JP2023077978A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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健 坂本
Takeshi Sakamoto
慶太郎 市川
Keitaro Ichikawa
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Abstract

【課題】クラック不良を防ぐことができる半導体装置及びその製造方法を得る。【解決手段】モールド成形部１７の第３の側面１７ｃは上下方向の中央部が凸となる方向に傾斜した傾斜面１８，１９を有する。モールド樹脂１４は、第３の側面１７ｃの中央部に設けられた残留部２０と、傾斜面１８と残留部２０との間に設けられたダボ部２１とを更に有する。ダボ部２１は、傾斜面１８よりも横方向に突出している。残留部２０は、ダボ部２１よりも横方向に突出し、上下方向に垂直な破断面を有する。【選択図】図３

Description

本開示は、半導体装置及びその製造方法に関する。
高電圧かつ大電流の電力制御に対応するために通電経路を素子の縦方向としたタイプの半導体素子は一般的にパワー半導体素子と呼ばれている。パワー半導体素子には、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、バイポーラトランジスタ、ダイオードなどがある。
パワー半導体素子が回路基板上に実装され、封止樹脂により封止された半導体装置は、産業機器、自動車、鉄道など、幅広い分野において用いられている。近年、半導体装置を搭載した機器の高性能化に伴い、定格電圧と定格電流の増加、小型化といった半導体装置の高性能化への要求が高まってきている。
半導体装置のパッケージ構造としてモールド封止型がある。モールド封止型では、リードフレーム上に半導体素子が実装され、半導体素子とリードフレーム端子がワイヤボンディングで接合され、エポキシ樹脂で封止される。半導体装置の製造方法として、リードフレームを上金型と下金型でクランプしてエポキシ樹脂をキャビティに注入するトランスファーモールドが一般的である。成型後、パッケージ側面から出ているリードをパンチで切断し（例えば、特許文献１参照）、切断したリードを曲げることによって電極を形成する。
生産性が高い成形方法として、ランナーで互いに接続された複数のキャビティにモールド樹脂を順番に注入する多列モールド樹脂注入プロセスが一般的に知られている。ランナーの部分の樹脂は不要であるため、レジンカットで打ち抜き、除去される。レジンカット後に、上下方向に垂直な破断面を有する残留部がモールド樹脂の側面に残る。
実開平５－５２２０号公報
両端に半導体装置がそれぞれ連結された両吊りのランナーには、レジンカット時にランナーの部分の樹脂の両端にせん断応力がかかる。従って、一端にはレジンカットプレス能力の半分しか荷重がかからない。そのため、レジンカット後の残留部の根元からモールド成型部にクラックが発生するという問題があった。
本開示は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的はクラック不良を防ぐことができる半導体装置及びその製造方法を得るものである。
本開示に係る半導体装置は、半導体チップと、前記半導体チップに接続されたリード端子と、前記半導体チップと前記リード端子の一部を封止する絶縁性のモールド樹脂とを備え、前記モールド樹脂は、互いに対向する第１及び第２の側面と、前記第１及び第２の側面とは異なる第３の側面とを含むモールド成形部を有し、前記リード端子は前記第１及び第２の側面から突出し、前記第３の側面は、前記第３の側面の上下方向の中央部が凸となる方向に傾斜した傾斜面を有し、前記モールド樹脂は、前記第３の側面の前記中央部に設けられた残留部と、前記傾斜面と前記残留部との間に設けられたダボ部とを更に有し、前記ダボ部は、前記傾斜面よりも横方向に突出し、前記残留部は、前記ダボ部よりも横方向に突出し、上下方向に垂直な破断面を有することを特徴とする。
本開示では、モールド樹脂の第３の側面において、傾斜面と残留部との間にダボ部を設けている。これにより、レジンカット時にパンチがダボ部に接触してもダボ部がダミーとして破壊されるだけで、モールド樹脂の成形部にクラックが発生しない。また、ダボ部を目印にレジンカットを行うことでパンチの位置精度が向上する。この結果、クラック不良を防ぐことができる。
実施の形態１に係る半導体装置を示す断面図である。 実施の形態１に係る半導体装置を示す側面図である。 実施の形態１に係る半導体装置を示す側面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の製造方法のフローチャートである。 実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示す上面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 比較例に係る半導体装置の製造方法を示す側面図である。 実施の形態２に係る半導体装置を示す側面図である。 実施の形態２に係る半導体装置のレジンカットの様子を示す側面図である。 実施の形態３に係る半導体装置の製造方法を示す側面図である。 実施の形態３に係る半導体装置の製造方法を示す側面図である。 実施の形態３に係る半導体装置の製造方法を示す側面図である。 実施の形態３に係る半導体装置の製造方法を示す側面図である。 実施の形態３に係る半導体装置の製造方法を示す側面図である。 実施の形態４に係る半導体装置の製造方法を示す側面図である。 実施の形態４に係る半導体装置の製造方法を示す側面図である。 実施の形態４に係る半導体装置の製造方法を示す側面図である。
実施の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。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る半導体装置を示す断面図である。ダイパッド１，２、パワー端子３及びＩＣ端子４は、銅又は銅合金のリードフレームから形成され、互いに分離している。ダイパッド２の高さは装置外周部のフレーム枠と同じ高さである。フレーム曲げ加工によってダイパッド１はダイパッド２よりも下方に設けられている。リードフレームの厚さは、実使用時に端子に流れる電流値に合わせて設定されるが、安定してプレス加工で製造するために０．１ｍｍから１ｍｍに設定されている。
ダイパッド１に半導体チップ５，６の下面電極がはんだ７で接合されている。半導体チップ５はＩＧＢＴであるが、ＭＯＳＦＥＴでもよい。半導体チップ６はダイオードであるが、ショットキーバリアダイオードでもよい。
半導体チップ５，６の上面電極がパワーワイヤ８により互いに接続されている。半導体チップ６の上面電極がパワーワイヤ９によりパワー端子３に接続されている。パワーワイヤ８，９は、パワー端子３と半導体チップ５，６の上面電極に超音波接合装置を用いて接合する。大電流が流れるパワーワイヤ８，９の材質として、電気伝導度がＡｇほどは高くないが安価なＡｌを選択する。パワーワイヤ８，９の直径は０．１から０．５ｍｍである。
ダイパッド２にＩＣ（Integrated Circuit）素子１０がＡｇペースト１１で接合され、オーブンでＡｇペースト１１が硬化される。半導体チップ５の上面のゲート電極がＩＣ素子１０にＩＣワイヤ１２により接続されている。ＩＣ素子１０はＩＣワイヤ１３によりＩＣ端子４に接続されている。ＩＣ素子１０はＩＣ端子４から入力した信号に応じて半導体チップ５を制御する。ＩＣワイヤ１２，１３の材質として金、銀、銅などの電気伝導度が高いものを選定する。ＩＣワイヤ１２，１３は、直径０．０５ｍｍ以下に細く加工され、スパークでボール形成してＩＣ素子１０の小さなパッドにボンディングされている。
半導体チップ５，６、ダイパッド１，２、パワー端子３及びＩＣ端子４の一部などは絶縁性のモールド樹脂１４により封止されている。モールド樹脂１４は、熱硬化性エポキシ樹脂に二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）をフィラーとして充填して線膨張係数を銅に近づけた樹脂である。
ダイパッド１の下面には、絶縁放熱材料として絶縁膜１５と金属箔１６が設けられている。モールド樹脂１４の下面から金属箔１６が露出している。これに限らず、絶縁放熱材料はモールド樹脂１４でもよい。または、高放熱フィラーである窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を充填したエポキシ樹脂の０．１ｍｍ～０．３ｍｍ厚のシート体でもよい。または、窒化アルミニウム、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、二酸化ケイ素などの高放熱絶縁材料を組み合わせたＤＢＣ（Direct bonded Copper）基板、ＡＭＢ（Active Metal Brazing）基板又はＤＢＡ（Direct Bonded Aluminum）でもよい。これにより、絶縁性を維持したまま放熱性をより高めることができる。
図２及び図３は、実施の形態１に係る半導体装置を示す側面図である。モールド樹脂１４は、半導体チップ５，６などが内蔵されたモールド成形部１７を有する。モールド成形部１７は、互いに対向する第１の側面１７ａ及び第２の側面１７ｂと、第１及び第２の側面とは異なる第３の側面１７ｃとを含む。図２は第３の側面１７ｃに対して垂直方向から見た側面図である。半導体装置を外部と電気的に接続するために、パワー端子３とＩＣ端子４がそれぞれ第１の側面１７ａ及び第２の側面１７ｂから突出している。
図３は第１の側面１７ａに対して垂直方向から見た側面図である。なお、説明の簡略化のために図３ではリード端子の図示を省略している。第３の側面１７ｃは、第３の側面１７ｃの上下方向の中央部が凸となる方向に傾斜した傾斜面１８，１９を上下に有する。モールド樹脂１４は、第３の側面１７ｃの中央部に設けられた残留部２０と、傾斜面１８と残留部２０との間に設けられたダボ部２１とを更に有する。残留部２０は後述のレジンカット後の切り残しである。ダボ部２１は傾斜面１８よりも横方向に突出し、残留部２０に向かって凸となる方向に傾斜している。残留部２０はダボ部２１よりも更に横方向に突出し、上下方向に垂直な破断面を有する。この残留部２０の破断面は一辺が数μｍから数百μｍの四角形である。
続いて、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明する。図４は、実施の形態１に係る半導体装置の製造方法のフローチャートである。図５、図７及び図８は、実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。図６は、実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示す上面図である。なお、説明の簡略化のために図８及び図９では半導体装置の内部構造の図示を省略している。
まず、前工程として、ダイパッド１，２、パワー端子３及びＩＣ端子４が繋がった状態のリードフレームに半導体チップ５，６を実装し、ワイヤボンディングを行う（ステップＳ１）。次に、予めホットプレート上でリードフレームを加熱して膨張させ、ポット列の左右の下金型２２のフレーム位置決め穴に搭載する。次に、熱硬化樹脂であるタブレット状のモールド樹脂１４を下金型２２のポット部に入れる。上金型２３と下金型２２をクランプさせる。これにより、図５に示すように、上金型２３と下金型２２の間に形成された複数のキャビティ２４の各々に、半導体チップ５，６、パワー端子３及びＩＣ端子４などを配置する。隣接するキャビティ２４のゲートはランナー２５で互いに接続されている。ランナー２５の下に樹脂たまり部２６が設けられている。ランナー２５は上金型２３と下金型２２の間に形成された隙間であり、樹脂の通り道である。樹脂たまり部２６は、モールド樹脂強度を向上させ離型時に金型に張り付くのを防ぐために設けられている
ポット内部のプランジャーチップを上昇させてモールド樹脂１４を最低溶融粘度まで溶融させる。プランジャーチップで５～１５ＭＰａの高い静水圧を印加してモールド金型のカル部からモールド樹脂１４をキャビティ２４に注入する。ランナー２５を介して複数のキャビティ２４にモールド樹脂１４を順番に供給して半導体チップ５及びリードフレームなどを封止する（ステップＳ２）。これにより、一つのモールド金型で一度に２枚以上のリードフレームをトランスファーモールドすることができる。このように複数の半導体装置を連続してモールド成形することを多列成形と呼ぶ。この封止方法は、モールド成形部１７にボイドができ難く、品質が高く、生産性が高い封止方法である。
次に、そのままの状態で加熱してモールド樹脂１４を硬化させる。クランプしていた上金型２３と下金型２２を型開きするのと同時に、上金型２３と下金型２２のエジェクタピンとプランジャーチップを突き出してモールド成形部１７を上金型２３と下金型２２から離型させる。下金型２２から半導体装置とカルを含むリードフレームを取り出す。半導体装置を含むリードフレーム２８からカルをゲートブレーク（切断）して分離する。
この段階では、図６に示すように、複数の半導体装置のモールド成形部１７は、ランナー２５及び樹脂たまり部２６の部分のモールド樹脂２７を介して繋がっている。隣接する半導体装置のリードフレーム２８は、フレーム枠２９により接続されている。なお、リードフレーム２８はダイパッド１，２、パワー端子３、ＩＣ端子４及びリード３０がフレーム枠２９で繋がったものである。
次に、モールド金型内で完全に硬化できなかったモールド成形部１７を完全に硬化するためにオーブン内でベークしアフターキュアする（ステップＳ３）。オーブンのヒーター電源を切り、半導体装置を含むリードフレーム２８を大気温度まで冷ましてモールド成形部１７の弾性率を上げる。
次に、モールド成形部１７の余分な部分を取り除くため、図７及び図８に示すように、ランナー２５及び樹脂たまり部２６の部分のモールド樹脂２７をパンチ３１で上面側から打ち抜く。このレジンカットにより残留部２０がモールド成形部１７の第３の側面１７ｃに残る。モールド成形部１７のバリ止めのためにリードフレーム２８に施されたタイバーを取り除くため、タイバーカット金型でタイバーを打ち抜く（ステップＳ４）。
次に、リードフレーム２８の表面にスズ或いはスズ銅のめっき処理、又は、酸化防止剤膜であるベンゾトリアゾール（1,2,3-benzotriazole、BTA）などを電着させる（ステップＳ５）。これにより、高温高湿環境下で長期保管できるようにリードフレーム２８の表面の劣化を防止することができる。
半導体装置を含むリードフレーム２８から余分なフレーム枠を除去するためにリードカット金型でフレーム枠２９を打ち抜く。外部に引き出されたパワー端子３及びＩＣ端子４をリードフォーミング金型でパッケージ上面方向に曲げる（ステップＳ６）。半導体装置の電気特性と外観のテストを行う（ステップＳ７）。完成した半導体装置を梱包し出荷する（ステップＳ８）。
続いて、本実施の形態の効果を比較例と比較して説明する。図９は、比較例に係る半導体装置の製造方法を示す側面図である。比較例にはダボ部２１が設けられていない。
ここで、モールド成形部１７とタイバーの間に上金型２３と下金型２２でクランプしきれずフラッシュバリが発生する。また、上金型２３と下金型２２でクランプせずにリードフレーム２８の厚み分の厚バリも発生する。通常のレジンカットではこれらの樹脂バリを打ち落として除去する。ランナー２５及び樹脂たまり部２６の部分のモールド樹脂２７の幅はこれらの樹脂バリよりも広く、厚みはこれらの樹脂バリよりも厚い。このため、レジンカット装置のパンチ３１には高い荷重能力が求められる。
しかし、パンチ３１の荷重能力には余裕がなく、モールド金型設計の都合で装置荷重能力が不足する場合がある。また、レジンカットするモールド樹脂２７の両端に同時にパンチ３１が接触してパンチ３１からの荷重が十分かからない場合もあった。これらの場合、レジンカット後の切り残しである残留部２０の根元からモールド成形部１７にかけてクラック３２が発生し半導体装置が破損する可能性があった。また、完全に残留部２０とモールド成形部１７との間を切断できない不具合が発生する可能性もあった。なお、パンチ処理によるクラック３２を防ぐためにランナー２５を長くすると、モールド成形部１７の側面に残る残留部２０が長くなるので製品寸法規格外になる。従って、モールド成形部１７に近い位置でパンチ処理をして残留部２０を短くする必要がある。
これに対して、本実施の形態では、モールド樹脂１４の第３の側面１７ｃにおいて、傾斜面１８と残留部２０との間にダボ部２１を設けている。これにより、レジンカット時にパンチ３１がダボ部２１に接触してもダボ部２１がダミーとして破壊されるだけで、モールド樹脂１４のモールド成形部１７にクラック３２が発生しない。また、ダボ部２１を目印にレジンカットを行うことでパンチ３１の位置精度が向上する。この結果、クラック不良を防ぐことができる。
また、ダボ部２１は残留部２０に向かって凸となる方向に傾斜している。このため、パンチ３１がダボ部２１に接触してもダボ部２１の斜面を滑りながら落下することで、パンチ３１の位置決めを行うことができる。
実施の形態２．
図１０は、実施の形態２に係る半導体装置を示す側面図である。実施の形態１ではダボ部２１は傾斜していたが、本実施の形態ではダボ部２１は上下方向に垂直な平面を有する。図１１は、実施の形態２に係る半導体装置のレジンカットの様子を示す側面図である。樹脂封止後にランナー２５の部分のモールド樹脂１４をパンチ３１で打ち抜く。このレジンカット時にパンチ３１がダボ部２１に接触してもダボ部２１がダミーとして破壊されるだけで、モールド樹脂１４のモールド成形部１７にクラックが発生しない。また、ダボ部２１を目印にレジンカットを行うことでパンチ３１の位置精度が向上する。この結果、クラック不良を防ぐことができる。
実施の形態３．
図１２から図１６は、実施の形態３に係る半導体装置の製造方法を示す側面図である。樹脂封止の段階ではダイパッド１，２、パワー端子３、ＩＣ端子４及びリード３０はフレーム枠２９を介して繋がった１つのリードフレームであり、互いに分離されていない。パワー端子３、ＩＣ端子４及びリード３０はパンチ３１で打ち抜いてフレーム枠２９から切断される。
この際に、図１２に示すように、リード３０をモールド樹脂１４の下面側からパンチ３１で打ち抜く。これにより、図１３に示すように、リード３０は上側に返り面を持つ破断面を有する。また、切断後のリード３０は、外部との電気的接続には用いないため、パワー端子３及びＩＣ端子４よりもモールド樹脂１４からの突出量が小さい。リード３０は、パワー端子３及びＩＣ端子４が設けられた第１の側面１７ａ、第２の側面１７ｂ、残留部２０及びダボ部２１が設けられた第３の側面、第３の側面に対向する第４の側面の少なくとも一つに設けられている。
また、レジンカットについても、図１４及び図１５に示すように、ランナー２５の部分のモールド樹脂１４をモールド樹脂１４の下面側からパンチ３１で打ち抜く。この場合、ダボ部２１を残留部２０の下側に設ける。これにより、クラック不良を防ぐことができる。なお、図１６に示すように、上下方向に垂直な平面を有するダボ部２１を用いてもよい。
図１に示すように、絶縁放熱材料である絶縁膜１５と金属箔１６が、半導体チップ５，６が実装されたダイパッド１，２の下面に設けられ、モールド樹脂１４の下面から露出している。半導体装置はヒートシンクの上に実装され、半導体チップ５，６から発生した熱は絶縁放熱材料を介してヒートシンクに放熱される。本実施の形態ではフレーム枠２９の破断面が上側に返り面を持つため、フレーム枠２９の先端とヒートシンクとの距離を確保することができる。この結果、高絶縁化を達成することができる。
実施の形態４．
図１７から図１９は、実施の形態４に係る半導体装置の製造方法を示す側面図である。図１７に示すように、ダイパッド１，２、パワー端子３及びＩＣ端子４を支持するフレーム枠２９が隣接する２つのキャビティ２４の間に配置されている。モールド樹脂１４にはフィラーが高充填されているため、ランナー２５又は樹脂たまり部２６にフレーム枠２９が配置されていると、狭いギャップにフィラーが引掛り、モールド樹脂１４の充填の遅れ、又は充填の不足による製品不良が発生する可能性がある。そこで、本実施の形態では、フレーム枠２９を下金型２２に設けた凹部３３に入れてランナー２５及び樹脂たまり部２６の外に配置する。これにより、樹脂流動時に障害が無くなるため、樹脂の流動性を安定させることができる。
樹脂封止後は、図１８に示すように、ランナー２５の部分のモールド樹脂１４及びフレーム枠２９をモールド樹脂１４の下面側からパンチ３１で打ち抜く。ダボ部２１を残留部２０の下側に設けることにより、クラック不良を防ぐことができる。なお、図１９に示すように、上下方向に垂直な平面を有するダボ部２１を用いてもよい。
なお、半導体チップ５，６は、珪素によって形成されたものに限らず、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成されたものでもよい。ワイドバンドギャップ半導体は、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、又はダイヤモンドである。このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成された半導体チップは、耐電圧性及び許容電流密度が高いため、小型化できる。この小型化された半導体チップを用いることで、この半導体チップを組み込んだ半導体装置も小型化・高集積化できる。また、半導体チップの耐熱性が高いため、ヒートシンクの放熱フィンを小型化でき、水冷部を空冷化できるので、半導体装置を更に小型化できる。また、半導体チップの電力損失が低く高効率であるため、半導体装置を高効率化できる。
１ ダイパッド、３ パワー端子（リード端子）、４ ＩＣ端子（リード端子）、５，６ 半導体チップ、１４ モールド樹脂、１５ 絶縁膜（絶縁放熱材料）、１６ 金属箔（絶縁放熱材料）、１７ モールド成形部、１７ａ 第１の側面、１７ｂ 第２の側面、１７ｃ 第３の側面、１８，１９ 傾斜面、２０ 残留部、２１ ダボ部、２２ 下金型、２３ 上金型、２４ キャビティ、２５ ランナー、２９ フレーム枠、３０ リード、３１ パンチ

Claims (8)

  1. 半導体チップと、
    前記半導体チップに接続されたリード端子と、
    前記半導体チップと前記リード端子の一部を封止する絶縁性のモールド樹脂とを備え、
    前記モールド樹脂は、互いに対向する第１及び第２の側面と、前記第１及び第２の側面とは異なる第３の側面とを含むモールド成形部を有し、
    前記リード端子は前記第１及び第２の側面から突出し、
    前記第３の側面は、前記第３の側面の上下方向の中央部が凸となる方向に傾斜した傾斜面を有し、
    前記モールド樹脂は、前記第３の側面の前記中央部に設けられた残留部と、前記傾斜面と前記残留部との間に設けられたダボ部とを更に有し、
    前記ダボ部は、前記傾斜面よりも横方向に突出し、
    前記残留部は、前記ダボ部よりも横方向に突出し、上下方向に垂直な破断面を有することを特徴とする半導体装置。
  2. 前記ダボ部は、前記残留部に向かって凸となる方向に傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記ダボ部は、上下方向に垂直な平面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。
  4. 前記モールド成形部の少なくとも１つの側面から突出し、前記リード端子よりも前記モールド成形部からの突出量が小さいリードを更に備え、
    前記リードは上側に返り面を持つ破断面を有することを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載の半導体装置。
  5. 前記半導体チップが上面に実装されたダイパッドと、
    前記ダイパッドの下面に設けられた絶縁放熱材料とを更に備えることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
  6. 前記半導体チップはワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることを特徴とする請求項１～５の何れか１項に記載の半導体装置。
  7. 前記請求項１～６の何れか１項に記載の半導体装置を製造する方法であって、
    ランナーで互いに接続された金型の複数のキャビティの各々に、前記半導体チップと前記リード端子を配置する工程と、
    前記ランナーを介して前記複数のキャビティに前記モールド樹脂を順番に供給して前記半導体チップ及び前記リード端子を封止する工程と、
    前記ランナーの部分の前記モールド樹脂をパンチで打ち抜いて前記残留部を残す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。
  8. 隣接する前記キャビティの間に配置され前記リード端子を支持するフレーム枠を前記ランナーの外に配置することを特徴とする請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
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