JP2004172239A - 樹脂封止型半導体装置及びその製法 - Google Patents
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Abstract
【課題】樹脂封止型半導体装置のリード細線を強固に接合する。
【解決手段】樹脂封止型半導体装置の制御用リード端子（８）の内端（８ａ）は、ヒートシンク（３）から離間して且つヒートシンク（３）の端面（３ａ）よりヒートシンク（３）の内側に配置され、ヒートシンク（３）の端面（３ａ）より外側で且つ制御用半導体素子（６）が固着された制御用支持板（２）の底面（２ａ）の下方に空洞部（１３）を形成する。ヒートシンク（３）の上面（３ｂ）と制御用支持板（２）の底面（２ａ）との間に形成される間隙（１２ａ）及び空洞部（１３）は樹脂封止体（１２）を構成する樹脂により充填され、制御用支持板（２）は、間隙（１２ａ）及び間隙（１２ａ）内に充填される樹脂によって電力用半導体素子（５）及びヒートシンク（３）から電気的に完全に絶縁される。また、制御用支持板（２）の下方には、ヒートシンク（３）が延伸しない。
【選択図】 図１
【解決手段】樹脂封止型半導体装置の制御用リード端子（８）の内端（８ａ）は、ヒートシンク（３）から離間して且つヒートシンク（３）の端面（３ａ）よりヒートシンク（３）の内側に配置され、ヒートシンク（３）の端面（３ａ）より外側で且つ制御用半導体素子（６）が固着された制御用支持板（２）の底面（２ａ）の下方に空洞部（１３）を形成する。ヒートシンク（３）の上面（３ｂ）と制御用支持板（２）の底面（２ａ）との間に形成される間隙（１２ａ）及び空洞部（１３）は樹脂封止体（１２）を構成する樹脂により充填され、制御用支持板（２）は、間隙（１２ａ）及び間隙（１２ａ）内に充填される樹脂によって電力用半導体素子（５）及びヒートシンク（３）から電気的に完全に絶縁される。また、制御用支持板（２）の下方には、ヒートシンク（３）が延伸しない。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、樹脂封止型半導体装置、特にリードフレームを支持台上に載置してリードのワイヤボンディングを確実に行う樹脂封止型半導体装置及びその製法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
絶縁層を介して複数の半導体素子が載置されたリードフレームを放熱特性の良好な金属板の上方に配置して、金属板とリードフレームとを樹脂封止体によって一体に樹脂成型した半導体装置は公知である（下記特許文献１参照）。
例えば、図７に示すように、従来の半導体パワーモジュールとしての半導体装置は、放熱性に優れる金属板（３）と、金属板（３）の上方に絶縁膜（４）を介して載置された回路パターン（３１）と、金属板（３）と回路パターン（３１）とを収納するケース（３３）と、金属板（３）の上面を密封する樹脂封止体（１２）とを備えている。
【０００３】
回路パターン（３１）は、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタと絶縁ゲート型バイポーラトランジスタに接続されるダイオード素子とを有する電力用半導体素子（５）を搭載する主回路パターン部（３１ａ）と、外部装置からの外部信号を受信する制御ＩＣから成る制御半導体素子（６）を搭載した制御回路パターン部（３１ｂ）とから成る銅箔パターンとを備える。また、主回路パターン部（３１ａ）の周囲に配置された複数の電力用リード（７）と、電力用リード（７）とは反対側に制御回路パターン部（３１ｂ）の周囲に配置された複数の制御用リード（８）とがケース（３３）から導出され、電力用リード（７）は、接続線（９）を介して電力用半導体素子（５）に電気的に接続され、制御用リード（８）は、接続線（１０）を介して制御半導体素子（６）に電気的に接続される。
【０００４】
電力用半導体素子（５）と制御半導体素子（６）とは回路パターン（３１）にも固着された接続線（１１）を介して電気的に接続される。また、電力用半導体素子（５）は、電力用半導体素子（５）のゲートに接続される制御半導体素子（６）からの制御信号を受信してオンする。回路パターン（３１）の主回路パターン部（３１ａ）と制御回路パターン部（３１ｂ）は、金属板（３）上に略平行に並置され、分離帯（３２）を介して左右に分離して配置される。なお、電力用リード（７）及び制御用リード（８）の一端（７ａ，８ａ）は、主回路パターン部（３１ａ）及び制御回路パターン部（３１ｂ）上に半田により接着され、また、電力用リード（７）及び制御用リード（８）の他端（７ｂ，８ｂ）は、ケース（３３）を貫通し、外部に露出して外部リード端子を形成する。
【０００５】
例えば銅（Ｃｕ）等の金属から成る板材を周知のプレス加工により形成されるリードフレームの表面にはニッケル（Ｎｉ）メッキが施される。金属板（３）は、リードフレームよりも板厚が厚く且つ銅（Ｃｕ）等の良好な熱伝導金属から成る板材により、対向する回路パターン（３１）の面積よりも大きい面積で平面四角形状に形成される。リードフレームを構成する回路パターン（３１）、電力用半導体素子（５）、制御半導体素子（６）、接続線（９〜１１）、電力用リード（７）及び制御用リード（８）の一端（７ａ，８ａ）を樹脂封止体（１２）により封止するために、上型と下型とから成る金型のキャビティ（空所）内に配置して金型を閉じる。キャビティ内に配置したリードフレームは、例えば周知のトランスファモールド法により、流動化したエポキシ等の熱硬化性樹脂から成る樹脂封止体（１２）をキャビティ内に圧入して、樹脂成型される。成型された半導体装置では、大電流が流れる電力用半導体素子（５）及び電力用半導体素子（５）が載置された主回路パターン部（３１ａ）から発生する損失熱は、絶縁膜（４）を介して金属板（３）に良好に伝達されて放熱することができる。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−１３３７６８号公報（第５頁、図７）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記半導体装置では、電力用半導体素子（５）へ入力する制御信号を発生する制御ＩＣにより構成される制御半導体素子（６）には微弱な電流が流れるに過ぎないので、熱を放散する特別の構造が不要となる制御回路パターン部（３１ｂ）の下面に金属板（３）を設けることは高コスト化に繋がる。
【０００８】
また、制御回路パターン部（３１ｂ）に搭載された制御半導体素子（６）の電極と制御用リード（８）の一端（８ａ）とを接続線（１０）によりワイヤボンディング（ボールボンディング）を行うとき、超音波熱圧着による熱的影響が与えられる金属板（３）上の絶縁膜（４）及び電力用半導体素子（５）が劣化することがある。
【０００９】
本発明は、樹脂封止型半導体装置、特にリード細線のワイヤボンディングを確実に行う樹脂封止型半導体装置及びその製法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明による樹脂封止型半導体装置は、ヒートシンク（３）と、ヒートシンク（３）上に絶縁膜（４）を介して接着される複数の電力用支持板（１）と、電力用支持板（１）に載置された複数の電力用半導体素子（５）と、電力用支持板（１）から離間して配置された複数の制御用支持板（２）と、制御用支持板（２）に載置された複数の制御用半導体素子（６）と、制御用支持板（２）とは反対側で電力用支持板（１）の周囲に配置された複数の電力用リード端子（７）と、制御用支持板（２）の周囲に配置された複数の制御用リード端子（８）とを備え、電力用半導体素子（５）と前記電力用リード端子（７）とを電気的に接続する複数の電力用リード細線（９）と、制御用半導体素子（６）と制御用リード端子（８）とを電気的に接続する複数の結線用リード細線（１０）と、電力用半導体素子（５）と制御用リード端子（８）とを電気的に接続する制御用リード細線（１１）と、電力用支持板（１）、電力用半導体素子（５）、制御用支持板（２）、制御用半導体素子（６）、電力用リード細線（９）、結線用リード細線（１０）、制御用リード細線（１１）、電力用リード端子（７）の一部及び制御用リード端子（８）の一部を封止する樹脂封止体（１２）とを備えている。制御用リード端子（８）の内端（８ａ）は、ヒートシンク（３）から離間して且つヒートシンク（３）の端面（３ａ）よりヒートシンク（３）の内側に配置され、ヒートシンク（３）の端面（３ａ）より外側で且つ制御用半導体素子（６）が固着された制御用支持板（２）の底面（２ａ）の下方に空洞部（１３）が形成される。ヒートシンク（３）の上面（３ｂ）と制御用支持板（２）の底面（２ａ）との間に形成される間隙（１２ａ）及び空洞部（１３）は樹脂封止体（１２）を構成する樹脂により充填される。制御用支持板（２）は、間隙（１２ａ）及び間隙（１２ａ）内に充填される樹脂によって電力用半導体素子（５）及びヒートシンク（３）から電気的に完全に絶縁される。また、制御用支持板（２）の下方には、ヒートシンク（３）が延伸しないので、ヒートシンク（３）を小型化、軽量化し、製造コストを低減できる。
【００１１】
本発明による樹脂封止型半導体装置の製法は、電力用リード端子（７）と、制御用リード端子（８）と、電力用支持板（１）と、制御用支持板（２）とを備えたリードフレーム（１６）の電力用支持板（１）の下面に絶縁膜（４）を介してヒートシンク（３）を固着する工程と、電力用支持板（１）に電力用半導体素子（５）を接着し、電力用半導体素子（５）上の電極と電力用リード端子（７）とを電力用リード細線（９）により電気的に接続すると共に、電力用半導体素子（５）の電極と制御用リード端子（８）とを制御用リード細線（１１）により電気的に接続する工程と、制御用支持板（２）の底面（２ａ）の下方に形成された空洞部（１３）に配置した支持台（１４）上に制御用支持板（２）を載置して、制御用支持板（２）上に制御用半導体素子（６）を固着し、制御用支持板（２）を加熱して制御用半導体素子（６）の電極と制御用リード端子（８）とを結線用リード細線（１０）により電気的に接続する工程と、リードフレーム（１６）を支持台（１４）から外して成形型のキャビティ内に配置する工程と、キャビティ内に流動化した樹脂を圧入して、ヒートシンク（３）の上面（３ｂ）と制御用支持板（２）の底面（２ａ）との間に形成される間隙（１２ａ）及び空洞部（１３）を樹脂封止体（１２）を構成する樹脂により充填しながら、電力用支持板（１）、電力用半導体素子（５）、制御用支持板（２）、制御用半導体素子（６）、電力用リード細線（９）、結線用リード細線（１０）、制御用リード細線（１１）、電力用リード端子（７）の一部及び制御用リード端子（８）の一部を封止する樹脂封止体（１２）を形成する工程とを含む。
【００１２】
制御用支持板（２）の下方に設けられる空洞部（１３）内に支持台（１４）を配置して、制御用支持板（２）をヒートシンク（３）より高い位置に確実に支持する状態で、結線用リード細線（１０）に超音波熱圧着による押圧力を強く加えて、制御用半導体素子（６）と制御用リード端子（８）とに結線用リード細線（１０）を強固に接着し、結線用リード細線（１０）のワイヤボンディングを確実に行うことができる。また、金又はその合金から成る結線用リード細線（１０）のワイヤボンディングを超音波熱圧着により行うとき、制御用支持板（２）及び制御用リード端子（８）からヒートシンク（３）が離間するため、ヒートシンク（３）上の絶縁膜（４）及び電力用半導体素子（５）が超音波熱圧着の振動による機械的影響及び加熱時に生じる熱的影響を受けず、劣化の危険性を回避することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施の形態に係る樹脂封止型半導体装置及び樹脂封止型半導体装置の製法を図１〜図６について説明する。図１〜図６では、図７に示す箇所と同一の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。
図１に示すように、本発明の樹脂封止型半導体装置では、複数の電力用支持板（１）と制御用支持板（２）とを離間して配置し、電力用支持板（１）の下方のみ絶縁膜（４）を介して金属製のヒートシンク（３）を接着した点に特徴がある。パワーＭＯＳＦＥＴ等から成る電力用半導体素子（５）が電力用支持板（１）上に搭載され、制御用支持板（２）上に電力用半導体素子（５）に制御信号を付与してオンさせる制御用半導体素子（６）が搭載される。電力用半導体素子（５）は、電力用支持板（１）に隣接して配置された複数の電力用リード端子（７）にアルミニウム又はその合金から成る電力用リード細線（９）を介して電気的に接続され、制御用半導体素子（６）は、制御用支持板（２）に隣接して配置された複数の制御用リード端子（８）に金又はその合金から成る結線用リード細線（１０）を介して電気的に接続される。
【００１４】
また、電力用半導体素子（５）と制御用半導体素子（６）とを電気的に接続する中継板（１５）を制御用支持板（２）の周囲に独立して設け、アルミニウム又はその合金から成る制御用リード細線（１１）を電力用半導体素子（５）と中継板（１５）とに固着し、制御用リード細線（１１）の反対側に設けた結線用リード細線（１０）を中継板（１５）と制御用半導体素子（６）とに固着して電気的に接続する。これにより、結線用リード細線（１０）及び制御用リード細線（１１）を介して電力用半導体素子（５）と制御用半導体素子（６）とを容易に電気的に接続することができる。また、中継板（１５）を設けずに電力用半導体素子（５）と制御用半導体素子（６）とを直接リードを介して電気的に接続しても差し支えない。制御用リード端子（８）の内端（８ａ）は、ヒートシンク（３）の端面（３ａ）からヒートシンク（３）の内側まで延伸し、ヒートシンク（３）の上面（３ｂ）から離間して配置される。
【００１５】
次に、図１に示す実施の形態による樹脂封止型半導体装置の製造方法を説明する。まず、図２に示すリードフレーム（１６）を用意する。リードフレーム（１６）は、銅若しくはアルミニウム又はこれらの合金から成り、その表面にはニッケルメッキが施されている。次に、図３に示すように、厚みが均一なリードフレーム（１６）にプレス加工を行い、電力用支持板（１）、電力用リード端子（７）、制御用支持板（２）、制御用リード端子（８）及び中継板（１５）を形成する。このとき、図４に示すように、ヒートシンク（３）の端面（３ａ）とは反対側に、選択された電力用リード端子（７）と電力用支持板（１）との接続部に折曲げ部（７ａ）が形成される。続いて、絶縁膜（４）を介して電力用支持板（１）の底面にヒートシンク（３）を接着する。制御用支持板（２）は、ヒートシンク（３）及び電力用支持板（１）から離間して且つヒートシンク（３）より上方に配置して、制御用支持板（２）とヒートシンク（３）との間に間隙（１２ａ）が形成される。
【００１６】
その後、図４に示すように、ヒートシンク（３）の端面（３ａ）より外側で制御用支持板（２）の底面（２ａ）の下方に形成される空洞部（１３）内に支持台（１４）を配置して、ヒートシンク（３）より高い支持台（１４）上に制御用支持板（２）をヒートシンク（３）より高い位置に配置する。この状態で、リードフレーム（１６）の電力用支持板（１）上に電力用半導体素子（５）、保護ダイオード素子（１８）及び抵抗（１９）を固着すると共に、制御用支持板（２）上に制御用半導体素子（６）を固着する。また、電力用半導体素子（５）の電極と電力用リード端子（７）との間及び保護ダイオード素子（１８）と電力用半導体素子（５）の電極との間をワイヤボンディング（ウェッジボンディング）により電力用リード細線（９）を介して電気的に接続すると共に、電力用支持板（１）と制御用支持板（２）との間に設けた中継板（１５）と電力用半導体素子（５）上の電極とを制御用リード細線（１１）を介してワイヤボンディング（ウェッジボンディング）により電気的に接続する。電力用半導体素子（５）は、線径の大きいアルミニウム又はその合金から成る電力用リード細線（９）が接続されるので、大きな電流容量を取ることが可能になる。
【００１７】
また、高周波数の超音波エネルギと熱とを結線用リード細線（１０）に加える超音波熱圧着ワイヤボンダを使用して、超音波熱圧着により制御用支持板（２）の電極及び制御用リード端子（８）の内端（８ａ）を加熱し、制御用リード端子（８）と制御用半導体素子（６）の電極との間及び制御用半導体素子（６）の電極と中継板（１５）との間を金又はその合金から成る結線用リード細線（１０）を介してワイヤボンディング（ボールボンディング）により電気的に接続して、リードフレーム組立体（２０）を形成する。電流容量が小さい制御用半導体素子（６）の電極に接続される結線用リード細線（１０）は金又はその合金から形成されるので、結線用リード細線（１０）の接続方向に制限が無く、設計自由度に優れている。この場合、電力用支持板（１）がヒートシンク（３）上に支持され、制御用支持板（２）、制御用リード端子（８）及び中継板（１５）は支持台（１４）上に支持されるので、電力用支持板（１）、制御用支持板（２）、制御用リード端子（８）及び中継板（５）をヒートシンク（３）上及び支持台（１４）上に保持しながら、電力用半導体素子（５）の電極、電力用リード端子（７）、保護ダイオード素子（１８）の電極、制御用半導体素子（６）の電極、制御用リード端子（８）の内端（８ａ）、中継板（１５）に電力用リード細線（９）、結線用リード細線（１０）及び制御用リード細線（１１）を強固に押圧して接着する。これにより、ワイヤボンディングを確実に行い、機械的強度の高いボンディングを行うことができる。このとき、ヒートシンク（３）は、制御用支持板（２）及び制御用リード端子（８）から離間するので、ヒートシンク（３）上の絶縁膜（４）及び電力用半導体素子（５）が超音波熱圧着の振動や熱による影響を受けず、劣化する危険を回避することができる。
【００１８】
続いて、電力用支持板（１）、電力用半導体素子（５）、制御用支持板（２）、制御用半導体素子（６）、電力用リード細線（９）、結線用リード細線（１０）、制御用リード細線（１１）、電力用リード端子（７）及び制御用リード端子（８）から構成されるリードフレーム組立体（２０）を支持台（１４）から外して成形型のキャビティ内に配置し、周知のトランスファモールド法により、流動状態のエポキシ等の熱硬化性樹脂をキャビティ内に圧入して樹脂封止体（１２）を形成し、電力用支持板（１）、電力用半導体素子（５）、制御用支持板（２）、制御用半導体素子（６）、電力用リード細線（９）、結線用リード細線（１０）、制御用リード細線（１１）、電力用リード端子（７）の一部、制御用リード端子（８）の一部及びヒートシンク（３）を封止樹脂体（１２）により密封して、図５に示すリードフレーム組立体（２０）が形成される。熱硬化性樹脂をキャビティ内に圧入する場合に、電力用リード細線（９）、結線用リード細線（１０）及び制御用リード細線（１１）のワイヤボンディングによる各接合部の機械的強度が高いため、流動状態の樹脂の圧入によって電力用リード細線（９）、結線用リード細線（１０）及び制御用リード細線（１１）の接合部が破断し又は損傷を受けない。また、制御用支持板（２）の底面（２ａ）の下方に設けられる空洞部（１３）及びヒートシンク（３）と制御用支持板（２）との間に形成される間隙（１２ａ）は、樹脂封止体（１２）を構成する樹脂により充填されため、制御用支持板（２）は、間隙（１２ａ）を充填する樹脂によって電力用半導体素子（５）及びヒートシンク（３）から完全に絶縁される。
【００１９】
最後に、図５に示すリードフレーム組立体（２０）から不要な部分を除去すると、電力用リード端子（７）の導出部、制御用リード端子（８）の導出部及びヒートシンク（３）の底面を除き、樹脂封止体（１２）により封止した図１及び図６に示す樹脂封止型半導体装置が形成される。図１は、図６の断面図である。
【００２０】
本発明の樹脂封止型半導体装置では、下記の作用効果が得られる。
［１］ 制御用支持板（２）及び制御用リード端子（８）の内端（８ａ）を支持台（１４）上に載置して、結線用リード細線（１０）及び制御用リード細線（１１）を強固に且つ確実に接続することができる。
［２］ 制御用支持板（２）及び制御用リード端子（８）は、ヒートシンク（３）及び電力用支持板（１）から離間して配置されるので、制御用支持板（２）及び制御用リード端子（８）を加熱して結線用リード細線（１０）のワイヤボンディングを行うとき、ヒートシンク（３）上の絶縁膜（４）及び電力用半導体素子（５）に超音波熱圧着の振動と熱とによる影響が与えられない。
［３］ ヒートシンク（３）上の絶縁膜（４）及び電力用半導体素子（５）の超音波熱圧着による材質劣化を回避することができる。
［４］ 制御用支持板（２）とヒートシンク（３）との間の間隙（１２ａ）及び間隙（１２ａ）内に充填される樹脂により、ヒートシンク（３）及び電力用半導体素子（５）が制御用支持板（２）から十分に電気的に絶縁される。
［５］ 短縮された結線用リード細線（１０）及び制御用リード細線（１１）により中継板（１５）を介して電力用半導体素子（５）と制御用半導体素子（６）とを容易に電気的に接続することができる。
［６］ 制御用支持板（２）の下方には、ヒートシンク（３）が延伸しないので、アルミニウム製のヒートシンク（３）を小型化、軽量化し、製造コストを低減できる。
［７］ ヒートシンク（３）を使用するので、動作時に発熱量の大きな電力用半導体素子（５）を使用することができる。
【００２１】
【発明の効果】
前記のように、本発明では、リード細線を強固に且つ確実に接続して、大電力用途に使用しても電気絶縁性に優れた信頼性の高い樹脂封止型半導体装置を歩留まり良く製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による樹脂封止型半導体装置の断面図
【図２】図１に示す樹脂封止型半導体装置の製造に使用するリードフレームの平面図
【図３】図２に示すリードフレームにパターンを形成した状態を示す平面図
【図４】支持板上に支持台を載置してワイヤボンディングを行う状態を示す断面図
【図５】リードフレーム組立体を樹脂封止体により封止した状態を示す平面図
【図６】図１に示す樹脂封止型半導体装置の平面図
【図７】従来の半導体装置の断面図
【符号の説明】
（１）・・電力用支持板、 （２）・・制御用支持板、 （２ａ）・・底面、 （３）・・ヒートシンク、 （３ａ）・・端面、 （３ｂ）・・上面、 （４）・・絶縁膜、 （５）・・電力用半導体素子、 （６）・・制御用半導体素子、 （７）・・電力用リード端子、（８）・・制御用リード端子、 （８ａ）・・内端、 （９）・・電力用リード端子、 （１０）・・結線用リード細線、 （１１）・・制御用リード細線、 （１２）・・樹脂封止体、 （１２ａ）・・間隙、 （１３）・・空洞部、 （１５）・・中継板、 （１６）・・リードフレーム、 （２０）・・リードフレーム組立体、
【発明の属する技術分野】
本発明は、樹脂封止型半導体装置、特にリードフレームを支持台上に載置してリードのワイヤボンディングを確実に行う樹脂封止型半導体装置及びその製法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
絶縁層を介して複数の半導体素子が載置されたリードフレームを放熱特性の良好な金属板の上方に配置して、金属板とリードフレームとを樹脂封止体によって一体に樹脂成型した半導体装置は公知である（下記特許文献１参照）。
例えば、図７に示すように、従来の半導体パワーモジュールとしての半導体装置は、放熱性に優れる金属板（３）と、金属板（３）の上方に絶縁膜（４）を介して載置された回路パターン（３１）と、金属板（３）と回路パターン（３１）とを収納するケース（３３）と、金属板（３）の上面を密封する樹脂封止体（１２）とを備えている。
【０００３】
回路パターン（３１）は、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタと絶縁ゲート型バイポーラトランジスタに接続されるダイオード素子とを有する電力用半導体素子（５）を搭載する主回路パターン部（３１ａ）と、外部装置からの外部信号を受信する制御ＩＣから成る制御半導体素子（６）を搭載した制御回路パターン部（３１ｂ）とから成る銅箔パターンとを備える。また、主回路パターン部（３１ａ）の周囲に配置された複数の電力用リード（７）と、電力用リード（７）とは反対側に制御回路パターン部（３１ｂ）の周囲に配置された複数の制御用リード（８）とがケース（３３）から導出され、電力用リード（７）は、接続線（９）を介して電力用半導体素子（５）に電気的に接続され、制御用リード（８）は、接続線（１０）を介して制御半導体素子（６）に電気的に接続される。
【０００４】
電力用半導体素子（５）と制御半導体素子（６）とは回路パターン（３１）にも固着された接続線（１１）を介して電気的に接続される。また、電力用半導体素子（５）は、電力用半導体素子（５）のゲートに接続される制御半導体素子（６）からの制御信号を受信してオンする。回路パターン（３１）の主回路パターン部（３１ａ）と制御回路パターン部（３１ｂ）は、金属板（３）上に略平行に並置され、分離帯（３２）を介して左右に分離して配置される。なお、電力用リード（７）及び制御用リード（８）の一端（７ａ，８ａ）は、主回路パターン部（３１ａ）及び制御回路パターン部（３１ｂ）上に半田により接着され、また、電力用リード（７）及び制御用リード（８）の他端（７ｂ，８ｂ）は、ケース（３３）を貫通し、外部に露出して外部リード端子を形成する。
【０００５】
例えば銅（Ｃｕ）等の金属から成る板材を周知のプレス加工により形成されるリードフレームの表面にはニッケル（Ｎｉ）メッキが施される。金属板（３）は、リードフレームよりも板厚が厚く且つ銅（Ｃｕ）等の良好な熱伝導金属から成る板材により、対向する回路パターン（３１）の面積よりも大きい面積で平面四角形状に形成される。リードフレームを構成する回路パターン（３１）、電力用半導体素子（５）、制御半導体素子（６）、接続線（９〜１１）、電力用リード（７）及び制御用リード（８）の一端（７ａ，８ａ）を樹脂封止体（１２）により封止するために、上型と下型とから成る金型のキャビティ（空所）内に配置して金型を閉じる。キャビティ内に配置したリードフレームは、例えば周知のトランスファモールド法により、流動化したエポキシ等の熱硬化性樹脂から成る樹脂封止体（１２）をキャビティ内に圧入して、樹脂成型される。成型された半導体装置では、大電流が流れる電力用半導体素子（５）及び電力用半導体素子（５）が載置された主回路パターン部（３１ａ）から発生する損失熱は、絶縁膜（４）を介して金属板（３）に良好に伝達されて放熱することができる。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−１３３７６８号公報（第５頁、図７）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記半導体装置では、電力用半導体素子（５）へ入力する制御信号を発生する制御ＩＣにより構成される制御半導体素子（６）には微弱な電流が流れるに過ぎないので、熱を放散する特別の構造が不要となる制御回路パターン部（３１ｂ）の下面に金属板（３）を設けることは高コスト化に繋がる。
【０００８】
また、制御回路パターン部（３１ｂ）に搭載された制御半導体素子（６）の電極と制御用リード（８）の一端（８ａ）とを接続線（１０）によりワイヤボンディング（ボールボンディング）を行うとき、超音波熱圧着による熱的影響が与えられる金属板（３）上の絶縁膜（４）及び電力用半導体素子（５）が劣化することがある。
【０００９】
本発明は、樹脂封止型半導体装置、特にリード細線のワイヤボンディングを確実に行う樹脂封止型半導体装置及びその製法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明による樹脂封止型半導体装置は、ヒートシンク（３）と、ヒートシンク（３）上に絶縁膜（４）を介して接着される複数の電力用支持板（１）と、電力用支持板（１）に載置された複数の電力用半導体素子（５）と、電力用支持板（１）から離間して配置された複数の制御用支持板（２）と、制御用支持板（２）に載置された複数の制御用半導体素子（６）と、制御用支持板（２）とは反対側で電力用支持板（１）の周囲に配置された複数の電力用リード端子（７）と、制御用支持板（２）の周囲に配置された複数の制御用リード端子（８）とを備え、電力用半導体素子（５）と前記電力用リード端子（７）とを電気的に接続する複数の電力用リード細線（９）と、制御用半導体素子（６）と制御用リード端子（８）とを電気的に接続する複数の結線用リード細線（１０）と、電力用半導体素子（５）と制御用リード端子（８）とを電気的に接続する制御用リード細線（１１）と、電力用支持板（１）、電力用半導体素子（５）、制御用支持板（２）、制御用半導体素子（６）、電力用リード細線（９）、結線用リード細線（１０）、制御用リード細線（１１）、電力用リード端子（７）の一部及び制御用リード端子（８）の一部を封止する樹脂封止体（１２）とを備えている。制御用リード端子（８）の内端（８ａ）は、ヒートシンク（３）から離間して且つヒートシンク（３）の端面（３ａ）よりヒートシンク（３）の内側に配置され、ヒートシンク（３）の端面（３ａ）より外側で且つ制御用半導体素子（６）が固着された制御用支持板（２）の底面（２ａ）の下方に空洞部（１３）が形成される。ヒートシンク（３）の上面（３ｂ）と制御用支持板（２）の底面（２ａ）との間に形成される間隙（１２ａ）及び空洞部（１３）は樹脂封止体（１２）を構成する樹脂により充填される。制御用支持板（２）は、間隙（１２ａ）及び間隙（１２ａ）内に充填される樹脂によって電力用半導体素子（５）及びヒートシンク（３）から電気的に完全に絶縁される。また、制御用支持板（２）の下方には、ヒートシンク（３）が延伸しないので、ヒートシンク（３）を小型化、軽量化し、製造コストを低減できる。
【００１１】
本発明による樹脂封止型半導体装置の製法は、電力用リード端子（７）と、制御用リード端子（８）と、電力用支持板（１）と、制御用支持板（２）とを備えたリードフレーム（１６）の電力用支持板（１）の下面に絶縁膜（４）を介してヒートシンク（３）を固着する工程と、電力用支持板（１）に電力用半導体素子（５）を接着し、電力用半導体素子（５）上の電極と電力用リード端子（７）とを電力用リード細線（９）により電気的に接続すると共に、電力用半導体素子（５）の電極と制御用リード端子（８）とを制御用リード細線（１１）により電気的に接続する工程と、制御用支持板（２）の底面（２ａ）の下方に形成された空洞部（１３）に配置した支持台（１４）上に制御用支持板（２）を載置して、制御用支持板（２）上に制御用半導体素子（６）を固着し、制御用支持板（２）を加熱して制御用半導体素子（６）の電極と制御用リード端子（８）とを結線用リード細線（１０）により電気的に接続する工程と、リードフレーム（１６）を支持台（１４）から外して成形型のキャビティ内に配置する工程と、キャビティ内に流動化した樹脂を圧入して、ヒートシンク（３）の上面（３ｂ）と制御用支持板（２）の底面（２ａ）との間に形成される間隙（１２ａ）及び空洞部（１３）を樹脂封止体（１２）を構成する樹脂により充填しながら、電力用支持板（１）、電力用半導体素子（５）、制御用支持板（２）、制御用半導体素子（６）、電力用リード細線（９）、結線用リード細線（１０）、制御用リード細線（１１）、電力用リード端子（７）の一部及び制御用リード端子（８）の一部を封止する樹脂封止体（１２）を形成する工程とを含む。
【００１２】
制御用支持板（２）の下方に設けられる空洞部（１３）内に支持台（１４）を配置して、制御用支持板（２）をヒートシンク（３）より高い位置に確実に支持する状態で、結線用リード細線（１０）に超音波熱圧着による押圧力を強く加えて、制御用半導体素子（６）と制御用リード端子（８）とに結線用リード細線（１０）を強固に接着し、結線用リード細線（１０）のワイヤボンディングを確実に行うことができる。また、金又はその合金から成る結線用リード細線（１０）のワイヤボンディングを超音波熱圧着により行うとき、制御用支持板（２）及び制御用リード端子（８）からヒートシンク（３）が離間するため、ヒートシンク（３）上の絶縁膜（４）及び電力用半導体素子（５）が超音波熱圧着の振動による機械的影響及び加熱時に生じる熱的影響を受けず、劣化の危険性を回避することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施の形態に係る樹脂封止型半導体装置及び樹脂封止型半導体装置の製法を図１〜図６について説明する。図１〜図６では、図７に示す箇所と同一の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。
図１に示すように、本発明の樹脂封止型半導体装置では、複数の電力用支持板（１）と制御用支持板（２）とを離間して配置し、電力用支持板（１）の下方のみ絶縁膜（４）を介して金属製のヒートシンク（３）を接着した点に特徴がある。パワーＭＯＳＦＥＴ等から成る電力用半導体素子（５）が電力用支持板（１）上に搭載され、制御用支持板（２）上に電力用半導体素子（５）に制御信号を付与してオンさせる制御用半導体素子（６）が搭載される。電力用半導体素子（５）は、電力用支持板（１）に隣接して配置された複数の電力用リード端子（７）にアルミニウム又はその合金から成る電力用リード細線（９）を介して電気的に接続され、制御用半導体素子（６）は、制御用支持板（２）に隣接して配置された複数の制御用リード端子（８）に金又はその合金から成る結線用リード細線（１０）を介して電気的に接続される。
【００１４】
また、電力用半導体素子（５）と制御用半導体素子（６）とを電気的に接続する中継板（１５）を制御用支持板（２）の周囲に独立して設け、アルミニウム又はその合金から成る制御用リード細線（１１）を電力用半導体素子（５）と中継板（１５）とに固着し、制御用リード細線（１１）の反対側に設けた結線用リード細線（１０）を中継板（１５）と制御用半導体素子（６）とに固着して電気的に接続する。これにより、結線用リード細線（１０）及び制御用リード細線（１１）を介して電力用半導体素子（５）と制御用半導体素子（６）とを容易に電気的に接続することができる。また、中継板（１５）を設けずに電力用半導体素子（５）と制御用半導体素子（６）とを直接リードを介して電気的に接続しても差し支えない。制御用リード端子（８）の内端（８ａ）は、ヒートシンク（３）の端面（３ａ）からヒートシンク（３）の内側まで延伸し、ヒートシンク（３）の上面（３ｂ）から離間して配置される。
【００１５】
次に、図１に示す実施の形態による樹脂封止型半導体装置の製造方法を説明する。まず、図２に示すリードフレーム（１６）を用意する。リードフレーム（１６）は、銅若しくはアルミニウム又はこれらの合金から成り、その表面にはニッケルメッキが施されている。次に、図３に示すように、厚みが均一なリードフレーム（１６）にプレス加工を行い、電力用支持板（１）、電力用リード端子（７）、制御用支持板（２）、制御用リード端子（８）及び中継板（１５）を形成する。このとき、図４に示すように、ヒートシンク（３）の端面（３ａ）とは反対側に、選択された電力用リード端子（７）と電力用支持板（１）との接続部に折曲げ部（７ａ）が形成される。続いて、絶縁膜（４）を介して電力用支持板（１）の底面にヒートシンク（３）を接着する。制御用支持板（２）は、ヒートシンク（３）及び電力用支持板（１）から離間して且つヒートシンク（３）より上方に配置して、制御用支持板（２）とヒートシンク（３）との間に間隙（１２ａ）が形成される。
【００１６】
その後、図４に示すように、ヒートシンク（３）の端面（３ａ）より外側で制御用支持板（２）の底面（２ａ）の下方に形成される空洞部（１３）内に支持台（１４）を配置して、ヒートシンク（３）より高い支持台（１４）上に制御用支持板（２）をヒートシンク（３）より高い位置に配置する。この状態で、リードフレーム（１６）の電力用支持板（１）上に電力用半導体素子（５）、保護ダイオード素子（１８）及び抵抗（１９）を固着すると共に、制御用支持板（２）上に制御用半導体素子（６）を固着する。また、電力用半導体素子（５）の電極と電力用リード端子（７）との間及び保護ダイオード素子（１８）と電力用半導体素子（５）の電極との間をワイヤボンディング（ウェッジボンディング）により電力用リード細線（９）を介して電気的に接続すると共に、電力用支持板（１）と制御用支持板（２）との間に設けた中継板（１５）と電力用半導体素子（５）上の電極とを制御用リード細線（１１）を介してワイヤボンディング（ウェッジボンディング）により電気的に接続する。電力用半導体素子（５）は、線径の大きいアルミニウム又はその合金から成る電力用リード細線（９）が接続されるので、大きな電流容量を取ることが可能になる。
【００１７】
また、高周波数の超音波エネルギと熱とを結線用リード細線（１０）に加える超音波熱圧着ワイヤボンダを使用して、超音波熱圧着により制御用支持板（２）の電極及び制御用リード端子（８）の内端（８ａ）を加熱し、制御用リード端子（８）と制御用半導体素子（６）の電極との間及び制御用半導体素子（６）の電極と中継板（１５）との間を金又はその合金から成る結線用リード細線（１０）を介してワイヤボンディング（ボールボンディング）により電気的に接続して、リードフレーム組立体（２０）を形成する。電流容量が小さい制御用半導体素子（６）の電極に接続される結線用リード細線（１０）は金又はその合金から形成されるので、結線用リード細線（１０）の接続方向に制限が無く、設計自由度に優れている。この場合、電力用支持板（１）がヒートシンク（３）上に支持され、制御用支持板（２）、制御用リード端子（８）及び中継板（１５）は支持台（１４）上に支持されるので、電力用支持板（１）、制御用支持板（２）、制御用リード端子（８）及び中継板（５）をヒートシンク（３）上及び支持台（１４）上に保持しながら、電力用半導体素子（５）の電極、電力用リード端子（７）、保護ダイオード素子（１８）の電極、制御用半導体素子（６）の電極、制御用リード端子（８）の内端（８ａ）、中継板（１５）に電力用リード細線（９）、結線用リード細線（１０）及び制御用リード細線（１１）を強固に押圧して接着する。これにより、ワイヤボンディングを確実に行い、機械的強度の高いボンディングを行うことができる。このとき、ヒートシンク（３）は、制御用支持板（２）及び制御用リード端子（８）から離間するので、ヒートシンク（３）上の絶縁膜（４）及び電力用半導体素子（５）が超音波熱圧着の振動や熱による影響を受けず、劣化する危険を回避することができる。
【００１８】
続いて、電力用支持板（１）、電力用半導体素子（５）、制御用支持板（２）、制御用半導体素子（６）、電力用リード細線（９）、結線用リード細線（１０）、制御用リード細線（１１）、電力用リード端子（７）及び制御用リード端子（８）から構成されるリードフレーム組立体（２０）を支持台（１４）から外して成形型のキャビティ内に配置し、周知のトランスファモールド法により、流動状態のエポキシ等の熱硬化性樹脂をキャビティ内に圧入して樹脂封止体（１２）を形成し、電力用支持板（１）、電力用半導体素子（５）、制御用支持板（２）、制御用半導体素子（６）、電力用リード細線（９）、結線用リード細線（１０）、制御用リード細線（１１）、電力用リード端子（７）の一部、制御用リード端子（８）の一部及びヒートシンク（３）を封止樹脂体（１２）により密封して、図５に示すリードフレーム組立体（２０）が形成される。熱硬化性樹脂をキャビティ内に圧入する場合に、電力用リード細線（９）、結線用リード細線（１０）及び制御用リード細線（１１）のワイヤボンディングによる各接合部の機械的強度が高いため、流動状態の樹脂の圧入によって電力用リード細線（９）、結線用リード細線（１０）及び制御用リード細線（１１）の接合部が破断し又は損傷を受けない。また、制御用支持板（２）の底面（２ａ）の下方に設けられる空洞部（１３）及びヒートシンク（３）と制御用支持板（２）との間に形成される間隙（１２ａ）は、樹脂封止体（１２）を構成する樹脂により充填されため、制御用支持板（２）は、間隙（１２ａ）を充填する樹脂によって電力用半導体素子（５）及びヒートシンク（３）から完全に絶縁される。
【００１９】
最後に、図５に示すリードフレーム組立体（２０）から不要な部分を除去すると、電力用リード端子（７）の導出部、制御用リード端子（８）の導出部及びヒートシンク（３）の底面を除き、樹脂封止体（１２）により封止した図１及び図６に示す樹脂封止型半導体装置が形成される。図１は、図６の断面図である。
【００２０】
本発明の樹脂封止型半導体装置では、下記の作用効果が得られる。
［１］ 制御用支持板（２）及び制御用リード端子（８）の内端（８ａ）を支持台（１４）上に載置して、結線用リード細線（１０）及び制御用リード細線（１１）を強固に且つ確実に接続することができる。
［２］ 制御用支持板（２）及び制御用リード端子（８）は、ヒートシンク（３）及び電力用支持板（１）から離間して配置されるので、制御用支持板（２）及び制御用リード端子（８）を加熱して結線用リード細線（１０）のワイヤボンディングを行うとき、ヒートシンク（３）上の絶縁膜（４）及び電力用半導体素子（５）に超音波熱圧着の振動と熱とによる影響が与えられない。
［３］ ヒートシンク（３）上の絶縁膜（４）及び電力用半導体素子（５）の超音波熱圧着による材質劣化を回避することができる。
［４］ 制御用支持板（２）とヒートシンク（３）との間の間隙（１２ａ）及び間隙（１２ａ）内に充填される樹脂により、ヒートシンク（３）及び電力用半導体素子（５）が制御用支持板（２）から十分に電気的に絶縁される。
［５］ 短縮された結線用リード細線（１０）及び制御用リード細線（１１）により中継板（１５）を介して電力用半導体素子（５）と制御用半導体素子（６）とを容易に電気的に接続することができる。
［６］ 制御用支持板（２）の下方には、ヒートシンク（３）が延伸しないので、アルミニウム製のヒートシンク（３）を小型化、軽量化し、製造コストを低減できる。
［７］ ヒートシンク（３）を使用するので、動作時に発熱量の大きな電力用半導体素子（５）を使用することができる。
【００２１】
【発明の効果】
前記のように、本発明では、リード細線を強固に且つ確実に接続して、大電力用途に使用しても電気絶縁性に優れた信頼性の高い樹脂封止型半導体装置を歩留まり良く製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による樹脂封止型半導体装置の断面図
【図２】図１に示す樹脂封止型半導体装置の製造に使用するリードフレームの平面図
【図３】図２に示すリードフレームにパターンを形成した状態を示す平面図
【図４】支持板上に支持台を載置してワイヤボンディングを行う状態を示す断面図
【図５】リードフレーム組立体を樹脂封止体により封止した状態を示す平面図
【図６】図１に示す樹脂封止型半導体装置の平面図
【図７】従来の半導体装置の断面図
【符号の説明】
（１）・・電力用支持板、 （２）・・制御用支持板、 （２ａ）・・底面、 （３）・・ヒートシンク、 （３ａ）・・端面、 （３ｂ）・・上面、 （４）・・絶縁膜、 （５）・・電力用半導体素子、 （６）・・制御用半導体素子、 （７）・・電力用リード端子、（８）・・制御用リード端子、 （８ａ）・・内端、 （９）・・電力用リード端子、 （１０）・・結線用リード細線、 （１１）・・制御用リード細線、 （１２）・・樹脂封止体、 （１２ａ）・・間隙、 （１３）・・空洞部、 （１５）・・中継板、 （１６）・・リードフレーム、 （２０）・・リードフレーム組立体、
Claims (4)
- ヒートシンクと、絶縁膜を介して前記ヒートシンク上に接着される複数の電力用支持板と、該電力用支持板に載置された複数の電力用半導体素子と、前記電力用支持板から離間して配置された複数の制御用支持板と、該制御用支持板に載置された複数の制御用半導体素子と、前記制御用支持板とは反対側で前記電力用支持板の周囲に配置された複数の電力用リード端子と、前記制御用支持板の周囲に配置された複数の制御用リード端子と、前記電力用半導体素子と前記電力用リード端子とを電気的に接続する複数の電力用リード細線と、前記制御用半導体素子と前記制御用リード端子とを電気的に接続する複数の結線用リード細線と、前記電力用半導体素子と前記制御用リード端子とを電気的に接続する制御用リード細線と、前記電力用支持板、電力用半導体素子、制御用支持板、制御用半導体素子、電力用リード細線、結線用リード細線、制御用リード細線、電力用リード端子の一部及び制御用リード端子の一部を封止する樹脂封止体とを備えた樹脂封止型半導体装置において、
前記制御用リード端子の内端は、前記ヒートシンクから離間して且つ前記ヒートシンクの端面より前記ヒートシンクの内側に配置され、
前記ヒートシンクの端面より外側で且つ前記制御用半導体素子が固着された前記制御用支持板の底面の下方に空洞部が形成され、
前記ヒートシンクの上面と前記制御用支持板の底面との間に形成される間隙及び前記空洞部は前記樹脂封止体を構成する樹脂により充填されることを特徴とする樹脂封止型半導体装置。 - 前記電力用リード細線及び前記制御用リード細線は、アルミニウム又はその合金から成り、
前記結線用リード細線は、金又はその合金から成る請求項１に記載の樹脂封止型半導体装置。 - 前記制御用支持板の周囲に独立して中継板が設けられ、前記電力用半導体素子と前記中継板との間に前記制御用リード細線が電気的に接続され、前記中継板と前記制御用半導体素子との間に結線用リード細線が電気的に接続される請求項１又は２に記載の樹脂封止型半導体装置。
- 電力用リード端子と、制御用リード端子と、電力用支持板と、制御用支持板とを備えたリードフレームの前記電力用支持板の下面に絶縁膜を介してヒートシンクを固着する工程と、
前記電力用支持板に電力用半導体素子を接着し、該電力用半導体素子上の電極と前記電力用リード端子とを電力用リード細線により電気的に接続すると共に、前記電力用半導体素子の電極と前記制御用リード端子とを制御用リード細線により電気的に接続する工程と、
前記制御用支持板の底面の下方に形成された空洞部に配置した支持台上に前記制御用支持板を載置して、前記制御用支持板上に制御用半導体素子を固着し、前記制御用支持板を加熱して前記制御用半導体素子の電極と前記制御用リード端子とを結線用リード細線により電気的に接続する工程と、
前記リードフレームを前記支持台から外して成形型のキャビティ内に配置する工程と、
前記キャビティ内に流動化した樹脂を圧入して、前記ヒートシンクの上面と前記制御用支持板の底面との間に形成される間隙及び前記空洞部を前記樹脂封止体を構成する樹脂により充填しながら、前記電力用支持板、電力用半導体素子、制御用支持板、制御用半導体素子、電力用リード細線、結線用リード細線、制御用リード細線、電力用リード端子の一部及び制御用リード端子の一部を封止する樹脂封止体を形成する工程とを含むことを特徴とする樹脂封止型半導体装置の製法。
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