JP7097933B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Description

本願は、半導体装置の製造方法に関するものである。
電力用の半導体素子が実装された半導体装置は、近年、大容量化が進んでいる。半導体素子に大電流を流すためには、半導体素子に接合材を介して接合された主端子となるリードフレームを大型化する必要がある。リードフレームが大型化することで、半導体素子とリードフレームと接合材のそれぞれの線膨張係数の違いにより、半導体素子に対して生じる熱変形力が大きくなる。熱変形力が大きくなると、半導体素子にクラックが発生することがある。熱変形力を低減させるために、樹脂で半導体素子とリードフレームと接合材とを封止する構造が一般的に多く採用されている。
樹脂で半導体素子とリードフレームと接合材とを封止する半導体装置として、エポキシ樹脂などの熱硬化型のモールド樹脂で封止したトランスファーモールド型の半導体装置、およびゲル状の樹脂で封止したゲル封止型の半導体装置が用いられている。特にトランスファーモールド型の半導体装置は、小型で信頼性に優れているため、電力制御などに広く用いられている。
モールド樹脂で半導体素子とリードフレームと接合材とを封止する構造に加えて、さらに半導体素子に生じるクラックを抑制するために、半導体素子に接合された主端子の電極の厚みを部分的に薄くした構造が開示されている（例えば特許文献１参照）。半導体素子に接合された主端子の電極の厚みを部分的に薄くすることで、半導体素子に対して生じる熱変形力を低減させ、半導体素子のクラック発生をさらに抑制することができる。
特開２００８－１６５２９号公報
上記特許文献１においては、半導体素子に対して生じる熱変形力に起因した半導体素子のクラック発生をさらに抑制することはできる。しかしながら、半導体素子と接合された主端子の電極の厚みを部分的に薄くするため、主端子の構造が複雑になり、半導体装置の小型化、および低コスト化が困難であるという課題があった。また、樹脂封止型の半導体装置の内部に２つ以上の半導体素子が実装されている場合は主端子の電極の構造がさらに複雑かつ大型化して、半導体装置の小型化、及び低コスト化がさらに困難であるという課題があった。
そこで、本願は、半導体素子のクラック発生を容易に抑制しつつ、小型化、及び低コスト化した樹脂封止型の半導体装置の製造方法を得ることを目的とする。
本願に開示される半導体装置の製造方法は、第１の接合材を介して、板状に形成された半導体素子の他方の面を板状に形成されたヒートスプレッダーの一方の面に接合する第１工程と、第２の接合材を介して、第１のリードフレームの他方の面をヒートスプレッダーの一方の面に接合する第２工程と、一定の厚みを有した固体からなる第３の接合材を第２のリードフレームの他方の面と半導体素子の一方の面との間に挟んだ後、リフロー加熱により第３の接合材を融解した後、冷却して、第３の接合材を介して第２のリードフレームの他方の面を半導体素子の一方の面に接合させ、第３の接合材を融解した後冷却する際に、半導体素子の一方の面と第２のリードフレームの他方の面との間の隙間に設けられた第３の接合材と第３の接合材の外側との境界の部分を、ヒートスプレッダーの一方の面に垂直な平面で切断した断面形状において、第３の接合材と半導体素子との接合面の端点と、第３の接合材と第２のリードフレームとの接合面の端点とを結んだ直線と、半導体素子の一方の面とがなす２つの角度の内、第３の接合材の側の角度を９０°以上で１３５°以下にする第３工程と、第１のリードフレームの一部及び第２のリードフレームの一部を外部に露出させて、ヒートスプレッダー、半導体素子、第１のリードフレーム、及び第２のリードフレームをモールド樹脂で封止する第４工程と、を備え、第２のリードフレームの他方の面の境界の部分よりも内側の部分に、半導体素子に向かって突出して形成された突出部が、リフロー加熱の際に突出部に接した第３の接合材を押圧して、押圧により押し出された第３の接合材の部分が境界の部分の第３の接合材と第２のリードフレームとの接合面の端点の方に流れて第３の接合材の側の角度を９０°以上で１３５°以下にし、突出部の側面部分と境界の部分の間であって、半導体素子の一方の面と第２のリードフレームの他方の面との間における突出部の押圧により押し出された第３の接合材の厚みは、リフロー加熱前の第３の接合材の厚みよりも厚い。
本願に開示される半導体装置によれば、第３の接合材とモールド樹脂との境界の部分を、ヒートスプレッダーの一方の面に垂直な平面で切断した断面形状において、第３の接合材と半導体素子との接合面の端点と、第３の接合材と第２のリードフレームとの接合面の端点とを結んだ直線と、半導体素子の一方の面とがなす角度の第３の接合材の側の角度が９０°以上で１３５°以下であるため、主端子である第２のリードフレームの構造を複雑かつ大型化することなく、半導体素子の最大応力発生箇所の最大応力を低減することができるので、半導体素子のクラック発生を容易に抑制しつつ、樹脂封止型の半導体装置を小型化、及び低コスト化することができる。
実施の形態１に係る半導体装置の概略を示す平面図である。 図１のＡ－Ａ断面位置で切断した半導体装置の要部断面図である。 半導体素子に発生する最大応力を接合角度に対して示した図である。 実施の形態１に係る半導体装置の製造工程を示す図である。 実施の形態１に係る別の半導体装置の概略を示す要部断面図である。 比較例の半導体装置を説明する平面図である。 比較例の半導体装置を説明する断面図である。 実施の形態２に係る半導体装置の製造工程を示す図である。
以下、本願の実施の形態による半導体装置を図に基づいて説明する。なお、各図において同一、または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。
実施の形態１．
図１は実施の形態１に係る半導体装置１００の概略を示す平面図、図２は図１のＡ－Ａ断面位置で切断した半導体装置１００の要部断面図、図３は半導体素子２の最大応力発生箇所１２に発生する最大応力値を接合角度５に対して示した図、図４は半導体装置１００の製造工程を示す図、図５は実施の形態１に係る別の半導体装置１００の概略を示す要部断面図である。図１はモールド樹脂９を取り除いて示した図で、二点鎖線はモールド樹脂９の外形である。図２と図５は、モールド樹脂９も含めて示している。図１のＡ－Ａ断面位置において半導体装置１００は左右対称な構成なので、図２はＡ－Ａ断面位置の右側の部分のみを示している。図２のＡ－Ａ断面位置は半導体素子２を含む断面であるが、図１において半導体素子２の隣に配置された半導体素子１を含む断面においても同様の構成である。また、これらの図は模式的に示したものであり、実際の半導体装置１００の各部の寸法関係とは異なるものである。半導体装置１００は、半導体素子１、２をモールド樹脂９で封止した樹脂封止型の半導体装置１００で、例えば電力制御に用いられるものである。
＜半導体装置１００＞
半導体装置１００は、板状に形成された半導体素子１、２、板状に形成されたヒートスプレッダー３、第１のリードフレーム１０、１１、第２のリードフレーム６、及びモールド樹脂９を備える。例えば、半導体素子１はスイッチング素子で、半導体素子２は整流素子である。本実施の形態ではこれらの２つの半導体素子１、２を設けたが、半導体装置１００が備える半導体素子は２つに限るものではなく、半導体装置１００の用途等に応じて半導体素子は１つ、もしくは３つ以上であっても構わない。また、半導体素子１、２は一方の面及び他方の面の双方に電極パッド（図示せず）を備えた縦型構造の半導体であるが、半導体素子１、２は縦型構造の半導体に限らず、一方の面にのみ電極パッドを備えた横型構造の半導体素子でも構わない。
半導体素子１、２は、他方の面が、第１の接合材であるチップ下接合材（図示せず）を介してヒートスプレッダー３の一方の面３ａに接合される。第１のリードフレーム１０、１１は、他方の面が、第２の接合材であるリード接合材（図示せず）を介してヒートスプレッダー３の一方の面３ａに接合される。第２のリードフレーム６は、他方の面が、第３の接合材であるチップ上接合材４を介して半導体素子１、２のそれぞれの一方の面の能動面部である電極パッドに接合される。モールド樹脂９は、第１のリードフレーム１０、１１の一部及び第２のリードフレーム６の一部を外部に露出させて、ヒートスプレッダー３、半導体素子１、２、第１のリードフレーム１０、１１、及び第２のリードフレーム６を封止する。チップ下接合材、チップ上接合材４、及びリード接合材も、モールド樹脂９により封止される。半導体素子１、２は、外部に露出した第１のリードフレーム１０、１１及び第２のリードフレーム６を介して、半導体装置１００の外部と接続される。
半導体素子１は、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）またはＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ－Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、電界効果トランジスタ）などのスイッチング動作により電力変換を行うスイッチング素子である。ＩＧＢＴは、負荷に大電流を流して負荷を駆動する。半導体素子２は、還流ダイオードなどの整流素子である。半導体素子１、２の材料は、例えばシリコン（Ｓｉ）である。半導体素子１、２の材料はシリコンに限るものではなく、例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）などの窒化ガリウム系材料、及びダイヤモンドからなる群から選択される材料であっても構わない。これらは、シリコンに比べてバンドギャップの広い、いわゆるワイドバンドギャップ半導体材料である。ワイドバンドギャップ半導体材料を用いて半導体素子１、２を形成した場合、シリコン製の半導体素子に比べて、より高温で半導体素子１、２を動作させることができる。すなわち、ワイドバンドギャップ半導体材料は、大電流を流すことに適している半導体材料である。また、ワイドバンドギャップ半導体を用いた場合、許容電流密度が高く、電力損失が低いため、半導体装置１００の小型化が可能となる。なお、半導体装置１００にシリコン製の半導体素子とワイドバンドギャップ半導体を混載しても構わない。
ヒートスプレッダー３、第１のリードフレーム１０、１１、及び第２のリードフレーム６は、導電性及び熱伝導度に優れた金属で、例えば切削加工、またはプレス加工により作製される。導電性の良い金属の中でも、純銅もしくは銅を主成分とする銅合金などの銅材が電気抵抗、加工性、コストなどの点からこれらの材料として最適である。ヒートスプレッダー３の他方の面３ｂは、モールド樹脂９で封止されておらず、外部に露出している。半導体素子１、２で発生した熱は、他方の面３ｂから外部に放熱される。入出力端子となる第１のリードフレーム１０、１１は、ヒートスプレッダー３を介して、半導体素子１、２の他方の面側の電極パッドと接続される。主端子となる第２のリードフレーム６は、半導体装置１００の外部で負荷と接続される。第２のリードフレーム６の他方の面に、半導体素子１、２のそれぞれに向かって突出した突出部７が形成されている。浮き出し加工により突出部７を第２のリードフレーム６に形成した場合、第２のリードフレーム６の他方の面に容易に突出部７を形成することができる。また、浮き出し加工により突出部７を形成した場合、第２のリードフレーム６の一方の面に段差凹部８が形成される。突出部７を設ける理由については後述する。
モールド樹脂９は熱硬化性樹脂材料が用いられ、例えば熱膨張係数の小さい溶融シリカなどの硬質無機粉末が充填されたエポキシ樹脂である。モールド樹脂９は高熱伝導性であることが不要なため、熱硬化性樹脂の中に含有される無機充填材は、熱硬化性樹脂に含有させた際に流動性がよく、線膨張係数の調整が容易である酸化ケイ素（シリカ）のうち溶融シリカが最適である。半導体装置１００の放熱性、動作時の発熱量、および動作温度に依存するが、エポキシ樹脂は一般的なビスフェノール型もしくはフェノールノボラック型などを用いることができる。なお、半導体素子１、２を封止して保護することができれば、モールド樹脂９はこれらの材料に限定されるものではない。例えば半導体素子１、２の動作温度の高温化に伴い、ナフタレン型または多官能型を用いた耐熱性の高い樹脂をモールド樹脂９として用いてもよい。
モールド樹脂９と、ヒートスプレッダー３、第１のリードフレーム１０、１１、及び第２のリードフレーム６との線膨張係数の違いにより半導体素子１、２に対して生じる熱変形力が大きくならないように、ヒートスプレッダー３、第１のリードフレーム１０、１１、及び第２のリードフレーム６の線膨張係数に近い線膨張係数を備えた樹脂をモールド樹脂９に用いるのが好ましい。ヒートスプレッダー３、第１のリードフレーム１０、１１、及び第２のリードフレーム６を純銅で形成した場合、純銅の線膨張係数が１６［ｐｐｍ／Ｋ］から１７［ｐｐｍ／Ｋ］であることから、モールド樹脂９の線膨張係数は純銅の線膨張係数に近似させた１５［ｐｐｍ／Ｋ］から１８［ｐｐｍ／Ｋ］の範囲であることが望ましい。モールド樹脂９の線膨張係数は、無機充填材の量を調整することで変更することができる。モールド樹脂９の線膨張係数を調整して純銅の線膨張係数に近似させることにより、半導体装置１００の内部の熱変形力を低減することができるので、温度サイクルに対する半導体装置１００の信頼性を向上させることができる。
チップ下接合材は、はんだ接合材、銀を主成分とする焼結性フィラー、銀を主成分とするロウ材、スズ中に銅を分散した材料、金を主成分とする金スズ、及び金ゲルマニウム等の金系合金からなる群から選択された接合材であることが好ましい。これらの接合材は熱伝導性及び導電性が高い接合材料であるため、熱的かつ電気的にヒートスプレッダー３と半導体素子１、２とを接続することができる。リード接合材は、ヒートスプレッダー３と第１のリードフレーム１０、１１との間の電気的導通を確保するために、例えばはんだ接合材が用いられる。チップ上接合材４は、半導体素子１、２と第２のリードフレーム６との間の電気的導通を確保するために、例えばはんだ接合材が用いられる。チップ上接合材４の強度が低いとチップ上接合材４にクラックが発生するため、はんだ接合材をチップ上接合材４に用いた場合、引張強度が約４０ＭＰａ以上の高強度材であるはんだ接合材がチップ上接合材４として最適である。
＜比較例＞
本願の要部であるチップ上接合材４の構成の説明の前に、図６及び図７を用いて比較例について説明する。図６は比較例の半導体装置１０１の概略を示す平面図、図７は比較例の半導体装置１０１を説明する断面図で図６のＢ－Ｂ断面位置で切断した半導体装置１０１の要部断面図である。図６はモールド樹脂９を取り除いて示した図で、二点鎖線はモールド樹脂９の外形である。図７はモールド樹脂９も含めて示している。図６のＢ－Ｂ断面位置において半導体装置１０１は左右対称な構成なので、図７はＢ－Ｂ断面位置の右側の部分のみを示している。図７のＢ－Ｂ断面位置は半導体素子２を含む断面であるが、図６において半導体素子２の隣に配置された半導体素子１を含む断面においても同様の構成である。半導体装置１０１は、半導体装置１００と同様に、半導体素子１、２、ヒートスプレッダー３、第１のリードフレーム１０、１１、第２のリードフレーム６、及びモールド樹脂９を備える。
半導体装置１０１と半導体装置１００との相違点について説明する。第２のリードフレーム６の他方の面には、突出部７は形成されていない。半導体素子１、２と第２のリードフレーム６とを接合するチップ上接合材４ａは、低強度の材料である。半導体素子１、２の一方の面と第２のリードフレーム６の他方の面との間の隙間のチップ上接合材４ａとモールド樹脂９との境界の部分を、ヒートスプレッダー３の一方の面に垂直な平面で切断した断面形状において、チップ上接合材４ａと半導体素子１、２との接合面の端点と、チップ上接合材４ａと第２のリードフレーム６との接合面の端点とを結んだ直線と、半導体素子１、２の一方の面とがなす２つの角度の内、チップ上接合材４ａの側の角度（以下、接合角度５と称す）は鋭角である。また、チップ上接合材４ａは低剛性である。
半導体装置１０１は、チップ上接合材４ａの材料強度が低強度であり、チップ上接合材４ａが低剛性で鋭角の接合角度５であり、モールド樹脂９で半導体素子１、２等が封止された構成である。このように構成することで、半導体素子１、２と第２のリードフレーム６とチップ上接合材４ａの線膨張係数の違いにより半導体素子１、２に対して生じる熱変形力により半導体素子１、２の最大応力発生箇所１２に発生する最大応力を低減して、半導体素子１、２におけるクラック発生が抑制されている。しかしながら、低強度、低剛性、及び接合角度５が鋭角のチップ上接合材４ａは数百回の冷熱サイクルにてクラックが発生するため、チップ上接合材４ａの寿命は短くなる。
＜チップ上接合材４の構成＞
本願の要部であるチップ上接合材４の構成について説明する。半導体素子１、２の一方の面と第２のリードフレーム６の他方の面との間の隙間に、チップ上接合材４とモールド樹脂９との境界が設けられ、境界の部分をヒートスプレッダー３の一方の面に垂直な平面で切断した断面形状において、チップ上接合材４と半導体素子１、２との接合面の端点と、チップ上接合材４と第２のリードフレーム６との接合面の端点とを結んだ直線と、半導体素子１、２の一方の面とがなす２つの角度の内、チップ上接合材４の側の接合角度５は、９０°以上で１３５°以下である。図２において、接合角度５ｃが９０°、接合角度５ｆが１３５°である。接合角度５ｄと接合角度５ｅは、９０°以上で１３５°以下の範囲にある接合角度５である。接合角度５ａと接合角度５ｂは、９０°未満の接合角度５である。
接合角度５を、９０°以上で１３５°以下にする理由を、半導体装置１００が熱変形した際に発生する応力を示した図３を用いて説明する。図３は、図２に示した樹脂封止型の半導体装置１００に対して－４５℃から１５０℃までの温度サイクルを繰り返して与えた場合に、半導体素子１、２の最大応力発生箇所１２に発生する最大応力値を接合角度５に対してプロットした図である。半導体素子１、２の線膨張係数は３［ｐｐｍ／Ｋ］から５［ｐｐｍ／Ｋ］、チップ下接合材の線膨張係数は１８［ｐｐｍ／Ｋ］から２０［ｐｐｍ／Ｋ］、チップ上接合材４の線膨張係数は２１［ｐｐｍ／Ｋ］から２３［ｐｐｍ／Ｋ］、ヒートスプレッダー３及び第２のリードフレーム６の線膨張係数は１６［ｐｐｍ／Ｋ］から１７［ｐｐｍ／Ｋ］、モールド樹脂９の線膨張係数は１５［ｐｐｍ／Ｋ］から１８［ｐｐｍ／Ｋ］である。
各材料の線膨張係数の比較により、半導体素子１、２の線膨張係数が最小、チップ上接合材４の線膨張係数が最大であることがわかる。半導体素子１、２は半導体材料であり、半導体装置１００の中で最も強度が低いため、半導体素子１、２に対して発生する応力を低減させる必要がある。半導体装置１００が高温から低温に温度変化した場合、半導体素子１、２よりもチップ上接合材４において大きく縮小する力が発生する。そのため、半導体素子１、２の最大応力発生箇所１２に最大応力が発生する。
チップ上接合材４の接合角度５が鋭角の場合、チップ上接合材４と第２のリードフレーム６との接合面積が小さいので、チップ上接合材４は収縮方向のみに変形する力の比率が大半になる。チップ上接合材４の接合角度５が９０°から１３５°の場合、チップ上接合材４と第２のリードフレーム６との接合面積が増加するため、チップ上接合材４には拡大方向に変形する力の比率が増加する。そのため、半導体素子１、２の最大応力発生箇所１２の最大応力は低減する。チップ上接合材４の接合角度５が１３５°以上の場合、拡大方向に変形する力の比率が大きくなり過ぎるため、半導体素子１、２の最大応力発生箇所１２の最大応力が増加する。
半導体装置１００が低温から高温に温度変化した場合、温度変化に伴って生じる力の方向が逆になるものの、接合角度５と半導体素子１、２に対して発生する最大応力の相関関係は変わらない。よって、チップ上接合材４の剛性を確保しつつ、チップ上接合材４の接合角度５を９０°から１３５°の範囲に設定することで、第２のリードフレーム６の構造を複雑かつ大型化することなく、半導体素子１、２の最大応力発生箇所１２の最大応力を低減することができる。半導体素子１、２の最大応力発生箇所１２の最大応力を低減することで、半導体素子１、２のクラック発生を容易に抑制しつつ、小型化、及び低コスト化した樹脂封止型の半導体装置１００を得ることができる。
チップ上接合材４の剛性を確保するためには、半導体素子１、２の一方の面と第２のリードフレーム６の他方の面との間の隙間の、チップ上接合材４とモールド樹脂９との境界の部分のチップ上接合材４の厚みは、０．４５～０．７ｍｍであることが望ましい。本実施の形態では、一定の厚み（例えば０．４ｍｍ）を有した固体からなるチップ上接合材４から、チップ上接合材４の厚みを０．４５～０．７ｍｍ、接合角度５を９０°以上で１３５°以下とするために、第２のリードフレーム６の他方の面に半導体素子１、２のそれぞれに向かって突出した突出部７が形成される。突出部７が、第２のリードフレーム６と半導体素子１、２とを接合するリフロー加熱の際に突出部７に接したチップ上接合材４を押圧して、押圧により押し出されたチップ上接合材４の部分が境界の部分のチップ上接合材４と第２のリードフレーム６との接合面の端点の方に流れて接合角度５を９０°以上で１３５°以下にする。高強度、高剛性、及び接合角度５が９０°から１３５°の範囲のチップ上接合材４は数千回の冷熱サイクルでもクラックが発生しないため、チップ上接合材４の寿命は長くなる。チップ上接合材４の寿命は長くなるため、半導体装置１００は高品質となり、半導体装置１００の信頼性を向上させることができる。
本実施の形態では突出部７の形状は直方体であるが、突出部７の形状は直方体に限るものではない。境界部分のチップ上接合材４の厚みと接合角度５が任意に設定できるのであれば、突出部７の形状及び個数等の突出部７の構成は直方体でなくても構わない。また、浮き出し加工により突出部７を設けた例について示したが、突出部７の形成方法は浮き出し加工に限るものではなく、切削加工により突出部７を形成しても構わない。切削加工により突出部７を形成した場合、段差凹部８は形成されなくても構わない。
本実施の形態では、チップ上接合材４と半導体素子１、２との接合面の端点とチップ上接合材４と第２のリードフレーム６との接合面の端点とを結んだ部分は直線で示したが、端点間を結んだ部分は直線に限るものではない。端点間を結んだ部分は、曲線であっても構わない。端点間を結んだ部分が曲線であっても、チップ上接合材４の接合角度５を９０°から１３５°の範囲に設定することで、半導体素子１、２の最大応力発生箇所１２の最大応力を低減することができる。
本実施の形態では、第２のリードフレーム６の他方の面に突出部７を形成することで、境界部分のチップ上接合材４の厚みを０．４５～０．７ｍｍ、接合角度５を９０°以上で１３５°以下とした。チップ上接合材４の剛性を確保するにはチップ上接合材４に高強度材を用いてもよく、高強度材を用いた場合、厚みを上げる必要が無くなり、境界部分のチップ上接合材４の厚みは０．４ｍｍ以下で構わなく、リボンハンダの製造可能な厚み以下にできるため、図５に示すように、第２のリードフレーム６に突出部７を設ける必要はない。溶融前のチップ上接合材４の厚みとサイズを調整することにより、接合角度５を９０°から１３５°の適正範囲に設定することができる。チップ上接合材４の剛性を確保しつつ、チップ上接合材４の接合角度５を９０°から１３５°の範囲に設定することで、半導体素子１、２の最大応力発生箇所１２の最大応力を低減することができる。
＜半導体装置１００の製造方法＞
半導体装置１００の製造方法について、図４を用いて説明する。半導体装置１００は、ダイボンディング工程である第１工程（Ｓ１１）と、リフロー工程である第２工程（Ｓ１２）及び第３工程（Ｓ１３）と、トランスファー成形工程である第４工程（Ｓ１４）とで製造される。
第１工程は、チップ下接合材を介して、板状に形成された半導体素子１、２の他方の面を板状に形成されたヒートスプレッダー３の一方の面３ａに接合する工程である。まず、ヒートスプレッダー３の一方の面３ａに間隔を空けてチップ下接合材が設けられ、スイッチング素子である半導体素子１と整流素子である半導体素子２とをチップ下接合材の上に配置する。その後チップ下接合材を融解し、半導体素子１、２はヒートスプレッダー３の一方の面３ａに接合される。
第２工程は、リード接合材を介して、第１のリードフレーム１０、１１の他方の面をヒートスプレッダー３の一方の面３ａに接合する工程である。まず、ヒートスプレッダー３の一方の面３ａの両側の端部にリード接合材が設けられ、第１のリードフレーム１０、１１をリード接合材の上に配置する。その後リフロー加熱によりリード接合材を融解し、その後の冷却で第１のリードフレーム１０、１１はヒートスプレッダー３の一方の面３ａに接合される。
第３工程は、チップ上接合材４を介して、第２のリードフレーム６の他方の面を半導体素子１、２の一方の面に接合する工程である。一定の厚みを有した固体からなるチップ上接合材４を第２のリードフレーム６の他方の面と半導体素子１、２の一方の面との間に挟んだ後、リフロー加熱によりチップ上接合材４を融解した後、冷却して、チップ上接合材４を介して第２のリードフレーム６の他方の面を半導体素子１、２の一方の面に接合させる。チップ上接合材４を融解した後冷却する際に、半導体素子１、２の一方の面と第２のリードフレーム６の他方の面との間の隙間に設けられたチップ上接合材４とチップ上接合材４の外側との境界の部分を、ヒートスプレッダー３の一方の面に垂直な平面で切断した断面形状において、チップ上接合材４と半導体素子１、２との接合面の端点と、チップ上接合材４と第２のリードフレーム６との接合面の端点とを結んだ直線と、半導体素子１、２の一方の面とがなす２つの角度の内、チップ上接合材４の側の角度を９０°以上で１３５°以下にする。
チップ上接合材４は、例えば、厚みが一定なリボンハンダである。厚みが一定ではない凹部もしくは突起を有したはんだではなく、一定厚みのリボンハンダを使用することで、はんだのコストを抑制することができる。チップ上接合材４の剛性が低いとチップ上接合材４にクラックが発生しやすい。チップ上接合材４の剛性を確保するために、境界の部分のチップ上接合材４の厚みは、０．４５～０．７ｍｍであることが望ましい。リボンハンダの製造可能な厚みは０．４ｍｍ程度である。そのため、チップ上接合材４の厚みを０．４５～０．７ｍｍにするために、第２のリードフレーム６の他方の面に半導体素子１、２のそれぞれに向かって突出した突出部７が形成される。リフロー加熱の際に突出部７に接したチップ上接合材４を押圧して、押圧により押し出されたチップ上接合材４の部分が境界の部分のチップ上接合材４と第２のリードフレーム６との接合面の端点の方に流れて、チップ上接合材４の厚みを０．４５～０．７ｍｍにし、チップ上接合材４の側の接合角度５を９０°以上で１３５°以下にする。溶融前のチップ上接合材４の大きさと第２のリードフレーム６の突出部７の大きさを調整することにより、チップ上接合材４の使用量を最小限とし、溶融後のチップ上接合材４の厚みと接合角度５を任意に設定することができる。このように構成することで、チップ上接合材４の剛性は確保され、半導体素子１、２のクラックの発生を抑制することができる。
第４工程は、第１のリードフレーム１０、１１の一部及び第２のリードフレーム６の一部を外部に露出させて、ヒートスプレッダー３、半導体素子１、２、第１のリードフレーム１０、１１、及び第２のリードフレーム６を熱硬化性樹脂からなるモールド樹脂９で封止する工程である。
本実施の形態では、第３工程において、チップ上接合材４を介して第２のリードフレーム６の他方の面を半導体素子１、２の一方の面に接合したが第３工程はこれに限るものではない。第３工程は、第２のリードフレーム６を半導体素子１、２に搭載した後に昇温して、溶融したチップ上接合材４を第２のリードフレーム６の他方の面と半導体素子１、２の一方の面との間に滴下供給し、冷却する工程であっても構わない。このような工程とすることで、第２のリードフレーム６の突出部７を溶融前のチップ上接合材４に接触させる制約が無くなるため、第２のリードフレーム６の突出部７のサイズの自由度が広がる。また、チップ上接合材４の供給量を調整できるため、チップ上接合材４の使用量をさらに低減することができる。
なお、第２の接合材であるリード接合材と、第３の接合材であるチップ上接合材４を同種もしくは同じ接合材を用いることで、リフロー工程である第２工程（Ｓ１２）及び第３工程（Ｓ１３）とを分けて実施することなく、１度のリフロー工程（Ｓ１０）で第２工程と第３工程に係る全ての接合を実施することができる。
以上のように、実施の形態１による半導体装置１００において、チップ上接合材４とモールド樹脂９との境界の部分を、ヒートスプレッダー３の一方の面３ａに垂直な平面で切断した断面形状において、チップ上接合材４と半導体素子１、２との接合面の端点と、チップ上接合材４と第２のリードフレーム６との接合面の端点とを結んだ直線と、半導体素子１、２の一方の面とがなす角度のチップ上接合材４の側の角度が９０°以上で１３５°以下であるため、第２のリードフレーム６の構造を複雑かつ大型化することなく、半導体素子１、２の最大応力発生箇所１２の最大応力を低減することができるので、半導体素子１、２のクラック発生を容易に抑制しつつ、小型化、及び低コスト化した樹脂封止型の半導体装置１００を得ることができる。また、第２のリードフレーム６の他方の面の境界の部分よりも内側の部分に、半導体素子１、２のそれぞれに向かって突出した突出部７が形成されている場合、容易に境界部分のチップ上接合材４の厚みを０．４５～０．７ｍｍ、接合角度５を９０°以上で１３５°以下にすることができる。また、チップ上接合材４の使用量を最小限にできるので、より安価な半導体装置１００を提供することができる。また、浮き出し加工により突出部７を第２のリードフレーム６に形成した場合、第２のリードフレーム６の他方の面に容易に突出部７を形成することができる。
また、高強度、高剛性、及び接合角度５が９０°から１３５°の範囲のチップ上接合材４ａとした場合、数千回の冷熱サイクルにおいてもチップ上接合材４にクラックが発生しないため、チップ上接合材４ａの寿命を長くすることができる。チップ上接合材４ａの寿命が長くなるため、半導体装置１００は高品質となり、半導体装置１００の信頼性を向上させることができる。
実施の形態１による半導体装置１００の製造方法において、一定の厚みを有した固体からなるチップ上接合材４を第２のリードフレーム６の他方の面と半導体素子１、２の一方の面との間に挟んだ後、リフロー加熱によりチップ上接合材４を融解した後、冷却して、チップ上接合材４を介して第２のリードフレーム６の他方の面を半導体素子１、２の一方の面に接合させるため、厚みが一定ではない凹部もしくは突起を有したはんだではなく、一定厚みのリボンハンダを使用することで、はんだのコストを抑制することができる。また、突出部７がリフロー加熱の際に突出部７に接したチップ上接合材４を押圧して、押圧により押し出されたチップ上接合材４の部分が境界の部分のチップ上接合材４と第２のリードフレーム６との接合面の端点の方に流れてチップ上接合材４の側の接合角度５を９０°以上で１３５°以下にするため、容易に境界部分のチップ上接合材４の厚みを０．４５～０．７ｍｍ、接合角度５を９０°以上で１３５°以下にすることができる。
実施の形態２．
実施の形態２に係る半導体装置１００の製造方法について説明する。図８は半導体装置１００の製造工程を示す図である。実施の形態２に係る半導体装置１００の製造方法は、第１工程（Ｓ１１）と第２工程（Ｓ１２）と第３工程（Ｓ１３）とを１度の工程（Ｓ１０）で実施する。
第１の接合材であるチップ下接合材と、第２の接合材であるリード接合材と、第３の接合材であるチップ上接合材４とは同種もしくは同じ材料からなる接合材である。同種もしくは同じ材料からなる接合材は、例えば、はんだからなる接合材である。同種もしくは同じ材料からなる接合材を用いることで、ダイボンディング工程である第１工程（Ｓ１１）とリフロー工程である第２工程（Ｓ１２）及び第３工程（Ｓ１３）とを分けて実施することなく、１度のリフロー工程（Ｓ１０）で第１工程と第２工程と第３工程に係る全ての接合を実施することができる。
以上のように、実施の形態２による半導体装置１００の製造方法において、チップ下接合材とリード接合材とチップ上接合材４とが同種もしくは同じ材料からなる接合材であるため、第１工程（Ｓ１１）と第２工程（Ｓ１２）と第３工程（Ｓ１３）とを１度のリフロー工程（Ｓ１０）で実施できるので、半導体装置１００の生産性を向上させることができる。また、半導体装置１００の生産性が向上するので、より安価な半導体装置１００を提供することができる。
また本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
１ 半導体素子、２ 半導体素子、３ ヒートスプレッダー、３ａ 一方の面、３ｂ 他方の面、４ チップ上接合材、４ａ チップ上接合材、５ 接合角度、６ 第２のリードフレーム、７ 突出部、８ 段差凹部、９ モールド樹脂、１０ 第１のリードフレーム、１１ 第１のリードフレーム、１２ 最大応力発生箇所、１００ 半導体装置、１０１ 半導体装置

Claims (3)

  1. 第１の接合材を介して、板状に形成された半導体素子の他方の面を板状に形成されたヒートスプレッダーの一方の面に接合する第１工程と、
    第２の接合材を介して、第１のリードフレームの他方の面を前記ヒートスプレッダーの一方の面に接合する第２工程と、
    一定の厚みを有した固体からなる第３の接合材を第２のリードフレームの他方の面と前記半導体素子の一方の面との間に挟んだ後、リフロー加熱により前記第３の接合材を融解した後、冷却して、前記第３の接合材を介して前記第２のリードフレームの他方の面を前記半導体素子の一方の面に接合させ、前記第３の接合材を融解した後冷却する際に、前記半導体素子の一方の面と前記第２のリードフレームの他方の面との間の隙間に設けられた前記第３の接合材と前記第３の接合材の外側との境界の部分を、前記ヒートスプレッダーの一方の面に垂直な平面で切断した断面形状において、前記第３の接合材と前記半導体素子との接合面の端点と、前記第３の接合材と前記第２のリードフレームとの接合面の端点とを結んだ直線と、前記半導体素子の一方の面とがなす２つの角度の内、前記第３の接合材の側の角度を９０°以上で１３５°以下にする第３工程と、
    前記第１のリードフレームの一部及び前記第２のリードフレームの一部を外部に露出させて、前記ヒートスプレッダー、前記半導体素子、前記第１のリードフレーム、及び前記第２のリードフレームをモールド樹脂で封止する第４工程と、を備え、
    前記第２のリードフレームの他方の面の前記境界の部分よりも内側の部分に、前記半導体素子に向かって突出して形成された突出部が、前記リフロー加熱の際に前記突出部に接した前記第３の接合材を押圧して、押圧により押し出された前記第３の接合材の部分が前記境界の部分の前記第３の接合材と前記第２のリードフレームとの接合面の端点の方に流れて前記第３の接合材の側の角度を９０°以上で１３５°以下にし、
    前記突出部の側面部分と前記境界の部分の間であって、前記半導体素子の一方の面と前記第２のリードフレームの他方の面との間における、前記突出部の押圧により押し出された前記第３の接合材の厚みは、リフロー加熱前の前記第３の接合材の厚みよりも厚い半導体装置の製造方法。
  2. 前記第２の接合材と前記第３の接合材とは同種もしくは同じ材料からなる接合材であって、
    前記第２工程と前記第３工程とを１度の工程で実施する請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記第１の接合材と前記第２の接合材と前記第３の接合材とは同種もしくは同じ材料からなる接合材であって、
    前記第１工程と前記第２工程と前記第３工程とを１度の工程で実施する請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
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