JP2011091259A - 半導体モジュールおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁層の一面上にリードフレームを設け、そのリードフレームに回路素子を搭載し、絶縁層の他面を露出させるように、これらを樹脂でモールドしてなる半導体モジュールにおいて、当該半導体モジュールを絶縁層の他面側にて、グリースを介して筐体に接続する際に、より低い荷重でグリースを薄くできるようにする。
【解決手段】樹脂４０から露出する絶縁層１０の他面のうちリードフレーム（２０）の素子搭載部２１と同じ位置には、回路素子３０、３１の熱を放熱するための凸部１１、５１が設けられており、絶縁層１０の他面において凸部１１、５１の周囲が凸部１１、５１よりも凹んだ凹部１２、５２とされている。
【選択図】図１

Description

本発明は、絶縁層の一面上にリードフレームを設け、そのリードフレームに回路素子を搭載し、絶縁層の他面を露出させるように、これらを樹脂でモールドしてなる半導体モジュール、および、そのような半導体モジュールの製造方法に関する。

従来より、この種の半導体モジュールとしては、特許文献１に記載のものが提案されている。このものは、電気絶縁性且つ熱伝導性を有する絶縁層と、その絶縁層の一面に設けられ、発熱する回路素子を搭載する素子搭載部を含む形状にパターニングされた金属製のリードフレームと、素子搭載部に搭載された回路素子と、絶縁層の一面側に設けられてリードフレームおよび回路素子を封止する樹脂とを備え、絶縁層の他面側を樹脂より露出させ当該他面側にて放熱を行うようにしたものである。

特に、特許文献１では、絶縁層として、溶射によるセラミック膜を用いており、この溶射を用いた方法は、成膜速度が高く、簡便であるという利点がある。そして、この特許文献１では、リードフレームのうち回路素子の搭載面とは反対側の面、および、この面と同一平面に位置する樹脂を覆うように絶縁層を成膜し、絶縁性を確保している。

特許第４０２３３９７号公報

上記したような半導体モジュールは、一般的に、樹脂より露出する放熱面である絶縁層の他面にて、シリコングリースや接着剤などを介して、筐体に設置される。そして、半導体モジュールの熱を当該筐体に放熱するようにしている。

このようにシリコングリースなどを用いる理由は、筐体の表面は凹凸などがあるので、グリースを用いず接触させた場合、微視的にみて放熱面と筐体との間に空隙が存在する状態となり、熱抵抗が高くなってしまうためである。そのため、モジュールと筐体との間に、液状のグリースなどを挿入し、放熱性を高める構造が採られるのである。

しかしながら、このシリコングリースの熱伝導率は一般的には数Ｗ／ｍＫであり、さほど高いものではない。そのため、筐体表面の凹凸を吸収するようにしつつ、モジュールと筐体との間のシリコングリースの厚さを極力薄くする必要がある。

具体的には、半導体モジュールにおける放熱面にシリコングリースを塗付した後、筐体とモジュール間に荷重を印加することでシリコングリースを延ばす。それにより、余分なグリースをモジュールの外にはみ出させ、グリースの厚さが薄くなるようにする。

ここにおいて、従来の半導体モジュールでは、放熱面のサイズがたとえば数１０ｍｍ角程度の小さいものであり、このようなモジュールでは、グリースを薄くするのに必要な荷重は低いものであった。しかし、最近では放熱面のサイズがたとえば５０ｍｍ角以上である大型の半導体モジュールが求められており、効果的な放熱が可能となるまでグリースの厚さを薄くするためには、より高い荷重を掛ける必要があり、加工コストが増加するという問題があった。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、絶縁層の一面上にリードフレームを設け、そのリードフレームに回路素子を搭載し、絶縁層の他面を露出させるように、これらを樹脂でモールドしてなる半導体モジュールにおいて、当該半導体モジュールを絶縁層の他面側にて、グリースを介して筐体に接続する際に、より低い荷重でグリースを薄くできるようにすることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明においては、回路素子（３０、３１）を搭載するリードフレーム（２０）が絶縁層（１０）の一面に設けられ、樹脂（４０）から露出する絶縁層（１０）の他面のうち素子搭載部（２１）と同じ位置には、回路素子（３０、３１）の熱を放熱するための凸部（１１、５１）が設けられており、絶縁層（１０）の他面において凸部（１１、５１）の周囲が凸部（１１、５１）よりも凹んだ凹部（１２、５２）とされていることを特徴としている。

それによれば、放熱が行われる絶縁層（１０）の他面側において放熱が必要な回路素子（３０、３１）と同じ位置に、放熱用の凸部（１１、５１）を設け、その周囲を凹部（１２、５２）としているため、半導体モジュールを、グリースを介して筐体に接触させて放熱するようにした場合に、凸部（１１、５１）ではグリースが薄くなり、薄くなったことで余分なグリースは、その周囲の凹部（１２、５２）に入ることとなる。

従来のように放熱面の全体が平面である構造では、モジュールの外側に余分なグリースはみ出させる必要があり、大きな荷重が必要であったが、本発明によれば、放熱が必要な回路素子（３０、３１）と同じ位置に設けられた凸部（１１、５１）の周囲を凹部（１２、５２）とすることで、当該余分なグリースを凹部（１２、５２）に効果的にはみ出させることができるため、より低い荷重でグリースを薄くすることができる。

ここで、請求項２に記載の発明のように、請求項１に記載の半導体モジュールにおいては、凸部（５１）の平面形状は、素子搭載部（２１）と同一の平面形状であることが好ましい。

また、請求項３に記載の発明のように、請求項１または請求項２に記載の半導体モジュールにおいては、凸部（５１）は、絶縁層（１０）の他面に設けられた金属層（５０）により形成されたものであり、凹部（５２）は、当該金属層（５０）の周囲に位置する絶縁層（１０）の他面、又は金属層（５０）を減厚することにより形成されたものにできる。

また、請求項４に記載の発明では、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の半導体モジュールにおいて、回路素子（３０、３１）の熱を放熱するための凸部（５１）を第１の凸部（５１）としたとき、絶縁層（１０）の他面のうちリードフレーム（２０）における素子搭載部（２１）以外の部分（２２）と同じ位置には、第１の凸部（５１）と同じ突出高さの第２の凸部（５３）が設けられており、第２の凸部（５３）は平面的に分割された複数の分割部（５３ａ）の集合体よりなるものであって、個々の分割部（５３ａ）における突出先端面の面積は第１の凸部（５１）における突出先端面の面積よりも小さいものとされていることを特徴とする。

それによれば、第１の凸部（５１）だけでなく、第２の凸部（５３）を設けることで、筺体（Ｋ１）と半導体モジュールとの間で半導体モジュールを支持する支持部の数を多くすることができ、半導体モジュールの支持がより安定になる。また、第２の凸部（５３）における個々の分割部（５３ａ）の突出先端面の面積は、第１の凸部（５１）における突出先端面の面積よりも小さいから、グリースを薄く広げるための荷重の増大化を抑制するという点で好ましい。

また、請求項５に記載の発明のように、請求項１に記載の半導体モジュールにおいては、絶縁層（１０）の他面自身が凹凸形状をなす凹凸面とされることにより、凸部（１１）および凹部（１２）が形成されているものであってもよい。

この場合、請求項６に記載の発明のように、絶縁層（１０）の一面に接触する樹脂（４０）が絶縁層（１０）の一面に接触するリードフレーム（２０）よりも凹んでおり、絶縁層（１０）の他面自身が当該樹脂（４０）およびリードフレーム（２０）による凹凸形状を承継した凹凸面とされることにより、凸部（１１）および凹部（１２）が形成されているものにできる。

さらに、請求項７に記載の発明のように、請求項６に記載の半導体モジュールにおいては、絶縁層（１０）は溶射により形成されたセラミック膜であることが好ましい。絶縁層（１０）を溶射により形成すれば、樹脂（４０）に熱ダメージを与えることなく低温で絶縁層（１０）を形成することができ、好ましい。

さらに、請求項８に記載の発明のように、請求項７に記載の半導体モジュールにおいては、樹脂（４０）を、シリカよりなるフィラーが含有された樹脂材料により構成されたものとし、溶射により形成されたセラミック膜としての絶縁層（１０）の内部の気孔が、シリカ系の化合物を含む封孔剤により埋められていることが好ましい。

それによれば、シリカよりなるフィラーが含有された樹脂（４０）に対して、絶縁層（１０）をとシリカ系の化合物を含むものとすることで、絶縁層（１０）および樹脂（４０）の両者ともにシリカ系の成分を含むものとなるから、当該両者の密着性が優れたものとなり、熱衝撃等による当該両者の剥離も抑制することが可能となる。

ここで、請求項９に記載の発明のように、請求項８に記載の半導体モジュールにおけるシリカ系の化合物としては、アルコキシシラン化合物を採用できる。

また、請求項１０に記載の発明は、絶縁層（１０）と、絶縁層（１０）の一面に設けられ回路素子（３０、３１）を搭載する素子搭載部（２１）を含む形状にパターニングされたリードフレーム（２０）とを備え、素子搭載部（２１）に回路素子（３０、３１）が搭載されており、絶縁層（１０）の一面側では、リードフレーム（２０）および回路素子（３０、３１）が樹脂（４０）によって封止されており、絶縁層（１０）の他面側は樹脂（４０）より露出し当該他面側にて放熱を行うようになっており、
絶縁層（１０）の他面のうち素子搭載部（２１）と同じ位置には、回路素子（３０、３１）の熱を放熱するための凸部（１１）が設けられており、絶縁層（１０）の他面において凸部（１１）の周囲が凸部（１１）よりも凹んだ凹部（１２）とされており、
絶縁層（１０）の一面に接触する樹脂（４０）が絶縁層（１０）の一面に接触するリードフレーム（２０）よりも凹んでおり、絶縁層（１０）の他面自身が当該樹脂（４０）およびリードフレーム（２０）による凹凸形状を承継した凹凸面とされることにより、凸部（１１）および凹部（１２）が形成されている半導体モジュールを製造する半導体モジュールの製造方法であり、さらに、以下の各工程を含むものである。

・素子搭載部（２１）を含む形状にパターニングされたリードフレーム（２０）を形成し、素子搭載部（２１）に回路素子（３０、３１）を搭載し、リードフレーム（２０）および回路素子（３０、３１）を樹脂（４０）によって封止する工程。

・その後、樹脂（４０）およびリードフレーム（２０）のうち絶縁層（１０）の一面側に位置する部位に対して、ショットブラスト処理を行うことにより、リードフレーム（２０）における当該処理面および樹脂（４０）における当該処理面を粗化するとともに、リードフレーム（２０）の当該処理面よりも樹脂（４０）の当該処理面の方が凹んだものとする工程。

・その後、リードフレーム（２０）における当該処理面および樹脂（４０）における当該処理面に対して、絶縁層（１０）を形成する工程。本発明の製造方法は、これら各工程を含むものである。それによれば、上記請求項６に記載したような構成を有する半導体モジュールを適切に製造することができる。

また、請求項１１に記載の発明では、請求項１０に記載の半導体モジュールの製造方法において、絶縁層（１０）は溶射により形成されたセラミック膜として形成することを特徴としている。

このように絶縁層（１０）を溶射により形成すれば、上述したように、樹脂（４０）に熱ダメージを与えることなく低温で絶縁層（１０）を形成することができ、好ましい。

さらに、請求項１２に記載の発明では、請求項１１に記載の半導体モジュールの製造方法において、樹脂（４０）を、シリカよりなるフィラーが含有された樹脂材料により形成し、溶射により形成されたセラミック膜としての絶縁層（１０）に、シリカ系の化合物を含む封孔剤を浸透させ、当該絶縁層（１０）の内部の気孔を前記封孔剤により埋めるようにしたことを特徴としている。

それによれば、上述したように、絶縁層（１０）および樹脂（４０）の両者ともにシリカ系の成分を含むものとなり、当該両者の密着性が優れ、熱衝撃等による当該両者の剥離の抑制が可能となる。

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

（ａ）は本発明の第１実施形態に係る半導体モジュールの概略断面図であり、（ｂ）は（ａ）中の半導体モジュールと筐体との界面部分の拡大図である。 第１実施形態に係る半導体モジュールの製造方法を示す工程図である。 本発明の第２実施形態に係る半導体モジュールの概略断面図である。 第２実施形態に係る半導体モジュールの製造方法を示す工程図である。 第２実施形態の他の例としての半導体モジュールの要部を示す概略断面図である。 本発明の他の実施形態に係る半導体モジュールの要部を示す概略断面図である。 本発明の他の実施形態に係る半導体モジュールの要部を示す概略断面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
図１（ａ）は本発明の第１実施形態に係る半導体モジュールＳ１の概略断面構成を示す図であり、図１（ｂ）は（ａ）中の半導体モジュールＳ１と筐体Ｋ１との界面部分を拡大して示す図である。ここでは、半導体モジュールＳ１は筺体Ｋ１上に搭載された状態で示されている。

本実施形態の半導体モジュールＳ１は、大きくは、絶縁層１０と、絶縁層１０の一面に設けられた金属製のリードフレーム２０と、絶縁層１０の一面側にてリードフレーム２０上に搭載された回路素子３０、３１と、絶縁層の一面側にてリードフレーム２０および回路素子３０、３１を封止する樹脂４０とを備えて構成されている。

本実施形態の半導体モジュールＳ１では、絶縁層１０の一面（図１（ａ）中の上面）にリードフレーム２０が貼り付けられ、絶縁層１０の他面（図１（ａ）中の下面）に、金属層５０が貼り付けられてなる３層構造の積層基板が構成されている。なお、この金属層５０の詳細については後述する。

絶縁層１０としては、電気絶縁性且つ熱伝導性を有する絶縁材料よりなるものであればよく、たとえばＡｌＮ（窒化アルミニウム）やアルミナやＳｉＮ（窒化シリコン）などが挙げられる。また、リードフレーム２０および金属層５０としては、銅やアルミニウムおよびそれらの合金などの金属材料よりなるものが挙げられる。

ここでは当該積層基板は、ＡｌＮの板よりなる絶縁層１０の一面に銅箔よりなるリードフレーム２０、他面に銅箔よりなる金属層５０がそれぞれ、ろう付けなどにより貼り付けられた銅／ＡｌＮ／銅の積層構成とされている。そして、各層１０、２０、５０の厚さは、たとえば、リードフレーム２０および金属層５０がそれぞれ、０．３ｍｍ、絶縁層１０が０．８ｍｍである。

また、絶縁層１０の一面に設けられたリードフレーム２０は、絶縁層１０の一面上にて、素子搭載部２１を含む形状、つまり、素子搭載部２１とそれ以外の部位２２とからなる形状に、平面的にパターニングされている。

この素子搭載部２１は、駆動時に発熱する回路素子３０、３１を搭載するものであり、回路素子３０、３１は、はんだや導電性接着剤などの図示しないダイボンド材を介して素子搭載部２１上に接続されている。また、本実施形態では、リードフレーム２０のうち素子搭載部２１と分離された素子搭載部２１以外の部位２２は、回路素子３０、３１や外部接続用端子６０が接続される電極部２２として構成されている。

ここで、回路素子３０、３１は駆動時に発熱するものであり、パワートランジスタなどが挙げられる。限定するものではないが、図１（ａ）に示される例では、図中の右側の回路素子３０が、□１０ｍｍで厚さ０．２ｍｍの正方形板状をなすパワー素子３０であり、図中の左側の回路素子３１が、□８ｍｍで厚さ０．１５ｍｍの正方形板状をなす駆動用ＩＣ３１である。

そして、各回路素子３０、３１は、それぞれワイヤボンディングなどにより形成されたアルミニウムや金などよりなるワイヤ３２を介して、電極部２２に電気的に接続されている。なお、各回路素子３０、３１と電極部２２との電気的接続はワイヤ３２以外のものであってもよい。また、図１に示されるように、電極部２２には、銅などの導電性金属などよりなる外部接続用端子６０が電気的に接続されているが、この外部接続用端子６０は外部と電気的な接続が行われるものである。

そして、各回路素子３０、３１はワイヤ３２および電極部２２を介して互いに電気的に接続されて回路を構成するとともに、外部接続用端子６０を介して外部と電気的に接続されるようになっている。そして、絶縁層１０の一面側では、リードフレーム２０および回路素子３０、３１、さらにはワイヤ３２および外部接続用端子６０が、樹脂４０によって包み込まれるように封止されている。

この樹脂４０としては、一般的なモールド材料が採用できるが、ここでは、リードフレーム２０を構成する銅と熱膨張係数を近づけるために、シリカよりなるフィラーが含有されたエポキシ樹脂などの樹脂材料よりなるものであり、たとえば、その熱膨張係数は１４ｐｐｍ／℃程度である。そして、このような樹脂４０は、たとえば金型を用いたトランスファーモールド法などにより成形される。

ここで、外部接続用端子６０の一部は、外部との接続を行うために、樹脂４０より突出し外部に露出している。また、図１に示されるように、絶縁層１０の他面側は樹脂４０で被覆されずに樹脂４０より露出している。これは、回路素子３０、３１から発生する熱を、この絶縁層１０の他面側にて放熱するためである。

具体的には、本半導体モジュールＳ１は、図１に示されるように、アルミニウムや銅などの熱伝導性に優れた材料よりなる筺体Ｋ１に搭載されて使用される。ここで、上述したように、筐体Ｋ１の表面の凹凸を吸収して熱抵抗を低減するために、絶縁層１０の他面側と筺体Ｋ１との間にシリコングリースなどよりなるグリースＫ２を介在させている。これにより、回路素子３０、３１の熱は、絶縁層１０の他面側から筺体Ｋ１に放熱される。

ここにおいて、本実施形態の半導体モジュールＳ１では、絶縁層１０の他面に設けられている金属層５０も平面的にパターニングされており、絶縁層１０の他面においては金属層１０の存在する部分を凸とし、金属層１０が存在しない部分を凹とする凹凸形状が形成されている。

具体的には、図１に示されるように、絶縁層１０の他面のうち素子搭載部２１と同じ位置には、回路素子３０、３１の熱を放熱するための第１の凸部５１が設けられている。そして、絶縁層１０の他面において第１の凸部５１の周囲は、当該第１の凸部５１よりも凹んだ凹部５２とされている。

この第１の凸部５１の平面形状は、絶縁層１０の一面および他面の法線方向から視て、素子搭載部２１と同一の平面形状であることが好ましいが、第１の凸部５１の方が素子搭載部２１よりも若干大きいものであってもよいし、若干小さいものであってもよい。

たとえば、素子搭載部２１の平面形状が矩形ならば、第１の凸部５１の平面形状は、これと同一サイズ・同一形状の矩形であるか、または、一回り大きい、もしくは、一回り小さい矩形とすることができる。

なお、本実施形態では、素子搭載部２１と電極部２２とが分離している場合は、回路素子と電極部２２とはワイヤ３２にて導通するが、たとえば回路素子３０として縦型に電流を流すようなＩＧＢＴ素子などを用いる場合は、素子搭載部２１は電極となり、電極部２２とは繋がっている。このような場合でも、回路素子下で放熱に寄与する実効的な領域を素子搭載部２１とし、電極部２２と接続されている部分も含めて凸部５１を形成することで同様な効果を得ることができる。

さらに、本実施形態では、絶縁層１０の他面のうちリードフレーム２０における素子搭載部２１以外の部分と同じ位置、すなわちリードフレーム２０における電極部２２と同じ位置には、第１の凸部５１と同じ突出高さの第２の凸部５３が設けられている。この第２の凸部５３も上記金属層５０の存在する凸部分として構成されるものである。

そして、この第２の凸部５３は、平面的に分割された複数の分割部５３ａの集合体よりなる。そして、本実施形態では、個々の分割部５３ａにおける突出先端面の面積を、第１の凸部５１における突出先端面の面積よりも小さいものとしている。

ここで、第１の凸部５１における突出先端面、分割部５３ａにおける突出先端面は、それぞれグリースＫ２を介して筺体Ｋ１に接触する面であり、その形状は、実質的に第１の凸部５１の平面形状、分割部５３ａの平面形状と同一である。

たとえば、この第１の凸部５１における突出先端面が矩形であり、第２の凸部５３は複数の分離された平面矩形状の分割部５３ａの集合体である場合、個々の分割部５３ａにおける当該矩形の面積を、第１の凸部５１における当該矩形の面積よりも小さくするようにしている。

このように、本実施形態では、凸部５１、５３は、絶縁層１０の他面に設けられた金属層５０により形成されたものであり、その凸部５１、５３以外の凹部５２は、当該金属層５０の周囲に位置する絶縁層１０の他面により形成されたものとしている。

そして、本実施形態によれば、放熱が行われる絶縁層１０の他面側において放熱が必要な回路素子３０、３１と同じ位置に、放熱用の第１の凸部５１を設け、その周囲を凹部５２としているため、図１（ｂ）に示されるように、半導体モジュールＳ１を、グリースＫ２を介して筐体Ｋ１に接触させて放熱するようにした場合に、第１の凸部５１ではグリースＫ２が薄くなり、薄くなったことで余分なグリースＫ２は、その周囲の凹部５２に入ることとなる。

ここで、従来のように放熱面の全体が平面である構造では、グリースを薄くするためにはモジュールの外側に余分なグリースはみ出させる必要があり、大きな荷重が必要であった。しかし、本実施形態によれば、放熱が必要な回路素子３０、３１と同じ位置に設けられた第１の凸部５１の周囲を凹部５２とすることで、当該余分なグリースＫ２を凹部５２に効果的にはみ出させることができるため、より低い荷重でグリースＫ２を薄くすることができる。

また、本実施形態においては、絶縁層１０の他面のうち素子搭載部２１と同じ位置に回路素子３０、３１の放熱用の第１の凸部５１を設けただけで、第２の凸部５３は無い構成であってもよい。

しかし、この場合、筺体Ｋ１上における半導体モジュールＳ１の支持が安定しない可能性がある。つまり、筺体Ｋ１におけるモジュール搭載面に対して半導体モジュールＳ１が傾いて搭載され、絶縁層１０の他面と筺体Ｋ１におけるモジュール搭載面との平行度が確保されない可能性がある。

その点、第１の凸部５１だけでなく、リードフレーム２０のうち素子搭載部２１以外の部位である電極部２２においても、これ対応して第２の凸部５３を設ければ、筺体Ｋ１と半導体モジュールＳ１との間で半導体モジュールＳ１を支持する支持部の数を多くすることができ、半導体モジュールＳ１の支持がより安定になる。

また、第２の凸部５３の突出先端面の面積が、第１の凸部５１における突出先端面の面積よりも大きいものであると、凸部５３の面積が支配的になり、グリースＫ２を薄く広げるための荷重が非常に大きくなる可能性がある。

その点、本実施形態では、第２の凸部５３をさらに細分化し、第２の凸部５３を平面的に分割された分割部５３ａの集合体とし、個々の分割部５３ａの突出先端面の面積を、第１の凸部５１における突出先端面の面積よりも小さいものとしているから、上記荷重の増大化の抑制が図れるという利点がある。もちろん、上記荷重を適切な範囲にとどめることができるならば、第２の凸部５３は分割されずに、たとえば電極部２２と同一の平面形状をなす単一のものであってもよい。

また、上述したように、第１の凸部５１の平面形状は、素子搭載部２１と同一の平面形状であるが、第１の凸部５１の方が素子搭載部２１よりも若干大きいものであってもよい。この場合、上記グリースＫ２を薄く広げるための荷重があまり大きくならない程度に第１の凸部５１を大きくすることによって、その放熱面積が大きくなり、放熱性の向上が期待できる。

一方、第１の凸部５１を素子搭載部２１よりも若干小さいものとする場合には、放熱効果が多少減少するものの、上記グリースＫ２を薄く広げるための荷重を低くするという点では、効果的である。

次に、本実施形態の半導体モジュールＳ１の製造方法について述べておく。図２は、本製造方法を示す工程図であり、各ワークを断面的に示したものである。

まず、絶縁層１０の一面にリードフレーム２０となる金属箔、他面に金属層５０となる金属箔が、それぞれろう付けなどにより接合された積層基板を用意する。たとえば、厚さ０．３ｍｍの銅箔、厚さ０．８ｍｍのＡｌＮ板、厚さ０．３ｍｍの銅箔よりなる３層の積層基板を用意する。

その後、図２（ａ）に示されるように、リードフレーム２０となる金属箔の表面に、素子搭載部２１および電極部２２を作るためのパターンを有するレジストを形成し、続いて、エッチング液にてエッチング処理する。それにより、素子搭載部２１および電極部２２を有するリードフレーム２０を形成する。

次に、図２（ｂ）に示されるように、積層基板の反対面側の金属層５０となる金属箔についても、上記凸部５１、５３および凹部５２を作るためのパターンを有するレジストを形成し、続いて、エッチング液にてエッチング処理する。それにより、上記凸部５１、５３の形状を有する金属層５０を形成する。

次に、図２（ｃ）に示されるように、リードフレーム２０における素子搭載部２１上にパワー素子３０、駆動ＩＣ３１を、電極部２２上に外部接続用端子６０をそれぞれ、図示しないはんだを介して搭載する。ここで、当該はんだとしては、たとえばＳｎ−Ｃｕ系のはんだ材料を用いる。そして、はんだ中のボイド率を軽減するため、真空リフロー槽を用いて、はんだ接合する。また、リードフレーム２０上にて必要部分にワイヤボンディングを行う。

そして、図２（ｄ）に示されるように、このものを樹脂４０により封止する。こうして、本実施形態の半導体モジュールＳ１ができあがる。以上が、本実施形態の半導体モジュールＳ１の製造方法である。

（第２実施形態）
図３は、本発明の第２実施形態に係る半導体モジュールＳ２の概略断面構成を示す図である。以下、本実施形態では、上記第１実施形態と比較しながら、主として上記第１実施形態との相違点を中心に述べることとする。

まず、本実施形態の半導体モジュールＳ２のうち上記第１実施形態と同様の部分について述べておく。図３に示されるように、上記第１実施形態と同様に、絶縁層１０と、絶縁層１０の一面に設けられ素子搭載部２１を含む形状にパターニングされたリードフレーム２０とを備え、素子搭載部２１に回路素子３０、３１を搭載している。

また、リードフレーム２０のうち電極部２２と回路素子３０、３１とはワイヤ３２により結線され電気的に接続されている。なお、図３に示されるように、本実施形態では、外部接続用端子６０は電極部２２と一体化したものであるが、上記図１に示されるように、これら両者２２、６０は、はんだなどで接合された別体のものであってもよい。

また、絶縁層１０の一面側では、リードフレーム２０、回路素子３０、３１、ワイヤ３２、外部接続用端子６０の一部が、樹脂４０によって封止されており、絶縁層１０の他面側は樹脂４０より露出し当該他面側にて放熱を行うようにしている。

そして、上記第１実施形態と同様に、絶縁層１０の他面のうち素子搭載部２１と同じ位置には、回路素子３０、３１の熱を放熱するための第１の凸部１１が設けられており、絶縁層１０の他面において第１の凸部１１の周囲が第１の凸部１１よりも凹んだ凹部１２とされている。

そして、図示しないが、この場合も上記図１と同様に、絶縁層１０の他面と筐体における平坦なモジュール搭載面との間に、グリースを介して、半導体モジュールＳ２を筐体上に搭載する。

次に、本実施形態の半導体モジュールＳ２における上記第１実施形態との相違点を述べる。本実施形態においては、絶縁層１０の他面には、上記図１のような金属層を設けることなく、この絶縁層１０の他面自身を、凹凸形状をなす凹凸面としている。そして、それにより、絶縁層１０の他面における回路素子３０、３１の放熱用の第１の凸部１１、および、その周囲の凹部１２を形成している。

また、本実施形態においても、筐体上における半導体モジュールＳ２の支持の安定化のために、絶縁層１０の他面のうちリードフレーム２０における電極部２２と同じ位置に、第１の凸部１１と同じ突出高さの第２の凸部１３を設けている。しかし、本実施形態では、この第２の凸部１３も、上記金属層ではなく、凹凸面とされている絶縁層１０の他面自身の凸部として構成されている。

この絶縁層１０は、リードフレーム２０における回路素子３０、３１側とは反対側から、当該リードフレーム２０およびリードフレーム２０間にて露出する樹脂４０を被覆するように、溶射にて成膜されたものである。そして、絶縁層１０の他面自身の凹凸形状は、その下地のリードフレーム２０および樹脂４０の形状を承継したものである。

具体的には、図３に示されるように、絶縁層１０の一面に接触する樹脂４０が絶縁層１０の一面に接触するリードフレーム２０よりも凹んでいる。つまり、絶縁層１０の一面と樹脂４０およびリードフレーム２０との界面は、樹脂およびリードフレームにより形成される凹凸形状の面とされている。

そのため、この凹凸形状の面に成膜された絶縁層１０の他面も、当該凹凸形状を承継して凹凸形状をなす面、すなわち、当該凹凸形状における段差形状および平面形状をそのまま承継した凹凸面とされている。そして、この凹凸面である絶縁層１０の他面自身の凸部および凹部によって、凸部１１、１３および凹部１３が構成されているのである。

ここで、本実施形態の絶縁層１０は、溶射により形成されたセラミック膜であるが、ここでは、アルミナ膜よりなる。溶射法は、材料を加熱・溶解し、被着体に吹き付け皮膜を形成する表面処理法である。この溶射法は、成膜速度が高く、一方、成膜時の温度が１５０℃以下であるため、樹脂４０を劣化させることなく、成膜を行うことができ、工程の簡便化・低コスト化を実現できる。

また、本実施形態の樹脂４０も、シリカよりなるフィラーが含有された樹脂材料により構成されたものであるが、本実施形態では、さらに、溶射により形成されたセラミック膜としての絶縁層１０の内部の気孔が、シリカ系の化合物を含む封孔剤により埋められていることが好ましい。このシリカ系の化合物としては、具体的にはアルコキシシラン化合物などが挙げられる。

次に、本実施形態の半導体モジュールＳ２の製造方法について述べておく。図４は、本製造方法を示す工程図であり、各ワークを断面的に示したものである。

まず、図４（ａ）に示されるように、銅板などをエッチングやプレスなどによりパターニングすることによって、素子搭載部２１を含む形状にパターニングされたリードフレーム２０を形成する。ここではリードフレーム２０は、素子搭載部２１、電極部２２および外部接続用端子６０がパターニングや折り曲げ加工などにより形成されたものとする。

そして、図４（ａ）に示されるように、素子搭載部２１に回路素子３０、３１を搭載する。ここでは、リードフレーム２０における素子搭載部２１上にパワー素子３０、駆動ＩＣ３１を、図示しないはんだを介して搭載する。

当該はんだとしては、たとえばＳｎ−Ｃｕ系のはんだ材料を用い、上記同様、はんだ中のボイド率を軽減するため、真空リフロー槽を用いて、はんだ接合する。また、リードフレーム２０上にて必要部分にワイヤボンディングを行う。

そして、図４（ｂ）に示されるように、絶縁層１０の一面側にて、リードフレーム２０および回路素子３０、３１、さらには、ワイヤ３２、外部接続用端子６０の一部を、樹脂４０によって封止する。

ここでは、リードフレーム２０における回路素子搭載面とは、反対側の面が露出するように封止を行う。その際、リードフレーム２０を構成する銅の熱膨張係数に近づけるように、樹脂４０としてはシリカ材を含ませたエポキシ樹脂、たとえば熱膨張係数が１４ｐｐｍ程度のものを用いるのがよい。

次に、図４（ｃ）に示されるように、樹脂４０およびリードフレーム２０のうち絶縁層１０の一面側に位置する部位に対して、ショットブラスト処理を行う。つまり、リードフレーム２０が露出している樹脂４０の面側にて、リードフレーム２０の当該露出部分および樹脂４０に対して、ショットブラスト処理を行う。

ここで、ショットブラストとは、金属やセラミックなどよりなる投射材と呼ばれる粒体（いわゆるブラスト粒）を被着体に衝突させ、処理面の粗化や汚れ除去などを行うものである。

本製造方法では、後工程にて溶射により絶縁層１０を形成するが、溶射により形成される膜は一般的に、化学的な接着力は無く、機械的なアンカー効果を発揮するための凹凸を下地に形成して密着強度を得ることが必要である。そのため、このショットブラスト処理を実施し、リードフレーム２０にミクロ的な凹凸を形成するのである。

このとき、樹脂４０はリードフレーム２０よりもエッチングレートが早いため、リードフレーム２０間に位置する樹脂４０は、リードフレーム２０よりも深くエッチングされ、凹部となる。

このようにして、本製造方法では、上記ショットブラスト処理により、リードフレーム２０における当該処理面および樹脂４０における当該処理面を粗化するとともに、リードフレーム２０の当該処理面よりも樹脂４０の当該処理面の方が凹んだものとされる。

その後、本製造方法では、図４（ｄ）に示されるように、リードフレーム２０における上記ショットブラストの処理面および樹脂４０における同処理面に対して、これら処理面を被覆するように、溶射により絶縁層１０を形成する。

ここでは、絶縁層１０としては、アルミナ粉末を用いたプラズマ溶射法にてアルミナ膜を０．１５ｍｍの厚さに形成する。こうして、絶縁層１０が完成するが、本実施形態では、さらに、この溶射により形成されたセラミック膜としての絶縁層１０に、シリカ系の化合物を含む封孔剤を浸透させ、当該絶縁層１０の内部の気孔を封孔剤により埋める工程、すなわち、封孔剤処理工程を行う。

この封孔剤処理工程を行うのは、溶射は成膜速度が大きく簡便な成膜方法ではあるが、成膜されたセラミック膜の内部には、多数の気泡などが存在するため、もれ電流が多く、このままでは絶縁性が悪い状況となりやすいことによる。

具体的には、封孔剤処理工程では、常温にて、アルコキシシラン化合物を用いた無機シリカ系の封孔剤を、溶射により形成された絶縁層１０の表面に対してスプレーや刷毛などにより塗付する。アルコキシシラン化合物は、非常に表面張力が低いことから、絶縁層１０の内部まで浸透する。

その後、２００℃にて熱処理することで封孔剤を硬化させる。このような封孔剤を用いることで、絶縁層１０の内部の気孔が激減し、もれ電流が抑制され、絶縁性を飛躍的に高めることができる。こうして、本実施形態の半導体モジュールＳ２ができあがる。以上が、本実施形態の半導体モジュールＳ２の製造方法である。

ところで、本実施形態によっても、放熱が行われる絶縁層１０の他面側において放熱が必要な回路素子３０、３１と同じ位置に、放熱用の第１の凸部１１を設け、その周囲を凹部１２としているため、半導体モジュールＳ２を、グリースを介して筐体に接触させて放熱するようにした場合に、より低い荷重でグリースを薄くすることができる。

また、本実施形態においても、絶縁層１０の他面のうち素子搭載部２１と同じ位置に回路素子３０、３１の放熱用の第１の凸部１１を設けただけで、第２の凸部１３は無い構成であってもよいが、好ましい形態として第２の凸部１３を設けることで、半導体モジュールＳ２の支持がより安定になる。

また、上記製造方法における封孔剤処理においては、封孔剤として用いられるアルコキシシラン化合物の熱伝導率が低いため、封孔剤を絶縁層１０の内部だけに浸透させることが望ましい。

しかしながら、溶射により形成される絶縁層１０の膜厚ばらつきなどを考慮すると、封孔剤は多めに塗付する必要がある。そのため、仮に絶縁層１０の他面が平坦面であると、絶縁層１０の内部だけでなく、その他面上にも封孔剤が厚く形成されてしまい、放熱性の低下を招く可能性がある。

このような問題に対して、本実施形態では、絶縁層１０の他面を上記凸部１１、１３および凹部１２を有する凹凸面とすることで、上記可能性を排除するようにしている。つまり、用いられる封孔剤は極めて表面張力が低く浸透性が高いことから、絶縁層１０の他面の凸部１１、１３の先端面に付いた余分な封孔剤は、その周囲の凹部１２に集まるため、余分な封孔剤が除去され、放熱性を高めることが可能となる。

また、溶射により形成されたセラミック膜としての絶縁層１０に対して上記封孔剤処理を行うことは、上述した気泡を埋めてもれ電流を軽減するという効果以外にも、次に述べるような効果も発生させる。

上述したように、樹脂４０は、エポキシ樹脂などにシリカ材を混入した樹脂材料を用いることにより、リードフレーム２０を構成する銅に対して熱膨張係数を近づけるのが一般的である。そして、このような樹脂４０上に、溶射によるセラミック膜としての絶縁層１０を形成するためには、上述のように、ショットブラスト処理により表面に凹凸を形成し、機械的な密着力を持たせるようにする。

しかし、樹脂４０は、リードフレーム２０とは異なり、延性材料ではないことから、ショットブラストによる凹凸形状が付きづらく、絶縁層１０との密着力が弱いという問題がある。そのため、たとえば車載環境などの厳しい温度環境では、モジュールの端部などにおいて、樹脂４０上の絶縁層１０が、その端から剥がれ、絶縁特性を劣化させるという問題がある。

これに対して、本実施形態のように、アルコキシシラン化合物を用いたシリカ系の封孔剤を絶縁層１０に浸透させれば、絶縁層１０および樹脂４０の両者ともにシリカ系の成分を含むものとなるから、互いのシリカ成分が効果的に接合して両者の密着性が優れたものとなる。そのため、本実施形態によれば、熱衝撃等による樹脂４０と絶縁層１０との剥離を防止し、冷熱ストレスを大幅に向上させることができる。

なお、本実施形態における溶射により形成されたセラミック膜よりなる絶縁層１０として、アルミナ膜を例に挙げたが、これに限定されるものではなく、絶縁膜として機能するものであればよい。たとえば、その他の絶縁層１０の例として、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、マグネシアスピネル（Ａｌ_２Ｏ_３・ＭｇＯ）などが挙げられる。

また、本実施形態における絶縁層１０の形成方法として、溶射法を例に挙げたが、これに限定されるものではなく、その他には、たとえばＡＤ（エアロゾルデポジション）法など、樹脂を劣化させることなく、形成できるものであれば何でもよい。

また、封孔剤としては、極めて表面張力が低く且つ浸透性に優れたアルコキシシラン化合物の例を挙げたが、溶射により形成されたセラミック膜としての絶縁層１０の内部の気泡を埋めるものであれば何でもよい。

さらに上述した絶縁層１０と樹脂４０との剥離防止のために、好適には、封孔剤としては樹脂４０との密着性が高い材料が望ましい。例えば、樹脂４０がシリカ球を内在した樹脂よりなるものであれば、シリカ球と密着力の高い材料を封孔剤として用いることが好ましい。

また、図５は、本第２実施形態の他の例としての半導体モジュールの要部を示す概略断面図である。ここでは、リードフレーム２０の断面形状を半導体モジュールの外側から内部に向かって拡がる台形状となるように、リードフレーム２０の側面をテーパ面としている。このようなテーパ面を付けることで、絶縁層１０を成膜する際にリードフレーム２０の側面に絶縁層１０が形成しやすくなり、好ましい。

さらに、ショットブラスト処理により形成される樹脂４０の凹部の深さについては、電気的な絶縁性の問題から、リードフレーム２０の厚さよりも浅くすることが好ましい。これは、リードフレーム２０の厚さよりも深くすると、リードフレーム２０と樹脂４０と境界部で、樹脂４０の所でテーパではなく、垂直形状になってしまうことから、絶縁膜１０を形成しにくくなるためである。

（他の実施形態）
図６は、本発明の他の実施形態に係る半導体モジュールの要部としての絶縁層１０およびリードフレーム２０の概略断面構成を示す図である。この図６の場合、上記第２実施形態と同様に、積層基板はリードフレーム２０と絶縁層１０との２層構造である。

この場合も、絶縁層１０の他面には、上記図１のような金属層を設けることなく、絶縁層１０の他面自身を、凹凸形状をなす凹凸面とすることにより、回路素子３０、３１の放熱用の凸部１１、および、その周囲の凹部１２を形成している。ただし、ここでは、エッチングなどにより凹凸形状とすることで絶縁層１０の他面を凹凸面としている。

図７は、本発明の他の実施形態に係る半導体モジュールの要部としての絶縁層１０、リードフレーム２０、金属層５０の概略断面構成を示す図である。この図７の場合、上記第１実施形態と同様に、積層基板はリードフレーム２０と絶縁層１０と金属層５０の３層構造である。

この場合、具体的には、絶縁層１０を絶縁フィルムより構成し、これに銅箔よりなる金属層５０を貼り付けたものを、さらにリードフレーム２０に貼り付けた構成とすることができる。そして、この場合は、金属層５０の面をエッチングなどによって凹凸面とすることで、上記同様に凸部５１、５３および凹部５２を形成している。このように、凸部５１は、絶縁層１０の他面に設けられた金属層５０により形成されたものであり、凹部５２は、当該金属層５０を減厚することにより形成されたものとしてもよい。

また、樹脂４０から露出する絶縁層１０の他面のうち素子搭載部２１と同じ位置に凸部１１、５１が設けられ、絶縁層１０の他面において凸部１１、５１の周囲が凹部１２、５２とされているものであればよく、当該凸部や凹部の構成は上記各実施形態に限定されるものではない。

また、リードフレーム２０は素子搭載部２１を含む形状にパターニングされたものであり、上記各実施形態では、リードフレーム２０における素子搭載部２１以外の部位としては電極部２２を示したが、特に電極部２２に限定されるものではなく、それ以外の部位であってもよい。たとえば、ほとんど発熱しないような部品を搭載する部分などであってもよい。

１０ 絶縁層
１１、５１ 第１の凸部
２０ リードフレーム
２１ 素子搭載部
２２ リードフレームにおける素子搭載部以外の部分としての電極部
３０ 回路素子としてのパワー素子
３１ 回路素子としての駆動ＩＣ
４０ 樹脂
５０ 金属層
１２、５２ 凹部
５３ 第２の凸部
５３ａ 分割部

Claims (12)

1. 電気絶縁性且つ熱伝導性を有する絶縁層（１０）と、
   前記絶縁層（１０）の一面に設けられた金属製のリードフレーム（２０）とを備え、
   前記リードフレーム（２０）は、発熱する回路素子（３０、３１）を搭載する素子搭載部（２１）を含む形状にパターニングされたものであり、
   前記素子搭載部（２１）に前記回路素子（３０、３１）が搭載されており、
   前記絶縁層（１０）の一面側では、前記リードフレーム（２０）および前記回路素子（３０、３１）が樹脂（４０）によって封止されており、
   前記絶縁層（１０）の他面側は前記樹脂（４０）より露出し当該他面側にて放熱を行うようにした半導体モジュールにおいて、
   前記絶縁層（１０）の他面のうち前記素子搭載部（２１）と同じ位置には、前記回路素子（３０、３１）の熱を放熱するための凸部（１１、５１）が設けられており、前記絶縁層（１０）の他面において前記凸部（１１、５１）の周囲が前記凸部（１１、５１）よりも凹んだ凹部（１２、５２）とされていることを特徴とする半導体モジュール。
2. 前記凸部（５１）の平面形状は、前記素子搭載部（２１）と同一の平面形状であることを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
3. 前記凸部（５１）は、前記絶縁層（１０）の他面に設けられた金属層（５０）により形成されたものであり、前記凹部（５２）は、当該金属層（５０）の周囲に位置する前記絶縁層（１０）の他面、又は金属層（５０）を減厚することにより形成されたものであることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体モジュール。
4. 前記回路素子（３０、３１）の熱を放熱するための前記凸部（５１）を第１の凸部（５１）としたとき、
   前記絶縁層（１０）の他面のうち前記リードフレーム（２０）における前記素子搭載部（２１）以外の部分（２２）と同じ位置には、前記第１の凸部（５１）と同じ突出高さの第２の凸部（５３）が設けられており、
   前記第２の凸部（５３）は平面的に分割された複数の分割部（５３ａ）の集合体よりなるものであって、個々の前記分割部（５３ａ）における突出先端面の面積は前記第１の凸部（５１）における突出先端面の面積よりも小さいものとされていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の半導体モジュール。
5. 前記絶縁層（１０）の他面自身が凹凸形状をなす凹凸面とされることにより、前記凸部（１１）および前記凹部（１２）が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
6. 前記絶縁層（１０）の一面に接触する前記樹脂（４０）が前記絶縁層（１０）の一面に接触する前記リードフレーム（２０）よりも凹んでおり、
   前記絶縁層（１０）の他面自身が当該樹脂（４０）およびリードフレーム（２０）による凹凸形状を承継した凹凸面とされることにより、前記凸部（１１）および前記凹部（１２）が形成されていることを特徴とする請求項５に記載の半導体モジュール。
7. 前記絶縁層（１０）は溶射により形成されたセラミック膜であることを特徴とする請求項６に記載の半導体モジュール。
8. 前記樹脂（４０）は、シリカよりなるフィラーが含有された樹脂材料により構成されたものであり、
   前記溶射により形成されたセラミック膜としての前記絶縁層（１０）の内部の気孔が、シリカ系の化合物を含む封孔剤により埋められていることを特徴とする請求項７に記載の半導体モジュール。
9. 前記シリカ系の化合物は、アルコキシシラン化合物であることを特徴とする請求項８に記載の半導体モジュール。
10. 電気絶縁性且つ熱伝導性を有する絶縁層（１０）と、
    前記絶縁層（１０）の一面に設けられた金属製のリードフレーム（２０）とを備え、
    前記リードフレーム（２０）は、発熱する回路素子（３０、３１）を搭載する素子搭載部（２１）を含む形状にパターニングされたものであり、
    前記素子搭載部（２１）に前記回路素子（３０、３１）が搭載されており、
    前記絶縁層（１０）の一面側では、前記リードフレーム（２０）および前記回路素子（３０、３１）が樹脂（４０）によって封止されており、
    前記絶縁層（１０）の他面側は前記樹脂（４０）より露出し当該他面側にて放熱を行うようになっており、
    前記絶縁層（１０）の他面のうち前記素子搭載部（２１）と同じ位置には、前記回路素子（３０、３１）の熱を放熱するための凸部（１１）が設けられており、前記絶縁層（１０）の他面において前記凸部（１１）の周囲が前記凸部（１１）よりも凹んだ凹部（１２）とされており、
    前記絶縁層（１０）の一面に接触する前記樹脂（４０）が前記絶縁層（１０）の一面に接触する前記リードフレーム（２０）よりも凹んでおり、
    前記絶縁層（１０）の他面自身が当該樹脂（４０）およびリードフレーム（２０）による凹凸形状を承継した凹凸面とされることにより、前記凸部（１１）および前記凹部（１２）が形成されている半導体モジュールを製造する半導体モジュールの製造方法であって、
    前記素子搭載部（２１）を含む形状にパターニングされたリードフレーム（２０）を形成し、
    前記素子搭載部（２１）に前記回路素子（３０、３１）を搭載し、前記リードフレーム（２０）および前記回路素子（３０、３１）を前記樹脂（４０）によって封止した後、
    前記樹脂（４０）および前記リードフレーム（２０）のうち前記絶縁層（１０）の一面側に位置する部位に対して、ショットブラスト処理を行うことにより、前記リードフレーム（２０）における当該処理面および前記樹脂（４０）における当該処理面を粗化するとともに、前記リードフレーム（２０）の当該処理面よりも前記樹脂（４０）の当該処理面の方が凹んだものとし、
    その後、前記リードフレーム（２０）における当該処理面および前記樹脂（４０）における当該処理面に対して、前記絶縁層（１０）を形成することを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
11. 前記絶縁層（１０）は溶射により形成されたセラミック膜として形成することを特徴とする請求項１０に記載の半導体モジュールの製造方法。
12. 前記樹脂（４０）を、シリカよりなるフィラーが含有された樹脂材料により形成し、
    前記溶射により形成されたセラミック膜としての前記絶縁層（１０）に、シリカ系の化合物を含む封孔剤を浸透させ、当該絶縁層（１０）の内部の気孔を前記封孔剤により埋めるようにしたことを特徴とする請求項１１に記載の半導体モジュールの製造方法。

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