JP2014033092A - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】半導体素子からの放熱を促進することができる半導体装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】半導体装置は、半導体素子1と、基板2と、金属板3と、複数の球状粒子4とを備えている。基板2は半導体素子1が実装されている。金属板3は互いに対向する一方面3aと他方面3bとを有し、一方面3aに基板2が設けられている。複数の球状粒子4は、球状の外形を有し、かつ金属板3の他方面3bに球状の外形の一部が埋没している。
【選択図】図1
【解決手段】半導体装置は、半導体素子1と、基板2と、金属板3と、複数の球状粒子4とを備えている。基板2は半導体素子1が実装されている。金属板3は互いに対向する一方面3aと他方面3bとを有し、一方面3aに基板2が設けられている。複数の球状粒子4は、球状の外形を有し、かつ金属板3の他方面3bに球状の外形の一部が埋没している。
【選択図】図1
Description
本発明は、半導体装置および半導体装置の製造方法に関するものである。
半導体装置においては、半導体素子等の発熱体からの放熱を促進するためにヒートシンク等の放熱機器が用いられている。半導体素子等の発熱体からの放熱を促進するために半導体素子等の発熱体の熱をヒートシンクに効率良く伝える構造が提案されている。
たとえば、特開2006−134989号公報(特許文献1)には、電子機器とヒートシンクとの間の熱抵抗を低減可能な構造が開示されている。この構造では、電子機器のヒートシンクに取り付けられる側の取付板の底面に圧接によって変形する突出物が配列されている。
また、たとえば、特開2005−236266号公報(特許文献2)および特開2005−236276号公報(特許文献3)には、発熱体側の熱を効率良く放熱体側に伝導させて放散可能なパワーモジュール用基板が開示されている。このパワーモジュール用基板では、絶縁体層の両側に半導体チップが接続された回路層とヒートシンクとが配置されている。絶縁体層内に配置された絶縁性高熱伝導硬質粒子の一部は回路層およびヒートシンクの両方に貫入されている。
しかしながら、上記特開2006−134989号公報の構造においては、突出物は溶融した錫を取付板の表面にインクジェット方式等で固着させて配列される。したがって、突出部は取付板の表面に平面で接着されている。突出部と取付板とに熱がかかると、突出部と取付板との熱膨張差によって接着部に応力が発生することで突出部が取付板から剥がれるおそれがある。突出部が取付板から剥がれると発熱体である電子機器の熱をヒートシンクに効率良く伝えることは困難である。
また、上記特開2005−236266号公報および特開2005−236276号公報のパワーモジュール用基板においては、半導体チップが接続された回路層の材料である銅とヒートシンクの材料であるアルミニウムでは熱膨張係数が違うため、パワーモジュール動作時の発熱により回路層とヒートシンクとの熱膨張差が生じる。この結果、絶縁性高熱伝導硬質粒子に熱応力が集中する。このため、絶縁性高熱伝導硬質粒子と回路層およびヒートシンクとのそれぞれの界面に剥離が生じるおそれがある。この剥離が生じると、発熱体である半導体チップの熱をヒートシンクに効率良く伝えることは困難である。
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、半導体素子からの放熱を促進することができる半導体装置およびその製造方法を提供することである。
本発明の半導体装置は、半導体素子と、基板と、金属板と、複数の球状粒子とを備えている。基板は半導体素子が実装されている。金属板は互いに対向する一方面と他方面とを有し、一方面に基板が設けられている。複数の球状粒子は、球状の外形を有し、かつ金属板の他方面に球状の外形の一部が埋没している。
本発明の半導体装置によれば、金属板の他方面に複数の球状粒子の球状の外形の一部が埋没している。このため、複数の球状粒子を金属板の他方面に食い込ませることで複数の球状粒子を金属板に強く接合することができる。また、複数の球状粒子と金属板との接触面積を大きくすることができる。よって、複数の球状粒子が金属板から剥がれることを抑制することができる。したがって、半導体素子の熱を複数の球状粒子から放熱することができる。
また、複数の球状粒子は球状の外形を有しているため、ヒートシンクに取り付けられた際にヒートシンクに貫入されない。このため、複数の球状粒子とヒートシンクとの間に熱応力が生じることを抑制することができる。これにより、複数の球状粒子と金属板およびヒートシンクとの界面に隔離が生じることを抑制することができる。以上により、半導体素子からの放熱を促進することができる。
以下、本発明の一実施の形態について図に基づいて説明する。
まず本発明の一実施の形態の半導体装置の構成について説明する。
まず本発明の一実施の形態の半導体装置の構成について説明する。
図1および図2を参照して、本実施の形態の半導体装置は、たとえばパワーモジュールである。本実施の形態の半導体装置は、半導体素子1と、基板2と、金属板3と、複数の球状粒子4と、ケース5と、電極端子6と、配線7と、蓋8と、封止樹脂9とを主に有している。なお、図1では、見やすくするために、複数の球状粒子4は簡略化して示されている。
半導体素子1はたとえば電力用半導体素子である。基板2はたとえばセラミック基板である。半導体素子1は基板2に実装されている。半導体素子1は基板2に設けられたパターン部2a上にはんだ付けされている。
金属板3は互いに対向する一方面3aと他方面3bとを有している。金属板3の一方面3aに基板2が設けられている。基板2と金属板3とははんだ2bで接続されている。金属板3は熱放散性を向上させるためのものである。金属板3はたとえば銅またはアルミニウムで形成されている。
金属板3の他方面3bに複数の球状粒子4が設けられている。複数の球状粒子4は金属板3の他方面3bの全面に配列されている。なお、複数の球状粒子4同士の間には隙間が形成されていてもよい。この複数の球状粒子4については後で詳しく説明する。
ケース5は金属板3の一方面3aの周囲に形成されている。ケース5はたとえば樹脂で形成されている。ケース5には電極端子6が取り付けられている。電極端子6はケース5の外方へ突出するように形成されている。配線7はたとえばアルミニウムワイヤである。配線7によって半導体素子1同士が電気的に接続されている。また、配線7によって半導体素子1とケース5に設置された電極端子6とが電気的に接続されている。ケース5の上端部に蓋8が設置されている。蓋8は防塵および防水のためのものである。
金属板3、ケース5および蓋8で取り囲まれた内部空間に半導体素子1、基板2および配線7が配置されている。内部空間内において半導体素子1、基板2および配線7が封止樹脂9で覆われている。封止樹脂9はたとえばシリコーンゲルである。
図3および図4を参照して、複数の球状粒子4についてさらに詳しく説明する。複数の球状粒子4のそれぞれは球状の外形を有している。複数の球状粒子4のそれぞれは金属板3の他方面3bに球状の外形の一部が埋没している。複数の球状粒子4のそれぞれは金属板3の他方面3bに球状の外形の一部が埋没した状態で他方面3bから突出している。複数の球状粒子4は金属板3の他方面3bに球状の外形の一部が埋没した状態で他方面3bに配列されている。
金属板3の他方面3bに球状粒子4の一部が埋没しているため、球状粒子4が金属板3に食い込むことで金属板3から球状粒子4が剥がれることを抑制することができる。つまり、この埋没構造によってアンカー効果が得られる。このため、金属板3と球状粒子4との接着の信頼性が向上する。
また、金属板3の他方面3bに球状粒子4の球状の外形が埋没しているため、球状粒子4は球状の外形で金属板3と接触している。このため、球状粒子4と金属板3との接触面積を十分に確保することができる。これにより、球状粒子4と金属板3との密着性を確保することができる。よって、球状粒子4と金属板3との接合強度を増すことができる。
また、金属板3の他方面3bに球状粒子4の球状の外形が埋没しているため、球状粒子4と金属板3との接触面積を十分に確保することができる。このため、金属板3から球状粒子4への熱伝導性が向上する。
複数の球状粒子4は、他方面3bから半球状に突出していることが好ましい。これにより、金属板3の他方面3bに緻密な配列を形成することができる。また、金属板3の他方面3bに複数の球状粒子4間の隙間を少なくして複数の球状粒子4を配列させることが容易であるため、金属板3の熱を他方面3bの全面に渡って拡散することができる。
複数の球状粒子4は熱伝導性に優れた材料で形成されている。球状粒子4はたとえば金属からなっている。球状粒子4の材料としては、金属板3の材料が銅の場合には、銅、ニッケル、鉄を用いることが可能である。さらにリン青銅、ベリリウム銅等の銅合金を用いることが可能である。また、金属板3の材料がアルミニウムの場合には、上記以外に黄銅を用いることも可能である。
複数の球状粒子4は金属板3よりも大きい硬度を有している。複数の球状粒子4のビッカース硬度(Hv)は150以上であることが好ましい。球状粒子4が金属板3よりも大きい硬度を有しているため、吹き付け法により球状粒子4の一部を金属板3に埋没させることが可能である。
球状粒子4の他方面3bからの高さは、30μm以上150μm以下が望ましい。30μm未満では球状粒子4は、40〜60μm程度の粒径となるため粒子が細かすぎて金属板3に均一な層を形成することが困難となる。また150μmを超えると、金属板3の他方面3b上の球状粒子4の密度が低くなり過ぎること、金属板3とヒートシンクとの間隔が広くなりすぎることなどから、十分な低熱抵抗化の効果が得られない。
次に本実施の形態の半導体装置の製造方法について説明する。
まず、図5を参照して、半導体素子1が実装された基板2を一方面3aに設けられた金属板3が準備される。次に、図6を参照して、複数の球状粒子4が金属板3の一方面3aに対向する金属板3の他方面3bに吹き付けられる。複数の球状粒子4は球状の外形を有しており、かつ金属板3より大きな硬度を有する。複数の球状粒子4は、たとえば高温および高圧のガス12によって、ノズル11から音速並みに加速させて金属板3の他方面3bに吹き付けられる。
まず、図5を参照して、半導体素子1が実装された基板2を一方面3aに設けられた金属板3が準備される。次に、図6を参照して、複数の球状粒子4が金属板3の一方面3aに対向する金属板3の他方面3bに吹き付けられる。複数の球状粒子4は球状の外形を有しており、かつ金属板3より大きな硬度を有する。複数の球状粒子4は、たとえば高温および高圧のガス12によって、ノズル11から音速並みに加速させて金属板3の他方面3bに吹き付けられる。
そして、ノズル11を金属板3の他方面3bに沿う方向D1に移動させることで、他方面3bの全面に渡って複数の球状粒子4が吹き付けられる。これらの複数の球状粒子4が金属板3の他方面3bに吹きつけられることで複数の球状粒子4の球状の外形の一部が金属板3の他方面3bに埋没される。
本吹き付け法は、球状粒子4の初期の形状を維持したまま吹き付ける方法である。コールドスプレー法も本吹き付け法の一種類である。このような吹き付け法を用いることで金属板3を加圧および加熱する必要がないため製造プロセスを簡略化するとともに低コスト化することができる。
金属板3上に形成される球状粒子4の層数としては1層が熱伝導的にも望ましい。吹き付け時の球状粒子4の速度が速いために、吹き付け条件によっては一度形成された球状粒子4上に再度、球状粒子4が堆積または付着する。これを避けるため、吹き付け時のガスの温度および流量(圧力)をコントロールすることが好ましい。
また、上記では、球状粒子4が金属からなっている場合について説明したが球状粒子4の材料は金属に限定されない。図7を参照して、本実施の形態の変形例では、球状粒子4はセラミックからなっている。
セラミックの球状粒子4としては、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素、酸化ケイ素などの熱伝導に優れた材料を用いることが可能である。
セラミックの球状粒子4は、一般的に金属より硬度が高いために、高温および高圧ガス下での吹き付け法においても外形の変形を伴わず、金属板3の他方面3b上に高さがほぼ同一で均一な1層の球状粒子層が緻密に形成される。このため、セラミックは金属よりも熱伝導率は低いが、金属板3の他方面3bの全面において均一な熱伝導性能を実現することが可能となる。
セラミックの球状粒子4は、一般的に金属より硬度が高いために、高温および高圧ガス下での吹き付け法においても外形の変形を伴わず、金属板3の他方面3b上に高さがほぼ同一で均一な1層の球状粒子層が緻密に形成される。このため、セラミックは金属よりも熱伝導率は低いが、金属板3の他方面3bの全面において均一な熱伝導性能を実現することが可能となる。
続いて、図8および図9を参照して、ヒートシンクが取り付けられた半導体装置の構成について説明する。
金属板3の他方面3bに前記複数の球状粒子4およびグリース14を介してヒートシンク13が取り付けられている。グリースはサーマルグリースが用いられている。金属板3の他方面3bとヒートシンク13との間にグリース14の介在がない場合、複数の球状粒子4とヒートシンク13との間には空気層が存在することから、熱伝導が遮蔽されることになる。一方、本実施の形態のようにグリース14を空隙に介在させることにより熱伝導性を向上することができる。このため、半導体装置を低熱抵抗化することができる。また、グリース14によって金属板3をヒートシンク13に固定することができる。
グリース14の熱伝導率が高いほど半導体装置としての熱伝導性は向上するが、一般的に用いられる熱伝導率1W/mK程度のものでも、複数の球状粒子4によって従来の構造に比べて熱伝導性は向上する。
また、グリース14塗布面は、金属板3側でもヒートシンク13側でも良いが、空気層を金属板3とヒートシンク13間に介在させないという点から、金属板3側に前もって塗布するほうがより効果的である。
複数の球状粒子4はヒートシンク13に接触するが埋没はしていない。このように、複数の球状粒子4とヒートシンク13とが接触構造となることにより、半導体素子1の発熱時の温度変化に対しても複数の球状粒子4にはヒートシンク13との間で熱応力が発生しない。このため複数の球状粒子4は安定した低熱抵抗性を有する。また複数の球状粒子4がヒートシンク13に埋没することでヒートシンク13表面にダメージを与えることがない。このため、ヒートシンク13を繰り返し使うことができる。したがって、ヒートシンク13のリペアー性を実現できる。
なお、本実施の形態の半導体装置の構成は、上記の構成に限定されるものではなく、セラミック基板の代わりに、樹脂絶縁シートを用いた金属基板が使用されてもよい。また、セラミック基板に金属板3を接合せずにセラミック基板のみであって、セラミック基板のパターン部と反対側に設けられた金属板が底面に露出した構成であってもよい。
次に本実施の形態の作用効果について比較例と対比して説明する。
図10を参照して、比較例では、銅製の金属板3の表面に金メッキが施され、その上に突出部20が固着されて配列されている。なお、見やすくするため金メッキは図示されていない。この突出部20は溶融した錫をインクジェットのようにノズルから噴出させることで形成されている。この比較例では、溶融した錫を吹き付けて突出部20を固着させるため、突出部20は金属板3に埋没せずに金属板3の表面に付着している。したがって、突出部20は金属板3と平面で接着されている。
図10を参照して、比較例では、銅製の金属板3の表面に金メッキが施され、その上に突出部20が固着されて配列されている。なお、見やすくするため金メッキは図示されていない。この突出部20は溶融した錫をインクジェットのようにノズルから噴出させることで形成されている。この比較例では、溶融した錫を吹き付けて突出部20を固着させるため、突出部20は金属板3に埋没せずに金属板3の表面に付着している。したがって、突出部20は金属板3と平面で接着されている。
このため、突出部20と金属板3に強く接合することは困難である。また突出部20と金属板3との接触面積Aを大きくすることも困難である。比較例では、突出部20と金属板3とに熱がかかると、突出部20と金属板3との熱膨張差によって突出部20と金属板3との接触部に熱応力が発生することで突出部20が金属板3から剥がれやすい。
また、比較例では、溶融した錫を吹き付けるため均一な形状の突出部20を形成することが困難である。さらに、金属板3の表面に突出部20を形成するため、下地金属の表面処理の均一性等による金属板3と突出部20との接着の信頼性が低くなる。また、比較例では、金メッキ等の前処理が必要であり、加えて溶融した錫が固化する時間を要するため、製造に長時間を要するため、製造プロセスが高コスト化する。
一方、図11を参照して、本実施の形態の半導体装置によれば、金属板3の他方面3bに複数の球状粒子4の球状の外形の一部が埋没している。このため、複数の球状粒子4を金属板3の他方面3bに食い込ませることで複数の球状粒子4を金属板3に強く接合することができる。また、複数の球状粒子4と金属板3との接触面積Aを大きくすることができる。よって、複数の球状粒子4が金属板3から剥がれることを抑制することができる。したがって、半導体素子1の熱を複数の球状粒子4から放熱することができる。
また、複数の球状粒子4は球状の外形を有しているため、ヒートシンク13に取り付けられた際にヒートシンク13に貫入されない。このため、複数の球状粒子4とヒートシンク13との間に熱応力が生じることを抑制することができる。これにより、複数の球状粒子4と金属板3およびヒートシンク13との界面に隔離が生じることを抑制することができる。以上により、半導体素子1からの放熱を促進することができる。
本実施の形態の半導体装置では、球状粒子4が金属からなっているため、球状粒子4は熱伝導性に優れている。このため、半導体素子1からの放熱を促進することができる。
本実施の形態の半導体装置の変形例では、球状粒子4がセラミックからなっているため、球状粒子4は金属より高い硬度を有している。このため、球状粒子4は金属板3に埋没した状態において外形の変形を抑制することができる。したがって、球状粒子4を金属板3の他方面3bに均一に配列することができる。これにより、金属板3の他方面3bの全面において均一な熱電性能を実現することができる。
本実施の形態の半導体装置では、金属板3の他方面3bに複数の球状粒子4およびグリース14を介してヒートシンク13が取り付けられている。このため、球状粒子4からヒートシンク13への熱伝導を促進することができる。これにより、球状粒子4からの放熱を促進することができる。
また、複数の球状粒子4はヒートシンク13に接触するが埋没していないため、半導体素子1の発熱時の温度変化に対しても複数の球状粒子4にはヒートシンク13との間で熱応力が発生しない。また複数の球状粒子4がヒートシンク13に埋没することでヒートシンク13表面にダメージを与えることがない。このため、ヒートシンク13を繰り返し使うことができる。したがって、ヒートシンク13のリペアー性を実現できる。
本実施の形態の半導体装置の製造方法によれば、金属板3より大きな硬度を有する球状粒子4を金属板3の他方面3bに吹き付けることで球状粒子4の球状の外形の一部が金属板3の他方面3bに埋没される。
このため、金属板3の他方面3bに複数の球状粒子4を埋没させることができる。また、複数の球状粒子4を金属板3の他方面3bにおいて均一な形状に形成することができる。されに、金属板3の下地金属の表面処理が不要であるため、接着の信頼性を向上することができる。また、金メッキ等の前処理が不要であり、球状粒子4が固化する時間も不要であるため製造プロセスを短時間化するとともに低コスト化することができる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
1 半導体素子、2 基板、3 金属板、3a 一方面、3b 他方面、4 球状粒子、5 ケース、6 電極端子、7 配線、8 蓋、9 封止樹脂、11 ノズル、12 ガス、13 ヒートシンク、14 グリース。
Claims (5)
- 半導体素子と、
前記半導体素子が実装された基板と、
互いに対向する一方面と他方面とを有し、前記一方面に前記基板が設けられた金属板と、
球状の外形を有し、かつ前記金属板の前記他方面に前記球状の外形の一部が埋没した複数の球状粒子とを備えた、半導体装置。 - 前記球状粒子は金属からなる、請求項1に記載の半導体装置。
- 前記球状粒子はセラミックからなる、請求項1に記載の半導体装置。
- 前記金属板の前記他方面に前記複数の球状粒子およびグリースを介してヒートシンクが取り付けられている、請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 半導体素子が実装された基板を一方面に設けられた金属板を準備する工程と、
球状の外形を有し、かつ前記金属板より大きな硬度を有する複数の球状粒子を前記金属板の前記一方面に対向する前記金属板の他方面に吹き付けることで前記複数の球状粒子の前記球状の外形の一部を前記金属板の前記他方面に埋没させる工程とを備えた、半導体装置の製造方法。
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