JP3808746B2

JP3808746B2 - 樹脂パッケージ型半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP3808746B2
Application number: JP2001317943A
Authority: JP
Inventors: 寿川藤; 建一林; 武敏鹿野; 貢田尻
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2001-10-16
Filing date: 2001-10-16
Publication date: 2006-08-16
Anticipated expiration: 2021-10-16
Also published as: JP2003124242A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電力制御用に使用される樹脂パッケージ型半導体装置の製造技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
樹脂パッケージ型電力用半導体装置に対する要求としては、放熱特性の向上がある。この要求に応えて放熱性の向上を図るべく、リードフレームのダイパッドの裏面上にヒートスプレッダを接着し、且つ、ヒートスプレッダ直下の絶縁層部に高熱伝導樹脂を用いる構造の樹脂パッケージ型半導体装置が提案されている（但し、未公知の技術である）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
この様な構造を有する樹脂パッケージ型半導体装置の製造に際して、低コスト化を図ることが更に求めらている。そのためには、製造プロセスの簡略化を図ることが有効であり、同一樹脂を用いた同一工程において、チップ上封止及びヒートスプレッダ直下の絶縁層部の成形を行うことが望ましい。そして、絶縁層の絶縁性を確保するためには一定以上の厚さが必要となる一方で、放熱を良くするためには絶縁層は薄い方が望ましい。エポキシ樹脂の熱伝導率は小さく、わずかに絶縁層の厚さが大きくなっても放熱性が大きく損なわれるため、より効率のよい放熱を実現させるためには、最低限の厚さで絶縁を保ちつつ、一定の厚さにコントロールすることが必要である。
【０００４】
本発明はこの様な要望に応えるべく成されたものであり、リードフレームのダイパッドの裏面上に接着されたヒートスプレッダを有する樹脂パッケージ型半導体装置の製造に際して、上記ヒートスプレッダ直下の絶縁層部の厚みを確実に確保することが出来る製造方法を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、リードフレームのダイパッドの表面上に電力用半導体チップを接着し、前記ダイパッドの裏面上にヒートスプレッダを接着すると共に、少なくとも前記ダイパッドと前記電力用半導体チップと前記ヒートスプレッダとを、成形用金型のキャビティ内に注入した樹脂を熱硬化させることにより形成される樹脂パッケージ内に封止する樹脂パッケージ型半導体装置の製造方法において、前記樹脂の注入に先立って、前記成形用金型の内の下部金型の部分に形成された貫通孔内に挿嵌されており且つその端面がキャビティ下面より前記キャビティ内に所定の長さだけ突出したブッシュの貫通孔内に、摺動可能に配設された、前記ブッシュよりも長い可動ピンの先端を、前記樹脂によって前記ヒートスプレッダの直下に成形されるべき絶縁層の厚さ分だけ前記キャビティの下面から前記キャビティ内に向けて突出させて、前記可動ピンの前記先端で前記ヒートスプレッダの底面を支持した上で、前記樹脂を前記キャビティ内に注入し、前記樹脂が未硬化の状態にある間に、前記可動ピンの前記先端を前記キャビティの前記下面から前記キャビティ内に所定量だけ突出する様に後退させて、前記可動ピンの前記先端と前記ヒートスプレッダの前記底面との間に前記樹脂を注入することを特徴とする。
【０００６】
請求項２に係る発明は、請求項１記載の樹脂パッケージ型半導体装置の製造方法において、前記可動ピンを前記ヒートスプレッダ直下の任意の位置に複数個配設したことを特徴とする。
【０００７】
請求項３に係る発明は、請求項２記載の樹脂パッケージ型半導体装置の製造方法において、前記可動ピンの全てを前記電力用半導体チップ直下領域外に配設したことを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
図１は、本実施の形態に係る樹脂パッケージ型半導体装置のモールド工程を示す縦断面図である。又、図２は、図１の下方向から後述する可動ピンを眺めた状態を模式的に示す平面図である。
【０００９】
両図において、電力用半導体チップ１は半田４を介してリードフレーム２のダイパッド３の表面上に接着されており、ダイパッド３の裏面上には、電力用半導体チップ１に対向する様に、金属ブロックより成るヒートスプレッダ６が半田５を介して接着されている。そして、ワイヤ７の一端は電力用半導体チップ１の電極（図示せず）にボンディングされており、ワイヤ７の他端はリードフレーム２のインナーリード部にボンディングされている。
【００１０】
これに対して、成形用金型は一対の下部金型８と上部金型９とから成り、両金型８，９が組み合わされることにより、キャビティ（空洞）１０が形成される。そして、モールド成形するためにリードフレーム２を成形用金型に配置した際に電力用半導体チップ１及びヒートスプレッダ６の直下に位置する下部金型８の部分には、貫通孔１１が形成されており、貫通孔１１内には円柱状のブッシュ１２が挿嵌されている。このブッシュ１２の高さは、その端面がキャビティ下面１０LSよりキャビティ１０内に所定の長さだけ突出する様に設定される。更に、ブッシュ１２の貫通孔１３内には、ブッシュ１２よりも長い円柱状の可動ピン１４が摺動可能な状態で挿嵌されている。即ち、可動ピン１４は、成形用金型の内の下部金型８に摺動可能に配設されている。しかも、可動ピン１４の先端部１４PPは、キャビティ下面１０LSよりヒートスプレッダ６の底面６BSに向けてキャビティ１０内に突出している。なお、可動ピン１４は駆動装置(図示せず)に接続されており、当該駆動装置によって自動的に可動ピン１４の摺動が制御される。
【００１１】
本半導体装置は、リードフレーム２のダイパッド３の表面上への電力用半導体チップ１の接合工程と、その後のワイヤボンディング工程と、リードフレーム２のダイパッド３の裏面上へのヒートスプレッダ６の接合工程とを経た後、モールド成形される。モールド樹脂としては、例えば、結晶シリカをフィラーとしたエポキシ樹脂が使用される。この様な樹脂は２W/mK程度の熱伝導率を有しており、高熱伝導樹脂として一般に使用されているものであり、この樹脂を用いることにより、低コストで本半導体装置を製造することが可能となる。
【００１２】
キャビティ下面１０LSとヒートスプレッダ６の底面６BSとの間の空間内に形成されるべき絶縁層は、上記の樹脂によって成形されるが、その際、より効率の良い放熱性を得ると共に、所定の絶縁性を得るためには、当該絶縁層を薄く一定の厚さに保つことが必要である。この様な絶縁層をモールド成形する手法として、本実施の形態では、モールド時に可動ピン１４を使用する。この点を以下に詳述する。
【００１３】
先ず、図１に示す様に、電力用半導体チップ１の接合工程とワイヤボンディング工程とヒートスプレッダ６の接合工程とを経た後のリードフレーム２をモールド金型８，９に設置するに当り、可動ピン１４を摺動させて、可動ピン１４の先端１４PPをヒートスプレッダ６直下に形成されるべき上記絶縁層の必要な厚み分だけキャビティ下面１０LSからキャビティ１０内に突出させる。この状態でリードフレーム２をモールド金型８，９にセッティングすると、ヒートスプレッダ６の底面６BSの中心部は可動ピン１４の先端１４PPで支持された状態となり、キャビティ下面１０LSとヒートスプレッダ６の底面６BSとの間の間隔は、上記絶縁層の必要な厚み分に規制される。
【００１４】
次に、先端１４PPによるヒートスプレッダ６の支持状態を保ったままで、注入口からキャビティ１０内に上記の樹脂を注入し、当該樹脂を、可動ピン１４で規制されたキャビティ下面１０LSとヒートスプレッダ６の底面６BSとの間の空間に充填する。その間、可動ピン１４の先端１４PPは、キャビティ１０の上部（チップ１の上側）に注入された樹脂から受ける押圧に対抗してヒートスプレッダ６の底面６BSを支えている。この充填が完了した段階では、当該樹脂は未硬化の状態にある。この段階までに要する時間は、経験的に評価可能である。そこで、この状態で可動ピン１４の摺動を制御して、可動ピン１４の先端１４PPを、キャビティ下面１０LSから僅かだけ上のキャビティ１０内の位置にまで後退させる。即ち、樹脂が未硬化の状態にある間に、可動ピン１４の先端１４PPを、キャビティ１０の下面１０LSからキャビティ１０内に所定量だけ突出する様に後退させる。この後退開始のタイミングも経験的に設定可能である。これにより、ヒートスプレッダ６の底面６BSと可動ピン１４の先端１４PPとの間に空間が生じ、この空間に樹脂が入り込んで、一定の厚みを有する上記絶縁層が形成され、その後、樹脂が硬化することによって装置全体が樹脂パッケージにより封止される。封止完了後に金型から取り出した本半導体装置の縦断面構造を、図３に示す。図３において、１５は樹脂パッケージ（モールド）であり、１６はヒートスプレッダ６直下の絶縁層である。又、図３中の円で囲まれた部分の拡大図を、図４及び図５に示す。両図４，５において、１７は可動ピン跡、１８はブッシュ跡である。
【００１５】
可動ピン１４は、樹脂注入後に移動するため、移動の際に高熱伝導樹脂との間で磨耗が生じ得る。この磨耗により可動ピン１４の円柱形状の角が損傷して隙間が発生すると、この隙間に樹脂が入り込んで、それがバリとなるため、このバリが可動ピン１４の摺動の妨げと成り得る。この不具合を出来る限り回避するために、本実施の形態では、可動ピン１４の摺動部分にブッシュ１２が設けられている。ここで、ブッシュ１２の上側端面が絶縁層１６内に深く突出する場合には、ブッシュ跡１８が空気層となって放熱の妨げとなるので、ブッシュ跡１８が絶縁層１６の表面から若干窪んで生じる程度に、ブッシュ１２の高さが予め設定されている（下面１０LSからの高さは〜0.1mm程度）。可動ピン跡１７も同様であり、絶縁層１６の表面からの可動ピン跡１７の深さは、ブッシュ跡１８の深さ±0.1mm程度である（図４及び図５を参照）。
【００１６】
本実施の形態では、可動ピン１４をヒートスプレッダ６の直下に設けているが、リードフレーム２に対してヒートスプレッダ６の剛性が高いので、絶縁層１６の厚みの精度が向上する。
【００１７】
尚、下部キャビティに設けた図１の可動ピン１４と共に、上部キャビティにも別の可動ピンを設け、この可動ピンの先端をヒートスプレッダ６の上面に当接して両可動ピンでヒートスプレッダ６を挟み込む様にしても良い。この場合には、絶縁層厚のコントロール精度が更に向上すると言う利点がある。
【００１８】
（変形例）
(１) 下部金型８の内で一つのヒートスプレッダ６の直下に位置する部分における任意の複数の位置に複数の可動ピン１４を設ける様にしても良い。例えば、ヒートスプレッダ６直下の下部金型８の部分に、ブッシュ１２と共に、第１、第２及び第３の可動ピン１４を設けて、樹脂注入時にこれらの３つの可動ピン１４で以ってヒートスプレッダ６を３点支持する様な構成を採用することが出来る。この場合、樹脂注入後、樹脂が未硬化の間に、３つの可動ピン１４の後退移動を制御する。本変形例によれば、樹脂注入中のヒートスプレッダ６の傾きをより一層小さくすることが出来るので、キャビティ下面１０LSと底面６BSとの間隔をより一様に制御することが出来る結果、ヒートスプレッダ６直下の絶縁層１６の厚みの精度を更に向上させることが出来る。
【００１９】
（２）変形例１の各可動ピン１４を、ヒートスプレッダ６直下に位置する下部金型８の部分の内で電力用半導体チップ１の直下領域外に、配設しても良い。本変形例によれば、図４等に示した可動ピン跡１７及びブッシュ跡１８より成る空気層の部分が電力用半導体チップ１直下の絶縁層１６の部分には生じないので、当該絶縁層部分は本装置の完成後に取り付けられる放熱フィン（図示せず）と直接に接触することとなり、放熱面積を縮小させることなく、より一層の放熱性の向上を図ることが可能となる。
【００２０】
（３）複数の電力用半導体チップ１を備えるモジュールにおいて、複数のヒートスプレッダ６がモジュール内に設けられている場合に、各ヒートスプレッダ毎に既述したブッシュ１２及び可動ピン１４を下部金型８に設けても良い。この場合の下方から見たときのモールド工程の模式図を図６に示す。本変形例によれば、各ヒートスプレッダ６直下の絶縁層１６の厚み精度を向上させることが出来ると共に、隣り合うヒートスプレッダ同士が傾き接触するのを防止することも出来る。
【００２１】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、ヒートスプレッダ直下の絶縁層の厚みを確実に確保することが出来るので、絶縁層厚不足による製品不良の発生を皆無にすることが出来るという効果が得られる。
【００２２】
請求項２の発明によれば、樹脂注入中のヒートスプレッダの傾きをより一層抑制することができ、絶縁層厚の精度の向上を図ることが出来るという効果が得られる。
【００２３】
請求項３の発明によれば、樹脂の硬化後に生じる可動ピン跡の窪みが電力用半導体チップ直下の絶縁層部分には生じないため、放熱性をより一層向上させることが出来るという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る樹脂パッケージ型半導体装置のモールド工程を示す縦断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る樹脂パッケージ型半導体装置のモールド工程を模式的に示す平面図である。
【図３】モールド完了後の樹脂パッケージ型半導体装置の構造を示す縦断面図である。
【図４】絶縁層部分の可動ピン跡及びブッシュ跡を拡大して示す縦断面図である。
【図５】絶縁層部分の可動ピン跡及びブッシュ跡を拡大して示す縦断面図である。
【図６】本発明の変形例３に係る樹脂パッケージ型半導体装置のモールド工程を模式的に示す平面図である。
【符号の説明】
１電力用半導体チップ、２リードフレーム、３ダイパッド、６ヒートスプレッダ、８下部金型、９上部金型、１０キャビティ、１２ブッシュ、１４可動ピン、１５樹脂パッケージ、１６絶縁層。

Claims

リードフレームのダイパッドの表面上に電力用半導体チップを接着し、前記ダイパッドの裏面上にヒートスプレッダを接着すると共に、少なくとも前記ダイパッドと前記電力用半導体チップと前記ヒートスプレッダとを、成形用金型のキャビティ内に注入した樹脂を熱硬化させることにより形成される樹脂パッケージ内に封止する樹脂パッケージ型半導体装置の製造方法において、
前記樹脂の注入に先立って、前記成形用金型の内の下部金型の部分に形成された貫通孔内に挿嵌されており且つその端面がキャビティ下面より前記キャビティ内に所定の長さだけ突出したブッシュの貫通孔内に、摺動可能に配設された、前記ブッシュよりも長い可動ピンの先端を、前記樹脂によって前記ヒートスプレッダの直下に成形されるべき絶縁層の厚さ分だけ前記キャビティの下面から前記キャビティ内に向けて突出させて、前記可動ピンの前記先端で前記ヒートスプレッダの底面を支持した上で、前記樹脂を前記キャビティ内に注入し、
前記樹脂が未硬化の状態にある間に、前記可動ピンの前記先端を前記キャビティの前記下面から前記キャビティ内に所定量だけ突出する様に後退させて、前記可動ピンの前記先端と前記ヒートスプレッダの前記底面との間に前記樹脂を注入することを特徴とする、
樹脂パッケージ型半導体装置の製造方法。
請求項１記載の樹脂パッケージ型半導体装置の製造方法において、
前記可動ピンを前記ヒートスプレッダ直下の任意の位置に複数個配設したことを特徴とする、
樹脂パッケージ型半導体装置の製造方法。
請求項２記載の樹脂パッケージ型半導体装置の製造方法において、
前記可動ピンの全てを前記電力用半導体チップ直下領域外に配設したことを特徴とする、
樹脂パッケージ型半導体装置の製造方法。