JP2015015324A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】素子から発生する熱の放熱性に優れ、過昇温による故障を抑制し信頼性の高いゲル状封止樹脂封止の半導体装置を提供する。【解決手段】この半導体装置は、封止樹脂（３０）に、熱伝導率に異方性を有する鱗片状の熱伝導性フィラー（１７）が配合されており、熱伝導性フィラー（１７）の高い熱伝導性を示す鱗片状の長手方向（Ｄ）が、半導体素子（１０）の上面において半導体素子（１０）に対して略平行に配向している。これによって、半導体素子（１０）の熱が熱伝導性フィラー（１７）の鱗片状の長手方向に迅速に伝わって効率的に放熱される。【選択図】図１

Description

本発明は、基板上に搭載された半導体素子を、フィラーが配合された封止材で封止してなる半導体装置と、その製造方法に関するものである。
近年、インバータ制御機器等に搭載される半導体素子は、さらなる高密度化、高速化が求められている。半導体素子が高密度化又は高速化されると、半導体素子の発熱量が増大し、半導体素子の動作や半導体素子周辺の構成部材の熱劣化による信頼性の低下が問題視されている。そのため、半導体素子を実装するパッケージの放熱構造設計が重要になっている。
このような問題を解決する構造として、特許文献１には、図１０に示すような構造が提案されている。
半導体素子５１は、バンプ５５を介して基板５２に電気接続されている。基板５２と半導体素子５１の間には、絶縁樹脂５４が充填されている。半導体素子５１と絶縁樹脂５４を覆うように、基板５２及び半導体素子５１の上面にゲル状の封止樹脂５３が形成されている。この封止樹脂５３は、主剤のゲル状封止材に、球状の熱伝導性フィラーを含有させたものである。
半導体素子５１から発生する熱は、基板５２と封止樹脂５３を介して放熱される。図１０に示す半導体装置では、半導体素子５１を覆う保護用の樹脂として、球状の熱伝導性フィラーを含有した封止樹脂５３を使用しているため、トランスファーモールド用のエポキシ系熱硬化性樹脂などを封止樹脂としたものに比べて高い熱伝導性を得ることができ、半導体素子５１およびその周辺部材の熱による劣化や故障とそれにより引き起こされる信頼性の低下を抑制することができる。
特許第２９８２７１３号公報
しかしながら、特許文献１に記載された半導体装置では、封止樹脂５３の主剤であるゲル状封止材そのものの熱伝導率が十分でない場合がある。更に、主剤のゲル状封止材に高熱伝導性フィラーとして多量のアルミナなどを含有させると、半導体素子５１を封止するのに必要な流動性を損なう場合がある。そのため、特許文献１に記載された半導体装置では、高熱伝導性フィラーを多量に配合することは困難であり、封止樹脂５３は十分な高熱伝導性封止材とはならず、効率的な放熱を行うことができない場合がある。
本発明は、かかる点に鑑みて発明者らの鋭意努力の結果なされたものであり、半導体素子からの放熱効率をより向上させ、信頼性の高い半導体装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の半導体装置は、基板に実装された半導体素子の少なくとも一部を封止樹脂で覆った半導体装置であって、前記封止樹脂は、封止材に熱伝導率に異方性を有する鱗片状の熱伝導性フィラーが配合されており、前記熱伝導性フィラーの鱗片状の長手方向は、前記半導体素子の上面に対して略平行に配向していることを特徴とする。
また、上記課題を解決するために、本発明の半導体装置の製造方法は、鱗片状の熱伝導性フィラーを配合した半硬化状態の封止樹脂を、基板上に搭載された半導体素子の上に配置した後、前記封止樹脂を押圧ジグにより押圧することで前記熱伝導性フィラーの長手方向を前記半導体素子の表面と略平行に配向させることを特徴とする。
本発明によると、半導体素子で発生した熱の放熱性に優れており、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
本発明の実施の形態１の半導体装置の断面図 本発明の実施の形態１の製造プロセスを表す各工程の断面図 本発明の実施の形態１で使用する半硬化状態の封止樹脂の加工プロセスの説明図 本発明の実施の形態１の製造プロセスを表すフローチャート 本発明の実施の形態２の半導体装置の断面図 本発明の実施の形態２の製造プロセスを表す各工程の断面図 本発明の実施の形態２で使用する半硬化状態の封止樹脂の加工プロセスの説明図 本発明の実施の形態２の製造プロセスを表すフローチャート 本発明の実施の形態３の半導体装置の断面図 本発明の実施の形態３の製造プロセスを表す要部工程の断面図 （ａ）熱伝導性フィラーの鱗片状の拡大斜視図、（ｂ）熱伝導性フィラーの内部のπ共役した平面状分子構造図 従来のゲル封止タイプの半導体装置の断面図
以下、本発明の各実施の形態を、図面に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１，図２Ａ，図２Ｂ，図３は、本発明の実施の形態１の半導体装置を説明するための図である。
図１は、実施の形態１の半導体装置の断面図である。
基板としてのリードフレーム１２はダイパッド部１２Ａと外部端子１２Ｂからなる。ダイパッド部１２Ａには、半導体素子１０がペースト材１１で固定されている。半導体素子１０の電極は、金属ワイヤ１５によって外部端子１２Ｂに電気接続されている。リードフレーム１２の半導体素子１０の搭載面と反対側には、シート状の絶縁性接着用樹脂１３を介して放熱板１４が接着されている。
リードフレーム１２は、銅（Ｃｕ）などの熱伝導性および電気伝導性に優れた材料から構成される。放熱板１４は、公知の金属やセラミック、グラファイトやダイヤモンドなどの炭素素材などを材料として用いることができる。絶縁性接着用樹脂１３は、公知のシート状熱硬化性接着剤または液状熱硬化性接着剤として、たとえば、公知の熱硬化性エポキシ樹脂（主剤としてオルトクレゾールノボラック型のエポキシが配合され、硬化剤として主剤を硬化させることのできる酸無水物が配合され、無機充填剤比率が５０重量部から９０重量部程度配合された樹脂）を材料として用いることができる。
リードフレーム１２に固定された半導体素子１０の上面の全部と、ペースト材１１と、金属ワイヤ１５と、リードフレーム１２の一部とは、封止樹脂３０で覆われている。
この封止樹脂３０は、主剤のゲル状封止材１６に、熱伝導率に異方性のある鱗片状の熱伝導性フィラー１７が配合されたものである。本実施の形態１では、熱伝導性フィラー１７の鱗片状の長手方向Ｄを、半導体素子１０の上面において、この半導体素子１０の表面に対して略平行に配向していることを特徴の一つとする。
ここで、鱗片状の熱伝導性フィラー１７とは、図９（ａ）（ｂ）に窒化ホウ素（ＢＮ）を例に図示したように、窒素原子とホウ素原子からなり、π共役系の平面状分子構造２１が多数積層されて形成されたフィラーである。例えば、グラファイト粒子の場合では、この平面状分子構造２１が炭素原子のみで構成されている。このような熱伝導性フィラー１７の異方性は、鱗片状の長手方向Ｄの熱伝導率が高く、鱗片状の長手方向Ｄに垂直な厚み方向の熱伝導率が長手方向Ｄよりも熱伝導率が低い、というものである。例えば、窒化ホウ素粒子そのものをフィラーとした場合の熱伝導率は、鱗片状の長手方向Ｄで２００Ｗ／ｍＫ、厚み方向で１〜３Ｗ／ｍＫである。
ここで、図１０に示した従来の半導体装置のように、球状の熱伝導性フィラーが封止樹脂５３に配合されたものでは、球状の熱伝導性フィラー同士を接触させる程の多くの熱伝導性フィラーを配合して封止樹脂５３の熱伝導性を高くしようとすると、封止樹脂５３の粘度を著しく増大してしまい、封止樹脂５３の成型が困難となる。このように、従来の半導体装置では、熱伝導率を十分高くするほどに球状の熱伝導性フィラーを配合することができない。そのため、従来の半導体装置の熱伝導率は、例えば、４Ｗ／ｍＫ程度である。
これに対して、図１に示した本実施の形態１の半導体装置では、封止樹脂３０の中の熱伝導性フィラー１７のほとんどを、その鱗片状の長手方向Ｄが半導体素子１０の表面に対して略平行になるように、配向している。そのため、半導体素子１０から発生した熱は、半導体素子１０の裏面からリードフレーム１２および放熱板１４を経由した放熱経路と、封止樹脂３０の中の熱伝導性フィラー１７を介した放熱経路により、従来の封止型パッケージよりも効率良く放熱できる。さらに、本実施の形態１の半導体装置は、その鱗片状の長手方向Ｄが半導体素子１０の表面に対して略平行になるように、鱗片状の熱伝導性フィラー１７を配向させているため、この熱伝導性フィラー１７を介した放熱経路は、半導体素子１０の表面に対して略平行な方向である。すなわち、本実施の形態１の半導体装置は、半導体素子１０から発生する熱を、厚み方向ではなく幅方向に逃がすことが可能なものである。そのため、本実施の形態１の半導体装置は、熱伝導特性が高いことによる信頼性と、放熱経路を幅方向に限定したことによる設計自由度の向上を両立させることが可能である。なお、幅方向（配向方向）の熱伝導率は２０Ｗ／ｍＫ程度であって、従来の半導体装置に比べて効率よく放熱させることができるため、半導体素子１０の過昇温を抑止することができる。
ゲル状封止材１６内における鱗片状の熱伝導性フィラー１７の配向及びその形成方法は、本発明の骨子となる重要な部位であるため、以下にさらに説明する。
ゲル状封止材１６を構成する材料としては、例えば、シリコーンゲルの液状前駆体１６Ａとして、ビニル基含有オルガノポリシロキサンと白金などの硬化触媒の混合物などの公知のものを使用することができ、１液型でも２液型でもよい。ゲル状封止材１６を構成する材料としては、例えば、その基本的な化学構造が、主鎖構造がシロキサン骨格構造であり、アルキル基もしくはフルオロアルキル基あるいはその両方がシリコン原子に結合しているものがある。また、ゲル状封止材１６は、熱硬化のプロセスの制御により、半硬化状態とすることが可能であり、半硬化状態で所望のプロセスにより所望の箇所に配置した後に、続く加熱プロセスにより本硬化させることが可能である。なお、シリコーンゲルの液状前駆体１６Ａの粘度としては０．１Ｐａ・ｓｅｃ以上かつ１０Ｐａ・ｓｅｃ以下のものを使用することができる。この粘度の範囲が好ましい理由は、シリコーンゲルの液状前駆動体の粘度が０．１Ｐａ・ｓｅｃより小さいと、熱伝導性フィラー１７が沈降してしまって分散性を制御することが難しく、粘度が１０Ｐａ・ｓｅｃより大きいと、均一な攪拌が困難となり熱伝導性フィラー１７の凝集が不均一になって分散性を制御することが難しくなるためである。
熱伝導性フィラー１７としては、窒化ホウ素の他に、グラファイトパウダー、窒化ケイ素などを使用することができる。熱伝導性フィラー１７の熱伝導率は、１０Ｗ／ｍＫ以上１５００Ｗ／ｍＫ以下とすることが望ましい。これは、１０Ｗ／ｍＫよりも小さいと、ゲル状封止材１６において熱伝導率を従来よりも高くすることができず、１５００Ｗ／ｍＫよりも大きいと、実製品として使用できる材料としては希少となって材料コストが著しく上昇するためである。熱伝導性フィラー１７としては、具体的には、窒化ホウ素粒子、グラファイト粒子、鱗片状シリカ粒子、鱗片状アルミナ粒子、鱗片状シリコーンカーバイド粒子などが挙げられる。本実施の形態では、鱗片状の長手方向Ｄの熱伝導率が６０Ｗ／ｍＫである窒化ホウ素フィラーを使用しており、その鱗片状の長手方向Ｄの長さは約３μｍである。
ゲル状封止材１６中における鱗片状の熱伝導性フィラー１７は、配向方向に対して隣り合う同士が必ずしも接触している必要はないが、熱伝導性フィラー１７間の距離を平均した値は、熱伝導性フィラー１７の鱗片状の長手方向Ｄの距離よりも小さいことが望ましい。熱伝導性フィラー１７間の距離を平均した値が熱伝導性フィラー１７の鱗片状の長手方向Ｄの距離よりも大きいと、熱伝導率が十分でなくなって封止樹脂３０の放熱性が高くならない可能性があるためである。
続いて、実施の形態１の半導体装置の製造プロセスを説明する。
図２Ａ（ａ）−（ｇ）は実施の形態１の半導体装置の製造プロセスを表す各工程の断面図、図２Ｂ（ｈ）−（ｊ）は封止樹脂３０の準備工程、図３は半導体装置の製造プロセスのフローチャートを示している。
図３のステップＳ１では、図２Ａ（ａ）に示すように、リードフレーム１２のダイパッド部１２Ａ上に、ディスペンサーによって、ペースト材１１を適当量だけ塗布する。
図３のステップＳ２では、図２Ａ（ｂ）に示すように、ペースト材１１上に半導体素子１０を搭載する。半導体素子１０の搭載には、公知のダイボンダを使用できる。
図３のステップＳ３では、金属ワイヤ１５を使用して、半導体素子１０とリードフレーム１２の外部端子１２Ｂとを電気的かつ機械的に接合する。金属ワイヤ１５の接続には、公知のワイヤボンダを使用できる。さらに、図２Ａ（ｃ）に示すように、リードフレーム１２において、半導体素子１０の搭載面とは反対の面に、シート状の絶縁性接着用樹脂１３を介して、放熱板１４を密着させておく。
図３のステップＳ４では、図２Ｂ（ｈ）に示すように、容器４０内のシリコーンゲルの液状前駆体１６Ａ中に、鱗片状の熱伝導性フィラー１７を配合する。
ここで、図３のステップＳ９を行う前に、図３のステップＳ５では、モーターで動作する攪拌翼やマグネティックスターラなど公知の方法で、熱伝導性フィラー１７を液状前駆体１６Ａに分散させて、複合体を作成する。この時、より凝集を抑制し分散を促進するために、アルコキシシラン化合物などの公知の表面処理剤を同時に配合しても良いし、熱伝導性フィラー１７同士の凝集を抑制するため減圧脱気を行っても良い。熱伝導性フィラー１７の配合量としては、特に限定するものではないが、隣り合う粒子間の距離が鱗片状の熱伝導性フィラー１７の鱗片方向の距離よりも小さくなる量を配合する必要がある。また、熱伝導性フィラー１７の配合量としては、少なくとも後述する方法で高熱伝導性フィラーを配合した未硬化の封止樹脂３０を押付けた際に、熱伝導性フィラー１７同士が干渉し合い、押付けた方向と垂直方向に配向される量を配合する必要がある。本実施の形態では、１００ｍｌのシリコーンゲルの液状前駆体１６Ａに対して、鱗片状の長手方向Ｄの長さが３μｍで鱗片状の長手方向Ｄに対して垂直方向の厚みが０．２μｍの窒化ホウ素粒子を、熱伝導性フィラー１７として、２３．２ｇ配合している。このようにして形成した封止樹脂３０の熱伝導性フィラー１７の幅方向（配向方向）における熱伝導率は、２３Ｗ／ｍＫであった。
図３のステップＳ６では、ステップＳ５で作成した複合体を、図２Ｂ（ｉ）に示すように一つの半導体装置パッケージに必要な分量ずつに小分けにする。本実施の形態では、内径２０ｍｍ、高さ３０ｍｍの容器４１に５ｍｌずつ小分けしており、小分けには、シリンジなどを使用する公知の方法で適宜行うことができる。
図３のステップＳ７では、ステップＳ６で小分けした複合体を、図２Ｂ（ｊ）に示すように、それぞれ液状前駆体１６Ａが完全に硬化する前の半硬化状態のゲル状封止材１６Ｂとする。このとき、半硬化させるためのプロセスとしては、完全に硬化させるために必要温度より低い温度か、完全に硬化させるために必要な時間よりも短い時間で硬化させる方法がある。本実施の形態では、７０℃で３０分間硬化させた後に、１５０℃で２時間硬化させて、完全に硬化させるところを、７０℃で３０分間硬化させたところで硬化プロセスを一旦停止し、半硬化状態のゲル状封止材１６Ｂとしている。
図２Ｂ（ｈ）（ｉ）（ｊ）の容器４０，４１は、液状前駆体１６Ａ，半硬化状態のゲル状封止材１６Ｂが離型し易いように、例えばフッ素系樹脂であることが望ましい。
図３のステップＳ８では、ステップＳ７で作った半硬化状態のゲル状封止材１６Ｂを、図２Ａ（ｄ）に示すように、公知の吸着コレット１８などで封止樹脂３０として吸い上げて、半導体素子１０の上方に搬送する。吸着コレット１８は、半硬化状態の封止樹脂３０が離型し易いように、例えばフッ素系樹脂であることが望ましい。
図３のステップＳ９では、吸着コレット１８の減圧を開放し、図２Ａ（ｅ）に示すように、半硬化状態の封止樹脂３０を、半導体素子１０を搭載したリードフレーム１２上に、半導体素子１０や半導体素子１０と外部端子１２Ｂを接続する金属ワイヤ１５を覆うように配置する。
図３のステップＳ１０では、図２Ａ（ｆ）に示すように、加熱した押圧ジグ１９の平面部により半硬化状態の封止樹脂３０を押圧し、加熱された押圧ジグ１９の熱により封止樹脂３０を完全に硬化させる。この押圧する過程により、半硬化状態のゲル状封止材１６Ｂの中に配合されていた熱伝導性フィラー１７が互いに干渉し合い、熱伝導性フィラー１７の鱗片状の長手方向Ｄが押圧ジグ１９による押圧方向とは略垂直に配向された状態で硬化を完了させることができる。本実施の形態の半導体装置の製造方法では、押圧ジグ１９は１５０℃に加熱されており、図２Ａ（ｆ）の状態に２時間放置することで封止樹脂３０の硬化が完了して、図１と同じ構造の図２Ａ（ｇ）に示す半導体装置が出来上がる。
なお、封止樹脂３０としては、熱伝導性フィラー１７の鱗片状の長手方向の長さＤが、１μｍ以上２０μｍ以下であることが望ましい。特に熱伝導性フィラー１７の鱗片状の長手方向の長さＤが短い場合に、良好な熱伝導性を得るためには、より多くの熱伝導性フィラー１７を配合する必要がある。例えば、鱗片状の長手方向Ｄの長さが１μｍより小さくなると、１００ｍｌのシリコーンゲルの液状前駆体１６Ａに対して、熱伝導性フィラー１７を６９７ｇより多く配合しなければならず、液状前駆体１６Ａの粘度が著しく増大してまた熱伝導性フィラー１７同士の凝集が起こり、均一分散が難しくなる可能性がある。逆に、熱伝導性フィラー１７の鱗片状の長手方向の長さが２０μｍより長くなると、熱伝導性フィラー１７の重量が大きくなって沈降し易くなるため、均一な分散が難しくなる。
押圧ジグ１９の材質としては、半硬化状態のゲル状封止材１６Ｂを２時間均一な温度で押圧し続けるときに温度制御と管理が容易であるように、公知の金属材料またはセラミック材料を使用することが望ましい。
押圧ジグ１９の平面部の大きさと形状は、押圧ジグ１９により半硬化状態の封止樹脂３０を押圧したときに、半導体素子１０およびリードフレーム１２における外部端子１２Ｂを覆い隠す形状と大きさが望ましい。具体的には、押圧ジグ１９の大きさと形状は、半導体素子１０の表面に垂直な方向から見たとき、その外周が、外部端子１２Ｂにおける金属ワイヤ１５の接続点を覆い隠し、かつ外部端子１２Ｂの先端が覆い隠されない形状と大きさが望ましい。本実施の形態では、外部端子１２Ｂに接続された金属ワイヤ１５の接続点が、３５ｍｍ×４５ｍｍの範囲に収まっており、外部端子１２Ｂの半導体素子１０と反対方向の端部が４５ｍｍ×６５ｍｍの範囲に収まっているため、押圧ジグ１９の平面部の大きさを、４０ｍｍ×５０ｍｍの矩形としている。
また、封止樹脂３０中の熱伝導性フィラー１７を良好に配向させるために必要な押圧ジグ１９の押圧速度は、１ｍｍ／ｓｅｃ以上かつ５０ｍｍ／ｓｅｃ以下であることが望ましい。これは、押圧速度が１ｍｍ／ｓｅｃより小さい場合は、熱伝導性フィラー１７が互いに干渉し合うことで互いに滑りあって配向せずに配置される傾向が強く、５０ｍｍ／ｓｅｃより大きい場合は、半硬化状態のゲル状封止材１６Ｂが押し広げられる際にリードフレーム１２との界面において気泡を巻き込んで熱抵抗が高くなる不具合が生じ易くなるためである。
以上の製造プロセスにより、図１に示したように、封止樹脂３０に含まれる鱗片状の熱伝導性フィラー１７を、その鱗片状の長手方向Ｄが半導体素子１０の上面に対して略平行に配向されるように配置することができ、半導体素子１０からの放熱性能に優れた半導体装置を製造することができる。
（実施の形態２）
図４，図５Ａ，図５Ｂ，図６は、本発明の実施の形態２の半導体装置を説明するための図である。
この実施の形態２は、ゲル状封止材１６中において、鱗片状の熱伝導性フィラー１７が半導体素子１０の上面から距離ｄだけ離れた位置において偏在している点が、実施の形態１とは異なる。その他は実施の形態１と同様であるため、説明は省略する。
図４は、実施の形態２の半導体装置の断面を示す。
封止樹脂３０に含まれる熱伝導性フィラー１７は、半導体素子１０の上面から距離ｄだけ離れると共に、熱伝導性フィラー１７の鱗片状の長手方向Ｄが半導体素子１０の上面に対して略平行に配向している。
このように、熱伝導性フィラー１７が半導体素子１０の上面から距離ｄだけ離れて偏在していることによって、後述する製造プロセスにおいて熱伝導性フィラー１７が半導体素子１０を傷つけることによる不良の抑制が容易になり、放熱性に優れると共に信頼性の高い半導体装置とすることができる。
なお、熱伝導性フィラー１７が偏在している箇所における半導体素子１０に最も近い仮想面と半導体素子１０との距離ｄは、熱伝導性フィラー１７の鱗片状の長手方向Ｄの長さが３μｍである本実施の形態では、３μｍ以上１０００μｍ以下であることが望ましい。これは、距離ｄが３μｍよりも小さいと、熱伝導性フィラー１７が半導体素子１０に接触して半導体素子１０の表面が傷付く可能性が高くなり、距離ｄが１０００μｍより大きいと、ほとんどの熱伝導性フィラー１７が偏在している層と半導体素子１０との距離が大きくなり過ぎて十分な放熱性が得られないためである。
続いて、実施の形態２の製造プロセスを説明する。
図５Ａ（ａ）−（ｇ）は実施の形態２の半導体装置の製造プロセスを表す各工程の断面図、図５Ｂ（ｈ）−（ｍ）は封止樹脂３０の準備工程、図６は半導体装置の製造プロセスのフローチャートを示している。
図６のステップＳ１では、図５Ａ（ａ）に示すように、リードフレーム１２のダイパッド部１２Ａ上に、ペースト材１１を適当量だけ塗布する。ペースト材１１の塗布には、公知のディスペンサーを使用する。
図６のステップＳ２では、図５Ａ（ｂ）に示すように、ペースト材１１上に、半導体素子１０を搭載する。半導体素子１０の搭載には、公知のダイボンダを使用できる。
図６のステップＳ３では、金属ワイヤ１５を使用して、半導体素子１０とリードフレーム１２の外部端子１２Ｂとを電気的かつ機械的に接合する。金属ワイヤ１５の接続には、公知のワイヤボンダを使用できる。さらに、図５Ａ（ｃ）に示すように、リードフレーム１２において、半導体素子１０の搭載面とは反対の面に、シート状の絶縁性接着用樹脂１３を介して放熱板１４を密着させておく。
ここで、図６のステップＳ９を行う前に、図６のステップＳ４では、図５Ｂ（ｈ）に示すように、シリコーンゲルの液状前駆体１６Ａ中に、鱗片状の熱伝導性フィラー１７を配合する。
図６のステップＳ５では、モーターで動作する攪拌翼やマグネティックスターラなど公知の方法で、熱伝導性フィラー１７を液状前駆体１６Ａに分散させて、複合体を形成する。この時、より凝集を抑制しつつ分散を促進するために、アルコキシシラン化合物などの公知の表面処理剤を同時に配合しても良いし、凝集を抑制するために減圧脱気しても良い。熱伝導性フィラー１７の配合量として、本実施の形態では、シリコーンゲルの液状前駆体１６Ａの１００ｍｌに対して、鱗片方向の長さが３μｍで厚みが０．２μｍの窒化ホウ素粒子を２３．２ｇ配合している。
図６のステップＳ６ａでは、図５Ｂ（ｈ）で調合したシリコーンゲルの液状前駆体１６Ａに熱伝導性フィラー１７を配合して形成した複合体を、図５Ｂ（ｉ）に示すように、一つのパッケージに必要な分量よりも少ない量ずつに小分けする。本実施の形態では、内径２０ｍｍ、高さ３０ｍｍの容器４１に２．５ｍｌずつ小分けしており、小分けには、シリンジなどを使用する公知の方法で適宜行うことができる。
図６のステップＳ７ａでは、シリコーンゲルの液状前駆体１６Ａを、完全に硬化する前の半硬化状態のゲル状封止材１６Ｂとする。
図６のステップＳ７ｂでは、図５Ｂ（ｉ）において小分けにされて図５Ｂ（ｊ）において半硬化状態のゲル状封止材１６Ｂに、図５Ｂ（ｋ）で示すように、図５Ｂ（ｈ）で使用したシリコーンゲルの液状前駆体１６Ａを注ぎ足して、一つの半導体装置のパッケージに必要な分量とする。
図６のステップＳ７ｃでは、図５Ｂ（ｊ）で行ったのと同様の方法により、新に注ぎ足したシリコーンゲルの液状前駆体１６Ａを、図５Ｂ（ｌ）に示すように半硬化状態のゲル状封止材１６Ｂとする。
図６のステップＳ８ａでは、図５Ｂ（ｌ）に示すように、半硬化状態のゲル状封止材１６Ｂの下部に熱伝導性フィラー１７が分散し、上部にはフィラーが存在せず、全体として鱗片状の熱伝導性フィラー１７が下部に偏在した状態となる。そして、図５Ｂ（ｍ）に示すように、容器４１の口を例えば重力方向に向けることで、熱伝導性フィラー１７が上側に偏在した複合体を取り出して、板状物体の上などに自然落下させる。
図６のステップＳ８ｂでは、図５Ａ（ｄ）に示すように、熱伝導性フィラー１７が偏在した方が上方となるように、半硬化状態の封止樹脂３０を吸着コレット１８などで吸着して搬送する。
図６のステップＳ９では、半導体素子１０の上方に移動した吸着コレット１８の減圧を開放し、図５Ａ（ｅ）に示すように、図５Ｂ（ｍ）で取り出した封止樹脂３０を、半導体素子１０や金属ワイヤ１５を覆うように、半導体素子１０を搭載したリードフレーム１２上に配置する。
図６のステップＳ１０では、図５Ａ（ｆ）に示すように、加熱した押圧ジグ１９の平面部によって、鱗片状の熱伝導性フィラー１７を含有した封止樹脂３０を押圧し、押圧ジグ１９の熱により封止樹脂３０の半硬化状態のゲル状封止材１６Ｂを完全に硬化させる。つまりこの押圧する過程により、半硬化状態のゲル状封止材１６Ｂの中に配合されていた鱗片状の熱伝導性フィラー１７が互いに干渉し合って押圧方向とは略垂直に配向することとなり、半導体素子１０の表面に略平行に配向した状態で硬化を完了させることになる。本実施の形態の製造方法では、押圧ジグ１９を１５０℃に加熱して２時間放置することで、半硬化状態のゲル状封止材１６Ｂの硬化を完了させている。
図５Ｂ（ｋ）において新に注ぎ足すシリコーンゲルの液状前駆体１６Ａの量としては、熱伝導性フィラー１７を分散させた半硬化状態のゲル状封止材１６Ｂの体積の１／２倍以上かつ２倍以下であることが望ましい。これは、１／２倍より少ないと、後述するように、図５Ａ（ｆ）に示す押圧工程において熱伝導性フィラー１７を含有した層と含有していない層の厚みが薄くなる際に、熱伝導性フィラー１７を含有していない層が薄くなり過ぎ、熱伝導性フィラー１７を含有した層が半導体素子１０から十分に離れた箇所に偏在する構成となってしまうためである。また、２倍より多いと、逆に、図５Ａ（ｆ）に示す押圧工程を経た後に熱伝導性フィラー１７を含有していない層が厚くなり、半導体素子１０からの発熱が十分に熱伝導性フィラー１７に伝わらず、半導体装置として十分な放熱性を期待できなくなってしまうためである。
本実施の形態では、図５Ｂ（ｋ）においてシリコーンゲルの液状前駆体１６Ａを、２．５ｍｌ注ぎ足しており、図５Ａ（ｆ）に示す押圧工程を経た後のゲル状封止材１６の厚みは２．５ｍｍであり、半導体素子１０の上面から距離ｄだけ離れた箇所で熱伝導性フィラー１７が密に存在している（偏在している）層と、半導体素子１０の直上の熱伝導性フィラー１７が疎である層の厚みは、それぞれ１．２５ｍｍと１．２５ｍｍと同じになる。また、このとき熱伝導性フィラー１７が疎である層における密度は、密である層における密度の１／１０以下となる。
以上の製造プロセスにより、図４と図５Ａ（ｇ）に示すように熱伝導性フィラー１７が半導体素子１０の表面から離れた箇所に偏在して配向されることで、半導体素子１０からの発熱の放熱性能に優れると共に、前述した押圧過程において、熱伝導性フィラー１７による半導体素子１０の表面の傷付きも抑制された、本実施の形態の半導体装置を製造することができる。
（実施の形態３）
図７は、本発明の実施の形態３に係る半導体装置を示す。
この実施の形態３は、熱伝導性フィラー１７がゲル状封止材１６中において配向される際、配向された方向が、断面を見た場合に略湾曲状を描くことを特徴とする。具体的には、半導体素子１０の上面近傍では、熱伝導性フィラー１７の配向方向が半導体素子１０の表面と略平行であり、半導体素子１０の上面から離れたリードフレーム１２との接触箇所（半導体素子１０の上面の中央から見て外側のリードフレーム１２の近傍）では、図７の矢印３１で示すように、リードフレーム１２に向けて傾斜した方向（突き刺さる方向）に熱伝導性フィラー１７が配向している点が、実施の形態１とは異なる。その他は実施の形態１と同様である。
この構成により、半導体素子１０からの発熱が、配向された熱伝導性フィラー１７を介して放熱される際、リードフレーム１２に伝わる熱が多くなり、さらに放熱性に優れた半導体装置とすることができる。
続いて、実施の形態３の製造プロセスを説明する。
図８（ａ）−（ｄ）は本発明の実施の形態３の製造プロセスを示す断面図である。
図８（ａ）では、半導体素子１０を搭載したリードフレーム１２上に、半導体素子や半導体素子１０や端子を接続する金属ワイヤ１５を覆うように、熱伝導性フィラー１７を配合した半硬化状態のゲル状封止材１６Ｂを配置する。図８（ａ）に至る工程は、実施の形態１の図２Ａ（ａ）−（ｄ）と同じである。
図８（ｂ）（ｃ）では、実施の形態１の図２Ａ（ｆ）で使用した押圧面がフラットな押圧ジグ１９ではなく、押圧面に湾曲状に窪んだ湾曲部３２が形成されている押圧ジグ２０により、押圧する。具体的には、この押圧ジグ２０を１５０℃に加熱し、半硬化状態の封止樹脂３０を押圧し、２時間放置する。
これによって、半硬化状態のゲル状封止材１６Ｂ中において熱伝導性フィラー１７がさらに配向され、図７と図８（ｄ）に示したように、熱伝導性フィラー１７の配向方向が、断面を見た場合に略円弧を描き、リードフレーム１２の面に突き刺さる方向となる。
押圧ジグ２０における湾曲部３２の窪み形状について、説明する。湾曲部３２は、半導体素子１０の上部における湾曲部分の最も低い箇所が、湾曲部分のリードフレーム１２に接触する箇所よりも高く設定されている。また、湾曲部３２は、図８（ａ）において半導体素子１０や外部端子１２Ｂや金属ワイヤ１５を覆うように半硬化状態の封止樹脂３０を押圧する際に、図８（ｃ）にＡで示した箇所のように、少なくとも、リードフレーム１２と接触する箇所から素子の周辺上部の間にわたって半硬化状態の封止樹脂３０と接触するように設定されている。また、金属ワイヤ１５の上部では、押圧ジグ２０の湾曲部３２の内壁と金属ワイヤ１５が接触しないように設定されている必要がある。押圧ジグ２０の湾曲部３２の周辺部の形状と大きさは、半導体素子１０およびリードフレーム１２における外部端子１２Ｂを覆い隠す形状と大きさである必要があるという観点から、押圧ジグ２０の湾曲部３２の外周を、半径２９ｍｍの円形としている。また、押圧ジグ２０の湾曲部３２の窪みの端部がリードフレーム１２と成す角度については、金属ワイヤ１５と湾曲部３２の内壁が接触しない程度に大きく、図８（ｃ）にＡで示した箇所では半硬化状態の封止樹脂３０と接触する程度に小さければ良い。本実施の形態では、押圧ジグ２０の湾曲部３２の窪みの端部がリードフレーム１２と成す角度は、２０°としている。このような構成とすることにより、リードフレーム１２の近傍において、熱伝導性フィラー１７が配向される際、リードフレーム１２の表面に向かって突き刺さるように配向される。
実施の形態３は実施の形態１とは押圧ジグの形状が異なるだけである。そのため、同様に、実施の形態２における押圧ジグ１９に代わって実施の形態３で説明した湾曲部３２を有する押圧ジグ２０を使用することも出来る。
なお、上記の各実施の形態の封止樹脂３０は、完全硬化した状態においても、比較的軟らかい表面状態、つまり、塑性変形が可能な半固形として説明したが、熱伝導性フィラー１７の配向状態が実施の形態１〜３と同じであれば、封止樹脂３０が完全硬化した状態において、硬い表面状態、塑性変形しない固形状態であっても同様の効果が期待できる。
なお、上記の各実施の形態では、半導体素子１０の全部を封止樹脂３０で覆った半導体装置を説明したが、半導体素子１０の一部を封止樹脂３０で覆った半導体装置の場合も同じ効果が期待できる。
本発明は、半導体素子の過昇温を防止することが可能であるため、半導体素子の信頼性の向上と長寿命化に寄与する半導体装置を提供することができる。
１０ 半導体素子
１１ ペースト材
１２ リードフレーム
１２Ａ ダイパッド部
１２Ｂ 外部端子
１３ 絶縁性接着用樹脂
１４ 放熱板
１５ 金属ワイヤ
１６ ゲル状封止材
１６Ａ 液状前駆体
１６Ｂ 半硬化状態のゲル状封止材
１７ 熱伝導性フィラー
１８ 吸着コレット
１９，２０ 押圧ジグ
２１ 平面状分子構造
３０ 封止樹脂
３２ 湾曲部

Claims (8)

  1. 基板に実装された半導体素子の少なくとも一部を封止樹脂で覆った半導体装置であって、
    前記封止樹脂は、封止材に熱伝導率に異方性を有する鱗片状の熱伝導性フィラーが配合されており、
    前記熱伝導性フィラーの鱗片状の長手方向は、前記半導体素子の上面に対して略平行に配向している
    半導体装置。
  2. 前記封止材に対する前記熱伝導性フィラーの含有率が、前記半導体素子の上面近傍位置よりも前記上面近傍位置から離れた位置の方が高い
    請求項１記載の半導体装置。
  3. 前記熱伝導性フィラーの長手方向は、前記半導体素子の上面近傍においては前記半導体素子と略平行に配向し、それ以外の箇所においては前記基板の表面に向いて傾斜した方向に配向している
    請求項１又は２記載の半導体装置。
  4. 前記封止材がシリコーンゲルである
    請求項１から３の何れかに記載の半導体装置。
  5. 前記熱伝導性フィラーは、前記長手方向の長さが１μｍ以上２０μｍ以下である
    請求項１から４の何れかに記載の半導体装置。
  6. 鱗片状の熱伝導性フィラーを配合した半硬化状態の封止樹脂を、基板上に搭載された半導体素子の上に配置した後、前記封止樹脂を押圧ジグにより押圧することで前記熱伝導性フィラーの長手方向を前記半導体素子の表面と略平行に配向させる、
    半導体装置の製造方法。
  7. 前記半導体素子と反対側に前記熱伝導性フィラーが偏在した半硬化状態の封止樹脂を、前記半導体素子の上に配置する、
    請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
  8. 前記押圧ジグは、中心から外側に向けて湾曲した湾曲部を有し、
    前記湾曲部を有する前記押圧ジグにより、前記熱伝導性フィラーの長手方向を、前記半導体素子の上面の位置においては前記半導体素子と略平行に配向し、それ以外の箇所においては前記基板の表面に向いて傾斜した方向に配向する
    請求項６又は７に記載の半導体装置の製造方法。
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