JP2016154210A - 半導体装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体モジュールの動作時に発熱及び冷却を繰り返すことにより発生する、熱伝導性グリース層のポンプアウトによる熱伝導率低下を抑制した半導体装置及びその製造方法を提供する。【解決手段】半導体モジュールＭの金属板８，１３とヒートシンク１５との間に熱伝導率を上げるための第１のフィラーを含む熱伝導層１４を設け、この熱伝導層１４には、前記金属板と前記ヒートシンクとの実装面の中央部において、前記第１のフィラーよりも粒径が大きく、かつ前記熱伝導層の塗布膜厚より小さい第２のフィラー１４ａが添加されて埋め込まれている。【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートシンクに実装された半導体装置とその製造方法に関する。

近年、半導体チップを搭載した半導体モジュールは、高機能化・高性能化に伴う電力量の増加による発熱量の増加、あるいは微細化プロセスによる発熱密度の上昇が著しい。このため放熱装置が必要とされる半導体装置が増加している。

斯かる半導体モジュールの動作時に発生する熱を、放熱装置であるヒートシンクに効率よく伝達し、半導体装置系外に熱を放出するためには、半導体モジュールとヒートシンクとの間の熱抵抗を低く抑える必要がある。半導体モジュールとヒートシンクとの間の熱抵抗を低く抑える手段としては、熱伝導性グリースを用いた層（以下、熱伝導層又は熱伝導性グリース層と言う。）を半導体モジュールとヒートシンクとの間に用いることが知られているが、半導体モジュールにヒートシンクを実装した後の半導体モジュールの動作に伴って熱伝導性グリース層の熱抵抗が上昇する現象がある。これは、半導体モジュールの動作に伴いヒートサイクルが発生することが原因である。

熱伝導性グリース層は、半導体モジュールの発熱時にはその熱により粘度が低下して流動し易くなり、半導体モジュールに発生した反りに追従し、半導体モジュールとヒートシンクとの間から押し出され易くなる。その一方、半導体モジュールの反りが戻る時は冷却されているため熱伝導性グリース層は流動し難い。そのため、半導体モジュールの反りの戻りに熱伝導性グリース層が追従し難くなり、モジュール−ヒートシンク間に空気を巻き込み易くなる。

これを、図１１を参照して説明する。この半導体装置は、ケース型半導体モジュールを用いたものである。このケース型半導体モジュールＭは、金属ベース板１３と、この金属ベース板１３上に高熱伝導性のダイボンド５を介して形成される複数のＤＢＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｏｎｄｉｎｇ Ｃｏｐｐｅｒ）セラミック基板１２と、ＤＢＣセラミック基板１２上にそれぞれ実装されるパワー半導体チップ４と、複数のパワー半導体チップ４間を連結するワイヤーボンド３とを備えている。

さらに、このケース型半導体モジュールＭは、金属ベース板１３上において、パワー半導体チップ４が実装された領域を囲うように設けられる樹脂ケース枠１０と、この樹脂ケース枠１０に埋め込まれ、樹脂ケース枠１０の外部に導通するために樹脂ケース枠１０に埋め込まれた埋め込みブスバー９と、樹脂ケース枠１０内を封止するシリコーンゲル１１とを備えている。

半導体装置としては、金属ベース板１３とヒートシンク１５との間にフィラー入りの熱伝導性グリース層１４を設け、金属ベース板１３及び熱伝導性グリース層１４を介して、パワー半導体チップ４の熱が半導体モジュールＭ外のヒートシンク１５に伝熱され、半導体装置系外に放熱される構成となっている。

そして、同図（１）に示すヒートサイクル発生前の半導体装置は、同図（１）の冷却状態、及び同図（２）の発熱状態のヒートサイクルを経て、半導体モジュールの反り、戻りが繰り返されることにより、熱伝導性グリース層１４が押し出され、そこに空気が介在するポンプアウトが発生する。

近年の熱伝導性グリースは熱伝導率３．０Ｗ／ｍ・Ｋを超えるグリースが市販されている。これに対して、空気の熱伝導率は０．０２４Ｗ／ｍ・Ｋと極めて低いため、ポンプアウトが発生すると著しく熱抵抗が上昇する。

このポンプアウトを抑制する方法として、ヒートシンクに例えば金属ペーストの印刷及び焼成等の方法により高熱伝導の突起物を形成するという技術がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−３０６０１０号公報

しかしながら、上記の特許文献１に記載の方法では、金属ペーストの印刷、焼結等により突起物を形成するため、この凹凸が形成されたところへのグリースの塗布という工程を経なければならず、製造工程が複雑になる。

本発明では、上記の課題を解決するため、半導体モジュールがヒートサイクルを繰り返すことにより、熱伝導性グリース層が半導体モジュールとヒートシンクとの間から押し出されることを防止し、空気の介在による熱抵抗の上昇を抑制した半導体装置と、その製造方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明に係る半導体装置は、実装面に金属板を有する半導体モジュールと、放熱用のヒートシンクと、前記金属板と前記ヒートシンクとの間に設けられ熱伝導率を上げるための第１のフィラーを含む熱伝導層であって、前記金属板と前記ヒートシンクとの実装面の中央部において、前記第１のフィラーよりも粒径が大きく、かつ前記熱伝導層の膜厚より小さい第２のフィラーが含まれた熱伝導層とを備える。

また本発明では、実装面に金属板を有する半導体モジュールの前記金属板上に熱伝導層を塗布し、前記熱伝導層に含まれる、熱伝導率を上げるための第１のフィラーよりも粒径が大きく、かつ、前記熱伝導層の膜厚より小さい第２のフィラーを、前記熱伝導層の実装面の中央部に添加し、前記熱伝導層を前記金属板とヒートシンクの間に挟んだ状態で前記第２のフィラーが前記熱伝導層中に埋め込まれるように圧接する半導体装置の製造方法が提供される。

本発明によれば、半導体モジュールとヒートシンクとの間に設けた熱伝導層の中央部に埋め込まれたフィラー（第２フィラー）は、熱伝導層に元々入っているフィラー（第１フィラー）よりも粒径が大きく、かつ熱伝導性グリース層の膜厚より小さいので、半導体モジュールとヒートシンクとの間の熱伝導層が押し出されることを防止するとともに、金属ペーストの印刷、焼結等により突起物が形成されたところへのグリース層の塗布というような複雑な製造工程を排除することができる。

本発明の実施の形態１による、モールド型半導体モジュールを用いた半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態１による半導体装置の製造工程を示す断面図である。 本発明の各実施の形態による半導体装置においてフィラーを添加する方法の一例を示した図である。 本発明の実施の形態１においてフィラーの添加方法の別の一例を示した断面図である。 本発明に係る半導体装置による添加フィラーがある場合と、無い場合とのヒートサイクル（ＨＣ）後の熱抵抗の比較例を示したグラフ図である。 本発明の実施の形態１による半導体装置において新たに添加するフィラーの位置を表した上面図である。 本発明の実施の形態１による、モールド型半導体モジュールを用いた半導体装置の実装構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態２による、ケース型半導体モジュールを用いた半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態２による半導体装置の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態２による半導体装置において新たに添加するフィラーの位置を表した上面図である。 従来の半導体装置においてヒートサイクルによる反りの発生を模式的に表した断面図である。

実施の形態１．
＜半導体装置＞
本実施の形態１による半導体装置は、図１に示すように、モールド型の半導体モジュール（例えば、インバータモジュール）Ｍを備えており、このモールド型半導体モジュールＭは、リードフレーム１と、このリードフレーム１に高熱伝導・導電性のダイボンド５を介して実装されたパワー半導体チップ４と、複数のリードフレーム１間を連結するワイヤーボンド３とを備える。

さらに、このモールド型半導体モジュールＭは、リードフレーム１の背面に設けられて放熱機能を発揮するインナーヒートスプレッター６と、このインナーヒートスプレッター６の背面に設けられている熱伝導性絶縁シート７と、この熱伝導性絶縁シート７の背面に設けられている銅箔（金属板）８と、この銅箔８とリードフレーム１の一部を露出させ、それ以外の上述の構成要素を封止（モールド）する封止樹脂２とを備える。

そして、半導体装置としては、半導体モジュールＭの銅箔８とヒートシンク１５との間に熱伝導性グリース層（熱伝導層）１４を設け、インナーヒートスプレッター６、熱伝導性絶縁シート７、銅箔８、及び熱伝導性グリース層１４を介して、パワー半導体チップ４の熱がヒートシンク１５に伝えられ、ヒートシンク１５から半導体装置系外に放熱される構成となっている。

この場合の熱伝導性グリース層１４は、元々フィラー（第１のフィラー；図示せず）を含んでいるとともに外部からフィラー（第２フィラー）１４ａを添加して埋め込んでおり、この第２のフィラー１４ａは、熱伝導性グリース層１４の膜厚より小さく、かつ第１のフィラーよりも粒径が大きくいことから支柱の役割をするため、半導体モジュールとヒートシンクとの間の熱伝導層が押し出されることを防止できるものである。

＜半導体装置の製造方法＞
図２（１）〜（４）は、図１に示した本発明に係る半導体装置の下記の製造過程（１）〜（４）をそれぞれ示すものである。
（１）図１に示した半導体装置における熱伝導性グリース層１４とフィラー１４ａとヒートシンク１５を除いた従来から知られたモールド型半導体モジュールＭを用意し、
（２）この半導体モジュールＭにおける銅箔８（半導体モジュールＭの実装面）上にフィラー（図示せず）入りの熱伝導性グリース層１４を塗布し、
（３）熱伝導性グリース層１４に元々入っているフィラーよりも粒径が大きく、かつ熱伝導性グリース層の膜厚より小さいフィラー１４ａを、熱伝導性グリース層１４の実装面の中央部にさらに添加し、
（４）この半導体モジュールＭをヒートシンク１５上に熱伝導性グリース層１４の塗布面を介して実装する。

以下、上記の工程（１）〜（４）を詳細に説明する。
（１）まず、本実施の形態のモールド型半導体モジュールＭは、リードフレーム１と、このリードフレーム１に高熱伝導・導電性のダイボンド５を介して実装されるパワー半導体チップ４と、複数のリードフレーム１間を連結するワイヤーボンド３とを備える。さらに、モールド型半導体モジュールＭは、リードフレーム１の背面に設けられて放熱機能を発揮するインナーヒートスプレッター６と、このインナーヒートスプレッター６の背面に設けられている熱伝導性絶縁シート７と、この熱伝導性絶縁シート７の背面に設けられている銅箔８と、銅箔８及びリードフレーム１の一部を露出させ、それ以外の上述の構成要素を封止する封止樹脂２とを備える。インナーヒートスプレッター６、熱伝導性絶縁シート７、及び銅箔８を介して、パワー半導体チップ４の熱が半導体モジュールＭの外に放熱される。

（２）上記の工程（１）の半導体モジュールＭの銅箔８が露出している面（実装面）に熱伝導性グリース層１４を塗布する。熱伝導性グリース層１４の塗布は、図示のように塗布面である銅箔８を上にした状態で、ヘラを用いたり、メタルマスク、メッシュを用いたスクリーン印刷、スリットコート、バーコート等の方法で行う。一例として、９ｍｍ角の正方形パターンを１０ｍｍピッチで配した、厚さ５０μｍのメタルマスクを用いて、スクリーン印刷をしてもよい。前述したメタルマスクパターンは、あくまでも一例であって、ハニカムパターン、ひし形等のパターンを用いてもよい。

熱伝導性グリース層１４は熱抵抗を抑えるためには、以下の式（Ａ）に基づき、膜厚を薄くするのが有効である。
熱抵抗＝（厚み／面積）／熱伝導率 ・・・式（Ａ）

しかしながら、薄くし過ぎると印刷時に擦れを生じる等、塗布の作業性、均一性が悪くなるので、熱伝導性グリース層１４は、３０〜３００μｍの厚さで塗布するのが好ましく、特に熱抵抗を低く抑えるためには薄く、３０〜１５０μｍの厚さで塗布するのがより好ましい。

半導体モジュールＭとヒートシンク１５との間に設けられる熱伝導層には、熱伝導性グリース層の他に、ゲルシートあるいはゴムシートや、硬化性接着剤などを用いることができるが、本実施の形態では、オイル状の物性に由来するポンプアウトを防ぐため、熱伝導層としては主に熱伝導性グリース層を用いる。

熱伝導性グリース層１４は、図１に示したモールド型半導体モジュールＭで、銅箔８とヒートシンク１５との間に塗布される。これによりパワー半導体チップ４から、インナーヒートスプレッター６→熱伝導性絶縁シート７→銅箔８と伝達されて来た熱は、ヒートシンク１５に伝達される。ヒートシンク１５に伝達された熱は、ヒートシンク１５から半導体装置系外に放熱される。半導体モジュールＭの動作時に発生する熱を、ヒートシンク１５に効率よく伝達し、半導体装置系外に放出するためには、半導体モジュールＭとヒートシンク１５との間の熱抵抗を低く抑える必要がある。

熱抵抗は、上記の式（Ａ）で表されるので、熱抵抗を低く抑えるためには、ア）半導体モジュールＭの放熱面とヒートシンク１５を密着させる材料の熱伝導率を高くすること、イ）半導体モジュールＭの放熱面を広くすること、ウ）半導体モジュールＭの放熱面とヒートシンク１５との距離を短くすることが必要であり、ア）とウ）の条件を備えた材料として熱伝導性グリースが用いられることが多い。イ）は半導体モジュールＭの大きさが大きくなるため現実的とは言えない。すなわち、熱抵抗を低く抑え、効率的に熱を伝達させるためには、熱伝導性グリース層１４の熱伝導率を高くすること、及び熱伝導性グリース層１４の膜厚を薄くすることが必要である。

熱伝導性グリース層１４は、基油とフィラー（第１のフィラー）、酸化防止剤等の種々の添加剤で構成される。基油には液状炭化水素、シリコーン油、フッ素油等が用いられる。フィラーには熱伝導性に優れた、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム等の酸化物、窒化ホウ素、窒化アルミニウム等の窒化物、アルミニウム、銅等の金属粉末が用いられる。熱伝導率は各々、酸化亜鉛２５Ｗ／ｍ・Ｋ、酸化マグネシウム６０Ｗ／ｍ・Ｋ、酸化アルミニウム３２Ｗ／ｍ・Ｋ、窒化ホウ素６０Ｗ／ｍ・Ｋ、窒化アルミニウム１５０Ｗ／ｍ・Ｋ、アルミニウム２３６Ｗ／ｍ・Ｋ、銅４００Ｗ／ｍ・Ｋである。また、基油である液状炭化水素、シリコーンオイル、フッ素油等の熱伝導率は、０．１〜０．４Ｗ／ｍ・Ｋであり、空気は極めて低く０・０２４Ｗ／ｍ・Ｋである。

各々の熱伝導率から分かるように、熱伝導性グリース層１４の熱伝導率を高くするためには、熱伝導率の低い基油よりも、熱伝導率の高いフィラーを多く入れればよい。しかしながら、フィラーを多くすると、粘度が上昇し、半導体モジュールＭの放熱面或いはヒートシンク１５に、熱伝導性グリースを薄く均一に、しかも熱伝導率の低い空気を撒き込まずに塗布することが困難になる。

熱伝導率を高くするために、フィラーを多く入れることとは別に、フィラーの種類を複数組み合わせたり、フィラーを最密に充填するために、粒径の異なるフィラーを複数組み合わせたりする場合もある。大きなサイズのフィラーと、小さなサイズのフィラーを組み合わせることで、大きなサイズのフィラーの間を、小さなサイズのフィラーが埋めることができるため、熱の伝達を効率的にすることができる。ここで、熱伝導性グリース層１４に用いられるフィラー粒径は、サイズが大きいフィラーを入れると、塗布膜厚の均一性が劣化するため、０．１〜５０μｍであり、複数のサイズの異なるフィラーを用いる場合も、この範囲で用いる。

（３）上記の工程（１）で塗布された熱伝導性グリース層１４に新たにフィラー（第２のフィラー）１４ａを添加する。この新たに添加するフィラー１４ａは、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム等の酸化物、窒化ホウ素、窒化アルミニウム等の窒化物、アルミニウム、銅等の金属粉末、ガラスビーズを用いてもよい。熱抵抗を低くするためには、熱伝導率の高い金属粉末を用いることがより好ましい。

新たに添加するフィラー１４ａは、上記の工程（２）で塗布された熱伝導性グリース層１４を上にして、例えば、図３のように静電スクリーン印刷機を用いて添加してもよい。すなわち、静電スクリーン印刷機では、フィラー１４ａを挿入するパターン２７を開口したスクリーン板２５と、ステージ２６に電圧２３を印加する。印加した電圧２３により生じた、スクリーン板２５とステージ２６間の静電界中に、印刷ブラシ２４を用いてフィラー１４ａを押し出す。熱伝導性グリース層１４を上にしてステージ上に配置した半導体モジュールの所定の位置に、フィラー１４ａが添加される。静電スクリーン印刷機のメリットは、スクリーン板に、フィラーを挿入すべき箇所にパターンを付けておくことで転写可能なこと、及び静電界中にフィラーが押し出されるため、モジュールに垂直に飛び、モジュールに無接触で挿入できることである。

他にも、マイクロピペット式微量粉体ディスペンサを用いて添加してもよいし、粉体スプレーを用いてもよいし、図４に示すように５０〜２００μｍの網２１を介してふるいに掛けても良い。またスパチュラ２２等で適量を落としてもよい。

新たに添加するフィラー１４ａは、添加後、熱伝導性グリース層１４に埋め込むため、フィラーの粒径は熱伝導性グリース層１４の塗布膜厚より小さい必要がある。また、熱伝導性グリース層に含まれるフィラーの粒径よりも大きい必要がある。すなわち、新たに添加するフィラー１４ａは、熱伝導性グリース層１４に含まれるフィラーが０．１〜５０μｍであることから、その粒径よりも大きく粒径５０〜１５０μｍである。熱伝導性グリース層１４に含まれるフィラーが０．１〜３０μｍである場合は、新たに添加するフィラー１４ａは３０〜１５０μｍを用いても良い。

新たに添加するフィラー１４ａの粒径を熱伝導性グリース層１４に含まれるフィラーの粒径よりも大きくすることで、ヒートシンク１５と銅箔８の間でストッパーの役割を果たす。その結果、新たに添加するフィラー１４ａよりも粒径の小さい熱伝導性グリース層１４に元々含まれるフィラーはヒートシンク１５と銅箔８に押されることがなく、熱伝導性グリース層１４が半導体モジュールＭとヒートシンク１５との間から押し出されることを防止できる。新たに添加するフィラー１４ａは、半導体モジュールＭとヒートシンク１５からの圧力を受けるため、丸みを帯びた形状であることが好ましく、球状であることがより好ましい。

また、新たに添加するフィラー１４ａの粒径が熱伝導性グリース層１４の膜厚より大きくなると、熱伝導性グリース層１４からフィラーが突出することになる。そうなると、熱伝導性グリース層１４の界面と銅箔８の間に空気が介在することになり熱抵抗を上昇させることになる。そのため、新たに添加するフィラー１４ａの粒径は熱伝導性グリース層１４の塗布膜厚よりも小さい必要がある。

従って、塗布膜厚の５０〜８０％であることが好ましい。さらに熱伝導性グリース層１４の熱抵抗を低く抑えるためには、新たに添加するフィラー１４ａは、熱伝導性グリース層１４に含まれるフィラーよりも高熱伝導率を有するものがより好ましい。熱伝導率が高いフィラーを用いることで熱抵抗を低く抑えることが可能となる。

一例として、熱伝導性グリース層１４として、熱伝導率０．９４Ｗ／ｍ・Ｋ、第１のフィラーは〜３０μｍであるグリースを用い、新たに添加するフィラー１４ａとしてガラスビーズ(約１．０Ｗ／ｍ・Ｋ)を用い、銅ベース板に見立てた厚さ５ｍｍの銅で熱伝導性グリース層１４を挟み、熱抵抗を測定した。熱伝導性グリース層の塗布膜厚２００μｍに対して新たに添加するフィラー１４ａとしてガラスビーズ粒径１００ｕｍのものと、塗布膜厚２００μｍに対してガラスビーズ無しのものを用意した。

０〜８５℃のヒートサイクル（ＨＣ）後の熱抵抗を図５に示す。ヒートサイクル前で、添加フィラーの有無で熱低効率の値に違いは見られなかったが、ヒートサイクル後の熱抵抗は、新たにフィラーを添加した場合は熱抵抗の上昇が抑えられたが、フィラーが無いものは熱抵抗の上昇が見られたことが分かる。

新たにフィラー１４ａを添加する位置は、図６に点線部分２０で示すように、半導体モジュールＭの銅箔８の放熱面の中央１／３以内であることが好ましい。半導体モジュールＭの反りは、端はボルト等で固定されるため、中央部分での変位が大きくなる。そのため熱伝導性グリース層１４は中央で特に押し出され易くなる。そのためそれを防止するように新たに添加するフィラー１４ａは少なくとも位置２０（長さ方向および幅方向の３等分における中央１／３以内、面積としては１／９以内）に添加する必要がある。また、パワー半導体チップ４が複数搭載されている場合は、中央に加えて各パワー半導体チップの直下に添加しても良い。ヒートシンク側に熱伝導性グリース層を塗布する場合は、これに対応した位置に添加する。

（４）新たにフィラー１４ａを添加した熱伝導性グリース層１４を介して半導体モジュールＭをヒートシンク１５に実装する。半導体モジュールＭをヒートシンク１５に実装する際には図７に示すように、半導体モジュールＭがヒートシンク１５に固定されるように皿ばね１６と皿ばね支持体１７を用いて加圧する。この加圧により、新たに添加されるフィラー１４ａは熱伝導性グリース層１４に埋め込まれることになる。

実施の形態２．
＜半導体装置＞
本実施の形態２による半導体装置は、図８に示すようにケース型半導体モジュールＭを用いたもので、図１１（１）に示した半導体装置とは、熱伝導性グリース層１４にフィラー１４ａが埋め込まれていない点が異なっている。

この実施の形態２においても、熱伝導性グリース層１４の中央部に埋め込まれるフィラー（第２のフィラー）１４ａは、元々熱伝導性グリース層１４に入っているフィラー（第１のフィラー）よりも粒径が大きく、かつ、熱伝導性グリース層の塗布膜厚より小さいものである。

＜半導体装置の製造方法＞
図９（１）〜（４）は、図８に示すケース型半導体モジュールを用いた本発明に係る半導体装置の下記の製造過程（１）〜（４）をそれぞれ示すものである。
（１）図８に示した半導体装置における熱伝導性グリース層１４とフィラー１４ａとヒートシンク１５を除いた従来から知られたケース型半導体モジュールＭを用意し、
（２）半導体モジュールＭの実装面上にフィラー入りの熱伝導性グリース層１４を塗布し、
（３）熱伝導性グリース層１４に入っているフィラーよりも粒径が大きく、かつ熱伝導性グリース層の膜厚より小さいフィラー１４ａを熱伝導性グリース層１４の実装面中央部にさらに添加し、
（４）半導体モジュールＭをヒートシンク１５に熱伝導性グリース層１４の塗布面を介して実装する。

以下、上記の工程（１）〜（４）を詳細に説明する。
（１）まず、本実施の形態２のケース型インバーターモジュールＭは、金属ベース板１３と、この金属ベース板１３上に高熱伝導・導電性のダイボンド５を介して形成される複数のＤＢＣセラミック基板１２と、このＤＢＣセラミック基板１２上にそれぞれ実装されるパワー半導体チップ４と、複数のパワー半導体チップ４間を連結するワイヤーボンド３とを備える。さらに、ケース型インバーターモジュールＭは、金属ベース板１３上において、パワー半導体チップ４が実装された領域を囲うように設けられる樹脂ケース枠１０に埋め込まれ、樹脂ケース枠１０の外部に導通するために樹脂ケース枠１０に埋め込まれた埋め込みブスバー９と、樹脂ケース枠１０内を封止するシリコーンゲル１１とを備える。金属ベース板を介して、パワー半導体チップ４の熱が半導体モジュール系外に放出される構成となっている。

（２）半導体モジュールＭの金属ベース板１３側の面、或いはヒートシンク１５に熱伝導性グリース層１４を塗布する。熱伝導性グリース層１４の塗布は塗布面である金属ベース板１３を上にして、ヘラを用いた塗布、メタルマスク、メッシュを用いたスクリーン印刷、スリットコート、バーコート等の方法で塗布される。例えば９ｍｍ角の正方形パターンを１０ｍｍピッチで配した、厚さ５０μｍのメタルマスクを用いて、スクリーン印刷をしてもよい。前述したメタルマスクパターンは、あくまでも一例であって、ハニカムパターン、ひし形等のパターンを用いてもよい。

本実施の形態２で用いられる熱伝導性グリース層に関しては、実施の形態１と同様である。熱伝導性グリース層は熱抵抗を抑えるためには上記の式（Ａ）に基づき、膜厚を薄くするのが有効である。しかしながら薄くし過ぎると印刷時に擦れを生じる等、塗布の作業性、均一性が悪くなる。熱伝導性グリース層１４は、３０〜３００μｍの厚さで塗布するのが好ましく、特に熱抵抗を低く抑えるためには薄く、３０〜１５０μｍの厚さで塗布することがより好ましい。

（３）上記の工程（２）で塗布された熱伝導性グリース層１４に新たに添加するフィラー（第２のフィラー）１４ａは、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム等の酸化物、窒化ホウ素、窒化アルミニウム等の窒化物、アルミニウム、銅等の金属粉末、ガラスビーズを用いてもよい。熱抵抗を低くするためには、熱伝導率の高い金属粉末を用いることがより好ましい。新たに添加するフィラー１４ａは、工程（２）で塗布された熱伝導性グリース層１４を上にして、例えば図３のように静電スクリーン印刷機を用いてもよいし、マイクロピペット式微量粉体ディスペンサを用いて添加してもよい。粉体スプレーを用いてもよいし、５０〜２００μｍの網目を介してふるいに掛けても良い。またスパチュラ等で適量を落としてもよい。

新たに添加するフィラー１４ａは添加後、熱伝導性グリース層１４に埋め込むため、フィラー１４ａの粒径は熱伝導性グリース層１４の塗布膜厚より小さい必要がある。
また、熱伝導性グリース層１４に含まれるフィラー（第１のフィラー）よりも大きい。すなわち新たに添加するフィラー１４ａは、熱伝導性グリース層１４に含まれるフィラーが一般的に０．１〜５０μｍであることから、その粒径よりも大きく粒径５０〜１５０μｍである。熱伝導性グリース層１４に含まれるフィラーが０．１〜３０μｍである場合は、新たに添加するフィラー１４ａは３０〜１５０μｍを用いても良い。

新たに添加するフィラー１４ａの粒径を熱伝導性グリース層に含まれるフィラーの粒径よりも大きくすることで、ヒートシンク１５と銅箔８の間でストッパーの役割を果たし、その結果、新たに添加するフィラー１４ａよりも粒径の小さいフィラーはヒートシンク１５と銅箔８に押されることがなく、熱伝導性グリース層１４が半導体モジュールＭとヒートシンク１５との間から押し出されることを防止できる。新たに添加するフィラー１４ａは、半導体モジュールＭとヒートシンク１５からの圧力を受けるため、丸みを帯びた形状であることが好ましく、球状であることがより好ましい。

また、新たに添加されるフィラー１４ａの粒径が熱伝導性グリース層１４の膜厚より大きくなると、熱伝導性グリース層１４からフィラーが突出することになる。そうなると、熱伝導性グリース層１４の界面と銅箔８との間に空気が介在することになり熱抵抗を上昇させることになる。そのため、新たに添加するフィラー１４ａは熱伝導性グリース層１４の塗布膜厚よりも小さい必要がある。従って、塗布膜厚の５０〜８０％であることがより好ましい。

さらに熱伝導性グリース層の熱抵抗を低く抑えるためには、新たに添加するフィラー１４ａは、熱伝導性グリース層１４に含まれるフィラーよりも高熱伝導率を有するものがより好ましい。熱伝導率が高いフィラーを用いることで熱抵抗を低く抑えることが可能となる。

新たにフィラー１４ａを添加する位置は、図１０に示すように、パワー半導体チップ４の位置を囲み、半導体モジュールＭの金属ベース板１３の放熱面の中央１／３以内であることが好ましい。半導体モジュールＭの反りは、端がボルト等で固定されるため、中央での変位が大きくなる。そのため熱伝導性グリース層１４は図１０の中央で特に押し出され易くなる。

そのためそれを防止するように新たに添加されるフィラー１４ａは少なくとも位置２０（中央１／３以内、面積としては１／９以内）に添加することが好ましい。また、パワー半導体チップ４が複数搭載されている場合は、中央に加えて各パワー半導体チップの直下に添加しても良い。ヒートシンク側に熱伝導性グリース層を塗布する場合は、これに対応した位置に添加する。

（４）新たにフィラー１４ａを添加した熱伝導性グリース層１４を介して半導体モジュールをヒートシンク１５に実装する。熱伝導性グリース層１４をヒートシンク１５に実装する際には、半導体モジュールＭがヒートシンク１５に固定されるように、図７に示した場合と同様に、例えばボルト１８を用いて加圧される。この加圧により、新たに添加されるフィラー１４ａは熱伝導性グリース層１４に埋め込まれることになる。

実施の形態３．
＜半導体装置＞
実施の形態１及び２と同様のものである。
＜半導体の製造方法＞
熱伝導性グリース層１４の塗布工程までは各々実施の形態１、２と同様であるが、熱伝導性グリース層１４として、以下の特徴を有するものを用いることができる。
１）塗布時はグリース状であり、実施の形態１及び２と同様に、ヘラを用いたり、メタルマスク、メッシュを用いたスクリーン印刷、スリットコート、バーコート等の方法で塗布できる。
２）塗布後、８０〜１５０℃、１分〜３０分程度の溶剤乾燥工程を経ることで、表面はタックフリーとなり、ゴム状となる。ゴム状になるため、梱包・輸送が可能となる。
３）ヒートシンクに取り付けた後、半導体モジュールの動作に伴う熱により或る温度以上になることでグリース状に変化し均一に広がる。

上記の特徴を有する熱伝導性グリース層１４は、例えば市販されているＨｅｎｋｅｌ社製ＬＯＣＴＩＴＥ ＰＳＸ Ｐ、Ｌａｉｒｄ社製Ｔｐｃｍ５８０、などが挙げられる。
本発明に係る半導体製造方法を実施の形態１を用いて説明する。
（１）図１に示した半導体装置における熱伝導性グリース層１４とフィラー１４ａとヒートシンク１５を除いた従来から知られたモールド型半導体モジュールＭを用意し、
（２）この半導体モジュールＭにおける銅箔８（半導体モジュールＭの実装面）上にフィラー（図示せず）入りの上記１）〜３）の特徴を有する熱伝導性グリース層１４を塗布し、
（３）熱伝導性グリース層１４に元々入っているフィラーよりも粒径が大きく、かつ熱伝導性グリース層の膜厚より小さいフィラー１４ａを、熱伝導性グリース層１４の実装面の中央部にさらに添加し、
（４）熱伝導性グリース層１４に含まれる溶剤を加熱により揮発（溶剤乾燥）させて、熱伝導性グリース層をゴム状のものとし、
（５）この半導体モジュールＭをヒートシンク１５上に熱伝導性グリース層１４の塗布面を介して実装する。

実施の形態１に上記（４）工程が追加されることと、熱伝導性グリース層１４として上記１）〜３）の特徴を有すること以外は実施の形態１と同様である。
また、実施の形態２においても、上記（４）工程の追加と、熱伝導性グリース層１４として上記１）〜３）の特徴を有することができる。

このような工程で製造された本発明の半導体装置の構成を採用することにより、半導体モジュールが動作時の熱により反りが発生した場合でも、新たに添加したフィラー１４ａはが支柱の役割をするため半導体モジュールとヒートシンクとの間の熱伝導性グリース層が押し出されないようにすることができ、空気の介在による熱抵抗の上昇を防止することができる。

１ リードフレーム；２ 封止樹脂；３ ワイヤーボンド；４ パワー半導体チップ；５ ダイボンド；６ ヒートスプレッタ；７ 熱伝導性絶縁シート；８ 銅箔；９ 埋め込みブスバー；１０ 樹脂ケース枠；１１ シリコーンゲル；１２ ＤＢＣセラミック基板；１３ 金属ベース板；１４ 熱伝導性グリース層；１４ａ フィラー；１５ ヒートシンク；１６ 皿ばね；１７ 皿ばね支持体；１８ ボルト；２０ フィラー添加位置；２１ 網；２２ スパチュラ；２３ 高電圧；２４ 印刷ブラシ；２５ スクリーン板；２６ ステージ；２７ スクリーン板パターン。

Claims (16)

1. 実装面に金属板を有する半導体モジュールと、
   放熱用のヒートシンクと、
   前記金属板と前記ヒートシンクとの間に設けられ熱伝導率を上げるための第１のフィラーを含む熱伝導層であって、前記金属板と前記ヒートシンクとの実装面の中央部において、前記第１のフィラーよりも粒径が大きく、かつ前記熱伝導層の膜厚より小さい第２のフィラーが含まれた熱伝導層とを備えた
   半導体装置。
2. 前記第１のフィラーの粒径は０．１〜５０μｍであり、前記第２のフィラーの粒径は５０〜１５０ｕｍである
   請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記熱伝導層の膜厚は３０〜３００μｍであり、前記第２のフィラーの粒径は前記熱伝導層の膜厚の５０〜８０％である
   請求項１に記載の半導体装置。
4. 前記第２のフィラーは、前記第１のフィラーより高い熱伝導率を有する
   請求項１に記載の半導体装置。
5. 前記第１のフィラーは、酸化物、窒化物、又は金属粉末であり、第２のフィラーは、酸化物、窒化物、金属粉末、又はガラスである
   請求項１に記載の半導体装置。
6. 前記第２のフィラーの形状は、球状を含む丸みを帯びた形状である
   請求項１に記載の半導体装置。
7. 前記熱伝導層は、グリース層である
   請求項１に記載の半導体装置。
8. 乾燥した前記グリース層は、ゴム状のものである
   請求項７に記載の半導体装置。
9. 実装面に金属板を有する半導体モジュールの前記金属板の上に熱伝導層を設け、
   前記熱伝導層に含まれる、熱伝導率を上げるための第１のフィラーよりも粒径が大きく、かつ、前記熱伝導層の膜厚より小さい第２のフィラーを、前記熱伝導層の実装面の中央部に添加し、
   前記熱伝導層を前記金属板とヒートシンクの間に挟んだ状態で前記第２のフィラーが前記熱伝導層に埋め込まれるように圧接する
   半導体装置の製造方法。
10. 前記第１のフィラーの粒径は０．１〜５０μｍであり、前記第２のフィラーの粒径は、５０〜１５０ｕｍである
    請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
11. 前記熱伝導層の膜厚は３０〜３００μｍであり、前記第２のフィラーの粒径は前記熱伝導層の膜厚の５０〜８０％である
    請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
12. 前記第２のフィラーは、前記第１のフィラーより高い熱伝導率を有する
    請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
13. 前記第１のフィラーは、酸化物、窒化物、又は金属粉末であり、前記第２のフィラーは、酸化物、窒化物、金属粉末、又はガラスである
    請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
14. 前記第２のフィラーの形状は、球状を含む丸みを帯びた形状である
    請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
15. 前記熱伝導層は、グリース層である
    請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
16. 前記グリース層は、前記第２のフィラーが埋め込まれた後、溶剤乾燥工程によりゴム状のものになっている
    請求項１５に記載の半導体装置の製造方法。

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