JP2014139968A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

半導体装置およびその製造方法

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Abstract

【課題】本明細書は、樹脂パッケージの表面に金属板が取り付けられている半導体装置に関し、金属板が剥離し難い構造を提供する。
【解決手段】本明細書が開示する半導体装置１０は、半導体チップ（ＩＧＢＴ５、ダイオード６）と、半導体チップをモールドしている樹脂パッケージ１２と、樹脂パッケージの表面に固定されている金属板２、３を備える。金属板の裏面にアンカー部材が橋掛けされている。金属板３とアンカー部材４の間が樹脂パッケージのモールド樹脂で満たされている。アンカー部材４が樹脂パッケージにしっかりと食い込むので、金属板３が樹脂パッケージから剥離し難い。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体チップを樹脂でモールドした半導体装置とその製造方法に関する。
半導体チップを樹脂でモールドした半導体装置が知られている。本明細書では、半導体チップをモールドしている樹脂のボディを樹脂パッケージと称する。そのような半導体装置は、典型的には、電気自動車のモータを駆動するインバータに採用されている。そのようなインバータは扱う電力が大きく、半導体チップの発熱量が大きい。それゆえ、半導体チップをモールドしている樹脂パッケージに放熱板が取り付けられることがある。放熱板は、樹脂パッケージの内部で半導体チップと接しており、半導体チップの熱を樹脂パッケージの表面に移送する。半導体チップに接続する電極の一部が放熱板として利用されることもある。
放熱板には金属板が採用されることがある。他方、樹脂パッケージにはフィラーと呼ばれる金属小片を混在させることがある。フィラーを混在させた樹脂パッケージと金属板とは、接合力が強くない。樹脂の表面のフィラーが金属と密着しないからである。その上、金属と樹脂とは熱膨張率が異なるため、半導体チップの熱サイクルによって放熱板が樹脂パッケージから剥離する虞がある。放熱板の剥離を抑えるための技術が例えば特開２００３−１２４４０６号公報（特許文献１）に開示されている。その技術は、放熱板と樹脂パッケージの間に、ポリアミド樹脂の層を設ける。ポリアミド樹脂は、樹脂パッケージに良くなじみ、また、金属板にもよくなじむ。ポリアミド樹脂が接着剤として機能し、放熱板と樹脂パッケージの剥離が抑制される。特許文献１にはさらに、半導体チップの周囲でポリアミド樹脂の膜が厚くなりすぎないように、半導体チップを囲むように、放熱板にリング状部材を固定することが開示されている。余分なポリアミド樹脂は表面張力によりリング状部材に集まり、半導体チップの周囲ではポリアミド樹脂が薄く均一に拡がる。
本明細書は、ポリアミド樹脂を用いるよりもさらに強力に金属板（放熱板）を樹脂パッケージに固定する技術を提供する。
本明細書が開示する技術では、金属板（放熱板）の裏面に２点でアンカー部材を橋掛けし、アンカー部材を樹脂パッケージに埋め込む。アンカー部材と金属板の間に樹脂パッケージのモールド樹脂が充填される。アンカー部材は樹脂パッケージにしっかりと食い込むので、金属板が樹脂パッケージから剥離することが抑制される。なお、「金属板の裏面」とは、金属板において、樹脂パッケージに接する側の面を意味する。
本明細書が開示する半導体装置のさらなる利点は、アンカー部材として、樹脂パッケージの内部で半導体チップと端子を接続している金属ワイヤ（ボンディングワイヤ）と同じ金属材を利用できる点にある。すなわち、半導体チップと端子を金属ワイヤで連結するボンディングマシンを使って、アンカー部材を金属板に固定することができる。従って本明細書は、上記した半導体装置の新規な製造方法も提供する。その方法は、半導体チップと端子を接続する金属ワイヤ（ボンディングワイヤ）をボンディングするツールを使って金属板の裏面にアンカー部材を固定することを特徴とする。
なお、アンカー部材の材料として、その熱収縮率が樹脂パッケージのモールド樹脂の熱膨張率よりも小さい材料を採用するとよい。ボンディングワイヤは、その熱膨張率がモールド樹脂の熱膨張率よりも小さい材料の典型である。
また、樹脂パッケージは２つの半導体チップを封止しており、アンカー部材の少なくとも一部が２つの半導体チップの間に位置していることが好ましい。２つの半導体チップの間で金属板が樹脂パッケージから剥離し易いからである。
本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。
実施例の半導体装置の斜視図である。 半導体装置の分解斜視図である（樹脂パッケージを除く）。 半導体装置を使ったインバータの回路図である。 図１のIV−IV線における断面図である。 図１のV−V線における断面図である。 半導体装置の製造方法を説明する図である（１）。 半導体装置の製造方法を説明する図である（２）。 半導体装置の製造方法を説明する図である（３）。 半導体装置の製造方法を説明する図である（４）。 半導体装置の製造方法を説明する図である（５）。
図面を参照して実施例の半導体装置１０を説明する。図１に、半導体装置１０の斜視図を示す。半導体装置１０は、ＩＧＢＴとダイオードを樹脂でモールドしたデバイスである。
最初に、半導体装置１０の適用例を説明する。半導体装置１０が内蔵するＩＧＢＴとダイオードは、インバータにおけるスイッチング回路を構成する。図３に、半導体装置１０を使ったインバータ５０の回路図を示す。インバータ５０は、直流電源５１の電力を交流に変換してモータ５５に供給する。インバータ５０は、ＩＧＢＴ５２とダイオード５３の逆並列回路で構成されるスイッチング回路５４を６セット備える。インバータ５０では、２個のスイッチング回路５４の直列接続が３セット並列に接続されている。不図示のコントローラが適宜のＰＷＭ信号を各ＩＧＢＴに供給すると、２個のスイッチング回路５４の中点から交流が出力される。２個のスイッチング回路５４の直列接続の３セットの夫々から、位相が１２０度シフトした交流が出力される。その３つの交流でモータ５５が回転する。１つのスイッチング回路５４（ＩＧＢＴとダイオードの逆並列回路）が、一つの半導体装置１０に具現化されている。
半導体装置１０の物理的な構造の説明に戻る。樹脂の筐体を樹脂パッケージ１２と称する。図２に、樹脂パッケージ１２を除く、半導体装置１０の分解斜視図を示す。半導体装置１０は、２枚の金属板２、３の間で２個の半導体チップを樹脂でモールドしたものである。２個の半導体チップは、前述したように、ＩＧＢＴ５とダイオード６である。２枚の金属板２、３は、ＩＧＢＴ５とダイオード６の逆並列回路の端子に相当すると同時に、ＩＧＢＴ５の熱とダイオード６の熱を樹脂パッケージ１２の表面に移送する放熱板に相当する。図１に示すように、金属板２、３の一方の面（おもて面）は、樹脂パッケージ１２の表面に露出している。金属板２の上方の縁からは端子２ａが伸びており、金属板３の上方の縁からは端子３ａが伸びている。端子２ａ、３ａは樹脂パッケージ１２から上方へ伸びている。端子２ａ、３ａを介してスイッチング回路が外部の回路と接続される。
図４に、図１のIV−IV線に沿った断面図を示し、図５に、図１のV−V線に沿った断面図を示す。以下、図１、図２、図４、及び、図５を参照して樹脂パッケージ１２の内側の構造を詳しく説明する。なお、図５では、樹脂パッケージ１２はその断面が示されているが、図の理解を助けるために、本来は断面に付すべきハッチングを省略していることに留意されたい。
金属板２の他方の面（裏面）には、スペーサ７ａ、７ｂがハンダ材１４で固定されている。スペーサ７ａの反対側（金属板２に対する反対側）には、ハンダ材１４にてＩＧＢＴ５が固定されている、スペーサ７ｂの反対側には、ハンダ材１４にてダイオード６が固定されている。ＩＧＢＴ５の反対側とダイオード６の反対側は、ハンダ材１４にて金属板３の裏面に固定されている。ＩＧＢＴ５は平板状であり、その両面がエミッタ電極とコレクタ電極に相当する。ダイオード６は平板状であり、その両面がアノード電極とカソード電極に相当する。ハンダ材１４も導電性を有し、スペーサ７ａ、７ｂも導電性を有する。それゆえ、ＩＧＢＴ５の電極（エミッタ電極とコレクタ電極）の夫々、及び、ダイオード６の電極（アノード電極とカソード電極）の夫々は、ハンダ材１４を介して金属板２あるいは３と導通している。こうして、樹脂パッケージ１２の上方から伸びている端子２ａ、２ｂが、ＩＧＢＴ５とダイオード６の逆並列回路の夫々の電極に相当する。なお、スペーサ７ａ、７ｂには、内部抵抗が小さく。しかも熱伝導率が高い銅が適している。
ＩＧＢＴ５のゲートはボンディングワイヤ９を介してゲート端子８に接続されている。ゲート端子８は、樹脂パッケージ１２の下方へ伸びている（図１参照）。ボンディングワイヤ９は、例えばアルミニウムで作られた直径０．１５ｍｍの金属ワイヤである。
金属板２、３の裏面には、アンカー部材４が固定されている。なお、「金属板２、３の裏面」とは、樹脂パッケージ１２と対向する面を意味する。金属板２の裏面には２個のアンカー部材４が固定されている。金属板３の裏面にも２個のアンカー部材４が固定されている。夫々のアンカー部材４は、ボンディングワイヤ９と同じ金属ワイヤである。その両端は金属板２（金属板３）に固定されている。すなわち、金属板２（金属板３）の裏面に細長いワイヤ状のアンカー部材４が橋掛けされている。アンカー部材４は、両端が金属板２（金属板３）に固定されているとともに、金属板２（金属板３）との間に空隙が設けられている。別言すれば、アンカー部材４は、その両端が金属板２（金属板３）に固定され、ループを形成している。後述するように、２枚の金属板２、３の間にモールド樹脂を射出すると、アンカー部材４と金属板２（金属板３）の間の隙間がモールド樹脂で満たされる。別言すれば、アンカー部材４は樹脂パッケージ１２に埋め込まれることになり、金属板２（金属板３）は樹脂パッケージ１２から離間し難くなる。
アンカー部材４はボンディングワイヤ９と同じ金属製であり、その熱膨張率は、樹脂パッケージ１２のモールド樹脂の熱膨張率よりも小さい。従って、アンカー部材４は、樹脂パッケージ１２を破壊するほど大きく変形することがない。
図２、図４に良く表されているように、アンカー部材４は、２個の半導体チップ（ＩＧＢＴ５とダイオード６）の間に位置している。即ち、樹脂パッケージ１２は、２個の半導体チップを封止しており（モールドしており）、アンカー部材４は、少なくともその一部が２個の半導体チップの間を通るように配置されている。双方の半導体チップが熱変形を生じるので、２個の半導体チップの間において金属板２（金属板３）が樹脂パッケージ１２から剥離し易い。アンカー部材４は、そのような剥離し易い場所に位置し、金属板２（金属板３）の剥離を抑制する。
次に、図６〜図１０を参照して半導体装置１０の製造方法を説明する。まず、一方の金属板２の上にハンダ材１４（図４、図５参照）でＩＧＢＴ５とダイオード６を固定する。それらの上にハンダ材１４でスペーサ７ａ、７ｂを固定する（図６）。なお、ゲート端子８は、不図示の治具にて所定の位置に配置される。
次に、ボンディングツール３０にて、アンカー部材４を金属板３の裏面に固定する（図７）。アンカー部材４は、ボンディングワイヤ９（後述）と同じ素材で作られており、細長い金属ワイヤである。ボンディングツール３０は、細長いアンカー部材４の両端を金属板３に固定する。それゆえ、２つの固定点の間でアンカー部材４と金属板３の間に空隙が形成される。この空隙に後にモールド樹脂が充填される。別言すれば、金属板３の裏面にワイヤで作られたアンカー部材４がループを形成する。
図示を省略しているが、アンカー部材４は、ボンディングツール３０とセットになっているワイヤ供給装置によって供給される。ワイヤ供給装置は、ゲート端子８とＩＧＢＴ５のゲート電極を連結するボンディングワイヤを供給する装置である。ＩＧＢＴ５とダイオード６の間でアンカー部材４が金属板３に正しく固定されることを確かめることによって、ボンディングワイヤ供給装置とボンディングツール３０の位置決めが正確であることが確認される。この確認により、次の工程において、細いゲート端子８にボンディングワイヤ９が正確に固定されることが確実となる。なお、アンカー部材４が金属板３に正しく固定されなかった場合、作業を一時停止して、ワイヤ供給装置あるいはボンディングツール３０の調整が行われる。ボンディングワイヤ９をゲート端子８に接続するのに先立って金属板３の裏面にボンディングワイヤ（アンカー部材４）を固定することは、ボンディングワイヤ供給装置とボンディングツール３０の位置決めの正確さを確かめるための「試し打ち」に相当する。
「試し打ち」について説明する。半導体装置の製造プロセスにおいては、半導体チップと端子を金属ワイヤで連結する前、金属ワイヤを確実にターゲット位置にボンディングできるか否かを試すために、試験的にボンディングマシンを使ってみることがある。この事前の確認が、「試し打ち」と呼ばれる。アンカー部材の固定位置は厳密でなくてよいので、この試し打ちで金属ワイヤを金属板に固定し、アンカー部材に用いることができる。アンカー部材が予定の位置に固定されれば、ボンディングマシンは正常に作動することが確認される。ボンディングマシンは正常に作動することが確認されれば、端子と半導体チップを金属ワイヤで確実に連結することができる。
アンカー部材４を固定した後、ワイヤ供給装置とボンディングツール３０を使ってゲート端子８とＩＧＢＴ５のゲート電極を接続する（図８）。ゲート端子８とＩＧＢＴ５は、具体的にはアンカー部材と同じ金属線のボンディングワイヤ９で接続される。ボンディングツール３０とワイヤ供給装置は試し打ちによって正確に動作することが確かめられているので、ボンディングツール３０とワイヤ供給装置はここでも正確に動作する。
次に、他方の金属板２をスペーサ７ａ、７ｂの上にハンダ材にて固定する（図９）。なお、金属板２の裏面にもアンカー部材４が予め固定されている。最後に、金属板２、３、半導体チップ（ＩＧＢＴ５、ダイオード６）、スペーサ７ａ、７ｂのアセンブリを金型に入れ、モールド樹脂を金型内に射出し、２枚の金属板２．３の間で樹脂パッケージ１２を形成する（図１０）。こうして、半導体装置１０が完成する。モールド樹脂には、金属製の粒子（フィラー）を混ぜた樹脂が用いられる。
モールド樹脂を射出すると、金属板３とアンカー部材４の間の空隙もモールド樹脂で満たされる。アンカー部材４は固化したモールド樹脂にしっかりと食い込み、金属板３が樹脂パッケージ１２から離反することを防止する。
上記の製造方法では、ボンディングワイヤ供給装置とボンディングツールの位置決め正確さを確かめるための「試し打ち」の工程を利用して金属板２にアンカー部材４を固定する。「試し打ち」の工程はもともと必要な工程であるので、上記の製造方法は、大きなコスト増を招くことなく、アンカー部材４を固定する工程を付加することができる。
実施例で説明した半導体装置１０に関する留意点を述べる。半導体チップ（ＩＧＢＴ５、ダイオード６）の周囲、及び、金属板２、３の裏面にポリアミド樹脂の層を設けることも好適である。前述した特許文献１と同様に、ポリアミド樹脂は、樹脂パッケージ１２と金属板２（金属板３）との接合性を高める。
アンカー部材４は、ボンディングワイヤ９と同じ材料で作られていることが好ましいが、必ずしもボンディングワイヤ９と同じ材料でなくともよい。
実施例の半導体装置１０は、２枚の金属板２、３の間で半導体チップがモールド樹脂にて封止されていた。本明細書が開示する技術は、樹脂パッケージの一面に一枚の金属板が取り付けられている形態の半導体装置に適用することも好適である。
また、２枚の金属板の間で半導体チップをモールドする場合、２枚の金属板のうち少なくとも一方の金属板にアンカー部材を固定すれば、本明細書が開示する新規な技術の利点を享受することができる。
実施例の半導体装置１０では、一枚の金属板２（金属板３）の裏面に２個のアンカー部材を固定した。一枚の金属板の裏面に一つのアンカー部材を固定するだけでもよい。あるいは、一枚の金属板の裏面に３個以上のアンカー部材を固定してもよい。
アンカー部材の位置は、隣接する半導体チップの間が好ましいが、他の場所であってもよい。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
２、３：金属板
２ａ、３ａ：端子
４：アンカー部材
５：ＩＧＢＴ（半導体チップ）
６：ダイオード（半導体チップ）
７ａ、７ｂ：スペーサ
８：ゲート端子
９：ボンディングワイヤ
１０：半導体装置
１２：樹脂パッケージ
１４：ハンダ材
３０：ボンディングツール
５０：インバータ
５１：直流電源
５３：ダイオード
５４：スイッチング回路
５５：モータ

Claims (6)

  1. 半導体チップと、
    半導体チップをモールドしている樹脂パッケージと、
    樹脂パッケージの表面に固定されている金属板と、
    を備えており、
    金属板の裏面に２点でアンカー部材が橋掛けされているとともに、金属板とアンカー部材の間が樹脂パッケージのモールド樹脂で満たされている、
    ことを特徴とする半導体装置。
  2. アンカー部材に、樹脂パッケージの内部で半導体チップと端子を接続している金属ワイヤと同じ金属部材が使わ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. アンカー部材の熱収縮率が、樹脂パッケージの熱膨張率よりも小さいことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
  4. 樹脂パッケージは２つの半導体チップを封止しており、アンカー部材の少なくとも一部が２つの半導体チップの間に位置していることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体装置。
  5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法であり、半導体チップと端子を接続する金属ワイヤをボンディングするツールを使って金属板の裏面にアンカー部材を固定することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  6. 半導体チップと端子を接続するのに先立って金属板の裏面にアンカー部材を固定することを特徴とする請求項５に記載の製造方法。
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