JP2017063185A - 放熱構造及び半導体装置、並びに放熱構造の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 安価で接合性の高い接合層を備える放熱構造を提供する。【解決手段】 発熱体１７と、銅板もしくは銅合金板で形成される伝熱コア１１と、前記発熱体と前記伝熱コアとを接合する銅めっき層１２Ａとを備え、任意選択的に被伝熱部材１３Ａを備えることを特徴とする放熱構造、並びに。発熱体と、銅板もしくは銅合金板で形成される伝熱コアと、被伝熱部材とをこの順に積層して積層体を得る工程と、前記積層体を固定し、銅めっき浴に浸漬する工程と、前記伝熱コアに、陰極を接触させて、電解めっきを行う工程とを含む放熱構造の製造方法。【選択図】 図１
Description
本発明は、放熱構造及び半導体装置、並びに放熱構造の製造方法に関する。本発明は、特には、安価で放熱性に優れ、接合層としての機能を兼ね備えた放熱構造及び半導体装置、並びに放熱構造の製造方法に関する。
近年、パワーモジュールの分野では、大電流化に伴い、デバイスチップからの熱を逃がす高放熱構造が要求されている。現在、デバイスチップ下の放熱は、基板を介し、銅ブロックやアルミニウム放熱フィンへ逃がす構造が主に採用されている。
図８は、従来技術に係る半導体装置の概念的な断面図である。図８に示す半導体装置１００においては、配線金属部１１４と絶縁層１１５と金属層１１６とから構成される絶縁回路基板１１３の配線金属部１１４に、はんだ接合層１１９を介して半導体チップ１１７が接合されている。半導体チップ１１７と配線金属部１１４とは、リードワイヤ１１８により接続されており、図示しない絶縁封止材により封止されている。一方、絶縁回路基板１１３の金属層１１６側の面には、図示しないはんだ接合層を介して、放熱フィン１２０が設けられている。
しかし、図示するような従来の構造においては、絶縁回路基板１１３の接合材であるはんだ接合層１１９や絶縁回路基板のセラミックスからなる絶縁層１１５の放熱性能が低く、大電流化に対して十分な放熱が困難となっている。そこで、放熱性能に優れた銀ナノ粒子や銅ナノ粒子を用いた接合材が開発されてきている。
デバイスチップ上に放熱板を設け、これをはんだ接合して放熱性を向上させた半導体装置が知られている（特許文献１）。また、ＬＥＤ素子の下に厚みのある銅めっき層と銅板を設けて放熱特性を良好なものとした発光ダイオードが知られている（特許文献２）。他には、絶縁回路基板の、半導体チップとは反対側の面に、Ｓｎ及びＮｉを含有する金属間化合物を介して設けられて接合されたＣｕもしくはＣｕ合金等からなる放熱体を備えるパワーモジュールが知られている（特許文献３）。
従来技術として用いられてきた銀ナノ粒子や銅ナノ粒子を用いた接合材は材料費、プロセスが高価になる上、やはり絶縁回路基板を構成するセラミックスの放熱性能に律速して、十分な放熱性が確保できないという問題があった。また、特許文献１に開示された構成では、はんだ材を使用していることから、Ｃｕに比べ放熱性能が劣ることが推測される。
さらに、はんだは融点が低いため、高温動作での利用には接合材としての信頼性が不十分である。特許文献２に開示された技術においては、ＬＥＤ素子の接合に、比較的高価な銀ペーストなどの導電性接着剤を必要とする。特許文献３に開示された構成においても、セラミクスから構成される絶縁回路基板が放熱の律速要因になりうるという問題があった。
さらに、はんだは融点が低いため、高温動作での利用には接合材としての信頼性が不十分である。特許文献２に開示された技術においては、ＬＥＤ素子の接合に、比較的高価な銀ペーストなどの導電性接着剤を必要とする。特許文献３に開示された構成においても、セラミクスから構成される絶縁回路基板が放熱の律速要因になりうるという問題があった。
また、デバイスチップ以外の発熱部材においても、高温動作での利用が可能な接合材が求められる。これらの問題に鑑みて、放熱性能に優れ、比較的安価な接合層を備えた放熱構造が求められる。
本発明者らは、デバイスチップなどの発熱体と配線金属部を設けた絶縁回路基板との接合に通常用いられるはんだや金属ナノ粒子に代えて、放熱性の高い銅板もしくは銅合金板とめっきを用いて接合層を構成することを考え、本発明を完成するに至った。本発明は、一実施形態によれば、放熱構造であって、発熱体と、銅板もしくは銅合金板で形成される伝熱コアと、前記発熱体と前記伝熱コアとを接合する銅めっき層とを備えることを特徴とする。
前記放熱構造において、前記銅めっき層によって前記伝熱コアに接合され、前記発熱体からの熱が伝熱される被伝熱部材をさらに備えることが好ましい。
前記放熱構造において、前記伝熱コアは、銅めっき時に前記発熱体に当接する発熱体当接面と、銅めっき時に前記被伝熱部材に当接する被伝熱部材当接面と、銅めっき時に該発熱体および該被伝熱部材のいずれにも当接しない非当接面とを有し、該発熱体と該非当接面の間および該被伝熱部材と非当接面との間が前記銅めっき層により接合されていることが好ましい。
前記放熱構造において、前記発熱体当接面および前記被伝熱部材当接面が当該伝熱コアの中心部を含む位置に設定されていることが好ましい。
前記放熱構造において、前記伝熱コアが、平面視した場合に、長辺の長さＬ０の矩形形状をなし、前記発熱体当接面と前記被伝熱部材当接面との距離で定義される当該伝熱コアの中央部厚みｄ１と、側端部厚みｄ２と、Ｌ０とが、以下の関係
ｄ１−ｄ２ ≧ Ｌ０／２００
で表されることが好ましい。
ｄ１−ｄ２ ≧ Ｌ０／２００
で表されることが好ましい。
本発明は、別の実施形態によれば、前述のいずれかの放熱構造を備える半導体装置であって、前記発熱体がデバイスチップであり、前記被伝熱部材が、絶縁回路基板の少なくとも一方の面に、前記銅めっき層によって前記伝熱コアに接合される配線金属部を形成した絶縁回路基板であることを特徴とする半導体装置である。
前記半導体装置において、前記伝熱コアに接合される配線金属部が、中央部が厚く、側端部が薄く構成されており、前記中央部に前記伝熱コアに当接する伝熱コア当接面を有することが好ましい。
前記半導体装置において、前記伝熱コアに接合される配線金属部が、平面視した場合に、長辺の長さＭ０の矩形形状をなし、
前記配線金属部の中央部厚みｅ０と側端部の厚みｅ２との差ｅ１が、以下の関係
ｅ１ ≧ Ｍ０／２００
で表されることが好ましい。
前記配線金属部の中央部厚みｅ０と側端部の厚みｅ２との差ｅ１が、以下の関係
ｅ１ ≧ Ｍ０／２００
で表されることが好ましい。
前記半導体装置において、前記デバイスチップの接合面および前記配線金属部が、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉから選択される１以上の成分を含んで構成されていることが好ましい。
本発明は、別の局面によれば、放熱構造の製造方法であって、発熱体と、銅板もしくは銅合金板で形成される伝熱コアと、被伝熱部材とをこの順に積層して積層体を得る工程と、前記積層体を固定し、銅めっき浴に浸漬する工程と、前記伝熱コアに、陰極を接触させて、電解めっきを行う工程とを含む。
本発明によれば、従来のはんだ接合層に代えて、銅板もしくは銅合金板で形成される伝熱コアと、銅めっき層とから構成された接合層を備える放熱構造とすることで、安価に強固な接合を実現するとともに、接合層が放熱層としての機能を兼ねる構造とすることができる。発熱体の直下に放熱接合層を設けることで、発熱体で発生する熱を効率よく逃すことができる。このような放熱構造を備えてなる半導体装置は、高温動作に好適で、高い信頼性を有するとともに、経済的にも優れている。
以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。ただし、本発明は、以下に説明する実施の形態によって限定されるものではない。特に、図示する各部材の寸法や、部材間の相対的な寸法、位置関係は、一例であり、図示するものには限定されない。
本発明は、一実施形態によれば、放熱構造に関する。当該放熱構造は、発熱体と、前記発熱体と少なくとも一部において当接している銅板もしくは銅合金板で形成される伝熱コアと、前記発熱体と前記伝熱コアとを接合する銅めっき層とを備える。さらに、銅めっき層によって前記伝熱コアに接合され、前記伝熱コアと少なくとも一部において当接しており、前記発熱体からの熱が伝熱される被伝熱部材をさらに備えていてもよい。本実施形態による放熱構造は、はんだ材や金属ナノ粒子などの接合材を用いることなく、銅めっき層により接合され、かつ、銅めっき層と伝熱コアとで構成される接合層が、高い放熱機能を備えている。
本発明の放熱構造は、特定の装置構成に限定されるものではないが、一例として、パワーモジュールとして用いられる半導体装置おける放熱構造を例示して本発明を説明する。
［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係る放熱構造を備える半導体装置を模式的に示す断面図である。図１を参照すると、パワーモジュールに用いられる放熱構造１Ａは、主として、発熱体であるデバイスチップ１７と、被伝熱部材である絶縁回路基板１３Ａと、これらの間に位置する接合層１０Ａとから構成される。接合層１０Ａは、銅板もしくは銅合金板で形成される伝熱コア１１と、銅めっき層１２Ａとから構成される。
図１は、第１実施形態に係る放熱構造を備える半導体装置を模式的に示す断面図である。図１を参照すると、パワーモジュールに用いられる放熱構造１Ａは、主として、発熱体であるデバイスチップ１７と、被伝熱部材である絶縁回路基板１３Ａと、これらの間に位置する接合層１０Ａとから構成される。接合層１０Ａは、銅板もしくは銅合金板で形成される伝熱コア１１と、銅めっき層１２Ａとから構成される。
被伝熱部材である絶縁回路基板１３Ａは、アルミナなどの絶縁層１５と、絶縁層の一方の面に設けられた配線金属部１４Ａと、他方の面に設けられた金属層１６から構成される。絶縁回路基板１３Ａの配線金属部１４Ａは、一般的に用いられる材料で構成することができるが、特にはその表面が、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉを少なくとも１つ含む成分で構成されていることが好ましい。導電性に優れるためである。また、本実施形態における絶縁回路基板１３Ａは、平板状の配線金属部１４Ａ、絶縁層１５及び金属層１６から構成される、一般的に市販されている構造のものであってよい。
発熱体であるデバイスチップ１７は、パワーモジュールにおける放熱構造１Ａの場合には、Ｓｉ素子、ＳｉＣ素子、ＧａＮ素子等であってよいが、これらには限定されない。デバイスチップは、裏面電極を備えており、この裏面電極が、接合層１０Ａとの接触面となる。裏面電極は、一般的な金属電極材料から構成することができるが、例えば、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉの少なくとも１つ含む成分で構成されていることが好ましい。導電性に優れるためである。
接合層１０Ａは、絶縁回路基板１３Ａの配線金属部１４Ａと、デバイスチップ１７の裏面電極との間にあって、伝熱コア１１と、銅めっき層１２Ａとから形成される。伝熱コア１１と、銅めっき層１２Ａとが連続的に一体となって接合層１０Ａを形成し、全面接合して、デバイスチップ１７と絶縁回路基板１３Ａとの電気伝導性を確保するとともに、デバイスチップ１７下の放熱体としても機能する。
伝熱コア１１は、発熱体と被伝熱部材との両者に当接して、放熱性及び電気的接続性を確保するとともに、接合層１０Ａを形成する際の、支持部材として機能する。図１を参照すると、伝熱コア１１は、接合層１０Ａを形成する銅めっき時にデバイスチップ１７に当接する発熱体当接面と、銅めっき時に絶縁回路基板１３Ａに当接する被伝熱部材当接面と、デバイスチップ１７にも絶縁回路基板１３Ａにも当接しない非当接面と、側端部にある側端面とを有している。非当接面は、当接面に隣接して形成され、デバイスチップ１７または絶縁回路基板１３Ａに対向している。伝熱コア１１の側端部は、中央部よりも薄く構成され、側端部は、デバイスチップ１７にも、絶縁回路基板１３Ａに接触しない部分を有する。このような伝熱コア１１の構造的特徴により、絶縁回路基板１３Ａ、伝熱コア１１、デバイスチップ１７をこの順に積層した際に、伝熱コア１１の非当接面とデバイスチップ１７との間、及び伝熱コア１１の非当接面と絶縁回路基板１３Ａとの間に、間隙が生じる。この間隙を、銅めっき層１２Ａにより埋めることで接合層１０Ａが形成される。
代表的な態様においては、前記伝熱コア１１が、デバイスチップ１７側表面の中央部に設けられた発熱体当接面と、当該発熱体当接面から両側の側端部に向かって延びる、非当接面と、絶縁回路基板１３Ａ側表面の中央部に設けられた被伝熱部材当接面と、当該被伝熱部材当接面から両側の側端部に向かって延びる、非当接面とから構成されている。図１において、発熱体当接面が、紙面上方のデバイスチップ１７の図示しない裏面電極と接している。そして、発熱体当接面から、紙面左側端部及び右側端部に向けて、下り傾斜面となる、非当接面が形成されている。一方、被伝熱部材当接面は、紙面下方の絶縁回路基板１３Ａの配線金属部１４Ａの表面と接している。そして、被伝熱部材当接面から、紙面左側端部及び右側端部に向けて、上り傾斜面となる非当接面が形成されている。なお、上下といった表現は、図１の紙面における上下を示す相対的な表現であり、放熱構造１Ａにおける、絶対的な上下を区別する意図ではない。
伝熱コア１１を構成する材料としては、銅板、もしくは、銅と亜鉛、鉄、ニッケル、コバルト、スズ、金、銀、クロム、モリブデン、タングステン、インジウムとの合金からなる板が挙げられるが、これらには限定されない。導電性及び放熱性の観点から、銅板を用いることが特に好ましい。
一実施態様において、伝熱コア１１を放熱構造１Ａの積層方向から平面視した場合に、伝熱コア１１は、配線金属部１４Ａよりも小さく、デバイスチップ１７よりも大きい矩形形状、例えば長方形、好ましくは正方形をなしている。一方、伝熱コア１１の中央部付近で、当接面に垂直に伝熱コア１１を切断した断面は、略八角形をなしている。
図２（ａ）は、図１に示す伝熱コア１１を、伝熱コア１１の中心付近で、放熱構造１Ａの積層方向に平行に切断した断面図である。断面における発熱体当接面の長さＬ２、被伝熱部材当接面の長さＬ５は、同一でも異なっていてもよいが、５０〜２０００μｍであることが好ましく、１００〜５００μｍであることがより好ましい。発熱体当接面及び被伝熱部材当接面は、後に詳述する製造法において、銅めっき層１２Ａが形成される領域を画定するスペーサ様の機能をする。したがって、絶縁回路基板１３Ａと伝熱コア１１ａとデバイスチップ１７とを、積層固定することが可能な程度の幅を有することが好ましい。一方、後述する製造法において、発熱体当接面と裏面電極との接触面、及び配線金属部１４Ａと被伝熱部材当接面との接触面において、めっきの回り込みによる接合が可能な程度に、十分狭い幅であることが好ましい。これらの両者の観点から、上記範囲内とすることが好ましい。
また、図中、Ｌ１とＬ３の長さは、同一でもよく異なってもよい。さらに、Ｌ４とＬ６の長さも同一であってもよく、異なっていてもよい。Ｌ１とＬ４の長さも同一でも異なっていてもよいが、発熱体当接面と被伝熱部材当接面が対向する部分が少なくとも存在することが好ましい。後述する製造方法において、積層体を固定する際の利便性からである。図示する実施形態では、断面における発熱体当接面の長さＬ２、被伝熱部材当接面の長さＬ５は、同一であり、Ｌ１、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ６の長さもすべて略同一である。このような実施形態は、積層体の固定および伝熱コア１１を形成する銅板もしくは銅合金板の加工寸法の安定化の点から好ましい場合がある。
伝熱コア１１ａの中央部厚みｄ１は、発熱体当接面と被伝熱部材当接面との距離で定義される。厚みｄ１は、接合層１０Ａの厚みを決定しうる。厚みｄ１は任意であってよく、必要とされる放熱特性に応じて、当業者が適宜決定することができる。また、伝熱コア１１ａの側端部における厚みをｄ２とし、伝熱コア１１ａの一辺の長さをＬ０とすると、ｄ１、ｄ２、Ｌ０とが、以下の関係を満たすことが好ましい。
ｄ１−ｄ２ ≧ Ｌ０／２００
ここで、ｄ２は、０であってもよい。
ｄ１−ｄ２ ≧ Ｌ０／２００
ここで、ｄ２は、０であってもよい。
後述する製造方法におけるめっき接合時には、伝熱コア１１の非当接面とデバイスチップ１７の隙間および伝熱コア１１の非当接面と配線金属部１４Ａとの隙間をそれぞれ穴埋めする形式で、めっき液を隙間の奥まで送り込みながら銅めっき層１２Ａを析出させる必要がある。この穴埋めは、開口部の幅ｄ３、ｄ４と穴埋め深さとなる接合面長さＬ１、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ６（伝熱コア１１中央部から側端部までの距離）との間に理論的な限界値が存在する。これは、アスペクト比（接合面長さ／開口部）で１００以下となる。そのため、上記ｄ１、ｄ２、Ｌ０の関係を満たすように、伝熱コア１１の形状を設計することが好ましい。なお、図示するように、伝熱コア１１が、平面視した場合に正方形の場合は、一辺の長さをＬ０として、上記の関係を満たすことが好ましいが、伝熱コア１１が、平面視した場合に長方形の場合は、長辺の長さをＬ０として、上記の関係を満たせばよい。
デバイスチップ１７と伝熱コア１１の発熱体側の非当接面で形成される隙間の開口部を規定する長さｄ３と、絶縁回路基板１３Ａの配線金属部１４Ａと伝熱コア１１の被伝熱部材側の非当接面で形成される隙間の開口部を規定する長さｄ４とは、同一であっても異なっていてもよい。
図２（ｂ）は、別の態様に係る伝熱コア１１ｂの構造の一例を示す断面図である。図２（ｂ）は別の態様に係る伝熱コア１１ｂの中心付近で、放熱構造１Ａの積層方向に切断した断面図である。伝熱コア１１ｂは、中央部が厚みｄ１の厚板、周囲部（側端部）が厚みｄ２の薄板から構成されている。このような態様においても、Ｌ１〜Ｌ６の関係、ｄ３、ｄ４の関係、並びに、ｄ１、ｄ２、Ｌ０の関係は、上記図２（ａ）を用いて説明したのと同様であってよい。ただし、この実施形態においては、厚みｄ２はゼロではない。また、図示はしないが、さらなる変形形態として、図２（ｂ）に示す厚みｄ２の薄板からなる周囲部と厚みｄ１の中央部とのあいだに傾斜面が設けられていてもよい。いずれの態様であっても、伝熱コア１１ｂは、中央部の当接面で、発熱体及び被伝熱部材に接触し、少なくとも２つの対向する側端部には発熱体及び被伝熱部材に接触しない部分が存在し、銅めっき層１２Ａ形成のための隙間を形成しうる構造であればよい。
伝熱コア１１において、当接面の設けられる態様は、種々であってよく、当接面の形状も特に限定されるものではないが、発熱体当接面および被伝熱部材当接面が、伝熱コア１１の中心部を含む位置に設定されていることが好ましい。図３は、伝熱コア１１の平面図を示す概念図である。図３（ａ）は、図１、２に示す実施形態であり、伝熱コア１１ｃの中央に、伝熱コアの平面視した形状と略相似形の当接面が設けられる。当接面の周囲部は、当該当接面から紙面上下左右の側端部に向かう四つの傾斜面からなる非当接面が形成されていてもよく、側端部と同じ厚みｄ２を有する発熱体／絶縁回路基板に接触しない平板から構成される非当接面であってもよい。これらの態様では、めっき液の流れが良くめっき付き回りが優れており、量産時の安定した接合が得られうる。図３（ｂ）では、伝熱コア１１ｄの中央を横切る帯状当接面が設けられている。当該当接面の周囲部は、当該当接面から紙面左右の側端部に向かう二つの傾斜面からなる非当接面が形成されていてもよく、側端部と同じ厚みｄ２を有する平板からなる非当接面であってもよい。これらの態様では、後述する製造方法において、接合前、すなわちめっき層を形成する前の積層体としての固定がしやすく、めっき液の回り込みが容易であるという利点がある。図３（ｃ）は、伝熱コア１１ｅの中央を左右及び上下に横切る十字状当接面が設けられる。当接面の周囲部は、当該当接面から伝熱コア１１ｅの四隅に向かう傾斜面からなる非当接面が形成されていてもよく、側端部と同じ厚みｄ２を有する平板からなる非当接面であってもよい。いずれの実施形態も、傾斜面は平面であってもよく、曲面であってもよいし、側端部と同じ厚みｄ２を有する平板の一部に曲面や凹凸があってもよい。さらに図示はしないが、当接面の形状としては、四角以外に円や接合面形状に合った幾何形状が考えられる。
再び図１を参照すると、めっき層１２Ａは、上記伝熱コア１１の非当接面とデバイスチップ１７との間、及び伝熱コア１１の非当接面と絶縁回路基板１３Ａとの間に設けられる。好ましくは、図１に示すように、伝熱コア１１とデバイスチップ１７との間、及び伝熱コア１１と絶縁回路基板１３Ａとの間を隙間なく埋めて、全面接合層１０Ａを形成している。このとき、伝熱コア１１とめっき層１２Ａは、一つの塊状になって存在し、同様の形状の一枚の銅板もしくは銅合金板と同様に機能しうる。なお、伝熱コア１１の形状は、上記において説明したように種々であってよいが、いずれの場合も、伝熱コア１１の側端部が中央部よりも薄く形成されることで形成される間隙を、めっき層１２Ａが埋める状態となる。
本実施形態において、発熱体であるデバイスチップ１７と伝熱コア１１との間、及び、被伝熱部材である絶縁回路基板１３Ａと伝熱コア１１との間には、はんだ材、金属ナノ粒子あるいは金属マイクロ粒子などの接合材を含まない。
半導体装置を構成する放熱構造１Ａの場合には、当該放熱構造１Ａと、金属ワイヤとを図示しない絶縁性樹脂からなるケースに収納し、樹脂封止して、半導体装置とすることができる。あるいは、当該放熱構造１Ａと、デバイスチップ１７の上方に配置されたインプラント式プリント基板、並びにデバイスチップとインプラント式プリント基板との間、及び絶縁回路基板１３Ａの配線金属部１４Ａとの間を接続するインプラントピンとを絶縁性樹脂からなるケースに収納し、樹脂封止して、半導体装置とすることができる。絶縁回路基板１３Ａの接合層１０Ａと反対側の面には、さらに図示しないヒートシンクを設けることもできるが、本実施形態においては、接合層１０Ａが、放熱層としても機能するため、別途、ヒートシンクなどの放熱構造を設ける必要がない点で特に有利である。
なお、本発明に係る放熱構造における発熱体は、デバイスチップには限定されず、例えば、同様に大電流による発熱があり、近接して放熱構造を設けることが好ましい任意の部材であってよい。この場合、接合層の構成は上記と同様であってよい。また、被伝熱部材の構造も任意であってよい。一例として、このような放熱構造を、ペルチェ素子、あるいは放熱ファンに適用することができるが、特定の部材や装置への適用には限定されない。
［第２実施形態］
図４は、第２実施形態に係る放熱構造を備える半導体装置を模式的に示す断面図である。図４を参照すると、パワーモジュールに用いられる放熱構造１Ｂは、主として、発熱体であるデバイスチップ１７と、被伝熱部材である絶縁回路基板１３Ｂと、これらの間に位置する接合層１０Ｂとから構成される点で、第１実施形態による放熱構造１Ａと共通している。第２実施形態においては、被伝熱部材である絶縁回路基板１３Ｂを構成する配線金属部１４Ｂが、中央部が厚く、側端部が薄い構造をなしている。これにより、めっき層１２Ｂの形成前に、伝熱コア１１と配線金属部１４Ｂとの間隙が大きく、めっき液が回り易い構造としている。
図４は、第２実施形態に係る放熱構造を備える半導体装置を模式的に示す断面図である。図４を参照すると、パワーモジュールに用いられる放熱構造１Ｂは、主として、発熱体であるデバイスチップ１７と、被伝熱部材である絶縁回路基板１３Ｂと、これらの間に位置する接合層１０Ｂとから構成される点で、第１実施形態による放熱構造１Ａと共通している。第２実施形態においては、被伝熱部材である絶縁回路基板１３Ｂを構成する配線金属部１４Ｂが、中央部が厚く、側端部が薄い構造をなしている。これにより、めっき層１２Ｂの形成前に、伝熱コア１１と配線金属部１４Ｂとの間隙が大きく、めっき液が回り易い構造としている。
本実施形態においても、発熱体であるデバイスチップ１７の構造及び機能、並びに絶縁回路基板１３Ｂの機能については第１実施形態と同様であり、説明を省略する。また、伝熱コア１１の好ましい形状や材料についても、第１実施形態と同様である。
本実施形態における配線金属部１４Ｂの構造について説明する。配線金属部１４Ｂは、銅めっき時に伝熱コア１１に当接する伝熱コア当接面と、伝熱コア当接面に隣接して形成される非当接面と、絶縁層１５に当接する絶縁層当接面と、側端部にある側端面とを有している。第２実施形態による非当接面は、伝熱コアに面しており、伝熱コア当接面と同一平面上に存在しない。そして、図４に示す実施形態において、非当接面は、伝熱コア当接面から、紙面左側端部及び右側端部に向けて、下り傾斜面となっている。配線金属部１４Ｂの絶縁層当接面の構造的特徴は、第１実施形態と同様である。すなわち、絶縁層１５に対向する面全体が同一平面上にあって、絶縁層１５に当接するように構成される。配線金属部１４Ｂが担う電気的な機能については、第１実施形態と同様である。なお、ここでも、上下といった表現は、図４の紙面における上下を示す相対的な表現であり、放熱構造１Ｂにおける、絶対的な上下を区別する意図ではない。
図５は、図４に示す配線金属部１４Ｂを、配線金属部１４Ｂの中央部付近で、放熱構造１Ｂの積層方向に平行に切断した断面図である。一態様による配線金属部１４Ｂ（ａ）は、頂点を底面と平行に切り取った四角錐形状をしており、底面が絶縁層当接面を構成する。当該態様において、配線金属部１４Ｂ（ａ）の中央部厚みｅ０は、配線金属部１４Ｂの伝熱コア当接面と、絶縁層当接面との距離で定義される。厚みｅ０は、通常の平板状の配線金属部の厚みと同様に設計することができる。また、配線金属部１４Ｂ（ａ）の一辺の長さをＭ０とし、側端部における厚みをｅ２とし、中央部厚みｅ０と側端部における厚みｅ２との差（ｅ０−ｅ２）を、ｅ１とすると、ｅ１、Ｍ０が、以下の関係を満たすことが好ましい。
ｅ１ ≧ Ｍ０／２００
これは、第１実施形態において、伝熱コア１１の設計態様として説明したのと同様に、穴埋めめっきにおけるアスペクト比（接合長さ／開口部）が１００以下となるように設計することが好ましいためである。なお、配線金属部１４Ｂ（ａ）が、平面視した場合に正方形の場合は、一辺の長さをＭ０として、上記の関係を満たすことが好ましいが、配線金属部１４Ｂ（ａ）が、平面視した場合に長方形の場合は、長辺の長さをＭ０として、上記の関係を満たせばよい。
ｅ１ ≧ Ｍ０／２００
これは、第１実施形態において、伝熱コア１１の設計態様として説明したのと同様に、穴埋めめっきにおけるアスペクト比（接合長さ／開口部）が１００以下となるように設計することが好ましいためである。なお、配線金属部１４Ｂ（ａ）が、平面視した場合に正方形の場合は、一辺の長さをＭ０として、上記の関係を満たすことが好ましいが、配線金属部１４Ｂ（ａ）が、平面視した場合に長方形の場合は、長辺の長さをＭ０として、上記の関係を満たせばよい。
配線金属部１４Ｂ（ａ）中、Ｍ２は、断面における伝熱コア当接面の長さを表す。Ｍ２は、先に図２を用いて説明した伝熱コア１１の被伝熱部材当接面の長さであるＬ５との関係で決定することができ、Ｌ５とＭ２のいずれかが、大きくなる態様とすることが好ましい。伝熱コア１１の被伝熱部材当接面と、配線金属部１４Ｂの伝熱コア当接面とのいずれかの一方の面全体が、他方の面に接触した状態とすることが、めっき接合時に伝熱コアと配線金属部１４Ｂとを積層固定する観点から好ましいためである。Ｍ１、Ｍ３についても同様に、積層固定時に、伝熱コア１１の被伝熱部材当接面と、配線金属部１４Ｂの伝熱コア当接面とが、上記接触状態を可能にするように、設計することができる。
別の態様による配線金属部１４Ｂ（ｂ）は、中央部が厚みｅ０の厚板、周囲部（側端部）が厚みｅ２の薄板から構成されている。このような態様においても、Ｍ１〜Ｍ３の関係、並びに、ｅ１、Ｍ０の関係は、上記１４Ｂ（ａ）について説明したのと同様であってよい。配線金属部１４Ｂ（ｂ）のさらなる変形形態も可能であり、これは、図２（ｂ）を参照して説明した伝熱コア１１の構造と同様であってよい。ただし、絶縁層に対向する面は、面全体が同一平面上にあり、絶縁層に当接するように構成される。
配線金属部１４Ｂ（ａ）、（ｂ）の両者について、伝熱コア当接面及び非当接面を伝熱コア側から平面視した形状は、図３の（ａ）〜（ｃ）に示す伝熱コア１１の被伝熱部材当接面の形状のいずれかと同様の形状であってよい。先に説明したように、銅めっき層１２Ｂの形成のための積層固定時に、伝熱コアの被伝熱部材当接面と、配線金属部１４Ｂの伝熱コア当接面とのいずれかの一方の面全体が、他方の面に接触した状態とすることができればよい。
再び図４を参照すると、銅めっき層１２Ｂは、上記伝熱コア１１の非当接面とデバイスチップ１７との間、及び伝熱コア１１の非当接面と配線金属部１４Ｂの非当接面との間に設けられる。そして、好ましくは、図４に示すように、伝熱コア１１とデバイスチップ１７との間、及び伝熱コア１１と絶縁回路基板１３Ｂとの間を隙間なく埋めて、全面接合層１０Ｂを形成する。
本実施形態においても、発熱体であるデバイスチップ１７と伝熱コア１１との間、及び、絶縁回路基板１３Ｂと伝熱コア１１との間には、はんだ材、金属ナノ粒子あるいは金属マイクロ粒子などの接合材を含まないことが好ましい。また、半導体装置を構成する放熱構造１Ｂの場合には、半導体装置を構成する他の部材については、第１実施形態と同様であってよい。
第２実施形態による放熱構造は、第１実施形態と比較して、伝熱コア１１と、被伝熱部材との間隙が大きい構造となっており、めっき接合層１２Ｂの占める体積が大きくなる。このような構造とすることで、後述する製造方法における穴埋めめっき時に、めっき液が奥まで、すなわち、伝熱コア１１と被伝熱部材との当接面の近傍まで入り込みやすくなる。その結果として、めっき接合層１２Ｂが隙間なく形成され、めっき接合層１２Ｂによる接合強度が確保でき、放熱効果が大きくなる。
次に、本発明を、製造方法の観点から説明する。本発明に係る放熱構造の製造方法は、発熱体と、伝熱コアと、被伝熱部材とをこの順に積層して積層体を得る工程と、前記積層体を固定し、銅めっき浴に浸漬する工程と、前記伝熱コアに、陰極を接触させて、電解めっきを行う工程とを含む。製造方法についても、図１に示す第１実施形態に係るパワーモジュールの放熱構造１Ａを例として説明するが、本発明の放熱構造の製造方法は、特定装置における放熱構造を製造する場合に限定されるものではない。
（１）積層工程
積層工程は、絶縁回路基板１３Ａと、伝熱コア１１と、裏面電極を備えるデバイスチップ１７とを順に積層して積層体を得る工程である。この工程においては、先に詳述した発熱体であるデバイスチップ１７、伝熱コア１１、絶縁回路基板１３Ａを、図１に示す順に積層する。
積層工程は、絶縁回路基板１３Ａと、伝熱コア１１と、裏面電極を備えるデバイスチップ１７とを順に積層して積層体を得る工程である。この工程においては、先に詳述した発熱体であるデバイスチップ１７、伝熱コア１１、絶縁回路基板１３Ａを、図１に示す順に積層する。
（２）固定・浸漬工程
次いで、この積層体を治具により固定し、めっき浴に浸漬する。積層体の全てがめっき浴に浸漬されることが好ましい。図６は、積層体及び治具の一例を示す概念図である。積層体は、絶縁性で耐薬品性に優れ、めっき処理中で変質しない材料、例えばポリ塩化ビニル、ポリプロピレンなどから構成される第１の平面板２３と第２の平面板２４とで挟み込んで固定する。第１、第２の平面板２４は、貫通孔を備えており、これによりめっき液の流れを形成することができる。また、第１の平面板２３には、積層体を固定した２枚の平面板２３、２４を、めっき装置の所定の位置に掛けるための部材２５が設けられている。
次いで、この積層体を治具により固定し、めっき浴に浸漬する。積層体の全てがめっき浴に浸漬されることが好ましい。図６は、積層体及び治具の一例を示す概念図である。積層体は、絶縁性で耐薬品性に優れ、めっき処理中で変質しない材料、例えばポリ塩化ビニル、ポリプロピレンなどから構成される第１の平面板２３と第２の平面板２４とで挟み込んで固定する。第１、第２の平面板２４は、貫通孔を備えており、これによりめっき液の流れを形成することができる。また、第１の平面板２３には、積層体を固定した２枚の平面板２３、２４を、めっき装置の所定の位置に掛けるための部材２５が設けられている。
陰極２１は、一方の端部が伝熱コア１１に接触しており、他方の端部は図示しない電解めっき装置の本体に接続される。陽極２２の一方の端部は、めっき浴中に浸漬され、他方の端部は図示しない電解めっき装置の本体に接続される。そして、治具２に固定された積層体は、部材２５を、引掛治具２６に掛けて、めっき浴に浸漬する。
めっき浴は、硫酸銅めっき浴であり、銅イオン、塩素イオンを含有する硫酸銅めっき浴に、当該硫酸銅めっき浴において使用できる析出抑制剤、促進剤を添加剤として加えたものであることが好ましい。硫酸銅めっき浴の主成分は、硫酸銅５水和物が１２０〜２００ｇ／Ｌ、硫酸が３０〜１２０ｇ／Ｌ、塩酸が５〜１００ｍｇ／Ｌであることが好ましい。
本発明に係るめっき工程では、アスペクト比が大きいため、液流れの悪い伝熱コアの中央部に十分銅イオンを供給する必要があり、通常よりも高濃度の銅イオンが必要となる。よって硫酸銅５水和物は溶解でき、かつ高濃度となる１２０〜２００ｇ／Ｌ、より好ましくは１５０〜２００ｇ／Ｌである。硫酸は、導電性を確保するために必要であるが、本めっき浴では硫酸銅５水和物が多いため、導電性確保のためのイオンがある程度存在する。よって硫酸は、好ましくは３０〜１２０ｇ／Ｌ程度、より好ましくは５０〜１００ｇ／Ｌ程度であってよい。塩酸は銅イオンの還元反応に関わってくるため、硫酸銅濃度に対しての必要量が存在する。よって、好ましくは１０〜１００ｍｇ／Ｌ、より好ましくは３０〜６０ｍｇ／Ｌの濃度が必要となる。
本発明に係るめっき工程では、アスペクト比が大きいため、液流れの悪い伝熱コアの中央部に十分銅イオンを供給する必要があり、通常よりも高濃度の銅イオンが必要となる。よって硫酸銅５水和物は溶解でき、かつ高濃度となる１２０〜２００ｇ／Ｌ、より好ましくは１５０〜２００ｇ／Ｌである。硫酸は、導電性を確保するために必要であるが、本めっき浴では硫酸銅５水和物が多いため、導電性確保のためのイオンがある程度存在する。よって硫酸は、好ましくは３０〜１２０ｇ／Ｌ程度、より好ましくは５０〜１００ｇ／Ｌ程度であってよい。塩酸は銅イオンの還元反応に関わってくるため、硫酸銅濃度に対しての必要量が存在する。よって、好ましくは１０〜１００ｍｇ／Ｌ、より好ましくは３０〜６０ｍｇ／Ｌの濃度が必要となる。
主成分の他、硫酸銅めっき浴に添加する微量添加剤のうち、Ｃｕめっき析出抑制剤としては、硫酸銅めっきで一般に用いられるポリマー系抑制剤、レベラー、ブライトナーが挙げられる。ポリマー系抑制剤としては、数平均分子量が２０００〜１２０００、より好ましくは６０００〜８０００のポリエチレングリコール（ＰＥＧ）、ポリプロピレングリコールを用いることができる。その添加量は、０．２〜０．５ｇ／Ｌとすることが好ましく、０．３〜０．４ｇ／Ｌがより好ましい。濃度は低すぎると抑制効果が得られない場合があり、高すぎるとめっき浴の粘度が上がる場合があるためである。ポリマー（例えばＰＥＧ）の数平均分子量は２０００未満で抑制効果が見られず、１２０００以上になると濃度が高い場合めっき浴の粘度が高くなり、浴成分の攪拌に悪影響が出る場合がある。レベラーとしては、ヤヌスグリーン（ＪＧＢ）を用いることが好ましく、その添加量は、１〜５ｍｇ／Ｌとすることが好ましい。濃度が低い（１ｍｇ／Ｌ未満）と抑制効果が得られない場合があり、高濃度では抑制効果が飽和する場合があるためである。さらには、１．５〜３ｍｇ／Ｌとすることがより好ましい。またＪＧＢが多いとめっき浴が濃青色になり、浴内の様子が見えにくく、施工上の問題となる場合があるためである。ブライトナーとしては、ビス（３−スルホプロピル）ジスルフィド（ＳＰＳ）を用いることができる。その添加量は、０．５〜１０ｍｇ／Ｌが好ましい。０．５ｍｇ／Ｌ未満の低濃度では促進効果が得られない場合があり、高濃度では促進効果が飽和するためである。特に高濃度であればめっきの残留応力を下げる効果があるため、５〜１０ｍｇ／Ｌがより好ましい。
（３）電解めっき工程
次いで、電解めっきを実施する。電解めっきの際の条件としては、電流密度を、０．１〜５Ａ／ｄｍ２とすることが好ましく、０．３〜１．０Ａ／ｄｍ２とすることがさらに好ましい。低電流密度ではめっき速度が遅くなり量産に不向きとなる場合があり、一方高電流密度では穴埋めが困難になる場合がある。この際、めっき液がめっき処理中、常に流れるよう、任意の公知の手段で攪拌を行うことが好ましい。穴埋めめっきにおいて、隙間等が生じるのを防止するためである。また、この反応は、室温で実施することができる。
次いで、電解めっきを実施する。電解めっきの際の条件としては、電流密度を、０．１〜５Ａ／ｄｍ２とすることが好ましく、０．３〜１．０Ａ／ｄｍ２とすることがさらに好ましい。低電流密度ではめっき速度が遅くなり量産に不向きとなる場合があり、一方高電流密度では穴埋めが困難になる場合がある。この際、めっき液がめっき処理中、常に流れるよう、任意の公知の手段で攪拌を行うことが好ましい。穴埋めめっきにおいて、隙間等が生じるのを防止するためである。また、この反応は、室温で実施することができる。
このような条件で穴埋めめっきを実施することで、伝熱コア１１の非当接面と絶縁回路基板１３Ａとの間、伝熱コア１１の非当接面とデバイスチップ１７との間にめっき層１２Ａが形成され、伝熱コア１１と銅めっき層１２Ａとが一体となった接合層１０Ａにより、デバイスチップ１７と絶縁回路基板１３Ａが全面接合される。めっき反応の終点は、目視にて確認することができる。
図２に示す第２実施形態に係る放熱構造１Ｂも概ね同様の製造方法により製造することができる。第２実施形態においては、絶縁回路基板１３Ｂを構成する配線金属部１４Ｂが、通常用いられている平板構造とは異なり、絶縁層１５と接しない面において、中央部が厚く、側端部が薄く形成されている。したがって、配線金属部１４Ｂの製造時にこのような所定の形状に加工することができる。加工は、例えば、平板状の配線金属部の一部を化学的方法で溶解させ、あるいは、物理的に削ることで、実施することができるが、特定の方法には限定されない。配線金属部１４Ｂを所定の形状に加工した後、絶縁回路基板１３Ｂを製造し、積層工程を実施することができる。そして、第１実施形態に係る放熱構造１Ａの製造方法について説明したのと同様に、固定・浸漬工程、並びに電解めっき工程を実施し、銅めっき層１２Ｂを形成することができる。
上記で説明した製造方法は、デバイスチップ以外の発熱体と被伝熱部材との間に接合層を形成する場合にも同様に実施することができる。また、治具の形態は一例であって、上記の形態に限定されるものではない。本実施形態による放熱構造の製造方法によれば、安価にかつ効率的に放熱構造を製造することができる点で有利である。
銅伝熱コア、銅配線金属部を設けた絶縁回路基板間の銅めっき接合を実施した。実施例１では、伝熱コアの形状を矩形形状（図２の１１ｂおよび図３の１１ｅ）とし、絶縁回路基板上の配線金属部形状を矩形形状（図５の１４Ｂ（ｂ））とした。実施例２は伝熱コアのみ矩形形状（図２の１１ｂおよび図３の１１ｅ）とし、配線金属部は平面形状とした。比較例１は伝熱コアおよび配線金属部のそれぞれ接合面を平面形状とした。
銅めっき浴成分、めっき処理条件は実施例１、２および比較例１のすべてについて、以下の内容で同一とした。めっき浴成分は、硫酸銅５水和物が１５０ｇ／Ｌ、硫酸が９０ｇ／Ｌ、塩酸が５０ｍｇ／Ｌ、平均分子量８０００のポリエチレングリコール（ＰＥＧ）が３００ｍｇ／Ｌ、ヤヌスグリーン（ＪＧＢ）が２ｍｇ／Ｌ、ビス（３−スルホプロピル）ジスルフィド（ＳＰＳ）が５ｍｇ／Ｌとした。めっき浴量は１Ｌとし、常時攪拌をしながらめっき処理を行った。まためっき条件は０．２Ａ／ｄｍ２とした。
実施例１における銅めっき接合後の、伝熱コアと銅めっき層を含む接合層、及び配線金属部を備える絶縁回路基板の断面写真を図７に示す。図７（ａ）は、接合層と絶縁回路基板の断面を示す図である。伝熱コア１１と絶縁回路基板１３Ｂとの間に接合界面Ｉが確認できる。図７（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ、図７（ａ）の位置Ｘ、Ｙ、Ｚにおける拡大写真である。いずれの位置においても、伝熱コア１１と、配線金属部１４Ｂの間に、銅めっき層１２Ｂが形成されていることが確認できる。位置Ｙにおいては、一部にボイドＶの存在も認められるが、断面観察から見た接合面積率（実接合長さ／狙いの接合長さ（伝熱コア長さ）×１００（％））が９２％でほぼ全面の接合が確認された。また、図７（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）から、伝熱コアと配線金属部が当接している箇所の両サイドに位置し、めっき液が入りにくい位置Ｘ、Ｙにおいても、端部に近い位置Ｚと同様の隙間ない接合が達成されていることが確認できる。実施例２でも、写真は示さないが、めっき接合層の存在が確認され、接合が可能であることがわかった。一方、比較例１では伝熱コアと配線金属部間の隙間がないため、めっき液が入らず接合が得られなかった。
以上より、伝熱コア、配線金属部間を銅めっきで埋めるために必要な隙間を持つ形状にすることで、銅めっき接合可能な構造が提供できる。
本発明に係る放熱構造は、高耐圧パワーモジュール、特には、ＩＧＢＴ、ＭＯＳ−ＦＥＴ、ダイオードを搭載した高耐圧パワーモジュールの製造において好ましく使用することができる。
１Ａ，Ｂ 放熱構造
１０Ａ，Ｂ 接合層
１１ 伝熱コア
１２Ａ，Ｂ 銅めっき層
１３Ａ，Ｂ 絶縁回路基板（被伝熱部材）
１４Ａ，Ｂ 配線金属部
１５ 絶縁層
１６ 金属層
１７ デバイスチップ（発熱体）
１８ 金属ワイヤ
２ 冶具
２１ 陰極
２２ 陽極
２３ 第１の平面板
２４ 第２の平面板
２５ 引掛部材
２６ 引掛治具
１０Ａ，Ｂ 接合層
１１ 伝熱コア
１２Ａ，Ｂ 銅めっき層
１３Ａ，Ｂ 絶縁回路基板（被伝熱部材）
１４Ａ，Ｂ 配線金属部
１５ 絶縁層
１６ 金属層
１７ デバイスチップ（発熱体）
１８ 金属ワイヤ
２ 冶具
２１ 陰極
２２ 陽極
２３ 第１の平面板
２４ 第２の平面板
２５ 引掛部材
２６ 引掛治具
Claims (10)
- 発熱体と、
銅板もしくは銅合金板で形成される伝熱コアと、
前記発熱体と前記伝熱コアとを接合する銅めっき層と、を備えることを特徴とする放熱構造。 - 前記銅めっき層によって前記伝熱コアに接合され、前記発熱体からの熱が伝熱される被伝熱部材をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の放熱構造。
- 前記伝熱コアは、銅めっき時に前記発熱体に当接する発熱体当接面と、銅めっき時に前記被伝熱部材に当接する被伝熱部材当接面と、銅めっき時に該発熱体および該被伝熱部材のいずれにも当接しない非当接面とを有し、該発熱体と該非当接面の間および該被伝熱部材と非当接面との間が前記銅めっき層により接合されていることを特徴とする請求項２に記載の放熱構造。
- 前記発熱体当接面および前記被伝熱部材当接面が当該伝熱コアの中心部を含む位置に設定されていることを特徴とする請求項３に記載の放熱構造。
- 前記伝熱コアが、平面視した場合に、長辺の長さＬ０の矩形形状をなし、
前記発熱体当接面と前記被伝熱部材当接面との距離で定義される当該伝熱コアの中央部厚みｄ１と、側端部厚みｄ２と、Ｌ０とが、以下の関係
ｄ１−ｄ２ ≧ Ｌ０／２００で表される、請求項４に記載の放熱構造。 - 請求項２から５のいずれか１項に記載の放熱構造を備える半導体装置であって、
前記発熱体がデバイスチップであり、
前記被伝熱部材が、絶縁回路基板の少なくとも一方の面に、前記銅めっき層によって前記伝熱コアに接合される配線金属部を形成した絶縁回路基板であることを特徴とする半導体装置。 - 前記伝熱コアに接合される配線金属部が、中央部が厚く、側端部が薄く構成されており、前記中央部に前記伝熱コアに当接する伝熱コア当接面を有する、請求項６に記載の半導体装置。
- 前記伝熱コアに接合される配線金属部が、平面視した場合に、長辺の長さＭ０の矩形形状をなし、
前記配線金属部の中央部厚みｅ０と側端部の厚みｅ２との差ｅ１が、以下の関係
ｅ１ ≧ Ｍ０／２００
で表される、請求項７に記載の半導体装置。 - 前記デバイスチップの接合面および前記配線金属部が、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉから選択される１以上の成分を含んで構成されていることを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の半導体装置。
- 発熱体と、銅板もしくは銅合金板で形成される伝熱コアと、被伝熱部材とをこの順に積層して積層体を得る工程と、
前記積層体を固定し、銅めっき浴に浸漬する工程と、
前記伝熱コアに、陰極を接触させて、電解めっきを行う工程と
を含む放熱構造の製造方法。
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| JP2007335473A (ja) * | 2006-06-12 | 2007-12-27 | Nissan Motor Co Ltd | 半導体素子の接合方法および半導体装置 |
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