JP2014022444A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低コスト且つ小型の半導体装置を得ること。
【解決手段】リードフレームと、前記リードフレームの一面側に実装されたパワー素子と、前記リードフレームにおける前記パワー素子が配置された領域の上方に配置されて前記パワー素子を制御する部品を搭載した制御基板と、前記リードフレームと前記制御基板とを電気的且つ機械的に接続する金属ワイヤと、前記リードフレームの他面側に接着された縁放熱シートと、前記リードフレームと前記パワー素子と前記制御基板と前記絶縁放熱シートとを封止するモールド樹脂と、を備え、前記制御基板は、前記制御基板の面方向において延在して前記モールド樹脂７から突出した突出部５ａを備える。
【選択図】図１−１

Description

本発明は、半導体装置に関し、特にモールド樹脂で一体封止した半導体装置およびその製造方法に関する。

電力用半導体装置は大電流、高電圧下で動作するため、高い絶縁性を確保するとともに、動作に伴う発熱を半導体装置の外部に効率良く逃がすことが必要不可欠とされている。このような電力用半導体装置として、例えば特許文献１には、半導体素子、リードフレーム、半導体素子を制御する制御基板、ワイヤ配線、制御基板固定部、絶縁シート、ヒートシンクがモールド樹脂により一体的に封止された半導体装置が開示されている。

このような特許文献１に記載の半導体装置では、リードフレームの一部をリードフレームの主面に対して垂直に曲げることにより製造時における制御基板の固定部を構成し、リードフレームの主面に対して制御基板を垂直方向に支える剛性を発揮させている。この固定部により、制御基板の樹脂封止中の位置決め性が確保されている。

特開２０１１−９６６９５号公報

しかしながら、上記従来の技術によれば、モールド樹脂による封止を行う際に、モールド成形に要する時間を短くするためにモールド樹脂の流入速度を大きくすると、モールド樹脂の流れによる制御基板の移動や変形が生じる。そして、制御基板が大きく移動、変形した場合には、制御基板に接続されているワイヤ配線の断線などの不具合が発生する。このため、モールド樹脂の流れによる制御基板の移動を防止するためにリードフレームの垂直に曲げられた部分およびその根元の剛性を大きくせざるを得ず、リードフレームの垂直に曲げられた部分の断面積を大きく確保する必要があった。

この結果、制御基板の固定および配線のために、リードフレームの面積のかなり多くの割合を割く必要があり、コストが高くなるという問題があった。また、リードフレームを曲げる加工が必要なため工数が多くなり、コストが高くなるという問題があった。また、リードフレームが垂直に曲げられた部分に起因して半導体装置の外形が大きくなる、という問題があった。

また、特許文献１には制御基板から直接外部へ信号を取り出せる電極に関しては記述がなく、一旦リードフレームの電極にワイヤボンド配線を接続し、リードフレームの電極がモールドの外に取り出されて信号を取り出す電極を構成しており、本来であれば大電流を流すための断面積を有するリードフレームを、せいぜい瞬時１Ａ、平常では数ｍＡ程度の電流を流す信号配線の経路として用いることになり、多数の配線を当該経路を用いて構成することは不経済であった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、低コスト且つ小型の半導体装置およびその製造方法を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる半導体装置は、リードフレームと、前記リードフレームの一面側に実装された半導体素子と、前記リードフレームにおける前記半導体素子が配置された領域の上方に配置されて前記半導体素子を制御する部品を搭載した制御基板と、前記リードフレームと前記制御基板とを電気的且つ機械的に接続する金属ワイヤと、前記リードフレームの他面側に接着された絶縁放熱樹脂層と、前記リードフレームと前記半導体素子と前記制御基板と前記絶縁放熱樹脂層とを封止する封止樹脂と、を備え、前記制御基板は、前記制御基板の面方向において延在して前記封止樹脂から突出した突出部を備えること、を特徴とする。

本発明によれば、低コスト且つ小型の半導体装置が得られる、という効果を奏する。

図１−１は、本発明の実施の形態にかかる電力用半導体装置の概略構成を模式的に示す斜視図である。 図１−２は、本発明の実施の形態にかかる電力用半導体装置の概略構成を模式的に示す断面図であり、図１−１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 図１−３は、本発明の実施の形態にかかる電力用半導体装置の概略構成を模式的に示す断面図であり、図１−２のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。 図１−４は、本発明の実施の形態にかかる電力用半導体装置の概略構成を模式的に示す断面図であり、図１−２のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。 図１−５は、本発明の実施の形態にかかる制御基板の主面方向における外形を示す平面図である。 図２−１は、本発明の実施の形態にかかる電力用半導体装置の製造方法を模式的に示す断面図である。 図２−２は、本発明の実施の形態にかかる電力用半導体装置の製造方法を模式的に示す断面図である。 図２−３は、本発明の実施の形態にかかる電力用半導体装置の製造方法を模式的に示す断面図である。 図２−４は、本発明の実施の形態にかかる電力用半導体装置の製造方法を模式的に示す断面図である。 図２−５は、本発明の実施の形態にかかる電力用半導体装置の製造方法を模式的に示す断面図である。 図３−１は、本発明の実施の形態にかかる電力用半導体装置の作製に使用される下モールド金型の概略構成を模式的に示す斜視図である。 図３−２は、本発明の実施の形態にかかる電力用半導体装置の作製に使用される上モールド金型の概略構成を模式的に示す斜視図である。 図４は、モールド金型の型開き状態における制御基板の突出部とモールド金型とのパーティングラインの関係を模式的に示す断面図である。 図５は、モールド金型の型閉め状態における制御基板の突出部とモールド金型とのパーティングラインの関係を模式的に示す断面図である。

以下に、本発明にかかる半導体装置およびその製造方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下に示す図面においては、理解の容易のため、各部材の縮尺が実際とは異なる場合がある。各図面間においても同様である。

実施の形態
図１−１は、本発明の実施の形態にかかる電力用半導体装置１００の概略構成を模式的に示す斜視図である。図１−２は、本発明の実施の形態にかかる電力用半導体装置１００の概略構成を模式的に示す断面図であり、図１−１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。図１−３は、本発明の実施の形態にかかる電力用半導体装置１００の概略構成を模式的に示す断面図であり、図１−２のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。図１−４は、本発明の実施の形態にかかる電力用半導体装置１００の概略構成を模式的に示す断面図であり、図１−２のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。

図１−１〜図１−４に示すように、電力用半導体装置１００は、リードフレーム１、リードフレーム１の外部端子１ａ、１ｂ、絶縁放熱樹脂層である絶縁放熱シート２、金属ベース３、半導体素子であるパワー素子４、パワー素子４を制御する部品を搭載した制御基板５、金属ワイヤ６ａ、６ｂ、６ｃ、を備え、これらがモールド樹脂７により一体成形されている。なお、実際には各部材の数量はさらに多数とされるが、本実施の形態では理解を容易にするため、少ない部材数で説明している。

リードフレーム１はモールド樹脂７の外形から外部に突出した外部端子１ａと外部端子１ｂとを備えて構成され、銅板やアルミ板からプレス成形することにより形成される。外部端子１ａは、その一方をモールド樹脂７の内部に延長させて、パワー素子４がはんだ接合される部位を有している。このため、リードフレーム１（外部端子１ａ）はパワー素子４のパターン形成と外部端子形成の両方を担っている。

リードフレーム１の一面側には、パワー素子４がはんだ８により接合・固着され、固定されている。また、リードフレーム１（外部端子１ａ）におけるパワー素子４がはんだ８により接合された面と反対側の他面には、絶縁放熱シート２と金属ベース３とがこの順で配置されている。絶縁放熱シート２は、たとえば絶縁性の熱硬化性樹脂が用いられ、その内部には絶縁性のフィラーが混入されている。

金属ベース３は、熱伝導性の高い銅やアルミで形成されており、金属ベース３の底面は電力用半導体装置１００の底面の一部を構成している。そして、パワー素子４の発熱は、絶縁放熱シート２を介して金属ベース３を介して放出される。これにより、パワー素子４から電力用半導体装置１００の底面への放熱性が確保されている。なお、図示しないが通常は熱伝導グリスや放熱シートを介して金属ベース３の底面にヒートシンクを取り付けて、金属ベース３の熱を放熱する。

リードフレーム１に接合されたパワー素子４の一部は、外部端子１ｂに接続するリードフレーム１に金属ワイヤ６ａにより導通している。また、このパワー素子４は、金属ワイヤ６ｂにより外部端子１ｂに導通している。

制御基板５は、パワー素子４のゲート、駆動、絶縁分離、過電流保護、温度保護、短絡保護などの機能を有する。制御基板５の短辺方向において対向する一対の端部のうち一方の端部近傍の上面と外部端子１ｂとが金属ワイヤ６ｃにより電気的および機械的に接続されている。より詳細には、制御基板５の短辺方向において対向する一対の端部のうち一方の端部近傍の上面には電極が形成され（図示せず）、該電極は金属ワイヤ６ｃにより外部端子１ｂと電気的および機械的に接続されている。これにより、外部端子１ｂは、制御基板５から直接外部へ信号を取り出せる電極として機能する。

また、制御基板５は、絶縁放熱シート２や金属ベース３の面方向において絶縁放熱シート２および金属ベース３とほぼ重なるようにこれらの上方に配置されている。すなわち、電力用半導体装置１００は、パワー素子４が実装されたリードフレーム１の上方に制御基板５が設置されて、パワー素子４と制御基板５が電力用半導体装置１００の厚み方向（高さ方向）に並んだ段組み構造とされることにより、小型化が図られている。

また、制御基板５は、図１−５に示すように制御基板５の長手方向において対向する一対の辺に、該一対の辺から突出した突出部５ａを備える。突出部５ａは、該一対の辺における角部近傍の４箇所に設けられている。図１−５は、制御基板５の主面方向における外形を示す平面図である。

モールド樹脂７は、たとえばエポキシなどの熱硬化性樹脂が用いられる。モールド樹脂７により外部端子１ａ、外部端子１ｂ、金属ベース３の露出面および制御基板５の突出部５ａを除き電力用半導体装置１００全体が樹脂封止されている。

上記のように構成された本実施の形態にかかる電力用半導体装置１００においては、制御基板５の突出部５ａを備えることにより、簡略な製造工程により製造可能な、低コスト且つ小型の電力用半導体装置が実現されている。

つぎに、上記のように構成された本実施の形態にかかる電力用半導体装置の製造方法について、図２−１〜図２−５を参照して説明する。図２−１〜図２−５は、本実施の形態にかかる電力用半導体装置の製造方法を模式的に示す断面図である。なお、図２−１、図２−２、図２−４は図１−２に対応する方向の断面図であり、図２−３、図２−５は図１−３に対応する方向の断面図である。

まず、リードフレーム１上にパワー素子４がはんだ８により接合される。また、リードフレーム１に接合されたパワー素子４の一部は、外部端子１ｂに接続するリードフレーム１に金属ワイヤ６ａにより導通されるとともに外部端子１ｂに接続するリードフレーム１に金属ワイヤ６ｂにより導通される。そして、制御基板５の短辺方向において対向する一対の端部のうち一方の端部近傍の上面に形成された電極が、金属ワイヤ６ｃにより外部端子１ｂと電気的および機械的に接続される（図２−１）。

ここで、本実施の形態では、制御基板５のリードフレーム１との相対位置を所定の位置とする例えば画像認識などによる位置決め機構、および制御基板５のクランプ機構を備えたワイヤボンディング装置を用いて金属ワイヤ６ｃのワイヤボンディングを行う。クランプ機構は、垂直方向に関しては一定位置で確実にクランプできる高さ保持機構および移動防止機構を備える。水平方向における制御基板５の位置決めおよび位置補正は、画像認識によりリードフレーム１に対して制御基板５の位置を再現性良く配置可能である。

そして、該ワイヤボンディング装置では、上記の機構によりリードフレーム１に対して制御基板５の位置が所定の正しい相対位置に位置決めされてクランプされた状態でワイヤボンディングが行われ、制御基板５の短辺方向において対向する一対の端部のうち一方の端部近傍の上面と外部端子１ｂとが金属ワイヤ６ｃにより電気的および機械的に接続される。より詳細には、制御基板５の短辺方向において対向する一対の端部のうち一方の端部近傍の上面に形成された電極と外部端子１ｂとが金属ワイヤ６ｃにより電気的および機械的に接続される。

その後、制御基板５のクランプを外しても、金属ワイヤ６ｃにより制御基板５は保持され、リードフレーム１に対する相対位置は保たれる。このとき、図１−５に示すような制御基板５の突出部５ａをクランプすることが好ましく、該突出部５ａを角に近い４箇所の領域に備えることがより好ましい。これはワイヤボンド時の位置保持性を高める効果もあり、金型の無効領域を減らすためでもある。

つぎに、一主面（上面）に絶縁放熱シート２が貼られた金属ベース３を、下モールド金型２１の中空部の底面上に設置する。つぎに、下モールド金型２１の中空部に、リードフレーム１が絶縁放熱シート２上に載置された状態で、パワー素子４が実装された外部端子１ａ（リードフレーム１）、リードフレーム１の外部端子１ｂおよび該外部端子１ｂに金属ワイヤ６ｃで接続保持された制御基板５を下モールド金型２１に設置する（図２−２、図２−３）。

ここで、本実施の形態で使用するモールド金型について図３−１および図３−２を参照して説明する。図３−１は、本実施の形態にかかる電力用半導体装置の作製に使用される下モールド金型２１の概略構成を模式的に示す斜視図である。図３−２は、本実施の形態にかかる電力用半導体装置の作製に使用される上モールド金型３１の概略構成を模式的に示す斜視図である。

図３−１に示すように、下モールド金型２１は、上面（上モールド金型３１との合わせ面）側が開口されて内部に略直方体形状の中空部を有する。また、下モールド金型２１は、上モールド金型３１との合わせ面のうち長辺方向において相対する一対の合わせ面に金型突起部を備える。すなわち、下モールド金型２１は、合わせ面２１ａに金型突起部２２ａおよび金型突起部２３ａを備え、合わせ面２１ｂに金型突起部２２ｂおよび金型突起部２３ｂを備える。金型突起部２２ａ、２３ａ、２２ｂ、２３ｂの上部は平坦面とされている。また、金型突起部２２ａと金型突起部２３ａとの間が凹部とされ、金型突起部２２ｂと金型突起部２３ｂとの間が凹部とされている。また、下モールド金型２１は、上モールド金型３１との合わせ面のうち短辺方向において相対する他の一対の合わせ面に、外部端子外部端子配置溝を備える。すなわち、下モールド金型２１は、合わせ面２１ｃに外部端子１ａが配置される外部端子配置溝２４を備え、合わせ面２１ｄに外部端子１ｂが配置される外部端子配置溝２５を備える。

一方、上モールド金型３１は、下面（下モールド金型２１との合わせ面）側が開口されて内部に図示しない略直方体形状の中空部を有する。また、図３−２に示すように、上モールド金型３１は、下モールド金型２１との合わせ面のうち長辺方向において相対する一対の合わせ面に、下モールド金型２１の金型突起部に対応した凹部を備える。すなわち、上モールド金型３１は、合わせ面３１ａに凹部３２ａおよび凹部３３ａを備え、合わせ面３１ｂに凹部３２ｂおよび凹部３３ｂを備える。凹部３２ａ、３３ａ、３２ｂ、３３ｂの底部は平坦面とされている。そして、凹部３２ａと凹部３３ａとの間が突起部とされ、凹部３２ｂと凹部３３ｂとの間が突起部とされている。

図４および図５に、制御基板５の突出部５ａとモールド金型のパーティングライン（下モールド金型２１の合わせ面２１ａ、上モールド金型３１の合わせ面３１ａ）の関係を示す。図４は、モールド金型の片開き状態における制御基板５の突出部５ａとモールド金型とのパーティングラインとの関係を模式的に示す断面図である。図５は、モールド金型の型閉め状態における制御基板５の突出部５ａとモールド金型とのパーティングラインの関係を模式的に示す断面図である。下モールド金型２１と上モールド金型３１とのパーティングラインは、リードフレーム上面に合わせて設定されている。

モールド金型の片開き状態において、パワー素子４が実装された外部端子１ａ（リードフレーム１）、リードフレーム１の外部端子１ｂおよび該外部端子１ｂに金属ワイヤ６ｃで接続保持された制御基板５が下モールド金型２１に設置される場合に、パワー素子４が実装された外部端子１ａ（リードフレーム１）は絶縁放熱シート２上に配置されるとともに一部が外部端子配置溝２４内にはめ込まれる。また、リードフレーム１の外部端子１ｂは、外部端子配置溝２５内にはめ込まれる。これにより、外部端子１ａ（リードフレーム１）および外部端子１ｂの下モールド金型２１に対する位置合わせが精度良く行われる。

そして、図４に示すように、制御基板５の長手方向における一端側の突出部５ａが金型突起部２２ａ、２３ａの上部の平坦面に載置される。また、制御基板５の長手方向における他端側の突出部５ａが金型突起部２２ａ、２３ａ、２２ｂ、２３ｂの上部の平坦面に載置される（図示せず）。突出部５ａが金型突起部２２ｂ、２３ｂの上部の平坦面上に載置されることにより、制御基板５の短手方向における、制御基板５の下モールド金型２１に対する位置合わせが精度良く行われる。また、このとき、制御基板５の長手方向において対向する一対の端面はそれぞれ金型突起部２２ａ、２３ａ、２２ｂ、２３ｂの中空部側の端面に当接して固定される。これにより、制御基板５の長手方向における、制御基板５の下モールド金型２１に対する位置合わせが精度良く行われる。そして、凹部３２ａを金型突起部２２ａに対応させ、凹部３３ａを金型突起部２３ａに対応させて位置合わせがされて、上モールド金型３１が下モールド金型２１上に配置される。

この状態で、モールド金型を片閉めすることにより、図５に示すように、制御基板５の突出部５ａが、下モールド金型２１と上モールド金型３１との間に挟まれて固定される。すなわち、４つの突出部５ａは、それぞれ金型突起部２２ａと凹部３２ａとの間、金型突起部２３ａと凹部３３ａとの間、金型突起部２２ｂと凹部３２ｂとの間、金型突起部２３ｂと凹部３３ｂとの間に挟まれて固定される。これにより、制御基板５の厚み方向（高さ方向）における下モールド金型２１に対する位置合わせが精度良く行われる。

このように、下モールド金型２１と上モールド金型３１とを、パーティングラインに上記のような凹凸段差を有する金型構造とすることで、制御基板５をリードフレームと平行に積層した位置でモールド金型内に精度良く固定・保持することができる。

そして、樹脂注入工程において、下モールド金型２１と上モールド金型３１との型締め後に中空部にモールド樹脂が注入される（図２−４、図２−５）。モールド樹脂７は、たとえばリードフレーム１の外部端子１ａ側の端部より注入される。モールド樹脂は、リードフレーム１の外部端子１ａを絶縁放熱シート２に略均一に押さえつけながら流動する。これにより、リードフレーム１の外部端子１ａと絶縁放熱シート２との良好な接着が得られる。

外部端子１ａ（リードフレーム１）の周囲がモールド樹脂７により充填された後、モールド樹脂７は制御基板５の上面および下面側を充填していく。このとき、制御基板５は上記のように面方向および高さ方向において固定されているため、モールド樹脂７の流動による移動が防止されている。これにより、制御基板５の移動に起因した金属ワイヤ間の短絡や金属ワイヤの破断が防止されるため、制御基板５とリードフレーム１間の配線はワイヤボンドのみで実現可能となる。

その後、一定時間加熱することによりモールド樹脂７を硬化させ、下モールド金型２１と上モールド金型３１とを型ばらしすることにより、図１−１〜図１−４に示すように一体封止された電力用半導体装置１００が得られる。電力用半導体装置１００には、図１−１に示すようにモールド金型分割面の形状が転写された線７ａが外観に現れる。

以上のような本実施の形態においては、図１−１、図１−３、図１−５に示すように、制御基板５の長手方向における両端部に複数の突出部５ａを設けて、該突出部５ａをモールド樹脂７の外形から突出させることを特徴としている。このように制御基板５の長手方向における突出部５ａをモールド樹脂７の外形から突出させることによって、制御基板５の回路部分（図示せず）をモールド樹脂７で封止するに際して、モールド金型内での制御基板５の位置がモールド金型の形状で規定されるので、制御基板５の位置決めが容易となり、位置再現性が確保できる。

制御基板５は、樹脂封止工程においてモールド金型のキャビティ（中空部）内に注入されたモールド樹脂７の圧力を受ける。ここで、電力用半導体装置１００を大型化しないという観点から、配線本数を多くしても制御基板５とリードフレーム１間をワイヤボンディングで配線することが好ましい。しかし、ワイヤボンディングの金属ワイヤは、接合性を確保するために、例えば手で容易に変形させられる程度の剛性しかない。すなわち、モールド樹脂７がモールド金型内に注入された際にモールド樹脂の流れにより制御基板５の移動や変形が生じて金属ワイヤが変形すると、金属ワイヤ間の短絡や金属ワイヤの破断が発生するおそれがある。そして、モールド樹脂の注入速度が遅いほど、金属ワイヤがモールド樹脂７から受ける圧力が大きくなる。

このため、従来は電力用半導体装置を大型化しないという観点から制御基板とリードフレーム間の電気的接続にワイヤボンドを使用しつつも、金属ワイヤ間の短絡や金属ワイヤの破断を発生させないために、モールド樹脂の注入速度を早くするなどのコスト的に不経済な制約が生じていた。

また、たとえば制御基板を位置決めするために、制御基板の位置決め性を有する別部材を用いる手法やリードフレームを延長して折り曲げるなどの手法を用いた場合には、当該部材が絶縁放熱シートに対する圧力を不均一にするという問題が生じる。絶縁放熱シートとリードフレーム間の接着性を確保するためには、リードフレームに与えられる圧力を均一にすることが望ましい。しかしながら、制御基板の位置決め性を有する部材やリードフレームの一部を制御基板の位置決めに用いた場合には、当該部材に起因して絶縁放熱シートへの圧力のばらつきが発生し、絶縁放熱シートに対する圧力の均一性が得られないことになる。

また、絶縁放熱シートは、樹脂成分とフィラー成分との配合によって絶縁性と放熱特性とを確保しているが、基本的にはフィラー成分の割合を大きくすることで放熱性が高まる関係にある。しかし、絶縁放熱シートにおけるフィラー成分の割合が大きくなることで放熱性が高まる一方で、絶縁放熱シートにおける樹脂成分の割合が減ったことにより接着性が損なわれるという問題が生じる。すなわち、絶縁放熱シートにおける放熱性と接着性とは背反関係にある。このような絶縁放熱シートの特性から、高放熱性を獲得するためには接着性を犠牲にせざるを得ない。この結果、絶縁放熱シートの接着プロセスにおける圧力均一性は、重要度が非常に高いものとなっている。

そこで、モールド樹脂７による成形時の絶縁放熱シート２に対する圧力の不均一を防止しながら制御基板５をモールド金型内において所定の位置に保持する方法として、本実施の形態では制御基板５の一部をモールド金型から突出させた突出部５ａを設けている。モールド樹脂７による成形時に該突出部５ａをモールド金型の金型突起部上に載置して型閉めすることにより制御基板５をクランプする。これによって、面方向および高さ方向において制御基板５がモールド金型に対して固定された状態でモールド樹脂７により一体封止が行われるため、モールド樹脂７の流動による制御基板５の移動が防止される。

これにより、新たな制御基板５の固定部材を用いることなく、制御基板５の移動に起因した金属ワイヤ間の短絡や金属ワイヤの破断が防止されるため、制御基板５とリードフレーム１間の配線はワイヤボンドのみで実現可能である。したがって、制御基板５を位置決めして支持する部材を配置したり、リードフレームを延長して折り曲げるなどの制御基板５の固定のための工程が不要であるため、これらの部材の配置面積が不要であり、製造工程を簡略化でき、電力用半導体装置１００の低コスト化および小型化が可能となる。そして、制御基板５の位置決め性および制御基板５とリードフレーム１間のワイヤ接続の信頼性を確保することができる。

すなわち、例えば制御基板に設けられたスルーホールを用いて電気的接続を行うスルーホール実装の場合は、スルーホール径および隣接するスルーホール間の必要クリアランスによって、各ピン間のピッチは２ｍｍ程度が必要であった。これに対してワイヤボンドであれば、電極ピッチは１ｍｍ程度で十分となり、多ピン構造においても電力用半導体装置１００の小型化が可能となる。例えば直径４００μｍの金属ワイヤを用いたワイヤボンドにおいては、平行にボンディングする場合はおよそ８００〜１０００μｍピッチでボンディングが可能になる。したがって、スルーホール実装の場合と比較して、同じ長さ領域に２倍の電極を配置可能となる。

すなわち、本実施の形態のようにワイヤボンドのみで接続する構造とすることで、コネクタやリードフレームをモジュール内部で折り曲げたスルーホール実装などに対して、大幅に制御基板５の配線に必要な面積が小さくなり、小型化が可能となる。

また、モジュール内部に制御基板を搭載しない場合と比較して、制御基板上で必要な保護、制御機能を集約させることができ、モジュール外部への信号配線の必要本数を大幅に減らすことができる。すなわち、モジュールから外部に接続するために必要なリード本数を減らすことができるため、モジュールの小型化、低コスト化が可能となる。

ここで、ワイヤボンドの安定性が問題となる。ワイヤボンド時にはボンディング荷重が電極に付与されることになるが、この時に制御基板５が撓んでしまうと、ワイヤボンド時の超音波振動に起因して接合点がスライドして、正常なボンディングができなくなるという問題がある。この問題に対しては、ボンディング荷重による制御基板５の変形を最小にする必要がある。これを満たす方法としては、本実施の形態のように制御基板５をクランプする手法が有効である。そして、制御基板５のクランプ面積が大きいほど、ボンディング荷重による制御基板５の変形を抑制でき、ワイヤボンドの安定性が向上する。

しかし、制御基板５のクランプ面積を大きくすると、その部分は金属ワイヤが制御基板５の表面の電極からリードフレーム１へと向かうループが制御基板５を横切ることは物理的に不可能である。このため、制御基板５のクランプ面積を大きくするほど、ワイヤボンドの本数が制約を受けることになる。すなわち、制御基板５のクランプ面積およびワイヤボンドの安定性と、配線可能なワイヤボンド点数とは相反する関係になる。

このような関係においてワイヤボンド点数とワイヤボンドの安定性とを両立するためには、本実施の形態のように制御基板５の面方向における４つの角部または４つの角部の近傍に突出部５ａを備え、その突出部５ａをクランプする手法が有効である。突出部５ａの配置位置を４つの角部または４つの角部の近傍とすることで、同じボンディング荷重に対する制御基板５の撓み量は大幅に低減可能である。

すなわち、例えば制御基板５の面方向における各辺の中央に突出部５ａを設けた場合は、制御基板５の角部にボンディング荷重を加えると、制御基板５の角部は垂れ下がるように変形する。これに対して制御基板５の角部または角部近傍をクランプすることにより、制御基板５に加えられたボンディング荷重は、ベクトル分解されて制御基板５の水平方向（面方向）の力に変換される。このような水平方向（面方向）の力に対しては剛性が高く働き、制御基板５の撓み量は小さくなる。

そして、本実施の形態では、このようにして制御基板５の変形を極力防止することにより、ワイヤボンド時の超音波伝達（ボンディング荷重伝達）の安定性が高まり、生産性が向上する。すなわち、ワイヤボンド時の超音波印加によって、傾いた制御基板５の表面（斜面）に押し付けられた金属ワイヤは横滑りしてしまう。この横滑りの防止のためには制御基板５の傾きを最小限にすることが必要である。そのような制御基板５の傾きを全てのワイヤボンド電極に対して防止するには、制御基板５のクランプ位置を制御基板５の角部または角部近傍とし、制御基板５の辺の線上にワイヤボンド電極を配置することが有効である。すなわち、例えば４辺の中央近傍でクランプして制御基板の角部近傍の電極をボンディングする場合、制御基板は角に近づくほど力学的な梁の断面積が減るため、クランプしている部分とボンディングしている部分との間の剛性が低くなり、大きく撓んでしまう。これに対して、４つの角部近傍でクランプすれば、角が最も撓みにくく、辺の中央でも前述の辺の中央近傍でクランプした場合に比べて大きな梁の断面積でボンディング荷重を受けるため、撓み量が小さくなる。そのため、金属ワイヤの横滑りが発生しにくくなるというメリットを奏する。

また、本実施の形態では、上述したように制御基板５の位置決め用に新たな部材をモールド金型内に配置しないため、当該部材に起因した絶縁放熱シート２への圧力のばらつきの発生が無く、絶縁放熱シート２に対する圧力の均一性が得られる。すなわち、モールド金型内部の圧力均一性を確保することができ、絶縁放熱シート２とリードフレーム１間の良好な接着性が得られる。

ここで重要なことは、リードフレーム１および制御基板５の位置決めを同時に行うことである。たとえばリードフレーム１の位置決めにおいては、リードフレーム１を位置決めするためのピン穴とピンとのクリアランスを０．１ｍｍ以下とするなどして位置精度が確保されている。しかし、このようなリードフレーム１の位置決めは、リードフレーム１の位置精度を確保すること以上に、モールド金型の保護において重要である。

すなわち、リードフレーム１の位置が本来配置されているべき位置から外れた位置にある状態でモールド金型の上下金型を閉じると、リードフレーム１が本来配置されているべき位置にないため、モールド金型がリードフレーム１に予期せず食い込む所謂「かじり」が発生し、最悪の場合にはモールド金型の破損に発展する。このように、リードフレーム１およびモールド樹脂の保護の観点から、リードフレームの位置決め性を確保することが重要である。また、制御基板５についても上記と同様にモールド金型による「かじり」やモールド金型の破損が生じないように、適切な位置に保持することが重要である。

本実施の形態では、外部端子配置溝２４および外部端子配置溝２５を用いてリードフレーム１の下モールド金型２１に対する位置合わせを精度良く行うことができる。また、制御基板５の突出部５ａ、下モールド金型２１の金型突起部２２ａ、２３ａ、２２ｂ、２３ｂ、上モールド金型３１の凹部３２ａ、３３ａ、３２ｂ、３３ｂを用いて制御基板５の下モールド金型２１に対する位置合わせを精度良く行うことができる。これにより、リードフレーム１および制御基板５の位置決めを同時に精度良く行うことが可能である。なお、制御基板５の突出部５ａと、これに対応する下モールド金型２１の金型突起部と上モールド金型３１の凹部は、少なくとも一つずつあれば制御基板５の位置決めおよび固定が可能である。

上述したように、本実施の形態によれば、簡略な製造工程により低コスト且つ小型の半導体装置が得られる、という効果を奏する。

以上のように、本発明にかかる電力用半導体装置は、低コスト且つ小型の電力用半導体装置の実現に有用である。

１ リードフレーム
１ａ リードフレームの外部端子（外部端子）
１ｂ リードフレームの外部端子（外部端子）
２ 絶縁放熱シート
３ 金属ベース
４ パワー素子
５ 制御基板
５ａ 突出部
６ａ 金属ワイヤ
６ｂ 金属ワイヤ
６ｃ 金属ワイヤ
７ モールド樹脂
７ａ モールド金型分割面の形状が転写された線
２１ 下モールド金型
２１ａ 合わせ面
２１ｂ 合わせ面
２２ａ 金型突起部
２２ｂ 金型突起部
２３ａ 金型突起部
２３ｂ 金型突起部
２４ 外部端子配置溝
２５ 外部端子配置溝
３１ 上モールド金型
３１ａ 合わせ面
３１ｂ 合わせ面
３２ａ 凹部
３２ｂ 凹部
３３ａ 凹部
３３ｂ 凹部
１００ 電力用半導体装置

Claims (9)

1. リードフレームと、
   前記リードフレームの一面側に実装された半導体素子と、
   前記リードフレームにおける前記半導体素子が配置された領域の上方に配置されて前記半導体素子を制御する部品を搭載した制御基板と、
   前記リードフレームと前記制御基板とを電気的且つ機械的に接続する金属ワイヤと、
   前記リードフレームの他面側に接着された絶縁放熱樹脂層と、
   前記リードフレームと前記半導体素子と前記制御基板と前記絶縁放熱樹脂層とを封止する封止樹脂と、
   を備え、
   前記制御基板は、前記制御基板の面方向において延在して前記封止樹脂から突出した突出部を備えること、
   を特徴とする半導体装置。
2. 前記突出部が、複数設けられていること、
   を特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記突出部は、前記制御基板の面方向において相対する位置に少なくとも一対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. 前記封止樹脂の内部から外部にわたって前記リードフレームの端部に設けられた外部端子部の一部に前記制御基板が前記金属ワイヤにより直接電気的に接続されていること、
   を特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体装置。
5. 前記突出部は、前記封止樹脂において前記リードフレームの一部が突出する面と異なる面に設けられていること、
   を特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
6. リードフレームの一面側に半導体素子を実装する第１工程と、
   前記半導体素子を制御する部品を搭載した制御基板をワイヤボンディングにより電気的且つ機械的に前記リードフレームに接続して前記制御基板を前記リードフレームにおける前記半導体素子が配置された領域の上方に保持する第２工程と、
   下モールド型の中空部に絶縁放熱樹脂層を配置する第３工程と、
   前記絶縁放熱樹脂層上に前記リードフレームの他面側を接触させた状態で前記リードフレームと前記制御基板とを前記下モールド型に配置する第４工程と、
   前記下モールド型に上モールド型を型締めして前記下モールド型と前記上モールド型との内部に封止樹脂を注入する第５工程と、
   を含み、
   前記第４工程では、前記制御基板の端部を前記下モールド型と前記上モールド型との合わせ面で挟持することにより所定の正しい相対位置に前記制御基板を固定すること、
   を特徴とする半導体装置の製造方法。
7. 前記制御基板の端部が、前記制御基板の面方向において前記制御基板の端面から突出した突出部であること、
   を特徴とする請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
8. 前記突出部に対応して前記下モールド型および前記上モールド型における前記合わせ面に設けられた一対の凹凸構造により前記突出部を挟持すること、
   を特徴とする請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
9. 前記第４工程では、前記リードフレームの端部に設けられた外部端子部の一部を前記下モールド型の前記合わせ面に設けられた溝部に配置して外部に突出させること、
   を特徴とする請求項６〜８のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。

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