(57)【要約】  放熱板に生じた傷を低減することができる。  半導体装置（１００）では、放熱板（１４０）の裏面の第１接合領域（１４２）に複数の小さな窪みが形成され、窪みが複数重なり合って構成されている。裏面に筋状等の傷が生じた放熱板（１４０）に対して、上記のような複数の小さな窪みを形成して、窪みが複数重なり合って構成されることで、裏面の傷を除去することができ、傷を低減することができる。また、放熱板（１４０）の裏面の第１接合領域（１４２）に上記のような複数の小さな窪みが形成されると、当該裏面の第１接合領域（１４２）の硬度が高まる。このため、裏面の第１接合領域（１４２）に窪みが複数重なり合って構成された放熱板（１４０）の裏面に対して傷が発生することが防止される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップと、
放熱器と、
絶縁板と、前記絶縁板のおもて面に形成された回路板と、前記絶縁板の裏面に形成された金属板とを有し、前記回路板上に前記半導体チップが設けられた積層基板と、
おもて面に前記積層基板の前記金属板が接合部材を介して接合され、裏面に前記放熱器が放熱材を介して接合され、前記裏面の前記放熱器が接合される第１接合領域に複数の窪みが形成され、前記窪みが複数重なり合って構成された放熱板と、
を有する半導体装置。
【請求項２】
前記放熱板の前記第１接合領域の算術平均粗さは、０．５μｍ以上、４μｍ以下である、
請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記放熱板の前記第１接合領域のビッカース硬度は、１４０Ｈｖ以上、１６０Ｈｖ以下である、
請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記放熱板の反り変化量は、５０μｍ以上、２００μｍ以下である、
請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】
半導体チップと、
絶縁板と、前記絶縁板のおもて面に形成された回路板と、前記絶縁板の裏面に形成された金属板とを有し、前記回路板上に前記半導体チップが設けられた積層基板と、
おもて面に前記積層基板の前記金属板が接合部材を介して接合された放熱板と、
を有し、
前記積層基板の前記金属板の前記放熱板が接合される第２接合領域と、前記放熱板の前記おもて面の前記積層基板の前記金属板が接合される第３接合領域との少なくとも一方に複数の窪みが形成され、前記窪みが複数重なり合って構成された、
半導体装置。
【請求項６】
前記金属板の前記第２接合領域及び前記放熱板の前記第３接合領域の算術平均粗さは、０．５μｍ以上、４μｍ以下である、
請求項５に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記金属板の前記第２接合領域及び前記放熱板の前記第３接合領域のビッカース硬度は、１４０Ｈｖ以上、１６０Ｈｖ以下である、
請求項６に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記放熱板の反り変化量は、５０μｍ以上、２００μｍ以下である、
請求項７に記載の半導体装置。
【請求項９】
半導体チップと、
絶縁板と、前記絶縁板のおもて面に形成された回路板と、前記絶縁板の裏面に形成された金属板とを有し、前記回路板上に前記半導体チップが設けられた積層基板と、
前記半導体チップに接合部材を介して接合され、前記半導体チップが接合される第４接合領域に複数の窪みが形成され、前記窪みが複数重なり合って構成されたリードフレームと、
を有する半導体装置。
【請求項１０】
前記リードフレームの前記第４接合領域の算術平均粗さは、０．５μｍ以上、４μｍ以下である、
請求項９に記載の半導体装置。
【請求項１１】
前記リードフレームの前記第４接合領域のビッカース硬度は、１４０Ｈｖ以上、１６０Ｈｖ以下である、
請求項１０に記載の半導体装置。
【請求項１２】
前記放熱板の反り変化量は、５０μｍ以上、２００μｍ以下である、
請求項１１に記載の半導体装置。
【請求項１３】
放熱板を用意する工程と、
前記放熱板の前記おもて面に、絶縁板と、前記絶縁板のおもて面に形成された回路板と、前記絶縁板の裏面に形成された金属板とを有する積層基板の前記金属板を接合部材を介して接合して、前記積層基板の前記回路板上に半導体チップを設ける組み立て工程と、
前記放熱板を用意した後、または、前記組み立て工程後、前記放熱板の前記裏面の放熱器が接合される第１接合領域にショットピーニング処理を行う工程と、
前記放熱板の前記第１接合領域に放熱材を介して前記放熱器を取り付ける工程と、
を有する半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
前記ショットピーニング処理で用いられるショット材の平均粒径は、０．５ｍｍ以上、３ｍｍ以下である、
請求項１３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
前記ショットピーニング処理の超音波振幅は、７０μｍである、
請求項１４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１６】
前記ショットピーニング処理の振動時間は、２０秒である、
請求項１５に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１７】
絶縁板と、前記絶縁板のおもて面に形成された回路板と、前記絶縁板の裏面に形成された金属板とを有する積層基板と、放熱板とを用意する工程と、
前記積層基板の前記金属板の前記放熱板のおもて面が接合される第２接合領域と、前記放熱板の前記おもて面の前記積層基板の前記金属板が接合される第３接合領域との少なくとも一方にショットピーニング処理を行う工程と、
前記放熱板の前記おもて面に前記積層基板の前記金属板を接合部材を介して接合して、前記積層基板の前記回路板上に半導体チップを設ける組み立て工程と、
を有する半導体装置の製造方法。
【請求項１８】
前記ショットピーニング処理で用いられるショット材の平均粒径は、０．５ｍｍ以上、３ｍｍ以下である、
請求項１７に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１９】
前記ショットピーニング処理の超音波振幅は、７０μｍである、
請求項１８に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２０】
前記ショットピーニング処理の振動時間は、２０秒である、
請求項１９に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２１】
絶縁板と、前記絶縁板のおもて面に形成された回路板と、前記絶縁板の裏面に形成された金属板とを有する積層基板と、リードフレームとを用意する工程と、
前記リードフレームの半導体チップが接合される第４接合領域にショットピーニング処理を行う工程と、
前記積層基板の前記回路板上に前記半導体チップを設け、前記半導体チップと前記第４接合領域とを接合部材を介して接合する組み立て工程と、
を有する半導体装置の製造方法。
【請求項２２】
前記ショットピーニング処理で用いられるショット材の平均粒径は、０．５ｍｍ以上、３ｍｍ以下である、
請求項２１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２３】
前記ショットピーニング処理の超音波振幅は、７０μｍである、
請求項２２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２４】
前記ショットピーニング処理の振動時間は、２０秒である、
請求項２３に記載の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、半導体装置及び半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力変換装置等として用いられるパワー半導体装置は、半導体チップと、おもて面に回路板、裏面に金属板がそれぞれ形成された絶縁板を有し、回路板上にはんだを介して半導体チップが設けられた積層基板とを有する。また、パワー半導体装置は、当該積層基板がはんだを介して設けられた放熱板を有する。このような構成がケースに入れられたパワー半導体装置は、さらに、放熱板の裏面にサーマルコンパウンド等の放熱材を介して放熱器が取り付けられる。また、パワー半導体装置では、半導体チップと、積層基板と、放熱板とがはんだ接合するために加熱される。この際、各部材間の熱膨張係数に差があるために、放熱板に反りが生じてしまう。反りが生じた放熱板と、放熱器との間に隙間が生じると放熱材の厚さが不均一となり、放熱板から放熱器に対する熱伝導にばらつきが生じて、放熱性が低下してしまう。【０００３】
そこで、放熱板に加工硬化層を形成することにより、放熱板の反りを制御することができる。これにより、放熱板と放熱器とを密着させて放熱材の厚さを均一にし、放熱性の低下を抑制する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２１４２８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、このようなパワー半導体装置はその製造過程において、取り扱い方等の何らかの理由により放熱板の裏面にスクラッチ等の傷が生じてしまうことがある。特に、筋状の傷が生じた放熱板に放熱材を介して放熱器を取り付けると、当該傷に放熱材が入り込むことができない。この結果、傷が空隙となってしまい、空気が入り込んでしまう。【０００６】
このような状態のもと、パワー半導体装置が駆動して発熱しても、空隙となった傷は熱の伝導の妨げとなり、パワー半導体装置の放熱性が低下してしまう。
さらに、パワー半導体装置が発熱すると、放熱板が熱応力により変形するに伴い、放熱材の一部が傷に沿って外部に押し出されてしまう（ポンプアウト）おそれがある。これにより、放熱材の塗布分布にばらつきが生じてしまい、パワー半導体装置の放熱性が低下してしまう。【０００７】
本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、放熱板に生じた傷を低減することが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を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一観点によれば、半導体チップと、放熱器と、絶縁板と、前記絶縁板のおもて面に形成された回路板と、前記絶縁板の裏面に形成された金属板とを有し、前記回路板上に前記半導体チップが設けられた積層基板と、おもて面に前記積層基板の前記金属板側が接合部材を介して接合され、裏面に前記放熱器が放熱材を介して接合され、前記裏面の前記放熱器が接合される第１接合領域に複数の窪みが形成され、前記窪みが複数重なり合って構成された放熱板と、を有する半導体装置が提供される。【０００９】
また、本発明の一観点によれば、放熱板を用意する工程と、前記放熱板の前記おもて面に、絶縁板と、前記絶縁板のおもて面に形成された回路板と、前記絶縁板の裏面に形成された金属板とを有する積層基板の前記金属板側を接合部材を介して接合して、前記積層基板の前記回路板上に半導体チップを設ける組み立て工程と、前記放熱板を用意した後、または、前記組み立て工程後、前記放熱板の前記裏面の放熱器が接合される第１接合領域にショットピーニング処理を行う工程と、前記放熱板の前記第１接合領域に放熱材を介して前記放熱器を取り付ける工程と、を有する半導体装置の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
開示の技術によれば、半導体装置の放熱性の低下を抑制することができる。
本発明の上記及び他の目的、特徴及び利点は本発明の例として好ましい実施の形態を表す添付の図面と関連した以下の説明により明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施の形態における半導体装置を示す図である。
【図２】第１の実施の形態における半導体装置の放熱板の裏面を示す図である。
【図３】第１の実施の形態におけるショットピーニング処理を説明するための図である。
【図４】第１の実施の形態におけるショットピーニング処理により放熱板に形成された窪みのＳＥＭ像の模式図である。
【図５】第１の実施の形態における半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。
【図６】第１の実施の形態における半導体装置の放熱板のショット材の平均粒径に対するビッカース硬度の変化を表すグラフである。
【図７】第１の実施の形態における半導体装置の放熱板のショット材の平均粒径に対する反り量の変化を表すグラフである。
【図８】第１の実施の形態における半導体装置の放熱板のショット材の平均粒径に対する算術平均粗さの変化を表すグラフである。
【図９】第２の実施の形態における半導体装置を示す図である。
【図１０】第３の実施の形態における半導体装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、実施の形態について図面を用いて説明する。
［第１の実施の形態］
まず、半導体装置について、図１及び図２を用いて説明する。
【００１３】
図１は、第１の実施の形態における半導体装置を示す図である。
図２は、第１の実施の形態における半導体装置の放熱板の裏面を示す図である。
半導体装置１００は、半導体チップ１１０と、積層基板１２０と、放熱板１４０とが積層されてケース１５０に収納されている。ケース１５０内で、半導体チップ１１０と、積層基板１２０と、放熱板１４０のおもて面側とが樹脂（図示を省略）で封止されている。
【００１４】
半導体チップ１１０は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ＦＷＤ（Free Wheeling Diode）等の半導体素子を含む。なお、図１では、半導体チップ１１０を１個のみ記載しているが、必要に応じて複数配置することも可能である。
【００１５】
積層基板１２０は、絶縁板１２１と、絶縁板１２１のおもて面に形成された回路板１２２と、絶縁板１２１の裏面に形成された金属板１２３とを有する。絶縁板１２１はアルミナ、窒化ケイ素、窒化アルミ等で構成されている。回路板１２２は、導電性を備える、例えば、銅等の金属により構成されている。金属板１２３は、熱伝導性が高い、例えば、アルミニウム、金、銀、銅等の金属により構成されている。また、積層基板１２０は、回路板１２２上に半導体チップ１１０がはんだ等の接合部材（図示を省略）を介して設けられている。接合部材は、通常用いられるはんだ材でよい。クリームはんだでも板はんだでもよい。また、銀粒子及び銅粒子を含んだ導電性接合材でもよい。また、導電性接合材は焼結されたものでもよい。
【００１６】
放熱板１４０は、熱伝導性が高い、例えば、アルミニウム、金、銀、銅等の金属により構成されている。放熱板１４０は、おもて面に積層基板１２０がはんだ材等の接合部材１３０を介して設けられている。また、このような放熱板１４０の表面には耐食性を向上させるためにニッケル等による保護膜を形成してもよい。保護膜はニッケルの他、クロム、金等を適用することもできる。保護膜はスパッタリングやＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学的気相成長法）やめっきによって形成される。また、放熱板１４０の裏面の後述する放熱器１７０が接合される第１接合領域１４２には、図２に示されるように、複数の小さな窪み１４１が形成され、窪み１４１が複数重なり合って構成されている。なお、放熱板１４０の裏面の第１接合領域１４２に対する窪みの形成方法の詳細については後述する。
【００１７】
なお、半導体チップ１１０間、また、半導体チップ１１０の主電極と、ケース１５０の端子とが、ワイヤ（図示を省略）にて電気的に接続されている。
このような構成を有する半導体装置１００は、放熱板１４０の裏面にサーマルコンパウンド等の放熱材１６０を介して放熱器１７０が設けられている。放熱器１７０は、熱伝導性が高い、例えば、アルミニウム、金、銀、銅等の金属により構成されている。このような放熱器１７０は、放熱板１４０の裏面に放熱材１６０を挟んでネジ（図示を省略）で取り付けられている。放熱材１６０は、放熱板１４０と放熱器１７０の間で熱を円滑に伝達するため、放熱板１４０と放熱器１７０の間の微細な隙間を充填する材料である。
【００１８】
なお、放熱材１６０は、例えば、ノンシリコーン系の有機オイルと、当該有機オイルに含有されたフィラー（その一例として、アルミナ）とを含む。なお、有機オイルとして、シリコーン系を用いてもよい。また、フィラーは、熱伝導を向上させるために用いるもので、窒化アルミや酸化亜鉛等が用いられる。なお、フィラーの充填率は８０ｗｔ％以上、９５ｗｔ％以下、フィラーの平均粒径は、０．１μｍ以上、２０μｍ以下であって、平均は５μｍ程度である。また、放熱材１６０の熱伝導率は１．９９Ｗ／（ｍ・Ｋ）、粘度が５４２Ｐａ・ｓ（回転速度０．３ｒｐｍ時）、１１２Ｐａ・ｓ（回転速度３ｒｐｍ時）である。このような放熱材１６０が、放熱板１４０に対して厚さ１００μｍ程度で塗布されている。
【００１９】
このような半導体装置１００では、放熱板１４０の裏面の放熱器１７０が接合される第１接合領域１４２に複数の小さな窪み１４１が形成され、窪み１４１が複数重なり合って構成されている。裏面の第１接合領域１４２に筋状等の傷が生じた放熱板１４０に対して、上記のような複数の小さな窪み１４１を形成して、窪み１４１が複数重なり合って構成される。これにより、裏面の傷を除去することができ、傷を低減することができる。特に筋状の傷を除去することができる。
【００２０】
また、放熱板１４０の裏面の放熱器１７０が接合される第１接合領域１４２に上記のような複数の小さな窪み１４１が形成されると、当該裏面の第１接合領域１４２の硬度が高まる。このため、裏面の第１接合領域１４２に窪み１４１が複数重なり合って構成された放熱板１４０の第１接合領域１４２に対して傷が発生することが防止される。たとえ、裏面の第１接合領域１４２に窪み１４１が複数重なり合って構成された放熱板１４０の裏面の第１接合領域１４２に対して傷が生じても、裏面の第１接合領域１４２には複数の小さな窪み１４１が重なり合って等方的に広がっている。このために、生じた傷が連続的な溝（筋状の傷）に構成されずに、傷を低減することができる。
【００２１】
このように放熱板１４０の裏面の第１接合領域１４２に生じる傷を低減することができる。このため、放熱板１４０に放熱材１６０を介して放熱器１７０を取り付けると、傷による空隙を減らすことができる。さらに、傷に沿って生じるポンプアウトを抑制することができる。したがって、半導体装置１００の放熱性の低下を抑制することができるようになる。
【００２２】
次に、以下では、放熱板１４０の裏面の第１接合領域１４２の複数の窪み１４１の形成方法の詳細について説明する。
まず、放熱板１４０の裏面の第１接合領域１４２に対する複数の窪みの形成方法について、図３を用いて説明する。
【００２３】
図３は、第１の実施の形態におけるショットピーニング処理を説明するための図である。
なお、図３（Ａ）は、ショットピーニング処理を説明する図を表し、図３（Ｂ）は、ショットピーニング処理が行われた放熱板１４０を説明するための図を表している。
【００２４】
半導体装置１００の放熱板１４０の裏面の第１接合領域１４２に複数の窪み１４１が、ショットピーニング（ＳＰ）処理により形成される。
放熱板１４０の裏面の第１接合領域１４２にショットピーニング処理を実行するために、放熱板１４０の裏面の第１接合領域１４２に対して、例えば、図３（Ａ）に示されるように、ショットピーニング処理装置２００が設置される。
【００２５】
ショットピーニング処理装置２００は、超音波振動装置２１０と、超音波振動装置２１０により振動される複数のショット材２２０とを含む。
このようなショットピーニング処理装置２００では、超音波振動装置２１０を駆動させることにより、ショット材２２０が振動する。振動するショット材２２０が放熱板１４０の裏面の第１接合領域１４２に打ち付けられる。これにより、図３（Ｂ）に示されるように、放熱板１４０の裏面の第１接合領域１４２に複数の窪み１４１が形成され、窪み１４１が複数重なり合って構成される。また、このようにしてショットピーニング処理された放熱板１４０の処理領域はその硬度が高まる。
【００２６】
ショットピーニング処理装置２００では、様々な処理条件を設定することで、窪み１４１の窪み幅、深さ等を制御して、放熱板１４０の処理領域の硬度も制御することができる。
【００２７】
ショット材２２０は、例えば、金属（金属合金含む）、セラミックス、ガラス等を用いることができる。また、このようなショット材２２０の平均粒径として、例えば、０．５ｍｍ以上、３ｍｍ以下の材質を用いることができる。なお、ショット材２２０の平均粒径の詳細については後述する。また、ショット材２２０の平均粒径は、各ショット材２２０をＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）によりそれぞれ観察して、その粒径を計測して平均を取ることで得られる。具体的には、ＳＥＭ観察による粒子像を円で近似し、その直径を粒子径とする。このショット材２２０の形状は、角ばった形状でも、球状でもよい。
【００２８】
また、既述の通り、放熱板１４０の表面には保護膜が形成される。このため、ショットピーニング処理は、保護膜が形成される前に、放熱板１４０に行うことが可能であり、また、保護膜が表面に形成された放熱板１４０にも行うことが可能である。なお、放熱板１４０の表面に形成した保護膜上にショットピーニング処理を行う場合のショット材は球状であることが好ましい。なぜならば、このような保護膜上のショットピーニング処理に角ばったショット材を利用すると、保護膜に亀裂が生じ、剥離等が生じてしまうことがあるからである。
【００２９】
また、超音波振動装置２１０による超音波振幅（振幅）は、上記範囲の平均粒径のショット材２２０を用いて、例えば、３５μｍ、５５μｍ、７０μｍ、８０μｍとすることができ、振動時間（処理時間）は、例えば、５秒、１０秒、１５秒、２０秒、１００秒とすることができる。これらの条件を組み合わせることで、放熱板１４０の裏面に形成する複数の窪み１４１の数、サイズ等を適宜制御することができる。また、生産性の観点から、処理時間を短くできるため、振幅は５０μｍ以上、８０μｍ以下であることが好ましい。
【００３０】
但し、傷を除去するための傷除去用のショットピーニング処理は、放熱板１４０に反りがほぼ生じない程度に、放熱板１４０の裏面が硬化するようにショット材２２０の平均粒径、超音波振幅、振動時間が選択される。
【００３１】
なお、放熱板１４０の第１接合領域１４２の硬度が、傷除去用のショットピーニング処理を行った場合よりも、より増加するように、ショット材２２０の平均粒径、超音波振幅、振動時間を適宜選択する。すると、放熱板１４０の裏面には、傷除去用のショットピーニング処理の場合よりも、より深い窪みが複数重なり合って構成される。放熱板１４０の裏面に複数の窪みが重なり合って形成された領域は、体積が増大する。そして、傷除去用のショットピーニング処理の場合よりも、硬化することで、深い加工硬化層が形成される。この加工硬化層は放熱板１４０の板厚方向に数ミクロンから数十ミクロンの厚みを持つ層である。そして、このショットピーニング処理された領域には、圧縮応力が働き、放熱板１４０として反りが生じる。具体的には、加工硬化層を下にして、下に凸の形状（凹状）となる。また、放熱板１４０の裏面に形成される窪み１４１の深さ、幅、数等は、超音波振動の振幅、ショット材の形状、平均粒径等を変化させることで、制御することができる。このような反り付け用のショットピーニング処理により、例えば、放熱板１４０に初期反りを与えることができる。
【００３２】
また、半導体チップ１１０と積層基板１２０と放熱板１４０とを接合部材で加熱接合した際に、反りが生じる。そこで、反り付け用のショットピーニング処理を加熱接合した後に行うことで、生じた反りを矯正し、平滑にすることができる。
【００３３】
ここで、ショットピーニング処理により放熱板１４０に形成される窪み１４１について、図４を用いて説明する。
図４は、第１の実施の形態におけるショットピーニング処理により放熱板に形成された窪みのＳＥＭ像の模式図である。
【００３４】
なお、図４（Ａ）は、ショットピーニング処理により放熱板１４０に形成された窪み１４１の一つ分の上面のＳＥＭ像の模式図であり、図４（Ｂ）は、当該窪み１４１の一つ分の断面のＳＥＭ像の模式図である。
【００３５】
平滑な放熱板１４０にショットピーニング処理を短時間行うと、ショット材２２０が放熱板１４０の裏面に衝突して、加工痕として窪み１４１が生じ、このような窪み１４１が重なることなく、散らばって形成される。この際の一つの窪み１４１は、ショット材２２０の形状を転写したように形成される。そのため、ショット材２２０が球状であれば、図４（Ａ）に示されるように、窪み１４１は球の一部のようになる。その窪みの断面は、図４（Ｂ）に示されるように、円弧状となる。なお、この際の窪み１４１の幅を窪み幅とする。そして、沢山のショット材２２０が衝突すると、窪み１４１が重なり合って、球状の窪みが並んだ、等方的な仕上げ面が形成される。
【００３６】
次に、このようなショットピーニング処理が行われた放熱板１４０を含む半導体装置１００の製造方法について、図５を用いて説明する。
図５は、第１の実施の形態における半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。
【００３７】
なお、傷除去用のショットピーニング処理工程については半導体装置１００の製造方法の説明後に説明する。
［ステップＳ１０］  放熱板１４０に、例えば、下に凸（凹状）になるような初期反りを与える。なお、この工程は省略することも可能である。
【００３８】
これは、後に、半導体チップ１１０、積層基板１２０、放熱板１４０をはんだを介して積層して加熱してはんだ接合する際に、各部材間の熱膨張率係数の差により放熱板１４０は上に凸に反ってしまう。放熱板１４０が反ってしまうことを見越して、予め、放熱板１４０にこのような初期反りを与えておくものである。
【００３９】
なお、この放熱板１４０の初期反りは、既述の通り、放熱板１４０の裏面に対して、反り付け用のショットピーニング処理を行うことにより、与えられることも可能である。この際、ショット材２２０の平均粒径、超音波振幅、振動時間の条件が適宜選択される。
【００４０】
［ステップＳ１１］  放熱板１４０上にはんだ板等の板状の接合部材を介して積層基板１２０を設け、積層基板１２０の回路板１２２上に板状の接合部材を介して半導体チップ１１０を設けて、各部材をセットする。
【００４１】
［ステップＳ１２］  加熱して、半導体チップ１１０と、積層基板１２０と、放熱板１４０との各部材間に配置された板状の接合部材を溶融し、溶融した接合部材を固化する。これにより、半導体チップ１１０と、積層基板１２０と、放熱板１４０とを接合する。
【００４２】
なお、このようなはんだ付けを行った際、一体となった半導体チップ１１０、積層基板１２０、放熱板１４０が反る場合がある。これは、放熱板１４０の線膨張係数が、積層基板１２０等より大きいために熱応力により生じるものである。その場合は、放熱板１４０の矯正用にショットピーニング処理を行ってもよい。
【００４３】
［ステップＳ１３］  半導体チップ１１０に対するワイヤボンディングを行って、配線接続を行う。
［ステップＳ１４］  ケース１５０に端子の取り付けを行う。
【００４４】
［ステップＳ１５］  ステップＳ１１でセットした半導体チップ１１０と、積層基板１２０と、放熱板１４０とをケース１５０に収納して、ケース１５０を接着して半導体装置１００を組み立てる。
【００４５】
なお、この際、ケース１５０の裏面側では、放熱板１４０の裏面が露出している。
［ステップＳ１６］  ケース１５０内の半導体チップ１１０と積層基板１２０と放熱板１４０のおもて面とを樹脂またはシリコーンゲルで封止する。
【００４６】
［ステップＳ１７］  ケース１５０の端子を曲げて、蓋を取り付ける。
［ステップＳ１８］  放熱板１４０の裏面に放熱材１６０を１００μｍの厚さになるように塗布する。
【００４７】
［ステップＳ１９］  放熱材１６０を塗布した放熱板１４０の裏面に放熱器１７０を取り付ける。このような放熱器１７０を放熱板１４０に対してネジで固定する。
以上により、放熱器１７０が取り付けられた半導体装置１００が製造される。
【００４８】
このような半導体装置１００の製造方法において、放熱板１４０に対する、傷除去用のショットピーニング処理工程は、ステップＳ１０で放熱板１４０に初期反りを付与した後に行ってもよいし、Ｓ１２〜Ｓ１７のいずれかの工程の後に行うこともできる。なお、他の工程に影響を与えないという観点からすれば、ステップＳ１０の処理の後、または、ステップＳ１７の工程の後に、傷除去用のショットピーニング処理を行うことが好ましい。
【００４９】
次に、放熱板１４０に対する傷除去用のショットピーニング処理において、様々な処理条件に対する放熱板１４０の裏面の第１接合領域１４２の状態（硬さ、反り、粗さ）について説明する。
【００５０】
様々な処理条件としては、例えば、ショット材２２０の平均粒径、超音波振動装置２１０による処理時間と超音波振幅とをそれぞれ変化させるものとする。なお、傷除去用のショットピーニング処理を行わない放熱板１４０の裏面は、平滑な表面である。また、使用した放熱板１４０は、縦１２０ｍｍ程度、横６０ｍｍ程度、厚さ３ｍｍ程度の銅板を用いた。
【００５１】
まず、ショット材２２０の平均粒径（［ｍｍ］）に対する放熱板１４０の裏面のビッカース硬度（［Ｈｖ］）の変化について、図６を用いて説明する。
図６は、第１の実施の形態における半導体装置の放熱板のショット材の平均粒径に対するビッカース硬度の変化を表すグラフである。
【００５２】
なお、図６の横軸は、ショット材２２０の平均粒径（［ｍｍ］）を、縦軸は、放熱板１４０の裏面全体のビッカース硬度（［Ｈｖ］）をそれぞれ表している。
また、図６では、ショットピーニング処理装置２００が処理時間を２０秒、超音波振幅を７０μｍで、傷除去用のショットピーニング処理を行った場合を示している。さらに、この場合において、ショット材２２０にＳＵＳ３０４を用いて、ショット材２２０の平均粒径が、０ｍｍ、０．５ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍの場合で傷除去用のショットピーニング処理が行われた放熱板１４０のビッカース硬度を計測した。なお、平均粒径が０ｍｍとは、ショットピーニング処理をしない場合のビッカース硬度である。
【００５３】
図６のグラフによれば、ショット材２２０の平均粒径が大きくなるほど、放熱板１４０のビッカース硬度が高まっていることが分かる。
次に、ショット材２２０の平均粒径（［ｍｍ］）に対する放熱板１４０の裏面の第１接合領域１４２の反り（［μｍ］）の変化について、図７を用いて説明する。
【００５４】
図７は、第１の実施の形態における半導体装置の放熱板のショット材の平均粒径に対する反り量の変化を表すグラフである。なお、レーザー変位計により測定した変位の最大値を反り変化量とした。
【００５５】
なお、図７の横軸は、ショット材２２０の平均粒径（［ｍｍ］）を、縦軸は、放熱板１４０の裏面の第１接合領域１４２の反り変化量（［μｍ］）をそれぞれ表している。
また、図７でも、ショットピーニング処理装置２００が処理時間を２０秒、超音波振幅を７０μｍで、傷除去用のショットピーニング処理を行った場合を示している。さらに、この場合において、ショット材２２０にＳＵＳ３０４を用いて、ショット材２２０の平均粒径が、０．５ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍ、５ｍｍの場合で傷除去用のショットピーニング処理が行われた放熱板１４０の反り変化量を計測した。
【００５６】
図７のグラフによれば、ショット材２２０で利用した平均粒径の範囲において、ショット材２２０の平均粒径が大きくなるほど、放熱板１４０の反り変化量が増加していることが分かる。特に、ショット材２２０の平均粒径が２ｍｍ程度を超えると放熱板１４０の反り変化量が急激に増加していることが分かる。
【００５７】
放熱板１４０は、その反り変化量の上限として２００μｍ程度までが許容される。すなわち、放熱板１４０の反り変化量が２００μｍ程度以下であるためには、ショット材の平均粒径は３ｍｍ程度以下であることが望ましい。
【００５８】
次に、ショット材２２０の平均粒径（［ｍｍ］）に対する放熱板１４０の裏面の第１接合領域１４２の算術平均粗さＲａ（［μｍ］）の変化について、図８を用いて説明する。
図８は、第１の実施の形態における半導体装置の放熱板のショット材の平均粒径に対する算術平均粗さの変化を表すグラフである。
【００５９】
なお、図８の横軸は、ショット材２２０の平均粒径（［ｍｍ］）を、縦軸は、放熱板１４０の裏面の第１接合領域１４２の算術平均粗さＲａ（［μｍ］）をそれぞれ表している。
【００６０】
また、図８でも、ショットピーニング処理装置２００が処理時間を２０秒、超音波振幅を７０μｍで、傷除去用のショットピーニング処理を行った場合を示している。さらに、この場合において、ショット材２２０にＳＵＳ３０４を用いて、ショット材２２０の平均粒径が、０．５ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍ、５ｍｍの場合で傷除去用のショットピーニング処理が行われた放熱板１４０の算術平均粗さＲａを計測した。
【００６１】
図８のグラフによれば、ショット材２２０の平均粒径が大きくなるほど、放熱板１４０の算術平均粗さＲａが増加していることが分かる。
図７で説明したように、傷除去用のショットピーニング処理を行うためのショット材２２０の平均粒径の最大値は３ｍｍ程度である。この際の算術平均粗さＲａは、図８によれば、４μｍであることがわかる。
【００６２】
なお、放熱板１４０の算術平均粗さＲａが大きすぎると、放熱材１６０の表面が凸凹となり平滑ではなくなってしまう。このため、放熱材１６０の厚さの分布にばらつきが生じ、放熱性にもばらつきが生じてしまうおそれがある。
【００６３】
また、傷が裏面の第１接合領域１４２に形成された放熱板１４０の裏面の第１接合領域１４２に形成する複数の窪み１４１が小さすぎると、傷を除去することができない。また、複数の窪み１４１が裏面の第１接合領域１４２に形成された放熱板１４０に対して傷が形成された場合、当該複数の窪み１４１が小さすぎると、傷が筋状に形成されたままとなる。そこで、このような傷を低減するためには、放熱板１４０の裏面の第１接合領域１４２の算術平均粗さＲａは、少なくとも０．５μｍ程度を要する。したがって、このような算術平均粗さＲａを導入するためには、図８を鑑みると、ショット材２２０の平均粒径は０．５ｍｍ程度以上である必要がある。
【００６４】
したがって、上記の図６〜図８から、ショットピーニング処理装置２００が、処理時間を２０秒、超音波振幅を７０μｍである場合、傷除去用のショットピーニング処理を行うショット材２２０の平均粒径は、０．５ｍｍ以上、３ｍｍ以下であることが望ましい。また、反り量の点から、より好ましくは０．５ｍｍ以上、３ｍｍ以下である。このようなショット材２２０の平均粒径の場合の放熱板１４０の反り変化量は、５０μｍ程度以上、２００μｍ程度以下である。また、このようなショット材２２０の平均粒径の場合の放熱板１４０の算術平均粗さＲａは、０．５μｍ程度以上、４μｍ程度以下である。また、算術平均粗さＲａは、より好ましくは１μｍ以上、３μｍ以下である。
【００６５】
このように、上記半導体装置１００の製造方法では、放熱板１４０を用意する工程と、放熱板１４０のおもて面に、絶縁板１２１と、絶縁板１２１のおもて面に形成された回路板１２２と、絶縁板１２１の裏面に形成された金属板１２３とを有する積層基板１２０の金属板１２３側を接合部材を介して接合して、積層基板１２０の回路板１２２上に半導体チップ１１０を設ける組み立て工程とを有する。そして、放熱板１４０を用意した後、または、組み立て工程後、放熱板１４０の裏面の放熱器１７０が接合される第１接合領域１４２にショットピーニング処理を行う工程と、放熱板１４０の第１接合領域１４２に放熱材１６０を介して放熱器１７０を取り付ける工程とを有する。この際のショットピーニング処理では、処理時間を２０秒、超音波振幅を７０μｍ、ショット材２２０をＳＵＳ３０４とし、その平均粒径を０．５ｍｍ以上、３ｍｍ以下とする。すると、放熱板１４０の裏面の第１接合領域１４２に複数の小さな窪み１４１が形成され、窪み１４１が複数重なり合って構成されている。これにより、放熱板１４０は、その反り変化量が、５０μｍ程度以上、２００μｍ程度以下、その算術平均粗さＲａが、０．５μｍ程度以上、４μｍ程度以下、ビッカース硬度が、１４０Ｈｖ以上、１６０Ｈｖ以下となる。
【００６６】
このため、裏面の第１接合領域１４２に筋状等の傷が生じた放熱板１４０に対して、上記のような複数の小さな窪み１４１を形成して、窪み１４１が複数重なり合って構成される。これにより、裏面の第１接合領域１４２の傷を除去することができ、傷を低減することができる。なお、上述の処理時間及び超音波振幅は一例であり、これに限定されるものではない。所定の平均粒径のショット材２２０によるショットピーニング処理により、上述と同等の効果を得ることができる。
【００６７】
また、既述の通り、放熱板１４０は裏面の第１接合領域１４２にショットピーニング処理が行われると当該裏面の第１接合領域１４２の硬度が高まる。このため、裏面の第１接合領域１４２に窪み１４１が複数重なり合って構成された放熱板１４０の裏面の第１接合領域１４２に対して傷が発生することが防止される。たとえ、裏面の第１接合領域１４２に窪み１４１が複数重なり合って構成された放熱板１４０の裏面の第１接合領域１４２に対して傷が生じても、裏面の第１接合領域１４２には複数の小さな窪み１４１が重なり合って等方的に広がっている。この結果、生じた傷が連続的な溝に構成されずに、傷を低減することができる。
【００６８】
このように放熱板１４０の裏面の第１接合領域１４２に生じる傷を低減することができる。このために、放熱板１４０に放熱材１６０を介して放熱器１７０を取り付けると、傷による空隙を減らすことができ、また、ポンプアウトの発生を抑制することができる。したがって、半導体装置１００の放熱性の低下を抑制することができるようになる。
【００６９】
［第２の実施の形態］
第２の実施の形態の半導体装置について図９を用いて説明する。
図９は、第２の実施の形態における半導体装置を示す図である。
【００７０】
半導体装置１００ａに対する傷除去用のショットピーニング処理は、図９に示されるように、放熱板１４０の裏面の第１接合領域１４２には行わず、はんだ等の接合部材１３０が塗布される、積層基板１２０の金属板１２３の放熱板１４０が接合される第２接合領域１２３ａに行うことができる。なお、第２領域１２３ａとは、放熱板１４０が接合される積層基板１２０の金属板１２３の領域である。これにより、積層基板１２０の金属板１２３の第２接合領域１２３ａに対する傷を低減することができる。
【００７１】
また、半導体装置１００ａに対する傷除去用のショットピーニング処理は、はんだ等の接合部材１３０が塗布される、放熱板１４０のおもて面の積層基板１２０の金属板１２３側が接合される第３接合領域１４３にも行うことができる。これにより、放熱板１４０のおもて面の第３領域１４３に対する傷を低減することができるようになる。
【００７２】
したがって、放熱板１４０にはんだ等の接合部材１３０を介して積層基板１２０を取り付けると、傷によるはんだ等の接合部材１３０の膜厚の変動を減らすことができ、また、空隙を減らすことができ、はんだ等の接合部材１３０の流出を抑制することができる。なお、第３領域１４３とは、積層基板１２０が接合される放熱板１４０の領域である。
【００７３】
なお、図９では半導体装置１００ａの金属板１２３の第２接合領域１２３ａ及び放熱板１４０の第３接合領域１４３の両方に傷除去用のショットピーニング処理を行った場合を図示している。この場合に限らず、傷除去用のショットピーニング処理は、第２接合領域１２３ａ及び第３接合領域１４３の少なくとも一方に行うことができる。
【００７４】
また、図５に示した半導体装置の製造方法のフローチャートによれば、このような傷除去用のショットピーニング処理は、積層基板１２０及び放熱板１４０をそれぞれ用意した後（ステップＳ１２の前）に行われることが好ましい。この後、半導体チップ１１０と、傷除去用のショットピーニング処理が行われた積層基板１２０及び放熱板１４０とがセットされ（ステップＳ１１）、ステップＳ１２以降の製造工程が行われる。
【００７５】
また、第２接合領域１２３ａ及び第３接合領域１４３は、第１の実施の形態の図６〜図８で説明した第１接合領域１４２に対する同様の傷除去用のショットピーニング処理が行われる。
【００７６】
また、傷除去用のショットピーニング処理は、第２接合領域１２３ａ及び第３接合領域１４３に加えて、第１の実施の形態と同様に、放熱板１４０の裏面の第１接合領域１４２にも行うことが可能である。これにより、放熱板１４０の裏面の第１接合領域１４２にも生じる傷を低減することができる。
【００７７】
［第３の実施の形態］
第３の実施の形態の半導体装置について図１０を用いて説明する。
図１０は、第３の実施の形態における半導体装置を示す図である。
【００７８】
第３の実施の形態の半導体装置１００ｂは、半導体チップ１１０に接合されるリードフレーム１９０を有する。この場合において、図１０に示されるように、リードフレーム１９０の半導体チップ１１０がはんだ等の接合部材１８０を介して接合される第４接合領域１９１に、傷除去用のショットピーニング処理を行うことができる。これにより、リードフレーム１９０の第４接合領域１９１に対する傷を低減することができるようになる。
【００７９】
したがって、半導体チップ１１０にはんだ等の接合部材１８０を介してリードフレーム１９０を取り付けると、はんだ等の接合部材１８０の膜厚の変動を減らすことができ、傷による空隙を減らすことができる。また、はんだ等の接合部材１８０の流出を抑制することができる。ポンプアウトの発生を抑制することができる。なお、上記第４領域１９１とは、半導体チップ１１０が接合されるリードフレーム１９０の領域である。
【００８０】
なお、リードフレーム１９０を有する半導体装置１００ｂは、少なくとも、リードフレーム１９０と、半導体チップ１１０と、積層基板１２０とを有している必要がある。
また、図５に示した半導体装置の製造方法のフローチャートによれば、このような傷除去用のショットピーニング処理は、積層基板１２０等と共にリードフレーム１９０をそれぞれ用意した後（ステップＳ１２の前）に行われることが好ましい。この後、積層基板１２０に接合部材を介してセットされた半導体チップ１１０に、傷除去用のショットピーニング処理が行われたリードフレーム１９０の第４接合領域１９１を接合部材１８０を介してセットされ（ステップＳ１１）、ステップＳ１２以降の製造工程が行われる。
【００８１】
また、第４接合領域１９１は、第１の実施の形態の図６〜図８で説明した第１接合領域１４２に対する同様の傷除去用のショットピーニング処理が行われる。
また、傷除去用のショットピーニング処理は、図１０の場合に加えて、第１，第２の実施の形態と同様に、放熱板１４０の裏面の第１接合領域１４２と積層基板１２０の金属板１２３の第２接合領域１２３ａと放熱板１４０のおもて面の第３接合領域１４３との少なくとも一つに行われる。これにより、放熱板１４０の裏面の第１接合領域１４２と積層基板１２０の金属板１２３の第２接合領域１２３ａと放熱板１４０のおもて面の第３接合領域１４３とに生じる傷を低減することができる。
【００８２】
上記については単に本発明の原理を示すものである。さらに、多数の変形、変更が当業者にとって可能であり、本発明は上記に示し、説明した正確な構成及び応用例に限定されるものではなく、対応するすべての変形例及び均等物は、添付の請求項及びその均等物による本発明の範囲とみなされる。
【符号の説明】
【００８３】
１００，１００ａ，１００ｂ  半導体装置
１１０  半導体チップ
１２０  積層基板
１２１  絶縁板
１２２  回路板
１２３  金属板
１２３ａ  第２接合領域
１３０，１８０  接合部材
１４０  放熱板
１４１  窪み
１４２  第１接合領域
１４３  第３接合領域
１５０  ケース
１６０  放熱材
１７０  放熱器
１９０  リードフレーム
１９１  第４接合領域
２００  ショットピーニング処理装置
２１０  超音波振動装置
２２０  ショット材
【図１】
2017169857.tif 000003
【図２】
2017169857.tif 000004
【図３】
2017169857.tif 000005
【図４】
2017169857.tif 000006
【図５】
2017169857.tif 000007
【図６】
2017169857.tif 000008
【図７】
2017169857.tif 000009
【図８】
2017169857.tif 000010
【図９】
2017169857.tif 000011
【図１０】
2017169857.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成30年3月19日(2018.3.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３８】
これは、後に、半導体チップ１１０、積層基板１２０、放熱板１４０をはんだを介して積層して加熱してはんだ接合する際に、各部材間の熱膨張係数の差により放熱板１４０は上に凸に反ってしまう。放熱板１４０が反ってしまうことを見越して、予め、放熱板１４０にこのような初期反りを与えておくものである。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６４】
したがって、上記の図６〜図８から、ショットピーニング処理装置２００が、処理時間を２０秒、超音波振幅を７０μｍである場合、傷除去用のショットピーニング処理を行うショット材２２０の平均粒径は、０．５ｍｍ以上、３ｍｍ以下であることが望ましい。このようなショット材２２０の平均粒径の場合の放熱板１４０の反り変化量は、５０μｍ程度以上、２００μｍ程度以下である。また、このようなショット材２２０の平均粒径の場合の放熱板１４０の算術平均粗さＲａは、０．５μｍ程度以上、４μｍ程度以下である。また、算術平均粗さＲａは、より好ましくは１μｍ以上、３μｍ以下である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７０】
半導体装置１００ａに対する傷除去用のショットピーニング処理は、図９に示されるように、放熱板１４０の裏面の第１接合領域１４２には行わず、はんだ等の接合部材１３０が塗布される、積層基板１２０の金属板１２３の放熱板１４０が接合される第２接合領域１２３ａに行うことができる。なお、第２接合領域１２３ａとは、放熱板１４０が接合される積層基板１２０の金属板１２３の領域である。これにより、積層基板１２０の金属板１２３の第２接合領域１２３ａに対する傷を低減することができる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７１】
また、半導体装置１００ａに対する傷除去用のショットピーニング処理は、はんだ等の接合部材１３０が塗布される、放熱板１４０のおもて面の積層基板１２０の金属板１２３側が接合される第３接合領域１４３にも行うことができる。これにより、放熱板１４０のおもて面の第３接合領域１４３に対する傷を低減することができるようになる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７２】
したがって、放熱板１４０にはんだ等の接合部材１３０を介して積層基板１２０を取り付けると、傷によるはんだ等の接合部材１３０の膜厚の変動を減らすことができ、また、空隙を減らすことができ、はんだ等の接合部材１３０の流出を抑制することができる。なお、第３接合領域１４３とは、積層基板１２０が接合される放熱板１４０の領域である。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７９】
したがって、半導体チップ１１０にはんだ等の接合部材１８０を介してリードフレーム１９０を取り付けると、はんだ等の接合部材１８０の膜厚の変動を減らすことができ、傷による空隙を減らすことができる。また、はんだ等の接合部材１８０の流出を抑制することができる。ポンプアウトの発生を抑制することができる。なお、上記第４接合領域１９１とは、半導体チップ１１０が接合されるリードフレーム１９０の領域である。
【手続補正７】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１３】
放熱板を用意する工程と、
前記放熱板のおもて面に、絶縁板と、前記絶縁板のおもて面に形成された回路板と、前記絶縁板の裏面に形成された金属板とを有する積層基板の前記金属板を接合部材を介して接合して、前記積層基板の前記回路板上に半導体チップを設ける組み立て工程と、
前記放熱板を用意した後、または、前記組み立て工程後、前記放熱板の前記裏面の放熱器が接合される第１接合領域にショットピーニング処理を行う工程と、
前記放熱板の前記第１接合領域に放熱材を介して前記放熱器を取り付ける工程と、
を有する半導体装置の製造方法。
【手続補正８】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図５】
2017169857.tif 000013
【国際調査報告】
2017169857.tif 000014
2017169857.tif 000015
2017169857.tif 000016
2017169857.tif 000017