(57)【要約】【課題】半導体素子の動作に対する信頼性に優れた樹脂封止型半導体装置を提供する。【解決手段】外装体１４と、その外装体１４の内部に収納されると共に、その外装体１４から端部が突出したリードフレーム１１と、その外装体１４の内部に収納され、リードフレーム１１に実装された半導体素子１２と、を備え、外装体１４は、局所的に偏在する多孔質フィラー１５を含有した封止樹脂で形成されている。これにより、効率的な放熱が可能な樹脂封止型半導体装置とその製造方法を提供することができる。【選択図】図３
2012038792.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外装体と、
前記外装体の内部に収納されると共に、前記外装体から端部が突出したリードフレームと、
前記外装体の内部に収納され、前記リードフレームに実装された半導体素子と、を備え、
前記外装体は、局所的に偏在する多孔質フィラーを含有した封止樹脂で形成されていることを特徴とする
樹脂封止型半導体装置。
【請求項２】
前記多孔質フィラーは、前記外装体の外表面側よりも前記半導体素子近傍側に偏在することを特徴とする
請求項１に記載の樹脂封止型半導体装置。
【請求項３】
前記多孔質フィラーの平均粒径は、前記外装体の外表面側の領域よりも前記半導体素子近傍側の領域の方が大きいことを特徴とする
請求項１または２に記載の樹脂封止型半導体装置。
【請求項４】
外装体と、
前記外装体から端部が突出したリードフレームと、
前記リードフレームの第１のダイパッド部の一方の面に実装され、前記外装体に封入されたパワー素子と、
前記リードフレームの第１のダイパッド部の他方の面に設けられ、前記外装体に封入された放熱板と、
前記リードフレームの第２のダイパッド部の一方の面に実装され、前記外装体に封入された制御素子とを備え、
前記外装体は、局所的に偏在する多孔質フィラーを含有した熱硬化性樹脂で形成されていることを特徴とする
樹脂封止型半導体装置。
【請求項５】
前記多孔質フィラーは、前記外装体の外表面側よりも前記パワー素子側に偏在することを特徴とする
請求項４に記載の樹脂封止型半導体装置。
【請求項６】
前記多孔質フィラーの平均粒径は、前記外装体の外表面側の領域よりも前記パワー素子近傍側の領域の方が大きいことを特徴とする
請求項４または５に記載の樹脂封止型半導体装置。
【請求項７】
前記多孔質フィラーは、球状であることを特徴とする
請求項１から６いずれか１項に記載の樹脂封止型半導体装置。
【請求項８】
前記熱硬化性樹脂が、エポキシ樹脂であることを特徴とする
請求項１から７いずれか１項に記載の樹脂封止型半導体装置。
【請求項９】
多孔質フィラーを含有した熱硬化性樹脂で形成された外装体を備えた樹脂封止型半導体装置の製造方法であって、
リードフレームの第１のダイパッド部の一方の面にパワー素子を実装し、前記リードフレームの第２のダイパッド部の一方の面に制御素子を実装し、放熱板に絶縁シートを貼り合わせ、前記絶縁シート上に前記リードフレームの前記第１のダイパッド部の他方の面を載置した後、上金型に設けたゲートより多孔質フィラーを含有する封止樹脂を封入し、外装体を形成することを特徴とする
樹脂封止型半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記外装体の外表面側よりも前記パワー素子近傍に前記多孔質フィラーが偏在するように前記封止樹脂を封入することを特徴とする
請求項９に記載の樹脂封止型半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記封止樹脂を押圧封入する時に、まず、多孔質フィラーを含有した第１の封止樹脂を注入し、次に前記第１の封止樹脂より多孔質フィラー含有率が小さい第２の封止樹脂を注入することを特徴とする
請求項９または１０に記載の樹脂封止型半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、樹脂封止型半導体装置とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、インバーター制御機器等に搭載される半導体素子は、さらなる高密度化、高速化が求められている。その結果、半導体素子の発熱量が増大し、半導体素子の動作に対する信頼性が低下するというおそれがある。そのため、半導体素子を実装するパッケージの放熱構造が重要になっている。
【０００３】
そこで、半導体素子を金属製カバーで覆い、金属製カバーの内部に絶縁性の冷媒を封入する放熱構造を有する密閉型パッケージが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、図１３に示すように、金属製カバーと冷媒との間に空隙をもたせ、多孔質部材に吸着させた冷媒の気化熱を利用し、半導体素子を冷却する放熱構造を有する密閉型パッケージも提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
以下、特許文献２に示された密閉型パッケージの放熱構造について説明する。
【０００６】
図１３は、特許文献２に示された密閉型パッケージの断面図である。
【０００７】
図１３に示すように、密閉型パッケージは、半導体素子１０１を実装した基板１０２と、基板１０２の実装面を覆い、実装面を密閉する金属製カバー１０３と、柔軟性を有するシート１０４と、冷媒を吸着した多孔質部材１０５から構成されている。このとき、半導体素子１０１は、柔軟性を有するシート１０４を介して多孔質部材１０５に接している。そのため、半導体素子１０１の温度が上がると、多孔質部材１０５に吸着されている冷媒が気化する。その結果、冷媒の気化熱により半導体素子１０１が冷却される。なお、気化した冷媒の蒸気は、金属製カバー１０３の内壁面で水滴状に凝固して液化し、液化された冷媒は再度、多孔質部材１０５に吸着される。
【０００８】
また、図１４に示すように、放熱性を高めるために、周囲にリード２０４が配された半導体素子２０２を封止する封止樹脂２０６に、導電性フィラー２０７を含むものが提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００９】
図１４に示すように、アイランド２０１上に半導体素子２０２を配設し、更に樹脂封止することにより得られる半導体装置に対し、封止樹脂２０６中に導電性フィラー２０７を含有させている。導電性フィラー２０７としては、例えばカーボンブラック、グラファイト、金属繊維、金属粒子などの導電粒子を使用している。このような導電性フィラー２０７は封止樹脂に比べ高い熱伝導性を有する。従って、半導体装置の放熱特性を向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００８−４６８８号公報
【特許文献２】特開平７−６６５７５号公報
【特許文献３】実開平６−７２２４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、特許文献２に示された密閉型パッケージは、半導体素子を搭載した基板に金属製カバーを接続した構成を有する。そのため、パッケージの外形寸法が大きくなり、小型化が困難である。また、半導体素子の冷却を、冷媒の気化熱により行うので、気化した冷媒を再度、多孔質へ吸着させる必要があるため、半導体素子を覆うように金属製カバーで密閉している。しかし、冷媒の蒸気圧に耐えるため、強固に金属製カバーと基板とを接合しなければならない。さらに、金属製カバーの接続前に冷媒を吸着させた多孔質フィラーを含有する多孔質部材を金属製カバー内に設ける必要があるため、工程が複雑となる。
【００１２】
以上のように、従来の密閉型パッケージは、金属製カバー等の部材コストがかかる。また、冷媒の蒸気圧により、金属製カバーと基板との接続部に応力がかかるため、半導体素子の長期にわたる信頼性を確保することが困難であるという課題がある。
【００１３】
また、特許文献３に示された半導体装置は、封止樹脂よりも導電性フィラーの方が熱伝導性が高いことを利用して放熱するものである。そのため、導電性フィラーの分布状況については特に開示されておらず、効率的な放熱ができない可能性がある。
【００１４】
そこで、本発明は、金属製カバーによる密閉構造を用いることなく、効率的な放熱が可能な樹脂封止型半導体装置とその製造方法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】
【００１５】
上記課題を解決するための本発明の樹脂封止型半導体装置は、外装体と、前記外装体の内部に収納されると共に、前記外装体から端部が突出したリードフレームと、前記外装体の内部に収納され、前記リードフレームに実装された半導体素子と、を備え、前記外装体は、局所的に偏在する多孔質フィラーを含有した封止樹脂で形成されていることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の別の形態の樹脂封止型半導体装置は、外装体と、前記外装体から端部が突出したリードフレームと、前記リードフレームの第１のダイパッド部の一方の面に実装され、前記外装体に封入されたパワー素子と、前記リードフレームの第１のダイパッド部の他方の面に設けられ、前記外装体に封入された放熱板と、前記リードフレームの第２のダイパッド部の一方の面に実装され、前記外装体に封入された制御素子とを備え、前記外装体は、局所的に偏在する多孔質フィラーを含有した熱硬化性樹脂で形成されていることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の樹脂封止型半導体装置の製造方法は、外装体と、前記外装体から端部が突出したリードフレームと、前記リードフレームの第１のダイパッド部の一方の面に実装され、前記外装体に封入されたパワー素子と、前記リードフレームの第１のダイパッド部の他方の面に設けられ、前記外装体に封入された放熱板と、前記リードフレームの第２のダイパッド部の一方の面に実装され、前記外装体に封入された制御素子とを備え、前記外装体は、局所的に偏在する多孔質フィラーを含有した熱硬化性樹脂で形成されていることを特徴とする。
【００１８】
上記樹脂封止型半導体装置とその製造方法により、初期の目的を達成する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、多孔質フィラーを含有した熱硬化性樹脂で形成した外装体の多孔質フィラーに吸着された水分の気化熱を利用することで、金属製カバーによる密閉構造を用いることなく、効率的な放熱が可能な樹脂封止型半導体装置とその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる半導体装置の断面図
【図２】本発明にかかる半導体装置の外装体に用いた封止樹脂の吸水率の各条件に対する変化を説明する図
【図３】本発明の実施の形態２にかかる半導体装置の断面図
【図４】本発明の実施の形態２にかかる半導体装置の図３のＡ部拡大図
【図５】本発明の実施の形態２にかかる半導体装置の製造方法を示す断面図
【図６】本発明の実施の形態２にかかる半導体装置の製造方法を示す断面図
【図７】本発明の実施の形態２にかかる半導体装置の製造方法を示す断面図
【図８】本発明の実施の形態２にかかる半導体装置の製造方法を示す断面図
【図９】本発明の実施の形態３にかかる半導体装置の断面図
【図１０】本発明の実施の形態３にかかる半導体装置の内部構造を示す平面図
【図１１】本発明の実施の形態３にかかる半導体装置の製造方法を示す断面図
【図１２】本発明の実施の形態３にかかる半導体装置の製造方法を示す平面図
【図１３】従来の密閉型パッケージを示す断面図
【図１４】従来の放熱性パッケージを示す断面図
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００２２】
なお、本発明は、本明細書に記載された基本的な特徴に基づく限り、以下に記載の内容に限定されるものではない。
【００２３】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１にかかる樹脂封止型半導体装置（以下、「半導体装置」と記す）の断面図である。
【００２４】
本発明の実施の形態１の半導体装置は、図１に示すように、少なくともリードフレーム１１と、半導体素子１２と、外装体１４とから構成されている。そして、リードフレーム１１は、例えば銅（Ｃｕ）などの熱伝導性のよい材料からなり、ダイパッド部１１ｃと、複数のリードを備えている。また、リードフレーム１１は、外装体１４内に収納されると共に、そのリードの端部は、外装体１４内から、外方に突出している。さらに、外装体１４内部のリードフレーム１１には、例えば、ろう材１６によりダイパッド部１１ｃの一方の面１１ａに半導体素子１２が実装されている。ここで、半導体素子１２は、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）やパワーＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜型電界効果トランジスタ）などである。
【００２５】
そして、半導体素子１２のボンディングパッド（図示せず）とリードフレーム１１の複数のリードは、例えばワイヤー線などの金属部材１３により相互に電気的に接続されている。以下では、半導体素子１２として、ダイオードが内蔵された横型パワーＭＯＳＦＥＴを例に、また、金属部材１３として、例えばアルミニウム（Ａｌ）ワイヤーを例にして説明する。なお、アルミニウムワイヤーの代わりにアルミニウム（Ａｌ）リボンや銅（Ｃｕ）クリップを用いてもよい。アルミニウムリボンや銅クリップはアルミニウムワイヤーに比べて断面積が大きく配線抵抗値が小さくなるため、電力損失を低減できる。
【００２６】
また、外装体１４は、例えばビフェニル系あるいはクレゾールノボラック系のエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂からなる封止樹脂で構成され、半導体素子１２およびダイパッド部１１ｃを含むリードフレーム１１の一部を内包している。これにより、リードフレーム１１と半導体素子１２とを一体化すると共に、半導体素子１２を保護する。
【００２７】
そして、外装体１４を構成する封止樹脂には、多孔質フィラー１５が、例えば７０〜９０重量％の割合で含有されている。このとき、多孔質フィラー１５は、例えば二酸化珪素（ＳｉＯ2）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）またはアルミナ（Ａｌ3Ｏ2）などからなり、比表面積が少なくとも３００ｍ2／ｇ以上で、平均粒径が約１〜１０μｍの、例えば球状のフィラーで構成される。これにより、多孔質フィラー１５が球状であるので、フィラー同士は面接触でなく、点で接触するため、多孔質フィラーとエポキシ樹脂との接触面積を最大限に確保できる。
【００２８】
なお、半導体素子１２は、高速、大電流でのスイッチング動作により発熱する。このとき、半導体素子１２のジャンクション温度が上昇し、一般的に言われているように、例えば１２５℃以上になると、動作に対する信頼性が著しく低下し、半導体素子１２が誤動作する可能性がある。
【００２９】
そこで、以下に、半導体素子の発熱を抑制する外装体に含有した多孔質フィラーの作用について、図２を用いて説明する。
【００３０】
図２は、本発明にかかる半導体装置の外装体に用いた封止樹脂の吸水率の各条件に対する変化を説明する図である。図２において、横軸は、単位がｈｒ（時間）の時間の軸であり、縦軸は、単位が重量％の吸湿率の軸である。
【００３１】
このとき、測定に用いた試料は、外形寸法が直径４０ｍｍ、肉厚３．５ｍｍの樹脂構造体を、平均粒径２．８μｍ、比表面積３８０ｍ2／ｇの球状フィラーからなる多孔質フィラー１５を約８０重量％含有したビフェニル系エポキシ樹脂で作製したものである。
【００３２】
まず、温度３０℃、相対湿度７０％の雰囲気中に試料を放置して吸湿させると、図２に示すように、約５時間で飽和吸水率（約３２重量％）に到達した。
【００３３】
次に、温度１２５℃の雰囲気中で、吸着した水分を蒸発、気化して試料を脱湿させると、試料中の吸水率は、約２０時間で約２重量％まで低下した。
【００３４】
上記から、多孔質フィラー１５を含有したエポキシ樹脂からなる封止樹脂は、外装体１４内に封止された半導体素子１２が、発熱により１００℃以上になると、半導体素子１２の近傍の多孔質フィラー１５に吸着されている水分が蒸発、気化することが分かった。その結果、本発明の実施の形態１の構成を用いることで、気化熱により半導体素子１２の温度を、実用上問題とならない温度以下で保持できることが分かった。
【００３５】
本発明の実施の形態１は、多孔質フィラーに吸着された水分の気化熱を用いて、半導体素子１２を冷却することを目的とするものである。そのためには、半導体素子１２の使用時間中に、多孔質フィラーが水分を含有していることが必要である。ここで発明者らの実験により、図２に示すように、発明者らの実験により、外装体１４内の多孔質フィラー１５を含有するエポキシ樹脂を１２５℃の雰囲気中で脱湿処理をしたとしても殆ど全ての水分を放出するのに２０時間以上かかることが分かった。この特性を活かし、半導体素子の使用前に、予め水分を含有させるための吸湿工程を設けることで、半導体素子の使用期間は、気化熱で、発熱体である半導体素子から熱を奪って温度を下げることができる。
【００３６】
なお、吸湿工程を、半導体素子１２の温度が低い状態である使用初期段階に設け、半導体素子１２の温度が高くなるまでに吸湿させておくことでも、効率的に半導体素子から熱を奪うことが可能であると考えられる。しかしながら、この場合は、使用しながら吸湿させることになるため、半導体素子の機能が低下する可能性や、急に発熱した場合に対応できない可能性があるので、事前に吸湿工程を設けておくことが望ましい。
【００３７】
具体的には、半導体素子１２が活用される家庭用の電気製品を考えた場合、例えばエアコンの１日の平均稼動時間は約１０時間である。つまり、稼働時間中は、上述した多孔質フィラー１５に吸着されている水分の気化熱により、半導体素子１２を十分に冷却できる。
【００３８】
そのため、本実施の形態１の半導体素子１２が、エアコンに使用される場合は、エアコンの使用時間を、例えば８時から２０時と予め設定しておき、その使用時間前に積極的に吸湿させる吸湿工程を設けることで、使用時間中の冷却効果を、より確実に実現することが可能であると考えられる。また、エアコンの使用時間を個別に学習して、その学習結果に応じて使用時間を適宜修正することで、さらに確実に使用時間中の冷却効果を実現できると考えられる。
【００３９】
また、図２に示すように、多孔質フィラー１５を含有したエポキシ樹脂は、吸湿速度が速く、家庭用の電気製品が停止している時間中に再度、吸湿させることも可能である。このように使用時間外に吸湿させることで、使用時間中は、効率的に発熱を抑制できる。
【００４０】
本実施の形態１によれば、半導体素子１２を実装するに際して密閉するパッケージ構造としなくても、多孔質フィラー１５に吸着した水分が蒸発、気化して気化熱を奪うことにより、半導体素子１２を冷却し、温度を１２５℃以下に保つことができる。これにより、小型で、放熱性に優れ、長期にわたって半導体素子の動作の信頼性が向上した半導体装置を実現できる。
【００４１】
（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２にかかる樹脂封止型半導体装置（以下、「半導体装置」と記す）の断面図である。図４は、本発明の実施の形態２にかかる樹脂封止型半導体装置の図３のＡ部拡大図である。
【００４２】
本発明の実施の形態２の半導体装置は、図３に示すように、少なくともリードフレーム１１と、半導体素子１２と、外装体１４とから構成されている。そして、リードフレーム１１は、例えば銅（Ｃｕ）などの熱伝導性のよい材料からなり、ダイパッド部１１ｃと、複数のリードを備えている。また、リードフレーム１１は、外装体１４内に収納されると共に、そのリードの端部は、外装体１４内から、外方に突出している。さらに、外装体１４内部のリードフレーム１１には、例えば、ろう材１６によりダイパッド部１１ｃの一方の面１１ａに半導体素子１２が実装されている。ここで、半導体素子１２は、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）やパワーＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜型電界効果トランジスタ）などである。
【００４３】
そして、半導体素子１２のボンディングパッド（図示せず）とリードフレーム１１の複数のリードは、例えばワイヤー線などの金属部材１３により相互に電気的に接続されている。以下では、半導体素子１２として、ダイオードが内蔵された横型パワーＭＯＳＦＥＴを例に、また、金属部材１３として、例えばアルミニウム（Ａｌ）ワイヤーを例にして説明する。なお、アルミニウムワイヤーの代わりにアルミニウム（Ａｌ）リボンや銅（Ｃｕ）クリップを用いてもよい。アルミニウムリボンや銅クリップはアルミニウムワイヤーに比べて断面積が大きく配線抵抗値が小さくなるため、電力損失を低減できる。
【００４４】
また、外装体１４は、例えばビフェニル系あるいはクレゾールノボラック系のエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂からなる封止樹脂で構成され、半導体素子１２およびダイパッド部１１ｃを含むリードフレーム１１の一部を内包している。これにより、リードフレーム１１と半導体素子１２とを一体化すると共に、半導体素子１２を保護する。
【００４５】
そして、外装体１４を構成する封止樹脂には、多孔質フィラー１５が、例えば７０〜９０重量％の割合で含有されている。このとき、多孔質フィラー１５は、例えば二酸化珪素（ＳｉＯ2）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）またはアルミナ（Ａｌ3Ｏ2）などからなり、比表面積が少なくとも３００ｍ2／ｇ以上で、平均粒径が約１〜１０μｍの、例えば球状のフィラーで構成される。これにより、多孔質フィラー１５が球状であるので、フィラー同士は面接触でなく、点で接触するため、多孔質フィラーとエポキシ樹脂との接触面積を最大限に確保できる。
【００４６】
なお、半導体素子１２は、高速、大電流でのスイッチング動作により発熱する。このとき、半導体素子１２のジャンクション温度が上昇し、一般的に言われているように、例えば１２５℃以上になると、動作に対する信頼性が著しく低下し、半導体素子１２が誤動作する可能性がある。
【００４７】
そこで、以下に、半導体素子の発熱を抑制する外装体に含有した多孔質フィラーの作用について、図２を用いて説明する。
【００４８】
図２は、本発明にかかる半導体装置の外装体に用いた封止樹脂の吸水率の各条件に対する変化を説明する図である。図２において、横軸は、単位がｈｒ（時間）の時間の軸であり、縦軸は、単位が重量％の吸湿率の軸である。
【００４９】
このとき、測定に用いた試料は、外形寸法が直径４０ｍｍ、肉厚３．５ｍｍの樹脂構造体を、平均粒径２．８μｍ、比表面積３８０ｍ2／ｇの球状フィラーからなる多孔質フィラー１５を約８０重量％含有したビフェニル系エポキシ樹脂で作製したものである。
【００５０】
図２に示すように、まず、温度３０℃、相対湿度７０％の雰囲気中に試料を放置して吸湿させると、約５時間で飽和吸水率（約３２重量％）に到達した。
【００５１】
次に、温度１２５℃の雰囲気中で、吸着した水分を蒸発、気化して試料を脱湿させると、試料中の吸水率は、約２０時間で約２重量％まで低下した。
【００５２】
図３と図４に示すように、本発明の実施の形態２では、実施の形態１とは異なり、多孔質フィラー１５が外装体１４の外表面である一方の面１４ａと他方の面１４ｂよりも内部側で中間部である半導体素子１２の近傍に偏在させたものである。すなわち、外装体１４内の多孔質フィラー１５を、局所的に偏在させたものである。これにより、半導体素子１２から発生する熱を、効率よく多孔質フィラー１５に伝えることができる。その結果、多孔質フィラー１５に吸着した水分がより蒸発、気化しやすくなるので、冷却効果が増大する。このように、本実施の形態２では、半導体素子１２の熱を、外装体１４全体で放熱するのではなく、まず、半導体素子１２の周囲から外装体１４に熱を積極的に逃がすことで、半導体素子１２の熱の影響を低減させているものである。
【００５３】
上記から、多孔質フィラー１５を含有したエポキシ樹脂からなる封止樹脂は、外装体１４内に封止された半導体素子１２が、発熱により１００℃以上になると、半導体素子１２の近傍の多孔質フィラー１５に吸着されている水分が蒸発、気化する。その結果、気化熱により半導体素子１２の温度を、実用上問題とならない温度以下で保持できる。
【００５４】
本発明の実施の形態２は、局所的に偏在させた多孔質フィラー１５に吸着された水分の気化熱を用いて、半導体素子１２を、より効率的に冷却することを目的とするものである。そのためには、半導体素子１２の使用時間中に、多孔質フィラー１５が水分を含有していることが必要である。ここで発明者らの実験により、図２に示すように、外装体１４内の多孔質フィラー１５を含有するエポキシ樹脂を１２５℃の雰囲気中で脱湿処理をしたとしても殆ど全ての水分を放出するのに２０時間以上かかることが分かった。この特性を活かし、半導体素子の使用前に、予め水分を含有させるための吸湿工程を設けることで、半導体素子の使用期間は、気化熱により、発熱体である半導体素子から熱を奪って温度を下げることができる。
【００５５】
具体的には、半導体素子１２が活用される家庭用の電気製品を考えた場合、例えばエアコンの１日の平均稼動時間は約１０時間である。つまり、稼働時間中は、上述した多孔質フィラー１５に吸着されている水分の気化熱により、半導体素子１２を十分に冷却できる。
【００５６】
また、図２に示すように、多孔質フィラー１５を含有したエポキシ樹脂は、吸湿速度が速く、家庭用の電気製品が停止している時間中に再度、吸湿させることも可能である。このように使用時間外に吸湿させることで、使用時間中は、効率的に発熱を抑制できる。
【００５７】
本実施の形態２によれば、半導体素子１２を実装するに際して密閉するパッケージ構造としなくても、局所的に偏在させた多孔質フィラー１５に吸着した水分が蒸発、気化して気化熱を奪うことにより、半導体素子１２をさらに効率よく冷却し、温度を１２５℃以下に保つことができる。これにより、小型で、放熱性に優れ、長期にわたって半導体素子の動作の信頼性が向上した封止樹脂型半導体装置を実現できる。
【００５８】
以下に、本発明の実施の形態２の半導体装置の製造方法について、図５〜図８を用いて説明する。
【００５９】
まず、図５に示すように、半導体素子１２を実装したリードフレーム１１を下金型２２に載置し、上金型２１との間でクランプする。
【００６０】
次に、図６に示すように、例えばトランスファーモールド法により、多孔質フィラー１５を含有したエポキシ樹脂からなる封止樹脂２６を、例えば下金型２２に設けたゲート２５からキャビティ２３内に充填する。このとき、はじめに流入された封止樹脂２６は、リードフレーム１１に沿って流れる。そして、封止樹脂２６は、半導体素子１２やリードフレーム１１と熱交換して、エポキシ樹脂中に含有した多孔質フィラー１５と共に硬化する。
【００６１】
次に、図７に示すように、高い流動性の封止樹脂２６（エポキシ樹脂）がキャビティ２３を完全に充填するように入り込んでいく。
【００６２】
そして、図８に示すように、半導体素子１２およびダイパッド部１１ｃを含むリードフレーム１１の一部を内包した外装体１４が形成される。
【００６３】
上述のように、まず半導体素子１２やリードフレーム１１の近傍で多孔質フィラー１５を含有した封止樹脂２６（エポキシ樹脂）が硬化し、その周りを囲むように高い流動性の封止樹脂２６（エポキシ樹脂）を充填して、外装体１４が形成される。その結果、多孔質フィラー１５が外装体１４の一方の面１４ａと他方の面１４ｂの中間部分である半導体素子１２の近傍に偏在した半導体装置が作製される。
【００６４】
本実施の形態２によれば、外装体の多孔質フィラー１５を半導体素子１２の近傍に偏在させることにより、冷却効果を高めた半導体装置を容易に作製できる。
【００６５】
なお、図５〜図８の工程においては、多孔質フィラー１５の含有率の異なる封止樹脂２６を複数準備しておくことで、更に効率的に多孔質フィラーを偏在させることが可能になると考えられる。たとえば、多孔質フィラー１５の含有率が高く流動性が若干低い第１の封止樹脂と、多孔質フィラー１５の含有率が第１の封止樹脂より低く流動性が第１の封止樹脂より高い第２の封止樹脂を準備する。まず、図５，図６の工程では、第１の封止樹脂を充填させ、図７，図８の工程で第２の封止樹脂を充填させる。このようにして、２段階で封止樹脂を充填させることで、図５、図６の工程で、半導体素子１２の周囲に多孔質フィラー１５をより偏在させることが可能であると考えられる。
【００６６】
また、第１の封止樹脂の多孔質フィラーの平均粒径を第２の封止樹脂の多孔質フィラーの平均粒径よりも大きくすることで、多孔質フィラーの局所的な偏在による前述の効果を更に高めることも可能であると考えられる。この場合、半導体素子１２の近傍の領域の多孔質フィラー１５の平均粒径は、外装体１４の外表面側の領域の多孔質フィラー１５の平均粒径よりも大きくなる。
【００６７】
（実施の形態３）
図９は、本発明の実施の形態３にかかる半導体装置の断面図である。図１０は、本発明の実施の形態３にかかる半導体装置の内部構造を示す平面図である。
【００６８】
本発明の実施の形態３の半導体装置は、図９および図１０に示すように、少なくともリードフレーム３１と、パワー素子３２と、放熱板３３と、制御素子３４と、外装体３５とから構成されている。そして、リードフレーム３１は、例えば銅（Ｃｕ）などの熱伝導性のよい材料からなり、第１のダイパッド部３６と、第２のダイパッド部４０と、複数のリードを備えている。また、リードフレーム３１は、外装体３５内に収納されると共に、そのリードの端部は、外装体３５内から、外方に突出している。さらに、リードフレーム３１の第１のダイパッド部３６の一方の面３６ａ（以下、「上面」と記す）には、パワー素子３２が、例えばろう材１６により実装されている。また、第２のダイパッド部４０の一方の面４０ａには、制御素子３４が、例えば銀（Ａｇ）ペーストにより実装されている。ここで、パワー素子３２は、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）やパワーＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜型電界効果トランジスタ）などである。
【００６９】
そして、パワー素子３２のボンディングパッド（図示せず）とリードフレーム３１の複数のリードは、例えばワイヤー線などの金属部材５１により相互に電気的に接続されている。
【００７０】
また、制御素子３４は、パワー素子３２を制御する素子で、駆動回路、過電流防止回路等を内蔵し、制御素子３４のボンディングパッド（図示せず）とリードフレーム３１の複数のリードは金（Ａｕ）ワイヤー５２により相互に電気的に接続されている。
【００７１】
さらに、制御素子３４は、パワー素子３２のボンディングパッド（図示せず）と制御素子３４のボンディングパッド（図示せず）を金ワイヤー５２で電気的に接続して、パワー素子３２を制御している。以下では、パワー素子３２として、ダイオードが内蔵された横型パワーＭＯＳＦＥＴを例に、また、金属部材５１として、例えばアルミニウム（Ａｌ）ワイヤーを例にして説明する。なお、アルミニウムワイヤーの代わりにアルミニウム（Ａｌ）リボンや銅（Ｃｕ）クリップを用いてもよい。アルミニウムリボンや銅クリップはアルミニウムワイヤーに比べて断面積が大きく配線抵抗値が小さくなるため、電力損失を低減できる。
【００７２】
また、リードフレーム３１の第１のダイパッド部３６の他方の面３６ｂ（以下、「下面」と記す）には絶縁シート４１を介して、例えば銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）などの熱伝導性のよい金属からなる放熱板３３が固着されている。そして、絶縁シート４１は、絶縁層を接着層で挟む３層構造を有する熱伝導性絶縁材料からなり、パワー素子３２から発生する熱を効果的に放熱板３３へ伝達する。このとき、放熱板３３の一方の面３３ｂ（以下、「下面」と記す）は、外装体３５の一方の面３５ｂ（以下、「下面」と記す）から露出している。これにより、パワー素子３２から生じる熱を外部に効率的に伝達する。また、放熱板３３の側面３３ｃは外装体３５で覆われているため放熱板３３とリードフレーム３１との接合が強固となる。
【００７３】
また、外装体３５は、例えばエポキシなど熱硬化性樹脂からなる封止樹脂で構成され、パワー素子３２、制御素子３４および第２のダイパッド部４０を含むリードフレーム３１の一部、並びに放熱板３３の側面３３ｃを内包している。これによりリードフレーム３１とリードフレーム３１とを一体化すると共に、パワー素子３２と制御素子３４とを保護する。
【００７４】
また、リードフレーム３１の端部は、外装体３５の側面から突出しており、半導体装置の実装端子として、例えばインバーター制御機器などの回路と接続される。
【００７５】
また、外装体３５を構成する封止樹脂には、多孔質フィラー１５が、例えば７０〜９０重量％の割合で含有されている。このとき、多孔質フィラー１５は、例えば二酸化珪素（ＳｉＯ2）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）またはアルミナ（Ａｌ3Ｏ2）などからなり、比表面積が少なくとも３００ｍ2／ｇ以上で、平均粒径が約１〜１０μｍの、例えば球状のフィラーで構成される。これにより、多孔質フィラー１５が球状であるので、フィラー同士は面接触でなく、点で接触するため、多孔質フィラーとエポキシ樹脂との接触面積を最大限に確保できる。
【００７６】
なお、パワー素子３２は、高速、大電流でのスイッチング動作により発熱する。このとき、パワー素子３２のジャンクション温度が上昇し、一般的に言われているように、例えば１２５℃以上になると、動作に対する信頼性が著しく低下し、パワー素子３２が誤動作する可能性がある。
【００７７】
そこで、以下に、パワー素子の発熱を抑制する外装体に含有した多孔質フィラーの作用について、図２を用いて説明する。
【００７８】
図２は、本発明にかかる半導体装置の外装体に用いた封止樹脂の吸水率の各条件に対する変化を説明する図である。図２において、横軸は、単位がｈｒ（時間）の時間の軸であり、縦軸は、単位が重量％の吸湿率の軸である。
【００７９】
このとき、測定に用いた試料は、外形寸法が直径４０ｍｍ、肉厚３．５ｍｍの樹脂構造体を、平均粒径２．８μｍ、比表面積３８０ｍ2／ｇの球状フィラーからなる多孔質フィラー１５を約８０重量％含有したビフェニル系エポキシ樹脂で作製したものである。
【００８０】
図２に示すように、まず、温度３０℃、相対湿度７０％の雰囲気中に試料を放置して吸湿させると、約５時間で飽和吸水率（約３２重量％）に到達した。
【００８１】
次に、温度１２５℃の雰囲気中で、吸着した水分を蒸発、気化して試料を脱湿させると、試料中の吸水率は、約２０時間で約２重量％まで低下した。
【００８２】
上記から、多孔質フィラー１５を含有したエポキシ樹脂からなる封止樹脂は、外装体内に封止されたパワー素子３２が、発熱により１００℃以上になると、パワー素子３２の近傍の多孔質フィラー１５に吸着されている水分が蒸発、気化することが分かった。その結果、本発明の実施の形態３の構成でも、気化熱により半導体素子１２の温度を、実用上問題とならない温度以下で保持できることが分かった。
【００８３】
本発明の実施の形態３は、局所的に偏在させた多孔質フィラー１５に吸着された水分の気化熱を用いて、パワー素子３２を、より効率的に冷却することを目的とするものである。そのためには、パワー素子３２の使用時間中に、多孔質フィラー１５が水分を含有していることが必要である。ここで、発明者らの実験により、図２に示すように、多孔質フィラー１５を含有するエポキシ樹脂を１２５℃の雰囲気中で脱湿処理をしたとしても殆ど全ての水分を放出するのに２０時間以上かかることが分かった。この特性を活かし、半導体素子の使用前に、予め水分を含有させるための吸湿工程を設けることで、パワー素子の使用期間は、気化熱で、発熱体であるパワー素子から熱を奪って温度を下げることができる。
【００８４】
具体的には、パワー素子３２が活用される家庭用の電気製品を考えた場合、例えばエアコンの１日の平均稼動時間は約１０時間である。つまり、稼働時間中は、上述した多孔質フィラー１５に吸着されている水分の気化熱により、パワー素子３２を十分に冷却できる。
【００８５】
また、図２に示すように、多孔質フィラー１５を含有したエポキシ樹脂は、吸湿速度が速く、家庭用の電気製品が停止している時間中に再度、吸湿させることも可能である。このように使用時間外に吸湿させることで、使用時間中は、効率的に発熱を抑制できる。
【００８６】
本実施の形態３によれば、多孔質フィラー１５がパワー素子３２の近傍に偏在させることにより、パワー素子３２から発生する熱をさらに効率よく、多孔質フィラー１５に伝えることができる。その結果、多孔質フィラー１５に吸着した水分がより蒸発、気化しやすくなるので、冷却効果を高めた半導体装置を実現できる。
【００８７】
また、本実施の形態３によれば、パワー素子３２を密閉するパッケージ構造としなくても、多孔質フィラー１５に吸着した水分が蒸発、気化して気化熱を奪うことにより、パワー素子３２を冷却し、温度を１２５℃以下に保つことができる。これにより、小型で、放熱性に優れ、長期にわたってパワー素子の動作の信頼性が向上した半導体装置を実現できる。
【００８８】
以下に、本発明の実施の形態３の半導体装置の製造方法について、図１１および図１２を用いて説明する。
【００８９】
まず、図１１に示すように、絶縁シート４１を仮接着した放熱板３３を下金型６２に放熱板３３を下側にして載置する。次に、リードフレーム３１をリードフレーム３１の第１のダイパッド部３６の下面３６ｂが絶縁シート４１に接するように下金型６２に載置する。その後、上金型６３を下降させ、リードフレーム３１およびリードフレーム３１を、上金型６３と下金型６２でクランプする。
【００９０】
そして、例えばトランスファーモールド法により、多孔質フィラー１５を含有したエポキシ樹脂からなる封止樹脂６６を、上金型６３に設けたゲート６４からキャビティ６５内に充填する。これにより、パワー素子３２、制御素子３４および放熱板３３の側面に、外装体３５が形成される。このとき、キャビティ６５に連結して上金型６３に設けられたゲート６４は、キャビティ６５に向かって細くなるようにテーパが付けられている。さらに、図１２に示すように、ゲート６４は、リードフレーム３１のリード３１ｄ間に配置するように設けられている。
【００９１】
そのため、まず、ゲート６４から注入された封止樹脂６６は、ゲート６４のテーパにより、樹脂の流動が規制され、下金型６２の方向、つまり放熱板３３側に流れ出す。次に、封止樹脂６６は、ゲート６４とキャビティ６５の連結部からキャビティ６５内に注入される。このとき、ゲート６４がリードフレーム３１上に配置している場合には、注入された封止樹脂６６の流動方向が規制され、キャビティ６５の上下方向に均等に流動しやすくなる。
【００９２】
しかし、本実施の形態３では、ゲート６４がリード３１ｄ間に配置されているので、流動が規制されることなく、下金型６２の方向、つまり第１のダイパッド部３６に向けて流入する。
【００９３】
つまり、はじめに流入された封止樹脂６６は、第１のダイパッド部３６に沿って流れ、パワー素子３２の上面を覆うように流れる。そして、第１のダイパッド部３６やパワー素子３２と熱交換して封止樹脂６６（エポキシ樹脂）中に含有した多孔質フィラー１５と共に硬化する。
【００９４】
その後、高い流動性の封止樹脂６６（エポキシ樹脂）が上金型６３のキャビティ６５を完全に充填するように入り込んでいく。
【００９５】
そして、図９に示すような、パワー素子３２、制御素子３４、放熱板３３およびリードフレーム３１の一部を内包した外装体３５が形成される。
【００９６】
上述のように、まず放熱板３３上に設けた第１のダイパッド部３６やパワー素子３２の近傍で多孔質フィラー１５を含有した封止樹脂６６（エポキシ樹脂）が硬化し、その周りを囲むように低抵抗のエポキシ樹脂を充填して、外装体３５が形成される。その結果、多孔質フィラー１５が外装体３５内の放熱板３３側、つまりパワー素子３２の近傍に偏在した半導体装置が作製される。
【００９７】
本実施の形態３によれば、外装体３５の多孔質フィラー１５をパワー素子３２の近傍に偏在させることにより、冷却効果を高めた半導体装置を容易に作製できる。
【００９８】
なお、本実施の形態３の半導体装置では、１枚のリードフレームを用いた例で説明したが、これに限らない。例えば、２枚の個別のリードフレームを一体化したリードフレームを用いてもよい。
【００９９】
また、本実施の形態３の半導体装置では、まず多孔質フィラー１５を含有した封止樹脂（エポキシ樹脂）を充填して外装体を形成する例で説明したが、これに限らない。例えば、押圧注入される封止樹脂を、多孔質フィラー１５の含有率が７０〜９０重量％であるエポキシ樹脂組成物からなる第１の層と、上記第１の層より多孔質フィラー１５の含有率が小さいエポキシ樹脂組成物からなる第２の層を有するタブレットの構成としてもよい。これにより、はじめに注入される第１の層の封止樹脂が、第１のダイパッド部３６やパワー素子３２の近傍で硬化する。次に第１の層より多孔質フィラー１５の含有率が小さい第２の層の封止樹脂が、硬化した第１の層の封止樹脂の周りを囲むようにして注入される。その結果、多孔質フィラー１５が外装体３５内のパワー素子３２の近傍に確実に偏在させて、冷却効果を高めることができる。
【０１００】
また、第１の層の多孔質フィラーの平均粒径を第２の層の多孔質フィラーの平均粒径よりも大きくすることで、多孔質フィラーの局所的な偏在による前述の効果を更に高めることも可能であると考えられる。この場合、パワー素子３２の近傍の領域の多孔質フィラー１５の平均粒径は、外装体１４の外表面側の領域の多孔質フィラー１５の平均粒径よりも大きくなる。
【産業上の利用可能性】
【０１０１】
本発明は、エアコンなどの大電力用の機器に用いられる半導体装置に適用できる。
【符号の説明】
【０１０２】
１１，３１    リードフレーム
１１ａ，３５ｂ，３６ａ，４０ａ    一方の面
１１ｃ    ダイパッド部
１２，１０１，２０２    半導体素子
１３，５１    金属部材
１４，３５    外装体
１４ａ，３３ｂ    一方の面
１４ｂ    他方の面
１５    多孔質フィラー
１６，３８    ろう材
２１，６３    上金型
２２，６２    下金型
２３，６５    キャビティ
２５，６４    ゲート
２６，６６，２０６    封止樹脂
３１ｄ    リード
３２    パワー素子
３３    放熱板
３３ｃ    側面
３４    制御素子
３６    第１のダイパッド部
３６ｂ    他方の面
４０    第２のダイパッド部
４１    絶縁シート
５２    金（Ａｕ）ワイヤー
１０２    基板
１０３    金属製カバー
１０４    シート
１０５    多孔質部材
２０１    アイランド
２０７    導電性フィラー
【図１】
2012038792.tif 000003
【図２】
2012038792.tif 000004
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2012038792.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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