JP7489933B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

本開示は、半導体装置及びその製造方法に関する。

基板と、基板上に配設された半導体素子と、半導体素子の上面と接続されたリード電極と、これらをベース板及びケースの空間内に封止する封止樹脂とを備える半導体装置が提案されている（例えば特許文献１）。

国際公開第２０１９／１９４２７２号

このような半導体装置は、基板、半導体素子及びリード電極が上記空間内に収納された後に、封止樹脂となる硬化前の流動性樹脂が上記空間内に注入されることによって製造される。しかしながら、リード電極とベース板との間の隙間が狭いため、隙間の一部において流動性樹脂が充填されない未充填部が発生し、この未充填部によって半導体装置の電気絶縁性及び信頼性が低下するという問題があった。

そこで、本開示は、上記のような問題点を鑑みてなされたものであり、未充填部の発生を抑制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、前記ベース板上の空間を囲むケースと、前記空間内に配設された半導体素子と、前記空間内で、前記半導体素子の上面と接続されたリード電極と、前記空間内で、前記リード電極の上面に配設された隆起部と、前記空間内で、前記半導体素子及び前記リード電極を封止する封止樹脂とを備え、前記リード電極には、前記リード電極の上下を連通し、前記隆起部と対応する空間が設けられている。

本開示によれば、リード電極の上面に隆起部が配設されているため、未充填部の発生を抑制することができる。

実施の形態１に係る半導体装置の構成を示す断面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。 関連半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。 実施の形態２に係る半導体装置の構成を示す断面図である。 実施の形態３に係る半導体装置の構成を示す断面図である。

以下、添付される図面を参照しながら実施の形態について説明する。以下の各実施の形態で説明される特徴は例示であり、すべての特徴は必ずしも必須ではない。また、以下に示される説明では、複数の実施の形態において同様の構成要素には同じまたは類似する符号を付し、異なる構成要素について主に説明する。また、以下に記載される説明において、「上」または「下」などの特定の位置と方向は、実際の実施時の方向とは必ず一致しなくてもよい。

＜実施の形態１＞
図１は、本実施の形態１に係る半導体装置の構成を示す断面図である。図１の半導体装置は、ベース板１ａと、ケース１ｅと、半導体素子２と、接合材２ａ，２ｂと、リード電極３と、隆起部４と、封止樹脂５とを備える。

ケース１ｅは、ベース板１ａ上の空間を囲む。以下の説明では、ベース板１ａ及びケース１ｅによって形成される空間を「ケース空間」と記す。

ベース板１ａは、例えばアルミニウム合金及び銅などの金属からなる放熱板１ｂと、例えば窒化アルミニウム及び窒化珪素などのセラミック及び樹脂などからなる絶縁基板１ｃと、例えばアルミニウム合金及び銅などの金属からなる金属パターン１ｄとを含む。なお、放熱板１ｂは放熱器として機能する。

ケース１ｅは、例えばＰＰＳ（Poly Phenylene Sulfide）等の樹脂からなる。ケース１ｅは、例えばシリコーン樹脂などによって、ベース板１ａの周縁部と接着されている。

半導体素子２は、ケース空間内に配設されている。半導体素子２は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、逆導通ＩＧＢＴ、及び、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）などの半導体スイッチング素子であってもよいし、ＰＮＤ（PN junction Diode）及びＳＢＤ（Schottky Barrier Diode）などのダイオードであってもよい。半導体素子２の素材は、例えば、シリコン（Ｓｉ）であってもよいし、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ダイヤモンドなどの、シリコンよりもバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体であってもよい。半導体素子２が、ワイドバンドギャップ半導体から構成された場合には、高温下及び高電圧下の安定動作、及び、スイッチ速度の高速化が可能となる。

図１の例では、２つの半導体素子２のそれぞれが、接合材２ａによって、金属パターン１ｄ上に接合されている。なお、半導体素子２の個数は２つに限ったものではなく、用途に応じて変更される。接合材２ａの素材は、半導体装置の動作温度を考慮して決定されるが、一般的に、はんだである。

リード電極３は、例えば金属からなり、ケース空間内で、半導体素子２の上面と接続されている。このように、金属ワイヤボンドではなく、リード電極３が、半導体素子２と外部電極とを接続し、主電流の経路に用いられるため、高電流密度及び高信頼性を実現することができる。

本実施の形態１では、リード電極３は、互いに離間された第１リード電極３ａ及び第２リード電極３ｂを含む。図１の例では、第１リード電極３ａは、接合材２ｂによって１つの半導体素子２の上面と接合され、第２リード電極３ｂは、接合材２ｂによって別の半導体素子２の上面と接合されている。接合材２ｂの素材は、半導体装置の動作温度を考慮して決定されるが、一般的に、はんだである。

以下、第１リード電極３ａと第２リード電極３ｂとを区別しない場合には、それぞれをリード電極３と記して説明する。なお、リード電極３の個数は２つに限ったものではなく、用途に応じて変更される。

リード電極３は、端部３ｃ及び端部３ｄを有する。ケース１ｅと同じ側の端部３ｃは、ケース１ｅに直接的に固定されている。ケース１ｅの側壁と逆側の端部３ｄは、ケース１ｅに間接的に固定されている。なお図１の例では、リード電極３の上面の面積は、リード電極３の側面の面積よりも広くなっている。

隆起部４は、ケース空間内で、リード電極３の上面に配設されており、リード電極３の上面から上側に突出している。本実施の形態１では、隆起部４は、第２リード電極３ｂ側の第１リード電極３ａの上面に配設された第１隆起部４ａと、第１リード電極３ａ側の第２リード電極３ｂの上面に配設された第２隆起部４ｂとを含む。

以下、第１隆起部４ａと第２隆起部４ｂとを区別しない場合には、それぞれを隆起部４と記して説明する。なお、隆起部４の個数は２つに限ったものではなく、つまり第１隆起部４ａ及び第２隆起部４ｂのそれぞれの個数は１つに限ったものではなく、用途に応じて変更される。

隆起部４は、樹脂硬化物４ｃと、樹脂硬化物４ｃをリード電極３に接着する接着材４ｄとを含む。樹脂硬化物４ｃの形状は、後述する流動性樹脂の流動を制御できる形状であればよく、長方形であってもよいし、円弧形であってもよい。樹脂硬化物４ｃの高さは、例えば１０ｍｍ以下程度であってもよい。

封止樹脂５は、例えばエポキシ等からなり、ケース空間内で、半導体素子２及びリード電極３を封止する。封止樹脂５により、絶縁基板１ｃ、半導体素子２及びリード電極３は、外部環境から保護される。

＜製造方法＞
次に、図１の半導体装置の製造方法を第１手順から第５手順に分けて順に説明する。

＜第１手順＞
ベース板１ａと半導体素子２とを接合材２ａで接合する。接合材２ａとして例えば板はんだを金属パターン１ｄ上に載置し、板はんだをその融点に加熱することによって、ベース板１ａに半導体素子２を接合するはんだ付けを行う。または、接合材２ａとして例えばペーストはんだを金属パターン１ｄ上に印刷し、ペーストはんだをその融点に加熱することによって、ベース板１ａに半導体素子２を接合するはんだ付けを行う。

＜第２手順＞
リード電極３と一体化されたケース１ｅを、ベース板１ａに接合することによって、ケース空間を形成する。これと並行して、半導体素子２上に、接合材２ｂとして例えば板はんだまたははんだペーストなどを予め載置しておき、ケース１ｅの下部と放熱板１ｂとの接合面に、図示しないシリコーン系やエポキシ系の接着材を予め塗布しておく。

その状態で、ベース板１ａ及びケース１ｅの一方から他方に向かって荷重を印加することによって、ケース１ｅの下部と放熱板１ｂとを密着させ、リード電極３と接合材２ｂとを接触させる。そして、キュア加熱を行って、ケース１ｅの下部と放熱板１ｂとの間の接着材を硬化させる。なお、接着材の代わりに、ケース１ｅと放熱板１ｂとを締結する図示しないタッピンねじ等を用いてもよい。

＜第３手順＞
半導体素子２とリード電極３とを接合材２ｂで接合する。なお、接合材２ｂによる接合を行うための加熱は、第２手順の接着材の硬化と同時に行われてもよい。

＜第４手順＞
リード電極３の上面の一部に接着材４ｄを塗布し、接着材４ｄ上に樹脂硬化物４ｃを配設することによって、必要な形状を有する隆起部４をリード電極３の上面に設ける。樹脂硬化物４ｃの樹脂には、例えば、所望の弾性率（例えば９～１３ＧＰａ程度）と、所望の耐熱性（例えば最大２００℃程度）と、封止樹脂５と同等の線膨張係数とを有する樹脂が用いられる。

＜第５手順＞
図２に示すように、封止樹脂注入機のノズル８が、隆起部４に対して端部３ｄ側の上方に配設される。第１手順～第４手順で組み立てた構成において、封止樹脂５となる液状の流動性樹脂５ａを、ノズル８から吐出してケース空間内に注入する。これにより、半導体素子２及びリード電極３が、流動性樹脂５ａによって封止される。

なお、封止樹脂５及び流動性樹脂５ａには、例えば、シリコーンゲルやエポキシ樹脂が用いられるが、これに限定するものではなく、所望の弾性率（例えばシリコーンゲルでは０．１～１０ＭＰａ程度、エポキシ樹脂では９～１３ＧＰａ程度）と、所望の耐熱性（例えば最大２００℃程度）と、接着性と、所望の線膨張係数などの物性とを有する樹脂であればよい。また、流動性樹脂５ａのケース空間への注入時には、ケース空間を減圧してもよい。

注入された流動性樹脂５ａは、キュア炉などによって硬化されて封止樹脂５となり、図１の半導体装置が完成する。完成された半導体装置には、必要な電気的特性などの検査が行われる。

＜実施の形態１の作用＞
本実施の形態１の作用について説明する前に、本実施の形態１に係る半導体装置と関連する半導体装置（以下「関連半導体装置」と記す）について説明する。図３は、関連半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。なお、関連半導体装置では、隆起部４は配設されていない。

図３に示すように、リード電極３が半導体素子２の上面に接続された構成では、リード電極３と、絶縁基板１ｃまたは半導体素子２との間の隙間（以下「電極下部隙間」と記す）が狭い。このため、流動性樹脂５ａの注入が行われる第５手順において、電極下部隙間が、流動性樹脂５ａで充填されるよりも先に、リード電極３の上面が、流動性樹脂５ａで覆われることが多くなる。

リード電極３の上面を流れる流動性樹脂５ａと、電極下部隙間を流れる流動性樹脂５ａとが合流すると、電極下部隙間のうちの合流点付近において、流動性樹脂５ａが充填されない未充填部９が発生しやすくなる。このため、関連半導体装置では、未充填部９によって電気絶縁性及び信頼性が低下するという問題があった。

これに対して本実施の形態１によれば、リード電極３の上面に隆起部４が配設されているため、リード電極３の上面を流れる流動性樹脂５ａは、隆起部４によってその流れが妨げられる。これにより、相対的に電極下部隙間における流動性樹脂５ａの流れが促進され、リード電極３の下部から上部の順に流動性樹脂５ａが充填される。この結果、電極下部隙間における未充填部９の発生を抑制することができ、未充填部９による半導体装置の電気絶縁性及び信頼性の低下を抑制することができる。このことは、流動性樹脂５ａの粘度が、例えば、１００Ｐａ・ｓ程度のように比較的大きい場合でも成り立つ。

また本実施の形態１によれば、隆起部４は樹脂硬化物を含む。このような構成によれば、汎用の材料で、隆起部４を構成することができる。また、隆起部４の形状、高さ、サイズを容易に変更することができるため、隆起部４の形状、高さ、サイズを、半導体装置の形状及びサイズと、流動性樹脂５ａのノズル位置及び注入速度とに対して容易に適切化することができる。

なお、隆起部４は、これに限ったものではなく、例えば、リボン形状の金属ワイヤ、金属体、リード電極３の一部などであってもよい。隆起部４に、リード電極３の一部を用いた場合には、部品点数を削減することができる。

また本実施の形態１では、第１隆起部４ａが、第２リード電極３ｂ側の第１リード電極３ａの上面に配設され、第２隆起部４ｂが、第１リード電極３ａ側の第２リード電極３ｂの上面に配設されている。このような構成によれば、流動性樹脂５ａは、第１隆起部４ａ及び第２隆起部４ｂによって第１リード電極３ａと第２リード電極３ｂとの間に誘導されるため、電極下部隙間における流動性樹脂５ａの流れを促進することができる。この結果、電極下部隙間における未充填部９の発生を抑制することができる。

＜実施の形態２＞
図４は、本実施の形態２に係る半導体装置の構成を示す断面図である。本実施の形態２の構成は、平面視において隆起部４に隣接する貫通穴３ｅがリード電極３に配設されている点を除けば、実施の形態１の構成と同様である。平面視において貫通穴３ｅが隆起部４に隣接することは、平面視において貫通穴３ｅが隆起部４と接すること、または、平面視において貫通穴３ｅが隆起部４から隆起部４の高さ程度の範囲内に位置することなどを意味する。

なお、貫通穴３ｅの形状は、特に限定されず、例えば、円、長方形、その他の多角形等であってもよい。１つの隆起部４に対して配設される貫通穴３ｅの個数は、１つであってもよいし複数であってもよい。また、図４の例のように、貫通穴３ｅは、リード電極３のうち端部３ｄと隆起部４が設けられた部分との間、つまり流動性樹脂５ａの流動方向に対して隆起部４よりも手前に配設されていることが好ましい。

＜実施の形態２の作用＞
本実施の形態２でも実施の形態１と同様に、リード電極３の上面に隆起部４が配設されているため、リード電極３の上面の流動性樹脂５ａの流れを、隆起部４によって妨げることができ、電極下部隙間における流動性樹脂５ａの流れを促進することができる。この結果、電極下部隙間における未充填部９の発生をさらに抑制することができる。

また本実施の形態２によれば、平面視において、隆起部４に隣接する貫通穴３ｅがリード電極３に配設されている。このような構成によれば、流動性樹脂５ａを注入する際に、リード電極３の上面を流れる流動性樹脂５ａは、貫通穴３ｅによってその流れが妨げられる。また、リード電極３の上面を流れる流動性樹脂５ａは、貫通穴３ｅによって電極下部隙間に誘導されるため、実施の形態１よりも電極下部隙間における流動性樹脂５ａの流れをさらに促進することができる。この結果、電極下部隙間における未充填部９の発生をさらに抑制することができる。

また図４のように、貫通穴３ｅが、リード電極３のうち端部３ｄと隆起部４が設けられた部分との間に配設された構成によれば、流動性樹脂５ａは、隆起部４によって貫通穴３ｅに誘導される。このため、電極下部隙間における流動性樹脂５ａの流れをさらに促進することができ、電極下部隙間における未充填部９の発生をさらに抑制することができる。

＜実施の形態３＞
図５は、本実施の形態３に係る半導体装置の構成を示す断面図である。本実施の形態３では、隆起部４は、リード電極３の一部となっている。また、隆起部４は、端部３ｄに向かって上側に傾斜されており、貫通穴３ｅの開口がノズル８に向けられている。図５の例では、隆起部４の断面形状は円弧形状を有しているが、これに限ったものではない。なお、図５のような隆起部４及び貫通穴３ｅの開口は、プレス加工等によって安価に形成できる。このような本実施の形態３によれば、実施の形態１で説明した樹脂硬化物４ｃ及び接着材４ｄが不要になるので、コストを抑えることができる。

以上の点を除けば、本実施の形態３の構成は、実施の形態２の構成と同様である。

＜実施の形態３の作用＞
本実施の形態３でも実施の形態１，２と同様に、リード電極３の上面に隆起部４が配設されているため、リード電極３の上面の流動性樹脂５ａの流れを、隆起部４によって妨げることができ、電極下部隙間における流動性樹脂５ａの流れを促進することができる。この結果、電極下部隙間における未充填部９の発生をさらに抑制することができる。

また本実施の形態３によれば、隆起部４は、端部３ｄに向かって上側に傾斜されている。このような構成によれば、リード電極３の上面において、先行の流動性樹脂５ａが後続の流動性樹脂５ａに押されても、先行の流動性樹脂５ａが隆起部４を超えることを抑制することができる。また、流動性樹脂５ａは、隆起部４によって貫通穴３ｅに効率的に誘導されるため、電極下部隙間における流動性樹脂５ａの流れをさらに促進することができ、電極下部隙間における未充填部９の発生をさらに抑制することができる。

なお、本実施の形態３のように傾斜された隆起部４は、実施の形態２ではなく、実施の形態１に適用されてもよい。

なお、各実施の形態及び各変形例を自由に組み合わせたり、各実施の形態及び各変形例を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

１ａ ベース板、１ｅ ケース、２ 半導体素子、３ リード電極、３ａ 第１リード電極、３ｂ 第２リード電極、３ｄ 端部、３ｅ 貫通穴、４ 隆起部、４ａ 第１隆起部、４ｂ 第２隆起部、４ｃ 樹脂硬化物、５ 封止樹脂、５ａ 流動性樹脂。

Claims (7)

1. ベース板と、
   前記ベース板上の空間を囲むケースと、
   前記空間内に配設された半導体素子と、
   前記空間内で、前記半導体素子の上面と接続されたリード電極と、
   前記空間内で、前記リード電極の上面に配設された隆起部と、
   前記空間内で、前記半導体素子及び前記リード電極を封止する封止樹脂と
   を備え、
   前記リード電極には、前記リード電極の上下を連通し、前記隆起部と対応する空間が設けられている、半導体装置。
2. 請求項１に記載の半導体装置であって、
   前記隆起部は、樹脂硬化物を含む、半導体装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の半導体装置であって、
   前記空間として、平面視において前記隆起部に隣接する貫通穴が前記リード電極に配設されている、半導体装置。
4. 請求項３に記載の半導体装置であって、
   前記リード電極は、前記ケースの側壁と逆側の端部を有し、
   前記貫通穴は、前記リード電極のうち前記端部と前記隆起部が設けられた部分との間に配設されている、半導体装置。
5. 請求項１から請求項４のうちのいずれか１項に記載の半導体装置であって、
   前記リード電極は、前記ケースの側壁と逆側の端部を有し、
   前記隆起部は、前記端部に向かって上側に傾斜されている、半導体装置。
6. 請求項１から請求項５のうちのいずれか１項に記載の半導体装置であって、
   前記リード電極は、前記空間によって互いに離間された第１リード電極及び第２リード電極を含み、
   前記隆起部は、
   前記第２リード電極側の前記第１リード電極の上面に配設された第１隆起部と、
   前記第１リード電極側の前記第２リード電極の上面に配設された第２隆起部と
   を含む、半導体装置。
7. 請求項１から請求項６のうちのいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法であって、
   前記リード電極は、前記ケースの側壁と逆側の端部を有し、
   前記封止樹脂となる流動性樹脂を、前記隆起部に対して前記端部側の上方から、前記空間内に注入する、半導体装置の製造方法。

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