JP7338738B2 - 半導体デバイスの製造方法、熱伝導シート、及び熱伝導シートの製造方法 - Google Patents
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- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
Description
<1> 150℃における圧縮応力が0.10MPaのときの圧縮弾性率が1.40MPa以下であり、25℃におけるタック力が5.0N・mm以上である熱伝導シートが間に配置された発熱体及び放熱体に対して、前記熱伝導シートの厚み方向に圧力をかけて、前記発熱体と前記放熱体とを前記熱伝導シートを介して接着させる工程を含む、半導体デバイスの製造方法。
<2> 定常法により測定される熱抵抗から求められる前記熱伝導シートの熱伝導率が7W/(m・K)以上である、<1>に記載の半導体デバイスの製造方法。
<3> 前記圧力が0.05MPa~10.00MPaである、<1>又は<2>に記載の半導体デバイスの製造方法。
<4> 前記圧力が0.10MPa~0.50MPaである、<3>に記載の半導体デバイスの製造方法。
<5> 前記発熱体が半導体チップであり、前記放熱体がヒートスプレッダである、<1>~<4>のいずれか1項に記載の半導体デバイスの製造方法。
<6> 前記発熱体の前記熱伝導シートと対向する面の面積が25mm2以上である、<1>~<5>のいずれか1項に記載の半導体デバイスの製造方法。
<7> 前記発熱体がヒートスプレッダを備える半導体パッケージであり、前記放熱体がヒートシンクである、<1>~<4>のいずれか1項に記載の半導体デバイスの製造方法。
<8> 前記発熱体が半導体モジュールである、<1>~<4>のいずれか1項に記載の半導体デバイスの製造方法。
<9> 前記発熱体の前記熱伝導シートと対向する面の面積が100mm2以上である、<1>~<8>のいずれか1項に記載の半導体デバイスの製造方法。
<10> 150℃における圧縮応力が0.10MPaのときの圧縮弾性率が1.40MPa以下であり、25℃におけるタック力が5.0N・mm以上であり、半導体デバイスの発熱体と放熱体との間に配置して前記発熱体と前記放熱体の接着に用いるための、熱伝導シート。
<11> 定常法により測定される熱抵抗から求められる熱伝導率が7W/(m・K)以上である、<10>に記載の熱伝導シート。
<12> 前記発熱体が半導体チップであり、前記放熱体がヒートスプレッダである、<10>又は<11>に記載の熱伝導シート。
<13> 前記発熱体がヒートスプレッダを備える半導体パッケージであり、前記放熱体がヒートシンクである、<10>又は<11>に記載の熱伝導シート。
<14> 前記発熱体が半導体モジュールである、<10>又は<11>に記載の熱伝導シート。
<15> 熱伝導シートが間に配置された発熱体及び放熱体に対して、前記熱伝導シートの厚み方向に加熱しながら圧力をかけて、前記発熱体と前記放熱体とを前記熱伝導シートを介して接着させるための熱伝導シートにおいて、前記熱伝導シートの圧縮量が下記式を満たすように、前記熱伝導シートの圧縮率及び厚みを選択することを含む、熱伝導シートの製造方法。
式:C>L2-L1
L1:加熱加圧時の前記発熱体の予測される反り量(μm)
L2:加熱加圧を終了した後、25℃まで冷却された際の前記発熱体の予測される反り量(μm)
C:加熱加圧条件下における前記熱伝導シートの予測される圧縮量(μm)
C=加圧前の熱伝導シートの厚み(μm)×加熱加圧条件下での圧縮率(%)
本開示において「~」を用いて示された数値範囲には、「~」の前後に記載される数値がそれぞれ最小値及び最大値として含まれる。
本開示中に段階的に記載されている数値範囲において、一つの数値範囲で記載された上限値又は下限値は、他の段階的な記載の数値範囲の上限値又は下限値に置き換えてもよい。また、本開示中に記載されている数値範囲において、その数値範囲の上限値又は下限値は、実施例に示されている値に置き換えてもよい。
本開示において各成分は該当する物質を複数種含んでいてもよい。組成物中に各成分に該当する物質が複数種存在する場合、各成分の含有率又は含有量は、特に断らない限り、組成物中に存在する当該複数種の物質の合計の含有率又は含有量を意味する。
本開示において各成分に該当する粒子は複数種含んでいてもよい。組成物中に各成分に該当する粒子が複数種存在する場合、各成分の粒径は、特に断らない限り、組成物中に存在する当該複数種の粒子の混合物についての値を意味する。
本開示において「層」との語には、当該層が存在する領域を観察したときに、当該領域の全体に形成されている場合に加え、当該領域の一部にのみ形成されている場合も含まれる。
本開示において「積層」との語は、層を積み重ねることを示し、二以上の層が結合されていてもよく、二以上の層が着脱可能であってもよい。
本開示において実施形態を図面を参照して説明する場合、当該実施形態の構成は図面に示された構成に限定されない。また、各図における部材の大きさは概念的なものであり、部材間の大きさの相対的な関係はこれに限定されない。
本開示の半導体デバイスの製造方法は、150℃における圧縮応力が0.10MPaのときの圧縮弾性率が1.40MPa以下であり、25℃におけるタック力が5.0N・mm以上である熱伝導シートが間に配置された発熱体及び放熱体に対して、前記熱伝導シートの厚み方向に圧力をかけて、前記発熱体と前記放熱体とを前記熱伝導シートを介して接着させる工程を含む。本開示の半導体デバイスの製造方法によれば、熱伝導シートの剥離が抑制され、放熱性に優れる半導体デバイスを製造することができる。
本開示における発熱体は、熱伝導シートを介して放熱体を接着して放熱させる対象物である。発熱体としては、半導体チップ、半導体パッケージ、自動車用パワーモジュール、産業用パワーモジュール等が挙げられる。なお、発熱体は必ずしも熱伝導シートが接する部材自体が発熱可能であるものを意味するものではない。例えば、熱伝導シートを後述のTIM2用途に用いる場合は、半導体パッケージに備えられるヒートスプレッダと熱伝導シートとが接するが、この場合、当該ヒートスプレッダを備える半導体パッケージを「発熱体」と表現する。
熱伝導シートを後述のTIM2用途に用いる場合には、発熱体の熱伝導シートと対向する面の面積は100mm2以上であってもよく、400mm2以上であってもよく、1000mm2以上であってもよい。発熱体の熱伝導シートと対向する面の面積は例えば40000mm2以下であってもよく、20000mm2以下であってもよく、5000mm2以下であってもよい。
熱伝導シートを後述のパワーデバイス用途に用いる場合には、発熱体の熱伝導シートと対向する面の面積は100mm2以上であってもよく、400mm2以上であってもよく、1000mm2以上であってもよい。発熱体の熱伝導シートと対向する面の面積は例えば40000mm2以下であってもよく、20000mm2以下であってもよく、5000mm2以下であってもよい。
本開示における放熱体は、熱伝導シートを介して発熱体を放熱させる部材である。放熱体としては、ヒートスプレッダ、ヒートシンク、水冷パイプ等が挙げられる。
本開示の熱伝導シートは、半導体デバイスの発熱体と放熱体との間に配置して発熱体と放熱体の接着に用いるシートである。本開示においてシートとは液状ではないシート状の製品を表し、液状のグリース等とは区別される。ここで液状とは25℃における粘度が1000Pa・s以下である物質を意味する。粘度は、25℃でレオメーターを用いて5.0s-1のせん断速度で測定したときの値と定義する。粘度は、せん断粘度として、コーンプレート(直径40mm、コーン角0°)を装着した回転式のせん断粘度計を用いて、温度25℃で測定される。
また、熱伝導材料としてシートを用いる場合には、発熱体の反り量の増大に伴い、シートの剥離が生じて所望の放熱性が得られない場合があった。しかしながら、本開示で用いられる熱伝導シートは、反り量の増大した半導体パッケージにおいても、反りに追従して発熱体と放熱体との十分な接着面積を維持することができる。これにより、優れた放熱特性を担保することができる。この理由は必ずしも明らかではないが、発熱体と放熱体の間に、上記特定の圧縮弾性率及びタック力を有する熱伝導シートを配置してプレスを行うと、熱伝導シートが十分に潰れるとともに、発熱体及び放熱体に熱伝導シートが十分に接着すると考えられる。このため、プレス後に反り量が変化しても、反りに追従して接着面積を維持できると考えられる。
熱伝導シートを10mm角に切り抜き、発熱体であるトランジスタ(2SC2233)と放熱体である銅ブロックとの間に挟み、トランジスタを80℃、0.14MPaの圧力で押し付けながら電流を通じた際のトランジスタの温度T1(℃)及び銅ブロックの温度T2(℃)を測定する。測定値と印加電力W1(W)に基づいて、単位面積(1cm2)当たりの熱抵抗値X(K・cm2/W)を以下のように算出する。
X=(T1-T2)×1/W1
さらに厚みt(μm)を用いて熱伝導率λ(W/(m・K))を以下のように算出する。
λ=(t×10-6)/(X×10-4)
熱伝導シートの「圧縮量」とは、熱伝導シートの厚み方向に圧力をかけたときの熱伝導シートの圧縮量であり、圧力をかける前の熱伝導シートの厚みから圧力をかけているときの熱伝導シートの厚みを減じた値である。
熱伝導シートの「圧縮率」とは、圧力をかける前の熱伝導シートの厚み(μm)に対する上記圧縮量(μm)の割合(%)である。
また、熱伝導シートの各成分を含有する組成物を用いて成形体を成形し、当該成形体をスライスすることによってシートを作製してもよい。このとき、熱伝導性フィラーが厚み方向に配向するように成形体をスライスすることが好ましい。
本開示における半導体デバイスの製造方法では、熱伝導シートが間に配置された発熱体及び放熱体に対して、前記熱伝導シートの厚み方向に圧力をかけて、前記発熱体と前記放熱体とを前記熱伝導シートを介して接着させる。
本開示において接着とは化学的若しくは物理的な力又はその両者によって複数の面が接している状態をいう。本開示における半導体デバイスの製造方法によれば、発熱体と熱伝導シート、放熱体と熱伝導シート、又はこれらの両者の接着面積を良好に維持できる傾向にある。発熱体と放熱体とを熱伝導シートを介して接着させて半導体デバイスを組み立てたときの接着面積は、発熱体又は放熱体の熱伝導シートに対向する面の面積のうち80%以上であることが好ましく、85%以上であることがより好ましく、90%以上であることがさらに好ましく、95%以上であることが特に好ましい。
1枚の熱伝導シートに対し、発熱体及び放熱体は各々1個であってもよく、発熱体又は放熱体のいずれか一方又は両方が複数であってもよい。
熱伝導シートをTIM1用途に使用する場合の反り量の測定方法の一例を、図2を用いて説明する。反り量は、以下のように、発熱体を搭載した基板の変形量に基づいて測定することができる。反り量の解析範囲は、基板側から見て発熱体が搭載されている部分(発熱体部分)aとする。発熱体部分aにおいて、基板の厚み方向の変形量が最も大きい部分と、発熱体の端との変位差を反り量bと定義する。
反り量が大きいほど、反り発生時に熱伝導シートが発熱体及び放熱体から剥離しやすくなる。本開示で用いられる熱伝導シートは、発熱体の反り量が大きくても、発熱体及び放熱体から剥がれることなく、接着面積を良好に維持できる傾向にある。
本開示の一実施形態において、熱伝導シートが間に配置された発熱体及び放熱体に対して、前記熱伝導シートの厚み方向に加熱しながら圧力をかけて、前記発熱体と前記放熱体とを前記熱伝導シートを介して接着させるための熱伝導シートにおいて、前記熱伝導シートの圧縮量が下記式を満たすように、前記熱伝導シートの圧縮率及び厚みを選択してもよい。
式:C>L2-L1
L1:加熱加圧時の前記発熱体の予測される反り量(μm)
L2:加熱加圧を終了した後、25℃まで冷却された際の前記発熱体の予測される反り量(μm)
C:加熱加圧条件下における前記熱伝導シートの予測される圧縮量(μm)
C=加圧前の熱伝導シートの厚み(μm)×加熱加圧条件下での圧縮率(%)
加熱加圧時の発熱体の予測される反り量(L1)は、例えば10μm以上であってもよく、20μm以上であってもよく、25μm以上であってもよい。また、加熱加圧時の発熱体の予測される反り量(L1)は80μm以下であってもよく、70μm以下であってもよく、60μm以下であってもよい。
加熱加圧条件下における熱伝導シートの予測される圧縮量(C)は、例えば、20μm~1000μmであってもよく、30μm~200μmであってもよく、40μm~100μmであってもよい。
測定には、恒温槽が付属している圧縮試験装置(INSTRON 5948 Micro Tester (INSTRON社))を用いた。熱伝導シートを直径14mmの円型に切り抜いて試験に用いた。熱伝導シートを0.1mm厚の紙(離型紙)に挟み、恒温槽の温度150℃において、熱伝導シートの厚み方向に対して0.1mm/minの変位速度で荷重を加え、変位(mm)と荷重(N)を測定した。変位(mm)/厚み(mm)で求められる歪み(無次元)を横軸に、荷重(N)/面積(mm2)で求められる応力(MPa)を縦軸に示し、応力が0.10MPaのときの傾きを圧縮弾性率(MPa)とした。また、任意の圧力まで圧縮した際の最大変位を圧縮量(μm)とした。
万能物性試験機(テクスチャーアナライザー(英弘精機株式会社))を用いて、25℃(常温)において、直径7mmのプローブを荷重40Nで熱伝導シートに押し当て10秒間保持した後、プローブを引き上げた際の荷重と変位曲線を積分して得られる面積をタック力(N・mm)とした。
熱伝導シートを10mm角に切り抜き、発熱体であるトランジスタ(2SC2233)と放熱体である銅ブロックとの間に挟み、トランジスタを80℃、0.14MPaの圧力で押し付けながら電流を通じた際のトランジスタの温度T1(℃)及び銅ブロックの温度T2(℃)を測定し、測定値と印加電力W1(W)から、単位面積(1cm2)当たりの熱抵抗値X(K・cm2/W)を以下のように算出した。
X=(T1-T2)×1/W1
さらに熱伝導率λ(W/(m・K))を熱抵抗値(K・cm2/W)及び厚みt(μm)を用いて以下のように算出した。
λ=(t×10-6)/(X×10-4)
反り量は3D加熱表面形状測定装置(サーモレイPS200、AKROMETRIX社)を用いて測定した。チップ面積部(20mm×20mm)に対応する基板の反り量を測定した。
パッケージの組み立て条件である150℃におけるチップ面積部の基板の反り量は29μmであった。また、組み立て後の25℃におけるチップ面積部の基板の反り量は75μmであった。よって上記反り量の差は46μmであった。
接着面積は以下のように評価した。超音波画像診断装置(Insight-300、インサイト株式会社)を用いて、反射法、35MHzの条件で貼り付き状態を観察した。さらに、その画像を画像解析ソフト(ImageJ)により2値化し、20mm角のチップ部分のうち、貼り付いている面積の割合を算出し、接着面積(%)とした。
基板にはMCL-E-700G(R)(厚み0.81mm、日立化成株式会社)、アンダーフィル材にはCEL-C-3730N-2(日立化成株式会社)、シール材にはシリコーン系接着剤(SE4450、東レ・ダウコーニング株式会社)を用いた。また、ヒートスプレッダには厚み1mmの銅板の表面にニッケルでメッキ処理したものを用いた。基板及びヒートスプレッダのサイズを45mm角、半導体チップサイズを20mm角とした。このとき、150℃、0.15MPaの圧力をかけているときの発熱体の反り量は29μmであり、圧力を開放した後、25℃まで冷却された際の発熱体の反り量は75μmであった。
150℃における圧縮応力が0.10MPaのときの圧縮弾性率が1.16MPaであり、25℃におけるタック力が7.6N・mm、熱伝導率が21W/(m・K)である日立化成株式会社製の厚み0.3mmの熱伝導シートを選択して、150℃、0.15MPaの条件において上記方法でパッケージを組み立て、熱伝導シートを発熱体である半導体チップと放熱体であるヒートスプレッダに接着させた。このとき、接着面積は99%であった。反り追従性の指標である接着面積が90%以上を示し、優れた反り追従性を示した。150℃、0.15MPa圧縮時の熱伝導シートの圧縮率は19%であり、熱伝導シートの圧縮量は57μmであった。
150℃における圧縮応力が0.10MPaのときの圧縮弾性率が1.16MPaであり、25℃におけるタック力が7.6N・mm、熱伝導率が18W/(m・K)である日立化成株式会社製の厚み0.2mmの熱伝導シートを選択して、150℃、0.15MPaの条件において上記方法でパッケージを組み立て、熱伝導シートを発熱体である半導体チップと放熱体であるヒートスプレッダに接着させた。このとき、接着面積は95%であった。反り追従性の指標である接着面積が90%以上を示し、優れた反り追従性を示した。150℃、0.15MPa圧縮時の熱伝導シートの圧縮率は21%であり、熱伝導シートの圧縮量は47μmであった。
150℃における圧縮応力が0.10MPaのときの圧縮弾性率が1.16MPaであり、25℃におけるタック力が7.6N・mm、熱伝導率が16W/(m・K)である日立化成株式会社製の厚み0.15mmの熱伝導シートを選択して、150℃、0.31MPaの条件において上記方法でパッケージを組み立て、熱伝導シートを発熱体である半導体チップと放熱体であるヒートスプレッダに接着させた。このとき、接着面積は90%であった。150℃、0.31MPa圧縮時の熱伝導シートの圧縮率は35%であり、熱伝導シートの圧縮量は52μmであった。
熱伝導材として、液状の熱伝導率2W/(m・K)のシリコングリース(サンワサプライ製、TK-P3K)を選択して、150℃、0.03MPaの条件において上記方法でパッケージを組み立て、発熱体である半導体チップと放熱体であるヒートスプレッダに接着させた。なお、液状のため、圧縮弾性率及び、タック力は測定できない。組み立て後のシリコングリースの厚みは40μmで、接着面積は63%であった。
150℃における圧縮応力が0.10MPaのときの圧縮弾性率が1.44MPaであり、25℃におけるタック力が7.2N・mm、熱伝導率が20W/(m・K)である日立化成株式会社製の厚み0.3mmの熱伝導シートを選択して、150℃、0.15MPaの条件において上記方法でパッケージを組み立て、熱伝導シートを発熱体である半導体チップと放熱体であるヒートスプレッダに接着させた。このとき、接着面積は72%であった。150℃、0.15MPa圧縮時の熱伝導シートの圧縮率は13%であり、熱伝導シートの圧縮量は40μmであった。
150℃における圧縮応力が0.10MPaのときの圧縮弾性率が1.73MPaであり、25℃におけるタック力が1.8N・mm、熱伝導率が23W/(m・K)である日立化成株式会社製の厚み0.3mmの熱伝導シートを選択して、150℃、0.15MPaの条件において上記方法でパッケージを組み立て、熱伝導シートを発熱体である半導体チップと放熱体であるヒートスプレッダに接着させた。このとき、接着面積は74%であった。150℃、0.15MPa圧縮時の熱伝導シートの圧縮率は13%であり、熱伝導シートの圧縮量は44μmであった。
<比較例4>
150℃における圧縮応力が0.10MPaのときの圧縮弾性率が1.35MPaであり、25℃におけるタック力が3.8N・mm、熱伝導率が18W/(m・K)である日立化成株式会社製の厚み0.3mmの熱伝導シートを選択して、150℃、0.15MPaの条件において上記方法でパッケージを組み立て、熱伝導シートを発熱体である半導体チップと放熱体であるヒートスプレッダに接着させた。このとき、接着面積は78%であった。150℃、0.15MPa圧縮時の熱伝導シートの圧縮率は16%であり、熱伝導シートの圧縮量は48μmであった。
2 半導体チップ(発熱体)
3 ヒートスプレッダ(放熱体)
4 基板
5 アンダーフィル材
6 シール材
a 発熱体部分(解析範囲)
b 反り量
Claims (12)
- 熱伝導シートが間に配置された発熱体及び放熱体に対して、前記熱伝導シートの厚み方向に加熱しながら圧力をかけて、前記発熱体と前記放熱体とを前記熱伝導シートを介して接着させるための熱伝導シートにおいて、前記熱伝導シートの圧縮量が下記式を満たすように、前記熱伝導シートの圧縮率及び厚みを選択することを含む、熱伝導シートの製造方法であって、前記熱伝導シートの、150℃における圧縮応力が0.10MPaのときの圧縮弾性率が0.50MPa以上である、熱伝導シートの製造方法。
式:C>L2-L1
L1:加熱加圧時の前記発熱体の予測される反り量(μm)
L2:加熱加圧を終了した後、25℃まで冷却された際の前記発熱体の予測される反り量(μm)
C:加熱加圧条件下における前記熱伝導シートの予測される圧縮量(μm)
C=加圧前の熱伝導シートの厚み(μm)×加熱加圧条件下での圧縮率(%) - 前記L2-L1が30μm以上である、請求項1に記載の熱伝導シートの製造方法。
- 前記Cが20μm~1000μmである、請求項1又は請求項2に記載の熱伝導シートの製造方法。
- 前記加圧前の熱伝導シートの厚みが、50μm~3000μmである、請求項1~請求項3のいずれか1項に記載の熱伝導シートの製造方法。
- 前記加熱加圧条件下での圧縮率が、10%~60%である、請求項1~請求項4のいずれか1項に記載の熱伝導シートの製造方法。
- 前記熱伝導シートの、150℃における圧縮応力が0.10MPaのときの圧縮弾性率が0.50MPa以上1.40MPa以下であり、25℃におけるタック力が5.0N・mm以上である、請求項1~請求項5のいずれか1項に記載の熱伝導シートの製造方法。
- 前記熱伝導シートが樹脂を含み、前記樹脂が非硬化性樹脂である、請求項1~請求項6のいずれか1項に記載の熱伝導シートの製造方法。
- 定常法により測定される熱抵抗から求められる前記熱伝導シートの熱伝導率が7W/(m・K)以上である、請求項1~請求項7のいずれか1項に記載の熱伝導シートの製造方法。
- 前記発熱体が半導体チップであり、前記放熱体がヒートスプレッダである、請求項1~請求項8のいずれか1項に記載の熱伝導シートの製造方法。
- 前記発熱体がヒートスプレッダを備える半導体パッケージであり、前記放熱体がヒートシンクである、請求項1~請求項8のいずれか1項に記載の熱伝導シートの製造方法。
- 前記発熱体が半導体モジュールである、請求項1~請求項8のいずれか1項に記載の熱伝導シートの製造方法。
- 請求項1~請求項11のいずれか1項に記載の製造方法により製造された熱伝導シートが間に配置された発熱体及び放熱体に対して、前記熱伝導シートの厚み方向に圧力をかけて、前記発熱体と前記放熱体とを前記熱伝導シートを介して接着させる工程を含む、半導体デバイスの製造方法。
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