JP4935765B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、内面側にて半導体素子を挟む２枚の金属板の間を、樹脂で封止するとともに、両金属板の外面を樹脂より露出させてなる半導体装置の製造方法に関する。

従来より、この種の製造方法は、半導体素子を両金属板で挟んだワークを金型内に設置し、金型内に樹脂を注入して、半導体素子を含む両金属板の間を樹脂によって封止するものである（たとえば、特許文献１参照）。また、樹脂においては、樹脂の熱膨張係数の調整と放熱性の向上を目的として、一般に当該樹脂よりも硬いシリカなどよりなる粒状のフィラーが当該樹脂に含有されている。
特開２００７−２７７９４号公報

ここで、金型内にワークを設置するとき、一方の金属板の外側の面を金型の内面に押し付け、且つ他方の金属板の外側の面と金型との間に隙間を設けた状態とし、この状態で樹脂の注入を行い、当該隙間に樹脂を充填することが行われている。

これは、モールド時に両金属板の片方の外側にも樹脂を回すことで、両金属板間を静水圧とし、両金属板間の外側に働く応力が発生しないようにするためである。この場合、一方の金属板の外側の面は金型に押しつけられて密着するため、樹脂によって被覆されることはないが、他方の金属板の外側の面には樹脂が付着する。

そこで、上記特許文献１にも記載されているように、樹脂封止されたワークを金型から取り出した後、他方の金属板の外側の面に付着した樹脂を削って除去することにより、両金属板の外側の面を露出させ、放熱性を確保する必要がある。

しかし、樹脂中には上述したような硬いフィラーが入っており、切削するための刃具や砥石の寿命が短くなり、コストがかかるという問題がある。

本発明は、上記した問題に鑑みてなされたものであり、内面側にて半導体素子を挟む２枚の金属板の間、および片方の金属板の外面を、樹脂で封止した後、当該片方の金属板の外面に付着した樹脂を削って当該外面を露出させるようにした半導体装置の製造方法において、片方の金属板の外面に回り込む樹脂中にフィラーが入らないようにすることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、半導体素子（１、２）を両金属板（３、４）で挟んだワークを金型（２００）内に設置し、一方の金属板（４）の外側の面（４ｂ）を金型（２００）に押し付け、且つ他方の金属板（３）の外側の面（３ｂ）と金型（２００）との間に隙間（２０４）を設けた状態で、金型（２００）内に樹脂（７）を注入して樹脂（７）による封止を行うとともに隙間（２０４）に樹脂（７）を充填する工程において、隙間（２０４）の間隔をフィラー（７１）の最小粒径よりも小さくすることを特徴としている。

それによれば、他方の金属板（３）の外側の面（３ａ）と金型（２００）との間の隙間（２０４）の間隔が、樹脂（７）中のフィラー（７１）の最小粒径よりも小さいため、片方の金属板（３）の外面（３ａ）に回り込む樹脂（７）中にフィラー（７１）が入らないようにすることができる。その結果、切削用の刃具や研削用の砥石にフィラーが当たって摩耗する度合を大幅に低減できる。

ここで、請求項２に記載の発明のように、樹脂（７）を削って除去することは、切削もしくは研削により行うものにできる。

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る半導体装置１００の概略構成を示す図であり、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は同半導体装置１００のＡ−Ａ一点鎖線に沿った概略断面図である。この半導体装置１００は、たとえば自動車などの車両に搭載され、車両用電子装置を駆動するための装置として適用されるものである。

図１に示されるように、本半導体装置１００は、平面的に配置された２個の半導体素子１、２を備える。本例では、第１の半導体素子１はＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）１であり、第２の半導体素子２は、ＦＷＤ（フライホイールダイオード）２である。

そして、これら両半導体素子１、２の両面は、当該半導体素子１、２の電極および放熱部材として機能する一対の金属板３、４にて挟まれている。これら金属板３、４は、銅合金もしくはアルミ合金等の熱伝導性および電気伝導性に優れた金属によって構成されており、ここでは、図１に示されるように、実質的に矩形板状をなす。

ここで、一対の金属板３、４のうち第１の金属板３は、ＩＧＢＴ１の一面（図１（ｂ）中の上面）側に設けられ、第２の金属板４は、ＩＧＢＴ１の一面とは反対側の他面（図１（ｂ）の下面）側に設けられている。

それにより、両金属板３、４は、互いの内面３ａ、４ａにて対向するとともに、半導体素子１、２を挟むように配置されている。また、各金属板３、４において、内面３ａ、４ａとは反対側の面である外面３ｂ、４ｂは放熱面として構成されている。

そして、両金属板３、４の内面３ａ、４ａの間において、両半導体素子１、２の一面と第１の金属板３の内面３ａとの間は、はんだ５によって電気的・熱的に接続されている。また、両半導体素子１、２の他面と第２の金属板４との間には、ブロック体６が介在している。なお、図１（ｂ）では、ＩＧＢＴ１におけるブロック体６の介在の様子を断面的に示しており、図示しないが、ＦＷＤ２についても同様のブロック体が介在している。

このブロック体６は、電気導電性、熱伝導性に優れた矩形ブロック状のもので、通常銅からなるが、モリブデンなどを用いてもよい。そして、各半導体素子１、２とブロック体６との間、および、ブロック体６と第１の金属板３の内面３ａとの間は、それぞれ、はんだ５によって電気的・熱的に接続されている。

ここで、上記の各部を接続するはんだ５は、一般的な半導体装置の分野にて採用されるはんだ材料とすることができ、たとえば、すず−銅合金系はんだなどの鉛フリーはんだを採用することができる。

そして、図１、図２に示されるように、本実施形態の半導体装置１００においては、一対の金属板３、４およびこれに挟み込まれた半導体素子１、２、ブロック体６が、モールド樹脂７にて封止されている。

このモールド樹脂７はエポキシ樹脂などの通常のモールド材料よりなり、後述するように、成形金型を用いた樹脂成形によって作製されたものである。モールド樹脂７には、一般的なモールド樹脂と同様に、当該モールド樹脂７よりも硬い粒状のフィラー７１が含有されている。

図１（ｂ）では、フィラー７１は多数の円として示してあるが、このフィラー７１は、モールド樹脂７の熱膨張係数の調整と放熱性の向上を目的として、モールド樹脂７よりも硬いシリカなどよりなる粒状のものである。

また、図１に示されるように、一対の金属板３、４のそれぞれにおいて外面３ｂ、４ｂが、モールド樹脂７から露出している。これにより、本半導体装置１００は、第１および第２の半導体素子１、２の両面のそれぞれにて、第１の金属板３、第２の金属板４を介した放熱が行われる両面放熱型の構成となっている。

また、一対の金属板３、４は、はんだ５やブロック体６を介して、両半導体素子１、２の各面の図示しない電極に電気的に接続されている。たとえば、第１の金属板３、第２の金属板４は、それぞれ、ＩＧＢＴ１のコレクタ側の電極およびＦＷＤ２のカソード側の電極、ＩＧＢＴ１のエミッタ側の電極およびＦＷＤ２のアノード側の電極となるものである。

ここで、半導体装置１００においては、一対の金属板３、４のそれぞれの一部が、矩形の辺部からモールド樹脂６の外部まで突出した端子３ｃ、４ｃとして構成されており、この端子３ｃ、４ｃは外部と電気的に接続されるようになっている。

また、図１に示されるように、半導体装置１００においては、第２の金属板４の周囲に、複数本のリード部８が設けられている。これらリード部８は、ここでは、ＩＧＢＴ１の制御用の端子などとして機能するものであり、一部がモールド樹脂７に封止され、残部が外部と接続されるためにモールド樹脂７から露出している。

そして、モールド樹脂７の内部では、ＩＧＢＴ１の一面すなわち第１の金属板３側の面とリード部８とが、ボンディングワイヤ９を介して電気的・機械的に接続されている。このボンディングワイヤ９は、Ａｕ（金）やＡｌ（アルミ）などよりなる一般的なワイヤボンディングにより形成されたものである。

このような構成において、第１の金属板３と半導体素子１、２との間に介在するブロック体６は、このＩＧＢＴ１とリード部８とのワイヤボンディングを行うにあたって、上記ワイヤ９の高さを維持するために、ＩＧＢＴ１のワイヤボンディング面と第１の金属板３との間の高さを確保している。

次に、上記半導体装置１００の製造方法について、図２を参照して述べる。図２は、本製造方法における樹脂封止工程を示す概略断面図である。まず、上記図１においてモールド樹脂７が無いもの、すなわち、モールド樹脂７によって樹脂封止されるワークＷ（図２（ａ）参照）を作製する。

このワークＷは、第１の金属板３、半導体素子１、２、ブロック体６、第２の金属板４を、はんだ５を介して積層し接合するとともに、リード部８とＩＧＢＴ１との間でワイヤボンディングを行うことにより、作製される。

次に、このワークＷをモールド樹脂７により封止する。この樹脂封止は、一般的なトランスファーモールド法に用いられる成形用の金型２００を用いて行われる。図２（ａ）に示されるように、この金型２００は、半導体装置１００におけるモールド樹脂７の外形に実質的に一致した形状のキャビティ２０３を有するもので、たとえば上型２０１と下型２０２とを合致させ、その間にキャビティ２０３を形成するものである。

そして、図２（ａ）に示されるように、樹脂封止工程では、キャビティ２０３内にワークＷをセットする。このとき、両金属板３、４の片方の外側にもモールド樹脂７を回すことで、両金属板３、４間を静水圧とするために、両金属板３、４の一方の金属板の外面を金型に押し付け、且つ他方の金属板の外面と金型との間に隙間を設けた状態で、樹脂注入を行い、当該隙間にも樹脂を充填するようにする。

本実施形態では、両金属板３、４のうち第２の金属板４の外面４ｂを金型２００に押し付け、且つ第１の金属板３の外面３ｂと金型２００との間に隙間２０４を設けた状態とする。

そして、本実施形態では、さらに、隙間２０４の間隔Ｌ（図２（ａ）参照）をモールド樹脂７中のフィラー７１の最小粒径よりも小さくする。上述のように、フィラー７１は、一般的なこの種のフィラーと同様に粒状であり、具体的には球状、棒状、フレーク状、砕粉状などの粒形状を持つものであるが、通常の測定法により求められた粒径により規定されるものである。

この粒径は、最小粒径と最大粒径の間で分布を持つが、フィラー７１の最小粒径とは、この分布を持った粒径の最小粒径である。一例を挙げると、フィラー７１は、数十μｍ〜百数十μｍ程度のばらつきを有する平均粒径が１００μｍ程度のものである。ここで、最小粒径をたとえば５０μｍとすると、上記隙間２０４の間隔Ｌは、たとえば３０μｍ程度にすればよい。これは型加工や切削加工などにより形成されるキャビティ２０３の高さを、あらかじめワークＷの高さよりも３０μｍ高くなるように調整しておけばよい。

そして、このようにワークＷを金型２００にセットした状態で、金型２００内にモールド樹脂７を注入し充填を行う。すると、ワークＷの一方の端部側からモールド樹脂７が充填されていき、ワークＷが封止されていく。また、第１の金属板３の外面３ｂと金型２００との隙間２０４にもモールド樹脂７が入り込み、隙間２０４がモールド樹脂７により充填される。

このとき、本実施形態では、第１の金属板３の外面３ｂと金型２００との間の隙間２０４の間隔Ｌが、フィラー７１の最小粒径よりも小さいため、当該間隔２０４に樹脂７は入るが、フィラー７１は入らない。つまり、本実施形態では、第１の金属板３の外面３ｂに回り込むモールド樹脂７中にフィラー７１が入るのを防止できる。

こうして、樹脂封止が終了したワークＷを金型２００から取り出すと、図２（ｂ）に示されるものとなる。ここで、上記隙間２０４へのモールド樹脂７の侵入によって、第１の金属板３の外面３ｂにモールド樹脂７が樹脂バリとして付着しているが、この樹脂バリの厚さは、上述のように、フィラー７１の最小粒径よりもうすいものであり、この樹脂バリにはフィラー７１は含有されていない。

次に、本製造方法では、両金属板３、４の外面３ｂ、４ｂをモールド樹脂７より露出させ、放熱性を確保する必要がある。第２の金属板４の外面４ｂは金型２００に押しつけられて密着するため、封止後にモールド樹脂７によって被覆されず露出している。しかしながら、第１の金属板３の外面３ｂに付着した樹脂バリについては、これを削って除去する必要がある。

この樹脂バリの除去工程は、刃具を用いて樹脂バリを切削したり、砥石を用いて樹脂バリを研削したりすることにより行う。これら切削や研削は、第１の金属板３の外面３ｂが露出するまで行う。また、両金属板３、４の外面３ｂ、４ｂの平行度を良好なものにするため、第１の金属板３の外面３ｂをさらに切削などにより削ってもよい。

このバリの除去の際、樹脂バリ中には硬いフィラー７１が含有されていないので、切削用の刃具や研削用の砥石にフィラー７１が当たって摩耗する度合を大幅に低減することができる。こうして、バリの除去が完了すると、図２（ｃ）に示されるように、本実施形態の半導体装置ができあがる。

このように、本実施形態によれば、切削するための刃具や砥石が、従来のようにフィラーに当たって摩耗することがなくなり、これらの寿命が長くなるため、コストの低減が期待される。

（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、両金属板３、４のうち第２の金属板４の外面４ｂを金型２００に押し付け、且つ第１の金属板３の外面３ｂと金型２００との間に隙間２０４を設けた状態としたが、これとは逆に、第１の金属板３の外面３ｂを金型２００に押し付け、且つ第２の金属板４の外面４ｂと金型２００との間に隙間２０４を設けた状態として樹脂封止を行ってもよい。この場合も隙間２０４の間隔とフィラー７１の最小粒径との関係は上記実施形態と同様とすればよい。

また、一対の金属板３、４に挟まれる半導体素子としては、両面に配置される一対の金属板３、４を電極や放熱板として用いることが可能なものであれば、上記したＩＧＢＴ１やＦＷＤ２でなくてもよい。また、半導体素子は２個に限定されるものではなく、１個でもよいし、３個以上でもよい。

また、上述したように、ブロック体６は、ＩＧＢＴ１と第１の金属板３との間に介在し、これら両部材１、３の間の高さを確保する役割を有するものであるが、可能であるならば、上記各実施形態において、ブロック体６は存在しないものであってもよい。この場合、たとえば、上記図１において、半導体素子１、２の上面と対向する第１の金属板３の内面３ａの部位を突出させ、この突出部と半導体素子１、２とを直接はんだ付けするようにしてもよい。

本発明の第１実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す図であり、（ａ）は概略平面図、（ｂ）はＡ−Ａ概略断面図である。 第１実施形態の製造方法における樹脂封止工程を示す概略断面図である。

符号の説明

１ 半導体素子としてのＩＧＢＴ
２ 半導体素子としてのＦＷＤ
３ 第１の金属板
３ａ 第１の金属板の内面
３ｂ 第１の金属板の外面
４ 第２の金属板
４ａ 第２の金属板の内面
４ｂ 第２の金属板の外面
７ モールド樹脂
７１ フィラー
２００ 金型
２０４ 隙間

Claims (2)

1. 半導体素子（１、２）を２枚の金属板（３、４）で挟み、前記半導体素子（１、２）を含む前記両金属板（３、４）の間を樹脂（７）で封止し、前記両金属板（３、４）の外側の面（３ｂ、４ｂ）を前記樹脂（７）より露出させてなる半導体装置の製造方法であって、
   前記樹脂（７）として、当該樹脂（７）よりも硬い粒状のフィラー（７１）が含有されているものを用い、
   前記半導体素子（１、２）を前記両金属板（３、４）で挟んだワークを金型（２００）内に設置し、一方の前記金属板（４）の外側の面（４ｂ）を前記金型（２００）に押し付け、且つ他方の前記金属板（３）の外側の面（３ｂ）と前記金型（２００）との間に隙間（２０４）を設けた状態で、前記金型（２００）内に前記樹脂（７）を注入して前記樹脂（７）による封止を行うとともに前記隙間（２０４）に前記樹脂（７）を充填する工程と、
   その後、前記樹脂（７）で封止された前記ワークを前記金型（２００）から取り出し、他方の前記金属板（３）の外側の面（３ｂ）に付着した前記樹脂（７）を削って除去することによって、前記両金属板（３、４）の外側の面（３ｂ、４ｂ）を露出させる工程とを備え、
   前記金型（２００）に前記ワークを設置するときに、前記隙間（２０４）の間隔を前記フィラー（７１）の最小粒径よりも小さくすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記樹脂（７）を削って除去することは、切削もしくは研削により行う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。

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