JP2009277976A - 塗布方法およびパターン形成用マスク - Google Patents

Abstract

【課題】半導体装置から冷却体までの熱伝導率を向上させる。
【解決手段】冷却体１３にベース基板１１を設置させる止め具を挿入する孔（図１では止め孔１１ａ）の中心部から距離ｒａまでの間に、パターン１２ａ の接触材を少なくとも一つ配設し、距離ｒａから距離ｒｂまでの間に、パターン１２ａより面積の大きい、パターン１２ｂの接触材を少なくとも一つ配設し、距離ｒｂ以上においては、パターン１２ｂより面積の大きい、パターン１２ｃの接触材を少なくとも一つ配設することにより、冷却体１３とベース基板１１との間に接触材を薄く充填させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は塗布方法およびパターン形成用マスクに関し、特に、半導体装置のベース基板と冷却体との間に介在させる接触材を、ベース基板または冷却体のいずれかの主面に塗布する塗布方法およびパターン形成用マスクに関する。

ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、パワーＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）およびＦＷＤ（Free Wheel Diode）などの半導体装置を冷却するために、発熱する半導体装置に冷却体を接触させて放熱させる方法が行われている。

半導体装置に、半導体装置の発熱主面に塗布した高熱伝導性グリースを介して、冷却体を設置している（例えば、特許文献１参照）。この際、高熱伝導性グリースは、発熱主面に格子状に塗布されている。なお、特許文献１では、高熱伝導性グリースを、中心および中心点から放射状に点状に塗布した場合などが開示されている。そして、半導体装置に冷却体を接触すると、高熱伝導性グリースは発熱主面上で空気を閉じ込めないように押し広げられる。このため、半導体装置と冷却体とが、空気が除去されて接続されて、半導体装置と冷却体との間の熱伝導性が向上し、半導体装置から発生した熱が高熱伝導性グリースを介して冷却体から放散される。

半導体装置および冷却体の接触面には、相互に数μｍのうねりがあるため、半導体装置および冷却体を接触させてねじ締めする際に、接触面に特許文献１のような高熱伝導性グリースやコンパウンドを塗布している。なお、コンパウンドは、コンパウンドの熱伝導率を高めるためにセラミックス（例えば、アルミナ）などの熱伝導性の微粒子をオイル成分で混ぜ合わせたものである。このようなコンパウンドを介して半導体装置と冷却体とをねじ締めすることにより、半導体装置と冷却体との密着性が向上し、半導体装置の冷却性を向上できる。
特開平９−２９３８１１号公報

しかし、コンパウンドを半導体装置（または冷却体）の接触面に特許文献１のように格子状に塗布して、半導体装置および冷却体をねじ締めすると次のような問題点があった。
半導体装置および冷却体の接触面間のコンパウンドは、ねじ締めによって加圧されて押し広げられる。ところが、格子状に塗布された各々のコンパウンドは均等に広がらず、接触面の位置によっては、コンパウンドの広がりに斑が生じてしまう。斑が生じると空気などが溜まり、半導体装置と冷却体との熱伝導率が低下し、半導体装置の冷却性が低下してしまう。

また、コンパウンドは既述のようにセラミックス微粒子を含んでいる。このセラミックス微粒子は、コンパウンドの熱伝導率を高めるためのものであるが、冷却体などと比べると熱伝導率が小さい。ねじ締めによって広げられたコンパウンドが所定の厚さよりも厚い場合、半導体装置から冷却体への熱抵抗が大きくなってしまい、半導体装置の冷却性が低下してしまう。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、半導体装置から冷却体への熱伝導率を向上させる塗布方法およびパターン形成用マスクを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、半導体装置のベース基板と冷却体との間に介在させる接触材を、前記ベース基板または前記冷却体のいずれかの主面に塗布する塗布方法が提供される。

この塗布方法は、前記ベース基板に前記冷却体を設置させる止め具を挿入する孔の中心部から第１の距離までの間に、第１のパターンの前記接触材を、少なくとも一つ配設し、前記第１の距離から第２の距離までの間に、前記第１のパターンより面積の大きい、第２のパターンの前記接触材を少なくとも一つ配設し、前記第２の距離以上においては、前記第２のパターンより面積の大きい、第３のパターンの前記接触材を少なくとも一つ配設する。

このような塗布方法によれば、ベース基板に冷却体を設置させる止め具を挿入する孔の中心部から第１の距離までの間に、第１のパターンの接触材が、少なくとも一つ配設され、第１の距離から第２の距離までの間に、第１のパターンより面積の大きい、第２のパターンの接触材が少なくとも一つ配設され、第２の距離以上においては、第２のパターンより面積の大きい、第３のパターンが少なくとも一つ配設される。

また上記目的を達成するために、半導体装置のベース基板と冷却体との間に介在させる接触材を、前記ベース基板または前記冷却体のいずれかの主面に塗布するパターン形成用マスクが提供される。

このパターン形成用マスクは、マスク部材の端部から第１の距離の間までに、第１の開口部を少なくとも一つ配設し、前記第１の距離から第２の距離までの間に、前記第１の開口部より面積の大きい第２の開口部を少なくとも一つ配設し、前記第２の距離以上においては、前記第２の開口部より面積の大きい第３の開口部を少なくとも一つ配設している。

このようなパターン形成用マスクによれば、マスク部材の端部から第１の距離までの間に、第１の開口部が少なくとも一つ配設され、第１の距離から第２の距離までの間に、第１の開口部より面積の大きい、第２の開口部が少なくとも一つ配設され、第２の距離以上においては、第２の開口部より面積の大きい、第３の開口部が少なくとも一つ配設される。

上記塗布方法では、半導体装置から冷却体までの熱伝導率が向上する。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。但し、本発明の技術的範囲はこれらの実施の形態に限定されるものではない。また、以下の図面の記載において、同一または類似の部分は同一または類似の符号を付している。

まず、本実施の形態の概要について説明する。
図１は、本実施の形態の塗布方法の概要を説明するための図であり、（Ａ）は冷却体およびベース基板の断面模式図、（Ｂ）はベース基板の平面模式図である。

図１（Ａ）に示されるように、ベース基板１１と冷却体１３とを接触させるために、ベース基板１１に、３種類の形状の接触材のパターン１２ａ，１２ｂ，１２ｃを塗布する。なお、パターン１２ａ，１２ｂ，１２ｃの接触材は、既述のコンパウンドにより構成されている。接触材のパターン１２ａ，１２ｂ，１２ｃは冷却体１３の方に塗布させてもよい。また、ベース基板１１と冷却体１３とには、互いを接触させて固定するための止め具（図示を省略）が締め込まれる止め孔１１ａ，１３ａがそれぞれ形成されている。止め具と止め孔１１ａ，１３ａは、例えば、ねじおよびねじ孔、または、ボルトおよびナットなどが対応する。パターン１２ａ，１２ｂ，１２ｃをベース基板１１に塗布した状態で、冷却体１３とベース基板１１とを接触させて、止め具で固定する。

ここで、ベース基板１１は半導体装置１１０の放熱面に設けられたものである。ベース基板１１の冷却体１３との接合面の反対側には、半導体素子が配置されるが、ここでは図示を省略した。

次に、ベース基板１１に対して塗布するパターン１２ａ，１２ｂ，１２ｃについて説明する。
ベース基板１１には、図１（Ｂ）に示されるように、３種類のパターン１２ａ，１２ｂ，１２ｃが塗布されている。

ここで、パターンとは、接触材を塗布したときの、接触材１箇所の形状を指し、同一パターン（同一形状）の接触材を複数箇所に塗布するときは後述する配列で塗布するものである。

パターン１２ａは、ベース基板１１に形成された止め孔１１ａの中心からの距離ｒａまでの領域に塗布されている。なお、パターン１２ａの接触材はそれぞれ略均等の塗布面積である。また、止め孔１１ａの近傍にはパターン１２ａを塗布していない。

パターン１２ｂは、距離ｒａから、止め孔１１ａの中心からの距離ｒｂまでの領域に塗布されている。なお、パターン１２ｂの接触材のそれぞれの塗布面積は略均等であってパターン１２ａのそれよりも広い。

パターン１２ｃは、距離ｒｂの外側の領域に塗布されている。なお、パターン１２ｃのそれぞれの塗布面積は略均等であって、パターン１２ｂのそれよりも広い。
なお、この例では、パターン１２ａ，１２ｂ，１２ｃは、それぞれ円形を採用した。

このようにパターン１２ａ，１２ｂ，１２ｃが塗布されたベース基板１１と、冷却体１３とを接触させて、止め孔１１ａ，１３ａに止め具を締め込んでベース基板１１と冷却体１３とを固定する。すると、ベース基板１１と冷却体１３が止め具の締め込みによる応力を受けてパターン１２ａ，１２ｂ，１２ｃを押しつぶす。パターン１２ａ，１２ｂ，１２ｃはベース基板１１と冷却体１３とにはさまれて広がり、ベース基板１１と冷却体１３との接触面を満遍なく充填して、ベース基板１１と冷却体１３とが密着する。

それでは、以下に、冷却体またはベース基板に対する接触材のパターンの塗布位置について説明する。以下では、ベース基板にパターンを塗布する場合について説明する。なお、冷却体に接触材を塗布する場合でも同様である。

まず、冷却体に１種類の略均等のパターンを格子状に塗布した場合について説明する。
図２は、略均等のパターンを格子状に塗布したベース基板と、冷却体との接触を示す断面模式図（比較例）、図３は、略均等のパターンを格子状に塗布したベース基板を示す平面模式図（比較例）である。

図２に示されるように、ベース基板５０１と冷却体５０３とを接触させるために、ベース基板５０１には、接触材のパターン５０２が塗布されている。なお、パターン５０２の接触材は、既述のコンパウンドにより構成されている。コンパウンドのパターン５０２の塗布には、所定のマスク部材およびスキージ、またはローラが用いられる。また、ベース基板５０１および冷却体５０３には、互いを接触させて固定するための止め具（図示を省略）を締め込む止め孔５０１ａ，５０３ａがそれぞれ形成されている。ベース基板５０１にパターン５０２を塗布した状態で、冷却体５０３とベース基板５０１とを接触させて止め具で固定する。

ベース基板５０１に塗布されたパターン５０２は、図３に示されるように、格子状に配列させている。なお、パターン５０２の形状は、例えば、約５ｍｍ×約５ｍｍの略正方形である。

このようなパターン５０２が塗布されたベース基板５０１に冷却体５０３を接触させて、止め孔５０１ａ，５０３ａに止め具を締め込んで固定させる。この際の止め具の締め込みによる応力を受けて広がるパターン５０２について説明する。

図４は、ベース基板に冷却体を接触させて止め具で固定した時の接触材の広がりを説明するための平面模式図（比較例）である。
応力を受けたベース基板５０１に塗布された接触材のパターン５０２は、図４に示されるように、止め孔５０１ａ近傍では、広がったパターン５０２同士が互いに結合して、ベース基板５０１を覆っている。一方、ベース基板５０１の中央部では、応力を受けたパターン５０２は塗布された位置で広がってはいるものの、隣接するパターン５０２同士が結合するまで広がっていない。

さらに、この時の止め具の締め込みによるベース基板５０１に対する応力分布の解析を行った結果について説明する。
図５は、止め具の締め込みによるベース基板に対する応力分布の解析を行った結果を模式的に示す解析図である。

図４で示されたように、ベース基板５０１に冷却体５０３を接触させて止め具で固定すると、ベース基板５０１および冷却体５０３の接触面は止め具の締め込みにより応力を受ける。図５の解析図５１０は、この時のベース基板５０１に生じた応力分布の有限要素法（ＦＥＭ：Finite Element Method）による解析結果を示したものである。

解析図５１０には、ベース基板５０１に対して、応力の大きさ（［Ｎ／ｍ²］）の等しい位置を結んだ線が受けた応力ごとに描かれている。それぞれの受けた応力の大きさは解析図５１０の縁部に示されている。解析図５１０の四隅には止め孔５０１ａの位置を示している。なお、図５に示されるようにｘ方向、ｙ方向を紙面の横方向および縦方向にそれぞれ定義している。

解析図５１０によれば、図５に示されるように、止め具が締め込まれる止め孔５０１ａの近傍の応力が最も大きい。止め孔５０１ａを中心としてベース基板５０１の中心部に向かうにつれて応力が減衰して、一定の応力になっている。

このようにベース基板５０１の位置に対する応力分布の違いによって、図４に示したベース基板５０１のパターン５０２の広がり方に違いが生じたと考えられる。すなわち、止め具の締め込みによって応力が加えられるベース基板５０１の止め孔５０１ａの近傍では応力が大きいために、パターン５０２の広がり方が、ベース基板５０１の中心部と比較して、顕著である。一方、止め孔５０１ａからベース基板５０１の中央部へ向かうにつれて応力は減少していくために、ベース基板５０１の中心部のパターン５０２の広がり方が小さかった。

さらに、ベース基板５０１の中心部のパターン５０２の広がり方が小さい別の理由について説明する。
図６は、ベース基板と冷却体との間の接触面に塗布された接触材について説明するための断面拡大模式図である。

図６に示されるように、ベース基板５０１と冷却体５０３とを接触させるために、ベース基板５０１には、接触材のパターン５０２が塗布されていることは既述の通りである。なお、図６では、パターン５０２を構成する粒子５０２ａについて描画している。また、ベース基板５０１および冷却体５０３には、互いを接触させて固定するための止め具５０３ｂが締め込まれる止め孔５０１ａ，５０３ａがそれぞれ形成されている。パターン５０２を塗布した状態で、冷却体５０３とベース基板５０１とを接触させて、止め具５０３ｂを締め込んで固定する。

ベース基板５０１に塗布された接触材のパターン５０２は、既述の通り、例えば、アルミナなどのセラミックスの粒子５０２ａをオイル成分で混ぜ合わせたものである。ベース基板５０１と冷却体５０３とを接触させる際には、熱伝導率が低い接触材はベース基板５０１にできる限り薄く塗布されることが望ましい。接触材は粒子５０２ａを含有するために、少なくとも粒子５０２ａの直径程度の厚さまで薄くできる。ところが、粒子５０２ａを含有する接触材が止め具５０３ｂの近傍に塗布された場合、接触材は止め具５０３ｂにまとわりついてしまう可能性がある。止め具５０３ｂにまとわりついた接触材の粒子５０２ａは、図６に示されるように、縦方向に積み重なる可能性がある。粒子５０２ａが縦方向に積み重なった場合では、ベース基板５０１と冷却体５０３とを接触させて、止め具５０３ｂを締め込んでも、積み重なった粒子５０２ａの高さ以下にすることが難しくなる。このため、止め孔５０１ａの近傍領域以外の、例えば、ベース基板５０１の中央部の粒子５０２ａは広がりにくくなる。

上記の理由により、図４で示されたように、パターン５０２の広がり方にベース基板５０１の止め孔５０１ａ近傍と中央部とで差が生じたと考えられる。
このようなベース基板５０１の接触面の位置による接触材の広がり方を考慮して、接触材のパターンを塗布した場合について説明する。

図７は、止め孔の近傍を除いて略均等のパターンを格子状に塗布したベース基板を示す平面模式図である。
図７では、図３に示した場合に対して、止め孔の周りには接触材のパターンを塗布しない場合（比較例）について示している。なお、冷却体の記載については省略するが、冷却体の構成については上述の通り止め孔が形成されてある。

ベース基板５１１と冷却体（図示を省略）とを接触させるために、ベース基板５１１には、接触材のパターン５１２が塗布されている。なお、接触材は、既述のコンパウンドにより構成されている。コンパウンドのパターン５１２の塗布には、所定のマスク部材およびスキージ、またはローラが用いられる。また、ベース基板５１１および冷却体には、互いを接触させて固定するための止め具（図示を省略）が締め込まれる止め孔５１１ａが形成されている。パターン５１２を塗布した状態で、ベース基板５１１と冷却体とを接触させて、止め具で締め込んで固定する。

ベース基板５１１に塗布されたパターン５１２は、図７に示されるように、格子状に配列させている。なお、パターン５１２の形状は、例えば、約５ｍｍ×約５ｍｍの略正方形である。ところが、図３に示したベース基板５０１と異なり、止め孔５１１ａの周辺には接触材のパターン５１２を塗布していない。

このようにパターン５１２が塗布されたベース基板５１１に冷却体を接触させて、止め孔５１１ａに止め具を締め込んで固定させる。この時の応力を受けて広がるパターン５１２について以下に説明する。

図８は、ベース基板に冷却体を接触させて止め具で固定した時の接触材の広がりを説明するための平面模式図（比較例）である。
応力を受けたパターン５１２は、図８に示されるように、ベース基板５１１の中央部において、隣接するパターン５１２同士で結合するまで広がるようになっている。なお、ベース基板５０１の場合には、図４に示したように、ベース基板５０１の中央部のパターン５０２は、塗布された位置で広がるだけで、隣接するパターン５０２同士とは結合しなかった。

このベース基板５１１の中心部のパターン５１２の広がりが向上した理由について図面を参照しながら説明する。
図９は、ベース基板と冷却体との間の接触面に塗布された接触材について説明するための断面拡大模式図である。

図９に示されるように、ベース基板５１１と冷却体５１３とを接触させるために、ベース基板５１１には、接触材のパターン５１２が塗布されていることは既述の通りである。なお、図９では、パターン５１２を構成する粒子５１２ａについて描画している。また、ベース基板５１１および冷却体５１３には、互いを接触させて固定するための止め具５１３ｂが締め込まれる止め孔５１１ａ，５１３ａが形成されている。パターン５１２を塗布した状態で、ベース基板５１１と冷却体５１３とを接触させて、止め具５１３ｂで締め込んで固定する。

ベース基板５１１に塗布された接触材のパターン５１２は、既述の通り、粒子５１２ａを含有している。また、接触材のパターン５１２は、ベース基板５１１の止め孔５１１ａ近傍へは塗布しないようにしている。このため、ベース基板５１１および冷却体５１３の止め具５１３ｂの締め込みによる応力を受けた粒子５１２ａは止め孔５１１ａの近傍へも移動できる。よって、接触材を構成する粒子５１２ａは四方へ広がることが可能となる。

したがって、止め孔５１１ａの近傍にパターン５１２を塗布しない場合の方が、ベース基板５０１の場合より、止め具５１３ｂの締め込みによるベース基板５１１の中央部への応力によって、粒子５１２ａを移動させることができて、接触材が広がる。このためベース基板５１１の中央部に塗布した、隣接する接触材のパターン５１２同士が結合するようになったと考えられる。

以上の図２〜図９を用いた説明から、止め具によるベース基板（または冷却体）に対する応力は、止め孔の中心からベース基板の中央部に進むほど減衰する。そして、止め孔の近傍に塗布した接触材のパターンは、接触材のパターンの広がりを妨げる恐れがあることが示された。

これらの結果を鑑みて、ベース基板の止め孔の近傍に近づくにつれて接触材の密度を減少させ、止め孔からベース基板の中心部に向かうにつれて接触材の密度を増加させて、パターンを塗布するようにすれば、接触材をベース基板に均等に薄く充填させることができる。

そこで、図１に示したように、ベース基板１１に対して、パターン１２ａをベース基板１１に形成された止め孔１１ａの中心から距離ｒａまでの領域に塗布し、止め孔１１ａ付近にはパターン１２ａを塗布しない。パターン１２ａよりも面積が広いパターン１２ｂを距離ｒａから、止め孔１１ａの中心からの距離ｒｂまでの領域に塗布する。そして、パターン１２ｂよりも面積が広いパターン１２ｃを距離ｒｂの外側の領域に塗布する。このように接触材のパターン１２ａ，１２ｂ，１２ｃを塗布することにより、ベース基板１１に冷却体１３を接触させて、止め具で締め込むと、接触材を接触面に均等に薄く充填させることができる。したがって、ベース基板１１と冷却体１３との密着性が向上して、ベース基板１１から冷却体１３への熱抵抗の上昇を抑制することができ、ベース基板１１を冷却できる。

なお、パターン１２ａ，１２ｂ，１２ｃの面積の具体例として、パターン１２ａは約３〜５１ｍｍ²、パターン１２ｂは約１１３〜２０１ｍｍ²、パターン１２ｃは約２０１ｍｍ²以上、とする場合などがある。

次に、止め孔が隣接している場合のパターンの塗布方法について説明する。
図１０は、本実施の形態に係る隣接して止め孔が形成されている場合の塗布方法を説明するための平面模式図である。なお、以下でもベース基板に対してパターンを塗布する場合について説明する。冷却体に対してパターンを塗布しても構わない。

ベース基板４１には、図１０に示されるように、止め孔４１ａ１，４１ａ２が形成されている。止め孔４１ａ１を中心にして、３種類のパターン４２ａ１，４２ｂ１，４２ｃ１が塗布されている。

パターン４２ａ１は、ベース基板４１に形成された止め孔４１ａ１の中心からの距離ｒａ１までの領域に塗布されている。なお、止め孔４１ａ１近傍にはパターン４２ａ１を塗布していない。

パターン４２ｂ１は、距離ｒａ１から、止め孔４１ａ１の中心からの距離ｒｂ１までの領域に塗布されている。なお、パターン４２ｂ１の各々の塗布面積はパターン４２ａ１のそれよりも広くしている。

パターン４２ｃ１は、距離ｒｂ１の外側の領域に塗布されている。なお、パターン４２ｃ１の各々の塗布面積はパターン４２ｂ１のそれよりも広くしている。
一方、止め孔４１ａ２を中心にして、３種類のパターン４２ａ２，４２ｂ２，４２ｃ２がパターン４２ａ１，４２ｂ１，４２ｃ１とそれぞれ同様に塗布されている。なお、距離ｒａ２，ｒｂ２は距離ｒａ１，ｒｂ１とそれぞれ同距離とする。

このベース基板４１では、それぞれのパターンを塗布する際に、止め孔４１ａ１，４１ａ２からの所定の距離の間で重なる領域が生じる。その場合には、短い距離内の領域に塗布しているパターンを塗布するようにする。例えば、距離ｒａ１と距離ｒｂ２との間で重なる領域（図中の領域Ｘ１）が生じる。この場合には、図１０に示されるように、距離が短い距離ｒａ１までの間に塗布されているパターン４２ａ１を領域Ｘ１に塗布するようにする。また、距離ｒｂ１と距離ｒａ２との間で重なる領域（図中の領域Ｘ２）では、パターン４２ａ２を領域Ｘ２に塗布するようにする。

このようにして、止め孔が隣接する場合において、それぞれの止め孔からの距離までの領域で、他の領域と重なる部分があれば、その部分には短い距離内の領域に塗布されているパターンを塗布するようにする。

また、図１，１０においてパターンを形成する領域を定めるための距離の決め方の１例について説明する。
図５で示したように、止め孔５０１ａの中心から、ベース基板５０１の中心部に進むにつれて応力が減衰することは既述の通りである。図５にて、ベース基板５０１の端部の応力が約１０Ｎ／ｍ²であった。そこからベース基板５０１の中央部に進むにつれて応力は少しずつ減衰して、約５〜４Ｎ／ｍ²となる。さらに中央部に進むと、応力がこれまでよりも大きく減衰していき、約１Ｎ／ｍ²となる。このように応力の減衰を考慮して、応力が約５〜４Ｎ／ｍ²近傍を距離ｒａ，ｒａ１，ｒａ２、さらに、応力が約１Ｎ／ｍ²までを距離ｒｂ，ｒｂ１，ｒｂ２と設定してもよい。このように係る応力ごとに距離を設定することによって、応力が大きくかかる止め孔の近傍には少ない密度の接触材を確実に塗布することができる。また、止め孔近傍よりも応力が小さいベース基板の中央部には、止め孔近傍よりも密度が大きい接触材を確実に塗布することができるようになる。

次に、楕円の形状のパターンの塗布方法について説明する。
上記では、パターンの形状が円形である場合について説明した。ここではパターンの形状が楕円である場合について図面を参照しながら説明する。

図１１は、形状が楕円のパターンが塗布されたベース基板の要部平面模式図である。
ベース基板５１には、上述と同様に、３種類のパターン５２ａ１，５２ｂ１，５２ｃ１が塗布されている。また、パターン５２ａ１，５２ｂ１，５２ｃ１は、パターン１２ａ，１２ｂ，１２ｃと同様に、中心から距離ｒａ３までの領域、距離ｒａ３から、中心からの距離ｒｂ３までの領域、距離ｒｂ３の外側にそれぞれ塗布して、塗布面積を異ならせている。但し、パターン５２ａ１，５２ｂ１，５２ｃ１の形状は楕円である。なお、この場合の距離ｒａ３，ｒｂ３は、上述の通り、応力ごとに設定される。また、図５で説明したように、止め具の締め込みによるベース基板５１への応力は、止め具を中心にして中央部へ進むにつれて減衰する。したがって、パターン５２ａ１，５２ｂ１，５２ｃ１は、図１１に示されるように、楕円の短辺の向きを中心部に向けて塗布させることによって、止め具の締め込みによる応力を効率よく受けて広げさせることができる。または、図５の解析図５１０に示されるように、ベース基板５１への応力は所定の距離を超えると一定になることがわかる。このため、例えば、ベース基板５１のパターン５２ａ１，５２ｂ１の形状は楕円のままであって、パターン５２ｃ１の形状は円形にしても構わない。

次に、上記概要を踏まえた実施の形態について説明する。
まず、第１の実施の形態について説明する。
第１の実施の形態では、４つのねじ孔を四隅に有するパワーモジュールに対して放熱フィンを接触させる場合について説明する。また、第１の実施の形態ではパワーモジュール側に本実施の形態のパターンでコンパウンドを塗布する。パワーモジュールは放熱面にベース基板（放熱ベース）を備えている。メタルマスクはベース基板にコンパウンドを塗布する際に用いられるパターン形成用のマスクである。したがって、メタルマスクは、パワーモジュールのベース基板の、放熱フィンとの接触面に適合する寸法で形成されている。また、放熱フィンには櫛型状の溝部が形成されて、溝部の隙間に、冷却用の冷媒を接触させ、または水路を形成するようにしてもよい。

図１２は、第１の実施の形態に係るパターン形成用のメタルマスクの平面模式図である。なお、図１２に示されるようにｘ方向、ｙ方向を紙面の横方向および縦方向にそれぞれ定義している。また、パワーモジュールのベース基板７０を点線で示し、パターン形成用のメタルマスク６０をベース基板７０に載置した状態を示している。

パターン形成用のメタルマスク６０は、図１２に示されるように、略長方形であって、ベース基板７０に設置した際に、ベース基板７０が有するねじ孔と重ね合わせられるねじ領域６１を四隅に備えている。なお、メタルマスク６０のｘ方向の長さＲ１は約１２０ｍｍ、ねじ領域６１の中心間のｘ方向の長さＲ２は約１１０ｍｍ、ｙ方向の長さＲ３は約６０ｍｍ、ねじ領域６１の中心間のｙ方向の長さＲ４は約５０ｍｍ、ねじ領域６１の直径は約５．５ｍｍ、ねじ領域６１のメタルマスク６０の外縁からの距離Ｒ５は約２ｍｍ、メタルマスク６０の厚さは約１００μｍである。

メタルマスク６０は、中心部に複数の開口部６５（半径：約７ｍｍ、面積：約１５４ｍｍ²）、開口部６５を囲むように複数の開口部６４（半径：約５ｍｍ、面積：約７９ｍｍ²）、開口部６４の外側に複数の開口部６２（半径：約３ｍｍ、面積：約２８ｍｍ²）が形成されている。したがって、ねじ領域６１から中心部につれて、開口部６２，６４，６５の面積は広くなっている。なお、最も外側の開口部６５間のｘ方向の長さＲ７は約４７ｍｍ、ｙ方向の長さＲ１０は約３９ｍｍであって、開口部６５同士の間に開口部６６（半径：約３ｍｍ、面積：約２８ｍｍ²）、開口部６４の間に開口部６３（半径：約２ｍｍ、面積：約１３ｍｍ²）がそれぞれ形成されている。また、開口部６４は、開口部６５の周りを取り囲んで形成されている。なお、Ｒ１１は約８ｍｍ、Ｒ８は約１５ｍｍである。開口部６２は、メタルマスク６０から、ｘ方向の長さＲ９（約１９ｍｍ）の間に形成されている。また、ねじ領域６１の端部から、ねじ領域６１に最も近い開口部６２の端部までの距離Ｒ６は約３ｍｍである。なお、メタルマスク６０の開口率は約４０〜５５％とする。

パワーモジュールのベース基板７０を放熱フィンに取り付けた際の、仕上がりのコンパウンド厚は、メタルマスクの厚さと開口率を選定することで調整できる。
このような構成のメタルマスク６０をパターン形成用のマスクとして用いて、パワーモジュールのベース基板７０の放熱フィンとの接触面にコンパウンドのパターンを塗布する。

図１３は、第１の実施の形態に係るパターン化されたコンパウンドが塗布されたパワーモジュールのベース基板の接触面の平面模式図である。
パワーモジュールのベース基板７０の接触面は、図１３に示されるように、ねじ孔７１が四隅に形成されている。また、パワーモジュールのベース基板７０および放熱フィンのそれぞれの接触面のうねりは数μｍ以下である。

このようなパワーモジュールのベース基板７０に対して、ねじ孔７１とねじ領域６１とを位置合わせして、パワーモジュールのベース基板７０の接触面に設置されたメタルマスク６０をマスクとして、コンパウンドが塗布される。パワーモジュールのベース基板７０の接触面に塗布されたコンパウンドのパターンも、メタルマスク６０に形成されたそれぞれの開口部６５，６４，６２に対応して、パターン７５，７４，７２が塗布されている。同様に、パターン７５同士の間にパターン７６、パターン７４の間にパターン７３がそれぞれ塗布されている。なお、パワーモジュールのベース基板７０の塗布された各パターンの面積はメタルマスク６０に形成した各開口部に対応する。

このようにしてパターン化されたコンパウンドが塗布されたパワーモジュールのベース基板７０に対してパワーモジュールを接触させてねじをねじ孔７１に締めつけて固定する。

図１４は、第１の実施の形態に係る放熱フィンの接触面に充填されたコンパウンドの平面模式図である。
パターン化されたコンパウンドが塗布されたパワーモジュールのベース基板７０に、放熱フィンを接触させて、ねじ孔７１にねじを締めつけて、放熱フィンをパワーモジュールのベース基板７０に固定させた。なお、この時のねじの締めつけ圧力は約１〜５Ｎ／ｍ²である。

ねじを締めつけてパワーモジュールのベース基板７０に生じる応力を受けたパターン化されたコンパウンドは接触面で広がる。すると、パワーモジュールのベース基板７０の放熱フィンとの接触面には、図１４に示されるように、コンパウンド７７ａが満遍なく充填される。なお、パワーモジュールのベース基板７０の接触面に充填されたコンパウンド７７ａの平均厚さは約５５μｍである。

なお、パターン同士の間に隙間があると、パターン化されたコンパウンドを広げた際に、その隙間が埋められない場合がある。第１の実施の形態では、例えば、パターン７５同士の間にパターン７６が、パターン７４同士の間にパターン７３がそれぞれ塗布されるようにメタルマスク６０に開口部を形成した。このように細密にパターンを塗布した場合では、パターン化されたコンパウンドを広げると接触面にコンパウンドを満遍なく充填させることが可能となる。

また、上記では、パターン同士の間に塗布するパターンが円形の場合を示している。次のようにパターン化されたコンパウンドを塗布しても構わない。
図１５は、第１の実施の形態に係る接触面に塗布されるコンパウンドのパターン例を示す模式図である。

コンパウンドのパターン７５は、図１２，１３で示されたように、パワーモジュールのベース基板７０の接触面にて、格子状の交点に塗布されている。４つのパターン７５に囲まれた領域に円形のパターン７６が塗布されて、パターン化されたコンパウンドを細密に塗布できた。

一方、パターン７６に代わって、図１５（Ａ）に示されるように、略四角形のパターン７６ａをパターン７５に囲まれた領域に塗布するようにしても構わない。パターン７５で囲まれた領域は、パターン７５が応力を受けて広がると、略四角形の形状の隙間になる可能性がある。そこで、あらかじめ略四角形のパターン７６ａを塗布しておくことで、応力によって広げられたコンパウンドを接触面に満遍なく充填させることができる。

また、図１５（Ｂ）に示されるように、パターン７５ａが、ハニカム格子の各頂点に塗布されている場合は、パターン７５ａに囲まれた領域に、略三角形のパターン７６ａ１を塗布するようにすればよい。

なお、図１５（Ａ），（Ｂ）ではパターン７６ａ，７６ａ１は角を丸めた形状にしている。これは、面積が小さい開口部が形成されたメタルマスクをマスクとしてコンパウンドの転写に用いると、開口部の角にコンパウンドが溜まり、うまく転写ができなくなることがある。そこで、角を丸めることで、接触面への転写を容易に行えるようになる。

一方、図１４に示したベース基板７０の接触面に充填させたコンパウンド７７ａの比較例について以下に説明する。
図１６は、パターン化されたコンパウンドが塗布されたパワーモジュールのベース基板の接触面の平面模式図である。

パワーモジュールのベース基板８０は、図１６に示されるように、四隅にねじ孔８１が形成されており、図１３と同様にメタルマスクを用いて、格子状に略正方形にパターン化されたコンパウンド８２が接触面に塗布されている。

このようにしてパターン化されたコンパウンド８２が塗布されたパワーモジュールのベース基板８０に対してパワーモジュールを接触させてねじをねじ孔８１に締めつけて固定する。

図１７は、パワーモジュールのベース基板の接触面に充填されたコンパウンドの平面模式図である。
パターン化されたコンパウンド８２が塗布されたパワーモジュールのベース基板８０に、放熱フィンを接触させて、ねじをねじ孔８１に締めつけて、ベース基板８０に放熱フィンを固定させた。なお、この時のねじの締めつけ圧力は約１〜５Ｎ／ｍ²である。

ねじを締めつけてパワーモジュールのベース基板８０に生じる応力を受けたパターン化されたコンパウンド８２は接触面で広がる。ところが、パワーモジュールのベース基板８０の接触面には、図１７に示されるように、広がったコンパウンド８７が充填されつつも、隙間８８ａ，８８ｂが生じる。

以上に説明したように、第１の実施の形態では、パターン化したコンパウンドを塗布することにより、コンパウンドを放熱フィンの接触面に略均等に薄く充填させることができる。したがって、放熱フィンとパワーモジュールのベース基板との密着性を向上させて、パワーモジュールから放熱フィンまでの熱伝導率が向上し、パワーモジュールを冷却することができる。

次に、第２の実施の形態について説明する。
第２の実施の形態では、一対のねじ孔が対向して形成されたパワーモジュールに対して放熱フィンを接触させる場合について説明する。また、第２の実施の形態ではパワーモジュールのベース基板にパターン化したコンパウンドを形成する。第１の実施の形態と同様に、パワーモジュールのベース基板へのコンパウンドの塗布には、パワーモジュールのベース基板の接触面に適合するように形成されているメタルマスクを用いる。

図１８は、第２の実施の形態に係るパターン形成用のメタルマスクの平面模式図である。なお、図１８に示されるようにｘ方向、ｙ方向を紙面の横方向および縦方向にそれぞれ定義している。また、パワーモジュールのベース基板７０ａを点線で示し、パターン形成用のメタルマスク９０をベース基板７０ａに載置した状態を示している。

パターン形成用のメタルマスク９０は、図１８に示されるように、略長方形であって、パワーモジュールのベース基板７０ａに設置した際に、パワーモジュールのベース基板７０ａが有するねじ孔と重ね合わせられるねじ領域９１を対向させて備えている。なお、メタルマスク９０のｘ方向の長さＳ１は約１０４ｍｍ、ｙ方向の長さＳ２は約３８ｍｍ、ねじ領域９１の直径は約６ｍｍ、メタルマスク９０の厚さは約１００μｍである。

メタルマスク９０は、中心部に複数の開口部９５（半径：約７ｍｍ、面積：約１５４ｍｍ²）、複数の開口部９５を両側から挟むように複数の開口部９３（半径：約５ｍｍ、面積：約７９ｍｍ²）、開口部９３をさらに両側から挟むように複数の開口部９２（半径：約３ｍｍ、面積：約２８ｍｍ²）が形成されている。したがって、ねじ領域９１から中心部に向かうにつれて、開口部９２，９３，９５の面積は広くなっている。なお、最も外側の開口部９５の長さＳ３は約３９ｍｍであって、開口部９５同士の間に開口部９２，９４（半径：約２ｍｍ、面積：約１３ｍｍ²）が形成されている。また、開口部９３のｘ方向の長さＳ４は約９ｍｍであって、開口部９２のｘ方向の長さＳ５は約２７ｍｍである。ねじ領域９１の端部から、ねじ領域９１に最も近い開口部９２端部までの距離Ｓ３は約３ｍｍである。なお、メタルマスク９０の開口率は約４０〜５５％とする。

このような構成であるメタルマスク９０をマスクとして用いて、第１の実施の形態と同様に、パワーモジュールのベース基板７０ａの放熱フィンとの接触面にコンパウンドを塗布する。すると、パワーモジュールのベース基板７０ａの放熱フィンとの接触面にメタルマスク９０の開口部と同じ形状のパターン化したコンパウンドが塗布される。そして、パターン化されたコンパウンドが塗布されたパワーモジュールのベース基板７０ａに放熱フィンを接触させると、コンパウンドが広げられて接触面を満遍なく充填する。第２の実施の形態では、パターン化したコンパウンドを塗布することにより、コンパウンドをパワーモジュールのベース基板７０ａの接触面に略均等に薄く充填させることができる。したがって、パワーモジュールのベース基板７０ａと放熱フィンとの密着性を向上させて、パワーモジュールのベース基板７０ａから放熱フィンへの熱伝導率の低下を抑制して、パワーモジュールを冷却することができる。

なお、第１および第２の実施の形態では、ねじ孔が４つおよび２つの場合を例に挙げて説明した。その他、ねじ孔が６つ、８つなどの場合にでもパターン化されたコンパウンドを同様に塗布することが可能である。

次に、第３の実施の形態について説明する。
実施の形態の概要、第１および第２の実施の形態では、接触材（コンパウンド）のパターンとして円形もしくは楕円について説明した。第３の実施の形態では、他のパターン形状について説明する。

図１９は、第３の実施の形態に係るパターンの形状を示す平面模式図である。
放熱フィンのパワーモジュールとの接触面に塗布するコンパウンドのパターンの形状として、例えば、略六角形が挙げられる。図１９（Ａ）に示されるように、パワーモジュールのベース基板の接触面に対して、ねじ孔（図示を省略）から、略六角形のパターン１１２，１１３，１１４を中心部に進むにつれて、面積を大きくして塗布することができる。略六角形のパターン形状であれば、パターン化したコンパウンドを細密に放熱フィンの接触面に塗布することができる。したがって、放熱フィンとパワーモジュールのベース基板と接触させて固定すると、接触面にコンパウンドを満遍なく充填させることができる。

一方、略六角形のパターン１１２ａ，１１３ａ，１１４ａを、図１９（Ｂ）に示されるように、同様に接触面の中心部に進むにつれて、面積を大きくして塗布することもできる。但し、パターン１１２ａ，１１３ａ，１１４ａの配置は図１９（Ａ）と異なった場合について示している。このような配置でも、パターン化したコンパウンドを細密に放熱フィンの接触面に塗布することができる。その他様々な配置が考えられる。また、パターン１１２ａ，１１３ａ，１１４ａは、図１５で説明したように、角を丸めさせた場合について示している。

このように、略六角形はパターン形状の１例であり、その他、略３角形以上の略多角形にパターン化したコンパウンドでも同様に細密に放熱フィンの接触面に塗布することができる。このようにしてパターン化したコンパウンドは格子状やハニカム格子状に塗布することができる。また、略多角形を組み合わせてパターン化したコンパウンドでも同様の効果を得ることができる。

上記については単に本発明の原理を示すものである。さらに、多数の変形、変更が当業者にとって可能であり、本発明は上記に示し、説明した正確な構成および応用例に限定されるものではなく、対応するすべての変形例および均等物は、添付の請求項およびその均等物による本発明の範囲とみなされる。

本実施の形態の塗布方法の概要を説明するための図であり、（Ａ）は冷却体およびベース基板の断面模式図、（Ｂ）はベース基板の平面模式図である。 略均等のパターンを格子状に塗布したベース基板と、冷却体との接触を示す断面模式図（比較例）である。 略均等のパターンを格子状に塗布したベース基板を示す平面模式図（比較例）である。 ベース基板に冷却体を接触させて止め具で固定した時の接触材の広がりを説明するための平面模式図（比較例）である。 止め具の締め込みによるベース基板に対する応力分布の解析を行った結果を模式的に示す解析図である。 ベース基板と冷却体との間の接触面に塗布された接触材について説明するための断面拡大模式図（その１）である。 止め孔の近傍を除いて略均等のパターンを格子状に塗布したベース基板を示す平面模式図である。 ベース基板に冷却体を接触させて止め具で固定した時の接触材の広がりを説明するための平面模式図（比較例）である。 ベース基板と冷却体との間の接触面に塗布された接触材について説明するための断面拡大模式図（その２）である。 本実施の形態に係る隣接して止め孔が形成されている場合の塗布方法を説明するための平面模式図である。 形状が楕円のパターンが塗布されたベース基板の要部平面模式図である。 第１の実施の形態に係るパターン形成用のメタルマスクの平面模式図である。 第１の実施の形態に係るパターン化されたコンパウンドが塗布されたパワーモジュールのベース基板の接触面の平面模式図である。 第１の実施の形態に係る放熱フィンの接触面に充填されたコンパウンドの平面模式図である。 第１の実施の形態に係る接触面に塗布されるコンパウンドのパターン例を示す模式図である。 パターン化されたコンパウンドが塗布されたパワーモジュールのベース基板の接触面の平面模式図である。 パワーモジュールのベース基板の接触面に充填されたコンパウンドの平面模式図である。 第２の実施の形態に係るパターン形成用のメタルマスクの平面模式図である。 第３の実施の形態に係るパターンの形状を示す平面模式図である。

符号の説明

１１ ベース基板
１１ａ，１３ａ 止め孔
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ パターン
１３ 冷却体
ｒａ，ｒｂ 距離

Claims (11)

1. 半導体装置のベース基板と冷却体との間に介在させる接触材を、前記ベース基板または前記冷却体のいずれかの主面に塗布する塗布方法であって、
   前記ベース基板に前記冷却体を設置させる止め具を挿入する孔の中心部から第１の距離までの間に、第１のパターンの前記接触材を、少なくとも一つ配設し、
   前記第１の距離から第２の距離までの間に、前記第１のパターンより面積の大きい、第２のパターンの前記接触材を少なくとも一つ配設し、
   前記第２の距離以上においては、前記第２のパターンより面積の大きい、第３のパターンの前記接触材を少なくとも一つ配設することを特徴とする塗布方法。
2. 前記第３のパターンの前記接触材を複数配設し、隣接する前記第３のパターンの前記接触材の間に、前記第３のパターンより面積の小さい第４のパターンで、前記接触材を配設することを特徴とする請求項１記載の塗布方法。
3. 前記第２のパターンと前記第３のパターンとの前記接触材の間、または、前記第２のパターンの前記接触材を複数配設して隣接する前記第２のパターンの前記接触材の間に、前記第２のパターンより面積の小さい第５のパターンで前記接触材を配設することを特徴とする請求項１記載の塗布方法。
4. 前記第１のパターン、前記第２のパターンおよび前記第３のパターンの形状は円形であることを特徴とする請求項１記載の塗布方法。
5. 前記第２のパターンおよび前記第３のパターンの前記接触材がそれぞれ格子状に配列されている場合には、
   前記第３のパターンの前記接触材を複数配設して隣接する前記第３のパターンの前記接触材の間に、前記第３のパターンより面積が小さく、形状が四角形の第４のパターンの前記接触材を配設して、
   前記第２のパターンと前記第３のパターンとの前記接触材の間、または、前記第２のパターンの前記接触材を複数配設して隣接する第２のパターンの前記接触材の間に、前記第２のパターンよりも面積が小さく、形状が四角形の第５のパターンの前記接触材を配設することを特徴とする請求項４記載の塗布方法。
6. 前記第２のパターンおよび前記第３のパターンの前記接触材がそれぞれハニカム格子状に配列されている場合には、
   前記第３のパターンの前記接触材を複数配設して隣接する前記第３のパターンの前記接触材の間に、前記第３のパターンより面積が小さく、形状が三角形の第４のパターンの前記接触材を配設して、
   前記第２のパターンと前記第３のパターンとの前記接触材の間、または、前記第２のパターンの前記接触材を複数配設して隣接する第２のパターンの前記接触材の間に、前記第２のパターンよりも面積が小さく、形状が三角形の第５のパターンの前記接触材を配設することを特徴とする請求項４記載の塗布方法。
7. 前記第１のパターン、前記第２のパターンおよび前記第３のパターンの形状は楕円形または多角形であることを特徴とする請求項１記載の塗布方法。
8. 前記孔と別の孔とが隣接して、前記孔の中心部から第１の所定の距離までと、前記別の孔の中心部からの第２の所定の距離までとが重なる領域には、短い方の距離までの領域に配設するパターンの前記接触材を配設することを特徴とする請求項１記載の塗布方法。
9. 前記第１，第２の距離は、前記孔の中心部から、前記止め具の挿入によって前記接触材の配設面に伝達する応力が等しい距離であることを特徴とする請求項１記載の塗布方法。
10. 半導体装置のベース基板と冷却体との間に介在させる接触材を、前記ベース基板または前記冷却体のいずれかの主面に塗布するパターン形成用マスクであって、
    マスク部材の端部から第１の距離の間に、第１の開口部を少なくとも一つ配設し、
    前記第１の距離から第２の距離までの間に、前記第１の開口部より面積の大きい第２の開口部を少なくとも一つ配設し、
    前記第２の距離以上においては、前記第２の開口部より面積の大きい第３の開口部を少なくとも一つ配設したことを特徴とするパターン形成用マスク。
11. 前記ベース基板または前記冷却体のいずれかの主面に設置し、前記マスク部材の端部は、前記ベース基板に前記冷却体を設置させる止め具を挿入する孔に合わせたことを特徴とする請求項１０記載のパターン形成用マスク。

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