JP5130173B2 - 半導体モジュール及び半導体モジュール製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体モジュールと半導体モジュール製造方法に関し、より詳しくは、樹脂組成物が用いられてなる絶縁層が上面側に積層された金属シートと、上面側に半導体素子が搭載されているヒートスプレッダとを有し、該ヒートスプレッダの下面に前記絶縁層を介して前記金属シートが接着されており、該金属シートの下面を露出させ且つ上面側に前記半導体素子及び前記ヒートスプレッダを覆う樹脂モールドが施されている半導体モジュールとその製造方法に関する。
従来、半導体素子が樹脂モールドされた半導体モジュールが広く用いられており、この半導体素子は、通電時において発熱を伴うことから、ジャンクション温度が一定以上に上昇することを防止すべく各種の放熱手段が講じられている。
一般的には、ヒートスプレッダと呼ばれる半導体素子からの発熱をすばやく奪い去るための部材が、半導体素子に接触する状態でモジュール内に備えられている。
そして、このヒートスプレッダには、通常、金属製のブロックが用いられ、その内部に半導体素子からの発熱をすばやく拡散し得るように形成されている。
しかし、このヒートスプレッダ自体が高温になると半導体素子から熱を奪い去ることができなくなることから、放熱フィンなどの外部部材を半導体モジュールに取り付けて大気への熱の放散を加勢する方法が広く行われている。
一般的には、ヒートスプレッダと呼ばれる半導体素子からの発熱をすばやく奪い去るための部材が、半導体素子に接触する状態でモジュール内に備えられている。
そして、このヒートスプレッダには、通常、金属製のブロックが用いられ、その内部に半導体素子からの発熱をすばやく拡散し得るように形成されている。
しかし、このヒートスプレッダ自体が高温になると半導体素子から熱を奪い去ることができなくなることから、放熱フィンなどの外部部材を半導体モジュールに取り付けて大気への熱の放散を加勢する方法が広く行われている。
ここでヒートスプレッダと放熱フィンとの間の熱抵抗値を低減させることが半導体モジュールの放熱には有利となるが、一方で、このヒートスプレッダと放熱フィンとの間には安全性のために絶縁性を確保することが求められる。
このことから、熱伝導性に優れた無機物粒子が高充填された樹脂組成物によって形成された絶縁層をヒートスプレッダの半導体素子が搭載されている側とは逆側の面に設けて、この絶縁層を通じて外部への放熱を可能にした半導体モジュールが用いられたりしている。
なお、通常、無機物粒子を高充填させた樹脂組成物で形成されたシートは、単体では取り扱いに注意を要するほど脆くなってしまうことから、熱伝導性に優れた金属シートが支持材として用いられたりしており、例えば、特許文献１には、上面側に絶縁層が積層された金属シートと、上面側に半導体素子が搭載されているヒートスプレッダとを有する半導体モジュールが記載されており、このヒートスプレッダの下面に前記絶縁層を介して前記金属シートが接着され、しかも、金属シートの下面を露出させて上面側のヒートスプレッダ及び半導体素子が樹脂モールドされた半導体モジュールが記載されている。
このことから、熱伝導性に優れた無機物粒子が高充填された樹脂組成物によって形成された絶縁層をヒートスプレッダの半導体素子が搭載されている側とは逆側の面に設けて、この絶縁層を通じて外部への放熱を可能にした半導体モジュールが用いられたりしている。
なお、通常、無機物粒子を高充填させた樹脂組成物で形成されたシートは、単体では取り扱いに注意を要するほど脆くなってしまうことから、熱伝導性に優れた金属シートが支持材として用いられたりしており、例えば、特許文献１には、上面側に絶縁層が積層された金属シートと、上面側に半導体素子が搭載されているヒートスプレッダとを有する半導体モジュールが記載されており、このヒートスプレッダの下面に前記絶縁層を介して前記金属シートが接着され、しかも、金属シートの下面を露出させて上面側のヒートスプレッダ及び半導体素子が樹脂モールドされた半導体モジュールが記載されている。
この半導体モジュールは、ヒートスプレッダの熱が前記絶縁層を通じて金属シートに伝達されるように形成されており、しかも、この金属シートの下面を半導体モジュールの下面において露出させていることから、この露出している金属シートに放熱フィンを面接させるなどして効率よくモジュール内部の熱を放熱させることができる。
ところが、この特許文献１に記載の半導体モジュールの場合には、ヒートスプレッダの下面に絶縁層が当接されることになるため、それらの接着工程において、特にヒートスプレッダの下面外周のエッジ部において絶縁層に応力が加わりやすく、割れなどの欠陥を発生させやすい。しかも、特許文献１に記載の半導体モジュールは、ヒートスプレッダに通電がなされることから、このエッジ部には、電界集中が生じやすく、絶縁層における無機物粒子の配合量をある程度制限しなければ絶縁信頼性を低下させやすいという問題を有する。
また、この絶縁層の熱伝導性を向上させるべく絶縁層を薄くさせることも考え得るが、この場合も絶縁信頼性を低下させることには変わりがない。
すなわち、従来の半導体モジュールにおいては、絶縁信頼性を低下させることを抑制しつつ放熱性の向上を図ることが困難であるという問題を有している。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、絶縁信頼性の低下を抑制しつつ放熱性の向上が図られた半導体モジュールと、絶縁信頼性の低下を抑制しつつ放熱性に優れた半導体モジュールを製造しうる半導体モジュール製造方法の提供を課題としている。
本発明は、前記課題を解決すべく、樹脂組成物が用いられてなる絶縁層が上面側に積層された金属シートと、上面側に半導体素子が搭載されているヒートスプレッダとを有し、該ヒートスプレッダの下面に前記絶縁層を介して前記金属シートが接着されており、該金属シートの下面を露出させ且つ上面側に前記半導体素子及び前記ヒートスプレッダを覆う樹脂モールドが施されている半導体モジュールであって、ヒートスプレッダの下面よりも大面積な金属シートが用いられ、該金属シートの上面中央部に前記ヒートスプレッダが位置するようにヒートスプレッダと金属シートとが前記絶縁層を介して接着されており、しかも、ヒートスプレッダが接着されている箇所における絶縁層の厚みよりもその周囲の絶縁層の厚みの方が薄くなるように前記絶縁層が形成されていることを特徴とする半導体モジュールを提供する。
また、本発明は、前記課題を解決すべく、樹脂組成物が用いられてなる絶縁層が上面側に積層された金属シートと、上面側に半導体素子が搭載されているヒートスプレッダとを有し、該ヒートスプレッダの下面に前記絶縁層を介して前記金属シートが接着されており、該金属シートの下面を露出させ且つ上面側に前記半導体素子及び前記ヒートスプレッダを覆う樹脂モールドが施されている半導体モジュールを作製する半導体モジュール製造方法であって、ヒートスプレッダの下面よりも大面積な金属シートを用い、該金属シートの上面中央部に前記ヒートスプレッダを位置させてヒートスプレッダと金属シートとを前記絶縁層で接着させ、しかも、ヒートスプレッダと接する箇所よりもその周囲の方が厚みの薄くなるように絶縁層を形成させてヒートスプレッダと金属シートとを接着させることを特徴とする半導体モジュール製造方法を提供する。
本発明の半導体モジュールには、ヒートスプレッダに接する箇所よりもその周囲の方が厚みが薄くなるように絶縁層が形成されている。
したがって、絶縁層は、ヒートスプレッダのエッジ部に接する箇所から外側にその厚みを減少させており、このエッジ部によって加えられる応力を絶縁層の上面部を外向きの変形させることによって緩和させやすくなっている。
すなわち、ヒートスプレッダに接する箇所の周りにまで同じ厚みで絶縁層が形成されていると、エッジ部が当接される箇所を構成している樹脂組成物が、エッジ部から受ける応力によって外側に流動しようとしても、この外側の絶縁層の存在によって前記流動が阻害されてしまい、結果、局所的に強い応力と、大きな歪を形成させてしまうことになる。
しかも、無機物粒子が高充填されて樹脂組成物の流動性が低い場合には、このような応力の局所集中と歪の発生がより顕著になって、絶縁層に割れを発生させやすくなる。
一方で本発明においては、エッジ部に相当する箇所を構成する樹脂組成物を外向きに流動、あるいは、弾性変形させやすく応力の集中に伴う割れなどの欠陥が抑制されうる。
したがって、無機物粒子を高充填させた樹脂組成物によって絶縁層を形成させても、従来に比べて絶縁層の割れが防止されることとなる。
すなわち、絶縁信頼性の低下を抑制しつつ放熱性の向上を図ることができる。
したがって、絶縁層は、ヒートスプレッダのエッジ部に接する箇所から外側にその厚みを減少させており、このエッジ部によって加えられる応力を絶縁層の上面部を外向きの変形させることによって緩和させやすくなっている。
すなわち、ヒートスプレッダに接する箇所の周りにまで同じ厚みで絶縁層が形成されていると、エッジ部が当接される箇所を構成している樹脂組成物が、エッジ部から受ける応力によって外側に流動しようとしても、この外側の絶縁層の存在によって前記流動が阻害されてしまい、結果、局所的に強い応力と、大きな歪を形成させてしまうことになる。
しかも、無機物粒子が高充填されて樹脂組成物の流動性が低い場合には、このような応力の局所集中と歪の発生がより顕著になって、絶縁層に割れを発生させやすくなる。
一方で本発明においては、エッジ部に相当する箇所を構成する樹脂組成物を外向きに流動、あるいは、弾性変形させやすく応力の集中に伴う割れなどの欠陥が抑制されうる。
したがって、無機物粒子を高充填させた樹脂組成物によって絶縁層を形成させても、従来に比べて絶縁層の割れが防止されることとなる。
すなわち、絶縁信頼性の低下を抑制しつつ放熱性の向上を図ることができる。
以下に、本発明の好ましい実施の形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る半導体モジュールの断面を示した図であり、この図１にも示されているように本実施形態の半導体モジュール１は、上面側に絶縁層１０が積層された金属シート２０と、上面側に半導体素子５０が搭載されているヒートスプレッダ３０とを有し、該ヒートスプレッダ３０の下面に前記絶縁層１０を介して前記金属シート２０が接着されており、該金属シート２０の下面を露出させ且つ上面側に前記半導体素子５０及び前記ヒートスプレッダ３０を覆う樹脂モールド９０が施されている。
図１は、本実施形態に係る半導体モジュールの断面を示した図であり、この図１にも示されているように本実施形態の半導体モジュール１は、上面側に絶縁層１０が積層された金属シート２０と、上面側に半導体素子５０が搭載されているヒートスプレッダ３０とを有し、該ヒートスプレッダ３０の下面に前記絶縁層１０を介して前記金属シート２０が接着されており、該金属シート２０の下面を露出させ且つ上面側に前記半導体素子５０及び前記ヒートスプレッダ３０を覆う樹脂モールド９０が施されている。
前記ヒートスプレッダ３０は、銅などの金属によって形成された厚板から、上面視矩形に切り出されたものであり、その平面方向が水平方向となるように半導体モジュール１内に収容されており、上面側中央部に前記半導体素子５０がハンダ４０で固定されて搭載されている。
前記半導体素子５０は、前記ヒートスプレッダ３０に比べて小さなものであり、本実施形態においては、ベアチップの状態で、ヒートスプレッダ３０に搭載されている。
そして、本実施形態の半導体モジュール１の外殻をなすケース８０を貫通して内外に延びるリードフレーム７０の端子部に一端部がボンディングされたボンディングワイヤ６０の他端部が半導体素子５０の上面にボンディングされている。
このリードフレーム７０に設けられた他の端子部は、前記半導体素子５０の周囲において露出する前記ヒートスプレッダ３０の上面に対してハンダ付けされており、本実施形態における半導体モジュール１においては、ボンディングワイヤ６０がボンディングされている端子部と対電極を構成している。
すなわち、本実施形態における半導体モジュール１は、このヒートスプレッダ３０自体に通電が行われるように形成されている。
前記半導体素子５０は、前記ヒートスプレッダ３０に比べて小さなものであり、本実施形態においては、ベアチップの状態で、ヒートスプレッダ３０に搭載されている。
そして、本実施形態の半導体モジュール１の外殻をなすケース８０を貫通して内外に延びるリードフレーム７０の端子部に一端部がボンディングされたボンディングワイヤ６０の他端部が半導体素子５０の上面にボンディングされている。
このリードフレーム７０に設けられた他の端子部は、前記半導体素子５０の周囲において露出する前記ヒートスプレッダ３０の上面に対してハンダ付けされており、本実施形態における半導体モジュール１においては、ボンディングワイヤ６０がボンディングされている端子部と対電極を構成している。
すなわち、本実施形態における半導体モジュール１は、このヒートスプレッダ３０自体に通電が行われるように形成されている。
前記金属シート２０は、銅やアルミニウムなどの金属によって形成された、例えば、１０〜３００μｍ厚みの箔、又は３００μｍを超える厚みを有する板が用いられて形成されており、その上面視における形状が、前記ヒートスプレッダ３０の下面よりも大面積の矩形状となるように形成されている。
そして、該金属シート２０は、その上面中央部に前記ヒートスプレッダ３０が位置するように前記絶縁層１０を介して接着されている。
そして、該金属シート２０は、その上面中央部に前記ヒートスプレッダ３０が位置するように前記絶縁層１０を介して接着されている。
前記ヒートスプレッダ３０と前記金属シート２０とを接着させるべくこれらの間に配されている前記絶縁層１０は、無機物粒子が高充填された樹脂組成物によって形成されており、前記ヒートスプレッダ３０の下面に接する層１１（以下「第一絶縁層１１」ともいう）と、該第一絶縁層１１の下面に接し且つ前記金属シート２０の上面に接する層１２（以下「第二絶縁層１２」ともいう）との２層構造を有している。
この第一絶縁層１１は、上面視における形状が、ヒートスプレッダ３０の下面と略同一とされており、その外縁をヒートスプレッダ３０の下面外縁に沿わせた状態でヒートスプレッダ３０の下面に接着されている。
また、前記第二絶縁層１２は、金属シート２０の上面と略同一の上面視形状を有しており、金属シート２０の上面略全域を覆う状態で金属シート２０に接着されている。
したがって、この第一絶縁層１１と第二絶縁層１２とによって形成されている絶縁層１０は、ヒートスプレッダ３０の下面側だけが厚くなるように形成されており、その外側では、第一絶縁層１１の厚み分だけ段落ちして厚みが薄くなっている。
すなわち、第一絶縁層１１の厚みをｔ１、第二絶縁層１２の厚みをｔ２とすると、ヒートスプレッダ３０の下面側の絶縁層１０は（ｔ１＋ｔ２）の厚みを有し、その周囲は、ｔ２の厚みしか有していない。
この第一絶縁層１１は、上面視における形状が、ヒートスプレッダ３０の下面と略同一とされており、その外縁をヒートスプレッダ３０の下面外縁に沿わせた状態でヒートスプレッダ３０の下面に接着されている。
また、前記第二絶縁層１２は、金属シート２０の上面と略同一の上面視形状を有しており、金属シート２０の上面略全域を覆う状態で金属シート２０に接着されている。
したがって、この第一絶縁層１１と第二絶縁層１２とによって形成されている絶縁層１０は、ヒートスプレッダ３０の下面側だけが厚くなるように形成されており、その外側では、第一絶縁層１１の厚み分だけ段落ちして厚みが薄くなっている。
すなわち、第一絶縁層１１の厚みをｔ１、第二絶縁層１２の厚みをｔ２とすると、ヒートスプレッダ３０の下面側の絶縁層１０は（ｔ１＋ｔ２）の厚みを有し、その周囲は、ｔ２の厚みしか有していない。
先に述べたように、本実施形態においては、ヒートスプレッダ３０に通電がなされることから絶縁層１０に対する絶縁信頼性が強く求められるが、このようにヒートスプレッダ３０の下面側に、２層構造の絶縁層が形成されることで、仮に、第一絶縁層１１や第二絶縁層１２のそれぞれにピンホールなどが形成されていたとしても、それらの形成位置が一致してヒートスプレッダ３０の下面から、金属シート２０の上面までをも貫通するピンホールが形成されるおそれを十分低減させることができる。
この絶縁層１０の上下の面をそれぞれヒートスプレッダ３０の下面と金属シート２０の上面とにそれぞれ接着させる方法としては、通常、金属シート２０の上に第二絶縁層１２と第一絶縁層１１とをそれぞれ順に積層して二層構造の絶縁層１０を形成させた後に、この第一絶縁層１１の上面をヒートスプレッダ３０の下面に接着させる方法や、あるいは、ヒートスプレッダ３０の下面に第一絶縁層１１を形成し、金属シート２０の上面に第二絶縁層１２を形成させた後に、第一絶縁層１１の下面と第二絶縁層１２の上面とを接着させる方法などが作業性に優れた手軽な方法として好適に採用することができるが、その際には、ヒートスプレッダ３０と金属シート２０とを近接させる方向に圧力を加えることになるため、特にヒートスプレッダ３０の下面における外縁の角部（エッジ部）において絶縁層１０を形成する樹脂組成物に過大な応力を発生させることになる。
また、ヒートスプレッダ３０のエッジ部には、金属シート２０との接着時において応力を集中させやすいのみならず、通電時において電界強度を集中させやすく、この過大な応力によって、クラックなどが生じると大きく絶縁信頼性を低下させてしまうおそれがある。
この絶縁層１０の上下の面をそれぞれヒートスプレッダ３０の下面と金属シート２０の上面とにそれぞれ接着させる方法としては、通常、金属シート２０の上に第二絶縁層１２と第一絶縁層１１とをそれぞれ順に積層して二層構造の絶縁層１０を形成させた後に、この第一絶縁層１１の上面をヒートスプレッダ３０の下面に接着させる方法や、あるいは、ヒートスプレッダ３０の下面に第一絶縁層１１を形成し、金属シート２０の上面に第二絶縁層１２を形成させた後に、第一絶縁層１１の下面と第二絶縁層１２の上面とを接着させる方法などが作業性に優れた手軽な方法として好適に採用することができるが、その際には、ヒートスプレッダ３０と金属シート２０とを近接させる方向に圧力を加えることになるため、特にヒートスプレッダ３０の下面における外縁の角部（エッジ部）において絶縁層１０を形成する樹脂組成物に過大な応力を発生させることになる。
また、ヒートスプレッダ３０のエッジ部には、金属シート２０との接着時において応力を集中させやすいのみならず、通電時において電界強度を集中させやすく、この過大な応力によって、クラックなどが生じると大きく絶縁信頼性を低下させてしまうおそれがある。
しかし、本実施形態の半導体モジュール１においては、ヒートスプレッダ３０のエッジ部が第一絶縁層１１の外周部分に沿って当接されることとなるため、この過大な応力が発生されやすい箇所に易変形性が備えられている。
すなわち、ヒートスプレッダ３０のエッジ部が強く当接された際に、第一絶縁層１１の外周部分を外側に変形させたり、この外周部分を構成する樹脂組成物を外向きに流動させたりすることが容易になされうるため、ヒートスプレッダ３０の周囲の絶縁層を薄肉化させていることがこのエッジ部直下の絶縁層の割れ防止に効果的に作用する。
すなわち、ヒートスプレッダ３０のエッジ部が強く当接された際に、第一絶縁層１１の外周部分を外側に変形させたり、この外周部分を構成する樹脂組成物を外向きに流動させたりすることが容易になされうるため、ヒートスプレッダ３０の周囲の絶縁層を薄肉化させていることがこのエッジ部直下の絶縁層の割れ防止に効果的に作用する。
したがって、絶縁層１０の絶縁信頼性を低下させるおそれを抑制しつつ、該絶縁層１０を形成する樹脂組成物に高熱伝導性を付与すべく無機物粒子を高充填させることができる。
さらに、樹脂モールド９０に、この絶縁層１０の形成に用いる樹脂組成物よりも誘電率の高い樹脂を用いるなどすれば、このエッジ部近傍に誘電率の高いモールド樹脂を存在させることによって電界強度を緩和させることができる。
したがって、このような態様とすることで、半導体モジュール１の絶縁信頼性をより一層向上させることができる。
さらに、樹脂モールド９０に、この絶縁層１０の形成に用いる樹脂組成物よりも誘電率の高い樹脂を用いるなどすれば、このエッジ部近傍に誘電率の高いモールド樹脂を存在させることによって電界強度を緩和させることができる。
したがって、このような態様とすることで、半導体モジュール１の絶縁信頼性をより一層向上させることができる。
なお、前記ヒートスプレッダ３０の熱をすばやく金属シート２０側に伝達させ得る点において、絶縁層１０の形成に用いられる樹脂組成物は、無機物粒子をポリマー成分に高充填させたものが好ましい。
このポリマー成分としては、特に限定されるものではなく、一般に用いられている樹脂を単独、又は混合し、必要に応じてゴム成分などを加えて構成することができる。
この樹脂としては、熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂を例示でき、この内、熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、エチレン−酢酸ビニル共重合体樹脂などのポリオレフィン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、フェノキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエーテルアミドイミド樹脂、ポリエーテルアミド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂などが挙げられる。
前記熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂などが挙げられる。
また、前記ゴムとしては、天然ゴム、ポリイソプレンゴム、スチレン−ブタジエン共重合体ゴム、ポリブタジエンゴム、エチレン−プロピレン共重合体ゴム、エチレン−プロピレン−ジエン共重合体ゴム、ブタジエン−アクリロニトリル共重合体ゴム、イソブチレン−イソプレン共重合体ゴム、クロロプレンゴム、シリコンゴム、フッソゴム、クロロ・スルホン化ポリエチレン、ポリウレタンゴムなどが挙げられる。
なかでも、絶縁層１０の形成に用いるポリマー成分には、優れた接着性を示すと共に耐熱性にも優れていることからエポキシ樹脂を用いることが好適である。
この樹脂としては、熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂を例示でき、この内、熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、エチレン−酢酸ビニル共重合体樹脂などのポリオレフィン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、フェノキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエーテルアミドイミド樹脂、ポリエーテルアミド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂などが挙げられる。
前記熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂などが挙げられる。
また、前記ゴムとしては、天然ゴム、ポリイソプレンゴム、スチレン−ブタジエン共重合体ゴム、ポリブタジエンゴム、エチレン−プロピレン共重合体ゴム、エチレン−プロピレン−ジエン共重合体ゴム、ブタジエン−アクリロニトリル共重合体ゴム、イソブチレン−イソプレン共重合体ゴム、クロロプレンゴム、シリコンゴム、フッソゴム、クロロ・スルホン化ポリエチレン、ポリウレタンゴムなどが挙げられる。
なかでも、絶縁層１０の形成に用いるポリマー成分には、優れた接着性を示すと共に耐熱性にも優れていることからエポキシ樹脂を用いることが好適である。
しかも、常温固体のエポキシ樹脂が好ましい。
この常温固体のエポキシが好ましいのは、常温液体状のエポキシ樹脂を用いた場合には、金属シート２０をヒートスプレッダ３０に接着すべく絶縁層１０を加熱するなどした際に、エポキシ樹脂の粘度が低下しすぎて、金属シート２０の端縁部から外にエポキシ樹脂が大きく滲み出してしまうおそれがあるためである。
このエポキシ樹脂の滲み出しが激しい場合には、例えば、金属シート２０の下面側など本来金属シート２０が露出しているべき箇所にエポキシ樹脂被膜を形成させ、放熱器との間の熱抵抗を増大させてしまうおそれがある。
この常温固体のエポキシが好ましいのは、常温液体状のエポキシ樹脂を用いた場合には、金属シート２０をヒートスプレッダ３０に接着すべく絶縁層１０を加熱するなどした際に、エポキシ樹脂の粘度が低下しすぎて、金属シート２０の端縁部から外にエポキシ樹脂が大きく滲み出してしまうおそれがあるためである。
このエポキシ樹脂の滲み出しが激しい場合には、例えば、金属シート２０の下面側など本来金属シート２０が露出しているべき箇所にエポキシ樹脂被膜を形成させ、放熱器との間の熱抵抗を増大させてしまうおそれがある。
一方で、ヒートスプレッダ３０などの被着体への接着時にある程度の粘度低下が生じないと被着体と絶縁層１０との間に空隙などが生じやすくヒートスプレッダ３０側から金属シート２０側への熱伝導性を低下させるおそれもある。
絶縁層１０を形成する樹脂組成物に適度な流れ性を付与して、これらの問題をより確実に抑制させ得る点において、このエポキシ樹脂としては、エポキシ当量４５０〜２０００ｇ／ｅｑの常温固体のビスフェノールＡ型エポキシ樹脂と、エポキシ当量１６０〜２２０ｇ／ｅｑの多官能の常温固体で８７℃から９３℃の間に軟化点を有するノボラック型エポキシ樹脂とが（ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂／ノボラック型エポキシ樹脂）＝４０／６０〜６０／４０となる質量比率で混合されているものを用いることが好ましい。
なお、このエポキシ当量は、ＪＩＳ Ｋ ７２３６により求めることができる。
絶縁層１０を形成する樹脂組成物に適度な流れ性を付与して、これらの問題をより確実に抑制させ得る点において、このエポキシ樹脂としては、エポキシ当量４５０〜２０００ｇ／ｅｑの常温固体のビスフェノールＡ型エポキシ樹脂と、エポキシ当量１６０〜２２０ｇ／ｅｑの多官能の常温固体で８７℃から９３℃の間に軟化点を有するノボラック型エポキシ樹脂とが（ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂／ノボラック型エポキシ樹脂）＝４０／６０〜６０／４０となる質量比率で混合されているものを用いることが好ましい。
なお、このエポキシ当量は、ＪＩＳ Ｋ ７２３６により求めることができる。
このように、ポリマー成分としてエポキシ樹脂が樹脂組成物に含まれる場合においては、さらに、エポキシ樹脂の硬化剤、硬化促進剤を樹脂組成物に含有させて熱硬化性を付与することができる。
この硬化剤としては、特に限定されるものではないが、例えば、ジアミノジフェニルスルホン、ジシアンジアミド、ジアミノジフェニルメタン、トリエチレンテトラミンなどのアミン系硬化剤、フェノールノボラック樹脂、アラルキル型フェノール樹脂、ジシクロペンタジエン変性フェノール樹脂、ナフタレン型フェノール樹脂、ビスフェノール系フェノール樹脂などのフェノール系硬化剤、酸無水物などを用いることができる。
中でも、電気特性における信頼性を確保し易い点において、フェノールノボラック樹脂、ジアミノジフェニルスルホンが好適である。
前記硬化促進剤としては、特に限定されるものではないが、イミダゾール類や、トリフェニルフォスフェイト（ＴＰＰ）、三フッ化ホウ素モノエチルアミンなどのアミン系硬化促進剤が保存性などにおいて好適である。
この硬化剤としては、特に限定されるものではないが、例えば、ジアミノジフェニルスルホン、ジシアンジアミド、ジアミノジフェニルメタン、トリエチレンテトラミンなどのアミン系硬化剤、フェノールノボラック樹脂、アラルキル型フェノール樹脂、ジシクロペンタジエン変性フェノール樹脂、ナフタレン型フェノール樹脂、ビスフェノール系フェノール樹脂などのフェノール系硬化剤、酸無水物などを用いることができる。
中でも、電気特性における信頼性を確保し易い点において、フェノールノボラック樹脂、ジアミノジフェニルスルホンが好適である。
前記硬化促進剤としては、特に限定されるものではないが、イミダゾール類や、トリフェニルフォスフェイト（ＴＰＰ）、三フッ化ホウ素モノエチルアミンなどのアミン系硬化促進剤が保存性などにおいて好適である。
前記無機物粒子は、一般に無機フィラーなどと呼ばれて用いられているものを採用することができるが、中でも窒化ホウ素粒子は、熱伝導性に優れており好適に採用されうる。
しかも、窒化ホウ素の板状の一次粒子が凝集した粒子（凝集粒子）を用いることが好ましい。
この凝集粒子としては、全体顆粒状を呈する状態に形成された凝集粒子（顆粒状粒子）や窒化ホウ素の一次粒子の鱗片状構造が区別できる程度に集合された集合状態を呈する凝集粒子（集合状粒子）などを用いることができる。
しかも、窒化ホウ素の板状の一次粒子が凝集した粒子（凝集粒子）を用いることが好ましい。
この凝集粒子としては、全体顆粒状を呈する状態に形成された凝集粒子（顆粒状粒子）や窒化ホウ素の一次粒子の鱗片状構造が区別できる程度に集合された集合状態を呈する凝集粒子（集合状粒子）などを用いることができる。
なお、前記樹脂組成物には、形成させる絶縁層１０の厚みなどにもよるが、通常、１０〜１００μｍの平均粒径を有する凝集粒子を含有させ得る。
なお、この“平均粒径”については、例えば、レーザー回折法での粒度分布測定などを実施してＤ５０値を測定することにより求めることができる。
なお、この“平均粒径”については、例えば、レーザー回折法での粒度分布測定などを実施してＤ５０値を測定することにより求めることができる。
また、前記無機成分としては、このような窒化ホウ素以外の物質（例えば、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化ガリウム、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、二酸化ケイ素、ダイヤモンド等）で形成された無機物粒子も含有させ得る。
なお、絶縁層１０を形成させる樹脂組成物に占める無機物粒子の含有量としては、絶縁層１０の割れを防止する効果を、従来の半導体モジュールに比べて、より顕著に発揮させ得る点において、５０％体積以上であることが好ましく、５５体積％以上であることがより好ましい。
また、ここでは詳述しないが、この絶縁層１０を形成させる樹脂組成物には、上記のようなポリマー成分、無機物粒子など以外に、分散剤、粘着性付与剤、老化防止剤、酸化防止剤、加工助剤、安定剤、消泡剤、難燃剤、増粘剤、顔料などといったゴム、プラスチック配合薬品として一般に用いられるものを適宜加えることができる。
また、ここでは詳述しないが、前記第一絶縁層１１、第二絶縁層１２をそれぞれ異なる樹脂組成物で構成することもできる。
なお、第一絶縁層１１と、第二絶縁層１２は、それぞれ、厚みをより薄くすることで、熱伝導性の向上を図ることができるものの、その場合には電気絶縁性を低下させることとなる。
また、第一絶縁層１１の厚みを薄くすると、ヒートスプレッダ３０のエッジ部によって過大な力が加えられた際における変形性を期待することが難しくなる。
このような点において、少なくとも、第一絶縁層１１の厚みは、５０μｍ以上であることが好ましい。
また、先に述べたように、絶縁層１０の厚みを厚くすると熱伝導性を低下させることになるため、第一絶縁層１１と第二絶縁層１２との合計厚みは３００μｍ以下であることが好ましい。
すなわち、第一絶縁層１１及び第二絶縁層１２は、それぞれ、５０〜１５０μｍのいずれかの厚みとされることが好ましい。
なお、第一絶縁層１１と、第二絶縁層１２は、それぞれ、厚みをより薄くすることで、熱伝導性の向上を図ることができるものの、その場合には電気絶縁性を低下させることとなる。
また、第一絶縁層１１の厚みを薄くすると、ヒートスプレッダ３０のエッジ部によって過大な力が加えられた際における変形性を期待することが難しくなる。
このような点において、少なくとも、第一絶縁層１１の厚みは、５０μｍ以上であることが好ましい。
また、先に述べたように、絶縁層１０の厚みを厚くすると熱伝導性を低下させることになるため、第一絶縁層１１と第二絶縁層１２との合計厚みは３００μｍ以下であることが好ましい。
すなわち、第一絶縁層１１及び第二絶縁層１２は、それぞれ、５０〜１５０μｍのいずれかの厚みとされることが好ましい。
次いで、上記のような上面側に絶縁層１０が積層された金属シート２０と、上面側に半導体素子５０が搭載されているヒートスプレッダ３０とを有し、該ヒートスプレッダ３０の下面に前記絶縁層１０を介して前記金属シート２０が接着されている半導体モジュール１を製造する製造方法についていくつかの例を挙げて説明する。
まず、第一の製造方法について図２、図３を参照しつつ説明する。
本実施形態の半導体モジュール製造方法において、金属シート２０に絶縁層１０を形成させる方法としては、金属シート２０となる銅箔をコイル巻きしたような長尺の帯状シートに絶縁層１０を形成するための被膜を形成させた後に、この被膜形成された帯状シートから金属シート２０として求められる外形に切り出すことによって第二絶縁層１２と金属シート２０とが積層された積層体を作製する方法を採用することができる。
本実施形態の半導体モジュール製造方法において、金属シート２０に絶縁層１０を形成させる方法としては、金属シート２０となる銅箔をコイル巻きしたような長尺の帯状シートに絶縁層１０を形成するための被膜を形成させた後に、この被膜形成された帯状シートから金属シート２０として求められる外形に切り出すことによって第二絶縁層１２と金属シート２０とが積層された積層体を作製する方法を採用することができる。
より、詳しくは、絶縁層の形成のために樹脂組成物（例えば、エポキシ樹脂と窒化法素粒子とを含むエポキシ樹脂組成物など）を調整し、これを溶媒に分散させて、適度な粘度を有するコーティング液を作製する。
そして、例えば、銅箔コイルを連続塗工機に掛けて、このコーティング液を塗工した後に乾燥させて被膜を形成し、この被膜形成された銅箔から、金属シート２０としての形状の切出し片を切り出し、第二絶縁層１２が積層された金属シート２０を形成させることができる。
すなわち、この時点で金属シート２０上に第二絶縁層１２を形成させる第二絶縁層形成工程が切出し作業による金属シート２０の形成と同時に行われることとなる。
そして、例えば、銅箔コイルを連続塗工機に掛けて、このコーティング液を塗工した後に乾燥させて被膜を形成し、この被膜形成された銅箔から、金属シート２０としての形状の切出し片を切り出し、第二絶縁層１２が積層された金属シート２０を形成させることができる。
すなわち、この時点で金属シート２０上に第二絶縁層１２を形成させる第二絶縁層形成工程が切出し作業による金属シート２０の形成と同時に行われることとなる。
次いで、この第二絶縁層１２の上に第一絶縁層１１を形成する第一絶縁層形成工程を実施する。
すなわち、同じく被膜形成された銅箔から、別途、第一絶縁層１１を形成させるための小型の切出し片１０ｘをヒートスプレッダの下面形状に相当する形状で切り出して、先に作製した金属シート２０とこの小型切出し片１０ｘとを互いの被膜形成面を面接させ、且つ、前記小型切出し片１０ｘが金属シート２０の中央部に位置するように面接させて熱プレスを実施して第二絶縁層１２の上面側に第一絶縁層１１を形成させる第一絶縁層形成工程を実施する。
すなわち、同じく被膜形成された銅箔から、別途、第一絶縁層１１を形成させるための小型の切出し片１０ｘをヒートスプレッダの下面形状に相当する形状で切り出して、先に作製した金属シート２０とこの小型切出し片１０ｘとを互いの被膜形成面を面接させ、且つ、前記小型切出し片１０ｘが金属シート２０の中央部に位置するように面接させて熱プレスを実施して第二絶縁層１２の上面側に第一絶縁層１１を形成させる第一絶縁層形成工程を実施する。
図２は、この概略を示す側面図であり、この図にも示されているように、本実施形態においては、小型切出し片１０ｘを金属シート２０と被膜形成面を対向させて配置し（図２−１）、その後、これらを熱プレスするなどして貼り合わせ（図２−２）、貼り合わせ後に小型切出し片１０ｘの銅箔のみを除去して（図２−３）被膜（第一絶縁層１１）のみを第二絶縁層１２の上に残存させて、金属シート２０上に、第二絶縁層１２と第一絶縁層１１とが積層された積層体を形成させている。
なお、樹脂組成物に無機物粒子が高充填されており、乾燥後の被膜中に気泡を存在させるおそれがある場合には、前述の熱プレスの前に、離型処理されたフィルムなどにこの被膜を面接させた状態でそれぞれの切出し片を熱プレスして、予め被膜から気泡を除去する処理を実施することが好ましい。
なお、樹脂組成物に無機物粒子が高充填されており、乾燥後の被膜中に気泡を存在させるおそれがある場合には、前述の熱プレスの前に、離型処理されたフィルムなどにこの被膜を面接させた状態でそれぞれの切出し片を熱プレスして、予め被膜から気泡を除去する処理を実施することが好ましい。
得られた積層体の第一絶縁層１１の上面とヒートスプレッダ３０の下面とを接着させることによりヒートスプレッダ３０と金属シート２０との接着を行う接着工程については、従来公知の方法によって行うことができる。
例えば、図３に示すように半導体モジュールを構成する各部材の配置にそれぞれ位置決め可能に形成され、樹脂モールド装置Ｐが設けられた金型Ｚを利用して、前記樹脂モールド装置Ｐによって加熱溶融したモールド樹脂Ｍをケース８０内に充填させることによって積層体とヒートスプレッダ３０との接着ならびに半導体モジュール１の作製を一度に実施することができる。
例えば、図３に示すように半導体モジュールを構成する各部材の配置にそれぞれ位置決め可能に形成され、樹脂モールド装置Ｐが設けられた金型Ｚを利用して、前記樹脂モールド装置Ｐによって加熱溶融したモールド樹脂Ｍをケース８０内に充填させることによって積層体とヒートスプレッダ３０との接着ならびに半導体モジュール１の作製を一度に実施することができる。
より詳しくは、金型Ｚの底面に、絶縁層側を上面に向けて金属シート２０を載置し、その上に半導体素子５０が搭載されたヒートスプレッダ３０を載せ、その他、ケース８０やリードフレーム７０なども金型Ｚ内の所定位置に収容させて、モールド樹脂Ｍの流入圧力がヒートスプレッダ３０の上面側から下面側に向けて作用するようにして金型Ｚ内においてヒートスプレッダ３０周りに露出している第二絶縁層１２の上面から、ヒートスプレッダ３０、半導体素子５０にいたるまでモールド樹脂Ｍを充填させることにより第一絶縁層１１の上面とヒートスプレッダ３０の下面とを接着させるとともに、ケース８０内の各部材を一体化させて半導体モジュール１を作製することができる。
このときモールド樹脂Ｍの圧力がヒートスプレッダ３０を下向きに押し付けるように作用することになるが、先にも述べたように、その圧力は、主として第一絶縁層１１の外周部に作用することになり、この外周部の変形によって緩和されることとなる。
したがって、絶縁層を構成する樹脂組成物に、窒化ホウ素粒子を５０体積％以上高充填した熱伝導性に優れたエポキシ樹脂組成物などを採用したとしても、この絶縁層に割れなどが生じることが抑制され、絶縁信頼性が確保される。
したがって、絶縁層を構成する樹脂組成物に、窒化ホウ素粒子を５０体積％以上高充填した熱伝導性に優れたエポキシ樹脂組成物などを採用したとしても、この絶縁層に割れなどが生じることが抑制され、絶縁信頼性が確保される。
また、このような方法に代えて、次に説明する第二の製造方法を採用することもできる。
この第二の製造方法においては、絶縁層の形成のために樹脂組成物で銅箔上に被膜を形成し、この被膜形成された銅箔から、金属シート２０としての形状の切出し片を作製工程（第二絶縁層形成工程）と、ヒートスプレッダの下面形状に相当する小型の切出し片１０ｘとを切り出す工程とを実施する点においては、上記第一の製造方法と同じである。
そして、この第二の製造方法においては、前記小型切出し片の被膜表面をヒートスプレッダ３０の下面に面接させて熱プレスを実施した後に、銅箔を除去することで、第一絶縁層１１となる被膜をヒートスプレッダ３０の下面に予め形成する工程（第一絶縁層形成工程）を実施した後に、第二絶縁層１２のみが形成されている金属シート２０（切出し片）と接着させる接着工程を実施する点において第一の製造方法と相違している。
この第二の製造方法においては、絶縁層の形成のために樹脂組成物で銅箔上に被膜を形成し、この被膜形成された銅箔から、金属シート２０としての形状の切出し片を作製工程（第二絶縁層形成工程）と、ヒートスプレッダの下面形状に相当する小型の切出し片１０ｘとを切り出す工程とを実施する点においては、上記第一の製造方法と同じである。
そして、この第二の製造方法においては、前記小型切出し片の被膜表面をヒートスプレッダ３０の下面に面接させて熱プレスを実施した後に、銅箔を除去することで、第一絶縁層１１となる被膜をヒートスプレッダ３０の下面に予め形成する工程（第一絶縁層形成工程）を実施した後に、第二絶縁層１２のみが形成されている金属シート２０（切出し片）と接着させる接着工程を実施する点において第一の製造方法と相違している。
すなわち、金型Ｚの底面に、第二絶縁層１２のみが形成された金属シート２０を前記第二絶縁層１２が上面側となるようにして配し、その上に、上面側に半導体素子５０が搭載され、下面側に第一絶縁層１１が接着されたヒートスプレッダ３０を載せ、その他、ケース８０やリードフレーム７０なども金型Ｚ内の所定位置に収容させて、モールド樹脂Ｍの流入圧力がヒートスプレッダ３０の上面側から下面側に向けて作用するようにして金型Ｚ内においてヒートスプレッダ３０周りに露出している第二絶縁層１２の上面から、ヒートスプレッダ３０、半導体素子５０にいたるまでモールド樹脂を充填させることにより第一絶縁層１１の下面と第二絶縁層１２の上面とを接着させるとともに、ケース８０内の各部材を一体化させて半導体モジュール１を作製する点において、第一製造方法と異なっている。
前記第一の製造方法においては、絶縁層１０の積層構造が全て金属シート２０の側に形成されている状態でヒートスプレッダ３０と金属シート２０との接着を行っていることから、仮に、ヒートスプレッダ３０側からの応力によって第一絶縁層１１の表面に微小なクラックを発生させた場合に、ヒートスプレッダ３０からの応力がさらに継続することによって、前記クラックが深さ方向にさらに進展し、この第一絶縁層１１とすでに接着一体化されている第二絶縁層１２にとも割れを発生させる可能性がある。
すなわち、第一の製造方法においては、ヒートスプレッダ３０に接する箇所よりもその周囲の方が厚みが薄くなるように絶縁層１０が形成されていることによってヒートスプレッダ３０のエッジ部によって加えられる応力を緩和させやすくなっているものの一旦絶縁層１０が割れ始めると、厚み方向に貫通する割れに発展させるおそれを有している。
すなわち、第一の製造方法においては、ヒートスプレッダ３０に接する箇所よりもその周囲の方が厚みが薄くなるように絶縁層１０が形成されていることによってヒートスプレッダ３０のエッジ部によって加えられる応力を緩和させやすくなっているものの一旦絶縁層１０が割れ始めると、厚み方向に貫通する割れに発展させるおそれを有している。
一方で、この第二製造方法のように、ヒートスプレッダ３０の側と金属シート２０の側とに積層単位を分割させた状態として、これらを合せることで絶縁層１０の積層構造を完成させるようにすると、仮に、小型切出し片の被膜（第一絶縁層１１）をヒートスプレッダ３０の下面に転写する際に、割れが生じたとしても、この時点では第一絶縁層１１と第二絶縁層１２とが分離されており、第二絶縁層１２が金属シート２０側に設けられていることから、絶縁層１０の厚み方向に貫通する割れが形成されるおそれは低く、むしろ、第一絶縁層１１と第二絶縁層１２との接着時に、この第一絶縁層１１に形成された割れ目に第二絶縁層１２側からの樹脂の流入を期待することができ、割れの補修を図ることができる。
すなわち、この第二製造方法は、半導体モジュールの絶縁信頼性の低下を抑制しつつ放熱性の向上を図ることができる優れた製造方法であるといえる。
すなわち、この第二製造方法は、半導体モジュールの絶縁信頼性の低下を抑制しつつ放熱性の向上を図ることができる優れた製造方法であるといえる。
なお、上記には、絶縁層を２層構造とする場合を例に、半導体モジュール及びその製造方法を説明しているが、例えば、３層以上の積層構造とすることもでき、逆に、インジェクション成形などによって一部領域において厚みの異なる単層の絶縁層を形成させてヒートスプレッダと金属シートとの接着に用いるような態様も本発明の意図する範囲である。
また、金属シートを銅箔に限定するものでもなく、アルミニウム板など種々の金属シートを上記銅箔に代えて採用することができる。
さらには、従来半導体モジュールにおいて公知の技術事項を本発明の効果が著しく損なわれない限りにおいて適宜採用することができる。
また、金属シートを銅箔に限定するものでもなく、アルミニウム板など種々の金属シートを上記銅箔に代えて採用することができる。
さらには、従来半導体モジュールにおいて公知の技術事項を本発明の効果が著しく損なわれない限りにおいて適宜採用することができる。
１ 半導体モジュール
１０ 絶縁層
１１ 第一絶縁層
１２ 第二絶縁層
２０ 金属シート
３０ ヒートスプレッダ
４０ ハンダ
５０ 半導体素子
６０ ボンディングワイヤ
７０ リードフレーム
８０ ケース
９０ 樹脂モールド
Ｍ モールド樹脂
Ｐ 樹脂モールド装置
Ｚ 金型
１０ 絶縁層
１１ 第一絶縁層
１２ 第二絶縁層
２０ 金属シート
３０ ヒートスプレッダ
４０ ハンダ
５０ 半導体素子
６０ ボンディングワイヤ
７０ リードフレーム
８０ ケース
９０ 樹脂モールド
Ｍ モールド樹脂
Ｐ 樹脂モールド装置
Ｚ 金型
Claims (5)
- 樹脂組成物が用いられてなる絶縁層が上面側に積層された金属シートと、上面側に半導体素子が搭載されているヒートスプレッダとを有し、該ヒートスプレッダの下面に前記絶縁層を介して前記金属シートが接着されており、該金属シートの下面を露出させ且つ上面側に前記半導体素子及び前記ヒートスプレッダを覆う樹脂モールドが施されている半導体モジュールであって、
ヒートスプレッダの下面よりも大面積な金属シートが用いられ、該金属シートの上面中央部に前記ヒートスプレッダが位置するようにヒートスプレッダと金属シートとが前記絶縁層を介して接着されており、しかも、ヒートスプレッダが接着されている箇所における絶縁層の厚みよりもその周囲の絶縁層の厚みの方が薄くなるように前記絶縁層が形成されていることを特徴とする半導体モジュール。 - 前記絶縁層が、ヒートスプレッダの下面に接する第一絶縁層と、前記金属シートの上面に接する第二絶縁層とが積層された積層構造を有し、しかも、前記第一絶縁層がヒートスプレッダの下面に相当する形状を有し、前記第二絶縁層が金属シートの上面に相当する形状を有している請求項１記載の半導体モジュール。
- 前記絶縁層を形成している樹脂組成物よりも誘電率の高い樹脂組成物が前記樹脂モールドに用いられている請求項１又は２に記載の半導体モジュール。
- 樹脂組成物が用いられてなる絶縁層が上面側に積層された金属シートと、上面側に半導体素子が搭載されているヒートスプレッダとを有し、該ヒートスプレッダの下面に前記絶縁層を介して前記金属シートが接着されており、該金属シートの下面を露出させ且つ上面側に前記半導体素子及び前記ヒートスプレッダを覆う樹脂モールドが施されている半導体モジュールを作製する半導体モジュール製造方法であって、
ヒートスプレッダの下面よりも大面積な金属シートを用い、該金属シートの上面中央部に前記ヒートスプレッダを位置させてヒートスプレッダと金属シートとを前記絶縁層で接着させ、しかも、ヒートスプレッダと接する箇所よりもその周囲の方が厚みが薄くなるように絶縁層を形成させてヒートスプレッダと金属シートとを接着させることを特徴とする半導体モジュール製造方法。 - 前記ヒートスプレッダの下面に、該下面に相当する形状の第一絶縁層を形成させる第一絶縁層形成工程と、前記金属シートの上面に第二絶縁層を形成させる第二絶縁層形成工程とを実施した後に、この第一絶縁層と第二絶縁層とを積層させることによりヒートスプレッダと金属シートとを接着させる接着工程を実施する請求項４記載の半導体モジュール製造方法。
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