WO2019038857A1 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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坂本　健
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    • H01L23/4334—Auxiliary members in encapsulations

Definitions

  • the present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device in which a heat sink is sealed with a mold resin.
  • a heat sink having a step on the bottom corner is used.
  • this positioning method there are positioning by a fixed pin and positioning by a movable pin (see, for example, Patent Document 1).
  • the fixing pin In positioning by the fixing pin, displacement of the heat sink due to mold resin flow does not occur. However, it is necessary to provide a U-shaped or round hole in the heat sink to fit on the fixing pin.
  • the fixing pin also plays a role in forming a screw hole for tightening after molding. However, the positioning by the fixing pin can not be applied to a heat sink having a rectangular planar shape.
  • the rectangular heat sink can be positioned by surrounding the outer periphery of the heat sink with the movable pin.
  • the resin is injected in a state in which the movable pin protrudes, and the tip end of the pin is lowered to the bottom of the cavity after the injection is completed.
  • the maximum value of the movable range is about 0.5 mm.
  • the movable pin can not be protruded to a sufficient height with respect to a thick heat sink with a step. Therefore, the positioning by the movable pin can not be applied to the stepped heat sink.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is a semiconductor device capable of positioning a heat sink having a rectangular planar shape having a step on a bottom corner and sealing it with a mold resin.
  • the method of manufacturing is a semiconductor device capable of positioning a heat sink having a rectangular planar shape having a step on a bottom corner and sealing it with a mold resin.
  • a heat sink having a rectangular planar shape having a step at a bottom corner is disposed inside a cavity of a mold, and a first pin is projected from the bottom of the cavity Positioning the second pin protruding from the bottom surface of the cavity on the step of the heat sink positioned after positioning the heat sink to the bottom surface of the cavity up to the bottom surface of the cavity And d) and sealing the heat sink with a molding resin while protruding the second pin.
  • the first pin is protruded to position the heat sink
  • the first pin is lowered, and the heat sink is sealed with the molding resin while the second pin disposed on the step of the heat sink is protruded. Accordingly, it is possible to position the heat sink having a rectangular planar shape having a step on the bottom corner and seal it with the molding resin.
  • FIG. 7 is a plan view showing the method of manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing the method of manufacturing the semiconductor device of the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing the method of manufacturing the semiconductor device of the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing the method of manufacturing the semiconductor device of the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view showing the method of manufacturing the semiconductor device of the second embodiment of the present invention. It is a top view which shows the manufacturing method of the semiconductor device concerning Embodiment 3 of this invention.
  • FIG. 7 is a plan view showing the method of manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing the method of manufacturing the semiconductor device of the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing the method of manufacturing the semiconductor device of the
  • FIG. 14 is a cross-sectional view showing the method of manufacturing the semiconductor device of the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view showing the method of manufacturing the semiconductor device of the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view showing the method of manufacturing the semiconductor device of the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 19 is a cross-sectional view showing the method of manufacturing the semiconductor device of the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 26 is a cross-sectional view showing the method of manufacturing the semiconductor device of the fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a flowchart of a method of manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view showing a method of manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
  • 3 to 5 are cross-sectional views showing the method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
  • the lower mold 1 is provided with a first pin 2 and a second pin 3 which are movable pins.
  • a metal heat sink 4 is disposed inside the cavity 5 of the mold 1 and the first pin 2 is protruded from the bottom of the cavity 5 to position the heat sink 4 (step S1).
  • the heat sink 4 has a step on the bottom corner and has a rectangular planar shape.
  • the protruding height of the first pin 2 is made equivalent to the thickness of the heat sink 4, and the side wall of the heat sink 4 is pressed against the first pin 2 to position the heat sink 4.
  • the second pin 3 protruding from the bottom surface of the cavity 5 is disposed on the step of the heat sink 4 positioned.
  • the semiconductor chip 6 and the lead frame 7 are provided on the positioned heat sink 4.
  • a mold 8 is disposed on the mold 1 so as to cover them.
  • the first pin 2 is lowered to the bottom of the cavity 5 (step S2).
  • the mold resin 10 is injected into the cavity 5 through the runner 9 provided between the molds 1 and 8 and the heat sink 4 is held while the second pin 3 is protruded. It seals with mold resin 10 (Step S3). At this time, the heat sink 4 is fixed by the second pin 3 to prevent misalignment. After the resin sealing is completed, the second pin 3 is lowered to the bottom of the cavity 5 (step S4).
  • the first pin 2 is lowered to perform resin sealing.
  • the first pin 2 can be protruded to a sufficient height with respect to the thick heat sink 4 with a step, so that the heat sink 4 with a step can be positioned.
  • heat sink 4 with a rectangular planar shape can be used. Since the heat sink 4 having a rectangular planar shape is easy to process, it is low in cost.
  • the heat sink 4 is sealed with the mold resin 10 while the second pin 3 disposed in the step protrudes. Thereby, position shift of the heat sink 4 at the time of injection
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a method of manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
  • the second pin 3 is a fixing pin. This reduces the mold production cost because the movable pin is reduced. Furthermore, since the resin burr cleaning frequency around the movable pin is also reduced, the maintenance cost is reduced.
  • the second pin 3 may have a cylindrical shape, it is preferable that the tip of the second pin 3 be tapered. Thereby, even if the bottom surface of the heat sink 4 rides on the second pin 3, it slides down along the taper and returns to the bottom surface of the cavity 5.
  • Other configurations and effects are the same as in the first embodiment.
  • FIG. 7 is a plan view showing a method of manufacturing a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention.
  • 8 to 10 are cross-sectional views showing a method of manufacturing a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. 7 to 10 correspond to FIGS. 2 to 5 of the first embodiment, respectively.
  • the second pin 3 is not provided on the side on which the runner 9 is located, which is the injection port of the mold resin 10 to the cavity 5. .
  • the resin burr cleaning frequency around the movable pin is also reduced, the maintenance cost is reduced.
  • the second pins 3 are disposed along the other three sides of the heat sink 4. Other configurations and effects are the same as in the first embodiment.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view showing the method of manufacturing the semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention.
  • the movable pin plate 11 and the ejector pin plate 12 are attached to the stopper plate 13 and move individually with respect to the stopper plate 13.
  • the first pin 2 is fixed to the movable pin plate 11.
  • the ejector pin 14 is fixed to the ejector pin plate 12.
  • the ejector pin 14 is protruded from the bottom of the cavity 5 to take out the heat sink 4 sealed with the mold resin 10.
  • the second pin 3 is fixed to the ejector pin plate 12 together with the ejector pin 14 and interlocked with the operation of the ejector pin 14. Thereby, 2nd pin 3 itself becomes an ejector pin. Moreover, it is not necessary to newly add a plate for moving the second pin 3 and can be implemented with a small scale modification.
  • the first pin 2 may be fixed to the ejector pin plate 12 and the second pin 3 may be fixed to the movable pin plate 11. Other configurations and effects are the same as in the first embodiment.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view showing a method of manufacturing a semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention.
  • the heat sink 4 is sealed by a compression molding process. Specifically, first, the heat sink 4 is positioned on the bottom of the cavity of the upper mold 1 as in the first to fourth embodiments. Next, the mold resin 10 of the granules is melted by the lower mold 8 and pushed up by the movable cavity component 15 to seal the heat sink 4 with the mold resin 10. Even with such a compression molding process, the same effects as in the first to fourth embodiments can be obtained.
  • the semiconductor chip 6 is a MOSFET, an SBD, an IGBT or a PN diode.
  • the semiconductor chip 6 is not limited to one formed of silicon, and may be formed of a wide band gap semiconductor having a larger band gap than silicon.
  • the wide band gap semiconductor is, for example, silicon carbide, gallium nitride based material, or diamond.
  • a semiconductor chip formed of such a wide band gap semiconductor can be miniaturized because of high voltage resistance and allowable current density. By using this miniaturized semiconductor chip, it is possible to miniaturize a semiconductor device incorporating this semiconductor chip. Further, since the heat resistance of the semiconductor chip is high, the radiation fin of the heat sink can be miniaturized, and the water cooling portion can be air cooled, so that the semiconductor device can be further miniaturized. Further, since the power loss of the semiconductor chip is low and the efficiency is high, the efficiency of the semiconductor device can be increased.

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Abstract

底面角部に段差を有する平面形状が矩形のヒートシンク（４）をモールド金型（１）のキャビティ（５）の内部に配置し、キャビティ（５）の底面から第１のピン（２）を突き出してヒートシンク（４）を位置決めする。キャビティ（５）の底面から突き出した第２のピン（３）を、位置決めしたヒートシンク（４）の段差に配置する。ヒートシンク（４）を位置決めした後に第１のピン（２）をキャビティ（５）の底面まで下降させ、第２のピン（３）を突き出したままヒートシンク（４）をモールド樹脂（１０）で封止する。

Description

半導体装置の製造方法
　本発明は、ヒートシンクをモールド樹脂で封止する半導体装置の製造方法に関する。
　パワー半導体モジュールにおいて、樹脂との接着力を向上させ、外気からの水分侵入を防ぐために、底面角部に段差を設けたヒートシンクが用いられている。また、パワー半導体モジュールのトランスファーモールドプロセスにおいて、ヒートシンクを下金型上の定位置に置く必要がある。この位置決め方法として、固定ピンによる位置決めと、可動ピンによる位置決めがある（例えば、特許文献１参照）。
日本特開平１０－０６４９３３号公報
　固定ピンによる位置決めでは、モールド樹脂流動によるヒートシンクの位置ずれは発生しない。ただし、固定ピンに嵌るようにヒートシンクにＵ字又は丸型の穴を設ける必要がある。固定ピンはモールド後に締め付け用のネジ穴を形成するための役割もある。しかし、固定ピンによる位置決めは、平面形状が矩形のヒートシンクには適用できなかった。
　一方、可動ピンによる位置決めでは、ヒートシンクの外周を可動ピンで囲むことにより、矩形のヒートシンクを位置決めすることができる。モールド樹脂の流動による位置ズレを防ぐため、可動ピンが突き出した状態で樹脂注入し、注入完了後にピン先端をキャビティの底面まで下降させる。しかし、可動ピンを下降させる際に可動ピン周辺に樹脂バリが入り込み摺動抵抗が大きくなるので、可動範囲の最大値は０．５ｍｍ程度である。このため、段差付きの肉厚なヒートシンクに対して十分な高さまで可動ピンを突き出すことができない。従って、可動ピンによる位置決めは、段差付きのヒートシンクには適用できなかった。
　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、その目的は底面角部に段差を有する平面形状が矩形のヒートシンクを位置決めしてモールド樹脂で封止することができる半導体装置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、底面角部に段差を有する平面形状が矩形のヒートシンクをモールド金型のキャビティの内部に配置し、前記キャビティの底面から第１のピンを突き出して前記ヒートシンクを位置決めする工程と、前記キャビティの前記底面から突き出した第２のピンを、位置決めした前記ヒートシンクの前記段差に配置する工程と、前記ヒートシンクを位置決めした後に前記第１のピンを前記キャビティの底面まで下降させ、前記第２のピンを突き出したまま前記ヒートシンクをモールド樹脂で封止する工程とを備えることを特徴とする。
　本発明では、第１のピンを突き出してヒートシンクを位置決めした後に第１のピンを下降させ、ヒートシンクの段差に配置した第２のピンを突き出したままヒートシンクをモールド樹脂で封止する。これにより、底面角部に段差を有する平面形状が矩形のヒートシンクを位置決めしてモールド樹脂で封止することができる。
本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法のフローチャートである。 本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態３に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。 本発明の実施の形態３に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態３に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態３に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態４に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態５に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
　本発明の実施の形態に係る半導体装置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、本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法のフローチャートである。図２は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。図３から図５は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
　図２及び図３に示すように、下側のモールド金型１に、可動ピンである第１のピン２及び第２のピン３が設けられている。金属のヒートシンク４をモールド金型１のキャビティ５の内部に配置し、キャビティ５の底面から第１のピン２を突き出してヒートシンク４を位置決めする（ステップＳ１）。ヒートシンク４は、底面角部に段差を有し、平面形状が矩形である。この際に、第１のピン２の突き出し高さをヒートシンク４の厚み相当にし、ヒートシンク４の側壁を第１のピン２に押し当てることでヒートシンク４を位置決めする。また、キャビティ５の底面から突き出した第２のピン３を、位置決めしたヒートシンク４の段差に配置する。
　次に、図４に示すように、位置決めしたヒートシンク４の上に半導体チップ６とリードフレーム７を設ける。これらを覆うようにモールド金型１の上にモールド金型８を配置する。そして、第１のピン２をキャビティ５の底面まで下降させる（ステップＳ２）。
　次に、図５に示すように、モールド金型１，８の間に設けられたランナー９を介してキャビティ５内にモールド樹脂１０を注入し、第２のピン３を突き出したままヒートシンク４をモールド樹脂１０で封止する（ステップＳ３）。この際に第２のピン３でヒートシンク４を固定して位置ずれを防ぐ。樹脂封止が完了した後、第２のピン３をキャビティ５の底面まで下降させる（ステップＳ４）。
　以上、説明したように、本実施の形態では、第１のピン２を用いてヒートシンク４を位置決めした後に第１のピン２を下降させて樹脂封止を行う。これにより、段差付きの肉厚なヒートシンク４に対して十分な高さまで第１のピン２を突き出すことができるため、段差付きのヒートシンク４を位置決めすることができる。また、可動ピンによる位置決めであるため、平面形状が矩形のヒートシンク４を用いることができる。平面形状が矩形のヒートシンク４は加工が容易であるため、低コストである。また、段差に配置した第２のピン３を突き出したままヒートシンク４をモールド樹脂１０で封止する。これにより、モールド樹脂１０の注入時におけるヒートシンク４の位置ずれを防ぐことができる。よって、本実施の形態により、底面角部に段差を有する平面形状が矩形のヒートシンク４を位置決めしてモールド樹脂１０で封止することができる。
実施の形態２．
　図６は、本発明の実施の形態２に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。本実施の形態では第２のピン３が固定ピンである。これにより、可動ピンが減るため、金型製作コストが下がる。さらに、可動ピン外周の樹脂バリ清掃頻度も減るため、メンテナンスコストが下がる。
　第２のピン３は円柱形状でもよいが、第２のピン３の先端にテーパーが設けられていることが好ましい。これにより、ヒートシンク４の底面が第２のピン３に乗り上がっても、テーパーに沿って滑り落ちてキャビティ５の底面まで戻る。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７は、本発明の実施の形態３に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。図８から図１０は、本発明の実施の形態３に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。これらの図７から図１０はそれぞれ実施の形態１の図２から図５に対応する。
　本実施の形態では、ヒートシンク４の矩形の平面形状の４辺のうち、キャビティ５へのモールド樹脂１０の注入口であるランナー９がある側の辺には第２のピン３が設けられていない。これにより、可動ピンが減るため、金型製作コストが下がる。さらに、可動ピン外周の樹脂バリ清掃頻度も減るため、メンテナンスコストが下がる。ただし、ヒートシンク４の回転による位置ずれを防ぐため、ヒートシンク４の他の３辺に沿って第２のピン３を配置する。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４．
　図１１は、本発明の実施の形態４に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。可動ピンプレート１１とエジェクタピンプレート１２が、ストッパープレート１３に取り付けられ、それぞれストッパープレート１３に対して個別に可動する。第１のピン２は可動ピンプレート１１に固定されている。エジェクタピン１４がエジェクタピンプレート１２に固定されている。キャビティ５の底面からエジェクタピン１４を突き出すことで、モールド樹脂１０で封止した前記ヒートシンク４を取り出す。
　第２のピン３は、エジェクタピン１４と共にエジェクタピンプレート１２に固定され、エジェクタピン１４の動作と連動する。これにより、第２のピン３自体がエジェクタピンとなる。また、第２のピン３を可動させるプレートを新たに追加する必要がなく、小規模な改造で実施可能である。なお、第１のピン２がエジェクタピンプレート１２に固定され、第２のピン３が可動ピンプレート１１に固定されていてもよい。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５．
　図１２は、本発明の実施の形態５に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。本実施の形態では、コンプレッションモールドプロセスによりヒートシンク４を封止する。具体的には、まず、実施の形態１～４と同様に、上側のモールド金型１のキャビティ底面においてヒートシンク４を位置決めする。次に、顆粒のモールド樹脂１０を下側のモールド金型８で溶かし、可動キャビティ部品１５により押し上げることで、ヒートシンク４をモールド樹脂１０で封止する。このようなコンプレッションモールドプロセスでも実施の形態１～４と同様の効果を得ることができる。
　なお、半導体チップ６はＭＯＳＦＥＴ、ＳＢＤ、ＩＧＢＴ又はＰＮダイオードなどである。また、半導体チップ６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。
１，８　モールド金型、２　第１のピン、３　第２のピン、４　ヒートシンク、５　キャビティ、１０　モールド樹脂、１２　エジェクタピンプレート、１４　エジェクタピン

Claims (7)

  1. 　底面角部に段差を有する平面形状が矩形のヒートシンクをモールド金型のキャビティの内部に配置し、前記キャビティの底面から第１のピンを突き出して前記ヒートシンクを位置決めする工程と、
    　前記キャビティの前記底面から突き出した第２のピンを、位置決めした前記ヒートシンクの前記段差に配置する工程と、
    　前記ヒートシンクを位置決めした後に前記第１のピンを前記キャビティの底面まで下降させ、前記第２のピンを突き出したまま前記ヒートシンクをモールド樹脂で封止する工程とを備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 　前記第２のピンは固定ピンであ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。
  3. 　前記第２のピンの先端にテーパーが設けられていることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 　前記ヒートシンクの矩形の平面形状の４辺のうち、前記キャビティへの前記モールド樹脂の注入口がある側の辺に沿って前記第２のピンが設けられていない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。
  5. 　前記ヒートシンクの回転による位置ずれを防ぐように前記第２のピンを配置することを特徴とする請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
  6. 　前記キャビティの前記底面からエジェクタピンを突き出すことで、前記モールド樹脂で封止した前記ヒートシンクを取り出す工程を更に備え、
    　前記第１のピン又は前記第２のピンは、前記エジェクタピンと共にエジェクタピンプレートに固定され、前記エジェクタピンの動作と連動す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。
  7. 　コンプレッションモールドプロセスにより前記ヒートシンクを封止することを特徴とする請求項１～６の何れか１項に記載の半導体装置の製造方法。
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