JP2004221460A - 半導体部品、半導体装置、及び該半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】半導体支持金属板を介して半導体素子を実装した制御基板について半導体支持金属板との平行度及び位置精度を損なわずに電気的接続した半導体部品、半導体装置、及び半導体装置製造方法を提供する。
【解決手段】半導体支持金属板115に脚部116を備えることで、該支持部材にて、リードフレーム回路基板に対する上記半導体支持金属板の平行度及び位置ずれを防止して上記リードフレーム回路基板と上記半導体支持金属板との電気的接続を行うことができる。よって、平行度及び位置精度の損失に起因して、半導体素子が接続される制御基板118と半導体素子111とが電気的に非接続となることはなく、上記半導体支持金属板とリードフレーム回路基板との接続が損なわれることもない。
【選択図】図1
【解決手段】半導体支持金属板115に脚部116を備えることで、該支持部材にて、リードフレーム回路基板に対する上記半導体支持金属板の平行度及び位置ずれを防止して上記リードフレーム回路基板と上記半導体支持金属板との電気的接続を行うことができる。よって、平行度及び位置精度の損失に起因して、半導体素子が接続される制御基板118と半導体素子111とが電気的に非接続となることはなく、上記半導体支持金属板とリードフレーム回路基板との接続が損なわれることもない。
【選択図】図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、IGBTやMOSFETなど、電子機器に用いられ例えば1W以上の電力を消費する可能性がありかつ放熱を考慮して実装される大電流用半導体素子を備えた半導体装置、及び該半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、大電流用半導体素子と外部電気回路との電気的接続には、アルミニウムの細線を用いたワイヤボンディングが利用されてきたが、近年、上記大電流用半導体素子を使用した、例えばDC−DCコンバータやモータ駆動用インバータという半導体装置では、小型化及び内部回路構成の多様化により、実装に使用できる空間が次第に狭くなり、従来のワイヤボンディング技術で対処することが困難になってきた。
そこで、最近では、半導体素子の電極パッド上に半田ボールや金属片を接合し、該半田ボール等を、直接制御基板における端子電極部との電気的接続部として用い、上記半導体素子と上記制御基板とを最短距離で接続する方法が開発されてきた。その中でも、一般にバンプと呼ばれる金属の突起電極を、超音波振動エネルギーを作用させて半導体素子の電極パッド部に接合形成して、該半導体素子と制御基板との電気的接続点として用いる技術は、半田を用いる場合に比べて半導体素子に特殊な処理を施す必要も無く、簡素な製造設備で特性の良い半導体装置の製造が可能となる優れたものである(例えば特許文献1参照)。
【0003】
以下、図面を参照しながら、上述した従来の半導体部品の一例について説明する。図17は、従来の製造方法による半導体部品の断面図である。図17において、1は半導体素子、3は突起電極、4は超高温半田、5は金属片、6は金属片5の伸長部、7は対制御基板接合手段、8は制御基板である。
半導体素子1は、電子機器に用いられる大電流用半導体素子であり、例えばMOSFETであり、図17では上側に位置する第1主面1aにソース電極とゲート電極を、図17では下側に位置する第2主面1bにドレイン電極を有する。
【0004】
まず、金属片5を半導体素子1に取り付ける前に、金属片5を半導体素子1に合わせて、一例として、素子対向部5a及び伸長部6を有した大略L字状に成形する。
次に、上記ドレイン電極を有する半導体素子1の第2主面1bを、超高温半田4を介在させて金属片5の素子対向部5aに電気的に接続しつつ、半導体素子1と金属片5とを一体化する。超高温半田4としては、通常融点280℃〜350℃の高融点半田が用いられる。
半導体素子1と金属片5とを一体化した後、半導体素子1のソース電極及びゲート電極上にそれぞれ突起電極3を、超音波振動エネルギーを用いて接合する。該接合動作には、機械的にはバンプボンダ(バンプ形成機)を用いる。
半導体素子1、金属片5、及び突起電極3からなる一体物10を、制御基板8に実装するに当たっては、対制御基板接合手段7として例えば半田を用いた半田リフローにより、突起電極3と金属片5の伸長部6とが同時に、図17に示すように制御基板8上の所定の端子電極部8aにそれぞれ接合される。このようにして、半導体素子1、金属片5、及び突起電極3からなる上記一体物10を、制御基板8に実装した半導体部品11が形成される。
【0005】
図18は、上述した従来の半導体部品11を放熱板に装着した構成例を示す断面図である。22は放熱板、25は制御基板固定用ビス、23は絶縁層、24は伝熱性樹脂シートである。半導体素子1を含む上記一体物10が制御基板8に実装された上記半導体部品11を、樹脂等の絶縁材料からなる絶縁層23、及び高さのばらつきの吸収と放熱性の均一化とのための伝熱性樹脂シート24を介して、放熱板22に、制御基板固定用ビス25により固定する。該構成にて、半導体部品11の放熱経路を形成する。又、樹脂等の絶縁材料を放熱板と半導体素子1の周囲に充填して放熱経路を形成することもできる。
【0006】
上述した従来の半導体部品11の問題点として、扱う電流が大きくなると制御基板8の回路パターンにおける発熱を避けるため、回路パターンの断面積を増やしてパターン単位長さあたりの電気抵抗を小さくする必要があり、これにより制御基板8が大型化するという問題がある。即ち、一般に制御基板8として用いられる通常のプリント回路基板では通常18〜70μm程度である回路パターンの厚さを、上記断面積を増やすために例えば100μm以上にすることは、コスト及び加工技術の面から現実的でないことが多い。よって多くの場合、回路パターンの幅を広くすることで上記断面積を増やして大電流下の損失を抑える。したがって、回路パターンが大型化してしま、その結果、装置も大型化してしまう。
【0007】
一方、大電流対応用で任意の回路パターン厚さを得られる回路基板として、金属板打ち抜き加工により回路パターン形成をしたリードフレーム回路基板が存在する。該リードフレーム回路基板では、回路パターン厚さを大きくすることができることから、回路パターンの面積を増加させることなくパターン単位長さ当たりの電気抵抗を小さくでき、大電流対応で小型の回路基板を容易に実現できる。中でも図19に示すように、パターン形成したリードフレーム20を伝熱性のよい樹脂シート状材からなるリードフレーム固定用樹脂21に加熱プレスなどの方法で一体化し、低抵抗かつ放熱性を兼ね備えたリードフレーム回路基板23は、適宜金属からなる放熱板22を密着させて一体化することも容易であり、大電流を扱う用途に有用なものである(例えば特許文献2参照)。
上述した従来の半導体部品を、図19に示すようなリードフレーム回路基板23上のリードフレーム20に例えば半田リフローにより接続して大電流をリードフレーム20に流すことができれば、従来の半導体部品の大電流回路の大部分をリードフレーム回路基板23で構成でき、上述した制御基板8及び装置の大型化という問題は起こらない。
【0008】
【特許文献1】
特開2002−26067号公報
【特許文献2】
特開平10−173097号公報
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図17に示す従来の半導体部品11においては、リードフレーム20に接続を図る場合、個々の金属片5の実装高さのばらつき、及び金属片5の傾き、又制御基板8全体の傾きや位置ずれといった位置精度上の問題に起因する様々な課題が生ずる。
上記従来の半導体部品11においては、半導体素子1、突起電極3、超高温半田4、及び伸張部6という多くの構成要素の高さ寸法によって、金属片5の水平度と位置精度が決定される。それぞれの構成要素における高さ寸法は、ばらつきを持っているので、結果的に金属片5の水平度を管理することが極めて難しい。
その結果として、上述の従来の半導体部品11における金属片5の水平度及び位置精度が失われた状態にて、金属片5とリードフレーム20とを半田リフローにより接合しようとすると、半田が溶融して接合が行われる過程において図20に示すように半田の分布が不均一なむらを生じたり接続すべき箇所で断線したりし、結果として半導体部品11の機能及び放熱性が損なわれる。
【0010】
本発明は、上述した課題を解決するためになされたもので、上記金属片の作用をする半導体支持金属板を介して半導体素子を実装した制御基板について上記半導体支持金属板との平行度及び位置精度を損なわずに電気的接続した半導体部品、半導体装置、及び該半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の第1態様の半導体部品は、表裏両面にそれぞれ電極を有する半導体素子と、
上記半導体素子の上記表裏面のいずれか一方の電極とバンプを介して上記半導体素子と接続される回路基板と、
上記半導体素子を載置して該半導体素子の上記表裏面のいずれか他方の電極と接続される素子載置部、及び上記回路基板に向かって上記素子載置部に立設されて上記回路基板に接続されかつ上記回路基板に対して上記素子載置部を平行又はほぼ平行に配置する複数の脚部を有する半導体支持金属板と、
を備えたことを特徴とする。
【0012】
又、本発明の第2態様の半導体装置は、表裏両面にそれぞれ電極を有する半導体素子と、
上記半導体素子の上記表裏面のいずれか一方の電極とバンプを介して上記半導体素子と接続される第1基板と、
上記半導体素子の上記表裏面のいずれか他方の電極と接続される素子載置面を有して上記半導体素子を載置しかつ上記第1基板に接続される半導体支持金属板と、
上記素子載置面に対向する上記半導体支持金属板の裏面と接続され金属板により回路パターン形成された第2基板と、
上記半導体支持金属板と上記第1基板との間、又は上記第1基板と上記第2基板との間に設けられ、上記第2基板に対する上記半導体支持金属板の平行度の向上及び位置ずれ防止を行う支持部材と、
を備えたことを特徴とする。
【0013】
上記第2態様の半導体装置において、上記半導体支持金属板と上記第1基板との間に上記支持部材が設けられるとき、該支持部材は、上記第1基板に向かって上記素子載置面に立設されて上記第1基板に接続され、かつ上記第1基板に対して上記半導体支持金属板を平行又はほぼ平行に配置して上記第2基板に対する上記半導体支持金属板の平行度の向上及び位置ずれ防止を行い、かつ上記半導体支持金属板と一体的に成形される複数の脚部であるように構成することができる。
【0014】
上記第2態様の半導体装置において、上記脚部は、上記半導体支持金属板が上記第2基板に接続されるとき、上記半導体支持金属板及び上記第1基板に作用するストレスを緩和する屈曲部を有するように構成することができる。
【0015】
上記第2態様の半導体装置において、上記半導体支持金属板と上記第1基板との間に上記支持部材が設けられるとき、該支持部材は、上記第1基板に立設され上記素子載置面に接触し上記第1基板と上記半導体支持金属板との平行度を向上させて上記第2基板に対する上記半導体支持金属板の平行度の向上及び位置ずれ防止を行う複数の第1凸状部材であるように構成することができる。
【0016】
上記第2態様の半導体装置において、上記第1基板と上記第2基板との間に上記支持部材が設けられるとき、該支持部材は、上記第1基板に立設され上記第2基板に接触して上記第2基板に対する上記半導体支持金属板の平行度の向上及び位置ずれ防止を行う複数の第2凸状部材であるように構成することができる。
【0017】
上記第2態様の半導体装置において、上記第2凸状部材は、上記第1基板及び上記第2基板に形成された各電極との間を連結する導電部材であるように構成することができる。
【0018】
又、本発明の第3態様の半導体装置は、表裏両面にそれぞれ電極を有する半導体素子と、
上記半導体素子の上記表裏面のいずれか一方の電極とバンプを介して上記半導体素子と接続される第1基板と、
上記半導体素子の上記表裏面のいずれか他方の電極と接続される素子載置面を有して上記半導体素子を載置しかつ上記第1基板に接続される半導体支持金属板と、
上記素子載置面に対向する上記半導体支持金属板の裏面と接続され金属板により回路パターン形成された第2基板と、
上記第1基板に取り付けられ、上記半導体支持金属板の上記裏面と上記第2基板とが接合剤にて接続されるとき上記第2基板に対する上記半導体支持金属板の平行度の向上及び位置ずれ防止を行う荷重部材と、
を備えたことを特徴とする。
【0019】
上記第2態様及び上記第3態様の半導体装置において、上記第1基板は、可撓性を有する材料で構成することもできる。
【0020】
又、本発明の第4態様の半導体装置製造方法は、表裏両面のいずれか一方の電極にバンプを有し、上記表裏面のいずれか他方の電極と半導体支持金属板の素子載置面とを接続した支持体を、第1基板の電極と上記バンプとが接続するようにして上記第1基板に接続するとき、上記半導体支持金属板と上記第1基板との平行度の向上及び位置ずれ防止を行いながら、上記半導体支持金属板の上記素子載置部を上記第1基板に対して平行又はほぼ平行に配置する上記支持体の上記半導体支持金属板の複数の脚部を上記第1基板に接続し、
上記支持体と上記第1基板との上記接続にて形成される半導体部品における上記素子載置面に対向する上記半導体支持金属板の裏面と、金属板により回路パターン形成された第2基板とを接続する、
ことを特徴とする。
【0021】
上記第4態様の半導体装置製造方法において、上記支持体を上記第1基板に接続するとき、上記半導体支持金属板の上記複数の脚部を上記第1基板に接触させることで、上記半導体支持金属板と上記第1基板との平行度の向上及び位置ずれ防止を行いながら、上記支持体を上記第1基板に接続するようにしてもよい。
【0022】
上記第4態様の半導体装置製造方法において、上記半導体部品と上記第2基板とを接続するとき、上記裏面と上記第2基板との平行度の向上及び位置ずれ防止を行いながら接続を行うようにしてもよい。
【0023】
【発明の実施の形態】
本発明の第1態様の半導体部品、第2態様及び第3態様の半導体装置、並びに第4態様の半導体装置製造方法について、図を参照しながら以下に詳しく説明する。尚、上記第2態様及び第3態様の半導体装置は、上記第1態様の半導体部品を備えたもので、上記第4態様の半導体装置製造方法は、上記第2態様及び第3態様の半導体装置を製造する方法である。又、各図において同じ構成部分については同じ符号を付している。
【0024】
第1実施形態:
図1は、本発明の第1実施形態における半導体装置101を示しており、該半導体装置101は、大きく分けて、半導体素子111と、第1基板の一例としての制御基板118と、上記半導体素子111を載置し制御基板118に接続される半導体支持金属板115と、金属板打ち抜き加工により形成された電極パターンを有する第2基板の一例としてのリードフレーム回路基板122と、上記リードフレーム回路基板122に対する半導体支持金属板115の平行度の向上及び位置ずれ防止を行う支持部材とを備える。
【0025】
上記半導体素子111は、表裏表面にそれぞれ電極を有する半導体素子であり、本例では電子機器に用いられる大電流用半導体素子の一例としてのMOSFETであり、図示では上側に位置する表面111aには、電極111c例えばソース電極及びゲート電極が設けられ、図示では下側に位置する裏面111bには、電極111d例えばドレイン電極を有する。上記電極111cには、突起電極としてのバンプ113が設けられている。ここではバンプ113は、直径500μmの金(Au)球からなる。このような半導体素子111は、上記電極111dと、上記半導体支持金属板115における素子載置面115aとを超高温半田114を介して接合して、半導体支持金属板115に取り付けられる。尚、このように半導体支持金属板115に半導体素子111を接合した物を支持体191とする。又、超高温半田114としては、ここでは融点280℃〜350℃の高融点半田を用いている。
【0026】
本実施形態では、図2に示す半導体支持金属板115は、厚さ1mmの銅板を機械プレスによって打ち抜き、素子載置面115aの四隅に一体的に形成され上記支持部材の一例に相当する脚部116を折り曲げて成形した金属板である。脚部116は、図1に示するように、制御基板118に向かって素子載置面115aに立設されて制御基板118における例えば電極に接続され、かつ制御基板118に対して上記半導体支持金属板115を平行又はほぼ平行に配置して上記リードフレーム回路基板122に対する半導体支持金属板115の平行度の向上及び位置ずれ防止を行う部分である。即ち、従来の半導体装置では、図を参照し説明したように、半導体素子1を取り付けたL字形の金属片5の一箇所の伸張部6のみにて該金属片5を制御基板8に取り付けていたが、本実施形態では、4つの脚部116にて半導体支持金属板115を制御基板118に支持する。ここで脚部116は、上述のように半導体支持金属板115と一体的に形成され、かつ各脚部116の長さは、研削等の加工方法により容易に調整することができる。よって、脚部116は、制御基板118に対して上記半導体支持金属板115を平行又はほぼ平行に配置することを可能とする。
又、半導体支持金属板115に半導体素子111を接合した支持体191において、脚部116の先端116aは、バンプ113の頂点113aが見込まれる位置を超える位置に配置する。具体的には、バンプ113の頂点113aに対して脚部116の先端116aの方が数十μmから数百μm高くなるように、脚部116の高さを調整する。
【0027】
又、脚部116の数は、図2に示すような合計4つに限定されるものではなく、上述のように、制御基板118に対して上記半導体支持金属板115を平行又はほぼ平行に配置して上記リードフレーム回路基板122に対する半導体支持金属板115の平行度の向上及び位置ずれ防止を行うという機能を発揮する数、具体的には複数個以上であればよく、又、設置場所も上記四隅に限定するものではない。例えば図3に示す半導体支持金属板115−1のように、半導体支持金属板115の両端部に、該半導体支持金属板115の幅方向に沿って連続した脚部116−1を形成することもできる。尚、脚部116を、図2に示すように点在させる場合には、脚部116の数は、上述の平行度の向上及び位置ずれ防止という機能を発揮する数であって、3以上の自然数を選択することができる。
【0028】
上述のようにして半導体支持金属板115に半導体素子111を設けた支持体191において、バンプ113、及び脚部116の先端部は、制御基板118上の所定の端子電極部118aに接合剤117を介して接合される。接合剤117としては、本実施形態では、融点200℃〜250℃のクリーム半田を用いている。尚、制御基板118に、上記支持体191が取り付けられた物を半導体部品192とする。
【0029】
上記リードフレーム回路基板122は、従来と同様に、金属板打ち抜き加工により形成された電極パターン120を、伝熱性のよい樹脂シート状材からなるリードフレーム固定用樹脂121に加熱プレス等の方法で一体化してなる基板である。本実施形態において電極パターン120は、厚さ500μmの銅板を打ち抜き加工したものを用い、上記リードフレーム固定用樹脂121として、本実施形態ではアルミナ粉粒を混入して熱伝導性を高めたエポキシ樹脂を用いている。
上記半導体部品192における上記半導体支持金属板115の上記素子載置面115aに対向する裏面115bは、接合剤119を介してリードフレーム回路基板122の電極パターン120に接続される。接合剤119として、本実施形態では、融点160℃〜200℃の半田を用いている。
【0030】
上述したように、上記支持体191を制御基板118に取り付けるとき、支持体191を構成する半導体支持金属板115は、上記脚部116により、制御基板118に対して平行又はほぼ平行に取り付けられている。よって、支持体191及び制御基板118を有する半導体部品192における半導体支持金属板115がリードフレーム回路基板122の電極パターン120に取り付けられるときには、半導体支持金属板115とリードフレーム回路基板122とは平行又はほぼ平行に配置された状態で接続される。よって、図20に示すような、半導体支持金属板をリードフレーム回路基板に接続する半田の分布が不均一となる現象や、バンプの電気的接続が外れるという現象は発生せず、半導体素子の機能、放熱性が損なわれることはない。
即ち、本実施形態では、半導体支持金属板115に脚部116を設けたことで、半導体支持金属板115とリードフレーム回路基板122とを平行又はほぼ平行に配置することができ、その結果、リードフレーム回路基板122に対して半導体支持金属板115を位置ずれすることなく電気的接続を図ることが可能となる。
【0031】
より詳しく説明すると、従来の半導体装置では、図17に示すように半導体素子1と突起電極3と超高温半田4と伸張部6という多くの構成要素の高さ寸法によって、金属片5の水平度と位置精度が決定されていた。それぞれの上記構成要素の高さ寸法は、現実的にばらつきをもっているので、結果的に金属片5の水平度を管理することが極めて難しい。
一方、図1に示す本第1実施形態では、半導体支持金属板115に脚部116の高さを、バンプ113の頂点113aにおいて見込まれる高さより高くすれば、脚部116の高さによってのみにより半導体支持金属板115の平行度が決まる。半導体支持金属板115の複数の脚部116は、その高さをプレスなどにより簡単に揃えられるので、従来の半導体装置と比較した場合、半導体支持金属板115の正確な平行度及び位置精度を実現しやすい。
【0032】
即ち、本第1実施形態によれば、半導体支持金属板115を用いることで、制御基板118に対する半導体支持金属板115の水平度及び位置精度は、半導体支持金属板115に設けられた脚部116の高さ精度のみに依存し、半導体素子111及びバンプ113の高さ寸法制度には無関係に保持される。よって、接合剤119によりリードフレーム回路基板122の電極パターン120に対して確実な接合が施され、信頼性の高い製品を容易に製造することができる。
【0033】
又、図1に示すように、複数の半導体素子111を実装する場合においても、半導体素子111相互問の位置及び平行度のばらつきを抑えることが可能になり、強度面及び特性面でのばらつきが抑えられることから、放熱性と信頼性が向上する。
【0034】
又、従来の半導体装置では制御基板8にて全ての電気回路を形成していたが、半導体支持金属板115及び導体スペーサ112を介して制御基板118とリードフレーム回路基板122とを接続することにより、大電流回路のほとんどの部分をリードフレーム回路基板122に形成できる。よって、リードフレーム回路基板122を用いることで、制御基板118においてより小さな面積で大電流回路を形成できるので、より小型な半導体装置を実現できる。
一般的なプリント回路基板で回路を形成する場合、導体パターン厚さは、18〜70μmであるのに比べ、リードフレーム回路基板122の場合、回路パターン120の厚さは、該回路パターン120の材料となる例えば銅板の厚さを選ぶことで任意に設定できる。金属板打ち抜き加工による回路パターン形成の場合、設備への負荷を考慮しリードフレーム厚さは500〜1000μmが一般的だが、大電流回路パターンの面積は、導体パターンの厚さに反比例すると考えられ、プリント回路基板に対し7〜50倍の大幅なパターン面積の縮小化が可能となる。
【0035】
上述した第1実施形態では、半導体支持金属板115は、図2に示す形状であるが、これに限定されるものではない。例えば図4に示す半導体支持金属板115−2のように、素子載置面115aについて、X軸又はY軸方向、若しくはX軸及びY軸方向に脚部116の設置場所を越えて延在させてもよい。
さらに又、図5に示す半導体支持金属板115−3のように、素子載置面115aに複数個の半導体素子111を載置した半導体支持金属板を構成することもできる。又、図6には、図5に示す半導体支持金属板115−3を用いて製作した半導体装置102を図示している。
【0036】
第2実施形態:
図7には、本発明の第2実施形態における半導体装置103の構造を示している。該第2実施形態では、上述の第1実施形態にて説明した半導体支持金属板115に代えて半導体支持金属板115−4を用いた。該半導体支持金属板115−4では、半導体支持金属板115の脚部116に、押圧により弾性を発現するような形状、例えば図示するように屈曲部116bを形成した半導体支持金属板である。半導体装置103におけるその他の構成部分は、上述した半導体装置101における構成部分と変わりはない。よって、ここでの説明は、省略する。
このように構成される第2実施形態の半導体装置103によれば、上述の第1実施形態の半導体装置101が奏する効果に加え、リードフレーム回路基板122を接合するための接合剤119に例えば半田を用いる場合、該半田が固化する際に、半導体支持金属板115−4及び制御基板118に加わるストレスを、上記屈曲部116bの弾性を用いて緩和することができる。その結果、上記ストレスに起因する半導体支持金属板115−4の位置ずれ等を解消でき、より位置精度よく信頼性の高い接合が可能となる。
【0037】
第3実施形態:
図8は、本発明の第3実施形態における半導体装置104を示している。該半導体装置104は、図1に示す半導体装置101における支持体191に代えて、支持体193を用いると伴に、上記支持部材の一例に相当する第1凸状部材130を設けている。尚、半導体装置104におけるその他の構成部分は、半導体装置101の構成に同じであるので、ここでの説明は省略する。
上記支持体193は、図17を参照して説明したL字形の金属片5と同じ半導体支持金属板131と、該半導体支持金属板131の素子載置面131aに超高温半田114を介して接合された半導体素子111とを備え、半導体素子111の電極111cにはバンプ113が形成されている。
上記第1凸状部材130は、半導体支持金属板131と制御基板118との間に複数本設けられ、制御基板118のリードフレーム対向面118cに立設され上記素子載置面131aに接触し制御基板118と半導体支持金属板131との平行度を向上させて上記リードフレーム回路基板122に対する上記半導体支持金属板131の平行度の向上及び位置ずれ防止を行う部材である。
【0038】
尚、図8に示す第1凸状部材130では、制御基板118のリードフレーム対向面118cに固定される幅広の台座部130a、及び半導体支持金属板131の素子載置面131aに接する半球状の先端部130bを有するが、該形状に限定されるものではない。
第1凸状部材130の制御基板118への固定方法の一例としては、例えばエポキシ系接着剤などの熱硬化性の接着剤を用いて接着により固定することができる。又、第1凸状部材130の配置位置及び設置数も、上述の、平行度の向上及び位置ずれ防止の機能を達成する位置であれば、特に限定されない。
又、第1凸状部材130の高さを、半導体支持金属板131の素子載置面131aからバンプ113の頂点113aにおいて見込まれる高さより高くすれば、第1凸状部材130の高さによってのみ半導体支持金属板131の平行度が決定される。具体的には、半導体支持金属板131の素子載置面131aからバンプ113の頂点113aまでの高さに対して第1凸状部材130の長さの方が数十μmから数百μm長くなるように、第1凸状部材130の長さを調整する。第1凸状部材130は、加工の容易な樹脂材料によって構成できることから、容易に高さを揃えることができる。よって、半導体支持金属板131の正確な平行度及び位置精度を実現しやすい。
【0039】
以上説明したように、第3実施形態によれば、第1凸状部材130を設けたことで、半導体支持金属板131の制御基板118に対する水平度及び位置精度は、半導体素子111やバンプ113の高さ寸法精度に関わらず保持される。よって、接合剤119を介してリードフレーム回路基板122に対して半導体支持金属板131を確実に接合することができ、信頼性の高い半導体装置を容易に製造することが可能となる。
【0040】
尚、半導体支持金属板131と制御基板118との電気的接続をアルミニウムワイヤや、導体スペーサ等の手段により得る構成を採るときには、第1凸状部材130にて半導体支持金属板131の制御基板118に対する水平度及び位置精度を確保する限り、半導体支持金属板131はL字形で無くても良い。つまり、素子載置面131aから制御基板118へ伸びる伸長部131cの無い形状であっても構わない。
【0041】
第4実施形態:
図9は、本発明の第4実施形態における半導体装置105を示している。該半導体装置105は、図8に示す半導体装置104における第1凸状部材130に代えて、上記支持部材の一例に相当する第2凸状部材132を設けている。尚、半導体装置105におけるその他の構成部分は、半導体装置104の構成に同じであるので、ここでの説明は省略する。
上記第2凸状部材132は、制御基板118と、リードフレーム回路基板122との間に複数本設けられ、制御基板118に立設されリードフレーム回路基板122に接触して、制御基板118のリードフレーム回路基板122に対する水平度及び位置精度を保持可能とし、その結果、リードフレーム回路基板122に対する上記半導体支持金属板131の平行度の向上及び位置ずれ防止を行う部材である。
【0042】
尚、図9に示す第2凸状部材132では、制御基板118のリードフレーム対向面118cに固定される幅広の台座部132a、及びリードフレーム回路基板122の制御基板対向面122aに接する半球状の先端部132bを有するが、該形状に限定されるものではない。
第2凸状部材132の制御基板118への固定方法の一例としては、例えばエポキシ系接着剤などの熱硬化性の接着剤を用いて接着により固定することができる。又、第2凸状部材132の配置位置及び設置数も、上述の、平行度の向上及び位置ずれ防止の機能を達成する位置であれば、特に限定されない。
又、第2凸状部材132の高さを、半導体支持金属板131の裏面131bから半導体支持金属板131の上端131c及びバンプ113の頂点113aにおいて見込まれる高さより高くすれば、第2凸状部材132の高さによってのみ半導体支持金属板131の平行度が決定される。具体的には、半導体支持金属板131の素子載置面131aからバンプ113の頂点113aまでの高さに対して第2凸状部材132の長さの方が数十μmから数百μm長くなるように、第2凸状部材132の長さを調整する。第2凸状部材132は、加工の容易な樹脂材料によって構成できることから、容易に高さを揃えることができる。よって、半導体支持金属板131の正確な平行度及び位置精度を実現しやすい。
【0043】
以上説明した第4実施形態によれば、第2凸状部材132を設けたことで、制御基板118のリードフレーム回路基板122に対する平行度及び位置精度は、半導体支持金属板131や接合剤117の高さ寸法制度に関わらず確保される。よって、接合剤119を介してリードフレーム回路基板122に対して半導体支持金属板131を確実に接合することができ、信頼性の高い半導体装置を容易に製造することが可能となる。
【0044】
第5実施形態:
図10は、本発明の第5実施形態における半導体装置106を示している。該半導体装置106は、図9に示す半導体装置105に備わる第2凸状部材132の変形例として導電部材にてなる上記導体スペーサ112を用いた構成を採る。尚、半導体装置106におけるその他の構成部分は、半導体装置105の構成に同じであるので、ここでの説明は省略する。
上記導体スペース112は、制御基板118と、リードフレーム回路基板122との間に複数本設けられ、制御基板118の電極部118aと、リードフレーム回路基板122の電極パターン120との間を電気的に接続するとともに、制御基板118のリードフレーム回路基板122に対する水平度及び位置精度を保持可能とし、その結果、リードフレーム回路基板122に対する上記半導体支持金属板131の平行度の向上及び位置ずれ防止を行う部材である。
【0045】
このような形態を採ることにより、導体スペーサ122が制御基板118の支持を補助するため、制御基板118のリードフレーム回路基板122に対する位置ずれや接続不良の発生を抑えられ、製造歩留りの向上及び信頼性の向上を図ることができる。又、導体スペーサ112が制御基板118とリードフレーム回路基板122との間隔の規定、及び応力の吸収に作用するため、半導体素子111及び各部品間の接合部に生ずる応力が軽減され、半導体装置の信頼性を向上させることができる。
又、導体スペーサ112の材質を例えば銅のように半田付けの可能な材質とすることで、半導体素子111を実装した半導体支持金属板131等の部品と同様に制御基板118における電極部118aの導体パターンと、リードフレーム回路基板122の電極パターン120に半田付け実装することが可能となる。よって、導体スペーサ112を制御基板118とリードフレーム回路基板122との電力授受に関わる電流経路として活用でき、半導体装置の特性向上及び信頼性向上を実現することができる。
【0046】
又、図10に示す半導体装置106では、半導体支持金属板131は、上記伸長部131cにて制御基板118との電気的接続を図っているが、例えばアルミニウムワイヤ又は導体スペーサ112等の他の手段により上記電気的接続を図ることができるときには、半導体素子111を実装した半導体支持金属板における制御基板118に対する平行度(水平度)及び位置精度が確保される限り、図11に示す半導体装置106−1のように、平板状の半導体支持金属板133を用いることもできる。
このように平板状の半導体支持金属板133を用いることで、上記伸長部131cを設けるための、例えばプレス折り曲げ工程を省略でき、又、既製の平板状の金属板を用いることが可能なため、材料コスト及び製造コストを抑えることが可能になる。
【0047】
第6実施形態:
図12は、本発明の第6実施形態における半導体装置107を示している。上述した各実施形態における半導体装置の製造方法については、追って詳しく説明するが、制御基板118に上記支持体191を取り付けた半導体部品192と、リードフレーム回路基板122とは、リフロー炉に搬入され接合剤119を溶融しその後硬化させることで、接合され、半導体装置を形成する。該製造方法において、接合剤119が溶融したとき、リードフレーム回路基板122に対して半導体部品192の半導体支持金属板の平行度が損なわれたり位置ずれを生じたりする場合がある。本第6実施形態における半導体装置107は、このような問題点を解決するための構成である。即ち、半導体装置107は、図9に示す半導体装置105から第2凸状部材132を削除し、荷重部材140を制御基板118のリードフレーム対向面118cに設けた構成を有する。よって、半導体装置107についてここでの詳しい説明は省略する。尚、半導体装置107において、支持体193及び荷重部材140を制御基板118に取り付けてなる構成部分を半導体部品194とする。
【0048】
上記荷重部材140は、接合剤119が溶融したとき、半導体部品194を鉛直方向へ均一に押下して、リードフレーム回路基板122に対する半導体支持金属板131の平行度の向上及び位置ずれ防止を行う部材である。又、該荷重部材140は、制御基板118より比重の大きい材質、一例として表面に半田メッキをした銅ブロックにて形成される。又、荷重部材140の配置位置及び設置数は、制御基板118の重心の偏りを低減するような配置位置及び数であればよく、図示の形態に特に限定するものではない。
【0049】
上述の荷重部材140を設けることで、リードフレーム回路基板122に対する制御基板118の平行度(水平度)及び位置精度が保持されるため、従来の半導体装置に比べて、半導体支持金属板131の高い位置精度を実現しやすい。
又、制御基板118のリードフレーム回路基板122に対する平行度(水平度)及び位置精度が良好に保持されるので、リードフレーム回路基板122に対して半導体部品194を接合剤119により確実に接合でき、信頼性の高い半導体装置を容易に製造することができる。
【0050】
上述の半導体装置107の変形例として、半導体支持金属板131に代えて例えば図1に示す半導体支持金属板115を用いた、図13に示す半導体装置107−1を構成することもできる。
【0051】
さらに又、荷重部材として、図14に示すような荷重部材141を用いることもできる。尚、図14では、図1に示す半導体部品192を用いる場合を図示しているが、上述した他の実施形態における半導体部品を用いることもできる。荷重部材141の一例としては、制御基板118と外周をほぼ同形状に成形し、ドリル加工で制御基板118上の部品を避けるような凹部141aを形成した重量約5gの鉛板が使用できる。該荷重部材141は、リードフレーム回路基板122に接合剤119を介して半導体部品192を配置するとき、制御基板118上に載せて、接合剤119が溶融したとき、半導体部品192を鉛直方向へ均一に押下して、リードフレーム回路基板122に対する半導体支持金属板115の平行度の向上及び位置ずれ防止を行う部材である。このような荷重部材141は、リードフレーム回路基板122と半導体部品192とが接合した後、制御基板118上から取り除かれる。
このような荷重部材141を用いても、上述の荷重部材140を取り付けた場合と同様の効果を得ることができる。即ち、荷重部材140の重量で制御基板118のリードフレーム回路基板122に対する水平度及び位置精度がさらに安定化し、接合剤119にてリードフレーム回路基板122に対して確実な接合が施され、信頼性の高い製品を容易に製造することができる。
【0052】
第7実施形態:
図15は、本発明の第7実施形態における半導体装置108を示している。例えば図1に示すように、短配線で回路を形成しかつ上下両方向で半導体素子111を固定する半導体装置101等では、温度変化に対する半導体装置の各構成部分の線膨張率の違いに起因する応力を十分吸収できる構造とすることが重要である。そこで通常、制御基板118は、上記応力を十分吸収可能なガラスエポキシ繊維等の材質から構成している。
一方、本第7実施形態の半導体装置108では、上記ガラスエポキシ繊維等の材質に代えて、可撓性を有する材質であるポリイミド系フィルムに導体パターンを形成した一般にフレキシブル基板と呼ばれる可撓性の制御基板150を用いている。該制御基板150によれば、その可撓性により、上記応力を吸収することができる。尚、その他の構成部分は、例えば図1に示す半導体装置101における構成部分と同じであり、ここでの説明は省略する。又、他の半導体装置102〜108、106−1、107−1においても、制御基板118を可撓性制御基板150に交換することもできる。
尚、上記可撓性制御基板150を実現するにあたって、可撓性を有する材質としてポリイミド系フィルムを用いたが、要するに表面あるいは内部に導体パターンを形成でき、可撓性を有する材質であれば材質は問わない。
【0053】
次に、上述したような各実施形態の半導体装置の製造方法について、図16を参照して以下に説明する。尚、ここでは、図1に示す半導体装置101を例に採りその製造方法を説明する。
図16に示すように、まず(a)において、半導体素子111の裏面111bに露出するドレイン電極111dの表面を、銅からなりここでは4点の脚部116を有する半導体支持金属板115へ超高温半田114を用いて接合する。超高温半田114としては、通常、融点280℃〜350℃の高融点半田が用いられ、機械的には一般にダイボンダーと呼ばれる半田付け設備を用いて行う。
【0054】
その後、(b)に示すように、バンプ113として、一例としてAuからなる金属球を、機械的にはバンプボンダーつまりバンプ形成機を用いて、押圧力及び超音波振動エネルギーを作用させ、半導体素子111の表面111aに露出し総称して電極111cと符号しているソース電極及びゲート電極に配置し、バンプ113と半導体素子111とを接合する。
【0055】
その後、(c)に示すように、半導体素子111、バンプ113、及び半導体支持金属板115から構成される支持体191、並びに導体スペーサ112を、接合剤117としての融点200℃〜250℃のクリーム半田を印刷塗布した制御基板118の端子電極部118aに位置合せを行う。該位置合せ後、半田リフロー炉を通すなどの加熱処理を施して、制御基板118に半田付けし、制御基板118と、支持体191及び導体スペーサ112とを一体化し、半導体部品192を形成する。
このとき、半導体支持金属板115は脚部116を有することから、制御基板118と半導体支持金属板115との平行度は確保され、かつ位置ずれを防止することができる。
【0056】
その後、(d)及び(e)に示すように、上記半導体部品192を、接合剤119として融点160℃〜200℃の半田を所定の接合個所に印刷塗布した銅板からなるリードフレーム回路基板122の電極パターン120に載置し、半田リフロー炉を通してリードフレーム回路基板122上に半田付けし、一体化して半導体装置101を形成する。
この(d)の工程において、図14を参照して説明したように荷重部材141を制御基板118に載置して、半導体部品192をリードフレーム回路基板122に押下することもできる。
【0057】
上述の各実施形態では、バンプ113を金にてなるものとしたが、金に限定するものではなく、例えば銅等の他の金属によって形成してもよい。又、複数の金属の合金から形成してもよい。
又、図1から図7に示す半導体支持金属板115等における脚部116は、半導体支持金属板115等の一部を折り曲げなどにより変形加工したが、脚部116の形成方法は、上記変形加工に限定されるものではない。例えば平板状の半導体支持金属板に上記脚部116に相当する高さの金属柱などを接合して形成してもよい。
又、本明細書において半田は、導電性金属ペーストの一例である。
【0058】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明の第1態様の半導体部品によれば、複数の脚部を有する半導体支持金属板を備えたことで、上記脚部により、回路基板と半導体素子を載置する素子載置部とを平行又はほぼ平行に配置することができ、上記回路基板と上記半導体支持金属板との平行度及び位置精度を損なわずに電気的接続を図ることができる。よって、平行度及び位置精度の損失に起因して半導体素子と回路基板とが電気的に非接続となることはなく、半導体素子の機能を発揮することができる。
【0059】
又、以上詳述したように本発明の第2態様の半導体装置、及び第4態様の半導体装置製造方法によれば、支持部材を備えることで、該支持部材にて、金属板により回路パターン形成された第2基板に対する半導体支持金属板の平行度及び位置ずれを防止して上記第2基板と上記半導体支持金属板との電気的接続を行うことができる。よって、平行度及び位置精度の損失に起因して、半導体素子が接続される第1基板と半導体素子とが電気的に非接続となることはなく、さらに、半導体支持金属板と第2基板との接続が損なわれることはなく、したがって半導体素子の機能及び放熱性の損失を防止することができる。
【0060】
上記支持部材を上記半導体支持金属板と一体的に成形される複数の脚部とすることで、上記脚部の高さを例えばプレス等で容易に揃えることができ、上記平行度及び位置精度の実現を容易に行うことができる。
【0061】
又、上記脚部に屈曲部を設けることで、接続のときに半導体支持金属板及び第1基板に作用するストレスを緩和できる。
又、上記支持部材を、上記第1基板と上記半導体支持金属板との間に設けた第1凸状部材とすることもでき、上記平行度及び位置精度の実現を容易に行うことができる。
又、上記支持部材を、上記第1基板と上記第2基板との間に設けた第2凸状部材とすることもでき、第2基板に対して半導体支持金属板を平行度及び位置精度を確保しながら確実に接合することができる。
又、上記第2凸状部材を導電部材とすることもでき、この場合、上記平行度及び位置精度を確保しつつ、上記第1基板と上記第2基板との電流経路としても機能させることができる。
【0062】
さらに本発明の第3態様の半導体装置によれば、荷重部材を備えたことで、半導体支持金属板と第2基板とが接続されるとき、上記荷重部材により第2基板に対して半導体支持金属板が均等に荷重されるので、第2基板に対して半導体支持金属板を平行度及び位置精度を確保しながら確実に接合することができる。
さらに本発明の第4態様の半導体装置製造方法によれば、半導体支持金属板の脚部を上記第1基板に接続させることで、第1基板と半導体支持金属板との平行度を確保しながら、位置ずれを防止した半導体装置を製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態の半導体装置の断面図である。
【図2】図1に示す半導体支持金属板の斜視図である。
【図3】図1に示す半導体支持金属板の変形例における斜視図である。
【図4】図1に示す半導体支持金属板の別の変形例における斜視図である。
【図5】図1に示す半導体支持金属板のさらに別の変形例における斜視図である。
【図6】図5に示す半導体支持金属板を備えた半導体装置の断面図である。
【図7】本発明の第2実施形態の半導体装置の断面図である。
【図8】本発明の第3実施形態の半導体装置の断面図である。
【図9】本発明の第4実施形態の半導体装置の断面図である。
【図10】本発明の第5実施形態の半導体装置の断面図である。
【図11】図10に示す半導体装置の変形例における断面図である。
【図12】本発明の第6実施形態の半導体装置の断面図である。
【図13】図12に示す半導体装置の変形例における断面図である。
【図14】図12に示す半導体装置の別の変形例における断面図である。
【図15】本発明の第7実施形態の半導体装置の断面図である。
【図16】図1に示す半導体装置の製造方法を説明するための図である。
【図17】従来の半導体部品の断面図である。
【図18】従来の半導体装置の断面図である。
【図19】リードフレーム回路基板を説明するための図である。
【図20】従来の半導体装置における不具合点を説明するための図である。
【符号の説明】
101〜108…半導体装置、
111…半導体素子、111a…表面、111b…裏面、111c…電極、
11d…電極、112…導体スペーサ、113…バンプ、
115…半導体支持金属板、115a…素子載置面、115b…裏面、
116…脚部、116b…屈曲部、118…制御基板、118a…電極、
119…接合剤、120…電極パターン、
122…リードフレーム回路基板、130…第1凸状部材、
132…第2凸状部材、140…荷重部材。
【発明の属する技術分野】
本発明は、IGBTやMOSFETなど、電子機器に用いられ例えば1W以上の電力を消費する可能性がありかつ放熱を考慮して実装される大電流用半導体素子を備えた半導体装置、及び該半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、大電流用半導体素子と外部電気回路との電気的接続には、アルミニウムの細線を用いたワイヤボンディングが利用されてきたが、近年、上記大電流用半導体素子を使用した、例えばDC−DCコンバータやモータ駆動用インバータという半導体装置では、小型化及び内部回路構成の多様化により、実装に使用できる空間が次第に狭くなり、従来のワイヤボンディング技術で対処することが困難になってきた。
そこで、最近では、半導体素子の電極パッド上に半田ボールや金属片を接合し、該半田ボール等を、直接制御基板における端子電極部との電気的接続部として用い、上記半導体素子と上記制御基板とを最短距離で接続する方法が開発されてきた。その中でも、一般にバンプと呼ばれる金属の突起電極を、超音波振動エネルギーを作用させて半導体素子の電極パッド部に接合形成して、該半導体素子と制御基板との電気的接続点として用いる技術は、半田を用いる場合に比べて半導体素子に特殊な処理を施す必要も無く、簡素な製造設備で特性の良い半導体装置の製造が可能となる優れたものである(例えば特許文献1参照)。
【0003】
以下、図面を参照しながら、上述した従来の半導体部品の一例について説明する。図17は、従来の製造方法による半導体部品の断面図である。図17において、1は半導体素子、3は突起電極、4は超高温半田、5は金属片、6は金属片5の伸長部、7は対制御基板接合手段、8は制御基板である。
半導体素子1は、電子機器に用いられる大電流用半導体素子であり、例えばMOSFETであり、図17では上側に位置する第1主面1aにソース電極とゲート電極を、図17では下側に位置する第2主面1bにドレイン電極を有する。
【0004】
まず、金属片5を半導体素子1に取り付ける前に、金属片5を半導体素子1に合わせて、一例として、素子対向部5a及び伸長部6を有した大略L字状に成形する。
次に、上記ドレイン電極を有する半導体素子1の第2主面1bを、超高温半田4を介在させて金属片5の素子対向部5aに電気的に接続しつつ、半導体素子1と金属片5とを一体化する。超高温半田4としては、通常融点280℃〜350℃の高融点半田が用いられる。
半導体素子1と金属片5とを一体化した後、半導体素子1のソース電極及びゲート電極上にそれぞれ突起電極3を、超音波振動エネルギーを用いて接合する。該接合動作には、機械的にはバンプボンダ(バンプ形成機)を用いる。
半導体素子1、金属片5、及び突起電極3からなる一体物10を、制御基板8に実装するに当たっては、対制御基板接合手段7として例えば半田を用いた半田リフローにより、突起電極3と金属片5の伸長部6とが同時に、図17に示すように制御基板8上の所定の端子電極部8aにそれぞれ接合される。このようにして、半導体素子1、金属片5、及び突起電極3からなる上記一体物10を、制御基板8に実装した半導体部品11が形成される。
【0005】
図18は、上述した従来の半導体部品11を放熱板に装着した構成例を示す断面図である。22は放熱板、25は制御基板固定用ビス、23は絶縁層、24は伝熱性樹脂シートである。半導体素子1を含む上記一体物10が制御基板8に実装された上記半導体部品11を、樹脂等の絶縁材料からなる絶縁層23、及び高さのばらつきの吸収と放熱性の均一化とのための伝熱性樹脂シート24を介して、放熱板22に、制御基板固定用ビス25により固定する。該構成にて、半導体部品11の放熱経路を形成する。又、樹脂等の絶縁材料を放熱板と半導体素子1の周囲に充填して放熱経路を形成することもできる。
【0006】
上述した従来の半導体部品11の問題点として、扱う電流が大きくなると制御基板8の回路パターンにおける発熱を避けるため、回路パターンの断面積を増やしてパターン単位長さあたりの電気抵抗を小さくする必要があり、これにより制御基板8が大型化するという問題がある。即ち、一般に制御基板8として用いられる通常のプリント回路基板では通常18〜70μm程度である回路パターンの厚さを、上記断面積を増やすために例えば100μm以上にすることは、コスト及び加工技術の面から現実的でないことが多い。よって多くの場合、回路パターンの幅を広くすることで上記断面積を増やして大電流下の損失を抑える。したがって、回路パターンが大型化してしま、その結果、装置も大型化してしまう。
【0007】
一方、大電流対応用で任意の回路パターン厚さを得られる回路基板として、金属板打ち抜き加工により回路パターン形成をしたリードフレーム回路基板が存在する。該リードフレーム回路基板では、回路パターン厚さを大きくすることができることから、回路パターンの面積を増加させることなくパターン単位長さ当たりの電気抵抗を小さくでき、大電流対応で小型の回路基板を容易に実現できる。中でも図19に示すように、パターン形成したリードフレーム20を伝熱性のよい樹脂シート状材からなるリードフレーム固定用樹脂21に加熱プレスなどの方法で一体化し、低抵抗かつ放熱性を兼ね備えたリードフレーム回路基板23は、適宜金属からなる放熱板22を密着させて一体化することも容易であり、大電流を扱う用途に有用なものである(例えば特許文献2参照)。
上述した従来の半導体部品を、図19に示すようなリードフレーム回路基板23上のリードフレーム20に例えば半田リフローにより接続して大電流をリードフレーム20に流すことができれば、従来の半導体部品の大電流回路の大部分をリードフレーム回路基板23で構成でき、上述した制御基板8及び装置の大型化という問題は起こらない。
【0008】
【特許文献1】
特開2002−26067号公報
【特許文献2】
特開平10−173097号公報
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図17に示す従来の半導体部品11においては、リードフレーム20に接続を図る場合、個々の金属片5の実装高さのばらつき、及び金属片5の傾き、又制御基板8全体の傾きや位置ずれといった位置精度上の問題に起因する様々な課題が生ずる。
上記従来の半導体部品11においては、半導体素子1、突起電極3、超高温半田4、及び伸張部6という多くの構成要素の高さ寸法によって、金属片5の水平度と位置精度が決定される。それぞれの構成要素における高さ寸法は、ばらつきを持っているので、結果的に金属片5の水平度を管理することが極めて難しい。
その結果として、上述の従来の半導体部品11における金属片5の水平度及び位置精度が失われた状態にて、金属片5とリードフレーム20とを半田リフローにより接合しようとすると、半田が溶融して接合が行われる過程において図20に示すように半田の分布が不均一なむらを生じたり接続すべき箇所で断線したりし、結果として半導体部品11の機能及び放熱性が損なわれる。
【0010】
本発明は、上述した課題を解決するためになされたもので、上記金属片の作用をする半導体支持金属板を介して半導体素子を実装した制御基板について上記半導体支持金属板との平行度及び位置精度を損なわずに電気的接続した半導体部品、半導体装置、及び該半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の第1態様の半導体部品は、表裏両面にそれぞれ電極を有する半導体素子と、
上記半導体素子の上記表裏面のいずれか一方の電極とバンプを介して上記半導体素子と接続される回路基板と、
上記半導体素子を載置して該半導体素子の上記表裏面のいずれか他方の電極と接続される素子載置部、及び上記回路基板に向かって上記素子載置部に立設されて上記回路基板に接続されかつ上記回路基板に対して上記素子載置部を平行又はほぼ平行に配置する複数の脚部を有する半導体支持金属板と、
を備えたことを特徴とする。
【0012】
又、本発明の第2態様の半導体装置は、表裏両面にそれぞれ電極を有する半導体素子と、
上記半導体素子の上記表裏面のいずれか一方の電極とバンプを介して上記半導体素子と接続される第1基板と、
上記半導体素子の上記表裏面のいずれか他方の電極と接続される素子載置面を有して上記半導体素子を載置しかつ上記第1基板に接続される半導体支持金属板と、
上記素子載置面に対向する上記半導体支持金属板の裏面と接続され金属板により回路パターン形成された第2基板と、
上記半導体支持金属板と上記第1基板との間、又は上記第1基板と上記第2基板との間に設けられ、上記第2基板に対する上記半導体支持金属板の平行度の向上及び位置ずれ防止を行う支持部材と、
を備えたことを特徴とする。
【0013】
上記第2態様の半導体装置において、上記半導体支持金属板と上記第1基板との間に上記支持部材が設けられるとき、該支持部材は、上記第1基板に向かって上記素子載置面に立設されて上記第1基板に接続され、かつ上記第1基板に対して上記半導体支持金属板を平行又はほぼ平行に配置して上記第2基板に対する上記半導体支持金属板の平行度の向上及び位置ずれ防止を行い、かつ上記半導体支持金属板と一体的に成形される複数の脚部であるように構成することができる。
【0014】
上記第2態様の半導体装置において、上記脚部は、上記半導体支持金属板が上記第2基板に接続されるとき、上記半導体支持金属板及び上記第1基板に作用するストレスを緩和する屈曲部を有するように構成することができる。
【0015】
上記第2態様の半導体装置において、上記半導体支持金属板と上記第1基板との間に上記支持部材が設けられるとき、該支持部材は、上記第1基板に立設され上記素子載置面に接触し上記第1基板と上記半導体支持金属板との平行度を向上させて上記第2基板に対する上記半導体支持金属板の平行度の向上及び位置ずれ防止を行う複数の第1凸状部材であるように構成することができる。
【0016】
上記第2態様の半導体装置において、上記第1基板と上記第2基板との間に上記支持部材が設けられるとき、該支持部材は、上記第1基板に立設され上記第2基板に接触して上記第2基板に対する上記半導体支持金属板の平行度の向上及び位置ずれ防止を行う複数の第2凸状部材であるように構成することができる。
【0017】
上記第2態様の半導体装置において、上記第2凸状部材は、上記第1基板及び上記第2基板に形成された各電極との間を連結する導電部材であるように構成することができる。
【0018】
又、本発明の第3態様の半導体装置は、表裏両面にそれぞれ電極を有する半導体素子と、
上記半導体素子の上記表裏面のいずれか一方の電極とバンプを介して上記半導体素子と接続される第1基板と、
上記半導体素子の上記表裏面のいずれか他方の電極と接続される素子載置面を有して上記半導体素子を載置しかつ上記第1基板に接続される半導体支持金属板と、
上記素子載置面に対向する上記半導体支持金属板の裏面と接続され金属板により回路パターン形成された第2基板と、
上記第1基板に取り付けられ、上記半導体支持金属板の上記裏面と上記第2基板とが接合剤にて接続されるとき上記第2基板に対する上記半導体支持金属板の平行度の向上及び位置ずれ防止を行う荷重部材と、
を備えたことを特徴とする。
【0019】
上記第2態様及び上記第3態様の半導体装置において、上記第1基板は、可撓性を有する材料で構成することもできる。
【0020】
又、本発明の第4態様の半導体装置製造方法は、表裏両面のいずれか一方の電極にバンプを有し、上記表裏面のいずれか他方の電極と半導体支持金属板の素子載置面とを接続した支持体を、第1基板の電極と上記バンプとが接続するようにして上記第1基板に接続するとき、上記半導体支持金属板と上記第1基板との平行度の向上及び位置ずれ防止を行いながら、上記半導体支持金属板の上記素子載置部を上記第1基板に対して平行又はほぼ平行に配置する上記支持体の上記半導体支持金属板の複数の脚部を上記第1基板に接続し、
上記支持体と上記第1基板との上記接続にて形成される半導体部品における上記素子載置面に対向する上記半導体支持金属板の裏面と、金属板により回路パターン形成された第2基板とを接続する、
ことを特徴とする。
【0021】
上記第4態様の半導体装置製造方法において、上記支持体を上記第1基板に接続するとき、上記半導体支持金属板の上記複数の脚部を上記第1基板に接触させることで、上記半導体支持金属板と上記第1基板との平行度の向上及び位置ずれ防止を行いながら、上記支持体を上記第1基板に接続するようにしてもよい。
【0022】
上記第4態様の半導体装置製造方法において、上記半導体部品と上記第2基板とを接続するとき、上記裏面と上記第2基板との平行度の向上及び位置ずれ防止を行いながら接続を行うようにしてもよい。
【0023】
【発明の実施の形態】
本発明の第1態様の半導体部品、第2態様及び第3態様の半導体装置、並びに第4態様の半導体装置製造方法について、図を参照しながら以下に詳しく説明する。尚、上記第2態様及び第3態様の半導体装置は、上記第1態様の半導体部品を備えたもので、上記第4態様の半導体装置製造方法は、上記第2態様及び第3態様の半導体装置を製造する方法である。又、各図において同じ構成部分については同じ符号を付している。
【0024】
第1実施形態:
図1は、本発明の第1実施形態における半導体装置101を示しており、該半導体装置101は、大きく分けて、半導体素子111と、第1基板の一例としての制御基板118と、上記半導体素子111を載置し制御基板118に接続される半導体支持金属板115と、金属板打ち抜き加工により形成された電極パターンを有する第2基板の一例としてのリードフレーム回路基板122と、上記リードフレーム回路基板122に対する半導体支持金属板115の平行度の向上及び位置ずれ防止を行う支持部材とを備える。
【0025】
上記半導体素子111は、表裏表面にそれぞれ電極を有する半導体素子であり、本例では電子機器に用いられる大電流用半導体素子の一例としてのMOSFETであり、図示では上側に位置する表面111aには、電極111c例えばソース電極及びゲート電極が設けられ、図示では下側に位置する裏面111bには、電極111d例えばドレイン電極を有する。上記電極111cには、突起電極としてのバンプ113が設けられている。ここではバンプ113は、直径500μmの金(Au)球からなる。このような半導体素子111は、上記電極111dと、上記半導体支持金属板115における素子載置面115aとを超高温半田114を介して接合して、半導体支持金属板115に取り付けられる。尚、このように半導体支持金属板115に半導体素子111を接合した物を支持体191とする。又、超高温半田114としては、ここでは融点280℃〜350℃の高融点半田を用いている。
【0026】
本実施形態では、図2に示す半導体支持金属板115は、厚さ1mmの銅板を機械プレスによって打ち抜き、素子載置面115aの四隅に一体的に形成され上記支持部材の一例に相当する脚部116を折り曲げて成形した金属板である。脚部116は、図1に示するように、制御基板118に向かって素子載置面115aに立設されて制御基板118における例えば電極に接続され、かつ制御基板118に対して上記半導体支持金属板115を平行又はほぼ平行に配置して上記リードフレーム回路基板122に対する半導体支持金属板115の平行度の向上及び位置ずれ防止を行う部分である。即ち、従来の半導体装置では、図を参照し説明したように、半導体素子1を取り付けたL字形の金属片5の一箇所の伸張部6のみにて該金属片5を制御基板8に取り付けていたが、本実施形態では、4つの脚部116にて半導体支持金属板115を制御基板118に支持する。ここで脚部116は、上述のように半導体支持金属板115と一体的に形成され、かつ各脚部116の長さは、研削等の加工方法により容易に調整することができる。よって、脚部116は、制御基板118に対して上記半導体支持金属板115を平行又はほぼ平行に配置することを可能とする。
又、半導体支持金属板115に半導体素子111を接合した支持体191において、脚部116の先端116aは、バンプ113の頂点113aが見込まれる位置を超える位置に配置する。具体的には、バンプ113の頂点113aに対して脚部116の先端116aの方が数十μmから数百μm高くなるように、脚部116の高さを調整する。
【0027】
又、脚部116の数は、図2に示すような合計4つに限定されるものではなく、上述のように、制御基板118に対して上記半導体支持金属板115を平行又はほぼ平行に配置して上記リードフレーム回路基板122に対する半導体支持金属板115の平行度の向上及び位置ずれ防止を行うという機能を発揮する数、具体的には複数個以上であればよく、又、設置場所も上記四隅に限定するものではない。例えば図3に示す半導体支持金属板115−1のように、半導体支持金属板115の両端部に、該半導体支持金属板115の幅方向に沿って連続した脚部116−1を形成することもできる。尚、脚部116を、図2に示すように点在させる場合には、脚部116の数は、上述の平行度の向上及び位置ずれ防止という機能を発揮する数であって、3以上の自然数を選択することができる。
【0028】
上述のようにして半導体支持金属板115に半導体素子111を設けた支持体191において、バンプ113、及び脚部116の先端部は、制御基板118上の所定の端子電極部118aに接合剤117を介して接合される。接合剤117としては、本実施形態では、融点200℃〜250℃のクリーム半田を用いている。尚、制御基板118に、上記支持体191が取り付けられた物を半導体部品192とする。
【0029】
上記リードフレーム回路基板122は、従来と同様に、金属板打ち抜き加工により形成された電極パターン120を、伝熱性のよい樹脂シート状材からなるリードフレーム固定用樹脂121に加熱プレス等の方法で一体化してなる基板である。本実施形態において電極パターン120は、厚さ500μmの銅板を打ち抜き加工したものを用い、上記リードフレーム固定用樹脂121として、本実施形態ではアルミナ粉粒を混入して熱伝導性を高めたエポキシ樹脂を用いている。
上記半導体部品192における上記半導体支持金属板115の上記素子載置面115aに対向する裏面115bは、接合剤119を介してリードフレーム回路基板122の電極パターン120に接続される。接合剤119として、本実施形態では、融点160℃〜200℃の半田を用いている。
【0030】
上述したように、上記支持体191を制御基板118に取り付けるとき、支持体191を構成する半導体支持金属板115は、上記脚部116により、制御基板118に対して平行又はほぼ平行に取り付けられている。よって、支持体191及び制御基板118を有する半導体部品192における半導体支持金属板115がリードフレーム回路基板122の電極パターン120に取り付けられるときには、半導体支持金属板115とリードフレーム回路基板122とは平行又はほぼ平行に配置された状態で接続される。よって、図20に示すような、半導体支持金属板をリードフレーム回路基板に接続する半田の分布が不均一となる現象や、バンプの電気的接続が外れるという現象は発生せず、半導体素子の機能、放熱性が損なわれることはない。
即ち、本実施形態では、半導体支持金属板115に脚部116を設けたことで、半導体支持金属板115とリードフレーム回路基板122とを平行又はほぼ平行に配置することができ、その結果、リードフレーム回路基板122に対して半導体支持金属板115を位置ずれすることなく電気的接続を図ることが可能となる。
【0031】
より詳しく説明すると、従来の半導体装置では、図17に示すように半導体素子1と突起電極3と超高温半田4と伸張部6という多くの構成要素の高さ寸法によって、金属片5の水平度と位置精度が決定されていた。それぞれの上記構成要素の高さ寸法は、現実的にばらつきをもっているので、結果的に金属片5の水平度を管理することが極めて難しい。
一方、図1に示す本第1実施形態では、半導体支持金属板115に脚部116の高さを、バンプ113の頂点113aにおいて見込まれる高さより高くすれば、脚部116の高さによってのみにより半導体支持金属板115の平行度が決まる。半導体支持金属板115の複数の脚部116は、その高さをプレスなどにより簡単に揃えられるので、従来の半導体装置と比較した場合、半導体支持金属板115の正確な平行度及び位置精度を実現しやすい。
【0032】
即ち、本第1実施形態によれば、半導体支持金属板115を用いることで、制御基板118に対する半導体支持金属板115の水平度及び位置精度は、半導体支持金属板115に設けられた脚部116の高さ精度のみに依存し、半導体素子111及びバンプ113の高さ寸法制度には無関係に保持される。よって、接合剤119によりリードフレーム回路基板122の電極パターン120に対して確実な接合が施され、信頼性の高い製品を容易に製造することができる。
【0033】
又、図1に示すように、複数の半導体素子111を実装する場合においても、半導体素子111相互問の位置及び平行度のばらつきを抑えることが可能になり、強度面及び特性面でのばらつきが抑えられることから、放熱性と信頼性が向上する。
【0034】
又、従来の半導体装置では制御基板8にて全ての電気回路を形成していたが、半導体支持金属板115及び導体スペーサ112を介して制御基板118とリードフレーム回路基板122とを接続することにより、大電流回路のほとんどの部分をリードフレーム回路基板122に形成できる。よって、リードフレーム回路基板122を用いることで、制御基板118においてより小さな面積で大電流回路を形成できるので、より小型な半導体装置を実現できる。
一般的なプリント回路基板で回路を形成する場合、導体パターン厚さは、18〜70μmであるのに比べ、リードフレーム回路基板122の場合、回路パターン120の厚さは、該回路パターン120の材料となる例えば銅板の厚さを選ぶことで任意に設定できる。金属板打ち抜き加工による回路パターン形成の場合、設備への負荷を考慮しリードフレーム厚さは500〜1000μmが一般的だが、大電流回路パターンの面積は、導体パターンの厚さに反比例すると考えられ、プリント回路基板に対し7〜50倍の大幅なパターン面積の縮小化が可能となる。
【0035】
上述した第1実施形態では、半導体支持金属板115は、図2に示す形状であるが、これに限定されるものではない。例えば図4に示す半導体支持金属板115−2のように、素子載置面115aについて、X軸又はY軸方向、若しくはX軸及びY軸方向に脚部116の設置場所を越えて延在させてもよい。
さらに又、図5に示す半導体支持金属板115−3のように、素子載置面115aに複数個の半導体素子111を載置した半導体支持金属板を構成することもできる。又、図6には、図5に示す半導体支持金属板115−3を用いて製作した半導体装置102を図示している。
【0036】
第2実施形態:
図7には、本発明の第2実施形態における半導体装置103の構造を示している。該第2実施形態では、上述の第1実施形態にて説明した半導体支持金属板115に代えて半導体支持金属板115−4を用いた。該半導体支持金属板115−4では、半導体支持金属板115の脚部116に、押圧により弾性を発現するような形状、例えば図示するように屈曲部116bを形成した半導体支持金属板である。半導体装置103におけるその他の構成部分は、上述した半導体装置101における構成部分と変わりはない。よって、ここでの説明は、省略する。
このように構成される第2実施形態の半導体装置103によれば、上述の第1実施形態の半導体装置101が奏する効果に加え、リードフレーム回路基板122を接合するための接合剤119に例えば半田を用いる場合、該半田が固化する際に、半導体支持金属板115−4及び制御基板118に加わるストレスを、上記屈曲部116bの弾性を用いて緩和することができる。その結果、上記ストレスに起因する半導体支持金属板115−4の位置ずれ等を解消でき、より位置精度よく信頼性の高い接合が可能となる。
【0037】
第3実施形態:
図8は、本発明の第3実施形態における半導体装置104を示している。該半導体装置104は、図1に示す半導体装置101における支持体191に代えて、支持体193を用いると伴に、上記支持部材の一例に相当する第1凸状部材130を設けている。尚、半導体装置104におけるその他の構成部分は、半導体装置101の構成に同じであるので、ここでの説明は省略する。
上記支持体193は、図17を参照して説明したL字形の金属片5と同じ半導体支持金属板131と、該半導体支持金属板131の素子載置面131aに超高温半田114を介して接合された半導体素子111とを備え、半導体素子111の電極111cにはバンプ113が形成されている。
上記第1凸状部材130は、半導体支持金属板131と制御基板118との間に複数本設けられ、制御基板118のリードフレーム対向面118cに立設され上記素子載置面131aに接触し制御基板118と半導体支持金属板131との平行度を向上させて上記リードフレーム回路基板122に対する上記半導体支持金属板131の平行度の向上及び位置ずれ防止を行う部材である。
【0038】
尚、図8に示す第1凸状部材130では、制御基板118のリードフレーム対向面118cに固定される幅広の台座部130a、及び半導体支持金属板131の素子載置面131aに接する半球状の先端部130bを有するが、該形状に限定されるものではない。
第1凸状部材130の制御基板118への固定方法の一例としては、例えばエポキシ系接着剤などの熱硬化性の接着剤を用いて接着により固定することができる。又、第1凸状部材130の配置位置及び設置数も、上述の、平行度の向上及び位置ずれ防止の機能を達成する位置であれば、特に限定されない。
又、第1凸状部材130の高さを、半導体支持金属板131の素子載置面131aからバンプ113の頂点113aにおいて見込まれる高さより高くすれば、第1凸状部材130の高さによってのみ半導体支持金属板131の平行度が決定される。具体的には、半導体支持金属板131の素子載置面131aからバンプ113の頂点113aまでの高さに対して第1凸状部材130の長さの方が数十μmから数百μm長くなるように、第1凸状部材130の長さを調整する。第1凸状部材130は、加工の容易な樹脂材料によって構成できることから、容易に高さを揃えることができる。よって、半導体支持金属板131の正確な平行度及び位置精度を実現しやすい。
【0039】
以上説明したように、第3実施形態によれば、第1凸状部材130を設けたことで、半導体支持金属板131の制御基板118に対する水平度及び位置精度は、半導体素子111やバンプ113の高さ寸法精度に関わらず保持される。よって、接合剤119を介してリードフレーム回路基板122に対して半導体支持金属板131を確実に接合することができ、信頼性の高い半導体装置を容易に製造することが可能となる。
【0040】
尚、半導体支持金属板131と制御基板118との電気的接続をアルミニウムワイヤや、導体スペーサ等の手段により得る構成を採るときには、第1凸状部材130にて半導体支持金属板131の制御基板118に対する水平度及び位置精度を確保する限り、半導体支持金属板131はL字形で無くても良い。つまり、素子載置面131aから制御基板118へ伸びる伸長部131cの無い形状であっても構わない。
【0041】
第4実施形態:
図9は、本発明の第4実施形態における半導体装置105を示している。該半導体装置105は、図8に示す半導体装置104における第1凸状部材130に代えて、上記支持部材の一例に相当する第2凸状部材132を設けている。尚、半導体装置105におけるその他の構成部分は、半導体装置104の構成に同じであるので、ここでの説明は省略する。
上記第2凸状部材132は、制御基板118と、リードフレーム回路基板122との間に複数本設けられ、制御基板118に立設されリードフレーム回路基板122に接触して、制御基板118のリードフレーム回路基板122に対する水平度及び位置精度を保持可能とし、その結果、リードフレーム回路基板122に対する上記半導体支持金属板131の平行度の向上及び位置ずれ防止を行う部材である。
【0042】
尚、図9に示す第2凸状部材132では、制御基板118のリードフレーム対向面118cに固定される幅広の台座部132a、及びリードフレーム回路基板122の制御基板対向面122aに接する半球状の先端部132bを有するが、該形状に限定されるものではない。
第2凸状部材132の制御基板118への固定方法の一例としては、例えばエポキシ系接着剤などの熱硬化性の接着剤を用いて接着により固定することができる。又、第2凸状部材132の配置位置及び設置数も、上述の、平行度の向上及び位置ずれ防止の機能を達成する位置であれば、特に限定されない。
又、第2凸状部材132の高さを、半導体支持金属板131の裏面131bから半導体支持金属板131の上端131c及びバンプ113の頂点113aにおいて見込まれる高さより高くすれば、第2凸状部材132の高さによってのみ半導体支持金属板131の平行度が決定される。具体的には、半導体支持金属板131の素子載置面131aからバンプ113の頂点113aまでの高さに対して第2凸状部材132の長さの方が数十μmから数百μm長くなるように、第2凸状部材132の長さを調整する。第2凸状部材132は、加工の容易な樹脂材料によって構成できることから、容易に高さを揃えることができる。よって、半導体支持金属板131の正確な平行度及び位置精度を実現しやすい。
【0043】
以上説明した第4実施形態によれば、第2凸状部材132を設けたことで、制御基板118のリードフレーム回路基板122に対する平行度及び位置精度は、半導体支持金属板131や接合剤117の高さ寸法制度に関わらず確保される。よって、接合剤119を介してリードフレーム回路基板122に対して半導体支持金属板131を確実に接合することができ、信頼性の高い半導体装置を容易に製造することが可能となる。
【0044】
第5実施形態:
図10は、本発明の第5実施形態における半導体装置106を示している。該半導体装置106は、図9に示す半導体装置105に備わる第2凸状部材132の変形例として導電部材にてなる上記導体スペーサ112を用いた構成を採る。尚、半導体装置106におけるその他の構成部分は、半導体装置105の構成に同じであるので、ここでの説明は省略する。
上記導体スペース112は、制御基板118と、リードフレーム回路基板122との間に複数本設けられ、制御基板118の電極部118aと、リードフレーム回路基板122の電極パターン120との間を電気的に接続するとともに、制御基板118のリードフレーム回路基板122に対する水平度及び位置精度を保持可能とし、その結果、リードフレーム回路基板122に対する上記半導体支持金属板131の平行度の向上及び位置ずれ防止を行う部材である。
【0045】
このような形態を採ることにより、導体スペーサ122が制御基板118の支持を補助するため、制御基板118のリードフレーム回路基板122に対する位置ずれや接続不良の発生を抑えられ、製造歩留りの向上及び信頼性の向上を図ることができる。又、導体スペーサ112が制御基板118とリードフレーム回路基板122との間隔の規定、及び応力の吸収に作用するため、半導体素子111及び各部品間の接合部に生ずる応力が軽減され、半導体装置の信頼性を向上させることができる。
又、導体スペーサ112の材質を例えば銅のように半田付けの可能な材質とすることで、半導体素子111を実装した半導体支持金属板131等の部品と同様に制御基板118における電極部118aの導体パターンと、リードフレーム回路基板122の電極パターン120に半田付け実装することが可能となる。よって、導体スペーサ112を制御基板118とリードフレーム回路基板122との電力授受に関わる電流経路として活用でき、半導体装置の特性向上及び信頼性向上を実現することができる。
【0046】
又、図10に示す半導体装置106では、半導体支持金属板131は、上記伸長部131cにて制御基板118との電気的接続を図っているが、例えばアルミニウムワイヤ又は導体スペーサ112等の他の手段により上記電気的接続を図ることができるときには、半導体素子111を実装した半導体支持金属板における制御基板118に対する平行度(水平度)及び位置精度が確保される限り、図11に示す半導体装置106−1のように、平板状の半導体支持金属板133を用いることもできる。
このように平板状の半導体支持金属板133を用いることで、上記伸長部131cを設けるための、例えばプレス折り曲げ工程を省略でき、又、既製の平板状の金属板を用いることが可能なため、材料コスト及び製造コストを抑えることが可能になる。
【0047】
第6実施形態:
図12は、本発明の第6実施形態における半導体装置107を示している。上述した各実施形態における半導体装置の製造方法については、追って詳しく説明するが、制御基板118に上記支持体191を取り付けた半導体部品192と、リードフレーム回路基板122とは、リフロー炉に搬入され接合剤119を溶融しその後硬化させることで、接合され、半導体装置を形成する。該製造方法において、接合剤119が溶融したとき、リードフレーム回路基板122に対して半導体部品192の半導体支持金属板の平行度が損なわれたり位置ずれを生じたりする場合がある。本第6実施形態における半導体装置107は、このような問題点を解決するための構成である。即ち、半導体装置107は、図9に示す半導体装置105から第2凸状部材132を削除し、荷重部材140を制御基板118のリードフレーム対向面118cに設けた構成を有する。よって、半導体装置107についてここでの詳しい説明は省略する。尚、半導体装置107において、支持体193及び荷重部材140を制御基板118に取り付けてなる構成部分を半導体部品194とする。
【0048】
上記荷重部材140は、接合剤119が溶融したとき、半導体部品194を鉛直方向へ均一に押下して、リードフレーム回路基板122に対する半導体支持金属板131の平行度の向上及び位置ずれ防止を行う部材である。又、該荷重部材140は、制御基板118より比重の大きい材質、一例として表面に半田メッキをした銅ブロックにて形成される。又、荷重部材140の配置位置及び設置数は、制御基板118の重心の偏りを低減するような配置位置及び数であればよく、図示の形態に特に限定するものではない。
【0049】
上述の荷重部材140を設けることで、リードフレーム回路基板122に対する制御基板118の平行度(水平度)及び位置精度が保持されるため、従来の半導体装置に比べて、半導体支持金属板131の高い位置精度を実現しやすい。
又、制御基板118のリードフレーム回路基板122に対する平行度(水平度)及び位置精度が良好に保持されるので、リードフレーム回路基板122に対して半導体部品194を接合剤119により確実に接合でき、信頼性の高い半導体装置を容易に製造することができる。
【0050】
上述の半導体装置107の変形例として、半導体支持金属板131に代えて例えば図1に示す半導体支持金属板115を用いた、図13に示す半導体装置107−1を構成することもできる。
【0051】
さらに又、荷重部材として、図14に示すような荷重部材141を用いることもできる。尚、図14では、図1に示す半導体部品192を用いる場合を図示しているが、上述した他の実施形態における半導体部品を用いることもできる。荷重部材141の一例としては、制御基板118と外周をほぼ同形状に成形し、ドリル加工で制御基板118上の部品を避けるような凹部141aを形成した重量約5gの鉛板が使用できる。該荷重部材141は、リードフレーム回路基板122に接合剤119を介して半導体部品192を配置するとき、制御基板118上に載せて、接合剤119が溶融したとき、半導体部品192を鉛直方向へ均一に押下して、リードフレーム回路基板122に対する半導体支持金属板115の平行度の向上及び位置ずれ防止を行う部材である。このような荷重部材141は、リードフレーム回路基板122と半導体部品192とが接合した後、制御基板118上から取り除かれる。
このような荷重部材141を用いても、上述の荷重部材140を取り付けた場合と同様の効果を得ることができる。即ち、荷重部材140の重量で制御基板118のリードフレーム回路基板122に対する水平度及び位置精度がさらに安定化し、接合剤119にてリードフレーム回路基板122に対して確実な接合が施され、信頼性の高い製品を容易に製造することができる。
【0052】
第7実施形態:
図15は、本発明の第7実施形態における半導体装置108を示している。例えば図1に示すように、短配線で回路を形成しかつ上下両方向で半導体素子111を固定する半導体装置101等では、温度変化に対する半導体装置の各構成部分の線膨張率の違いに起因する応力を十分吸収できる構造とすることが重要である。そこで通常、制御基板118は、上記応力を十分吸収可能なガラスエポキシ繊維等の材質から構成している。
一方、本第7実施形態の半導体装置108では、上記ガラスエポキシ繊維等の材質に代えて、可撓性を有する材質であるポリイミド系フィルムに導体パターンを形成した一般にフレキシブル基板と呼ばれる可撓性の制御基板150を用いている。該制御基板150によれば、その可撓性により、上記応力を吸収することができる。尚、その他の構成部分は、例えば図1に示す半導体装置101における構成部分と同じであり、ここでの説明は省略する。又、他の半導体装置102〜108、106−1、107−1においても、制御基板118を可撓性制御基板150に交換することもできる。
尚、上記可撓性制御基板150を実現するにあたって、可撓性を有する材質としてポリイミド系フィルムを用いたが、要するに表面あるいは内部に導体パターンを形成でき、可撓性を有する材質であれば材質は問わない。
【0053】
次に、上述したような各実施形態の半導体装置の製造方法について、図16を参照して以下に説明する。尚、ここでは、図1に示す半導体装置101を例に採りその製造方法を説明する。
図16に示すように、まず(a)において、半導体素子111の裏面111bに露出するドレイン電極111dの表面を、銅からなりここでは4点の脚部116を有する半導体支持金属板115へ超高温半田114を用いて接合する。超高温半田114としては、通常、融点280℃〜350℃の高融点半田が用いられ、機械的には一般にダイボンダーと呼ばれる半田付け設備を用いて行う。
【0054】
その後、(b)に示すように、バンプ113として、一例としてAuからなる金属球を、機械的にはバンプボンダーつまりバンプ形成機を用いて、押圧力及び超音波振動エネルギーを作用させ、半導体素子111の表面111aに露出し総称して電極111cと符号しているソース電極及びゲート電極に配置し、バンプ113と半導体素子111とを接合する。
【0055】
その後、(c)に示すように、半導体素子111、バンプ113、及び半導体支持金属板115から構成される支持体191、並びに導体スペーサ112を、接合剤117としての融点200℃〜250℃のクリーム半田を印刷塗布した制御基板118の端子電極部118aに位置合せを行う。該位置合せ後、半田リフロー炉を通すなどの加熱処理を施して、制御基板118に半田付けし、制御基板118と、支持体191及び導体スペーサ112とを一体化し、半導体部品192を形成する。
このとき、半導体支持金属板115は脚部116を有することから、制御基板118と半導体支持金属板115との平行度は確保され、かつ位置ずれを防止することができる。
【0056】
その後、(d)及び(e)に示すように、上記半導体部品192を、接合剤119として融点160℃〜200℃の半田を所定の接合個所に印刷塗布した銅板からなるリードフレーム回路基板122の電極パターン120に載置し、半田リフロー炉を通してリードフレーム回路基板122上に半田付けし、一体化して半導体装置101を形成する。
この(d)の工程において、図14を参照して説明したように荷重部材141を制御基板118に載置して、半導体部品192をリードフレーム回路基板122に押下することもできる。
【0057】
上述の各実施形態では、バンプ113を金にてなるものとしたが、金に限定するものではなく、例えば銅等の他の金属によって形成してもよい。又、複数の金属の合金から形成してもよい。
又、図1から図7に示す半導体支持金属板115等における脚部116は、半導体支持金属板115等の一部を折り曲げなどにより変形加工したが、脚部116の形成方法は、上記変形加工に限定されるものではない。例えば平板状の半導体支持金属板に上記脚部116に相当する高さの金属柱などを接合して形成してもよい。
又、本明細書において半田は、導電性金属ペーストの一例である。
【0058】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明の第1態様の半導体部品によれば、複数の脚部を有する半導体支持金属板を備えたことで、上記脚部により、回路基板と半導体素子を載置する素子載置部とを平行又はほぼ平行に配置することができ、上記回路基板と上記半導体支持金属板との平行度及び位置精度を損なわずに電気的接続を図ることができる。よって、平行度及び位置精度の損失に起因して半導体素子と回路基板とが電気的に非接続となることはなく、半導体素子の機能を発揮することができる。
【0059】
又、以上詳述したように本発明の第2態様の半導体装置、及び第4態様の半導体装置製造方法によれば、支持部材を備えることで、該支持部材にて、金属板により回路パターン形成された第2基板に対する半導体支持金属板の平行度及び位置ずれを防止して上記第2基板と上記半導体支持金属板との電気的接続を行うことができる。よって、平行度及び位置精度の損失に起因して、半導体素子が接続される第1基板と半導体素子とが電気的に非接続となることはなく、さらに、半導体支持金属板と第2基板との接続が損なわれることはなく、したがって半導体素子の機能及び放熱性の損失を防止することができる。
【0060】
上記支持部材を上記半導体支持金属板と一体的に成形される複数の脚部とすることで、上記脚部の高さを例えばプレス等で容易に揃えることができ、上記平行度及び位置精度の実現を容易に行うことができる。
【0061】
又、上記脚部に屈曲部を設けることで、接続のときに半導体支持金属板及び第1基板に作用するストレスを緩和できる。
又、上記支持部材を、上記第1基板と上記半導体支持金属板との間に設けた第1凸状部材とすることもでき、上記平行度及び位置精度の実現を容易に行うことができる。
又、上記支持部材を、上記第1基板と上記第2基板との間に設けた第2凸状部材とすることもでき、第2基板に対して半導体支持金属板を平行度及び位置精度を確保しながら確実に接合することができる。
又、上記第2凸状部材を導電部材とすることもでき、この場合、上記平行度及び位置精度を確保しつつ、上記第1基板と上記第2基板との電流経路としても機能させることができる。
【0062】
さらに本発明の第3態様の半導体装置によれば、荷重部材を備えたことで、半導体支持金属板と第2基板とが接続されるとき、上記荷重部材により第2基板に対して半導体支持金属板が均等に荷重されるので、第2基板に対して半導体支持金属板を平行度及び位置精度を確保しながら確実に接合することができる。
さらに本発明の第4態様の半導体装置製造方法によれば、半導体支持金属板の脚部を上記第1基板に接続させることで、第1基板と半導体支持金属板との平行度を確保しながら、位置ずれを防止した半導体装置を製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態の半導体装置の断面図である。
【図2】図1に示す半導体支持金属板の斜視図である。
【図3】図1に示す半導体支持金属板の変形例における斜視図である。
【図4】図1に示す半導体支持金属板の別の変形例における斜視図である。
【図5】図1に示す半導体支持金属板のさらに別の変形例における斜視図である。
【図6】図5に示す半導体支持金属板を備えた半導体装置の断面図である。
【図7】本発明の第2実施形態の半導体装置の断面図である。
【図8】本発明の第3実施形態の半導体装置の断面図である。
【図9】本発明の第4実施形態の半導体装置の断面図である。
【図10】本発明の第5実施形態の半導体装置の断面図である。
【図11】図10に示す半導体装置の変形例における断面図である。
【図12】本発明の第6実施形態の半導体装置の断面図である。
【図13】図12に示す半導体装置の変形例における断面図である。
【図14】図12に示す半導体装置の別の変形例における断面図である。
【図15】本発明の第7実施形態の半導体装置の断面図である。
【図16】図1に示す半導体装置の製造方法を説明するための図である。
【図17】従来の半導体部品の断面図である。
【図18】従来の半導体装置の断面図である。
【図19】リードフレーム回路基板を説明するための図である。
【図20】従来の半導体装置における不具合点を説明するための図である。
【符号の説明】
101〜108…半導体装置、
111…半導体素子、111a…表面、111b…裏面、111c…電極、
11d…電極、112…導体スペーサ、113…バンプ、
115…半導体支持金属板、115a…素子載置面、115b…裏面、
116…脚部、116b…屈曲部、118…制御基板、118a…電極、
119…接合剤、120…電極パターン、
122…リードフレーム回路基板、130…第1凸状部材、
132…第2凸状部材、140…荷重部材。
Claims (12)
- 表裏両面(111a、111b)にそれぞれ電極(111c、111d)を有する半導体素子(111)と、
上記半導体素子の上記表裏面のいずれか一方の電極(111c)とバンプ(113)を介して上記半導体素子と接続される回路基板(118)と、
上記半導体素子を載置して該半導体素子の上記表裏面のいずれか他方の電極(111d)と接続される素子載置部(115a)、及び上記回路基板に向かって上記素子載置部に立設されて上記回路基板に接続されかつ上記回路基板に対して上記素子載置部を平行又はほぼ平行に配置する複数の脚部(116)を有する半導体支持金属板(115)と、
を備えたことを特徴とする半導体部品。 - 表裏両面(111a、111b)にそれぞれ電極(111c、111d)を有する半導体素子(111)と、
上記半導体素子の上記表裏面のいずれか一方の電極(111c)とバンプ(113)を介して上記半導体素子と接続される第1基板(118)と、
上記半導体素子の上記表裏面のいずれか他方の電極(111d)と接続される素子載置面(115a)を有して上記半導体素子を載置しかつ上記第1基板に接続される半導体支持金属板(115)と、
上記素子載置面に対向する上記半導体支持金属板の裏面(115b)と接続され金属板により回路パターン形成された第2基板(122)と、
上記半導体支持金属板と上記第1基板との間、又は上記第1基板と上記第2基板との間に設けられ、上記第2基板に対する上記半導体支持金属板の平行度の向上及び位置ずれ防止を行う支持部材(116、130、132、112)と、
を備えたことを特徴とする半導体装置。 - 上記半導体支持金属板と上記第1基板との間に上記支持部材が設けられるとき、該支持部材は、上記第1基板に向かって上記素子載置面に立設されて上記第1基板に接続され、かつ上記第1基板に対して上記半導体支持金属板を平行又はほぼ平行に配置して上記第2基板に対する上記半導体支持金属板の平行度の向上及び位置ずれ防止を行い、かつ上記半導体支持金属板と一体的に成形される複数の脚部(116)である、請求項2記載の半導体装置。
- 上記脚部は、上記半導体支持金属板が上記第2基板に接続されるとき、上記半導体支持金属板及び上記第1基板に作用するストレスを緩和する屈曲部(116b)を有する、請求項3記載の半導体装置。
- 上記半導体支持金属板と上記第1基板との間に上記支持部材が設けられるとき、該支持部材は、上記第1基板に立設され上記素子載置面に接触し上記第1基板と上記半導体支持金属板との平行度を向上させて上記第2基板に対する上記半導体支持金属板の平行度の向上及び位置ずれ防止を行う複数の第1凸状部材(130)である、請求項2記載の半導体装置。
- 上記第1基板と上記第2基板との間に上記支持部材が設けられるとき、該支持部材は、上記第1基板に立設され上記第2基板に接触して上記第2基板に対する上記半導体支持金属板の平行度の向上及び位置ずれ防止を行う複数の第2凸状部材(132)である、請求項2記載の半導体装置。
- 上記第2凸状部材は、上記第1基板及び上記第2基板に形成された各電極(118a、120)との間を連結する導電部材(112)である、請求項6記載の半導体装置。
- 表裏両面(111a、111b)にそれぞれ電極(111c、111d)を有する半導体素子(111)と、
上記半導体素子の上記表裏面のいずれか一方の電極(111c)とバンプ(113)を介して上記半導体素子と接続される第1基板(118)と、
上記半導体素子の上記表裏面のいずれか他方の電極(111d)と接続される素子載置面(115a)を有して上記半導体素子を載置しかつ上記第1基板に接続される半導体支持金属板(115)と、
上記素子載置面に対向する上記半導体支持金属板の裏面(115b)と接続され金属板により回路パターン形成された第2基板(122)と、
上記第1基板に取り付けられ、上記半導体支持金属板の上記裏面と上記第2基板とが接合剤(119)にて接続されるとき上記第2基板に対する上記半導体支持金属板の平行度の向上及び位置ずれ防止を行う荷重部材(140)と、
を備えたことを特徴とする半導体装置。 - 上記第1基板は、可撓性を有する材料で構成されている、請求項2から8のいずれかに記載の半導体装置。
- 表裏両面(111a、111b)のいずれか一方の電極(111c)にバンプ(113)を有し、上記表裏面のいずれか他方の電極(111d)と半導体支持金属板(115)の素子載置面(115a)とを接続した支持体(191)を、第1基板(118)の電極(118a)と上記バンプとが接続するようにして上記第1基板に接続するとき、上記半導体支持金属板と上記第1基板との平行度の向上及び位置ずれ防止を行いながら、上記半導体支持金属板の上記素子載置部を上記第1基板に対して平行又はほぼ平行に配置する上記支持体の上記半導体支持金属板の複数の脚部(116)を上記第1基板に接続し、
上記支持体と上記第1基板との上記接続にて形成される半導体部品(192)における上記素子載置面に対向する上記半導体支持金属板の裏面(115b)と、金属板により回路パターン形成された第2基板(122)とを接続する、
ことを特徴とする半導体装置製造方法。 - 上記支持体を上記第1基板に接続するとき、上記半導体支持金属板の上記複数の脚部を上記第1基板に接触させることで、上記半導体支持金属板と上記第1基板との平行度の向上及び位置ずれ防止を行いながら、上記支持体を上記第1基板に接続する、請求項10記載の半導体装置製造方法。
- 上記半導体部品と上記第2基板とを接続するとき、上記裏面と上記第2基板との平行度の向上及び位置ずれ防止を行いながら接続を行う、請求項10又は11に記載の半導体装置製造方法。
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