JP2005243685A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 接続板使用によるリードと電極パッドの接続の信頼性向上。
【解決手段】 封止体と、封止体によって少なくとも一部が被われ下面が封止体の下面から露出するドレイン電極になる支持基板と、支持基板に連なり封止体の一側面から突出するドレインリードと、封止体の前記一側面から突出し、ドレインリードと並んで延在するソースリード及びゲートリードと、封止体に被われるとともに下面にドレイン電極を有し上面にソース電極パッド及びゲート電極パッドを有し下面が導電性の接着剤を介して支持基板の上面に固定される半導体チップと、封止体内に位置しソース電極パッドとソースリードを電気的に接続する接続板と、封止体内に位置しゲート電極パッドとゲートリードを接続するワイヤとを有し、前記接続板は薄肉部と厚肉部を有する上面が平坦な金属板からなり、厚肉部の下面が導電性の接着剤を介してソース電極パッドに接続され、薄肉部の下面が導電性の接着剤を介してソースリードに接着されている。
【選択図】 図1
【解決手段】 封止体と、封止体によって少なくとも一部が被われ下面が封止体の下面から露出するドレイン電極になる支持基板と、支持基板に連なり封止体の一側面から突出するドレインリードと、封止体の前記一側面から突出し、ドレインリードと並んで延在するソースリード及びゲートリードと、封止体に被われるとともに下面にドレイン電極を有し上面にソース電極パッド及びゲート電極パッドを有し下面が導電性の接着剤を介して支持基板の上面に固定される半導体チップと、封止体内に位置しソース電極パッドとソースリードを電気的に接続する接続板と、封止体内に位置しゲート電極パッドとゲートリードを接続するワイヤとを有し、前記接続板は薄肉部と厚肉部を有する上面が平坦な金属板からなり、厚肉部の下面が導電性の接着剤を介してソース電極パッドに接続され、薄肉部の下面が導電性の接着剤を介してソースリードに接着されている。
【選択図】 図1
Description
本発明は半導体装置に係わり、特にパワーMOSFET,IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),バイポーラパワートランジスタ等の電源用トランジスタチップを封止した半導体装置に適用して有効な技術に関する。上記半導体装置は、携帯機器、レーザビームプリンタ、自動車電装機器等で使用されている。
携帯電話,ビデオカメラなどの充電器,オフィスオートメーション(OA)機器等の電源回路,自動車電装機器等に使用される電源用トランジスタとして、低電圧駆動用パワートランジスタが知られている(例えば、特許文献1)。
また、工業規格パッケージ外形がTO220型やTO247型となるハイパワーMOSFETも提案されている(例えば、特許文献2)。
また、工業規格パッケージ外形がTO220型やTO247型となるハイパワーMOSFETも提案されている(例えば、特許文献2)。
TO247型の半導体装置(パッケージ)90は、図27及び図28に示すような外観形状をしている。図27はパッケージの平面図であり、図28はパッケージの側面図である。ヘッダと呼称される金属製の支持基板91の上面側は絶縁性樹脂からなる封止体92によって被われ、この封止体92の一端から三本のリード93〜95が平行に突出している。リード93〜95はゲート(G)リード,ドレイン(D)リード,ソース(S)リードとなっている。また、中央のリード94は封止体92の内部でオフセットされ、ヘッダ91と一体に形成されている。図示はしないが、ヘッダ91の上面にはMOSFETが形成された半導体チップが固定されている。半導体チップの裏面はドレイン電極となり、ヘッダ91と電気的に接続されている。また、半導体チップの上面にはゲート電極パッド及びソース電極パッドが設けられている。これらゲート電極パッド及びソース電極パッドと、ゲートリード93,ソースリード95のワイヤ接続部(リードポスト)は導電性のワイヤで各々接続されている。
図29及び図30は本発明に先立って検討したTO247型の半導体装置である。図29は樹脂封止体を取り除いた場合の模式的平面図、図30は図29に対応する模式的断面図である。図29及び図30において、各部の符号は図27及び図28と共通な構成は、その参照番号をそのまま使用する。
ヘッダ91はパッケージ90を実装基板に固定するため使用する取付孔96を有する。半導体チップ97は矩形リング状に形成されたV溝枠98の内側の領域に接着材を介して固定されている。
半導体チップ97の上面(第1主面)には、ゲート電極パッド99及びソース電極パッド100が設けられている。ゲート電極パッド99とゲートリード93のワイヤ接続部(リードポスト)93aは導電性のワイヤ101で接続され、ソース電極パッド100とソースリード95のワイヤ接続部95aは導電性のワイヤ102で接続されている。オン抵抗を低減するため、ソース電極パッド100とソースリード95を接続するワイヤ102は2本使用される。このワイヤ102はゲート電極パッド99とゲートリード93を接続するワイヤ101(例えば、直径125μmのアルミニウム線)に比較して、各々が太く(例えば直径300〜500μmのアルミニウム)形成される。
半導体チップ97の上面には絶縁性の保護膜が形成されているが、この保護膜を部分的に除去した開口部の底にそれぞれ電極が露出し、この露出部分がゲート電極パッド99、ソース電極パッド100となる。ソース電極パッド100は2本のワイヤを接続するため幅広に形成されている。即ち、リードの延在方向に直交する方向に長く形成されている。ソース電極パッド100は半導体チップ97の略中央に形成されている。ゲート電極パッド99は細いワイヤを接続することから、ソース電極パッド100に比較して充分小さい。また、特許文献2にも示されているように、ゲート電極パッド99は、半導体チップ97の隅(コーナ)で、かつゲートリード93の先端のリードポスト93aに近接した位置に設けられている。即ち、ゲート電極パッド99はソース電極パッド100よりもリード93,95のリードポスト93a,95a側に近接している。換言するならば、ゲートリードポスト93aとソース電極パッド100との間にゲート電極パッド99が位置している。
しかし、このようにゲート電極パッド99がリードポストに近い半導体チップ97のコーナ側に配置される構成の場合、半導体チップのチップサイズが大きくなると、ゲート電極パッド99とリードポスト93aが更に近接することになる。このため、パッケージの製造工程におけるワイヤボンディング時、リード段差部にボンディングツールが接触し、ボンディングが困難になる。即ち、ワイヤボンディングはウエッジボンディングツールを用いた超音波ボンディングであるため、第1ボンディングとしてゲート電極パッド99にワイヤの一端を接続する際、ワイヤを保持するボンディングツール(キャピラリ)がゲートリードポスト93aに接触し、超音波振動をワイヤ接合部に効果的に加えられなくなり、信頼性の高いワイヤボンディングが困難になる。
また、ソースリード95は、パッケージの外側に配置され、一方、ソース電極パッド100は、パッケージの中央側に配置されているため、ソース用ワイヤ102は、リードの延びる方向に対して交差する方向に延びる。
従って、ソース用ワイヤ102をリードの延びる方向に延ばして形成した場合に比べて、ソース用ワイヤ102間のピッチを広く設定する必要があり、多数本のソース用ワイヤ102の形成が困難になる。
更に、ソース電極パッド100に接続するワイヤ102は、前述のように300〜500μm直径の太いワイヤが使用されることから、ソース電極パッド及びリードポスト95aに接続するワイヤの本数も制限され、パッケージの低ON抵抗化にも限度がある。
そこで、本出願人においては、ゲートリード及びソースリードに対して、ゲート電極パッドをソース電極パッドより遠い位置に配置するとともに、ソースリードとソース電極パッドを所定形状に成形した幅広の金属板で接着剤を用いて接続する構造を提案している(特願2003−187377)。ゲートリード及びソースリードに対して、ゲート電極パッドをソース電極パッドより遠い位置に配置することによって、ワイヤボンディング時、リード段差部にボンディングツールが接触しなくなる。また、ソースリードとソース電極パッドを幅広の金属板で接続することによってパッケージの低ON抵抗化を図ることができる。
前述の本出願人提案による半導体装置は、図31及び図32に示すような構造になっている。図31は封止体を取り除いた状態の半導体装置の模式的平面図であり、図32はその模式的断面図である。
図31及び図32で示す半導体装置90は、図29及び図30において示す半導体装置90において、半導体チップ97の左側に設けるゲート電極パッド99をゲートリード93(リードポスト93a)から遠くなる四角形状の半導体チップ97の左側上のコーナーに配置して(図31参照)、ゲート電極パッド99とゲートリード93を接続するワイヤ101の接続時、ワイヤを保持するボンディングツールがゲートリードポスト93aに接触しないようにしてある。
また、図31に示すように、ソースリード95を中央に位置させ、左側にゲートリード93を配置し、右側にドレインリード94を配置させる構造になっている。ドレインリード94は支持基板91に連なり、ソースリード95の先端の幅広のリードポスト95aは、半導体チップ97の1辺に近接した位置ある。そして、このリードポスト95aとソース電極パッド100を幅広の金属板105で電気的に接続する構造になっている。リードポスト95a及びソース電極パッド100との接続部にはそれぞれ接着材106,107が使用されている(図31参照)。金属板105は銅板で形成されている。半導体チップ97のソース電極パッド100の表面と、ソースリード95(リードポスト95a)の上面とは、その高さに差があることから、金属板105は成形されて階段状に1段屈曲する構造になっている。
この構造では、幅広の金属板が使用されることからオン抵抗の低減が図れる。また、金属板の接続は接着材を用いることから,作業が容易になる。金属板105を、厚さ0.2mm、幅7mmの銅板で形成した場合、直径500μmのAlワイヤを6本使用して電極とリードポストを接続したと略同様のオン抵抗とすることができる。
一方、この種のパワー型の半導体装置は、一層高出力化の傾向にある。そこで、本発明者は、半導体チップで発生する熱の放熱性を高めるべく、金属板(接続板)の板厚を厚くして熱伝導性(熱伝達性)を向上させることを検討した。この場合、金属板の全長も余り長くなく、かつ限定される長さとなることから、金属板の厚さを大きくすると、成形性から、図32で示すように、段差間距離yが長くなり、その分半導体チップ97との接続長さzが短くなり、充分なる接続長さ(接続面積)が得られなくなることが分かった。
即ち、図32に示すように、リードポスト95aの先端から金属板105の先端の接続位置までの長さをxとし、成形による屈曲2点間の距離をy、ソース電極パッド100に接触する金属板105の接触長さをzとした場合、金属板105を厚くする程、成形による屈曲2点間距離yは長くなり、その分金属板の接触長さzは短くなる。成形による段差を1.5mmとした場合、リードポスト先端から金属板の先端接続位置までの長さをxは、厚さ0.5mmの金属板の場合4.5mm未満と極めて短くなってしまう。この結果、金属板と電極との接続面積が小さくなり、オン抵抗が大きくなってしまう。
本発明の一つの目的は、オン抵抗の低減を図ることができる半導体装置を提供することにある。
本発明の一つの目的は、半導体チップ主面の電極パッドと接続板との間の接続面積の増大を図ることができる半導体装置を提供することにある。
本発明の一つの目的は、放熱性の良好な半導体装置を提供することにある。
本発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面からあきらかになるであろう。
本発明の一つの目的は、半導体チップ主面の電極パッドと接続板との間の接続面積の増大を図ることができる半導体装置を提供することにある。
本発明の一つの目的は、放熱性の良好な半導体装置を提供することにある。
本発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面からあきらかになるであろう。
本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
(1)本発明の半導体装置は、
絶縁性樹脂からなる封止体と、
前記封止体によって少なくとも一部が被われ下面が前記封止体の下面から露出し、かつ第1電極になる金属製の支持基板と、
前記支持基板に連なり前記封止体の一側面から突出する第1電極リードと、
前記封止体の前記一側面から突出し、前記第1電極リードと並んで延在する第2電極リード及び制御電極リードと、
前記封止体に被われるとともに下面に第1電極を有し上面に第2電極パッドと制御電極パッドを有し、前記下面が導電性の接着剤を介して前記支持基板の上面に固定される半導体チップと、
前記封止体内に位置し前記第2電極パッドと前記第2電極リードを電気的に接続する接続手段と、
前記封止体内に位置し前記制御電極パッドと前記制御電極リードを電気的に接続する接続手段とを有し、
前記第2電極パッドと前記第2電極リードを接続する前記接続手段は、薄肉部とこの薄肉部に連なる厚肉部を有し上面が平坦な金属からなる接続板と、前記厚肉部の下面を前記第2電極パッドに接続する導電性の接着剤と、前記薄肉部の下面を前記第2電極リードに接続する導電性の接着剤とで構成されていることを特徴とする。前記半導体チップは、下面に第1電極(ドレイン電極)を有し、上面に第2電極パッド(ソース電極パッド)と制御電極パッド(ゲート電極パッド)を有するトランジスタからなっている。第1電極リードはドレインリードであり、第2電極リードはソースリードであり、制御電極リードはゲートリードである。ソース電極パッドとソースリードが接続板で接続されている。
絶縁性樹脂からなる封止体と、
前記封止体によって少なくとも一部が被われ下面が前記封止体の下面から露出し、かつ第1電極になる金属製の支持基板と、
前記支持基板に連なり前記封止体の一側面から突出する第1電極リードと、
前記封止体の前記一側面から突出し、前記第1電極リードと並んで延在する第2電極リード及び制御電極リードと、
前記封止体に被われるとともに下面に第1電極を有し上面に第2電極パッドと制御電極パッドを有し、前記下面が導電性の接着剤を介して前記支持基板の上面に固定される半導体チップと、
前記封止体内に位置し前記第2電極パッドと前記第2電極リードを電気的に接続する接続手段と、
前記封止体内に位置し前記制御電極パッドと前記制御電極リードを電気的に接続する接続手段とを有し、
前記第2電極パッドと前記第2電極リードを接続する前記接続手段は、薄肉部とこの薄肉部に連なる厚肉部を有し上面が平坦な金属からなる接続板と、前記厚肉部の下面を前記第2電極パッドに接続する導電性の接着剤と、前記薄肉部の下面を前記第2電極リードに接続する導電性の接着剤とで構成されていることを特徴とする。前記半導体チップは、下面に第1電極(ドレイン電極)を有し、上面に第2電極パッド(ソース電極パッド)と制御電極パッド(ゲート電極パッド)を有するトランジスタからなっている。第1電極リードはドレインリードであり、第2電極リードはソースリードであり、制御電極リードはゲートリードである。ソース電極パッドとソースリードが接続板で接続されている。
(2)前記手段(1)の構成において、前記接続板の前記薄肉部にはその途中部分に応力を緩和する屈曲部が設けられている。
(3)前記手段(1)の構成において、前記接続板の上面には前記封止体の上面に上面が露出する熱電導性が良好な材質からなる放熱板が固定されている。
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
前記(1)の手段によれば、(a)ソース電極パッドとソースリードは薄肉部と厚肉部を有する接続板で電気的に接続され、かつソース電極パッドに接続板の厚肉部が接着剤を介して接続される。接続板は厚い素材の下面側を部分的に除去して薄肉部を形成するため、厚肉部の長さはその加工において、成形による屈曲の場合のような制約はなく自由に選択できる。従って、厚肉部の長さを長いソース電極パッドの全長に亘って接触できるように長く形成することができる。従って、ソース電極パッドとの接続長さ(接続面積)を小さくすることなく接続が可能になり、オン抵抗の低減を図ることができる。
(b)厚い接続板を使用することができるため、接続板の熱容量が大きくなり、半導体チップで発生した熱を外部に速やかに放散できるようになる。従って、半導体装置の熱特性が向上し、半導体装置の安定動作が可能になる。
前記(2)の手段によれば、前記接続板の前記薄肉部には屈曲部が設けられていることから、応力を緩和することができ、熱歪みによって接着剤による接続部分に大きな力が加わらなくなり、接続の信頼性が高くなる。
前記(3)の手段によれば、前記接続板の上面には前記封止体の上面に上面が露出する熱電導性が良好な材質からなる放熱板が固定されていることから、この放熱板を介して半導体チップで発生した熱を速やかに外部に放散することができる。従って、半導体装置の熱特性が向上し、安定した動作が可能になる。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、発明の実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
図1乃至図13は本発明の実施例1である半導体装置に係わる図である。図1乃至図5は半導体装置の構造に係わる図であり、図6乃至図13は半導体装置の製造方法に係わる図である。
本実施形態1では、本発明を縦型パワートランジスタ(半導体装置)1に適用した例について説明する。即ち、第1電極としてドレイン(D)電極、第2電極としてソース(S)電極、制御電極としてゲート(G)電極となる電界効果トランジスタを組み込んだ半導体チップが、半導体装置1に組み込まれている。
パワートランジスタ1は、図1〜図3に示すように、外観的には、偏平四角形状の封止体2の一端面から3本のリードを平行に延在する構造となっている。封止体2は絶縁性樹脂からなり、リードは金属片からなっている。リードは、例えば、銅合金からなり、封止体2はエポキシ樹脂からなっている。中央のリードは第2電極リード(ソースリード)5になり、その左側のリードは制御電極リード(ゲートリード)6になり、その右側のリードは第1電極リード(ドレインリード)4になっている。
封止体2の下面には支持基板(ヘッダ)3の下面が露出している。この支持基板3はその幅が封止体2の幅と略同一の幅となり、封止体2と一致して重なっている。封止体2の1端から突出する3本のリードは、同一平面上に位置する構造になっている。また、右側のドレインリード4は、封止体2の内部において一段階段状に下方に屈曲し、支持基板3に連なっている。支持基板3の厚さはドレインリード4の厚さよりも厚くなっている。パワートランジスタ1は、その製造において、リードフレームと呼称されるパターニングされた接続板が使用されるが、この接続板は一部で厚さが異なる異形材が使用される。厚い部分で支持基板3が形成され、薄い部分でリードが形成される。
中央のソースリード5の先端は、幅が広いリードポスト5aになり、ゲートリード6の先端もやや幅が広いリードポスト6aになっている。リードポスト5aには後述する幅が広い接続板(クリップ)45が接続される。またリードポスト6aにはワイヤ14が接続される。ワイヤ14は、例えば、直径125μmのAlワイヤからなっている。
また、前記封止体(パッケージ)2内には半導体チップ7が配置されている。この半導体チップ7には、図5に示すように、縦型パワーMOSFETが形成され下面に第1電極(ドレイン電極)10を有し、図4及び図1に示すように、上面(主面)には第2電極(ソース電極)パッド11と制御電極(ゲート電極)パッド12を有した構造になっている。ドレイン電極はTi・Ni・Auによって形成されている。また、ソース電極パッド11及びゲート電極パッド12はAlで形成されている。
ここで、半導体チップ7について説明する。半導体チップ7は図4に示すように、平面的に見て四角形である。ソース電極パッド11は幅広(長方形)となるとともに、チップの一方の辺側に偏った位置に設けられている。ソース電極パッド11に近接する辺(図4では下縁になる辺)が、支持基板3に固定されるときリードポストに対面する辺である。そして、この対面する辺の反対側の辺(図4では上縁になる辺)に連なるチップの1コーナ部分(図4では左側のコーナ)にゲート電極パッド12が位置している。
半導体チップ7は、特に限定はされないが、1辺が8〜9mmの大きさである。そして、ゲート電極パッド12はワイヤ14の太さが125μm直径であることから、その大きさは一辺が0.3〜0.5mm程度となる正方形である。これに対して、ソース電極パッド11は、例えば、縦4mm、横(幅)7mm程度である。
図5は図4のA−A線に沿う一部の拡大断面図である。半導体チップ7は、主面にn−型のエピタキシャル層21を有するn+型のシリコン半導体基板20を基に形成されている。パワートランジスタ1は縦型MOSFETであり、平面的に見て多数のセル(トランジスタ)が整列配置されている。この例では、各トランジスタセルはトレンチ構成になっている。エピタキシャル層21の所定領域には、p−型のチャネル(ch)層22が形成されるとともに、その外周にはガードリングとなるp−型のウエル層23が形成されている。
また、チャネル(ch)層22を貫通するようにセル形成領域には多数のトレンチ(溝)25が形成される。このトレンチ25はウエル層23にも設けられる。ウエル層23に設けられるトレンチと、その内側の最外周に位置するセルを構成するトレンチとの間の領域は、セルとして使用されない無効領域fとなる。この無効領域fは、図4では二点鎖線で示される2本線に挟まれた領域である。無効領域fで囲まれた領域はセルが形成される有効領域hになる。この有効領域hが広い程セルの数を多くでき、パワートランジスタ1の出力増大を図ることができる。本実施形態1では、ゲート電極パッド12は半導体チップ7の1隅(コーナ)に設けられ、無効領域fで囲まれる領域(有効領域h)の外側に位置している。ゲートリード6のリードポスト6aに対応するため、ゲート電極パッド12はチップの左側の辺の途中に配置してある。
トレンチ25内にはゲート電極となるポリシリコンゲート層26が設けられ、この層の下にはゲート絶縁膜27が設けられている。そして、トレンチに囲まれたチャネル層22の中央表層部分にはp+領域28が形成されている。セル部分のチャネル層22においては、p+領域28の外側からトレンチに到る領域に亘ってn+型からなるソース領域29が設けられている。トレンチ部分、即ち、ゲート絶縁膜27及びポリシリコンゲート層26は絶縁膜32で被われ、この絶縁膜32上にはソース電極33が形成されている。このソース電極33は絶縁膜32が設けられない開口部分でp+領域28及びソース領域29と電気的に接続されている。
無効領域fの外側に位置するトレンチ25部分では、ゲート絶縁膜27に連なって厚い絶縁膜(LOCOS)34が設けられている。この厚い絶縁膜34はウエル層23の外周を超えて延在している。無効領域fの外側に位置するトレンチ25に埋め込まれたポリシリコンゲート層26は厚い絶縁膜34上の途中部分にまで延在して周辺ゲート配線35を形成している。また、この周辺ゲート配線35及び厚い絶縁膜34も絶縁膜32で被われている。この絶縁膜32部分上にはゲート電極配線36が設けられている。このゲート電極配線36は絶縁膜32に部分的に設けられた開口を通してポリシリコンゲート層26に電気的に接続されている。
図5に示すように、絶縁膜32は半導体チップ7の周縁まで到達しない状態となっている。また、絶縁膜32から外れたエピタキシャル層21の表面はわずかにエッチングされて一段低くなっている。そしてこの低くなった部分において、絶縁膜32の周縁はドレイン電極と同電位となるガードリング37で被われている。ガードリング37の下のエピタキシャル層21の表層には、p+型からなるガードリングコンタクト層(HCNT)38が設けられている。このガードリングコンタクト層(HCNT)38は半導体チップ7の縁にまで延在している。また、ガードリング37の内側のエピタキシャル層21の表層部分には、n+型からなるチャネルストッパ層(S)39が設けられている。ガードリングコンタクト層(HCNT)38はガードリングの電位をとるためで、チャネルストッパ層(S)39は、空乏層の進行をガードする効果がある。
半導体チップ7の主面は、図5に示すように、絶縁膜40で被われて保護されている。また、この絶縁膜40は選択的に開口されている。この開口部分が、図4及び図1に示すソース電極パッド11及びゲート電極パッド12になる。
半導体チップ7は、図1に示すように、図示しない下面のドレイン電極が導電性の接着剤13を介して前記支持基板3に固定されている。半導体チップ7は、例えば、支持基板3の長手方向に沿う長さが6.7mm、支持基板3の幅方向の長さが9.0mmとなっている。ゲートリード6のリードポスト6aは、ワイヤ14を介して半導体チップ7のゲート電極パッド12に接続されている。ワイヤ14は、例えば、直径が125μmになるAl線である。本実施形態1では、図1に示すように、ゲート電極パッド12はリードポストゲートリード6のリードポスト6aから遠い位置にあることから、ワイヤ14をゲート電極パッド12に接続する際、ワイヤを保持するボンディングツールがリードポストに接触することがなく、確実なワイヤボンディングが可能になる。
また、半導体チップ7のソース電極パッド(第2電極パッド)11とソースリード(第2電極リード)5は、接続手段によって電気的に接続されている。この接続手段は、図3に示すように、薄肉部46とこの薄肉部46に連なる厚肉部47を有し上面が平坦な金属からなる接続板45と、厚肉部47の下面をソース電極パッド11に接続する導電性の接着剤48と、薄肉部46の下面をソースリード5のリードポスト5aに接続する導電性の接着剤49とで構成されている(図3参照)。接続板45は、図1に示すように、オン抵抗を低減するために幅広になっている。ソース電極パッド11の幅及びリードポスト5aの幅は、接続板45の幅程度あるいはそれ以上広い幅になっている。接続板45は、例えば、銅の異形材からなり、薄肉部46の厚さは0.5mm、厚肉部47の厚さは2.0mmとなり、幅7.0mm、長さ8.0mmとなっている。厚肉部47から薄肉部46に至る段差部分は傾斜面になっているが、垂直壁でもよい。本実施例では、ソース電極パッド11は長さ4.5mm、幅7.0mmとなり、厚肉部47の接触面と同じ大きさになっている。
このような異形材を使用することにより、接続板45の熱容量を大きくできるため、熱放散性が良好になる。また、ソース電極パッド11との接続面積も広くなることから、オン抵抗の低減を図ることができる。
接続板45の平坦な上面上を、封止体2を形成する樹脂が覆っている。この覆っている層の厚さは略均一であり、例えば、0.98mm程度の厚さとなり、確実に接続板45を覆い、耐湿性の向上を図っている。
一方、図1〜図3に示すように、半導体チップ7から外れる封止体2の中央部分には、パワートランジスタ1を実装基板等に取り付ける際利用する取付用孔8が設けられている。この取付用孔8が設けられる支持基板3には、この取付用孔8と同心円からなるとともに、取付用孔8よりも大きな孔9が設けられている。また、支持基板3の上面には、半導体チップ7を固定する領域を囲むように、それぞれV溝41が形成されている。このV溝41内にも封止体2を形成する樹脂が充填される。このV溝41の存在によって、支持基板3と封止体2との界面における水分の浸入もし難くなる。また、図1に示すように、支持基板3の両側はそれぞれ2箇所に亘って押し潰し部分42が設けられている。この押し潰し部分42の上下には封止体2を形成する樹脂が位置し、支持基板3から封止体2が剥離し難くなっている。これによりパワートランジスタ1の耐湿性が向上する。取付用孔8が設けられる封止体2の端側には、支持基板3が露出している。
つぎに、本実施形態1の半導体装置(パワートランジスタ)1の製造方法について、図6〜図13を参照しながら説明する。パワートランジスタ1は、図6のフローチャートで示すように、リードフレーム準備(S01)、チップボンディング(S02)、ワイヤボンディング(S03)、接着剤塗布(S04)、クリップ(接続板)付け(S05)、接着剤硬化処理(S06)、封止体形成(S07)、切断除去(S08)の各工程を経て製造される。
パワートランジスタ1の製造において、図7に示すようなリードフレーム55が準備される(S01)。このリードフレーム55は複数個のパワートランジスタ1を製造するように、1個のパワートランジスタ1を製造する単位リードフレーム56が、並列に複数繋がる短冊形状になっている。図7では単位リードフレーム56のみを示す。
単位リードフレーム56は、図1で説明した3本のリード6,4,5を所定長さ長く延在させるパターンになるとともに、これら3本のリード6,4,5を支持するようにリードに直交する方向に延在する細いダム57と、3本のリード6,4,5の先端部分を接続する枠片58とを有する。ダム57は封止体2に近接した位置に設けられている。
単位リードフレーム56は、これらダム57及び枠片58によって繋がっている。また、支持基板(ヘッダ)3の先端側部も隣接するヘッダに連結部60で繋がる構造になっている。また、支持基板3は各リードよりも一段低くなる(図8、図11参照)。枠片58にはガイド孔59が設けられている。ガイド孔59はリードフレーム55を移送したり、リードフレーム55の位置決め時に使用される。リードフレーム55は、一側が所定の幅で厚くなる帯状の銅合金等からなる接続板(異形材)を精密プレスで打ち抜いてパターニングするとともに、薄い一部で屈曲させて薄い部分を厚い部分よりも一段高くした構造(段差は1.8mm)になっている。厚い部分が前記支持基板3であり1.5mmの厚さになり、薄い部分がゲートリード6,ドレインリード4,ソースリード5であり0.5mmの厚さになっている。ソースリード5及びゲートリード6の先端は幅広のリードポスト5a,6aになっている。
また、支持基板3の上面の半導体チップを固定する領域を囲むように、それぞれV溝41が形成されている。また、半導体チップの固定領域を外れた、V溝41から外れた領域には孔9が設けられている。この孔9は取付用孔8と同心円となるように設けられ、かつ取付用孔8よりも大きい孔になっている。また、支持基板3の両側はそれぞれ2箇所に亘って押し潰し部分42が設けられている。
つぎに、図9に示すように、リードフレーム55の上面側の各支持基板3上の所定位置に半導体チップ7を接着剤13を介して固定する。この際、リードポスト5a,6aに近い位置にソース電極パッド11が位置し、リードポスト5a,6aから遠い位置にゲート電極パッド12が位置する状態で半導体チップ7の固定を行う。
つぎに、図9に示すように、ゲート電極パッド12とゲートリード6のリードポスト6aを導電性のワイヤ14で接続する(S02)。ワイヤ14は、例えば、直径125μmのAlワイヤである。ワイヤ14は超音波ワイヤボンディングによって接続される。ゲート電極パッド12にワイヤ14の先端を超音波ボンディングしても、ゲート電極パッド12がリードポスト6aから遠い位置にあることから、ボンディングツールがリードポスト6aに接触することがなく、確実なワイヤボンディングができる。このため、半導体チップ7をリードポスト5a,6aに近づけるようにして支持基板3に固定することができる。これは、支持基板3の長さを短くしたり、あるいは固定する半導体チップ7のサイズの大型化が図れることになり、パワートランジスタ1の小型化やチップ大型化による出力増大が可能になる。
つぎに、図9に示すように、ソース電極パッド11とソースリード5のリードポスト5aを、前述の接続板45を使用して電気的に接続する。即ち、接続板45は、図12に示すように、薄肉部46とこの薄肉部46に連なる厚肉部47を有し上面が平坦となる異形材から製造された金属板となっている。そして、厚肉部47の下面を導電性の接着剤48を介してソース電極パッド11に接続し、薄肉部46の下面を導電性の接着剤49を介してソースリード5のリードポスト5aに接続する構造になっている。
この間の製造工程の一部を図8(a)〜(e)に模式的に示す。図8(a)に示すように、支持基板3の上面に接着剤13を塗布した後、前記接着剤13を使用して半導体チップ7を支持基板3上に固定する[図8(b)参照:S02]。つぎに、図8(c)に示すように、半導体チップ7の上面(主面)のソース電極パッド11上及びソースリード5のリードポスト5a上にそれぞれ接着剤48,49を塗布する(S04)。つぎに、接続板45を位置決めして、薄肉部46の先端下面をリードポスト5a上の接着剤49上に載せ、厚肉部47の下面を半導体チップ7上の接着剤48上に載せ、図8(e)に示すように、加熱処理を行って接着剤48,49を硬化処理して接続板45の接続を図る(S05、S06)。なお、必要に応じて接続板45を加圧して、接続板45を所定の圧力でリードポスト5a及び半導体チップ7に押し付けながら硬化処理を行う。図10が接続板(クリップ)45を取り付けたリードフレーム55を示す模式的平面図であり、図11がその模式的断面図である。
なお、支持基板3に半導体チップ7を固定する接着剤13、接続板45を半導体チップ7及びリードポスト5aに接続する接着剤48,49は、半田またはAgペーストを使用することができる。
図12は接続板45の斜視図である。接続板45は、例えば、銅の異形材からなり、薄肉部46の厚さaは0.5mm、厚肉部47の厚さbは2.0mmとなり、幅cは7.0mm、長さdは8.0mmとなっている。また、厚肉部47の下面の長さeは4.5mmになっている。厚肉部47から薄肉部46に至る段差部分は傾斜面になっているが、垂直壁でもよい。
つぎに、図13に示すように、トランスファモールディング等によって絶縁性樹脂によって封止体2を形成する。この封止時、孔9に対して同心円となる取付用孔8が形成される。
つぎに、各リード間のダム57及び連結部60を切断除去し、ついで各リードを切断して図1〜図3に示すパワートランジスタ1を複数製造する。連結部60での接続線を、図13において二点鎖線で示す。
つぎに、各リード間のダム57及び連結部60を切断除去し、ついで各リードを切断して図1〜図3に示すパワートランジスタ1を複数製造する。連結部60での接続線を、図13において二点鎖線で示す。
本実施例によれば以下の効果を有する。
(1)ソース電極パッド11とソースリード5は薄肉部46と厚肉部47を有する接続板45で電気的に接続され、かつソース電極パッド11に接続板45の厚肉部47が接着剤48を介して接続される。接続板45は厚い素材の下面側を部分的に除去して薄肉部46を形成するため、厚肉部47の長さはその加工において、成形による屈曲の場合のような制約はなく自由に選択できる。従って、厚肉部47の長さを長いソース電極パッド11の全長に亘って接触できるように長く形成することができる。従って、ソース電極パッド11との接続長さ(接続面積)を小さくすることなく接続が可能になり、オン抵抗の低減を図ることができる。
(2)厚い接続板45を使用することができるため、接続板45の熱容量が大きくなり、半導体チップ7で発生した熱を外部に速やかに放散できるようになる。従って、半導体装置(パワートランジスタ)1の熱特性が向上し、パワートランジスタ1の安定動作が可能になる。
パワートランジスタ1の使用において、例えば、短時間(100ms)に大電流(400mA)を流して使用する場合、極めて短時間であることから、半導体チップ7で発生した熱がヒートシンクとなる支持基板3にまで到達せず、ワイヤの温度が局部的に上昇し、ワイヤが溶断する可能性がある。例えば、直径500μmのAlワイヤを6本使用した構造では、ワイヤ部分の温度が350℃(シミュレーション値)となるが、本実施例1の接続板(クリップ)を採用すると150℃(シミュレーション値)となり、発熱を抑えられる。
図14及び図15は本発明の実施例2である半導体装置に係わる図であり、図14は封止体を取り除いた半導体装置の模式的平面図、図15は封止体を取り除いた半導体装置の模式的断面図である。
実施例2のパワートランジスタ1は、実施例1のパワートランジスタ1において、接続板45の薄肉部46の途中部分をUの字状に屈曲させ、この屈曲部65を応力を吸収する緩和部分(バッファ部)とするものである。
本実施例のパワートランジスタ1においては、接続板45の薄肉部46に屈曲部65が設けられていることから、熱応力によって薄肉部46に力(熱歪み)が加わっても、その力は屈曲部65で吸収され、リードポスト5aとの接続部分には大きな力が加わらなくなる。この結果、薄肉部46とリードポスト5aとを接続する接着剤49の部分で剥離等が起きなくなり、接続の信頼性が高くなる。
図16乃至図19は本発明の実施例3である半導体装置に係わる図である。図16は半導体装置の封止体を取り除いた模式的平面図、図17は半導体装置の封止体を取り除いた模式的断面図、図18は封止体,クリップ及び半導体チップを取り除いた半導体装置を示す模式的平面図、図19は半導体装置に使用されているクリップの模式的断面図である。
本実施例3のパワートランジスタ1は、実施例1のパワートランジスタ1において、接続板45の薄肉部46の先端とリードポスト5aとを係止部を利用して位置決めし、かつ接着剤49で固定するものである。
図19に示すように、接続板45の薄肉部46の先端に、上面から下面に掛けてプレス機によるコイニングによって下面に突出する突子61を形成する。この突子61の外形形状は台形断面になっている。図16には、突子61の内径形状が示されている。内径形状は台形状になっている。また、この突子61が挿入される孔62を、図18に示すように、ソースリード5のリードポスト5aの中央に設けておく。この孔62も台形状になっている。これら突子61及び孔62がそれぞれ係止部となる。
突子61を孔62に挿入することによって、接続板45はリードポスト5aに取り付けられる。台形状の孔62に台形状の突子61を挿入することから、接続板45は突子61を中心に平面方向に回転することなく位置決めされる。従って、突子61を孔62に挿入することによって、接続板45の厚肉部47の下面は半導体チップ7のソース電極パッド11上に位置決めされて載置されるようになる。そこで、突子61の周囲の接着剤49及び厚肉部47の下面の接着剤48を硬化処理することによって、図16及び図17に示すように、接続板45(薄肉部46)とリードポスト5aとの接続及び接続板45(厚肉部47)と半導体チップ7のソース電極パッド11との接続が行えることになる。
本実施例3によれば、接続板45のソースリード5への取り付け作業が正確かつ容易になり、作業性が向上し、生産コストの低減を図ることできる。また、接続板45とソースリード5との接続部分の機械的強度も係止部利用によることから強固なものとなり、接続の信頼性が向上する。
なお、突子61及び孔62の形状(断面形状)は、三角形を含む多角形状であってもよい。このように多角形にすることによって、係止部が一つであっても接続板45の回転は阻止されることになる。また、突子61及び孔62等の係止部を共に円形とする場合には、係止部はリードポスト5a及び接続板45にそれぞれ複数設けて、取り付け後接続板45が回転しないようにする必要がある。なお、接続板45及びリードポスト5aにそれぞれ円形の係止部を1個ずつ設けてもよい。この場合、接続板45を半導体チップ7に固定する際、の回転方向の位置合わせが必要となる。
図20及び図21は本発明の実施例4である半導体装置に係わる図であり、図20は半導体装置の封止体を取り除いた模式的平面図、図21は半導体装置の封止体を取り除いた模式的断面図である。
実施例4は、実施例2の屈曲部65を設ける例と、実施例3の係止部を設ける例を組み合わせた例である。即ち、図20及び図21に示すように、接続板45の薄肉部46に屈曲部65を設けるとともに、薄肉部46及びリードポスト5aに係止部61,62を設けてある。従って、接続板45をリードポスト5aとソース電極パッド11に接続する作業時、実施例3で説明したとおり、係止部61,62を利用して接続板45の接続ができるため、接続の作業性が良くなり、生産コストの低減が可能になる。また、接続板45の取り付け後は、接続板45の薄肉部46に熱応力が発生するようなことがあっても、この熱応力は屈曲部65で吸収されるため、リードポスト5a及びソース電極パッド11と接続板45との接続部分である接着剤48,49に大きな力が加わらなくなり、接続部分にクラックや剥がれが発生しなくなり、接続の信頼性が高くなる。
図22乃至図25は本発明の実施例5である半導体装置に係わる図であり、図22は半導体装置の封止体を取り除いた模式的平面図、図23は半導体装置の模式的平面図、図24は半導体装置の封止体を取り除いた模式的断面図、図25は半導体装置の実装例を示す模式図である。
本実施例5のパワートランジスタ1は放熱性を高めることができる構成になっている。本実施例5のパワートランジスタ1は、実施例1のパワートランジスタ1において、封止体2の上面に上面が露出する平板状の放熱フィン67を接続板45の上面に固定した構造になっている(図22乃至図24参照)。また、放熱フィン67は、図24に示すように、接続板45の上面に接着剤68を介して接続されている。放熱性を良好とするため、接着剤68は熱電導性の良好な金属フィラー等を含む樹脂からなる接着剤が使用される。また、放熱フィン67は熱電導性が良好な銅で形成されている。
図25はパワートランジスタ1を実装基板70に実装した状態を示す。実装基板70には放熱板71が嵌め込まれるように設けられている。そして、この放熱板71の上面にパワートランジスタ1の支持基板3の下面が重なるようにして、図示しない接着剤によって接続(固定)されている。従って、パワートランジスタ1の半導体チップ7で発生した熱は支持基板3を介して放熱板71に伝達される。
一方、パワートランジスタ1の封止体2の上面側に露出する放熱フィン67(図24参照)の上面には、熱電導性の良好な接着剤72を介して放熱板73が固定されている。この放熱板73はAlからなり、その上面は深い凹凸によるフィンとなり、放熱面積の増大が図られている。従って、半導体チップ7で発生した熱は放熱板73の表面から大気中に効果的に放散されることになる。このように、封止体2の下面側及び上面側から半導体チップ7で発生した熱が外部に放散されるため、パワートランジスタ1は、熱の影響を受けることなく安定動作することになる。
また、本実施例5のパワートランジスタ1では、封止体2の端から突出する3本のリード、即ちドレインリード4,ソースリード5,ゲートリード6は途中で封止体2の上面側に屈曲される構造になっている。そして、これら屈曲したリード部分は、図25に示すように、実装基板70の上方に配置される電極端子74に導電性接着剤75を介して電気的に接続される。
図26は本発明の実施例6である半導体装置の模式的拡大断面図である。前記各実施例では、3本のリードは封止体2の一端面から並んで真っ直ぐに突出する構造となっているが、本実施例のパワートランジスタ1は、図26に示すように、封止体2の一端面から並んで真っ直ぐに突出する3本のリードは、途中で1段階段状に屈曲し、いわゆるガルウィング型(片ウィングであるが)となる表面実装型のリード構造になっている。本実施例6のパワートランジスタ1は3本のリード全てを実装基板に表面実装できる実益がある。
以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。実施形態では、第1電極,第2電極,制御電極をそれぞれ電極とするパワーMOSFETを半導体チップに組み込んだ例を示したが、組み込む素子としてはパワーバイポーラトランジスタ,IGBT等のトランジスタ、あるいはトランジスタを含むICでもよい。
1…半導体装置(パワートランジスタ)、2…封止体(パッケージ)、3…支持基板(ヘッダ)、4…第1電極リード(ドレインリード)、5…第2電極リード(ソースリード)、5a…リードポスト、6…制御電極リード(ゲートリード)、6a…リードポスト、7…半導体チップ、8…取付用孔、9…孔、10…第1電極(ドレイン電極)、11…第2電極(ソース電極)パッド、12…制御電極(ゲート電極)パッド、13…接着剤、14…ワイヤ、20…シリコン半導体基板、21…エピタキシャル層、22…チャネル(ch)層、23…ウエル層、25…トレンチ(溝)、26…ポリシリコンゲート層、27…ゲート絶縁膜、28…p+領域、29…ソース領域、32…絶縁膜、33…ソース電極、34…厚い絶縁膜、35…周辺ゲート配線、36…ゲート電極配線、37…ガードリング、38…ガードリングコンタクト、39…チャネルストッパ、40…絶縁膜、41…V溝、42…押し潰し部分、45…接続板(クリップ)、46…薄肉部、47…厚肉部、48,49…接着剤、55…リードフレーム、56…単位リードフレーム、57…ダム、58…枠片、59…ガイド孔、60…連結部、61,62…係止部、65…屈曲部、67…放熱フィン、68…接着剤、70…実装基板、71…放熱板、72…接着剤、73…放熱板、74…電極端子、75…導電性接着剤、90…半導体装置(パッケージ)、91…支持基板(ヘッダ)、92…封止体、93…ゲートリード、93a…リードポスト、94…ドレインリード、95…ソースリード、95a…リードポスト、96…取付孔、97…半導体チップ、98…V溝枠、99…ゲート電極パッド、100…ソース電極パッド、101,102…ワイヤ、105…金属板、106,107…接着材
Claims (5)
- 絶縁性樹脂からなる封止体と、
前記封止体によって少なくとも一部が被われ下面が前記封止体の下面から露出し、かつ第1電極になる金属製の支持基板と、
前記支持基板に連なり前記封止体の一側面から突出する第1電極リードと、
前記封止体の前記一側面から突出し、前記第1電極リードと並んで延在する第2電極リード及び制御電極リードと、
前記封止体に被われるとともに下面に第1電極を有し上面に第2電極パッドと制御電極パッドを有し、前記下面が導電性の接着剤を介して前記支持基板の上面に固定される半導体チップと、
前記封止体内に位置し前記第2電極パッドと前記第2電極リードを電気的に接続する接続手段と、
前記封止体内に位置し前記制御電極パッドと前記制御電極リードを電気的に接続する接続手段とを有し、
前記第2電極パッドと前記第2電極リードを接続する前記接続手段は、薄肉部とこの薄肉部に連なる厚肉部を有し上面が平坦な金属からなる接続板と、前記厚肉部の下面を前記第2電極パッドに接続する導電性の接着剤と、前記薄肉部の下面を前記第2電極リードに接続する導電性の接着剤とで構成されていることを特徴とする半導体装置。 - 前記薄肉部はその途中部分に応力を緩和する屈曲部が設けられていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記第2電極リードには1乃至複数の係止部が設けられ、この係止部に係止される係止部が前記薄肉部に設けられ、これら係止部によって前記第2電極リードと前記薄肉部が位置決め係止されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記第2電極リード及び前記薄肉部にはそれぞれ一つの係止部が設けられ、
前記第2電極リードの前記係止部は三角形を含む多角形の孔で形成され、
前記薄肉部の前記係止部は前記孔に挿入される前記孔に対応する断面形状の突子で形成され、
前記突子が前記孔内に挿入され、かつ前記第2電極リードと前記薄肉部は接着剤で接続されていることを特徴とする請求項3に記載の半導体装置。 - 前記接続板の上面には前記封止体の上面に上面が露出する熱電導性が良好な材質からなる放熱板が固定されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
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