JP2014138162A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】有害なはんだ再溶融をなくして信頼性を高めることができる半導体装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】素子側リードフレーム４、半導体素子１，２、放熱ブロック６及びブロック側リードフレーム３を備えてなる半導体装置１００であって、素子側リードフレーム４と半導体素子１，２、及び半導体素子１，２と放熱ブロック６とは、はんだ５によって固着し、放熱ブロック６とブロック側リードフレーム３とは、嵌合によって固着する構成とした。はんだ付けを１回のリフローで済むようにして、１回目のリフローによるはんだを２回目のリフロー時に再溶融させることをなくした。工程数の削減も図れる。
【選択図】図１

Description

本発明は、素子側リードフレーム、半導体素子、放熱ブロック及びブロック側リードフレーム（又はバスバー）を備えてなる半導体装置及びその製造方法に関するものである。

従来、この種の半導体装置としては特許文献１に記載するような装置があった。
これは、半導体素子の両面を一対のリードフレームで挟み、半導体素子と一方のリードフレームとの間をはんだによって接合する。半導体素子と他方のリードフレームとの間にはブロック体が介在し、ブロック体と半導体素子、及びブロック体と他方のリードフレームとを、各々はんだによって接合する。はんだには、鉛フリーはんだ等のはんだが用いられる、というものである。

特開２００９−１３００４４号公報（段落［００２４］、［００２７］、［００２９］、［００３０］）

しかしながら上記従来技術では、はんだを１種類しか使用しない場合において、リフローを２回（２段）に分けて行うと、１回（１段）目のリフローで用いたはんだが再溶融するおそれがあった。
これについて説明すると、従来技術では、素子側リードフレーム（一方のリードフレーム）と半導体素子との間、及び半導体素子とブロック体との間にはんだ付けを要する。また、ブロック体とブロック側リードフレーム（他方のリードフレーム）との間にもはんだ付けを要する。
このような両面冷却構造の半導体装置では、上側から下側に向かってブロック側リードフレーム、ブロック体、半導体素子及び素子側リードフレームなる積層構造がとられ、各部材間（３箇所）においてはんだ付けがなされる。ここで、ブロック側リードフレームはその重量が大きく、このため、上記３箇所のはんだ付けを１回のリフローで行うと、ブロック側リードフレーム及びブロック体間のはんだ付けの層が薄くなる。そこで、ブロック側リードフレーム及びブロック体間のはんだ付けは２回目に行うこととされ、その結果、２回のリフローが必要となる。
この場合、１回目のリフローでは融点の高い高温はんだを用い、それより低い融点のはんだを２回目のリフローで用いれば、２回目のリフロー時に１回目のリフローで用いたはんだの再溶融を避けることができる。
このような融点の制御を伴う手法は、鉛はんだでは可能であるが、鉛フリーはんだでは融点の制御ができない（１種類のはんだを使う）ので適用できない。このため、１回目のリフローによるはんだを２回目のリフロー時に再溶融させるおそれがあった。
このような再溶融が発生すると、ボイドの増加や半導体素子の傾きを引き起こし、半導体装置の信頼性の低下を招くため、従来、この点についての改善が要望されている。

また従来技術では、半導体素子及びブロック体の部分が素子側及びブロック側の両リードフレームによって挟まれている。したがって、素子側リードフレーム、半導体素子、ブロック体及びブロック側リードフレームの部分を通常の熱硬化性モールド樹脂によって封止する場合、そのモールド樹脂の熱膨張により両リードフレーム間において応力が発生する。そして、この応力が半導体素子や、はんだや、モールド樹脂とリードフレームとの界面に加わり、半導体装置の信頼性を低下させる等の問題を引き起こす。しかし従来、これについての配慮がなく、この問題についての改善も要望されている。

本発明の課題は、上記のような要望に鑑みなされたもので、基本的に２回のリフローを要しない（１回のリフローで済む）構成とすることにより、有害なはんだ再溶融をなくして信頼性を高めることができ、また、モールド樹脂の熱膨張による応力の発生に起因する問題も解消できる半導体装置及びその製造方法を提供することにある。

上記課題は、半導体装置及びその製造方法を下記各態様の構成とすることによって解決される。
各態様は、請求項と同様に、項に区分し、各項に番号を付し、必要に応じて他の項の番号を引用する形式で記載する。これは、あくまでも本発明の理解を容易にするためであり、本明細書に記載の技術的特徴及びそれらの組合わせが以下の各項に記載のものに限定されると解釈されるべきではない。また、１つの項に複数の事項が記載されている場合、それら複数の事項を常に一緒に採用しなければならないわけではなく、一部の事項のみを取り出して採用することも可能である。

以下の各項のうち、（１）項が請求項１に、（２）項が請求項２に、（３）項が請求項３に、各々対応する。

（１） 素子側リードフレーム、半導体素子及び放熱ブロックと、ブロック側リードフレーム又はバスバーとを備えてなる半導体装置であって、前記素子側リードフレームと前記半導体素子、及び前記半導体素子と前記放熱ブロックとは、各々はんだによって固着され、前記放熱ブロックと前記ブロック側リードフレーム又は前記バスバーとは、嵌合によって固着されてなることを特徴とする半導体装置。
（２） 前記素子側リードフレーム、前記半導体素子及び前記放熱ブロックの部分がモールド樹脂によって封止されており、前記ブロック側リードフレーム又は前記バスバーは、前記モールド樹脂から離間していることを特徴とする（１）項に記載の半導体装置。
（３） 素子側リードフレーム、半導体素子及び放熱ブロックと、ブロック側リードフレーム又はバスバーとを備えてなる半導体装置を製造する方法であって、前記素子側リードフレームと前記半導体素子との間、及び前記半導体素子と前記放熱ブロックとの間をはんだ付けする第１工程と、該第１工程によりはんだ付けされた前記素子側リードフレーム、前記半導体素子及び前記放熱ブロックの部分をモールド樹脂によって封止する第２工程と、前記ブロック側リードフレーム又は前記バスバーと前記放熱ブロックとを結合する第３工程とを備えてなる半導体装置の製造方法。

（１）項に記載の発明によれば、有害なはんだ再溶融をなくして信頼性を高めた半導体装置を提供できる。
（２）項に記載の発明によれば、モールド樹脂の熱膨張による応力の発生に起因する問題も解消される半導体装置を提供できる。
（３）項に記載の発明によれば、有害なはんだ再溶融をなくして信頼性が高められ、また、モールド樹脂の熱膨張による応力の発生に起因する問題も解消される半導体装置を製造できる。

本発明の一実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。 同上半導体装置の要部拡大図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。なお、各図間において、同一符号は同一又は相当部分を示す。
図１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
図１において、半導体装置１００は、車両等、例えば自動車に搭載され、自動車用電子装置を駆動するための装置に適用されるものである。

この図１に例示するように、半導体装置１００は２個の半導体素子１，２を備える。２個の半導体素子１，２は、同じ種類のものであっても、異なる種類のものであってもよく、横方向に並んで位置する。
両半導体素子１，２は一対のリードフレーム３，４相互間に介在する。一対のリードフレーム３，４は、半導体素子１，２の電極及び放熱部材として機能する一対の板体であって、例えば銅又は銅合金の板材からなる。一対のリードフレーム３，４の各外面（上側のリードフレーム３の上面及び下側のリードフレーム４の下面）は放熱面として機能する。また、上側のリードフレーム３はコネクタ付のリードフレームである。

上記のように両半導体素子１，２は、両リードフレーム３，４相互間に介在するもので、両半導体素子１，２と下側のリードフレーム４との間は、はんだ５によって電気的及び熱的に接続されている。
また、両半導体素子１，２と上側のリードフレーム３との間には放熱ブロック６が介在している。この放熱ブロック６は、高い導電性及び熱伝導性を有する、例えば銅材からなるブロック体である。
各半導体素子１，２と放熱ブロック６との間は、各々はんだ５によって電気的及び熱的に接続されている。
上記はんだ５は、半導体装置１００の技術分野で通常用いられるはんだ材料によるもので、ここでは鉛フリーはんだが用いられている。

上記のように半導体素子１，２と下側のリードフレーム（素子側リードフレーム）４との間、及び半導体素子１，２と放熱ブロック６との間は、各々はんだ５によって接続されている。すなわち、半導体素子１，２と下側のリードフレーム４とは、また、半導体素子１，２と放熱ブロック６とは、各々はんだ５によって固着されている。このはんだ５による固着、すなわちはんだ付けは１回のリフローで行われている。
一方、放熱ブロック６と上側のリードフレーム（ブロック側リードフレーム）３とは、図１に示すように嵌合によって固着されている。すなわち、放熱ブロック６の上面には、例えば凹部（又は凸部）６ａが形成され、上側のリードフレーム３の下面の、上記凹部６ａに対応する位置には、その凹部６ａよりも僅かに径大で同凹部６ａに填め込み可能な凸部（又は凹部）３ａが形成される。そして、その凸部３ａが凹部６ａに填め込まれることによって、放熱ブロック６と上側のリードフレーム３とが固着されている。この固着により、放熱ブロック６と上側のリードフレーム３との間も電気的及び熱的に接続されている。図２に拡大して示すように、凸部３ａの基部を先端部より僅かに径小にしてもよい。

また図１に示すように、下側のリードフレーム４、半導体素子１，２及び放熱ブロック６の部分は、モールド樹脂７によって封止されている。この封止は、半導体素子１，２やその配線等を外部からの応力、湿気あるいは汚染物質等から守るために、例えばトランスファモールド法を用いて行われる。モールド樹脂７としては、主に熱硬化性のエポキシ系樹脂が用いられる。
ここで、上側のリードフレーム３はモールド樹脂７から図示するように離間している。モールド樹脂７が熱膨張した際に、その膨張分を上記の離間部分（隙間）で許容し、半導体素子１，２や、はんだ５や、モールド樹脂７と下側のリードフレーム４との界面等に加わるモールド樹脂７による応力を緩和するためである。
上記離間は、図２に示すように、放熱ブロック６に形成された凹部６ａの深さＤを、上側のリードフレーム３に形成された凸部３ａの突出長Ｌよりも所望長、短くすること（Ｄ＜Ｌ）によって形成される。

図１に示すように、リードフレーム３，４の各外面はモールド樹脂７によって封止されていない。したがって、半導体素子１，２の各上面からは、はんだ５、放熱ブロック６及び上側のリードフレーム３を介して、また、半導体素子１，２の各下面からは、はんだ５及び下側のリードフレーム４を介して、各々放熱が行われ、両面冷却構造の機能をはたしている。
なお、図１中の８（モールド樹脂７によって封止される太線部）は、モールド樹脂７の密着性を増大させるためのプライマーである。

上述した半導体装置１００では、半導体素子１，２と下側のリードフレーム４、及び半導体素子１，２と放熱ブロック６とは、各々はんだ５によって固着するが、放熱ブロック６と上側のリードフレーム３とは、嵌合によって固着（嵌合固着）することとした。つまり、上記の２箇所をはんだ付けすることとした。
したがって、半導体装置１００の構成に当たり２回目のリフローは無用となり（１回のリフローで済むことになり）、１回目のリフローによるはんだを２回目のリフロー時に再溶融させることは、半導体装置１００の構成上、なくなった。これによれば、上記の再溶融の発生によるボイドの増加や半導体素子１，２の傾きは生じ得なくなり、半導体装置１００の信頼性を高めることができる。２回のリフローから１回のリフローで済むことによれば、工程数の削減も図れ、高温はんだが不要になる効果も発揮できる。

また、上側のリードフレーム３をモールド樹脂７から離間させる構成とした。
これによれば、放熱ブロック６と上側のリードフレーム３との嵌合固着前にモールド樹脂７による封止を行う場合、その封止の際にモールド樹脂７の熱膨張が生じても、その膨張分を上記の離間部分（隙間）で許容できる。したがって、上記封止の際の半導体素子１，２や、はんだ５や、モールド樹脂７と下側のリードフレーム４との界面等に加わる応力を緩和できる。
また、上記封止の際にモールド樹脂７の熱膨張が生じていても、上記嵌合固着に際して、半導体素子１，２や、はんだ５や、モールド樹脂７と下側のリードフレーム４との界面等に加わる応力をなくせる、あるいは緩和できる。そして、上記嵌合固着後にモールド樹脂７の熱膨張が生じることがあったとしても、半導体素子１，２や、はんだ５や、モールド樹脂７と下側のリードフレーム４との界面等に加わる応力をなくせる、あるいは緩和できる。

更に、放熱ブロック６と上側のリードフレーム３とを嵌合によって固着（嵌合固着）することとしたので、上側のリードフレーム３に代えてバスバーを用いることが容易になる。したがって、放熱ブロック６から下側のリードフレーム４に至るまでの構成を共通とすることにより、用途に応じて両面冷却構造から片面冷却構造への使い分けも可能になる。

次に、半導体装置１００の製造方法の一例を図１、図２を参照して説明する。
まず第１工程として、図１中から上側のリードフレーム３及びモールド樹脂７が除かれた状態にて、図示するように積層された下側のリードフレーム４と半導体素子１，２との間、及び半導体素子１，２と放熱ブロック６との間を各々はんだ付けする。このはんだ付けは１回のリフローで行われる。はんだには鉛フリーはんだが用いられる。

次に第２工程として、上記第１工程によりはんだ付けされた下側のリードフレーム４、半導体素子１，２及び放熱ブロック６の部分をモールド樹脂７によって封止する。この封止はトランスファモールド法を用いて行う。モールド樹脂７には熱硬化性のエポキシ系樹脂が用いられる。

第３工程では、上記第２工程においてモールド樹脂７による封止から除外されている上側のリードフレーム３と放熱ブロック６とを結合し、図１に示す半導体装置１００の製造を終える。
上側のリードフレーム３と放熱ブロック６との結合は、ここでは放熱ブロック６の上面に形成された凹部６ａに上側のリードフレーム３の下面に形成された凸部３ａを填め込む嵌合固着によってなされる。このような上側のリードフレーム３と放熱ブロック６との結合により、放熱ブロック６と上側のリードフレーム３との間の電気的及び熱的な接続もなされる。
図２に示すように、放熱ブロック６上面に形成された凹部６ａの深さＤは、上側のリードフレーム３下面に形成された凸部３ａの突出長Ｌよりも所望長、短く（Ｄ＜Ｌに）設定されている。上記上側のリードフレーム３と放熱ブロック６との結合時に、上側のリードフレーム３をモールド樹脂７から離間させるためである。
このように離間させることによれば、放熱ブロック６と上側のリードフレーム３との嵌合固着前にモールド樹脂７による封止を行う場合、その封止の際にモールド樹脂７の熱膨張が生じても、その膨張分を上記の離間部分（隙間）で許容できる。したがって、上記封止の際の半導体素子１，２や、はんだ５や、モールド樹脂７と下側のリードフレーム４との界面等に加わる応力を緩和できる。
また、上記封止の際にモールド樹脂７の熱膨張が生じていても、上記嵌合固着に際して、半導体素子１，２や、はんだ５や、モールド樹脂７と下側のリードフレーム４との界面等に加わる応力をなくせる、あるいは緩和できる。更に、上記嵌合固着後にモールド樹脂７の熱膨張が生じることがあったとしても、半導体素子１，２や、はんだ５や、モールド樹脂７と下側のリードフレーム４との界面等に加わる応力をなくせる、あるいは緩和できる。

上述した半導体装置の製造方法によれば、リフローを２回行うことによるはんだ再溶融（有害なはんだ再溶融）がなくなって信頼性が向上し、また、モールド樹脂７の熱膨張による半導体素子１，２や、はんだ５や、モールド樹脂７と下側のリードフレーム４との界面等に加わる応力を緩和できて、更なる信頼性の向上が図れる半導体装置１００を製造できる。

なお上述実施形態において、上側のリードフレーム（ブロック側リードフレーム）に代えてバスバーを配置してもよく、これによっても上述実施形態と同様に信頼性が向上した半導体装置を提供できる。

１，２：半導体素子、３：上側のリードフレーム（ブロック側リードフレーム）、４：下側のリードフレーム（素子側リードフレーム）、５；はんだ、６：放熱ブロック、７：モールド樹脂。

Claims (3)

1. 素子側リードフレーム、半導体素子及び放熱ブロックと、ブロック側リードフレーム又はバスバーとを備えてなる半導体装置であって、
   前記素子側リードフレームと前記半導体素子、及び前記半導体素子と前記放熱ブロックとは、各々はんだによって固着され、
   前記放熱ブロックと前記ブロック側リードフレーム又は前記バスバーとは、嵌合によって固着されてなることを特徴とする半導体装置。
2. 前記素子側リードフレーム、前記半導体素子及び前記放熱ブロックの部分がモールド樹脂によって封止されており、前記ブロック側リードフレーム又は前記バスバーは、前記モールド樹脂から離間し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. 素子側リードフレーム、半導体素子及び放熱ブロックと、ブロック側リードフレーム又はバスバーとを備えてなる半導体装置を製造する方法であって、
   前記素子側リードフレームと前記半導体素子との間、及び前記半導体素子と前記放熱ブロックとの間をはんだ付けする第１工程と、
   該第１工程によりはんだ付けされた前記素子側リードフレーム、前記半導体素子及び前記放熱ブロックの部分をモールド樹脂によって封止する第２工程と、
   前記ブロック側リードフレーム又は前記バスバーと前記放熱ブロックとを結合する第３工程とを備えてなる半導体装置の製造方法。

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