半導体モジュールの製造方法
【課題】絶縁信頼性の低下を抑制しつつ放熱性に優れた半導体モジュールの製造方法を提供する。
【解決手段】上面側に半導体素子５０が搭載され該半導体素子５０が発する熱が伝達されるヒートスプレッダ３０を有し、該ヒートスプレッダ３０の下面側に無機フィラーを含む熱硬化性樹脂組成物で形成された絶縁シート１０を介して前記熱をモジュール外に放熱させるためのヒートシンク２０が接着されており、前記ヒートスプレッダ３０が前記ヒートシンク２０よりも小さく、該ヒートスプレッダ３０との接着面よりも外側に延出した状態で前記絶縁シート１０が前記ヒートシンク２０の上面に接着されている半導体モジュール１の製造方法。
【解決手段】上面側に半導体素子５０が搭載され該半導体素子５０が発する熱が伝達されるヒートスプレッダ３０を有し、該ヒートスプレッダ３０の下面側に無機フィラーを含む熱硬化性樹脂組成物で形成された絶縁シート１０を介して前記熱をモジュール外に放熱させるためのヒートシンク２０が接着されており、前記ヒートスプレッダ３０が前記ヒートシンク２０よりも小さく、該ヒートスプレッダ３０との接着面よりも外側に延出した状態で前記絶縁シート１０が前記ヒートシンク２０の上面に接着されている半導体モジュール１の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、上面側に半導体素子が搭載され該半導体素子が発する熱が伝達されるヒートスプレッダと、該ヒートスプレッダの下面側に絶縁シートを介してヒートシンクが接着されている半導体モジュールを作製する半導体モジュールの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体素子が樹脂モールドされるなどしてパッケージングされた半導体モジュールが広く用いられており、該半導体モジュールにおいては、この半導体素子が通電時において発熱を伴うことからジャンクション温度が一定以上に上昇することなどを防止すべく各種の放熱手段が講じられている。
このような手段として、一般的には、半導体素子からの発熱をすばやく奪い去るためのヒートスプレッダと呼ばれる部材の上面側に前記半導体素子を搭載させてモジュール内に配する方法が知られている。
なお、このヒートスプレッダには、通常、すばやい熱拡散性と十分な熱容量とが求められることから金属ブロックのような部材が採用されている。
しかし、ヒートスプレッダの温度が上がるにつれて半導体素子からの熱を奪うスピードが減少し半導体素子に温度上昇をもたらすおそれを有する。
このようなことから、従来の半導体モジュールなどにおいては、半導体モジュールの外表面に露出する面を有し、該露出面から内部の熱をモジュール外に放出させるためのヒートシンクと呼ばれる部材がヒートスプレッダの下面側に備えられたりしている。
このヒートシンクは、広い放熱面積を確保する必要があることから、通常、ヒートスプレッダよりも大きな金属板等で形成されており、多くの場合、半導体モジュールの下面全面にわたる大きさの金属板で形成されている。
【０００３】
このような半導体モジュールにおける放熱性の向上にはヒートスプレッダとヒートシンクとの間の熱抵抗値を低減させることが有利になるが、一方で、このヒートスプレッダとヒートシンクとの間には安全性のために絶縁性を確保することが求められる。
このようなことから、無機物粒子（無機フィラー）が充填されて熱伝導性の向上が図られた熱硬化性樹脂組成物からなる絶縁シートをヒートスプレッダとヒートシンクとの間に介挿させ、該絶縁シートでヒートスプレッダとヒートシンクとを接着させることが行われている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、下面側に金属シート層を備えた絶縁シートを、上面側に半導体素子が搭載されているヒートスプレッダの下面側に接着させて、前記金属シート層の下面を露出させた状態でヒートスプレッダ及び半導体素子を覆う樹脂モールドを実施する半導体モジュールの製造方法が記載されている。
なお、この特許文献１の金属シート層は、金属箔で形成されておりヒートシンクとしての機能が十分ではないために、この種の半導体モジュールには、前記金属シート層の表面（下面）に放熱グリスなどを介して別途放熱フィンなどの放熱器が取り付けられて用いられる。
【０００５】
しかし、前記放熱グリスは、金属などに比べて熱伝導率が低いことから前記金属シート層と前記放熱器との間には熱抵抗の高い層が形成されてしまうことになり、特許文献１記載の半導体モジュールでは、十分な放熱性を確保させることが難しい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１６５２８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のように従来の半導体モジュールにおいては、放熱性を向上させることが困難な状況になっている。
なお、放熱性の向上には絶縁シートにおける無機フィラーの高充填率化が有効ではあるが、通常、無機フィラーが高充填された絶縁シートは、割れが生じやすく絶縁性が損なわれやすいという問題を有している。
例えば、ヒートスプレッダとヒートシンクとの間に絶縁シートによって絶縁層を形成させる場合には、沿面距離の関係から、ヒートスプレッダの下面よりも広範囲な面積にわたってヒートシンクの上面が絶縁シートによって覆われていることが求められる。
しかし、このような絶縁シートをヒートシンクとヒートスプレッダとの間に介装させた状態で熱プレスなどによる加圧接着をさせようとするとヒートスプレッダによって絶縁シートが加圧される領域の外側に加圧がなされない領域が形成されることになり、ヒートスプレッダの外縁部において応力集中が生じて絶縁シートに割れが発生するおそれを有する。
【０００８】
そのため、ヒートシンクとヒートスプレッダとが絶縁シートを介して接着されている半導体モジュールにおいては、絶縁信頼性を低下させることを抑制しつつ放熱性の向上を図ることが困難であるという問題を有している。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、絶縁信頼性の低下を抑制しつつ放熱性の向上が図られ得る半導体モジュールの製造方法を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、前記課題を解決すべく、上面側に半導体素子が搭載され該半導体素子が発する熱が伝達されるヒートスプレッダを有し、該ヒートスプレッダの下面側に絶縁シートを介して前記熱をモジュール外に放熱させるためのヒートシンクが接着されており、前記ヒートスプレッダが前記ヒートシンクよりも小さく、該ヒートスプレッダとの接着面よりも外側に延出した状態で前記絶縁シートが前記ヒートシンクの上面に接着されている半導体モジュールを作製する半導体モジュールの製造方法であって、無機フィラーを含む熱硬化性樹脂組成物で形成された絶縁シートが前記ヒートシンクと前記ヒートスプレッダとの間に介装されている積層体を加熱して前記絶縁シートを熱硬化させ、しかも、前記積層体をオートクレーブで前記ヒートスプレッダの側から加圧しつつ前記加熱することにより、前記ヒートスプレッダの外側に延出している前記絶縁シートに対しても前記ヒートシンクに向けた加圧を実施して前記ヒートスプレッダと前記ヒートシンクとを接着させることを特徴とする半導体モジュールの製造方法を提供する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の半導体モジュールの製造方法においては、ヒートスプレッダ側からのオートクレーブによる加圧が行われることによって、前記ヒートスプレッダの接着面よりも外側に延出している前記絶縁シートに対してもヒートシンクに向けた加圧が実施されることになる。
したがって、ヒートスプレッダの外縁部に応力が集中することを抑制させることができ絶縁シートに割れが生じるおそれを抑制させることができる。
すなわち、沿面距離を確保しつつも絶縁シートが割れることを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】半導体モジュールの構造を示す断面図。
【図２】本実施形態の半導体モジュールの製造工程（オートクレーブ）を示す概略図。
【図３】比較例１、２の方法で得られた半導体モジュールの断面図。
【図４】従来の半導体モジュールの製造工程を示す正面図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、本発明の好ましい実施の形態について説明する。
まず、本発明の製造方法によって製造される半導体モジュールについて一例を挙げて説明する。
図１は、本実施形態の半導体モジュールの断面を示した図であり、この図１にも示されているように本実施形態の半導体モジュール１は、扁平な直方体形状を有しており、当該半導体モジュール１の側壁部を構成する角筒状のケーシング８０の内側には、半導体素子５０がモールド樹脂９０によってモールドされた状態で収容されている。
該半導体素子５０は、その発する熱を除去させるべく、扁平直方体形状を有する角型の金属製ブロックからなるヒートスプレッダ３０の上面にハンダ４０によって接合されており、その上面にはリードフレーム７０の端子部に一端部が接合されたボンディングワイヤ６０の他端部が接合されている。
また、前記ヒートスプレッダ３０には、他のリードフレーム７０が接合されており、該ヒートスプレッダ３０は、当該半導体モジュール１の動作時において前記半導体素子５０の熱を奪う役割を担っているばかりでなく電気が流れる電路としての機能も果たしている。
【００１３】
本実施形態に係る半導体モジュール１には、前記ヒートスプレッダ３０に伝達された半導体素子５０の熱をこの半導体モジュール１から除去させるための金属板からなるヒートシンク２０が備えられており、該ヒートシンク２０は、その一面側を半導体モジュール１の下面において露出させた状態で備えられている。
また、前記ヒートシンク２０は、半導体モジュール１の下面の略全域において露出されており、この露出させた露出面２１を半導体モジュール１から系外に熱を放熱するための放熱面として機能させるものである。
【００１４】
また、該ヒートシンク２０は、前記露出面２１とは反対側の面を、絶縁シート１０を介して前記ヒートスプレッダ３０の下面に接着させている。
この絶縁シート１０は、無機フィラーを含む熱硬化性樹脂組成物で形成されており、熱伝導性に優れた絶縁層を形成させている。
すなわち、本実施形態に係る半導体モジュール１は、半導体素子５０が発した熱が、ヒートスプレッダ３０から絶縁シート１０を通じて前記ヒートシンク２０にすばやく伝達されて、前記露出面２１から系外に放出されうるように形成されている。
しかも、本実施形態に係る半導体モジュール１は、前記ヒートスプレッダ３０と前記ヒートシンク２０との間が前記絶縁シート１０によって絶縁されているために前記ヒートスプレッダ３０に通電がされた場合において前記露出面２１に人が触れても感電することがないように形成されている。
【００１５】
なお、前記絶縁層シート１０は、前記ヒートシンク２０の上面を全て覆っているわけではなく、ヒートシンク２０よりも一回り小さく形成されている。
そして、前記ヒートスプレッダ３０は、絶縁シート１０よりもさらに小さく形成されており、その下面、すなわち、絶縁シート１０との接着面が当該絶縁シート１０よりも小さくなるように形成されている。
したがって、この絶縁シート１０は、ヒートスプレッダ３０の接着面よりも外側に延出した状態でヒートシンク２０の上面に接着されており、この絶縁シート１０が延出している長さの分だけ、ヒートスプレッダ３０からヒートシンク２０までの沿面距離が確保され絶縁性が確保されている。
【００１６】
この半導体モジュール１においては、前記絶縁シート１０を形成している樹脂組成物の熱伝導率が高いほどヒートスプレッダ３０からヒートシンク２０への熱の伝導性が良好になる。
また、前記絶縁シート１０の厚みが薄いほどヒートスプレッダ３０からヒートシンク２０への熱の伝導性が良好となる。
さらには、ヒートスプレッダ３０と絶縁シート１０との接着面Ａ１や絶縁シート１０とヒートシンク２０との接着面Ａ２においてより良好なる接着がなされていることによって界面の接触熱抵抗が低減できて、ヒートスプレッダ３０からヒートシンク２０への熱の伝導性が良好となる。
【００１７】
上記のように優れた熱伝導率を有する絶縁シート１０を形成させるための樹脂組成物としては、通常、無機フィラーを高い含有率で含有する熱硬化性樹脂組成物が用いられる。
前記熱硬化性樹脂組成物のベースポリマーとしては、高い絶縁信頼性や優れた耐熱性を有すること、さらに、ヒートシンク２０やヒートスプレッダ３０といった金属体に対する優れた接着力を示すことからエポキシ樹脂を用いることが好適である。
しかも、常温固体のエポキシ樹脂が好ましい。
この常温固体のエポキシが好ましいのは、常温液体状のエポキシ樹脂を用いた場合には、ヒートシンク２０とヒートスプレッダ３０とを接着すべく絶縁層１０を加熱するなどした際に、エポキシ樹脂の粘度が低下しすぎて、ヒートスプレッダ３０の端縁部から外にエポキシ樹脂が大きく滲み出してしまうおそれがあるためである。
このエポキシ樹脂の滲み出しが激しい場合には、絶縁性シート１０の厚みが減少して絶縁信頼性を確保することが難しくなるおそれを有する。
【００１８】
一方で、被着体（ヒートシンク２０、ヒートスプレッダ３０）への接着時にある程度の粘度低下が生じないと被着体と接着面Ａ１，Ａ２との間に空隙などが生じやすくヒートスプレッダ３０側からヒートシンク２０側への熱伝導性を低下させるおそれもある。
絶縁シート１０を形成する樹脂組成物に適度な流れ性を付与して、これらの問題をより確実に抑制させ得る点において、このエポキシ樹脂としては、エポキシ当量４５０〜２０００ｇ／ｅｑの常温固体のビスフェノールＡ型エポキシ樹脂と、エポキシ当量１６０〜２２０ｇ／ｅｑの多官能の常温固体で８７℃から９３℃の間に軟化点を有するノボラック型エポキシ樹脂とが（ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂／ノボラック型エポキシ樹脂）＝４０／６０〜６０／４０となる質量比率で混合されているものを用いることが好ましい。
なお、このエポキシ当量は、ＪＩＳ Ｋ ７２３６により求めることができる。
【００１９】
このように、ポリマー成分としてエポキシ樹脂が樹脂組成物に含まれる場合においては、通常、エポキシ樹脂の硬化剤、硬化促進剤が樹脂組成物に含有される。
この硬化剤としては、特に限定されるものではないが、例えば、ジアミノジフェニルスルホン、ジシアンジアミド、ジアミノジフェニルメタン、トリエチレンテトラミンなどのアミン系硬化剤、フェノールノボラック樹脂、アラルキル型フェノール樹脂、ジシクロペンタジエン変性フェノール樹脂、ナフタレン型フェノール樹脂、ビスフェノール系フェノール樹脂などのフェノール系硬化剤、酸無水物などを用いることができる。
中でも、電気特性における信頼性を確保し易い点において、フェノールノボラック樹脂、ジアミノジフェニルスルホンが好適である。
前記硬化促進剤としては、特に限定されるものではないが、イミダゾール類や、トリフェニルフォスフェイト（ＴＰＰ）、三フッ化ホウ素モノエチルアミンなどのアミン系硬化促進剤が保存性などにおいて好適である。
【００２０】
前記無機フィラーには熱伝導性に優れている点において窒化ホウ素粒子が好適に採用されうる。
しかも、窒化ホウ素の板状の一次粒子が凝集した粒子（凝集粒子）を用いることが好ましい。
この凝集粒子としては、全体顆粒状を呈する状態に形成された凝集粒子（顆粒状粒子）や窒化ホウ素の一次粒子の鱗片状構造が区別できる程度に集合された集合状態を呈する凝集粒子（集合状粒子）などを用いることができる。
【００２１】
なお、前記熱硬化性樹脂組成物には、形成させる絶縁シート１０の厚みなどにもよるが、通常、１０〜１００μｍの平均粒径を有する凝集粒子を含有させ得る。
なお、この“平均粒径”については、例えば、レーザー回折法での粒度分布測定などを実施してＤ５０値を測定することにより求めることができる。
【００２２】
また、前記無機フィラーとしては、このような窒化ホウ素以外の物質（例えば、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化ガリウム、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、二酸化ケイ素、ダイヤモンド等）で形成された無機物粒子も含有させ得る。
【００２３】
なお、絶縁シート１０を形成させる熱硬化性樹脂組成物に占める無機フィラーの含有量としては、当該絶縁シート１０に優れた熱伝導率を付与し得る点において５０％体積以上であることが好ましく、５５体積％以上であることがより好ましい。
【００２４】
また、ここでは詳述しないが、この絶縁シート１０を形成させる熱硬化性樹脂組成物には、上記のようなエポキシ樹脂成分以外のポリマーや、分散剤、粘着性付与剤、老化防止剤、酸化防止剤、加工助剤、安定剤、消泡剤、難燃剤、増粘剤、顔料などといったゴム、プラスチック配合薬品として一般に用いられるものを適宜加えることができる。
【００２５】
なお、ヒートシンクを形成させるための金属板や、ヒートスプレッダを形成させるための金属製角型ブロックについては、特に限定されず、従来、同種の目的に用いられているものを用いることができ、アルミニウム製、銅製のものなどが用いられ得る。
【００２６】
なお、上記のように無機フィラーが高充填された絶縁シート１０は、熱伝導性に優れる反面、割れが生じやすく、例えば、図４に示す従来の半導体モジュールの製造方法のごとく、単に、ヒートシンク（金属板）２０ａの上に絶縁シート１０ａを介してヒートスプレッダ（角型の金属ブロック）３０ａを積層して、熱プレスＰＲにて上下方向に圧力を加えると、前記金属ブロック３０ａのエッジ部３０ｅにおいては応力が集中して絶縁シート１０ａに割れが生じやすくなる。
【００２７】
このようなトラブルは、絶縁シートの熱伝導率向上を図るべく無機フィラーを高充填するほど顕著になるとともに、絶縁シートの熱抵抗を低減させるべくその厚みを減少させるほど顕著なものとなる。
さらには、絶縁シート１０ａと金属ブロック３０ａとの界面の接触熱抵抗や、絶縁シート１０ａと金属板２０ａとの界面の接触熱抵抗の低減を図るべく、熱プレスによるプレス圧を増大させるほど先のようなエッジ部３０ｅでの割れの発生確率を高めてしまうことになる。
【００２８】
なお、熱硬化性樹脂は、通常、Ｂステージ状態と呼ばれる半硬化な状態が最も割れやすく、熱硬化反応を進行させることで割れ難くはなる。
したがって、絶縁シート１０ａの硬化反応を予め進行させておくことも考え得るが、その場合には、接着性が低下して、ヒートシンク２０ａと絶縁シート１０ａと間の界面の接触熱抵抗やヒートスプレッダ３０ａと絶縁シート１０ａとの界面の接触熱抵抗を増大させる可能性が高くなる。
すなわち、従来の導体モジュールの製造方法では、絶縁信頼性を低下させることを抑制しつつ放熱性の向上を図ることが困難である。
【００２９】
一方で、本実施形態に係る製造方法においては、図２に示すように、ヒートスプレッダ（金属ブロック）３０ｂの側からオートクレーブによって加圧することによって前記ヒートスプレッダとの接着面よりも外側に延出している前記絶縁シート１０ｂに対してもヒートシンクに向けた加圧を実施してヒートシンク２０ｂとヒートスプレッダ３０ｂとの接着を実施する。
【００３０】
この際の工程について図２を参照しつつ説明すると、まず、オートクレーブ装置の圧力容器ＣＭに板面を水平にして収容されている板状ステージＳＴの上に、ヒートシンク２０ｂ、絶縁シート１０ｂ、ヒートスプレッダ３０ｂの順に重ね合わせた積層体ＬＸを、１個、又は複数個並べて載置する。
そうして、この積層体ＬＸの上からパッキングフィルムＳＨを載せて該パッキングフィルムＳＨの外縁部を前記ステージＳＴに止着する。
すなわち、板状ステージＳＴの上においてパッキングフィルムＳＨで積層体ＬＸを覆って封止した状態にさせる。
その後、前記ステージＳＴの下側に設けられ、前記圧力容器ＣＭの内部空間と隔離された空間の空気を排気することで、前記ステージＳＴを厚み方向に貫通する貫通孔Ｈを通じて、ステージＳＴの上面と前記パッキングフィルムＳＨとの間の空気を除去し、前記パッキングフィルムＳＨを前記積層体ＬＸの表面形状に沿わせる形で密着させる。
そうしておいて、窒素ガスなどの加熱・加圧のためのガスを前記圧力容器ＣＭに導入し、前記パッキングフィルムを通じて積層体ＬＸを加圧する。
【００３１】
このようにオートクレーブでは、パッキングフィルムＳＨのように積層体ＬＸの表面形状に追従可能な柔軟なシート材を介して気体による加圧を行うことから、前記ヒートスプレッダ３０ｂの接着面Ａ１よりも外側に延出している前記絶縁シート１０ｂに対しても加圧することができ、ヒートスプレッダ３０ｂの外縁部において応力が集中して絶縁シート１０ｂに割れが生じることを抑制しつつヒートスプレッダ３０ｂとヒートシンク２０ｂとを接着させるとともに前記絶縁シート１０ｂの熱硬化を実施することができる。
【００３２】
さらに、本実施形態の方法においては、絶縁シート１０ｂがヒートスプレッダ３０ｂとの接触面から延出して露出している箇所にも加圧が行われることから、ヒートスプレッダ３０ｂよりも外側の箇所における絶縁シート１０ｂとヒートシンク２０ｂとの接着も良好なものとなる。
しかも、オートクレーブによって加圧することでヒートスプレッダ３０ｂとヒートシンク２０ｂとの接着を行うことから、この図２にも示しているように、数個の積層体ＬＸを一度に加圧しても、個々の積層体ＬＸに圧力の違いが生じ難くなる。
例えば、図４に示すような上下２面の熱盤を有するプレスにおいて一度に数個のプレスを実施させた場合には、仮に、クッションシートなどを介装させたとしてもそれぞれに加わる圧力にバラツキを生じやすく最終的に得られる半導体モジュール間に特性のバラツキを生じさせやすくなるが本実施形態の方法のようにオートクレーブを利用することで、半導体モジュール間に特性のバラツキが生じることを抑制させうる。
【００３３】
なお、オートクレーブによる加圧においては、例えば、無機フィラーを５０体積％以上含む絶縁シートの場合であれば、ヒートスプレッダ３０ｂと絶縁シート１０ｂとの界面に作用させる圧力としては、通常、３ＭＰａ〜１５ＭＰａとされ得る。
また、この圧力については、良好なる接着性とより確実な割れ防止とを図る意味において３ＭＰａ〜１０ＭＰａであることが好ましい。
また、熱硬化性樹脂組成物のベースが常温固体のエポキシ樹脂であるような場合において加圧時における温度や時間に関しては、用いる硬化剤の種類や配合量にもよるが、通常雰囲気温度は、通常、１５０℃〜２００℃とされ、加圧時間は、通常、６０分〜３００分とされる。
【００３４】
なお、前記積層体ＬＸは、例えば、予め熱硬化性樹脂組成物をシート状に保形させた絶縁シート１０ｂを作製し、これをヒートスプレッダ３０ｂとして用いられる金属ブロックと、ヒートシンク２０ｂとして用いられる金属板との間に介装させて形成させることができる。
また、例えば、熱硬化性樹脂組成物を有機溶剤に分散させたワニスをヒートシンク２０ｂとして用いられる金属板にスクリーン印刷して該金属板上で乾燥させ、その上にヒートスプレッダ３０ｂを搭載するような方法で絶縁シート１０ｂをヒートスプレッダ３０ｂとヒートシンク２０ｂとの間に介装させて前記積層体ＬＸを形成させてもよい。
【００３５】
前者のように熱硬化性樹脂組成物をシート状に保形させたものを利用する場合には、いきなりヒートスプレッダ３０ｂとヒートシンク２０ｂとの間に挟んで積層体ＬＸを形成させるよりも、一旦、絶縁シート単体をヒートシンク２０ｂの表面に仮接着させる工程を経た後に、ヒートスプレッダ３０ｂを載置して積層体ＬＸを形成させる方が好適である。
【００３６】
なお、前記オートクレーブによるヒートスプレッダ３０ｂとヒートシンク２０ｂとの接着においては、前記絶縁シート１０ｂを完全に硬化させる必要は無く、十分な接着力が確保された時点で加熱・加圧を中止して、後に、この絶縁シート１０ｂをポストキュアさせる工程を設けてもよい。
【００３７】
また、本実施形態においては、ヒートスプレッダが１個のみの場合を例示しているが、１つのヒートシンクに複数のヒートスプレッダを接着させるような場合も本発明の意図する範囲である。
特に、高さの異なるヒートスプレッダを一つのヒートシンクに接着させるような場合においては、本発明の半導体モジュールの製造方法のごとくオートクレーブによってヒートスプレッダ側から加圧する手法が特に有効なものとなる。
すなわち、図４の熱プレス方法では、高さの異なるヒートスプレッダをヒートシンクに接着させる場合には、それぞれ、別工程で接着させるか、適切なスペーサを介装させることが必要になるが、本実施形態においては、特段の手間をかけることなく一度の工程でこれらの接着を行うことができ、工程の簡略化を図り得る。
【００３８】
その後、半導体素子をヒートスプレッダ上にハンダ付けしたり、ワイヤーボンディングしたりする方法や、ケーシングを樹脂モールドする方法については、従来の、半導体モジュールの製造方法と同様の方法で実施することができる。
【００３９】
なお、本実施形態においては、本発明の半導体モジュールの製造方法や、当該製造方法によって作製される半導体モジュールを上記のように例示しているが、本発明は、半導体モジュールやその製造方法に関して上記例示に限定されるものではない。
例えば、本実施形態においては、板状のヒートシンクを例示しているが、下面（露出面）側にフィンやピンが立設されて空冷性能を向上させたようなヒートシンクを採用する場合も本発明が意図する範囲のものである。
【実施例】
【００４０】
（製造方法１：比較例１）
無機フィラー（窒化ホウ素）を５０体積％含有するエポキシ樹脂組成物を有機溶媒に分散させてワニスを形成し、これを厚み１０５μｍの銅箔に塗布・乾燥して金属シート付絶縁シート（絶縁層の厚み２００μｍ）を作製した。
上面側に半導体素子を搭載したヒートスプレッダの下面にこの金属シート付絶縁シートを仮接着させ、ケーシングをセットし、このケーシング中にモールド樹脂を射出成形することによって図３（ａ）に示すような半導体モジュール半製品を作製した。
この半製品を加熱して前記エポキシ樹脂組成物のポストキュアを実施した後に、下面に露出している銅箔に放熱グリスを塗布してヒートシンクを取り付けた。
得られた半導体モジュールの「半導体素子」から「ヒートシンク」までの熱抵抗値を測定したところ１．０℃／Ｗであった。
また、リードフレームとヒートシンクとの間の耐電圧試験を実施したところ、絶縁破壊電圧は、１０ｋＶであった。
【００４１】
（製造方法２：比較例２）
ヒートスプレッダに金属シート付絶縁シートを仮接着させずにヒートスプレッダの下面を露出させる形でモールド樹脂の射出成形を行った後、このヒートスプレッダの露出面に比較例１と同じ金属シート付絶縁シートを加熱加圧して図３（ｂ）に示すような半導体モジュール半製品を作製した。
この半製品の下面に露出している銅箔に放熱グリスを塗布してヒートシンクを取り付け比較例１と同様に熱抵抗を測定するとともに絶縁破壊電圧を測定したところ、それぞれ１．２℃／Ｗと１０ｋＶとの値が得られた。
【００４２】
（製造方法３：比較例３）
前記金属シート付絶縁シートの作製に用いたものと同じワニスを使用して、ヒートシンクに前記金属シート付絶縁シートの絶縁層厚みと同等の厚みとなるように絶縁層（絶縁シート）を形成させた。
これに、ヒートスプレッダを載せて、熱プレスによって接着させた。
その後、このヒートスプレッダに半導体素子をハンダ付けして、図１に示されるような半導体モジュールを作製した。
得られた、半導体モジュールを比較例１と同様に熱抵抗を測定するとともに絶縁破壊電圧を測定したところ、それぞれ０．５℃／Ｗと２ｋＶとの値が得られた。
すなわち、低い熱抵抗値が観測されたものの絶縁破壊電圧を大きく低下させることになった。
【００４３】
（製造方法４：実施例１）
熱プレスに代えてオートクレーブによってヒートスプレッダ側からの加圧を行い、該ヒートスプレッダの下面から外方に延出している絶縁層にまで圧力が加わるようにして、ヒートスプレッダとヒートシンクとの接着を行ったこと以外は上記比較例３と同様に半導体モジュールを作製した。
得られた、半導体モジュールを比較例１と同様に熱抵抗を測定するとともに絶縁破壊電圧を測定したところ、それぞれ０．５℃／Ｗと１０ｋＶとの値が得られた。
このことからも本発明によれば絶縁信頼性の低下を抑制しつつ放熱性に優れた半導体モジュールを製造しうることがわかる。
【符号の説明】
【００４４】
１ 半導体モジュール
１０ 絶縁シート
２０ ヒートシンク
３０ ヒートスプレッダ
４０ ハンダ
５０ 半導体素子
６０ ボンディングワイヤ
７０ リードフレーム
８０ ケーシング
９０ モールド樹脂
【技術分野】
【０００１】
本発明は、上面側に半導体素子が搭載され該半導体素子が発する熱が伝達されるヒートスプレッダと、該ヒートスプレッダの下面側に絶縁シートを介してヒートシンクが接着されている半導体モジュールを作製する半導体モジュールの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体素子が樹脂モールドされるなどしてパッケージングされた半導体モジュールが広く用いられており、該半導体モジュールにおいては、この半導体素子が通電時において発熱を伴うことからジャンクション温度が一定以上に上昇することなどを防止すべく各種の放熱手段が講じられている。
このような手段として、一般的には、半導体素子からの発熱をすばやく奪い去るためのヒートスプレッダと呼ばれる部材の上面側に前記半導体素子を搭載させてモジュール内に配する方法が知られている。
なお、このヒートスプレッダには、通常、すばやい熱拡散性と十分な熱容量とが求められることから金属ブロックのような部材が採用されている。
しかし、ヒートスプレッダの温度が上がるにつれて半導体素子からの熱を奪うスピードが減少し半導体素子に温度上昇をもたらすおそれを有する。
このようなことから、従来の半導体モジュールなどにおいては、半導体モジュールの外表面に露出する面を有し、該露出面から内部の熱をモジュール外に放出させるためのヒートシンクと呼ばれる部材がヒートスプレッダの下面側に備えられたりしている。
このヒートシンクは、広い放熱面積を確保する必要があることから、通常、ヒートスプレッダよりも大きな金属板等で形成されており、多くの場合、半導体モジュールの下面全面にわたる大きさの金属板で形成されている。
【０００３】
このような半導体モジュールにおける放熱性の向上にはヒートスプレッダとヒートシンクとの間の熱抵抗値を低減させることが有利になるが、一方で、このヒートスプレッダとヒートシンクとの間には安全性のために絶縁性を確保することが求められる。
このようなことから、無機物粒子（無機フィラー）が充填されて熱伝導性の向上が図られた熱硬化性樹脂組成物からなる絶縁シートをヒートスプレッダとヒートシンクとの間に介挿させ、該絶縁シートでヒートスプレッダとヒートシンクとを接着させることが行われている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、下面側に金属シート層を備えた絶縁シートを、上面側に半導体素子が搭載されているヒートスプレッダの下面側に接着させて、前記金属シート層の下面を露出させた状態でヒートスプレッダ及び半導体素子を覆う樹脂モールドを実施する半導体モジュールの製造方法が記載されている。
なお、この特許文献１の金属シート層は、金属箔で形成されておりヒートシンクとしての機能が十分ではないために、この種の半導体モジュールには、前記金属シート層の表面（下面）に放熱グリスなどを介して別途放熱フィンなどの放熱器が取り付けられて用いられる。
【０００５】
しかし、前記放熱グリスは、金属などに比べて熱伝導率が低いことから前記金属シート層と前記放熱器との間には熱抵抗の高い層が形成されてしまうことになり、特許文献１記載の半導体モジュールでは、十分な放熱性を確保させることが難しい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１６５２８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のように従来の半導体モジュールにおいては、放熱性を向上させることが困難な状況になっている。
なお、放熱性の向上には絶縁シートにおける無機フィラーの高充填率化が有効ではあるが、通常、無機フィラーが高充填された絶縁シートは、割れが生じやすく絶縁性が損なわれやすいという問題を有している。
例えば、ヒートスプレッダとヒートシンクとの間に絶縁シートによって絶縁層を形成させる場合には、沿面距離の関係から、ヒートスプレッダの下面よりも広範囲な面積にわたってヒートシンクの上面が絶縁シートによって覆われていることが求められる。
しかし、このような絶縁シートをヒートシンクとヒートスプレッダとの間に介装させた状態で熱プレスなどによる加圧接着をさせようとするとヒートスプレッダによって絶縁シートが加圧される領域の外側に加圧がなされない領域が形成されることになり、ヒートスプレッダの外縁部において応力集中が生じて絶縁シートに割れが発生するおそれを有する。
【０００８】
そのため、ヒートシンクとヒートスプレッダとが絶縁シートを介して接着されている半導体モジュールにおいては、絶縁信頼性を低下させることを抑制しつつ放熱性の向上を図ることが困難であるという問題を有している。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、絶縁信頼性の低下を抑制しつつ放熱性の向上が図られ得る半導体モジュールの製造方法を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、前記課題を解決すべく、上面側に半導体素子が搭載され該半導体素子が発する熱が伝達されるヒートスプレッダを有し、該ヒートスプレッダの下面側に絶縁シートを介して前記熱をモジュール外に放熱させるためのヒートシンクが接着されており、前記ヒートスプレッダが前記ヒートシンクよりも小さく、該ヒートスプレッダとの接着面よりも外側に延出した状態で前記絶縁シートが前記ヒートシンクの上面に接着されている半導体モジュールを作製する半導体モジュールの製造方法であって、無機フィラーを含む熱硬化性樹脂組成物で形成された絶縁シートが前記ヒートシンクと前記ヒートスプレッダとの間に介装されている積層体を加熱して前記絶縁シートを熱硬化させ、しかも、前記積層体をオートクレーブで前記ヒートスプレッダの側から加圧しつつ前記加熱することにより、前記ヒートスプレッダの外側に延出している前記絶縁シートに対しても前記ヒートシンクに向けた加圧を実施して前記ヒートスプレッダと前記ヒートシンクとを接着させることを特徴とする半導体モジュールの製造方法を提供する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の半導体モジュールの製造方法においては、ヒートスプレッダ側からのオートクレーブによる加圧が行われることによって、前記ヒートスプレッダの接着面よりも外側に延出している前記絶縁シートに対してもヒートシンクに向けた加圧が実施されることになる。
したがって、ヒートスプレッダの外縁部に応力が集中することを抑制させることができ絶縁シートに割れが生じるおそれを抑制させることができる。
すなわち、沿面距離を確保しつつも絶縁シートが割れることを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】半導体モジュールの構造を示す断面図。
【図２】本実施形態の半導体モジュールの製造工程（オートクレーブ）を示す概略図。
【図３】比較例１、２の方法で得られた半導体モジュールの断面図。
【図４】従来の半導体モジュールの製造工程を示す正面図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、本発明の好ましい実施の形態について説明する。
まず、本発明の製造方法によって製造される半導体モジュールについて一例を挙げて説明する。
図１は、本実施形態の半導体モジュールの断面を示した図であり、この図１にも示されているように本実施形態の半導体モジュール１は、扁平な直方体形状を有しており、当該半導体モジュール１の側壁部を構成する角筒状のケーシング８０の内側には、半導体素子５０がモールド樹脂９０によってモールドされた状態で収容されている。
該半導体素子５０は、その発する熱を除去させるべく、扁平直方体形状を有する角型の金属製ブロックからなるヒートスプレッダ３０の上面にハンダ４０によって接合されており、その上面にはリードフレーム７０の端子部に一端部が接合されたボンディングワイヤ６０の他端部が接合されている。
また、前記ヒートスプレッダ３０には、他のリードフレーム７０が接合されており、該ヒートスプレッダ３０は、当該半導体モジュール１の動作時において前記半導体素子５０の熱を奪う役割を担っているばかりでなく電気が流れる電路としての機能も果たしている。
【００１３】
本実施形態に係る半導体モジュール１には、前記ヒートスプレッダ３０に伝達された半導体素子５０の熱をこの半導体モジュール１から除去させるための金属板からなるヒートシンク２０が備えられており、該ヒートシンク２０は、その一面側を半導体モジュール１の下面において露出させた状態で備えられている。
また、前記ヒートシンク２０は、半導体モジュール１の下面の略全域において露出されており、この露出させた露出面２１を半導体モジュール１から系外に熱を放熱するための放熱面として機能させるものである。
【００１４】
また、該ヒートシンク２０は、前記露出面２１とは反対側の面を、絶縁シート１０を介して前記ヒートスプレッダ３０の下面に接着させている。
この絶縁シート１０は、無機フィラーを含む熱硬化性樹脂組成物で形成されており、熱伝導性に優れた絶縁層を形成させている。
すなわち、本実施形態に係る半導体モジュール１は、半導体素子５０が発した熱が、ヒートスプレッダ３０から絶縁シート１０を通じて前記ヒートシンク２０にすばやく伝達されて、前記露出面２１から系外に放出されうるように形成されている。
しかも、本実施形態に係る半導体モジュール１は、前記ヒートスプレッダ３０と前記ヒートシンク２０との間が前記絶縁シート１０によって絶縁されているために前記ヒートスプレッダ３０に通電がされた場合において前記露出面２１に人が触れても感電することがないように形成されている。
【００１５】
なお、前記絶縁層シート１０は、前記ヒートシンク２０の上面を全て覆っているわけではなく、ヒートシンク２０よりも一回り小さく形成されている。
そして、前記ヒートスプレッダ３０は、絶縁シート１０よりもさらに小さく形成されており、その下面、すなわち、絶縁シート１０との接着面が当該絶縁シート１０よりも小さくなるように形成されている。
したがって、この絶縁シート１０は、ヒートスプレッダ３０の接着面よりも外側に延出した状態でヒートシンク２０の上面に接着されており、この絶縁シート１０が延出している長さの分だけ、ヒートスプレッダ３０からヒートシンク２０までの沿面距離が確保され絶縁性が確保されている。
【００１６】
この半導体モジュール１においては、前記絶縁シート１０を形成している樹脂組成物の熱伝導率が高いほどヒートスプレッダ３０からヒートシンク２０への熱の伝導性が良好になる。
また、前記絶縁シート１０の厚みが薄いほどヒートスプレッダ３０からヒートシンク２０への熱の伝導性が良好となる。
さらには、ヒートスプレッダ３０と絶縁シート１０との接着面Ａ１や絶縁シート１０とヒートシンク２０との接着面Ａ２においてより良好なる接着がなされていることによって界面の接触熱抵抗が低減できて、ヒートスプレッダ３０からヒートシンク２０への熱の伝導性が良好となる。
【００１７】
上記のように優れた熱伝導率を有する絶縁シート１０を形成させるための樹脂組成物としては、通常、無機フィラーを高い含有率で含有する熱硬化性樹脂組成物が用いられる。
前記熱硬化性樹脂組成物のベースポリマーとしては、高い絶縁信頼性や優れた耐熱性を有すること、さらに、ヒートシンク２０やヒートスプレッダ３０といった金属体に対する優れた接着力を示すことからエポキシ樹脂を用いることが好適である。
しかも、常温固体のエポキシ樹脂が好ましい。
この常温固体のエポキシが好ましいのは、常温液体状のエポキシ樹脂を用いた場合には、ヒートシンク２０とヒートスプレッダ３０とを接着すべく絶縁層１０を加熱するなどした際に、エポキシ樹脂の粘度が低下しすぎて、ヒートスプレッダ３０の端縁部から外にエポキシ樹脂が大きく滲み出してしまうおそれがあるためである。
このエポキシ樹脂の滲み出しが激しい場合には、絶縁性シート１０の厚みが減少して絶縁信頼性を確保することが難しくなるおそれを有する。
【００１８】
一方で、被着体（ヒートシンク２０、ヒートスプレッダ３０）への接着時にある程度の粘度低下が生じないと被着体と接着面Ａ１，Ａ２との間に空隙などが生じやすくヒートスプレッダ３０側からヒートシンク２０側への熱伝導性を低下させるおそれもある。
絶縁シート１０を形成する樹脂組成物に適度な流れ性を付与して、これらの問題をより確実に抑制させ得る点において、このエポキシ樹脂としては、エポキシ当量４５０〜２０００ｇ／ｅｑの常温固体のビスフェノールＡ型エポキシ樹脂と、エポキシ当量１６０〜２２０ｇ／ｅｑの多官能の常温固体で８７℃から９３℃の間に軟化点を有するノボラック型エポキシ樹脂とが（ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂／ノボラック型エポキシ樹脂）＝４０／６０〜６０／４０となる質量比率で混合されているものを用いることが好ましい。
なお、このエポキシ当量は、ＪＩＳ Ｋ ７２３６により求めることができる。
【００１９】
このように、ポリマー成分としてエポキシ樹脂が樹脂組成物に含まれる場合においては、通常、エポキシ樹脂の硬化剤、硬化促進剤が樹脂組成物に含有される。
この硬化剤としては、特に限定されるものではないが、例えば、ジアミノジフェニルスルホン、ジシアンジアミド、ジアミノジフェニルメタン、トリエチレンテトラミンなどのアミン系硬化剤、フェノールノボラック樹脂、アラルキル型フェノール樹脂、ジシクロペンタジエン変性フェノール樹脂、ナフタレン型フェノール樹脂、ビスフェノール系フェノール樹脂などのフェノール系硬化剤、酸無水物などを用いることができる。
中でも、電気特性における信頼性を確保し易い点において、フェノールノボラック樹脂、ジアミノジフェニルスルホンが好適である。
前記硬化促進剤としては、特に限定されるものではないが、イミダゾール類や、トリフェニルフォスフェイト（ＴＰＰ）、三フッ化ホウ素モノエチルアミンなどのアミン系硬化促進剤が保存性などにおいて好適である。
【００２０】
前記無機フィラーには熱伝導性に優れている点において窒化ホウ素粒子が好適に採用されうる。
しかも、窒化ホウ素の板状の一次粒子が凝集した粒子（凝集粒子）を用いることが好ましい。
この凝集粒子としては、全体顆粒状を呈する状態に形成された凝集粒子（顆粒状粒子）や窒化ホウ素の一次粒子の鱗片状構造が区別できる程度に集合された集合状態を呈する凝集粒子（集合状粒子）などを用いることができる。
【００２１】
なお、前記熱硬化性樹脂組成物には、形成させる絶縁シート１０の厚みなどにもよるが、通常、１０〜１００μｍの平均粒径を有する凝集粒子を含有させ得る。
なお、この“平均粒径”については、例えば、レーザー回折法での粒度分布測定などを実施してＤ５０値を測定することにより求めることができる。
【００２２】
また、前記無機フィラーとしては、このような窒化ホウ素以外の物質（例えば、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化ガリウム、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、二酸化ケイ素、ダイヤモンド等）で形成された無機物粒子も含有させ得る。
【００２３】
なお、絶縁シート１０を形成させる熱硬化性樹脂組成物に占める無機フィラーの含有量としては、当該絶縁シート１０に優れた熱伝導率を付与し得る点において５０％体積以上であることが好ましく、５５体積％以上であることがより好ましい。
【００２４】
また、ここでは詳述しないが、この絶縁シート１０を形成させる熱硬化性樹脂組成物には、上記のようなエポキシ樹脂成分以外のポリマーや、分散剤、粘着性付与剤、老化防止剤、酸化防止剤、加工助剤、安定剤、消泡剤、難燃剤、増粘剤、顔料などといったゴム、プラスチック配合薬品として一般に用いられるものを適宜加えることができる。
【００２５】
なお、ヒートシンクを形成させるための金属板や、ヒートスプレッダを形成させるための金属製角型ブロックについては、特に限定されず、従来、同種の目的に用いられているものを用いることができ、アルミニウム製、銅製のものなどが用いられ得る。
【００２６】
なお、上記のように無機フィラーが高充填された絶縁シート１０は、熱伝導性に優れる反面、割れが生じやすく、例えば、図４に示す従来の半導体モジュールの製造方法のごとく、単に、ヒートシンク（金属板）２０ａの上に絶縁シート１０ａを介してヒートスプレッダ（角型の金属ブロック）３０ａを積層して、熱プレスＰＲにて上下方向に圧力を加えると、前記金属ブロック３０ａのエッジ部３０ｅにおいては応力が集中して絶縁シート１０ａに割れが生じやすくなる。
【００２７】
このようなトラブルは、絶縁シートの熱伝導率向上を図るべく無機フィラーを高充填するほど顕著になるとともに、絶縁シートの熱抵抗を低減させるべくその厚みを減少させるほど顕著なものとなる。
さらには、絶縁シート１０ａと金属ブロック３０ａとの界面の接触熱抵抗や、絶縁シート１０ａと金属板２０ａとの界面の接触熱抵抗の低減を図るべく、熱プレスによるプレス圧を増大させるほど先のようなエッジ部３０ｅでの割れの発生確率を高めてしまうことになる。
【００２８】
なお、熱硬化性樹脂は、通常、Ｂステージ状態と呼ばれる半硬化な状態が最も割れやすく、熱硬化反応を進行させることで割れ難くはなる。
したがって、絶縁シート１０ａの硬化反応を予め進行させておくことも考え得るが、その場合には、接着性が低下して、ヒートシンク２０ａと絶縁シート１０ａと間の界面の接触熱抵抗やヒートスプレッダ３０ａと絶縁シート１０ａとの界面の接触熱抵抗を増大させる可能性が高くなる。
すなわち、従来の導体モジュールの製造方法では、絶縁信頼性を低下させることを抑制しつつ放熱性の向上を図ることが困難である。
【００２９】
一方で、本実施形態に係る製造方法においては、図２に示すように、ヒートスプレッダ（金属ブロック）３０ｂの側からオートクレーブによって加圧することによって前記ヒートスプレッダとの接着面よりも外側に延出している前記絶縁シート１０ｂに対してもヒートシンクに向けた加圧を実施してヒートシンク２０ｂとヒートスプレッダ３０ｂとの接着を実施する。
【００３０】
この際の工程について図２を参照しつつ説明すると、まず、オートクレーブ装置の圧力容器ＣＭに板面を水平にして収容されている板状ステージＳＴの上に、ヒートシンク２０ｂ、絶縁シート１０ｂ、ヒートスプレッダ３０ｂの順に重ね合わせた積層体ＬＸを、１個、又は複数個並べて載置する。
そうして、この積層体ＬＸの上からパッキングフィルムＳＨを載せて該パッキングフィルムＳＨの外縁部を前記ステージＳＴに止着する。
すなわち、板状ステージＳＴの上においてパッキングフィルムＳＨで積層体ＬＸを覆って封止した状態にさせる。
その後、前記ステージＳＴの下側に設けられ、前記圧力容器ＣＭの内部空間と隔離された空間の空気を排気することで、前記ステージＳＴを厚み方向に貫通する貫通孔Ｈを通じて、ステージＳＴの上面と前記パッキングフィルムＳＨとの間の空気を除去し、前記パッキングフィルムＳＨを前記積層体ＬＸの表面形状に沿わせる形で密着させる。
そうしておいて、窒素ガスなどの加熱・加圧のためのガスを前記圧力容器ＣＭに導入し、前記パッキングフィルムを通じて積層体ＬＸを加圧する。
【００３１】
このようにオートクレーブでは、パッキングフィルムＳＨのように積層体ＬＸの表面形状に追従可能な柔軟なシート材を介して気体による加圧を行うことから、前記ヒートスプレッダ３０ｂの接着面Ａ１よりも外側に延出している前記絶縁シート１０ｂに対しても加圧することができ、ヒートスプレッダ３０ｂの外縁部において応力が集中して絶縁シート１０ｂに割れが生じることを抑制しつつヒートスプレッダ３０ｂとヒートシンク２０ｂとを接着させるとともに前記絶縁シート１０ｂの熱硬化を実施することができる。
【００３２】
さらに、本実施形態の方法においては、絶縁シート１０ｂがヒートスプレッダ３０ｂとの接触面から延出して露出している箇所にも加圧が行われることから、ヒートスプレッダ３０ｂよりも外側の箇所における絶縁シート１０ｂとヒートシンク２０ｂとの接着も良好なものとなる。
しかも、オートクレーブによって加圧することでヒートスプレッダ３０ｂとヒートシンク２０ｂとの接着を行うことから、この図２にも示しているように、数個の積層体ＬＸを一度に加圧しても、個々の積層体ＬＸに圧力の違いが生じ難くなる。
例えば、図４に示すような上下２面の熱盤を有するプレスにおいて一度に数個のプレスを実施させた場合には、仮に、クッションシートなどを介装させたとしてもそれぞれに加わる圧力にバラツキを生じやすく最終的に得られる半導体モジュール間に特性のバラツキを生じさせやすくなるが本実施形態の方法のようにオートクレーブを利用することで、半導体モジュール間に特性のバラツキが生じることを抑制させうる。
【００３３】
なお、オートクレーブによる加圧においては、例えば、無機フィラーを５０体積％以上含む絶縁シートの場合であれば、ヒートスプレッダ３０ｂと絶縁シート１０ｂとの界面に作用させる圧力としては、通常、３ＭＰａ〜１５ＭＰａとされ得る。
また、この圧力については、良好なる接着性とより確実な割れ防止とを図る意味において３ＭＰａ〜１０ＭＰａであることが好ましい。
また、熱硬化性樹脂組成物のベースが常温固体のエポキシ樹脂であるような場合において加圧時における温度や時間に関しては、用いる硬化剤の種類や配合量にもよるが、通常雰囲気温度は、通常、１５０℃〜２００℃とされ、加圧時間は、通常、６０分〜３００分とされる。
【００３４】
なお、前記積層体ＬＸは、例えば、予め熱硬化性樹脂組成物をシート状に保形させた絶縁シート１０ｂを作製し、これをヒートスプレッダ３０ｂとして用いられる金属ブロックと、ヒートシンク２０ｂとして用いられる金属板との間に介装させて形成させることができる。
また、例えば、熱硬化性樹脂組成物を有機溶剤に分散させたワニスをヒートシンク２０ｂとして用いられる金属板にスクリーン印刷して該金属板上で乾燥させ、その上にヒートスプレッダ３０ｂを搭載するような方法で絶縁シート１０ｂをヒートスプレッダ３０ｂとヒートシンク２０ｂとの間に介装させて前記積層体ＬＸを形成させてもよい。
【００３５】
前者のように熱硬化性樹脂組成物をシート状に保形させたものを利用する場合には、いきなりヒートスプレッダ３０ｂとヒートシンク２０ｂとの間に挟んで積層体ＬＸを形成させるよりも、一旦、絶縁シート単体をヒートシンク２０ｂの表面に仮接着させる工程を経た後に、ヒートスプレッダ３０ｂを載置して積層体ＬＸを形成させる方が好適である。
【００３６】
なお、前記オートクレーブによるヒートスプレッダ３０ｂとヒートシンク２０ｂとの接着においては、前記絶縁シート１０ｂを完全に硬化させる必要は無く、十分な接着力が確保された時点で加熱・加圧を中止して、後に、この絶縁シート１０ｂをポストキュアさせる工程を設けてもよい。
【００３７】
また、本実施形態においては、ヒートスプレッダが１個のみの場合を例示しているが、１つのヒートシンクに複数のヒートスプレッダを接着させるような場合も本発明の意図する範囲である。
特に、高さの異なるヒートスプレッダを一つのヒートシンクに接着させるような場合においては、本発明の半導体モジュールの製造方法のごとくオートクレーブによってヒートスプレッダ側から加圧する手法が特に有効なものとなる。
すなわち、図４の熱プレス方法では、高さの異なるヒートスプレッダをヒートシンクに接着させる場合には、それぞれ、別工程で接着させるか、適切なスペーサを介装させることが必要になるが、本実施形態においては、特段の手間をかけることなく一度の工程でこれらの接着を行うことができ、工程の簡略化を図り得る。
【００３８】
その後、半導体素子をヒートスプレッダ上にハンダ付けしたり、ワイヤーボンディングしたりする方法や、ケーシングを樹脂モールドする方法については、従来の、半導体モジュールの製造方法と同様の方法で実施することができる。
【００３９】
なお、本実施形態においては、本発明の半導体モジュールの製造方法や、当該製造方法によって作製される半導体モジュールを上記のように例示しているが、本発明は、半導体モジュールやその製造方法に関して上記例示に限定されるものではない。
例えば、本実施形態においては、板状のヒートシンクを例示しているが、下面（露出面）側にフィンやピンが立設されて空冷性能を向上させたようなヒートシンクを採用する場合も本発明が意図する範囲のものである。
【実施例】
【００４０】
（製造方法１：比較例１）
無機フィラー（窒化ホウ素）を５０体積％含有するエポキシ樹脂組成物を有機溶媒に分散させてワニスを形成し、これを厚み１０５μｍの銅箔に塗布・乾燥して金属シート付絶縁シート（絶縁層の厚み２００μｍ）を作製した。
上面側に半導体素子を搭載したヒートスプレッダの下面にこの金属シート付絶縁シートを仮接着させ、ケーシングをセットし、このケーシング中にモールド樹脂を射出成形することによって図３（ａ）に示すような半導体モジュール半製品を作製した。
この半製品を加熱して前記エポキシ樹脂組成物のポストキュアを実施した後に、下面に露出している銅箔に放熱グリスを塗布してヒートシンクを取り付けた。
得られた半導体モジュールの「半導体素子」から「ヒートシンク」までの熱抵抗値を測定したところ１．０℃／Ｗであった。
また、リードフレームとヒートシンクとの間の耐電圧試験を実施したところ、絶縁破壊電圧は、１０ｋＶであった。
【００４１】
（製造方法２：比較例２）
ヒートスプレッダに金属シート付絶縁シートを仮接着させずにヒートスプレッダの下面を露出させる形でモールド樹脂の射出成形を行った後、このヒートスプレッダの露出面に比較例１と同じ金属シート付絶縁シートを加熱加圧して図３（ｂ）に示すような半導体モジュール半製品を作製した。
この半製品の下面に露出している銅箔に放熱グリスを塗布してヒートシンクを取り付け比較例１と同様に熱抵抗を測定するとともに絶縁破壊電圧を測定したところ、それぞれ１．２℃／Ｗと１０ｋＶとの値が得られた。
【００４２】
（製造方法３：比較例３）
前記金属シート付絶縁シートの作製に用いたものと同じワニスを使用して、ヒートシンクに前記金属シート付絶縁シートの絶縁層厚みと同等の厚みとなるように絶縁層（絶縁シート）を形成させた。
これに、ヒートスプレッダを載せて、熱プレスによって接着させた。
その後、このヒートスプレッダに半導体素子をハンダ付けして、図１に示されるような半導体モジュールを作製した。
得られた、半導体モジュールを比較例１と同様に熱抵抗を測定するとともに絶縁破壊電圧を測定したところ、それぞれ０．５℃／Ｗと２ｋＶとの値が得られた。
すなわち、低い熱抵抗値が観測されたものの絶縁破壊電圧を大きく低下させることになった。
【００４３】
（製造方法４：実施例１）
熱プレスに代えてオートクレーブによってヒートスプレッダ側からの加圧を行い、該ヒートスプレッダの下面から外方に延出している絶縁層にまで圧力が加わるようにして、ヒートスプレッダとヒートシンクとの接着を行ったこと以外は上記比較例３と同様に半導体モジュールを作製した。
得られた、半導体モジュールを比較例１と同様に熱抵抗を測定するとともに絶縁破壊電圧を測定したところ、それぞれ０．５℃／Ｗと１０ｋＶとの値が得られた。
このことからも本発明によれば絶縁信頼性の低下を抑制しつつ放熱性に優れた半導体モジュールを製造しうることがわかる。
【符号の説明】
【００４４】
１ 半導体モジュール
１０ 絶縁シート
２０ ヒートシンク
３０ ヒートスプレッダ
４０ ハンダ
５０ 半導体素子
６０ ボンディングワイヤ
７０ リードフレーム
８０ ケーシング
９０ モールド樹脂
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面側に半導体素子が搭載され該半導体素子が発する熱が伝達されるヒートスプレッダを有し、該ヒートスプレッダの下面側に絶縁シートを介して前記熱をモジュール外に放熱させるためのヒートシンクが接着されており、前記ヒートスプレッダが前記ヒートシンクよりも小さく、該ヒートスプレッダとの接着面よりも外側に延出した状態で前記絶縁シートが前記ヒートシンクの上面に接着されている半導体モジュールを作製する半導体モジュールの製造方法であって、
無機フィラーを含む熱硬化性樹脂組成物で形成された絶縁シートが前記ヒートシンクと前記ヒートスプレッダとの間に介装されている積層体を加熱して前記絶縁シートを熱硬化させ、しかも、前記積層体をオートクレーブで前記ヒートスプレッダの側から加圧しつつ前記加熱することにより、前記ヒートスプレッダの外側に延出している前記絶縁シートに対しても前記ヒートシンクに向けた加圧を実施して前記ヒートスプレッダと前記ヒートシンクとを接着させることを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
【請求項２】
前記絶縁シートには前記無機フィラーが５０％体積以上含有されている請求項１記載の半導体モジュールの製造方法。
【請求項１】
上面側に半導体素子が搭載され該半導体素子が発する熱が伝達されるヒートスプレッダを有し、該ヒートスプレッダの下面側に絶縁シートを介して前記熱をモジュール外に放熱させるためのヒートシンクが接着されており、前記ヒートスプレッダが前記ヒートシンクよりも小さく、該ヒートスプレッダとの接着面よりも外側に延出した状態で前記絶縁シートが前記ヒートシンクの上面に接着されている半導体モジュールを作製する半導体モジュールの製造方法であって、
無機フィラーを含む熱硬化性樹脂組成物で形成された絶縁シートが前記ヒートシンクと前記ヒートスプレッダとの間に介装されている積層体を加熱して前記絶縁シートを熱硬化させ、しかも、前記積層体をオートクレーブで前記ヒートスプレッダの側から加圧しつつ前記加熱することにより、前記ヒートスプレッダの外側に延出している前記絶縁シートに対しても前記ヒートシンクに向けた加圧を実施して前記ヒートスプレッダと前記ヒートシンクとを接着させることを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
【請求項２】
前記絶縁シートには前記無機フィラーが５０％体積以上含有されている請求項１記載の半導体モジュールの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−１９２７４７（Ｐ２０１１−１９２７４７Ａ）
【公開日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５６３７１（Ｐ２０１０−５６３７１）
【出願日】平成２２年３月１２日（２０１０．３．１２）
【出願人】（０００１９０６１１）日東シンコー株式会社 (104)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月１２日（２０１０．３．１２）
【出願人】（０００１９０６１１）日東シンコー株式会社 (104)
【Ｆターム（参考）】
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