特許 6065581 パワー半導体モジュールおよびその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6065581

(24)【登録日】2017年1月6日

(45)【発行日】2017年1月25日

(54)【発明の名称】パワー半導体モジュールおよびその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 25/07 20060101AFI20170116BHJP

   H01L 25/18 20060101ALI20170116BHJP

   H01L 21/56 20060101ALI20170116BHJP

【ＦＩ】

   H01L25/04 C

   H01L21/56 T

【請求項の数】2

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2012-282419(P2012-282419)

(22)【出願日】2012年12月26日

(65)【公開番号】特開2014-127561(P2014-127561A)

(43)【公開日】2014年7月7日

【審査請求日】2015年11月5日

(73)【特許権者】

【識別番号】000106276

【氏名又は名称】サンケン電気株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100083806

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 秀和

(74)【代理人】

【識別番号】100100712

【弁理士】

【氏名又は名称】岩▲崎▼ 幸邦

(74)【代理人】

【識別番号】100101247

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 俊一

(74)【代理人】

【識別番号】100095500

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 正和

(74)【代理人】

【識別番号】100098327

【弁理士】

【氏名又は名称】高松 俊雄

(72)【発明者】

【氏名】吉崎 茂雄

【審査官】 秋山 直人

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第９８／０２４１２２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許第０６００２１６６（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２９６８１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１６６６９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２４９３６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−２３６５６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０１−１８３１２９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２５／０７

Ｈ０１Ｌ ２１／５６

Ｈ０１Ｌ ２５／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板上の所定位置に配置されたパワー素子と、
前記パワー素子と前記パワー素子に電力を供給する電力供給部とを接続するアルミワイヤと、
前記基板上の所定位置に配置された制御ＩＣと、
前記制御ＩＣと前記基板のリードとを接続する金ワイヤと、
を封止樹脂内に備え、
前記アルミワイヤの配置位置が、前記封止樹脂を形成するために注入した樹脂の流動を前記金ワイヤに対してブロックする位置にされており、
前記アルミワイヤが、前記制御ＩＣに近い前記パワー素子の側部の角部のうち前記流動の上流側のＩＣ側上流角部に接続された第１アルミワイヤと、前記ＩＣ側上流角部に対して対角となる対角側角部に接続された第２アルミワイヤと、で構成され、
前記封止樹脂を形成するために注入した樹脂が、前記ＩＣ側上流角部で前記第１アルミワイヤに当たって前記対角側角部に向けて流れることを特徴とするパワー半導体モジュール。

【請求項2】

前記第１アルミワイヤの長さが、前記第２アルミワイヤに比べて長いことを特徴とする請求項１記載のパワー半導体モジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、パワー素子および制御ＩＣを封止樹脂内に有するパワー半導体モジュールおよびその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

パワー素子および制御ＩＣを樹脂封止してなるパワー半導体モジュール（パワーモジュール）が広く知られている。

【0003】

パワー半導体モジュールでは、パワー素子とリードとの接続を太径のワイヤ（アルミワイヤ）で配線し、制御ＩＣとリードとの接続を細径のワイヤ（金ワイヤ）で配線し、これらを樹脂封止している（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許３３３８０６３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかし、従来では、パワー素子および制御ＩＣを樹脂で封止する際、流動樹脂によって細径の金ワイヤに変形が生じると、金ワイヤ同士の短絡などの不具合が生じる懸念がある。

【0006】

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、制御ＩＣに接続された金ワイヤの変形を抑えることができるパワー半導体モジュールおよびその製造方法を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するために、本発明に係るパワー半導体モジュールは、基板上の所定位置に配置されたパワー素子と、前記パワー素子と前記パワー素子に電力を供給する電力供給部とを接続するアルミワイヤと、前記基板上の所定位置に配置された制御ＩＣと、前記制御ＩＣと前記基板のリードとを接続する金ワイヤと、を封止樹脂内に備え、前記アルミワイヤの配置位置が、前記封止樹脂を形成するために注入した樹脂の流動を前記金ワイヤに対してブロックする位置にされていることを特徴とする。

【0008】

また、本発明に係るパワー半導体モジュールの製造方法は、基板上にパワー素子と制御ＩＣとを配置して樹脂封止するパワー半導体モジュールの製造方法であって、前記パワー素子と前記制御ＩＣとを前記基板上の所定位置にそれぞれ配置する素子配置工程と、前記制御ＩＣと前記基板のリードとを金ワイヤで接続するとともに、前記パワー素子と前記パワー素子に電力を供給する電力供給部とをアルミワイヤで接続するワイヤ接続工程と、前記パワー素子、前記制御ＩＣ、前記アルミワイヤ、および、前記金ワイヤを樹脂封止する封止工程と、を備え、前記ワイヤ接続工程では、前記アルミワイヤの配置位置を、樹脂封止するために注入した樹脂の流動を前記金ワイヤに対してブロックする位置とすることを特徴とする。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、制御ＩＣに接続された金ワイヤの変形を抑えることができるパワー半導体モジュールおよびその製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、本発明の一実施形態のパワー半導体モジュールの平面図、側面図（第１側面図）、背面図、および、リード突出側の側面図（第２側面図）である（図１（ｃ）では、簡明化のため、封止樹脂から突出したリードを省略して描いている）。

【図2】第１実施形態で、樹脂封止する際にゲートからキャビティ内（金型内）に流動樹脂を注入することを説明する模式的な平面図である。

【図3】第１実施形態で、樹脂封止する際にゲートからキャビティ内（金型内）に流動樹脂を注入することを説明する模式的な側面図である（簡明化のため、第２アルミワイヤの描画を省略している）。

【図4】第１実施形態で、パワー半導体モジュールの変形例を説明する模式的な平面図である。

【図5】第１実施形態で、パワー半導体モジュールの変形例を説明する模式的な平面図である。

【図6】第２実施形態で、樹脂封止する際にゲートからキャビティ内（金型内）に流動樹脂を注入することを説明する模式的な平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、すでに説明したものと同一または類似の構成要素には同一または類似の符号を付し、その詳細な説明を適宜省略している。

【0012】

また、図面は模式的なものであり、寸法比などは現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な寸法比などは以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。

【0013】

また、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための例示であって、この発明の実施の形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものではない。この発明の実施の形態は、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できる。

【0014】

［第１実施形態］
まず、第１実施形態について説明する。図１（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、本実施形態のパワー半導体モジュールの平面図、側面図（第１側面図）、背面図、および、リード突出側の側面図（第２側面図）である。図２は、本実施形態で、樹脂封止する際にゲートからキャビティ内（金型内）に流動樹脂を注入することを説明する模式的な平面図である。図３は、本実施形態で、樹脂封止する際にゲートからキャビティ内（金型内）に流動樹脂を注入することを説明する模式的な側面図である。

【0015】

本実施形態のパワー半導体モジュール１０では、封止樹脂１２からリード１４ａ〜ｆが突出している。そして、基板１６上の所定位置に配置されたパワー素子１８（ＭＯＳ、ＩＧＢＴなど）と、パワー素子１８とリード１４ａとを接続する第１アルミワイヤ２０ｐおよび第２アルミワイヤ２０ｑと、基板１６上の所定位置に配置された制御ＩＣ（制御素子）２２と、制御ＩＣ２２とリード１４ｃ〜ｆとをそれぞれ接続する金ワイヤ２４ｃ〜ｆと、を封止樹脂１２内に備えている。また、制御ＩＣ２２とパワー素子１８とがゲートワイヤ２６で接続されている。制御ＩＣ２２は電気絶縁性の樹脂で基板上に接着されており、パワー素子１８ははんだ付けで基板１６に実装されている。

【0016】

本実施形態では、アルミワイヤはパワー素子１８への電力供給用に２本配置されている。そして、パワー素子１８の電極１８ｕ面における第１アルミワイヤ２０ｐの配置位置は、封止樹脂１２を形成するために注入した樹脂の流動を金ワイヤ２４に対してブロックする位置にされている。具体的に説明すると、パワー素子１８における制御ＩＣ２２に近い側部１８ｓの角部のうち上記流動の上流側となるＩＣ側上流角部１８ｋに接続された第１アルミワイヤ２０ｐと、ＩＣ側上流角部１８ｋに対して対角となる対角側角部１８ｊに接続された第２アルミワイヤ２０ｑと、が設けられている。そして、封止樹脂１２を形成するために注入した樹脂が、パワー素子１８のＩＣ側上流角部１８ｋで第１アルミワイヤ２０ｐに当たってパワー素子１８の対角側角部１８ｊに向けて流動することで、流動樹脂がゲートＧ１から金ワイヤ２４に直接に到達して金ワイヤ２４を変形させることは回避される構造になっている。パワー素子１８および制御ＩＣ２２の上記所定位置は、このような回避がなされるように配慮して設定された位置である。なお、本明細書では、「パワー素子の角部」の領域（範囲）は、パワー素子を角部毎に等分した各領域（例えば、パワー素子が平面視で長方形状なら、各角部をそれぞれ含む四等分した各領域）をいう。

【0017】

図３に示すように、第１アルミワイヤ２０ｐは、ＩＣ側上流角部１８ｋに、パワー素子１８の電極１８ｕ面（図示せず）に平行な接続部２０ｐ１で接続されている。そして、第１アルミワイヤ２０ｐは、接続部２０ｐ１から斜め上方向（基板表面から離れる方向）に曲げられて延び出し、水平方向（基板表面に平行な方向）に向くように曲げられ、更に斜め下方向（基板表面に近づく方向）に曲げられ、リード１４ａに平行な接続部２０ｐ２でリード１４ａに接続されている。第２アルミワイヤ２０ｑも同様である。

【0018】

そして、本実施形態では、ＩＣ側上流角部１８ｋとリード１４ａとの距離が、対角側角部１８ｊとリード１４ａとの距離よりも長いため、第１アルミワイヤ２０ｐの長さが、第２アルミワイヤ２０ｑに比べて長い。

【0019】

ゲートワイヤ２６および金ワイヤ２４は第１アルミワイヤ２０ｐや第２アルミワイヤ２０ｑに比べて細い。一例としては、第１アルミワイヤ２０ｐや第２アルミワイヤ２０ｑの径は何れも３００〜５００μｍの範囲であり、金ワイヤ２４ｃ〜ｆの径は何れも３０〜５０μｍの範囲である。

【0020】

（作用、効果）
以下、本実施形態の作用、効果について説明する。図３に示すように、本実施形態では、キャビティ内で流動樹脂が効果的に押し上げられるように、ゲートＧ１の高さ位置は、第１アルミワイヤ２０ｐの接続部２０ｐ１の高さ位置ｈ以下とされている。

【0021】

パワー半導体モジュール１０を製造するには、まず、パワー素子１８と制御ＩＣ２２とを基板１６上の所定位置にそれぞれ配置する素子配置工程を行う。本実施形態では、図２に示すように、樹脂封止する際に用いる金型のゲートＧ１は、キャビティの角部に開口している。本実施形態では、パワー素子１８および制御ＩＣ２２を基板１６上に配置する際、基板１６を金型内に配置したときにゲートＧ１に近い側となる所定位置にパワー素子１８を配置し、基板１６を金型内に配置したときにゲートＧ１からパワー素子１８を越えた位置となる所定位置に制御ＩＣ２２を配置する。

【0022】

次に、制御ＩＣ２２とリード１４ｃ〜ｆとをそれぞれ金ワイヤ２４ｃ〜ｆで接続するとともに、パワー素子１８とリード１４ａとを第１アルミワイヤ２０ｐおよび第２アルミワイヤ２０ｑで接続するワイヤ接続工程を行う。このワイヤ接続工程では、第１アルミワイヤ２０ｐおよび第２アルミワイヤ２０ｑの配置位置を、樹脂封止するために注入した樹脂の流動を金ワイヤ２４に対してブロックする位置とする。具体的には、第１アルミワイヤ２０ｐをパワー素子１８のＩＣ側上流角部１８ｋに接続し、第２アルミワイヤ２０ｑをパワー素子１８の対角側角部１８ｊに接続する。また、制御ＩＣ２２とパワー素子１８とをゲートワイヤ２６で接続する。

【0023】

その後、金型内に基板１６をセットし、樹脂注入してパワー素子１８および制御ＩＣ２２を樹脂封止する封止工程を行う。

【0024】

この封止工程では、ゲートＧ１から注入された流動性の樹脂は、キャビティ内でＩＣ側上流角部１８ｋに到達しても、そのまま直接に金ワイヤ２４（特に金ワイヤ２４ｃ）に向けて流れることは第１アルミワイヤ２０ｐによって防止され、対角側角部１８ｊに向けて流れるように流動方向が変更される。従って、金ワイヤ２４が流動樹脂によって変形していわゆるつぶれが生じることを、部品点数を増やすことなく効果的に防止することができる。

【0025】

ここで、図２に示すように、第１アルミワイヤ２０ｐのゲート側の端部である接続部２０ｐ１に到達した流動樹脂は、矢印Ｄに示すように、ゲートワイヤ２６により制御ＩＣ２２のゲート側の縁部２２ｔに案内される。そして、リード１４ｃ〜ｆに向けて流れ、金ワイヤ２４ｃ〜ｆの周囲では金ワイヤ２４ｃ〜ｆにほぼ沿った方向に流れる。従って、従来のように流動樹脂が金ワイヤ２４ｃ〜ｆ（特に金ワイヤ２４ｃ）に側方から直接に当たることが回避されている。

【0026】

また、第１アルミワイヤ２０ｐがＩＣ側上流角部１８ｋに接続され、第２アルミワイヤ２０ｑが対角側角部１８ｊに接続されているので、このような流動方向の変更を第１アルミワイヤ２０ｐによって効率的に行うことができている。

【0027】

また、第１アルミワイヤ２０ｐの長さは第２アルミワイヤ２０ｑよりも長い。従って、第１アルミワイヤ２０ｐと第２アルミワイヤ２０ｑの線径が同じであっても、第１アルミワイヤ２０ｐの電気抵抗が第２アルミワイヤ２０ｑよりも大きいので、第１アルミワイヤ２０ｐに流れる電流は第２アルミワイヤ２０ｑに流れる電流よりも少ない。よって、第１アルミワイヤ２０ｐが接続されているＩＣ側上流角部１８ｋで温度が上昇することを抑えることができるので、パワー素子１８の発熱による制御ＩＣ２２の温度上昇を抑えることができる。

【0028】

また、電極１８ｕ面上で第１アルミワイヤ２０ｐの接続位置と第２アルミワイヤ２０ｑの接続位置とが効率良く離れているので、パワー半導体モジュール１０の使用時に、パワー素子１８に局部的に電流集中が生じることを効率良く防止でき、パワー素子１８での電流のＯＮ抵抗（入力抵抗）を効果的に抑えることができる。

【0029】

なお、図４に示すように、制御ＩＣ２２のゲート側の縁部２２ｔの流動樹脂に対する上流側に、流動樹脂の流入を防止するブロック材２８を配置してもよい。これにより、金ワイヤ２４のつぶれ防止を更に効果的に行うことができる。ブロック材２８としては、ダミー用のアルミワイヤであってもよい。

【0030】

また、パワー半導体モジュール１０は、パワー半導体モジュール１０の裏面側にパワー素子１８を露出させるように封止樹脂１２で封止したハーフモールドのモジュールであってもよいし、パワー素子１８を封止樹脂１２内に内包したフルモールドのモジュールであってもよい。

【0031】

また、図５に示すように、第２アルミワイヤ２０ｑの端部であってパワー素子１８の電極１８ｕ面との接続部２０ｑ１の側に延長部３０を設けることで、ゲートＧ１から注入された流動樹脂が、制御ＩＣ２２のゲート側の縁部２２ｔに案内される構成にしてもよい。これにより、本実施形態と同様、流動樹脂が金ワイヤ２４ｃ〜ｆ（特に金ワイヤ２４ｃ）に側方から直接に当たることが回避されるので、金ワイヤ２４が流動樹脂によって変形していわゆるつぶれが生じることが防止される。この場合、第１アルミワイヤ２０ｐがＩＣ側上流角部１８ｋにまで延びていない構成にしてもよい。

【0032】

［第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明する。図６は、本実施形態で、樹脂封止する際にゲートからキャビティ内（金型内）に流動樹脂を注入することを説明する模式的な平面図である。

【0033】

本実施形態のパワー半導体モジュールでは、封止樹脂４２から突出するリード４４ａ〜ｆを備えている。そして、基板４６上の所定位置に配置されたパワー素子４８（ＭＯＳ、ＩＧＢＴなど）と、パワー素子４８の電極（図示せず）と基板４６上の配線４９とを接続するアルミワイヤ５０と、基板４６上の所定位置に配置された制御ＩＣ（制御素子）５２と、制御ＩＣ５２とリード４４ａ〜ｅとをそれぞれ接続する金ワイヤ５４ａ〜ｅと、を封止樹脂４２内に備えている。また、制御ＩＣ５２とパワー素子４８とが複数本の金ワイヤ５６ａ〜ｄで接続されている。

【0034】

パワー素子４８は第１実施形態のパワー素子１８と同等の性能を有しており、制御ＩＣ５２は第１実施形態の制御ＩＣ２２と同等の性能を有する。アルミワイヤ５０は、第１アルミワイヤ２０ｐや第２アルミワイヤ２０ｑと同様、パワー素子４８への接続部５０ｐ１から斜め上方向に曲げられて延び出し、水平方向に向くように曲げられ、更に斜め下方向に曲げられ、配線４９に平行なように曲げられてなる接続部５０ｐ２で配線４９に接続されている。

【0035】

アルミワイヤ５０の配置位置は、封止樹脂４２を形成するために注入した樹脂の流動を金ワイヤ５４、５６に対してブロックする位置にされている。具体的には、流動樹脂に対し、金ワイヤ５４、５６の上流側にアルミワイヤ５０が位置することにより、ゲートＧ２からの流動樹脂が金ワイヤ５４、５６に直接に到達して金ワイヤ５４、５６を変形させることは回避される構造になっている。パワー素子４８および制御ＩＣ５２の上記所定位置は、このような回避がなされるように配慮して設定された位置である。

【0036】

（作用、効果）
以下、本実施形態の作用、効果を説明する。本実施形態では、樹脂封止する際に用いる金型のゲートＧ２は、流動樹脂にとって上流端側の金型壁の中央位置に開口している。本実施形態では、パワー素子４８および制御ＩＣ５２を基板４６上に配置する際、基板４６を金型内に配置したときにゲートＧ２に近い側となる所定位置にパワー素子１８を配置し、基板４６を金型内に配置したときにゲートＧ２からパワー素子１８を越えた位置となる所定位置に制御ＩＣ２２を配置する。

【0037】

次に、制御ＩＣ５２とリード４４ａ〜ｅとをそれぞれ金ワイヤ５４ａ〜ｅで接続するとともに、パワー素子４８と配線４９とをアルミワイヤ５０で接続するワイヤ接続工程を行う。このワイヤ接続工程では、上述したように、アルミワイヤ５０の配置位置を、樹脂封止するために注入した樹脂の流動を金ワイヤ５４、５６に対してブロックする位置とする。

【0038】

その後、金型内に基板４６をセットし、樹脂注入して、パワー素子４８、アルミワイヤ５０、制御ＩＣ５２、金ワイヤ５４、５６、および、配線４９を樹脂封止する封止工程を行う。

【0039】

この封止工程では、ゲートＧ２から注入された流動性の樹脂は、キャビティ内で制御ＩＣ５２上に到達しても、そのまま直接に金ワイヤ５４、５６に向けて流れることはアルミワイヤ５０によって防止され、アルミワイヤ５０の両端部まで回り込んでから流れるように流動方向が変更される。従って、金ワイヤ５４、５６が流動樹脂によって変形していわゆるつぶれが生じることは、大きく防止される。

【産業上の利用可能性】

【0040】

以上のように、本発明に係るパワー半導体モジュールおよびその製造方法では、アルミワイヤの配置位置が、封止樹脂を形成するために注入した樹脂の流動を金ワイヤに対してブロックする位置にされているので、制御ＩＣに接続された金ワイヤの変形を抑えることができるパワー半導体モジュールおよびその製造方法として用いるのに好適である。

【符号の説明】

【0041】

１０ パワー半導体モジュール
１２ 封止樹脂
１４ａ リード（電力供給部）
１４ｃ〜ｆ リード
１６ 基板
１８ パワー素子
２０ｐ 第１アルミワイヤ
２０ｑ 第２アルミワイヤ
２２ 制御ＩＣ
２４ｃ〜ｆ 金ワイヤ
１８ｓ 側部
１８ｋ ＩＣ側上流角部
１８ｊ 対角側角部
４２ 封止樹脂
４６ 基板
４８ パワー素子
４９ 配線
５０ アルミワイヤ
５２ 制御ＩＣ
５４ａ〜ｅ 金ワイヤ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】