CN106548988A - 半导体装置 - Google Patents

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Abstract

本发明能抑制半导体装置的散热性下降。在半导体装置(100)中，在散热基底(140)的背面形成有多个凹陷，凹陷构成为多个重叠。散热基底(140)的背面的多个凹陷通过对散热基底(140)的背面进行喷丸处理而形成。作为此时的喷丸处理的处理条件，在喷丸材料为SUS304、处理时间为20秒、超声波振幅为70μm时，优选将喷丸材料的平均粒径设为0.3mm～6mm。若在进行了基于上述处理条件的喷丸处理的散热基底(140)的背面隔着导热膏(160)设置散热片(170)，则散热基底(140)的重叠的多个凹陷相对于导热膏(160)的密接性因固着效果而得到提高。

Description

半导体装置
技术领域
本发明涉及半导体装置。
背景技术
作为功率转换装置等来使用的功率半导体装置具有：半导体芯片；层叠基板，该层叠基板具有正面形成有电路板、背面形成有金属板的绝缘板，且经由焊料将半导体芯片设置于电路板上；以及经由焊料设有该层叠基板的散热基底。将上述结构放进壳体中的功率半导体装置还在铜基底的背面隔着导热膏(Thermal Compound)安装有散热片。此外，功率半导体装置中，为了对半导体芯片、层叠基板、散热基底进行焊接而加热。此时，由于各构件间的热膨胀系数存在差异，因此散热基底会产生翘曲。若产生了翘曲的散热基底和散热片之间产生间隙，则导热膏的厚度变得不均匀，散热性降低。
这里，能通过在散热基底上形成加工硬化层来控制散热基底的翘曲。因此，已知有使散热基底和散热片紧密接触从而使导热膏的厚度均匀，由此来抑制散热性降低的方法(例如，参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2004－214284号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，基于半导体芯片的动作状况，随着功率半导体装置的温度发生变化，散热基底会反复发生变形。因此，散热基底下的导热膏的一部分被挤压到外部(泵出)，导热膏的涂布分布产生偏差。由此，功率半导体装置的散热性降低。
解决技术问题所采用的技术方案
根据本发明的一个观点，提供了一种半导体装置，该半导体装置包括：半导体芯片；层叠基板，该层叠基板具备绝缘板、形成于所述绝缘板的正面的电路板、及形成于所述绝缘板的背面的金属板，所述电路板上设有所述半导体芯片；散热板，该散热板构成为在正面设有所述层叠基板，在背面形成有多个凹陷，多个所述凹陷相重叠；以及散热器，该散热器隔着散热材料设置于所述散热板的所述背面。
发明效果
根据公开的技术，可抑制半导体装置的散热性下降。
附图说明
图1是表示实施方式的半导体装置的图。
图2是用于说明实施方式的喷丸处理的图。
图3是通过实施方式的喷丸处理而形成于散热基底的凹陷的SEM图像的示意图。
图4是表示实施方式的半导体装置的制造方法的流程图。
图5是表示相对于实施方式的喷丸处理的喷丸材料的平均粒径的算术平均粗糙度及最大高度的变化的曲线图。
图6是表示相对于实施方式的喷丸处理的处理时间的算术平均粗糙度及最大高度的变化的曲线图。
图7是表示相对于实施方式的喷丸处理的超声波振幅的算术平均粗糙度及最大高度的变化的曲线图。
图8是表示相对于实施方式的喷丸处理的喷丸材料的平均粒径的凹陷宽度的变化的曲线图。
图9是用于说明对实施方式的散热基底进行的热循环试验的图。
图10是表示相对于实施方式的散热基底的循环数的上升温度的曲线图。
图11是表示对未进行实施方式的喷丸处理的散热基底进行的热循环试验的观察结果的图。
图12是表示对进行了实施方式的喷丸处理的散热基底进行的热循环试验的观察结果的图。
图13是表示相对于实施方式的喷丸处理的喷丸材料的平均粒径的热循环试验的结果的图。
图14是表示作为参考例的使用了砂纸时的热循环试验的结果的图。
具体实施方式
下面参照附图，对实施方式进行说明。
首先，使用图1对半导体装置进行说明。
图1是表示实施方式的半导体装置的图。
半导体装置100中，对半导体芯片110、层叠基板120、散热基底140(散热板)进行层叠并收纳于壳体150，利用树脂(省略图示)来密封半导体芯片110、层叠基板120、散热基底140的正面侧。
半导体芯片110例如包含IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极晶体管)、功率MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)、FWD(Free Wheeling Diode：续流二极管)等半导体元件。另外，图1中仅记载了一个半导体芯片110，但能根据需要而配置多个。
层叠基板120具有绝缘板121、形成于绝缘板121的正面的电路板122、及形成于绝缘板121的背面的金属板123。经由焊料(省略图示)将半导体芯片110设置于层叠基板120的电路板122上。
散热基底140由热传导性较高的例如铝、金、银、铜等金属构成，层叠基板120经由焊料130设置于散热基底140的正面。此外，为了提高耐腐蚀性，可以在上述散热基底140的表面形成由镍等形成的保护膜。保护膜除了镍以外，也能应用铬、金等。保护膜通过溅射、CVD(Chemical Vapor Deposition：化学气相沉积)、镀敷而形成。此外，在散热基底140的背面形成有多个小凹陷，凹陷构成为多个重叠。后文将详细阐述对散热基底140的背面形成凹陷的方法。
半导体芯片110内，半导体芯片110的主电极与壳体150的端子通过引线(省略图示)电连接。
具有上述结构的半导体装置100中，散热片170(散热器)隔着导热膏160(散热材料)设置于散热基底140的背面。散热片170由热传导性较高的例如铝、金、银、铜等金属构成，利用螺钉(省略图示)将散热片170夹着导热膏160安装于散热基底140的背面。
另外，导热膏160例如包含非硅类的有机油和该有机油所含有的填料(作为其一个示例有氧化铝)。填料的填充率为80wt％～95wt％，填料的平均粒径为0.1μm～10μm(平均5μm)。此外，导热膏160的热传导率为1.99W/(m·K)，粘度为542Pa·s(旋转速度0.3rpm时)、112Pa·s(旋转速度3rpm时)。对散热基底140涂布厚度100μm左右的上述导热膏160。
在上述半导体装置100中，在散热基底140的背面形成有多个小凹陷，凹陷构成为多个重叠。因此，对于涂布于散热基底140的背面的导热膏160的浸润性得到提高。若隔着导热膏160将散热片170设置于散热基底140的背面，则由于固着效果而使散热基底140的凹陷与导热膏160的密接性得到提高。因此，即使散热基底140因基于半导体芯片110的动作发热的半导体装置100的温度变化而发生变形，也可抑制散热基底140的背面的导热膏160挤压到外部(泵出)。因此，半导体装置100中，对于泵出的特性(耐久性、可靠性)得到提高，因此抑制了半导体装置100的散热性的降低，维持了半导体装置100的可靠性。
接着，下面对散热基底140的背面的多个凹陷的形成方法的详细情况进行说明。
首先，利用图2说明对散热基底140的背面形成多个凹陷的方法。
图2是用于说明实施方式的喷丸处理的图。
另外，图2(A)表示对喷丸处理进行说明的图，图2(B)表示用于说明进行了喷丸处理的散热基底140的图。
利用喷丸(SP)处理在半导体装置100的散热基底140的背面形成多个凹陷。
为了在散热基底140的背面执行喷丸处理，例如如图2(A)所示那样，对散热基底140的背面的凹陷141的形成区域设置喷丸处理装置200。
喷丸处理装置200包含超声波振动装置210和因超声波振动装置210而振动的多个喷丸材料220。
上述喷丸处理装置200中，通过驱动超声波振动装置210，从而喷丸材料220进行振动。进行振动的喷丸材料220撞击散热基底140的背面，由此如图2(B)所示，在散热基底140的背面形成多个凹陷141，且凹陷141构成为多个重叠。
喷丸处理装置200中，能通过设定各种处理条件来控制凹陷141的凹陷宽度、深度等。
喷丸材料220例如能使用金属(包含金属合金)、陶瓷、玻璃等。此外，作为上述喷丸材料220的平均粒径，例如能使用0.3mm、0.5mm、1mm、2mm、3mm、4mm等的材质。另外，能通过利用SEM(Scanning Electron Microscope：扫描电子显微镜)来分别观察各喷丸材料220，测量其粒径并取平均来获得喷丸材料220的平均粒径。该喷丸材料220的形状可以是有棱角的形状，也可以是球状。在形成于散热基底140的表面的保护膜上进行喷丸处理时，喷丸材料优选为球状。原因在于，若使用有棱角的喷丸材料进行上述保护膜上的喷丸处理，则保护膜可能会产生龟裂，并产生剥离等。
此外，能将超声波振动装置210的超声波振幅(振幅)例如设为35μm、55μm、70μm、80μm，并能将振动时间(处理时间)例如设为5秒、10秒、15秒、20秒、100秒。通过组合这些条件，能适当控制形成于散热基底140的背面的多个凹陷141的个数、尺寸等。
此处，利用图3对通过喷丸处理形成于散热基底140的凹陷141进行说明。
图3是通过实施方式的喷丸处理而形成于散热基底的凹陷的SEM图像的示意图。
图3(A)是通过喷丸处理而形成于散热基底140的凹陷141的一个的上表面的SEM图像的示意图，图3(B)是该凹陷141的一个的剖面的SEM图像的示意图。
若对平滑的散热基底140进行短时间的喷丸处理，则喷丸材料220冲击散热基底140的背面，作为加工痕迹而产生凹陷141，这种凹陷141不重叠，散乱地形成。此时的一个凹陷141以转印了喷丸材料220的形状的方式形成。因此，若喷丸材料220为球状，则如图3(A)所示，凹陷141成为球的一部分。如图3(B)所示，该凹陷的剖面呈圆弧状。另外，将此时的凹陷141的宽度设为凹陷宽度。并且，若众多喷丸材料220进行冲击，则凹陷141重叠，形成排列了球状的凹陷、各向同性的加工面。
此外，说明对例如进行喷丸处理前的背面的算术平均粗糙度Ra为0.18μm、最大高度Rz为2μm的散热基底140进行喷丸处理的情况。
能利用触针式表面粗糙度测量仪来测定进行了喷丸处理的散热基底140的背面的表面粗糙度。将测定条件设为取样(cutoff)长度为2.5mm、测定长度为12.5mm、速度为0.3mm/s、取样的种类为高斯分布来进行了测定。
利用以下各种处理条件来对上述散热基底140的背面进行喷丸处理。即，将喷丸材料220设为SUS304、喷丸材料220的平均粒径设为1mm、超声波振动装置210的振幅设为35μm，且处理时间设为20秒期间。进行了基于上述处理条件的喷丸处理的散热基底140的背面的算术平均粗糙度Ra为2.3μm，最大高度Rz为15.9μm。
作为其他的处理条件，将喷丸材料220设为SUS304、喷丸材料220的平均粒径设为4mm、超声波振动装置210的振幅设为80μm，且处理时间设为20秒期间。进行了基于上述处理条件的喷丸处理的散热基底140的背面的算术平均粗糙度Ra为8.1μm，最大高度Rz为67.9μm。
接着，利用图4对包含进行了上述喷丸处理的散热基底140的半导体装置100的制造方法进行说明。
图4是表示实施方式的半导体装置的制造方法的流程图。
另外，关于喷丸处理工序，将在半导体装置100的制造方法的说明之后进行说明。
[步骤S10]对散热基底140提供例如向下凸(凹状)的翘曲(初始翘曲)。另外，也可省略该工序。
这是由于预见到在之后经由焊料对半导体芯片110、层叠基板120、散热基底140进行层叠加热并进行焊接时，因各构件间的热膨胀率系数而导致散热基底140向上凸地发生翘曲，因此，预先对散热基底140提供上述初始翘曲。
[步骤S11]在散热基底140上隔着焊料板设有层叠基板120，在层叠基板120的电路板122上隔着焊料板设有半导体芯片110，对各构件进行设置。
[步骤S12]通过进行加热，配置于半导体芯片110、层叠基板120、散热基底140的各构件间的焊料板发生熔融，对熔融后的焊料进行固化，从而对半导体芯片110、层叠基板120、散热基底140进行焊接。
[步骤S13]对半导体芯片110进行引线接合，并进行布线连接。
[步骤S14]对壳体150进行端子的安装。
[步骤S15]将步骤S11中设置的半导体芯片110、层叠基板120、散热基底140收纳于壳体150，粘接壳体150并组装半导体装置100。
此时，在壳体150的背面侧，散热基底140的背面露出。
[步骤S16]利用树脂或硅胶来对壳体150内的半导体芯片110、层叠基板120及散热基底140的正面进行密封。
[步骤S17]弯曲壳体150的端子，并安装盖部。
[步骤S18]在散热基底140的背面涂布导热膏，使其成为100μm的厚度。
[步骤S19]在涂布了导热膏160的散热基底140的背面安装散热片170，利用螺钉将散热片170固定于散热基底140。
通过以上步骤制造出安装了散热片170的半导体装置100。
在上述半导体装置100的制造方法中，对于散热基底140的喷丸处理工序，可以在步骤S10中为了提供初始翘曲而进行，也可以在步骤S12～S17的任一个工序后进行。另外，若从不会给其他工序带来影响的观点出发，优选为在步骤S17的工序之后进行喷丸处理。
接着，说明在对散热基底140进行的喷丸处理中，基于各种处理条件的散热基底140的背面的算术平均粗糙度Ra、最大高度Rz的变化。作为各种处理条件，设为例如使喷丸材料220的平均粒径、超声波振动装置210的处理时间、超声波振动装置210的超声波振幅分别改变。另外，未进行喷丸处理的散热基底140的背面是光滑的表面。
首先，利用图5说明在对散热基底140的背面进行的喷丸处理中，散热基底140的背面的算术平均粗糙度Ra、最大高度Rz相对于喷丸材料220的平均粒径的变化。
图5是表示算术平均粗糙度及最大高度相对于实施方式的喷丸处理的喷丸材料的平均粒径的变化的曲线图。
另外，该曲线的横轴表示喷丸材料220的平均粒径(mm)。该曲线的左侧的纵轴表示算术平均粗糙度Ra(μm)，右侧的纵轴表示最大高度Rz(μm)。
该情况下的喷丸处理的其他处理条件为：喷丸材料220是SUS304、处理时间是20秒、超声波振幅是70μm。
根据图5的曲线可知，随着喷丸材料220的平均粒径的增加，算术平均粗糙度Ra、最大高度Rz也一起增加。即，认为由于喷丸材料220变大，喷丸材料220的动能增加，因此撞击散热基底140的力增加，算术平均粗糙度Ra及最大高速Rz增加。特别在喷丸材料220的平均粒径为1mm～5mm的范围中，算术平均粗糙度Ra及最大高度Rz相对于平均粒径基本成比例地增加。
接着，利用图6说明在对散热基底140的背面进行的喷丸处理中，散热基底140的背面的算术平均粗糙度Ra、最大高度Rz相对于超声波振动装置210的处理时间的变化。
图6是表示算术平均粗糙度及最大高度相对于实施方式的喷丸处理的处理时间的变化的曲线图。
另外，该曲线的横轴表示处理时间(秒)。该曲线的左侧的纵轴表示算术平均粗糙度Ra(μm)，右侧的纵轴表示最大高度Rz(μm)。
该情况下的喷丸处理的处理条件为：喷丸材料220是SUS304、喷丸材料220的平均粒径是2mm、超声波振幅是70μm。该情况下，测量处理时间为5秒、10秒、15秒、20秒时的算术平均粗糙度Ra及最大高度Rz。
根据图6的曲线可知，算术平均粗糙度Ra及最大高度Rz基本固定，几乎不依赖于超声波振动装置210的处理时间。
接着，利用图7说明在对散热基底140的背面进行的喷丸处理中，散热基底140的背面的算术平均粗糙度Ra、最大高度Rz相对于超声波振动装置210的超声波振幅的变化。
图7是表示算术平均粗糙度及最大高度相对于实施方式的喷丸处理的超声波振幅的变化的曲线图。
该曲线的横轴表示超声波振幅(μm)。该曲线的左侧的纵轴表示算术平均粗糙度Ra(μm)，右侧的纵轴表示最大高度Rz(μm)。
该情况下的喷丸处理的处理条件为：喷丸材料220是SUS304、喷丸材料220的平均粒径是2mm、超声波振动装置210的处理时间是20秒。该情况下，测量超声波振幅为35μm、55μm、70μm、80μm时的各算术平均粗糙度Ra及最大高度Rz。
根据图7的曲线可知，随着超声波振幅的增加，算术平均粗糙度Ra、最大高度Rz也一起增加。即，认为由于超声波振幅增加，因振动而提供给喷丸材料220的动能增加，因此撞击散热基底140的力增加，算术平均粗糙度Ra及最大高度Rz增加。
因此，根据图5～图7可知，算术平均粗糙度Ra及最大高度Rz伴随着喷丸材料220的平均粒径及超声波振动装置210的超声波振幅的增加而增加，且不依赖于超声波振动装置210的处理时间。
接着，利用图8说明在对散热基底140进行的喷丸处理中，使喷丸材料220的平均粒径改变时形成于散热基底140的背面的(一个)凹陷的直径(凹陷宽度(参照图3))的变化。
图8是表示凹陷宽度相对于实施方式的喷丸处理的喷丸材料的平均粒径的变化的曲线图。
另外，该曲线的横轴表示喷丸材料220的平均粒径(mm)。该曲线的纵轴表示凹陷宽度(mm)。
该情况下的喷丸处理的处理条件为：喷丸材料220是SUS304、超声波振动装置210的处理时间是20秒、超声波振幅是70μm。该情况下，测量喷丸材料220的平均粒径为0.3mm、1mm、2mm、3mm、4mm、6mm时的各凹陷宽度。
根据图8的曲线可知，随着喷丸材料220的平均粒径的增加，凹陷的凹陷宽度也增加。认为这是由于喷丸材料220的平均粒径增加，撞击散热基底140的背面的面积也增加，因此因喷丸材料220而产生的凹陷的凹陷宽度也增加。
换言之，若喷丸材料220的平均粒径变小，则凹陷的凹陷宽度也减少。由此，一个一个凹陷为球状，这些凹陷重叠，从而形成球状的各向同性的加工面。
接着，说明对散热基底140进行了喷丸处理的情况下或未对散热基底140进行喷丸处理的情况下的半导体装置100的散热性。
首先，利用图9对下述热循环试验进行说明，该热循环试验测量对散热基底140进行了喷丸处理的情况下或未对散热基底140进行喷丸处理的情况下的半导体装置100的上升温度。
图9是用于说明对实施方式的散热基底进行的热循环试验的图。
另外，图9(A)表示作为热循环试验所使用的样品的进行了喷丸处理的散热基底140的俯视图，图9(B)是表示进行热循环试验的热循环试验装置600的示意图。
作为实施方式所进行的热循环试验的样品，使用图9(A)所示的散热基底140。
该散热基底140在四个角具备螺钉孔142，在背面设有三个位置的处理区域143。
未对上述散热基底140进行喷丸处理时(非处理)的算术平均粗糙度Ra为0.18μm，最大高度Rz为2μm。
另一方面，对散热基底140的各处理区域143进行了喷丸处理时的处理区域143的算术平均粗糙度Ra为5.3μm，最大高度Rz为38.4μm。其中，该情况下的喷丸处理的处理条件为：喷丸材料220是SUS304、喷丸材料220为球状，其平均粒径是2mm、超声波振动装置210的处理时间是20秒、超声波振动装置210的超声波振幅是70μm。
对上述样品进行热循环试验的热循环试验装置600如图9(B)所示，利用螺钉将散热基底140隔着导热膏160(其厚度为100μm左右)固定于热循环试验装置600侧部所设置的散热片170。经由焊料(省略图示)将层叠基板120及半导体芯片110设置于散热基底140的正面。
另外，也可以与散热基底140的处理区域143相对应地在散热基底140的表面侧设置半导体芯片110。在驱动半导体芯片110的情况下，由于半导体芯片110成为发热源，因此该散热基底140的背面部反复发生热变形。因此，为了抑制泵出，在与设置有半导体芯片110的位置相对应的散热基底140的背面设置处理区域143是较为有效的。另外，也可以对散热基底140的整个背面进行处理。
热循环试验装置600中，使如上所述安装的散热基底140的温度在25度至140度之间变化，并测量此时的散热基底140的温度。另外，热循环试验装置600的温度变化将如下过程作为一个循环：耗费90秒使温度从25度上升至140度，然后耗费120秒使温度从140度下降至25度。热循环试验装置600每隔100个循环利用设置于散热基底140的中心部的温度计对散热基底140的温度进行测量。热循环试验装置600进行上述温度测量直至2000个循环为止。
此外，热循环试验装置600对未进行喷丸处理的散热基底140进行与上述同样的温度测量。
接着，利用图10说明如上所述利用热循环试验装置600测量得到的进行了喷丸处理的散热基底140和未进行喷丸处理的散热基底140的热循环试验的上升温度。
图10是表示相对于实施方式的散热基底的循环数的上升温度的曲线图。
另外，图10中，横轴表示热循环试验的循环数(次)，纵轴表示上升温度(度)。另外，上升温度表示一个循环后的散热基底140从规定温度上升了的温度。“◇(白色菱形)”表示未进行喷丸(SP)处理的散热基底140的情况下的上升温度的变化，“■(黑色四边形)”表示进行了喷丸(SP)处理的散热基底140的情况下的上升温度的变化。
根据图10的曲线可知，未进行喷丸处理的散热基底140到循环数达到400次为止其温度几乎不会上升。然而，若循环数超过400次，则温度开始上升。之后，随着循环数的增加，上升温度也增加。
这被认为对于循环数达到400次左右为止的温度变化，散热基底140几乎不发生变化，几乎不发生泵出。即，认为散热基底140和散热片170之间的导热膏160不会滴落，维持在整个散热基底140(背面)涂布有导热膏160的状态。因此，认为在循环数达到400次左右为止，从散热基底140对散热片170的散热性不会下降而得以维持。
然而，若循环数超过400次左右，则散热基底140开始产生变化，随之也开始发生泵出。即，散热基底140和散热片170之间的导热膏160开始发生滴落，涂布于散热基底140(背面)的整个面的导热膏160的涂布分布开始产生斑点。因此，若循环数超过400次左右，则从散热基底140对散热片170的散热性开始下降。因此，认为在循环数超过400次左右后，随着循环数进一步增加，上升温度也增加。
另一方面，根据图10的曲线，对于进行了喷丸处理的散热基底140，即使循环数增加到2000次，温度仍停留于最大上升5度左右，温度基本不上升。
这被认为与未进行喷丸处理的情况相同，对于循环数达到400次左右为止的温度变化，散热基底140几乎不发生变化，几乎不发生泵出。即，认为散热基底140和散热片170之间的导热膏160不会滴落，维持在整个散热基底140(背面)涂布有导热膏160的状态。因此，认为在循环数达到400次左右为止，从散热基底140对散热片170的散热性不会下降而得以维持。
此外，与未进行喷丸处理的情况相同，认为若循环数超过400次左右，则散热基底140开始产生变化。然而，散热基底140的背面通过喷丸处理而形成有凹陷，利用该凹陷的固着效果而使得与涂布于散热基底140的背面的导热膏160的密接性得到提高。因此，认为即使伴随循环数的增加散热基底140发生变化，因泵出而导致的导热膏160的滴落也得以抑制，对于整个散热基底140(背面)的导热膏160的涂布分布的斑点的发生得以抑制。因此，认为即使循环数增加，从散热基底140对散热片170的散热性也不会下降而得以维持。
另外，在对上述未进行喷丸处理的情况下或进行了喷丸处理的情况下的散热基底140进行了2000次的热循环试验后，对附着于散热基底140及散热片170的导热膏160进行了观察。
下面，利用图11及图12分别说明未进行喷丸处理的情况下或进行了喷丸处理的情况下的散热基底140及散热片170的观察结果。
图11是表示对未进行实施方式的喷丸处理的散热基底进行的热循环试验的观察结果的图，图12是表示对进行了实施方式的喷丸处理的散热基底进行的热循环试验的观察结果的图
另外，图11(A)、图12(A)是表示散热基底140的背面(导热膏160的涂布面)一侧的图，图11(B)、图12(B)是表示散热片170的主面(与散热基底140的接合面)一侧的图。
此外，图11及图12中，用虚线包围并表示导热膏160滴落、脱落的区域。
在未进行喷丸处理的情况下，如上所述产生泵出，因此如图11(A)所示那样，可知在散热基底140的背面的图中上侧的中央部及图中下侧的中央部产生导热膏160滴落并脱落的区域161a、161b。
同样，如图11(B)所示那样，可知在散热片170的主面的图中上侧的中央部及图中下侧的中央部产生导热膏160滴落并脱落的区域162a、162b。
与此相对，在进行了喷丸处理的情况下，如图12(A)所示，在散热基底140的背面的图中上侧的中央部及图中下侧的中央部产生导热膏滴落并脱落的区域163a、163b、163c。然而，由于进行了喷丸处理并在散热基底140的背面形成有凹陷，导热膏160与散热基底140的密接性得到提高，因此该区域163a、163b、163c与图11(A)的情况(区域161a、161b)相比，足够小。即，散热基底140的涂布有导热膏160的面积与图11(A)的情况相比足够大。
同样，如图12(B)所示，可知散热片170的主面的图中上侧的中央部及图中下侧的中央部的导热膏滴落、脱落的区域164a、164b与图11(B)的情况(区域162a、162b)相比也较小。
根据以上可知，进行喷丸处理的情况下的散热基底140与散热片170之间的导热膏160的面积与未进行喷丸处理的情况相比较大。也就是说，通过进行喷丸处理，可抑制泵出的发生。因此，进行了喷丸处理的情况相比未进行喷丸处理的情况，可抑制散热基底140与散热片170的散热性的下降。
因此，根据图9～图12可知，在对散热基底140进行的喷丸处理的处理条件为：喷丸材料220是SUS304、喷丸材料220的平均粒径是2mm、超声波振动装置210的处理时间是20秒、超声波振动装置210的超声波振幅是70μm的情况下，导热膏160相对于散热基底140的浸润性得以提高，对于泵出的特性(耐久性、可靠性)得到提高。
并且，对于上述喷丸处理的处理条件下将球状的喷丸材料220的平均粒径设定为2mm以外的情况也进行了上述热循环试验。
利用图13对上述情况下的热循环试验的结果进行说明。
图13是表示对于实施方式的喷丸处理的喷丸材料的平均粒径的热循环试验的结果的图。
图13中，相对于“喷丸材料的平均粒径(mm)”分别示出“算术平均粗糙度Ra(μm)”、“最大高度Rz(μm)”、“对于泵出的特性(耐久性、可靠性)”、“导热膏的浸润性”。另外，在“对于泵出的特性(耐久性、可靠性)”得到提高的情况下标注“〇”，在没有提高的情况下标注“×”。同样，在“导热膏的浸润性”得到提高的情况下标注“〇”，在没有提高的情况下标注“×”。
对于“喷丸材料的平均粒径(mm)”，除了已经阐述的2mm以外，也在0.3mm、0.5mm、1mm、3mm、4mm、5mm、6mm、8mm的情况下进行了热循环试验。该情况下的喷丸处理的其他处理条件如上所述为：喷丸材料220是SUS304、处理时间是20秒、超声波振幅是70μm。
上述情况下的热循环试验的结果如图13所示，认识到在“喷丸材料的平均粒径(mm)”为0.3mm、0.5mm、1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm的情况下，“对于泵出的特性(耐久性、可靠性)”及“导热膏的浸润性”提高。
然而，认识到在“喷丸材料的平均粒径(mm)”为8mm的情况下，“对于泵出的特性(耐久性、可靠性)”及“导热膏的浸润性”没有提高。
因此，认为作为喷丸材料220的平均粒径优选为0.3mm左右～6mm左右。此外，在该喷丸材料220的平均粒径的情况下，算术平均粗糙度Ra为1μm～10μm，最大高度Rz为12μm～71.5μm。下面，对该喷丸材料220的平均粒径的范围进行研究。
首先，若对散热基底140进行的喷丸处理中的喷丸材料220的平均粒径变小，则如图7所示，凹陷宽度也变小，散热基底140的背面的重叠的多个凹陷的表面积变小。上述那样重叠的多个凹陷的表面积较小的散热基底140的背面与涂布于该背面的导热膏160的摩擦力也变小。因此，认为导热膏160易于从散热基底140流动，从而产生泵出。
此外，若对散热基底140进行的喷丸处理中的喷丸材料220的平均粒径变小，则也如图5所示，算术平均粗糙度Ra及最大高度Rz变小。并且，导热膏160所包含的填料的平均粒径为0.1μm左右～10μm左右。因此，若对散热基底140进行的喷丸处理中的喷丸材料220的平均粒径变小，则有时会产生导热膏160所包含的填料可能不进入形成于散热基底140的凹陷的情况。因此，认为导热膏160相对于散热基底140的浸润性下降，并且，导热膏160与散热基底140的密接性不会提高，无法抑制泵出的发生。
因此，认为若喷丸材料220的平均粒径小于0.3mm，则由于上述理由，无法抑制泵出的发生，此外，导热膏的浸润性不提高。
另一方面，若对散热基底140进行的喷丸处理中的喷丸材料220的平均粒径例如大到超过6mm左右，则也如图5所示，算术平均粗糙度Ra及最大高度Rz也变大。因此，在导热膏160的涂布量较少的情况下，认为散热基底140和散热片170之间的距离变大，导热膏160会流出。因此，在该情况下，若以填埋散热基底140的所有凹陷的方式涂布导热膏160，则导热膏160的涂布量增加，从散热基底140到散热片170的散热性下降。
根据上述内容可知，喷丸材料220的平均粒径过小、过大，均会导致从散热基底140到散热片170的散热性下降。
因此，喷丸材料220的平均粒径优选为0.3mm左右～6mm左右。此外，在喷丸材料220位于上述范围内的情况下，形成于散热基底140的背面的重叠的多个凹陷的算术平均粗糙度Ra为1μm～10μm，其最大高度Rz为12μm～71.5μm。
由于喷丸材料220位于上述范围内，因此根据图8可知，形成于散热基底140的背面的凹陷的凹陷幅度至少为0.17mm～0.72mm。
接着，作为参考例，利用图14说明利用热循环试验装置600对不进行喷丸处理而利用砂纸对背面进行研磨后的散热基底140进行与上述相同的热循环试验时的热循环试验的结果。
图14是表示作为参考例的使用了砂纸时的热循环试验的结果的图。
图14中，相对于“砂纸”分别示出“算术平均粗糙度Ra(μm)”、“最大高度Rz(μm)”、“对于泵出的特性(耐久性、可靠性)”、“导热膏的浸润性”。另外，对于进行了喷丸处理的情况，在“对于泵出的特性(耐久性、可靠性)”得到提高的情况下标注“〇”，在没有提高的情况下标注“×”。同样，对于进行了喷丸处理的情况，在“导热膏的浸润性”得到提高的情况下标注“〇”，在没有提高的情况下标注“×”。
利用粗糙度为#400(400号)、#1200(1200号)的“砂纸”对散热基底140的背面的处理区域141均匀地进行研磨处理。
上述情况下的热循环试验的结果如图14所示，在“砂纸”为#400、#1200任一个的情况下，与平滑的表面的情况相比，“对于泵出的特性”及“导热膏的浸润性”得到提高。然而，相对于进行了喷丸处理的情况，认识到“对于泵出的特性(耐久性、可靠性)”及“导热膏的浸润性”没有提高。通过利用砂纸对散热基底140的背面进行研磨，形成多条在一个方向上延伸的槽。此时，若散热基底140因基于半导体芯片110的动作发热的温度变化而发生变形，则散热基底140的背面的导热膏160因形成于散热基底140的背面的槽部的固着效果而使得密接性得到提高。然而，散热基底140的背面的导热膏160会根据散热基底140的变形情况，而沿着形成于散热基底140的背面的槽部被挤压至外部。即，会产生泵出。并且，若按此方式在散热基底140的背面形成多个槽，则涂布于散热基底140的背面的导热膏160的浸润性也变得不均匀，从而导致浸润性降低。
因此，相比利用砂纸对散热基底140的背面进行研磨的情况，通过对散热基底140的背面进行喷丸处理，形成多个较小的凹陷141，且凹陷141构成为多个重叠，从而提高了散热基底140的导热膏的浸润性，能防止泵出。
由此，在上述半导体装置100中，在散热基底140的背面形成多个凹陷141，且凹陷141构成为多个重叠。散热基底140的背面的多个凹陷141通过对散热基底140的背面进行喷丸处理而形成。作为此时的喷丸处理的处理条件，在喷丸材料220为SUS304、处理时间为20秒、超声波振幅为70μm时，优选将喷丸材料220的平均粒径设为0.3mm～6mm。若在进行了基于上述处理条件的喷丸处理的散热基底140的背面隔着导热膏160设置散热片170，则散热基底140的重叠的多个凹陷141与导热膏160的密接性因固着效果而得到提高。因此，即使散热基底140因基于半导体芯片110的动作产生的半导体装置100的温度变化而发生变形，也可抑制散热基底140的背面的导热膏160挤压到外部。因此，导热膏160的泵出得以抑制，进而半导体装置100的散热性的下降得以抑制，维持了半导体装置100的可靠性。
标号说明
100 半导体装置
110 半导体芯片
120 层叠基板
121 绝缘板
122 电路板
123 金属板
130 焊料
140 散热基底
141 凹陷
142 螺钉孔
143 处理区域
150 壳体
160 导热膏
170 散热片
200 喷丸处理装置
210 超声波振动装置
220 喷丸材料

Claims (12)

1.一种半导体装置，其特征在于，包括：
半导体芯片；
层叠基板，该层叠基板具备绝缘板、形成于所述绝缘板的正面的电路板、及形成于所述绝缘板的背面的金属板，所述电路板上设有所述半导体芯片；
散热板，该散热板构成为在正面设有所述层叠基板，在背面形成有多个凹陷，多个所述凹陷相重叠；以及
散热器，该散热器隔着散热材料设置于所述散热板的所述背面。
2.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，
所述散热板的所述背面的算术平均粗糙度为1μm～10μm。
3.如权利要求2所述的半导体装置，其特征在于，
所述散热板的所述背面的最大高度为12μm～71.5μm。
4.如权利要求3所述的半导体装置，其特征在于，
所述凹陷的凹陷宽度为0.17mm～0.72mm。
5.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，
所述散热材料的热传导率为1.5～2W/m·K。
6.如权利要求5所述的半导体装置，其特征在于，
所述散热材料中的有机油中包含有填料。
7.如权利要求6所述的半导体装置，其特征在于，
所述散热材料中的所述填料的填充率为80wt％～95wt％。
8.如权利要求7所述的半导体装置，其特征在于，
所述填料的平均粒径为0.1μm～10μm。
9.如权利要求8所述的半导体装置，其特征在于，
所述散热材料的厚度为100μm。
10.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，
所述散热板的所述背面构成为通过进行喷丸处理而使多个所述凹陷相重叠。
11.如权利要求10所述的半导体装置，其特征在于，
所述喷丸处理所使用的喷丸材料是金属合金。
12.如权利要求11所述的半导体装置，其特征在于，
所述喷丸材料的平均粒径为0.3mm～6mm。
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