(57)【要約】【課題】リードフレームを用いた場合に、電極端子間の絶縁距離の確保が容易にでき、低コストで信頼性に優れた小型化が可能な半導体装置を得る。【解決手段】半導体素子２が接続されたリードフレーム１と、リードフレーム１に接続された電極端子４と、電極端子４の一部が露出するように、半導体素子２、電極端子４、およびリードフレーム１を封止する第一の封止樹脂８と、第一の封止樹脂８から露出したリードフレーム１を封止する第二の封止樹脂９とを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子が接続されたリードフレームと、前記リードフレームに接続された電極端子と、前記電極端子の一部が露出するように、前記半導体素子、前記電極端子、および前記リードフレームを封止する第一の封止樹脂と、前記第一の封止樹脂から露出した前記リードフレームを封止する第二の封止樹脂と、を備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記リードフレームは、前記半導体素子が接続された面の反対面側が放熱部材で固定されたことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記リードフレームおよび前記放熱部材は、銅または銅合金で形成されることを特徴とする請求項１または請求項２記載の半導体装置。
【請求項４】
前記電極端子は、円筒状または円柱状の形状であり、前記リードフレームに対して略垂直に接合されることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載の半導体装置。
【請求項５】
前記半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体材料で形成されることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項記載の半導体装置。
【請求項６】
前記ワイドバンドギャップ半導体材料は、炭化珪素、窒化ガリウム、ダイヤモンドのいずれかであることを特徴とする請求項５記載の半導体装置。
【請求項７】
半導体素子および電極端子をリードフレームに接続する工程と、前記電極端子の一部が露出するように、前記半導体素子、前記電極端子、および前記リードフレームを第一の封止樹脂で封止する工程と、前記第一の封止樹脂から突出した前記リードフレームの一部を切断する工程と、前記リードフレームの一部を切断して、前記第一の封止樹脂から露出した前記リードフレームを第二の封止樹脂で封止する工程と、を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、低コストで信頼性に優れた半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の中には、比較的大きな電力を扱う電力用の半導体装置がある。このような電力用に用いられる半導体装置では、鉄道車両、ハイブリッドカー、電気自動車等の車両、家電機器、産業用機械等において、比較的大きな電力を制御、整流するために利用されている。近年はシリコン（Ｓｉ）に代わる半導体材料としてワイドバンドギャップ半導体材料である炭化珪素（ＳｉＣ）が注目されており、炭化珪素からなる半導体素子は１５０℃〜３００℃の高温状態でも安定動作が可能である。このことから、放熱性に優れ、高信頼性の電力用半導体装置が求められている。
【０００３】
民生用の電力用半導体装置としては、従来の汎用半導体装置の技術を応用したリードフレームを用い、全体をトランスファーモールドする半導体装置が多く使用されている。このリードフレームを使用する半導体装置の製造プロセスは量産性も高く、大量生産することで非常に低コストである。また、半導体チップ周辺をトランスファーモールドによる硬いエポキシ樹脂で覆うことから、信頼性も非常に高いことが特徴である。
【０００４】
一方、産業用の電力用半導体装置は、ケース型と呼ばれるタイプの構造が主流であり、リードフレームを採用した場合、電極端子を半導体装置（モジュール）の外周部から取り出していた（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２２００７４号公報（第３頁、第４図、第６図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の半導体装置では、リードフレームを用いた場合に、電極端子を半導体装置の外周部から取り出すため、所定の絶縁距離を確保するために、リードフレームのリード間隔を広く確保する必要があり、半導体装置のサイズが大きくなるという問題点があった。
【０００７】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、電極端子間の絶縁距離を容易に確保でき小型化が可能な半導体装置を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
半導体素子が接続されたリードフレームと、前記リードフレームに接続された電極端子と、前記電極端子の一部が露出するように、前記半導体素子、前記電極端子、および前記リードフレームを封止する第一の封止樹脂と、前記第一の封止樹脂から露出した前記リードフレームを封止する第二の封止樹脂と、を備えることを特徴とする半導体装置。
【発明の効果】
【０００９】
この発明は、リードフレームを用い、リードフレームを第一の封止樹脂で樹脂封止した後に、第一の封止樹脂から露出したリードフレームを第二の封止樹脂で樹脂封止することにより、電極端子間の絶縁距離を容易に確保でき半導体装置の小型化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】この発明の実施の形態１における半導体装置の上面概略図である。
【図２】図１のＡ−Ｂ線における半導体装置の断面概略図である。
【図３】この発明の実施の形態１における半導体装置の製造方法を示す断面概略図である。
【図４】この発明の実施の形態２における半導体装置の断面概略図である。
【図５】この発明の実施の形態２における半導体装置の製造方法を示す断面概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における半導体装置の上面概略図である。図２は、図１のＡ−Ｂ線における半導体装置の断面概略図である。はじめに、この発明の実施の形態１における半導体装置の全体構成について説明する。図１と図２に示すように、半導体装置１１は、リードフレーム１、スイッチング素子２ａ、整流素子２ｂ（以下、半導体素子２と称す）、ヒートスプレッダー３、主電極用端子４ａ、信号電極用端子４ｂ（以下、電極端子４と称す）、アルミワイヤ５、スリーブ６、絶縁シート７（絶縁層７ａ、銅箔７ｂ）、第一の封止樹脂８、第二の封止樹脂９、外部電極端子１０で構成される。
【００１２】
回路パターンが構成されたリードフレーム１の半導体素子接続部である所定の位置に半導体素子２（スイッチング素子２ａ、整流素子２ｂ）が導電性の接合材（図示なし）を用いて固着されるとともに電気的に接続される。半導体素子２のリードフレーム１との固着面の反対面側である半導体素子２の表面に形成された電極は、アルミワイヤ５等のいわゆるワイヤボンディングによる配線部材により、リードフレーム１と電気的に接続される。そして、アルミワイヤ５が接続されたリードフレーム１は、円筒または円柱状の形状の電極端子４（主電極用端子４ａ、信号電極端子４ｂ）を介して、外部との電気的な接続を行う。また、電極端子４は、リードフレーム１に対して略垂直に配置される。そして、電極端子４には、電極端子４と第一の封止樹脂である樹脂８とのシール性を確保するための円筒状のスリーブ６を外周に挿入している。
【００１３】
リードフレーム１の半導体素子２を接続した面の反対面側には、半導体素子２から発生する熱を放熱するための放熱部材であるヒートスプレッダー３が接合材（図示なし）を用いて固着されている。さらに、ヒートスプレッダー３のリードフレーム１との接合面の反対面側は、絶縁層７ａと金属薄膜である銅箔７ｂの２層構造になっている絶縁シート７と固着している。そして、リードフレーム１、半導体素子２、ヒートスプレッダー３、電極端子４、アルミワイヤ５、絶縁シート７を含めてトランスファーモールドにより形成される第一の封止樹脂８を用いて封止する。このとき、電極端子４の端部および銅箔７ｂの一部が第一の封止樹脂８内から露出するように封止する。封止後、第一の封止樹脂８から外部へ突出した部分のリードフレーム１を切断する。そして、切断することによって第一の封止樹脂８から露出する切断部を覆うように第一の封止樹脂８の一部を第二の封止樹脂９で封止する。最後に、外部電極端子１０を電極端子４に挿入または固着する。
【００１４】
つぎに、各部材の詳細について説明する。リードフレーム１は、導電性を有する材料であれば良く、中でも導電性の高い銅または銅合金が良い。
【００１５】
半導体素子２は、リードフレーム１に接合材を用いて固着される。接合材としては、導電性を有する接合材であればよく、ハンダ、導電性接着材、焼結銀などが挙げられる。半導体素子２は、シリコンを基材とした一般的な素子でも良いが、本発明においては炭化珪素や窒化ガリウム（ＧａＮ）、またはダイヤモンドといったシリコンと較べてバンドギャップが広い、いわゆるワイドバンドギャップ半導体材料を適用したときに好適な構造を目指しており、特に炭化珪素を用いた半導体素子に好適である。デバイスの種類としては、特に限定する必要はないが、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ−Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）のようなスイッチング素子２ａ、またはダイオードのような整流素子２ｂが考えられる。
【００１６】
ヒートスプレッダー３は、熱伝導率の高い金属で構成されている。例えば、熱伝導性の高い銅の板材で構成されている。銅が主成分であれば良く、銅以外の金属を含有していても構わない。また、軽量で熱伝導率の高いアルミニウムまたはその合金でもよい。第一の封止樹脂８との密着性を上げるように表面に凹凸を設けても良い。また、化学結合を強固にするためにプライマー等の表面処理を実施してもよい。ヒートスプレッダー３は、半導体素子２が接続された面の反対面側のリードフレーム１に接合材を用いて固着する。接合材としては、この場合は熱伝導性が良好なもので良く、上記で記載した以外の接合材以外に、絶縁性の高熱伝導接着材も使用できる。
【００１７】
円筒または円柱状の形状の電極端子４は、導電性が良好な金属が良い。例えば、銅または銅合金があげられる。電極端子４の形状が円筒状の場合、リードフレーム１と固着する側は穴がふさがっていても良い。電極端子４の外周には、第一の封止樹脂８の入り込みを防止するための円筒状の樹脂スリーブ６を挿入する。この樹脂スリーブ６の材質としては、第一の封止樹脂成形時に溶融しなくて、強度が確保できる材料が良い。材料としては、ナイロン、ポリパラフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）などの熱可塑性樹脂が用いることができる。電極端子４はリードフレーム１と接合材で固着する。この場合の接合材としては、リードフレーム１と半導体素子２を固着する際に用いた導電性の接合材を用いることができる。アルミワイヤ５を介して、半導体素子２と電極端子４は電気的に導通させる。
【００１８】
ヒートスプレッダー３のリードフレーム１と固着している面の反対面側には、銅箔７ｂ面上にエポキシ樹脂等からなる熱硬化性の樹脂に、高熱伝導性で絶縁性のセラミック粒子、例えば、結晶シリカ、アルミナ、窒化ケイ素、窒化ホウ素、窒化アルミニウム等を充填材として混入した絶縁層７ａとを接着させる。この絶縁層７ａは熱伝導性と絶縁性を有する樹脂層である。この絶縁層７ａは絶縁性が高いことから、厚みを１００〜３００μｍと比較的薄い厚みで使用することができるため、放熱特性も非常に高い。
第一の封止樹脂８を構成するいわゆる封止樹脂材としては、エポキシ樹脂のような熱硬化性樹脂に、溶融シリカ等のセラミック粒子を充填材として混入し、熱膨張係数や弾性率を調整した材料を用いる。
【００１９】
第一の封止樹脂８をトランスファーモールドにより形成した後に、第一の封止樹脂８から外部へ突出した部分のリードフレーム１の一部を切断する。そして、リードフレーム１を切断することによって第一の封止樹脂８から露出する切断部を覆うように第一の封止樹脂８の一部を第二の封止樹脂９で封止する。この第二の封止樹脂９は、室温で性状が液体である樹脂で第一の封止樹脂８と同様に、エポキシ樹脂のような熱硬化性樹脂に、溶融シリカ等のセラミック粒子を充填材として混入し、熱膨張係数や弾性率を調整した材料である。リードフレーム１の切断部を第二の封止樹脂９で覆うことで、切断部が露出することがなく、絶縁距離の確保のためにリードフレーム１のリード間隔を広げる必要がなくなり、半導体装置の小型化が可能となる。
【００２０】
電極端子４には、外部電極端子１０を接続する。外部電極端子１０の材質としては、電極端子４と同じく導電性が良好な金属が良い。例えば、銅または銅合金があげられる。
【００２１】
次に、本実施の形態１にかかる半導体装置の製造方法について説明する。図３は、この発明の実施の形態１における半導体装置の製造プロセスを示す。図３に示すように、まず、はじめに、図３（ａ）に示すように、準備工程において、半導体素子２等を接続するための母材となるリードフレーム１を準備する。次に、図３（ｂ）に示すように、素子接続工程において、リードフレーム１の一方の面に半導体素子２（スイッチング素子２ａ、整流素子２ｂ）と電極端子４（主電極用端子４ａ、信号電極端子４ｂ）を、リードフレーム１の半導体素子２と電極端子４を固着した面の反対面側にヒートスプレッダー３を接合材（図示せず）で固着する。このとき、接合材としてハンダを用いる場合は、固定治具で各部材を位置決めして、一括でハンダリフローすることで製造することができる。
【００２２】
次に、図３（ｃ）に示すように、ワイヤボンディング工程において、半導体素子２の表面に形成された電極と、リードフレーム１とを、アルミワイヤ５により電気的に接続する。リードフレーム１を用いることで半導体素子接続からワイヤボンディングの工程間の搬送の効率が非常に良くなる。次に、図３（ｄ）に示すように、封止前工程において、電極端子４には封止工程実施中に第一の封止樹脂８が電極端子４の中および上に入り込まないように、円筒状の樹脂スリーブ６を外周に挿入する。このとき、樹脂スリーブ６は電極端子４より突き出すように挿入する。
【００２３】
次に、図３（ｅ）に示すように、トランスファーモールドを用いた封止工程において、金型上に絶縁シート７（銅箔７ｂの上に絶縁層７ａ）を設置し、その上にヒートスプレッダー３と一体になったリードフレーム１を、絶縁層７ａとヒートスプレッダー３とが接するように固着する。その後、リードフレーム１、半導体素子２、ヒートスプレッダー３、電極端子４、アルミワイヤ５、絶縁シート７を含めてトランスファーモールドにより形成される第一の封止樹脂８を用いて封止する。このとき、電極端子４の端部および銅箔７ｂの一部が第一の封止樹脂８内から露出するように封止する。樹脂スリーブ６を挿入した電極端子４は、金型の型締め時に樹脂スリーブ６が移動することで第一の封止樹脂８とのシール性を確保でき、第一の封止樹脂８の入り込みを防止することができる。また、これ以外の方法で電極端子４の中および上に第一の封止樹脂８が入り込まないようにしても良い。
【００２４】
その他の方法としては、例えば、以下のものが挙げられる。トランスファーモールド時にリードフレーム１を金型で挟んだ際に、必ず金型に当たるように電極端子４の長さを調整する。電極端子４が当たった際に電極端子４が変形することで第一の封止樹脂８とのシール性を確保することができる。この場合、変形のしやすさから、円筒状の電極端子の方が良い。あるいは、電極端子４が当たる金型に樹脂フィルムを予め貼り付けておき、樹脂フィルムに電極端子４をくい込ませることで第一の封止樹脂８とのシール性を確保する。
【００２５】
リードフレーム１を用い、リードフレーム１の一部を金型で挟み固定することで、第一の封止樹脂８の成形時に、電極端子４の金型内での位置決めが正確にでき、第一の封止樹脂８の注入圧力による位置ズレも非常に小さくなることから、半導体装置１１における電極端子４の位置ズレを非常に小さくすることができる。
【００２６】
次に、図３（ｆ）に示すように、リードフレーム切断工程において、封止に用いた第一の封止樹脂８を硬化した後に、第一の封止樹脂８から外部に出ているリードフレーム１の不要部分を切断する。そして、図３（ｇ）に示すように、リードフレーム１の不要部分切断後に、リードフレーム１の切断部を第二の封止樹脂９で覆うように封止する。第二の封止樹脂９で封止する際は、金型や枠ケースを用いても良く、第二の封止樹脂９が垂れないようであれば、金型や枠ケースを用いなくても良い。あるいは、リードフレームの一部を切断せずに、そのまま外部電極として使用しても良い。
【００２７】
最後に、図３（ｈ）に示すように、電極端子４に外部電極端子１０を接続する。電極端子４が円筒状の場合は、外部電極端子１０を円筒の穴の部分に挿入する方法が良い。または、挿入ではなく、ハンダ付け、ろう付け、超音波接合、溶接等で電極端子４と外部電極端子１０を接続しても良い。このような製造フローを経て、半導体装置１１が形成される。
【００２８】
以上のように構成された半導体装置においては、従来は、半導体装置の外周部から電極端子を取り出していたため、絶縁距離の確保のためにリードフレーム１のリード間隔を広げる必要があったが、上出し電極構造としたことで、絶縁距離の確保のためにリードフレーム１のリード間隔を広げる必要が無くなり半導体装置の小型化が可能となる。また、第一の封止樹脂８から突出したリードフレーム１の一部を切断し、第一の封止樹脂８から露出した切断部を第二の封止樹脂９で樹脂封止することにより、リードフレーム１のリード間の絶縁距離を容易に確保できる。さらに、リードフレーム１を用いたことで、生産性が向上する。また、トランスファーモールドを用いたことにより、第一の封止樹脂８と各部材との密着性が向上し、信頼性が向上する。さらに、リードフレーム１を用いたことで、トランスファーモールド時にリードフレーム１の一部を金型で挟み込むため、電極端子４の位置決めも容易になる。また、リードフレーム１やヒートスプレッダー３に、熱伝導性や導電性に優れた銅または銅合金を用いることで、放熱性に優れた半導体装置の提供が可能となる。さらに、半導体材料として、ワイドバンドギャップ半導体材料を用いて半導体素子を形成することで、高温動作や電力損失低減ができ高効率化が可能となる。
【００２９】
実施の形態２．
図４は、この発明の実施の形態２における半導体装置の断面概略図である。本実施の形態２における半導体装置においては、半導体素子２が接続される半導体素子接続部分のリードフレームの厚さが半導体素子２を接続した面の反対面側に厚くなったリードフレーム２１を用いることにより、実施の形態１におけるヒートスプレッダー３が不要になったことが実施の形態１と異なり、その他の部分は実施の形態１と同様である。
【００３０】
本発明の実施の形態２における半導体装置の全体構成について説明する。半導体装置３１は、リードフレーム２１として、半導体素子２を接続した面の反対面側に厚くなった異形状のリードフレーム２１を用いる。このことにより、実施の形態１におけるヒートスプレッダー３が不要になる。
【００３１】
図５は、この発明の実施の形態２における半導体装置の製造プロセスを示す。図５に示すように、製造方法としては、実施の形態１と同様の製造プロセスを用いることができる。ただし、上述のように、半導体素子２が接続される半導体素子接続部分のリードフレームの厚さが半導体素子２を接続した面の反対面側に厚くなったリードフレーム２１を用いることにより、ヒートスプレッダー３の取り付けが不要となり、半導体装置３１の製造工程を簡略化することができる。
【００３２】
以上のように構成された半導体装置においては、実施の形態１の特性を維持しながら、ヒートスプレッダー３をリードフレーム２１に固着する必要がなくなり、固着に用いる接合材による熱抵抗の上昇の抑制、および製造時の固着プロセスを簡略化することが可能となる。
【符号の説明】
【００３３】
１，２１  リードフレーム、２  半導体素子（２ａ  スイッチング素子、２ｂ  整流素子）、３  ヒートスプレッダー、４  電極端子（４ａ  主電極用端子、４ｂ  信号電極用端子）、５  アルミワイヤ、６  樹脂スリーブ、７  絶縁シート（７ａ  絶縁層、７ｂ  銅箔）、８  第一の封止樹脂、９  第二の封止樹脂、１０  外部電極端子、１１，３１  半導体装置。
【図１】
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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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