JP2013225554A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
半導体素子から発生する熱の放熱性に優れ、過昇温による故障を抑制し信頼性の高いゲル封止型の半導体装置を提供する。
【解決手段】
半導体素子搭載用パッド部１２Ａおよび外部端子１２Ｂを有するリードフレーム１２等の基板１２と、基板１２上に実装された半導体素子１０と、半導体素子１０を封止するゲル状封止材１８と、基板１２の面との距離が極大となる点を少なくとも１点有し、その極大箇所に貫通孔１６Ａが設けられた、基板１２の面に対して凹形状である内壁を有する放熱板１６とを備え、ゲル状封止材１８が放熱板１６の凹状内壁と少なくとも１ヵ所で密着していることを特徴とする、半導体装置。
【選択図】 図２

Description

本発明は、基板上に搭載された半導体素子をゲル封止してなる半導体装置と、その製造方法に関するものである。

近年、インバータ制御機器等に搭載される半導体素子は、さらなる高密度化、高速化が求められている。その結果、半導体素子の発熱量が増大し、半導体素子自体や、半導体素子周辺の構成部材の、熱劣化による信頼性の低下が問題視されており、半導体素子を実装するパッケージの放熱構造設計が重要になっている。

このような問題を解決する構造として、図１２に示すような構造が提案されている。図１２において、１０１は封止用ゲル、１０２は半導体素子、１０３は密閉用金属カップ、１０４は基板、１０５は電極、１０７は金属ワイヤ、１０８は接着層である。すなわち、半導体素子１０２を封止用ゲル１０１で封止し、さらに、耐湿性維持や物理的ダメージからのゲル封止箇所の保護を目的として、金属カップ１０３で封止用ゲル１０１の周囲を密閉する。

このような半導体パッケージでは、高耐熱性のゲルにより半導体素子を保護することが出来、トランスファーモールド用のエポキシ系熱硬化性樹脂などでは不可能な耐熱性を付与することができ、前記半導体素子およびその周辺部材の熱による劣化や故障と、それにより引き起こされる信頼性の低下を抑制することができる（例えば特許文献１）。

特許第４３１７１８９号

しかしながら、上記特許文献１に記載された半導体装置では、封止用ゲル１０１と金属カップ１０３間に空隙１０６が存在することとなり、半導体素子１０２から発せられた熱が、封止用ゲル１０１を通して、放熱しようとした場合、熱抵抗の大きい空隙１０６が障壁となり、放熱効率の低下を招き、より多くの熱が発生するような半導体素子のさらなる高スイッチング化に対応することができない。あるいは、対応するためには、基板１０４の放熱面積を大きくする必要があり、半導体装置の外形寸法が大きくなり小型化が困難となる。

本発明は、かかる従来の半導体装置の課題を考慮し、半導体素子からの放熱効率を向上させ、小型化した半導体装置であってもより信頼性の高い半導体装置および半導体製造方法を提供することを目的とする。

第１の本発明は、
基板と、
前記基板上に実装された半導体素子と、
前記半導体素子を封止するゲル状封止材と、
前記基板の面との距離が極大となる点を少なくとも１点有し、前記極大箇所には貫通孔が設けられた、前記基板の面に対して凹形状である内壁を有する放熱板と、を備え、
前記ゲル状封止材が前記放熱板の凹状内壁と少なくとも１ヵ所で密着していることを特徴とする、半導体装置である。

第２の本発明は、
前記貫通孔が樹脂で封止されていることを特徴とする、第１の本発明の半導体装置である。

第３の本発明は、
前記凹形状である内壁を有する放熱板の外縁の存在する場所に形成された前記ゲル状封止材が樹脂でシーリングされていることを特徴とする、第１の本発明の半導体装置である。

第４の本発明は、
前記基板上に、前記凹形状である内壁を有する放熱板の内壁と接触する支柱が設けられていることを特徴とする、第１の本発明の半導体装置である。

第５の本発明は、
前記ゲル状封止材がシリコーンゲルであることを特徴とする、第１の本発明の半導体装置である。

第６の本発明は、
硬化が完了していないゲル状封止材を、凹形状の内壁を有する放熱板の凹形状内壁に、前記凹形状の内壁を有する放熱板の外縁からはみ出るように配置する配置工程と、
前記ゲル状封止材が配置された放熱板を、はみ出た前記未硬化ゲル状封止材部分が、基板に搭載された半導体素子に押圧されるように、かぶせていくことで、前記半導体素子を封止する封止工程と、
その後、前記未硬化のゲル状封止材を完全に硬化する硬化工程とを備えたことを特徴とする、半導体装置の製造方法である。

本発明では、半導体素子で発生した熱の放熱性に優れており、従って、小型の半導体装置であっても、半導体素子からの発熱による過昇温による不良発生の緩和に優れた信頼性の高いものとすることができる。

本発明の第１の実施の形態の半導体装置の断面図 本発明の第１の実施の形態の半導体装置の製造プロセスを表す各工程の断面図 本発明の第１の実施の形態の半導体装置の製造プロセスを表す各工程の断面図 本発明の第１の実施の形態の半導体装置の製造プロセスを説明するための断面図 本発明の第１の実施の形態の半導体装置の製造プロセスを説明するための断面図 本発明の第２の実施の形態の半導体装置の断面図 本発明の第２の実施の形態の半導体装置の製造プロセスを表す各工程の断面図 本発明の第３の実施の形態の半導体装置の断面図 本発明の第３の実施の形態の半導体装置の製造プロセスを表す各工程の断面図 本発明の第４の実施の形態の半導体装置の断面図 本発明の第４の実施の形態の半導体装置の製造プロセスを表す各工程の断面図 従来のゲル封止タイプの半導体装置の断面図

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の構造を示す断面図である。本実施の形態の半導体装置では、少なくとも半導体素子搭載用パッド部１２Ａおよび外部端子１２Ｂを有するリードフレーム１２と、ペースト材料１１と、半導体素子１０と、半導体素子１０と外部端子１２Ｂを接続する金属ワイヤ１５と、放熱板１４と、前記放熱板１４を、リードフレーム１２の半導体素子１０の搭載面と反対側に、接着する絶縁性接着用樹脂１３と、少なくとも１ヶ所の孔１６Ａの空いた凹形状を有する放熱板１６と、前記凹形状放熱板１６に設けられた孔１６Ａを埋める樹脂１７と、前記凹形状放熱板１６における凹面の内壁の、少なくとも１ヵ所と密着し、且つ前記半導体素子１０と前記金属ワイヤ１５と、前記リードフレーム１２の少なくとも１部を封止するゲル状封止材１８を備えている。

このように、半導体素子１０およびその周辺を封止するゲル状封止材１８と、凹形状放熱板１６とを密着した構成とすることにより、半導体素子１０から発生した熱は、リードフレーム１２および放熱板１４を経由した放熱経路と、ゲル状封止材１８および凹形状放熱板１６を経由した放熱経路により、効率良く放熱されることになり、従来のゲル封止型ＣＡＮ封止パッケージよりも信頼性に優れた半導体装置とすることができる。

つまり、従来のＣＡＮ封止では、ゲル封止材と密閉用金属カップの間に、空気層を有することを避けられず、素子からの発熱を、封止用ゲルを通して放熱する際、熱伝導率の低い前記空気層が大きな抵抗となり放熱効率を低下させていたが、本実施の形態ではゲル状封止材１８と凹状放熱板１６が直接接触していることにより、より効率よく放熱させ、素子の過昇温を抑止することができる。

リードフレーム１２はダイパッド部１２Ａおよび外部端子１２Ｂを備え、銅などの熱伝導性および電気伝導性に優れた材料からなり、前記ダイパッド部１２Ａに半導体素子１０がペースト材料１１を介して搭載されている。放熱板１４を構成する材質としては、特に限定するものではないが、公知の金属やセラミック、グラファイトやダイヤモンドなどの炭素素材などとすることができる。絶縁性接着用樹脂１３としては、特に限定するものではなく、公知のシート状熱硬化性接着剤または液状熱硬化性接着剤とすることができる。封止材１８は特に限定するものではなく、たとえば主剤としてオルトクレゾールノボラック型のエポキシ、硬化剤として前記主剤を硬化させることのできる酸無水物が配合され、無機充填剤比率が５０重量部から９０重量部程度配合された公知の熱硬化性エポキシ樹脂とすることができる。前記ゲル状封止材１８および凹形状放熱板１６の詳細を以下に述べる。

前記凹形状放熱板１６を構成する材料は限定するものではないが、公知の金属やセラミック、グラファイトやダイヤモンドなどの炭素素材などとすることができ、また熱伝導率としては限定するものではないが、例えば２０Ｗ／ｍＫ以上２０００Ｗ／ｍＫ以下とすることができる。前記凹形状放熱板１６の厚みとしては、０．２ｍｍ以上３ｍｍ以下とすることが出来る。０．２ｍｍより薄いとハンドリング時の変形が大きくなり確実に放熱板を配置することが難しく、３ｍｍより厚いと、重量が大きくなり、後述する前記ゲル状封止材１８によって、前記リードフレーム１２へ凹形状放熱板１６を担持させることが難しくなり、パッケージ全体の強度が不十分となるためである。

また凹形状放熱板１６のより詳しい形状としては、後述するゲル状封止材１８と直接接触する、凹形状内壁のすべての点が前記凹形状放熱板１６の外縁１６Ｂをこえて下方へ（図２上）突出していることがなく、且つ凹形状内壁の中で、リードフレームとの距離の極大値となる点が少なくとも１ヶ所存在しており、且つ前記極大値となる点には、後述するゲル状封止材１８の硬化過程で発生する気泡をパッケージ外部に逃がすための孔１６Ａが存在していれば良い。すなわち、凹形状内壁の面構造としては、各箇所の曲率半径などは特に限定するものではなく、また内壁の少なくとも一部が平面で構成されていても良いが、例えば本発明の第１の実施の形態では、内壁が半径２０ｍｍの球の一部であり、その内径が１７．３ｍｍである。凹形状放熱板１６の製法としては、特に限定するものではなく、たとえば原材料となる材質の掘削加工、鋳造加工、鍛造加工などで作成することができ、前記極大値となる点へは公知の加工方法で貫通孔を設けることができる。

前記ゲル状封止材１８を構成する材料としては、特に限定するものではないが、前記液状シリコーンゴムの前駆体としては、例えばビニル基含有オルガノポリシロキサンと、ハイドロジェンオルガノポリシロキサンと、白金などの硬化触媒と、の混合物などの公知のものを使用することができ、１液型か２液型かは限定するものではない。すなわちその基本的な化学構造としては主鎖構造がシロキサン骨格構造であり、アルキル基もしくはフルオロアルキル基もしくは酸素原子含有の極性基あるいはそれらのうち２種類以上の基がシリコン原子に結合している。

さらに、前記シロキサン骨格の末端にはビニル基などシロキサン骨格同士の結合に必要な反応部位が結合している。混合物を公知の方法で熱による付加硬化させる際には、ヒドロシリル化反応がおこり、ゲル状封止材を形成することとなる。また、前記ゲル状封止材１８は熱硬化のプロセスの制御により、半硬化状態とすることが可能であり、半硬化状態で所望のプロセスにより、所望の箇所に配置した後に、続く加熱プロセスにより本硬化させることが可能である。

本発明の第１の実施の形態の製造プロセスとしては限定するものではないが例えば次に説明するような、工法が可能である。図２および図３は本発明の第１の実施の形態の製造プロセスを表す各工程の断面図である。

図２において、（ａ）に示すように、リードフレーム１２のダイパッド部１２Ａ上にペースト材料１１を、適当量塗布する。さらに前記ペースト１１上に半導体素子１０を搭載する。ペースト材料１１の塗布には公知のディスペンサーを、半導体素子１０の搭載には公知のダイボンダーを使用することが可能である。その後、（ｂ）に示すように、半導体素子１０とリードフレーム１２の外部端子１２Ｂとを金属ワイヤ１５を使用し電気的かつ機械的に接合する。金属ワイヤ１５の接続には公知のワイヤボンダを使用することができる。さらに、（ｃ）に示すように、前記リードフレーム１２において、半導体素子１０の搭載面とは反対の面にシート状熱硬化性接着剤１３を介して、放熱板１４を密着させておく。

次に図３において、（ａ）に示すように、孔を設けた凹形状放熱板１６の凹形状内壁に、半硬化状態としたゲル状封止材１８Ａを上から、（ｂ）に示すように、これが落下しない程度に密着させながら、配置する。このようにして作製した凹形状放熱板１６と半硬化ゲル状封止材１８Ａとで構成された一体物を、図２の（ｄ）に示すように、前記ゲル状封止材１８Ａが前記凹形状放熱板１６からはみ出した部分１８Ａ−１をリードフレーム１２を含む箇所に載せていく。その際、前記凹形状放熱板１６の外縁１６Ｂおよび内壁が、リードフレーム１２およびリードフレーム１２上に搭載された半導体素子１０、金属ワイヤ１５などに接触しないようにするとともに、凹形状放熱板１６に設けられた孔１６Ａから、半硬化状ゲル封止材１８Ａがはみ出さないように押し付けて、配置する。その後、（ｅ）に示すように、前記一体物と密着した状態のリードフレーム１２を、前記ゲル状封止材１８Ａを本硬化させる加熱プロセスへ投入し、前記ゲル状封止材１８Ａを本硬化させる。

そのような製造工程において、前記凹形状放熱板１６内に巻き込んだ、あるいは本硬化時に発生した気泡は、前記凹形状放熱板１６の内壁が凹形状であることにより、内壁内の最上部にその浮力で移動することになる。そこで、前記凹形状放熱板１６の最上部箇所または極大箇所に設けられた孔１６Ａからこれら気泡を逃がすことで、本硬化した前記ゲル状封止材１８が、前記リードフレーム１２や、前記半導体素子１０、前記金属ワイヤ１５、前記凹形状放熱板１６の内壁に強固に密着する。また前記加熱プロセスにおいて、先に放熱板１４を密着させていたシート状熱硬化性接着剤１３も硬化し、放熱板１４とリードフレーム１２を強固に密着させることとなる。

最後に、（ｆ）に示すように、前記凹形状放熱板１６の極大箇所に設けられた孔１６Ａに、液状熱硬化性樹脂１７を公知のディスペンサーなどで充填し公知の方法で硬化させることにより、ゲル状封止材１８と、凹形状放熱板１６の内壁が密着しているために、半導体素子１０からの発熱の放熱性に優れたゲル封止タイプの半導体装置とすることができる。

尚、図３に示すように、前記半硬化状態ゲル状封止材１８Ａについて、前記凹形状放熱板１６の外縁１６Ｂよりも上方へはみ出す部分１８Ａ−１を形成する際、図４に示すように、側方から見たとき、そのはみ出し部分１８Ａ−１の量Ｂを、凹形状放熱板１６の外縁１６Ｂの内径の最長部Ａの５％以上５０％以下とすることが望ましい。はみ出し量Ｂが前記最長部Ａの５％よりも短いと、はみ出し部分１８Ａ−１をリードフレーム１２に押し付けた際、前記半硬化のゲル状封止材１８Ａが、前記半導体素子１０や前記リードフレーム１２の一部を完全に封止する前に、前記凹形状放熱板１６の外縁１６Ｂが、前記リードフレーム１２と当たってしまい、十分に封止することができず、逆にはみ出し量Ｂが前記最長部Ａの５０％よりも長いと、はみ出し部分１８Ａ−１をリードフレーム１２に押し付けた際、前記半硬化のゲル状封止材１８Ａが、前記凹形状放熱板１６の外縁１６Ｂを超えて溢れ出す量が多くなり、前記リードフレーム１２の外部端子１２Ｂの半導体素子１０と反対側の先端に触れ、電気的接触の妨げとなる（図１のＹ参照）。

また、図５に示したように、凹形状放熱板１６に設けられた孔１６Ａは、凹形状放熱板１６の外壁に向かって、その直径が小さくなるテーパ穴形状としてもよく、このテーパ穴形状により、その孔１６Ａのテーパ形状の途中で、半硬化ゲル状封止材１８Ａを止めて、凹形状放熱板１６の外壁にゲル状封止材１８がはみ出すことのないようにすることができる。また、テーパ形状であることにより、気泡が抜けやすく、ゲル状封止材１８Ａと凹形状放熱板１６の接合強度が向上する。

（第２の実施の形態）
図６は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の構造を示す断面図である。本発明の第１の実施の形態と異なる点は、基板がリードフレームではなく、ＢＴ基板などに代表される積層型回路基板であるという点であり、その他は本発明の第１の実施の形態と同様である。本実施の形態の半導体装置では、少なくとも回路基板１９と、ペースト材料１１と、半導体素子１０と、半導体素子１０と回路基板１９上の電極部分１９Ａを接続する金属ワイヤ１５と、少なくとも１ヶ所の孔１６Ａの空いた凹形状を有する放熱板１６と、前記凹形状放熱板１６に設けられた孔１６Ａを埋める樹脂１７と、前記凹形状放熱板１６における凹面の内壁の、少なくとも１ヵ所と密着し、且つ前記半導体素子１０と前記金属ワイヤ１５と、前記回路基板１９の少なくとも１部を封止するゲル状封止材１８を備えている。

このように、半導体素子１０およびその周辺を封止するゲル状封止材１８と、凹形状放熱板１６とを密着した構成とすることにより、半導体素子１０から発生した熱は、回路基板１９および放熱板１４を経由した放熱経路と、ゲル状封止材１８および凹形状放熱板１６を経由した放熱経路により、効率良く放熱されることになり、信頼性に優れた半導体装置とすることができる。

つまり、従来のＣＡＮ封止では、ゲル封止材と密閉用金属カップの間に、空気層を有することを避けられず、素子からの発熱を、封止用ゲルを通して放熱する際、熱伝導率の低い前記空気層が大きな抵抗となり放熱効率を低下させていたが、本実施の形態ではゲル状封止材１８と凹状放熱板１６が直接接触していることにより、より効率よく放熱させ、素子の過昇温を抑止することができる。

ペースト材料１１、半導体素子１０、金属ワイヤ１５、凹形状放熱板１６、樹脂１７およびゲル状封止材１８は本発明の第１の実施の形態と共通とすることができる。

本発明の第２の実施の形態の製造プロセスとしては限定するものではないが例えば次に説明するような、工法が可能である。

図７は本発明の第２の実施の形態の製造プロセスを表す各工程の断面図である。図７において、（ａ）に示すように、回路基板１９上にペースト材料１１を、適当量塗布する。（ｂ）に示すように、さらに前記ペースト１１上に半導体素子１０を搭載する。ペースト材料１１の塗布には公知のディスペンサーを、半導体素子１０の搭載には公知のダイボンダーを使用することが可能である。その後、半導体素子１０と回路基板１９の電極部分１９Ａとを金属ワイヤ１５を使用し電気的かつ機械的に接合する。金属ワイヤ１５の接続には公知のワイヤボンダを使用することができる。

孔を設けた凹形状放熱板１６の凹形状内壁に、半硬化状態としたゲル状封止材１８Ａを配置する工程は、本発明の第１の実施の形態と同様であり、本発明の第１の実施の形態の製造プロセスの例と同様に半硬化ゲル状封止材とで構成された一体物を、（ｃ）に示すように、前記ゲル状封止材１８Ａが前記凹形状放熱板１６からはみ出した部分１８Ａ−１を、前記凹形状放熱板１６の外縁１６Ｂおよび内壁が、回路基板１９および回路基板１９に搭載された部材に接触しないように、回路基板１９上において、半導体素子１０および金属ワイヤ１５を覆うように押し付けて、配置する。その後、（ｄ）に示すように、前記一体物と密着した状態の回路基板１９を、前記ゲル状封止材１８Ａを本硬化させるような加熱プロセスへ投入し、前記ゲル状封止材１８Ａを本硬化させる。

そのような製造工程において、前記凹形状放熱板１６内に巻き込んだ、あるいは本硬化時に発生した気泡は、前記凹形状放熱板１６の内壁が凹形状であることにより、内壁内の最上部にその浮力で移動することになる。そこで、前記凹形状放熱板１６の最上部箇所または極大箇所に設けられた孔１６Ａからこれら気泡を逃がすことで、本硬化した前記ゲル状封止材１８が、前記回路基板１９や、前記半導体素子１０、前記金属ワイヤ１５、前記凹形状放熱板内壁１６に強固に密着する。（ｅ）に示すように、最後に前記凹形状放熱板１６の最上部に設けられた孔１６Ａに、液状熱硬化性樹脂を公知のディスペンサーなどで充填し公知の方法で硬化させることにより、ゲル状封止材１８と、凹形状放熱板１６の内壁が密着しているために、半導体素子１０からの発熱の放熱性に優れたゲル封止タイプの半導体装置とすることができる。

尚、本発明の第１の実施の形態で説明したように、前記半硬化状態ゲル状封止材１８Ａを、前記凹形状放熱板１６の外縁１６Ｂよりもはみ出すように配置する際、はみ出し量としては、本発明の第１の実施の形態と同様とすることができる。

（第３の実施の形態）
図８は、本発明の第３の実施の形態に係る半導体装置の構造を示す断面図である。本発明の第１の実施の形態と異なる点は、リードフレーム１２の半導体素子搭載用パッド部１２Ａに、凹形状放熱板１６の位置を規定するガイドピン２０が設けられている点であり、その他は本発明の第１の実施の形態と同様である。本実施の形態の半導体装置では、少なくとも半導体素子搭載用パッド部１２Ａおよび外部端子１２Ｂを有するリードフレーム１２と、ペースト材料１１と、半導体素子１０と、半導体素子１０と外部端子１２Ｂを接続する金属ワイヤ１５と、放熱板１４と、前記放熱板１４をリードフレーム１２の、半導体素子１０の搭載面と反対側に接着する絶縁性接着用樹脂１３と、少なくとも１ヶ所の孔１６Ａの空いた凹形状を有する放熱板１６と、前記凹形状放熱板１６の位置を規定するため、前記半導体素子搭載用パッド部１２Ａ上に設けられた絶縁材料性ガイドピン２０と、前記凹形状放熱板１６に設けられた孔１６Ａを埋める樹脂１７と、前記凹形状放熱板１６における凹面の内壁の、少なくとも１ヵ所と密着し、且つ前記半導体素子１０と前記金属ワイヤ１５と、前記リードフレーム１２の少なくとも１部を封止するゲル状封止材１８とを備えている。

このように、半導体素子１０およびその周辺を封止するゲル状封止材１８と、凹形状放熱板１６とを密着した構成とすることにより、半導体素子１０から発生した熱は、リードフレーム１２および放熱板１４を経由した放熱経路と、ゲル状封止材１８および凹形状放熱板１６を経由した放熱経路により、効率良く放熱されることになり、従来のゲル封止型ＣＡＮ封止パッケージよりも信頼性に優れた半導体装置とすることができる。

つまり、従来のＣＡＮ封止では、ゲル封止材と密閉用金属カップの間に、空気層を有することを避けられず、素子からの発熱を、封止用ゲルを通して放熱する際、熱伝導率の低い前記空気層が大きな抵抗となり放熱効率を低下させていたが、本実施の形態ではゲル状封止材１８と凹状放熱板１６が直接接触していることにより、より効率よく放熱させ、素子の過昇温を抑止することができる。

さらに本発明の第３の実施の形態では、前記絶縁材料性ガイドピン２０が、前記半導体素子搭載用パッド部１２Ａ上に略垂直に設けられており、前記ガイドピン２０の先端部２０Ａは、凹形状放熱板１６の内壁と接触している。これにより、凹形状放熱板１６の外縁１６Ｂや内壁が、リードフレーム１２上に配置された金属ワイヤ１５と干渉することを抑止することができ、より一層信頼性および生産性の高い半導体装置とすることができる。さらに、凹形状放熱板１６の内壁において、前記ガイドピン２０と接触する箇所に、予め前記ガイドピン２０の先端部２０Ａの形状に合わせた窪み１６Ｃを設けておくことは、凹形状放熱板１６のリードフレーム１２上における位置を正確に規定することとなり、生産性の向上という観点からさらに好ましい。

本発明の第３の実施の形態の製造プロセスとしては限定するものではないが例えば次に説明するような、工法が可能である。

図９は製造プロセスを表す各工程の断面図である。図９において、（ａ）に示すように、リードフレーム１２の半導体素子搭載用パッド部１２Ａ上にペースト材料１１を、適当量塗布する。（ｂ）に示すように、前記ペースト１１上に半導体素子１０を搭載する。ペースト材料１１の塗布には公知のディスペンサーを、半導体素子１０の搭載には公知のダイボンダーを使用することが可能である。その後、半導体素子１０とリードフレーム１２の外部端子１２Ｂとを金属ワイヤ１５を使用し電気的かつ機械的に接合する。金属ワイヤ１５の接続には公知のワイヤボンダを使用することができる。さらに、（ｃ）に示すように、前記リードフレーム１２において、半導体素子１０の搭載面とは反対の面にシート状熱硬化性接着剤１３を介して、放熱板１４を密着させておく。

次に、（ｄ）に示すように、半導体素子搭載用パッド部１２Ａ上に、少なくとも２本の絶縁材料性ガイドピン２０を設置する。ガイドピン２０の設置方法としては、限定するものではないが、例えば熱硬化性接着剤を設置前のガイドピンの一端に塗布し、前記半導体素子搭載用パッド部１２Ａに密着させた後、熱硬化により強固に接着させるなど公知の方法とすることができる。

孔を設けた凹形状放熱板１６の凹形状内壁に、半硬化状態としたゲル状封止材１８Ａを配置する工程は、本発明の第１の実施の形態と同様とすることができ、本発明の第１の実施の形態の製造プロセスの例と同様に半硬化ゲル状封止材とで構成された一体物をリードフレームの素子および端子の一部を含む箇所に押し付けて、配置する。その際、（ｅ）に示すように、半導体素子搭載用パッド部１２Ａ上に設けられた前記ガイドピン２０が半硬化ゲル状封止材１８Ａを突き抜ける形で、凹形状放熱板１６の内壁に当たることとなり、半導体素子１０や金属ワイヤ１５との内壁の接触やぶつかりを阻止することができる。

尚、前記ガイドピン２０としては、限定するものではないが、公知の熱硬化性樹脂の硬化物や、セラミックなどの絶縁体とすることができ、その断面形状も特に限定するものではなく、凹形状放熱板１６と半硬化ゲル状封止材１８Ａの一体物を配置しようとしたときに、リードフレーム１２上のいずれの搭載物よりも先に、凹形状放熱板１６の内壁に接触するように、リードフレーム１２に対して略垂直に設置されていれば良い。本発明の第３の実施の形態のおいては、その断面形状を円としている。ガイドピン２０の設置工程としては、上記のようにペースト材料１１の塗布や、半導体素子１０の搭載、金属ワイヤ１５の接続などの作業性を考慮し、これらの設置工程後に、ガイドピン２０の設置を行うことが好ましい。

凹形状放熱板１６を配置した後、（ｆ）に示すように、前記一体物と密着した状態のリードフレーム１２を、前記ゲル状封止材１８Ａを本硬化させるような加熱プロセスへ投入し、前記ゲル状封止材１８Ａを本硬化させる。このような製造工程において、前記凹形状放熱板１６内に巻き込んだ、あるいは本硬化時に発生した気泡は、前記凹形状放熱板１６の内壁が凹形状であることにより、内壁内の最上部にその浮力で移動することになる。そこで、前記凹形状放熱板１６の最上部箇所または極大箇所に設けられた孔１６Ａからこれら気泡を逃がし、本硬化した前記ゲル状封止材１８が、前記リードフレーム１２や、前記半導体素子１０、前記金属ワイヤ１５、前記凹形状放熱板１６の内壁に強固に密着する。また前記加熱プロセスにおいて、先に放熱板１４を密着させていたシート状熱硬化性接着剤１３も硬化し、放熱板１４とリードフレーム１２を強固に密着させることとなる。

最後に（ｇ）に示すように、前記凹形状放熱板の最上部に設けられた孔に、液状熱硬化性樹脂を公知のディスペンサーなどで充填し公知の方法で硬化させることにより、ゲル状封止材と、凹形状放熱板の内壁が密着しているために、半導体素子からの発熱の放熱性に優れたゲル封止タイプの半導体装置とすることができる。

尚、上述したように、前記半硬化状態ゲル状封止材１８Ａを、前記凹形状放熱板１６の外縁１６Ｂよりもはみ出すように配置する際、はみ出し量としては、本発明の第１の実施の形態と同様とすることができる。

（第４の実施の形態）
図１０は、本発明の第４の実施の形態に係る半導体装置の構造を示す断面図である。本発明の第１の実施の形態と異なる点は、凹形状放熱板１６の外縁１６Ｂに形成されるゲル状封止部材１８をシールするように樹脂で封止し、内部のゲル状封止材１８と外気との接触を抑制するという点であり、その他は本発明の第１の実施の形態と同様である。本実施の形態の半導体装置では、少なくとも半導体素子搭載用パッド部１２Ａおよび外部端子１２Ｂを有するリードフレーム１２と、ペースト材料１１と、半導体素子１０と、半導体素子１０と外部端子１２Ｂを接続する金属ワイヤ１５と、放熱板１４と、前記放熱板１４をリードフレーム１２の、半導体素子１０の搭載面と反対側に接着する絶縁性接着用樹脂１３と、少なくとも１ヶ所の孔１６Ａの空いた凹形状を有する放熱板１６と、前記凹形状放熱板１６に設けられた孔１６Ａを埋める樹脂１７と、前記凹形状放熱板１６における凹面の内壁の、少なくとも１ヵ所と密着し、且つ前記半導体素子１０と前記金属ワイヤ１５と、前記リードフレーム１２の少なくとも１部を封止するゲル状封止材１８と、前記凹形状放熱板１６の外縁１６Ｂにおいて、前記ゲル状封止材の露出をシーリングするためのシーリング樹脂２１を備えている。

このように、半導体素子１０およびその周辺を封止するゲル状封止材１８と、凹形状放熱板１６とを密着した構成とすることにより、半導体素子１０から発生した熱は、リードフレーム１２および放熱板１４を経由した放熱経路と、ゲル状封止材１８および凹形状放熱板１６を経由した放熱経路により、効率良く放熱されることにより、さらに、樹脂１７とシーリング樹脂２１により、ゲル状封止材１８の空気中への露出部が完全に吸湿が抑制され、従来のゲル封止型ＣＡＮ封止パッケージよりもさらに信頼性に優れた半導体装置とすることができる。つまり、従来のＣＡＮ封止では、ゲル封止材と密閉用金属カップの間に、空気層を有することを避けられず、素子からの発熱を、封止用ゲルを通して放熱する際、熱伝導率の低い前記空気層が大きな抵抗となり放熱効率を低下させていたが、本実施の形態ではゲル状封止材と凹状放熱板１６が直接接触していることにより、より効率よく放熱させ、素子の過昇温を抑止することができ、かつ耐湿信頼性も向上した半導体装置とすることができる。

本発明の第４の実施の形態の製造プロセスとしては限定するものではないが例えば次に説明するような、工法が可能である。図１１は本発明の第４の実施の形態の製造プロセスを表す各工程の断面図である。

図１１において、（ａ）に示すように、ダイパッド部１２Ａ上にペースト材料１１を、適当量塗布する。（ｂ）に示すように、さらに前記ペースト１１上に半導体素子１０を搭載する。ペースト材料１１の塗布には公知のディスペンサーを、半導体素子１０の搭載には公知のダイボンダーを使用することが可能である。その後、半導体素子１０とリードフレーム１２の外部端子１２Ｂとを金属ワイヤ１５を使用し電気的かつ機械的に接合する。金属ワイヤ１５の接続には公知のワイヤボンダを使用することができる。さらに、（ｃ）に示すように、前記リードフレーム１２において、半導体素子１０の搭載面とは反対の面にシート状熱硬化性接着剤１３を介して、放熱板１４を密着させておく。

（ｄ）として示したように、孔を設けた凹形状放熱板１６における凹形状内壁に、半硬化状態としたゲル状封止材を配置する工程は本発明の第１の実施の形態と同様であり、本発明の第１の実施の形態の製造プロセスの例と同様に半硬化ゲル状封止材とで構成された一体物をリードフレームの素子および端子の一部を含む箇所に押し付けて、配置する。

その後、（ｅ）に示すように、前記一体物と密着した状態のリードフレーム１２を、前記ゲル状封止材１８Ａを本硬化させるような加熱プロセスへ投入し、前記ゲル状封止材１８Ａを本硬化させる。前記凹形状放熱板１６の内に巻き込んだ、あるいは本硬化時に発生した気泡は、前記凹形状放熱板１６の内壁が凹形状であることにより、内壁内の最上部にその浮力で移動することになる。そこで、前記凹形状放熱板１６の最上部箇所または極大箇所に設けられた孔１６Ａからこれら気泡を逃がし、且つ本硬化した前記ゲル状封止材１８Ａが、前記リードフレーム１２や、前記半導体素子１０、前記金属ワイヤ１５、前記凹形状放熱板１６の内壁に強固に密着する。また前記加熱プロセスにおいて、先に放熱板１４を密着させていたシート状熱硬化性接着剤１３も硬化し、放熱板１４とリードフレーム１２を強固に密着させることとなる。

次に（ｆ）に示すように、前記凹形状放熱板の最上部に設けられた孔に、液状熱硬化性樹脂を公知のディスペンサーなどで充填し公知の方法で硬化させる。最後に、（ｇ）に示すように、前記凹形状放熱板１６の外縁１６Ｂに、その形状にそって、例えば公知のディスペンサーで液状熱硬化性樹脂を塗布し、さらに硬化させる。

以上の工程を経てゲル状封止材１８と、凹形状放熱板１６の内壁が密着しているために、半導体素子１０からの発熱の放熱性に優れ、凹形状放熱板１６の外縁１６Ｂに形成されたゲル状封止材１８がシーリング樹脂２１で封止され、ゲル状封止材１８の外気への露出がないために、耐湿信頼性の高いゲル封止タイプの半導体装置とすることができる。

尚、前記半硬化状態ゲル状封止材を、前記凹形状放熱板の外縁よりもはみ出すように配置する際、はみ出し量としては、本発明の第１の実施の形態と同様とすることができる。

以上説明したように、本発明の半導体装置の製造方法を概略すると、例えば次のようにすることができる。すなわち、まず基板上に、半導体素子を例えばダイボンド材料を使用するなど適当な方法で搭載し、前記半導体素子と前記リードフレームの端子部を例えばアルミワイヤで接続する。一方、少なくとも１ヵ所孔の開いた凹形状を有し、前記半導体素子上に被せた際に、半導体素子がはみ出さない開口形状を有する金属カップに、規定の硬化条件を達成する前の段階で硬化を中断し、半硬化状態となった例えばシロキサン系ゲル封止材を前記金属カップの凹形状内に、金属カップの凹形状部分の容積よりも多く配置する。この時、ゲル封止材は半硬化となっており、前記金属カップの凹形状部分の淵や少なくとも１ヵ所空いた孔から漏れ出すことはない。その後、半硬化状態のゲル材料を配置した前記金属カップを、前記半導体素子が搭載されたリードフレームにおける半導体搭載箇所に、前記半硬化ゲル封止材を直接接触するように押圧するように配置し、ゲル封止材の本硬化を行うことにより、半導体装置とする。

以上説明したように、本発明のゲル封止型半導体装置は、ゲル封止材と放熱板を密着させることにより、半導体素子からの放熱性を向上させ、過昇温による信頼性の低下を抑制することにより長寿命とすることができ、インバータ制御機器等に搭載される半導体素子などに有効であり、その産業上の利用可能性は高い。

１０１ 封止用ゲル
１０２ 半導体素子
１０３ 密閉用金属カップ
１０４ 基板
１０５ 電極
１０６ 空隙
１０７ 金属ワイヤ
１０８ 基板
１０ 半導体素子
１１ ペースト材
１２ リードフレーム
１２Ａ 半導体素子搭載用パッド部
１２Ｂ 外部端子
１３ 絶縁性接着用樹脂
１４ 放熱板
１５ 金属ワイヤ
１６ 凹形状の内壁を有する放熱板
１６Ａ 孔
１６Ｂ 外縁
１６Ｃ 窪み
１７ 樹脂
１８ ゲル状封止材
１８Ａ 半硬化状態ゲル状封止材
１８Ａ−１ はみ出す部分
１９ 回路基板
２０ 絶縁材料性ガイドピン
２１ シーリング樹脂

Claims (6)

1. 基板と、
   前記基板上に実装された半導体素子と、
   前記半導体素子を封止するゲル状封止材と、
   前記基板の面との距離が極大となる点を少なくとも１点有し、前記極大箇所には貫通孔が設けられた、前記基板の面に対して凹形状である内壁を有する放熱板と、を備え、
   前記ゲル状封止材が前記放熱板の凹状内壁と少なくとも１ヵ所で密着していることを特徴とする、半導体装置。
2. 前記貫通孔が樹脂で封止されていることを特徴とする、請求項１記載の半導体装置。
3. 前記凹形状である内壁を有する放熱板の外縁の存在する場所に形成された前記ゲル状封止材が樹脂でシーリングされていることを特徴とする、請求項１記載の半導体装置。
4. 前記基板上に、前記凹形状である内壁を有する放熱板の内壁と接触する支柱が設けられていることを特徴とする、請求項１記載の半導体装置。
5. 前記ゲル状封止材がシリコーンゲルであることを特徴とする、請求項１記載の半導体装置。
6. 硬化が完了していないゲル状封止材を、凹形状の内壁を有する放熱板の凹形状内壁に、前記凹形状の内壁を有する放熱板の外縁からはみ出るように配置する配置工程と、
   前記ゲル状封止材が配置された放熱板を、はみ出た前記未硬化ゲル状封止材部分が、基板に搭載された半導体素子に押圧されるように、かぶせていくことで、前記半導体素子を封止する封止工程と、
   その後、前記未硬化のゲル状封止材を完全に硬化する硬化工程とを備えたことを特徴とする、半導体装置の製造方法。
   
   
   

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