JP5233339B2 - 半導体装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置及び半導体装置の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は半導体装置及び半導体装置の製造方法に関し、特に複数の半導体素子を搭載したマルチチップモジュール型の半導体装置、及びそのような半導体装置の製造方法に関する。
薄型テレビや携帯電話の小型・軽量化を実現させている要素技術の一つとして、マルチチップモジュールがある。
マルチチップモジュールは、複数の半導体素子を1つのパッケージ内に封入し、夫々の半導体素子間を配線により接続した構成をなし、システム性能の向上を図ることを特徴としている。
中でも、パワー半導体素子や、制御用ICを、同じ支持基板上に2次元的に配置し、これらの素子間をボンディングワイヤで配線したマルチチップパワーデバイスが注目されている(例えば、特許文献1参照)。このようなデバイスに於いては、複数の素子間や素子と配線間を多数のボンディングワイヤにて配線しているのが一般的である。
また、半導体パッケージ内にリードフレームを配設する構造も開示され、例えば、当該リードフレームに屈曲構造を備えた構造が開示されている(例えば、特許文献2参照)。
特開2003−218309号公報 特開平8−139241号公報
しかし、上述したボンディングワイヤ形成には、多大な時間を要し、当該デバイスの生産性が向上しないという問題点があった。
また、屈曲構造のリードフレームを配設した半導体パッケージに於いては、当該導電性パターンによって半導体素子を挟持するために、当該屈曲構造を設けているに過ぎない。
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、生産性の高い半導体装置(マルチチップパワーデバイス)及び当該半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の一態様では、プリント配線板、セラミック配線板、シリコン配線板の何れかである支持基板と、前記支持基板の主面に選択的に配置された複数の第1の配線と、前記支持基板上に搭載された少なくとも一つの第1の半導体素子と、前記支持基板上に搭載され、前記第1の半導体素子を制御する少なくとも一つの第2の半導体素子と、前記第1の配線に対して配置される第1部分と、前記第1の半導体素子に対して配置される第2部分と、前記第1部分と前記第2部分との間に位置して前記支持基板の前記主面に対して傾斜した第3部分とを備え、前記主面に対向するように配置された配線支持基材と、前記配線支持基材に固着された、前記配線支持基材に沿った屈曲構造を有する複数の第2の配線と、を有し、前記第1の半導体素子と前記第1の配線とが、少なくとも一つの前記第2の配線を通じて電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置が提供される。
また、上記の半導体装置を製造するために、本発明の一態様では、連続した支持基板の主面に複数の第1の配線を選択的に配置する工程と、前記支持基板の前記主面に、少なくとも一つの第1の半導体素子と、前記第1の半導体素子を制御する少なくとも一つの第2の半導体素子を搭載する工程と、前記第1の配線の一部、前記第1の半導体素子の電極の上に、半田材を配置する工程と、前記第1の配線に対して配置される第1部分と、前記第1の半導体素子に対して配置される第2部分と、前記第1部分と前記第2部分との間に位置して前記支持基板の前記主面に対して傾斜した第3部分とを備える配線支持基材に固着され、前記配線支持基材に沿った屈曲構造を備えた複数の第2の配線を、前記第1の配線並びに前記第1の半導体素子の上に、前記半田材を介して載置する工程と、リフロー処理により、前記第1の半導体素子と前記第1の配線とを前記半田材を介し電気的に接続する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
本発明によれば、生産性の高い半導体装置及び当該半導体装置の製造方法を実現することができる。更に、薄型化・小型化形状の半導体装置及び当該半導体装置の製造方法を実現することができる。
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
<第1の実施の形態>
図1は第1の実施の形態に係る半導体装置の要部図である。ここで、図(A)には、第1の実施の形態に係る半導体装置1aの上面が示され、図(B)には、図(A)のa−b位置に於ける半導体装置1aの断面が示されている。
図示するように、半導体装置1aは、矩形状の支持基板10を基体としている。そして、当該支持基板10の所定の位置には、接着部材を介して、半導体素子20a,20b,21が搭載されている。
ここで、支持基板10に於いては、電極や配線、樹脂層が多層構造となって積層された、所謂プリント配線板(回路基板、配線基板とも称する。)が適用されている。そして、当該樹脂としては、ガラス−エポキシ樹脂、ガラス−ビスマレイミドトリアジン、或いはポリイミド等の有機材絶縁性樹脂が挙げられる。
また、このような支持基板10は、上記のプリント配線板に代えて、例えば、アルミナ(Al23)、窒化アルミニウム(AlN)、酸化シリコン(SiO2)、酸化マグネシウム(MgO)、酸化カルシウム(CaO)、或いは、これらの混合物等を主たる成分とするセラミック配線板を用いてもよい。
更に、ウエハプロセスにて半導体装置1aを作製する場合には、その母材であるシリコン(Si)ウエハを基材としたシリコン配線板を支持基板としてもよい。
また、図(B)に示す如く、支持基板10下には、必要に応じて、金属製の放熱板(ヒートスプレッダ)10hを固着させてもよい。
また、半導体素子(第1の半導体素子)20a,20bに於いては、例えば、縦型のパワー半導体素子が適用される。具体的には、素子の一方の主面(上面側)に、主電極(例えば、ソース電極)と制御電極(ゲート電極)を配設し、他方の主面(下面側)に別の主電極(例えば、ドレイン電極)を配設したパワーMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)素子が該当する。
或いは、当該パワーMOSFETに代わる素子として、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)素子を用いてもよい。
また、半導体素子20a,20bの間に位置する半導体素子(第2の半導体素子)21は、制御用ICチップであり、当該半導体素子21は、半導体素子20a,20bの少なくとも何れかのON−OFF制御等をする。
尚、半導体装置1aに搭載する半導体素子の数に於いては、特に上記の数に限定されているものではない。即ち、少なくとも一つの半導体素子(例えば、パワーMOSFETまたはIGBT素子)と、当該パワー半導体素子を制御する少なくとも一つの制御ICチップが支持基板10上に配置されていればよい。
また、半導体装置1aにあっては、半導体素子21を搭載していない支持基板10の主面(上面側)に、主回路、信号回路、電源用回路等に組み込まれる配線(配線パターン)12を複数個、選択的に配置している。これらの配線12は、例えば、銅(Cu)を主たる成分により構成されている。
また、半導体装置1aにあっては、支持基板10の主面に対向するように、半導体素子20a,20b、配線12の上方に、所定の形状に加工された配線支持基材(ベースフィルム)30を配置している。
ここで、配線支持基材30の主面は、平坦ではなく、その一部に段差が設けられている。例えば、破線により配線支持基材30の主面を、フィルム部30h,30s,30lに区分けした場合、フィルム部30hは、フィルム部30lより、支持基板10の主面から、より離れた構造をなしている。また、フィルム部30hとフィルム部30lとの間に位置するフィルム部30sは、支持基板10の主面に対し傾斜した構造を備えている。また、フィルム部30h,30lの主面と、支持基板10の主面とは、略平行状態にある。
このような構造を備えた配線支持基材30は、例えば、ポリイミド樹脂(PI)、液晶ポリマ樹脂(LCP)、エポキシ樹脂(EP)、ポリエチレンテレフタレート樹脂(PET)、ポリフェニレンエーテル樹脂(PPE)の少なくとも一つを含む樹脂から構成されている。また、その厚みは、10〜50μmである。
また、半導体装置1aにあっては、当該配線支持基材30上に、導電性パターン(導体接続子)40で構成された配線パターンを複数個、選択的に固着・配置している。
ここで、導電性パターン40は、上述した配線支持基材30の段差に対応するように、その一部に屈曲構造を備えている(図(B)参照)。
これらの導電性パターン40は、例えば、銅(Cu)を主たる成分により構成され、エポキシ系樹脂またはシリコン系樹脂で構成された接着部材(図示しない)を介し、配線支持基材30上に固着されている。また、その厚み及び幅は、5mm以下である。
そして、これらの屈曲構造を備えた導電性パターン40の配置により、半導体素子20a,20bに設けられた電極と、夫々の素子に対応する配線12とが、当該導電性パターン40を通じて、電気的に接続されている。
また、半導体素子21に於いては、金属ワイヤ22を介して、配線12との電気的な接続が確保されている。
尚、半導体素子20a,20bを、配線12上に搭載する接着部材としては、鉛フリー半田で構成された半田層13が適用される。
更に、半導体装置1aにあっては、夫々の配線12から支持基板10の端まで電極端子12pを延出し、更に、これらの電極端子12pに、入出力端子50(材質は銅(Cu))を電気的に接続している。
そして、支持基板10上に搭載された半導体素子20a,20b,21、配線12、配線支持基材30並びに導電性パターン40等は、エポキシ系の樹脂60により完全に封止されている。
尚、図(A)に於いては、半導体装置1aの内部の構造を明確にするために、樹脂60を表示していない。
このような構成により、半導体装置1aは、コンパクト形状且つ低価格のマルチチップパワーデバイスとして機能する。
続いて、図1に示す半導体装置1aの構造をより深く理解するために、半導体装置1aの断面を拡大させた図を用いて、当該半導体装置1aの構造を説明する。
尚、以下に示す全ての図に於いては、図1と同一の部材には、同一の符号を付し、その説明の詳細については省略する。
図2は第1の実施の形態に係る半導体装置の要部断面模式図である。この図2には、樹脂60並びに入出力端子50等は、特に表示せず、半導体装置1aの特徴的な形態を拡大させた図が示されている。また、この図2に示す素子としては、便宜上、半導体素子20a,21のみが示されている。
上述したように、半導体装置1aにあっては、支持基板10を基体としている。また、支持基板10の主面には、複数の配線12a,12b,12c,12dが選択的に配置されている。このような配線12a,12b,12c,12dは、他の配線等を通じて、上述した入出力端子50等との電気的接続が確保されている。
また、半導体装置1aにあっては、配線12a上に、半導体素子20aを実装している。従って、半導体素子20aのドレイン電極と配線12aとが、半田層11を介して電気的に接続されている。
また、制御用ICチップである半導体素子21は、接着部材(図示しない)を介し、支持基板10の主面上に搭載されている。そして、半導体素子21の電極パッド21pと、配線12c,12dとは、金(Au)製の金属ワイヤ22を介して、電気的に接続されている。
また、半導体装置1aにあっては、半導体素子20a、配線12a,12bの上方に、屈曲構造を備えた配線支持基材30を配置している。
そして、配線支持基材30の上面に、当該配線支持基材30の屈曲形状に対応した導電性パターン40が固着・配設されている。特に、配線12aの上方に位置する導電性パターン40に於いては、その一部が配線支持基材30の主面から突出している。そして、当該突出した部分の導電性パターン40と、半導体素子20aの電極パッド20apとが、半田層13を介して電気的に接続されている。
また、導電性パターン40は、接続子部40h,40s,40lにより構成され、接続子部40hは、接続子部40lより、支持基板10の主面から離れた位置にある。そして、接続子部40h,40lと、支持基板10の主面とは、略並行状態にある。また、接続子部40h,40l間に位置する接続子部40sは、支持基板10の主面に対し、傾斜している。そして、接続子部40lと、配線12bとが半田層13を介し電気的に接続されている。
このような導電性パターン40の配置により、半導体素子20aの上面に配設された電極パッド20apと配線12bとが導電性パターン40を通じて、電気的に接続されている。
尚、導電性パターン40が半田層13と当接する接触面には、図示する如く、鍍金層40gを形成させてもよい。例えば、当該接触面に、その下層からニッケル(Ni)膜、金(Au)膜、またはニッケル(Ni)膜、錫(Sn)膜の順に、鍍金膜を形成させてもよい。
次に、半導体装置1aの形態の一部を変形させた変形例について説明する。
最初に、上述した導電性パターン40を、配線パターンを構成する薄い金属膜に代替させた半導体装置1bについて説明する。
<第1の実施の形態の変形例1>
図3は第1の実施の形態の変形例に係る半導体装置の要部断面模式図である。この図3には、上述した樹脂60並びに入出力端子50等は、特に表示せず、半導体装置1bの特徴的な形態を拡大させた図が示されている。また、この図3に示す素子としては、便宜上、半導体素子20a,21のみが示されている。
上述したように、半導体装置1bにあっては、支持基板10を基体としている。また、支持基板10の主面には、複数の配線12a,12b,12c,12dが選択的に配置されている。
また、半導体装置1bにあっては、配線12a上に、半導体素子20aを実装している。
また、制御用ICチップである半導体素子21は、接着部材(図示しない)を介し、支持基板10の主面上に搭載されている。そして、半導体素子21の電極パッド21pと、配線12c,12dとが金(Au)製の金属ワイヤ22を介して、電気的に接続されている。
また、半導体素子20a、配線12a,12bの上方には、屈曲構造を備えた配線支持基材30が配置されている。
また、配線支持基材30の下面には、当該配線支持基材30の屈曲構造に対応した導電性金属膜45が固着・配設されている。このような導電性金属膜45は、エポキシ系樹脂またはシリコン系樹脂で構成された接着部材(図示しない)を介し、配線支持基材30に固着され、上述した導電性パターン40と同様に配線パターンを形成している。また、導電性金属膜45は、例えば、銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)、アルミニウム(Al)の少なくとも一つを含む金属により構成されている。また、厚みは、25〜500μmである。尚、半導体素子20a,20bとして、パワー半導体素子以外の素子(後述)を用いた場合は、当該素子の電極に導通させる導電性金属膜45の厚みは、3〜500μmに構成されている。
また、導電性金属膜45は、金属膜部45h,45s,45lにより構成され、金属膜部45hは、金属膜部45lより、支持基板10の主面から離れた位置にある。そして、金属膜部45h,45lと、支持基板10の主面とは、略並行状態にある。また、金属膜部45h,45l間に位置する金属膜部45sは、支持基板10の主面に対し、傾斜している。
そして、金属膜部45hと、半導体素子20aの上面に配設された電極パッド20apとが半田層13を介して電気的に接続されている。また、金属膜部45lと、配線12bとが半田層13を介して電気的に接続されている。
このような導電性金属膜45の配置により、半導体素子20aの上面に配設された電極パッド20apと配線12bとが導電性金属膜45を通じて、電気的に接続される。
尚、導電性金属膜45が半田層13と当接する接触面には、図示する如く、鍍金層45gを形成させてもよい。例えば、当該接触面に、その下層からニッケル(Ni)膜、金(Au)膜、またはニッケル(Ni)膜、錫(Sn)膜の順に、鍍金を施してもよい。
また、金属膜部45hの下側には、必要に応じて、上記接着部材を介し、絶縁被膜31を固着させてもよい。このような絶縁被膜31が存在すると、例えば、リフロー処理により半田層13を形成させる際に、溶融した半田材が金属膜部45h下側に濡れ拡がることがない。これにより、例えば、半導体素子20a電極間の短絡が防止される。
続いて、別の変形例について説明する。次に説明する半導体装置1cでは、半導体素子21を、配線12上に実装させている。
<第1の実施の形態の変形例2>
図4は第1の実施の形態の別の変形例に係る半導体装置の要部断面模式図である。
半導体装置1cにあっては、支持基板10を基体としている。また、支持基板10の主面には、複数の配線12a,12b,12c,12dが選択的に配置されている。
また、半導体装置1cにあっては、配線12a上に、半導体素子20aを実装している。更に、半導体素子21の電極パッド21pは、配線12c,12dに接合されている。
そして、半導体素子20a、配線12a,12bの上方には、屈曲構造を備えた配線支持基材30が配置されている。
また、配線支持基材30の上面には、当該配線支持基材30の形状に対応した導電性パターン40が固着・配設されている。そして、導電性パターン40は、接続子部40h,40s,40lにより構成され、接続子部40hは、接続子部40lより、支持基板10の主面から離れた位置にある。そして、接続子部40h,40lと、支持基板10の主面とは、略並行状態にある。また、接続子部40h,40l間に位置する接続子部40sは、支持基板10の主面に対し、傾斜している。
このような導電性パターン40の配置により、半導体素子20aの上面に配設された電極パッド20apと配線12bとが導電性パターン40を通じて、電気的に接続される。当該電気的な接続を確保する接着部材としては、半田層13が適用されている。
<第2の実施の形態>
図5は第2の実施の形態に係る半導体装置の要部図である。ここで、図(A)には、第2の実施の形態に係る半導体装置2aの上面が示され、図(B)には、図(A)のa−b位置に於ける半導体装置2aの断面が示されている。
図示するように、半導体装置2aは、矩形状の支持基板10を基体としている。そして、当該支持基板10の所定の位置には、接着部材を介して、半導体素子20a,20bが搭載されている。
このような半導体素子20a,20bは、例えば、縦型のパワー半導体素子が適用される。具体的には、一方の主面(上面側)に、主電極(例えば、ソース電極)と制御電極(ゲート電極)を配設し、他方の主面(下面側)に別の主電極(例えば、ドレイン電極)を配設したパワーMOSFET素子が該当する。
或いは、当該パワーMOSFETに代わる素子として、IGBT素子を用いてもよい。
また、半導体装置2aにあっては、支持基板10の主面(上面側)に、主回路、信号回路、電源用回路等を構成する配線(配線パターン)12を複数個、選択的に配置している。これらの配線12は、例えば、銅(Cu)を主たる成分により構成されている。
また、半導体装置2aにあっては、支持基板10の主面に対向するように、半導体素子20a,20b、配線12の上方に、所定の形状に加工された配線支持基材30を配置している。
ここで、配線支持基材30の主面は、平坦ではなく、その一部に段差が設けられている。例えば、破線により配線支持基材30の主面を、フィルム部30h,30s,30lに区分けした場合、フィルム部30hは、フィルム部30lより、支持基板10の主面から、より離れた構造をなしている。また、フィルム部30hとフィルム部30lとの間に位置するフィルム部30sは、支持基板10の主面に対し傾斜した構造を備えている。また、フィルム部30h,30lの主面と、支持基板10の主面とは、略平行状態にある。
このような構造を備えた配線支持基材30は、例えば、ポリイミド樹脂(PI)、液晶ポリマ樹脂(LCP)、エポキシ樹脂(EP)、ポリエチレンテレフタレート樹脂(PET)、ポリフェニレンエーテル樹脂(PPE)の少なくとも一つを含む樹脂から構成されている。また、その厚みは、10〜50μmである。
また、半導体装置2aにあっては、当該配線支持基材30上に、導電性パターン40,41で構成された配線を複数個、選択的に固着・配置している。
ここで、導電性パターン40は、上述した配線支持基材30の段差に対応するように、その一部に屈曲構造を備えている(図(B)参照)。
また、導電性パターン41上には、制御用ICチップである半導体素子21が実装されている。この半導体素子21により、半導体素子20a,20bの少なくとも何れかのON−OFF等が制御される。
これらの導電性パターン40,41は、例えば、銅(Cu)を主たる成分により構成され、エポキシ系樹脂またはシリコン系樹脂で構成された接着部材(図示しない)を介し、配線支持基材30上に固着されている。
尚、半導体装置2aに搭載する半導体素子の数に於いては、特に上記の数に限定されているものではない。即ち、少なくとも一つの半導体素子(例えば、パワーMOSFETまたはIGBT素子)と、当該パワー半導体素子を制御する少なくとも一つの制御ICチップが支持基板10上に配置されていればよい。
そして、これらの屈曲構造を備えた導電性パターン40の配置により、半導体素子20a,20bに設けられた電極と、夫々の素子に対応する配線12とが、当該導電性パターン40を通じて、電気的に接続されている。
また、半導体素子21に於いては、導電性パターン41を通じて、配線12との電気的な接続が確保されている。
更に、半導体装置2aにあっては、夫々の配線12から支持基板10の端まで電極端子12pを延出し、更に、これらの電極端子12pに、入出力端子50(材質は銅(Cu))を電気的に接続している。
そして、支持基板10上に搭載された半導体素子20a,20b,21、配線12、配線支持基材30並びに導電性パターン40等は、樹脂60により完全に封止されている。
尚、図(A)に於いては、半導体装置2aの内部の構造を明確にするために、樹脂60を表示していない。
このような構成により、半導体装置2aは、コンパクト形状且つ低価格のマルチチップパワーデバイスとして機能する。
続いて、図5に示す半導体装置2aの構造をより深く理解するために、半導体装置2aの断面を拡大させた図を用いて、当該半導体装置2aの構造を説明する。
図6は第2の実施の形態に係る半導体装置の要部断面模式図である。この図6には、上述した樹脂60並びに入出力端子50等は、特に表示せず、半導体装置2aの特徴的な形態を拡大させた図が示されている。また、この図6に示す素子としては、便宜上、半導体素子20a,21のみが示されている。
上述したように、半導体装置2aにあっては、支持基板10を基体としている。また、支持基板10の主面には、複数の配線12a,12b,12c,12dが選択的に配置されている。このような配線12a,12b,12c,12dは、他の配線等を通じて、上述した入出力端子50等との電気的接続が確保されている。
また、半導体装置2aにあっては、配線12a上に、半導体素子20aを実装している。従って、半導体素子20aは、その下面側のドレイン電極と配線12aとが半田層11を介して電気的に接続されている。
また、半導体素子20a、配線12a,12bの上方には、屈曲構造を備えた配線支持基材30が配置されている。そして、配線支持基材30の上面には、当該配線支持基材30の屈曲形状に対応した導電性パターン40が固着・配設されている。また、配線12aの上方に位置する導電性パターン40は、その一部が配線支持基材30の主面から突出している。そして、この突出した部分の導電性パターン40と、半導体素子20aの電極パッド20apとが、半田層13を介して電気的に接続されている。
また、導電性パターン40は、接続子部40h,40s,40lにより構成され、接続子部40hは、接続子部40lより、支持基板10の主面から離れた位置にある。そして、接続子部40h,40lと、支持基板10の主面とは、略並行状態にある。また、接続子部40h,40l間に位置する接続子部40sは、支持基板10の主面に対し、傾斜している。そして、接続子部40lと、配線12bとが半田層13を介して電気的に接続されている。
このような導電性パターン40の配置により、半導体素子20aの上面に配設された電極パッド20apと配線12bとが導電性パターン40を通じて、電気的に接続される。
また、制御用ICチップである半導体素子21は、配線支持基材30に配設された別の配線である導電性パターン41上に実装されている。そして、電極パッド21pに接合された導電性パターン41は、半田層13を介して、配線12c,12dに接合されている。これにより、半導体素子21の電極パッド21pと配線12c,12dとが導電性パターン41を通じて、電気的に接続される。
尚、半導体素子21と導電性パターン41との接合については、図3に示すように、金属ワイヤ22を介して、電極パッド21pと導電性パターン41とを導通させてもよい。
また、導電性パターン40,41が半田層13と当接する接触面には、図示する如く、鍍金層40g,41gを形成させてもよい。例えば、当該接触面に、その下層からニッケル(Ni)膜、金(Au)膜、またはニッケル(Ni)膜、錫(Sn)膜の順に、鍍金膜を形成させてもよい。
次に、半導体装置2aの形態の一部を変形させた変形例について説明する。
最初に、上述した導電性パターン40を、薄い金属薄膜に代替させた半導体装置2bについて説明する。
<第2の実施の形態の変形例1>
図7は第2の実施の形態の変形例に係る半導体装置の要部断面模式図である。この図7には、上述した樹脂60並びに入出力端子50等は、特に表示せず、半導体装置2bの特徴的な形態を拡大させた図が示されている。また、この図7に示す素子としては、便宜上、半導体素子20a,21のみが示されている。
上述したように、半導体装置2bにあっては、支持基板10を基体としている。また、支持基板10の主面には、複数の配線12a,12b,12c,12dが選択的に配置されている。
また、半導体装置2bにあっては、配線12a上に、半導体素子20aを実装している。そして、半導体素子20a、配線12a,12bの上方に、屈曲構造を備えた配線支持基材30を配置している。
また、半導体装置2bにあっては、配線支持基材30の下面に、配線支持基材30の屈曲構造に対応した導電性金属膜45を固着・配設している。このような導電性金属膜45は、エポキシ系樹脂またはシリコン系樹脂で構成された接着部材(図示しない)を介し、配線支持基材30下に固着されている。また、導電性金属膜45は、例えば、銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)、アルミニウム(Al)の少なくとも一つを含む金属により構成されている。また、厚みは、25〜500μmである。
また、導電性金属膜45は、金属膜部45h,45s,45lにより構成され、金属膜部45hは、金属膜部45lより、支持基板10の主面から離れた位置にある。そして、金属膜部45h,45lと、支持基板10の主面とは、略並行状態にある。また、金属膜部45h,45l間に位置する金属膜部45sは、支持基板10の主面に対し、傾斜している。
そして、金属膜部45hと、半導体素子20aの上面に配設された電極パッド20apとが半田層13を介して電気的に接続されている。また、金属膜部45lと、支持基板10の主面に配置された配線12bとが半田層13を介して電気的に接続されている。
このような導電性金属膜45の配置により、半導体素子20aの上面に配設された電極パッド20apと配線12bとが導電性金属膜45を通じて、電気的に接続される。
また、半導体装置2bにあっては、配線支持基材30の上面に、別の配線である導電性金属膜46を固着・配設している。このような導電性金属膜46は、エポキシ系樹脂またはシリコン系樹脂で構成された接着部材(図示しない)を介し、配線支持基材30に固着されている。また、導電性金属膜46は、例えば、銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)、アルミニウム(Al)の少なくとも一つを含む金属により構成されている。また、厚みは、25〜500μmである。
そして、制御用ICチップである半導体素子21は、上述した導電性金属膜46上に実装されている。また、当該導電性金属膜46の一部は、その端に於いて、配線支持基材30内を貫通している。そして、導電性金属膜46は、導電性金属膜46を配設した配線支持基材30の主面と反対側の主面に、ビア46vを介して当該導電性金属膜46に導通する電極パッド46pを形成している。更に、電極パッド46pは、半田層13を介して、配線12c,12dと導通している。これにより、半導体素子21の電極パッド21pと、配線12c,12dとが導電性金属膜46を通じて、電気的に接続されている。
尚、導電性金属膜45,46が半田層13と当接する接触面には、図示する如く、鍍金層45g,46gを形成させてもよい。例えば、当該接触面に、その下層からニッケル(Ni)膜、金(Au)膜、またはニッケル(Ni)膜、錫(Sn)膜の順に、鍍金を施してもよい。
また、金属膜部45hの下側には、必要に応じて、上記接着部材を介し、絶縁被膜31を固着させてもよい。このような絶縁被膜31が存在すると、例えば、リフロー処理により半田層13を形成させる際に、溶融した半田材が金属膜部45h下側に濡れ拡がることがない。これにより、例えば、半導体素子20a電極間の短絡が防止される。
次に、上述した導電性パターン40を、屈曲させない構造の半導体装置2cについて説明する。
<第2の実施の形態の変形例2>
図8は第2の実施の形態の別の変形例に係る半導体装置の要部断面模式図である。この図8には、上述した樹脂60並びに入出力端子50等は、特に表示せず、半導体装置2cの特徴的な形態を拡大させた図が示されている。また、この図8に示す素子としては、便宜上、半導体素子20a,21のみが示されている。
半導体装置2cにあっては、支持基板10を基体としている。また、支持基板10の主面には、複数の配線12a,12b,12c,12dが選択的に配置されている。このような配線12a,12b,12c,12dは、他の配線等を通じて、上述した入出力端子50等との電気的接続が確保されている。
また、半導体装置2cにあっては、配線12a上に、半導体素子20aを実装している。従って、半導体素子20aは、その下面側のドレイン電極と配線12aとが半田層11を介して電気的に接続されている。
また、配線12a,12b,12c,12dの上方には、半導体素子20aの略肉厚相当の配線支持基材32が配置されている。そして、配線支持基材32の上面には、導電性パターン42,43が固着・配設されている。
また、配線12aの上方に位置する導電性パターン42は、その一部が配線支持基材32の主面から突出している。そして、この突出した部分の導電性パターン42と、半導体素子20aの電極パッド20apとが、半田層13を介して電気的に接続されている。
また、導電性パターン42の一部は、その端部に於いて、配線支持基材32内を貫通している。そして、導電性パターン42は、導電性パターン42が配置されている配線支持基材32の主面とは反対側の主面に、当該導電性パターン42に、ビア42vを介して導通する電極パッド42pを形成している。更に、当該電極パッド42pと、配線12bとが半田層13を介して電気的に接続されている。
このような導電性パターン42の配置により、半導体素子20aの上面に配設された電極パッド20apと配線12bとが導電性パターン42を通じて、電気的に接続されている。
また、半導体装置2cにあっては、制御用ICチップである半導体素子21を、配線支持基材32に配設された導電性パターン43上に実装している。また、導電性パターン43の一部は、その端部に於いて、配線支持基材32内を貫通している。そして、導電性パターン43は、導電性パターン43を配置した配線支持基材32の主面とは反対側の主面に、当該導電性パターン43に、ビア43vを介して導通する電極パッド43pを形成している。更に、電極パッド43pと、配線12c,12dとが半田層13を介して電気的に接続されている。これにより、半導体素子21の電極パッド21pと配線12c,12dとが導電性パターン43を通じて、電気的に接続される。
このように、半導体素子20aの略肉厚相当の配線支持基材32を配置することにより、導電性パターン42,43に屈曲構造を設けなくても、半導体素子20a,21の電極パッド20ap,21pと配線12b,12c,12dとを導電性パターン42,43を通じて電気的に接続することができる。
また、配線支持基材32の厚みを、例えば、半導体素子20aの略肉厚相当に調節することにより、導電性パターン42,43と支持基板10の主面とが平行になるようにしている。
尚、半導体素子21と導電性パターン43との接合については、図3に示すように、金属ワイヤ22を介して、電極パッド21pと導電性パターン43とを導通させてもよい。
また、導電性パターン42,43が半田層13と当接する接触面には、図示する如く、鍍金層42g,43gを形成させてもよい。例えば、当該接触面に、その下層からニッケル(Ni)膜、金(Au)膜、またはニッケル(Ni)膜、錫(Sn)膜の順に、鍍金膜を形成させてもよい。
<第3の実施の形態>
次に、半導体装置1a,1b,1c,2a,2b,2cの製造方法について説明する。
先ず、半導体装置1aを例に、その製造方法について説明する。尚、以下に示す製造方法は、半導体装置1aの製造方法に限るものではない。以下に示す製造方法に於いては、半導体装置1b,1cの製造にも転用できる。
図9乃至図18は半導体装置の製造工程を説明する要部図である。
先ず、図9(A)に示すように、所定の平面形状に加工された配線支持基材30を準備する。ここで、配線支持基材30の中央には、上述した半導体素子21を表出させるための貫通孔30aを形成する。そして、配線支持基材30の主面に、上述した接着部材を介して、導電性パターン40を複数個、選択的に固着・配置する。これにより、複数の導電性パターン40が配線支持基材30に支持される。
また、図9(B)には、図9(A)のa−b位置に於ける断面図が示されている。図示する如く、この段階での配線支持基材30並びに導電性パターン40は、平坦な形状をしている。
尚、図示する配線支持基材30は、そのユニットが示されている。従って、実際の配線支持基材30に於いては、当該ユニットが横並びに連続したバンド状になっている。そして、各ユニットに、導電性パターン40で構成される配線パターンが形成している。
次に、図10(A)に示すように、上記配線支持基材30を、プレス機(図示しない)に設置し、当該プレス加工により、配線支持基材30並びに導電性パターン40に段差を形成させ、配線支持基材30並びに導電性パターン40を屈曲させる。
例えば、配線支持基材30の主面の領域を、破線によりフィルム部30h,30s,30lに区分けした場合、フィルム部30hが、フィルム部30lより、図の手前側に向かうように配線支持基材30内に段差を設ける。尚、プレス加工後のフィルム部30h並びにフィルム部30lは、平坦な形状をしている。
また、図10(B)に示すように、フィルム部30hとフィルム部30lとの間に位置するフィルム部30sは、傾斜構造をなしている。
このようなプレス加工により、配線支持基材30に段差が形成されるのと共に、導電性パターン40に、傾斜構造が備えられる。
次に、図11に示すように、支持基板10が縦横に連続した基板を準備する。この段階で、各支持基板10のユニットには、既に、配線12が選択的に配置されている。このような選択的配置は、例えば、鍍金、選択的エッチングにより行う。
但し、後述する樹脂封止装置に設置された金型の容量により、必要に応じて、連続する支持基板10の個数を調節してもよい。
そして、支持基板10上の半導体素子21搭載領域に、エポキシ系またはシリコン系の接着部材を塗布する(図示しない)。
次に、図12に示すように、半導体素子21を支持基板10上に搭載(マウント)し、支持基板10上に、半導体素子21を固着する。更に、半導体素子21に配設された電極と、その周辺に位置する配線12とを、金(Au)製の金属ワイヤ22にて導通させる。
そして、支持基板10上の半導体素子20a,20b搭載領域に、ディスペンス法にてペースト状の半田材を配置する(図示しない)。
続いて、図13に示すように、上記の半田材上に、半導体素子20a,20bを載置する。
そして、配線12の被接合部分、半導体素子20a,20bの電極パッド20ap,20bp上に、ペースト状の半田材をディスペンス法にて配置する(図示しない)。
尚、半田材上に、半導体素子20a,20bを載置させた直後に、一旦、リフロー処理を施し、半導体素子20a,20bを支持基板10に固着させてもよいが、本実施の形態では、この段階でのリフロー処理を行わない。
尚、図9,10に示す工程に於いては、図11乃至13に示す工程を完了させてから実施してもよく、これらの工程の時系列は問わない。
次に、図14に示すように、用意した配線支持基材30を、配線12、半導体素子20a,20b上に載置する。これにより、配線支持基材30の主面から突出する導電性パターン40の端が、上述したペースト状の半田材の上に位置・接触する。
続いて、当該載置させた状態を維持し、支持基板10等を加熱炉内に設置する(図示しない)。そして、当該支持基板10等に、例えば、260℃、10秒のリフロー処理を施す。この処理により、図1,2に示す半田層13が形成し、半導体素子20a,20bに配設された電極と配線12とが、導電性パターン40を通じて一括して電気的に接続される。
また、この際に、半導体素子20a,20bの裏面側(ドレイン電極)と、その下地の配線12とが図1,2に示す半田層11を介し、電気的に接続される。
次に、図15に示すように、支持基板10の主面の端部に配設された電極端子12pに、入出力端子50を電気的に接続する。即ち、入出力端子50のクリップ部50aを、当該端部に嵌合させた後、リフロー処理により、電極端子12pに、入出力端子50を電気的に接続する。
続いて、樹脂封止装置に備えられた金型内に、、入出力端子50を備えた支持基板10等を設置する(図示しない)。
そして、図16に示すように、支持基板10に配置された配線12、半導体素子20a,20b,21、配線支持基材30並びに導電性パターン40等を、樹脂60により封止する。
尚、樹脂封止は、トランスファモールド法、ポッテイング法、ディッピング法、キャスティング法、流動浸漬手法のほか、圧縮成形モールド、または印刷成形法の何れか一つの方法にて実施する。更に、当該樹脂60中には、アルミナ(Al23)や酸化シリコン(SiO2)で構成された無機フィラーを含浸させてもよい。
封止後に於いては、連続した支持基板10、配線支持基材30並びに樹脂60をダイシングラインDLに沿って分割し、個片化を行う。これにより、図1に示されるような、半導体装置1a(マルチチップモジュール)が形成する。
また、半導体装置2aを製造する場合には、例えば、図11に示す連続した支持基板10を準備した後、図17に示すように、支持基板10の半導体素子20a,20b搭載領域に、半田材を介して、半導体素子20a,20bを載置する。そして、配線12の被接合部分、半導体素子20a,20bの電極パッド20ap,20bp上に、ペースト状の半田材をディスペンス法にて配置する(図示しない)。
次に、図18に示すように、上記プレス加工により屈曲構造を備えた導電性パターン40と、半導体素子21を実装した導電性パターン41とを、予め複数個、選択的に配置した配線支持基材30を、配線12の一部並びに半導体素子20a,20bの上に、上記の半田材を介して載置する。
そして、この後に於いては、上記の如く、リフロー処理を施し、半導体素子20a,20bと配線12、並びに半導体素子21と配線12とを、導電性パターン40,41を通じて、電気的に接続する。
更に、図16に示すように、支持基板10に配置された配線12、半導体素子20a,20b,21、配線支持基材30並びに導電性パターン40,41等を、樹脂60により封止する。封止後に於いては、連続した支持基板10、配線支持基材30並びに樹脂60をダイシングラインDLに沿って分割し、個片化を行う。これにより、図5に示されるような、半導体装置2a(マルチチップモジュール)が形成する。
尚、以上に示した半導体装置2aの製造方法は、当該半導体装置2aのみ製造方法に限るものではない。当該製造方法は、半導体装置2b,2cの製造にも転用できる。
特に、半導体装置2cを製造する場合には、上述したプレス工程は要しない。
このように、第3の実施の形態によれば、複数の導電性パターン40,41にて、一括して、半導体素子20a,20b,21に配設された電極と、配線12とを電気的に接続できる。その結果、マルチチップパワーデバイスなる半導体装置の生産性を格段に向上させることができる。
例えば、従来のアルミニウム配線を用いたワイヤボンディング法では、アルミニウム配線を1本ボンディングするのに、約1秒を要していた。従って、約20本のボンディングワイヤを搭載した1つのマルチチップモジュールでは、ワイヤボンディングを完了させるのに、約20秒を要する。
従って、M個のマルチチップモジュールを作製する場合には、約20×M秒の時間が当該ワイヤボンディングに費やされる。
しかし、本実施の形態によれば、M個のマルチチップモジュールに含まれる全ての素子対し、僅か10秒のリフロー処理で、その配線を完了させることができる。
従って、本実施の形態によれば、従来のワイヤボンディング工程で要されていた時間を、約20×M分の10(10/(20×M))に短縮させることができる。
また、第1,2の実施の形態に示す半導体装置1a,1b,1c,2a,2b,2cでは、導電性パターン40,41,42または導電性金属膜45,46を固着させた配線支持基材30,32を半導体素子20a,20bの直上に配置している。これにより、半導体装置の薄型化・小型化を図ることができる。
尚、上記の第1,2の実施の形態は、夫々が独立した実施の形態とは限らない。第1,2の実施の形態の中の一つの実施の形態と、他の実施の形態とを複合させた形態にしてもよい。
また、半導体素子(第1の半導体素子)20a,20bと、半導体素子(第2の半導体素子)21の組み合わせについては、上述したパワー半導体素子、制御用ICチップに限ることはない。
例えば、第1の半導体素子としては、半導体メモリであってもよく、第2の半導体素子としては、CPU(Central Processing Unit)、DSP(Digital Signal Processor)、或いは半導体メモリの何れかであってもよい。また、第1の半導体素子、第2の半導体素子が共に、アナログICチップであってもよい。
第1の実施の形態に係る半導体装置の要部図である。 第1の実施の形態に係る半導体装置の要部断面模式図である。 第1の実施の形態の変形例に係る半導体装置の要部断面模式図である。 第1の実施の形態の別の変形例に係る半導体装置の要部断面模式図である。 第2の実施の形態に係る半導体装置の要部図である。 第2の実施の形態に係る半導体装置の要部断面模式図である。 第2の実施の形態の変形例に係る半導体装置の要部断面模式図である。 第2の実施の形態の別の変形例に係る半導体装置の要部断面模式図である。 半導体装置の製造工程を説明する要部図である(その1)。 半導体装置の製造工程を説明する要部図である(その2)。 半導体装置の製造工程を説明する要部図である(その3)。 半導体装置の製造工程を説明する要部図である(その4)。 半導体装置の製造工程を説明する要部図である(その5)。 半導体装置の製造工程を説明する要部図である(その6)。 半導体装置の製造工程を説明する要部図である(その7)。 半導体装置の製造工程を説明する要部図である(その8)。 半導体装置の製造工程を説明する要部図である(その9)。 半導体装置の製造工程を説明する要部図である(その10)。
符号の説明
1a,1b,1c,2a,2b,2c 半導体装置
10 支持基板
11,13 半田層
12,12a,12b,12c,12d 配線
12p 電極端子
20ap,20bp,21p,46p 電極パッド
20a,20b,21 半導体素子
22 金属ワイヤ
30,32 配線支持基材
30a 貫通孔
30h,30s,30l フィルム部
31 絶縁被膜
40,41,42,43 導電性パターン
40h,40s,40l 接続子部
40g,41g,42g,43g,45g,46g 鍍金層
42p,43p 電極パッド
42v,43v,46v ビア
45h,45s,45l 金属膜部
45,46 導電性金属膜
50 入出力端子
50a クリップ部
60 樹脂

Claims (15)

  1. プリント配線板、セラミック配線板、シリコン配線板の何れかである支持基板と、
    前記支持基板の主面に選択的に配置された複数の第1の配線と、
    前記支持基板上に搭載された少なくとも一つの第1の半導体素子と、
    前記支持基板上に搭載され、前記第1の半導体素子を制御する少なくとも一つの第2の半導体素子と、
    前記第1の配線に対して配置される第1部分と、前記第1の半導体素子に対して配置される第2部分と、前記第1部分と前記第2部分との間に位置して前記支持基板の前記主面に対して傾斜した第3部分とを備え、前記主面に対向するように配置された配線支持基材と、
    前記配線支持基材に固着された、前記配線支持基材に沿った屈曲構造を有する複数の第2の配線と、
    を有し、前記第1の半導体素子と前記第1の配線とが、少なくとも一つの前記第2の配線を通じて電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記第2の半導体素子の電極と、前記第1の配線とが、金属ワイヤを通じて電気的に接続されていることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  3. 前記第2の半導体素子の電極が前記第1の配線に実装されていることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  4. 前記第2の配線が前記配線支持基材の主面に固着させた導電性パターンまたは金属膜であることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  5. 前記第2の配線は、
    前記第1部分から露出して、露出した部分と半田層とを介して前記第1の配線と電気的に接続し、
    前記第2部分から突出して、突出した部分と半田層を介して前記第1の半導体素子と電気的に接続している、
    ことを特徴とする請求項4記載の半導体装置。
  6. 前記第2の半導体素子の電極が前記配線支持基材の主面に配設されている第3の配線に電気的に接続されていることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  7. 前記第3の配線が前記配線支持基材の前記主面に固着させた導電性パターンまたは金属膜であることを特徴とする請求項6記載の半導体装置。
  8. 前記金属膜が配置された前記配線支持基材の前記主面の反対側の主面に、前記金属膜と導通する電極パッドが形成され、前記電極パッドと前記第1の配線とが、電気的に接続されていることを特徴とする請求項7記載の半導体装置。
  9. 前記支持基板の前記主面の端部に、前記第1の配線に導通する複数の電極端子が延出され、夫々の前記電極端子に、入出力端子が電気的に接続されていることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  10. 前記第2の配線は、
    前記配線支持基材の前記支持基板の前記主面と対向する主面に固着され、
    前記第1の配線及び前記第2の配線と半田層を介してそれぞれ電気的に接続し、
    前記第2の配線の前記支持基板の前記主面と対向する主面に、絶縁被膜が固着されている、
    ことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  11. 連続した支持基板の主面に複数の第1の配線を選択的に配置する工程と、
    前記支持基板の前記主面に、少なくとも一つの第1の半導体素子と、前記第1の半導体素子を制御する少なくとも一つの第2の半導体素子を搭載する工程と、
    前記第1の配線の一部、前記第1の半導体素子の電極の上に、半田材を配置する工程と、
    前記第1の配線に対して配置される第1部分と、前記第1の半導体素子に対して配置される第2部分と、前記第1部分と前記第2部分との間に位置して前記支持基板の前記主面に対して傾斜した第3部分とを備える配線支持基材に固着され、前記配線支持基材に沿った屈曲構造を備えた複数の第2の配線を、前記第1の配線並びに前記第1の半導体素子の上に、前記半田材を介して載置する工程と、
    リフロー処理により、前記第1の半導体素子と前記第1の配線とを前記半田材を介し電気的に接続する工程と、
    を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  12. 前記配線支持基材に固着した前記第2の配線を、前記第1の配線並びに前記第1の半導体素子の上に、前記半田材を介して載置する前に、複数の前記第2の配線を前記配線支持基材に固着し、前記配線支持基材と共に、複数の前記第2の配線を屈曲させることを特徴とする請求項11記載の半導体装置の製造方法。
  13. 前記第1の配線に導通し、前記支持基板の前記主面に配置された電極端子に、入出力端子を電気的に接続することを特徴とする請求項11記載の半導体装置の製造方法。
  14. 前記入出力端子を接続後、前記第1の配線、前記第1の半導体素子、前記第2の半導体素子、前記第2の配線並びに前記配線支持基材を、樹脂により封止することを特徴とする請求項13記載の半導体装置の製造方法。
  15. 前記封止後、前記支持基板、前記配線支持基材並びに前記樹脂を分割することを特徴とする請求項14記載の半導体装置の製造方法。
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