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JP2015126119A - 半導体装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置及び半導体装置の製造方法 Download PDF

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JP2015126119A JP2013269947A JP2013269947A JP2015126119A JP 2015126119 A JP2015126119 A JP 2015126119A JP 2013269947 A JP2013269947 A JP 2013269947A JP 2013269947 A JP2013269947 A JP 2013269947A JP 2015126119 A JP2015126119 A JP 2015126119A
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Takuya Kadoguchi
卓矢 門口
敬洋 平野
Takahiro Hirano
敬洋 平野
雅由 西畑
Masayoshi Nishihata
雅由 西畑
啓太 福谷
Keita Fukutani
啓太 福谷
知巳 奥村
Tomomi Okumura
知巳 奥村
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Toyota Motor Corp
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Denso Corp
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Abstract

【課題】金属板の外周部における樹脂部の剥離を抑制できる半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体装置は、半導体素子実装領域、及び、前記半導体素子実装領域から外周縁まで延在する樹脂密着領域５４０ａを含む表面を備える金属部材５４と、前記半導体素子実装領域に実装される半導体素子と、前記金属部材５４の側面よりも外側まで延在し、前記樹脂密着領域５４０ａに密着し、前記半導体素子と前記金属部材５４とを一体的に覆う樹脂部６６と、前記樹脂密着領域５４０ａと前記樹脂部６６との間に設けられるプライマ層８０と、前記樹脂部６６の吸湿に起因した剥離であって、前記樹脂密着領域５４０ａの外周部における前記金属部材５４と前記樹脂部６６との間の剥離を抑制する剥離抑制手段１００とを含む。
【選択図】図８

Description

本開示は、半導体装置及び半導体装置の製造方法に関する。
従来から、半導体素子と、この半導体素子の両面から放熱するための一対の放熱板とを備え、装置のほぼ全体を樹脂でモールドするように構成した半導体装置において、前記半導体素子と前記放熱板とを接合する半田層と、前記放熱板等の表面における前記樹脂と接触する面に塗布され、前記樹脂との密着性を高めるポリアミド樹脂とを備え、前記ポリアミド樹脂の塗布厚さを、前記半田層の厚み寸法の約２０％程度以下とした半導体装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開2003-124406号公報
上記の特許文献１に記載の構成は、半導体素子まわりにおけるポリアミド樹脂の塗布厚さを低減して半導体素子まわりにおける放熱板とモールド樹脂との密着性を高めることで、熱応力が作用したときのモールド樹脂の剥離を防止している。
ところで、モールドされた樹脂部は、モールド後に吸湿により膨張するが、この膨張時には、放熱板のような金属部材の外周部において、金属部材の表面に垂直な方向に引張り応力が発生し、金属部材の外周部における樹脂部の剥離が発生しうる。また、金属部材の外周部では、ポリアミド樹脂のようなプライマの膜厚が薄くなるので、密着強度が低下し、樹脂部の剥離が生じやすい。尚、かかる金属部材の外周部における樹脂部の剥離は、樹脂部の側部において割れが生じた場合に、半導体素子の実装領域への異物の侵入による半導体素子の耐圧の低下や絶縁性の低下等の問題をもたらしうる。
そこで、本開示は、金属板の外周部における樹脂部の剥離を抑制することができる半導体装置及び半導体装置の製造方法の提供を目的とする。
本開示の一局面によれば、半導体素子実装領域、及び、前記半導体素子実装領域から外周縁まで延在する樹脂密着領域を含む表面を備える金属部材と、
前記半導体素子実装領域に実装される半導体素子と、
前記金属部材の側面よりも外側まで延在し、前記樹脂密着領域に密着し、前記半導体素子と前記金属部材とを一体的に覆う樹脂部と、
前記樹脂密着領域と前記樹脂部との間に設けられるプライマ層と、
前記樹脂部の吸湿に起因した剥離であって、前記樹脂密着領域の外周部における前記金属部材と前記樹脂部との間の剥離を抑制する剥離抑制手段とを含む、半導体装置が提供される。
本開示によれば、金属板の外周部における樹脂部の剥離を抑制することができる半導体装置等が得られる。
一実施例（第１実施例）による半導体装置を示す上面図である。 図１の半導体装置において樹脂部を省略した図である。 図２のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。 図２のＶ−Ｖ線に沿う断面図である。 図３のＸ部の拡大図である。 樹脂部６６の吸湿による膨張時に樹脂密着領域５４０ａと樹脂部６６との界面に作用する垂直応力の解析結果を示す図である。 プライマ層の厚さと引張り強度との関係を示す図である。 一実施例（実施例１）による剥離抑制手段を示す断面図である。 溝部１００の効果を示す断面図である。 溝部１００の断面形状の各種バリエーションを示す図である。 実施例１による剥離抑制手段を備えた半導体装置１０Ａの製造方法の一例を示す図である。 他の一実施例（実施例２）による剥離抑制手段を示す断面図である。 実施例２に対する変形例による剥離抑制手段を示す断面図である。 他の一実施例（実施例３）による剥離抑制手段を示す断面図である。 実施例３による剥離抑制手段を備えた半導体装置１０Ｂの製造方法の一例を示す図である。 他の一実施例（実施例４）による剥離抑制手段を示す断面図である。 実施例４による剥離抑制手段を備えた半導体装置１０Ｃの製造方法の一例を示す図である。
以下、添付図面を参照しながら各実施例について詳細に説明する。
図１は、一実施例（第１実施例）による半導体装置１０を示す上面図である。図２は、図１の半導体装置において樹脂部を省略した図である。図３は、図２のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。図４は、図２のＶ−Ｖ線に沿う断面図である。尚、図３及び図４においては、後述のプライマ層８０及び剥離抑制手段の図示は省略されている。
半導体装置１０は、典型的には、ハイブリッド車や電気自動車における走行モータ駆動用のインバータやコンバータのような電力変換装置で使用される。但し、半導体装置１０は、車両における他の用途（例えば、電動ステアリング装置用）で使用されてよいし、車両用以外の用途（例えば、他の電動装置の電源装置等）に使用されてもよい。
以下の説明においては、便宜上、ＩＧＢＴ素子（Insulated Gate Bipolar Transistor）の厚み方向をＺ方向とする。また、Ｚ方向に直交し、上下アームを構成する２つのＩＧＢＴ素子の並び方向をＸ方向とする。また、Ｘ方向及びＺ方向の双方に直交する方向をＹ方向とする。また、以下の説明では、便宜上、Ｚ方向が上下方向に対応し、第１ヒートシンク５０に対して第１ターミナル６０が存在する側を"上側"とするが、半導体装置１０の搭載向きは任意である。
半導体装置１０は、ＩＧＢＴ素子２０，３０、ＦＷＤ（Free Wheel Diode）２８，３８、高電位電源端子４０、低電位電源端子４２、出力端子４４、及び、ゲート端子４６ｇを含む制御端子４６を備える。更に、半導体装置１０は、図１乃至図４に示すように、４つのヒートシンク５０，５２，５４，５６と、継手部５８と、２つのターミナル６０，６２と、半田６４と、樹脂部６６とを備える。
ＩＧＢＴ素子２０及びＦＷＤ２８は、上下アームの上アームを形成し、ＩＧＢＴ素子３０及びＦＷＤ３８は、同上下アームにおける下アームを形成する。
ＩＧＢＴ素子２０は、図２及び図３に示すように、下面側にコレクタ電極２２を有し、上面側にエミッタ電極２４及びゲート電極２６を有する。
ＩＧＢＴ素子２０の下面側には、第１ヒートシンク５０が配置される。第１ヒートシンク５０の上側の表面５０ａには、半田６４を介して、コレクタ電極２２が電気的且つ機械的に接続される。尚、図２に示す例では、第１ヒートシンク５０の上側の表面５０ａには、ＦＷＤ素子２８のカソード電極も接続される。
第１ヒートシンク５０は、図２に示すように、略矩形の金属板の形態であり、矩形の一辺から、Ｙ方向に延在する高電位電源端子４０が設けられる。第１ヒートシンク５０は、高電位電源端子４０等と共に単一の異形リードフレームにより形成されてよい。或いは、高電位電源端子４０は、第１ヒートシンク５０とは別体に形成され、第１ヒートシンク５０に取り付けられてもよい。高電位電源端子４０は、第１ヒートシンク５０を介してＩＧＢＴ素子２０及びＦＷＤ素子２８に電気的に接続される。尚、高電位電源端子４０の一部は、図２に示すように、樹脂部６６の側面（Ｙ方向を法線とする側面）から外部に引き出される。
第１ヒートシンク５０の下側の表面５０ｂは、図３及び図４に示すように、樹脂部６６の下側の表面６６ａから露出される。これにより、ＩＧＢＴ素子２０及びＦＷＤ素子２８で生じた熱を、第１ヒートシンク５０の表面５０ｂから外部に放熱することができる。尚、図３に示す例では、第１ヒートシンク５０の下側の表面５０ｂは、樹脂部６６の下側の表面６６ａと面一であるが、Ｚ方向にオフセットを有してもよい。
ＩＧＢＴ素子２０の上面側には、Ｚ方向でゲート電極２６とは重ならないがエミッタ電極２４と対向する態様で、第１ターミナル６０が配置される。第１ターミナル６０は、平らな金属板（金属ブロック）の形態であるが、曲げ加工部を備える形態であってもよい。第１ターミナル６０の下側の表面は、半田６４を介してエミッタ電極２４と電気的且つ機械的に接続される。尚、第１ターミナル６０の下側の表面には、ＦＷＤ素子２８のアノード電極も接続される。第１ターミナル６０は、ＩＧＢＴ素子２０及びＦＷＤ素子２８と第２ヒートシンク５２とを電気的に接続するための中継機能と共に、ゲート電極２６にワイヤボンディングを行うための高さを確保する機能を有する。
ゲート電極２６は、ボンディングワイヤ４８を介して、上アームに係る制御端子４６のうちのゲート端子４６ｇと接続される。上アームに係る制御端子４６は、第１ヒートシンク５０及び高電位電源端子４０等と共に単一の異形リードフレームにより形成されてよい。上アームに係る制御端子４６は、ゲート端子４６ｇに加えて、温度測定ダイオードやセンスエミッタ等に接続される端子を含んでよい。上アームに係る制御端子４６は、図１及び図２に示すように、樹脂部６６における高電位電源端子４０の引き出し側とは反対側の側面（Ｙ方向を法線とする側面）から外部に引き出される。
第１ターミナル６０の上側の表面には、第２ヒートシンク５２が配置される。第２ヒートシンク５２の下側の表面５２ａは、半田６４を介して第１ターミナル６０の上側の表面に電気的且つ機械的に接続される。これにより、第２ヒートシンク５２は、第１ターミナル６０を介して、ＩＧＢＴ素子２０のエミッタ電極２４及びＦＷＤ素子２８のアノード電極と電気的に接続される。
第２ヒートシンク５２は、略矩形の金属板の形態であり、上面視（Ｚ方向下向きのビュー）で、大部分が第１ヒートシンク５０と重なる態様で配置される。図２に示すように、第２ヒートシンク５２は、第１ヒートシンク５０の外形と略同じ矩形形状を有する。第２ヒートシンク５２の上側の表面５２ｂは、樹脂部６６の上側の表面６６ｂから露出される。これにより、ＩＧＢＴ素子２０及びＦＷＤ素子２８で生じた熱を、第１ターミナル６０を介して、第２ヒートシンク５２の表面５２ｂから外部に放熱することができる。尚、図３及び図４に示す例では、第２ヒートシンク５２の上側の表面５２ｂは、樹脂部６６の上側の表面６６ｂと面一であるが、Ｚ方向にオフセットを有してもよい。
第２ヒートシンク５２には、継手部５８の一要素である第１継手部５８ａが一体的に設けられる。但し、第１継手部５８ａは、第２ヒートシンク５２とは別体に形成され、第２ヒートシンク５２に取り付けられてもよい。第１継手部５８ａは、ＩＧＢＴ素子３０側に向かってＸ方向に延在する。
ＩＧＢＴ素子３０は、図２及び図３に示すように、下面側にコレクタ電極３２を有し、上面側にエミッタ電極３４及びゲート電極３６を有する。ＩＧＢＴ素子３０は、ＩＧＢＴ素子２０に対してＸ方向に並んで配置される。尚、図３に示す例では、ＩＧＢＴ素子３０は、ＩＧＢＴ素子２０に対してＹ方向にオフセットしない関係で配置されているが、Ｙ方向にオフセットを有してもよい。
ＩＧＢＴ素子３０の下面側には、第３ヒートシンク５４が配置される。第３ヒートシンク５４の上面５４ａには、半田６４を介して、コレクタ電極３２が電気的且つ機械的に接続される。尚、図２に示す例では、第３ヒートシンク５４の上面５４ａには、ＦＷＤ素子３８のカソード電極も接続される。
第３ヒートシンク５４は、図２に示すように、略矩形の金属板の形態であり、矩形の一辺から、Ｙ方向に延在する出力端子４４が設けられる。第３ヒートシンク５４は、出力端子４４等と共に単一の異形リードフレームにより形成されてよい。或いは、出力端子４４は、第３ヒートシンク５４とは別体に形成され、第３ヒートシンク５４に取り付けられてもよい。出力端子４４は、第３ヒートシンク５４を介してＩＧＢＴ素子３０及びＦＷＤ素子３８に電気的に接続される。尚、出力端子４４の一部は、図２に示すように、樹脂部６６の側面（Ｙ方向を法線とする側面）から外部に引き出される。出力端子４４が引き出される樹脂部６６の側面は、高電位電源端子４０が引き出される樹脂部６６の側面と同じである。
第３ヒートシンク５４の下側の表面５４ｂは、図３及び図４に示すように、樹脂部６６の下側の表面６６ａから露出される。これにより、ＩＧＢＴ素子３０及びＦＷＤ素子３８で生じた熱を、第３ヒートシンク５４の表面５４ｂから外部に放熱することができる。尚、図３及び図４に示す例では、第３ヒートシンク５４の下側の表面５４ｂは、樹脂部６６の下側の表面６６ａと面一であるが、Ｚ方向にオフセットを有してもよい。
第３ヒートシンク５４には、継手部５８の一要素である第２継手部５８ｂが一体的に設けられる。但し、第２継手部５８ｂは、第３ヒートシンク５４とは別体に形成され、第３ヒートシンク５４に取り付けられてもよい。図３に示す例では、第２継手部５８ｂは、第４ヒートシンク５６の下側の表面５６ａに向かって上方向に延在するとともに、ＩＧＢＴ素子２０側に向かってＸ方向に延在する。第２継手部５８ｂは、図３に示すように、半田６４を介して第１継手部５８ａに電気的且つ機械的に接続される。第２継手部５８ｂ及び第１継手部５８ａは、Ｘ方向で第２ヒートシンク５２と第３ヒートシンク５４との間に形成され、Ｘ方向で第２ヒートシンク５２と第３ヒートシンク５４との間で互いに電気的且つ機械的に接続される。
ＩＧＢＴ素子３０の上面側には、Ｚ方向でゲート電極３６とは重ならないがエミッタ電極３４と対向する態様で、第２ターミナル６２が配置される。第２ターミナル６２は、平らな金属板（金属ブロック）の形態であるが、曲げ加工部を備える形態であってもよい。第２ターミナル６２の下側の表面は、半田６４を介してエミッタ電極３４と電気的且つ機械的に接続される。尚、第２ターミナル６２の下側の表面には、ＦＷＤ素子３８のアノード電極も接続される。第２ターミナル６２は、ＩＧＢＴ素子３０及びＦＷＤ素子３８と第４ヒートシンク５６とを電気的に接続するための中継機能と共に、ゲート電極３６にワイヤボンディングを行うための高さを確保する機能を有する。
ゲート電極３６は、ボンディングワイヤ４８を介して、下アームに係る制御端子４６のうちのゲート端子４６ｇと接続される。下アームに係る制御端子４６は、第３ヒートシンク５４及び出力端子４４等と共に単一の異形リードフレームにより形成されてよい。下アームに係る制御端子４６は、ゲート端子４６ｇに加えて、温度測定ダイオードやセンスエミッタ等に接続される端子を含んでよい。下アームに係る制御端子４６は、図１及び図２に示すように、樹脂部６６における高電位電源端子４０の引き出し側とは反対側の側面（Ｙ方向を法線とする側面）から外部に引き出される。
第２ターミナル６２の上側の表面には、第４ヒートシンク５６が配置される。第４ヒートシンク５６の下側の表面５６ａは、半田６４を介して第２ターミナル６２の上側の表面に電気的且つ機械的に接続される。これにより、第４ヒートシンク５６は、第２ターミナル６２を介して、ＩＧＢＴ素子３０のエミッタ電極３４及びＦＷＤ素子３８のアノード電極と電気的に接続される。
第４ヒートシンク５６は、略矩形の金属板の形態であり、上面視（Ｚ方向下向きのビュー）で、大部分が第３ヒートシンク５４と重なる態様で配置される。図２に示すように、第４ヒートシンク５６は、第３ヒートシンク５４の外形と略同じ矩形形状を有する。第４ヒートシンク５６の上側の表面５６ｂは、樹脂部６６の上側の表面６６ｂから露出される。これにより、ＩＧＢＴ素子３０及びＦＷＤ素子３８で生じた熱を、第２ターミナル６２を介して、第４ヒートシンク５６の表面５６ｂから外部に放熱することができる。尚、図３及び図４に示す例では、第４ヒートシンク５６の上側の表面５６ｂは、樹脂部６６の上側の表面６６ｂと面一であるが、Ｚ方向にオフセットを有してもよい。
第４ヒートシンク５６は、表面５６ａ，５６ｂを画成する本体部５６ｃと、本体部５６ｃの側面からＩＧＢＴ素子２０側に向かってＸ方向に延在する延設部５６ｄとを含む。延設部５６ｄは、本体部５６ｃと一体的に形成される。但し、延設部５６ｄは、本体部５６ｃとは別体に形成され、本体部５６に取り付けられてもよい。延設部５６ｄは、継手部５８と同様、Ｘ方向で第４ヒートシンク５６の本体部５６ｃと第２ヒートシンク５２（第１継手部５８ａを除く本体部）の間に形成される。但し、延設部５６ｄは、Ｚ方向で継手部５８と重ならないように、継手部５８に対してＹ方向でオフセットを有する。
低電位電源端子４２は、第４ヒートシンク５６と電気的に接続される。具体的には、低電位電源端子４２は、図４に示すように、第４ヒートシンク５６の延設部５６ｄに半田６４を介して電気的且つ機械的に接続される。低電位電源端子４２は、第３ヒートシンク５４、出力端子４４、及び、下アームに係る制御端子４６等と共に単一の異形リードフレームにより形成されてよい。低電位電源端子４２の一部は、図２に示すように、樹脂部６６の側面（Ｙ方向を法線とする側面）から外部に引き出される。低電位電源端子４２が引き出される樹脂部６６の側面は、高電位電源端子４０及び出力端子４４が引き出される樹脂部６６の側面と同じである。
低電位電源端子４２は、Ｘ方向において、第４ヒートシンク５６の本体部５６ｃと第２ヒートシンク５２（第１継手部５８ａを除く本体部）の間の領域７０、即ち、延設部５６ｄが設けられる領域７０に配置される。これにより、高電位電源端子４０、低電位電源端子４２、及び出力端子４４は、図２に示すように、低電位電源端子４２がＸ方向で出力端子４４と高電位電源端子４０との間に位置する位置関係で配置される。図示の例では、低電位電源端子４２の全体が、第４ヒートシンク５６の本体部５６ｃと第２ヒートシンク５２（第１継手部５８ａを除く本体部）の間の領域に配置される。
樹脂部６６は、ＩＧＢＴ素子２０，３０、ＦＷＤ素子２８，３８、高電位電源端子４０の一部、低電位電源端子４２の一部、出力端子４４の一部、制御端子４６の一部、各ヒートシンク５０，５２，５４，５６における表面５０ｂ、５２ｂ、５４ｂ、５６ｂを除く部分、継手部５８、及び各ターミナル６０，６２を一体的に封止する。図示の例では、樹脂部６６は、略直方体の外形に形成される。尚、上述の如く、高電位電源端子４０、低電位電源端子４２、及び出力端子４４は、図２に示すように、樹脂部６６の側面からＹ方向に引き出される。樹脂部６６の側面における高電位電源端子４０、低電位電源端子４２、及び出力端子４４の引き出し位置は、Ｚ方向の任意の位置であってよいが、例えば、樹脂部６６の側面におけるＺ方向の中央付近であってよい。
各ヒートシンク５０，５２，５４，５６には、樹脂部６６と各ヒートシンク５０，５２，５４，５６との間の密着性を高めるために、プライマ層８０（図５参照）が形成される。プライマ層８０は、例えばポリアミド膜により形成される。プライマ層８０は、その他、ポリアミドイミド、ポリイミド、エポキシ等により形成されてもよい。プライマ層８０は任意の工法（ディッピング、スピン、ディスペンス等）で塗布されてよい。各ヒートシンク５０，５２，５４，５６に対するプライマ層８０の密着性を高めるため、各ヒートシンク５０，５２，５４，５６は、ニッケルメッキや金メッキなどのメッキ処理が施される。
このように構成される半導体装置１０は、上下アームを形成する２つのＩＧＢＴ素子２０，３０を一体的に含む（単一の樹脂部６６内に含む）所謂２ｉｎ１パッケージである。また、各ＩＧＢＴ素子２０，３０のＺ方向の両側にヒートシンク５０，５２，５４，５６が配置され、ＩＧＢＴ素子２０，３０の熱をＺ方向の両側から放熱することができ、放熱性が良好な構成である。但し、２ｉｎ１パッケージでなくてもよく、１つのＩＧＢＴ素子２０又は３０を含む構成であってもよいし、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の各上下アームのＩＧＢＴ素子２０，３０を一体的に含む（単一の樹脂部６６内に含む）所謂６ｉｎ１パッケージであってもよい。
また、高電位電源端子４０及び低電位電源端子４２は、Ｘ方向で隣接して（間に出力端子４４を介さずに）配置されるので、Ｘ方向で高電位電源端子４０及び低電位電源端子４２の間に出力端子４４が配置される構成に比べて、Ｘ方向で高電位電源端子４０及び低電位電源端子４２の間の距離を短くできる。これにより、ＩＧＢＴ素子２０，３０のスイッチング時に生じるサージ電圧を低減することができる。但し、樹脂部６６から露出する各端子４０，４２，４４の数や種類、並び方、露出する側等は任意である。
また、第１ヒートシンク５０、第３ヒートシンク５４、高電位電源端子４０、低電位電源端子４２、出力端子４４、及び、上下アームに係る制御端子４６は、後述の如く、単一の異形リードフレームを用いて形成することができるので、生産性が良好な構成となる。但し、製造方法に任意である。
本実施例による半導体装置１０は、樹脂部６６の吸湿に起因した剥離であって、各ヒートシンク５０，５２，５４，５６の表面の外周部における各ヒートシンク５０，５２，５４，５６と樹脂部６６との間の剥離を抑制する剥離抑制手段を含む。以下、この剥離抑制手段について詳説する。尚、以下では、代表として、第３ヒートシンク５４と樹脂部６６との間の剥離を抑制する剥離抑制手段について説明する。各ヒートシンク５０，５２，５４，５６に対してそれぞれ設けられてもよいし、ヒートシンク５０，５２，５４，５６のいずれか１つ、２つ又は３つに対して設けられてもよい。尚、図１乃至図４においては、剥離抑制手段の図示は省略されている。
また、以下の説明において、"内側"及び"外側"は、便宜上、上面視で第３ヒートシンク５４の中心Ｏ（図２参照）を基準として用いる。即ち、"内側"とは、第３ヒートシンク５４の中心Ｏに近い側であり、"外側"は、第３ヒートシンク５４の中心Ｏから遠い側である。
ここでは、先ず、剥離抑制手段の説明に先立って、樹脂部６６の吸湿に起因した剥離の原理について説明する。
図５は、図３のＸ部の拡大図である。尚、図５においては、剥離の原理を説明する都合上、剥離抑制手段の図示は省略されている。以下では、剥離抑制手段を備えない構成（図５に示すような構成）を比較例とする。
上述の如く、樹脂部６６は、第３ヒートシンク５４における表面５４ａやＩＧＢＴ素子３０及びＦＷＤ素子３８等に密着する。例えば、第３ヒートシンク５４の表面５４ａについては、ＩＧＢＴ素子３０及びＦＷＤ素子３８との接合領域（半田６４が接する部分）５４０ｂを除く領域５４０ａと密着する。接合領域５４０ｂは、ＩＧＢＴ素子３０及びＦＷＤ素子３８が実装される素子実装領域に対応する。領域５４０ａは、接合領域５４０ｂのまわりに形成され、表面５４ａにおける接合領域５４０ｂから外周縁まで延在する。以下、領域５４０ａは、「樹脂密着領域５４０ａ」と称する。尚、樹脂部６６は、第３ヒートシンク５４の側面５４ｃに対しては、後述の如く、実施例によっては密着する場合もあれば、意図的に密着しない（又は密着強度が低減される）場合がある。
第３ヒートシンク５４には、上述の如く、樹脂部６６と第３ヒートシンク５４との間の密着性を高めるために、プライマ層８０が形成される。プライマ層８０は、少なくとも樹脂密着領域５４０ａに形成される。
ところで、樹脂部６６は、モールド後に、外気の水分を吸湿して膨張（膨潤）する。樹脂部６６における第３ヒートシンク５４よりも外側（図５の矢印Ｒ１参照）の部位６６ｃ（以下、「ヒートシンク囲繞部６６ｃ」という）が膨張すると、樹脂密着領域５４０ａと樹脂部６６との接合面に引張り応力が付与される。具体的には、吸湿時、例えば樹脂部６６のヒートシンク囲繞部６６ｃは、図５の矢印Ａ方向にも膨張するが、この際、樹脂部６６のヒートシンク囲繞部６６ｃと第３ヒートシンク５４の側面５４ｃとの間の密着部を介して、第３ヒートシンク５４に下向きの荷重Ｆが付与される。これにより、第３ヒートシンク５４の外周部は下向きに変形しようとし、樹脂密着領域５４０ａと樹脂部６６との接合面に引張り応力が発生する。この結果、第３ヒートシンク５４の外周部において第３ヒートシンク５４の表面５４ａと樹脂部６６との間の密着強度が低下し、剥離が発生しやすくなる。
図６は、樹脂部６６の吸湿による膨張時に樹脂密着領域５４０ａと樹脂部６６との界面に作用する垂直応力の解析結果を示す図である。図６の解析結果は、剥離抑制手段を備えない比較例に関する。図６では、縦軸に垂直応力が取られ、０より下側は圧縮方向であり、上側は引張り方向である。横軸は、素子端Ｐ１から外周縁Ｐ２までの樹脂密着領域５４０ａの各位置を示す。図６において、破線は、吸湿前の状態を示し、実線は、吸湿後の状態を示す。
吸湿前の状態（例えばモールド直後の状態）では、図６にて破線で示すように、第３ヒートシンク５４の表面５４ａと樹脂部６６との間には、圧縮応力が働き、密着強度が高い状態である。他方、樹脂部６６の吸湿による膨張時には、図６にて実線で示すように、第３ヒートシンク５４の外周部において第３ヒートシンク５４の表面５４ａと樹脂部６６との間に引張り方向の垂直応力が発生する。これは、上述の如く、樹脂部６６のヒートシンク囲繞部６６ｃの膨張に起因して第３ヒートシンク５４の外周部に下向きの荷重Ｆ（図５参照）が作用するためである。
図７は、プライマ層８０の厚さと引張り強度との関係を示す図である。図７においては、縦軸に引張り強度が示され、横軸にプライマ層８０の厚さが示されている。尚、プライマ層８０の厚さは、第３ヒートシンク５４の表面５４ａに対して垂直な面で切断した際の断面における厚さである。
図７に示すように、引張り強度は、０．１μｍ以上のプライマ層８０の厚さに対しては１５ＭＰａを超え、０．２μｍ以上のプライマ層８０の厚さに対しては６０ＭＰａ付近で安定化する。
プライマ層８０は、表面張力の影響で、ＩＧＢＴ素子３０及びＦＷＤ素子３８周りでは厚くなる一方、第３ヒートシンク５４の外周部においては薄くなる。尚、これは、プライマ層８０の塗布方法に関係なく生じる現象である。例えば、ある塗布例では、プライマ層８０の厚みは、素子端Ｐ１では０．６μｍであるのに対して、外周縁Ｐ２では０．０５μｍとなる。これは、第３ヒートシンク５４の外周部においてプライマ層８０の引張り強度が相対的に低下することを意味する。そして、これは、上述した第３ヒートシンク５４の外周部における引張り応力の発生と相まって、第３ヒートシンク５４の外周部において樹脂密着領域５４０ａからの樹脂部６６の剥離を引き起こす要因となる。
図８は、一実施例（実施例１）による剥離抑制手段を示す断面図である。
本実施例の剥離抑制手段は、第３ヒートシンク５４の樹脂密着領域５４０ａに形成される溝部１００により実現される。溝部１００は、好ましくは、第３ヒートシンク５４の樹脂密着領域５４０ａの外周部において全周に亘って形成される（図１１参照）が、全周でなく一部にのみ形成されてもよい。溝部１００は、プライマ塗布時に、プライマの液溜まりとなるので、プライマが表面張力の影響で第３ヒートシンク５４の外周部から内側（ＩＧＢＴ素子３０側）に引けるのが防止される。尚、溝部１００の深さは任意であるが、例えば０．３ｍｍ程度であってよい。
溝部１００は、第３ヒートシンク５４の表面５４ａの外周縁Ｐ２から内側に３ｍｍ以内の領域に形成され、好ましくは、外周縁Ｐ２から内側に０．３ｍｍから１．２ｍｍの間の領域に形成され、最も好ましくは、外周縁Ｐ２から内側に０．４ｍｍから０．８ｍｍの間の領域に形成される。これは、溝部１００が存在しない場合には、図６に示したように、第３ヒートシンク５４の表面５４ａの外周縁Ｐ２から内側に３ｍｍ以内の領域（図６のＡ参照）において、引張り応力が発生するためである。また、図６に示したように、溝部１００が存在しない場合には、外周縁Ｐ２から内側に０．３ｍｍから１．２ｍｍの間の領域（図６のＣ参照）では、５Ｍａ以上の引張り応力が発生するためである。また、図６に示したように、溝部１００が存在しない場合には、外周縁Ｐ２から内側に０．４ｍｍから０．８ｍｍの間の領域（図６のＢ参照）では、１０Ｍａ以上の引張り応力が発生するためである。かかる引張り応力が発生する範囲に溝部１００を配置することで、かかる範囲内及び外周縁Ｐ２までの範囲内のプライマ層８０の厚さを効果的に増加することができる。
尚、ここでいう外周縁Ｐ２からの距離（例えば、０．３ｍｍから１．２ｍｍの間の領域に関する"０．３ｍｍ"等）は、外周縁Ｐ２から最短距離で測定される距離（表面５４ａの形状が矩形の場合、辺に対して垂直方向の距離）であってよい。或いは、対象となる外周縁Ｐ２からＩＧＢＴ素子３０までの最短距離となる方向に沿って測定される距離であってもよい。
図９は、溝部１００の効果を示す断面図であり、樹脂密着領域５４０ａにおける複数のポイントにおけるプライマ層８０の厚さの測定結果を示す図である。図９において、（Ａ）及び（Ｂ）は、断面形状の異なる溝部１００を用いた塗布例である。但し、塗布条件が異なるため、数値の差は、溝部１００の断面形状だけに起因しない。
図９（Ａ）に示す例では、溝部１００を設けることにより、第３ヒートシンク５４の外周部においても、約０．５μｍのプライマ層８０の厚さを確保することができる。約０．５μｍのプライマ層８０の厚さを確保することで、図７に示したように、第３ヒートシンク５４の外周部においてもプライマ層８０に高い引張り強度を持たせることができ、第３ヒートシンク５４の外周部において樹脂密着領域５４０ａからの樹脂部６６の剥離を効果的に抑制することができる。
また、図９（Ｂ）に示す例では、溝部１００を設けることにより、第３ヒートシンク５４の外周部においても、約０．１μｍのプライマ層８０の厚さを確保することができる。約０．１μｍのプライマ層８０の厚さを確保することで、図７に示したように、第３ヒートシンク５４の外周部においてもプライマ層８０に高い引張り強度（１５Ｍｐａ以上の引張り強度）を持たせることができ、第３ヒートシンク５４の外周部において樹脂密着領域５４０ａからの樹脂部６６の剥離を効果的に抑制することができる。
ここで、第３ヒートシンク５４の外周部におけるプライマ層８０の厚さは、図７に示したように、少なくとも０．１μｍ以上であれば、１５Ｍｐａ以上の引張り強度を確保することができ、図６に示した引張り応力の最大値（１５Ｍｐａ未満）に対応することができる。但し、溝部１００は、好ましくは、第３ヒートシンク５４の外周部におけるプライマ層８０の厚さが０．２μｍ以上となるように構成される。これは、図７を参照して上述したように、引張り強度は、０．２μｍ以上のプライマ層８０の厚さに対しては６０ＭＰａ付近で安定化するためである。
尚、溝部１００内におけるプライマ層８０の厚さは、液溜めとなる関係上、比較的大きくなる。例えば、ある塗布例においては、深さ３ｍｍの溝部１００内におけるプライマ層８０の厚さは、５μｍ程度となった。
図１０は、溝部１００の断面形状の各種バリエーションを示す図である。溝部１００の断面形状は、任意であるが、例えば、図１０（Ａ）乃至（Ｄ）に示すような各溝部１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄのような断面形状であってもよい。溝部１００ａの断面形状は、矩形断面と三角断面との組み合わせからなり、下側の三角断面の上側（頂上部）が矩形断面に吸収されている。溝部１００ｂの断面形状は、矩形断面であり、溝部１００ｃの断面形状は、外側の縦壁が表面５４ａに対して垂直である三角断面である。溝部１００ｄの断面形状は、外側の縦壁１０１が表面５４ａに対して、縦壁１０１の上縁側が外側になる向きで傾斜した三角断面である。特に溝部１００ｄの場合、溝部１００ｄの縦壁１０１と表面５４ａと平行な面とのなす角度αは、好ましくは４５度以上に形成される。これにより、第３ヒートシンク５４の熱収縮時の樹脂部６６の第３ヒートシンク５４に対するせん断方向の相対的な動き（矢印Ａ２参照）を抑制し、密着強度を高めることができる。例えば、典型的には、第３ヒートシンク５４の方が樹脂部６６よりも線膨張係数が大きいので、樹脂部６６の成形後には、第３ヒートシンク５４の方が樹脂部６６よりも収縮し、樹脂部６６が第３ヒートシンク５４に対して矢印Ａ２の方向に相対的に動こうとするが、かかる動きは、溝部１００ｄの縦壁１０１により抑制される。
図１１は、実施例１による剥離抑制手段を備えた半導体装置１０Ａの製造方法の一例を示す図である。
図１１（Ａ）に示すように、先ず、リードフレーム（異形リードフレーム）３００を用意する。リードフレーム３００には、溝部１００がプレス加工により形成される。図１１に示す例では、溝部１００は、第１ヒートシンク５０及び第３ヒートシンク５４のそれぞれに形成される。
次いで、図１１（Ｂ）に示すように、リードフレーム３００上に、ＩＧＢＴ素子２０，３０、ＦＷＤ２８，３８、各ターミナル６０，６２、及び、第２ヒートシンク５２、第４ヒートシンク５６を実装し、ワイヤボンディングを行う。その後、プライマも塗布を行い、プライマ層８０を形成する。
次いで、図１１（Ｃ）に示すように、モールド成形を行い、樹脂部６６を形成する。
次いで、図１１（Ｅ）に示すように、樹脂部６６及び第２ヒートシンク５２、第４ヒートシンク５６の各上部等を切削し、タイバー等のようなリードフレーム３００内の余分な部位をカットして、半導体装置１０Ａが出来上がる。
図１２は、他の一実施例（実施例２）による剥離抑制手段を示す断面図である。
本実施例の剥離抑制手段は、ヒートシンク囲繞部６６ｃに形成される溝部１２０により実現される。尚、ヒートシンク囲繞部６６ｃは、上述の如く、樹脂部６６における第３ヒートシンク５４よりも外側（図１２の矢印Ｒ１参照）の部位に対応する。溝部１２０は、樹脂部６６を形成する金型の凸部や入れ子により形成されてよい。
本実施例によれば、溝部１２０の分だけヒートシンク囲繞部６６ｃの体積が低減するので、吸湿時のヒートシンク囲繞部６６ｃの膨張量自体が低減される。これにより、樹脂部６６のヒートシンク囲繞部６６ｃの膨張に起因して作用する第３ヒートシンク５４に対する下向きの荷重Ｆ（図５参照）を低減することができる。この結果、引張り応力（図６参照）が低減し、第３ヒートシンク５４の外周部において樹脂密着領域５４０ａからの樹脂部６６の剥離を効果的に抑制することができる。
尚、溝部１２０は、好ましくは、ヒートシンク囲繞部６６ｃにおいて第３ヒートシンク５４を囲繞する態様で全周に亘って形成されるが、全周でなく一部にのみ形成されてもよい。溝部１２０の断面形状は任意であり、図示のような矩形断面に限らず、三角形断面等であってもよい。また、溝部１２０の深さや幅（即ち、容積）は、荷重Ｆ（図５参照）を有意に低減できるように適切に決定される。溝部１２０の深さは、例えば第３ヒートシンク５４の厚みと同等であってもよい。溝部１２０は、図１２の断面視の横方向で、ヒートシンク囲繞部６６ｃにおける任意の箇所に形成されてもよいが、好ましくは、第３ヒートシンク５４付近に形成される。この場合、荷重Ｆ（図５参照）の大きさを効果的に低減することができる。この点、究極的には、図１３に示すように、溝部１２０は、第３ヒートシンク５４の側面５４ｃに隣接して形成されてもよい。この場合、溝部１２０の深さは、好ましくは、第３ヒートシンク５４の厚み以下に設定される。
図１４は、他の一実施例（実施例３）による剥離抑制手段を示す断面図である。
本実施例の剥離抑制手段は、ヒートシンク囲繞部６６ｃの表面に形成される防湿材塗布層１３０により実現される。防湿材塗布層１３０は、任意の防湿材を用いて形成されてよい。防湿材は、例えば、ポリオレフィン系樹脂、アクリル系樹脂、シリコーン系であってよい。また、塗布方法は任意であるが、スクリーン印刷、ディッピング、スプレー、ディスペンス等であってよい。
本実施例によれば、防湿材塗布層１３０によりヒートシンク囲繞部６６ｃの吸湿量が低減し、吸湿時のヒートシンク囲繞部６６ｃの膨張量が低減される。これにより、樹脂部６６のヒートシンク囲繞部６６ｃの膨張に起因して作用する第３ヒートシンク５４に対する下向きの荷重Ｆ（図５参照）を低減することができる。この結果、引張り応力（図６参照）が低減し、第３ヒートシンク５４の外周部において樹脂密着領域５４０ａからの樹脂部６６の剥離を効果的に抑制することができる。
尚、防湿材塗布層１３０は、好ましくは、ヒートシンク囲繞部６６ｃにおいて第３ヒートシンク５４の上面５４ａを囲繞する態様で全周に亘って形成される（図１５参照）が、全周でなく一部にのみ形成されてもよい。防湿材塗布層１３０の塗布幅Ｗは、荷重Ｆ（図５参照）を有意に低減できるように適切に決定される。防湿材塗布層１３０の塗布幅Ｗは、好ましくは、ヒートシンク囲繞部６６ｃの厚みＤ以上に設定される（図示の例では、Ｗ＜Ｄ）。尚、塗布幅Ｗは、全周に亘って一定である必要は無く、利用可能な領域の幅に応じて適切に設定されればよい。また、防湿材塗布層１３０は、ヒートシンク囲繞部６６ｃの側面に追加的に形成されてもよい。
図１５は、実施例３による剥離抑制手段を備えた半導体装置１０Ｂの製造方法の一例を示す図である。
図１５（Ａ）に示すように、先ず、リードフレーム３０２上に、ＩＧＢＴ素子２０，３０、ＦＷＤ２８，３８、各ターミナル６０，６２、及び、第２ヒートシンク５２、第４ヒートシンク５６を実装し、ワイヤボンディングを行う。その後、プライマも塗布を行い、プライマ層８０を形成する。
次いで、図１５（Ｂ）に示すように、モールド成形を行い、樹脂部６６を形成する。
次いで、図１５（Ｃ）に示すように、樹脂部６６及び第２ヒートシンク５２、第４ヒートシンク５６の各上部等を切削し、タイバー等をカットする。
次いで、図１５（Ｅ）に示すように、樹脂部６６に防湿材を塗布し、防湿材塗布層１３０を形成して、半導体装置１０Ｂが出来上がる。
図１６は、他の一実施例（実施例４）による剥離抑制手段を示す断面図である。
本実施例の剥離抑制手段は、第３ヒートシンク５４の側面５４ｃとヒートシンク囲繞部６６ｃとの間の密着力を低減させることにより実現される。密着力の低減方法としては、図１６に示すように、第３ヒートシンク５４の側面５４ｃに、プライマ層８０を形成しない方法であってよい（但し、第３ヒートシンク５４の上面５４ａにはプライマ層８０は形成される）。或いは、密着力の低減方法としては、第３ヒートシンク５４の側面５４ｃに対して、第３ヒートシンク５４の上面５４ａに行うメッキ処理を行わない方法や、第３ヒートシンク５４の上面５４ａに行うメッキ処理に伴って形成される第３ヒートシンク５４の側面５４ｃのメッキ層を除去する方法であってよい。例えば、第３ヒートシンク５４の上面５４ａに行うメッキ処理がニッケルメッキ処理であり、第３ヒートシンク５４が銅で形成され、プライマ層８０がポリアミドにより形成される場合については、第３ヒートシンク５４の側面５４ｃにプライマを塗布しても、密着力の低減は実現される。これは、ポリアミドは、ニッケルとは高い密着性を示すが、銅とは、高い密着性を示さないためである。銅は、表面に酸化膜が成長し易く、プライマを塗布しても酸化膜で破壊し、結果として、プライマ層８０と第３ヒートシンク５４の側面５４ｃとの密着強度が低下するためである。
本実施例によれば、第３ヒートシンク５４の側面５４ｃとヒートシンク囲繞部６６ｃとの間の密着力が低減されるので、樹脂部６６のヒートシンク囲繞部６６ｃの膨張に起因して作用する第３ヒートシンク５４に対する下向きの荷重Ｆ（図５参照）を低減することができる。即ち、樹脂部６６のヒートシンク囲繞部６６ｃと第３ヒートシンク５４の側面５４ｃとの間の密着部を介して伝達される下向きの荷重Ｆ（図５参照）を低減することができる。この結果、引張り応力（図６参照）が低減し、第３ヒートシンク５４の外周部において樹脂密着領域５４０ａからの樹脂部６６の剥離を効果的に抑制することができる。
図１７は、実施例４による剥離抑制手段を備えた半導体装置１０Ｃの製造方法の一例を示す図である。
図１７（Ａ）に示すように、先ず、リードフレーム３０４を用意する。リードフレーム３０４は、リードフレーム素材（本例では銅）にニッケルメッキ処理を行い、次いで、プレス加工を行うことで、形成される。プレス加工前にニッケルメッキ処理を行うことより、側面にニッケルメッキ層９０を備えないリードフレーム３０４を形成することができる。即ち、リードフレーム３０４の側面は、銅のむき出し状態となる。尚、リードフレーム３０４の側面では、上述の如く、酸化膜が成長する。
次いで、図１７（Ｂ）に示すように、リードフレーム３０４上に、ＩＧＢＴ素子２０，３０、ＦＷＤ２８，３８、各ターミナル６０，６２、及び、第２ヒートシンク５２、第４ヒートシンク５６を実装し、ワイヤボンディングを行う。その後、プライマも塗布を行い、プライマ層８０を形成する。このとき、リードフレーム３０４の側面にもプライマが塗布されてもよい。例えば、ディッピングにより塗布する場合、リードフレーム３０４の側面にも、必然的にプライマが塗布される。
次いで、図１７（Ｃ）に示すように、モールド成形を行い、樹脂部６６を形成する。このとき、樹脂部６６は、ニッケルメッキ層を備えないリードフレーム３０４の側面にも密着するが、上述の如く、酸化膜での破壊によって、第３ヒートシンク５４の側面５４ｃと樹脂部６６（ヒートシンク囲繞部６６ｃ）との間の密着力は低減される。
次いで、図１７（Ｅ）に示すように、樹脂部６６及び第２ヒートシンク５２、第４ヒートシンク５６の各上部等を切削し、タイバー等をカットして、半導体装置１０Ｃが出来上がる。
以上、各実施例について詳述したが、特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。また、前述した実施例の構成要素を全部又は複数を組み合わせることも可能である。
例えば、上述した各実施例による剥離抑制手段は、任意の態様で組み合わせてもよい。例えば、実施例１による剥離抑制手段は、実施例２による剥離抑制手段、実施例３による剥離抑制手段、及び、実施例４による剥離抑制手段のいずれか１つ、いずれか任意の２つ、又は、全てと組み合わせることが可能である。
また、上述した各実施例では、両面放熱構成であるが、片面放熱構成も可能である。即ち、例えば、第２ヒートシンク５２、第４ヒートシンク５６及び各ターミナル６０，６２が存在しない構成や、第２ヒートシンク５２及び第４ヒートシンク５６がバスバの形態となる構成であってもよい。この場合も、吸湿時には、例えば第３ヒートシンク５４の外周部に下向きの荷重Ｆ（図５参照）は依然として作用するので、上述した各実施例による剥離抑制手段は有効に機能する。
また、上述した実施例では、
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ 半導体装置
２０，３０ ＩＧＢＴ素子
４０ 高電位電源端子
４２ 低電位電源端子
４４ 出力端子
５０ 第１ヒートシンク
５２ 第２ヒートシンク
５４ 第３ヒートシンク
５６ 第４ヒートシンク
８０ プライマ層
１００ 溝部
１２０ 溝部
１３０ 防湿材塗布層
５４０ａ 樹脂密着領域
５４０ｂ 接合領域

Claims (9)

  1. 半導体素子実装領域、及び、前記半導体素子実装領域から外周縁まで延在する樹脂密着領域を含む表面を備える金属部材と、
    前記半導体素子実装領域に実装される半導体素子と、
    前記金属部材の側面よりも外側まで延在し、前記樹脂密着領域に密着し、前記半導体素子と前記金属部材とを一体的に覆う樹脂部と、
    前記樹脂密着領域と前記樹脂部との間に設けられるプライマ層と、
    前記樹脂部の吸湿に起因した剥離であって、前記樹脂密着領域の外周部における前記金属部材と前記樹脂部との間の剥離を抑制する剥離抑制手段とを含む、半導体装置。
  2. 前記剥離抑制手段は、前記樹脂密着領域内に形成され、前記金属部材の表面の外周縁から３ｍｍ以内の領域に位置する溝部を含む、請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記プライマ層は、前記樹脂密着領域における前記溝部よりも外側の領域において０．１μｍ以上の厚みで形成される、請求項２に記載の半導体装置。
  4. 前記剥離抑制手段は、前記樹脂部における前記金属部材よりも外側の部位に形成される溝部を含む、請求項１に記載の半導体装置。
  5. 前記剥離抑制手段は、前記樹脂部における前記金属部材よりも外側の部位の表面に形成される防湿材塗布層を含む、請求項１に記載の半導体装置。
  6. 前記剥離抑制手段は、前記金属部材の側面と前記樹脂部との密着力を低減させる密着力低減手段を含む、請求項１に記載の半導体装置。
  7. 前記密着力低減手段は、前記金属部材の側面にプライマ層を設けないことにより実現される、請求項６に記載の半導体装置。
  8. 前記密着力低減手段は、前記金属部材の表面に形成されるメッキ層を、前記金属部材の側面に設けないことにより実現される、請求項６に記載の半導体装置。
  9. リードフレーム素材に対してメッキ処理を行い、
    前記メッキ処理されたリードフレーム素材をプレス加工して、メッキ層を備えない側面を持つリードフレーム素材を形成し、
    前記リードフレーム素材の表面に半導体素子を実装し、
    前記半導体素子を実装した前記リードフレーム素材の表面及び側面にプライマを塗布し、
    前記プライマの塗布後、前記リードフレーム素材の表面及び側面に樹脂が密着する態様でモールド成形を行い、前記リードフレーム素材及び前記半導体素子を一体的に封止することを含む、半導体装置の製造方法。
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