(57)【要約】【課題】小型で良好な放熱特性と特に高周波特性を兼ね備えた半導体モジュールを、安定した工法で製品としての信頼性を十分に維持しながら安価に実現することができる半導体モジュールとその製造方法を提供する。【解決手段】半導体チップを放熱板に接着し、その半導体チップを取り囲んで周辺回路部品を近くに配置できるように、周辺回路部品の実装基板の中央部を半導体チップと導線接続できる距離が保持可能なサイズにくり抜き、周辺回路部品の実装基板の裏面に、その実装基板を半導体チップが実装されている放熱板に導電接着するための導電ペースト材を付着させる際に、導電ペースト材がはみ出さないようにするため、基板ふちを接着テープで取り囲むように配置し、その各端子を導線で接続した上から樹脂で封止する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
放熱特性が必要な半導体チップとその特性を保持する周辺回路部品とを基板に実装した状態で樹脂封止により１パッケージ化した半導体モジュールであって、前記基板は、前記半導体チップを放熱させるために放熱板に接着材で接着可能とするとともに、前記半導体チップを取り囲んでその近くに前記周辺回路部品を配置可能なように、前記周辺回路部品の実装面の中央部を、前記半導体チップと導線接続できる距離を保てるサイズにくり抜いたことを特徴とする半導体モジュール。
【請求項２】
請求項１記載の半導体モジュールであって、前記基板を前記放熱板に接着するために使用する導電性接着材が、所定の位置からはみださないように構成したことを特徴とする半導体モジュール。
【請求項３】
請求項２記載の半導体モジュールであって、前記基板を前記放熱板に接着する際に前記導電性接着材がはみださないようにするために、前記基板の裏面外周辺にダムを形成したことを特徴とする半導体モジュール。
【請求項４】
請求項２記載の半導体モジュールであって、前記基板を前記放熱板に接着する際に前記導電性接着材がはみださないようにするために、前記基板の裏面外周辺に溝を形成したことを特徴とする半導体モジュール。
【請求項５】
請求項２記載の半導体モジュールであって、前記基板を前記放熱板に接着する際に前記導電性接着材がはみださないようにするために、前記基板外周辺部にあたる前記放熱板表面にダムを形成したことを特徴とする半導体モジュール。
【請求項６】
請求項２記載の半導体モジュールであって、前記基板を前記放熱板に接着する際に前記導電性接着材がはみださないようにするために、前記基板外周辺部にあたる前記放熱板表面に溝を形成したことを特徴とする半導体モジュール。
【請求項７】
請求項１記載の半導体モジュールであって、前記基板を前記放熱板に接着する際に、前記基板の形状に合わせて電気的接続が可能とする材料が練りこまれた固形接着材を用いて接着形成することを特徴とする半導体モジュール。
【請求項８】
請求項１記載の半導体モジュールの製造方法であって、前記半導体チップが前記放熱板の所定の位置に接着固定される際に、前記半導体チップの位置決めが可能で熱圧着工程に耐えられるチップ位置決め用治具を使用することを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
【請求項９】
請求項１記載の半導体モジュールの製造方法であって、前記半導体チップおよび前記周辺回路部品が実装されている前記基板の実装工程における温度条件よりも低い温度で、前記基板を前記放熱板に接着することを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放熱特性が必要な半導体チップとその特性を保持する周辺回路部品とを基板に実装した状態で樹脂封止により１パッケージ化した半導体モジュールとその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、半導体チップの動作時に生じる自己発熱に対し、いかに放熱性をよくするかが非常に大切である。その中で熱伝導性のよい材料を使用し半導体チップの熱による影響を軽減している。基板や全体パッケージの材質が金属である製品は放熱性がよいが、半導体チップもしくは半導体パッケージ品と表面実装部品とを同一基板上に実装してなる半導体モジュールでは、構成する部品材料コストが高くなる構成には制限があり、樹脂基板やセラミック基板などを代用しても、金属と比べて放熱性は悪いため限界がある。
【０００３】
そこで放熱性を有効活用するためには、金属板に発熱部位を密着させる必要があり、その周辺に回路部品を構成しなければ、所定の放熱特性を得ることが不可能となる。
例えば、従来例１（例えば、特許文献１を参照）では、半導体チップより発生する熱を金属ケース外へ放熱し、半導体チップの温度を使用温度範囲内に抑えた半導体モジュールを構成している。また、従来例２（例えば、特許文献２を参照）では、発熱部位である半導体チップを金属板に接着するように構成している。
【特許文献１】特開２００３−３４７４４４号公報
【特許文献２】特開２００２−３３４８１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら上記のような従来例１では、非常に高価な半導体モジュールを形成しており、工法上も複雑になっている。また上記のような従来例２では、発熱部位である半導体チップを金属板に接着することで、安価でかつ高放熱特性を得ることが可能であるが、周辺回路部品との接合が多数必要な場合、その回路を構成するチップ部品と半導体チップとの接合のためのレイアウトが重要であり、導線が長いと所定の特性（特に、高周波特性）が得られないことや導線が交差するため工法上の制約も出てくる。
【０００５】
本発明は、上記従来の問題点を解決するもので、放熱特性を必要とする半導体ベアチップと電気特性上その周辺回路部品が近接しなければならない場合でも、小型で良好な放熱特性と特に高周波特性を兼ね備えた半導体モジュールを、安定した工法で製品としての信頼性を十分に維持しながら安価に実現することができる半導体モジュールとその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために、本発明の請求項１に記載の半導体モジュールは、放熱特性が必要な半導体チップとその特性を保持する周辺回路部品とを基板に実装した状態で樹脂封止により１パッケージ化した半導体モジュールであって、前記基板は、前記半導体チップを放熱させるために放熱板に接着材で接着可能とするとともに、前記半導体チップを取り囲んでその近くに前記周辺回路部品を配置可能なように、前記周辺回路部品の実装面の中央部を、前記半導体チップと導線接続できる距離を保てるサイズにくり抜いたことを特徴とする。
【０００７】
また、本発明の請求項２に記載の半導体モジュールは、請求項１記載の半導体モジュールであって、前記基板を前記放熱板に接着するために使用する導電性接着材が、所定の位置からはみださないように構成したことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の請求項３に記載の半導体モジュールは、請求項２記載の半導体モジュールであって、前記基板を前記放熱板に接着する際に前記導電性接着材がはみださないようにするために、前記基板の裏面外周辺にダムを形成したことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の請求項４に記載の半導体モジュールは、請求項２記載の半導体モジュールであって、前記基板を前記放熱板に接着する際に前記導電性接着材がはみださないようにするために、前記基板の裏面外周辺に溝を形成したことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の請求項５に記載の半導体モジュールは、請求項２記載の半導体モジュールであって、前記基板を前記放熱板に接着する際に前記導電性接着材がはみださないようにするために、前記基板外周辺部にあたる前記放熱板表面にダムを形成したことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の請求項６に記載の半導体モジュールは、請求項２記載の半導体モジュールであって、前記基板を前記放熱板に接着する際に前記導電性接着材がはみださないようにするために、前記基板外周辺部にあたる前記放熱板表面に溝を形成したことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の請求項７に記載の半導体モジュールは、請求項１記載の半導体モジュールであって、前記基板を前記放熱板に接着する際に、前記基板の形状に合わせて電気的接続が可能とする材料が練りこまれた固形接着材を用いて接着形成することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の請求項８に記載の半導体モジュールの製造方法は、請求項１記載の半導体モジュールの製造方法であって、前記半導体チップが前記放熱板の所定の位置に接着固定される際に、前記半導体チップの位置決めが可能で熱圧着工程に耐えられるチップ位置決め用治具を使用することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の請求項９に記載の半導体モジュールの製造方法は、請求項１記載の半導体モジュールの製造方法であって、前記半導体チップおよび前記周辺回路部品が実装されている前記基板の実装工程における温度条件よりも低い温度で、前記基板を前記放熱板に接着することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
以上のように本発明によれば、半導体チップと半導体チップを動作させるための周辺回路部品との接続において高周波特性の悪化を抑えるとともに、定数設定を容易化し、また製造工程で半導体チップを放熱板に接着する際に、基板導電材が基板からはみだすことなく、かつ隙間が発生しないように接着することができる。
【００１６】
そのため、放熱特性を必要とする半導体ベアチップと電気特性上その周辺回路部品が近接しなければならない場合でも、小型で良好な放熱特性と特に高周波特性を兼ね備えた半導体モジュールを、安定した工法で製品としての信頼性を十分に維持しながら安価に実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を示す半導体モジュールとその製造方法について、図面を参照しながら具体的に説明する。
図１は本実施の形態の半導体モジュールの外観正面図と側面図である。図２は本実施の形態の半導体モジュールの内観正面図と側面図である。図３は本実施の形態の半導体モジュールの回路基板の表面と裏面図である。本実施の形態の半導体モジュールは、図１、図２および図３に示すように、以下の部品で構成される。
【００１８】
厚さ約１．４ｍｍの放熱板１１を備えた異形状型で銅材質のリード端子つきリードフレームの上に、約２μｍ厚みのニッケルめっきを施し、さらに、半導体チップ１２が金ワイヤ１４を用いて接続される基板１３を接着するダイパッド部１７のみ、約４μｍ厚みの銀めっきを施す。また、半導体チップ１２は、その裏面に約２０μｍ厚みの金錫蒸着を施し、放熱板１１のダイパッド部１７に熱圧着する。
【００１９】
この熱圧着の際には、半導体チップ１２をダイパッド部１７上に置く際に所定の位置に置けなければ、その後の工程にあるガラスエポキシ基板１３との位置関係に影響を与えるため、ダイパッド部１７上への半導体チップ１２の位置決めが大切になっており、図６に示すように、リードフレームに形状的に適合する半導体チップ実装用治具を使用する。
【００２０】
この半導体チップ実装用治具としては、図６に示すように、半導体チップ１２を放熱板１１のダイパッド部１７上に金錫で固定するまで保持できるように、放熱板１１のビス止め穴１０に対する位置決めをするためにビス止め穴１０への嵌入が可能な径サイズの円柱状に形成された位置決め突起部６０や、放熱板１１のダイパッド部１７に対する位置決めをするための位置決め凸部６１や、半導体チップ１２をダイパッド部１７上に熱圧着する際に半導体チップ１２の位置決めをするための半導体チップ投入側開口部６２および半導体チップ固定側開口部６３を施し、かつ素材としては、半導体チップ１２を放熱板１１のダイパッド部１７上に固定するまでの間、その熱圧着による熱的および機械的ストレスに十分耐えられる素材を使用している。
【００２１】
また、半導体チップ１２をダイパッド部１７上に熱圧着する際には、図６に示す半導体チップ実装用治具を、図７（ａ）の状態から、位置決め突起部６０により放熱板１１のビス止め穴１０に対する位置決めをするとともに、位置決め凸部６１によりダイパッド部１７に対する位置決めをして、矢印Ｙ７１に従って図７（ｂ）に示すように放熱板１１の上にあらかじめ載せた状態で、半導体チップ投入側開口部６２および半導体チップ固定側開口部６３へ半導体チップ１２を投入するようにしているが、その投入をし易くするため、半導体チップ実装用治具は、半導体チップ投入側開口部６２を半導体チップ１２の外周より十分広くし、ダイパッド部１７上のダイボンドエリア部に近い半導体チップ固定側開口部６３を半導体チップ１２の外周より少し（一回り程度）広目のサイズにして、半導体チップ投入側開口部６２から半導体チップ固定側開口部６３へ向って開口が徐々に狭くなるように構成している。
【００２２】
基板１３は、約３００μｍ厚みのアルミナ９６％素材でガラスエポキシにより形成し、その中央付近に半導体チップ１２の大きさよりも約２００μｍ大きなサイズのくり抜き部３１を設け、表面には厚さ約１５μｍのレジスト層３５を用い選択的電気配線を施し、基板内部の約１８μｍ厚み銅板３４で配線されている。また、基板１３の裏面には、その面の電位を安定化するために銅板３７が施されている。このような基板１３の表面に、チップコンデンサやチップ抵抗などの表面実装部品１６（図３では３６）を、設計された所定のパターン上に錫銀銅はんだで電気的に接続する。
【００２３】
上記のように形成された基板１３を放熱板１１のダイパッド部１７に接着する際には、裏面の銅板３７を放熱板１１に接続するために、約１７０℃低温形成による電気的接続が可能な材料として銀ペースト３９などを、ディスペンサーなどを用いて放熱板１１の所定位置に塗布する。その場合に、半導体チップ１２が配置された領域に、銀ペースト３９などの接続材料がはみ出さないように、基板１３の裏面の内外周に、その内外周を縁取りするように、厚み約１０μｍの粘着テープ３８を貼り付けてダムを形成するか、あるいは、放熱板１１やガラスエポキシ基板１３に約５０μｍ深さの溝を同様の位置に設ける。
【００２４】
半導体チップ１２と基板１３との間は、直径２８μｍの金ワイヤ１４を用いて、半導体チップ１２の電極と基板１３上の回路基板端子部３３とを電気的に接続し、また同様に、インナーリード端子部１５と基板１３との間は、直径２８μｍの金ワイヤ１４を用いて、インナーリード端子部１５と基板１３上の回路基板端子部３２とを電気的に接続する。そして、アウターリード端子部２２と半導体チップ１２と基板１３を保持および保護するために、放熱板２１のダイパッド部１７を覆うように、一括封止成型にてエポキシ樹脂による封止部２３が形成される。
【００２５】
なお、金属であるダイパッド部１７やインナーリード端子部１５に設けられたＶ型溝１８およびコイニング部１９は、ダイパッド部１７やインナーリード端子部１５のエポキシ樹脂による封止部２３との密着性を向上するために形成されたものであり、このようなＶ型溝１８およびコイニング部１９を形成することは、図１に示す側面図および断面図にあるように、物理的な凹凸があることによって意図的なアンカー効果を見込んだ設計になっている。
【００２６】
ここで、従来例１（例えば、特許文献１を参照）の技術を、図４を用いて再度説明する。
回路基板４３には半導体回路素子および受動回路素子が実装され、そして回路基板４３の端子取付部にはリード端子４２が接続されている。上記回路基板４３は金属ケース４１で覆われ、そして回路基板４３の両端に設けたアースパターンと金属ケース４１がはんだで接続されている。また、発熱する半導体回路素子と金属ケース４１との間には熱伝導性のよい経路をたどる配慮が必要である。
【００２７】
一般的に、回路基板４３に半導体回路素子を実装した場合、その経路は半導体回路素子の外装樹脂から金属ケース４１に面接着して放熱する経路が必要となる。それが半導体チップであれば、金属板などヒートスプレッダーを接着してからその上に接着し、かつ外装樹脂が必要となる。この従来例１では、金属ケース４１に直接実装する場合を考え、回路基板４３にくり抜き部４４を設け、その中に半導体チップと回路基板４３との接続を可能としている。
【００２８】
以上のように、この従来例１によれば、半導体チップと金属ケース４１との間で面接続することにより、半導体チップより発生する熱が、面接続される金属ケース４１へ伝わり、金属ケース４１外の空気中へ放熱されるという放熱性に優れた経路ができるため、シールド効果を保ち、半導体チップの温度を使用温度範囲以下に抑えられた半導体モジュールを構成することができる。
【００２９】
しかし上記実施の形態と比較すると、回路基板４３とリード端子４２の接続や金属ケース４１とはんだ接続が必要であり、また半導体回路素子がベアチップ実装であれば樹脂が必要となり、形成方法が容易でない。さらに上述の形成方法、特に半導体チップ実装の位置決めの配慮がされていない。
【００３０】
さらに、従来例２（例えば、特許文献２を参照）の技術を、図５を用いて再度説明する。
放熱板を兼ねたリードフレーム５１には、回路基板５３に表面実装部品５６にて構成したものと、半導体チップ５２とを接着する。次に半導体チップ５２と回路基板５３、回路基板５３と放熱板を兼ね備えたリードフレーム５１と電気的接続として導線５４を使って接続する。最後にエポキシ樹脂５７で、トランスファ封止することで、半導体チップ５２の温度を使用温度範囲以下に抑えられた安価な半導体モジュールを構成することができる。
【００３１】
しかし上記実施の形態と比較すると、半導体チップ５２との導線距離が長くなることや、多数の配線が必要な場合、交差する設計になるため安定した工法ではない。さらに樹脂をトランスファ封止する際に、回路基板５３とリードフレーム５１との隙間に樹脂が入り込むことやボイドを生じさせることが想定され、局部的な応力のバランスをくずして、製品としての信頼性を悪化させる可能性がある。
【００３２】
以上のような従来例１、２の問題点に対し、本実施の形態では、その不安定要素を取り除き、安定した工法で実現することを可能とした。その製造方法では、接着する温度は高温から低温にできる材料を選定し、図８の工程で製造することにより、目的を達成することができる。
【００３３】
そこで、本実施の形態の半導体モジュールの製造方法について、図８を用いて以下に説明する。
本実施の形態の半導体モジュールの製造工程は、図８に示すように、まず、半導体チップ１２の裏面にあらかじめ２０μｍ程度の厚みの金錫を蒸着しておき、銀めっきされたリードフレームのダイパッド部１７にダイスボンド機を用いて仮置きし、定乾燥炉のなかで金錫熱圧着する（ステップＳ７０１）。次に、回路部品搭載の基板１３をリードフレームのダイパッド部１７に銀ペーストをディスペンサーで塗布し、１７０℃１時間のキュア炉にてダイスボンドする（ステップＳ７０２）。次に、半導体チップ１２を基板１３に３０μｍ径の金ワイヤを使用して１５０℃に暖めたヒータブロックを使用してワイヤーボンドするとともに、基板１３とインナーリード端子部１５とをワイヤーボンドする（ステップＳ７０３）。次に、リードフレームのダイパッド部１７にエポキシ樹脂を使用したトランスファ封止し、１８０℃１０時間で樹脂キュアをする（ステップＳ７０４）。次に、フィン・リードを所定の形状に個片加工する（ステップＳ７０５）。次に、半導体モジュールを製品として最終検査（電気特性）する（ステップＳ７０６）。次に、半導体モジュールの外面に、品種や商標などをレーザマーキングする（ステップＳ７０７）。このようにして半導体モジュールを製品として完成させる（ステップＳ７０８）。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明の半導体モジュールとその製造方法は、放熱特性を必要とする半導体ベアチップと電気特性上その周辺回路部品が近接しなければならない場合でも、小型で良好な放熱特性と特に高周波特性を兼ね備えた半導体モジュールを、安定した工法で製品としての信頼性を十分に維持しながら安価に実現することができるもので、パワー特性や高周波特性を必要とするスイッチング電源回路やパワーアンプ回路の小型モジュールに適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施の形態の半導体モジュールの内観正面図と側面図と断面図
【図２】同実施の形態の半導体モジュールの外観正面図と側面図
【図３】同実施の形態の半導体モジュールの回路基板の表面および裏面の平面図
【図４】従来例１の半導体モジュールの内観および外観斜視図
【図５】従来例２の半導体モジュールの透視正面図と側面図と背面図
【図６】本発明の実施の形態の半導体モジュールの製造方法における半導体チップ実装用治具の正面図と側面図と真上図
【図７】同実施の形態の半導体モジュールの製造方法において半導体チップをダイスボンドする際のプロセス図
【図８】同実施の形態の半導体モジュールの製造工程を示すフロー図
【符号の説明】
【００３６】
１０    ビス止め穴
１１    放熱板（金属板）
１２    半導体チップ
１３    ガラスエポキシ基板（回路基板）
１４    金ワイヤ
１５    インナーリード端子部
１６    表面実装部品
１７    ダイパッド部
１８    Ｖ型溝
１９    コイニング部
２１    放熱板（金属板）
２２    アウターリード端子部
２３    （エポキシ樹脂による）封止部
３１    くり抜き部
３２    回路基板端子部（インナーリード端子部との接続用）
３３    回路基板端子部（半導体チップとの接続用）
３４    配線（基板内銅板）
３５    レジスト層
３６    表面実装部品
３７    銅板
３８    粘着テープ
３９    銀ペースト
４１    金属ケース
４２    リード端子
４３    回路基板
４４    開口部
５１    リードフレーム（放熱板）
５２    半導体チップ
５３    回路基板
５４    金属ワイヤ
５５    アウターリード端子部
５６    表面実装部品
５７    エポキシ樹脂
６０    （ビス穴サイズの）位置決め突起部
６１    （リードフレームの）位置決め凸部
６２    半導体チップ投入側開口部
６３    半導体チップ固定側開口部
【図１】
2007157801.tif 000003
【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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