JP4737138B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、ヒートシンクを有するトランスファーモールド型の半導体装置及びその製造方法に関し、特にヒートシンクの露出面に樹脂バリが形成されるのを防ぐことができる半導体装置及びその製造方法に関するものである。
近年、モーター駆動などに利用される電力用半導体装置として、トランスファーモールドにより製造された半導体装置が実用化されている。この半導体装置において、パワーチップの発熱を効率的に外部に伝達するため、金属箔又は金属板などのヒートシンクが用いられる。ヒートシンクは、パワーチップを搭載したリードフレームの下面に、熱伝導率の高い絶縁性樹脂シートなどを介して配置される。そして、ヒートシンクの少なくとも一面がパッケージ表面に露出している（例えば、特許文献１参照）。この露出面に熱伝導性グリースを介して放熱フィンを外付けして放熱を行う。
上記半導体装置の製造工程について説明する。まず、パワーチップと、このパワーチップを制御する制御チップ（ロジックチップ）とをリードフレームのダイパッド上にダイボンドする。次に、チップ同士をワイヤで接続する。そして、ダイパッドの半導体チップの搭載面とは反対の面に、絶縁性樹脂シートを介してヒートシンクを設けた状態で、モールド金型内に配置する。そして、モールド金型内にエポキシ樹脂などのモールド樹脂を注入し、加熱及び加圧することで絶縁性樹脂シート及びモールド樹脂を硬化させる。さらに、半導体装置をモールド金型から取り出した後に、硬化反応を完全なものとするため数時間の加熱を行う。
ここで、絶縁性樹脂シートには微量な溶剤成分が残留している。このため、絶縁性樹脂シートを加熱されたモールド金型内に入れると、この溶剤成分が揮発して放出される。従って、モールド工程に先立ってモールド金型内全体を真空排気する必要がある。なお、この真空排気によってモールド樹脂のモールド金型内への充填率が高くなるという効果もある。
半導体装置をモールド金型内に配置した時点では、ヒートシンクの露出面はモールド金型に直接接触している。しかし、モールド樹脂をモールド金型内に注入する際に１００ｋｇｆ／ｃｍ２を超える圧力がかけられる。このため、図１２に示すように、ヒートシンク１８の露出面の外周部において、モールド金型２１とヒートシンク１８の露出面との間にモールド樹脂２０が侵入する。そして、図１３に示すように、半導体装置をモールド金型２１から取り出すと、ヒートシンク１８の露出面にモールド樹脂２０の薄い層が付着した樹脂バリ２３が形成される。
このような樹脂バリがあると外観を損ねるだけでなく、ヒートシンクから放熱フィンへの伝熱路が狭まる。さらに、ヒートシンクの露出面に熱伝導性グリースを薄く均一に塗布することが困難となる。この結果、半導体装置から放熱フィンまでの熱抵抗が高くなり、熱的に過酷な条件における動作信頼性が損なわれるという問題があった。
なお、モールド金型の下金型に吸引孔を設けて、ヒートシンクを真空吸着してヒートシンクと下金型との密着性を高めれば、モールド樹脂の侵入を防ぐことができる。しかし、絶縁性樹脂シートを使用する場合はモールド金型内全体を真空排気する必要があるため、このような対策を採ることはできない。
本発明は、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、ヒートシンクの露出面に樹脂バリが形成されるの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。
本発明に係る半導体装置は、ダイパッドを有するリードフレームと、ダイパッド上に搭載された半導体チップと、ダイパッドの半導体チップ側とは反対側の面に絶縁性樹脂シートを介して配置されたヒートシンクと、ヒートシンクの半導体チップ側とは反対側の面が露出するように、半導体チップ、ダイパッド、絶縁性樹脂シート及びヒートシンクを樹脂封止するクレゾールノボラック型エポキシ樹脂とを備える。そして、ヒートシンクの半導体チップ側とは反対側の面の十点平均高さが３〜８μｍである。本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。
本発明により、ヒートシンクの露出面に樹脂バリが形成されるのを防ぐことができる。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態に係る半導体装置を示す断面図である。リードフレーム１１は、１枚の銅又は銅合金からなる金属薄板を加工して、ダイパッド１２、ボンディングパッド、端子などを形成したものである。このダイパッド１２上に、パワーチップであるＩＧＢＴ（Insulate Gate Bipolar Transistor）１３（半導体チップ）とフリーホイールダイオード（Free Wheeling Diode）１４が半田（図示せず）により搭載されている。
図１は、本発明の実施の形態に係る半導体装置を示す断面図である。リードフレーム１１は、１枚の銅又は銅合金からなる金属薄板を加工して、ダイパッド１２、ボンディングパッド、端子などを形成したものである。このダイパッド１２上に、パワーチップであるＩＧＢＴ（Insulate Gate Bipolar Transistor）１３（半導体チップ）とフリーホイールダイオード（Free Wheeling Diode）１４が半田（図示せず）により搭載されている。
ＩＧＢＴ１３やフリーホイールダイオード１４の表面電極とボンディングパッド、ＩＧＢＴ１３とフリーホイールダイオード１４の表面電極同士は、それぞれ数百μｍ径の太いアルミニウム製のワイヤ１５により接続されている。
ＩＧＢＴ１３を制御するための制御チップ１６は、リードフレーム１１のボンディングパッド上に半田付け又は銀粒子を分散した接着剤など（図示せず）により搭載されている。制御チップ１６の表面電極と、ＩＧＢＴ１３の表面電極とは、金又はアルミを主成分とした細いワイヤ１７により接続されている。なお、ＩＧＢＴ１３の表面電極上に金バンプが形成され、この金バンプにワイヤ１７が接続される場合もある。
ダイパッド１２のＩＧＢＴ１３側とは反対側の面に、ヒートシンク１８が絶縁性樹脂シート１９を介して配置されている。ヒートシンク１８は、銅又はアルミニウムなどの熱伝導性の材料からなるブロック状の部材である。ただし、小型化及び部材費用削減のため、ヒートシンク１８の代わりに銅箔などの薄い金属部材を用いることもできる。ヒートシンク１８はパワーチップからの発熱をヒートシンク内に拡散させて熱抵抗を低減する効果があるが、銅箔の場合は単純な熱伝導路となる。
絶縁性樹脂シート１９は、ヒートシンク１８とリードフレーム１１とを熱的に接続しながら電気的に絶縁する。絶縁性樹脂シート１９は、例えばＢＮやＡｌＮなどの熱伝導率の高いセラミック粒子を分散させたエポキシ樹脂からなる。絶縁性樹脂シート１９の厚みは、薄いほうが熱抵抗は低くなるが、接着性能の観点から実用的には５０〜３００μｍが適当である。
これらのＩＧＢＴ１３、ダイパッド１２、絶縁性樹脂シート１９及びヒートシンク１８などが、モールド樹脂２０により樹脂封止されている。ただし、ヒートシンク１８のＩＧＢＴ１３側とは反対側の面（露出面）が露出している。モールド樹脂２０として、例えばクレゾールノボラック型エポキシ樹脂を用いる。
上記の半導体装置の製造方法について図面を参照しながら説明する。まず、図２に示すように、ダイパッド１２上に、ＩＧＢＴ１３とフリーホイールダイオード１４を搭載する。そして、制御チップ１６をリードフレーム１１のボンディングパッド上に接着剤など（図示せず）により搭載する。また、ワイヤ１５，１７を用いてワイヤボンディングを行う。
次に、図３に示すように、ダイパッド１２のＩＧＢＴ１３側とは反対側の面に絶縁性樹脂シート１９を介してヒートシンク１８を配置する。絶縁性樹脂シート１９として、アルミナ、窒化ホウ素、窒化アルミ、炭化珪素などの微粒子を混錬したエポキシ樹脂を用いる。
次に、図４に示すように、これらのＩＧＢＴ１３、ダイパッド１２、絶縁性樹脂シート１９及びヒートシンク１８などをモールド金型２１内に入れる。モールド工程に先立ってモールド金型２１内を真空排気する。注入ゲート２２からモールド金型２１内にモールド樹脂２０を注入して、ＩＧＢＴ１３などを樹脂封止する。この際に、ヒートシンク１８のＩＧＢＴ１３側とは反対側の面（露出面）が露出するようにする。その後、リードフレーム１１のリード端子間の切り離し、リード端子の折り曲げ加工などを経て、図１の半導体装置が製造される。
図５は、本発明の実施の形態１に係るモールド工程におけるヒートシンクとモールド金型との接触部分を拡大した断面図である。ヒートシンク１８の露出面は、十点平均高さＲｚが３〜８μｍの微細な粗面となっている。一方、モールド金型２１のヒートシンク１８の露出面と対向する内面は、十点平均高さＲｚが３μｍ以下の平滑面となっている。ここで、十点平均高さＲｚとは、断面曲線から基準長さだけを抜き取った部分において、最高から５番目までの山頂の標高の平均値と、最深から５番目までの谷底の標高の平均値との差の値をマイクロメートル（μｍ）で表わしたものである。
このようにヒートシンク１８の露出面とモールド金型２１の内面の十点平均高さＲｚを制御することにより、図６に示すように、半導体装置をモールド金型２１から取り出すと、樹脂バリ２３がヒートシンク１８側から剥がれてモールド金型２１側に残留する。よって、ヒートシンク１８の露出面に樹脂バリ２３が形成されるのを防ぐことができる。
図７は、金属表面の十点平均高さＲｚと、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂の離型抵抗力（相対値）との関係を示す図である。図示のように、半導体装置のモールド樹脂として用いられるクレゾールノボラック型エポキシ樹脂は、十点平均高さＲｚが３μｍ以下の平滑面や８μｍ以上の粗面に対しては密着性が高まり、３〜８μｍの微細な粗面に対しては密着性が弱まる傾向がある。
この傾向は、１００ｋｇｆ／ｃｍ２以上の圧力を掛けてモールド樹脂を注入しても、Ｒｚが３〜８μｍの微細な粗面に対して微視的な充填又は接触が不完全になるためと推測される。なお、Ｒｚが３μｍ以下の表面では、Ｒｚ増大にともない、接触面積が増大することにより離型の抵抗力が急激に高まり、制御が困難となる。しかし、ヒートシンクの表面のＲｚを８μｍ以上とすると、モールド樹脂のヒートシンク下への侵入が次第に顕著となり、清掃時にモールド樹脂をブラシでこすり落とすことが容易でないという問題が生じた。
また、モールド金型２１から半導体装置を取り出した後、モールド金型２１の内面に付着したモールド樹脂２０を、ブラシ装置、ヘラ、クリーニングシート、テープなどの清掃機械により自動除去する。モールド樹脂２０が残留しているのはモールド金型２１の平坦な部位である。従って、回転ブラシ又はヘラを用いて樹脂を剥がし、剥がれ落ちた樹脂を吸引することで容易に清掃可能である。このように自動化を行うことで生産性を高めることができる。また、粘着テープを利用した引き剥がし、モールド金型の材料より硬度の低い粒子を用いた研磨テープによる研磨、サンドブラストなどを用いることができる。さらに、通常は黒色のモールド樹脂が用いられるため、モールド金型に対してコントラストが得られることを利用して、カメラを用いて清掃状況を自動認識して樹脂の除去が完了するまで清掃を繰り返す制御を行っても良い。
具体的には、縦横外形寸法８０ｍｍ×４０ｍｍ、ヒートシンク寸法７０ｍｍ×２０ｍｍの半導体装置の製造において、ヒートシンク表面のＲｚを６μｍ、金型表面のＲｚを１．６μｍとし、成型収縮率０．３％のクレゾールノボラック型エポキシ樹脂を１００〜１４０ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力で注入して成型した。この場合、ヒートシンク周辺での樹脂バリの侵入長を０．３ｍｍ以下とすることができた。そして、１００ショット毎のブラシ清掃により、モールド金型に残留する樹脂を除去することができた。
なお、ヒートシンクの粗面加工を、バリの生じやすい周縁部に限定しても良い。例えば、端部から内部方向に、２ｍｍ程度の幅で加工を行う。このように加工領域を限定することで加工コストを低減することが出来る。
また、リードフレーム１１のリード端子が突き出るモールド金型の側面に注入ゲート２２が設けられている。そして、リードフレーム１１のリード端子の直上からモールド樹脂２０が注入される。これにより、ダイパッド１２に対して平行にモールド樹脂２０が進行し、かつダイパッド１２を絶縁性樹脂シート１９に押し付ける力が加わるため、ダイパッド１２と絶縁性樹脂シート１９の接着を行う上で適切である。
実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係る半導体装置の製造方法について説明する。ここでは、実施の形態１と異なる点について説明し、同様の点については説明を省略する。
本発明の実施の形態２に係る半導体装置の製造方法について説明する。ここでは、実施の形態１と異なる点について説明し、同様の点については説明を省略する。
図８は、本発明の実施の形態２に係るモールド工程におけるヒートシンクとモールド金型との接触部分を拡大した断面図である。モールド金型２１として、ヒートシンク１８の露出面の外周に沿ってモールド樹脂２０を堰き止める突起２４を有するものを用いる。この突起２４は、例えば長方形のヒートシンク１８を囲む４辺を有する。そして、突起２４で囲むようにヒートシンク１８を配置する。
これにより、ヒートシンク１８の外周までモールド樹脂２０が到達するパスが長くなり、ヒートシンク１８の露出面に至るまでにダイパッド１２と垂直方向のパスが形成される。このため、ヒートシンク１８の下でのモールド樹脂２０の注入圧力が弱まり、ヒートシンク１８の下へのモールド樹脂２０の侵入は極めて制限される。よって、ヒートシンク１８の露出面に樹脂バリ２３が形成されるのを防ぐことができる。また、突起２４は、ヒートシンク１８をモールド金型２１中に配置する際の位置決めとして利用することもできる。
また、モールド金型２１に突起２４を設けたことにより、図９に示すように、半導体装置をモールド金型２１から取り出すと、ヒートシンク１８外周のモールド樹脂２０に溝が形成される。この溝により半導体装置の側面から突き出したリード端子とヒートシンクとの沿面距離が長くなるため、半導体装置の外面の絶縁性が向上する。
実施の形態３．
本発明の実施の形態３に係る半導体装置の製造方法について説明する。ここでは、実施の形態１，２と異なる点について説明し、同様の点については説明を省略する。
本発明の実施の形態３に係る半導体装置の製造方法について説明する。ここでは、実施の形態１，２と異なる点について説明し、同様の点については説明を省略する。
図１０は、本発明の実施の形態３に係るモールド工程におけるヒートシンクとモールド金型との接触部分を拡大した断面図である。ヒートシンク１８の露出面の外周部に段差２５が形成されている。そして、モールド金型２１の突起２４がヒートシンク１８の段差２５に嵌合する位置に配置されている。これにより、ヒートシンク１８の露出面の外周にモールド樹脂２０が到達するためのパスが実施の形態２よりも長くなる。よって、ヒートシンク１８の露出面に樹脂バリ２３が形成されるのを実施の形態２よりも確実に防ぐことができる。
なお、モールド金型２１の突起２４が、ヒートシンク１８の段差２５と一定の距離を保つようにする。これにより、図１１に示すように、モールド樹脂２０は、段差２５に回りこんでヒートシンク１８を抱え込む形状となる。このモールド樹脂２０の形状は、半導体装置にかかる応力に対して、ヒートシンク１８とモールド樹脂２０の剥離を防ぐ「モールドロック」として作用するため、半導体装置の動作信頼性を高めることができる。
１１ リードフレーム
１２ ダイパッド
１３ ＩＧＢＴ（半導体チップ）
１８ ヒートシンク
１９ 絶縁性樹脂シート
２０ モールド樹脂
２１ モールド金型
２４ 突起
１２ ダイパッド
１３ ＩＧＢＴ（半導体チップ）
１８ ヒートシンク
１９ 絶縁性樹脂シート
２０ モールド樹脂
２１ モールド金型
２４ 突起
Claims (6)
- ダイパッドを有するリードフレームと、
前記ダイパッド上に搭載された半導体チップと、
前記ダイパッドの前記半導体チップ側とは反対側の面に絶縁性樹脂シートを介して配置されたヒートシンクと、
前記ヒートシンクの前記半導体チップ側とは反対側の面が露出するように、前記半導体チップ、前記ダイパッド、前記絶縁性樹脂シート及び前記ヒートシンクを樹脂封止するクレゾールノボラック型エポキシ樹脂とを備え、
前記ヒートシンクの前記半導体チップ側とは反対側の面の十点平均高さが３〜８μｍであることを特徴とする半導体装置。 - リードフレームのダイパッド上に半導体チップを搭載する工程と、
前記ダイパッドの前記半導体チップ側とは反対側の面に絶縁性樹脂シートを介してヒートシンクを配置する工程と、
前記ヒートシンクの前記半導体チップ側とは反対側の面が露出するように、前記半導体チップ、前記ダイパッド、前記絶縁性樹脂シート及び前記ヒートシンクをモールド金型内でクレゾールノボラック型エポキシ樹脂により樹脂封止するモールド工程とを備え、
前記ヒートシンクとして、前記半導体チップ側とは反対側の面の十点平均高さが３〜８μｍのものを用いることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - リードフレームのダイパッド上に半導体チップを搭載する工程と、
前記ダイパッドの前記半導体チップ側とは反対側の面に絶縁性樹脂シートを介してヒートシンクを配置する工程と、
前記ヒートシンクの前記半導体チップ側とは反対側の面が露出するように、前記半導体チップ、前記ダイパッド、前記絶縁性樹脂シート及び前記ヒートシンクをモールド金型内でクレゾールノボラック型エポキシ樹脂により樹脂封止するモールド工程とを備え、
前記モールド金型として、前記ヒートシンクの前記半導体チップ側とは反対側の面の外周に沿って前記クレゾールノボラック型エポキシ樹脂を堰き止める突起を有するものを用い、
前記ヒートシンクとして、前記半導体チップ側とは反対側の面の十点平均高さが３〜８μｍのものを用いることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記モールド金型として、前記ヒートシンクの前記半導体チップ側とは反対側の面と対向する内面の十点平均高さが３μｍ以下のものを用いることを特徴とする請求項２〜３の何れか１項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記モールド金型から前記半導体装置を取り出した後、前記モールド金型の内面に付着した前記クレゾールノボラック型エポキシ樹脂を清掃機械により自動除去することを特徴とする請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記モールド工程に先立って前記モールド金型内を真空排気することを特徴とする請求項２〜５の何れか１項に記載の半導体装置の製造方法。
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