JP6136978B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体チップが封止樹脂によって封止されている半導体装置及びその製造方法に関する。
特許文献１には半導体装置が開示されている。特許文献１の半導体装置は、横に並んだ一対の半導体チップを備えている。半導体チップの裏面側には放熱板が配置されており、半導体チップと放熱板がはんだを介して接合されている。また、一対の半導体チップは、それぞれ封止樹脂により封止されている。一方側の半導体チップを封止する封止樹脂と他方側の半導体チップを封止する封止樹脂との間には、封止樹脂による応力を緩和するための隙間（溝）が形成されている。
特開２０１２−１４６７４５号公報
半導体装置では、半導体チップを効率的に冷却するために半導体チップの裏面側だけでなく表面側にも放熱板を配置することがある。特許文献１の技術では、半導体チップの表面側と裏面側の両側に放熱板を配置すると、一方側と他方側の半導体チップを封止する封止樹脂の間に応力緩和用の隙間（溝）を形成することができない。そこで本発明では、半導体チップの表面側と裏面側の両側に放熱板が配置された構成において、封止樹脂による応力を緩和するための技術を提供する。
本発明に係る半導体装置は、第１表面と前記第１表面の反対側に位置する第２表面とを有する第１の半導体チップと、前記第１の半導体チップに所定間隔をあけて隣接する第２の半導体チップと、前記第１表面にはんだを介して接合された第１放熱板と、前記第２表面にはんだを介して接合された第２放熱板と、を備えている。また、この半導体装置は、前記第１放熱板と前記第２放熱板の間に充填されて前記半導体チップを封止する封止樹脂であって、隣接する２つの前記半導体チップの間に前記第１放熱板及び前記第２放熱板に沿って延びるように空洞が形成されており、端部で前記空洞が開口している封止樹脂を備えている。
このような構成によれば、隣接する２つの半導体チップの間において第１放熱板と第２放熱板の間に充填された封止樹脂に空洞が形成されているので、半導体チップと封止樹脂との熱膨張率の差などにより応力が発生したとしても、空洞により応力を逃がすことができる。よって、封止樹脂による応力を緩和することができる。
本発明に係る半導体装置の製造方法は、第１表面と前記第１表面の反対側に位置する第２表面を有する複数の半導体チップと、前記第１表面にはんだを介して接合された第１放熱板と、前記第２表面にはんだを介して接合された第２放熱板と、を備えるモジュールを成形型にセットするセット工程であって、前記成形型が備える中型が、前記第１放熱板と前記第２放熱板の間に配置され、前記第１放熱板及び前記第２放熱板に沿って延びるように前記モジュールをセットするセット工程を備えている。また、この製造方法は、前記成形型にセットされた前記モジュールの前記第１放熱板と前記第２放熱板の間に封止樹脂を充填して前記半導体チップを封止する封止工程を備えている。
このような構成によれば、封止工程により、半導体チップが封止樹脂で封止されると共に、中型の形状に対応する空洞が封止樹脂に形成される。空洞により封止樹脂の応力を逃がすことができるので、封止樹脂による応力を緩和することができる。また、第１放熱板及び第２放熱板を加工しなくても中型の形状に応じた空洞を封止樹脂に形成することができるので、半導体装置の冷却性能が低下することがない。
実施形態に係る半導体装置の断面図である。 図１のII−II断面図である。 半導体装置の製造方法を説明するための図である。 図３のIV−IV断面図である。 図４のV−V断面図である。 他の実施形態に係る半導体装置の断面図である。 更に他の実施形態に係る半導体装置の断面図である。 図７のVIII−VIII断面図である。 更に他の実施形態に係る半導体装置の図２に対応する断面図である。 更に他の実施形態に係る半導体装置の要部を拡大して示す断面図である。 更に他の実施形態に係る半導体装置の断面図である。
以下に説明する実施形態の主要な特徴を列記する。なお、以下に記載する技術要素は、それぞれ独立した技術要素であって、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものである。
（特徴１）半導体装置において、第１放熱板と空洞との間に封止樹脂が存在していてもよい。
（特徴２）前記空洞が前記封止樹脂を貫通しており、前記封止樹脂の両端部で開口していてもよい。あるいは、前記空洞が前記封止樹脂を貫通しておらず、前記封止樹脂の一端部で開口していてもよい。
（特徴３）封止樹脂に空洞が複数形成されていてもよい。また、複数の空洞が半導体チップを取り囲んでいてもよい。
（特徴４）半導体装置の製造方法において、セット工程では、前記中型は、隣接する２つの前記半導体チップの間に配置されていてもよい。また、セット工程では、中型は、第１放熱板との間に隙間を形成するように配置されていてもよい。
（特徴５）半導体装置の製造方法は、封止樹脂から中型を引き抜く引抜工程を更に備えていてもよい。
以下、実施形態について添付図面を参照して説明する。実施形態に係る半導体装置１は、図１及び図２に示すように、複数の半導体チップ２と、半導体チップ２にはんだ７を介して接合された放熱板３（表面側放熱板３１及び裏面側放熱板３２）とを備えている。また、半導体装置１は、表面側放熱板３１と裏面側放熱板３２の間に充填された封止樹脂５を備えている。
複数の半導体チップ２は、互いに間隔をあけて並んで配置されている。本実施形態では２つの半導体チップ２を用いている。複数（２つ）の半導体チップ２（第１の半導体チップおよび第２の半導体チップ）は所定間隔をあけて隣接している。複数の半導体チップ２としては、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等を例示することができる。複数の半導体チップ２は、表面２１（第１表面の一例）及び裏面２２（第２表面の一例）を有している。複数の半導体チップ２は、表面側放熱板３１と裏面側放熱板３２の間に配置されている。複数の半導体チップ２で発生した熱が表面側放熱板３１及び裏面側放熱板３２に伝達されて外部に放熱される。複数の半導体チップ２にはボンディングワイヤを介して小信号用の端子が接続される（図示省略）。
半導体チップ２と表面側放熱板３１との間にはスペーサー８が配置されている。スペーサー８は、例えば銅（Ｃｕ）等の金属から形成されており、導電性を有している。はんだ７は、裏面側放熱板３２と半導体チップ２との間、半導体チップ２とスペーサー８との間、およびスペーサー８と表面側放熱板３１との間にそれぞれ充填されている。これにより、半導体チップ２、スペーサー８、表面側放熱板３１及び裏面側放熱板３２が、はんだ７により固定されている。
表面側放熱板３１（第１放熱板の一例）および裏面側放熱板３２（第２放熱板の一例）は、互いに間隔をあけた状態で縦方向（ｚ方向）に対向するように配置されている。図３に示すように、表面側放熱板３１は、平面視における形状が四角形である平板状の部材である。図示していないが、裏面側放熱板３２も、平面視における形状が四角形である平板状の部材である。表面側放熱板３１および裏面側放熱板３２には孔が形成されていない。表面側放熱板３１および裏面側放熱板３２は、例えば銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）等の熱伝導性を有する金属により形成されている。表面側放熱板３１は、半導体チップ２の表面側に配置されており、半導体チップ２の上方を覆っている。裏面側放熱板３２は、半導体チップ２の裏面側に配置されており、半導体チップ２の下方を覆っている。表面側放熱板３１は、半導体チップ２の表面２１にはんだを介して固定されている。裏面側放熱板３２は、半導体チップ２の裏面２２にはんだを介して固定されている。表面側放熱板３１および裏面側放熱板３２の一方面は半導体チップ２側を向いており、他方面は外方を向いて露出している。表面側放熱板３１および裏面側放熱板３２は、半導体チップ２で発生した熱を外部に放熱する。表面側放熱板３１および裏面側放熱板３２は電極としての機能も有している。また、表面側放熱板３１および裏面側放熱板３２には、それぞれパワー端子が接続される（図示省略）。
表面側放熱板３１および裏面側放熱板３２の外部に露出した面には、冷却器９を取り付けることができる。冷却器９によって表面側放熱板３１および裏面側放熱板３２を介して半導体チップ２を冷却する。冷却器９と表面側放熱板３１および裏面側放熱板３２の間には、例えば絶縁板とグリスにより電気的な絶縁を取っている。半導体チップ２は、その表面側および裏面側から冷却される。冷却器９としては水冷式あるいは空冷式の公知の構成を用いることができる。
表面側放熱板３１と裏面側放熱板３２の間の封止樹脂５は、半導体チップ２の周囲に充填されており、半導体チップ２を覆っている。封止樹脂５は、表面側放熱板３１及び裏面側放熱板３２に密着している。封止樹脂５は例えばエポキシ樹脂などの封止用の公知の樹脂を用いることができる。封止樹脂５は、半導体チップ２を封止している。封止樹脂５には空洞４が形成されている。本実施形態では１つの空洞４が形成されている。また、封止樹脂５は薄肉部５１を有している。薄肉部５１は、空洞４と表面側放熱板３１の間及び空洞４と裏面側放熱板３２の間に形成されている。
空洞４は、表面側放熱板３１と裏面側放熱板３２の間に形成されている。図２に示すように、空洞４は、表面側放熱板３１と裏面側放熱板３２に沿ってｙ方向に延びている。空洞４は、半導体チップ２の表面２１及び裏面２２と平行な方向（ｙ方向）に沿って直線状に延びている。空洞４は、放熱板３（表面側放熱板３１及び裏面側放熱板３２）の一端側から他端側に向かって延びている。空洞４は、封止樹脂５をｙ方向に貫通している。空洞４は、封止樹脂５の両端部で開口している。空洞４は、隣接する２つの半導体チップ２の間に形成されている。空洞４は、半導体チップ２より内側（一対の半導体チップ２が向かい合う側）に形成されている。空洞４は半導体チップ２に隣接している。空洞４の断面形状は、楕円形状に形成されている。空洞４の断面形状は特に限定されるものではなく、例えば円形状や長方形状などであってもよい。空洞４の内部は何も充填されていない。空洞４が形成されることにより封止樹脂５の厚みが薄くなっている部分に薄肉部５１が形成されている。
次に上述の半導体装置を製造する方法について説明する。半導体装置を製造するときはまず、複数の半導体チップ２と、半導体チップ２にはんだ７を介して接合された放熱板３（表面側放熱板３１および裏面側放熱板３２）とを備えるモジュールを準備する（準備工程）。半導体チップ２及び放熱板３（表面側放熱板３１および裏面側放熱板３２）の構成については上述したので説明を省略する。
次に、図３、図４及び図５に示すように、半導体チップ２、表面側放熱板３１、および裏面側放熱板３２を備えるモジュール６０を成形型１００にセットする（セット工程）。成形型１００は、金属の上型１０１と、金属の下型１０２と、金属の中型１０３を備えている。上型１０１と下側１０２を閉じると、収容室１１０が形成される。また、上型１０１と下側１０２には、中型挿入口１０５が形成されている。中型挿入口１０５には、樹脂製のシール材１０４が設置されている。中型１０３は、柱形状を有している。中型１０３の断面形状は、空洞４と同様の楕円形状となっている。中型１０３は、中型挿入口１０５を通じて収容室１１０内に挿入される。図４に示すように、中型１０３は、収容室１１０を貫通するように配置される。
セット工程では、図３に示すように、上型１０１が表面側放熱板３１の上に配置され、下型１０２が表面側放熱板３１の下に配置されるように、モジュール６０を収容室１１０内に配置する。表面側放熱板３１が上型１０１の内面に密着し、裏面側放熱板３２が下型１０２の内面に密着する。また、図５に示すように、中型挿入口１０５（すなわち、シール材１０４の内孔）を通して収容室１１０内に中型１０３を挿入することで、収容室１１０内に中型１１０を配置する。ここでは、図３に示すように、中型１０３は、隣接する２つの半導体チップ２の間に配置される。また、中型１０３は、表面側放熱板３１と裏面側放熱板３２の間に配置される。図４に示すように、中型１０３は、表面側放熱板３１と裏面側放熱板３２に沿って（ｙ方向）に延びるように配置される。中型１０３の長さは表面側放熱板３１及び裏面側放熱板３２の長さより長いので、放熱板３１、３２の両端部から中型１０３の端部が突出する。図２に示すように、中型１０３は、表面側放熱板３１及び裏面側放熱板３２から離間した位置に配置される。すなわち、中型１０３と表面側放熱板３１の間に隙間１５１が形成され、中型１０３と裏面側放熱板３２との間に隙間１５１が形成される。
モジュール６０に対して成形型１００を配置した後、図３に示すように、成形型１００の内部に封止樹脂５を充填して半導体チップ２を封止する（封止工程）。封止樹脂５は、注入口１０６から収容室１１０に注入される。注入された封止樹脂５は、表面側放熱板３１と裏面側放熱板３２の間に充填される。また、半導体チップ２の周囲に充填され、半導体チップ２を封止する。また、封止樹脂５は、中型１０３の周囲に充填され、中型１０３を覆う。なお、中型挿入口１０５では、シール材１０４によって封止樹脂５の漏出が防止される。上型１０１と下型１０２が封止樹脂５の外形を画定し、中型１０３により空洞４が形成される。封止樹脂５は、時間が経過すると硬化する。封止工程により、半導体チップ２が封止樹脂５で封止されると共に、中型１０３の形状に対応する空洞４が封止樹脂５に形成される。
続いて、封止樹脂５から中型１０３を引き抜く（引抜工程）。封止樹脂５から中型１０３を引き抜き易くするために、中型１０３の表面に離型剤を塗布しておいてもよい。離型剤としては、例えばフッ素系やシリコン系の離型剤を用いることができる。中型１０３を引き抜くことにより、中型１０３が配置されていた部分に中型１０３の形状に対応した空洞４が形成される。さらに、成形型１００を開いて、成形品を取り出す。これにより、封止樹脂５に空洞４が形成された半導体装置１が製造される。
上述の説明から明らかなように、実施形態に係る半導体装置１によれば、封止樹脂５に空洞４が形成されているので、半導体チップ２と封止樹脂５との熱膨張率の差などにより応力が発生したとしても、空洞４により応力を逃がすことができる。よって、上述の半導体装置１によれば、封止樹脂５による応力を緩和することができる。また、半導体チップ２の表面側に接合された表面側放熱板３１及び裏面側に接合された裏面側放熱板３２により半導体チップ２を冷却することができる。これにより、半導体チップ２を表裏両面から冷却できるので、冷却性能を維持することができる。
また、空洞４と裏面側放熱板３２の間に薄肉部５１が存在することによって、裏面側放熱板３２と半導体チップ２を接合しているはんだ７を好適に保護することができる。また、表面側についても同様に、空洞４と表面側放熱板３１の間に薄肉部５１が存在することによって、表面側放熱板３１を接合するはんだ７を好適に保護することができる。また、隣接する半導体チップ２と半導体チップ２の間に空洞４が形成されているので、バランス良く応力を緩和することができる。
また、上述の半導体装置１の製造方法によれば、表面側放熱板３１と裏面側放熱板３２の間に中型１０３を配置して封止樹脂５を充填する。これにより、表面側放熱板３１及び裏面側放熱板３２を加工しなくても中型１０３の形状に応じた空洞４を封止樹脂５に形成することができる。表面側放熱板３１及び裏面側放熱板３２を加工しないので、冷却性能が低下することがない。
以上、一実施形態について説明したが、具体的な態様は上記実施形態に限定されるものではない。以下の説明において、上述の説明における構成と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。上記実施形態では隣接する半導体チップ２と半導体チップ２の間に空洞４が形成されていたが、この構成に限定されるものではない。例えば他の実施形態では、図６に示すように、半導体チップ２の外側に空洞４が形成されていてもよい。図６に示す例では、複数の空洞４が形成されており、一部の空洞４が半導体チップ２から外側に離間した位置に形成されている。この空洞４は、半導体チップ２と封止樹脂５の周縁部との間に形成されている。複数の空洞４が半導体チップ２を取り囲んでいる。また、このような空洞４を備える半導体装置１を製造するときは、セット工程において半導体チップ２の外側に中型１０３を配置する。
また、上記実施形態では隣接する半導体チップ２と半導体チップ２の間の空洞４が形成されていたが、半導体チップ２と半導体チップ２の間の空洞４を形成せずに省略することもできる。また、空洞４の数は限定されるものではなく、１つ又は複数の空洞４を形成することができる。
また、複数の空洞４を形成する場合は、図７及び図８に示すように、各空洞４が異なる方向に延びていてもよい。封止樹脂５には、ｘ方向に延びる空洞４およびｙ方向に延びる空洞４が形成されている。複数の空洞４は平面視において格子状に配置されている。ｘ方向の空洞４とｙ方向の空洞４は、平面視において交差しており（図７参照）、縦方向（ｚ方向）において離間している（図８参照）。交差する複数の空洞４を備える半導体装置１を製造するときは、型配置工程において複数の中型１０３を格子状に配置する。
また、上記実施形態では空洞４が封止樹脂５を貫通していたが、この構成に限定されるものではなく、空洞４は封止樹脂５を貫通していなくてもよい。この場合、図９に示すように、空洞４の先端部４１が封止樹脂５の内部で止まっている。空洞４は封止樹脂５の一端部から中央部まで直線状に延びている。空洞４は封止樹脂５の一端部で開口している。
また、図１０に示すように、空洞４をボンディングワイヤ７０の近傍に形成するときは、中型１０３を配置する位置を調整することにより、ボンディングワイヤ７０を避けた位置に空洞４を形成する。空洞４の位置とボンディングワイヤ７０の位置が重なっておらず、ボンディングワイヤ７０が封止樹脂５により封止されている。図１０に示す例では、空洞４は、ボンディングワイヤ７０と表面側放熱板３１の間に形成されている。
また、上記実施形態では、表面側放熱板３１と空洞４の間、及び、裏面側放熱板３２と空洞４の間の両方に封止樹脂５の薄肉部５１が形成されていたが、この構成に限定されるものではなく、片方のみに薄肉部５１が形成されている構成であってもよい。例えば、図１１に示すように、表面側放熱板３１と空洞４の間に薄肉部５１が形成されており、裏面側放熱板３２と空洞４の間に薄肉部５１が形成されておらず、裏面側放熱板３２と空洞４が接触していてもよい。あるいは反対に、裏面側放熱板３２と空洞４の間に薄肉部５１が形成され、表面側放熱板３１と空洞４が接触している構成であってもよい。このように、表面側放熱板３１及び裏面側放熱板３２の少なくとも一方と空洞４との間に封止樹脂５が充填されていればよい。
また、このような半導体装置１を製造するときは、セット工程において、表面側放熱板３１及び裏面側放熱板３２の少なくとも一方と中型１０３との間に隙間１５１が形成されるように中型１０３を配置する。例えば、中型１０３を表面側放熱板３１から離間すると共に裏面側放熱板３２に接触する位置に配置する。すなわち、表面側放熱板３１と中型１０３との間に隙間１５１が形成されると共に裏面側放熱板３２と中型１０３との間に隙間１５１が形成されないように中型１０３を配置する。これにより、中型１０３に対応する空洞４が形成されたときに、表面側放熱板３１と空洞４の間に封止樹脂５の薄肉部５１が形成される。一方、裏面側放熱板３２と空洞４の間に薄肉部５１が形成されない。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
１；半導体装置
２；半導体チップ
３；放熱板
４；空洞
５；封止樹脂
７；はんだ
８；スペーサー
９；冷却器
２１；表面
２２；裏面
３１；表面側放熱板
３２；裏面側放熱板
４１；先端部
５１；薄肉部
６０；モジュール
７０；ボンディングワイヤ
１００；成形型
１０１；上型
１０２；下型
１０３；中型
１０４；シール材
１０５；中型挿入口
１０６；注入口
１１０；収容室
１５１；隙間

Claims (7)

  1. 第１表面と前記第１表面の反対側に位置する第２表面とを有する第１の半導体チップと、
    前記第１の半導体チップに所定間隔をあけて隣接する第２の半導体チップと、
    前記第１表面にはんだを介して接合された第１放熱板と、
    前記第２表面にはんだを介して接合された第２放熱板と、
    前記第１放熱板と前記第２放熱板の間に充填されて前記半導体チップを封止する封止樹脂であって、隣接する２つの前記半導体チップの間に前記第１放熱板及び前記第２放熱板に沿って延びるように空洞が形成されており、端部で前記空洞が開口している封止樹脂と、を備え、
    前記封止樹脂に空洞が複数形成されており、
    複数の前記空洞が前記半導体チップを取り囲んでいる、半導体装置。
  2. 前記第１放熱板と前記空洞との間に前記封止樹脂が存在している、請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記空洞が前記封止樹脂を貫通しており、前記封止樹脂の両端部で開口している、請求項１又は２に記載の半導体装置。
  4. 前記空洞が前記封止樹脂を貫通しておらず、前記封止樹脂の一端部で開口している、請求項１又は２に記載の半導体装置。
  5. 第１表面と前記第１表面の反対側に位置する第２表面を有する複数の半導体チップと、前記第１表面にはんだを介して接合された第１放熱板と、前記第２表面にはんだを介して接合された第２放熱板と、を備えるモジュールを成形型にセットするセット工程であって、前記成形型が備える中型が、隣接する２つの前記半導体チップの間において前記第１放熱板と前記第２放熱板の間に配置され、前記第１放熱板及び前記第２放熱板に沿って延びるように前記モジュールをセットするセット工程と、
    前記成形型にセットされた前記モジュールの前記第１放熱板と前記第２放熱板の間に封止樹脂を充填して前記半導体チップを封止する封止工程と、を備え、
    前記成形型が中型を複数備えており、
    前記セット工程では、複数の前記中型が前記半導体チップを取り囲んで配置される、半導体装置の製造方法。
  6. 前記セット工程では、前記中型は、前記第１放熱板との間に隙間を形成するように配置される、請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 前記封止樹脂から前記中型を引き抜く引抜工程を更に備える、請求項５又は６に記載の半導体装置の製造方法。
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