JPH10125826A - 半導体装置及びその製法 - Google Patents

半導体装置及びその製法

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JPH10125826A
JPH10125826A JP8282054A JP28205496A JPH10125826A JP H10125826 A JPH10125826 A JP H10125826A JP 8282054 A JP8282054 A JP 8282054A JP 28205496 A JP28205496 A JP 28205496A JP H10125826 A JPH10125826 A JP H10125826A
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resin
lead frame
adhesive sheet
insulating adhesive
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Masaaki Takahashi
正昭 高橋
Toshio Ogawa
敏夫 小川
Masahiro Aida
正広 合田
Noritaka Kamimura
典孝 神村
Kazuhiro Suzuki
和弘 鈴木
Tsunehiro Endo
常博 遠藤
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Abstract

(57)【要約】 【課題】外部に露出する入出力端子とヒートシンク間の
絶縁耐圧を向上させるとともに、ヒートシンクとリード
フレーム間の放熱特性を改善する。 【解決手段】絶縁耐圧は、リードフレーム特に入出力端
子をヒートシンクに対して垂直方向になるよう樹脂の表
面に出すこと、放熱特性はヒートシンクとリードフレー
ム間に無機質フィラー含有絶縁接着シートを挿入するこ
とで解決できる。 【効果】外部端子と入出力端子をヒートシンクに対して
垂直に出しているため、絶縁特性が向上し、かつ無機質
フィラー含有絶縁接着シートを絶縁に用いているため、
放熱特性が安定する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は複数の半導体チップ
がリードフレーム上に搭載され、熱硬化性樹脂で気密封
止された半導体装置及びその製法に関し、リードフレー
ムと放熱用ヒートシンクとの絶縁を絶縁接着シートで確
保した半導体装置及びその製法に関する。
【０００２】
【従来の技術】Ａｌ又はＣｕからなる金属ベース上がセ
ラミックス又は有機物からなる絶縁材で覆われ、該絶縁
材上がＡｌ又はＣｕからなる金属箔で回路が形成され、
該回路上に複数の半導体素子が配置された半導体モジュ
ールを樹脂で気密封止することは周知のとおりである。
【０００３】樹脂で気密封止した例としては、特開昭60
−74655 号で開示されているように、複数の半導体素子
が搭載された金属ベース回路基板の側面をケースで覆
い、シリコーン系のゲルを注入し、その上をエポキシ系
樹脂でモールドしたものがある。この場合は、前記樹脂
の流失を防止する気密封止のためのケースが必要であ
り、これを接着するための熱処理，シリコーン系ゲルや
エポキシ系等樹脂の２度の熱硬化等３度の熱処理があり
プロセスが煩雑であること、ケースを用いるため部品点
数が増える等コストを圧迫する問題があった。
【０００４】一方、最近になって、前記モジュールの樹
脂を金型中に加圧封入することによってケースを排した
モジュール、特公平6−80748号が開示されている。この
例について図８によって説明する。
【０００５】半導体素子４はリードフレーム２のベット
部２．１に接合し、更に該半導体素子４と外部回路と接
続するためのリード部２．２間をＡｌのボンディングワ
イヤ５等で連結したものを金型に入れ、第１のモールド
樹脂６．１で気密封止する。ここまでの工程はＴＯ−２
２０等従来既知の非絶縁型個別素子等で行われているモ
ールド法と同じ形態である。次いで金型中にヒートシン
ク１と、先の第１のモールド樹脂６．１で気密封止され
たリードフレーム２を入れ、第２のモールド樹脂６．２
で気密封止する。この場合、ヒートシンク１とリードフ
レームのベット部２．１間は絶縁のための第２のモール
ド樹脂６．２が均一に挿入される。この層が絶縁層をな
す。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、（１）
これには絶縁層の厚さが安定にできないこと、（２）リ
ードとヒートシンク間の縁面距離が短いこと、（３）２
回の樹脂注入が必要であること等の欠点がある。絶縁層
の厚さが安定にできないという（１）に関しては、薄い
場合は絶縁耐圧不良、厚い場合には熱抵抗の増大、リー
ド−ヒートシンク間の縁面距離が短いこと、（２）に関
しては、前者同様絶縁耐圧不良という問題があり、
（３）はプロセス及びコストの増大という問題である。
前記(１)，(３)は予め絶縁層と回路配線がなされた従来
公知の絶縁金属基板（メタルコア）等を用いればよいこ
とも考えられるが、コスト的に折り合わないことや外部
への引出用リードを後付けするなどプロセス的にも煩雑
となる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】従って、前記（１)，
(３）を解決するには予め半導体素子が接合され、所望
の位置にＡｌ，Ｃｕ等からなるワイヤで結線がなされた
Ｃｕ又はＣｕ合金からなるリードフレームと有機物から
なる絶縁接着シート及びＡｌ又はＣｕあるいはＡｌ又は
Ｃｕを主成分とする合金からなる金属ベース又はヒート
シンクを用意し、それぞれを所望の位置に合わせて仮圧
着する。ここでの接着は、樹脂の硬化を目的としないた
め、温度は樹脂のガラス転移温度以下でよく、圧力も押
さえる程度の低いものでよい。
【０００８】仮止めされた絶縁接着シートでリードフレ
ーム及び金属ベース又はヒートシンクは所望の形状をし
た金型に入れ熱硬化性の樹脂、例えばエポキシ系樹脂を
加圧注入して気密封止する。リードフレームと金属ベー
ス又はヒートシンクとの接着及び絶縁接着シートの硬化
は、この工程及びその後の熱処理（キュアー）によって
行われる。ここで用いられる絶縁接着シートは熱硬化性
の樹脂であって、樹脂中には６０〜９０重量％のアルミ
ナあるいはシリカ等からなる無機質フィラーが充填され
た半硬化のシートである。
【０００９】一方、縁面の絶縁耐圧を向上させるには、
外部回路と接続するためのリードの取り出し位置を通常
のモジュール、例えば、特開昭60−74655 号で開示され
ているようにヒートシンクに対して垂直方向でモールド
樹脂の表面側に配置すればよい。以下、実施例を図によ
って説明する。
【００１０】
【発明の実施の形態】図１(ａ）は整流ダイオード４．
１の群からなるコンバ−タとＩＧＢＴ４．２,ＦＷＤ
４．３の群からなるインバータで構成されたモジュール
の平面図で、(ｂ)は断面図である。整流ダイオード４．
１及びＩＧＢＴ４．２，ＦＷＤ４．３は全てリードフレ
ーム２上に接合され、該リードフレーム２は絶縁接着シ
ート７を介して金属ベースあるいは金属からなるヒート
シンク１上に搭載されている。
【００１１】以下、このモジュールの組立て法を図２で
説明する。
【００１２】（ａ）予め、半導体チップ４が接合された
リードフレーム２と絶縁接着シート７、及び金属ベース
あるいは金属からなるヒートシンク１とを重ね合わせ、
(ｂ)仮接着する。この場合、圧力は押さえるだけの力が
あればよく、また、温度も樹脂のガラス転移温度以下で
あればよい。つまり、接着はモールド用の樹脂を金型中
に加圧封入する際行われるからである。（ｃ）該リード
フレーム２，絶縁接着シート７、及び金属ベースあるい
は金属からなるヒートシンク１とを仮に接着した試料
(ｂ)は金型８に入れ、モールド用樹脂で加圧封止する。
絶縁接着シートの接着をホットプレス等で圧力と温度を
かけて行った場合、以下の欠点が生じ好ましくない。絶
縁接着シートの接着は、図３で示す作用によってなされ
る。
【００１３】すなわち、（ａ）で示すように、モールド
用樹脂を封入する際金型内部の各部にはほぼ均等に圧力
がかかる。半導体チップ４等が搭載されたリードフレー
ム２とヒートシンク１とが絶縁接着シート７で所望の位
置で仮止めした試料を金型８に入れ熱硬化性のエポキシ
系樹脂を加圧封入する。この時、金型は樹脂を封入する
部分のみ開口されているのみで他は密封状態にあり、圧
力はほぼ均等にかかる。ここで、モールド樹脂６と絶縁
接着シート７はガラス転移温度以上に温められているの
で、該リードフレーム２とヒートシンク１あるいは半導
体チップ４等に密着するとともに硬化が進行する。
（ｂ）は、前記した手法でモールドしたモジュールの拡
大断面図であり、リードフレーム２のそれぞれのパター
ンは絶縁接着シート７に埋没することなく接着すること
ができる。しかしながら、リードフレーム２とヒートシ
ンク１との接着をホットプレスや圧延ロール等を用いる
通常の手法で行った場合は、（ｃ）で示したようにリー
ドフレーム２は絶縁接着シート７に埋没し絶縁層が薄く
なるばかりか、矢印で示したリードフレーム端面部分に
亀裂が入り絶縁特性の低下の原因ともなっていた。
【００１４】また、図４はリードフレーム２とヒートシ
ンク１との接着状況を説明する図である。ここで、リー
ドフレーム２及びヒートシンク１の２つの金属材料の絶
縁接着シート７とが接着される表面、少なくとも接着面
が粗面加工されていることが重要である。これはリード
フレーム２及びヒートシンク１と絶縁接着シート７との
接着のための表面積を増やして、密着性を増すとともに
アンカー効果による接着の強度を確保するためでもあ
る。しかしながら、この粗面化にも限度があり、谷にあ
たるａ部と山にあたるｂ部との高低差が使用する絶縁接
着シート７の厚みの７％を超えない値でなけなければな
らない。これ以上の高低差がある場合は、絶縁接着シー
ト７の実質厚みが薄くなること及び亀裂が生じる等して
絶縁特性を低下させるため避けなければならない。
【００１５】一方、ここで用いられる絶縁接着シート７
は樹脂成分中に重量比で６０〜９５％の無機成分、例え
ばアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）等の金属酸化物が充填されてい
る。これは、樹脂の熱伝導率と膨張係数を改善するため
である。図５は、本発明になる半導体モジュールに異な
る割合の無機成分を充填した絶縁接着シート（２００μ
ｍ）を用いた場合の熱抵抗を調べた結果である。ここで
は、絶縁接着シートの厚みが２００μｍの場合である
が、例えば１００μｍの絶縁接着シートを用いたときは
相対的に熱抵抗が下がることは周知の通りである。
【００１６】なお、無機成分の量が６０％を下回る場
合、熱抵抗が１.６℃／Ｗ 以上を越え、周囲温度にもよ
るがジャンクション温度を越えるなど好ましい状態でな
い。また、無機成分が９５％を越える場合にはシートを
作りにくいことやシート中に気泡が混ざりやすいこと等
の欠点がある。また、樹脂成分は熱硬化性の樹脂、例え
ばノボラック型やビスフェノール型のエポキシ樹脂が挙
げられるが、熱硬化性の樹脂であってガラス転移温度が
１００℃を越えるような樹脂であればこの限りではな
い。
【００１７】本発明は、図６の方法でも達成できる。つ
まり、リードフレームを（ａ）で示したように折り曲げ
ることなく、通常のトランスファモールド法のようにリ
ード部分をヒートシンク１に対し平行に出し、これを、
金型に入れる。この時、リードフレームの折曲げ部で樹
脂と接する部分に離形材９を塗付けておくか又は貼り付
けておく。（ｂ）はモールド樹脂を封入した例で、リー
ドフレーム２のある部分の上金型８．１は下金型８．２
より狭くなっている。（ｃ）は樹脂のモールド後金型か
らとり外した例である。リードはここで樹脂の側面に沿
って折り曲げられる。図７は、このリード部分の斜視図
である。（ａ）は前記図６（ｃ）のモールド後の半導体
モジュールで、リードフレーム２はヒートシンクに対し
て平行に位置している。（ｂ）はリードをヒートシンク
に対して垂直方向に折り曲げた例で、モールド樹脂の一
部には離形材９を貼り付け、更にはリードフレーム２に
沈み込んだような剥離痕９．１が残る。ただし、このま
まではリードフレーム２の側面が露出してヒートシンク
との縁面距離が短いので、（ｃ）この部分には第２のモ
ールド樹脂６．２を塗布し絶縁する。ここで用いられる
第２の樹脂は熱硬化性樹脂であっても、熱可塑性樹脂で
あってもよい。
【００１８】
【発明の効果】ヒートシンクと半導体素子が搭載された
リードフレーム間にモールド樹脂を封入することで絶縁
をとっていた従来の半導体モジュールの欠点である、熱
抵抗等放熱特性と絶縁特性の不安定性を、本発明のよう
に一定な厚みの無機質フィラー含有絶縁接着シートを挿
入することにより改善できる。また、絶縁接着シートの
接着をモールド樹脂、すなわち、熱硬化性樹脂封入時に
行うことにより、繰り返される熱処理を省ける。また、
外部端子を入出力端子をヒートシンクに対して垂直に出
しているため、絶縁特性が向上し、また、外部回路と接
続が容易となるなどの効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体モジュールで用いられる回路の
正面図。
【図２】本発明の製造方法を説明する図。
【図３】本発明の作用を説明する図。
【図４】本発明の接着構造を説明する図。
【図５】本発明で使用される絶縁接着シートを説明する
図。
【図６】本発明の第２の製法及びリード部分の拡大図。
【図７】本発明の第２の製法及びリード部分の拡大図。
【図８】従来法を説明する図。
【符号の説明】
１…ヒートシンク、２…リードフレーム、２．１…ベッ
ト部、２．２…リード部、３…はんだ、４…半導体チッ
プ、５…ボンディングワイヤ、６…モールド樹脂、６．
１…第１のモールド樹脂、６．２…第２のモールド樹
脂、７…絶縁接着シート、８…金型、８．１…上金型、
８．２…下金型、９…離形材、９．１…剥離痕。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 神村 典孝 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 鈴木 和弘 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 遠藤 常博 千葉県習志野市東習志野七丁目１番１号 株式会社日立製作所産業機器事業部内

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】リードフレーム上に複数の半導体チップあ
    るいは抵抗，コンデンサ等電子部品が搭載され、熱硬化
    性樹脂でモールドされた半導体装置において、 金属材からなる放熱板等ヒートシンクと該リードフレー
    ムとを有機樹脂からなる絶縁接着シートを介して接着
    し、熱硬化性樹脂で気密封止された半導体装置。
  2. 【請求項２】リードフレーム上に複数の半導体チップあ
    るいは抵抗，コンデンサ等電子部品が搭載し、熱硬化性
    樹脂でモールドする半導体装置の製法において、 複数の半導体チップあるいは抵抗，コンデンサ等電子部
    品が搭載されたリードフレームとＡｌ又はＣｕあるいは
    それらの合金からなる放熱板等ヒートシンク間に有機樹
    脂からなる絶縁接着シートを挿入して積層し、該絶縁接
    着シートの硬化を熱硬化性樹脂を加圧封止と同時に硬化
    させることを特徴とする半導体装置の製法。
  3. 【請求項３】リードフレーム上に複数の半導体チップあ
    るいは抵抗，コンデンサ等電子部品が搭載し、熱硬化性
    樹脂でモールドする半導体装置の製法において、 熱硬化性樹脂でモールドする時に、リードフレームでモ
    ールド後に樹脂から露出するリード部分を放熱板等ヒー
    トシンクと水平方向になるように折り曲げ加工し、樹脂
    をモールドした後、樹脂から露出したリード部分を放熱
    板等ヒートシンクと垂直方向に折り曲げることを特徴と
    する半導体装置の製法。
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