JP4620566B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特に、リードが重心調整機能を有する半導体装置およびその製造方法に関する。

半導体装置では、内部に樹脂封止された半導体素子から電気信号を外部に取り出すために、引き出し電極が設けられている。半導体装置の信頼性や電気的特性等を考慮して、種々の引き出し電極構造が提案されている。例えば、大電流を流す電力用の半導体装置では、引き出し電極として、半導体素子の表面に板状のリードを接合する構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−１１４４４５号公報

しかしながら、かかる半導体装置では、半導体素子の表面にリードを固定するとともにリードの端部に電極端子を固定する必要があり、半導体素子に固定されたリードと、電極端子となる外部のリードフレームとの位置関係が限定されていた。また、複雑な回路構成を有する半導体装置を作製するためには、半導体素子の表面にリードを固定する場合に、リードを所定の位置に保持する必要があり、製造工程が複雑となっていた。

そこで、本発明は、重心調整機能を備えたリードを用いることにより、製造工程を簡略化した電力用の半導体装置およびその製造方法の提供を目的とする。

本発明は、互いに対向する表面と裏面とを備えたブロック状の放熱板と、放熱板の表面に固定された互いに対向する表面と裏面とを備えた半導体素子と、半導体素子の表面の接合領域に接合材で固定されたリードと、リードに取り付けられた電極端子とを含む半導体装置であって、リードに重心調整部材が固着され、重力方向が放熱板裏面法線方向にある場合に、リードと重心調整部材との重心が、半導体素子上にあることを特徴とする半導体装置である。

また、本発明は、互いに対向する表面と裏面とを備えた放熱板を準備する工程と、放熱板の表面に互いに対向する表面と裏面とを備えた半導体素子を固定する工程と、半導体素子の表面の接合領域に、リードを固定する固定工程と、リードに電極端子を取り付ける工程と含み、固定工程が、接合領域に半田材を配置し、半田材にリードが接するようにリードを自立させた状態で半田材を溶かし、接合領域にリードを固定する工程であることを特徴とする半導体装置の製造方法でもある。

本発明によれば、半導体素子の表面にリード自立させた状態で固定できるため、半導体装置の生産性や歩留まりが向上するとともに、半導体装置の設計の自由度が向上し、複雑な回路を容易に得ることが可能となる。

実施の形態１．
図１は、全体が１００で表される、本発明の実施の形態１にかかる電力用の半導体装置の断面図であり、図２は、半導体装置１００のＩＧＢＴ２近傍の斜視図（樹脂筐体８を除く）である。

電力用の半導体装置１００は、例えば縦５０ｍｍ、横３０ｍｍ、厚さ３ｍｍのＣｕブロック１を含む。Ｃｕブロック１表面には、例えば、厚さ０．４ｍｍ、縦、横１５ｍｍのＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）２が、例えば、厚さ０．１５ｍｍのＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ３により接合されている。Ｃｕブロック１は、ＩＧＢＴ２の放熱効果を高めるとともに、裏面配線の役割も兼ねる。

ＩＧＢＴ２の表面の接合領域には、例えば、ＩＧＢＴ２との接合部が縦１３ｍｍ×横１０ｍｍの矩形形状で、厚さが０．２ｍｍのＣｕリード４が、例えば厚さ０．２ｍｍのＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ５により接合されている。Ｃｕリード４とＣｕブロック１との間は、十分な絶縁距離を設ける必要があるため、Ｃｕリード４は屈曲部４Ｂ（図３参照）でＩＧＢＴ２の表面に対して垂直方向に曲げられて、ＩＧＢＴ２の表面から約１．５ｍｍの間隔を有するようになっている。

なお、接合に用いるＣｕリード４は、厚みを薄くした方が、温度サイクルが加わった場合にははんだ５のクラックなどが発生しにくく、信頼性が向上する。

Ｃｕリード４には、Ｃｕリード４がＩＧＢＴ２の接合領域上に自立する（固定しなくても傾かずに静止する）ように、ＩＧＢＴ２上に位置する端部に重心調整部４Ａが設けられている。図３に示すように、重心調整部４Ａは、例えば、リード成形時の曲げ加工においてＣｕリード４の端部を折り曲げて形成される。

重心調整部４Ａは、図３に示す４Ｂを支点として、Ｃｕリード４が、自重による回転モーメントで倒ないように作製される。換言すれば、Ｃｕリード４の重心を通る直線が、接合領域と垂直に交わるようになっている。なお、屈曲部４Ｂは、Ｃｕリード４とＩＧＢＴ２との接合部の、引き出し方向の端部である。

Ｃｕブロック１、Ｃｕリード４には、それぞれ電極端子６Ａ、６ＢがＡｇペースト等で固着され、半導体装置外部との電流の入出力を行う。ＩＧＢＴ２のゲート電極（図示せず）には、Ａｌワイヤ７を用いて、電極端子６Ｃが接続される。
電極端子６ＢとＣｕリード４との接合部においては、Ｃｕリード４が電極端子６Ｂより放熱板１側になるように、Ｃｕリード４と電極端子６Ｂとが重ねられて接合される。

Ｃｕブロック１等は、フィラーが混入されたエポキシ樹脂等からなる樹脂筐体８に封止される。
なお、Ｃｕリード１の裏面には、樹脂筐体８よりもフィラーの添加量の多い、熱伝導率の高い絶縁シート９が固着されている。

次に、半導体装置の製造方法について簡単に説明する。
まず、Ｃｕブロック１を準備する。約２８０℃に加熱されたＣｕブロック１上にＩＧＢＴ２の面積とほぼ同サイズにプリフォームされた板状はんだを載置する。以下のはんだ工程は、還元雰囲気炉中を通過するトンネル炉によって行われる。

次に、溶融したはんだの上に、第二の主電極にあたるコレクタ電極（図示せず）がＣｕブロック１上に接続するように、ＩＧＢＴ２を載置する。

次に、ＩＧＢＴ２の第一の主電極にあたるエミッタ電極（接合領域：図示せず）上に、プリフォームされた板状はんだを載置して溶融させ、更に、溶融したはんだの上からＣｕリード４を載置する。
なお、ＩＧＢＴ２の第一の主電極（接合領域）上には、予め、はんだとの濡れ性を良くするために、例えば無電解メッキ法等により厚さ５μｍ程度のＮｉ膜を形成しておくことが好ましい。

ここで、図３のＣｕリード４の断面図に示すように、Ｃｕリード４には、Ｃｕリード４がＩＧＢＴ２上に自立する（固定しなくても傾かずに静止する）ように、ＩＧＢＴ２上に位置する端部に重心調整部４Ａが設けられている。図３に示すように、重心調整部４Ａは、例えば、リード成形時の曲げ加工においてＣｕリード４の端部を折り曲げて形成される。

重心調整部４Ａは、図３に示す屈曲部４Ｂを支点として、Ｃｕリード４が、自重による回転モーメントで倒ないように作製される。なお、４Ｂは、Ｃｕリード４とＩＧＢＴ２とが接合される部分の、引き出し方向の端部である。

図４は、全体が１２０で表される、半導体装置１００のＩＧＢＴ２近傍の斜視図（樹脂筐体８を除く）である。図４の構造では、重心調整部４Ａは、２つの折り曲げ部から形成される。必要な重心の位置や重さに応じて、図２、４に示す重心調整部４Ａの構造が使い分けられる。

なお、後述するように、ＩＧＢＴ２の制御配線にはＡｌワイヤ配線が設けられるため、重心調整部４Ａは、制御電極に重ならないように形成される。

かかる工程の後、全体を冷却してはんだ付を完了する。ＩＧＢＴ２に対するＣｕリード４の位置合わせは、プリフォームされたはんだが溶融してＣｕリード４にぬれ力が働くことにより、セルフアライメントにより十分な位置合わせが行われる。

ＩＧＢＴ２に対するＣｕリード４のはんだ付が完了した後、内部電極や外部電極を構成するリードフレーム（図示せず）を上から重ねて、Ｃｕブロック１やＣｕリード４とリードフレームとの接合を行う。接合には、はんだの融点以下で接合できるＡｇペースト等の導電性接着剤が用いられる。

最後に、Ｃｕブロック１等をトランスファーモールド法により封止し、樹脂筐体８を形成する。更に、リードフレームをプレス金型等により切断し、曲げることにより電極端子６Ａ、６Ｂ、６Ｃを形成する。この結果、Ｃｕブロック１、Ｃｕリード４には、それぞれ電極端子６Ａ、６Ｂが固着され、半導体装置外部との電流の入出力を行うようになる。ＩＧＢＴ２のゲート電極（図示せず）には、例えばＡｌワイヤ７を用いて、電極端子６Ｃが接続される。

なお、Ｃｕブロック１の筐体外部に接する部分には、樹脂筐体８よりもフィラーの添加量を増やした、熱伝導率の高い絶縁シート９が固着されている。

以上の工程で、本実施の形態にかかる電力用の半導体装置１００が完成する。

本実施の形態１では、半導体素子としてＩＧＢＴを例に述べたが、代わりに、パワートランジスタであるＭＯＳＦＥＴなどを使用しても構わない。

また、はんだ材として、Ｓｎ−Ａｇ系のはんだを例示したが、Ａｕ−Ｓｉ系、Ｓｎ−Ｐｂ系など、通常、電気的接合部に用いられる他のはんだ材料やＡｇ入りエポキシ樹脂などの導電性接着剤を用いても構わない。特に、導電性接着剤を用いた場合は、Ｃｕリード４に対して、はんだの濡れ力ほどの保持力を有しないため、本実施の形態のように、Ｃｕリード４が自立する構成としないと、Ｃｕリード４をＩＧＢＴ２の上に固定する工程が困難となる。

また、はんだの濡れ性の良い金属膜として、メッキ法により形成したＮｉ膜を例示したが、スパッタリング法により形成したＮｉ／Ａｕの積層膜等も使用できる。このように、表面がＮｉ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｃｕ等、はんだがぬれを生じる金属であれば、金属膜として使用可能である。

本実施の形態にかかる電力用の半導体装置１００では、Ｃｕリード４が重心調整部４Ａを有し、ＩＧＢＴ（半導体素子）２上に自立する（固定しなくても傾かずに静止する）ため、ＩＧＢＴ（半導体素子）２上へのＣｕリード４の接合工程で、スペーサやおもりでＣｕリード４を傾かないように固定する必要がない。

特に、Ｃｕリード４を支持するためにスペーサを用いた場合、はんだ付をするための昇温、降温工程ではスペーサも含めて加熱、冷却されるため、温度上昇、温度降下に時間を要していた。これに対して、本実施の形態ではスペーサを使用しないため、スペーサの取り付け時間も含め、約３０％の時間短縮が可能となった。

また、放熱板であるＣｕブロック１とＣｕリード４との間隙は、スペーサの高さで固定されるため、はんだ量が少ない場合などは、Ｃｕリード４が浮いた状態で搭載され、はんだ付面積が減少したり、はんだ付できずにオープンになったりすることがあった。これに対して、本実施の形態では、スペーサを使用しないため、良好なはんだ付けが可能となる。

更に、Ｃｕリード４を支持するスペーサを用いる必要が無いため、はんだ付けにおける生産性が向上し、従来の約１．５倍の量の生産が可能となる。
また、Ｃｕリード４の曲げ精度が、接合部に律則した０．０５ｍｍではなく、半導体素子（ＩＧＢＴ２）や放熱板（Ｃｕブロック１）との絶縁距離に律則するため、０．２ｍｍとすることが可能となり、Ｃｕリード４のコストを約２０％削減することが可能となった。

また、半導体装置１００内の回路構成は、放熱板（Ｃｕブロック１）、半導体素子（ＩＧＢＴ２）、リードだけであり、はんだ付けされた要素を組み合わせてリードフレームを選択するだけで、大電流装置やインバータ回路に用いられる２素子並列の２ＩＮ１モジュール、６素子並列の６ＩＮ１モジュールを形成することができる。

また、本実施の形態で示された構造、接合プロセスを用いることによって、リードフレームを放熱板やリードの上から重ねて接合するだけで、複雑な回路を容易に形成することが可能である。

更に、本実施の形態にかかる半導体装置１００では、短時間に大きな発熱がある場合や、Ｃｕリード４自体の発熱に対して、樹脂筐体８への放熱を促進し、温度変化の少ない信頼性の高い半導体装置を得ることができる。

実施の形態２．
図５は、全体が２００で表される、本発明の実施の形態２にかかる電力用の半導体装置の断面図である。図５中、図１と同一符合は、同一又は相当箇所を示す。

本実施の形態２にかかる半導体装置２００では、Ｃｕリード４の端部が、Ｃｕブロック１の表面から約５ｍｍ突出した端部（図５では、右方向に突出）を有する。

Ｃｕリード４に電極端子６Ａ−６Ｃを接続する工程では、リードフレームをＣｕリード４の上から搭載し、例えば上下から接合部に５０ＭＰａ程度の圧力を加えて超音波を印加し、超音波接合によって接続する。
本実施の形態にかかる半導体装置２００では、Ｃｕリード４の端部が、Ｃｕブロック１の表面端部から約５ｍｍ突出しているため、Ｃｕリード４と電極端子６Ｂとの接合部に容易に圧力を加えることができる。

従って、リードの高さやフレームの高さのばらつきが大きい場合でも、フレームを十分変形させることができ、また治具などによってＣｕリードを支持できるため、接合部オープン等の接合不良を低減することが可能となる。
また、数ＭＰａの加圧力を必要とする抵抗溶接、抵抗ロウ付け、超音波接合など複数の接合方法から適した方法を選択することが可能となる。このため、例えば、１００Ａ以下の使用電流の小さい半導体装置においてはスポット溶接を、３００Ａを超えるような使用電流の大きい半導体においては、接続面積を拡大させることが可能な抵抗ロウ付けなどを、適宜使用することができる。

このように、本実施の形態にかかる半導体装置２００では、接合部形状、接合方式の選択肢が広がるため、フレーム設計の自由度が向上し、多数の半導体素子を組み合わせた半導体装置を形成する場合には、回路の作製が容易となる。

実施の形態３．
図６は、全体が３００で表される、本発明の実施の形態３にかかる電力用の半導体装置の断面図である。図７は、電力用の半導体装置３００のＩＧＢＴ２近傍の斜視図である。図６、７中、図１、２と同一符合は、同一又は相当箇所を示す。

半導体装置３００では、Ｃｕリード４の、ＩＧＢＴ２上のエミッタ電極（図示せず）と接合される面と対向する面に、例えば、縦１ｍｍ、横４ｍｍ、高さ８ｍｍのタングステンの重心調整部材１０が、例えばＡｇロウ付けなどによって予め固着されている。かかる重心調整部材１０を有することにより、Ｃｕリード４が自立するようになっている。

ここで、重心調整部材１０は、Ｃｕリード４上の接合面全面に固着されていても良いが、タングステンなどは高価な材料であるため、リードが自立する必要最低限の重量のタングステンを使用することが、製造コスト削減の観点から好ましい。

なお、より小さい部品によってリードの自立を実現するためには、例えばモリブデンや上述のタングステンのような、比重がＣｕと同等以上の物質を用いるのが好ましい。また、重心調整部材１０は導電材料に限らず、絶縁体であっても構わない。

以上の実施の形態１〜３では、リード材料としてＣｕを例として挙げて説明したが、比重の小さなＡｌを用いることで、重心調整部材１０の小型、薄型化が可能となる。

例えば、図８は、発熱の大きいＩＧＢＴ２からのＣｕリード４の配線を２方向に分割することによって、ＩＧＢＴ２の電流密度、発熱を分散する構造である。このようなリード構造の場合には、リードの重心位置を調整するような部分を、リードの曲げ成形によって形成することは、リード全体の高さが曲げ高さの３倍以上になるため極めて困難であるが、重心調整部材１０を取り付ける場合は、取り付け位置の選択が比較的に自由に行える。例えば、図８に示すように、接合部と対向する領域に重心調整部材１０を設置しても構わないし、図９に示すように、配線部に設置しても構わない。

このように、本実施の形態３にかかる半導体装置３００では、Ｃｕリードの変形のみではＣｕリードの重心位置を調整できないような、薄型パッケージの半導体装置を作製することが可能となる。

実施の形態４．
図１０は、本実施の形態４にかかる電力用半導体装置のＩＧＢＴ２近傍の斜視図である。図１０中、図１と同一符合は、同一又は相当箇所を示す。

始めに、Ｃｕブロック１、ＩＧＢＴ２、およびＩＧＢＴ２の接合領域上に自立するように両端が展開された（両端が延びた）Ｃｕリード４を、各接合領域の形状に合わせてプリフォームされたはんだシート（図示せず）を介して積層する。はんだ付けの方法としては、実施の形態１に示したような、トンネル炉を用いた積層はんだ付を用いる。

この際、ＩＧＢＴ２の制御電極上を覆うＣｕリード４の側面には、長さ２ｍｍ、幅２ｍｍの切欠き４Ｃが設けられている。

はんだ付けが完了した後、図１１に示すように、Ｃｕリード４の制御電極を覆っているＣｕリード４の端部を、反対側の端部に向かって折り曲げ、重なったＣｕリード４同士を、例えば超音波接合によって固着する。

その後、内部電極および外部電極を構成するリードフレーム（図示せず）を上から重ねて、はんだ融点以下で接続できるＡｇペーストのような導電性接着剤等により、リードフレームとＣｕリード４とを電気的に接続する。

このような製造方法により作製される電力用の半導体装置では、展開された状態で自立するＣｕリード４を用いることにより、スペーサや重りを必要としないことは前述の実施の形態１などで示したものと同様である。ここでは、更に、Ｃｕリード４を重ねて接合するため、ＩＧＢＴ２などからの電流経路の断面積を略２倍にすることができる。

ＩＧＢＴ２上での温度サイクル信頼性を向上させるためにＣｕリード４を薄くした場合、配線部の電気抵抗が増大する。これに対して、本実施の形態にかかる半導体装置では信頼性を向上させ、かつ配線抵抗の低い半導体装置を作製することが可能となる。

本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の部分斜視図である。 本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置に用いるＣｕリードの断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる他の電力用半導体装置の部分斜視図である。 本発明の実施の形態２にかかる電力用半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態３にかかる電力用半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態３にかかる電力用半導体装置の部分斜視図である。 本発明の実施の形態３にかかる他の電力用半導体装置の部分斜視図である。 本発明の実施の形態３にかかる他の電力用半導体装置の部分斜視図である。 本発明の実施の形態４にかかる電力用半導体装置の部分斜視図である。 本発明の実施の形態４にかかる電力用半導体装置の部分斜視図である。

符号の説明

１ Ｃｕブロック、２ ＩＧＢＴ、３ はんだ、４ Ｃｕリード、４Ａ 重心調整部、４Ｂ 支点、４Ｃ 切欠、５ はんだ、６Ａ、６Ｂ、６Ｃ 電極端子、７ Ａｌワイヤ、８ 樹脂筐体、９ 樹脂シート、１０ 重心調整部材、１００ 半導体装置。

Claims (6)

1. 互いに対向する表面と裏面とを備えたブロック状の放熱板と、
   該放熱板の表面に固定された互いに対向する表面と裏面とを備えた半導体素子と、
   該半導体素子の表面の接合領域に接合材で固定されたリードと、
   該リードに取り付けられた電極端子とを含む半導体装置であって、
   該リードに重心調整部材が固着され、重力方向が放熱板裏面法線方向にある場合に、該リードと該重心調整部材との重心が、半導体素子上にあることを特徴とする半導体装置。
2. 互いに対向する表面と裏面とを備えたブロック状の放熱板と、
   該放熱板の表面に固定された互いに対向する表面と裏面とを備えた半導体素子と、
   該半導体素子の表面の接合領域に接合材で固定されたリードと、
   該リードに取り付けられた電極端子とを含む半導体装置であって、
   該リードは、重力方向が放熱板裏面法線方向にある場合に、該リードの重心が半導体素子上になるように逆方向に延びたリードの一方を、他方に接続するように折り曲げてなることを特徴とする半導体装置。
3. 上記電極端子と上記リードとの接合部において、該リードが該電極端子より上記放熱板側になるように、該リードと該電極端子とが重ねられたことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
4. 上記リードは、上記放熱板の表面と略平行に延び、該放熱板の端部を超えて外方に延びた外方端部を有し、該外方端部に上記電極端子が取り付けられたことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
5. 互いに対向する表面と裏面とを備えた放熱板を準備する工程と、
   該放熱板の表面に互いに対向する表面と裏面とを備えた半導体素子を固定する工程と、
   該半導体素子の表面の接合領域に、リードを固定する固定工程と、
   該リードに電極端子を取り付ける工程と含み、
   該固定工程が、該接合領域に半田材を配置し、該半田材に該リードが接するように該リードを自立させた状態で該半田材を溶かし、該接合領域に該リードを固定する工程であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
6. 上記固定工程後に、上記接合領域を挟んで違いに逆方向に延びた上記リードの一方を他方に接続するように折り曲げる工程を含むことを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。

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