JP2013239479A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】リードフレームの同一面上に複数の半導体素子が配置された半導体装置において、半導体素子とリードフレームとの絶縁性を確保しつつ、半導体素子の体格の制限を緩和する。
【解決手段】この半導体装置は、リードフレームの一面と無鉛はんだを介して電気的に接続される両面電極素子と、リードフレームの一面と絶縁性接着材を介して電気的に分離して接続される制御ＩＣと、を有する。
制御ＩＣは、チップ部と、該チップ部のうち、リードフレームと対向する対向面の全面に亘って、均一の厚さとされた絶縁層と、を備える。そして、この絶縁層が、絶縁性接着材を介してリードフレームの一面と接続される。
【選択図】図１

Description

本発明は、リードフレームの同一面上に複数の半導体素子が配置された半導体装置に関する。

近年、半導体装置の低コスト化および小型化を図ることを目的に、互いに異なる機能を有する複数の半導体素子が、リードフレームの同一面上に実装されたマルチチップパッケージが提案されている。とくに、半導体素子として、縦型構造のパワー半導体素子を採用する場合には、リードフレーム上に、はんだ等の導電部材を介してパワー半導体素子が電気的かつ機械的に接続される。そして、このリードフレームに数百Ｖ〜数ｋＶの電圧を印加して、パワー半導体素子を駆動させる。

マルチチップパッケージとして、同一のリードフレーム上に、パワー半導体素子と、該パワー半導体素子を駆動させるための制御ＩＣとが実装されることがある。この制御ＩＣは、パワー半導体素子に印加される電圧と同電位となるリードフレームに対して、電気的に絶縁されていなければならない。このため、制御ＩＣとリードフレームとを、絶縁性を有する接着材を介して機械的に接続する方法がある。しかしながら、絶縁可能な接着材の厚さを確保しようとすると、多量の接着材を塗布することとなり、接着材がリードフレーム上に濡れ広がって、所定の限られた領域に制御ＩＣを配置できない。換言すれば、所定の領域に制御ＩＣを配置するためには、接着材の濡れ広がる領域を考慮にいれて、制御ＩＣの体格を小さくしなければならない。

また、リードフレームと制御ＩＣとの間の絶縁性を確保するため、リードフレーム上に接着材を介してアルミナ等のセラミック基板が貼り付けられ、さらに、このセラミック基板と制御ＩＣとが接着材を介して接続される構成とすることもできる。しかしながら、この構成においても、制御ＩＣは、セラミック基板上に接着材を介して接続されるため、接着材の濡れ広がる領域を考慮して、制御ＩＣのサイズが、セラミック基板の体格よりも小さくされなければならない。

このように、上記した構成のマルチチップパッケージでは、接着材の濡れ広がる領域が存在するため、制御ＩＣのサイズが制限されてしまうという問題があった。

この問題を解決するため、特許文献１には、リードフレーム上において、半導体素子を取り囲むように、半導体素子の外周辺に近接する凸部を有する半導体装置が提案されている。この半導体装置は、凸部に囲まれた領域に接着材が塗布され、凸部により接着材の濡れ広がりを抑制しつつ、半導体素子を配置するものである。

また、上記のような接着材を用いず、接着性を有する樹脂からなるダイアタッチフィルムを用いて、制御ＩＣとリードフレームを接着させることにより、接着材の濡れ広がりに制御ＩＣの体格が制限されないようにした構成も知られている。

特開２００８−２３５８５９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の半導体装置は、制御ＩＣが配置されるべき所定の領域に、制御ＩＣと、接着材の濡れ広がりを堰き止める凸部と、を両方配置しなければならない。すなわち、制御ＩＣのサイズが、凸部により制限されてしまうという問題がある。また、配置する素子ごとに、凸部の位置や高さなどの形状を変えて形成しなければならず、凸部の構造が煩雑になる虞がある。

また、制御ＩＣとリードフレームとをダイアタッチフィルムを用いて接着する場合においては、ダイアタッチフィルムを固着させるために、熱処理の工程を経なければならない。この熱処理の工程では、例えば、一般に知られるポリイミド樹脂系の材料からなるダイアタッチフィルムを用いる場合、２３０℃程度に昇温される。この熱処理の工程において、リードフレームとパワー半導体素子とを電気的に接続する導電部材が溶融してしまう虞がある。とくに、導電部材として近年用いられるようになってきた無鉛はんだは、融点が２００℃〜２３０℃程度である。このため、上記したように、ダイアタッチフィルムの固着のための熱処理により溶融してしまう。一方、制御ＩＣの接着の工程を、パワー半導体素子の接着の工程の前に行うことも考えられる。しかしながら、この方法では、制御ＩＣの接着を行う際の熱処理により、リードフレームの表面が酸化し、パワー半導体素子を接着固定するためのはんだが接着されにくくなる虞がある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、リードフレームの同一面上に複数の半導体素子が配置された半導体装置のうち、リードフレームと、少なくとも１つの半導体素子とが、無鉛はんだまたは導電性接着材を介して接続される構成において、半導体素子とリードフレームとの絶縁性を確保しつつ、半導体素子の体格の制限を緩和することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、
リードフレームと、
該リードフレームにおける共通の一面上に配置される複数の半導体素子と、を有し、
半導体素子は、
リードフレームの厚さ方向において、両面に電極を有する両面電極素子と、
両面電極素子の駆動を制御する制御ＩＣと、を含み、
両面電極素子は、一面と対向する面に形成された電極が、無鉛はんだ、または、導電性接着材を介して、リードフレームと電気的に接続され、
制御ＩＣは、
チップ部と、
該チップ部のうち、リードフレームと対向する対向面の全面に配置され、均一の厚さとされる絶縁層と、から成り、
無鉛はんだの融点、または、導電性接着材の耐熱温度よりも、硬化温度の低い絶縁性接着材を介して、絶縁層と一面とが接続されることを特徴としている。

これによれば、制御ＩＣを構成するチップ部は、リードフレームとの間に、絶縁層と絶縁性接着材から成る層の２層を介して、リードフレームに接着固定される。そして、この絶縁層は、チップ部におけるリードフレームとの対向面の全面を覆うように形成される。この絶縁層は、絶縁性接着材とともに、チップ部とリードフレームとの間の電気的絶縁に寄与する。このため、制御ＩＣが絶縁層を有することにより、チップ部が絶縁性接着材のみで基板に固定される構成、すなわち、制御ＩＣが絶縁層を有さない構成に較べて、絶縁性接着材の塗布量を少なくすることができる。したがって、リードフレーム上で絶縁性接着材が濡れ広がる領域を小さくすることができる。そして、絶縁性接着材の濡れ広がる領域が小さくなることにより、所定の領域内に配置できる制御ＩＣ（チップ部）の大きさを大きくすることができる。すなわち、制御ＩＣの体格の制限を緩和することができる。換言すれば、ひとつの制御ＩＣを配置するために必要な領域を小さくすることができ、リードフレーム上に実装される素子の実装率を向上させることができる。また、制御ＩＣとリードフレームとの間の電気的絶縁を、絶縁層に担わせることができるため、絶縁性接着材の厚さ管理を容易にすることができる。

また、リードフレームと制御ＩＣとの接着に、無鉛はんだの融点、または、導電性接着材の耐熱温度よりも、硬化温度の低い絶縁性接着材を用いる。すなわち、リードフレームと両面電極素子とを電気的に接続している無鉛はんだ、あるいは導電性接着材を溶融または熱分解させることなく（接着効果を失わせることなく）、リードフレームと制御ＩＣを接着することができる。

本発明に係る半導体装置の断面図である。 従来構成における半導体装置の断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の各図相互において、互いに同一もしくは均等である部分に、同一符号を付与する。

（第１実施形態）
最初に、図１を参照して、本実施形態における半導体装置１００の概略構成について説明する。

半導体装置１００は、例えば、自動車の点火装置を構成するイグナイタに用いられる。この半導体装置１００は、リードフレーム１０と、リードフレーム１０における共通の一面１０ａ上に配置された複数の半導体素子１１を有する。半導体素子１１は、両面電極素子１２および制御ＩＣ１３から構成される。

両面電極素子１２は、両面電極素子１２が配置されるリードフレーム１０の厚さ方向において、両面に電極１４ａ，１４ｂ，１４ｃを有し、厚さ方向に電流が流れる素子であって、例えば、図示しない点火コイルをオンオフするための絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（以下、ＩＧＢＴと示す）とすることができる。このＩＧＢＴは縦型構造をなしており、図１において、電極１４ａはエミッタ電極であり、電極１４ｂはゲート電極であり、電極１４ｃはコレクタ電極である。図１に示すように、コレクタ電極１４ｃは、両面電極素子１２におけるリードフレーム１０と対向する面の全面に形成されている。この両面電極素子１２は、無鉛はんだ１５により、リードフレーム１０の一面１０ａ上に接着固定される。換言すれば、両面電極素子１２におけるコレクタ電極１４ｃとリードフレーム１０とは、無鉛はんだ１５を介して電気的に接続される。

制御ＩＣ１３は、制御ＩＣ１３が配置されるリードフレーム１０の厚さ方向において、片面に電極１６を有し、上記の両面電極素子１２と電気的に接続され、両面電極素子１２の駆動を制御する。本実施形態において、制御ＩＣ１３は、チップ部１７と、絶縁層１８を有する。チップ部１７は、例えば、両面電極素子１２の動作を制御する制御回路が半導体ウェハに形成された集積回路である。また、本実施形態における絶縁層１８は、ポリイミド系樹脂からなる。この絶縁層１８は、厚さが２μｍ以上（例えば、本実施形態では略２０μｍ）となるように、チップ部１７における、リードフレーム１０との対向面１７ａの全面を覆うように形成される。そして、絶縁層１８のうち、チップ部１７と接触する面と反対の面が、絶縁性接着材１９（例えば、エポキシ系接着材）により、両面電極素子１２が固定された面と共通の一面１０ａに接着固定されることによって、チップ部１７、ひいては制御ＩＣ１３がリードフレーム１０に固定される。

本実施形態においては、両面電極素子１２および制御ＩＣ１３が接着固定されたリードフレーム１０とは別のリードフレーム２０が、両面電極素子１２のエミッタ電極１４ａとボンディングワイヤ２１ａにより電気的に接続されている。また、両面電極素子１２のゲート電極１４ｂは、制御ＩＣ１３の電極１６と、ボンディングワイヤ２１ｂにより電気的に接続され、制御ＩＣ１３により制御されたゲート電圧が印加される。また、上記したように、コレクタ電極１４ｃとリードフレーム１０とは、無鉛はんだ１５を介して電気的に接続される。すなわち、両面電極素子１２において、電流は、エミッタ電極１４ａとコレクタ電極１４ｃの間を流れる。

なお、本実施形態では、絶縁層１８の厚さを略２０μｍとする例を示した。この絶縁層１８の厚さは、構成材料（本実施形態ではポリイミド系樹脂）の絶縁耐圧と、両面電極素子１２に印加する電圧から決定することができる。ポリイミド系樹脂の絶縁耐圧は、略３００Ｖ／μｍである。また、本実施形態における両面電極素子１２は、例えばＩＧＢＴであり、イグナイタに用いられる場合には、図１に示すコレクタ電極１４ｃに略６００Ｖ程度の電圧が印加される。すなわち、リードフレーム１０に略６００Ｖ程度の電圧が印加される。したがって、絶縁層１８の厚さとして、２μｍ以上とするとよい。さらにいえば、リードフレーム１０に、数ｋＶ（例えば略４．５ｋＶ）の予期しないサージ電圧が印加されることがある。このような予期しないサージ電圧に対応するため、絶縁層１８の厚さとして、１５μｍ以上とすることが好ましい。本実施形態のように、絶縁層１８の厚さを略２０μｍとしておけば、予期しないサージ電圧がリードフレーム１０に印加された場合であっても、リードフレーム１０と制御ＩＣ１３との絶縁性を確保することができる。

なお、本実施形態では、絶縁層１８の構成材料として、ポリイミド系樹脂を用いる例を示した。しかしながら、絶縁層１８の構成材料はポリイミド系樹脂に限定されるものではなく、ポリベンゾオキサゾール（以下、ＰＢＯと示す）系樹脂であってもよい。ＰＢＯ系樹脂の絶縁耐圧も、ポリイミド系樹脂と同様、略３００Ｖ／μｍである。したがって、絶縁層１８にＰＢＯ樹脂を用いた場合も、絶縁層１８の厚さを２μｍ以上とするとよく、１５μｍ以上とすると、より好ましい。

次に、本実施形態における半導体装置１００の製造方法について説明する。なお、リードフレーム１０および両面電極素子１２（ＩＧＢＴ）の製造方法は、一般的に知られた方法に準ずるため、記載を省略する。

まず、チップ部１７のリードフレーム１０との対向面１７ａに絶縁層１８が形成された制御ＩＣ１３を製造する工程を実施する。図示しない半導体ウェハの一面に、上記した制御回路を含む電子回路を形成する。その後、一般的に知られたスピンコート法を用いて、半導体ウェハの一面の反対の裏面を、全面に亘って、ポリイミドの前駆体であるポリアミドで被覆する。そして、熱処理を行うことにより、ポリアミドをイミド化させ、ポリイミド系樹脂として硬化させる。これにより、半導体ウェハの裏面の全面に絶縁層１８が形成される。そして、半導体ウェハを絶縁層１８とともにダイシングして制御ＩＣ１３を得る。すなわち、ダイシング後の半導体ウェハがチップ部１７に相当する。

次いで、リードフレーム１０上に両面電極素子１２を実装する工程を実施する。リードフレーム１０上において、両面電極素子１２の実装位置に、無鉛はんだ１５を塗布する。その後、無鉛はんだ１５が塗布されたリードフレーム１０上に、両面電極素子１２を、コレクタ電極１４ｃがリードフレーム１０と対向するように置く。そして、図示しないヒータを用いて２３０℃程度で加熱することにより、無鉛はんだ１５がリフローされて両面電極素子１２とリードフレーム１０とが接着固定される。

次いで、リードフレーム１０上に制御ＩＣ１３を実装する工程を実施する。リードフレーム１０上において、制御ＩＣ１３の実装位置に、絶縁性接着材１９（ペースト状のエポキシ系接着材）を塗布する。絶縁性接着材１９は、ディスペンス法や印刷法により塗布することができる。この工程において、絶縁性接着材１９はリードフレーム１０上に濡れ広がる。絶縁性接着材１９は、塗布量される量が多いほど広範囲に濡れ広がることになる。その後、絶縁性接着材１９が塗布されたリードフレーム１０上に制御ＩＣ１３を置く。そして、これらを図示しないヒータを用いて１５０℃程度で加熱する。これにより、絶縁性接着材１９が固化して、制御ＩＣ１３とリードフレーム１０とが接着固定される。

最後に、エミッタ電極１４ａとリードフレーム２０、および、ゲート電極１４ｂと制御ＩＣ１３の電極１６、をボンディングワイヤ２１ａ，２１ｂにより接続する。

次に、図１および図２を参照して、本実施形態における半導体装置１００の作用効果について説明する。

図２に示すように、制御ＩＣ１３として、絶縁層１８を有さない従来の構成（チップ部１７のみの構成）においては、絶縁性接着材１９が、チップ部１７とリードフレーム１０とを接着固定する役割を果たすとともに、チップ部１７とリードフレーム１０とを電気的に絶縁する役割も担う。このため、絶縁性接着材１９の厚みがチップ部１７とリードフレーム１０との間の絶縁耐圧を満たすように、絶縁性接着材１９の塗布量を管理しなければならない。また、絶縁性接着材１９を、絶縁耐圧が満たされる十分な厚さを確保できる量だけ塗布すると、絶縁性接着材１９の濡れ広がる領域（図２中、Ａと示す）が、絶縁性接着材１９の塗布量が少ない場合に較べて広い範囲に形成されてしまう。すなわち、所定の領域にチップ部１７を配置するためには、図２に示すように、絶縁性接着材１９の濡れ広がる領域Ａを考慮にいれて、チップ部１７の体格を小さくしなければならない。

これに対して、本発明では、制御ＩＣ１３が絶縁層１８を有する。これによれば、リードフレーム１０と制御ＩＣ１３のうちのチップ部１７との電気的絶縁性は、主に制御ＩＣ１３の絶縁層１８が担う。なお、本実施形態のように、ポリイミド系樹脂からなる絶縁層１８の厚さが２０μｍとされた場合、リードフレーム１０とチップ部１７との電位差として略６ｋＶの絶縁耐圧を確保することができる。このため、絶縁性接着材１９を塗布する際に、その塗布量（厚さ）の管理を不要とすることができる。換言すれば、絶縁性接着材１９は、制御ＩＣ１３とリードフレーム１０とを接着固定する役割のみを担えばよく、絶縁性接着材１９の量は、制御ＩＣ１３が固定できる範囲で任意に設定することができる。また、上記したような従来構成に較べて、絶縁性接着材１９の塗布量を少なくすることができるため、絶縁性接着材１９の濡れ広がる領域Ａを小さくすることができる。したがって、所定の領域内に配置できる制御ＩＣ１３（チップ部１７）の大きさを大きくすることができる。すなわち、制御ＩＣ１３の体格の制限を緩和することができる。換言すれば、ひとつの制御ＩＣ１３を配置するために必要な領域を小さくすることができ、リードフレーム１０上に実装される素子の実装率を向上させることができる。そして、本実施形態における絶縁層１８は、よく知られたスピンコート法により形成することができ、簡単な方法により得ることができる。

また、本発明において、リードフレーム１０と制御ＩＣ１３とを接着するために絶縁性接着材１９を硬化させる温度は、１５０℃程度でよく、ダイアタッチフィルムでリードフレーム１０と制御ＩＣ１３とを接着する方法（加熱温度は２５０℃程度）に較べて低温にすることができる。したがって、リードフレーム１０と両面電極素子１２を接着している無鉛はんだ１５を溶融させることなく、リードフレーム１０と制御ＩＣ１３とを接着することができる。

（第２実施形態）
第１実施形態では、制御ＩＣ１３を構成する絶縁層１８として、ポリイミド系（あるいはＰＢＯ系）の樹脂を用いる例を示した。しかしながら、上記例に限定されるものではない。絶縁層１８として、二酸化ケイ素を主成分とし、アルカリ元素を含有するガラス、例えば、パイレックス（コーニング社の登録商標。以下同様）ガラスを用いることができる。なお、本実施形態において、上記実施形態に示した半導体装置１００と共通する部分についての説明は割愛する。

本実施形態において、絶縁層１８としてのパイレックスガラスの厚さは、３０μｍ以上（本実施形態では例えば、略０．３ｍｍ）とするとよい。パイレックスガラスの絶縁耐圧は、略２０Ｖ／μｍであり、第１実施形態と同様、リードフレーム１０に略６００Ｖが印加される場合には、絶縁層１８の厚さを３０μｍ以上とするとよい。さらには、第１実施形態と同様、予期しないサージ電圧（例えば４．５ｋＶ）に対応するため、絶縁層１８の厚さとして、０．２３ｍｍ以上とすることが好ましい。本実施形態のように、絶縁層１８の厚さを０．３ｍｍとすれば、リードフレーム１０とチップ部１５との電位差として略６ｋＶの絶縁耐圧を確保することができる。

本実施形態における制御ＩＣ１３は、図示しない半導体ウェハの裏面に、陽極接合によりパイレックスガラスを接着固定し、半導体ウェハをパイレックスガラスからなる絶縁層１８とともにダイシングすることによって得ることができる。なお、本実施形態では、絶縁層１８の構成材料としてパイレックスガラスを用いる例を示したが、この例に限定されるものではない。絶縁層１８としては、チップ部１７（例えばシリコンを主成分とする）と陽極接合が可能で、且つ、チップ部１７（シリコン）との熱膨張係数差の小さい材料、例えば、ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｎａ_２Ｏ系のアルミノ珪酸塩系ガラスを用いてもよい。なお、両面電極素子１２および制御ＩＣ１３のリードフレーム１０への固定方法は、第１実施形態と同一であるので、説明を割愛する。

本実施形態における半導体装置１００の構成は、絶縁層１８の構成材料を除いて第１実施形態と同一であるため、第１実施形態と同一の作用効果を奏することができる。

（その他の実施形態）
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

絶縁層１８の構成材料として、第１実施形態ではポリイミド系樹脂（あるいはＰＢＯ系樹脂）、第２実施形態ではパイレックスガラス（あるいはアルミノ珪酸塩系ガラス）、を用いる例を示したが、上記例に限定されるものではない。絶縁層１８としては、エポキシ樹脂等、種々の絶縁性の固体材料を用いることができる。

また、上記した各実施形態では、リードフレーム１０と両面電極素子１２との接着に、無鉛はんだ１５を用いる例を示したが、銀ペースト等の導電性接着材を用いることもできる。導電性接着材として、銀ペーストを用いる場合には、例えば、以下に示すような工程を経て、リードフレーム１０と両面電極素子１２とを接着する。リードフレーム１０上において、両面電極素子１２の実装位置に、銀ペーストを塗布する。その後、銀ペーストが塗布されたリードフレーム１０上に、両面電極素子１２を、コレクタ電極１４ｃがリードフレーム１０と対向するように置く。そして、図示しないヒータを用いて１５０℃程度で加熱することにより、銀ペーストを硬化させて両面電極素子１２とリードフレーム１０とを接着固定する。なお、特許請求の範囲に記載の、導電性接着材の耐熱温度とは、導電性接着材を構成する樹脂材料（例えば、エポキシ樹脂）が分解、あるいは架橋が切断されるなどして接着強度が低下する温度を指す。なお、硬化した銀ペーストの加熱時間１０分〜６０分間における耐熱温度は、２５０℃〜３００℃程度であり、リードフレーム１０と制御ＩＣ１３とを接着するための絶縁性接着材１９の硬化温度よりも高くなるため、絶縁性接着材１９を硬化させる工程において、銀ペーストの接着強度が低下することはない。

また、上記した各実施形態では、絶縁性接着材１９として、エポキシ系接着材を用いる例を示したが、絶縁性接着材１９としては、アクリル樹脂系接着材等を用いることもできる。

また、上記した各実施形態では、両面電極素子１２として、ＩＧＢＴを用いる例を示したが、上記例に限定されるものではない。電極の構造が縦型（リードフレームの厚さ方向において両面に電極を有する構成）とされた半導体素子であればよく、例えば、パワーＭＯＳＦＥＴ等を用いることもできる。

１００・・・半導体装置
１０・・・リードフレーム
１２・・・両面電極素子
１３・・・制御ＩＣ
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ・・・電極
１５・・・無鉛はんだ
１６・・・電極
１７・・・チップ部
１８・・・絶縁層
１９・・・絶縁性接着材

Claims (5)

1. リードフレームと、
   該リードフレームにおける共通の一面上に配置される複数の半導体素子と、を有し、
   前記半導体素子は、
   前記リードフレームの厚さ方向において、両面に電極を有する両面電極素子と、
   前記両面電極素子の駆動を制御する制御ＩＣと、を含み、
   前記両面電極素子は、前記一面と対向する面に形成された電極が、無鉛はんだ、または、導電性接着材を介して、前記リードフレームと電気的に接続され、
   前記制御ＩＣは、
   チップ部と、
   該チップ部のうち、前記リードフレームと対向する対向面の全面に配置され、均一の厚さとされる絶縁層と、を有し、
   前記無鉛はんだの融点、または、前記導電性接着材の耐熱温度よりも、硬化温度の低い前記絶縁性接着材を介して、前記絶縁層と前記一面とが接続されることを特徴とする半導体装置。
2. 前記絶縁層は、ポリイミド系樹脂、または、ポリベンゾオキサゾール系樹脂からなることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記絶縁層は、二酸化ケイ素を主成分とし、アルカリ元素を含有するガラスからなることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
4. 前記両面電極素子は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
5. 前記両面電極素子は、パワーＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。

Images