JP7199604B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本開示は、半導体装置の製造方法に関するものである。

従来、半導体装置を被取り付け部材である冷却器に固定する際、モールド樹脂の取り付け孔からねじを挿通し、ねじで直接締結していた。ねじの座面は、モールド樹脂の上面の微小な凹凸または微小な傾きによる片当たりの状態でモールド樹脂に接触する。これにねじ締結時の軸力と締結後の温度変化による応力振幅が加わることで、応力の高い部分からモールド樹脂が変形するクリープ現象が発生し、これにより締結後の軸力が低下する。

これを抑制するために、モールド樹脂の取り付け孔に、切削または鍛造により形成されたカラーを挿入し、カラーを介してねじで締結する構造がある。この構造では、ねじの軸力をカラーが受けて、その荷重は直接、被取り付け部材へと伝えられるため、クリープ現象を抑制することが可能となる。しかし、カラーの追加および挿入加工の追加により半導体装置の製造コストが上昇するという問題があった。

そこで、例えば特許文献１には、リードフレームの一部を曲げてモールド樹脂の上面から露出する上面の露出部をねじで締結し、上面の露出部はモールド樹脂の内部で荷重支持部によりモールド樹脂の下面から露出する下面の露出部と繋がる構造が開示されている。この構造では、カラーを追加する代わりにリードフレームの一部を用いることで、カラーの追加に起因する半導体装置の製造コストの上昇を抑えることができる。

特開２０１４－１８３２４２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、リードフレームにおける上面の露出部と下面の露出部とをモールド樹脂の上面と下面にそれぞれ露出させるためには、樹脂成型時にリードフレームにおける上面と下面の露出部に接触する金型を構成する上型と下型との間の寸法が、上面と下面の露出部間の寸法と一致する必要がある。

上面と下面の露出部間の寸法よりも上型と下型との間の寸法が大きい場合は、露出させるべき部分に樹脂バリが発生する。一方、上型と下型との間の寸法よりも上面と下面の露出部間の寸法が大きい場合は、成型時に金型がリードフレームを圧縮し、これが残留応力となって成型後の樹脂クラックなどの懸念がある。そのため、リードフレームおよび金型の寸法精度を向上させるためには、これらの製造コストが上昇するという問題がある。

そこで、本開示は、半導体装置を被取り付け部材にねじ締結したときにクリープ現象の発生を抑制し、かつ、半導体装置の製造コストの上昇を抑制可能な技術を提供することを目的とする。

本開示に係る半導体装置の製造方法は、複数のリード部と、複数の前記リード部の途中部を接続しかつ複数の前記リード部の配列方向に延在するタイバーと、複数の前記リード部および前記タイバーの両端部を接続しかつ複数の前記リード部および前記タイバーを囲むように配置された枠体と、前記枠体の内周側に接続部を介して配置されたリング部とを有するリードフレームを準備する工程（ａ）と、前記リードフレームに半導体素子を接続し組み立て体を製作する工程（ｂ）と、上型と下型とで構成されるモールド金型のキャビティ内に前記組み立て体を配置する工程（ｃ）と、前記下型内に設けられたピンが前記リング部の孔を挿通し、かつ、前記リング部の上面が前記上型の内面に当接した状態で、前記キャビティ内に液状のモールド樹脂を注入しこれを硬化させて樹脂成型体を製作する工程（ｄ）と、前記モールド金型から前記樹脂成型体を取り出した後に、前記枠体、前記タイバー、および前記接続部を切断する工程（ｅ）とを備えたものである。

本開示によれば、リング部の下面はモールド金型のキャビティ内で液状のモールド樹脂と接触した状態で硬化させるため、リング部の下面とモールド樹脂との間に隙間ができず、リング部の下面とモールド樹脂は全面で接触する。そのため、半導体装置を被取り付け部材にねじ締結したときに、ねじの座面がリング部を押さえるが、リング部はその下面に密着したモールド樹脂を押さえるため、片当たりおよび点接触が起こらず均等な押圧となる。これにより、クリープ現象の発生を抑制することができる。

さらに、部品の状態ではリング部はリードフレームの一部であるため、材料費および加工費を抑えることができることから、半導体装置の製造コストの上昇を抑制することができる。

この開示の目的、特徴、局面、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。

実施の形態１における樹脂成型後にモールド金型から取り出された樹脂成型体の平面図である。 樹脂成型後にモールド金型から取り出された樹脂成型体の正面図である。 タイバーと枠体と接続部の切断後の半導体装置の平面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の製造方法のうち、モールド金型のキャビティ内への組み立て体の配置を説明するための断面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の製造方法のうち、モールド金型のキャビティ内への液状のモールド樹脂の注入を説明するための断面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の製造方法のうち、モールド金型からの樹脂成型体の取り出しを説明するための断面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の製造方法のうち、樹脂成型体から枠体とタイバーと接続部の切断を説明するための断面図である。 半導体装置が冷却器にねじ締結された箇所の拡大断面図である。 実施の形態２における樹脂成型体のリング部周辺の拡大断面図である。 実施の形態３における樹脂成型体のリング部周辺の拡大断面図である。 実施の形態４における樹脂成型体のリング部周辺の拡大断面図である。 実施の形態５における樹脂成型体のリング部周辺の拡大断面図である。 実施の形態５における組み立て体がモールド金型のキャビティ内に配置された状態のリング部周辺の拡大断面図である。 実施の形態６における樹脂成型体のリング部周辺の拡大断面図である。

＜実施の形態１＞
実施の形態１について、図面を用いて以下に説明する。図１は、実施の形態１における樹脂成型後にモールド金型から取り出された樹脂成型体１００の平面図である。図２は、樹脂成型後にモールド金型から取り出された樹脂成型体１００の正面図である。図３は、タイバー５と枠体４と接続部７の切断後の半導体装置１０１の平面図である。

図１と図２に示すように、樹脂成型体１００は、モールド樹脂１０およびリードフレーム１を備えている。

モールド樹脂１０として例えばエポキシ樹脂が用いられている。モールド樹脂１０の内部には、半導体素子がリードフレーム１のダイパッド（図示省略）上にダイボンドされ、リードフレーム１のリード部２，３にアルミワイヤなどで電気的に接続されている。

リードフレーム１は、例えば銅などの金属を用いて形成され、ダイパッド、複数のリード部２，３、２つのタイバー５、枠体４、２つのリング部６、および２つの接続部７を備えている。

複数のリード部２，３は、図１においてモールド樹脂１０の前後両側面から前後方向にそれぞれ延び、左右方向に配列されている。複数のリード部２は信号端子であり、複数のリード部３は主端子である。

２つのタイバー５は、モールド樹脂１０の前後方向において、それぞれ複数のリード部２，３の途中部を接続し、複数のリード部２，３の配列方向に延在している。枠体４は、複数のリード部２，３および２つのタイバー５の両端部を接続し、複数のリード部２，３および２つのタイバー５を囲むように配置されている。

リング部６は、枠体４の内周側に接続部７を介して配置されている。より具体的には、２つのリング部６は、図１においてモールド樹脂１０の左右両端部に上面が露出するように埋め込まれている。モールド樹脂１０の左右両端部には、ねじを用いて被取り付け部材である冷却器に固定するための貫通状の２つの取り付け孔１０ａがそれぞれ形成されており、２つのリング部６の孔６ａは２つの取り付け孔１０ａにそれぞれ連通している。接続部７の途中部は上方に屈曲している。そのため、リング部６は枠体４よりも上方に位置している。

図３に示すように、樹脂成型体１００からタイバー５、枠体４、および接続部７がプレスにより切断されると半導体装置１０１が完成する。

次に、図４～図７を用いて、半導体装置１０１の製造方法を説明する。図４は、半導体装置の製造方法のうち、モールド金型２３のキャビティ２３ａ内への組み立て体の配置を説明するための断面図である。図５は、半導体装置の製造方法のうち、モールド金型２３のキャビティ２３ａ内への液状のモールド樹脂１０の注入を説明するための断面図である。図６は、半導体装置の製造方法のうち、モールド金型２３からの樹脂成型体１００の取り出しを説明するための断面図である。図７は、半導体装置の製造方法のうち、樹脂成型体１００から枠体４とタイバー５と接続部７の切断を説明するための断面図である。

最初に、複数のリード部２，３、タイバー５、枠体４、およびリング部６を有するリードフレーム１が準備される。次に、半導体素子は、リードフレーム１のダイパッド上にダイボンドされた後、リード部２，３にアルミワイヤなどで接続される。これにより、組み立て体が製作される。

次に、図４に示すように、組み立て体は、上型２０と下型２１とで構成されるモールド金型２３内の空間となるキャビティ２３ａ内に配置される。

このとき、組み立て体のリング部６の孔６ａは、下型２１内に設けられたピン２２に挿通されている。なお、ピン２２は固定ピンであることが望ましいが、可動ピンであっても良い。図５に示すように、リング部６の上面が上型２０の内面に当接した状態で、キャビティ２３ａ内に液状のモールド樹脂１０、つまり、溶融したモールド樹脂１０が注入される。モールド樹脂１０が熱硬化性を有するエポキシ樹脂であれば、モールド金型２３内で溶融したモールド樹脂１０を高温高圧状態に保ち、反応させることでこれを硬化させる。これにより、樹脂成型体１００（図１参照）が製作される。

次に、上型２０と下型２１が開き、図６に示すように、樹脂成型体１００が取り出される。このとき、モールド樹脂１０の形状は、モールド金型２３を閉じた状態でのキャビティ２３ａの形状となる。

次に、樹脂成型体１００から枠体４、タイバー５、および接続部７がプレスにより切断され、図７に示すように、半導体装置１０１が製作される。また、必要に応じて信号端子および主端子となるリード部２，３が所望の形状に曲げ加工される場合もある。リング部６は取り付け孔１０ａの周囲に配置され、リング部６の上面はモールド樹脂１０から露出している。

次に、図８を用いて、上記の製造方法を用いて製造された半導体装置１０１の効果について、リング部６を設けない場合と比較して説明する。図８は、半導体装置１０１が冷却器１２にねじ締結された箇所の拡大断面図である。

リング部６を設けない場合、モールド樹脂にねじの座面が直接接触して締結されていた。モールド樹脂の上面とねじの座面は一見平坦のようだが拡大するとそれぞれに細かい凹凸があり、これらは凸部分で接触している。これに軸力が加わると接触している部分に高い圧力がかかり、半導体素子の動作に伴い発生する熱によってモールド樹脂は塑性変形（クリープ）する。

これに対して、図８に示すように、実施の形態１では、モールド樹脂１０はリング部６に接触しているが、溶融したモールド樹脂１０はリング部６の下面に接触した状態で硬化しているため、リング部６の下面とモールド樹脂１０は全面で接触する。これにより、金属製のねじ１１の軸力による圧力は均等となりクリープ現象が起こりにくい。また、ねじ１１の座面はリング部６の上面と接触しているが、何れも金属製であるためクリープ現象に対する耐性が高い。

以上のように、実施の形態１に係る半導体装置の製造方法は、複数のリード部２，３と、複数のリード部２，３の途中部を接続しかつ複数のリード部２，３の配列方向に延在するタイバー５と、複数のリード部２，３およびタイバー５の両端部を接続しかつ複数のリード部２，３およびタイバー５を囲むように配置された枠体４と、枠体４の内周側に接続部７を介して配置されたリング部６とを有するリードフレーム１を準備する工程（ａ）と、リードフレーム１に半導体素子を接続し組み立て体を製作する工程（ｂ）と、上型２０と下型２１とで構成されるモールド金型２３のキャビティ２３ａ内に組み立て体を配置する工程（ｃ）と、下型２１内に設けられたピン２２がリング部６の孔６ａを挿通し、かつ、リング部６の上面が上型２０の内面に当接した状態で、キャビティ２３ａ内に液状のモールド樹脂１０を注入しこれを硬化させて樹脂成型体１００を製作する工程（ｄ）と、モールド金型２３から樹脂成型体１００を取り出した後に、枠体４、タイバー５、および接続部７を切断する工程（ｅ）とを備えている。

リング部６の下面はモールド金型２３のキャビティ２３ａ内で液状のモールド樹脂１０と接触した状態で硬化させるため、リング部６の下面とモールド樹脂１０との間に隙間ができず、リング部６の下面とモールド樹脂１０は全面で接触する。そのため、半導体装置１０１を被取り付け部材である冷却器１２にねじ締結したときに、ねじ１１の座面がリング部６を押さえるが、リング部６はその下面に密着したモールド樹脂１０を押さえるため、片当たりおよび点接触が起こらず均等な押圧となる。これにより、クリープ現象の発生を抑制することができる。以上より、半導体装置１０１の長期使用が可能となる。

さらに、部品の状態ではリング部６はリードフレーム１の一部であるため、部品コストおよび加工コストを抑えることができることから、半導体装置１０１の製造コストの上昇を抑制することができる。

また、特許文献１に記載の技術では、ねじ締結による軸力で上面の露出部と下面の露出部を圧縮すると荷重支持部にひずみが発生し、モールド樹脂における荷重支持部の周辺にクラックが発生することが考えられる。

これに対して、実施の形態１では、リング部６の下面とモールド樹脂１０は全面で接触するため、リング部６のひずみは起こらず、モールド樹脂１０にも均等な応力がかかることからクラックの発生が抑制される。また、モールド金型２３への組み立て体の配置時にリードフレーム１の上面と下面がモールド金型２３の内面と面一となるような厳しい寸法精度は要求されない。

＜実施の形態２＞
次に、実施の形態２に係る半導体装置の製造方法について説明する。図９は、実施の形態２における樹脂成型体１００Ａのリング部６周辺の拡大断面図である。なお、実施の形態２において、実施の形態１で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。

図９に示すように、実施の形態２では、枠体４から接続部７を介してリング部６へ延びる方向におけるリング部６の先端部は、上型２０の内面に当接しないように下方に屈曲している。この状態で樹脂成型が行われるため、リング部６における下方に屈曲した先端部はモールド樹脂１０の中に埋め込まれる。これにより、枠体４が切断された後、モールド樹脂１０とリング部６との接着力が弱い場合にも、リング部６がモールド樹脂１０から外れることを抑制できる。

＜実施の形態３＞
次に、実施の形態３に係る半導体装置の製造方法について説明する。図１０は、実施の形態３における樹脂成型体１００Ｂのリング部６周辺の拡大断面図である。なお、実施の形態３において、実施の形態１，２で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。

図１０に示すように、実施の形態３では、枠体４から内周側に突出する接続部７およびリング部６は断面視にて直線状に形成されている。すなわち、リング部６および接続部７の上面は、枠体４の上面と同じ高さ位置である。これにより、リードフレーム１の製造段階での曲げ加工が不要となるため、リードフレーム１の部品コスト、金型コスト、および梱包・輸送コストを低減することができる。

＜実施の形態４＞
次に、実施の形態４に係る半導体装置の製造方法について説明する。図１１は、実施の形態４における樹脂成型体１００Ｃのリング部６周辺の拡大断面図である。なお、実施の形態４において、実施の形態１～３で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。

実施の形態４では、実施の形態３に対して、上型２０の内面に上方に凹む凹部が形成されている。また、図１１に示すように、枠体４から接続部７を介してリング部６へ延びる方向におけるリング部６の先端部は、上型２０の内面に当接しないように上型２０の凹部の入口まで延びている。ここで、図１１において、モールド樹脂１０におけるリング部６の上側に存在する部分は、上型２０の凹部により形成されている。つまり、当該部分は上型２０の凹部に対応する部分である。

実施の形態２の場合と同様に、リング部６の先端部はモールド樹脂１０の中に埋め込まれる。これにより、枠体４が切断された後、モールド樹脂１０とリング部６との接着力が弱い場合にも、リング部６がモールド樹脂１０から外れることを抑制できる。

＜実施の形態５＞
次に、実施の形態５に係る半導体装置の製造方法について説明する。図１２は、実施の形態５における樹脂成型体１００Ｄのリング部６周辺の拡大断面図である。図１３は、実施の形態５における組み立て体がモールド金型２３のキャビティ２３ａ内に配置された状態のリング部６周辺の拡大断面図である。なお、実施の形態５において、実施の形態１～４で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。

図１２と図１３に示すように、実施の形態２では、下型２１のピン２２に段差２５が形成されている。ピン２２は下部を形成する大径部２２ａと、上部を形成する小径部２２ｂとで構成されている。段差２５は、大径部２２ａと小径部２２ｂとを繋ぐ部分に形成されている。リング部６の孔６ａの直径は、小径部２２ｂの直径よりも僅かに大きく、大径部２２ａよりも小さい。そのため、組み立て体を下型２１にセットする際、リング部６の孔６ａにピン２２を挿通しようとしても段差２５で止まるようになっている。

リードフレーム１は金属からなるものの薄板を加工したものであるため、厚み方向への剛性がない。また、樹脂成型時、液状のモールド樹脂１０がキャビティ２３ａ内に流入し、微小な隙間にも入り込む。そのため、リードフレーム１が上型２０に軽く接触している状態ではリードフレーム１に存在する反りまたは撓み、モールド樹脂１０の圧力または流速による、リードフレーム１の変形により上型２０とリードフレーム１との間に隙間ができる。その隙間にモールド樹脂１０が流れ込み樹脂バリができる。

これに対して、実施の形態５では、リング部６は、上型２０と、ピン２２の段差２５とで挟まれることで固定されている。これにより、溶融したモールド樹脂１０がモールド金型２３内に注入されてもリング部６と上型２０との間には隙間ができないため、樹脂バリができない。なお、実施の形態５のリング部６の構造を実施の形態１～４に採用することも可能である。

＜実施の形態６＞
次に、実施の形態６に係る半導体装置の製造方法について説明する。図１４は、実施の形態６における樹脂成型体１００Ｅのリング部６周辺の拡大断面図である。なお、実施の形態６において、実施の形態１～５で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。

図１４に示すように、実施の形態６では、上型２０の内面に上方に凹む凹部が形成され、接続部７の途中部は下方に屈曲している。枠体４から接続部７を介してリング部６へ延びる方向におけるリング部６の先端部は、上型２０および下型２１に当接しないように凹部の入口まで延び、かつ、上方に屈曲している。ここで、図１４において、モールド樹脂１０におけるリング部６の上側に存在する部分は、上型２０の凹部により形成されている。つまり、当該部分は上型２０の凹部に対応する部分である。

そのため、樹脂成型を行う際、リング部６における先端部以外の部分の下面は、下型２１の内面に接触することから、リング部６の孔６ａの下側にはモールド樹脂１９が存在しない。つまり、ねじ締結しても軸力のかかる部分にはモールド樹脂１０が存在しないため、クリープ現象は発生しない。これにより、ねじ１１が緩むことを抑制できる。

この開示は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての局面において、例示であって、限定的なものではない。例示されていない無数の変形例が、想定され得るものと解される。

なお、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 リードフレーム、２，３ リード部、４ 枠体、５ タイバー、６ リング部、７ 接続部、１０ モールド樹脂、２０ 上型、２１ 下型、２２ ピン、２３ モールド金型、２３ａ キャビティ、２５ 段差、１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ，１００Ｅ 樹脂成型体、１０１ 半導体装置。

Claims (6)

1. （ａ）複数のリード部と、複数の前記リード部の途中部を接続しかつ複数の前記リード部の配列方向に延在するタイバーと、複数の前記リード部および前記タイバーの両端部を接続しかつ複数の前記リード部および前記タイバーを囲むように配置された枠体と、前記枠体の内周側に接続部を介して配置されたリング部とを有するリードフレームを準備する工程と、
   （ｂ）前記リードフレームに半導体素子を接続し組み立て体を製作する工程と、
   （ｃ）上型と下型とで構成されるモールド金型のキャビティ内に前記組み立て体を配置する工程と、
   （ｄ）前記下型内に設けられたピンに前記リング部の孔を挿通させ、かつ、前記リング部の上面が前記上型の内面に当接した状態で、前記キャビティ内に液状のモールド樹脂を注入しこれを硬化させて樹脂成型体を製作する工程と、
   （ｅ）前記モールド金型から前記樹脂成型体を取り出した後に、前記枠体、前記タイバー、および前記接続部を切断する工程と、
   を備えた、半導体装置の製造方法。
2. 前記枠体から前記接続部を介して前記リング部へ延びる方向における前記リング部の先端部は、前記上型の内面に当接しないように下方に屈曲している、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記リング部および前記接続部の上面は、前記枠体の上面と同じ高さ位置である、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記上型の内面に上方に凹む凹部が形成され、
   前記枠体から前記接続部を介して前記リング部へ延びる方向における前記リング部の先端部は、前記上型の内面に当接しないように前記凹部まで延びている、請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記ピンに段差が形成され、
   前記リング部は、前記上型と、前記ピンの前記段差とで挟まれることで固定される、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
6. 前記上型の内面に上方に凹む凹部が形成され、
   前記接続部は下方に屈曲しており、
   前記枠体から前記接続部を介して前記リング部へ延びる方向における前記リング部の先端部は、前記上型および前記下型に当接しないように前記凹部まで延び、かつ、上方に屈曲している、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。

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