JP5251791B2 - 樹脂封止型半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子と共に半導体素子の放熱を行うためのヒートシンクおよびセラミック絶縁薄膜を含む絶縁放熱層を樹脂中に埋め込み、かつ、封止樹脂の外部に絶縁放熱層の少なくとも一部が露出させられる構造の樹脂封止型半導体装置およびその製造方法に関するものである。

従来、ヒートシンクのうち樹脂から露出させられた露出側面の絶縁を行うための構造として、露出側面に対して、電気絶縁性かつ熱良導体で耐熱性も高いセラミック絶縁薄膜を備えたものがある。このセラミック絶縁薄膜の中でも、成膜速度が高く、簡便であるという観点から、特許文献１に示されるように溶射セラミック膜が採用されている。

しかしながら、高温環境などや低温環境などで繰り返し樹脂封止型半導体装置を使用すると、セラミック絶縁薄膜と封止用の樹脂部との間の界面が剥離するという問題が発生する。図１１（ａ）に、従来の樹脂封止型半導体装置の断面構造を示すと共に、図１１（ｂ）に図１１（ａ）中の領域Ｒ１の部分拡大図、図１１（ｃ）に図１１（ｂ）中の領域Ｒ２の部分拡大図を示し、この問題について説明する。

図１１（ａ）に示されるように、半導体チップＪ１やヒートシンクＪ２およびリードＪ３、Ｊ４が樹脂部Ｊ５によって封止され、ヒートシンクＪ２の裏面側において樹脂部Ｊ５から露出させられる場所にセラミック絶縁薄膜Ｊ６が形成されている。このセラミック絶縁薄膜Ｊ６により、ヒートシンクＪ２と外部、例えば樹脂封止型半導体装置が搭載される冷却器の基台との絶縁が図られている。

ここで、熱膨張や熱収縮が生じても、ヒートシンクＪ２と樹脂部Ｊ５との間での歪みが抑制され、これらの間の剥離が発生し難くなるように、樹脂部Ｊ５を構成する樹脂に添加物を混入したりして、樹脂とヒートシンクＪ２の熱膨張係数が合わせ込まれている。ところが、セラミック絶縁薄膜Ｊ６に関しては、ヒートシンクＪ２や樹脂部Ｊ５と熱膨張係数が合わせ込まれていないため、端面部においては熱膨張係数差によって図１１（ｂ）中に示したように樹脂部Ｊ５とセラミック絶縁薄膜Ｊ６との界面に発生した歪みによる応力がセラミック絶縁薄膜Ｊ６と樹脂部Ｊ５との界面の垂直方向に働く。また、図１１（ｃ）に示されるように、セラミック絶縁薄膜Ｊ６の膜中には気孔やクラック等が存在するため、セラミック絶縁薄膜Ｊ６の膜厚方向に対する垂直方向に大きな力が作用するとセラミック絶縁薄膜Ｊ６が容易に割れてしまう。このため、樹脂部Ｊ５とセラミック絶縁薄膜Ｊ６との界面が剥離してしまうのである。

特許文献１の構造では、樹脂封止型半導体装置の裏面、つまりセラミック絶縁薄膜Ｊ６の露出面からヒートシンクＪ２までの距離がセラミック絶縁薄膜Ｊ６の膜厚分しかなく、かつ、セラミック絶縁薄膜Ｊ６の膜厚が薄い。このため、上記のような剥離が生じて剥離箇所に水分などが入り込むと、ヒートシンクＪ２と外部との間の絶縁が図れなくなり、絶縁不良となる。このため、樹脂封止型半導体装置の長期的な信頼性を得ることができない。

これに対し、特許文献２において、ヒートシンク（リードフレーム）の端部までセラミック絶縁薄膜を配置する構造が提案されている。図１２は、この構造の一部を拡大した断面図である。

この構造の場合、ヒートシンクＪ２の端部に形成されたセラミック絶縁薄膜Ｊ６では、セラミック絶縁薄膜Ｊ６と樹脂部Ｊ５との熱膨張係数差による力がセラミック絶縁薄膜Ｊ６の膜厚方向（図中矢印Ａ方向）に作用する。このため、セラミック絶縁薄膜Ｊ６の露出面の平面方向と同方向の力が働くことになり、熱膨張係数差による膜割れによる剥離を発生し難くすることができる。

特開平１１−８７５７３号公報 特許第４０２３３９７号公報

ヒートシンクＪ２に対してセラミック絶縁薄膜Ｊ６を形成する場合、ヒートシンクＪ６の表面に形成した凹凸によるアンカー効果によって、セラミック絶縁薄膜Ｊ６との密着性が確保され、セラミック絶縁薄膜Ｊ６の剥離が抑制されている。しかしながら、アンカー効果による密着力は、樹脂封止型半導体装置を車載部品として使用する場合に必要とされる１５０℃を超える高温環境などや、−３０℃を下回る低温環境などで、樹脂封止型半導体装置を繰り返し使用した場合、ヒートシンクＪ２の端部において樹脂との熱膨張係数差による力により、ヒートシンクＪ２とセラミック絶縁薄膜Ｊ６の界面で剥離が生じる。そして、この剥離によってセラミック絶縁薄膜Ｊ６が割れてしまい、やはり絶縁不良を起こしてしまう。このため、樹脂封止型半導体装置の長期的な信頼性を得ることができない。

本発明は上記点に鑑みて、ヒートシンクの下面に配置されると共に樹脂部から露出させられるセラミック絶縁薄膜の剥離による絶縁不良を抑制できる樹脂封止型半導体装置およびその製造方法を提供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に記載の発明では、ヒートシンク（３）の上面（３ａ）から下面（３ｂ）に至る端部に上面（３ａ）となす角度（θ）が９０°未満となるテーパ面（３ｃ）を構成すると共に、ヒートシンク（３）の下面（３ｂ）およびテーパ面（３ｃ）の表面に形成されたセラミック絶縁薄膜（６）を含む絶縁放熱層（６、１２）を備え、絶縁放熱層（６、１２）のうちヒートシンク（３）の下面（３ｂ）の表面に形成された部分を露出させた状態としつつ、半導体チップ（２）、ヒートシンク（３）、第１、第２リード（４、５）および絶縁放熱層（６、１２）を樹脂部（７）にて封止し、樹脂部（７）にて、ヒートシンク（３）のうち上面（３ａ）側の端部である上端および絶縁放熱層（６、１２）のうちテーパ面（３ｃ）の表面に形成された部分が覆われるようにすることを特徴としている。

このように、ヒートシンク（３）の端部をテーパ面（３ｃ）とし、ヒートシンク（３）の上面（３ａ）側の端部である上端を含め、テーパ面（３ｃ）およびその表面に形成されたセラミック絶縁薄膜６を樹脂部（７）によって覆われるようにしている。このため、セラミック絶縁薄膜（６）と樹脂部（７）との界面に作用する力Ｆをテーパ面（３ｃ）の表面に形成されたセラミック絶縁薄膜（６）の法線方向の力Ｆａと平行方向の力Ｆｂに分散させることができる。したがって、剥離に対する耐性を持たせることが可能となり、樹脂部（７）とセラミック絶縁薄膜（６）との界面の剥離を抑制することが可能となる。よって、セラミック絶縁薄膜（６）の剥離による絶縁不良を抑制できる。

請求項２に記載の発明では、ヒートシンク（３）の上端には、上面（３ａ）と水平方向に張り出したフランジ部（３ｄ）が備えられていることを特徴としている。

このように、ヒートシンク（３）の上端にフランジ部（３ｄ）を形成することもできる。 請求項３に記載の発明では、絶縁放熱層（６、１２）として、セラミック絶縁薄膜（６）に加えて金属薄膜（１２）を備える場合に、該金属薄膜（１２）をセラミック絶縁薄膜（６）の外縁よりも内側で終端させ、金属薄膜（１２）の端部も樹脂部（７）によって覆われるようにすることを特徴としている。

セラミック絶縁薄膜（６）の表面に金属薄膜（１２）を形成する構造では、ヒートシンク（３）の端部において、熱膨張係数差によってセラミック絶縁薄膜（６）の割れ、剥がれが発生し易く、端部まで金属薄膜（１２）を形成するとその割れや剥がれを通じて絶縁不良を起こす。このため、セラミック絶縁薄膜（６）の寸法よりも金属薄膜（１２）の寸法を小さくすることで、セラミック絶縁薄膜（６）の割れ、剥がれを抑制でき、絶縁不良を抑制することが可能となる。例えば、請求項２に記載したように、フランジ部（３ｄ）を備える場合、フランジ部（３ｄ）内で金属薄膜（１２）を終端させるようにすれば、金属薄膜（１２）によってテーパ面（３ｃ）上のセラミック絶縁薄膜（６）を全面覆いつつ、金属薄膜（１２）をセラミック絶縁薄膜（６）の寸法より小さくできる。

請求項４に記載の発明では、金属薄膜（１２）の表面が平坦化されていることを特徴としている。

このように、金属薄膜（１２）の表面を平坦化することで、金属薄膜（１２）の膜厚を薄くできると共に、金属薄膜（１２）の表面の凹凸に起因する熱抵抗を軽減することも可能となる。

なお、請求項５に記載したように、金属薄膜（１２）として溶射金属膜を用いることができる。また、請求項６に記載したように、セラミック絶縁薄膜（６）として溶射セラミック膜を用いることができる。

請求項７に記載の発明では、絶縁放熱層（６、１２）における少なくともヒートシンク（３）の下面（３ｂ）上に形成された部分は、絶縁放熱層（６、１２）内の気孔およびクラックが封孔材（１１）で埋め込まれていることを特徴としている。

このように、絶縁放熱層（６、１２）内の気孔およびクラックを封孔材（１１）で埋め込むようにすることで、熱膨張係数差により生じる力によって発生する集中応力を軽減することが可能となる。これにより、セラミック絶縁薄膜（６）の膜厚方向に対する垂直方向に大きな力が作用しても、セラミック絶縁薄膜（６）が割れてしまうことを抑制でき、樹脂部（７）とセラミック絶縁薄膜（６）との界面が剥離することを抑制できる。

このような構造の樹脂封止型半導体装置は、例えば、請求項８に記載したように、上面（３ａ）および下面（３ｂ）を有すると共に、上面（３ａ）から下面（３ｂ）に至る端部に上面（３ａ）となす角度（θ）が９０°未満となるテーパ面（３ｃ）を有したヒートシンク（３）を用意する工程と、ヒートシンク（３）の下面（３ｂ）およびテーパ面（３ｃ）の表面に、溶射によってセラミック絶縁薄膜（６）および金属薄膜（１２）を連続的に形成することで絶縁放熱層（６、１２）を形成する工程と、絶縁放熱層（６、１２）のうちヒートシンク（３）の下面（３ｂ）の表面に形成された部分に封孔材（１１）を塗布することで、絶縁放熱層（６、１２）内の気孔およびクラックを封孔材（１１）で埋め込む工程と、ヒートシンク（３）の上面（３ａ）側に、ヒートシンク（３）と電気的に接続されるパワー素子が形成された半導体チップ（２）を配置する工程と、樹脂成形により、半導体チップ（２）に形成されたパワー素子と電気的に接続される第１リード（４）と、ヒートシンク（３）を介して半導体チップ（２）に形成されたパワー素子と電気的に接続される第２リード（５）の一部および絶縁放熱層（６、１２）のうちヒートシンク（３）の下面（３ｂ）の表面に形成された部分を露出させつつ、半導体チップ（２）、ヒートシンク（３）、第１、第２リード（４、５）および絶縁放熱層（６、１２）を封止し、ヒートシンク（３）のうち上面（３ａ）側の端部である上端および絶縁放熱層（６、１２）のうちテーパ面（３ｃ）の表面に形成された部分を覆う樹脂部（７）を形成する工程とを含む製造方法により製造される。

このとき、溶射によってセラミック絶縁薄膜（６）および金属薄膜（１２）を連続的に形成することで絶縁放熱層（６、１２）を形成したのち、絶縁放熱層（６、１２）内の気孔およびクラックを封孔材（１１）で埋め込むようにしている。すなわち、金属薄膜（１２）がセラミック絶縁薄膜（６）の表面の凹凸によるアンカー効果で接合されていることから、金属薄膜（１２）の形成前にセラミック絶縁薄膜（６）の表面の凹凸を封止材（１１）で埋めてしまうのは好ましくない。このため、上記順番とすることで、金属薄膜（１２）の形成前にセラミック絶縁薄膜（６）の表面の凹凸を封孔材（１１）で埋めてしまわないようにでき、アンカー効果を発揮させることが可能となる。

請求項９に記載の発明では、絶縁放熱層（６、１２）のうちヒートシンク（３）の下面（３ｂ）の表面に形成された部分を研削して平坦化する工程を行うことを特徴としている。

このように、絶縁放熱層（６、１２）のうちヒートシンク（３）の下面（３ｂ）の表面に形成された部分を研削して平坦化することで、絶縁放熱層（６、１２）の膜厚を薄くできると共に、絶縁放熱層（６、１２）の表面の凹凸に起因する熱抵抗を軽減することも可能となる。

請求項１０に記載の発明では、絶縁放熱層（６、１２）を形成する工程では、金属薄膜（１２）の端部がセラミック絶縁薄膜（６）の外縁よりも内側で終端するように、セラミック絶縁薄膜（６）および金属薄膜（１２）を形成することを特徴としている。これにより、請求項３に記載の樹脂封止型半導体装置を製造できる。

請求項１１に記載の発明は、ヒートシンク（３）を用意する工程では、プレス加工にてテーパ面（３ｃ）を形成する工程を含んでいることを特徴としている。このように、プレス加工により、テーパ面（３ｃ）を形成することができる。

請求項１２に記載の発明では、第２リード（５）を用意すると共に該第２リード（５）をヒートシンク（３）の上面（３ａ）にはんだ（９）にて接合する工程と、半導体チップ（２）をヒートシンク（３）の上面（３）にはんだ（１０）にて接合する工程とを含み、これら第２リード（５）および半導体チップ（２）をヒートシンク（３）に接合する工程を同時に行うことを特徴としている。

このように、第２リード（５）および半導体チップ（２）をヒートシンク（３）に接合する工程を同時に行うことにより、製造工程の簡略化を図ることが可能となる。

なお、上記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ものである。

本発明の第１実施形態にかかる樹脂封止型半導体装置１の断面図である。 樹脂部７とセラミック絶縁薄膜６との界面に働く力を示した断面模式図である。 図１に示す樹脂封止型半導体装置１の製造工程を示した断面図である。 （ａ）は、本発明の第２実施形態にかかる樹脂封止型半導体装置１の断面図であり、（ｂ）は、（ｂ）は、（ａ）における領域Ｒの部分拡大図である。 封孔材１１を浸透させる前の状態のセラミック絶縁薄膜６の拡大図である。 本発明の第３実施形態で説明する樹脂封止型半導体装置１の断面図である。 樹脂部７と金属薄膜１２との界面に働く力を示した断面模式図である。 図６に示す樹脂封止型半導体装置１の製造工程を示した断面図である。 封止材１１を用いて気孔、クラック内を満たした様子を示した拡大断面図である。 封止材１１を用いて気孔、クラック内を満たし、かつ、金属薄膜１２を平坦化した様子を示した拡大断面図である。 （ａ）は、従来の樹脂封止型半導体装置の断面構造を示す断面図、（ｂ）は、（ａ）中の領域Ｒ１の部分拡大図、（ｃ）は、（ｂ）中の領域Ｒ２の部分拡大図である。 ヒートシンク（リードフレーム）の端部までセラミック絶縁薄膜を配置した場合の拡大断面図である

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、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。図１は、本実施形態にかかる樹脂封止型半導体装置１の断面図である。以下、この図を参照して、本実施形態の樹脂封止型半導体装置１について説明する。

図１に示されるように、本実施形態の樹脂封止型半導体装置１は、半導体素子が形成された半導体チップ２、ヒートシンク３、リード（第１、第２リード）４、５、セラミック絶縁薄膜６および樹脂部７などによって構成されている。

半導体チップ２は、半導体素子として、駆動時に発熱するＩＧＢＴなどのパワー素子が形成されたものである。このため、ヒートシンク３を介して放熱を行うことで、半導体チップ２の過昇温を抑制している。例えば、半導体チップ２は、紙面上側から見たときの上面寸法が１０ｍｍ□、厚さが０．２ｍｍで構成されており、表面側がボンディングワイヤ８を通じてリード４に電気的に接続されていると共に、裏面側がはんだ１０を介してヒートシンク３に搭載されることでヒートシンク３と電気的に接続されている。

ヒートシンク３は、例えば銅（Ｃｕ）などの熱伝導率が高い金属板にて構成されている。例えば、ヒートシンク３は、紙面上側から見たときの上面寸法が２０ｍｍ□、厚さが２ｍｍとされている。このヒートシンク３の中央位置に半導体チップ２が配置されている。ヒートシンク３の端部は、上面３ａ側から下面３ｂ側に向かって寸法が縮小するように傾斜させられたテーパ面３ｃとされている。ヒートシンク３の上面３ａに対してテーパ面３ｃがなす角度θは、９０°未満（鋭角）であれば良く、本実施形態では、例えば４５°としてある。

リード４、５は、半導体チップ２に形成されたパワー素子を樹脂部７よりも外部において電気的に接続するための電極端子となるものであり、パワー素子の各部と電気的に接続されている。例えば、パワー素子がＩＧＢＴである場合には、リード４がＩＧＢＴにおけるゲート電極とボンディングワイヤ８を介して電気的に接続され、リード５がＩＧＢＴにおけるコレクタ電極とヒートシンク３およびはんだ９を介して電気的に接続された構造とされる。

なお、図１中では図示されていないが、ＩＧＢＴにおけるエミッタ電極と電気的に接続されるリードも備えられており、リード４を通じてゲート電圧が制御されると、リード５や図示しないリードを通じてコレクタ−エミッタ間に電流が流されることで、パワー素子によるスイッチング動作が行えるように構成されている。

セラミック絶縁薄膜６は、絶縁放熱層として機能するもので、ヒートシンク３における半導体チップ２が搭載された上面３ａと反対側の面である下面３ｂおよびテーパ面３ｃの表面に備えられている。このセラミック絶縁薄膜６は、溶射セラミック膜、例えば溶射アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）膜によって構成されており、ヒートシンク３のうち下面３ｂおよびテーパ面３ｃに対してアルミナを溶射することによって形成されている。このため、セラミック絶縁薄膜６も、紙面上方から見たときの上面寸法が２６ｍｍ□とされている。なお、セラミック絶縁薄膜６の厚さは任意であるが、厚すぎると熱抵抗が増大するため、ここでは厚さを例えば０．１５ｍｍとしている。

このように、ヒートシンク３の下面３ｂおよびテーパ面３ｃの表面にセラミック絶縁薄膜６が形成されている。このため、セラミック絶縁薄膜６によってヒートシンク３が外部から絶縁された状態となっている。

樹脂部７は、リード４、５の一端とセラミック絶縁薄膜６のうちヒートシンク３の下面３ｂと対応する部分を露出させ、かつ、その他の部分を覆うように、樹脂成形によって形成されたものである。樹脂部７を構成する樹脂は、例えばシリカを内在させることで１４ｐｐｍ／℃の熱膨張係数を有したものとされ、ヒートシンク３の熱膨張係数に合わせ込まれている。このため、熱膨張や熱収縮が生じても、ヒートシンク３と樹脂部７との間での歪みが抑制され、これらの間の剥離が発生し難くなるようにされている。

以上のように構成された本実施形態の樹脂封止型半導体装置１では、ヒートシンク３の下面３ｂを直接露出させるのではなく、セラミック絶縁薄膜６を露出させた構造としている。このセラミック絶縁薄膜６は、絶縁材料であるため、シリコングリースなどを介して冷却器の基台などに接続したときに、ヒートシンク３を冷却器などから電気的に絶縁することが可能となる。このため、ヒートシンク３と冷却器との絶縁を確保しつつ、ヒートシンク３およびセラミック絶縁薄膜６を介して、半導体チップ２で発生した熱を放出させることが可能となる。

そして、本実施形態の樹脂封止型半導体装置１では、ヒートシンク３の端部をテーパ面３ｃとし、ヒートシンク３の上面３ａ側の端部（以下、上端という）を含め、テーパ面３ｃおよびその表面に形成されたセラミック絶縁薄膜６が樹脂部７によって覆われるようにしている。このため、樹脂部７とセラミック絶縁薄膜６との界面の剥離を抑制することが可能となる。この効果が得られる理由について、図２に樹脂部７とセラミック絶縁薄膜６との界面に働く力を示し、この図を参照して説明する。

図２に示すように、本実施形態の樹脂封止型半導体装置１では、ヒートシンク３の端部を矩形状ではなくテーパ面３ｃとしている。このため、そのテーパ面３ｃの表面に形成されたセラミック絶縁薄膜６と樹脂部７との界面に作用する力Ｆは、セラミック絶縁薄膜６に対する法線方向の力Ｆａと平行方向の力Ｆｂに分散される。そして、セラミック絶縁薄膜６のアンカー効果は、法線方向の力Ｆａに対してはセラミック絶縁薄膜６が剥離する方向であるため。しかしながら、平行方向の力Ｆｂに対してはセラミック絶縁薄膜６のアンカー効果を十分に発揮させることができる。

このため、力Ｆが作用するときに、平行方向の力Ｆｂが発生するようにテーパ面３ｃを備えると、テーパ面３ｃを形成しない場合のように、発生した力Ｆがすべて法線方向の力Ｆａとなる場合と比べて、法線方向の力ＦａをＦ×ｓｉｎθに低減できる。例えば、角度θ＝４５°であれば、法線方向の力Ｆａは、Ｆ×ｓｉｎ４５°となり、およそ７０％程度に低減できる。

このように、セラミック絶縁薄膜６と樹脂部７との界面に作用する力Ｆを法線方向の力Ｆａと平行方向の力Ｆｂに分散させることで、剥離に対する耐性を持たせることが可能となる。このため、樹脂部７とセラミック絶縁薄膜６との界面の剥離を抑制することが可能となる。よって、セラミック絶縁薄膜６の剥離による絶縁不良を抑制できる。

ただし、平行方向の力Ｆｂについて、セラミック絶縁薄膜６のアンカー効果を十分に発揮させるためには、セラミック絶縁薄膜６がヒートシンク３の上端で剥離しておらず、その箇所でのアンカー効果が弱まっていないことが必要となる。このため、ヒートシンク３の上端において、ヒートシンク３とセラミック絶縁薄膜６との接合部位を樹脂部７内に埋め込むことで、セラミック絶縁薄膜６がヒートシンク３の上端で剥離することを抑制している。これにより、確実に上記効果を得ることができる。そして、このようにヒートシンク３の上端において、ヒートシンク３とセラミック絶縁薄膜６との接合部位を樹脂部７内に埋め込むことで、仮にテーパ面３ｃ内やヒートシンク３の上端においてセラミック絶縁薄膜６が樹脂部７から剥がれたとしても、絶縁不良を起こし難くすることができる。

なお、上述したように、角度θに関しては９０°未満であれば良いが、小さくなるほど平行方向の力Ｆｂを大きくでき、より樹脂部７とセラミック絶縁薄膜６との界面の剥離を抑制することが可能となる反面、上面寸法が大きくなって装置全体のサイズが大きくなる。このため、装置のサイズと樹脂部７とセラミック絶縁薄膜６との界面の剥離を抑制する効果とを勘案して、角度θを設定するのが好ましい。

次に、上記のように構成される本実施形態の樹脂封止型半導体装置１の製造方法について説明する。図３は、本実施形態の樹脂封止型半導体装置１の製造工程を示した断面図である。

まず、図３（ａ）に示すように、上面３ａおよび下面３ｂを有し、端部をテーパ面３ｃとしたヒートシンク３を用意する。例えば厚さ２ｍｍの銅板をコイニング加工というプレス手法で加工することでヒートシンク３の端部にテーパ面３ｃを形成することができる。テーパ面３ｃの角度θについては、プレスの金型によって任意に制御できる。また、この際、リード５が一体化された構造であると、コイニング加工時にリード５への歪みなどが生じ、形状制御し難いことから、ヒートシンク３のみで加工できるようにするのが好ましい。このため、本実施形態では、リード５を後付けによりはんだ９を介してヒートシンク３に接続されるようにしている。また、プレス以外の加工方法によってテーパ面３ｃを形成しても良く、例えば切削加工など、どのような手段を用いても良い。

この後、必要に応じてヒートシンク３の表面３ａに対してはんだ９、１０との接合性を良好にするためのＮｉメッキ処理などを行ったのち、ショットブラスト処理によって、アンカー効果をより発揮させられるように、下面３ｂおよびテーパ面３ｃに対して凹凸を形成する。なお、メッキ処理については、ショットブラスト処理前ではなく、後に行っても良い。

そして、図３（ｂ）に示すように、ヒートシンク３の下面３ｂおよびテーパ面３ｃの表面にセラミック絶縁薄膜６を形成する。例えば、アルミナ溶射により、溶射アルミナ膜からなるセラミック絶縁薄膜６を例えば０．１５ｍｍの厚みで形成する。このとき、ヒートシンク３の端部がテーパ面３ｃであるため、下面３ｂの法線方向からほぼ一様に溶射するだけで、下面３ｂだけでなくテーパ面３ｃの表面にもセラミック絶縁薄膜６を形成できる。また、下面３ｂおよびテーパ面３ｃの表面に凹凸を形成しているため、セラミック絶縁薄膜６が凹凸内に入り込み、凹凸によるアンカー効果を発揮させられる。

その後、図３（ｃ）に示すように、ヒートシンク３の上面３ａに半導体チップ２と同寸法およびリード５の接続箇所と同寸法にカットした例えば０．１ｍｍの厚みのＳｎ−Ｃｕ系のはんだ箔を配置する。そして、その上にリード４、５や半導体チップ２を配置する。このとき、位置ズレを防ぐために、図示しない位置決め用の治具を利用して重ねている。リード４、５は、図中では切り離されたものとして図示されているが、この段階では固定用のフレームによってこれらが一体化されて保持されているため、リード５をはんだ箔に接触させつつ、リード４をヒートシンク３の上面３ａから浮かせた状態にすることができる。

そして、このように各部材をすべて重ねた状態で、ボイド率を低減するために真空リフロー槽に移動させ、真空リフローにてはんだ箔を溶融させる。これにより、ヒートシンク３とリード５の間がはんだ９にて接合されると共に、ヒートシンク３と半導体チップ２との間がはんだ１０にて接合される。このように、２箇所のはんだ接合を同時に行うことで、製造工程の簡略化を図ることが可能となる。なお、上述したように、ヒートシンク３の上面３ａにＮｉメッキ処理などを行っておくと、このときのはんだ９、１０による接合性を良くすることができる。

最後に、図３（ｄ）に示すように、半導体チップ２の所望箇所とリード４とをボンディングワイヤ８にて電気的に接続したのち、成形型内においてモールド樹脂による樹脂成形を行う。これにより、樹脂部７にて、半導体チップ２、ヒートシンク３、セラミック絶縁薄膜６におけるヒートシンク３の下面３ｂの表面に形成された部分以外およびリード４、５の一部を封止する。そして、図示していないが、リード４を固定用のフレームから切断することで、リード４がヒートシンク３から電気的に接触しない構造とできる。このようにして、図１に示した本実施形態の樹脂封止型半導体装置１が完成する。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態の樹脂封止型半導体装置１は、基本的には第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図４（ａ）は、本実施形態にかかる樹脂封止型半導体装置１の断面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）における領域Ｒの部分拡大図である。

図４（ａ）に示されるように、本実施形態の樹脂封止型半導体装置１の基本構造は第１実施形態と同様である。ただし、図４（ｂ）に示されるように、セラミック絶縁薄膜６のうち少なくともヒートシンク３の下面３ｂの表面に形成した部分において、セラミック絶縁薄膜６中に含まれる気孔やクラック内に封孔材１１を浸透させ、封孔材１１を硬化させた構成としている。封孔材１１としては、例えばアルコキシシラン化合物を用いた無機シリカ系の材料を用いることができる。

すなわち、図５に示す封孔材１１を浸透させる前の状態のセラミック絶縁薄膜６の拡大図に示されるように、セラミック絶縁薄膜６には気孔やクラックが含まれているため、端面部においてセラミック絶縁薄膜６の膜厚方向に対する垂直方向に大きな力が作用するとセラミック絶縁薄膜６が容易に割れてしまう。このため、樹脂部７とセラミック絶縁薄膜６との界面が剥離してしまうのである。

このため、本実施形態のように、セラミック絶縁薄膜６の気孔やクラック内に封孔材１１を浸透させ、硬化させることで、気孔やクラックが埋まり、熱膨張係数差により生じる力によって発生する集中応力を軽減することが可能となる。これにより、セラミック絶縁薄膜６の膜厚方向に対する垂直方向に大きな力が作用しても、セラミック絶縁薄膜６が割れてしまうことを抑制でき、樹脂部７とセラミック絶縁薄膜６との界面が剥離することを抑制できる。

また、セラミック絶縁薄膜６の表面には凹凸が存在している。この凹凸は、セラミック絶縁薄膜６を例えば０．１５ｍｍの厚みで形成して１０箇所で高さを測定した時の最大値と最小値の差が０．０４ｍｍ程度になるほど、非常に大きなものである。このため、セラミック絶縁薄膜６と冷却器の基台との間がシリコングリース等を介して接触させたとしても、凹凸の影響で空気層が残り、空気層が極めて熱伝導が悪いために、高い熱抵抗が生じるという問題がある。このため、本実施形態のように、封孔材１１にて気孔やクラックを埋めると、それと同時にセラミック絶縁薄膜６の凹凸も緩和されるため、上記熱抵抗の低減を図ることが可能となるという効果も得られる。

なお、このような構造の樹脂封止型半導体装置１の製造方法は、基本的には第１実施形態と同様であり、ヒートシンク３に対してセラミック絶縁薄膜６を形成したのち、常温で溶射膜６の表面から封孔材１１を例えばスプレー塗布もしくは刷毛塗布する工程と、その後に熱処理によって封孔材１１を硬化する工程を追加するだけでよい。なお、封孔材１１としてアルコキシシラン化合物を用いる場合、非常に表面張力が低いことから、気孔やクラック内まで浸透する。また、封孔材１１としてアルコシシシラン化合物を用いる場合には、熱処理として例えば２００℃の加熱を行うことで、硬化することができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して樹脂封止型半導体装置１に備えられる絶縁放熱膜の構造を一部変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図６は、本実施形態にかかる樹脂封止型半導体装置１の断面図である。この図に示されるように、本実施形態の樹脂封止型半導体装置１では、絶縁放熱膜をセラミック絶縁薄膜６だけでなく、金属薄膜１２を備えた構造としている。具体的には、セラミック絶縁薄膜６の表面、つまりセラミック絶縁薄膜６のうちヒートシンク３と反対側の面にセラミック絶縁薄膜６よりも高い熱膨張係数を有する溶射金属膜からなる金属薄膜１２を形成してある。この金属薄膜１２は、溶射金属膜、例えば熱膨張係数２３ｐｐｍ／℃である溶射アルミ膜にて構成され、例えば厚さ０．３ｍｍとされている。

また、ヒートシンク３の上端に、テーパ面３ｃから更に水平方向、つまり下面３ｂと平行に、例えば幅２ｍｍ張り出したフランジ部３ｄを備えてあり、セラミック絶縁薄膜６についてはフランジ部３ｄの下面全域に形成してあるが、金属薄膜１２についてはフランジ部３ｄやセラミック絶縁薄膜６の外縁よりも内側まで形成してある。なお、その他の構造については、第１実施形態と同様である。

セラミック絶縁薄膜６を溶射アルミナ膜で構成する場合、熱膨張係数は７ｐｐｍ／℃となり、樹脂部７を構成する樹脂の熱膨張係数１４ｐｐｍ／℃やヒートシンク３を構成する銅の熱膨張係数１６．７ｐｐｍ／℃と比較すると非常に小さい。このため、熱膨張・熱収縮時にセラミック絶縁薄膜６がヒートシンク３や樹脂部７の変位に追従できず、熱膨張係数差に起因する応力Ｆを発生させることになる。

このため、本実施形態のように、セラミック絶縁薄膜６の表面に熱膨張係数が大きな金属薄膜１２を備えることで、セラミック絶縁薄膜６の熱膨張係数が低い分を金属薄膜１２によって補完することができる。例えば、樹脂部７と金属薄膜１２との界面に働く力は、図７のように表される。この図に示されるように、金属薄膜１２に対してセラミック絶縁薄膜６が接しているため、セラミック絶縁薄膜６の変位を金属薄膜１２の熱膨張・熱収縮による変位に追従させることができる。これにより、セラミック絶縁薄膜６とヒートシンク３および樹脂部７との熱膨張係数差に起因する応力Ｆを緩和することが可能となる。また、金属薄膜１２は、シリカ封入の樹脂やアルミナ膜等のような脆性材料とは異なり、延性材料であるため、働く力Ｆを変形により軽減させることができる。このため、さらに樹脂封止型半導体装置１の長期信頼性を確保することが可能となる。

また、ヒートシンク３の下面３ｂ上のセラミック絶縁薄膜６の表面についても金属薄膜１２で覆われることになる。このため、セラミック絶縁薄膜６の表面の凹凸内に熱伝導率の高い金属薄膜１２を入り込ませることができる。例えば、セラミック絶縁薄膜６を溶射アルミナ膜とした場合の熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫであり、溶射金属膜６を溶射アルミ膜とした場合の熱伝導率が６０Ｗ／ｍＫである。したがって、セラミック絶縁薄膜６の表面の凹凸の影響による熱抵抗を低減することも可能となる。

このような構造では、金属薄膜１２によってテーパ面３ｃ上のセラミック絶縁薄膜６に働く力Ｆを緩和したいことから、テーパ面３ｃ上のセラミック絶縁薄膜６全域が覆われているのが望ましい。その一方で、セラミック絶縁薄膜６の寸法よりも小さいことも望まれる。これは、ヒートシンク３の端部では、熱膨張係数差によってセラミック絶縁薄膜６の割れ、剥がれが発生し易く、端部まで金属薄膜１２を形成するとその割れや剥がれを通じて絶縁不良を起こすためである。

このため、本実施形態では、金属薄膜１２をフランジ部３ｄおよびセラミック絶縁薄膜６の外縁よりも内側までしか形成していない構造としている。例えば、セラミック絶縁薄膜６の外縁から１ｍｍ内側の位置まで金属薄膜１２を形成した構造としてある。これにより、金属薄膜１２によってテーパ面３ｃ上のセラミック絶縁薄膜６を全面覆いつつ、金属薄膜１２をセラミック絶縁薄膜６の寸法より小さくできる。

なお、テーパ面３ｃ上のセラミック絶縁薄膜６を全域覆うように金属薄膜１２を形成するのが望ましいが、少なくともその一部を覆っていれば、その覆われた部分について、上記効果を得ることができる。また、本実施形態では、ヒートシンク３に下面３ｂと平行な下面を有するフランジ部３ｄを備えた構造としたが、フランジ部３ｄの下面がテーパ面３ｃよりも角度が緩やかなテーパ面となっていても構わない。

続いて、本実施形態の樹脂封止型半導体装置１の製造方法について説明する。図８は、本実施形態の樹脂封止型半導体装置１の製造工程を示した断面図である。この図を参照して、本実施形態の樹脂封止型半導体装置１の製造方法について説明する。

本実施形態の樹脂封止型半導体装置１の製造方法は、基本的には第１実施形態と同様であるが、図８（ａ）に示す工程において、ヒートシンク３として、フランジ部３ｄが備えられたものを用意する点が異なる。そして、図８（ｂ）に示す工程において、ヒートシンク３のうち下面３ｂ、テーパ面３ｃおよびフランジ部３ｄの表面をショットブラスト処理したのち、これらの表面にセラミック絶縁薄膜６を形成する。引き続き、アークまたはプラズマ溶射法により、例えば溶射アルミ膜からなる金属薄膜１２を０．３ｍｍの厚さで形成する。このとき、フランジ部３ｄの外縁よりも一回り小さな開口部を有するマスクを用いることで、金属薄膜１２がセラミック絶縁薄膜６の外縁よりも内側で終端させる。

この後は、図８（ｃ）、（ｄ）において、図３（ｃ）、（ｄ）と同様の工程を行うことで、第１実施形態と同様の構造の樹脂封止型半導体装置１が完成する。

なお、本実施形態の樹脂封止型半導体装置１に関しても、第２実施形態のように、封止材１１を用いて気孔、クラック内を満たすようにすることもできる。図９は、その様子を示した拡大図である。図に示されるように、ヒートシンク３の下面３ｂ等の表面に形成されるセラミック絶縁薄膜６だけでなく、その上に形成される金属薄膜１２内にも気孔、クラックが存在する。このため、セラミック絶縁薄膜６や金属薄膜１２の気孔、クラックを埋め込むように封止材１１を塗布すると好ましい。

このような構造は、例えば、図８（ｂ）の工程で金属薄膜１２を形成した後、封止材１１をスプレー塗布もしくは刷毛塗布する工程と、その後に熱処理によって封孔材１１を硬化する工程を追加するだけ実現できる。封止材１１を塗布する工程をセラミック絶縁薄膜６の形成後に行った後、更に金属薄膜１２の形成後にも行うということも考えられる。しかしながら、金属薄膜１２がセラミック絶縁薄膜６の表面の凹凸によるアンカー効果で接合されていることから、金属薄膜１２の形成前にセラミック絶縁薄膜６の表面の凹凸を封止材１１で埋めてしまうのは好ましくない。このため、封止材１１の塗布については、セラミック絶縁薄膜６および金属薄膜１２を連続的に形成してから行うのが好ましい。

また、金属薄膜１２を形成することで、その厚みに応じて少なからず熱抵抗が発生することになるため、図１０に示す拡大図のように、冷却器の基台に接触させられる表面を切削するなどにより、平坦化すると好ましい。このようにすれば、金属薄膜１２の膜厚を薄くできると共に、金属薄膜１２の表面の凹凸に起因する熱抵抗を軽減することも可能となる。

（他の実施形態）
上記各実施形態では、樹脂封止型半導体装置１に含まれる各部の構成材料の一例を挙げて説明しているが、上記材料は単なる一例であり、他の材料を用いても構わない。例えば、絶縁放熱層に含まれるセラミック絶縁薄膜６として溶射アルミナ膜を用いたが、窒化アルミ（ＡｌＮ）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、マグネシアスピネル（Ａｌ₂Ｏ₃・ＭｇＯ）などの材料で構成される膜を用いても構わない。また、金属薄膜１２として溶射金属膜を用い、溶射金属膜の一例として溶射アルミ膜を挙げたが他の金属材料で構成されるものを用いても良い。また、はんだ９、１０の構成材料に関しても同様であり、Ｓｎ−Ｃｕ系以外に一般的に知られている他の材料を用いても良い。

また、上記各実施形態では、半導体チップ２で発した熱をヒートシンク３を通じて樹脂部７の一面側から露出させられたセラミック絶縁薄膜６または金属薄膜１２から放出させるようにしている。しかしながら、この構造も単なる一例を示したにすぎず、樹脂部７の両面から熱を放出させるタイプの樹脂封止型半導体装置に対して、本発明を適用することもできる。その場合、樹脂部７から露出されている放熱箇所のうち、冷却器に接続される側の面に関してのみテーパ面３ｃを有するヒートシンク３の表面にセラミック絶縁薄膜６を備える構造としても構わないし、両方ともにそのような構造を備えるようにしても良い。

また、上記第１実施形態では、ヒートシンク３の上面３ａと下面３ｂの間がテーパ面３ｃのみとされている場合について説明したが、第３実施形態のように、フランジ部３ｄを備えた構造としても構わない。

また、上記第３実施形態において、金属薄膜６を平坦化する場合について説明したが、第１、第２実施形態において、セラミック絶縁薄膜１２についても同様に研削して平坦化することで、絶縁放熱層の膜厚を薄くでき、絶縁放熱層の表面の凹凸に起因する熱抵抗を低減することが可能となる。

１ 樹脂封止型半導体装置
２ 半導体チップ
３ ヒートシンク
３ａ 上面
３ｂ 下面
３ｃ テーパ面
３ｄ フランジ部
４、５ リード
６ 絶縁放熱層
７ 樹脂部
８ ボンディングワイヤ
９、１０ はんだ
１１ 封止材
１２ 溶射金属膜

Claims (12)

1. 上面（３ａ）および下面（３ｂ）を有すると共に、前記上面（３ａ）から前記下面（３ｂ）に至る端部に前記上面（３ａ）となす角度（θ）が９０°未満となるテーパ面（３ｃ）を有したヒートシンク（３）と、
   前記ヒートシンク（３）の前記上面（３ａ）側に配置されると共に、前記ヒートシンク（３）と電気的に接続されるパワー素子が形成された半導体チップ（２）と、
   前記ヒートシンク（３）の前記下面（３ｂ）および前記テーパ面（３ｃ）の表面に形成されたセラミック絶縁薄膜（６）を含む絶縁放熱層（６、１２）と、
   前記半導体チップ（２）に形成された前記パワー素子と電気的に接続される第１リード（４）と、
   前記ヒートシンク（３）を介して前記半導体チップ（２）に形成された前記パワー素子と電気的に接続される第２リード（５）と、
   前記第１、第２リード（４、５）の一部および前記絶縁放熱層（６、１２）のうち前記ヒートシンク（３）の前記下面（３ｂ）の表面に形成された部分を露出させた状態としつつ、前記半導体チップ（２）、前記ヒートシンク（３）、前記第１、第２リード（４、５）および前記絶縁放熱層（６、１２）を封止した樹脂部（７）と、を備えており、
   前記樹脂部（７）にて、前記ヒートシンク（３）のうち前記上面（３ａ）側の端部である上端および前記絶縁放熱層（６、１２）のうち前記テーパ面（３ｃ）の表面に形成された部分が覆われていることを特徴とする樹脂封止型半導体装置。
2. 前記ヒートシンク（３）の前記上端には、前記上面（３ａ）と水平方向に張り出したフランジ部（３ｄ）が備えられていることを特徴とする請求項１に記載の樹脂封止型半導体装置。
3. 前記絶縁放熱層（６、１２）は、前記セラミック絶縁薄膜（６）のうち前記ヒートシンク（３）と反対側の表面に形成された金属薄膜（１２）を備えており、該金属薄膜（１２）が前記セラミック絶縁薄膜（６）の外縁よりも内側にて終端していると共に、該金属薄膜（１２）の端部も前記樹脂部（７）によって覆われていることを特徴とする請求項１または２に記載の樹脂封止型半導体装置。
4. 前記金属薄膜（１２）の表面が平坦化されていることを特徴とする請求項３に記載の樹脂封止型半導体装置。
5. 前記金属薄膜（１２）は溶射金属膜であることを特徴とする請求項３または４に記載の樹脂封止型半導体装置。
6. 前記セラミック絶縁薄膜（６）は溶射セラミック膜であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の樹脂封止型半導体装置。
7. 前記絶縁放熱層（６、１２）における少なくとも前記ヒートシンク（３）の前記下面（３ｂ）上に形成された部分は、前記絶縁放熱層（６、１２）内の気孔およびクラックが封孔材（１１）で埋め込まれていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の樹脂封止型半導体装置。
8. 上面（３ａ）および下面（３ｂ）を有すると共に、前記上面（３ａ）から前記下面（３ｂ）に至る端部に前記上面（３ａ）となす角度（θ）が９０°未満となるテーパ面（３ｃ）を有したヒートシンク（３）を用意する工程と、
   前記ヒートシンク（３）の前記下面（３ｂ）および前記テーパ面（３ｃ）の表面に、溶射によってセラミック絶縁薄膜（６）および金属薄膜（１２）を連続的に形成することで絶縁放熱層（６、１２）を形成する工程と、
   前記絶縁放熱層（６、１２）のうち前記ヒートシンク（３）の前記下面（３ｂ）の表面に形成された部分に封孔材（１１）を塗布することで、前記絶縁放熱層（６、１２）内の気孔およびクラックを封孔材（１１）で埋め込む工程と、
   前記ヒートシンク（３）の前記上面（３ａ）側に、前記ヒートシンク（３）と電気的に接続されるパワー素子が形成された半導体チップ（２）を配置する工程と、
   樹脂成形により、前記半導体チップ（２）に形成された前記パワー素子と電気的に接続される第１リード（４）と、前記ヒートシンク（３）を介して前記半導体チップ（２）に形成された前記パワー素子と電気的に接続される第２リード（５）の一部および前記絶縁放熱層（６、１２）のうち前記ヒートシンク（３）の前記下面（３ｂ）の表面に形成された部分を露出させつつ、前記半導体チップ（２）、前記ヒートシンク（３）、前記第１、第２リード（４、５）および前記絶縁放熱層（６、１２）を封止し、前記ヒートシンク（３）のうち前記上面（３ａ）側の端部である上端および前記絶縁放熱層（６、１２）のうち前記テーパ面（３ｃ）の表面に形成された部分を覆う樹脂部（７）を形成する工程とを含んでいることを特徴とする樹脂封止型半導体装置の製造方法。
9. 上面（３ａ）および下面（３ｂ）を有すると共に、前記上面（３ａ）から前記下面（３ｂ）に至る端部に前記上面（３ａ）となす角度（θ）が９０°未満となるテーパ面（３ｃ）を有したヒートシンク（３）を用意する工程と、
   前記ヒートシンク（３）の前記下面（３ｂ）および前記テーパ面（３ｃ）の表面に、溶射によってセラミック絶縁薄膜（６）および金属薄膜（１２）を連続的に形成することで絶縁放熱層（６、１２）を形成する工程と、
   前記絶縁放熱層（６、１２）のうち前記ヒートシンク（３）の前記下面（３ｂ）の表面に形成された部分を研削して平坦化する工程と、
   前記ヒートシンク（３）の前記上面（３ａ）側に、前記ヒートシンク（３）と電気的に接続されるパワー素子が形成された半導体チップ（２）を配置する工程と、
   樹脂成形により、前記半導体チップ（２）に形成された前記パワー素子と電気的に接続される第１リード（４）と、前記ヒートシンク（３）を介して前記半導体チップ（２）に形成された前記パワー素子と電気的に接続される第２リード（５）の一部および前記絶縁放熱層（６、１２）のうち前記ヒートシンク（３）の前記下面（３ｂ）の表面に形成された部分を露出させつつ、前記半導体チップ（２）、前記ヒートシンク（３）、前記第１、第２リード（４、５）および前記絶縁放熱層（６、１２）を封止し、前記ヒートシンク（３）のうち前記上面（３ａ）側の端部である上端および前記絶縁放熱層（６、１２）のうち前記テーパ面（３ｃ）の表面に形成された部分を覆う樹脂部（７）を形成する工程とを含んでいることを特徴とする樹脂封止型半導体装置の製造方法。
10. 前記絶縁放熱層（６、１２）を形成する工程では、前記金属薄膜（１２）の端部が前記セラミック絶縁薄膜（６）の外縁よりも内側で終端するように、前記セラミック絶縁薄膜（６）および前記金属薄膜（１２）を形成することを特徴とする請求項８または９に記載の樹脂封止型半導体装置の製造方法。
11. 前記ヒートシンク（３）を用意する工程では、プレス加工にて前記テーパ面（３ｃ）を形成する工程を含んでいることを特徴とする請求項８ないし１０のいずれか１つに記載の樹脂封止型半導体装置の製造方法。
12. 前記第２リード（５）を用意すると共に該第２リード（５）を前記ヒートシンク（３）の前記上面（３ａ）にはんだ（９）にて接合する工程と、前記半導体チップ（２）を前記ヒートシンク（３）の上面（３）にはんだ（１０）にて接合する工程とを含み、これら第２リード（５）および前記半導体チップ（２）を前記ヒートシンク（３）に接合する工程を同時に行うことを特徴とする請求項８ないし１１のいずれか１つに記載の樹脂封止型半導体装置の製造方法。

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