JP2012244035A - 半導体装置とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却性のよい低コストの半導体装置とその製造方法の提供。
【解決手段】半導体チップ２ａ、２ｂの裏面には、はんだ４を介してダイパッド５が接合されている。半導体チップ２ａ、２ｂの上面に形成された電極パッド３ａ、３ｂには、それぞれリードフレーム構造体６の金属バー７ａ、７ｂが、超音波圧着によって接合されている。ダイパッド５の下面およびリードフレーム構造体６の上面に、それぞれ絶縁シート１０および金属シート１１が配置された状態で合成樹脂材料が充填され、合成樹脂材料により形成された樹脂筐体１２によって、半導体チップ２ａ、２ｂ、電極パッド３ａ、３ｂ、３ｃ、ダイパッド５、リードフレーム構造体６、絶縁シート１０および金属シート１１が覆われる。ダイパッド５の下方に配置された金属シート１１の底面およびリードフレーム構造体６の上方に配置された金属シート１１の上面は、樹脂筐体１２から露出している。
【選択図】図１

Description

本発明は、あらゆる電子回路装置に使用される半導体装置とその製造方法に関する。

半導体チップに設けられた回路パターンの裏面に、絶縁性接着層を介して放熱板が接合されるとともに、回路パターンの表面に形成された複数の素子同士の間がワイヤにより接続され、これらを樹脂材料にて封止した半導体装置に関する従来技術があった（例えば、特許文献１参照）。
この特許文献１に開示された半導体装置は、半導体チップの冷却構造が回路パターンから放熱板に向けての片面側のみに設けられているため、その冷却効果は不十分であった。すなわち、半導体チップにおける表面側は樹脂材料にて封止されているため、表面側からの放熱効果はほとんど期待できなかった。
また、回路パターンの表面側においては、素子間をワイヤ一本一本で接続する必要があり、配線組付工程に時間を要し、半導体装置のコスト増大につながっていた。

これに対して、半導体チップの裏面に導電性接合材を用いてダイパッドに接合し、半導体チップの表面には、同様に導電性接合材を用いて弾性部材の一側を接合した半導体装置があった（例えば、特許文献２参照）。
この特許文献２に記載された半導体装置は、弾性部材の他側にさらに導電性接合材を用いてプレート端子が接合され、樹脂材料によって、半導体チップ、弾性部材、ダイパッドおよびプレート端子が封止されている。
この半導体装置においては、ダイパッドの底面およびプレート端子の天面は樹脂材料から露出しており、ダイパッドを介しての下方への放熱と、弾性部材およびプレート端子を介しての上方への放熱を達成し、半導体チップの両面からの冷却を可能にしている。

特開２０１０―１８６９３１号公報 特開２００８―２２７１３１号公報

しかしながら、特許文献２に記載された半導体装置は、半導体チップの表裏面において、導電性接合材を用いてダイパッドおよび弾性部材が接合されているため、半導体チップの両面に導電性接合材によって接合可能なメッキ処理が施されている必要がある。
一般に、半導体チップの裏面には、はんだ等の導電性接合材による接合（ダイボンド）が可能なメッキ処理が施されるとともに、表面には超音波圧着等のような熱溶着による接合（ワイヤボンド）が可能となるようなメッキ処理が施されており、半導体チップの表裏におけるメッキ処理は互いに異なっているのが通常である。

したがって、特許文献２に記載された半導体装置を製造する場合には、通常使用されている汎用の半導体チップを用いることができず、半導体チップの両面に導電性接合材による接合が可能なメッキ処理が施されているものを使用する必要がある。この結果、特許文献２による半導体装置については、コストの増大が避けられない。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、冷却性のよい低コストの半導体装置とその製造方法を提供することにある。

上述した課題を解決するために、請求項１に係る半導体装置の発明の構成は、半導体素子と、半導体素子の裏面に対して、導電性接合材を介して接合された裏面側取付部材と、半導体素子の表面に形成された電極に対して、超音波圧着によって接合された一続きの表面側導電構造体と、裏面側取付部材および表面側導電構造体のそれぞれについて、半導体素子に接合された側と反対側の面が露出した状態で、半導体素子、裏面側取付部材および表面側導電構造体を覆う封止体と、を備えたことである。

請求項２に係る発明の構成は、請求項１の半導体装置において、半導体素子または電極は複数個備えられ、表面側導電構造体は、半導体素子あるいは電極ごとに接合される複数の接合部材と、接合部材を互いに連結する連結部材と、を有し、各々の接合部材に超音波を印加することによって、表面側導電構造体を各々の電極に接合することである。

請求項３に係る発明の構成は、請求項２の半導体装置において、各々の接合部材には同時に超音波が印加され、表面側導電構造体を複数の電極に同時に接合することである。

請求項４に係る発明の構成は、請求項２または３の半導体装置において、接合部材は、表面側導電構造体の厚み方向において、連結部材と電極との間に配置されることである。

請求項５に係る半導体装置の製造方法の発明の構成は、半導体素子の裏面に対して、導電性接合材を介して裏面側取付部材を接合する裏面取付工程と、半導体素子の表面に形成された電極に対して、超音波圧着によって一続きの表面側導電構造体を接合する表面取付工程と、裏面側取付部材および表面側導電構造体のそれぞれについて、半導体素子に接合された側と反対側の面が露出した状態で、半導体素子、裏面側取付部材および表面側導電構造体を合成樹脂材料にて覆う封止工程と、を備えたことである。

請求項１に係る半導体装置によれば、半導体素子の裏面に対して、導電性接合材を介して裏面側取付部材を接合し、半導体素子の表面に形成された電極に対して、超音波圧着によって表面側導電構造体を接合し、裏面側取付部材および表面側導電構造体のそれぞれについて、半導体素子に接合された側と反対側の面が封止体から露出していることにより、裏面に導電性接合材による接合が可能なメッキ処理が施され、表面に超音波圧着による接合が可能なメッキ処理が施された汎用の半導体素子を使用しながら、半導体素子の両面から放熱を行うことができるため熱抵抗値を低減でき、低コストで冷却性のよい半導体装置にすることができる。

また、半導体素子の表面の電極に接合された表面側導電構造体が、放熱部材として機能するため、半導体装置の冷却性を一層向上させることができる。
また、半導体素子の表面の電極に対して、超音波圧着によって一続きの表面側導電構造体を接合していることにより、電極が複数あっても、表面側導電構造体に超音波を印加して、すべての電極に対し一括して接合することができるため、その接続工程に時間を要さず、半導体装置のコストを一層低減することができる。

請求項２に係る半導体装置によれば、表面側導電構造体は、半導体素子あるいは電極ごとに接合される複数の接合部材を有し、各々の接合部材に超音波を印加することにより、超音波圧着による表面側導電構造体と電極との接合品質を向上させることができる。

請求項３に係る半導体装置によれば、各々の接合部材に同時に超音波を印加し、表面側導電構造体を複数の電極に同時に接合することにより、その接続工程を一層短縮化でき、半導体装置のコストを一層低減することができる。

請求項４に係る半導体装置によれば、接合部材は、表面側導電構造体の厚み方向において、連結部材と電極との間に配置されることにより、接合部材に対する側方において、連結部材と電極との間には隙間が形成されるため、電極に接続するための他の導電部材を当該隙間に配置することが可能になる。

請求項５に係る半導体装置の製造方法によれば、半導体素子の裏面に対して、導電性接合材を介して裏面側取付部材を接合する裏面取付工程と、半導体素子の表面に形成された電極に対して、超音波圧着によって表面側導電構造体を接合する表面取付工程と、裏面側取付部材および表面側導電構造体のそれぞれについて、半導体素子に接合された側と反対側の面が露出した状態で、半導体素子、裏面側取付部材および表面側導電構造体を合成樹脂材料にて覆う封止工程と、を備えたことにより、裏面に導電性接合材による接合が可能なメッキ処理が施され、表面に超音波圧着による接合が可能なメッキ処理が施された汎用の半導体素子を使用しながら、半導体素子の両面から放熱を行うことができるため、熱抵抗値を低減でき低コストで冷却性のよい半導体装置を形成することができる。

また、半導体素子の表面の電極に接合された表面側導電構造体が、放熱部材として機能するため、半導体装置の冷却性を一層向上させることができる。
また、半導体素子の表面の電極に対して、超音波圧着によって一続きの表面側導電構造体を接合していることにより、電極が複数あっても、表面側導電構造体に超音波を印加して、すべての電極に対し一括して接合することができるため、その接続工程に時間を要さず、半導体装置のコストを一層低減することができる。

本発明の一実施形態による半導体装置の両面にヒートシンクを接続した状態を示した縦断面図 図１に表した半導体装置の一部の構成を模式的に示した分解斜視図 図２に表したリードフレーム構造体の下面を示した斜視図 図２に表したリードフレーム構造体を半導体チップに接合する方法を説明するための斜視図 半導体チップをダイパッドに接合する裏面取付工程を示した図 半導体チップの表面にリードフレーム構造体を接合する表面取付工程を示した図 半導体チップ等を合成樹脂材料により封止する封止工程を示した図

図１乃至図７に基づき、本発明の一実施形態による半導体装置１について説明する。本実施形態による半導体装置１の用途は特定のものに限られず、あらゆる電子回路に適用することが可能である。尚、説明中において、図１および図５乃至図７における上方を半導体装置１の上方とし、下方を半導体装置１の下方とする。また、半導体チップ２ａ、２ｂの上方の面をそれぞれ半導体チップ２ａ、２ｂの表面とし、下方の面を半導体チップ２ａ、２ｂの裏面として説明する。

半導体装置１の複数（図１および図２において一対）の半導体チップ２ａ、２ｂ（半導体素子に該当する）は、スイッチング機能を有するパワー半導体であるが、本発明による半導体装置１に使用可能なものは、特にこれに限定されるものではない。半導体チップ２ａ、２ｂの裏面には、はんだ等の導電性接合材による接合（ダイボンド）が可能なように、錫−亜鉛合金またははんだ等によるメッキ処理が施されている。

一方の半導体チップ２ａの表面には、電極パッド３ａ（電極に該当する）が形成されている。また、他方の半導体チップ２ｂの表面には、２種類の電極パッド３ｂ、３ｃ（電極に該当する）が設けられ、双方の電極パッド３ｂ、３ｃは、それぞれ複数個形成されている。それぞれの電極パッド３ａ、３ｂ、３ｃには、超音波等による熱圧着が可能なように、金、銀、ニッケル等によるメッキ処理が施されている。

図１および図２に示すように、半導体チップ２ａ、２ｂの裏面には、はんだ４（導電性接合材に該当する）によりダイパッド５が接合されている（ダイパッド５と、後述する下面に載置された絶縁シート１０および金属シート１１とを包含した構成が裏面側取付部材に該当する）。ダイパッド５は略平板状を呈し、銅、アルミニウム等の導電性金属によって一体に形成されている。ダイパッド５には、外部端子としてのリード接続部５ａが外方へ向かって延在している。

一方、電極パッド３ａ、３ｂの上面には、外部との間で信号伝達を行う導電体としてのリードフレーム構造体６が接合されている（リードフレーム構造体６と、後述する上面に載置された絶縁シート１０および金属シート１１とを包含した構成が表面側導電構造体に該当する）。リードフレーム構造体６は、後述するように、超音波圧着により電極パッド３ａ、３ｂと接合される。リードフレーム構造体６は、銅、アルミニウム等の導電性金属によって一体に形成されている。

図２に示したように、リードフレーム構造体６は、２種類の電極パッド３ａ、３ｂごとに接合される一対の金属バー７ａ、７ｂ（接合部材に該当する）と、双方の金属バー７ａ、７ｂをその上面において接続するように、図１において左右方向に延びた平板状のリードフレーム部８（連結部材に該当する）とにより形成されている。リードフレーム部８にも、外部端子として外方へ向かって延在したリード接続部８ａが形成されている。

各々の金属バー７ａ、７ｂは、リードフレーム部８の下方を横切るように、平面視が略長方形状の板部材によって形成されており、それぞれの長手方向の両端部には、リードフレーム部８の側面から突出した端出部７１ａ、７１ｂが設けられている。各々の金属バー７ａ、７ｂの一対の端出部７１ａ、７１ｂは、リードフレーム構造体６を電極パッド３ａ、３ｂに対し接合する際に、超音波を印加する部位として使用される。
また、図３に示すように各々の金属バー７ａ、７ｂの下面には、一段下方に突出した段出部７２ａ、７２ｂが形成され、各段出部７２ａ、７２ｂには複数の接合突部７３が形成されている。接合突部７３は各々四角柱状を呈しており、これらは段出部７２ａ、７２ｂの下面において格子状に並んだ状態で突出している。

リードフレーム構造体６を電極パッド３ａ、３ｂに接合する場合、リードフレーム構造体６の金属バー７ａ、７ｂを、それぞれ電極パッド３ａ、３ｂ上に載置した状態で、冶具によってリードフレーム構造体６を固定する。その後、上方からキャリパ状の超音波接合用治具ＵＴを下降させ、その一対の脚部ＬＰ１、ＬＰ２の下端を、各々の金属バー７ａ、７ｂの双方の端出部７１ａ、７１ｂの上面に当接させる。超音波接合用治具ＵＴにより、双方の金属バー７ａ、７ｂに対して同時に超音波振動を印加しながら金属バー７ａ、７ｂを加圧し、リードフレーム構造体６が電極パッド３ａ、３ｂに接合される（図４示）。本実施形態において超音波振動は、リードフレーム部８の長手方向（図４においてＺ方向）に加えられるが、この方向に限定されるべきものではない。

この時、上述した各々の段出部７２ａ、７２ｂに形成された接合突部７３は、超音波接合用治具ＵＴからの振動エネルギーの拡散を抑制するように機能する。
上述した接合方法により、リードフレーム構造体６の各々の金属バー７ａ、７ｂは、それぞれの電極パッド３ａ、３ｂに対し同時に接合される。尚、図４において、半導体チップ２ａ、２ｂは省略されている。

また、図１に示したように、半導体チップ２ｂに形成された電極パッド３ｃには、外部から延びた、もう一つのリードフレーム９が超音波圧着により接合されている。ここで、リードフレーム構造体６の厚み方向（図１における上下方向）において、金属バー７ａ、７ｂが、電極パッド３ａ、３ｂ、３ｃとリードフレーム部８との間に介装されているため、金属バー７ａ、７ｂに対する側方において、電極パッド３ａ、３ｂ、３ｃとリードフレーム部８との間には上下方向にリードフレーム９が配置されるための十分なスペースが形成されている。

図１に示したように、ダイパッド５の下面およびリードフレーム構造体６の上面には、それぞれ絶縁シート１０が載置され、各々の絶縁シート１０の下面または上面には、金属シート１１が配置されている。
この状態で、半導体チップ２ａ、２ｂ、電極パッド３ａ、３ｂ、３ｃ、ダイパッド５、リードフレーム構造体６、リードフレーム９、絶縁シート１０および金属シート１１は、エポキシ樹脂等の合成樹脂材料による樹脂筐体１２（封止体に該当する）で覆われている。これにより、上述した各部材は樹脂筐体１２内に封入され、水、異物等から保護される。

半導体装置１は、樹脂筐体１２によって封入された状態で、ダイパッド５の下方に配置された金属シート１１の下面が露出するとともに、リードフレーム構造体６の上方に配置された金属シート１１の上面が露出している。
半導体装置１の下面および上面には、サーマルグリス１３を介してヒートシンク（熱交換器）１４が接合されている（図１示）。ヒートシンク１４は、半導体装置１をその上端面および下端面において冷却している。

次に、上述した半導体装置１の製造工程について簡単に説明する。
最初に、ダイパッド５の上面に、はんだボンディングによりはんだ４を介して半導体チップ２ａ、２ｂの裏面を接合する（図５示、裏面取付工程）。
次に、半導体チップ２ａ、２ｂの電極パッド３ａ、３ｂ、３ｃ上に、それぞれリードフレーム構造体６の金属バー７ａ、７ｂおよびリードフレーム９を載置した後、金属バー７ａ、７ｂおよびリードフレーム９に超音波振動を印加して、電極パッド３ａ、３ｂ、３ｃに対して金属バー７ａ、７ｂおよびリードフレーム９を接合する（図６示、表面取付工程）。

次に、ダイパッド５の下面およびリードフレーム構造体６の上面に、それぞれ絶縁シート１０および金属シート１１を配置する。
最後に、半導体チップ２ａ、２ｂ、ダイパッド５、リードフレーム構造体６、リードフレーム９、絶縁シート１０および金属シート１１を覆うとともに、ダイパッド５の下方に配置された金属シート１１の底面およびリードフレーム構造体６の上方に配置された金属シート１１の上面が露出するように、合成樹脂材料を充填して樹脂筐体１２を形成し、半導体装置１を完成させる（図７示、封止工程）。

本実施形態によれば、半導体チップ２ａ、２ｂの裏面に対して、はんだ４を介してダイパッド５を接合し、半導体チップ２ａ、２ｂの表面の電極パッド３ａ、３ｂに対して、超音波圧着によってリードフレーム構造体６を接合し、ダイパッド５の下方およびリードフレーム構造体６の上方に配置された金属シート１１のそれぞれについて、その下面または上面が樹脂筐体１２から露出していることにより、裏面に導電性接合材によるダイボンド用のメッキ処理が施され、表面に超音波圧着用のメッキ処理が施された汎用の半導体チップ２ａ、２ｂを使用しながら、半導体チップ２ａ、２ｂの両面から放熱を行うことができるため熱抵抗値を低減でき、低コストで冷却性のよい半導体装置１にすることができる。

また、半導体チップ２ａ、２ｂの表面の電極パッド３ａ、３ｂに接合されたリードフレーム構造体６が、放熱部材として機能するため、半導体装置１の冷却性を一層向上させることができる。
また、半導体チップ２ａ、２ｂの表面の電極パッド３ａ、３ｂに対して、超音波圧着によって一続きのリードフレーム構造体６を接合していることにより、電極パッド３ａ、３ｂが複数あっても、リードフレーム構造体６に超音波を印加して、すべての電極パッド３ａ、３ｂに対し一括して接合することができるため、その接続工程に時間を要さず、半導体装置１のコストを一層低減することができる。

また、リードフレーム構造体６は、電極パッド３ａ、３ｂごとに接合される複数の金属バー７ａ、７ｂを有し、各々の金属バー７ａ、７ｂに超音波を印加することにより、超音波圧着によるリードフレーム構造体６と電極パッド３ａ、３ｂとの接合品質を向上させることができる。
また、各々の金属バー７ａ、７ｂに同時に超音波を印加し、リードフレーム構造体６を複数の電極パッド３ａ、３ｂに同時に接合することにより、その接続工程を一層短縮化でき、半導体装置１のコストを一層低減することができる。

また、金属バー７ａ、７ｂは、リードフレーム構造体６の厚み方向において、リードフレーム部８と電極パッド３ａ、３ｂとの間に形成されることにより、金属バー７ａ、７ｂに対する側方において、リードフレーム部８と電極パッド３ａ、３ｂとの間には上下方向にスペースが形成されるため、電極パッド３ｃに接続するための他のリードフレーム９を当該スペースに配置することが可能になる。

＜他の実施形態＞
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、次のように変形または拡張することができる。
半導体装置に含まれる半導体チップを１つとし、当該半導体チップ上に複数の電極パッドが形成されており、各々の電極パッドごとに異なる金属バーを接合するようにしてもよい。

図面中、１は半導体装置、２ａ，２ｂは半導体チップ（半導体素子）、３ａ，３ｂ，３ｃは電極パッド（電極）、４ははんだ（導電性接合材）、５はダイパッド（裏面側取付部材）、６はリードフレーム構造体（表面側導電構造体）、７ａ，７ｂは金属バー（接合部材）、８はリードフレーム部（連結部材）、１０は絶縁シート（裏面側取付部材、表面側導電構造体）、１１は金属シート（裏面側取付部材、表面側導電構造体）、１２は樹脂筐体（封止体）を示している。

Claims (5)

1. 半導体素子と、
   前記半導体素子の裏面に対して、導電性接合材を介して接合された裏面側取付部材と、
   前記半導体素子の表面に形成された電極に対して、超音波圧着によって接合された一続きの表面側導電構造体と、
   前記裏面側取付部材および前記表面側導電構造体のそれぞれについて、前記半導体素子に接合された側と反対側の面が露出した状態で、前記半導体素子、前記裏面側取付部材および前記表面側導電構造体を覆う封止体と、
   を備えた半導体装置。
2. 前記半導体素子または前記電極は複数個備えられ、
   前記表面側導電構造体は、
   前記半導体素子あるいは前記電極ごとに接合される複数の接合部材と、
   前記接合部材を互いに連結する連結部材と、
   を有し、
   各々の前記接合部材に超音波を印加することによって、前記表面側導電構造体を各々の前記電極に接合する請求項１記載の半導体装置。
3. 各々の前記接合部材には同時に超音波が印加され、前記表面側導電構造体を複数の前記電極に同時に接合する請求項２記載の半導体装置。
4. 前記接合部材は、
   前記表面側導電構造体の厚み方向において、前記連結部材と前記電極との間に配置される請求項２または３に記載の半導体装置。
5. 半導体素子の裏面に対して、導電性接合材を介して裏面側取付部材を接合する裏面取付工程と、
   前記半導体素子の表面に形成された電極に対して、超音波圧着によって一続きの表面側導電構造体を接合する表面取付工程と、
   前記裏面側取付部材および前記表面側導電構造体のそれぞれについて、前記半導体素子に接合された側と反対側の面が露出した状態で、前記半導体素子、前記裏面側取付部材および前記表面側導電構造体を合成樹脂材料にて覆う封止工程と、
   を備えた半導体装置の製造方法。

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