JP5132407B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は半導体装置に関し、特に、電源回路等を構成するスイッチング素子と制御素子とが内蔵された回路装置に関する。
電源回路等を構成するスイッチング素子と制御素子とを1つのパッケージに樹脂封止した半導体装置が開発されている(例えば特許文献1参照)。
図8を参照して、この種の半導体装置100の構成を説明する。半導体装置100は、スイッチング素子103と、制御素子104と、スイッチング素子103が実装されるアイランド101と、制御素子104が実装されるアイランド102と、制御素子104またはスイッチング素子103と接続されて外部に導出するリード106と、これらを一体的に封止する封止樹脂107とを主要に備えている。
スイッチング素子103は、例えばディスクリートのMOSFETであり、裏面のドレイン電極がアイランド101に接続され、表面のゲート電極が制御素子104と接続され、表面のソース電極が金属細線105を介してリード106Dに接続されている。一方、LSIから成る制御素子104は、表面に多数個の電極が設けられ、金属細線105を経由してスイッチング素子103やリード106A、106Bと接続される。
また、封止樹脂107の側面からは、リード106A〜106Eが導出しており、これらのリードを実装基板に挿入することにより、半導体装置100は差込実装される。
スイッチング素子103の裏面は数百Vの高電圧が印加される一方、制御素子104の裏面は周囲と絶縁される必要がある。従って、スイッチング素子103と制御素子104とを、導電性接着材を用いて同一のランドに固着すると、裏面に高電位が印加された制御素子104が誤動作してしまう恐れがある。
この誤作動を防止するために、半導体装置100では、スイッチング素子103が実装されるアイランド101と、制御素子104が実装されるアイランド102とを分離して形成している。この様にすることで、スイッチング素子103に印加される電圧が制御素子に与える悪影響が排除される。
特開2001−320009号公報
しかしながら、上記した構成の半導体装置100では、スイッチング素子103と制御素子104とを電気的に分離するために、2つのアイランド101、102を設けていたので、エッチングやパンチングにより複雑な形状のアイランドを加工する必要があり、製造コストが高くなる問題があった。
更に、アイランド101、102およびリード106の形状が複雑になると、個々のアイランドの機械的強度が低下してしまい、半導体装置を製造する工程の途中段階にて、アイランドが変形して歩溜まりが低下してしまう問題があった。
また、この問題を解決するために、1つのアイランドにスイッチング素子103および制御素子104を実装し、スイッチング素子103を導電性固着材で実装し、制御素子104を絶縁性接着材にて実装すると、両素子を絶縁させることは可能となる。しかしながら、半導体素子104の固着に用いる接着剤として接着シートを使用すると、薄い接着シートの耐圧が十分で無く絶縁が確保されない問題があった。また、エポキシ樹脂等の絶縁性固着材を使用して制御素子104を実装すると、制御素子104が傾斜して実装されてしまい、結果的に制御素子104の絶縁が確保されない問題があった。
本発明は、上述した問題を鑑みて成されたものである。本発明の主な目的は、1つのランドにスイッチング素子と制御素子とが絶縁した状態で実装される半導体装置を提供することにある。
本発明の半導体装置は、裏面に主電極を備えるスイッチング素子と、前記スイッチング素子を制御する制御素子とを備え、前記スイッチング素子と前記制御素子とは同一のアイランドに実装され、前記スイッチング素子は導電性固着材を介して前記アイランドに実装され、前記制御素子は、裏面に貼着された絶縁シートおよび絶縁性固着材を介して、前記アイランドに実装され、前記制御素子は過熱保護部を備え、前記制御素子は前記アイランドを経由して前記スイッチング素子から熱エネルギーが伝導することで加熱され、前記過熱保護部で検出された前記制御素子の温度が所定以上の時は、前記制御素子から前記スイッチング素子への制御信号の供給を遮断し、前記絶縁性固着材はフィラーを含む樹脂材料から成り、前記絶縁シートはフィラーを含まない樹脂材料から成ることを特徴とする。

本発明の半導体装置によれば、制御素子の裏面に貼着された絶縁シートと、アイランドの上面に塗布された絶縁性固着材を介して、制御素子がアイランドに固着される。従って、絶縁シートにより制御素子の裏面とアイランドの上面とが所定以上に離間されると共に、絶縁性接着材により、制御素子の側面とアイランドとの沿面距離が所定以上に確保される。従って、裏面の電極に高電位が印加されるスイッチング素子と制御素子とを、同一のアイランドに実装しても、制御素子がアイランドと絶縁されているので、制御素子の誤作動が防止される。
図1を参照して、本実施の形態に係る半導体装置10の構成を説明する。図1(A)は半導体装置10を示す平面図であり、図1(B)は図(A)のB−B’線に於ける断面図であり、図1(C)は図1(A)に示す半導体装置をリード14側から見た平面図である。
図1(A)を参照して、半導体装置10は、アイランド12と、アイランド12の上面に実装されたスイッチング素子18および制御素子20と、外部接続端子として機能するリード14と、これらを一体的に被覆して機械的に支持する封止樹脂16とを主要に備えた構成となっている。
アイランド12は、厚みが0.4mm程度の銅等の金属から成る導電箔を、エッチング加工やパンチング加工により所定形状に成形したものである。アイランド12は、例えば縦×横=12.0mm×7.0mm程度の矩形であり、紙面上における上側の側辺を半円形に切り欠いた形状となっている。アイランド12の紙面上に於ける下側の側辺の中央部からは、外部に連続してリード14Cが延在している。
リード14は、内蔵されたスイッチング素子18または制御素子20と電気的に接続され、一部が外部に露出して外部接続端子として機能している。また、複数あるリード14の一部は、曲折加工が施されている。即ち、図1(A)、図1(B)および図1(C)を参照して、リード14A、14C、14Eに対しては折り曲げ加工が施されており、リード14B、14Dに対しては曲折加工が施されていない。従って、リード14A、14C、14Eは、曲折加工により中間部に傾斜部が設けられることで、外部に導出する方の端部が、リード14B、14Dよりも上段に位置している。この様にすることにより、リード同士が離間する沿面距離が所定以上に確保され、ショートが防止される。更に、半導体装置10が実装基板等に実装される際には、リード14の先端部を実装基板に設けた孔に挿入することにより差込実装される。
スイッチング素子18としては、裏面に主電極を備えた半導体素子であり、具体的には、MOSFET(Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)、バイポーラトランジスタ、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)が採用される。スイッチング素子18としてMOSFETが採用された場合は、裏面にドレイン電極が形成され、バイポーラトランジスタが採用された場合は裏面にコレクタ電極が形成される。更に、本実施の形態では、例えば電源回路が半導体装置10に内蔵されるので、スイッチング素子18としては、例えば1A以上の大電流のスイッチングを行うパワー系の半導体素子(パワー素子)が採用される。本実施の形態では、一例として、MOSFETがスイッチング素子18として採用され、下面のドレイン電極が導電性接着材を介してアイランド12の上面に接続され、上面のゲート電極は金属細線21を経由して制御素子20と接続され、上面のソース電極は複数の金属細線21を経由してリード14Aと接続される。そして、制御素子20から供給される制御信号に基づいて、スイッチング素子18はスイッチング動作を行う。
制御素子20は、スイッチング素子18のスイッチングを制御する回路が表面に形成されたLSIである。制御素子20は、後述するように絶縁シートおよび絶縁性接着材を介してアイランド12に絶縁された状態で固着され、上面の電極は金属細線21を経由してリード14やスイッチング素子18と接続されている。具体的には、制御素子20は、スイッチング素子18、リード14A、14B、14D、14Eと、金属細線21を経由して接続されている。また、制御素子20は、リード14が整列する方向に対して、スイッチング素子18よりもアイランド12の中央部に配置されている。即ち、リード14が整列する紙面上の横方向に対して、スイッチング素子18はアイランド12の左端付近に配置され、制御素子20は中央部付近に配置されている。この様にすることで、金属細線21による制御素子20とリード14A等との接続が容易になる利点がある。即ち、金属細線21を互いに交差させずに形成することができる。
更に、制御素子20には、一定以上の温度を検知したときにスイッチング素子18を強制的にオフ状態とする過熱保護回路が内蔵されている。従って、この様な過熱保護回路を備えたアイランド12を、アイランド12の中央部に配置することにより、アイランド12の温度を精度良く検出することが可能となる。
封止樹脂16は、リード14の一部、アイランド12、スイッチング素子18、制御素子20、金属細線21を一体的に被覆して全体を機械的に支持する機能を有する。封止樹脂16の材料としては、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂や、アクリル樹脂等の熱可塑性樹脂が採用される。また、封止樹脂16には、放熱性を向上させるために、粒状のシリカやアルミナ等のフィラーが混入された樹脂材料から成る。更に、封止樹脂16を厚み方向に貫通して貫通孔22が設けられている。この貫通孔22は、半導体装置10をヒートシンク等に取り付ける際にネジ止め用の孔として用いられる。
図2を参照して、制御素子20がアイランド12に実装される構造を説明する。図2(A)はスイッチング素子18および制御素子20が実装される構造を示す断面図であり、図2(B)および図2(C)は制御素子20が実装される構造を拡大して示す断面図である。
図2(A)を参照して、上記したように、アイランド12の上面には、スイッチング素子18と制御素子20とが実装されており、スイッチング素子18はロウ材24を介して実装され、制御素子20は絶縁シート26および絶縁性固着材28を介して実装されている。上記したように、裏面に主電極を備えたスイッチング素子18は、導電性固着材であるロウ材24や導電性ペーストを介して実装される必要がある。
一方、図2(B)を参照して、裏面が電極として用いられない制御素子20は、裏面に貼着された絶縁シート26と、アイランド12の上面に塗布された絶縁性固着材28を介して実装されている。換言すると、制御素子20の固着に用いられる固着材は、絶縁シート26と絶縁性固着材28とから成る多層構造である。
絶縁シート26は、半導体ウェハをダイシングして制御素子20として分離する際に、半導体ウェハと共にダイシングされる樹脂製のシートであり、ダイアッタチシートとも称されている。絶縁シート26は、厚さT1が20μm〜50μm程度のエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂からなり、基本的にはフィラーが混入されていない。また、絶縁シート26の平面的な大きさは制御素子20と同等であり、制御素子20の側面と絶縁シート26の側面とは同一平面上に位置している。
絶縁性固着材28は、絶縁性を備えた樹脂材料から成り、絶縁シート26の下面とアイランド12の上面との間に位置し、両者を接着させる機能を有する。絶縁性固着材28は、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂からなり、放熱性を向上させるために粒状のフィラーが混入されている。また、絶縁性固着材28の厚みT2は、例えば20μm以上30μm未満である。また、絶縁性固着材28の側辺は、アイランド12側に向かって幅が広くなる裾広がりな形状となっている。このことにより、絶縁性固着材28の側面の沿面距離が長くなり、制御素子20とアイランド12とのショートを防止できる効果が大きくなる。更に、絶縁性固着材28は、絶縁シート26の側面だけではなく、制御素子20の側面も被覆しており、このことも制御素子20の絶縁に寄与している。
上記のように、絶縁シート26と絶縁性固着材28とを組みあわせて制御素子20を実装することにより、制御素子20を絶縁した状態でアイランド12の上面に実装することができる。具体的には、絶縁シート26のみを使用して制御素子20を実装することも可能である。しかしながら、絶縁シート26の厚みは20μm程度であり極めて薄いので、絶縁シート26の側面を経由して電流が流れてしまい結果的に制御素子20がアイランド12とショートしてしまう恐れがある。また、絶縁シート26を使用せずに絶縁性固着材28のみを使用して制御素子20を固着する方法もある。しかしながら、この方法であると、固着時の絶縁性固着材28は液状であるので、絶縁性固着材28の上部に載置された制御素子20が傾いてしまい、結果的に制御素子20の端部がアイランド12に接触してショートが発生する恐れもある。
そこで、本実施形態では、絶縁性固着材28をアイランド12の上面に塗布し、裏面に絶縁シート26が貼着された制御素子20を絶縁性固着材28の上部に載置している。この様にすることで、制御素子20とアイランドとを確実に絶縁させることができる。具体的には、制御素子20の裏面に絶縁シート26を貼着することで、図2(C)に示すように、制御素子20が傾斜して実装されても、絶縁シート26がアイランド12の上面に接触することにより、制御素子20の下端がアイランド12に接触することが防止される。更に、絶縁性固着材28の側面が裾広がりの形状で有ることにより、制御素子20とアイランド12との沿面距離が長く確保される。このことにより、制御素子20とアイランド12とのショートが防止される。
更に、絶縁性固着材28はフィラーが混入されることで熱伝導性が向上されている。従って、スイッチング素子18から発生した熱エネルギーは、アイランド12、絶縁性固着材28および絶縁シート26を伝導して、制御素子20の過熱保護部により監視されるが、熱の伝導が容易になり正確に過熱を検出できる利点がある。
図3の回路ブロック図を参照して、次に、半導体装置10に内蔵される回路の構成を説明する。半導体装置10には、例えば、入力された直流電圧の電圧を変換するDC−DCコンバータが構成される。
概略的には、半導体装置10では、出力される電圧が所定の値となるように、スイッチング素子18のスイッチングが制御素子20により制御されている。
具体的には、先ず、出力電圧が分圧部48にフィードバックされて分圧される。そして、オペアンプ46では、分圧部48により分圧された電圧と、基準電圧部42により生成された基準電圧との差に基づく信号が出力される。オペアンプ46により出力された信号は、コンパレータ44にて発振部38から発振された発振信号と比較され、この比較により得られた制御信号は、ドライバ部36を経由してスイッチング素子18の制御電極(MOSFETの場合はゲート電極)に印加される。そして、スイッチング素子18は、ドライバ部36から供給された制御信号に基づいてスイッチングを行う。このことにより半導体装置10からは所定のパルス幅の電圧が出力される。また、半導体装置10の外部には、不図示の平滑回路が設けられる。
更に、制御素子20には、動作を安定化させるために、電圧保護部30、過熱保護部34および過電流保護部32が設けられている。電圧保護部30は、制御素子20に入力される電圧が所定の値よりも低いときに、ドライバ部36からスイッチング素子18への制御信号の供給を遮断して、スイッチング素子18をオフ状態とする。過熱保護部34では、検出された制御素子20の温度が所定の温度(例えば165℃)以上となったときに、電圧保護部30と同様にスイッチング素子18を強制的にオフ状態とする。具体的には、過熱保護部34では、抵抗の温度特性、ダイオードの温度特性またはバイポーラトランジスタの温度特性を使用して、温度を測定している。また、過電流保護部32では、スイッチング素子18に設けた検出用のMOSFET素子を通過する電流が所定の値以上となったときに、強制的にスイッチング素子18をオフ状態とする。
また、ソフトスタート部40は、回路の立ち上がり時に過電圧と成らないように、オペアンプ46およびコンパレータ44を制御している回路である。
本実施の形態では、上記したように、スイッチング素子18と制御素子20とを同一のアイランドに実装している。従って、スイッチング素子18が過熱状態となったら、スイッチング素子18から発生した熱エネルギーがアイランドを経由して直ちに制御素子20に伝導して制御素子の温度が上昇する。そして、加熱された制御素子20の温度が一定以上となり過熱と成ったら、この過熱を過熱保護部34にて検出して、直ちにスイッチング素子18をオフ状態にすることができる。従って、過熱による半導体装置10の破損が防止される。
図4から図7を参照して、上記した構成の半導体装置の製造方法を説明する。
先ず、図4を参照して、所定形状のリードフレーム50を用意する。図4(A)はリードフレーム50全体を示す平面図であり、図4(B)はリードフレーム50に含まれるユニット54を示す斜視図である。
図4(A)を参照して、リードフレーム50の外形は短冊形状であり、枠状の外枠52の内部に複数個のユニット54が形成されている。ここでユニットとは、1つの半導体装置を構成する要素単位のことである。図では、額縁状の外枠52と連結された7個のユニット54が示されているが、外枠52の内部にマトリックス状に多数個のユニット54が設けられても良い。ここで、以下の各工程は、リードフレーム50の各ユニット54に対して一括して行われる。
図4(B)を参照して、1つのユニット54は、1つのアイランド12と、アイランド12に一端が接近する複数のリード14とから成る。アイランド12は、上面に半導体素子が載置可能な大きさであり、一側辺からはリード14Cが一体的に延在して、外枠52と連続している。即ち、リード14Cは、アイランド12を外枠52に固定する為の吊りリードとして機能している。リード14A、14B、14D、14Eは、一端がアイランド12に接近して他端は外枠52に連結されている。
図5を参照して、次に、アイランド12の上面にスイッチング素子18および制御素子20を固着する。ここでは、スイッチング素子18がアイランド12と導通した状態で実装され、制御素子20はアイランド12と絶縁された状態で実装される。
図5(A)を参照して、先ず、スイッチング素子18を導電性固着材であるロウ材24を介してアイランド12の上面に実装する。具体的には、半田クリームをアイランド12の上面に塗布した後に、半田クリームの上部にスイッチング素子18を載置し、加熱温度が350℃程度のリフロー工程にて半田クリームを溶融させることで、ロウ材24による実装を行う。ロウ材24を介して、例えばドレイン電極であるスイッチング素子18の裏面電極がアイランド12に接続される。
図5(B)を参照して、次に、制御素子20を絶縁された状態でアイランド12の上面に実装する。制御素子20は所定の回路が上面に組み込まれたLSIであり、裏面には絶縁シート26が貼着されている。この絶縁シート26は、半導体ウェハから制御素子20をダイシングする際に、半導体ウェハの裏面に貼着されて同時に切断されたものである。絶縁性固着材28は、例えば、フィラーが混入されたエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂からなり、液状または半固形状の状態でアイランド12の上面に塗布される。制御素子20は、絶縁性固着材28の上面に載置される。
図5(C)を参照して、例えば150℃程度に加熱することにより、熱硬化性樹脂から成る絶縁シート26と絶縁性固着材28とを加熱硬化して、制御素子20をアイランド12の上面に固着する。制御素子20の裏面には、絶縁シート26および絶縁性固着材28により十分にアイランド12と離間されている。更に、絶縁性固着材28の側面は裾広がりの形状と成っているので、この側面の沿面距離が長くなり、絶縁性固着材28の界面の絶縁性も確保されている。
図6を参照して、次に、アイランド12に固着された各素子の電気的接続を行う。図6(A)は本工程を示す平面図であり、図6(B)は1つのユニット54を拡大した断面図である。
本工程では、直径が50μm程度の金等から成る金属細線21を用いて、制御素子20およびスイッチング素子18の電気的接続を行う。制御素子20の上面に設けられた電極は、リード14A、14B、14D、14Eと、金属細線21を経由して接続される。また、スイッチング素子18の上面に設けられたソース電極は、複数の金属細線21を介して、リード14Eと接続される。更に、スイッチング素子18のゲート電極は、金属細線21により制御素子20の電極と接続される。
本実施形態では、上面に多数の電極が設けられた制御素子20が、アイランド12の中央部に実装されているため、端部に配置されたリード14A、14Eと制御素子20とを、金属細線を経由して容易に接続することができる。
図7を参照して、次に、制御素子20等が被覆されるように樹脂封止を行う。図7(A)は本工程を示す断面図であり、図7(B)は本工程を経たリードフレーム50を示す平面図である。
図7(A)を参照して、本工程では、モールド金型56を用いて樹脂封止を行う。このモールド金型56は、上金型58と下金型60とから成り、両者を当接させることで、封止樹脂が注入されるキャビティ62が形成される。樹脂封止の方法としては、熱硬化性樹脂を用いるトランスファーモールドを採用することができる。
具体的な封止方法は、先ず、制御素子20およびスイッチング素子18が上面に実装されたアイランド12を、キャビティ62に収納させる。このとき、封止圧によりアイランド12が曲折することを防止するために、アイランド12の先端部付近は、押圧部64、66により押圧されて厚み方向に固定されている。押圧部64は、上金型58に備えられた可動式のピンであり、下端がアイランド12の上面に接触している。押圧部66は、下金型60に設けられた可動式のピンであり、上端がアイランド12の下面に接触している。次に、モールド金型56に設けたゲート(不図示)からキャビティ62の内部に封止樹脂を注入して、アイランド12、制御素子20およびリード14Cを樹脂封止する。更に本工程では、キャビティ62に注入された封止樹脂が硬化する途中段階で押圧部64、66を引き抜いているので、アイランド12の上面および下面は封止樹脂により覆われ外部には露出しない。
図7(B)に樹脂封止が終了した後のリードフレーム50を示す。ここでは、リードフレーム50に設けられた各ユニット54が一括して同時に樹脂封止される。
本工程が終了した後は、打ち抜き加工を行うことでリードフレーム50から各ユニット54を分離し、分離された半導体装置を、例えば実装基板上に実装する。また、外部に露出するリードの酸化を防止するために、リードの表面を半田メッキ等のメッキ膜により被覆する。
以上の工程により、図1に構造を示す半導体装置10が製造される。
本発明の半導体装置を示す図であり、(A)は平面図であり、(B)は断面図であり、(C)は側面図である。 本発明の半導体装置を示す図であり、(A)は断面図であり、(B)及び(C)は拡大された断面図である。 本発明の半導体装置に備えられる回路の一例を示す回路図である。 本発明の半導体装置の製造方法を示す図であり、(A)は平面図であり、(B)は平面図である。 本発明の半導体装置の製造方法を示す図であり、(A)−(C)は断面図である。 本発明の半導体装置の製造方法を示す図であり、(A)は平面図であり、(B)は平面図である。 本発明の半導体装置の製造方法を示す図であり、(A)は断面図であり、(B)は平面図である。 背景技術の半導体装置を示す平面図である。
符号の説明
10 半導体装置
12 アイランド
14,14A,14B,14C,14D,14E リード
16 封止樹脂
18 スイッチング素子
20 制御素子
21 金属細線
22 貫通孔
24 ロウ材
26 絶縁シート
28 絶縁性固着材
30 電圧保護部
32 過電流保護部
34 過熱保護部
36 ドライバ部
38 発振部
40 ソフトスタート部
42 基準電圧部
44 コンパレータ
46 オペアンプ
48 分圧部
50 リードフレーム
52 外枠
54 ユニット
56 モールド金型
58 上金型
60 下金型
62 キャビティ
64 押圧部
66 押圧部

Claims (4)

  1. 裏面に主電極を備えるスイッチング素子と、前記スイッチング素子を制御する制御素子とを備え、
    前記スイッチング素子と前記制御素子とは同一のアイランドに実装され、
    前記スイッチング素子は導電性固着材を介して前記アイランドに実装され、
    前記制御素子は、裏面に貼着された絶縁シートおよび絶縁性固着材を介して、前記アイランドに実装され、
    前記制御素子は過熱保護部を備え、前記制御素子は前記アイランドを経由して前記スイッチング素子から熱エネルギーが伝導することで加熱され、前記過熱保護部で検出された前記制御素子の温度が所定以上の時は、前記制御素子から前記スイッチング素子への制御信号の供給を遮断し、
    前記絶縁性固着材はフィラーを含む樹脂材料から成り、前記絶縁シートはフィラーを含まない樹脂材料から成ることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記絶縁性固着材は裾広がりの断面形状を備えることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記制御素子の側面は前記絶縁性固着材により被覆されることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体装置。
  4. 前記スイッチング素子または前記制御素子と接続されて外部に突出する複数のリードを備え、
    前記制御素子は、前記リードが整列する方向に対して前記スイッチング素子よりも前記アイランドの中央部付近に実装されることを特徴とする請求項1から請求項3の何れかに記載の半導体装置。
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