JP2011187819A - 樹脂封止型パワーモジュールおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、弊害なく容易に絶縁特性を向上させた樹脂封止型パワーモジュールとその製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】絶縁基板と、該絶縁基板上に配置されたパワー半導体素子と、該絶縁基板上に配置された複数の中空円筒ソケットと、上面に複数の凹部が形成され、かつ該パワー半導体素子および該複数の中空円筒ソケットを覆うように形成された樹脂筐体とを備える。そして、該複数の中空円筒ソケットは、該複数の凹部の１つの凹部から該複数の中空円筒ソケットの１つの中空円筒ソケットが露出するように、該複数の凹部から露出することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、トランスファーモールド法を用いてパワー半導体素子などを樹脂封止した樹脂封止型パワーモジュールおよびその製造方法に関する。

特許文献１には、ＱＦＮ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｎｏｎ ｌｅａｄｅｄ ｐａｃｋａｇｅ）型の半導体パッケージなどをモールド成形法により封止する技術が開示されている。この技術は離型性シートを用いた射出成型法により電極を筺体の同一面上に露出させるプロセスに関するものである。特許文献２には、放熱板が露出する面と反対の面に円柱状の電極が伸びる構成が開示されている。これは、一旦複数の電極をまとめて配置し、その後にその上面を切断するプロセスに関するものである。

特開２００４−２５３４９８号公報 特開２００１−２２３３２１号公報 実開平４−１２７９９６号公報 特開２００２−１２４６０２号公報 特開平１０−３２１７８６号公報

樹脂封止型パワーモジュールで用いられる電極は、放熱板と十分な沿面距離を確保して配置される必要がある。そのため、放熱板の露出する樹脂筐体底面と反対の面である樹脂筐体上面から電極を露出させることが検討されている。ところが、樹脂筐体上面から電極を露出させると樹脂筐体上面に電極が集中することになり、小型化が求められる樹脂封止型パワーモジュールでは、電極間の十分な沿面距離を確保することが困難となる。よって電極間の絶縁特性が劣化する問題があった。

ここで、電極間の沿面距離を伸ばすために、電極間の樹脂筐体上面を非平面となるよう変形させることが考えられる。しかしながら、特許文献１のプロセスでは離型性シートを用いるため樹脂筐体上面は平坦となる。また、特許文献２のプロセスの場合、柱状電極を切断する工程が必要であり、パッケージ上面を変形することは困難である。よって、特許文献１又は特許文献２に開示のプロセスでは絶縁特性などが良好な樹脂封止型パワーモジュールを簡易な方法で製造できない問題があった。

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、絶縁特性などが良好な樹脂封止型パワーモジュールを簡易な方法で製造することを目的とする。

本発明にかかる樹脂封止型パワーモジュールは、絶縁基板と、該絶縁基板上に配置されたパワー半導体素子と、該絶縁基板上に配置された複数の中空円筒ソケットと、上面に複数の凹部が形成され、かつ該パワー半導体素子および該複数の中空円筒ソケットを覆うように形成された樹脂筐体とを備える。そして、該複数の中空円筒ソケットは、該複数の凹部の１つの凹部から該複数の中空円筒ソケットの１つの中空円筒ソケットが露出するように、該複数の凹部から露出することを特徴とする。

本発明にかかる樹脂封止型パワーモジュールの製造方法は、絶縁基板上にパワー半導体素子および複数の中空円筒ソケットを固着する工程と、該複数の中空円筒ソケットの開口に該開口を塞ぐように弾性体のキャップ治具を挿入する工程と、上金型が該キャップ治具と接しかつ該キャップ治具を該絶縁基板方向に押し、下金型が該絶縁基板の底面と接するように型締めを行う工程と、トランスファーモールド法により該パワー半導体素子および該複数の中空円筒ソケットを樹脂封止する工程と、該キャップ治具を該複数の中空円筒ソケットから取り外す工程とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、簡易な方法で絶縁特性が良好な樹脂封止型パワーモジュールを製造できる。

図１Ａと図１Ｂは本発明にかかる実施の形態の樹脂封止型パワーモジュールの断面図と平面図である。 樹脂封止型パワーモジュールの製造方法を説明するフローチャートである。 被モールド物を示す図である。 キャップ治具が中空円筒ソケットに挿入された様子を示す図である。 キャップ治具の各部の寸法例を示す図である。 被モールド物が下金型に配置された状態を示す図である。 上金型と下金型によって型締めした状態を示す図である。

図１ないし図７を参照して本発明にかかる実施の形態を説明する。なお、同一又は対応する構成要素には同一の符号を付して説明の繰り返しを省略する場合がある。

図１Ａと図１Ｂは本発明にかかる実施の形態の樹脂封止型パワーモジュール１０の断面図と平面図である。樹脂封止型パワーモジュール１０は放熱板として機能する熱伝導性が良好な銅で形成された金属基板１２を備える。金属基板１２上には絶縁層１４を介して回路パターン１６が形成されている。絶縁層１４には高熱伝導タイプのエポキシ系樹脂が使用される。回路パターン１６には銅の薄板が使用される。金属基板１２と絶縁層１４と回路パターン１６とは一体的に接合されて形成されるため、これらをまとめて絶縁基板１８と称することがある。

回路パターン１６にはパワー半導体素子２０が半田により固着されている。つまり、絶縁基板１８上にパワー半導体素子２０が配置されている。パワー半導体素子２０はたとえばＩＧＢＴやダイオードである。回路パターン１６にはさらに中空円筒ソケット２４が半田により固着されている。つまり、図１に示すとおり、絶縁基板１８上に複数の中空円筒ソケット２４が配置されている。中空円筒ソケット２４は樹脂封止型パワーモジュール１０の外部接続端子であり、銅で形成されている。中空円筒ソケット２４には、開口（穴）が形成されている。この開口はたとえばプレスフィット端子を用いて簡単に外部構成との電気的接続がとれるように設けられるものである。中空円筒ソケット２４の開口は樹脂封止型パワーモジュール１０の外部方向に向いている。パワー半導体素子２０と、中空円筒ソケット２４が固着された回路パターン１６との間はアルミの金属ワイヤ２２によって電気的に接続されている。

図３に示される各構成要素（一部を除く）を覆うように樹脂封止することで樹脂筐体２６が形成されている。また、樹脂筐体２６の上面には複数の凹部２８が形成されている。図１に示すとおり、複数の凹部２８は斜面と底面を有する形状である。より具体的には、凹部２８の幅は樹脂筐体２６の内部に向かうほど狭くなる。この複数の凹部２８から中空円筒ソケット２４の開口が露出する。ここで、複数の中空円筒ソケット２４は、複数の凹部２８の１つの凹部２８から複数の中空円筒ソケット２４の１つの中空円筒ソケット２４が露出するように、複数の凹部２８から露出する。これにより中空円筒ソケット２４と他の中空円筒ソケット２４の間には凹部２８が存在することとなる。よって中空円筒ソケット２４間の沿面距離を長くすることができる。

樹脂筐体２６の底面には金属基板１２の底面が露出する。これにより金属基板１２は放熱板として機能することができる。

図２は樹脂封止型パワーモジュール１０の製造方法を説明するフローチャートである。以後、図２のフローチャートに沿って樹脂封止型パワーモジュール１０の製造方法を説明する。まず被モールド物（インサート）の組み立てが行われる（ステップ５０）。被モールド物は後の工程において樹脂で覆われる構造物である。図３は被モールド物を示す図である。絶縁基板１８における回路パターン１６上には半田リフローを用いてパワー半導体素子２０と中空円筒ソケット２４が固着される。回路パターン１６とパワー半導体素子２０の表面の電極とはアルミの金属ワイヤ２２で超音波ボンディングされている。なお、金属ワイヤ２２の代わりにアルミリボンや銅のリードを使って接合してもよい。

ステップ５０の処理を終えるとステップ５２へと処理が進められる。ステップ５２はキャップ治具３０を中空円筒ソケット２４へ挿入する工程である。図４はキャップ治具３０が中空円筒ソケット２４に挿入された様子を示す図である。キャップ治具３０はたとえばシリコーンゴムやフッ素系ゴムなどの弾性の高い材料で形成されたものである。図５はキャップ治具３０の各部の寸法例が示されている。図５に示すようにキャップ治具３０は非挿入部３２と挿入部３４を備える。非挿入部３２は中空円筒ソケット２４の開口へ挿入されない部分であり、挿入部３４は中空円筒ソケット２４の開口へ挿入される部分である。非挿入部３２は上面が平坦であって、その平坦な上面で後述する上金型と面接触する。また、非挿入部３２は樹脂筐体の凹部２８（図１参照）の形状を決める部分でもある。そのため、非挿入部３２は凹部２８の斜面と底面を形成できる形状となっている。

挿入部３４の外径は中空円筒ソケット２４の開口の内径と等しい。また、挿入部３４は、中空円筒ソケット２４への挿入が容易となるように先端部が先細の形状である。なお、図５の寸法のキャップ治具３０に対応する中空円筒ソケット２４の寸法はたとえば、内径φ１．７０ｍｍ、外径φ２．７０ｍｍ、長さ５．０ｍｍである。このような形状および材質のキャップ治具３０が複数の中空円筒ソケット２４の開口を塞ぐように挿入される。図４に示すようにキャップ治具３０の挿入前の被モールド物の高さはＡで表される。キャップ治具３０が挿入されるとこの高さがＢで示される高さまで上昇する（図４参照）。

ステップ５２の処理を終えるとステップ５４へと処理が進められる。ステップ５４ではキャップ治具３０が挿入された被モールド物が下金型４０に配置される。図６は被モールド物が下金型４０に配置された状態を示す図である。キャップ治具３０が挿入された被モールド物は、トランスファー成型するために、高温（１７０〜１８０℃）の下金型４０の上に配置される。そして、被モールド物を室温から金型と同等の温度に上昇させるため、数分間放置する。

ステップ５４の処理を終えるとステップ５６へと処理が進められる。ステップ５６は上金型４２と下金型４０で型締めを行う工程である。図７は上金型４２と下金型４０によって型締めした状態を示す図である。図７に示すとおり、型締めの際、上金型４２がキャップ治具３０と接しかつキャップ治具３０を絶縁基板１８方向に押し付ける。このとき下金型４０は絶縁基板１８の底面と接している。ここで、上金型４２と下金型４０で構成されるキャビティ内の高さをＸとする（図７参照）。本発明にかかる実施の形態ではＸが図４におけるＡより大きくかつＢより小さくなるように被モールド物およびキャップ治具３０が形成されている。なお、これらの寸法は後述する各条件に適合するように適宜定められる。

このように下金型４０および上金型４２で型締めをすることで、キャップ治具３０の上面（天面）に歪が発生する。この歪はキャップ治具３０が上金型４２によって中空円筒ソケット２４に押し付けられて生じる。この歪による圧力は、後述するトランスファーモールド法による射出圧力である５ＭＰａないし３０ＭＰａよりも大きくなる。弾性体であるキャップ治具３０を用いてこのような歪を故意に発生させる。射出圧力以上の応力がキャップ治具３０に生じることで、キャップ治具３０の非挿入部３２と中空円筒ソケット２４の上端の隙間が埋まる。

ステップ５６の処理を終えるとステップ５８へと処理が進められる。ステップ５８はトランスファーモールド法を行う工程である。トランスファーモールド法のプロセスの概要は以下のとおりである。まず、トランスファーモールド法で用いるエポキシ樹脂などの樹脂を加熱溶融させ、低粘度の状態でキャビティに注入する。この工程は注入工程と呼ばれる。そして、キャビティへの樹脂の充填完了後に圧力を保持しながら樹脂を硬化反応させる。この工程は保圧工程と呼ばれる。

中空円筒ソケット２４と上金型４２との間に挟まれたキャップ治具３０により中空円筒ソケット２４に蓋がされている状態となるため、注入工程では低粘度の溶融樹脂は中空円筒ソケット２４内に流入しない。ここで、保圧工程にてキャップ治具３０には射出圧力が加わる。しかしながらキャップ治具３０には上述のとおり射出圧力以上の歪が発生しているため、保圧工程においても溶融樹脂は中空円筒ソケット２４内に流入しない。このようにステップ５８ではトランスファーモールド法により樹脂筐体の形成が行われる。

ステップ５８の処理を終えるとステップ６０へと処理が進められる。ステップ６０は上金型４２、下金型４０およびキャップ治具３０を被モールド物から取り外す工程である。樹脂筐体２６（図１参照）を構成する樹脂が十分硬化した後に上金型４２と下金型４０を開く。このとき、上金型４２により押さえられていたキャップ治具３０が元の厚みに復元し離型する。離型したキャップ治具３０を中空円筒ソケット２４から取り外すと樹脂筐体２６に凹部２８ができる。また、キャップ治具３０の非挿入部３２は、モールド樹脂と接する部分において勾配が形成されている。そのため、容易にキャップ治具３０を樹脂筐体２６から取り外すことができる。

ステップ６０を終えると図１に示す樹脂封止型パワーモジュール１０が完成し処理を終了する。

本発明にかかる実施の形態の樹脂封止型パワーモジュール１０は樹脂筐体２６の１つの凹部２８から１つの中空円筒ソケット２４が露出する構成である。よって中空円筒ソケット２４と他の中空円筒ソケット２４は凹部２８の分だけ沿面距離が離間する。故に樹脂筐体２６の上面の抵抗を大きくし、表面放電を抑制することができる。また、凹部２８は斜面と底面を有し中空円筒ソケット２４から樹脂筐体２６上面までの距離を長くしているため、耐トラッキング特性を向上できる。

本発明にかかる実施の形態ではトランスファーモールド法を行う際にキャップ治具３０を用いる。キャップ治具３０は中空円筒ソケット２４に挿入されるものであり、離型性シートのようなシート状のものではない。よってシートがエアベントを塞ぐことはなく、これに伴って樹脂筐体にボイドが生成されるようなことも防止できる。

本発明にかかる実施の形態では樹脂筐体２６に形成された凹部２８の形状は、キャップ治具３０の非挿入部３２の形状により自由に変形できる。よって樹脂封止型パワーモジュール１０の仕様等に応じて必要な特性を満たすような凹部２８の形状を容易に得ることができる。故に絶縁特性が良好な樹脂封止型パワーモジュール１０を製造できる。また、外部接続端子（中空円筒ソケット２４）の配置変更だけであれば、金型を変更する必要が生じないので設計変更の際のコスト削減も可能である。

本発明にかかる実施の形態ではトランスファーモールド法を行う際に弾性体で構成されたキャップ治具３０を用いる。キャップ治具３０は射出圧力よりも大きな圧力で上金型４２により押さえつけられている。よって樹脂が中空円筒ソケット２４内に侵入することを防止できる。

なお、キャップ治具３０は室温からトランスファーモールド法の温度までの温度範囲において、圧縮弾性率が２０ＭＰａないし１０００ＭＰａ、かつ圧縮強度が２０ＭＰａ以上の材料で製造されることが好ましいがこれに限定されない。

その他、本発明の特徴を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。

１０ 樹脂封止型パワーモジュール、 １８ 絶縁基板、 ２０ パワー半導体素子、 ２２ 金属ワイヤ、 ２４ 中空円筒ソケット、 ２６ 樹脂筐体、 ２８ 凹部、 ３０ キャップ治具、 ４０ 下金型、 ４２ 上金型

Claims (8)

1. 絶縁基板と、
   前記絶縁基板上に配置されたパワー半導体素子と、
   前記絶縁基板上に配置された複数の中空円筒ソケットと、
   上面に複数の凹部が形成され、かつ前記パワー半導体素子および前記複数の中空円筒ソケットを覆うように形成された樹脂筐体とを備え、
   前記複数の中空円筒ソケットは、前記複数の凹部の１つの凹部から前記複数の中空円筒ソケットの１つの中空円筒ソケットが露出するように、前記複数の凹部から露出することを特徴とする樹脂封止型パワーモジュール。
2. 前記凹部の幅は前記樹脂筐体の内部に向かうほど狭くなることを特徴とする請求項１に記載の樹脂封止型パワーモジュール。
3. 絶縁基板上にパワー半導体素子および複数の中空円筒ソケットを固着する工程と、
   前記複数の中空円筒ソケットの開口に前記開口を塞ぐようにキャップ治具を挿入する工程と、
   上金型が前記キャップ治具と接しかつ前記キャップ治具を前記絶縁基板方向に押し、下金型が前記絶縁基板の底面と接するように型締めを行う工程と、
   トランスファーモールド法により前記パワー半導体素子および前記複数の中空円筒ソケットを樹脂封止する工程と、
   前記キャップ治具を前記複数の中空円筒ソケットから取り外す工程とを備えたことを特徴とする樹脂封止型パワーモジュールの製造方法。
4. 前記樹脂封止する工程では、前記上金型により前記キャップ治具が前記複数の中空円筒ソケットに押し付けられる応力が、前記トランスファーモールド法による射出圧力よりも高いことを特徴とする請求項３に記載の樹脂封止型パワーモジュールの製造方法。
5. 前記キャップ治具は前記上金型と面接触する非挿入部を有することを特徴とする請求項３又は４のいずれか１項に記載の樹脂封止型パワーモジュールの製造方法。
6. 前記キャップ治具は前記中空円筒ソケットの開口に挿入される挿入部を有し、前記挿入部の外径は前記中空円筒ソケットの開口の内径と等しいことを特徴とする請求項３ないし５のいずれか１項に記載の樹脂封止型パワーモジュールの製造方法。
7. 前記挿入部は先細の形状であることを特徴とする請求項３ないし６のいずれか１項に記載の樹脂封止型パワーモジュールの製造方法。
8. 前記キャップ治具は室温からトランスファーモールド法の温度までの温度範囲において圧縮弾性率が２０ＭＰａないし１０００ＭＰａであり、かつ圧縮強度が２０ＭＰａ以上の材料であることを特徴とする請求項３ないし７のいずれか１項に記載の樹脂封止型パワーモジュールの製造方法。

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