CN105097754B - 树脂封装型功率用半导体装置以及其制造方法 - Google Patents

Abstract

得到一种树脂封装型功率用半导体装置以及树脂封装型功率用半导体装置的制造方法，在防止导线之间的短路并确保适当的绝缘距离的同时，实现小型化。树脂封装型功率用半导体装置(20)具有：半导体元件(3)；用于向半导体元件(3)通电的引线框(2)；以及将半导体元件(3)和引线框(2)连接的多个导线(7)，半导体元件(3)、引线框(2)以及多个导线(7)被模塑树脂封装，多个导线(7)并列地排列为，在与模塑树脂(15)的流动方向交叉的方向上延伸，在该树脂封装型功率用半导体装置(20)中，流动方向的下游侧的导线(7)的配线长度，大于或等于流动方向的上游侧的导线(7)的配线长度。

Description

树脂封装型功率用半导体装置以及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种树脂封装型的功率用半导体装置以及树脂封装型功率用半导体装置的制造方法，涉及一种确保内在环形导线的可靠性的方法。

背景技术

作为现有的半导体装置，已知将内置基板和引线框之间利用粗铝导线连接的构造(例如参照专利文献1)。

专利文献1：日本特开2013－175609号公报

作为FA(Factory automation)仪器的一个例子，可以举出逆变器、伺服放大器以及可编程逻辑控制器。在FA仪器用的功率用半导体装置中，存在以下的课题。多台FA仪器在控制板中沿水平方向排列，但如果横宽为例如10mm宽，则在排列10台仪器的情况下，存在控制板的宽度延伸为100mm的不良影响。在FA仪器的形态中，存在被称为书架型的、将厚度变薄的类型。书架型的FA仪器符合用户的小型化需求，但对于书架型的FA仪器来说，厚度大这一点成为特别大的课题。

因此，存在下述期望，即，将在FA仪器中使用的功率用半导体装置自身的宽度也尽可能缩小。

在制造树脂封装型功率用半导体装置时，如果将在引线框的各处设置的电极和基板利用导线连接，并从水平方向向配置于模具内的引线框以及基板注入模塑树脂，则在模具内模塑树脂沿水平方向流动。模塑树脂在流动时处于液化状态，但如果液化的树脂从与导线的延伸方向垂直的方向与导线碰撞，则发生使导线变形的导线冲歪现象。

在由于导线冲歪而使不同电压的导线彼此接触或无法确保耐电压方面所需的绝缘距离的情况下，发生短路故障或者泄漏故障，因此产生下述问题，即，需要繁杂的检查工序，或对能够确保可靠性的期间产生制约等。

因此，在树脂封装型功率用半导体装置中，为了防止导线短路，确保适当的绝缘距离，必须确保导线之间的间隔大于或等于一定距离，妨碍了树脂封装型功率用半导体装置的小型化。

发明内容

本发明就是鉴于上述情况而提出的，其目的在于，得到一种在防止导线之间的短路并确保适当的绝缘距离的同时，实现小型化的树脂封装型功率用半导体装置以及树脂封装型功率用半导体装置的制造方法。

为了解决上述课题，实现目的，本发明的树脂封装型功率用半导体装置具有并列地配置的多个导线，多个导线与半导体元件一起由模塑树脂封装，该树脂封装型功率用半导体装置的特征在于，多个导线沿模塑树脂的流动方向排列，流动方向的下游侧的导线的配线长度，大于或等于流动方向的上游侧的导线的配线长度。

发明的效果

根据本发明，具有下述效果，即，即使导线变形，也不会与下游侧的导线接触，能够防止短路，并且能够确保适当的绝缘距离。

附图说明

图1是本发明所涉及的树脂封装型功率用半导体装置的实施方式1的剖面图。

图2是实施方式1所涉及的树脂封装型功率用半导体装置的俯视图。

图3是实施方式1所涉及的树脂封装型功率用半导体装置的俯视图。

图4是导线的放大图。

图5是从导线环看起来呈直线的方向示出了导线倾倒的过程的图。

图6是表示本发明所涉及的功率用半导体装置的实施方式2的导线的图。

图7是表示交替地调换一次连接和二次连接而配线后的状态的图。

图8是用于制造实施方式4所涉及的功率半导体装置的模塑模具的剖面图。

图9是表示完成模塑树脂的注入后的状态的图。

图10是表示向原本存在可动销的空间中填充树脂后的状态的图。

图11是表示模塑树脂填充前后的导线形状的图。

图12是导线的剖面图。

标号的说明

1基板，2引线框，3半导体元件，4、5、6电极，7导线，7a一次连接侧，7b二次连接侧，7c顶部，8可动销，9绝缘包覆层，10模具，11上模具，12下模具，13空腔，14可动销驱动机构，15模塑树脂，16绝缘片，17金属基座，20树脂封装型功率用半导体装置。

具体实施方式

下面，基于附图，详细说明本发明所涉及的功率用半导体装置的实施方式。此外，本发明并不受本实施方式限定。

实施方式1

图1是本发明所涉及的树脂封装型功率用半导体装置的实施方式1的剖面图。图2是实施方式1所涉及的树脂封装型功率用半导体装置的俯视图。在树脂封装型功率用半导体装置20中，用于支撑固定半导体元件3并与外部配线连接的引线框2配置为，不与基板1立体地干涉。在引线框2配置有半导体元件3。在引线框2的配置半导体元件3的部位的相反面，配置绝缘片16以及金属基座17，半导体元件3的发热经由金属基座17而散热。设置于半导体元件3的电极4或基板1的电极5与设置于引线框2的电极6之间，利用多个导线7连接。作为导线7的材质，虽然按照标准来说，能够以常温接合的铝的作业性优异，但铜或者铜和铝的复合材料也能够作为导线7的材料使用，除此之外，也可以将其他金属或者金属的组合物作为导线7的材料使用。

基板1、引线框2、半导体元件3以及导线7由模塑树脂15封装。在图2中，以箭头A表示利用模塑树脂15进行树脂封装时的流动方向。

图3是实施方式1所涉及的树脂封装型功率用半导体装置的俯视图，示出了注入模塑树脂15之前的状态。模塑前的导线7大致平行地配置，在模塑树脂15的流动方向上的上游侧配置有较短的导线7，在下游侧配置有较长的导线7。因此，在着眼于相邻的2个导线7的情况下，下游侧的导线7的配线长度大于或等于上游侧的导线7的配线长度。

在利用模塑树脂15进行模塑时，导线7受到模塑树脂15流动的影响，如图2所示，以描绘出向下游侧凸出的弧形的方式变形。对于在各导线7因模塑树脂15而发生了变形的情况下的移动量，导线7越短移动量越小，导线7越长移动量越大，因此，在注入模塑树脂15后，导线7间的距离变宽。

在实施方式1中，通过将导线7配置为，在模塑树脂15的流动方向上的上游侧配置较短的导线7，在下游侧配置较长的导线7，从而防止短路以及导线7间的距离的不必要的减少。由此，能够提高树脂封装型功率用半导体装置20的成品率。

图4是导线的放大图。由导线7将半导体元件3的电极4a、4b和基板1的电极5之间连接。图4右侧为模塑树脂15注入中的上游，左侧为下游。将半导体元件3配置为，从上游至下游为止导线7依次变短。虽然导线7因模塑树脂15的流动而变形，但由于在模塑树脂15的流动的上游侧较短，在下游侧较长，因此防止导线7间的距离变得过短。与图4所示的例子相反地，在上游配置有较长的导线7而在下游配置有较短的导线7的情况下，较长的导线7的移动距离比短的导线7的移动距离大，因此，产生导线7间的距离不必要地变小的风险，无法使树脂封装型功率用半导体装置20小型化。

对导线7的移动距离的大小实施了实验验证。首先，针对导线7的变形所需的力，在由于向水平方向的流动而使导线7成为弓形形状为止所需的力，在φ300μm的铝导线的情况下，为0.4mN～1mN，非常小。对于导线7，如果开始施加力，则最初进行弹性变形，但如果进一步施加力，则开始塑性变形。如果一旦导线7的塑性变形开始，则导线7直至成为一样的弓形形状为止，不停止变形。在导线7变形至成为一样的弓形形状时所形成的弧形形状，成为在导线7的整体长度上使大致相同半径的弧形发生倾倒的形状。

图5是从导线环看起来呈直线的方向示出了导线倾倒的过程的图。图的右侧是模塑树脂15注入中的上游，左侧是下游。由于模塑树脂15的流动而产生粘性阻力，向导线7施加与流动平行的方向的力F。导线7的根部发生塑性变形，逐渐地使导线7不断倾倒。随着导线7倾倒，相对于由于模塑树脂15而产生的粘性阻力的方向，产生将导线7拉伸的方向的分力Fa和倾倒方向的分力Fb。

如果导线7不断倾倒，则要使导线7倾倒的方向的分力Fb变小，在分力Fb变小至连接部的根部成为弹性范围为止时，达到饱和。在分力Fb变小至连接部的根部成为弹性范围为止的状态下，存在下述倾向，即，即使是相同的导线环高度，从铅垂方向观察，全长越长的导线7，导线7倾倒的距离越大。其原因在于，导线7的连接部的根部发生塑性变形，使导线7成为弧形发生了倾倒的形状，但导线长度越短，越进一步成为弹性变形范围，倾倒的幅度变窄，导线长度越大，倾倒的幅度越大。

即，通过将导线7的排列如图4所示配置为，从模塑树脂15的上游侧至下游侧为止，导线长度变大，从而成为导线7间的间隙进一步变宽的方向，只要确保最小限度的空间即可，因此，能够使树脂封装型功率用半导体装置进一步小型化。

导线7的全长是由导线7的水平方向的长度和导线环高度决定的。如果导线长度大于或等于20mm，则导线7的移动特别大，但由于导线环高度受到模塑模具厚度的制约，所以基本上成为相同的高度，具体地说，成为2mm～4mm左右。即，如果导线7与模具上表面接触，则产生导线7因摩擦而不被冲歪的现象，由于导线7的移动量会因是否与模具上表面接触而大幅度地变化，所以难以控制，并且在与模具接触的情况下，作为配线部件的铝导线在功率用半导体装置的上表面露出，因此，产品成为不良品。因此，导线7相对于模具上表面需要一定程度的间隙。

导线7的环高度具有机械上的再现性，通常在进行实验验证时能够实现落在±0.2mm左右范围内的精度。但是，在导线的供给系统中使用的树脂部件，具体地说，被称为导线引导部的部件，它们由于在将导线送出时的磨损而导致摩擦阻力变化。此外，导线引导部是在工具前端开设有引导导线的孔的部件或者使导线穿过的树脂套管。即，导线环高度通常在±0.2mm的范围内变化，但从长期看会产生±0.5mm左右的变化。

由此，对于导线环高度，相对于模具上表面最少必须确保与0.5mm+绝缘上所需的树脂厚度对应的距离。在环氧树脂的情况下，通过确保例如0.2mm左右的树脂厚度，从而在上表面没有导电性接触物的情况下，能够确保绝缘性，因此，优选需要确保合计值大于或等于0.7mm的间隙。即，对于导线环高度存在制约，无法实现自由的高度，因此，必须意识到上述制约而设定高度。

对于相邻的长度不同的导线7组，即使存在与模塑树脂15的流动相伴的导线7的变形，只要将与相邻的导线7之间的距离确保为大于或等于导线环高度，则能够避免相邻的导线7彼此接触。即，如果能够空出彼此不干涉的最低限度的导线7冲歪距离的间隙，则即使配置多组，也能够发挥相同的效果。

实施方式2

图6是表示本发明所涉及的功率用半导体装置的实施方式2的导线的图。在本实施方式中，对于相邻的导线7，使一次连接侧7a和二次连接侧7b的排列方向，即拉出导线环的方向一致。即，使多个导线7的从一次连接侧7a向二次连接侧7b的朝向一致。

弧形形状是受导线环高度和导线长度的影响而决定的。另外，导线环的高度，实际上是通过对导线接合装置的头部的轨迹进行NC(Numerical Control)控制而加工出的。通常的轨迹是，在对一次连接侧7a进行接合后，垂直地使工具移动，在成为预先设定的高度后，一边拉出导线一边水平移动，在水平移动完成后使工具下降至二次连接的高度。在使工具水平地移动的过程中，导线7的一次连接的部位被固定，并且从此处，使得连结该部位与导线接合工具所附带的导线引导部之间的线略呈曲线状地延伸而拉出导线7。

首先，在进行一次连接后，工具以及导线引导部垂直地上升。在工具以及导线引导部垂直地上升时，导线也被垂直地拉出。在工具以及导线引导部垂直地上升后，随着工具以及导线引导部水平地移动，角度不断变小。工具以及导线引导部水平地移动时的变形，成为从一次连接的区域起连接有导线环的区域间的被称为颈部的、通过一次连接而使得导线7发生了变形且转印出工具形状的区域的端部。随着工具以及导线引导部的移动，颈部发生塑性变形。然后，在朝向二次连接使工具以及导线引导部下降时，从导线引导部至一次连接的根部为止的距离不断变短，但从导线引导部抽出的导线，由于仅被施加不会回缩程度下的张力，所以导线不断松弛。由于导线松弛，在工具以及导线引导部下降至二次连接的高度时形成弧形。导线被抽出最长的长度是大致由从一次连接算起的上升高度和水平方向距离的平方和的平方根决定的。换言之，导线的抽出长度能够通过三平方定理进行计算。

导线7被抽出的长度大于二次连接后的一次连接和二次连接之间的距离，因此，根据二次连接后的一次连接和二次连接之间的距离以及导线7被抽出的长度的差，决定出弧的形状。在一次连接侧7a的根部因塑性变形而变形后，其结果，产生与被称为回弹的弹性变形对应的返回不足，与此相对，在二次连接侧7b，根部形状的塑性变形是通过二次连接而首次产生的，且二次连接后的导线7没有变形，因此不产生回弹，如果将一次连接侧7a的根部和二次连接侧7b的根部进行比较，则形成一次连接侧翘起的不均匀的弧形。即，弧形中最高的顶部7c形成在与弧形中央相比向一次连接侧7a略微偏移的位置处。

如上述所示，导线7的环形状，在一次连接侧7a和二次连接侧7b中，一次连接侧7a的角度更大，因此，通过使拉出导线环的方向一致，从而即使在将相同长度的导线7并列地配线的情况下，也能够使环的顶部7c的位置一致，能够确保导线7间的间隙。即，如图6所示，在使拉出导线环的方向一致而将导线7接合的情况下，能够维持并列间隔，因此能够使相邻的导线7间的距离更近。由此，能够使树脂封装型功率用半导体装置小型化。

图7是表示交替地调换一次连接和二次连接而配线后的状态的图。在交替地调换一次连接侧7a和二次连接侧7b而配线后的情况下，环的顶部7c的位置交替地变化，在间隔紧凑地配置相邻的导线7的情况下，导线7之间的距离变近。因此，为了防止导线7彼此短路，确保绝缘距离，必须将导线7的间隔加宽，妨碍了功率用半导体装置的小型化。

实施方式3

在实施方式3中，对于相邻的导线，将导线环高度设定为，越是位于模塑树脂的流动的下游侧的导线，导线环高度越高。对于使导线环高度对应于每个导线而变更这一点，能够通过NC控制中的一次连接后的上升高度设定而容易地实现。由于越是下游侧的导线越大幅度地倾倒，因此，即使导线倾倒，也是使下游侧的导线远离上游侧的导线。因此，即使将相邻的导线间的配置变得紧凑，也难以引起导线间的接触，因此能够使树脂封装型功率用半导体装置小型化。

实施方式4

图8是用于制造实施方式4所涉及的功率半导体装置的模塑模具的剖面图。模具10是在上模具11和下模具12之间形成空腔13的构造，具有使可动销8从上模具11在空腔13内进出的可动销驱动机构14。

可动销8通过可动销驱动机构14而下降，以在模塑树脂15注入前向空腔13内突出。

可动销8配置在相邻的导线7之间。在可动销8下降至空腔13内的状态下注入模塑树脂15，但由于位于可动销8的上游侧的导线7与可动销8接触，所以在与可动销8抵接的部位处，不会被向与可动销8接触的部位的下游侧冲歪。即，导线7形成将由一次连接部和可动销8限定的弧形、以及由可动销8和二次连接部限定的弧形组合而成的形状。由于下游侧的导线7不与可动销8抵接，所以进一步被向下游侧冲歪。由此，不会使导线7间的距离变窄，因此，能够更高密度地配置导线7。图9是表示模塑树脂15的注入完成后的状态的图。

在树脂注入完成的时刻附近，利用可动销驱动机构14使可动销8上升而从空腔13拔出。

在树脂注入完成，树脂硬化后，从空腔13拔出的情况下，在原本存在可动销8的空间中不存在模塑树脂15，但通过在模塑树脂15的硬化完成之前，将可动销8从空腔13拔出，从而即使非常少量，树脂也具有流动性，因此，向原本存在可动销8的空间中填充树脂。

例如，如果在模塑树脂15注入完成的时刻将可动销8从空腔拔出，则由于持续施加成型压力，因此向原本存在可动销8的空间中填充树脂。图10是表示向原本存在可动销的空间中填充树脂后的状态的图。

图11是表示模塑树脂填充前后的导线形状的图。如图11所示，导线7成为在与可动销8抵接的位置处使弧形凹陷的形状，能够使导线7间的间隙更近。

本实施方式所涉及的功率用半导体，可动销的痕迹残留在与模塑模具上表面接触的面上。如果可动销弯曲，则在将可动销拔出时会折断，因此需要一定程度的强度。具体地说，例如采用直径为2mm的钢铁制等，能够发挥必要的强度。在可动销的正下方没有部件的情况下，能够使销下降至不与功率用半导体装置的配置有功率元件的引线框或者绝缘基板的表面抵接的区域。但是，在使用例如在引线框下方配置树脂绝缘片，在由模塑树脂15进行成型时同时使引线框和绝缘片粘接硬化的工艺进行制造的形式的功率用半导体装置的情况下，产生下述课题，即，如果在模塑树脂15向模具的注入大致完成的时刻将销拔出，则模塑树脂15的压力急剧下降，向绝缘片的加压力降低，无法充分发挥绝缘片的绝缘性。即，为了充分发挥绝缘片的绝缘性和粘接性，必须在使绝缘片在模具内加热软化的期间内，施加模塑树脂15的成型压力，压缩绝缘片。

根据上述工艺，在模塑树脂的表面残留经过上述工序的痕迹。由于可动销的可动体积越大，越会造成压力损失，因此存在不希望增大可动销的移动高度的情况。另外，存在也不希望增大可动销的直径的情况。即，可以说，增大可动销的强度这一点，在使用绝缘片的类型的树脂封装型功率用半导体装置中不是好对策。对于可动销的直径，从上述的2个理由、即销的强度和容积变化的角度出发，直径为1.5mm～3mm之间是合适的。

在不将可动销8从空腔13拔出的情况下，在原本与可动销8接触的部位处导线7露出，因此，与功率用半导体装置的表面的销的痕迹内相接触而使得导线7露出，从绝缘性的角度出发，由于需要增大沿面放电距离，所以不是好对策。通过将可动销8拔出至不与导线7接触的位置，从而能够实现导线7不在可动销8的痕迹区域露出的状态，能够防止导线7的露出。如上述所示，由于具有使可动销下降的工序、注入模塑树脂15的工序、以及在模塑树脂15硬化前拔出可动销的工序，所以能够在模塑树脂15注入时与可动销8接触而支撑导线7，能够确保导线间的距离，因此能够使功率用半导体装置小型化。

实施方式5

在本发明的实施方式5所涉及的功率用半导体装置中使用的导线7具有绝缘包覆层9。图12是导线的剖面图。另外，在导线接合装置中具有将绝缘包覆层9剥离的机构。为了将绝缘包覆层9剥离，而利用与模塑树脂15的成型温度相比熔点以及沸点高、且激光的吸收率高的绝缘性材料构成绝缘包覆层9。向导线接合工具的导线连接部照射激光，通过烧蚀加工而除去包覆层树脂。利用具有如图12所示的绝缘包覆层9的导线7和带绝缘包覆层去除机构的导线接合工具，能够实现使用具有绝缘包覆层9的导线7进行的配线。由此，即使导线7彼此接触，也由于在导线环的中途残留有绝缘包覆层9，因此不会引起导线7之间的短路。因此，即使将相邻的导线间的配置变得紧凑，也难以引起导线7间的接触，因此能够使树脂封装型功率用半导体装置小型化。

工业实用性

如上述所示，本发明所涉及的树脂封装型功率用半导体装置，在确保相邻的导线之间的间隔的同时能够实现小型化这一点上有用。

Claims (5)

1.一种对树脂封装型功率用半导体装置进行制造的制造方法，该树脂封装型功率用半导体装置具有：半导体元件；用于向该半导体元件通电的引线框；以及将所述半导体元件和所述引线框连接的多个导线，所述半导体元件、所述引线框以及所述多个导线被模塑树脂封装，所述多个导线并列地排列为，在与所述模塑树脂的流动方向交叉的方向上延伸，

并列排列的相邻的所述导线的配线长度被设定为，所述流动方向的下游侧的导线的配线长度，大于或等于所述流动方向的上游侧的导线的配线长度，

在该制造方法中，使用具有可动销的上模具、和在与该上模具卡合时在与该上模具之间形成空腔的下模具，该制造方法用于制造树脂封装型功率用半导体装置，该树脂封装型功率用半导体装置构成为利用模塑树脂对通过并列地配置的多个导线而与基板连接的半导体元件进行封装，

该制造方法的特征在于，具有下述工序：

使所述可动销从所述上模具向已配置有所述半导体元件的所述空腔内突出，以使得所述可动销的前端位于所述多个导线之间；

以所述模塑树脂沿所述多个导线的并列方向流动的方式，向所述空腔内注入所述模塑树脂，使所述可动销支撑所述模塑树脂的流动方向的下游侧的导线；以及

在所述模塑树脂的硬化完成之前，将所述可动销收容于所述上模具中并从所述空腔拔出。

2.根据权利要求1所述的对树脂封装型功率用半导体装置进行制造的制造方法，其特征在于，

所述多个导线从一次连接位置向二次连接位置的朝向一致。

3.根据权利要求1所述的对树脂封装型功率用半导体装置进行制造的制造方法，其特征在于，

所述多个导线具有绝缘包覆层。

4.根据权利要求2所述的对树脂封装型功率用半导体装置进行制造的制造方法，其特征在于，

所述多个导线具有绝缘包覆层。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的对树脂封装型功率用半导体装置进行制造的制造方法，其特征在于，

越是所述流动方向的下游侧的导线，导线环高度越高。