JP5521438B2 - 半導体パッケージの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、放熱性を有するリードフレームの一面に半導体素子を搭載し、当該リードフレームの他面を露出させつつ、これらリードフレームおよび半導体素子を封止樹脂で封止してなる半導体パッケージの製造方法に関する。

従来より、この種の半導体パッケージとしては、放熱性を有する金属製板状のリードフレームと、このリードフレームの両板面のうちの一面に搭載された半導体素子とを備え、リードフレームの両板面のうちの他面側を被覆せずに、リードフレームの一面および半導体素子を封止樹脂で被覆して封止したものが、一般的に提案されている。

一般に、金属部材であるリードフレームとモールド樹脂とは密着力が低く、耐久試験後などに、金属／樹脂間で界面剥離を起こすことがある。これに対しては、リードフレームにディンプルを形成することにより、密着力を向上させ、リードフレームと封止樹脂との剥離を防止するようにしたものが提案されている（特許文献１参照）。

また、この種のパッケージにおいては、リードフレームの一面に、はんだを介して半導体素子を電気的・機械的に接続し、リードフレームの他面を放熱面として封止樹脂の外部に露出させることで、効率よく外部へ放熱を行うようにしている（たとえば、特許文献２参照）。しかし、このパッケージを筐体などに搭載しようとする場合、セラミック板や樹脂シートなど、パッケージと外部との熱的な接続を行うための絶縁物を、リードフレームの他面と筐体との間に介在させる必要がある。

また、封止樹脂から露出する放熱面であるリードフレームの他面に対して、溶射法によるセラミック薄膜を絶縁膜として形成したものが提案されている（特許文献３参照）。このものによれば、効率のよい放熱が実現できるとともに、封止樹脂より露出しているリードフレームは絶縁膜で被覆されて絶縁されているため、パッケージと外部との熱的な接続を行うための絶縁物を別途、必要としない構成を実現している。

特開２００５−１９１１７８号公報 特開２００３−１１００６４号公報 特開２００１−３０８２３７号公報

ところで、上記特許文献３に記載の半導体パッケージでは、リードフレームの他面に絶縁膜を形成しているが、この絶縁膜の形成あるいはその前処理によってリードフレームが反ってしまうことがある。このような反りが発生すると、後で行われる半導体素子の搭載や、パッケージと筐体との組み付けなどに悪影響を与える。このリードフレームの反りについては、リードフレームと絶縁膜との線膨張係数の差などが考えられるが、さらに以下のような原因が推定される。

上記特許文献３に記載の半導体パッケージでは、リードフレームの他面に溶射法によって絶縁膜としてのセラミック薄膜を形成するが、一般的に、この溶射法による薄膜形成では、薄膜の密着力を高めるため、ショットブラストによる前処理を行う。つまり、上記特許文献３においては、当該前処理によってリードフレームの他面の表面積が増加するため、当該他面を凸にして、リードフレームの反りが発生すると考えられる。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、パッケージと外部との熱的な接続を行うための絶縁物を別途準備することなく、リードフレームの反り及び封止樹脂の剥離が抑制可能な半導体パッケージの製造方法を提供することを目的とする。

本発明により製造された半導体パッケージの一形態においては、リードフレーム（１０）の一面（１１）のうち封止樹脂（３０）にて被覆される部位に、リードフレーム（１０）よりも封止樹脂（３０）との密着力が大きくセラミックよりなる電気絶縁性の絶縁膜（５０）を、当該部位を被覆するように設け、当該部位は絶縁膜（５０）を介して封止樹脂（３０）に接触して封止樹脂（３０）に被覆されるようにし、絶縁膜（５０）を、リードフレーム（１０）の他面（１２）にも設けて当該他面（１２）を被覆し、当該他面（１２）を被覆する絶縁膜（５０）を、封止樹脂（３０）より露出させたことを特徴としている。

それによれば、封止樹脂（３０）より露出するリードフレーム（１０）の他面（１２）に絶縁膜（５０）が設けられているから、別途、絶縁物の準備が不要となる。また、リードフレーム（１０）の両板面（１１、１２）に絶縁膜（５０）を設けるから、リードフレーム（１０）の反りが極力相殺され、また、絶縁膜（５０）により封止樹脂（３０）との密着力が向上する。よって、本発明によれば、パッケージと外部との熱的な接続を行うための絶縁物を別途準備することなく、リードフレーム（１０）の反り及び封止樹脂（３０）の剥離が抑制可能な半導体パッケージが提供される。

また、本発明により製造された半導体パッケージの他の形態においては、リードフレーム（１０）の一面（１１）のうち封止樹脂（３０）にて被覆される部位に、リードフレーム（１０）よりも封止樹脂（３０）との密着力が大きくセラミックよりなる電気絶縁性の絶縁膜（５０）を、当該部位を被覆するように設け、当該部位は絶縁膜（５０）を介して封止樹脂（３０）に接触して封止樹脂（３０）に被覆されるようにし、絶縁膜（５０）を、リードフレーム（１０）の他面（１２）にも設けて当該他面（１２）を被覆し、さらに、当該他面（１２）を被覆する絶縁膜（５０）の表面に、金属よりなる金属膜（６０）を、当該絶縁膜（５０）の表面を被覆するように設け、この金属膜（６０）を封止樹脂（３０）より露出させたことを特徴としている。

それによれば、上記した一形態の半導体パッケージと同様に、パッケージと外部との熱的な接続を行うための絶縁物が不要であり、リードフレーム（１０）の反り及び封止樹脂（３０）の剥離が抑制可能な半導体パッケージが提供される。また、本発明によれば、リードフレーム（１０）の他面（１２）に設けられた絶縁膜（５０）が、金属膜（６０）によって保護されるとともに、その絶縁膜（５０）の絶縁性の検査が、金属膜（６０）を電極として行うことが可能となる。

ここで、金属膜（６０）は、アルミニウム、銅、および、これらの合金より選択されたものにできる。

また、絶縁膜（５０）は、アルミナ、スピネル、酸化シリコン、及び、窒化シリコンより選択されたものにできる。絶縁膜（５０）としては、これらの絶縁性と熱伝導性を両立する無機材料を採用することができる。

また、絶縁膜（５０）としては、当該絶縁膜（５０）を形成するリードフレーム（１０）の表面をショットブラストにより処理し、この処理された面に溶射によって形成された膜とすることができる。

また、このように絶縁膜（５０）を、ショットブラストによる前処理および溶射法によって形成する場合について、本発明者が更に検討を進めたところ、次のような問題が発生し得ることがわかった。

上記絶縁膜（５０）を形成する場合、リードフレーム（１０）の表面のうち半導体素子（２０）と接合される部位である素子接合部（１４）を除く部位に、絶縁膜（５０）を形成する。ここで、一般には、リードフレームの表面のうち素子接合部をマスクで被覆し、この状態でリードフレームの表面に対して、絶縁膜を形成する材料を溶射によって吹き付ける方法が考えられる。

この場合、当該マスク上にも絶縁膜が形成されるが、処理数の増加と共にマスク上に堆積する絶縁膜の膜厚が大きくなり、マスクを洗浄して定期的に堆積物を除去しないと、その堆積した絶縁膜の膜応力により、マスクが大きく反ってしまう可能性がある。そうなると、マスクと被着体との隙間が広がり、膜材料を付着させたくない部位にまで、絶縁膜が形成されてしまう。

また、溶射回数を重ねるにつれて、マスクとその周囲の絶縁膜との間にて、当該間をつなぐように絶縁膜が成長することにより、マスクが被着体から外れなくなる現象、いわゆるスティッキングという現象が起こりやすい。そこで、このようなマスクの反り、スティッキングといった問題に対処するべく、検討を重ねた結果、請求項１に記載の製造方法を創出するに至った。

請求項１に記載の発明は、リードフレーム（１０）の表面（１１〜１３）のうち、リードフレーム（１０）の一面（１１）における半導体素子（２０）と接合される部位である素子接合部（１４）を除く部位に、リードフレーム（１０）よりも封止樹脂（３０）との密着力が大きくセラミックよりなる電気絶縁性の絶縁膜（５０）を形成する絶縁膜形成工程を備えた半導体パッケージの製造方法である。

そして、当該絶縁膜形成工程では、リードフレーム（１０）の表面（１１〜１３）のうち素子接合部（１４）に、当該素子接合部（１４）を被覆するマスク（Ｍ）を設け、マスク（Ｍ）が設けられたリードフレーム（１０）に対して、マスク（Ｍ）以外のリードフレーム（１０）の表面（１１〜１３）に、ショットブラスト処理を行い、その後、リードフレーム（１０）からマスク（Ｍ）を取り外し、素子接合部（１４）を含むリードフレーム（１０）の表面（１１〜１３）に、絶縁膜（５０）を形成する材料を溶射によって吹き付けることにより、リードフレーム（１０）の表面（１１〜１３）のうち素子接合部（１４）を除く部位に絶縁膜（５０）を形成することを特徴としている。

それによれば、上記したショットブラストによる前処理および溶射法によって形成された絶縁膜（５０）を有する半導体パッケージを適切に製造し得る製造方法が提供される。そして、ショットブラスト処理されない素子接合部（１４）には、溶射によって絶縁膜が形成されず、それ以外の表面に絶縁膜（５０）が形成されるから、溶射による成膜はマスクを用いることなく、選択的に行える。よって、本発明によれば、マスクの洗浄が不要でスティッキングの発生を防止しつつ、絶縁膜（５０）の形成を行うことができる。

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。

本発明の第１実施形態に係る半導体パッケージの概略断面図である。 新品のマスクを用いたときの溶射による一般的な成膜方法を示す工程図である。 複数回使用されたマスクを用いたときの溶射による一般的な成膜方法を示す工程図である。 第１実施形態の半導体パッケージの製造方法を示す工程図である。 図４に続く製造方法を示す工程図である。 絶縁膜による封止樹脂の剥離防止効果について本発明者が行った調査方法を示す図である。 封止樹脂のせん断強度を調査した結果を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る半導体パッケージの概略断面図である。 本発明の第３実施形態に係る半導体パッケージの概略断面図である。 本発明の第４実施形態に係る半導体パッケージの製造方法を示す工程図である。 第４実施形態の半導体パッケージの冷却器への組み付け方法を示す工程図である 本発明の第５実施形態に係る半導体パッケージの概略断面図である。

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は、本発明の第１実施形態に係る半導体パッケージＳ１の概略断面構成を示す図である。この半導体パッケージＳ１は、大きくは、リードフレーム１０上に半導体素子２０を実装したものを、リードフレーム１０の実装面とは反対側の面が露出するように、封止樹脂３０で封止したものである。

リードフレーム１０は、放熱性を有する金属よりなり、板状をなすものである。図１では、リードフレーム１０の厚さ方向に沿った断面が示されている。リードフレーム１０を構成する金属としては、Ｃｕや４２アロイあるいは鉄、アルミニウム、モリブデン、タングステンなどが挙げられる。

半導体素子２０は、このリードフレーム１０の両板面１１、１２のうちの一面（図１中の上面）１１に搭載されている。ここで、半導体素子２０は金属製のリードフレーム１０の一面１１に対して、はんだもしくは導電性接着剤よりなる導電性の接合材４０を介して電気的および機械的に接合されているものである。

具体的に半導体素子２０としては、駆動時に発熱するパワー素子などが挙げられ、たとえばパワーＭＯＳトランジスタやＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）等のトランジスタやＦＷＤ（フライホイールダイオード）等が挙げられる。

そして、封止樹脂３０は、リードフレーム１０の両板面１１、１２のうちの他面（図１中の下面）１２側を被覆せずに、リードフレーム１０の一面１１および半導体素子２０を被覆して封止している。なお、図示しないが、リードフレーム１０は、当該他面１２以外の一部が封止樹脂３０より外部に突出しており、この突出部が外部と電気的に接続される端子として構成されている。

リードフレーム１０の他面１２を被覆しないのは、この種のパッケージ同様に、当該他面１２を、放熱を行う放熱面として構成し、ここから半導体素子２０の熱を外部に逃がすためである。また、封止樹脂３０としては、通常の半導体パッケージに用いられるモールド材料、たとえばエポキシ樹脂等を採用することができる。

ここで、金属製板状のリードフレーム１０の表面とは、両板面１１、１２および両板面１１、１２の間に位置する側面１３であるが、図１では、当該両板面１１、１２および側面１３のうち、素子接合部１４を除く部位１０ａは、太線１０ａにて示している。ここで、素子接合部１４とは、リードフレーム１０の一面１１のうち半導体素子２０と接合される部位であり、より具体的には上記導電性の接合材４０が配置される部位である。

そして、リードフレーム１０の表面のうち素子接合部１４を除く太線の部位１０ａは、後述するショットブラスト処理された部位であるブラスト処理部１０ａである。さらに言うならば、本実施形態のリードフレーム１０におけるブラスト処理部１０ａは、リードフレーム１０の表面１１〜１３のうち、素子接合部１４を除く一面１１、他面１２、および側面１３である。

そして、本実施形態においては、図１に示されるように、リードフレーム１０の表面１１〜１３のうち素子接合部１４を除くブラスト処理部１０ａには、当該ブラスト処理部１０ａを被覆するように、電気絶縁性の絶縁膜５０が設けられている。

つまり、絶縁膜５０は、リードフレーム１０の表面１１〜１３のうち素子接合部１４を除いて封止樹脂３０にて被覆される部位である一面１１および側面１３に設けられて、これら部位を被覆するとともに、さらに、封止樹脂３０で被覆されていない他面１２にも設けられて当該他面１２を被覆している。

なお、図１において、リードフレーム１０の他面１２側が封止樹脂３０より突出した状態で露出していてもよい。その場合には、リードフレーム１２の側面１３の一部が封止樹脂３０で被覆されていない面となるが、この封止樹脂３０で被覆されていない側面１３の部分に、絶縁膜５０が設けられていてもよい。

そして、封止樹脂３０にて被覆されているリードフレーム１０の一面１１および側面１３は、絶縁膜５０を介して封止樹脂３０に接触して封止樹脂３０に被覆されている。一方、リードフレーム１０の他面１２を被覆する絶縁膜５０は、封止樹脂３０には被覆されていない。

この絶縁膜５０は、セラミックよりなる電気絶縁性のもので、金属製のリードフレーム１０よりも封止樹脂３０との密着力が大きいものである。その材質としては、電気絶縁性と熱伝導性を両立する無機材料として、たとえばアルミナ、スピネル、酸化シリコン、及び、窒化シリコンより選択されたものが挙げられる。そして、本実施形態の絶縁膜５０は、これらの膜形成材料を用いて溶射により形成された膜、いわゆる溶射膜である。

さらに、図１に示されるように、本実施形態の半導体パッケージＳ１では、リードフレーム１０の他面１２を被覆する絶縁膜５０の表面には、金属よりなる金属膜６０が当該絶縁膜５０の表面を被覆するように設けられている。そして、この金属膜６０が封止樹脂３０より外部に露出している。

この金属膜６０は、アルミニウム、銅、および、これらの合金より選択されたものである。この金属膜６０は、一般的な金属膜の成膜方法を用いて形成されるが、ここでは溶射により形成されたものである。

この金属膜６０は、リードフレーム１０の他面１２に設けられた絶縁膜５０を被覆・保護するとともに、その他面１２側の絶縁膜５０の絶縁性を検査するための電極として機能するものである。

当該絶縁性の検査については、たとえばリードフレーム１０の端子と金属膜６０との間に電圧を印加することで当該他面１２側の絶縁膜５０の電気抵抗を調査してやればよい。ここで、リードフレーム１０の一面１１側の絶縁膜５０については、封止樹脂３０によって封止されることから、その絶縁性を保証する必要はない。そのため、金属膜６０の形成は上記他面１２側のみでよい。

なお、図１では示さないが、半導体素子２０は、図示しないリード端子などにワイヤボンディングされて外部と電気的に接続されたものとしてもよい。このことは、具体的には、リード端子のインナーリード部分と半導体素子２０とを封止樹脂３０内でワイヤボンディングし、リード端子のアウターリード部分と外部とを接続するように構成すればよい。

以上のように、本実施形態の半導体パッケージＳ１においては、金属製板状のリードフレーム１０の両板面１１、１２のうち半導体素子２０を実装する実装面であり且つ封止樹脂３０で封止される面である一面１１と、封止樹脂３０では被覆されない放熱面としての他面１２との両方に、上記絶縁膜５０を設けている。

それゆえ、本実施形態では、放熱面としてのリードフレーム１０の他面１２に冷却部材等を接触させて放熱を行う場合、従来のようなセラミック板や樹脂シートのような絶縁物を別途介在させる必要はなく、金属膜６０から直接冷却部材等への放熱を行うようにすればよい。

つまり、本実施形態によれば、半導体パッケージＳ１を外部の冷却部材等に組み付けるにあたって、従来のような絶縁物を準備することが不要となり、当該組み付けが容易となる。

また、本実施形態によれば、リードフレーム１０の両板面１１、１２に絶縁膜５０を設けるから、リードフレーム１０の反りが極力相殺され、リードフレーム１０の平坦性が良好に保持される。特に、本実施形態では、ショットブラストにより処理されたリードフレーム１０の表面に溶射によって絶縁膜５０を成膜するが、この処理および成膜を両板面１１、１２にて行っているため、リードフレーム１０の反りが相殺されて防止される。

また、上述したように、本実施形態によれば、絶縁膜５０により封止樹脂３０とリードフレーム１０との密着力が向上する。

なお、上記特許文献３では、リードフレームの放熱面である他面に絶縁膜が設けられており、さらにリードフレームの側面にも絶縁膜が設けられているが、リードフレームの一面つまり半導体素子が実装される実装面に絶縁膜を設けた例は記載されていない。

それに対して、本実施形態では、この封止樹脂３０で被覆されるリードフレーム１０の一面１１に絶縁膜５０を設け当該絶縁膜５０を介してリードフレーム１０の一面１１と封止樹脂３０とを密着させている。

そして、この絶縁膜５０はリードフレーム１０よりも封止樹脂３０との密着力が大きいため、本実施形態では、リードフレーム１０の一面１１側にて絶縁膜５０による封止樹脂３０の剥離防止という独自の効果が発揮されるのである。

このように、本実施形態によれば、パッケージＳ１と外部との熱的な接続を行うための絶縁物を別途準備することなく、リードフレーム１０の反り及びパッケージ内の封止樹脂３０の剥離が抑制可能な半導体パッケージＳ１が提供される。

ところで、本実施形態では、上述したように、絶縁膜５０は、リードフレーム１０の表面１１〜１３をショットブラストにより処理し、この処理された面すなわち上記ブラスト処理部１０ａに対して溶射を行うことによって形成された膜である。

ここで、溶射とは、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。また、ここでいう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、溶射される面の粗化、汚れ除去を行うものである。

このように絶縁膜５０を、ショットブラストによる前処理および溶射法によって形成する場合について、本発明者は検討を行った。この場合の一般的な方法を本実施形態の絶縁膜５０の成膜に採用するならば、リードフレーム１０の表面のうち素子接合部１４をマスクで被覆し、この状態でリードフレーム１０の表面に対して、絶縁膜５０を形成する材料を溶射によって吹き付ける方法が考えられる。

図２、図３は、この一般的なマスクＭを用いて選択的に絶縁膜５０を形成する溶射方法を示す工程図であって、図２は新品のマスクＭを用いた成膜方法を示す図であり、図３は何回か成膜に使用したマスクＭによる成膜方法を示す図である。

新品のマスクＭを用いた場合、図２に示されるように、被着体としてのリードフレーム１０の表面のうち必要な部位をマスクＭで被覆し（図２（ａ）参照）、その状態で溶射による成膜を行い（図２（ｂ）、（ｃ）参照）、その後、マスクＭを取り外す（図２（ｄ）参照）。それにより、リードフレーム１０のうちマスクＭで被覆されている部位以外に、適切に絶縁膜５０が形成される。

一方、複数回の成膜に使用したマスクＭを用いて溶射による成膜を行う場合、図３（ａ）に示されるように、リードフレーム１０にマスクＭを取り付けた時点で、マスクＭ上に厚い絶縁膜５０が堆積している。このような状態のマスクＭでは、図示しないが、堆積した絶縁膜５０の膜応力によりマスクＭが大きく反って、マスクＭとリードフレーム１０との隙間が広がり、絶縁膜５０の形成位置のずれ等が発生する可能性がある。

また、この場合、上述したスティッキングが発生する。これは、図３（ｂ）、（ｃ）に示されるように、溶射による成膜を複数回行ったときに、マスクＭ上に堆積した絶縁膜５０がマスクＭからはみ出し、リードフレーム１０上の絶縁膜５０とつながってしまう現象である。このスティッキングが発生すると、マスクＭがリードフレーム１０から外れなくなってしまう。

そこで、このようなマスクＭの反り、スティッキングといった問題に対処するべく、本実施形態では、以下のような製造方法を採用する。次に、この本実施形態の半導体パッケージＳ１の製造方法について、図４、図５を参照して述べる。

図４は、本製造方法におけるショットブラスト処理工程を示す工程図であり、（ａ）はマスクＭの設置状態を示す概略断面図、（ｂ）は（ａ）の上面図、（ｃ）はショットブラスト工程を示す概略断面図である。

また、図５は図４に続く製造方法を示す工程図であり、（ａ）はショットブラスト後のマスクＭが除去された状態を示す概略断面図、（ｂ）は溶射後の絶縁膜５０が形成された状態を示す概略断面図、（ｃ）は金属膜６０が形成された状態を示す概略断面図、（ｄ）は半導体素子２０の実装後の状態を示す概略断面図、（ｅ）は樹脂封止後の状態を示す概略断面図である。なお、以下の製造方法中に示される寸法値は一具体例であり、本実施形態はこれに限定されるものではない。

本実施形態の製造方法は、リードフレーム１０の表面１１〜１３のうち、当該リードフレーム１０の一面１１における素子接合部１４を除く部位に、絶縁膜５０を形成する絶縁膜形成工程を備える。この絶縁膜形成工程は、ショットブラスト処理工程とその後に行う溶射工程とを備える。

まず、ショットブラスト処理工程では、図４（ａ）、（ｂ）に示されるように、リードフレーム１０の表面１１〜１３のうち素子接合部１４に、当該素子接合部１４を被覆するマスクＭを設ける。このマスクＭは一般のものと同様、ステンレスなどの金属製のものである。

次に、マスクＭが設けられたリードフレーム１０に対して、マスクＭ以外のリードフレーム１０の表面に、ショットブラスト処理を行う。具体的には、図４（ｃ）に示されるように、ショットブラスト用のノズルＮからブラスト粒Ｔを噴射し、リードフレーム１０に衝突させる。

このノズルＮは可動式のものであり、ノズルＮの位置を適宜変えることにより、リードフレーム１０の表面１１〜１３のうち素子接合部１４を除く一面１１、他面１２および側面１３に、ショットブラスト処理を行うことができる。リードフレーム１０の表面１１〜１３のうちマスクＭで被覆されていない部位は、ブラスト粒Ｔが衝突して、表面に凹凸が形成され、また酸化物や汚れなどが除去される。

次に、図５（ａ）に示されるように、リードフレーム１０からマスクＭを取り外して除去する。そして、必要に応じて、リードフレーム１０の表面に残存するブラスト粒Ｔを除去するため、水などによって適当な洗浄を行う。

その後、素子接合部１４を含むリードフレーム１０の表面１１〜１３、つまりリードフレーム１０の全表面に、絶縁膜５０を形成する材料を溶射によって吹き付ける。そうすることにより、図５（ｂ）に示されるように、リードフレーム１０の表面１１〜１３のうち、当該リードフレーム１０の一面１１における素子接合部１４を除く部位に、絶縁膜５０を形成する。

このとき、リードフレーム１０の固定は、リードフレーム１０の端子部分などを利用して行い、リードフレーム１０を回転させながら、あるいは、溶射口を回転させながら行う。それによって、リードフレーム１０の全表面に膜材料となるセラミック粒子を塗布する。このとき、ブラスト処理部１０ａには、セラミック粒子が被着するが、ブラスト処理していない素子接合部１４には被着しない。

これは、溶射による成膜の特色を利用したものである。溶射では、被着体の表面をショットブラスト処理し、その処理された表面に溶射して成膜を行うが、ショットブラスト処理を行うと、処理された面では、粗化によるアンカー効果、および、表面に存在していた酸化膜が除去されるなどの表面清浄の効果が得られる。

そして、これら効果により当該処理された面に溶射膜が形成されるのである。逆に言えば、ショットブラスト処理を行わない面では、溶射を行っても絶縁膜が形成されない。本実施形態の絶縁膜５０の成膜方法は、このことを利用したものであり、本発明者による実験によっても確認されているものである。

ここで、絶縁膜５０の厚さと材料は、必要とされる絶縁性と熱抵抗により増減するものであるが、本実施形態においては、たとえば１００μｍ厚さのスピネルを用いることができる。また、絶縁膜５０を構成するセラミックの膜材料については、必要とされる絶縁性や熱伝導率、コストにより選択されるが、スピネルの場合、大気中で成膜でき、また安価であるという利点がある。

次に、図５（ｃ）に示されるように、リードフレーム１０の他面１２を被覆する絶縁膜５０の表面に、溶射により金属膜６０を形成し、当該他面１２側の絶縁膜５０の表面を金属膜６０によって被覆する。

この金属膜６０の形成は、リードフレーム１０、溶射口ともに回転させずに行えるので、溶射法のように直進性が高い成膜方法では、金属膜６０がリードフレーム１０の一面１１にまで回り込むことはない。つまり、金属膜６０の溶射においてマスクは不要である。そして、この金属膜６０としては、たとえば１５０μｍのアルミニウム膜を用いることができる。

次に、はんだなどの接合材４０を介して、半導体素子２０をリードフレーム１０の一面１１の素子接合部１４に接合し（図５（ｄ）参照）、必要に応じて半導体素子２０に対してワイヤボンディングを行う。その後、金型などを用いて、このものを封止樹脂３０で封止する（図５（ｅ）参照）。こうして、本実施形態の半導体パッケージＳ１ができあがる。

なお、上記製造方法において、リードフレーム１０の素子接合部１４に対しては、Ｎｉなどのはんだ付け用電極を予め形成しておいてもよいし、溶射による絶縁膜５０の形成後に、めっきによりＮｉなどを形成してもよい。

上記した本実施形態の製造方法によれば、リードフレーム１０の表面１１〜１３のうちショットブラスト処理されない素子接合部１４には、溶射によって絶縁膜が形成されず、それ以外の表面に絶縁膜５０が形成されるから、溶射による成膜はマスクＭを用いることなく、選択的に行える。

つまり、本実施形態の製造方法では、ショットブラスト処理時のみマスクＭを用いるが、溶射の際にはマスクを用いないから、そもそも上記したようなマスクの反りや、マスクと被着体とのスティッキングといった問題は回避される。よって、本実施形態によれば、マスクの洗浄が不要でスティッキングの発生を防止しつつ、絶縁膜５０の形成を行うことができる。

次に、絶縁膜５０による封止樹脂３０の剥離防止効果について、本発明者が行った実験調査の結果を挙げてより具体的に述べる。図６は、その調査方法を示す図である。（ａ）は、リードフレーム１０の一面１１に絶縁膜５０を形成し、その上に封止樹脂３０を密着させたサンプルＫ１であり、（ｂ）は、絶縁膜５０を設けずにリードフレーム１０の一面１１と封止樹脂３０とを直接密着させたサンプルＫ２である。絶縁膜５０の製造方法については、上記したスピネルを用いた方法と同じである。

そして、これら各サンプルＫ１、Ｋ２について、図６中の白抜き矢印に示される方向から荷重を加え、封止樹脂３０が剥離するときのせん断強度を調査した。その結果を図７に示す。図７に示される「モールド／セラミック膜」は、本実施形態に相当するサンプルＫ１であり、「モールド／リードフレーム」は、比較例に相当するサンプルＫ２である。

この図７に示されるように、絶縁膜５０を介してリードフレーム１０と封止樹脂３０を密着させた場合には、絶縁膜５０を介在させない場合よりも大幅に密着力が向上し、樹脂剥離の発生はみられなかった。なお、絶縁膜５０がスピネル以外に、アルミナや窒化珪素である場合にも、この図７と同様の傾向がみられ、その効果が確認された。

（第２実施形態）
図８は、本発明の第２実施形態に係る半導体パッケージＳ２の概略断面構成を示す図である。本実施形態は、上記第１実施形態に比べて、金属膜６０が省略された構成であることが相違するものである。

上記第１実施形態における金属膜６０は、リードフレーム１０の他面１２側に設けられた絶縁膜５０の保護や電気絶縁性の検査が不要な場合などには、形成しなくともよい。つまり、本実施形態の半導体パッケージＳ２では、図８に示されるように、リードフレーム１０の他面１２を被覆する絶縁膜５０は、封止樹脂３０より外部に露出している。

この本実施形態の半導体パッケージＳ２は、上記第１実施形態に述べた製造方法において金属膜の形成工程を省略した方法によって製造することが可能である。そして、本半導体パッケージＳ２においても、パッケージＳ２と外部との熱的な接続を行うための絶縁物を別途準備することなく、リードフレーム１０の反り及びパッケージ内の封止樹脂３０の剥離が抑制できる。

（第３実施形態）
図９は、本発明の第３実施形態に係る半導体パッケージＳ３の概略断面構成を示す図である。上記各実施形態では、半導体素子２０の片面にのみリードフレーム１０を設け、半導体素子２０の片面側からリードフレーム１０による放熱を行うものであった。

それに対して、本実施形態の半導体パッケージＳ３は、半導体素子２０の両面側にそれぞれ第１のリードフレーム１０、第２のリードフレーム７０を設け、半導体素子２０の両面からリードフレーム１０、７０を介した放熱を可能としたものである。

本半導体パッケージＳ３において、図９中の半導体素子２０よりも下側の部分は、上記図１に示される第１実施形態の半導体パッケージＳ１と同一の構成である。つまり、本実施形態においても、第１のリードフレーム１０の表面のうち素子接合部１４を除く部位に絶縁膜５０を設けるとともに、第１のリードフレーム１０の一面１１に半導体素子２０を搭載し、これらを封止樹脂３０で封止し、さらに、封止樹脂３０で被覆されない第１のリードフレーム１０の他面１２側の絶縁膜５０を金属膜６０で被覆している。

一方、本パッケージＳ３においては、半導体素子２０よりも上側の部分の構成が、上記第１実施形態と相違している。すなわち、半導体素子２０において第１のリードフレーム１０とは反対側の面には、接合材４０を介して電極ブロック８０が接合され、その上に更に接合材４０を介して第２のリードフレーム７０の一面１１側が接合されている。

つまり、第２のリードフレーム７０については、電極ブロック８０を介在させてはいるものの、第２のリードフレーム７０の一面７１に半導体素子２０が搭載され、接合された構成となっている。

これら電極ブロック８０および第２のリードフレーム７０も、第１のリードフレーム１０と同様の導電性、熱伝導性に優れたＣｕなどよりなる板材であり、半導体素子２０は電極ブロック８０を介して第２のリードフレーム７０と電気的および機械的に接合されている。そして、半導体素子２０の熱は第２のリードフレーム７０からも放熱されるようになっている。

ここで、第２のリードフレーム７０は、その両板面７１、７２のうちの他面７２が封止樹脂３０によって被覆されていない。そして、第２のリードフレーム７０の他面７２が外部に放熱を行う放熱面として構成されている。

第２のリードフレーム７０の表面は、両板面７１、７２および両板面７１、７２の間に位置する側面７３である。そして、第２のリードフレーム７０の一面７１においても電極ブロック８０との接合部が、実質的に半導体素子２０が接合されている素子接合部７４とされている。

そして、図９では、第２のリードフレーム７０の両板面７１、７２および側面７３のうち、素子接合部７４を除く部位７０ａは、上記同様のブラスト処理部７０ａとして太線にて示されている。そして、第２のリードフレーム７０についても、ブラスト処理部７０ａとしての表面に絶縁膜５０が設けられている。

つまり、第２のリードフレーム７０の表面７１〜７３のうち封止樹脂３０にて被覆される部位である一面７１および側面７３は、絶縁膜５０に被覆されるとともに、絶縁膜５０を介して封止樹脂３０に接触して封止樹脂３０に被覆されている。

また、封止樹脂３０で被覆されていない第２のリードフレーム他面７２も、絶縁膜５０で被覆されているが、当該絶縁膜５０はさらに金属膜６０で被覆されて、当該金属膜６０が封止樹脂３０から外部に露出している。

つまり、第１のリードフレーム１０と第２のリードフレーム７０とは、接合材４０を介して接合される部材が半導体素子２０と電極ブロック８０との違いはあるものの、絶縁膜５０や金属膜６０の構成については、実質的に同等のものである。

したがって、本実施形態の半導体パッケージＳ３によれば、第１のリードフレーム１０だけでなく、第２のリードフレーム７０についても、上記第１実施形態に述べたように、絶縁物を別途準備することなく、リードフレームの反り及びパッケージ内の封止樹脂３０の剥離が抑制可能であるという効果が期待できる。

本半導体パッケージＳ３は、半導体素子２０の両面にそれぞれ接合材４０を介して、電極ブロック８０、両リードフレーム１０、７０を接合した後、封止樹脂３０によるモールド成形を行うことにより製造される。

なお、本実施形態の半導体パッケージＳ３においても、上記第２実施形態と同様に、両リードフレーム１０、７０にて金属膜６０が省略された構成であってもよいことはもちろんである。

また、上記電極ブロック８０は、両リードフレーム１０、７０の間で半導体素子２０にワイヤボンディングを行ったときに、ワイヤが第２のリードフレーム７０に当たらないように、当該両リードフレーム１０、７０の間隔を確保するスペーサ等の機能を有するものであるが、場合によっては省略してもよい。つまり、本実施形態において、第１のリードフレーム１０と同様、第２のリードフレーム７０についても、接合材４０のみを介して半導体素子２０が接合されていてもよい。

（第４実施形態）
図１０は、本発明の第４実施形態に係る半導体パッケージの製造方法を示す工程図であり、図１１は、本実施形態の半導体パッケージを外部の冷却器１００に組み付ける組み付け方法を示す工程図である。本実施形態の半導体パッケージは、上記第３実施形態と同様、両面放熱型のパッケージである。

まず、上記第３実施形態と同様に、半導体素子１０の上下面に接合材４０を介して、絶縁膜５０及び金属膜６０付きの各リードフレーム１０、７０を接合する。その後、封止樹脂３０によるモールド成形を行うが、冷却器１００との接触面積を確保するため、２つのリードフレーム１０、７０の平行度および平面度が重要である。

そこで、本実施形態においては、図１０（ａ）に示されるように、モールド成形のときに、両リードフレーム１０、７０の放熱面である各他面１２、７２を封止樹脂３０で覆うようにする。

その後、図１０（ｂ）に示されるように、封止樹脂３０および金属膜６０の一部を切削して両リードフレーム１０、７０の平行度および平面度を所望値とする。具体的には、両リードフレーム１０、７０のどちらか一方の他面を、狙いの平面度となるように切削し、その切削された方の面を基準にして、他方のリードフレームの他面を切削する。こうして、本実施形態の半導体パッケージができあがる。

ここで、金属膜６０の膜厚は、接合材４０によって接合した後の両リードフレーム１０、７０の平行度に依存する。この平行度は、両リードフレーム１０、７０の他面１２、７２の距離の最小距離と最大距離との差で表される。なお、両リードフレーム１０、７０が完全に平行ならば、当該両他面１２、７２の距離はどの部分でも同じであり平行度は０である。

また、金属膜６０の材料としては、金属膜６０に接触する冷却器１００の構成材料と同一または当該構成材料を主成分とするものであることが好ましい。たとえば、冷却器１００の構成材料がアルミニウム合金であるとき、合金化や変形を防ぐために、アルミニウムやアルミニウム合金を金属膜６０の材料として選択するのがよい。

続いて、図１１（ａ）に示されるように、半導体パッケージにおける金属膜６０に、一般的なシリコーングリス等よりなる放熱グリス１１０を塗布する。そして、図１１（ｂ）に示されるように、これを冷却器１００に挟み込んだ後、加圧し、冷却器１００と半導体パッケージとを接触させる。

こうして、冷却器１００への組付けが完了し、半導体パッケージにおいては、両リードフレーム１０、７０の他面１２、７２から金属膜６０を介して、冷却器１００に放熱される。ここで、冷却器１００としては、たとえばアルミニウムのブロックや、内部に冷却液が流れる水冷式のもの等、一般的なものを採用できる。そして、本実施形態によれば、切削により両リードフレーム１０、７０の平行度および平面度が良いため、効率よく、冷却することが可能である。

（第５実施形態）
図１２は、本発明の第５実施形態に係る半導体パッケージの概略断面構成を示す図である。本実施形態の半導体パッケージも、両面放熱型のパッケージであるが、２個の半導体素子２０を有するものである。

図１２に示されるように、本半導体パッケージは、３個の金属製板状のリードフレーム１０、７０、７０を有しており、１個の第１のリードフレーム１０の一面１１に対して、第１のリードフレーム１０よりも平面サイズの小さな２個の第２のリードフレーム７０がその一面７１を対向させて配置されている。

第１のリードフレーム１０は、その一面１１に２箇所の素子接合部１４を有しており、一方（図１２中の左側）の素子接合部１４には、接合材４０を介して一方の半導体素子２０が搭載・接合され、他方（図１２中の右側）の素子接合部１４には、接合材１４および電極ブロック８０を介して他方の半導体素子２０が搭載・接合されている。

また、上記一方の半導体素子２０に対向する一方の第２のリードフレーム７０、上記他方の半導体素子２０に対向する他方の第２のリードフレーム７０については、それぞれ一面７１に素子接合部７４が設けられている。

そして、一方の第２のリードフレーム７０の素子接合部７４には、接合材１４および電極ブロック８０を介して一方の半導体素子２０が搭載・接合され、他方の第２のリードフレーム７０の素子接合部７４には、接合材１４を介して他方の半導体素子２０が搭載・接合されている。

また、これら３個のリードフレーム１０、７０、７０については、上記各実施形態と同様に、その表面のうち素子接合部１４、７４を除く部位に絶縁膜５０が設けられるとともに、その一面１１、７１に半導体素子２０が搭載され、これらが封止樹脂３０で封止され、さらに、封止樹脂３０で被覆されない他面１２、７２側の絶縁膜５０が金属膜６０で被覆されたものとなっている。

このように、本実施形態によれば、１つのパッケージに２個の半導体素子２０を備えた、いわゆるツーインワン構造のパッケージが提供される。このパッケージは、上記第３実施形態等に述べた両面放熱タイプのパッケージの製造方法を準用して製造できることは明らかである。

なお、本実施形態の半導体パッケージにおいても、両リードフレーム１０、７０にて金属膜６０が省略された構成であってもよく、また、場合によっては、上記電極ブロック８０を省略してもよい。

（他の実施形態）
なお、絶縁膜５０は、金属製のリードフレーム１０、７０よりも封止樹脂３０との密着力が大きくセラミックよりなる電気絶縁性のものであれば、溶射により成膜されたものでなくてもよい。たとえば、絶縁膜５０は、スパッタやＣＶＤなど溶射以外の成膜方法により形成されたものであってもよい。また、金属膜６０も、溶射以外にスパッタやＣＶＤなどにより形成されたものであってもよい。

１０ リードフレーム
１１ リードフレームの一面
１２ リードフレームの他面
１３ リードフレームの側面
１４ 素子接合部
２０ 半導体素子
３０ 封止樹脂
５０ 絶縁膜
６０ 金属膜
Ｍ マスク

Claims (1)

1. 放熱性を有する金属製板状のリードフレーム（１０）の両板面のうちの一面（１１）に半導体素子（２０）を搭載して接合し、
   前記リードフレーム（１０）の両板面のうちの他面（１２）側を被覆せずに、前記リードフレーム（１０）の一面（１１）および前記半導体素子（２０）を、封止樹脂（３０）により被覆して封止するようにした半導体パッケージの製造方法において、
   前記リードフレーム（１０）の表面（１１〜１３）のうち前記一面（１１）における前記半導体素子（２０）と接合される部位である素子接合部（１４）を除く部位に、前記リードフレーム（１０）よりも前記封止樹脂（３０）との密着力が大きくセラミックよりなる電気絶縁性の絶縁膜（５０）を形成する絶縁膜形成工程を備え、
   前記絶縁膜形成工程では、前記リードフレーム（１０）の表面（１１〜１３）のうち前記素子接合部（１４）に、当該素子接合部（１４）を被覆するマスク（Ｍ）を設け、
   前記マスク（Ｍ）が設けられた前記リードフレーム（１０）に対して、前記マスク（Ｍ）以外の前記リードフレーム（１０）の表面（１１〜１３）に、ショットブラスト処理を行い、
   その後、前記リードフレーム（１０）から前記マスク（Ｍ）を取り外し、前記素子接合部（１４）を含む前記リードフレーム（１０）の表面（１１〜１３）に、前記絶縁膜（５０）を形成する材料を溶射によって吹き付けることにより、前記リードフレーム（１０）の表面（１１〜１３）のうち前記素子接合部（１４）を除く部位に前記絶縁膜（５０）を形成することを特徴とする半導体パッケージの製造方法。

Images