JP6012531B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置に関し、特に基板にチップ部品を搭載する半導体装置に関する。

チップ部品を実装した基板を含む半導体装置、例えば電力用半導体装置は、基板全体も一体に成型して封止することで信頼性を高める構造をとる。ここでチップ部品とは、受動素子である例えば抵抗、コンデンサ、インダクタ等の素子で、その大きさが例えば３．２ｍｍ×１．６ｍｍ、１．０ｍｍ×０．５ｍｍ、０．４ｍｍ×０．２ｍｍ、等の部品である。また、半導体装置の封止方法としては、ポッティング、トランスファーモールド、アンダーフィルなどが存在するが、一般的にはトランスファーモールドを用いることが多い。

モールド成型するにあたり、例えば電力用半導体装置のように内部に発熱量が大きい部品を多数用いる場合には、放熱性の向上を図る観点から熱伝導率の高いモールド樹脂が用いられる。一方、高熱伝導性の樹脂は、樹脂中のフィラー成分の配合率が高いことから、モールド樹脂の粘度が高くなる。その結果、チップ部品と基板との間の隙間まで樹脂を流し込むことが困難となる。したがってこの隙間には、熱伝導性が低い気体のボイドが形成され、これは放熱性低下及び信頼性劣化などの問題を誘発する。

そこで特許文献１では、絶縁基板におけるチップ部品下に貫通穴を設けることで、モールド樹脂注入時には、この貫通穴を経由してチップ部品下にモールド樹脂を流し込むことが提案されている。

特開２００６−４１０００号公報（図１）

しかしながら、上記特許文献１の発明では以下の問題が発生する。即ち、熱伝導率を高めた樹脂、つまりフィラー量の多いモールド樹脂を用いた場合、このようなモールド樹脂は、高粘度、高チクソ性の性質を有するため、樹脂注入方向に垂直方向に延在する貫通穴には樹脂が侵入しにくい。よって、貫通穴にモールド樹脂が流れてチップ部品下にまで充填される時期は、樹脂注入後半の静水圧が作用するタイミングとなる。そのためチップ部品下には、やはりボイドがトラップされてしまう。このため、チップ部品下の放熱性低下が発生し、また、静水圧加圧時にボイド周辺に応力が集中することでチップ部品が割れるなどの問題があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、電子部品下で絶縁基板との間にボイドの発生を抑制することができる半導体装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の一態様における半導体装置は、封止体及び端子を有する電子部品と、上記電子部品の上記端子を接合して当該電子部品を実装する絶縁基板で、実装された電子部品に対応した位置に当該絶縁基板を貫通する貫通穴を形成した絶縁基板と、フィラーを含有し、上記電子部品を実装した絶縁基板を封止する封止樹脂とを備えた半導体装置であって、上記絶縁基板は、凹形状の変位発生部をさらに有し、この変位発生部は、上記電子部品を実装する上記絶縁基板の実装面で上記貫通穴の周縁部に形成されることを特徴とする。

本発明の一態様における半導体装置によれば、絶縁基板に変位発生部を備えたことで、封止工程において封止樹脂のフィラーが絶縁基板の実装面と電子部品の封止体との隙間に挟まるような場合でも、貫通穴周縁部は変位可能となり、例えば電子部品の下方へ撓むことができる。したがって電子部品下にも封止樹脂が進入し易くなり、ボイド形成の防止を図ることができる。その結果、製造された半導体装置の長寿命化、及び歩留まりの向上を図ることも可能となる。

本発明の実施の形態における半導体装置を示す図であり、図２に示すＡ−Ｂ部における断面図である。 図１に示す半導体装置の平面図である。 図１に示す半導体装置の樹脂封止工程の概略を示す図であり、（ａ）から（ｆ）は封止動作の一例を工程順に示した図である。 高熱伝導性の樹脂で封止を行う一般的な場合を模式的に示した図である。 図１に示す半導体装置における樹脂封止動作状態を示す図である。 図５に示すＣ部の拡大図である。 図１に示す半導体装置の変形例における樹脂封止動作状態を示す図である。 図７に示すＤ部の拡大図である。 図１に示す半導体装置に備わる変位発生部の形成方法を説明するための図である。

本発明の実施の形態における半導体装置について、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。また、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け当業者の理解を容易にするため、既によく知られた事項の詳細説明及び実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。また、以下の説明及び添付図面の内容は、特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。

実施の形態１．
実施の形態１における半導体装置について図を用いて説明する。尚、以下の説明では、半導体装置として、発熱量の大きい電力用半導体素子を備えた電力用半導体装置を例に採るが、これに限定するものではない。
まず、このような電力用半導体装置及びその主な部材の基本的構成について、図２を用いて説明する。また図１は、図２に示す絶縁基板のＡ−Ｂ部における断面図である。

図２に示すように、電力用半導体装置１は、絶縁基板２とフレーム５０との二つの基板で構成されている。フレーム５０には、電力用半導体素子としてのＩＧＢＴ５１、Ｄｉ（ダイオード）５２が搭載されており、Ａｌワイヤ５３で配線接続されている。一方、絶縁基板２には、配線パターン６（図１）上に、はんだ５を用いてチップ部品３を実装している。チップ部品３は既に説明した、受動素子の、例えば抵抗、コンデンサ等の部品であり、ここでは封止体３Ａと端子３Ｂとを有する。また、絶縁基板２とフレーム５０とはＡｌワイヤ５３で電気的に接続している。そしてフレーム５０上、及び絶縁基板２上の部品のすべてを封止樹脂８にて封止して電力用半導体装置１が形成されている。
尚、ここでは絶縁基板２にはチップ部品３を実装したが、実装される部品はチップ部品に限定するものではなく、一般的な電子部品であってもよい。
また、図１に示すように、チップ部品３に対応した位置で絶縁基板２には、絶縁基板２を貫通する貫通穴７を設けている。貫通穴７の面積は、絶縁基板２と対向するチップ部品３の下面表面積よりも小さいことが望ましい。

さらに電力用半導体装置１では、特徴的構成部分の一つとして、絶縁基板２は、チップ部品３を実装する実装面２ｃで貫通穴７の周縁部に変位発生部２０（図１）を有する。この変位発生部２０は、チップ部品３の封止体３Ａの厚みよりも大きい深さを有する凹形状で形成される。また本実施の形態では、変位発生部２０は、チップ部品３の封止体３Ａの４つの側面３Ｃつまり封止体３Ａの外周４辺よりも外側に位置する。図６等を参照して、変位発生部２０についてさらに詳しく説明する。

絶縁基板２の延在方向２ｂにおいて、凹状断面の変位発生部２０は、外側端２１と内側端２２とを有する。外側端２１は、貫通穴７の外側でチップ部品３の封止体側面３Ｃよりも外側で、配線パターン６よりも内側に位置する。内側端２２は、図６に示すように外側端２１と貫通穴７との間に位置するか、又は図７及び図８に示すように貫通穴７の内周面７ａに一致する。このように、絶縁基板２の延在方向２ｂにおいて変位発生部２０の幅の大きさは任意であるが、変位発生部２０の深さＤは、上述のようにチップ部品３の封止体３Ａの厚みｔよりも大きいことが望ましい。
また、変位発生部２０を真上から見たとき、外側端２１及び内側端２２は、貫通穴７と同心円状に配置されてもよいし、また、チップ部品３と相似形状に配置されてもよい。

以上説明した構成を備えた電力用半導体装置１を例に採り、図３から図６を参照して該半導体装置の製造方法について、特に樹脂封止動作について説明する。

まず、チップ部品３をはんだ付けした絶縁基板２を用意して、既にＩＧＢＴ５１、Ｄｉ５２を搭載したフレーム５０に絶縁基板２を接着剤などで貼り付け固定する。その後、絶縁基板２とフレーム５０とをＡｌワイヤ５３で電気的に接続する。その後、モールド工程つまり樹脂封止工程に移行する。

本実施形態では、樹脂封止はトランスファーモールド技術を用いる。ここでトランスファーモールド工程について簡単に説明する。トランスファーモールドは、熱硬化性のモールド樹脂（封止樹脂）を熱によって溶融させた状態のまま、注入圧をかけて押し出してモールド金型に注入する封止方法である。注入後、まだ溶融しているモールド樹脂に静水圧としての圧力をかけ続けることで樹脂密度を高める。そのまま数分間置いて熱硬化させた後、モールド金型から成型体を取り出して完成する。

さらに樹脂封止工程について説明する。
樹脂封止工程にあたり、部品実装後の絶縁基板２は、図３の（ａ）に示すようにモールド金型（封止用金型）１０内に配置される。また図３の（ａ）から（ｆ）では、封止工程内の各動作を経時的に示している。ここで「１１」は可動ピンを示す。可動ピン１１は、モールド金型１０に備わり、駆動装置１０Ａによって絶縁基板２の板厚方向２ａに昇降可能な棒状の例えば金属製の部材である。尚、図示では、可動ピン１１の先端を円錐台形状で示すが、可動ピン１１の先端部形状はこの形状に限定するものではない。また、図３の（ｂ）から（ｆ）において駆動装置１０Ａの図示は省略する。

また絶縁基板２をモールド金型１０に配置する際には、図３の（ａ）に示すように可動ピン１１は、予めモールド金型１０の下型から上昇させておき、絶縁基板２の貫通穴７に挿入する。これにより、可動ピン１１の先端は、チップ部品３の下面３ａに接する。

モールド樹脂注入では、図３の（ａ）に示すように、モールド樹脂８を絶縁基板２の横（面方向）から絶縁基板２の延在方向２ｂに沿ってモールド金型１０内へ注入する。このようにモールド樹脂８の注入方向は絶縁基板２の延在方向２ｂと一致する。よって以下では「注入方向２ｂ」と記す場合もある。また、本実施の形態ではＩＧＢＴ５１等の発熱性素子を備えるため、放熱性を考慮する観点からモールド樹脂８は、高熱伝導性の樹脂材であり、既に説明したように、樹脂中のフィラー成分の配合率が高く粘性が高い樹脂材である。
よって、この高い粘度に起因して、モールド樹脂注入では、チップ部品３の部品直下にはモールド樹脂８が注入されにくく、図３の（ｂ）のようにチップ部品３と絶縁基板２との間にボイド３０がトラップされることが懸念される。

一方、可動ピン１１とモールド金型１０との間には、可動ピン１１が摺動可能なように微小な隙間１０Ｂが存在し、この隙間１０Ｂがエアベントの役割を果たす。したがって、可動ピン１１付近のボイド３０は、可動ピン１１とモールド金型１０との間の隙間１０Ｂを通り金型１０の外部へ抜けることが可能である（図３の（ｃ））。

その後、図３の（ｄ）、（ｅ）に示すように、モールド樹脂８に静水圧を作用させた状態にて、可動ピン１１を貫通穴７さらにモールド樹脂８から引き抜くことで、モールド樹脂８内で可動ピン１１が存在した部分にもモールド樹脂８を充填して行き、ボイド３０を消滅させる。このとき可動ピン１１の移動は、連続的に行っても良いし、途中で一旦移動を停止させてもよい。
最後に可動ピン１１をモールド金型１０の規定位置（通常の初期位置）に戻し、モールド樹脂８を硬化させて、可動ピン１１を引き抜く（図３の（ｆ））。

本実施形態におけるモールド工程では、フィラーを含むモールド樹脂８の溶融時の粘度は、一例として５〜１００Ｐａ・ｓである。また、モールド樹脂８及びモールド金型１０における温度、つまりモールド温度は、例えば１６０〜２００℃程度に設定することができる。また、モールド樹脂８の樹脂成分は、エポキシ系樹脂を主剤とし、フィラー８１としてＳｉＯ_２等が挙げられ、高熱伝導率とするにはその含有量を例えば４０ｖｏｌ％以上とすることができる。

次に、上述した樹脂封止工程における変位発生部２０の作用について、図４から図６を参照して説明する。
まず一般的な樹脂封止工程では、モールド樹脂８の流動後、モールド樹脂８に静水圧を作用するタイミングにおいて、図４に示すようにモールド樹脂８に含まれるフィラー８１がチップ部品３下へ流動しようとする。ここでモールド樹脂８が高熱伝導率を有するタイプであって、フィラー８１の粒径がチップ部品３と絶縁基板２の実装面２ｃとの隙間３１の大きさ、つまり板厚方向２ａにおける隙間３１の高さ、と同等又はこれを超える大きさを有するフィラーを含有する場合には、隙間３１の入口部分へのフィラー８１の詰まりが発生する。このような詰まりが発生すると、チップ部品３下にはモールド樹脂８の未充填部分３２が形成され、モールド樹脂８の静水圧によりチップ部品３が変形して損傷する場合も発生する。

これに対し、本実施の形態の電力用半導体装置１では、隙間３１の入口部分に対応して、上述したように絶縁基板２には変位発生部２０を形成している。したがって、図５及び図６に示すように、隙間３１の入口部分でフィラー８１の詰まりが生じた場合でも、変位発生部２０の外側端２１から貫通穴７側に位置しチップ部品３下方に位置する、絶縁基板２における変位可能部分２ｅは、変位発生部２０に起因して、チップ部品３とは反対側へ撓むことが可能である。これによってフィラー８１は、隙間３１が広くなり入口部分を通過することができ、モールド樹脂８は、チップ部品３下に流動可能である。その結果、フィラー８１の流動性が向上し、チップ部品３下におけるモールド樹脂８の充填密度をより高めることができ、未充填部分３２の形成も防止することができる。よって、静水圧印加時においてもチップ部品３は変形せず、割れ等の損傷も発生しないことから、半導体装置の信頼性を確保することができ、また、半導体装置の長寿命化及び歩留まりの向上を図ることも可能となる。

また、変位発生部２０を設けることで、より大きな粒径のフィラー８１を用いることができるため、より高い熱伝導率を有するモールド樹脂８を用いることができ、半導体装置における放熱性をさらに向上させ、チップ部品の寿命をさらに延ばすことも可能となる。

また、変位発生部２０は、図７及び図８に示され上述したように、その内側端２２を貫通穴７の内周面７ａに一致させてもよい（説明上、変位発生部２０−２と記す）。このような構成を採った場合でも、少なくとも上述と同様の効果を得ることができる。
このような変位発生部２０−２では、チップ部品３下方の、絶縁基板２における変位可能部分２ｅは、変位発生部２０の場合に比べて板厚の薄い領域が大きいことから、変位がさらに容易となる。したがって、チップ部品３下でのフィラー８１の流動自由度がさらに増し、上下方向つまり絶縁基板２の板厚方向２ａにも増すため、変位発生部２０を有する構成よりもモールド樹脂８の充填密度を高めることができる。

上述したような、絶縁基板２の変位発生部２０、２０−２を形成するために、絶縁基板２は、図９に示すように、例えば２層以上の基板、つまり第１層基板２−１、及び第２層基板２−２を有することが望ましい。このような２層基板で構成することで、例えば図１に示すような変位発生部２０では、第１層基板２−１に変位発生部２０を形成して、第２層基板２−２では変位発生部２０を有しない単なる平坦な基板とし、これらを重ねることで、変位発生部２０を有する絶縁基板２を容易に作製することができる。

尚、本実施の形態では、封止方法をトランスファー方式で説明したが、これに限定するものではなく例えばコンプレッション方式でも良く、さらに射出成型などの熱可塑性樹脂を用いる場合など静水圧などの圧力を印加可能な方式であれば、同様の効果を得ることができる。

１ 半導体装置、２ 絶縁基板、２ａ 板厚方向、２ｂ 注入方向、２ｃ 実装面、
３ チップ部品、３Ａ 封止体、３Ｂ 端子、３Ｃ 側面、７ 貫通穴、
７ａ 内周面、 ８ モールド樹脂、１０ モールド金型、１１ 可動ピン、
２０，２０−２ 変位発生部、２１ 外側端、２２ 内側端、３１ 隙間、
８１ フィラー。

Claims (4)

1. 封止体及び端子を有する電子部品と、
   上記電子部品の上記端子を接合して当該電子部品を実装する絶縁基板で、実装された電子部品に対応した位置に当該絶縁基板を貫通する貫通穴を形成した絶縁基板と、
   フィラーを含有し、上記電子部品を実装した絶縁基板を封止する封止樹脂とを備えた半導体装置であって、
   上記絶縁基板は、凹形状の変位発生部をさらに有し、この変位発生部は、上記電子部品を実装する上記絶縁基板の実装面で上記貫通穴の周縁部に形成されることを特徴とする半導体装置。
2. 上記封止樹脂の上記フィラーは、上記実装面と電子部品の上記封止体との隙間と同等の粒径を有する、請求項１に記載の半導体装置。
3. 上記変位発生部の深さは、上記電子部品の封止体の厚みよりも大きい、請求項１又は２に記載の半導体装置。
4. 上記絶縁基板の延在方向において、上記変位発生部は、上記貫通穴の外側で上記電子部品の封止体側面よりも外側に位置する外側端と、内側端とを有し、この内側端は、上記外側端と上記貫通穴との間に位置する、又は上記貫通穴の内周面である、請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体装置。

Images