JP2004063963A

JP2004063963A - 半導体装置用ステムとその製造方法

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Publication number: JP2004063963A
Application number: JP2002222774A
Authority: JP
Inventors: Shigeki Nakamura; 中村　重樹
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-07-31
Filing date: 2002-07-31
Publication date: 2004-02-26
Anticipated expiration: 2022-07-31
Also published as: JP4165143B2

Abstract

【課題】硬化した樹脂充填部６と絶縁リード線５との押し込み・引張り等の外部応力で、界面に剥離現象を起こすことが無く、低温低圧縮工程による半導体装置用ステムの製造方法を提供する。
【解決手段】合成樹脂を粉末状にし、プレスにより未硬化樹脂充填部品１０を成形する。ここで、リード線とベースに挿通する未硬化樹脂充填部品１０はリード線用孔径を凹凸部７の凸部外径より小さく成形したもので、前記未硬化樹脂充填部品１０を加熱圧入することにより、凹凸部近傍の未充填部８の無いステムを得、硬化した樹脂充填部６がアンカー効果（機械的結合）の役割を果たし、外部応力に対する耐強度を向上する半導体装置用ステムの製造方法。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置用ステムとその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４（ｃ）は従来の半導体装置用ステムの完成図を示したものである。図４（ｃ）において、２１は円盤状の金属板材から絞り加工により折り曲げ形成した凹形状のベース、２２はベース２１に一体形成された半導体素子取り付け部、２３はベース２１に設けられた貫通孔、２４はベース２１と導通接続されたアースリード線、２５は貫通孔２３に挿通された絶縁リード線、２６はベース２１と絶縁リード線２５に充填する硬化した樹脂充填部、２７は絶縁リード線２５に形成された凹凸部、２８ａ、２８ｂはバリ対策の低温低圧縮で施した際の凹凸部近傍の未充填部、２９はベース２１の内側に形成された環状壁部内面であって、金属板を凹形状に加工されたベースと、絶縁リード線と未硬化樹脂充填部品３０とからなり、前記ベースには前記絶縁リード線を挿通する貫通孔が形成されてあり、前記絶縁リード線の硬化した樹脂充填部には凸部が形成された構成をとる半導体装置用ステムである。なお、図４（ａ）はタブレット状の未硬化樹脂充填部品３０であり、図４（ｂ）はベース２１と絶縁リード線２５と未硬化樹脂充填部品３０とを治具（図示せず）に組み合わせた状態を示す組立図である。
【０００３】
上記の構成は、絶縁リード線２５と硬化した樹脂充填部２６との密着力不足を解決する方法として提案されたもので、図４（ｂ）に組立断面図で示すように、絶縁リード線２５と硬化した樹脂充填部２６の接触する部分に凹凸部２７を形成し、ベース２１に挿通したリード線に樹脂を加熱圧入することにより、リード線の凹凸部２７と硬化した樹脂充填部２６で機械的な引っ掛かりの効果を示すアンカー効果（機械的結合）で、押し込みや引張りなどの外部応力から耐破壊強度を大きくしようとしたものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の構成では合成樹脂を充填する際、絶縁リード線凹凸部近傍に樹脂の未充填部が形成されることによって、リード線と合成樹脂間の耐破壊強度が弱くなる。
【０００５】
ベース２１ならびに絶縁リード線２５は、例えば、ＦｅやＦｅ−Ｎｉ合金などの金属からなり、合成樹脂系充填材は、例えば、メラミン、フェノール、エポキシ等からなるが、これらの樹脂充填材は金属と硬化した樹脂充填部２６の両者のぬれ性（相溶性）が悪いのが現状であり、そのためベース２１ならびに絶縁リード線２５と硬化した樹脂充填部２６との界面は、接着強度が非常に弱いのである。
【０００６】
その為に、半導体素子を半導体素子取り付け部２２へ取り付ける時や組立完成後ハウジングに取り付ける時などの実装工程では絶縁リード線２５へ、押し込みや引張り力などの外部応力が加わると、絶縁リード線２５と硬化した樹脂充填部２６との界面に剥離現象が発生し、絶縁リード線２５が硬化した樹脂充填部２６から、抜けたり傾くなどの不具合が発生するという問題がある。
【０００７】
それに対し、絶縁リード線２５と硬化した樹脂充填部２６間の密着力不足を解決する方法として、図４（ｂ）に示すように、絶縁リード線２５の硬化した樹脂充填部２６と接触する部分に凹凸部２７を形成し、アンカー効果（機械的結合）による抜け防止処理を設けた絶縁リード線２５を用いることが広く知られている。
【０００８】
図４（ａ）のｓと図４（ｂ）のｌ、ｈの関係でｌ＜ｈ＜ｓをとる従来の技術は、図４（ｂ）のような構成で組立てられる。すなわち、ｌはリード線径、ｓは絶縁リード線用孔３２及びアースリード線用孔３１のリード線用に施した孔径、ｈは凹凸部２７の凸部の外径である。これを加熱圧入し、成形・キュアーすると絶縁リード線２５の凹凸部２７近傍に硬化した樹脂とリード線壁面とに図４（ｃ）に示す凹凸部近傍の未充填部２８ａ、２８ｂが発生するという問題が生じる。
【０００９】
この方法は絶縁リード線２５が硬化した樹脂充填部２６から抜けることを防ぐには効果的である。しかし、この方法だけでは、バリ対策のため、低圧圧縮及び全工程２００℃以下で行うので、前記絶縁リード線２５に設けた凹凸部２７の近傍で凹凸部近傍の未充填部２８ａ、２８ｂが残り、半導体素子を半導体素子取り付け部２２へ取り付ける時や組立完成後、ハウジングに取り付ける時などの実装工程において、絶縁リード線２５へ加わる押し込みや引張り力などの外部応力により、絶縁リード線２５が硬化した樹脂充填部２６から剥離を起こしたり、傾くなどの不具合が発生するという問題は依然解決せずに残る。
【００１０】
そして、その改善のために図３に示す方法が考えられる。１０１は円盤状の金属板材から絞り加工により折り曲げ形成した凹形状のベース、１０２はベース１０１に一体形成された半導体素子取り付け部、１０３はベース１０１に設けられた貫通孔、１０４はベース１０１と導通接続されたアースリード線、１０５は貫通孔１０３に挿通された絶縁リード線、１０６はベース１０１と絶縁リード線１０５に充填する硬化した樹脂充填部、１０７は絶縁リード線１０５に形成された凹凸部、１０８はバリ対策の低温低圧縮で施した際の凹凸部近傍の未充填部、１０９はベース１０１の内側に形成された環状壁部内面であって、金属板を凹形状に加工されたベースと、絶縁リード線と未硬化樹脂充填部品１１０とからなり、凹凸部１０７の上下から、個別の未硬化樹脂充填部品１１０を充填することを行うことが考えられる。
【００１１】
しかし、上記に示す方法で未硬化樹脂充填部品１１０を溶融充填固化することは樹脂界面で大量の気泡が発生することと、上部及び下部の未硬化樹脂充填部品１１０が加熱圧入による充填で樹脂同士がなじんでいない界面が生じることが懸念される。
【００１２】
本発明は上記問題を解決するためのものであり、半導体素子を半導体素子取り付け部へ取り付ける時や組立完成後ハウジングに取り付ける時などの実装工程において加わる絶縁リード線への押し込み・引張り力などの外部応力で、前記絶縁リード線と硬化した樹脂充填部間の界面が剥離することなく、又、絶縁リード線が傾くことや剥離することなどのない半導体装置用ステムとその製造方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明は、金属板を凹形状に加工されたベースと、絶縁リード線と未硬化樹脂充填部品とからなり、前記ベースに前記絶縁リード線を挿通する貫通孔が形成され、前記絶縁リード線の硬化した樹脂充填部に凸部が形成されてなる半導体装置用ステムであって、前記絶縁リード線凹凸部の金属ベースの閉口部側に凹凸部近傍の未充填部が形成されたものである。これによって、金属ベースの開口部側が充填されているので、リードとステムとの引張り強度が大きくなる半導体装置用ステムである。
【００１４】
又、ベースに一体に形成した半導体レーザ素子等の取り付け部及び絶縁リード線、合成樹脂系充填材により充填してなるステムを備えた半導体装置用ステムにおいて、粉末状の合成樹脂にフィラーを混入、混合させる工程と、粒度を分級設定する工程と、ベース開口部の内径に金型の内径を合わせた金型に入れ、且つ絶縁リード線に施した凸部の外径より小さい孔径である未硬化樹脂充填部品にプレス成型して形成する工程と、ベース開口部側から前記未硬化樹脂充填部品を絶縁リード線に施した凸部まで挿通して組立てる工程と前記未硬化樹脂充填部品をベース内部にキュアー・成型する際の低温低圧縮する工程とからなる製造方法である。この様な製造方法によればリード線の凹部近傍に硬化した樹脂未充填部を作らないようにすることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００１６】
図１（ａ）は本発明に係る半導体装置用ステムを示したもので、図１（ｂ）は図１（ａ）のＸ−Ｘ線に沿った断面図である。図１（ａ）および図１（ｂ）において、１は円盤状の金属板材から絞り加工により折り曲げ形成した凹形状のベース、２はベース１に一体形成された半導体素子取り付け部、３はベース１に設けられた貫通孔、４はベース１と導通接続されたアースリード線、５は貫通孔３に挿通された絶縁リード線、６はベース１と絶縁リード線５に充填する硬化した樹脂充填部、７は絶縁リード線５に形成された凹凸部、８はバリ対策の比較的低圧で熱圧縮成形を施した際の凹凸部近傍の未充填部、９はベース１の内側に形成された環状壁部内面という構成をとり、前記絶縁リード線５の凹凸部７の金属ベースの閉口部側に凹凸部近傍の未充填部が形成された半導体装置用ステムである。
【００１７】
ここで、未硬化樹脂充填部品１０は液状からなるＡステージもしくは半固体のＢステージからなり、ベースの内側形状を合わせ、且つ絶縁リード線凸部の外径未満にした孔を形成したものである。
【００１８】
図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および図２（ｄ）は本発明に係る半導体装置用ステムの製造方法を工程処理順に示したもので、図２（ａ）はベース１にリード線を挿通した組立断面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のリード線に未硬化樹脂充填部品１０のアースリード線用孔１１と絶縁リード線用孔１２との位置を合わせた後、未硬化樹脂充填部品１０を凹凸部７まで挿通した組立断面図、図２（ｃ）は完全に未硬化樹脂充填部品１０がベース１に加熱圧縮された完成品断面図である。
【００１９】
未硬化樹脂充填部品１０は例えば、熱硬化性樹脂からなり、その熱硬化性樹脂にはフィラーを混入させてある。
【００２０】
フィラーの含有量を、適宜増すことでリード引張り強度が強くなる。
【００２１】
フィラーの粒度は粒径の異なる３種、０．２５ｍｍから１．２７ｍｍ、０．２５ｍｍから０．８５ｍｍ及び０．２５ｍｍから０．６０ｍｍの中から選定した。
【００２２】
このとき、未硬化樹脂充填部品１０の必要タブレット重量と、バラツキを２１±１ｍｇとし、そのスペックを満たす粒径を選定した。特性は例えば、比重は２、ガラス転移点は１９０℃、線膨張係数１×１０^−５／℃、吸湿率は０．３ｗｔ％で多官能型エポキシ、高Ｔ_ｇ・低熱膨張の特徴を有するもので、特に膨張係数は金属に近づく。
【００２３】
次に、ベース内側の内径に金型の内径を合わせた金型に入れ、且つ絶縁リード線に施した凸部の外径より小さい孔径で、プレス成型した未硬化樹脂充填部品を形成する。
【００２４】
特に接着性、絶縁リード線５の引張り強度などで優れていた粒度０．２５ｍｍから０．６０ｍｍの間で粉末を得、プレス成型により、図２（ｄ）のとおり打錠して、図２（ｃ）から、ｌ＜ｓ＜ｈという関係とし、例えば、孔径ｓは０．５ｍｍ程度とし、未硬化樹脂充填部品１０を得た。
【００２５】
ここで、絶縁リード線５と前記未硬化樹脂充填部品１０の関係は図２（ｃ）のとおり、ｌ＜ｓ＜ｈとするものである。絶縁リード線５は直径を適宜選択可能で、例えば、直径０．４５ｍｍ程度のＦｅやＦｅ−Ｎｉ合金などの金属からなり、凹凸部７の形状は適宜選択可能であり、例えば、凹凸部７を得、凸部の外径を０．７８ｍｍ程度とし、また、合成樹脂系充填材も適宜選択可能で、ここでは熱硬化性樹脂を用いた。
【００２６】
上記の絶縁リード線５と未硬化樹脂充填部品１０をベース開口部側から絶縁リード線５に施した凸部まで未硬化樹脂充填部品１０を挿通して組立てる。
【００２７】
次に、未硬化樹脂充填部品１０をベース内部にキュアー・成型する際に低温低圧縮する。
【００２８】
そして、絶縁リード線５の凹凸部近傍にて、未硬化樹脂充填部品１０が加熱圧入され、ベース開口部側の凹凸部近傍の未充填部を充填させる。
【００２９】
上記の方法は、凹凸部近傍の未充填部８を無くし、引張りや押し込みなどの外部応力から前記絶縁リード線とステムを保護するための半導体装置用ステムの製造方法である。これによれば、半導体素子を半導体素子取り付け部２へ取り付ける時や組立完成後ハウジングに取り付ける時など実装する時に加わる外部応力で、前記ステムおよび絶縁リード線と硬化した樹脂充填部６間との界面に剥離現象が発生することがない一工程のみの半導体装置用ステムの製造方法である。
【００３０】
なお、前記製造方法は全工程で２００℃を超えないため、組立てる以前に金属めっきを施しておける。従って、半導体装置用ステムを製造後、後処理のめっき工程を必要としない、且つ低温低圧圧縮で製造するため貫通孔側のバリの発生を抑制するものである。
【００３１】
また、実施形態では、合成樹脂系充填材として熱硬化性樹脂を挙げたが、感圧形接着剤や低融点ガラス及び溶融粘度の比較的高い熱可塑性樹脂等を用いることも可能である。
【００３２】
更に、未硬化樹脂充填部品１０はベース内側とほぼ同形の形状に打錠して充填するため、樹脂の使用率がほぼ１００％であり樹脂廃棄物の発生が殆どない。
【００３３】
以上、本発明による半導体装置およびその製造方法の一実施形態について説明したが、本発明の思想に逸脱しない限り適宜変更可能である。
【００３４】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明の半導体装置用ステムは金属と合成樹脂充填材の接着強度は粉末状の合成樹脂にフィラーを投入、混合させた構成であるから接着強度が大きくなる。また、無機フィラーの含有量を制御することにより接着強度を制御することも可能である。
【００３５】
また、絶縁リード線に施した凹凸部により、硬化した樹脂充填部が絶縁リード線と接触面積を大きくする役割を果たすと共に、絶縁リード線が係り止めを目的とした特有な形状部を有しているため、アンカー効果（機械的結合）による硬化した樹脂充填部と絶縁リード線との引張り強度が強くなる。
【００３６】
なお、絶縁リード線と未硬化樹脂充填部品の関係は、ｌ＜ｓ＜ｈとするもので、ｌはリード線径、ｓは絶縁リード線及びアースリード線のリード線用の孔径、ｈは凹凸部の凸部の外径である。ｓがｈより小さいことにより、未硬化樹脂充填部品を加熱圧入することで、絶縁リード線の凹凸部近傍のベース開口部側が充填される効果を示す。
【００３７】
さらにまた、本発明の半導体装置用ステムの製造方法によれば、一工程の成形で合成樹脂系充填材を充填させることができ、全工程２００℃以下で行う低温低圧縮により、ステムを効率よく提供できる効果を得ることができる。
【００３８】
更に、低温で製造できるため樹脂材種の種別範囲が広い効果がある。
【００３９】
そして、さらに本発明は、半導体素子取り付け部に半導体素子を取り付ける時や組立完成後ハウジングに取り付ける時など、実装を施す際の外部応力による絶縁リード線と硬化した樹脂充填部の耐破壊強度の向上で、剥離現象や傾くなどの不良率の低減を図れるといった多大の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態における半導体装置用ステムを示すもので、
（ａ）は、斜視図
（ｂ）は、図１（ａ）のＸ−Ｘ線に沿った断面図
【図２】本発明の実施形態による半導体装置用ステムの製造工程の詳細説明断面図を示すもので、
（ａ）は、ベースと絶縁リードの組立断面図
（ｂ）は、絶縁リード線に樹脂を挿通させた組立断面図
（ｃ）は、未硬化樹脂充填材が溶融して硬化したステム完成品の断面図
（ｄ）は、合成樹脂系充填材をプレス成型した未硬化樹脂充填部材を示す図
【図３】本発明の課題克服で提案された絶縁リード線と樹脂の組立を示す断面図
【図４】従来の実施形態によるステムの製造工程を示すもので、
（ａ）は、合成樹脂系充填材をプレス成型した未硬化樹脂充填部材を示す図
（ｂ）は、絶縁リード線と樹脂の組立断面図
（ｃ）は、未硬化樹脂充填材が溶融して硬化したステム完成品の断面図
【符号の説明】
１、２１、１０１　ベース
２、２２、１０２　半導体素子取り付け部
３、２３、１０３　貫通孔
４、２４、１０４　アースリード線
５、２５、１０５　絶縁リード線
６、２６、１０６　硬化した樹脂充填部
７、２７、１０７　凹凸部
８、２８ａ、２８ｂ　凹凸部近傍の未充填部
９、２９、１０９　環状壁部内面
１０、３０、１１０　未硬化樹脂充填部品
１１、３１　アースリード線用孔
１２、３２　絶縁リード線用孔

Claims

金属板を凹形状に加工されたベースと、絶縁リード線と未硬化樹脂充填部品とからなり、前記ベースには前記絶縁リード線を挿通する貫通孔が形成されてあり、前記絶縁リード線の硬化した樹脂充填部には凸部が形成されてある半導体装置用ステムにおいて、前記絶縁リード線凸部の金属ベースの閉口部側の凸部近傍に未充填部が形成されてなることを特徴とする半導体装置用ステム。
ベースに一体に形成した半導体レーザ素子等の取り付け部及び絶縁リード線、合成樹脂系充填材により充填してなるステムを備えた半導体装置用ステムの製造方法において、粉末状の合成樹脂にフィラーを投入、混合させる工程と、粒度を分級設定する工程と、ベース開口部の内径に金型の内径を合わせた金型に入れ、且つ絶縁リード線に施した凸部の外径より小さい孔径である未硬化樹脂充填部品にプレス成型して形成する工程と、ベース開口部側から前記未硬化樹脂充填部品を絶縁リード線に施した凸部まで挿通して組立てる工程と、前記未硬化樹脂充填部品をベース内部にキュアー・成型する際の低温低圧縮する工程とからなることを特徴とした半導体装置用ステムの製造方法。