(57)【要約】【課題】電気的に浮遊した金属板がモールド層の一面に露出した構成を具備した、信頼性の高い半導体装置を得る。【解決手段】接合時において下層である第１の樹脂層の硬化度は、上層である第２の樹脂層の硬化度よりも高く設定される。硬化度の上昇率は、第２の樹脂層１６の方が第１の樹脂層１５よりも大きくなるように設定される。接合工程の時点で硬化度が低い第２の樹脂層の方が先に完全硬化し、第１の樹脂層はその後で完全硬化する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップが上面に搭載された金属板の下面が絶縁層を介して放熱板の上面に接合され、前記半導体チップ、前記金属板及び前記放熱板がモールド樹脂体によって封止された構成を具備し、前記絶縁層は、前記放熱板側に設けられた第１の樹脂層と前記金属板側に設けられた第２の樹脂層を少なくとも具備する、半導体装置の製造方法であって、
前記金属板と前記放熱板とを前記第１の樹脂層と前記第２の樹脂層を介して固着し、相対的に硬化度が高い前記第１の樹脂層と相対的に硬化度が低い前記第２の樹脂層を挟んで前記金属板と前記放熱板とが接合された放熱板構造体を形成する接合工程と、
前記放熱板構造体の前記第１の樹脂層と前記第２の樹脂層に対して熱処理を施して、前記第１の樹脂層及び第２の樹脂層を完全硬化させる硬化工程と、
を具備し、
前記硬化工程において、前記第２の樹脂層を前記第１の樹脂層よりも早く完全硬化させることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記硬化工程において、熱硬化性樹脂を硬化させて前記モールド樹脂体を形成することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記硬化工程において、
第１の期間においては、前記第１の樹脂層の硬化度が前記第２の樹脂層の硬化度よりも高く、
前記第１の期間の後の第２の期間においては、前記第２の樹脂層の硬化度が前記第１の樹脂層の硬化度よりも高く設定され、
前記第２の期間において前記第１の樹脂層及び第２の樹脂層を完全硬化させることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法によって製造されたことを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体チップが金属板上に搭載された構造がモールド層中に封止された構成を具備する半導体装置、その製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、半導体チップが使用される際には、半導体チップが金属板上に搭載された構造が絶縁性のモールド樹脂層中に封止され、モールド樹脂層から端子となるリードが導出した構成をもつ半導体モジュール（半導体装置）とされる。ここで、特に半導体チップがパワー半導体チップ（パワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等）である場合には、半導体チップからの放熱が効率的に行われることが要求される。この放熱は、主に半導体チップを搭載する金属板を介してなされ、この金属板自身を一つの端子として使用することもできる。この場合には、モールド樹脂層の下面でこの金属板が露出する構成とすれば、露出した金属板をはんだを介して接続することによって半導体装置を設置し、かつこの金属板に対して配線を接続することができる。
【０００３】
一方で、露出した金属板を放熱経路と半導体装置の固定（はんだ付け）のために用いるが、電気的接続には用いない場合もある。この場合には、半導体チップ等から電気的に絶縁された金属板をモールド樹脂層の下面に露出させることが必要となる。半導体チップがパワー半導体チップである場合には、この際の絶縁性が高い（絶縁耐圧が高い）ことが要求されるため、半導体チップを搭載する金属板（リードフレーム）が絶縁層を介して他の金属板（放熱板）に接合される。この際、絶縁層の耐圧は充分高いことが必要であり、このためには、絶縁層は厚いことが好ましい。また、リードフレーム、絶縁層、放熱板の間の接合強度が充分に高いことも要求されるが、このためには、絶縁層に対してある程度の厚さが要求されることも明らかである。しかしながら、一方で、絶縁層を構成する材料の熱伝導率は一般的にはリードフレームや放熱板を構成する金属材料よりも低い。このため、放熱性を高めるためには、絶縁層は薄いことが好ましい。以上より、絶縁層の特性や厚さの設定は、信頼性の高い半導体装置を得る上では極めて重要であり、その厚さを精密に制御することが必要である。
【０００４】
特許文献１には、こうした構造をもつ半導体装置の構造、製造方法が記載されている。図３は、この半導体装置１０の断面図である。この半導体装置１０においては、半導体チップ１１が、はんだ層（接合層）１２を介してそれぞれ第１のリードフレーム（金属板）１３の表面に搭載されている。第１のリードフレーム１３と電気的に独立した第２のリードフレーム１４も設けられ、第１のリードフレーム１３、第２のリードフレーム１４の裏面は、第１の樹脂層１５と第２の樹脂層１６を介して放熱板（ベース基板）１７に接合されている。半導体チップ１１における一つの電極と第１のリードフレーム１３との間の電気的接続ははんだ層１２によってなされ、半導体チップ１１における他の電極と第２のリードフレーム１４とはボンディングワイヤ１８によってなされる。これらの構造はモールド樹脂層１９の中に封止され、放熱板１７の裏面がモールド樹脂層１９から露出する形態とされる。また、第１のリードフレーム１３の左端部は、モールド樹脂層１９から突出する構成とされ、この半導体装置１０の入出力端子となるリードとして使用される。また、第２のリードフレーム１４の一部も図示されない範囲でモールド樹脂層１９から露出する形態とされる。
【０００５】
特許文献１に記載の構造においては、第１のリードフレーム１３と放熱板１７との間の絶縁層として、下側に第１の樹脂層１５、上側に第２の樹脂層１６が形成された２層構造が用いられている。これらの材料としては、例えば共に、熱伝導率の高いアルミナがフィラーとして添加されたエポキシ樹脂が用いられる。
【０００６】
図４は、この半導体装置１０の製造方法を示す工程断面図である。この製造方法においては、まず、図４（ａ）に示されるように、第１のリードフレーム１３上に半導体チップ１１を搭載し、第２のリードフレーム１４と半導体チップ１１とをボンディングワイヤ１８を接続した上部構造体を製造する（チップ搭載工程）。ここで、第１のリードフレーム１３と第２のリードフレーム１４とは図示された範囲外において接続されて一体化されており、後でこの接続部分が分断される構成とされる。
【０００７】
一方、図４（ｂ）に示されるように、放熱板１７の上に未硬化の状態である第１の樹脂層１５、第２の樹脂層１６を順次形成した構造（下部構造体）を製造する（下地構造製造工程）。その後、図４（ｃ）に示されるように、第１のリードフレーム１３、第２のリードフレーム１４の下面と第２の樹脂層１６の上面とが接合されるように、上部構造体（図４（ａ））と下部構造体（図４（ｂ））とが接合された放熱板構造体を形成する（接合工程）。その後、図４（ｄ）に示されるように、放熱板構造体における放熱板１７の下面が露出するように、半導体チップ１１等を封止してモールド樹脂層１９を形成する（モールド工程）。モールド工程において、モールド樹脂層１９は、例えばトランスファーモールドによって形成することができる。この場合、例えば、熱硬化性樹脂等からなる液状のモールド材料が図４（ｃ）の構造が固定された金型中に投入された後に、金型全体が高温とされる熱処理が施され、モールド材料が硬化することによって、モールド樹脂層１９が形成される。この際、第１の樹脂層１５、第２の樹脂層１６もこの熱処理によって完全硬化する設定とされる。このため、このモールド工程は、第１の樹脂層１５、第２の樹脂層１６を完全硬化させる硬化工程ともなっている。
【０００８】
ここで、前記の絶縁層は、完全硬化後の第１の樹脂層１５、第２の樹脂層１６で構成される。前記の通り、この絶縁層の厚さの設定は重要である。ただし、第１のリードフレーム１３、第２のリードフレーム１４と放熱板１７との間の接合を強固に行うためには、第１のリードフレーム１３、第２のリードフレーム１４が部分的に第２の樹脂層１６に埋め込まれた形態で第２の樹脂層１６等を完全硬化させることが必要となる。この場合には、第１のリードフレーム１３直下において、少なくとも第２の樹脂層１６は薄くなるため、絶縁性に問題が生ずるおそれがある。この問題を回避するために第１の樹脂層１５、第２の樹脂層１６を厚くすればよいが、この場合に放熱性が劣化することは明らかである。
【０００９】
このため、特許文献１に記載の技術においては、第１のリードフレーム１３、第２のリードフレーム１４と放熱板１７との接合を行う直前の状態において、第２の樹脂層１６（上側）の硬度を第１の樹脂層１５（下側）の硬度よりも低く設定している。この構成によって、接合工程において第１のリードフレーム１３等を放熱板１７側に圧着した際に、第２の樹脂層１６が変形するために第１のリードフレーム１３等が部分的に第２の樹脂層１６に埋め込まれた形態となるのに対し、第１の樹脂層１５は変形せずその厚さも変化しない状態とすることができる。このため、放熱性を確保するために絶縁層全体を薄くした場合でも、絶縁性は最低限でも第１の樹脂層１５によって確保される一方で、第２の樹脂層１６によって高い接合強度を得ることができる。
【００１０】
これにより、製造工程を簡略化し、かつ第１のリードフレーム１３と放熱板１７との間の絶縁層の放熱性や電気的絶縁性を高め、この半導体装置１０の信頼性を高めることができる。
【００１１】
第１の樹脂層１５、第２の樹脂層１６における硬度の設定は、これらにおいて同一のエポキシ樹脂を使用した場合でも、例えばアルミナフィラーの濃度を調整することによって行うことができる。また、第１の樹脂層１５を放熱板１７上に塗布してから硬化を進行させた後で、未硬化の第２の樹脂層１６をこの上に塗布してもよい。
【００１２】
こうした構造、製造方法を用いて、信頼性の高い半導体装置を製造することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００２−０５０７１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上記の構成において、接合工程の圧着時における第１の樹脂層１５と第２の樹脂層１６の硬度は異なるものの、これらは共にその後のモールド工程において完全硬化する。このため、モールド工程における完全硬化は、第１の樹脂層１５と第２の樹脂層１６からなる絶縁層全体としては不均一に行われる。このため、これらの完全硬化時に応力が発生し、第１のリードフレーム１３等と放熱板１７との間において第１の樹脂層１５、第２の樹脂層１６で剥離を生ずることがあった。この点については、仮にモールド工程よりも前に熱処理（硬化工程）を行い、モールド工程前に第１の樹脂層１５と第２の樹脂層１６を完全硬化させた場合であっても同様である。
【００１５】
すなわち、電気的に浮遊した金属板がモールド層の一面に露出した構成を具備した、信頼性の高い半導体装置を得ることは困難であった。
【００１６】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の半導体装置の製造方法は、半導体チップが上面に搭載された金属板の下面が絶縁層を介して放熱板の上面に接合され、前記半導体チップ、前記金属板及び前記放熱板がモールド樹脂体によって封止された構成を具備し、前記絶縁層は、前記放熱板側に設けられた第１の樹脂層と前記金属板側に設けられた第２の樹脂層を少なくとも具備する、半導体装置の製造方法であって、前記金属板と前記放熱板とを前記第１の樹脂層と前記第２の樹脂層を介して固着し、相対的に硬化度が高い前記第１の樹脂層と相対的に硬化度が低い前記第２の樹脂層を挟んで前記金属板と前記放熱板とが接合された放熱板構造体を形成する接合工程と、前記放熱板構造体の前記第１の樹脂層と前記第２の樹脂層に対して熱処理を施して、前記第１の樹脂層及び第２の樹脂層を完全硬化させる硬化工程と、を具備し、前記硬化工程において、前記第２の樹脂層を前記第１の樹脂層よりも早く完全硬化させることを特徴とする。
本発明の半導体装置の製造方法は、前記硬化工程において、熱硬化性樹脂を硬化させて前記モールド樹脂体を形成することを特徴とする。
本発明の半導体装置の製造方法は、前記硬化工程において、第１の期間においては、前記第１の樹脂層の硬化度が前記第２の樹脂層の硬化度よりも高く、前記第１の期間の後の第２の期間においては、前記第２の樹脂層の硬化度が前記第１の樹脂層の硬化度よりも高く設定され、前記第２の期間において前記第１の樹脂層及び第２の樹脂層を完全硬化させることを特徴とする。
本発明の半導体装置は、前記半導体装置の製造方法によって製造されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明は以上のように構成されているので、電気的に浮遊した金属板がモールド層の一面に露出した構成を具備した、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態となる製造方法において用いられる第１の樹脂層、第２の樹脂層の硬化特性を示す図である。
【図２】従来の製造方法において用いられる第１の樹脂層、第２の樹脂層の硬化特性を示す図である。
【図３】電気的に絶縁された放熱板を具備する半導体装置の一例の断面図である。
【図４】電気的に絶縁された放熱板を具備する半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態となる半導体装置の製造方法について説明する。ここで製造される半導体モジュール（半導体装置）の構造は、図３（特許文献１）に記載のものと同様である。すなわち、半導体チップが搭載されたリードフレームが、絶縁層を介して放熱板に接合されている。この絶縁層は第１の樹脂層と第２の樹脂層の２層構造とされる。
【００２１】
その製造方法も、図４の場合と同様に、チップ搭載工程、下部構造製造工程、接合工程、モールド工程からなる。ここでは、モールド樹脂層１９を形成するモールド工程において絶縁層も完全硬化する設定とされ、モールド工程が、絶縁層を完全硬化させる硬化工程を兼ねている。ただし、ここでは、下部構造製造工程において放熱板１７上に形成される第１の樹脂層１５、第２の樹脂層１６の特性（硬化特性）が、前記の場合とは異なる。
【００２２】
図１は、この製造方法において用いられる第１の樹脂層１５と第２の樹脂層１６の硬化特性を模式的に示す図である。ここでは、ある一定の温度下に置かれた際の時間と硬化度との関係が第１の樹脂層１５（実線）、第２の樹脂層１６（破線）について示されている。この温度は、第１の樹脂層１５の硬化温度、第２の樹脂層１６の硬化温度よりも高い温度であるため、一定時間経過後においては共に完全硬化する（硬化度＝１００％となる）。例えば、この温度は、前記のモールド工程においてモールド材料を硬化させるための温度である。この場合、図１における硬化度の変化は、モールド工程（硬化工程）における各樹脂層の硬化度の変化を表していると考えることができる。この場合には、モールド樹脂層１９が完全硬化して形成される際に、第１の樹脂層１５と第２の樹脂層１６も完全硬化する。このため、図１の特性においては、第１の樹脂層１５の硬化度（実線）、第２の樹脂層１６の硬化度（破線）のどちらも、経過時間に対して単調に増加している。
【００２３】
ここで、硬化度とは、完全硬化（硬化反応が充分に進行して実用的な機械的強度、弾性率が得られた場合）とされる状態における架橋反応の進行の度合いに対する、ある時点における架橋反応の進行の度合いの割合である。この硬化度は、レオメータ等によって樹脂層の粘度や硬度を測定することによって測定することができ、あるいは、架橋反応の進行を光学的に測定することによっても測定することができる。硬化反応（架橋反応）が進行することによって硬度は上昇するため、特許文献１に記載の樹脂層における硬度はこの硬化度と対応する。
【００２４】
図１における横軸（経過時間）の原点は、前記の接合工程における接合時（放熱板構造体が形成された時点）とする。図１に示されるように、この時点において、下層である第１の樹脂層１５の硬化度は、上層である第２の樹脂層１６の硬化度よりも相対的に高く設定される。この点については特許文献１に記載の技術と同様であるため、特許文献１に記載の技術と同様の効果が得られる。すなわち、絶縁層の最小厚さは第１の樹脂層１５によって確保される一方で、接合時に第２の樹脂層１６が変形しやすくなるために高い接合強度が得られる。また、この際に第１の樹脂層１５は変形しないために、絶縁性は最低限でも第１の樹脂層１５によって保たれる。図１に示されるように、第１の樹脂層１５の硬化度が第２の樹脂層１６の硬化度よりも高い状態は、時間が進行したＡの時点でも同様である。
【００２５】
ところが、上層である第２の樹脂層１６の硬化は、下層である第１の樹脂層１５の硬化よりも速く進行する、すなわち、硬化度の上昇率は、第２の樹脂層１６の方が第１の樹脂層１５よりも大きくなるように設定される。このため、図中のＢよりも前の期間（第１の期間：例えばＡの時点）では硬化度はまだ第１の樹脂層１５の方が第２の樹脂層１６よりも高いものの、その後のＢの時点ではこれらにおける硬化度は等しくなる。その後、Ｂよりも後の期間（第２の期間：例えばＣの時点）では第２の樹脂層の硬化度が第１の樹脂層の硬化度よりも高くなる。Ｃの時点では第２の樹脂層１６の硬化度は１００％となっている（完全硬化している）のに対し、第１の樹脂層１５の硬化度はこれよりも低くなり、これよりも後のＤの時点で第１の樹脂層１５の硬化度は１００％となる。すなわち、接合工程の時点で硬化度が低い第２の樹脂層１６の方が先に完全硬化し、第１の樹脂層１５はその後で完全硬化する。あるいは、モールド工程（硬化工程）における熱処理の途中で、第１の樹脂層１５と第２の樹脂層１６の硬化度の大小関係が逆転する。なお、第１の樹脂層１５、第２の樹脂層１６が共に充分に完全硬化する時間が例えば５ｍｉｎ程度となるように、この際の温度は設定される。
【００２６】
これに対して、特許文献１に記載の技術のように、接合工程において、第１の樹脂層１５の硬化度を第２の樹脂層１６の硬化度よりも単に高くした場合における一般的な硬化特性を、図１と同様に図２に示す。
【００２７】
図２に示されるように、この場合には、接合工程の時点で硬化度の高い第１の樹脂層１５の方が早く硬化し、第１の樹脂層１５はＥの時点で完全硬化する。一方、Ｅの時点では第２の樹脂層１６はまだ完全硬化しておらず、その後のＦの時点で第２の樹脂層１６は完全硬化する。すなわち、接合工程の時点で硬化度が高い第１の樹脂層１５の方が先に完全硬化し、第２の樹脂層１６はその後で完全硬化する。
【００２８】
第１の樹脂層１５、第２の樹脂層１６が図２の特性をもつ場合には、前記の通り、これらが完全硬化に至るまでの間において常に、第１の樹脂層１５の硬度は第２の樹脂層１５の硬度よりも高くなる。このため、この場合には、図４（ｄ）の構造における絶縁層全体の硬化状態はモールド工程の間において常に不均一となるために、第１のリードフレーム１３等、絶縁層、放熱板１７の間で応力が発生し、完全硬化後において、特に第１の樹脂層１５と放熱板１７との間で剥離が発生する場合があった。
【００２９】
これに対して、第１の樹脂層１５、第２の樹脂層１６が図１の特性をもつ場合には、これらが完全硬化に至るまでの間において、第１の樹脂層１５の硬度と第２の樹脂層１５の硬度の大小関係が途中で逆転する。この場合、図４（ｄ）の構造における絶縁層全体の硬化状態は均一とはならない点では図２の特性の場合と同様であるが、図１におけるＢより前の時点とＢより後の時点では、発生する応力の方向は逆転する。また、Ｂの時点近くにおいては、発生する応力が非常に小さくなることも明らかである。このため、モールド工程全体においては、発生する応力を平均的に緩和することができる。これによって、第１の樹脂層１５と放熱板１７との間、第２の樹脂層１６と第１のリードフレーム１３等との間における剥離は発生しにくくなる。
【００３０】
このため、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。この際、第１のリードフレーム１３等と第２の樹脂層１６との間の接合強度を高めることができる点、第１の樹脂層１５と第２の樹脂層１６からなる絶縁層の放熱性と電気的絶縁性を確保できる点については、特許文献１に記載の技術と同様である。
【００３１】
なお、図１の特性は、第１の樹脂層１５における架橋反応速度を第２の樹脂層１６よりも遅くすることによって実現できる。このためには、第１の樹脂層１５と第２の樹脂層１６とで異なる硬化剤を用いる、硬化剤の添加量を変える、等の方法が有効である。硬化剤としては、例えば酸無水物系、フェノール系、アミン系等の材料を用いることができる。このうち、例えばアミン系の硬化剤の添加量を第１の樹脂層１５と第２の樹脂層１６に共に添加し、その添加量を第１の樹脂層１５と第２の樹脂層１６とで異ならせることによって、図１の特性を実現することができる。
【００３２】
なお、上記の例では、第１の樹脂層１５、第２の樹脂層１６は共にモールド工程で完全硬化させるものとしたが、接合工程後であってモールド工程前において他の熱処理工程（硬化工程）を行い、ここでこれらを完全硬化させることもできる。この場合においても、上記の構成が有効であることは明らかである。
【００３３】
また、上記の例では、絶縁層を、第１の樹脂層と第２の樹脂層からなる２層構造であるとしたが、３層以上の構成とすることもできる。この場合、例えば、上記の特性をもつ第１の樹脂層を放熱板と接する側の層とし、上記の特性をもつ第２の樹脂層をリードフレーム（金属板）側の層として、これらの間に、これらの中間的な硬化特性をもつ樹脂層を挿入することによって、硬化時の応力をより緩和することができる。
【００３４】
また、金属板（リードフレーム）と放熱板とが第１の樹脂層、第２の樹脂層を介して接合された構成を具備する限りにおいて、上記の構成が有効であることは明らかである。このため、リードフレームやその上に搭載される半導体チップの構成は任意である。
【符号の説明】
【００３５】
１０  半導体装置
１１  半導体チップ
１２  はんだ層（接合層）
１３  第１のリードフレーム（金属板）
１４  第２のリードフレーム
１５、第１の樹脂層
１６  第２の樹脂層
１７  放熱板（ベース基板）
１８  ボンディングワイヤ
１９  モールド樹脂層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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