JP5935374B2 - 半導体モジュールの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、電力変換装置などに用いられるパワー半導体モジュールとその製造方法に関する。
パワー半導体モジュールには、電力変換用途のスイッチングデバイスとして用いられるＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）の複数個が絶縁回路基板上に搭載されている。詳細には、この半導体モジュールは、ＩＧＢＴ４ｂと、逆並列接続のフリーホイールダイオード（ＦＷＤ４ａ）とを１セットとしてその複数セットの半導体素子を、絶縁回路基板上に、例えば図２に示すインバータ回路の半導体素子構成になるように一体に配線組立される構成を有する。
このようなパワー半導体モジュールとして組み立てたデバイスの断面構造を、図３を参照して説明する。金属基板１０１上に固着された絶縁回路基板１０２上にパワーＩＧＢＴ１０３を半田により固着し、ＩＧＢＴ１０３の上部電極１０４にはワイヤボンディングによりＡｌ線１０５の配線が行なわれ、外部端子１０６に電気的に接続される。金属基板１０１上の絶縁回路基板１０２全体を取り囲むように金属基板１０１の外周に枠状の樹脂ケース１０７が固着される。この樹脂ケース１０７と金属基板１０１上とで構成される内側空間には絶縁性の封止樹脂材１０８が充填されパワー半導体モジュール１００にされる。
ここでパワー半導体モジュール１００から外へ引き出される外部端子１０６については、樹脂ケース１０７に設けた孔に外部端子を挿入して端子を外部に引き出す構造が記載された文献がある（特許文献１）。外部端子をインサート成型により予め樹脂ケースと一体化した樹脂ケースを使用する構造も知られている（特許文献２）。さらにインサート成型した樹脂ケースから引き出された外部端子の先端を折り曲げて、図３に示すように樹脂ケースの外周部のネジ穴に埋め込まれたナットにネジで固定する外部端子を備える構造（特許文献３）などが従来から用いられている。
前述の構造のパワー半導体モジュール１００を組み立てる際には、半導体チップ（ＩＧＢＴ１０３）を絶縁回路基板１０２上に半田接合し、複数の外部端子１０６の下端を絶縁回路基板１０２に半田付けした後、Ａｌ線１０５のワイヤボンディングにより上部電極１０４から所要の配線接続を施し、樹脂ケース１０７を金属基板１０１の外周に装着する工程が採用される。
一方、このような半導体モジュール１００では、電力変換装置の所定の位置へ半導体モジュールを取り付ける際の必要から、その複数の外部端子１０６の配置を正確にしなければならない。しかし、外部端子１０６を絶縁回路基板１０２上に半田付けした後、金属基板１０１に樹脂ケース１０６を装着する組み立て工程では、樹脂ケース１０６そのものは低コストで成型可能になるが、外部端子１０６の半田付け、外部端子１０６の曲げなどの工程の際に、外部端子１０６の位置、配置にずれが生じ易いという問題がある。外部端子１０６の配置を正確にするためには、樹脂ケース１０７と外部端子１０６をインサート成型により樹脂に埋め込んで正確な位置に予め固定しておく構造が好ましいが、インサート成型は高価な成型金具を用いて樹脂内に外部端子を埋め込んで成型するため高コストである。
さらに外部端子１０６を埋め込んで樹脂成型された外部端子１０６の半田接合は、樹脂の耐熱性の問題から半導体素子（ＩＧＢＴ１０３）の半田接合とは別工程とする必要があるため、半田工程が少なくとも２回は必要であるので、プロセスコストもかかる。
本発明は以上説明した点を考慮してなされたものであり、本発明の目的は、正確な外部端子の配置を有する半導体モジュールを低コストにする半導体モジュールとその製造方法の提供である。
本発明は前記課題を解決するために、絶縁回路基板上の金属箔回路の所定の位置への半導体素子と複数の外部端子の下端との半田付け接合工程、半導体素子の所要の配線接続工程、前記絶縁回路基板の外周に固着され前記絶縁回路基板に垂直方向に立ち上がる樹脂ケースの内側と該内側の棚状の樹脂突出部の上面とに設けられている溝部に、前記外部端子の前記樹脂ケースの内側に対応する位置を押圧することにより前記外部端子を押し込み嵌合させると共に、外部端子を樹脂ケースの内側に沿って前記絶縁回路基板に垂直方向に折り曲げる工程を備える半導体モジュールの製造方法とする。
また、前記絶縁回路基板が絶縁性セラミック基板に金属箔回路が固着された構成を有し、銅基板上に半田接合されている構造であってもよい。
また、前記溝部の底部がフラットなコの字状、Ｕ字状またはＶ字状のいずれかであり、前記外部端子の前記溝部に押し込まれる部分の幅または厚さが前記溝部の幅または深さと略等しいことがより好ましい。
また、前記溝部の底部がフラットなコの字状、Ｕ字状またはＶ字状のいずれかであり、前記外部端子の前記溝部に押し込まれる部分の幅または厚さが前記溝部の幅または深さと略等しいことがより好ましい。
さらに、前記樹脂ケースの内側の棚状の樹脂突出部の先端上面のエッジが面取りされていることも好ましい。
前記複数の半導体素子が複数の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタと該絶縁ゲート型バイポーラトランジスタに逆並列接続されるフリーホイールダイオードであることも好ましい。さらに、前記封止樹脂材料がエポキシ樹脂であることも好適である。
前記複数の半導体素子が複数の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタと該絶縁ゲート型バイポーラトランジスタに逆並列接続されるフリーホイールダイオードであることも好ましい。さらに、前記封止樹脂材料がエポキシ樹脂であることも好適である。
本発明によれば、正確な外部端子の配置を持った半導体モジュールを低コストにする半導体モジュールとその製造方法を提供することができる。
以下、本発明の半導体モジュールにかかる実施例について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施例の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、実施例で説明される添付図面は、見易くまたは理解し易くするために正確なスケール、寸法比で描かれていない場合がある。本発明はその要旨を超えない限り、以下に説明する実施例の記載に限定されるものではない。
本発明の実施例１にかかる半導体モジュール５０では、図１の断面図に示すように、厚さが数ミリの絶縁回路基板１の金属箔回路３上には、錫（Ｓｎ）−銀（Ａｇ）系などの鉛フリー半田によりＩＧＢＴなどのスイッチング素子４ｂやフリーホイールダイオード（以降ＦＷＤ４ａ）などの半導体素子と外部端子６などが固着されている。さらに、スイッチング素子４ｂの上部電極はワイヤボンディングによりアルミワイヤの一端が固着され、他端は外部端子６に電気的に接続される。ＦＷＤ４ａのアノードカソードもそれぞれ所要の接続を施される。この絶縁回路基板１は、アルミニウムベース基板１ａの表面に、例えばアルミナのような無機物の微粒子を分散させて良好な熱伝導性としたエポキシ樹脂からなる絶縁層２を介して金属箔回路３を所要の回路パターン状に固着させたものである。
前述の絶縁回路基板１ではアルミニウムベース基板１ａを用いたが、銅ベース基板とすることもできる。また、絶縁回路基板としてはアルミナ系セラミック板の表面に所要の回路パターンを有する金属箔回路を直接固着させ、銅などの金属ベース板上に半田接合させる構造の基板としてもよい。
前記絶縁回路基板１上には、前述のようにＦＷＤ４ａ、スイッチング素子４ｂなどの半導体素子が所定の位置に搭載されている。スイッチング素子４ｂは、ＩＧＢＴ、パワーＭＯＳＦＥＴなどであってよい。これらの半導体素子は回路配線等により電気的に接続されることにより、例えば、図２に示すインバータ回路が構成される。その際、スイッチング素子４ｂの上面側の主電極には、ボンディングワイヤの一端が接合される。ボンディングワイヤの他端は金属箔回路の所定の位置に接合される。外部端子６の下端は前記ボンディングワイヤが接合された金属箔回路の所定の位置の近傍に半田付けされる。
本発明にあっては、下端が半田付けされた外部端子６の位置は多少の位置ずれがあっても良い。そして前記絶縁回路基板１の外周端に樹脂ケース７を装着し固着する。
次に、本発明では、前述のように、下端が半田付けされた外部端子６の位置が必ずしも正確な位置ではなくても、図４に示すように、樹脂ケース７の内側に設けられた棚状の樹脂突出部の上部および樹脂ケースの上部内側の所定の正確な位置に設けられた溝１０に外部端子６の一部を嵌合挿入させることにより、外部端子６の位置を正確に修正し固定することができる。しかも、外部端子６を樹脂ケース７に埋め込んで成型する成型樹脂法により位置決めするよりも安価となることも特徴の一つである。
前述の樹脂ケース７に設けられる複数の溝１０は溝間の寸法や相互位置が正確というだけでなく、外部端子６を挿入して固定する部分の外部端子６の幅とほぼ同一の溝幅とすることが好ましい。溝１０の深さｄ１及びｄ２は外部端子６の板厚と同程度が好ましい。外部端子６の幅や板厚は電流容量によって適宜決められる。溝１０の深さが板厚より浅いと外部端子６を溝１０に充分に押し込めず、また、溝１０から飛び出た外部端子６が押圧されて潰れて変形する惧れがあるからである。深すぎると樹脂ケース７が押圧治具に直接当たってダメージを受ける惧れがある。
さらに、この溝１０は、前記絶縁回路基板１を固定するために、樹脂ケース７の枠の内周側に形成されている棚状の樹脂突出部の上面と樹脂ケース７の上部の内側表面に形成されている。
溝１０は、図４（ｂ）の破線で示すように、樹脂ケース７の棚状の樹脂突出部の上面と樹脂ケース７の枠上部の表面の両方に跨って形成されることが好ましい。
さらに、外部端子６の下端と樹脂ケース７との距離が極近い場合、樹脂ケース７の棚状の樹脂突出部の上面の最内側のエッジに面取りＣがされていると、外部端子６を溝１０に押し込み治具を用いて押し込む際に外部端子６を傾斜させ易くなるので好ましい。外部端子６が傾斜していると、外部端子６の適切な位置に押し込み治具を押し当て易くなり、溝１０への押し込みが容易になるからである。また、溝１０の形状として、特に溝底部の形状としては、図７に示すように、（ａ）矩形溝１５（底部がフラットなコの字状）、（ｂ）丸型溝１６（底部がＵ字状）、（ｃ）三角溝１７（底部がＶ字状）など、どのような形状でもよい。
さらに、外部端子６の下端と樹脂ケース７との距離が極近い場合、樹脂ケース７の棚状の樹脂突出部の上面の最内側のエッジに面取りＣがされていると、外部端子６を溝１０に押し込み治具を用いて押し込む際に外部端子６を傾斜させ易くなるので好ましい。外部端子６が傾斜していると、外部端子６の適切な位置に押し込み治具を押し当て易くなり、溝１０への押し込みが容易になるからである。また、溝１０の形状として、特に溝底部の形状としては、図７に示すように、（ａ）矩形溝１５（底部がフラットなコの字状）、（ｂ）丸型溝１６（底部がＵ字状）、（ｃ）三角溝１７（底部がＶ字状）など、どのような形状でもよい。
また、樹脂ケース７の材質は、例えば、ガラス繊維で強化されたエポキシ樹脂やＰＰＳ（ポリ・フェニレン・サルファイド）樹脂とすることができる。さらに、前記絶縁回路基板１とこの基板１に装着された樹脂ケース７とで構成される空間には封止樹脂８が充填される。封止樹脂８の材質は、例えば、柔軟なゲル状樹脂とすることができる。封止樹脂８としてゲル状樹脂を用いる場合はこのゲル状樹脂を覆うエポキシ樹脂などの高硬度の蓋を必要とする。また、封止樹脂８として、エポキシ樹脂を主成分とする高硬度の樹脂注形による樹脂封止とすることもできる。
次に、半導体モジュール５０の製造方法について、以下、図４、５、６、８を参照して詳細に説明する。図４は樹脂ケース７の平面図（ａ）とＡ−Ａ’線断面図（ｂ）である。図５は外部端子６を樹脂ケース７の溝１０に押し込んで位置決めをするために、押し込み治具１１ａを用いていることを示す断面図、図６は本発明にかかる半導体モジュールの製造工程を説明するための工程フロー図である。図８は複数の外部端子６の外部側の一端がタイバーで連結されたリードフレームの平面図である。
先ず、図６（ａ）に示すように、絶縁回路基板１上の金属箔回路３の所定の位置に、半導体素子４ａ、４ｂおよび図８に示すタイバー１３で一端を連結した外部端子６、連結されていない他端側を下端として載せて、半田付けにより同時に固着する。このとき、外部端子６は図６（ａ）に示すように、最終の形状のように垂直にはせず、上端が開いた状態にしておく。次のワイヤボンディング配線作業をやり易くするためである。外部端子６の先端を開く角度は基板面から３０度程度の角度に開くと、ワイヤボンディング配線作業を問題なく行える。
半田は半田板を用いるかまたは半田クリームのパターン印刷により塗布し、半導体素子チップなどを半田上に載せてリフロー炉に通して半田接合させる。この構造に寄れば、外部端子６と絶縁回路基板１との半田接続を部品の半田付けと同時に行うことで、半田付け工程を従来の２回から１回に短縮できる。ＩＧＢＴなどのスイッチング素子４ｂの上面側のアルミニウム電極と所要の金属箔回路３間をワイヤボンディングにより接続する（ｂ）。開いた外部端子６を曲げて垂直にする（ｃ）。この端子の曲げ角度は垂直には限らない。次の工程で樹脂ケースを取り付ける際に外部端子６が樹脂ケース７と干渉しない程度の角度に曲げられていれば良い。また外部端子６は垂直を超えて曲げられても良い。樹脂ケース７を前記絶縁回路基板１の外周縁に固着させる（ｄ）。
次に、図５の断面図に示すように、下部台座１１ｂの上に前記図６（ｄ）工程を終えた組み立てワークを載せ、この組み立てワークの前記絶縁回路基板１に垂直方向に立直する外部端子６を樹脂ケース７に接触する程度まで傾斜させて外部端子６の先端を開く。このとき樹脂ケース７と外部端子６の下端との間の距離が近いと、外部端子６を前述のように基板面から３０度以上に傾斜させ難く、先端の開く角度が小さくなることがあるので、樹脂ケース６の棚状の樹脂突出部の上面の内側線端部を図４（ｂ）に示すように、面取り加工をしておくと傾斜させ易くなり、外部端子６の先端を開き易くなるので好ましい。図６（ｄ）には垂直方向から傾斜させた外部端子６を二点鎖線で参考として示してある。
図５に示すように、押圧治具１１ａを外部端子６に当て、樹脂ケース７の棚状の樹脂突出部上面と樹脂ケースの内側に形成されている溝１０に外部端子６の一部を押し込み嵌合させる。溝１０に押し込まれた外部端子６は図６（ｅ）のように前記絶縁回路基板１に対してほぼ垂直にすることができる。そのような押圧治具１１ａとして、図５に示すように、押圧治具１１ａの先端押圧部１２が樹脂ケース７の内周部に内接する幅であって、先端押圧部１２の内側に、半導体素子およびアルミボンディングワイヤなどに接触しない程度の凹部１８を備えた形状が好ましい。材質はアルミ合金などが好ましい。先端押圧部１２は、図５で見て押圧治具外側寄りで外部端子６に当接する部分に平面を有している。押圧治具は、その側面が図５にあるように下広がりの斜面となっていると、外部端子６を押圧する際に折り曲がった外部端子６を逃げることができるので好ましい。
また、図４（ａ）に示す樹脂ケース７の内周部に形成されている棚状の樹脂突出部の上面の最内側のエッジは、前述のように面取りが施されていることが好ましい。この面取り形状により、図６（ｄ）で垂直状態の外部端子６を再度開く際に、開く角度（傾斜）を大きくし易くなるので、押圧治具１１ａによる外部端子６の溝１０への押し込み作業が容易になるメリットがある。
外部端子６は押圧治具１１ａによりその樹脂ケースの内側に対応する位置が押圧されて溝１０に押し込まれることになるが、複数の外部端子６がそれぞれ対応する溝１０に対し位置ずれは各外部端子について同一方向であって、各外部端子６は一端がタイバーにより連結されているので押圧治具１１ａにより押し込まれる際に各外部端子６が協働して溝１０にならうよう嵌合されるように作用するので、位置ずれがあっても外部端子６を溝１０に嵌合させることができる。これは、各外部端子６の一端が連結されていない場合にあっても、連結されている場合よりも効果が小さいものの、複数の外部端子６がそれぞれ対応する溝１０に対し位置ずれがあっても、溝１０にならうよう嵌合されるようになる効果がある。
また、外部端子６の幅は溝の幅とほぼ同じ幅にされているので、外部端子６の位置は溝１０の位置に正確に決めることができる。本実施例では図５にあるように図６(ｄ)工程を終えた組み立てワークを下部台座１１ｂに載せた状態で押圧治具１１ａのよる外部端子６の処理を行ったが、組み立てワークを下部台座１１ｂに載せかえることなく図６(ｄ)工程に連続して行っても良い。組み立てワークを下部台座１１ｂに載せかえて外部端子６の処理を行った場合は、図６(ｄ)工程までは組み立てワークを試作用作業台のように比較的柔軟な台座に置いて行うことができるため試作工程のように比較的少ない数量の組み立てを行うのに適している。量産工程においては、図５の工程を含め、図６（ａ）から図６（ｅ）の工程を同一の強固な作業台上で行い、図５の工程にある組み立てワークの下部台座１１ｂへの載せかえを行わなくとも良い。
次に図６（ｆ）に示すように、樹脂ケース７の内周側の空間にエポキシ樹脂を注形すれば、この注形樹脂によっても前記外部端子６が固定されることになる。注形樹脂として柔らかいゲル状樹脂を注形した場合は最上部に外部端子６が通る孔を設けたエポキシ樹脂などの高硬度の樹脂蓋で覆うことが好ましい。この場合にあって、外部端子６は溝１０に嵌合しているのでエポキシ樹脂の収縮、膨張があっても外部端子６の位置は正確な位置にとどまる効果がある。その後、列状に並ぶ複数の外部端子６の上端を相互に連結しているタイバー部分を切り落とせば、図１に示す半導体モジュール５０が完成する。
本発明によれば上述のように外部端子６が回路基板に対し位置ずれがあっても正確な位置に外部端子６が配置された半導体モジュールとしてはを提供することができる。また、外部端子をインサート成型する場合のように高価な成型金具を用いることもなく低コストな半導体モジュールを提供することができる。
１ 絶縁回路基板
１ａ アルミニウムベース基板
２ 絶縁層
３ 金属箔回路
４ａ ＦＷＤ
４ｂ ＩＧＢＴ、スイッチング素子
５ アルミワイヤ
６ 外部端子
７ 樹脂ケース
８ 封止樹脂
１０ 溝部
１１ａ 押圧治具
１１ｂ 下部台座
１２ 先端押圧部
１３ タイバー
１４ 樹脂突出部
１５ 矩形溝
１６ 丸型溝
１７ 三角溝
１８ 凹部
５０ 半導体モジュール
１００ パワー半導体モジュール
１０１ 金属基板
１０２ 絶縁回路基板
１０３ ＩＧＢＴ
１０４ 上部電極
１０５ Ａｌ線
１０６ 外部端子
１０７ 樹脂ケース
１０８ 封止樹脂材
１ａ アルミニウムベース基板
２ 絶縁層
３ 金属箔回路
４ａ ＦＷＤ
４ｂ ＩＧＢＴ、スイッチング素子
５ アルミワイヤ
６ 外部端子
７ 樹脂ケース
８ 封止樹脂
１０ 溝部
１１ａ 押圧治具
１１ｂ 下部台座
１２ 先端押圧部
１３ タイバー
１４ 樹脂突出部
１５ 矩形溝
１６ 丸型溝
１７ 三角溝
１８ 凹部
５０ 半導体モジュール
１００ パワー半導体モジュール
１０１ 金属基板
１０２ 絶縁回路基板
１０３ ＩＧＢＴ
１０４ 上部電極
１０５ Ａｌ線
１０６ 外部端子
１０７ 樹脂ケース
１０８ 封止樹脂材
Claims (10)
- 絶縁回路基板上の金属箔回路の所定の位置への半導体素子と複数の外部端子の下端との半田付け接合工程、半導体素子の所要の配線接続工程、前記絶縁回路基板の外周に固着され前記絶縁回路基板に垂直方向に立ち上がる樹脂ケースの内側と該内側に突出する棚状の突出部上面とに設けられている溝部に、前記外部端子の前記樹脂ケースの内側に対応する位置を押圧することにより前記外部端子を押し込み嵌合させると共に、外部端子を樹脂ケースの内側に沿って前記絶縁回路基板に垂直方向に折り曲げる工程を備えることを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
- 前記絶縁回路基板が金属基板上に絶縁層を介して前記金属箔回路を備える構造であることを特徴とする請求項１記載の半導体モジュールの製造方法。
- 前記絶縁回路基板が絶縁性セラミック基板に金属箔回路が固着された構成を有し、銅基板上に半田接合されていることを特徴とする請求項１記載の半導体モジュールの製造方法。
- 前記溝部の底部がフラットなコの字状であることを特徴とする請求項１記載の半導体モジュールの製造方法。
- 前記溝部の底部がＵ字状またはＶ字状であることを特徴とする請求項１記載の半導体モジュールの製造方法。
- 前記外部端子の前記溝部に押し込まれる部分の幅が前記溝部の幅と略等しいことを特徴とする請求項４または５に記載の半導体モジュールの製造方法。
- 前記外部端子の前記溝部に押し込まれる部分の厚さが前記溝部の深さに略等しいことを特徴とする請求項６記載の半導体モジュールの製造方法。
- 前記樹脂ケースの内側に突出する棚状の突出部の先端上面のエッジが面取りされていることを特徴とする請求項７記載の半導体モジュールの製造方法。
- 前記複数の半導体素子が複数の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタと該絶縁ゲート型バイポーラトランジスタに逆並列接続されるフリーホイールダイオードであることを特徴とする請求項１記載の半導体モジュールの製造方法。
- 前記封止樹脂がエポキシ樹脂であることを特徴とする請求項１記載の半導体モジュールの製造方法。
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