半导体装置以及其制造方法.pdf

本发明提供一种具有高散热性和优秀的低导通电阻性的半导体装置。本实施方式的半导体装置具备半导体芯片、金属制的引线框、树脂制的密封部以及金属制的连接器。半导体芯片具有表面电极。引线框具有在表面搭载着半导体芯片的底座部、与底座部分离而设置的接线柱部。密封部以覆盖半导体芯片的方式形成。连接器具有与半导体芯片的表面接合的芯片接合部、与引线框的接线柱部的表面接合的接线柱接合部以及将芯片接合部与接线柱接合部之间连结的连结部。芯片接合部形成得比接线柱接合部以及连结部厚，且芯片接合部的至少一部分从密封部的表面露出。

权利要求书1.  一种半导体装置，具备：半导体芯片，具有表面电极；金属制的引线框，具有在表面搭载有上述半导体芯片的底座部和与上述底座部分离而设置的接线柱部；树脂制的密封部，以覆盖上述半导体芯片的方式形成；以及金属制的连接器，具有与上述半导体芯片的表面接合的芯片接合部、与上述引线框的上述接线柱部的表面接合的接线柱接合部、将上述芯片接合部与上述接线柱接合部之间连结的连结部，上述芯片接合部形成得比上述接线柱接合部以及上述连结部厚，且上述芯片接合部的至少一部分从上述密封部的表面露出。2.  如权利要求1所述的半导体装置，在上述引线框的接线柱部与上述连接器的接线柱接合部的接合面的外周部的一部分，形成有对熔融后的接合剂的沾润进行抑制的防沾润部。3.  如权利要求2所述的半导体装置，上述防沾润部由氧化膜形成。4.  如权利要求1～3中任一项所述的半导体装置，在上述连接器的侧面的至少一部分上形成有凹凸。5.  如权利要求1～3中任一项所述的半导体装置，上述连接器的上述芯片接合部的至少一部分形成得比上述半导体芯片的表面大。6.  如权利要求1～3中任一项所述的半导体装置，上述连接器的上述芯片接合部的中央部形成得比外周部薄。7.  如权利要求1～3中任一项所述的半导体装置，上述连接器由铜、镀镍后的铜、镀银后的铜、镀金后的铜、铜合金、或铝形成。8.  一种半导体装置的制造方法，具备如下步骤：在引线框的底座部的表面接合具有表面电极的半导体芯片，在上述半导体芯片的表面和与上述底座部分离而设置的上述引线框的接线柱部的表面涂敷接合剂，通过上述接合剂将金属制的连接器接合于上述半导体芯片的表面和上述引线框的接线柱部的表面，上述金属制的连接器具有与上述半导体芯片的表面接合的芯片接合部、与上述引线框的上述接线柱部的表面接合的接线柱接合部以及将上述芯片接合部以及上述接线柱接合部之间连结的连结部，上述芯片接合部形成得比上述接线柱接合部以及上述连结部厚，通过树脂以覆盖上述半导体芯片以及上述连接器的方式进行密封，将上述树脂的表面研磨直至上述连接器的上述芯片接合部的表面露出为止。9.  如权利要求8所述的半导体装置的制造方法，在上述连接器的上述芯片接合部的表面从上述树脂的表面露出的前后，使研磨速度变化。

说明书半导体装置以及其制造方法
关联申请
本申请享受以日本专利申请2014－16883号(申请日：2014年1月31日)为基础申请的优先权。本申请通过参照该基础申请而包含基础申请的全部的内容。
技术领域
本发明的实施方式涉及半导体装置以及其制造方法。
背景技术
以往的半导体装置中，通过绝缘性的树脂将半导体芯片、连接半导体芯片和引线框(lead frame)的连接端子(连接线(wire)、连接器)整体覆盖。在这种以往的半导体装置中，经由与金属相比热传导率低的树脂来进行散热，因此，将由半导体芯片产生的热充分地散热是困难的。例如，具有如车载用途、产业用途的半导体装置那样，在使用时流过大电流的半导体装置中由半导体芯片产生的热变大的问题。
此外，在通过连接器将半导体芯片和引线框电连接的半导体装置中，在通过回流焊处理对连接器进行接合时，有由于熔融后的焊料的浮力而发生连接器的位置偏离、倾斜等的问题。连接器的位置偏离、倾斜有可能导致裂缝的产生、成品率的降低、连接器和树脂的剥离以及各种可靠性降低等的问题。
发明内容
本发明提供一种具有高散热性和优秀的低导通电阻性的半导体装置以及其制造方法。
本实施方式的半导体装置具备半导体芯片、金属制的引线框、树脂制的密封部以及金属制的连接器。半导体芯片具有表面电极。引线框具有底 座部以及接线柱部，该底座部在表面搭载着半导体芯片，该接线柱部与底座部分离而设置。密封部以覆盖半导体芯片的方式形成。连接器具有与半导体芯片的表面接合的芯片接合部、与引线框的接线柱部的表面接合的接线柱接合部以及将芯片接合部与接线柱接合部之间连结的连结部。芯片接合部形成得比接线柱接合部以及连结部厚，且芯片接合部的至少一部分从密封部的表面露出。
附图说明
图1是表示第1实施方式的半导体装置的概略构成图。
图2是表示第1实施方式的半导体装置的其他例的概略构成图。
图3是表示第1实施方式的半导体装置的其他例的概略构成图。
图4是表示第1实施方式的半导体装置的其他例的概略构成图。
图5是表示第1实施方式的半导体装置的其他例的概略构成图。
图6是表示第1实施方式的半导体装置的制造工序的说明图。
图7是表示第2实施方式的半导体装置的概略构成图。
具体实施方式
以下，参照附图来说明本发明的实施方式的半导体装置以及其制造方法。
(第1实施方式)
首先，参照图1～图6来说明第1实施方式的半导体装置。本实施方式的半导体装置将半导体芯片1和引线框2通过连接器3电连接，半导体芯片1通过树脂制的密封部4密封。
这里，图1(A)是表示本实施方式的半导体装置的俯视图。图1(A)中，将密封半导体芯片1的密封部4省略。此外，图1(B)是图1(A)的X－X线剖面图。图1(B)中图示了将半导体芯片1密封的密封部4。对于图2～图7也同样，设为在俯视图中将密封部4省略，在剖面图中图示了密封部4。如图1所示，本实施方式的半导体装置具备：半导体芯片1、引线框2、连接器3、密封部4以及接合部51、52、53。
半导体芯片1在内部具有例如IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor， 绝缘栅双极型晶体管)、功率MOS(Metal Oxide Semiconductor，金属氧化物半导体)晶体管以及功率IC(Integrated Circuit，集成电路)等，在半导体芯片1的表面以及背面具有用于将它们驱动的电极。在半导体芯片1的表面形成的电极(以下成为“表面电极”)被设置于半导体芯片1的表面的整体或一部分。表面电极与例如高压侧电源连接。在半导体芯片1的背面形成的电极(以下成为“背面电极”)被设置于半导体芯片1的背面的整体或一部分。背面电极与例如低压侧电源连接。另外，在本说明中设为，表面表示剖面图中的上侧的面，背面表示剖面图中的下侧的面。半导体芯片1与引线框2的底座(bed)部21接合。
引线框2是固定有半导体芯片1的金属制的板状部件，具备底座部21、接线柱(post)部22、23。如图1(A)所示，底座部21以及接线柱部22、23分别具备用于将半导体芯片1和外部配线连接的外引线24。此外，如图1(B)所示，引线框2的底座部21的背面从密封部4露出。
在底座部21(晶片焊盘(die pad))的表面搭载有半导体芯片1。半导体芯片1通过接合部51而与底座部21的表面接合。接合部51通过导电性的接合剂形成，作为接合剂，使用例如焊料或含银的导电性的树脂。通过用导电性的接合部51将底座部21的表面和半导体芯片1的背面进行接合，将底座部21和半导体芯片1的背面电极电连接。由此，将底座部21的与外引线24连接的外部配线(例如低压侧电源)和半导体芯片1的背面电极电连接。
如上述那样，底座部21由于是金属制的，因此与树脂相比热传导率较高，此外背面从密封部4露出。根据本实施方式，由于能够经由这样构成的底座部21将由半导体芯片1产生的热散热，因此能够使半导体装置的散热性提高。
接线柱部22经由连接器3而与半导体芯片1的表面电极电连接。接线柱部22经由外引线24而与外部配线连接。接线柱部22与底座部21分离而设置。
接线柱部23与半导体芯片1的控制电极电连接。半导体芯片1的控制电极通过与接线柱部23电连接，而与接线柱部23的与外引线24连接的外部配线(例如控制电路)电连接。半导体芯片1的控制电极和接线柱部23 能够通过引线、连接器等任意的连接端子来进行电连接。接线柱部23与底座部21以及接线柱部22分离而设置。
另外，底座部21以及接线柱部22、23只要相互绝缘即可，例如也可以在底座部21与接线柱部22、23之间埋入绝缘性的树脂。
连接器3是用于将半导体芯片1的表面电极与接线柱部22电连接的金属制的板状部件。连接器3将半导体芯片1的表面电极和接线柱部22电连接，从而半导体芯片1的表面电极和接线柱部22的与外引线24连接的外部配线(例如高压侧电源)被电连接。
连接器3由例如铜、镀镍后的铜、镀银后的铜、镀金后的铜、铜合金、或铝等金属材料形成。由此，与由铝、金、铜等金属材料形成的引线相比，连接器3呈现良好的低导通电阻性，并且呈现与接合剂的高粘着性。连接器3具备芯片接合部31、接线柱接合部32、连结部33。
芯片接合部31的背面通过接合部52而与半导体芯片1的表面接合。接合部52通过导电性的接合剂形成，作为接合剂，使用例如焊料或含银的导电性的树脂材料。通过用导电性的接合部52将芯片接合部31和半导体芯片1的表面接合，将芯片接合部31和半导体芯片1的表面电极电连接。
如图1所示，芯片接合部31配置为覆盖半导体芯片1的表面的全部或一部分，并形成为比接线柱接合部32以及连结部33厚以使表面积变大。此外，芯片接合部31的表面的至少一部分从密封部4露出。
如上述那样，芯片接合部31由于是金属制的，所以与树脂相比热传导率较高，此外通过形成得厚而具有较大的表面积，另外表面从密封部4露出。根据本实施方式，能够经由这样构成的芯片接合部31将由半导体芯片1产生的热散热，从而能够使半导体装置的散热性提高。
另外，如图2所示那样，芯片接合部31可以形成得比半导体芯片1的表面更大。根据这种构成，能够进一步增大芯片接合部31的表面积，使半导体装置的散热性进一步提高。
此外，芯片接合部31可以形成为背面的中央部与外周部相比变薄。例如，如图3所示，通过在芯片接合部31的背面的中央部形成凹部34，能够减薄中央部的厚度。通过这种构成，抑制热处理(后述的回流焊处理、树脂成形)时产生的芯片接合部31的翘曲。由此，能够使半导体装置的平面 度提高，抑制裂缝等的问题，使半导体装置的可靠性提高。
接线柱接合部32通过接合部53而将背面与引线框2的接线柱部22的表面接合。接合部53通过导电性的接合剂形成，作为接合剂，使用例如焊料或含银的导电性的树脂材料。通过用导电性的接合部53将接线柱接合部32和接线柱部22接合，从而将接线柱接合部32和接线柱部22电连接。接线柱接合部32配置为，覆盖接线柱部22的表面的全部或一部分。
连结部33是将芯片接合部31与接线柱接合部32之间连结的部分。连结部33能够形成为可将芯片接合部31和接线柱接合部32连接的任意的形状。例如，如图4所示，连结部33形成为比接线柱接合部32薄，以使在连结部33的背面与接线柱接合部32的背面之间形成台阶的方式，与接线柱接合部32连接。通过这种构成，在后述的回流焊处理时，熔融后的接合剂绕到该台阶部分而将接线柱接合部32接合，因此能够使接线柱接合部32的接合强度提高。
另外，如图5所示，连接器3也可以在侧面的至少一部分上通过滚花加工等形成有凹凸。在连接器3的侧面形成凹凸时，通过锚定效应，连接器3与密封部4的粘着性增加，能够使半导体装置的对于耐湿性及温度冲击的可靠性提高。
密封部4形成为覆盖半导体芯片1的整体，从外力或外部气体保护半导体芯片1，并构成半导体装置的框体。密封部4以连接器3的芯片接合部31从表面露出、引线框2从背面露出、外引线24从侧面突出的方式通过绝缘性的树脂被形成。
接着，参照图6来说明本实施方式的半导体装置的制造方法。这里，图6是表示本实施方式的半导体装置的制造方法的说明图，图6(A)～图6(D)表示各工序中的半导体装置的剖面图。
首先，在引线框2的底座部21的表面的规定的位置，涂敷焊料膏或含银的树脂膏等的接合剂，在该接合剂上载置半导体芯片1。接着，通过回流焊处理将半导体芯片1接合到底座部21。即，在载置着半导体芯片1的状态下进行加热，使接合剂熔融，通过热量排除使接合剂凝固。由此，形成接合部51，通过接合部51将半导体芯片1接合到底座部21的表面(参照图6(A))。
接着，在半导体芯片1的表面的规定的位置以及引线框2的接线柱部22的表面的规定的位置，涂敷焊料膏或含银的树脂等的接合剂，在该接合剂上载置连接器3。接着，通过回流焊处理将连接器3接合。即，在载置着连接器3的状态下进行加热，使接合剂熔融，通过热量排除使接合剂凝固。由此，形成接合部52、53，通过接合部53将接线柱接合部32接合到接线柱部22，通过接合部52将芯片接合部31接合到半导体芯片1的表面。
接着，将图6(B)的状态的半导体装置导入到铸型模具而进行树脂成形。即，以覆盖半导体芯片1的整体的方式通过绝缘性的树脂进行密封(参照图6(C))。在图6(C)中，连接器3、引线框2的底座部21以及接线柱部22、23通过密封部4被整体覆盖，引线框2的外引线24从密封部4的侧面突出。
通过使用例如CMP(Chemical Mechanical Polishing，化学机械抛光)法对这样形成的密封部4的表面以及背面进行研磨，来制造图1所示的本实施方式的半导体装置。密封部4的表面被研磨直至连接器3的芯片接合部31的表面的至少一部分露出，密封部4的背面被研磨直至引线框2的底座部21的背面的至少一部分露出。
这样，通过在树脂成形后对密封部4的表面以及背面进行研磨，能够使密封部4的平面度提高，将密封部4的表面侧以及背面侧的应力减少。由此，能够使半导体装置的可靠性提高。
此外，优选的是，密封部4的研磨速度(进给速度)在芯片接合部31(底座部2)的表面从密封部4露出的前后发生变化。例如，在芯片接合部31(底座部2)从密封部4露出之前以第一进给速度进行研磨。接着，在芯片接合部31(底座部2)从密封部4露出后，以比第一进给速度慢的第二进给速度进行研磨。进而，使进给速度为0而进行研磨。
这样，通过使研磨速度变化，能够缩短研磨时间，并且抑制半导体表面(背面)的损伤及粗糙化、密封部4的角(corner)的俯仰(日语：ピッチング)，以及填料(filler)的脱落，使半导体装置的外观的成品率提高。
如以上说明的那样，根据本实施方式，由半导体芯片1产生的热经由连接器3的芯片连结部31而被散热。芯片连结部31形成得厚，以使表面积变大，表面从密封部4露出，是热传导性高的金属制的部件。此外，由 半导体芯片1产生的热经由引线框2的底座部2而被散热。底座部2的背面从密封部4露出，是热传导性高的金属制的部件。根据以上的构成，本实施方式的半导体装置具有较高的散热性。
从而，本实施方式的半导体装置能够作为被要求高散热性的具备IGBT、功率MOS晶体管以及功率IC等的功率模块而适当地利用。
另外，半导体装置能够是具备多个半导体芯片的构成。例如，能够适用具备高压侧的半导体芯片和低压侧的半导体芯片，经由连接器3将2个半导体芯片连接而得到的变换器等。
此外，可以在连接器3的芯片接合部31上设置散热器。芯片接合部31从密封部4的表面露出，因此能够使其与散热器直接接触。由此，能够使半导体装置的散热性进一步提高。
进而，能够在本实施方式的半导体装置的制造方法中，省略在引线框2的底座部21上涂敷了接合剂后的回流焊处理，将该回流焊处理与用于接合连接器3的回流焊处理一并进行。
此外，还能够在本实施方式的半导体装置的制造方法中，将芯片接合部31的表面以及底座部2的背面的至少一方以不被密封部4覆盖的方式进行树脂成形。通过这种构成，能够削减上述的研磨工序，或者进行简单化。
(第2实施方式)
接着，参照图7来说明第2实施方式的半导体装置。本实施方式的半导体装置在引线框2的接线柱部22与连接器3的接线柱接合部32的接合面的外周部的一部分，形成有防沾润(对应日语：濡れ)部61。关于其他的构成以及制造方法由于与第1实施方式相同而省略说明。
防沾润部61是以熔融后的接合剂的沾润性变差(接触角变小)的方式被加工的部分，防沾润部61例如能够通过激光加工引线框2的接线柱部22的表面以及连接器3的接线柱接合部32的背面来形成。通过激光加工而在加工部位形成的氧化膜与周围相比，沾润性变差，因此作为防沾润部61来发挥作用。
例如如图7(A)所示，防沾润部61在接线柱部22与接线柱接合部32的接合面的长边以及短边部分分别形成为直线状。通过将防沾润部61这样形成，回流焊处理时，熔融后的接合剂向接合面的外侧的流出被止住。使 熔融后的接合剂止住所需的防沾润部61的宽度，按照熔融后的接合剂的粒径以及流动性而变化，但是优选的是例如设为30μm以上。在防沾润部61的宽度为30μm以上的情况下，即使是沾润性良好的接合剂也能够将向接合面的外侧的流出止住。
防沾润部61在接合面的长边以及短边形成为直线状的情况下，优选的是在该接合面的角部分不形成防沾润部61。通过在角部分不设置防沾润部61，能够将接合剂所含的空隙(气泡)从该角部分向接合面的外侧排出。在接合剂是将一般所使用的Sn作为基材(base)的焊料的情况下，焊料所含的空隙的总的尺寸不足短边的10％。因此，为了将这种空隙排出，优选的是角部分的长度例如设为接合面的短边的长度的10％以上。防沾润部61的长度及配置等的设计能够按照接合面的电压特性及面积来任意地选择。优选的是，形成于接线柱部22的表面的防沾润部61和形成于接线柱接合部32的背面的防沾润部61采用相同的设计。
根据本实施方式，在用于将接线柱部22和接线柱接合部32接合的回流焊处理时，由熔融后的接合剂沾润的接合面的位置以及面积被防沾润部61限定。由此，能够抑制接线柱接合部32的接合位置的位置偏离，并且抑制在接合面所形成的接合部53的厚度的偏差，以在连接器3不产生倾斜的方式将接线柱接合部32接合。从而，能够抑制裂缝的产生和可靠性的降低等的问题。
此外，在对接线柱部22的表面涂敷了过量接合剂的情况、或在接合剂中含有空隙(气泡)的情况下，过量的接合剂或空隙从没有形成上述防沾润部61的部分(角部分)向接合面的外侧释放。从而，根据本实施方式，还能够抑制因所涂敷的接合剂的量或所含有的空隙引起的连接器3的位置偏离及倾斜。
另外，在本实施方式中，防沾润部61可以仅设置在接线柱部22的表面以及接线柱接合部32的背面的任意一方。此外，也可以在引线框2的底座部21的表面设置防沾润部62。该情况下，如图7(A)所示，防沾润部62形成于半导体芯片1的背面与引线框2的底座部21的表面的接合面的外周部的一部分。由此，能够抑制半导体芯片1的接合位置的位置偏离及倾斜。
对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为例子而提出的，并没有意图限定发明的范围。这些实施方式可以以其他各种方式进行实施，在不超出发明主旨的范围内，可进行各种省略、调换以及变更。这些实施方式及其变形包括在发明的范围和主旨内，同样，也包括在权利要求所记载的发明和与其等同的范围内。