KR19990072605A - 반도체장치및그제법과그것을사용한전기기기 - Google Patents

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다까하시마사아끼
고우다마사히로
가미무라노리다까
스즈끼가즈히로
사에끼쥰이찌
야마다가즈지
이시이마꼬또
단바아끼히로
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가나이 쓰도무
가부시끼가이샤 히다치 세이사꾸쇼
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Abstract

본 발명의 반도체 장치는 리드 프레임의 전극판부 상에 형성한 반도체 소자를 포함하는 주회로부와, 보호 기능을 갖는 제어 회로부를 구비하고, 수지 몰드에 의해 일체 밀봉 구조로 한다.

Description

반도체 장치 및 그 제법과 그것을 사용한 전기 기기{THE SEMICONDUCTOR DEVICE, THE MANUFACTURING METHOD THEREOF, AND THE ELECTRIC APPLIANCES USING THE SAME}
본 발명은, 스위칭용 반도체 소자를 포함하는 부품 수지 몰드에 의해 밀봉된 구조를 갖는 반도체 장치에 관한 것이다.
종래의 이 종류의 파워 반도체 장치로서 특공평3-63822호 공보 및 특공평6-80748호 공보에 개시된 구성이 있다. 즉, 금속의 히트 싱크 상에, 미리 소정 간격의 간극을 설치하여 스위칭용 반도체 소자를 얹어 놓은 리드 프레임을 셋트하고, 이 간극을 포함하는 외장부 도전체를, 일체의 몰드로서 수지를 충전하여 반도체 장치를 구성하는 것이다. 이 구조에 따르면, 반도체 소자를 고착한 도체층과 히트 싱크 사이에 수지층이 개재하므로, 복수의 반도체 소자의 탑재가 용이하게 가능하고, 부품 점수도 적기 때문에 높은 신뢰성을 얻을 수 있다.. 그러나, 다음 문제점을 갖고 있다.
상술된 바와 같이 미리 소자를 셋트한 공간에 수지를 충전하는 방법으로, 성형시에 보이드도 휩쓸려갈 우려가 있음과 동시에 수지층의 두께가 불안정해지기 쉽다. 통상, 이 종류의 수지층의 열전도율은 매우 낮아, 약간의 층두께의 오차가 열저항으로서 큰 변동이 되고, 양산 공장에서의 안정된 품질을 얻는 것이 어렵다. 같은 이유로, 절연층의 층두께를 극단적으로 얇게 하여(예를 들면 0.1㎜ 이하), 열저항을 저하시키는 것도 어렵다.
다른 문제점은, 도체 배선이 리드 프레임에 의해 구성되기 때문에, 미세화에 어려움이 있다. 예를 들면 드라이버 IC를 제어하는 마이크로 컴퓨터를 탑재하기 위한 복잡 미세한 형상 배선의 형성은 어렵다.
본 발명은 상기 종래법의 각각의 문제점을 해결하고, 저열 저항성으로, 고기능성을 구비하고, 또한 소형의 파워 반도체 장치를 실현하는 것이다. 즉, 리드 프레임 및 히트 싱크 즉 베이스 기판 사이에, 외장 수지 몰드 재료와는 별도의, 미리 성형된 시트형 수지 절연층을 적용함으로써, 파워 반도체 소자의 하부에 얇고, 또한 균질하고 안정된 층두께를 구비한 절연층을 형성할 수 있고, 결과적으로 저열 저항성 또한 소형의 파워 반도체 장치를 제공한다. 본 발명의 다른 목적은, 미세 배선 가능한 프린트 기판을 내장함으로써, 예를 들면 스위칭용 반도체 소자를 구동하는 드라이버 IC, 그것을 제어하는 마이크로 컴퓨터 및 각종 보호 회로 및 통신용 회로등 고기능성을 부가할 수 있는 구조를 고신뢰성, 또는 저가격으로 제공하는 것이다.
본 발명에서는 다음 수단을 취한다.
주회로부, 제어 회로부 및 외장 수지를 구비하고, 상기 외장 수지의 표면에 도출된 주단자 및 제어 단자를 구비한 반도체 장치에서, 상기 주회로부는 반도체 소자가 전극판 상에 고착되고, 상기 전극판은 전기 절연층으로서의 수지층을 협지하여 베이스 기판이 배치된 구조를 구비하고, 상기 제어 회로부는 기판 상에, 적어도 하나의 회로 소자를 구비하고, 상기 소자와 기판이 전기적으로 직접 접속되고, 상기 주회로부 및 상기 제어 회로부가 전기적으로 접속되고, 상기 베이스 기판 중 적어도 일부가, 실질적으로 상기 외장 수지의 외면에 노출한 형태로, 그 밖의 부분이 상기 외장 수지에 의해 일체적으로 밀봉된 구조의 반도체 장치로 한다.
주회로부 및 제어 회로부를 구비하고, 외장 수지의 표면에 도출된 주단자 및 제어 단자를 구비한 반도체 장치의 제법으로, 상기 주회로부로서 반도체 소자가 리드 프레임 상에 고착되는 공정, 상기 제어 회로부로서 기판 상에, 적어도 하나의 회로 소자를 탑재하는 공정, 상기 소자와 상기 기판을 도전성 와이어에 의해 전기적으로 접속하는 공정, 상기 주회로부 및 상기 제어 회로부를 전기적으로 접속하는 공정, 상기 제어 회로부 선별을 위한 검사 공정, 베이스 기판의 한쪽면에 수지층을 형성하는 공정, 상기 수지층 상에 상기 리드 프레임을 배치하는 공정, 수지에 의해 일체적으로 밀봉하는 공정을 구비한 반도체 장치의 제법으로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 파워 반도체 장치의 단면 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 파워 반도체 장치의 사시 모식도.
도 3은 본 발명의 실시예 2에 따른 파워 반도체 장치의 단면 구성도.
도 4는 본 발명의 실시예 2에 따른 파워 반도체 장치의 상면 구성도.
도 5는 본 발명의 실시예 3에 따른 파워 반도체 장치의 단면 구성도.
도 6은 본 발명의 실시예 4에 따른 파워 반도체 장치의 단면 구성도.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 모듈의 회로 블럭도.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 조절기의 회로 블럭도.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 조절기 스위칭부의 회로 블럭도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11 : 스위칭용 반도체 소자
11a : 정류 다이오드
11b : IGBT
12 : 땜납층
13 : 리드 프레임
15 : 베이스 기판
16 : 와이어 본딩부
17 : 주단자
18 : 수지 절연층
19 : 수지 절연 금속 기판
21 : 프린트 기판
22 : 제어용 집적 회로 소자
22a : 드라이버 IC
22b : 마이크로 컴퓨터
23 : 실장 부품
24 : 세선 와이어 본딩부
25 : 제어 단자
30 : 수지 몰드
31 : 장착 홀
32 : 관통 홀
이하, 본 발명을 실시예에 따라 더욱 상세히 설명하겠지만, 본 발명은 이들에 한정되지 않는다.
<실시예 1>
도 1에 본 발명의 일 실시예에 따른 단면 구성도를 나타내고, 도 2에 사시 모식도를 각각 도시한다. 예를 들면 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) 등의 스위칭용 반도체 소자(11)가 땜납층(12)을 통해 리드 프레임의 전극판부(13) 상에 고착된다. 소자의 바로 아래에 위치하는, 리드 프레임의 전극판부(13)의 다른 면에는, 수지 절연층(18)을 통해 베이스 기판(15)에 접착된다. 상기 반도체 소자(11)는 알루미늄의 와이어 본딩부(16)에 의해 리드 프레임의 전극판부(13) 또는 리드 단자부(17)와 전기적으로 접합되고, 리드 프레임의 일부인 리드 단자부(17)가 주단자로서 수지 몰드(30)의 표면에 도출되고, 주회로부를 구성한다. 한편, 프린트 기판(21) 및 제어용 집적 회로 소자(22) 및 수동 부품등의 실장 부품(23)이 적재되고, 제어용 집적 회로 소자(22)는 Au 등의 세선에 따른 와이어 본딩부(24)에 의해, 프린트 기판(21)에 전기적으로 접속된다. 수지 몰드(30)의 외부에 도출되는 제어 단자(25)가 프린트 기판(21)의 일부에 접속되어 제어 회로부를 구성한다. 제어 회로부 및 상기 주회로부가 와이어 본딩부(16)에 의해, 전기적으로 접합되고, 계 전체가 외장 수지 몰드(30)에 의해 일체 성형된다.
본 구조의 파워 반도체 장치는 다음 공정에 따라 작성된다. 프린트 기판(21)의 양면에 원하는 형상의 도체 패턴을 형성한다. 본 실시예에서는 프린트 기판(21)의 이면의 거의 전면을, 그랜드층에 접속하기 위한 도체층으로 하였다. 반대측면의 표면에는, 제어용 집적 회로 소자(22)로서, 3㎜×4㎜의 베어칩 드라이버 IC 하나를 에폭시계 수지에 의해 접착, 경화시킨다. 계속해서, 선지름 20㎛의 Au 선에 의해, 제어용 집적 회로 소자(22)와 프린트 기판(21)을 접속하고, 후속 공정과의 관련으로 필요에 따라 제어용 집적 회로 소자(22) 및 와이어 본딩부(24)를 본딩 수지에 의해 국부적으로 피복한다. 칩 컨덴서, 저항등의 실장 부품(23)을 땜납 접속하여 제어 회로부를 구성한다. 이 상태에서 전기적 특성을 검사하고, 양품을 선별한다. 계속해서, 제어 단자(25)를 형성하기 위한 리드 프레임을, 상기 프린트 기판에 땜납 접합한다. 한편, 베이스 기판(15)의 한 면에, 수지 절연층(18)을 형성하기 위한 미경화성 수지 시트를 온도 120℃에서 우선 가압착한다. 이 수지 시트 상면에 리드 프레임(13)을 배치하여 150℃로 압착 후, 180℃ 15분의 경화 처리를 실시한다. 계속해서, 리드 프레임(13) 상의 소정 위치에, 7㎜×7㎜의 스위칭용 반도체 소자(11)로서의 IGBT 칩을 땜납 접합한다. 이 소자(11)와 리드 프레임(13)을 와이어 본딩부(16)에 의해, 전기적으로 접합한다. 이 땜납 접합시에, 미리 준비한 상기 선별된, 제어 단자(25)가 장착된 프린트 기판(21)의 이면 도체와, 리드 프레임(13)의 그랜드층을 동시에 땜납 접합하여 일체화한다.
상기 공정에서 준비된 일련의 회로를 금형 중에 셋트하고, 소정 온도 및 압력으로, 형 내에 수지를 충전함으로써 수지 몰드(30)를 성형한다. 본 실시예에서는, 수지 몰드(30)용 재료로서 표 1에 나타낸 재료를 이용했다. 표 1의 배합 비율은 중량비를 나타낸다.
재료 배합비
O-크레졸 노블락형 에폭시 수지 90
브롬화 페놀 노블락형 에폭시 수지 10
페놀 노블락 수지 52
트리페닐 포스핀 1
삼산화 안티몬 4
에폭시 실란 2
헥스트 왁스 1
카본 블랙 1
에폭시 변성 폴리디메틸 실론산 10
산화규소(구상분말) 643
본 재료는, 필러로서 산화 규소를 많이 포함하므로, 영율이 1800㎏f/㎟로 높고, 내부를 보호하기 위해 필요한 강성을 구비하고 있다. 또한, 선팽창율은 12ppm/℃ 내지 15ppm/℃로 낮으므로, 성형, 경화 후의 베이스 기판(15)의 휘어짐은 약 40㎛로 작고, 실용상 문제가 없는 수준에 있다.
몰드 성형 후, 필요에 따라 애프터 경화를 실시하여 몰드 수지의 경화를 촉진한다. 계속해서, 수지 몰드(30)의 외부에 도출된 부분의 리드 프레임(13)을 절단 및/또는 성형하여 소정 형상의 주단자(17) 및 제어 단자(25)를 구비한 반도체 장치를 얻는다.
본 실시예에서는 스위칭용 반도체 소자(11)로서, IGBT 소자의 예에 대해 나타냈지만, 예를 들면 MOS계 트랜지스터등 다른 발열성 소자라도 좋다.
또한, 본 실시예에서는 수지 몰드(30)에 포함되는 필러로서, 표 1의 산화 규소를 나타냈지만, 다른 재료 예를 들면 베리리어, 질코니아, 질화 규소, 질화알루미늄, 탄화 규소등이라도 좋다.
출발 재료로서, 시트형으로 성형한 미경화성 수지 재료에 따른 수지 절연층(18)을 구비한 본 실시예의 특징은, 열저항이 낮고, 비교적 전류 용량이 큰 소자에의 적용이 가능하다.
<실시예 2>
실시예 1과 거의 동일한 구조를 구비한 본 발명의 다른 실시예를 도 3에 나타낸다. 실시예 1과의 상위점은 다음과 같다. 즉, 제어 단자(25)에 대해서도 리드 프레임의 일부를 적용하고, 와이어 본딩부(16)에 의해 제어 단자(25)와 프린트 기판(21)을 전기적으로 접합했다. 또한, 본 실시예는 주단자(17) 및 제어 단자(25)가 수지 몰드(30)의 상면으로부터 도출된 구조를 구비하고 있다.
도 4에 본 실시예에 따른 평면 구성도를 나타낸다. 제어 회로부에 마이크로 컴퓨터(22b)를 배치하고, 수지 몰드(30)의 본체를 고정하기 위한 장착 홀(31)이 설치된다. 본 실시예의 구조에서는, 일체의 리드 프레임(13)을 이용하여 제어 단자(25)를 일괄하여 형성하므로, 제어 단자(25)를 땜납 접합하는 공정이 불필요해진다. 또한, 수지 몰드의 상면에 주단자(17) 및 제어 단자(25)가 도출되므로, 그랜드층과의 절연 공간 거리 및 절연 연면 거리를 충분히 확보할 수가 있다.
<실시예 3>
실시예 2와 거의 동일한 구조를 구비한 본 발명의 다른 실시예를 도 5에 나타낸다. 실시예 2와의 상위점은 다음과 같다. 프린트 기판(21)의 양면에 원하는 도체 패턴을 형성하고, 관통 홀(32) 등의 수단에 의해 양면을 전기적으로 접속한 구조이고, 프린트 기판(21)의 이면은 절연성의 수지 접착제를 이용하여 단단하게 접착된다.
양면에 원하는 형상의 도체 패턴이 형성된 프린트 기판(21)을 적용한 본 실시예의 구조에서는, 보다 복잡하고 미세한 회로 형성이 가능하고, 베어칩의 드라이버 IC 22a 및 마이크로 컴퓨터(22b) 등의 제어용 집적 회로 소자(22) 및 각종 보호 회로등을 탑재할 수 있고, 고기능화를 실현하기 쉽다고 하는 특징이 있다.
<실시예 4>
본 발명의 다른 실시예의 단면 구조를 도 6에 나타낸다. 실시예 1 내지 실시예 3과의 주된 상위점으로서 이하와 같은 점이 있다. 즉, 베이스 기판(15)으로서 수지 절연 금속 기판(19)을 적용하고, 제어 회로부를 직접, 금속 기판(19) 상에 형성한 구조를 구비한다. 본 실시예에 따른 구조는 다음 공정에 따라 제작된다. Al 등의 금속 기판의 한 면에 수지 절연층을 형성하고, 수지 절연층의 표면에 원하는 도체 패턴을 형성하여 구성 부품으로서의 수지 절연 금속 기판(19)을 얻는다. 이 기판(19)의 표면에 제어용 집적 회로 소자(22) 및 실장 부품(23) 등을, 실시예 1과 동일한 공정에 따라 배치한다. 리드 프레임, 주단자(17) 및 제어 단자(25)에 대해서도, 이들 실장 부품(23)과 동시에 또는 다른 공정에 따라, 금속 기판(19) 상에 땜납 접합한다. 이 상태에서 제어 회로부로서의 선별을 행한다.
계속해서, Al 와이어 본딩부(16)에 의해 스위칭용 반도체 소자(11), 프린트 기판(21) 및 리드 프레임(13) 등을 전기적으로 접속한다. 상기 공정에서 준비된 일련의 회로를, 실시예 1과 동일한 공정에 따라 수지 몰드를 일체로 성형하여 원하는 반도체 장치를 얻는다.
절연 금속 기판(19)을 적용한 본 실시예의 특징은, 허용 전류가 큰 리드 프레임(13)을 병용한 것에 있다. 즉, 절연 금속 기판 상에는 미세 도체 배선이 형성 가능하고, 제어용 집적 회로 소자의 탑재가 용이하다. 한편, 주회로에는 두꺼운 층의 리드 프레임(13)에 의해 대전류를 흘릴 수 있고, 동시에 스위칭용 반도체 소자(11)로부터 발생하는 열을, 수평 방향으로 확산시키는 효과를 발휘하고, 장치 전체로서 저열 저항화를 실현할 수 있다.
<실시예 5>
도 7은 실시예 1과 동일한 순서에 따라 제작한 파워 반도체 장치를 이용한 인버터 장치를 삼상 유도 모터에 직접 장착하여 양자를 일체화한 시스템을 나타낸다. 전기 회로의 구성은 도 7에 도시된 블럭도와 마찬가지다. 본 발명의 실시예에서의 반도체 장치는 열저항이 낮고, 또한 스위칭용 반도체 소자(11)에 근접하여 배치된 제어 회로부를 구비하여 신뢰성이 높으므로, 엄격한 환경에서 사용되는 모터, 예를 들면 룸에어컨용 압축기등, 각종 모터 및 반송용등의 모터와의 일체화가 가능해진다. 이와 같이 인버터와 모터를 일체화함으로써, 각각의 장치 전체로서의 소형화, 고신뢰성화를 실현할 수 있다.
<실시예 6>
예를 들면, 실시예 1에 따른 반도체 장치를 적용한 가정용 공기 조절기의 회로 블럭도를 도 8에 나타낸다. 본 도면은, 압축기 구동용 모터로서 실시예 1에 따른 반도체 장치를 이용하여 구성하였다. 도 9에 스위칭 회로부 및 모터부의 상세한 내용을 나타낸다. 도면 중, P 및 N의 단자가 전원 회로부에 접속된다. 본 구성의 공기 조절기로 함에 따라 스위칭 회로부를 소형이고, 또한 저열 저항으로 할 수 있다. 따라서, 열효율이 높은 모터 구동이 가능하고, 에너지 절약형의 공기 조절기를 제공할 수 있다.
본 실시예의 구성을, 가정용 및/또는 산업용등 모터를 구비하는 다른 전기 기기, 예를 들면 냉장고, 냉동고, 펌프, 반송기등에 적용함으로써, 마찬가지로 에너지 절약형의 전기 기기를 실현할 수 있다.
이상 설명된 바와 같이, 본 발명에 따른 반도체 장치에서는 다음 효과가 있다.
1. 리드 프레임 상에, 스위칭용 반도체 소자를 고착하고, 수지 절연층을 통해 베이스 기판을 배치하여 주회로부를 구성하는 한편, 미세 배선의 형성이 가능하고, 예를 들면 과온도, 과전류 및 전압 저하등의 각종 보호 회로 및 마이크로 컴퓨터 등을, 제어 회로부에 탑재할 수 있는 프린트 기판 상에 제어 회로를 배치하여 제어 회로부를 구성하고, 또한 양자를 근접 배치하여 전기적으로 접속하고, 전체를 수지 몰드로 보강하는 구조를 구비하기 때문에, 낮은 열저항과, 높은 신뢰성을 동시에 실현하는 효과가 있다.
2. 스위칭 소자에 근접하여 제어용 집적 회로 소자로서의 드라이버 IC 및 마이크로 컴퓨터등이 배치되므로, 제어 동작의 응답 속도가 높고, 고신뢰성을 확보하기 쉽다고 하는 효과가 있다.
3. 선별된 제어 회로부를 적용함으로써, 제품의 양품 수율을 향상시키고, 장치 전체로서의 고신뢰성을 실현하는 효과가 있다.
4. 수지 절연층의 형성시에, 미리 성형된 미경화성 수지 시트가 적용되므로, 보다 얇고 또한 안정적인 층두께를 갖는 수지 절연층을 제공할 수 있다고 하는 효과가 있다.
5. 주단자 및 제어 단자가 수지 몰드의 상면에 도출된 구조를 구비하므로, 그랜드층과의 절연 공간 거리 및 절연 연면 거리를 충분히 확보하기 쉽다고 하는 효과가 있다.
6. 본 발명에 따른 열저항이 낮은 반도체 장치에 의해 모터를 구동하므로, 에너지 절약형의 전기 기기를 저가격으로 실현할 수 있다고 하는 효과가 있다.

Claims (6)

  1. 주회로부, 제어 회로부 및 외장 수지를 구비하고, 상기 외장 수지의 표면에 도출된 주단자 및 제어 단자를 구비한 반도체 장치에 있어서,
    상기 주회로부는 반도체 소자가 전극판 상에 고착되고, 상기 전극판은 전기 절연층으로서의 수지층을 협지하여 베이스 기판이 배치된 구조를 구비하고, 상기 제어 회로부는 기판 상에, 적어도 하나의 회로 소자를 구비하고, 상기 소자와 기판이 전기적으로 접속되고, 상기 주회로부 및 상기 제어 회로부가 전기적으로 접속되고, 상기 베이스 기판의 적어도 일부가, 실질적으로 상기 외장 수지의 외면에 노출한 형태로, 그 외 부분이 상기 외장 수지에 의해 일체적으로 밀봉된 구조를 구비한 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 회로 소자로서, 상기 반도체 소자를 구동하기 위한 적어도 하나의 드라이버 IC, 및 상기 드라이버 IC를 제어하기 위한 마이크로 컴퓨터를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  3. 주회로부 및 제어 회로부를 구비하고, 외장 수지의 표면에 도출된 주단자 및 제어 단자를 구비한 반도체 장치의 제법에 있어서,
    상기 주회로부로서 반도체 소자가 리드 프레임 상에 고착되는 공정,
    상기 제어 회로부로서 기판 상에, 적어도 하나의 회로 소자를 탑재하는 공정,
    상기 소자와 상기 기판을 도전성 와이어에 의해 전기적으로 접속하는 공정,
    상기 주회로부 및 상기 제어 회로부를 전기적으로 접속하는 공정,
    상기 제어 회로부를 선별하기 위한 검사 공정,
    베이스 기판의 한쪽면에 수지층을 형성하는 공정,
    상기 수지층 상에 상기 리드 프레임을 배치하는 공정, 및
    수지에 의해 일체적으로 밀봉하는 공정
    을 구비한 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 리드 프레임 및 상기 베이스 기판에서, 미리 성형된 미경화성 수지 시트를 협지하여 상기 수지층을 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 주단자 및/또는 제어 단자가 상기 외장 수지의 상면에 도출, 배치되는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  6. 적어도 하나의 모터와, 상기 모터를 구동하는 반도체 장치를 구비하는 전기 기기에 있어서,
    상기 반도체 장치가 상기 청구항 1, 2 및 5 중 어느 한항에 따른 반도체 장치를 이용하여 구성된 것을 특징으로 하는 전기 기기.
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