JPH077106A - 混成集積回路装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 エポキシ樹脂充填構造で基板の反がない混成
集積回路装置を提供する。 【構成】 金属基板（１）上に絶縁層（２）を介して導
電路（３）が形成され、その導電路（３）上に熱伝導性
の優れたヒートシンク（１０）を介してパワー半導体素
子（４）が固着接続され、ケース材（５）を挾んで金属
基板（１）に対向し、且つ、その基板の熱膨張温度係数
と略同一の熱膨張温度係数を有した補正用基板（７）が
配置された混成集積回路装置であって、金属基板（１）
と補正用基板（７）間に形成された空間内に充填された
熱硬化性樹脂（６）で両基板（１）（７）およびケース
材（５）を固着する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は混成集積回路装置に関
し、特に集積回路基板上に実装した回路素子領域を熱硬
化性樹脂で被覆する混成集積回路装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、外部環境化あるいは耐湿（水）性
が要求される場合には、シリコンゲルを充填したシリコ
ンゲル充填型の混成集積回路装置が用いられる。図３を
参照して従来の一般的なシリコンゲル充填型の混成集積
回路装置を説明する。従来の混成集積回路装置は、図３
に示すように、略箱形状のケース材（６０）、外部リー
ド（８０）、集積回路素子（８２）等を固着、搭載する
第１の絶縁金属基板（７０）、主として、絶縁性向上の
ために使用される第２の絶縁金属基板（９０）から構成
される。

【０００３】ケース材（６０）は第１の絶縁金属基板
（７０）の周辺部に当接する壁（６２）を備える。外部
リード（８０）が導出される方向に形成される壁（６
２）の１つには、図３に示すように、シリコンゲル導入
孔（６４）が形成される。耐候性等の向上のために充填
されるシリコンゲル（９４）は、図示しないポンプ等に
より、ゾル状態で壁（６２）の充填孔（６４）を介して
回路素子搭載部に注入され、注入後に熱処理してゲル化
される。そして、この後に、外部リード（８０）が固着
された領域にエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂（９６）が
充填され、これを硬化（１２５℃、２〜８時間）して、
外部リード（８０）の固着部が補強され、シリコンゲル
充填型の混成集積回路装置が提供される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】図３で示したシリコン
ゲル充填型の混成集積回路装置では、樹脂製のケース材
（６０）で封止した混成集積回路装置をヒートサイクル
試験すると、図４の矢印で示すように、ケース材（６
０）の端部が上方に湾曲し、且つ、外部リード（８０）
固着領域に充填されるエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂
（９６）とケース材（６０）との接着強度が極めて高い
に対し、シリコンゲル（９４）と他の材料の接着強度が
低いため、外部リード（８０）固着部にシリコンゲル
（９４）が付着する場合には、ヒートサイクル時のケー
ス材（６０）の湾曲に応じて、熱硬化性樹脂（９６）お
よび外部リード（８０）が第１の絶縁金属基板（７０）
から持ち上げられ、やがて、パッド（７４）が剥離する
問題があった。

【０００５】外部リード（８０）固着部にシリコンゲル
（９４）が付着する理由としては、従来の混成集積回路
装置では、ゾル状態のシリコンを外部リード（８０）の
固着部から注入するため、注入パイプの外壁を濡らすシ
リコンゾルが外部リード（８０）固着部に付着するこ
と、および注入するシリコンゾルの流動性が高いため、
図３に示すように、外部リード（８０）のための電極パ
ターンを浸透して、外部リード（８０）固着部をシリコ
ンゾルで濡らすためであり、さらにまた、シリコンゾル
を高圧注入する場合に飛散するシリコンゾルが外部リー
ド（８０）固着部に付着するためである。

【０００６】本願出願人は、上述した問題を解決するた
めに図４に示すようなシリコンゲル充填型の混成集積回
路装置を提案した（特願平４−４０６４７号参照）。こ
の構造によれば、外部リード端子（４４）を垂直方向に
導出させた、いわゆる天面リード出し構造にすることに
より、外部リード領域（１６）と回路素子領域（１８）
とをケース材（１５）で区画することで、回路素子領域
（１６）にのみシリコンゲル（５６）を充填したとして
もリード端子（４４）固着部分にシリコンゲルを付着し
ない構造としたものである。そして、この構造ではシリ
コンゲル上にエポキシ樹脂（５８）が積層して設けられ
外装が保たれるのである。

【０００７】しかしながら、図４で示す混成集積回路装
置では、シリコンゲルの付着による外部リード端子の剥
離を防止することはできるものの、シリコンゲルを回路
素子領域内に充填した際、その内面にシリコンゲルがは
い上り、エポキシ樹脂の密着力を低下させるという問題
からケース材の高さを高くしなければならず混成集積回
路装置の高さを高くなるという問題がある。

【０００８】また、図３および図４で示した混成集積回
路装置では、先に回路素子領域がシリコンゲルで充填さ
れ、そのゲルと密接してエポキシ樹脂が配置され、また
リード端子の接合部もエポキシ樹脂で補強される構造で
あるため、シリコンゲルとエポキシの充填・硬化工程が
それぞれ必要であるため製造工程数が増加する。このよ
うに、シリコンゲル充填型の混成集積回路装置では種々
の問題がある。かかる問題を解決するためには、シリコ
ンゲルを充填せずエポキシ樹脂のみを充填すれば解決す
ることができる。

【０００９】しかしながら、図４および図５に示した混
成集積回路装置にエポキシ樹脂を充填すると、回路素子
が実装された集積回路基板とエポキシ樹脂との熱膨張温
度係数αが著しく異なることにより、エポキシ樹脂の熱
硬化時の硬化収縮により基板がエポキシ樹脂側に反ると
いう問題がある。ところで、上記した基板の反りの問題
は、エポキシを全充填する場合のみに発生するものでな
く、以下の場合でも同様に反りが発生する。すなわち、
基板上にパワー半導体素子を実装する場合には、熱放散
性を向上させるためにインバー、銅、インバーからなる
クラッド材（以下、ＣＩＣという）あるいは銅をベース
としたヒートシンクを介して実装される。ＣＩＣは半導
体素子との熱膨張温度係数αが比較的マッチングしてい
るため、ヒートサイクルによる両者間での問題は生じに
くいが、その反面熱伝導性が銅に比べて悪いため、例え
ば３０Ａ〜２００Ａ等のハイパワー用として用いる場合
には不向きである。従って、ハイパワー用の半導体素子
を基板上に実装する場合には、熱伝導性の良い銅ベース
のヒートシンクを用いる必要がある。

【００１０】銅ベースのヒートシンクを用いた場合に
は、両者の熱膨張温度係数αのミスマッチングによる問
題を解決するために、ヒートシンク上に溝を設け、その
ヒートシンク上にエポキシ樹脂を塗布して溝内にエポキ
シ樹脂を充填させてヒートサイクルによる問題を解決し
ている（特公平４−１０７４２号公報参照）。しかしな
がら、ヒートシンク上に溝を設ける構造では、ヒートシ
ンクサイズが大きくなり、チップサイズの大型化に伴っ
て更にそのサイズが大きくなるため、基板上に多数個実
装する場合には基板サイズ自体の大型化につながる。従
って、基板サイズを最小限小さくするためには、チップ
とヒートシンクサイズを略同一にしなければならない。
この状態でエポキシ樹脂を被覆すると、樹脂の流出等に
より、図５に示す如き、エポキシ樹脂（５１）は略基板
（５０）の全面にわたって形成される。このような場合
でも、上述したエポキシ樹脂の全充填と同様にエポキシ
樹脂の熱硬化時の収縮により基板（５０）が反るのであ
る。

【００１１】さて、エポキシ樹脂と基板との熱膨張温度
係数αのミスマッチングによる基板の反りによる問題を
解決する手段としては、基板の厚みを厚くすればエポキ
シ樹脂の硬化収縮時の応力に耐えることは可能である。
しかしながら、基板の厚みを例えば３ｍｍ，５ｍｍ等に
厚くすると基板にはそりは発生しないが、量産性には不
向きである。すなわち、多量生産を行うために、従来、
このような混成集積回路は大板からある程度のサイズに
プレス打されて、その基板上に所望のパターンを形成し
た後、個別に分割されるため、基板厚が厚くなるとプレ
ス時の応力がパターンに悪影響をおよぼし量産面からみ
て取入れることはできない。

【００１２】本発明は上述した種々の課題を鑑みて為さ
れたもので、この発明の目的は、エポキシ樹脂を充填さ
せ耐湿性を向上させた場合であっても基板に反りを発生
させず、且つ、小型化で熱放散性の優れた混成集積回路
装置を提供する事である。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決し、
目的を達成するため、この発明に係わる第１の混成集積
回路装置は、所望形状の導電路が形成され、その導電路
にパワー半導体素子が接続された集積回路基板と、回路
素子を保護するために所望空間を形成するケース材と、
基板とケース材とで形成された領域内に略基板全面にわ
たって所定の厚みを有して設けられた熱硬化性樹脂層と
を備え、熱硬化性樹脂層に密接して基板の熱膨張温度係
数と略同一の熱膨張温度係数を有した補正用基板を配置
したことを特徴としている。

【００１４】また、この発明に係わる第２の混成集積回
路装置は、金属基板上に絶縁層を介して導電路が形成さ
れ、その導電路上に熱伝導性の優れたヒートシンクを介
してパワー半導体素子が固着接続され、ケース材を挾ん
で金属基板に対向し、且つ、その基板と略同一の熱膨張
温度係数を有した補正用基板が配置された混成集積回路
装置であって、金属基板と補正用基板間に形成された空
間内に充填された熱硬化性樹脂で両基板およびケース材
を固着したことを特徴としている。

【００１５】また、この発明に係わる第３の混成集積回
路装置は、金属基板上に絶縁層を介して導電路が形成さ
れ、その導電路上に熱伝導性の優れたヒートシンクを介
してパワー半導体素子が固着接続され、導電路が延在さ
れる基板の少なくとも一周端辺にリード端子が固着さ
れ、ケース材を挾んで金属基板に対向し、且つ、その基
板の熱膨張温度係数と略同一の熱膨張温度係数を有した
補正用基板が配置された混成集積回路装置であって、金
属基板と補正用基板間に形成された空間内に熱硬化性樹
脂を充填するための充填孔がリード端子側に設けられ、
その充填孔より充填された熱硬化性樹脂を前記リード端
子の接合部まで充填したことを特徴としている。

【００１６】

【作用】以上のように構成される混成集積回路装置にお
いては、集積回路基板上に設けられた熱硬化性樹脂層に
密接して、その基板の熱膨張温度係数と略同一の熱膨張
温度係数を有した補正用基板を配置することにより、熱
硬化性樹脂層は集積回路基板と補正用基板間に挾まれた
構造となり熱硬化性樹脂層の硬化収縮に発生する応力が
それぞれの基板側で生じて相殺される。その結果、熱硬
化性樹脂層の硬化時に集積回路基板に反りが発生しな
い。

【００１７】また、この混成集積回路装置では、回路素
子が実装された金属基板とその基板に対向して、その基
板の熱膨張温度係数と略同一の係数を有した補正用基板
を配置し、両基板間に形成された空間内に充填した熱硬
化性樹脂で両基板、ケース材の固着を行うことにより、
上述したように基板に反りは発生しないと共に両基板と
ケース材を完全に固着する専用の固着工程を必要としな
い。

【００１８】さらに、この混成集積回路装置では、金属
基板と補正用基板間に形成された空間内に熱硬化性樹脂
を充填するための充填孔がリード端子側に設けられ、そ
の充填孔より充填された熱硬化性樹脂をリード端子の接
合部まで充填することにより、上述したように、基板の
反りの発生の防止、両基板とケース材との固着の専用工
程の不要とともに、専用のリード端子の接合部の補強工
程が必要でない。

【００１９】

【実施例】以下に、図１に示した実施例に基づいて本発
明の混成集積回路装置を説明する。図１は本発明の混成
集積回路装置を示す断面図であり、（１）は金属基板、
（２）は絶縁層、（３）は導電路、（４）はその導電路
上に実装されたパワー半導体素子、（５）はケース材、
（６）は熱硬化性樹脂、（７）は補正用基板、（８）は
絶縁用基板である。

【００２０】金属基板（１）は放熱特性および加工性を
考慮して約１〜２ｍｍ厚のアルミニウム基板が用いら
れ、その表面は絶縁性を向上させるために陽極酸化処理
が施されている。この金属基板（１）は基板（１）上に
導電路および／あるいは回路素子を実装した後、個別サ
イズに分割プレスされる。本実施例では、金属基板
（１）としてアルミニウム基板を用いるが、その他の材
料として銅基板を用いることも可能である。この場合、
銅基板の厚さは回路パターン形成後にプレス工程が行え
るように約１〜２ｍｍ程度が好ましい。

【００２１】金属基板（１）の一主面上には、熱硬化性
樹脂と銅箔とのクラッド材がホットプレス等により貼着
される。熱硬化性樹脂は、このホットプレス工程で完全
に硬化されて絶縁層（２）となる。銅箔は所望形状にエ
ッチングされ導電路（３）が形成される。その導電路
（３）上には、パワートランジスタ、パワーＭＯＳ、Ｉ
ＧＢＴ等のパワー半導体素子（４）、集積回路素子およ
びチップ抵抗等の複数の回路素子が半田あるいはＡｇペ
ーストを介して実装される。また、導電路（３）が延在
される基板（１）の一周端部には外部回路と接続を行う
ためのリード端子（９）が半田固着され水平方向に導出
されている。

【００２２】ところで、パワー半導体素子（４）は熱放
散性を高めるためにヒートシンク（１０）を介して上記
した導電路（３）上に実装される。ヒートシンク（１
０）としては、特に熱放散性を考慮して銅材が用いら
れ、また混成集積回路の小型化のために、そのヒートシ
ンク（１０）とパワー半導体素子（４）のチップサイズ
は略同一となるように設計される。銅材のヒートシンク
（１０）を用いた場合には、パワー半導体素子（４）の
熱膨張温度係数とそのヒートシンク（１０）の熱膨張温
度係数との差が著しく異なるために、ヒートサイクルに
よりパワー半導体素子（４）とヒートシンク（１０）を
接合する半田層にクラックが生じる不具合が考えられる
が、本発明では後述する熱硬化性樹脂（６）で保護され
るためにヒートサイクルによる不具合は発生しない。

【００２３】金属基板（１）上に複数のパワー半導体素
子（４）等の回路素子およびリード端子（９）を固着実
装した後、リード端子（９）が固着された辺を除く、他
の周端辺にケース材（５）が当接配置される。ケース材
（５）は、例えばファイバグラス・レインホースＰＥＴ
（ＦＲＰＥＴ）等の絶縁樹脂材料を用いて、この実施例
ではコの字状に形成される。金属基板（１）とケース材
（５）を当接した後、基板（１）と対向する位置に補正
用基板（７）が当接配置される。

【００２４】補正用基板（７）は、後述する熱硬化性樹
脂（６）の硬化収縮による応力を吸収するものであり、
金属基板（１）のサイズと略同一サイズで、且つ、その
基板の熱膨張温度係数と略同一の温度係数を有してい
る。すなわち、本実施例では基板（１）として上記した
ようにアルミニウム基板が用いられるために、補正用基
板（７）はアルミニウム基板が用いられることになる。

【００２５】ケース材（５）を挾むようにして金属基板
（１）と補正用基板（７）を配置した後、両基板（５）
（９）で形成された空間内に熱硬化性樹脂（６）が充填
される。熱硬化性樹脂（６）は基板（１）のそりを抑制
するために樹脂（６）の熱膨張温度係数が調整されてい
る。すなわち、エポキシ樹脂中に、例えば約５７重量比
％の無機フィラー（シリカ等）を混入し、樹脂（６）自
体の熱膨張温度係数が基板（１）と略同一の約２５×１
０^-6／℃に調整されている。

【００２６】かかる熱硬化性樹脂（６）は、リード端子
（９）が導出される側に設けられた充填孔（１１）より
空間内に充填される。充填された樹脂（６）内には基板
（１）上に実装されたパワー半導体素子（４）およびリ
ード端子（９）の半田接合部が完全に埋没される状態と
なる。さらに、樹脂（６）は両基板（１）（７）および
ケース材（５）に密着配置されるために、樹脂（６）を
熱硬化したときにその樹脂（６）の接着力で両基板
（１）（７）およびケース材（５）の固着一体化が行え
る。空間内の樹脂（６）を充填した場合、両基板（１）
（７）とケース材（５）はシリコン樹脂等の接着剤で仮
接着されているために、樹脂（６）がもれるおそれはな
い。

【００２７】両基板（１）（７）とケース材（５）で形
成された空間内に樹脂（６）を充填した後樹脂（６）を
熱硬化させてる。このとき、樹脂（６）は硬化収縮し基
板（１）に収縮による応力が加わる。しかし、基板
（１）と対向する位置には、上述した基板（１）と熱膨
張温度係数を略同一にする補正用基板（７）が配置され
ているために、硬化収縮による応力は基板（１）と補正
用基板（７）に共に加わることになる。すなわち、樹脂
（６）の硬化収縮による応力は両基板（１）（７）によ
って相殺されることになり、基板（１）を樹脂（６）で
全面被覆あるいは全充填したとしても基板（１）が硬化
収縮力によってそることはない。

【００２８】本発明では、複数の回路素子が実装された
金属基板（１）の全面を熱硬化性樹脂（６）で保護する
構造であっても、基板（１）の対向側に補正用基板
（７）が配置され、熱硬化時による硬化収縮力による応
力は両基板（１）（７）側で生じるために、それぞれの
基板（１）（７）に生じる応力は相殺され、その結果、
基板（１）にそりが発生しないのである。また、この発
明では空間内部に樹脂（６）を全充填する構造であるた
めに、基板（１）上に実装するパワー半導体素子（４）
を熱伝導性の優れた銅材のヒートシンク（１０）を介し
て実装しても、樹脂（６）で素子（４）が完全にブロッ
ク化される構造となり、ヒートシンク（１０）と素子
（４）の熱膨張温度係数の差による不具合は全く生じな
い。さらに、上記したように樹脂（６）で素子（４）が
ブロックされるためにヒートシンク（１０）と素子
（４）のサイズを略同一サイズにして基板（１）上に実
装することができる。

【００２９】ところで、本実施例では、補正用基板
（７）は樹脂（６）の熱硬化時の収縮力による基板
（１）のそりを抑制するために設けられたが、この補正
用基板（７）上に導電パターンを形成し、複数の回路素
子を実装して集積回路基板として用いることも可能であ
る。さらに、その集積回路基板と基板（１）とをリード
等の接続手段を用いて相互接続することも可能である。

【００３０】図２は、本発明の他の実施例を示した断面
図であり、この図２で示した混成集積回路装置はリード
端子（９）が天面方向に導出されたものである。この場
合、熱硬化性樹脂（６）を充填する充填孔（１１）が上
面方向に配置されるために、混成集積回路を製造する工
程上、横向きのままで製造することができ量産性が良
い。

【００３１】

【発明の効果】以上に詳述した如く、本発明の混成集積
回路装置によれば、集積回路基板上に設けられた熱硬化
性樹脂層に密接して、その基板の熱膨張温度係数と略同
一の熱膨張温度係数を有した補正用基板を配置すること
により、熱硬化性樹脂層は集積回路基板と補正用基板間
に挾まれた構造となり熱硬化性樹脂層の硬化収縮に発生
する応力がそれぞれの基板側で生じて相殺される硬化収
縮により集積回路基板に反りが発生しない。その結果、
放熱板に取付けた際、密接して配置されるために放熱性
が向上する。また、熱硬化の収縮により基板がそらない
ために、基板の厚みを厚くすることなく従来構造のまま
使用できる。

【００３２】また、本発明に依れば、回路素子が実装さ
れた金属基板とその基板に対向して、その基板の熱膨張
温度係数と略同一の係数を有した補正用基板を配置し、
両基板間に形成された空間内に充填した熱硬化性樹脂で
両基板、ケース材の固着を行うことにより、上述したよ
うに基板に反りは発生しないと共に両基板とケース材を
完全に固着する専用の固着工程およびリード端子の接合
部の補強工程を必要としない。その結果、製造工程数を
短くして混成集積回路装置を提供することができる。

【００３３】さらに、本発明に依れば、シリコンゲルを
必要とせずエポキシ樹脂のみが両基板間に形成された空
間内に充填されることにより、基板上に実装するパワー
半導体素子をその素子と略同一サイズの銅材のヒートシ
ンクを介して実装することができる。その結果、金属基
板サイズを小型化にすることが可能となり、且つ、熱放
散性の優れた混成集積回路装置を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の混成集積回路装置を示す断面図であ
る。

【図２】他の実施例を示す断面図である。

【図３】従来の混成集積回路を示す図である。

【図４】従来の混成集積回路を示す図である。

【図５】従来の混成集積回路を示す図である。

【符号の説明】

（１） 金属基板 （２） 絶縁層 （３） 導電路 （４） パワー半導体素子 （５） ケース材 （６） 熱硬化性樹脂 （７） 補正用基板

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所望形状の導電路が形成され、その導電
   路にパワー半導体素子が接続された集積回路基板と、前
   記回路素子を保護するために所望空間を形成するケース
   材と、前記基板とケース材とで形成された領域内に略基
   板全面にわたって所定の厚みを有して設けられた熱硬化
   性樹脂層とを備え、前記熱硬化性樹脂層に密接して前記
   基板の熱膨張温度係数と略同一の熱膨張温度係数を有し
   た補正用基板を配置したことを特徴とする混成集積回路
   装置。
2. 【請求項２】 金属基板上に絶縁層を介して導電路が形
   成され、その導電路上に熱伝導性の優れたヒートシンク
   を介してパワー半導体素子が固着接続され、ケース材を
   挾んで前記金属基板に対向し、且つ、その基板の熱膨張
   温度係数と略同一の熱膨張温度係数を有した補正用基板
   が配置された混成集積回路装置であって、 前記金属基板と前記補正用基板間に形成された空間内に
   充填された熱硬化性樹脂で前記両基板および前記ケース
   材を固着したことを特徴とする混成集積回路装置。
3. 【請求項３】 金属基板上に絶縁層を介して導電路が形
   成され、その導電路上に熱伝導性の優れたヒートシンク
   を介してパワー半導体素子が固着接続され、前記導電路
   が延在される前記基板の少なくとも一周端辺にリード端
   子が固着され、ケース材を挾んで前記金属基板に対向
   し、且つ、その基板の熱膨張温度係数と略同一の熱膨張
   温度係数を有した補正用基板が配置された混成集積回路
   装置であって、 前記金属基板と前記補正用基板間に形成された空間内に
   熱硬化性樹脂を充填するための充填孔が前記リード端子
   側に設けられ、その充填孔より充填された前記熱硬化性
   樹脂を、リード端子の接合部まで充填したことを特徴と
   する混成集積回路装置。