JP2011054889A - 樹脂封止型半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒートシンクの露出側面の表面の凹凸による熱抵抗の増加を抑制することにより放熱性を高める。
【解決手段】ヒートシンク３に接合される絶縁シート材６について、溶射アルミナ膜６ｂの表面を直接露出させるのではなく、Ａｌ板６ａの裏面を露出させた構造とする。このＡｌ板６ａの裏面は平坦面となっているため、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、従来のように溶射アルミナ膜に接続する場合と比較して、Ａｌ板６ａとの接合箇所での接触熱抵抗を大幅に低下させることが可能となる。
【選択図】図１

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溶射絶縁膜を含む絶縁シート材を樹脂中に埋め込み、かつ、封止樹脂の外部に絶縁シート材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、絶縁膜と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薄膜を備えたものがある。このセラミック薄膜の中でも、成膜速度が高く、簡便であるという観点から特に溶射膜が採用されている（例えば、特許文献１、２参照）。

特開平１１−８７５７３号公報 特許第４０２３３９７号公報

しかしながら、溶射絶縁膜の表面を微視的に観察すると、非常に大きな凹凸が存在している。このため、樹脂封止型半導体装置をアルミ筐体等の冷却器の基台に取り付けたときに、溶射絶縁膜を冷却器の基台に接触させても接触面積が小さく、熱抵抗が高くなってしまう。このため、溶射絶縁膜から冷却器の基台への熱伝導が阻害され、良好な放熱が行えなくなる。

これに対して、溶射絶縁膜と基台の界面にシリコングリースなどの液状物を配置し、その液状物を介して溶射絶縁膜と基台とを接触させることで放熱性を高めるという手法もある。しかしながら、シリコングリースなどでは、熱伝導率が数ｍＷ／ｍＫと低いため、効果的に熱抵抗を下げることができず、結局良好な放熱を行うことができない。

本発明者らの実験によれば、１５０μｍの溶射アルミナ（熱伝導率６Ｗ／ｍＫ）を形成すると、最大４０μｍの凹凸が形成され、シリコーングリースを用いて溶射絶縁膜と基台とを接触させた場合でも、膜内の熱抵抗と、溶射絶縁膜の表面の凹凸による熱抵抗はほぼ同じになることが確認されている。このため、溶射絶縁膜の表面の凹凸は熱抵抗を低下させる上で無視することができない。

本発明は上記点に鑑みて、ヒートシンクの裏面に配置されると共に樹脂部から露出させられる溶射絶縁膜を含む絶縁シート材の表面の凹凸による熱抵抗の増加を抑制することにより放熱性を高められ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、パワー素子が形成された半導体チップ（２）で発生した熱を該半導体チップ（２）に接合したヒートシンク（３）に伝えて放出させる樹脂封止型半導体装置において、平坦面を有する金属板（６ａ）および該金属板（６ａ）のうちの平坦面と反対側に形成された溶射絶縁膜（６ｂ）を含み、金属板（６ａ）よりも溶射絶縁膜（６ｂ）側をヒートシンク（３）側に向けて配置された絶縁シート材（６）を備え、半導体チップ（２）やヒートシンク（３）および絶縁シート材（６）を封止する樹脂部（７）から絶縁シート材（６）における金属板（６ａ）の平坦面を露出させた構造とすることを特徴としている。

このように、溶射絶縁膜（６ｂ）の表面を直接露出させるのではなく、金属板（６ａ）を露出させた構造としている。この金属板（６ａ）の露出させられた面は平坦面となっているため、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、従来のように溶射絶縁膜に接続する場合と比較して、金属板（６ａ）との接合箇所での接触熱抵抗を大幅に低下させることが可能となる。

請求項２に記載の発明では、溶射絶縁膜（６ｂ）の表面に溶射金属膜（６ｃ）を備え、溶射金属膜（６ｃ）とヒートシンク（３）とがはんだ（１０）を介して接合されていることを特徴としている。

このように、溶射絶縁膜（６ｂ）の表面に溶射金属膜（６ｃ）を備え、溶射金属膜（６ｃ）およびはんだ（１０）を介して溶射絶縁膜（６ｂ）がヒートシンク（３）に接合される構造とすることができる。

請求項３に記載の発明では、溶射金属膜（６ｃ）は、溶射絶縁膜（６ｂ）よりも小さな寸法で形成され、該溶射金属膜（６ｃ）の外縁が溶射絶縁膜（６ｂ）の外縁よりも内側に配置されていることを特徴としている。

樹脂部（７）と絶縁シート材（６）との熱膨張係数差により、その界面で剥離し易くなる。そして、剥離した場合、溶射金属膜（６ｃ）が溶射絶縁膜（６ｂ）の表面全面に形成されていると、金属板（６ａ）と溶射金属膜（６ｃ）との間の距離が溶射絶縁膜（６ｂ）の厚み分しか無くなり、絶縁できなくなって直ぐに特性に影響してしまう。このため、溶射金属膜（６ｃ）を溶射絶縁膜（６ｂ）よりも小さくすることで、溶射金属膜（６ｃ）と溶射絶縁膜（６ｂ）の寸法差分だけ金属板（６ａ）と溶射金属膜（６ｃ）との間の距離を稼ぐことが可能となり、仮に絶縁シート材（６）と樹脂部（７）との界面で剥離が生じても絶縁を確保でき、特性に影響することを抑制することが可能となる。

請求項４に記載の発明では、溶射絶縁膜（６ｂ）の表面に溶射はんだ膜を備え、溶射絶縁膜（６ｂ）とヒートシンク（３）とが溶射はんだ膜を溶融させたはんだ（１０）を介して接合されていることを特徴としている。

このように、溶融絶縁膜（６ｂ）が溶射はんだ膜を溶融させたはんだ（１０）を介してヒートシンク（３）に接合される構造とすることもできる。このような構造では、溶射絶縁膜（６ｂ）とはんだ（１０）との界面は溶射絶縁膜（６ｂ）の表面の凹凸を用いたアンカー効果による密着、はんだ（１０）とヒートシンク（３）とは金属拡散による拡散接合による密着が図られる。このため、溶射金属膜（６ｃ）を備えなくても、金属板（６ａ）の裏面を露出させることによる熱抵抗の低減を図ることができる樹脂封止型半導体装置を構成することが可能となる。これにより、溶射金属膜（６ｃ）を備えなくても済み、その分、熱抵抗を更に低下させられると共に、製造プロセスの簡略化などを図ることができる。

請求項５に記載の発明では、金属板（６ａ）と溶射絶縁膜（６ｂ）とが同寸法とされていることを特徴としている。

このように、金属板（６ａ）と溶射絶縁膜（６ｂ）に関しては同寸法とすることができる。このため、金属板（６ａ）に直接絶縁膜を溶射することで、溶射絶縁膜（６ｂ）を形成することができる。

請求項６に記載の発明では、溶射絶縁膜（６ｂ）は、ヒートシンク（３）のうち半導体チップ（２）が配置される表面と反対側となる裏面に対して溶射されて形成されており、金属板（６ａ）と溶射絶縁膜（６ｂ）とがはんだ（６ｄ、６ｅ）を介して接合さ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）に対して溶射絶縁膜（６ｂ）を形成しておくと共に、溶射絶縁膜（６ｂ）の表面にはんだ（６ｄ）を形成しておき、金属板（６ａ）と溶射絶縁膜（６ｂ）とがはんだ（６ｄ）を介して接続された構造とすることもできる。

この場合、請求項７に記載したように、ヒートシンク（３）の裏面を、該ヒートシンク（３）の中央部の厚みが厚く、かつ、中央部の周囲を囲む外縁部が中央部よりも薄くなるようにすることで凸形状とした段付形状とし、該ヒートシンク（３）の段付形状部分を含めて溶射絶縁膜（６ｄ）を形成することができる。

請求項８ないし１５に記載の発明は、上記各請求項に記載の樹脂封止型半導体装置の製造方法に関するものである。

具体的には、請求項８に記載の発明では、金属板（６ａ）を用意し、該金属板（６ａ）の平坦面とは反対側の表面に凹凸を形成する工程と、金属板（６ａ）の凹凸を形成した表面に溶射絶縁膜（６ｂ）を形成する工程と、溶射絶縁膜（６ｂ）の表面に溶射金属膜（６ｃ）を形成することにより、金属板（６ａ）と溶射絶縁膜（６ｂ）および溶射金属膜（６ｃ）を含む構造によって絶縁シート材（６）を構成する工程と、絶縁シート材（６）における溶射金属膜（６ｃ）の表面にはんだ箔を配置した後、該はんだ箔の上にヒートシンク（３）を配置し、真空リフローにてはんだ箔を溶融したはんだ（１０）によって絶縁シート材（６）とヒートシンク（３）とを接合する工程と、を含んでいることを特徴としている。このような製造方法により、請求項２に記載の樹脂封止型半導体装置を製造することができる。

この場合、請求項９に記載したのように、溶射金属膜（６ｃ）を形成することで絶縁シート材（６）を構成する工程では、溶射金属膜（６ｃ）を溶射絶縁膜（６ｂ）よりも小さな寸法で形成し、該溶射金属膜（６ｃ）の外縁が溶射絶縁膜（６ｂ）の外縁よりも内側に配置されるようにすると、請求項３に記載の樹脂封止型半導体装置を製造できる。

また、請求項１０に記載の発明では、金属板（６ａ）を用意し、該金属板（６ａ）の平坦面とは反対側の表面に凹凸を形成する工程と、金属板（６ａ）の凹凸を形成した表面に溶射絶縁膜（６ｂ）を形成することにより絶縁シート材（６）を構成する工程と、絶縁シート材（６）における溶射絶縁膜（６ｂ）の表面に溶射はんだ膜を配置した後、該溶射はんだ膜の上にヒートシンク（３）を配置し、真空リフローにて溶射はんだ膜を溶融したはんだ（１０）によって絶縁シート材（６）とヒートシンク（３）とを接合する工程と、を含んでいることを特徴としている。このような製造方法により、請求項４に記載の樹脂封止型半導体装置を製造することができる。

請求項１１に記載の発明では、金属板（６ａ）の表面に凹凸を形成する工程では、プレス加工にて凹凸を形成することを特徴としている。

金属板（６ａ）の表面に凹凸を形成するには、例えばプレス加工、ブラスト処理などを用いることができるが、ブラスト処理の場合には金属板（６ａ）に反りが発生する。このため、プレス加工とすることにより、金属板（６ａ）の反りを抑制することができる。

請求項１２に記載の発明では、ヒートシンク（３）の表面にはんだ（９）を介して半導体チップ（２）を接合する工程を含み、絶縁シート材（６）とヒートシンク（３）とをはんだ（１０）で接合する工程と、ヒートシンク（３）と半導体チップ（２）をはんだ（９）で接合する工程とを同時に行うことを特徴としている。

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。

請求項１３に記載の発明では、ヒートシンク（３）として、中央部の厚みが厚く、かつ、中央部の周囲を囲む外縁部が中央部よりも薄くされることで、裏面が凸形状とされた段付形状のものを用意する工程と、ヒートシンク（３）における凸形状とされた裏面全面に対して溶射絶縁膜（６ｂ）を形成する工程と、溶射絶縁膜（６ｂ）のうちヒートシンク（３）における凸形状とされた部分に形成された部分をはんだディップ槽に浸し、該溶射絶縁膜（６ｂ）の表面に第１はんだ（６ｄ）を形成する工程と、金属板（６ａ）と溶射絶縁膜（６ｂ）を第１はんだ（６ｄ）を介して接合する工程と、を含んでいることを特徴としている。

このような製造方法により、請求項６に記載の樹脂封止型半導体装置を製造することができる。

請求項１４に記載の発明では、金属板（６ａ）のうち、平坦面と反対側の面に対して第２はんだ（６ｅ）を形成する工程と、第２はんだ（６ｅ）を形成した金属板（６ａ）と、第１はんだ（６ｄ）が表面に形成された溶射絶縁膜（６ｂ）とを、第１、第２はんだ（６ｄ、６ｅ）を介して接合する工程と、を含んでいることを特徴としている。

このような製造方法により、請求項７に記載の樹脂封止型半導体装置を製造することができる。

請求項１５に記載の発明では、第１はんだ（６ｄ）を溶射絶縁膜（６ｂ）に形成する工程と、第２はんだ（６ｅ）を金属板（６ａ）に形成する工程では、超音波を印加して第１、第２はんだ（６ｄ、６ｅ）を形成することを特徴としている。

溶射絶縁膜（６ｂ）がセラミック材料等で構成される場合、第１はんだ（６ｄ）が接合し難い。このため、超音波を印加することで、第１はんだ（６ｄ）の接合性を改善することができる。同様に、金属板（６ａ）に対しても第２はんだ（６ｅ）が接合し難いものであれば、超音波を印加することで、第２はんだ（６ｅ）の接合性を改善することができる。

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。 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。 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の製造工程を示した断面図である。 本発明の第４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。 図５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。

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、絶縁シート材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９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。

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。

絶縁シート材６は、ヒートシンク３における半導体チップ２が搭載された面の反対側の面である裏面側に備えられている。絶縁シート材６は、金属板としてのアルミニウム板（以下、Ａｌ板という）６ａと、溶射絶縁膜としての溶射アルミナ膜６ｂおよび溶射金属膜としての溶射銅膜６ｃを備えた構造とされている。

Ａｌ板６ａは、例えば紙面上側から見たときの上面寸法が２６ｍｍ□、厚さが０．５ｍｍとされており、表面側に溶射アルミナ膜６ｂが形成され、裏面側が樹脂部７から露出させられる。このＡｌ板６ａの裏面側は、圧延などによる板製作時と同様、凹凸がほとんど形成されておらず、平坦面となっている。この平坦面とされたＡｌ板６ａの裏面側がシリコングリーズ等を介して図示しない冷却器の基台に接続されることで、ヒートシンク３を通じて伝えられた半導体チップ２の熱がＡｌ板６ａから更に冷却器に伝えられ、放熱させられるようになっている。一方、Ａｌ板６ａの表面側は、平坦面とされていても構わないが、図示しない凹凸が形成されており、凹凸によるアンカー効果によって、溶射アルミナ膜６ｂとの接合性が高められている。これにより、溶射アルミナ膜６ｂの剥離が抑制されている。

溶射アルミナ膜６ｂは、Ａｌ板６ａの表面にアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）を溶射することによって形成されている。この溶射アルミナ膜６ｂは、例えばＡｌ板６ａの表面全面に形成されることで、上面寸法が２６ｍｍ□とされている。溶射アルミナ膜６ｂ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。

溶射銅膜６ｃは、溶射アルミナ膜６ｂの表面に銅を溶射することによって形成されている。この溶射銅膜６ｃは、寸法がＡｌ板６ａおよび溶射アルミナ膜６ｂよりも一回り小さく形成され、溶射銅膜６ｃの外縁が溶射アルミナ膜６ｂの外縁よりも内側に配置されている。ここでは、例えば溶射銅膜６ｃの外縁が溶射アルミナ膜６ｂの外縁よりも２ｍｍずつ等間隔内側に配置されるように、例えば上面寸法が２２ｍｍ□とされている。この溶射銅膜６ｃの厚さも任意であるが、ここでは例えば０．１ｍｍとしている。

このように、絶縁シート材６は、Ａｌ板６ａと溶射アルミナ膜６ｂおよび溶射銅膜６ｃの積層構造にて構成されている。この絶縁シート材６は、導体であるＡｌ板６ａと溶射銅膜６ｃの間に絶縁膜となる溶射アルミナ膜６ｂが備えられていることから、Ａｌ板６ａと溶射銅膜６ｃとの間が絶縁された構造となる。そして、このような絶縁シート材６における溶射銅膜６ｃの表面がはんだ１０を介してヒートシンク３の裏面と接合されている。

樹脂部７は、リード４、５の一端とＡｌ板６ａの裏面側を露出させ、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、溶射アルミナ膜６ｂの表面を直接露出させるのではなく、Ａｌ板６ａの裏面を露出させた構造としている。このＡｌ板６ａの裏面は平坦面となっているため、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、従来のように溶射アルミナ膜に接続する場合と比較して、Ａｌ板６ａとの接合箇所での接触熱抵抗を大幅に低下させることが可能となる。

参考として、本発明者らが実験を行ったところ、従来のように溶射アルミナ膜に対してシリコングリースを介して冷却器を接続するような構造とされる場合には、溶射アルミナ膜の凹凸による熱抵抗に加えて溶射アルミナ膜の膜厚に依存して熱抵抗が増大することを確認した。例えば、本実施形態と同様に溶射アルミナ膜の膜厚を０．１５ｍｍとした場合、凹凸による熱抵抗を１００とすると、溶射アルミナ膜の膜厚に依存する熱抵抗も１００となり、熱抵抗が合計２００になった。

一方、本実施形態の構造の場合、Ａｌ板６ａの熱伝導率が２３６Ｗ／ｍＫ、溶射アルミナ膜６ｂの熱伝導率が６Ｗ／ｍＫ、溶射銅膜６ｃの熱伝導率が８０Ｗ／ｍＫ、はんだ１０の熱伝導率が６５Ｗ／ｍＫとなる。このため、Ａｌ板６ａ、溶射銅膜６ｃおよびはんだ１０の各熱伝導率が溶射アルミナ膜６ｂの熱伝導率と比べて十分に小さいとは言え、その分、熱抵抗が増加することになる。しかしながら、Ａｌ板６ａの裏面が平坦面とされ、凹凸による熱抵抗がほとんど発生しない。このため、Ａｌ板６ａ、溶射銅膜６ｃおよびはんだ１０を備えた分の熱抵抗の増加のみで済み、その熱抵抗は溶射アルミナ膜６ｂの熱抵抗を１００として、Ａｌ板６ａ、溶射銅膜６ｃおよびはんだ１０を備えた分の熱抵抗が２０となり、熱抵抗が合計１２０となった。

この実験からも、本実施形態のように、裏面が平坦面であるＡｌ板６ａを露出させ、その裏面にてシリコングリース等を介して冷却器に接続する構造とすることで、熱抵抗を大幅に低下させられることが判る。

なお、従来のように溶射アルミナ膜の裏面を樹脂部から露出させるような構造において、溶射アルミナ膜を厚めに形成した後で平坦化する処理を行うことで、溶射アルミナ膜の裏面を平坦面とすることも可能である。しかしながら、このような構造とすれば、裏面の凹凸による熱抵抗を低減できるものの、硬い溶射アルミナ膜を平坦化するという煩雑な工程が必要になる。このため、本実施形態のように、Ａｌ板６ａの裏面の平坦面を用いることで、溶射アルミナ膜を平坦化するという煩雑な工程を行わなくても、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。

さらに、本実施形態では、Ａｌ板６ａと溶射アルミナ膜６ｂに加えて溶射銅膜６ｃも備えた構造としている。溶射銅膜６ｃは、はんだ１０との接合が行えるようにするために溶射アルミナ膜６ｂの表面に形成される。この溶射銅膜６ｃは、Ａｌ板６ａおよび溶射アルミナ膜６ｂと同面積として溶射アルミナ膜６ｂの表面全面に形成されていても良いが、Ａｌ板６ａおよび溶射アルミナ膜６ｂよりも一回り小さい方が好ましい。すなわち、樹脂部７と絶縁シート材６との熱膨張係数差により、その界面で剥離し易くなる。そして、剥離した場合、溶射銅膜６ｃが溶射アルミナ膜６ｂの表面全面に形成されていると、Ａｌ板６ａと溶射銅膜６ｃとの間の距離が溶射アルミナ膜６ｂの厚み分しか無くなり、絶縁できなくなって直ぐに特性に影響してしまう。このため、溶射銅膜６ｃを溶射アルミナ膜６ｂよりも一回り小さくすることで、溶射銅膜６ｃと溶射アルミナ膜６ｂの寸法差分だけＡｌ板６ａと溶射銅膜６ｃとの間の距離を稼ぐことが可能となり、仮に絶縁シート材６と樹脂部７との界面で剥離が生じても絶縁を確保でき、特性に影響することを抑制できる。

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２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２（ａ）に示すように、例えば厚さ０．５ｍｍのＡｌ板６ａを用意する。このとき、Ａｌ板６ａとして、表裏面の両面が平坦面となっているものを用意しても良いが、アンカー効果が得られるように表面に凹凸が形成されたものを用意すると好ましい。Ａｌ板６ａの表面に凹凸を形成するのに、例えばプレス加工、ブラスト処理などを用いることができるが、ブラスト処理の場合にはＡｌ板６ａに反りが発生することから、プレス加工とするのが好ましい。このようなプレス加工を行うことにより、例えば高さ２０μｍ程度のノコギリ刃形状の凹凸を形成することができる。

そして、このようなＡｌ板６ａの表面にアルミナを溶射し、溶射アルミナ膜６ｂを例えば０．１５ｍｍの厚みで形成する。このとき、Ａｌ板６ａの表面に凹凸を形成しておけば、溶射アルミナ膜６ｂが凹凸内に入り込むため、凹凸によるアンカー効果が発揮される。

続いて、図２（ｂ）に示すように、溶射アルミナ膜６ｂのうち溶射銅膜６ｃの形成予定領域が開口するマスク１１を用いて、銅を溶射し、溶射銅膜６ｃを例えば０．１ｍｍの厚みで形成する。このようにして、絶縁シート材６が形成される。そして、この状態で絶縁シート材６に対して所望の電圧を印加することで、絶縁シート材６の絶縁検査を行う。具体的には、Ａｌ板６ａと溶射銅膜６ｃとの間に例えば１ｋＶの電圧を印加し、大きなリーク電流が発生するか否かをチェックしている。このとき大きなリーク電流が発生していれば、絶縁シート材６の端面において絶縁が確保できていないということを意味する。このようなチェックにより、両不良判定を行うことができる。

その後、図２（ｃ）に示すように、溶射銅膜６ｃの表面に、ヒートシンク３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したのち、その上にリード５が一体化されたヒートシンク３およびリード４を配置する。ヒートシンク３およびリード４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４をヒートシンク３の表面から浮かせた状態にすることができる。なお、ここではヒートシンク３をリード５と一体化させたものを用いているが、これらを別体とし、はんだ等を介してヒートシンク３とリード５を後で接合するようにしても構わない。

更に、ヒートシンク３の表面上にも半導体チップ２と同寸法のカットした例えば０．１ｍｍのはんだ箔を配置したのち、その上にパワー素子を形成しておいた半導体チップ２を搭載する。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。

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、溶射銅膜６ｃとヒートシンク３の間がはんだ１０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９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、このときのはんだ９、１０による接合性を良くするために、ヒートシンク３の表裏面にＮｉメッキ処理などを行っておくと好ましい。

最後に、図２（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、絶縁シート材６におけるＡｌ板６ａの裏面以外の部分およびリード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、第１実施形態に対して溶射銅膜６ｃを無くしたものであり、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３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、本実施形態では、Ａｌ板６ａの表面に溶射アルミナ膜６ｂが形成され、その上に直接溶射はんだ膜にて構成されたはんだ１０が形成されている。そして、はんだ１０を介して溶射アルミナ膜６ｂとヒートシンク３とが接合されている。

このような構造では、溶射アルミナ膜６ｂとはんだ１０との界面は溶射アルミナ膜６ｂの表面の凹凸を用いたアンカー効果による密着、はんだ１０とヒートシンク３とは金属拡散による拡散接合による密着が図られる。このため、第１実施形態で用いていた溶射銅膜６ｃを備えなくても、Ａｌ板６ａの裏面を露出させることによる熱抵抗の低減が図れる樹脂封止型半導体装置１を構成することが可能となる。これにより、溶射銅膜６ｃを備えなくても済み、その分、熱抵抗を更に低下させられると共に、製造プロセスの簡略化などを図ることができる。

なお、本構造では、ヒートシンク３よりもはんだ１０の寸法が大きいと、溶射アルミナ膜６ｂからはんだ１０が剥離し易くなるため、はんだ１０の寸法をヒートシンク３と同じもしくは小さくすると好適である。

（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の製造方法を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４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。

まず、図４（ａ）の工程において、図２（ａ）と同様に表面に凹凸が形成された例えば厚さ０．５ｍｍのＡｌ板６ａの表面に溶射アルミナ膜６ｂを例えば厚さ０．１５ｍｍ形成する。続いて、図４（ｂ）の工程において、図２（ｂ）と同様にマスク１１を用いて溶射アルミナ膜６ｂの表面に溶射銅膜６ｃを例えば厚さ０．１ｍｍで形成する。そして、マスク１１を連続して用いて例えばＳｎ−０．７％Ｃｕからなるはんだを溶射することにより、溶射はんだ膜よりなるはんだ１０を形成する。この後は、図４（ｃ）、（ｄ）において、図２（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。

このように、第１実施形態では、はんだ１０をはんだ箔の溶融によって形成する場合について説明したが、本実施形態では、予め溶射銅膜６ｃの表面にはんだを溶射することで溶射はんだ膜を形成しておき、それをリフローすることではんだ１０を形成している。このようにしても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、はんだ１０を溶射によって形成している。この場合、はんだ１０を形成するための溶射はんだ膜の寸法をヒートシンク３に合せても良いが、その分マスク数が増えることになる。このため、本実施形態では、溶射銅膜６ｃの形成に用いたマスク１１を利用して、溶射銅膜６ｃと同寸法で溶射はんだ膜を形成するようにしている。このようにすれば、マスク共用を図ることが可能となる。

（第４実施形態）
本発明の第４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の構造およびその製造方法を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５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。この図に示すように、樹脂封止型半導体装置１では、ヒートシンク３の裏面を中央部が凸形状とされた段付形状とすることで、ヒートシンク３の中央部が厚くて、かつ、当該中央部の周囲を囲む外縁部がそれよりも薄くなる構造としている。また、絶縁シート材６をＡｌ板６ａと溶射アルミナ膜６ｂおよびそれらの間に配置されたはんだ６ｄ、６ｅにて構成している。

具体的には、ヒートシンク３の裏面の段付形状部分を含めて、ヒートシンク３の裏面全面に溶射アルミナ膜６ｂが形成されている。この溶射アルミナ６ｂのうち、ヒートシンク３の中央部の厚みが厚くされている部分に形成された箇所の表面に、はんだ６ｄが形成されている。また、Ａｌ板６ａの表面にはんだ６ｅが形成されている。そして、はんだ６ｄとはんだ６ｅが接合されることで、Ａｌ板６ａおよび溶射アルミナ膜６ｄが接合され、絶縁シート材６が構成されている。

このように、Ａｌ板６ａと溶射アルミナ膜６ｂとがはんだ６ｄ、６ｅを介して接合された構造であっても第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

このような構造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６は、図５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。

まず、図６（ａ）の工程において、ヒートシンク３およびリード４、５をプレス加工により構成する。このとき、ヒートシンク３については、中央部が厚く、かつ、外縁部が中央部よりも薄くなるようにすることで、中央部が凸形状となる段付形状とする。そして、必要に応じてプレス加工もしくはショットブラスト処理により、ヒートシンク３の裏面に対して凹凸を形成したのち、マスク１１を用いてヒートシンク３の裏面全面に対して溶射アルミナ膜６ｂを例えば厚さ０．１５ｍｍ形成する。

次に、図６（ｂ）の工程では、はんだディップ槽内にヒートシンク３の裏面側の溶射アルミナ膜６ｂを浸し、その表面にはんだ６ｄを形成する。このような手法によれば、はんだ６ｄを厚みが３０μｍ程度の薄い層にすることができる。このとき、溶射アルミナ膜６ｂのようなセラミック材料等に対してはんだ６ｄを形成する場合には、はんだ６ｄが接合し難いため（濡れ性が良くないため）、超音波をヒートシンク３に対して印加することで、はんだ６ｄの接合性を改善することができる。

続く、図６（ｃ）の工程では、Ａｌ板６ａを用意し、Ａｌ板６ａの一面をはんだディップ槽に浸すことで、その表面にはんだ６ｅを形成する。この場合にも、はんだ６ｄを厚みが３０μｍ程度の薄い層にすることができる。また、Ａｌ板６ａの表面も、酸化膜が形成される影響によりはんだ６ｅが接合し難いため（濡れ性が良くないため）、超音波などをＡｌ板６ａに対して印加することで、はんだ６ｅの接合性を改善することができる。

この後、図６（ｄ）の工程において、はんだ６ｄを形成したヒートシンク３およびはんだ６ｅを形成したＡｌ板６ａを重ね合わせる。さらに、ヒートシンク３の上面にはんだ箔を配置し、その上に半導体チップ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。

そして、図６（ｅ）において、図２（ｄ）と同様の工程を行うことで、図５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。

このように、ヒートシンク３に対して溶射アルミナ膜６ｂを形成しておくと共に、Ａｌ板６ａおよび溶射アルミナ膜６ｂの表面にはんだ６ｄ、６ｅを形成しておき、Ａｌ板６ａと溶射アルミナ膜６ｂとがはんだ６ｄ、６ｅを介して接続された構造とすることもできる。このような構造としても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

上記実施形態では、ヒートシンク３側に溶射アルミナ膜６ｂを形成したが、Ａｌ板６ａとはんだ６ｅの間に、溶射アルミナ膜６ｂを形成し、ヒートシンク３側と接続することで、はんだ６ｄを無くした構造としても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。その際、さらに好適にはヒートシンク３側にはんだ接合をし易いＮｉメッキ被覆をしておくと良い。

（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、金属板としてＡｌ板６ａを用いたが、銅板などを用いても良い。また、溶射絶縁膜として溶射アルミナ膜６ｂ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、溶射金属膜として溶射銅膜６ｃを用いたが、Ｎｉ等のようにはんだ１０と接合性のよい材料であれば他の材料で構成されるものを用いても良い。また、各膜は単層膜に限らず、多層膜であっても構わない。また、はんだ９、１０の構成材料に関しても同様であり、Ｓｎ−Ｃｕ以外に一般的に知られている他の材料で、接合できるものであれば良い。

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Ａｌ板６ａ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Ａｌ板６ａなどからなる金属板を備える構造としても構わないし、両方ともに金属板を備える構造としても良い。

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
４、５ リード
６ 絶縁シート材
６ａ Ａｌ板
６ｂ 溶射アルミナ膜
６ｃ 溶射銅膜
７ 樹脂部
８ ボンディングワイヤ
９、１０ はんだ
１１ マスク

Claims (15)

1. 表面および裏面を有するヒートシンク（３）と、
   前記ヒートシンク（３）の表面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、
   平坦面を有する金属板（６ａ）および該金属板（６ａ）のうちの前記平坦面と反対側に形成された溶射絶縁膜（６ｂ）を含み、前記金属板（６ａ）よりも前記溶射絶縁膜（６ｂ）側を前記ヒートシンク（３）側に向けて該ヒートシンク（３）の裏面側に配置された絶縁シート材（６）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）および前記絶縁シート材（６）を、前記第１、第２リード（４、５）の一部および前記絶縁シート材（６）における前記金属板（６ａ）の前記平坦面を露出させて封止した樹脂部（７）と、を備えていることを特徴とする樹脂封止型半導体装置。
2. 前記溶射絶縁膜（６ｂ）の表面に溶射金属膜（６ｃ）を備え、
   前記溶射金属膜（６ｃ）と前記ヒートシンク（３）とがはんだ（１０）を介して接合さ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. 前記溶射金属膜（６ｃ）は、前記溶射絶縁膜（６ｂ）よりも小さな寸法で形成され、該溶射金属膜（６ｃ）の外縁が前記溶射絶縁膜（６ｂ）の外縁よりも内側に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の樹脂封止型半導体装置。
4. 前記溶射絶縁膜（６ｂ）の表面に溶射はんだ膜を備え、前記溶射絶縁膜（６ｂ）と前記ヒートシンク（３）とが前記溶射はんだ膜を溶融させたはんだ（１０）を介して接合さ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。
5. 前記金属板（６ａ）と前記溶射絶縁膜（６ｂ）とが同寸法とされていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の樹脂封止型半導体装置。
6. 前記溶射絶縁膜（６ｂ）は、前記ヒートシンク（３）のうち前記半導体チップ（２）が配置される表面と反対側となる裏面に対して溶射されて形成されており、
   前記金属板（６ａ）と前記溶射絶縁膜（６ｂ）とがはんだ（６ｄ、６ｅ）を介して接合さ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。
7. 前記ヒートシンク（３）の裏面は、該ヒートシンク（３）の中央部の厚みが厚く、かつ、前記中央部の周囲を囲む外縁部が前記中央部よりも薄くされることで凸形状とした段付形状とされており、
   該ヒートシンク（３）の段付形状部分を含めて前記溶射絶縁膜（６ｄ）が形成されていることを特徴とする請求項６に記載の樹脂封止型半導体装置。
8. 表面および裏面を有するヒートシンク（３）と、
   前記ヒートシンク（３）の表面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、
   平坦面を有する金属板（６ａ）および該金属板（６ａ）のうちの前記平坦面と反対側に形成された溶射絶縁膜（６ｂ）を含み、前記金属板（６ａ）よりも前記溶射絶縁膜（６ｂ）側を前記ヒートシンク（３）側に向けて該ヒートシンク（３）の裏面側に配置された絶縁シート材（６）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）および前記絶縁シート材（６）を、前記第１、第２リード（４、５）の一部および前記絶縁シート材（６）における前記金属板（６ａ）の前記平坦面を露出させて封止した樹脂部（７）と、を備えた樹脂封止型半導体装置の製造方法であって、
   前記金属板（６ａ）を用意し、該金属板（６ａ）の前記平坦面とは反対側の表面に凹凸を形成する工程と、
   前記金属板（６ａ）の前記凹凸を形成した表面に前記溶射絶縁膜（６ｂ）を形成する工程と、
   前記溶射絶縁膜（６ｂ）の表面に溶射金属膜（６ｃ）を形成することにより、前記金属板（６ａ）と前記溶射絶縁膜（６ｂ）および前記溶射金属膜（６ｃ）を含む構造によって前記絶縁シート材（６）を構成する工程と、
   前記絶縁シート材（６）における前記溶射金属膜（６ｃ）の表面にはんだ箔を配置した後、該はんだ箔の上に前記ヒートシンク（３）を配置し、前記はんだ箔を溶融したはんだ（１０）によって前記絶縁シート材（６）と前記ヒートシンク（３）とを接合する工程と、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. 前記溶射金属膜（６ｃ）を形成することで前記絶縁シート材（６）を構成する工程では、前記溶射金属膜（６ｃ）を前記溶射絶縁膜（６ｂ）よりも小さな寸法で形成し、該溶射金属膜（６ｃ）の外縁が前記溶射絶縁膜（６ｂ）の外縁よりも内側に配置されるようにすることを特徴とする請求項８に記載の樹脂封止型半導体装置の製造方法。
10. 表面および裏面を有するヒートシンク（３）と、
    前記ヒートシンク（３）の表面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、
    平坦面を有する金属板（６ａ）および該金属板（６ａ）のうちの前記平坦面と反対側に形成された溶射絶縁膜（６ｂ）を含み、前記金属板（６ａ）よりも前記溶射絶縁膜（６ｂ）側を前記ヒートシンク（３）側に向けて該ヒートシンク（３）の裏面側に配置された絶縁シート材（６）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）および前記絶縁シート材（６）を、前記第１、第２リード（４、５）の一部および前記絶縁シート材（６）における前記金属板（６ａ）の前記平坦面を露出させて封止した樹脂部（７）と、を備えた樹脂封止型半導体装置の製造方法であって、
    前記金属板（６ａ）を用意し、該金属板（６ａ）の前記平坦面とは反対側の表面に凹凸を形成する工程と、
    前記金属板（６ａ）の前記凹凸を形成した表面に前記溶射絶縁膜（６ｂ）を形成することにより前記絶縁シート材（６）を構成する工程と、
    前記絶縁シート材（６）における前記溶射絶縁膜（６ｂ）の表面に溶射はんだ膜を配置した後、該溶射はんだ膜の上に前記ヒートシンク（３）を配置し、前記溶射はんだ膜を溶融したはんだ（１０）によって前記絶縁シート材（６）と前記ヒートシンク（３）とを接合する工程と、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。
11. 前記金属板（６ａ）の表面に凹凸を形成する工程では、プレス加工にて前記凹凸を形成す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. 前記ヒートシンク（３）の表面にはんだ（９）を介して前記半導体チップ（２）を接合する工程を含み、
    前記絶縁シート材（６）と前記ヒートシンク（３）とを前記はんだ（１０）で接合する工程と、前記ヒートシンク（３）と前記半導体チップ（２）を前記はんだ（９）で接合する工程と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。
13. 表面および裏面を有するヒートシンク（３）と、
    前記ヒートシンク（３）の表面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、
    平坦面を有する金属板（６ａ）および該金属板（６ａ）のうちの前記平坦面と反対側に形成された溶射絶縁膜（６ｂ）を含み、前記金属板（６ａ）よりも前記溶射絶縁膜（６ｂ）側を前記ヒートシンク（３）側に向けて該ヒートシンク（３）の裏面側に配置された絶縁シート材（６）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）および前記絶縁シート材（６）を、前記第１、第２リード（４、５）の一部および前記絶縁シート材（６）における前記金属板（６ａ）の前記平坦面を露出させて封止した樹脂部（７）と、を備えた樹脂封止型半導体装置の製造方法であって、
    前記ヒートシンク（３）として、中央部の厚みが厚く、かつ、前記中央部の周囲を囲む外縁部が前記中央部よりも薄くされることで、裏面が凸形状とされた段付形状のものを用意する工程と、
    前記ヒートシンク（３）における凸形状とされた前記裏面全面に対して前記溶射絶縁膜（６ｂ）を形成する工程と、
    前記溶射絶縁膜（６ｂ）のうち前記ヒートシンク（３）における凸形状とされた部分に形成された部分をはんだディップ槽に浸し、該溶射絶縁膜（６ｂ）の表面に第１はんだ（６ｄ）を形成する工程と、
    前記金属板（６ａ）と前記溶射絶縁膜（６ｂ）を前記第１はんだ（６ｄ）を介して接合する工程と、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。
14. 前記金属板（６ａ）のうち、前記平坦面と反対側の面に対して第２はんだ（６ｅ）を形成する工程と、
    前記第２はんだ（６ｅ）を形成した前記金属板（６ａ）と、前記第１はんだ（６ｄ）が表面に形成された前記溶射絶縁膜（６ｂ）とを、前記第１、第２はんだ（６ｄ、６ｅ）を介して接合する工程と、を含んでいることを特徴とする請求項１３に記載の樹脂封止型半導体装置の製造方法。
15. 前記第１はんだ（６ｄ）を前記溶射絶縁膜（６ｂ）に形成する工程と、前記第２はんだ（６ｅ）を前記金属板（６ａ）に形成する工程では、超音波を印加して前記第１、第２はんだ（６ｄ、６ｅ）を形成することを特徴とする請求項１４に記載の樹脂封止型半導体装置の製造方法。

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