JP7313302B2 - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置および半導体装置の製造方法 Download PDF

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Description

本開示は、半導体素子を囲繞するケースを備えた半導体装置およびその製造方法に関するものである。
半導体装置は、半導体素子を囲繞するケースを備えている。このケースは一体型構造となっているため、ケースを成形する際に使用される金型の製造に多大な時間と製造コストが必要であった。
例えば特許文献１には、平行に対向配置される一対の平板と、一対の平板の間で少なくとも２つの側板を組み合わせて構成される筒状部とを備えた容器が開示されている。
各側板は、筒状部の開口部を構成する一対の端縁部に沿って、内壁に連続的または断続的に形成された溝部と、各側板の他の両端縁部に沿って形成され、筒状部として組み合わされた状態で各側板同士を係合させる係合部とを備えている。各平板は、それぞれの該平板に隣接配置される各側板の各溝部に嵌合する嵌合部を備えている。そして、各嵌合部と各溝部との嵌合により、各平板が筒状部の軸方向に固定されている。これにより、新たな形状の容器を容易にかつ安価に作成可能としている。
特開２００５－１５０１７０号公報
半導体素子を囲繞するケースには、外部配線に接続するための端子を設ける必要がある。しかし、特許文献１に記載の技術では、合成樹脂板を加熱折り曲げすることにより各側板が形成されるため、加熱折り曲げを行う前の合成樹脂板に端子を設けることができない。そのため、特許文献１に記載の技術では、上記の金型の製造にかかる時間と製造コストの問題を解消することはできなかった。
そこで、本開示は、半導体素子を囲繞するケースを成形する際に使用される金型の製造にかかる時間と製造コストを削減可能な技術を提供することを目的とする。
本開示に係る半導体装置は、ベース板と、前記ベース板の下面に固定された冷却板と、前記ベース板の上面における周縁部を除く領域に固定された絶縁基板と、前記絶縁基板の上面に搭載された半導体素子と、前記ベース板の上面における周縁部に固定され、前記半導体素子を囲繞するケースと、前記ケースと一体に形成され、かつ、一端部に形成された端子を有するリードフレームと、前記ケース内に充填され、前記半導体素子を覆う封止材とを備え、前記ケースは、互いに対向するように配置された一対の第１ケース部品と、一対の前記第１ケース部品と交差し、かつ、互いに対向するように配置された一対の第２ケース部品とを備え、一対の前記第１ケース部品と一対の前記第２ケース部品とは、互いの両端部が連結されることで前記ケースを形成し、一対の前記第１ケース部品と一対の前記第２ケース部品との連結をなす連結面は、前記ベース板の上面に対して９０°＜１８０°の角度を満たすものである。
本開示によれば、半導体素子を囲繞するケースを成形する際に使用される金型の製造にかかる時間と製造コストを削減することができる。
実施の形態１に係る半導体装置の平面図である。 図１のＡ－Ａ線断面図である。 半導体装置が備えるケースの分解斜視図である。 半導体装置が備えるケースの斜視図である。 第１ケース部品と第２ケース部品の連結部の一例を示す斜視図である。 第１ケース部品と第２ケース部品の連結部の他の例を示す斜視図である。 第２ケース部品の一例を示す平面図である。 第２ケース部品の他の例を示す平面図である。 第１ケース部品の製造方法を示す斜視図である。 第１ケース部品の製造方法を示す平面図である。 第１ケース部品の製造方法を示す平面図である。 実施の形態２に係る半導体装置が備える第１ケース部品と第２ケース部品が連結する前の状態を示す断面図である。 実施の形態２に係る半導体装置が備える第１ケース部品と第２ケース部品が連結した状態を示す断面図である。 実施の形態３に係る半導体装置の断面図である。 一体型のケースが変形している状態を示す平面図である。
＜実施の形態１＞
実施の形態１について、図面を用いて以下に説明する。図１は、実施の形態１に係る半導体装置１００の平面図である。図２は、図１のＡ－Ａ線断面図である。
図１と図２に示すように、半導体装置１００は、ベース板２、冷却板１、絶縁基板３、半導体素子６、ケース７、リードフレーム８、封止材１０、および蓋１１を備えている。
ベース板２は、例えば金属により長方形形状に形成されている。冷却板１は、例えば金属により長方形形状に形成され、ベース板２の下面に固定されている。冷却板１の平面視輪郭は、ベース板２の平面視輪郭よりも大きく形成されているため、冷却板１の外周部はベース板２から外側に突出している。
絶縁基板３は、ベース板２の上面における周縁部を除く領域に固定されている。絶縁基板３は、絶縁層４と、絶縁層４の上面に形成された回路パターン５とを備えている。回路パターン５は、例えば銅などの金属により形成されている。
半導体素子６は、回路パターン５の上面に搭載されている。なお、図２では２つの半導体素子６が搭載されているが、半導体素子６の個数は２つに限定されない。
ケース７は、ベース板２の上面における周縁部に接着剤により固定され、かつ、ベース板２と冷却板１に４つのボルト１２で固定されている。ケース７は、絶縁基板３および半導体素子６を囲繞している。ここで、ケース７は一体型ではなく４分割され、一対の第１ケース部品７ａ，７ｂにおける長手方向の両端部と、一対の第２ケース部品７ｃ，７ｄにおける長手方向の両端部が連結することで形成されている。ケース７の詳細については後述する。
リードフレーム８は、一端部に形成された端子８ａを備えている。リードフレーム８は、インサート成形によりケース７と一体に形成されている。リードフレーム８の他端部は、ワイヤ９を介して半導体素子６に接続されている。
封止材１０は、ケース７の内部に充填され、絶縁基板３および半導体素子６を覆っている。封止材１０は、熱硬化性の樹脂であり、例えばエポキシ樹脂である。蓋１１は、封止材１０の上面を覆うようにケース７の内周側に嵌められている。蓋１１は、例えば樹脂板または金属板である。
次に、ケース７の詳細について説明する。図３は、ケース７の分解斜視図である。図４は、ケース７の斜視図である。
図１と図３と図４に示すように、ケース７は、一対の第１ケース部品７ａ，７ｂと、一対の第２ケース部品７ｃ，７ｄとを備えている。一対の第１ケース部品７ａ，７ｂは、Ｘ方向に延在するように同じ形状に形成され、互いにＹ方向に対向するように配置されている。すなわち、一対の第１ケース部品７ａ，７ｂは、Ｙ方向に対向する一対の壁部である。
一対の第２ケース部品７ｃ，７ｄはＹ方向に延在するように同じ形状に形成され、互いにＸ方向に対向するように配置されている。すなわち、一対の第２ケース部品７ｃ，７ｄは、Ｘ方向に対向する一対の壁部である。図１と図２に示すように、一対の第１ケース部品７ａ，７ｂと一対の第２ケース部品７ｃ，７ｄの底面は、ベース板２の上面における周縁部に固定されている。
次に、一対の第１ケース部品７ａ，７ｂと、一対の第２ケース部品７ｃ，７ｄとの連結について説明する。図５は、第１ケース部品７ａと第２ケース部品７ｃの連結部の一例を示す斜視図である。図６は、第１ケース部品７ａと第２ケース部品７ｃの連結部の他の例を示す斜視図である。なお、一対の第１ケース部品７ａ，７ｂは同じ形状であり、一対の第２ケース部品７ｃ，７ｄは同じ形状であるため、ここでは第１ケース部品７ａと第２ケース部品７ｃの連結のみ説明する。
図３～図５に示すように、第１ケース部品７ａにおける長手方向の両端部に、水平方向に凹む凹部１５が形成されている。第２ケース部品７ｃにおける長手方向の両端部に、水平方向に突出し、凹部１５に嵌合する凸部１４が形成されている。第２ケース部品７ｃの凸部１４は、平面視にて先端側の辺の長さが基端側の辺の長さよりも長い台形形状である。また、第１ケース部品７ａの凹部１５は、平面視にて先端側の辺の長さが基端側の辺の長さよりも短い台形形状である。
第１ケース部品７ａの凹部１５と第２ケース部品７ｃの凸部１４は水平方向に嵌合することで、第１ケース部品７ａと第２ケース部品７ｃが連結される。これにより、第１ケース部品７ａと第２ケース部品７ｃとの間における水平方向の位置決めが可能となり、ケース７を容易に組み立てることができる。
また、図６に示すように、第１ケース部品７ａの凹部１５と第２ケース部品７ｃの凸部１４はさらに接着剤１６により固定されていてもよい。これにより、第１ケース部品７ａと第２ケース部品７ｃとの連結がさらに強固になる。
次に、図７と図８を用いて、第２ケース部品７ｃ，７ｄの形状について説明する。図７は、第２ケース部品７ｃの一例を示す平面図である。図８は、第２ケース部品７ｃの他の例を示す平面図である。なお、第２ケース部品７ｃ，７ｄは同じ形状であるため、ここでは第２ケース部品７ｃの形状のみ説明する。
図７に示すように、第２ケース部品７ｃは、平面視にて第２ケース部品７ｃの中心に対して非対称な形状である。具体的には、第２ケース部品７ｃは、中心から凸部１４までの長さｌ１，ｌ２が異なっている。または、図８に示すように、中心から凸部１４までの長さｌ１，ｌ２は同じであるが、第２ケース部品７ｃにおける一端部には、凸部１４よりもサイズが大きい凸部１４ａが形成されている。
第２ケース部品７ｃが図７または図８のような形状を有することで、ケース７を組み立てる際に組み間違えを抑制することができるため、ケース７の歩留りが向上する。
次に、ケース７の一部を形成する第１ケース部品７ｂの製造方法について説明する。図９は、第１ケース部品７ｂの製造方法を示す斜視図である。図１０と図１１は、第１ケース部品７ｂの製造方法を示す平面図である。なお、第１ケース部品７ｃおよび第２ケース部品７ｃ，７ｄは第１ケース部品７ｂと同じ方法で製造されるため、説明は省略する。
最初に、金型に固定するためのタイバー部８ｂを有するリードフレーム８を金型にセットする。次に、金型内に樹脂を注入し、第１ケース部品７ｂを成形するとともに、当該第１ケース部品７ｂに対するリードフレーム８のインサート成形を行うと、図９に示す第１ケース部品７ｂが得られる。図１０に示すように、インサート成形後にタイバー部８ｂをカットすると、図１１に示す第１ケース部品７ｂが得られる。図１１に示す第１ケース部品７ｂがケース７の組み立てに用いられる。
以上のように、実施の形態１に係る半導体装置１００は、ベース板２と、ベース板２の下面に固定された冷却板１と、ベース板２の上面における周縁部を除く領域に固定された絶縁基板３と、絶縁基板３の上面に搭載された半導体素子６と、ベース板２の上面における周縁部に固定され、半導体素子６を囲繞するケース７と、ケース７と一体に形成され、かつ、一端部に形成された端子８ａを有するリードフレーム８と、ケース７内に充填され、半導体素子６を覆う封止材１０とを備え、ケース７は、互いに対向するように配置された一対の第１ケース部品７ａ，７ｂと、一対の第１ケース部品７ａ，７ｂと交差し、かつ、互いに対向するように配置された一対の第２ケース部品７ｃ，７ｄとを備え、一対の第１ケース部品７ａ，７ｂと一対の第２ケース部品７ｃ，７ｄとは、互いの両端部が連結されることでケース７を形成している。
したがって、ケース７を一対の第１ケース部品７ａ，７ｂと一対の第２ケース部品７ｃ，７ｄに分割して製造することができるため、部品の形状を単純化することができる。これにより、半導体素子６を囲繞するケース７を成形する際に使用される金型の製造にかかる時間と製造コストを削減することができる。また、部品の形状を単純化することで、ケース７の歩留りを向上させることができる。
さらに、ケース７を分割することによりベース板２を冷却板１に取り付ける際にケース７にかかる応力を、一体型のケースの場合よりも緩和することができるため、半導体装置１００の信頼性が向上する。
また、図１５に示すように、一体型のケース２７の場合、ケース２７の製造時にケース２７が収縮し変形することから、ケース２７の内周側に嵌められる蓋１１との嵌合性および端子８ａの位置決めが難しくなるという問題があった。しかし、実施の形態１に係る半導体装置１００では、このような問題を解消することができる。図１５は、一体型のケース２７が変形している状態を示す平面図である。
また、各第１ケース部品７ａ，７ｂの両端部に、水平方向に凹む凹部１５が形成され、各第２ケース部品７ｃ，７ｄの両端部に、水平方向に突出し、凹部１５に嵌合する凸部１４が形成され、凹部１５と凸部１４は水平方向に嵌合している。ベース板２は、半導体装置１００が動作する際、垂直方向に変形するが、ケース７が垂直方向の変形に追従する。これにより、一体型のケースの場合よりもケース７にかかる応力を緩和することができるため、半導体装置１００の信頼性が向上する。
また、一対の第１ケース部品７ａと一対の第２ケース部品７ｃの底面は、ベース板２の上面における周縁部に固定されているため、ケース７にかかる応力をさらに緩和することができる。これにより、半導体装置１００の信頼性がさらに向上する。
また、各第２ケース部品７ｃ，７ｄの凸部１４は、平面視にて先端側の辺の長さが基端側の辺の長さよりも長い台形形状であるため、各第１ケース部品７ａ，７ｂと各第２ケース部品７ｃ，７ｄとの間の位置決めが可能となり、ケース７を容易に組み立てることができる。
また、各第１ケース部品７ａ，７ｂの凹部１５と各第２ケース部品７ｃ、７ｄの凸部１４は接着剤１６により固定されたため、第１ケース部品７ａと第２ケース部品７ｃとの連結がさらに強固になる。これにより、封止材１０の漏れを抑制することができるため、ケース７の歩留りが向上する。
また、一対の第１ケース部品７ａ，７ｂは同じ形状であり、一対の第２ケース部品７ｃ，７ｄは同じ形状であるため、ケース７を形成するケース部品の種類が減ることで、ケース７の製造にかかる時間を短縮することができる。
また、各第２ケース部品７ｃ，７ｄは、平面視にて各第２ケース部品７ｃ，７ｄの中心に対して非対称な形状であるため、ケース７を組み立てる際に組み間違えを抑制できることから、ケース７の歩留りが向上する。
また、半導体装置１００の製造方法は、金型に固定するためのタイバー部８ｂを有するリードフレーム８を金型にセットする工程（ａ）と、金型内に樹脂を注入し、第１ケース部品７ａ，７ｂまたは第２ケース部品７ｃ，７ｄを成形するとともに、当該ケース部品に対するリードフレーム８のインサート成形を行う工程（ｂ）と、インサート成形後、タイバー部８ｂをカットする工程（ｃ）とを備えている。
したがって、第１ケース部品７ａ，７ｂおよび第２ケース部品７ｃ，７ｄの成形時に、端子８ａが樹脂で流されることを抑制できるため、ケース７の歩留りが向上する。
＜実施の形態２＞
次に、実施の形態２に係る半導体装置１００について説明する。図１２は、第１ケース部品７ａと第２ケース部品７ｃが連結する前の状態を示す断面図である。図１３は、第１ケース部品７ａと第２ケース部品７ｃが連結した状態を示す断面図である。なお、実施の形態２において、実施の形態１で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。
図１２と図１３に示すように、実施の形態２では、実施の形態１の場合に対して、第１ケース部品７ａと第２ケース部品７ｃとの連結部の構造が異なっている。第１ケース部品７ａにおける長手方向の両端部の端面である連結面は斜面である。また、第２ケース部品７ｃにおける長手方向の両端部における第１ケース部品７ａ，７ｂ側の面である連結面は斜面である。第１ケース部品７ａの連結面と第２ケース部品７ｃの連結面が合わさった状態で、ボルト１２が第２ケース部品７ｃのネジ締め孔１３とベース板２の貫通孔２ａに締結されることで、第１ケース部品７ａと第２ケース部品７ｃが連結される。
第１ケース部品７ａと第２ケース部品７ｃとの連結をなす連結面は、ベース板２の上面に対して９０°＜１８０°の角度を満たす。具体的には、第２ケース部品７ｃの連結面は、ベース板２の上面に対して９０°＜１８０°の角度を満たし、かつ、第１ケース部品７ａの連結面は、ベース板２の上面に対して９０°＞０の角度を満たす。または、第１ケース部品７ａの連結面は、ベース板２の上面に対して９０°＜１８０°の角度を満たし、かつ、第２ケース部品７ｃの連結面は、ベース板２の上面に対して９０°＞０の角度を満たす。
これにより、第１ケース部品７ａと第２ケース部品７ｃにおける水平方向の位置決めを行うことができる。さらに第１ケース部品７ａと第２ケース部品７ｃの連結面における垂直方向の形状により、第１ケース部品７ａまたは第２ケース部品７ｃの垂直方向の移動について自由度を持たせることができる。
また、図１３に示すように、ネジ締め孔１３を有する第２ケース部品７ｃの連結面がベース板２の上面に対して９０°＜１８０°の角度を満たす場合、ネジ締めにより固定されていない第１ケース部品７ａが垂直方向に必要以上に移動することを抑制できる。
以上のように、実施の形態２に係る半導体装置１００では、一対の第１ケース部品７ａ，７ｂと一対の第２ケース部品７ｃ，７ｄとの連結をなす連結面は、ベース板２の上面に対して９０°＜１８０°の角度を満たしている。したがって、第１ケース部品７ａ，７ｂと第２ケース部品７ｃ，７ｄにおける水平方向の位置決めを行うことができる。さらに第１ケース部品７ａ，７ｂまたは第２ケース部品７ｃ，７ｄの垂直方向の移動について自由度を持たせることができるため、ケース７の組立性が向上する。
また、各第２ケース部品７ｃ，７ｄは、当該第２ケース部品７ｃ，７ｄをベース板２に固定するためのネジ締め孔１３を有し、ベース板２の上面に対して９０°＜１８０°の角度を満たす連結面は、各第２ケース部品７ｃ，７ｄに形成されている。
したがって、第１ケース部品７ａ，７ｂおよび第２ケース部品７ｃ，７ｄの垂直方向の位置決めを行うことができる。また、ネジ締め孔１３を有さない第１ケース部品７ａ，７ｂの垂直方向の移動について自由度を持たせることができるため、ベース板２は、半導体装置１００が動作する際、垂直方向に変形するが、ケース７が垂直方向の変形に追従する。これにより、一体型のケースの場合よりもケース７にかかる応力を緩和しつつ、ネジ締めにより固定されていない第１ケース部品７ａが垂直方向に必要以上に移動することを抑制できる。
＜実施の形態３＞
次に、実施の形態３に係る半導体装置１００について説明する。図１４は、実施の形態３に係る半導体装置１００の断面図である。なお、実施の形態２において、実施の形態１で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。
図１４に示すように、実施の形態３では、リードフレーム８は、複数のＤＬＢ（Direct Lead Bonding）フレームであり、複数のＤＬＢフレームは一対の第１ケース部品７ａ，７ｂと一対の第２ケース部品７ｃ，７ｄにそれぞれ一体に形成されている。なお、図１４では、冷却板１、封止材１０、および蓋１１の図示を省略している。
実施の形態３では、実施の形態１，２のように、半導体素子６がワイヤ９で配線される場合とは異なり、剛性の高い銅またはアルミ製の板により形成されたＤＬＢフレームを半導体素子６に接合する必要がある。そのため、ベース板２の反りに対する垂直方向の位置合わせに高い精度が要求される。しかし、ケース７を分割し垂直方向に移動可能とすることで、ケース７がベース板２の反りに容易に追従することができる。
以上のように、実施の形態３に係る半導体装置１００では、リードフレーム８は、複数のＤＬＢフレームであり、複数のＤＬＢフレームは一対の第１ケース部品７ａ，７ｂと一対の第２ケース部品７ｃ，７ｄにそれぞれ一体に形成されている。
したがって、ケース７がベース板２の反りに追従することができるため、半導体装置１００の歩留りが向上し、また半導体装置１００の設計の自由度も向上する。
なお、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
１ 冷却板、２ ベース板、３ 絶縁基板、６ 半導体素子、７ ケース、７ａ，７ｂ第１ケース部品、７ｃ，７ｄ 第２ケース部品、８ リードフレーム、８ａ 端子、８ｂ タイバー部、１０ 封止材、１４ 凸部、１５ 凹部、１６ 接着剤、１００ 半導体装置。

Claims (10)

  1. ベース板と、
    前記ベース板の下面に固定された冷却板と、
    前記ベース板の上面における周縁部を除く領域に固定された絶縁基板と、
    前記絶縁基板の上面に搭載された半導体素子と、
    前記ベース板の上面における周縁部に固定され、前記半導体素子を囲繞するケースと、
    前記ケースと一体に形成され、かつ、一端部に形成された端子を有するリードフレームと、
    前記ケース内に充填され、前記半導体素子を覆う封止材と、を備え、
    前記ケースは、互いに対向するように配置された一対の第１ケース部品と、一対の前記第１ケース部品と交差し、かつ、互いに対向するように配置された一対の第２ケース部品とを備え、
    一対の前記第１ケース部品と一対の前記第２ケース部品とは、互いの両端部が連結されることで前記ケースを形成し、
    一対の前記第１ケース部品と一対の前記第２ケース部品との連結をなす連結面は、前記ベース板の上面に対して９０°＜１８０°の角度を満たす、半導体装置。
  2. 各前記第１ケース部品の両端部に、水平方向に凹む凹部が形成され、
    各前記第２ケース部品の両端部に、水平方向に突出し前記凹部に嵌合する凸部が形成され、
    前記凹部と前記凸部は水平方向に嵌合する、請求項１に記載の半導体装置。
  3. 一対の前記第１ケース部品と一対の前記第２ケース部品の底面は、前記ベース板の上面における周縁部に固定された、請求項１に記載の半導体装置。
  4. 前記リードフレームは、複数のＤＬＢ（Direct Lead Bonding）フレームであり、
    複数の前記ＤＬＢフレームは一対の前記第１ケース部品と一対の前記第２ケース部品にそれぞれ一体に形成された、請求項１に記載の半導体装置。
  5. 各前記第２ケース部品は、当該第２ケース部品を前記ベース板に固定するためのネジ締め孔を有し、
    前記ベース板の上面に対して９０°＜１８０°の角度を満たす前記連結面は、各前記第２ケース部品に形成された、請求項１に記載の半導体装置。
  6. ベース板と、
    前記ベース板の下面に固定された冷却板と、
    前記ベース板の上面における周縁部を除く領域に固定された絶縁基板と、
    前記絶縁基板の上面に搭載された半導体素子と、
    前記ベース板の上面における周縁部に固定され、前記半導体素子を囲繞するケースと、
    前記ケースと一体に形成され、かつ、一端部に形成された端子を有するリードフレームと、
    前記ケース内に充填され、前記半導体素子を覆う封止材と、を備え、
    前記ケースは、互いに対向するように配置された一対の第１ケース部品と、一対の前記第１ケース部品と交差し、かつ、互いに対向するように配置された一対の第２ケース部品とを備え、
    一対の前記第１ケース部品と一対の前記第２ケース部品とは、互いの両端部が連結されることで前記ケースを形成し、
    各前記第１ケース部品の両端部に、水平方向に凹む凹部が形成され、
    各前記第２ケース部品の両端部に、水平方向に突出し前記凹部に嵌合する凸部が形成され、
    前記凹部と前記凸部は水平方向に嵌合し、
    各前記第２ケース部品の前記凸部は、平面視にて先端側の辺の長さが基端側の辺の長さよりも長い台形形状である、半導体装置。
  7. 一対の前記第１ケース部品は同じ形状であり、一対の前記第２ケース部品は同じ形状である、請求項１に記載の半導体装置。
  8. 各前記第２ケース部品は、平面視にて各前記第２ケース部品の中心に対して非対称な形状である、請求項１に記載の半導体装置。
  9. 各前記第１ケース部品の前記凹部と各前記第２ケース部品の前記凸部は接着剤により固定された、請求項２に記載の半導体装置。
  10. 請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の半導体装置を製造する半導体装置の製造方法であって、
    （ａ）金型に固定するためのタイバー部を有する前記リードフレームを前記金型にセットする工程と、
    （ｂ）前記金型内に樹脂を注入し、前記第１ケース部品または前記第２ケース部品を成形するとともに、当該ケース部品に対する前記リードフレームのインサート成形を行う工程と、
    （ｃ）前記インサート成形後、前記タイバー部をカットする工程と、
    を備えた、半導体装置の製造方法。
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