JP2014090136A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】内部応力による接着層とリードフレームとの剥離を防止した半導体装置およびその製造方法を提供することを課題とする。
【解決手段】半導体装置１０は、金属製基板１２と、金属製基板１２上に位置し熱硬化してなる電気絶縁性の下層樹脂１５ｓと、下層樹脂１５ｓ上に位置し熱硬化してなる上層樹脂１６ｓと、上層樹脂１６ｓ上に設けられたリードフレーム１８と、リードフレーム１８上に配置された半導体素子２２と、これらを封止する封止樹脂２４と、を備える。そして、下層樹脂１５ｓの熱硬化反応が完了した後、封止樹脂２４の形成過程で上層樹脂１６ｓの熱硬化反応が完了している。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子を樹脂成形してなる半導体装置およびその製造方法に関する。

金属製基板上に、電気絶縁性の樹脂層と、リードフレームと、半導体素子とを順次配置し樹脂成形してなる半導体装置が広く使用されている。この半導体装置では、使用時での半導体素子の発熱は、金属製基板から外部に放散される。

このような半導体装置を製造する際、従来、金属製基板上に熱硬化性の電気絶縁性の樹脂材料を層状に配置し、更にリードフレームを配置して未硬化の樹脂材料を加熱圧着して熱硬化させることで、金属製基板と一体化された固化樹脂からなる接着層を形成し、その後、樹脂封止している（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−０７６２０４号公報

ところで、従来、樹脂封止すると接着層に内部応力が生じる。そして、この内部応力が大きいと接着層とリードフレームとの間に剥離が発生する可能性が考えられる。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、内部応力による接着層とリードフレームとの剥離を防止した半導体装置およびその製造方法を提供することを課題とする。

本発明者は、樹脂封止で熱収縮による内部応力の発生原因を検討した。そして、従来では、樹脂封止する前に接着層が既に完全に熱硬化しており、この結果、樹脂封止した際に上記の内部応力が大きく発生することを見い出した。そして、樹脂封止した際のこの内部応力を低減させることを鋭意検討し、本発明を完成するに至った。

上記課題を解決するために、本発明に係る半導体装置は、金属製基板と、前記金属製基板上に位置し熱硬化してなる電気絶縁性の下層樹脂と、前記下層樹脂上に位置し熱硬化してなる上層樹脂と、前記上層樹脂上に設けられたリードフレームと、前記リードフレーム上に配置された半導体素子と、これらを封止する封止樹脂と、を備え、前記下層樹脂の熱硬化反応が完了した後、前記封止樹脂の形成過程で前記上層樹脂の熱硬化反応が完了していることを特徴とする。

また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、請求項１記載の半導体装置を製造する半導体装置の製造方法であって、前記下層樹脂と、前記下層樹脂上に形成され前記上層樹脂の形成材である未硬化上層樹脂とを前記金属製基板上に形成してなる中間体を製造しておく第１工程と、前記半導体素子を搭載した前記リードフレームを、前記中間体の前記未硬化上層樹脂上に載置し、前記未硬化上層樹脂を不完全に熱硬化させる第２工程と、前記封止樹脂を樹脂成形する過程で、不完全に熱硬化させた前記未硬化上層樹脂を完全に熱硬化させて前記上層樹脂にする第３工程と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、内部応力による接着層とリードフレームとの剥離を防止した半導体装置およびその製造方法を提供することができる。

本発明の一実施形態の半導体装置の側面断面図である。 図２（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、本発明の一実施形態で半導体装置の製造工程毎の側面断面図である。 図３（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、実施例１の半導体装置の平面図および側面図である。 実施例の半導体装置の製造工程を説明する説明図である。 図５（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、実施例２の半導体装置の平面図および側面図である。 図６（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、実施例３の半導体装置の平面図および側面図である。 図７（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、実施例４の半導体装置の平面図および側面図である。 図８（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、実施例５の半導体装置の平面図および側面図である。 図９（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、実施例６の半導体装置の平面図および側面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の説明では、既に説明したものと同様のものには同じ符号を付してその説明を省略する。

また、図面は模式的なものであり、寸法比などは現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な寸法比などは以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。

また、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための例示であって、この発明の実施の形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものではない。この発明の実施の形態は、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できる。

図１は、本発明の一実施形態（以下、本実施形態という）の半導体装置１０の側面断面図である。図２（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、半導体装置１０の製造工程毎の側面断面図である。

半導体装置１０は、放熱性の金属製基板１２と、金属製基板１２上に位置する熱硬化性樹脂材１４とを備えている。熱硬化後の熱硬化性樹脂材１４は、金属製基板１２上に位置し加熱圧着により熱硬化してなる電気絶縁性の下層樹脂１５ｓと、下層樹脂１５ｓ上に位置し熱硬化してなる上層樹脂１６ｓと、からなる。上層樹脂１６ｓの熱硬化温度（園温度以上では熱硬化する温度）は、下層樹脂１５ｓよりも高い。また、上層樹脂１６ｓには、硬化する際に接着力が生じており、下層樹脂１５ｓおよび上層樹脂１６ｓは何れも接着層としての役割を果たしている。

更に、半導体装置１０は、上層樹脂１６ｓ上のリードフレーム１８と、リードフレーム１８上に接着材２０で接合（実装）された半導体素子２２と、金属製基板１２の下面側を露出するように全体を覆う封止樹脂（モールド樹脂）２４とを備えている。

ここで、熱硬化性樹脂は、熱による硬化反応の初期段階では粘度が連続的に低下し、ある時期に粘度が最低となり溶融状態となる。更に加熱を続けると、熱硬化反応により粘度が上昇に転換し、粘度が最大に達し反応が終了したときに熱硬化が完了する。下層樹脂１５ｓや上層樹脂１６ｓはこのように熱硬化反応が完了したものであり、後述の未硬化下層樹脂１５ｆや未硬化上層樹脂１６ｆは熱硬化反応が完了してない段階のものである。なお、未硬化下層樹脂１５ｆや未硬化上層樹脂１６ｆの熱硬化反応が完了するまでの時間は、熱硬化させる際の温度の保持時間（温度保持時間）によって変わってくる。

（製造方法）
以下、半導体装置１０の製造方法について説明する。本実施形態では、下層樹脂１５ｓと、下層樹脂１５ｓ上に形成され上層樹脂１６ｓの形成材である未硬化上層樹脂１６ｓとを金属製基板１２上に形成してなる中間体１７を製造しておく。

中間体１７を製造するには、例えば、まず、下層樹脂１５ｓの形成材となる未硬化下層樹脂１５ｆと、上層樹脂１６ｓの形成材となる未硬化上層樹脂１６ｆと、からなる熱硬化性樹脂材１４を金属製基板１２上に載置する。未硬化上層樹脂１６ｆとしては、熱硬化する際に接着力が発生する樹脂であって、未硬化下層樹脂１５ｆの熱硬化反応完了時には熱硬化反応を未完了にすることが可能な性質のものを用いる。なお、未硬化上層樹脂１６ｆのシリカの含有量を多くすることで、上層樹脂１６ｓの熱伝導性が高くなり、半導体素子２２で発生した熱を金属製基板１２に逃がし易くすることができ、半導体素子２２を冷却する上で好ましい。

熱硬化性樹脂材１４の載置後、未硬化下層樹脂１５ｆの熱硬化が完了して下層樹脂１５ｓが形成され、かつ、未硬化上層樹脂１６ｆでは熱硬化が完了せずにリードフレーム１８が加熱圧着可能となるような熱処理条件で、金属製基板１２に熱硬化性樹脂材１４を載置したものを熱処理して中間体１７を得る。

中間体１７の製造後、または、中間体１７の製造と併行して、本実施形態では、図２（ａ）に示すように、リードフレーム１８の所定位置（例えば所定の島部）に半導体素子２２を導電性の接着材２０などで接合してなる第２中間体３７を製造しておく。

そして、金属製基板１２が下方側に位置するように、上記の中間体１７を押圧用位置に載置し、その上に、第２中間体３７を載置する（図２（ｂ）参照）。

更に、熱硬化処理を行って、リードフレーム１８を未硬化上層樹脂１６ｆに加熱圧着するとともに未硬化上層樹脂１６fを不完全に熱硬化させる（図２（ｃ）参照）。

未硬化上層樹脂１６ｆにリードフレーム１８を加熱圧着させた時点では、未硬化上層樹脂１６ｆはまだ完全には熱硬化していない。この状態で、金属製基板１２の下面側を露出させるように樹脂成形（モールド成形）することで、図１に示したような半導体装置１０が得られる。

本実施形態では、樹脂成形のポストキュア時に、未硬化上層樹脂１６ｆが完全に熱硬化して上層樹脂１６ｓとなる。ここで、ポストキュアとは、樹脂成形で応力緩和により材料を安定化させるために行う加熱エージングのことである。本実施形態では、未硬化上層樹脂１６fとして、ポストキュア時に完全に熱硬化するように調整した硬化遅延樹脂を用いる。

以上説明したように、本実施形態では、未硬化上層樹脂１６ｆは、封止樹脂２４の樹脂成形前では完全には熱硬化しておらず、封止樹脂２４を樹脂成形で形成する際に完全に熱硬化して上層樹脂１６ｓとなる。従って、樹脂成形前に完全に熱硬化している場合に比べ、上層樹脂１６ｓに生じる内部応力を大きく緩和することができ、上層樹脂１６ｓとリードフレーム１８とが剥離し難くなる。しかも、ポストキュア前ではいまだ完全には熱硬化しておらず、ポストキュア時に完全に熱硬化するので、上層樹脂１６ｓでの内部応力緩和効果がより顕著となっている。

また、未硬化上層樹脂１６ｆを熱硬化させるときには、下層樹脂１５ｆが既に完全に熱硬化している。従って、リードフレーム１８が下層樹脂１５ｆに沈み込むことが回避されており、下層樹脂１５ｓの厚みを一定厚みにすることができるので、下層樹脂１５ｆによる電気絶縁性を確実に確保することができる。

なお、半導体装置１０を回路基板等に取り付けて使用することはもちろん可能である。また、半導体装置１０が回路基板を有する構成にすることももちろん可能であり、半導体装置１０としてＩＰＭ（Intelligent Power Module）を製造してもよい。

（実施例）
以下、上記実施形態の具体的な実施例を説明する。なお、以下の実施例の図は、内部構造をわかり易くするために、封止樹脂を二点鎖線で描いている。

（実施例１）
図３（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、実施例１の半導体装置の平面図および側面図である。図４は、実施例１の半導体装置の製造工程を説明する説明図である。実施例１の半導体装置１０ａは、回路基板を有していない半導体装置である。

実施例１の半導体装置１０ａを製造するには、図４に示す組込み工程Ｐ１を行う。この組込み工程Ｐ１では、まず、リードフレーム１８（１８ｐ、１８ｑ）に半導体素子２２（２２ｐ、２２ｑ）をはんだ付けすることで、半導体素子（チップ）２２をリードフレーム１８に電気接続させるとともに固着する（ステップＳ１）。そして、はんだ付け後の洗浄としてフラックス洗浄（炉付け後洗浄）を行う（ステップＳ２）。

次に、半導体素子２２とリードフレーム１８との電気接続をワイヤボンディングで行う。ここでは、Ａｌワイヤ（アルミニウムワイヤ）を用いてワイヤボンディングを行い（ステップＳ３）、更に、Ａｕワイヤ（金ワイヤ）を用いてワイヤボンディングを行う（ステップＳ４）。これらのワイヤボンディングでは、半導体素子２２のリード端子、パワー側、制御側のリードフレーム１８への接続を行う。

その後、内観検査を行う（ステップＳ５）。更に、熱硬化性樹脂材（絶縁シート）１４を金属製基板１２の所定位置に載置し、半導体素子２２が搭載されたリードフレーム１８の電極を未硬化上層樹脂１６ｆに当接させ、リードフレーム１８を押圧して未硬化下層樹脂１５ｆを金属製基板１２に加熱圧着させる（ステップＳ６）。

ステップＳ６では、プレヒートとして、半導体素子２２が搭載されたリードフレーム１８と、熱硬化性樹脂材（絶縁シート）１４とを別ヒータにて予備加熱することを、９０℃で２分間行う。プレヒートの温度、時間としては、７０〜９０℃で１〜２分間の範囲で行うことが好ましい。その後、熱硬化性樹脂材１４を接着用のジグに移動させて金属製基板１２の所定位置に載置し、上記加熱圧着をする際の本ヒートとして、１２０℃で６０秒間加熱する。本ヒートの温度、時間としては、１２０〜１４０℃、５０〜９０秒間の範囲で行うことが好ましい。

また、ステップＳ６は、後述のＴＲＭによる樹脂封止の直前に行うことが好ましい。これは、熱硬化性樹脂材１４がステップＳ２の洗浄（フラックス洗浄）に弱いこと、Ａｕワイヤは熱処理にあまり強くないこと、熱硬化性樹脂材１４が柔らかいため、上記のワイヤボンディングを良好に行うには熱硬化性樹脂材１４の配置前のほうが好ましいこと、などの理由による。

ステップＳ６が終了した段階では、未硬化上層樹脂１６ｆは完全には硬化しておらず半硬化状態となっている。

その後、ＴＲＭ（トランスファーモールド）による樹脂封止を１７５℃で１７０秒間行う（ステップＳ７）。ＴＲＭによるこのときの温度は、１７０〜１８０℃の範囲であることが好ましい。

ＴＲＭによる樹脂封止後、ポストキュアを行う。このポストキュアを行う過程で、封止樹脂２４が完全に硬化するとともに、未硬化上層樹脂１６ｆが完全に熱硬化して上層樹脂１６ｓとなる（ステップＳ８）。ポストキュアの温度は１７５℃、時間は４．５時間である。ポストキュアの温度は１７５〜１８０℃の範囲であることが好ましく、ポストキュアの時間は４〜５時間の範囲であることが好ましい。

その後、成形されたものを成形金型から分離し（ステップＳ９）、ＨＴ検査（ステップＳ１０）、ＲＴ検査（ステップＳ１１）を行う。

更に、リードカット（ステップＳ１２）を行い、図３に示すような半導体装置１０ａが得られる。更に、外観検査（ステップＳ１３）を行い、梱包して出荷商品とする（ステップＳ１４）。

（実施例２）
図５（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、実施例２の半導体装置の平面図および側面図である。実施例２の半導体装置（ＩＰＭ）１０ｂは、実施例１に比べ、セラミック基板３８ｂ上に回路が形成された回路基板４０ｂを有する。回路基板４０ｂの水平投影面積は、封止樹脂２４の水平投影面積の２５％以上の面積となっており、これにより、回路基板４０ｂによって、封止樹脂２４とリードフレーム１８（１８ｑ、１８ｒ）との熱膨張係数の違いによる歪を充分に抑えることが可能になっている。例えば銅製のリードフレーム１８の熱膨張係数に対して封止樹脂２４の熱膨張係数は６０％以下であるが、このように熱膨張係数が大きく異なっても、回路基板４０ｂによって上記歪が抑えられている。なお、リードフレーム１８ｒには半導体素子は搭載されていない。

また、回路基板４０ｂの裏面が封止樹脂２４から露出しており、回路基板４０ｂの放熱性に優れている。

本実施例では、半導体装置１０ｂを製造する際、実施例１に比べ、図４に示す基板工程Ｐ２が付加されている。基板工程Ｐ２では、回路作成のための印刷をセラミック基板３８ｂに行う（ステップＳ１５）。そして、基板にパーツマウント（基板に電子部品を搭載すること）を行う（ステップＳ１６）。

更に、ダイマウント（基板にチップ（半導体素子）を搭載すること）を行う（ステップＳ１７）。

そして、ダイマウントを行うために半導体素子２２に付けた接着剤を硬化させ（ステップＳ１８）、部品検査を行う（ステップ１９）。その後、このようにして製造された回路基板４０ｂを、リードフレーム１８とともに設けられている固定用フレーム（図示せず）に固定し、実施例１のステップＳ３以下を行う。その際、ステップＳ３、Ｓ４では、回路基板４０ｂとリードフレーム１８とのワイヤボンディングも行う。

（実施例３）
図６（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、実施例３の半導体装置の平面図および側面図である。実施例３の半導体装置１０ｃは、セラミック基板３８ｃ上に回路が形成された回路基板４０ｃがリードフレーム１８（１８ｑ、１８ｔ）の裏面側（下面側）に接続されている半導体装置である。回路基板４０ｃの水平投影面積は、封止樹脂２４の水平投影面積の２５％以上の面積となっており、これにより、実施例２と同様、回路基板４０ｃによって、封止樹脂２４とリードフレーム１８との熱膨張係数の違いによる歪を充分に抑えることが可能になっている。また、回路基板４０ｃの裏面は封止樹脂２４から露出しており、回路基板４０ｃの放熱性に優れている。

本実施例では、半導体装置１０ｃを製造する際、実施例２に比べ、図４に示すように、ステップＳ１９を行った後、貼り付け用の接着剤を基板表面側（基板の上面側）の所定位置に塗布し、リードフレーム１８の裏面側の所定位置に基板（回路基板４０ｃ）を貼り付ける（ステップＳ２０）。その後、実施例２と同様にステップＳ３以下を行う。

（実施例４）
図７（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、実施例４の半導体装置の平面図および側面図である。実施例４の半導体装置１０ｄは、セラミック基板３８ｄ上に回路が形成された回路基板４０ｄがリードフレーム１８（１８ｑ、１８ｔ）の表面側（上面側）に接続されている半導体装置である。回路基板４０ｄの水平投影面積は、封止樹脂２４の水平投影面積の２５％以上の面積となっており、これにより、実施例２と同様、回路基板４０ｄによって、封止樹脂２４とリードフレーム１８との熱膨張係数の違いによる歪を充分に抑えることが可能になっている。また、回路基板４０ｄは裏面側も含めて封止樹脂２４内に内包されており、回路基板４０ｄの絶縁性に優れている。

本実施例では、半導体装置１０ｄを製造する際、実施例３に比べ、貼り付け用の接着剤を基板裏面側（基板の下面側）の所定位置に塗布し、リードフレーム１８の表面側（上面側）の所定位置に基板（回路基板４０ｄ）を貼り付ける。

（実施例５）
図８（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、実施例５の半導体装置の平面図および側面図である。実施例５の半導体装置１０ｅは、回路基板を有していない半導体装置であり、実施例１のリードフレーム１８ｑに代えて、厚みが大きいリードフレーム１８ｕを備えている。このように、他のリードフレームに比べて厚みが異なるリードフレーム１８ｕを用いても、実施例１と同様に良好な半導体装置１０ｅとすることができる。

（実施例６）
図９（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、実施例６の半導体装置の平面図および側面図である。実施例６の半導体装置１０ｆは、実施例５に比べ、セラミック基板３８ｆ上に回路が形成された回路基板４０ｆを有する。回路基板４０ｆの水平投影面積は、封止樹脂２４の水平投影面積の２５％以上の面積となっている。これにより、他のリードフレームに比べて厚みが大きいリードフレーム１８ｕを用いても、実施例２と同様、回路基板４０ｆによって、封止樹脂２４とリードフレーム１８との熱膨張係数の違いによる歪を充分に抑えることが可能になっている。また、回路基板４０ｆの裏面が封止樹脂２４から露出しており、回路基板４０ｆの放熱性に優れている。

以上のように、本発明にかかる半導体装置およびその製造方法では、金属製基板とリードフレームとの間の上層樹脂は、封止樹脂の樹脂成形時に完全に熱硬化して上層樹脂となり、封止樹脂形成時に上層樹脂に生じる内部応力を緩和することができるので、内部応力による接着層とリードフレームとの剥離を防止した半導体装置およびその製造方法として用いるのに好適である。

１０ 半導体装置
１０ａ〜ｆ 半導体装置
１２ 金属製基板
１４ 熱硬化性樹脂材
１５ｆ 未硬化下層樹脂
１５ｓ 下層樹脂
１６ｆ 未硬化上層樹脂
１６ｓ 上層樹脂
１７ 中間体
１８ リードフレーム
１８ｐ、ｑ、ｒ、ｔ、ｕ リードフレーム
２２ 半導体素子
２４ 封止樹脂
３８ｂ〜ｄ、ｆ セラミック基板

Claims (4)

1. 金属製基板と、
   前記金属製基板上に位置し熱硬化してなる電気絶縁性の下層樹脂と、
   前記下層樹脂上に位置し熱硬化してなる上層樹脂と、
   前記上層樹脂上に設けられたリードフレームと、
   前記リードフレーム上に配置された半導体素子と、
   これらを封止する封止樹脂と、
   を備え、
   前記下層樹脂の熱硬化反応が完了した後、前記封止樹脂の形成過程で前記上層樹脂の熱硬化反応が完了していることを特徴とする半導体装置。
2. 前記封止樹脂の水平投影面積の２５％以上の水平投影面積を有するセラミック基板を備えることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 請求項１記載の半導体装置を製造する半導体装置の製造方法であって、
   前記下層樹脂と、前記下層樹脂上に形成され前記上層樹脂の形成材である未硬化上層樹脂とを前記金属製基板上に形成してなる中間体を製造しておく第１工程と、
   前記半導体素子を搭載した前記リードフレームを、前記中間体の前記未硬化上層樹脂上に載置し、前記未硬化上層樹脂を不完全に熱硬化させる第２工程と、
   前記封止樹脂を樹脂成形する過程で、不完全に熱硬化させた前記未硬化上層樹脂を完全に熱硬化させて前記上層樹脂にする第３工程と、
   を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
4. 前記未硬化上層樹脂として、前記樹脂成形のポストキュア時に完全に熱硬化するように調整した硬化遅延樹脂を用いることを特徴とする請求項３記載の半導体装置の製造方法。

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