(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップが搭載されるダイパッドと、このダイパッドと接合されるとともに、上記半導体チップから発生する熱を外部に放出するための放熱板と、を備える半導体装置であって、
上記放熱板および上記ダイパッドの少なくとも一方の接合面は、最頂部位置と最深部位置との差で表される最大面粗度が０．５μｍ以上、および／または互いに隣接する頂部位置と深部位置との差の平均値で表される平均面粗度が０．４μｍ以上の面粗度を有するとともに、
上記放熱板は、上記ダイパッドに対し、超音波接合されていることを特徴とする、半導体装置。
【請求項２】
上記放熱板は、上記ダイパッドに対し、その下面中央部の限定された領域において接合されている、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
リードフレームに形成されたダイパッドと、このダイパッドに搭載される半導体チップから発生する熱を外部に放出するための放熱板と、を接合する工程を含む半導体装置の製造方法であって、
上記放熱板および／または上記ダイパッドとしては、その接合面の最頂部位置と最深部位置との差で表される最大面粗度が０．５μｍ以上、および／または互いに隣接する頂部位置と深部位置との差の平均値で表される平均面粗度が０．４μｍ以上の面粗度を有するものを用い、上記放熱板を上記ダイパッドに対して超音波接合することを特徴とする、半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、半導体チップが搭載されるダイパットと、このダイパッドと接合されるとともに、上記半導体チップから発生する熱を外部に放出するための放熱板と、を備える半導体装置、およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
たとえば、モータドライブ用パワーＩＣ、ある種のゲートアレイ、超ＬＳＩなど、駆動時に生じる発熱量の大きい樹脂パッケージ型半導体装置には、樹脂パッケージ内に金属放熱板を組み込み、放熱性を高めたものがある。
【０００３】
上記放熱板の放熱特性を十分に活かすためには、上記放熱板が上記ダイパッドに対して強固に接合されていることが望まれる。そこで、上記放熱板と上記ダイパッドとを強固に接合するために様々な方法が検討されているが、上記放熱板あるいは上記ダイパッドの表面粗度に着目し、これら表面粗度と接合強度との関係が検討されることはなかった。
【０００４】
一般に、上記ダイパッドとしては、上記放熱板との接合面の最頂部位置と最深部位置との差で表される最大面粗度が０．１〜０．２μｍ程度のものを用い、上記放熱板としては、上記ダイパッドとの接合面の最大面粗度が上記ダイパッドと同等のもの、あるいは上記ダイパッドよりも最大面粗度が若干大きいものを用いている。また、上記放熱板は、上記ダイパッドに対し、その下面中央にいわゆる超音波接合により接合されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような値の最大面粗度を有するダイパッドと放熱板とを接合する場合には、互いの接合面の最大面粗度が小さいために超音波接合によっては十分な剛性をもって上記ダイパッドと上記放熱板とを接合することができないのが現状である。このため、上記放熱板が本来有する放熱特性を十分に活かすことができない。
【０００６】
本願発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、半導体チップが搭載されるダイパッドと、半導体チップから発生する熱を外部に放出する放熱板と、が強固に接合されている半導体装置、およびその製造方法を提供することをその課題とする。
【０００７】
【発明の開示】
上記の課題を解決するため、本願発明では、次の技術的手段を講じている。
【０００８】
すなわち、本願発明の第１の側面に係る半導体装置は、半導体チップが搭載されるダイパッドと、このダイパッドと接合されるとともに、上記半導体チップから発生する熱を外部に放出するための放熱板と、を備える半導体装置であって、上記放熱板および上記ダイパッドの少なくとも一方の接合面は、最頂部位置と最深部位置との差で表される最大面粗度が０．５μｍ以上、および／または互いに隣接する頂部位置と深部位置との差の平均値で表される平均面粗度が０．４μｍ以上の面粗度を有するとともに、上記放熱板は、上記ダイパッドに対し、超音波接合されていることを特徴としている。
【０００９】
好ましい実施の形態に係る半導体装置においては、上記放熱板は、上記ダイパッドに対し、その下面中央部の限定された領域において接合されている。
【００１０】
超音波を利用して金属どうしを相互に接合する場合には、接合界面の面粗度が大きい方が接合強度が高いと考えられる。というのは、超音波を利用した金属どうしの接合は、金属の相互拡散により接合面において合金が形成されることにより行われるからである。このため、超音波を利用した金属どうしの接合方法では、接合界面の面粗度が大きい、すなわち表面積が大きいと接合面において金属が拡散しうる有効面積、すなわち実質的な接触面積が大きくなるために接合強度が大きくなると考えられる。
【００１１】
したがって、上記した半導体装置は、上記放熱板および上記ダイパッドの少なくとも一方の接合面は、最大面粗度が０．５μｍ以上、および／または平均面粗度が０．４μｍ以上の面粗度を有し、従来より用いられている放熱板およびダイパッドの接合面の最大面粗度および／または平均面粗度よりも面粗度の大きいものが用いられているので、上記ダイパッドと上記放熱板との間に従来よりも大きい接合強度が得られる。このことは、面粗度が略一定の銅により形成されたダイパッドと、様々な面粗度の銅製の放熱板とを超音波接合し、このときの接合強度を引き剥がし試験によって測定した結果から確認されている。
【００１２】
なお、上記最大面粗度および平均面粗度は、いわゆる面粗度計などによって測定することができ、上記放熱板および上記ダイパッドの面粗度を調整する方法としては、従来から用いられている最大面粗度が０．１〜０．２μｍ程度の銅板の表面に金属製などのロールブラシによる処理を施して所望の値にまで面粗度を高める方法が考えられる。また、上記ダイパッドとしてニッケル−鉄合金、たとえばニッケルの含有率が４２％のいわゆる４２アロイを用いても略同様の結果が得られる。
【００１３】
また、本願発明の第２の側面に係る半導体装置の製造方法は、リードフレームに形成されたダイパッドと、このダイパッドに搭載される半導体チップから発生する熱を外部に放出するための放熱板と、を接合する工程を含む半導体装置の製造方法であって、上記放熱板および／または上記ダイパッドとしては、その接合面の最頂部位置と最深部位置との差で表される最大面粗度が０．５μｍ以上、および／または互いに隣接する頂部位置と深部位置との差の平均値で表される平均面粗度が０．４μｍ以上の面粗度を有するものを用い、上記放熱板を上記ダイパッドに対して超音波接合することを特徴としている。
【００１４】
このような半導体装置の製造方法によって製造された半導体装置は、上述した第１の側面に係る半導体装置と同様の効果を奏することができる。
【００１５】
本願発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の好ましい実施の形態を、図面を参照して具体的に説明する。
【００１７】
図１は、本願実施形態に係る半導体装置１０の一例を表す断面図、図２は、上記半導体チップ１３の製造に用いられるリードフレーム２０に形成されたダイパッド１２の下面に放熱板１４を接合した状態の平面図、図３は、ダイパッド１２の下面に放熱板１４を超音波接合法によって接合している様子を示す断面図、図４は、図２のダイパッド１２に半導体チップ１３を実装し、この半導体チップ１３と内部リード１６とをワイヤ１７を用いて結線した状態の平面図、図５は、図４のリードフレーム２０を金型３に挟持した状態の断面図である。
【００１８】
図１に示すように、上記半導体装置１０は、半導体チップ１３がボンディングされるダイパッド１２と、この半導体チップ１３の上面に形成された上面電極（図示せず）とワイヤ１７を介して電気的に導通するように結線された複数本の内部リード１５と、上記半導体チップ１３ないし上記内部リード１５を封止する樹脂パッケージ１１と、上記各内部リード１５と連続して上記樹脂パッケージ１１の外部に延出する外部リード１６と、上記ダイパッド１２の下面に接合される放熱板１４と、を備えて構成されている。
【００１９】
図２に良く表れているように、上記ダイパッド１２は、たとえば銅やニッケル合金などの金属によって平面視形状が矩形状に形成されている。
【００２０】
図２に良く表れているように、上記放熱板１４は、たとえば銅などの金属によって平面視形状が矩形状に形成されており、上記ダイパッド１２よりも大の面積を有している。また、図１に良く表れているように、上記放熱板１４は、その下面が上記樹脂パッケージ１１の下面に露出させられている。
【００２１】
上記ダイパッド１２および／または上記放熱板１４としては、接合面の最頂部位置と最深部位置との差で表される最大面粗度が０．５μｍ以上、および／または互いに隣接する頂部位置と深部位置との差の平均値で表される平均面粗度が０．４μｍ以上の面粗度を有するものが用いられる。また、上記ダイパッド１２と上記放熱板１４とは、超音波接合法により接合することが好適であるが、これに限らず、スポット溶接を採用することもできる。なお、上記放熱板１４と上記ダイパッド１２との間の接合部分は、図中において符号１９で示されている。
【００２２】
なお、上記放熱板および上記ダイパッドの面粗度を調整する方法としては、従来から用いられている最大面粗度が０．１〜０．２μｍ程度の銅板の表面に金属製などのロールブラシによる処理を施して所望の値にまで面粗度を高める方法が考えられる。
【００２３】
次に、上記半導体装置１０の製造方法について説明する。便宜上、図２を参照しながらリードフレーム２０について説明する。
【００２４】
幅方向に位置するサイドフレーム２１，２１間を掛け渡すようにしてサポートリード２３によって支持された平面視矩形状のダイパッド１２が形成されている。そして、サイドフレーム２１，２１間を掛け渡すようにして、上記ダイパッド１２に対してフレームの長手方向両側に形成されている各タイバー２２，２２によってこのタイバー２２よりも外側に延びる外部リード１６および内側に延びる内部リード１５が一体につなげられている。このリードフレーム２０は、ニッケル合金あるいは銅を材質とする金属薄板に打ち抜きプレス加工を施すことによって作成されている。
【００２５】
ところで、上記ダイパッド１２は、リードフレーム２０のその他の部分、すなわち、たとえば内部リード１５と同一平面内に位置するのはなく、図１および図３に示されるように、内部リード１５に対して若干、たとえば２００〜４００μｍダウンオフセットされている。
【００２６】
図２に示すように、平面矩形状に形成された上記放熱板１４は、上記ダイパッド１２の下面に位置するとともに、上記各内部リード１５の下面に所定量重なるように配される。なお、上記放熱板１４は、放熱性の観点から銅または銅合金が好適であるが、これには限定されない。また、その形状も様々に設計変更可能であり、たとえば円形状であってもよい。
【００２７】
また、上述したように、上記ダイパッド１２および／または上記放熱板１４としては、接合面の最頂部位置と最深部位置との差で表される最大面粗度が０．５μｍ以上、および／または互いに隣接する頂部位置と深部位置との差の平均値で表される平均面粗度が０．４μｍ以上の面粗度を有するものが用いられる。なお、上記した最大面粗度および面粗度は、いわゆる面粗度計を用いて容易に測定することができる。
【００２８】
次に、図３に示すように、上記放熱板１４が、上記ダイパッド１２に対し、その下面中央の限定された領域に接合される。この接合方法としては、たとえば超音波接合が採用される。具体的には、支持台２４上に載置した放熱板１４の上面にリードフレーム２０のダイパッド１２を重ね、超音波ホーン２５に接続された押圧ツール２６をダイパッド１２の上面中央部に押し付けて押圧ツール２６から超音波振動を供給する。本実施形態においては、ダイパッド１２の上面中央部の３×３μｍ程度の面積を有する矩形領域に、振動数、振幅が各々４０ｋＨｚ、１０μｍ程度の超音波を約０．１〜０．２秒間供給する。なお、ダイパッド１２の超音波を供給する領域およびその面積は様々に設計変更可能であり、上記ダイパッド１２に供給する超音波の振動数および振幅もまた様々に設計変更可能である。
【００２９】
上記の条件のもとでダイパッド１２の上面中央部に超音波を供給した場合には、接合面において金属の相互拡散が起こり、金属の相互拡散によって接合面が合金化される。このようにして上記ダイパッド１２と上記放熱板１４とは互いに接合される。
【００３０】
続いて、図４に示すように、上記のようにして放熱板１４が接合されたダイパッド１２に半導体チップ１３をボンディングし、この半導体チップ１３の上面に形成された上面電極（図示せず）と上記各内部リード１５の上面とをワイヤ１７を用いて結線する。
【００３１】
さらに、図５に示すように、合わせ状態において上記ダイパッド１２および上記半導体チップ１３を収容可能なキャビティ４を形成する上下の金型３０，３１によって、図５に示すリードフレーム２２のタイバー２６の部分をはさみ付けて上記キャビティ４内に上記半導体チップ１３を収容する。そして、上記上下の金型３０，３１の型締めを行う。
【００３２】
なお、上記した上下の金型３０、３１のコーナー部には、ランナを介してキャビティ空間内に樹脂材料を供給するためのゲート（図示せず）が形成されており、型締めが行われた上下の金型３０，３１には、樹脂が注入される前からヒータなどによって熱が与えられている。
【００３３】
次いで、上記ゲートからランナを介してエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂を溶融状態でキャビティ４内に注入し、上記金型３０，３１に与えられた熱によって注入された樹脂を硬化させ、樹脂パッケージ１０を形成させる。
【００３４】
最後に、リードフレーム２０に対するハンダメッキ、樹脂パッケージ１１に対する標印、タイバーカット、リードカット、リードフォーミング等の工程を経て、図１に示したような単位半導体装置１０が得られる。
【００３５】
このようにして形成された半導体装置１０は、上記ダイパッド１２と上記放熱板１４との接合界面の面粗度が大きいもの、すなわち表面積の大きいものを用いているため、接合面において金属が拡散しうる有効面積、すなわち実質的な接触面積が大きくなり上記ダイパッド１２と上記放熱板１４との間の接合強度が大きくなると考えられる。
【００３６】
ここで、本願発明の半導体装置１０のダイパッド１２に対する放熱板１４の接合強度について考察する。本願発明者は、様々な平均面粗度を有する放熱板１４を用い、これらの放熱板１４のダイパッド１２に対する接合強度を引き剥がし試験による引き剥がし強度を測定することにより上記ダイパッド１２に対する上記放熱板１４の接合強度を調べた。
【００３７】
上記放熱板１４として、０．２５μｍ以上の平均面粗度を有する銅により形成されたものを用い、ダイパッド１２としては、０．１〜０．２μｍの最大面粗度を有する銅により形成されたものを用いた。そして、図３に示すように、上記放熱板１４と上記ダイパッド１２との接合は、支持台２４上に載置した放熱板１４の上面にダイパッド１２を重ね、超音波発生装置の超音波ホーン２５に接続された押圧ツール２６をダイパッド１２の上面中央部の３×３ｍｍの矩形領域に押し付けて押圧ツール２６に超音波振動を供給することにより行った。なお、上記ダイパッド１２の限定された領域に供給される超音波の振動数および振幅は、各々約４０ｋＨｚおよび約１０μｍ、上記ダイパッド１２に対する超音波の供給時間は、約０．１〜０．２秒であり、上記放熱板１４と上記ダイパッド１２の最大面粗度および平均面粗度は、面粗度計により測定した。
【００３８】
上記の条件により接合された上記放熱板１４と上記ダイパッド１２との間の接合強度を引き剥がし試験により測定し、このときの上記放熱板１４の平均面粗度と、引き剥がし強度（接合強度）との関係を図６に示す。
【００３９】
図６に示すように、放熱板１４として平均面粗度が０．４μｍ以上、より具体的には、平均面粗度が０．４２μｍ以上の銅を用いた場合には、上記条件による上記放熱板１４と上記ダイパッド１２との間の接合強度が格段に大きくなる。すなわち、放熱板１４として平均面粗度が０．４２μｍ以上の銅を用いた場合には、従来用いられていた放熱板（最大面粗度が０．１〜０．２μｍ）に比べて接合強度が約４倍に向上している。
【００４０】
したがって、上記放熱板１４を上記ダイパッド１２に対して超音波接合法を用いて接合する場合には、上記放熱板１４として平均面粗度が０．４μｍ以上の銅を用いることが好ましい。また、平均面粗度が０．４μｍのときの最大面粗度は約０．５μｍであり、放熱板１４として最大面粗度は約０．５μｍ以上の銅を用いることが好ましい。
【００４１】
また、本願発明者の実験によって上記ダイパッド１２として４２重量％のニッケルを含む、いわゆる４２アロイを用いた場合にも略同様の結果が得られている。
【００４２】
なお、本願発明者の実験では、上記放熱板１４の平均面粗度は略０．４μｍ以上の場合に良好な接合強度が得られているが、上記ダイパッド１２の平均面粗度が略０．４μｍ以上の場合にも良好な接合強度が得られると推測される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係る半導体装置の一例を表す断面図である。
【図２】上記半導体装置の製造に用いるリードフレームに形成されたダイパッドの下面に放熱板を接合した状態の部分平面図である。
【図３】ダイパッドの下面に放熱板を超音波接合法によって接合している様子を示す断面図である。
【図４】図２のダイパッドに半導体チップを実装し、この半導体チップと内部リードとを結線じた状態の平面図である。
【図５】図４のリードフレームを上下の金型の間に挟持し状態の断面図である。
【図６】放熱板の平均面粗度と引き剥がし強度（接合強度）との関係を表すグラフである。
【符号の説明】
１０  半導体装置
１２  ダイパッド
１３  半導体チップ
１４  放熱板
１９  接合部分
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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