(57)【要約】【課題】半導体素子からの放熱を促進することができる半導体装置およびその製造方法を提供する。【解決手段】半導体装置は、半導体素子１と、基板２と、金属板３と、複数の球状粒子４とを備えている。基板２は半導体素子１が実装されている。金属板３は互いに対向する一方面３ａと他方面３ｂとを有し、一方面３ａに基板２が設けられている。複数の球状粒子４は、球状の外形を有し、かつ金属板３の他方面３ｂに球状の外形の一部が埋没している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、
前記半導体素子が実装された基板と、
互いに対向する一方面と他方面とを有し、前記一方面に前記基板が設けられた金属板と、
球状の外形を有し、かつ前記金属板の前記他方面に前記球状の外形の一部が埋没した複数の球状粒子とを備えた、半導体装置。
【請求項２】
前記球状粒子は金属からなる、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記球状粒子はセラミックからなる、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記金属板の前記他方面に前記複数の球状粒子およびグリースを介してヒートシンクが取り付けられている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
半導体素子が実装された基板を一方面に設けられた金属板を準備する工程と、
球状の外形を有し、かつ前記金属板より大きな硬度を有する複数の球状粒子を前記金属板の前記一方面に対向する前記金属板の他方面に吹き付けることで前記複数の球状粒子の前記球状の外形の一部を前記金属板の前記他方面に埋没させる工程とを備えた、半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置および半導体装置の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置においては、半導体素子等の発熱体からの放熱を促進するためにヒートシンク等の放熱機器が用いられている。半導体素子等の発熱体からの放熱を促進するために半導体素子等の発熱体の熱をヒートシンクに効率良く伝える構造が提案されている。
【０００３】
たとえば、特開２００６−１３４９８９号公報（特許文献１）には、電子機器とヒートシンクとの間の熱抵抗を低減可能な構造が開示されている。この構造では、電子機器のヒートシンクに取り付けられる側の取付板の底面に圧接によって変形する突出物が配列されている。
【０００４】
また、たとえば、特開２００５−２３６２６６号公報（特許文献２）および特開２００５−２３６２７６号公報（特許文献３）には、発熱体側の熱を効率良く放熱体側に伝導させて放散可能なパワーモジュール用基板が開示されている。このパワーモジュール用基板では、絶縁体層の両側に半導体チップが接続された回路層とヒートシンクとが配置されている。絶縁体層内に配置された絶縁性高熱伝導硬質粒子の一部は回路層およびヒートシンクの両方に貫入されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−１３４９８９号公報
【特許文献２】特開２００５−２３６２６６号公報
【特許文献３】特開２００５−２３６２７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特開２００６−１３４９８９号公報の構造においては、突出物は溶融した錫を取付板の表面にインクジェット方式等で固着させて配列される。したがって、突出部は取付板の表面に平面で接着されている。突出部と取付板とに熱がかかると、突出部と取付板との熱膨張差によって接着部に応力が発生することで突出部が取付板から剥がれるおそれがある。突出部が取付板から剥がれると発熱体である電子機器の熱をヒートシンクに効率良く伝えることは困難である。
【０００７】
また、上記特開２００５−２３６２６６号公報および特開２００５−２３６２７６号公報のパワーモジュール用基板においては、半導体チップが接続された回路層の材料である銅とヒートシンクの材料であるアルミニウムでは熱膨張係数が違うため、パワーモジュール動作時の発熱により回路層とヒートシンクとの熱膨張差が生じる。この結果、絶縁性高熱伝導硬質粒子に熱応力が集中する。このため、絶縁性高熱伝導硬質粒子と回路層およびヒートシンクとのそれぞれの界面に剥離が生じるおそれがある。この剥離が生じると、発熱体である半導体チップの熱をヒートシンクに効率良く伝えることは困難である。
【０００８】
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、半導体素子からの放熱を促進することができる半導体装置およびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の半導体装置は、半導体素子と、基板と、金属板と、複数の球状粒子とを備えている。基板は半導体素子が実装されている。金属板は互いに対向する一方面と他方面とを有し、一方面に基板が設けられている。複数の球状粒子は、球状の外形を有し、かつ金属板の他方面に球状の外形の一部が埋没している。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の半導体装置によれば、金属板の他方面に複数の球状粒子の球状の外形の一部が埋没している。このため、複数の球状粒子を金属板の他方面に食い込ませることで複数の球状粒子を金属板に強く接合することができる。また、複数の球状粒子と金属板との接触面積を大きくすることができる。よって、複数の球状粒子が金属板から剥がれることを抑制することができる。したがって、半導体素子の熱を複数の球状粒子から放熱することができる。
【００１１】
また、複数の球状粒子は球状の外形を有しているため、ヒートシンクに取り付けられた際にヒートシンクに貫入されない。このため、複数の球状粒子とヒートシンクとの間に熱応力が生じることを抑制することができる。これにより、複数の球状粒子と金属板およびヒートシンクとの界面に隔離が生じることを抑制することができる。以上により、半導体素子からの放熱を促進することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施の形態における半導体装置の概略断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態における半導体装置の概略底面図である。
【図３】図１のＰ１部の拡大図である。
【図４】図２のＰ２部の拡大斜視図である。
【図５】本発明の一実施の形態における半導体装置の製造方法の一工程を示す概略断面図である。
【図６】図５の次工程を示す概略断面図である。
【図７】本発明の一実施の形態における変形例の半導体装置の複数の球状粒子の周辺の構造を示す概略拡大断面図である。
【図８】本発明の一実施の形態における半導体装置の概略断面図であって、ヒートシンクが取り付けられた状態を示す図である。
【図９】図８のＰ３部の拡大図である。
【図１０】比較例の金属板および突出部の周辺の構造を示す概略拡大断面図である。
【図１１】本発明の一実施の形態における金属板および複数の球状粒子の周辺の構造を示す概略拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の一実施の形態について図に基づいて説明する。
まず本発明の一実施の形態の半導体装置の構成について説明する。
【００１４】
図１および図２を参照して、本実施の形態の半導体装置は、たとえばパワーモジュールである。本実施の形態の半導体装置は、半導体素子１と、基板２と、金属板３と、複数の球状粒子４と、ケース５と、電極端子６と、配線７と、蓋８と、封止樹脂９とを主に有している。なお、図１では、見やすくするために、複数の球状粒子４は簡略化して示されている。
【００１５】
半導体素子１はたとえば電力用半導体素子である。基板２はたとえばセラミック基板である。半導体素子１は基板２に実装されている。半導体素子１は基板２に設けられたパターン部２ａ上にはんだ付けされている。
【００１６】
金属板３は互いに対向する一方面３ａと他方面３ｂとを有している。金属板３の一方面３ａに基板２が設けられている。基板２と金属板３とははんだ２ｂで接続されている。金属板３は熱放散性を向上させるためのものである。金属板３はたとえば銅またはアルミニウムで形成されている。
【００１７】
金属板３の他方面３ｂに複数の球状粒子４が設けられている。複数の球状粒子４は金属板３の他方面３ｂの全面に配列されている。なお、複数の球状粒子４同士の間には隙間が形成されていてもよい。この複数の球状粒子４については後で詳しく説明する。
【００１８】
ケース５は金属板３の一方面３ａの周囲に形成されている。ケース５はたとえば樹脂で形成されている。ケース５には電極端子６が取り付けられている。電極端子６はケース５の外方へ突出するように形成されている。配線７はたとえばアルミニウムワイヤである。配線７によって半導体素子１同士が電気的に接続されている。また、配線７によって半導体素子１とケース５に設置された電極端子６とが電気的に接続されている。ケース５の上端部に蓋８が設置されている。蓋８は防塵および防水のためのものである。
【００１９】
金属板３、ケース５および蓋８で取り囲まれた内部空間に半導体素子１、基板２および配線７が配置されている。内部空間内において半導体素子１、基板２および配線７が封止樹脂９で覆われている。封止樹脂９はたとえばシリコーンゲルである。
【００２０】
図３および図４を参照して、複数の球状粒子４についてさらに詳しく説明する。複数の球状粒子４のそれぞれは球状の外形を有している。複数の球状粒子４のそれぞれは金属板３の他方面３ｂに球状の外形の一部が埋没している。複数の球状粒子４のそれぞれは金属板３の他方面３ｂに球状の外形の一部が埋没した状態で他方面３ｂから突出している。複数の球状粒子４は金属板３の他方面３ｂに球状の外形の一部が埋没した状態で他方面３ｂに配列されている。
【００２１】
金属板３の他方面３ｂに球状粒子４の一部が埋没しているため、球状粒子４が金属板３に食い込むことで金属板３から球状粒子４が剥がれることを抑制することができる。つまり、この埋没構造によってアンカー効果が得られる。このため、金属板３と球状粒子４との接着の信頼性が向上する。
【００２２】
また、金属板３の他方面３ｂに球状粒子４の球状の外形が埋没しているため、球状粒子４は球状の外形で金属板３と接触している。このため、球状粒子４と金属板３との接触面積を十分に確保することができる。これにより、球状粒子４と金属板３との密着性を確保することができる。よって、球状粒子４と金属板３との接合強度を増すことができる。
【００２３】
また、金属板３の他方面３ｂに球状粒子４の球状の外形が埋没しているため、球状粒子４と金属板３との接触面積を十分に確保することができる。このため、金属板３から球状粒子４への熱伝導性が向上する。
【００２４】
複数の球状粒子４は、他方面３ｂから半球状に突出していることが好ましい。これにより、金属板３の他方面３ｂに緻密な配列を形成することができる。また、金属板３の他方面３ｂに複数の球状粒子４間の隙間を少なくして複数の球状粒子４を配列させることが容易であるため、金属板３の熱を他方面３ｂの全面に渡って拡散することができる。
【００２５】
複数の球状粒子４は熱伝導性に優れた材料で形成されている。球状粒子４はたとえば金属からなっている。球状粒子４の材料としては、金属板３の材料が銅の場合には、銅、ニッケル、鉄を用いることが可能である。さらにリン青銅、ベリリウム銅等の銅合金を用いることが可能である。また、金属板３の材料がアルミニウムの場合には、上記以外に黄銅を用いることも可能である。
【００２６】
複数の球状粒子４は金属板３よりも大きい硬度を有している。複数の球状粒子４のビッカース硬度（Ｈｖ）は１５０以上であることが好ましい。球状粒子４が金属板３よりも大きい硬度を有しているため、吹き付け法により球状粒子４の一部を金属板３に埋没させることが可能である。
【００２７】
球状粒子４の他方面３ｂからの高さは、３０μｍ以上１５０μｍ以下が望ましい。３０μｍ未満では球状粒子４は、４０〜６０μｍ程度の粒径となるため粒子が細かすぎて金属板３に均一な層を形成することが困難となる。また１５０μｍを超えると、金属板３の他方面３ｂ上の球状粒子４の密度が低くなり過ぎること、金属板３とヒートシンクとの間隔が広くなりすぎることなどから、十分な低熱抵抗化の効果が得られない。
【００２８】
次に本実施の形態の半導体装置の製造方法について説明する。
まず、図５を参照して、半導体素子１が実装された基板２を一方面３ａに設けられた金属板３が準備される。次に、図６を参照して、複数の球状粒子４が金属板３の一方面３ａに対向する金属板３の他方面３ｂに吹き付けられる。複数の球状粒子４は球状の外形を有しており、かつ金属板３より大きな硬度を有する。複数の球状粒子４は、たとえば高温および高圧のガス１２によって、ノズル１１から音速並みに加速させて金属板３の他方面３ｂに吹き付けられる。
【００２９】
そして、ノズル１１を金属板３の他方面３ｂに沿う方向Ｄ１に移動させることで、他方面３ｂの全面に渡って複数の球状粒子４が吹き付けられる。これらの複数の球状粒子４が金属板３の他方面３ｂに吹きつけられることで複数の球状粒子４の球状の外形の一部が金属板３の他方面３ｂに埋没される。
【００３０】
本吹き付け法は、球状粒子４の初期の形状を維持したまま吹き付ける方法である。コールドスプレー法も本吹き付け法の一種類である。このような吹き付け法を用いることで金属板３を加圧および加熱する必要がないため製造プロセスを簡略化するとともに低コスト化することができる。
【００３１】
金属板３上に形成される球状粒子４の層数としては１層が熱伝導的にも望ましい。吹き付け時の球状粒子４の速度が速いために、吹き付け条件によっては一度形成された球状粒子４上に再度、球状粒子４が堆積または付着する。これを避けるため、吹き付け時のガスの温度および流量（圧力）をコントロールすることが好ましい。
【００３２】
また、上記では、球状粒子４が金属からなっている場合について説明したが球状粒子４の材料は金属に限定されない。図７を参照して、本実施の形態の変形例では、球状粒子４はセラミックからなっている。
【００３３】
セラミックの球状粒子４としては、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素、酸化ケイ素などの熱伝導に優れた材料を用いることが可能である。
セラミックの球状粒子４は、一般的に金属より硬度が高いために、高温および高圧ガス下での吹き付け法においても外形の変形を伴わず、金属板３の他方面３ｂ上に高さがほぼ同一で均一な１層の球状粒子層が緻密に形成される。このため、セラミックは金属よりも熱伝導率は低いが、金属板３の他方面３ｂの全面において均一な熱伝導性能を実現することが可能となる。
【００３４】
続いて、図８および図９を参照して、ヒートシンクが取り付けられた半導体装置の構成について説明する。
【００３５】
金属板３の他方面３ｂに前記複数の球状粒子４およびグリース１４を介してヒートシンク１３が取り付けられている。グリースはサーマルグリースが用いられている。金属板３の他方面３ｂとヒートシンク１３との間にグリース１４の介在がない場合、複数の球状粒子４とヒートシンク１３との間には空気層が存在することから、熱伝導が遮蔽されることになる。一方、本実施の形態のようにグリース１４を空隙に介在させることにより熱伝導性を向上することができる。このため、半導体装置を低熱抵抗化することができる。また、グリース１４によって金属板３をヒートシンク１３に固定することができる。
【００３６】
グリース１４の熱伝導率が高いほど半導体装置としての熱伝導性は向上するが、一般的に用いられる熱伝導率１Ｗ／ｍＫ程度のものでも、複数の球状粒子４によって従来の構造に比べて熱伝導性は向上する。
【００３７】
また、グリース１４塗布面は、金属板３側でもヒートシンク１３側でも良いが、空気層を金属板３とヒートシンク１３間に介在させないという点から、金属板３側に前もって塗布するほうがより効果的である。
【００３８】
複数の球状粒子４はヒートシンク１３に接触するが埋没はしていない。このように、複数の球状粒子４とヒートシンク１３とが接触構造となることにより、半導体素子１の発熱時の温度変化に対しても複数の球状粒子４にはヒートシンク１３との間で熱応力が発生しない。このため複数の球状粒子４は安定した低熱抵抗性を有する。また複数の球状粒子４がヒートシンク１３に埋没することでヒートシンク１３表面にダメージを与えることがない。このため、ヒートシンク１３を繰り返し使うことができる。したがって、ヒートシンク１３のリペアー性を実現できる。
【００３９】
なお、本実施の形態の半導体装置の構成は、上記の構成に限定されるものではなく、セラミック基板の代わりに、樹脂絶縁シートを用いた金属基板が使用されてもよい。また、セラミック基板に金属板３を接合せずにセラミック基板のみであって、セラミック基板のパターン部と反対側に設けられた金属板が底面に露出した構成であってもよい。
【００４０】
次に本実施の形態の作用効果について比較例と対比して説明する。
図１０を参照して、比較例では、銅製の金属板３の表面に金メッキが施され、その上に突出部２０が固着されて配列されている。なお、見やすくするため金メッキは図示されていない。この突出部２０は溶融した錫をインクジェットのようにノズルから噴出させることで形成されている。この比較例では、溶融した錫を吹き付けて突出部２０を固着させるため、突出部２０は金属板３に埋没せずに金属板３の表面に付着している。したがって、突出部２０は金属板３と平面で接着されている。
【００４１】
このため、突出部２０と金属板３に強く接合することは困難である。また突出部２０と金属板３との接触面積Ａを大きくすることも困難である。比較例では、突出部２０と金属板３とに熱がかかると、突出部２０と金属板３との熱膨張差によって突出部２０と金属板３との接触部に熱応力が発生することで突出部２０が金属板３から剥がれやすい。
【００４２】
また、比較例では、溶融した錫を吹き付けるため均一な形状の突出部２０を形成することが困難である。さらに、金属板３の表面に突出部２０を形成するため、下地金属の表面処理の均一性等による金属板３と突出部２０との接着の信頼性が低くなる。また、比較例では、金メッキ等の前処理が必要であり、加えて溶融した錫が固化する時間を要するため、製造に長時間を要するため、製造プロセスが高コスト化する。
【００４３】
一方、図１１を参照して、本実施の形態の半導体装置によれば、金属板３の他方面３ｂに複数の球状粒子４の球状の外形の一部が埋没している。このため、複数の球状粒子４を金属板３の他方面３ｂに食い込ませることで複数の球状粒子４を金属板３に強く接合することができる。また、複数の球状粒子４と金属板３との接触面積Ａを大きくすることができる。よって、複数の球状粒子４が金属板３から剥がれることを抑制することができる。したがって、半導体素子１の熱を複数の球状粒子４から放熱することができる。
【００４４】
また、複数の球状粒子４は球状の外形を有しているため、ヒートシンク１３に取り付けられた際にヒートシンク１３に貫入されない。このため、複数の球状粒子４とヒートシンク１３との間に熱応力が生じることを抑制することができる。これにより、複数の球状粒子４と金属板３およびヒートシンク１３との界面に隔離が生じることを抑制することができる。以上により、半導体素子１からの放熱を促進することができる。
【００４５】
本実施の形態の半導体装置では、球状粒子４が金属からなっているため、球状粒子４は熱伝導性に優れている。このため、半導体素子１からの放熱を促進することができる。
【００４６】
本実施の形態の半導体装置の変形例では、球状粒子４がセラミックからなっているため、球状粒子４は金属より高い硬度を有している。このため、球状粒子４は金属板３に埋没した状態において外形の変形を抑制することができる。したがって、球状粒子４を金属板３の他方面３ｂに均一に配列することができる。これにより、金属板３の他方面３ｂの全面において均一な熱電性能を実現することができる。
【００４７】
本実施の形態の半導体装置では、金属板３の他方面３ｂに複数の球状粒子４およびグリース１４を介してヒートシンク１３が取り付けられている。このため、球状粒子４からヒートシンク１３への熱伝導を促進することができる。これにより、球状粒子４からの放熱を促進することができる。
【００４８】
また、複数の球状粒子４はヒートシンク１３に接触するが埋没していないため、半導体素子１の発熱時の温度変化に対しても複数の球状粒子４にはヒートシンク１３との間で熱応力が発生しない。また複数の球状粒子４がヒートシンク１３に埋没することでヒートシンク１３表面にダメージを与えることがない。このため、ヒートシンク１３を繰り返し使うことができる。したがって、ヒートシンク１３のリペアー性を実現できる。
【００４９】
本実施の形態の半導体装置の製造方法によれば、金属板３より大きな硬度を有する球状粒子４を金属板３の他方面３ｂに吹き付けることで球状粒子４の球状の外形の一部が金属板３の他方面３ｂに埋没される。
【００５０】
このため、金属板３の他方面３ｂに複数の球状粒子４を埋没させることができる。また、複数の球状粒子４を金属板３の他方面３ｂにおいて均一な形状に形成することができる。されに、金属板３の下地金属の表面処理が不要であるため、接着の信頼性を向上することができる。また、金メッキ等の前処理が不要であり、球状粒子４が固化する時間も不要であるため製造プロセスを短時間化するとともに低コスト化することができる。
【００５１】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００５２】
１  半導体素子、２  基板、３  金属板、３ａ  一方面、３ｂ  他方面、４  球状粒子、５  ケース、６  電極端子、７  配線、８  蓋、９  封止樹脂、１１  ノズル、１２  ガス、１３  ヒートシンク、１４  グリース。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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