JP4749181B2 - 半導体装置とその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は半導体装置とその製造に関し、特に双方向型の面実装型半導体装置に係る技術である。

従来、双方向型の面実装型半導体装置およびその製造方法としては以下に述べるのものがある。これは、第一のリードフレームと第二のリードフレームを相互に離間させて配置し、第一のリードフレームと第二のリードフレームを橋絡する状態に半導体素子を載置するものである。

半導体素子は半導体基板の一方面に第一、第二の半導体領域を相互に離れて形成した双方向性半導体素子であり、半導体素子が第一の半導体領域で第一のリードフレームに接続するとともに、第二の半導体領域で第一のリードフレームから独立した第二のリードフレームに接続する。

そして、双方のリードフレームの一部を除いて半導体素子と第一のリードフレームおよび第二のリードフレームの全体を樹脂で封止して一体化することにより、双方向性の半導体素子を絶縁性物質によってモールドした面実装型半導体装置を形成する。

また、この種の半導体装置には、例えば、特許文献１に開示するものがある。これは、図５および図６に示すようなものである。図５および図６において、半導体素子１０１は、Ｎ導電型をなす単一の半導体基板の一方面にＰ導電型をなす二つの半導体領域を有し、二つの半導体領域は通常のプレーナー型で互いに離れて形成されている。

Ｐ導電型をなす二つの半導体領域は、それぞれがＮ導電型の半導体基板に対してガードリング構造を持ったＰＮ接合を形成しており、二つのＰＮ接合は半導体基板を通して逆向きに直列接続される。

二つの半導体領域はそれぞれにオーミックコンタクトが形成されており、半導体素子１０１は同一構造をなす第一と第二のリードフレーム１０３を橋絡して双方のリードフレーム１０３の上に載置し、二つの半導体領域は比較的厚いハンダ層１０２によってそれぞれ第一と第二のリードフレーム１０３に接続されている。

更に図中において鎖線で示すように、リードフレーム１０３の一部を除いて半導体素子１０１およびリードフレーム１０３の全体を絶縁樹脂により封止して樹脂モールド部１０４を形成しており、モールド部１０４から露出する第一と第二のリードフレーム１０３の一部をモールド部１０４の実装面側へ延在させて折り曲げられている。

この双方向性の半導体装置においては、印加する電圧がいずれの極性の電圧であるにせよ、ＰＮ接合の逆耐圧を超える電圧が印加されると、ＰＮ接合がアバランシェ又はツェナー現象を起こして、第一と第二のリードフレーム１０３の電圧を一定値以下に制限する。
特開平７−２５４６２０号公報

しかしながら上述した従来の構成では、半導体素子１０１をパッケージの構造寸法に合わせるために、半導体素子１０１は一方の主面にのみ電極構造を有する片面電極型の半導体素子に形成する必要があり、利用可能な半導体素子が限られることで半導体素子の調達における汎用性が低くなる。

また、半導体素子１０１が片面電極型の半導体素子であると、そのサブストレートが有する抵抗成分は第一と第二のリードフレーム１０３を橋絡する距離によって影響が強められて高い直列抵抗を有する。このため、双方向性半導体素子のサージ保護特性や高周波特性、放熱特性等を劣化させる事が予想される。

また、従来の構造では半導体素子１０１をリードフレーム１０３の上へフリップチップ搭載し、それらを封止して樹脂モールド部１０４を形成するので、モールド部１０４から露出する第一と第二のリードフレーム１０３には、モールド部１０４の実装面側へ延在させるための寸法領域が必要となる。この構造のために、パッケージの外形寸法を小さくするには限界があり、さらなるパッケージの小型化を実現するのは難しいという課題を有していた。

本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、利用可能な半導体素子が限られた形態のものにならず、調達する半導体素子の汎用性を高めることができ、半導体素子のサブストレートが有する抵抗成分の影響を受けることがなく、サージ保護特性や放熱特性の向上が可能で、更なる小型化が可能な半導体装置とその製造方法を提供することを目的とする。

上記従来の課題を解決するために、本発明の半導体装置は、双方向型の面実装型半導体装置であって、複数の両面電極型の半導体素子を金属板上に相互に離間して搭載し、前記両面電極型の半導体素子および前記金属板を封止用樹脂により被覆してなり、全ての前記両面電極型の半導体素子は第一主面が接合用電極をなして前記金属板を介して直列接続され、前記第一主面と相反する第二主面が外部電極として封止用樹脂の外部に露出することを特徴とする。

また、前記第一主面が接合用電極としての突起電極をなし、前記第二主面が外部電極としての金属層をなしても良い。
本発明の半導体装置の製造方法は、複数の半導体素子を形成した半導体ウェハの第一主面に、各半導体素子に対応させて突起電極を形成し、前記第一主面と相反する第二主面に金属層を形成する電極形成工程と、前記半導体ウェハをダイシングして個々の半導体素子ごとに個片化するダイシング工程と、リードフレームのダイパッドをなす金属板の所定の位置に個片化した前記半導体素子の複数個を突起電極で直列に接合するボンディング工程と、前記金属層を外部に露出させて前記金属板および前記半導体素子を封止用樹脂でモールドするモールド工程と、前記リードフレームをカットして個々の半導体装置に個片化するカット工程とを含むことを特徴とする双方向型の半導体装置の製造方法である。

また、前記モールド工程において、前記リードフレームに接合した前記半導体素子の前記金属層の面に粘着シートを接着固定して後に、前記リードフレーム全体を一括して前記封止用樹脂でモールドし、前記カット工程において、前記半導体装置の外形寸法に合わせて前記封止用樹脂および前記リードフレームをダイシングして個々の半導体装置に個片化しても良い。

上記した構成により、汎用性が高い両面電極型の半導体素子を用いることで、従来のようにパッケージ構造の寸法が異なるタイプ毎にその寸法に合致する片面電極型の半導体素子を準備する必要がなくなり、調達する半導体素子の汎用性および双方向型の面実装型半導体装置の製造における汎用性を高めることができる。

また、従来のように単体として双方向性を備える片面電極型の半導体素子であると、そのサブストレートが有する抵抗成分が高い直列抵抗を有し、サージ保護特性や高周波特性、放熱特性等を劣化させることがあるが、個別独立した複数の両面電極型の半導体素子によって構成することにより、半導体素子のサブストレートが有する抵抗成分による電気特性への影響が生じない。

また、半導体素子の第二主面の金属層を直接的に実装用の外部電極とすることにより、パケージの実装面側にリード端子等の別途の構成部材からなる実装用端子を必要としないのでパッケージの更なる小型化が可能である。

以上のように、本発明の半導体装置およびその製造方法によれば、製造における汎用性が高くなり、半導体素子のサブストレートが有する抵抗成分による電気特性への影響が生じず、更なる小型化が可能なものとなる。

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は本発明の実施の形態における半導体装置の斜視図であり、図２は図１におけるＸ−Ｘ’線に沿った断面図である。

図１および図２において、半導体装置６は個別独立した複数の両面電極型の半導体素子３を内包してなる双方向型の面実装型半導体装置である。各半導体素子３は第一主面に接合用電極として突起電極１を備え、第一主面と相反する第二主面に実装用の外部電極となる金属層２を備えている。

両面電極型の半導体素子３はその一対が金属板４の上に相互に離間して搭載されており、各半導体素子３は第一主面の突起電極１で金属板４に接続している。封止用樹脂５は半導体素子３および第一主面の突起電極１と金属板４を被覆しており、第２主面の金属層２が封止用樹脂５から露出している。

ここで、突起電極１は銅又は金あるいはそれらを含む合金から成り、金属層２は金、クロム、ニッケル、銀、半田、等を含む単層または複数の層から成る。
また、本実施形態においては、一対の半導体素子３を内包する構成として説明したが、これに限定するものではなく、２以上の複数の半導体素子３を含む構成とすることが可能である。

上記した構成によれば、汎用性が高い両面電極型の半導体素子３を用いることで、従来のようにパッケージ構造の寸法が異なるタイプ毎にその寸法に合致する片面電極型の半導体素子を準備する必要がなくなり、調達する半導体素子の汎用性および双方向型の面実装型半導体装置の製造における汎用性を高めることができる。

また、従来のように単体として双方向性を備える片面電極型の半導体素子であると、そのサブストレートが有する抵抗成分が高い直列抵抗を有し、サージ保護特性や高周波特性、放熱特性等を劣化させることがあるが、個別独立した複数の両面電極型の半導体素子３によって構成することにより、半導体素子のサブストレートが有する抵抗成分による電気特性への影響が生じない。

また、半導体素子３の第二主面の金属層２を直接的に実装用の外部電極とすることにより、パケージの実装面側にリード端子等の別途の構成部材からなる実装用端子を必要としないのでパッケージの更なる小型化が可能である。

上述した半導体装置の製造方法を以下に説明する。図３および図４は、本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法の行程フローを示す斜視図及び断面図である。図１および図２におけるものと同じ構成要素については同一符号を用いてその説明を省略する。

図３（ａ）において、半導体ウェハ７は第一主面７ａの側に複数の半導体素子３を形成したものである。図３（ｂ）に示す電極形成工程では、複数の半導体素子３を形成した半導体ウェハの第一主面７ａに各半導体素子３に対応させて突起電極１を形成し、第一主面７ａと相反する第二主面７ｂに金属層２を形成する。

突起電極１は金、銅、もしくはこれらを含む合金から成り、電解めっき法やワイヤーボンディングを利用したスタッドバンプ等で形成する。金属層２は金、クロム、ニッケル、銀、半田、等を含む単層または複数の層から成り、蒸着法等で形成する。

ここで、完成後の半導体装置の寸法が１．０ｍｍ×０．６ｍｍ、厚さ０．３９ｍｍ程度であれば、突起電極１の厚みは０．０３ｍｍ程度で、その直径は０．１５ｍｍ程度が望ましい。

図３（ｃ）に示すダイシング工程では、電極形成工程後の半導体ウェハ７をダイシングして個々の半導体素子３ごとに個片化する。この個片化された半導体素子３は第一主面に突起電極１からなる接合用電極を備え、第二主面に金属層２からなる外部電極を備えた両面電極型の半導体素子となっている。

図３（ｄ）、（ｅ）に示すボンディング工程では、ダイシング工程で個片化した半導体素子３の複数個（本実施の形態では二つの半導体素子３）をリードフレーム８のダイパッドをなす金属板４の所定の位置に突起電極１で接合（ボンディング）する。ダイパッドをなす金属板４はリードフレーム８にボンディングされる半導体素子３の寸法に合わせて形成する。

ここで、完成後の半導体装置の寸法が１．０ｍｍ×０．６ｍｍ、厚さ０．３９ｍｍ程度であれば、半導体素子３の外形寸法は０．２６ｍｍ角程度で、厚みは０．１２ｍｍ程度であり、これらの半導体素子３を２個搭載するためには金属板４（ダイパッド）の寸法は０．４６×０．９２ｍｍ程度が望ましい。また、突起電極１を金で形成した場合には、超音波熱圧着法を用いてボンディングすると良い。

図４（ａ）、（ｂ）に示すモールド工程では、ボンディング工程後のリードフレーム８に接合された半導体素子３および突起電極１と金属板４を被覆して封止用樹脂５を樹脂モールドする。

封止用樹脂５のモールドは上型と下型の割り金型を用いてプランジャー方式によって行う。この時、半導体素子３の第二主面の金属層２が外部に露出するようにモールドする必要があり、金属層２と金型が接触する面に樹脂（フッ化エチレン樹脂）シート等の耐熱シートを配置し、封止用樹脂５が金属層２の部分へ回り込むことを防ぐ。

この樹脂モールド時に露出させる金属層２の高さ寸法は、完成する半導体装置の寸法が１．０ｍｍ×０．６ｍｍ、厚さ０．３９ｍｍ程度であれば０．０１〜０．０３ｍｍ程度で良く、耐熱シートの厚みは、０．７５〜０．１ｍｍ程度が望ましい。また、樹脂モールドによって金属層２の露出部分に樹脂バリ等が発生する場合には、ブラスト等による薄バリ除去工程を入れる。

図４（ｃ）、（ｄ）に示すカット工程では、モールド工程で成型された封止用樹脂５から露出するリードフレーム８をカット用金型等を用いて切断し、個々の半導体装置６に個片化する。

また、他の方法として、モールド工程において、リードフレーム８に半導体素子３を搭載した状態で半導体素子３の金属層２の側を下向きにし、金属層２の面に粘着シートを接着固定し、リードフレーム８の全体を一括して樹脂モールド成型した後に、カット工程において、双方向型の半導体装置６の外形寸法に合わせて、封止用樹脂５とリードフレーム８をダイシングして個片化することにより双方向型の半導体装置６を形成することも可能である。

上述したように、従来のように片側電極型の半導体素子を形成することなく、従来の半導体素子と同様で汎用性が高い両面電極型の半導体素子を用いて双方向型の半導体装置を形成することが可能となるので、半導体装置の製造における汎用性が高くなる。

本発明は両面電極型の半導体素子を用いた半導体装置として有用であり、特に小型化・薄型化が要求されるサージ保護素子等の双方向型の半導体装置に適している。

本発明の実施の形態における半導体装置を示す斜視図 同実施の形態における半導体装置の断面図 同実施の形態における半導体装置の製造工程図 同実施の形態における半導体装置の製造工程図 従来の半導体装置を示す上面透視図 従来の半導体装置を示す側面透視図

符号の説明

１ 突起電極
２ 金属層
３ 半導体素子
４ 金属板（ダイパッド）
５ 封止用樹脂
６ 双方向型半導体装置
７ 半導体ウェハ
７ａ 第一主面
７ｂ 第二主面
８ リードフレーム
１０１ 半導体素子
１０２ ハンダ層
１０３ リードフレーム
１０４ 樹脂モールド部

Claims (4)

1. 双方向型の面実装型半導体装置であって、複数の両面電極型の半導体素子を金属板上に相互に離間して搭載し、前記両面電極型の半導体素子および前記金属板を封止用樹脂により被覆してなり、全ての前記両面電極型の半導体素子は第一主面が接合用電極をなして前記金属板を介して直列接続され、前記第一主面と相反する第二主面が外部電極として封止用樹脂の外部に露出することを特徴とする半導体装置。
2. 前記第一主面が接合用電極としての突起電極をなし、前記第二主面が外部電極としての金属層をなすことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 複数の半導体素子を形成した半導体ウェハの第一主面に、各半導体素子に対応させて突起電極を形成し、前記第一主面と相反する第二主面に金属層を形成する電極形成工程と、前記半導体ウェハをダイシングして個々の半導体素子ごとに個片化するダイシング工程と、リードフレームのダイパッドをなす金属板の所定の位置に個片化した前記半導体素子の複数個を突起電極で直列に接合するボンディング工程と、前記金属層を外部に露出させて前記金属板および前記半導体素子を封止用樹脂でモールドするモールド工程と、前記リードフレームをカットして個々の半導体装置に個片化するカット工程とを含むことを特徴とする双方向型の半導体装置の製造方法。
4. 前記モールド工程において、前記リードフレームに接合した前記半導体素子の前記金属層の面に粘着シートを接着固定して後に、前記リードフレーム全体を一括して前記封止用樹脂でモールドし、前記カット工程において、前記半導体装置の外形寸法に合わせて前記封止用樹脂および前記リードフレームをダイシングして個々の半導体装置に個片化することを特徴とする請求項３に記載の双方向型の半導体装置の製造方法。

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