JP2010118577A - 樹脂封止型半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで信頼性上も有利な樹脂封止型半導体装置を提供する。
【解決手段】ダイパッド１２を有する第１リードフレーム１０と、インナーリード２３ａ，２３ｂを有する第２リードフレーム２０を準備する。ダイパッド１２の上に、半導体チップ３０を搭載し、第２リードフレーム２０を第１リードフレーム１０の上に重ねる。インナーリード２３ａ，２３ｂの各先端部２５ａ，２５ｂと半導体チップ３０の一部（電極）とを、超音波溶接などにより、接合する。その後、第１，第２リードフレーム１０，２０の積層体を金型にセットして、樹脂封止を行う。半導体チップ３０とインナーリード２３ａ、２３ｂとが１つの接合部で直接接続されているので、接合の信頼性が高い。半導体チップ３０とインナーリード２３ａ、２３ｂとの位置合わせが簡単で、製造コストも安い。
【選択図】図２

Description

本発明は、電力用の半導体チップを搭載した樹脂封止型半導体装置およびその製造方法に関する。

従来より、パワーデバイスが形成された半導体チップを樹脂で封止した樹脂封止型半導体装置は、各種電子機器に内蔵されている。パワーデバイスは、比較的大電力を消費するので、インナーリードなどの配線部材もそれに適合したものでなければならない。

パワーデバイスに適合した配線部材の構造として、たとえば、特許文献１に開示されるものがある。同文献の技術では、ボンディングワイヤに代えて、導電性接続板および銀ペーストを用いて、インナーリードと半導体チップの電極とを接合している。
このように、断面面積が大きな導電性接続板を用いることにより、ボンディングワイヤに比べて、大電流を流すことが可能になる。
特開２００５−１２９６０６号公報

上記特許文献１の技術では、導電性接続板を、インナーリードと、半導体チップの電極との２カ所で銀ペーストを用いて接合する必要がある。しかるに、比較的小さな金属片である導電性接続板を、その両端で接合させる作業は繁雑である。すなわち、導電性接続板を支持する用具や、位置決めするための特別の治具も必要である。そのために、上記特許文献１の技術を用いると、樹脂封止型半導体装置全体の製造コストが増大するおそれがある。
また、導電性接続板の両端に、２カ所の接合部分が存在するので、信頼性が悪化するおそれもある。

本発明の目的は、位置決めが容易で接合部が少なくて済む手段を講ずることにより、低コストで信頼性上も有利な樹脂封止型半導体装置およびその製造方法を提供することにある。

樹脂封止型半導体装置の製造方法は、以下の工程を有する。まず、ダイパッドを有する第１リードフレームと、インナーリードを有する少なくとも１つの第２リードフレームとを準備する。そして、第１リードフレームのダイパッドの上に、半導体チップを搭載する。さらに、第１リードフレームに第２リードフレームを重ね、半導体チップの一部とインナーリードとを接合する。その後、樹脂封止を行う。
第２リードフレームは、半導体チップの種類に応じて、複数個あってもよい。

この方法では、２つのリードフレームを重ねているので、インナーリードと半導体チップの一部（たとえば電極）との位置合わせは容易である。よって、複雑な治具や特別の装置を必要とせずに、安価に樹脂封止型半導体装置を組み立てることができる。
そして、インナーリードが直接半導体チップに接続されているので、大電流を流すことができる。しかも、インナーリードと半導体チップとの間には、１カ所の接合部しか存在していない。したがって、接合部の信頼性も向上する。
よって、本発明の方法により、パワーデバイスとして信頼性の高い樹脂封止型半導体装置を、安価に形成することができる。

第１，第２リードフレームに、組立用位置決め部を形成し、これを用いて、第１，第２リードフレームを重ね合わせることが好ましい。すると、第１，第２リードフレームを確実に位置決めした状態で、インナーリードと半導体チップとの接合を行うことができる。組立用位置決め部としては、たとえば、ガイドピンと、このガイドピンに係合するピン穴とがある。ただし、この組み合わせに限定されるものではない。

また、封止用金型に、ガイドピンなどの位置決め部を設けておいて、第１，第２リードフレームの位置決め部（ピン穴等）を係合させてもよい。

インナーリードと半導体チップの一部とを、超音波溶接，圧接，および拡散溶接から選ばれる１つによって接合することが好ましい。この方法により、ろう材，半田，金属ペーストなどを用いる必要がなく、低コストで信頼性の高い接合を行うことができる。
ただし、はんだ付けやろう付けによって、インナーリードと半導体チップの一部とを接合することもできる。

第１，第２リードフレームの材料としては、Ｃｕを用いることにより、高い熱伝導率を利用して放熱性を高めることができる。

本発明の脂封止型半導体装置およびその製造方法によると、位置決めが容易で接合部が少なくて済むので、低コストで信頼性上も有利な樹脂封止型半導体装置を得ることができる。

（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態におけるリードフレームの準備工程を示す斜視図である。まず、ダイパッド１２を有する第1リードフレーム１０と、インナーリード２３ａ，２３ｂを有する第２リードフレーム２０とを準備する。

第１リードフレーム１０は、矩形状の外枠１１を有しており、ダイパッド１２は外枠１１内に配置されている。ダイパッド１２は、１対のタイバー１４ａ，１４ｂと、アウターリード１３とによって、外枠１１とつながっている。ダイパッド１２には、放熱フィン取り付け用の開口部１５が形成されている。

外枠１１の対角位置となる２つのコーナーに、アセンブリ時の位置決めを行うためのガイドピン１６が設けられている。また、上記２つのコーナーとは異なる２つのコーナーには、金型セット時の位置決めを行うガイドピン穴１７が設けられている。

第２リードフレーム２０は、第１リードフレーム１０の外枠１１と大きさおよび形状が同じである外枠２１を有している。外枠２１から１対のアウターリード２２ａ，２２ｂおよびインナーリード２３ａ，２３ｂが内方に延びている。インナーリード２３ａ，２３ｂは、各３つの先端部２５ａ，２５ｂに分岐している。アウターリード２２ａ，２２ｂおよびインナーリード２３ａ，２３ｂの境界部は、タイバー２４ａ，２４ｂによって、外枠２１に支持されている。

第２リードフレーム２０において、外枠２１の対角位置となる２つのコーナーに、アセンブリ時の位置決めを行うためのガイドピン穴２６が設けられている。また、上記２つのコーナーとは異なる２つのコーナーには、金型セット時の位置決めを行うガイドピン穴２７が設けられている。
すなわち、ガイドピン１６およびガイドピン穴２６は、組立用位置決め部であり、ガイドピン穴１７，２７は金型用位置決め部である。

第１，第２リードフレーム１０，２０は、Ｎｉめっき，Ａｕめっきなどのめっき付きＣｕ板によって形成され、厚みは０．５ｍｍ〜１．０ｍｍ程度である。第１，第２リードフレーム１０，２０の外枠１１，２１の寸法は、（２５ｍｍ〜３０ｍｍ）×（４０ｍｍ〜４５ｍｍ）程度である。
インナーリード２３ａ，２３ｂおよび各アウターリード１３，２２ａ，２２ｂの厚みは、０．４ｍｍ〜０．８ｍｍ程度である。なお、後述するように、インナーリード２３ａ，２３ｂの先端部２５ａ，２５ｂは、薄く変形されていることが好ましい。

次に、第１リードフレーム１０のダイパッド１２上に、半導体チップ３０を搭載する。 半導体チップ３０には、ＳｉＣ，ＧａＮ等の基板を用いたＩＧＢＴ等の縦型半導体デバイスが形成されており、半導体チップ３０の寸法は、厚みが０．２ｍｍ〜０．５ｍｍ程度で、幅が１．０ｍｍ〜５．０ｍｍ程度で、縦が１．０ｍｍ〜５．０ｍｍ程度である。

図示されていないが、本実施の形態では半導体チップ３０に縦型半導体デバイスが形成されているので、半導体チップ３０の下面全体は、Ｎｉなどからなる下面電極が形成されている。そして、半導体チップ３０の下面電極とダイパッド１２とが、銀ペースト，はんだ等により、接合される。

次に、図２に示すように、第１リードフレーム１０上に、第２リードフレーム２０を重ねる。このとき、第２リードフレーム２０の２つのガイドピン穴２６を、第１リードフレーム１０の２つのガイドピン１６に嵌合させる。すると、各インナーリード２３ａ，２３ｂの先端部２５ａ，２５ｂは、半導体チップ３０に設けられた上面電極（図示せず）の直上に位置する。

図３は、第２リードフレーム２０の図２に示すIII-III線における断面図である。第２リードフレーム２０のアウターリード２２ａおよびインナーリード２３ａは、図３に示すごとく変形されている。つまり、第１，第２リードフレーム１０，２０を重ねると、アウターリード１３，タイバー２４ａ，２４ｂおよびインナーリード２３ａ，２３ｂが、同じ平面位置にある。

図４は、インナーリード２３ａ，２３ｂの先端部２５ａ，２５ｂの形状の一例を示す斜視図である。図４に示すように、各先端部２５ａ，２５ｂの最先端部は薄くのばされ、かつ曲げられている。たとえば、先端部２５ａ，２５ｂの基部の厚みｔ１が０．５ｍｍで、最先端部の厚みｔ２が０．０５ｍｍ程度まで薄くなっている。これは、プレス変形と、以下の超音波溶接時の変形とによる。

図５は、半導体チップ３０と各インナーリード２３ａ，２３ｂの先端部２５ａ，２５ｂとの接合状態を示す断面図である。本実施の形態では、各先端部２５ａ，２５ｂの最先端部を半導体チップ３０に押し付けた状態で、両者間に超音波振動を作用させている。超音波振動を印加されることにより、相接触している部材は塑性変形するとともに、表面の酸化膜が破壊されて、清浄な表面が現れた状態で、相互拡散が生じて接合される。

本実施の形態では、超音波溶接により、半田やろう材を用いずに、半導体チップ３０の一部（電極）と各インナーリード２３ａ，２３ｂとを接合させている。このように加工することにより、強固で高信頼性の接合を実現することができる。ただし、はんだ，ろう材，銀ペーストなどを用いて接合してもよい。

この例では、縦型半導体デバイスを有する半導体チップ３０の上面電極は，ソース電極およびゲート電極で、下面電極はドレイン電極である。したがって、インナーリード２３ａ，２３ｂは、縦型半導体デバイスのソース電極，ゲート電極に接続されている。半導体チップ３０の電極には、Ｃｕ，Ａｌ，Ａｕ等が用いられる。Ｃｕを用いる場合、ＮＩめっき，Ａｕめっき等が施される。

次に、第１，第２リードフレーム１０，２０は、仮止めされた状態で封止金型にセットされる。このとき、各ガイドピン穴１７，２７を封止金型のガイドピン（図示せず）に嵌合させることができる。このときのセット状態は、図示を省略するが、周知慣用の樹脂封止工程を利用すればよい。

図６は、樹脂封止後の第１，第２リードフレーム１０，２０の積層体の構造を示す断面図である。図６は、図２に示すIII-III線に相当する断面における断面図である。
図６に示すように、ダイパッド１２の上面側に、半導体チップ３０，各インナーリード２３ａ，２３ｂを樹脂４０によって封止する。これにより、樹脂封止型半導体装置Ａが形成される。なお、封止工程の後、アウターリード１３，２２ａ，２２ｂを除いて、樹脂４０から突出している部分は、除去される。つまり、外枠１１，２１や各タイバー２４ａ，２４ｂ，１４ａ，１４ｂは、切断によって除去される。

本実施の形態の樹脂封止型半導体装置Ａの製造方法によると、以下の作用効果が得られる。
第１，第２リードフレーム１０，２０を重ねているので、インナーリードと半導体チップの一部（電極）との位置合わせは容易である。たとえば、上記実施の形態のように、ガイドピン１６をガイドピン穴２６に嵌合させるだけで、簡単に位置合わせができる。つまり、治具や特別の装置を必要とせずに、安価に樹脂封止型半導体装置を組み立てることができる。

また、インナーリード２３ａ，２３ｂ（先端部２５ａ，２５ｂ）が直接半導体チップ３０に接続されているので、１カ所の接合部しか存在していない。したがって、接合部の信頼性も向上する。そして、インナーリード２３ａ，２３ｂを用いて、ボンディングワイヤに比べて大電流を流すことができる。
よって、本実施の形態の方法により、パワーデバイスとして信頼性の高い樹脂封止型半導体装置を、安価に形成することができる。

なお、本発明の組立用位置決め部は、上記実施の形態の構造に限定されるものではない。たとえば、第１，第２リードフレーム１０，２０の外枠１１，２１全体が嵌合される矩形状の容器を用いてもよい。その他、複数の部材を位置決めするために用いられる，周知慣用の位置決め手段を用いることができる。

また、第１，第２リードフレーム１０，２０の各ガイドピン穴１７，２７を、組立用および金型用位置決め部として兼用してもよい。その場合、封止金型のガイドピンに、第１，第２リードフレーム１０，２０の各ガイドピン穴１７，２７を嵌合させてから、インナーリード２３ａ，２３ｂと半導体チップ３０との接合を行う。

上記実施の形態では、超音波溶接によって、インナーリード２３ａ，２３ｂと半導体チップ３０の一部（電極）とを接合している。しかし、超音波溶接法に限らず、圧接法や拡散溶接法を用いてもよい。圧接法では、２つの部材間に大圧力を加えるだけで、塑性変形を生じさせて、両者を接合する。拡散溶接法では、真空または保護雰囲気中で、２つの部材間に圧力を加えつつ高温に加熱して、構成元素同士の拡散を行わせて、接合する。

超音波溶接，圧接，拡散溶接などの機械エネルギーを用いた接合を行わせることにより、はんだ等の接合剤を用いる必要がない。したがって、製造コストを削減することができ、かつ、高温状態で使用されたときにも、高い接合の信頼性が得られる。

ただし、はんだ付け，ろう付け，銀ペーストを用いた接合を行なってもよい。

上記実施の形態では、単一の第２リードフレーム２０を用いたが、複数の第２リードフレーム２０を用いてもよい。特に、半導体チップ３０に、高周波用のデバイスのごとく、横型半導体デバイスが設けられている場合には、インナーリードの数も多く必要となるので、複数の第２リードフレーム２０を用いることが好ましい。

（その他の実施の形態）
上記実施の形態ごとく、第１リードフレーム１０に、１つのダイパッド１２だけでなく、多数のダイパッド１２を形成しておくこともできる。その場合、１回の樹脂封止工程で、複数の樹脂封止型半導体装置Ａが得られる。
図７は、第１リードフレーム１０に複数のダイパッド１２を設けた例を示す平面図である。同図においては、横フレーム１８の一方は図示されていないが、上下に横フレーム１８が存在する。第１リードフレーム１０は、横フレーム１８間に延びる外枠１１に囲まれる領域ごとに、ダイパッド１２を配置している。

一方、図示しないが、第２リードフレーム２０も、第１リードフレーム１０に重なる形状を有している。そして、各ダイパッド１２に搭載される半導体チップ３０の上方にインナーリードが延びている。インナーリードの形状は、実施の形態のインナーリード２３ａ，２３ｂと同じである。

なお、組立用位置決め部としては、第１リードフレーム１０に１対のガイドピンを設け、第２リードフレームに１対のガイドピン穴を設けれればよい。

なお、第１リードフレーム１０の各外枠１１ごとに、個別に第２リードフレームを重ねてもよい。つまり、１つの第１リードフレームに対して、複数の第２リードフレームを用いることになる。
その場合には、第１リードフレームの各外枠１１ごとに、１対のガイドピンを設ける。また、第２リードフレームには、ガイドピンに嵌合するアセンブリ用のガイドピン穴を設ける。金型セット用のガイドピン穴は、第１リードフレーム１０（たとえば横フレーム１８）に１対だけ形成しておけばよい。

図７に示す構造により、製造ラインにおける高能率化を図ることができ、製造コストのさらなる削減を図ることができる。

上記開示された本発明の実施の形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。

本発明の樹脂封止型半導体装置は、ハイブリッド車、電気自動車等の各種機器に用いられる電子部品に利用することができる。

実施の形態における２つのリードフレームを準備した状態を示す斜視図である。 実施の形態における２つのリードフレームを重ね合わせる状態を示す斜視図である。 第２リードフレームのIII-III線における断面図である。 インナーリードの先端部の形状の一例を示す斜視図である。 半導体チップと各インナーリードの先端部との接合状態を示す断面図である。 樹脂封止後の第１，第２リードフレームの積層体の構造を示す断面図である。 第１リードフレームに複数のダイパッドを設けた例を示す平面図である。

符号の説明

Ａ 樹脂封止型半導体装置
１０ 第１リードフレーム
１１ 外枠
１２ ダイパッド
１３ アウターリード
１４ａ，１４ｂ タイバー
１５ 開口部
１６ ガイドピン
１７ ガイドピン穴
１８ 横フレーム
２０ 第２リードフレーム
２１ 外枠
２２ａ，２２ｂ アウターリード
２３ａ，２３ｂ インナーリード
２４ａ，２４ｂ タイバー
２５ａ，２５ｂ 先端部
２６ ガイドピン穴
２７ ガイドピン穴
３０ 半導体チップ
４０ 封止樹脂

Claims (6)

1. ダイパッドを有する第１リードフレームと、インナーリードを有する少なくとも１つの第２リードフレームを準備する工程（ａ）と、
   前記第１リードフレームのダイパッドの上に、半導体チップを搭載する工程（ｂ）と、
   前記第１リードフレームに前記第２リードフレームを重ねる工程（ｃ）と、
   前記半導体チップの一部と前記インナーリードとを接合する工程（ｄ）と、
   前記第１，第２リードフレームの各一部，および半導体チップを樹脂によって封止する工程（ｅ）と、
   を含む樹脂封止型半導体装置の製造方法。
2. 請求項１記載の樹脂封止型半導体装置の製造方法において、
   前記工程（ａ）では、前記第１，第２リードフレームに、互いの相対的な位置を定める組立用位置決め部を形成し、
   前記工程（ｃ）では、前記組立用位置決め部を用いて、第１，第２リードフレームを重ね合わせる、樹脂封止型半導体装置の製造方法。
3. 請求項１記載の樹脂封止型半導体装置の製造方法において、
   前記工程（ａ）では、前記第１，第２リードフレームに、前記工程（ｅ）で用いる封止用金型との位置を定める金型用位置決め部をそれぞれ形成し、
   前記工程（ｃ）では、前記金型用位置決め部を用いて、第１，第２リードフレームを封止金型にセットする、樹脂封止型半導体装置の製造方法。
4. 請求項１〜３のうちいずれか１つに記載の樹脂封止型半導体装置の製造方法において、
   前記工程（ｄ）では、前記インナーリードと前記半導体チップの一部とを、超音波溶接，圧接，および拡散溶接から選ばれる１つによって接合する、樹脂封止型半導体装置の製造方法。
5. 請求項１〜４のうちいずれか１つに記載の樹脂封止型半導体装置の製造方法において、
   前記工程（ａ）では、前記第１，第２リードフレームとして、Ｃｕフレームを用いる、樹脂封止型半導体装置の製造方法。
6. 請求項１〜５のうちいずれか１つに記載の樹脂封止型半導体装置の製造方法により形成された樹脂封止型半導体装置。

Images