JP2010080611A - 半導体モジュール及び半導体モジュール製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】樹脂組成物が用いられてなる絶縁層10が上面側に積層された金属シート20と、上面側に半導体素子50が搭載されているヒートスプレッダ30とを有し、該ヒートスプレッダ30の下面に前記絶縁層10を介して前記金属シート20が接着されており、該金属シート20の下面を露出させ且つ上面側に前記半導体素子50及び前記ヒートスプレッダ30を覆う樹脂モールド90が施されている半導体モジュール1であって、ヒートスプレッダ30の下面よりも大面積な金属シート20が用いられ、ヒートスプレッダ30が接着されている箇所における絶縁層の厚みよりもその周囲の絶縁層の厚みの方が薄くなるように前記絶縁層10を形成する。
【選択図】図1
Description
一般的には、ヒートスプレッダと呼ばれる半導体素子からの発熱をすばやく奪い去るための部材が、半導体素子に接触する状態でモジュール内に備えられている。
そして、このヒートスプレッダには、通常、金属製のブロックが用いられ、その内部に半導体素子からの発熱をすばやく拡散し得るように形成されている。
しかし、このヒートスプレッダ自体が高温になると半導体素子から熱を奪い去ることができなくなることから、放熱フィンなどの外部部材を半導体モジュールに取り付けて大気への熱の放散を加勢する方法が広く行われている。
このことから、熱伝導性に優れた無機物粒子が高充填された樹脂組成物によって形成された絶縁層をヒートスプレッダの半導体素子が搭載されている側とは逆側の面に設けて、この絶縁層を通じて外部への放熱を可能にした半導体モジュールが用いられたりしている。
なお、通常、無機物粒子を高充填させた樹脂組成物で形成されたシートは、単体では取り扱いに注意を要するほど脆くなってしまうことから、熱伝導性に優れた金属シートが支持材として用いられたりしており、例えば、特許文献1には、上面側に絶縁層が積層された金属シートと、上面側に半導体素子が搭載されているヒートスプレッダとを有する半導体モジュールが記載されており、このヒートスプレッダの下面に前記絶縁層を介して前記金属シートが接着され、しかも、金属シートの下面を露出させて上面側のヒートスプレッダ及び半導体素子が樹脂モールドされた半導体モジュールが記載されている。
したがって、絶縁層は、ヒートスプレッダのエッジ部に接する箇所から外側にその厚みを減少させており、このエッジ部によって加えられる応力を絶縁層の上面部を外向きの変形させることによって緩和させやすくなっている。
すなわち、ヒートスプレッダに接する箇所の周りにまで同じ厚みで絶縁層が形成されていると、エッジ部が当接される箇所を構成している樹脂組成物が、エッジ部から受ける応力によって外側に流動しようとしても、この外側の絶縁層の存在によって前記流動が阻害されてしまい、結果、局所的に強い応力と、大きな歪を形成させてしまうことになる。
しかも、無機物粒子が高充填されて樹脂組成物の流動性が低い場合には、このような応力の局所集中と歪の発生がより顕著になって、絶縁層に割れを発生させやすくなる。
一方で本発明においては、エッジ部に相当する箇所を構成する樹脂組成物を外向きに流動、あるいは、弾性変形させやすく応力の集中に伴う割れなどの欠陥が抑制されうる。
したがって、無機物粒子を高充填させた樹脂組成物によって絶縁層を形成させても、従来に比べて絶縁層の割れが防止されることとなる。
すなわち、絶縁信頼性の低下を抑制しつつ放熱性の向上を図ることができる。
図1は、本実施形態に係る半導体モジュールの断面を示した図であり、この図1にも示されているように本実施形態の半導体モジュール1は、上面側に絶縁層10が積層された金属シート20と、上面側に半導体素子50が搭載されているヒートスプレッダ30とを有し、該ヒートスプレッダ30の下面に前記絶縁層10を介して前記金属シート20が接着されており、該金属シート20の下面を露出させ且つ上面側に前記半導体素子50及び前記ヒートスプレッダ30を覆う樹脂モールド90が施されている。
前記半導体素子50は、前記ヒートスプレッダ30に比べて小さなものであり、本実施形態においては、ベアチップの状態で、ヒートスプレッダ30に搭載されている。
そして、本実施形態の半導体モジュール1の外殻をなすケース80を貫通して内外に延びるリードフレーム70の端子部に一端部がボンディングされたボンディングワイヤ60の他端部が半導体素子50の上面にボンディングされている。
このリードフレーム70に設けられた他の端子部は、前記半導体素子50の周囲において露出する前記ヒートスプレッダ30の上面に対してハンダ付けされており、本実施形態における半導体モジュール1においては、ボンディングワイヤ60がボンディングされている端子部と対電極を構成している。
すなわち、本実施形態における半導体モジュール1は、このヒートスプレッダ30自体に通電が行われるように形成されている。
そして、該金属シート20は、その上面中央部に前記ヒートスプレッダ30が位置するように前記絶縁層10を介して接着されている。
この第一絶縁層11は、上面視における形状が、ヒートスプレッダ30の下面と略同一とされており、その外縁をヒートスプレッダ30の下面外縁に沿わせた状態でヒートスプレッダ30の下面に接着されている。
また、前記第二絶縁層12は、金属シート20の上面と略同一の上面視形状を有しており、金属シート20の上面略全域を覆う状態で金属シート20に接着されている。
したがって、この第一絶縁層11と第二絶縁層12とによって形成されている絶縁層10は、ヒートスプレッダ30の下面側だけが厚くなるように形成されており、その外側では、第一絶縁層11の厚み分だけ段落ちして厚みが薄くなっている。
すなわち、第一絶縁層11の厚みをt1、第二絶縁層12の厚みをt2とすると、ヒートスプレッダ30の下面側の絶縁層10は(t1+t2)の厚みを有し、その周囲は、t2の厚みしか有していない。
この絶縁層10の上下の面をそれぞれヒートスプレッダ30の下面と金属シート20の上面とにそれぞれ接着させる方法としては、通常、金属シート20の上に第二絶縁層12と第一絶縁層11とをそれぞれ順に積層して二層構造の絶縁層10を形成させた後に、この第一絶縁層11の上面をヒートスプレッダ30の下面に接着させる方法や、あるいは、ヒートスプレッダ30の下面に第一絶縁層11を形成し、金属シート20の上面に第二絶縁層12を形成させた後に、第一絶縁層11の下面と第二絶縁層12の上面とを接着させる方法などが作業性に優れた手軽な方法として好適に採用することができるが、その際には、ヒートスプレッダ30と金属シート20とを近接させる方向に圧力を加えることになるため、特にヒートスプレッダ30の下面における外縁の角部(エッジ部)において絶縁層10を形成する樹脂組成物に過大な応力を発生させることになる。
また、ヒートスプレッダ30のエッジ部には、金属シート20との接着時において応力を集中させやすいのみならず、通電時において電界強度を集中させやすく、この過大な応力によって、クラックなどが生じると大きく絶縁信頼性を低下させてしまうおそれがある。
すなわち、ヒートスプレッダ30のエッジ部が強く当接された際に、第一絶縁層11の外周部分を外側に変形させたり、この外周部分を構成する樹脂組成物を外向きに流動させたりすることが容易になされうるため、ヒートスプレッダ30の周囲の絶縁層を薄肉化させていることがこのエッジ部直下の絶縁層の割れ防止に効果的に作用する。
さらに、樹脂モールド90に、この絶縁層10の形成に用いる樹脂組成物よりも誘電率の高い樹脂を用いるなどすれば、このエッジ部近傍に誘電率の高いモールド樹脂を存在させることによって電界強度を緩和させることができる。
したがって、このような態様とすることで、半導体モジュール1の絶縁信頼性をより一層向上させることができる。
この樹脂としては、熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂を例示でき、この内、熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、エチレン−酢酸ビニル共重合体樹脂などのポリオレフィン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、フェノキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエーテルアミドイミド樹脂、ポリエーテルアミド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂などが挙げられる。
前記熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂などが挙げられる。
また、前記ゴムとしては、天然ゴム、ポリイソプレンゴム、スチレン−ブタジエン共重合体ゴム、ポリブタジエンゴム、エチレン−プロピレン共重合体ゴム、エチレン−プロピレン−ジエン共重合体ゴム、ブタジエン−アクリロニトリル共重合体ゴム、イソブチレン−イソプレン共重合体ゴム、クロロプレンゴム、シリコンゴム、フッソゴム、クロロ・スルホン化ポリエチレン、ポリウレタンゴムなどが挙げられる。
なかでも、絶縁層10の形成に用いるポリマー成分には、優れた接着性を示すと共に耐熱性にも優れていることからエポキシ樹脂を用いることが好適である。
この常温固体のエポキシが好ましいのは、常温液体状のエポキシ樹脂を用いた場合には、金属シート20をヒートスプレッダ30に接着すべく絶縁層10を加熱するなどした際に、エポキシ樹脂の粘度が低下しすぎて、金属シート20の端縁部から外にエポキシ樹脂が大きく滲み出してしまうおそれがあるためである。
このエポキシ樹脂の滲み出しが激しい場合には、例えば、金属シート20の下面側など本来金属シート20が露出しているべき箇所にエポキシ樹脂被膜を形成させ、放熱器との間の熱抵抗を増大させてしまうおそれがある。
絶縁層10を形成する樹脂組成物に適度な流れ性を付与して、これらの問題をより確実に抑制させ得る点において、このエポキシ樹脂としては、エポキシ当量450〜2000g/eqの常温固体のビスフェノールA型エポキシ樹脂と、エポキシ当量160〜220g/eqの多官能の常温固体で87℃から93℃の間に軟化点を有するノボラック型エポキシ樹脂とが(ビスフェノールA型エポキシ樹脂/ノボラック型エポキシ樹脂)=40/60〜60/40となる質量比率で混合されているものを用いることが好ましい。
なお、このエポキシ当量は、JIS K 7236により求めることができる。
この硬化剤としては、特に限定されるものではないが、例えば、ジアミノジフェニルスルホン、ジシアンジアミド、ジアミノジフェニルメタン、トリエチレンテトラミンなどのアミン系硬化剤、フェノールノボラック樹脂、アラルキル型フェノール樹脂、ジシクロペンタジエン変性フェノール樹脂、ナフタレン型フェノール樹脂、ビスフェノール系フェノール樹脂などのフェノール系硬化剤、酸無水物などを用いることができる。
中でも、電気特性における信頼性を確保し易い点において、フェノールノボラック樹脂、ジアミノジフェニルスルホンが好適である。
前記硬化促進剤としては、特に限定されるものではないが、イミダゾール類や、トリフェニルフォスフェイト(TPP)、三フッ化ホウ素モノエチルアミンなどのアミン系硬化促進剤が保存性などにおいて好適である。
しかも、窒化ホウ素の板状の一次粒子が凝集した粒子(凝集粒子)を用いることが好ましい。
この凝集粒子としては、全体顆粒状を呈する状態に形成された凝集粒子(顆粒状粒子)や窒化ホウ素の一次粒子の鱗片状構造が区別できる程度に集合された集合状態を呈する凝集粒子(集合状粒子)などを用いることができる。
なお、この“平均粒径”については、例えば、レーザー回折法での粒度分布測定などを実施してD50値を測定することにより求めることができる。
なお、第一絶縁層11と、第二絶縁層12は、それぞれ、厚みをより薄くすることで、熱伝導性の向上を図ることができるものの、その場合には電気絶縁性を低下させることとなる。
また、第一絶縁層11の厚みを薄くすると、ヒートスプレッダ30のエッジ部によって過大な力が加えられた際における変形性を期待することが難しくなる。
このような点において、少なくとも、第一絶縁層11の厚みは、50μm以上であることが好ましい。
また、先に述べたように、絶縁層10の厚みを厚くすると熱伝導性を低下させることになるため、第一絶縁層11と第二絶縁層12との合計厚みは300μm以下であることが好ましい。
すなわち、第一絶縁層11及び第二絶縁層12は、それぞれ、50〜150μmのいずれかの厚みとされることが好ましい。
本実施形態の半導体モジュール製造方法において、金属シート20に絶縁層10を形成させる方法としては、金属シート20となる銅箔をコイル巻きしたような長尺の帯状シートに絶縁層10を形成するための被膜を形成させた後に、この被膜形成された帯状シートから金属シート20として求められる外形に切り出すことによって第二絶縁層12と金属シート20とが積層された積層体を作製する方法を採用することができる。
そして、例えば、銅箔コイルを連続塗工機に掛けて、このコーティング液を塗工した後に乾燥させて被膜を形成し、この被膜形成された銅箔から、金属シート20としての形状の切出し片を切り出し、第二絶縁層12が積層された金属シート20を形成させることができる。
すなわち、この時点で金属シート20上に第二絶縁層12を形成させる第二絶縁層形成工程が切出し作業による金属シート20の形成と同時に行われることとなる。
すなわち、同じく被膜形成された銅箔から、別途、第一絶縁層11を形成させるための小型の切出し片10xをヒートスプレッダの下面形状に相当する形状で切り出して、先に作製した金属シート20とこの小型切出し片10xとを互いの被膜形成面を面接させ、且つ、前記小型切出し片10xが金属シート20の中央部に位置するように面接させて熱プレスを実施して第二絶縁層12の上面側に第一絶縁層11を形成させる第一絶縁層形成工程を実施する。
なお、樹脂組成物に無機物粒子が高充填されており、乾燥後の被膜中に気泡を存在させるおそれがある場合には、前述の熱プレスの前に、離型処理されたフィルムなどにこの被膜を面接させた状態でそれぞれの切出し片を熱プレスして、予め被膜から気泡を除去する処理を実施することが好ましい。
例えば、図3に示すように半導体モジュールを構成する各部材の配置にそれぞれ位置決め可能に形成され、樹脂モールド装置Pが設けられた金型Zを利用して、前記樹脂モールド装置Pによって加熱溶融したモールド樹脂Mをケース80内に充填させることによって積層体とヒートスプレッダ30との接着ならびに半導体モジュール1の作製を一度に実施することができる。
したがって、絶縁層を構成する樹脂組成物に、窒化ホウ素粒子を50体積%以上高充填した熱伝導性に優れたエポキシ樹脂組成物などを採用したとしても、この絶縁層に割れなどが生じることが抑制され、絶縁信頼性が確保される。
この第二の製造方法においては、絶縁層の形成のために樹脂組成物で銅箔上に被膜を形成し、この被膜形成された銅箔から、金属シート20としての形状の切出し片を作製工程(第二絶縁層形成工程)と、ヒートスプレッダの下面形状に相当する小型の切出し片10xとを切り出す工程とを実施する点においては、上記第一の製造方法と同じである。
そして、この第二の製造方法においては、前記小型切出し片の被膜表面をヒートスプレッダ30の下面に面接させて熱プレスを実施した後に、銅箔を除去することで、第一絶縁層11となる被膜をヒートスプレッダ30の下面に予め形成する工程(第一絶縁層形成工程)を実施した後に、第二絶縁層12のみが形成されている金属シート20(切出し片)と接着させる接着工程を実施する点において第一の製造方法と相違している。
すなわち、第一の製造方法においては、ヒートスプレッダ30に接する箇所よりもその周囲の方が厚みが薄くなるように絶縁層10が形成されていることによってヒートスプレッダ30のエッジ部によって加えられる応力を緩和させやすくなっているものの一旦絶縁層10が割れ始めると、厚み方向に貫通する割れに発展させるおそれを有している。
すなわち、この第二製造方法は、半導体モジュールの絶縁信頼性の低下を抑制しつつ放熱性の向上を図ることができる優れた製造方法であるといえる。
また、金属シートを銅箔に限定するものでもなく、アルミニウム板など種々の金属シートを上記銅箔に代えて採用することができる。
さらには、従来半導体モジュールにおいて公知の技術事項を本発明の効果が著しく損なわれない限りにおいて適宜採用することができる。
10 絶縁層
11 第一絶縁層
12 第二絶縁層
20 金属シート
30 ヒートスプレッダ
40 ハンダ
50 半導体素子
60 ボンディングワイヤ
70 リードフレーム
80 ケース
90 樹脂モールド
M モールド樹脂
P 樹脂モールド装置
Z 金型
Claims (5)
- 樹脂組成物が用いられてなる絶縁層が上面側に積層された金属シートと、上面側に半導体素子が搭載されているヒートスプレッダとを有し、該ヒートスプレッダの下面に前記絶縁層を介して前記金属シートが接着されており、該金属シートの下面を露出させ且つ上面側に前記半導体素子及び前記ヒートスプレッダを覆う樹脂モールドが施されている半導体モジュールであって、
ヒートスプレッダの下面よりも大面積な金属シートが用いられ、該金属シートの上面中央部に前記ヒートスプレッダが位置するようにヒートスプレッダと金属シートとが前記絶縁層を介して接着されており、しかも、ヒートスプレッダが接着されている箇所における絶縁層の厚みよりもその周囲の絶縁層の厚みの方が薄くなるように前記絶縁層が形成されていることを特徴とする半導体モジュール。 - 前記絶縁層が、ヒートスプレッダの下面に接する第一絶縁層と、前記金属シートの上面に接する第二絶縁層とが積層された積層構造を有し、しかも、前記第一絶縁層がヒートスプレッダの下面に相当する形状を有し、前記第二絶縁層が金属シートの上面に相当する形状を有している請求項1記載の半導体モジュール。
- 前記絶縁層を形成している樹脂組成物よりも誘電率の高い樹脂組成物が前記樹脂モールドに用いられている請求項1又は2に記載の半導体モジュール。
- 樹脂組成物が用いられてなる絶縁層が上面側に積層された金属シートと、上面側に半導体素子が搭載されているヒートスプレッダとを有し、該ヒートスプレッダの下面に前記絶縁層を介して前記金属シートが接着されており、該金属シートの下面を露出させ且つ上面側に前記半導体素子及び前記ヒートスプレッダを覆う樹脂モールドが施されている半導体モジュールを作製する半導体モジュール製造方法であって、
ヒートスプレッダの下面よりも大面積な金属シートを用い、該金属シートの上面中央部に前記ヒートスプレッダを位置させてヒートスプレッダと金属シートとを前記絶縁層で接着させ、しかも、ヒートスプレッダと接する箇所よりもその周囲の方が厚みが薄くなるように絶縁層を形成させてヒートスプレッダと金属シートとを接着させることを特徴とする半導体モジュール製造方法。 - 前記ヒートスプレッダの下面に、該下面に相当する形状の第一絶縁層を形成させる第一絶縁層形成工程と、前記金属シートの上面に第二絶縁層を形成させる第二絶縁層形成工程とを実施した後に、この第一絶縁層と第二絶縁層とを積層させることによりヒートスプレッダと金属シートとを接着させる接着工程を実施する請求項4記載の半導体モジュール製造方法。
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