JP6339085B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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Description

この発明は、樹脂封止される半導体装置及びその製造方法に関し、特に、封止樹脂よりも熱伝導率が大きい絶縁層を有する半導体装置及びその製造方法に関するものである。
電力用等の半導体装置では、高い絶縁性を確保しながら、パワーチップで発生した熱を効率よく外部に放熱することが非常に重要である。放熱性能を高めるには、パワーチップ下に設ける絶縁層を薄くすることが望ましいが、絶縁層を薄くすると絶縁特性が劣化することが懸念される。
また、電力用等の半導体装置では、全体を1種の樹脂でフルモールドする等の樹脂封止構造の半導体装置が採用されることが多い。また、樹脂封止構造の半導体装置として、例えば特許文献1に開示された半導体モジュールがある。
特開2011−9410号公報
しかしながら、全体を1種の樹脂でフルモールドする樹脂封止構造の半導体装置では、封止用の樹脂が金属ブロック等のヒートスプレッダに接合されるヒートスプレッダ下絶縁層を兼用することになる。このため、ヒートスプレッダ下絶縁層の膜厚を薄くすると、ヒートスプレッダ下絶縁層の形成領域への樹脂の回り込みが悪くなり、モールド性が極端に劣化する結果、ヒートスプレッダ下絶縁層を薄くすることは極めて困難となる問題点があった。
したがって、絶縁層の膜厚はある程度厚くせざるを得ず、そのために放熱性が低下する。絶縁層の膜厚をある程度厚くして、放熱性を高めるためには、絶縁層に熱伝導性の良好な樹脂を用いることが考えられる。しかしながら、熱伝導性の良好な樹脂は高価であり、絶縁層の構成材料として高価な高性能樹脂を用いるとコスト高を招くという問題点があった。
また、特許文献1に開示されている半導体モジュールのように、封止樹脂とは別に、ヒートスプレッダ下の絶縁シート部を絶縁層と熱電性の高い金属層(金属箔)との積層構造で構成する構造が考えられているが、高い絶縁特性を有するに至っていないという問題点があった。
本発明では、上記のような問題点を解決し、比較的安価に形成することができ、高い絶縁性を有する樹脂封止構造の半導体装置及びその製造方法を得ることを目的とする。
この発明による半導体装置は、半導体素子が樹脂によって被覆される構造の半導体装置であって、前記半導体素子を表面上に載置するヒートスプレッダと、前記ヒートスプレッダの裏面上に形成される絶縁シート部とを備え、前記絶縁シート部は、前記樹脂よりも熱伝導率が大きい絶縁層と金属層との積層構造を呈し、前記絶縁層が前記ヒートスプレッダの裏面上に密着され、前記ヒートスプレッダは裏面の外周端部にR面取り加工あるいはC面取り加工による面取り部を有し、前記絶縁シート部は前記ヒートスプレッダの裏面に沿って同一平面を構成する本体部と、表面領域が前記本体部から屈曲して形成され、前記面取り部に密着する屈曲部とを有し、前記本体部における前記金属層の裏面を除き、前記半導体素子、前記ヒートスプレッダ、及び前記絶縁シート部が前記樹脂によって被覆され、前記絶縁シート部は、先端部が前記ヒートスプレッダからはみ出して形成され、前記絶縁シート部は前記屈曲部を含めて膜厚が均一に形成されることを特徴とする
本願発明による半導体装置において、絶縁シート部の屈曲部をヒートスプレッダの面取り部に密着させて絶縁シート部と面取り部との間に隙間領域を有さない構造にすることにより、上記隙間領域に放電要因となるボイドが形成される余地を排除している。このため、ヒートスプレッダ,モールド樹脂間の熱抵抗を低減するとともに、絶縁特性を改善することができる。
この発明の目的、特徴、局面、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。
この発明の実施の形態1である半導体装置の構造を示す説明図である。 図1で示したヒートスプレッダの面取り部の周辺構造を模式的に示す説明図である。 実施の形態1においてヒートスプレッダにダレ面を形成するための破断加工処理を模式的に示す断面図である。 実施の形態2である半導体装置におけるヒートスプレッダの面取り部の周辺構造を模式的に示す説明図である。 実施の形態2の半導体装置の効果を示す説明図である。 絶縁シート部における屈曲部の本体部に対する屈曲角度を示す説明図である。 第2の態様における屈曲部形成処理の内容を示す断面図である。 第3の態様における屈曲部形成処理の内容を示す断面図である。 第4の態様における屈曲部形成処理の内容を示す断面図である。 第5の態様における屈曲部形成処理の内容を示す断面図である。 第6の態様で設けられる絶縁シート部とヒートスプレッダとの関係を示す説明図である。 実施の形態1の半導体装置の応用例を示す断面図である。 実施の形態2の半導体装置の応用例を示す断面図である。 前提技術の半導体装置の断面構造を示す説明図である。
(前提技術)
前述したように、従来の樹脂封止構造の半導体装置では、熱伝導性の良好な高性能樹脂等の絶縁材料を絶縁層として用いるとコストが高くなる問題点があった。そこで、特許文献1に開示の半導体モジュールのように、絶縁シート部を絶縁層と熱電性の高い金属層(金属箔)との積層構造で構成し、上記絶縁層として、比較的薄い膜厚で熱伝導性がよい絶縁材料を用いることにより、大きなコスト高を招くことなく、絶縁性確保と高放熱特性とを容易に両立させる積層構造絶縁方法が考えられている。
上記した積層構造絶縁方法は、必要な部位、すなわち、半導体素子を表面に搭載したヒートスプレッダ(Heat Spreader)直下のみにしか、熱伝導性が良好である高性能な絶縁材料を用いた絶縁層を形成しないため、コスト的にも有利である。
図14は上記積層構造絶縁方法により得られた一般的な半導体装置61(半導体モジュール)の断面構造を示す説明図である。同図(a) は全体の断面図、同図(b) は、同図(a) における着目領域A3の拡大図である。なお、図14(a) にはXYZ直交座標系を付している。
図14(a) に示すように、複数(2つ)のチップ化された半導体素子であるパワー素子4がはんだ28を介してヒートスプレッダ33の表面上に搭載されており、複数のパワー素子4,4間、パワー素子4,信号端子6間はアルミワイヤ5で接続される。また、ヒートスプレッダ33の表面上に主端子7が直接設けられる。
ヒートスプレッダ33の裏面側に絶縁シート部62が設けられている。絶縁シート部62は絶縁層62a及び金属箔62bの積層構造で形成されており、絶縁層62aの表面がヒートスプレッダ33の裏面に密着している。
そして、金属箔62bの裏面を除く絶縁シート部62、ヒートスプレッダ33、パワー素子4、及びアルミワイヤ5の全体、信号端子6及び主端子7の一部がモールド樹脂1により封止されることにより、半導体装置61が構成される。なお、絶縁シート部62の裏面、すなわち、金属箔62bの裏面は露出している。
図14(a) で示す半導体装置61は、高温、高湿度の環境下では、パッケージ一体封止しているモールド樹脂1と絶縁シート部62との接着界面から水分が侵入し、ヒートスプレッダ33と裏面が露出した金属箔62b間で導電性の高いパスが形成されることによって絶縁破壊が発生する問題がある。絶縁破壊が発生しやすい箇所はヒートスプレッダ33の裏面外周の端部直下となる。なぜなら、ヒートスプレッダ33の裏面外周の端部は、半導体装置61の底面水分の侵入口に近く、鋭利な電極構造を形成しているため、電気力線が集中し電界密度が大きくなるからである。
そこで、 上記絶縁破壊の問題点を解消するために、図14(b) に示すように、絶縁シート部62のエッジ部を折り曲げて、金属箔62bのエッジ部分直下にもモールド樹脂1を充填し、金属箔62bと強く接着させることにより、外気から侵入してくる水分の吸湿経路の距離D62を2倍まで長くし、高温、高湿の環境下でも、ヒートスプレッダ33の外周端部に水分の到達を困難にすることにより、絶縁破壊しにくくなり、半導体装置61の信頼性改善することが考えられる。なお、吸湿経路の距離D62が従来の2倍程度長くなるのは、屈曲された金属箔62bの裏面部分が吸湿経路に加味されるからである。
しかしながら、前述したように、ヒートスプレッダ33の底面外周の端部が、図14のXZ平面において90°に近い鋭角であるため、絶縁層62aを介したヒートスプレッダ33,金属箔62b間への電圧印加時、電気力線の密度が高くなり、上記底面外周の端部及びその近傍領域からなる電界集中箇所90に電界集中しやすくなる結果、絶縁特性が劣化するという問題点があった。
以下で述べる実施の形態は、上述した前提技術の問題点の解消を図り、比較的安価に高い絶縁性を有する半導体装置及びその製造方法である。
<実施の形態1>
(構造)
図1はこの発明の実施の形態1である半導体装置51の構造を示す説明図である。同図(a) は断面構造を示す断面図であり、同図(b) が平面構造を示す平面図である。なお、図1(a),(b) にはそれぞれXYZ直交座標系を付している。
同図に示すように、複数(2つ)のチップ化されたパワー素子4がはんだ28を介してヒートスプレッダ3の表面上に搭載されている。そして、複数のパワー素子4,4間、パワー素子4,信号端子6間はアルミワイヤ5で接続される。また、ヒートスプレッダ3の表面上に主端子7が直接設けられる。なお、ヒートスプレッダ3の材質は、加工性が容易であり、熱伝導率が高いアルミニウム、銅等の金属が望ましい。
ヒートスプレッダ3の裏面側に絶縁シート部2が設けられている。絶縁シート部2は絶縁層2a及び金属箔2b(金属層)の積層構造で形成されており、上層に設けられる絶縁層2aの表面がヒートスプレッダ3の裏面に密着している。絶縁層2aはモールド樹脂1よりも熱伝導率が大きく、高い絶縁性を有している。
そして、金属箔2bの裏面を除く絶縁シート部2と、ヒートスプレッダ3、パワー素子4、及びアルミワイヤ5の全体と、信号端子6及び主端子7の一部とがモールド樹脂1により封止されることにより、実施の形態1の半導体装置51が構成される。なお、信号端子6及び主端子7の上記一部以外の部分並びに絶縁シート部2の裏面はモールド樹脂1によって封止されていない。したがって、金属箔2bの裏面は外部に露出している。
実施の形態1の半導体装置51において、ヒートスプレッダ3は裏面の外周端部にR面取り加工あるいはC面取り加工による面取り部を有している。
図2はヒートスプレッダ3の面取り部の周辺構造を模式的に示す説明図である。同図(a) に示すように、半径R(Radius)でR面取り加工されているダレ面9(R面)が面取り部として形成されている。一方、同図(c) に示すように、面取り長C(Chamfering)でC面取り加工されているC面29が面取り部として形成されている。図2(a) ,(c) に示すように、面取り部としてダレ面9及びC面29のうち一方の面が採用される。
以下、本明細書で述べる面取り部について説明する。面取り部はヒートスプレッダ3の断面形成面である垂直平面(図1,図2で示すXZ平面)の端部が切り取られて得られる面であり、上述したようにダレ面9及びC面29が考えられる。
ダレ面9は、曲率を円弧で表しており、数字はその中心部分がどこにあるのかを示している。例えば、図2(a) に示すRが10μmの場合、カーブがつきはじめる部分から10μm内側に入った部分を中心に円弧をかいたカーブ面がダレ面9となる。
一方、C面29は、角の先端部から入り込んで角を落とすことにより得られる面である。例えば、図2(c) で示すCが10μmの場合、辺の長さが10μmの直角二等辺三角形を角から落とすことによりC面29が得られる。
一方、絶縁シート部2(絶縁層2a及び金属箔2b)は屈曲することなく同一平面を有するように形成されているため、ダレ面9を除くヒートスプレッダ3の裏面と絶縁層2aの表面とが密着され、ダレ面9(C面29)と絶縁シート部2(絶縁層2a)との間にモールド樹脂1が充填可能な隙間領域S2が設けられる。
図2(b) に示すように、ヒートスプレッダ3の底面端部にダレ面9(C面29)が設けられるため、ヒートスプレッダ3の外周端部の尖り具合が軽減されることになり、電気力線の外周端部への集中が分散し、電界密度は低下する。さらに、電界集中発生箇所は、ダレ面9の両端部及びその近傍の電界集中箇所91及び92に分散されるため、さらに電界密度は低下する。これらの現象により、全体的に電界集中が緩和し、互いに導電性を有する金属箔2bとヒートスプレッダ3との電極間に形成される絶縁層2aの耐圧が向上し、半導体装置51の絶縁特性を改善することができる。
このように、実施の形態1の半導体装置51において、ヒートスプレッダ3は裏面の外周端部に設けられる面取り部(ダレ面9,C面29)によって、電界集中箇所を複数(電界集中箇所91,92)に分散させる等により電界密度を小さくして絶縁層2aによる絶縁性の改善を図ることができる。
その結果、パワー素子4等の半導体素子の動作時における昇温等により絶縁層2aによる絶縁性の低下が懸念される場合においても高い絶縁性を有する半導体装置51を得ることができる。この効果は、SiCを用いたパワー素子4等の半導体素子からなるSiCチップをヒートスプレッダ3に搭載した時、絶縁シート部2の昇温が増大し、絶縁層2aによる絶縁特性の低下が懸念されるため、特に有効となる。
加えて、絶縁シート部2は同一平面を形成しているため、後述するように、R面取り加工によるR、C面取り加工によるCを封止樹脂による隙間領域S2への充填に支障が生じない寸法に設定することにより、隙間領域S2にモールド樹脂1を確実に充填することができる結果、良好な放熱特性及び絶縁特性を有する半導体装置51を得ることができる。
以下、R面取り加工によるR、C面取り加工によるCの具体的な寸法設定について述べる。ダレ面9の形成時にRを100〜300μmとすることが望ましい。Rを100μm以上とした理由は、モールド樹脂1中のフィラー12のサイズが50μm程度と想定した場合、隙間領域S2においてモールド樹脂1を支障なく充填することができ、トランスファモールド処理時にモールド樹脂1にモールド圧を十分にかけることができるからである。
一方、Rが100μmより十分に小さい場合、フィラー12のパッキング性によって、隙間領域S2におけるモールド樹脂1の充填が阻害され、少なくとも一部が未充填となり、トランスファモールド処理時にモールド圧が十分にかからない。その結果、隙間領域S2にボイドが発生していまう可能性が高くなる。同様な理由より、C面29の形成時にCを100μm以上にすることが望まれる。
上記のように、ダレ面9及びC面29におけるR及びCの寸法を設定することにより、隙間領域S2内においてもモールド樹脂1が支障なく充填された安定性の高い構造の半導体装置51を得ることができる。
(製造方法)
実施の形態1の半導体装置51は以下のステップ(a) 〜(c) からなる半導体装置の製造方法によって製造することができる。
ステップ(a):はんだ28による接合により、パワー素子4を表面上に載置したヒートスプレッダ3を準備する。この際、以下のステップ(a-1)が実行される。
ステップ(a-1):打抜き金型を用いた破断加工処理を実行して、ヒートスプレッダ3の裏面の外周端部にR面取り加工あるいはC面取り加工による面取り部(ダレ面9,C面29)を形成する。
なお、ステップ(a) には、以下の既存の工程を含む。フレーム(信号端子6,主端子7を構成する部分)にパワー素子4(パワーチップ)をはんだで接合した後、パワー素子4,4間、パワー素子4,フレーム間、フレーム,フレーム間等をアルミワイヤ5で接合して実装フレーム構造を得る。なお、はんだ28によるヒートスプレッダ3,パワー素子4間の接合をフレームを介して行う態様も考えられる。
ステップ(b):絶縁層2a及び金属箔2bからなる絶縁シート部2を準備する。
ステップ(c):金属箔2bの裏面を除く絶縁シート部2と、ヒートスプレッダ3ー、パワー素子4及びアルミワイヤ5の全体と、信号端子6及び主端子7の一部とをモールド樹脂1により封止するトランスファモールド処理を実行する。以下、トランスファモールド処理内容について説明する。
絶縁シート部2を金型(上金型,下金型)によって形成されるキャビティ内に設置した後、ワイヤボンド工程まで完了した上記実装フレーム構造をキャビティ内の所定位置にセットし、型締めした後、トランスファモールド成形法により、モールド樹脂1を金型内のキャビディに注入充填し、加熱及び加圧してモールド樹脂1、並びに絶縁シート部2を硬化させる。その結果、絶縁層2aがヒートスプレッダ3の裏面(面取り部を除く)に密着すると共に、モールド樹脂1により、各構成部2〜7が樹脂封止された樹脂封止後の半導体装置構造を得ることができる。
また、ステップ(c) 実行後に、以下の後処理が実行される。すなわち、モールド樹脂1を完全硬化させるための加熱工程を経た後、タイバーなどのフレーム余分部の切断、リード端子(信号端子6,主端子7)の成形、製品テスト等を経て、製品となる半導体装置51は完成する。
図3は上述した前記ステップ(a-1)におけるダレ面9を形成するための破断加工処理の内容を模式的に示す断面図である。
同図に示すように、抜き打ち用の上金型10a,下金型10b間に設けられた平板構造のヒートスプレッダ材料30に対し、上金型10aを押し下げてヒートスプレッダ材料30を抜き打ち加工することにより、ダレ面9を有するヒートスプレッダ3を得ることができる。
このように、打抜き用の金型10a,10bを用いた破断加工処理を実行して、ヒートスプレッダ3の裏面の外周端部にR面取り加工あるいはC面取り加工による面取り部(ダレ面9,C面29)を形成することができる。
なお、R面取り加工及びC面取り加工それぞれにおける、Rの決定及びCの決定は、上述した打ち抜き金型10a,10bによる破断加工処理を用い、クリアランスを調整する、専用の工具を用いる等の既存の方法を用いて実現できる。
例えば、ヒートスプレッダ3の製造時の打抜き用の金型10a,10b間のクリアランスを大きくすれば、ダレ量となるRを大きくして加工することができる。打ち抜き金型10a,10b間のクリアランスは大きいほうが望ましく、必要以上にダレ面9、C面29を小さくする必要はなく、金型10a,10bの摩耗による替刃のコスト、メンテナンスの手間を省くことができ、コストがかからないメリットがある。
上述したように、Rを100〜300μmの範囲で設定すると、打ち抜き後のヒートスプレッダ3の裏面外周の端部に発生するカエリを10μm以下に抑えることができる。
このように、既存の破断加工処理を実行して面取り部(ダレ面9,C面29)を有する絶縁シート部2を得ることにより、比較的安価に実施の形態1の半導体装置51を製造することができる。
<実施の形態2>
(構造)
図4は実施の形態2である半導体装置52におけるヒートスプレッダ3の面取り部の周辺構造を模式的に示す説明図である。図4(a) で示す構造は図1で示した半導体装置51の着目領域A1に相当し、図4(b) で示す構造は図4(a)における着目領域A2の拡大図となる。
図4に示すように、ヒートスプレッダ3の裏面側に絶縁シート部20が設けられている。絶縁シート部20は絶縁層20a及び金属箔20b(金属層)の積層構造で形成されており、絶縁層20aの表面がダレ面9を含むヒートスプレッダ3の裏面に密着している。また、絶縁層20aはモールド樹脂1よりも熱伝導率が大きく、高い絶縁性を有している。
このように、絶縁シート部20はヒートスプレッダ3の裏面(ダレ面9を除く)に沿って同一平面を構成する本体部20mと、ダレ面9に密着するように本体部20mから屈曲して形成される屈曲部20xとを有している。なお、絶縁層20a及び金属箔20bはそれぞれ本体部20m及び屈曲部20xにおける膜厚は同一に形成される、すなわち、絶縁シート部20は屈曲部20xを含めて膜厚が均一に形成される。なお、絶縁層20a及び金属箔20bはそれぞれ、トランスファモールド処理時においてモールド樹脂1の流動により屈曲部20xが変形、破損しない材料にすることが望ましい。
なお、図4においては、ヒートスプレッダ3の裏面端部に形成される面取り部としてダレ面9を示したが、実施の形態1と同様、ダレ面9に代えてC面29を設けても良く、この場合、絶縁シート部20の屈曲部20xをC面29に密着させる構造となる。
上述したように、実施の形態2の半導体装置52においては、ヒートスプレッダ3のダレ面9(C面29)に対して、絶縁シート部20(絶縁層20a)の屈曲部20xを密着させることにより、図4(b) で示すように、トランスファモールド処理時にダレ面9の直下にモールド樹脂1が侵入する現象を確実に回避している。したがって、ダレ面9の直下に確実にボイド存在していない構造の半導体装置52を得ることができる。
実施の形態2の半導体装置52では、絶縁シート部20の屈曲部20xをヒートスプレッダ3の面取り部(ダレ面9、C面29)に密着させることにより、絶縁シート部20と面取り部との間に、実施の形態1の半導体装置51で生じた隙間領域S2(図2参照)が設けられない構造を呈している。したがって、隙間領域S2に放電要因となるボイドが形成される余地を確実に排除することにより、ヒートスプレッダ3,モールド樹脂1間の熱抵抗を低減するとともに、絶縁特性を改善した半導体装置52を得ることができる。
このように、実施の形態2の半導体装置52の絶縁特性が改善し、また、実機使用のように長時間、半導体装置52に電圧を印加した場合でも、信頼性は向上し、長寿命化が可能となる。
前述したように、絶縁シート部20は屈曲部20xを含めて膜厚が均一に形成されるため、図4(b) に示すように、面取り部(ダレ面9、C面29)の下方における絶縁シート部20(金属箔20b)の屈曲部20xの下方に形成される絶縁シート部下隙間領域S20が形成される。したがって、絶縁シート部下隙間領域S20にモールド樹脂1が充填される分、モールド樹脂1による絶縁シート部20との接着面積が増加する結果、絶縁シート部20における絶縁層20a及び金属箔20b間、絶縁シート部20及びモールド樹脂1間に剥離が生じにくくなるため、信頼性の向上を図ることができる。
以下、この点を詳述する。上述したように、モールド樹脂1による絶縁シート部20との接着面積が増加するため、絶縁層20a,金属箔20b間の界面、及び、絶縁シート部20,モールド樹脂1間の界面の接着力が向上する。したがって、アセンブリ後の半導体装置52に対するテスト工程の絶縁特性起因の不良率を低減できる。特に実機使用時に繰り返しの冷熱雰囲気環境下で、絶縁層20a、金属箔20b及びモールド樹脂1の膨張、収縮により発生していた絶縁シート部20のエッジを起点とした絶縁層20a,金属箔20b間の界面、絶縁層20a,モールド樹脂1間の界面の剥離を抑制することができ、装置の長寿命化を図ることができる。
図5は実施の形態2の半導体装置52の効果を示す説明図である。図5は図4(a) における着目領域A2の拡大図に相当する。
トランスファモールド処理時に、モールド樹脂1を充填する時、図5に示すように、流動しているモールド樹脂1の先端であるウェルド領域が金属箔20bの直下(電圧が印加されない、放熱に影響しない領域)となるため、仮にボイド(空隙)13が発生しても、半導体装置52の電気的性能に悪影響を与えることはない。したがって、半導体装置52を実機で長時間使用した場合でも、絶縁不良と放熱不良を低減することが可能となる。
また、実施の形態2の半導体装置52において、実施の形態1の半導体装置51と同様、ヒートスプレッダ3は0.5mm〜5mmの厚みを有し、面取り部はR面取り加工でダレ面9が得られる際、Rは100μm以上に設定され、C面取り加工でC面29が得られる際、Cが100μm以上に設定される寸法特性を有する。
加えて、実施の形態2の半導体装置52は、上述した寸法特性を有するため、モールド樹脂1中に発生するフィラー12のサイズを50μm程度と想定する場合、面取り部の下方における絶縁シート部下隙間領域S20にモールド樹脂1が十分に充填され、トランスファモールド処理時におけるモールド圧を十分にかけることができる。
その結果、絶縁シート部下隙間領域S20内においてもモールド樹脂1が支障なく充填された安定性の高い構造の半導体装置52を得ることができる。
このように、実施の形態2の半導体装置52は、モールド樹脂1の内部のボイド対策を図るとともに、実施の形態1の半導体装置51と同様に、従来のように高い絶縁材料(樹脂)を用いる手間やコストを低減できることができる。
図6は屈曲部20xの本体部20mに対する屈曲角度を示す説明図である。同図に示すように、ヒートスプレッダ3のダレ面9に密着させるべく、屈曲部20xを本体部20mに対し曲げ角度AGで屈曲させる必要がある。
この際、絶縁層20aはクラックが発生しない範囲とする必要があるため、曲げ角度AGはダレ面9の場合は15°以下、C面29の場合は45°以下にするのが望ましい。
したがって、R面取り加工でダレ面9を形成する場合は、屈曲部20xの本体部20mに対する曲げ角度AGが10°〜15°の範囲に収まるように形成することが望ましく、C面取り加工でC面29を形成する場合は、屈曲部20xの本体部20mに対する曲げ角度AGが45°以下に収まるように形成することが望ましい。
このように、面取り部としてダレ面9を形成する場合は、屈曲部20xの本体部20mに対する角度が10°〜15°の範囲になるように、半導体装置52のヒートスプレッダ3は形成されるため、R面取り加工によって得られるダレ面9と絶縁シート部20(絶縁層20a)との密着性を満足し、かつ、絶縁層20aがクラックしない構造を得ることにより、絶縁特性の改善を高くすることができる。
同様に、面取り部としてC面29を形成する場合は、屈曲部20xの本体部20mに対する角度が45°になるように、半導体装置52のヒートスプレッダ3は形成されるため、C面取り加工によって得られるC面29と絶縁シート部20(絶縁層20a)との密着性を満足し、かつ、絶縁層20aがクラックしない構造を得ることにより、絶縁特性の改善を高くすることができる。
(製造方法)
実施の形態2の半導体装置52は、以下のステップ(a) 〜(c) からなる半導体装置の製造方法によって製造することができる。
ステップ(a):パワー素子4を表面上に載置したヒートスプレッダ3を準備する。この際、実施の形態1と同様な判断加工処理(ステップ(a-1) )が行われ、面取り部(ダレ面9,C面29)が形成される。なお、ステップ(a) の処理内容は既存の方法を含め、実施の形態1の半導体装置51の場合と同様である。
ステップ(b) :絶縁層20a(〜22a)及び金属箔20b(〜22b)からなる絶縁シート部20(〜22)を準備する。なお、ステップ(b) において準備される絶縁シート部20として、全体が同一平面を有する加工前、すなわち、屈曲部20x(〜22x)及び本体部20m(〜22m)を有しない構造と、加工後、すなわち、屈曲部20x及び本体部20mを有する構造の絶縁シート部20とがある。
ステップ(c):本体部20mにおける金属箔20bの裏面を除く絶縁シート部2と、ヒートスプレッダ3、パワー素子4及びアルミワイヤ5の全体と、信号端子6及び主端子7の一部とをモールド樹脂1により封止するトランスファモールド処理を実行する。
また、実施の形態1の半導体装置51と同様に、ステップ(c) 後に後処理が実行される。
(屈曲部形成処理)
さらに、実施の形態2の半導体装置52は、ステップ(b) で加工前の絶縁シート部20(21)が準備された場合、加工後の絶縁シート部20を得るための以下の屈曲部形成処理が上記ステップ(c) に含まれるステップ(c-1)として実行される。
ステップ(c-1) :加工前の絶縁シート部20(21)を金型(上金型,下金型)によって形成されるキャビティ内に設置した後、ワイヤボンド工程まで完了した上記実装フレーム構造をキャビティ内の所定位置にセットし、金型による型締めすることにより、加工前の絶縁シート部20における面取り部(ダレ面9,C面29)に対応する領域を屈曲させて、ヒートスプレッダ3の裏面に沿って同一平面を構成する本体部20mと、面取り部に密着するように本体部20mから屈曲して形成される屈曲部20xとを形成する。
その後、トランスファモールド成形法により、モールド樹脂1を金型内のキャビディに注入充填し、加熱及び加圧してモールド樹脂1、並びに絶縁シート部20を硬化させる。その結果、ステップ(c) におけるトランスファモールド処理実行後に、絶縁シート部20の本体部20mが上記面取り部を除くヒートスプレッダ3の裏面に密着され、屈曲部20xがヒートスプレッダ3の面取り部に密着される。
(第1の態様(加工後の絶縁シート部20を利用))
ステップ(b) の実行の初期段階において、ステップ(b-1)として、ヒートスプレッダ3の面取り部に対応した屈曲部20xを有する絶縁シート部20を予め準備する。第1の態様は、上述した屈曲部形成処理を実行することなく加工後の絶縁シート部20を得ている。
第1の態様を採用した場合、屈曲部20xにおける絶縁層20aの表面とヒートスプレッダ3の面取り部(ダレ面9,C面29)とが対向する位置関係で絶縁シート部20と実装フレーム構造(ヒートスプレッダ3を含む)とを金型内に形成されるキャビティに搭載後、トランスファモールド処理を実行する。
すると、流動しているモールド樹脂1の先端であるウェルド領域が絶縁シート部20の屈曲部20xを形成する金属箔20bの下側の絶縁シート部下隙間領域S20に回り込む。モールド樹脂1の注入完了後、保圧しながらモールド樹脂1が硬化するときに、絶縁シート部20(絶縁層20a)の屈曲部20xは、ヒートスプレッダ3のダレ面9に強く密着し、絶縁層20aを構成する絶縁材料も硬化するため、絶縁シート部20がヒートスプレッダ3に強く接着した状態にすることができる。なお、キャビティを基準としてゲート(樹脂注入口)の反対側に設けたエアベントから真空引きを行うことにより、ウェルド領域をキャビティ外、すなわち、半導体装置52外に送り出すことができる。
また、絶縁シート部20のエッジ部がヒートスプレッダ3からはみ出ているはみ出し長さは、半導体装置52の定格容量によって、ヒートスプレッダ3と金属箔20bとの電極間の必要な沿面距離によって、決定する。例えば、1200V定格容量の半導体装置52に対して、絶縁シート部20のヒートスプレッダ3からはみ出し長さは1.5mm程度あれば問題ない。同様なことが、実施の形態1の半導体装置51にも当てはまる。例えば、1200V定格容量の半導体装置51に対して、絶縁シート部2のヒートスプレッダ3からはみ出し長さは1.5mm程度あれば問題ない。
(第2,第3の態様(加工前の絶縁シート部20を利用))
第2及び第3の態様では、ステップ(b) は、同一平面を有する平板構造の加工前の絶縁シート部20を用いて実行される。したがって、ステップ(c) に含まれるステップ(c-1)として以下で述べる屈曲部形成処理が実行される。
第2及び第3の態様では、加工前の絶縁シート部20の一部がヒートスプレッダ3の裏面からはみ出る位置関係で加工前の絶縁シート部20と実装フレーム構造(ヒートスプレッダ3を含む)とを金型内に形成されるキャビティに搭載後、トランスファモールド処理を実行することを前提としている。
図7及び図8は屈曲部形成処理(第2及び第3の態様)の内容を示す断面図である。図7に示すように、第2の態様では、モールド用の下金型(図示せず)に上方(+Z方向)に突出した固定ピン14を設けている。このため、トランスファモールド処理時にヒートスプレッダ3及び絶縁シート部20がモールド用の上金型及び下金型内のキャビティに収容されると、上金型及び下金型による型締め時に固定ピン14によって、絶縁層20aがダレ面9に密着するように絶縁シート部20の先端部が上方に押圧される。
その結果、絶縁シート部20の先端部分が屈曲されるため、遅くともモールド樹脂1の充填完了後の保圧時の段階で、本体部20mからダレ面9に密着するように屈曲された屈曲部20xを形成することができる。屈曲部20xを形成した後、モールド樹脂1が硬化することにより、ヒートスプレッダ3のダレ面9に絶縁シート部20の屈曲部20xにおける絶縁層20aを接着することができる。
一方、図8に示す第3の態様のように、突出状態時にモールド用の下金型(図示せず)から上方に突出し、収納状態時に下金型内に少なくとも一部が収納される可動ピン15を図14で示す固定ピン14に代えて設けても良い。なお、図8において、実線で可動ピン15が収納状態、破線で可動ピン15が突出状態をそれぞれ示している。
第3の態様の場合、ヒートスプレッダ3及び絶縁シート部20がモールド用の上金型及び下金型内のキャビディに収容された後に、可動ピン15を収納状態から突出状態に変化させる。すると、絶縁シート部20の先端部が突出状態の可動ピン15によって、絶縁層20aがダレ面9に密着するように上方に押圧される。
その結果、第2の態様の場合と同様に、屈曲部20x及び本体部20mを得、ヒートスプレッダ3のダレ面9に絶縁シート部2の屈曲部20xにおける絶縁層20aを接着することができる。
なお、第3の態様の場合、屈曲部20xが形成された段階で、モールド樹脂1が硬化する前に可動ピン15を突出状態から収納状態にして、可動ピン15をモールド樹脂1の形成領域から引き抜くことが望ましい。なぜなら、収納状態時には下金型内に可動ピン15が収納される、すなわち、キャビティ面まで可動ピン15の先端部が下がるため、半導体装置52の完成後のモールド樹脂1によるパッケージ表面に可動ピン15によるピン深さの痕が残らないようにすることができるからである。
(第4の態様(加工前の絶縁シート部21を利用))
第4の態様では、ステップ(b) は、同一平面を有する平板構造の加工前の絶縁シート部21を用いて実行される。そして、ステップ(c) に含まれるステップ(c-1)として以下で述べる屈曲部形成処理が実行される。
図9は屈曲部形成処理(第4の態様)の内容等を示す説明図である。同図(a) がステップ(b) 実行時におけるヒートスプレッダ3と加工前の絶縁シート部21との関係を示す説明図であり、同図(b) がステップ(c-1)として実行される屈曲部形成処理時におけるヒートスプレッダ3と加工後の絶縁シート部21との関係を示す断面図である。
ステップ(b) において、図9(a) に示すように、絶縁シート部20に代えて、絶縁層21a及び金属箔21b(金属層)の積層構造を呈し、突起部16を除く絶縁層21a及び金属箔21bが同一平面を有する加工前の絶縁シート部21を準備する。なお、絶縁シート部21は金属箔21bの先端部分の裏面に突起部16が設けられている点で、絶縁シート部20と異なる。突起部16は加工性・絶縁性・接着性がよい樹脂材料が好ましい。
第4の態様では、突起部16に対応する絶縁シート部21(絶縁層21a)の表面がヒートスプレッダ3の裏面からはみ出る位置関係で加工前の絶縁シート部21と実装フレーム構造(ヒートスプレッダ3を含む)とを金型内に形成されるキャビティに搭載後、トランスファモールド処理を実行することを前提としている。
図9(b) に示すように、第4の態様では、絶縁シート部21の金属箔21bの先端部の裏面側に突起部16を設けることにより、トランスファモールド処理時にヒートスプレッダ3及び絶縁シート部21がモールド用の上金型及び下金型内のキャビティに収容されると、上金型及び下金型による型締め時に突起部16によって、絶縁層21aがダレ面9に密着するように、図中右斜め上方に絶縁シート部21の先端部が押圧される。
その結果、絶縁シート部21の先端部分が屈曲されるため、遅くともモールド樹脂1の充填完了後の保圧時の段階で、本体部21mからダレ面9に密着するように屈曲された屈曲部21xを形成することができる。屈曲部21xを形成した後、モールド樹脂1が硬化することにより、ヒートスプレッダ3のダレ面9に絶縁シート部21の屈曲部21xにおける絶縁層21aを接着することができる。
(第5の態様(加工前の絶縁シート部20を利用))
第5の態様では、ステップ(b) は、同一平面を有する平板構造の加工前の絶縁シート部20を用いて実行される。そして、ステップ(c) に含まれるステップ(c-1)として以下で述べる屈曲部形成処理が実行される。
第5の態様では、加工前の絶縁シート部20の一部がヒートスプレッダ3の裏面からはみ出る位置関係で加工前の絶縁シート部20と実装フレーム構造(ヒートスプレッダ3を含む)とを金型内に形成されるキャビティに搭載後、トランスファモールド処理を実行することを前提としている。
図10は屈曲部形成処理(第5の態様)の内容を示す断面図である。同図に示すように、第5の態様では、モールド用の下金型17の表面の一部に凸部17xを設けることにより、上金型と下金型17とにより形成される、モールド樹脂1の注入領域であるキャビディに凹みを設けている。このため、トランスファモールド処理時に、凸部17xの一方斜面とダレ面9とが対向するようにして、ヒートスプレッダ3及び絶縁シート部20をキャビティ内に収容することにより、上金型及び下金型による型締め時に凸部17xによって、絶縁層20aがダレ面9に密着するように斜め上方に絶縁シート部20の先端部が押圧される。
その結果、絶縁シート部20の先端部分が屈曲されるため、遅くともモールド樹脂1の充填完了後の保圧時の段階で、本体部20mからダレ面9に密着するように屈曲された屈曲部20xを形成することができる。屈曲部20xを形成した後、モールド樹脂1が硬化することにより、ヒートスプレッダ3のダレ面9に絶縁シート部20の屈曲部20xにおける絶縁層20aを接着することができる。
なお、モールド用の下金型17の凸部17xは、面取り部がダレ面9の場合は絶縁シート部20の屈曲部20xが本体部20mに対し10°〜15°の角度で屈曲可能な形状で上記一方斜面が設けられ、面取り部がC面29の場合は絶縁シート部20の屈曲部20xが本体部20mに対し45°の角度で屈曲可能な形状で上記一方斜面が設けられる。
(第6の態様(加工後の絶縁シート部22を利用))
図11は第6の態様で設けられる絶縁シート部22とヒートスプレッダ3との関係を示す説明図である。同図(a) がヒートスプレッダ3と絶縁シート部22との関係を示す説明図であり、同図(b) がトランスファモールド処理時の内容を示す断面図である。
図11(a) に示すように、第6の態様では、絶縁層22a及び金属箔22b(金属層)の積層構造を呈する絶縁シート部22を用いて実行される。なお、絶縁シート部22の絶縁層22aはヒートスプレッダ3のダレ面9(C面29)に対応して密着可能な形状の傾斜面23を有しており、絶縁層22aの膜厚が傾斜面23の低部側と高部側で膜厚が異なっており、高低差を有する点で絶縁シート部20と異なる。したがって、絶縁シート部22において、低部側の領域が本体部22mとなり、傾斜面23が形成される領域が屈曲部22xとなる。
このように、第6の態様では、ステップ(b) の実行の初期段階において、ステップ(b-1)として、予め、絶縁層22aがヒートスプレッダ3の面取り部に対応した傾斜面23を有する加工後の絶縁シート部22を予め準備する。したがって、第6の態様では上述した屈曲部形成処理を実行することなく加工後の絶縁シート部22を得ている。
第6の態様を採用した場合、絶縁層22aの傾斜面23とヒートスプレッダ3の面取り部(ダレ面9,C面29)とが対向する位置関係で絶縁シート部22とヒートスプレッダ3とを金型内に形成されるキャビティに搭載後、トランスファモールド処理を実行することを前提としている。この際、低部側の絶縁層22aの表面がヒートスプレッダ3の裏面に密着される。
したがって、ステップ(c) で実行されるトランスファモールド処理において、図11(b) に示すように、ヒートスプレッダ3のダレ面9と絶縁層22aの傾斜面23とが密着した状態でキャビティに収容され、モールド樹脂1が注入された後、硬化される。その結果、第1の態様と同様に、絶縁シート部22がヒートスプレッダ3に強く接着した状態にすることができる。
なお、絶縁層22aの傾斜面23は、面取り部がダレ面9の場合は絶縁シート部22の屈曲部22xが本体部22mに対し10°〜15°の角度で屈曲された形状で設けられ、面取り部がC面29の場合は絶縁シート部22の屈曲部22xが本体部22mに対し45°の角度で屈曲された形状で設けられる。
このように、屈曲部20x(21x,22x)を有する絶縁シート部20(21,22)を用いて第1〜第6の態様のいずれかを実行することにより、ヒートスプレッダ3の面取り部(ダレ面9,C面29)に屈曲部20xが密着した構造を有する実施の形態2の半導体装置52を比較的安価に製造することができる。
なお、第1及び第6の態様では、ステップ(b) の段階で、加工後の絶縁シート部20(22)を得ているため、ステップ(c)のトランスファモールド処理に先がけて絶縁シート部20(22)とヒートスプレッダ3との接合を行っても良い。
<応用例>
図12は実施の形態1の半導体装置51の応用例を示す断面図である。同図に示すように、半導体装置51においてモールド樹脂1から露出した金属箔2bの裏面がはんだ18を介して冷却フィン19に接合されている。
図13は実施の形態2の半導体装置52の応用例を示す断面図である。同図に示すように、半導体装置52においてモールド樹脂1から露出した金属箔20bの裏面がはんだ18を介して冷却フィン19に接合されている。なお、図13では、絶縁シート部20を示したが、絶縁シート部20に代えて、絶縁シート部21(図9参照)や絶縁シート部22(図11参照)を用いても良い。
図12及び図13に示すように、金属箔2b(20b)と冷却フィン19とをグリスレス接合するために、はんだ18を用いたはんだ接合を採用している。上述したように、半導体装置51,52は、絶縁層2a(20a),金属箔2b(20b)間の界面、絶縁シート部2(20),モールド樹脂1間の界面における剥離が発生しにくく、高い信頼性を有している。
従来は、半導体装置51,52に相当するパワーモジュールをグリス実装していたので、熱抵抗の増大が課題となっていた。一方、図12,図13に示すように、半導体装置51,52は、ヒートスプレッダ3,モールド樹脂1間の熱抵抗の低減等により、装置自体が高い信頼性を有している。このため、冷却フィン19のはんだ接合実装を採用しても上述した熱抵抗の増大の課題をクリアすることができる。
このように、図12及び図13で示す実施の形態1及び実施の形態2の応用例は、高価な高放熱絶縁シートに加え、高価なグリスを採用することなく、比較的低コストで冷却フィン19付の半導体装置51(52)を実現することができる効果を奏する。
さらに、図13に示す半導体装置52のように、屈曲部20xを有する絶縁シート部20を用いて、屈曲部20xの面積を増大させるほど、金属箔20bとモールド樹脂1との界面の接着力がより向上し、さらに装置自体の信頼性を改善することができる。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
この発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての局面において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。
1 モールド樹脂、2,20〜22 絶縁シート部、2a,20a〜22a 絶縁層、2b,20b〜22b 金属箔、3 ヒートスプレッダ、4 パワー素子、6 信号端子、7 主端子、9 ダレ面、10a 上金型、10b,17 下金型、12 フィラー、13 ボイド、14 固定ピン、15 可動ピン、16 突起部、18,28 はんだ、19 冷却フィン。

Claims (6)

  1. 半導体素子(4)が樹脂(1)によって被覆される構造の半導体装置(52)であって、
    前記半導体素子を表面上に載置するヒートスプレッダ(3)と、
    前記ヒートスプレッダの裏面上に形成される絶縁シート部(20)とを備え、
    前記絶縁シート部は、
    前記樹脂よりも熱伝導率が大きい絶縁層(20a)と金属層(20b)との積層構造を呈し、前記絶縁層が前記ヒートスプレッダの裏面上に密着され、
    前記ヒートスプレッダは裏面の外周端部にR面取り加工あるいはC面取り加工による面取り部(9,29)を有し、
    前記絶縁シート部(20〜22)は前記ヒートスプレッダの裏面に沿って同一平面を構成する本体部(20m〜22m)と、表面領域が前記本体部から屈曲して形成され、前記面取り部に密着する屈曲部(20x〜22x)とを有し、
    前記本体部における前記金属層の裏面を除き、前記半導体素子、前記ヒートスプレッダ、及び前記絶縁シート部が前記樹脂によって被覆され、
    前記絶縁シート部は、先端部が前記ヒートスプレッダからはみ出して形成され
    前記絶縁シート部は前記屈曲部を含めて膜厚が均一に形成されることを特徴とする、
    半導体装置。
  2. 請求項記載の半導体装置であって、
    前記ヒートスプレッダは0.5mm〜5mmの厚みを有し、
    前記面取り部はR面取り加工の場合はRが100μm以上に設定され、C面取り加工の場合はCが100μm以上に設定される、
    半導体装置。
  3. 請求項1または請求項2に記載の半導体装置であって、
    前記屈曲部は、前記絶縁層にクラックが発生しない範囲の角度で屈曲されることを特徴とする半導体装置。
  4. 請求項記載の半導体装置であって、
    前記面取り部はR面取り加工によって得られ、前記屈曲部は前記本体部に対し10〜15°の範囲で屈曲される、
    半導体装置。
  5. 請求項記載の半導体装置であって、
    前記面取り部はC面取り加工によって得られ、前記屈曲部は前記本体部に対し45°の角度で屈曲される、
    半導体装置。
  6. 導体装置の製造方法であって、
    前記半導体装置(52)は、
    半導体素子(4)が樹脂(1)によって被覆される構造であって、
    前記半導体素子を表面上に載置するヒートスプレッダ(3)と、
    前記ヒートスプレッダの裏面上に形成される絶縁シート部(20)とを備え、
    前記絶縁シート部は、
    前記樹脂よりも熱伝導率が大きい絶縁層(20a)と金属層(20b)との積層構造を呈し、前記絶縁層が前記ヒートスプレッダの裏面上に密着され、
    前記ヒートスプレッダは裏面の外周端部にR面取り加工あるいはC面取り加工による面取り部(9,29)を有し、
    前記絶縁シート部(20〜22)は前記ヒートスプレッダの裏面に沿って同一平面を構成する本体部(20m〜22m)と、表面領域が前記本体部から屈曲して形成され、前記面取り部に密着する屈曲部(20x〜22x)とを有し、
    前記本体部における前記金属層の裏面を除き、前記半導体素子、前記ヒートスプレッダ、及び前記絶縁シート部が前記樹脂によって被覆され、
    前記絶縁シート部は、先端部が前記ヒートスプレッダからはみ出して形成され、
    前記半導体装置の製造方法は、
    (a) 前記半導体素子(4)を表面上に載置した前記ヒートスプレッダ(3)を準備するステップと、
    (b) 全体が同一平面を有する加工前の前記絶縁シート部(20〜22)を準備するステップと、
    (c) 前記本体部における前記金属層の裏面を除く前記絶縁シート部、前記ヒートスプレッダ、及び前記半導体素子を前記樹脂により被覆するトランスファモールド処理を実行するステップとを備え、
    前記ステップ(a) は、
    (a-1) 打抜き金型(10a,10b)を用いた破断加工処理を実行して、前記ヒートスプレッダの裏面の外周端部に前記面取り部(9,29)を形成するステップを含み、
    前記ステップ(c)は、
    (c-1) 加工前の前記絶縁シート部に対し前記面取り部に対応する領域を屈曲させることにより、前記屈曲部に前記面取り部を密着させる態様で、前記本体部及び前記屈曲部を設ける屈曲部形成処理を実行するステップを含む、
    半導体装置の製造方法。
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