JP4091896B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置に関し、特に、半導体モジュールと冷却フィンとを、ジョイントコンパウンドを用いて取り付ける技術に関する。

一般に、１つの半導体チップを樹脂モールド封止することにより、半導体素子が形成される。また、複数の半導体チップを樹脂モールド封止することにより、半導体モジュールが形成される。以下では、半導体モジュールを例にとり説明を行うが、この説明は半導体素子においても適用できる。

電力用途等においては、半導体モジュールは、冷却フィンに取り付けられる場合がある。このとき、半導体モジュールのベース板の底面（ベース面）に、冷却フィンの取り付け面が取り付けられる。しかし、一般に、このベース面及び取り付け面を完全な平面に加工することは困難である。そのため、ベース板と冷却フィンとの間に隙間が形成されてしまうことにより熱伝導性が低下し、半導体モジュールの放熱性が低下してしまうという問題点がある。

このような問題点を解決するために、従来の半導体装置においては、以下に説明するような２通りの手法で、組み立てライン上で人手により熱伝導性の高いジョイントコンパウンドの塗布を行うことにより隙間を埋めて、その後に、半導体モジュールと冷却フィンとをネジ止めにより取り付けている。

第１の塗布手法として、半導体モジュールのベース面に、ジョイントコンパウンドを塗布する手法が考えられる。この手法は、半導体モジュールのベース面が、冷却フィンの取り付け面よりも小さい場合に用いられる。通常は、冷却フィンとしては、半導体モジュールより大きいものが用いられる場合が多いので、この手法が一般的である。

第１の塗布手法を用いた場合、半導体モジュールは、ベース面が上側になるような状態にして、ヘラ等でジョイントコンパウンドを塗布される。半導体モジュールの入出力信号用の端子はベース面の反対側に配設されているので、このとき、端子を有する面（端子面）は、下側になる。

一般的に、半導体モジュールの端子は、その機能や通電能力により、材質や断面積が決定される。通常、端子は、通電能力としては、１Ａ以下でも十分であり、また、強度としては、プリント基板への半田付けを行うときや５本以上の端子をまとめてコネクタへ挿入するときに耐えうる程度であれば十分である。よって、端子は、材質としては、銅や銅合金が用いられ、断面積としては、０．５ｍｍ×０．３ｍｍ程度のものが用いられるので、その強度は、比較的に小さい。

半導体モジュールのベース面にジョイントコンパウンドを塗布する場合には、端子面を下側にして、ヘラ等を用いて、組み立てライン上で人手にて塗布を行う。従って、端子を変形させないようにするには、半導体モジュールを手に持ち端子に力を加えないように注意して塗布作業を行うか、あるいは、端子が机等に接触しないような治具を準備し、この治具の上に半導体モジュールを配置した上で塗布作業を行う必要がある。

また、通常、ジョイントコンパウンドは、次のような理由により、厚みが５０〜５００μｍ程度になるように、精度よく均一に塗布される必要がある。即ち、ベース面の中央部分にジョイントコンパウンドを集中的に塗布してしまい団子状になってしまった場合には、半導体モジュールを冷却フィンに取り付けたときに、団子状のジョイントコンパウンドを支点としてネジが締め付けられる。このときの応力により、ベース面が曲がってしまった場合には、この応力は、半導体モジュールの内部の半導体チップにも及ぶので、半導体チップが破壊されてしまう場合がある。しかし、上述したように、組み立てライン上で塗布を行うので、ジョイントコンパウンドを精度よく均一に塗布することは困難である。そのため、半導体チップが破壊されてしまう場合があるという問題点があった。

次に、第２の塗布手法として、冷却フィンの取り付け面に、ジョイントコンパウンドを塗布する手法が考えられる。上記したように、冷却フィンが半導体モジュールより大きい場合には、一般的には第１の塗布手法が用いられる。冷却フィンが半導体モジュールより大きい場合に第２の塗布手法を用いる場合には、次のような理由により、ジョイントコンパウンドは、冷却フィンの取り付け面において、半導体モジュールが取り付けられる領域よりも、少し広い領域に塗布される必要がある。

即ち、冷却フィン上には、半導体モジュールの取り付け用のネジ穴が形成されているが、それ以外に特に塗布すべき領域の目安になるようなものは設けられていない。よって、人手にてジョイントコンパウンドを塗布する場合には、塗布すべき領域を正確に把握することが困難である。従って、ずれた領域に塗布してしまった場合にも、ベース面と取り付け面とを平行に保つためには、余裕を持たせた広い領域に塗布される必要がある。しかし、そのため、塗布されるジョイントコンパウンドの量が多くなってしまうという問題点があった。

このような問題点を解決するために、特許文献１には、熱伝導性の良い金属薄膜の両面に接着剤を塗布した両面テープを用いて取り付けを行う半導体装置の例が示されている。また、特許文献２には、熱導電性の良い粒子を含むゴム系シートを用いて取り付けを行う半導体装置の例が示されている。

特開昭６２−２３８６５２号公報 特開平６−２７５７４８号公報

特許文献１に示される半導体装置において、両面テープは接着剤が塗布されていない面を有さないので、人手にて作業を行う場合の取り扱いが困難である。そのため、人手による製造が困難となるという問題点があった。

また、特許文献２に示される半導体装置においては、予め準備されたゴム系シートを用いるので、上述したような完全な平面ではないベース板や冷却フィンを用いた場合には、ベース板と冷却フィンとの間に隙間が形成されてしまう。そのため、放熱性が低下してしまうという問題点があった。

本発明は上記の問題点を解決するためになされたものであり、放熱性を低下させることなく且つ人手により容易に製造できる半導体装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明に係る半導体装置の製造方法は、第１の面積を有する放熱面が形成された半導体モジュールを用意する工程と、第２の面積を有する取り付け面が形成された放熱部材を用意する工程と、片面全域にコンパウンドが均一に塗布された緩衝部材を用意する工程と、前記コンパウンドが、前記第１の面積を有する放熱面と前記第２の面積を有する取り付け面のうち、より面積の小さい方の面と密接するように、前記緩衝部材を前記半導体モジュールまたは前記放熱部材に密着させる工程と、前記取り付け面に前記放熱面が対向配置され、しかも前記半導体モジュールまたは前記放熱部材に密着させた前記緩衝部材を挟持するように、前記放熱部材を前記半導体モジュールと締結する工程とを備えることを特徴とする。

本発明に係る半導体装置の製造方法は、第１の面積を有する放熱面が形成された半導体モジュールを用意する工程と、第２の面積を有する取り付け面が形成された放熱部材を用意する工程と、片面にコンパウンドが塗布された緩衝部材を用意する工程と、前記コンパウンドが、前記第１の面積を有する放熱面と前記第２の面積を有する取り付け面のうち、より面積の小さい方の面と密接するように、前記緩衝部材を前記半導体モジュールまたは前記放熱部材に密着させる工程と、前記取り付け面に前記放熱面が対向配置され、しかも前記緩衝部材を挟持するように、前記放熱部材を前記半導体モジュールと締結する工程とを備えることを特徴とするので、放熱性を低下させることなく且つ人手により容易に製造できる。また、塗布されるジョイントコンパウンドの量を低減することができるという効果を有する。

＜実施の形態１＞
図１は、実施の形態１に係る半導体装置における金属箔としてのアルミ箔１０を示す斜視図である。図１において、アルミ箔１０の片側の塗布面１１のみの全域に、ジョイントコンパウンドとしてのシリコーングリース５０が、ヘラ６０を用いて人手により均一に塗布される。また、アルミ箔１０には、放熱部材としての冷却フィンを取り付けるためのネジ穴１２が形成されている。このとき、アルミ箔１０の厚みとしては、３〜５０μｍ程度が望ましく、塗布されるシリコーングリース５０の厚みとしては、５０〜５００μｍ程度が望ましい。また、アルミ箔１０は、後述する半導体モジュール１００のベース面１１１と、略同一形状を有している。シリコーングリース５０が塗布されたアルミ箔１０は、後述するように、半導体モジュールと冷却フィンとに挟持され、緩衝部材として機能する。

次に、本実施の形態の背景として、図２〜３を用いて、従来の半導体装置におけるシリコーングリース５０の塗布手法を説明する。

図２の斜視図において、半導体モジュール１００は、図示しない半導体チップを内蔵しており、半導体モジュール１００の片側には、半導体チップの発熱を放熱する放熱板としてのベース板１１０が、ベース面１１１（放熱面）を露出するように配設される。また、半導体モジュール１００において、ベース板１１０の反対側には、信号を入出力するためのリードとしての端子１２０が突出するように導出されている。また、半導体モジュール１００には、冷却フィンを取り付けるためのネジ穴１３０が形成されている。ベース板１１０には、シリコーングリース５０が、ヘラ６０を用いて人手により塗布される。

図３は、シリコーングリース５０が塗布された半導体モジュール１００に、冷却フィン２００が取り付けられた様子を示す断面図である。ここで、図３（ａ）は、半導体モジュール１００のベース面１１１及び冷却フィン２００の取り付け面２０１の中央付近が凹んでいる場合を示し、図３（ｂ）は、ベース面１１１及び取り付け面２０１の中央付近が凸んでいる場合を示している。

図３に示すように、半導体モジュール１００は、半導体チップ１４０を、モールド樹脂１５０（パッケージ）により封止したものである。冷却フィン２００にはネジ穴２１０が形成されており、ネジ穴１３０，２１０をネジ３００で止めることにより、ベース面１１１と取り付け面２０１とは当接し締結されている。ここで、ベース面１１１の面積（第１の面積）は、取り付け面２０１の面積（第２の面積）よりも小さいものとする。

図３（ａ）においては、ベース面１１１及び取り付け面２０１の中央付近で、シリコーングリース５０が厚い層となっている。また、図３（ｂ）においては、ベース面１１１及び取り付け面２０１の端部付近で、シリコーングリース５０が厚い層となっている。

しかし、上述したように、半導体モジュール１００のベース板１１０にシリコーングリース５０を直接に塗布する場合には、精度よく塗布することが困難であるので、半導体チップ１４０が破壊されてしまう場合がある。そこで、図１に示すようなアルミ箔１０の片側の塗布面１１にシリコーングリース５０を塗布しておき、以下に説明するように、このアルミ箔１０を用いて、半導体モジュール１００と冷却フィン２００とを取り付ける。

図４は、図１に示されるようなアルミ箔１０を用いて半導体モジュール１００と冷却フィン２００とを取り付けた、本実施の形態に係る半導体装置の構造を示す断面図である。この半導体装置は、アルミ箔１０の塗布面１１に塗布されたシリコーングリース５０が半導体モジュール１００と密接するようにして、半導体モジュール１００と冷却フィン２００とを取り付けたものである。即ち、図４（ａ），（ｂ）はそれぞれ、図３（ａ），（ｂ）において、シリコーングリース５０と冷却フィン２００との間にアルミ箔１０を配置させ、アルミ箔１０のネジ穴１２をネジ３００で止めたものである。

図１に示されるようなアルミ箔１０を用いて半導体モジュール１００と冷却フィン２００とを取り付けるときには、図５（ａ），（ｂ）に示すように、製造ラインの外で予めシリコーングリース５０を塗布したアルミ箔１０を、製造ライン上で半導体モジュール１００（のベース面）に密着させた後に、冷却フィン２００のネジ止めによる取り付けを行うことにより、取り付けを容易に行うことができる。

このように、本実施の形態に係る半導体装置は、アルミ箔１０の片側の塗布面１１のみに塗布されたシリコーングリース５０が半導体モジュール１００と密接するようにして、半導体モジュール１００と冷却フィン２００とをネジ止めにより取り付けるので、人手にて作業を行う場合の取り扱いが容易であり且つベース板１１０と冷却フィン２００との間に隙間が形成されない。従って、放熱性を低下させることなく且つ人手により容易に製造できるという効果を有する。また、塗布されるシリコーングリース５０の量を低減することができるという効果を有する。

なお、上記の説明においては、ベース面１１１の面積（第１の面積）が取り付け面２０１の面積（第２の面積）よりも小さい場合について説明したが、ベース面１１１の面積は、取り付け面２０１の面積よりも大きくてもよい。この場合には、アルミ箔１０としては、取り付け面２０１と略同一形状を有するものを用いて、シリコーングリース５０が冷却フィン２００と密接するようにして取り付けを行う。即ち、ベース面１１１と取り付け面２０１とのうち、より面積の小さい方の面にシリコーングリース５０が密接するようにして、取り付けを行う。

また、金属箔は、アルミ箔に限らず金属を材料とするものであればよく、例えば銀箔板等であってもよい。金属材料を用いることにより、放熱性を高くすることが可能となる。但し、冷却フィン２００との接触により電池が形成されることを避けるためには、冷却フィン２００と同種の金属であることが好ましい。従って、例えば、冷却フィン２００がアルミニウムを材料としている場合には、金属箔として、アルミ箔を用いることにより、銀箔板等を用いる場合に比べて、腐食の進行を防止することができる。

＜実施の形態２＞
図６は、実施の形態２に係る半導体装置における金属箔としてのアルミ箔２０を示す断面図である。アルミ箔２０は、実施の形態１に係る図１のアルミ箔１０の主面全域に、直径０．１〜０．５ｍｍ程度の微小な貫通孔２１を複数形成したものである。

一般に、シリコーングリース５０は、熱伝導の良いセラミック粉末を媒介液で練ることにより作製される。従って、アルミ箔２０に貫通孔２１を形成することにより、半導体モジュール１００と冷却フィン２００とを取り付けるときに、媒介液と、シリコーングリース５０に含まれるセラミック粉末のうちの微細な粉末とが、貫通孔２１を通過して塗布面１１の反対側の面にも染み出すので、密着性を高めることができる。従って、放熱性をさらに高めることができる。

このように、本実施の形態に係る半導体装置においては、主面全域に貫通孔２１を形成されたアルミ箔２０を用いて取り付けが行われるので、実施の形態１の効果に加えて、放熱性をさらに高めることができるという効果を有する。

＜実施の形態３＞
実施の形態２に係る半導体装置においては、主面全域に貫通孔２１を形成されたアルミ箔２０を用いることにより、シリコーングリース５０を塗布面１１の反対側の面にも染み出すようにしている。しかし、図７（ａ）に示すように、アルミ箔２０に代えて、布状もしくは網状のアルミ細線からなり可撓性を有するアルミ板３０（網状金属板）を用いてもよい。図７（ｂ）は、図７（ａ）の一部（点線で囲んだ領域）を拡大したものである。このアルミ板３０を構成するアルミ細線３１としては、直径５〜３０μｍであることが望ましい。アルミ板３０は、アルミ箔２０よりも取り扱い易く、損傷しにくいので、半導体装置をさらに容易に製造することができる。

このように、本実施の形態に係る半導体装置においては、布状もしくは網状のアルミ細線からなり可撓性を有するアルミ板３０を用いて取り付けが行われる。従って、実施の形態２の効果に加えて、半導体装置をさらに容易に製造することができるという効果を有する。

実施の形態１に係る半導体装置におけるアルミ箔を示す斜視図である。 従来の半導体装置の構造を示す斜視図である。 従来の半導体装置の構造を示す断面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の構造を示す断面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。 実施の形態２に係る半導体装置におけるアルミ箔を示す断面図である。 実施の形態３に係る半導体装置におけるアルミ板を示す断面図である。

符号の説明

１０，２０ アルミ箔、１２，１３０，２１０ ネジ穴、１１ 塗布面、２１ 貫通孔、３０ アルミ板、３１ アルミ細線、５０ シリコーングリース、６０ ヘラ、１００ 半導体モジュール、１１０ ベース板、１１１ ベース面、１２０ 端子、１４０ 半導体チップ、１５０ モールド樹脂、２００ 冷却フィン、２０１ 取り付け面、３００ ネジ。

Claims (6)

1. 第１の面積を有する放熱面が形成された半導体モジュールを用意する工程と、
   第２の面積を有する取り付け面が形成された放熱部材を用意する工程と、
   片面全域にコンパウンドが均一に塗布された緩衝部材を用意する工程と、
   前記コンパウンドが、前記第１の面積を有する放熱面と前記第２の面積を有する取り付け面のうち、より面積の小さい方の面と密接するように、前記緩衝部材を前記半導体モジュールまたは前記放熱部材に密着させる工程と、
   前記取り付け面に前記放熱面が対向配置され、しかも前記半導体モジュールまたは前記放熱部材に密着させた前記緩衝部材を挟持するように、前記放熱部材を前記半導体モジュールと締結する工程と
   を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 第１の面積を有する放熱面、および当該放熱面の裏面において突出する端子が形成された半導体モジュールを用意する工程と、
   前記第１の面積より大きい第２の面積を有する取り付け面が形成された放熱部材を用意する工程と、
   片面全域にコンパウンドが均一に塗布された緩衝部材を用意する工程と、
   前記コンパウンドが、前記第１の面積を有する放熱面と密接するように、前記緩衝部材を前記半導体モジュールに密着させる工程と、
   前記取り付け面に前記放熱面が対向配置され、しかも前記半導体モジュールに密着させた前記緩衝部材を挟持するように、前記放熱部材を前記半導体モジュールと締結する工程と
   を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
3. 放熱部材と緩衝部材とは同種の金属であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の半導体装置の製造方法。
4. 緩衝部材は金属箔であることを特徴とする請求項３記載の半導体装置の製造方法。
5. 金属箔は貫通孔が複数形成されていることを特徴とする請求項４記載の半導体装置の製造方法。
6. 緩衝部材は網状金属板であることを特徴とする請求項３記載の半導体装置の製造方法。

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