JP2013021125A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体素子で発生した熱を、簡易な構成で更に効率良く外部に放散させることができる半導体装置およびその製造方法を提供することを課題とする。
【解決手段】半導体装置１０は、一方の主面１２ｐが大気に露出している金属板１２と、金属板１２の他方の主面１２ｑ上に形成され、高熱伝導絶縁樹脂で構成される絶縁層１４と、絶縁層１４上に形成された導体パターン１６と、導体パターン１６に実装された半導体素子２０と、導体パターン１６に接合されたリードピン２２と、金属板１２の他方の主面１２ｑ側を覆う樹脂部２４と、を備えている。
【選択図】図４

Description

本発明は、実装された半導体素子を樹脂封止した半導体装置およびその製造方法に関する。
従来から広く使用されている半導体装置では、セラミック基板上にチップを搭載（実装）し、端子（リード）にワイヤーで接続するとともに、端子を、セラミック基板のチップ搭載側とは反対側に出していることが多い（例えば、特許文献１参照）。そして、このようなチップ搭載および端子接続を行った後、一般的に樹脂封止を行っている。
特開２０００−２４４２９１号公報
ところで、半導体チップを使用するとチップが発熱する。チップは樹脂封止されているので、チップの発熱を除去することは重要である。従来から、チップのこの発熱を放散することについて様々な提案がなされているが、現状よりも更に、簡易な構成で効率良く熱を放散させることが好ましい。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、半導体素子で発生した熱を、簡易な構成で効率良く外部に放散させることができる半導体装置およびその製造方法を提供することを課題とする。
上記課題を解決するために、本発明に係る半導体装置は、一方の主面が大気に露出している金属板と、前記金属板の他方の主面上に形成され、高熱伝導絶縁樹脂で構成される絶縁層と、前記絶縁層上に形成された導体パターンと、前記導体パターンに実装された半導体素子と、前記導体パターンに接合されたリードと、前記金属板の前記他方の主面側を覆う樹脂部と、を備えることを特徴とする。
また、本発明に係る別の半導体装置は、一方の主面が大気に露出している絶縁性の放熱板と、前記放熱板の他方の主面上に形成された導体パターンと、前記導体パターンに実装された半導体素子と、前記導体パターンに接合されたリードと、前記放熱板の前記他方の主面側を覆う樹脂部と、を備えることを特徴とする。
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、所定寸法にされた金属板上に高熱伝導絶縁樹脂材で構成される絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層上に導体パターンを形成する工程と、半導体素子を前記導体パターンに実装するとともにリードを前記導体パターンに接合する工程と、前記金属板のうち前記半導体素子が実装されている面とは反対面が大気中に露出するように、少なくとも前記リードの根元部と前記半導体素子とを樹脂封止する工程と、を備えることを特徴とする。
本発明によれば、半導体素子で発生した熱を、簡易な構成で効率良く外部に放散させることができる半導体装置およびその製造方法を得ることができる。
本発明の一実施形態に係る半導体装置の構造を説明する斜視図である（簡明化のため樹脂部を図示していない）。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の斜視図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の斜視図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の側面断面図である（簡明化のため、保護膜及び接合材を図示せず、また、半導体素子の図示を簡略化している）。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の展開図である（簡明化のため樹脂部を図示していない）。 本発明の一実施形態の変形例を示す半導体装置の側面断面図である（簡明化のため、保護膜及び接合材を図示せず、また、半導体素子の図示を簡略化している）。
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。図１、図２は、それぞれ、本発明の一実施形態（以下、本実施形態という）に係る半導体装置の構造を説明する斜視図（簡明化のため後述の樹脂部２４を図示していない）、および、本実施形態に係る半導体装置の斜視図である。図３は、本実施形態に係る半導体装置を金属板露出面側から見た斜視図である。図４は、本実施形態に係る半導体装置の側面断面図（簡明化のため後述の保護膜１８及び接合材２６を図示せず、また、後述の半導体素子２０の図示を簡略化している）であり、図５は、本実施形態に係る半導体装置の展開図（簡明化のため樹脂部を図示していない）である。
本実施形態に係る半導体装置１０は、例えば半導体リレーであるが、パワーモジュール等の他の半導体装置であってもよい。本実施形態に係る半導体装置１０は、一方の主面１２ｐが大気に露出している金属板１２と、金属板１２の他方の主面１２ｑ（図４、図５参照）上に形成され、高熱伝導絶縁樹脂で構成される絶縁層１４と、絶縁層１４上に形成された導体パターン１６とを備えている。また、半導体装置１０は、絶縁層１４上に形成された保護膜１８（例えばレジストによって構成される。図５参照）と、導体パターン１６に実装された半導体素子２０と、導体パターン１６に接合されたリードピン（端子）２２と、金属板１２の他方の主面１２ｑ側を覆う固体状の樹脂部２４（図２、図４参照）とを備えている。
図５に示すように、導体パターン１６と半導体素子２０とは接合材２６を介して接合されており、同様に、導体パターン１６とリードピン２２とは接合材２６を介して接合されている。ここで、高熱伝導絶縁樹脂とは、熱伝導率が高く、かつ電気絶縁性の樹脂のことである。また、固体状の樹脂部２４の材質は、例えばエポキシ樹脂である。接合材２６の材質は、例えば、はんだ、銀ペーストなどである。
金属板１２の材質は、銅（Ｃｕ）などの熱伝導率が高い材質とされている。なお、銅以外に、銅材にニッケル（Ｎｉ）めっきしたもの、アルミニウム（Ａｌ）、鉄（Ｆｅ）などにすることも可能である。この金属板１２の一方の主面１２ｐは全面にわたって大気中に露出している。
半導体素子２０としては、ＭＩＣやＭＯＳが代表的に挙げられる。本実施形態では、半導体素子２０の一方の電極ははんだ等により導体パターン１６に接続（接合）され、他方の電極は、ワイヤボンディング（または端子板）により接続されている。本実施形態では、ワイヤボンディングには金ワイヤ２８やアルミワイヤ３０（いずれも図１、図５参照）などが用いられている。なお、アルミワイヤ３０に代えて、クリップ状の導線を用いることも可能である。また、フリップチップ接続の場合には、ワイヤボンディングを省略することができる。
導体パターン１６の材質は銅であり、熱伝導率が高い。導体パターン１６の表面側には、上述の保護膜１８が形成されており、電気接続の必要性などにより導体パターン１６を露出させたい領域では保護膜１８が部分的に除去されている。
リードピン２２は、導体パターン１６に直接に接合材２６により接合されて所定位置に立設している。従って、本実施形態では、リードピン２２は導体パターン１６から金属板１２の側とは反対側に延び出すように立設しており、リードピン２２の先端部が樹脂部２４から突出している（図２、図４参照）。本実施形態では、リードピン２２は丸棒状（例えば直径０．８ｍｍφ）とされており、銅製の棒材の表面に銀めっきされたもので構成されている。また、リードピン２２の根元部には鍔２３が設けられており、根元部が樹脂部２４から抜けないようにされている。なお、リードピン２２に溝（縦溝、横溝、螺旋溝など）を形成しておいてもよい。これにより、製品実装時の結合強化やはんだ接合力の強化を達成することが可能になる。また、リードピン２２の先端形状は丸形状であっても平形状であってもよい。また、接合材２６に代えて、レーザ溶接で接合することも可能である。
更に、半導体装置１０は、樹脂部２４の周囲および金属板１２の周囲を囲む樹脂ケース３２を有する。樹脂ケース３２は、柔軟性のある熱可塑性樹脂材で構成されるように、その材質が選定されている。本実施形態では、樹脂ケース３２の材質は樹脂部２４よりも柔らかい材質にされており、半導体装置１０に衝撃が加えられても、この衝撃を樹脂ケース３２が吸収して緩和し、樹脂部２４に大きな衝撃力が加えられることが回避されている。
そして、この樹脂ケース３２は、四隅部に、樹脂部２４の表面側（金属板１２の側とは反対側）に位置する隅板部３４を有する。隅板部３４の形状としては種々の形状が考えられ、直角三角形状、正方形状、長方形状、突状に延び出す形状などが例として挙げられる。また、隅板部３４は、隅板部３４は隅部を構成する両辺に連続するように形成されていてもよいし、一方の辺（片辺）に連続するように形成されていてもよい。
更に、隅板部３４の外面側には突部３６が形成されており、突部３６から衝撃力が半導体装置１０に加えられた際に隅板部３４が撓む構成にされている。
（製造方法）
半導体装置１０を製造するには、まず、半導体装置１０用の所定寸法にされた金属板１２の上に、絶縁層１４を形成する。フィルム状で貼り付け可能な高熱伝導絶縁樹脂材が市販されており、本実施形態ではこれを裁断等して所定寸法にし、金属板１２に貼り付けることでこの絶縁層１４を形成する。なお、高熱伝導絶縁樹脂材を真空雰囲気に載置するなどして高熱伝導絶縁樹脂材内の気泡を除去しておくことが好ましい。また、フィルム状の高熱伝導絶縁樹脂材に代えて、液状の高熱伝導絶縁樹脂材を塗布・乾燥させて形成することも可能である。
次に、この絶縁層１４上に銅膜を形成する。銅膜を形成する手法としては、例えば、スパッタリングや無電解めっきなどである。そして、形成された銅膜を所定形状にエッチングすることで導体パターン１６を形成する。
更に、所定形状の開口が形成されたマスキングを被せ、レジストを塗布して所定形状の保護膜１８を形成する。マスキングとしては、保護膜１８を形成したい形状に合わせて予め開口したものを用いる。すなわち、保護膜１８を形成したくない領域に対応するマスキング部分には開口が形成されていない。ここで、導体パターン１６のうち保護膜１８を形成したくない領域は、半導体素子２０やリードピン２２に電気接続させる必要性のある領域である。
その後、半導体素子２０を導体パターン１６に実装する。この結果、導体パターン１６のこの露出している部分と半導体素子２０とがはんだ接合により電気接続される。なお、このときに半導体素子２０が樹脂封止されていなくても、後述のように、金属板１２の一方の主面１２ｐ側を樹脂封止する際にこの樹脂部２４によって半導体素子２０自体も樹脂封止される。
また、リードピン２２を導体パターン１６に接合で立設させることでリードピン２２と導体パターン１６とを電気接続させる。接合させる際には、例えば、ペースト状のはんだを導体パターン１６の所定位置に塗布し、半導体素子２０を載せるとともにリードピン２２を立て、電気炉で所定温度（例えば３００℃程度）にて熱処理することでペースト状のはんだを固化させる。
その後、電気炉から取り出し、金ワイヤ２８とアルミワイヤ３０を接続する。そして、予め製造しておいた樹脂ケース３２を上から被せるようにして金属板１２の外周側に配置する。なお、樹脂ケース３２を製造するには、例えば射出成形で製造する。突部３６については、樹脂ケース３２と一体的に形成してもよいし、製造後に別部材として隅板部３４に接着剤などで接合してもよい。
そして、樹脂ケース３２内に樹脂を流し込み、温度処理（例えば１８０℃程度）して樹脂を固化させることで樹脂部２４が形成される。固化した樹脂部２４が形成されることで、リードピン２２の鍔２３がリードピン長手方向へ移動することが強く規制される。従って、リードピン２２に引抜き力が加えられてもリードピン２２が樹脂部２４から抜けることが防止される。
（作用、効果）
以下、本実施形態の作用、効果について説明する。本実施形態の半導体装置１０では、金属板１２の一方の主面１２ｐが大気中に露出しており、金属板１２が空冷され易い。このため、金属板１２の他方の主面１２ｑ（大気中への露出側とは反対側の主面）に絶縁層１４を介して形成された導体パターン１６は、金属板１２に熱を放散し易い。そして、半導体素子２０は導体パターン１６に実装されている。従って、半導体素子２０の熱が導体パターン１６を経由して金属板１２から放散され易く、半導体素子２０の熱を効率良く外部に放散させることができる。
また、半導体素子２０を導体パターン１６に実装する際に半導体素子２０が樹脂封止されていなくても、その後に一方の主面１２ｐの側に樹脂部２４を形成することで、半導体素子２０自体を樹脂封止することができる。従って、予め樹脂封止したチップを用いなくてもよく、生産効率を大きく向上させ、低コスト化を図ることができる。
また、リードピン２２が導体パターン１６に直接に接合されて立設している。従って、導体パターン１６の形状の自由度によってリードピン２２の配置位置の自由度が決まり、また、導体パターン１６は、通常、自由に設計できる。よって、本実施形態により、リードピン２２を機械式リレーと同じ位置に配置することが可能であり、コンパチ配列、逆差込防止などが可能になる。また、入力用のリードピン（入力端子）と出力用のリードピン（出力端子）との距離を大きく設定することで、絶縁性を高めること、すなわち、入力端子と出力端子との短絡を生じ難くすることができる。また、リードピン２２の各位置を対称位置としないことで、リードピン２２の差込方向を間違えること、すなわち、各リードピン２２を正しくない位置に差し込んでしまうことを防止できる。
また、絶縁層１４によって応力緩和効果が得られており、外部から衝撃がリードピン２２などに加えられても、導体パターン１６とリードピン２２や半導体素子２０とを接合している接合材２６にクラックが入り難くなっている。
また、リードピン２２の根元部に鍔２３が形成されている。従って、流し込んだ樹脂が固化してなる樹脂部２４に鍔２３が拘束されており、リードピン２２に引抜き力が作用してもリードピン２２が樹脂部２４から抜けないようにされている。従って、導体パターン１６とリードピン２２との間、更には、金属板１２と絶縁層１４との間、および、絶縁層１４と導体パターン１６との間、で剥離することが防止されている。
また、樹脂ケース３２の材質は、樹脂部２４よりも柔らかい材質にされており、半導体装置１０に衝撃が加えられても、この衝撃を樹脂ケース３２が吸収する。これにより、衝撃吸収対策用のジグを新たに設置しなくても済む構成にすることが可能である。
また、この樹脂ケース３２は、四隅部に、樹脂部２４の隅部表面側に配置された直角三角形状の隅板部３４を有する。これにより、樹脂部２４に樹脂ケース３２から外れるような衝撃力が加えられても、樹脂部２４は隅板部３４によって支えられ、樹脂ケース３２から抜け落ちることが防止されている。
そして、隅板部３４の外面側には突部３６が形成されており、突部３６から衝撃力が半導体装置１０に加えられた際に隅板部３４が撓む構成にされている。従って、大きな衝撃力が突部３６に加えられても、この撓みによって衝撃が吸収され、樹脂部２４に大きな衝撃力が加えられることが更に効果的に防止されている。このことは、突部３６に大きな衝撃力が加えられた際に、リードピン２２と導体パターン１６とを接合する接合材２６（のはんだ接合部）が破損することを防止する上で大きな効果をもたらす。また、製品実装時において、実装基板（一般的なプリント基板）の温度環境変化による膨張や、実装基板が配置されたユニット（例えば自動車）の発生する振動も隅板部３４の撓みによって吸収され、製品実装時に、半導体装置１０の内部の接合材２６だけでなく、リードピン２２と実装基板との接合材（半導体装置１０の外部を接合する接合材）の破損も防止される。
なお、金属板１２の露出面（一方の主面１２ｐ）側に放熱ブロックや放熱フィンを取り付ける構造にすることで、より効率的に放熱させることができる。放熱ブロックや放熱フィンを取り付ける構造にするには、金属板１２の一方の主面１２ｐ側にネジ穴などを形成することで容易に実現される。また、金属板１２の材質を熱伝導率の高いもの（例えば銅）にすることで、より更に放熱し易くすることができる。また、金属板１２の材質を銅にすることで、導電率を高くすることも併せて行うことができる。
また、本実施形態では、金属板１２の一方の主面１２ｐが全面にわたって大気中に露出した例で説明したが、金属板の周辺に段形状を設け、モールドロックを施すことも可能である。また、金属板１２はここでは１枚の板形状としたが、複数枚とすることも可能である。
図６は、本実施形態の変形例を示す半導体装置の側面断面図である（簡明化のため保護膜１８及び接合材２６を図示せず、また、半導体素子２０の図示を簡略化している）。図６に示すように、金属板１２および絶縁層１４に代えて、一方の主面４２ｐが大気に露出している絶縁性の放熱板４２とすることも可能である。これにより、絶縁層１４を設けない構成にして、他方の主面４２ｑ上に直接に導体パターン１６を形成することができ、製造時間の短縮化、装置構成の簡素化を図ることができる。絶縁性の放熱板４２としては、例えばアルミナ基板などのセラミック基板である。
以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための例示であって、本発明の範囲をそれらに限定することを意図しておらず、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できる。また、図面は模式的なものであり、寸法比などは現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な寸法比などは以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
以上のように、本発明にかかる半導体装置およびその製造方法は、金属板の一方の主面が大気中に露出しているとともに金属板の他方の主面に半導体素子が実装されているので、金属板の他方の主面側を樹脂封止しても、半導体素子の発熱を金属板から効率良く放散させることができる半導体装置およびその製造方法として用いるのに好適である。
１０ 半導体装置
１２ 金属板
１２ｐ 一方の主面
１２ｑ 他方の主面
１４ 絶縁層
１６ 導体パターン
２０ 半導体素子
２２ リードピン（リード）
２４ 樹脂部
３２ 樹脂ケース
３４ 隅板部
３６ 突部
４２ 放熱板
４２ｐ 一方の主面
４２ｑ 他方の主面

Claims (5)

  1. 一方の主面が大気に露出している金属板と、
    前記金属板の他方の主面上に形成され、高熱伝導絶縁樹脂で構成される絶縁層と、
    前記絶縁層上に形成された導体パターンと、
    前記導体パターンに実装された半導体素子と、
    前記導体パターンに接合されたリードと、
    前記金属板の前記他方の主面側を覆う樹脂部と、
    を備えることを特徴とする半導体装置。
  2. 一方の主面が大気に露出している絶縁性の放熱板と、
    前記放熱板の他方の主面上に形成された導体パターンと、
    前記導体パターンに実装された半導体素子と、
    前記導体パターンに接合されたリードと、
    前記放熱板の前記他方の主面側を覆う樹脂部と、
    を備えることを特徴とする半導体装置。
  3. 前記リードの根元部に鍔が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
  4. 前記樹脂部の周囲および前記金属板の周囲を囲むとともに前記樹脂部の隅部表面側に隅板部を有する樹脂ケースを備え、
    前記隅板部の外面側に突部が設けられていることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の半導体装置。
  5. 所定寸法にされた金属板上に高熱伝導絶縁樹脂材で構成される絶縁層を形成する工程と、
    前記絶縁層上に導体パターンを形成する工程と、
    半導体素子を前記導体パターンに実装するとともにリードを前記導体パターンに接合する工程と、
    前記金属板のうち前記半導体素子が実装されている面とは反対面が大気中に露出するように、少なくとも前記リードの根元部と前記半導体素子とを樹脂封止する工程と、
    を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
JP2011153136A 2011-07-11 2011-07-11 半導体装置およびその製造方法 Pending JP2013021125A (ja)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS5858352U (ja) * 1981-10-16 1983-04-20 日本電気株式会社 樹脂封止型半導体装置
JPH01315166A (ja) * 1988-04-21 1989-12-20 American Teleph & Telegr Co <Att> プラスチック封入材を用いた集積回路パッケージ
JP2009081281A (ja) * 2007-09-26 2009-04-16 Sanyo Electric Co Ltd 回路装置

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