JP2011060927A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型、薄型、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。
【解決手段】電子部品１０４が実装されたリードフレーム１０１、１０２、１０３を複数層重ねて配置して樹脂１０５にて樹脂封止した多層フレームの半導体装置において、電子部品が実装されたリードフレームと、その上方に積層して配置され電子部品が実装されたリードフレームとの間の層間の距離が、リードフレーム面から電子部品上面までの距離より短くされた構造の半導体装置。
【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、排熱される構造になっている。

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１〜６に開示されている。

特開平５−４７５５９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 特開平９―２３３６４９号公報

従来の配線基板の多層化ではコスト増加、基板面積増加などの課題があることから、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製し、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、大型部品の周囲などに空気や異物などを巻き込みやすくなり、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。さらに部品の大きさで実装するリードフレームを分けることで、半導体装置設計の自由度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始されている。また特許文献６には電子部品が実装されたリードフレームと放熱用リードフレームの間を、電気絶縁性で且つ熱伝導性材料で接続し、放熱性を向上させる技術が開示されている。しかしながら、本技術では、電子部品が実装されない放熱用リードフレームを設けることで、電子部品の実装可能な面積が狭くなり、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、前記の課題を鑑み、小型、薄型、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に、本発明では、
第一及び第二の電子部品と、第一の電子部品が実装された第一の層のリードフレームと、前記第一の層のリードフレームの上方に積層して配置され、前記第二の電子部品が実装された第二の層のリードフレームと、前記第一及び第二の層のリードフレームと前記第一及び第二の電子部品とを封止する封止樹脂を有する半導体装置において、前記第一の電子部品は、前記第一の層のリードフレームの前記第二の層のリードフレームと対向する面に実装され、前記第一の層のリードフレームと前記第二の層のリードフレームとの間の距離が、前記第一の層のリードフレームから前記第一の電子部品の上面までの距離より短いことを特徴とする半導体装置を提供する。

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。 従来の多層リードフレーム実装構造である比較例１の側面図である。 実施例１と比較例１のモジュール厚さを比較した図である。 比較例１と実施例１における、１層目リードフレームに実装された電子部品の温度上昇値の比較図である。 図１に示した多層リードフレームモジュールの１層目の上面図である。 図１に示した多層リードフレームモジュールの２層目の上面図である。 図１に示した多層リードフレームモジュールの３層目の上面図である。 実施例１にて実施した多層リードフレームモジュール作製の工程表である。 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。 図１１に示した回路パターン形成済みリードフレームに導電性材料を用いて、電子部品、チップ部品等の電子部品以外の電子部品を実装し、ブリッジ部を切断した状態での１層目リードフレーム上面図である。 封止樹脂で多層リードフレームモジュールを封止した後、タイバーを切断した状態での１層目リードフレーム上面図である。 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側面図である。 実施例２の形態における、１層目リードフレームに実装された電子部品の温度上昇値を、比較例１における１層目リードフレームに実装された電子部品と比較した結果である。 ソース電極―ドレイン電極間の電圧差と温度の関係の一例である。 ２層目リードフレームのグランド電位面と、グランド電位面と対向する、１層目リードフレームの信号端子に超音波接続した銅の直方体の間に、封止樹脂より比誘電率が高い樹脂を塗布し、全体を封止樹脂で封止したリードフレームモジュールの要部断面図である。 実施例３におけるグランド電位面と対向する、リードフレームの信号端子間距離Ｈ３と静電容量の関係を示した図である。 電子部品から伸びる２本のリード部の先端部分とリード部の間を樹脂で被覆したのち、全体を封止樹脂で封止したリードフレーム構造を有する半導体装置の要部側面図である。 図１９に示した要部の右側面図である。

以下、実施例により説明する。

第１の実施例を図１〜図１３を用いて具体的に説明する。図１は、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。

図１に示すように、複数の電子部品１０４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１０５で封止し、放熱シート１０６を介して筐体１０７にボルト（図１には未記載）で固定することで、多層リードフレームモジュールを製作した。図１において、符号１０８はリードフレーム層間接続材、符号１０１−３は第１層目リードフレームで構成された信号入力端子、符号１０２−１は第２層目リードフレームで構成された大電流入力端子、符号１０２−２は第２層目リードフレームで構成された大電流出力端子、符号１０２−３は第２層目リードフレームで構成された信号入力端子、符号１０３−３は第３層目リードフレームで構成された信号入力端子である。また、符号１０９は電子部品１０４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等に用いる導電性材料、符号１１０は導電性材料１０９より融点が低い導電性材料である。

ここで示した電子部品１０４は、交流を直流に変換したり、電圧を昇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う半導体素子（パワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ、ダイオードなど）である。他の電子部品（図１には未記載）として、コイルやコンデンサ、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、Ｃｕ（銅）の他、Ａｌ（アルミニウム）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｆｅ（鉄）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。導電性材料１０９の溶融温度は、導電性材料１１０の溶融温度より高い材料を用いればよい。これは、層間接続材１０８と各リードフレーム１０１、１０２、１０３を接続するときに、電子部品を電気的接続および機械的固定をしている導電性材料１０９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。例えば、はんだを用いる場合には溶融開始温度が封止樹脂の効果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（スズ）とＡｕ（金）合金系、Ｓｎ（スズ）とＰｂ（鉛）合金系、Ｓｎ（スズ）とＡｇ（銀）合金系、Ｓｎ（スズ）とＡｇ（銀）とＣｕ（銅）合金系、Ｓｎ（スズ）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（スズ）、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か一つが、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、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１０５には、ビフェニル型エポキシ樹脂とＡｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）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。

樹脂封止成形の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１０６には、シリコーン樹脂と無機充填材であるＡｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）を主成分とする樹脂シートを用いた。放熱シートには、シリコーン系樹脂のほか、オレフィン系樹脂等を用いてもよく、耐熱温度等の使用環境から樹脂を選定すればよい。無機充填材には、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）のほか、ＳｉＯ２（シリカ）、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、熱伝導率、粒子形状等のからＡｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）が望ましい。また放熱シートと同様の組成であれば、放熱グリースを用いてもよい。

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（導電性材料１０９は記載）である。リードフレーム１０２に実装された電子部品１０４が、リードフレーム１０１から構成される回路パターンの間に存在するように配置することにより、リードフレーム１０１とリードフレーム１０２の距離Ｈ１を、電子部品１０４が実装されたリードフレーム面から電子部品１０４の上面までの距離Ｈ２より短くした。本実施例においては、電子部品１０４が実装されたリードフレーム面から電子部品１０４の上面までの距離Ｈ２は概ね５ｍｍとした。また、電子部品１０４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層目リードフレームと２層目リードフレームとの距離Ｈ１は４ｍｍとした。図４は、従来の多層リードフレーム実装構造である比較例１の側面図である。従来構造で実施例１で用いた電子部品１０４と同一の電子部品を実装した場合、リードフレーム間の距離Ｈ１は概ね６ｍｍとなった。

図５は、実施例１と比較例１のモジュール厚さを比較した図である。モジュール厚さとは、第３層目のリードフレーム１０３の電子部品実装面と反対側の面から、封止樹脂１０５で封止された多層リードフレームモジュールの上面までの距離をいう。リードフレーム間距離Ｈ１を電子部品が実装されたリードフレーム面から電子部品の上面までの距離Ｈ２より短かくすることにより、全体のモジュール厚さを低減できた。またリードフレーム間の熱抵抗が低減され、比較例１の多層リード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１０４、および第２層目のリードフレーム１０２に実装された電子部品１０４の放熱性が向上できる。図６は、比較例１と実施例１における、１層目リードフレームに実装された電子部品の温度上昇値の比較図である。図６のとおり、比較例１の構造での１層目リードフレーム１０１に実装された電子部品１０４の温度上昇は、実施例１の構造での１層目リードフレーム１０１に実装された電子部品１０４の温度上昇より高かった。

図７は、図１に示した多層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、複数個の電子部品１０４や複数のチップ部品（シャント抵抗、チップコンデンサ等、図示せず）が導電性材料１０９（図示せず）にて実装されている。符号１０１−３は信号伝送用端子であり、１層目リードフレーム１０１から構成されている。信号伝送用端子１０１−３は、電子部品１０４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１０４の制御に用いられる。さらに、層間接続材１０８にて、１層目リードフレーム１０１と２層目リードフレーム１０２が電気的に接続されている。符号１０５は封止樹脂を示す。符号１０４−２は、２層目リードフレーム１０２に実装された電子部品１０４の実装位置を示す。１層目リードフレーム１０１は、２層目リードフレーム１０２に実装された電子部品１０４の実装位置１０４−２を避けて回路パターンが形成されることで、１層目リードフレーム１０１と２層目リードフレーム１０２との距離Ｈ１を、電子部品１０４が実装されたリードフレーム面から電子部品１０４の上面までの距離Ｈ２より短くした。信号用端子１０１−３を封止樹脂の外側で筐体や放熱フィンと熱的に接続することで、多層リードフレームモジュールの放熱性を向上できる。熱的に接続するとは、接続部の等価熱伝導率が雰囲気の熱伝導率以上であることを示す。信号用端子と筐体、放熱フィンなど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、高熱伝導性樹脂塑性物から選ばれる１種を用いればよい。より好ましくは、超音波接続、溶接を用いることで、信号用端子と筐体間に空気層や介在物が存在しない接続がよい。層間接続材１０８は、リードフレームは横５ｍｍ、縦５ｍｍ、高さ７ｍｍの銅合金（Ｃｕ−０．１Ｆｅ−０．０３Ｐ（ｗｔ％））を用いた。実施例に用いることができる層間接続材は、Ｃｕ（銅）の他、Ａｌ（アルミニウム）、Ｎｉ（ニッケル）を主成分とする立方体である。層間接続材と封止樹脂間の密着性を向上させるため、層間接続材の表面にＮｉ（ニッケル）、Ｓｎ（スズ）、はんだ等のメッキを施したりてもよい。

図８は、図１に示した多層リードフレームモジュールの２層目の上面図である。１層目リードフレームと同様、２個の電子部品１０４が導電性材料１０９（図示せず）にて２層目リードフレーム１０２に実装されている。２層目リードフレーム１０２には、外部より電源系となる大電流入力端子１０２−１と、出力端子１０２−２と、信号伝送用端子１０２−３が設けられている。大電流入力端子１０２−１より入力された電流は、複数個の電子部品（パワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等）１０４がＯＮになっているリードフレームに通電されるとともに、複数個の電子部品（パワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等）１０４がＯＮになっているリードフレームに実装された、複数のチップ部品１１１（シャント抵抗、チップコンデンサ等）に通電される。符号１０４−３は、３層目リードフレーム１０３に実装された電子部品１０４の実装位置を示す。２層目リードフレーム１０２は、３層目リードフレーム１０３に実装された電子部品１０４の実装位置１０４−３を避けて回路パターンが形成されている。

図９は、図１に示した多層リードフレームモジュールの３層目の上面図である。１層目リードフレームと同様、２個の電子部品１０４が導電性材料１０９（図示せず）にて３層目リードフレーム１０３に実装されている。符号１０３−３は信号伝送用端子であり、３層目リードフレーム１０３から構成されており、電子部品１０４のＯＮ／ＯＦＦを制御するための電極に電気的に接続されている。

図１０は、実施例１にて実施した多層リードフレームモジュール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。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ターンを形成してもよい。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２．０ｍｍ以下が好ましく、１．５ｍｍ以下がより好ましい。１．５ｍｍ以下にすることで、寸法の１０％以下の精度でパターン形成可能となる。

その後、リードフレーム表面を粗化した（Ｓ８０２）。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１０９をディスペンサで供給した（Ｓ８０３）。その後、層間接続材を２層目リードフレーム、３層目リードフレーム上に搭載し、続いて電子部品をリードフレーム上に搭載した（Ｓ８０４）。リードフレーム、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（Ｓ８０５）。

接続後、Ａｒ（アルゴン）プラズマ洗浄を施した（Ｓ８０６）。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、リードフレーム上に供給した導電性材料１０９より低融点の導電性材料１１０を、層間接続材上面にディスペンサで供給した（Ｓ８０７）。その後、３枚のリードフレームを積層し（Ｓ８０８）、加熱により３枚のリードフレームを接続した（Ｓ８０９）。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（Ｓ８１０）。洗浄後、封止材にて封止した（Ｓ８１１）。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、成形時間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、封止材を後硬化した（Ｓ８１２）。最後に、封止材１０５の外側にある、端子以外のリードフレームであるタイバーを切断し、端子をＮｉ（ニッケル）メッキした（Ｓ８１３）。

図１１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１０１である。浮島となるリードフレーム１０１−４は、ブリッジ部１０１−５にて、仮固定した。ここで浮島となるリードフレーム１０１−４とは、ブリッジ部１０１−５を除くと、リードフレームの外枠１０１−６から独立したリードフレームのことを示す。図１１において、符号１０１−７は１層目リードフレームから形成されるタイバー、符号１０１−８はリードフレームを積層して配置する際に用いる、位置合わせ用の貫通孔である。

図１２は、図１１に示した回路パターン形成済みリードフレーム１０１に導電性材料１０９（図１２には未記載）を用いて、電子部品１０４、チップ部品等の電子部品１０４以外の電子部品１１１を実装し、ブリッジ部１０１−５を切断した状態での１層目リードフレーム上面図を示す。符号１０８−１は、層間接続材１０８が１層目リードフレーム１０１に接続される位置を示す。

図１３は、封止樹脂１０５で多層リードフレームモジュールを封止した後、タイバー１０１−７を切断した状態での１層目リードフレーム上面図である。なお、タイバー１０１−７は１層目リードフレーム１０１の一部からなり、封止時に封止樹脂１０５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。

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、例えば黒化処理や表面粗化剤による処理も有効である。また本実施例では、銅の直方体を導電性材料にてリードフレームに電気的接続するとともに、機械的固定したが、これに限定する必要はなく、電子部品を実装する前に、銅の直方体の一面をリードフレームに超音波接続し、銅の直方体の超音波接続した面と反対側の面に導電性材料を塗布しておき、電子部品搭載時に、電子部品とリードフレーム間に塗布した導電性材料と同時に加熱することで電気的接続、および機械的固定してもよい。銅の直方体をリードフレームに超音波接続することで、多層リードフレームモジュール内で使用する導電性材料を１種類にすることができ、工程管理が容易になる。また導電性材料の加熱硬化工程数が減るため、多層リードフレームモジュール作製工程を省エネルギ化できる。

本実施例では、多層リードフレームパッケージは、電気絶縁性があるシリコーン樹脂と無機充填材Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）を主成分とする放熱シート１０６を介して、筐体１０７にボルトで固定されていたが、放熱シートに限らず、熱伝導率や電気絶縁性等の同等の物性を有するのグリースを用いてもよく、スクリーン印刷、またはディスペンサで供給可能な放熱グリースならより好ましい。

かかる結果、小型、薄型で高放熱な多層リードフレーム実装構造を提供できる。

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などの車載機器や、鉄道用インバータ装置、昇降機の制御など都市インフラの制御装置などに適用できる。

第２の実施例を図１４〜図１６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１４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側面図である。図１と同じ符号のものは同じものを示す。本実施例では、１層目リードフレーム１０１の各電子部品１０４、１１１搭載面と、２層目リードフレーム１０２の各電子部品１０４、１１１搭載面を対向するように積層し、１層目リードフレーム１０１の各電子部品１０４、１１１搭載面の反対側の面が封止樹脂１０５より露出するよう、リードフレームモジュール全体を封止樹脂１０５にて樹脂封止した。ここで、層間接続材１０８と各リードフレーム１０１、１０２、１０３を電気的に接続し、且つ機械的に固定する導電性材料１０９の厚さばらつきにより、１層目リードフレーム１０１の各電子部品１０４、１１１搭載面の反対側の面の一部、または全面が封止樹脂１０５に覆われる場合がある。その場合は、１層目リードフレーム１０１の各電子部品１０４、１１１搭載面の反対側の面を研磨することで、１層目リードフレーム１０１の各電子部品１０４、１１１搭載面の反対側の面を封止樹脂１０５から露出させることができる。その後、本実施例で作製した多層リードフレームモジュールの、１層目リードフレーム１０１の封止樹脂１０５より露出した面上に、接着剤１１２を用いて放熱フィン１１３を搭載した。接着剤にはシリコーン樹脂とＡｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）を主成分とする接着剤を用いたが、これに限らず、熱伝導率が０．２Ｗ／ｍＫ以上の接着剤であれば、多層フレームパッケージと放熱フィン１１３の間の接触熱抵抗を低減でき、フィンを用いることの放熱性向上を妨げることがない。

図１５は、実施例２の形態における、１層目リードフレーム１０１に実装された電子部品１０４の温度上昇値を、比較例１における１層目リードフレーム１０１に実装された電子部品１０４と比較した結果である。なお、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１０４（パワーＭＯＳＦＥＴ）単体で、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１６に、ソース電極―ドレイン電極間の電圧差と温度の関係の一例である。本実施例で使用した電子部品１０４（パワーＭＯＳＦＥＴ）と比較例１で使用した電子部品１０４（パワーＭＯＳＦＥＴ）はほぼ同じ値であった。ジャンクション温度は図１６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。

本実施例のごとく、１層目リードフレーム１０１の各電子部品１０４、１１１搭載面の反対側の面を封止樹脂１０５から露出させ、接着剤１１２を介して放熱フィン１１３を搭載することで、放熱性が向上できることを見出した。かかる結果、小型、薄型で高放熱な多層リードフレーム実装構造を提供できる。

第３の実施例を図１７〜図１８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１７は、２層目リードフレーム１０２のグランド電位面と、２層目リードフレーム１０２のグランド電位面と対向する、１層目リードフレーム１０１の信号伝送回路に超音波接続した銅の直方体１１８の間に、封止樹脂１０５（図１７に未記載）より比誘電率が高い樹脂１１５を塗布し、全体を封止樹脂１０５（図１７に未記載）で封止したリードフレームモジュールの要部断面図である。超音波接続は、振幅２０μｍ、超音波発振時間０．５ｓ、ツール押し付け圧力２００ＭＰａの条件で、室温中、大気中で行った。符号１１６は、１層目リードフレーム１０１の信号端子に銅の直方体１１８を超音波接続した際、超音波を発振したツール痕を示す。ツール痕１１６のバリがリードフレー面から大きく盛り上がった場合は、研磨等によりバリを除去してから、リードフレームを積層し、全体を樹脂封止してもよい。符号１１７は、１層目リードフレーム１０１の信号伝送回路と銅の直方体１１８の接合界面を示す。超音波接続することで、１層目リードフレーム１０１の信号伝送回路と銅の直方体１１８が一体になった部分と、界面が残る部分ができる。ここでグランド電位面とは、２層目リードフレームで形成された大電流出力端子１０２−２と同電位のリードフレーム面を示す。

本実施例の場合、封止樹脂１０５より比誘電率が高い樹脂１１５は、イオン性基を含有するポリイミド樹脂と、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）を主成分とした樹脂を用いた。本実施例で用いた樹脂の比誘電率は、１ＭＨｚ、０．１Ｖ印加で３０であった。グランド電位面と対向する、リードフレームの信号端子間距離Ｈ３を２０μｍ以上１５０μｍ未満とし、グランド電位面と信号端子間に封止樹脂１０５（図１７に未記載）より比誘電率が高い樹脂１１５を塗布することで、グランド電位面と信号伝送回路間にコンデンサ部を作製でき、ノイズ低減できる。すなわち、グランド電位面と対向する、リードフレームの信号伝送回路間距離Ｈ３が２０μｍ未満であると電気絶縁性が低下し、短絡不良が発生し易くなる。一方、グランド電位面と対向する、リードフレームの信号端子間距離Ｈ３が１５０μｍ以上になると、封止樹脂１０５（図１７に未記載）より比誘電率が高い樹脂１１５を塗布しても、図１８に示すとおり、静電容量が大きくならず、ノイズ低減効果が発現しない。ここで図１８は、実施例３におけるグランド電位面と対向する、リードフレームの信号伝送回路間距離Ｈ３と静電容量の関係を示した図である。

封止樹脂より比誘電率が高い樹脂１１５としては、イオン性基を含有するポリイミド樹脂、該ポリイミド樹脂を溶融可能な有機溶剤、水、イオン性基と極性が異なるイオン性化合物に、必要に応じて高誘電率粉末を含有させた組成物を用いることで、機械的、化学的に安定したコンデンサ部を形成できる。

樹脂１１５としては、アニオン性、またはカチオン性高分子樹脂である、アクリル系、エポキシ系、ポリイミド系等を単独で、または、これらの樹脂の任意の組合せによる混合物として使用できる。また高分子樹脂に粘着性を付与するため、ロジン系、テルペン系、石油樹脂等の粘着性付与樹脂を必要に応じて添加することも可能である。高誘電率粉末は、ＴｉＯ２（酸化チタン），ＢａＴｉＯ３（チタン酸バリウム），Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）などが挙げられることができるが、これに限定はされない。これらを１種または複数種を樹脂組成物に含有させることにより、リードフレーム間の誘電率を制御することができる。なお、通常、ポリイミド樹脂単独では、誘電率３．５程度であるが、高誘電率粉体を含有させつことにより、２０程度まで誘電率を変えることができる。

かかる結果、低ノイズ、小型、薄型で高放熱な多層リードフレーム実装構造を提供できる。

第４の実施例を図１９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１９は、電子部品１０４から伸びる２本のリード部１０４−４の先端部分とリード部１０４−４の間を樹脂１１４で被覆したのち、全体を封止樹脂１０５で封止したリードフレーム構造を有する半導体装置の要部側面図である。図２０は、図１９に示した要部の右側面図である。図１９、図２０に示したとおり、樹脂１１４を滴下することで、電子部品１０４のリード部１０４−４とリードフレームとの電気的接続と、機械的固定のために用いる導電性材料１０９が、塗布時にリード部１０４−１に垂れたり、導電性材料１０９溶融時に電子部品１０４が回転等の位置ずれが生じても、電子部品１０４が実装されたリードフレームの上に積層され配置されたリードフレームのとの短絡不良を防止できる。

本実施例で用いた樹脂１１４は、２５℃の体積抵抗率が１０の１０乗Ωｃｍ以上の樹脂を用いた。樹脂１１４のその他の組成、物性は、封止樹脂１０５や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１１４がリードフレームと接触しても短絡不良の原因とならないことを見出した。

また、硬化前物性がチクソ性１．２以上及び粘度４００Ｐａ・ｓ以下の液状である樹脂が、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、電気絶縁性を有する樹脂の皮膜を容易に形成でき、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、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以下のセラミクス等の絶縁性粒子を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以下のセラミクス等の絶縁性粒子を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、弾性率を調整することができる。
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層目のリードフレーム、１０１−３・・・１層目のリードフレームで形成された信号端子、１０１−４・・・浮島となる１層目リードフレーム、１０１−５・・・１層目リードフレームで形成されたブリッジ部、１０１−６・・・１層目リードフレームの外枠、１０１−７・・・１層目リードフレームで形成されたタイバー、１０２・・・２層目のリードフレーム、１０２−１・・・２層目のリードフレームで形成された大電流入力端子、１０２−２・・・２層目のリードフレームで形成された大電流出力端子、１０２−３・・・２層目のリードフレームで形成された信号端子、１０３・・・３層目のリードフレーム、１０３−３・・・３層目のリードフレームで形成された信号端子、１０４・・・電子部品、１０４−２・・・２層目のリードフレームに実装された電子部品の実装位置、１０４−３・・・３層目のリードフレームに実装された電子部品の実装位置、１０４−４・・・電子部品のリード部、１０５・・・封止樹脂、１０６・・・放熱シート、１０７・・・筐体、１０８・・・リードフレーム層間接続材、１０９・・・導電性材料、１１０・・・導電性材料１０９より融点が低い導電性材料、１１１・・・電子部品１０４以外の電子部品、１１２・・・接着剤、１１３・・・放熱フィン、１１４・・・電子部品１０４のリード部を被覆する樹脂、１１５・・・封止樹脂１０５より比誘電率が高い樹脂、１１６・・・ツール痕、１１７・・・接続界面、１１８・・・銅の直方体。

Claims (12)

1. 第一及び第二の電子部品と、
   第一の電子部品が実装された第一の層のリードフレームと、
   前記第一の層のリードフレームの上方に積層して配置され、前記第二の電子部品が実装された第二の層のリードフレームと、
   前記第一及び第二の層のリードフレームと前記第一及び第二の電子部品とを封止する封止樹脂を有する半導体装置において、
   前記第一の電子部品は、前記第一の層のリードフレームの前記第二の層のリードフレームと対向する面に実装され、前記第一の層のリードフレームと前記第二の層のリードフレームとの間の距離が、前記第一の層のリードフレームから前記第一の電子部品の上面までの距離より短いことを特徴とする半導体装置。
2. 請求項１において、
   前記第二の層のリードフレームは、複数のリードフレームで構成され、
   前記第一の電子部品は、前記第二の層の複数のリードフレームに囲まれた空間に配置されていることを特徴とする半導体装置。
3. 請求項１に記載の半導体装置において、
   前記第一のリードフレームの前記第一の電子部品を実装した面とは反対の面は、前記封止樹脂より露出していることを特徴とする半導体装置。
4. 請求項１に記載の半導体装置において、
   前記第一の層のリードフレームと前記第二の層のリードフレームとは、層間接続材により接続され、
   前記層間接続材は、前記封止樹脂により封止さ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、
   前記層間接続材によって接続されることにより、前記第一の層のリードフレームと前記第二の層のリードフレームとは電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。
6. 請求項１に記載の半導体装置において、
   第三の電子部品と、当該第三の電子部品を実装した第三の層のリードフレームとを備え、
   前記第三の層のリードフレームは、前記第二の層のリードフレームの上方に配置されるとともに、前記第二の層のリードフレームと対向した面に前記第三の電子装置を実装しており、
   前記第二の層のリードフレームは、前記第三の層のリードフレームと対向した面に前記第二の電子装置を実装しており、
   前記第二の層のリードフレームから、前記第三の電子装置までの距離は、前記第二の電子装置の上面までの距離よりも小さいことを特徴とする半導体装置。
7. 請求項６に記載の半導体装置において、
   前記第三のリードフレームの前記第三の電子部品を実装した面とは反対の面は、前記封止樹脂より露出していることを特徴とする半導体装置。
8. 請求項３または請求項７に記載の半導体装置において、
   前記第一の層のリードフレームまたは前記第三の層のリードフレームの露出した部分に接続された放熱部材を備えたことを特徴とする半導体装置。
9. 請求項１に記載の半導体装置において、
   前記第一の層のリードフレームと前記第二の層のリードフレームとの間に、前記封止樹脂より比誘電率が高い樹脂が存在していることを特徴とする半導体装置。
10. 請求項９において、
    前記比誘電率の高い樹脂をはさむリードフレームは、一方が信号伝送回路であり、他方がグラウンド回路であることを特徴とする半導体装置。
11. 請求項１０に記載の半導体装置において、
    前記樹脂をはさむ前記信号伝送回路と前記グラウンド回路との距離が２０μｍ以上１５０μｍ未満であることを特徴とする半導体装置。
12. 請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の半導体装置において、
    前記第一の層のリードフレームまたは前記第二の層のリードフレームは、複数のリードフレームで構成され、
    当該リードフレームは、同じ層の他のリードフレームと、前記封止樹脂とは異なる樹脂で接続されていることを特徴とする半導体装置。

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