JP4479121B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発熱素子と、この発熱素子の両面に接合された一対の放熱板とを備えて成る半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば高耐圧・大電流用のパワーＩＣの半導体チップ（発熱素子）は、使用時の発熱が大きいため、チップからの放熱性を向上させるための構成が必要になる。この構成の一例として、チップの両面に一対の放熱板を例えば半田層を介して接合する構成が、従来より、考えられており、この構成によれば、チップの両面から放熱できるので、放熱性が向上する。
【０００３】
上記した構成の半導体装置の一例を、図４に示す。この図４に示すように、半導体装置１は、一対のヒートシンク（放熱板）２、３の間に半導体チップ４とヒートシンクブロック５を挟んで構成されている。ヒートシンク２と半導体チップ４の間、半導体チップ４とヒートシンクブロック５の間、ヒートシンクブロック５とヒートシンク３の間は、それぞれ半田６により接合されている。そして、このような構成の半導体装置１は、樹脂７でモールドされている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記構成の半導体装置１においては、ヒートシンク２、３からの放熱性を良くするために、半導体装置１を樹脂７でモールドする際に、ヒートシンク２、３の各外面を露出させることが好ましい。このため、樹脂モールド時には、図４に示すような構成の成形型８を使用することが考えられている。この成形型８は、下型８ａと、上型８ｂと、可動型８ｃとから構成されている。可動型８ｃは、半導体装置１を適度な加圧力で押圧するための型であり、この可動型８ｃの加圧力により、樹脂モールド時に、樹脂７がヒートシンク２、３の各外面に回り込むことを防止している。
【０００５】
しかし、上記構成の場合、可動型８ｃの加圧力を適度な力に調整することがかなり困難であり、半導体チップ４を割ってしまうことがかなりあるという問題点があった。また、可動型８ｃを必要とするため、成形型８の構成が複雑になり、成形型８の製造コストひいては半導体装置１１の製造コストが高くなるという欠点があった。
【０００６】
更に、半導体装置１の完成後の検査やスクリーニングにおいては、ヒートシンク２、３の露出した各外面を絶縁する必要があり、何らかの絶縁用の構成が必要であった。また、上記半導体装置１をインバータ装置等へ組み込む場合も、ヒートシンク２、３の露出した各外面を絶縁するための構成が必要であった。例えば、図５に示すように、半導体装置１を冷却板９、９で挟む場合には、冷却板９、９と半導体装置１のヒートシンク２、３との間に、絶縁材製の放熱シート１０、１０を挟む必要があった。
【０００７】
一方、ヒートシンク２、３と樹脂７との密着力を向上させるために、コーティング樹脂（例えばポリアミド樹脂）をヒートシンク２、３の表面に塗布することが考えられている。しかし、上記半導体装置１の場合、ヒートシンク２、３間の隙間は約１〜２ｍｍ程度しかないので、コーティング樹脂を塗布することが困難であった。特に、均一に塗布されたか否かを確認することが困難であった。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、樹脂モールド時に使用する成形型の構成を簡単化することができ、発熱素子の損傷を防止することができ、絶縁用の構成を不要にすることができ、また、コーティング樹脂を容易に塗布することができる半導体装置の製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明によれば、一対の放熱板の間に前記発熱素子を挟む工程と、前記一対の放熱板の各外面にシリコンゴム製の絶縁シートを取り付ける工程と、成形型に前記一対の放熱板及び前記発熱素子を収容して樹脂モールドする工程とを備えるように構成したので、成形型として単純な構成の上下型を使用しても、樹脂が放熱板の各外面に回り込むことを防止できる。このため、樹脂モールド時に使用する成形型の構成を簡単化することができる。そして、成形型の押圧力を絶縁シートで緩和できるから、発熱素子が損傷することを防止できる。また、放熱板の各外面に絶縁シートを貼り付けたので、検査時等に絶縁用の構成を不要にすることができる。
【００１３】
請求項２発明によれば、一対の放熱板の間に発熱素子を挟む工程を実行した後、一対の放熱板及び発熱素子にコーティング樹脂を塗布する工程を備えたので、放熱板及び発熱素子と樹脂との密着力を強くすることができる。
【００１４】
請求項３の発明によれば、一対の放熱板の各外面に絶縁シートを取り付ける工程において、塗布されたコーティング樹脂によって絶縁シートを接着する方法を使用したので、絶縁シートを貼り付けるための専用の接着剤を塗布する必要がない。
【００１５】
請求項４の発明によれば、コーティング樹脂を塗布する工程において、コーティング樹脂の液中に一対の放熱板及び発熱素子をディッピングする方法を使用したので、放熱板及び発熱素子にコーティング樹脂を容易に塗布することができる。
【００１６】
また、請求項５の発明のように、コーティング樹脂を塗布する工程において、コーティング樹脂を一対の放熱板及び発熱素子に滴下または噴霧する方法を使用しても良い。更に、請求項６の発明のように、コーティング樹脂として例えばポリアミド樹脂を用いることが好ましい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例について、図１ないし図３を参照しながら説明する。まず、図１に示すように、本実施例の半導体装置１１は、半導体チップ（発熱素子）１２と、下側ヒートシンク（放熱板）１３と、上側ヒートシンク（放熱板）１４と、ヒートシンクブロック１５とを備えて構成されている。
【００１８】
この構成の場合、半導体チップ１２の下面と下側ヒートシンク１３の上面との間は、接合部材である例えば半田１６によって接合されている。そして、半導体チップ１２の上面とヒートシンクブロック１５の下面との間も、半田１６によって接合されている。更に、ヒートシンクブロック１５の上面と上側ヒートシンク１４の下面との間も、半田１６によって接合されている。これにより、上記構成においては、半導体チップ１２の両面からヒートシンク１３、１４（即ち、一対の放熱板）を介して放熱される構成となっている。
【００１９】
尚、上記半導体チップ１２は、例えばＩＧＢＴやサイリスタ等のパワー半導体素子から構成されている。半導体チップ１２の形状は、本実施例の場合、図２ （ａ）に示すように、例えば矩形状の薄板状である。また、下側ヒートシンク１３、上側ヒートシンク１４及びヒートシンクブロック１５は、例えばＣｕやＡｌ等の熱伝導性及び電気伝導性の良い金属で構成されている。この構成の場合、下側ヒートシンク１３及び上側ヒートシンク１４は、半導体チップ１２の各主電極（例えばコレクタ電極やエミッタ電極等）に半田１６を介して電気的にも接続されている。
【００２０】
そして、下側ヒートシンク１３は、図２（ａ）に示すように、全体として例えばほぼ長方形状の板材であり、端子部１３ａが後方へ向けて延びるように突設されている。また、ヒートシンクブロック１５は、図２（ａ）に示すように、半導体チップ１２よりも１回り小さい程度の大きさの矩形状の板材である。更に、上側ヒートシンク１４は、図２（ｄ）に示すように、全体として例えばほぼ長方形状の板材で構成されており、端子部１４ａが後方へ向けて延びるように突設されている。尚、下側ヒートシンク１３の端子部１３ａと、上側ヒートシンク１４の端子部１４ａは、互いの位置がずれるように、即ち、対向しないように構成されている。
【００２１】
また、上記構成の場合、下側ヒートシンク１３の上面と上側ヒートシンク１４の下面との間の距離は、例えば１〜２ｍｍ程度になるように構成されている。図１及び図２においては、上記距離をかなり拡大して示している。
【００２２】
そして、図１に示すように、コーティング樹脂である例えばポリアミド樹脂１７が、一対のヒートシンク１３、１４の表面、並びに、チップ１２及びヒートシンクブロック１５の周囲部分に、やや太い実線で示すように塗布されている。本実施例の場合、上記ポリアミド樹脂１７は、例えばディッピングにより塗布されている。
【００２３】
更に、図１に示すように、下側ヒートシンク１３の下面（外面）、並びに、上側ヒートシンク１４の上面（外面）には、圧縮変形可能な材質であって高熱伝導性を有する絶縁シート１８、１８が例えば接着剤を介して貼り付けられている。これら絶縁シート１８は、例えばシリコンゴム製のシートで構成されている。尚、上記接着剤としては、熱伝導性の良いものを使用することが好ましい。
【００２４】
更にまた、図１に示すように、一対のヒートシンク１３、１４の隙間、並びに、チップ１２及びヒートシンクブロック１５の周囲部分には、樹脂（例えばエポキシ樹脂）１９が充填封止されている。この場合、ヒートシンク１３、１４等を樹脂１９でモールドするに当たっては、図１に示すような構成の成形型２０を使用している。この成形型２０は、単純な構成の上下型であり、下型２１と、上型２２とから構成されている。
【００２５】
上記実施例の場合、成形型２０のキャビティ２３内にヒートシンク１３、１４等の構成を収容したときに、ヒートシンク１３、１４の各外面の絶縁シート１８、１８が、その厚さ方向に約１０〜４０％程度圧縮変形する（即ち、押し潰される）ように構成されている。これにより、成形型２０のキャビティ２３内に樹脂１９を注入したときに、該樹脂１９がヒートシンク１３、１４の外面である絶縁シート１８の外面に回り込むことを防止している。また、成形型２０、即ち、下型２１及び上型２２の押圧力を上記絶縁シート１９で緩和している。これにより、上記押圧力によってチップ１２が損傷することを防止できる。
【００２６】
ここで、下側ヒートシンク１３の下面と上側ヒートシンク１４の上面との距離（即ち、半導体装置１１の厚み寸法）は、後述する製造方法により、設定距離となるように構成されるものであるが、実際には、各構成部品の寸法のばらつきや、ヒートシンク１３、１４の平面度や傾き等のばらつき等により、ある程度の誤差が出る。今、上記誤差が例えば０．１ｍｍであるとし、絶縁シート１８がその厚さ方向に例えば１５％程度圧縮変形するものとすると、絶縁シート１８の厚さ寸法は、次の式で計算される値以上あれば良い。
【００２７】
０．１／０．１５／２＝０．３３
即ち、絶縁シート１８の厚さ寸法は、０．３３ｍｍ以上あれば良い。これは、一例であり、実際の寸法の誤差やばらつきに適合するように、絶縁シート１８の厚さを調整すれば良い。
【００２８】
尚、前記ポリアミド樹脂１７は、樹脂１９とヒートシンク１３、１４との密着力、樹脂１９とチップ１２との密着力、並びに、樹脂１９とヒートシンクブロック１５との密着力を強くするためのコーティング層（樹脂）である。
【００２９】
次に、上記した構成の半導体装置１１の製造方法（即ち、製造工程）について、図２を参照して説明する。まず、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、下側ヒートシンク１３の上面に、半導体チップ１２とヒートシンクブロック１５を半田付けする工程を実行する。この場合、下側ヒートシンク１３の上面に半田箔２４を介してチップ１２を積層すると共に、このチップ１２の上に半田箔２４を介してヒートシンクブロック１５を積層する。この後、加熱装置（リフロー装置）によって上記半田箔２４、２４を溶融させてから、硬化させる。
【００３０】
続いて、図２（ｃ）に示すように、チップ１２の制御電極（例えばゲートパッド等）とリードフレーム２５ａ、２５ｂとをワイヤーボンディングする工程を実行する。これにより、例えばＡｌやＡｕ等製のワイヤー２６によってチップ１２の制御電極とリードフレーム２５ａ、２５ｂとが接続される。
【００３１】
次いで、図２（ｄ）及び（ｅ）に示すように、ヒートシンクブロック１５の上に上側ヒートシンク１４を半田付けする工程を実行する。この場合、図２（ｄ）に示すように、ヒートシンクブロック１５の上に半田箔２４を介して上側ヒートシンク１４を載せる。そして、加熱装置によって上記半田箔２４を溶融させてから、硬化させる。
【００３２】
このとき、図２（ｅ）に示すように、上側ヒートシンク１４の上に例えば重り２７を載置することにより、上側ヒートシンク１４を下方へ向けて加圧するように構成されている。これと共に、上側ヒートシンク１４と下側ヒートシンク１３との間に、スペーサ治具（図示しない）を取り付けることにより、上側ヒートシンク１４と下側ヒートシンク１３との間の距離を設定距離に保持するように構成している。
【００３３】
この場合、半田箔２４が溶融する前の状態では、上側ヒートシンク１４と下側ヒートシンク１３との距離は、スペーサ治具の設定距離よりも大きくなるように構成されている。そして、半田箔２４が溶融すると、重り２７の加圧力により、溶融した半田層の部分が薄くなり、上側ヒートシンク１４と下側ヒートシンク１３との距離がスペーサ治具の設定距離と等しくなる。このとき、半田層は、適度な薄さまで薄くなるように構成されている。そして、溶融した半田層が硬化すれば、チップ１２とヒートシンク１３、１４とヒートシンクブロック１５の接合及び電気的接続が完了する。
【００３４】
次いで、ポリアミド樹脂１７を、一対のヒートシンク１３、１４の表面、並びに、チップ１２及びヒートシンクブロック１５の周囲部分等に塗布する工程を実行する。この場合、ポリアミド樹脂の液中に一対のヒートシンク１３、１４（及びチップ１２等）をディッピングする方法を使用している。これにより、ポリアミド樹脂１７をもれなく均一に塗布することができる。この構成の場合、ポリアミド樹脂１７は、ワイヤー２６及びリードフレーム２５ａ、２５ｂの表面にも塗布されるようになっている。
【００３５】
この後、図１に示すように、下側ヒートシンク１３の下面（外面）、並びに、上側ヒートシンク１４の上面（外面）に、絶縁シート１８、１８を貼り付ける工程を実行する。この場合、上記塗布したポリアミド樹脂１７が乾燥する前に、絶縁シート１８、１８を貼り付ければ、ポリアミド樹脂１７を接着剤として利用することができる。これにより、絶縁シート１８接着用の接着剤を別途塗布する作業を省略することができる。尚、ポリアミド樹脂１７を十分乾燥させた後、絶縁シート１８を接着剤（例えば熱伝導性の良い接着剤）により貼り付けるように構成しても良い。
【００３６】
続いて、上述したように絶縁シート１８を取り付けた後の構成を、図１に示すように、成形型２０、即ち、上型２１及び下型２２のキャビティ２３の内部に収容し、樹脂１９を注入（充填）する工程を実行する。これにより、図１に示すように、一対のヒートシンク１３、１４の隙間、並びに、チップ１２及びヒートシンクブロック１５の周囲部分等に、樹脂１９が充填される。そして、樹脂１９が硬化した後、成形型２０内から半導体装置１１を取り出せば、半導体装置１１が完成する。
【００３７】
このような構成の本実施例によれば、一対のヒートシンク１３、１４の各外面に圧縮変形可能な材質の絶縁シート１８を貼り付けた状態で樹脂モールドするように構成したので、成形型２０として単純な構成の上下型を使用しても、樹脂１９がヒートシンク１３、１４の各外面に回り込むことを確実に防止できる。これによって、樹脂モールド時に使用する成形型２０の構成を簡単化することができる。
【００３８】
そして、上記実施例では、成形型２０の下型２１及び上型２２の押圧力を上記絶縁シート１８で緩和することができるから、半導体チップ１２が割れたり損傷したりすることをほぼ確実に防止できる。また、上記実施例では、ヒートシンク１３、１４の各外面に絶縁シート１８を貼り付けたので、検査時等に絶縁用の構成を不要にすることができる。
【００３９】
特に、上記実施例においては、絶縁シート１８として、高熱伝導性（良好な放熱性）を有するシリコンゴム製のシートを用いたので、半導体チップ１２で発生する熱をすみやかに放熱させることができる。この場合、上記半導体装置１１を例えばインバータ装置等へ組み込む場合には、半導体装置１１を２枚の冷却板で挟むような構成（図５参照）が必要となる。このような構成の場合、ヒートシンク１３、１４の各外面に絶縁シート１８が予め貼り付けられているので、２枚の冷却板で半導体装置１１を直接挟むことができ、従来、別途必要であった絶縁材製の放熱シート１０、１０（図５参照）を不要にすることができる。
【００４０】
尚、図３に示すような形状の冷却部材（冷却板）２８、２９で、本実施例の半導体装置１１を挟むこともある。この構成の場合も、冷却板２８、２９で半導体装置１１を直接挟むことができ、従来、別途必要であった絶縁材製の放熱シートを不要にすることができる。
【００４１】
また、上記実施例においては、一対のヒートシンク１３、１４及びチップ１２等にポリアミド樹脂１７を塗布するように構成したので、ヒートシンク１３、１４及びチップ１２等と樹脂１９との密着力を強くすることができる。更に、上記実施例では、一対のヒートシンク１３、１４の各外面に絶縁シート１８を貼り付けるに際して、ヒートシンク１３、１４の表面にコーティングされたポリアミド樹脂１７によって絶縁シート１８を貼り付けるように構成したので、絶縁シート１８を貼り付けるための専用の接着剤を塗布する必要がなくなる。
【００４２】
更にまた、上記実施例では、ポリアミド樹脂１７を塗布する工程において、ポリアミド樹脂１７の液中にヒートシンク１３、１４及びチップ１２をディッピングする方法を使用したので、ヒートシンク１３、１４及びチップ１２にポリアミド樹脂１７を容易に塗布することができる。
【００４３】
尚、ポリアミド樹脂１７を塗布する工程において、ポリアミド樹脂１７をヒートシンク１３、１４及びチップ１２に対して滴下または噴霧する方法を使用して塗布しても良い。この場合、ヒートシンク１３、１４間に、ポリアミド樹脂１７塗布用のディスペンサのノズルを挿入して（差し込んで）、該ノズルの先端からポリアミド樹脂１７を滴下（または噴霧）することにより、ポリアミド樹脂１７の塗布を実行することが好ましい。
【００４４】
また、上記実施例においては、ヒートシンク１３、１４とチップ１２とヒートシンクブロック１５とを接合する接合部材として半田箔２４を用いたが、これに代えて、半田ペーストや、導電性接着剤を用いるように構成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す半導体装置及び成形型の縦断面図
【図２】半導体装置の製造工程を示す図
【図３】冷却部材で半導体装置を挟んだ構成の縦断面図
【図４】従来構成を示す図１相当図
【図５】２枚の冷却板で半導体装置を挟んだ構成の分解縦断面図
【符号の説明】
１１は半導体装置、１２は半導体チップ（発熱素子）、１３は下側ヒートシンク（放熱板）、１４は上側ヒートシンク（放熱板）、１５はヒートシンクブロック、１６は半田、１７はポリアミド樹脂、１８は絶縁シート、１９は樹脂、２０は成形型、２１は下型、２２は上型、２４は半田箔を示す。

Claims (6)

  1. 発熱素子と、この発熱素子の両面から放熱するための一対の放熱板とを備え、装置の全体を樹脂モールドし、前記一対の放熱板の各外面を露出させるように構成した半導体装置の製造方法において、
    前記一対の放熱板の間に前記発熱素子を挟む工程と、
    前記一対の放熱板の各外面にシリコンゴム製の絶縁シートを取り付ける工程と、
    成形型に前記一対の放熱板及び前記発熱素子を収容して樹脂モールドする工程とを備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記一対の放熱板の間に前記発熱素子を挟む工程を実行した後、前記一対の放熱板及び前記発熱素子にコーティング樹脂を塗布する工程を備えたことを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記一対の放熱板の各外面に前記絶縁シートを取り付ける工程においては、塗布されたコーティング樹脂によって接着する方法を使用することを特徴とする請求項２記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記コーティング樹脂を塗布する工程においては、コーティング樹脂の液中に前記一対の放熱板及び前記発熱素子をディッピングする方法を使用することを特徴とする請求項２記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記コーティング樹脂を塗布する工程においては、コーティング樹脂を前記一対の放熱板及び前記発熱素子に滴下または噴霧する方法を使用することを特徴とする請求項２記載の半導体装置の製造方法。
  6. 前記コーティング樹脂は、ポリアミド樹脂であることを特徴とする請求項２ないし５のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
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