JP2014072303A - 半導体モジュール及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電気的に浮遊した金属板がモールド層の一面に露出した構成を具備した、信頼性の高い半導体モジュールを得る。
【解決手段】第１の金属板１３の裏面側の端部側には、その肉厚が外側で薄く、内側で厚くなるような段差（第１の段差）１３１が形成されている。すなわち、第１の金属板１３の裏面は、中央部が厚くされ図１中の下側に突出した凸形状とされる。絶縁性樹脂層１４と第１の金属板１３との間の接合は、段差１３１が絶縁性樹脂層１４中に存在する、すなわち、この凸形状とされた部分全体が絶縁性樹脂層１４に埋め込まれた形態とされる。ただし、第１の金属板１３と第２の金属板１５との間の絶縁性を確保するために、第１の金属板１３と第２の金属板１５とは直接接さず、これらの間には最低限でも絶縁性樹脂層下層１４１が存在する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体チップが金属板上に搭載された構造がモールド層中に封止された構成を具備する半導体モジュールの構造、製造方法に関する。

一般に、半導体チップが使用される際には、半導体チップが金属板上に搭載された構造が絶縁性のモールド樹脂層中に封止され、モールド樹脂層から端子となるリードが導出した構成をもつ半導体モジュールとされる。ここで、特に半導体チップがパワー半導体チップ（パワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等）である場合には、半導体チップからの放熱が効率的に行われることが要求される。この放熱は、主に半導体チップを搭載する金属板を介してなされ、この金属板自身を一つの端子として使用することもできる。この場合には、モールド樹脂層の下面でこの金属板が露出する構成とすれば、露出した金属板をはんだを介して接続することによって半導体モジュールを設置し、かつこの金属板に対して配線を接続することができる。

一方で、露出した金属板を放熱経路と半導体モジュールの固定のために用いるが、電気的接続には用いない場合もある。この場合には、半導体チップ等から電気的に絶縁された金属板をモールド樹脂層の下面に露出させることが必要となる。半導体チップがパワー半導体チップである場合には、その動作電圧が高いため、この際の絶縁性が高い（絶縁耐圧が高い）ことが要求される。

特許文献１には、こうした構造をもつ半導体モジュールの構造、製造方法が記載されている。図４は、この半導体モジュール９０の断面図である。この半導体モジュール９０においては、半導体チップ９１がはんだ層９２を介して第１の金属板９３の表面に搭載されている。この第１の金属板９３の裏面（下面）は、絶縁性樹脂層９４を介して第２の金属板９５に接合されている。これらの構造はモールド樹脂層９６の中に封止され、第２の金属板９５の裏面がモールド樹脂層９６から露出する形態とされる。

また、第１の金属板９３は、半導体チップ９１に接続される配線の一部としても使用され、リード９７が第１の金属板９３に接合される。同様に、リード９８は半導体チップ９１に接続される他の配線として使用され、リード９８は、ボンディングワイヤ９９によって半導体チップ９１に接続される。リード９７、９８はそれぞれモールド樹脂層９６の側面から突出する構成とされる。ここで、この半導体モジュール９０を製造する際には、第１の金属板９３、リード９７、９８は、これらが一体化されたリードフレームの形態とされ、モールド樹脂層９６が形成されてから切り離されて図示されるような形態とされる。

この構造の半導体モジュールにおいては、第１の金属板９３、第２の金属板９５の熱伝導率は充分に高いものの、これらを接合する絶縁性樹脂層９４の熱伝導率はこれらよりも低い。このため、絶縁性樹脂層９４には、樹脂材料よりも熱伝導率や絶縁性の高い無機材料（シリカ、アルミナ等）からなるフィラーが高濃度で添加される。ただし、この場合においても、絶縁性樹脂層９４にボイドが形成されるとその部分で熱伝導率は低下する。絶縁耐圧についても同様である。

このため、特許文献１に記載の製造方法においては、まず、第１の金属板９３の上に半導体チップ９１をはんだ層９２を介して搭載し、接続されるリード９７、９８、ボンディングワイヤ９９等を形成した構造を作成する。この工程は、前記のリードフレームを用いて行われる。一方、第２の金属板９５の上に上記の絶縁性樹脂層９４となる材料を塗布した構造を別に作成する。その後、硬化していない状態の絶縁性樹脂層９４を介してこれらの構造における第１の金属板９３と第２の金属板９５とを圧着して接合する。

その後、この構造全体を封止するように、トランスファーモールド法によってモールド樹脂層９６を形成する。トランスファーモールド法においては、金型中でこの構造が固定され、ゲート（注入口）から液状のモールド樹脂材料（熱硬化性樹脂）が金型に注入されてこの構造全体に行き渡った後に、モールド樹脂材料を硬化させて所望の形状のモールド樹脂層９６とする。この製造方法においては、このモールド樹脂材料の硬化と同時に絶縁性樹脂層９４も硬化する設定とすることによって、絶縁性樹脂層９４におけるボイドの形成等を抑制し、製造された半導体モジュール９０の信頼性を高めている。

特開２００４−１６５２８１号公報

しかしながら、この製造方法においては、第１の金属板９３を第２の金属板９５上の絶縁性樹脂層９４に圧接させることが必要となる。この場合には、第１の金属板９３が充分に厚ければその上の半導体チップ９１に悪影響が及ぶことはないが、第１の金属板９３が薄い場合には、第１の金属板９３にストレスがかかり、これが半導体チップ９１に悪影響を及ぼす。また、このストレスは、製造の際だけではなく、半導体モジュール９０が使用される際においても、半導体チップ９１の発熱等に起因して発生することがある。また、第１の金属板９３にストレスがかかったときに、第１の金属板９３の下面側端部が絶縁性樹脂層９４を貫通したり、絶縁性樹脂層９４のクラックを引き起こすおそれもある。

すなわち、電気的に浮遊した金属板がモールド層の一面に露出した構成を具備した、信頼性の高い半導体モジュールを得ることは困難であった。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の半導体モジュールは、半導体チップを上面に搭載する第１の金属板の下面が絶縁性樹脂層を介して第２の金属板の上面に接合され、前記第２の金属板の下面が露出するように、前記半導体チップ、前記第１の金属板、及び前記第２の金属板がモールド樹脂層に封止された構成を具備する半導体モジュールであって、前記第１の金属板の下面の端部側には、前記第１の金属板の板厚が外側で薄く内側で厚くなるように段差が形成され、前記第１の金属板における前記段差が前記絶縁性樹脂層に埋め込まれ、かつ前記第１の金属板と前記第２の金属板が接触しないように前記第１の金属板の下面が前記絶縁性樹脂層を介して第２の金属板の上面に接合されたことを特徴とする。
本発明の半導体モジュールにおいて、前記絶縁性樹脂層は多層構造とされたことを特徴とする。
本発明の半導体モジュールの製造方法は、前記半導体モジュールの製造方法であって、前記半導体チップが前記第１の金属板の上面側に搭載された第１の構造体を形成するチップ搭載工程と、硬化していない状態の前記絶縁性樹脂層が前記第２の金属板の上面に形成された第２の構造体を形成する下部構造形成工程と、前記第１の構造体における前記第１の金属板の下面を前記第２の構造体における前記絶縁性樹脂層に圧着し、前記第１の金属板の下面における前記段差が前記絶縁性樹脂層に埋め込まれるように前記第１の構造体と前記第２の構造体とを接合する接合工程と、前記第１の構造体と前記第２の構造体とが接合された構造に対して、トランスファーモールドを行うことによって、前記モールド樹脂層を構成する材料を硬化させて前記モールド樹脂層を形成すると共に、前記絶縁性樹脂層を硬化させるモールド工程と、を具備することを特徴とする。
本発明の半導体モジュールの製造方法は、前記下部構造形成工程において、前記絶縁性樹脂層を多層構造とし、前記多層構造のうちの下層を硬化させ、前記多層構造のうちの最上層を硬化していない状態とすることを特徴とする。

本発明は以上のように構成されているので、電気的に浮遊した金属板がモールド層の一面に露出した構成を具備した、信頼性の高い半導体モジュールを得ることができる。

本発明の実施の形態に係る半導体モジュールの断面図である。 本発明の実施の形態に係る半導体モジュールの製造方法を示す工程断面図である。 本発明の実施の形態に係る半導体モジュールの変形例の断面図である。 従来の半導体モジュールの一例の断面図である。

以下、本発明の実施の形態となる半導体モジュールについて説明する。この半導体モジュールにおいても、図４の構成の半導体モジュール９０と同様に、半導体チップを搭載する第１の金属板と、第２の金属板とが用いられ、これらの間が絶縁性樹脂層を介して接合される。これによって、第１の金属板と第２の金属板とによって半導体チップからの放熱が行われ、第１の金属板と第２の金属板との間の絶縁性も保たれる。一方、第１の金属板の下面側（半導体チップを搭載した面と反対側）の構造が図４の構成とは異なる。

図１は、この半導体モジュール１０の構造を示す断面図である。この構造においては、半導体チップ１１がはんだ層１２を介して第１の金属板１３の上面に接合されている。第１の金属板１３は、絶縁性樹脂層１４を介して第２の金属板１５と接合されている。この構造全体は、モールド樹脂層１６中に封止されており、第２の金属板１５の下面がモールド樹脂層１６の下面に露出する設定とされる。これにより、この半導体モジュール１０を、露出した第２の金属板１５の下面をはんだ等を用いて固定することができ、第２の金属板１５を介して半導体チップ１１からの放熱も行うことができる。ここでは、絶縁性樹脂層１４は、絶縁性樹脂層下層１４１と絶縁性樹脂層上層１４２からなる２層構造とされる。

一方、第１の金属板１３の上面側における構造は、図４の構成と同様である。すなわち、リード１７、１８が図４と同様に用いられ、半導体チップ１１とリード１８とがボンディングワイヤ１９によって接続されている。リード１７、１８はそれぞれモールド樹脂層１６の側面から突出する形態とされる。これによって、この半導体モジュール１０の外部から半導体チップ１１への電気的接続をリード１７、１８を介して行うことができる。

ここで、図１に示されるように、第１の金属板１３の裏面（下面）側（半導体チップ１１が搭載された側と反対側）の端部側には、その肉厚が外側で薄く、内側で厚くなるような段差（第１の段差）１３１が形成されている。すなわち、第１の金属板１３の裏面は、中央部が厚くされ図１中の下側に突出した凸形状とされる。絶縁性樹脂層１４と第１の金属板１３との間の接合は、段差１３１が絶縁性樹脂層１４中に存在する。すなわち、この凸形状とされた部分全体が絶縁性樹脂層１４に埋め込まれた形態とされる。ただし、第１の金属板１３と第２の金属板１５との間の絶縁性を確保するために、第１の金属板１３と第２の金属板１５とは直接接さず、これらの間には最低限でも絶縁性樹脂層下層１４１が存在する。

図２は、この半導体モジュール１０を製造する製造方法を簡略化して示した工程断面図である。その内容は、第１の金属板１３の形状が異なること、絶縁性樹脂層１４を２層構造としたこと以外については、図４の構造の半導体モジュール９０を製造する場合とほぼ同様である。

まず、図２（ａ）に示されるように、図１の形態で半導体チップ１１、第１の金属板１３、リード１７、１８等が組み合わされた構造（第１の構造体）が形成される（チップ搭載工程）。ここで、この時点ではリード１７、１８、第１の金属板１３は、一体化されたリードフレームとされている。この場合、図１の構成の半導体モジュール１０が多数同時に配列されて製造される形態とされ、これに対応してリード１７、１８、第１の金属板１３が多数組配列された構成のリードフレームが用いられる。この場合、これらは、図１におけるモールド樹脂層１６の外側に存在する接続部を介して一体化されている。このため、例えば図２（ａ）においてはリード１８はどこにも固定されてないように示されているが、実際にはリード１８は、リードフレームに一体化されて固定されている。また、この第１の構造体は、リードフレーム毎に取り扱うことができる。

こうした構成のリードフレームは、板金加工を行うことによって製造することができる。この際、リード１７、１８が図１に示された形態となるべく曲げ加工を施すこと、リード１７、１８と第１の金属板１３の厚さを異ならせること、第１の金属板１３の裏面端部に前記の段差１３１を設けること、も容易である。

一方、図２（ｂ）に示されるように、第２の金属板１５の上面に、絶縁性樹脂層１４を形成した構造体（第２の構造体）を上記の第１の構造体とは別に形成する（下部構造形成工程）。ここで、絶縁性樹脂層１４は、絶縁性樹脂層下層１４１と絶縁性樹脂層上層１４２の２層構造とされる。ここで、初めに絶縁性樹脂層下層１４１が塗布等によって形成され、これを硬化させた後で、絶縁性樹脂層上層１４２も塗布等によって形成される。絶縁性樹脂層上層１４２は、まだ硬化していない状態とする。絶縁性樹脂層下層１４１、絶縁性樹脂層上層１４２を構成する材料は、充分な接合強度、絶縁耐圧が得られ、かつこうした状態が実現できるように適宜設定され、熱硬化性樹脂等を主成分としたものを用いることができる。この際、特許文献１に記載の技術と同様に、絶縁性や熱伝導性の向上のために、フィラーを高濃度で樹脂材料に添加した構成とすることができる。また、第２の金属板１５、絶縁性樹脂層１４も、前記のリードフレームと同様に接続部を用いて一体化され後で分離できる構成としてもよいが、製造される各半導体モジュール１０毎にこれらを独立して設けてもよい。

この状態で、図２（ｃ）に示されるように、図２（ａ）の構造（第１の構造体）を図２（ｂ）の構造（第２の構造体）に上側から圧着し、第１の金属板１３の段差１３１、すなわち裏面の凸部が、硬化していない絶縁性樹脂層上層１４２に全体的に埋め込まれる形態とする（接合工程）。この際に、絶縁性樹脂層下層１４１は硬化している。このため、この圧着の際に第１の金属板１３の下面側における絶縁性樹脂層上層１４２は薄くなるものの、第１の金属板１３と第２の金属板１５との間の絶縁性は、少なくとも絶縁性樹脂層下層１４１によって保たれる。

なお、この状態ではまだリード１７、１８、第１の金属板１３は多数組分配列されて接合されたリードフレームとして一体化されている。このため、上記の圧着も、多数の半導体モジュール１０の配列に対応した平面上で行われる。前記の通り、複数の第２の金属板１５は一体化されていても分離されていてもよいが、分離されていた場合でも、この工程を行うことができる。

次に、図２（ｃ）の構造に対して、トランスファーモールド法を用いてモールド樹脂層１６を形成する（モールド工程）。この際には、図２（ｃ）の構造が多数配列した構造を金型中で固定し、モールド樹脂層１６となる液状のモールド樹脂材料（熱硬化性樹脂）を注入してから加熱して硬化する。この際に、絶縁性樹脂層上層１４２も同時に硬化するように設定される。この工程については、図４の半導体モジュール９０を製造する際と同様である。モールド樹脂層１６が硬化した後の構造体を金型から取り出し、リードフレームにおける接続部を適宜切断することによって、図１の構造の半導体モジュール１０を多数得ることができる。

この半導体モジュール１０においては、絶縁性樹脂層１４と第１の金属板１３との間の接点においては、段差１３１による角部が形成されている。この角部によって応力集中が分散して緩和されるために、絶縁樹脂層１４の破壊が抑制され、第１の金属板１３全体にストレスがかかることが抑制される。あるいは、既に硬化している絶縁性樹脂層下層１４１にクラックが入ることも抑制される。

また、第１の金属板１３の裏面側の最端部の裏面側に段差１３１が形成され端部が薄くなったため、ストレスがかかり第１の金属板１３に反りが生じた場合においても、第１の金属板１３の下面側端部が絶縁性樹脂層１４を貫通しにくくなることも明らかである。すなわち、接合後における絶縁性樹脂層１４の厚さも確保されるため、第１の金属板１３と第２の金属板１５との間の絶縁性も保たれる。

また、この半導体モジュール１０は、上記の製造方法によって容易かつ制御性よく製造することができる。

なお、第１の金属板１３の端部における段差を更に設けることも可能である。図３は、この構造の半導体モジュールの断面図を図１に対応させて示す。この構造においては、端部に２段階の段付けがされた第１の金属板２１が用いられている。ここで、内側の段差（第１の段差）２１１については前記の第１の金属板１３と同様であるが、その外側に更にもう一つの段差（第２の段差）２１２が形成されている。この外側の段差２１２が形成されたために、第１の金属板２１の裏面側最端部は絶縁樹脂層１４（絶縁性樹脂層上層１４２）よりも上側に位置し、これらの間の間隔がＤとなっている。この場合、内側の段差２１１によって前記の第１の金属板１３と同様の効果を奏することは明らかである。

一般に、モールド樹脂層１６を構成する材料（樹脂材料）の熱膨張係数と第１の金属板を構成する材料（金属）の熱膨張係数とは大きく異なる。このため、モールド樹脂層１６と第１の金属板との間には剥離が発生しやすい。これに対して、図３の構造においては、外側の段差２１２が設けられたことによって形成された間隔Ｄの空隙に樹脂材料が充填されてモールド樹脂層１６が形成される。このため、第１の金属板２１の外周部においてモールド樹脂層１６が凹凸形状となり、第１の構造体全体とモールド樹脂層１６との間の接合強度や密着性が向上する。このため、この部分がくさびとなって、この半導体モジュールの信頼性を高めることができる。なお、こうした第１の金属板２１も、前記の第１の金属板１３と同様に、容易に製造することができる。

なお、上記の構造、製造方法においては、絶縁性樹脂層１４を２層構造としたが、上記のように第１の金属板１３と第２の金属板１５との間の絶縁性を確保した状態で第１の金属板１３と絶縁性樹脂層１４との間を接合できる限りにおいて、絶縁性樹脂層１４を単層構造とすることもできる。この場合には絶縁性樹脂層１４は、上記の絶縁性樹脂層上層１４２と同様の材料で構成することができる。接合工程の際には、絶縁性樹脂層１４は硬化していない状態とすればよい。この場合には、製造工程はより簡略化される。逆に、絶縁性樹脂層１４を３層以上の多層構造とすることによって、絶縁性樹脂層１４の絶縁性、熱伝導率を向上させ、かつ第１の金属板１３との間の接合性を高めることもできる。この場合には、下部構造形成工程において、多層構造における最上層を硬化していない状態とし、少なくともこれよりも下層のいずれかを硬化した状態とすればよい。

第１の金属板１３の下面側の段差１３１は、端部の外周部全体にわたって形成されている必要はない。少なくとも端部側において部分的に形成されていれば、上記の効果を奏することは明らかである。この点については、図３の構成における２つの段差２１１、２１２においても同様である。この場合には、第１の金属板１３、２１における段差が形成されていない箇所（中央部）において、第２の金属板１５までの間の熱伝導が向上するため、半導体チップ１１の放熱特性が向上する。

また、リード１７、１８と第１の金属板を単一の平板状素材から打ち抜き加工やエッチング加工により形成することができる。図１、３の場合には第１の金属板はリード１７、１８よりも厚くなっているのに対して、この場合には、第１の金属板における段差が形成された箇所以外の厚さは、リード１７、１８と同等になる。この場合には、全体の厚さが均一となるため、半導体チップへのストレスが緩和され、これによる悪影響を低減することができる。

また、リード１７、１８と第１の金属板が予め一体化された構成を用いて同様の構造の半導体モジュールを製造することもできる。この場合においては、第１の金属板に対応する箇所をリード１７、１８に対応する箇所よりも厚くした異形条素材を用い、これに打ち抜き加工を施すことにより、リード１７、１８と第１の金属板が予め一体化された構成を形成することが可能である。この場合、例えば図１におけるリード１８と第１の金属板１３は図示の範囲外で接続されて一体化され、製造後にこの接続部を切断することによって図１の構造とすることが可能である。こうした場合においても、第１の金属板に対応した箇所に前記の段差を設けることによって、同様の効果を奏することは明らかである。また、リード１７、１８と第１の金属板が予め一体化された構成を用いることによって、これらの取り扱いが容易となり、チップ搭載工程等が容易となる。

また、上記の例では、第１の金属板の上に半導体チップを搭載した構成について説明した。例えばこの半導体チップがパワー半導体チップである場合には、このパワー半導体チップを制御する制御用ＩＣチップが同一のモールド樹脂層中に封止される場合もあり、この場合には、この半導体モジュールは、より多機能とされたＩＰＭ（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｐｏｗｅｒ Ｍｏｄｕｌｅ）となる。この場合には、パワー半導体チップの発する熱が制御用ＩＣチップに与える悪影響を抑制するために、制御用ＩＣチップは、第１の金属板とは別体の回路基板（セラミックス基板、樹脂基板等）に搭載され、この回路基板が第１の金属板、第２の金属板等と同一のモジュール樹脂層中に封止された形態とされる。

こうした場合には、モールド樹脂層と回路基板の熱膨張係数の差、第１の金属板と回路基板の熱膨張係数の差も、上記の剥離に影響を与えるため、モールド樹脂層と第１の金属板の間の剥離が特に発生しやすい状況となる。このため、上記の構成は、こうした構成の半導体モジュール（ＩＰＭ）においては、特に有効である。この場合においても、第１の金属板の存在する箇所において図２と同様の形態となるように製造工程を実行することができることは明らかである。

１０、９０ 半導体モジュール
１１、９１ 半導体チップ
１２、９２ はんだ層
１３、２１、９３ 第１の金属板
１４、９４ 絶縁性樹脂層
１５、９５ 第２の金属板
１６、９６ モールド樹脂層
１７、１８、９７、９８ リード
１９、９９ ボンディングワイヤ
１３１、２１１ 段差（第１の段差）
２１２ 段差（第２の段差）
１４１ 絶縁性樹脂層下層（絶縁性樹脂層）
１４２ 絶縁性樹脂層上層（絶縁性樹脂層）

Claims (4)

1. 半導体チップを上面に搭載する第１の金属板の下面が絶縁性樹脂層を介して第２の金属板の上面に接合され、前記第２の金属板の下面が露出するように、前記半導体チップ、前記第１の金属板、及び前記第２の金属板がモールド樹脂層に封止された構成を具備する半導体モジュールであって、
   前記第１の金属板の下面の端部側には、前記第１の金属板の板厚が外側で薄く内側で厚くなるように段差が形成され、
   前記第１の金属板における前記段差が前記絶縁性樹脂層に埋め込まれ、かつ前記第１の金属板と前記第２の金属板が接触しないように前記第１の金属板の下面が前記絶縁性樹脂層を介して第２の金属板の上面に接合されたことを特徴とする半導体モジュール。
2. 前記絶縁性樹脂層は多層構造とされたことを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
3. 請求項１に記載の半導体モジュールの製造方法であって、
   前記半導体チップが前記第１の金属板の上面側に搭載された第１の構造体を形成するチップ搭載工程と、
   硬化していない状態の前記絶縁性樹脂層が前記第２の金属板の上面に形成された第２の構造体を形成する下部構造形成工程と、
   前記第１の構造体における前記第１の金属板の下面を前記第２の構造体における前記絶縁性樹脂層に圧着し、前記第１の金属板の下面における前記段差が前記絶縁性樹脂層に埋め込まれるように前記第１の構造体と前記第２の構造体とを接合する接合工程と、
   前記第１の構造体と前記第２の構造体とが接合された構造に対して、トランスファーモールドを行うことによって、前記モールド樹脂層を構成する材料を硬化させて前記モールド樹脂層を形成すると共に、前記絶縁性樹脂層を硬化させるモールド工程と、
   を具備することを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
4. 前記下部構造形成工程において、
   前記絶縁性樹脂層を多層構造とし、前記多層構造のうちの下層を硬化させ、前記多層構造のうちの最上層を硬化していない状態とすることを特徴とする請求項３に記載の半導体モジュールの製造方法。

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