JP2016004792A - 半導体装置とその製造方法および機器 - Google Patents

Abstract

【課題】寄生インダクタンスを低減することが可能な半導体装置とその製造方法を提供する。
【解決手段】半導体装置の封止樹脂３０１の外縁部に段差部３０１ｂを有する凹部を形成し、封止樹脂３０１から露出する電極１０４，１０５を２度曲げて電極１０４，１０５の先端部を凹部内に内包させ、電極１０４，１０５を凹部から突出させないことにより、容易に、基板に実装した時の半導体装置とその他の部品との配線長を短くし、寄生インダクタンスを低減する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電極を備える半導体装置とその製造方法、半導体装置を搭載した機器に関する。

従来の電力変換装置に利用される半導体装置としては、リードフレームと絶縁層、放熱板を組み合わせたものがある（例えば、特許文献１参照）。図９は、特許文献１に記載された従来の半導体装置を示す図である。

図９において、リードフレーム９０１には複数の半導体素子９０３が搭載されており、これらはアルミ線９０４によって電気的に接続されている。リードフレーム９０１の半導体素子９０３が搭載されていない方の面には絶縁層９０５が形成され、放熱板９０６とリードフレーム９０１とを接着している。半導体装置全体は、封止樹脂９０８で覆われているが、放熱板９０６の一部を露出させることで良好な放熱性能を持たせている。外部との電気的な接続は、パワー系入出力リード９０７と、制御信号入力リード９０２によって行われる。

また、従来の半導体装置として、金属ブロックを使用したものもある（例えば、特許文献２参照）。図１０は、特許文献２に記載された従来の半導体装置を示す図である。
図１０において、半導体素子１００２は、ベース部１００１に搭載されて、金属ブロック１００３を介してソース端子１００４に接続されている。ゲート端子１００５はアルミ線などを用いて半導体素子１００２に接続されている。

国際公開第２０１３／１２１４９１号 特開２０１２−７４５８８号公報

しかしながら、図９の構成では、半導体装置の直上にプリント配線板を配置する際、半導体装置の側面から出て上側に突出する制御信号入力リード９０２とプリント配線板とを接続するために、プリント配線板にスルーホールが必要である。また、スルーホールに制御信号入力リード９０２を通して接続する構成のため、制御用ＩＣやノイズ抑制用スナバコンデンサをスルーホールの直近に配置することは困難である。そのため、図９の構成では、半導体素子９０３から制御用ＩＣやノイズ抑制用スナバコンデンサまでの配線は、ある程度長くなってしまうことが多い。配線が長くなると配線上の寄生インダクタンスが大きくなるため、半導体装置を高速動作させた際に、半導体装置自身に誤動作が発生する可能性や、大きなノイズが発生する可能性がある。

ここで、図９の構成の代わりに、制御信号入力リード９０２をＪの形状に曲げるなどの構成を採用すれば、スルーホールなしに制御信号入力リード９０２をプリント配線板に接続することも可能である。だが、この構成では、半導体装置をヒートシンクなどの冷却装置に取り付けた際に、リードとプリント配線板との接合部に過大な力がかかり、信頼性が低下する可能性がある。

また、図１０の構成では、ソース端子１００４が平坦な形状であることからソース側の配線の寄生インダクタンスを小さくすることができるが、ゲート端子１００５のリードが半導体装置の側面から出ているため、ゲート側の配線をスルーホール実装工法で実装する必要があり、制御用ＩＣまでのゲート側の配線は長いままである。

本発明は、これら前記従来の課題を解決するもので、寄生インダクタンスを容易に低減することが可能な半導体装置および製造方法、機器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の半導体装置は、半導体素子搭載領域および電極を備えるリードフレームと、前記半導体素子搭載領域に搭載された半導体素子と、前記半導体素子と前記電極とを電気的に接続する電気配線部と、前記半導体素子および前記電気配線部を樹脂封止する封止樹脂と、を有し、前記電極には、前記封止樹脂から露出する部分に設けられた曲げ部により前記封止樹脂の表面にその先端のはんだ接合部が露出したはんだ接合部が設けられ、前記封止樹脂には、その一面に形成されると共に前記電極の前記はんだ接合部を収容する凹部が設けられ、前記電極の先端の前記はんだ接合部の厚みは、前記凹部の深さより薄いことを特徴とする。

また、本発明の半導体装置の製造方法は、電極を備えるリードフレームに半導体素子を搭載する工程と、前記電極と前記半導体素子とを電気配線部で電気的に接続する工程と、前記半導体素子および前記電気配線部を封止樹脂で樹脂封止すると共に前記封止樹脂の一面に凹部を形成する工程と、前記封止樹脂から露出する前記電極に曲げ部を形成して前記電極の先端を前記凹部内に収容する工程と、を有することを特徴とする。

以上のように、本発明によれば、寄生インダクタンスを容易に低減することが可能な半導体装置および製造方法、機器を提供することができる。

本発明の実施の形態１における半導体装置の構成を示す図 本発明の実施の形態１における半導体装置の断面図 本発明の実施の形態１における半導体装置のリードフレーム曲げ部の構成を示す要部概略斜視図 本発明の半導体装置の製造工程を順に示す断面図 本発明の半導体装置の製造工程を順に示す断面図 本発明の半導体装置を利用した電力変換装置の組立工程を順に示す断面図 本発明の半導体装置を利用した電力変換装置の組立工程を示す平面図 本発明の半導体装置の製造工程に係るフローチャートを示す図 特許文献１に記載された従来の半導体装置を示す図 特許文献２に記載された従来の半導体装置を示す図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明において、同じ構成には同じ符号を付けて、適宜説明を省略している。
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における半導体装置の構成を示す図である。図１（ａ）は本発明の実施の形態１における半導体装置の上面図を、図１（ｂ）は同じく底面図を、図１（ｃ）は側面図を、それぞれ示している。

本実施の形態の半導体装置１１０４は、図１（ａ）および図１（ｃ）で示すように、平板状であり、その一面（上面）に正極電極１０１、負極電極１０２、出力電極１０３、正極側制御電極１０４、負極側制御電極１０５が露出している。正極電極１０１、負極電極１０２、出力電極１０３、正極側制御電極１０４、負極側制御電極１０５は、銅もしくは銅を主体とした合金であることが望ましいが、他の材料でもよい。

図１（ｂ）に示すように、他面（底面）には放熱板２０１が露出しており、封止樹脂３０１と共に、平面を成している。
半導体装置全体は封止樹脂３０１で封止されているが、半導体装置１１０４の上面において、正極電極１０１、負極電極１０２、出力電極１０３、正極側制御電極１０４、負極側制御電極１０５は、封止樹脂３０１に覆われておらず露出している。封止樹脂３０１は、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂から選択でき、必要に応じてフィラーを含有していてもよい。

正極電極１０１、負極電極１０２、出力電極１０３、正極側制御電極１０４、負極側制御電極１０５は、封止樹脂３０１の側面から突き出ていて、封止樹脂３０１の外部において９０°の曲げが２箇所に施されて、封止樹脂３０１の一方の面である上面（放熱板２０１が露出する面に対する反対の面）を部分的に覆うように配置されている。なお、各曲げは、曲げる角度が９０°ずつである場合に限らず、１００°と８０°等、２回に分けて合計１８０°になるように曲げても良いが、９０°で２回曲げた場合が最も実装面積を小さくすることができ、好ましい。

図１（ａ），図１（ｃ）に示すように、封止樹脂３０１には、一方の面である上面に、正極電極１０１、負極電極１０２、出力電極１０３、正極側制御電極１０４、負極側制御電極１０５が覆うエリアのみが部分的に凹構造となるように、段差部３０１ｂが設けられている。段差部３０１ｂは、凹部の一例である。つまり、本実施の形態の半導体装置は、一方の面である封止樹脂３０１の上面の外周周辺に、電極の配置位置に応じて凹構造である段差部３０１ｂが形成されている。この段差部３０１ｂによる部分的な凹構造内に各電極１０１〜１０５の先端であるはんだ接合部１０６を収容することによって、正極電極１０１、負極電極１０２、出力電極１０３、正極側制御電極１０４、負極側制御電極１０５を、封止樹脂３０１の凹部周辺の表面から突出させずに配置することができる。

なお、正極電極１０１、負極電極１０２、出力電極１０３、正極側制御電極１０４、負極側制御電極１０５の厚みは例えば０．４〜１ｍｍであるため、封止樹脂３０１の段差部３０１ｂの深さ３０１ｃは、電極１０１〜１０５の厚みに加えて、隙間５０μｍ以上かつ５００μｍ以下の範囲で深くすることが好ましい。例えば、図１（ｃ）に示す段差部３０１ｂの深さ３０１ｃは、電極の厚み６００μｍに隙間２００μｍを加えた８００μｍである。

段差部３０１ｂにおける５０μｍ以上かつ５００μｍ以下の隙間は、後述する電力変換装置等の機器を組み立てる工程において、正極電極１０１、負極電極１０２、出力電極１０３、正極側制御電極１０４、負極側制御電極１０５上の各はんだ接合部１０６の上に形成されるはんだ接合層の厚みを一定程度に確保するために有効である。それと共に、段差部３０１ｂにおける隙間は、後述のように、半導体装置の固定のために加えられる応力の大半を、封止樹脂３０１の最も大きな面積を占める段差部３０１ｂ以外の部分に逃がすことで、はんだ接合層に加わる応力を低減するために有効である。

なお、ここでの説明では、正極電極１０１、負極電極１０２、出力電極１０３、正極側制御電極１０４、負極側制御電極１０５を用いて説明したが、電極は半導体装置に応じて様々なものを用いることができ、その個数も任意である。

図２は本発明の実施の形態１における半導体装置の断面図であり、図１（ａ）の一点鎖線で示したＡ−Ａ’断面図である。図２は、図１（ａ）における、正極側制御電極１０４と負極側制御電極１０５を通る平面を示している。

図２に示すように、半導体装置の内部において、半導体素子５０１は、リードフレーム４０１の一方の面の半導体素子搭載部に、半導体素子接合材料７０２を介して搭載されている。半導体素子接合材料７０２は、例えば、はんだなどの金属材料、または、銀ペーストなどの樹脂材料である。リードフレーム４０１の半導体素子搭載部の反対側の面には、絶縁樹脂６０１を介して放熱板２０１が接着されている。半導体素子５０１は、電気配線部７０１によって、リードフレーム４０１に電気的に接続されている。電気配線部７０１は、例えば、アルミニウム、銅、金もしくはそれらの合金材料でできたワイヤーや、銅クリップである。電気配線部７０１がワイヤーの場合は、超音波接合もしくは熱圧着によって電気配線部７０１を接合する。電気配線部７０１が銅クリップの場合は、はんだか導電性ペーストによって電気配線部７０１を接合する。

封止樹脂３０１は、少なくとも半導体素子５０１と電気配線部７０１を封止し、リードフレーム４０１の電極部のリードフレーム曲げ部４０４より先および放熱板２０１の裏面を露出するように、リードフレーム４０１および放熱板２０１を保持する。前述のように、封止樹脂３０１には、正極電極１０１、負極電極１０２、出力電極１０３、正極側制御電極１０４、負極側制御電極１０５の近傍に、封止樹脂３０１の段差部３０１ｂが設けられている。段差部３０１ｂは、上述した正極電極１０１、負極電極１０２、出力電極１０３、正極側制御電極１０４、負極側制御電極１０５が覆うエリアのみが部分的に凹となる構造を形成するために設けられている。

リードフレーム４０１は、複数のリードフレーム曲げ部４０４を有している。リードフレーム曲げ部４０４は、リードフレーム４０１の一部であり、それぞれ封止樹脂３０１の側面から外部に突き出している。リードフレーム曲げ部４０４は、半導体素子５０１が搭載された面側に１８０°折り返されており、図２に示すように、リードフレーム４０１自身の一部を覆うように曲げられている。リードフレーム曲げ部４０４は、第１のリードフレーム曲げ部４０２と、第２のリードフレーム曲げ部４０３を有しており、２度の曲げにより、合計して１８０°折り曲げられる。これにより、封止樹脂３０１から露出したリードフレーム４０１の一部は、正極側制御電極１０４と負極側制御電極１０５をなしている。なお、正極電極１０１、負極電極１０２、出力電極１０３も、正極側制御電極１０４および負極側制御電極１０５と同様の構造である。

図３は、本発明の実施の形態１における半導体装置の正極側制御電極１０４（図２参照）に係るリードフレーム曲げ部の構成を示す要部概略斜視図である。
図２，図３に示すように、リードフレーム曲げ部４０４は、第１のリードフレーム曲げ部４０２と、第２のリードフレーム曲げ部４０３を有しており、それぞれの曲げ部で９０°曲げられている。図３に示すように、第１のリードフレーム曲げ部４０２と第２のリードフレーム曲げ部４０３は、平面的には、ずれた位置に配置される。つまり、リードフレーム曲げ部４０４を伸ばした際に、電気配線部７０１が接続される部分から第１のリードフレーム曲げ部４０２に至る部分と、はんだ接合部１０６から第２のリードフレーム曲げ部４０３に至る部分とは、直線状に連続せず、ずれて配置されている。言い換えれば、正極側制御電極１０４のはんだ接合部１０６は、第１のリードフレーム曲げ部４０２の上部以外の位置に形成されている。このような構成とすることで、それぞれの曲げ部で９０°以上の曲げを行っても、電気配線部７０１と正極側制御電極１０４が接触しない構成を実現できる。

図８は本発明の半導体装置の製造工程に係るフローチャートを示す図である。図４，図５は本発明の半導体装置の製造工程を順に示す断面図である。
まず、図４（ａ）に示すとおり、リードフレーム４０１を準備する。

次に、図４（ｂ）に示すとおり、図８のダイボンド工程（ステップ１）を行う。このダイボンド工程では、半導体素子５０１を搭載する。ここでは、半導体素子５０１としてトランジスターとダイオードを１対として、正極側、負極側にそれぞれ１つずつ配置しているが、個数、種類を限定するものではない。

次に、図４（ｃ）に示すとおり、図８のワイヤリング工程（ステップ２）を行う。このワイヤリング工程では、電気配線部７０１によって、半導体素子５０１とリードフレーム４０１を電気的に接続する。

次に、図４（ｄ），図５（ａ），図５（ｂ）に示すとおり、図８の封止工程（ステップ３）を行う。図４（ｄ）に示すように、まず、封止金型８０１の中に、ワイヤリング工程（ステップ２）までの工程で組み立てた物と、あらかじめ絶縁樹脂６０１を貼り付けた放熱板２０１を配置する。次に、図５（ａ）に示すように、封止金型８０１を閉じ、未硬化状態の封止樹脂３０１ａを圧入する。次に、図５（ｂ）に示すように、封止金型８０１を開き、一定温度で封止樹脂３０１を硬化させる。このとき、封止金型８０１の表面形状に合わせて、封止樹脂３０１には段差部３０１ｂが形成されている。

次に、図５（ｃ）に示すとおり、図８のカット工程（ステップ４）およびリードフレーム曲げ工程１（ステップ５）を行う。これらの工程では、余分なリードフレームをカット（切断）して、残ったリードフレームを曲げて第１のリードフレーム曲げ部４０２を形成する。

次に、図５（ｄ）に示すとおり、図８のリードフレーム曲げ工程２（ステップ６）を行う。この工程では、さらにリードフレームを曲げて第２のリードフレーム曲げ部４０３を形成する。本実施の形態では、このように第１のリードフレーム曲げ部４０２および第２のリードフレーム曲げ部４０３を形成することで、半導体装置１１０４を製造する。

従来、リードフレームは、９０°を超えた曲げ部を形成することが困難で、ＳＯＪパッケージなどに見られるように、リードフレームの先端をＪ形状にして封止樹脂をごく一部覆う程度の曲げしかできなかった。そこで、本発明では、リードフレーム４０１を曲げる箇所を、第１のリードフレーム曲げ部４０２および第２のリードフレーム曲げ部４０３の２箇所に分けることで、リードフレームを１８０°折り返すことを可能とした。

図６は本発明の半導体装置を利用した電力変換装置の組立工程を順に示す断面図、図７は本発明の半導体装置を利用した電力変換装置の組立工程を示す平面図である。
図６（ａ）に、第１の工程であるはんだペースト印刷工程を示す。本工程では、予めスナバコンデンサ１１０３などの周辺部品を実装しておいたプリント配線板１１０１を準備し、はんだペースト１１０２を印刷する。はんだペースト１１０２の印刷にはメタルマスクを用いた印刷工法、ディスペンサを用いた塗布工法などが選択できる。

図６（ｂ）に、第２の工程である半導体装置搭載工程を示す。第１の工程で印刷したはんだペースト１１０２の上に、本発明の半導体装置１１０４を搭載する。このとき、段差部３０１ｂには前述の隙間が設けられており、半導体装置１１０４の電極１０１〜１０５は封止樹脂３０１の表面よりもやや凹となっているために、はんだが過剰につぶれることなく、適切な厚みを確保できる。

その後、第３の工程であるリフロー工程によって、はんだペースト１１０２を溶融させ、プリント配線板１１０１と半導体装置１１０４との接続は完了する。このとき、第２の工程でも述べたように、段差部３０１ｂの隙間により、半導体装置１１０４の電極１０１〜１０５は封止樹脂３０１の表面よりもやや凹となっているために、はんだが溶融した際に、半導体装置１１０４の重みによってはんだがつぶれ過ぎるのを抑制することができる。また、封止樹脂３０１の表面より凹んだはんだ接合部１０６において接合されることで、プリント配線板１１０１と半導体装置１１０４の封止樹脂３０１とが、直接、接した状態とすることもできる。

図６（ｃ）に、第４の工程であるヒートシンク取付工程を示す。図６（ｃ）に示すように、固定板１１０５およびボルト１１０６、ヒートシンク１１０７を準備し、第３の工程までで組み立てた半導体装置１１０４およびプリント配線板１１０１を、ヒートシンク１１０７上に載置し、ボルト１１０６等の固定具で固定し、スナバコンデンサ１１０３を配置する。このとき、第３の工程でプリント配線板１１０１と半導体装置１１０４の封止樹脂とが、直接、接した状態となっているため、ボルト１１０６と固定板１１０５によって半導体装置１１０４に加えられる応力は、半導体装置１１０４の封止樹脂３０１が受ける形となり、はんだ接合部１０６に過剰な負荷がかからない。このように、段差部３０１ｂに隙間を設けることで、はんだのクラック発生などの信頼性に対する影響を抑えることができる。

図７に、組み立て後の平面図を示す。図７は、半導体装置１１０４の搭載面に対する裏面側から見た図である。図７により、本実施の形態では、スナバコンデンサ１１０３が半導体装置１１０４の直上に配置可能であることがわかる。このように、本実施の形態は、半導体装置１１０４とスナバコンデンサ１１０３との配線長を短くすることができ、配線上の寄生インダクタンスが小さくなり、ノイズ抑制を効果的に行うことができる。

なお、以上の説明においては、インバータ等の半導体装置とスナバコンデンサを搭載した電力変換装置を例に説明したが、様々な半導体装置と電子部品等の部品を基板に実装し、ヒートシンクを搭載した電子機器等の機器に用いることも可能である。

本発明は、容易に、寄生インダクタンスを低減することができ、電極を備える半導体装置とその製造方法、半導体装置を搭載した機器等に有用である。

１０１ 正極電極
１０２ 負極電極
１０３ 出力電極
１０４ 正極側制御電極
１０５ 負極側制御電極
１０６ はんだ接合部
２０１、９０６ 放熱板
３０１、３０１ａ、９０８ 封止樹脂
３０１ｂ 段差部
３０１ｃ 深さ
４０１、９０１ リードフレーム
４０２ 第１のリードフレーム曲げ部
４０３ 第２のリードフレーム曲げ部
４０４ リードフレーム曲げ部
５０１、９０３、１００２ 半導体素子
６０１ 絶縁樹脂
７０１ 電気配線部
７０２ 半導体素子接合材料
８０１ 封止金型
９０２ 制御信号入力リード
９０４ アルミ線
９０５ 絶縁層
９０７ パワー系入出力リード
１００１ ベース部
１００３ 金属ブロック
１００４ ソース端子
１００５ ゲート端子
１１０１ プリント配線板
１１０２ はんだペースト
１１０３ スナバコンデンサ
１１０４ 半導体装置
１１０５ 固定板
１１０６ ボルト
１１０７ ヒートシンク

Claims (7)

1. 半導体素子搭載領域および電極を備えるリードフレームと、
   前記半導体素子搭載領域に搭載された半導体素子と、
   前記半導体素子と前記電極とを電気的に接続する電気配線部と、
   前記半導体素子および前記電気配線部を樹脂封止する封止樹脂と、を有し、
   前記電極には、前記封止樹脂から露出する部分に設けられた曲げ部により前記封止樹脂の表面にその先端のはんだ接合部が露出したはんだ接合部が設けられ、
   前記封止樹脂には、その一面に形成されると共に前記電極の前記はんだ接合部を収容する凹部が設けられ、
   前記電極の先端の前記はんだ接合部の厚みは、前記凹部の深さより薄い、
   半導体装置。
2. 前記封止樹脂の他面にその一部が露出した放熱板をさらに有し、
   前記凹部と、２つの前記曲げ部による前記電極の先端の前記はんだ接合部とは、前記放熱板が露出する面の反対の面に配置された、
   請求項１記載の半導体装置。
3. 前記曲げ部が２つである、
   請求項１又は２記載の半導体装置。
4. ２つの前記曲げ部が、それぞれ９０°曲げられた、
   請求項３記載の半導体装置。
5. １つの前記電極における２つの前記曲げ部は、前記封止樹脂の一面の前記曲げ部に最も近い外周辺と平行な方向にずれて設けられた、
   請求項４記載の半導体装置。
6. 基板と、前記基板の表面に実装された請求項１から５の何れか記載の半導体装置と、を有し、
   前記半導体装置は、前記電極において前記基板にはんだで表面実装され、
   前記凹部の周辺の前記封止樹脂は、前記基板と接する、
   機器。
7. 電極を備えるリードフレームに半導体素子を搭載する工程と、
   前記電極と前記半導体素子とを電気配線部で電気的に接続する工程と、
   前記半導体素子および前記電気配線部を封止樹脂で樹脂封止すると共に前記封止樹脂の一面に凹部を形成する工程と、
   前記封止樹脂から露出する前記電極に曲げ部を形成して前記電極の先端を前記凹部内に収容する工程と、を有する、
   半導体装置の製造方法。

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