JP2011097119A

JP2011097119A - ヒートシンク

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Publication number: JP2011097119A
Application number: JP2011031689A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Fukunaga; 隆博福永
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2011-02-17
Filing date: 2011-02-17
Publication date: 2011-05-12

Abstract

【課題】ヒートシンクの接着面に塗布される極性を有する接着剤が、リードの半田付け時に発生する高熱により融解し、樹脂封止後のヒートシンクにおいて、接着剤による汚染がヒートシンクの周囲に広がるのを防止する。
【解決手段】上下に主表面を有し、一方の主表面が放熱基板と接着させるための接着面74として利用され、もう一方の主表面がリード11に接着されたヒートシン72クであって、ヒートシンク72の樹脂封止される部分が、極性基と無極性基を有する化合物からなる撥水性被膜で被覆されている。
【選択図】図７

Description

本発明は、ヒートシンクに関し、特に樹脂封止されるヒートシンクに関する。

リードは、ＬＥＤ、ＬＳＩなどの半導体素子との電気的接続用部品として用いられ、半導体素子と電気的に接続されたリードは、半導体素子とともに封止樹脂で封止された状態で製品化される。

具体的には、特許文献１に示されるように、半導体素子とリードとが封止樹脂で一体成型される。一体成型は、金型内に、半導体素子が固着されたリードを挿入した後、金型内において、熱硬化性樹脂を射出成型することにより行われる。

図８は、リード２の一部と半導体素子６が樹脂封止される過程を示す図である。図８（ａ）は、リード２を示す。図８（ｂ）は、リード２上に半導体素子６が固着され、リード２と電気的に接続された状態を示す。半導体素子６は、ダイボンディングにより、リード２上に固着され、ワイヤーボンディングにより、リード２と半導体素子６とが電気接続用ワイヤー８で接続される。

図８（ｃ）は、図８（ｂ）の状態のリード２を含む半導体装置中間体を、樹脂封止するために金型に装着した状態を示す。上記半導体装置中間体は、金型１００、１１０を用いて封止樹脂１６０（図８（ｄ）参照）で成型される。封止樹脂１６０の注入は、樹脂注入口１２０から封止樹脂１６０を注入し、空気抜き口１４０から空気を抜き出すことにより行われる。

図８（ｄ）は、封止樹脂１６０で成型後の半導体装置中間体を示す。符号１で示す、リード２の封止樹脂１６０で成型された部分の外側周辺には、上下の金型１００、１１０間に生ずる隙間を介して漏出する封止樹脂１６０による樹脂バリが形成される。

樹脂バリが形成されると、半導体素子とリードとの電気的接続が妨げられ
たり、リードの半田性や外観が著しく損なわれることから、樹脂バリを取り
除くための種々の技術が開示されている。

例えば、液体を高圧噴射する方法、金型の一部を特定の表面粗さに粗面化
処理する方法（特許文献２）などが示されている。

特開平６−６９３６６特開平７−１８３４１６

一方、リードとヒートシンクとが封止樹脂で一体成形される場合、リードの一方の主面にヒートシンクを接着した後（図７（ａ）参照）、ヒートシンクにおける、放熱基板と接着させる主面（以下、「接着面」という。）を除く部分が封止樹脂で樹脂成形され（図７（ｂ）、図7（ｃ）参照）、さらに、リードにおける、ヒートシンクとの接着面と反対側のもう一方の主面に半導体素子が固着され（図７（ｄ））、ヒートシンク付き半導体装置中間体が作成される（図７（ｅ）参照）。

しかしながら、上記のヒートシンクにおいては、作成された半導体装置中間体のリードの半田付け時において、ヒートシンクの接着面に塗布される、放熱性に優れたシリコーン系等の極性を有する接着剤が、半田付け時に発生する高熱により融解して樹脂封止後のヒートシンクにおいて、融解した接着剤が封止樹脂とヒートシンクの表面との間に侵入し、ヒートシンクの周囲が当該接着剤で汚染されてしまうという問題が生じる。

本発明は、上記課題に鑑み、ヒートシンクの接着面に塗布される極性を有する接着剤が、リードの半田付け時に発生する高熱により融解し、樹脂封止後のヒートシンクにおいて、接着剤による汚染がヒートシンクの周囲に広がるのを防止することが可能なヒートシンクを提供することを目的とする。

本発明は、上下に主表面を有し、一方の主表面が放熱基板と接着させるための接着面として利用され、もう一方の主表面がリードに接着されたヒートシンクであって、前記ヒートシンクの樹脂封止される部分が、極性基と無極性基を有する化合物からなる撥水性被膜で被覆されているという構成を備える。

前記ヒートシンクは、前記撥水性被膜で被覆されている部分が樹脂封止されていることとすることができる。又、前記リードにおける、前記主表面との接着面と反対側の面には、さらに、半導体素子が固着されていることとすることができる。

半導体装置１０の断面図である。撥水性被膜で覆われた部分のリード１１の構造を示す断面図である。トリアジンチオール化合物の化学式を示す。撥水性被膜２２を構成する化合物によって、金属被膜２１の表面に形成された自己組織化単分子膜の具体例を模式的に表した図である。撥水性被膜２２の存否による、エポキシ樹脂分子と金属被膜２１との結合様式の相違点を示す模式図である。中空樹脂封止型の半導体装置の製造過程を示す。ヒートシンク付中空半導体装置の製造過程を示す図である。リード２が樹脂封止される過程を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態）
＜構成＞
図１は、本実施の形態における半導体装置１０の断面図である。同図に示す様に、半導体装置１０は、リード１１、半導体素子１２、電気接続用ワイヤー１３、封止樹脂１４から構成される。
（リード１１）
リード１１は、銅、銅合金、鉄、鉄合金などの金属薄板材で構成され、表面が後述する金属被膜２１で覆われている。

リード１１における、図１の符号１５で示す、封止樹脂１４で封止された部分の周辺部分の外表面は、撥水性の有機化合物の被膜（以下、「撥水性被膜」という。）で覆われている。

符号１５で示す部分は、「背景技術」で説明したように、樹脂バリが生ずる部分である。
図２は、撥水性被膜で覆われた部分のリード１１の構造を示す断面図である。

リード１１は、外表面が金属被膜２１と撥水性被膜２２の２層の被膜で覆われている。
金属被膜２１は、例えば、ニッケル、パラジウム、銀、金などの金属をリードの表面にメッキすることにより形成される。

撥水性被膜２２は、金属と結合可能な極性の官能基（例えば、チオール、チオール誘導体、含窒素複素環化合物など）と無極性（疎水性）のアルキル鎖若しくはフルオロアルキル鎖若しくはアリール基若しくはフルオロアリール基とを含む撥水性被膜剤から形成される。

撥水性被膜剤は、例えば、Ｃ_６Ｈ_１３ＳＨ、Ｃ_８Ｈ_１７ＳＨ、Ｃ_１０Ｈ_２１ＳＨ、Ｃ_１２Ｈ_２５ＳＨ、Ｃ_１８Ｈ_３７ＳＨ、Ｃ_６Ｆ_１３ＳＨ、Ｃ_８Ｆ_１７ＳＨ、Ｃ_１０Ｆ_２１ＳＨ、Ｃ_１２Ｆ_２５ＳＨ、Ｃ_１８Ｆ_３７ＳＨ、Ｃ_６Ｈ_５ＳＨ、Ｃ_６Ｆ_５ＳＨから形成される。

又、前記撥水性皮膜剤の末端は、上記のＳＨ基と置き換えて含窒素複素環化合物でもよく、例えば、イミダゾール化合物、トリアゾール化合物、テトラゾール化合物、ジアジン化合物、トリアジン化合物、テトラジン化合物から形成されても良い。

又、図３に示す、含窒素複素環化合物にチオールまたはチオール塩を修飾したトリアジンチオール化合物から形成されることとしてもよい。
図３の（ａ）の化学式において、Ｒは、炭素数１〜１８のアルキル基であることを示し、図３の（ｂ）の化学式において、Ｒ_１、Ｒ_２は、Ｈ又は炭素数１〜８のアルキル基であることを示し、図３の（ａ）、（ｂ）において、Ｘ_１、Ｘ_２は、ＳＨ又はＳＮaであることを示す。

図４は、撥水性被膜２２を構成する化合物によって、金属被膜２１の表面に形成された自己組織化単分子膜の具体例を模式的に表した図である。
図４では、チオール又はチオール誘導体を含む化合物が、チオール（ＳＨ）基（符号４０で示す）を介して金属被膜２１の表面の金属と結合し、それに伴ってアルキル鎖４１が外方に向いた状態で金属被膜２１表面に配列される。

ここで、となり合う化合物同士は、当該化合物の有するアルキル鎖（符号４１で示す）間のファンデルワールス力（符号４２で示す）によって弱く結合している。
このように、自己組織化単分子膜が金属被膜２１の表面上において、高密度に形成され、当該金属被膜２１の表面に、アルキル鎖４１が露出されることにより、撥水性となる。

これにより、封止樹脂の化学構造に含まれる極性基（例えば、封止樹脂として汎用されているエポキシ樹脂の場合には、エポキシ基）が、金属被膜２１の表面の金属と、極性基を介して化学的に結合できなくなり、リード１１における、撥水性被膜２２が形成された領域において封止樹脂の結合力が弱められ、当該領域において樹脂バリが形成された場合においても、容易に取り除くことができる。

図５は、撥水性被膜２２の存否による、エポキシ樹脂分子と金属被膜２１との結合様式の相違点を示す模式図である。
図５（ａ）は、撥水性被膜２２非存在下における、符号５１で示す各エポキシ樹脂分子と、金属被膜２１との結合様式を示す。図５に示すように、各エポキシ樹脂分子５１は、金属被膜２１の表面の金属と、符号５２で示すエポキシ基を介して結合する。

図５（ｂ）は、撥水性被膜２２存在下における、各エポキシ樹脂分子５１と、金属被膜２１との結合様式を示す。撥水性被膜２２存在下では、金属被膜２１表面の、エポキシ基と結合できる金属原子が、撥水性被膜２２に含まれるチオール基４０によって占有され、疎水性のアルキル鎖４１が撥水性被膜２２の表面側に表出されるので、エポキシ基５２は、疎水性のアルキル鎖４１の反発力によって金属被膜２１から遠ざけられ、金属被膜２１表面の金属原子と結合することができず、エポキシ樹脂分子５１の疎水性を有する部位が、表面側に表出されたアルキル鎖４１とエポキシ樹脂分子５１間に働く、（金属原子との結合に比べ）結合力が弱いファンデルワールス力により弱く撥水性被膜２２と結合する。

なお、リード１１の製造工程を簡略化するため、撥水性被膜２２は、リード１１全体に形成することとしてもよい。
（半導体素子１２）
リード１１上に、ダイボンディングされて固定され、電気接続用ワイヤー１３でリード１１の接続部とワイヤーボンディングされて、接続部と電気的に接続されている。
（電気接続用ワイヤー１３）
半導体素子１２とリード１１とを電気的に接続する。

電気接続用ワイヤー１３としては、接続部とのオーミック性、機械的接続性、電気伝導性及び熱伝導性がよいものが望ましい。例えば、金、銅、白金、アルミニウム等及びそれらの合金を用いた導電性ワイヤーを用いることができる。このような導電性ワイヤーは、ワイヤーボンディング機器によって容易に接続部と接続させることができる。
（封止樹脂１４）
半導体素子１２及びリード１１を封止する樹脂であり、例えば、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ポリフタルアミド樹脂、液晶ポリマー（パーフルオロスルホン酸系ポリマー）などから構成される。
＜製法＞
（リード１１のコーティング工程）
銅、銅合金、鉄、鉄合金等の金属薄板材をプレス加工又はエッチング加工してリード１１を形成し、リード１１の表面をニッケル、パラジウム、銀、金などの金属で金属メッキ処理をして、金属被膜２１を形成した後、さらに上記に示す何れかの撥水性被膜剤を用いて、以下に示す条件で表面のコーティング処理を行い、金属被膜２１の上に撥水性被膜２２を形成して、その後、前記撥水性皮膜剤を含有しない水やアルコール等の溶媒により、洗浄する事により、余分な撥水皮膜２２を除去し、リード１１を完成する。

コーティング処理に用いる撥水性被膜剤の濃度は、撥水性被膜剤の種類によって異なるが、概ね0.1mg/L〜100g/Lの範囲内で調製される。
上記撥水皮膜剤の濃度は、低すぎると処理に時間を要し、高すぎても一定以上の効果は期待できず、短分子皮膜が形成されるとそれ以上は皮膜形成反応が進行しない。

撥水性被膜剤を溶解させる溶剤として、水、アルコール類（例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール）、ケトン類（例えば、アセトン、メチルエチルケトン）を用いることができる。望ましくは、親水性、例えば、脱イオン水や純水を用いることができる。

又、金属への皮膜形成を安定させる為に、必要に応じてホウ酸系、リン酸系のpH緩衝剤を添加しても良い。更に、前記撥水性被膜剤の溶解性・分散性を高める為に、必要に応じて、アニオン系、カチオン系、ノニオン系のいずれか、またはこれらの混合物を添加しても良い。

又、コーティング処理は、リード１１を、撥水性被膜剤を溶剤に溶解させた溶液に所定時間、浸漬させることにより行っても良いし、上記溶液を、リード１１に塗布したり、噴霧したりすることによって行うこととしてもよい。

例えば、金属メッキ処理の後、リード１１の図１の符号１５で示す部分に、調整した撥水性被膜剤を塗布又は噴霧することにより、符号１５で示す部分のみに、撥水性被膜を形成させることができる。
（パッケージ工程）
コーティング処理後のリード１１に半導体素子１２を導電性ペースト（銀ペースト）により、リード１１に接着し、ワイヤーボンディング機器を用いて、電気接続用ワイヤー１３をリード１１の接続部にワイヤボンドし、半導体素子１２と接続部とを電気的に接続した後、封止樹脂１４を成型するための金型を用いて、コーティング処理後のリード１１に、封止樹脂１４を成型し、乾式又は湿式ブラスト装置を用いて、樹脂バリを除去するためのブラスト処理を行い、半導体装置１０を完成する。
＜補足＞
（１）本実施の形態に係る撥水性被膜２２で被覆されたリード１１は、図６（ｅ）に示すように、中空樹脂封止型の半導体装置にも適用できる。

具体的には、以下の（イ）〜(ホ)の各工程により、中空樹脂封止型の半導体装置を製造することができる。
(イ)リード１１における樹脂封止が行われる部分の周辺部分（符号６１で示す部分）を、半導体装置１００におけるリード１１のコーティング工程と同様に、コーティング処理して撥水性被膜２２を形成した後、(ロ)コーティング処理後のリード１１を、図６（ｂ）に示す金型３１、３２間に挿入し、樹脂注入口３０からモールド樹脂を注入して、リード１１にモールド樹脂３３を成型し、図６（ｃ）に示すリード１１の樹脂成型体を作成し、(ハ)乾式又は湿式ブラスト装置を用いて、樹脂バリを除去するためのブラスト処理を行った後、(二)図６（ｄ）に示すように、半導体素子１２を導電性ペースト（例えば、銀ペースト）により、リード１１に固着し、ワイヤーボンディング機器を用いて、電気接続用ワイヤー１３をリード１１の接続部にワイヤボンドし、半導体素子１２と接続部とを電気的に接続し、(ホ)最後に図６（ｅ）に示すように、上部の開口部を、樹脂製の蓋３４で封止する。

又、上記のリード１１の樹脂成型体は、ＬＥＤ等の光半導体装置にも適用できる。この場合には、リード１１に発光素子を固着させた後、開口部をエポキシ樹脂やシリコーン樹脂等の透明性の樹脂で樹脂封止して、光半導体装置を作成する。

又、(ハ)のブラスト処理後、リード１１の撥水性被膜２２で被覆された部分を銀や金などの金属でメッキするメッキ処理工程を(二)の工程の前に挿入することとしてもよい。
これにより、上記半導体装置や上記光半導体装置において、リード１１の撥水性被膜２２で被覆された部分の半田性を向上させることができ、プリント基板への固着を容易に行うことができる。

なお、リード１１の製造工程を簡略化するため、撥水性被膜２２は、リード１１全体に形成することとしてもよい。
（２）本実施の形態及び（１）の実施の形態のように、撥水性被膜２２で被覆されたリード１１を用いることで、得られる効果は、撥水性被膜２２が形成された領域において、樹脂バリが形成された場合においても、樹脂バリを容易にとり除けるということだけではなく、リード１１における撥水性被膜２２が形成された領域（以下、「被膜領域」という。）と封止樹脂との間の界面に、封止樹脂が吸湿した水分がたまるのを防止できる。

従って、撥水性被膜２２で被覆されていないリードを用いた場合には、リードの半田付け等の高温処理が行われると、封止樹脂とリードとの間の界面にたまった水分が、蒸発し、界面周辺にクラックが生じやすいのに対し、撥水性被膜２２で被覆されたリードを用いた場合には、上記界面に水分がたまらないので、リードの半田付け等の高温処理が行われても、界面周辺に、封止樹脂が吸湿した水分によるクラックが生ずるのを防止することができる。
（３）本実施の形態に係る撥水性被膜２２は、ヒートシンクを有する半導体装置にも利用することができる。図７は、撥水性被膜２２でコーティングされたヒートシンクを有する中空樹脂封止型の半導体装置（以下、「ヒートシンク付中空半導体装置」という。）の製造過程を示す図である。以下、図７を参照して、ヒートシンク付中空半導体装置の製造方法について説明する。

コーティング処理前のリード１１に、銀ロウを用いて図７（ａ）に示すように、ヒートシンク７２を接着し、接着後のリードーヒートシンク結合体（以下、「結合体」という。）の符号７１で示す部分、すなわち、熱可塑性樹脂により樹脂封止が行われる部分を、半導体装置１００におけるリード１１のコーティング工程と同様に、コーティング処理して、リードとヒートシンクの一部に撥水性被膜２２を形成する。

撥水性被膜２２形成後の製造工程は、図７（ｂ）〜図７（ｅ）に示すように、補足（１）の（ロ）〜(ホ)に記載の製造工程と同じであるので、説明を省略する。
上記製造工程により、製造されたヒートシンク付中空半導体装置においては、リード１１の、封止樹脂で封止されていない、図７（ｅ）の符号７３で示す部分の半田付けにより、放熱基板と接合された際に、図７（ｅ）の符号７４で示す、ヒートシンクと放熱基板（不図示）との接合部に塗布される、放熱性に優れたシリコーン系等の極性を有する接着剤が、半田付け時に発生する高熱により、図７（ｅ）の符号７５で示す、撥水性被膜２２で被覆された部分のヒートシンクの表面と当該表面を覆う封止樹脂との間及び図７（ｅ）の符号７６で示す撥水性被膜２２で被覆された部分のリードと当該部分のリード表面を覆う封止樹脂との間に隙間が入り、それらの隙間を通って上記接合部に塗布された接着剤が毛細管現象により、接合部から半導体素子１２へと流出し、半導体素子１２が接着剤で汚染されるのを防ぐことができる。

すなわち、撥水性被膜２２が極性を有する接着剤と反発し合うことにより、上記隙間に接着剤が接合部から流出されるのを防止することができる。
上記効果は、中空樹脂封止型の半導体装置に限らず、補足（１）に記載のＬＥＤ等の光半導体装置、実施の形態に記載の半導体装置１０においても、同様にヒートシンクを接合して、半導体装置１００におけるリード１１のコーティング工程と同様に、コーティング処理を行うことにより、実現することができる。

本発明は、樹脂封止されるヒートシンクに関する技術として利用できる。

１０半導体装置
２、１１リード
６、１２半導体素子
８、１３電気接続用ワイヤー
１４、１６０封止樹脂
２１金属被膜
２２撥水性被膜
３１、３２、１００、１１０金型
３０、１２０樹脂注入口
３３モールド樹脂
３４樹脂製の蓋
１４０空気抜き口

Claims

上下に主表面を有し、一方の主表面が放熱基板と接着させるための接着面として利用され、もう一方の主表面がリードに接着されたヒートシンクであって、
前記ヒートシンクの樹脂封止される部分が、極性基と無極性基を有する化合物からなる撥水性被膜で被覆されている
ことを特徴とするヒートシンク。
前記ヒートシンクは、前記撥水性被膜で被覆されている部分が樹脂封止されている
ことを特徴とする請求項１記載のヒートシンク。
前記リードにおける、前記主表面との接着面と反対側の面には、さらに、半導体素子が固着されている
ことを特徴とする請求項２記載のヒートシンク。