JP7341078B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

特許法第３０条第２項適用 １．開催日 ：２０１９年１０月２４日～１１月０４日 展示会名、開催場所 ：第４６回東京モーターショー２０１９ 東京ビッグサイト（東京都江東区有明３丁目１１－１） ２．ウェブサイトの掲載日 ：２０１９年１０月３１日 ウェブサイトのアドレス ：情報プラットフォーム ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｍａｒｋｌｉｎｅｓ．ｃｏｍ／ｊａ／

本発明は、半導体装置に関するものである。

下記特許文献１には、板状のリードフレームが半導体チップと半田を介して接合された電力変換装置が開示されている。このようなリードフレームの下端部は、屈曲されることによって平面視矩形状の接合端部とされており、この接合端部の下面に対して半田が溶着されている。

特開２０１４－１８７８１８号公報

上述のような半導体チップを有する電力変換装置等の半導体装置において、リードフレームと半導体チップ等の被接合体とは、リフロー工程によって半田接合される。具体的には、リードフレームの接合端部と被接合体との間に半田シート等を配置し、リフロー炉の内部にて半田を加熱溶融させてリードフレームと被接合体とに溶着させることにより、リードフレームと被接合体とが半田接合される。

しかしながら、半田は、被接合体とリードフレームの接合端部との間に介挿され、接合端部に覆われている。このため、リードフレームを配置した後は、半田の状態を目視することが困難である。したがって、従来、リードフレームの接合端部と被接合体との間に介挿された半田シートの状態や、加熱溶融後の半田の状態を目視より確認することが困難であった。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、半導体チップと、被接合体に半田を介して接合されたリードフレームとを有する半導体装置において、被接合体とリードフレームとの間に配置された半田の状態を目視より容易に確認可能とすることを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。

第１の発明は、半導体チップと、被接合体に半田を介して接合されるリードフレームとを有する半導体装置であって、上記リードフレームが、上記半田が溶着される一方側の面まで他方側の面から貫通する切欠部を有する板状の接合端部と、上記接合端部に接続された導通部とを有するという構成を採用する。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記接合端部に上記切欠部が複数設けられているという構成を採用する。

第３の発明は、上記第２の発明において、上記他方側の面の法線に沿った方向から見て上記接合端部が矩形状とされており、上記接合端部の一辺に上記導通部が接続され、上記切欠部は、上記導通部が接続された一辺と平行な他の一辺と、上記導通部が接続された一辺と直交する２つの辺の少なくともいずれか一方の辺とに設けられているという構成を採用する。

第４の発明は、上記第３の発明において、上記接合端部が、上記半田が溶着される一方側の面から突出し、上記他方側の面の法線に沿った方向から見て複数の切欠部の間に配置された突部を有するという構成を採用する。

第５の発明は、上記第１～第４いずれかの発明において、上記他方側の面の法線に沿った方向から見て、上記切欠部は、上記接合端部の中央から外縁に向かうに連れて広がる形状とされているという構成を採用する。

第６の発明は、上記第１～第５いずれかの発明において、上記他方側の面の法線に沿った方向から見た上記接合端部の角部の少なくとも１つが面取りされているという構成を採用する。

本発明によれば、リードフレームの接合端部に対して切欠部が設けられているため、切欠部を介して、接合端部と被接合体との間の半田の状態を目視することが可能となる。したがって、本発明によれば、接合端部に対して切欠部が設けられていない場合と比較して、半田シートや加熱溶融後の半田の目視や画像処理を容易に行うことができる。このように、本発明によれば、半導体チップと、被接合体に半田を介して接合されたリードフレームとを有する半導体装置において、被接合体とリードフレームとの間に配置された半田の状態を目視より容易に確認することが可能となる。

本発明の一実施形態における電力変換装置の機械的構成を示す正面図である。 本発明の一実施形態における電力変換装置の電気的構成を示す回路図である。 本発明の一実施形態における電力変換装置が備える半導体チップを含む模式的な分解斜視図である。 本発明の一実施形態における電力変換装置が備える半導体チップを含む模式的な断面図である。 本発明の一実施形態における電力変換装置が備える第２リードフレームの斜視図である。 本発明の一実施形態における電力変換装置が備える接合端部を上方から見た平面図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る半導体装置の一実施形態について説明する。なお、以下の説明においては、本発明の半導体装置を車両に搭載される電力変換装置に適用した例について説明する。

最初に、本実施形態における電力変換装置Ａについて、図１及び図２を参照して説明する。この電力変換装置Ａは、ハイブリッド自動車や電気自動車等の車両に搭載されるＰＣＵ（パワーコントロールユニット）であり、昇降圧回路Ｅ１及び２つのインバータ回路（第１、第２インバータ回路Ｅ２，Ｅ３）を備えている。図１において、領域Ｒ１は昇降圧回路Ｅ１の実装領域であり、領域Ｒ２は第１インバータ回路Ｅ２の実装領域であり、また領域Ｒ３は他方の第２インバータ回路Ｅ３の実装領域である。

図２に示すように、昇降圧回路Ｅ１は２つのパワートランジスタ１，２を電子部品として備え、第１インバータ回路Ｅ２は６つのパワートランジスタ３～８を電子部品として備え、第２インバータ回路Ｅ３は６つのパワートランジスタ９～１４を電子部品として備えている。これら１４個のパワートランジスタ１～１４は、図１に示すように半導体チップＣ１～Ｃ１４としてベース部材Ｂ上に実装されている。

ここで、昇降圧回路Ｅ１を構成する２つのパワートランジスタ１，２は、第１、第２インバータ回路Ｅ２、Ｅ３を構成するパワートランジスタ３～１４によりも電流容量が極端に大きい。このような電流容量の関係から、パワートランジスタ１は、２つの半導体チップＣ１を並列接続することにより所望の電流容量を確保している。また、パワートランジスタ２は、２つの半導体チップＣ２を並列接続することにより所望の電流容量を確保している。

なお、以下では各半導体チップＣ１～Ｃ１４のいずれか１つを特定することなく全体を総称する場合に半導体チップＣと記載する。半導体チップＣは、図１及び図３等に示すように矩形の板状部品であり、上面に複数の接続パッド（第１、第２接続パッドＰ１、Ｐ２）を備える。

第１接続パッドＰ１は、後述する第１リードフレームＬ１が接続され、面積が比較的大きい。第２接続パッドＰ２は、後述するボンディングワイヤが接続されるワイヤボンディング用パッドであり、面積が比較的小さい。

なお、昇降圧回路Ｅ１は、図２に示すように、パワートランジスタ１，２に加えて、１つのリアクトル及び２つのコンデンサを電子部品として備えている。これらリアクトル及びコンデンサは、図１（正面図）には現れておらず、ベース部材Ｂの背面側に実装されている。

ベース部材Ｂ上に設けられる筐体は、バスバー等の配線材が埋込配線材として埋め込まれた樹脂成型部品である。すなわち、この筐体は、インサート成形によって形成された樹脂成型部品であり、各半導体チップＣを収容する複数のチップ収容部ｂが形成されている。

このような筐体は、電気回路としての電力変換装置Ａを機械的（物理的）に収容する一種のケース（ＩＰＭケース）であり、車両に固定される。なお、このようなベース部材Ｂの背面には、電力変換装置Ａが発する熱を放熱するための放熱部品（例えばヒートシンク）が装着される。

このような筐体の埋込配線材の代表的なものは、図１に示す一対のバスバーＵ１、Ｕ２である。これら一対のバスバーＵ１、Ｕ２のうち、一方のバスバーＵ１は昇降圧回路Ｅ１の高電位側出力線を構成する埋込配線材であり、他方のバスバーＵ２は昇降圧回路Ｅ１の低電位側出力線を構成する埋込配線材である。

このような一対のバスバーＵ１、Ｕ２は、主部が平行対峙した状態で埋め込まれており、一部が第１、第２リードフレームＬ１、Ｌ２との接続部として露出している。なお、以下では一対のバスバーＵ１、Ｕ２のいずれか１つを特定することなく全体を総称する場合にバスバーＵと記載する。

第１、第２リードフレームＬ１、Ｌ２は、ベース部材Ｂとは別体の個別配線材であり、半導体チップＣ毎に設けられると共に半導体チップＣとバスバーＵとの接続、また後述する絶縁放熱回路基板ＤとバスバーＵとの接続を中継する。すなわち、第１、第２リードフレームＬ１、Ｌ２のうち、第１リードフレームＬ１は、一端が半導体チップＣの第１接続パッドＰ１に接続され、他端がバスバーＵと接続されている。第２リードフレームＬ２は、一端が絶縁放熱回路基板Ｄに接続され、他端がバスバーＵと接続されている。なお、個別配線材には、第１、第２リードフレームＬ１、Ｌ２の他に後述するボンディングワイヤがある。

このような電子部品、埋込配線材及び個別配線材は、半田Ｈ（図３及び図４参照）を用いることにより相互接続される。本実施形態における電力変換装置Ａは、このような半田Ｈによって電子部品、埋込配線材及び個別配線材が相互接続されることにより、図２に示す電気回路として機能する。

図３は、半導体チップＣを含む模式的な分解斜視図である。また、図４は、半導体チップＣを含む模式的な断面図である。これらの図に示すように、第２リードフレームＬ２は、半田Ｈを介して絶縁放熱回路基板Ｄに接続されている。つまり、本実施形態では、第２リードフレームＬ２は、絶縁放熱回路基板Ｄを被接合体として、半田Ｈによって絶縁放熱回路基板Ｄに接合されている。

図５は、第２リードフレームＬ２の斜視図である。第２リードフレームＬ２は、帯状の銅板を屈曲して形成されており、接合端部２１と、導通部２２と、バスバー接続端部２３とを有している。接合端部２１は、絶縁放熱回路基板Ｄに対して直接的に接合される部位であり、導通部２２の下端に対して略直角に接続されている。

図６は、接合端部２１を上方から見た平面図である。この図に示すように、接合端部２１は、平面視で矩形状とされており、導通部２２が接続される第１辺２１ａと、第１辺２１ａと平行とされた第２辺２１ｂと、これらの第１辺２１ａの端部と第２辺２１ｂの端部とに接続された第３辺２１ｃ及び第４辺２１ｄとを有している。つまり、接合端部２１は、導通部２２が接続された一辺（第１辺２１ａ）と、この一辺と平行な他の一辺（第２辺２１ｂ）と、導通部２２が接続された一辺（第１辺２１ａ）と直交する２つの辺（第３辺２１ｃ及び第４辺２１ｄ）とを有している。このような平面視が矩形状で板状とされた接合端部２１は、図４に示すように、下面２１ｅが半田Ｈの溶着される面とされており、上面２１ｆが上方に向けて開放された状態とされている。

また、本実施形態において、接合端部２１は、切欠部２４と突部２５とを有している。切欠部２４は、接合端部２１の縁部にて下面２１ｅから上面２１ｆまで貫通して設けられている。つまり、切欠部２４は、半田Ｈが溶着される一方側の面（下面２１ｅ）まで他方側の面（上面２１ｆ）から貫通して設けられている。また、切欠部２４は、平面視にて上記一辺とされた外縁より接合端部２１の中央に向けて窪む溝状に設けられている。

本実施形態では、切欠部２４は、平面視（上面２１ｆの法線に沿った方向）から見て、接合端部２１の中央から外縁に向かうに連れて広がるＶ字形状とされている。このような形状とされた切欠部２４は、図６に示すように、２つの斜辺２４ａを有している。これらの斜辺２４ａは、その切欠部２４が設けられた接合端部２１の一辺に対して直交する線分に対して接合端部２１の外側に向けられた辺となっている。このため、接合端部２１の一辺に対して直交する線分に沿って切欠部２４の内壁部が設けられている場合よりも、斜辺２４ａを含む内壁面にて半田Ｈのフィレット等を容易に視認することができる。

また、図６に示すように、本実施形態において切欠部２４は、接合端部２１に対して複数設けられている。具体的には、平面視における接合端部２１の４辺（第１辺２１ａ、第２辺２１ｂ、第３辺２１ｃ及び第４辺２１ｄ）のうち、第２辺２１ｂ、第３辺２１ｃ及び第４辺２１ｄの各々に切欠部２４が設けられている。

つまり、本実施形態においては、切欠部２４は、導通部２２が接続された一辺（第１辺２１ａ）と平行な他の一辺（第２辺２１ｂ）と、導通部２２が接続された一辺（第１辺２１ａ）と直交する２つの辺（第３辺２１ｃ及び第４辺２１ｄ）の各々に設けられている。このため、例えば、半田Ｈと接合端部２１の第１辺２１ａ及び第２辺２１ｂと直交する方向における位置の変位を第２辺２１ｂに設けられた切欠部２４によって視覚的に確認できる。また、半田Ｈと接合端部２１の第３辺２１ｃ及び第４辺２１ｄと直交する方向における位置の変位を第３辺２１ｃ及び第４辺２１ｄに設けられた切欠部２４によって視覚的に確認できる。

また、接合端部２１は、図４に示すように、半田Ｈが溶着される一方側の面（下面２１ｅ）から突出した突部２５を有している。突部２５は、接合端部２１を上方からプレス加工することによって設けられている。このため、接合端部２１の上面２１ｆには突部２５に合わせたディンプルが設けられている。このような突部２５は、複数設けられており、上面２１ｆの法線に沿った方向から見て複数の切欠部２４の間に配置されている。これらの突部２５は、リフロー工程の前においては半田シートを抑え、リフロー工程の後においては絶縁放熱回路基板Ｄに直接当接される部位である。

さらに、接合端部２１は、図６に示すように、第２辺２１ｂと第３辺２１ｃとが接続される角部Ｋと、第２辺２１ｂと第４辺２１ｄとが接続される角部Ｋとが面取りされている。本実施形態においては、これらの角部Ｋは、第２辺２１ｂから第３辺２１ｃあるいは第４辺２１ｄに屈曲する部位がなく滑らかに接続されるような湾曲面とされている。なお、角部Ｋは必ずしも湾曲面である必要はなく、テーパー状に傾斜した傾斜面であっても良い。

このような本実施形態に係る電力変換装置Ａを製造する場合いは、例えば、マウント工程、リフロー工程、ワイヤボンディング工程及び検査工程を行う。

マウント工程は、例えば、治具を用いることによりベース部材Ｂ、半導体チップＣ及び第１、第２リードフレームＬ１、Ｌ２の位置関係を規定すると共に、半田シートや半田片を所定位置に配置する製造工程である。例えば、このマウント工程にて、半田シートが第２リードフレームＬ２の接合端部２１と絶縁放熱回路基板Ｄとの間の所定位置に配置されているか否かを、切欠部２４を介して目視にて確認する。

リフロー工程は、マウント工程の組立物、つまり各電子部品、各埋込配線材及び各個別配線材並びに各接合材が治具によって所定の位置関係に設定された状態の被リフロー部材を一時的に加熱することにより各接合材を溶融／固化させる製造工程である。このリフロー工程によって各電子部品、埋込配線材及び個別配線材が相互接続される。

ワイヤボンディング工程は、リフロー工程の組立物から治具を除去し、この上で専用のボンディング装置を用いて半導体チップＣの第２接続パッドＰ２（ワイヤボンディング用パッド）と筐体の埋込配線材とを接続する製造工程である。このワイヤボンディング工程を経ることによって、図２に示す結線状態の電力変換装置Ａが完成する。

検査工程は、電力変換装置Ａが所望の性能を発揮するか否かを確認する製造工程である。この検査工程では、電力変換装置Ａの電気的な性能だけではなく、機械的な性能をも確認される。すなわち、本実施形態における検査工程は、電力変換装置Ａは車両に搭載されて使用されるものなので、この搭載環境において電気的かつ機械的に十分な性能を発揮するか否かが確認される。例えば、この検査工程にて、半田Ｈが第２リードフレームＬ２の接合端部２１と絶縁放熱回路基板Ｄとの間の所定位置に配置されているか否かを、切欠部２４を介して目視にて確認する。

以上のような本実施形態の電力変換装置Ａは、半導体チップＣと、絶縁放熱回路基板Ｄに半田Ｈを介して接合される第２リードフレームＬ２とを有する。また、電力変換装置Ａは、第２リードフレームＬ２が、半田Ｈが溶着される一方側の面まで他方側の面から貫通する切欠部２４を有する板状の接合端部２１と、接合端部２１に接続された導通部２２とを有している。

本実施形態の電力変換装置Ａによれば、第２リードフレームＬ２の接合端部２１に対して切欠部２４が設けられているため、切欠部２４を介して、接合端部２１と絶縁放熱回路基板Ｄとの間の半田Ｈの状態を目視することが可能となる。したがって、本実施形態の電力変換装置Ａによれば、接合端部２１に対して切欠部２４が設けられていない場合と比較して、半田Ｈシートや加熱溶融後の半田Ｈの目視や画像処理を容易に行うことができる。このように、本実施形態の電力変換装置Ａによれば、半導体チップＣと、絶縁放熱回路基板Ｄに半田Ｈを介して接合された第２リードフレームＬ２とを有する電力変換装置Ａにおいて、絶縁放熱回路基板Ｄと第２リードフレームＬ２との間に配置された半田Ｈの状態を目視より容易に確認することが可能となる。

また、本実施形態の電力変換装置Ａにおいては、接合端部２１に切欠部２４が複数設けられている。このため、複数の箇所にて半田Ｈの状態を目視することができ、より確実に半田Ｈの状態を確認することができる。

また、本実施形態の電力変換装置Ａにおいては、接合端部２１の上面２１ｆの法線に沿った方向から見て接合端部２１が矩形状とされており、接合端部２１の一辺に導通部２２が接続され、切欠部２４は、導通部２２が接続された一辺（第１辺２１ａ）と平行な他の一辺（第２辺２１ｂ）と、導通部２２が接続された一辺（第１辺２１ａ）と直交する２つの辺（第３辺２１ｃ及び第４辺２１ｄ）の各々に設けられている。このため、例えば、半田Ｈと接合端部２１の第１辺２１ａ及び第２辺２１ｂと直交する方向における位置の変位を第２辺２１ｂに設けられた切欠部２４によって視覚的に確認できる。また、半田Ｈと接合端部２１の第３辺２１ｃ及び第４辺２１ｄと直交する方向における位置の変位を第３辺２１ｃ及び第４辺２１ｄに設けられた切欠部２４によって視覚的に確認できる。

また、本実施形態の電力変換装置Ａにおいては、接合端部２１が、半田Ｈが溶着される一方側の面（下面２１ｅ）から下方に突出し、上面２１ｆの法線に沿った方向から見て複数の切欠部２４の間に配置された突部２５を有している。このため、突部２５で抑えることによって、溶融前の半田シートを確実に保持することができる。また、半田Ｈが溶融後には突部２５が絶縁放熱回路基板Ｄに当接されるため、第２リードフレームＬ２と絶縁放熱回路基板Ｄとの導通を確実に図ることが可能となる。

また、本実施形態の電力変換装置Ａにおいては、接合端部２１の上面２１ｆの法線に沿った方向から見て、切欠部２４は、接合端部２１の中央から外縁に向かうに連れて広がる形状とされている。このような切欠部２４が２つの斜辺２４ａを有し、これらの斜辺２４ａは、その切欠部２４が設けられた接合端部２１の一辺に対して直交する線分に対して接合端部２１の外側に向けられた辺となっている。このため、接合端部２１の一辺に対して直交する線分に沿って切欠部２４の内壁部が設けられている場合よりも、斜辺２４ａを含む内壁面にて半田Ｈのフィレット等を容易に視認することができる。

また、本実施形態の電力変換装置Ａにおいては、接合端部２１の上面２１ｆの法線に沿った方向から見た接合端部２１の角部Ｋが面取りされている。このため、角部Ｋに局所的に突出した部位が設けられることを防止できる。このため、角部Ｋにバリ等が発生することを防止できる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態においては、切欠部２４が複数設けられた構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、切欠部２４を１つののみ設ける構成を採用することが可能である。

また、上記実施形態においては、被接合体が絶縁放熱回路基板Ｄである構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。リードフレームが他の被接合体に対して半田接合される場合にも本発明を適用することが可能である。例えば、第１リードフレームＬ１を、半導体チップＣを被接合体として半田接合する場合にも、本発明を適用することが可能である。

また、上記実施形態においては、電力変換装置Ａに本発明を適用した例について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。半導体チップと、被接合体に半田接合されるリードフレームを備える半導体装置であれば、本発明を適用することが可能である。

Ａ……電力変換装置（半導体装置）、Ｄ……絶縁放熱回路基板（被接合体）、Ｈ……半田、Ｋ……角部、Ｌ２……第２リードフレーム（リードフレーム）、２１……接合端部、２１ａ……第１辺、２１ｂ……第２辺、２１ｃ……第３辺、２１ｄ……第４辺、２１ｅ……下面、２１ｆ……上面、２２……導通部、２３……バスバー接続端部、２４……切欠部、２４ａ……斜辺、２５……突部

Claims (3)

1. 半導体チップと、被接合体に半田を介して接合されるリードフレームとを有する半導体装置であって、
   前記リードフレームは、
   前記半田が溶着される一方側の面まで他方側の面から貫通する切欠部を有する板状の接合端部と、
   前記接合端部に接続された導通部と
   を有し、
   前記接合端部に前記切欠部が複数設けられ、
   前記他方側の面の法線に沿った方向から見て前記接合端部が矩形状とされており、
   前記接合端部の一辺に前記導通部が接続され、
   前記切欠部は、前記導通部が接続された一辺と平行な他の一辺と、前記導通部が接続された一辺と直交する２つの辺との各々に設けられており、
   前記接合端部は、前記半田が溶着される一方側の面から突出し、前記他方側の面の法線に沿った方向から見て複数の切欠部の間に配置された突部を有し、
   前記突部は、前記切欠部が設けられた前記辺と離間して形成されている
   ことを特徴とする半導体装置。
2. 前記他方側の面の法線に沿った方向から見て、前記切欠部は、前記接合端部の中央から外縁に向かうに連れて広がる形状とされていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 前記他方側の面の法線に沿った方向から見た前記接合端部の角部の少なくとも１つが面取りされていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。

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