JP2014157927A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】主端子及び制御端子が封止樹脂体の第２面から露出された半導体装置において、主端子及び制御端子の電気的な接続信頼性を向上すること。
【解決手段】ヒートシンク（２４）は、半導体素子（１２）側の面と反対の放熱面（２４ａ）が封止樹脂体（３６）の第１面（３６ａ）から露出されている。主端子（２８）は、主電極（１４）との電気的な接続部と反対の端面（２８ａ）のみが、封止樹脂体から露出されるとともに、該端面の周辺と面一の状態で第２面（３６ｂ）から露出されている。制御端子（３２）は、制御電極（１６）との電気的な接続部と反対の端面（３２ａ）のみが、封止樹脂体から露出されるとともに、該端面の周辺と面一の状態で第２面から露出されている。主端子及び制御端子は、同一のリードフレーム（４０）からなり、該リードフレームの一部が第２面側において封止樹脂体とともに切削加工されて、互いに電気的に分離されている。
【選択図】図９

Description

本発明は、両面に電極を有するパワー系の半導体素子と、半導体素子の裏面側に配置されたヒートシンクと、主電極と電気的に接続された主端子と、制御電極と電気的に接続された制御端子と、封止樹脂体と、を備える半導体装置及びその製造方法に関する。

従来、両面に電極を有するパワー系の半導体素子と、半導体素子の裏面側に配置されたヒートシンクと、主電極と電気的に接続された主端子と、制御電極と電気的に接続された制御端子と、封止樹脂体と、を備える半導体装置として、特許文献１に記載のものが知られている。

この半導体装置では、主端子及び制御端子が、筒状の連通部と、一端が連通部の筒内に挿入され、他端が上方へ導かれた外部端子と、により構成されている。外部端子は、封止樹脂体表面のうち、ヒートシンクの放熱面が露出する第１面と反対の第２面に露出されている。

また、封止樹脂体は、第２面側に、連通部の上面を露出させる凹部を有しており、連通部の上面及び筒の内面が封止樹脂体から露出されている。外部端子の少なくとも１つは、両端部間にＬ字曲折する曲折領域を有しており、該曲折領域は、凹部に配置されている。

特開２０１２−８９６８１号公報

特許文献１では、筒状の連通部の内面が封止樹脂体から露出されており、連通部のはんだ接続部（連通部と電極などとの接続部、連通部と外部端子との接続部）が、封止樹脂体から露出されている。このため、大気中の水分等により、はんだに腐食が生じやすい。

また、連通部の筒内に位置するはんだは、封止樹脂体で拘束されていないため、半導体素子から受ける熱等の温度変化（冷熱サイクル）により、はんだにクラックや割れが生じ易い。

また、連通部の組み付け位置のばらつきや、組み付け時の連通部の傾きなどにより、連通部の上面や内面が封止樹脂体によって被覆され、上面や内面の露出が不十分となり、連通部と外部端子が電気的に接続されない虞もある。

このように、特許文献１に記載の構成では、主端子及び制御端子の電気的な接続信頼性が低い。

本発明は上記問題点に鑑み、主端子及び制御端子が封止樹脂体の第２面から露出された半導体装置において、主端子及び制御端子の電気的な接続信頼性を向上することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、表面（１２ａ）及び該表面と反対の裏面（１２ｂ）に主電極（１４，２０）を有するとともに、表面に制御電極（１６）を有する半導体素子（１２）と、半導体素子の裏面側に配置され、半導体素子と熱的に接続されたヒートシンク（２４）と、主電極とはんだ（２２，２６，６４）を介して電気的に接続され、半導体素子の厚み方向に延設された主端子（２８，６６）と、制御電極とはんだ（３０）を介して電気的に接続され、厚み方向に延設された制御端子（３２）と、半導体素子、ヒートシンクの一部、主端子の一部、制御端子の一部を一体的に封止し、半導体素子の厚み方向において第１面（３６ａ）と該第１面と反対の第２面（３６ｂ）とを有する封止樹脂体（３６）と、を備え、ヒートシンクは、半導体素子側の面と反対の放熱面（２４ａ）が第１面から露出され、主端子は、主電極との電気的な接続部と反対の端面（２８ａ，６６ａ）のみが、封止樹脂体から露出されるとともに、該端面の周辺と面一の状態で第２面から露出され、制御端子は、制御電極との電気的な接続部と反対の端面（３２ａ）のみが、封止樹脂体から露出されるとともに、該端面の周辺と面一の状態で第２面から露出され、主端子及び制御端子は、同一のリードフレーム（４０）からなり、該リードフレームの一部が第２面側において封止樹脂体とともに切削加工されて、互いに電気的に分離されていることを特徴とする。

これによれば、主端子（２８，６６）のうち、端面（２８ａ，６６ａ）のみが封止樹脂体（３６）から露出され、制御端子（３２）のうち、端面（３２ａ）のみが封止樹脂体（３６）から露出されている。また、主端子（２８，６６）と主電極（１４，２０）とを電気的に接続するはんだ（２２，２６，６４）は、封止樹脂体（３６）により封止されている。同様に、制御端子（３２）と制御電極（１６）とを電気的に接続するはんだ（３０）は、封止樹脂体（３６）により封止されている。したがって、大気中の水分等により、はんだ（２２，２６，６４，３０）が腐食するのを抑制することができる。また、はんだ（２２，２６，６４，３０）は、封止樹脂体（３６）で拘束されているため、半導体素子（１２）から受ける熱等の温度変化（冷熱サイクル）によってクラックや割れが生じるのを抑制することができる。

また、主端子（２８，６６）や制御端子（３２）を組み付ける際に、組み付け位置のばらつきや傾きなどが生じても、切削加工により、端面（２８ａ，６６ａ，３２ａ）を封止樹脂体（３６）から確実に露出させることができる。

以上により、主端子（２８，６６）及び制御端子（３２）が封止樹脂体（３６）の第２面（３６ｂ）から露出された半導体装置において、主端子（２８，６６）及び制御端子（３２）の電気的な接続信頼性を向上することができる。

また、主端子（２８，６６）及び制御端子（３２）が封止樹脂体（３６）の第２面（３６ｂ）に露出されているため、側面から露出される構成に較べて、半導体装置の体格を小型化することができる。

また、主端子（２８，６６）及び制御端子（３２）が同一のリードフレーム（４０）からなり、切削時に分離されるため、製造工程を簡素化できる。さらには、主端子（２８，６６）及び制御端子（３２）が、切削時には一体であるため、主端子（２８，６６）、制御端子（３２）のはんだ接続部に切削時の応力が集中するのを抑制することができる。このため、切削加工を用いながらも、主端子（２８，６６）及び制御端子（３２）の電気的な接続信頼性を向上することができる。

また、本発明のさらなる特徴は、制御端子（３２）が、制御電極（１６）から厚み方向に延びる第１端子部（３２ｂ）を有しており、制御端子（３２）の少なくとも１つが、端面（３２ａ）を含み、厚み方向に延びる第２端子部（３２ｃ）と、厚み方向に垂直な垂直方向に延び、第１端子部（３２ｂ）における制御電極（１６）と反対の端部と第２端子部（３２ｃ）における端面と反対の端部とを連結する第３端子部（３２ｄ）と、を有することにある。

これによれば、制御端子（３２）における端面（３２ａ）の配置の自由度を向上することができる。すなわち、端面（２８ａ，６６ａ）と端面（３２ａ）との間の沿面距離を確保しやすくなる。また、はんだ（３０）による接合時に制御端子（３２）がばねとして機能するため、半導体素子（１２）に作用する応力を抑制することができる。また、切削加工時に受ける力を制御端子（３２）が緩和することができるため、はんだ（３０）の接続部に作用する応力を抑制することができる。このため、制御端子（３２）の電気的な接続信頼性を向上することができる。

また、本発明のさらなる特徴は、制御端子（３２）の端面（３２ａ）が、垂直方向において、第１端子部（３２ｂ）よりも主端子（２８）との距離が遠い位置に配置されていることにある。

これによれば、制御端子（３２）の端面（３２ａ）との間の沿面距離を確保しつつ、半導体装置を小型化することができる。

第１実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す平面図である。 半導体素子の主電極及び制御電極と、主端子及び制御端子との位置関係を示す図であり、主端子及び制御端子を破線で示している。 図１のIII-III線に沿う断面図である。 リードフレームの準備工程を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。 リードフレームの準備工程を示す平面図である。 リードフレームの準備工程を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。 接続工程を示す断面図である。 成形工程を示す断面図である。 切削工程を示す断面図である。 第１変形例を示す断面図である。 第２実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す平面図である。 図１１のXII-XII線に沿う断面図である。 第２変形例を示す断面図である。 第３変形例を示す断面図である。 第４変形例において、半導体装置の等価回路を示す図である。 半導体装置の概略構成を示す平面図である。 図１６のXVII-XVII線に沿う断面図である。 第５変形例を示す図であり、（ａ）は第１面側から見た平面図、（ｂ）は第２面側から見た平面図である。 第６変形例を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、以下の各図相互において互いに同一もしくは均等である部分に、同一符号を付与する。以下においては、半導体素子の厚み方向をＺ方向と示す。また、Ｚ方向に直交し、且つ、主端子と制御端子との並び方向をＸ方向と示す。また、Ｘ方向及びＺ方向の両方向に直交する方向をＹ方向と示す。また、平面形状とは、Ｘ方向及びＹ方向により規定される面に沿う形状とする。

（第１実施形態）
先ず、図１〜図３を用いて、半導体装置１０の構成を説明する。

半導体装置１０は、半導体素子１２と、ヒートシンク２４と、主端子２８と、制御端子３２と、封止樹脂体３６と、を備えている。

半導体素子１２は、シリコンなどの半導体基板に、パワー系のスイッチング素子が形成されて、厚み方向であるＺ方向に電流が流れるものである。本実施形態では、スイッチング素子としてのＩＧＢＴと、該ＩＧＢＴに逆並列に接続された還流用のダイオードとが、同じ半導体基板に形成されている。すなわち、半導体素子１２は、所謂ＲＣ−ＩＧＢＴチップとなっている。そして、半導体素子１２のＺ方向における表面１２ａ及び裏面１２ｂのうち、図２に示すように、表面１２ａには、エミッタ電極とアノード電極を兼ねる主電極１４が形成されるとともに、主電極１４とは異なる位置に、制御電極１６が形成されている。

制御電極１６は、主電極１４よりも小さい面積を有して形成されており、ＩＧＢＴのゲートと接続されたゲートパッド１８を少なくとも含んでいる。本実施形態では、上記したゲートパッド１８に加えて、温度測定ダイオード用のパッドが２つ、電流センス用のパッドが１つ、エミッタセンス用のパッドが１つの、計５つの制御電極１６を有している。これら制御電極１６は、Ｙ方向に一列で配置されており、各制御電極１６は、主電極１４とＸ方向において並んで配置されている。

また、半導体素子１２の裏面１２ｂには、コレクタ電極とカソード電極を兼ねる主電極２０が形成されている。本実施形態では、この主電極２０に、はんだ２２を介して、ヒートシンク２４が熱的且つ電気的に接続されている。すなわち、はんだ２２により、主電極２０とヒートシンク２４が接合されており、ヒートシンク２４が、主電極２０に対する外部接続用の端子も兼ねている。

ヒートシンク２４は、熱伝導性及び電気伝導性を確保すべく、少なくとも金属材料を用いて形成される。具体的には、銅、銅合金、アルミ合金などの熱伝導性及び電気伝導性に優れた金属材料からなる。ヒートシンク２４は、例えば平面矩形の板状をなしており、Ｘ方向及びＹ方向により規定される面内において、半導体素子１２を内包するように設けられている。そして、半導体素子１２と反対の面は、図３に示すように、封止樹脂体３６の第１面３６ａから露出されて、放熱面２４ａとなっている。これにより、半導体素子１２の生じた熱を、ヒートシンク２４の放熱面２４ａから、外部に放熱することができる。

本実施形態では、ヒートシンク２４が封止樹脂体３６とともに切削加工されており、放熱面２４ａは、封止樹脂体３６の第１面３６ａと面一となっている。また、ヒートシンク２４における放熱面２４ａと反対の内面２４ｂの一部には、封止樹脂体３６が密着している。

一方、表面１２ａ側の主電極１４には、はんだ２６を介して、主端子２８が熱的且つ電気的に接続されている。すなわち、はんだ２６により、主電極１４と主端子２８が接合されている。

主端子２８は、熱伝導性及び電気伝導性を確保すべく、少なくとも金属材料を用いて形成される。具体的には、銅、銅合金、アルミ合金などの熱伝導性及び電気伝導性に優れた金属材料からなる。主端子２８は、Ｚ方向に延設されている。そして、半導体素子１２と反対の端面２８ａは、図１及び図３に示すように、封止樹脂体３６の第２面３６ｂから露出されている。これにより、半導体素子１２の生じた熱を、主端子２８の端面２８ａから、外部に放熱することができる。

また、主端子２８は、封止樹脂体３６とともに切削加工されており、端面２８ａは、封止樹脂体３６の第２面３６ｂと面一となっている。

本実施形態では、主端子２８が、主電極１４からＺ方向に延設された柱部２８ｂを有している。柱部２８ｂは例えば四角柱状をなしており、この柱部２８ｂの一端がはんだ２６を介して主電極１４に接続され、他端が端面２８ａとなっている。

制御電極１６には、はんだ３０を介して、制御端子３２が熱的且つ電気的に接続されている。すなわち、はんだ３０により、制御電極１６と制御端子３２が接合されている。

制御端子３２は、主端子２８と同じ材料を用いて形成されている。詳しくは、主端子２８と同一のリードフレーム４０の一部として構成されている。制御端子３２は、Ｚ方向に延設されている。そして、半導体素子１２と反対の端面３２ａは、図１及び図３に示すように、封止樹脂体３６の第２面３６ｂから露出されている。これにより、半導体素子１２の生じた熱を、制御端子３２の端面３２ａから、外部に放熱することもできる。

また、制御端子３２は、封止樹脂体３６とともに切削加工されており、端面３２ａは、封止樹脂体３６の第２面３６ｂと面一となっている。また、切削加工により、同一のリードフレーム４０として構成された主端子２８と、電気的に分離されている。

本実施形態では、制御端子３２が、制御電極１６からＺ方向に延設された第１端子部３２ｂを有している。第１端子部３２ｂは例えば四角柱状をなしており、この第１端子部３２ｂの一端がはんだ３０を介して制御電極１６に接続され、他端が端面３２ａとなっている。したがって、制御端子３２の端面３２ａも、Ｙ方向に一列で配置されており、各端面３２ａは、主端子２８の端面２８ａとＸ方向において並んで配置されている。

なお、図１に示す符号３４は、制御端子３２のうち、ゲートパッド１８と接続されたゲート用制御端子である。また、主端子２８には大電流が流れるため、主端子２８の柱部２８ｂの断面積は、制御端子３２の第１端子部３２ｂの断面積よりも大きなっている。

封止樹脂体３６は、半導体素子１２、ヒートシンク２４の放熱面２４ａを除く部分、主端子２８の端面２８ａを除く部分、制御端子３２の端面３２ａを除く部分、はんだ２２，２６，３０を、一体的に封止している。本実施形態では、エポキシ樹脂を用いてトランスファーモールド法により、封止樹脂体３６が成形されている。また、封止樹脂体３６は平面略矩形の板状をなしており、上記したように、第１面３６ａからヒートシンク２４の放熱面２４ａが露出されている。また、封止樹脂体３６の第２面３６ｂから、主端子２８及び制御端子３２の端面２８ａ，３２ａがそれぞれ露出されており、封止樹脂体３６の側面３６ｃからは、半導体素子１２、主端子２８、及び制御端子３２のいずれも露出されていない。

次に、上記した半導体装置１０の製造方法ついて、図４〜図９を用いて説明する。

先ず、図４〜図６に示すように、リードフレーム４０を準備する準備工程を実施する。

図４（ａ），（ｂ）に示すように、厚肉部４０ａと薄肉部４０ｂを有する異形条のリードフレーム４０を準備する。このようなリードフレーム４０は、圧延などにより形成することができる。リードフレーム４０は平面矩形をなしており、厚肉部４０ａと薄肉部４０ｂが並んで設けられている。

次に、図５に示すように、制御端子３２の数に応じた脚部を有するように、上記リードフレーム４０の薄肉部４０ｂを打ち抜き加工する。本実施形態では、厚肉部４０ａから同一方向に延びる５本の脚部となるように、薄肉部４０ｂを打ち抜く。

次に、図６（ａ），（ｂ）に示すように、打ち抜き加工した薄肉部４０ｂに対して、曲げ加工を施す。具体的には、図６（ｂ）に示すように、薄肉部４０ｂをＬ字状に折曲する。これにより、リードフレーム４０が、主端子２８の柱部２８ｂと、制御端子３２の第１端子部３２ｂと、これら端子２８，３２を連結する連結部４２と、を有することとなる。なお、図６（ｂ）に示す破線で挟まれた部分が連結部４２である。

次いで、図７に示すように、半導体素子１２と、ヒートシンク２４、主端子２８、及び制御端子３２を接続する接続工程を実施する。

本実施形態では、半導体素子１２の裏面１２ｂ側の主電極２０とヒートシンク２４とを、はんだ２２により接合する。また、半導体素子１２の表面１２ａ側の主電極１４と、リードフレーム４０における主端子２８とを、はんだ２６により接合する。また、半導体素子１２の表面１２ａ側の制御電極１６と、リードフレーム４０における制御端子３２とを、はんだ３０により接合する。これら接合は、同一のタイミングで一括実施しても良いし、裏面１２ｂ側の接合を実施した後に、表面１２ａ側の接合をまとめて実施しても良い。

次いで、図８に示すように、封止樹脂体３６を成形する成形工程を実施する。

この成形工程では、接続工程を経て形成された構造体を、金型に配置し、金型のキャビティ内に樹脂を注入して、封止樹脂体３６を形成する。本実施形態では、エポキシ樹脂を用いたトランスファーモールド法により、封止樹脂体３６を形成する。このとき、リードフレーム４０が封止樹脂体３６から露出されないように、封止樹脂体３６を形成する。本実施形態では、ヒートシンク２４側も切削するため、ヒートシンク２４も封止樹脂体３６から露出されないように、封止樹脂体３６を形成する。

次いで、図９に示すように、切削工程を実施する。

この切削工程では、刃具４４により、第２面３６ｂ側から、封止樹脂体３６とともにリードフレーム４０を切削する。このとき、リードフレーム４０の連結部４２が除去され、主端子２８と制御端子３２が電気的に分離される深さまで、封止樹脂体３６を切削する。この切削では、リードフレーム４０のうち、連結部４２とともに、主端子２８の一部及び制御端子３２の一部も除去される。なお、図９に破線で示すＰ１は、刃具４４による切削ラインを示している。切削ラインＰ１は、最終的な切削位置であり、一度で切削ラインＰ１まで切削しても良いし、数回に分けて切削ラインＰ１まで切削しても良い。

この切削により、主端子２８及び制御端子３２のうち、端面２８ａ，３２ａのみが封止樹脂体３６から露出されるとともに、各端面２８ａ，３２ａは封止樹脂体３６の第２面３６ｂと面一となる。

さらに本実施形態では、刃具４４により、封止樹脂体３６の第１面３６ａ側も切削する。このとき、封止樹脂体３６とともにヒートシンク２４も切削される。この切削により、ヒートシンク２４のうち、放熱面２４ａのみが封止樹脂体３６から露出されるとともに、放熱面２４ａは封止樹脂体３６の第１面３６ａと面一となる。なお、図９では、先に第１面３６ａを切削し、次いで第２面３６ｂを切削する手順において、第２面３６ｂの切削を示している。この手順は逆としても良い。以上により、半導体装置１０を得ることができる。

次に、上記した半導体装置１０及びその製造方法において、作用効果を説明する。

本実施形態では、主端子２８のうち、端面２８ａのみが封止樹脂体３６から露出され、制御端子３２のうち、端面３２ａのみが封止樹脂体３６から露出されている。さらには、ヒートシンク２４のうち、放熱面２４ａのみが封止樹脂体３６から露出されている。すなわち、はんだ２２，２６，３０は、封止樹脂体３６により封止されている。したがって、大気中の水分等により、はんだ２２，２６，３０が腐食するのを抑制することができる。また、はんだ２２，２６，３０は、封止樹脂体３６によって拘束されている。したがって、半導体素子１２から受ける熱等の温度変化（冷熱サイクル）により、はんだ２２，２６，３０にクラックや割れが生じるのを抑制することができる。

また、主端子２８や制御端子３２を組み付ける際（はんだ付けする際）に、組み付け位置のずれや傾きなどが生じても、切削加工により、端面２８ａ，３２ａを封止樹脂体３６の第２面３６ｂから確実に露出させることができる。同様に、ヒートシンク２４を組み付ける際（はんだ付けする際）に、組み付け位置のずれや傾きなどが生じても、切削加工により、放熱面２４ａを封止樹脂体３６の第１面３６ａから確実に露出させることができる。

以上により、主端子２８及び制御端子３２が封止樹脂体３６の第２面３６ｂから露出された半導体装置１０において、主端子２８及び制御端子３２の電気的な接続信頼性を向上することができる。

また、本実施形態では、半導体素子１２と電気的に接続され、外部接続用の端子として機能するヒートシンク２４が封止樹脂体３６の第１面３６ａに露出され、主端子２８及び制御端子３２が第２面３６ｂに露出されている。したがって、封止樹脂体３６の側面３６ｃからこれら外部接続用の端子が露出される構成に較べて、半導体装置１０の体格を小型化することができる。

また、主端子２８と制御端子３２が同一のリードフレーム４０からなり、切削時に分離されるため、製造工程を簡素化できる。さらには、主端子２８及び制御端子３２が、切削時には一体であるため、主端子２８、制御端子３２のはんだ接続部に切削時の応力が集中するのを抑制することができる。このため、切削加工を用いながらも、主端子２８及び制御端子３２の電気的な接続信頼性を向上することができる。特に、断面積の小さい制御端子３２においては、切削加工時にはんだ３０の接続部に応力が集中すると、クラック等が生じる虞があるが、本実施形態によれば、はんだ３０の接続部に作用する応力を低減することができる。

また、本実施形態では、ヒートシンク２４を外部接続用の端子として兼用しているため、第２面３６ｂに露出する外部接続用の端子の数を少なくすることができる。したがって、体格を増大させなくとも、沿面距離を確保しやすい。また、半導体素子１２の熱を、はんだ２２を介してヒートシンク２４に伝えることができるので、放熱性を向上することができる。

なお、主端子２８の形状は上記例に限定されるものではない。例えば図１０に示す第１変形例では、主端子２８が、主電極１４の直上に延びる柱部２８ｂとともに、柱部２８ｂからＺ方向に垂直な方向に延設された延設部２８ｃを有している。そして、柱部２８ｂ及び延設部２８ｃの半導体素子１２と反対の面が、端面２８ａとなっている。なお、図１０では、延設部２８ｃがＸ方向において、制御端子３２と反対側に延設されている。これによれば、制御端子３２の端面３２ａとの沿面距離を確保しつつ、放熱性を向上することができる。

ところで、図１０に示すように、主端子２８が延設部２８ｃを有すると、主端子２８が、端面２８ａと反対の面として、封止樹脂体３６が密着する内面２８ｄを有することとなる。このように、主端子２８ａが内面２８ｄを有し、ヒートシンク２４が内面２４ｂを有する構成では、成形時にヒートシンク２４の放熱面２４ａ及び主端子２８の端面２８ａを露出させるようにすると、ヒートシンク２４に対して内面２４ｂをＺ方向に押す力が作用し、主端子２８に対して内面２８ｄをＺ方向に押す力が作用する。これらＺ方向に押す力は、ともに半導体素子１２から遠ざける方向の力であるため、はんだ２２，２６の接続部に作用し、接続信頼性が低下する虞がある。これに対し、本実施形態では、ヒートシンク２４及び主端子２８を覆うように封止樹脂体３６を成形する。これにより、成形時に、ヒートシンク２４の放熱面２４ａ側にも樹脂の力がかかり、主端子２８の端面２８ａ側にも樹脂の力がかかる。したがって、電気的な接続信頼性を向上することができる。

（第２実施形態）
本実施形態において、上記実施形態に示した半導体装置１０と共通する部分についての説明は割愛する。

本実施形態では、図１１及び図１２に示すように、第１実施形態に記載の構成に加え、制御端子３２の少なくとも１つが、上記した第１端子部３２ｂと、端面３２ａを含み、Ｚ方向に延びる第２端子部３２ｃと、Ｚ方向に垂直な方向に延び、第１端子部３２ｂおける制御電極１６反対の端部と第２端子部３２ｃにおける端面３２ａと反対の端部とを連結する第３端子部３２ｄと、を有することを、第１の特徴とする。また、制御端子３２の端面３２ａが、Ｚ方向に垂直な方向において、第１端子部３２ｂよりも主端子２８との距離が遠い位置に配置されていることを、第２の特徴とする。それ以外の構成は、第１実施形態（特に図１０）と同じである。

本実施形態では、全ての制御端子３２が、上記したようにクランク形状をなしている。また、各制御端子３２において、第３端子部３２ｄが第１端子部３２ｂからＸ方向において主端子２８と反対側に、同じ長さを有して延びている。そして、各端面３２ａは、Ｙ方向に一列で配置されている。

このような形状の制御端子３２は、第１実施形態に示した準備工程において、リードフレーム４０の薄肉部４０ｂを曲げ加工することで、形成することができる。

これによれば、主端子２８及び制御端子３２の端面２８ａ，３２ａを、半導体素子１２の主電極１４と制御電極１６の位置関係に制約されずに、自由に配置することができる。このように、端面２８ａに対する端面３２ａの配置自由度を向上することができるため、端面２８ａ，３２ａ間の沿面距離を確保しやすい。

また、はんだ３０による接合時に、クランク形状の制御端子３２がばねとして機能するため、半導体素子１２に作用する応力を抑制することができる。

また、切削加工時においても、クランク形状の制御端子３２がばねとして機能するため、はんだ３０の接続部に作用する応力を抑制することができる。これにより、制御端子３２の電気的な接続信頼性を向上することができる。

なお、応力を抑制する構造としては、上記構造に限定されるものではない。例えば図１３に示す第２変形例のように、第１端子部３２ｂが、Ｃ字状のばね部３２ｆを含む構成としても良い。これによっても、上記した応力を緩和することができる。図１３では、第１実施形態に示す構成において、制御端子３２にばね部３２ｆをもたせているが、第２実施形態に示す構成において、制御端子３２にばね部３２ｆをもたせても良い。

また、図１４に示す第３変形例のように、制御端子３２が、第１端子部３２ｂにおける半導体素子１２側の端部からＺ方向に垂直な方向に延設された第４端子部３２ｇを有する構成としても良い。これによれば、第１端子部３２ｂと第４端子部３２ｇが、はんだ３０に接触するため、はんだ３０と制御端子３２との接続面積を増やし、ひいては接続信頼性を向上することができる。なお、図１４では、第４端子部３２ｇがＸ方向において主端子２８とは反対側に延設されている。図１４では、第２実施形態に示す構成において、制御端子３２に第４端子部３２ｇをもたせているが、第１実施形態に示す構成において、制御端子３２に第４端子部３２ｇをもたせても良い。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

本実施形態では、半導体装置１０として、半導体素子１２を１つのみ有する１ｉｎ１パッケージの例を示した。しかしながら、上アームと下アームを少なくとも１組有するパッケージにも適用することができる。例えば上アームと下アームを１組有する２ｉｎ１パッケージや、上アームと下アームを３組有する６ｉｎ１パッケージにも適用することができる。

図１５〜図１７は、第４変形例として、２ｉｎ１パッケージの半導体装置１０の例を示している。

先ず、半導体装置１０に構成されたインバータ回路について説明する。

図１５に示すように、半導体装置１０は、半導体素子１２として、上アーム側素子１２Ｈと、下アーム側素子１２Ｌを有しており、上アーム側素子１２Ｈと下アーム側素子１２Ｌは、上アーム側素子１２Ｈを高電位側として直列に接続されている。このように、半導体装置１０には、上アーム側素子１２Ｈと下アーム側素子１２Ｌを１組備えるインバータ回路が構成されている。

上アーム側素子１２Ｈは、同一の半導体基板に、ｎチャネル型のＩＧＢＴと、該ＩＧＢＴに逆並列に接続された還流用のダイオードを備えている。また、下アーム側素子１２Ｌは、同一の半導体基板に、ｎチャネル型のＩＧＢＴと、該ＩＧＢＴに逆並列に接続された還流用のダイオードを備えている。

上アーム側素子１２Ｈにおいて、裏面１２ｂ側の主電極２０に対応する上アーム側主電極２０Ｈは、ＩＧＢＴのコレクタ電極及びダイオードのカソード電極を兼ねており、ヒートシンク２４に対応する上アーム側ヒートシンク２４Ｈに電気的に接続されている。そして、上アーム側ヒートシンク２４Ｈが高電位側の電源端子（所謂Ｐ端子）となっている。一方、下アーム側素子１２Ｌにおいて、表面１２ａ側の主電極１４に対応する下アーム側主電極１４Ｌは、ＩＧＢＴのエミッタ電極とダイオードのアノード電極を兼ねており、主端子２８に対応する下アーム側主端子２８Ｌに接続されている。そして、下アーム側主端子２８Ｌが、低電位側の電源端子（所謂Ｎ端子）となっている。

上アーム側素子１２Ｈにおいて、ゲートパッド１８に対応する上アーム側ゲートパッド１８Ｈには、ゲート用制御端子３４に対応する上アーム側ゲート用制御端子３４Ｈが接続されている。下アーム側素子１２Ｌにおいて、ゲートパッド１８に対応する下アーム側ゲートパッド１８Ｌには、ゲート用制御端子３４に対応する下アーム側ゲート用制御端子３４Ｌが接続されている。

また、上アーム側素子１２Ｈにおいて、表面１２ａ側の主電極１４に対応する上アーム側主電極１４Ｈは、ＩＧＢＴのエミッタ電極及びダイオードのアノード電極を兼ねている。一方、下アーム側素子１２Ｌにおいて、裏面１２ｂ側の主電極２０に対応する下アーム側主電極２０Ｌは、ＩＧＢＴのコレクタ電極及びダイオードのカソード電極を兼ねている。そして、上アーム側主電極１４Ｈと下アーム側主電極２０Ｌが接続され、この接続点には、出力端子５６として、主端子２８に対応する上アーム側主端子２８Ｈ、ヒートシンク２４に対応する下アーム側ヒートシンク２４Ｌが接続されている。

次に、図１６及び図１７を用いて、２ｉｎ１パッケージの半導体装置１０の構成を説明する。

半導体装置１０は、半導体素子１２としての上アーム側素子１２Ｈ及び下アーム側素子１２Ｌと、ヒートシンク２４としての上アーム側ヒートシンク２４Ｈ及び下アーム側ヒートシンク２４Ｌと、主端子２８としての上アーム側主端子２８Ｈ及び下アーム側主端子２８Ｌと、制御端子３２としての上アーム側制御端子３２Ｈ及び下アーム側制御端子３２Ｌと、封止樹脂体３６と、を備えている。図１７に示すように、この半導体装置１０は、第１実施形態の第１変形例（図１０）に示す構造を組み合わせたものとなっている。すなわち、上アーム側素子１２Ｈ、上アーム側ヒートシンク２４Ｈ、上アーム側主端子２８Ｈ、上アーム側制御端子３２Ｈ、及び封止樹脂体３６を備える上アーム側の構造が、第１実施形態に示す図１０と同じ構造となっている。一方、下アーム側素子１２Ｌ、下アーム側ヒートシンク２４Ｌ、下アーム側主端子２８Ｌ、下アーム側制御端子３２Ｌ、及び封止樹脂体３６を備える下アーム側の構造も、第１実施形態に示す図１０と同じ構造となっている。

図１６に示すように、Ｘ方向において、上アーム側主端子２８Ｈと下アーム側主端子２８Ｌとが隣り合うように配置されており、上アーム側制御端子３２Ｈと下アーム側制御端子３２Ｌにより、上アーム側主端子２８Ｈと下アーム側主端子２８Ｌが挟まれている。上アーム側主端子２８Ｈと下アーム側主端子２８Ｌとは、ともに延設部２８ｂを有しており、延設部２８ｂはともに相手側の端子に近い側に設けられている。

また、図１７に示すように、下アーム側ヒートシンク２４Ｌには、継手部５０が一体的に設けられている。この継手部５０は、下アーム側ヒートシンク２４Ｌよりも薄肉とされ、下アーム側ヒートシンク２４Ｌの内面２４ｂと間に段差を有さないように、内面２４ｂに連続して設けられている。また、継手部５０は、Ｘ方向において上アーム側に延びるとともに、折曲されて、Ｚ方向において第２面３６ｂ側に延びている。

上アーム側主端子２８Ｈの延設部２８ｂにおける内面２８ｄには、凹部５２が設けられている。そして、凹部５２内にはんだ５４が配置され、このはんだ５４により、継手部５０と上アーム側主端子２８Ｈとが、電気的且つ機械的に接続されている。

このように構成される２ｉｎ１パッケージ構造の半導体装置１０において、上アーム側主端子２８Ｈと上アーム側制御端子３２Ｈは、同一のリードフレーム４０からなり、封止樹脂体３６とともに切削加工されて、電気的に分離されている。また、下アーム側主端子２８Ｌと下アーム側制御端子３２Ｌは、同一のリードフレーム４０からなり、封止樹脂体３６とともに切削加工されて、電気的に分離されている。

なお、上アーム側主端子２８Ｈ、上アーム側制御端子３２Ｈ、下アーム側主端子２８Ｌ、及び下アーム側制御端子３２Ｌを、同一のリードフレーム４０に構成し、切削により互いに電気的に分離することもできる。

また、図１８（ａ），（ｂ）は、第５変形例として、６ｉｎ１パッケージの半導体装置１０の例を示している。この半導体装置１０は、出力端子５６として、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の出力端子５６Ｕ、５６Ｖ、５６Ｗを有している。

図１８（ａ）に示すように、封止樹脂体３６の第１面３６ａ側では、３組の上下アームにおいて、高電位側の電源端子である上アーム側ヒートシンク２４Ｈは共通とされ、第１面３６ａに露出された上アーム側ヒートシンク２４Ｈの放熱面２４ａは、Ｙ方向に延びている。また、第１面３６ａには、出力端子５６Ｕとしての下アーム側ヒートシンク２４Ｌ、出力端子５６Ｖとしての下アーム側ヒートシンク２４Ｌ、出力端子５６Ｗとしての下アーム側ヒートシンク２４Ｌがそれぞれ露出されている。各出力端子５６Ｕ，５６Ｖ，５６Ｗの放熱面２４ａは、Ｙ方向に一列で配置されるとともに、Ｘ方向において上アーム側ヒートシンク２４Ｈの放熱面２４ａと並んで配置されている。

図１８（ｂ）に示すように、封止樹脂体３６の第２面３６ｂ側では、３組の上下アームにおいて、低電位側の電源端子である下アーム側主端子２８Ｌは共通とされ、第２面３６ｂに露出された下アーム側主端子２８Ｌの端面２８ａは、Ｙ方向に延びている。また、第２面３６ｂには、出力端子５６Ｕとしての上アーム側主端子２８Ｈ、出力端子５６Ｖとしての上アーム側主端子２８Ｈ、出力端子５６Ｗとしての上アーム側主端子２８Ｈがそれぞれ露出されている。各出力端子５６Ｕ，５６Ｖ，５６Ｗの端面２８ａは、Ｙ方向に一列で配置されるとともに、Ｘ方向において下アーム側主端子２８Ｌの端面２８ａと並んで配置されている。

また、第２面３６ｂには、上アーム側制御端子３２Ｈの端面３２ａと下アーム側制御端子３２Ｌの端面３２ａもそれぞれ露出されている。各制御端子３２Ｈ，３２Ｌは、Ｘ方向において、上アーム側主端子２８Ｈ及び下アーム側主端子２８Ｌを挟むように設けられている。なお、図１８（ｂ）に示すXVII-XVII線の断面は、図１７に示した断面構造となっている。

本実施形態では、ヒートシンク２４が、半導体素子１２の裏面１２ｂ側の主電極２０と熱的且つ電気的に接続され、外部接続用の端子も兼ねる例を示した。しかしながら、図１９に示す第６変形例のように、ヒートシンク２４が主電極２０と電気的に絶縁され、半導体素子１２に熱的に接続された構成にも適用することができる。図１９では、ヒートシンク２４における放熱面２４ａと反対の面に電気絶縁層６０が配置され、電気絶縁層６０上に配線層６２が配置されている。半導体素子１２の裏面１２ｂ側の主電極２０は、はんだ２２により、配線層６２に接続されている。すなわち、半導体素子１２とヒートシンク２４とは、はんだ２２、配線層６２、及び電気絶縁層６０を介して、熱的に接続されている。また、主電極１４に接続された主端子２８とは別の主端子６６が、配線層６２にはんだ６４を介して接続され、これにより、主電極２０と主端子６６とが、はんだ２２，６４及び配線層６２を介して、電気的に接続されている。

そして、この半導体装置１０においても、主端子２８，６６及び制御端子３２が、同一のリードフレーム４０として構成され、図１９に破線で示す切削ラインＰ１にて、刃具４４により、封止樹脂体３６とともにリードフレーム４０が切削された結果、端面２８ａ，６６ａ，３２ａが、第２面３６ｂと面一の状態で外部に露出されている。なお、図１９では、主端子６６が、主端子２８の柱部２８ｂ同様、柱部６６ｂのみを有している。

本実施形態では、半導体素子１２として、ＩＧＢＴと還流用のダイオードを有するＲＣ−ＩＧＢＴチップの例を示した。しかしながら、ＩＧＢＴとダイオードが別チップとされた構成にも適用することができる。この場合、ＩＧＢＴが半導体素子に相当する。ダイオードのアノードは、ＩＧＢＴのエミッタ、カソードはコレクタと同様の接続構造を有すれば良い。すなわち、ＩＧＢＴの裏面１２ｂ側の主電極２０（コレクタ電極）がヒートシンク２４と電気的に接続される場合、ダイオードのカソードはヒートシンク２４と電気的に接続されれば良い。また、主電極２０（コレクタ電極）が配線層６２を介して主端子６６と電気的に接続される場合、カソードは配線層６２と接続されれば良い。なお、ダイオードのアノードは、ＩＧＢＴの表面１２ａ側の主電極１４（エミッタ電極）とともに、主端子２８に接続されれば良い。

１０・・・半導体装置、１２・・・半導体素子、１２ａ・・・表面、１２ｂ・・・裏面、１２Ｈ・・・上アーム側素子、１２Ｌ・・・下アーム側素子、１４・・・主電極、１４Ｈ・・・上アーム側主電極、１４Ｌ・・・上アーム側主電極、１６・・・制御電極、１６Ｈ・・・上アーム側制御電極、１６Ｌ・・・下アーム側制御電極、１８・・・ゲートパッド、１８Ｈ・・・上アーム側ゲート用制御電極、１８Ｌ・・・下アーム側ゲート用制御電極、２０・・・主電極、２０Ｈ・・・上アーム側主電極、２０Ｌ・・・下アーム側主電極、２２・・・はんだ、２４・・・ヒートシンク、２４ａ・・・放熱面、２４ｂ・・・内面、２４Ｈ・・・上アーム側ヒートシンク、２４Ｌ・・・下アーム側ヒートシンク、２６・・・はんだ、２８・・・主端子、２８ａ・・・端面、２８ｂ・・・柱部、２８ｃ・・・延設部、２８ｄ・・・内面、２８Ｈ・・・上アーム側主端子、２８Ｌ・・・下アーム側主端子、３０・・・はんだ、３２・・・制御端子、３２ａ・・・端面、３２ｂ・・・第１端子部、３２ｃ・・・第２端子部、３２ｄ・・・第３端子部、３２ｅ・・・内面、３２ｆ・・・ばね部、３２ｇ・・・第４端子部、３２Ｈ・・・上アーム側制御端子、３２Ｌ・・・下アーム側制御端子、３４・・・ゲート用制御端子、３４Ｈ・・・上アーム側ゲート用制御端子、３４Ｌ・・・下アーム側ゲート用制御端子、３６・・・封止樹脂体、３６ａ・・・第１面、３６ｂ・・・第２面、３６ｃ・・・側面、４０・・・リードフレーム、４０ａ・・・厚肉部、４０ｂ・・・薄肉部、４２・・・連結部、４４・・・刃具、５０・・・継手部、５２・・・凹部、５４・・・はんだ、５６，５６Ｕ，５６Ｖ，５６Ｗ・・・出力端子、６０・・・電気絶縁層、６２・・・配線層、６４・・・はんだ、６６・・・主端子、６６ａ・・・端面、６６ｂ・・・柱部、Ｐ１・・・切削ライン、

Claims (10)

1. 表面（１２ａ）及び該表面と反対の裏面（１２ｂ）に主電極（１４，２０）を有するとともに、前記表面に制御電極（１６）を有する半導体素子（１２）と、
   前記半導体素子の裏面側に配置され、前記半導体素子と熱的に接続されたヒートシンク（２４）と、
   前記主電極とはんだ（２２，２６，６４）を介して電気的に接続され、前記半導体素子の厚み方向に延設された主端子（２８，６６）と、
   前記制御電極とはんだ（３０）を介して電気的に接続され、前記厚み方向に延設された制御端子（３２）と、
   前記半導体素子、前記ヒートシンクの一部、前記主端子の一部、前記制御端子の一部を一体的に封止し、前記半導体素子の厚み方向において第１面（３６ａ）と該第１面と反対の第２面（３６ｂ）とを有する封止樹脂体（３６）と、を備え、
   前記ヒートシンクは、前記半導体素子側の面と反対の放熱面（２４ａ）が前記第１面から露出され、
   前記主端子は、前記主電極との電気的な接続部と反対の端面（２８ａ，６６ａ）のみが、前記封止樹脂体から露出されるとともに、該端面の周辺と面一の状態で前記第２面から露出され、
   前記制御端子は、前記制御電極との電気的な接続部と反対の端面（３２ａ）のみが、前記封止樹脂体から露出されるとともに、該端面の周辺と面一の状態で前記第２面から露出され、
   前記主端子及び前記制御端子は、同一のリードフレーム（４０）からなり、該リードフレームの一部が前記第２面側において前記封止樹脂体とともに切削加工されて、互いに電気的に分離されていることを特徴とする半導体装置。
2. 前記制御端子（３２）は、前記制御電極（１６）から前記厚み方向に延びる第１端子部（３２ｂ）を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記制御端子（３２）の少なくとも１つが、前記端面（３２ａ）を含み、前記厚み方向に延びる第２端子部（３２ｃ）と、前記厚み方向に垂直な垂直方向に延び、前記第１端子部（３２ｂ）における前記制御電極（１６）と反対の端部と前記第２端子部（３２ｃ）における前記端面と反対の端部とを連結する第３端子部（３２ｄ）と、を有することを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記制御端子（３２）の端面（３２ａ）は、前記垂直方向において、前記第１端子部（３２ｂ）よりも前記主端子（２８）との距離が遠い位置に配置されていることを請求項３に記載の半導体装置。
5. 前記第１端子部（３２ｂ）は、Ｃ字状のばね部（３２ｆ）を含むことを特徴とする請求項２〜４いずれか１項に記載の半導体装置。
6. 前記ヒートシンク（２４）は、前記第１面（３６ａ）側において前記封止樹脂体（３６）とともに切削加工されて、前記放熱面（２４ａ）のみが、前記封止樹脂体から露出され、
   前記ヒートシンクは、前記放熱面と反対の面であり、前記封止樹脂体が密着された内面（２４ｂ）を有し、
   前記主端子（２８）及び前記制御端子（３２）の少なくとも一方は、前記第２面（３６ｂ）から露出された前記端面（２８ａ，３２ａ）と反対の面であり、前記封止樹脂体が密着された内面（２８ｄ，３２ｅ）を有することを特徴とする請求項１〜５いずれか１項に記載の半導体装置。
7. 前記ヒートシンク（２４）は、はんだ（２２）を介して、前記裏面（１２ｂ）側の主電極（２０）と接合され、
   前記主端子（２８）は、はんだ（２６）を介して、前記表面（１２ａ）側の主電極（１４）と接合されていることを特徴とする請求項１〜６いずれか１項に記載の半導体装置。
8. 請求項１に記載の半導体装置の製造方法であって、
   前記主端子（２８，６６）、前記制御端子（３２）、及び前記主端子と前記制御端子とを連結する連結部（４２）を有する前記リードフレーム（４０）を準備する準備工程と、
   前記ヒートシンク（２４）と前記裏面（１２ｂ）側の主電極（２０）とを熱的に接続し、前記主端子（２８）と前記表面側の主電極（１４）、及び、前記制御端子（３２）と前記制御電極（１６）を、それぞれはんだ（２６，３０）を介して電気的に接続する接続工程と、
   前記リードフレームが露出されないように、前記封止樹脂体（３６）を成形する成形工程と、
   前記リードフレームを前記第２面（３６ｂ）側から前記封止樹脂体とともに切削加工し、前記連結部を除去して前記主端子の端面（２８ａ）及び前記制御端子の端面（３２ａ）を前記第２面から露出させる切削工程と、を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
9. 前記準備工程は、前記制御端子（３２）が前記厚み方向に延びる第１端子部（３２ｂ）を有するように、前記リードフレーム（４０）を曲げ加工する曲げ工程を含むことを特徴とする請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
10. 前記曲げ工程では、前記制御端子（３２）の少なくとも１つが、前記端面（３２ａ）を含み、前記厚み方向に延びる第２端子部（３２ｃ）と、前記垂直方向に延び、前記第１端子部（３２ｂ）における前記制御電極（１６）と反対の端部と前記第２端子部における前記端面と反対の端部とを連結する第３端子部（３２ｄ）と、を有するように、前記リードフレーム（４０）を曲げ加工することを特徴とする請求項９に記載の半導体装置の製造方法。

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