(57)【要約】  本発明は、金属部材と半導体素子とを接合するために使用される半田の広がりを抑制することで半導体素子の接合不良等を発生させることなく、金属部材とモールド樹脂の密着性を向上させることができる半導体装置および半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。半導体装置は、半導体素子であるパワー半導体チップ３と、接合部材である半田を介してパワー半導体チップ３と接合される金属部材であるヒートスプレッダ７と、ヒートスプレッダ７とパワー半導体チップ３とを封止するモールド樹脂６と、ヒートスプレッダ７の表面に形成され、かつ、ヒートスプレッダ７を孔蝕状に粗化した孔蝕状粗化部８とを備えている。また、孔蝕状粗化部８は２つ以上に分かれている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子（３）と、
接合部材を介して前記半導体素子（３）と接合される金属部材（１，５，７，２５，３０）と、
前記金属部材（１，５，７，２５，３０）の少なくとも一部と前記半導体素子（３）とを封止するモールド樹脂（６）と、
前記金属部材（１，５，７，２５，３０）の表面に形成され、かつ、前記金属部材（１，５，７，２５，３０）を孔蝕状に粗化した粗化部（８，１８，１９）と、
を備え、
前記粗化部（８，１９）は２つ以上に分かれている、半導体装置。
【請求項２】
前記粗化部（８，１９）を分ける分割部（９）は、前記粗化部（８，１９）における前記接合部材による接合部分の周辺領域に形成された、請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記粗化部（８，１９）の厚さは３μｍ以上、４００μｍ以下である、請求項１記載の半導体装置。
【請求項４】
前記分割部（９）の深さは、前記粗化部（８，１９）の厚さの０．４倍以上である、請求項２記載の半導体装置。
【請求項５】
前記金属部材（７）は銅製のヒートスプレッダである、請求項１記載の半導体装置。
【請求項６】
前記金属部材（２５，３０）は、セラミック基板（２６）または絶縁シート（３１）に少なくとも１種類以上の金属からなる電極部材（２７，２８，３２，３３，３４）を接合して構成された絶縁基板である、請求項１記載の半導体装置。
【請求項７】
請求項１記載の半導体装置の製造方法であって、
銅溶解または腐食作用を利用した化学処理により前記金属部材（１，５，７，２５，３０）の表面に前記粗化部（８，１８，１９）を形成する工程と、
前記粗化部（８，１９）を２つ以上に分けて分割部（９）を形成する工程と、
を備えた、半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記分割部（９）を形成する工程ではプレス加工が実施された、請求項７記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記分割部（９）を形成する工程では化学処理が実施された、請求項７記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記分割部（９）を形成する工程では切削処理が実施された、請求項７記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記金属部材（１，５，７，２５，３０）の表面に前記粗化部（８，１８，１９）を形成する工程では、硫酸、過酸化水素、亜リン酸成分、アゾール成分および塩素化合物成分を含有する水溶液を用いた化学処理が実施された、請求項７記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
前記金属部材（１，５，７，２５，３０）の表面に前記粗化部（８，１８，１９）を形成する工程では、さらに銅イオンを含む水溶液を用いた化学処理が実施された、請求項１１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
前記金属部材（１，５，７，２５，３０）は複数の金属部材（１，５，７，２５，３０）を含み、当該複数の金属部材（１，５，７，２５，３０）のそれぞれで前記粗化部（８，１８，１９）は粗化度合いの異なる２つ以上の粗化処理を実施することで形成された、請求項７記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、樹脂モールド型の半導体装置に関し、特に、リードフレームおよびヒートスプレッダ等の金属部材とモールド樹脂との密着性を向上させた半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
樹脂モールド型の半導体装置では、リードフレームおよびヒートスプレッダ等の金属部材がモールド樹脂で封止される。かかる金属部材とモールド樹脂との密着性を向上させるために、例えば、特許文献１には、側壁を逆メサ形状として返り部を設けたディンプルを金属部材の表面に形成することで、金属部材とモールド樹脂の密着性の向上を図ることが可能な技術が開示されている。【０００３】
また、特許文献２には、金属部材の表面側に半導体素子が接合され、金属部材において半導体素子の周りに凹部または凸部を設けることで、密着性の低い半田のはみ出し部分およびフラックスの広がりを防止する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−２７３２７０号公報
【特許文献２】特開２００８−３１１３６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に記載の技術では、金型加工が複雑であるため製造コストが増加するうえ、隣接するディンプル間は平坦面であるため密着性が低く、剥離が生じた場合は、隣接するディンプル間の平坦面で急激に進展してしまうという問題があった。また、特許文献２に記載の技術では、半田広がり防止の構造部分以外は平坦面であるため密着性が低く、剥離の進展が急激にすすんでしまうという問題があった。【０００６】
そこで、本発明は、金属部材と半導体素子とを接合するために使用される半田の広がりを抑制することで半導体素子の接合不良等を発生させることなく、金属部材とモールド樹脂の密着性を向上させることができる半導体装置および半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る半導体装置は、半導体素子と、接合部材を介して前記半導体素子と接合される金属部材と、前記金属部材の少なくとも一部と前記半導体素子とを封止するモールド樹脂と、前記金属部材の表面に形成され、かつ、前記金属部材を孔蝕状に粗化した粗化部とを備え、前記粗化部は２つ以上に分かれているものである。【０００８】
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、銅溶解または腐食作用を利用した化学処理により前記金属部材の表面に前記粗化部を形成する工程と、前記粗化部を２つ以上に分けて分割部を形成する工程とを備えたものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る半導体装置によれば、半導体素子と、接合部材を介して半導体素子と接合される金属部材と、金属部材の少なくとも一部と半導体素子とを封止するモールド樹脂と、金属部材の表面に形成され、かつ、金属部材を孔蝕状に粗化した粗化部とを備え、粗化部は２つ以上に分かれている。【００１０】
したがって、粗化部にモールド樹脂が浸透するため、金属部材とモールド樹脂の密着性を向上させることができる。さらに、金属部材と半導体素子とを接合するために使用される半田がぬれ広がった場合、粗化部において２つ以上に分かれた部分に入り込むため、半田が必要以上にぬれ広がることを抑制できる。これにより、密着性に劣る半田がぬれ広がった部分を最小限にすることができ、半導体素子において接合不良等の発生を防止できる。【００１１】
また、金属部材において、半導体素子が接合された側とは反対側の面に、例えばエポキシ樹脂により形成された絶縁シートが配置される場合がある。この場合、粗化部と絶縁シートが接する部位では、絶縁シート中の樹脂成分が粗化部に浸透する。このため、絶縁シートと金属部材との密着性を向上させることができ、半導体装置の信頼性を向上させることができる。また、粗化部には絶縁シートの樹脂成分が優先的に浸透することから、絶縁シート中のフィラー比率が高まる。これにより、絶縁シートの熱伝送率の向上を図ることもできる。【００１２】
本発明に係る半導体装置の製造方法によれば、銅溶解または腐食作用を利用した化学処理により金属部材の表面に粗化部を形成する工程と、粗化部を２つ以上に分けて分割部を形成する工程とを備えた。金属部材において、半導体素子が接合された側とは反対側の面に、絶縁シートが配置される場合、粗化部にモールド樹脂が浸透することで、金属部材、モールド樹脂および絶縁シートの密着性を向上させることができる。また、半田がぬれ広がった場合に分割部に入り込むため、半田が必要以上にぬれ広がることを抑制できる。これにより、密着性に劣る半田がぬれ広がった部分を最小限にすることができ、半導体素子において接合不良等の発生を防止できる。さらに、絶縁シート中の樹脂成分が粗化部に浸透することにより、絶縁シートのフィラー比率が高まるため、絶縁シートの熱伝導率が向上する。【００１３】
この発明の目的、特徴、局面、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施の形態に係る半導体装置の断面図である。
【図２】ヒートスプレッダの加工フローを示す図である。
【図３】ヒートスプレッダの別の加工フローを示す図である。
【図４】ヒートスプレッダの加工後に実施されるモールド形成フローを示す図である。
【図５】ヒートスプレッダとリードフレームの加工後に実施される別のモールド形成フローを示す図である。
【図６】実施の形態に係る別の半導体装置の断面図である。
【図７】実施の形態に係るさらに別の半導体装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
＜実施の形態＞
本発明の実施の形態について、図面を用いて以下に説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る樹脂モールド型半導体装置の断面図である。半導体装置は、例えばＩＧＢＴ等のパワー半導体チップ３（半導体素子）と、ヒートスプレッダ７と、リードフレーム１，５と、モールド樹脂６と、孔蝕状粗化部８と、分割部９とを備えている。なお、ヒートスプレッダ７が金属部材に相当する。
【００１６】
ヒートスプレッダ７は銅により形成され、ヒートスプレッダ７の表面を含む露出している部分（全ての面）には、ヒートスプレッダ７を孔蝕状に粗化した粗化部である孔蝕状粗化部８が形成されている。孔蝕状粗化部８は、例えば、銅溶解または腐食（エッチング）作用を利用した化学処理により形成されるが、その詳細については後述することとする。ヒートスプレッダ７の表面の中央部には、パワー半導体チップ３が接合部１２を介して接合されており、接合部１２は、例えば半田によるものである。なお、半田が接合部材に相当する。
【００１７】
ヒートスプレッダ７の上面の中央部の周辺領域、より具体的には、ヒートスプレッダ７の上面の中央部よりも外側部分に、平面視にて枠状の分割部９（図２参照）が形成されている。分割部９においては、孔蝕状粗化部８が除去されており、ヒートスプレッダ７の銅部分が露出している。分割部９は、孔蝕状粗化部８を２つ以上に分けるために形成されるものであり、本実施の形態では孔蝕状粗化部８を２つに分けている。
【００１８】
また、ヒートスプレッダ７の表面の一端部には、リードフレーム１が接合部１３を介して接合されており、接合部１３は、例えば超音波または半田によるものである。パワー半導体チップ３の表面には、リードフレーム５が接合部１４を介して接合されており、接合部１４は、例えば半田によるものである。
【００１９】
ヒートスプレッダ７は、例えばエポキシ樹脂により形成された絶縁シート１１の表面に搭載されている。絶縁シート１１の裏面には、例えば銅により形成された保護膜である銅箔１０が設けられている。
【００２０】
パワー半導体チップ３と、ヒートスプレッダ７と、リードフレーム１，５は、トランスファモールド法を用いて、例えばエポキシ樹脂からなるモールド樹脂６により封止されている。絶縁シート１１および銅箔１０もヒートスプレッダ７と同時に封止され、モールド樹脂６の底面に銅箔１０が露出した構造となっている。なお、トランスファモールド法でヒートスプレッダ７を樹脂封止した後に、ヒートスプレッダ７の裏面に絶縁シート１１を取り付けることも可能である。また、パワー半導体チップ３とリードフレーム５はアルミニウムワイヤ、銅ワイヤまたは金ワイヤ等を用いて接合することも可能である。
【００２１】
また、本実施の形態で述べるモールド樹脂６として、トランスファモールド法で樹脂封止するタイプの樹脂のほかに、ダイレクトポッティング法で樹脂封止するタイプの樹脂を用いることもできる。具体的には、これらの樹脂として、エポキシ樹脂のほかに、シリコーン系樹脂またはシアネート系樹脂等にアルミナ等の無機フィラーを添加して線膨張率、弾性率および難燃性を調整した樹脂を用いることができる。
【００２２】
孔蝕状粗化部８は、（Ａ）硫酸２５〜２００ｇ／リットル、（Ｂ）過酸化水素１０〜１００ｇ／リットル、（Ｃ）亜リン酸または亜リン酸塩から選ばれる少なくとも１種の亜リン酸成分０．０５〜２０ｇ／リットル、（Ｄ）１，２，３−ベンゾトリアゾール、５−メチル−１Ｈ−テトラゾールから選ばれる少なくとも１種又は２種のアゾール成分０．０５〜１０ｇ／リットル、（Ｅ）塩化ナトリウムまたは塩化ベンザルコニウムから選ばれる１種類又は２種類の塩素化合物成分０．００５〜０．５ｇ／リットルを含む表面粗化処理剤を用いた化学処理（表面粗化処理）により形成される。特に（Ｃ）成分と（Ｄ）成分を併用することで、孔蝕状粗化部８を安定的に形成することができる。
【００２３】
分割部９は、半田のぬれを抑制できる構造であれば特に限定はされないが、例えばプレス加工、切削加工、レーザ加工または化学処理加工等により形成することができる。
【００２４】
半導体素子実装部など、孔蝕状粗化部８において半田が接触する部分はぬれ性が高いため、孔蝕状粗化部８の表面は半田で覆われる。孔蝕状粗化部８の表面を覆った半田は、分割部９により堰き止められる。すなわち、孔蝕状粗化部８において半田で覆われた部分は、分割部９により規定される。半田で覆われたヒートスプレッダ７は、モールド樹脂６との密着性が著しく低下するため、孔蝕状粗化部８において半田で覆われた部分は極力少ないことが望ましい。具体的には、パワー半導体チップ３の外周が１ｍｍである場合、孔蝕状粗化部８において半田で覆われた部分の外周は、パワー半導体チップ３の外周１ｍｍよりも小さいことが好ましく、２００μｍ以下であることがより好ましい。
【００２５】
また、分割部９の深さＬは孔蝕状粗化部８の深さを孔蝕状粗化度Ｔとすると、Ｌ  ≧  Ｔ  ×  ０．３  で規定される。分割部９の深さが孔蝕状粗化部８の深さの０．３倍よりも小さいと、半田のぬれ性を抑制しきれずに分割部９の外部に半田が流れ出る恐れがある。
【００２６】
実施の形態に係る半導体装置では、ヒートスプレッダ７の表面を含む全ての面に孔蝕状粗化部８が設けられ、孔蝕状粗化部８における半田による接合部分の周辺領域、より具体的には、孔蝕状粗化部８における接合部１２の外側部分に分割部９が形成されている。孔蝕状粗化部８が形成されると、ヒートスプレッダ７の表面積が増すため半田のぬれ性が飛躍的に増大する。このため、モールド樹脂６との密着性に劣る半田がぬれ広がった部分が拡大することにより、ヒートスプレッダ７に対するパワー半導体チップ３の接合不良が発生しやすくなり、半導体装置の信頼性低下を招く。半田がぬれ広がることを抑制するために分割部９が形成されている。
【００２７】
なお、分割部９は、ヒートスプレッダ７においてパワー半導体チップ３の周囲に形成されているが、ヒートスプレッダ７においてパワー半導体チップ３が搭載される部分を含めた領域に形成されてもよい。また、事前にマスク等を用いて孔蝕状粗化処理を実施し、ヒートスプレッダ７において半田と接触する部分を平坦形状としてもよい。
【００２８】
半導体装置は、孔蝕状粗化部８にモールド樹脂６が浸透することで、ヒートスプレッダ７とモールド樹脂６の密着性が飛躍的に向上する。また、孔蝕状粗化部８により絶縁シート１１との密着性も向上する。さらに、分割部９により半田が必要以上にヌレ広がることを抑制することで、密着性の劣る半田がぬれ広がった部分を最小限に抑制することができ、半導体装置の信頼性が向上する。
【００２９】
次に、半導体装置の製造方法について説明する。最初に、図２を用いて、切削加工を用いたヒートスプレッダ７の加工フローについて説明する。図２は、ヒートスプレッダ７の加工フローを示す図である。ここで、図２において紙面の上側には対象物の平面図、紙面の下側には対象物の断面図がそれぞれ記載されている。なお、以降で説明する図３〜図５においてもこれと同様である。
【００３０】
先ず、ヒートスプレッダ７の材料である銅フレーム７ａに表面粗化処理を実施し、その後、ヒートスプレッダ７においてパワー半導体チップ３が接合される部分の外側に、枠状の分割部９を切削加工にて形成した。この加工フローの場合、ヒートスプレッダ７の露出面全てに孔蝕状粗化部８が形成され、分割部９においては切削加工により孔蝕状粗化部８が除去されている。このため、本加工フローでは、ヒートスプレッダ７とモールド樹脂６との密着性だけでなく、絶縁シート１１との密着性向上が期待でき、特にヒートスプレッダ７と絶縁シート１１との密着性が低い場合に有効である。
【００３１】
ここで、分割部９を形成するに際して、プレス加工を用いることも可能である。図３を用いて、プレス加工を用いたヒートスプレッダ７の加工フローについて説明する。図３は、ヒートスプレッダ７の別の加工フローを示す図である。先ず、ヒートスプレッダ７の材料である銅巻板７ｂの段階で表面粗化処理を実施し、その後、銅巻板７ｂを抜き打ち加工することでヒートスプレッダ７を作製する。そして、ヒートスプレッダ７においてパワー半導体チップ３が接合される部分の外側に、枠状の分割部９をプレス加工にて形成した。
【００３２】
この加工フローの場合、ヒートスプレッダ７（すなわち、銅巻板７ｂ）の側面には孔蝕状粗化部８を形成することができない。これは、銅巻板７ｂに対して表面粗化処理の後で抜き打ち加工を実施するためである。図３では、ヒートスプレッダ７の裏面には表面粗化処理を実施していないが、裏面への表面粗化処理が必要な場合は任意に選択することができる。本加工フローでは、銅巻板７ｂの抜き打ち加工と分割部９のプレス加工とを、１つの装置により一括で加工できるため、分割部９はプレス加工により形成することが望ましいが、特に限定されるものではなく他の加工方法であってもよい。
【００３３】
次に、図４を用いて、分割部９を形成したヒートスプレッダ７を用いたモールド形成について説明する。図４は、ヒートスプレッダ７の加工後に実施されるモールド形成フローを示す図である。ヒートスプレッダ７としては、図２で説明した表面粗化処理を用い、図３で説明したプレス加工を実施し分割部９を形成したものを用いた。
【００３４】
ヒートスプレッダ７の表面の中央部にパワー半導体チップ３を半田付けすることで、ヒートスプレッダ７とパワー半導体チップ３とを接合する。このとき、半田がぬれ広がった部分は、分割部９の内部に留まり、分割部９よりも外側には広がらない。その後、パワー半導体チップ３の表面にリードフレーム５を接合するともに、ヒートスプレッダ７の一端部の表面にリードフレーム１を接合する。次に、リードフレーム１，５の一部であるインナーリード部と、パワー半導体チップ３と、ヒートスプレッダ７などをモールド形成することで半導体装置が得られる。
【００３５】
なお、図４に示したフローに用いられるヒートスプレッダとしては、図２または図３で説明したフローで形成されたものに限定されるものではなく、孔蝕状粗化部および分割部が形成されたヒートスプレッダであればよい。
【００３６】
次に、孔蝕状粗化部における最適な孔蝕状粗化度を見つけるために、種々の孔蝕状粗化度と、分割部の有無とを組み合わせた比較例および各実施例のサンプルを用いて行われた各種耐性試験の結果について、表１を用いて説明する。表１は、比較例と実施例のヒートスプレッダ（以下、「ＨＳ」とも称す）状態と各種耐性についての試験結果を示す表である。
【００３７】
ヒートスプレッダを、硫酸２５〜２００ｇ／リットル、過酸化水素１０〜１００ｇ／リットル、亜リン酸または亜リン酸塩から選ばれる少なくとも１種の亜リン酸成分０．０５〜２０ｇ／リットル、１，２，３−ベンゾトリアゾール、５−メチル−１Ｈ−テトラゾールから選ばれる少なくとも１種または２種のアゾール成分０．０５〜１０ｇ／リットル、塩化ナトリウムまたは塩化ベンザルコニウムから選ばれる１種類または２種類の塩素化合物成分０．００５〜０．５ｇ／リットルを含む水溶液を用いた化学処理にて、表１に示す孔蝕状粗化を実施した。ここで、上記の成分に加えて、さらに銅イオンを含む水溶液を用いた化学処理を実施することも可能である。
【００３８】
なお、孔蝕状粗化度は、孔蝕状粗化を施した銅板を切断し、孔蝕状粗化が進行した厚みで規定した。また、表中の分割部は所望の金型にて押し込み成型することで孔蝕状粗化部を押し潰すことで形成されている。表中のヒートサイクル耐性は、比較例および各実施例にて作製した半導体装置を、−５０〜２００℃にてヒートサイクル試験を実施し、ＳＡＴ観察にてヒートスプレッダとモールド樹脂の剥離が分割部を超えて進展するまでの回数を示している。絶縁耐性は各比較例及び実施例にて作製したモジュールを、−５０〜２００℃にてヒートサイクル試験を実施した後、このモジュールに１０ｋＶの高電圧を印加し、もれ電流が１０ｐＡを超えるまでの回数を示している。ここで、ＳＡＴとはScanning Acoustic Tomographの略称で超音波探傷装置を指し、ＳＡＴ観察とはパッケージ内の剥離の検出を超音波による非破壊状態で観察することができる解析手法を意味している。
【００３９】
【表１】
2014132483.tif 000003
【００４０】
表１に示すように、比較例１では、ＨＳの剥離が２００ｃｙｃｌｅにて生じたことがわかる。これは、ＨＳ表面に何の処理も施していないためであると考えられる。また、絶縁耐性も剥離が進展していくため、低ヒートサイクル回数にて不具合が生じたものと思われる。
【００４１】
実施例１Ａ，１Ｂでは、ヒートサイクル耐性および絶縁耐性は１０００ｃｙｃｌｅ以下であった。これは、ＨＳ表面の孔蝕状粗化度が低いためであると考えられる。実施例１Ａでは、分割部が形成されていなくとも、半田のぬれ広がりがないことからも孔蝕状粗化度が低いことがわかる。
【００４２】
孔蝕状粗化度が３μｍを超える実施例３Ｂ，４Ｂ，５Ｂ，６Ｂでは、分割部を設けることでヒートサイクル耐性及び絶縁耐性が飛躍的に向上していることを確認した。実施例３Ａ，４Ａ，５Ａ，６Ａ，７Ａでは、ヒートサイクル耐性および絶縁耐性が低くなった。これは、分割部がないことで半田がＨＳ全面にぬれ広がり、モールド樹脂とＨＳとの密着性が低下したためであると考えられる。
【００４３】
実施例７Ｂでは、ヒートサイクル耐性は向上しているものの、絶縁耐性が低下した。これは、分割部を設けたことで半田ぬれ広がりを抑制してモールド樹脂とＨＳの密着性が向上したため、ヒートサイクル耐性が向上したと考えられる。一方、孔蝕状粗化度が過度になると銅片が孔蝕状粗化部から脱離し易くなり、モールド樹脂中に脱離した銅片が混入することになる。実施例７Ｂでは、上記事由により絶縁耐性が低下したものと考えられる。
【００４４】
以上の結果より、孔蝕状粗化部の厚みは３μｍ以上、４００μｍ以下であり、かつ分割部が形成された半導体装置は、ヒートサイクル耐性および絶縁耐性が良好であることが明らかとなった。
【００４５】
以上のように、実施の形態に係る半導体装置では、パワー半導体チップ３と、接合部材である半田を介してパワー半導体チップ３と接合される金属部材と、金属部材の少なくとも一部とパワー半導体チップ３とを封止するモールド樹脂６と、金属部材の表面に形成され、かつ、金属部材を銅溶解または腐食（エッチング）作用を利用した化学処理により形成された孔蝕状粗化部８とを備え、孔蝕状粗化部８は２つ以上に分かれている。ここで、金属部材は銅製のヒートスプレッダ７である。
【００４６】
したがって、孔蝕状粗化部８にモールド樹脂６が浸透するため、金属部材とモールド樹脂６の密着性を向上させることができる。さらに、金属部材とパワー半導体チップ３とを接合するために使用される半田がぬれ広がった場合、孔蝕状粗化部８において２つ以上に分かれた部分に入り込むため、半田が必要以上にぬれ広がることを抑制できる。これにより、密着性に劣る半田がぬれ広がった部分を最小限にすることができるため、パワー半導体チップ３において接合不良等の発生を防止でき、ひいては、半導体装置の長期使用が可能となる。
【００４７】
また、孔蝕状粗化部８と絶縁シート１１が接する部位では、絶縁シート１１中の樹脂成分が孔蝕状粗化部８に浸透する。このため、絶縁シート１１と金属部材との密着性を向上させることができ、半導体装置の信頼性を向上させることができる。また、孔蝕状粗化部８には絶縁シート１１の樹脂成分が優先的に浸透することから、絶縁シート１１中のフィラー比率が高まる。これにより、絶縁シート１１の熱伝送率の向上を図ることもできる。
【００４８】
孔蝕状粗化部８を分ける分割部９は、孔蝕状粗化部８における接合部材である半田による接合部分の周辺領域に形成されたため、半田を分割部９に効果的に入り込ませることができ、半田が必要以上にぬれ広がることをより抑制できる。表１に示すように、実施例４Ａ〜４Ｅでは分割部の深さＬを孔蝕状粗化度Ｔに対して変化させている。実施例４ＥではＨＳへの半田のぬれ広がりが確認され、ヒートサイクル耐性および絶縁耐性が低下した。この結果より、分割部の深さＬは孔蝕状粗化度Ｔの０．４倍以上であれば半田のぬれ性を防止でき、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。実施例６Ａ〜６Ｄは、孔蝕状粗化度Ｔが異なる場合の分割部の深さについての信頼性評価結果を示している。この結果によれば、実施例４の場合と同様、分割部の深さＬは孔蝕状粗化度Ｔの０．４倍以上であれば信頼性の高い半導体装置を得ることができることが明らかとなった。
【００４９】
表１に示すように、孔蝕状粗化部８の厚さを３μｍ以上、４００μｍ以下に形成することで、半導体装置のヒートサイクル耐性および絶縁耐性が良好となる。
【００５０】
図３で説明したように、分割部９を形成する工程ではプレス加工により分割部９を形成することができる。この場合、銅巻板７ｂの抜き打ち加工と分割部９の形成とを、１つの装置により一括で行うことができ、銅巻板７ｂの段階で表面粗化処理を実施する際の工数を削減することができる。
【００５１】
また、分割部９を形成する工程では化学処理により分割部９を形成することもできるため、特別な製造装置によらず既存の製造装置を利用することができる。
【００５２】
また、分割部９を形成する工程では切削処理により分割部９を形成することもできる。この場合、ヒートスプレッダ７の露出面全てに孔蝕状粗化部８が形成され、分割部９においては切削加工により孔蝕状粗化部８が除去されている。このため、ヒートスプレッダ７とモールド樹脂６との密着性だけでなく、絶縁シート１１との密着性向上が期待でき、特にヒートスプレッダ７と絶縁シート１１との密着性が低い場合に有効である。
【００５３】
孔蝕状粗化部８を形成する工程では、硫酸、過酸化水素、亜リン酸成分、アゾール成分および塩素化合物成分を含有する水溶液、または、上記の成分に加えてさらに銅イオンを含む水溶液を用いた化学処理が実施されるため、銅溶解または腐食（エッチング）作用を利用することで簡単に孔蝕状粗化部８を形成することができる。
【００５４】
また、ヒートスプレッダだけでなくリードフレームにも表面粗化処理および分割部を形成することも可能である。次に、図５を用いて、ヒートスプレッダだけでなくリードフレームにも表面粗化処理および分割部を形成した半導体装置の加工フローについて説明する。図５は、ヒートスプレッダ７とリードフレーム１，５の加工後に実施されるモールド形成フローを示す図である。ここで、ヒートスプレッダ７およびリードフレーム１，５が金属部材に相当する。
【００５５】
ヒートスプレッダ７としては、図２で説明した表面粗化処理を用い、図３で説明したプレス加工を実施し分割部を形成したものを用いた。ヒートスプレッダ７の表面の中央部にパワー半導体チップ３を半田付けすることで、ヒートスプレッダ７とパワー半導体チップ３とを接合する。半田がぬれ広がった部分は、分割部９の内部に留まり、分割部９よりも外側には広がらない。
【００５６】
また、図２で説明した表面粗化処理と同様の処理を実施することで、リードフレーム１，５の露出している部分に孔蝕状粗化部１８，１９が形成される。そして、例えばプレス加工、切削加工、レーザ加工または化学処理加工等を実施することで、孔蝕状粗化部１９における接合部材による接合部分の周辺領域、すなわち、リードフレーム５におけるパワー半導体チップ３と接合される接合部１４よりも外側部分に分割部２０が形成される。ここで、孔蝕状粗化部１８，１９の孔蝕状粗化度は同一である。
【００５７】
その後、パワー半導体チップ３の表面にリードフレーム５を例えば半田付けすることで、パワー半導体チップ３とリードフレーム５とを接合するともに、ヒートスプレッダ７の一端部の表面にリードフレーム１を例えば超音波により接合する。次に、リードフレーム１，５の一部と、パワー半導体チップ３と、ヒートスプレッダ７などをモールド形成することで半導体装置が得られる。
【００５８】
以上のように、リードフレーム５にも孔蝕状粗化部１９および分割部２０を形成することで、リードフレーム５およびヒートスプレッダ７と、モールド樹脂６との密着性を向上させることができる。なお、ヒートスプレッダ７の一端部の表面にリードフレーム１を半田により接合した場合は、リードフレーム１にも分割部を形成してもよい。
【００５９】
次に、孔蝕状粗化部が形成された別の半導体装置について説明する。図６は、実施の形態に係る別の半導体装置の断面図であり、図７は、実施の形態に係るさらに別の半導体装置の断面図である。図６と図７に示す半導体装置は、金属部材の構成を変更したものである。
【００６０】
図６に示すように、半導体装置は、金属部材である絶縁基板２５を備えている。絶縁基板２５は、セラミック基板２６と、電極部材２７，２８とを備えている。セラミック基板２６の平面視形状は、電極部材２７，２８の平面視形状よりも大きく形成されている。電極部材２７，２８は、少なくとも１種類の金属（例えば、銅またはアルミ等）からなる。なお、電極部材２７，２８は、複数種類の金属からなるものであってもよい。電極部材２７は、セラミック基板２６の表面の中央部分に接合されている。また、電極部材２８は、セラミック基板２６の底面の中央部分に接合されている。
【００６１】
孔蝕状粗化部８は、絶縁基板２５の表面と側面（より具体的には、電極部材２７の表面と側面および電極部材２８の側面）に形成されている。分割部９は、絶縁基板２５において接合部１２，１３の周辺領域に形成されている。絶縁基板２５の底面は、モールド樹脂６の底面から露出している。
【００６２】
以上のように、金属部材が、セラミック基板２６に少なくとも１種類以上の金属からなる電極部材２７，２８を接合して構成された絶縁基板２５である場合にも、上記と同様の効果を得ることができる。
【００６３】
次に、図７に示す半導体装置について説明する。図７に示すように、半導体装置は、パワー半導体チップ３と金属部材である絶縁基板３０とを囲んで半導体装置の外枠の側部を形成するケース材３５と、ケース材３５で囲まれた領域に設けられたモールド樹脂６とを備えている。
【００６４】
絶縁基板３０は、絶縁シート３１と、電極部材３２，３３，３４とを備えている。絶縁シート３１の平面視形状は、電極部材３２，３３の平面視形状よりも大きく形成されているとともに、電極部材３４の平面視形状よりも小さく形成されている。電極部材３２，３３，３４は、少なくとも１種類の金属（例えば、銅、または銅とモリブデンの積層部材）からなる。なお、電極部材３２，３３，３４は、複数種類の金属からなるものであってもよい。電極部材３２，３３は、絶縁シート３１の表面に予め定められた間隔をあけてそれぞれ接合されている。また、電極部材３４は、絶縁シート３１の底面に接合されている。
【００６５】
孔蝕状粗化部８は電極部材３２，３３の表面と側面に形成され、絶縁基板３０の上側部分は２分割されている。絶縁基板３０における一方の分割部分（電極部材３２）に、リードフレーム１が接合され、絶縁基板３０における他方の分割部分（電極部材３３）にリードフレーム５が接合されている。電極部材３４の端部にケース材３５が配置され、これにより、電極部材３４は半導体装置の外枠の底部を形成している。
【００６６】
パワー半導体チップ３は、電極部材３２の表面に形成された孔蝕状粗化部８の上面に、接合部１２を介して接合されている。パワー半導体チップ３の上面電極は、電極部材３３の表面に形成された孔蝕状粗化部８の上面に、ワイヤ３６を介して接続されている。分割部９は、電極部材３２において接合部１２の周辺領域に形成されている。
【００６７】
以上のように、金属部材が、絶縁シート３１に少なくとも１種類以上の金属からなる電極部材３２，３３，３４を接合して構成された絶縁基板３０である場合にも、上記と同様の効果を得ることができる。
【００６８】
また、金属部材は複数の金属部材（例えば、ヒートスプレッダ７、絶縁基板２５，３０のうちのいずれか、およびリードフレーム１，５）を含み、複数の金属部材のそれぞれで孔蝕状粗化部は、粗化度合い（孔蝕状粗化度）の異なる２つ以上の表面粗化処理を実施することで形成されてもよい。この場合、各金属部材に合わせて最適な孔蝕状粗化度を選択することで、各金属部材とモールド樹脂６の密着性をさらに向上させることができる。
【００６９】
この発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての局面において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。
【００７０】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【符号の説明】
【００７１】
１，５  リードフレーム、３  パワー半導体チップ、６  モールド樹脂、７  ヒートスプレッダ、８，１８，１９  孔蝕状粗化部、９，２０  分割部、２５，３０  絶縁基板、２６  セラミック基板、２７，２８，３２，３３，３４  電極部材、３１  絶縁シート。
【図１】
2014132483.tif 000004
【図２】
2014132483.tif 000005
【図３】
2014132483.tif 000006
【図４】
2014132483.tif 000007
【図５】
2014132483.tif 000008
【図６】
2014132483.tif 000009
【図７】
2014132483.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成27年7月16日(2015.7.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子（３）と、
接合部材を介して前記半導体素子（３）と接合される金属部材（１，５，７，２５，３０）と、
前記金属部材（１，５，７，２５，３０）の少なくとも一部と前記半導体素子（３）とを封止するモールド樹脂（６）と、
前記金属部材（１，５，７，２５，３０）の表面に形成され、かつ、前記金属部材（１，５，７，２５，３０）を孔蝕状に粗化した粗化部（８，１８，１９）と、
を備え、
前記粗化部（８，１９）は、当該粗化部（８，１９）よりも粗化度が低い側面および底面を有する凹状の分割部（９）により、２つ以上に分かれている、半導体装置。
【請求項２】
前記分割部（９）は、前記粗化部（８，１９）における前記接合部材による接合部分の周辺領域に形成された、請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記粗化部（８，１９）の厚さは３μｍ以上、４００μｍ以下である、請求項１記載の半導体装置。
【請求項４】
前記分割部（９）の深さは、前記粗化部（８，１９）の厚さの０．４倍以上である、請求項２記載の半導体装置。
【請求項５】
前記金属部材（７）は銅製のヒートスプレッダである、請求項１記載の半導体装置。
【請求項６】
前記金属部材（２５，３０）は、セラミック基板（２６）または絶縁シート（３１）に少なくとも１種類以上の金属からなる電極部材（２７，２８，３２，３３，３４）を接合して構成された絶縁基板である、請求項１記載の半導体装置。
【請求項７】
請求項１記載の半導体装置の製造方法であって、
銅溶解または腐食作用を利用した化学処理により前記金属部材（１，５，７，２５，３０）の表面に前記粗化部（８，１８，１９）を形成する工程と、
前記粗化部（８，１９）を２つ以上に分けて分割部（９）を形成する工程と、
を備えた、半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記分割部（９）を形成する工程ではプレス加工が実施された、請求項７記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記分割部（９）を形成する工程では化学処理が実施された、請求項７記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記分割部（９）を形成する工程では切削処理が実施された、請求項７記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記金属部材（１，５，７，２５，３０）の表面に前記粗化部（８，１８，１９）を形成する工程では、硫酸、過酸化水素、亜リン酸成分、アゾール成分および塩素化合物成分を含有する水溶液を用いた化学処理が実施された、請求項７記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
前記金属部材（１，５，７，２５，３０）の表面に前記粗化部（８，１８，１９）を形成する工程では、さらに銅イオンを含む水溶液を用いた化学処理が実施された、請求項１１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
前記金属部材（１，５，７，２５，３０）は複数の金属部材（１，５，７，２５，３０）を含み、当該複数の金属部材（１，５，７，２５，３０）のそれぞれで前記粗化部（８，１８，１９）は粗化度合いの異なる２つ以上の粗化処理を実施することで形成された、請求項７記載の半導体装置の製造方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
本発明に係る半導体装置は、半導体素子と、接合部材を介して前記半導体素子と接合される金属部材と、前記金属部材の少なくとも一部と前記半導体素子とを封止するモールド樹脂と、前記金属部材の表面に形成され、かつ、前記金属部材を孔蝕状に粗化した粗化部とを備え、前記粗化部は、当該粗化部よりも粗化度が低い側面および底面を有する凹状の分割部により、２つ以上に分かれているものである。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
本発明に係る半導体装置によれば、半導体素子と、接合部材を介して半導体素子と接合される金属部材と、金属部材の少なくとも一部と半導体素子とを封止するモールド樹脂と、金属部材の表面に形成され、かつ、金属部材を孔蝕状に粗化した粗化部とを備え、粗化部は、当該粗化部よりも粗化度が低い側面および底面を有する凹状の分割部により、２つ以上に分かれている。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４５】
以上のように、実施の形態に係る半導体装置では、パワー半導体チップ３と、接合部材である半田を介してパワー半導体チップ３と接合される金属部材と、金属部材の少なくとも一部とパワー半導体チップ３とを封止するモールド樹脂６と、金属部材の表面に形成され、かつ、金属部材を銅溶解または腐食（エッチング）作用を利用した化学処理により形成された孔蝕状粗化部８とを備え、孔蝕状粗化部８は、当該孔蝕状粗化部８よりも孔蝕状粗化度が低い側面および底面を有する凹状の分割部９により、２つ以上に分かれている。ここで、金属部材は銅製のヒートスプレッダ７である。
【国際調査報告】
2014132483.tif 000011
2014132483.tif 000012
2014132483.tif 000013