JPWO2015174198A1 - 半導体装置とその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】制御回路基板上に設けられた電気部品と樹脂基板との間の狭ギャップ部における樹脂の未充填を解消することで、電気部品へのクラック発生の抑制を可能とし、電気的信頼性の向上した半導体装置とその製造方法を得るものである。【解決手段】電気部品11が搭載された樹脂基板10と、樹脂基板10を封止する封止樹脂7とを備え、樹脂基板10は、電気部品11の下部の樹脂基板10と電気部品11との間の隙間部15に通じる貫通穴13を有する。【選択図】図1
Description
この発明は、パワー半導体素子が搭載されたリードフレームや電気部品が搭載されたプリント配線板、放熱部材としてのヒートシンクなどをトランスファーモールドによって封止されたモールド型パワー半導体装置とその製造方法に関するものである。
従来の半導体装置は、ケース型モジュールと言われ、電力制御用半導体素子が搭載されたリードフレームが絶縁シートを介して金属ベース板と絶縁されており、制御用半導体素子やその他の部品が搭載された制御回路基板とともに、これら全体を封止するようにケース内で一体的にエポキシ樹脂等の封止樹脂が充填されている。ケース内に電力制御用半導体素子が搭載されたリードフレームだけでなく、制御回路基板も一体的に樹脂で封止する構造とすることによって、制御回路基板と一体的に封止していない半導体装置と比較して小型化や高信頼性が得られる構造となっている(例えば、特許文献1)。
従来の半導体装置では、ケース内に配置された制御回路基板やリードフレーム、それらを接続するボンディングワイヤや、制御回路基板に搭載された様々な電気部品によって、樹脂で封止する部材などが複雑に入り組んだ構造となっている。特に、制御回路基板上に搭載された制御用半導体素子やチップ抵抗、コンデンサやフォトカプラやトランスなどは、部品の高さや搭載面積も様々であり、樹脂基板に搭載された後の樹脂基板と電気部品との隙間が狭くなっており、樹脂が充填されにくい部分もある。
このように、電気部品と樹脂基板の間に樹脂が充填されにくい隙間部分が存在すると、樹脂封止時の樹脂の成形圧力が電気部品の上部のみにかかり、電気部品である制御用半導体素子やトランスなどの部品によっては、樹脂から受ける不均一な圧力によりクラックが生じて部品の不具合につながるという問題点もあった。
この発明は、上述のような問題を解決するためになされたもので、制御回路基板上に設けられた電気部品と樹脂基板との間の隙間部分における樹脂の未充填を解消することで、電気部品へのクラック発生の抑制を可能とし、電気的信頼性の向上した半導体装置を得るものである。
この発明に係る半導体装置においては、電気部品が搭載された樹脂基板と、樹脂基板を封止する封止樹脂とを備え、樹脂基板は、電気部品の下部の樹脂基板と電気部品との間の隙間部に通じる貫通穴を有するものである。
この発明は、樹脂が入りにくい電気部品と樹脂基板との間の隙間部分に対応する樹脂基板に貫通穴を設け、貫通穴を通して電気部品と樹脂基板との間の隙間部分に樹脂を充填したので、未充填部を解消し、電気部品の割れが防止でき、長期絶縁信頼性を確保することができる。
以下に本発明の半導体装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は以下の既述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1における半導体装置を示す断面構造模式図である。なお、図1は半導体装置の構造を模式的に示した断面図であるため、各部の位置関係や各種配線や部品等は概略的に示されている。
図1は、この発明の実施の形態1における半導体装置を示す断面構造模式図である。なお、図1は半導体装置の構造を模式的に示した断面図であるため、各部の位置関係や各種配線や部品等は概略的に示されている。
図1において、半導体装置100は、半導体素子1、金属基板2、絶縁層3、金属部材であるヒートシンク4、金属板であるリードフレーム5、封止樹脂であるモールド樹脂7、ボンディングワイヤ8、制御回路基板9、樹脂基板10、電気部品11を備えている。
図1に示すように、半導体装置100は、所定の電気回路の配線パターンが形成されたリードフレーム5を備えている。リードフレーム5の一方の面(以下第1主面)には、半導体素子1としてIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)やダイオード、電流値を検出するための電流検出手段としてのシャント抵抗、温度を検出するための温度検出手段としてのサーミスタ等がはんだ接合(図示せず)により搭載されている。なお、半導体素子1としてはIGBTに限られるものではなく、例えば、MOSFET(Metal−Oxide−Semiconductor Field−Effect Transistor)等を採用して実施してもよい。
これらIGBT等が配置される配線パターンの上方には、リードフレーム5の第1主面と所定の間隔をもって、樹脂基板10と電気部品11とによりIGBT等を制御する電気回路を形成した制御回路基板9が配置されている。そして制御回路基板9とリードフレーム5間や、リードフレーム5とIGBT間等、必要な箇所がボンディングワイヤ8により適宜電気的接続されている。なお、本実施の形態1ではボンディングワイヤ8としてアルミニウムワイヤを使用しているが、これもアルミニウムワイヤに限られることはない。銅ワイヤ等の抵抗値の低い材料でも良い。銅ワイヤのような抵抗値の低い材料を用いることで、大電流化への対応も可能となる。金ワイヤを用いた場合でも、同様の効果を得ることが可能である。
リードフレーム5の第1主面と反対側の面(第2主面とする)には、放熱板として機能する金属基板2が配設されている。金属基板2は、絶縁層3とヒートシンク4とを備え、リードフレームの第2主面、絶縁層3、ヒートシンク4の順に配設される。
IGBT等の半導体素子1が搭載されたリードフレーム5と制御回路基板9と金属基板2とが、モールド樹脂7により一体的にトランスファーモールド封止されている。この際、リードフレーム5の外部リード部とヒートシンク4の絶縁層3が配置されている側の反対の面は、モールド樹脂7から露出するような状態で封止されている。
次に制御回路基板9について記述する。制御回路基板9は、配線パターンが形成された樹脂基板10と、樹脂基板10の配線パターン上に搭載された電気部品11とを備えている。樹脂基板10は、例えば、厚さ1.6mmの電子機器に一般的に用いられているものを使用することができるが、厚さもこれに限られるものではない。また、樹脂基板10の耐熱性グレードもFR−4に限られることはなく、リードフレーム5に搭載する半導体素子1としてシリコンカーバイド(SiC:Silicon Carbide)を用いて素子の高温動作を想定する場合など、耐熱性グレードの高いFR−5相当の樹脂基板10を用いることもできる。
電気部品11は、図1のように樹脂基板10の両面に搭載されていることが好ましいが、片面に搭載されてもかまわない。樹脂基板10の両面に電気部品11を搭載することにより、温度サイクルなどで発生する熱応力に対して表裏の熱膨張率差が抑えられること、剛性がより高くなることにより、樹脂基板10に発生する反りを抑えることができる。また、樹脂基板10の両面に電気部品11を搭載することにより樹脂基板10の面積は片面搭載の半分程度に抑えられ、半導体装置の小型化につながる。ここで、電気部品11の樹脂基板10への搭載において、電気部品11の樹脂基板10と対向する側を電気部品11の下部とする。
リードフレーム5と制御回路基板9とは、図1に示すように略並行に配置されている。このように略並行に配置する方法としては、リードフレーム5上に支柱を立てて制御回路基板9を支える方法、リードフレーム5と接続されたボンディングワイヤ8で維持する方法等(いずれも図示せず)を用いることができる。リードフレーム5と制御回路基板9の間隔は、リードフレーム5の第1主面に搭載されたIGBT等を電気的接続するボンディンブワイヤ8のループ高さと、制御回路基板9のリードフレーム5と対向する側の面に配置される電気部品11の高さとを考慮して設定される。この間隔は、両者の接触を防ぐために必要な高さであって、かつできるだけ狭くなるようにすることが望ましい。両者の間隔を一定に保つ手段として、例えば、リードフレーム5の一部を変形させて支柱形状とし、間隔を一定に保つための支柱と、リードフレーム5と制御回路基板9を電気的に接続する端子を兼ね備えた構造とすることも可能である。
金属基板2は、絶縁層3とヒートシンク4から構成され、リードフレーム5の第1主面上のIGBT等による熱を放熱するための放熱板としての役割を担う。絶縁層3は、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂に熱伝導性の高い無機粉末フィラーが充填されたものであり、例えば、シリカやアルミナ、窒化硼素や窒化アルミニウム等の絶縁性の粉末を1種または複数混合して樹脂に充填されている。樹脂は、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂がリードフレーム5やヒートシンク4との接着性に優れるため好ましいが、これに限定されるものではなく、例えば、熱可塑性樹脂でもよい。絶縁層3の厚さは、200μm程度の膜厚で形成されている。絶縁層3の厚さはこれに限られるものではなく、半導体装置として要求される熱抵抗や熱容量、絶縁耐圧によって50〜500μmの範囲で適宜選択が可能である。
ヒートシンク4は、例えば、5mm厚のアルミニウム板等の金属板からなる。ヒートシンク4として使用する金属板は、放熱性を考えて選択することができ、例えば、放熱性のよい銅板の選択も可能でありアルミニウム板に限られたものではないが、制御回路基板9も一体的に封止した半導体装置は大型となることから、軽量であることを重視する場合にはアルミニウムが好ましい。また、形状や厚さについても限定されることなく、半導体装置に要求される熱抵抗や熱容量によって厚い金属板や金属箔等を用いることができ、100μm〜10mmの範囲で適宜選択が可能である。例えば、低熱抵抗を重視する場合には、100μm程度の銅箔を適用することも可能である。
次に、本実施の形態1における半導体装置の製造方法について説明する。まず、ヒートシンク4の一方の面に対してエポキシ系樹脂を塗布して絶縁層3を形成する(絶縁層を形成する工程)。そして、エッチング加工等を用いて絶縁層3上に例えば、銅からなる配線パターンを形成する(配線パターンを形成する工程)。
次に、この回路パターン上の所定の位置にはんだペースト(図示せず)を塗布し、このはんだペーストの上に半導体素子1などの電子部品を搭載する(半導体素子を搭載する工程)。その後リフローを行う。すなわち、金属基板2を高温に加熱して、塗布したはんだペーストを高温下で溶融して半導体素子1などの電子部品と回路パターンとを電気的に接続する。さらに、この回路パターンとリードフレーム5を接続する(金属板を形成する工程)。回路パターンとリードフレーム5との接続は、例えば、はんだ接合や超音波接合を用いることができる。
次に、回路パターンと半導体素子1とをボンディングワイヤ8により電気的に接続する(ワイヤボンディングする工程)。所定の配線パターンが形成された樹脂基板10に電気部品11を搭載する(電気部品を搭載する工程)。これにより制御回路基板9が形成される。次に、制御回路基板9をリードフレーム5に対向するように配置する(樹脂基板を配置する工程)。そして、制御回路基板9とリードフレーム5に接続された回路パターンとを電気的に接続する。接続方法は限定されるものではなく、リードフレーム5の一部を変形させて制御回路基板9の配線パターンとはんだによって接続する方法や、ボンディングワイヤ8によってリードフレーム5と制御回路基板9の表面に形成された配線パターンに接続する方法がある。また、制御回路基板9は、リードフレーム5に対向して配置するだけでなく、目的により、適宜配置位置を選択することが可能である。
次に、半導体素子1や回路パターンを備えたリードフレーム5、絶縁層3、制御回路基板9等の全体をトランスファーモールドによって封止するために、約180℃に設定された成形金型に設置してモールド樹脂7を流し込む(封止樹脂で封止する工程)。このとき減圧雰囲気中においてモールド樹脂7を流し込んでもよく、これによりモールド樹脂7中に発生する空隙発生を抑制することも可能である。
注入したモールド樹脂7は、成形金型温度に熱せられることで硬化し、成形金型から取り出すことが可能となる。その後、必要に応じてさらに硬化を進めるためにオーブン等で熱処理してもよい。
また、樹脂封止の方法としては、上記方法に限定されることはなく、一方の面に絶縁層3が設けられたヒートシンク4と、あらかじめリフロー工程により半導体素子1が搭載された回路パターンが形成された銅リードフレームを成形金型の中でトランスファーモールド工程において一体的に成形する製造方法でも構わない。
モールド樹脂7は、例えば、エポキシ樹脂系モールド樹脂を選択することができる。モールド樹脂7は、エポキシ樹脂に充填材としてシリカやアルミナなどの無機充填材が充填されており、成形前はタブレット状に形成されている。シリカは、溶融シリカや結晶シリカを用いることができ、単体でも複数を混合して充填することも可能である。樹脂に充填する無機充填材の粒径は、サブミクロン(数百nm)や数μmといった微細粉末を充填することでより狭ギャップ部への充填性が良くなるが、微細粉末ばかり充填すると樹脂の流動性が極端に損なわれる。このため樹脂の流動性・成形性を維持するためには充填材の平均粒径は数μm〜数十μm程度で用いられる。
このモールド樹脂7は、室温ではタブレット状の固体であるが、通常は180℃前後に設定された成形金型内で液状となりトランスファー成形機によって樹脂成形される。モールド樹脂7への充填材の充填量は、半導体装置に適切な熱膨張係数を有するモールド樹脂7に仕上げることが望ましく、例えば、モールド樹脂7の熱膨張係数として17×10−6(1/K)程度としたい場合、溶融シリカを充填材として用い、充填量を約77重量%程度に調整することによって所望のモールド樹脂7を得ることが可能である。モールド樹脂7の耐熱性のひとつの目安として、半導体装置の信頼性試験のひとつである温度サイクル試験がある。この温度サイクル試験の温度領域の上限値より、モールド樹脂7のガラス転移温度(Tg)が高いほうが、温度サイクル試験時のモールド樹脂7の樹脂物性の変化が小さい範囲となり、信頼性が確保されやすくなる。例えば、温度サイクル試験の上限温度が125℃である半導体装置に適用するモールド樹脂7の耐熱性は、モールド樹脂7のガラス転移温度(Tg)が125℃以上であることが好ましい。
図2は、この発明の実施の形態1における制御回路基板の一部を拡大した模式図である。図2中の(a1),(a2)には、樹脂基板10に貫通穴13を設けた場合のトランスファーモールド成形途中とトランスファーモールド成形完了後の断面構造を模式的に示している。(a1)において、樹脂基板10に搭載された電気部品11は、樹脂基板10にはんだ付けされている。また、図2中の(b1),(b2)には、樹脂基板10に貫通穴13を設けた場合のトランスファーモールド成形途中とトランスファーモールド成形完了後の電気部品1を透視した上面構造を模式的に示している。(b1)において、はんだ12とモールド樹脂7が充填されていない隙間15を模式的に示している。電気部品11と樹脂基板10との間には、はんだ12によって流動が妨げられたモールド樹脂7とはんだ12による隙間15が存在している。
そして、比較のため、図2中の(c1),(c2)には、樹脂基板10に貫通穴13を設けない場合のトランスファーモールド成形途中とトランスファーモールド成形完了後の断面構造を模式的に示している。(c1)において、樹脂基板10に搭載された電気部品11は、樹脂基板10にはんだ付けされている。また、図2中の(d1),(d2)には、樹脂基板10に貫通穴13を設けない場合のトランスファーモールド成形途中とトランスファーモールド成形完了後の電気部品1を透視した上面構造を模式的に示している。(d1)において、はんだ12とモールド樹脂7が充填されていない隙間15を模式的に示している。電気部品11と樹脂基板10との間には、はんだ12によって流動が妨げられたモールド樹脂7とはんだ12による隙間15が存在している。貫通穴13の形成の有無により、モールド樹脂7の隙間15への充填状態が異なっている。
図2中の(a1),(b1)に示すように、隙間15に通じるように、樹脂基板10には貫通穴13を設けている。そして、樹脂基板10に貫通穴13を設けたことにより、モールド樹脂7がトランスファーモールド成形時に、樹脂基板10の電気部品11が搭載されている面とは反対側の面の貫通穴13の開口部より隙間15に流入する。そして、トランスファーモールド成形完了後は、隙間15はモールド樹脂7で充填される(図2中の(a2),(b2))。
搭載された電気部品11と樹脂基板10との間の隙間15にモールド樹脂7が入るか否かは、隙間15の面積や高さによって決まる。隙間15の面積が大きければ大きいほど、また隙間15の高さが低いほどモールド樹脂7は隙間15に充填されにくい。隙間15の面積が大きい場合は、充填すべき隙間15自体が大きくなるので、トランスファーモールド成形中にモールド樹脂7で隙間15を充填しにくくなる。また、隙間15の高さが低い場合は、モールド樹脂7が隙間15内へ流入しにくくなるため、隙間15を充填しにくくなる。例えば、モールド樹脂7に充填されている充填材の無機粉末の平均粒径が数十μm程度のモールド樹脂7では、隙間15の高さが0.2mm以下では、隙間面積によっては隙間15の中央部まで充填されない場合が出てくる。そのため、貫通穴13を設ける場所は、モールド樹脂7が充填しにくい寸法の隙間15に対してである。例えば、搭載された電気部品11と樹脂基板10との隙間15が高さ0.2mm以下であり、隙間15の寸法として幅2mm、長さ2mm以上であるものには貫通穴13を適用することが好ましい。
また、制御回路基板9の寸法は制限されるものではないが、例えば、40mm×40mmなど制御回路基板9寸法が大きくなるほど、制御回路基板9の表面に搭載される電気部品11が多数となるためモールド樹脂7の流動性が悪くなる。また、半導体装置の大きさが大きくなることによりモールド樹脂7の成形に時間を要するようになる。そのため、このような場合は、よりモールド樹脂7の細部への回り込みが不利となる。このように制御回路基板9の寸法が大きいほど貫通穴13を設けることの効果がより高くなる。
さらに、本実施の形態1のような制御回路基板9がリードフレーム5の上方に対向させて配置され、リードフレーム5と制御回路基板9とが略並行に配置された多段構造では、トランスファーモールド成形時に、モールド樹脂7は制御回路基板9の両面で流動性が異なる。リードフレーム5と制御回路基板9との間の空間では、搭載された電気部品11だけでなく、リードフレーム5上に搭載された半導体素子1やボンディングワイヤ8等の存在によってモールド樹脂7の流動が妨げられやすい。しかし、樹脂基板10に貫通穴13を設けたことで、リードフレーム5と制御回路基板9との間の空間でのモールド樹脂7の流動性を補償することができ、樹脂基板10と電気部品11との間の隙間15へモールド樹脂7を充填することが可能となる。特に、このような多段構造では、制御回路基板9の両面で樹脂流動性が不均一となりやすいが、貫通穴13を設ける構造とすることにより、制御回路基板9の両面の流動性や圧力の不均一を解消することができる。
また、樹脂基板10と搭載された電気部品11との隙間15は、トランスファーモールド成形途中にモールド樹脂7が充填されにくいだけでなく、電気部品11をはんだ12によって樹脂基板10上に搭載したときのフラックス洗浄に対しても効果がある。電気部品11と樹脂基板10との隙間15の面積が大きく、隙間15の高さが低く狭い部分では、フラックス洗浄工程でもフラックス残渣が残りやすい。フラックス残渣が残りやすい部分とトランスファーモールド成形時のモールド樹脂7が充填されにくい部分は共通しており、本実施の形態1のように貫通穴13を設けることによって、フラックス洗浄時にも洗浄しやすくなるという効果がある。
しかし、図2中の(c1),(d1)に示すように、樹脂基板10に貫通穴13を設けていない場合は、トランスファーモールド成形完了後に、隙間15にモールド樹脂7を充填することができない(図2中の(c2),(d2))。そして、搭載された電気部品11と樹脂基板10との隙間15の面積や高さによっては、隙間15に対してモールド樹脂7が両端から侵入するが、搭載された電気部品11の中央部分に到達する前にモールド樹脂7が硬化することによって隙間15に、モールド樹脂7が充填されずに、空隙が発生してしまう。このように、隙間15に空隙が発生したまま制御回路基板9が半導体装置に一体的に封止されてしまうと、長期信頼性試験により、吸湿の影響を受けやすく、空隙部への吸湿によって絶縁信頼性が低下する。さらに、場合によってはフラックス残渣によるマイグレーションが発生する。また、モールド樹脂7を成形する場合では、隙間15にモールド樹脂7が充填されないことから、トランスファーモールド成形時に電気部品11が受けるモールド樹脂7からの成形圧力に不均一が生じ、電気部品11に割れやクラックが生じることがある。
特に、この方法は、上述したようにトランスファーモールド成形を用いて樹脂封止を行うときに有効である。また、電気部品11が両面搭載された制御回路基板9に対して、ケース型への樹脂の封止方法として液状材料を流し込んで封止するポッティング封止の場合でも、樹脂を流し込む方向に対して制御回路基板9の裏面の搭載面には液状樹脂が細部まで回りこみにくい場合がある。このような場合には、樹脂粘度を低く工夫しても気泡が残りやすい傾向にあり、この樹脂基板10に貫通穴13を設ける方法により気泡を低減することができる。
以上のように構成された半導体装置においては、電気部品11と電気部品11がはんだ付けされて搭載された樹脂基板10との隙間15に、この隙間15に通じる貫通穴13を樹脂基板10に設けたので、はんだ12による電気部品11と樹脂基板10との隙間15にも、モールド樹脂7が充填される。その結果、電気部品11の割れを防止することが可能となる。特にトランスファーモールド成形においては、この効果が顕著である。
また、電気部品11と樹脂基板10との隙間15をモールド樹脂7で充填したことで、半導体装置の長期信頼性も確保することができる。
さらに、樹脂基板10に貫通穴13を設けたことで、フラックス洗浄時にフラックスの洗浄が十分に実施できる。その結果、フラックス残渣によるマイグレーションが抑制され、半導体装置の信頼性の向上が可能となる。
実施の形態2.
本実施の形態2においては、実施の形態1で用いた樹脂基板10に設けた貫通穴13の形状や設置条件を設定した点が異なる。このように、樹脂基板10に設けた貫通穴13の形状や設置条件を設定したことで、樹脂基板10の強度を維持したまま、半導体装置の信頼性を向上させることが可能となる。
本実施の形態2においては、実施の形態1で用いた樹脂基板10に設けた貫通穴13の形状や設置条件を設定した点が異なる。このように、樹脂基板10に設けた貫通穴13の形状や設置条件を設定したことで、樹脂基板10の強度を維持したまま、半導体装置の信頼性を向上させることが可能となる。
図3は、この発明の実施の形態2における制御回路基板の一部を拡大した模式図である。図3中の(a)は、電気部品11を搭載した部分の断面構造を、図3中の(b)は電気部品11を搭載した部分の上面構造を模式的に示している。図3中の(b)において、隙間15の幅をA、隙間15の長さをBとした。また、図3中の(b)は、電気部品11を透視して上面構造を模式的に示している。
本実施の形態2では、樹脂基板10に貫通穴13を設ける条件として、はんだ12による電気部品11と樹脂基板10との隙間15の大きさを規定し、この条件を満たす電気部品11が搭載された位置の隙間15部分に対しては、貫通穴13を設ける。貫通穴13を設ける搭載された電気部品11と樹脂基板10との間の隙間15の寸法としては、隙間15の高さ(モールド樹脂7が入り込むためのギャップ)は、0.2mm以下であり、図3中の(b)おける上面構造模式図で見たときの隙間15の幅と長さは、ともに2mm以上であることとする。
隙間15の幅Aとは、例えば、電気部品11がチップ抵抗であった場合、はんだ付けされている電極間の幅となる。この幅が狭く、印加電圧が高いほど電気部品への電圧を印加した場合に電界強度が高くなり、モールド樹脂7未充填部となった場合には電気的絶縁信頼性の低下を招く。また、隙間15の長さBとは、モールド樹脂7が隙間15に入り込む場合の奥行き方向に考えた隙間15の全長である。例えば、この条件を満たす電気部品11であるチップ抵抗は、3226と呼ばれる3.2mm×2.6mm以上のものが該当する。これよりも大きなサイズのチップ抵抗では、隙間15の幅Aと長さBが2mm以上となり、モールド樹脂7が未充填となる可能性がある。モールド樹脂7の隙間15への充填性は、隙間15の高さが低いほど、隙間15の面積が大きいほど、悪くなることが知られている。本実施の形態では、貫通穴13へのモールド樹脂7の充填性が悪い条件(高さ0.2mm以下、大きさ2mm×2mm以上)を満たす場合には貫通穴13を設けることとする。
また、貫通穴13の形状は、実施の形態1では特に限定することはなかったが、本実施の形態2では、円柱状の貫通穴13とする。一般的に制御回路基板9には、樹脂基板10を貫通するスルーホールという電気的な接続の役目をする貫通穴が存在する。例えば、このスルーホールは、多層基板の層間を電気的に接続するために用いられ、スルーホール内に導電材を形成することで層間が接続されるものである。本実施の形態では、貫通穴13の形状を他の電気接続を目的としたスルーホールと同様の形状にしたものである。ただし、貫通穴13においては、電気的な接続の有無は特に限定されることはない。また、貫通穴13の形状を樹脂基板10に設けるスルーホールと同一形状とすることによって、スルーホールを設ける工程と同時に実施することができるため低コストなプロセスで貫通穴13を形成することが可能となる。
貫通穴13の寸法は、例えば、φ0.1mm以上、φ0.5mm以下などで設けることが可能である。貫通穴13の径がφ0.1mm以下と細すぎるとモールド樹脂7の通過が困難となる。また、貫通穴13の径がφ0.5mm以上と太すぎると樹脂基板10の強度低下などの問題がある。貫通穴13とスルーホールを同時に形成する場合は、上記のスルーホールと同寸法の貫通穴13を形成すればよい。スルーホールの形状としては、特に限定されることはなく、接続の形態に合わせた形状とすることが可能である。
以上のように構成された半導体装置においては、電気部品11と電気部品11がはんだ付けされて搭載された樹脂基板10との隙間15に、この隙間15に通じる貫通穴13を樹脂基板10に設けたので、はんだ12による電気部品11と樹脂基板10との隙間15にも、モールド樹脂7が充填される。その結果、電気部品11の割れを防止することが可能となる。特にトランスファーモールド成形においては、この効果が顕著である。
また、電気部品11と樹脂基板10との間の隙間15をモールド樹脂7で充填したことで、半導体装置の長期信頼性も確保することができる。
さらに、樹脂基板10に貫通穴13を設けたことで、フラックス洗浄時にフラックスの洗浄が十分に実施できる。その結果、フラックス残渣が低減され、フラックス残渣によるマイグレーションが抑制され、半導体装置の信頼性の向上が可能となる。
また、貫通穴13の形成が、樹脂基板10に設けられるスルーホールと同時に形成することが可能となり、低コストな製造プロセスで貫通穴13を形成することができる。
実施の形態3.
本実施の形態3においては、実施の形態1で用いた制御回路基板9をリードフレーム5と対向させずに並列に配置した点が異なる。このように、制御回路基板9をリードフレーム5と対向させずに並列に配置したことで、制御回路基板9の両面においてモールド樹脂7の流動性を均一化することができる。その結果、制御回路基板9の両面に搭載された電気部品11と制御回路基板9との間の隙間15に対して均一にモールド樹脂7を充填でき、半導体装置の信頼性を向上させることが可能となる。
本実施の形態3においては、実施の形態1で用いた制御回路基板9をリードフレーム5と対向させずに並列に配置した点が異なる。このように、制御回路基板9をリードフレーム5と対向させずに並列に配置したことで、制御回路基板9の両面においてモールド樹脂7の流動性を均一化することができる。その結果、制御回路基板9の両面に搭載された電気部品11と制御回路基板9との間の隙間15に対して均一にモールド樹脂7を充填でき、半導体装置の信頼性を向上させることが可能となる。
図4は、この発明の実施の形態3における半導体装置を示す断面構造模式図である。図4において、半導体装置200は、半導体素子1、金属基板2、絶縁層3、金属部材であるヒートシンク4、金属板であるリードフレーム5、封止樹脂であるモールド樹脂7、ボンディングワイヤ8、制御回路基板9、樹脂基板10、電気部品11を備えている。
制御回路基板9は、リードフレーム5よりも上方であるが、リードフレーム5に搭載された半導体素子1とは対向しない位置に配置されている。このように、制御回路基板9を配置することで、リードフレーム5に搭載した半導体素子1やボンディングワイヤ8の影響を受けなくなるので、制御回路基板9の両面でのモールド樹脂7の流動性の不均一を改善できることができる。また、半導体装置の設置場所に高さ制限がある場合には、本実施の形態のような構造とすることで、同じ機能を備えたまま、半導体装置の高さをより低くすることが可能である。
以上のように構成された半導体装置においては、電気部品11と電気部品11がはんだ付けされて搭載された樹脂基板10との隙間15に、この隙間15に通じる貫通穴13を樹脂基板10に設けたので、はんだ12による電気部品11と樹脂基板10との隙間15にも、モールド樹脂7が充填される。その結果、電気部品11の割れを防止することが可能となる。特にトランスファーモールド成形においては、この効果が顕著である。
また、電気部品11と樹脂基板10との間の隙間15をモールド樹脂7で充填したことで、半導体装置の長期信頼性も確保することができる。
さらに、樹脂基板10に貫通穴13を設けたことで、フラックス洗浄時にフラックスの洗浄が十分に実施できる。その結果、フラックス残渣によるマイグレーションが抑制され、半導体装置の信頼性の向上が可能となる。
また、制御回路基板9とリードフレーム5とを対向させずに並列に配置したことで、同じ機能を維持したまま、半導体装置の高さを低減することが可能となる。
実施の形態4
本実施の形態4においては、実施の形態1で用いたヒートシンク4をフィン一体型ヒートシンク14とした点が異なる。このように、フィン一体型ヒートシンク14としたことで、熱抵抗を小さくすることができ、半導体装置の放熱性を向上させることが可能となる。
本実施の形態4においては、実施の形態1で用いたヒートシンク4をフィン一体型ヒートシンク14とした点が異なる。このように、フィン一体型ヒートシンク14としたことで、熱抵抗を小さくすることができ、半導体装置の放熱性を向上させることが可能となる。
図5には、本実施の形態を示す断面図を示す。実施の形態1と異なる点は、金属基板がフィン一体の構造となっていることである。つまり、フィン一体型のヒートシンクの一方の面に絶縁層が設けられた構造となっている。このような構造とすることにより、実施の形態1と比較して熱抵抗が小さくなるために放熱性が向上する。
図5は、この発明の実施の形態4における半導体装置を示す断面構造模式図である。図5において、半導体装置300は、半導体素子1、金属基板20、絶縁層3、金属部材であるフィン一体型ヒートシンク14、金属板であるリードフレーム5、封止樹脂であるモールド樹脂7、ボンディングワイヤ8、制御回路基板9、樹脂基板10、電気部品11を備えている。
金属基板20は、絶縁層3とフィン一体型ヒートシンク14とを備える。このようなモールド樹脂7に覆われてなく露出した一方の面に凹凸の存在するヒートシンク14を一体的にモールド樹脂7で成形する場合には、モールド樹脂7が凹凸面を覆わないようにするために、成形金型との寸法精度が要求される。モールド樹脂7が、フィン一体型ヒートシンク14の凹凸面まで回り込まないようにする手段としてモールド樹脂7の溶融粘度を高くする手法も考えられる。この場合、搭載された電気部品11と樹脂基板10との間の隙間15部分には、さらにモールド樹脂7が入りにくくなる。このように凹凸面を有するフィン一体型ヒートシンク14をモールド樹脂7で一体的に成形する場合には、樹脂基板10への貫通穴13を設けておくことによって、モールド樹脂7の溶融粘度の許容幅が広がり、半導体装置の製造プロセスにマージンを持たせることが可能となる。
以上のように構成された半導体装置においては、電気部品11と電気部品11がはんだ付けされて搭載された樹脂基板10との隙間15に、この隙間15に通じる貫通穴13を樹脂基板10に設けたので、はんだ12による電気部品11と樹脂基板10との隙間15にも、モールド樹脂7が充填される。その結果、電気部品11の割れを防止することが可能となる。特にトランスファーモールド成形においては、この効果が顕著である。
また、電気部品11と樹脂基板10との間の隙間15をモールド樹脂7で充填したことで、半導体装置の長期信頼性も確保することができる。
さらに、樹脂基板10に貫通穴13を設けたことで、フラックス洗浄時にフラックスの洗浄が十分に実施できる。その結果、フラックス残渣によるマイグレーションが抑制され、半導体装置の信頼性の向上が可能となる。
また、フィン一体型ヒートシンク14を用いた場合でも、樹脂基板10に貫通穴13を設けたことで、モールド樹脂7の溶融粘度の許容幅が広がり、半導体装置の製造プロセスのマージンの拡大が可能となる。
実施の形態5
本実施の形態5においては、実施の形態1で用いた一体型の半導体装置を半導体素子搭載部400と電気部品搭載部500とを別体で形成した点が異なる。このような構造としたことで、半導体素子搭載部400と電気部品搭載部500のそれぞれに適したモールド樹脂を用いることができ、個別に応力を低減させることが可能となる。
本実施の形態5においては、実施の形態1で用いた一体型の半導体装置を半導体素子搭載部400と電気部品搭載部500とを別体で形成した点が異なる。このような構造としたことで、半導体素子搭載部400と電気部品搭載部500のそれぞれに適したモールド樹脂を用いることができ、個別に応力を低減させることが可能となる。
図6は、この発明の実施の形態5における半導体装置を示す断面構造模式図である。図6中の(a)は、電気部品搭載部の断面構造を、図6中の(b)は半導体素子搭載部の断面構造を模式的に示している。
図6において、半導体素子搭載部500は、半導体素子1、金属基板2、絶縁層3、金属部材であるヒートシンク4、金属板であるリードフレーム5、封止樹脂であるモールド樹脂7、ボンディングワイヤ8を備えている。また、電気部品搭載部400は、封止樹脂であるモールド樹脂7、制御回路基板9、樹脂基板10、電気部品11を備えている。なお、図6中の(a)には、電気部品搭載部400の断面構造模式図を示したが、モールド樹脂7内に配置された電気部品11と電気的接続するために、樹脂基板10の一部が露出している部分がある(図示せず)。
半導体素子搭載部400と電気部品搭載部500とを別体としたことで、それぞれを封止するために用いるモールド樹脂7を特性の異なるモールド樹脂を用いて封止することが可能となる。例えば、半導体素子搭載部400を封止するモールド樹脂7は、耐熱性を持たせ、電気部品搭載部500を封止するモールド樹脂7は、電気部品11と樹脂基板10との間の隙間15にモールド樹脂7が充填され易いように、溶融粘度を低くすることができる。そして、このような半導体素子搭載部400と電気部品搭載部500の製造方法としては、実施の形態1の製造方法において、樹脂基板を配置する工程を行わず、半導体素子搭載部400と電気部品搭載部500とを別体としたままにする。次に、封止樹脂で封止する工程において、半導体素子搭載部400と電気部品搭載部500とを別々にモールド樹脂7により樹脂封止することで形成される。
以上のように構成された半導体装置においては、電気部品11と電気部品11がはんだ付けされて搭載された樹脂基板10との隙間15に、この隙間15に通じる貫通穴13を樹脂基板10に設けたので、はんだ12による電気部品11と樹脂基板10との隙間15にも、モールド樹脂7が充填される。その結果、電気部品11の割れを防止することが可能となる。特にトランスファーモールド成形においては、この効果が顕著である。
また、電気部品11と樹脂基板10との間の隙間15をモールド樹脂7で充填したことで、半導体装置の長期信頼性も確保することができる。
さらに、樹脂基板10に貫通穴13を設けたことで、フラックス洗浄時にフラックスの洗浄が十分に実施できる。その結果、フラックス残渣によるマイグレーションが抑制され、半導体装置の信頼性の向上が可能となる
また、半導体素子搭載部400と電気部品搭載部500とを別体で形成したことで、それぞれに適したモールド樹脂を用いることができ、応力を低減させることが可能となる。
1 半導体素子、2,20 金属基板、3 絶縁層、4 ヒートシンク、5 リードフレーム、6 半導体素子、7 モールド樹脂、8 ボンディングワイヤ、9 制御回路基板、10 樹脂基板、11 電気部品、12 はんだ、13 貫通穴、14 フィン付きヒートシンク、15 隙間、100,200,300 半導体装置、400 電気部品搭載部、500 半導体素子搭載部。
この発明に係る半導体装置においては、長さ3.2mm×幅2.6mm以上の電気部品が搭載された樹脂基板と、樹脂基板を封止するトランスファーモールド用封止樹脂とを備え、
樹脂基板は、電気部品の下部の樹脂基板と電気部品との間の隙間部に通じる貫通穴を有するものである。
樹脂基板は、電気部品の下部の樹脂基板と電気部品との間の隙間部に通じる貫通穴を有するものである。
この発明に係る半導体装置においては、長さ3.2mm×幅2.6mm以上の電気部品が搭載された樹脂基板と、樹脂基板を封止するトランスファーモールド用封止樹脂とを備え、
樹脂基板は、電気部品の下部の樹脂基板と電気部品との間で、前記電気部品の中央部を挟んでそれぞれが前記電気部品の下部面に連続して形成されたはんだに挟まれた隙間部に通じる貫通穴を有するものである。
樹脂基板は、電気部品の下部の樹脂基板と電気部品との間で、前記電気部品の中央部を挟んでそれぞれが前記電気部品の下部面に連続して形成されたはんだに挟まれた隙間部に通じる貫通穴を有するものである。
Claims (11)
- 電気部品が搭載された樹脂基板と、
前記樹脂基板を封止する封止樹脂とを備え、
前記樹脂基板は、前記電気部品の下部の前記樹脂基板と前記電気部品との間の隙間部に通じる貫通穴を有することを特徴とする半導体装置。 - 電気部品が搭載された樹脂基板と、
前記樹脂基板を封止する封止樹脂とを備え、
前記樹脂基板は、前記電気部品の下部の前記樹脂基板と前記電気部品との間の隙間部に通じる貫通穴を有し、前記電気部品が搭載された前記樹脂基板の反対面側から前記貫通穴を通して前記隙間部に前記封止樹脂が充填されたことを特徴とする半導体装置。 - 一方の面に半導体素子が搭載された金属板と、
前記金属板の他方の面に絶縁層を介して接続された金属部材とを備え、
前記樹脂基板は、前記金属板の一方の面側に配置され、
前記封止樹脂は、前記金属板と前記金属部材とを封止することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体装置。 - 前記貫通穴は、前記樹脂基板から前記電気部品までの高さが0.2mm以上、幅が2mm以上、および長さが2mm以上である前記隙間に対して設けられたことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記貫通穴は、直径が0.1mm以上0.5mm以下であることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記樹脂基板は、外形寸法が40mmx40mm以上であることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記樹脂基板は、前記金属板の一方の面に対向して配置されたことを特徴とする請求項3から請求項6のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記電気部品は、前記樹脂基板の前記金属板の一方の面に対向する面に搭載されたことを特徴とする請求項3から請求項6に記載の半導体装置。
- 前記金属部材は、前記絶縁層が設けられた面の反対側の面に凹凸を設けたことを特徴とする請求項3から請求項7のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 樹脂基板に電気部品を搭載する工程と、
前記樹脂基板を封止樹脂で封止する工程とを備え、
前記樹脂基板が前記電気部品の下部の前記樹脂基板と前記電気部品との間の隙間部に通じる貫通穴を有し、前記封止する工程は、前記電気部品が搭載された前記樹脂基板の反対面側から前記貫通穴を通して前記隙間部を前記封止樹脂で充填することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 金属部材の一方の面に絶縁層を介して金属板を形成する工程と、
前記金属板の前記絶縁層が設けられた面の反対側の面に半導体素子を搭載する工程と、
前記樹脂基板を前記金属部材の一方の面側に配置する工程とを備え、
前記封止する工程は、前記金属板と前記金属部材と前記樹脂基板とを封止樹脂で封止することを特徴とする請求項10に記載の半導体装置の製造方法。
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