JP6981192B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関する。

たとえば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の半導体素子と、これを挟むように配置された第１および第２リードフレームと、第１および第２リードフレームと半導体素子とを覆う封止樹脂体と、を少なくとも備えた半導体装置が知られている。この半導体装置では、半導体装置の高さを調整するために、半導体素子と第２リードフレームとの間に金属ブロックが配置される場合がある。

このような半導体装置を製造する方法として、特許文献１には、半導体素子の一方の面に第１はんだ層を介して金属ブロックを接合するとともに、半導体素子の他方の面に第２はんだ層を介して第１リードフレームを接合する方法が開示されている。この接合方法では、はんだ接合時に生じる半導体素子の傾きを抑制するために、半導体素子の中心位置に一致させるように、半導体素子に搭載された金属ブロックの重心位置を調整している。

特開２０１５-１５６４７５号公報

ところで、近年、半導体装置の小型化により、１つの半導体素子で、金属ブロックを介して配置されたリードフレームを支える場合がある。このような場合、例えば、金属ブロックの上に配置されたリードフレームの重心位置がずれると、はんだ接合時にはんだの厚さが不均一になるため、リードフレームに傾きが発生する可能性がある。

しかし、上述した特許文献１に記載の方法のように、重心位置を調整する方法では、半導体装置を構成する部材に公差ばらつきがあるため、部材の重心位置を調整することは困難である。

本発明は上記点に鑑みてなされたものであり、本発明では、リードフレームの傾きを抑制することができる半導体装置の製造方法を提供する。

上記課題を解決するために、本発明は、半導体素子と、前記半導体素子を挟むように配置された第１および第２リードフレームと、前記第１および第２リードフレームと前記半導体素子とを覆う封止樹脂体と、を少なくとも備えた半導体装置の製造方法であって、前記半導体素子の一方の面に第１はんだ層を介して前記第１リードフレームが接合され、前記半導体素子の他方の面に第２はんだ層を介して金属ブロックが接合された接合体を準備する準備工程と、前記金属ブロックの、前記第２はんだ層が接合された面とは反対の面に、第３はんだ層を介して、前記第２リードフレームを接合するはんだ接合工程と、を少なくとも含み、前記はんだ接合工程の前に、前記第２リードフレームを収納する凹部を有するように、前記接合体に前記封止樹脂体を成形する樹脂成形工程をさらに含み、前記はんだ接合工程では、前記第２リードフレームを前記凹部に収納し、前記第２リードフレームが前記封止樹脂体に支持された状態で、前記第２リードフレームと前記金属ブロックとをはんだ接合することを特徴とする。

本発明によれば、はんだ接合工程の前に、第２リードフレームを収納する凹部を有するように封止樹脂体を成形する。このような封止樹脂体により第２リードフレームを支持した状態で、金属ブロックと第２リードフレームとをはんだ接合することができるため、第１リードフレームに対する第２リードフレームの傾きを抑制することができる。結果として、傾きを抑制するために、部材の重心位置の調整を行わなくてもよい。

本実施形態に係る半導体装置の模式的断面図である。 本実施形態の半導体装置の製造方法の工程を説明するフロー図である。 本実施形態の製造方法に係る準備工程を説明する模式的概念図である。 本実施形態の製造方法に係るコート層形成工程を説明する模式的概念図である。 本実施形態の製造方法に係る樹脂成形工程を説明する模式的概念図である。 本実施形態の製造方法に係るはんだ接合工程を説明する模式的概念図である。

以下に、図１〜６を参照しながら本発明に係る実施形態について説明する。
まず、図１を参照して、本実施形態に係る半導体装置１の概略的な構成を説明し、次いで、図１〜６を参照して、本実施形態の半導体装置１の製造方法を説明する。

図１は、本実施形態に係る半導体装置１の模式的断面図である。
本実施形態に係る半導体装置１は、両面冷却型半導体装置として利用されるものである。本実施形態の半導体装置１は、半導体素子４と、半導体素子４を挟むように配置されたリードフレーム（第１リードフレーム）３およびリードフレーム（第２リードフレーム）７と、両リードフレーム３、７と半導体素子４とを覆う封止樹脂体５と、を少なくとも備えている。リードフレーム３、７は、それぞれ半導体素子４のコレクタ側およびエミッタ側に配置されている。

本明細書では、リードフレーム３の側面とは、半導体素子４が搭載された面と、この面とは反対の面とに接している面のことをいう。また、リードフレーム７の側面とは、金属ブロック６が配置された面または金属ブロック６が配置される面と、この面とは反対の面とに接している面のことをいう。

なお、本明細書において「リードフレーム」とは、文字通りのリードフレームのほか、ダイパッド、回路基板や応力緩和基板等の基板、純Ａｌからなる基板とＡｌＮ（窒化アルミニウム）からなる基板を積層してなるＤＢＡ（絶縁基板）、ヒートシンクなども包含されるものである。

本実施形態の半導体装置１では、半導体素子４の一方の面に、はんだ層（第１はんだ層）２１を介してリードフレーム３が接合されている。一方、半導体素子４の他方の面に、はんだ層（第２はんだ層）２２を介して金属ブロック６が接合されている。本実施形態では、これらの部材が接合された状態で接合体１１が構成され、この接合体１１とリードフレーム７とがはんだ接合している。具体的には、金属ブロック６の、はんだ層２２が接合された面とは反対の面（金属ブロック６の反対面）６１に、はんだ層（第３はんだ層）２３を介して、リードフレーム７が接合されている。

さらに、本実施形態の半導体装置１は、封止樹脂体５との密着性を高めるコート（プライマ）層２６と、Ａｌ、Ｃｕ、またはＡｕ製のワイヤ８と、Ｃｕ製の端子９と、を備えている。
コート層２６は、リードフレーム３、はんだ層２１、半導体素子４、はんだ層２２、金属ブロック６、およびリードフレーム７に形成されている。一方、はんだ層２３には、コート層２６は形成されていない。

封止樹脂体５は、リードフレーム３とリードフレーム７との間に形成され、コート層２６とはんだ層２３とを覆っている。リードフレーム３とリードフレーム７とが対向している面と反対の面は、それぞれ、封止樹脂体５から露出している面となっている。半導体素子４は、ワイヤ８を介して端子９に接続している。

リードフレーム３は、アルミニウム、銅、またはこれらの合金で構成されており、リードフレーム３の少なくとも側面および半導体素子４が搭載された面に、めっき層が形成されている。本実施形態では、一例として、リードフレーム３は、銅製のフレーム本体と、その表面に形成されたＮｉめっき層と、Ｎｉめっき層の表面に形成されたＡｕめっき層とにより構成されている。

一方、リードフレーム７は、アルミニウム、銅、またはこれらの合金などからなるフレーム本体の、少なくとも側面および金属ブロック６が配置された面に、めっき層が形成されている。本実施形態では、一例として、リードフレーム７は、銅製のフレーム本体と、その表面に形成されたＮｉめっき層とにより構成されている。

ここで、本実施形態では、後述するように、はんだ接合工程Ｓ４において、第２収容部分５１ｂに充填したはんだ材２３’と、はんだ層２３が接合される接合面７１とを接触させる。これにより、接合面７１には、第２収容部分５１ｂの開口部の面積に応じた、はんだ層２３の接合面が形成される。そのため、はんだ材２３’は濡れ拡がらない結果、リードフレーム３とは異なり、リードフレーム７には、はんだの濡れ拡がりを向上するＡｕめっき層を形成する必要がない（図６参照）。

はんだ層２１〜２３は、Ｐｂ系はんだ、Ｐｂフリーはんだのいずれであってもよいが、Ｐｂフリーはんだであることが好ましい。このようなＰｂフリーはんだとしては、Ｓｎ−Ａｇ系はんだ、Ｓｎ−Ｃｕ系はんだ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ、Ｓｎ−Ｚｎ系はんだ、または、Ｓｎ−Ｓｂ系はんだなどを挙げることができる。本実施形態では、一例として、はんだ層２１、２２は、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉはんだ（融点２４０℃）を使用し、はんだ層２３は、Ｓｎ−Ｃｕはんだ（融点２４０℃）を使用する。

半導体素子４としては、Ｓｉ素子を挙げることができる。金属ブロック６は、半導体装置１の高さを調整するものであり、材料としては、例えば、Ｃｕなどを挙げることができる。

コート層２６は、リードフレーム３、７と封止樹脂体５との密着性を高めるものである。コート層２６の材料としては、たとえば、ポリアミドイミド樹脂またはポリイミド樹脂を挙げることができる。

封止樹脂体５は、コート層２６を介して接合体１１およびリードフレーム７を封止するとともに、はんだ層２３を直接封止するものである。また、本実施形態では、封止樹脂体５は、後述するように、はんだ接合工程Ｓ４にて、リードフレーム７を支持するものである。

このような封止樹脂体５の材料としては、封止樹脂体５のガラス転移温度（Ｔｇ）が、はんだ層２１〜２３の融点よりも高い熱硬化性樹脂が好ましい。具体的には、ビスマレイミド系樹脂（Ｔｇ２５０℃以上）が挙げられる。このような封止樹脂体５を用いることにより、後述するはんだ接合工程Ｓ４で、はんだ溶融時に、封止樹脂体５でリードフレーム７を支持する状態を確保することができる。

また、熱伝導性と熱膨張の改善など、所望の物性を封止樹脂体５に付与するために、熱硬化性樹脂の中には、シリカ、アルミナ、窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、または酸化マグネシウム等の無機フィラーが含有されていてもよい。

次に、図２〜６をさらに参照して、上述した半導体装置１の製造方法を説明する。
図２は、本実施形態の半導体装置１の製造方法の工程を説明するフロー図である。図３〜６は、それぞれ、本実施形態の製造方法に係る準備工程Ｓ１、コート層形成工程Ｓ２、樹脂成形工程Ｓ３、およびはんだ接合工程Ｓ４を説明する模式的概念図である。

以下に、半導体装置１の製造方法を、図２に示す各工程に沿って説明する。

＜準備工程Ｓ１＞
半導体装置１の製造方法では、まず、準備工程Ｓ１を行う。この工程では、図３に示すように、半導体素子４の一方の面にはんだ層２１を介してリードフレーム３が接合され、半導体素子４の他方の面にはんだ層２２を介して金属ブロック６が接合された接合体１１を準備する。本実施形態では、準備した接合体１１には、さらに、半導体素子４と端子９とがアルミ製のワイヤ８を介して接合されている。

＜コート層形成工程Ｓ２＞
次に、コート層形成工程Ｓ２を行う。この工程では、図４に示すように、接合体１１とリードフレーム７との所定の部分にコート層２６となるコート（プライマ）材を塗布し、これを乾燥させて、コート層２６を形成する。具体的には、金属ブロック６の反対面６１を、マスキングテープなど剥離可能な部材（不図示）で覆う。これにより、金属ブロック６の反対面６１をコート材から保護することができるため、この反対面６１にはんだ層２３が接合可能となる。

次いで、リードフレーム３の側面から、はんだ層２１、半導体素子４、はんだ層２２、および金属ブロック６に亘って溶液状のコート材を、例えば、スピンコートにより塗布する。塗布したコート材を、例えば、熱処理により乾燥させてコート層２６を形成した後、剥離可能な部材を金属ブロック６の反対面６１から除去することにより、金属ブロック６の反対面６１を露出させる。

一方、リードフレーム７の、金属ブロック６が配置される面のうち、はんだ層２３が接合される接合面７１を、マスキングテープなど剥離可能な部材（不図示）で覆う。これにより、接合面７１をコート材から保護することができるため、接合面７１にはんだ層２３が接合可能となる。次いで、リードフレーム７の側面および金属ブロック６が配置される面に、上述のように、溶液状のコート材を塗布し、塗布したコート材を乾燥させ、コート層２６を形成する。コート層２６の形成後、剥離可能な部材を接合面７１から除去することにより、接合面７１を露出させる。

ところで、接合体１１とリードフレーム７とをはんだ層２３を介して接合する際、金属ブロック６に載置したリードフレーム７の重心位置のずれ、はんだの濡れ拡がりの不均一性、またはリードフレーム７や金属ブロック６の汚染などが生じる場合がある。このような場合、溶融接合時に、はんだ層２３の厚さが不均一になり、リードフレーム７の傾きが発生してしまう。
そこで、本実施形態では、このような傾きを防止するために後述するはんだ接合工程Ｓ４の前に、次に説明する樹脂成形工程Ｓ３を行う。

＜樹脂成形工程Ｓ３＞
この工程では、図５に示すように、リードフレーム７を収納する凹部５１を有するように、接合体１１に封止樹脂体５を成形する。
ここで、凹部５１について説明する。凹部５１は、リードフレーム７を収容する空間である第１収容部分５１ａと、第１収容部分５１ａに連続して形成された、はんだ層２３を収容する空間である第２収容部分５１ｂとを有する。

第１収容部分５１ａは、コート層２６が形成されたリードフレーム７の形状に応じた形状を有する。第１収容部分５１ａの底面には、リードフレーム７を収容した際に、接合面７１が接触する位置に、第２収容部分５１ｂの開口部が形成されている。

第２収容部分５１ｂは、その開口部からの深さがはんだ層２３の厚みとほぼ同じであり、金属ブロック６の反対面６１を底面とする。金属ブロック６の反対面６１が封止樹脂体５から露出しているため、後述する工程で、はんだ層２３を介して、金属ブロック６の反対面６１と接合面７１とを接合することが可能となる。

このような凹部５１の形状に応じた凸部を有する金型（不図示）に、凹部５１を形成するように、コート層２６を形成した接合体１１を配置する。金型のキャビティ内に、封止樹脂体５の熱硬化性樹脂として、未硬化のビスマレイミド系樹脂を注入して、これを硬化させることにより、封止樹脂体５を成形する。成形温度は、封止樹脂体５を成形できれば特に限定されないが、はんだ層２１、２２となるはんだの融点よりも低い温度で実施することが好ましい。

このようにして、はんだ層２３およびリードフレーム７が収まる凹部５１を形成した封止樹脂体５を接合体１１に成形する。

＜はんだ接合工程Ｓ４＞
次いで、はんだ接合工程Ｓ４を行う。この工程では、図６に示すように、金属ブロック６の反対面６１に、はんだ層２３を介して、リードフレーム７を接合する。本実施形態では、リードフレーム７を凹部５１に収納し、リードフレーム７が封止樹脂体５に支持された状態で、リードフレーム７と金属ブロック６とをはんだ接合する。

具体的には、はんだ層２３となるはんだ材２３’を、金属ブロック６の反対面６１に配置して、第２収容部分５１ｂに充填する。続いて、充填したはんだ材２３’と、接合面７１とが接触するように、コート層２６を形成したリードフレーム７を第１収容部分５１ａに収容する。次に、これらを、リードフレーム７が封止樹脂体５に支持された状態で、加熱した後冷却する。本実施形態では、封止樹脂体５のＴｇは、はんだ材２３’の融点よりも高いため、はんだ材２３’が溶融時に、封止樹脂体５でリードフレーム７を支持する状態を確保することができる。これにより、図１に示すように、はんだ層２３を介して、金属ブロック６とリードフレーム７とが接合される。

このようにして、得られた半導体装置１に対して切削などの外装処理を施し、所定の形状にする。これにより、本実施形態の半導体装置１を取得ことができる。

本実施形態によれば、はんだ接合工程Ｓ４の前に、リードフレーム７を収納する凹部５１を有するように封止樹脂体５を成形する。このような封止樹脂体５によりリードフレーム７を支持した状態で、金属ブロック６とリードフレーム７とをはんだ層２３を介して接合することができるため、リードフレーム７の傾きを抑制することができる。結果として、傾きを抑制するために、部材の重心位置の制御を行わなくてもよい。

また、本実施形態によれば、第２収容部分５１ｂに充填したはんだ材２３’と、接合面７１とを接触させることにより、接合面７１には、第２収容部分５１ｂの開口部の面積に応じた、はんだ層２３の接合面が形成される。そのため、はんだ材２３’は濡れ拡がらない結果、はんだの濡れ拡がりを向上するＡｕめっき層をリードフレーム７に形成する必要がない。

以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

１：半導体装置、３：第１リードフレーム、４：半導体素子、５：封止樹脂体、６：金属ブロック、７：第２リードフレーム、１１：接合体、２１：第１はんだ層、２２：第２はんだ層、２３：第３はんだ層、５１：凹部、６１：金属ブロック６の、第２はんだ層２２が接合された面とは反対の面（反対面）、Ｓ１：準備工程、Ｓ３：樹脂成形工程、Ｓ４：はんだ接合工程

Claims (1)

1. 半導体素子と、前記半導体素子を挟むように配置された第１および第２リードフレームと、前記第１および第２リードフレームと前記半導体素子とを覆う封止樹脂体と、を少なくとも備えた半導体装置の製造方法であって、
   前記半導体素子の一方の面に第１はんだ層を介して前記第１リードフレームが接合され、前記半導体素子の他方の面に第２はんだ層を介して金属ブロックが接合された接合体を準備する準備工程と、
   前記金属ブロックの、前記第２はんだ層が接合された面とは反対の面に、第３はんだ層を介して、前記第２リードフレームを接合するはんだ接合工程と、を少なくとも含み、
   前記はんだ接合工程の前に、前記第２リードフレームを収納する第１収容部分と、前記第１収容部分の底面に開口部を有し、前記第３はんだ層を収容する第２収容部分と、が形成された凹部を有するように、前記接合体に前記封止樹脂体を成形する樹脂成形工程をさらに含み、
   前記はんだ接合工程では、前記第３はんだ層に相当するはんだ材を、前記開口部を介して前記第２収容部分に配置し、前記第２リードフレームを前記第１収容部分に収納し、前記第２リードフレームが前記封止樹脂体の前記第１収容部分の前記底面に支持された状態で、前記はんだ材を溶融することにより、前記第２リードフレームと前記金属ブロックとをはんだ接合することを特徴とする半導体装置の製造方法。

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