(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に実装可能なブリッジ整流器である整流器を備える電力用半導体装置を製造する方法であって、該方法は、
半導体ダイを、導電性取着領域の第１取着面と電気的に導通するよう設けること；
上記導電性取着領域は表と裏に第１取着面と第２取着面を設けること；
少なくとも部分的に半導体のダイと上記導電性取着領域をおおうハウジングに凹部を設けること；
上記の凹部は上記導電性取着領域の第２取着面と同じ側に設けること；
上記ハウジングの上記凹部の形成が終わった後、絶縁性で熱伝導性の層間材を上記凹部の表面に塗布すること；
上記絶縁性で熱伝導性の層間材は凹部の上側の端から下側の端まで広がるようにすること；
上記絶縁性で熱伝導性の層間材は高い誘電率と高い熱伝導率をもつこと；
上記絶縁性で熱伝導性の層間材にヒートシンクを固定すること；
上記ヒートシンクは凹部の上側の端から端までを覆う長さがあり、ヒートシンクが直接接触するのは上記絶縁性で熱伝導性の層間材と上記ハウジングだけであること；
上記絶縁性で熱伝導性の層間材と上記導電性取着領域の第２取着面の間にはいくらかのハウジングが存在すること；
を備えることを特徴とする半導体装置を製造する方法。
【請求項２】
前記ヒートシンクを金属プレートとすること、を特徴とする請求項１に記載の半導体装置を製造する方法。
【請求項３】
絶縁性で熱伝導性の層間材を前記プレートに塗布して、該層間材を該プレートに固定すること、を特徴とする請求項２に記載の半導体装置を製造する方法。
【請求項４】
前記絶縁性で熱伝導性の層間材を前記プレートに塗布して後、前記絶縁性で熱伝導性の層間材を前記凹部の上面に塗布すること、を特徴とする請求項３に記載の半導体装置を製造する方法。
【請求項５】
前記絶縁性で熱伝導性の層間材を、前記プレートを前記ハウジングに固定する接着剤とすること、を特徴とする請求項４に記載の半導体装置を製造する方法。
【請求項６】
前記ハウジングを、前記半導体装置の外装パッケージを形成するように、成形すること、を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置を製造する方法。
【請求項７】
前記絶縁性で熱伝導性の層間材を、スクリーン印刷工程により塗布すること、を特徴とする請求項４に記載の半導体装置を製造する方法。
【請求項８】
前記半導体装置は、表面実装可能な装置を備えること、を特徴とする請求項１に記載の半導体装置を製造する方法。
【請求項９】
前記半導体装置は、スルーホール実装可能な装置を備えること、を特徴とする請求項１に記載の半導体装置を製造する方法。
【請求項１０】
前記導電性取着領域は、銅パッド、半田ボール、リード、リードフレーム、及びリードフレーム端子の1つを備えること、を特徴とする請求項１に記載の半導体装置を製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
本出願は、２００７年７月９日付で出願した、発明の名称「半導体装置及び放熱能力を向上させた半導体装置の製造方法（Semiconductor Device and Method For Manufacturing a Semiconductor Device Having Improved Heat Dissipation Capabilities）」の米国特許出願番号第１１／８２７，０４２号の利益を主張するものであり、該出願は、２００６年８月１１日付で出願した、発明の名称「金属製ヒートシンクを半導体装置に組付ける方法（Method for Assembling Metal Heat Sink Onto Semiconductor Device）」の米国特許仮出願番号第６０／８３７，３５３号の利益を主張するものである。
【０００２】
本出願はまた、２００７年７月９日付で出願した、発明の名称「半導体装置及び半導体装置の製造方法（Semiconductor Device and Method For Manufacturing a Semiconductor Device）」の米国特許出願番号第１１／８２７，０４1号にも関し、該出願は、２００６年８月１１日付で出願した、発明の名称「高絶縁耐圧且つ高熱伝導性材料でリードフレームを被覆してパワーブリッジを製造する方法（Method for Fabricating Power Bridge by Coating Lead Frame with High Dielectric Strength and High Thermal Conductivity Material）」の米国特許仮出願番号第６０／８３７，３２９号の利益を主張するものである。
【０００３】
本出願はまた、２００５年７月１２日付で出願した、発明の名称「半導体装置及び半導体装置の製造方法（Semiconductor Device and Method for Manufacturing a Semiconductor Device）」の米国特許出願番号第１１／１７９，３３４号に関する。
【０００４】
各上記先行出願は、完全に引用によりここに組込まれているものとする。
【技術分野】
【０００５】
本発明の態様は、概して半導体装置、及び半導体装置を製造する方法に関し、より詳細には、厚みを薄くしたハウジングで封止した半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００６】
整流器等の半導体装置の効率を低減する主な原因として、正常動作中には、冷却が不十分なことが挙げられる。この問題を軽減する２つの方法には、ヒートシンクを使用する方法、及び半導体装置を封止するハウジングの壁厚を薄くする方法がある。
【０００７】
図１Ａ及び図１Ｂは夫々、ビシェイ（商標）セミコンダクタ（Ｖｉｓｈａｙ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）ブランドの単相インライン型ブリッジ整流器１０の斜視図及び側面図であり、該整流器１０には、その内部に、ビシェイ・インターテクノロジ社製の４個の半導体ダイ（図示せず）を有する。装置１０は、リード１４によりスルーホール実装可能であり、該装置１０には、半導体ダイを保護する外装エポキシハウジング１２を含み−装置１０の作動中、半導体ダイで発生する熱を、リード１４及びハウジング１２を通して伝導する。図１Ｂは装置１０の側面図であり、基板１１（例えば、回路基板）にスルーホール実装したところを説明しており、更に、ヒートシンク１３（ヒレ付アルミニウム板等）をどのように使用して、ハウジング１２の熱放散性を高めたらよいか−ハウジング１２内のダイで発生する熱を、リード１４を介して基板１１に、そしてハウジング１２を通してヒートシンク１３及び／又は周囲環境に伝導するか−について説明している。装置１０、基板１１、及びヒートシンク１３を、自然又は強制空気対流等の冷却技術を用いて冷却する。エポキシハウジング１２の熱伝導率は、ヒートシンク１３の熱伝導率より極めて低いが、その結果、装置１０の熱放散性が低くなることがよくある。残念なことに、ハウジング１２は、半導体装置を湿気だけでなく、組立工程等での環境汚染物質に対して保護するために、必要である。ハウジング１２は、通常、トランスファー成形法を用いて、熱硬化性プラスチック等のモールドコンパウンドに、半導体装置を封止して、形成される。
【０００８】
半導体産業で使われる一般的なトランスファー成形装置では、リードフレーム上に実装する薄い電子ワークピースを、二等分した割型間にクランプ固定する。この型で、該装置の周りに十分なクリアランスを設けてモールドキャビティを画定して、該型にモールドコンパウンドを射出し、該装置周りに流して、該装置を封止できる。この成形工程中、モールドコンパウンドを注入口から射出し、型内の空気を排気口から逃がす。プランジャにより、液状のモールドコンパウンドをモールドキャビティに圧入する。該モールドコンパウンドを、硬化させ、型開して、封止済み半導体装置を型抜きする。
【０００９】
前述したように、熱放散を増大するために、装置メーカーは、各装置を覆うモールドコンパウンドの厚みを薄くしたい。封止層を薄くすれば、装置の性能や、熱応力下での被覆損傷に対する耐性や他のパラメータに関する信頼性を向上する助けとなる。薄い封止層が望ましい別の理由は、一般的に、小型の半導体装置が大型の半導体装置より好ましいためである。しかしながら、型内面と電子ワークピースとの間の距離を狭める程、高品質な全装置周りにボイドの無い封止材を得ることが難しくなる。
【００１０】
ボイド無く封止するために、液状モールドコンパウンドを型入口から注入し、モールドコンパウンド流の先頭が型排気口に到達する前に、モールドキャビティ内の空間を充填しなければならない。モールドコンパウンドが、型を完全に充填する前に排気口に達した場合、気泡が型内に閉じ込められ、ボイドが発生してしまう。
【００１１】
完全にモールドキャビティを充填するには、モールドコンパウンドは、型上面と装置上面との間、型下面と装置下面との間、及び装置の外周部を囲む空間に流さねばならない。しかしながら、型の上下面と装置との間の距離を狭めて、それにより封止被覆部を薄くすると、モールドコンパウンドがこれら領域に入り込むのが一層困難になる。
【００１２】
この距離を狭め過ぎると、モールドコンパウンドは、モールドコンパウンド流の先端が、装置上方及び下方の空間の空気を転位させる前に、装置の外周部周りを流れてしまう。その結果、気泡が装置の中間部分で挟まり封止材料を分離させ、該封止材料内でボイドとなってしまう。
【００１３】
そのため、従来の装置を用いた半導体装置のトランスファー成形では、型内面から装置までの距離が、約２００〜２５０マイクロメートル以上必要であった。これにより確実に、モールドコンパウンドの層流が、型内に、そして装置周りにできる。厳密な距離最小限度は、勿論、使用する具体的なモールドコンパウンド、それが含む充填剤、及び温度等のプロセスパラメータの関数となるが、一般的には、型内面から装置までの距離を、若干最小距離を下回るまで減少させると、ボイドが形成され、許容できない製造ロスとなる。
【００１４】
図２は、図１Ａ及び図１Ｂで表したような半導体装置１０の断面図である。図１の装置と同様に、装置１０は、リード１１２によりスルーホール実装でき、該装置１０には、半導体ダイ１０６を保護する外装エポキシハウジング１１０を含み−装置１０の作動中、半導体ダイ１０６で発生する熱を、リード１１２及びハウジング１１０を通して伝導する。エポキシハウジング１１０の熱伝導率によって、装置１０の熱放散性が低くなることがよくある。整流器等の半導体装置の効率を低減する主な原因として、正常動作中では、冷却が不十分なことが挙げられる。残念なことに、上述したように、熱伝導を良くするために、ハウジングの厚みを薄くする場合、ＩＰＥ（内部部品露出）又はボイド１３０（図２参照）等の成形不良が増加し易くなり、絶縁破壊に起因する耐高電圧試験（ｈｉｐｏｔ）又は電気強度試験不良といった問題に繋がる。  
【００１５】
従って、ブリッジ整流器等の半導体装置の熱を十分に放散するために、ヒートシンクとより薄いハウジング壁の両方を提供することが、望ましい。
【発明の概要】
【００１６】
本発明によれば、基板に実装可能な半導体装置を提供する。該装置には、半導体ダイと、第１取着面及び第２取着面を有する導電性取着領域と、を含む。第１取着面を、半導体ダイと電気的に導通するよう設ける。ハウジングにより、少なくとも部分的に半導体ダイ及び層間材を包囲する。該ハウジングには、導電性取着領域の第２取着面を通して配設する凹部を有する。誘電、導電性層間材を、該凹部内に配置し、ハウジングに固定する。金属プレートを該凹部内に配置し、層間材に固定する。
【００１７】
本発明の１態様によれば、上記半導体装置には、電力用半導体装置を備える。
【００１８】
本発明の別の態様によれば、上記電力用半導体装置には、整流器を備える。
【００１９】
本発明の別の態様によれば、上記整流器には、ブリッジ整流器を備える。
【００２０】
本発明の別の態様によれば、上記半導体装置には、表面実装可能な装置を備える。
【００２１】
本発明の別の態様によれば、上記半導体装置には、スルーホール実装可能な装置を備える。
【００２２】
本発明の別の態様によれば、上記半導体装置には、集積回路を備える。
【００２３】
本発明の別の態様によれば、上記集積回路には、チップスケールパッケージを備える。
【００２４】
本発明の別の態様によれば、上記導電性取着領域には、銅パッド、半田ボール、リード、リードフレーム、及びリードフレーム端子の1つを備える。
【００２５】
本発明の別の態様によれば、上記層間材を熱伝導性接着剤とする。
【００２６】
本発明の別の態様によれば、上記層間材には、スクリーン印刷層を備える。
【００２７】
本発明の別の態様によれば、上記ハウジングにはモールドコンパウンドを備える。
【００２８】
本発明の別の態様によれば、基板に実装可能な半導体装置を製造する方法は、初めに、半導体ダイを、導電性取着領域の第１取着部分と電気的に導通するよう配設する。誘電、熱伝導性層間材を、導電性取着領域の第２取着部分に塗布する。ヒートシンクを、層間材に付着させる。ハウジングを、少なくとも部分的にダイ、層間材、及びヒートシンクを包囲するように設ける。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１Ａ】従来のスルーホール実装可能な半導体装置用パッケージの斜視図である。
【図１Ｂ】従来のスルーホール実装可能な半導体装置用パッケージの側面図である。
【図２】従来のスルーホール実装可能な半導体装置用パッケージの断面図である。
【図３】本発明の１態様により構成したスルーホール実装可能な半導体装置用パッケージの断面図である。
【図４】製造工程中の図３に示したスルーホール実装可能な半導体装置の断面図を示す。
【図５】製造工程中の図３に示したスルーホール実装可能な半導体装置の断面図を示す。
【図６】製造工程中の図３に示したスルーホール実装可能な半導体装置の断面図を示す。
【図７】製造工程中の図３に示したスルーホール実装可能な半導体装置の断面図を示す。
【図８】本発明の態様による半導体装置を製造する方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
図３は、本発明のある態様によるスルーホール実装可能な半導体装置２００の内部断面の側面図である。例証目的で、半導体装置２００には（図１に示した）スルーホール実装可能な半導体装置１０と同様なフットプリント及びダイ配置を有するが、装置２００の外形寸法や形状を全く異なるものにしてもよい。半導体装置２００を、整流器又は別の種類の集積回路等の、電力用半導体装置としてもよい。
【００３１】
銅パッド、半田ボール、リード、リードフレーム、又はリードフレーム端子等の導電性取着領域２０２には、夫々半導体ダイ２０６と導通するよう配設した１面２０３を有する（３個のダイが視認できるが、１個のダイについてのみ、例示目的で言及する）。ダイ２０６を、例えば、ダイオード、ＭＯＳＦＥＴ又は別の種類のダイ／集積回路としてもよい。面２０３を、半田付け等の任意の適当な方法でダイ２０６と取着してもよい。スルーホール実装可能なリード２１２（１本を視認可能）もまた、半導体ダイ２０６及び／又は導電性取着領域２０２と導通状態にしてもよい。
【００３２】
ハウジング２１０により、少なくとも部分的に、ダイ２０６及び導電性取着領域２０２を包囲する。ハウジング２１０を、プラスチック等のモールドコンパウンド製とし、熱伝導素子２０２及び／又は層間材２０６の形状に合致させてもよい。ハウジング２１０を、様々な周知の方法、例えばオーバーモールド又は射出成形等で、任意の所望の形状／形に形成してもよい。図示のように、ハウジング２１０を約３．５ｍｍの厚さとし、半導体装置１０の外装ハウジング１２部分（図１に示す）と同様な形状とする。しかしながら、導電性取着領域２０２と層間材２０８（後述）との間に位置するハウジング２１０の部分２３０の厚みを薄くしている。つまり、導電性取着領域２０２の側２０５のハウジング２１０の厚みを、ダイ２０６を配置した導電性取着領域２０２の側２０３のハウジング２１０の厚みより大幅に薄くしている。
【００３３】
図３で更に示すように、層間材２０８を、ハウジング部分２３０（即ち、ハウジング２１０の導電性取着領域２０２の側２０５の部分）の露出面にコーティングないしは塗布する。層間材２０８は、誘電率が高く、熱伝導率も高い。層間材２０８は、熱伝導性シリコーンエラストマ材料、グリース、エポキシ、モールドコンパウンド、エラストマーパッド、サーマルテープ、流体又はゲルの形としてもよい。例えば、層間材２０８を、ＤＯＷ  ＣＯＲＮＩＮＧ社製ＳＥ４４８６及びＳＥ４４５０、Ｅｍｅｒｓｏｎ  ＆  Ｃｕｍｉｎｇ社製２８２、ＢＥＲＧＱＵＩＳＴ社製ＳＡ２０００等の市販の熱伝導性接着剤としてもよい。最後に、金属プレート２２０等の金属製ヒートシンクを、層間材２０８に固定する。金属プレート２２０は、任意の適切な手段で固定してもよい。例えば、層間材２０８を接着剤から形成した場合、層間材２０８自体で金属プレート２２０を固定する役目を果す可能性がある。従って、図３で示した半導体装置は、ヒートシンクと薄いハウジング壁の両方を備えることとなり、それによって放熱性が向上して、該装置が大電流を伝送可能になる。
【００３４】
図４乃至図７では、図３で示したスルーホール実装可能な半導体装置の製造工程中の各断面図を示す。図４では、ダイ２０６を導電性取着領域２０２の上面に実装したところを示す。図５では、ハウジング２１０を、オーバーモールド工程で形成している。ハウジング２１０には、ダイ２０６を囲む上部及び導電性取着領域２０２の側２０５に接触する下部２３０を含む。凹部２４０をハウジング部分２３０で形成し、該部分に層間材２０８と金属プレート２２０の両方を収容する。図６では、層間材２０８を凹部２４０内に配置したところを示し、図７では、金属プレート２２０を凹部２４０内に挿入し、層間材２０８と接触させたところを示す。多くの場合、層間材２０８をまず金属プレート２２０に塗布して後、金属プレート２２０を凹部２４０に挿入してもよい。また、前述のように、層間材２０８を、凹部２４０内で金属プレート２２０を固定する接着剤として機能させてもよい。
【００３５】
層間材２０８を用いることで、導電性取着領域２０２の表面から延在するハウジングの厚みｄ（図３参照）を、有利に薄くできる一方、ＩＰＥ（内部部品露出）又はボイドに起因する半導体装置２００への悪影響を依然として回避できる。場合によっては、ハウジング厚みｄを、５０％以上減少させられる。例えば、ハウジング厚みｄを、１．０ｍｍから０．５ｍｍまで減少させてもよい。特に、半導体装置２００は、このようにハウジング厚みを減少させても、耐高電圧試験不良を回避できる。層間材２０８は、耐高電圧試験中に高耐電圧を提供する一方で、熱伝導率が高いため熱伝導も良好な、シールドとして効果的に機能する。
【００３６】
本発明の実施例によっては、層間材２０８をコーティングする、或はスクリーン印刷工程を用いて塗布する。スクリーン印刷技術は、工芸品を製作するためにグラフィックアート分野で広く用いられており、プリント基板を製作する際にも、比較的大型のマスクパターンをプリント基板に転写するのにその使用が認められる。スクリーン印刷技術には、選択的に画像を基板に転写するのに、ステンシルを使用するものがある。一般的に、画像を、所定の材料をステンシルの多孔性（例えば、メッシュ）部分を通して基板に機械的に押付けて転写する一方で、該ステンシルの隣接する無孔部分により該材料が印刷できないようになっている。グラフィックアート作品を製作する際に使用するスクリーン印刷材料として、塗料及び／又はインクが挙げられるが、回路基板製作時にマスクパターンを転写する際に使用する材料としては、マスキング材料が挙げられる。スクリーン印刷で使用するステンシルを、画像をステンシル上にレーザミリングして、又は写真現像工程により、作製することが多いが、該写真現像工程では、画像を未現像ステンシルに写真転写し、次に該ステンシルを現像して、該画像を顕像化する。非現像ステンシルとして、一般的に、無孔材料で被覆したスクリーンが挙げられる。現像時に、無孔材料部分が除去され、写真転写画像の構成で、ステンシルの多孔部分を生成できる、或はステンシルの開口部を生成できる。画像が有効に転写されて、ステンシルが現像されると、その後該ステンシルを利用して同じ画像を、上述したように、基板に転写する。スクリーン印刷技術及びかかる印刷においてステンシルを使用することは周知のため、詳細には記述しない。
【００３７】
以上説明した半導体装置が除熱効果を高めた除熱経路を含み、該除熱経路を、１つ又は複数のダイを封止するハウジングの厚みを薄くすると共に、金属製ヒートシンクを設けることによって、作成する点について述べた。実装基板の奪熱は、各基板で構成要素の密度が高く、そのため熱流束密度が高くなるという特徴を有する製品設計において望ましい−基板を冷却し、該冷却の結果、通常比較的広い表面積を単一動作温度とするが、該冷却を、半導体装置パッケージ自体を電気的に絶縁することで補完している。半導体装置は、フットプリントを大幅に変更せずに、及び／又は更なる絶縁条件無く、より望ましい温度で運転でき、その結果製品を再設計する必要性を軽減できる。
【００３８】
スルーホール実装可能な半導体装置に関して上述した本発明の態様を、例えば、図８で示した、２００７年７月９日付で出願した、同時係属中の米国特許出願番号第１１／８２７，０４１号の表面実装可能な半導体装置等にも、適用できる。
【００３９】
図８は、本発明の態様による図３に示した半導体装置２００等の半導体装置を製造する方法に関するフローチャートである。この方法は、ブロック９０２から開始し、該ブロック９０２では、半導体ダイを、銅パッド、リードフレーム又は該リードフレームの端子等の導電性取着領域の第１取着部分と電気的に導通するよう配設する。
【００４０】
次に、ブロック９０４では、熱伝導、誘電性層間材を、ヒートシンクとして機能する金属プレートに塗布する。該層間材を、金属プレート上にコーティングしてもよく、また接着剤として機能させてもよい。ステップ９０６では、該金属プレートを、導電性取着領域の第２取着部分に、層間材が該第２取着部分と接触するようにして、取着する。層間材を接着剤とした場合、金属プレートを第２取着部分に固定する機能を果たす可能性がある。
【００４１】
ブロック９０８では、プラスチック等の材料から構成してもよいハウジングを、該ハウジングによりダイ、層間材、金属プレート及び導電性取着領域を、少なくとも部分的に包囲するように設ける。該ハウジングを（例えば、成形によって）取付けるが、半導体装置の外装を該ハウジングによって提供するようにして、これを行う。導電性取着領域から延在するハウジングの厚みを、該層間材及び金属プレートを使用しない場合にボイド等に起因する問題（例えば電気的絶縁破壊）を依然として回避可能な厚みより、薄くしてもよい。
【００４２】
明らかに、ここで記述した本発明の態様以外の形態及び更なる形態を、付記されたクレームの精神及び範囲から逸脱することなく、考案してもよく、また当然のことながら、本発明の態様は、上述した特定の実施例に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００４３】
１０                  ブリッジ整流器
１１                  基板
１２、１１０、２１０    ハウジング
１３                  ヒートシンク
１４、１１２、２１２    リード
１０６、２０６        半導体ダイ
１３０                ボイド
２００                半導体装置
２０２                導電性取着領域
２０８                層間材
２２０                金属プレート
【図１Ａ】
0005413778.tif 000002
【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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