JP6417898B2

JP6417898B2 - 半導体装置の製造方法

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Publication number: JP6417898B2
Application number: JP2014240061A
Authority: JP
Inventors: 清文中島
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-11-27
Filing date: 2014-11-27
Publication date: 2018-11-07
Anticipated expiration: 2034-11-27
Also published as: JP2016103527A

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関する。

半導体チップと、放熱ブロックと、絶縁樹脂シートと、冷却器とを有する半導体装置の製造方法が、例えば特許文献１に記載されている。この半導体装置の製造方法では、第１の絶縁樹脂シートを冷却器に熱圧着する第１の熱圧着工程と、第２の絶縁樹脂シートを第１の絶縁樹脂シート及び放熱ブロックの各々に熱圧着する第２の熱圧着工程と、放熱ブロックの上に半導体チップをはんだ接合するはんだ接合工程とを含む。第１の絶縁樹脂シートと第２の絶縁樹脂シートはそれぞれ熱硬化性樹脂材料によって構成されている。第１の熱圧着工程では、第１の絶縁樹脂シートが熱硬化する温度まで加熱して熱圧着を行う。第２の熱圧着工程では、第２の絶縁樹脂シートが熱硬化する温度まで加熱して熱圧着を行う。

特開２０１１−１４６４７１号公報

上記特許文献１に記載された従来の半導体装置の製造方法では、冷却器の上に熱圧着された第１の絶縁樹脂シートの上に、第１の絶縁樹脂シートよりも小さい、第２の絶縁樹脂シート及び放熱ブロックを載置した状態で、熱圧着が行われる。しかし、第１の絶縁樹脂シートでは、放熱ブロックが載置された領域を中心に荷重が作用し、放熱ブロック端部の位置に応力が集中する。また、第１の絶縁樹脂シートは、熱硬化が完了し完全に硬化している。そのため、第１の絶縁樹脂シートにクラックが発生するおそれがある。クラックが発生すると、第１の絶縁樹脂シートの絶縁性能が低下する。

本発明は、放熱板と冷却器との間の樹脂シートの絶縁性能を向上させる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

第１の発明は、冷却器の一方面上に、熱硬化性の第１の樹脂シートを、平面視における冷却器の一方面の外周の内側に位置するように載置する第１の載置工程と、第１の樹脂シートの上に、放熱板と、放熱板の外周に沿って放熱板を囲う熱硬化性の第２の樹脂シートとを載置する第２の載置工程と、第１の樹脂シート、第２の樹脂シート、及び放熱板を加熱しながら加圧するとともに、第２の樹脂シートが放熱板の側面及び第１の樹脂シートの側面を覆うように、第１の樹脂シート及び第２の樹脂シートを熱硬化させる熱硬化工程と、放熱板の上に、半導体素子を接合する半導体素子接合工程と、を有する半導体装置の製造方法である。

第１の発明では、熱硬化工程で、第１の樹脂シート、第２の樹脂シート及び放熱板を加熱しながら加圧するとともに、第２の樹脂シートが放熱板の側面及び第１の樹脂シートの側面を覆うように、第１の樹脂シート及び第２の樹脂シートを熱硬化させる。熱硬化工程では、第１の樹脂シート上に、放熱板と第２の樹脂シートとが載置されている。第１の樹脂シートは、放熱板と、放熱板の外側に位置する第２の樹脂シートとから圧力を受ける。また、第１の樹脂シート及び第２の樹脂シートは、同じ熱硬化工程で熱硬化する。つまり、熱硬化工程では、熱硬化が完了していない状態の第１の樹脂シートを、加熱しながら、放熱板及び第２の樹脂シートからの圧力によって熱硬化させている。

第１の発明では、熱硬化が完了していない状態の第１の樹脂シートを、加熱しながら、放熱板及び第２の樹脂シートからの圧力によって熱硬化させている。第１の樹脂シートは、放熱板からだけでなく、放熱板の外側に位置する第２の樹脂シートからも圧力を受けるため、第１の樹脂シートを均一に加圧することができる。そのため、第１の樹脂シートにおける放熱板端部の位置に応力が集中することを抑制できる。さらに、第１の樹脂シートを加圧する前は、第１の樹脂シートの熱硬化は完了していない。従って、応力が集中しないだけでなく、クラックが発生しにくい状態で加圧が開始されるため、第１の樹脂シートにクラックが発生することを抑制できる。その結果、放熱板と冷却器との間の第１の樹脂シートの絶縁性能を向上させることができる。

また、第１の発明では、第１の樹脂シート３０と第２の樹脂シート３１が、同じ工程で熱硬化するため、第１の樹脂シート３０と第２の樹脂シート３１の接触面での結合が促進される。そのため、第１の樹脂シート３０と第２の樹脂シート３１の接着強度が高くなり、熱硬化工程以降における第２の樹脂シート３１の剥離を抑制することができる。

また、第１の発明では、放熱板と冷却器との間の樹脂シートを１枚にすることができるため、特許文献１に記載の半導体装置の製造方法に比べて、放熱板から冷却器への熱伝達量を増加させることができる。

本実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための概略構成図変形例１に係る半導体装置の概略構成図変形例２に係る半導体装置の概略構成図変形例３に係る半導体装置の概略構成図変形例４に係る半導体装置の概略構成図

以下、図１を参照しながら、実施の形態について詳細に説明する。

本発明に係る半導体装置の製造方法は、第１の樹脂シート３０の上に放熱板２０と放熱板２０を囲う第２の樹脂シート３１とを載置する第２の載置工程と、第１の樹脂シート３０、第２の樹脂シート３１、及び放熱板２０を加熱しながら加圧し、第１の樹脂シート３０及び第２の樹脂シート３１を熱硬化させる熱硬化工程とを有する。熱硬化工程では、熱硬化が完了していない状態の第１の樹脂シート３０を、加熱しながら、放熱板２０及び第２の樹脂シート３１からの圧力によって熱硬化させている。

図１は、本実施の形態に係る半導体装置１の製造方法を説明するための図である。図１（ｅ）は、完成後の半導体装置１の断面図である。まず、半導体装置１の製造方法を説明する前に、半導体装置１の全体構造について説明する。

［半導体装置の全体構造］
半導体装置１は、図１（ｅ）に示すように、半導体素子１０、放熱板２０、第１の樹脂シート３０、第２の樹脂シート３１、ヒートシンク４０、及びモールド樹脂６０を備えている。半導体装置１では、半導体素子１０側から、半導体素子１０、放熱板２０、第１の樹脂シート３０、ヒートシンク４０が順番に積層されている。第２の樹脂シート３１は、第１の樹脂シート３０の上に形成されている。第２の樹脂シート３１は、放熱板２０を囲み、放熱板２０の側面に接触している。半導体装置１は、モールド樹脂６０によって半導体素子１０等が封止されてパッケージ化されている。

半導体素子１０は、例えば矩形板状の半導体チップである。半導体素子１０は、一方の主面（図１（ｅ）では下面）が、半田などの接合部材５０によって放熱板２０に接合されている。放熱板２０は、例えば矩形板状に形成されている。放熱板２０は、半導体素子１０とは反対側の面が、第１の樹脂シート３０を介してヒートシンク４０に接合されている。第１の樹脂シート３０は、高熱伝導性のシートである。第１の樹脂シート３０は、例えば矩形シート状に形成されている。ヒートシンク４０の天板４１は、例えば矩形板状に形成されている。

半導体素子１０を平面視した場合の各要素の大きさについて、第１の樹脂シート３０は放熱板２０よりも大きく、放熱板２０は半導体素子１０よりも大きい。第２の樹脂シート３１の外周と第１の樹脂シート３０の外周とは、略同じ大きさある。第１の樹脂シート３０とヒートシンク４０の天板４１とは、略同じ大きさである。なお、第１の樹脂シート３０は、天板４１よりも小さくてもよい。

半導体素子１０は、例えばパワートランジスタなどの、動作時に発熱する発熱性を持った半導体素子である。半導体素子１０の端子（図１（ｅ）における上面の端子）は、半田などの接合部材５０によって、導電性を有するリード端子７０に接続されている。半導体素子１０の端子の一部は、ワイヤ８０を介してリード端子７０と電気的に接続されている。リード端子７０は、一端がモールド樹脂６０から突出して、例えば外部回路基板（図示せず）に電気的に接続されている。リード端子７０を介して半導体素子１０への通電が行われる。

放熱板２０は、半導体素子１０で発生した熱をヒートシンク４０に逃がす、いわゆるヒートスプレッダーとしての役割を担う。放熱板２０の材料は、例えば、銅（Ｃｕ）又はアルミニウム（Ａｌ）などの熱伝導性に優れた材料で構成される。

第１の樹脂シート３０は、放熱板２０から伝達された熱をヒートシンク４０に伝える役割と、放熱板２０とヒートシンク４０とを電気的に絶縁する役割とを担う。第１の樹脂シート３０の材料には、例えば熱硬化性樹脂（エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、又はシリコーン樹脂等）が使用される。さらに、充填剤として、高熱伝導率の絶縁性無機フィラー（アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化ホウ素（ＢＮ）等）が使用される。第１の樹脂シート３０の熱伝導率は、例えば、３Ｗ／ｍＫ以上である。

第２の樹脂シート３１の材料は、第１の樹脂シート３０と同じであっても良いし、異なっていてもよい。無機フィラーの充填量は、第２の樹脂シート３１の方が第１の樹脂シート３０よりも少ない方が好ましい。この場合は、完成後の半導体装置１において、第２の樹脂シート３１の弾性率が第１の樹脂シート３０よりも低くなり（つまり、第２の樹脂シート３１の強度が第１の樹脂シート３０よりも高くなり）、第１の樹脂シート３０の剥離を抑制することができる。また、無機フィラーの充填量が少ない方が、熱硬化前の第２の樹脂シート３１の粘度が低くなり、後述する熱硬化工程時における第２の樹脂シート３１の流動性が高まる。また、無機フィラーの充填量を少なくすると、熱伝導性が低くなる。この点については、第２の樹脂シート３１は、半導体素子１０の放熱にほとんど寄与しないため、熱伝導性が低くなることの影響は小さい。また、第２の樹脂シート３１の線膨張係数は、放熱板２０の線膨張係数よりも低くする方が好ましい。この場合、後述する半導体素子接合工程において、放熱板２０のひずみの発生を抑制することができる。

ヒートシンク４０は、半導体素子１０で発生した熱を、放熱板２０を通じて、半導体装置１の外部に逃がす役割を担う。ヒートシンク４０は、板状の天板４１と、天板４１の片面から突出する複数のフィン４２とを備えている。ヒートシンク４０は、例えば銅（Ｃｕ）又はアルミニウム（Ａｌ）などの熱伝導性に優れた材料で構成される。

［半導体装置の製造方法］
次に、図１を参照して、半導体装置１の製造方法について説明する。図１（ａ）は、第１の載置工程後を示す図である。図１（ｂ）は、第２の載置工程後を示す図である。図１（ｃ）は、熱硬化工程中を示す図である。図１（ｄ）は、半導体素子接合工程後を示す図である。図１（ｅ）は、配線工程及びモールド工程後を示す図、つまり完成後の半導体装置１を示す図である。

第１の載置工程では、図１（ａ）に示すように、ヒートシンク４０の天板４１の上に第１の樹脂シート３０を載置する。次に、第１の樹脂シート３０を加圧しながら加熱することで、第１の樹脂シート３０をヒートシンク４０に熱圧着する。熱圧着に、ヒータープレス機を使用してもよい。熱圧着は、第１の樹脂シート３０の熱硬化温度未満の温度で行われる。第１の載置工程後の第１の樹脂シート３０は、完全には熱硬化していない状態（Ｂステージ状態）である。

第２の載置工程では、図１（ｂ）に示すように、第１の樹脂シート３０の上に、放熱板２０と、第２の樹脂シート３１とを載置する。第２の載置工程後の第２の樹脂シート３１は、完全には熱硬化していないＢステージ状態である。第２の載置工程後の第２の樹脂シート３１は、放熱板２０の外周に沿って放熱板２０を囲んでいる。第２の樹脂シート３１と放熱板２０とは近接している。第２の樹脂シート３１と放熱板２０との間には隙間が形成されている。この隙間の大きさは、比較的小さいため、後述する熱硬化工程において第２の樹脂シート３１が内側へ流動して放熱板２０の側面を覆う。なお、載置順は、放熱板２０を先にしてもよいし、第２の樹脂シート３１を先にしてもよい。第２の樹脂シート３１を先に載置した場合、第２の樹脂シート３１の内周に対し放熱板２０を位置決めできるため、放熱板２０を正確な位置に配置でき、放熱板２０とヒートシンク４０との沿面距離のばらつきを低減できる。このため、沿面放電のリスクを増大させることなく、設計上の沿面距離を短くすることができ、半導体装置１の小型化が可能になる。ここで、沿面距離とは、放熱板２０の周縁からヒートシンク４０の周縁までの距離である。

熱硬化工程では、図１（ｃ）に示すように、第１の樹脂シート３０、第２の樹脂シート３１、及び放熱板２０を加熱しながら加圧するヒータープレス処理を行い、第１の樹脂シート３０と第２の樹脂シート３１とを熱硬化させる。ヒータープレス処理では、高温の金属プレートによって、第２の樹脂シート３１及び放熱板２０が加圧され、第２の樹脂シート３１及び放熱板２０を介して第１の樹脂シート３０が加圧される。金属プレートは、第２の樹脂シート３１及び放熱板２０の全体を覆った状態で、第２の樹脂シート３１及び放熱板２０を加圧する。熱硬化工程により、第１の樹脂シート３０と第２の樹脂シート３１は、完全に熱硬化した状態（Ｃステージ状態）となる。また、第２の樹脂シート３１は、内側へ流動して、放熱板２０の端部と側面を接触して覆う。

半導体素子接合工程では、図１（ｄ）に示すように、接合部材５０を用いて、半導体素子１０を放熱板２０に接合する。半導体素子接合工程は、リフロー炉内で行われる。リフロー炉では、放熱板２０の上に、接合部材５０及び半導体素子１０を順番に積層した状態で、加熱が行われる。これにより、接合部材５０が溶融して、半導体素子１０と放熱板２０とが接合される。

配線工程では、図１（ｅ）に示すように、半導体素子１０の端子にリード端子７０を接続する。一部の端子は、ワイヤ８０を介してリード端子７０に接続する。続いて、モールド工程では、モールド樹脂６０によって、半導体素子１０、放熱板２０、及び第１の樹脂シート３０を封止する。モールド工程は、トランスファーモールド法又はポッティング法などの既知の方法を用いることができる。

［実施の形態の効果］
本実施の形態では、熱硬化が完了していない状態の第１の樹脂シート３０を、加熱しながら、放熱板２０及び第２の樹脂シート３１からの圧力によって熱硬化させている。第１の樹脂シート３０は、放熱板２０からだけでなく、放熱板２０の外側に位置する第２の樹脂シート３１からも圧力を受けるため、第１の樹脂シート３０を均一に加圧することができる。そのため、第１の樹脂シート３０における放熱板２０端部の位置に応力が集中することを抑制できる。さらに、第１の樹脂シート３０を加圧する前は、第１の樹脂シート３０の熱硬化は完了していない。従って、応力が集中しないだけでなく、クラックが発生しにくい状態で加圧が開始されるため、第１の樹脂シート３０にクラックが発生することを抑制できる。その結果、放熱板２０とヒートシンク４０との間の第１の樹脂シート３０の絶縁性能を向上させることができる。

また、本実施の形態では、第１の樹脂シート３０と第２の樹脂シート３１は、同じ工程で熱硬化するため、第１の樹脂シート３０と第２の樹脂シート３１の接触面での結合が促進される。そのため、第１の樹脂シート３０と第２の樹脂シート３１の接着強度が高くなり、熱硬化工程以降における第２の樹脂シート３１の剥離を抑制することができる。

また、本実施の形態では、放熱板２０とヒートシンク４０との間の樹脂シートを１枚にすることができるため、特許文献１に記載の半導体装置の製造方法に比べて、放熱板２０からヒートシンク４０への熱伝達量を増加させることができる。

また、本実施の形態では、熱硬化工程において、第２の樹脂シート３１が内側に流動して、第２の樹脂シート３１と放熱板２０との隙間がなくなる。熱硬化工程前に隙間があったために露出していた第１の樹脂シート３０の露出部分が、第２の樹脂シート３１で覆われる。放熱板２０の側面も第２の樹脂シート３１で覆われる。このため、半導体素子接合工程において、第１の樹脂シート３０の酸化を抑制することができる。ここで、このような酸化が生じると第１の樹脂シート３０で結合基が切れやすく、第１の樹脂シート３０に微細なクラックが生じて、空気層が形成される。この空気層は、第１の樹脂シート３０の絶縁性能を低下させる。それに対し、本実施の形態では、第１の樹脂シート３０の酸化を抑制できるため、第１の樹脂シート３０にクラックが発生することを抑制できる。従って、第１の樹脂シート３０の絶縁性能を向上させることができる。

次に、変形例について説明する。尚、上記実施の形態と同一の構成については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

［変形例１］
図２は、変形例１に係る半導体装置６の第２の樹脂シート３２の断面形状を説明するための図である。図２は、半導体素子接合工程後を示している。図２では、第１の樹脂シート３０の面積が天板４１の面積よりも小さい。熱硬化工程では、第２の樹脂シート３２が、上記実施形態と同様に、内側へ流動して、放熱板２０の側面を覆う。さらに、第２の樹脂シート３２は、外側へ流動して、第１の樹脂シート３０の側面を覆い、ヒートシンク４０の天板４１の一部も覆う。このため、半導体素子接合工程において、第１の樹脂シート３０の酸化の抑制効果を高めることができる。

［変形例２］
変形例２に係る半導体装置２は、図３に示すように、第１の樹脂シート３０とヒートシンク４０の天板４１との間に、第２の放熱板４３及びグリース９０が介在している点が、上記実施の形態とは異なる。第２の放熱板４３は、第１の樹脂シート３０に接合されている。また、第２の放熱板４３は、グリース９０を介してヒートシンク４０に取り付けられている。第２の放熱板４３は、ヒートスプレッダーとしての役割を担う。半導体装置２の製造方法は、第２の放熱板４３（冷却器）の上に第１の樹脂シート３０を載置する第１の載置工程と、第１の樹脂シート３０の上に放熱板２０と第２の樹脂シート３１とを載置する第２の載置工程と、第１の樹脂シート３０、第２の樹脂シート３１、及び放熱板２０を加熱しながら加圧し、第１の樹脂シート２０及び第２の樹脂シート３１を熱硬化させる熱硬化工程と、半導体素子接合工程と、配線工程と、モールド工程とを有する。さらに、この製造方法は、モールド工程後に、ヒートシンク４０上に、グリース９０を介して、モールドされたパッケージを載置する工程を有する。

［変形例３］
変形例３に係る半導体装置３は、図４に示すように、半導体素子１０の両側に、第１の放熱板２０、第１の樹脂シート３０、第２の放熱板４３、グリース９０、及びヒートシンク４０が積層されている。各第１の樹脂シート３０の上には、放熱板２０の周囲に第２の樹脂シート３１が積層されている。変形例３によれば、放熱効果がさらに向上する。

［変形例４］
変形例４に係る半導体装置４は、図５に示すように、第２の樹脂シート３１が、放熱板２１よりも薄くなっている。図５（ａ）は、実施の形態で説明した構成の半導体装置１に対応した半導体装置３の概略構成図である。図５（ｂ）は、変形例３で説明した構成の半導体装置３に対応した半導体装置５の概略構成である。

本発明は、半導体装置の製造方法などに適用可能である。

１、２、３、４、５、６半導体装置
１０半導体素子
２０、２１放熱板
３０第１の樹脂シート
３１、３２第２の樹脂シート
４０ヒートシンク（冷却器）
５０接合部材
６０モールド樹脂
７０リード端子
８０ワイヤ

Claims

冷却器の一方面上に、熱硬化性の第１の樹脂シートを、平面視における前記冷却器の一方面の外周の内側に位置するように載置する第１の載置工程と、
前記第１の樹脂シートの上に、放熱板と、前記放熱板の外周に沿って前記放熱板を囲う熱硬化性の第２の樹脂シートとを載置する第２の載置工程と、
前記第１の樹脂シート、前記第２の樹脂シート、及び前記放熱板を加熱しながら加圧するとともに、前記第２の樹脂シートが前記放熱板の側面及び前記第１の樹脂シートの側面を覆うように、前記第１の樹脂シート及び前記第２の樹脂シートを熱硬化させる熱硬化工程と、
前記放熱板の上に、半導体素子を接合する半導体素子接合工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。