JP6862896B2 - 半導体装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置及び半導体装置の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、半導体装置及びこの半導体装置の製造方法、特に放熱性が要求される半導体装置及び半導体装置の製造方法に関する。
電力用半導体装置等のパワー半導体装置は、近年、大電流化及び小型化の要求がますます高まっており、特に放熱性向上のための技術が求められている。パワー半導体装置の放熱に用いる部材として、サーマルコンパウンドや放熱シート等が挙げられる。放熱シートとして、例えばグラファイトシートを用いる技術が知られている（特許文献１参照。）。特許文献１に記載された発明では、グラファイトシートの放熱シートを有機ＥＬパネルと密着させて一体化し、有機ＥＬパネルの放熱が行われる。またグラファイトシートは、半導体装置用の放熱シートとしても知られている（特許文献２参照。）。特許文献２に記載された発明では、グラファイトシートと接着層を交互に積層して、例えば４〜９層程度以上のグラファイトシート積層体を形成し、更にこのグラファイトシート積層体を複数個に切り出して、ヒートパイプのようなロッド状の熱輸送体が作製される。
サーマルコンパウンドを半導体装置の放熱シートの代わりに適用した場合、パワー半導体装置の動作中にサーマルコンパウンドのドライアウトやポンプアウトが発生し、放熱性が劣化しパワー半導体装置の信頼性低下を招く可能性が懸念される。また、特許文献１に記載された発明の技術をそのまま半導体装置の放熱シートに適用した場合、パワー半導体装置のように発熱量が比較的大きく、且つ、小型化が求められるような場合では、必ずしも放熱効果が十分に得られないという問題がある。また特許文献２に記載された発明の技術の場合、ロッド状の熱輸送体は厚み方向に大きな積層体であるため、半導体装置に適用すると、半導体装置全体が大きくなるという問題がある。
特開２０１０−２３１９７９号公報 国際公開第２０１６／０９８８９０号
本発明は上記した問題に着目して為されたものであって、放熱性を向上でき、且つ、放熱性の劣化の少ない半導体装置及びこの半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明に係る半導体装置のある態様は、（ａ）回路基板の上に設けられた半導体チップを有する半導体モジュールと、（ｂ）半導体モジュールの半導体チップと反対側の面に接合する第１主面を有し厚み方向より第１主面に沿った方向の熱伝導率が高いシート状の第１伝導部、及び第１伝導部の端部に第１伝導部と並んで設けられ第１主面と連続する第２主面を有し第２主面に沿った方向より厚み方向の熱伝導率が高いシート状の第２伝導部を有する放熱シートと、を備えることを要旨とする。
また本発明に係る半導体装置の製造方法のある態様は、（ｃ）回路基板の上に半導体チップを搭載して半導体モジュールを組み立てる工程と、（ｄ）第１主面を有し厚み方向より第１主面に沿った方向の熱伝導率が高いシート状の第１伝導部、及び第１伝導部の端部に第１伝導部と並んで設けられ第１主面と連続する第２主面を有し第２主面に沿った方向より厚み方向の熱伝導率が高いシート状の第２伝導部を有する放熱シートを用意する工程と、（ｅ）回路基板の半導体チップと反対側の面に、第１主面を配置し、回路基板の下面に、第１主面を回路基板に接合する工程と、を含むことを要旨とする。
本発明によれば放熱性を向上でき、且つ、放熱性の劣化の少ない半導体装置及びこの半導体装置の製造方法を提供できる。
図１は本発明の実施の形態に係る半導体装置の構成の概略を模式的に説明する断面図である。 図２（ａ）は本発明の実施の形態に係る半導体装置に用いる放熱シートの上面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）中のＡ−Ａ線方向から見た断面図である。 図３は比較例に係る半導体装置の放熱シートと冷却装置との接合状態を模式的に説明する断面図である。 図４は本発明の実施の形態に係る半導体装置の熱の移動状態を模式的に説明する断面図である。 図５は本発明の実施の形態に係る放熱シートを用いた半導体装置と、放熱シートを用いない半導体装置の、それぞれの半導体チップ上面の温度を測定した結果を示すグラフ図である。 図６は本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明する工程断面図である（その１）。 図７は本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明する工程断面図である（その２）。 図８（ａ）〜図８（ｃ）は本発明の実施の形態の変形例に係る半導体装置の製造方法を図８（ａ）→図８（ｂ）→図８（ｃ）の順に説明する工程断面図である。 図９は本発明の他の実施の形態に係る半導体装置で用いる導体棒の構成の概略を模式的に説明する鳥瞰図（斜視図）である。 図１０（ａ）は本発明の他の実施の形態に係る半導体装置で用いる導体棒の使用状態を模式的に説明する側面図であり、図１０（ｂ）は比較例に係る導体棒の使用状態を模式的に説明する側面図であり、図１０（ｃ）は図１０（ａ）及び図１０（ｂ）で示したそれぞれの導体棒の内部の熱分布を模式的に説明するグラフ図である。
以下に本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各装置や各部材の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判定すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
また、以下の説明における「左右」や「上下」の方向は、単に説明の便宜上の定義であって、本発明の技術的思想を限定するものではない。よって、例えば、紙面を９０度回転すれば「左右」と「上下」とは交換して読まれ、紙面を１８０度回転すれば「左」が「右」に、「右」が「左」になることは勿論である。
（半導体装置の構造）
本発明の実施の形態に係る半導体装置は、図１に示すように、半導体モジュール（１，２，３，４）と、半導体モジュール（１，２，３，４）を内側に収納するケース７を備える。半導体モジュール（１，２，３，４）は、回路基板（１，２，４）と、回路基板（１，２，４）の上に設けられた半導体チップ３を有する。
半導体モジュール（１，２，３，４）の回路基板（１，２，４）としては、絶縁基板１の上面及び下面のそれぞれに、銅箔等を表面金属箔２及び裏面金属箔４として設けた銅接合基板等の構造を採用できる。銅接合基板の代表例としてはＤＣＢ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｏｐｐｅｒ Ｂｏｎｄｉｎｇ）基板やＡＭＢ(Ａｃｔｉｖｅ Ｍｅｔａｌ Ｂｒａｚｉｎｇ)基板が知られている。絶縁基板１としては、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）セラミックス、窒化アルミ（ＡｌＮ）セラミックス、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）セラミックス等を用いることができる。半導体チップ３である半導体素子としては、例えば絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）等を採用できる。半導体チップ３の内部の半導体領域の積層構造や配置状態の図示は省略する。
半導体モジュール（１，２，３，４）の裏面金属箔４の下面には、半導体モジュール（１，２，３，４）を載置する放熱シート５が更に備えられる。半導体モジュール（１，２，３，４）の下には、放熱シート５を介して冷却装置６が更に設けられる。
放熱シート５は、図２（ａ）に示すように、平面パターンでほぼ矩形状である。放熱シート５は、半導体モジュール（１，２，３，４）の下面に接合する主面を上側に有するシート状の第１伝導部５ａ、及び第１伝導部５ａの端部に第１伝導部５ａと並んで設けられ、第１伝導部５ａの上側の主面と連続する主面を上側に有するシート状の第２伝導部５ｂを有する。
回路基板（１，２，４）の裏面金属箔４と冷却装置６の間には、接着剤１０ｂを除き、実質的に放熱シート５が存在するのみで、放熱用の金属ベースが設けられていない。すなわち本発明の実施の形態に係る半導体装置の半導体モジュール（１，２，３，４）は、コストダウンと熱抵抗の低減を図るために冷却ベースを介さずに冷却装置６に直接固定される、いわゆる放熱用ベースレス構造である。放熱用ベースを有する半導体モジュールの場合、例えば裏面側に５０μｍ程度の大きな反りが生じる場合がある。ベースレス構造であれば半導体モジュールの大きな反りの発生が回避されるため、放熱シート５との密着性が更に高まり、半導体装置の放熱性をより高めることができる。尚、回路基板（１，２，４）を冷却装置６とネジ止めする場合には、回路基板（１，２，４）を貫通するネジ止め用の孔部を所定数設けてもよい。
ケース７は、樹脂等の絶縁性素材で構成でき、例えば直方体状で底面の一部が開口した箱型で実現できる。本発明の実施の形態に係る半導体装置のケース７の下面は、放熱シート５の第２伝導部５ｂ上に設けられている。そのためケース７の側壁は、第２伝導部５ｂの外縁の位置から上方に立ち上がるように実現されている。図１に示すように、半導体モジュール（１，２，３，４）は、ケース７の底面の開口位置から内部に向かって配置されケース７の内側に収納される。半導体モジュール（１，２，３，４）の裏面金属箔４の底面をケース７の底面と同一水平面とすることにより、半導体モジュール（１，２，３，４）はケース７の底部の一部をなす態様で配置されている。
図１中のケース７の上部の左右両端に設けられた２個の外部接続端子９ａ，９ｂで例示したように、ケース７の天井壁や側壁には、半導体チップ３と電気的に接続される金属製の接続端子等が設けられている。外部接続端子９ａ，９ｂ以外の接続端子等の接続部材の図示は省略する。
また図１中には、ケース７の内側で、半導体チップ３がケース７にボンディングワイヤー８で接続された状態が例示されている。ケース７の内側には、ボンディングワイヤー８以外にも、半導体チップ３と電気的に接続される他のボンディングワイヤーやリードフレーム等の接続部材を配置できる。
冷却装置６は、半導体チップ３の通電動作により半導体チップ３から生じる熱を冷却装置６に流すことにより、半導体モジュール（１，２，３，４）内に熱が蓄積することを低減する。冷却装置６としては、図１に示すように、突起状の構造物を複数設けて伝熱面積を広げ、熱交換の効率を上げる冷却フィン等を使用できる。他にも放熱・吸熱を目的とするヒートシンク等を使用できる。
第１伝導部５ａ及び第２伝導部５ｂは一体的に放熱シート５を構成する。第１伝導部５ａの上側の主面は本発明の「第１主面」に、第２伝導部５ｂの上側の主面は本発明の「第２主面」にそれぞれ相当する。
第１伝導部５ａは放熱シート５の中央に配置されたほぼ矩形状の領域である。第１伝導部５ａの主面の矩形は、半導体モジュール（１，２，３，４）の下面すなわち裏面金属箔４の形状とほぼ等しい。そのため裏面金属箔４の下面からの熱を、第１伝導部５ａの主面全体で受けることができる。
第２伝導部５ｂは第１伝導部５ａの周縁に、第１伝導部５ａの周囲を取り囲むように配置された額縁状の領域である。第２伝導部５ｂは第１伝導部５ａの矩形の４辺すべてに連続して設けられているので、第１伝導部５ａからの熱全体を偏りなく４方に亘って均等に分散して受け取ることができる。
第１伝導部５ａは、第１主面に沿った方向である水平方向の熱伝導率と、厚み方向に沿った垂直方向の熱伝導率とが異なる第１の異方性材料からなる。第１の異方性材料は、厚み方向より第１主面に沿った方向の熱伝導率が優位に高い異方性を有する。図２（ｂ）中には、第１伝導部５ａの熱伝導率の優位性が水平方向に延びる３本の双方向矢印で例示されている。
第２伝導部５ｂも、第２主面に沿った方向である水平方向の熱伝導率と、厚み方向に沿った垂直方向の熱伝導率とが異なる第２の異方性材料からなる。第２の異方性材料は、第２主面に沿った方向より厚み方向の熱伝導率が高い異方性を有する。図２（ｂ）中には、第２伝導部５ｂの熱伝導率の優位性が、左右の第２伝導部５ｂの領域中にそれぞれ記載された、垂直方向に延びる３本の双方向矢印で例示されている。尚、説明の便宜のため、放熱シート５の内部のハッチングの図示を省略する。
本発明の実施の形態に係る半導体装置では、第１及び第２の異方性材料として、例えばグラファイトシートを採用できる。グラファイトシートの熱伝導率は、例えば内部の一方向において８００〜１６００Ｗ／ｍＫ程度であれば、この一方向に直交する他方向の熱伝導率が例えば３〜２０Ｗ／ｍＫ程度と、互いに直交する方向間で熱伝導率が非常に大きく異なる。一方、一般的な等方性部材の内部ではいずれの方向の熱伝導率も概ね等しく、例えばシリコン製の放熱シート５の場合、熱伝導率は１．０〜４．０Ｗ／ｍＫ程度である。
（接着剤）
本発明の実施の形態に係る半導体装置の場合、図１に示したように、放熱シート５と冷却装置６の間に接着剤１０ｂの層が存在し、放熱シート５及び冷却装置６は、接着剤１０ｂの層を介して接合している。接着剤１０ｂとしては、温度に応じて軟化及び固化する熱可塑性樹脂、又は加熱すると化学反応により固化する熱硬化性樹脂を主成分とする熱圧着型樹脂系が好適である。
熱可塑性樹脂系としては、酢酸ビニル樹脂系、ポリビニルアルコール系、ポリアミド系等の公知の材料から適宜選択できる。また熱硬化性樹脂系についても、エポキシ樹脂系、ポリイミド樹脂系、ウレタン樹脂系（ポリウレタン）、エステル樹脂系（ポリエステル）等の公知の材料から適宜選択できる。
接着剤１０ｂの層のみの厚みとしては、例えば数μｍ程度に抑えることが可能である。また放熱シート５としてのグラファイトシートの厚みは、２５〜１００μｍ程度である。そのため、本発明の実施の形態に係る半導体装置の場合、放熱シート５及び冷却装置６が接着剤１０ｂの層のみを介して接合することにより、放熱シート５及び冷却装置６間の接合層の厚みを非常に小さく抑えることができる。
また図３に例示する比較例に係る半導体装置のように、放熱シート５及び冷却装置６は両面テープ１１を介して互いに表面を対向させて接合する場合、製造コストを抑えるために放熱シート５の冷却装置６側の表面は粗く形成されているので、対向面の間に空隙が生じやすい。しかし接着剤１０ｂによる接合であれば、対向面の間に形成される複数の空隙に漏れなく接着剤１０ｂを充填でき、熱抵抗の低く接合強度の高い良好な接合層を設けることが可能になる。即ち、放熱シート５及び冷却装置６間に、断熱材となる不要な空気層が発生することを抑制して密着性を高め、放熱シート５の本来の性能を十分に引き出すことができる。例えば、放熱シート５及び冷却装置６間の熱伝導率を１．５〜１０Ｗ／ｍＫ程度に実現できる。
一方、一般的な接合材料としての両面テープ１１は、中心に位置しポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）や樹脂等からなる絶縁基体１１ａと、絶縁基体１１ａの上面に設けられた第１の粘着層１１ｂと、絶縁基体１１ａの下面に設けられた第２の粘着層１１ｃとからなる３層構造を備えている。
両面テープ１１の厚みｔｄは、通常、５μｍ程度以上である。そのため、比較例に係る半導体装置の場合、放熱シート５及び冷却装置６が３層構造の両面テープ１１を介して接合することにより、放熱シート５及び冷却装置６間の接合層の厚みが２０〜６０μｍ程度と大きくなり、熱抵抗も大きくなる。例えば、放熱シート５及び冷却装置６間の熱伝導率は０．２〜０．４Ｗ／ｍＫ程度に小さくなるため、放熱を十分に行うことができない。
また図３に示すように、両面テープ１１による接合の場合、冷却装置６と第２の粘着層１１ｃの間に複数の空隙が残り、断熱材となる不要な空気層が多く発生する。そのため密着性が低く、グラファイトシートのような放熱シート５の本来の性能を十分に引き出すことができない。また両面テープ１１の絶縁基体１１ａのＰＥＴやアルミ箔等も断熱材として機能するため熱抵抗が大きくなり、放熱シート５の本来の性能を十分に発揮することができない。
また本発明の実施の形態に係る半導体装置では、半導体チップのジャンクション温度より高いガラス転移温度を持つ接着剤１０ｂが選択されることが好ましい。接着剤１０ｂのガラス転移温度の上限は特に限定されないが、例えば、ガラス転移温度２５０℃以下が望ましい。また半導体チップ３で生じた熱が接着剤１０ｂに蓄えられた状態では半導体チップ３から回路基板（１，２，４）及び放熱シート５を介して接着剤１０ｂに伝達することを考慮して、例えば半導体チップにシリコンを用いた場合、１８０℃以上のガラス転移温度特性を有する接着剤１０ｂが好適に選択される。
（熱の移動）
次に、図１及び図２で示した半導体装置の内部の熱の移動状態を具体的に説明する。半導体チップ３から生じた熱は、図４に示すように、まず、回路基板（１，２，４）の裏面金属箔４から第１伝導部５ａに伝達する。
次に熱は、水平方向の熱伝導率が大きな第１伝導部５ａの内部で、第１主面に沿って外側へ向かって、第１伝導部５ａの端部まで拡散するように移動が促進される。第１伝導部５ａの端部には第２伝導部５ｂが接合されているため、熱は第１伝導部５ａの端部に過剰に蓄積されることなく、第１伝導部５ａ及び第２伝導部５ｂの端面を通過して、第２伝導部５ｂへ速やかに移動する。すなわち熱は、平面パターンで、放熱シート５の中央領域から外側の周縁領域へ拡散される。
第１伝導部５ａの端部における熱の蓄積が低減されるため、第１伝導部５ａの内部では、直上に位置する半導体モジュール（１，２，３，４）側から次々と伝達される後続の熱を、効果的に水平方向に拡散することが可能になる。一方、第２伝導部５ｂの内部では厚み方向の熱伝導率が優位であるため、第１伝導部５ａから第２伝導部５ｂへ移動した熱の、第２伝導部５ｂの厚み方向に沿った移動が促進される。熱は速やかに第２伝導部５ｂの下の冷却装置６へ送り出されるため、第２伝導部５ｂの内部にも過剰に蓄積されない。最終的に、第１伝導部５ａ及び第２伝導部５ｂから厚み方向に沿って冷却装置６に移動してきた熱は、冷却装置６によって効率的に放熱される。
このように本発明の実施の形態に係る半導体装置の放熱シート５の内部では、周縁領域をなす第２伝導部５ｂにおいて、半導体チップ３から生じた熱の移動の方向性を約９０度変化させる。そして放熱シート５の周縁領域から冷却装置６に送り込む単位時間あたりの熱を従来よりも遥かに大きくできる。
図５に、半導体モジュール（１，２，３，４）の下面に放熱シート５としてグラファイトシートと貼り付けた場合と、放熱シート５を用いずに従来のサーマルコンパウンドとしてサーマルグリスを塗布した場合について、それぞれの半導体装置を一定の印加電力で動作させた条件で、それぞれの半導体チップ３の上面の温度を測定した結果を示す。
印加電力が２０Ｗの場合、本発明の実施の形態に係るグラファイトシートを用いた半導体装置の方がサーマルグリスを塗布した半導体装置より、温度が低下していることが分かる。また出力が３５Ｗの場合、本発明の実施の形態に係る半導体装置の方がサーマルグリスを塗布した従来の半導体装置より更に大きく温度が低下していることが分かる。
本発明の実施の形態に係る半導体装置によれば、水平方向の熱伝導率が優位な第１伝導部５ａが中央に設けられ、垂直方向の熱伝導率が優位な第２伝導部５ｂが第１伝導部５ａの周縁領域に設けられた放熱シート５を介して半導体モジュール（１，２，３，４）が冷却装置６に接合される。そのため半導体装置の放熱性を、従来に比べ格段に向上することができる。
また本発明の実施の形態に係る半導体装置によれば、半導体モジュール（１，２，３，４）及び放熱シート５の間及び放熱シート５及び冷却装置６の間に、熱圧着型の接着剤１０ｂを含む接合層が設けられる。そのため接合層の厚みを、従来のような両面テープを用いる場合より薄く抑えることができる。また熱圧着型の接着剤１０ｂを用いることにより、接合層にＰＥＴ等の不要な部材が存在しないと共に、接合界面における空隙が低減されるので、熱伝導率を高める（言い換えれば、熱抵抗を低くする）ことができる。
（半導体装置の製造方法）
次に、図１、図２及び図４に示した本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を、図６及び図７を参照して例示的に説明する。まず印刷技術等により表面上の所定の領域にはんだメッキ処理等が施された回路基板（１，２，４）を用意し、この回路基板（１，２，４）上に、図６に示すように、半導体チップ３及びその他の所定の部品を搭載し、半導体モジュール（１，２，３，４）を作製する。
次に、半導体モジュール（１，２，３，４）をケース７の内側の下部に取り付けてケース７と一体化する。そして半導体チップ３の出力用電極やゲート電極等の電極の表面と、ケース７に設けられた所定の接続端子とを連結する。連結にはボンディングワイヤー８やリードフレーム等の連結部材を用いることができる。リードフレーム等を使用する場合、例えば印刷技術等による電極等の表面へのはんだメッキ処理や、窒素ガス等を用いたはんだ付け、及び所定の洗浄処理等が適宜施される。そしてケース７の内側にシリコンゲルやエポキシ樹脂等の保護用の充填剤を流し込み、所定の硬度に硬化してケース７の内側の半導体モジュール（１，２，３，４）を封止する。
次に、ほぼ矩形状で上側に第１主面を有する第１伝導部５ａと、第１伝導部５ａの周縁に、第１伝導部５ａの周囲を取り囲むように配置された額縁状の領域であって、上側に第１主面を有する第２伝導部５ｂとで構成された放熱シート５を用意する。そして、図６に示すように、印刷技術等により、放熱シート５の上面に熱圧着型の接着剤１０ａを塗布する。更に、図７に示すように、この放熱シート５を半導体モジュール（１，２，３，４）の放熱側となるケース７の下部に貼り付ける。貼り付け時には、接着剤１０ａを４０℃程度以上〜２００℃程度以下に熱した状態で、０．５Ｎ程度以上〜５Ｎ程度以下の圧力で保持する。
保持時間は、加熱温度及び保持時の圧力の大きさによって変動する。また、冷却装置を含む半導体装置の形状や大きさによっても条件が変動する。例として、加熱温度が４０℃程度、圧力が０．５Ｎ程度の場合、保持時間は１０分程度である。また加熱温度が２００℃程度、圧力が５Ｎ程度の場合、保持時間は０．５分程度である。加熱温度が４０℃未満の場合、十分な圧着が実現できない。また温度が２００℃を超える場合、半導体装置への影響が大きくなるため、加熱温度は２００℃程度以下であることが好ましい。
次に図７に示すように、印刷技術等により放熱シート５の下面に熱圧着型の接着剤１０ｂを塗布し、この放熱シート５を冷却装置６の上面に貼り付ける。半導体モジュール（１，２，３，４）と冷却装置６を、例えばネジ止め等で結合する。その際に冷却装置６を３０℃程度以上で加熱しながら半導体モジュール（１，２，３，４）と結合することにより接着剤１０ｂが加熱され、半導体モジュール（１，２，３，４）及び冷却装置６の対向面間に接着剤１０ｂが広く行き渡り、対向面間の空隙が充填される。その後、冷却装置６と一体化された半導体モジュール（１，２，３，４）を、加熱装置１２から分離すれば、本発明の実施の形態に係る半導体装置を得られる。
（半導体装置の製造方法の変形例）
尚、半導体モジュール（１，２，３，４）がベースレス構造であったとしても、半導体モジュール（１，２，３，４）は、作製によって絶縁基板１に生じる内部応力のため、図８（ａ）に示すように、冷却装置６側に突出するように反る場合がある。しかし変形例に係る半導体装置の製造方法によれば、半導体モジュール（１，２，３，４）が反っても放熱シート５を取り付けて、本発明の実施の形態に係る半導体装置を製造できる。
まず図８（ｂ）に示すように、放熱シート５を反った半導体モジュール（１，２，３，４）に接合すると、半導体モジュール（１，２，３，４）の反った下面に応じて、放熱シート５も冷却装置６側に突出する。そこで図８（ｂ）中で放熱シート５中を第１伝導部５ａ及び第２伝導部５ｂに亘って横断する最下段の水平な破線で例示したように、放熱側に位置する放熱シート５の裏面を研磨して平坦化する。そして図８（ｃ）に示すように、放熱シート５の平坦な裏面と冷却装置６の上面を接合すれば、半導体モジュール（１，２，３，４）と冷却装置６との接合力を高めた半導体装置を得ることができる。
尚、図８（ｂ）中に例示したように、第２伝導部５ｂの厚さが第１伝導部５ａより厚い放熱シート５を用意することが好ましい。第２伝導部５ｂを第１伝導部５ａより一定量厚く設定することにより、反った状態の放熱シート５の下面を平坦化する場合でも、第１伝導部５ａの中央部分が所望の放熱作用を実現できるように、第１伝導部５ａに必要な厚みを確実に形成することができる。図８（ｂ）の第１伝導部５ａの厚さｔｇは、裏面金属箔４の中央から裏面金属箔４の端部の間の高低差（反り量）ｈよりも厚い。また図８（ｃ）の第１伝導部５ａの厚さについては、第１伝導部５ａの中央部分が第１伝導部５ａの端部よりも薄い。厚さの薄い第１伝導部５ａの中央部分が半導体チップ３の中央の下方の近傍に配置されていることがより望ましい。
本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法によれば、水平方向の熱伝導率が優位な第１伝導部５ａが中央に設けられ、垂直方向の熱伝導率が優位な第２伝導部５ｂが第１伝導部５ａの周縁領域に設けられた放熱シート５を介して半導体モジュール（１，２，３，４）及び冷却装置６を接合する。そのため放熱性を従来に比べ格段に向上した半導体装置を得ることができる。また変形例に係る半導体装置の製造方法の場合、第１伝導部５ａの中央部分の厚さが、第１伝導部５ａの端部よりも薄いので、中央部分の熱抵抗を低くすることができ、放熱性を向上できる。さらに、厚さの薄い第１伝導部５ａの中央部分が半導体チップの中央の下方に配置されているので、半導体チップの中央付近の熱抵抗を低くすることができ、放熱性を一層向上できる。
また本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法によれば、冷却装置６を加熱しながら半導体モジュール（１，２，３，４）と結合するため接着剤１０ｂが加熱され、半導体モジュール（１，２，３，４）及び冷却装置６の密着性が高まる。そのため、半導体装置の放熱性を向上できる。
（連結棒）
次に本発明の実施の形態に係る半導体装置で使用する連結棒（１３，１５）を、図９及び図１０を用いて説明する。連結棒（１３，１５）は、例えばバスバーのように、半導体装置の内部に配置され、半導体モジュール同士、或いは半導体モジュールとケースの間のように、部材間の電気的な接続を実現する。従来のバスバー等の連結部材は半導体装置の高周波動作によって発熱する。
本発明の実施の形態に係る半導体装置で使用する連結棒（１３，１５）は、図９に示すように、一方向に延びる平板状の連結棒本体１３と、連結棒本体１３の上面に積層して設けられた放熱シート１５とを備える。連結棒本体１３と放熱シート１５を熱圧着型の接着剤で接着してもよい。連結棒本体１３は、公知のバスバー等の部材を使用できるが、放熱シート１５としては、グラファイトシート等、互いに直交する方向間の熱伝導率が大きく異なる異方性材料を採用する。
図１０（ａ）に示すように、連結棒（１３，１５）は、例えば半導体モジュール１６の外部端子１７及びケース１８に設けられた所定の接続部の間に架け渡して設けることができる。図１０（ａ）中に示した放熱シート１５は、全体に亘って、主面に平行な方向の熱伝導率が、厚み方向の熱伝導率よりも大きなグラファイトシートである。
本発明の実施の形態に係る半導体装置で使用する連結棒（１３，１５）によれば、連結棒（１３，１５）の両端間の温度上昇の均一化が促進され、熱分布の偏りを抑制することができる。一方、図１０（ｂ）に示すように、放熱シート１５が設けられておらず、連結棒本体１３のみからなる連結棒１３の場合、特に中央領域の温度上昇が著しくなる。
図１０（ｃ）中に、本発明の実施の形態に係る半導体装置で使用する連結棒（１３，１５）の場合の連結棒内部の両端間の温度分布を（ａ）の曲線で、連結棒本体１３のみからなる連結棒１３の場合の内部の温度分布を（ｂ）の曲線でそれぞれ示す。本発明の実施の形態に係る半導体装置で使用する連結棒（１３，１５）の場合、連結棒本体１３のみからなる連結棒１３の場合より、両端間の温度上昇の均一化が促進され、熱分布の偏りが抑制、特に中央領域の温度上昇が抑制されていることが分かる。
図９及び図１０で示した放熱シート１５を備える連結棒（１３，１５）を用いて半導体装置を構成すれば、従来の連結部材を用いた場合より、放熱性を大きく高めた半導体装置を得ることができる。連結棒（１３，１５）が樹脂等で封止された半導体モジュールの外部に配置される場合、発熱が大きい連結棒（１３，１５）の中央の周囲に配置された部材への熱の影響を抑制できる。また連結棒（１３，１５）が半導体モジュールの内部に配置される場合、充填剤であるゲルや樹脂等への高熱の伝達を抑制し、ゲル中の気泡や樹脂の溶融の発生等を防止できる。
（その他の実施の形態）
本発明は上記の開示した実施の形態によって説明したが、この開示の一部をなす論述及び図面は、本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかになると考えられるべきである。
例えば図１、図２及び図４に示した半導体装置では、放熱シート５の第２伝導部５ｂの形状は額縁状であったが、本発明に係る半導体装置では額縁状に限定されない。その他の実施の形態としては、放熱シート５の第２伝導部５ｂが複数の矩形の放熱シート断片を組み合わせて形成されてもよい。半導体チップ３の配置等を含む半導体装置の仕様や、動作時に生じる熱の分布の偏り具合に応じて、第２伝導部５ｂを第１伝導部５ａの周囲の端部の一部の領域に選択的に設けることができる。また接着剤１０ｂとしては熱圧着型が好適であるが、本発明に係る半導体装置では熱圧着型の接着剤１０ｂに限定されるものではない。
また裏面金属箔４を設けないで絶縁基板１の下面を放熱シート５に、接着剤１０ａを介して直接接合することもできる。直接接合する場合にははんだ等を用いないので、例えば絶縁基板１、表面金属箔２及び半導体チップ３で、半導体モジュール（１，２，３）を構成できる。裏面金属箔４を設けないことにより、余分な部材を削減し、半導体装置のコスト低減を図ることができる。
また例えば高出力のパワー半導体装置の場合、絶縁基板としてセラミック系の材料を主成分として用いる場合が多い。しかし裏面金属箔４を設けず、接着剤１０ａで絶縁基板１と放熱シート５を直接接合する場合、絶縁基板１の材料はセラミック系に限定されないため、材料選択の幅を広げることができる。
更に裏面金属箔４を設けない場合、接着剤１０ａに含まれる樹脂成分と、半導体モジュールの回路基板の絶縁基板１の樹脂成分とを同じに設定できる。例えば接着剤１０ａがエポキシ樹脂系を含み、絶縁基板１がエポキシ樹脂系を含めば、同じ素材どうしであることから接合部の接合性を高め、半導体装置の強度を高めることができる。
また本発明に係る半導体装置は、冷却装置６を必須の構成とすることなく、顧客等に提供できる。例えば図６に示したような半導体モジュール（１，２，３，４）に放熱シート５を取り付けた状態で顧客等へ納品し、顧客側で放熱シート５付きの半導体モジュール（１，２，３，４）を自ら用意したヒートシンク等の任意の冷却装置６に固定できる。放熱シート５のみを取り付けた状態で半導体装置を提供すれば、顧客側で任意の冷却装置を選択でき、顧客側の利便性を高めることができる。
また図１〜図１０では、半導体チップ３である半導体素子としてＩＧＢＴを例として説明したが、本発明はＩＧＢＴに限定されない。例えばＭＯＳＦＥＴ、ダイオード等でもよく、半導体モジュールに用いられ発熱する半導体素子であれば、種々の半導体素子が採用可能である。
以上のとおり本発明は、上記に記載していない様々な実施の形態等を含むとともに、本発明の技術的範囲は、上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
１ 絶縁基板
２ 表面金属箔
３ 半導体チップ
４ 裏面金属箔
５ 放熱シート
５ａ 第１伝導部
５ｂ 第２伝導部
６ 冷却装置
７ ケース
８ ボンディングワイヤー
９ａ，９ｂ 外部接続端子
１０ａ，１０ｂ 接着剤.
１１ 両面テープ
１１ａ 絶縁基体
１１ｂ 第１の粘着層
１１ｃ 第２の粘着層
１２ 加熱装置
１３ 連結棒本体
１５ 放熱シート
１６ 半導体モジュール
１７ 外部端子
１８ ケース
ｈ 高低差（反り量）
ｔｄ 両面テープの厚み
ｔｇ 第１伝導部の厚み

Claims (6)

  1. 回路基板の上に設けられた半導体チップを有する半導体モジュールと、
    前記半導体モジュールの前記半導体チップと反対側の面に接合する第１主面を有し厚み方向より第１主面に沿った方向の熱伝導率が高いシート状の第１伝導部、及び前記第１伝導部とは前記第１伝導部の端部にのみ接するように前記第１伝導部と前記第１主面に沿った方向に並んで設けられ前記第１主面と連続する第２主面を有し前記第２主面に沿った方向より厚み方向の熱伝導率が高いシート状の第２伝導部を有する放熱シートと、
    を備えることを特徴とする半導体装置。
  2. 回路基板の上に設けられた半導体チップを有する半導体モジュールと、
    前記半導体モジュールの前記半導体チップと反対側の面に接合する第１主面を有し厚み方向より第１主面に沿った方向の熱伝導率が高いシート状の第１伝導部、及び前記第１伝導部の端部に前記第１伝導部と並んで設けられ前記第１主面と連続する第２主面を有し前記第２主面に沿った方向より厚み方向の熱伝導率が高いシート状の第２伝導部を有する放熱シートと、を備え、
    前記第２伝導部は、前記第１伝導部の周りを囲む額縁状である
    ことを特徴とする半導体装置。
  3. 前記半導体モジュールと前記放熱シートの間、及び、前記放熱シートと前記放熱シートの前記半導体モジュールと反対側の面に設けられた冷却装置の間のうち少なくとも一方に熱圧着型の接着剤を含む接合層を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
  4. 前記回路基板は絶縁基板を有し、
    前記接着剤の主成分は樹脂材料であり、
    前記絶縁基板の主成分の樹脂材料と、前記接着剤の主成分の樹脂材料とが同じであることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
  5. 回路基板の上に半導体チップを搭載して半導体モジュールを組み立てる工程と、
    第１主面を有し厚み方向より第１主面に沿った方向の熱伝導率が高いシート状の第１伝導部、及び前記第１伝導部とは前記第１伝導部の端部にのみ接するように前記第１伝導部と前記第１主面に沿った方向に並んで設けられ前記第１主面と連続する第２主面を有し前記第２主面に沿った方向より厚み方向の熱伝導率が高いシート状の第２伝導部を有する放熱シートを用意する工程と、
    前記回路基板の前記半導体チップと反対側の面に、前記第１主面を配置し、前記回路基板の下面に、前記第１主面を前記回路基板に接合する工程と、
    を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  6. 回路基板の上に半導体チップを搭載して半導体モジュールを組み立てる工程と、
    第１主面を有し厚み方向より第１主面に沿った方向の熱伝導率が高いシート状の第１伝導部、及び前記第１伝導部の端部に前記第１伝導部と並んで設けられ前記第１主面と連続する第２主面を有し前記第２主面に沿った方向より厚み方向の熱伝導率が高いシート状の第２伝導部を有する放熱シートを用意する工程と、
    前記回路基板の前記半導体チップと反対側の面に、前記第１主面を配置し、前記回路基板の下面に、前記第１主面を前記回路基板に接合する工程と、を含み、
    前記第２伝導部は、前記第１伝導部の周りを囲む額縁状である
    ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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