JP2019071328A - 半導体実装基板、半導体モジュールおよび半導体実装基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体モジュールの放熱性を向上させることができる技術を提供する。【解決手段】半導体実装基板は、放熱板と、放熱板の上面に配置されている第１金属層であって、半導体素子を配置することが可能な第１金属層と、放熱板の下面に配置されている第１絶縁層と、放熱板の側面に配置されている第２絶縁層と、を備える。放熱板の熱伝導率が第１絶縁層および第２絶縁層の熱伝導率よりも高い。【選択図】図１

Description

本明細書が開示する技術は、半導体実装基板や半導体モジュールに関する。

従来のＳｉ素子と比べて耐熱性に優れたＳｉＣ素子やＧａＮ素子の開発が進んでいる。また、パワーモジュールの低コスト化や高性能化のために、出力密度の増大が年々進んでいる。従来よりも放熱性と耐久性に優れたモジュールを実現するための半導体実装基板が必要とされている。また、関連する技術が非特許文献１に開示されている。

只野博「自動車に必要とされるパワーデバイス」、２００９年１月２３日、第４回窒化物半導体応用研究会、インターネット（http://www.astf.or.jp/cluster/event/semicon/20090123/090123_4th_semicon_tadano.pdf）

図５に、非特許文献１に係る半導体モジュール１０１の要部断面図を示す。冷却器１０２上に、グリス１０３、ベースプレート１０４、接合層１０５、金属層１０６、絶縁板１０７、金属層１０８、接合層１０９、半導体素子１１０、が積層されている。金属層１０６、絶縁板１０７、金属層１０８によって実装基板１２０が構成されている。絶縁板１０７は、実装基板１２０の中間に配置されている。絶縁板１０７は、金属層１０６や１０８などの他の構成材料と比べて熱伝導率が低い材料である。従って、半導体素子１１０から金属層１０６およびベースプレート１０４への伝熱が絶縁板１０７によって阻害されてしまうため、半導体モジュールの放熱性が低くなってしまう。

本明細書が開示する半導体実装基板は、放熱板と、放熱板の上面に配置されている第１金属層であって、半導体素子を配置することが可能な第１金属層と、放熱板の下面に配置されている第１絶縁層と、放熱板の側面に配置されている第２絶縁層と、を備える。放熱板の熱伝導率が第１絶縁層および第２絶縁層の熱伝導率よりも高い。

熱伝導率の低い第１絶縁層が、放熱板の下面に配置されている。よって、第１絶縁層を放熱板の中間に配置する場合に比して、第１絶縁層を半導体素子からより遠い位置に配置することが可能となる。半導体素子から第１金属層および放熱板への伝熱が第１絶縁層によって阻害されてしまうことがない。素子で発生した熱を放熱板で効率的に放熱することが可能となるため、半導体実装基板の放熱性を高めることができる。また、第２絶縁層が放熱板の側面にも配置されているため、放熱板の上面の第１金属層から放熱板の下面側に向けて、放熱板の側面を通して沿面放電が生じてしまう事態を防止できる。半導体モジュールの絶縁性を高めることができる。

放熱板は金属系複合材料であってもよい。放熱板に金属材料を用いる場合に比して、線膨張係数を低くすることができる。熱ひずみの影響を小さくすることができるため、半導体素子を実装して使用する際の耐久性を向上させることが可能となる。また、樹脂系の複合材料を用いる場合に比して、熱伝導率を高くすることができるため、半導体素子の放熱性を高めることが可能となる。

金属系複合材料は、ダイヤモンド、グラファイト、グラフェン、炭素繊維、フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンナノワイヤの少なくとも１つを含んだ複合材料であってもよい。放熱板が炭素系材料を含んでいるため、放熱板の熱伝導率を高めると同時に、線膨張係数を小さくすることができる。高い放熱性と、熱ひずみに対する耐久性を兼ね備えた半導体実装基板を実現することができる。

金属系複合材料は、銅ダイヤモンド複合材料または銀ダイヤモンド複合材料であってもよい。

放熱板の下面と、放熱板の下面に配置されている第１絶縁層と、の間に配置されている中間層をさらに備えていてもよい。中間層と第１絶縁層との界面における中間層の表面は、研磨加工が行われていてもよい。中間層の表面を、研磨加工により平坦化することができる。

放熱板の側面と、放熱板の側面に配置されている第２絶縁層との間に配置されている第２金属層をさらに備えていてもよい。第１金属層、中間層および第２金属層は、同一材料で一体に形成されていてもよい。第１金属層、中間層および第２金属層を、一度の工程で同時に形成することが可能となるため、生産性を向上させることができる。また、中間層を金属層で形成することができる。金属層は、複合材料層等に比して研磨での平坦化が容易であるため、中間層の表面の平坦度を向上させることができる。

第１絶縁層および第２絶縁層は、ＣＶＤ法によって一体に形成されていてもよい。ＣＶＤ法では、ＰＶＤ法などに比して段差被覆性が高い。よって、ＣＶＤ法を用いることで、放熱板の下面と側面とに同時に絶縁膜を形成することが可能となるため、生産性を向上させることができる。

第１絶縁層および第２絶縁層は、窒化シリコン膜および酸化シリコン膜の少なくとも一方を含んだ材料であってもよい。窒化シリコン膜や酸化シリコン膜は、半導体分野で使用する絶縁膜として実績があり、成膜技術や成膜装置が確立している。従って、他の絶縁膜を使用する場合に比して、第１絶縁層および第２絶縁層を容易かつ安価に形成することが可能となる。半導体実装基板の低コスト化を実現することができる。

第１絶縁層および第２絶縁層の厚さは２０μｍ以下であってもよい。第１絶縁層および第２絶縁層を構成する材料の厚みを２０μｍ以下とすることで、絶縁性能を維持しながら、半導体実装基板の放熱性を高めることが可能となる。

本明細書が開示する半導体モジュールは、半導体実装基板と、半導体実装基板が備えている放熱板の下面に配置されている第１絶縁層と接して配置されている冷却器と、放熱板の上面に配置されている第１金属層と接して配置されている半導体素子と、を備えることができる。半導体素子はＳｉＣまたはＧａＮを用いて形成されている素子であってもよい。ＳｉＣまたはＧａＮから第１金属層、放熱板、および冷却器への伝熱が、第１絶縁層によって阻害されてしまうことがない。半導体モジュールの放熱性を高めることができる。

第１金属層と半導体素子との間に配置されている接合層をさらに備えていてもよい。接合層は、金属ナノ粒子接合法、または、ＳＬＩＤ（solid-liquid inter- diffusion）接合法により形成されていてもよい。金属ナノ粒子接合法やＳＬＩＤ接合法では、金属ろう材などを用いる従来の接合法に比して、接合層の熱伝導率を高くすることができるとともに、接合層を薄くすることができる。よって、半導体素子で発生した熱をより効率的に取り除くことが可能となる。

第１絶縁層と冷却器との間に、グリス、放熱シート、熱硬化性樹脂の少なくとも１つが配置されていてもよい。これにより、発熱による半導体素子の温度上昇を抑えること、半導体素子と冷却器との電気的絶縁性を保持すること、および冷熱環境において熱ひずみによる劣化を防止することが可能となる。

本明細書が開示する半導体実装基板の製造方法は、半導体素子を配置することが可能な第１金属層を放熱板の上面に形成する第１金属層形成工程と、放熱板の下面に中間層を形成する中間層形成工程と、中間層の表面を研磨する研磨工程と、中間層の表面に第１絶縁層を形成する第１絶縁層形成工程と、放熱板の側面に第２絶縁層を形成する第２絶縁層形成工程と、を備えることができる。

第１絶縁層形成工程および第２絶縁層形成工程は、ＣＶＤ法を用いて同時に行われてもよい。

放熱板の側面と、放熱板の側面に配置されている第２絶縁層との間に配置されている第２金属層を形成する第２金属層形成工程をさらに備えていてもよい。第１金属層形成工程、第２金属層形成工程および中間層形成工程は、めっき法を用いて同時に行われてもよい。第１金属層、中間層および第２金属層は、同一材料で一体に形成されていてもよい。

半導体モジュールの要部断面図を模式的に示す図である。 半導体モジュールの製造方法を示すフローチャートである。 半導体モジュールの製造工程を示す図である。 半導体モジュールの製造工程を示す図である。 従来例に係る半導体モジュールの要部断面図を模式的に示す図である。

図１に、半導体モジュール１の要部断面図を示す。半導体モジュール１は、冷却器２、グリス３、実装基板４、接合層５、半導体素子６、がこの順に積層された構造を備えている。

冷却器２は水冷式であり、冷却水が流動する複数の貫通孔を備える。冷却器２の上面には、サーマル・インターフェース・マテリアルを介して実装基板４が配置されている。本実施形態では、サーマル・インターフェース・マテリアルとして、放熱用シリコーンオイルコンパウンドであるグリス３を用いている。グリス３の厚さは、不図示のスペーサによって３０μｍに調整している。グリス３を配置することにより、発熱による半導体素子６の温度上昇を抑えることができる。また、グリス３は粘性があるため、冷熱環境において実装基板４と冷却器２との間に熱ひずみによる応力が発生してしまうことを防止できる。

実装基板４は、放熱板１０、第１金属層１１、第２金属層１２、中間層１３、第１絶縁層２１、第２絶縁層２２、を備えている。第１金属層１１は、放熱板１０の上面に配置されている。第１金属層１１は、配線の一部として使用することができる。第２金属層１２は、放熱板１０の側面に配置されている。中間層１３は、放熱板１０の下面に配置されている。第１絶縁層２１は、中間層１３を介して放熱板１０の下面に配置されている。第２絶縁層２２は、第２金属層１２を介して放熱板１０の側面に配置されている。

放熱板１０の材料は、炭素系材料を含んだ金属系複合材料である。ここで、炭素系材料とは、ダイヤモンド、グラファイト、グラフェン、炭素繊維、フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンナノワイヤ、などに加えて、それらの変性物も含む概念である。変性物の一例としては、金属内包フラーレン、フラーレンピーポッド、化学修飾グラフェン、化学修飾カーボンナノチューブ、不純物ドープダイヤモンド、表面処理ダイヤモンド、などが挙げられる。

本実施形態では、放熱板１０の材料は、銅の母材がダイヤモンド粒子を支持する銅−ダイヤモンド複合材である。あるいは、銀の母材がダイヤモンド粒子を支持する銀−ダイヤモンド複合材である。このような放熱板１０は、ダイヤモンドを含んでいることから、高い熱伝導率を有することができる。放熱板１０の熱伝導率は、第１絶縁層２１および第２絶縁層２２の熱伝導率よりも高い。具体的には、放熱板１０の熱伝導率は、３００Ｗ／ｍＫ以上であり、好ましくは５００Ｗ／ｍＫ以上である。また、放熱板１０は、その線膨張係数が半導体素子６及び第１絶縁層２１の線膨張係数に近くなるように、ダイヤモンド粒子の含有率が調整されている。これにより、放熱板１０の線膨張係数を、１０ｐｐｍ／Ｋ以下にすることができる。以上より、樹脂系の複合材料などを用いる場合に比して、放熱板１０の熱伝導率を高くすることができるため、半導体素子６の放熱性を高めることが可能となる。また、放熱板１０に金属材料を用いる場合に比して、線膨張係数を低くすることができる。熱ひずみの影響を小さくすることができるため、半導体モジュール１の耐久性を向上させることが可能となる。

第１金属層１１、第２金属層１２、中間層１３は、同一材料で一体に形成されている。第１金属層１１、第２金属層１２、中間層１３を、一度の工程で同時に形成することが可能となるため、生産性を向上させることができる。本実施形態では、第１金属層１１、第２金属層１２、中間層１３は、厚さ０．１ｍｍのＣｕメッキ層である。

中間層１３は、実装基板４の下面の平坦度を向上させるための層である。中間層１３は、放熱板１０を構成している複合材料よりも、研磨しやすい材料で構成されている。本実施形態では、中間層１３はＣｕメッキ層であるため、研磨によって容易に平坦化が可能である。

第１絶縁層２１および第２絶縁層２２は、窒化シリコン膜および酸化シリコン膜の少なくとも一方を含んだ材料である。窒化シリコン膜や酸化シリコン膜は、半導体分野で使用する絶縁膜として実績があり、成膜技術や成膜装置が確立している。従って、他の絶縁膜を使用する場合に比して、第１絶縁層２１および第２絶縁層２２を容易かつ安価に形成することが可能となる。実装基板４の低コスト化を実現することができる。

第１絶縁層２１および第２絶縁層２２の厚さは、例えば、２０μｍ以下である。また、第１絶縁層２１および第２絶縁層２２の熱伝導率は、例えば、２０Ｗ／ｍＫ以上である。これにより、実装基板４の放熱層を高めることができる。また、絶縁膜の破壊電界は、窒化シリコン膜が１０ＭＶ／ｃｍ、酸化シリコン膜が４〜５ＭＶ／ｃｍである。従って、２０μｍ程度の厚さを有することで、第１絶縁層２１および第２絶縁層２２の絶縁耐圧を１ｋＶ以上にすることができる。これにより、実装基板４の絶縁性能を維持することができる。

第１絶縁層２１および第２絶縁層２２は、ＣＶＤ法によって一体に形成されている。ＣＶＤ法では、ＰＶＤ法などに比して段差被覆性が高い。よって、ＣＶＤ法を用いることで、放熱板１０の下面と側面とに同時に絶縁膜を形成することが可能となるため、生産性を向上させることができる。

接合層５は、第１金属層１１と半導体素子６との間に配置されている。接合層５は、金属ナノ粒子接合法、または、ＳＬＩＤ（solid-liquid inter- diffusion）接合法により形成された層である。これらの接合法の内容は周知であるため、具体的な説明は省略する。本実施形態では、接合層５は、Ｂｉ−Ｓｎ合金添加Ｃｕナノ粒子接合材である。金属ナノ粒子接合法やＳＬＩＤ接合法では、はんだなどを用いる従来の接合法に比して、接合層５の熱伝導率を高くすることができるとともに、接合層５を薄くすることができる。よって、半導体素子６で発生した熱をより効率的に取り除くことが可能となる。また半導体素子６がＳｉＣ素子またはＧａＮ素子などのワイドギャップ半導体素子であり、Ｓｉ素子より高温で使用する場合、接合層５に従来の鉛フリーはんだを使用することができない。そこで、金属ナノ粒子接合法またはＳＬＩＤ接合法を用いて接合層５を形成することで、高温耐性を得ることができる。

半導体素子６は、ＳｉＣまたはＧａＮなどのワイドギャップ半導体を用いて形成されている、ショットキーバリアダイオード、ＭＯＳＦＥＴまたはＨＥＭＴなどである。本実施形態では、半導体素子６は、ＳｉＣで形成されている。

（半導体モジュール１の製造方法）
次いで、図２〜図４を参照して、半導体モジュール１の製造方法について説明する。図２のフローチャートのステップＳ１〜Ｓ３によって、実装基板形成工程が行われる。ステップＳ１の金属層形成工程では、放熱板１０の上面、側面、下面に、厚さ０．１ｍｍのＣｕメッキ層を形成する。これにより、図３に示すように、第１金属層１１、第２金属層１２、中間層１３が、一体に形成される。

ステップＳ２の研磨工程では、中間層１３の表面１３ａを研磨することで平坦化する。なお、平坦化された状態とは、表面１３ａの表面粗さが５μｍ以下である状態を意味する。表面粗さは小さいほど特性的には好ましいが、コストの関係もあり、必要な絶縁耐圧や放熱性に応じて決定される。好ましくは１μｍ以下である。

ステップＳ３の絶縁層形成工程では、中間層１３が上向きとなるように、実装基板４をＣＶＤ装置のステージ２０に載置する。そして、ＣＶＤ法により２０μｍ以下の窒化シリコン膜を成膜する。これにより、図４に示すように、第１絶縁層２１および第２絶縁層２２が同時に一体で形成される。なお、第１金属層１１はＣＶＤ装置のステージ２０に接触しているため、第１金属層１１の表面１１ａには窒化シリコン膜が成膜されない。これにより、実装基板形成工程が完了し、実装基板４が完成する。また、中間層１３の表面１３ａが平坦化されているため、高い絶縁耐圧を得ることが可能となる。

ステップＳ４の半導体素子の接合工程では、第１金属層１１上に、接合層５を介して半導体素子６を接合する。具体的には、Ｃｕナノ粒子を含むペーストを第１金属層１１上に形成し、ペースト上に半導体素子６を搭載した後に、ペーストを加熱（焼結）する。これにより、ペーストが硬化して、接合層５が形成されるとともに、第１金属層１１上に半導体素子６が接合される。

ステップＳ５の冷却器の接合工程では、冷却器２上に、グリス３を介して実装基板４を搭載する（図１参照）。中間層１３の表面１３ａが平坦化されているため、窒化シリコン膜を成膜した後の第１絶縁層２１の表面も平坦度が維持されている。従って、グリス３の厚みを均一にすることができるため、半導体モジュール１の放熱性を向上させることが可能となる。

（効果）
図５に示す従来の半導体モジュール１０１のように、絶縁板１０７を実装基板１２０の中間に配置する場合には、半導体素子１１０と絶縁板１０７との距離Ｄ１が小さくなる。半導体素子１１０から金属層１０６およびベースプレート１０４への伝熱が、熱伝導率の低い絶縁板１０７によって阻害されてしまう。図１に示す本実施例に係る半導体モジュール１では、第１絶縁層２１が、放熱板１０の下面に配置されている。よって、半導体素子６と第１絶縁層２１との距離Ｄ２を、前述した距離Ｄ１よりも大きくすることができる。半導体素子６から第１金属層１１、放熱板１０および中間層１３への伝熱が、第１絶縁層２１によって阻害されてしまうことがない。半導体素子６で発生した熱を効率的に放熱することが可能となる。

また本実施例に係る半導体モジュール１では、第２絶縁層２２が放熱板１０の側面にも配置されている。よって、放熱板１０の上面の第１金属層１１と放熱板１０の下面に配置されている冷却器２との間で、放熱板１０の側面を通して沿面放電が生じてしまう事態を防止できる。半導体モジュール１の絶縁性を高めることができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

（変形例）
グリス３は、サーマル・インターフェース・マテリアルの一例である。グリス３に代えて、放熱シートや熱硬化性樹脂を用いてもよい。

第１金属層１１、第２金属層１２、中間層１３は一体に形成されていなくてもよいし、各々別の材料であってもよい。第１金属層１１、第２金属層１２、中間層１３の材料は、銅に限られず、アルミニウム、ニッケル、金、銀などの各種金属であってもよい。

中間層１３の材料は、金属に限らない。中間層１３は、研磨により平坦性が得られやすい材料であればよい。

中間層１３の位置は、放熱板１０と第１絶縁層２１との間の位置に限られない。例えば、第１絶縁層２１とグリス３の間に中間層１３を配置してもよい。また、中間層１３の数は１つに限られない。放熱板１０と第１絶縁層２１との間、および、第１絶縁層２１とグリス３の間に中間層を配置してもよい。

放熱板１０の材料は、炭素系材料を含んだ金属系複合材料に限られない。放熱板１０の材料は、炭素系材料、炭素系材料とセラミックスとの複合材料、炭素系材料と有機物との複合材料、などであってもよい。

第１絶縁層２１および第２絶縁層２２の材料は、窒化シリコン膜や酸化シリコン膜に限られない。Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、３Ａｌ_２Ｏ_３−２ＳｉＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３等であってもよい。

半導体素子６は、ＳｉＣやＧａＮに代えて、シリコン、ガリウムヒ素、ダイヤモンド、酸化ガリウムを用いて形成された素子であってもよい。

１：半導体モジュール、２：冷却器、３：グリス、４：実装基板、５：接合層、６：半導体素子、１０：放熱板、１１：第１金属層、１２：第２金属層、１３：中間層、２１：第１絶縁層、２２：第２絶縁層

Claims (15)

1. 放熱板と、
   前記放熱板の上面に配置されている第１金属層であって、半導体素子を配置することが可能な前記第１金属層と、
   前記放熱板の下面に配置されている第１絶縁層と、
   前記放熱板の側面に配置されている第２絶縁層と、
   を備えた半導体実装基板であって、
   前記放熱板の熱伝導率が前記第１絶縁層および前記第２絶縁層の熱伝導率よりも高い、半導体実装基板。
2. 前記放熱板は金属系複合材料である、請求項１に記載の半導体実装基板。
3. 前記金属系複合材料は、ダイヤモンド、グラファイト、グラフェン、炭素繊維、フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンナノワイヤの少なくとも１つを含んだ複合材料である、請求項２に記載の半導体実装基板。
4. 前記金属系複合材料は、銅ダイヤモンド複合材料または銀ダイヤモンド複合材料である、請求項３に記載の半導体実装基板。
5. 前記放熱板の下面と、前記放熱板の下面に配置されている前記第１絶縁層と、の間に配置されている中間層をさらに備え、
   前記中間層と前記第１絶縁層との界面における前記中間層の表面は、研磨加工が行われている、請求項１〜４の何れか１項に記載の半導体実装基板。
6. 前記放熱板の側面と、前記放熱板の側面に配置されている前記第２絶縁層との間に配置されている第２金属層をさらに備え、
   前記第１金属層、前記中間層および前記第２金属層は、同一材料で一体に形成されている、請求項５に記載の半導体実装基板。
7. 前記第１絶縁層および前記第２絶縁層は、ＣＶＤ法によって一体に形成されている、請求項１〜６の何れか１項に記載の半導体実装基板。
8. 前記第１絶縁層および前記第２絶縁層は、窒化シリコン膜および酸化シリコン膜の少なくとも一方を含んだ材料である、請求項１〜７の何れか１項に記載の半導体実装基板。
9. 前記第１絶縁層および前記第２絶縁層の厚さは２０μｍ以下である、請求項１〜８の何れか１項に記載の半導体実装基板。
10. 請求項１〜９の何れか１項に記載の半導体実装基板と、
    前記半導体実装基板が備えている前記放熱板の下面に配置されている前記第１絶縁層と接して配置されている冷却器と、
    前記放熱板の上面に配置されている前記第１金属層と接して配置されている半導体素子と、
    を備えた半導体モジュールであって、
    前記半導体素子はＳｉＣまたはＧａＮを用いて形成されている素子である、半導体モジュール。
11. 前記第１金属層と前記半導体素子との間に配置されている接合層をさらに備え、
    前記接合層は、金属ナノ粒子接合法、または、ＳＬＩＤ（solid-liquid inter- diffusion）接合法により形成されている、請求項１０に記載の半導体モジュール。
12. 前記第１絶縁層と前記冷却器との間に、グリス、放熱シート、熱硬化性樹脂の少なくとも１つが配置されている、請求項１０または１１に記載の半導体モジュール。
13. 半導体素子を配置することが可能な第１金属層を放熱板の上面に形成する第１金属層形成工程と、
    前記放熱板の下面に中間層を形成する中間層形成工程と、
    前記中間層の表面を研磨する研磨工程と、
    前記中間層の表面に第１絶縁層を形成する第１絶縁層形成工程と、
    前記放熱板の側面に第２絶縁層を形成する第２絶縁層形成工程と、
    を備える、半導体実装基板の製造方法。
14. 前記第１絶縁層形成工程および前記第２絶縁層形成工程は、ＣＶＤ法を用いて同時に行われる、請求項１３に記載の半導体実装基板の製造方法。
15. 前記放熱板の側面と、前記放熱板の側面に配置されている前記第２絶縁層との間に配置されている第２金属層を形成する第２金属層形成工程をさらに備え、
    前記第１金属層形成工程、前記第２金属層形成工程および前記中間層形成工程は、めっき法を用いて同時に行われ、
    前記第１金属層、前記中間層および前記第２金属層は、同一材料で一体に形成されている、請求項１３または１４に記載の半導体実装基板の製造方法。
    

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