JP2019220615A - 半導体装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置及び半導体装置の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】優れた放熱性及び電磁波抑制効果を有する半導体装置を提供する。【解決手段】上記課題を解決するべく、本発明の半導体装置１は、半導体素子３０と、前記半導体素子３０の上部に設けられた導電性の冷却部材４０と、前記半導体装置３０と前記冷却部材４０との間に設けられた、樹脂の硬化物を含有する導電性熱伝導部材１０と、を備え、前記基板５０中のグラウンド６０に接続し、前記冷却部材４０と前記グラウンド６０とを電気的に接続していることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、低コスト且つ容易に製造できるとともに、優れた放熱性及び電磁波抑制効果を有する半導体装置及び半導体装置の製造方法に関するものである。
近年、電子機器は、小型化の傾向をたどる一方、アプリケーションの多様性のために電力消費量をそれほど変化させることができないため、機器内における放熱対策がより一層重要視されている。
上述した電子機器における放熱対策として、銅やアルミ等といった熱伝導率の高い金属材料で作製された放熱板や、ヒートパイプ、ヒートシンク等が広く利用されている。これらの熱伝導性に優れた放熱部品は、放熱効果又は機器内の温度緩和を図るため、電子機器内における発熱部である半導体パッケージ等の電子部品に近接するようにして配置される。また、これらの熱伝導性に優れた放熱部品は、発熱部である電子部品から低温の場所に亘って配置される。
ただし、電子機器内における発熱部は、電流密度が高い半導体素子等の電子部品であり、電流密度が高いということは、不要輻射の成分となり得る電界強度又は磁界強度が大きいことが考えられる。このため、金属で作製された放熱部品を電子部品の近辺に配置すると、熱の吸収を行うとともに、電子部品内を流れる電気信号の高調波成分をも拾ってしまうという問題があった。具体的には、放熱部品が金属材料で作製されているため、それ自体が高調波成分のアンテナとして機能したり、高調波ノイズ成分の伝達経路として働いてしまうような場合である。
そのため、放熱性と電磁波抑制効果の両立が図られた技術の開発が望まれている。
例えば特許文献１には、大きく開口したシールド部材内に、リッドが取り付けられた半導体パッケージを設けるとともに、リッドの上面周縁部に電気的に接触する環状のリッド接触部を設け、該リッド接触部とシールド部材とを電気的に接続させる、という技術が開示されている。
しかしながら、特許文献１の技術では、一定の放熱性及び電磁波抑制効果が得られるものの、基板や冷却部材が大きい場合には、電磁共振を起こし、十分な電磁波抑制効果を得ることができないと考えられた。また、放熱性についても、さらなる改良が望まれていた。
さらに近年では、製造コストの低減や、製造の容易性について、さらなる改善要求があり、これらの点についても満足することができる半導体装置の開発が望まれていた。
特開２０１２−１６５４８５２号公報
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、低コスト且つ容易に製造できるとともに、優れた放熱性及び電磁波抑制効果を有する半導体装置を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記の課題を解決するべく検討を重ねた結果、半導体素子と導電性の冷却部材との間に導電性熱伝導部材を形成することで、半導体素子と冷却部材との間で効率的に熱交換を行うことができ、放熱性を向上させることができること、また、前記半導体装置と前記冷却部材との間に設けられた導電性熱伝導部材について、前記基板中のグラウンドに接続させ、前記冷却部材と前記グラウンドとを電気的に接続させることによって、半導体装置の中で電気的に閉じた空間を形成することが可能となる結果、シールドカン等の電磁波シールド部材を別途設けなくとも、電磁波抑制効果についても大きく向上できることを見出した。そしてさらに、本発明では、導電性熱伝導部材に樹脂の硬化物を含有させることで、導電性熱伝導部材に柔軟性を持たせ、種々の形状に変形できるようにすることで、製造の容易性や、製造コストの低減も可能になることを見出した。
その結果、本発明の半導体装置は、従来にはない高いレベルで、放熱性及び電磁波抑制効果を両立できるとともに、本発明の半導体装置は、前記導電シールドカン等の導電シールド部材を設けていないため、半導体装置の薄膜化や、製造コストの低減、製造容易性の向上も可能となった。
本発明は、上記知見に基づきなされたものであり、その要旨は以下の通りである。
（１）基板上に形成された半導体素子と、前記半導体素子の上部に設けられた、導電性の冷却部材と、前記半導体装置と前記冷却部材との間に設けられた、樹脂の硬化物を含有する導電性熱伝導部材と、を備え、前記導電性熱伝導部材が、前記基板中のグラウンドに接続し、前記冷却部材と前記グラウンドとを電気的に接続していることを特徴とする、半導体装置。
上記構成によって、低コスト且つ容易に製造できるとともに、優れた放熱性及び電磁波抑制効果を実現できる。
（２）前記導電性熱伝導部材が、前記半導体素子を覆うように設けられ、前記半導体素子の上面及び側面の少なくとも一部と当接していることを特徴とする、上記（１）に記載の半導体装置。
（３）前記導電性熱伝導部材が、前記半導体素子の上面及び側面を封止していることを特徴とする、上記（１）に記載の半導体装置。
（４）前記導電性熱伝導部材の抵抗率が、0.15Ω・m以下であることを特徴とする、上記（１）〜（３）のいずれか１項に記載の半導体装置。
（５）前記導電性熱伝導部材の抵抗率が、0.00001Ω・m以上であることを特徴とする、上記（１）〜（４）のいずれか１項に記載の半導体装置。
（６）前記導電性熱伝導部材が、磁気特性を有することを特徴とする、上記（１）〜（５）のいずれか１項に記載の半導体装置。
（７）前記導電性熱伝導部材が、表面に粘着性又は接着性を有することを特徴とする、上記（１）〜（６）のいずれか１項に記載の半導体装置。
（８）前記導電性熱伝導部材が、柔軟性を有することを特徴とする、上記（１）〜（７）のいずれか１項に記載の半導体装置。
（９）前記導電性熱伝導部材が、導電性の充填剤を含むことを特徴とする、上記（１）〜（８）のいずれか１項に記載の半導体装置。
（１０）前記導電性の充填剤が、炭素繊維であることを特徴とする、上記（９）に記載の半導体装置。
（１１）前記基板中の前記グラウンド以外の部分が、絶縁処理されていることを特徴とする、上記（１）〜（１０）のいずれか１項に記載の半導体装置。
（１２）上記（１）〜（１１）のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法であって、
半導体素子上に、樹脂の硬化物を含有するシート状の導電性熱伝導部材を圧着させることで、前記半導体素子と前記導電性熱伝導部材とを接合するとともに、前記導電性熱伝導部材とグラウンドとを接合する工程を含むことを特徴とする、半導体装置の製造方法。
上記構成によって、優れた放熱性及び電磁波抑制効果を有する半導体装置を、低コスト且つ容易に製造することができる。
本発明によれば、低コスト且つ容易に製造できるとともに、優れた放熱性及び電磁波抑制効果を有する半導体装置を提供することが可能となる。
本発明の半導体装置の一実施形態について、断面の状態を模式的に示した図である。 本発明の半導体装置の他の実施形態について、断面の状態を模式的に示した図である。 本発明の半導体装置の他の実施形態について、断面の状態を模式的に示した図である。 本発明の半導体装置の一実施形態について、組立状態を模式的に示した斜視図である。 実施例における周波数特性の解析に用いた半導体装置のモデルを模式的に示した図であり、（ａ）は半導体装置のモデルの表面側から見た状態、（ｂ）は半導体装置のモデルの裏面側から見た状態を示す。 実施例１において、発明例及び比較例の半導体装置の、導電性熱伝導部材の抵抗値を変えた場合の、周波数に応じた電界強度を示すグラフである。 実施例２において、半導体装置の導電性熱伝導部材の磁気特性を変えた場合の、周波数に応じた電界強度を示すグラフである。した図である。 （ａ）は、従来の半導体装置の一実施形態について、断面の状態を模式的に示した図であり、（ｂ）は、従来の半導体装置の他の実施形態について、断面の状態を模式的に示した図である。
以下、本発明の実施形態の一例を、図面を用いて具体的に説明する。
ここで、図１〜３は、本本発明の半導体装置の実施形態について、断面を模式的に示した図である。また、図４は、本発明の半導体装置の一実施形態について、組立状態を説明するための斜視図である。なお、各図面については、説明の便宜のため、各部材の形状やスケールが実際のものとは異なる状態で示されている。各部材の形状やスケールについては、本明細書の中で規定されていること以外は、半導体装置ごとに適宜変更することが可能である。
＜半導体装置＞
本発明の半導体装置１は、図１〜３に示すように、半導体素子３０と、前記半導体素子３０の上部に設けられた導電性の冷却部材４０と、前記半導体装置３０と前記冷却部材４０との間に設けられた、樹脂の硬化物を含有する導電性熱伝導部材１０と、を備える。
そして、本発明の半導体装置１では、図１〜３に示すように、前記基板５０中のグラウンド６０に接続し、前記冷却部材４０と前記グラウンド６０とを電気的に接続していることを特徴とする。
前記半導体素子３０は、熱及び電磁波の発生源となるが、伝導性を有し且つ熱伝導性の高いシート部材（導電性熱伝導部材１０）を半導体素子３０と冷却部材４０との間に設けることによって、冷却部材４０への熱伝導が改善される結果、優れた放熱性を実現できる。
さらに、本発明の半導体装置１は、樹脂の硬化物を含有し、図１〜３に示すように、前記基板５０中のグラウンド６０と接続することによって、前記冷却部材４０と前記グラウンド６０とが、前記導電性熱伝導部材１０を介して電気的に接続し、本発明の半導体装置１内において電気的に閉じられた空間（図１〜３の破線で囲んだ空間）が形成される結果、電磁波遮断効果を高めることが可能となり、優れた電磁波抑制効果も実現できる。
さらにまた、本発明の半導体装置１では、シールドカン等の電磁波シールド部材が別途形成されていないため、従来の電磁波シールド部材を用いた技術に比べて、製造コストの低減及び製造の容易性向上を図ることもできる。
なお、図８（ａ）及び（ｂ）は、従来技術による半導体装置の例を示したものである。図８（ａ）に示された半導体装置１００では、半導体素子３０を覆うように導電性熱伝導部材１０を設けているため、高い放熱効果が得られる。しかしながら、導電性熱伝導部材１０とグラウンド６０との接続がないため、半導体装置１内において電気的に閉じられた空間を形成することはできず、十分な電磁波抑制効果を得ることができない。
また、図８（ｂ）に示された半導体装置１００では、導電性熱伝導部材１０がシールドカン２０を介して積層されるような構成であることから、本発明の半導体装置１に比べて、半導体素子３０と冷却部材４０との間の熱抵抗が大きく、十分な放熱性を得ることができない。
次に、本発明の半導体装置を構成する各部材について説明する。
（半導体素子）
本発明の半導体装置１は、図１〜３に示すように、基板５０上に形成された半導体素子３０を備える。
ここで、前記半導体素子については、半導体による電子部品であれば特に限定されるものではない。例えば、ICやLSI等の集積回路、CPU、MPU、グラフィック演算素子、イメージセンサなどが挙げられる。
前記半導体素子３０が形成される基板５０については、前記グラウンド（ＧＮＤ）６０が設けられていること以外は特に限定はされず、半導体装置の種類に応じて、適したものを使用することができる。グラウンド６０は、裏面側に形成される。
なお、図１及び図２では、前記導電性熱伝導部材１０が、前記基板５０上に露出したグラウンド６０と直接接続するような構成となっているが、本発明の半導体装置１では、例えば図３に示すように、前記基板５０の面上に、前記半導体素子３０の周りを囲むように、全周あるいは部分的にランド５１を設けることもできる。このランド５１と前記導電性熱伝導部材１０とを接続させることで、前記グラウンド６０との電気的な接続が可能となる。前記ランド５１は、前記基板５０に中に形成された導電処理スルーホール５２を介して前記グラウンド６０と電気的に接続されており、これにより前記導電シールドカン２０をグラウンド６０と電気的に接合させることができる。
さらに、前記基板５０については、前記グラウンド以外の部分が、絶縁処理されていることが好ましい。前記導電性熱伝導部材１０が他部品に触れてしまうと短絡し、故障の原因となるため、他部品の保護を図るべく、グランド６０に接続される部分以外は絶縁処理されていることが望ましい。したがって、前記基板５０に、ランド５１及びスルーホール５２が設けられている場合には、これらの部分は絶縁処理されず、導電性を有する必要がある。
（冷却部材）
本発明の半導体装置１は、図１〜３に示すように、前記半導体素子３０の上部に設けられた、導電性の冷却部材４０を備える。
ここで、前記冷却部材４０は、前記熱源（半導体素子３０）から発生する熱を吸収し、外部に放散させる部材である。後述する導電性熱伝導部材１０を介して前記半導体素子３０と接続されることによって、半導体素子３０が発生した熱を外部に拡散させ、半導体装置の高い放熱性を実現できる。
また、前記冷却部材４０は導電性を有するため、後述する導電性熱伝導部材１０を介して、前記グラウンド６０と電気的に接続されることによって、電気的に閉じた空間（図１〜３の破線で囲んだ領域Ａ）を形成し、半導体装置１の電磁波抑制効果を高めることができる。
前記導電冷却部材４０の種類については、特に限定はされず、本発明の半導体装置１の種類に応じて適宜選択することができる。例えば、放熱器、冷却器、ヒートシンク、ヒートスプレッダ、ダイパッド、冷却ファン、ヒートパイプ、金属カバー、筐体等が挙げられる。これらの導電冷却部材の中でも、より優れた放熱性が得られる点からは、導電性を有する、放熱器、冷却器又はヒートシンクを用いることが好ましい。また、上述した導電冷却部材４０を構成する材料については、熱伝導率を高める点から、アルミ、銅、ステンレス等の金属や、グラファイト等を含むことが好ましい。
（導電性熱伝導部材）
本発明の半導体装置１は、図１〜３に示すように、前記半導体素子３０と、前記導電冷却部材４０との間に設けられた、樹脂の硬化物を含有する導電性熱伝導部材１０を備え、前記導電性熱伝導部材１０が、前記基板５０中のグラウンド６０に接続し、前記冷却部材４０と前記グラウンド６０とが、導電性熱伝導部材１０を介して電気的に接続していることを特徴とする。
熱伝導性の高い導電性熱伝導部材１０が、半導体素子３０と冷却部材４０との間に設けられることで、電磁波抑制効果を低下させることなく、放熱性についても向上させることが可能となる。加えて、導電性を有する前記導電性熱伝導部材１０を介して、前記冷却部材４０と前記グラウンド６０とが電気的に接続することで、図１〜３に示すように、本発明の半導体装置１内において電気的に閉じられた空間Ａが形成される結果、導電シールドカン２０の電磁波遮断効果を高めることが可能となり、優れた電磁波抑制効果を実現できる。
ここで、前記導電性熱伝導部材１０形状については、特に限定はされず、前記半導体素子３０の形状や大きさ、半導体装置１の設計内容等に応じて、適宜変更することができる。
具体的には、図１及び図３に示すように、前記半導体装置３０と前記冷却部材４０との間に設けられていること折り曲げたシートのような状態で設けることができる。前記導電性熱伝導部材１０は、樹脂の硬化物を含有し、柔軟性がある程度あるため、煩雑な工程を経ることなく、図１及び図３に示すような形状とすることが可能である。また、図２に示すように、前記半導体装置３０の周りを全て囲む（前記半導体素子３０の上面３０ｂ及び側面３０ａを封止する）ように設けることもできる。
また、より優れた電磁波抑制効果を実現する観点からは、図１及び図２に示すように、前記導電性熱伝導部材１０が、前記半導体素子３０を覆うように設けられ、前記半導体素子３０の上面３０ｂ、及び、側面３０ａの少なくとも一部と、当接していることが好ましい。前記冷却部材４０と前記グラウンド６０との電気的な接続を効率的に確保できるため、より確実に電気的に閉じた空間Ａを形成できる。
また、同様の観点から、前記導電性熱伝導部材１０が、図２に示すように、前記半導体素子３０の上面３０ｂ、及び、側面３０ａを、封止していることがより好ましい。
なお、前記導電性熱伝導部材１０は、一層のシートから構成しても良いし、複数枚のシートから構成することもできる。
例えば、図１及び３に示すように、前記導電性熱伝導部材１０が折り曲げたシートのように設けられる場合には、前記導電性熱伝導部材１０を一層のシートにより構成することができる。ただし、シートの厚さを調整しやすい等の観点から、複数のシートから構成することもできる。
また、図２に示すように、前記導電性熱伝導部材１０が、前記半導体素子３０の上面３０ｂ、及び、側面３０ａを、封止している場合には、一枚の前記導電性熱伝導部材１０を加工することもできるし、複数の前記導電性熱伝導部材１０を組み合わせることにより前記導電性熱伝導部材１０を構成することもできる。
また、前記導電性熱伝導部材１０の厚さＴについては、特に限定はされず、半導体素子３０と冷却部材４０との距離や、半導体装置１の設計内容等に応じて適宜変更することができる。ただし、放熱性及び電磁波抑制効果をより高いレベルで実現できる点からは、前記導電性熱伝導部材１０の厚さＴが50μｍ〜4mmであることが好ましく、100μｍ〜4mmであることがより好ましく、200μｍ〜3mmであることが特に好ましい。前記導電性熱伝導部材１０の厚さＴが4mmを超えると、前記半導体素子３０と前記冷却部材４０との距離が長くなるため、熱伝導性が低下するおそれがあり、一方、前記導電性熱伝導部材１０の厚さＴが50μｍ未満の場合には、電磁波抑制効果が小さくなるおそれがある。
ここで、前記導電性熱伝導部材１０の厚さＴは、図１〜３に示すように、前記半導体素子３０上の前記導電性熱伝導部材１０のうち、最も厚さが大きな部分の厚さＴのことを意味し、一層のシートから形成されるか、複数のシートから形成されるかには関わらない。
前記導電性熱伝導部材１０は、樹脂の硬化物を含有することを要する。樹脂の硬化物を含有することによって、前記導電性熱伝導部材１０がある程度の柔軟性を有することができ、製造の容易性を高めることができる。
なお、前記導電性熱伝導部材１０の柔軟性については、高い程好ましく、具体的には、ゴム硬度ショアOO(ASTM D2240)が10〜80の範囲となることが好ましい。
なお、前記導電性熱伝導部材１０については、優れた電磁波抑制効果を実現する点からは、導電性が高いことが好ましい。
具体的には、前記導電性熱伝導部材１０の抵抗率が、0.15Ω・m以下であることが好ましく、0.01Ω・m以下であることがより好ましく、0.005Ω・m以下であることがさらに好ましく、0.001Ω・m以下であることが特に好ましい。前記導電性部材１１の抵抗率を0.15Ω・m以下とすることで、より優れた電磁波抑制効果が得られるからである。
また、前記導電性熱伝導部材１０の抵抗率については、0.00001Ω・m以上であることが好ましい。抵抗率が低い、すなわち導電率が大きいほど電磁波遮蔽性能は大きくなり、電磁波抑制効果を高めることができる。
なお、前記導電性熱伝導部材１０の熱伝導性（抵抗率）の調整方法としては、特に限定はされないが、バインダ樹脂の種類や、熱伝導性充填材の材料、配合量及び配向方向等を変えることによって、調整することが可能である。
さらに、前記導電性熱伝導部材１０は、5W／mK以上であることが好ましく、10W／mK以上であることがより好ましく、20W／mK以上であることがとくに好ましい。半導体素子３０と冷却部材４０との間の熱交換の効率をより高めることができ、放熱性をさらに向上できるためである。
さらに、前記導電性熱伝導部材１０は、磁気特性を有することが好ましい。前記導電性熱伝導部材１０に、電磁波吸収性能を持たせることができるため、よりすぐれた電磁波抑制効果が得られるためである。
ここで、前記導電性熱伝導部材１０の磁気特性の調整方法としては、特に限定はされないが、導電性熱伝導部材１０中に、磁性粉等を含有させ、その配合量等を変えることによって、調整することが可能である。
また、前記導電性熱伝導部材１０は、表面に粘着性又は接着性を有することが好ましい。導電性熱伝導部材１０と他の部材との接着性を向上できるからである。さらに、前記導電性熱伝導部材１０が複数のシートから構成される場合には、シート同士の接着性についても向上できる。
なお、前記導電性熱伝導部材１０の表面にタック性を付与する方法については特に限定はされない。例えば、後述する導電性熱伝導部材１０を構成するバインダ樹脂の適正化を図ってタック性を持たせることもできるし、該導電性熱伝導部材１０の表面にタック性のある接着層を別途設けることもできる。
なお、前記導電性熱伝導部材１０を構成する材料については、優れた電磁波吸収性能及び熱伝導性を有するものであれば特に限定はされない。
例えば、高いレベルで、電磁波吸収性能及び熱伝導性を実現できる点からは、前記導電性熱伝導部材が、バインダ樹脂と、導電性を有する熱伝導性充填剤と、その他成分とを含むことができる。
以下、導電性熱伝導部材１０を構成する材料について記載する。
・バインダ樹脂
前記導電性熱伝導部材を構成するバインダ樹脂とは、導電性熱伝導部材の基材となる樹脂成分の硬化物である。その種類については、特に限定されず、公知のバインダ樹脂を宜選択することができる。例えば、バインダ樹脂の一つとして、熱硬化性樹脂が挙げられる。
前記熱硬化性樹脂としては、例えば、架橋性ゴム、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ビスマレイミド樹脂、ベンゾシクロブテン樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル、ジアリルフタレート樹脂、シリコーン、ポリウレタン、ポリイミドシリコーン、熱硬化型ポリフェニレンエーテル、熱硬化型変性ポリフェニレンエーテル等が挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。
なお、前記架橋性ゴムとしては、例えば、天然ゴム、ブタジエンゴム、イソプレンゴム、ニトリルゴム、水添ニトリルゴム、クロロプレンゴム、エチレンプロピレンゴム、塩素化ポリエチレン、クロロスルホン化ポリエチレン、ブチルゴム、ハロゲン化ブチルゴム、フッ素ゴム、ウレタンゴム、アクリルゴム、ポリイソブチレンゴム、シリコーンゴム等が挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。
また、上述した熱硬化性樹脂の中でも、成形加工性及び耐候性に優れるとともに、電子部品に対する密着性及び追従性の点から、シリコーンを用いることが好ましい。シリコーンとしては、特に制限はなく、目的に応じてシリコーンの種類を適宜選択することができる。
上述した成形加工性、耐候性、密着性等を得る観点からは、前記シリコーンとして、液状シリコーンゲルの主剤と、硬化剤とから構成されるシリコーンであることが好ましい。そのようなシリコーンとしては、例えば、付加反応型液状シリコーン、過酸化物を加硫に用いる熱加硫型ミラブルタイプのシリコーン等が挙げられる。
前記付加反応型液状シリコーンとしては、ビニル基を有するポリオルガノシロキサンを主剤、Si−H基を有するポリオルガノシロキサンを硬化剤とした、２液性の付加反応型シリコーン等を用いることが好ましい。
なお、前記液状シリコーンゲルの主剤と、硬化剤との組合せにおいて、前記主剤と前記硬化剤との配合割合としては、質量比で、主剤：硬化剤＝35：65〜65：35であることが好ましい。
また、前記導電性熱伝導部材における前記バインダ樹脂の含有量は、特に制限されず、目的に応じて適宜選択することができる。例えば、シートの成形加工性や、シートの密着性等を確保する観点からは、前記導電性熱伝導部材の20体積％〜50体積％程度であることが好ましく、30体積％〜40体積％であることがより好ましい。
・導電性を有する熱伝導性充填剤
導電性熱伝導部材は、前記バインダ樹脂内に、導電性を有する熱伝導性充填剤（以下、単に「熱伝導性充填剤」ということもある。）を含む。該導電性を有する熱伝導性充填剤は、シートの熱伝導性及び導電性を向上させるための成分である。
ここで、熱伝導性充填剤の種類については、特に限定はされないが、より高い熱伝導性を実現できる点からは、繊維状の熱伝導性充填剤を用いることが好ましい。
なお、前記繊維状の熱伝導性充填剤の「繊維状」とは、アスペクト比の高い（およそ6以上）の形状のことをいう。そのため、本発明では、繊維状や棒状等の熱導電性充填剤だけでなく、アスペクト比の高い粒状の充填材や、フレーク状の熱導電性充填剤等も繊維状の熱導電性充填剤に含まれる。
ここで、前記繊維状の熱伝導性充填剤の種類については、繊維状で且つ熱伝導性及び導電性の高い材料であれば特に限定はされず、例えば、銀、銅、アルミニウム等の金属、アルミナ、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、グラファイト等のセラミックス、炭素繊維等が挙げられる。
これらの繊維状の熱伝導性充填剤の中でも、より高い熱伝導性及び導電性を得られる点からは、炭素繊維を用いることがより好ましい。
なお、前記導電性を有する熱伝導性充填剤については、一種単独でもよいし、二種以上を混合して用いてもよい。また、二種以上の熱伝導性充填剤を用いる場合には、いずれも繊維状の熱伝導性充填剤であってもよいし、繊維状の熱伝導性充填剤と別の形状の熱伝導性充填剤とを混合して用いてもよい。
前記炭素繊維の種類について特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。例えば、ピッチ系、PAN系、PBO繊維を黒鉛化したもの、アーク放電法、レーザー蒸発法、CVD法（化学気相成長法）、CCVD法（触媒化学気相成長法）等で合成されたものを用いることができる。これらの中でも、高い熱伝導性及び導電性が得られる点から、PBO繊維を黒鉛化した炭素繊維、ピッチ系炭素繊維がより好ましい。
また、前記炭素繊維は、必要に応じて、その一部又は全部を表面処理して用いることができる。前記表面処理としては、例えば、酸化処理、窒化処理、ニトロ化、スルホン化、あるいはこれらの処理によって表面に導入された官能基若しくは炭素繊維の表面に、金属、金属化合物、有機化合物等を付着あるいは結合させる処理等が挙げられる。前記官能基としては、例えば、水酸基、カルボキシル基、カルボニル基、ニトロ基、アミノ基等が挙げられる。
さらに、前記繊維状の熱伝導性充填剤の平均繊維長（平均長軸長さ）についても、特に制限はなく適宜選択することができるが、確実に高い熱伝導性を得る点から、50μm〜300μmの範囲であることが好ましく、75μm〜275μmの範囲であることがより好ましく、90μm〜250μmの範囲であることが特に好ましい。
さらにまた、前記繊維状の熱伝導性充填剤の平均繊維径（平均短軸長さ）についても、特に制限はなく適宜選択することができるが、確実に高い熱伝導性を得る点から、4μm〜20μmの範囲であることが好ましく、5μm〜14μmの範囲であることがより好ましい。
前記繊維状の熱伝導性充填剤のアスペクト比（平均長軸長さ／平均短軸長さ）については、確実に高い熱伝導性を得る点から、6以上であるものが用いられ、7〜30であることが好ましい。前記アスペクト比が小さい場合でも熱伝導率等の改善効果はみられるが、配向性が低下するなどにより大きな特性改善効果が得られないため、アスペクト比は6以上とする。一方、30を超えると、導電性熱伝導部材中での分散性が低下するため、十分な熱伝導率を得られないおそれがある。
ここで、前記繊維状の熱伝導性充填剤の平均長軸長さ、及び平均短軸長さは、例えばマイクロスコープ、走査型電子顕微鏡（SEM）等によって測定し、複数のサンプルから平均を算出することができる。
また、前記導電性熱伝導部材における、前記導電性を有する熱伝導性充填剤の含有量としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、4体積％〜40体積％であることが好ましく、5体積％〜30体積％であることがより好ましく、6体積％〜20体積％であることが特に好ましい。前記含有量が4体積％未満であると、十分に低い熱抵抗を得ることが困難になるおそれがあり、40体積％を超えると、前記導電性熱伝導部材の成型性及び前記繊維状の熱伝導性充填剤の配向性に影響を与えてしまうおそれがある。
さらに、前記導電性熱伝導部材では、前記導電性を有する熱伝導性充填剤が一方向又は複数の方向に配向していることが好ましい。前記熱伝導性充填剤を配向させることによって、より高い熱伝導性や電磁波吸収性を実現できるためである。
例えば、前記導電性熱伝導部材による熱伝導性及び導電性を高め、本発明の半導体装置の放熱性及びを向上させたい場合には、前記熱伝導性充填剤をシート面に対して略垂直状に配向させることができる。一方、前記導電性熱伝導部材中の電気の流れを変える場合等には、前記熱伝導性充填剤をシート面に対して略平行状やその他の方向に配向させることができる。
ここで、前記シート面に対して略垂直状や、略平行の方向は、前記シート面方向に対してほぼ垂直な方向やほぼ平行な方向を意味する。ただし、前記導電性を有する熱伝導性充填剤の配向方向は、製造時に多少のばらつきはあるため、本発明では、上述したシート面の方向に対して垂直な方向や平行な方向から±20°程度のズレは許容される。
なお、前記導電性を有する熱伝導性充填剤の配向角度を整える方法については、特に限定はされない。例えば、前記導電性熱伝導部材の元になるシート用成形体を作製し、繊維状の熱伝導性充填剤を配向させた状態で、切り出し角度を調整することによって、配向角度の調整が可能となる。
・無機物フィラー
また、前記導電性熱伝導部材は、上述したバインダ樹脂及び導電性を有する熱伝導性繊維に加えて、無機物フィラーをさらに含むことができる。導電性熱伝導部材の熱伝導性をより高めたり、シートの強度を向上できるためである。
前記無機物フィラーとしては、形状、材質、平均粒径等については特に制限がされず、目的に応じて適宜選択することができる。前記形状としては、例えば、球状、楕円球状、塊状、粒状、扁平状、針状等が挙げられる。これらの中でも、球状、楕円形状が充填性の点から好ましく、球状が特に好ましい。
前記無機物フィラーの材料としては、例えば、窒化アルミニウム（窒化アルミ：AlN）、シリカ、アルミナ（酸化アルミニウム）、窒化ホウ素、チタニア、ガラス、酸化亜鉛、炭化ケイ素、ケイ素（シリコン）、酸化珪素、酸化アルミニウム、金属粒子等が挙げられる。これらは、一種単独で使用してもよいし、二種以上を併用してもよい。これらの中でも、アルミナ、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、シリカが好ましく、熱伝導率の点から、アルミナ、窒化アルミニウムが特に好ましい。
また、前記無機物フィラーは、表面処理が施されたものを用いることもできる。前記表面処理としてカップリング剤で前記無機物フィラーを処理すると、前記無機物フィラーの分散性が向上し、導電性熱伝導部材の柔軟性が向上する。
前記無機物フィラーの平均粒径については、無機物の種類等に応じて適宜選択することができる。
前記無機物フィラーがアルミナの場合、その平均粒径は、1μm〜10μmであることが好ましく、1μm〜5μmであることがより好ましく、4μm〜5μmであることが特に好ましい。前記平均粒径が1μm未満であると、粘度が大きくなり、混合しにくくなるおそれがある。一方、前記平均粒径が10μmを超えると、前記導電性熱伝導部材の熱抵抗が大きくなるおそれがある。
さらに、前記無機物フィラーが窒化アルミニウムの場合、その平均粒径は、0.3μm〜6.0μmであることが好ましく、0.3μm〜2.0μmであることがより好ましく、0.5μm〜1.5μmであることが特に好ましい。前記平均粒径が、0.3μm未満であると、粘度が大きくなり、混合しにくくなるおそれがあり、6.0μmを超えると、前記導電性熱伝導部材の熱抵抗が大きくなるおそれがある。
なお、前記無機物フィラーの平均粒径については、例えば、粒度分布計、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により測定することができる。
・磁性金属粉
さらに、前記導電性熱伝導部材は、上述したバインダ樹脂、繊維状の熱伝導性繊維及び無機物フィラーに加えて、磁性金属粉をさらに含むことが好ましい。該磁性金属粉を含むことで、導電性熱伝導部材の磁気特性を高め、半導体装置の電磁波抑制効果を向上させることができる。
前記磁性金属粉の種類については、前記導電性熱伝導部材の磁気特性を高め、電磁波吸収性を向上できるものであること以外は、特に限定されず、公知の磁性金属粉を適宜選択することができる。例えば、アモルファス金属粉や、結晶質の金属粉末を用いることができる。アモルファス金属粉としては、例えば、Fe−Si−B−Cr系、Fe−Si−B系、Co−Si−B系、Co−Zr系、Co−Nb系、Co−Ta系のもの等が挙げられ、結晶質の金属粉としては、例えば、純鉄、Fe系、Co系、Ni系、Fe−Ni系、Fe−Co系、Fe−Al系、Fe−Si系、Fe−Si−Al系、Fe−Ni−Si−Al系のもの等が挙げられる。さらに、前記結晶質の金属粉としては、結晶質の金属粉に、N（窒素）、C（炭素）、O（酸素）、B（ホウ素）等を微量加えて微細化させた微結晶質金属粉を用いてもよい。
なお、前記磁性金属粉については、材料が異なるものや、平均粒径が異なるものを二種以上混合したものを用いてもよい。
また、前記磁性金属粉については、球状、扁平状等の形状を調整することが好ましい。例えば、充填性を高くする場合には、粒径が数μm〜数十μmであって、球状である磁性金属粉を用いることが好ましい。このような磁性金属粉末は、例えばアトマイズ法や、金属カルボニルを熱分解する方法により製造することができる。アトマイズ法とは、球状の粉末が作りやすい利点を有し、溶融金属をノズルから流出させ、流出させた溶融金属に空気、水、不活性ガス等のジェット流を吹き付けて液滴として凝固させて粉末を作る方法である。アトマイズ法によりアモルファス磁性金属粉末を製造する際には、溶融金属が結晶化しないようにするために、冷却速度を1×106（K／s）程度にすることが好ましい。
上述したアトマイズ法により、アモルファス合金粉を製造した場合には、アモルファス合金粉の表面を滑らかな状態とすることができる。このように表面凹凸が少なく、比表面積が小さいアモルファス合金粉を磁性金属粉として用いると、バインダ樹脂に対して充填性を高めることができる。さらに、カップリング処理を行うことで充填性をより向上できる。
なお、前記導電性熱伝導部材は、上述した、バインダ樹脂、繊維状の熱伝導性充填剤、無機物フィラー及び磁性金属粉に加えて、目的に応じてその他の成分を適宜含むことも可能である。
その他の成分としては、例えば、チキソトロピー性付与剤、分散剤、硬化促進剤、遅延剤、微粘着付与剤、可塑剤、難燃剤、酸化防止剤、安定剤、着色剤等が挙げられる。
＜半導体装置の製造方法＞
上述した本発明の半導体装置を製造するための方法については、特に限定はされない。
例えば、図１に示すような実施形態の半導体装置１を製造する場合には、本発明の半導体装置の製造方法として、半導体素子３０上に、樹脂の硬化物を含有するシート状の導電性熱伝導部材を圧着させることで、前記半導体素子３０と前記導電性熱伝導部材１０とを接合するとともに、前記導電性熱伝導部材１０とグラウンド６０とを接合する工程を含む製造方法を用いることができる。
上記工程を含むことによって、煩雑な工程を経ることなく、前記導電性熱伝導部材１０の内部に、導電シールドカン２０の上端２０ａを確実に食い込ませることができ、優れた放熱性及び電磁波抑制効果を有する半導体装置を、効率的に製造することが可能となる。
なお、本発明の半導体装置の製造方法では、上述した導電性熱伝導部材１０を圧着させる工程以外の工程は、特に限定はされず、公知の製造方法を適宜採用することができる。
次に、本発明を実施例に基づき具体的に説明する。ただし、本発明は下記の実施例に何ら限定されるものではない。
（実施例１）
実施例１では、３次元電磁界シミュレータANSYS HFSS（アンシス社製）を用いて、図５（ａ）及び（ｂ）に示すような半導体装置の解析モデル（本発明例の解析モデル、比較例の解析モデル）を作製し、電磁波抑制効果の評価を行った。
ここで、半導体装置のモデルに用いた導電性熱伝導部材１０は、樹脂バインダとして２液性の付加反応型液状シリコーンを用い、熱伝導フィラーとして平均粒径4μmのアルミナ（DENKA株式会社製）を用い、繊維状の導電性を有する熱伝導性充填剤として平均繊維長200μmのピッチ系炭素繊維（「熱伝導性繊維」 日本グラファイトファイバー株式会社製）を用い、２液性の付加反応型液状シリコーン：アルミナ粒子：ピッチ系炭素繊維＝35vol％：53vol％：12vol％の体積比となるように分散させて、シリコーン組成物（シート用組成物）を調製したものを用いた。得られた熱伝導シートは、垂直方向の平均熱伝導率（界面の熱抵抗と内部の熱抵抗を合わせて算出している）が、ASTM D5470に準拠した測定で15W／m.Kを示し、該シートの磁気特性及び誘電特性については、Ｓパラメータ法で測定した値を用いた。該シートの抵抗率はJIS K7194に準拠した測定で0.1Ω・mを示した。なお、導電性熱伝導部材１０の寸法は、22mm×22mm、厚さＴは、1mmとした。
シミュレーションモデルとしては、上記シートの磁気特性・誘電特性を用い、抵抗率として、0.15Ω・m、0.015Ω・m、0.0015Ω・mの条件で解析した。
また、半導体装置のモデルに用いた冷却部材４０（ヒートシンク）は、アルミ板を材料として用い、大きさは30mm×30mmで、厚さは、0.3mmとした。
（１）図５（ａ）及び（ｂ）は、本発明例に係る半導体装置の解析モデルを示したものであり、それぞれ上面部側（表面側）から、下面部側（裏面側）から見た状態を示したものである。なお、図５（ａ）及び（ｂ）では、半導体装置を構成する各部材の位置関係がわかるように、透過させて描いている。
本発明例の解析モデルの断面構造は、図１と同様であり、半導体素子３０は、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、マイクロストリップライン（ＭＳＬ）３１を樹脂モールドで覆ったものとし、該ＭＳＬ３１については、誘電体基板５０（基板サイズ：30 mm×30 mm×0.65 mm）表面側に銅の信号線（信号線サイズ：2mm×1 mm×0.02 mm）、裏面側にグラウンド６０を配したものとした。半導体素子３０の信号源は、このＭＳＬ３１で簡略化し両端を信号の入出力端に設定している。また、基板に、一部が基板上へ露出したグラウンド６０（基板下のグラウンドのサイズ：30mm×30mm×0.02mm、基板上に露出したグラウンドのサイズ：内径20mm×20mm、外径22mm×22mm、厚み0.02mm）を設けた。なお、上述の半導体素子３０の本体（樹脂でモールドした部分）は、比誘電率4、誘電正接0.01の誘電体とした。なお、半導体素子３０の本体の大きさは16mm×16mm×0.7mmとした。
（２）また、比較例として、図８（ａ）に示すように、基板上にグラウンド６０設けておらず、導電性熱伝導部材１０がグラウンド６０と接続していないこと以外は、上述した実施例の半導体装置と同様である解析モデルを作製した。
そして、電磁波抑制効果の評価については、半導体装置から3m離れた位置における最大電界強度を算出し、周波数に応じた電界強度（dBμV／m）として表記した。得られた電界強度算出結果を図６に示す。
図６では、導電性熱伝導部材１０として、0.15Ω・m、0.015Ω・m、0.0015Ω・mの導電性熱伝導部材１０を用いた際の電界強度算出結果を、本発明例及び比較例のそれぞれについて示している。
図６の結果から、本発明例の解析モデルでは、比較例の解析モデルに比べて、総じて良好な電磁波抑制効果（電界強度低減）が確認された。
さらに、本発明例の解析モデルでは、導電性熱伝導部材１０の抵抗率がより低い、0.015Ω・m、0. 0015Ω・mの導電性熱伝導部材１０を使用した解析モデルが、より優れた電磁波抑制効果を確認できた。
（実施例２）
（１）実施例２では、実施例１の本発明例の半導体装置のモデルと同様の条件で、前記３次元電磁界シミュレータを用いて、図５（ａ）及び（ｂ）に示すような半導体装置の解析モデルを作製し、電磁波抑制効果の評価を行った。
なお、本発明例の半導体装置のモデルに用いた導電性熱伝導部材１０の抵抗率は、0.015Ω・mとした。
（２）また、実施例１の本発明例の半導体装置のモデルに用いた導電性熱伝導部材１０として、磁性粉（Fe-Si-B-Crアモルファス磁性粒子）を含有させ、比透磁率の虚部μｒ’’が3となるように磁気特性を付与したこと以外は、全て同じ条件（寸法、厚さ、熱伝導率、抵抗率が全て同じ）のモデルを作成した。
（３）さらに、実施例１の比較例の解析モデルについても、用いた導電性熱伝導部材１０として、磁性粉（Fe-Si-B-Crアモルファス磁性粒子）を含有させ、比透磁率虚部μｒ’’が5となるように磁気特性を付与したこと以外は、全て同じ条件（寸法、厚さ、熱伝導率、抵抗率が全て同じ）のモデルを作成した。
そして、電磁波抑制効果の評価は、実施例１と同様に、周波数に応じた電界強度（dBμV／m）を算出した。算出結果を図７に示す。
図７では、導電性熱伝導部材１０中に磁性粉を含む場合の、半導体装置の解析モデルから得られた電界強度を「磁性粉含有あり本発明例（0.015Ω・m）」、「磁性粉含有あり比較例（0.015Ω・m）」として示し、導電性熱伝導部材１０中に磁性粉を含まない場合の、半導体装置の解析モデルから得られた電界強度を「磁性粉含有なし本発明例（0.015Ω・m）」として示した。
図７の結果から、本発明例及び比較例のいずれのモデルについても、導電性熱伝導部材１０中に磁性粉を含む場合に、より優れた電磁波抑制効果が確認された。
本発明によれば、低コスト且つ容易に製造できるとともに、優れた放熱性及び電磁波抑制効果を有する半導体装置を提供することが可能となる。
１ 半導体装置
１０ 導電性熱伝導部材
２０ 導電シールドカン
３０ 半導体素子
３０ａ 半導体素子の側面
３０ａ 半導体素子の上面
３１ ＭＳＬ
４０ 冷却部材
５０ 基板
５１ ランド
６０ グラウンド
１００ 従来の半導体装置
Ａ 電気的に閉じた空間
Ｔ 導電性熱伝導シートの厚さ

Claims (12)

  1. 基板上に形成された半導体素子と、
    前記半導体素子の上部に設けられた、導電性の冷却部材と、
    前記半導体装置と前記冷却部材との間に設けられた、樹脂の硬化物を含有する導電性熱伝導部材と、を備え、
    前記導電性熱伝導部材が、前記基板中のグラウンドに接続し、前記冷却部材と前記グラウンドとを電気的に接続していることを特徴とする、半導体装置。
  2. 前記導電性熱伝導部材が、前記半導体素子を覆うように設けられ、前記半導体素子の上面及び側面の少なくとも一部と当接していることを特徴とする、請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記導電性熱伝導部材が、前記半導体素子の上面及び側面を封止していることを特徴とする、請求項１に記載の半導体装置。
  4. 前記導電性熱伝導シートの抵抗率が、0.15Ω・m以下であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
  5. 前記導電性熱伝導シートの抵抗率が、0.00001Ω・m以上であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。
  6. 前記導電性熱伝導シートが、磁気特性を有することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置。
  7. 前記導電性熱伝導シートが、表面に粘着性又は接着性を有することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体装置。
  8. 前記導電性熱伝導シートが、柔軟性を有することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体装置。
  9. 前記電磁波吸収熱伝導シートが、導電性の充填剤を含むことを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体装置。
  10. 前記導電性の充填剤が、炭素繊維であることを特徴とする、請求項９に記載の半導体装置。
  11. 前記基板中の前記グラウンド以外の部分が、絶縁処理されていることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体装置。
  12. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法であって、
    半導体素子上に、樹脂の硬化物を含有するシート状の導電性熱伝導部材を圧着させることで、前記半導体素子と前記導電性熱伝導部材とを接合するとともに、前記導電性熱伝導部材とグラウンドとを接合する工程を含むことを特徴とする、半導体装置の製造方法。
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