JP2010192807A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型で、放熱効率の高い多層フレーム実装構造を有する半導体装置を提供する。
【解決手段】導電性材料１６０を介して電子部品(パワー半導体素子)１０６が実装されたリードフレーム１０１，１０２，１０３を複数重ね合わせ、全体が封止樹脂１０７にて封止された多層フレーム実装構造を有する半導体装置において、電子部品(パワー半導体素子)１０６が実装されたリードフレームの上側、または／且つ下側のリードフレームを、電子部品(パワー半導体素子)１０６が実装されたリードフレームに近接配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、多層フレーム実装構造を有する半導体装置に関する。

パワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどに代表されるパワー半導体素子(消費電力が０．１ワット以上)のような電子部品を、配線基板上に実装し、モジュール化した、所謂パワーモジュールが、車載用や産業用の半導体装置で、一般的に用いられている。パワーモジュールでは、主にパワー半導体素子が実装された面と反対側の面より、該パワーモジュールが固定された筐体などの冷却板へ熱を伝導することで、排熱が行われる構成になっている。

従来、パワーモジュールを用いた電子制御装置は、制御対象機器ごとに設けられていた。ところが近年、これらの電子制御装置は小型化、一体化、低コスト化が求められており、パワーモジュールにおいても、小型化、低コスト化が求められている。小型化が図れる多層フレーム実装構造については例えば、特許文献１〜５に開示されている。

特許第２５６８９５２号公報 特開２００１−７７４８８号公報 特開２００５−５６９８２号公報 特開２００５−１０１２６２号公報 特開平６−２９１３６２号公報

従来の配線基板の多層化ではコストが増加することから、多層リードフレーム実装構造が提案された。特許文献１および特許文献２には、電子部品等が実装されたリードフレームを１枚ごとに樹脂封止して積層し、各リードフレームを電気的に接続する技術が開示されている。しかしながら、この技術では、各リードフレーム間の樹脂層が厚くなるとともに、リードフレーム間に空気層が介在する可能性があるため、放熱性が低下するという課題がある。

また、特許文献３および特許文献４には大電流(電力)が伝送される電力系部品を実装するリードフレームと、電流量(電力)が小さい制御系部品を実装するリードフレームを別々に作成し、積層する技術が開示されている。しかしながら、この技術では、分離溝に絶縁樹脂が注入されたリードフレームに、電子部品を実装し、積層した後に、全体を樹脂封止しており、樹脂封止の際に、リードフレームの厚さ方向や平面方向の中央部や、大型部品の周囲などに空気や異物などを巻き込み易くになり、放熱性が悪化する、また、電気的信頼性が低下するという課題がある。

また、特許文献５には電子部品が実装されたリードフレームに放熱用リードフレームを取り付ける技術が開示されている。しかしながら、本技術では、放熱用リードフレームの端子の先にフィンを設けており、プリント配線基板を介して、筐体などのヒートシンクに接続する必要があり、パワーモジュールを小型化しにくいという課題がある。

本発明の目的は、前記の問題を鑑み、小型、高放熱な多層フレーム実装構造を有する半導体装置を提供することにある。

上記目的を達成するための一形態は、パワー半導体素子が実装された第１のリードフレームと、前記第１のリードフレーム下方に積層して配置された第２のリードフレームと、前記第１のリードフレームと前記第２のリードフレームとを封止する封止樹脂とを有する半導体装置において、前記パワー半導体素子が実装されている領域における前記第１のリードフレームと前記第２のリードフレームとの間の距離をＸとし、前記パワー半導体素子が実装されていない領域における前記第１のリードフレームと前記第２のリードフレームとの間の距離をＹとしたとき、 Ｘ＜Ｙ であることを特徴とする半導体装置とする。

また、第１のリードフレームと、パワー半導体素子が実装され、前記第１のリードフレーム下方に積層して配置された第２のリードフレームと、前記第１のリードフレームと前記第２のリードフレームとを封止する封止樹脂とを有する半導体装置において、前記パワー半導体素子が実装されている領域に対向する前記第１のリードフレームと前記パワー半導体素子の上面との間の距離をＸとし、前記パワー半導体素子が実装されていない領域における前記第１のリードフレームと前記第２のリードフレームとの間の距離をＹとしたとき、 Ｘ＜Ｙ であることを特徴とする半導体装置とする。

また、第１のリードフレームと、第２のリードフレームと、第３のリードフレームとが順次積層されて配置されて封止樹脂により封止された半導体装置において、前記第２のリードフレームにはパワー半導体素子が実装され、前記第１のリードフレーム及び前記第３のリードフレームは、前記第２のリードフレームに実装されている前記パワー半導体素子に近接するように、それぞれランプ部を備えることを特徴とする半導体装置とする。

小型、高放熱な多層フレーム実装構造を有する半導体装置を提供することができる。

第１の実施例における多層フレーム実装構造を有する半導体装置を模式的に示した側面図である。 第１の実施例における１層目、および２層目のリードフレーム近傍要部の斜視図である。 図２で示した要部の側面図である。 １層目リードフレームの上面図である。 ２層目リードフレームの上面図である。 ３層目リードフレームの上面図である。 第一の実施例における層間接続材を用いたリードフレーム間の接続法を説明するための要部断面図である。 第１の実施例における半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。 回路パターンが形成された１層目のリードフレームの上面図である。 図９に示したリードフレームにおいて、電子部品実装後、ブリッジを切断した状態を示す１層目リードフレームの上面図である。 図１０に示したリードフレームにおいて、後工程まで完了した、１層目リードフレームの上面図である。 電子部品が実装されたリードフレームと、それに対向するリードフレームとの間の距離に対する熱抵抗を示す図である。 電子部品が実装されたリードフレームと、それに対向するリードフレームとの間の距離をそのままとした場合（比較例１）と、近接させた場合(実施例１)とでそれぞれ使用するパワーＭＯＳＦＥＴのソース電極―ドレイン電極間電圧と温度の関係を示す図である。 実施例１と、比較例１におけるジャンクション温度変化を示す図である。 第１の実施例におけるトランスファー成形時の断面模式図である。 図１５に示した金型１３７の分割部を上面から見た要部断面図である。 第１の実施例における層間接続材を用いたリードフレーム間の他の接続法を説明するための要部断面図である。 第１の実施例における層間接続材を用いたリードフレーム間の他の接続法を説明するための要部断面図である。 第２の実施例における多層フレーム実装構造を有する半導体装置を模式的に示した断面図である。 第３の実施例における１層目、および２層目のリードフレーム近傍要部の斜視図である。 第４の実施例における１層目、および２層目のリードフレーム近傍要部の斜視図である。

以下、実施例により説明する。

第一の実施例を図１〜図１８を用いて具体的に説明する。図１は、本実施の形態における多層フレーム実装構造の一例を模式的に示した側面図である。

図１に示すように、複数の電子部品１０６が実装された、第１層目のリードフレーム１０１，第２層目のリードフレーム１０２，第３層目のリードフレーム１０３を積層し、全体を封止樹脂１０７で封止し、導電性材料１１０を用いて筐体１０９に固定することで、リードフレームモジュールを作製した。図１において、符号１０２−４は２層目リードフレームのランプ部、符号１０３−５は３層目リードフレームのランプ部、符号１０８は放熱シート、符号１１１は層間接続材、符号１０１−１２は第１層目リードフレームで構成された大電流入力端子、符号１０１−１３は第１層目リードフレームで構成された大電流出力端子、符号１６０は電子部品１０６と各リードフレーム１０１，１０２，１０３との電気的接続及び機械的固定に用いる導電性材料である。

ここで示した電子部品１０６は、交流を直流に変換したり、電圧を高圧するなどによりモータを駆動したり、バッテリを充電したり、マイコンやＬＳＩを動作させるなど、電源あるいは電力の制御や供給を行なう半導体素子（パワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ）である。他の電子部品(図１には未記載)としてコイルや抵抗がある。

第１層目、第２層目及び第３層目のリードフレーム１０１，１０２，１０３には厚さ１．０ｍｍの銅合金（Ｃｕ−０．１Ｆｅ−０．０３Ｐ（ｗｔ％））を用い、プレス加工にて回路パターンを形成した。実施例に用いることができるリードフレームは、銅（Ｃｕ）の他、Ａｌ（アルミニウム）、Ｎｉ(ニッケル)を主成分とする金属板である。厚さ０．２ｍｍ以上２.０ｍｍ以下のものが一般的であるが、熱伝導性の観点から０．５ｍｍ以上が好ましい。この金属板を厚さ方向に貫通する分離溝により所望の回路を形成できる。リードフレームと封止樹脂間の密着性を向上させるため、リードフレームの表面にＮｉ（ニッケル)、Ｓｎ(スズ)、はんだ等のメッキを施してもよい。

導電性材料には、はんだ（Ｓｎ―３．０Ａｇ―０．５Ｃｕ（ｗｔ％））を用いた。なお、導電性材料１６０の溶融温度は、導電性材料１１０の溶融温度よりも高い材料を用いる。これは、リードフレームを筐体に取り付けるときに、電子部品を電気的接続及び機械的固定をしている導電性材料１６０が溶融することを防止するためである。本実施例に用いる導電性材料は、加熱処理により電気的接続と機械的固定が同時に行えるものであれば特に限定されないが、はんだや導電性ペーストが望ましい。これは、印刷やディスペンサにてリードフレーム上に導電性材料を塗布でき、生産性が高いためである。たとえば、はんだを用いる場合には溶融開始温度が封止材の硬化処理温度以上のものであれば特に制限されないが、例えばはんだにはＳｎ（すず）とＡｕ（金）合金系、Ｓｎ（すず）とＰｂ（鉛）合金系、Ｓｎ（錫）とＡｇ（銀）合金系、Ｓｎ（すず）とＡｇ（銀）とＣｕ（銅）合金系、Ｓｎ（錫）とＡｇ（銀）とＢｉ（ビスマス）合金系等のはんだやこれらに５ｗｔ％以下のＩｎ（インジウム）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｓｂ（アンチモン）、Ｂｉ（ビスマス）等を添加したものが用いられる。導電性ペーストは、導電性材料と接着性材料を混合したものである。

導電性ペーストを用いる場合、導電性材料としては特に制限されないが、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）、Ｓｎ（錫）、Ｐｂ（鉛）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｐｔ（白金）、Ａｕ（金）等の金属系材料、ポリアセチレン等の有機系材料、黒鉛、フラーレン、カーボンナノチューブ等の炭素、または炭素化合物の何れ一つが、又は二つ以上が併用して用いられる。接着性成分として熱硬化性樹脂を用いる場合は、特に限定されないが、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ビスマレイミド系樹脂等が用いられる。接着性成分として熱可塑性樹脂を用いる場合は、熱可塑性ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド等の融点が２５０℃以上の樹脂を沸点が１００℃以上３００℃以下の有機溶媒に溶解して用いるのであれば特に限定されない。

封止樹脂１０７には、ビフェニル型エポキシ樹脂とアルミナ粉を主成分とする樹脂を用いた。封止樹脂としては、樹脂封止成形できる熱硬化性樹脂組成物であればよく、特に望ましくはエポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤並びに無機質充填材を有する、エポキシ樹脂組成物が望ましい。

エポキシ樹脂組成物は、１分子中にエポキシ基を２個以上有するものであれば特に限定されない。例えば、ｏ―クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、臭素化エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂等が挙げられ、溶融粘度が低いビスフェニル型エポキシ樹脂が好ましい。

硬化剤は、フェノール性水酸基、アミノ基、カルボニル基、酸無水物基等エポキシ樹脂を硬化する官能基を有するものであれば、特に限定されない。例えば、フェノールノボラック、キシリレン型フェノール樹脂、ジシクロペンタジエン型フェノール樹脂、クレゾールフェノールノボラック等が挙げられ、溶融粘度が低いフェノールノボラックが好ましい。

無機質充填材には、ＳｉＯ２（シリカ）、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＢｅＯ（酸化ベリリウム）のような酸化物や、Ｓｉ３Ｎ４（窒化珪素）、ＢＮ（窒化ホウ素）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）のような窒化物、ＡｌＳｉＣ（アルミニウムシリコンカーバイト）等が用いられるが、機械的特性、硬化性、耐腐食性等のバランスのとれたＳｉＯ２（シリカ）が望ましい。ＳｉＯ２（シリカ）は溶融ＳｉＯ２（シリカ）及び結晶ＳｉＯ２（シリカ）があるが、熱膨張係数が小さい溶融ＳｉＯ２（シリカ）が好ましい。粒子形状は球、角、燐片状のどの形状でもよいが、高い流動性を有する球が好ましい。電気絶縁性としては、２５℃の体積抵抗率が１×１０＾１０（１０の１０乗）Ω・ｃｍ以上であればよい。

無機質充填剤は、充填剤の９５ｗｔ％以上が粒径０．１〜１００μｍの範囲にあり、かつ平均粒径が２〜２０μｍで球状の粉末が好ましい。この範囲の充填剤は最大充填分率が高く、高充填してもエポキシ樹脂組成物の溶融粘度は上昇しにくい。無機質充填剤の充填量は加熱硬化中に揮発する溶媒等の成分を除いたエポキシ樹脂組成物の全容積に対して５０ｖｏｌ％以上であるのが好ましい。これは、腐食性成分が封止材中に存在できる量が少なくなるためである。

硬化促進剤は、エポキシ樹脂との場合には硬化反応を促進させるものならば種類は限定されない。例えば、トリフェニルホスフィン、トリフェニルホスフィン・トリフェニルボロン、テトラフェニルホスホニウム・テトラフェニルボレート、ブチルトリフェニルホスホニウム・テトラフェニルボレート等のリン化合物、２−フェニル−４−ベンジル−５−ヒドロキシメチルイミダゾール、２−フェニル−４−メチル−５−ヒドロキシメチルイミダゾール、２−エチル−４−メチルイミダゾール等のイミダゾール化合物、１，８−ジアザビシクロ［５．４．０］ウンデセン−７、ジアミノジフェニルメタン、トリエチレンジアミン等のアミン化合物等が挙げられる。エポキシ樹脂組成物には、必要に応じて離型剤、着色剤、可とう化剤、難燃助剤、溶媒等を添加することができる。

樹脂封止成形方法にはトランスファーモールド成形、射出成形、ポッティング成形等を用いることができるが、トランスファーモールド成形が望ましい。これは、トランスファーモールド成形が量産性、信頼性の点で優れているからである。

エポキシ樹脂組成物を用いトランスファーモールド成形する場合、成形温度は１５０℃以上２００℃未満の範囲で設定される。これは、１５０℃未満では硬化反応が遅く、離型性が悪いためである。また離型性を上げるには長い成形時間が必要となり量産性が悪くなる。また、２００℃以上では、硬化反応が早く進行し流動性が低下するため未充填となってしまう。このため、通常１７５℃付近の成形温度で成形される。
また、放熱シートには、シリコーン樹脂とアルミナ粉を主成分とする樹脂シートを用いた。

図２は、図１の１層目リードフレーム１０１および２層目リードフレーム１０２近傍の要部斜視図である。リードフレーム１０２の一部に、曲げ加工を施し、ランプ部１０２−４を形成することで、電子部品１０６が実装されたリードフレーム１０１と、リードフレーム１０２の一部との距離を短縮した。本実施例においては、電子部品１０６が実装されたリードフレーム面から、電子部品１０６の上面までの高さは概ね４ｍｍとした。また、電子部品１０６のドレイン電極は略１０ｍｍ角である。

図３は、図２の側面図である。１層目のリードフレーム１０１と２層目のリードフレーム１０２との間隔Ｈ１は５ｍｍとした。またランプ部１０２−４にて、リードフレーム１０１に近づけられたリードフレーム１０２の一部と、リードフレーム１０１の間隔Ｈ２は１ｍｍとした。これらのリードフレームの間隔Ｈ２を短縮することにより、リードフレーム間の熱抵抗が低減され、従来例の多層フレーム実装構造に比べ第１層目のリードフレーム１０１に実装された電子部品１０６の放熱性が向上することが分かった。

また、リードフレームを曲げることで、リードフレームを積層し、全体を封止樹脂で封止する際、リードフレームの曲げられた部分が整流板のごとく、封止樹脂を流れやすくするとともに、リードフレームに封止樹脂が通過できる穴が設けられたごとく、封止樹脂の流路を確保しやすくなる。そのため、リードフレームの厚さ方向や平面方向の中央部や、大型部品の周囲などに空気や異物などの巻き込みが低減でき、従来例の多層フレーム実装構造に比べ空気層による耐電圧低減を抑制できることが分かった。

さらに、空気層での耐電圧低減の防止、封止樹脂とリードフレーム間、または／かつ封止樹脂と導電性材料、または／かつ封止樹脂と電子部品間の剥離を低減でき、従来例の多層フレーム実装構造に比べ電子部品をリードフレームに実装する導電性材料の接続信頼性を向上できることが分かった。

図４は、図１に示したリードフレームモジュールの１層目の上面図である。１層目リードフレーム１０１には、外部より電源系となる大電流入力端子１０１−１２と、出力端子１０１−１３が設けられている。前記大電流入力端子１０１−１２より入力された電流は、複数個の前記電子部品（パワーＭＯＳＦＥＴ等）１０６、複数個のチップ部品（シャント抵抗、チップコンデンサ等）１４６に通電される。信号用伝送端子１０１−１４，１０１−１５は、電子部品１０６のＯＮ／ＯＦＦを制御するための電極に電気的に接続され、例えば、パワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴのゲート電極に接続され、電子部品１０６の制御に用いられる。さらに層間接続材１１１にて、１層目のリードフレーム１０１と２層目のリードフレーム１０２が電気的に接続されている。符号１０７は封止樹脂を示す。

図５は、図１に示したリードフレームモジュールの２層目の上面図である。２層目リードフレーム１０２には、２個の電子部品１０６を導電性材料１１０（図示せず）にて実装した。２層目リードフレーム１０２には、１層目リードフレーム１０１より、層間接続材１１１を介して、電流が流れる構造とした。２層目のリードフレーム１０２に実装された前記電子部品１０６のＯＮ／ＯＦＦは、信号伝送用端子１０２−１６，１０２−１７に信号電流を伝送することで制御した。符号１０２−２８はドレイン電極電位測定端子、符号１０２−２９はソース電極電位測定端子、符号１１８は１層目リードフレームに搭載された電子部品の投影位置である。ドレイン電極電位測定端子やソース電極電位測定端子は本実施例では温度測定の目的で設けたものであり、無くてもよい。

２層目のリードフレーム１０２では、図２や図３に示したランプ部１０２−４を設けることで、リードフレーム１０２の信号伝送用端子１０２−１６と１層目のリードフレーム１０１との距離を短縮した。大電流（電圧）伝送用端子に比べて通電電流量の少ない信号伝送用端子１０２−１６に、第１層目のリードフレームに実装された電子部品１０６から発生する熱を伝導することで、従来の多層フレーム実装構造に比べ、放熱性を向上できることが分かった。

また、信号伝送用端子を封止樹脂の外側で筐体と熱的に接続することにより(図１)、放熱専用の端子を設ける場合に比べ、端子数を増加させることなく、高放熱化、小型化が図れる。なお、熱的に接続しているとは、接続部の等価熱伝導率が空気の熱伝導率以上であることを指す。

信号伝送用端子と筐体とを熱的に接続するには、超音波接続、溶接、はんだなどによる金属接続、高熱伝導性樹脂組成物から選ばれる少なくとも１種を用いればよい。より好ましくは、超音波、または溶接を用いることで、リードフレームと筐体間に空気層や介在物が存在しない接続がよい。

図６は、図１に示したリードフレームモジュールの３層目の上面図である。２層目リードフレーム１０２と同様に、３層目のリードフレーム１０３に２個の電子部品１０６が導電性材料１１０（図示せず）にて実装されている。また３層目リードフレーム１０３には、２層目リードフレーム１０２より、層間接続材１１１を介して、電流が流れる構造とした。３層目のリードフレーム１０３に実装された前記電子部品１０６のＯＮ／ＯＦＦは、信号伝送用端子１０３−１９，１０３−２０に信号電流を伝送することで制御した。３層目のリードフレーム１０３では、図２や図３に示したランプ部１０２−４と同様のランプ部１０３−５を設けることで、リードフレーム１０３の信号伝送用端子１０３−２０と２層目のリードフレーム１０２との距離を短縮した。符号１２１は２層目リードフレームに搭載された電子部品の投影位置である。大電流（電力）伝送用端子に比べて通電電流量の少ない信号伝送用端子１０３−２０に、第２層目のリードフレームに実装された電子部品１０６から発生する熱を伝導することで、従来の多層フレーム実装構造に比べ、放熱性を向上できることが分かった。

なお、第３層目のリードフレーム１０３に実装された電子部品１０６から発生する熱は放熱シート１０８を介して筐体１０９へ放熱される(図１)。

図７は、本実施例において用いた、１層目のリードフレーム１０１と２層目のリードフレーム１０２との層間接続材１１１の断面模式図である。なお、２層目のリードフレーム１０２と３層目のリードフレーム１０３間の接続にも、図７に示した層間接続材１１１を用いた。層間接続材１１１の２層目リードフレーム１０２と接続される部位は、貫通孔１２２が設けられるとともに、紙面に水平方向に膨らんだ形状となっており、所謂プレスフィットピンの形状とした。層間接続材１１１を、２層目リードフレーム１０２に挿入するため、押さえ部１１１ｂを２層目リードフレーム１０２方向に加圧して、リードフレーム１０２の挿入孔１２３に挿入した。挿入孔１２３の端部は面取り部１２４を設けた。符号１１０は導電性材料、符号１１１ａはリードフレームの脱落防止部位である。

図８は、本実施例にて実施したリードフレーム実装構造作製の工程表である。まず所望の回路パターンに対応したリードフレームを作製した（Ｓ８０１）。本実施例では、プレス加工にて回路パターンを作製した。次に、信号伝送用端子の曲げ加工をした（Ｓ８０２）。プレス加工に代えて、エッチングにてリードフレームに所望の回路パワーンを形成する場合は、エッチング後にプレス加工にて信号伝送用端子の曲げ加工してもよい。エッチングで回路パターンを形成されるリードフレームの厚さは、好ましくは２．０ｍｍ以下である。

その後、リードフレームの表面粗化を行った（Ｓ８０３）。本実施例では、射出圧力０．２５ＭＰａでジルコングリットを３分間射出するサンドブラスト法を用いた。表面粗化後、リードフレーム上に導電性材料をディスペンサで供給した（Ｓ８０４）。その後、層間接続材を２層目リードフレーム、３層目のリードフレームに挿入し（Ｓ８０５）、続いて電子部品をリードフレーム上に搭載した（Ｓ８０６）。電子部品搭載後、加熱により、電気的、機械的に電子部品とリードフレームを接続した（Ｓ８０７）。

接続後、Ａｒ（アルゴン）プラズマ洗浄を施した（Ｓ８０８）。洗浄条件はＡｒ（アルゴン）流量は８ｓｃｃｍ、圧力１２Ｐａ、処理時間１８０秒とした。洗浄後、３枚のリードフレームを積層し（Ｓ８０９）、層間接続部に導電性接続材にて接続した（Ｓ８１０）。その後、前記と同条件のＡｒ（アルゴン）プラズマ洗浄を施した（Ｓ８１１）。洗浄後、封止樹脂にて封止した（Ｓ８１２）。封止にはトランスファーモールド成形機を用いた。成形条件は、金型温度１８０℃、トランスファー圧力１５００ｋｇ、成型時間３分とした。樹脂封止が完了したのち、金型からリードフレームモジュールを取り出した。その後、１７５℃恒温槽にて５時間、封止樹脂の後硬化を行った（Ｓ８１３）。最後に、封止樹脂１０７の外側にある、端子以外のリードフレームを切断し、端子をＮｉ（ニッケル）メッキした（Ｓ８１４）。

図９は、図１に示したリードフレームモジュールにおける、回路パターンを形成した直後の１層目リードフレームである。浮島となるリードフレーム１０１−２５は、ブリッジ部１０１−２６にて、仮固定した。ここで浮島となるリードフレーム１０１−２５とは、ブリッジ部１０１−２６以外、リードフレームの外枠１０１−３０から独立したリードフレームのことを指す。図９において、符号１０１−２７はタイバーである。

図１０は、図９に示した回路パターン形成にリードフレーム１０１に導電性材料１１０（図示せず）を用いて、電子部品１０６，チップ部品１４６を実装し、ブリッジ部１０１−２６を切断した状態を示す。図１１は、タイバー１０１−２７を切断した状態での１層目リードフレーム１０１の上面図である。ここでタイバー１０１−２７とは、リードフレーム１０１の一部からなり、封止時に封止樹脂の流出をせき止めるものであり、本実施例では、幅１．５ｍｍとした。

２層目以降のリードフレームについても、１層目リードフレーム作製と同様の手順で作製した。なお、２層目リードフレーム、および３層目リードフレームでは、電子部品をリードフレーム上に搭載する前に、信号伝送用端子をプレスにて曲げた。曲げ加工により、Ｈ２は概ね１ｍｍとした。なお、曲げ加工はタイバーに囲われた領域内で実施した。リードフレームに所望の回路パターンを形成する場合、プレス加工と同時にリードフレームの曲げ加工を施こすことにより、製造工程を削減できることができた。

図１２は、図３の構成において、１層目のリードフレーム１０１とランプ部１０２−４を有する２層目のリードフレーム間距離Ｈ２とそれらの間の熱抵抗との関係を示す図である。距離Ｈ２とともに熱抵抗は増加し、３ｍｍ以上ではリードフレーム間距離を短くしたことによる放熱性向上効果が薄れる。したがって、距離Ｈ２の上限を３ｍｍ未満とすることが好ましい。また、距離Ｈ２の下限は、リードフレーム間のノイズ伝播を考慮して０．０２ｍｍとすることが好ましい。すなわち、距離Ｈ２を０．０２ｍｍ以上３ｍｍ未満とすることにより、リードフレーム間のノイズ伝播による電気製性能を低下させることなく、リードフレーム間の熱抵抗を低減させることができることが分かった。

次に放熱性に関して、図３に示したようなランプ部１０２−４を有する構成（実施例１）とランプ部を有さない従来構成（比較例１）において、２層目リードフレームに実装されたジャンクション温度上昇を比較した。温度は、次の方法で測定した。まずジャンクション温度を測定する電子部品（パワーＭＯＳＦＥＴ）単体で、図５に示したドレイン電極電位測定端子１０２−２８とソース電極電位測定端子１０２−２９を用いて、ソース電極―ドレイン電極間の電圧差と温度の関係を実測した。

図１３に、測定結果の一例を示した。実施例１と比較例１で使用した電子部品（パワーＭＯＳＦＥＴ）は、ほぼ同じ結果であった。ジャンクション温度は、図１３を用いて、ソース電極―ドレイン電極間の電圧差から換算した。ソース電極の電位は、端子１０２−２８から測定した。ドレイン電極の電位は、端子１０２−２９から測定した。

図１４は、それぞれの電子部品をそれぞれ樹脂封止し、浮島になっている領域に実装された電子部品を前記測定方法にて測定したジャンクション温度変化である。実施例１の構造とすることで、比較例１に比べ、ジャンクション温度変化を小さくできた。

図１５は、本実施例におけるトランスファー成形時の断面模式図である。金型１３７、金型１３８はリードフレーム間にあるため、金型を分割した。符号１３５、１３６、１４０は金型、符号１４１は樹脂注入口である。

図１６は、金型１３７の分割部を上面から見た要部断面図である。紙面下側に封止樹脂が注入される構造である。注入された封止樹脂１０７（図示せず）は、金型の分割面にも進入する可能性があるため、金型１３７を２分割した金型１３７ａ、金型１３７ｂが接する面には、離型材（図示せず）を塗布した。また分割面からの封止樹脂１０７の流出防止のため、耐熱温度が２００℃の三角断面の樹脂組成物１４４を設けた。符号１４２はナット、符号１４３はボルトである。

上記実施例では、電子部品が搭載されたリードフレームを封止樹脂で直接封止したが、電子部品が実装されたリードフレーム面の反対側の面と、前記電子部品が実装されたリードフレーム面の反対側の面に対向するリードフレーム面との間に、前記封止樹脂より熱伝導率が高く、且つ封止樹脂より弾性率が低く、且つ電気絶縁性を有する樹脂を設けることにより、前記電子部品が実装されたリードフレーム面の反対側の面と、前記電子部品が実装されたリードフレーム面の反対側の面に対向するリードフレーム面との間の電気絶縁性を確保でき、且つ、積層方向の厚さばらつきを吸収できることを見出した。

上記樹脂は、２５℃の体積固有抵抗が１０の１０乗Ωｃｍ以上であり、封止樹脂や導電性材料よりも低弾性率で、封止樹脂と導電性材料に対して密着性を有するものであれば特に限定されない。体積抵抗率が１０の１０乗Ωｃｍ以上の樹脂を用いることにより、樹脂が封止樹脂にて押し流されても、短絡不良の原因とならないことを見出した。

また、前記封止樹脂より熱伝導率が高く、且つ封止樹脂より弾性率が低く、且つ電気絶縁性を有する樹脂は、チクソ性１．２以上及び粘度４００Ｐａ・ｓ以下の液状(熱硬化前、２５℃)であり、封止樹脂より熱伝導率が高く、且つ封止樹脂より弾性率が低く、且つ電気絶縁性を有する樹脂はディスペンサによって滴下された後、加熱硬化させられることで、封止樹脂より弾性率の低く、且つ電気絶縁性を有する樹脂の皮膜を容易に形成することができ、作業性が向上することを見出した。

チクソ性とは、２５℃における、ずり速度１（１／ｓ）の粘度をずり速度１０（１／ｓ）の粘度で割った値であり、粘度とは、２５℃におけるずり速度１０（１／ｓ）の時の粘度である。これは、液状材料のチクソ性が１．２より小さいと、ディスペンサで塗布する際にリードフレームの一部に限定して被覆しにくいためであり、液状材料の粘度が、４００Ｐａ・ｓより大きいとディスペンサで塗布する際に流れにくく作業性が低下するためである。

具体的には、液状材料としては、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ビスマレイミド系樹脂等を主成分として用いることができる。この中に必要に応じて粒径１μｍ以下のセラミック等の絶縁性粒子を０．０１〜５０ｗｔ％添加してもよい。また、液状材料として、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリアミド等の熱可塑性樹脂を沸点が１００〜３００℃の有機溶媒に溶かしたものを用いることができる。この中に必要に応じて粒径１μｍ以下のセラミック等の絶縁性粒子を０．０１〜５０ｗｔ％添加してもよい。絶縁性粒子を添加すると、熱伝導率とチクソ性、粘度、弾性率を調節することができる。

本実施例では、リードフレームの表面粗化は、サンドブラスト法を用いたが、本実施例に限らず、例えば黒化処理や銅表面粗化剤による処理も有効である。また本実施例では、図７に示した層間接続材を用いたが、これに限定する必要はなく、図１７に示すごとく、上側のリードフレーム１に金属ブロック１３３を超音波接続し、該金属ブロック１３３と下側リードフレーム１０２を導電性材料１１０で接続してもよい。金属ブロック１３３を用いることで、図７に示した接続材に比べ、１個あたりの通電容量は増加し、工程数が低減できる。符号１３４はリードフレームと金属ブロックとの超音波接合部である。更に図１８に示すごとく、下側リードフレーム１０２と対向する面に突起を有する金属ブロック１４５を超音波で接続してもよい。突起１４８がスペーサとなり、導電性材料１１０の厚さが一定にでき、接続信頼性の向上につながる。かかる結果、小型で、放熱性の高い多層リードフレーム実装構造を提供できる。

本実施例によれば、パワー半導体素子が実装されたリードフレームに、他層のリードフレームを近接させた構成とすることにより、リードフレーム間の熱抵抗を低減させることができ、小型、高放熱な多層フレーム実装構造を有する半導体装置を提供することができる。特に、リードフレームの浮島に配置されたパワー半導体素子に適用して有効である。また、リードフレームを曲げることにより、封止樹脂の流路が確保し易くなり、空気や異物などの巻き込みが低減でき、耐電圧低減を抑制できる。また、パワー半導体素子が実装されたリードフレームに近接させるリードフレームとして信号伝送用端子を用いることにより、大電流伝送用端子に比べてより放熱性を向上できる。また、パワー半導体素子が実装されたリードフレームに近接させるリードフレームを封止樹脂の外側で筐体に熱的に接続することにより、放熱性を向上でき、また端子数を増加させる必要がなく小型化に有効である。また、パワー半導体素子が実装されたリードフレームに、他層のリードフレームに近接させる距離を０．０２ｍｍ以上３ｍｍ未満とすることにより、ノイズ低減と放熱性を両立させることができる。また、本実施例に係る半導体装置は、エンジン用電子制御装置、電動パワーステアリング用電子制御装置、電動ブレーキ用電子制御装置等の車載用半導体装置に適用できる。

第２の実施例について図１９を用いて説明する。なお、実施例１に記載され、本実施例に未記載の事項は実施例１と同様である。

図１９は、他の多層フレーム実装構造を有する半導体装置を模式的に示した断面図である。図１と同じ符号は同じものを示す。本実施例では、パワー半導体素子(電子部品)１０６よりも大きな部品(コイル)２００が２層目のリードフレームに搭載されている。

このような構成の場合、１層目のリードフレーム１０１と２層目のリードフレーム１０２との間隔が大きくなるため、従来の構成では熱がこもり易いが、本実施例のように２層目リードフレーム１０２を１層目のリードフレームへ近接配置することにより放熱が可能となる。２層目のリードフレームとして信号用伝送端子を用いることにより、より放熱効果を高めることができることはいうまでもない。

第３の実施例について図２０を用いて説明する。なお、実施例１、２に記載され、本実施例に未記載の事項は実施例１、２と同様である。

図２０は１層目のリードフレームと２層目のリードフレーム近傍の要部斜視図である。本実施例では、１層目のリードフレームのリードフレームで構成される信号伝送用端子１０１−１４にランプ部１０１−４を形成して、２層目のリードフレーム１０２に実装された電子部品１０６に近接配置させた例である。２層目のリードフレーム１０２に実装された電子部品１０６からの発熱を、第１層目のリードフレームで構成される信号伝送用端子１０１−１４から放熱することができる。

本実施例の場合、２層目のリードフレーム１０２に実装された電子部品１０６の上面と信号伝送用端子１０１−１４との間の距離を０．０２以上１．５ｍｍ未満とすることにより、リードフレーム間のノイズ伝播による電気製性能を低下させることなく、リードフレーム間の熱抵抗を低減させることができる。すなわち、この距離が０．０２ｍｍ未満の場合、浮遊容量が大きくなりノイズが伝播し易くなる。さらに、この距離が０．０２ｍｍ未満となる領域には封止樹脂が流入せず、空気が残存することで、耐電圧が低下し、電気的信頼性が低下する可能性がある。または、この隙間に残存した空気層から、封止樹脂とリードフレーム間に剥離が発生し、電子部品の実装に用いた導電性材料の接続信頼性が低下する可能性がある。一方、この距離が、１．５ｍｍ以上になると、熱抵抗が増加し、放熱性向上効果が薄れる。実施例１と異なり上限が１．５ｍｍ未満と小さくなる理由は、電子部品１０６の下面側は放熱構造を有しているのに対し、上面側は樹脂で覆われ熱抵抗が大きいためである。従って、上面側を放熱構造とすることにより、この距離を大きくすることができる。

さらに、第２層目のリードフレーム１０２に実装された電子部品１０６に対しては、第１層目の信号用端子１０１−１４の他、第３層目の信号用端子１０３−２０を近接配置させ、それら両者により放熱することもできる。これにより、放熱性を更に向上することができる。

本実施例によれば、実施例１と同様の効果が得られる。また、電子部品の上面側と下面側の両側へリードフレームを近接配置することにより、放熱効果を向上することができる。

第４の実施例について図２１を用いて説明する。なお、実施例１−３に記載され、本実施例に未記載の事項は実施例１−３と同様である。

図２１は、１層目のリードフレームと２層目のリードフレーム近傍の他の要部斜視図である。本実施例では、電子部品１０６が搭載された１層目リードフレームにランプ部１０１−１０を設け、２層目のリードフレーム１０２へ近接配置させた構成を示す。なお、このランプ部は図８のＳ１０２の工程で折り曲げ加工できる。

本実施例においても電子部品１０６からの発熱を２層目のリードフレームを介して放熱することができる。また、電子部品１０６が配置された１層目のリードフレームを２層目のリードフレーム側へ折り曲げることから、積層多層フレーム全体の厚みを薄くすることが可能となる。

以上、実施例１〜４により多層フレーム実装構造を有する半導体装置について説明したが、本発明は、これら実施例に限定されるものではなく、種々の設計変更を行うことができるものである。

１０１…１層目リードフレーム、１０２…２層目リードフレーム、１０３…３層目リードフレーム、１０１−４…１層目リードフレームのランプ部、１０２−４…２層目リードフレームのランプ部、１０３−５…３層目リードフレームのランプ部、１０６…電子部品、１０７…封止樹脂、１０８…放熱シート、１０９…筐体、１１０…導電性材料、１１１…層間接続材、１１１ａ…リードフレームの脱落防止部位、１１１ｂ…押さえ部、１０１−１０…１層目のリードフレームのランプ部、１０１−１２…大電流入力端子、１０１−１３…大電流出力端子、１０１−１４、１０１−１５、１０２−１６、１０２−１７…信号伝送用端子、１１８…１層目リードフレームに実装された電子部品の投影位置、１０３−１９、１０３−２０…信号伝送用端子、１２１…２層目リードフレームに実装された電子部品の投影位置、１２２…貫通孔、１２３…挿入孔、１２４…リードフレームの面取り部、１０１−２５…浮島となるリードフレーム、１０１−２６…浮島となるリードフレームを仮固定するブリッジ部、１０１−２７…タイバー、１０２−２８…ドレイン電極電位測定端子、１０２−２９…ソース電極電位測定端子、１０１−３０…リードフレームの外枠、１３３…金属ブロック、１３４…リードフレームと金属ブロックとの超音波接合部、１３５、１３６、１３７…金型、１３７ａ、１３７ｂ…金型１３７の分割部、１３８、１３９、１４０…金型、１４１…樹脂注入口、１４２…ナット、１４３…ボルト、１４４…三角形断面の樹脂組成物、１４５…リードフレームと対向する面に突起を有する金属ブロック、１４６…チップ部品、１４８…突起、１６０…導電性材料、２００…コイル。

Claims (20)

1. パワー半導体素子が実装された第１のリードフレームと、前記第１のリードフレーム下方に積層して配置された第２のリードフレームと、前記第１のリードフレームと前記第２のリードフレームとを封止する封止樹脂とを有する半導体装置であって、
   前記パワー半導体素子が実装されている領域における前記第１のリードフレームと前記第２のリードフレームとの間の距離をＸとし、前記パワー半導体素子が実装されていない領域における前記第１のリードフレームと前記第２のリードフレームとの間の距離をＹとしたとき、
   Ｘ＜Ｙ
   であることを特徴とする半導体装置。
2. 請求項１に記載の半導体装置において、
   ０．０２ｍｍ≦Ｘ＜３ｍｍ
   であることを特徴とする半導体装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の半導体装置において、
   前記パワー半導体素子が実装されている領域に対向する前記第２のリードフレームは、信号伝送用端子として用いられるものであることを特徴とする半導体装置。
4. 請求項１乃至３の何れか一項に記載の半導体装置において、
   前記パワー半導体素子が実装された前記第１のリードフレームと前記第２のリードフレームとの間に、前記封止樹脂よりも熱伝導率が高く、弾性率が低く、且つ電気絶縁性を有する樹脂が設けられていることを特徴とする半導体装置。
5. 請求項４に記載の半導体装置において、
   前記前記封止樹脂よりも熱伝導率が高く、弾性率が低く、且つ電気絶縁性を有する樹脂は、チクソ性１．２以上、粘度４００Ｐａ・ｓ以下であり、加熱硬化する前は２５℃で液状であることを特徴とする半導体装置。
6. 請求項１乃至５の何れか一項に記載の半導体装置おいて、
   前記第２のリードフレームはランプ部を有し、前記パワー半導体素子が実装された領域において前記第１のリードフレームに近接配置されていることを特徴とする半導体装置。
7. 請求項１乃至６の何れか一項に記載の半導体装置において、
   前記封止樹脂で封止された前記第１のリードフレームと前記第２のリードフレームは筐体に収められ、前記パワー半導体素子が実装された第１のリードフレームに対向する前記第２のリードフレームは、前記封止樹脂の外側で筐体と熱的に接続されていることを特徴とする半導体装置。
8. 請求項１乃至７の何れか１項に記載の半導体装置において、
   前記半導体装置は、車載用半導体装置として用いるものであることを特徴とする半導体装置。
9. 請求項１乃至８の何れか一項に記載の半導体装置において、
   前記第２のリードフレームには、前記パワー半導体素子よりも大きな寸法のコイルが実装されていることを特徴とする半導体装置。
10. 請求項１乃至５の何れか一項に記載の半導体装置において、
    前記第１のリードフレームはランプ部を有し、前記パワー半導体素子が実装された領域において前記第２のリードフレームに近接配置されていることを特徴とする半導体装置。
11. 第１のリードフレームと、パワー半導体素子が実装され、前記第１のリードフレーム下方に積層して配置された第２のリードフレームと、前記第１のリードフレームと前記第２のリードフレームとを封止する封止樹脂とを有する半導体装置において、
    前記パワー半導体素子が実装されている領域に対向する前記第１のリードフレームと前記パワー半導体素子の上面との間の距離をＸとし、前記パワー半導体素子が実装されていない領域における前記第１のリードフレームと前記第２のリードフレームとの間の距離をＹとしたとき、
    Ｘ＜Ｙ
    であることを特徴とする半導体装置。
12. 請求項１１に記載の半導体装置において、
    ０．０２ｍｍ≦Ｘ＜１．５ｍｍ
    であることを特徴とする半導体装置。
13. 請求項１１又は請求項１２に記載の半導体装置において、
    前記パワー半導体素子が実装されている領域に対向する前記第１のリードフレームは、信号伝送用端子として用いられるものであることを特徴とする半導体装置。
14. 請求項１１乃至１３の何れか一項に記載の半導体装置において、
    前記パワー半導体素子が実装された前記第２のリードフレームと前記第１のリードフレームとの間に、前記封止樹脂よりも熱伝導率が高く、弾性率が低く、且つ電気絶縁性を有する樹脂が設けられていることを特徴とする半導体装置。
15. 請求項１４に記載の半導体装置において、
    前記封止樹脂よりも熱伝導率が高く、弾性率が低く、且つ電気絶縁性を有する樹脂は、チクソ性１．２以上、粘度４００Ｐａ・ｓ以下であり、加熱硬化する前は２５℃で液状であることを特徴とする半導体装置。
16. 請求項１１乃至１５の何れか一項に記載の半導体装置おいて、
    前記第１のリードフレームはランプ部を有し、前記パワー半導体素子の上面に近接配置されていることを特徴とする半導体装置。
17. 請求項１１乃至１６の何れか一項に記載の半導体装置において、
    前記封止樹脂で封止された前記第１のリードフレームと前記第２のリードフレームとは筐体に収められ、前記パワー半導体素子が実装された第２のリードフレームに対向する前記第１のリードフレームは、前記封止樹脂の外側で筐体と熱的に接続されていることを特徴とする半導体装置。
18. 第１のリードフレームと、第２のリードフレームと、第３のリードフレームとが順次積層されて配置されて封止樹脂により封止された半導体装置において、
    前記第２のリードフレームにはパワー半導体素子が実装され、
    前記第１のリードフレーム及び前記第３のリードフレームは、前記第２のリードフレームに実装されている前記パワー半導体素子に近接するように、それぞれランプ部を備えることを特徴とする半導体装置。
19. 請求項１８記載の半導体装置において、
    前記ランプ部が設けられている前記第１のリードフレーム及び前記第３のリードフレームは、信号伝送用端子として用いられるものであることを特徴とする半導体装置。
20. 請求項１８又は１９に記載の半導体装置において、
    前記パワー半導体素子は、前記第２のリードフレームの浮島に実装されていることを特徴とする半導体装置。

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