JP2002324816A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

半導体装置及びその製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 樹脂モールド時に使用する成形型の構成を簡
単化し、発熱素子の損傷を防止し、絶縁用の構成を不要
にする。 【解決手段】 本発明の半導体装置１１は、一対の放熱
板１３、１４の各外面に、圧縮変形可能な材質の絶縁シ
ート１８を貼り付けた状態で樹脂モールドするように構
成したので、成形型２０として単純な構成の上下型を使
用しても、樹脂１９が放熱板１３、１４の各外面に回り
込むことを防止できる。このため、成形型２０の構成を
簡単化できる。そして、成形型２０の押圧力を絶縁シー
ト１８で緩和できるから、発熱素子１２の損傷を防止で
きる。また、放熱板１３、１４の各外面に絶縁シート１
８を貼り付けたので、絶縁用の構成を不要にし得る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、発熱素子と、この
発熱素子の両面に接合された一対の放熱板とを備えて成
る半導体装置及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】例えば高耐圧・大電流用のパワーＩＣの
半導体チップ（発熱素子）は、使用時の発熱が大きいた
め、チップからの放熱性を向上させるための構成が必要
になる。この構成の一例として、チップの両面に一対の
放熱板を例えば半田層を介して接合する構成が、従来よ
り、考えられており、この構成によれば、チップの両面
から放熱できるので、放熱性が向上する。
【０００３】上記した構成の半導体装置の一例を、図４
に示す。この図４に示すように、半導体装置１は、一対
のヒートシンク（放熱板）２、３の間に半導体チップ４
とヒートシンクブロック５を挟んで構成されている。ヒ
ートシンク２と半導体チップ４の間、半導体チップ４と
ヒートシンクブロック５の間、ヒートシンクブロック５
とヒートシンク３の間は、それぞれ半田６により接合さ
れている。そして、このような構成の半導体装置１は、
樹脂７でモールドされている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上記構成の半導体装置
１においては、ヒートシンク２、３からの放熱性を良く
するために、半導体装置１を樹脂７でモールドする際
に、ヒートシンク２、３の各外面を露出させることが好
ましい。このため、樹脂モールド時には、図４に示すよ
うな構成の成形型８を使用することが考えられている。
この成形型８は、下型８ａと、上型８ｂと、可動型８ｃ
とから構成されている。可動型８ｃは、半導体装置１を
適度な加圧力で押圧するための型であり、この可動型８
ｃの加圧力により、樹脂モールド時に、樹脂７がヒート
シンク２、３の各外面に回り込むことを防止している。
【０００５】しかし、上記構成の場合、可動型８ｃの加
圧力を適度な力に調整することがかなり困難であり、半
導体チップ４を割ってしまうことがかなりあるという問
題点があった。また、可動型８ｃを必要とするため、成
形型８の構成が複雑になり、成形型８の製造コストひい
ては半導体装置１１の製造コストが高くなるという欠点
があった。
【０００６】更に、半導体装置１の完成後の検査やスク
リーニングにおいては、ヒートシンク２、３の露出した
各外面を絶縁する必要があり、何らかの絶縁用の構成が
必要であった。また、上記半導体装置１をインバータ装
置等へ組み込む場合も、ヒートシンク２、３の露出した
各外面を絶縁するための構成が必要であった。例えば、
図５に示すように、半導体装置１を冷却板９、９で挟む
場合には、冷却板９、９と半導体装置１のヒートシンク
２、３との間に、絶縁材製の放熱シート１０、１０を挟
む必要があった。
【０００７】一方、ヒートシンク２、３と樹脂７との密
着力を向上させるために、コーティング樹脂（例えばポ
リアミド樹脂）をヒートシンク２、３の表面に塗布する
ことが考えられている。しかし、上記半導体装置１の場
合、ヒートシンク２、３間の隙間は約１〜２ｍｍ程度し
かないので、コーティング樹脂を塗布することが困難で
あった。特に、均一に塗布されたか否かを確認すること
が困難であった。
【０００８】そこで、本発明の目的は、樹脂モールド時
に使用する成形型の構成を簡単化することができ、発熱
素子の損傷を防止することができ、絶縁用の構成を不要
にすることができ、また、コーティング樹脂を容易に塗
布することができる半導体装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明によれ
ば、一対の放熱板の各外面に圧縮変形可能な材質の絶縁
シートを貼り付けた状態で樹脂モールドするように構成
したので、成形型として単純な構成の上下型を使用して
も、樹脂が放熱板の各外面に回り込むことを防止でき
る。このため、樹脂モールド時に使用する成形型の構成
を簡単化することができる。そして、成形型の押圧力を
絶縁シートで緩和できるから、発熱素子が損傷すること
を防止できる。また、放熱板の各外面に絶縁シートを貼
り付けたので、検査時等に絶縁用の構成を不要にするこ
とができる。
【００１０】請求項２の発明によれば、絶縁シートとし
て、高熱伝導性を有するものを用いたので、発熱素子で
発生する熱をすみやかに放熱させることができる。
【００１１】請求項３の発明によれば、一対の放熱板の
各外面に絶縁シートを貼り付けるに際して、放熱板の表
面にコーティングされたコーティング樹脂によって絶縁
シートを貼り付けるように構成したので、絶縁シートを
貼り付けるための専用の接着剤を塗布する必要がない。
この場合、請求項４の発明のように、コーティング樹脂
として例えばポリアミド樹脂を用いることが好ましい。
【００１２】また、請求項５の発明によれば、一対の放
熱板の間に発熱素子を挟む工程と、記一対の放熱板の各
外面にシール性を有する絶縁シートを取り付ける工程
と、成形型に一対の放熱板及び発熱素子を収容して樹脂
モールドする工程とを備えたので、請求項１の発明と同
様の作用効果を得ることができる。
【００１３】請求項６の発明によれば、一対の放熱板の
間に発熱素子を挟む工程を実行した後、一対の放熱板及
び発熱素子にコーティング樹脂を塗布する工程を備えた
ので、放熱板及び発熱素子と樹脂との密着力を強くする
ことができる。
【００１４】請求項７の発明によれば、一対の放熱板の
各外面に絶縁シートを取り付ける工程において、塗布さ
れたコーティング樹脂によって絶縁シートを接着する方
法を使用したので、請求項３の発明と同様の作用効果を
得ることができる。
【００１５】請求項８の発明によれば、コーティング樹
脂を塗布する工程において、コーティング樹脂の液中に
一対の放熱板及び発熱素子をディッピングする方法を使
用したので、放熱板及び発熱素子にコーティング樹脂を
容易に塗布することができる。
【００１６】また、請求項９の発明のように、コーティ
ング樹脂を塗布する工程において、コーティング樹脂を
一対の放熱板及び発熱素子に滴下または噴霧する方法を
使用しても良い。更に、請求項１０の発明のように、コ
ーティング樹脂として例えばポリアミド樹脂を用いるこ
とが好ましい。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例につい
て、図１ないし図３を参照しながら説明する。まず、図
１に示すように、本実施例の半導体装置１１は、半導体
チップ（発熱素子）１２と、下側ヒートシンク（放熱
板）１３と、上側ヒートシンク（放熱板）１４と、ヒー
トシンクブロック１５とを備えて構成されている。
【００１８】この構成の場合、半導体チップ１２の下面
と下側ヒートシンク１３の上面との間は、接合部材であ
る例えば半田１６によって接合されている。そして、半
導体チップ１２の上面とヒートシンクブロック１５の下
面との間も、半田１６によって接合されている。更に、
ヒートシンクブロック１５の上面と上側ヒートシンク１
４の下面との間も、半田１６によって接合されている。
これにより、上記構成においては、半導体チップ１２の
両面からヒートシンク１３、１４（即ち、一対の放熱
板）を介して放熱される構成となっている。
【００１９】尚、上記半導体チップ１２は、例えばＩＧ
ＢＴやサイリスタ等のパワー半導体素子から構成されて
いる。半導体チップ１２の形状は、本実施例の場合、図
２（ａ）に示すように、例えば矩形状の薄板状である。
また、下側ヒートシンク１３、上側ヒートシンク１４及
びヒートシンクブロック１５は、例えばＣｕやＡｌ等の
熱伝導性及び電気伝導性の良い金属で構成されている。
この構成の場合、下側ヒートシンク１３及び上側ヒート
シンク１４は、半導体チップ１２の各主電極（例えばコ
レクタ電極やエミッタ電極等）に半田１６を介して電気
的にも接続されている。
【００２０】そして、下側ヒートシンク１３は、図２
（ａ）に示すように、全体として例えばほぼ長方形状の
板材であり、端子部１３ａが後方へ向けて延びるように
突設されている。また、ヒートシンクブロック１５は、
図２（ａ）に示すように、半導体チップ１２よりも１回
り小さい程度の大きさの矩形状の板材である。更に、上
側ヒートシンク１４は、図２（ｄ）に示すように、全体
として例えばほぼ長方形状の板材で構成されており、端
子部１４ａが後方へ向けて延びるように突設されてい
る。尚、下側ヒートシンク１３の端子部１３ａと、上側
ヒートシンク１４の端子部１４ａは、互いの位置がずれ
るように、即ち、対向しないように構成されている。
【００２１】また、上記構成の場合、下側ヒートシンク
１３の上面と上側ヒートシンク１４の下面との間の距離
は、例えば１〜２ｍｍ程度になるように構成されてい
る。図１及び図２においては、上記距離をかなり拡大し
て示している。
【００２２】そして、図１に示すように、コーティング
樹脂である例えばポリアミド樹脂１７が、一対のヒート
シンク１３、１４の表面、並びに、チップ１２及びヒー
トシンクブロック１５の周囲部分に、やや太い実線で示
すように塗布されている。本実施例の場合、上記ポリア
ミド樹脂１７は、例えばディッピングにより塗布されて
いる。
【００２３】更に、図１に示すように、下側ヒートシン
ク１３の下面（外面）、並びに、上側ヒートシンク１４
の上面（外面）には、圧縮変形可能な材質であって高熱
伝導性を有する絶縁シート１８、１８が例えば接着剤を
介して貼り付けられている。これら絶縁シート１８は、
例えばシリコンゴム製のシートで構成されている。尚、
上記接着剤としては、熱伝導性の良いものを使用するこ
とが好ましい。
【００２４】更にまた、図１に示すように、一対のヒー
トシンク１３、１４の隙間、並びに、チップ１２及びヒ
ートシンクブロック１５の周囲部分には、樹脂（例えば
エポキシ樹脂）１９が充填封止されている。この場合、
ヒートシンク１３、１４等を樹脂１９でモールドするに
当たっては、図１に示すような構成の成形型２０を使用
している。この成形型２０は、単純な構成の上下型であ
り、下型２１と、上型２２とから構成されている。
【００２５】上記実施例の場合、成形型２０のキャビテ
ィ２３内にヒートシンク１３、１４等の構成を収容した
ときに、ヒートシンク１３、１４の各外面の絶縁シート
１８、１８が、その厚さ方向に約１０〜４０％程度圧縮
変形する（即ち、押し潰される）ように構成されてい
る。これにより、成形型２０のキャビティ２３内に樹脂
１９を注入したときに、該樹脂１９がヒートシンク１
３、１４の外面である絶縁シート１８の外面に回り込む
ことを防止している。また、成形型２０、即ち、下型２
１及び上型２２の押圧力を上記絶縁シート１９で緩和し
ている。これにより、上記押圧力によってチップ１２が
損傷することを防止できる。
【００２６】ここで、下側ヒートシンク１３の下面と上
側ヒートシンク１４の上面との距離（即ち、半導体装置
１１の厚み寸法）は、後述する製造方法により、設定距
離となるように構成されるものであるが、実際には、各
構成部品の寸法のばらつきや、ヒートシンク１３、１４
の平面度や傾き等のばらつき等により、ある程度の誤差
が出る。今、上記誤差が例えば０．１ｍｍであるとし、
絶縁シート１８がその厚さ方向に例えば１５％程度圧縮
変形するものとすると、絶縁シート１８の厚さ寸法は、
次の式で計算される値以上あれば良い。
【００２７】０．１／０．１５／２＝０．３３ 即ち、絶縁シート１８の厚さ寸法は、０．３３ｍｍ以上
あれば良い。これは、一例であり、実際の寸法の誤差や
ばらつきに適合するように、絶縁シート１８の厚さを調
整すれば良い。
【００２８】尚、前記ポリアミド樹脂１７は、樹脂１９
とヒートシンク１３、１４との密着力、樹脂１９とチッ
プ１２との密着力、並びに、樹脂１９とヒートシンクブ
ロック１５との密着力を強くするためのコーティング層
（樹脂）である。
【００２９】次に、上記した構成の半導体装置１１の製
造方法（即ち、製造工程）について、図２を参照して説
明する。まず、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、下
側ヒートシンク１３の上面に、半導体チップ１２とヒー
トシンクブロック１５を半田付けする工程を実行する。
この場合、下側ヒートシンク１３の上面に半田箔２４を
介してチップ１２を積層すると共に、このチップ１２の
上に半田箔２４を介してヒートシンクブロック１５を積
層する。この後、加熱装置（リフロー装置）によって上
記半田箔２４、２４を溶融させてから、硬化させる。
【００３０】続いて、図２（ｃ）に示すように、チップ
１２の制御電極（例えばゲートパッド等）とリードフレ
ーム２５ａ、２５ｂとをワイヤーボンディングする工程
を実行する。これにより、例えばＡｌやＡｕ等製のワイ
ヤー２６によってチップ１２の制御電極とリードフレー
ム２５ａ、２５ｂとが接続される。
【００３１】次いで、図２（ｄ）及び（ｅ）に示すよう
に、ヒートシンクブロック１５の上に上側ヒートシンク
１４を半田付けする工程を実行する。この場合、図２
（ｄ）に示すように、ヒートシンクブロック１５の上に
半田箔２４を介して上側ヒートシンク１４を載せる。そ
して、加熱装置によって上記半田箔２４を溶融させてか
ら、硬化させる。
【００３２】このとき、図２（ｅ）に示すように、上側
ヒートシンク１４の上に例えば重り２７を載置すること
により、上側ヒートシンク１４を下方へ向けて加圧する
ように構成されている。これと共に、上側ヒートシンク
１４と下側ヒートシンク１３との間に、スペーサ治具
（図示しない）を取り付けることにより、上側ヒートシ
ンク１４と下側ヒートシンク１３との間の距離を設定距
離に保持するように構成している。
【００３３】この場合、半田箔２４が溶融する前の状態
では、上側ヒートシンク１４と下側ヒートシンク１３と
の距離は、スペーサ治具の設定距離よりも大きくなるよ
うに構成されている。そして、半田箔２４が溶融する
と、重り２７の加圧力により、溶融した半田層の部分が
薄くなり、上側ヒートシンク１４と下側ヒートシンク１
３との距離がスペーサ治具の設定距離と等しくなる。こ
のとき、半田層は、適度な薄さまで薄くなるように構成
されている。そして、溶融した半田層が硬化すれば、チ
ップ１２とヒートシンク１３、１４とヒートシンクブロ
ック１５の接合及び電気的接続が完了する。
【００３４】次いで、ポリアミド樹脂１７を、一対のヒ
ートシンク１３、１４の表面、並びに、チップ１２及び
ヒートシンクブロック１５の周囲部分等に塗布する工程
を実行する。この場合、ポリアミド樹脂の液中に一対の
ヒートシンク１３、１４（及びチップ１２等）をディッ
ピングする方法を使用している。これにより、ポリアミ
ド樹脂１７をもれなく均一に塗布することができる。こ
の構成の場合、ポリアミド樹脂１７は、ワイヤー２６及
びリードフレーム２５ａ、２５ｂの表面にも塗布される
ようになっている。
【００３５】この後、図１に示すように、下側ヒートシ
ンク１３の下面（外面）、並びに、上側ヒートシンク１
４の上面（外面）に、絶縁シート１８、１８を貼り付け
る工程を実行する。この場合、上記塗布したポリアミド
樹脂１７が乾燥する前に、絶縁シート１８、１８を貼り
付ければ、ポリアミド樹脂１７を接着剤として利用する
ことができる。これにより、絶縁シート１８接着用の接
着剤を別途塗布する作業を省略することができる。尚、
ポリアミド樹脂１７を十分乾燥させた後、絶縁シート１
８を接着剤（例えば熱伝導性の良い接着剤）により貼り
付けるように構成しても良い。
【００３６】続いて、上述したように絶縁シート１８を
取り付けた後の構成を、図１に示すように、成形型２
０、即ち、上型２１及び下型２２のキャビティ２３の内
部に収容し、樹脂１９を注入（充填）する工程を実行す
る。これにより、図１に示すように、一対のヒートシン
ク１３、１４の隙間、並びに、チップ１２及びヒートシ
ンクブロック１５の周囲部分等に、樹脂１９が充填され
る。そして、樹脂１９が硬化した後、成形型２０内から
半導体装置１１を取り出せば、半導体装置１１が完成す
る。
【００３７】このような構成の本実施例によれば、一対
のヒートシンク１３、１４の各外面に圧縮変形可能な材
質の絶縁シート１８を貼り付けた状態で樹脂モールドす
るように構成したので、成形型２０として単純な構成の
上下型を使用しても、樹脂１９がヒートシンク１３、１
４の各外面に回り込むことを確実に防止できる。これに
よって、樹脂モールド時に使用する成形型２０の構成を
簡単化することができる。
【００３８】そして、上記実施例では、成形型２０の下
型２１及び上型２２の押圧力を上記絶縁シート１８で緩
和することができるから、半導体チップ１２が割れたり
損傷したりすることをほぼ確実に防止できる。また、上
記実施例では、ヒートシンク１３、１４の各外面に絶縁
シート１８を貼り付けたので、検査時等に絶縁用の構成
を不要にすることができる。
【００３９】特に、上記実施例においては、絶縁シート
１８として、高熱伝導性（良好な放熱性）を有するシリ
コンゴム製のシートを用いたので、半導体チップ１２で
発生する熱をすみやかに放熱させることができる。この
場合、上記半導体装置１１を例えばインバータ装置等へ
組み込む場合には、半導体装置１１を２枚の冷却板で挟
むような構成（図５参照）が必要となる。このような構
成の場合、ヒートシンク１３、１４の各外面に絶縁シー
ト１８が予め貼り付けられているので、２枚の冷却板で
半導体装置１１を直接挟むことができ、従来、別途必要
であった絶縁材製の放熱シート１０、１０（図５参照）
を不要にすることができる。
【００４０】尚、図３に示すような形状の冷却部材（冷
却板）２８、２９で、本実施例の半導体装置１１を挟む
こともある。この構成の場合も、冷却板２８、２９で半
導体装置１１を直接挟むことができ、従来、別途必要で
あった絶縁材製の放熱シートを不要にすることができ
る。
【００４１】また、上記実施例においては、一対のヒー
トシンク１３、１４及びチップ１２等にポリアミド樹脂
１７を塗布するように構成したので、ヒートシンク１
３、１４及びチップ１２等と樹脂１９との密着力を強く
することができる。更に、上記実施例では、一対のヒー
トシンク１３、１４の各外面に絶縁シート１８を貼り付
けるに際して、ヒートシンク１３、１４の表面にコーテ
ィングされたポリアミド樹脂１７によって絶縁シート１
８を貼り付けるように構成したので、絶縁シート１８を
貼り付けるための専用の接着剤を塗布する必要がなくな
る。
【００４２】更にまた、上記実施例では、ポリアミド樹
脂１７を塗布する工程において、ポリアミド樹脂１７の
液中にヒートシンク１３、１４及びチップ１２をディッ
ピングする方法を使用したので、ヒートシンク１３、１
４及びチップ１２にポリアミド樹脂１７を容易に塗布す
ることができる。
【００４３】尚、ポリアミド樹脂１７を塗布する工程に
おいて、ポリアミド樹脂１７をヒートシンク１３、１４
及びチップ１２に対して滴下または噴霧する方法を使用
して塗布しても良い。この場合、ヒートシンク１３、１
４間に、ポリアミド樹脂１７塗布用のディスペンサのノ
ズルを挿入して（差し込んで）、該ノズルの先端からポ
リアミド樹脂１７を滴下（または噴霧）することによ
り、ポリアミド樹脂１７の塗布を実行することが好まし
い。
【００４４】また、上記実施例においては、ヒートシン
ク１３、１４とチップ１２とヒートシンクブロック１５
とを接合する接合部材として半田箔２４を用いたが、こ
れに代えて、半田ペーストや、導電性接着剤を用いるよ
うに構成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す半導体装置及び成形型
の縦断面図
【図２】半導体装置の製造工程を示す図
【図３】冷却部材で半導体装置を挟んだ構成の縦断面図
【図４】従来構成を示す図１相当図
【図５】２枚の冷却板で半導体装置を挟んだ構成の分解
縦断面図
【符号の説明】
１１は半導体装置、１２は半導体チップ（発熱素子）、
１３は下側ヒートシンク（放熱板）、１４は上側ヒート
シンク（放熱板）、１５はヒートシンクブロック、１６
は半田、１７はポリアミド樹脂、１８は絶縁シート、１
９は樹脂、２０は成形型、２１は下型、２２は上型、２
４は半田箔を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） // Ｂ２９Ｌ 31:34 Ｈ０１Ｌ 23/30 Ｂ

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 発熱素子と、この発熱素子の両面から放
    熱するための一対の放熱板とを備え、装置のほぼ全体を
    樹脂モールドし、前記一対の放熱板の各外面を露出させ
    るように構成した半導体装置において、 前記一対の放熱板の各外面に、圧縮変形可能な材質の絶
    縁シートを貼り付けた状態で樹脂モールドするように構
    成したことを特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項２】 前記絶縁シートは、高熱伝導性を有する
    ことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
  3. 【請求項３】 前記一対の放熱板の各外面に前記絶縁シ
    ートを貼り付けるに際して、前記放熱板の表面にコーテ
    ィングされたコーティング樹脂によって前記絶縁シート
    を貼り付けるように構成したことを特徴とする請求項１
    または２記載の半導体装置。
  4. 【請求項４】 前記コーティング樹脂は、ポリアミド樹
    脂であることを特徴とする請求項３記載の半導体装置。
  5. 【請求項５】 発熱素子と、この発熱素子の両面から放
    熱するための一対の放熱板とを備え、装置のほぼ全体を
    樹脂モールドし、前記一対の放熱板の各外面を露出させ
    るように構成した半導体装置の製造方法において、 前記一対の放熱板の間に前記発熱素子を挟む工程と、 前記一対の放熱板の各外面に圧縮変形可能な材質の絶縁
    シートを取り付ける工程と、 成形型に前記一対の放熱板及び前記発熱素子を収容して
    樹脂モールドする工程とを備えたことを特徴とする半導
    体装置の製造方法。
  6. 【請求項６】 前記一対の放熱板の間に前記発熱素子を
    挟む工程を実行した後、前記一対の放熱板及び前記発熱
    素子にコーティング樹脂を塗布する工程を備えたことを
    特徴とする請求項５記載の半導体装置の製造方法。
  7. 【請求項７】 前記一対の放熱板の各外面に前記絶縁シ
    ートを取り付ける工程においては、塗布されたコーティ
    ング樹脂によって接着する方法を使用することを特徴と
    する請求項６記載の半導体装置の製造方法。
  8. 【請求項８】 前記コーティング樹脂を塗布する工程に
    おいては、コーティング樹脂の液中に前記一対の放熱板
    及び前記発熱素子をディッピングする方法を使用するこ
    とを特徴とする請求項６記載の半導体装置の製造方法。
  9. 【請求項９】 前記コーティング樹脂を塗布する工程に
    おいては、コーティング樹脂を前記一対の放熱板及び前
    記発熱素子に滴下または噴霧する方法を使用することを
    特徴とする請求項６記載の半導体装置の製造方法。
  10. 【請求項１０】 前記コーティング樹脂は、ポリアミド
    樹脂であることを特徴とする請求項６ないし９のいずれ
    かに記載の半導体装置の製造方法。
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