JP2011249465A - 半導体モジュールの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱性に優れた半導体モジュールの製造方法を提供する。
【解決手段】熱硬化性樹脂組成物で形成された絶縁シート１０を用い、該絶縁シート１０が未硬化な状態でその一面側に前記ヒートスプレッダ３０を熱接着させるとともに他面側に前記ヒートシンク２０を熱接着させ、該熱接着された前記絶縁シート１０を熱硬化させる半導体モジュール１の製造方法であって、前記絶縁シート１０として、前記一面側と前記他面側とが異なる熱硬化性樹脂組成物で形成され、しかも、前記一面側よりも熱硬化反応の反応速度が速い熱硬化性樹脂組成物で前記他面側が形成され、該絶縁シート１０の前記他面側を前記ヒートシンク２０に熱接着させた後に前記一面側を前記ヒートスプレッダ３０に熱接着させることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、上面側に半導体素子が搭載され該半導体素子が発する熱が伝達されるヒートスプレッダと、該ヒートスプレッダの下面側に絶縁シートを介してヒートシンクが接着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の製造方法に関する。

従来、半導体素子が樹脂でモールドされるなどしてパッケージングされた半導体モジュールが広く用いられており、該半導体モジュールにおいては、通常、この半導体素子が通電時において発熱を伴うことからジャンクション温度が一定以上に上昇することなどを防止すべく各種の放熱手段が講じられている。
このような手段として、一般的には、半導体素子からの発熱をすばやく奪い去るためのヒートスプレッダと呼ばれる部材を設け、その上面側に前記半導体素子を搭載させてモジュール内に配する方法が知られている。
なお、このヒートスプレッダには、通常、すばやい熱拡散性と十分な熱容量とが求められることから金属ブロックのような部材が採用されている。
しかし、ヒートスプレッダの温度が上がるにつれて半導体素子からの熱を奪うスピードが減少し半導体素子に温度上昇をもたらすおそれを有する。
このようなことから、従来の半導体モジュールなどにおいては、半導体モジュールの外表面に露出する面を有し、該露出面から内部の熱をモジュール外に放出させるためのヒートシンクと呼ばれる部材がヒートスプレッダの下面側に備えられたりしている。
このヒートシンクは、広い放熱面積を確保する必要があることから、通常、ヒートスプレッダよりも大きな金属板等で形成されており、多くの場合、半導体モジュールの下面全面にわたる大きさの金属板で形成されている。

このような半導体モジュールにおける放熱性の向上にはヒートスプレッダとヒートシンクとの間の熱抵抗値を低減させることが有利になるが、一方で、このヒートスプレッダとヒートシンクとの間には安全性のために絶縁性を確保することが求められる。
このようなことから、無機物粒子（無機フィラー）が配合されて熱伝導性の向上が図られた熱硬化性樹脂組成物が用いられてなる絶縁シートをヒートスプレッダとヒートシンクとの間に介挿させ、該絶縁シートでヒートスプレッダとヒートシンクとを接着させることが行われている。

例えば、特許文献１には、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂組成物からなる絶縁樹脂層と金属層とを備えた金属層付絶縁シートを用いて前記金属層の下面を露出させた半導体モジュールを作製する方法が記載されており、ヒートスプレッダの下面に前記金属層付絶縁シートを加熱状態で当接させて前記絶縁樹脂層を前記ヒートスプレッダに熱接着させることが記載されている。
なお、この特許文献１の金属層は、銅箔などの金属箔で形成され熱容量が十分に確保されていないことからヒートシンクとしての機能が十分ではなく、この種の半導体モジュールには、前記金属層の表面（下面）に放熱グリスなどを介して別途放熱フィンなどの放熱器が取り付けられて用いられる。

しかし、前記放熱グリスは、金属などに比べて熱伝導率が低いことから前記金属シート層と前記放熱器との間には熱抵抗の高い層が形成されてしまうことになり、特許文献１記載の半導体モジュールでは、十分な放熱性を確保させることが難しい。

特開２００４−１６５２８１号公報

上記のような問題に対して、例えば、金属層などが設けられていない、熱硬化性樹脂組成物だけで構成された単なる絶縁シートを利用し、その一面側をヒートスプレッダに熱接着させるとともに他面側を十分な熱容量を有するヒートシンクに熱接着させるようにして半導体モジュールを作製することで、この半導体モジュールに優れた放熱性を発揮させることが考えられる。
しかし、絶縁シートは、優れた熱伝導性を発揮させるために無機フィラーが高充填されており、割れやすいために金属層などを設けずに単独で使用することが一般的には難しい。
したがって、ヒートシンクとヒートスプレッダに絶縁シートの表裏を熱接着させる場合においては、これらに同時に熱接着させることが難しく、セパレータフィルムなどの基材に絶縁シートを担持させた状態でヒートシンクかヒートスプレッダいずれか一方に接着させた後に、前記セパレータフィルムを剥離して他方に熱接着させる方法を採用することが絶縁信頼性を確保する上で好ましい。

また、ヒートスプレッダとヒートシンクとの間に絶縁シートを介装させる場合には、沿面距離の関係から、ヒートスプレッダの下面よりも広範囲な面積にわたってヒートシンクが絶縁シートによって覆われていることが好ましい。
そのため、ヒートスプレッダに絶縁シートを先に接着させると該ヒートスプレッダから絶縁シートがはみ出した状態となって、割れを防止するために慎重な取り扱いが必要になるため、ヒートシンクの側に先に絶縁シートを接着させる方が好ましい。
ここで、ヒートシンクと絶縁シートとの接着界面における熱抵抗を低減させるために、例えば、高い温度条件を採用するなどして、より強固な熱接着を実施させようとすると絶縁シートの熱硬化が進行してしまい、その後接着されるヒートスプレッダとの間の接着力を低下させるおそれを有する。
すなわち、ヒートスプレッダとヒートシンクとの両方に良好なる接着状態を形成させることが難しく、優れた放熱性を付与させることが困難となる。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、放熱性に優れた半導体モジュールを作製し得る半導体モジュールの製造方法を提供することを課題としている。

本発明は、前記課題を解決すべく、上面側に半導体素子が搭載され該半導体素子が発する熱が伝達されるヒートスプレッダの下面側に絶縁シートを介して前記熱をモジュール外に放熱させるためのヒートシンクが接着されている半導体モジュールを作製すべく、熱硬化性樹脂組成物で形成された絶縁シートを用い、該絶縁シートが未硬化な状態でその一面側に前記ヒートスプレッダを熱接着させるとともに他面側に前記ヒートシンクを熱接着させ、該熱接着された前記絶縁シートを熱硬化させる半導体モジュールの製造方法であって、前記絶縁シートとして、前記一面側と前記他面側とが異なる熱硬化性樹脂組成物で形成され、しかも、前記一面側よりも熱硬化反応の反応速度が速い熱硬化性樹脂組成物で前記他面側が形成された絶縁シートを用い、該絶縁シートの前記他面側を前記ヒートシンクに熱接着させた後に前記一面側を前記ヒートスプレッダに熱接着させることを特徴とする半導体モジュールの製造方法を提供する。

本発明の半導体モジュールの製造方法においては、ヒートスプレッダに熱接着される絶縁シートの一面側よりも反応速度が速い熱硬化性樹脂組成物で、ヒートシンクに熱接着される他面側が形成されている。
したがって、絶縁シートとヒートシンクとの熱接着を行った後に、ヒートスプレッダに熱接着させる側に過度な熱硬化反応が生じてヒートスプレッダとの接着性に問題を生じさせるおそれを低減しうる。
すなわち、本発明によれば放熱性に優れた半導体モジュールを作製し得る半導体モジュールの製造方法を提供しうる。

半導体モジュールの構造を示す断面図。 一実施形態に係る半導体モジュールの製造方法に使用する絶縁シートの断面図。 比較例１、２の方法で得られた半導体モジュールの断面図。

以下に、本発明の好ましい実施の形態について説明する。
まず、本発明の製造方法によって製造される半導体モジュールについて一例を挙げて説明する。
図１は、本実施形態の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、扁平な直方体形状を有しており、当該半導体モジュール１の側壁部を構成する角筒状のケーシング８０の内側には、半導体素子５０がモールド樹脂９０によってモールドされた状態で収容されている。
該半導体素子５０は、その発する熱を除去させるべく、扁平直方体形状を有する角型の金属製ブロックからなるヒートスプレッダ３０の上面にハンダ４０によって接合されており、その上面にはリードフレーム７０の端子部に一端部が接合されたボンディングワイヤ６０の他端部が接合されている。
また、前記ヒートスプレッダ３０には、他のリードフレーム７０が接合されており、該ヒートスプレッダ３０は、当該半導体モジュール１の動作時において前記半導体素子５０の熱を奪う役割を担っているばかりでなく電気が流れる電路としての機能も果たしている。

本実施形態に係る半導体モジュール１には、前記ヒートスプレッダ３０に伝達された半導体素子５０の熱をこの半導体モジュール１から除去させるための金属板からなるヒートシンク２０が備えられており、該ヒートシンク２０は、その一面側を半導体モジュール１の下面において露出させた状態で備えられている。
また、前記ヒートシンク２０は、半導体モジュール１の下面の略全域において露出されており、この露出させた露出面２１を半導体モジュール１から系外に熱を放熱するための放熱面として機能させるものである。

また、該ヒートシンク２０は、前記露出面２１とは反対側の面を、絶縁シート１０を介して前記ヒートスプレッダ３０の下面に接着させている。
この絶縁シート１０は、無機フィラーを含む熱硬化性樹脂組成物で形成されており、本実施形態においては、その断面図である図２にも示されているように厚み方向に２層の積層構造が形成され、該２層はそれぞれ異なる熱硬化性樹脂組成物で構成されている
なお、図１には詳細を図示していないが、本実施形態においては、絶縁シート１０が、その一面側を構成している層１１（以下「第一層１１」ともいう）を前記ヒートスプレッダ３０に熱接着させ、他面側を構成している層１２（以下「第二層１２」ともいう）を前記ヒートシンク２０に熱接着させて用いられている。
すなわち、本実施形態に係る半導体モジュール１は、半導体素子５０が発した熱が、ヒートスプレッダ３０から絶縁シート１０を通じて前記ヒートシンク２０にすばやく伝達されて、前記露出面２１から系外に放出されうるように形成されている。
しかも、本実施形態に係る半導体モジュール１は、前記ヒートスプレッダ３０と前記ヒートシンク２０との間が前記絶縁シート１０によって絶縁されているために前記ヒートスプレッダ３０に通電がされた場合において前記露出面２１に人が触れても感電することがないように形成されている。

なお、前記絶縁層シート１０は、前記ヒートシンク２０の上面を全て覆っているわけではなく、ヒートシンク２０よりも一回り小さく形成されている。
そして、前記ヒートスプレッダ３０は、絶縁シート１０よりもさらに小さく形成されており、その下面、すなわち、絶縁シート１０との接着面が当該絶縁シート１０よりも小さくなるように形成されている。
したがって、この絶縁シート１０は、ヒートスプレッダ３０の接着面よりも外側に延出した状態でヒートシンク２０の上面に接着されており、この絶縁シート１０が延出している長さの分だけ、ヒートスプレッダ３０からヒートシンク２０までの沿面距離が確保され絶縁性が確保されている。

この半導体モジュール１においては、前記絶縁シート１０を形成している樹脂組成物の熱伝導率が高いほどヒートスプレッダ３０からヒートシンク２０への熱の伝導性が良好になる。
また、前記絶縁シート１０の厚みが薄いほどヒートスプレッダ３０からヒートシンク２０への熱の伝導性が良好となる。
さらには、ヒートスプレッダ３０と絶縁シート１０との接着面Ａ１や絶縁シート１０とヒートシンク２０との接着面Ａ２においてより良好なる接着がなされていることによって界面の接触熱抵抗が低減できて、ヒートスプレッダ３０からヒートシンク２０への熱の伝導性が良好となる。

上記第一層１１及び第二層１２を形成させるための樹脂組成物としては、通常、無機フィラーを高い含有率で含む熱硬化性樹脂組成物が用いられる。
前記熱硬化性樹脂組成物のベースポリマーとしては、高い絶縁信頼性や優れた耐熱性を有すること、さらに、ヒートシンク２０やヒートスプレッダ３０といった金属体に対する優れた接着力を示すことからエポキシ樹脂を用いることが好適である。
しかも、常温固体のエポキシ樹脂が好ましい。
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主として用いた場合には、ヒートシンク２０やヒートスプレッダ３０と接着すべく絶縁層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、接着後の厚みが薄くなって、絶縁性が低下してしまうおそれがあるためである。

一方で、被着体（ヒートシンク２０、ヒートスプレッダ３０）への接着時にある程度の粘度低下が生じないと被着体と接着面Ａ１，Ａ２との間に空隙などが生じやすくヒートスプレッダ３０側からヒートシンク２０側への熱伝導性を低下させるおそれもある。
絶縁シート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。

このように、ポリマー成分としてエポキシ樹脂が樹脂組成物に含まれる場合においては、通常、エポキシ樹脂の硬化剤、硬化促進剤が樹脂組成物に含有される。
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。

前記無機フィラーには熱伝導性に優れている点において窒化ホウ素粒子が好適に採用されうる。
しかも、窒化ホウ素の板状の一次粒子が焼結材などによって複数凝集された形状を有する粒子（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、前記熱硬化性樹脂組成物には、形成させる絶縁シート１０の厚みなどにもよるが、通常、１０〜１００μｍの平均粒径を有する凝集粒子を含有させ得る。
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。

また、前記無機フィラーとしては、このような窒化ホウ素以外の物質（例えば、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化ガリウム、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、二酸化ケイ素、ダイヤモンド等）で形成された無機物粒子も含有させ得る。

なお、絶縁シート１０を形成させる熱硬化性樹脂組成物に占める無機フィラーの含有量としては、当該絶縁シート１０に優れた熱伝導率を付与し得る点において５０体積％以上であることが好ましく、５５体積％以上であることがより好ましい。

また、ここでは詳述しないが、この絶縁シート１０を形成させる熱硬化性樹脂組成物には、上記のようなエポキシ樹脂成分以外のポリマーや、分散剤、粘着性付与剤、老化防止剤、酸化防止剤、加工助剤、安定剤、消泡剤、難燃剤、増粘剤、顔料などといったゴム、プラスチック配合薬品として一般に用いられるものを適宜加えることができる。

ここで、前記ヒートスプレッダ３０に熱接着される第一層１１を構成している熱硬化性樹脂組成物は、前記ヒートシンク２０に熱接着される第二層１２を構成している熱硬化性樹脂組成物よりも熱硬化反応における反応性が低い（第二層１２の方が第一層１１よりも反応速度が速い）ことがヒートスプレッダ３０からヒートシンク２０にかけての熱抵抗の低減を図る上で重要な要素となる。

このような反応性の違いを絶縁シート１０に付与する具体的な方法としては、例えば、前記エポキシ樹脂の種類や、硬化剤、硬化促進剤の種類や量を変更する方法が挙げられる。
一般に、クレゾールノボラック型のような多官能なエポキシ樹脂は、ビスフェノール型のエポキシ樹脂に比べて硬化反応速度が速いため、先のようにビスフェノール型のエポキシ樹脂とクレゾールノボラック型のエポキシ樹脂とをブレンドして利用する場合にはそのブレンド比を変更することで第一層１１と第二層１２との硬化反応速度に違いを持たせることができる。
ただし、配合調整を容易にさせ得る点においては、エポキシ樹脂の配合自体は、第一層１１と第二層１２とで変更せずに硬化剤や硬化促進剤の量による反応速度の調整を図ることが好ましい。

なお、後述するように、第二層１２とヒートシンク２０との熱接着は、熱プレスのような比較的簡便な方法によって実施可能ではあるが、第一層１１とヒートスプレッダ３０との熱接着においては、高い圧力を加えるとヒートスプレッダの下面のエッジ部３０ｅに応力を集中させてしまい絶縁シート１０にクラックを発生させるおそれを有する。
また、工程によっては、既に半導体素子５０が半田付けされたヒートスプレッダ３０を第一層１１に熱接着させる必要が生じ、圧力を付加し難い状況となる場合がある。
そのような場合においては、第一層１１の形成材料として、常温で液状のエポキシ樹脂や、ゴム変性された柔軟なエポキシ樹を積極的に採用して前記第一層１１とヒートスプレッダ３０との接着性の改善を図ることが好ましい。

なお、硬化反応速度の確認方法としては、動的粘弾性測定装置を用いた一定温度条件下における粘度変化の測定によって確認することができ、例えば、第一層１１や第二層１２を構成する熱硬化性樹脂組成物で作製した１００〜２００μｍの厚みのシート状試料に加熱条件下（例えば、１００〜２００℃の範囲内のいずれかの温度）における１Ｈｚの振動数での“ねじりモード”による粘度測定を行い、粘度が最も低下した時点から、粘度変化がなくなる時点までの硬化時間をもって硬化反応速度を判定することができる。

なお、この絶縁シート１０は、第二層１２をヒートシンク２０に熱接着させた後に、第一層１１をヒートスプレッダ３０に熱接着させるべく用いられる。
したがって、絶縁シート１０とヒートシンク２０、及び、絶縁シート１０とヒートスプレッダ３０の両方に優れた接着性を付与し、ヒートスプレッダ３０からヒートシンク２０にかけての熱抵抗の低減を図る上において、第一層１１を構成する熱硬化性樹脂組成物と第二層１２を構成する熱硬化性樹脂組成物との硬化反応速度の違いについては、前記第一層１１を構成する熱硬化性樹脂組成物の前記硬化時間が１０〜２０分となる温度において、第二層１２を構成する熱硬化性樹脂組成物の硬化時間が５分以下（通常、１分以上）となるように設定することが好ましい。

なお、この絶縁シート１０は、一般的な半導体モジュールにおいては、通常、１×１０¹³Ω・ｃｍ以上の体積抵抗率を有する状態に形成され、５０〜２００μｍの厚みとなるように形成される。
その場合、第一層１１と第二層１２との厚みの比率は特に限定されるものではなく、通常、１：９〜９：１程度の範囲の内のいずれかの比率とされる。
また、本実施形態においては、２層構造の絶縁シート１０を例示しているが、前記第一層１１と前記第二層１２の間に、新たなる層を有する３層構造以上のものであっても本実施形態の半導体モジュール製造方法に採用が可能である。

なお、ヒートシンク２０を形成させるための金属板や、ヒートスプレッダ３０を形成させるための金属製角型ブロックについては、特に限定されず、従来、同種の目的に用いられているものを用いることができ、アルミニウム製、銅製のものなどが用いられ得る。

次いで、上記のような半導体モジュール１を作製する方法について説明する。
本実施形態に係る半導体モジュールの製造方法においては、
ａ）前記第一層１１と前記第二層１２とを有する絶縁シートを作製する絶縁シート作製工程
ｂ）前記第二層１２をヒートシンク２０の所定位置に熱接着させる第一熱接着工程
ｃ）前記第一熱接着工程においてヒートシンク２０に接着された絶縁シート１０に、さらにヒートスプレッダ３０を熱接着させる第二熱接着工程
を実施する。

この各工程は、例えば、以下のようにして実施することが可能である。
（ａ：絶縁シート作製工程）
本実施形態に係る前記絶縁シート作製工程においては、まず、第一層１１を形成させるための熱硬化性樹脂組成物を調整し、適当な溶媒を利用して塗工液を作製する。
例えば、エポキシ樹脂をベースにする場合であれば、該エポキシ樹脂を可溶な有機溶媒に前記エポキシ樹脂や無機フィラーといった配合材料を分散させた塗工液（以下「ワニス」ともいう）を調整する。
金属箔や樹脂フィルムなどの基材となるものをロール状に巻き取った基材ロールを塗工機にセットして該塗工機に前記ワニスを供給して前記基材上に連続的に塗膜を形成させ、これを乾燥炉に導入していわゆるＢステージ状態と呼ばれる完全に硬化がされていない未硬化な乾燥状態となるようにして前記基材上に第一層１１を形成させる。
次いで、第二層１２を形成させるための熱硬化性樹脂組成物を調整し、第一層１１と同様にワニスを作製する。
そして、第一層１１の形成されたロールを改めて塗工機にセットするとともに前記第二層１２を形成するためのワニスを当該塗工機に供給して第一層１１と同様に塗工乾燥を行って基材に担持された絶縁シート１０を形成させる。

または、上記のような方法に代えて、第一層１１を上記のごとく基材上に形成させるとともに別の基材上に前記第一層１１と同様にして第二層１２を形成させ、その後、この第一層１１と第二層１２とを直接貼り合せて絶縁シート１０を作製する方法を採用することもできる。
この場合、第一層１１と第二層１２とを貼り合せる方法としては、例えば、熱プレスによって貼り合せる方法や２本の加熱用ローラーの間を通過させて貼り合せる方法など加熱、加圧することによって一体化させる方法が挙げられる。

この絶縁シート１０は、例えば、前記基材ごと打ち抜き加工するなどして所定の大きさに加工して前記第一熱接着工程に供することができる。

（ｂ：第一熱接着工程）
上記絶縁シート作製工程では、第一層１１が基材によって被覆された状態となり、第二層１２を露出させた状態で打ち抜きシートなどの形態で絶縁シートが作製される。
そして、この第一熱接着工程においては、前記ヒートシンク２０を構成する金属板などの表面にこの露出している第二層１２を面接させて、熱プレスなどによって熱接着を実施する。
その後、ヒートシンク２０に第二層１２の表面を熱接着させた絶縁シートから前記基材を剥離して除去し、第一層１１を露出させ、続く第二熱接着工程に供給する。

（ｃ：第二熱接着工程）
該第二熱接着工程においては、前記第一熱接着工程においてヒートシンク２０に熱接着された絶縁シート１０にさらにヒートスプレッダ３０の下面を熱接着させる。
この熱接着方法は、一般的な熱プレスやオートクレーブのような加熱条件下で加圧することができる装置を用いて実施させることができる。
なお、図１に例示のごとく樹脂モールドが施されている半導体モジュール１を作製する場合であれば、この樹脂モールドにおける熱と圧力とをこの絶縁シート１０とヒートスプレッダ３０との熱接着に利用することが好ましい。

例えば、注型金型内に絶縁シートが接着されている面を上側にしてヒートシンク２０を配置し、半導体素子５０が半田付けされたヒートスプレッダ３０を前記ヒートシンク２０において絶縁シートが接着されている領域の略中央部に載置して、ケーシング８０を被せ、該ケーシング８０の内側に熱溶融させたモールド用の樹脂組成物を圧入し、半導体素子５０を搭載したヒートスプレッダ３０を前記樹脂組成物でモールドするとともに、前記絶縁シート１０の第一層１１とヒートスプレッダ３０の下面とを熱接着させる方法を採用することができる。
このような方法を採用することで、半導体モジュールの製造における工程を簡略化させうるとともに半導体モジュールの製造に必要なエネルギー量を削減させ得る。

本実施形態に係る半導体モジュールの製造方法においては、ヒートスプレッダ３０に接着させる面とヒートシンク２０に接着させる面とが異なる熱硬化性樹脂組成物で形成された絶縁シートを利用し、前記ヒートスプレッダ３０に接着させる一面側よりも熱硬化反応の反応速度が速い熱硬化性樹脂組成物で前記ヒートシンク２０に接着させる他面側を構成させた絶縁シートを利用している。
したがって、第一熱接着工程において、ヒートシンク２０との間に十分強固な熱接着をさせた後も、第一層１１を構成している熱硬化性樹脂組成物が硬化反応性を残存させており、第二熱接着工程における熱接着において過度な硬化反応の進行による接着力不足が生じるおそれを抑制させ得る。

例えば、絶縁シート１０の第一層１１において、ヒートスプレッダ３０との熱接着前に硬化反応をある程度以上進行させてしまうと、ヒートスプレッダ３０との熱接着時において、表面が軟化せずにタック性が発現せず絶縁シート１０とヒートスプレッダ３０との界面Ａ１における密着性を低下させるおそれを有する。
一方で、この第一層１１を構成している熱硬化性樹脂組成物に十分な反応性を残存させるべく絶縁シート１０とヒートシンク２０との熱接着における温度を低下させるようなことをすると、今度は、このヒートシンク２０と絶縁シート１０との界面Ａ２における密着性を低下させるおそれを有する。

そのようなことが生じると、この界面における熱抵抗を増大させてしまい、半導体素子５０が発生させた熱がヒートシンク２０を通じて系外に放出されるまでの熱抵抗が十分低減されず放熱性に劣るものとなってしまうおそれを有する。
しかし、本実施形態においては、第一層１１の側に反応速度の遅い熱硬化性樹脂組成物が用いられていることから、ヒートシンク２０やヒートスプレッダ３０との間に十分な密着性を確保させることが容易に実施できる。
すなわち、本実施形態においては、放熱性に優れた半導体モジュールを簡便に作製し得る。

なお、このような強固な接着をヒートシンク２０やヒートスプレッダ３０との間に形成させた後においても、絶縁シート１０が未硬化で、完全に熱硬化反応がなされていないようであれば、必要に応じて、当該半導体モジュールを熱風循環式オーブンなどに所定時間収容させてこの絶縁シート１０のポストキュアを実施させる工程を設けてもよい。

なお、本実施形態においては、本発明の半導体モジュールの製造方法や、当該製造方法によって作製される半導体モジュールを上記のように例示しているが、本発明は、半導体モジュールやその製造方法に関して上記例示に限定されるものではない。
例えば、本実施形態においては、板状のヒートシンクを例示しているが、下面（露出面）側にフィンやピンが立設されて空冷性能を向上させたようなヒートシンクを採用する場合も本発明が意図する範囲のものである。

（製造方法１：比較例１）
無機フィラー（窒化ホウ素）を５０体積％含有する熱硬化性樹脂組成物（エポキシ樹脂組成物）を有機溶媒に分散させてワニスを形成し、これを厚み１０５μｍの銅箔に塗布・乾燥して金属層付絶縁シート（絶縁層の厚み２００μｍ）を作製した。
上面側に半導体素子を搭載したヒートスプレッダの下面にこの金属層付絶縁シートを仮接着させ、ケーシングをセットし、このケーシング中に熱溶融されたモールド樹脂を射出成形することによって、その熱と圧力とで前記金属層付絶縁シートとヒートスプレッダとの本接着を行った。
その後、これを加熱して前記エポキシ樹脂組成物のポストキュアを実施し、図３（ａ）に示すような構造を有する半導体モジュールを作製し、下面に露出している銅箔の表面に放熱グリスを塗布して別途ヒートシンクを取り付けた。
このとき「半導体素子」から「ヒートシンク」までの熱抵抗値を測定したところ１．０℃／Ｗであった。
また、リードフレームとヒートシンクとの間の耐電圧試験を実施したところ、絶縁破壊電圧は、１０ｋＶであった。

（製造方法２：比較例２）
金属層付絶縁シートの仮接着されていないヒートスプレッダをケーシング中にセットして該ヒートスプレッダの下面を露出させる形でモールド樹脂の射出成形を行った後、このヒートスプレッダの露出面に比較例１と同じ金属層付絶縁シートを加熱加圧して熱接着させた。
その後、製造例１と同様にポストキュアして図３（ｂ）に示すような半導体モジュールを作製した。
この半導体モジュールの下面に露出している銅箔に放熱グリスを塗布して別途ヒートシンクを取り付け比較例１と同様に熱抵抗を測定するとともに絶縁破壊電圧を測定したところ、それぞれ１．２℃／Ｗと１０ｋＶとの値が得られた。

（製造方法３：比較例３）
前記金属層付絶縁シートの作製において用いたものと同じ熱硬化性樹脂組成物を含んだワニスを使用して、前記金属層付絶縁シートの絶縁層厚みと同等の厚みとなるように絶縁シートを形成させた。
この絶縁シートを、上記製造方法１で別途用いたヒートシンクに、該絶縁シートが完全に硬化してしまわないように比較的短時間の内に熱接着させ、半導体素子の搭載されたヒートスプレッダをその上に載せて、上記製造方法１と同様にモールド樹脂による、加熱、加圧を実施してヒートスプレッダの下面を絶縁シートに熱接着させた。
その後、これまでと同様にポストキュアして、図１に示されるような半導体モジュールを作製した（ただし、単一の熱硬化性樹脂組成物で絶縁シートが形成されている点については図１と相違している）。
得られた半導体モジュールを比較例１と同様に熱抵抗を測定するとともに絶縁破壊電圧を測定したところ、それぞれ３．０℃／Ｗと２ｋＶとの値が得られた。
この結果について、比較例３の製造方法にて得られた半導体モジュールを観察したところ、ヒートシンクと絶縁シートとの界面の一部において剥離が生じており、空気層が形成されていることが判明した。

（製造方法４：実施例１）
前記製造例３（比較例３）の絶縁シートと同じワニスを基材にコーティングした後、乾燥させ、前記基材上に約１００μｍの絶縁層（第一層）を形成させた。
この絶縁層の硬化反応時間が約１時間となる温度条件における硬化反応時間が約１５分となるように硬化剤と硬化促進剤とを増量した熱硬化性樹脂組成物をワニス化して、当該ワニスを前記絶縁層（第一層）の上にコーティングした後、乾燥させ、さらに約１００μｍの絶縁層（第二層）を形成させた（合計約２００μｍ）。
この絶縁シートの第二層をヒートシンクに熱プレスして接着させた後、基材を除去した。
その後、第一層側とヒートスプレッダとの熱接着等は、製造例３と同様にして図１に示されるような構造を有する半導体モジュールを作製した。
この実施例１で得られた半導体モジュールについて、これまでと同様に熱抵抗を測定するとともに絶縁破壊電圧を測定したところ、それぞれ０．５℃／Ｗと１０ｋＶとの値が得られた。
このことからも本発明によれば放熱性に優れた半導体モジュールが得られることがわかる。

１：半導体モジュール、１０：絶縁シート、１１：第一層、１２：第二層、２０：ヒートシンク、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：ケーシング、９０：モールド樹脂

Claims (2)

1. 上面側に半導体素子が搭載され該半導体素子が発する熱が伝達されるヒートスプレッダの下面側に絶縁シートを介して前記熱をモジュール外に放熱させるためのヒートシンクが接着されている半導体モジュールを作製すべく、熱硬化性樹脂組成物で形成された絶縁シートを用い、該絶縁シートが未硬化な状態でその一面側に前記ヒートスプレッダを熱接着させるとともに他面側に前記ヒートシンクを熱接着させ、該熱接着された前記絶縁シートを熱硬化させる半導体モジュールの製造方法であって、
   前記絶縁シートとして、前記一面側と前記他面側とが異なる熱硬化性樹脂組成物で形成され、しかも、前記一面側よりも熱硬化反応の反応速度が速い熱硬化性樹脂組成物で前記他面側が形成された絶縁シートを用い、該絶縁シートの前記他面側を前記ヒートシンクに熱接着させた後に前記一面側を前記ヒートスプレッダに熱接着させることを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
2. 前記半導体素子を搭載したヒートスプレッダを熱溶融させた樹脂組成物でモールドする工程を有し、該モールド時にヒートスプレッダと絶縁シートとの前記熱接着を実施する請求項１記載の半導体モジュールの製造方法。

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