the molding area 106 sealed with resin.
  • the lead frame 100 and posture-maintaining member 110 are cut around the periphery of the semiconductor module 400 at separation lines 500, which are predetermined cutting positions. This allows the posture-maintaining member 110 to be separated from the lead frame 100 without additional labor, contributing to improved productivity.
  • FIG. 2(a) is a plan view of the semiconductor module 400 formed by cutting
  • FIG. 2(b) is a cross-sectional view taken along the line A-A of FIG. 2(a).
  • the resin sealing body sealed with the resin member 106a is separated from the lead frame 100, and this separated resin sealing body is used as the semiconductor module 400.
  • the outer frame of the lead frame 100 that remains after cutting is unnecessary and is therefore removed.
  • the semiconductor module 400 formed after cutting has a broken remnant 102a, which is the waste paper of the suspension lead 102. This is because, after the cutting process described above, an amount equivalent to the thickness of the die/punch remains outside the resin encapsulation body of the semiconductor module 400. Furthermore, due to the cutting process described above, external terminals 102b are formed on the semiconductor module 400, protruding outside the resin encapsulation body from a side different from the broken remnant 102a.
  • the present invention adopts the following configuration.
  • Figure 3(a) shows the lead frame 100 of the present invention
  • Figure 3(b) is a cross-sectional view of Figure 3(a).
  • an insulating posture-maintaining member 110 is provided that is adhered to the lead frame 100 instead of the aforementioned suspension leads 102.
  • the posture-maintaining member 110 is a resin tape such as polyimide tape or polyamide-imide tape, which contributes to improving the wettability of the solder 104, adhesion to the resin member 106a and the leads 101, heat resistance, and strength.
  • the posture-maintaining member 110 has an opening 111 in the area where the solder 104 is bonded to the first surface of the lead frame 100. During the manufacturing process, the area around the opening 111 on the posture-maintaining member 110 is bonded to the first surface of the lead 101.
  • the semiconductor element 105 is mounted on the lead 101 at a position corresponding to the position of the opening 111. This prevents the solder 104 from spreading over the bonding surface of the lead 101, eliminating the need to form a resin member or the like to prevent the solder 104 from spreading over the bonding surface as in the past.
  • the lead 101 carrying the semiconductor element 105 suspended by the attitude-maintaining member 110 With the lead 101 carrying the semiconductor element 105 suspended by the attitude-maintaining member 110, the lead 101, semiconductor element 105, and attitude-maintaining member 110 are sealed with a resin material. After resin sealing, the lead frame 100 and attitude-maintaining member 110 are cut around the semiconductor module 400 at the separation line 500, which is the predetermined cutting position.
  • FIG. 4 shows the semiconductor module 400 after cutting the lead frame of Fig. 3, and Fig. 4(b) is a cross-sectional view taken along the line B-B of Fig. 4(b).
  • the posture-maintaining member 110 is formed by extending from the lead frame 100 toward the side surface of the resin member 106a. Furthermore, an exposed portion 110a, which is a part of the posture-maintaining member 110, is exposed to the outside of the resin encapsulant from the side surface of the semiconductor module 400.
  • the semiconductor module 400 has external terminals 102b that protrude from the resin encapsulant on a side different from the exposed portion 110a. In this way, the exposed portion 110a is provided on a different surface of the semiconductor module 400 from the surface on which the external terminals 102b protrude, thereby ensuring insulation.
  • the configuration of the present invention eliminates the need for hanger leads 102 on the lead frame 100 during the manufacturing stage. Furthermore, since the fractured remains 102a, which are metal fracture surfaces as shown in Figure 2, are not exposed on the periphery, insulation is improved. Furthermore, when semiconductor modules 400 are mounted on a power conversion device, the semiconductor modules 400 can be placed close to each other, contributing to the miniaturization of the power conversion device. This also contributes to cost reductions, as there is no need to increase the resin sealing area excessively to ensure insulation. Furthermore, cost reductions are also achieved by eliminating the need for processing steps that define the wettable area of the solder 104, such as laser marking or applying paint that inhibits solder wetting. Furthermore, there is no need to use a lead frame 100 with an irregular cross-section, in which the cross-sectional sizes of the hanger leads 102 and the leads 101 are different, as was previously necessary to provide the hanger leads 102, which also leads to cost reductions.
  • FIG. 5(a) shows a first modified example
  • FIG. 5(b) shows a second modified example
  • FIG. 5(c) shows a third modified example.
  • the posture maintaining member 110 is not only attached to the lead frame 100 in one direction, but posture maintaining members 110 may also be formed in a direction perpendicular to the first direction and attached to the lead frame 100. This ensures the stability of the posture maintaining member 110 on the lead frame 100, and further stabilizes the posture of the leads 101.
  • two posture-maintaining members 110 may be attached in parallel to the lead frame 100, sandwiching the area where the semiconductor element 105 is bonded. This eliminates the need to form openings 111 in the posture-maintaining members 110 during manufacturing, contributing to cost reduction.
  • the posture-maintaining member 110 may have multiple openings 111 formed at the same pitch. This eliminates the need to form openings 111 in accordance with the joining points of the semiconductor element 105, thereby contributing to cost reduction.
  • a semiconductor module 400 includes a lead frame 100, a semiconductor element 105 bonded to a first surface of the lead frame 100 with solder 104, and a resin member 106a that encapsulates the lead frame 100 and the semiconductor element 105.
  • the semiconductor module 400 further includes an insulating posture-retaining member 110 that is bonded to the lead frame 100, extends from the lead frame 100 toward a side surface of the resin member 106a, and has an exposed portion 110a that is partially exposed to the outside from the side surface of the resin member 106a.
  • the posture-retaining member 110 has an opening 111 in an area where the solder 104 is bonded to the first surface, and the periphery of the opening 111 in the posture-retaining member 110 is bonded to the first surface. This configuration allows for a semiconductor module 400 that achieves improved insulation, cost reduction, and miniaturization.
  • the semiconductor module 400 has external terminals 102b that protrude from the resin member 106a, and the exposed portion 110a is provided on a surface of the semiconductor module 400 that is different from the surface from which the external terminals 102b protrude. This improves insulation.
  • the posture-maintaining member 110 is made of polyimide or polyamide-imide. This contributes to improving the wettability of the solder 104, adhesion to the resin member 106a and the leads 101, heat resistance, and strength.
  • This method provides a method for manufacturing a semiconductor module 400 that achieves improved insulation, reduced costs, and miniaturization.
  • a method is also implemented in which the lead frame 100 and the position-retaining member 110 are cut at predetermined cutting positions around the semiconductor module 400 sealed with the resin member 106a, the lead frame 100 carrying the semiconductor element 105 and the position-retaining member 110 are separated, and the remaining portion of the lead frame 100 is removed. This contributes to reducing labor and improving productivity.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and other configurations can be combined without departing from the spirit of the invention. Furthermore, the present invention is not limited to those that include all of the configurations described in the above embodiments, and also includes those in which some of the configurations are omitted.

Landscapes

  • Structures Or Materials For Encapsulating Or Coating Semiconductor Devices Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

リードフレームと、前記リードフレームの第1面に半田で接合された半導体素子と、前記リードフレームおよび前記半導体素子を封止した樹脂部材と、を備える半導体モジュールであって、前記リードフレームに接着され、前記リードフレームから前記樹脂部材の側面に向かって延伸し、かつ前記樹脂部材の側面からその一部が外部に露出している露出部を有する絶縁性の姿勢保持部材を有し、前記姿勢保持部材は、前記第1面に対して前記半田が接合される領域に開口部を有し、前記姿勢保持部材において、前記開口部の周囲は前記第1面に接着されている。

Description

半導体モジュール、半導体モジュールの製造方法
 本発明は、半導体モジュール、半導体モジュールの製造方法に関する。
 両面冷却構造の半導体モジュールの実装工程において、例えば、下記の特許文献1には、リードフレームに貼り付けられたテープにより、アイランドとアイランドに搭載された半導体チップとを保持する構成が開示されている。
特開2001-077280号公報
 特許文献1に記載の技術を鑑みて、本発明は、絶縁性の向上、コスト削減、小型化を実現した半導体モジュールおよび半導体モジュールの製造方法を提供することが目的である。
 リードフレームと、前記リードフレームの第1面に半田で接合された半導体素子と、前記リードフレームおよび前記半導体素子を封止した樹脂部材と、を備える半導体モジュールであって、前記リードフレームに接着され、前記リードフレームから前記樹脂部材の側面に向かって延伸し、かつ前記樹脂部材の側面からその一部が外部に露出している露出部を有する絶縁性の姿勢保持部材を有し、前記姿勢保持部材は、前記第1面に対して前記半田が接合される領域に開口部を有し、前記姿勢保持部材において、前記開口部の周囲は前記第1面に接着されている。
 絶縁性の向上、コスト削減、小型化を実現した半導体モジュールおよび半導体モジュールの製造方法を提供できる。
製造段階において両面冷却パワーモジュールに実装されるリードフレームの概略図。 図1のリードフレームを切断加工した際にパワーモジュールに生じる課題の概略図。 本発明の一実施形態に係る、リードフレームの概略図。 図3のリードフレームを切断加工後のパワーモジュールの概略図。 第1変形例~第3変形例。
 以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の記載および図面は、本発明を説明するための例示であって、説明の明確化のため、適宜、省略および簡略化がなされている。本発明は、他の種々の形態でも実施する事が可能である。特に限定しない限り、各構成要素は単数でも複数でも構わない。
 図面において示す各構成要素の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。
(従来構成)
(図1)
 図1(a)はリードフレーム100の平面図、図1(b)は図1(a)のリードフレーム100に半導体モジュール400を搭載している状態を表す断面図である。半導体モジュール400の製造工程において、後述の切断加工前のリードフレーム100は、リード101、吊りリード102を有する。リード101は、吊りリード102によってリードフレーム100の外枠部分と接続されて、吊られるような形で姿勢が保持されている。リード101は、半導体モジュール400が実装されている。
 リード101において、半導体素子105が搭載される面を第1面とする。半導体素子105の一方面は、リードフレーム100におけるリード101の第1面側に、半田104で接合されている。また、半導体素子105の他方面も同様に、半田104を介して別のリード101に接合されている。このようにすることで、半導体素子105を両面冷却できる構造になる。半導体素子105が実装されたリードフレーム100は、モールド範囲106に示す範囲を樹脂で封止される。
 樹脂封止後に、半導体モジュール400の周囲において、リードフレーム100および姿勢保持部材110を、所定の切断位置である分離線500で切断する。これにより、工数をかけることなく、姿勢保持部材110をリードフレーム100から切り離すことができるため、生産性の向上に貢献する。
(図2)
 図2(a)は切断加工して形成された半導体モジュール400の平面図、図2(b)は図2(a)のA-A断面図である。前述のように分離線500の位置で切断することによって、リードフレーム100から樹脂部材106aによって封止された樹脂封止体が分離され、この分離された樹脂封止体を半導体モジュール400として用いる。図示していないが、切断加工した後に残部となったリードフレーム100の外枠は不要なため除去する。
 従来の場合、図2(a)に示すように、切断加工後に形成された半導体モジュール400は、吊りリード102の霧の古紙である破断残部102aが形成されている。これは、前述の切断加工後に、ダイ/パンチの厚さ分だけ半導体モジュール400の樹脂封止体の外側に残るためである。また、前述の切断加工によって、半導体モジュール400には、破断残部102aとは別の側面から樹脂封止体の外側に飛び出している外部端子102bが形成される。
 破断残部102aがあることによって、図示しない電力変換装置に複数の半導体モジュール400を実装する際に、隣接する半導体モジュール400との間が近くなることで、半導体モジュール400の絶縁性が低下する可能性がある。また、絶縁性を確保しようと互いの半導体モジュール400の距離を離すレイアウトを採用すると、装置の大型化につながる。よって、本発明では以下の構成を採用する。
(一実施形態および全体構成)
(図3)
 図3(a)は本発明のリードフレーム100、図3(b)は図3(a)の断面図である。本発明では、前述の吊りリード102に代替して、リードフレーム100に接着されている絶縁性の姿勢保持部材110を有している。姿勢保持部材110は、ポリイミドテープ、またはポリアミドイミドテープ等の樹脂テープであり、これにより、半田104の濡れ性、樹脂部材106aやリード101との密着性、耐熱性や強度の向上に貢献する。
 姿勢保持部材110は、リードフレーム100の第1面に対して半田104が接合される領域に、開口部111を有している。製造工程において、姿勢保持部材110における開口部111の周囲の部分を、リード101の第1面に接着する。また、半導体素子105を、開口部111の位置に対応させてリード101の位置に搭載する。これにより、リード101の接合面上において、半田104の濡れ拡がりを防止できるため、従来のように半田104の濡れ拡がりを防止するための樹脂部材の形成等が不要になる。
 姿勢保持部材110によって、半導体素子105を搭載したリード101を吊った状態で、リード101と半導体素子105と姿勢保持部材110とを樹脂部材で封止する。そして、樹脂封止後に、半導体モジュール400の周囲において、リードフレーム100および姿勢保持部材110を、所定の切断位置である分離線500の位置で切断する。
(図4)
 図4(a)は図3のリードフレームの切断加工後の半導体モジュール400、図4(b)は図4(b)のB-B断面図である。姿勢保持部材110は、リードフレーム100から樹脂部材106aの側面に向かって延伸して形成されている。さらに、半導体モジュール400の側面からは、姿勢保持部材110の一部である露出部110aが、樹脂封止体の外部に露出している。
 半導体モジュール400は、露出部110aとは別の側面から樹脂封止体の外側に飛び出している外部端子102bを有しているが、このように、露出部110aは、半導体モジュール400において、外部端子102bが突出する面とは異なる面に設けられていることで、絶縁性が確保されている。
 本発明の構成により、製造段階において、リードフレーム100は吊りリード102が不要になる。また、図2に示したような金属破断面になっている破断残部102aが、外周に露出しないため、絶縁性が向上する。また、電力変換装置に半導体モジュール400を搭載する際には、半導体モジュール400同士を近接させて配置することができ、電力変換装置の小型化に貢献する。また、絶縁性を確保するために余分に樹脂封止範囲を増やすようなことがなくなるため、コスト削減に貢献する。また、半田104の濡れ範囲を規定するような加工工程、例えばレーザーによるマーキングや、半田濡れを阻害する塗料を塗布する工程等が不要になるため、コスト削減につながる。また、吊りリード102を設けるために必要だった、吊りリード102とリード101との断面上のサイズが異なる異型断面のリードフレーム100を用いる必要がないことで、コスト削減につながる。
(第1変形例~第3変形例)
(図5)
 図5(a)は第1変形例、図5(b)は第2変形例、図5(c)は第3変形例である。第1変形例に示すように、姿勢保持部材110は、リードフレーム100上に一方向に貼り付けて設けられるだけでなく、さらにその方向に直交する方向においても姿勢保持部材110が形成され、リードフレーム100上に貼り付けられていてもよい。これにより、リードフレーム100上での姿勢保持部材110の安定性を確保でき、リード101の姿勢をさらに安定化させることができる。
 また、第2変形例に示すように、半導体素子105を接合する領域を間に挟むようにして、2本の姿勢保持部材110が平行してリードフレーム100上に貼り付けられていてもよい。これにより、製造段階において、姿勢保持部材110に開口部111の形成が不要になり、コスト削減に貢献する。
 また、第3変形例に示すように、姿勢保持部材110は、同じピッチで複数形成されている開口部111を有してもよい。これにより、開口部111を半導体素子105の接合箇所に合わせてそれぞれ形成する必要がないため、コスト削減に貢献する。
 以上説明した本発明の実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
(1)リードフレーム100と、リードフレーム100の第1面に半田104で接合された半導体素子105と、リードフレーム100および半導体素子105を封止した樹脂部材106aと、を備える半導体モジュール400であって、リードフレーム100に接着され、リードフレーム100から樹脂部材106aの側面に向かって延伸し、かつ樹脂部材106aの側面からその一部が外部に露出している露出部110aを有する絶縁性の姿勢保持部材110を有し、姿勢保持部材110は、第1面に対して半田104が接合される領域に開口部111を有し、姿勢保持部材110において、開口部111の周囲は第1面に接着されている。このようにしたことで、絶縁性の向上、コスト削減、小型化を実現した半導体モジュール400を実現できる。
(2)樹脂部材106aから外部に突出している外部端子102bを有し、露出部110aは、半導体モジュール400において、外部端子102bが突出する面とは異なる面に設けられている。このようにしたことで、絶縁性が向上する。
(3)姿勢保持部材110は、ポリイミドまたはポリアミドイミドである。このようにしたことで、半田104の濡れ性、樹脂部材106aやリード101との密着性、耐熱性や強度の向上に貢献する。
(4)リードフレーム100と、半導体素子105と、リードフレーム100および半導体素子105を封止する樹脂部材106aと、を備える半導体モジュール400の製造方法であって、開口部111を有する姿勢保持部材110を、リードフレーム100に貼り付け、半導体素子105を、開口部111の位置に対応させてリードフレーム100に搭載し、姿勢保持部材110によって、半導体素子105を搭載したリードフレーム100を吊った状態で、リードフレーム100と半導体素子105と姿勢保持部材110とを樹脂部材106aで封止する方法を実施する。このようにしたことで、絶縁性の向上、コスト削減、小型化を実現した半導体モジュール400の製造方法を提供できる。
(5)(4)の製造方法に加えて、さらに、樹脂部材106aで封止した半導体モジュール400の周囲において、リードフレーム100および姿勢保持部材110を所定の切断位置で切断し、半導体素子105を搭載したリードフレーム100および姿勢保持部材110を切り離した、リードフレーム100の残部を除去する方法を実施する。このようにしたことで、工数削減、生産性の向上に貢献する。
 なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や他の構成を組み合わせることができる。また本発明は、上記の実施形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。
100 リードフレーム
101 リード
102 吊りリード
 102a 破断残部
 102b 外部端子
104 半田
105 半導体素子
106 モールド範囲
 106a 樹脂部材
110 姿勢保持部材
 110a 露出部
111 開口部
400 半導体素子モジュール
500 分離線

Claims (5)

  1.  リードフレームと、前記リードフレームの第1面に半田で接合された半導体素子と、前記リードフレームおよび前記半導体素子を封止した樹脂部材と、を備える半導体モジュールであって、
     前記リードフレームに接着され、前記リードフレームから前記樹脂部材の側面に向かって延伸し、かつ前記樹脂部材の側面からその一部が外部に露出している露出部を有する絶縁性の姿勢保持部材を有し、
     前記姿勢保持部材は、前記第1面に対して前記半田が接合される領域に開口部を有し、
     前記姿勢保持部材において、前記開口部の周囲は前記第1面に接着されている
     半導体モジュール。
  2.  前記樹脂部材から外部に突出している外部端子を有し、
     前記露出部は、前記半導体モジュールにおいて、前記外部端子が突出する面とは異なる面に設けられている
     請求項1に記載の半導体モジュール。
  3.  前記姿勢保持部材は、ポリイミドまたはポリアミドイミドである
     請求項1に記載の半導体モジュール。
  4.  リードフレームと、半導体素子と、前記リードフレームおよび前記半導体素子を封止する樹脂部材と、を備える半導体モジュールの製造方法であって、
     開口部を有する姿勢保持部材を、前記リードフレームに貼り付け、
     前記半導体素子を、前記開口部の位置に対応させて前記リードフレームに搭載し、
     前記姿勢保持部材によって、前記半導体素子を搭載した前記リードフレームを吊った状態で、前記リードフレームと前記半導体素子と前記姿勢保持部材とを前記樹脂部材で封止する
     半導体モジュールの製造方法。
  5.  前記樹脂部材で封止した前記半導体モジュールの周囲において、前記リードフレームおよび前記姿勢保持部材を所定の切断位置で切断し、
     前記半導体素子を搭載した前記リードフレームおよび前記姿勢保持部材を切り離した、前記リードフレームの残部を除去する
     請求項4に記載の半導体モジュールの製造方法。
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