(57)【要約】      （修正有）【課題】厚さ精度の高い半導体装置及びその製造方法を提供する。【解決手段】第１フレーム２０は、第１薄板部２１と第１厚板部２２とを有する。第２フレーム３０は、第２薄板部３２と第２厚板部３１とを有する。半導体チップ１０は、第１フレーム２０の第１薄板部２１の第１内面に接合された第１電極と、第２フレーム３０の第２厚板部３１の第２内面に接合された第２電極とを有する。樹脂８０は、半導体チップ１０を封止するとともに、第１フレーム２０の第１外面２１ａおよび第２フレーム３０の第２外面３１ａを露出させている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１外面と前記第１外面の反対側の第１内面とを持つ第１薄板部と、前記第１薄板部よりも厚い第１厚板部と、を有する第１フレームと、
第２薄板部と、第２外面と前記第２外面の反対側の第２内面とを持ち、前記第２薄板部よりも厚い第２厚板部と、を有する第２フレームと、
前記第１フレームの前記第１薄板部と、前記第２フレームの前記第２厚板部との間に設けられた半導体チップであって、第１面と前記第１面の反対側の第２面とを持つ半導体層と、前記第１面に設けられ前記第１フレームの前記第１薄板部の前記第１内面に接合された第１電極と、前記第２面に設けられ前記第２フレームの前記第２厚板部の前記第２内面に接合された第２電極と、を有する半導体チップと、
前記半導体チップを封止するとともに、前記第１フレームの前記第１外面および前記第２フレームの前記第２外面を露出させた樹脂と、
を備えた半導体装置。
【請求項２】
前記第１フレームの前記第１厚板部の厚さは、前記第１フレームの前記第１薄板部の厚さ、前記半導体チップの厚さ、および前記第２フレームの前記第２厚板部の厚さよりも厚い請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第２フレームの前記第２薄板部は、前記第２厚板部の前記第２外面との間に段差を形成して屈曲し、前記樹脂の側面から突出している請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
第１外面と前記第１外面の反対側の第１内面とを持つ第１薄板部と、前記第１薄板部よりも厚い第１厚板部と、を有する第１フレームと、
前記第１フレームの前記第１内面上に第１接合材を介して積層された半導体チップと、
第２薄板部と、第２外面と前記第２外面の反対側に形成され第２接合材を介して前記半導体チップに接合された第２内面とを持ち、前記第２薄板部よりも厚い第２厚板部と、を有する第２フレームと、
を含む積層体に対して、前記第１フレームの前記第１厚板部をストッパーにして、前記第１フレームの前記第１外面側および前記第２フレームの前記第２外面側から力を加えた状態で、前記第１接合材および前記第２接合材を加熱して溶融させる半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記第１接合材および前記第２接合材を溶融させる前の状態で前記積層体の厚さは、前記第１フレームの前記第１厚板部の厚さ以上である請求項４記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記第１接合材および前記第２接合材の溶融後の固化により、前記半導体チップを前記第１フレームおよび前記第２フレームに接合させた後、
前記第１フレームの前記第１外面および前記第２フレームの前記第２外面を露出させつつ、前記半導体チップを樹脂で封止する工程をさらに備えた請求項４または５に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、パワー半導体装置において、低抵抗化のため、チップと外部リードとの接続構造として、ワイヤボンディングではなく、銅などの板状のコネクタまたはストラップを用いた構造が提案され、そのような製品も多くなってきている。
【０００３】
また、チップ上に搭載したコネクタを樹脂から露出させ、実装基板側のパッケージ下面と、パッケージ上面の両面から放熱する構造が提案されている。コネクタ上面を樹脂から露出させる際、樹脂モールド工程で一旦コネクタ上面を樹脂で覆った後、樹脂を研削する方法があるが、コストなどの点から研削工程は不要とするのが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１２４３９０号公報
【特許文献２】特開２０１１−１２９８１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の実施形態は、厚さ精度の高い半導体装置及びその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態によれば、半導体装置は、第１フレームと、第２フレームと、半導体チップと、樹脂と、を備えている。前記第１フレームは、第１外面と前記第１外面の反対側の第１内面とを持つ第１薄板部と、前記第１薄板部よりも厚い第１厚板部と、を有する。前記第２フレームは、第２薄板部と、第２外面と前記第２外面の反対側の第２内面とを持ち、前記第２薄板部よりも厚い第２厚板部と、を有する。前記半導体チップは、前記第１フレームの前記第１薄板部と、前記第２フレームの前記第２厚板部との間に設けられている。前記半導体チップは、第１面と前記第１面の反対側の第２面とを持つ半導体層と、前記第１面に設けられ前記第１フレームの前記第１薄板部の前記第１内面に接合された第１電極と、前記第２面に設けられ前記第２フレームの前記第２厚板部の前記第２内面に接合された第２電極と、を有する。前記樹脂は、前記半導体チップを封止するとともに、前記第１フレームの前記第１外面および前記第２フレームの前記第２外面を露出させている。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】（ａ）は実施形態の半導体装置の模式平面図であり、（ｂ）は実施形態の半導体装置の模式断面図。
【図２】実施形態の半導体チップの模式平面図。
【図３】（ａ）は実施形態の半導体装置の模式断面図であり、（ｂ）は実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図。
【図４】実施形態の半導体装置の模式断面図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図面を参照し、実施形態について説明する。なお、各図面中、同じ要素には同じ符号を付している。
【０００９】
図１（ａ）は、実施形態の半導体装置１の模式上面図である。  
図１（ｂ）は、実施形態の半導体装置１の模式断面図である。  
なお、図１（ａ）において、樹脂８０は外形線のみを図示している。
【００１０】
実施形態の半導体装置１は、半導体チップ１０と、半導体チップ１０と電気的に接続されたフレーム２０、３０と、半導体チップ１０を封止する樹脂８０と、を有する。
【００１１】
半導体チップ１０は、半導体層における一方の面側に設けられた第１電極と、他方の面側に設けられた第２電極との間を結ぶ縦方向に電流経路が形成される縦型デバイスである。半導体チップ１０は、例えば、縦型ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）である。あるいは、半導体チップ１０は、縦型ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、縦型ダイオードである。
【００１２】
半導体としてはシリコンが用いられる。あるいは、シリコン以外の半導体（例えばＳｉＣ、ＧａＮ等の化合物半導体）を用いてもよい。
【００１３】
図２（ａ）は、半導体チップ１０の第１面１２の模式平面図であり、図２（ｂ）は、第１面１２の反対側の第２面１４の模式平面図である。
【００１４】
図２（ａ）に示すように、半導体層１１の第１面１２には、第１電極１３が形成されている。例えばＭＯＳＦＥＴにおいては、第１電極１３はドレイン電極である。第１電極１３は、第１面１２の大部分を占めて形成されている。
【００１５】
図２（ｂ）に示すように、半導体層１１の第２面１４には、第２電極１５と第３電極１６とが互いに絶縁分離されて形成されている。第２電極１５は、第２面１４の大部分を占めて形成され、例えばＭＯＳＦＥＴにおいてはソース電極である。第３電極１６の面積は、第２電極１５の面積よりも小さく、例えばＭＯＳＦＥＴにおいてはゲート電極である。
【００１６】
半導体チップ１０は、図１（ｂ）に示すように、第１フレーム２０と第２フレーム３０との間に設けられている。
【００１７】
第１フレーム２０は、第１薄板部２１と第１厚板部２２とを有する。第１薄板部２１と第１厚板部２２は、相対的に厚さが異なり、第１厚板部２２は第１薄板部２１よりも厚い。
【００１８】
第１フレーム２０は金属板の型加工により成形され、第１薄板部２１と第１厚板部２２は、Ｌ字状に一体に設けられている。第１フレーム２０は、例えば、電気伝導および熱伝導に優れた銅からなる。なお、第１フレーム２０として、銅を主成分とする銅合金、またはその他の金属を使ってもよい。
【００１９】
第１薄板部２１は、第１外面２１ａとその反対側の第１内面２１ｂとを有する。第１厚板部２２は、第１薄板部２１の一端部で第１内面２１ｂ側に突出している。
【００２０】
第１厚板部２２の突出方向の反対側の面２２ｂと、第１薄板部２１の第１外面２１ａとの間には段差は形成されず、第１厚板部２２の面２２ｂと、第１薄板部２１の第１外面２１ａはフラットにつながっている。
【００２１】
半導体チップ１０は、第１フレーム２０の第１薄板部２１の第１内面２１ｂ上に搭載されている。半導体チップ１０は、第１電極１３が形成された第１面１２を第１薄板部２１の第１内面２１ｂ側に向けている。
【００２２】
半導体チップ１０の第１電極１３は、導電性接合材（例えば、はんだ）６１を介して第１薄板部２１の第１内面２１ｂに接合されている。したがって、半導体チップ１０の第１電極１３は、第１フレーム２０と電気的に接続されている。
【００２３】
第２フレーム３０は、第２厚板部３１と第２薄板部３２とを有する。第２厚板部３１と第２薄板部３２は、相対的に厚さが異なり、第２厚板部３１は第２薄板部３２よりも厚い。
【００２４】
第２フレーム３０は金属板の型加工により成形され、第２厚板部３１と第２薄板部３２は一体に設けられている。第２フレーム３０は、例えば、電気伝導および熱伝導に優れた銅からなる。なお、第２フレーム３０として、銅を主成分とする銅合金、またはその他の金属を使ってもよい。
【００２５】
第２厚板部３１は、第２外面３１ａとその反対側の第２内面３１ｂとを有する。第２厚板部３１の一端側に、第２厚板部３１に対して離間して、第１フレーム２０の第１厚板部２２が位置している。第２薄板部３２は、第２厚板部３１の他端部から、第１フレーム２０の第１厚板部２２が設けられた位置の反対側に突出している。
【００２６】
第２厚板部３１の第２内面３１ｂと第２薄板部３２との間には段差が形成されている。第２厚板部３１の第１外面３１ａと、第２薄板部３２における半導体チップ１０の反対側の面３２ａとの間には段差は形成されず、第２厚板部３１の第１外面３１ａと、第２薄板部３２の面３２ａはフラットにつながっている。
【００２７】
第２フレーム３０の第２厚板部３１は、半導体チップ１０の第２面１４上に搭載されている。第２フレーム３０の第２厚板部３１は、第２内面３１ｂを半導体チップ１０の第２面１４側に向けている。
【００２８】
半導体チップ１０の第２面１４に形成された第２電極１５は、導電性接合材（例えば、はんだ）６２を介して、第２フレーム３０の第２厚板部３１の第２内面３１ｂに接合されている。したがって、半導体チップ１０の第２電極１５は、第２フレーム３０と電気的に接続されている。
【００２９】
また、半導体チップ１０の第２面１４側には、図１（ａ）に示すように、第２フレーム３０に対して離間してゲートコネクタ４０が設けられている。
【００３０】
ゲートコネクタ４０の一端部４０ａは、例えばはんだなどの導電性接合材を介して、半導体チップ１０の第２面１４に形成された第３電極（ゲート電極）１６に接続されている。あるいは、第３電極１６をワイヤボンディング接続で、別途設けたゲート用のリードフレームに接続させてもよい。
【００３１】
半導体チップ１０は、樹脂封止され、外部環境から保護されている。樹脂８０は、半導体チップ１０、第１フレーム２０の第１薄板部２１と半導体チップ１０の第１電極１３との接合部、第２フレーム３０の第２厚板部３１と半導体チップ１０の第２電極１５との接合部、およびゲートコネクタ４０と第３電極１６との接合部を覆っている。
【００３２】
また、樹脂８０は、第１フレーム２０の第１厚板部２２の内壁と、第２フレーム３０の第２厚板部３１の側面との間に充填されている。さらに、樹脂８０は、第２フレーム３０の第２薄板部３２と、第１フレーム２０の第１薄板部２１との間に充填されている。また、第１フレーム２０の第１薄板部２１における、第１厚板部２２の反対側の端部も樹脂８０で覆われている。
【００３３】
第１フレーム２０の第１薄板部２１の第１外面２１ａ、第１フレーム２０の第１厚板部２２の厚さ方向（高さ方向）の両面、第１厚板部２２の外側の側面、第２フレーム３０の第２厚板部３１の第２外面３１ａ、および第２フレーム３０の第２薄板部３２における半導体チップ１０の反対側の面３２ａは、樹脂８０で覆われずに、樹脂８０から露出している。
【００３４】
また、第２フレーム３０の第２薄板部３２には一体に複数本のリード３２ｂが設けられ、それらリード３２ｂは樹脂８０から突出している。また、ゲートコネクタ４０の他端部（リード）４０ｂも樹脂８０から突出している。
【００３５】
図３（ａ）に示すように、第２フレーム３０の第２厚板部３１の第２外面３１ａ、および樹脂８０から突出するリード３２ｂの下面は、実装基板（配線基板）１００の導体パターン（ソース用パターン）に対して、例えばはんだなどの接合材６３を介して接合される。
【００３６】
また、第１フレーム２０の第１厚板部２２の面２２ａは、例えばはんだなどの接合材６５を介して、実装基板１００の導体パターン（ドレイン用パターン）に接合される。
【００３７】
また、図１（ａ）に示されるゲートコネクタ４０は例えばガルウィング形状に形成され、そのゲートコネクタ４０の樹脂８０から突出するリード４０ｂの表面（図１（ａ）において紙面手前側の面）が、例えばはんだなどの接合材を介して、実装基板１００の導体パターン（ゲート用パターン）に接合される。
【００３８】
それら実装面の反対側で樹脂８０から露出された、第１フレーム２０の第１薄板部２１の第１外面２１ａ、および第１外面２１ａに続く第１厚板部２２の面２２ｂは、放熱面として機能する。その放熱面上には、必要に応じてヒートシンクを接合することもできる。
【００３９】
半導体チップ１０で発生した熱は、第２フレーム３０を通じて実装基板１００に放熱され、なおかつ、第１電極１３よりも広い面積の第１フレーム２０の第１外面２１ａを通じて半導体装置１の外部（例えば空気中）に放熱される。
【００４０】
すなわち、実施形態の半導体装置１は、両面放熱パッケージ構造を有し、特にチップ発熱量が大きくなりがちな電力用途の場合に放熱性を高めることができる。
【００４１】
第１フレーム２０は、半導体チップ１０の第１電極１３を外部回路と電気的に接続させる機能だけでなく、実装面の反対方向への放熱を担う放熱体としても機能する。
【００４２】
また、図４（ｂ）を参照して後述するように、第２フレーム３０を、実装面の反対方向への放熱を担う放熱体として使うこともできる。
【００４３】
第２フレーム３０は全体を厚くするのではなく、第２厚板部３１よりも薄い第２薄板部３２を設けることで、第２厚板部３１と第２薄板部３２との段差部に樹脂８０を食い込ませることができ、樹脂８０の剥離強度を向上させることができる。
【００４４】
第１フレーム２０の第１外面２１ａと、第２フレーム３０の第２外面３１ａとは互いに平行な平坦面である。半導体装置１の厚さは、後述するように、第１フレーム２０の第１厚板部２２の厚さ（高さ）ｔによって規定される。
【００４５】
第１フレーム２０の第１厚板部２２の厚さ（高さ）ｔは、第１フレーム２０の第１薄板部２１の厚さ、半導体チップ１０の厚さ、および第２フレーム３０の第２厚板部３１の厚さよりも厚い。
【００４６】
また、第１フレーム２０の第１厚板部２２の厚さ（高さ）ｔは、接合材６１、６２を介して積層された第１フレーム２０の第１薄板部２１、半導体チップ１０、および第２フレーム３０の第２厚板部３１のトータルの厚さ（高さ）とほぼ同じである。
【００４７】
前述した接合材としては、はんだに限らず、例えば銀ペーストのような導電性ペーストを使ってもよい。いずれにしても接合材は加熱により溶融した状態または流動性を持つ状態から固化して、対象となる２要素間を固定するとともに電気的に接続する。
【００４８】
部材公差や、接合材であるはんだ厚みのばらつきのため、第１フレーム２０、半導体チップ１０、および第２フレーム３０を接合材６１、６２を介して積層しただけでは、半導体装置１の厚さ（高さ）にばらつきが生じ得る。このばらつきの解消には、第１フレーム２０、半導体チップ１０、および第２フレーム３０の積層体を、型や治具などでフレーム側から挟み込み、力を加えることが有効である。
【００４９】
すなわち、実施形態によれば、図３（ｂ）に示すように、まず、第１フレーム２０の第１薄板部２１上に接合材（例えばはんだ）６１を供給し、その接合材６１上に半導体チップ１０を搭載し、半導体チップ１０上に接合材（例えばはんだ）６２を供給し、その接合材６２上に第２フレーム３０の第２厚板部３１を搭載する。接合材６１、６２は、例えばディスペンサによる塗布などの方法により供給される。
【００５０】
そして、第１フレーム２０、半導体チップ１０、および第２フレーム３０の積層体を、一対の型（または治具）９１、９２で積層方向から挟み込む。型（例えば下型）９２の平坦面上に第１フレーム２０が搭載され、第２フレーム３０の第２外面３１ａ、および第１フレーム２０の第１厚板部２２の面２２ａに、型（例えば上型）９１の平坦面が押し当てられる。
【００５１】
接合材６１、６２をリフロー（溶融）させる前の状態で、上記積層体の厚さは、第１フレーム２０の第１厚板部２２の厚さｔと同じ、もしくは厚さｔよりもわずかに大きい。
【００５２】
そして、上記積層体に対して型９１、９２によって積層方向に力を加えた状態で、リフロー炉で接合材６１、６２を加熱して溶融させる。
【００５３】
このときの加圧に対して、第１フレーム２０の第１厚板部２２がストッパーとなって、上記積層体に過剰な力がかかるのを防ぐことができる。このため、半導体チップ１０に対するダメージ（クラック等）を防ぐことができる。
【００５４】
溶融した接合材６１、６２は積層方向に加圧力を受け、部材公差や、接合材供給時の厚みばらつきが吸収され、半導体装置の厚さ（高さ）は第１フレーム２０の第１厚板部２２の厚さ（高さ）ｔによって規定される。
【００５５】
リフロー工程で溶融した接合材６１、６２はその後固化し、半導体チップ１０は第１フレーム２０および第２フレーム３０に対して接合される。
【００５６】
この後、樹脂モールド用の型を使って、樹脂８０をモールドする。樹脂８０は、第１フレーム２０の第１外面２１ａおよび第２フレーム３０の第２外面３１ａを露出させつつ、半導体チップ１０を封止する。
【００５７】
なお、第２フレーム３０の第２外面３１ａ上にも樹脂を厚くモールドし、第２外面３１ａを露出させるために、樹脂上面を研削するときに、研削量の調整によりパッケージ高さを調整する方法も考えられる。しかしながら、研削工程では、研削砥石、研削対象が貼り付けられるＵＶ（ultraviolet）シートなどの間材費が高く、またＵＶシート貼り付け機、上面研削機、ＵＶ照射器、ＵＶシート剥離機などの付随設備が必要で、工程が長く、生産性、リードタイムが悪い。
【００５８】
実施形態によれば、研削工程を行わなくても、図３（ｂ）に示す加圧工程で半導体装置の厚さ（高さ）ばらつきを解消することができる。しかも、第１フレーム２０の第１厚板部２２によって、チップダメージを抑制できる。したがって、研削に付随する間材費や設備が不要であり、生産性よく、低コストな半導体装置を提供することができる。
【００５９】
第２フレーム３０の第２薄板部３２の面３２ａは、第２厚板部３１の第２外面３１ａに対してフラットに続く構造に限らず、図４（ａ）に示すように、第２フレーム３０の第２薄板部３２を、第２厚板部３１の第２外面３１ａとの間に段差を形成して屈曲させて、樹脂８０の側面から突出させてもよい。
【００６０】
第２フレーム３０の第２薄板部３２における樹脂８０から突出するリード３２ｂを第１外面２１ａ側に曲げるか、第２外面３１ａ側に曲げるかによって、いわゆるガルウィングを形成し、図４（ｂ）に示す実装形態と、図４（ｃ）に示す実装形態の両方に対応可能で、顧客の要求に柔軟に対応できる。
【００６１】
図４（ｂ）では、第１フレーム２０の第１外面２１ａ、第１外面２１ａに続く第１厚板部２２の面２２ｂが接合材（例えばはんだ）６３を介して、実装基板１００の導体パターンに接合され、第２フレーム３０のリード３２ｂの下面が、接合材（例えばはんだ）６４を介して実装基板１００の導体パターンに接合されている。
【００６２】
第２電極（ソース電極）１５と接続された第２フレーム３０の第２外面３１ａを放熱面としてパッケージ上面に露出させている。
【００６３】
また、半導体チップ１０から第１フレーム２０に伝導した熱は、第１薄板部２１を介して実装基板に放熱されるとともに、第１厚板部２２を介してパッケージ上面側および側面側にも放熱される。
【００６４】
図４（ｃ）では、第２フレーム３０の第２外面３１ａが接合材６３を介して実装基板１００の導体パターンに接合され、第１フレーム２０の第１厚板部２２の面２２ａが接合材６５を介して実装基板１００の導体パターンに接合され、第２フレーム３０のリード３２ｂの下面が接合材６４を介して実装基板１００の導体パターンに接合されている。
【００６５】
第１電極（ドレイン電極）１３と接続された第１フレーム２０の第１外面２１ａを放熱面としてパッケージ上面に露出させている。
【００６６】
また、半導体チップ１０から第１フレーム２０に伝導した熱は、第１薄板部２１を介してパッケージ上面側に放熱されるとともに、第１厚板部２２を介してパッケージ側面側および実装基板側にも放熱される。
【００６７】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００６８】
１０…半導体チップ、１３…第１電極、１５…第２電極、１６…第３電極、２０…第１フレーム、２１…第１薄板部、２１ａ…第１外面、２２…第１厚板部、３０…第２フレーム、３１…第２厚板部、３１ａ…第２外面、３２…第２薄板部、６１…第１接合材、６２…第２接合材、８０…樹脂、１００…実装基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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