JP2017208486A - 表面に凹凸を有する金属部材、ヒートスプレッダ、半導体パッケージ及びそれらの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】実用的があり、低コストであり、封止部材との密着力の高い、ヒートスプレッダをはじめとする金属部材及びその製造方法を提供する。【解決手段】金属に対し、第１の所定の曲率を有する複数の第１の凸部を備える第１のパンチによって第１のプレスを行い、第１のプレスと交差する方向に、第１のパンチによって第２のプレスを行い、第２の所定の曲率を有する複数の第２の凸部を備える第２のパンチによって第３のプレスを行い、第３のプレスと交差する方向に、前記第２のパンチによって第４のプレスを行う。【選択図】図６

Description

本発明は、表面に凹凸を有する金属部材、ヒートスプレッダ、半導体パッケージ及びそれらの製造方法に関する発明である。

樹脂モールド型の半導体パッケージでは、リードフレームやヒートスプレッダ等の金属部材が封止部材で封止される構造である。

従来、リードフレームやヒートスプレッダのうち樹脂から露出させられた露出側面の絶縁を行う等の目的で金属部材と封止部材との密着性を向上させることという観点から、金属部材の側壁に凹凸の形状を設けることが試みられてきた。

たとえば、特許文献１では、「被形成物（３）の一面（３ｂ）側の表面に対して溶射封止部材（６）を形成することにより構造体の製造を行う、前記溶射封止部材（６）が備えられた構造体の製造方法であって、前記被形成物（３）の前記一面（３ｂ）に対してプレス加工による粗面処理を行い、凸部（３ｃ）および凹部（３ｄ）を有する凹凸を形成する工程と、前記凸部（３ｃ）および前記凹部（３ｄ）を有する凹凸が形成された前記被形成物（３）の前記一面（３ｂ）に対して前記溶射絶縁膜（６）を形成する工程と、を含んでいることを特徴とする溶射封止部材が備えられた構造体の製造方法。」との構成が開示されている。

また、特許文献２では、「ディンプルがヒートスプレッダに形成され、該ヒートスプレッダの該ディンプルを有する面の上に半導体素子が載置され、該半導体素子とリードフレームとが電気的に接続され、該ヒートスプレッダが封止部材で封止された樹脂モールド型の半導体装置であって、該ディンプルの側壁が内方に突き出した返り部を有し、該ヒートスプレッダに設けられた溝部と該ディンプルとが連通したことを特徴とする半導体装置」との構成が開示されている。

すなわち、従来は、凹凸を形成し、又は、ディンプルを金属部材の表面に形成し、その中に封止部材を充填することで、リードフレーム又はヒートスプレッダと封止部材との密着性向上を図ってきた。

特開２０１１−５２２４０号公報 特許第４０８６７７４号公報

ところが、上記特許文献１及び特許文献２に記載の製法はコストが高く、またこれらの製法で製造したヒートスプレッダやリードフレームは、封止部材との密着力という観点からは十分ではないという問題があった。

そこで、ヒートスプレッダやリードフレームの封止部材の密着力をさらに向上させるため、第２次的に、金属表面の粗化処理や黒化処理といった方法が採用された。これが現在の通常の工法となっている。しかしこの金属表面の粗化処理や黒化処理であっても、依然コスト、密着力という観点で向上の余地があるというのが現状である。

そこで、本発明の一実施形態では、粗化処理、黒化処理といった化学的な製法によらず、実用的で低コストな金属部材の製法を提供することを目的の一とする。また、封止部材の密着力をさらに向上させるヒートスプレッダをはじめとする金属部材の製法を提供することを目的の一とする。また、本発明の一実施形態に係る表面に凹凸を有する金属部材の製造方法では、ヒートスプレッダやリードフレームに使用した場合に放熱性の高い金属部材の製法提供することを目的の一とする。

本発明の一実施形態において、金属に対し、第１の所定の曲率を有する複数の第１の凸部を備える第１のパンチによって第１のプレスを行う工程と、前記第１のプレスと交差する方向に、前記第１のパンチによって第２のプレスを行う工程と、第２の所定の曲率を有する複数の第２の凸部を備える第２のパンチによって第３のプレスを行う工程と、前記第３のプレスと交差する方向に、前記第２のパンチによって第４のプレスを行う工程と、を有する表面に凹凸を有する金属部材の製造方法を提供する。

本発明の一実施形態において、前記第３のプレス及び前記第４のプレスは、前記第１のプレス及び前記第２のプレスによって形成された凸部に対して行われる金属部材の製造方法を提供する。

本発明の一実施形態において、前記金属部材の表面の高さを略均一にする第５のプレスを更に行う、金属部材の製造方法を提供する。

本発明の一実施形態において、前記金属部材の、前記凹凸を有する面に対し、封止部材を形成する、金属部材の製造方法を提供する。

本発明の一実施形態において、前記第１のパンチにおいて、前記複数の第１の凸部は、それぞれ略等しい間隔に離隔し、前記間隔が略１００μｍである、金属部材の製造方法を提供する。

本発明の一実施形態において、前記第１のパンチの凸部の高さが、前記第２のパンチの凸部の高さよりも高い、金属部材の製造方法を提供する。

本発明の一実施形態において、前記第１のパンチの凸部の高さが６０μｍ以下であり、前記第２のパンチの凸部の高さが４０μｍ以下である、金属部材の製造方法を提供する。

本発明の一実施形態において、順テーパー形状の凹部と、逆テーパー形状の凹部とが交互に並ぶ凹凸面を有するヒートスプレッダを提供する。

本発明の一実施形態において、前記順テーパー形状の凹部の深さと、逆テーパー形状の凹部の深さが異なる、ヒートスプレッダを提供する。

本発明の一実施形態において、前記順テーパー形状の凹部の深さが４０μｍ以下であり、前記逆テーパー形状の凹部の深さが６０μｍ以下である、ヒートスプレッダを提供する。

本発明の一実施形態において、前記順テーパー形状の凹部の深さと、前記逆テーパー形状の凹部の深さとの差が、５μｍ以上である、ヒートスプレッダを提供する。

本発明の一実施形態において、順テーパー形状の凹部と、逆テーパー形状の凹部とが交互に並ぶ凹凸面を有するヒートスプレッダと、前記ヒートスプレッダを封止する封止部材と、前記ヒートスプレッダの前記凹凸面上に配置された半導体素子と、を有する、半導体パッケージを提供する。

本発明の一実施形態において、前記順テーパー形状の凹部の底面と、逆テーパー形状の凹部の底面の高さが異なる、半導体パッケージを提供する。

本発明の一実施形態において、前記順テーパー形状の凹部の深さが４０μｍ以下であり、前記逆テーパー形状の凹部の深さが６０μｍ以下である、半導体パッケージを提供する。

本発明の一実施形態において、前記順テーパー形状の凹部の深さと、前記逆テーパー形状の凹部の深さとの差が、５μｍ以上である、半導体パッケージを提供する。

本発明の一実施形態に係る表面に凹凸を有する金属部材の製造方法では、粗化処理、黒化処理といった化学的な製法によらず、実用的で低コストである金属部材の製法を提供することができる。また、本発明の一実施形態に係る表面に凹凸を有する金属部材の製造方法では、封止部材の密着力をさらに向上させるヒートスプレッダをはじめとする金属部材の製法を提供することができる。また、本発明の一実施形態に係る表面に凹凸を有する金属部材の製造方法では、ヒートスプレッダやリードフレームに使用した場合に放熱性の高い金属部材の製法を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る表面に凹凸を有する金属部材の製造方法を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る表面に凹凸を有する金属部材の製造方法において、第１のプレスの前後の状況を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る表面に凹凸を有する金属部材の製造方法において、第２のプレスの前後の状況を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る表面に凹凸を有する金属部材の製造方法において使用されるパンチの形状を示す、製図法に従った詳細な設計図面である。 本発明の一実施形態に係る表面に凹凸を有する金属部材の製造方法において、第３のプレスの前後の状況を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る表面に凹凸を有する金属部材の製造方法において、第４のプレスの前後の状況を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る表面に凹凸を有する金属部材の製造方法において使用されるパンチの形状を示す、製図法に従った詳細な設計図面である。 本発明の一実施形態において、パンチの形状（深さ）を変更した場合に係る表面に凹凸を有する金属部材の製造方法及び表面に凹凸を有する金属部材を示す設計図面である。 本発明の一実施形態において、パンチの形状（深さ）を変更した場合に係る表面に凹凸を有する金属部材の製造方法及び表面に凹凸を有する金属部材を示す設計図面である。 本発明の一実施形態において、パンチの形状（深さ）を変更した場合に係る表面に凹凸を有する金属部材の製造方法及び表面に凹凸を有する金属部材を示す設計図面である。 本発明の一実施形態において、パンチの形状（深さ）を変更した場合に係る表面に凹凸を有する金属部材の製造方法及び表面に凹凸を有する金属部材を示す設計図面である。 本発明の一実施形態において、パンチの形状（深さ）を変更した場合に係る表面に凹凸を有する金属部材の製造方法及び表面に凹凸を有する金属部材を示す設計図面である。 本発明の一実施例に関する、第３のプレス後の金属部材の態様を示すＳＥＭ写真（倍率２００倍、上面より撮影）である。 本発明の一実施例に関する、表面に凹凸を有する金属部材のＳＥＭ写真（倍率２００倍、上面より撮影）である。 本発明の一実施例に関する、表面に凹凸を有する金属部材のＳＥＭ写真（倍率５００倍、上面より撮影）である。 本発明の一実施形態に関する、表面に凹凸を有する金属部材の写真（倍率４５０倍、倍率１０００倍、（ａ）は上面より撮影、（ｂ）〜（ｅ）は断面より撮影）である。

（製造方法）
本発明の一実施形態は、平板状の金属１００に対して複数回のプレスを行うことによって、表面に凹凸を有する金属部材へと加工するという製造方法である。なお、本発明の技術思想は、具体例として挙げるヒートスプレッダに限定されず、その他の半導体部材、また、触媒として用いる金属片などに対しても適用することが可能である。図１は、本発明の一実施形態に係る表面に凹凸を有する金属部材の製造方法を示すフローチャートである。本発明で基本的な実施形態は図１のフローチャートに示す加工方法及び図２以降の設計図又は説明図に示す金属部材１００（たとえば、ヒートスプレッダ）である。

まず、図２に示すように、格子状の凸部を有する第１のパンチ１０によって、第１のプレスを行う（図１のＳ１０１）。第１のパンチ１０の形状は、図４に示すような、先端部に所定の曲率を有する形状であり、これが格子状に配列されている（図４の指図線１２で示す点線部分は、先端部に所定の曲率を有する、湾曲部１２を示す）。このプレスにより、平板上の金属のプレスされた面には、格子状の凹み形状１０１ができる。

次に、格子状の凸部を有する第１のパンチ１０によって、第１のプレスで形成された、それぞれの凹み形状１０１の隙間部分に、第２のプレスを行って、凹み形状１０３を形成する（このことは、第１のプレスと交差（たとえば、直交）する方向に第２のプレスを行う、とも表現できる。）（図１のＳ１０２、図３）。本実施形態では、第２のプレスは第１のプレスと同じ形状の第１のパンチ１０によって行うが、第１のパンチ１０とは形状の異なるパンチによって第２のプレスを行ってもよい。

第１のプレスと、第２のプレスによって、格子状の凹み形状が形成される。図３に示す通り、第２のプレス後の段階では、四角形（たとえば、正方形）が交互に配した複数の第１の凹み形状１０１及び第２の凹み形状１０３が形成されており、このことは、市松模様（いちまつもよう）状にプレスされた凹み形状とプレスされていない箇所が配列されている、と表現することができる。この段階では、第１の凹み形状１０１、第２の凹み形状１０３は、すべて順テーパー形状となっている。

次に、格子状の凸部３０を有する第２のパンチ１４によって、第３のプレスを行う（図１のＳ１０３、図５）。第２のパンチ１４の形状は、図７に示すような、先端部に所定の曲率を有する形状である。図７の指図線１６で示す点線部分は、先端部に所定の曲率を有する、湾曲部１６を示す。第３のプレスは、第１のプレス及び第２のプレスが、いずれもなされていない領域に対して行われる（図５参照）。これにより、市松模様を形作る、プレスされていない箇所に対して、その一部に（一つ飛ばしの位置に）規則的にプレスがなされる、と表現することができる。第３のプレスを行うと、第１のプレスで形成された第１の凹み形状１０１及び第２のプレスで形成された第２の凹み形状１０３において、そのそれぞれの凹み形状の順テーパー形状の部分のうち、第３のプレスがなされた箇所に最隣接する箇所が、逆テーパー形状に変化する（たとえば、実施例である図１３参照）。これは、第３のプレスによって、凹み形状第３のプレスが行われた箇所と隣接するに圧力がかかり、金属が押し出されるようにして、第１の凹み形状１０１及び第２の凹み形状１０３の入り口部分がすぼむことによる。

そして、格子状の凸部３０を有する第２のパンチによって、第４のプレスを行う。第４のプレスは、第１〜第３のプレスにおいて、プレスされなかった残余の箇所に対してプレスがなされる。このことは、第４のプレスは第３のプレスと交差（たとえば、直交）する方向に行われる、と表現することができる（図６）。第４のプレスを行うと、第１のプレスで形成された凹み形状１０１及び第２のプレスで形成された凹み形状１０３について、そのそれぞれの凹み形状のうち、順テーパー形状となっている部分が、略全て逆テーパー形状に変化する。

これにより、図９以降のような、異なる２種類（２種類とは、順テーパー形状と、逆テーパー形状）の凹み形状を有する金属部材を製造することができる。

第１のパンチ１０における隣り合う凸部２０の間に存在する凹部において、凹部の斜面同士がなす角をθ１とする（θ１は、該凹部における１つの斜面と金属平板に対する垂線とがなす角の２倍に相当する。θ１は図４にて示している。）及び、第２のパンチ１４における隣り合う凸部３０の間に存在する凹部において凹部の斜面同士がなす角をθ２とする（θ２は、該凹部における１つの斜面と金属平板に対する垂線とがなす角の２倍に相当する。θ２は図７にて示している。）を制御することで、これらを用いて金属部材１００に形成される２種類の凹凸形状を制御可能であり、θ１はθ２よりも小さいように設定することによって、本開示における逆テーパー形状とテーパー形状が交互に格子状に配置された金属基板を製造することができる。具体的に取り得るθ１及びθ２の範囲は、０度＜θ１＜２０度、２０度＜θ２＜１３０度である。

また、上記の第１〜第４のプレスに加えて、さらに第３のパンチを用いたプレス工程を追加的に実施してもよい。この第３のパンチを用いたプレスは、第１〜第４のプレスと同様に、２回のプレスを伴うものであってもよい。

第３のパンチを用いたプレス工程を追加的に実施することによって、さらにアンカー効果の高い凹凸を形成することが可能となり、ヒートスプレッダとして使用した場合に封止部材との密着力が向上する。

第５のプレスとして、金属部材１００の表面の高さを略均一にする工程をさらに行ってもよい（Ｓ１０５）。また、金属部材１００の、前記凹凸を有する面に対し、封止部材を形成する工程を含んでもよい。

第５のプレスによって、金属部材の高さと凸部の表面高さを略同一にすることができ、ヒートスプレッダとして使用した場合に封止部材との密着力が向上する。

正確な設計図面である図４に記載の通り、複数の第１の凸部は、それぞれ略等しい間隔に離隔しており、本実施形態では、略３０μｍ間隔である（中心部同士の間隔は略１００μｍである）。これにより、きめ細かな凹凸を有する面を形成することができ、表面積を大きくすることができる。また、ヒートスプレッダとして使用した場合に封止部材との密着力が向上する。なお、本明細書において略１００μｍとは、７０μｍ〜１３０μｍを意味する。

また、第１のパンチ１０の凸部２０の高さが、前記第２のパンチ１４の凸部３０の高さよりも高くてもよい。

第１のパンチ１０の凸部２０の高さが６０μｍ以下であり、第２のパンチ１４の凸部３０の高さが４０μｍ以下であってもよい。

金属部材に形成された第１の凹部と、金属部材に形成された第２の凹部とは、異なる位置に配置され、異なる形状であって、これらが格子状に配列していてもよい。特に、金属部材に形成された凹部を、互い違いに異なる形状とすることによって、ヒートスプレッダとして使用した場合に、封止部材との密着力が向上する。

金属部材に形成された第１の凹部が逆テーパー形状の凹部であって、金属部材に形成された第２の凹部は順テーパー形状の凹部である。このようにすることによって、封止部材を用いたときに、封止部材が逆テーパー形状部分に入り込み、アンカーとしての効果が生じるため、容易に引き抜かれないようになり、封止部材との密着力が向上する。

金属部材に形成された第１の凹部と、金属部材に形成された第２の凹部とを順テーパー形状や逆テーパー形状とした場合、それら順テーパー形状の凹部の深さと、逆テーパー形状の凹部の深さが異なるようにしてもよい。

順テーパー形状の凹部の深さが４０μｍ以下であり、逆テーパー形状の凹部の深さが６０μｍ以下であってもよい（図８〜図１２）。

また、順テーパー形状の凹部の深さと、逆テーパー形状の凹部の深さとの差が、５μｍ以上でもよい。封止部材を用いたときに、封止部材が逆テーパー形状部分に入り込み、容易に引き抜かれないようになり、封止部材との密着力が向上する。

上記で説明した方法で製造した、表面に凹凸を有する金属部材をヒートスプレッダとして用い、ヒートスプレッダの凹凸面上に半導体素子を配置して、ヒートスプレッダの凹凸面上に封止部材を形成し、半導体パッケージとして用いてもよい。封止部材は、トランスファモールド法やインジェクションモールド法等、公知の手法を採用可能である。上記で説明したように、逆テーパー形状と順テーパー形状がいずれも存在することによって、順テーパー形状部分では下側にボイドが発生せず、逆テーパー形状部分では密着力が高いため、全体として耐湿性能が高く高密着性のヒートスプレッダを提供することが可能である。

図８〜図１２は、それぞれ第１のパンチ１０と第２のパンチ１４とのサイズ（高さ）を変更した場合の具体例である。図８では、第１のパンチ１０の高さを１０μｍとし、第２のパンチ１４の高さを１０μｍ、２０μｍ、３０μｍとした場合の実施例である。図９は、第１のパンチ１０の高さを２０μｍとし、第２のパンチ１４の高さを１０μｍ、２０μｍ、３０μｍとした場合の実施例である。図１０は、第１のパンチ１０の高さを３０μｍとし、第２のパンチ１４の高さを１０μｍ、２０μｍ、３０μｍとした場合の実施例である。図１１は、第１のパンチ１０の高さを３５μｍとし、第２のパンチ１４の高さを１０μｍ、２０μｍ、３０μｍとした場合の実施例である。図１２は、第１のパンチ１０の高さを４０μｍとし、第２のパンチ１４の高さを１０μｍ、２０μｍ、３０μｍとした場合の実施例である。これらの実施例に関して、実験を行った結果を表１に示す。第１の凹み形状１０１、第２の凹み形状１０３が、逆テーパー形状となった場合には「〇 逆テーパー形状となった」と記載し、にならなかった場合には、単に「× 逆テーパー形状にならなかった」と記載する。

上記のような組み合わせによって、本発明の一実施例として、逆テーパー形状と順テーパー形状とが交互に格子状に配列した金属基板を製造することが可能である。

本発明の一実施例に係る金属基板のＳＥＭ写真を図１３〜図１６に示す。図１３は製造途中の金属基板であり、第３のプレス後の様子を示す写真である。第３のプレスによって、形成された凹み形状１０５に隣接する凹み形状が、ゆがんでおり、ゆがむことで逆テーパー形状を形成することが見て取れる。

図１４、図１５は、第４のプレス後の様子を示す写真であり、すなわち、完成した表面に凹凸を有する金属基板の写真（正対した際）である。図１６は、（ａ）において正対した際の金属基板の写真を示し、（ｂ）及び（ｃ）は、（ａ）を正面視した際の上下方向の断面（断面Ａ）図であり、（ｄ）及び（ｅ）は、（ａ）を正面視した際の左右方向の断面（断面Ｂ）図である。これらの写真から、本発明の一実施形態において、逆テーパー形状と順テーパー形状とが交互に格子状に配列した金属基板が製造可能であることが分かる。

以上のように、実施形態と図面に基づいて本発明について説明をしたが、当業者であれば上述した記載から多様な修正および変形が可能である。例えば、説明された技術が、説明された方法とは異なる順序で実行されたり、かつ／あるいは、説明された構造、装置などの構成要素が、説明された方法とは異なる順序、形態で実施されたり、または、異なる実施形態、異なる実施例内の方法を組み合わされたり、他の構成要素または均等物によって対置されたり置換されたとしても、適切な結果を達成することができる。したがって、異なる実施形態であっても、特許請求の範囲と均等なものであれば、添付される特許請求の範囲に属する。

１０ 第１のパンチ
１４ 第２のパンチ
１６ 湾曲部
１００ 金属部材
１０１ 第１の凹み形状
１０３ 第２の凹み形状
１０５ 第３の凹み形状
１０７ 第４の凹み形状

Claims (15)

1. 平板状の金属に対し、
   第１の所定の曲率を有し、格子状の複数の第１の凸部を備える第１のパンチによって第１のプレスを行う工程と、
   前記第１のプレスと交差する方向に、前記第１のパンチによって第２のプレスを行う工程と、
   第２の所定の曲率を有し、格子状の複数の第２の凸部を備える第２のパンチによって第３のプレスを行う工程と、
   前記第３のプレスと交差する方向に、前記第２のパンチによって第４のプレスを行う工程と、を有し、
   前記第３のプレス及び前記第４のプレスは、前記第１のプレス及び前記第２のプレスがなされていない箇所に対して行われる、
   表面に凹凸を有する金属部材の製造方法。
2. 前記第１のパンチにおける隣り合う凸部の間に存在する凹部を形成する角度θ１が、前記第２のパンチにおける隣り合う凸部の間に存在する凹部を形成する角度θ２よりも小さい、
   請求項１に記載の表面に凹凸を有する金属部材の製造方法。
3. 前記金属部材の表面の高さを略均一にする第５のプレスを更に行う工程をさらに有する、
   請求項１に記載の表面に凹凸を有する金属部材の製造方法。
4. 前記金属部材の、前記凹凸を有する面に対し、封止部材を形成する、
   請求項１に記載の表面に凹凸を有する金属部材の製造方法。
5. 前記第１のパンチにおいて、
   前記複数の第１の凸部は、それぞれ略等しい間隔に離隔し、前記間隔が略１００μｍである、
   請求項１に記載の表面に凹凸を有する金属部材の製造方法。
6. 前記第１のパンチの凸部の高さが、前記第２のパンチの凸部の高さよりも高い、
   請求項１に記載の表面に凹凸を有する金属部材の製造方法。
7. 前記第１のパンチの凸部の高さが６０μｍ以下であり、前記第２のパンチの凸部の高さが４０μｍ以下である、
   請求項１に記載の表面に凹凸を有する金属部材の製造方法。
8. 第１の凹部と、
   前記第１の凹部とは異なる位置に配置され、前記第１の凹部とは異なる形状の第２の凹部と、が格子状に配列した凹凸面を有するヒートスプレッダ。
9. 前記第１の凹部が順テーパー形状の凹部であり、前記第２の凹部が逆テーパー形状の凹部である、請求項８に記載のヒートスプレッダ。
10. 前記順テーパー形状の凹部の深さと、逆テーパー形状の凹部の深さが異なる、
    請求項９に記載のヒートスプレッダ。
11. 前記順テーパー形状の凹部の深さが６０μｍ以下であり、前記逆テーパー形状の凹部の深さが４０μｍ以下である、
    請求項９に記載のヒートスプレッダ。
12. 前記順テーパー形状の凹部の深さと、前記逆テーパー形状の凹部の深さとの差が、５μｍ以上である、
    請求項９に記載のヒートスプレッダ。
13. 第１の凹部と、前記第１の凹部とは異なる形状の第２の凹部とが格子状に配列した凹凸面を有するヒートスプレッダと、
    前記ヒートスプレッダの前記凹凸面上に形成された封止部材と、
    前記ヒートスプレッダの前記凹凸面上に配置された半導体素子と、を有する、
    半導体パッケージ。
14. 前記第１の凹部が順テーパー形状の凹部であり、前記第２の凹部が逆テーパー形状の凹部である、
    請求項１３に記載の半導体パッケージ。
15. 前記順テーパー形状の凹部の底面と、逆テーパー形状の凹部の底面の高さが異なる、
    請求項１４に記載の半導体パッケージ。