JP4847357B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は半導体装置の製造方法に関し、特に、半導体装置で窪みを有する基板とヒートシンクとの間の密着性を高めて２つの部材の熱結合度を高めた半導体装置の製造方法に関する。

半導体装置において、半導体チップを搭載した基板は、中間熱伝導材であるサーマルコンパウンドを介在させてヒートシンク（放熱板）に組み合わせる。この場合、従来、通常では基板におけるヒートシンク接触面には湾曲面または凹部等の窪みが形成されているので、基板とヒートシンクとの間の境界の窪みの部分に空気層が作られ、半導体装置の熱抵抗が高くなるという問題があった。

上記において基板のヒートシンク接触面に窪みを設ける理由は、半導体装置の使用時には発生熱で基板に熱膨張が生じて基板が反ってしまうので、そこで半導体装置の発熱時に基板が平らになるように、予めフライス加工で窪みを作っておくことにある。基板のヒートシンク接触面に作られる窪みは、例えば最大深さが０．１ｍｍ以下の湾曲面である。

また上記のサーマルコンパウンド（Thermal Compound）は、グリース材に熱伝導率の良い金属酸化物を混合して形成され、物性的に通常では自由流動性という特性を有している。ヒートシンクの組み付け面に塗布されたサーマルコンパウンドは、当該組み付け面に対して、基板の窪みが形成された面が押し付けられると、窪みが形成された基板の面に押し付けられる。サーマルコンパウンドは押し付け作用によってその流動性に基づき変形するが、従来のサーマルコンパウンドの塗布形状によれば、窪みのスペース内に残留する気泡によって窪みのすべてにサーマルコンパウンドが充填されることはなく、前述のごとく空気層が形成されるのが通常であった。

電気回路基板と放熱板との間の密着性を改善する従来技術として特許文献１に記載された技術がある。特許文献１に記載された電気回路装置の製造方法は、電気回路基板と放熱板を接続するとき、電気回路基板に形成された穴の縁部を囲むようにハンダ等（その他、導電性接着剤、熱導電性接着剤等）を放熱板の上に塗布することにより両部材を接続し、穴の周辺に関しては電気回路基板と放熱板が密着するようにしている。この特許文献１には、ハンダ等の塗布部で、その一部が切れている未塗布部を形成している。これにより空気を逃し、その後に樹脂を穴内に注入するときに内部に気泡が発生するのを防ぐことを可能にしている。さらに、穴の内部に注入される樹脂が、電気回路基板と放熱板との隙間から漏れるのを防ぎ、安定した量の樹脂注入を実現している。
特開平９−４６０３５号公報

パワー半導体モジュール等の基板であってヒートシンクとの接触面に窪み構造を有する当該基板を、サーマルコンパウンドを介在させて組み合わせるとき、基板とヒートシンクの間に形成される窪み隙間の部分の断熱空気層をなくし熱抵抗を低減させるという課題およびその解決策は、特許文献１には開示・示唆されていない。

本発明の目的は、半導体装置において窪みを有する基板を流動性を有する中間熱伝導材を介在させてヒートシンクに組み合わせるとき、窪みに空気層を残すことなく当該窪みが形成する空間内に中間熱伝導材を充填することができ、基板とヒートシンクの間の熱結合度を高め、半導体装置の熱抵抗を低減することができる半導体装置の製造方法を提供することにある。

本発明に係る半導体装置の製造方法は、上記目的を達成するために、次のように構成される。

第１の半導体装置の製造方法（請求項１に対応）は、半導体チップを搭載しかつ円形の窪み形状を有する基板を、流動性を有する中間熱伝導材を介して放熱板に組み付ける方法であり、中間熱伝導材は、組み付け前に、放熱板の組み付け面に塗布され、さらに、中間熱伝導材の塗布形状は、中心から放射状に形成される形状でありかつ中心から放射状に延びた円弧形状の未塗布溝を有することを特徴づけられる。

上記の半導体装置の製造方法では、放熱板（ヒートシンク）の組み付け面に塗布される中間熱伝導材の所定の箇所に未塗布溝が形成されるように塗布を行うため、放熱板に対して基板を押し付けるとき、基板と放熱板の間の境界部分に気泡が生じることなく中間熱伝導材が充填され、熱抵抗を効果的に低減することが可能となる。

第２の半導体装置の製造方法（請求項２に対応）は、上記の方法において、好ましくは、中間熱伝導材の外周縁の形状は、基板に形成された円形の窪み形状の径よりも大きい径を有する円の円弧の形状である。

第３の半導体装置の製造方法（請求項３に対応）は、上記の方法において、好ましくは、未塗布溝は、中心の周りの円周方向にて等間隔で複数形成されている。

第４の半導体装置の製造方法（請求項４に対応）は、上記の方法において、好ましくは、未塗布溝を形成する両側の辺部の円弧形状は溝内に膨出することを特徴とする。

第５の半導体装置の製造方法（請求項５に対応）は、上記の方法において、好ましくは、中間熱伝導材は、放熱板の組み付け面に印刷により均一厚みで塗布されることを特徴とする。中間熱伝導材として例えばサーマルコンパウンドを使用することが好ましい。

本発明によれば、組み付け面に窪みが形成された半導体チップ搭載用の基板を、サーマルコンパウンド等の中間熱伝導材を介在させてヒートシンク等の放熱板に組み合わせる方法において、放熱板の組み付け面に塗布されるサーマルコンパウンド等の塗布形状内に所定形状の未塗布溝を設けたため、窪みが形成する空間内に気泡を残すことなく当該空間をサーマルコンパウンド等で充填することができるため、半導体装置での熱抵抗を極めて小さい値に低減することができる。

さらに本発明によれば、放熱板の組み付け面に印刷で塗布されるサーマルコンパウンド等の厚みを均一な厚みにすることができ、製造工程を簡易化することができる。

以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。

図１は、本発明に係る半導体装置の製造方法が適用された半導体装置の縦断面構造を示す。半導体装置１０は、半導体素子（または半導体チップ）１１を実装した基板１４をヒートシンク１２に組み付ける（または組み合わせる）ことにより形成される。基板１４は、熱応力を緩和する中間層１３を含む積層板として構成されている。積層構造を有する基板１４は、その上面に半導体素子１１が搭載され、全体として当該半導体素子１１が実装される構成を有している。

半導体素子１１は、基板１４の上面に高融点ハンダ１６などでダイボンディングされる。また基板１４は、その下面とヒートシンク１２との間に例えばサーマルコンパウンド１５を介在させてヒートシンク１２に組み付けられている。

上記の半導体素子１１は、パワートランジスタ、パワーＦＥＴ、またはＩＧＢＴ等のパワーデバイスであり、シリコン半導体等で形成されている。半導体素子１１が動作して半導体素子１１内に電流が流れるとき、ジュール熱により熱を発生し、その温度が上昇する。半導体素子１１の温度が上昇すると、半導体素子１１のオン抵抗が増加する。さらに半導体素子１１がフィードバック制御等に利用されているときには、当該制御で通電用の電圧が印加され、これにより電流が流れ、ジュール熱がさらに増大し、温度がさらに上昇することになる。このような温度上昇が生じ続けると、半導体素子１１自体が損傷するので、これを防止するために上記のごとく半導体素子１１に放熱作用を生じるヒートシンク１２が付設される

ヒートシンク１２は、外側面にフィン１２ａを備えており、放熱板としての作用を有している。ヒートシンク１２は、熱伝導度の良いアルミニウム、銅、モリブデン、またはそれらの合金等によって作られる。半導体素子１１で発生した熱は、基板１４を経由してヒートシンク１２に伝導される。ヒートシンク１２は、半導体素子１１で発生した熱を外部に放熱する。これにより、半導体素子１１の温度上昇を防ぐことができる。ヒートシンク１２では、上記のようにフィン１２ａを設けることにより放熱面積を大きくし、放熱能力を高めている。

積層構造を有する基板１４は、半導体素子１１で発生した熱をヒートシンク１２まで伝導させるための部材である。図１に示すごとく、基板１４は、その上面にハンダ１６（またはロウ材）により半導体素子１１が接合される第１の金属板２１（例えば厚み０．２ｍｍ）と、この第１金属板２１の下面にロウ付けにより接合される上記の中間層１３（例えば厚み３．０ｍｍ）と、この中間層１３の下面にロウ付け等によって接合される第２の金属板２２（例えば厚み１．２ｍｍ）と、この第２金属板２２の下面にロウ付け等で接合される絶縁体２３と、この絶縁体２３の下面にロウ付け等で接合される第３の金属板２４（例えば厚み２ｍｍ）とで構成される。

第１から第３の金属板２１，２２，２４の材質はいずれも銅（Ｃｕ）であることが好ましい。第１金属板２１における半導体素子１１が接合される面にはニッケルメッキが施されている。ニッケルメッキは、半導体素子１１のハンダ付け性やワイヤボンディング性を確保するためのものである。また第１金属板２１は半導体素子１１で発生した熱を面方向に逃がす作用を有する。

中間層１３は、半導体素子１１での発生熱による起因して生じる、半導体素子１１自体の熱膨張、基板１４の各層の熱膨張、およびヒートシンク１２の熱膨張のそれぞれの差を緩和する作用を生じるものである。中間層１３は、積層面方向の弾性定数が小さい材料を用い、例えばカーボン・銅複合材料（Ｃ−Ｃｕ）等が用いられる。

第２金属板２２は、半導体素子１１で発生しかつ第１金属板２１および中間層１３を通して伝導される熱を一次的に溜め、さらにその後、下面側に接合された絶縁体２３および第３金属板２４を介してヒートシンク１２に熱を伝えるための熱バッファ部材である。

絶縁体２３は、半導体素子１１とヒートシンク１２との間の電気的絶縁をとるための部材である。絶縁体２３の材質は、例えばＳｉＮ（窒化シリコン）であり、熱伝導性がよく、高い電気的絶縁性を有する物質である。

第３金属板２４は、上側に配置される積層構造を支持し、かつ半導体素子１１からの熱をヒートシンク１２へ伝導するための部材である。第３金属板２４の厚みと第２金属板２２の厚みとの差は小さい方が望ましい。また第３金属板２４で、ヒートシンク１２に対向してこのヒートシンク１２の組み付け面に接触する面は、例えばサーマルコンパウンド１５を介在させてヒートシンク１２に組み付けられている。なおサーマルコンパウンド１５は自由流動性を有する中間熱伝導材である。中間熱伝導部材であれば、サーマルコンパウンド１５に限定されず、その他のものを用いることができる。

半導体素子１１とヒートシンク１２との間に設けられる上記の基板１４は、銀ロウ一体接合されている。

基板１４上に実装した半導体素子１１とケース２５に設けた電極２６との間にはアルミニウム製の複数のワイヤ２７が接続されている。

次に、第３金属板２４とヒートシンク１２を組み付ける場合における第３金属板２４とヒートシンク１２との間に介設されるサーマルコンパウンド１５について詳述する。

サーマルコンパウンド１５は、グリース材に熱伝導率の良い金属酸化物を混合して形成され、物性的には、通常では自由流動性を有する物質である。サーマルコンパウンド１５は、基板１４とヒートシンク１２とを組み付ける前の段階で、ヒートシンク１２の上面に印刷技術により、後述するごとき特徴的な平面形状によって均一厚みを有する膜状に塗布される。

図２は基板１４とヒートシンク１２とを組み付ける場合の工程を示し、図２の（Ａ）は組み付ける前の状態を示し、（Ｂ）は組み付けた後の状態を示している。図２において、積層構造の基板１４は一枚状で描かれており、ヒートシンク１２も簡略化した形状で示されており、前述したフィンの部分の図示は省略されている。

基板１４の下面１４ａには、フライス加工に基づいて、前述した窪み３１が形成されている。この窪み３１は、実際には、基板１４の最下層に位置する第３金属板２４の下面に形成されている。窪み３１の断面形状は湾曲面の形状を有しており、かつ窪み３１の平面形状は好ましくは円形の形状を有している。円形の平面形状を有する窪み３１の直径は例えば３５ｍｍ程度である。

基板１４の下面１４ａはヒートシンク１２の上面１２ｂに組み付けられる。図２の（Ａ）に示すごとく、組み付け前に、基板１４の下面１４ａに対向するヒートシンク１２の上面１２ｂには、基板１４の窪み３１に対応する場所にサーマルコンパウンド１５が印刷技術により所定の平面形状にてかつ均一な厚みで塗布されている。

図３に、ヒートシンク１２の上面１２ｂに塗布されたサーマルコンパウンド１５の平面形状の第１の実施例を示す。ヒートシンク１２の上面１２ｂにおけるサーマルコンパウンド１５の塗布領域は、図３で図示された複数の斜線部３２である。塗布領域３２は、中心３３から外周縁に向かって放射状に外方に延びる４つのほぼ扇形状領域３２Ａと、正方形区画３４の４隅に対応する三角領域３２Ｂとから成る。また４つの扇形状領域３２Ａによって、それらの間には非塗布溝３５が形成される。４つの非塗布溝３５は、中心３３から外周縁に向かって延設され、その先端は開放され、中心３３の周りの円周方向にて等間隔で配置され、さらに、径方向の外周縁に向かうに従って末広がりの形状を有している。４つの非塗布溝３５は中心３３の空間を介してつながっている。また特に、非塗布溝３５を形成する両側の辺部分は、溝側に膨出した円弧形状を有するように形成されている。これらの非塗布溝３５の各々は、サーマルコンパウンド１５における空気逃げ道としての機能を有している。また４つの扇形状領域３２Ａの各々の外周縁は、１つの円の円弧となっている。４つの扇形状領域３２Ａの周囲にも正方形区画３４の内部の領域内にて空気逃げのためのスペースが形成される。

上記の平面形状を有するサーマルコンパウンド１５の塗布は、印刷技術によって実行される。このため、図３に示す斜線部３２で示された塗布領域にサーマルコンパウンド１５を塗布するために、当該斜線部３２と同形のパターンを少なくとも１つ備えるスクリーン部材が用意されることになる。

ヒートシンク１２の上面１２ｂに上記のごとき形状を有するサーマルコンパウンド１５を塗布した後、図２の（Ｂ）に示すごとく、基板１４の下面１４ａをヒートシンク１２の上面１２ｂに押し付ける。サーマルコンパウンド１５は、基板１４の下面１４ａにより押しつぶされる。その結果、自由流動性を有するサーマルコンパウンド１５は、非塗布溝３５すなわち空気逃げ道で窪み３１内の空気がすべて外に逃がされた状態で基板１４の下面１４ａの形状に合致するように変形する。これによりサーマルコンパウンド１５は窪み３１で形成される内部空間に確実に充填され、当該内部空間の中に気泡が残留することはない。上記の状態で、基板１４とヒートシンク１２は図示しないネジ等で連結される。

上記のサーマルコンパウンド１５によれば、基板１４とヒートシンク１２とを組み合わせるとき、窪み３１が形成する空間内に空気を残留させることなくサーマルコンパウンド１５を当該空間内に充填することができるので、基板１４とヒートシンク１２との熱抵抗を小さくすることができ、基板とヒートシンクとの間の密着性を高めて２つの部材の熱結合度を高めることができる。

図４に、ヒートシンク１２の上面１２ｂに塗布されるサーマルコンパウンド１５の平面形状の第２の実施例を示す。ヒートシンク１２の上面１２ｂにおけるサーマルコンパウンド１５の塗布領域は、複数の斜線部４１で示されている。この実施例による塗布領域４１では、中心部から外周縁に向かって放射状に外方に延びる４つのほぼ扇形状領域４１Ａの部分が中心部で一体的につながっている形状を有している。また図３に示した例と同じように、正方形区画３４の４隅に対応する三角領域４１Ｂを備えている。

４つの扇形状領域４１Ａによって、それらの間には非塗布溝４２が形成される。４つの非塗布溝４２は、中心の近くの場所から外周縁に向かって延設され、その先端は開放され、中心部の周りの円周方向にて等間隔で配置され、さらに、径方向の外周縁に向かうに従って末広がりの形状を有している。ただし本実施例の場合には、４つの非塗布溝４２の各々の中心側の端部はつながっておらず、４つの非塗布溝４２は分離されている。また、非塗布溝４２を形成する両側の辺部分は、溝側に膨出した円弧形状を有している。これらの非塗布溝４２の各々は、サーマルコンパウンド１５における空気逃げ道としての機能を有する。また４つの扇形状領域４１Ａの各々の外周縁は、１つの円の円弧となっている。４つの扇形状領域４１Ａの周囲にも正方形区画３４の内部の領域内にて空気逃げのためのスペースが形成される。

第２の実施例に係るサーマルコンパウンド１５によれば、基板１４とヒートシンク１２とを組み合わせるとき、窪み３１が形成する空間内に空気を残留させることなくサーマルコンパウンド１５を当該空間内に充填することができる。これにより、基板１４とヒートシンク１２との熱抵抗を小さくすることができ、基板とヒートシンクとの間の密着性を高めて２つの部材の熱結合度を高めることができる。

以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎず、また数値および各構成の組成（材質）については例示にすぎない。従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。

本発明は、基板とヒートシンクの間の熱抵抗を小さくし放熱性の高いパワー半導体装置を製造するのに利用される。

本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法が適用される半導体装置の構造を示す縦断面図である。 本実施形態の半導体装置で基板とヒートシンクとの組合せを説明する工程図である。 本発明に係る半導体装置の製造方法で用いられるサーマルコンパウンドの第１の塗布領域（第１の実施例）を示す平面図である。 本発明に係る半導体装置の製造方法で用いられるサーマルコンパウンドの第２の塗布領域（第２の実施例）を示す平面図である。

符号の説明

１０ 半導体装置
１１ 半導体素子（半導体チップ）
１２ ヒートシンク（放熱板）
１３ 中間層
１４ 基板
１５ サーマルコンパウンド（中間熱伝導材）
２１ 第１の金属板
２２ 第２の金属板
２４ 第３の金属板
３１ 窪み
３２ 斜線部（塗布領域）
３２Ａ 扇形状領域
３３ 中心
３５ 非塗布溝
４１ 斜線部（塗布領域）
４２ 非塗布溝

Claims (5)

1. 半導体チップを搭載しかつ円形の窪み形状を有する基板を流動性を有する中間熱伝導材を介して放熱板に組み付ける半導体装置の製造方法であり、
   前記中間熱伝導材は、組み付け前に、前記放熱板の組み付け面に塗布され、
   前記中間熱伝導材の塗布形状は、中心から放射状に形成される形状でありかつ前記中心または中心近くの場所から放射状に延びた円弧形状の未塗布溝を有し、
   前記未塗布溝の形状は、前記中心から外周縁に向かうに従って末広がりの形状であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記中間熱伝導材の外周縁の形状は、前記基板に形成された前記円形の前記窪み形状の径よりも大きい径を有する円の円弧の形状であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記未塗布溝は、前記中心の周りの円周方向にて等間隔で複数形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記未塗布溝を形成する両側の辺部の前記円弧形状は溝内に膨出す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の製造方法。
5. 前記中間熱伝導材は、前記放熱板の前記組み付け面に印刷により均一厚みで塗布され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の製造方法。

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