JP2017069351A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】樹脂密着性とワイヤボンディング性を向上させた高信頼性の半導体装置を提供する。【解決手段】第１の放熱板２１と第２の放熱板２２と、第１のリード端子２３と第２のリード端子２４と第３のリード端子２５と第４のリード端子２６と、第１の放熱板の主面に搭載された第１の半導体チップ３１と、第２の放熱板の主面に搭載された第２の半導体チップ３２と、それらを被覆するモールド材５を備え、第１のリード端子及び第２のリード端子と、第３のリード端子及び第４のリード端子とが、モールド材における１対の側面からそれぞれ反対方向に導出された構成である。第１のリード端子及び第２のリード端子と、第３のリード端子及び第４のリード端子のモールド材内部において、各リード端子の厚さ方向に向かって貫通する貫通孔２７，２８とモールド内部にＬ字形状の凸部２９を備え、凸部の無いリード端子と第２の放熱板は、長方形の貫通孔２８を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置に関し、特にパワー半導体チップとコントロール半導体チップがリードフレーム上に搭載され、モールド材で樹脂封止された半導体装置に関する。

大電流のスイッチングや整流を行うパワー半導体チップ（整流用ダイオード、パワーＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ等）は、動作中での発熱量が大きい。このため、パワー半導体チップを樹脂封止材中に内蔵した半導体装置では、高い放熱効率が要求されている。

例えば、特許文献１には、パワー半導体モジュールにおいて、放熱板とリード端子とから構成されるリードフレームが使用され、この放熱板の上にパワー半導体チップが搭載される。また、樹脂から成るモールド材で樹脂封止され、パッケージ化した構造が開示されている。

リードフレームは、熱伝導率の高い銅等で形成されている。また、リードフレームの一部を構成するリード端子がモールド材から突出した形態とされる。パワー半導体チップの電極は、電気信号の入出力端子を構成する各リードにボンディングワイヤ等を用いて接続される。パワー半導体チップは、外部から各リードに印加された電圧によって動作する。この構成のパワー半導体モジュールは、プリント基板中に形成されたスルーホールに各リードが挿入されてはんだ付けされることによって使用される。

特許４９８５８０９号公報

一般的に、モールド材を構成するモールド材の熱伝導率は、リードフレームと比較すると高くはない。このため、放熱効率を高めるためには、パワー半導体チップからの発熱を、リードフレームを介して外部に放出することが重要となる。

しかしながら、従来技術は、放熱板の延伸部からも放熱する観点はよいが、大電流のスイッチングや整流を行うパワー半導体チップの動作中での発熱量が大きいため、熱応力でリードフレームとモールド材（封止樹脂）が剥離し、ワイヤボンディングが剥がれるという課題がある。

従って、本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、樹脂密着性とワイヤボンディング性を向上させた高信頼性の半導体装置を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するために、本発明は、以下に掲げる構成とした。
本発明の半導体装置は、第１の放熱板と第２の放熱板と、第１のリード端子と第２のリード端子と第３のリード端子と第４のリード端子と、第１の放熱板の主面に搭載された第１の半導体チップと、第２の放熱板の主面に搭載された第２の半導体チップと、それらを被覆するモールド材を備え、第１のリード端子及び第２のリード端子と、第３のリード端子及び第４のリード端子とが、それぞれモールド材における１対の側面からそれぞれ反対方向に導出された構成であって、第１のリード端子及び第２のリード端子と、第３のリード端子及び第４のリード端子のモールド材内部において、各リード端子の厚さ方向に向かって貫通する貫通孔とモールド内部にＬ字形状の凸部を備え、凸部の無いリード端子と第２の放熱板は、長方形の貫通孔が備えられていることを特徴とする。

本発明は、以上のように構成されているので、樹脂密着性とワイヤボンディング性が向上した高信頼性の半導体装置を提供することができる。

本発明の実施例１に係る半導体装置の内観構造を示す平面図である。 本発明の実施例１に係る半導体装置の外観構造を示す平面図及び側面図である。 本発明の実施例１に係る半導体装置のリードフレーム構造を示す平面図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図を参照して詳細に説明する。ただし、本発明は以下の記載に何ら限定されるものではない。

本発明の実施例１に係る半導体装置１を説明する。図１は、半導体装置１の内観構造を示す平面図である。図２は、半導体装置１の外観構造を示す平面図及び側面図である。図３は、半導体装置１のリードフレーム構造を示す平面図である。

図１に示すように、半導体装置１は、リードフレーム２と半導体チップ３１、３２とワイヤ４とモールド材５で構成されている。

ここでは、パワー半導体チップと制御用ＩＣチップが、リードフレーム のそれぞれ独立した放熱板上に搭載され、複数のリード端子と組み合わせた形態となった組立体である。これがモールド材で樹脂封止された形態の半導体装置となる。

図２に示すように、半導体装置１は、モールド材５から導出されたリード端子にリードフォーミングが施され、各リード端子はその先端部がプリント基板上のスルーホールに挿入され、プリント基板にはんだ付けによって固定されるＤＩＰ型パッケージである。

図３に示すように、リードフレーム２は、放熱板とリード端子からなっている。放熱板は、第１の放熱板２１と、第１の放熱板２１と互いに離間して配置された第２の放熱板２２からなっている。

リード端子は、第１の放熱板２１における第１の側面(一方の側面：図１中では右側面）に沿って第１のリード端子２３と第２の放熱板２２に近い側に第２のリード端子２４が互いに並行して配置されている。また、第１の放熱板２１における第１の側面の反対側に位置する第２の側面（他方の側面：図１中では左側面）の側に、第３のリード端子２５と第２の放熱板２２に近い側に第４のリード端子２６が互いに並行して配置される。

ここで用いられるリード端子は、その機能上区分される。第１の放熱板２１は、第１のリード端子２３の配列方向において、前記第１のリード端子２３の端部と連結され、第１のリード端子２３の第１の放熱板２１側において、第１のリード端子２３の厚さ方向に向かって貫通する貫通孔２７を備えている。また、第２のリード端子２４、第３のリード端子２５、第４のリード端子２６も同様に貫通孔２７を備え、放熱板と連結されていないそれぞれのリード端子は、モールド内部にＬ字形状の凸部２９を備えている。

第１の放熱板２１の主面には第１の半導体チップ３１が搭載され、第２の放熱板２２の主面には第２の半導体チップ３２が搭載される。

例えば、第１の半導体チップ３１はパワー半導体チップであり、第２の半導体チップ３２の制御用ＩＣチップである。ここでは、小型のチップを搭載しており、第１の放熱板２１と第２の放熱板２２はほぼ同じ大きさにしている。

第１の放熱板２１及び第２の放熱板２２は、所望の機械的強度と放熱効果が得られる厚さの銅又は銅合金、鉄または鉄合金、アルミニウムまたはアルミニウム合金等で構成される。また、第１の放熱板２１及び第２の放熱板２２を、各リード端子２３〜２６よりも厚くすることも可能である。具体的には第１の放熱板３１及び第２の放熱板３２は０．２５ｍｍから１．０ｍｍ、リード端子２３〜２６は０．２５ｍｍから０．７５ｍｍで構成されることが好ましい。銅又は銅合金、鉄または鉄合金、アルミニウムまたはアルミニウム合金等は、モールド材を構成するエポキシ樹脂等と比べて充分に高い熱伝導率をもつため、パワー半導体チップ３１が動作時に発する熱は、放熱板を介し、さらに連結されたリード端子から放熱させることができる。

ここで、第１の半導体チップ３１は、パワー半導体チップであり、整流用ダイオード、パワーＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等、高電圧が印加され、大電流が流されてスイッチング動作をおこなう半導体素子である。第１の半導体チップ３１の一方の主面は導電性接着材（図示せず）を介して第１の放熱板２１に電気的機械的に接続されている。例えば、ドレイン電極であり、第１のリード端子２３に電気的に接続されている。 他方の主面には、複数のボンディングパッド（図示せず）が設けられている。

第２の半導体チップ３２は、パワー半導体チップの制御を行う制御用ＩＣチップである。他方の主面には、第１の半導体チップ３１と同様に複数のボンディングパッド（図示せず）が設けられている。

第１の半導体チップ３１、第２の半導体チップ３２への電気的接続は、これらの上面に形成されたボンディングパッドと各リード端子にボンディングワイヤ４を接続することによって行われる。接続箇所は機能によって選択することができる。

ここで、もうひとつの貫通孔２８は、凸部２９の無い形状の第４のリード端子２６において、長孔形状をしている。ここでは楕円形状としている。また、第２の放熱板２２の貫通孔２８では長方形形状としている。

ワイヤボンディングは貫通孔２７、２８の近傍へボンディングワイヤ４を用いて電気的に接続されている。

製造方法としては、リードフレーム上に半導体チップを搭載し、必要箇所をワイヤボンディングで配線し、樹脂成形後、個片に切断するものである。これは通常、半導体装置において知られる製造方法で可能である。

効果としては、第１のリード端子２３の第１の放熱板２１側において、第１のリード端子２３の厚さ方向に向かって貫通する貫通孔２７と凸部２９を備えている。これにより、第１の半導体チップ３１（パワー半導体チップ）から発する熱の温度上昇で、リードフレーム２（放熱板２１、リード端子２３）とモールド材５とが膨張差を生じても、樹脂剥離の発生を防止することができる。

このため、パワー半導体チップ３１からの過渡的な放熱等を第１の放熱板２１によって良好に吸収しても、モールド材５との膨張差による剥離を生じることがなく、発熱を外部に良好に放出することができる。また、第１の放熱板２１に連結された第１のリード端子２３は、モールド材の外部に延伸しており、パワー半導体チップ３１からの発熱を外部に導出する機能を有する。

また、樹脂密着性の強固な部位である貫通孔２７、２８、２９の近傍にワイヤボンディングを接続しているので、ワイヤボンディング剥離の発生を防止することができる。よって、ワイヤボンディング性を向上させた高信頼性の半導体装置とすることができる。

上述のように、本発明を実施するための形態を記載したが、この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例が可能であることが明らかになるはずである。

図２の構成では、リード端子の構成を左右対称とし、右側面において４本のリード端子を設けたが、半導体装置の機能により、左右で異なる本数のリード端子を設けた非対称の構成とすることもできる。ここでは、第２のリード端子２４でワイヤボンディングしていない端子は空き端子とすることができる。

また、各放熱板にパワー半導体チップ、制御用ＩＣチップをそれぞれ搭載するとしたが、これら以外のチップも同時に各放熱板に搭載することができる。この場合には、動作時の発熱量の大きなチップを搭載する放熱板は、面積や体積をより大きくすると発熱対策に有効である。

また、放熱板の厚さは、リード端子の厚さより厚くてもよい。これにより放熱性を向上させることができる。また、厚くした部位をモールド材の裏面に放熱板が露出した形態とすることもできる。この場合、裏面の放熱板自身もプリント基板にはんだ付けされて使用されることもある。

また、貫通孔の長方形形状は四角に限らず、コーナーを設けた楕円形状であってもよい。放熱板とリード端子をモールド材が貫通するような形状であれば、同様の効果を奏する。

また、制御用ＩＣチップ中には、その温度を測定する温度センサを形成してもよい。温度センサは、パワー半導体チップの温度を電気的に感知し、制御回路に出力し、異常時はパワー半導体チップの動作を制御するように機能する。これにより、半導体装置１の過熱による誤動作を防止できる。

１、半導体装置
２、リードフレーム
２１、第１の放熱板
２２、第２の放熱板
２３、第１のリード端子
２４、第２のリード端子
２５、第３のリード端子
２６、第４のリード端子
２７、２８、貫通孔
２９、凸部
３１、第１の半導体チップ
３２、第２の半導体チップ
４、ボンディングワイヤ
５、モールド材

Claims (3)

1. 第１の放熱板と、前記第１の放熱板と離間して配置された第２の放熱板と、前記第１の放熱板における第１の側面の側に配置された第１のリード端子と、前記第２の放熱板における第１の側面の側に配置された第２のリード端子と、前記第１の放熱板における前記第１の側面の反対側に位置する第２の側面の側に配置された第３のリード端子と、前記第２の側面の側において前記第３のリード端子よりも前記第２の放熱板に近い側に配置された第４のリード端子と、前記第１の放熱板の主面に搭載された第１の半導体チップと、前記第２の放熱板の主面に搭載された第２の半導体チップと、前記第１の放熱板、前記第２の放熱板、前記第１のリード端子の一部、前記第２のリード端子の一部、前記第３のリード端子の一部、前記第４のリード端子の一部、前記第１の半導体チップ、及び前記第２の半導体チップを被覆するモールド材を備え、前記第１のリード端子及び前記第２のリード端子と、前記第３のリード端子及び前記第４のリード端子とが、それぞれ前記モールド材における１対の側面からそれぞれ反対方向に導出された半導体装置であって、前記第１のリード端子及び前記第２のリード端子と、前記第３のリード端子及び前記第４のリード端子のモールド材内部において、前記各リード端子の厚さ方向に向かって貫通する貫通孔と、モールド内部にＬ字形状の凸部を備え、前記凸部の無いリード端子と前記第２の放熱板には、長方形の貫通孔が備えられていることを特徴とする半導体装置。
   
2. 前記第１の半導体チップと前記第２の半導体チップは、これらの上面に形成されたボンディングパッドと各リード端子と放熱板にボンディングワイヤにより電気的に接続し、前記貫通孔の近傍にボンディングしていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
   
3. 前記第１の放熱板は、前記第１のリード端子、前記第２のリード端子、前記第３のリード端子、及び前記第４のリード端子より厚く形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。

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