WO2015141384A1 - 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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hardened layer
insulating
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齋藤　隆
遼一 加藤
西村　芳孝
文彦 百瀬
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富士電機株式会社
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    • H01L2924/3511—Warping

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor device such as a semiconductor device mounted on a power converter or the like and a method for manufacturing the semiconductor device.
  • FIG. 1 A cross-sectional view of a conventional semiconductor device is shown in FIG.
  • the semiconductor chip 6 mounted on the semiconductor device there are an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), MOSFET, (MOS field effect transistor), FWD (Free Wheeling Diode) and the like.
  • IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
  • MOSFET MOSFET
  • FWD Free Wheeling Diode
  • the semiconductor device on which the IGBT is mounted is referred to as an IGBT device.
  • an IGBT device will be described as an example of a semiconductor device.
  • Insulating circuit board 4 having a small linear expansion coefficient (linear expansion coefficient of ceramic substrate: 4.6 to 7.3 ⁇ 10 ⁇ 6 K ⁇ 1 ) and metal plate 3 having a large linear expansion coefficient (linear expansion coefficient of copper: 16. This is because the main surface of 6 ⁇ 10 ⁇ 6 K ⁇ 1 ) is joined at a high temperature via the solder 5, so that when it returns to room temperature, it bends to the side with a larger linear expansion coefficient.
  • Patent Document 1 discloses that the back surface of the metal plate opposite to the surface to which the insulating circuit substrate is bonded is subjected to shot peening treatment to warp in a concave shape. A method of flattening a metal plate is disclosed.
  • Patent Document 2 discloses a metal-ceramic bonding substrate in which a metal circuit board is bonded to one surface of a ceramic substrate and one surface of the heat dissipation plate is bonded to the other surface. A method is described in which a metal-ceramic bonding substrate having a work hardened layer on its surface prevents the back surface from greatly warping even when heated for soldering.
  • JP 2006-332084 A (Summary, Claim 1, FIG. 6) Japanese Patent No. 3971296 (paragraph 0011, FIGS. 1 to 3)
  • the metal plate is likely to warp due to a difference in linear expansion coefficient between assembly parts.
  • the metal plate has a warp as shown in FIG. An air gap is formed between the surface of the cooler.
  • the gap due to the warp of the metal plate (referred to as a concave warp or a negative warp) is difficult to be eliminated even if a bolt is inserted into a hole provided around the metal plate and tightened with the bolt. There was a problem that heat dissipation was reduced.
  • FIG. 7C In order to prevent the negative warpage of the metal plate in the semiconductor device, as shown in FIG. 7C, a positive warpage that warps in the opposite direction to the negative warp is given to the metal plate as an initial warp in advance.
  • FIG. 7D there is known a method of forming a flat or weakly warped metal plate after the soldering process.
  • the correction method of the normal warp shown in (c) and (d) when a metal plate having an initial warp is used, there is a gap between the metal plate and the insulating circuit board. There is a problem that it tends to decrease.
  • insulating substrates mainly composed of aluminum nitride or silicon nitride will be widely used in the future.
  • the thermal conductivity is better than that of the substrate, the linear expansion coefficient is small, and the difference in linear expansion coefficient with the metal plate is large, so that the amount of warpage of the metal plate tends to further increase.
  • the inventor found that in a semiconductor device in which one insulating circuit board was soldered to one surface of a metal plate, the metal plate was bent as a whole, and a plurality of insulating circuit boards were soldered.
  • the present inventors have found an unknown technical problem that a complicated warpage occurs in a semiconductor device.
  • the back surface regions (4a to 4f) where the plurality of insulated circuit boards are arranged are indicated by the contour lines of the metal plate 3 indicated by dotted lines in FIG. 8 (b). It showed in.
  • local warping occurs in each place where a plurality of insulated circuit boards are arranged.
  • the phenomenon of local warpage in the metal plate corresponding to the insulation circuit board and the metal plate warping may interfere with the spread of the heat dissipation grease or cause a thick portion of the heat dissipation grease to dissipate heat. Sex worsens.
  • an object of the present invention is to provide a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device that can reduce not only warpage of the entire metal plate joined to the cooler but also local warpage caused by joining a plurality of insulated circuit boards. Is to provide.
  • a semiconductor device includes an insulating substrate, a circuit unit connected to a semiconductor element on the front surface of the insulating substrate, and a plurality of insulating units each including a metal unit on the back surface of the insulating substrate.
  • a semiconductor device comprising a circuit board, a metal plate that is larger than the insulated circuit board and is joined to the metal portion of the plurality of insulated circuit boards, and a joining member that joins the insulated circuit board and the metal plate.
  • the metal plate has a first region corresponding to the arrangement of the metal portion on the back surface of the metal plate, the insulating circuit board being spaced apart from each other on the front surface of the metal plate. And a second region excluding the first region, and a surface work hardened layer is provided on at least a part of the surface of the first region, and the second region is different from the hardness of the surface work hardened layer. It is characterized by that.
  • the present invention by forming a surface work hardened layer on at least a part of the first region corresponding to each insulated circuit board position of the metal plate having a plurality of insulated circuit boards, only warpage of the entire metal plate is achieved. In addition, local negative warpage of the metal plate can be prevented, the gap between the metal plate and the cooler can be narrowed, and heat dissipation can be improved.
  • the surface work hardened layer extends over the plurality of first regions.
  • the direction in which the surface work hardened layer extends across the plurality of first regions is a direction in which the width of the metal plate is short.
  • the amount of warpage in the first region is preferably 50 ⁇ m or less.
  • the amount of warpage means the difference in elevation between the center of the curved surface and the edge.
  • the local warpage of the first region can be suppressed, the gap between the metal plate and the cooler can be narrowed, and the heat dissipation can be improved.
  • the area of the surface work hardened layer in the first region is preferably 30% or more of the area of the first region.
  • the amount of local warpage of the first region can be suppressed to 50 ⁇ m or less.
  • the material of the insulating substrate is preferably composed mainly of aluminum oxide, aluminum nitride, or silicon nitride.
  • the metal plate is a heat dissipation plate for cooling the semiconductor element.
  • a method of manufacturing a semiconductor device includes an insulating substrate, a circuit portion connected to a semiconductor element on a front surface of the insulating substrate, a plurality of insulating circuit substrates including a metal portion on the back surface of the insulating substrate, A first area corresponding to the arrangement of the metal portion on the back surface, and a second area excluding the first area, the insulating circuit board being larger than the insulating circuit board and spaced apart from each other on the front surface;
  • a method of manufacturing a semiconductor device comprising a metal plate provided with a region and a joining member that joins the insulating circuit substrate and the metal plate, at least a part of the first region of the back surface of the metal plate is provided.
  • the surface work hardened layer is formed in at least a part of the first region, the local negative warpage of the metal plate is prevented, the gap between the metal plate and the cooler is narrowed, and the heat dissipation is improved. Can be improved.
  • the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention it is preferable to include a step of heat-treating the semiconductor device after forming the surface work hardened layer.
  • the heat treatment is preferably performed at a heating temperature of 60 ° C. or higher and 175 ° C. or lower.
  • a cooling process is performed after the heating process, and the heating process and the cooling process are alternately repeated.
  • the number of cycles of the heat treatment and the cooling treatment is preferably 1 cycle or more.
  • the heat treatment is preferably performed at 150 ° C.
  • the cooling treatment is preferably performed at ⁇ 40 ° C.
  • the present invention by forming a surface work hardened layer on at least a part of the first region corresponding to each insulated circuit board position of the metal plate having a plurality of insulated circuit boards, only warpage of the entire metal plate is achieved. In addition, local negative warpage of the metal plate can be prevented, the gap between the metal plate and the cooler can be narrowed, and heat dissipation can be improved.
  • FIG. 3 is an enlarged view of FIG. It is a cross-sectional schematic diagram for demonstrating the shot peening process concerning a prior art. It is a cross-sectional schematic diagram for demonstrating the shot peening process based on this invention. It is sectional drawing of a common semiconductor device. It is a cross-sectional schematic diagram for demonstrating the curvature of the metal plate of a semiconductor device. It is a contour map which shows an example of the curvature of the metal plate which concerns on a semiconductor device of a prior art.
  • FIG. 1 schematically shows a cross-sectional view showing a state in which a semiconductor device according to the present invention is attached to a cooler 1.
  • a semiconductor device 100 is mounted on the cooler 1 via heat radiation grease 2.
  • the semiconductor device 100 includes a metal plate 20, a semiconductor device structure 30, external terminals 8, and a terminal case 9 that accommodates these, and the terminal case 9 is filled with a sealing resin 10.
  • the semiconductor device structure 30 includes a semiconductor chip 6 such as IGBT, MOSFET, FWD, and an insulating circuit substrate 21 in which a circuit portion 25 is disposed on the front surface of the insulating substrate 7 and a metal portion 26 is disposed on the back surface.
  • the back surface of the semiconductor chip 6 is joined to the circuit portion 25 of the insulating circuit board 21 via the solder 5.
  • the electrode on the front surface side of the semiconductor chip 6 is electrically connected to the external terminal 8 by a bonding wire (not shown).
  • the material of the insulating substrate 7 is preferably a material such as aluminum oxide, aluminum nitride, or silicon nitride that is excellent in heat conduction.
  • the circuit portion 25 and the metal portion 26 are made of a highly conductive metal such as a copper plate or copper foil as a main material. It is desirable to do.
  • a plurality of semiconductor device structures 30 are arranged on the metal plate 20 so as to be separated from each other, and the metal portion 26 of the insulating circuit board 21 is soldered to the metal plate 20.
  • the arrangement of the semiconductor device structures 30 is not particularly limited. In FIG. 1, six semiconductor device structures 30 are arranged in a row at intervals, but the number of metal portions 26 of the insulating circuit board 21 is, for example, three They can be arranged in two rows at intervals. Furthermore, when there are many numbers, it can also arrange in a different arrangement
  • a region corresponding to the arrangement of the metal portion 26 of the insulating circuit board 21 is defined as a first region.
  • One region 13 is used, and a region excluding the first region 13 is a second region 14.
  • the surface work hardened layer 11 is formed in at least a part of the first region 13, and the second region 14 is different from the hardness of the surface work hardened layer 11.
  • the effect of the surface work hardened layer 11 is to reduce local negative warpage in the first region 13.
  • the formation method of the surface work hardening layer 11 is not specifically limited, For example, it can form by the shot peening process etc. which are mentioned later.
  • the surface work hardened layer 11 is drawn in the same shape and size as the first region 13, but in another embodiment, the surface work hardened layer 11 is partially formed inside the first region 13. In another embodiment, the surface work hardened layer 11 may be formed so as to extend across a plurality of the first regions 13. For example, within the allowable range of warpage, the region where the surface work hardened layer 11 is formed may be a simplified pattern including a plurality of first regions 13. Since the warpage is small in the direction in which the width of the metal plate 20 is short, the direction in which the surface work hardened layer 11 extends across the first region 13 is preferably the direction in which the width of the metal plate 20 is short.
  • the local warpage amount (the difference in elevation between the center of the curved surface and the edge) in the first region 13 of the metal plate 20 is 50 ⁇ m or less. Therefore, the area of the surface work hardened layer 11 in the first region 13 is preferably 30% or more of the area of the first region 13.
  • FIG. 5 schematically shows a cross section of a semiconductor device that is subjected to shot peening processing in order to form the surface work hardened layer 11 in the first region 13 of the metal plate 20.
  • a plurality of insulating circuit boards 21 are arranged on a flat metal plate 20 that has not been warped in advance, the semiconductor chip 6, the insulating circuit board 21 and the metal plate 20 are connected by solder 5, The semiconductor chips 6 and the semiconductor chips 6 and external terminals (not shown) are wire-bonded, accommodated in a terminal case (not shown), and filled with a sealing resin (not shown) to complete the semiconductor module. Then, the region not to be treated is covered with a mask 12 so that the surface work hardened layer 11 can be selectively formed on the surface of the metal plate 20.
  • the material of the mask is not particularly limited, and for example, a resist mask or a metal mask can be used.
  • a shot material 27 obtained by kinetic energy by the ultrasonic vibration device 28 is strongly struck on the unmasked exposed surface of the metal plate 20 to compress the surface layer.
  • a method of forming a surface work hardened layer 11 in which stress is maintained is illustrated.
  • the shot material 27 is not particularly limited, and for example, metal particles, ceramic particles, glass particles having an average particle diameter of about 1 to 3 mm can be used.
  • the method of giving kinetic energy to the shot material 27 is not particularly limited, and other than the ultrasonic vibration device, a method of mixing and blowing the pressure airflow and the shot material 27 may be used.
  • the surface work hardened layer 11 having a thickness of several ⁇ m to several hundreds ⁇ m is formed on the surface of the lower surface of the metal plate 20, and the hardness between the formed surface work hardened layer 11 and the inside of the metal plate 20. Due to the difference, compressive stress is generated so that the surface work hardened layer 11 side becomes convex, so that the metal plate 20 is warped as a whole, and local negative warpage is reduced in the first region 13. .
  • the difference from the conventional shot peening process is not a method of processing the entire surface of the metal plate 20, but the mask 12 is formed so that the surface work hardened layer 11 is selectively formed on at least a part of the first region 13. It is used.
  • the negative warpage of the first region 13 corresponding to the insulated circuit board 21 cannot be improved only by performing the shot peening process on the entire surface of the metal plate 20. The reason is considered that local unevenness of the metal plate 20 is warped by the same amount in the same direction due to the entire surface shot peening.
  • the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention it is possible to selectively perform shot peening and reduce local negative warpage at the place where the insulating circuit substrate 21 is disposed. It is not necessary to use the metal plate 20 provided with Therefore, since the metal plate 20 such as copper having no initial warp can be used, the yield rate of the soldering process is improved.
  • the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention can include heat treatment of the semiconductor device after the surface work hardened layer 11 is formed on the metal plate 20, and can relieve stress at the solder joints when the semiconductor device is used. The change with time of the warpage amount of the metal plate can be suppressed.
  • the heat treatment is preferably performed at a temperature at which the solder does not melt, and the heating temperature is preferably 60 ° C. or higher and 175 ° C. or lower. In this temperature range, the change with time of the warpage amount of the metal plate 20 can be effectively suppressed.
  • the heat treatment may be a heat treatment for keeping the semiconductor device at a constant temperature, or may be a heat cooling treatment in which the heat treatment and the cooling treatment are alternately repeated. It is desirable to repeat the heating and cooling treatment until the warpage amount of the metal plate 20 is saturated.
  • the warpage of the metal plate can be largely controlled to the forward warpage side, the coefficient of linear expansion is smaller than that of the insulating circuit substrate having an insulating substrate mainly composed of alumina, but the heat conduction. Since an insulating circuit substrate having an insulating substrate whose main component is aluminum nitride or silicon nitride having a higher rate can be applied, the semiconductor device can be reduced in size and weight. Furthermore, since the metal plate can be warped, and negative warp in each region of the opposite metal plate corresponding to each position in the plurality of insulated circuit boards can be reduced. The wetting and spreading property of the resin is improved, and it becomes possible to further reduce the thickness of the heat dissipating grease, thereby improving the heat dissipating property.
  • Example 1 A test sample in which six insulating circuit boards 21 are arranged on a metal plate 20 made of copper as shown in FIG. 5 (as shown in FIG. 8B in plan view) is manufactured, and then the insulating circuit board is prepared. A region other than the first region 13 corresponding to 21 was covered with a resist mask and selectively shot peened, and then the warpage value was measured with a 3D laser displacement meter.
  • the warpage amount in the longitudinal direction (the difference in elevation between the center of the curved surface and the edge) shown in FIG. 2A is a positive warp amount of 500 ⁇ m as a whole, and is locally localized due to the influence of the insulating circuit board 21. Warping has been almost eliminated.
  • FIG. 3 is an enlarged view of FIG.
  • FIG. 9A A test sample was prepared in the same procedure as in Example 1, and the warp value was measured with a 3D laser displacement meter as it was without performing shot peening.
  • the warp in the longitudinal direction shown in FIG. 9A is a positive warp amount of about 200 ⁇ m as a whole, and locally a negative warp amount of about 50 ⁇ m due to the influence of the insulating circuit board 21. Yes.
  • the warp in the short direction shown in FIG. 9B is a positive warp amount of about 100 ⁇ m as a whole, and a negative warp amount of about 50 ⁇ m locally due to the influence of the insulating circuit board 21. It has become.
  • FIG. 10 is an enlarged view of FIG.
  • FIG. 11A A test sample was prepared in the same procedure as in Example 1, and then subjected to shot peening treatment over the entire surface of the metal plate 20, and then the warpage value was measured with a 3D laser displacement meter.
  • the warp in the longitudinal direction shown in FIG. 11A is a positive warp amount of about 600 ⁇ m as a whole, and locally a negative warp amount of about 30 ⁇ m due to the influence of the insulating circuit board 21. Yes.
  • the warp in the short direction shown in FIG. 11B is a total warp amount of 200 ⁇ m as a whole, and there is no local warp due to the influence of the insulating circuit board 21.
  • FIG. 12 is an enlarged view of FIG.
  • the local negative warpage corresponding to the insulating circuit board 21 can be improved only to about half of the case where the shot peening process is not performed. It was. According to the selective shot peening process of the present invention, local negative warping can be almost eliminated. According to the present invention, the overall normal warpage increases, but this is not a problem because the four corners of the metal plate 20 can be bolted to the cooler 1 to be in close contact.
  • FIG. 13 is a diagram showing the amount of change in the warp value of the metal plate 20 when the temperature is returned to room temperature (25 ° C.) after the heat treatment only once at each temperature.
  • the heating time was 1 hour.
  • a value obtained by subtracting the minimum value from the maximum value of the warp value of the metal plate 20 at room temperature (25 ° C.), and a value obtained by subtracting the minimum value from the maximum value of the warp value at each temperature (125 ° C., 150 ° C., 175 ° C.) was the amount of change in the warp value.
  • the semiconductor can be obtained by performing heat treatment in the range of 60 ° C. or more and 175 ° C. or less.
  • the increase in the warp value of the metal plate 20 after the device is activated can be suppressed within an allowable range.
  • the warpage of the metal plate 20 is stable, so that the partial warpage can be suppressed and the amount of warpage of the semiconductor device fixed with a bolt to the cooler increases during operation.
  • the distribution of the heat dissipation grease can be prevented from changing during the operation of the semiconductor device and the uniformity of heat dissipation can be prevented.

Abstract

　本発明の目的は、冷却器に接合される金属板全体の反りだけでなく、複数枚の絶縁回路基板を接合することによって生じる局部的な反りも低減された半導体装置及び半導体装置の製造方法を提供することである。　金属板２０の片面に複数の絶縁回路基板２１が互いに離間してはんだ接合された半導体装置において、金属板２０の絶縁回路基板２１を配置した面とは反対側の面に、絶縁回路基板２１を金属部２６の配置に対応する第一領域１３を備え、第一領域１３の少なくとも一部に表面加工硬化層１１を備えている。表面加工硬化層１１の圧縮応力によって絶縁回路基板２１と金属板２０との熱膨張差による局所的な反りを低減する。

Description

半導体装置及び半導体装置の製造方法
　本発明は、電力変換装置などに搭載される半導体装置などの半導体装置及び半導体装置の製造方法に関する。
　従来の半導体装置の断面図を図６に示す。この半導体装置に搭載される半導体チップ６としてＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）、ＭＯＳＦＥＴ、（ＭＯＳ型電界効果トランジスタ）、ＦＷＤ（フリーホイーリングダイオード）などがある。ＩＧＢＴが搭載された半導体装置を以降ＩＧＢＴ装置と称する。以下、半導体装置として、ＩＧＢＴ装置を例に取り上げて説明する。
　ＩＧＢＴ装置を組み立てるために、絶縁回路基板４（ＤＣＢ基板：Ｄｉｒｅｃｔ　Ｃｏｐｐｅｒ　Ｂｏｎｄｉｎｇ基板）と金属板３をはんだ５によって接合する際に、絶縁回路基板４と金属板３との線膨張係数の差が大きいので、図７（ａ）のはんだ付け前の平坦な形状に対して、図７（ｂ）に示すように、はんだ付けプロセス後は、はんだ付けされた絶縁回路基板４とは反対側の金属板３の裏面の中央が底部となる凹状に反る現象が避けられない。線膨張係数が小さい絶縁回路基板４（セラミックス基板の線膨張係数：４．６～７．３×１０－６Ｋ－１）と線膨張係数が大きい金属板３（銅の線膨張係数：１６．６×１０－６Ｋ－１）の主面がはんだ５を介して高温で接合されるために、室温に戻った時に、線膨張係数の大きい側に曲がるためである。
　このような半導体装置における金属板の反りの問題に関して、特許文献１には、絶縁回路基板が接合されている面とは反対側の金属板の裏面にショットピーニング処理を行うことにより、凹状に反った金属板を平坦にする方法が開示されている。
　また、特許文献２には、セラミックス基板の一方の面に金属回路板が接合されているとともに他方の面に放熱板の一方の面が接合された金属―セラミックス接合基板において、放熱板の他方の面に加工硬化層を有する金属―セラミックス接合基板とすることにより、はんだ付けのために加熱しても裏面が大きく凹状に反ることを防ぐ方法が記載されている。
特開２００６－３３２０８４号公報（要約、請求項1、図６） 特許第３９７１２９６号公報（段落００１１、図１～３）
　前述のように、半導体装置では、組み立て部品間の線膨張係数差に起因して金属板に反りが生じ易い。凹状の反りがある金属板を備える半導体装置を冷却器の平坦面に放熱グリスを介して取り付ける場合、図７（ｂ）に示すように金属板に反りがあるため、金属板の中央近辺と、冷却器の表面との間に空隙が生じる。この金属板の反り（凹状反りまたは負反りと称する）に起因する前記空隙は、金属板の周辺に設けられた孔にボルトを挿通し、ボルトで締め付けたとしても、解消され難く、半導体装置の放熱性が低下するという問題があった。
　また、半導体装置における金属板の負反りを防止するために、予め、図７（ｃ）に示すように、負反りとは反対側へ反る正反りを初期反りとして金属板に与えておき、図７（ｄ）に示すように、はんだ付けプロセス後に平坦な、または弱い正反りの金属板とする方法が知られている。この（ｃ）、（ｄ）に示す正反りの修正方法には、初期反りのある金属板を使うと、金属板と絶縁回路基板との間に間隙があるために、はんだ付けの良品率が低下しやすいという問題がある。
　また、市場からは放熱特性に優れ小型軽量の半導体装置が求められていることから、窒化アルミニウムまたは窒化シリコンなどを主成分材料とする絶縁基板は今後多用されるようになるが、従来のアルミナ絶縁基板よりも熱伝導性はよいが線膨張係数は小さく、金属板との線膨張係数差が大きいことから、金属板の反り量はさらに増加していく傾向にある。
　また、発明者は、金属板の一方の面に一枚の絶縁回路基板がはんだ接合された半導体装置では金属板が全体でひとつに湾曲していたところ、複数枚の絶縁回路基板がはんだ接合された半導体装置では、複雑な反りが生じるという、未だ知られていない技術課題を見出した。例えば、図８（ａ）に、複数の絶縁回路基板が配置された場所の裏面領域（４ａ～４ｆ）が図８（ｂ）に点線で示されている金属板３について、その反り量を等高線で示した。同図に示されるように、複数の絶縁回路基板が配置された場所ごとに、それぞれ局部的な反りが生じている。
　金属板全体の反りや、絶縁回路基板に対応して金属板に局所的に凹部が形成される現象は、放熱グリスの行き亘りを阻害したり、放熱グリスの厚い部分が生じたりして、放熱性が悪化する。
　よって、本発明の目的は、冷却器に接合される金属板全体の反りだけでなく、複数枚の絶縁回路基板を接合することによって生じる局部的な反りも低減できる半導体装置及び半導体装置の製造方法を提供することにある。
　上記目的を達成するために、本発明の半導体装置は、絶縁基板、前記絶縁基板のおもて面に半導体素子と接続された回路部、前記絶縁基板の裏面に金属部を備えた複数の絶縁回路基板と、前記絶縁回路基板より大きく、かつ、前記複数の絶縁回路基板の前記金属部に接合される金属板と、前記絶縁回路基板と前記金属板とを接合する接合部材とを備える半導体装置において、前記金属板は、前記金属板のおもて面に前記絶縁回路基板が互いに離間して配置されており、かつ、前記金属板の裏面に前記金属部の配置に対応する第一領域と、前記第一領域を除く第二領域とを備え、前記第一領域の少なくとも一部の表面には、表面加工硬化層を備え、前記第二領域は、前記表面加工硬化層の硬度とは異なることを特徴とする。
　本発明によれば、複数の絶縁回路基板を有する金属板の、それぞれの絶縁回路基板位置に対応する第一領域の少なくとも一部に表面加工硬化層を形成することにより、金属板全体の反りだけでなく、金属板の局所的な負反りを防止して金属板と冷却器との隙間を狭くし、放熱性を向上させることができる。
　本発明の半導体装置において、前記表面加工硬化層が、複数の前記第一領域に跨って延在されていることが好ましい。
　また、本発明の半導体装置において、前記表面加工硬化層が複数の前記第一領域に跨って延在された方向は、前記金属板の幅が短い方向とすることが好ましい。
　上記態様によれば、複数の第一領域を包含する、単純なパターン形状の表面加工硬化層を形成することができる。
　本発明の半導体装置において、前記第一領域内の反り量は、５０μｍ以下であることが好ましい。ここで、反り量とは、曲面の中央と縁の標高差のことを意味する。
　上記態様によれば、第一領域の局所的な反りを抑制して、金属板と冷却器との隙間を狭くし、放熱性を向上させることができる。
　本発明の半導体装置において、前記第一領域内における前記表面加工硬化層の面積は、前記第一領域の面積の３０％以上であることが好ましい。
　上記態様によれば、第一領域の局所的な反り量が５０μｍ以下となるように抑制することができる。
　本発明の半導体装置において、前記絶縁基板の材質は、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム又は窒化シリコンを主成分とすることが好ましい。
　上記態様によれば、絶縁基板の熱伝導率を高めることによって小さな放熱面積でも十分放熱できるため、装置を小型化することができる。
　本発明の半導体装置において、前記金属板は、前記半導体素子を冷却するための放熱板であることが好ましい。
　本発明の半導体装置の製造方法は、絶縁基板、前記絶縁基板のおもて面に半導体素子と接続された回路部、前記絶縁基板の裏面に金属部を備えた複数の絶縁回路基板と、前記絶縁回路基板より大きく、かつ、おもて面に前記絶縁回路基板が互いに離間して配置され、かつ、裏面に前記金属部の配置に対応する第一領域と、前記第一領域を除く第二領域とを備えた金属板と、前記絶縁回路基板と前記金属板とを接合する接合部材とを備える半導体装置の製造方法において、前記金属板の裏面の内、前記第一領域の少なくとも一部を除いてマスクを形成する工程と、前記第一領域の前記マスクを形成されなかった領域にショットピーニング処理によって表面加工硬化層を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
　本発明によれば、第一領域の少なくとも一部に表面加工硬化層が形成され、金属板の局所的な負反りを防止し、金属板と冷却器との隙間を狭くして、放熱性を向上させることができる。
　本発明の半導体装置の製造方法において、前記表面加工硬化層を形成した後に、前記半導体装置を加熱処理する工程を含むことが好ましい。
　上記態様によれば、半導体装置の使用時における金属板の反り量の経時変化を抑制することができる。
　本発明の半導体装置の製造方法において、前記加熱処理は、加熱温度が６０℃以上１７５℃以下であることが好ましい。
　上記態様によれば、６０℃以上１７５℃以下で使用する半導体装置において、金属板の反り量の経時変化を効果的に抑制することができる。
　本発明の半導体装置の製造方法において、前記加熱処理後に冷却処理を行い、前記加熱処理および冷却処理を交互に繰り返すことが好ましい。
　本発明の半導体装置の製造方法において、前記加熱処理および前記冷却処理のサイクル数は、１サイクル以上であることが好ましい。
　本発明の半導体装置の製造方法において、前記加熱処理は１５０℃で行い、前記冷却処理は－４０℃で行うことが好ましい。
　本発明によれば、複数の絶縁回路基板を有する金属板の、それぞれの絶縁回路基板位置に対応する第一領域の少なくとも一部に表面加工硬化層を形成することにより、金属板全体の反りだけでなく、金属板の局所的な負反りを防止して金属板と冷却器との隙間を狭くし、放熱性を向上させることができる。
本発明に係る半導体装置の一実施形態をあらわす断面模式図である。 本発明の半導体装置に係る金属板の反り値の分布の一例を示す図である。 図２（ａ）の拡大図である。 従来技術に係るショットピーニング処理を説明するための断面模式図である。 本発明に係るショットピーニング処理を説明するための断面模式図である。 一般的な半導体装置の断面図である。 半導体装置の金属板の反りを説明するための断面模式図である。 従来技術の半導体装置に係る金属板の反りの一例を示す等高線図である。 従来技術に係る金属板の反り値の分布の一例を示す図である。 図９（ａ）の拡大図である。 従来技術に係る金属板の反り値の分布の他の例を示す図である。 図１１（ａ）の拡大図である。 本発明に係る半導体装置の加熱試験における加熱温度に対する反り値の変化量を示す図である。 本発明に係る半導体装置の加熱冷却試験における加熱冷却サイクル数に対する反り値の変化量を示す図である。
　以下、本発明の半導体装置にかかる実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、以下の説明に用いられる添付図面は、見易く又は理解し易くするために正確なスケール、寸法比で描かれていない。また、本発明はその要旨を超えない限り、以下に説明する実施形態の記載に限定されるものではない。
　本発明の半導体装置の一実施形態を図面を用いて説明する。
　図１には本発明に係る半導体装置を冷却器１に取り付けた状態を示す断面図が模式的に示されている。冷却器１上に半導体装置１００が放熱グリス２を介して取り付けられている。半導体装置１００は、金属板２０と、半導体デバイス構造体３０と、外部端子８と、これらを収納する端子ケース９とからなり、端子ケース９には封止樹脂１０が充填されている。
　半導体デバイス構造体３０は、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ＦＷＤなどの半導体チップ６と、絶縁基板７のおもて面に回路部２５を配置し、裏面に金属部２６を配置した絶縁回路基板２１とからなり、半導体チップ６の裏面は、はんだ５を介して、絶縁回路基板２１の回路部２５に接合されている。また、半導体チップ６のおもて面側の電極は、図示しないボンディングワイヤで外部端子８に電気的に接続されている。なお、絶縁基板７の材質は熱伝導に優れる、酸化アルミニウム、窒化アルミニウムまたは窒化シリコン等の材料が好ましく、回路部２５と金属部２６は銅板または銅箔などの良導電性の金属を主要材料とすることが望ましい。
　金属板２０上には、複数の半導体デバイス構造体３０がそれぞれ離間して配置されており、絶縁回路基板２１の金属部２６が、金属板２０にはんだ接合されている。
　半導体デバイス構造体３０の配置は、特に限定されず、図１では６つの半導体デバイス構造体３０が間隔を置いて一列に配置されているが、絶縁回路基板２１の金属部２６は、例えば３枚ずつ２列に間隔を置いて並べることもできる。さらに個数が多い場合は異なる配置で並べることもできる。また、半導体デバイス構造体３０を構成する絶縁回路基板２１は、すべてが同じ形状である必要はなく、また、一部の絶縁回路基板２１は連結する形状としてもよい。また、連結する絶縁回路基板２１は金属板２０の短手方向に半導体デバイス構造体３０を配置することもできる。
　そして、金属板２０の裏面（絶縁回路基板２１を配置した面と反対側の面であって、冷却器１に接する面）において、絶縁回路基板２１の金属部２６の配置に対応する領域を第一領域１３とし、第一領域１３を除く領域を第二領域１４をする。
　本発明の半導体装置１００においては、第一領域１３の少なくとも一部に表面加工硬化層１１が形成され、第二領域１４は表面加工硬化層１１の硬度とは異なることを特徴とする。表面加工硬化層１１の作用効果は、第一領域１３において局所的な負反りを低減することにある。表面加工硬化層１１の形成方法は、特に限定されず、例えば後述するショットピーニング処理等によって形成することができる。
　図１において表面加工硬化層１１は第一領域１３と同形同サイズに描かれているが、他の態様においては表面加工硬化層１１は第一領域１３の内側に部分的に形成されていてもよく、更に他の態様では表面加工硬化層１１が第一領域１３の複数を跨って延在するように形成されていてもよい。例えば、反りの許容範囲内では、表面加工硬化層１１を形成する領域が、複数の第一領域１３を包含する単純化されたパターンであってもよい。金属板２０の幅が短い方向では、反りも小さいので、表面加工硬化層１１が第一領域１３を跨って延在する方向は、金属板２０の幅が短い方向とすることが好ましい。
　放熱性の点から、金属板２０の第一領域１３における局所的な反り量（曲面の中央と縁の標高差）は５０μｍ以下であることが好ましい。したがって、第一領域内１３における前記表面加工硬化層１１の面積は、前記第一領域１３の面積の３０％以上であることが好ましい。
　次に、本発明の半導体装置１００に係る製造方法の一実施形態を図面を参照して説明する。
　図５には、金属板２０の第一領域１３に表面加工硬化層１１を形成するために、ショットピーニング処理を行っている半導体装置の断面が模式的に示されている。
　本発明では、あらかじめ反り処理を行っていない平坦な金属板２０上に複数の絶縁回路基板２１を配置し、半導体チップ６と絶縁回路基板２１と金属板２０とをはんだ５によって接続し、次いで、半導体チップ６どうし、及び半導体チップ６と外部端子（図示せず）をワイヤボンディングし、端子ケース（図示せず）に収容し、封止樹脂（図示せず）を充填して、半導体モジュールを完成させた後、金属板２０の表面に選択的に表面加工硬化層１１を形成できるように、処理しない領域をマスク１２で被覆する。マスクの材質は特に限定されず、例えばレジストマスク、金属マスクを用いることができる。
　図５には、ショットピーニング処理として、金属板２０のマスクされていない露出面に、超音波振動装置２８によって運動エネルギーを得たショット材２７を強く打ち付けて、表面層を圧縮させ、圧縮による残留応力が保持された表面加工硬化層１１を形成する方法が図示されている。ショット材２７は、特に限定されず、例えば１～３ｍｍ程度の平均粒径の金属粒、セラミック粒、ガラス粒などを用いることができる。また、ショット材２７に運動エネルギーを与える方法は、特に限定されず、超音波振動装置以外には、圧力気流とショット材２７を混合して吹き付ける方法であってもよい。
　ショットピーニング処理を施すと、金属板２０の下面の表面に数μｍ～数百μｍの厚さの表面加工硬化層１１が形成され、形成された表面加工硬化層１１と金属板２０内部との硬度差によって、表面加工硬化層１１側が凸になろうとする圧縮応力が生じるため、金属板２０は全体的には正反りとなり、第一領域１３においてはそれぞれの局所的な負反りが低減される。
　従来のショットピーニング処理と相違する点は、金属板２０の全面に処理する方法ではなく、第一領域１３の少なくとも一部に選択的に表面加工硬化層１１が形成されるように、マスク１２を用いたことにある。金属板２０の全面にショットピーニング処理を施すだけでは、絶縁回路基板２１に対応する第一領域１３の負反りは改善できない。その理由は、金属板２０の局所的な凹凸は、全面ショットピーニングによって、それぞれが同じ方向に同じ量反ってしまうため、と考えられる。
　本発明の半導体装置の製造方法によれば、選択的にショットピーニング処理して、絶縁回路基板２１を配置した場所の局所的な負反りを低減できるため、従来技術のように初期に正反りを与えた金属板２０を用いる必要がない。よって、初期反りの無い銅などの金属板２０を用いることができるので、はんだ付けプロセスの良品率が向上する。
　本発明の半導体装置の製造方法は、金属板２０に表面加工硬化層１１を形成した後に、半導体装置を加熱処理を含むことができ、はんだ接合部の応力を緩和して、半導体装置の使用時における金属板の反り量の経時変化を抑制することができる。
　上記の加熱処理は、はんだ溶融しない温度で行われることが好ましく、加熱温度が６０℃以上１７５℃以下であることが好ましい。この温度範囲では、金属板２０の反り量の経時変化を効果的に抑制することができる。
　また、加熱処理は半導体装置を一定温度に保持する加熱処理でもよいが、加熱処理と冷却処理を交互に繰り返す加熱冷却処理であってもよい。加熱冷却処理は、金属板２０の反り量が飽和するまで繰り返すことが望ましい。
　以上、本発明の製造方法によれば、金属板の反りを大きく正反り側に制御できるため、アルミナを主成分とする絶縁基板を有する絶縁回路基板より、線膨張係数は小さいが、熱伝導率がより優れる窒化アルミニウムや窒化シリコンを主成分とする絶縁基板を有する絶縁回路基板を適用できるので、半導体装置を小型軽量化することができる。さらに金属板を正反りにすることができ、かつ複数枚の絶縁回路基板内のそれぞれの位置に対応する反対側の金属板の各領域内の負反りを低減することができるので、放熱グリスの濡れ広がり性が改善され、さらなる放熱グリスの薄膜化が可能になり、放熱性が改善される。
　本発明に用いられるショットピーニング処理の作用効果について、さらに詳しく説明する。
　［実施例１］
　銅を材質とする金属板２０に６個の絶縁回路基板２１を図５に示されるように（平面的には図８（ｂ）のように）配置した試験サンプルを作製し、次いで絶縁回路基板２１に対応する第一領域１３以外をレジストマスクで被覆して選択的にショットピーニング処理した後、３Ｄレーザー変位計で反り値を測定した。図２（ａ）に示される長手方向の反り量（曲面の中央と縁の標高差）は、全体的には５００μｍの正反り量となっており、絶縁回路基板２１の影響による局所的な反りはほぼ解消されている。また、図２（ｂ）に示される短手方向の反りは、全体的には２００μｍの正反り量となっており、絶縁回路基板２１の影響による局所的な反りはない。なお、図３は、図２（ａ）の拡大図である。
　［比較例１］
　実施例１と同じ手順で試験サンプルを作製し、ショットピーニング処理は実施せずに、そのまま３Ｄレーザー変位計で反り値を測定した。図９（ａ）に示される長手方向の反りは、全体的には２００μｍ程度の正反り量となっており、絶縁回路基板２１の影響によって局所的には５０μｍ程度の負反り量となっている。また、図９（ｂ）に示される短手方向の反りは、全体的には１００μｍ程度の正反り量となっており、絶縁回路基板２１の影響によって局所的には５０μｍ程度の負反り量となっている。なお、図１０は、図９（ａ）の拡大図である。
　［比較例２］
　実施例１と同じ手順で試験サンプルを作製し、次いで金属板２０の全面に亘ってショットピーニング処理した後、３Ｄレーザー変位計で反り値を測定した。図１１（ａ）に示される長手方向の反りは、全体的には６００μｍ程度の正反り量となっており、絶縁回路基板２１の影響によって局所的には３０μｍ程度の負反り量となっている。また、図１１（ｂ）に示される短手方向の反りは、全体的には２００μｍの正反り量となっており、絶縁回路基板２１の影響による局所的な反りはない。なお、図１２は、図１１（ａ）の拡大図である。
　上述したように、従来は、金属板２０の全面に亘りショットピーニング処理するため、絶縁回路基板２１に対応する局所的な負反りは、ショットピーニング処理しなかった場合の半分程度までしか改善できなかった。本発明の選択的ショットピーニング処理によれば、局所的な負反りをほぼ解消することができた。本発明によれば、全体的な正反りは増加するが、こちらについては、金属板２０の四隅を冷却器１にボルト締めして密着できるので問題にはならない。
　[加熱処理による反りの安定化]
　図１３は、各温度で一度のみ加熱処理後に室温（２５℃）に戻した場合における金属板２０の反り値の変化量を示す図である。加熱時間は１時間で行った。室温（２５℃）における金属板２０の反り値の最大値から最小値を引いた値と、各温度（１２５℃、１５０℃、１７５℃）における反り値の最大値から最小値を引いた値との差を反り値の変化量とした。半導体装置の最高動作温度である１７５℃の反り値の変化量を基準として、反り値の変化量の許容値を１００μｍ以下とすると、６０℃以上１７５℃以下の範囲で加熱処理を行えば、半導体装置が作動後の金属板２０の反り値の増加を許容範囲内に抑制できる。
［加熱冷却処理による反りの安定化］
　加熱冷却処理による反りの安定化を検証するために、比較例２で作製したサンプルに対して－４０℃１時間保持と１５０℃１時間保持とを繰り返す熱サイクル試験を実施した。その結果を図１４に示す。最初の１サイクルで全体的な正反りが増加するが、その後は殆ど変化していない。従って、少なくとも１サイクル以上加熱冷却サイクルを行うことで、金属板２０の反り値の変化量を安定化できる。
　よって、ショットピーニング処理した後に加熱処理すれば、金属板２０の反りが安定しているので、部分的な反りを抑制できると共に、冷却器にボルトで固定された半導体装置の反り量が作動時に増加することを抑制でき、放熱グリスの分布が半導体装置作動時に変化して放熱の均一性が低下することを防止できる。
　１　　冷却器
　２　　放熱グリス
　３　　金属板
　４　　絶縁回路基板
　４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ，４ｆ　金属板３の裏面にある、複数枚の絶縁回路基板４が配置された場所の裏面領域
　５　　はんだ
　６　　半導体チップ
　７　　絶縁基板
　８　　外部端子
　９　　端子ケース
　１０　　封止樹脂
　１１　　表面加工硬化層
　１２　　マスク
　１３　　第一領域
　１４　　第二領域
　２０　　金属板
　２１　　絶縁回路基板
　２５　　回路部
　２６　　金属部
　２７　　ショット材
　２８　　超音波振動装置
　３０　　半導体デバイス構造体
　３１　　ボンディングワイヤ
　１００　半導体装置

Claims (13)

  1. 　絶縁基板、前記絶縁基板のおもて面に半導体素子と接続された回路部、前記絶縁基板の裏面に金属部を備えた複数の絶縁回路基板と、
    　前記絶縁回路基板より大きく、かつ、前記複数の絶縁回路基板の前記金属部に接合される金属板と、
    　前記絶縁回路基板と前記金属板とを接合する接合部材と、
    　を備える半導体装置において、
    　前記金属板は、前記金属板のおもて面に前記絶縁回路基板が互いに離間して配置されており、かつ、前記金属板の裏面に前記金属部の配置に対応する第一領域と、前記第一領域を除く第二領域とを備え、
    　前記第一領域の少なくとも一部の表面には、表面加工硬化層を備え、
    前記第二領域は、前記表面加工硬化層の硬度とは異なることを特徴とする半導体装置。
  2. 　前記表面加工硬化層が、複数の前記第一領域に跨って延在された請求項１に記載の半導体装置。
  3. 　前記表面加工硬化層が複数の前記第一領域に跨って延在された方向は、前記金属板の幅が短い方向とする請求項２に記載の半導体装置。
  4. 　前記第一領域内の反り量は、５０μｍ以下である請求項１～３のいずれか一項に記載の半導体装置。
  5. 　前記第一領域内における前記表面加工硬化層の面積は、前記第一領域の面積の３０％以上である請求項１～４のいずれか一項に記載の半導体装置。
  6. 　前記絶縁基板の材質は、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム又は窒化シリコンを主成分とする請求項１～５のいずれか一項に記載の半導体装置。
  7. 　前記金属板は、前記半導体素子を冷却するための放熱板である請求項１～６のいずれか一項に記載の半導体装置。
  8. 　絶縁基板、前記絶縁基板のおもて面に半導体素子と接続された回路部、前記絶縁基板の裏面に金属部を備えた複数の絶縁回路基板と、
    　前記絶縁回路基板より大きく、かつ、おもて面に前記絶縁回路基板が互いに離間して配置され、かつ、裏面に前記金属部の配置に対応する第一領域と、前記第一領域を除く第二領域とを備えた金属板と、
    　前記絶縁回路基板と前記金属板とを接合する接合部材と、
    　を備える半導体装置の製造方法において、
    　前記金属板の裏面の内、前記第一領域の少なくとも一部を除いてマスクを形成する工程と、
    　前記第一領域の前記マスクを形成されなかった領域にショットピーニング処理によって表面加工硬化層を形成する工程と、
    　を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  9. 　前記表面加工硬化層を形成した後に、前記半導体装置を加熱処理する工程を含む請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
  10. 　前記加熱処理は、加熱温度が６０℃以上１７５℃以下である請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
  11. 　前記加熱処理後に冷却処理を行い、前記加熱処理および前記冷却処理を交互に繰り返す請求項９又は１０に記載の半導体装置の製造方法。
  12. 　前記加熱処理および前記冷却処理のサイクル数は、１サイクル以上である請求項１１に記載の半導体装置の製造方法。
  13. 　前記加熱処理は１５０℃で行い、前記冷却処理は－４０℃で行う請求項１２に記載の半導体装置の製造方法。
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