JP2014007294A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性および放熱性の高い樹脂封止型の半導体装置を提供する。
【解決手段】樹脂封止型の半導体装置１０が、表面と裏面を有するブロック形状の冷却体４と、冷却体の表面上に半田６を介して固定された、上部金属板２ａと下部金属板２ｂで両面が挟まれた絶縁板２ｃからなる絶縁基板３と、絶縁基板の上部金属板上に半田６を介して固定された半導体チップ１と、冷却体の裏面が露出するように、冷却体、絶縁基板、および半導体チップを封止する封止樹脂５とを含み、冷却体を表面に垂直な方向から見た場合に、冷却体の角部が丸い形状である。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特にＩＧＢＴを搭載したパワーモジュール等の樹脂封止型半導体装置およびその製造方法に関する。

ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、サイリスタなどのパワー用の半導体チップは、通電動作中に発生する熱を外部に放出するため、半導体チップが金属などの熱伝導性の良い冷却体に固着される。更に半導体チップは、外気に対する絶縁や保護のために冷却体の一部と共に樹脂などの封止部材によって封止される。冷却体の裏面上には封止樹脂が形成されず、この冷却体の裏面が例えば冷却フィンに固着される。

例えば特許文献１には、半導体チップが、２枚の金属板（上部金属板、下部金属板）に挟まれた絶縁基板からなる３層板を介して冷却体に固着され、これらが樹脂封止された半導体装置が開示されている。
また、特許文献２には、金属ベース板の上に、絶縁基板を介して半導体チップがマウントされたリードフレームを搭載し、樹脂封止した半導体装置が開示されている。

特開平１１−２０４６９３号公報 特開平０９−２３２３４１号公報

しかしながら、従来の半導体装置では、冷却体や金属ベース板と封止樹脂との間の熱膨張率の差が大きいため、半導体装置が加熱された場合、冷却体や金属ベース板と封止樹脂との間で剥離が発生するという問題があった。
また、半導体装置の裏面では冷却体の裏面が露出しているが、製造工程において冷却体の裏面に熱伝導率の低い封止樹脂が付着し、放熱性が低下するという問題もあった。

そこで、本発明は、冷却体と封止樹脂との間の剥離を防止して信頼性を高めるとともに、冷却体の裏面への封止樹脂の付着を防止して放熱性を向上させた半導体装置の提供を目的とする。

本発明は、表面と裏面を有するブロック形状の冷却体と、冷却体の表面上に半田を介して固定された、上部金属板と下部金属板で両面が挟まれた絶縁板からなる絶縁基板と、絶縁基板の上部金属板上に半田を介して固定された半導体チップと、冷却体の裏面が露出するように、冷却体、絶縁基板、および半導体チップを封止する封止樹脂とを含み、冷却体を表面に垂直な方向から見た場合に、冷却体の角部が丸い形状または面取り形状であることを特徴とする樹脂封止型の半導体装置である。

また、本発明は、上部金属板と下部金属板で両面が挟まれた絶縁板からなる絶縁基板を準備する工程と、絶縁基板の上部金属板の上に、半導体チップを第１半田で固定する工程と、冷却板の表面上に、絶縁基板を第２半田で固定する工程と、半導体チップ、絶縁基板、および冷却板を樹脂で封止する樹脂封止工程とを含み、樹脂封止工程は、第２半田の融点より低い加熱温度まで冷却体を加熱する工程と、金型の内部に、加熱した冷却板を、裏面側を下にして載置する工程と、金型内に樹脂を注入する工程とを含むことを特徴とする樹脂封止型の半導体装置の製造方法である。

以上のように、本発明にかかる半導体装置では、冷却体と封止樹脂との間の剥離と、冷却体の裏面への封止樹脂の付着を防止した、信頼性が高く、放熱性に優れた半導体装置を得ることができる。

また、本発明にかかる半導体装置の製造方法では、製造コストを低減できるとともに、冷却体の裏面への封止樹脂の付着を防止でき、冷却効率の高い半導体装置を提供できる。

本発明の実施の形態にかかる半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態にかかる半導体装置に用いられる冷却体の上面図である。 本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造工程の断面図である。 従来の半導体装置の製造工程の断面図である。

図１は、全体が１０で表される、本発明の実施の形態にかかる半導体装置の断面図である。半導体装置１０は、例えば窒化アルミニウム、窒化珪素、アルミナなどのセラミックからなる絶縁板２ｃと、その表面と裏面にそれぞれ設けられ、銅やアルミニウムのような金属からなる上部金属板２ａおよび下部金属板２ｂからなる絶縁基板３を含む。

絶縁基板３の上部金属板２ａの上には、ニッケルメッキ７が設けられ、その上に半田６を介して半導体チップ１が固定されている。ニッケルメッキ７は、銅やアルミニウムと比較して封止樹脂５との接合性が悪いため、半導体チップ１を設ける領域にのみ形成する。半導体チップ１は、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、サイリスタなどのパワーデバイスからなる。実際は半導体チップ１と外部電極等を電気的に接続するためにリードフレームやアルミワイヤが設けられるが、ここでは省略する。

一方、絶縁基板３の下部金属板２ｂの上には、ニッケルメッキ７が設けられ、表面と裏面にニッケルメッキ７が設けられた冷却体４の上に、半田６を介して固定される。図１では、冷却体４の両面にニッケルメッキ７が設けられているが、半田６が設けられる表面側のみに設けても構わない。

半導体チップ１、絶縁基板３、および冷却体４は、例えばエポキシ樹脂からなる封止樹脂５で封止される。樹脂封止には、例えばトランスファーモールド法が用いられる。この場合、冷却体４の裏面４ａ上は封止樹脂５で覆われない。

図２は、冷却体４の上面図である。冷却体４は、平行な表面と裏面を有するブロック形状である。図２に示すように、上面から見た場合に、冷却体４は矩形形状であり、その角部４ｆは丸くなっている。冷却体４は、熱伝導性の高い、例えば銅やアルミニウム等の金属から形成される。絶縁基板３と冷却体４との間の熱膨張率の差を小さくして熱応力を緩和するために、冷却体４の内部に、シリコンカーバイト、窒化アルミニウム、窒化珪素、アルミナなどを埋め込んでも良い。

冷却体４の表面と裏面に設けられたニッケルメッキ７は、半田６との接合性を向上させるために設けられる。しかしながら、上述のようにニッケルメッキ７は封止樹脂５との接合性が悪い。そこで、半導体装置１０では、冷却体４の表面と裏面にのみ（または表面にのみ）ニッケルメッキ７を設け、側面４ｂにはニッケルメッキ７を設けない。

冷却体４は、両面または片面にニッケルメッキ７を設けた、銅やアルミニウムの金属板を打ち抜き加工して形成する。打ち抜き加工法を用いることにより、冷却体４を安価に製造できる。

打ち抜き加工では、せん断面からなる側面４ｂは破断面４ｃであるため、投錨効果により封止樹脂５との密着がより良くなる。また、打ち抜き加工では、破断面４ｃにダレ部４ｄとカエリ部４ｅが形成される。図１に示すように、半導体装置１０では、ダレ部４ｄが冷却体４の裏面４ａ側になるように配置し、ダレ部４ｄまでを含めて封止樹脂５で覆うことにより、冷却体４を封止樹脂５で抱え込む状態となるので、特別な加工を施すことなく、冷却体４と封止樹脂５の剥離を防止できる。なお、ダレ部４ｄの代わりに、冷却体４の裏面４ａの外周部に、面取りや段差を設けることで、ダレ部４ｄと同様に冷却体４を封止樹脂５で抱え込んで両者の剥離を防止する効果が得られることは言うまでもない。

また、図２に示すように、冷却体４の角部４ｆが丸くなっているため、角部４ｆが直角の場合に比較して打ち抜き加工が容易になると共に、打ち抜き金型の磨耗や損傷も減らすことができる。これにより、冷却体４の製造コストの低減が可能となる。なお、冷却体４の角部４ｆは丸い形状になっていることが最も望ましいが、面取り形状であっても、直角の場合と比較して、打ち抜き加工が容易になると共に、打ち抜き金型の磨耗や損傷も減らすことができることは言うまでもない。

以上のように、本発明の実施の形態にかかる半導体装置１０では、打ち抜き加工で作製した冷却体を用いて加工時のダレ部４ｄを抱えるように樹脂封止することにより、製造コストの低減が可能となるとともに、冷却体４と封止樹脂５の剥離を防止し信頼性の高い半導体装置１０を得ることができる。

次に、半導体装置１０の製造方法について、図３を参照しながら簡単に説明する。図３は、本発明の実施の形態にかかる半導体装置１０の製造工程の断面図であり、図３中、図１と同一符号は、同一または相当箇所を示す。

半導体装置１０の製造方法では、上述のように、まず、絶縁基板３の上に半田６を用いて半導体チップ１を固定する。続いて、半導体チップ１が固定された絶縁基板３を、冷却体４の上に半田６で固定する。

最後に、図３に示すように、絶縁基板３や半導体チップ１が設けられた冷却体４を、トランスファーモールド用の下部金型８ｂの上に載置した後、上部金型８ａを載せる。続いて、封止樹脂５を金型８ａ、８ｂ内に高圧で流し込むことにより、冷却体４の側面４ｂから絶縁基板３および半導体チップ１を樹脂封止する。

かかる製造工程では、冷却体４に絶縁基板３を半田６で固定する際に、まず絶縁基板３と冷却体４の間に半田６を設置し、半田６が溶融する温度まで加熱する。次に、半田６を溶融温度から冷却すると、２００℃前後で半田６が凝固する。更に温度を下げると、絶縁基板３と冷却体４の線膨張率に差があるため、一般には、図４に示すように、バイメタルのような反りを生じる。

図４は従来の半導体装置の、図３に対応する製造工程の断面図であり、図４中、図３と同一符号は、同一または相当箇所を示す。図４に示す従来の半導体装置では、絶縁基板３は主にセラミックからなり、冷却体４は主にセラミックより線膨張率の大きな銅やアルミニウムからなる。このため、半田後に温度を下げると、絶縁基板３よりも冷却体４のほうがより大きく収縮し、冷却体４の裏面の中央部が凹むように変形し、下部金型８ｂと冷却体４との間に隙間２０ができる。この結果、トランスファーモールド工程で、封止樹脂５が隙間２０にも入り、冷却体４の裏面に封止樹脂５が付着し、冷却効率が低下する。

これに対して、本発明の実施の形態にかかる半導体装置１０の製造方法では、以下のように隙間２０の発生を防止する。まず、絶縁基板３と冷却体４の線膨張率の違いによる反りは、両者を接合する半田６が溶融しない温度（例えば、２００℃よりやや低い温度）に保持することで小さくする。例えばＳｎ−Ｐｂ系半田では、融点は１８５℃前後なので、これより１０〜２０度程度低い温度に保持することが好ましい。

即ち、冷却体４の上に絶縁基板３や半導体チップ１を半田６で接合した後、これらを加熱して冷却体４の接合体の反りをほぼ無くした状態で下部金型８ｂの上に載置し、上部金型８ａで覆った後に、封止樹脂５を流し込む。これにより、冷却体４と下部金型８ｂとの間に隙間２０の無い状態で樹脂封止ができ、冷却体４の裏面４ａに封止樹脂５が回り込まない。冷却体４等の加熱は、例えば、冷却体４の裏面４ａをホットプレート等の熱源に当接させて行っても良い。

ここで、絶縁基板３と半田接合した冷却体４は、加熱前は若干沿っているため、熱源がホットプレートのように平坦な場合には、熱源と冷却体４とは、冷却体４の四隅が点接触するのみで十分に加熱されない。

冷却体４の反り、つまり冷却体４の裏面４ａと熱源との隙間２０の距離は、最大で数百μｍとなり、このような隙間２０の中に空気がある場合、熱伝導は空気層を介した熱伝導が支配的となる。空気の熱伝導率は０．０２３４Ｗ／ｍＫと非常に小さく、空気層の熱抵抗は非常に大きいため、空気層の厚さのわずかな違いが熱伝導に大きく影響する。

本発明の実施の形態にかかる半導体装置１０では、先に述べたように、冷却体４の４つの角部４ｆを丸い形状とすることにより、冷却体４の表面および裏面の対角線の長さが短くなり、冷却体４の裏面４ａと熱源との隙間、つまり空気層の厚さが減少する。このため、冷却体４が若干反った場合でも、ホットプレート等の平坦な熱源を用いて冷却体４を容易に短時間で加熱でき、冷却体４の反りを無くすことができる。

更には、冷却体４のダレ部４ｄが冷却体４の裏面４ａ側になるように配置して加熱することにより、冷却体４のカエリ部４ｅによる、冷却体４の熱源からの浮き上がりを防止できる。

このように、本発明の実施の形態にかかる半導体装置１０の製造方法では、絶縁基板３を固定した冷却体４を加熱して、冷却体４の反りをほぼ無くした状態で、下部金型８ｂの上に載置して樹脂封止するため、冷却体４の裏面４ａへの封止樹脂５の回り込みを防止することができる。この結果、放熱性の高い半導体装置を得ることができる。

１ 半導体チップ、２ａ 上部金属板、２ｂ 下部金属板、２ｃ 絶縁板、３ 絶縁基板、４ 冷却体、５ 封止樹脂、６ 半田、７ ニッケルメッキ、８ａ 上部金型、８ｂ 下部金型、１０ 半導体装置。

Claims (7)

1. 樹脂封止型の半導体装置であって、
   表面と裏面を有するブロック形状の冷却体と、
   該冷却体の表面上に半田を介して固定された、上部金属板と下部金属板で両面が挟まれた絶縁板からなる絶縁基板と、
   該絶縁基板の上部金属板上に半田を介して固定された半導体チップと、
   該冷却体の裏面が露出するように、該冷却体、該絶縁基板、および該半導体チップを封止する封止樹脂と、を含み、
   該冷却体を表面に垂直な方向から見た場合に、該冷却体の角部が丸い形状または面取り形状であることを特徴とする半導体装置。
2. 上記冷却体は、裏面の周囲に面取り部または段差部を有し、
   上記封止樹脂が該面取り部または該段差部を覆うことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 上記冷却体は、金属板の打ち抜き加工により形成されて、側面が破断面からなり、裏面の周囲に表面側に押し上げられたダレ部を有し、
   上記封止樹脂が該ダレ部を覆うことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
4. 上記冷却体の少なくとも表面上に、ニッケルメッキが形成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置。
5. 樹脂封止型の半導体装置の製造方法であって、
   上部金属板と下部金属板で両面が挟まれた絶縁板からなる絶縁基板を準備する工程と、
   該絶縁基板の上部金属板の上に、半導体チップを第１半田で固定する工程と、
   冷却板の表面上に、該絶縁基板を第２半田で固定する工程と、
   該半導体チップ、該絶縁基板、および該冷却板を樹脂で封止する樹脂封止工程と、を含み、
   該樹脂封止工程は、該第２半田の融点より低い加熱温度まで該冷却体を加熱する工程と、
   金型の内部に、加熱した該冷却板を、裏面側を下にして載置する工程と、
   該金型内に該樹脂を注入する工程と、を含むことを特徴とする製造方法。
6. 上記樹脂封止工程は、上記金型の内部の平面上に、上記冷却板の裏面を密着させた状態で載置し、上記樹脂を注入する工程であることを特徴とする請求項５に記載の製造方法。
7. 上記加熱温度は、上記第２半田の融点より１０〜２０度低い温度であることを特徴とする請求項５または６に記載の製造方法。

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