JP7675665B2 - 半導体装置の製造装置、半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本開示は、半導体装置の製造に関する。

特許文献１に記載の半導体装置は、リードフレームと、接合材によりリードフレームに接合された制御用半導体素子（ＩＣ）および電力用半導体素子と、これらを封止する絶縁性の樹脂とを備えて構成される。このような半導体装置は、例えば、制御用半導体素子下と電力用半導体素子下とで異なる接合材を用い、制御用半導体素子をリードフレームに接合された後に電力用半導体素子をリードフレームに接合することにより製造される。

特開２０１１－２９４９２号公報

従来技術では、制御用半導体素子をリードフレームに接合する際に、リードフレームの全体を加熱するため、制御用半導体素子が接合されない部分を含むリードフレームの全体が酸化するという問題があった。

本開示は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、リードフレームに制御用半導体素子を接合する際、リードフレーム全体の酸化を抑制することを目的とする。

本開示の半導体装置の製造装置は、半導体装置の仕掛品である複数のワークを収納する筐体と、筐体内に配置された複数のヒータープレートと、を備え、各ワークは、リードフレームと、リードフレームの第１領域上に熱硬化樹脂を介して搭載された制御用半導体素子と、を備え、各ヒータープレートは、筐体に収納された各ワークにおいてリードフレームの第１領域にのみ接触する。

本開示の半導体装置の製造装置によれば、各ヒータープレートにより、各ワークにおいてリードフレームの制御用半導体素子が搭載された部分のみが加熱され、リードフレームに制御用半導体素子が接合される。このとき、リードフレームの制御用半導体素子が搭載されていない部分は加熱されないため、酸化が抑制される。

実施の形態１に係る半導体装置の断面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。 実施の形態１に係る半導体装置の製造方法において、熱硬化樹脂が塗布される前のワークの側面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の製造方法において、ワークに熱硬化樹脂が塗布される様子を示す側面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の製造方法において、熱硬化樹脂によりワークに制御用半導体素子が接合された状態を示す側面図である。 複数のワークを収納した筐体を示す斜視図である。

＜Ａ．実施の形態１＞
＜Ａ－１．構成＞
図１は、実施の形態１に係る半導体装置１０１の断面図である。半導体装置１０１は、リードフレーム１、制御用半導体素子（ＩＣ）３、電力用半導体素子５，６、金属ワイヤ７、モールド樹脂８を備えて構成される。

リードフレーム１は、導電性であり、例えば銅である。リードフレーム１は複数のリード１１，１２を含む。

リード１１は、素子搭載部１１１、ワイヤ配線部１１２および端子部１１３を備える。リード１１の素子搭載部１１１には制御用半導体素子３が熱硬化樹脂２によって接合される。リード１１の素子搭載部１１１を第１領域とも称する。

リード１２は、素子搭載部１２１、ワイヤ配線部１２２および端子部１２３を備える。リード１２の素子搭載部１２１には複数の電力用半導体素子５，６がはんだ４によって接合される。

リード１１のワイヤ配線部１１２と制御用半導体素子３との間、制御用半導体素子３と電力用半導体素子６との間、電力用半導体素子５，６間、電力用半導体素子５とリード１２のワイヤ配線部１２２との間は、金属ワイヤ７で接続される。金属ワイヤ７は、例えばＡｌワイヤである。

リードフレーム１、制御用半導体素子３、電力用半導体素子５，６、および金属ワイヤ７は、端子部１１３，１２３を除きモールド樹脂８により封止される。端子部１１３，１２３はモールド樹脂８の両側面から突出し、上方向に曲げられている。

図１において、リードフレーム１に２つの電力用半導体素子５，６が搭載されているが、リードフレーム１に搭載される電力用半導体素子の個数は１つでもよいし、３つ以上でもよい。

＜Ａ－２．製造方法＞
図２は、実施の形態１に係る半導体装置１０１の製造方法を示すフローチャートである。以下、図２に沿って半導体装置１０１の製造方法を説明する。

まず、銅などの金属素材の薄板を適切な形状にプレスすることにより、リードフレーム１を成形する（ステップＳ１０１）。このとき、リード１１において素子搭載部１１１とワイヤ配線部１１２とに段差を設けてもよいし、リード１２において素子搭載部１２１とワイヤ配線部１２２とに段差を設けてもよい。リードフレーム１は、複数の同一形状のユニットを含んでいてもよい。必要に応じて、リードフレーム１の適切な箇所に銀メッキ処理が施されていてもよい。

図３は、ステップＳ１０１で作成されたリードフレーム１のうちのリード１１の側面図である。図３は、熱硬化樹脂２が塗布される前のリード１１を示している。

次に、リード１１の素子搭載部１１１に熱硬化樹脂２を塗布し、熱硬化樹脂２を介して素子搭載部１１１上に制御用半導体素子３を搭載する（ステップＳ１０２）。

図４および図５には、一般的な樹脂ダイボンダを用いて制御用半導体素子３がリード１１上に搭載される様子を示している。図４において、常温大気中でリード１１を含むリードフレーム１が樹脂のディスペンスエリアに搬送される。そして、熱硬化樹脂２が入ったシリンジ２２にディスペンサー２１から圧力を加える事により、熱硬化樹脂２がリード１１上に塗布される。熱硬化樹脂２は、銀含有率が半分以上の銀ペースト樹脂などである。

その後、図５に示されるように、熱硬化樹脂２上に制御用半導体素子３が搭載される。制御用半導体素子３は、個片化されたチップまたはウエハ上ダイシングされているチップである。制御用半導体素子３のリード１１への搭載は手動でもよいし、一般的な樹脂ダイボンドが用いられてもよい。この時点で、熱硬化樹脂２は未硬化である。

次に、加熱装置３０により熱硬化樹脂２を熱硬化させて、制御用半導体素子３とリード１１とを接合させる（ステップＳ１０３）。

図６は、加熱装置３０の斜視図である。加熱装置３０は、筐体３１と、筐体３１内に設けられた複数のヒータープレート３２とを備えて構成される。

筐体３１は、１面が開口した直方体であり、水平方向より鉛直方向の寸法が大きい。筐体３１は、右側面部材３１１、左側面部材３１２、上面部材３１３、下面部材３１４および背面部材３１５を備えて構成される。筐体３１において、背面部材３１５に対向する前面には部材が無い。すなわち、筐体３１の前面は開口であり、この開口を通して筐体３１内にワーク１０を出し入れすることが可能である。ここで、ワーク１０とは、半導体装置１０１の仕掛品であり、制御用半導体素子３が搭載されたリードフレーム１である。

筐体３１は、鉛直方向に複数のワーク１０を収納可能である。言い換えれば、筐体３１は複数のワーク１０を収納する複数のワーク収納部を備えている。各ワーク収納部に収納された複数のワーク１０は、筐体３１内で鉛直方向に配列する。鉛直方向とは、図６の紙面における上下方向であり、筐体３１の上面部材３１３および下面部材３１４に垂直な方向である。

従って、各ワーク１０を加熱するヒータープレート３２も、筐体３１内で鉛直方向に複数配置される。例えば、ヒータープレート３２は筐体３１内に５個以上配置される。図６の例では、ヒータープレート３２は筐体３１内に６個配置されている。

図６には図示されていないが、筐体３１の右側面部材３１１および左側面部材３１２には、筐体３１内に突出する突起が設けられており、これらの突起によりワーク収納部が構成される。ワーク１０はこれらの突起上に載置されることによって、筐体３１内での位置が固定される。ワーク１０を搭載するための突起は、筐体３１の右側面部材３１１および左側面部材３１２に加え背面部材３１５に設けられていてもよい。

複数のヒータープレート３２は、筐体３１内の各ワーク収納部に対応する位置に配置される。すなわち、各ヒータープレート３２は、筐体３１内に収納された各ワーク１０に対して下方から接触する位置に配置されている。

また、各ヒータープレート３２は、各ワーク１０の全体に接触するのではなく、各ワーク１０の制御用半導体素子３が搭載された部分にのみ接触する。従って、各ヒータープレート３２は、各ワーク１０の第１領域、すなわち制御用半導体素子３が搭載された部分のみを加熱する。

上記では、筐体３１の右側面部材３１１および左側面部材３１２に設けられた突起について説明した。しかし、右側面部材３１１および左側面部材３１２のうちヒータープレート３２が設けられる側には突起がなく、ヒータープレート３２の上に直接ワーク１０が搭載されていてもよい。この場合、ヒータープレート３２は筐体３１の右側面部材３１１または左側面部材３１２に固定され、さらに背面部材３１５に固定されていてもよい。

熱硬化樹脂２の融点は１４０℃を想定するため、筐体３１の耐熱温度は１５０℃以上とする。筐体３１は例えばステンレス銅で構成される。

筐体３１内に、ワーク１０をヒータープレート３２に対して鉛直方向に押さえつけるワーク押えが設けられていてもよい。これにより、筐体３１内に収納されたワーク１０をヒータープレート３２に確実に接触させることができる。ワーク押えは、自重でワーク１０を押える構成であってもよいし、ばねの弾性力によってワーク１０を押える構成であってもよい。

図６において、複数のヒータープレート３２は筐体３１内で互いに平行に配置されている。また、筐体３１内に収納された複数のワーク１０は互いに平行であると共に、複数のヒータープレート３２に対しても平行である。

図６において、各ヒータープレート３２の平面視における面積は、筐体３１の上面部材３１３または下面部材３１４の面積よりも小さい。ここで平面視とは、上面部材３１３または下面部材３１４に対して垂直な方向から見ることを意味する。

筐体３１の平面視における寸法は、ワーク１０の平面視における寸法よりやや大きい程度あればよい。すなわち、筐体３１の上面部材３１３または下面部材３１４の寸法は、縦方向の長さおよび横方向の長さが共に、ワーク１０の寸法より１ｃｍ大きい程度であればよい。

ヒータープレート３２の平面視における面積は、筐体３１の平面視における面積の２／３以下であり、より望ましくは１／２以下である。

図２のステップＳ１０３では、図６に示された筐体３１内にあるヒータープレート３２上に、熱硬化樹脂２および制御用半導体素子３が搭載されたリードフレーム１、すなわちワーク１０を配置する。ワーク１０の配置は手動であってもよいし、装置が用いられてもよい。

そして、ヒータープレート３２の温度を１４０℃付近で２時間維持することにより、リードフレーム１の第１領域のみ直接加熱する。これを第１加熱とも称する。第１加熱により、第１領域が酸化してワイヤボンドの品質悪化が懸念される場合、窒素（Ｎ２）気体を使用して酸素低減雰囲気内で樹脂加熱を行ってもよい。

次に、リード１２の素子搭載部１２１にはんだ４を塗布し、はんだ４を介して素子搭載部１２１上に電力用半導体素子５，６を接合する（ステップＳ１０４）。電力用半導体素子５，６は、個片化されたチップまたはウエハ上ダイシングされたチップである。電力用半導体素子５，６の接合は、ワーク１０を加熱することにより行われる。この加熱を、制御用半導体素子３の接合時の第１加熱と区別して第２加熱とも称する。第２加熱の温度は２７０℃付近とし、酸素濃度低減環境下にて冷却機構を設けた状態ではんだ付けが行われる。

はんだ４による電力用半導体素子５，６の接合は、筐体３１内でヒータープレート３２および冷却プレート（図示せず）を用いて、熱硬化樹脂２の硬化と同時に行ってもよいし、一般的なはんだダイボンダを使用してもよい。

次に、電力用半導体素子５，６とリード１２のワイヤ配線部１２２との段差を考慮し、両者をＡｌワイヤでボンディングする（ステップＳ１０５）。Ａｌワイヤの径および本数は、電力用半導体素子５，６を流れる電流により定められる。Ａｌワイヤボンディングの際には、超音波によりＡｌワイヤの酸化膜が除去される。Ａｌワイヤボンディングは手動で行われても良いし、一般的なワイヤボンダを用いて行われてもよい。

次に、制御用半導体素子３とリード１１のワイヤ配線部１１２との段差を考慮し、両者をＡｕワイヤでボンディングする（ステップＳ１０６）。Ａｕワイヤの本数は、制御用半導体素子３を流れる電流により定められる。Ａｕワイヤの直径は４０μｍほどである。Ａｕワイヤは、リードフレーム１を熱しながら超音波熱圧着によりボンディングされてもよい。Ａｕワイヤボンディングは、手動でも装置を用いて行われてもよい。また、ＡｕワイヤにかえてＣｕワイヤでもＡｇワイヤでもよい。

次に、トランスファーモールドにより、リードフレーム１に搭載された制御用半導体素子３および電力用半導体素子５，６、ならびにワイヤボンド配線をモールド樹脂８で封止する（ステップＳ１０７）。モールド樹脂８は熱硬化樹脂である。まず、モールド樹脂８は１７５℃程度で加熱され、その後アフターキュアとして１７０℃で１０時間程加熱され、硬化される。ここでは、ステップＳ１０３における第１加熱またはステップＳ１０４における第２加熱で用いられた加熱装置３０を、筐体３１におけるヒータープレート３２の鉛直方向の高さを変更して用いてもよい。

その後、リードフレーム１の不要部分、およびモールド樹脂８のバリ等をカットする（ステップＳ１０８）。リードフレーム１の不要部分は、リードフレーム１の形状により変更する。本ステップは、手動で行われてもよいし、装置を用いて行われてもよい。

次に、リードフレーム１の端子部１１３，１２３にめっきを行う（ステップＳ１０９）。本ステップは、手動で行われてもよいし、装置を用いて行われてもよい。

その後、リードフレーム１の端子部１１３，１２３を適切な形状に曲げる（ステップＳ１１０）。

最後に、モジュールのテストを実施し（ステップＳ１１１）、図１に記載の半導体装置１０１が完成する。

＜Ａ－３．効果＞
実施の形態１に係る半導体装置の製造装置である加熱装置３０は、半導体装置１０１の仕掛品である複数のワーク１０を収納する筐体３１と、筐体３１内に配置された複数のヒータープレート３２と、を備える。各ワーク１０は、リードフレーム１と、リードフレーム１の第１領域であるリード１１の素子搭載部１１１上に熱硬化樹脂２を介して搭載された制御用半導体素子３と、を備える。各ヒータープレート３２は、筐体３１に収納された各ワーク１０の素子搭載部１１１にのみ接触する。従って、加熱装置３０によれば、リードフレーム１に制御用半導体素子３を接合する際、リードフレーム１のうち制御用半導体素子３が搭載された部分である素子搭載部１１１のみが加熱され、他の部分は加熱されないため、他の部分の酸化が抑制される。

また、実施の形態１において、筐体３１は、水平方向より鉛直方向の寸法が大きく、かつ一面が開口となった直方体であり、複数のワーク１０を鉛直方向に配列して収納するものであってもよい。そして、鉛直方向からみた平面視において、各ヒータープレート３２の面積は筐体３１の面積の２／３以下であってもよい。このような構成により、加熱装置３０によれば、複数のワーク１０を一括処理することが出来ると共に、各ヒータープレート３２により各ワーク１０の素子搭載部１１１のみが加熱されるため、リードフレーム１の素子搭載部１１１以外の酸化が抑制される。

また、実施の形態１において、各ヒータープレート３２は、筐体３１の開口に接する側面部材または開口に対向する背面部材に固定されてもよい。このような構成によれば、ヒータープレート３２の上にワーク１０を搭載することができるため、ワーク１０を搭載するために筐体３１の側面部材などに突起を設ける必要がない。

実施の形態１に係る半導体装置の製造方法は、リードフレーム１と、リードフレーム１の第１領域である素子搭載部１１１上に熱硬化樹脂２を介して搭載された制御用半導体素子３と、を備える少なくとも１つのワーク１０を準備し、少なくとも１つのワーク１０の素子搭載部１１１のみを第１加熱として加熱する。従って、リードフレーム１に制御用半導体素子３を接合する際、リードフレーム１の素子搭載部１１１以外の部分の酸化が抑制される。

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、省略したりすることが可能である。

１ リードフレーム、２ 熱硬化樹脂、３ 制御用半導体素子、４ はんだ、５，６ 電力用半導体素子、７ 金属ワイヤ、８ モールド樹脂、１０ ワーク、１１，１２ リード、２１ ディスペンサー、２２ シリンジ、３０ 加熱装置、３１ 筺体、３２ ヒータープレート、１０１ 半導体装置、１１１，１２１ 素子搭載部、１１２，１２２ ワイヤ配線部、１１３，１２３ 端子部、３１１ 右側面部材、３１２ 左側面部材、３１３ 上面部材、３１４ 下面部材、３１５ 背面部材。

Claims (10)

1. 半導体装置の仕掛品である複数のワークを収納する筐体と、
   前記筐体内に配置された複数のヒータープレートと、を備え、
   各前記ワークは、
   リードフレームと、
   前記リードフレームの第１領域上に熱硬化樹脂を介して搭載された制御用半導体素子と、を備え、
   各前記ヒータープレートは、前記筐体に収納された各前記ワークにおいて前記リードフレームの前記第１領域にのみ接触する、
   半導体装置の製造装置。
2. 前記筐体は、水平方向より鉛直方向の寸法が大きく、かつ一面が開口となった直方体であり、前記複数のワークを前記鉛直方向に配列して収納し、
   前記鉛直方向からみた平面視において、各前記ヒータープレートの面積は前記筐体の面積の２／３以下である、
   請求項１に記載の半導体装置の製造装置。
3. 各前記ヒータープレートは、前記筐体の前記開口に接する側面部材または前記開口に対向する背面部材に固定される、
   請求項２に記載の半導体装置の製造装置。
4. 前記筐体の耐熱温度は１５０℃以上である、
   請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造装置。
5. 前記筐体に収納された各前記ワークを各前記ヒータープレートに押さえつけるワーク押えをさらに備える、
   請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造装置。
6. リードフレームと、前記リードフレームの第１領域上に熱硬化樹脂を介して搭載された制御用半導体素子と、を備える少なくとも１つのワークを準備し、
   前記少なくとも１つのワークにおいて前記リードフレームの前記第１領域のみを第１加熱として加熱する、
   半導体装置の製造方法。
7. 前記第１加熱は、前記少なくとも１つのワークの前記第１領域の下に配置された少なくとも１つのヒータープレートにより行われる、
   請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
8. 前記少なくとも１つのワークは複数のワークであり、
   前記少なくとも１つのヒータープレートは複数のヒータープレートであり、
   前記第１加熱において、各前記ワークは各前記ヒータープレートにより同時に加熱される、
   請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
9. 前記第１加熱は、前記複数のワークを筐体内に一方向に配列して収納し、前記筐体内に配置された前記複数のヒータープレートにより行われる、
   請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
10. 前記第１加熱の後、前記リードフレームの前記第１領域とは異なる第２領域上に前記熱硬化樹脂とは異なる接合材を介して少なくとも１つの電力用半導体素子を搭載し、前記少なくとも１つの電力用半導体素子が搭載された前記少なくとも１つのワークを前記第１加熱より高い温度で第２加熱として加熱する、
    請求項６から請求項９のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。

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