JP2007165427A

JP2007165427A - 半導体装置及びその製造方法

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Publication number: JP2007165427A
Application number: JP2005357173A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Hayashi; 建一林; Hiroyuki Ozaki; 弘幸尾崎; Hisashi Kawato; 寿川藤; Shinya Nakagawa; 信也中川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-12-12
Filing date: 2005-12-12
Publication date: 2007-06-28
Anticipated expiration: 2025-12-12
Also published as: JP4443503B2

Abstract

【課題】無駄なスペースを最小限にして半導体装置を小型化することを目的する。
【解決手段】リード端子２１を有する金属からなるフレームと、フレームのダイパッドの上面に搭載されたパワーチップと、フレームのＩＣチップ搭載部に搭載されたＩＣチップと、ダイパッドの上面と対向する下面側に設置された絶縁性の絶縁シート７と、リード端子２１を突出させ、絶縁シート７の下面を外表面に露出させ、かつ、ＩＣチップ及びパワーチップを封止し、絶縁シート７よりも熱伝導率の小さなモールド樹脂とを含む半導体装置において、絶縁シート７は、一部または全部の角部４２が面取りされた部位４１を有するものとする。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特に、パワーチップを含む電力用等の半導体装置及びその製造方法に関するものである。

電力用等の半導体装置では、高い絶縁性を確保しながら、パワーチップで発生した熱を効率よく外部に放熱することが非常に重要である。放熱性能を高めるには、パワーチップ下の絶縁層を薄くすることが望ましいが、絶縁層を薄くすると絶縁特性が劣化することが懸念される。

また、全体を１種の樹脂でフルモールドする構造では、絶縁層を薄くするほど、絶縁層形成部への樹脂の回り込みが悪くなり、モールド性が極端に劣化するため、絶縁層を薄くすることは極めて困難である。従って、絶縁層はある程度厚くせざるを得ず、そのために放熱性が低下する。

絶縁層をある程度厚くして、放熱性を高めるためには、絶縁層に熱伝導性の良好な樹脂を用いる。熱伝導性の良好な樹脂は高価であり、不必要な部位にまで高価な高性能樹脂を用いるとコストが高くなる。

そこで、特許文献１に開示されているように、絶縁層として、ある程度の厚さで熱伝導性がよい絶縁シートを用いることで、絶縁性確保と高放熱とを容易に両立させる方法が提案されている。この方法は、必要な部位のみにしか、高性能な絶縁シートを用いないので、コスト的にも有利である。

しかしながら、絶縁シートを用いる方法では、絶縁シートの位置ずれに起因する絶縁性の劣化に注意することが必要である。また、絶縁シートの位置ずれを考慮して絶縁シートを十分大きくすることで絶縁性の劣化を防止することはコストが高くなるので、絶縁シートの位置決めを正確に行う必要があり、通常位置決めピンを用いた位置決めが行われる。しかしながら、位置決めピンの設置により、放熱に対し有効に寄与しない無効領域が生じるという問題がある。

すなわち、スペース効率が悪くなり、この無効領域のために、放熱性能が制約され、また装置の小型化も制約されるという問題があった。

特開２００５−１０９１００号公報（第４頁−第８頁、図３−図９）

上記特許文献１に開示された半導体装置では、絶縁シートの位置決めを正確に行うための、位置決めピンを設けるスペースに無駄が多く小型化を阻むという問題がある。

本発明は、上記のような問題を解決するものであり、無駄なスペースを最小限にして半導体装置を小型化することを目的する。

本発明に係る半導体装置は、リード端子を有する金属からなるフレームと、
上記フレームのパワーチップ搭載部の第１面に搭載されたパワーチップと、
上記フレームのＩＣチップ搭載部の第１面に搭載されたＩＣチップと、
上記パワーチップ搭載部の第１面と対向する第２面側に設置された矩形状で絶縁性の絶縁シートと、
上記リード端子を突出させ、上記絶縁シートの一面を外表面に露出させ、かつ、少なくとも上記ＩＣチップ及びパワーチップを封止し、絶縁シートよりも熱伝導率の小さな封止樹脂とを含む半導体装置において、
上記絶縁シートの一部または全部の角部を面取りしたものである。

本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体チップが搭載された金属からなるフレームと矩形状で絶縁性の絶縁シートとをモールド金型内に載置し、上記モールド金型内にモールド樹脂を注入して、上記半導体チップが搭載されたフレームと上記絶縁性の絶縁シートとを一体化させるモールド工程において、
上記絶縁シートは少なくとも１つ以上の角部が面取りされており、
上記絶縁シートの位置を決定するための位置決めピンを、上記面取りされた角部に位置するように上記モールド金型に設けたものである。

本発明に係る半導体装置及び半導体装置の製造方法によれば、無駄なスペースを最小限にして半導体装置を小型化することができる。

また、絶縁シートの破損を防止することができ、破損による絶縁性低下による性能劣化や破損により発生する破片による製造不良を低減することができる。

実施の形態１．
本発明では、絶縁シートの角部を面取りし、その部位に位置決めピンを設置するようにして、無効面積を必要最小限にすることによりスペース効率を向上し、装置の高性能化や小型化ができるようにしたものである。

また、絶縁シートの角部を面取りすることにより、角部が鈍角になるので、絶縁シートを損傷させる可能性を低減でき、絶縁シートの取り扱い性が大幅に向上する。

さらに、従来の方法に比べ、位置決めピンの本数が減るという効果がある。

本実施の形態１の具体的な例を図に基づき説明する。
図１は、本発明に係る半導体装置の実施の形態１を示す断面図であり、図２は、本発明に係る半導体装置の実施の形態１を示す平面図、図４は、本発明に係る半導体装置の実施の形態１と比較するための従来の半導体装置を示す断面図である。

本実施の形態１の半導体装置は、銅などの電導性のよい金属からなり、あらかじめ所定の電気回路が形成されたフレーム１と、フレーム１の一部を曲げることにより一段低くなった部位に形成されているダイパッド１ａにはんだ（図示せず）で固着された、ＩＧＢＴ、ＦＷＤｉといったパワーチップ２と、フレーム１の他の部位にはんだ（図示せず）で固着された、ＩＧＢＴやＦＷＤｉを制御するためのＩＣチップ３と、ダイパッド１ａの裏面に固着された、封止樹脂よりも熱伝導率が大きい絶縁シート７とを備えている。パワーチップ２の裏面電極とフレーム１とは、はんだによる固着により電気的に接続されている。

パワーチップ２の表面電極とフレーム１、パワーチップ２の表面電極同士、さらには、フレーム１内部の所定部位同士が、アルミワイヤ４により必要に応じ電気的に接続されている。

ＩＣチップの表面電極と、フレーム１とは、アルミワイヤ４よりも線径の小さい金ワイヤ５により接続されている。

絶縁シート７のサイズは、ダイパッド１ａよりも大きく、また、絶縁シート７がダイパッド１ａと固着された面と反対の面には、銅箔８が設置されており、銅箔８の一面は全体をモールドするモールド樹脂６の外部に露出している。絶縁シート７の角部は、後述のように、面取りされている。

パワーチップ２及びＩＣチップ３を含む半導体装置１００は、リード端子２１をモールド樹脂６から突出させている。

なお、絶縁シート７とダイパッド１ａは、直接固着されていることが望ましい。直接固着することができる絶縁シート７としては、例えば、Ｂステージ状態のエポキシ樹脂をベースとする樹脂に、熱伝導性の無機フィラー、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＢＮ、ＡｌＮ、Ｓｉ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４等を含むものが挙げられる。

図３は、半導体装置１００を冷却用ヒートシンク２２に組みつけた状況を示す断面図である。

図３に示したように、フレーム１は曲げフレームであるので、薄い絶縁シート７を用いても、リード端子２１と冷却用ヒートシンク２２との絶縁距離ｈの確保が容易であり、コスト的にも放熱的にも有利である。

このように、半導体装置１００は、パワーチップ直下の絶縁特性を確保しながら、パワーチップで発生する熱を効率よく外部に放出することができる構造となっている。

図２に示したように、この半導体装置１００において、絶縁シート７の角部３１が面取りされている。絶縁シートで一番損傷させ易い角部３１を除去したことで、絶縁シート７を損傷させてしまう危険性が低減される。角部３１に相当する部位のモールド樹脂６の表面には、位置決めピンの痕跡であるくぼみ３２が形成されている。

さらに、面取りされた部位４１には９０度よりも角度の大きい鈍角の角部４２が形成されるので、シートを損傷させる危険性は著しく低減される。

このため、シート損傷によるコストアップを低減できるとともに、シート損傷に起因するゴミの発生や異物混入による製品特性低下のリスクを回避できる。

さらに、後述のように、放熱性を向上させることができる効果がある。

面取りされた絶縁シートの角部３１は、モールド樹脂６パッケージの外端部に近い側の長辺の両端部に設けられている。

面取りされた絶縁シートの角部３１に相当する部位のモールド樹脂６の表面には、製造工程において、絶縁シートの位置決めを正確に行うための位置決めピンが設置されていたことによって生じたくぼみ３２が形成されている。

図４に示したように、面取りをしない場合には、位置決めピンを絶縁シートの４辺の周囲に設ける形になるので、比較的大きな無効領域ができてしまう。この無効領域は、絶縁シートよりも熱伝導率が小さなモールド樹脂で形成された部位であるから、放熱への寄与は小さい。そのため、放熱性の向上を妨げる要因となり、ひいては装置小型化を制限する要因ともなる。

一方、図２に示したように、面取りした場合には、位置決めピンを絶縁シートの面取り部に設けることができるので、放熱への寄与が小さい無効領域を著しく小さくできる。

このため、絶縁シートとパッケージ外端部との距離を小さくすることができ、スペース効率が大幅に向上し、装置の小型化が可能となる。

また、パッケージサイズを従来通りとした場合、より大きな絶縁シートの設置が可能となるので、その大きさの絶縁シートに合わせてダイパッドを大きくすることができるので、放熱性が向上することに加え、従来よりも大きなパワーチップの搭載が可能になる。

これは、同じ大きさのパッケージで、より電流容量の大きなチップを搭載した半導体装置を提供できることになり、電力用半導体装置の製品価値が向上する。

パッケージ外端部に近い側の絶縁シート長辺の両端部を面取りしたのは、パッケージ端部に近づくほど、スペース効率が重要となるからである。

また、パワーチップで発生した熱を効率よく放熱するためには、パワーチップに近い側で無効領域を減らして、放熱効率を高めることが重要であり、絶縁シートの面取りは、パワーチップのリード端子側とするのがよい。

なお、モールド工程において、位置決めピンのサイズは、モールド工程による磨耗やピン自体の強度の問題から、あまり細くはできない。少なくとも、直径が１ｍｍのものが必要である。そのため、図４に示したように、シート角部１．５ｍｍのＣ面取り（頂点から両辺に沿って１．５ｍｍの範囲を切除）を実施すると、面取り部に直径１ｍｍの位置決めピンの半分を収納するスペースを確保できるので、スペース効率が高くなる。

また、Ｃ面取りのサイズを３．５ｍｍとすると、直径１ｍｍの位置決めピンのすべてを収納するスペースを確保できるので、スペース効率が極めて高くなる。

以下、半導体装置１００の製造法について説明する。
フレーム１にパワーチップ２とＩＣチップ３を、はんだで固着する。

次に、パワーチップ２同士、パワーチップ２とフレーム１、フレーム１同士をアルミワイヤボンディングにより電気的に接続する。また、ＩＣチップ３とフレーム１とは、アルミワイヤよりも線径の小さな金ワイヤボンディングにより接続する。

次に、トランスファモールド工程を実施する。
図５及び図６は、トランスファモールド工程において、モールド金型に絶縁シートをセットした状況を示し、図５は断面図、図６は平面図である。

図５及び図６に示したように、表面に銅箔８が取り付けられた絶縁シート７は、金型２００のキャビティー２０２内に、銅箔８が金型２００に接する向きで載置されるが、この際に絶縁シート７は位置決めピン２０１によって正確に位置決めされる。位置決めピン２０１は、絶縁シートの面取り部４１にも設置されている。

図６に示したように、面取り部４１には１本の位置決めピン２０１を設ければよいので、従来に比べ、位置決めピン２０１を減らすことができ、金型２００内における絶縁シート７の位置決めの際に、位置決めピン２０１と絶縁シート７との接触箇所も減る。

これにより、絶縁シート７から破片が脱落する可能性を低減することができ、結果として、製品外観上の不具合や、絶縁に関する不具合を低減することができることになる。

さらに、位置決めピン２０１を含めたモールド金型の製造コストを低減することもできる。

絶縁シート７を金型２００のキャビティー２０２内に設置した後、金ワイヤボンド工程までを完了した実装フレームをキャビティー２０２内の所定位置にセットし、型締めした後、トランスファモールド成形法により、モールド樹脂を金型内に注入充填させ、モールド樹脂、並びに絶縁シートを硬化させる。

その後、モールド樹脂を完全硬化させるための加熱工程を経た後、タイバーなどのフレーム余分部の切断、リード端子の成形、製品テスト等を経て、製品は完成する。

上記トランスファモールド工程において、プロセス中に、位置決めピン２０１の長さが短くなるように、金型２００内に位置決めピン２０１を引き込むことにより、製品に形成されるくぼみの深さを調整することができる。

位置決めピン２０１は、その機能を果たすためには金型から突出していることが必要であるが、位置決めピン２０１の痕跡である製品のくぼみ３２が深すぎると、半導体装置の曲げ耐量が低下し、ヒートシンクへの取り付け時のネジ締め等でモールド樹脂の一部が割れるという不具合が発生し易くなるという問題がある。

この問題に対して、モールド工程の途中で、位置決めピン２０１を金型２００内に収納することにより、正確なシート位置決め性と曲げ耐量の確保の両立が可能となる。

実施の形態２．
図７は、本発明に係る半導体装置の実施の形態２を示す平面図である。図７に示したように、本実施の形態２の半導体装置１０２では、略長方形の絶縁シート７の４つの角のすべてを面取りしている。

本実施の形態２によれば、絶縁シートの４つの角のすべて面取りした場合、位置決めピン設置のために生じる無効領域を最小限に抑えることができる。さらに、絶縁シートの設置方向の自由度が増す。

実施の形態３．
図８は、本発明に係る半導体装置の実施の形態３を示す断面図である。図８に示したように、本実施の形態３の半導体装置１０３は、高熱伝導性の絶縁材料７１と、金属ブロック８１とを一体化した構成である。

本実施の形態３によれば、金属ブロック８１を用いると、リード端子２１とヒートシンクとの絶縁距離ｈ（図３参照）の確保が容易となるので、曲げフレームを用いる場合でも、曲げ量を低減することができ、フレーム曲げ精度が高くなるとともに、曲げ部として使用されていた箇所を節減することができる。

さらに、フレーム１を平面状とした場合には、曲げが不要になるので、フレーム１のコストが低減される。

なお、上記実施の形態１、２及び３で説明した、パワーチップ、ＩＣチップは、１個に限らず複数個でもよい。

また、固着剤としては、はんだに限らず、銀ペーストでも良い。また、アルミワイヤや金ワイヤは、材料を特定するものではなく、例えば、アルミニウムや金を主成分とする合金や、銅等のアルミニウムや金以外の金属からなるワイヤでも良い。

また、ワイヤボンディングではなく、金属板を用いた電気的接続でもよい。ＩＣチップとパワーチップ間を、直接金属ワイヤや金属板で接続してもよい。

また、絶縁シートの絶縁材料としては、エポキシ樹脂に無機フィラーを混ぜたものを例示したが、これに限られるものではなく、モールド樹脂よりも熱伝導率が高い絶縁材料であって、機能を満足するものであればよい。例えば、絶縁シートの絶縁部が多層構造になっているものでもよい。具体的には、固着層と絶縁確保層との多層構造で、固着層としては接着剤、絶縁確保層としてはＣステージ樹脂やセラミック板、あるいはそれらの組み合わせがあげられる。

本発明に係る半導体装置は、例えば、電力用の半導体装置として有効に利用することができる。

本発明に係る半導体装置の実施の形態１を示す断面図である。本発明に係る半導体装置の実施の形態１を示す平面図である。半導体装置を冷却用ヒートシンクに組みつけた状況を示す断面図である。本発明に係る半導体装置の実施の形態１と比較するための従来の半導体装置を示す断面図である。トランスファモールド工程において、モールド金型に絶縁シートをセットした状況を示す断面図である。トランスファモールド工程において、モールド金型に絶縁シートをセットした状況を示す平面図である。本発明に係る半導体装置の実施の形態２を示す平面図である。本発明に係る半導体装置の実施の形態３を示す断面図である。

符号の説明

１フレーム、１ａダイパッド、２パワーチップ、３ＩＣチップ、
４アルミワイヤ、５金ワイヤ、６モールド樹脂、７絶縁シート、８銅箔、
２１リード端子、２２ヒートシンク、３１角部、３２くぼみ、
４１面取りされた部位、４２角部、１００，１０２，１０３半導体装置。

Claims

リード端子を有する金属からなるフレームと、
上記フレームのパワーチップ搭載部の第１面に搭載されたパワーチップと、
上記フレームのＩＣチップ搭載部の第１面に搭載されたＩＣチップと、
上記パワーチップ搭載部の第１面と対向する第２面側に設置された矩形状で絶縁性の絶縁シートと、
上記リード端子を突出させ、上記絶縁シートの一面を外表面に露出させ、かつ、少なくとも上記ＩＣチップ及びパワーチップを封止し、上記絶縁シートよりも熱伝導率の小さな封止樹脂とを含む半導体装置において、
上記絶縁シートの一部または全部の角部を面取りしたことを特徴とする電力用半導体装置。
上記面取りは、角部の頂点から両辺に沿って１．５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の電力用半導体装置。
上記面取りは、角部の頂点から両辺に沿って３．５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の電力用半導体装置。
少なくとも上記封止樹脂の外端部に近い側に位置する上記絶縁シートの両端の角部の面取りが行われていることを特徴とする請求項１記載の電力用半導体装置。
上記面取りが行われている上記封止樹脂の外端部側に、上記パワーチップへの入出力用のリード端子が突出していることを特徴とする請求項３記載の電力用半導体装置。
請求項１から５の装置において、
上記ＩＣチップ搭載部が、上記パワーチップ搭載部と略平行に設置されており、かつ、上記パワーチップ搭載部の上記第１面側の上方に位置することを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の電力用半導体装置。
半導体チップが搭載された金属からなるフレームと矩形状で絶縁性の絶縁シートとをモールド金型内に載置し、上記モールド金型内にモールド樹脂を注入して、上記半導体チップが搭載されたフレームと上記絶縁性の絶縁シートとを一体化させるモールド工程において、
上記絶縁シートは少なくとも１つ以上の角部が面取りされており、
上記絶縁シートの位置を決定するための位置決めピンを、上記面取りされた角部に位置するように上記モールド金型に設けたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
請求項７で、上記モールド工程中に、上記位置決めピンが上記モールド金型から突出する長さを短くすることを特徴とする請求項７記載の電力用半導体装置の製造方法。
上記モールド金型内に上記位置決めピンが収納されることにより、短くなることを特徴とする請求項８記載の電力用半導体装置の製造方法。