JP2021150468A - 半導体装置の製造方法、半導体装置及び押圧装置 - Google Patents

Abstract

【課題】損傷を受けることなくプリント基板を取り付けることができる。【解決手段】プリント基板６０の複数の貫通孔に半導体モジュール５０の複数の外部接続端子３１を位置合わせする。最終的に、セラミックス回路基板の複数の熱伝導性部材を複数の開口部に収納するようにセラミックス回路基板の裏面に押圧面９３を当接した状態で押圧治具９０をプリント基板６０に向けて押圧する。これにより、熱伝導性部材を押しつぶすことなく、半導体モジュール５０の裏面を押圧して、半導体モジュール５０の複数の外部接続端子をプリント基板６０の貫通孔に挿通することができる。【選択図】図１２

Description

本発明は、半導体装置の製造方法、半導体装置及び押圧装置に関する。

半導体モジュールは、半導体チップを含み、電力変換装置として利用されている。半導体チップは、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）を含む。このような半導体モジュールは、少なくとも、半導体チップと外部接続端子と当該半導体チップ及び当該外部接続端子が配置されるセラミックス回路基板とを含んでいる。セラミックス回路基板は、セラミックス基板と当該セラミックス基板上に設けられた回路パターンとを含んでいる。回路パターン上には半導体チップ及び外部接続端子がはんだにより接合される。また、半導体モジュールの裏面にはセラミックス回路基板の裏面が露出される。

さらに、半導体装置は、半導体モジュールと半導体モジュールに電気的に接続されたプリント基板とを含む。プリント基板は開口部が形成されている。当該外部接続端子がプリント基板の開口部に挿通されて、当該外部接続端子がプリント基板に電気的に接続される。これにより、プリント基板から外部接続端子を経由して半導体モジュールに制御信号が入力される（例えば、特許文献１を参照）。また、半導体装置では、半導体モジュールの裏面にヒートシンク等の放熱ユニットが取り付けられる。この際、半導体モジュールの裏面に設けられたサーマルグリース等のサーマルインターフェースマテリアル（TIM：Thermal Interface Material）を介して放熱ユニットが取り付けられる（例えば、特許文献２を参照）。

ところで、半導体モジュールは裏面にＴＩＭをパターン状に設けた状態で出荷され、出荷先で半導体モジュールの外部接続端子にプリント基板を取り付けて、半導体装置が製造されることがある。このような半導体モジュールをプリント基板に取り付けるにあたり、まず、所定領域に配置されたプリント基板の貫通孔に対して、半導体モジュールの外部接続端子を位置合わせする。位置合わせした半導体モジュールの裏面をプリント基板に向けて押圧する。これにより、半導体モジュールの外部接続端子がプリント基板の貫通孔に挿通される。

特開２０１８−１９５７１４号公報 特開２００９−２７７９７６号公報

上記のように、ＴＩＭが裏面に設けられた半導体モジュールは、ヒートシンク等の放熱ユニットが取り付けられるまで、ＴＩＭが設けられた部分に接触できない。そのため、半導体モジュールをプリント基板に取り付ける時に、セラミックス回路基板の裏面に荷重が加えられて、荷重箇所によってはセラミックス回路基板が割れてしまうことがある。

本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、損傷を受けることなくプリント基板を取り付けることができる半導体装置の製造方法、半導体装置及び押圧装置を提供することを目的とする。

本発明の一観点によれば、半導体チップと前記半導体チップがおもて面に設けられた基板と前記基板のおもて面に設けられた複数の外部接続端子と前記基板の裏面にパターン状に設けられた複数の熱伝導性部材とを含む半導体モジュールと、前記複数の外部接続端子に対応する複数の貫通孔が形成されたプリント基板と、少なくとも前記複数の熱伝導性部材に対応して設けられた複数の開口部が形成された押圧面を含む押圧治具とを用意する用意工程と、前記プリント基板の前記複数の貫通孔に前記半導体モジュールの前記複数の外部接続端子を位置合わせする位置合わせ工程と、前記基板の前記複数の熱伝導性部材を前記複数の開口部に収納するように前記基板の前記裏面に前記押圧面を当接した状態で前記押圧治具を前記プリント基板に向けて押圧する押圧工程と、を有する半導体装置の製造方法が提供される。

また、本発明の一観点によれば、半導体チップと前記半導体チップがおもて面に設けられた基板と前記基板のおもて面に設けられた複数の外部接続端子と前記基板の裏面にパターン状に複数の熱伝導性部材とを含む半導体モジュールと、前記複数の外部接続端子に挿入された複数の貫通孔が形成されたプリント基板と、を備える、半導体装置が提供される。

また、本発明の一観点によれば、複数の貫通孔が形成されたプリント基板が載置され、半導体チップと前記半導体チップがおもて面に設けられた基板と前記基板のおもて面に設けられた複数の外部接続端子と前記基板の裏面にパターン状に設けられた複数の熱伝導性部材とを含む半導体モジュールの前記複数の外部接続端子が、前記複数の貫通孔に位置合わせされる被押圧治具と、前記複数の外部接続端子が位置合わせされた前記半導体モジュールの前記基板の前記複数の熱伝導性部材を収納する複数の開口部が形成され、前記基板の前記裏面に当接し、前記裏面を前記被押圧治具に押圧する押圧面を備える押圧治具と、を含む押圧装置が提供される。

開示の技術によれば、損傷を受けることなくプリント基板を取り付けることができ、信頼性の向上を図ることができる半導体装置の製造方法、半導体装置及び押圧装置を提供することができる。

実施の形態の半導体モジュールの斜視図である。 実施の形態の半導体モジュールの断面図である。 実施の形態の半導体モジュールに含まれるセラミックス回路基板のおもて面の平面図である。 実施の形態の半導体モジュールの裏面の平面図である。 実施の形態の半導体装置の断面図である。 実施の形態の半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。 実施の形態の押圧装置に含まれる被押圧治具を示す図である。 実施の形態の半導体装置の製造方法の載置工程を示す側面図である。 実施の形態の半導体装置の製造方法の載置工程を示す平面図である。 実施の形態の半導体装置の製造方法の位置合わせ工程を示す側面図である。 実施の形態の押圧装置に含まれる押圧治具を示す図である。 実施の形態の半導体装置の製造方法の押圧工程を示す側面図である。 実施の形態の半導体装置の製造方法の押圧工程時の押圧治具の押圧面を示す平面図である。 実施の形態の半導体装置の製造方法の押圧工程時の押圧治具の押圧面を示す断面図である。 実施の形態の放熱ユニットが取り付けられた半導体装置の断面図である。 実施の形態の放熱ユニットが取り付けられた半導体装置の裏面の平面図である。

以下、図面を参照して、実施の形態について説明する。なお、以下の説明において、「おもて面」及び「上面」とは、図１の半導体モジュール５０において、上側を向いた面を表す。同様に、「上」とは、図１の半導体モジュール５０において、上側の方向を表す。「裏面」及び「下面」とは、図１の半導体モジュール５０において、下側を向いた面を表す。同様に、「下」とは、図１の半導体モジュール５０において、下側の方向を表す。必要に応じて他の図面でも同様の方向性を意味する。「おもて面」、「上面」、「上」、「裏面」、「下面」、「下」、「側面」は、相対的な位置関係を特定する便宜的な表現に過ぎず、本発明の技術的思想を限定するものではない。例えば、「上」及び「下」は、必ずしも地面に対する鉛直方向を意味しない。つまり、「上」及び「下」の方向は、重力方向に限定されない。また、以下の説明において、「主成分」とは、全体の成分の中で８０ｖｏｌ％以上含むことを表す。

実施の形態の半導体モジュールについて図１〜図４を用いて説明する。図１は、実施の形態の半導体モジュールの斜視図であり、図２は、実施の形態の半導体モジュールの断面図である。図３は、実施の形態の半導体モジュールに含まれるセラミックス回路基板のおもて面の平面図であり、図４は、実施の形態の半導体モジュールの裏面の平面図である。なお、図２は、図１の一点鎖線Ｘ−Ｘにおける断面図である。また、図４では、ケース４０に設けられる固定部４４の記載を省略している。また、本実施の形態では、複数の回路パターン１２、第１，第２半導体チップ２０，２１、複数のコンタクト部品３０、複数のボンディングワイヤ１５、複数の外部接続端子３１に対して、それぞれ区別することなく、同じ符号を付して説明する。なお、これら以外の構成についても、複数あるものはそれぞれ区別することなく、同じ符号を付して同じ符号で説明する。

半導体モジュール５０は、図１に示されるように、ケース４０とケース４０のおもて面から延出されている複数の外部接続端子３１とを含んでいる。ケース４０は、後述する半導体モジュール５０の構成部品の周囲を囲む外囲部４１と外囲部４１の上部を覆って一体的に取り付けられた上蓋部４２とを有している。外囲部４１は、平面視で略長方形状を成している。外囲部４１の平面視で四隅に固定孔４１ａがそれぞれ形成されている。固定孔４１ａは、外囲部４１をおもて面から裏面に貫通する孔である。また、外囲部４１は、対向する一対の長辺に固定部４４がそれぞれ形成されている。固定部４４は、略平板状であり、半導体モジュール５０の裏面と同一平面を成すように形成されている。また、固定部４４には固定孔４４ａが形成されている。なお、このような固定部４４は、金属等により構成されている。上蓋部４２には、例えば、図１に示されるように、外部接続端子３１が挿通する複数の挿通孔４２ａが縦方向及び横方向に配列されて形成されている。このように挿通孔４２ａが形成されることで、半導体モジュール５０ごとに異なる位置に形成された外部接続端子３１を挿通することができる。

このようなケース４０は、熱可塑性樹脂により構成されている。このような樹脂として、ポリフェニレンサルファイド、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ポリブチレンサクシネート樹脂、ポリアミド樹脂、または、アクリロニトリルブタジエンスチレン樹脂等である。ケース４０は、熱可撓性樹脂を用いて射出成形により固定部４４を含んで構成される。

外部接続端子３１は、ケース４０のおもて面から延出されている。複数の外部接続端子３１は、ケース４０の外囲部４１の対向する一対の辺に沿って、それぞれの辺の近傍に並んで設けられている。さらに、複数の外部接続端子３１は、一対の辺から内側の所定箇所に設けられている。

また、半導体モジュール５０は、ケース４０内に、図２及び図３に示されるように、セラミックス回路基板１０とセラミックス回路基板１０のおもて面に接合された第１，第２半導体チップ２０，２１とを有している。半導体モジュール５０は、セラミックス回路基板１０のおもて面に接合されたコンタクト部品３０を有している。第１，第２半導体チップ２０，２１及びコンタクト部品３０は、セラミックス回路基板１０のおもて面に接合材（図示を省略）を介して接合されている。接合材は、はんだである。はんだに代わり、金属による焼結体でもよい。また、半導体モジュール５０は、セラミックス回路基板１０のおもて面と第１，第２半導体チップ２０，２１の主電極とを電気的に接続するボンディングワイヤ１５を有している。また、コンタクト部品３０には外部接続端子３１が圧入されて取り付けられている。半導体モジュール５０（セラミックス回路基板１０）の裏面には、複数の熱伝導性部材２４がパターン状に設けられている。半導体モジュール５０は、セラミックス回路基板１０に配置された部品を覆って、ケース４０がセラミックス回路基板１０（後述するセラミックス基板１１）の外周縁に沿って塗布されている接着剤４１ｂにより固着されている。なお、ケース４０の外囲部４１の下端部の内側は外囲に沿って断面がＬ字形状に形成されている。このＬ字形状の部分にセラミックス回路基板１０のセラミックス基板１１の外周縁が嵌合されている。この際、コンタクト部品３０に取り付けられた外部接続端子３１の先端部がケース４０の挿通孔４２ａから上方に突出している。そして、半導体モジュール５０は、ケース４０内で、セラミックス回路基板１０のおもて面の第１，第２半導体チップ２０，２１と、コンタクト部品３０に取り付けられた外部接続端子３１の下方と、ボンディングワイヤ１５等が封止部材４３により封止されている。

セラミックス回路基板１０は、平面視で矩形状である。セラミックス回路基板１０は、セラミックス基板１１とセラミックス基板１１の裏面に設けられた金属板１３とセラミックス基板１１のおもて面に設けられた複数の回路パターン１２とを含んでいる。セラミックス基板１１及び金属板１３は、平面視で矩形状である。また、セラミックス基板１１及び金属板１３は、角部がＲ形状や、Ｃ形状に面取りされていてもよい。金属板１３のサイズは、平面視で、セラミックス基板１１のサイズより小さく、セラミックス基板１１の内側に形成されている。セラミックス基板１１は、熱伝導性のよいセラミックスにより構成されている。また、セラミックス基板１１は、曲げ強度が、例えば、４５０ＭＰａ以上のセラミックスが用いられる。このようなセラミックスは、例えば、酸化アルミニウムと当該酸化アルミニウムに添加された酸化ジルコニウムとを主成分とする複合材料、または、窒化珪素を主成分とする材料により構成されている。また、セラミックス基板１１の厚さは、０．５ｍｍ以上、２．０ｍｍ以下である。

金属板１３は、熱伝導性に優れた金属により構成されている。このような金属は、例えば、銅、アルミニウム、または、少なくともこれらの一種を主成分とする合金である。また、金属板１３の厚さは、０．１ｍｍ以上、２．０ｍｍ以下である。金属板１３の表面に対して、耐食性を向上させるために、めっき処理を行ってもよい。この際、用いられるめっき材は、例えば、ニッケル、ニッケル−リン合金、ニッケル−ボロン合金である。

複数の回路パターン１２は、導電性に優れた金属により構成されている。このような金属は、例えば、銅、アルミニウム、または、少なくともこれらの一種を主成分とする合金である。また、複数の回路パターン１２の厚さは、０．５ｍｍ以上、２．０ｍｍ以下である。複数の回路パターン１２の表面に対して、耐食性を向上させるために、めっき処理を行ってもよい。この際、用いられるめっき材は、例えば、ニッケル、ニッケル−リン合金、ニッケル−ボロン合金である。セラミックス基板１１に対して複数の回路パターン１２は、セラミックス基板１１のおもて面に金属層を形成し、この金属層に対してエッチング等の処理を行って得られる。または、あらかじめ金属層から切り出した複数の回路パターン１２をセラミックス基板１１のおもて面に圧着させてもよい。なお、図２及び図３に示す複数の回路パターン１２は一例である。必要に応じて、回路パターン１２の個数、形状、大きさ等を適宜選択してもよい。

このようなセラミックス回路基板１０として、例えば、ＤＣＢ（Direct Copper Bonding）基板、ＡＭＢ（Active Metal Brazed）基板を用いることができる。また、ケース４０内が封止部材４３により封止される半導体モジュール５０は、セラミックス回路基板１０の金属板１３の裏面が表出されている。表出されたセラミックス回路基板１０の金属板１３の裏面に熱伝導性部材２４が設けられている。当該裏面に、熱伝導性部材２４を介して、放熱ユニット（図示を省略）が取り付けられる。これにより、半導体モジュール５０の放熱性をさらに向上させることができる。

第１，第２半導体チップ２０，２１は、平面視で、矩形状である。また、少なくとも幾つかの第１，第２半導体チップ２０，２１は、セラミックス回路基板１０の一対の辺に対向する回路パターン１２の縁部領域１２ａ，１２ｂに挟まれた内側領域１２ｃの所定箇所に設けられている。さらに、第１，第２半導体チップ２０，２１は、縁部領域１２ａ，１２ｂに設けられていてもよい。第１半導体チップ２０は、シリコンまたは炭化シリコンにより構成されたスイッチング素子である。スイッチング素子は、例えば、ＩＧＢＴ、パワーＭＯＳＦＥＴである。第１半導体チップ２０がＩＧＢＴである場合には、裏面に主電極としてコレクタ電極を、おもて面に、ゲート電極及び主電極としてエミッタ電極をそれぞれ備えている。第１半導体チップ２０がパワーＭＯＳＦＥＴである場合には、裏面に主電極としてドレイン電極を、おもて面に、ゲート電極及び主電極としてソース電極をそれぞれ備えている。また、第２半導体チップ２１は、シリコンまたは炭化シリコンにより構成されたダイオード素子である。ダイオード素子は、例えば、ＳＢＤ（Schottky Barrier Diode）、ＰｉＮ（Ｐ-intrinsic-Ｎ）ダイオード等のＦＷＤ（Free Wheeling Diode）である。このような第２半導体チップ２１は、裏面に主電極としてカソード電極を、おもて面に主電極としてアノード電極をそれぞれ備えている。第１，第２半導体チップ２０，２１は、その裏面側が所定の回路パターン１２上にはんだ（図示を省略）により接合されている。

はんだは、鉛フリーはんだが用いられる。鉛フリーはんだは、例えば、錫−銀−銅からなる合金、錫−亜鉛−ビスマスからなる合金、錫−銅からなる合金、錫−銀−インジウム−ビスマスからなる合金のうち少なくともいずれかの合金を主成分とする。さらに、はんだには、添加物が含まれてもよい。添加物は、例えば、ニッケル、ゲルマニウム、コバルトまたはシリコンである。はんだは、添加物が含まれることで、濡れ性、光沢、結合強度が向上し、信頼性の向上を図ることができる。また、第１，第２半導体チップ２０，２１の厚さは、例えば、１８０μｍ以上、２２０μｍ以下であって、平均は、２００μｍ程度である。なお、回路パターン１２には、半導体モジュール５０における所望の機能が得られるために、電子部品２３を配置することもできる。電子部品２３は、当該機能に応じて、例えば、サーミスタ、電流センサである。

ボンディングワイヤ１５は、第１，第２半導体チップ２０，２１と、回路パターン１２との間、または、複数の第１，第２半導体チップ２０，２１間を適宜電気的に接続する。このようなボンディングワイヤ１５は、導電性に優れた材質により構成されている。当該材質として、例えば、金、銀、銅、アルミニウム、または、少なくともこれらの一種を含む合金により構成されている。また、ボンディングワイヤ１５の径は、例えば、１１０μｍ以上、２００μｍ以下である。または、ボンディングワイヤ１５の径は、例えば、３５０μｍ以上、５００μｍ以下である。

コンタクト部品３０は、内部に円筒状の貫通孔が形成された本体部と本体部の開口端部にそれぞれ設けられたフランジとを備えている。コンタクト部品３０の一方の開口端部は、セラミックス回路基板１０のおもて面に設けられた複数の回路パターン１２の所定位置にはんだを介して接合されている。コンタクト部品３０の他方の開口端部には、外部接続端子３１が圧入されている。コンタクト部品３０は、導電性に優れた金属により構成されている。このような金属は、例えば、銅、アルミニウム、銀、ニッケル、または、少なくともこれらの一種を主成分とする合金である。コンタクト部品３０の表面に対して、耐食性を向上させるために、めっき処理を行ってもよい。この際、用いられるめっき材は、例えば、ニッケル、ニッケル−リン合金、ニッケル−ボロン合金である。

外部接続端子３１は、棒状の本体部と本体部の両端部にそれぞれ形成された、テーパ状の先端部と本体部の上方に形成された肉厚部とを有するプレスフィット端子である。外部接続端子３１は、下方の先端部がコンタクト部品３０に圧入されている。上方の先端部は、後にプリント基板６０に圧入される。本体部は、角柱状を成す。外部接続端子３１の肉厚部の断面の対角線の長さは、コンタクト部品３０の本体部の径よりも数％長い。このため、外部接続端子３１はコンタクト部品３０に対して圧入できる。また、外部接続端子３１も、導電性に優れた金属により構成されている。このような金属は、例えば、銅、アルミニウム、ニッケル、または、少なくともこれらの一種を主成分とする合金である。外部接続端子３１の表面に対して、耐食性を向上させるために、めっき処理を行ってもよい。この際、用いられるめっき材は、例えば、ニッケル、ニッケル−リン合金、ニッケル−ボロン合金である。なお、外部接続端子３１は、プレスフィット端子に限らず、本体部が、肉厚部がない、略ストレートの端子であってもよい。

複数の外部接続端子３１は、平面視で、セラミックス回路基板１０のおもて面の対向する一対の辺に沿って、それぞれの辺に対向する回路パターン１２の縁部領域１２ａ，１２ｂに並んで設けられている。さらに、複数の外部接続端子３１は、縁部領域１２ａ，１２ｂに挟まれた内側領域１２ｃの所定箇所にも設けられている。

外部接続端子３１は、下方の先端部がコンタクト部品３０に圧入されることで、コンタクト部品３０を介して、セラミックス回路基板１０に接合されている。しかし、コンタクト部品３０を介さずに、セラミックス回路基板１０に接合されていてもよい。例えば、外部接続端子３１は、超音波接合等で、直接セラミックス回路基板１０に接合されていてもよい。また、外部接続端子３１は、はんだやろう材等の接合部材を介してセラミックス回路基板１０に接合されていてもよい。

封止部材４３は、熱硬化性樹脂とフィラーとして熱硬化性樹脂に含有される充填剤とを含んでいる。熱硬化性樹脂は、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、マレイミド樹脂である。充填剤は、例えば、酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化ホウ素または窒化アルミニウムである。

熱伝導性部材２４は、サーマルインターフェースマテリアル（以下、ＴＩＭ）である。ＴＩＭは、熱伝導性のグリス、エラストマーシート、ＲＴＶ（Room Temperature Vulcanization）ゴム、ゲル、フェイズチェンジ材等の様々な材料の総称を含む。特に、ここではフェイズチェンジタイプのＴＩＭを用いてもよい。フェイズチェンジタイプのＴＩＭとは、初期はグリス状であって、加熱することで揮発性溶剤が除去されてゴム状に変化する。さらに、加熱して一定の温度より高くするとゴム状からグリス状に変化する。

このような熱伝導性部材２４は、図４に示されるように、それぞれ、平面視で、略正六角形である。また、複数の熱伝導性部材２４は、蜂の巣形状に設けられている。熱伝導性部材２４は、第１，第２半導体チップ２０，２１に対向する領域に設けられている。前述のように第１，第２半導体チップ２０，２１は、少なくとも内側領域１２ｃの所定箇所に設けられているため、熱伝導性部材２４は、少なくとも内側領域１２ｃに対向する裏面に設けられている。内側領域１２ｃには、外部接続端子３１も設けられており、熱伝導性部材２４は、少なくとも内側領域１２ｃに設けられた外部接続端子３１に対向する裏面に設けられている。さらに、熱伝導性部材２４は、セラミックス回路基板１０の裏面の金属板１３の全面に設けられてもよい。こうすることで、放熱性をより高めることができる。また、蜂の巣形状に設けられた熱伝導性部材２４の間隔は１．５ｍｍ以上、３．５ｍｍ以下である。なお、この場合の間隔とは、略正六角形の対向する辺の間隔（図１３の間隔ａを参照）である。熱伝導性部材２４の厚さは、２００μｍ以上、２５０μｍ以下である。こうすることで、熱伝導性部材２４は、後に放熱ユニット等で押圧されると、正六角形の各辺が外側に押し広がっていく。この際、熱伝導性部材２４は、蜂の巣形状に設けられることで、隣接する熱伝導性部材２４同士が満遍なく合わさり、半導体モジュール５０の裏面全面を覆うようになる。また、熱伝導性部材２４は、図４に示したパターンの形状に対応するステンシルマスクを用いて、セラミックス回路基板１０の裏面に塗布することで当該裏面に設けられる。このようにしてセラミックス回路基板１０の裏面に設けられた熱伝導性部材２４に対して、セラミックス回路基板１０のおもて面には外部接続端子３１が設けられている。

フェイズチェンジタイプの熱伝導性部材２４は、塗布してパターン化された熱伝導性部材２４を一旦加熱し、冷却してゴム状に変化させておく。この状態にすることで、熱伝導性部材２４が塗布された状態の半導体モジュール５０を出荷、輸送することが可能となる。半導体モジュール５０の裏面に放熱ユニットを取り付ける際には、ゴム状の熱伝導性部材２４を再度加熱してグリス状にしておく。これにより、半導体モジュール５０の裏面で熱伝導性部材２４は放熱ユニットで押圧されて当該裏面全体に濡れ広がる。

次に、このような半導体モジュール５０に対して、プリント基板が取り付けられた半導体装置について、図５を用いて説明する。図５は、実施の形態の半導体装置の断面図である。なお、図５は、半導体モジュール５０に対してプリント基板６０を取り付けた半導体装置１を、図１に示した一点鎖線Ｘ−Ｘの位置での断面図を示している。

半導体装置１は、半導体モジュール５０とプリント基板６０とを有している。プリント基板６０は、図示を省略する、絶縁板と絶縁板のおもて面に形成された複数の上部回路パターンとを備えている。また、プリント基板６０は、必要に応じて、絶縁板の裏面に複数の下部回路パターンを備えている。さらに、プリント基板６０は、おもて面から裏面に貫通する複数の貫通孔６１が半導体モジュール５０の外部接続端子３１に対応する位置に形成されている。また、プリント基板６０は、複数の貫通孔６１が形成されている形成領域の四隅に位置合わせ孔６２（図９を参照）が形成されている。

絶縁板は、平板状であって絶縁性の材質により構成されている。このような材質は、基体に対して樹脂を浸漬させたものが用いられる。この基体は、例えば、紙、ガラス布、ガラス不織布が用いられる。樹脂には、例えば、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂が用いられる。絶縁板の具体例としては、紙フェノール基板、紙エポキシ基板、ガラスエポキシ基板、ガラスポリイミド基板、ガラスコンポジット基板が用いられる。このような絶縁板もまた、平面視で矩形状である。絶縁板は、角部がＲ形状や、Ｃ形状に面取りされていてもよい。

上部回路パターン及び下部回路パターンは、所定の回路が構成されるよう複数のパターン形状を成している。上部回路パターン及び下部回路パターンは、導電性に優れた材質により構成されている。このような材質として、例えば、銀、銅、ニッケル、または、少なくともこれらの一種を含む合金等により構成されている。上部回路パターン及び下部回路パターンの表面に対して、耐食性を向上させるために、めっき処理を行ってもよい。このめっき処理で用いられる材料は、ニッケル、ニッケル−リン合金、ニッケル−ボロン合金等がある。また、貫通孔６１は、適宜、上部回路パターン及び下部回路パターンの少なくともいずれか一方に電気的に接続されている。

半導体装置１では、このようなプリント基板６０の貫通孔６１に、半導体モジュール５０の外部接続端子３１が圧入されている。これにより、プリント基板６０と半導体モジュール５０とは電気的に接続されている。なお、外部接続端子３１がプレスフィット端子ではなく、ストレートである場合には、外部接続端子３１が貫通孔６１にそれぞれ挿通されて貫通孔６１ではんだによりそれぞれ固着される。

次に、このような半導体装置１の製造方法について、図６〜図１４を用いて説明する。図６は、実施の形態の半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。図７は、実施の形態の押圧装置に含まれる被押圧治具を示す図である。なお、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）の一点鎖線Ｘ−Ｘにおける断面図である。図８は、実施の形態の半導体装置の製造方法の載置工程を示す側面図であり、図９は、実施の形態の半導体装置の製造方法の載置工程を示す平面図である。図１０は、実施の形態の半導体装置の製造方法の位置合わせ工程を示す側面図である。

図１１は、実施の形態の押圧装置に含まれる押圧治具を示す図である。なお、図１１（Ｂ）は、図１１（Ａ）の一点鎖線Ｘ−Ｘにおける断面図である。図１２は、実施の形態の半導体装置の製造方法の押圧工程を示す側面図である。図１３は、実施の形態の半導体装置の製造方法の押圧工程時の押圧治具の押圧面を示す平面図であり、図１４は、実施の形態の半導体装置の製造方法の押圧工程時の押圧治具の押圧面を示す断面図である。なお、図１３は、図１２の一点鎖線Ｚ−Ｚにおける断面図、図１４は、図１３における一点鎖線Ｙ−Ｙにおける断面拡大図である。また、以下の説明で用いる図面では、説明に直接用いない構成については符号を省略している場合がある。

第１，第２半導体チップ２０，２１、半導体モジュール５０、プリント基板６０等を用意する用意工程を行う（図６のステップＳ１０）。この際、半導体モジュール５０の裏面には、熱伝導性部材２４がパターン化されて設けられている。なお、この熱伝導性部材２４は、フェイズチェンジタイプであって、加熱されてゴム状を成している。そして、以下では、押圧装置７０により、プリント基板６０に対して半導体モジュール５０を取り付ける。押圧装置７０は、被押圧治具８０及び押圧治具９０を備える（図１２を参照）。押圧装置７０は、さらに、図示を省略するものの、押圧治具９０を被押圧治具８０側に移動させて押圧する押圧制御部を設けてもよい。押圧制御部は、押圧治具９０の押圧力、押圧ストローク等を制御することができる。

まず、押圧装置７０の被押圧治具８０について説明する。被押圧治具８０は、図７に示されるように、載置基板８１と載置基板８１上に設けられた載置部８２とを含んでいる。載置基板８１は、平面視で矩形状であって平板状を成している。載置部８２は、平面視で枠状を成す側壁部８３と側壁部８３の開口上部に設けられた載置面８４とを備えている。載置部８２は、載置基板８１と側壁部８３と載置面８４とで囲まれる空間である端子収納領域８２ａが構成されている。載置面８４には端子孔８４ａが縦方向及び横方向に形成されている。端子孔８４ａは、載置面８４を貫通して、端子収納領域８２ａに通じている。また、載置部８２の平面視の四隅に固定ピン８５がそれぞれ形成されている。このような被押圧治具８０は、後述するように押圧治具９０による押圧に十分耐えうる強度を備えて、例えば、金属により構成されている。

次いで、このような被押圧治具８０の載置部８２の載置面８４上に、図８及び図９に示されるように、プリント基板６０のおもて面を載置する載置工程を行う（図６のステップＳ１１）。この際、プリント基板６０の位置合わせ孔６２は、被押圧治具８０の固定ピン８５がそれぞれ挿通されて、プリント基板６０の貫通孔６１は載置面８４の端子孔８４ａにそれぞれ位置合わせされている。

次いで、被押圧治具８０に載置されたプリント基板６０の貫通孔６１に、図１０に示されるように、半導体モジュール５０（の外部接続端子３１）を位置合わせする位置合わせ工程を行う（図６のステップＳ１２）。プリント基板６０の貫通孔６１に、位置合わせした半導体モジュール５０の外部接続端子３１の先端部を嵌合させておく。

なお、ここで、押圧装置７０の押圧治具９０について説明する。押圧治具９０は、図１１に示されるように、押圧基板９１と押圧基板９１上に設けられた押圧体９２とを含んでいる。なお、押圧治具９０は、後述するように、半導体モジュール５０を十分押圧することができる強度を備えて、例えば、金属により構成されている。押圧基板９１は、平面視で矩形状であって平板状を成している。押圧体９２は、おもて面に押圧面９３を備えている。押圧面９３は、地面に対して略水平を成している。さらに、押圧面９３には、複数の開口部９４と当該開口部９４を除いた領域である押圧部９５とを含んでいる。開口部９４は、平面視で略正六角形であって、角部にＲ面加工が施されている。また、開口部９４は、断面視で凹状である。開口部９４は、セラミックス回路基板１０を押圧する押圧面９３の熱伝導性部材２４に対向した位置に設けられている。そのため、開口部９４は、押圧面９３の少なくともセラミックス回路基板１０の内側領域１２ｃに対向する領域に設けられている。さらに、熱伝導性部材２４は、セラミックス回路基板１０の裏面の金属板１３の全面に設けられてもよい。押圧部９５は、既述の通り、押圧面９３の少なくとも外部接続端子３１に対向する領域に設けられている。そのため、押圧部９５は、少なくともセラミックス回路基板１０の縁部領域１２ａ，１２ｂ及び内側領域１２ｃに対向する領域、つまりセラミックス回路基板１０の全面に対向する領域に設けられている。したがって、開口部９４は、少なくともセラミックス回路基板１０の内側領域１２ｃに対向する領域に蜂の巣形状に形成されていてよい。さらに、開口部９４は、押圧面９３の少なくともセラミックス回路基板１０の全面に対向する領域に設けられていてよい。

このような開口部９４は、例えば、押圧面９３に対して、例えば、エンドミルを用いて切削により形成される。なお、開口部９４は断面視で凹状である場合に限らず、押圧体９２を貫通する柱状であってもよい。開口部９４の詳細については後述する。

次いで、半導体モジュール５０の裏面を押圧治具９０により押圧する押圧工程を行う（図６のステップＳ１３）。押圧治具９０を半導体モジュール５０の裏面にセットする。すると、図１２に示されるように、押圧治具９０の固定ピン９６が半導体モジュール５０の固定部４４の固定孔４４ａに嵌合され、押圧面９３が半導体モジュール５０の裏面に当接する。このようにして押圧治具９０を半導体モジュール５０の裏面にセットすると、図１３に示されるように、半導体モジュール５０の裏面に設けられた熱伝導性部材２４が押圧面９３の開口部９４にそれぞれ嵌る。開口部９４の対向する辺の幅Ｌは、５．５ｍｍ以上、７．５ｍｍ以下である。また、開口部９４の間隔Ｄは、０．５ｍｍ以上、１．０ｍｍ以下である。さらに、熱伝導性部材２４は、図１４に示されるように、開口部９４に接触せずに開口部９４内に収納される。また、押圧面９３の押圧部９５が半導体モジュール５０のセラミックス回路基板１０に含まれる金属板１３の裏面に当接する。なお、開口部９４の深さ（高さ）は、熱伝導性部材２４の厚さ以上であって、例えば、３００μｍ以上である。

このようにして半導体モジュール５０の裏面にセットされた押圧治具９０を、被押圧治具８０に向けて移動させる。この際の押圧治具９０は、図１２の状態から、半導体モジュール５０を被押圧治具８０に向けて一定の押圧力で押圧する。また、押圧治具９０は、図１２の状態から、半導体モジュール５０の外部接続端子３１の肉厚部がプリント基板６０の貫通孔６１に嵌合するような押圧ストロークで押圧する。また、この際、熱伝導性部材２４は押圧治具９０の開口部９４に収納されているため、熱伝導性部材２４を押しつぶすことなく、半導体モジュール５０の裏面を押圧することができる。

また、セラミックス回路基板１０は、その裏面に設けられた熱伝導性部材２４に対して、そのおもて面に外部接続端子３１が設けられている。このようなセラミックス回路基板１０の裏面を開口部９４が設けられた押圧面９３で押圧する場合、一本当たりの外部接続端子３１の挿入荷重は、開口部９４の幅Ｌを長くするほど増加する。一方、本実施の形態では、セラミックス回路基板１０のセラミックス基板１１は、曲げ強度が、例えば、４５０ＭＰａ以上となる材質が選択されている。そこで、押圧面９３の開口部９４の幅Ｌを、半導体モジュール５０を押圧するために最低限必要とされる押圧部９５の領域が確保されるまで広げた。この場合の押圧部９５の領域は、押圧面９３の面積に対して、４５％以上、６０％以下であることが好ましい。開口部９４の幅Ｌをこのようにして選択することで、セラミックス回路基板１０をより大きな押圧力で押圧することができるようにした。このため、押圧治具９０は、セラミックス回路基板１０に損傷を与えることなく、半導体モジュール５０の裏面を十分な押圧力により確実に押圧することができる。したがって、一本当たりの外部接続端子３１の挿入荷重を大きくすることができ、外部接続端子３１をプリント基板６０の貫通孔６１に確実に圧入することができる。なお、この場合、一本当たりの外部接続端子３１に対する最大の挿入荷重は、例えば、１１０Ｎ以上、１２０Ｎ以下となる。

このようにしてプリント基板６０に対して半導体モジュール５０が押圧されると、外部接続端子３１がプリント基板６０の貫通孔６１に圧入される。プリント基板６０の貫通孔６１に圧入された外部接続端子３１の先端部は、被押圧治具８０の載置面８４の端子孔８４ａから端子収納領域８２ａ内に挿通されている。押圧後の押圧治具９０を上方に離脱し、プリント基板６０が取り付けられた半導体モジュール５０を被押圧治具８０から取り出すことで、図５に示した半導体装置１が得られる。

次に、半導体装置１に対する放熱ユニットの取り付けについて、図１５及び図１６を用いて説明する。図１５は、実施の形態の放熱ユニットが取り付けられた半導体装置の断面図であり、図１６は、実施の形態の放熱ユニットが取り付けられた半導体装置の裏面の平面図である。なお、図１６は、放熱ユニットが取り付けられた際の半導体装置１の裏面の熱伝導性部材２４を示しており、放熱ユニットの図示を省略している。さらに、図１６では、ケース４０に設けられる固定部４４の記載を省略している。図１５に示されるように、半導体装置１は半導体モジュール５０の裏面に放熱ユニットとしてヒートシンク２が取り付けられている。ヒートシンク２は、放熱板２ａと放熱板２ａの主面に設けられた複数のフィン２ｂとを備えている。ヒートシンク２は、熱伝導性に優れた金属により構成されている。このような金属は、例えば、アルミニウム、鉄、銀、銅、または、少なくともこれらの一種を含む合金である。ヒートシンク２の表面に対して、耐食性を向上させるために、めっき処理を行ってもよい。この際、用いられるめっき材は、例えば、ニッケル、ニッケル−リン合金、ニッケル−ボロン合金である。

このようなヒートシンク２を半導体モジュール５０の裏面に取り付ける際には、現在ゴム状の熱伝導性部材２４を一定の温度以上になるように加熱して、ゴム状からグリス状に変化させておく。グリス状に変化した熱伝導性部材２４が設けられた半導体モジュール５０の裏面にヒートシンク２の放熱板２ａの主面を押し付ける。グリス状の熱伝導性部材２４は押し付けられることで、正六角形の各辺が外側に濡れ広がって、それぞれが繋がって、図１６に示されるように、セラミックス回路基板１０の金属板１３の裏面の略全体を覆う。これは、既述の通り、押圧治具９０において開口部９４を最大までに広げたことに伴って、半導体モジュール５０の裏面に設けるパターン化された１つの熱伝導性部材２４の面積も広げることができる。さらに、熱伝導性部材２４の厚さも十分に維持しておく。このため、熱伝導性部材２４が押圧されると、セラミックス回路基板１０の金属板１３の裏面の略全体に確実に濡れ広がることができるようになる。このようにして、半導体モジュール５０の裏面とヒートシンク２との間で熱伝導性部材２４が薄く全体に濡れ広がる。このため、半導体モジュール５０（半導体装置１）から放出される熱がヒートシンク２に適切に伝導されて、ヒートシンク２で放熱される。したがって、半導体モジュール５０（半導体装置１）の放熱性の低下が抑制される。

上記の半導体装置１の製造方法は、まず、半導体モジュール５０とプリント基板６０と押圧治具９０とを用意する。半導体モジュール５０は、第１，第２半導体チップ２０，２１と第１，第２半導体チップ２０，２１がおもて面に設けられたセラミックス回路基板１０とセラミックス回路基板１０のおもて面に設けられた複数の外部接続端子３１とセラミックス回路基板１０の裏面にパターン状に設けられた複数の熱伝導性部材２４とを含む。プリント基板６０は、複数の外部接続端子３１に対応する複数の貫通孔６１が形成されている。押圧治具９０は、複数の熱伝導性部材２４に対応して設けられた複数の開口部９４が形成された押圧面９３を含む。次いで、プリント基板６０の複数の貫通孔６１に半導体モジュール５０の複数の外部接続端子３１を位置合わせする。最終的に、セラミックス回路基板１０の複数の熱伝導性部材２４を複数の開口部９４に収納するようにセラミックス回路基板１０の裏面に押圧面９３を当接した状態で押圧治具９０をプリント基板６０に向けて押圧する。これにより、熱伝導性部材２４を押しつぶすことなく、半導体モジュール５０の裏面を押圧して、半導体モジュール５０の複数の外部接続端子３１をプリント基板６０の貫通孔６１に挿通することができる。また、本実施の形態の押圧治具９０によれば、半導体モジュール５０の裏面を十分な押圧力により、セラミックス回路基板１０に損傷を与えることなく、確実に押圧することができる。このようにして製造された半導体装置１は、損傷を受けることなくプリント基板６０が取り付けられて、ヒートシンク２を取り付けた際に熱伝導性部材２４が裏面全体に斑なく広がらずに放熱性が低下することを抑制でき、信頼性の向上を図ることができる。

１ 半導体装置
２ ヒートシンク
２ａ 放熱板
２ｂ フィン
１０ セラミックス回路基板
１１ セラミックス基板
１２ 回路パターン
１２ａ，１２ｂ 縁部領域
１２ｃ 内側領域
１３ 金属板
１５ ボンディングワイヤ
２０ 第１半導体チップ
２１ 第２半導体チップ
２３ 電子部品
２４ 熱伝導性部材
３０ コンタクト部品
３１ 外部接続端子
４０ ケース
４１ 外囲部
４１ａ，４４ａ 固定孔
４１ｂ 接着剤
４２ 上蓋部
４２ａ 挿通孔
４３ 封止部材
４４ 固定部
５０ 半導体モジュール
６０ プリント基板
６１ 貫通孔
６２ 位置合わせ孔
７０ 押圧装置
８０ 被押圧治具
８１ 載置基板
８２ 載置部
８２ａ 端子収納領域
８３ 側壁部
８４ 載置面
８４ａ 端子孔
８５，９６ 固定ピン
９０ 押圧治具
９１ 押圧基板
９２ 押圧体
９３ 押圧面
９４ 開口部
９５ 押圧部

Claims (17)

1. 半導体チップと前記半導体チップがおもて面に設けられた基板と前記基板のおもて面に設けられた複数の外部接続端子と前記基板の裏面にパターン状に設けられた複数の熱伝導性部材とを含む半導体モジュールと、前記複数の外部接続端子に対応する複数の貫通孔が形成されたプリント基板と、少なくとも前記複数の熱伝導性部材に対応して設けられた複数の開口部が形成された押圧面を含む押圧治具とを用意する用意工程と、
   前記プリント基板の前記複数の貫通孔に前記半導体モジュールの前記複数の外部接続端子を位置合わせする位置合わせ工程と、
   前記基板の前記複数の熱伝導性部材を前記複数の開口部に収納するように前記基板の前記裏面に前記押圧面を当接した状態で前記押圧治具を前記プリント基板に向けて押圧する押圧工程と、
   を有する半導体装置の製造方法。
2. 前記複数の外部接続端子は、前記基板の前記おもて面の対向する一対の辺に沿ってそれぞれ設けられると共に、前記おもて面の前記一対の辺から内側に設けられている、
   請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記複数の熱伝導性部材は、前記内側に設けられた前記複数の外部接続端子に対応する前記基板の前記裏面に設けられている、
   請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記基板は、セラミックス基板を含む、
   請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記セラミックス基板は、酸化ジルコニウムと酸化アルミニウムを主成分とする複合材料、または、窒化珪素を主成分とする材料を含む、
   請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
6. 前記複数の熱伝導性部材は、フェイズチェンジタイプのサーマルインターフェースマテリアルである、
   請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
7. 前記複数の外部接続端子は、プレスフィット端子であって、
   前記押圧工程により、前記プリント基板の前記複数の貫通孔に前記複数の外部接続端子が圧入される、
   請求項１乃至６のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
8. 前記複数の熱伝導性部材は、平面視で正六角形であって、前記基板の対向する一対の辺から内側の前記裏面全体に蜂の巣形状に設けられている、
   請求項１乃至７のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
9. 前記複数の開口部は、平面視で、角部がＲ面加工された正六角形であって、前記押圧治具の対向する一対の辺から内側の前記押圧面全体に蜂の巣形状に設けられている、
   請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
10. 半導体チップと前記半導体チップがおもて面に設けられた基板と前記基板のおもて面に設けられた複数の外部接続端子と前記基板の裏面にパターン状に複数の熱伝導性部材とを含む半導体モジュールと、
    前記複数の外部接続端子に挿入された複数の貫通孔が形成されたプリント基板と、
    を備える、
    半導体装置。
11. 前記複数の外部接続端子は、前記基板の前記おもて面の対向する一対の辺に沿ってそれぞれ設けられ、さらに、前記おもて面の前記一対の辺から内側に設けられている、
    請求項１０に記載の半導体装置。
12. 前記複数の熱伝導性部材は、前記内側に設けられた外部接続端子に対応する前記基板の裏面に設けられている、
    請求項１１に記載の半導体装置。
13. 前記基板は、セラミックス基板を含む、
    請求項１０乃至１２のいずれかに記載の半導体装置。
14. 前記セラミックス基板は、酸化ジルコニウムと酸化アルミニウムを主成分とする複合材料、または、窒化珪素を主成分とする材料を含む、
    請求項１３に記載の半導体装置。
15. 前記複数の熱伝導性部材は、フェイズチェンジタイプのサーマルインターフェースマテリアルである、
    請求項１０乃至１４のいずれかに記載の半導体装置。
16. 複数の貫通孔が形成されたプリント基板が載置され、半導体チップと前記半導体チップがおもて面に設けられた基板と前記基板のおもて面に設けられた複数の外部接続端子と前記基板の裏面にパターン状に設けられた複数の熱伝導性部材とを含む半導体モジュールの前記複数の外部接続端子が、前記複数の貫通孔に位置合わせされる被押圧治具と、
    前記複数の外部接続端子が位置合わせされた前記半導体モジュールの前記基板の前記複数の熱伝導性部材を収納する複数の開口部が形成され、前記基板の前記裏面に当接し、前記裏面を前記被押圧治具に押圧する押圧面を備える押圧治具と、
    を含む押圧装置。
17. 前記複数の開口部は、平面視で、角部がＲ面加工された正六角形であって、一方の辺に沿って設けられた前記複数の外部接続端子と他方の辺に沿って設けられた前記複数の外部接続端子との間における前記押圧治具の前記押圧面全体に蜂の巣形状に設けられている、
    請求項１６に記載の押圧装置。

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