JP2019087555A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体装置の放熱性を著しく低下させることなく、半導体素子近傍に気泡が生じることを抑制するための技術を提供すること。【解決手段】 本明細書が開示する半導体装置の製造方法は、半導体素子と導体板とを有する積層体を準備する工程と、積層体を金型内に配置するとともに、金型に設けられたゲートから樹脂を注入することによって、積層体を樹脂で封止する工程と、を備える。導体板には、積層体において半導体素子の周囲に位置する表面に、凹凸形状が形成されている。凹凸形状は、封止する工程において半導体素子を二方向から回り込んで合流する樹脂の流速が、半導体素子から離間した部分よりも、半導体素子に近接する部分において速くなるように構成されている。【選択図】図４

Description

本明細書が開示する技術は、半導体装置の製造方法に関する。

特許文献１に、半導体装置の製造方法が開示されている。この製造方法は、半導体素子と放熱板とが積層された積層体を金型内に配置するとともに、金型内に樹脂を注入することによって、積層体を樹脂で封止する工程を有する。放熱板には切り欠き部が設けられており、金型内に注入された樹脂に生じる気泡は、放熱板の切り欠き部から金型外に排出される。これによって、樹脂の内部に気泡が生じることが抑制される。

特開２０１６−１３４５９１号公報

上記の技術では、放熱板の放熱面（即ち、外部に露出する面）に切り欠き部が設けられるので、放熱板による半導体装置の放熱効果が著しく低下し得る。本明細書では、半導体装置の放熱性を著しく低下させることなく、半導体素子近傍に気泡が生じることを抑制するための技術を開示する。

本明細書が開示する半導体装置の製造方法は、半導体素子と導体板とを有する積層体を準備する工程と、積層体を金型内に配置するとともに、金型に設けられたゲートから樹脂を注入することによって、積層体を樹脂で封止する工程と、を備える。導体板には、積層体において半導体素子の周囲に位置する表面に、凹凸形状が形成されている。この凹凸形状は、封止する工程において半導体素子を二方向から回り込んで合流する樹脂の流速が、半導体素子から離間した部分よりも、半導体素子に近接する部分において速くなるように構成されている。

積層体を配置した金型内へ樹脂を注入していくと、金型内を流動する樹脂は半導体素子を二方向から回り込んで合流する。その合流箇所において、樹脂の内部に気泡が形成されやすい。この点に関して、本発明者らは、当該合流箇所における樹脂の挙動を詳細に検証し、以下に説明する知見を得た。半導体素子を回り込んで流動する樹脂の流速は、半導体素子との接触に起因する流動抵抗により、半導体素子に近接する部分で遅くなり、半導体素子から離間する部分で速くなる傾向がある。この場合、半導体素子を二方向から回り込んだ樹脂の合流は、半導体素子から離間した部分で開始され、その後に半導体素子に近接する部分に向かって進展していく。その結果、樹脂と半導体素子との間に空気が巻き込まれ、半導体素子の近傍において樹脂の内部に気泡が形成されてしまう。

上記の知見に基づいて、本明細書が開示する製造方法では、導体板に凹凸形状が形成されている。この凹凸形状は、積層体において半導体素子の周囲に位置しており、半導体素子を回り込んで流動する樹脂に接触して、樹脂の流速や流動方向を調整することができる。このような凹凸形状を適宜設けることにより、半導体素子を二方向から回り込んで合流する樹脂の流速を、半導体素子から離間した部分よりも、半導体素子に近接する部分において速くすることができる。これにより、樹脂は、半導体素子に近接する部分から半導体素子から離間した部分に向かって順に合流するので、樹脂の内部に気泡が形成されにくい。従って、半導体素子近傍に気泡が生じることを抑制することができる。なお、凹凸形状の具体的な構成は特に限定されない。また、上記の構成によると、前述したような放熱面に及ぶ切り欠き部を必ずしも必要としないので、半導体装置の放熱性を比較的に維持することができる。

半導体装置の断面図を示す。 金型に配置された積層体の上面図を示す。 封止する工程における比較例の下面側導体板の拡大図を示す。 封止する工程における第１実施例の下面側導体板の拡大図を示す。 第２〜６実施例の積層体の上面図を示す。 参考例の積層体の上面図を示す。

（第１実施例）
図面を参照して、実施例の半導体装置１０の説明をする。図１は、半導体装置１０の断面図である。半導体装置１０は、積層体１２と、モールド樹脂３６と、を備える。積層体１２は、モールド樹脂３６内に封止されている。モールド樹脂３６は、絶縁性を有する材料で構成されている。特に限定されないが、モールド樹脂３６を構成する材料は、例えば、エポキシ樹脂といった熱硬化性の樹脂材料である。積層体１２は、上面側導体板２０と、スペーサ２６と、半導体素子３０と、下面側導体板３４と、が積層された構造を有する。

半導体素子３０は、例えばＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）、又はＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのパワー半導体素子である。また半導体素子３０は、例えばシリコン（Ｓｉ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、又は窒化ガリウム（ＧａＮ）といった各種の半導体材料を用いて構成される。また、図示省略しているが、半導体素子３０の上面及び下面には、例えばアルミニウム系又はその他の金属によって構成される上面電極及び下面電極が形成されている。

スペーサ２６は、例えば銅、又はその他の金属といった導電性を有する材料を用いて構成されている。スペーサ２６は、概して板形状あるいはブロック形状の部材である。スペーサ２６の上面は、上面側導体板２０の下面と、はんだ層２２によって接合されている。また、スペーサ２６の下面は、半導体素子３０の上面と、はんだ層２８によって接合されている。これにより、半導体素子３０は、スペーサ２６を介して上面側導体板２０に電気的、及び、熱的に接続されている。

上面側導体板２０及び下面側導体板３４は、例えば銅、又は、その他の金属といった導電性を有する材料を用いて構成されている。上面側導体板２０は、概して板形状の部材である。上面側導体板２０の下面は、モールド樹脂３６の内部において、スペーサ２６の上面とはんだ層２２を介して接合されている。これにより、上面側導体板２０は、スペーサ２６を介して、半導体素子３０と電気的に接続されている。一方、上面側導体板２０の上面は、モールド樹脂３６の外部に露出しており、放熱面として機能する。上面側導体板２０は、スペーサ２６を介して、半導体素子３０と熱的にも接続されており、半導体素子３０で発生した熱は上面側導体板２０の上面から半導体装置１０外へと放熱される。

同様に、下面側導体板３４もまた、概して板形状の部材である。下面側導体板３４の上面は、モールド樹脂３６の内部において、半導体素子３０の下面とはんだ層３２を介して接合されている。これにより、下面側導体板３４は、半導体素子３０と電気的に接続されている。一方、下面側導体板３４の下面は、モールド樹脂３６の外部に露出しており、放熱面として機能する。下面側導体板３４は、半導体素子３０と熱的にも接続されており、半導体素子３０で発生した熱は下面側導体板３４の下面から半導体装置１０外へと放熱される。

下面側導体板３４には、半導体素子３０の周囲に位置する表面に４本の凸形状３４ａが形成されている（図２参照）。凸形状３４ａは、後述の封止する工程において半導体素子３０を二方向から回り込んで合流する樹脂３６の流速が、半導体素子３０から離間した部分よりも、半導体素子３０に近接する部分において速くなるように構成されている。一例ではあるが、本実施例では、半導体素子３０から離間した位置にのみ、凸形状３４ａが設けられている。凸形状３４ａは、例えば、プレス加工、噴射加工、表面粗化加工によって形成されてもよいし、ワイヤを接合することによって形成されてもよい。なお、変形例として、下面側導体板３４には、凸形状３４ａに代えて、又は加えて、凹形状が形成されていてもよい。凸形状３４ａ及び凹形状の数や具体的な構造については、特に限定されない。

続いて、図２〜図４を参照して、半導体装置１０の製造方法を説明する。なお、積層体１２を準備する工程では、上面側導体板２０、スペーサ２６、半導体素子３０及び下面側導体板３４が、例えば一又は複数のリフロー工程によって、互いに接合される。この点については、既知の方法により行われるため、その詳細な説明は省略する。そのため、以下では、積層体１２をモールド樹脂３６で封止する工程のみを説明する。

まず、積層体１２をモールド樹脂３６で封止する工程では、既知の方法で準備した積層体１２を金型６０内に配置する。図２は、金型６０に配置された積層体１２を上面視した図である。金型６０は、モールド樹脂３６を形成する樹脂を金型６０内に注入するためのゲート６２を備える。なお、理解の容易化のために、図２では、積層体１２が備える上面側導体板２０と、はんだ層２２の図示を省略している。一般的に、ゲート６２から金型６０内にモールド樹脂３６を形成するための樹脂（以下では、「樹脂３６」と記載する）を注入すると、樹脂３６は半導体素子３０を二方向から回り込んで合流する。本実施例では、下面側導体板３４の４本の凸形状３４ａが、樹脂が合流すると予想される合流予定箇所に位置するように、積層体１２を金型６０内に配置する。樹脂の合流予定箇所は、積層体１２及び金型６０の具体的な構成や、樹脂の流動性等に応じて定まるものであり、実験やシミュレーションによって比較的に正確に予想することができる。

ここで、下面側導体板３４に凸形状３４ａが形成されていない比較例を想定する。図３は、金型６０内に樹脂３６が注入されている状態における、比較例の下面側導体板３４の拡大図である。理解の容易化のため、図３及び図４では、注入された樹脂３６にハッチングを付している。図３（ａ）に示すように、積層体１２を配置した金型６０内へ樹脂３６を注入していくと、金型６０内を流動する樹脂３６は半導体素子３０を二方向から回り込む。ここで、半導体素子３０を回り込んで流動する樹脂３６の流速は、半導体素子３０との接触に起因する流動抵抗により、半導体素子３０に近接する近接部３６ａで遅くなり、半導体素子３０から離間する離間部３６ｂで速くなる傾向がある。図３では、近接部３６ａにおける樹脂３６の流速をＶａ、離間部３６ｂにおける樹脂３６の流速をＶｂで示している。即ち、離間部３６ｂの流速Ｖｂは、近接部３６ａの流速Ｖａよりも速い。これにより、図３（ｂ）に示すように、半導体素子３０を二方向から回り込んだ樹脂３６の合流は、離間部３６ｂで開始され、その後に近接部３６ａに向かって進展していく。その結果、樹脂３６と半導体素子３０との間に空気が巻き込まれ、半導体素子３０の近傍において樹脂３６の内部に気泡が形成されてしまう。

上記に対して、本実施例では下面側導体板３４に凸形状３４ａが形成されている。図４は、金型６０内に樹脂３６が注入されている状態における、本実施例の下面側導体板３４の拡大図である。図４（ａ）に示すように、積層体１２を配置した金型６０内へ樹脂３６を注入していくと、金型６０内を流動する樹脂３６は半導体素子３０を二方向から回り込む。上記のように、樹脂３６の離間部３６ｂの流速Ｖｂは、樹脂３６の近接部３６ａの流速Ｖａよりも速い。しかしながら、本実施例では、図４（ｂ）に示すように、離間部３６ｂが凸形状３４ａに接触することにより、離間部３６ｂの流速Ｖｂが、近接部３６ａの流速Ｖａよりも遅くなる。即ち、半導体素子３０を二方向から回り込んで合流する樹脂３６の流速が、離間部３６ｂよりも近接部３６ａにおいて速くなる。これにより、半導体素子３０を二方向から回り込んだ樹脂３６の合流は、近接部３６ａで開始され、その後に離間部３６ｂに向かって進展していくので、半導体素子３０の近傍において樹脂３６の内部に気泡が形成されない。

（本実施例の効果）
本実施例では、下面側導体板３４に凸形状３４ａが形成されている。凸形状３４ａは、積層体１２において半導体素子３０の周囲に位置しており、半導体素子３０を回り込んで流動する樹脂３６に接触して、樹脂３６の流速を調整することができる。これにより、半導体素子３０を二方向から回り込んで合流する樹脂３６の流速を、離間部３６ｂよりも、近接部３６ａにおいて速くすることができる。これにより、樹脂３６は、近接部３６ａから離間部３６ｂに向かって順に合流するので、樹脂３６の内部に気泡が形成されにくい。従って、半導体素子３０近傍に気泡が生じることを抑制することができる。また、本実施例では、上面側導体板２０及び下面側導体板３４の放熱面に及ぶ切り欠き部を必要としないので、半導体装置１０の放熱性を比較的に維持することができる。

本実施例における下面側導体板３４は、本明細書が開示する技術における「導体板」の一例である。なお、変形例として、凸形状３４ａが上面側導体板２０に形成されていてもよく、この場合、上面側導体板２０が「導体板」の一例に該当する。また、別の変形例では、上面側導体板２０及び下面側導体板３４の双方に凸形状３４ａが形成されていてもよい。当該変形例では、上面側導体板２０及び下面側導体板３４の双方が「導体板」の一例に該当する。

（第２実施例）
続いて、図５を参照して、他のいくつかの実施例を説明する。図５（ａ）に示す第２実施例は、下面側導体板３４に、凸形状３４ａに代えて、凸形状３４ｂが形成されている点が、第１実施例とは異なる。以下では、第１実施例とは異なる点のみを説明し、その他の説明は省略する。図５（ａ）は、本実施例の積層体１２の上面図である。なお、理解の容易化のために、図５では、積層体１２の上面側導体板２０と、はんだ層２２の図示を省略している。

図５（ａ）に示すように、下面側導体板３４には、複数本の凸形状３４ｂが形成されている。複数本の凸形状３４ｂは、下面側導体板３４の中心から近いほど長く、下面側導体板３４の中心から遠いほど短くされている。言い換えれば、複数本の凸形状３４ｂは、半導体素子３０から離間した部分よりも、半導体素子３０に近接する部分において少ない。これにより、本実施例においても、半導体素子３０を二方向から回り込んで合流する樹脂３６の流速を、離間部３６ｂよりも、近接部３６ａにおいて速くすることができる。従って、半導体素子３０近傍に気泡が生じることを抑制することができる。また、本実施例においても、上面側導体板２０及び下面側導体板３４の放熱面に及ぶ切り欠き部を必要としないので、半導体装置１０の放熱性を比較的に維持することができる。

（第３実施例）
図５（ｂ）に示す第３実施例は、下面側導体板３４に、凸形状３４ａに代えて、凸形状３４ｃが形成されている点が、第１実施例とは異なる。以下では、第１実施例とは異なる点のみを説明し、その他の説明は省略する。図５（ｂ）は、本実施例の積層体１２の上面図である。図５（ｂ）に示すように、下面側導体板３４には、複数本の凸形状３４ｃが形成されている。複数本の凸形状３４ｃは、半導体素子３０から離間した部分から半導体素子３０に近接する部分に向かって細くなるように形成されている。言い換えれば、封止する工程において、半導体素子３０を二方向から回り込んだ樹脂３６が接触する凸形状３４ｃの表面積が、離間部３６ｂよりも近接部３６ａにおいて小さくなるように形成されている。これにより、本実施例においても、半導体素子３０を二方向から回り込んで合流する樹脂３６の流速を、離間部３６ｂよりも、近接部３６ａにおいて速くすることができる。従って、半導体素子３０近傍に気泡が生じることを抑制することができる。また、本実施例においても、上面側導体板２０及び下面側導体板３４の放熱面に及ぶ切り欠き部を必要としないので、半導体装置１０の放熱性を比較的に維持することができる。

（第４実施例）
図５（ｃ）に示す第４実施例は、下面側導体板３４に、凸形状３４ａに代えて、凸形状３４ｄが形成されている点が、第１実施例とは異なる。以下では、第１実施例とは異なる点のみを説明し、その他の説明は省略する。図５（ｃ）は、本実施例の積層体１２の上面図である。図５（ｃ）に示すように、下面側導体板３４には、複数本の凸形状３４ｄが形成されている。複数本の凸形状３４ｄは、半導体素子３０から離間した部分から半導体素子３０に近接する部分に向かって合流予定箇所方向に変位している。これにより、封止する工程において、半導体素子３０を二方向から回り込んだ樹脂３６の離間部３６ｂが、凸形状３４ｄによって、近接部３６ａ側に変位する。これにより、本実施例においても、半導体素子３０を二方向から回り込んで合流する樹脂３６の流速を、離間部３６ｂよりも、近接部３６ａにおいて速くすることができる。従って、半導体素子３０近傍に気泡が生じることを抑制することができる。また、本実施例においても、上面側導体板２０及び下面側導体板３４の放熱面に及ぶ切り欠き部を必要としないので、半導体装置１０の放熱性を比較的に維持することができる。

（第５実施例）
図５（ｄ）に示す第５実施例は、下面側導体板３４に、凸形状３４ａに代えて、凸形状３４ｅが形成されている点が、第１実施例とは異なる。以下では、第１実施例とは異なる点のみを説明し、その他の説明は省略する。図５（ｄ）は、本実施例の積層体１２の上面図である。図５（ｄ）に示すように、下面側導体板３４には、複数本の凸形状３４ｅが形成されている。本実施例では、封止する工程における合流予定箇所は、コーナー部（図５（ｄ）中における左上）である。複数本の凸形状３４ｅは、半導体素子３０から離間した部分から半導体素子３０に近接する部分に向かって合流予定箇所方向に変位している。これにより、封止する工程において、半導体素子３０を二方向から回り込んだ樹脂３６の離間部３６ｂが、凸形状３４ｅによって、近接部３６ａ側に変位する。これにより、本実施例においても、半導体素子３０を二方向から回り込んで合流する樹脂３６の流速を、離間部３６ｂよりも、近接部３６ａにおいて速くすることができる。従って、半導体素子３０近傍に気泡が生じることを抑制することができる。また、本実施例においても、上面側導体板２０及び下面側導体板３４の放熱面に及ぶ切り欠き部を必要としないので、半導体装置１０の放熱性を比較的に維持することができる。

（第６実施例）
図５（ｅ）に示す第６実施例は、下面側導体板３４に、凸形状３４ａに代えて、凸形状３４ｆが形成されている点が、第１実施例とは異なる。以下では、第１実施例とは異なる点のみを説明し、その他の説明は省略する。図５（ｅ）は、本実施例の積層体１２の上面図である。図５（ｅ）に示すように、下面側導体板３４には、複数本の凸形状３４ｆが形成されている。本実施例では、封止する工程における合流予定箇所は、コーナー部（図５（ｅ）中における左上）である。複数本の凸形状３４ｆは、合流予定箇所に最も近い半導体素子３０の角に対向するように形成されており、半導体素子３０に近接する部分に形成された凸形状３４ｆの長さは、半導体素子３０から離間した部分に形成された凸形状３４ｆの長さよりも短い。これにより、封止する工程において、半導体素子３０を二方向から回り込んだ樹脂３６の離間部３６ｂが、凸形状３４ｆによって、近接部３６ａ側に変位する。これにより、本実施例においても、半導体素子３０を二方向から回り込んで合流する樹脂３６の流速を、離間部３６ｂよりも、近接部３６ａにおいて速くすることができる。従って、半導体素子３０近傍に気泡が生じることを抑制することができる。また、本実施例においても、上面側導体板２０及び下面側導体板３４の放熱面に及ぶ切り欠き部を必要としないので、半導体装置１０の放熱性を比較的に維持することができる。

（参考例）
続いて、図６を参照して、いくつかの参考例を説明する。図６（ａ）〜（ｆ）は、参考例の積層体１２の上面図を示す。なお、理解の容易化のために、図６では、積層体１２の上面側導体板２０と、はんだ層２２の図示を省略している。第１実施例では、凸形状３４ａは、封止する工程において半導体素子３０を二方向から回り込んで合流する樹脂３６の流速が、半導体素子３０から離間した部分よりも、半導体素子３０に近接する部分において速くなるように構成されていた。図５に示す他の実施例についても同様である。それに対して、図６に示す各参考例では、凸形状３４ｇ〜３４ｌが、封止する工程において半導体素子３０を二方向から回り込んだ樹脂３６が、コーナー部（図６（ａ）〜（ｆ）中の左上）で合流するように構成されている。

図６（ａ）に示す下面側導体板３４は、複数本の凸形状３４ｇが形成されている。例えば、封止する工程において、金型６０内を流動する樹脂３６が経路Ｘ及びＹを通過し、かつ、経路Ｘを通過する樹脂３６の流速Ｖｘが、経路Ｙを通過する樹脂３６の流速Ｖｙよりも速いケースを想定する。図６（ａ）に示す下面側導体板３４では、経路Ｘを通過する樹脂が凸形状３４ｇに接触することにより、流速Ｖｘを流速Ｖｙと同じ速さに調節することができる。これにより、封止する工程において半導体素子３０を二方向から回り込んだ樹脂３６をコーナー部で合流させることができる。従来から、半導体素子３０を二方向から回り込んだ樹脂３６がコーナー部で合流することにより、樹脂３６内に気泡が生じにくいことが知られている。従って、参考例によっても、上記の実施例と同様に、半導体素子３０近傍に気泡が生じることを抑制することができる。また、上面側導体板２０及び下面側導体板３４の放熱面に及ぶ切り欠き部を必要としないので、半導体装置１０の放熱性を比較的に維持することができる。

なお、図６（ａ）では、経路Ｘ上にのみ凸形状３４ｇが形成されているが、変形例では、経路Ｙ上にのみ凸形状３４ｇが形成されてもよいし、経路Ｘ及び経路Ｙの双方の経路上に凸形状３４ｇが形成されてもよい。この場合、経路Ｘ及び経路Ｙとの間で凸形状３４ｇを非対称的に形成することによって、樹脂３６の合流箇所をコーナー部へ近づくように移動させることができる。また、図６（ｂ）〜（ｆ）に示す各凸形状３４ｈ，３４ｉ，３４ｊ，３４ｋ，３４ｌが採用されてもよく、凸形状間の幅、凸形状の大きさ等は適宜変更可能である。

以上、いくつか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。本明細書又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る。

１０：半導体装置
１２：積層体
２０：上面側導体板
２２，２８，３２：はんだ層
２６：スペーサ
３０：半導体素子
３４：下面側導体板
３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄ，３４ｅ，３４ｆ，３４ｇ，３４ｈ，３４ｉ，３４ｊ，３４ｋ，３４ｌ：凸形状
３６：モールド樹脂
３６ａ：近接部
３６ｂ：離間部
６０：金型
６２：ゲート

Claims (1)

1. 半導体装置の製造方法であって、
   半導体素子と導体板とを有する積層体を準備する工程と、
   前記積層体を金型内に配置するとともに、前記金型に設けられたゲートから樹脂を注入することによって、前記積層体を前記樹脂で封止する工程と、を備え、
   前記導体板には、前記積層体において前記半導体素子の周囲に位置する表面に、凹凸形状が形成されており、
   前記導体板の前記凹凸形状は、前記封止する工程において前記半導体素子を二方向から回り込んで合流する前記樹脂の流速が、前記半導体素子から離間した部分よりも、前記半導体素子に近接する部分において速くなるように構成されている、製造方法。

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