WO2025192056A1 - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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WO2025192056A1
WO2025192056A1 PCT/JP2025/002369 JP2025002369W WO2025192056A1 WO 2025192056 A1 WO2025192056 A1 WO 2025192056A1 JP 2025002369 W JP2025002369 W JP 2025002369W WO 2025192056 A1 WO2025192056 A1 WO 2025192056A1
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WO
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resin sheet
heat sink
resin
conductive plate
semiconductor module
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PCT/JP2025/002369
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English (en)
French (fr)
Inventor
慎司 多田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
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Application filed by Fuji Electric Co Ltd filed Critical Fuji Electric Co Ltd
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W40/00—Arrangements for thermal protection or thermal control
    • H10W40/10—Arrangements for heating

Definitions

  • This disclosure relates to a semiconductor device.
  • a semiconductor device that includes a semiconductor module having a Cu base, an insulating circuit board disposed on the Cu base, and a semiconductor chip disposed on the insulating circuit board, and a cooler disposed below the Cu base.
  • the Cu base and the insulating circuit board and the insulating circuit board and the semiconductor chip are generally joined with a bonding material (e.g., solder), and a compound is disposed between the Cu base and the cooler.
  • Patent Document 1 discloses a configuration in which a second heat spreader, an insulating heat dissipation sheet, a first heat spreader, a step absorber, a power semiconductor, and an electrode are arranged in this order.
  • Patent Document 1 also discloses a configuration in which a high-heat dissipation sheet or graphite having adhesive and heat dissipation properties is used as the step absorber.
  • Patent Document 2 discloses a configuration in which a Cu base plate, a heat dissipation sheet, a Cu pattern, and a power semiconductor chip are arranged in this order.
  • Patent Document 3 discloses a configuration in which a power semiconductor element is arranged on the upper surface side of a lead frame, a cooler is arranged on the lower surface side of the lead frame, and a thermally conductive resin sheet is arranged between the lead frame and the cooler.
  • Patent Document 4 also discloses a resin case having a roughened adhesive surface as the adhesive surface that contacts the adhesive layer.
  • An object of the present disclosure is to provide a semiconductor device capable of suppressing warpage of a semiconductor module.
  • one aspect of the present disclosure provides a semiconductor device comprising: a semiconductor module having a heat sink, a conductive plate bonded to the upper surface of the heat sink by a first resin sheet, and a semiconductor chip bonded to the upper surface of the conductive plate by a bonding material; and a cooler bonded to the lower surface of the semiconductor module by a second resin sheet, wherein the first resin sheet has higher insulating properties than the second resin sheet, and the second resin sheet has higher thermal conductivity than the first resin sheet.
  • first resin sheet and the second resin sheet are sheets formed by curing a thermosetting resin to which an inorganic filler has been added, and the temperature at which the first resin sheet and the second resin sheet cure may be lower than the melting point of the bonding material.
  • the semiconductor module may also include a heat sink, a first resin sheet, a conductive plate, a bonding material, and a sealing resin that seals the semiconductor chip, and the temperature at which the first resin sheet hardens may be lower than the temperature at which the sealing resin hardens.
  • the semiconductor module also has a heat sink, a first resin sheet, a conductive plate, a bonding material, and a sealing resin that seals the semiconductor chip, the first resin sheet covering the entire upper surface of the heat sink, the conductive plate overlapping the upper surface of the first resin sheet excluding the outer edge, a groove portion that extends from the upper surface of the first resin sheet to the inside of the heat sink so as to surround the contact area in contact with the conductive plate, and the sealing resin may penetrate into the groove portion.
  • the semiconductor module also has a heat sink, a first resin sheet, a conductive plate, a bonding material, and a sealing resin that seals the semiconductor chip, and the first resin sheet covers the entire upper surface of the heat sink except for the outer edge, and a groove is formed in the area of the upper surface of the heat sink surrounding the contact area that is in contact with the first resin sheet, extending from the upper surface of the heat sink to the interior, surrounding the contact area, and the sealing resin may penetrate into the groove.
  • the semiconductor module may also have a heat sink, a first resin sheet, a conductive plate, a bonding material, and a sealing resin that seals the semiconductor chip, and the underside of the semiconductor module may be a roughened, uneven surface.
  • the top surface of the cooler may also be roughened to create an uneven surface.
  • a semiconductor device can be provided that can suppress warping of the semiconductor module.
  • FIG. 1 is a diagram showing a cross-sectional configuration of a semiconductor device according to an embodiment
  • 2 is a diagram showing the top surface of the semiconductor module when cut along line AA in FIG. 1.
  • 2 is an enlarged view of region B in FIG. 1 showing the interface between the semiconductor module and the second resin sheet.
  • FIG. 2 is an enlarged view of region C in FIG. 1, showing the interface between the cooler and the second resin sheet.
  • FIG. 1 is a flowchart illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to an embodiment.
  • FIG. 1 is a diagram showing a cross-sectional configuration of a semiconductor device according to a comparative example.
  • 10 is a flowchart showing a method for manufacturing a semiconductor device according to a comparative example.
  • FIG. 1 is a diagram showing a cross-sectional configuration of a semiconductor device according to an embodiment
  • 10 is a flowchart showing a method for manufacturing a semiconductor device according to a comparative example.
  • the inventors of the present disclosure discovered the following problem during extensive research into the semiconductor device described above, which includes a semiconductor module having a Cu base, an insulated circuit board disposed on the Cu base, and a semiconductor chip disposed on the insulated circuit board, and a cooler disposed below the Cu base.
  • the Cu base and the insulated circuit board and the insulated circuit board and the semiconductor chip are bonded with a bonding material, and a compound is disposed between the Cu base and the cooler.
  • the inventors of the present disclosure considered replacing the insulating layer of the insulated circuit board (DCB board), the combination of the Cu base and the bonding material, and the compound with the same type of resin sheet having insulating and thermally conductive properties, in order to reduce the number of thermal processes required to melt the bonding material.
  • the resin sheet would be required to have high levels of insulating and thermal conductivity.
  • electrical insulation and thermal conductivity of the resin sheet refers to the electrical insulation and thermal conductivity of the resin sheet in the thickness direction.
  • electrical insulation and thermal conductivity of the first resin sheet 7 refers to the electrical insulation and thermal conductivity of the first resin sheet 7 in the thickness direction
  • electrical insulation and thermal conductivity of the second resin sheet 12 refers to the electrical insulation and thermal conductivity of the second resin sheet 12 in the thickness direction
  • the semiconductor device 1 is a cross-sectional view showing the configuration of a semiconductor device according to this embodiment.
  • the semiconductor device according to this embodiment includes a semiconductor module 1 and a cooler 2.
  • the semiconductor module 1 is a power semiconductor module having power semiconductor elements (hereinafter also referred to as "semiconductor chips"), which are semiconductor elements for generating electric power. For example, it is capable of controlling the rotation speed and acceleration of a motor connected to an inverter (not shown).
  • the semiconductor module 1 has a heat sink 3, a conductive plate 4 disposed on an upper surface S1 of the heat sink 3, a semiconductor chip 5 disposed on an upper surface S2 of the conductive plate 4, and a sealing resin 6 that seals these components.
  • the heat sink 3 is formed in a rectangular shape larger than the conductive plate 4 in a plan view so as to cover the entire lower surface S3 (the surface facing the cooler 2) of the conductive plate 4.
  • the corners of the heat sink 3 may be chamfered in an R-shape or a C-shape.
  • the heat sink 3 is mainly composed of a metal with excellent thermal conductivity. Examples of the metal that can be used include copper (Cu), aluminum (Al), or an alloy containing one of these.
  • the thickness of the heat sink 3 may be, for example, 0.1 mm or more and 2.5 mm or less.
  • the conductive plate 4 is bonded to the upper surface S1 of the heat sink 3 by a first resin sheet 7, which is insulating and thermally conductive. That is, the lower surface of the first resin sheet 7 contacts the heat sink 3, and the upper surface S4 contacts the conductive plate 4, functioning as an adhesive layer that bonds (in other words, adheres) the heat sink 3 and the conductive plate 4 together.
  • the first resin sheet 7 is formed in the same shape as the upper surface S1 of the heat sink 3 in a planar view, so as to cover the entire upper surface S1 of the heat sink 3.
  • a resin sheet with higher insulating properties than the second resin sheet 12, described below, is used as the first resin sheet 7.
  • the withstand voltage [kV] of the first resin sheet 7 is greater than the withstand voltage [kV] of the second resin sheet 12.
  • the withstand voltage of the first resin sheet 7 may be, for example, 4 kV/100 ⁇ m or more.
  • the thermal conductivity of the first resin sheet 7 may be, for example, 3.6 W/mK or more.
  • the first resin sheet 7 may be, for example, a sheet formed by curing a thermosetting resin composition in which an inorganic filler with excellent insulating properties and thermal conductivity is added to a thermosetting resin (base resin).
  • a thermosetting resin base resin
  • the first resin sheet 7, in which the thermosetting resin (base resin) is in a semi-cured state is placed between the heat sink 3 and the conductive plate 4, and then pressure and heat are applied to completely cure the first resin sheet 7 while in contact with the heat sink 3 and the conductive plate 4, thereby achieving bonding (adhesion) using the first resin sheet 7.
  • thermosetting resins include epoxy resin, liquid crystal polymer (LCP resin), thermosetting urethane resin, silicone resin, and polyimide resin.
  • Examples of inorganic fillers include boron nitride (BN), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), and aluminum nitride (AlN).
  • Examples of the first resin sheet 7 include a combination of epoxy resin and boron nitride (BN), a combination of liquid crystal polymer and boron nitride and aluminum oxide, a combination of urethane resin and boron nitride, and a combination of silicone resin and aluminum nitride.
  • thermosetting resin composition thermosetting resin + inorganic filler
  • the temperature at which the first resin sheet 7 cures is adjusted to be lower than the melting point of the bonding material 10 (e.g., approximately 220°C). This allows the temperature among the curing conditions (pressure, temperature) for the first resin sheet 7 to be lower, thereby reducing the heat applied to the semiconductor module 1 in the process of completely curing the semi-cured first resin sheet 7.
  • the temperature at which the first resin sheet 7 cures is adjusted to be lower than the melting point of the bonding material 10 and below the temperature at which the sealing resin 6 cures (melting point of bonding material 10 > temperature at which the sealing resin 6 cures ⁇ curing temperature of the first resin sheet 7).
  • the temperature at which the first resin sheet 7 hardens can be adjusted, for example, by adjusting the amount of inorganic filler or various additives added.
  • the temperature at which the first resin sheet 7 hardens may be, for example, approximately 120°C or higher and 180°C or lower.
  • the thickness of the first resin sheet 7 within a numerical range, with the lower limit being a thickness that can achieve a withstand voltage that does not cause insulation breakdown at the voltage handled by the semiconductor module 1, and the upper limit being a thickness that can achieve thermal conductivity similar to that of the bonding material 10 (solder). For example, it may be between 50 ⁇ m and 500 ⁇ m.
  • FIG. 2 is a diagram showing the upper surface of the semiconductor module 1 when cut along line A-A in FIG. 1.
  • the sealing resin 6, the second resin sheet 12, and the cooler 2 are not shown in FIG. 2.
  • FIG. 2 also illustrates an example in which the groove 9 is formed in a region surrounding the first contact region 8 so as to surround the first contact region 8.
  • the sealing resin 6 enters the groove 9 through the opening of the groove 9 and fills the interior of the groove 9.
  • the sealing resin 6 By allowing the sealing resin 6 to penetrate into the groove portion 9, even if moisture penetrates from the outside (outer edge) of the structure sealed with the sealing resin 6 (heat sink 3, first resin sheet 7, conductive plate 4, bonding material 10, semiconductor chip 5), the invading moisture can be stopped by the sealing resin 6 inside the groove portion 9, and moisture can be prevented from penetrating into the portion between the conductive plate 4 and the heat sink 3 of the first resin sheet 7.
  • a thermosetting resin composition containing boron nitride (BN) is used as the first resin sheet 7, the insulation properties of the first resin sheet 7 decrease when the first resin sheet 7 comes into contact with moisture.
  • a method for forming the grooves 9 for example, a method can be used in which the heat sink 3 and the conductive plate 4 are joined by the first resin sheet 7, and then a laser beam is irradiated onto the upper surface S4 of the first resin sheet 7 to perform laser processing.
  • the conductive plate 4 is formed in a rectangular shape smaller than the first resin sheet 7 (heat sink 3) in a plan view so as to overlap the portion (center) of the upper surface S4 of the first resin sheet 7 excluding the outer edges.
  • the conductive plate 4 functions as a circuit board on which a circuit pattern is formed.
  • Figure 1 illustrates an example in which the semiconductor device disclosed herein is applied to a configuration including a lead frame (lead frame type), and the die pad of the lead frame (i.e., the metal plate) is used as the conductive plate 4.
  • the conductive plate 4 is primarily composed of a metal with excellent conductivity. Examples of metals that can be used include copper (Cu), aluminum (Al), or an alloy containing one of these.
  • the thickness of the conductive plate 4 may be, for example, 0.1 mm or more and 2.0 mm or less.
  • the semiconductor chip 5 is bonded to the upper surface S2 of the conductive plate 4 by a bonding material 10.
  • the bonding material 10 include solder and sintered materials (copper, silver, etc.).
  • the semiconductor chip 5 is an insulated gate bipolar transistor (IGBT).
  • the semiconductor chip 5 may also be a metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET), a static induction (SI) thyristor, a gate turn-off (GTO) thyristor, a diode, etc.
  • MOSFET metal-oxide-semiconductor field-effect transistor
  • SI static induction
  • GTO gate turn-off
  • the semiconductor chip 5 is formed of a semiconductor substrate made of, for example, silicon (Si), silicon carbide (SiC), gallium nitride (GaN), or gallium oxide ( Ga2O3 ) .
  • the semiconductor chip 5 has a collector electrode (not shown) disposed on its lower surface, and an emitter electrode (not shown) and a gate electrode (not shown) disposed on its upper surface.
  • the collector electrode of the semiconductor chip 5 is bonded to the upper surface S2 of the conductive plate 4 by the bonding material 10.
  • the emitter electrode of the semiconductor chip 5 is bonded to a bonding wire 11.
  • a control terminal (not shown) is electrically connected to the gate electrode of the semiconductor chip 5 via a bonding wire or the like (not shown).
  • the current flowing between the collector electrode and emitter electrode of the semiconductor chip 5 is controlled to be turned on or off by sending an on/off electrical signal to the gate electrode and emitter electrode of the semiconductor chip 5.
  • the sealing resin 6 is formed in a rectangular parallelepiped shape to seal the heat sink 3, first resin sheet 7, conductive plate 4, bonding material 10, semiconductor chip 5, etc.
  • the lower surface S5 of the sealing resin 6 is formed flush with the lower surface S6 of the heat sink 3 so that the lower surface S6 of the heat sink 3 is exposed.
  • epoxy, silicone, urethane, polyimide, or polyamide can be used as the sealing resin 6.
  • Epoxy resin mixed with filler is particularly suitable.
  • the sealing resin 6 also penetrates into the grooves 9 formed on the upper surface S4 of the first resin sheet 7, filling the interior of the grooves 9.
  • FIG. 3 is an enlarged view of region B in FIG. 1 , showing the interface between the semiconductor module 1 and the second resin sheet 12.
  • the uneven surface allows the second resin sheet 12 to penetrate into the unevenness of the uneven surface, providing an anchoring effect and improving adhesion of the second resin sheet 12. This prevents moisture from penetrating between the semiconductor module 1 and the second resin sheet 12 from the outside.
  • the arithmetic mean roughness Ra of the uneven surface may be, for example, 1 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less. Preferably, it may be, for example, 2 ⁇ m or more and 5 ⁇ m or less.
  • the arithmetic mean roughness Ra can be measured using a laser microscope, an atomic force microscope, or the like. Examples of surface roughening methods that can be used include laser processing, polishing, blasting, cutting, and etching.
  • the cooler 2 is bonded to the underside of the semiconductor module 1 (including the underside S5 of the sealing resin 6 and the underside S6 of the heat sink 3) by a thermally conductive second resin sheet 12. That is, the underside of the second resin sheet 12 contacts the cooler 2, and the upper side contacts the semiconductor module 1, functioning as an adhesive layer that bonds (adheres) the cooler 2 to the semiconductor module 1.
  • the second resin sheet 12 is formed in the same shape as the underside of the semiconductor module 1 in a planar view so as to cover the entire underside of the semiconductor module 1.
  • a resin sheet with higher thermal conductivity than the first resin sheet 7 is used as the second resin sheet 12. That is, the thermal resistance [K/W] of the second resin sheet 12 is greater than the thermal resistance [K/W] of the first resin sheet 7.
  • the thermal conductivity [W/mK] of the second resin sheet 12 is greater than the thermal conductivity [W/mK] of the first resin sheet 7.
  • Increasing the thermal conductivity of the second resin sheet 12 improves thermal conduction from the semiconductor module 1 to the cooler 2, allowing for more efficient dissipation of heat generated in the semiconductor module 1.
  • the thermal conductivity of the second resin sheet 12 may be, for example, 7 W/mK or more and 800 W/mK or less.
  • the second resin sheet 12 may also be a non-insulating resin sheet (a resin sheet with excellent conductivity).
  • the second resin sheet 12 can be, for example, a sheet made of a cured thermosetting resin composition in which an inorganic filler with excellent thermal conductivity is added to a thermosetting resin (base resin).
  • a thermosetting resin base resin
  • the second resin sheet 12 in which the thermosetting resin (base resin) is in a semi-cured state, can be placed between the cooler 2 and the semiconductor module 1, and then pressure and heat can be applied to completely cure the second resin sheet 12 while it is in contact with the cooler 2 and the semiconductor module 1, thereby achieving bonding (adhesion) using the second resin sheet 12.
  • thermosetting resins include urethane resin and epoxy resin.
  • inorganic fillers include graphite, carbon nanotubes, carbon fiber, silver (Ag), and aluminum (Al).
  • the thickness of the second resin sheet 12 within a numerical range, with the lower limit being a thickness that can eliminate the gap between the semiconductor module 1 and the cooler 2, and the upper limit being a thickness that can achieve thermal conductivity equivalent to that of the bonding material 10 (solder). For example, it may be between 100 ⁇ m and 500 ⁇ m.
  • the upper surface S7 of the cooler 2 is a substantially flat cooling surface that exchanges heat with the semiconductor module 1 via the second resin sheet 12.
  • the cooling surface (upper surface S7) is formed in a rectangular shape that is larger than the lower surface S6 in a plan view so as to cover the entire lower surface S6 of the heat sink 3.
  • the cooler 2 cools the lower surface of the semiconductor module 1 (lower surface S6 of the heat sink 3), thereby dissipating heat generated in the semiconductor chip 5 (i.e., heat accumulated in the semiconductor module 1).
  • the cooler 2 can be a cooler through which a refrigerant flows, or a heat sink equipped with a plurality of fins for heat dissipation. As shown in FIG.
  • FIG. 4 is an enlarged view of region C in FIG. 1 , showing the interface between the cooler 2 and the second resin sheet 12.
  • the uneven surface allows the second resin sheet 12 to penetrate into the unevenness of the uneven surface, providing an anchoring effect and improving adhesion of the second resin sheet 12.
  • repeated heat cycles of operation and shutdown of the semiconductor device cause the encapsulating resin 6 to repeatedly expand and contract, potentially causing cracks to propagate from the outer edge toward the interior at the interface between the second resin sheet 12 and the cooler 2.
  • by improving the adhesion of the second resin sheet 12 as described above it is possible to suppress the propagation of cracks at the interface between the second resin sheet 12 and the cooler 2.
  • the arithmetic mean roughness Ra of the uneven surface may be, for example, 1 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less. Preferably, it may be, for example, 2 ⁇ m or more and 5 ⁇ m or less. If the arithmetic mean roughness Ra is too large, the recesses may be left unfilled with the second resin sheet 12, which may deteriorate the adhesion of the second resin sheet 12. On the other hand, if the arithmetic mean roughness Ra is too small, the anchor effect may not be obtained, which may deteriorate the adhesion of the second resin sheet 12.
  • the arithmetic mean roughness Ra can be measured using a laser microscope, an atomic force microscope, or the like. Examples of surface roughening methods that can be used include laser processing, polishing, blasting, cutting, and etching.
  • FIG. 5 is a flowchart showing a method for manufacturing a semiconductor device according to this embodiment.
  • the bonding material 10 and the semiconductor chip 5 are placed, in this order, on the upper surface S2 of the conductive plate 4 (in FIG. 1 , the die pad of the lead frame) (step S101 in FIG. 5 ).
  • the conductive plate 4, bonding material 10, and semiconductor chip 5 are all heated to melt the bonding material 10, bonding the conductive plate 4 and the semiconductor chip 5 together (step S101 in FIG. 5 ).
  • bonding wires 11 are connected to the semiconductor chip 5 (step S102 in FIG. 5 ).
  • the lower surface S3 of the conductive plate 4 is temporarily bonded to the upper surface S1 of the heat sink 3 using a semi-cured first resin sheet 7 (step S103 in FIG. 5 ).
  • a laser beam is irradiated onto the upper surface S4 of the first resin sheet 7 to form grooves 9 (step S103 in FIG. 5 ).
  • the heat sink 3, the first resin sheet 7, the conductive plate 4, and the semiconductor chip 5 are placed in a mold (not shown) for resin sealing, and the sealing resin 6 is injected to perform resin sealing (step S103 in FIG. 5 ).
  • the semi-cured first resin sheet 7 is completely cured by the pressure and heat applied for resin sealing, and the first resin sheet 7 is brought into close contact with the heat sink 3 and the conductive plate 4, thereby bonding (adhering) them together.
  • the cooler 2 and the semiconductor module 1 are joined (adhered) by the second resin sheet 12.
  • a pressure and temperature e.g., about 200° C.
  • the semiconductor device according to the comparative example differs from the semiconductor device according to the present embodiment shown in FIG. 1 in that the semiconductor module 1 is configured by stacking an insulating circuit board 13 and a semiconductor chip 5, in this order, on the upper surface S1 of the heat sink 3.
  • the insulating circuit board 13 may be, for example, a direct copper bonded (DCB) board.
  • the insulating circuit board 13 includes an insulating layer 14 (e.g., ceramic), a conductive plate 4 disposed on the upper surface S8 of the insulating layer 14, and a cooling plate 15 (e.g., a metal plate) disposed on the lower surface S9 of the insulating layer 14.
  • the semiconductor device according to the comparative example also includes a case 16 that houses the semiconductor module 1 and a silicone gel 17 that seals the semiconductor module 1 instead of the sealing resin 6.
  • the heat sink 3 and the insulating circuit board 13 are bonded together with a bonding material 18, the insulating circuit board 13 and the semiconductor chip 5 are bonded together with a bonding material 10, and a compound 19 is disposed between the heat sink 3 and the cooler 2.
  • the bonding material 10 and the semiconductor chip 5 are placed in this order on the top surface S2 of the insulating circuit board 13 (conductive plate 4) (step S201 in FIG. 7 ).
  • the insulating circuit board 13, bonding material 10, and semiconductor chip 5 are heated together to melt the bonding material 10, and the insulating circuit board 13 and semiconductor chip 5 are bonded together (step S201 in FIG. 7 ).
  • bonding wires 11 are connected to the semiconductor chip 5 (step S202 in FIG. 7 ).
  • the bonding material 18 and the insulating circuit board 13 are placed in this order on the top surface S1 of the heat sink 3 (step S203 in FIG. 7 ).
  • step S203 in FIG. 7 the bottom end of the case 16 is bonded to the heat sink 3 using an adhesive (not shown) (step S204 in FIG. 7).
  • silicone gel 17 is poured into the case 16 to seal the heat sink 3, the insulating circuit board 13, and the semiconductor chip 5 (step S204 in FIG. 7).
  • step S205 in FIG. 7 the bottom surface of the semiconductor module 1 (including the bottom surface S11 of the case 16 and the bottom surface S6 of the heat sink 3) is attached to the top surface S7 of the cooler 2 (step S205 in FIG. 7).
  • compound 19 is placed in the gap between the semiconductor module 1 and the cooler 2.
  • the semiconductor device according to the comparative example shown in FIG. 6 is completed.
  • a first thermal process is performed to melt the bonding material 10 when bonding the insulating circuit board 13 and the semiconductor chip 5
  • a second thermal process is performed to melt the bonding material 18 when bonding the heat sink 3 and the insulating circuit board 13 together.
  • This increases the number of thermal processes, potentially causing warping of the semiconductor module 1 due to heat.
  • warping of the semiconductor module 1 can create gaps between the semiconductor module 1 and the cooler 2, potentially resulting in poor heat dissipation.
  • pressing the semiconductor module 1 against the cooler 2 to reduce the gap can apply stress to the semiconductor module 1, potentially causing it to break (fail).
  • if a gap does form it is necessary to thicken the compound 19 to eliminate the gap.
  • the high insulation properties of the first resin sheet 7 electrically insulate the conductive plate 4 and the heat sink 3, and the first resin sheet 7 prevents the conductive plate 4 from being electrically connected to the heat sink 3.
  • the high thermal conductivity of the second resin sheet 12 allows for efficient heat conduction from the semiconductor module 1 to the cooler 2.
  • the first resin sheet 7 is used to bond the heat sink 3 and the conductive plate 4, and the second resin sheet 12 is used to bond the semiconductor module 1 and the cooler 2.
  • the force pressing the semiconductor module 1 against the cooler 2 can be reduced, preventing damage (failure) of the semiconductor module 1.
  • the compound 19 (see Figure 6) used to fill the gap between the semiconductor module 1 and the cooler 2 can be omitted.
  • the inventors of the present disclosure have decided to use different types of resin sheets (resin sheets with different properties) for the first resin sheet 7 and the second resin sheet 12, rather than the same type of resin sheet.
  • a resin sheet with a high level of insulation is used as the first resin sheet 7, and a resin sheet with a high level of thermal conductivity is used as the second resin sheet 12.
  • the semiconductor device according to this embodiment can be configured such that the combination of insulating layer 14, cooling plate 15, and bonding material 18 shown in FIG. 6 is replaced with the first resin sheet 7, and the compound 19 shown in FIG. 6 is replaced with the second resin sheet 12.
  • the number of thermal processes for melting the bonding material i.e., processes that affect warping of the semiconductor module 1 can be reduced.
  • the present invention is applied to a configuration (lead frame type) in which a lead frame is provided and the die pad of the lead frame serves as the conductive plate 4, but other configurations may also be adopted.
  • the present invention may be applied to a known configuration (substrate type) in which the conductive plate 4 is a metal plate having no leads (inner leads, outer leads), and the heat sink 3, first resin sheet 7, and conductive plate 4 form an insulating circuit board 20.
  • terminal pins (not shown) or the like are used as main terminals (P terminals, N terminals, M terminals, etc.) for external connection.
  • the lower surface S3 of the conductive plate 4 is bonded (adhered) to the upper surface S1 of the heat sink 3 using the first resin sheet 7 to form the insulated circuit board 20 (step S301 in Figure 9).
  • the bonding material 10 and the semiconductor chip 5 are placed in this order on the upper surface S2 of the insulated circuit board 20 (conductive plate 4) (step S301 in Figure 9).
  • the entire insulated circuit board 20, bonding material 10, and semiconductor chip 5 are heated to melt the bonding material 10, and the insulated circuit board 20 and semiconductor chip 5 are bonded together by the bonding material 10 (step S301 in Figure 9).
  • bonding wires 11 are connected to the semiconductor chip 5 (step S302 in Figure 9).
  • a laser beam is irradiated onto the upper surface S4 of the first resin sheet 7 to form grooves 9 (step S302 in Figure 9).
  • the insulating circuit board 20 and semiconductor chip 5 are placed in a mold (not shown) for resin sealing, and sealing resin 6 is injected to perform resin sealing (step S303 in Figure 9). This forms the semiconductor module 1.
  • the semiconductor module 1 including the lower surface S5 of the sealing resin 6 and the lower surface S6 of the heat sink 3) and the upper surface S7 of the cooler 2 are roughened to form uneven surfaces (step S304 in FIG. 9).
  • the lower surface of the semiconductor module 1 (including the lower surface S5 of the sealing resin 6 and the lower surface S6 of the heat sink 3) is attached to the upper surface S7 of the cooler 2 using the second resin sheet 12 (step S304 in FIG. 9).
  • the semiconductor device according to the modified example (1) shown in FIG. 8 is completed.
  • the semiconductor module may be configured to include a case for housing the semiconductor module 1.
  • the resin sealing process in step S303 in Fig. 9 may be a process of injecting silicone gel into the case after the case is attached.
  • grooves 9 are formed on the upper surface S4 of the first resin sheet 7, extending from the upper surface S4 of the first resin sheet 7 to the interior of the heat sink 3.
  • the grooves 9 may be formed in a region of the upper surface S1 of the heat sink 3 surrounding the contact region (hereinafter also referred to as the "second contact region 21") that is in contact with the first resin sheet 7 (i.e., a region not covered by the first resin sheet 7).
  • the grooves 9 are configured to extend from the upper surface S1 of the heat sink 3 to the interior, surrounding the second contact region 21. Furthermore, the sealing resin 6 enters the grooves 9 through the openings of the grooves 9 and fills the interior of the grooves 9. By allowing the sealing resin 6 to penetrate into the grooves 9, even if moisture penetrates from the outside (outer edge) of the structure sealed with the sealing resin 6 (heat sink 3, first resin sheet 7, conductive plate 4, bonding material 10, semiconductor chip 5), the invading moisture can be stopped by the sealing resin 6 in the grooves 9, preventing moisture from penetrating into the area between the conductive plate 4 of the first resin sheet 7 and the heat sink 3.
  • Figure 11 is a diagram showing the top surface of the semiconductor module 1 when broken along line D-D in Figure 10. The sealing resin 6, second resin sheet 12, and cooler 2 are not shown in Figure 11.

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Abstract

半導体モジュールの反りを抑制可能な半導体装置を提供する。半導体装置は、半導体モジュール（１）が、放熱板（３）、第１樹脂シート（７）により放熱板（３）の上面（Ｓ１）に接合された導電板（４）、及び接合材（１０）により導電板（４）の上面に接合された半導体チップ（５）を有する構成とした。また、第２樹脂シート（１２）により半導体モジュール（１）の下面（Ｓ６）に冷却器（２）を接合する構成とした。また、第１樹脂シート（７）として、第２樹脂シート（１２）よりも絶縁性が高い樹脂シートを用い、また、第２樹脂シート（１２）として、第１樹脂シート（７）よりも熱伝導性が高い樹脂シートを用いる構成とした。

Description

半導体装置
　本開示は、半導体装置に関する。
　従来、Ｃｕベース、Ｃｕベースの上に配置された絶縁回路基板、及び絶縁回路基板の上に配置された半導体チップを有する半導体モジュールと、Ｃｕベースの下に配置された冷却器とを備えた半導体装置が知られている。このような半導体装置では、一般に、Ｃｕベースと絶縁回路基板との間や絶縁回路基板と半導体チップとの間を接合材（例えば、はんだ）で接合し、Ｃｕベースと冷却器との間にコンパウンドを配置した構成となっている。
　また、特許文献１には、第２ヒートスプレッダ、絶縁性放熱シート、第１ヒートスプレッダ、段差吸収部、パワー半導体、及び電極がこの順に配置された構成が開示されている。また、特許文献１には、段差吸収部として、接着性及び放熱性を有する高放熱シートやグラファイト等を用いる構成が開示されている。また、特許文献２には、Ｃｕベースプレート、放熱シート、Ｃｕパターン部、及びパワー半導体チップがこの順に配置された構成が開示されている。また、特許文献３には、リードフレームの上面側に電力半導体素子が配置され、リードフレームの下面側に冷却器が配置され、さらに、リードフレームと冷却器との間に熱伝導性樹脂シートが配置された構成が開示されている。また特許文献４には、接着層と接触する接着面として、粗面化接着面を有する樹脂ケースが記載されている。
特開２０２２－０５７４２５号公報 特開２０２３－１１８５０８号公報 特開２０１１－１１６９１３号公報 特開２０２４－３８７７号公報
　しかし、上記した、Ｃｕベースと絶縁回路基板との間、並びに絶縁回路基板と半導体チップとの間を接合材で接合する構成を用いた場合、接合材を溶融する熱工程の回数が多くなるため、熱で半導体モジュールに反りを生じる可能性がある。また、半導体モジュールが反ると、半導体モジュールと冷却器との間に隙間を生じ、放熱性が悪化する可能性がある。また、隙間が低減されるように、半導体モジュールを冷却器に押し付けると、半導体モジュールに応力が加わり、半導体モジュールの破壊（故障）が発生する可能性がある。また、隙間を生じた場合、隙間が無くなるように、コンパウンドを厚くする必要がある。
　本開示は、半導体モジュールの反りを抑制可能な半導体装置を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために、本開示の一態様による半導体装置は、放熱板、第１樹脂シートにより放熱板の上面に接合された導電板、及び接合材により導電板の上面に接合された半導体チップを有する半導体モジュールと、第２樹脂シートにより半導体モジュールの下面に接合された冷却器と、を備え、第１樹脂シートは、第２樹脂シートよりも絶縁性が高く、第２樹脂シートは、第１樹脂シートよりも熱伝導性が高いことを要旨とする。
　また、第１樹脂シート及び第２樹脂シートは、無機フィラーが添加された熱硬化性樹脂が硬化してなるシートであり、第１樹脂シート及び第２樹脂シートが硬化する温度は、接合材の融点よりも低くてもよい。
　また、半導体モジュールは、放熱板、第１樹脂シート、導電板、接合材及び半導体チップを封止する封止樹脂を有し、第１樹脂シートが硬化する温度は、封止樹脂が硬化する温度以下であってもよい。
　また、半導体モジュールは、放熱板、第１樹脂シート、導電板、接合材及び半導体チップを封止する封止樹脂を有し、第１樹脂シートは、放熱板の上面全体を覆っており、導電板は、第１樹脂シートの上面の外縁を除いた部分と重なっており、第１樹脂シートの上面のうちの、導電板と接触している接触領域の周囲の領域には、接触領域を囲むように、第１樹脂シートの上面から放熱板内にまで到達する溝部が形成されており、封止樹脂は、溝部の内部に入り込んでいてもよい。
　また、半導体モジュールは、放熱板、第１樹脂シート、導電板、接合材及び半導体チップを封止する封止樹脂を有し、第１樹脂シートは、放熱板の上面の外縁を除いた全体を覆っており、放熱板の上面のうちの、第１樹脂シートと接触している接触領域の周囲の領域には、接触領域を囲むように、放熱板の上面から内部にまで到達する溝部が形成されており、封止樹脂は、溝部の内部に入り込んでいてもよい。
　また、半導体モジュールは、放熱板、第１樹脂シート、導電板、接合材及び半導体チップを封止する封止樹脂を有し、半導体モジュールの下面は、粗面加工が施された凹凸面であってもよい。
　また、冷却器の上面は、粗面加工が施された凹凸面であってもよい。
　なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた発明となりうる。
　本開示の一態様によれば、半導体モジュールの反りを抑制可能な半導体装置を提供することができる。
実施形態に係る半導体装置の断面構成を示す図である。 図１のＡ－Ａ線で破断した場合の、半導体モジュールの上面を示す図である。 図１のＢ領域を拡大して、半導体モジュールと第２樹脂シートとの界面を示した図である。 図１のＣ領域を拡大して、冷却器と第２樹脂シートとの界面を示した図である。 実施形態に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。 比較例に係る半導体装置の断面構成を示す図である。 比較例に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。 変形例（１）に係る半導体装置の断面構成を示す図である。 変形例（１）に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。 変形例（２）に係る半導体装置の断面構成を示す図である。 図１０のＤ－Ｄ線で破断した場合の、半導体モジュールの上面を示す図である。
　本開示の発明者は、上記した、Ｃｕベース、Ｃｕベースの上に配置された絶縁回路基板、及び絶縁回路基板の上に配置された半導体チップを有する半導体モジュールと、Ｃｕベースの下に配置された冷却器とを備えた半導体装置について検討を重ねる過程において、以下の課題を発見した。なお、Ｃｕベースと絶縁回路基板との間や絶縁回路基板と半導体チップとの間は接合材で接合され、Ｃｕベースと冷却器との間にコンパウンドが配置された構成とする。まず、本開示の発明者は、接合材を溶融する熱工程の回数が減るように、絶縁回路基板(DCB基板)の絶縁層、Ｃｕベース及び接合材の組み合わせと、コンパウンドとのそれぞれを、絶縁性及び熱導電性を有する同種の樹脂シートに置き換えた構成とすることを考えた。このような構成とした場合、例えば、取り扱う電圧が高く且つ発熱量が多い半導体素子（パワー半導体素子等）に適用することを想定すると、樹脂シートには、高いレベルの絶縁性及び熱導電性が要求されることになる。しかし、絶縁性及び熱導電性の両方を高いレベルで有する樹脂シートは存在せず、上記の構成の実現は困難であった。
　なお、本開示では、「樹脂シートの絶縁性及び熱伝導性」は、樹脂シートの厚さ方向の絶縁性及び熱伝導性を指す。即ち、以下の記載では、「第１樹脂シート７の絶縁性及び熱伝導性」は、第１樹脂シート７の厚さ方向の絶縁性及び厚さ方向の熱伝導性を指し、「第２樹脂シート１２の絶縁性及び熱伝導性」は、第２樹脂シート１２の厚さ方向の絶縁性及び厚さ方向の熱伝導性を指す。
　以下、図面を参照して、本開示の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法の一例を説明する。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、重複する説明を省略する。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は実際のものとは異なる場合がある。また、図面相互間においても、寸法の関係や比率が異なる部分が含まれる場合がある。また、以下に示す実施形態は、本開示の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本開示の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。
　また、以下の説明における上下や左右等の方向の定義は、単に説明の便宜上の定義であって、本開示の技術的思想を限定するものではない。例えば、対象を９０°回転して観察すれば上下は左右に変換して読まれ、１８０°回転して観察すれば上下は反転して読まれることは勿論である。本開示の実施形態は以下の順序で説明する。
　１．半導体装置の全体構成
　２．半導体装置の製造方法
　３．作用・効果
　４．変形例
［１．半導体装置の全体構成］
　図１は、本実施形態に係る半導体装置の断面構成を示す図である。図１に示すように、本実施形態に係る半導体装置は、半導体モジュール１と、冷却器２とを備えている。
　半導体モジュール１は、電力用の半導体素子であるパワー半導体素子（以下、「半導体チップ」とも呼ぶ）を有するパワー半導体モジュールである。例えば、図示しないインバータに接続されたモータの回転数や加速度等の制御を実行可能となっている。半導体モジュール１は、放熱板３、放熱板３の上面Ｓ１に配置された導電板４、導電板４の上面Ｓ２に配置された半導体チップ５、及びこれらを封止する封止樹脂６を有している。
　放熱板３は、導電板４の下面Ｓ３（冷却器２側の面）全体を覆うように、平面視で導電板４よりも大きい矩形状に形成されている。放熱板３の角部は、Ｒ形状やＣ形状に面取りされていてもよい。放熱板３は、熱伝導性に優れた金属を主成分として構成されている。金属としては、例えば、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、又はこれらの一種を含む合金を採用できる。放熱板３の厚さは、例えば、０．１ｍｍ以上２．５ｍｍ以下としてもよい。
　導電板４は、絶縁性及び熱伝導性を有する第１樹脂シート７により、放熱板３の上面Ｓ１に接合されている。即ち、第１樹脂シート７は、下面が放熱板３に接触し、上面Ｓ４が導電板４に接触して、放熱板３と導電板４とを接合（言い換えると、接着）する接着層として機能する。第１樹脂シート７は、放熱板３の上面Ｓ１全体を覆うように、平面視で上面Ｓ１と同一形状に形成されている。第１樹脂シート７としては、後述する第２樹脂シート１２よりも絶縁性が高い樹脂シートを用いる。即ち、第１樹脂シート７の耐電圧［ｋＶ］＞第２樹脂シート１２の耐電圧［ｋＶ］、とする。第１樹脂シート７の絶縁性を高めることにより、第１樹脂シート７で導電板４と放熱板３とを電気的に絶縁でき、導電板４と放熱板３とが電気的に接続されることを防止できる。第１樹脂シート７の耐電圧は、例えば、４ｋＶ/１００μｍ以上としてもよい。また、第１樹脂シート７の熱伝導率は、例えば、３．６Ｗ/ｍＫ以上としてもよい。
　また、第１樹脂シート７としては、例えば、熱硬化性樹脂（母材樹脂）に、絶縁性及び熱伝導性に優れた無機フィラーが添加された熱硬化性樹脂組成物が硬化してなるシートを採用できる。このようなシートを採用する場合、例えば、放熱板３と導電板４との間に、熱硬化性樹脂（母材樹脂）が半硬化状態である第１樹脂シート７を配置した後、加圧及び加熱を行い、第１樹脂シート７を放熱板３と導電板４とに接触した状態で完全に硬化させることで、第１樹脂シート７による接合（接着）を行うことができる。熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、液晶ポリマー（ＬＣＰ樹脂）、熱硬化型ウレタン樹脂、シリコン樹脂、ポリイミド樹脂が挙げられる。また無機フィラーとしては、例えば、窒化ホウ素（ＢＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、アルミニウムナイトライド（ＡｌＮ）が挙げられる。第１樹脂シート７の一例としては、エポキシ樹脂と窒化ホウ素（ＢＮ）との組み合わせ、液晶ポリマーと窒化ホウ素及び酸化アルミニウムの組み合わせ、ウレタン樹脂と窒化ホウ素の組み合わせ、シリコン樹脂とアルミニウムナイトライドの組み合わせを採用できる。
　また、上記のような熱硬化性樹脂組成物（熱硬化性樹脂＋無機フィラー）が硬化してなるシートを採用する場合、第１樹脂シート７が硬化する温度（言い換えると、硬化温度）は、接合材１０の融点（例えば、２２０℃程度）よりも低くなるように調整する。これにより、第１樹脂シート７の硬化条件（圧力、温度）のうちの温度を低くすることができ、半硬化の第１樹脂シート７を完全に硬化させる工程において、半導体モジュール１に加わる熱を低減できる。より好ましくは、第１樹脂シート７が硬化する温度（言い換えると、硬化温度）は、接合材１０の融点よりも低く、且つ封止樹脂６が硬化する温度以下となるように調整する（接合材１０の融点＞封止樹脂６が硬化する温度≧第１樹脂シート７の硬化温度）。これにより、樹脂封止の工程で行われる、樹脂封止のための加圧及び加熱によって、半硬化の第１樹脂シート７を完全に硬化させることができ、製造工程で行われる加熱の回数を低減することができる。第１樹脂シート７が硬化する温度の調整方法としては、例えば、無機フィラーや各種添加剤の添加量を調整する方法が挙げられる。第１樹脂シート７が硬化する温度は、例えば、１２０℃以上１８０℃以下程度としてもよい。
　第１樹脂シート７の厚さは、厚くなるほど、絶縁性が向上するが、第１樹脂シート７の熱伝導性が低下し、半導体チップ５に熱が蓄積される。一方、薄くなるほど、第１樹脂シート７の熱伝導性が向上するが、第１樹脂シート７の絶縁性が低くなり、導電板４と放熱板３とが電気的に接続される可能性が高まる。それゆえ、第１樹脂シート７の厚さは、半導体モジュール１が取り扱う電圧で絶縁破壊しない耐電圧を実現可能な厚さを下限値とし、接合材１０（はんだ）と同程度の熱伝導性を実現可能な厚さを上限値とする数値範囲内に設定するのが好ましい。例えば、５０μｍ以上５００μｍ以下としてもよい。
　また、図２に示すように、第１樹脂シート７の上面Ｓ４のうちの、導電板４と接触している接触領域（以下「第１接触領域８」とも呼ぶ）の周囲の領域には、第１樹脂シート７の上面Ｓ４から放熱板３内にまで到達する溝部９が形成されている。図２は、図１のＡ－Ａ線で破断した場合の、半導体モジュール１の上面を示す図である。図２では、封止樹脂６、第２樹脂シート１２及び冷却器２の図示を省略している。また、図２では、溝部９を、第１接触領域８を囲むように、第１接触領域８の周囲の領域に形成した場合を例示している。溝部９の内部には、溝部９の開口部から封止樹脂６が入り込み、封止樹脂６が充填されている。溝部９の内部に封止樹脂６が入り込むことにより、封止樹脂６で封止された構造（放熱板３、第１樹脂シート７、導電板４、接合材１０、半導体チップ５）の外部（外縁部）から水分が侵入しても、侵入した水分を溝部９内の封止樹脂６で止めることができ、第１樹脂シート７の導電板４と放熱板３との間の部分への水分の侵入を防止できる。
　ここで、例えば、窒化ホウ素（ＢＮ）を含む熱硬化性樹脂組成物を第１樹脂シート７として用いた場合、第１樹脂シート７が水分に触れると、第１樹脂シート７の絶縁性が低下する。そのため、上記のように、第１樹脂シート７の導電板４と放熱板３との間の部分への水分の侵入が防止されることにより、導電板４が放熱板３に電気的に接続されることをより確実に防止できる。溝部９の形成方法としては、例えば、第１樹脂シート７により放熱板３と導電板４とを接合した後、第１樹脂シート７の上面Ｓ４側にレーザービームを照射してレーザー加工を行う方法を採用できる。
　また、導電板４は、第１樹脂シート７の上面Ｓ４の外縁を除いた部分（中心部）と重なるように、平面視で第１樹脂シート７（放熱板３）よりも小さい矩形状に形成されている。導電板４は、回路パターンを形成する回路板として機能する。図１では、本開示の半導体装置を、リードフレームを備える構成（リードフレームタイプ）に適用し、リードフレームのダイパッド（つまり、金属板）を導電板４として用いた場合を例示している。導電板４は、放熱板３と同様に、導電性に優れた金属を主成分として構成されている。金属としては、例えば、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、又はこれらの一種を含む合金を採用することができる。導電板４の厚さは、例えば、０．１ｍｍ以上２．０ｍｍ以下としてもよい。
　半導体チップ５は、接合材１０により導電板４の上面Ｓ２に接合されている。接合材１０としては、例えば、はんだ、焼結材（銅、銀等）を採用できる。本実施形態では、半導体チップ５が、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）で構成されている場合を例示する。なお、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、静電誘導（ＳＩ）サイリスタ、ゲートターンオフ（ＧＴＯ）サイリスタ、ダイオード等で構成してもよい。半導体チップ５は、例えば、シリコン（Ｓｉ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）等の半導体基板で構成されている。半導体チップ５は、下面側に配置されたコレクタ電極（不図示）と、上面側に配置されたエミッタ電極（不図示）及びゲート電極（不図示）とを有している。半導体チップ５のコレクタ電極は、接合材１０により導電板４の上面Ｓ２に接合されている。また、半導体チップ５のエミッタ電極は、ボンディングワイヤ１１に接合されている。半導体チップ５のゲート電極には、ボンディングワイヤ等（不図示）を介して制御端子（不図示）が電気的に接続されている。半導体チップ５は、ゲート電極及びエミッタ電極にオン・オフの電気信号が送られることにより、半導体チップ５のコレクタ電極とエミッタ電極との間に流れる電流のオン・オフが制御される。
　封止樹脂６は、放熱板３、第１樹脂シート７、導電板４、接合材１０及び半導体チップ５等を封止するように直方体状に形成されている。封止樹脂６の下面Ｓ５は、放熱板３の下面Ｓ６が露出するように、放熱板３の下面Ｓ６と面一に形成されている。封止樹脂６としては、例えば、エポキシ、シリコン、ウレタン、ポリイミド、ポリアミドを採用できる。特に、フィラーを混入したエポキシ樹脂が好適である。また封止樹脂６は、第１樹脂シート７の上面Ｓ４に形成された溝部９の内部に入り込み、溝部９内部に充填されている。
　また、図３に示すように、半導体モジュール１の下面（封止樹脂６の下面Ｓ５、及び放熱板３の下面Ｓ６を含む）は、粗面加工が施された凹凸面となっている。図３は、図１のＢ領域を拡大して、半導体モジュール１と第２樹脂シート１２との界面を示した図である。凹凸面により、凹凸面の凹凸に第２樹脂シート１２が入り込むことでアンカー効果が得られ、第２樹脂シート１２の密着性を向上できる。それゆえ、半導体モジュール１と第２樹脂シート１２との間への外部からの水分の侵入を防止できる。ここで、半導体装置の動作・停止のヒートサイクルの繰り返しによって、封止樹脂６が膨張・収縮を繰り返し、半導体モジュール１と第２樹脂シート１２との界面で外縁側から内部側へ亀裂が進展する可能性がある。これに対し、上記のように、第２樹脂シート１２の密着性が向上されることにより、半導体モジュール１と第２樹脂シート１２との界面の亀裂の進展も抑制できる。
　また、凹凸面の算術平均粗さＲａは、例えば、１μｍ以上１０μｍ以下としてもよい。好ましくは、例えば、２μｍ以上５μｍ以下としてもよい。算術平均粗さＲａが大きすぎると、凹部に第２樹脂シート１２の未充填部が生じ、第２樹脂シート１２の密着性が悪化する可能性がある。一方、算術平均粗さＲａが小さすぎると、アンカー効果が得られず、第２樹脂シート１２の密着性が悪化する可能性がある。なお、算術平均粗さＲａは、レーザー顕微鏡、原子間力顕微鏡等で測定できる。粗面加工としては、例えば、レーザー加工、研磨加工、ブラスト加工、切削加工、エッチング加工を適用できる。
　冷却器２は、熱伝導性を有する第２樹脂シート１２により、半導体モジュール１の下面（封止樹脂６の下面Ｓ５、及び放熱板３の下面Ｓ６を含む）に接合されている。即ち、第２樹脂シート１２は、下面が冷却器２に接触し、上面が半導体モジュール１に接触し、冷却器２と半導体モジュール１とを接合（接着）する接着層として機能する。第２樹脂シート１２は、半導体モジュール１の下面全体を覆うように、平面視で半導体モジュール１の下面と同一形状に形成されている。第２樹脂シート１２としては、第１樹脂シート７よりも熱伝導性が高い樹脂シートを用いる。即ち、第２樹脂シート１２の熱抵抗［Ｋ/Ｗ］＞第１樹脂シート７の熱抵抗［Ｋ/Ｗ］、とする。若しくは、第２樹脂シート１２の熱伝導率［Ｗ/ｍＫ］＞第１樹脂シート７の熱伝導率［Ｗ/ｍＫ］、とする。第２樹脂シート１２の熱伝導性を高めることにより、半導体モジュール１から冷却器２への熱伝導を向上でき、半導体モジュール１で生じた熱をより効率的に放熱できる。第２樹脂シート１２の熱伝導率は、例えば、７Ｗ/ｍＫ以上８００Ｗ/ｍＫ以下としてもよい。なお、第２樹脂シート１２は、絶縁性がない樹脂シート（導電性に優れた樹脂シート）であってもよい。
　また、第２樹脂シート１２としては、例えば、熱硬化性樹脂（母材樹脂）に、熱伝導性に優れた無機フィラーが添加された熱硬化性樹脂組成物が硬化してなるシートを採用できる。このようなシートを採用する場合、例えば、冷却器２と半導体モジュール１との間に、熱硬化性樹脂（母材樹脂）が半硬化状態である第２樹脂シート１２を配置した後、加圧及び加熱を行い、第２樹脂シート１２を冷却器２と半導体モジュール１とに接触した状態で完全に硬化させることで、第２樹脂シート１２による接合（接着）を行うことができる。熱硬化性樹脂としては、例えば、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂が挙げられる。また、無機フィラーとしては、例えば、黒鉛、グラファイト、カーボンナノチューブ、炭素繊維、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）が挙げられる。第２樹脂シート１２の一例としては、ウレタン樹脂と黒鉛との組み合わせを採用できる。また上記のような熱硬化性樹脂組成物（熱硬化性樹脂＋無機フィラー）が硬化してなるシートを採用する場合、第２樹脂シート１２が硬化する温度（硬化温度）は、接合材１０の融点よりも低くなるように調整する。これにより、第２樹脂シート１２の硬化条件の温度を低減でき、半硬化の第２樹脂シート１２を完全に硬化させる工程において、半導体モジュール１に加わる熱を低減できる。第２樹脂シート１２が硬化する温度は、例えば９０℃以上１８０℃以下程度としてもよい。
　第２樹脂シート１２の厚さは、薄くなるほど、第２樹脂シート１２の熱伝導性が向上するが、薄すぎると、半導体モジュール１と冷却器２との間に隙間を生じ、半導体モジュール１から冷却器２への熱伝導性が低くなる。それゆえ、第２樹脂シート１２の厚さは、半導体モジュール１と冷却器２との間の隙間を無くすことが可能な厚さを下限値とし、接合材１０（はんだ）と同程度の熱伝導性を実現可能な厚さを上限値とする数値範囲内に設定するのが好ましい。例えば、１００μｍ以上５００μｍ以下としてもよい。
　冷却器２の上面Ｓ７は、第２樹脂シート１２により半導体モジュール１と熱交換を行う略平坦な冷却面となっている。冷却面（上面Ｓ７）は、放熱板３の下面Ｓ６全体を覆うように、平面視で下面Ｓ６よりも大きい矩形状に形成されている。冷却器２は、半導体モジュール１の下面（放熱板３の下面Ｓ６）を冷却することにより、半導体チップ５で生じた熱（つまり、半導体モジュール１に蓄積された熱）が放熱される。冷却器２としては、冷媒が内部を通流する冷却器、放熱用のフィンを複数備えるヒートシンクを採用できる。
　また、図４に示すように、冷却器２の上面Ｓ７は、粗面加工が施された凹凸面となっている。図４は、図１のＣ領域を拡大して、冷却器２と第２樹脂シート１２との界面を示した図である。凹凸面により、凹凸面の凹凸に第２樹脂シート１２が入り込むことでアンカー効果が得られ、第２樹脂シート１２の密着性を向上することができる。ここで、半導体装置の動作・停止のヒートサイクルの繰り返しによって、封止樹脂６が膨張・収縮を繰り返し、第２樹脂シート１２と冷却器２との界面で外縁側から内部側へ亀裂が進展する可能性がある。これに対し、上記のように、第２樹脂シート１２の密着性が向上されることにより、第２樹脂シート１２と冷却器２との界面の亀裂の進展を抑制することができる。
　また、凹凸面の算術平均粗さＲａは、例えば、１μｍ以上１０μｍ以下としてもよい。好ましくは、例えば、２μｍ以上５μｍ以下としてもよい。算術平均粗さＲａが大きすぎると、凹部に第２樹脂シート１２の未充填部が生じ、第２樹脂シート１２の密着性が悪化する可能性がある。一方、算術平均粗さＲａが小さすぎると、アンカー効果が得られず、第２樹脂シート１２の密着性が悪化する可能性がある。なお、算術平均粗さＲａは、レーザー顕微鏡、原子間力顕微鏡等で測定できる。粗面加工としては、例えば、レーザー加工、研磨加工、ブラスト加工、切削加工、エッチング加工を適用できる。
［２．半導体装置の製造方法］
　次に、図面を参照して、本実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を説明する。
　図５は、本実施形態に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。
　まず、導電板４（図１では、リードフレームのダイパッド）の上面Ｓ２に、接合材１０及び半導体チップ５をこの順に載せる（図５のステップＳ１０１）。続いて、導電板４、接合材１０及び半導体チップ５の全体を加熱して接合材１０を溶融し、接合材１０により導電板４及び半導体チップ５を接合する（図５のステップＳ１０１）。続いて、半導体チップ５にボンディングワイヤ１１を接続する（図５のステップＳ１０２）。続いて、半硬化状態の第１樹脂シート７により、放熱板３の上面Ｓ１に導電板４の下面Ｓ３を仮接着する（図５のステップＳ１０３）。続いて、第１樹脂シート７の上面Ｓ４側にレーザービームを照射し、溝部９を形成する（図５のステップＳ１０３）。
　続いて、放熱板３、第１樹脂シート７、導電板４及び半導体チップ５を、樹脂封止用の金型（不図示）に配置し、封止樹脂６を注入して樹脂封止を行う（図５のステップＳ１０３）。その際、樹脂封止のための加圧及び加熱により、半硬化状態の第１樹脂シート７が完全に硬化され、第１樹脂シート７が放熱板３と導電板４とに密着され、放熱板３と導電板４とが接合（接着）される。例えば、樹脂封止の工程で行われる、樹脂封止のための加圧及び加熱によって、封止樹脂６の硬化条件、及び第１樹脂シート７の硬化条件の両方を満たす圧力及び温度（例えば、２００℃程度）とすることで、第１樹脂シート７により放熱板３と導電板４とが接合（接着）される。これにより半導体モジュール１を形成する。
　続いて、半導体モジュール１の下面（封止樹脂６の下面Ｓ５、放熱板３の下面Ｓ６を含む）及び冷却器２の上面Ｓ７に粗面加工を施して凹凸面を形成する（図５のステップＳ１０４）。続いて、第２樹脂シート１２により、冷却器２の上面Ｓ７に半導体モジュール１の下面を貼り付ける（図５のステップＳ１０４）。例えば、加圧及び加熱によって、第２樹脂シート１２の硬化条件を満たす圧力及び温度（例えば、２００℃程度）とすることで、第２樹脂シート１２により冷却器２と半導体モジュール１とが接合（接着）される。
　この結果、図１に示した本実施形態に係る半導体装置が完成する。
［３．作用・効果］
　ここで、図６を参照して、比較例に係る半導体装置の一例について説明する。図６に示すように、比較例に係る半導体装置は、半導体モジュール１を、放熱板３の上面Ｓ１に絶縁回路基板１３及び半導体チップ５をこの順に積層する構成とした点が、図１に示した本実施形態に係る半導体装置と異なっている。絶縁回路基板１３としては、例えば、直接銅接合基板(DCB基板)を採用できる。絶縁回路基板１３は、絶縁層１４（例えば、セラミック）と、絶縁層１４の上面Ｓ８側に配置された導電板４と、絶縁層１４の下面Ｓ９側に配置された冷却板１５（例えば、金属板）とを有している。また、比較例に係る半導体装置は、半導体モジュール１を収納するケース１６と、封止樹脂６の代わりに半導体モジュール１を封止するシリコンゲル１７とを備えている。また、放熱板３と絶縁回路基板１３との間を接合材１８で接合し、絶縁回路基板１３と半導体チップ５との間を接合材１０で接合し、放熱板３と冷却器２との間にコンパウンド１９を配置した構成となっている。
　比較例に係る半導体装置の製造時には、まず、絶縁回路基板１３（導電板４）の上面Ｓ２に、接合材１０及び半導体チップ５をこの順に載せる（図７のステップＳ２０１）。続いて、絶縁回路基板１３、接合材１０及び半導体チップ５の全体を加熱して接合材１０を溶融し、接合材１０により絶縁回路基板１３及び半導体チップ５を接合する（図７のステップＳ２０１）。続いて、半導体チップ５にボンディングワイヤ１１を接続する（図７のステップＳ２０２）。続いて、放熱板３の上面Ｓ１に、接合材１８及び絶縁回路基板１３（半導体チップ５を含む）をこの順に載せる（図７のステップＳ２０３）。続いて、放熱板３、接合材１８、絶縁回路基板１３及び半導体チップ５の全体を加熱して接合材１８を溶融し、接合材１８により放熱板３及び絶縁回路基板１３を接合する（図７のステップＳ２０３）。続いて、接着剤（不図示）により、放熱板３にケース１６下端を接着する（図７のステップＳ２０４）。続いて、ケース１６内にシリコンゲル１７を注入し、放熱板３、絶縁回路基板１３、及び半導体チップ５を封止する（図７のステップＳ２０４）。これにより、半導体モジュール１を形成する。続いて、冷却器２の上面Ｓ７に半導体モジュール１の下面（ケース１６の下面Ｓ１１、放熱板３の下面Ｓ６を含む）を貼り付ける（図７のステップＳ２０５）。その際、半導体モジュール１と冷却器２との間の隙間には、コンパウンド１９を配置する。
　この結果、図６に示した比較例に係る半導体装置が完成する。
　このような製造手順により、比較例に係る半導体装置では、絶縁回路基板１３と半導体チップ５との間の接合の際に、接合材１０を溶融する熱工程（１回目）が行われ、また、放熱板３と絶縁回路基板１３との間を接合材１８で接合する際に、接合材１８を溶融する熱工程（２回目）が行われる。それゆえ、熱工程の回数が多くなるため、熱で半導体モジュール１に反りを生じる可能性がある。また、半導体モジュール１が反ると、半導体モジュール１と冷却器２との間に隙間を生じ、放熱性が悪化する可能性がある。また、隙間が低減されるように、半導体モジュール１を冷却器２に押し付けると、半導体モジュール１に応力が加わり、半導体モジュール１の破壊（故障）が発生する可能性がある。また、隙間を生じた場合、隙間が無くなるように、コンパウンド１９を厚くする必要がある。
　これに対し、本実施形態に係る半導体装置では、図１に示すように、半導体モジュール１が、放熱板３、第１樹脂シート７により放熱板３の上面Ｓ１に接合された導電板４、及び接合材１０により導電板４の上面に接合された半導体チップ５を有する構成とした。また、第２樹脂シート１２により放熱板３の下面Ｓ６に冷却器２を接合する構成とした。また、第１樹脂シート７として、第２樹脂シート１２よりも絶縁性が高い樹脂シートを用い、また、第２樹脂シート１２として、第１樹脂シート７よりも熱伝導性が高い樹脂シートを用いる構成とした。第１樹脂シート７の絶縁性を高くしたため、第１樹脂シート７で導電板４と放熱板３とを電気的に絶縁でき、第１樹脂シート７により導電板４が放熱板３に電気的に接続されることを防止できる。また、第２樹脂シート１２の熱伝導性を高くしたため、半導体モジュール１から冷却器２への熱伝導を効率よく行うことができる。
　また、本実施形態に係る半導体装置では、放熱板３と導電板４との接合に第１樹脂シート７を用い、また、半導体モジュール１と冷却器２との接合に第２樹脂シート１２を用いるため、接合材を溶融するための熱工程の回数を低減でき、熱による半導体モジュール１の反りを抑制できる。それゆえ、半導体モジュール１と冷却器２との間の隙間を抑制でき、放熱性の悪化を抑制できる。また、隙間が抑制されるため、冷却器２に半導体モジュール１を押し付ける力を低減でき、半導体モジュール１の破壊（故障）を防止できる。また、半導体モジュール１と冷却器２との間の隙間を埋めるためのコンパウンド１９（図６参照）を省略できる。なお、半硬化の第１樹脂シート７及び第２樹脂シート１２を完全に硬化させるときに、加圧及び加熱を行うことになるが、第１樹脂シート７及び第２樹脂シート１２の硬化条件の温度は、接合材を溶融する熱工程のときの温度よりも低い温度となるため、加熱による反りへの影響は少ない。特に、樹脂封止の工程で行われる、樹脂封止のための加圧及び加熱によって、第１樹脂シート７の硬化を行わせることで、熱による半導体モジュール１の反りをより抑制できる。
　換言すると、このように、本開示の発明者は、第１樹脂シート７及び第２樹脂シート１２として、同じ種類の樹脂シートではなく、互いに異なる種類の樹脂シート（特性の異なる樹脂シート）を用いるようにした。具体的には、第１樹脂シート７として高いレベルの絶縁性を有する樹脂シートを用い、第２樹脂シート１２として高いレベルの熱伝導性を有する樹脂シートを用いるようにした。そして、特性の異なる樹脂シートを用いることで、高いレベルの絶縁性及び熱伝導性を全体として実現する構成とした。このような構成により、本実施形態に係る半導体装置では、図６に示した絶縁層１４、冷却板１５及び接合材１８の組み合わせを第１樹脂シート７に置き換え、図６に示したコンパウンド１９を第２樹脂シート１２に置き換えた構成を実現でき、その結果、接合材を溶融する熱工程（即ち、半導体モジュール１の反りに影響を与える工程）の回数を低減することができる。
［４．変形例］
（１）なお、本実施形態では、リードフレームを備え、リードフレームのダイパッドを導電板４とする構成（リードフレームタイプ）に適用した例を示したが、他の構成を採用してもよい。例えば、図８に示すように、リード（インナーリード、アウターリード）を有していない金属板を導電板４とし、放熱板３、第１樹脂シート７及び導電板４で絶縁回路基板２０を形成する公知の構成（基板タイプ）に適用してもよい。基板タイプでは、端子ピン（不図示）等を、外部接続用の主端子（Ｐ端子、Ｎ端子、Ｍ端子等）として用いる。
　次に、変形例（１）に係る半導体装置の製造方法の一例を説明する。まず、第１樹脂シート７により放熱板３の上面Ｓ１に導電板４の下面Ｓ３を接合（接着）し、絶縁回路基板２０を形成する（図９のステップＳ３０１）。続いて、絶縁回路基板２０（導電板４）の上面Ｓ２に、接合材１０及び半導体チップ５をこの順に載せる（図９のステップＳ３０１）。続いて、絶縁回路基板２０、接合材１０及び半導体チップ５の全体を加熱して接合材１０を溶融し、接合材１０により絶縁回路基板２０及び半導体チップ５を接合する（図９のステップＳ３０１）。続いて、半導体チップ５にボンディングワイヤ１１を接続する（図９のステップＳ３０２）。続いて、第１樹脂シート７の上面Ｓ４側にレーザービームを照射し、溝部９を形成する（図９のステップＳ３０２）。続いて、絶縁回路基板２０及び半導体チップ５を、樹脂封止用の金型（不図示）に配置し、封止樹脂６を注入して樹脂封止を行う（図９のステップＳ３０３）。これにより、半導体モジュール１を形成する。
　続いて、半導体モジュール１の下面（封止樹脂６の下面Ｓ５、放熱板３の下面Ｓ６を含む）及び冷却器２の上面Ｓ７に粗面加工を施して凹凸面を形成する（図９のステップＳ３０４）。続いて、第２樹脂シート１２により、冷却器２の上面Ｓ７に半導体モジュール１の下面（封止樹脂６の下面Ｓ５、放熱板３の下面Ｓ６を含む）を貼り付ける（図９のステップＳ３０４）。この結果図８に示した変形例（１）に係る半導体装置が完成する。
　なお、基板タイプに適用する場合、半導体モジュール１を収納するケースを備える構成としてもよい。ケースを備える構成とする場合、図９のステップＳ３０３の樹脂封止の工程は、ケースを取り付けた後、ケース内にシリコンゲルを注入する工程としてもよい。
（２）また、本実施形態では、第１樹脂シート７の上面Ｓ４に、第１樹脂シート７の上面Ｓ４から放熱板３内にまで到達する溝部９を形成する例を示したが、他の構成を採用することもできる。例えば、図１０及び図１１に示すように、第１樹脂シート７が放熱板３の上面Ｓ１の外縁を除いた全体を覆う構成となっている場合、溝部９は、放熱板３の上面Ｓ１のうちの、第１樹脂シート７と接触している接触領域（以下、「第２接触領域２１」とも呼ぶ）の周囲の領域（即ち、第１樹脂シート７で覆われていない領域）に形成する構成としてもよい。この場合、溝部９は、第２接触領域２１を囲むように、放熱板３の上面Ｓ１から内部にまで到達する構成とする。また、溝部９の内部には、溝部９の開口部から封止樹脂６が入り込み、封止樹脂６が充填されている。溝部９の内部に封止樹脂６が入り込むことにより、封止樹脂６で封止された構造（放熱板３、第１樹脂シート７、導電板４、接合材１０、半導体チップ５）の外部（外縁部）から水分が侵入しても、侵入した水分を溝部９内の封止樹脂６で止めることができ、第１樹脂シート７の導電板４と放熱板３との間の部分への水分の侵入を防止できる。図１１は、図１０のＤ－Ｄ線で破断した場合の、半導体モジュール１の上面を示す図である。図１１では、封止樹脂６、第２樹脂シート１２及び冷却器２の図示を省略している。
　１…半導体モジュール、２…冷却器、３…放熱板、４…導電板、５…半導体チップ、６…封止樹脂、７…第１樹脂シート、８…第１接触領域（接触領域）、９…溝部、１０…接合材、１１…ボンディングワイヤ、１２…第２樹脂シート、１３…絶縁回路基板、１４…絶縁層、１５…冷却板、１６…ケース、１７…シリコンゲル、１８…接合材、１９…コンパウンド、２０…絶縁回路基板、２１…第２接触領域（接触領域）

Claims (7)

  1. 　放熱板、第１樹脂シートにより前記放熱板の上面に接合された導電板、及び接合材により前記導電板の上面に接合された半導体チップを有する半導体モジュールと、
    　第２樹脂シートにより前記半導体モジュールの下面に接合された冷却器と、を備え、
    　前記第１樹脂シートは、前記第２樹脂シートよりも絶縁性が高く、
    　前記第２樹脂シートは、前記第１樹脂シートよりも熱伝導性が高い
    　半導体装置。
  2. 　前記第１樹脂シート及び前記第２樹脂シートは、無機フィラーが添加された熱硬化性樹脂が硬化してなるシートであり、
    　前記第１樹脂シート及び前記第２樹脂シートが硬化する温度は、前記接合材の融点よりも低い
    　請求項１に記載の半導体装置。
  3. 　前記半導体モジュールは、前記放熱板、前記第１樹脂シート、前記導電板、前記接合材及び前記半導体チップを封止する封止樹脂を有し、
    　前記第１樹脂シートが硬化する温度は、前記封止樹脂が硬化する温度以下である
    　請求項２に記載の半導体装置。
  4. 　前記半導体モジュールは、前記放熱板、前記第１樹脂シート、前記導電板、前記接合材及び前記半導体チップを封止する封止樹脂を有し、
    　前記第１樹脂シートは、前記放熱板の上面全体を覆っており、
    　前記導電板は、前記第１樹脂シートの上面の外縁を除いた部分と重なっており、
    　前記第１樹脂シートの上面のうちの、前記導電板と接触している接触領域の周囲の領域には、前記接触領域を囲むように、前記第１樹脂シートの上面から前記放熱板内にまで到達する溝部が形成されており、
    　前記封止樹脂は、前記溝部の内部に入り込んでいる
    　請求項１に記載の半導体装置。
  5. 　前記半導体モジュールは、前記放熱板、前記第１樹脂シート、前記導電板、前記接合材及び前記半導体チップを封止する封止樹脂を有し、
    　前記第１樹脂シートは、前記放熱板の上面の外縁を除いた全体を覆っており、
    　前記放熱板の上面のうちの、前記第１樹脂シートと接触している接触領域の周囲の領域には、前記接触領域を囲むように、前記放熱板の上面から内部にまで到達する溝部が形成されており、
    　前記封止樹脂は、前記溝部の内部に入り込んでいる
    　請求項１に記載の半導体装置。
  6. 　前記半導体モジュールは、前記放熱板、前記第１樹脂シート、前記導電板、前記接合材及び前記半導体チップを封止する封止樹脂を有し、
    　前記半導体モジュールの下面は、粗面加工が施された凹凸面である
    　請求項１に記載の半導体装置。
  7. 　前記冷却器の上面は、粗面加工が施された凹凸面である
    　請求項１から６の何れか１項に記載の半導体装置。
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