JP2015144188A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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福井　剛
Takeshi Fukui
剛 福井
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Abstract

【課題】高い放熱性と優れた低オン抵抗性を有する半導体装置を提供する。【解決手段】本実施形態に係る半導体装置は、半導体チップと、金属製のリードフレームと、樹脂製の封止部と、金属製のコネクタとを備える。半導体チップは、表面電極を有する。リードフレームは、半導体チップを表面に搭載されたベッド部と、ベッド部から離間して設けられたポスト部とを有する。封止部は、半導体チップを覆うように形成される。コネクタは、半導体チップの表面に接合されたチップ接合部と、リードフレームのポスト部の表面に接合されたポスト接合部と、チップ接合部とポスト接合部との間を連結する連結部とを有する。チップ接合部は、ポスト接合部及び連結部よりも厚く形成され、少なくとも一部が封止部の表面から露出する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、半導体装置及びその製造方法に関する。
従来の半導体装置では、半導体チップや、半導体チップとリードフレームとを接続する接続端子（ワイヤやコネクタ）は、絶縁性の樹脂により全体を覆われていた。このような従来の半導体装置では、金属と比較して熱伝導率の低い樹脂を介して放熱が行われるため、半導体チップで発生した熱を十分に放熱することが困難であった。例えば、車載用途や産業用途の半導体装置のように、使用の際に大電流が流れる半導体装置では、半導体チップで発生する熱が大きくなり問題であった。
また、半導体チップとリードフレームとがコネクタにより電気的に接続された半導体装置では、コネクタをリフロー処理により接合する際、溶融した半田の浮力によって、コネクタの位置ずれや傾斜が発生するという問題があった。コネクタの位置ずれや傾斜は、クラックの発生、歩留まりの低下、コネクタと樹脂の剥離、及び各種の信頼性の低下などの問題を招く恐れがあった。
特開2012-15453号公報（米国特許8497572号明細書）
高い放熱性と優れた低オン抵抗性を有する半導体装置を提供する。
本実施形態に係る半導体装置は、半導体チップと、金属製のリードフレームと、樹脂製の封止部と、金属製のコネクタとを備える。半導体チップは、表面電極を有する。リードフレームは、半導体チップを表面に搭載されたベッド部と、ベッド部から離間して設けられたポスト部とを有する。封止部は、半導体チップを覆うように形成される。コネクタは、半導体チップの表面に接合されたチップ接合部と、リードフレームのポスト部の表面に接合されたポスト接合部と、チップ接合部とポスト接合部との間を連結する連結部とを有する。チップ接合部は、ポスト接合部及び連結部よりも厚く形成され、少なくとも一部が封止部の表面から露出する。
第１実施形態に係る半導体装置を示す概略構成図。 第１実施形態に係る半導体装置の他の例を示す概略構成図。 第１実施形態に係る半導体装置の他の例を示す概略構成図。 第１実施形態に係る半導体装置の他の例を示す概略構成図。 第１実施形態に係る半導体装置の他の例を示す概略構成図。 第１実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す説明図。 第２実施形態に係る半導体装置を示す概略構成図。
以下、本発明の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法について図面を参照して説明する。
（第１実施形態）
まず、第１実施形態に係る半導体装置について、図１〜図６を参照して説明する。本実施形態に係る半導体装置は、半導体チップ１とリードフレーム２とがコネクタ３により電気的に接続され、半導体チップ１が樹脂製の封止部４により封止されている。
ここで、図１（Ａ）は、本実施形態に係る半導体装置を示す平面図である。図１（Ａ）において、半導体チップ１を封止する封止部４は省略されている。また、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。図１（Ｂ）において、半導体チップ１を封止する封止部４は図示されている。図２〜図７についても同様であり、平面図では封止部４が省略され、断面図では封止部４が図示されているものとする。図１に示すように、本実施形態に係る半導体装置は、半導体チップ１と、リードフレーム２と、コネクタ３と、封止部４と、接合部５１，５２，５３と、を備える。
半導体チップ１は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、パワーＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor)トランジスタ、及びパワーＩＣ（Integrated Circuit）などを内部に有しており、これらを駆動するための電極を表面及び裏面に有している。半導体チップ１の表面に形成された電極（以下、「表面電極」という）は、半導体チップ１の表面の全体又は一部に設けられる。表面電極は、例えば、高圧側電源と接続される。半導体チップ１の裏面に形成された電極（以下、「裏面電極」という）は、半導体チップ１の裏面の全体又は一部に設けられる。裏面電極は、例えば、低圧側電源と接続される。なお、本説明において、表面とは断面図における上側の面を示し、裏面とは断面図における下側の面を示すものとする。半導体チップ１は、リードフレーム２のベッド部２１に接合されている。
リードフレーム２は、半導体チップ１が固定される金属製の板状部材であり、ベッド部２１と、ポスト部２２，２３とを備える。図１（Ａ）に示すように、ベッド部２１及びポスト部２２，２３は、半導体チップ１と外部配線とを接続するためのアウターリード２４をそれぞれ備えている。また、図１（Ｂ）に示すように、リードフレーム２のベッド部２１は、裏面が封止部４から露出している。
ベッド部２１（ダイパッド）の表面には、半導体チップ１が搭載されている。半導体チップ１は、接合部５１によりベッド部２１の表面に接合されている。接合部５１は、導電性の接合剤により形成され、接合剤として、例えば、半田や、銀を含む導電性の樹脂が用いられる。導電性の接合部５１により、ベッド部２１の表面と半導体チップ１の裏面とが接合されることにより、ベッド部２１と半導体チップ１の裏面電極とが電気的に接続される。これにより、ベッド部２１のアウターリード２４に接続された外部配線（例えば低圧側電源）と、半導体チップ１の裏面電極と、が電気的に接続される。
上述の通り、ベッド部２１は、金属製のため樹脂に比べて熱伝導率が高く、また封止部４から裏面が露出している。本実施形態によれば、このように構成されたベッド部２１を介して半導体チップ１で発生した熱を放熱することができるため、半導体装置の放熱性を向上させることができる。
ポスト部２２は、コネクタ３を介して半導体チップ１の表面電極と電気的に接続される。ポスト部２２は、アウターリード２４を介して外部配線と接続される。ポスト部２２は、ベッド部２１と離間して設けられている。
ポスト部２３は、半導体チップ１の制御電極と電気的に接続される。半導体チップ１の制御電極は、ポスト部２３と電気的に接続されることにより、ポスト部２３のアウターリード２４と接続された外部配線（例えば制御回路）と電気的に接続される。半導体チップ１の制御電極とポスト部２３とは、ワイヤやコネクタなど任意の接続端子により電気的に接続することができる。ポスト部２３は、ベッド部２１及びポスト部２２と離間して設けられている。
なお、ベッド部２１及びポスト部２２，２３は、互いに絶縁されていればよく、例えば、ベッド部２１とポスト部２２，２３との間に絶縁性の樹脂が埋め込まれていてもよい。
コネクタ３は、半導体チップ１の表面電極とポスト部２２とを電気的に接続するための金属製の板状部材である。コネクタ３が半導体チップ１の表面電極とポスト部２２とを電気的に接続することにより、半導体チップ１の表面電極とポスト部２２のアウターリード２４に接続された外部配線（例えば高圧側電源）とが電気的に接続される。
コネクタ３は、例えば、銅、ニッケルメッキされた銅、銀メッキされた銅、金メッキされた銅、銅合金、又はアルミニウムなどの金属材料により形成される。これにより、コネクタ３は、アルミニウム、金、銅などの金属材料により形成されるワイヤと比べて、優れた低オン抵抗性を示すとともに、接合剤との高い密着性を示す。コネクタ３は、チップ接合部３１と、ポスト接合部３２と、連結部３３とを備える。
チップ接合部３１の裏面は、接合部５２により、半導体チップ１の表面に接合される。接合部５２は、導電性の接合剤により形成され、接合剤として、例えば、半田や、銀を含む導電性の樹脂材が用いられる。導電性の接合部５２により、チップ接合部３１と半導体チップ１の表面とが接合されることにより、チップ接合部３１と半導体チップ１の表面電極とが電気的に接続される。
チップ接合部３１は、図１に示すように、半導体チップ１の表面の全部又は一部を覆うように配置され、表面積が大きくなるように、ポスト接合部３２及び連結部３３よりも厚く形成されている。また、チップ接合部３１の表面の少なくとも一部は、封止部４から露出している。
上述の通り、チップ接合部３１は、金属製のため樹脂に比べて熱伝導率が高く、また、厚く形成されることにより大きな表面積を有し、さらに、封止部４から表面が露出している。本実施形態によれば、このように構成されたチップ接合部３１を介して半導体チップ１で発生した熱を放熱することができるため、半導体装置の放熱性を向上させることができる。
なお、チップ接合部３１は、図２に示すように、半導体チップ１の表面より広く形成されてもよい。このような構成により、チップ接合部３１の表面積をさらに大きくし、半導体装置の放熱性をより向上させることができる。
また、チップ接合部３１は、裏面の中央部が、外周部と比較して薄くなるように形成されてもよい。例えば、図３に示すように、チップ接合部３１の裏面の中央部に凹部３４を形成することにより、中央部の厚さを薄くすることができる。このような構成により、熱処理（後述するリフロー処理や樹脂成形）の際に生じるチップ接合部３１の反りが抑制される。これにより、半導体装置の平面度を向上させ、クラック等の問題を抑制し、半導体装置の信頼性を向上させることができる。
ポスト接合部３２は、接合部５３により、裏面をリードフレーム２のポスト部２２の表面と接合される。接合部５３は、導電性の接合剤により形成され、接合剤として、例えば、半田や、銀を含む導電性の樹脂材が用いられる。導電性の接合部５３により、ポスト接合部３２とポスト部２２とが接合されることにより、ポスト接合部３２とポスト部２２とが電気的に接続される。ポスト接合部３２は、ポスト部２２の表面の全部又は一部を覆うように配置される。
連結部３３は、チップ接合部３１とポスト接合部３２との間を連結する部分である。連結部３３は、チップ接合部３１とポスト接合部３２とを接続可能な任意の形状に形成することができる。例えば、図４に示すように、連結部３３は、ポスト接合部３２よりも薄く形成され、連結部３３の裏面とポスト接合部３２の裏面との間には段差ができるようにポスト接合部３２と接続されている。このような構成により、後述するリフロー処理の際、溶融した接合剤が当該段差部分に回り込んでポスト接合部３２を接合するため、ポスト接合部３２の接合強度を向上させることができる。
なお、コネクタ３は、図５に示すように、側面の少なくとも一部にローレット加工などにより凹凸が形成されてもよい。コネクタ３の側面に凹凸を形成すると、アンカー効果によりコネクタ３と封止部４との密着性が増し、半導体装置の耐湿性や温度衝撃に対する信頼性を向上させることができる。
封止部４は、半導体チップ１の全体を覆うように形成され、半導体チップ１を外力や外気から保護するとともに、半導体装置の筐体を構成する。封止部４は、表面からコネクタ３のチップ接合部３１が露出し、裏面からリードフレーム２が露出し、側面からアウターリード２４が突出するように、絶縁性の樹脂により形成される。
次に、本実施形態に係る半導体装置の製造方法について、図６を参照して説明する。ここで、図６は、本実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す説明図であり、図６（Ａ）〜（Ｄ）は、各工程における半導体装置の断面図を示している。
まず、リードフレーム２のベッド部２１の表面の所定の位置に、半田ペーストや銀を含む樹脂ペーストなどの接合剤を塗布し、当該接合剤上に半導体チップ１を載置する。そして、半導体チップ１をリフロー処理によりベッド部２１に接合する。すなわち、半導体チップ１が載置された状態で加熱し、接合剤を溶融させ、除熱により接合剤を凝固させる。これにより、接合部５１が形成され、接合部５１により半導体チップ１がベッド部２１の表面に接合される（図６（Ａ）参照）。
次に、半導体チップ１の表面の所定の位置及びリードフレーム２のポスト部２２の表面の所定の位置に、半田ペーストや銀を含む樹脂などの接合剤を塗布し、当該接合剤上にコネクタ３を載置する。そして、コネクタ３をリフロー処理によりに接合する。すなわち、コネクタ３が載置された状態で加熱し、接合剤を溶融させ、除熱により接合剤を凝固させる。これにより、接合部５２，５３が形成され、接合部５２によりポスト接合部３２がポスト部２２に接合され、接合部５３によりチップ接合部３１が半導体チップ１の表面に接合される。
次に、図６（Ｂ）の状態の半導体装置をモールド金型に導入して樹脂成形する。すなわち、半導体チップ１の全体が覆われるように絶縁性の樹脂により封止する（図６（Ｃ）参照）。図６（Ｃ）において、コネクタ３、リードフレーム２のベッド部２１及びポスト部２２，２３は、封止部４により全体が覆われており、リードフレーム２のアウターリード２４は、封止部４の側面から突出している。
このようにして形成された封止部４の表面及び裏面を、例えば、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法を用いて研磨することにより、図１に示す本実施形態に係る半導体装置が製造される。封止部４の表面は、コネクタ３のチップ接合部３１の表面の少なくとも一部が露出するまで研磨され、封止部４の裏面は、リードフレーム２のベッド部２１の裏面の少なくとも一部が露出するまで研磨される。
このように、樹脂成形後に封止部４の表面及び裏面を研磨することにより、封止部４の平面度を向上させ、封止部４の表面側及び裏面側の応力を低減することができる。これにより、半導体装置の信頼性を向上させることができる。
また、封止部４の研磨速度（送り速度）は、封止部４からチップ接合部３１（ベッド部２）の表面が露出する前後で変化させるのが好ましい。例えば、封止部４からチップ接合部３１（ベッド部２）が露出するまで第１の送り速度で研磨する。次に、封止部４からチップ接合部３１（ベッド部２）が露出した後、第１の送り速度より遅い第２の送り速度で研磨する。さらに、送り速度を０にして研磨する。
このように、研磨速度を変化させることにより、研磨時間を短縮するとともに、半導体表面（裏面）の傷や粗化、封止部４のコーナのピッチング、及びフィラーの脱落を抑制し、半導体装置の外観の歩留まりを向上させることができる。
以上説明したとおり、本実施形態によれば、半導体チップ１で発生した熱は、コネクタ３のチップ連結部３１を介して放熱される。チップ連結部３１は、表面積が大きくなるように厚く形成され、表面が封止部４から露出し、熱伝導性の高い金属製である。また、半導体チップ１で発生した熱は、リードフレーム２のベッド部２を介して放熱される。ベッド部２は、裏面が封止部４から露出し、熱伝導性の高い金属製である。以上のような構成により、本実施形態に係る半導体装置は高い放熱性を有する。
したがって、本実施形態に係る半導体装置は、高い放熱性を要求される、ＩＧＢＴ、パワーＭＯＳトランジスタ、及びパワーＩＣなどを備えたパワーモジュールとして好適に利用することができる。
なお、半導体装置は、半導体チップを複数備える構成も可能である。例えば、高圧側の半導体チップと低圧側の半導体チップとを備え、２つの半導体チップがコネクタ３を介して接続されたインバータなどに適用することができる。
また、コネクタ３のチップ接合部３１上にヒートシンクが設けられてもよい。チップ接合部３１は、封止部４の表面から露出しているため、ヒートシンクに直接接触させることができる。これにより、半導体装置の放熱性をさらに向上させることができる。
さらに、本実施形態に係る半導体装置の製造方法において、リードフレーム２のベッド部２１に接合剤を塗布した後のリフロー処理を省略し、当該リフロー処理を、コネクタ３を接合するためのリフロー処理と一括して行うこともできる。
またさらに、本実施形態に係る半導体装置の製造方法において、チップ接合部３１の表面及びベッド部２の裏面の少なくとも一方が、封止部４により覆われないように樹脂成形することもできる。このような構成により、上述の研磨工程を削減、あるいは簡略化することができる。
（第２実施形態）
次に、第２実施形態に係る半導体装置について図７を参照して説明する。本実施形態に係る半導体装置は、リードフレーム２のポスト部２２とコネクタ３のポスト接合部３２との接合面の外周部の一部に、濡れ防止部６１が形成されている。他の構成及び製造方法については第１実施形態と同様であるため説明を省略する。
濡れ防止部６１は、溶融した接合剤の濡れ性が悪く（接触角が小さく）なるように加工された部分であり、例えば、リードフレーム２のポスト部２２の表面及びコネクタ３のポスト接合部３２の裏面をレーザ加工することにより形成可能である。レーザ加工により加工部位に形成される酸化膜は、周囲に比べて濡れ性が悪くなるため、濡れ防止部６１として機能する。
濡れ防止部６１は、例えば、図７（Ａ）に示すように、ポスト部２２とポスト接合部３２との接合面の長辺及び短辺部分にそれぞれ直線状に形成される。濡れ防止部６１をこのように形成することにより、リフロー処理の際、接合面の外側への溶融した接合剤の流出がせき止められる。溶融した接合剤をせき止めるために必要な濡れ防止部６１の幅は、溶融した接合剤の粒径及び流れ性に応じて変化するが、例えば、３０μｍ以上とされるのが好ましい。濡れ防止部６１の幅が３０μｍ以上の場合、濡れ性の良好な接合剤であっても、接合面の外側への流出をせき止めることができる。
濡れ防止部６１が接合面の長辺及び短辺に直線状に形成された場合、当該接合面のコーナ部分には濡れ防止部６１が形成されないのが好ましい。コーナ部分に濡れ防止部６１を設けないことにより、接合剤に含まれるボイド（気泡）を当該コーナ部分から接合面の外側へ排出することができる。接合剤が一般に使用されるＳｎをベースとする半田の場合、半田に含まれるボイドのトータルのサイズは短辺の１０％未満である。そこで、このようなボイドを排出するために、コーナ部分の長さは、例えば、接合面の短辺の長さの１０％以上とされるのが好ましい。濡れ防止部６１の長さや配置などのデザインは、接合面の電圧特性や面積に応じて任意に選択可能である。ポスト部２２の表面に形成される濡れ防止部６１と、ポスト接合部３２の裏面に形成される濡れ防止部６１とは、同一のデザインとされるのが好ましい。
本実施形態によれば、ポスト部２２とポスト接合部３２とを接合するためのリフロー処理の際、溶融した接合剤により濡れる接合面の位置及び面積が、濡れ防止部６１により限定される。これにより、ポスト接合部３２の接合位置の位置ずれが抑制されるとともに、接合面に形成される接合部５３の厚さのばらつきが抑制され、コネクタ３に傾斜が生じないようにポスト接合部３２を接合することができる。したがって、クラックの発生や信頼性の低下などの問題を抑制することができる。
また、ポスト部２２の表面に接合剤が過剰に塗布された場合や、接合剤にボイド（気泡）が含まれる場合には、余剰の接合剤やボイドは、上記の濡れ防止部６１が形成されていない部分（コーナ部分）から接合面の外側に抜け出る。したがって、本実施形態によれば、塗布される接合剤の量や含有されるボイドに起因するコネクタ３の位置ずれや傾斜も抑制することができる。
なお、本実施形態において、濡れ防止部６１は、ポスト部２２の表面及びポスト接合部３２の裏面のいずれか一方にだけ設けられてもよい。また、リードフレーム２のベッド部２１の表面に濡れ防止部６２が設けられてもよい。この場合、図７（Ａ）に示すように、濡れ防止部６２は、半導体チップ１の裏面とリードフレーム２のベッド部２１の表面との接合面の外周部の一部に形成される。これにより、半導体チップ１の接合位置の位置ずれや傾斜を抑制することができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１：半導体チップ
２：リードフレーム
２１：ベッド部
２２，２３：ポスト部
３：コネクタ
３１：チップ接合部
３２：ポスト接合部
３３：連結部
３４：凹部
４：封止部
５１，５２，５３：接合部
６１，６２：濡れ防止部

Claims (9)

  1. 表面電極を有する半導体チップと、
    前記半導体チップを表面に搭載されたベッド部と前記ベッド部から離間して設けられたポスト部とを有する金属製のリードフレームと、
    前記半導体チップを覆うように形成された樹脂製の封止部と、
    前記半導体チップの表面に接合されたチップ接合部と、前記リードフレームの前記ポスト部の表面に接合されたポスト接合部と、前記チップ接合部と前記ポスト接合部との間を連結する連結部とを有し、前記チップ接合部は、前記ポスト接合部及び前記連結部よりも厚く形成され、少なくとも一部が前記封止部の表面から露出する金属製のコネクタと、
    を備える半導体装置。
  2. 前記リードフレームのポスト部と前記コネクタのポスト接合部との接合面の外周部の一部には、溶融した接合剤の濡れを抑制する濡れ防止部が形成される
    請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記濡れ防止部は、酸化膜により形成される
    請求項２に記載の半導体装置。
  4. 前記コネクタの側面の少なくとも一部には凹凸が形成される
    請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置。
  5. 前記コネクタの前記チップ接合部の少なくとも一部は、前記半導体チップの表面よりも広く形成される
    請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の半導体装置。
  6. 前記コネクタの前記チップ接合部の中央部は、外周部より薄く形成される
    請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の半導体装置。
  7. 前記コネクタは、銅、ニッケルメッキされた銅、銀メッキされた銅、金メッキされた銅、銅合金、又はアルミニウムにより形成される
    請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の半導体装置。
  8. リードフレームのベッド部の表面に、表面電極を有する半導体チップを接合し、
    前記半導体チップの表面と、前記ベッド部から離間して設けられた前記リードフレームのポスト部の表面と、に接合剤を塗布し、
    前記半導体チップの表面に接合されるチップ接合部と、前記リードフレームの前記ポスト部の表面に接合されるポスト接合部と、前記チップ接合部及び前記ポスト接合部との間を連結する連結部とを有し、前記チップ接合部が前記ポスト接合部及び前記連結部よりも厚く形成された金属製のコネクタを、前記接合剤により前記半導体チップの表面と前記リードフレームのポスト部の表面とに接合し、
    前記半導体チップ及び前記コネクタを覆うように樹脂により封止し、
    前記樹脂の表面を、前記コネクタの前記チップ接合部の表面が露出するまで研磨することを具備する半導体装置の製造方法。
  9. 前記樹脂の表面から前記コネクタの前記チップ接合部の表面が露出する前後で、研磨速度を変化させる
    請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
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