JP7027983B2 - リードフレーム - Google Patents

Description

本明細書が開示する技術は、半導体装置の製造に用いるリードフレームに関する。

金属板に接合されている半導体素子が樹脂パッケージに封止されている半導体装置が特許文献１に開示されている。樹脂パッケージの一面からパワー端子が延びており、反対側の面から制御端子が延びている。そのような半導体装置を製造する際、金属板とパワー端子と制御端子が金属片で連結されたリードフレームを用いる。

特許文献２には、厚みの異なる金属板と端子を含んでいるリードフレームが開示されている。一枚の金属板で厚みの異なる部分を作るのはコストが嵩む。特許文献３には、半導体素子を接合するアイランド（金属板）を支持している第１フレームと、端子を支持している第２フレームを接合し、一つのリードフレームを形成する技術が開示されている。第２フレームは第１フレーム（アイランドを含む）よりも薄い。即ち、特許文献３の技術は、リードフレームの厚い部分と薄い部分を別々に作って接合する。その方が、厚みの異なる部分を有する一枚の金属板を準備してリードフレームを作るよりコストが下がる可能性がある。

特開２０１６－９２１６６号公報 特開２０１３－１３５１００号公報 特開平１１－９７６００号公報

特許文献３に開示されたリードフレームは、端子を支持している第２フレームが、第１フレームと重ねて平面視したときに、アイランドを囲む矩形の枠を備えており、枠の平行な２辺からアイランドへ向けて端子が延びている。即ち、第２フレームは、樹脂パッケージの一面から延びる端子と反対側の面から延びる端子を枠で支持する構造を有している。第２フレームの枠は、切断されて捨てられる。本明細書は、厚みの異なる２種類のフレームを接合したリードフレームであって後に切り捨てる部分を少なくしたリードフレームを提供する。

本明細書が開示するリードフレームは、金属板に固定されている半導体チップが樹脂パッケージに封止されているとともに、半導体チップと導通している第１端子が樹脂パッケージの一面から延びており、半導体チップと導通している第２端子が反対側の面から延びている半導体装置の製造に用いられる。リードフレームは、金属板よりも薄い第１フレームと第２フレームを備えている。第１フレームは、第１端子を支持しているとともに金属板に接合されている。第２フレームは、第２端子を支持しており、金属板の法線方向からみて第１フレームとは反対側に位置しており、金属板に接合されている。本明細書が開示するリードフレームは、樹脂パッケージの一面側に位置する端子を支持するフレーム（第１フレーム）と反対側に位置する端子を支持するフレーム（第２フレーム）を別々に製造し、それらを樹脂パッケージに封止される金属板に接合する。従って、枠状のフレームが必要なく、後に切り捨てられる部分を削減することができる。

樹脂パッケージは射出成形で作られる。半導体素子を固定した金属板は金型のキャビティに入れられる。その場合、第１フレームと第２フレームが上型と下型に挟まれ、金属板がキャビティ内で保持される。そこで、第１フレームと第２フレームの少なくとも一方は、平面を規定する３点の接合箇所を含むように金属板に接合されているとよい。平面を規定する３点（即ち、直線上に並ばない３点）を含むように接合することで、第１フレーム（又は第２フレーム）に対する金属板のねじれ変形が抑制できる。その結果、金型内における金属板の位置ずれを抑制することができる。なお、平面を規定する３カ所とは、互いに離反している必要はない。例えば、第１フレーム（又は第２フレーム）と金属板は、Ｌ字形状の接合面を輸していてもよい。Ｌ字の両端と角部の３か所で平面が規定される。

本明細書が開示するリードフレームは、第１フレームまたは第２フレームの金属板との接合部が、金属板の縁と半導体チップとの間に延びているとよい。金属板の縁から浸入してくる水分を接合部が遮るので半導体装置の耐水性が向上する。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例のリードフレームを使って作られる半導体装置の斜視図である。 図１のII－II線に沿った断面図である。 実施例のリードフレームの分解斜視図である。 実施例のリードフレームの斜視図である。 半導体チップが接合されたリードフレームの斜視図である。 図５のリードフレームの平面図である。 樹脂パッケージを形成前の半導体装置の斜視図である。 半導体パッケージ形成後の半導体装置の斜視図である（連結部除去前）。

最初に、実施例のリードフレームを使って作られる半導体装置を説明する。図１に半導体装置２の斜視図を示し、図２に図１のII－II線に沿った断面図を示す。半導体装置２は、樹脂パッケージ９の中に、４個の半導体チップ（トランジスタ３、５、ダイオード４、６）が封止されたパワーモジュールである。樹脂パッケージ９は扁平なカードタイプであり、一方の幅広面に放熱板１５、２５が露出しており、反対側の幅広面に放熱板１２、２２が露出している。放熱板１２、１５、２２、２５は、露出している面以外の部分が、樹脂パッケージ９に埋設されている。放熱板１２、１５、２２、２５は、半導体チップの熱を放出する役割のほか、半導体チップの電極とパワー端子１４（正極端子１４ａ、負極端子１４ｂ、中点端子１４ｃ）を接続する導電経路の役割を有している。トランジスタ３、５は、ｎｐｎ型のＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。

２個のトランジスタ３、５は、樹脂パッケージ９の中で直列に接続されている。トランジスタ５が高電位側に位置している。即ち、トランジスタ５のエミッタ電極がトランジスタ３のコレクタ電極に接続されている。ダイオード４は樹脂パッケージ９の中でトランジスタ３と逆並列に接続されており、ダイオード６は樹脂パッケージ９の中でトランジスタ５と逆並列に接続されている。

樹脂パッケージ９の一つの幅狭面から３個のパワー端子（正極端子１４ａ、負極端子１４ｂ、中点端子１４ｃ）が延びており、その反対側の面から複数の制御端子１５ａ、１５ｂが延びている。正極端子１４ａは、トランジスタ３、５の直列接続の高電位側と導通している。即ち、正極端子１４ａは、高電位側のトランジスタ５のコレクタ電極と接続されている。負極端子１４ｂは、トランジスタ３、５の直列接続の低電位側と導通している。即ち、負極端子１４ｂは、低電位側のトランジスタ３のエミッタ電極と接続されている。中点端子１４ｃは、トランジスタ３、５の直列接続の中点に接続されている。以下では、正極端子１４ａ、負極端子１４ｂ、中点端子１４ｃを、パワー端子１４と総称する場合がある。

制御端子１５ａは、トランジスタ５のゲート電極、センスエミッタ、トランジスタ５の近傍に配置された温度センサ等に接続されている。制御端子１５ｂは、トランジスタ３のゲート電極、センスエミッタ、トランジスタ３の近傍に配置された温度センサ等に接続されている。

図２は、図１のII－II線に沿った断面であってトランジスタ３、５を横断する断面を示している。説明の都合上、図２の座標系の＋Ｘ方向を「上」と表現し、－Ｘ方向を「下」と表現する。

樹脂パッケージ９の下面に放熱板１２、２２が露出している。放熱板１２、２２は、露出している一面を除き、樹脂パッケージ９に埋設されている。樹脂パッケージ９の上面に放熱板１５、２５が露出している。放熱板１５、２５は、露出している一面を除き、樹脂パッケージ９に埋設されている。

放熱板２２の上にハンダ８を介してトランジスタ５が接合されている。トランジスタ５の下面にはコレクタ電極５ａが配置されており、コレクタ電極５ａがハンダ８を介して放熱板２２と導通している。トランジスタ５の上面には、ハンダ８を介して銅ブロック７ｃが接合されている。トランジスタ５の上面にはエミッタ電極５ｂが配置されており、ハンダ８を介して銅ブロック７ｃと導通している。銅ブロック７ｃの上面にはハンダ８を介して放熱板２５が接合されている。トランジスタ５のエミッタ電極５ｂは、ハンダ８と銅ブロック７ｃを介して放熱板２５と導通している。

放熱板１２の上にハンダ８を介してトランジスタ３が接合されている。トランジスタ３の下面にはコレクタ電極３ａが配置されており、コレクタ電極３ａがハンダ８を介して放熱板１２と導通している。トランジスタ３の上面には、ハンダ８を介して銅ブロック７ａが接合されている。トランジスタ３の上面にはエミッタ電極３ｂが配置されており、ハンダ８を介して銅ブロック７ａと導通している。銅ブロック７ａ、７ｃは、樹脂パッケージ９の厚みを確保する目的で備えられている。銅ブロック７ａの上面にハンダ８を介して放熱板１５が接合されている。トランジスタ３のエミッタ電極３ｂは、ハンダ８と銅ブロック７ａを介して放熱板１５と導通している。

樹脂パッケージ９の内部において、放熱板１２の縁から継手１３が延びており、放熱板２５の縁から継手２６が延びている。継手１３と継手２６はハンダ８を介して接合されているとともに導通している。トランジスタ３とトランジスタ５は、放熱板１２、２５、継手１３、２６、銅ブロック７ｃ、ハンダ８を介して導通する。この導通によって、トランジスタ３とトランジスタ５が直列に接続される。

図２では見えないが、放熱板２２、２５の間には、ダイオード６と銅ブロック７ｄが挟まれており、放熱板１２、１５の間には、ダイオード４と銅ブロック７ｂが挟まれている。トランジスタ５とダイオード６は、放熱板２２、２５によって、逆並列に接続される。トランジスタ３とダイオード４は、放熱板１２、１５によって、逆並列に接続される。

トランジスタ５と放熱板２２の縁の間に接合部４３ｓ１が位置している。後に詳述するが、接合部４３ｓ１は、製造工程において樹脂パッケージ９を形成する前に、放熱板１２、２２と、先に述べた制御端子１５ａ、１５ｂ、パワー端子１４を連結するリードフレーム４０の一部である。接合部４３ｓ１は、トランジスタ５と放熱板２２の縁の間を、縁に沿って平行に延びているとともに、ハンダ８で放熱板２２に接合されている。破線矩形Ａが囲む範囲の拡大図を図２の左下に示す。矢印Ｂは、樹脂パッケージ９の外面において、樹脂と放熱板２２の境界から侵入する水分の経路を示している。矢印線Ｂが示すように、接合部４３ｓ１は、樹脂と放熱板２２の境界から侵入してトランジスタ５に近づく水分の経路を長くする役割を果たす。水分侵入経路が長くなるので、トランジスタ５の劣化が抑制される。図の左右方向で接合部４３ｓ１とは反対側には接合部４３ｓ２が配置されている。接合部４３ｓ２も接合部４３ｓ１と同じ作用を奏し、トランジスタ３の劣化を抑制する。

半導体装置２の製造工程において、樹脂パッケージ９は、射出成形で作られる。樹脂パッケージ９を形成する前、先に述べたように、制御端子１５ａ、１５ｂ、パワー端子１４、放熱板１２、２２は、一つのリードフレームにまとめられている。リードフレームについて説明する。

図３にリードフレーム４０の分解斜視図を示し、図４にリードフレーム４０の斜視図を示す。図３に示すように、リードフレーム４０は、放熱板１２、２２、第１フレーム４２、第２フレーム４３が別々に作られる。第１フレーム４２には、３個のパワー端子１４が連結されている。第１フレーム４２において、隣り合うパワー端子１４をつなぐ部分を連結部４２ａと称する。正極端子１４ａにおいて、放熱板２２と接合される部位を接合部１４ｓ１と称する。中点端子１４ｃにおいて、放熱板１２と接合される部分を接合部１４ｓ２と称する。

第１フレーム４２と第２フレーム４３は、放熱板１２、２２よりも薄い。放熱板１２、２２は、放熱板としての機能から厚みが規定される。一方、第１フレーム４２と第２フレーム４３は、パワー端子１４や制御端子１５ａ、１５ｂの機能から厚みが規定される。それぞれ、要求が異なるので、放熱板１２、２２と、第１フレーム４２／第２フレーム４３は、厚みが異なる。

第２フレーム４３には、複数の制御端子１５ａ、１５ｂが連結されている。第２フレーム４３において、個々の制御端子１５ａ、１５ｂをつなぐ部分を連結部４３ａと称する。連結部４３ａの一端から延びており、放熱板１２と接合される部分を接合部４３ｓ２と称し、連結部４３ａの他端から延びており、放熱板２２と接合される部分を４３ｓ１と称する。

第１フレーム４２は、放熱板１２、２２とハンダで接合される。第２フレーム４３も、放熱板１２、２２とハンダで接合される。図１に示されているように、パワー端子１４と制御端子１５ａ、１５ｂは、樹脂パッケージ９の対向する一対の幅狭面の夫々に位置している。それゆえ、第２フレーム４３は、放熱板１２、２２の法線方向（図中の座標系のＸ方向）からみて、放熱板１２、２２を挟んで第１フレーム４２とは反対側に位置する。

放熱板１２、２２は、第１フレーム４２及び第２フレーム４３に接合され、それらは一体となってリードフレーム４０を構成する。リードフレーム４０は、厚みの異なる部分（放熱板１２、２２と、フレーム４２、４３）を有するが、それらは別々に作られた後に接合される。

リードフレーム４０が作られた後の半導体装置２の製造工程を、図５に示す。リードフレーム４０が作られた後、放熱板１２にトランジスタ３とダイオード４が接合され、放熱板２２にトランジスタ５とダイオード６が接合される。それぞれの半導体チップの上に、銅ブロック７ａ－７ｄが接合される。

図６に、半導体チップ（トランジスタ３、５、ダイオード４、６）と銅ブロック７ａ－７ｄを接合したリードフレーム４０の平面図を示す。図６では、樹脂パッケージ９を仮想線で描いてある。図６において、グレーで塗りつぶした部位は、接合部と放熱板の接合範囲Ｓ１－Ｓ４を示している。第１フレーム４２と放熱板１２の接合範囲Ｓ１、及び、第１フレーム４２と放熱板２２の接合範囲Ｓ２は、Ｌ字形状に拡がっている。Ｌ字形状に拡がっている接合範囲Ｓ１、Ｓ２では、平面を規定する３点（Ｌ字の両端とＬ字の角部）を含んでいるため、放熱板１２（２２）と第１フレーム４２の間の捩れが抑制される。

樹脂パッケージ９は、リードフレーム４０を金型で挟み、キャビティに放熱板１２、２２などを固定し、キャビティに溶融樹脂を流し込んで形成される。樹脂パッケージ９を形成する際、第１フレーム４２と第２フレーム４３が上型と下型に挟まれ、放熱板１２、２２などが固定される。第１フレーム４２と放熱板１２、２２の夫々が、Ｌ字形状の接合範囲Ｓ１、Ｓ２で接合されることで、キャビティ内での放熱板１２、２２の位置ずれを抑制することができる。

なお、第２フレーム４３と放熱板１２の接合範囲Ｓ３と、第２フレーム４３と放熱板２２の接合範囲Ｓ４は、ともに一直線である。接合範囲Ｓ３とＳ４で、第２フレーム４３を固定する平面が定まる。また、第１フレーム４２と第２フレーム４３の少なくとも一方が、放熱板１２、２２の夫々と、平面を規定する３点の接合箇所を含むように接合されることで、樹脂パッケージ９を形成するキャビティ内で、放熱板１２、２２の位置ずれ（図中のＸ方向の位置ずれ）を抑制することができる。また、平面を規定する３点の接合箇所を含むように接合されることで、第１フレーム４２（あるいは第２フレーム４３）の平面と、放熱板１２、２２の平面の平行状態が保持できる。フレームと放熱板の接合範囲は、Ｌ字形状に限られず、三角形を形成する離散的な３点であってもよい。放熱板１２（２２）に、独立に接続される３個の端子が存在する場合、夫々の端子と放熱板の接合箇所が、平面を規定する三角形を形成してもよい。また、接合箇所は、４点以上であってもよい。

一方、第２フレーム４３の接合部４３ｓ２は、トランジスタ３と、放熱板１２の縁の間で、放熱板１２の縁に沿って延びている。接合部４３ｓ２は、トランジスタ３の一辺の全ての範囲で、放熱板１２の縁との間に位置している。接合部４３ｓ２と放熱板１２の接合範囲Ｓ３も、トランジスタ３の一辺の全範囲で一辺に沿っている。先に述べたように、接合部４３ｓ２が放熱板１２の縁とトランジスタ３との間に延びていることで、樹脂パッケージ９の樹脂と放熱板１２の境界からトランジスタ５までの水分侵入経路を長くすることができ、トランジスタ５の劣化を抑える。接合部４３ｓ１も、トランジスタ３と、放熱板２２の縁との間に延びており、同様の効果を奏する。

リードフレーム４０にトランジスタ３、５、ダイオード４、６を接合した後、トランジスタ３、５の一面に設けられている制御電極と制御端子１５ａ、１５ｂをボンディングワイヤ５１で接続する（図６参照）。正極端子１４ａは、接合部１４ｓ１を介して放熱板２２に接合されている。先に述べたように、放熱板２２は、トランジスタ５のコレクタ電極５ａと導通しているので、正極端子１４ａはトランジスタ５のコレクタ電極５ａと導通することになる。中点端子１４ｃは、接合部１４ｓ２を介して放熱板１２に接合されている。先に述べたように、放熱板１２は、トランジスタ３のコレクタ電極３ａと導通している。トランジスタ３のコレクタ電極３ａは、放熱板１２と放熱板２５を介してトランジスタ５のエミッタ電極５ｂと導通している（図２参照）。よって、中点端子１４ｃは、トランジスタ３、５の直列接続の中点に接続される。後述するように、負極端子１４ｂは、トランジスタ３のエミッタ電極３ｂと導通する。

次の製造工程では、銅ブロック７ａ、７ｂの上に放熱板１５を接合し、銅ブロック７ｃ、７ｄの上に放熱板２５を接合する（図７参照）。図７に示されているように、放熱板２５の縁から継手２６が延びており、その継手２６は、放熱板１２の縁から延びている継手１３と接合される。また、放熱板１５の縁から継手１６が延びており、その継手１６は、負極端子１４ｂの端部１４ｂ１に接合される。放熱板１５は、トランジスタ３のエミッタ電極３ｂと導通する（図２参照）。よって、負極端子１４ｂは、トランジスタ３のエミッタ電極３ｂ、即ち、トランジスタ３、５の直列接続の負極側と導通する。

図７は、樹脂パッケージ９を形成する前の半導体装置のアセンブリに相当する。次の製造工程では、アセンブリを金型に入れて、樹脂パッケージ９を射出成形する。先に述べたように、第１フレーム４２と第２フレーム４３が上型と下型に挟まれる。そして、放熱板１２、２２がキャビティ内に保持される。第１フレーム４２と放熱板１２（２２）は、平面を規定する３点を含む領域で接合されているので、放熱板１２（２２）は第１フレーム４２に対して捩れ難い。それゆえ、キャビティの中における放熱板１２、２２の位置ずれ（図中のＸ方向の位置ずれ）が抑制される。同様に、放熱板１２（２２）は、第２フレーム４３に対しても捩れ難い。

溶融樹脂を射出し、樹脂パッケージ９を形成した後の半導体装置２を図８に示す。図８の半導体装置２は、リードフレーム４０の不要部分（即ち、連結部４２ａ、４３ａ）を除去する前の図である。図８の破線ＣＬでリードフレーム４０をカットし、連結部４２ａ、４３ａを除去すると、図１の半導体装置２が完成する。

リードフレーム４０の利点を説明する。半導体装置２は、樹脂パッケージ９の一面にパワー端子１４を備えており、反対面に制御端子１５ａ、１５ｂを備えている。それゆえ、パワー端子１４を支持する第１フレーム４２と、制御端子１５ａ、１５ｂを支持する第２フレーム４３は、放熱板１２、２２の法線方向からみて、放熱板１２、２２を挟んで互いに反対側に位置する。

第１フレーム４２と第２フレーム４３は、放熱板１２、２２を介して一体化している。仮に、枠形状のリードフレームを形成し、その枠の内側でパワー端子１４、制御端子１５ａ、１５ｂ、放熱板１２、２２を支持すると、樹脂パッケージ９を形成した後に枠全体を不要部位として捨てることになる。リードフレーム４０は、樹脂パッケージ９に残る放熱板１２、２２に第１フレーム４２と第２フレーム４３を接合するので、切り捨てる部分が少なくて済む。図８に示すように、連結部４２ａ、４３ａのみが削除する部分である。

第１フレーム４２は、平面を規定する３点を含む範囲（図６の接合範囲Ｓ１、Ｓ２）で放熱板１２（２２）に接合される。それゆえ、第１フレーム４２に対して放熱板１２（２２）は捩れ難くなる。樹脂パッケージ９を射出成形する際、第１フレーム４２は射出成形用の上型と下型に挟まれ、放熱板１２、２２がキャビティ内に固定される。放熱板１２、２２は、第１フレーム４２に対して捩れ難いので、キャビティの中における放熱板１２、２２の位置ずれが抑制できる。

接合部４３ｓ１、４３ｓ２は、第２フレーム４３を放熱板１２、２２に接合するだけでなく、放熱板１２、２２と樹脂パッケージ９の境界から侵入する水分がトランジスタ３、５に届くまでの距離を長くする役割も果たす。それゆえ、トランジスタ３、５の経時劣化が抑えられる。第２フレーム４３は、第１フレーム４２と同様に、放熱板１２、２２を捩れ難くするだけでなく、水分の浸入を防ぐ効果も奏する。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。放熱板１２、２２が、金属板の一例に相当する。パワー端子１４が第１端子の一例に相当する。制御端子１５ａ、１５ｂが第２端子の一例に相当する。トランジスタ３、５、ダイオード４、６が、半導体チップの一例に相当する。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：半導体装置
３、５：トランジスタ
４、６：ダイオード
７ａ－７ｄ：銅ブロック
８：ハンダ
９：樹脂パッケージ
１２、１５、２２、２５：放熱板
１３、１６、２６：継手
１４：パワー端子
１５ａ、１５ｂ：制御端子
１４ｓ１、１４ｓ２、４３ｓ１、４３ｓ２：接合部
４０：リードフレーム
４２：第１フレーム
４２ａ、４３ａ：連結部
４３：第２フレーム
５１：ボンディングワイヤ

Claims (3)

1. 金属板に固定されている半導体チップが樹脂パッケージに封止されているとともに、前記半導体チップと導通している第１端子が前記樹脂パッケージの一面から延びており、前記半導体チップと導通している第２端子が前記一面の反対側の面から延びている半導体装置の製造に用いるリードフレームであり、
   前記金属板よりも薄く、前記第１端子を支持しているとともに前記金属板に接合されている第１フレームと、
   前記金属板よりも薄く、前記第２端子を支持しており、前記金属板の法線方向からみて前記第１フレームとは反対側に位置しており、前記金属板に接合されている第２フレームと、
   を備えている、半導体装置製造用のリードフレーム。
2. 前記第１フレームと前記第２フレームの少なくとも一方は、平面を規定する３点の接合箇所を含むように前記金属板に接合されている、請求項１に記載のリードフレーム。
3. 前記第１フレームまたは前記第２フレームの前記金属板との接合部が、前記金属板の縁と前記半導体チップとの間に延びている、請求項１又は２に記載のリードフレーム。

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