JP2014203870A - 半導体装置の製造方法及び半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電子部品下で絶縁基板との間にボイドの発生を抑制することができる半導体装置の製造方法及び半導体装置を提供する。
【解決手段】電子部品３を実装した絶縁基板２で電子部品に対応して貫通穴７を設けた絶縁基板を樹脂封止して形成する半導体装置の製造方法であって、封止用金型１０内にて絶縁基板の貫通穴に対して可動ピン１１を挿入可能に配置し、封止樹脂８を注入し静水圧を作用させながら可動ピンを用いて電子部品と絶縁基板との隙間及び貫通穴へ封止樹脂を充填させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置に関し、特に基板にチップ部品を搭載する半導体装置の製造方法、及び半導体装置に関する。

チップ部品を実装した基板を含む半導体装置、例えば電力用半導体装置は、基板全体も一体に成型して封止することで信頼性を高める構造をとる。ここでチップ部品とは、受動素子である例えば抵抗、コンデンサ、インダクタ等の素子で、その大きさが例えば３．２ｍｍ×１．６ｍｍ、１．０ｍｍ×０．５ｍｍ、０．４ｍｍ×０．２ｍｍ、等の部品である。また、半導体装置の封止方法としては、ポッティング、トランスファーモールド、アンダーフィルなどが存在するが、一般的にはトランスファーモールドを用いることが多い。

モールド成型するにあたり、例えば電力用半導体装置のように内部に発熱量が大きい部品を多数用いる場合には、放熱性の向上を図る観点から熱伝導率の高いモールド樹脂が用いられる。一方、高熱伝導性の樹脂は、樹脂中のフィラー成分の配合率が高いことから、モールド樹脂の粘度が高くなる。その結果、チップ部品と基板との間の隙間まで樹脂を流し込むことが困難となる。したがってこの隙間には、熱伝導性が低い気体のボイドが形成され、これは放熱性低下及び信頼性劣化などの問題を誘発する。

そこで特許文献１では、絶縁基板におけるチップ部品下に貫通穴を設けることで、モールド樹脂注入時には、この貫通穴を経由してチップ部品下にモールド樹脂を流し込むことが提案されている。

特開２００６−４１０００号公報（図１）

しかしながら、上記特許文献１の発明では以下の問題が発生する。即ち、熱伝導率を高めた樹脂、つまりフィラー量の多いモールド樹脂を用いた場合、このようなモールド樹脂は、高粘度、高チクソ性の性質を有するため、樹脂注入方向に垂直方向に延在する貫通穴には樹脂が侵入しにくい。よって、貫通穴にモールド樹脂が流れてチップ部品下にまで充填される時期は、樹脂注入後半の静水圧が作用するタイミングとなる。そのためチップ部品下には、やはりボイドがトラップされてしまう。このため、チップ部品下の放熱性低下が発生し、また、静水圧加圧時にボイド周辺に応力が集中することでチップ部品が割れるなどの問題があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、電子部品下で絶縁基板との間にボイドの発生を抑制することができる半導体装置の製造方法、及び、この製造方法で製造された半導体装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の一態様における半導体装置の製造方法は、電子部品を実装した絶縁基板で上記電子部品に対応した位置に当該絶縁基板を貫通する貫通穴を設けた絶縁基板を樹脂封止して形成される半導体装置の製造方法であって、封止用金型内に配置した上記絶縁基板の上記貫通穴に対して上記封止用金型に備わる可動ピンを挿入可能に配置し、フィラーを含む溶融した封止樹脂を上記封止用金型内へ注入し静水圧を作用させながら、上記可動ピンを用いて上記電子部品と上記絶縁基板との隙間及び上記貫通穴へ上記封止樹脂を充填させることを特徴とする。

本発明の一態様における半導体装置の製造方法によれば、絶縁基板の貫通穴に対応して可動ピンを配置して樹脂注入を行うことで、金型内に注入される封止樹脂が可動ピンと相互作用し、電子部品と絶縁基板との隙間及び貫通穴に充填される。これにより、電子部品下で絶縁基板との間にボイドの発生を抑制することができる。その結果、製造された半導体装置の長寿命化、及び歩留まりの向上を図ることも可能となる。

本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法の概略を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態における半導体装置の一例に相当する電力用半導体装置の平面図である。 図２に示すＡ−Ｂ部における断面図である。 図１に示す半導体装置の製造方法の一例を示す図であり、可動ピンを貫通穴に挿入した形態を示す図である。 図１に示す半導体装置の製造方法の概略を示す図であり、（ａ）から（ｆ）は製造方法の一例を工程順に示した図である。 高熱伝導性の樹脂で封止を行う場合を模式的に示した図であり、（ａ）は可動ピンが無い場合を示し、（ｂ）は可動ピンが有る場合を示している。 図１に示す半導体装置の製造方法で用いる可動ピンの一例を示す図である。 図７に示す可動ピンを用いて図１に示す半導体装置の製造方法を実行した場合における封止樹脂の挙動を模式的に示す図である。 図７に示す可動ピンを用いて製造された半導体装置の一例を示す図である。 本発明の実施の形態２における半導体装置の一例を示す図である。 図１０に示す半導体装置を製造する際に可動ピンを用いた状態を示す図である。

本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法、及びこの製造方法にて製造される半導体装置について、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。また、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け当業者の理解を容易にするため、既によく知られた事項の詳細説明及び実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。また、以下の説明及び添付図面の内容は、特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。

実施の形態１．
実施の形態１における半導体装置について図２、図３を用いて説明する。尚、以下の説明では、半導体装置として、発熱量の大きい電力用半導体素子を備えた電力用半導体装置を例に採るが、これに限定するものではない。
また、本実施の形態１にかかる電力用半導体装置の特徴の一つとしては、以下に説明するように、樹脂封止工程において、封止用金型に設けた可動ピンと封止樹脂との作用によって、電子部品下の絶縁基板に存在する貫通穴を通り封止樹脂を電子部品下へ充填するように構成した点である。まず、このような電力用半導体装置及びその主な部材の基本的構成について、図２を用いて説明する。

図２は電力用半導体装置１の平面図、図３は図２に示す絶縁基板のＡ−Ｂ部における断面図である。
図２に示すように、電力用半導体装置１は、絶縁基板２とフレーム５０との二つの基板で構成されている。フレーム５０には、電力用半導体素子としてのＩＧＢＴ５１、Ｄｉ（ダイオード）５２が搭載されており、Ａｌワイヤ５３で配線接続されている。一方、絶縁基板２には、配線パターン６（図３）上に、はんだ５を用いてチップ部品３を実装している。ここで「４」はチップ部品３の端子であり、チップ部品３は既に説明した、受動素子の、例えば抵抗、コンデンサ等の部品である。また、絶縁基板２とフレーム５０とはＡｌワイヤ５３で電気的に接続している。そしてフレーム５０上、及び絶縁基板２上の部品のすべてを封止樹脂８にて封止して電力用半導体装置１が形成されている。
尚、ここでは絶縁基板２にはチップ部品３を実装したが、実装される部品はチップ部品に限定するものではなく、一般的な電子部品であってもよい。
さらに図３において、チップ部品３に対応した位置で絶縁基板２には、絶縁基板２を貫通する貫通穴７を設けている。貫通穴７の面積は、絶縁基板２と対向するチップ部品３の下面表面積よりも小さいことが望ましい。

次に、上述した電力用半導体装置１を例に採り、本実施の形態にかかる半導体装置の製造方法について説明する。
当該製造方法の概略を図１を参照して説明する。まずステップＳ１に示すように、樹脂封止を行う金型内に絶縁基板２を配置し、絶縁基板２の貫通穴７と、金型に備わる下記可動ピンとを位置決めする。ステップＳ２では、金型内へ封止樹脂を注入して静水圧を作用させる。次のステップＳ３では、可動ピンを用いて、つまり金型内に注入される封止樹脂と可動ピンとの相互作用によって、チップ部品３と絶縁基板２との間の隙間、及び絶縁基板２の貫通穴７に封止樹脂を充填する。このようにして、チップ部品３下で絶縁基板２との間にボイドの発生を抑制する。

図４から図９を参照して、本実施の形態にかかる半導体装置の製造方法についてさらに詳しく説明する。
まず、チップ部品３をはんだ付けした絶縁基板２を用意して、既にＩＧＢＴ５１、Ｄｉ５２を搭載したフレーム５０に絶縁基板２を接着剤などで貼り付け固定する。その後、絶縁基板２とフレーム５０とをＡｌワイヤ５３で電気的に接続する。その後、モールド工程つまり樹脂封止工程に移行する。

本実施形態では、樹脂封止はトランスファーモールド技術を用いる。ここでトランスファーモールド工程について簡単に説明する。トランスファーモールドは、熱硬化性のモールド樹脂（封止樹脂）を熱によって溶融させた状態のまま、注入圧をかけて押し出してモールド金型に注入する封止方法である。注入後、まだ溶融しているモールド樹脂に静水圧としての圧力をかけ続けることで樹脂密度を高める。そのまま数分間置いて熱硬化させた後、モールド金型から成型体を取り出して完成する。

次に、可動ピンについて説明するが、その効果はモールド工程の中で現れるため、モールド工程を交えて図４及び図５を用いて説明する。図４は絶縁基板２をモールド金型（封止用金型）１０内に配置した状態を示し、図５はモールド成型中の樹脂の流れを示している。また、可動ピン１１は、モールド金型１０に備わり、駆動装置１０Ａによって絶縁基板２の板厚方向２ａに昇降可能な棒状の例えば金属製の部材である。

図４に示すように、絶縁基板２をモールド金型１０に配置する際、可動ピン１１は、予めモールド金型１０の下型から上昇させておき、絶縁基板２の貫通穴７に挿入する。これにより、可動ピン１１の先端は、チップ部品３の下面３ａに接した状態にする。

次のモールド樹脂注入において、図５の（ａ）に示すように、モールド樹脂８を絶縁基板２の横（面方向）から絶縁基板２の延在方向２ｂに沿ってモールド金型１０内へ注入する。このようにモールド樹脂８の注入方向は絶縁基板２の延在方向２ｂと一致する。よって以下では「注入方向２ｂ」と記す場合もある。また、本実施の形態ではＩＧＢＴ５１等の発熱性素子を備えるため、放熱性を考慮する観点からモールド樹脂８は高熱伝導性の樹脂材であり、既に説明したように、樹脂中のフィラー成分の配合率が高く粘性が高い。
よって、この高い粘度に起因して、モールド樹脂注入では、チップ部品３の部品直下にはモールド樹脂８が注入されにくく、図５の（ｂ）のようにチップ部品３と絶縁基板２との間にボイド３０がトラップされることが懸念される。

一方、可動ピン１１とモールド金型１０との間には、可動ピン１１が摺動可能なように微小な隙間１０Ｂが存在し、この隙間１０Ｂがエアベントの役割を果たす。したがって、可動ピン１１付近のボイド３０は、可動ピン１１とモールド金型１０との間の隙間１０Ｂを通り金型１０の外部へ抜けることが可能である（図５の（ｃ））。

その後、図５の（ｄ）、（ｅ）に示すように、モールド樹脂８に静水圧を作用させた状態にて、可動ピン１１を貫通穴７さらにモールド樹脂８から引き抜くことで、モールド樹脂８内で可動ピン１１が存在した部分にもモールド樹脂８を充填して行き、ボイド３０を消滅させる。このとき可動ピン１１の移動は、連続的に行っても良いし、途中で一旦移動を停止させてもよい。

ここで図６を参照して、仮に、可動ピン１１を設けない場合で、かつ、高熱伝導対応としてフィラー８１の粒径がチップ部品３と絶縁基板２との隙間３１の大きさ、つまり板厚方向２ａにおける隙間３１の高さ、を有するフィラーを含有したモールド樹脂８を用いる場合を考える。
この場合、このようなモールド樹脂８を注入すると、図６の（ａ）に示すように、フィラー８１がチップ部品３と絶縁基板２との間の隙間３１の入り口に詰まってしまう。さらにその後の、モールド樹脂８への静水圧加圧時では、未充填部分３２に応力が集中し、チップ部品３に撓みが発生してしまう。一方、静水圧によってチップ部品３下には、フィラー８１を押し出す力が作用するが、チップ部品３の撓みにより、隙間３１へのフィラー８１の進入は妨げられる。その結果、未充填部分３２は、ボイドとなってしまい、既に説明したように、チップ部品３下の放熱性低下、及び、静水圧加圧時におけるボイド周辺への応力集中によりチップ部品３の破損等が懸念される。また、局所的にフィラー８１の未充填部分３２が形成されることで、チップ部品３とモールド樹脂８との熱膨張率のミスマッチが発生する。その結果、チップ部品３とモールド樹脂８との間で剥離が発生し、その進展が加速する恐れもある。

これに対し本実施形態では、図６の（ｂ）に示すように、製造方法の一つとして、チップ部品３を可動ピン１１で支持する構成を採るため、モールド樹脂８による静水圧加圧時においてもチップ部品３が撓むことはなく、チップ部品３下にフィラー８１が押し出されて充填され、未充填部分３２が形成されることはない。
このため、モールド樹脂８における熱伝導率が高くなるようにフィラー粒径を大きくすることができる。また、未充填部分３２を無くすことができるため、放熱性を安定して確保することができ、温度サイクルなどの信頼性を向上させることが可能となる。その結果として、製造された半導体装置の長寿命化、及び歩留まりの向上を図ることも可能となる。

本実施形態におけるモールド工程では、フィラー８１を含むモールド樹脂８の溶融時の粘度は、一例として５〜１００Ｐａ・ｓである。また、モールド樹脂８及びモールド金型１０における温度、つまりモールド温度は、例えば１６０〜２００℃程度に設定することができる。また、モールド樹脂８の樹脂成分は、エポキシ系樹脂を主剤とし、フィラー８１としてＳｉＯ_２等が挙げられ、高熱伝導率とするにはその含有量を例えば４０ｖｏｌ％以上とすることができる。

また、上述の説明で用いた可動ピン１１は、図４に示すように、その先端は円錐台形状を有するものを用いている。しかしながら可動ピン１１の先端部形状は、これに限定するものではない。
即ち、図７に示す可動ピン１１−２のように、モールド樹脂８の注入方向２ｂに対向する面に傾斜面１１ａを有してもよい。このような可動ピン１１−２を用いることで、以下のようなモールド樹脂８の注入動作を行うことができる。
上述した、可動ピン１１を用いたモールド工程では、可動ピン１１は絶縁基板２の貫通穴７に挿入された状態にて、モールド工程を開始した。これに対して、この可動ピン１１−２を用いる構成では、モールド工程を開始するにあたり、可動ピン１１−２は、貫通穴７に挿入されず、その先端が貫通穴７の下方に位置するように配置される。

即ち、図８の（ａ）に示すように、可動ピン１１−２の先端を貫通穴７の下方に配置した状態で、モールド樹脂８を絶縁基板２の横（面方向）から絶縁基板２の延在方向２ｂ、つまり注入方向２ｂに沿ってモールド金型１０内へ注入する。尚、上述のように、可動ピン１１−２の傾斜面１１ａは、モールド樹脂８の注入方向２ｂに対向している。
よって注入方向２ｂに進行するモールド樹脂８は、可動ピン１１−２の傾斜面１１ａにぶつかる。傾斜面１１ａは、注入方向２ｂに進むモールド樹脂８を貫通穴７側へ配向させる傾斜を有することから、傾斜面１１ａにぶつかったモールド樹脂８は、図８の（ｂ）に示すように、傾斜面１１ａを上って行き、可動ピン１１−２の上方に位置する貫通穴７の内側へと導かれ、貫通穴７さらに上記隙間３１を充填していく。

このように傾斜面１１ａを有する可動ピン１１−２を用いることで、注入されているモールド樹脂８について、貫通穴７へ向かう樹脂流れを生成することができる。よって、貫通穴７へのモールド樹脂８の流動が促進され、モールド樹脂８の注入流速が早い場合などにおける未充填を防止することが可能となる。
尚、可動ピン１１を引き抜く速度によっては、絶縁基板２においてチップ部品３と反対側の樹脂表面に可動ピン１１の窪みが残ることがある。傾斜を持たせた可動ピン１１−２を使用した場合は、図９に示すような傾斜がある窪みができる場合がある。

また、本実施の形態では、封止方法をトランスファー方式で説明したが、これに限定するものではなく例えばコンプレッション方式でも良く、さらに射出成型などの熱可塑性樹脂を用いる場合など静水圧などの圧力を印加可能な方式であれば、同様の効果を得ることができる。

実施の形態２．
実施の形態２における電力用半導体装置、及びその製造方法について、図１０及び図１１を参照して以下に説明する。
本実施の形態２における電力用半導体装置６１は、絶縁基板２の貫通穴７に予め挿入ピン１３を挿入した形態を有する。その他の構成は、実施の形態１における電力用半導体装置１と同様であるので、ここでの説明を省略する。

挿入ピン１３は、凸状の断面形状を有する、樹脂製あるいは金属製の部材であり、貫通穴７に対応した外形を有し貫通穴７に嵌合する挿入部１３ａと、挿入部１３ａよりも大きい外形を有するフランジ部１３ｂとを備え、挿入部１３ａとフランジ部１３ｂとが一体成型された部材である。挿入部１３ａの先端部１３ａ−１は円形の断面形状であり、また、挿入ピン１３の後端面に相当する、フランジ部１３ｂの底面の中央部には、可動ピン１１の先端が当接する窪み１３ｃを形成している。さらに、挿入部１３ａ及びフランジ部１３ｂの外表面には、挿入ピン１３の全長にわたり切欠１３ｄを形成している。このような切欠１３ｄは、挿入部１３ａの外表面に貫通穴７の内面と接触しない隙間を形成し、空気抜き用通路として機能する。

このように構成された挿入ピン１３は、その挿入部１３ａを貫通穴７に嵌合することで、その先端部１３ａ−１がチップ部品３の下面３ａに接し、フランジ部１３ｂが絶縁基板２の反実装面２ｄと当接する。

以上のようにして、貫通穴７に挿入ピン１３を嵌合した状態の絶縁基板２は、実施の形態１にて説明した絶縁基板２の樹脂封止工程と同様にして樹脂封止が行われる。

貫通穴７に挿入ピン１３を嵌合した絶縁基板２を用いることで、実施の形態１にて説明した効果に加えてモールド工程にてさらに以下の効果を得ることができる。
即ち、図１１に示すように、モールド樹脂注入前に、絶縁基板２を封止用金型１０に載置した際に、挿入ピン１３の窪み１３ｃに可動ピン１１の先端をはめて位置決めすることができる。また、モールド樹脂８の注入時において、チップ部品３下にトラップされたボイド３０を、挿入ピン１３の切欠１３ｄを経由して可動ピン１１から抜くことができる。さらに、モールド樹脂８の注入圧が作用するタイミングで、挿入ピン１３を可動ピン１１で押し出すことで、チップ部品３を支持することができる。これにより、チップ部品３の撓みを抑え、フィラー８１をチップ部品３下に行きわたらせることができ、チップ部品３の放熱性低下、及びチップ部品３の割れ等の損傷を防止することができる。

さらにまた実施の形態２では、電力用半導体装置のモールド樹脂厚が厚い場合でも、上述の効果を得ることに特徴がある。例えば、電力用半導体装置のモールド樹脂厚は、通常２〜１０ｍｍであるのに対して、その２倍以上の厚みでも同様の効果が得られる。
即ち、モールド樹脂８の厚みが厚く、絶縁基板２からモールド樹脂８の裏面８ｂまでの距離が長い場合、実施の形態１の構成では、チップ部品３に到達するまでに可動ピン１１を長い距離に渡り駆動させる必要がある。また、封止して熱硬化後に、モールド樹脂８に引っかかることなく可動ピン１１を引き抜くためには、ある程度の距離まで可動ピン１１を後退させる必要があるが、長距離にて可動ピン１１を突出させることで戻すために時間を要する。そのため、モールド樹脂８に静水圧をかける時間が短くなってしまい、成型性が安定しない可能性がある。
また、可動ピン１１を金型から突出する場合、可動ピン１１が長すぎると樹脂バリのかみ込みなどで、金型のピン穴外周と摺動抵抗が働き、磨耗しやすくなり、金型のメンテナンス費用がかかる。

これに対して、挿入ピン１３を用いることで、チップ部品３を実装していない絶縁基板２の反実装面２ｄからチップ部品３までの距離を稼ぐことができ、これにより、可動ピン１１の駆動距離を小さくすることができる。
さらに挿入ピン１３を用いることで、絶縁基板２からモールド樹脂８の裏面８ｂまでの厚みを通常よりも厚くすることができるため、厚みのある多層基板を適用することが可能となり配線の自由度が増し、小型化可能になる。

１ 半導体装置、２ 絶縁基板、２ｂ 注入方向、３ チップ部品、７ 貫通穴、
８ モールド樹脂、１０ モールド金型、１１、１１−２ 可動ピン、
１１ａ 傾斜面、１３ 挿入ピン、１３ｄ 切欠、３１ 隙間。

Claims (8)

1. 電子部品を実装した絶縁基板で上記電子部品に対応した位置に当該絶縁基板を貫通する貫通穴を設けた絶縁基板を樹脂封止して形成される半導体装置の製造方法であって、
   封止用金型内に配置した上記絶縁基板の上記貫通穴に対して上記封止用金型に備わる可動ピンを挿入可能に配置し、
   フィラーを含む溶融した封止樹脂を上記封止用金型内へ注入し静水圧を作用させながら、上記可動ピンを用いて上記電子部品と上記絶縁基板との隙間及び上記貫通穴へ上記封止樹脂を充填させる、
   ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 上記可動ピンを用いた上記隙間及び上記貫通穴への封止樹脂の充填は、
   上記封止用金型内へ上記封止樹脂を注入するときに上記貫通穴の外側に上記可動ピンを配置して行う、又は、
   予め可動ピンを上記電子部品に接するまで上記貫通穴に挿通しておき、上記封止用金型内へ上記封止樹脂を注入するときに上記可動ピンを上記貫通穴から引き抜くことで行う、
   請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 上記可動ピンの引き抜きを途中で一旦停止する、請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 上記封止用金型内への上記封止樹脂の注入方向は、上記絶縁基板の延在方向に沿う方向であり、
   上記可動ピンは、上記注入方向へ移動する封止樹脂を上記貫通穴側へ配向させる傾斜面を有する、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
5. 電子部品を実装した絶縁基板で上記電子部品に対応した位置に当該絶縁基板を貫通する貫通穴を設けた絶縁基板と、
   上記貫通穴に対して上記チップ部品とは反対側から挿入される挿入ピンと、
   上記挿入ピンを装着した上記絶縁基板を封止する、フィラーを含む封止樹脂と、
   を備えたことを特徴とする半導体装置。
6. 上記挿入ピンは、その軸方向に沿って延在する切欠を有する、請求項５に記載の半導体装置。
7. 上記挿入ピンは、上記貫通穴に勘合されて上記チップ部品にその先端が接触する、請求項５又は６に記載の半導体装置。
8. 請求項５から７のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法であって、
   封止用金型内に配置した上記絶縁基板における上記挿入ピンに対して上記封止用金型から可動ピンを当接し、
   フィラーを含み溶融した封止樹脂を上記封止用金型内へ注入し静水圧を作用させながら、上記可動ピンを封止樹脂内から引き抜く、
   ことを特徴とする半導体装置の製造方法。

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