JP6698705B2

JP6698705B2 - 半導体装置

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Publication number: JP6698705B2
Application number: JP2017561450A
Authority: JP
Inventors: 林田　幸昌; 幸昌林田; 塩田　裕基; 裕基塩田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-01-14
Filing date: 2016-01-14
Publication date: 2020-05-27
Anticipated expiration: 2036-01-14
Also published as: CN108463879A; WO2017122306A1; JPWO2017122306A1; US20180294203A1; DE112016006225B4; US10692794B2; DE112016006225T5

Description

本発明は、半導体装置用の放熱板およびそれを用いて製造される半導体装置に関するものである。

半導体素子を搭載した絶縁基板が放熱板上に配設された構造の半導体装置が一般に知られている（例えば特許文献１，２）。また、放熱板と絶縁基板と接合に半田を用いる場合、リフロー工程で溶融した半田を規定の位置に留めるために、予め放熱板の表面にソルダーレジストのパターンが形成されることがある。ソルダーレジストの材料としては、フェノール系樹脂やエポキシ系樹脂などが一般的である。

特開２００６−２７８５５８号公報特開２００８−２０５１００号公報

半導体装置の高耐圧化の観点から、放熱板に設けられるソルダーレジストは高い絶縁性を持つことが望ましい。そのため、ソルダーレジストの厚さは大きい方がよい。従来のフェノール系樹脂やエポキシ系樹脂からなるソルダーレジストの厚さは、５〜１０μｍ程度が限界であった。

また近年では、高温環境で使用する際の信頼性を確保するために、半導体装置の製造に融点の高い半田が用いられる傾向にある。それに伴い、半導体装置の製造におけるリフローの温度や信頼性試験の温度も高温化しており、ソルダーレジストに高い耐熱性が求められるようになっている。ソルダーレジストの耐熱性が不十分であると、放熱板からソルダーレジストが剥離し、溶融した半田が規定の位置に留まらず、放熱板に対する絶縁基板の位置ずれが生じて組み立てが困難になる。また、放熱板からソルダーレジストが剥離することによって、半導体装置の耐圧性能が低下する問題も生じる。

本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、放熱板にソルダーレジストを設けてなる放熱板構造体において、ソルダーレジストの絶縁性および耐熱性を向上させることで、半導体装置の信頼性向上を図ることを目的とする。

本発明に係る半導体装置は、複数の貫通孔を有する放熱板と、前記放熱板の主面上に形成され、１つ以上の開口部を有するソルダーレジストと、前記ソルダーレジストの前記開口部内において、前記放熱板に半田接合された回路パターンを有する絶縁基板と、前記絶縁基板に搭載された半導体素子とを備え、前記絶縁基板の端部は、前記ソルダーレジストの上方に突出しており、前記ソルダーレジストの厚さは、前記放熱板と前記回路パターンとを接合する半田の厚さよりも厚く、且つ、少なくとも前記絶縁基板と重なる部分において、前記半田の厚さと前記回路パターンの厚さとの和よりも小さく、前記ソルダーレジストは、前記貫通孔の各々を部分的に囲んでいるものである。

本発明によれば、半導体装置の放熱板に設けられたソルダーレジストの絶縁性および耐熱性を高くできるとともに、半田ボールがソルダーレジストの開口部の外側へ飛散することを防止でき、半導体装置の信頼性向上に寄与できる。

この発明の目的、特徴、局面、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。

実施の形態１に係る放熱板構造体の構造を示す図である。実施の形態１に係る放熱板構造体の製造方法を説明するための図である。実施の形態１に係る放熱板構造体の製造方法を説明するための図である。実施の形態１に係る半導体装置の上面図である。実施の形態１に係る半導体装置の断面図である。実施の形態２に係る放熱板構造体の製造方法を説明するための図である。実施の形態２に係る放熱板構造体の製造方法を説明するための図である。実施の形態２に係る半導体装置の断面図である。

＜実施の形態１＞
図１は、実施の形態１に係る放熱板構造体の構造を示す図である。放熱板構造体は、放熱板１０と、その主面上に形成されたソルダーレジスト１１とを備えている。放熱板１０は、例えば銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、金属基複合材料（ＭＭＣ：Matrix Composites）などの材料によって形成され、ヒートシンク等（不図示）にねじ止めするための貫通孔１０ａを有している。また、ソルダーレジスト１１は、少なくとも１つ（ここでは６個）の開口部１１ａを有するパターンで形成されている。実施の形態１では、ソルダーレジスト１１の材料として、ＰＩ（ポリイミド）またはＰＡ（ポリアミド）を用いる。

実施の形態１に係る放熱板構造体の製造方法を説明する。まず、放熱板１０を用意し、図２のように、ソルダーレジスト１１のパターン形状にメッシュ孔が施されたスクリーン印刷用マスク５０を、放熱板１０の上に配置する。そして、図３のように、スクリーン印刷用マスク５０の上に、ソルダーレジスト液１１１（液状のＰＩまたはＰＡ）を載せ、スキージを用いてソルダーレジスト液１１１を塗り広げる。それにより、放熱板１０の表面に、ソルダーレジスト液１１１がソルダーレジスト１１のパターンで印刷される。その後、ＵＶ（紫外線）照射および加熱処理を行うことで、ソルダーレジスト液１１１が硬化し、ソルダーレジスト１１が形成される。

ＰＡおよびＰＩは、従来のソルダーレジスト材料であるフェノール系樹脂やエポキシ系樹脂に比べ、耐熱性および絶縁性に優れている。また、ＰＡおよびＰＩは、フェノール系樹脂やエポキシ系樹脂よりも粘性（チクソ性）が高いという性質もあり、ソルダーレジスト１１を１０〜３０μｍ程度に厚く形成できる。

図４および図５は、実施の形態１に係る放熱板構造体を用いて形成した半導体装置の構成を示す図である。図４は当該半導体装置の上面図であり、図５は図４に示すＡ−Ａ線に沿った断面図である。

図４のように、放熱板１０上には、ソルダーレジスト１１の開口部１１ａに対応する位置に、半導体素子３０を搭載した絶縁基板２０（例えばセラミックス基板）が配設される。ここでは、１枚の放熱板１０上に６枚の絶縁基板２０が配設される例を示すが、絶縁基板２０の枚数は任意の数でよい。ソルダーレジスト１１に設ける開口部１１ａの数は、搭載する絶縁基板２０の枚数に応じて設定される。

また、図５のように、絶縁基板２０の上面と下面にはそれぞれ導電材料からなる回路パターン２１，２２が設けられている。半導体素子３０は、絶縁基板２０上面の回路パターン２１に半田４１を用いて接合されている。また、絶縁基板２０下面の回路パターン２２は、半田４２を介して放熱板１０の上面に接合されている。放熱板１０と絶縁基板２０の回路パターン２２とを接合する半田４１は、ソルダーレジスト１１の開口部１１ａ内に設けられている。

当該半導体装置の組み立ては、例えば以下の手順で行われる。まず、絶縁基板２０の回路パターン２１上にシート状の半田４１を配置し、その上に半導体素子３０を載せる。そして、リフローにより半田４１を溶融させて半導体素子３０と回路パターン２１とを接合する。次に、ソルダーレジスト１１を備える放熱板１０上にシート状の半田４２を配置し、その上に絶縁基板２０を載せる。このとき、絶縁基板２０の回路パターン２２を放熱板１０に対向させる。そして、リフローにより半田４２を溶融させて、放熱板１０と回路パターン２２とを接合させる。このとき、溶融した半田４２は、放熱板１０のソルダーレジスト１１によって開口部１１ａ内に留められ、それにより、絶縁基板２０の位置ずれが防止される。なお、半導体素子３０と回路パターン２１との接合工程と、放熱板１０と回路パターン２２との接合工程は、どちらが先でもよい。

図示は省略するが、図４および図５に示した半導体装置は、外部接続端子を備えるケースに収納される。また、絶縁性を確保するために、ケース内には封止材としてゲル状の絶縁性樹脂が充填される。

本実施の形態によれば、放熱板１０のソルダーレジスト１１として、耐熱性の高いＰＡまたはＰＩが用いられることで、半田４２を溶融させるリフローの際にソルダーレジスト１１が放熱板１０から剥離することが防止される。それにより、半田４２を規定の位置に留めることができ、絶縁基板２０の位置ずれを防止できる。また、高温環境における半導体装置の信頼性が向上する。

また、ＰＡおよびＰＩは高い絶縁性を有する上、その粘性の高さから、ソルダーレジスト１１を厚くできる。それにより、ソルダーレジスト１１の絶縁性を高くできる。その結果、半導体装置の耐圧性能を高めることができ、さらなる信頼性向上に寄与できる。

ここで、図５のように、ソルダーレジスト１１の開口部１１ａは絶縁基板２０よりも一回り小さく、絶縁基板２０の端部がソルダーレジスト１１の上方に突出することが好ましい。すなわち、絶縁基板２０の端部と放熱板１０との間にソルダーレジスト１１が介在することが好ましい。例えば、高温環境では、半導体装置を封止するゲル状の絶縁性樹脂に気泡が生じることがあり、その気泡が絶縁基板２０の端部に達すると、絶縁基板２０の端部と放熱板１０との間で放電が生じやすくなる。絶縁基板２０の端部と放熱板１０との間に絶縁性の高いソルダーレジスト１１を介在させることで、放電の発生を防止できる。

さらに、ソルダーレジスト１１が厚いことで、半田４２を規定の位置に留めるというソルダーレジスト本来の機能も向上する。また、リフロー工程においては、「半田ボール」と呼ばれる粒状の半田が発生して飛散することがあり、半田ボールが付着した位置によっては、半導体装置の組み立てが困難になるという問題が生じる。厚いソルダーレジスト１１は、半田ボールが開口部１１ａの外側へ飛散することを防止する効果もある。

＜実施の形態２＞
実施の形態１では、放熱板１０に設けられるソルダーレジスト１１の材料をＰＩまたはＰＡとしたが、実施の形態２では、ソルダーレジスト１１をＰＰ（ポリプロピレン）またはＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）を用いて形成する。なお、放熱板１０およびソルダーレジスト１１からなる放熱板構造体の構成は、実施の形態１（図１）と同様でよい。

実施の形態２に係る放熱板構造体の製造方法を説明する。まず、図６のように、放熱板１０と、ソルダーレジスト１１のパターン形状に加工されたソルダーレジストシート１１２（ＰＰまたはＰＰＳからなるエンジニアリングプラスチックのシートまたはフィルム）とを用意する。そして、図７のように、放熱板１０上に接着剤１１３を介してソルダーレジストシート１１２を載置して、プレス加工装置６０を用いて加熱プレスすることで、放熱板１０にソルダーレジストシート１１２を接着する。それによって、ソルダーレジスト１１を備える放熱板１０が得られる。なお、接着剤１１３を用いずに、ソルダーレジストシート１１２を放熱板１０に溶着または融着させてもよい。

ＰＰまたはＰＰＳも、従来のソルダーレジスト材料であるフェノール系樹脂やエポキシ系樹脂に比べ、耐熱性および絶縁性に優れている。よって、実施の形態１と同様に、耐熱性および絶縁性の高いソルダーレジスト１１を得ることができ、半導体装置の信頼性向上に寄与できる。

また、上記の方法でソルダーレジスト１１を形成する場合、用意するソルダーレジストシート１１２の厚さによってソルダーレジスト１１の厚さを調整できるため、ソルダーレジスト１１の厚さを、従来よりも厚く（１０μｍ以上）、さらには、実施の形態１よりも厚くできる。従って、本実施の形態では、実施の形態１よりも半導体装置の絶縁性を高めることができる。

特に、ソルダーレジスト１１の厚さは、半導体装置を組み立てたときに、図８のように、半田４２よりも厚くなることが好ましい。その場合、絶縁性が向上するのはもちろん、半田ボールがソルダーレジスト１１の開口部１１ａの外側へ飛散することを確実に防止できるという効果も得られる。ただし、ソルダーレジスト１１が絶縁基板２０に干渉しないように、少なくとも絶縁基板２０と重なる部分では、ソルダーレジスト１１の厚さを、半田４２の厚さと回路パターン２２の厚さの和よりも小さくする必要がある。

＜実施の形態３＞
実施の形態３では、放熱板１０に設けるソルダーレジスト１１を、セラミックの粒子を含有した樹脂で構成する。本実施の形態は、実施の形態２において、ソルダーレジストシート１１２を、セラミックの粒子を含有した樹脂を用いて形成することで実施可能である。セラミックは絶縁性および耐熱性に優れているため、実施の形態２よりもソルダーレジスト１１の絶縁性および耐熱性を向上させることができる。

本実施の形態で用いるセラミックとしては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）などが考えられる。また、セラミックの粒子を含有させる樹脂としては、実施の形態２で用いたＰＰまたはＰＰＳが好ましい。また、例えば、従来のフェノール系樹脂やエポキシ系樹脂を用いても、セラミックの粒子を含有させることで、ソルダーレジスト１１の絶縁性および耐熱性の向上を図ることができる。

また、付随的な効果として、セラミック粒子を調節することで、設計に汎用性が生まれ設計尤度が広くなる。例えば、セラミックの粒子を調節して樹脂の熱膨張率を制御することで、ソルダーレジスト１１と放熱板１０との間に生じる応力を抑制する効果も期待できる。

＜実施の形態４＞
ソルダーレジスト１１の材料は、絶縁性および耐熱性が高く、且つ、ソルダーレジストとしての機能を発揮できる材料であれば、樹脂に限られない。実施の形態４では、ソルダーレジスト１１を、ガラスなどの高融点絶縁体（融点が４００°以上であることが好ましい）で構成する。本実施の形態は、実施の形態２において、ソルダーレジストシート１１２を、高融点絶縁体を用いて形成する実施可能である。高融点絶縁体は放熱板１０に融着または溶着させることが困難なため、ソルダーレジストシート１１２と放熱板１０とは接着剤１１３を用いて接着させるとよい。ガラスなど、ＰＰおよびＰＰＳよりも絶縁性および耐熱性が高い材料を用いれば、ソルダーレジスト１１の絶縁性および耐熱性を飛躍的に向上させることができる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

この発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての局面において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。

１０放熱板、１０ａ貫通孔、１１ソルダーレジスト、１１ａ開口部、１１１ソルダーレジスト液、１１２ソルダーレジストシート、１１３接着剤、２０絶縁基板、２１回路パターン、２２回路パターン、３０半導体素子、４１，４２半田、５０スクリーン印刷用マスク、５０ａメッシュパターン、６０プレス加工装置。

Claims

複数の貫通孔を有する放熱板と、
前記放熱板の主面上に形成され、１つ以上の開口部を有するソルダーレジストと、
前記ソルダーレジストの前記開口部内において、前記放熱板に半田接合された回路パターンを有する絶縁基板と、
前記絶縁基板に搭載された半導体素子と
を備え、
前記絶縁基板の端部は、前記ソルダーレジストの上方に突出しており、
前記ソルダーレジストの厚さは、前記放熱板と前記回路パターンとを接合する半田の厚さよりも厚く、且つ、少なくとも前記絶縁基板と重なる部分において、前記半田の厚さと前記回路パターンの厚さとの和よりも小さく、
前記ソルダーレジストは、前記貫通孔の各々を部分的に囲んでいる
半導体装置。
前記ソルダーレジストは、ＰＰ（ポリプロピレン）またはＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）により形成されている、
請求項１に記載の半導体装置。
前記ソルダーレジストは、セラミックの粒子を含有する樹脂により形成されている、
請求項１に記載の半導体装置。
前記セラミックは、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）のうちのいずれか１つ以上である
請求項３に記載の半導体装置。
前記樹脂は、ＰＰ（ポリプロピレン）またはＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）である、
請求項３に記載の半導体装置。
前記ソルダーレジストは、融点が４００℃以上の高融点絶縁体により形成されている、
請求項１に記載の半導体装置。
前記高融点絶縁体は、ガラスである、
請求項６に記載の半導体装置。