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JP5888995B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

半導体装置およびその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、半導体装置の構造およびその製造方法に関し、特に、一括トランスファーモールド方式により製造される半導体装置に関するものである。
電力用半導体装置の製造方式として、樹脂封止された複数の半導体装置を一体的に形成し、その後の切断（ダイシング）により個々の樹脂封止型半導体装置を得る、一括トランスファーモールド方式が知られている。一括トランスファーモールド方式によれば、電力用半導体装置の信頼性の向上、小型化、低コスト化を図ることができる。
例えば特許文献１には、リードフレーム構造の半導体装置を一括トランスファーモールド方式を用いて製造する方法が開示されている。特許文献１では、一括して樹脂封止された複数の半導体装置をダイシングにより個々の半導体装置を切り出す（個片化）場合に、それに先立って、ダイシングラインに沿うライン状の溝をリードフレームに設けておく技術が示されている。この技術によれば、ダイシング時の摩擦により発生する熱の低減や、リードフレームの切断面における「バリ」の発生の低減を図ることができる。
特開２００２−１１０８８５号公報
特許文献１において、リードフレームにライン状の溝を設ける目的は、切断容易化や加工精度向上など、加工面での利点を得るためのものである。特許文献１では、図１に示されるように、個片化された半導体装置の端面（切断面）のモールド樹脂から、リードフレームより切り出された端子部が露出する構成となる。通常、リードフレーム構造の半導体装置では、モールド樹脂の役割は専ら端子部間を絶縁することであるため、そのような構成となると、半導体装置の端部に露出した端子部とモールド樹脂との界面から水分が侵入し、モールド樹脂の絶縁性が低下することが懸念され、場合によっては、界面剥離が生じ、パッケージがオープンになる恐れもある。
特に、電力用半導体装置では、高電圧および高電流への耐性が求められるため、端子部が半導体装置の端面に露出する構造では、電力用半導体装置の信頼性低下する懸念がある。
本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、一括トランスファーモールド方式で製造される半導体装置の信頼性向上を図ることを目的とする。
本発明に係る半導体装置は、金属ベース板、前記金属ベース板上に配設された絶縁シート、および前記絶縁シート上に配設された配線パターンを含む基板と、前記基板上に配設された半導体素子と、前記半導体素子を封止する筐体を構成するモールド樹脂と、前記モールド樹脂を貫通し、前記配線パターンと外部との電気的な導通をとる導電部材と、前記モールド樹脂上に配設され、前記導電部材を露出させる開口を有する熱可塑性樹脂のスリーブ板と、を備え、前記モールド樹脂は、前記基板の側面にまで延在し、前記絶縁シートおよび前記配線パターンは、前記基板の側面において、前記モールド樹脂から露出せず、前記金属ベース板は、前記基板の側面において、前記モールド樹脂から露出する張出部を有しており、前記のスリーブ板は、前記金属ベース板の前記張出部に対応する位置に薄い部分を有しているものである。
本発明に係る半導体装置の製造方法は、（ａ）金属ベース板、前記金属ベース板上に配設された絶縁シート、および前記絶縁シート上に配設された配線パターンを含む基板を用意する工程と、（ｂ）前記基板上に半導体素子を実装する工程と、（ｃ）前記基板上に、前記半導体素子を覆うモールド樹脂を形成する工程と、（ｄ）前記工程（ｃ）よりも後に、前記モールド樹脂および前記基板を切断して、前記半導体素子を搭載する半導体装置を複数切り出す工程と、を備え、前記工程（ｃ）は、（ｃ−１）熱可塑性樹脂の板状部材を、前記基板における前記半導体素子の実装面に対向配置させる工程と、（ｃ−２）前記モールド樹脂を前記基板と前記板状部材との間に充填する工程と、を含み、前記基板には、前記工程（ｄ）における切断ラインに沿うように、前記配線パターンおよび前記絶縁シートを貫通して前記金属ベース板内に達する、前記切断ラインよりも幅が広い溝が予め形成されており、前記工程（ｃ）において、前記溝の内部に前記モールド樹脂が充填され、前記板状部材には、前記工程（ｄ）における切断ラインに沿うように、前記切断ラインよりも幅が広い溝が予め形成されているものである。
本発明によれば、半導体装置の端面に絶縁シートおよび配線パターンが露出しないため、水分の侵入による絶縁シートの劣化や、配線パターンのモールド樹脂との剥離が防止され、半導体装置の信頼性が向上する。また、一括トランスファーモールド方式により形成されるため、半導体装置の小型化および低コスト化にも寄与できる。
実施の形態１に係る半導体装置の断面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の上面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の内部構造を示す平面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の個片化前の状態を示す断面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を説明するための図である。 実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を説明するための図である。 実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を説明するための図である。 実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を説明するための図である。 実施の形態２に係る半導体装置の構成および製造方法を説明するための図である。 実施の形態３に係る半導体装置の構成および製造方法を説明するための図である。 実施の形態３に係る半導体装置の構成および製造方法を説明するための図である。
＜実施の形態１＞
図１〜図３は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置１００の構成を示す図である。ここではその例として、電力用半導体装置を示す。図１は、半導体装置１００の断面図であり、図２はその上面図である。また図３は、半導体装置１００の内部構造を示す図であり、後述するスリーブ板７およびモールド樹脂８を省略した、半導体装置１００の平面図である。なお、図１は、図２および図３に示すＡ１−Ａ２線に沿った断面に対応している。
本実施の形態に係る半導体装置１００は、金属ベース板１と、金属ベース板１上に配設された絶縁シート２と、絶縁シート２上に配設された配線パターン３とで構成される金属基板１０を備える。金属基板１０の配線パターン３上には、電力用の半導体素子４と、配線パターン３と外部との電気的な導通をとる導電部材である外部端子連通部５とが実装され、これら配線パターン３、半導体素子４および外部端子連通部５は、ワイヤーボンド６を介して接続されている。
金属基板１０上において、半導体素子４およびワイヤーボンド６は、モールド樹脂８によって覆われるが、外部端子連通部５は、モールド樹脂８を貫通するように配線パターン３上に立設されている。モールド樹脂８は、半導体素子４およびワイヤーボンド６を封止すると共に、金属基板１０、半導体素子４、外部端子連通部５、ワイヤーボンド６を保持する筐体として機能する。また、モールド樹脂８は、金属基板１０上の各要素間の絶縁を確保する役割も担う。
モールド樹脂８上には、金属基板１０における半導体素子４の実装面に対向配置され、外部端子連通部５を露出させる複数の開口７ａ（スリーブ）を有する熱可塑性樹脂のスリーブ板７が配設されている。図２に示すように、半導体装置１００の上面は、外部端子連通部５が露出する開口７ａの部分を除いて、その全面がスリーブ板７に覆われる。この構成は、モールド樹脂８が、金属基板１０とスリーブ板７との間に充填されることにより成される。
また図１の如く、モールド樹脂８は、金属基板１０の側面を覆うように延在する。金属基板１０の側面において、絶縁シート２および配線パターン３の外端はモールド樹脂８により覆われている。よって、絶縁シート２および配線パターン３は、金属基板１０の側面でモールド樹脂８から露出しない。金属ベース板１も側面の大部分がモールド樹脂８で覆われるが、金属ベース板１は、側面の下部（下面のエッジ部）に張出部１ａを有しており、その張出部１ａが金属基板１０の側面でモールド樹脂８から露出している。
一般的に、絶縁シート２は、熱伝導性に優れた無機フィラーと有機成分から構成される。この種の絶縁シート２は吸湿性を有するため水分による劣化が懸念されるが、本実施の形態では、絶縁シート２が、モールド樹脂８によって完全に封止され、外部に露出していないので、水分による劣化は防止される。従って、配線パターン３と金属ベース板１との間の絶縁を十分に確保できる。このことは、絶縁シート２の薄膜化を可能にするため、半導体装置１００の小型化にも寄与できる。
同様に、配線パターン３もモールド樹脂８によって完全に封止され、外部に露出しないので、配線パターン３とモールド樹脂８との界面は外部に露出しない。そのため、その界面から水分が侵入してモールド樹脂８の絶縁性が低下することを防止できる。
その他にも、絶縁シート２および配線パターン３がモールド樹脂８によって完全に封止されることによって、機械的振動による金属ベース板１と絶縁シート２との間の剥離や絶縁シート２と配線パターン３との間の剥離を防止でき、また、配線パターン３と金属ベース板１間の（モールド樹脂８による）絶縁性の低下を防止できる効果が得られる。
また、金属ベース板１の外径は、張出部１ａを含めると半導体装置１００の外径と同じ大きさであるため、半導体素子４が発した熱を効率的に拡散することができる。金属ベース板１の材質としては、銅、銅合金系の金属またはアルミニウム等が好ましい。コストおよび軽量化の両方を重視する場合はアルミニウム、熱放散性を重視する場合は銅または銅合金の金属を用いるとよい。
このように本実施の形態によれば、高い信頼性の半導体装置１００を得ることができる。また後述するように、当該半導体装置１００は、一括トランスファーモールド方式により形成されるため、半導体装置の小型化および低コスト化にも寄与できる。
なお、半導体装置１００が搭載する半導体素子４は、従来のシリコン（Ｓｉ）を材料とするものでもよいが、例えば炭化珪素（ＳｉＣ）をはじめとするワイドギャップ半導体を材料とするものがより好ましい。ワイドギャップ半導体で形成した素子は耐熱性に優れるため、半導体素子４の動作温度を上げることができる。そのため、仮に絶縁シート２が吸湿したとしても、半導体素子４が高温で動作すると、その熱によってその水分が外部に放散されるからである。ワイドギャップ半導体としては、ＳｉＣの他、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料、ダイヤモンドなどがある。
本実施の形態の半導体装置１００は、一括トランスファーモールド方式によって形成される。すなわち、個々の半導体装置１００は、複数の半導体装置１００が一体的に形成された構造体から、ダイシングによって切り出されて得られる。個片化される前の半導体装置１００は、図４の如く、金属ベース板１の張出部１ａの部分で、隣接する他の半導体装置１００と接続されている。
図４に示すように、半導体装置１００の個片化前の状態では、金属基板１０に、各半導体装置１００間のダイシングラインＤＬ（切断ライン）に対応するライン状の溝１１（凹部）が形成されている。溝１１は、配線パターン３および半導体素子４を貫通して金属ベース板１内に入り込んでおり、その内部にはモールド樹脂８が充填されている。２つの半導体装置１００が、金属基板１０の溝１１の中央部で切断されることにより、各半導体装置１００の側面（切断面）にモールド樹脂８が残存し、且つ、当該金属ベース板１の側面にモールド樹脂８から露出する張出部１ａが形成されることになる。
以下、本実施の形態に係る半導体装置１００の製造方法を説明する。
まず、金属ベース板１、絶縁シート２および配線パターン３から成る、複数の半導体装置１００を形成するための金属基板１０（複数の半導体装置１００のための金属基板１０が一体的に形成されたもの）を用意する。そして金属基板１０に対し、半導体装置１００を個片化する際のダイシングラインＤＬに沿うように、ライン状の溝１１を形成する。溝１１は、配線パターン３および絶縁シート２を貫通し、金属ベース板１内に達するように形成する。
溝１１はルータ等で形成可能である。溝１１の深さは、金属ベース板１の厚み、材質、大きさにもよるが、出来るだけ金属ベース板１に深く入り込むことが望ましい。但し、溝１１が深すぎると、ハンドリング時に金属ベース板１が折れたり、曲がったりする恐れが生じるため、製造装置の搬送系の仕様に合わせて適切に調整するとよい。
ここで、金属基板１０の切断後も金属ベース板１の側面にモールド樹脂８を残存させるために、溝１１の幅は、ダイシングラインＤＬの幅よりも広くする必要がある。溝１１の幅は、それを形成するルータ等の刃の幅に相当し、ダイシングラインＤＬの幅はダイシングに用いるルータ等の刃の幅に相当する。つまり本実施の形態では、溝１１の加工に用いるルータ等の刃は、ダイシングに用いるルータ等の刃よりも幅広のものを用いるとよい。
その後、はんだ等の導電性接合材を用いて、金属基板１０上に半導体素子４および外部端子連通部５を実装し、さらに、ワイヤーボンド６を用いて配線パターン３、半導体素子４および外部端子連通部５を接続させるための配線を行う。この配線工程後の状態における半導体装置１００の平面図を図５に示す。溝１１がダイシングラインＤＬに沿ってライン上に形成されていることが分かる。
ワイヤーボンド６による配線を行った後、金属基板１０における半導体素子４の実装面に対向させて、熱可塑性樹脂のスリーブ板７（板状部材）を取り付ける。図６はスリーブ板７の平面図である。また、図７は、スリーブ板７を金属基板１０に対向配置させたとき（個片化前）の半導体装置１００の上面図であり、図８はその断面図である。スリーブ板７を金属基板１０上に取り付けると、図８のようにスリーブ板７の開口７ａに外部端子連通部５が嵌入され、図７の如く、開口７ａから外部端子連通部５が半導体装置１００の上面に露出することになる。
続いて、金属基板１０とスリーブ板７との間に、モールド樹脂８を充填する。これにより半導体素子４、ワイヤーボンド６がモールド樹脂８によって封止される。このとき、モールド樹脂８は金属基板１０の溝１１内にも充填される。この溝１１内に充填されたモールド樹脂８が、個片化後の半導体装置１００において金属基板１０の側面を覆うことになる。
最後に、スリーブ板７、モールド樹脂８および金属基板１０を、ダイシングラインＤＬに沿って切断し、半導体装置１００を個片化（ダイシング）する。それにより図１に示した半導体装置１００が、複数個得られる。
このダイシング工程も、ルータ等を用いて行うことができる。ルータ等の刃が溝１１内の部分（つまり金属ベース板１の薄い部分）を切断するため、ルータ等が切断する金属の厚さは薄くなり、切断が容易になる。さらに、熱可塑性樹脂のスリーブ板７の切断は、モールド樹脂８の切断よりもルータ等の刃の摩耗が少なく、容易に切断可能である。よって半導体装置１００の上部にスリーブ板７が配設されることにより、ルータ等が切断するモールド樹脂８の厚さを薄くでき、さらに切断を容易に行うことができる上、ルータ等の歯の磨耗も少なくて済む。
先に述べたように、このダイシング工程で用いるルータ等の刃の幅は、金属基板１０の溝１１の幅よりも狭いものを用いる。そうしなければ、ダイシングの際に溝１１内のモールド樹脂８が全て除去され、個片化後の半導体装置１００において、金属基板１０の側面がモールド樹脂８で覆われなくなり、絶縁シート２や配線パターン３の端部が露出する可能性があるからである。その場合、本発明の効果が低減され、半導体装置１００の信頼性が低下する。また、ダイシングラインの幅が広くなることによって、半導体装置１００の取れ数が低下すると、製造コストの上昇も招く。
よって、本実施の形態では、ダイシングに用いるルータ等の刃の幅は、金属基板１０の溝１１より狭くする。但し、刃を極端に薄くすると、刃の寿命低下や、ダイシングラインの蛇行などの問題が発生する可能性もあるため、これらを考慮して刃の幅や材質を最適化することが望ましい。
なお、図５等においては、横に２つ、縦に３つの合計６つの半導体装置１００が一括して形成される形態を示したが、それらの個数は任意でよい。
＜実施の形態２＞
実施の形態１では、金属基板１０に形成する溝１１を角溝形状（断面がコの字型（角ばったＵ字型）としたが、溝１１の断面形状はそれを形成するルータ等の刃の形状によって決まり、例えば、Ｖ溝形状（断面がＶ字型）、Ｕ溝形状（断面がＵ字型）などでもよい。図９は、個片化前の金属基板１０にＶ溝形状の溝１１が形成された例を示している。
但し、半導体装置１００のダイシング時の寸法精度等を加味すると、Ｖ溝形状よりも、角溝形状さらにはＵ溝形状の方が、切断工程での高い位置合わせ精度が要求されないため、容易にダイシングを行うことができる。
＜実施の形態３＞
図１０および図１１は、実施の形態３に係る半導体装置の構成および製造方法を説明するための図である。図１０は、実施の形態３に係る半導体装置１００の個片化前の状態を示す断面図であり、図１１はその上面図である。
本実施の形態では、半導体装置１００の上面部に配設されるスリーブ板７においても、ダイシングラインＤＬに沿うようにライン状の溝１２を形成しておく。スリーブ板７に設ける溝１２の幅は、半導体装置１００の個片化のためのダイシングに用いる刃の幅よりも広くする。
これにより、半導体装置１００のダイシングにおいて、ルータ等が切断する部分の厚さを薄くなり、切断面積を小さくできる。従って、ダイシング時の切断速度をさらに向上すると共に、切断刃の摩耗も少なくなるため、製造コストの削減に寄与できる。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
１ 金属ベース板、１ａ 張出部、２ 絶縁シート、３ 配線パターン、４ 半導体素子、５ 外部端子連通部、６ ワイヤーボンド、７ スリーブ板、７ａ 開口、８ モールド樹脂、１０ 金属基板、１１ 金属基板の溝、１２ スリーブ板の溝、１００ 半導体装置、ＤＬ ダイシングライン。

Claims (7)

  1. 金属ベース板、前記金属ベース板上に配設された絶縁シート、および前記絶縁シート上に配設された配線パターンを含む基板と、
    前記基板上に配設された半導体素子と、
    前記半導体素子を封止する筐体を構成するモールド樹脂と、
    前記モールド樹脂を貫通し、前記配線パターンと外部との電気的な導通をとる導電部材と、
    前記モールド樹脂上に配設され、前記導電部材を露出させる開口を有する熱可塑性樹脂のスリーブ板と、を備え、
    前記モールド樹脂は、前記基板の側面にまで延在し、
    前記絶縁シートおよび前記配線パターンは、前記基板の側面において、前記モールド樹脂から露出せず、
    前記金属ベース板は、前記基板の側面において、前記モールド樹脂から露出する張出部を有しており、
    前記のスリーブ板は、前記金属ベース板の前記張出部に対応する位置に薄い部分を有している
    ことを特徴とする半導体装置。
  2. 金属ベース板が銅またはアルミニウムを含む材料により構成されている
    請求項１記載の半導体装置。
  3. 前記半導体素子は、ワイドギャップ半導体を材料とするものである
    請求項１または請求項２記載の半導体装置。
  4. （ａ）金属ベース板、前記金属ベース板上に配設された絶縁シート、および前記絶縁シート上に配設された配線パターンを含む基板を用意する工程と、
    （ｂ）前記基板上に半導体素子を実装する工程と、
    （ｃ）前記基板上に、前記半導体素子を覆うモールド樹脂を形成する工程と、
    （ｄ）前記工程（ｃ）よりも後に、前記モールド樹脂および前記基板を切断して、前記半導体素子を搭載する半導体装置を複数切り出す工程と、を備え、
    前記工程（ｃ）は、
    （ｃ−１）熱可塑性樹脂の板状部材を、前記基板における前記半導体素子の実装面に対向配置させる工程と、
    （ｃ−２）前記モールド樹脂を前記基板と前記板状部材との間に充填する工程と、を含み、
    前記基板には、前記工程（ｄ）における切断ラインに沿うように、前記配線パターンおよび前記絶縁シートを貫通して前記金属ベース板内に達する、前記切断ラインよりも幅が広い溝が予め形成されており、
    前記工程（ｃ）において、前記溝の内部に前記モールド樹脂が充填され、
    前記板状部材には、前記工程（ｄ）における切断ラインに沿うように、前記切断ラインよりも幅が広い溝が予め形成されている
    ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  5. 前記工程（ｄ）において前記モールド樹脂および前記基板の切断に用いる刃の幅が、前記溝の幅よりも狭い
    請求項４記載の半導体装置の製造方法。
  6. 前記溝の断面形状は、コの字型、Ｖ字型、Ｕ字型のいずれかである
    請求項４または請求項５記載の半導体装置の製造方法。
  7. 前記工程（ｄ）において前記モールド樹脂および前記基板の切断に用いる刃の幅が、前記板状部材の前記溝の幅よりも狭い
    請求項４から請求項６のいずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
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