JP3702655B2 - 樹脂封止型半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、放熱板を内蔵する樹脂封止型半導体装置の製造方法に関し、その樹脂封止型半導体装置としては、自動車におけるエンジン制御ECU、ABS用ECU等に用いられるドライバICあるいは電源ICのような電力用半導体装置に用いて好適である。
【0002】
【従来の技術】
従来より、この種の樹脂封止型半導体装置は、例えば、自動車におけるエンジン制御ECU、ABS用ECU等に用いられるドライバICあるいは電源ICのような電力用半導体装置に用いられる。そのようなものとして、例えば、特開昭60−110145号公報、特開昭61−194861号公報、特開平8−70016号公報等に記載のものが提案されている。
【0003】
この種の樹脂封止型半導体装置は、一般に、パワーMOSFET等を含んだ半導体チップと、この半導体チップを搭載する搭載部を有するリードフレームと、半導体チップの放熱を促進するための放熱板(ヒートスプレッダ)とを、モールド樹脂で封止したパッケージ形態を採用した構成であり、金型内に半導体チップ、リードフレーム、放熱板を配置した状態で、樹脂を注入、充填することにより形成される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本発明者が上記従来技術に基づいて、樹脂封止型半導体装置を試作検討したところ、放熱板が原因で、モールド樹脂に未充填部分や巣、ウエルドラインが残るという不具合が発生することがわかった。以下、これら不具合の発生原因について、本発明者の試作品である樹脂封止型半導体装置(以下、半導体装置という)100について説明する。図4に半導体装置100の断面構成を示す。
【0005】
半導体装置100は、CuやAl等の熱伝導性に優れた材料からなる放熱板4と、この放熱板4の上面4cに配置されたリードフレーム3と、パワーMOSFET等を含んだ半導体チップ(半導体素子)2とが収納され、これら部材2〜4は、例えば黒色のエポキシ樹脂等からなるモールド樹脂5で薄型矩形状に封止され一体化されている。
【0006】
リードフレーム3は、半導体チップ2を搭載する搭載部(アイランド部)3aと、搭載部3a周囲からモールド樹脂5外部に引き出された複数本のリード部3b、3cとから構成されている。リード部3b、3cは、モールド樹脂5内に位置する部分であるインナリード3bと、モールド樹脂5外部に引き出された部分であるアウタリード3cとからなる。なお、搭載部3aは、リードフレーム3のうちモールド樹脂5外部の図示しない部分と連結されている。
【0007】
そして、リードフレーム3の搭載部3aには、半導体チップ2が、Agペースト等の導電性樹脂もしくは半田等の接着部材(図示せず)を介して搭載されている。半導体チップ2は、各インナリード3bとワイヤボンディングされて接続され、リード部3b、3c及びワイヤ6を介して、半導体チップ2と外部との電気信号のやり取りが可能となっている。
【0008】
ここで、半導体装置1においては、半導体チップ2から発生する熱を効率よく逃がすために、図4に示す様に、下面4dから上面4cに向かって基板部4bから段状に突出する台座部4aを、絞り加工等により形成し、この台座部4aと搭載部3aとを当接させた構造としている。また、この台座部4aにより、インナリード3bと基板部4bとの間にギャップGが設定され、両者3b、4bの接触(短絡)が防止されている。
【0009】
かかる構成を有する半導体装置100の製造方法について、図5(注入樹脂の流れを示す説明図)を参照して述べる。まず、所定の温度に加熱された金型(成形金型)7の下型7bに放熱板4単体を落とし込む(ドロップイン工程)。その後、半導体チップ2が搭載され且つワイヤボンディングされたリードフレーム3を、搭載部3aと放熱板4の台座部4aとを当接させて、下型7bにセットする。
【0010】
そして、金型7の上型7aをセットし、金型7内にモールド樹脂5を軟化状態で注入、充填することで樹脂封止を行なう。まず、金型7の熱により粘度の下がったモールド樹脂5が、金型7の下型7bに設けられたゲート(注入口)8から下型キャビティ9b内に注入される。樹脂硬化後、アウタリード3cに半田を付ける表面処理等を行い、最後に、このアウタリード3cを所定の形状に加工することにより、半導体装置100が完成する。
【0011】
ここで、放熱板4がモールド樹脂5を金型7に注入する際の障害物となり、未充填、巣、ウエルドラインといった成形不良をおこす原因となっている。金型7のゲート8から軟化状態のモールド樹脂5が、下型キャビティ9b内に注入されるが、注入された樹脂は、放熱板4の外縁部40に衝突するため、ここが障害物となって下型キャビティ9b方面への樹脂の進入が阻害される。
【0012】
その結果、上型キャビティ9aの方に樹脂が積極的に充填されるため、図5に太線と細線の矢印で示す様に、樹脂の流れが、上型キャビティ9aで多く、下型キャビティ9bで少ないというように不均一な流れとなる。そのため、放熱板4下面4d側の下部空間中央部付近に、未充填部分20または巣、ウエルドラインといった成形不良が発生する。
【0013】
このように、樹脂成形工程の際、放熱板4においてリードフレーム3配置面4cとは反対側の面である下面4d側、すなわち放熱板下部に発生するモールド樹脂5の成形不良は、製品の外観上問題となるとともに、信頼性上も耐湿性の面で問題となる。
そこで、本発明は上記点に鑑みて、金型を用いて樹脂を注入することにより形成される放熱板内蔵型の樹脂封止型半導体装置において、樹脂の成形不良を防止すべく放熱板下部への樹脂の注入性を向上させることを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明は、従来においては、放熱板のうち金型の注入口に対応する外縁部が平板形状であったため、注入口からの樹脂と衝突しやすくなっていることに着目し、放熱板外縁部形状について鋭意検討した結果なされたものである。すなわち、請求項1記載の発明においては、放熱板(10)として、その外縁部のうち注入口(8)と対向させる部位が、放熱板(10)の下面(11)から上面(12)に向かって折り曲げられた折り曲げ部(15)となっているものを用い、放熱板(10)の折り曲げ部(15)が注入口(8)と対向するように放熱板(10)を金型(7)に配置して樹脂封止を行うことを特徴としている。
【0015】
それによって、注入口(8)から注入された樹脂は、放熱板(10)の折り曲げ部(15)にできたスペースに流れ込むことができるため、放熱板(10)が障害物となることはない。また、放熱板(10)の折り曲げ部(15)は、放熱板(10)の上面(12)に向かって折り曲げられているから、樹脂の流れは、充填が困難となる放熱板(10)下面(11)(つまり、放熱板下部)側に積極的に誘導される。従って、本発明では、樹脂の成形不良を防止すべく放熱板下部への樹脂の注入性を向上させることができる。
【0016】
また、請求項2記載の発明においては、放熱板(10)として、その外縁部が四隅を有する形状で、外縁部の四隅に外方に突出した突出部(13a)が形成され、各突出部(13a)に折り曲げ部(15)が形成されたものを用いることを特徴としている。
【0017】
なお、上記した括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。図1は本発明の実施形態に係る樹脂封止型半導体装置(以下、半導体装置という)1の断面図である。本例の半導体装置1は、QFP(Quad Flat Package)であり、例えば、自動車におけるエンジン制御ECU、ABS用ECU等に用いられるドライバICあるいは電源ICのような電力用半導体装置に用いられる。
【0019】
ここで、図1に示す半導体装置1は、上記図4に示した半導体装置100において、放熱板の構成を変えたのみであるため、以下、主として放熱板10の構成について述べると共に、上記図4と同一部分については、図中、同一符号を付して補足説明をするにとどめる。また、図2は、図1を矢印A方向からみた図であり、半導体装置1は平面矩形状となっている。
【0020】
なお、図1は、図2におけるB−B断面図であり、リード部3b、3c及びワイヤ6は、実際には同断面上に無いが、破線にて模式的に表してある。また、図2では、モールド樹脂5、インナリード3b及びワイヤ6は省略してあり、両図1及び2では、後述の製造方法を説明するために、便宜上、金型7のゲート(注入口)8を、対応する位置に破線にて示してある。
【0021】
放熱板(ヒートスプレッダ)10は、上記放熱板4と同様の材質からなり、下面11側から上面12側に向かって基板部13から段状に突出する台座部14が、絞り加工等により形成されている。そして、リードフレーム3の搭載部3aは、この台座部14に当接配置されている。ここで図2に示す様に、放熱板10の外縁部の四隅は、若干外方に突出した突出部13aを形成しており、金型7のゲート8は、これら突出部13aの1つに対向する位置に設けられている。
【0022】
なお、平面が多角形(本実施形態では矩形)であるフラットパッケージにおいては、通常、多角形における角部(隅部)を除く辺部分からアウタリードが引き出される。そのため、ゲートを通ってくる樹脂がアウタリードに付着しないように、ゲートは、アウタリードの存在しないパッケージの角部に対応した部位に形成され、本実施形態では、上記四隅に形成されている。
【0023】
ここで、本実施形態では、各突出部13aの先端部を、放熱板10の下面11から上面12に(つまりインナリード3bに)向かって、ある一定角度(例えば基板部13に対して20°程度)で折り曲げ、折り曲げ部15を形成したことが特徴とするところである。また、ゲート8に対向した突出部13aには、必ず折り曲げ部15を形成する。
【0024】
折り曲げ部15の折り曲げ角度は、モールド樹脂5の厚み(パッケージの厚み)によって異なるが、インナリード3bとの接触を避けるため、インナリード3bとは最低でも0.2mm程度のギャップを確保する必要がある。または、インナリード3bの下部にポリイミドテープ等の絶縁テープを設けることで、インナリード3bと折り曲げ部15との間に絶縁テープを介在させ、上記ギャップを0としてもよい。
【0025】
なお、通常のQFPでは、複数のインナリードのばたつきを防止するために、ポリイミドテープを各インナリードの上面(放熱板と反対側の面)に貼って、インナリードを互いに固定した構成としている。インナリード3bと折り曲げ部15との間に絶縁テープを介在させる構成では、各インナリード3bの下面にテープを貼るだけの工程変更で対応可能であるため、コストアップは全く無い。
【0026】
このように、本実施形態では、従来、平板形状であった注入口と対向する放熱板外縁部を折り曲げた形状とした独自の構成としている。次に、上記半導体装置100と異なる本実施形態独自の製造時における作用について、図3を参照して述べる。ここで、図3は、本実施形態における樹脂注入時の樹脂の流れを示す説明図であり、上記図5と同一部分には同一符号を付してある。
【0027】
金型(成形金型)7は、薄型矩形のモールド樹脂5外形に対応したキャビティ9a、9bを有し、上述の様に、ゲート8は、金型7の角部の1つに設けられている。まず、所定の温度に加熱された金型7の下型7bに、放熱板10単体を落とし込む(ドロップイン工程)。ここで、放熱板10は、各折り曲げ部15が金型7の各角部に対向するように、金型7内に配置される。
【0028】
その後、上述と同様に、ワイヤ接続された(図3ではワイヤ6省略)半導体チップ2を搭載したリードフレーム3を、搭載部3aを放熱板10の台座部14に当接させて、下型7bにセットする。そして、成形金型7の上型7aをセットし、ゲート8から、成形金型7内にモールド樹脂5を、ある程度溶融した軟化状態で注入、充填することで樹脂封止を行なう。
【0029】
ここで、本実施形態においては、注入口8から注入された樹脂は、放熱板10の折り曲げ部15によってできたスペースに流れ込むことができるため、放熱板10が障害物となって、放熱板10下部への進入が妨げられることはない。また、折り曲げ部15は、放熱板10の上面12に向かって折り曲げられているから、樹脂は放熱板10の下面11側に積極的に誘導される。
【0030】
そのため、矢印Uに示す上型キャビティ9aの樹脂流れと、矢印Lに示す下型キャビティ9bの樹脂流れとは、略均一な流れとでき、両キャビティ9a、9bにおいて均一な充填がなされる。また、放熱板10の下面11側へ流れ込んだ樹脂は、従来のように成形不良の発生しやすい放熱板下部を通過して、再び放熱板10の上面12側へ抜ける。
【0031】
このように、放熱板10は、従来のように樹脂流れの障害物となるのではなく、寧ろ、樹脂の流れを、充填が困難となる放熱板10下部へ積極的に誘導するという貴重な役目を果たす。従って、本実施形態では、樹脂充填のネックとなっていた放熱板下部への樹脂の注入性を向上させることができ、未充填、巣、ウエルドラインといった成形不良のないパッケージ形態を実現することができる。
【0032】
また、本実施形態では、上述の樹脂の流れとすることにより、放熱板10下面11に流入した樹脂によって、放熱板10を押し上げる力が働くため、リードフレーム3の搭載部3a下面と放熱板10台座部14上面との接触する力が、強固となり、両者間にモールド樹脂の入り込む余地がなくなり、両者が十分に接触する。このことによって、より良好な放熱性が得られるという波及効果もある。
【0033】
ところで、図1及び図4に示した様な、放熱板(ヒートスプレッダ)4、10を内蔵する半導体装置1、100は、放熱板4、10とリードフレーム3とが、独立した別個の部品であり、放熱板4、10は他の部品と固着しておらず、成形金型7に投げ込んだだけの構造であることにより、「ドロップイン方式」のヒートスプレッダ内蔵型パッケージと呼ばれている。
【0034】
このようなタイプにおいては、放熱板の無い構成のパッケージに用いる標準のリードフレームと成形金型が流用できるため、放熱板を付加したことによる新規なリードフレームと新規な製造設備は不要となり、コストアップを極力抑えることができる。そして、放熱板を内蔵した分、当然熱抵抗の低いパッケージが得られる。
【0035】
ちなみに、本発明者等の測定データによると、28m×28mボディの120ピンとしたQFPに関して、放熱板の無い構成が約30℃/Wであったのに対し、放熱板4、10を内蔵する半導体装置1、100では、約20℃/Wまで下げられ、放熱板の部品コスト上昇分以上のパフォーマンスが得られることが確認されている。
【0036】
(他の実施形態)
なお、上記実施形態では、放熱板10の全ての突出部13aに折り曲げ部15が形成されているが、少なくともゲート8と対向する突出部13aにのみ形成してもよい。また、1つの突出部13aに折り曲げ部15を形成し、金型に接地する際に、折り曲げ部15をゲート8に対向させるようにしてもよいことは勿論である。
【0037】
また、上記実施形態では、表面実装タイプのQFPを例にとって説明したが、同様な効果は、SOP(Small Out Line Package)、SIP(Single Inline Package)、DIP(Dual Inline Package)といったあらゆるパッケージ形態においても発揮できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係る樹脂封止型半導体装置の断面構成図である。
【図2】図1のA矢視図である。
【図3】上記実施形態における樹脂注入時の樹脂の流れを示す説明図である。
【図4】本発明者の試作品である樹脂封止型半導体装置の断面構成図である。
【図5】図4の試作品における樹脂注入時の樹脂の流れを示す説明図である。
【符号の説明】
2…半導体チップ、3…リードフレーム、7…金型、8…ゲート、
10…放熱板、11…放熱板の下面、12…放熱板の上面。
Claims (2)
- 下面(11)側から上面(12)側に向かって段状に突出する台座部(14)が形成された放熱板(10)を、樹脂注入用の注入口(8)を有する金型(7)の下型(7b)に落とし込み、
その後、半導体素子(2)が搭載部(3a)に搭載され且つ前記半導体素子(2)がインナーリード(3b)にワイヤボンディングされたリードフレーム(3)を、前記搭載部(3a)と前記台座部(4a)とを当接させて、前記下型(7b)に配置し、
そして、前記金型(7)の上型(7a)をセットし、軟化状態の樹脂を、前記注入口(8)から前記金型(7)内に注入し、前記放熱板(10)の上面(12)及び下面(11)側に充填することで樹脂封止を行う樹脂封止型半導体装置の製造方法において、
前記放熱板(10)として、その外縁部のうち前記注入口(8)と対向させる部位が、前記放熱板(10)の下面(11)から上面(12)に向かって折り曲げられた折り曲げ部(15)となっているものを用い、
前記折り曲げ部(15)が前記注入口(8)と対向するように前記放熱板(10)を前記下型(7b)に配置し、
前記インナーリード(3b)と前記折り曲げ部(15)との間に絶縁テープを介在させた構成として、前記樹脂封止を行うことを特徴とする樹脂封止型半導体装置の製造方法。 - 前記放熱板(10)として、その外縁部が四隅を有する形状で、前記外縁部の四隅に外方に突出した突出部(13a)が形成され、各突出部(13a)に前記折り曲げ部(15)が形成されたものを用い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の製造方法。
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