JP6877561B2 - 半導体装置およびこれを備えた電力変換装置 - Google Patents

半導体装置およびこれを備えた電力変換装置 Download PDF

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Description

本発明は、半導体装置およびこれを備えた電力変換装置に関し、特にモールド樹脂で全体を封止した両面放熱の半導体装置に関するものである。
パワー用の半導体装置は、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｆｉｅｌｄ−ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＩＣチップ、ＬＳＩチップ等の半導体素子を外部端子用リードフレームにダイボンドした後、半導体素子の電極と外部端子をワイヤまたはインナーリードで電気的に接続し、外部との信号の入出力を行っている。
また、樹脂モールド型の半導体装置は、モールド成形工程において、リードフレームの半導体素子が実装された側の面（実装面）とその反対側の放熱面を、モールド樹脂で封止されている。パワー用の半導体装置は、内部に高発熱素子を備えているため、モールド樹脂には高い放熱性が要求される。
従来、樹脂モールド型の半導体装置として、リードフレームの実装面側を一般的な集積回路のモールド樹脂として用いられる低応力樹脂で封止し、放熱面側を主にアルミナフィラーを使用した熱伝導率が３Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高放熱樹脂で封止したものがある。また、特許文献１では、モータとインバータを備えた電力変換装置において、インバータのパワーモジュールの一方の面がモータまたはインバータの金属筐体と接し、他方の面は放熱用の金属板と接しており、パワーモジュールで発生した熱を両面から逃すようにしている。
特許第５９４６９６２号公報
従来の半導体装置においては、リードフレームの放熱面側を高放熱樹脂で封止したものはあるが、放熱性向上の観点からは実装面側も高放熱樹脂で覆うことが望ましい。しかしながら、高放熱樹脂は高価であるため、実装面を含む全ての領域を高放熱樹脂で覆うことはコスト面から現実的ではない。
また、特許文献１では、樹脂の厚さが３００μｍ程度の薄いパワーモジュールに、放熱用の金属板を両面から接触させており、金属板からリードフレームまでの沿面距離が短い。このため、絶縁耐圧が低いことが予想され、絶縁不良となる可能性が高い。沿面距離を長くするためには、金属板の面積を小さくするか、あるいは樹脂を厚くする必要があり、いずれにしても放熱性が低下するという課題があった。
また、樹脂全体の厚さが３００μｍの半導体装置の場合、例えば半導体素子が１００μｍ、リードフレームが１００μｍとすると、放熱面側の樹脂の厚さは１００μｍ未満となる。放熱性向上のためには樹脂をより薄くする必要があるが、モールド成形工程で厚さ１００μｍ未満の薄肉成形をする場合、ボイドまたは樹脂未充填が発生しやすく不良となる課題があった。
本発明は、上記問題点に鑑み、二種類の樹脂を用いた両面放熱の半導体装置において、沿面距離を確保し、放熱性と絶縁性に優れた低コストの半導体装置を得ることを目的とする。
本発明に係る半導体装置は、半導体素子が実装されたリードフレームと、半導体素子の電極に接続されたインナーリードと、リードフレームの一部と半導体素子とインナーリードとを封止している第一の樹脂および第二の樹脂を備えている。リードフレームの半導体素子が実装された側の面を実装面、実装面と反対側の面を放熱面とするとき、放熱面の外周端部には枠状突起が設けられ、枠状突起の対向する二辺と該二辺の間を覆う第一の薄肉成形部は第二の樹脂により一体的に成形され、枠状突起の他の対向する二辺は第一の樹脂により成形されるとともに前記第二の樹脂で覆われている。実装面には、インナーリードの一部と半導体素子とを覆う素子封止部が第一の樹脂により成形され、素子封止部の表面の一部と素子封止部から露出しているインナーリードとを覆う第二の薄肉成形部が第二の樹脂により成形されている。
本発明によれば、リードフレームの放熱面に枠状突起を設けることにより、少ない樹脂の増加量で沿面距離が長くなり、絶縁性が向上する。また、枠状突起の対向する二辺と第一の薄肉成形部を第二の樹脂により一体的に成形し、他の対向する二辺を第一の樹脂により成形することにより、枠状突起の四辺全てを第二の樹脂で一度に成形する場合に比べ、第一の薄肉成形部への第二の樹脂の流動性が向上し、第二の樹脂が濡れ易くなる。このため、第一の薄肉成形部とリードフレームの密着性が高く、第一の薄肉成形部の剥離や欠けが発生しにくい。また、第一の樹脂により成形されている枠状突起の二辺を第二の樹脂で覆うことにより、該二辺と第一の薄肉成形部との界面が剥離したとしても沿面距離を確保することができ、絶縁不良を削減することが可能である。さらに、インナーリードを第二の薄肉成形部で覆うことにより、半導体素子で発生した熱を第一の薄肉成形部と第二の薄肉成形部の両面から効率的に逃すことができる。これらのことから、本発明によれば、低コストで放熱性と絶縁性に優れた信頼性の高い半導体装置が得られる。
この発明の上記以外の目的、特徴、観点および効果は、図面を参照する以下のこの発明の詳細な説明から、さらに明らかになるであろう。
本発明の実施の形態１に係る半導体装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態１における一回目のトランスファー成形工程後の半導体装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態１における一回目のトランスファー成形工程後の半導体装置を放熱面側から見た平面図である。 本発明の実施の形態１における二回目のトランスファー成形工程後の半導体装置を放熱面側から見た平面図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体装置の一回目のトランスファー成形工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体装置の二回目のトランスファー成形工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態1に係る半導体装置の一回目のコンプレッション成形工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体装置に放熱板を配置した状態を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体装置を備えた電動機を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体装置を備えた別の電動機を示す断面図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態２における一回目のトランスファー成形工程後の半導体装置を実装面側から見た平面図である。 本発明の実施の形態２における一回目の成形工程後、インナーリードを露出させた半導体装置を実装面側から見た平面図である。 本発明の実施の形態２における二回目のトランスファー成形工程後の半導体装置を実装面側から見た平面図である。 本発明の実施の形態３に係る半導体装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態３における二回目のトランスファー成形工程後の半導体装置を放熱面側から見た平面図である。 本発明の実施の形態４における表面粗化インナーリードの表面状態を示す断面図である。 本発明の実施の形態５におけるレーザー粗化インナーリードの鱗状部を示す平面図である。 本発明の実施の形態５におけるレーザー粗化インナーリードの鱗状部を示す上面斜視図である。 本発明の実施の形態６に係る半導体装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態６に係る半導体装置の二回目のトランスファー成形工程を示す断面図である。
実施の形態１．
以下に、本発明の実施の形態１に係る半導体装置について、図面に基づいて説明する。図１は、本実施の形態１に係る樹脂モールド型の半導体装置の構成を示す断面図、図２は、一回目のトランスファー成形工程後の半導体装置を示す断面図、図３は、一回目のトランスファー成形工程後の半導体装置を放熱面側から見た平面図、図４は、二回目のトランスファー成形工程後の半導体装置を放熱面側から見た平面図である。なお、各図において、図中、同一または相当部分には同一符号を付している。
本実施の形態１に係る半導体装置１００は、二種類の樹脂を用いて封止された両面放熱の半導体装置である。図１に示すように、半導体装置１００は、半導体素子１が実装されたリードフレーム２、外部端子４、半導体素子１の電極に接続されたワイヤ５とインナーリード６、第一の樹脂である第一のモールド樹脂７、および第二の樹脂である第二のモールド樹脂８を含んで構成される。
以下の説明において、リードフレーム２の半導体素子１が実装された側の面を実装面２ａ、実装面２ａと反対側の面を放熱面２ｂとする。図１に示す例では、リードフレーム２の上側の面が実装面２ａ、下側の面が放熱面２ｂである。実装面２ａには、例えばＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＣチップ、ＬＳＩチップ等の半導体素子１が、はんだ、銀等の接合部材３を介して実装されている。リードフレーム２は、銅板または銅合金板であり、その表面を金、銀、ニッケル、スズ等の金属めっき（図示せず）で被膜されている。
半導体素子１の電極パッドは、ワイヤボンディングで接続されたワイヤ５、または銅板や銅合金板の材料で作成されたインナーリード６を介して外部端子４と電気的に接続され、外部と信号の入出力を行う。ワイヤ５とインナーリード６は互いに置き換えが可能である。ワイヤ５は、金、銀、アルミ、銅等からなり、ワイヤ線径は２０μｍから５００μｍ程度である。
リードフレーム２の一部、半導体素子１、ワイヤ５、およびインナーリード６は、第一のモールド樹脂７と第二のモールド樹脂８で封止されている。第一のモールド樹脂７と第二のモールド樹脂８は、いずれも熱硬化性のエポキシ樹脂等である。ただし、主に放熱面２ｂを覆う第二のモールド樹脂８には、第一のモールド樹脂７よりも熱伝導率が高い高放熱樹脂が用いられる。第二のモールド樹脂８の熱伝導率は、２Ｗ／ｍ・Ｋ〜１２Ｗ／ｍ・Ｋである。また、主に実装面２ａを覆う第一のモールド樹脂７には、一般的な集積回路のモールド樹脂である低応力樹脂が用いられる。
放熱面２ｂの外周端部には、第一のモールド樹脂７と第二のモールド樹脂８により成形された厚さ０．３ｍｍ〜２ｍｍ程度の枠状突起である放熱面側スカート部が設けられている。放熱面側スカート部の対向する二辺と該二辺の間を覆う第一の薄肉成形部８ｂは、第二のモールド樹脂８により一体的に成形され、他の対向する二辺は第一のモールド樹脂７により成形されている。
具体的には、図４に示すように、放熱面側スカート部は、第一のモールド樹脂７により成形された第一のスカート部７ａと、第二のモールド樹脂８により成形された第二のスカート部８ａから構成されている。なお、第一のスカート部７ａおよび第二のスカート部８ａは、各辺と直交する方向に切断した断面形状が、長方形または正方形または台形である。なお、上記断面形状の角部が丸みを帯びていてもよく、あるいは上記断面形状が円弧状であってもよい。
第二のスカート部８ａの間には、厚さ０．０２ｍｍ〜０．３ｍｍ程度の第一の薄肉成形部８ｂが、第二のモールド樹脂８により第二のスカート部８ａと一体的に成形されている。第一のスカート部７ａと第二のスカート部８ａは、４箇所の樹脂接合部９で接合されている。
一方、実装面２ａには、インナーリード６の一部と半導体素子１を覆う素子封止部７ｂが第一のモールド樹脂７により成形されている。図２に示すように、素子封止部７ｂは、実装面２ａと平行な平面である上面７ｃと、この上面７ｃと直交する四つの側面を有している。ただし、素子封止部７ｂの上面７ｃと四つの側面は、必ずしも直交していなくてもよい。また、インナーリード６は、素子封止部７ｂの上面７ｃに平行な端面６ａを有している。素子封止部７ｂの上面７ｃとインナーリード６の端面６ａは、実装面２ａからの高さが等しく形成されている。
さらに、素子封止部７ｂの表面の一部と素子封止部７ｂから露出しているインナーリード６とを覆う第二の薄肉成形部８ｃが、第二のモールド樹脂８により成形されている。図１に示す例では、第二の薄肉成形部８ｃは、素子封止部７ｂの上面７ｃ、インナーリード６の端面６ａ、および素子封止部７ｂの上面７ｃと直交する一つの側面を覆っている。
半導体装置１００のモールド成形工程について、図５および図６を用いて説明する。半導体装置１００は、二回のトランスファー成形工程を含んで製造され、図５は一回目のトランスファー成形工程、図６は二回目のトランスファー成形工程を示している。なお、図６に示す半導体装置は、図３中Ａ−Ａで示す位置における断面図である。
図５に示すように、一回目のトランスファー成形工程において、第一の成形金型２０で加える熱と圧力により溶融された第一のモールド樹脂７は、上ゲート２２を通ってリードフレーム２が設置された空洞２１に注入される。第一のモールド樹脂７は、リードフレーム２の実装面２ａ側に流動し、空洞２１を充填して素子封止部７ｂを成形すると共に、第一のスカート部７ａに該当する空洞（図示せず）に流動し、第一のスカート部７ａを成形する。
なお、図５に示す第一の成形金型２０を用いた場合、一回目のトランスファー成形工程後、インナーリード６の端面６ａは第一のモールド樹脂７で覆われている。このため、後工程で第一のモールド樹脂７を機械研削もしくはレーザー照射等で削り、インナーリード６の端面６ａを露出させる。
一回目のトランスファー成形工程および後工程を終えたリードフレーム２の実装面２ａには、図２に示すように、第一のモールド樹脂７により半導体素子１を封止する素子封止部７ｂが成形され、インナーリード６の端面６ａは素子封止部７ｂから露出している。また、放熱面２ｂには、図３に示すように、第一のモールド樹脂７により、上ゲート２２と平行な二辺である第一のスカート部７ａが成形されている。
続いて、二回目のトランスファー成形工程が実施される。なお、第一のモールド樹脂７と第二のモールド樹脂８の密着性を高めるため、一回目のトランスファー成形工程後、第一のモールド樹脂７にＵＶ処理またはプラズマ処理またはレーザー処理を実施してもよい。図６に示すように、第二の成形金型３０の内部には、一回目のトランスファー成形工程を終えたリードフレーム２が設置される。
リードフレーム２が設置された第二の成形金型３０の内部は、第一のモールド樹脂７により成形された素子封止部７ｂの上部に、第二の薄肉成形部８ｃに該当する空洞３１ａを有している。また、リードフレーム２の放熱面２ｂ側に、第一の薄肉成形部８ｂに該当する空洞３１ｂと、第二のスカート部８ａに該当する空洞３１ｃを有している。
第二の成形金型３０で加える熱と圧力により溶融された第二のモールド樹脂８は、下ゲート３２付近にある空洞３１ｃを通り、空洞３１ｂへ流動する。この時、第二のモールド樹脂８は、一旦、下ゲート３２付近の空洞３１ｃに溜まるため、空洞３１ｂへ均一に流動することができる。空洞３１ｂを通った第二のモールド樹脂８は、さらに、最終充填部となる下ゲート３２から最も遠い対辺の空洞３１ｃに流動する。この時、第二のモールド樹脂８は、硬化が進み粘度が高くなっているが、最終充填部である空洞３１ｃは、空洞３１ｂよりも厚みが大きく流動抵抗が小さいため、第二のモールド樹脂８が流動しやすい。
また、第二のモールド樹脂８は、空洞３１ｂ、３１ｃへの流動と同時に、第一のモールド樹脂７により成形された素子封止部７ｂの上面７ｃと第二の成形金型３０との間の空洞３１ａへ流動する。第二の薄肉成形部８ｃの厚さは、樹脂の流動性と放熱性を考慮し、第一の薄肉成形部８ｂより２倍程度厚くしてもよい。素子封止部７ｂの厚さは少なくとも０．４ｍｍ以上とし、これに第二の薄肉成形部８ｃの厚さが加わることにより実装面２ａ側の絶縁性を確保することができる。二回目のトランスファー成形工程において、第二のモールド樹脂８により第二のスカート部８ａ、第一の薄肉成形部８ｂ、および第二の薄肉成形部８ｃを成形し、第二の成形金型３０から成形品を取り出す。
図４に示すように、二回目のトランスファー成形工程後の放熱面２ｂには、下ゲート３２に最も近い辺を含む二辺の第二のスカート部８ａと、該二辺の間を覆う第一の薄肉成形部８ｂが、第二のモールド樹脂８により一体的に成形されている。なお、本実施の形態１では、第一のモールド樹脂７により成形された第一のスカート部７ａが長辺側に位置し、第二のモールド樹脂８により成形された第二のスカート部８ａが短辺側に位置しているが、使用される成形金型のゲートの位置によって逆になる場合も有る。
なお、一回目のトランスファー成形工程において、コンプレッション成形を実施することにより、インナーリード６の端面６ａが素子封止部７ｂから露出した状態の成形品を製造することができる。図７に示すように、コンプレッション用の成形金型４０の内部表面には、予め厚さ４０μｍ〜２００μｍ程度の熱可塑性フッ素樹脂製のフィルム４２を吸着させておく。このフィルム４２は、溶融した第一のモールド樹脂７が成形金型４０の可動部に侵入するのを防止する。
成形金型４０の上部は可動部であり、矢印Ａの方向に移動し、空洞４１を加圧しながらインナーリード６上面の所定の位置で停止する。成形金型４０内部の空洞４１には、予め顆粒状の第一のモールド樹脂７を設置していてもよいし、通常のトランスファー用のタブレット状樹脂を上ゲート２２から注入し、空洞４１に流動するようにしてもよい。
図５に示す第一の成形金型２０を用いてインナーリード６の端面６ａを露出させるためには、第一の成形金型２０とインナーリード６を接触させておく必要がある。しかし、半導体素子１およびインナーリード６の実装後の高さにはばらつきがあるため、実装後の高さが基準値よりも高い場合は半導体素子１に応力がかかり破壊される可能性があり、低い場合は第一の成形金型２０とインナーリード６の間に隙間ができるため、第一のモールド樹脂７の樹脂バリが発生する。
これに対し、コンプレッション成形では、予め成形金型４０内に設置されたフィルム４２が加圧され薄くなることにより、半導体素子１およびインナーリード６の高さのばらつきを吸収し、成形金型４０とインナーリード６との隙間を埋めるため、樹脂バリが発生せず、インナーリード６の端面６ａを露出させることが可能である。
このように、二回のトランスファー成形工程を経て放熱面側スカート部を成形することにより、第二のモールド樹脂８の第一の薄肉成形部８ｂへの流動性が向上し、第一のモールド樹脂７およびリードフレーム２に対し濡れ易くなり、密着性が向上する。
本実施の形態１の比較例として、放熱面側スカート部の四辺全てと第一の薄肉成形部を一回のトランスファー成形工程で同時に成形した場合について説明する。成形金型内において、放熱面側スカート部の厚みは第一の薄肉成形部よりも大きく流動抵抗が小さいため、溶融樹脂は放熱面側スカート部の四辺に先に流動し、第一の薄肉成形部が最終充填部となる。
最終充填部には、硬化が進み粘度が高くなった樹脂が流動するため、流動抵抗の大きい第一の薄肉成形部へ均一に流動することが難しい。また、先に放熱面側スカート部の四辺に流動した樹脂が第一の薄肉成形部で合流するためウェルドラインが形成され、本実施の形態１のように二回のトランスファー成形工程で成形した場合に比べて第一の薄肉成形部の強度および絶縁性が劣るものとなる。
本実施の形態１に係る半導体装置１００は、電力を変換するインバータ、および電気エネルギーを機械エネルギーへ変換するモータを備えた電力変換装置に用いられる。例えば車載用途においてモータとインバータが一体となった電動機のインバータに組込まれる。その際、半導体装置１００には、図８に示すように、放熱面放熱板５０ａと実装面放熱板５０ｂが放熱グリース（図示せず）を介して接触する。放熱面放熱板５０ａは、放熱面側スカート部の枠内に収まる大きさとする。放熱面放熱板５０ａと実装面放熱板５０ｂは、熱容量が大きいインバータの筐体またはモータの筐体と一体化されるか、あるいはそれらの筐体にねじ締め等で接合される。
図９および図１０は、本実施の形態１に係る半導体装置１００を備えた電動機を示している。図９および図１０に示す電動機４００、４０１は、電動パワーステアリング用モータとインバータの統合ユニット、マイルドハイブリッド用ＩＳＧ(Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｓｔａｒｔｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ)、ストロングハイブリッド用モータとインバータの統合ユニットのいずれであってもよい。モータ３００、３０１は、金属筐体の内部に配置された固定子と回転子を有し、インバータ２００、２０１はモータ駆動回路を有している。
図９に示す電動機４００は、モータ３００とインバータ２００が一体化され、放熱面放熱板５０ａと実装面放熱板５０ｂはインバータ２００の筐体と一体化されている。また、図１０に示す電動機４０１は、モータ３０１とインバータ２０１が一体化され、放熱面放熱板５０ａはモータ３０１の筐体と、実装面放熱板５０ｂはインバータ２０１の筐体とそれぞれ一体化されている。なお、図１０に示す例とは逆に、実装面放熱板５０ｂがモータ３０１の筐体と一体化され、放熱面放熱板５０ａがインバータ２０１の筐体と一体化されていてもよい。また、放熱板と筐体は別体でもよく、放熱グリース等を介して接触させ、放熱板を筐体へねじ締め固定してもよい。
本実施の形態１では、リードフレーム２の表面は、金、銀、ニッケル、スズ等の金属めっきで被膜されているが、被膜されていない場合もある。また、リードフレーム２の厚さは均一であるが、部分的に厚さが異なるリードフレームを用いてもよい（ただしその場合、コストが高くなる）。また、インナーリード６の表面は金属めっきで被膜されていないが、被膜されていてもよい。
また、本実施の形態１では、素子封止部７ｂの上面７ｃと下ゲート３２に最も近い一つの側面を第二のモールド樹脂８で覆うようにしたが、第二のモールド樹脂８の配置はこれに限定されるものではない。高放熱樹脂である第二のモールド樹脂８は高価であるため、放熱性とコスト面を考慮して配置を決定すればよい。
本実施の形態１によれば、リードフレーム２の放熱面２ｂに放熱面側スカート部を設けることにより、樹脂成形の高圧がかかるリードフレーム２の外周端部の強度を確保することができると共に、少ない樹脂の増加量で沿面距離が長くなり、絶縁性が向上する。このため、本実施の形態１に係る半導体装置１００は、半導体素子１としてＩＧＢＴを使用する耐電圧６００Ｖ以上のパワーモジュールとして好適である。
また、第一のスカート部７ａを第一のモールド樹脂７により成形し、第二のスカート部８ａと第一の薄肉成形部８ｂを第二のモールド樹脂８により一体的に成形することにより、放熱面側スカート部の四辺全てを第二のモールド樹脂８で一度に成形する場合に比べ、第二のモールド樹脂８の流動性が向上し、リードフレーム２および第一のモールド樹脂７に対して濡れ易くなり密着性が向上する。このため、第一の薄肉成形部８ｂとリードフレーム２との密着性が高くなり、第一の薄肉成形部８ｂの剥離や欠けが発生しにくい。
さらに、インナーリード６の端面６ａを第二の薄肉成形部８ｃで覆うことにより、半導体素子１で発生した熱を第一の薄肉成形部８ｂと第二の薄肉成形部８ｃの両面から効率的に逃すことができ、放熱性が向上する。また、実装面２ａ側は、第二の薄肉成形部８ｃのみを第二のモールド樹脂８で成形するようにしたので、高価な高放熱樹脂の使用量を抑制しつつ、放熱性を向上することができる。これらのことから、本実施の形態１によれば、低コストで放熱性と絶縁性に優れた信頼性の高い半導体装置１００が得られる。
実施の形態２．
図１１は、本発明の実施の形態２に係る半導体装置の構成を示す断面図である。また、図１２は、一回目のトランスファー成形工程後の半導体装置を実装面側から見た平面図、図１３は、一回目の成形工程後、インナーリードを露出させた半導体装置を実装面側から見た平面図、図１４は、二回目のトランスファー成形工程後の半導体装置を実装面側から見た平面図である。
例えばストロングハイブリッド用ＩＧＢＴを搭載した６００Ｖ以上の耐電圧が必要な半導体装置の場合、沿面距離を通常よりも長く（例えば１．８ｍｍ以上）確保する必要がある。素子封止部７ｂを厚くすることにより沿面距離は長くなるが、モジュールが大型となり樹脂の使用量が増えコストが増加する。このような課題に対し、放熱面２ｂ側と同様に実装面２ａ側にも枠状突起を設けることにより、低コストで沿面距離を長くすることができる。
本実施の形態２に係る半導体装置１０１は、素子封止部７ｂの上面７ｃの外周端部に、厚さ０．３ｍｍ〜２ｍｍ程度の実装面側枠状突起である実装面側スカート部が設けられている。実装面側スカート部の対向する二辺と該二辺の間を覆う第二の薄肉成形部８ｃは第二のモールド樹脂８により一体的に成形され、実装面側スカート部の他の対向する二辺は第一のモールド樹脂７により成形されている。それ以外の構成については上記実施の形態１に係る半導体装置１００と同様であるので、ここでは説明を省略する。
図１４に示すように、実装面側スカート部は、第一のモールド樹脂７により成形された第三のスカート部７ｄと、第二のモールド樹脂８により成形された第四のスカート部８ｄから構成されている。第三のスカート部７ｄおよび第四のスカート部８ｄは、その各辺と直交する方向に切断した断面形状が、長方形または正方形または台形である。なお、上記断面形状の角部が丸みを帯びていてもよく、あるいは上記断面形状が円弧状であってもよい。
また、第四のスカート部８ｄの間には、厚さ０．０２ｍｍ〜０．３ｍｍ程度の第二の薄肉成形部８ｃが、第二のモールド樹脂８により第四のスカート部８ｄと一体的に成形されている。第三のスカート部７ｄと第四のスカート部８ｄは、４箇所の樹脂接合部９で接合されている。
本実施の形態２に係る半導体装置１０１の製造工程について、図１２から図１４を用いて説明する。半導体装置１０１は、二回のモールド成形工程を含んで製造され、一回目は上記実施の形態１と同様のトランスファー成形工程を実施する。ただし、成形金型の内部形状は上記実施の形態１とは異なっている。
図１２に示すように、一回目のトランスファー成形工程後の実装面２ａには、素子封止部７ｂの上面７ｃに上ゲート２２と平行な二辺である第三のスカート部７ｄが、第一のモールド樹脂７により成形されている。また、放熱面２ｂには、上ゲート２２と平行な二辺である第一のスカート部７ａが、第一のモールド樹脂７により成形されている（図３参照）。
上記実施の形態１で説明したように、一回目のトランスファー成形工程が通常のトランスファー成形の場合の成形品は、図１２に示すようにインナーリード６は露出していない。このため、後工程で第一のモールド樹脂７を機械研削もしくはレーザー照射等で削り、インナーリード６を露出させる必要がある。一方、一回目のトランスファー成形工程がコンプレッション成形の場合の成形品は、図１３に示すようにインナーリード６が露出している。
続いて、上記実施の形態１と同様の二回目のトランスファー成形工程を実施する。ただし、成形金型の内部形状は上記実施の形態１とは異なっている。図１４に示すように、二回目のトランスファー成形後の実装面２ａには、素子封止部７ｂの上面７ｃに、下ゲート３２に最も近い辺を含む二辺の第四のスカート部８ｄと、該二辺の間を覆う第二の薄肉成形部８ｃが、第二のモールド樹脂８により一体的に成形されている。また、放熱面２ｂには、下ゲート３２に最も近い辺を含む二辺の第二のスカート部８ａと、該二辺の間を覆う第一の薄肉成形部８ｂが、第二のモールド樹脂８により一体的に成形されている（図４参照）。
本実施の形態２によれば、上記実施の形態１と同様の効果に加え、実装面側スカート部を設けることにより、上記実施の形態１よりも沿面距離が長くなるため、耐電圧がさらに高い両面放熱の半導体装置１０１が得られる。
実施の形態３．
図１５は、本発明の実施の形態３に係る半導体装置を示す断面図、図１６は、二回目のトランスファー成形工程後の半導体装置を放熱面側から見た平面図である。なお、図１５は、図１６中Ｂ−Ｂで示す位置における断面図である。
上記実施の形態１および実施の形態２では、第一のモールド樹脂７により成形された第一のスカート部７ａと、第二のモールド樹脂８により成形された第二のスカート部８ａで放熱面側スカート部を構成した。このような構成では、第二のモールド樹脂８により成形された第一の薄肉成形部８ｂと第一のスカート部７ａの界面が剥離した場合、放熱面放熱板５０ａ（図８参照）とリードフレーム２間の沿面距離は第一の薄肉成形部８ｂの厚さと同等となり、耐電圧が大きく低下する懸念がある。
このため、本実施の形態３に係る半導体装置１０２は、第一のモールド樹脂７により成形された放熱面側スカート部の対向する二辺、すなわち第一のスカート部７ａを、第二のモールド樹脂８により成形された第五のスカート部８ｅで覆うようにしたものである。第五のスカート部８ｅは、二回目のトランスファー成形時に成形され、図１５に示すように、第一のスカート部７ａの内側の側面と、放熱面２ｂと平行な下面を覆っている。
これにより、半導体装置１０２の放熱面２ｂ側は、図１６に示すように、放熱面側スカート部の四辺（第二のスカート部８ａ、第五のスカート部８ｅ）と、該四辺の間を覆う第一の薄肉成形部８ｂが、第二のモールド樹脂８により一体的に成形されている。なお、第二のスカート部８ａと第五のスカート部８ｅの高さを揃えるため、第一のスカート部７ａの高さは上記実施の形態１と比べて低く形成されている。
また、上記実施の形態２に係る半導体装置１０１のように、実装面側スカート部を備えている場合（図１４参照）、二回目のトランスファー成形時に、第二のモールド樹脂８により、第一のモールド樹脂７により成形された第三のスカート部７ｄを覆う第六のスカート部（図示せず）を成形するようにしてもよい。
本実施の形態３によれば、上記実施の形態１と同様の効果に加え、第一のスカート部７ａを第五のスカート部８ｅで覆うことにより、生産のばらつき等により放熱面２ｂ側の第一の薄肉成形部８ｂと第一のスカート部７ａの界面が剥離したとしても、沿面距離を確保することができ、絶縁不良を削減することが可能な半導体装置１０２が得られる。
実施の形態４．
図１７は、本発明の実施の形態４に係る半導体装置に用いられる表面粗化インナーリードの表面状態を示す断面図である。なお、本実施の形態４に係る半導体装置の全体構成および製造方法は、上記実施の形態１と同様であるので、ここでは説明を省略する。
本実施の形態４に係る半導体装置は、第一のモールド樹脂７および第二のモールド樹脂８とインナーリードとの密着力の向上を図るため、上記実施の形態１で用いたインナーリード６の代わりに、表面粗化インナーリード１１を用いたものである。表面粗化インナーリード１１とは、銅または銅合金製のインナーリードの表面を、表面粗さＲａ０．０６〜０．２程度に化学的、もしくは物理的に粗化させたものである。表面粗化インナーリード１１の表面には、無数の凹凸が形成されているため、高いアンカー効果が得られる。
本実施の形態４によれば、上記実施の形態１と同様の効果に加え、表面粗化インナーリード１１を用いることにより、通常のインナーリード６を用いた場合よりも第一のモールド樹脂７および第二のモールド樹脂８との密着力が向上する。さらに、表面粗化インナーリード１１は、通常のインナーリード６に比べ表面積が大きいため、放熱性の向上が図られる。
実施の形態５．
図１８は、本発明の実施の形態５におけるレーザー粗化インナーリードの鱗状部を示す平面図、図１９は、図１８中、Ｃ−Ｃで示す部分の断面の上面斜視図である。なお、本実施の形態５に係る半導体装置の全体構成および製造方法は、上記実施の形態１と同様であるので、ここでは説明を省略する。
本実施の形態５に係る半導体装置は、第一のモールド樹脂７および第二のモールド樹脂８とインナーリードとの密着力の向上を図るため、上記実施の形態１で用いたインナーリード６の代わりに、レーザー粗化インナーリード１２を用いたものである。レーザー粗化インナーリード１２は、インナーリードを構成する金属またはインナーリードの表面を被覆する金属めっきの表面形状を鱗状に変形させた鱗状部１３を有している。鱗状部１３は、鱗片状の突起が連続的に配置され、その両側が高く盛り上がった複雑な形状であるため、鱗状部１３を配置することにより高いアンカー効果が得られる。
鱗状部１３は、レーザーによるスポット照射を連続的に行うことにより、インナーリードを構成する金属または金属めっきを溶融させ、鱗状に変形させることにより形成される。インナーリードに対する鱗状部１３の形成は、例えば一回目のトランスファー工程後、レーザー照射でインナーリードを露出させる際に併せて行うことができる。
また、鱗状部１３は、レーザー照射により形成されるため、インナーリードの任意の箇所、例えば半導体装置を成形金型から排出する際に応力がかかり初期的な剥離が生じやすい箇所等に、選択的に配置することができる。鱗状部１３の幅や高さは、レーザーの出力や走査スピード等により調整することができる。鱗状部１３の幅は６０μｍ以上が望ましく、配置される箇所の面積に応じて幅を大きくすることにより、密着性がさらに向上する。
本実施の形態５によれば、上記実施の形態１と同様の効果に加え、レーザー粗化インナーリード１２を用いることにより、通常のインナーリード６を用いた場合よりも第一のモールド樹脂７および第二のモールド樹脂８との密着力が向上する。また、レーザー粗化インナーリード１２は、通常のインナーリード６に比べ表面積が大きいため、放熱性の向上が図られる。
実施の形態６．
図２０は、本発明の実施の形態６に係る半導体装置を示す断面図、図２１は、本実施の形態６に係る半導体装置の二回目のトランスファー成形工程を示す断面図である。本実施の形態６に係る半導体装置１０３は、放熱面放熱板５１ａおよび実装面放熱板５１ｂが、放熱グリース等を介さずに、それぞれ第一の薄肉成形部８ｂ、第二の薄肉成形部８ｃと直に接合されたものである。それ以外の構成については上記実施の形態１に係る半導体装置１００と同様であるので、ここでは説明を省略する。
本実施の形態６では、図２１に示すように、二回目のトランスファー成形工程において、成形金型６０の内部に放熱面放熱板５１ａおよび実装面放熱板５１ｂが設置される。成形金型６０の内部において、リードフレーム２の放熱面２ｂと放熱面放熱板５１ａとの間には、第一の薄肉成形部８ｂに該当する空洞６２ｂが形成されている。
また、成形金型６０の内部に設置された可動なピン６１により、素子封止部７ｂと実装面放熱板５１ｂとの間に、第二の薄肉成形部８ｃに該当する空洞６２ａが形成されている。なお、ピン６１は成形中に引き抜かれるため、ピン穴に第二のモールド樹脂８が遅れて流動し、ピン穴が開くことはない。
上記実施の形態１と同様に、二回目のトランスファー成形工程において、第二のモールド樹脂８により、放熱面２ｂに第二のスカート部８ａと第一の薄肉成形部８ｂを、実装面２ａに第二の薄肉成形部８ｃを成形する。この時、空洞６２ａ、空洞６２ｂへ流動した硬化前の第二のモールド樹脂８が接着剤となり、第一の薄肉成形部８ｂに放熱面放熱板５１ａが接合され、第二の薄肉成形部８ｃに実装面放熱板５１ｂが接合される。
本実施の形態６によれば、上記実施の形態１と同様の効果に加え、第一の薄肉成形部８ｂおよび第二の薄肉成形部８ｃに、それぞれ放熱面放熱板５１ａと実装面放熱板５１ｂが直接接合されるため、接触熱抵抗が低下し、放熱性がさらに向上する。また、二回目のトランスファー成形工程後、第一の薄肉成形部８ｂおよび第二の薄肉成形部８ｃに放熱グリース等を介して放熱板を接合する工程を省略することができると共に、放熱グリースが不要となるため材料コストの低減が図られる。
なお、上記実施の形態１から実施の形態６に係る半導体装置の各構成要素、例えば半導体素子１、外部端子４、ワイヤ５、およびインナーリード６等の形状、個数、および配置は、特に限定されるものではなく、求められる機能に応じて適宜選択される。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、省略することが可能である。
１ 半導体素子、２ リードフレーム、２ａ 実装面、２ｂ 放熱面、３ 接合部材、４ 外部端子、５ ワイヤ、６ インナーリード、６ａ 端面、７ 第一のモールド樹脂、７ａ 第一のスカート部、７ｂ 素子封止部、７ｃ 上面、７ｄ 第三のスカート部、８ 第二のモールド樹脂、８ａ 第二のスカート部、８ｂ 第一の薄肉成形部、８ｃ 第二の薄肉成形部、８ｄ 第四のスカート部、８ｅ 第五のスカート部、９ 樹脂接合部、１１ 表面粗化インナーリード、１２ レーザー粗化インナーリード、１３ 鱗状部、２０ 第一の成形金型、２１、３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、４１、６２ａ、６２ｂ 空洞、２２ 上ゲート、３０ 第二の成形金型、３２ 下ゲート、４０、６０ 成形金型、４２ フィルム、５０ａ、５１ａ 放熱面放熱板、５０ｂ、５１ｂ 実装面放熱板、６１ ピン、１００、１０１、１０２、１０３ 半導体装置、２００、２０１ インバータ、３００、３０１ モータ、４００、４０１ 電動機

Claims (11)

  1. 半導体素子が実装されたリードフレーム、前記半導体素子の電極に接続されたインナーリード、前記リードフレームの一部と前記半導体素子と前記インナーリードとを封止している第一の樹脂および第二の樹脂を備えた半導体装置であって、
    前記リードフレームの前記半導体素子が実装された側の面を実装面、前記実装面と反対側の面を放熱面とするとき、
    前記放熱面の外周端部には枠状突起が設けられ、前記枠状突起の対向する二辺と該二辺の間を覆う第一の薄肉成形部は前記第二の樹脂により一体的に成形され、前記枠状突起の他の対向する二辺は前記第一の樹脂により成形されるとともに前記第二の樹脂で覆われており、
    前記実装面には、前記インナーリードの一部と前記半導体素子とを覆う素子封止部が前記第一の樹脂により成形され、前記素子封止部の表面の一部と前記素子封止部から露出している前記インナーリードとを覆う第二の薄肉成形部が前記第二の樹脂により成形されていることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記素子封止部は前記実装面と平行な平面を有し、前記平面の外周端部に実装面側枠状突起が設けられ、前記実装面側枠状突起の対向する二辺と該二辺の間を覆う前記第二の薄肉成形部は前記第二の樹脂により一体的に成形され、前記実装面側枠状突起の他の対向する二辺は前記第一の樹脂により成形されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記第一の樹脂により成形されている前記実装面側枠状突起の二辺は、前記第二の樹脂で覆われていることを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
  4. 前記素子封止部は前記実装面と平行な平面を有すると共に、前記インナーリードは前記平面に平行な端面を有しており、前記平面と前記端面は、前記実装面からの高さが等しいことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の半導体装置。

  5. 前記第二の薄肉成形部は、前記素子封止部の前記平面および前記平面から露出している前記インナーリードの前記端面を覆っていることを特徴とする請求項４記載の半導体装置。
  6. 前記インナーリードは、表面が粗化されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の半導体装置。
  7. 前記インナーリードは、鱗片状の突起が連続的に配置された鱗状部を有することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の半導体装置。
  8. 前記第二の樹脂は、前記第一の樹脂よりも熱伝導率が高い高放熱樹脂であることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の半導体装置。
  9. 前記第一の薄肉成形部および前記第二の薄肉成形部と直に接合されている放熱板を備えたことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の半導体装置。
  10. 請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の半導体装置を１つ以上備えたインバータと、モータとを含む電力変換装置であって、
    前記半導体装置の前記第一の薄肉成形部および前記第二の薄肉成形部に放熱板が配置され、各々の前記放熱板は、前記インバータまたは前記モータの筐体の一部であることを特徴とする電力変換装置。
  11. 請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の半導体装置を１つ以上備えたインバータと、モータとを含む電力変換装置であって、
    前記半導体装置の前記第一の薄肉成形部および前記第二の薄肉成形部に放熱板が配置され、各々の前記放熱板は、前記インバータまたは前記モータの筐体に接合されていることを特徴とする電力変換装置。
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