JP7131436B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体チップにワイヤがボンディングされ、封止樹脂で封止された半導体装置及びその製造方法に関する。
発電、送電、効率的なエネルギーの利用・再生など、あらゆる場面で半導体装置が利用されている。封止樹脂としてシリコーンゲルよりも固くヤング率の高いエポキシ樹脂を用いた半導体装置において、半導体チップなどの内部部品への応力により製品の信頼性が低下するという問題があった。これに対し、半導体チップをカバーで密閉してカバーの内部に樹脂が充填されないようにした半導体装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平８－７００６６号公報
一般的に半導体チップにワイヤがボンディングされる。従来技術では半導体チップとワイヤと回路パターンをカバーで密閉する。しかし、カバー内の樹脂封止されていない箇所において半導体装置の使用時に高電圧がかかって放電が発生し、製品の信頼性が低下するという問題があった。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は製品の信頼性を向上することができる半導体装置及びその製造方法を得るものである。
本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体チップをケースに収納し、前記半導体チップにワイヤをボンディングする工程と、前記半導体チップ及び前記ワイヤの上方にカバーの凹部が位置するように前記カバーを前記ケースの内部に固定する工程と、前記ケースの内部に封止樹脂をポッティングして前記半導体チップ、前記ワイヤ及び前記カバーを封止する工程とを備え、前記凹部の内部に前記封止樹脂が充填されず空洞が設けられ、前記封止樹脂を全てポッティングした際の前記封止樹脂の水位が、前記ケースの内側面に形成された水位基準線より低い場合に前記空洞の形成不良と判定することを特徴とする。
本発明では、封止樹脂で半導体チップ及びワイヤを封止することで放電を防ぐことができる。そして、半導体チップ及びワイヤの上方に凹部を有するカバーを設ける。このカバーの凹部の内部に封止樹脂が充填されず空洞が設けられている。この空洞によって半導体チップ及びワイヤの周辺で封止樹脂の体積が減り、剛性が下がる。これにより、封止樹脂が内部部品に与えるストレスを軽減することができる。この結果、製品の信頼性を向上することができる。
実施の形態１に係る半導体装置を示す断面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の内部を示す平面図である。 カバーを示す斜視図である。 樹脂封止前の半導体装置を示す断面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の製造方法の変形例を示す断面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の製造方法の変形例を示す断面図である。 実施の形態２に係る半導体装置を示す断面図である。 実施の形態３に係る半導体装置を示す断面図である。 実施の形態４に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 実施の形態４に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
実施の形態に係る半導体装置及びその製造方法について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る半導体装置を示す断面図である。図２は、実施の形態１に係る半導体装置の内部を示す平面図である。図１は図２のＩ－ＩＩに沿った断面に対応する。
ベース板１の上に絶縁層２が設けられている。絶縁層２の上に回路パターン３，４，５が設けられている。ベース板１、絶縁層２、回路パターン３，４，５は樹脂絶縁銅ベース板を構成する。樹脂絶縁銅ベース板の代わりに、回路パターンを有するセラミック基板とベース板とを組み合わせた構造を用いてもよい。
回路パターン３の上に半導体チップ６，７が設けられている。半導体チップ６はＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であり、その下面電極はコレクタ電極、上面電極はエミッタ電極、制御電極はゲート電極である。半導体チップ７はＦＷＤ（Free Wheel Diode）であり、その下面電極はカソード電極、上面電極はアノード電極である。半導体チップ６，７の下面電極はそれぞれはんだ８，９により回路パターン３に電気的に接続されている。ケース１０が絶縁層２の外周部の上に設けられ、半導体チップ６，７を収納する。ケース１０は信号端子１１と電極端子１２，１３を有する。
半導体チップ６，７の上面電極にワイヤ１４～１６がボンディングされている。半導体チップ６，７の上面電極はワイヤ１４により互いに接続されている。半導体チップ６の制御電極と回路パターン４がワイヤ１５により接続されている。半導体チップ７の上面電極と回路パターン５がワイヤ１６により接続されている。回路パターン４と信号端子１１がワイヤ１７により接続されている。回路パターン３と電極端子１２がワイヤ１８により接続されている。回路パターン５と電極端子１３がワイヤ１９により接続されている。
半導体チップ６，７及びワイヤ１４～１６の上方にカバー２０の凹部２０ａが配置されるようにカバー２０がケース１０の内部に固定されている。凹部２０ａはカバー２０の下面に設けられている。封止樹脂２１がケース１０の内部にポッティングされ、半導体チップ６，７、ワイヤ１４～１９及びカバー２０を封止する。封止樹脂２１は例えば固くヤング率が高いエポキシ樹脂である。凹部２０ａの内部に封止樹脂２１が充填されず空洞２２が設けられている。ケース１０の材料はＰＰＳ、ＰＢＴなどであるが、これに限らず封止樹脂２１との接着性が悪くない材料であればよい。
図３は、カバーを示す斜視図である。図４は、樹脂封止前の半導体装置を示す断面図である。カバー２０はケース１０の内側面の窪み２３に嵌め込むことのできる嵌合部２０ｂを有している。これにより、カバー２０をケース１０に嵌合して容易に固定することができる。
図５及び図６は、実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。まず、半導体チップ６，７及びケース１０の実装とワイヤボンディングを行う。次に、図５に示すように、カバー２０をケース１０に嵌合して固定する。
次に、図６に示すように、ケース１０の内部に封止樹脂２１をポッティングする。この際にカバー２０の凹部２０ａに空気がトラップして空洞２２が形成される。封止樹脂２１が充填された際にカバー２０は浮力を受けるが、カバー２０をケース１０に固定することにより浮き上がりを防ぐことができる。封止樹脂２１として熱硬化性のエポキシ樹脂を使用する場合、注入後にキュアを実施するが、形成された空洞２２は維持されたままとなる。
図７及び図８は、実施の形態１に係る半導体装置の製造方法の変形例を示す断面図である。図７に示すように、カバー２０を取り付ける前に、封止樹脂２１の一部のみをポッティングして半導体チップ６，７及びワイヤ１４～１９を封止する。この時点ではキュアを実施していないため、封止樹脂２１の一部は硬化していない。次に、図８に示すように、半導体チップ６，７及びワイヤ１４～１６の上方にカバー２０を固定する。次に、図６に示すように、封止樹脂２１の残りを再ポッティングしてカバー２０を封止する。封止樹脂２１を全てポッティングした後にキュアを実施する。図８の状態でカバー２０の凹部２０ａに空気をトラップさせやすいため、空洞２２を安定して形成することができる。
本実施の形態では、封止樹脂２１で半導体チップ６，７及びワイヤ１４～１９を封止することで放電を防ぐことができる。なお、ワイヤ１４～１６の一部が封止されず空洞２２内に入り込んでいてもよい。ただし、放電を防ぐために、同じ空洞２２内に異電位の導体が存在しないようにする必要がある。
また、半導体チップ６，７及びワイヤ１４～１６の上方に凹部２０ａを有するカバー２０を設ける。このカバー２０の凹部２０ａの内部に封止樹脂２１が充填されず空洞２２が設けられている。この空洞２２によって半導体チップ６，７及びワイヤ１４～１６の周辺で封止樹脂２１の体積が減り、剛性が下がる。これにより、封止樹脂２１が内部部品に与えるストレスを軽減することができる。この結果、製品の信頼性を向上することができる。
実施の形態２．
図９は、実施の形態２に係る半導体装置を示す断面図である。ケース１０の窪み２３とカバー２０の嵌合部２０ｂを無くし、その代わりにカバー２０が接着剤２５によりケース１０に取り付けられている。これにより、ケース１０とカバー２０の設計自由度を向上させることができる。その他の構成及び効果は実施の形態１と同様である。
実施の形態３．
図１０は、実施の形態３に係る半導体装置を示す断面図である。凹部２０ａがカバー２０の上面に設けられている。この場合でも実施の形態１と同様の効果を得ることができる。ただし、カバー２０が半導体チップ６，７等の内部部品に近づくため、内部部品上部の封止樹脂２１とカバー２０の剛性の合計値が下がるような設計が必要である。例えば、カバー２０の厚みを薄くするか又はヤング率の低い材料を選択するなど、カバー２０の剛性を下げる必要がある。
実施の形態４．
図１１及び図１２は、実施の形態４に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。図１１に示すように、封止樹脂２１を全てポッティングした際に空洞２２が想定通り形成できた場合の封止樹脂２１の水位においてケース１０の内側面に水位基準線２６を形成しておく。図１２に示すように、カバー２０の凹部２０ａに封止樹脂２１が入り込んで空洞２２を想定通りに形成できていない場合、封止樹脂２１の水位が水位基準線２６より低くなる。そこで、封止樹脂２１を全てポッティングした際の封止樹脂２１の水位が水位基準線２６より低い場合に空洞２２の形成不良と判定する。これにより不良品を容易に判定することができる。
なお、半導体チップ６，７は、珪素によって形成されたものに限らず、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成されたものでもよい。ワイドバンドギャップ半導体は、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、又はダイヤモンドである。このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成された半導体チップは、耐電圧性や許容電流密度が高いため、小型化できる。この小型化された半導体チップを用いることで、この半導体チップを組み込んだ半導体装置も小型化・高集積化できる。また、半導体チップの耐熱性が高いため、ヒートシンクの放熱フィンを小型化でき、水冷部を空冷化できるので、半導体装置を更に小型化できる。また、半導体チップの電力損失が低く高効率であるため、半導体装置を高効率化できる。
６，７ 半導体チップ、１４～１６ ワイヤ、１０ ケース、２０ カバー、２０ａ 凹部、２１ 封止樹脂、２２ 空洞、２５ 接着剤、２６ 水位基準線

Claims (2)

  1. 半導体チップをケースに収納し、前記半導体チップにワイヤをボンディングする工程と、
    前記半導体チップ及び前記ワイヤの上方にカバーの凹部が位置するように前記カバーを前記ケースの内部に固定する工程と、
    前記ケースの内部に封止樹脂をポッティングして前記半導体チップ、前記ワイヤ及び前記カバーを封止する工程とを備え、
    前記凹部の内部に前記封止樹脂が充填されず空洞が設けられ、
    前記封止樹脂を全てポッティングした際の前記封止樹脂の水位が、前記ケースの内側面に形成された水位基準線より低い場合に前記空洞の形成不良と判定することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記封止樹脂の一部のみをポッティングして前記半導体チップ及び前記ワイヤを封止する工程と、
    前記封止樹脂の前記一部をポッティングした後に前記半導体チップ及び前記ワイヤの上方に前記カバーを固定する工程と、
    前記封止樹脂の残りをポッティングして前記カバーを封止する工程とを備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
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