JP2011109144A - 半導体装置 - Google Patents

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Kenya Kono
賢哉 河野
Yoshiaki Ashida
喜章 芦田
Tadayoshi Tanaka
直敬 田中
Hitohisa Sato
仁久 佐藤
Kazuo Shimizu
一男 清水
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Abstract

【課題】 パワートランジスタが組み込まれた半導体装置内部における接続板の移動による導電性接着材の厚さ減少による接続信頼性低下を抑制する。
【解決手段】 半導体チップと、リード端子と、前記半導体チップと前記リード端子の上部に位置し、かつ、前記半導体チップと前記リード端子側に位置する下面と、前記下面と反対側の上面とを有する導電性の接続板と、を備えた半導体装置において、
前記接続板は、前記下面において、前記半導体チップと接着材により電気的に接続する第１の面を有する第１の領域、前記リード端子と前記接着材により電気的に接続する第２の面を有する第２の領域、及び前記第１の領域と前記第２の領域とを結ぶ第３の領域を備え、
前記第３の領域には、前記第２の面が前記リード端子と接続した場合に、前記第２の面に対して上方向に離れた第３の面を備えている。
【選択図】図１０

Description

本発明は半導体装置に係わり、特にパワーＭＯＳＦＥＴ（Ｍetal Ｏxide Semiconductor Ｆield Ｅffect Ｔransistor）、ＩＧＢＴ（Ｉnsulated Ｇate Ｂipolar Ｔransistor）、バイポーラパワー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。上記半導体は、携帯機器、レーザビームプリンタおよび自動車電装機器などで使用される。
携帯電話や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）機器などの電源回路および自動車電装機器など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。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。
この種のパワー型半導体装置は、近年より一層高出力化の傾向にあり、半導体チップと外部電極とを金属板（接続板）で接続した半導体装置（パッケージ）が提案されている（例えば、特許文献１）。
この半導体装置１は、図１および図２に示すような外観形状をしている。図１はパッケージ平面図であり、図２はパッケージ側面図である。ヘッダと称される金属製の支持基板２の上面側は絶縁性樹脂からなる封止体３によって被われ、この封止体３の一端から三本のリード４、５、６が平行に突出している。リード４、５、６は、それぞれゲート（Ｇ）、ソース（Ｓ）、ドレイン（Ｄ）となっている。ヘッダ２には固定用の孔７が設けてある。
また、この半導体装置１は、図３および図４に示すような内部構造をしている。図３はパッケージ内部平面概略図であり、図２はパッケージ内部側面概略図であり、ともに封止体３を取り除いて示してある。
半導体チップ８は、ヘッダ２上に導電性の接着材９によって接続されている。また、半導体チップ８とゲートリードは導電性のワイヤ１０で接続されている。
半導体チップ８とソースリード５は、金属製の接続板１１で電気的に接続されている。この接続板１１は、厚肉部１２と薄肉部１３を有しており、厚肉部１２は半導体チップ８と導電性の接着材１４で、薄肉部１３はソースリード５と導電性の接着材１５で接続されている。
この厚肉部１２により、接続板１１の熱容量を大きくすることが可能であり、高出力化に対する放熱性を向上させている。
特開２００５―２４２６８５号公報
しかしながら、半導体装置１の組立て時、接続板１１を半導体チップ８およびソースリード５と接続する際に、例えば接着材１５にはんだなどを用いた場合、接続時にはんだが溶融し接続板１１の薄肉部１３の周辺に濡れ拡がり、はんだの凝縮により接続板１１がソースリード５側に動いてしまう恐れがある。
図５は、本発明が解決しようとする課題をわかりやすく模式的に示した図である。接続板１１とソースリード５の接続部にあるはんだ（接着材１５）が薄肉部１３周辺に濡れ拡がり、はんだの凝縮により接続板１１がソースリード５側へ移動し、接続板１１と半導体チップ８間のはんだ（接着材１４）と、半導体チップ８とヘッダ２間のはんだ（接着材９）厚さが薄くなってしまう。
そのため、はんだが薄くなると温度サイクル試験や実稼動時の発熱ではんだに発生する熱ひずみが増加し、はんだの接続信頼性が大きく低下することが懸念される。特に、接続板１１と半導体チップ８、半導体チップ８とヘッダ２間の２つのはんだ（接着材１４と９）があるため、両者のはんだ接続寿命が大きく低下してしまう。
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決することのできる高信頼度の接続板形状を用いた半導体装置を提供することにある。
上記課題を解決するのに、本発明では、接続板のソースリードとの接続部周辺の薄肉部の形状を制御することで、はんだ（接着材）接続時に接続板が動かぬよう係止する手法を見出した。
これは、例えば接着材にはんだを用いる場合、はんだの濡れ拡がり性を考慮して実現可能となる。
簡単に説明すると、例えば接続板とソースリードとの接続部周辺の接続板の薄肉部に段差を形成し、接続板がソースリード側に移動しないようにする。
また、はんだの濡れ拡がりを考慮すると、接続板とソースリードが十分接続可能な面積を確保できる範囲で接続板に溝を形成し、はんだの濡れ拡がりを防ぐことで接続板がソースリード側に移動しないようにする。
これにより、はんだ接続時に接続板が動かず、接続板と半導体チップ間および半導体チップとヘッダ間の２つのはんだの厚さが容易にかつ的確に確保される。
以上により、高出力化対応のため半導体チップと外部電極（リード）とを接続板で接続した半導体装置においても、十分な信頼性を有する半導体装置の製造が可能となる。
具体的には、例えば以下の半導体装置を提供することができる。
（１）第１の電極と第２の電極とを電気的に接続する接続板を有する半導体装置において、前記接続板の前記第１の電極もしくは第２の電極との接続部に段差が設けられ、前記第１の電極もしくは第２の電極と前記段差との間が導電性の接着材で接続され、前記接続板が前記段差により前記第１の電極もしくは第２の電極に係止されていることを特徴とする半導体装置。
（２）第１の電極と第２の電極とを電気的に接続する接続板を有する半導体装置において、前記接続板の前記第１の電極もしくは第２の電極との接続部に溝が設けられ、前期第１の電極もしくは第２の電極と前記溝よりも外側が導電性の接着材で接続され、前記接続板が前記第１の電極もしくは第２の電極に係止されていることを特徴とする半導体装置。
このように、接続板のソースリードとの接続部周辺の薄肉部に段差を設けることで、はんだのような導電性の接着材の凝縮による接続板の移動を容易にかつ的確に防ぐことができる。
また、接続板のソースリードとの接続部の薄肉部に、接続板とソースリードが十分接続可能な面積を確保できる範囲で接続板に溝を形成し、はんだの濡れ拡がりを防ぐことで接続板がソースリード側に動かず、はんだのような接着材の凝縮による接続板の移動を容易にかつ的確に防ぐことができる。
これにより、接続板を接続する際に接続板が動かず、接続板と半導体チップ間および半導体チップとヘッダ間の２つの接着材の厚さが十分に確保され、高出力化対応のため半導体チップと外部電極（リード）とを接続板で接続した半導体装置においても、高信頼度な半導体装置の製造が可能となる。
従来の半導体装置の平面図である。 従来の半導体装置の側面図である。 従来の半導体装置の内部平面概略図である。 従来の半導体装置の内部側面概略図である。 本発明が解決しようとする課題の模式図である。 本発明の実施例１である半導体装置の内部断面概略図である。 本発明の実施例１である半導体装置の内部平面概略図である。 本発明の半導体装置に組み込まれる半導体チップの側面概略図である。 本発明の半導体装置の製造方法を示したフローチャートである。 本発明の実施例２である半導体装置の内部断面概略図である。 本発明の実施例３である半導体装置の内部平面概略図である。
以下、図面を参照して本発明の半導体装置の実施例について詳細に説明する。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。
［実施例１］
図９は、本発明の半導体装置の製造方法を示したフローチャートである。半導体装置は、図に示すように、リードフレーム準備（１９１）、チップボンディング（１９２）、ワイヤボンディング（１９３）、接着材塗布（１９４）、接続板付け（１９５）、接着材硬化処理（１９６）、封止体形成（１９７）、切断除去（１９８）の各工程を経て製造される。特に、本発明は、接続板付け（１９５）と接着材硬化処理（１９６）において、接続板が移動して接着材厚さが薄くなることを防ぐことを解決するものである。
図６および図７は、本発明の実施例１である半導体装置の内部構造概略である。図６は半導体装置の内部断面概略図であり、図７は半導体装置の内部平面概略図である。図では、封止体を取り除いて示しており、点線で封止体の外形を示してある。
本実施例では、本発明を縦型パワートランジスタ（半導体装置）に適用した例である。すなわち、ドレイン（Ｄ）電極、ソース（Ｓ）電極、ゲート（Ｇ）電極を有す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。
半導体装置１は、図６および図７に示すように、外観的には、扁平視四角形上の封止体３の一端面から３本のリード（４，５，６）を平行に延在する構造となっている。封止体３は絶縁性樹脂からなり、リード（４，５，６）は金属製である。リード（４，５，６）は、例えば銅合金からなり、封止体３は例えばエポキシ樹脂からなっている。中央のリード５はソースリード５であり、その左側のリード４はゲートリード４、その右側のリード６はドレインリード６である。
封止体３の下面には支持基板（ヘッダ）２の下面が露出している。この支持基板２はその幅が封止体３の幅と略同一の幅となり、封止体３と一致して重なっている。封止体３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６は、封止体３の内部において１段階段状に下方に屈曲し、支持基板２に繋がっている。支持基板２の厚さはドレインリード６の厚さよりも厚くなっている。半導体装置１は、その製造方法において、リードフレームと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２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（ソース）リードポスト１６になり、ゲートリード４の先端もやや幅が広い（ゲート）リードポスト１７になる。リードポスト１６には後述する幅が広い接続板１８が接続される。また、リードポスト１７にはワイヤ１０が接続される。ワイヤ１０は、例えば直径１２５μｍのＡｌワイヤなどを使用する。
また、前記封止体３内には、半導体チップ８が配置されている。この半導体チップ８は、例えば縦型パワーＭＯＳＦＥＴが形成され、図８に示すように下面（裏面）にドレイン電極１９を有し、上面（主面）にはソース電極２０とゲート電極２１を有した構造である。
この半導体チップ８は、下面のドレイン電極１９が導電性の接着材９を介して支持基板２に固定されている。半導体チップ８は、例えば支持基板２の長手方向に沿う長さが６．７ｍｍ、支持基板２の幅方向の長さが９．０ｍｍとなっている。ゲートリード４のリードポスト１７は、ワイヤ１０を介して半導体チップ８のゲート電極２１に接続されている。ワイヤ１０は、例えば直径が１２５μｍになるＡｌワイヤである。
また、半導体チップ８のソース電極２０とソースリード５は電気的に接続されている。この接続手段は、図６および図７に示すように、厚肉部１２とこれに連なる薄肉部１３とを有した金属からなる接続板１８と、厚肉部１２の下面を半導体チップ８のソース電極２０に接続する導電性の接着材１４と、薄肉部１３の下面をソースリード５のリードポスト１６に接続する導電性の接着材１５とで構成されている。
このとき、支持基板２に半導体チップ８を固定する接着材９、接続板１８を半導体チップ８およびリードポスト１６に接続する接着材１４と１５は、はんだまたはＡｇペーストを使用することができる。
接続板１８は、図７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２０の幅とリードポスト１６の幅は、接続板１８の幅程度かそれ以上広い幅になっている。接続板１８は、例えば異形材の銅合金からなり、薄肉部１３の厚さは０．５ｍｍ程度、厚肉部１２の厚さは２．０ｍｍ程度であり、長さは８．０ｍｍ程度、幅は７．０ｍｍ程度である。
このような異形材を用いることで、接続板１８の熱容量を大きくし、放熱性が向上する。同時に、電気的なオン抵抗も低減できる。
このとき、ソースリード５のリードポスト１６と導電性の接着材１５によって接続される接続板１８の薄肉部１３には、図６に示すように段差２２が設けてある。この段差２２は、図５に示したように本発明が解決しようとする課題である接続板１１の移動を防止するためのものである。つまり、リードポスト１６に塗布された導電性の接着材１５が、接続板１８の薄肉部１３周辺に濡れ拡がり、接着材１５の凝縮による接続板１８のリードポスト１６側への移動を防ぐものである。すなわち、リードポスト１６の先端面と接続板１８の薄肉部１３に形成された段差２２の垂直面が接触することで、接続板１８を係止することが可能となる。もちろん、リードポスト１６の先端面と段差２２の間には、導電性の接着材１５が存在することもあるため、必ずしもリードポスト１６の先端面と段差２２の垂直面が接触しなくても、接続板１８が係止されることは明白である。
なお、段差２２の大きさは、接続板１８が係止されればどのような大きさであってもよい。
これにより、接続板１８がソースリード５側へ移動し、接続板１８と半導体チップ８の間の導電性の接着材１４と、半導体チップ８とヘッダ２の間の接着材９の厚さが薄くなることを防ぎ、温度サイクル試験や実稼動時の発熱で接着材に発生する熱ひずみを抑制することで接続信頼性が大きく向上し、高信頼度の半導体装置の提供が可能となる。
一方、接続板１８の平坦な上面上を、封止体３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１８を覆い、耐湿性向上を実現している。
また、半導体チップ８から外れる封止体３の中央部分には、半導体装置１を実装基板などに取り付ける際利用する孔７が形成されている。
［実施例２］
図１０および図１１は、本発明の実施例２である半導体装置の内部構造概略である。図１０は半導体装置の内部断面概略図であり、図１１は半導体装置の内部平面概略図である。図では、封止体を取り除いて示しており、点線で封止体の外形を示してある。
実施例２の半導体装置１は、実施例１の半導体装置１において、接続板１８の薄肉部１３に形成された段差２２に代わり、接続板２４に溝２３を形成したものである。
本実施例の半導体装置１では、接続板２４の薄肉部１３にリードポスト１６と接続される面側に溝２３が形成されている。この溝２３は、図５に示したように本発明が解決しようとする課題である接続板１１の移動を防止するためのものである。つまり、リードポスト１６に塗布された導電性の接着材１５が、接続板２４の薄肉部１３周辺に濡れ拡がり、接着材１５の凝縮による接続板２４のリードポスト１６側への移動を防ぐものである。すなわち、リードポスト１６の先端上にある導電性の接着材１５は、接続板２４の薄肉部１３に形成された溝２３よりも先端側、すなわちリードポスト１６側にしか濡れ拡がらないため、接続板２４をその場に係止することが可能となる。側面から見たリードポスト１６に対する溝２３の位置は、設計上リードポスト１６の先端面と同一面上でよいが、製造上ソースリード５側、もしくは接続板２４側にずれても、接続板２４が係止されていれば全く問題はない。また、溝２３内に接着材１５が濡れ拡がっても、溝２３内で接着材１５の濡れ拡がりを十分に吸収できることから、接続板２４の移動は十分に抑えることができる。
なお、溝２３の大きさは、接続板２４が係止されていればどのような大きさであってもよい。
これにより、接続板２４がソースリード５側へ移動し、接続板２４と半導体チップ８の間の導電性の接着材１４と、半導体チップ８とヘッダ２の間の接着材９の厚さが薄くなることを防ぎ、温度サイクル試験や実稼動時の発熱で接着材に発生する熱ひずみを抑制することで接続信頼性が大きく向上し、高信頼度の半導体装置の提供が可能となる。
１…半導体装置
２…支持基板（ヘッダ）
３…封止体
４…ゲートリード
５…ソースリード
６…ドレインリード
７…孔
８…半導体チップ
９…接着材（半導体チップとヘッダ）
１０…ワイヤ
１１…接続板（従来）
１２…厚肉部
１３…薄肉部
１４…接着材（接続板と半導体チップ）
１５…接着材（ソースリードと接続板）
１６…リードポスト（ソース）
１７…リードポスト（ゲート）
１８…接続板（実施例１）
１９…ドレイン電極
２０…ソース電極
２１…ゲート電極
２２…段差
２３…溝
２４…接続板（実施例２）

Claims (7)

  1. 半導体チップと、
    リード端子と、
    前記半導体チップと前記リード端子の上部に位置し、かつ、前記半導体チップと前記リード端子側に位置する下面と、前記下面と反対側の上面とを有する導電性の接続板と、を備えた半導体装置において、
    前記接続板は、前記下面において、前記半導体チップと接着材により電気的に接続する第１の面を有する第１の領域、前記リード端子と前記接着材により電気的に接続する第２の面を有する第２の領域、及び前記第１の領域と前記第２の領域とを結ぶ第３の領域を備え、
    前記第３の領域には、前記第２の面が前記リード端子と接続した場合に、前記第２の面に対して上方向に離れた第３の面を備えた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、
    前記リード端子と前記接続板の第２の面が前記接着材により係止されており、
    前記リード端子と前記接続板の第３の面の間で、前記接着材が吸収され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、
    前記接続板の第３の面が設けられた位置の前記接続板の上面は平坦であることを特徴とする半導体装置。
  4. 請求項１から請求項３のうちの何れか１項に記載の半導体装置において、
    前記接続板の第３の面の端部位置は前記リード端子の先端面と同一面上にあることを特徴とする半導体装置。
  5. 請求項１から請求項３のうちの何れか１項に記載の半導体装置において、
    前記接続板の第３の面の端部位置は前記リード端子の先端面より、前記リード端子側にずれた位置にあることを特徴とする半導体装置。
  6. 請求項１から請求項５のうちの何れか１項に記載の半導体装置において、
    前記第３の面は前記接続板の下面の端部から対向する端部まで形成されていることを特徴とする半導体装置。
  7. 請求項１から請求項６のうちの何れか１項に記載の半導体装置において、
    前記半導体チップ、前記リード端子、及び前記接続板は、樹脂を有する封止体によって封止されていることを特徴とする半導体装置。
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