(57)【要約】      （修正有）【課題】反り、剥離、割れを低減する絶縁樹脂シートを用いた熱伝導基板を提供する。【解決手段】熱伝導基板の金属ベース板２と電極４との間に設ける熱伝導性絶縁樹脂シート３が、電極の側面に密着した厚さ４００μｍ以下の壁部分６を備え、樹脂シート上には壁部分に密着したガラスエポキシ樹脂のスペーサ８が設けられている。スペーサは熱膨張係数が樹脂シートよりも小さい。絶縁シートの壁部分は、加熱プレスにより電極とスペーサとの間の間隙内に樹脂シート材料を流動させて硬化させて形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属ベース板と電極との間に熱伝導性絶縁樹脂シートを備えた熱伝導基板において、
上記熱伝導性絶縁樹脂シートが、上記電極の側面に沿って延びて該側面に密着した壁部分を備えたことを特徴とする熱伝導基板。
【請求項２】
上記熱伝導性絶縁樹脂シートの上記壁部分の厚さが２０〜１００μｍであることを特徴とする請求項１記載の熱伝導基板。
【請求項３】
上記熱伝導性絶縁樹脂シート上に密着して設けられ、上記壁部分に密着したスペーサを備えたことを特徴とする請求項１あるいは２記載の熱伝導基板。
【請求項４】
上記スペーサが熱伝導性絶縁樹脂シートの熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を持つことを特徴とする請求項３記載の熱伝導基板。
【請求項５】
上記スペーサがガラスエポキシ樹脂およびプリプレグの少なくとも一方であることを特徴とする請求項３記載の熱伝導基板。
【請求項６】
上記熱伝導性絶縁樹脂シートは、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂および液状フェノール樹脂からなる群から選択した少なくとも一つであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項記載の熱伝導基板。
【請求項７】
上記熱伝導性絶縁樹脂シートは、フィラーとして窒化ホウ素を含む熱伝導性の無機粉末フィラーを充填されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項記載の熱伝導基板。
【請求項８】
上記熱伝導性絶縁樹脂シートは、１００℃において１０５〜１０８Ｐａ・ｓの範囲の粘度を有する請求項１乃至７のいずれか一項記載の熱伝導基板。
【請求項９】
金属ベース板と電極との間に熱伝導性絶縁樹脂シートを備えた熱伝導基板の製造方法であって、
金属ベース板上に熱伝導性絶縁樹脂シートを設ける工程と、
上記熱伝導性絶縁樹脂シート上に電極を設ける工程と、
上記熱伝導性絶縁樹脂シート上に上記電極の側面を間隙を介して囲むスペーサを設ける工程と、
上記電極および上記スペーサを加熱プレスによって上記熱伝導性絶縁樹脂シートに対して加圧加熱して上記熱伝導性絶縁樹脂シートおよび上記スペーサの少なくとも一方を少なくとも半硬化させる硬化工程とを備えてなる熱伝導基板の製造方法。
【請求項１０】
上記電極と上記スペーサとの間の上記間隙の大きさが２０〜１００μｍであることを特徴とする請求項９記載の熱伝導基板の製造方法。
【請求項１１】
上記熱伝導性絶縁樹脂シートは、フィラーとして窒化ホウ素を含む熱伝導性の無機粉末フィラーを充填されていることを特徴とする請求項９あるいは１０記載の熱伝導基板の製造方法。
【請求項１２】
上記熱伝導性絶縁樹脂シートおよび上記スペーサの少なくとも一方を半硬化させる工程の後、樹脂封止時の封止樹脂の硬化と同時に完全硬化させることを特徴とする請求項９乃至１１のいずれか一項記載の熱伝導基板の製造方法。
【請求項１３】
上記硬化工程後に上記スペーサを取り除く工程を備えることを特徴とする請求項９乃至１２のいずれか一項記載の熱伝導基板の製造方法。
【請求項１４】
請求項１乃至８記載の熱伝導基板を用いたことを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、熱伝導性絶縁樹脂シートを用いた熱伝導基板、その製造方法および熱伝導基板を用いた半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の半導体装置や熱伝導基板としては、半硬化状態の熱伝導性樹脂シート部材と一体となったリードフレームがある。これは半硬化状態の熱伝導性樹脂シート部材にリードフレームを加熱加圧によって押し付け、熱伝導性樹脂シート部材にリードフレームを埋め込む方法によって製造している（例えば特許文献１）。
【０００３】
また、金属ベース板上に絶縁層を設け、絶縁層の上に導電パターンを配置した基板と、この基板を用いて導電パターン上に回路素子を搭載して金属細線で配線し、絶縁性樹脂で樹脂封止した混成集積回路装置も提案されている（例えば特許文献２）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２７０７４４号公報
【特許文献２】特開２００３−３１８３３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
半導体装置や高熱伝導基板において、特許文献１に記載されているように、リードフレームを熱伝導性樹脂シート部材を加熱して押し付けると、樹脂シート部材の厚さが十分であり、流動性が高い場合、リードフレームの開口部に樹脂シート部材の樹脂が一様の厚さに流れ込む。
【０００６】
このことは、厚さが０．３ｍｍ以上の電極となる銅パターンを熱伝導性の樹脂シートに加熱加圧によって押し込む場合にも同様であり、金属ベース板上の電極間の空間が電極の高さまで樹脂シート材料で埋められる。
【０００７】
このような構造の高熱伝導基板は、その後に半導体装置の製造プロセスでの熱履歴（チップのはんだ付け時やポッティングやモールドなどの樹脂封止時の加熱および冷却）や、製品完成後のヒートサイクルなどの熱履歴による熱応力を受ける。電極材料と樹脂シート材料との熱膨張差や、金属ベース板に発生する反りによる応力により、樹脂シートに金属ベース板からの剥離やクラックが発生し、金属ベース板への熱伝導が著しく阻害されるという問題があった。
【０００８】
この発明は上記のような問題点を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、基板の反りおよび樹脂シートの剥離やクラックが生じない熱伝導基板、その製造方法および熱伝導基板を用いた半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明に係る熱伝導基板は、金属ベース板と電極との間に熱伝導性絶縁樹脂シートを備えた熱伝導基板において、上記熱伝導性絶縁樹脂シートが、上記電極の側面に沿って延びて該側面に密着した壁部分を備えたことを特徴とするものである。
【００１０】
また、この発明に係る熱伝導基板の製造方法は、金属ベース板と電極との間に熱伝導性絶縁樹脂シートを備えた熱伝導基板を製造するために、金属ベース板上に熱伝導性絶縁樹脂シートを設ける工程と、上記熱伝導性絶縁樹脂シート上に電極を設ける工程と、上記熱伝導性絶縁樹脂シート上に上記電極の側面を間隙を介して囲むスペーサを設ける工程と、上記電極および上記スペーサを加熱プレスによって上記熱伝導性絶縁樹脂シートに対して加圧加熱して上記熱伝導性絶縁樹脂シートおよび上記スペーサの少なくとも一方を少なくとも半硬化させる工程とを備えたものである。
【００１１】
更に、この発明に係る半導体装置は、上述の熱伝導基板を用いたものである。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、電極の側面を熱伝導性絶縁シートから立ち上がった壁部分で覆うことができ、ヒートサイクルなどの熱履歴によって基板に生じる応力を緩和する効果が得られ、基板の反りや熱伝導性絶縁樹脂シートの剥離やクラックを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
実施の形態１．
図１は本発明の熱伝導基板１を示す概略側断面図である。熱伝導基板１は、金属ベース板２と、金属ベース板２の上面に設けられた熱伝導性絶縁樹脂シート３と、熱伝導性絶縁樹脂シート３の上面に設けられた電極４とを備えている。熱伝導性絶縁樹脂シート３は、電極４を囲むように側面５に沿って延びて電極４の側面５に密着した壁部分６を備えている。熱伝導性絶縁樹脂シート３上には、電極４の周囲の側面５に密着した壁部分６に側面７で密着したスペーサ８が設けられている。
【００１４】
金属ベース板２は、例えばアルミニウム等の熱伝導の良い金属材料で作られた板状部材である。
【００１５】
熱伝導性絶縁樹脂シート３は、熱伝導率が３Ｗ／ｍＫ以上で、熱硬化性の樹脂で作られている。熱伝導性絶縁樹脂シート３の樹脂は、例えばビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂および液状フェノール樹脂からなる群から選択した少なくとも一つである。また熱伝導性絶縁樹脂シート３には、フィラーとして窒化ホウ素を含む熱伝導性の無機粉末フィラーが充填されている。充填率は５０乃至８０体積％とするのが好ましい。充填率がこの範囲より低いと熱伝導率が不十分であり、高いと樹脂材料としての粘度が大き過ぎる。熱伝導性絶縁樹脂シート３は、１００℃において１０５〜１０８Ｐａ・ｓの範囲の粘度を有しているのが好ましい。粘度がこの範囲より低いと流動性が大きく、金属ベース板２と電極４とを適切な位置に保持することができず、高いと後に説明する熱伝導性絶縁樹脂シート３の壁部分が適切に形成でない。
【００１６】
また、熱硬化性樹脂組成物は、他の成分を更に含んでよい。例えば、硬化剤および／または硬化促進剤を含むことが好ましく、硬化剤として例えばビスフェノールＡ型ノボラック樹脂を用いることができ、硬化促進剤としてはイミダゾールを用いることができる。さらに必要に応じてカップリング剤、分散剤、着色剤、離型剤等の添加剤をさらに含ませることもできる。
【００１７】
電極４は、銅等の導電性の良い金属で作られていて厚さは例えば０．５ｍｍであり、熱伝導性絶縁樹脂シート３上に所望のパターンで形成されている。
【００１８】
熱伝導性絶縁樹脂シート３の壁部分６は、電極４の側面５の全面に密着して設けられていて、高さは電極４の厚さと同じであり、厚さが１０〜４００μｍである。壁部分６の厚さは２０〜１００μｍとするのが好ましい。壁部分６の厚さが２０〜１００μｍの範囲よりも小さいと壁部分６による電極４の側面５のコーティング作用および保持作用が必ずしも充分でなく、大きいと壁部分６にクラックや剥離が生ずる。
【００１９】
スペーサ８は、材質がガラスエポキシ樹脂であるが、プリプレグで作ることもできる。
【００２０】
このような熱伝導基板１は図２乃至４に示す工程によって製造される。即ち、図２において、金属ベース板２の上面に熱伝導性絶縁樹脂シート３を置き、真空ラミネータあるいはプレス等により上下から加圧して互いに密着させる。
【００２１】
次に図３に示すように、金属ベース板２上の熱伝導性絶縁樹脂シート３の上面に電極４を所定のパターンで配置する。熱伝導性絶縁樹脂シート３上には、側面７を持つスペーサ８を設け、電極４の側面５とスペーサ８の側面７との間に間隙９が形成されるようにし、電極の全周が間隙９を介してスペーサ８によって囲まれるようにする。間隙９の大きさ即ち電極４の側面５とスペーサ８の側面７との間の距離は、壁部分６の厚さに鑑み、１０〜４００μｍとするが、２０〜１００μｍとするのが好ましい。スペーサ８の厚さは電極４の厚さと等しくするのが好ましい。スペーサ８の平面形状は電極４の形状に対応していて、電極４の全周にほぼ一様な大きさの間隙９を形成できるようなほぼ補完し合うような相補形状のものである。
【００２２】
次に図３に示す組立体を、図４に示すように加熱プレス１０のプレス板１１および１２の間に置いて、矢印で示すように上下からの押圧力を加えつつ加熱し、電極４およびスペーサ８を加圧加熱する。この加熱プレス１０による加圧加熱により、先ずは電極４およびスペーサ８が圧力により熱伝導性絶縁樹脂シート３に押し付けられ、熱伝導性絶縁樹脂シート３の材料の一部が電極４とスペーサ８の間の間隙９内に流動して押し込まれる。この押し込まれた部分は、電極４の側面５とスペーサ８の側面７とプレス板１１とに密着し、熱伝導性絶縁樹脂シート３から一体的に連続した壁部分６である。なお、間隙９を形成できないスペーサ８を用いると、必要な壁部分６が形成できないだけでなく、熱応力が発生しやすい製造プロセス上、スペーサ８および電極４に非常に高い寸法精度が求められることによってコストが高くなる。
【００２３】
図１に示す熱伝導基板１は以上説明した製造方法によって製造することができる。このように本発明によれば、熱伝導性絶縁樹脂シート３が、電極４の側面に沿って延びて該側面に密着した壁部分６を備えているので、金属ベース板２と、電極４とが一体となっているが、熱伝導基板１の反りおよび熱伝導性絶縁樹脂シート３の剥離やクラックが生じない熱伝導基板１を得ることができる。また、スペーサ８を設けることによって熱伝導基板１の反りが更に抑えられ、電極４の剥離や熱伝導性絶縁樹脂シート３のクラックをより確実に防止することができる（図７参照）。
【００２４】
図５は、図１に示すこの発明の熱伝導基板１を用いた半導体装置１５である。図において、図１の熱伝導基板１は、その電極４上に半導体チップ１６や電極端子１７がはんだ付けされ、配線ワイヤ１８による配線が施され、金属ベース板２上には封止樹脂２０がモールドされていて、半導体チップ１６、電極端子１７、配線ワイヤ１８等の部品を樹脂封止している。熱伝導基板１の金属ベース板２は放熱フィン１９上に接合されている。
【００２５】
このように、本発明の熱伝導基板１は、公知の熱伝導基板と同様に樹脂封止してパワーモジュール等の半導体装置１５を製造するのに用いることができ、半導体装置１５の信頼性が向上する。封止樹脂２０は熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂に限定されないが、熱可塑性樹脂は接着性に乏しいため、熱硬化性樹脂で封止することが好ましい。封止の手段もトランスファーモールドによるものや、液状樹脂のポッティングによるものなどがあるが、特に限定されるものではない。
【００２６】
実施の形態２．
図１の熱伝導基板１において、スペーサ８としてガラスエポキシ樹脂の代わりにプリプレグシートを単独で、またはプリプレグシートとガラスエポキシ樹脂シートとを組み合わせて用いることができる。即ち、スペーサ８は、ガラスエポキシ樹脂およびプリプレグの少なくとも一方で作ることができる。
【００２７】
ガラスエポキシ材料とプリプレグシートを組み合わせる場合には、電極４が０．５ｍｍ厚である場合、例えば、０．４ｍｍ厚のガラスエポキシ材料シートと０．１ｍｍ厚のプリプレグシートとを重ね合わせた複合構造のスペーサとする。これによって、プリプレグシートが、基板作製時の加熱加圧時に熱伝導性絶縁樹脂シート３と同様に流動性を持ち、熱伝導性絶縁樹脂シート３との濡れ性あるいはなじみがよくなり、接着性が向上する効果が得られる。
【００２８】
また、プリプレグシートの溶融粘度を熱伝導性絶縁樹脂シート３の溶融粘度よりも小さくすることによって、図４のように加熱プレス１０の加圧加熱によって熱伝導性絶縁樹脂シート３の壁部分６を電極４とスペーサ８との間の間隙９（図３）内に流動させる際に、電極４、スペーサ８および壁部分６間の接触部分がより親密になり、熱伝導基板１の反りを抑える効果がより大きくなる。
【００２９】
実施の形態３．
図１の熱伝導基板１においてはまた、スペーサ８を、熱伝導性絶縁樹脂シート３よりも熱膨張係数が小さいエポキシ樹脂あるいはガラスエポキシ樹脂で作製したスペーサを用いることもできる。熱膨張係数の小さいエポキシ樹脂は、例えばシリカなどの熱膨張係数の小さい無機粉末を高充填したものを用いる。熱膨張係数の小さい樹脂を用いることによって、スペーサの熱膨張係数にガラスエポキシ樹脂のような異方性が無くなり、厚さ方向の熱膨張係数はガラスエポキシ樹脂よりも小さいため、ヒートサイクルによる信頼性向上につながる。
【００３０】
電極４間に設けるスペーサ８の熱膨張係数を熱伝導性絶縁樹脂シート３の熱膨張係数よりも小さくすることによって熱伝導基板１の反りが抑えられ、反りによって発生する応力が小さくなることで電極４の剥離や熱伝導性絶縁樹脂シート３のクラックが抑制され、ヒートサイクルやリフローなどの熱衝撃に対する信頼性が向上する。
【００３１】
また、スペーサ８の材料として熱膨張係数が熱伝導性絶縁樹脂シート３の熱膨張係数よりも小さいものを用いることにより、特許文献１記載の例のように熱伝導性絶縁樹脂シートで電極４間を埋めた場合に比べ、熱伝導基板作製後の応力が緩和され、ヒートサイクルなどの熱履歴によっても、反りが小さく、また、クラックが発生しない熱伝導基板を得ることができる。
【００３２】
実施の形態４．
図１に示す熱伝導基板１においてはまた、熱伝導性絶縁樹脂シート３やスペーサ８を完全に硬化させずに半硬化状態に維持しておくこともできる。これは図４に示す加圧加熱工程の時間および温度を調整することにより実現できる。
【００３３】
この場合、熱伝導基板１の製造に当たって、熱伝導性絶縁樹脂シート３あるいはスペーサ８に加える加圧加熱工程において、熱伝導性絶縁樹脂シート３およびスペーサ８が半硬化した状態で加圧加熱工程を止めるのである。このような熱伝導基板１を用いる場合、熱伝導基板１上に、図５に示すように半導体チップ１６、電極端子１７、配線ワイヤ１８および放熱フィン１９等を搭載し、封止樹脂２０により封止し、この封止樹脂２０を加熱硬化させる時にその熱を利用して同時に硬化させるのである。
【００３４】
このように、熱伝導基板１としては熱伝導性絶縁樹脂シート３およびスペーサ８の少なくとも一方を半硬化させた状態にしておくことができる。また、この熱伝導基板１を用いて樹脂封止型の半導体装置を製造する場合には、半硬化状態の熱伝導性絶縁樹脂シート３やスペーサ８を樹脂封止時の封止樹脂２０の硬化と同時に完全硬化させて半導体装置を完成させるのである。これによって、熱伝導性絶縁樹脂シート３と封止樹脂２０との間、またスペーサ８と封止樹脂２０との間の界面の接着強度が強くなるという効果が得られる。
【００３５】
実施の形態５．
図６には図１の熱伝導基板１からスペーサ８を除去した熱伝導基板２１を示す。熱伝導基板２１は、図４の加圧加熱工程により熱伝導性絶縁樹脂シート３およびスペーサ８の少なくとも一方を硬化させた後にスペーサ８を取り除くことにより得られる。その他の構造および製造方法は図１乃至５に関連して説明したものと同様である。
【００３６】
この熱伝導基板２１によれば、図１のスペーサ８が除去されているので、熱伝導基板２１の反り防止の点では図１の熱伝導基板１よりも優れているとは言えないが、熱伝導性絶縁樹脂シート３が、電極４の側面に沿って延びて該側面に密着した壁部分６を備えているので、金属ベース板２と電極４との一体性が確保されていて、なお熱伝導基板１の反りおよび熱伝導性絶縁樹脂シート３の剥離やクラックが発生しにくい熱伝導基板１を得ることができる。
【００３７】
図７には、熱伝導基板の反り量（μｍ）および剥離率（％）について、厚さ０．５ｍｍの銅の電極４を持つ熱伝導基板の約５０ｍｍの長さの金属ベース板２の反り量と剥離率を測定した結果を、図１に示すような本発明のものと従来技術による比較例とについて表にして示してある。反り量は、熱伝導基板１の金属ベース板２側に放熱フィン１９などを取り付ける場合、その間の熱抵抗を減少させるのに重要であり、また熱伝導基板１の反り量が小さいことによって、必要なグリースの量が抑えられ、全体の熱抵抗が低減でき、より放熱性のよいパワーモジュールを得ることができる点で重要である。
【００３８】
図７の表から明らかなように、本発明の製造方法で製造した図１の熱伝導基板１の反り量は、ガラスエポキシ樹脂のスペーサ８の熱膨張係数が１４ｐｐｍの場合（本発明１）には約−５μｍであり、剥離率は０であった、またスペーサ８の熱膨張係数が２５ｐｐｍの場合（本発明２）には約２０μｍであり剥離率は０％であった。
【００３９】
スペーサ８がプリプレグであって熱膨張係数が１４ｐｐｍの場合（本発明３）には反り量は約−５μｍで剥離率は０％であり、またスペーサ８の熱膨張係数が２５ｐｐｍの場合（本発明４）には反り量は約２０μｍで、剥離率は０％であった。スペーサ８としてエポキシ樹脂を用いていて熱膨張係数が１６ｐｐｍの場合（本発明５）には反り量％も剥離率も０であった。
【００４０】
本発明の熱伝導基板１と比較するための試料として、特許文献１に記載されているように、スペーサの代わりに電極間に熱伝導性絶縁樹脂シート３を盛り上がらせて面一とした場合（比較例１）には反り量は約１００μｍで、剥離率は反りによる応力のために３０％と高く、製造した基板の約３０％は基板の一部に電極４と熱伝導性絶縁樹脂シート３の剥離や樹脂シートにクラックが発生した。
【００４１】
また、本発明のスペーサ８および壁部分６に相当するものを形成せずに熱伝導基板を製造した場合（比較例２）には反り量は約５０ｍｍで、剥離率は２０％であり、製造した基板の約２０％は基板の一部に電極材料と樹脂シートの剥離や樹脂シートにクラックが発生した。比較例２の熱伝導基板は、電極材料をプレスする際に、圧力を１０ｋｇｆ／ｃｍ２などの低圧でプレスしたり、流動性の低い樹脂シートを使用したりして、電極材料がプレスによってほとんど熱伝導性絶縁樹脂シート３に埋め込まれないようにして製造した。
【００４２】
以上に説明した様々な実施の形態やそれらの個々の特徴はそれぞれ適宜互いに組み合わせて用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の熱伝導基板の実施の形態を示す概略断面図である。
【図２】図１の熱伝導基板の金属ベース板上に熱伝導性絶縁樹脂シートを設けた状態を示す概略断面図である。
【図３】図２の熱伝導性絶縁樹脂シート上に電極とスペーサとを設けた状態を示す概略断面図である。
【図４】図３の熱伝導基板を加熱プレスにより加圧加熱している状態を示す概略断面図である。
【図５】図１の熱伝導基板を用いて製造された樹脂封止型の半導体装置を示す概略断面図である。
【図６】本発明の熱伝導基板の別の実施の形態を示す概略断面図である。
【図７】本発明の熱伝導基板の反り量と剥離率を従来技術と比較して示す表である。
【符号の説明】
【００４４】
１、２１  熱伝導基板、２  金属ベース板、３  熱伝導性絶縁樹脂シート、４  電極、５  側面、６  壁部分、７  側面、８  スペーサ、９  間隙、１０  加熱プレス、１１  プレス板、１５  半導体装置、１６  半導体チップ、１７  電極端子、１８  配線ワイヤ、１９  放熱フィン、２０  封止樹脂。
【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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