JP3846699B2 - Semiconductor power module and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体パワーモジュールおよびその製造方法に関し、より詳細には、放熱性に優れ、低コストで、かつ、電気絶縁特性が良好な半導体パワーモジュールおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体パワーモジュールは、回路基板上に半導体素子等の電子部品を実装して構成されるものであり、回路基板には、従来より、セラミック等の絶縁性基板に比較して放熱性の高い金属ベース基板が多用されてきた。この金属ベース基板は、銅板やアルミニウム板等の金属板の上に、エポキシ樹脂からなる絶縁層と回路パターニングを施した銅箔とを積層させて構成されている。
【０００３】
図６は、従来の一般的な半導体パワーモジュールの製造工程を説明するためのフローチャートで、先ず、金属ベース基板の銅箔上に回路パターニングを施す（Ｓ６０１）。次に、銅チップ等で構成した発熱拡散用のヒートスプレッダを準備し（Ｓ６０２）、金属ベース基板上にヒートスプレッダを半田付けする（Ｓ６０３）。更に、半導体素子を別途準備し（Ｓ６０４）、ヒートスプレッダを半田付けした金属ベース基板上にこの半導体素子を半田付けする（Ｓ６０５）。
【０００４】
半田付けが終了した金属ベース基板上に残存している半田フラックスは洗浄により除去され（Ｓ６０６）、アルミ製ワイヤー等がボンディングされる（Ｓ６０７）。次に、樹脂製の外部端子つきのケース枠を準備し（Ｓ６０８）、これを金属ベース基板の周囲を囲むように嵌め込んでケース枠の底部と金属ベース基板の全周囲とを接着剤で固着し（Ｓ６０９）、更に、ケース枠の端子部分を金属ベース基板上の銅箔パターンの所定の位置に半田付けし（Ｓ６１０）、その後、洗浄を施し（Ｓ６１１）、シリコーンゲルやエポキシ樹脂などの封止樹脂を準備して（Ｓ６１２）、これを金属ベース基板とケース枠で囲まれた部分に注入し（Ｓ６１３）、硬化させる（Ｓ６１４）。このようにして、金属ベース基板上に半導体素子が実装された、ケース枠付きの半導体パワーモジュールが作製される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、昨今の半導体パワーモジュールには、製造コストを低減させ、かつ、半導体素子と放熱フィンとの間の熱抵抗を低減させることが要求されている。
【０００６】
このうち、製造コストの低減のためには、半導体パワーモジュールの構成部品数を減らして製造方法を簡略化することが必要とされるものの、従来型の半導体パワーモジュールでは、金属ベース基板と樹脂製ケース枠を必須の構成要素とするために、銅箔をエッチングして回路パターンを形成したり、外部素子との接続用に予め端子を付属させたケース枠を必要とされることから、コストの低減には限界があった。
【０００７】
また、電気的絶縁不良の原因となるボイドやクラックの発生を防止するためには、ケース枠に封止樹脂を充填しそれを硬化させる工程が必要とされるため、製造に要する時間が長くなり、スループットが低下して製造コストを上昇させる原因となっていた。
【０００８】
半導体パワーモジュールの製造コストの低減のために、トランスファー成型などの成型方法を採用して、高価な金属ベース基板やケース枠を不要とした構成の低コストの半導体パワーモジュールや、特開平９−１３９４６１号公報に記載された発明のように、リードフレームとヒートシンクとの間に絶縁性を有する封止樹脂を充填させて、リードフレームとヒートシンクの間の電気的絶縁を図りつつこれらを相互に連結させて樹脂封止した半導体パワーデバイスも考案されているものの、特開平９−１３９４６１号公報に記載された半導体パワーモジュールでは、リードフレームとヒートシンクとの間の絶縁層が封止樹脂により形成されているため、絶縁層形成後の厚み精度が低く、また、封止能力を担保する必要から絶縁層厚を充分に薄くすることも困難であり、絶縁層の放熱性を向上させてリードフレームとヒートシンクとの間の熱抵抗を低減させるという要請に対応した特性を備える半導体パワーモジュールが得られない。
【０００９】
パワーモジュールに備えられた半導体素子により発生した熱は、その大半が、素子をマウントした銅箔またはリードフレームへと伝熱された後、さらに、絶縁層、金属板（ヒートシンク）を伝熱経路として伝熱結合した放熱フィンに達して周囲へと放熱される。この場合、上述の伝熱経路の熱抵抗が大きいと半導体素子の温度が上昇し、素子特性を劣化させてしまうことになるため、半導体パワーモジュールの電流容量の増大化やモジュールの小型化に伴い、伝熱経路の熱抵抗を低減させることが益々重要となる。
【００１０】
このような技術上の問題を解決するために、特開２００１−１９６４９５号公報において、ヒートシンクである金属板上にリードフレームを絶縁層を介して設けた構成の樹脂モールド用回路基板の発明が開示されている。しかし、ここで用いられている絶縁層は、金属板とリードフレームとを接着しながらも電気絶縁性と熱伝導性に富む材料であることが要求され、絶縁層として利用可能な材料の選択に制約がある。更に、この絶縁層は、金属板上に無機粉体を含有させたエポキシ樹脂等を塗布したり、Ｂステージ状態の絶縁シートをプレス圧着したりすることにより形成されるため、形成後に得られる絶縁層の膜厚の均一性を充分に担保することが困難であり、その結果、絶縁層内での熱抵抗値が不均一になってしまうといった問題があった。
【００１１】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、低コストで、放熱性および絶縁特性に優れ、かつ、これらの特性が面内で均一な半導体パワーモジュールおよびその製造方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、半導体パワーモジュール用回路基板であって、板状金属のヒートシンクの一方の主面に、熱伝導率が１．０〜７．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、厚さが５０〜１５０μｍである絶縁樹脂層を備えて構成した金属絶縁板と、該金属絶縁板の前記絶縁樹脂層上に設けられたリードフレームとからなり、前記リードフレームは段差状の屈曲部を有し、前記屈曲部は前記ヒートシンクの主面の端部から２ｍｍ以上内側に位置し、かつ、前記ヒートシンク端部での前記リードフレームの浮き上がり寸法が１ｍｍ以上となるように屈曲し、前記金属絶縁板と前記リードフレームとが、厚さが１０〜５０μｍである接着樹脂層を介してプレス接着されていることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の半導体パワーモジュール用回路基板において、前記絶縁樹脂層が、酸化珪素、酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、および、窒化ホウ素のうちの少なくとも１種類以上のフィラーを含有するエポキシ樹脂からなることを特徴とする。
【００１７】
また、請求項３に記載の発明は、半導体パワーモジュールであって、請求項１又は２に記載の半導体パワーモジュール用回路基板と、該回路基板に備えられた前記リードフレーム上に半田付けされた半導体素子と、該半導体素子と前記リードフレームとを電気的に接続するためのボンディングワイヤとを備え、前記リードフレームの外端部および前記ヒートシンクの他方の主面以外の部分がモールド用樹脂でモールドされていることを特徴とする。
【００１８】
また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の半導体パワーモジュールにおいて、前記モールド用樹脂の熱膨張率が、前記ヒートシンクの熱膨張率の６０〜１１０％であることを特徴とする。
【００１９】
また、請求項５に記載の発明は、半導体パワーモジュールの製造方法であって、板状金属のヒートシンクの一方の主面に、熱伝導率が１．０〜７．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、厚さが５０〜１５０μｍである絶縁樹脂層を設けて金属絶縁板を形成するステップと、前記絶縁樹脂層上の所望の場所に厚さが１０〜５０μｍである接着シートを載置するステップと、前記絶縁樹脂上に前記接着シートを載置した状態で前記金属絶縁板をプレス積層するステップと、段差状の屈曲部を有するリードフレーム上の所望の位置に半導体素子を半田付けするステップと、前記接着シート上に、前記半導体素子を半田付けした前記リードフレームを、前記屈曲部が前記ヒートシンクの主面の端部から２ｍｍ以上内側に位置し、かつ、前記ヒートシンク端部での前記リードフレームの浮き上がり寸法が１ｍｍ以上となるように載置するステップと、前記リードフレーム上に半田付けした前記半導体素子を、前記リードフレームの所望の位置にワイヤボンディングするステップと、前記金属絶縁板と、前記接着シートと、前記リードフレームとを積層させた状態で樹脂モールドするステップとからなり、前記接着シートを介して前記リードフレームを前記絶縁樹脂層上にプレス接着させることを特徴とする。
【００２１】
また、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の半導体パワーモジュールの製造方法において、前記半田付けは、前記リードフレーム上の所望の位置にフラックスを含まない板半田を載置し、該板半田上に前記半導体素子を配置させ、還元雰囲気中の所定温度下で前記半導体素子を前記リードフレーム上に固着させ、前記半田付け後の洗浄なしに前記ワイヤボンディングをおこなうことを特徴とする。
【００２２】
更に、請求項７に記載の発明は、請求項５に記載の半導体パワーモジュールの製造方法において、前記半田付けは、予め前記リードフレーム上の所望の位置にエポキシ樹脂を主成分とするフラックス入りの半田を塗工し、該半田の塗工箇所に前記半導体素子を配置させ、還元雰囲気中の所定温度下で前記半導体素子を前記リードフレーム上に固着させ、前記半田付け後の洗浄なしに前記ワイヤボンディングをおこなうことを特徴とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
【００２４】
〔実施例１〕
図１は、本発明の半導体パワーモジュールの構成例を説明するための図で、金属のヒートシンク１の上に絶縁樹脂層２を設けた金属絶縁板と、接着樹脂層３を介して絶縁樹脂層２上に固着されたリードフレーム４と、リードフレーム４上に半田５で固着された半導体の素子５と、素子５の上面電極とリードフレーム４の所定位置とを導通させるためのボンディングワイヤー７と、これらをモールドするモールド樹脂８とから構成されている。
【００２５】
ここで、絶縁樹脂層２は、ヒートシンク１とリードフレーム４とを電気的に絶縁し、かつ、良好な熱伝導を得る役割を果たすためのもので、その熱伝導率は、１．０〜７．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）の範囲とすることが好ましい。これは、熱伝導度を１．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下とすると、その放熱性の低さから定格容量が大きく制限され、６００V・２０Ａ定格でのチップの使用が困難となるからであり、７．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上とすると、特殊なフィラーを大量に用いて絶縁層を形成する必要が生じるために絶縁層の信頼性が低下し、その結果、定格電圧が制約されて６００Ｖ耐圧のチップが使用できなくなる可能性があるためである。なお、６００Ｖ・２０Ａ定格でのより安定したチップの使用、若しくはそれ以上の定格値での使用のためには、熱伝導度を１．８〜５．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）の範囲とすることがより好ましい。
【００２６】
この構造の半導体パワーモジュールでは、ヒートシンク１の下面とリードフレーム４の外部端子部分の一部を除くモジュール全体が、モールド樹脂８によってモールドされているため、ケース枠や、回路をパターニングした金属ベース基板などの高価な部材を必要としない。また、比較的長時間を必要とする封止樹脂の充填・硬化工程も不用である。このため製造コストを大幅に削減することが可能となるとともに、薄い絶縁樹脂層２を高い精度で形成することが可能なため、放熱性にも優れるという利点がある。
【００２７】
〔実施例２〕
図２は、本発明の半導体パワーモジュールの第１の製造工程例を説明するためのフローチャートで、先ず、絶縁樹脂層として酸化珪素フィラーを分散させたエポキシ樹脂をシート成型した後にヒートシンクとなる厚さ２ｍｍのアルミニウム板の上にプレス積層させて、絶縁樹脂層厚が８０μｍの金属絶縁板を作製する（Ｓ２０１）。
【００２８】
次に、この金属絶縁板を４０×１００ｍｍの大きさに打抜き加工し、その上に、４０×１００ｍｍの酸化珪素フィラーを分散させたＢステージのエポキシ樹脂からなる接着シートを重ね（Ｓ２０２）、更に、所定の回路パターン形状に加工したリードフレームを載せる（Ｓ２０３）。この状態で、加熱プレス成形機中で加圧４ＭＰａ、温度１８０℃の条件下で３０分保持してプレス接着する（Ｓ２０４）。なお、このときの接着樹脂層厚は２０μｍとする。
【００２９】
このようにして作製した回路基板の所定の位置に、フラックス入りのクリーム半田をディスペンサーで塗工し、その上に半導体素子を並べ（Ｓ２０５）、リフロー炉中で、２２０℃で１０分間の半田付けを行ない（Ｓ２０６）、その後、不要なフラックスを洗浄し（Ｓ２０７）、φ０．３ｍｍのアルミニウムワイヤーを用いてワイヤーボンディングして素子を実装（Ｓ２０８）した後、別途、モールド樹脂を準備し（Ｓ２０９）、トランスファー成型機を使って１７５℃で１２０分間のトランスファ成型を行って樹脂モールドする（Ｓ２１０）。
【００３０】
このようにして作製した半導体パワーモジュールを用いたインバータ回路について、動作試験、および、−４０〜１５０℃で１０００回のヒートサイクル試験を行ったところ、半導体パワーモジュールとしての特性を充分に満足していることが確認された。
【００３１】
ここで、インバータ回路の動作試験条件は、ＩＧＢＴチップおよびＦＷＤチップの各々６チップと、シャント抵抗1つを搭載させた６００Ｖ・２０Ａ定格のモジュールにおいて、１２０％印加で３０分の運転を行なったものであり、その合否の判定は、別の制御回路により、３相のアウトプットの電流・電圧が安定して取り出され、暴走や短絡がなく、かつ、運転時間中一定であるか否かで判断した。
【００３２】
従って、絶縁樹脂層の熱伝導率を、１．０〜７．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）の範囲とすることで実用上充分な特性を有する半導体パワーモジュールが得られることが分る。
【００３３】
なお、絶縁樹脂層の樹脂を、エポキシ樹脂に替えて、ポリイミド樹脂やフッ素樹脂としても同様の特性の半導体パワーモジュールが得られた。
【００３４】
〔実施例３〕
絶縁樹脂層に含まれるフィラーは、絶縁樹脂層の電気絶縁性や熱伝導性、更には、損失とノイズの誘導にかかわる誘電率等にも関係するため、半導体パワーモジュールにおける特に重要な構成要素である。
【００３５】
そこで、各種の材質のフィラーを分散させたエポキシ樹脂をシート成型して絶縁樹脂層を形成し、半導体パワーモジュールを作製した。なお、絶縁樹脂層のエポキシ樹脂に含有されるフィラーの材質以外は、実施例２で説明したのと同様の製造工程により作製した。
【００３６】
その結果、酸化珪素、酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、またはそれらの混合物を含有したエポキシ樹脂からなる絶縁樹脂層を備える半導体パワーモジュールにおいて、インバータ回路での動作試験、および、−４０〜１５０℃で１０００回のヒートサイクル試験ともに充分に満足できる結果を得ることができた。
【００３７】
ここで、インバータ回路の動作試験条件は、ＩＧＢＴチップおよびＦＷＤチップの各々６チップと、シャント抵抗1つを搭載させた６００Ｖ・２０Ａ定格のモジュールにおいて、１２０％印加で３０分の運転を行なったものであり、その合否の判定は、別の制御回路により、３相のアウトプットの電流・電圧が安定して取り出され、暴走や短絡がなく、かつ、運転時間中一定であるか否かで判断した。
【００３８】
〔実施例４〕
本発明の半導体パワーモジュールへの、絶縁樹脂層および接着樹脂層の厚みの影響を検討した。なお、絶縁樹脂層、接着樹脂層の厚さ以外は、実施例２で説明したものと同様の製造工程により作製した。
【００３９】
表１は、絶縁樹脂層厚を２５〜２００μｍ、接着樹脂層厚を５〜１００μｍの範囲で変化させて作製した半導体パワーモジュールの特性を纏めたものである。
【００４０】
【表１】
この表から分るように、絶縁樹脂層の厚さが５０〜１５０μｍで、かつ、接着樹脂層の厚さが１０〜５０μｍの半導体パワーモジュールにおいて、インバータ回路での動作試験、および、−４０〜１５０℃で１０００回のヒートサイクル試験ともに充分に満足できる結果を得ることができた。
【００４２】
ここで、インバータ回路の動作試験条件は、ＩＧＢＴチップおよびＦＷＤチップの各々６チップとシャント抵抗1つを搭載させた６００Ｖ・２０Ａ定格のモジュールにおいて、１２０％印加で３０分の運転を行なったものであり、その合否の判定は、別の制御回路により、３相のアウトプットの電流・電圧が安定して取り出され、暴走や短絡がなく、かつ、運転時間中一定であるか否かで判断した。
【００４３】
〔実施例５〕
本発明の半導体パワーモジュールに備えるリードフレームの形状を検討した。なお、リードフレームの形状以外は、実施例２において説明したものと同様の製造工程により作製した。
【００４４】
図３は、本発明の半導体パワーモジュールに備えるリードフレームの形状を説明するための図で、図１に示した構造の半導体パワーモジュールの外部端子部分近傍の様子を示しており、金属のヒートシンク３１の上に絶縁樹脂層３２を設けた金属絶縁板と、接着樹脂層３３を介して絶縁樹脂層３２上に固着されたリードフレーム３４と、リードフレーム３４上に半田３５で固着された図示しない半導体素子とがモールド樹脂３６で封止されている。
【００４５】
リードフレーム３４は、ヒートシンク３１の主面の端部から距離ａの位置に段差状の屈曲部分を有し、これにより、リードフレーム３４の一部は接着樹脂層３３から距離ｂだけ離隔し、この状態でモールド樹脂３６の外部へと突出している。なお、距離ｂは、ヒートシンク端部でのリードフレームの浮き上がり寸法のことである。
【００４６】
表２は、距離ａおよび距離ｂをパラメータとする様々な形状のリードフレーム３４を備えた、本発明の半導体パワーモジュールの特性を纏めたものである。
【００４７】
【表２】
この表から分るように、リードフレーム３４の屈曲部分の位置を、ヒートシンク３１の主面の端部から２ｍｍ以上とし、かつ、ヒートシンク端部でのリードフレームの浮き上がり寸法を１ｍｍ以上とすることで、リードフレーム３４の加工不良や半導体パワーモジュールの電気絶縁不良をなくすことができた。
【００４９】
〔実施例６〕
本発明の半導体パワーモジュールを構成するモールド樹脂およびヒートシンク部材が、半導体パワーモジュールの特性に及ぼす効果について検討した。
【００５０】
表３は、熱膨張率の異なるモールド樹脂およびヒートシンク部材を用いて本発明の半導体パワーモジュールを構成し、これらの材料間の熱膨張率差に起因する樹脂層の応力破壊によってモジュール不良が発生するか否かテストした結果を纏めたものである。なお、モールド樹脂とヒートシンク部材以外は、実施例２において説明したものと同様の製造工程により作製した。
【００５１】
【表３】
この表から分かるように、モールド樹脂の熱膨張率がヒートシンク材の熱膨張率の６０〜１１０％となるように材料を選択すれば、成型後の割れやヒートサイクル試験後の不良は生じておらず、更に、インバータ回路での動作試験、および、−４０〜１５０℃で１０００回のヒートサイクル試験ともに充分に満足できる結果を得ることができた。
【００５３】
ここで、インバータ回路の動作試験条件は、ＩＧＢＴチップおよびＦＷＤチップの各々６チップとシャント抵抗1つを搭載させた６００Ｖ・２０Ａ定格のモジュールにおいて、１２０％印加で３０分の運転を行なったものであり、その合否の判定は、別の制御回路により、３相のアウトプットの電流・電圧が安定して取り出され、暴走や短絡がなく、かつ、運転時間中一定であるか否かで判断した。
【００５４】
〔実施例７〕
図４は、本発明の半導体パワーモジュールの第２の製造工程例を説明するためのフローチャートで、先ず、酸化珪素フィラーを分散させたエポキシ樹脂をシート成型して１０００×１０００×２ｍｍ３のアルミニウム板上にプレス積層し、絶縁樹脂層厚が８０μｍの金属絶縁板を作製して、４０×１００ｍｍ２の面積に打ち抜き加工する（Ｓ４０１）。また、酸化珪素フィラーを分散させたＢステージのエポキシ樹脂からなる接着シートも４０×１００ｍｍ２の面積に打ち抜く（Ｓ４０２）。
【００５５】
別途、所定の回路パターンに加工したリードフレームを準備し（Ｓ４０３）、回路基板の所定の位置にフラックス入りのクリーム半田をディスペンサーで塗工してその上に半導体素子を並べ（Ｓ４０４）、２２０℃のリフロー炉で１０分間の半田付けを行なう（Ｓ４０５）。その後、不要なフラックスを洗浄し（Ｓ４０６）、φ０．３ｍｍのアルミニウムワイヤーを所定位置にワイヤーボンディングし（Ｓ４０７）て実装する。
【００５６】
更に、モールド樹脂を準備し（Ｓ４０８）、金属絶縁板上に接着シートおよび実装したリードフレームを積層させてトランスファー成型金型中にセットし、トランスファー成型機を用いて、リードフレームを押え込みながら１７５℃で１２０分の条件でトランスファ成型を実行する（Ｓ４０９）。なお、このトランスファ成型工程では、金属絶縁板上へのリードフレームの接着と樹脂モールドとを同時に実行する。
【００５７】
このようにして作製した半導体パワーモジュールを用いて構成したインバータ回路の動作試験、および、−４０〜１５０℃で１０００回のヒートサイクル試験ともに充分に満足できる結果を得ることができた。
【００５８】
ここで、インバータ回路の動作試験条件は、ＩＧＢＴチップおよびＦＷＤチップの各々６チップとシャント抵抗1つを搭載させた６００Ｖ・２０Ａ定格のモジュールにおいて、１２０％印加で３０分の運転を行なったものであり、その合否判定は、別の制御回路により、３相のアウトプットの電流・電圧が安定して取り出され、暴走や短絡がなく、かつ、運転時間中一定であるか否かで判断した。
【００５９】
〔実施例８〕
図５は、本発明の半導体パワーモジュールの第３の製造工程を説明するためのフローチャートで、先ず、酸化珪素フィラーを分散させたエポキシ樹脂をシート成型し、１０００×１０００×２ｍｍ３のアルミニウム板上にプレス積層して絶縁樹脂層厚が８０μｍの金属絶縁板を作製し、この金属絶縁板上に酸化珪素フィラーを分散させた未硬化のエポキシ樹脂からなる接着シートを重ねプレス成型し（Ｓ５０１）、この大面積の接着シート付き金属絶縁板を４０×１００ｍｍ２に打抜き加工する（Ｓ５０２）。別途、所定の回路パターンに加工したリードフレームを準備し（Ｓ５０３）、回路基板の所定の位置にフラックス入りのクリーム半田をディスペンサーで塗工してその上に半導体素子を並べ（Ｓ５０４）、２２０℃のリフロー炉で１０分間の半田付けを行なう（Ｓ５０５）。その後、不要なフラックスを洗浄し（Ｓ５０６）、φ０．３ｍｍのアルミニウムワイヤーを所定位置にワイヤーボンディングし（Ｓ５０７）て実装する。
【００６０】
次に、接着シート付き金属絶縁板上に素子を実装したリードフレームをトランスファー成型金型中に積層し（Ｓ５０８）、別途、モールド樹脂を準備し（Ｓ５０９）、金属絶縁板上に接着シートおよび実装したリードフレームを積層させてトランスファー成型金型中にセットし、トランスファー成型機を用いて、リードフレームを押え込みながら１７５℃で１２０分の条件でトランスファ成型を実行する（Ｓ５１０）。なお、このトランスファ成型工程では、金属絶縁板上へのリードフレームの接着と樹脂モールドとを同時に実行する。
【００６１】
このようにして作製した半導体パワーモジュールを用いて構成したインバータ回路の動作試験、および、−４０〜１５０℃で１０００回のヒートサイクル試験ともに充分に満足できる結果を得ることができた。
【００６２】
ここで、インバータ回路の動作試験条件は、ＩＧＢＴチップおよびＦＷＤチップの各々６チップとシャント抵抗1つを搭載させた６００Ｖ・２０Ａ定格のモジュールにおいて、１２０％印加で３０分の運転を行なったものであり、その合否判定は、別の制御回路により、３相のアウトプットの電流・電圧が安定して取り出され、暴走や短絡がなく、かつ、運転時間中一定であるか否かで判断した。
【００６３】
〔実施例９〕
実施例２で説明したのと同様の工程で作製した、リードフレームを接着した金属絶縁板の所定の位置に、所定の形状に打抜いた、フラックスを含まない半田シートおよび半導体素子を並べ、水素と窒素の混合ガスの還元雰囲気でパージし、還元雰囲気の熱処理炉で２７５℃、１０分保持して半田付けした。
【００６４】
その後、洗浄を行なうことなく、φ０．３ｍｍのアルミニウムワイヤーを所定位置にワイヤーボンディングし、最後にトランスファー成型機を使って１７５℃で１２０分の条件で、樹脂モールドした。
【００６５】
このようにして作製した半導体パワーモジュールを用いて構成したインバータ回路の動作試験、および、−４０〜１５０℃で１０００回のヒートサイクル試験ともに充分に満足できる結果を得ることができた。
【００６６】
ここで、インバータ回路の動作試験条件は、ＩＧＢＴチップおよびＦＷＤチップの各々６チップとシャント抵抗1つを搭載させた６００Ｖ・２０Ａ定格のモジュールにおいて、１２０％印加で３０分の運転を行なったものであり、その合否判定は、別の制御回路により、３相のアウトプットの電流・電圧が安定して取り出され、暴走や短絡がなく、かつ、運転時間中一定であるか否かで判断した。
【００６７】
〔実施例１０〕
実施例２において説明したのと同様の工程で作製した、リードフレームを接着した金属絶縁板の所定の位置に、エポキシ樹脂が主成分の半田フラックス入りの半田（アルファメタルズ社製ＡＰ４０００）をディスペンサーで所定量分だけ塗布し、その上に半導体素子を並べ、２２０℃で１０分間の条件でリフロー炉中で半田付けした。
【００６８】
その後、洗浄を行なうことなく、φ０．３ｍｍのアルミニウムワイヤーを所定位置にワイヤーボンディングし、最後にトランスファー成型機を使って１７５℃で１２０分の条件で樹脂モールドした。
【００６９】
このようにして作製した半導体パワーモジュールを用いて構成したインバータ回路の動作試験、および、−４０〜１５０℃で１０００回のヒートサイクル試験ともに充分に満足できる結果を得ることができた。
【００７０】
ここで、インバータ回路の動作試験条件は、ＩＧＢＴチップおよびＦＷＤチップの各々６チップとシャント抵抗1つを搭載させた６００Ｖ・２０Ａ定格のモジュールにおいて、１２０％印加で３０分の運転を行なったものであり、その合否判定は、別の制御回路により、３相のアウトプットの電流・電圧が安定して取り出され、暴走や短絡がなく、かつ、運転時間中一定であるか否かで判断した。
【００７１】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明によれば、半導体パワーモジュールの配線パターンおよび外部端子を構成しているリードフレームを、接着樹脂層を介して絶縁樹脂層上に固着させる構成としたので、従来の半導体パワーモジュールに比較して、放熱性に優れ、製造コストが低く、かつ、絶縁特性が良好な半導体パワーモジュールおよびその製造方法を提供することが可能となる。
【００７２】
また、ヒートシンクと絶縁樹脂層からなる金属絶縁板、接着樹脂層、および、予め素子を実装させたリードフレームを積層させた状態で、加圧加熱しながら樹脂モールドすることとしたので、樹脂モールド時にリードフレームが絶縁樹脂層上に接着樹脂層を介して固着するため、プレス接着の工程が不要となり製造コストが更に削減される。
【００７３】
また、ヒートシンクと絶縁樹脂層とからなる金属絶縁板に、予め接着樹脂層を形成することとしたので、大面積の金属絶縁板を製造することが可能となり、接着樹脂層を形成する際に接着シートのみを打抜く工程が不要となり、製造コストを更に削減することができる。
【００７４】
また、リードフレーム上の所定の位置に、板半田、半導体素子、制御素子を配置させて還元雰囲気中でパージし、その状態で所定の温度に維持することとしたので、半導体素子を制御する素子がリードフレーム上に半田付けされ、半田付け後の洗浄なしにワイヤーボンディングが可能となり、製造コストをさらに削減することができる。
【００７５】
また、リードフレーム上の所定の位置に、エポキシ樹脂が主成分の半田フラックス入りの半田を塗工し、半導体素子や制御素子を配置して、その状態で所定の温度に維持することとしたので、半導体素子および制御素子の半田付け後の洗浄なしにワイヤーボンディングが可能となり、製造コストをさらに削減することができる。
【００７６】
また、絶縁樹脂層の材料を、酸化珪素、酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素からなるフィラー群のうち１種類以上を含有するエポキシ樹脂としたので、絶縁樹脂層の熱伝導率が高くなり、放熱性を向上させることが可能となる。
【００７７】
また、絶縁樹脂層の厚みを５０〜１５０μｍとし、かつ、接着樹脂層の厚みを１０〜５０μｍとしたので、電気絶縁性、絶縁信頼性、および、熱抵抗率といった諸特性のバランスを望ましい状態に設定することが可能となる。
【００７８】
また、リードフレームの一部を、金属絶縁板の沿面と絶縁させるために段差を有するように屈曲させることとしたので、ヒートシンクの沿面との絶縁距離を大きくすることができて絶縁性を高めることが可能となり、更に、リードフレームの屈曲部をヒートシンクの端部からの寸法が２ｍｍ以上内側に入っており、ヒートシンク端部でのリードフレームの浮き上り寸法が１ｍｍ以上としたので、リードフレームの加工不良や電気絶縁不良を低減させることができる。
【００７９】
更に、モールド用樹脂の熱膨張率を、ヒートシンクの熱膨張率の８０〜１１０％と設定することとしたので、モールド後のクラックがなく、また、ヒートサイクルとパワーサイクルによる信頼性を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体パワーモジュールの構成例を説明するための図である。
【図２】本発明の半導体パワーモジュールの、第1の製造工程例を説明するためのフローチャートである。
【図３】本発明の半導体パワーモジュールの、リードフレーム形状を説明するための図である。
【図４】本発明の半導体パワーモジュールの、第２の製造工程例を説明するためのフローチャートである。
【図５】本発明の半導体パワーモジュールの、第３の製造工程例を説明するためのフローチャートである。
【図６】従来の半導体パワーモジュールの製造工程を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
１、３１ ヒートシンク
２、３２ 絶縁樹脂層
３、３３ 接着樹脂層
４、３４ リードフレーム
５、３５ 半田
６ 素子
７ ボンディングワイヤ
８、３６ モールド樹脂[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor power module and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor power module having excellent heat dissipation, low cost, and good electrical insulation characteristics, and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
A semiconductor power module is configured by mounting electronic components such as semiconductor elements on a circuit board. Conventionally, a circuit board has a metal base with higher heat dissipation than an insulating board such as ceramic. Substrates have been heavily used. This metal base substrate is configured by laminating an insulating layer made of an epoxy resin and a copper foil subjected to circuit patterning on a metal plate such as a copper plate or an aluminum plate.
[0003]
FIG. 6 is a flowchart for explaining a manufacturing process of a conventional general semiconductor power module. First, circuit patterning is performed on a copper foil of a metal base substrate (S601). Next, a heat spreader for heat diffusion composed of a copper chip or the like is prepared (S602), and the heat spreader is soldered on the metal base substrate (S603). Further, a semiconductor element is separately prepared (S604), and this semiconductor element is soldered on the metal base substrate to which the heat spreader is soldered (S605).
[0004]
The solder flux remaining on the metal base substrate after soldering is removed by cleaning (S606), and an aluminum wire or the like is bonded (S607). Next, a case frame with external terminals made of resin is prepared (S608), which is fitted around the periphery of the metal base substrate, and the bottom of the case frame and the entire periphery of the metal base substrate are fixed with an adhesive. (S609) Further, the terminal portion of the case frame is soldered to a predetermined position of the copper foil pattern on the metal base substrate (S610), and then washed (S611), and sealed with silicone gel or epoxy resin. Resin is prepared (S612), which is injected into a portion surrounded by the metal base substrate and the case frame (S613) and cured (S614). In this manner, a semiconductor power module with a case frame in which a semiconductor element is mounted on a metal base substrate is manufactured.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, recent semiconductor power modules are required to reduce the manufacturing cost and reduce the thermal resistance between the semiconductor element and the radiation fin.
[0006]
Among these, in order to reduce the manufacturing cost, it is necessary to reduce the number of components of the semiconductor power module and simplify the manufacturing method. However, in the conventional semiconductor power module, the metal base substrate and the resin are used. In order to make the case frame an indispensable constituent element, it is necessary to form a circuit pattern by etching the copper foil, or a case frame with a terminal attached in advance for connection to an external element. There was a limit to the reduction.
[0007]
In addition, in order to prevent the occurrence of voids and cracks that cause electrical insulation failure, a process for filling the case frame with sealing resin and curing it is required, which increases the time required for manufacturing. As a result, the throughput is lowered and the manufacturing cost is increased.
[0008]
In order to reduce the manufacturing cost of the semiconductor power module, a low cost semiconductor power module having a configuration in which an expensive metal base substrate and a case frame are not required by adopting a molding method such as transfer molding, or Japanese Patent Laid-Open No. 9-139461 As in the invention described in this publication, an insulating sealing resin is filled between the lead frame and the heat sink, and these are connected to each other while achieving electrical insulation between the lead frame and the heat sink. However, in the semiconductor power module described in Japanese Patent Laid-Open No. 9-139461, an insulating layer between the lead frame and the heat sink is formed of a sealing resin. Therefore, the thickness accuracy after forming the insulating layer is low, and the insulating layer thickness is sufficiently thin because it is necessary to ensure the sealing ability. Rukoto be difficult, not to obtain a semiconductor power module with corresponding characteristics to the needs of reducing the thermal resistance between the lead frame and the heat sink to improve the heat radiation property of the insulating layer.
[0009]
Most of the heat generated by the semiconductor elements provided in the power module is transferred to the copper foil or lead frame on which the elements are mounted, and then the insulating layer and metal plate (heat sink) are used as heat transfer paths. It reaches the heat dissipating heat radiating fin and is radiated to the surroundings. In this case, if the thermal resistance of the heat transfer path described above is large, the temperature of the semiconductor element rises and the element characteristics are deteriorated. It is increasingly important to reduce the thermal resistance of the heat transfer path.
[0010]
In order to solve such technical problems, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-196495 discloses an invention of a circuit board for a resin mold having a structure in which a lead frame is provided on a metal plate as a heat sink via an insulating layer. Has been. However, the insulating layer used here is required to be a material that is rich in electrical insulation and thermal conductivity while adhering the metal plate and the lead frame. There are limitations. Furthermore, since this insulating layer is formed by applying an epoxy resin containing inorganic powder on a metal plate or by press-bonding an insulating sheet in a B-stage state, the insulating layer obtained after the formation is formed. There is a problem that it is difficult to sufficiently ensure the uniformity of the layer thickness, and as a result, the thermal resistance value in the insulating layer becomes non-uniform.
[0011]
The present invention has been made in view of such problems. The object of the present invention is to provide a semiconductor power module that is low in cost, excellent in heat dissipation and insulation characteristics, and uniform in the surface. It is in providing the manufacturing method.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides a circuit board for a semiconductor power module, wherein one main surface of a plate-shaped metal heat sink is formed on one main surface. The thermal conductivity is 1.0 to 7.5 W / (m · K), A metal insulating plate comprising an insulating resin layer having a thickness of 50 to 150 μm and a lead frame provided on the insulating resin layer of the metal insulating plate, wherein the lead frame has a stepped bent portion The bent portion is located at least 2 mm inside from the end of the main surface of the heat sink, and the lead frame is bent at the end of the heat sink so that the floating dimension is 1 mm or more, and the metal The insulating plate and the lead frame are press-bonded via an adhesive resin layer having a thickness of 10 to 50 μm.
[0013]
According to a second aspect of the present invention, in the circuit board for a semiconductor power module according to the first aspect, the insulating resin layer is made of silicon oxide, aluminum oxide, silicon nitride, aluminum nitride, and boron nitride. It consists of an epoxy resin containing at least one kind of filler.
[0017]
[0018]
Claims 4 The invention described in
[0019]
Claims 5 The invention described in is a method for manufacturing a semiconductor power module, on one main surface of a plate-shaped metal heat sink, The thermal conductivity is 1.0 to 7.5 W / (m · K), Providing an insulating resin layer having a thickness of 50 to 150 μm to form a metal insulating plate; placing an adhesive sheet having a thickness of 10 to 50 μm on a desired location on the insulating resin layer; and Press laminating the metal insulating plate with the adhesive sheet placed on the insulating resin, soldering a semiconductor element to a desired position on a lead frame having a stepped bent portion, The lead frame on which the semiconductor element is soldered on an adhesive sheet The bent portion is located 2 mm or more inside from the end of the main surface of the heat sink, and the lead frame lifted at the end of the heat sink is 1 mm or more. A step of placing; a step of wire bonding the semiconductor element soldered on the lead frame to a desired position of the lead frame; the metal insulating plate; the adhesive sheet; and the lead frame. And the step of resin molding in a state where the lead frame is pressed, and the lead frame is press-bonded onto the insulating resin layer via the adhesive sheet.
[0021]
[0022]
Further claims 7 In the method for manufacturing a semiconductor power module according to claim 5, the soldering is performed by previously applying solder containing flux containing epoxy resin as a main component at a desired position on the lead frame. , Arranging the semiconductor element at a location where the solder is applied, fixing the semiconductor element on the lead frame at a predetermined temperature in a reducing atmosphere, and performing the wire bonding without cleaning after the soldering. Features.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0024]
[Example 1]
FIG. 1 is a diagram for explaining a configuration example of a semiconductor power module according to the present invention. A metal insulating plate in which an insulating
[0025]
Here, the insulating
[0026]
In the semiconductor power module having this structure, the entire module except for the lower surface of the heat sink 1 and a part of the external terminal portion of the lead frame 4 is molded with the
[0027]
[Example 2]
FIG. 2 is a flowchart for explaining a first manufacturing process example of the semiconductor power module according to the present invention. First, a thickness serving as a heat sink after sheet-molding an epoxy resin in which a silicon oxide filler is dispersed as an insulating resin layer. A metal insulating plate having an insulating resin layer thickness of 80 μm is manufactured by press lamination on a 2 mm aluminum plate (S201).
[0028]
Next, this metal insulating plate is punched into a size of 40 × 100 mm, and an adhesive sheet made of a B-stage epoxy resin in which a 40 × 100 mm silicon oxide filler is dispersed is stacked thereon (S202), Then, a lead frame processed into a predetermined circuit pattern shape is placed (S203). In this state, press bonding is performed by holding for 30 minutes under conditions of pressure of 4 MPa and temperature of 180 ° C. in a hot press molding machine (S204). At this time, the thickness of the adhesive resin layer is 20 μm.
[0029]
A solder paste containing flux is applied to a predetermined position of the circuit board thus prepared with a dispenser, and semiconductor elements are arranged on the dispenser (S205), and soldered at 220 ° C. for 10 minutes in a reflow oven. (S206), then, unnecessary flux is washed (S207), wire bonding is performed using an aluminum wire of φ0.3 mm, and an element is mounted (S208), and a mold resin is separately prepared (S209). Then, transfer molding is performed at 175 ° C. for 120 minutes using a transfer molding machine, and resin molding is performed (S210).
[0030]
The inverter circuit using the semiconductor power module thus produced was subjected to an operation test and a heat cycle test of 1000 times at -40 to 150 ° C., and the characteristics as a semiconductor power module were sufficiently satisfied. It was confirmed that
[0031]
Here, the operation test condition of the inverter circuit is that a module of 600V / 20A rating in which 6 chips each of IGBT chip and FWD chip and one shunt resistor are mounted is operated for 30 minutes by applying 120%. Whether or not to pass or fail is judged by whether or not the current and voltage of the three-phase output are stably taken out by another control circuit, are not runaway or short-circuited, and are constant during the operation time. did.
[0032]
Therefore, it can be seen that a semiconductor power module having practically sufficient characteristics can be obtained by setting the thermal conductivity of the insulating resin layer in the range of 1.0 to 7.5 W / (m · K).
[0033]
A semiconductor power module having the same characteristics was obtained by replacing the resin of the insulating resin layer with an epoxy resin instead of a polyimide resin or a fluororesin.
[0034]
Example 3
The filler contained in the insulating resin layer is a particularly important component in a semiconductor power module because it is related to the electrical insulation and thermal conductivity of the insulating resin layer, as well as the dielectric constant related to the induction of loss and noise. is there.
[0035]
Accordingly, an epoxy resin in which fillers of various materials are dispersed is sheet-molded to form an insulating resin layer, thereby producing a semiconductor power module. In addition, it produced with the manufacturing process similar to having demonstrated in Example 2 except the material of the filler contained in the epoxy resin of an insulating resin layer.
[0036]
As a result, in a semiconductor power module including an insulating resin layer made of an epoxy resin containing silicon oxide, aluminum oxide, silicon nitride, aluminum nitride, boron nitride, or a mixture thereof, an operation test in an inverter circuit, and −40 Sufficiently satisfactory results were obtained with 1000 heat cycle tests at ˜150 ° C.
[0037]
Here, the operation test condition of the inverter circuit is that the module is a 600V / 20A rated module in which 6 chips each of IGBT chip and FWD chip and one shunt resistor are mounted, and the operation is performed for 30 minutes by applying 120%. Whether or not to pass or fail is judged by whether or not the current and voltage of the three-phase output are stably taken out by another control circuit, are not runaway or short-circuited, and are constant during the operation time. did.
[0038]
Example 4
The influence of the thickness of the insulating resin layer and the adhesive resin layer on the semiconductor power module of the present invention was examined. In addition, it produced by the manufacturing process similar to what was demonstrated in Example 2 except the thickness of the insulating resin layer and the adhesive resin layer.
[0039]
Table 1 summarizes the characteristics of the semiconductor power module manufactured by changing the insulating resin layer thickness in the range of 25 to 200 μm and the adhesive resin layer thickness in the range of 5 to 100 μm.
[0040]
[Table 1]
As can be seen from this table, in the semiconductor power module in which the thickness of the insulating resin layer is 50 to 150 μm and the thickness of the adhesive resin layer is 10 to 50 μm, the operation test in the inverter circuit, and −40 to 40 Sufficiently satisfactory results were obtained with 1000 heat cycle tests at 150 ° C.
[0042]
Here, the operation test conditions of the inverter circuit were those in which a 600V / 20A rated module in which 6 chips each of IGBT chip and FWD chip and one shunt resistor were mounted was operated for 30 minutes with 120% applied. Yes, the pass / fail judgment is based on whether the current and voltage of the three-phase output is stably taken out by another control circuit, and there is no runaway or short circuit and is constant during the operation time. .
[0043]
Example 5
The shape of the lead frame included in the semiconductor power module of the present invention was examined. The manufacturing process was the same as that described in Example 2 except for the shape of the lead frame.
[0044]
FIG. 3 is a view for explaining the shape of the lead frame provided in the semiconductor power module of the present invention, showing a state in the vicinity of the external terminal portion of the semiconductor power module having the structure shown in FIG. A metal insulating plate provided with an insulating
[0045]
The
[0046]
Table 2 summarizes the characteristics of the semiconductor power module of the present invention including lead frames 34 having various shapes with the distance a and the distance b as parameters.
[0047]
[Table 2]
As can be seen from this table, the position of the bent portion of the
[0049]
Example 6
The effect of the mold resin and the heat sink member constituting the semiconductor power module of the present invention on the characteristics of the semiconductor power module was examined.
[0050]
Table 3 shows that the semiconductor power module of the present invention is configured by using a mold resin and a heat sink member having different thermal expansion coefficients, and a module failure occurs due to stress breakdown of the resin layer due to the difference in thermal expansion coefficient between these materials. This is a summary of the test results. In addition, it produced with the manufacturing process similar to what was demonstrated in Example 2 except mold resin and a heat sink member.
[0051]
[Table 3]
As can be seen from this table, if the material is selected so that the thermal expansion coefficient of the mold resin is 60 to 110% of the thermal expansion coefficient of the heat sink material, cracks after molding and defects after the heat cycle test have not occurred. Furthermore, sufficiently satisfactory results were obtained for both the operation test in the inverter circuit and the 1000 heat cycle tests at -40 to 150 ° C.
[0053]
Here, the operation test conditions of the inverter circuit were those in which a 600V / 20A rated module in which 6 chips each of IGBT chip and FWD chip and one shunt resistor were mounted was operated for 30 minutes with 120% applied. Yes, the pass / fail judgment is based on whether the current and voltage of the three-phase output is stably taken out by another control circuit, and there is no runaway or short circuit and is constant during the operation time. .
[0054]
Example 7
FIG. 4 is a flowchart for explaining a second example of the manufacturing process of the semiconductor power module of the present invention. First, an epoxy resin in which a silicon oxide filler is dispersed is formed into a sheet and is 1000 × 1000 × 2 mm. 3 A metal insulating plate having an insulating resin layer thickness of 80 μm is manufactured by press lamination on an aluminum plate of 40 × 100 mm. 2 (S401). An adhesive sheet made of B-stage epoxy resin in which a silicon oxide filler is dispersed is also 40 × 100 mm. 2 (S402).
[0055]
Separately, a lead frame processed into a predetermined circuit pattern is prepared (S403), cream solder containing flux is applied to a predetermined position of the circuit board with a dispenser, and semiconductor elements are arranged on the lead (S404) at 220 ° C. In the reflow furnace, soldering is performed for 10 minutes (S405). Thereafter, unnecessary flux is washed (S406), and an aluminum wire of φ0.3 mm is wire-bonded at a predetermined position (S407) and mounted.
[0056]
Further, a mold resin is prepared (S408), an adhesive sheet and a mounted lead frame are laminated on a metal insulating plate, set in a transfer molding die, and 175 ° C. while pressing the lead frame using a transfer molding machine. The transfer molding is executed under the condition of 120 minutes (S409). In this transfer molding process, adhesion of the lead frame onto the metal insulating plate and resin molding are simultaneously performed.
[0057]
The operation test of the inverter circuit configured using the semiconductor power module thus manufactured and the heat cycle test of 1000 times at −40 to 150 ° C. were sufficiently satisfactory.
[0058]
Here, the operation test conditions of the inverter circuit were those in which a 600V / 20A rated module in which 6 chips each of IGBT chip and FWD chip and one shunt resistor were mounted was operated for 30 minutes with 120% applied. Yes, the pass / fail judgment was made based on whether or not the current / voltage of the three-phase output was stably taken out by another control circuit, and there was no runaway or short circuit and was constant during the operation time.
[0059]
Example 8
FIG. 5 is a flowchart for explaining a third manufacturing process of the semiconductor power module of the present invention. First, an epoxy resin in which a silicon oxide filler is dispersed is formed into a sheet, and 1000 × 1000 × 2 mm. 3 A metal insulating plate having an insulating resin layer thickness of 80 μm is manufactured by press lamination on the aluminum plate, and an adhesive sheet made of an uncured epoxy resin in which a silicon oxide filler is dispersed is press-molded on the metal insulating plate. (S501), this large-area metal insulating plate with an adhesive sheet is 40 × 100 mm 2 (S502). Separately, a lead frame processed into a predetermined circuit pattern is prepared (S503), cream solder containing flux is applied to a predetermined position of the circuit board with a dispenser, and semiconductor elements are arranged on it (S504), 220 ° C. In the reflow furnace, soldering is performed for 10 minutes (S505). Thereafter, unnecessary flux is washed (S506), and an aluminum wire of φ0.3 mm is wire-bonded at a predetermined position (S507) and mounted.
[0060]
Next, a lead frame having an element mounted on a metal insulating plate with an adhesive sheet is laminated in a transfer molding die (S508), and a mold resin is separately prepared (S509). The adhesive sheet and the mounting are mounted on the metal insulating plate. The lead frames thus laminated are stacked and set in a transfer molding die, and transfer molding is performed using a transfer molding machine at 175 ° C. for 120 minutes while pressing the lead frame (S510). In this transfer molding process, adhesion of the lead frame onto the metal insulating plate and resin molding are simultaneously performed.
[0061]
The operation test of the inverter circuit configured using the semiconductor power module thus manufactured and the heat cycle test of 1000 times at −40 to 150 ° C. were sufficiently satisfactory.
[0062]
Here, the operation test conditions of the inverter circuit were those in which a 600V / 20A rated module in which 6 chips each of IGBT chip and FWD chip and one shunt resistor were mounted was operated for 30 minutes with 120% applied. Yes, the pass / fail judgment was made based on whether or not the current / voltage of the three-phase output was stably taken out by another control circuit, and there was no runaway or short circuit and was constant during the operation time.
[0063]
Example 9
A solder sheet and a semiconductor element which do not contain flux and are punched in a predetermined shape are arranged at predetermined positions on a metal insulating plate to which a lead frame is bonded, which are manufactured in the same process as described in Example 2, and hydrogen The sample was purged in a reducing atmosphere of a mixed gas of nitrogen and nitrogen, and soldered by holding at 275 ° C. for 10 minutes in a heat treatment furnace in a reducing atmosphere.
[0064]
Thereafter, an aluminum wire having a diameter of φ0.3 mm was wire-bonded at a predetermined position without cleaning, and finally, resin molding was performed at 175 ° C. for 120 minutes using a transfer molding machine.
[0065]
The operation test of the inverter circuit configured using the semiconductor power module thus manufactured and the heat cycle test of 1000 times at −40 to 150 ° C. were sufficiently satisfactory.
[0066]
Here, the operation test conditions of the inverter circuit were those in which a 600V / 20A rated module in which 6 chips each of IGBT chip and FWD chip and one shunt resistor were mounted was operated for 30 minutes with 120% applied. Yes, the pass / fail judgment was made based on whether or not the current / voltage of the three-phase output was stably taken out by another control circuit, and there was no runaway or short circuit and was constant during the operation time.
[0067]
Example 10
Solder containing solder flux (AP4000 manufactured by Alpha Metals Co., Ltd.) containing epoxy resin as a main component is applied to a predetermined position of a metal insulating plate to which a lead frame is bonded, manufactured in the same process as described in Example 2 with a dispenser. A predetermined amount was applied, semiconductor elements were arranged thereon, and soldered in a reflow furnace at 220 ° C. for 10 minutes.
[0068]
Thereafter, an aluminum wire having a diameter of 0.3 mm was wire-bonded at a predetermined position without cleaning, and finally, resin molding was performed at 175 ° C. for 120 minutes using a transfer molding machine.
[0069]
The operation test of the inverter circuit configured using the semiconductor power module thus manufactured and the heat cycle test of 1000 times at −40 to 150 ° C. were sufficiently satisfactory.
[0070]
Here, the operation test conditions of the inverter circuit were those in which a 600V / 20A rated module in which 6 chips each of IGBT chip and FWD chip and one shunt resistor were mounted was operated for 30 minutes with 120% applied. Yes, the pass / fail judgment was made based on whether or not the current / voltage of the three-phase output was stably taken out by another control circuit, and there was no runaway or short circuit and was constant during the operation time.
[0071]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since the lead frame constituting the wiring pattern of the semiconductor power module and the external terminal is fixed on the insulating resin layer via the adhesive resin layer, It is possible to provide a semiconductor power module excellent in heat dissipation, low in manufacturing cost, and having good insulation characteristics and a method for manufacturing the same as compared with the semiconductor power module.
[0072]
In addition, since the metal insulating plate composed of the heat sink and the insulating resin layer, the adhesive resin layer, and the lead frame on which the element is mounted in advance are laminated, the resin mold is performed while heating with pressure. Since the lead frame is fixed on the insulating resin layer via the adhesive resin layer, the press bonding step is not required, and the manufacturing cost is further reduced.
[0073]
In addition, since the adhesive resin layer is formed in advance on the metal insulating plate composed of the heat sink and the insulating resin layer, it becomes possible to manufacture a large-area metal insulating plate, and the adhesive resin layer is bonded when the adhesive resin layer is formed. The process of punching only the sheet is not necessary, and the manufacturing cost can be further reduced.
[0074]
In addition, since the sheet solder, the semiconductor element, and the control element are arranged at a predetermined position on the lead frame and purged in a reducing atmosphere and maintained at a predetermined temperature in this state, the element that controls the semiconductor element Is soldered onto the lead frame, wire bonding is possible without cleaning after soldering, and manufacturing costs can be further reduced.
[0075]
In addition, it was decided to apply solder containing epoxy resin as the main component of solder flux to a predetermined position on the lead frame, and to arrange a semiconductor element and a control element, and to maintain that temperature at a predetermined temperature. In addition, wire bonding is possible without cleaning after soldering the semiconductor element and the control element, and the manufacturing cost can be further reduced.
[0076]
Moreover, since the material of the insulating resin layer is an epoxy resin containing one or more of the filler group consisting of silicon oxide, aluminum oxide, silicon nitride, aluminum nitride, and boron nitride, the thermal conductivity of the insulating resin layer is high. Thus, heat dissipation can be improved.
[0077]
In addition, since the thickness of the insulating resin layer is set to 50 to 150 μm and the thickness of the adhesive resin layer is set to 10 to 50 μm, the balance of various characteristics such as electrical insulation, insulation reliability, and thermal resistivity is desired. It becomes possible to set.
[0078]
In addition, since a part of the lead frame is bent so as to have a step to insulate it from the creeping surface of the metal insulating plate, it is possible to increase the insulation distance from the creeping surface of the heat sink and improve the insulation. In addition, the lead frame bends from the end of the heat sink at least 2mm inside the bent part of the lead frame, and the lead frame floating dimension at the end of the heat sink is set to 1 mm or more. Defects and electrical insulation defects can be reduced.
[0079]
Furthermore, since the thermal expansion coefficient of the mold resin is set to 80 to 110% of the thermal expansion coefficient of the heat sink, there is no crack after molding, and the reliability by heat cycle and power cycle is improved. Is possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram for explaining a configuration example of a semiconductor power module of the present invention.
FIG. 2 is a flowchart for explaining a first manufacturing process example of the semiconductor power module of the present invention;
FIG. 3 is a view for explaining a lead frame shape of the semiconductor power module of the present invention.
FIG. 4 is a flowchart for explaining a second manufacturing process example of the semiconductor power module of the present invention;
FIG. 5 is a flowchart for explaining a third manufacturing process example of the semiconductor power module of the present invention;
FIG. 6 is a flowchart for explaining a manufacturing process of a conventional semiconductor power module.
[Explanation of symbols]
1,31 Heat sink
2, 32 Insulating resin layer
3, 33 Adhesive resin layer
4, 34 Lead frame
5, 35 Solder
6 elements
7 Bonding wire
8, 36 Mold resin
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