半導体モジュール及びその製造方法
【課題】単純な構成で高い放熱特性をもった半導体モジュールを得る。
【解決手段】絶縁基板１１の裏面全面には、放熱板１７が接合されている。ここで、放熱板１７は、第１の黒鉛層１７１と第２の黒鉛層１７２が積層された構造がＤＬＣ膜１７３でコーティングされた構造である。第１の黒鉛層１７１、第２の黒鉛層１７２は、共にグラファイトで構成される。第１の黒鉛層１７１において六角形環が広がる方向を水平方向とし、第２の黒鉛層１７２において六角形環が広がる方向を垂直方向とする。
【解決手段】絶縁基板１１の裏面全面には、放熱板１７が接合されている。ここで、放熱板１７は、第１の黒鉛層１７１と第２の黒鉛層１７２が積層された構造がＤＬＣ膜１７３でコーティングされた構造である。第１の黒鉛層１７１、第２の黒鉛層１７２は、共にグラファイトで構成される。第１の黒鉛層１７１において六角形環が広がる方向を水平方向とし、第２の黒鉛層１７２において六角形環が広がる方向を垂直方向とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワー半導体チップをヂードフレーム上に搭載する半導体モジュールの構造に関する。また、その製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
大電流の動作を行うパワー半導体素子として、シリコンで構成されたダイオードやＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等が用いられている。これらの素子が形成された半導体チップが用いられた半導体モジュールにおいては、半導体チップからの放熱が効率的に行われるような構成とされる。
【０００３】
こうした半導体モジュールの断面構造を図７に模式的に示す。この半導体モジュール９０においては、絶縁基板９１の表面（図中上側の面）に、銅等で構成された回路パターン９２が形成されている。回路パターン９２は、絶縁基板９１上の配線の一部をなすため、そのパターンは適宜設定される。回路パターン９２のうちの一部の上に、はんだ層９３を介して半導体チップ９４が搭載される。半導体チップ９４と回路パターン９２との間の電気的接続は、半導体チップ９４の下側のはんだ層９３や、ボンディングワイヤ９５により行われ、電気回路が構成される。この半導体モジュール９０の入出力は、回路パターン９２の一部とはんだ層９３を介して接続されたリード９６によって取り出される。絶縁基板９１の裏面（図中下側の面）全面には、放熱板９７が、プリプレグ等の接着層９８を介して接合されている。なお、表面において、回路パターン９２間、半導体チップ９４間等には、これらの間の絶縁性の確保のために絶縁層９９が形成されている。絶縁層９９を構成する材料は任意であるが、最も簡易に得られる材料として、フォトレジスト等を用いることができる。
【０００４】
これらの構造は樹脂等で構成されたモールド層１００中に封止され、その側面からリード９６が突出し、これによって外部からこの半導体モジュール９０への電気的接続を行うことができる。
【０００５】
また、図７における放熱板９７の裏面がモールド層１００の裏面に露出している。実際にこの半導体モジュール９０が使用される際には、この面が金属板等と接触する形態となる。これにより、半導体チップ９４が発した熱は、回路パターン９２、絶縁基板９１、放熱板９７等を介して放熱される。
【０００６】
この構造においては、放熱板９７の熱伝導率が高いことが要求され、これを構成する材料としては、一般に銅や銅合金等が用いられている。また、例えば特許文献１には、更に高い熱伝導率をもつ材料としてグラファイト（黒鉛）を用いた構成が記載されている。グラファイトは銅等と比べて高い熱伝導率をもつため、これを用いて高い放熱特性をもつ半導体モジュールを得ることができた。これにより、高性能のパワー半導体モジュールを得ることができた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１−１８１５５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１にも記載されるように、グラファイトは極めて高い熱伝導率をもつが、銅等と異なり、その熱伝導率には異方性がある。特許文献１に記載の技術においては、その熱伝導率が高いのは放熱板の面内方向である。この方向におけるグラファイトの熱伝導率は１０００〜２０００Ｗ／ｍ／Ｋ程度であり、この値は、銅、アルミニウム等の熱伝導率（高々３００〜４００Ｗ／ｍ／Ｋ程度）と比べて、極めて高い。一方、放熱板の膜厚方向においては１〜５Ｗ／ｍ／Ｋ程度であり、この値は銅等よりも低い。
【０００９】
このため、図７の構造の放熱板９７としてグラファイトを用いた場合には、横方向（絶縁基板９１の主面と平行な方向）の熱伝導は良好となるものの、縦方向（絶縁基板９１の主面と垂直な方向）の熱伝導は良好とはならない。ところが、前記の通り、熱は、最終的には半導体モジュール９０から外部へ縦方向（絶縁基板９１の主面と垂直方向）に流れる。このため、特許文献１に記載の構造においては、充分な放熱特性を得ることは困難である。特許文献１に記載の技術において、横方向から放熱されるような構成を採用すれば高い放熱特性を得ることも可能であるが、この場合には、半導体モジュールの構造やその取付方法が複雑になることは明らかである。
【００１０】
すなわち、単純な構成で高い放熱特性をもった半導体モジュールを得ることは困難であった。
【００１１】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明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】
【００１２】
本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の半導体モジュールは、半導体チップが表面に搭載された基板の裏面に放熱板が接合された構成を具備する半導体モジュールであって、前記放熱板は、前記基板側に設けられ、前記基板の主面方向に六角形環が広がる方向をもつように配向された第１の黒鉛層と、前記基板と反対側に設けられ、前記基板の主面と垂直な方向に六角形環が広がる方向をもつように配向された第２の黒鉛層と、からなる積層構造を具備し、前記放熱板と前記基板とは、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜を介して接合されたことを特徴とする。
本発明の半導体モジュールにおいて、前記第２の黒鉛層は前記第１の黒鉛層よりも厚いことを特徴とする。
本発明の半導体モジュールにおいて、前記第１の黒鉛層中に、金属層が埋め込まれたことを特徴とする。
本発明の半導体モジュールにおいて、前記金属層は、前記第１の黒鉛層よりも薄く、前記第１の黒鉛層中における前記第２の黒鉛層側に形成されたことを特徴とする。
本発明の半導体モジュールにおいて、前記金属層は、前記基板における前記半導体チップが搭載された箇所に対応する前記第１の黒鉛層中に埋め込まれていることを特徴とする。
本発明の半導体モジュールにおいて、前記金属層は、前記第１の黒鉛層中に周期的に配列され、配列方向における前記金属層の幅は前記金属層の間隔よりも短いことを特徴とする。
本発明の半導体モジュールにおいて、前記基板は絶縁基板であり、当該絶縁基板上に導電性の回路パターンが複数形成され、当該回路パターンの一部の上に前記半導体チップが搭載された構成を具備し、前記回路パターン間に、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）からなる絶縁層が形成されたことを特徴とする。
本発明の半導体モジュールの製造方法は、前記半導体モジュールの製造方法であって、前記積層構造における少なくとも前記第１の黒鉛層表面にＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜を形成する放熱板側コーティング工程と、前記基板の裏面にＤＬＣ膜を形成する基板側コーティング工程と、前記第１の黒鉛層側のＤＬＣ膜及び前記基板側のＤＬＣ膜に対してプラズマ処理を施した後に、前記第１の黒鉛層側のＤＬＣ膜と前記基板側のＤＬＣ膜とを圧着して接合させ、前記基板と前記放熱板とを接合する接合工程と、を具備することを特徴とする。
本発明の半導体モジュールの製造方法は、前記放熱板側コーティング工程において、前記積層構造の全面にＤＬＣ膜を形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は以上のように構成されているので、単純な構成で高い放熱特性をもった半導体モジュールを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態に係る半導体モジュールの構成を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る半導体モジュールにおいて用いられる放熱板を構成する黒鉛層の配向性を模式的に示す図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る半導体モジュールにおける熱伝導の様子を模式的に示す図である。
【図４】本発明の実施の形態の第１の変形例となる半導体モジュールの構成を示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態の第２の変形例となる半導体モジュールにおいて用いられる放熱板の構成を示す断面図である。
【図６】本発明の実施の形態の第３の変形例となる半導体モジュールにおいて用いられる放熱板の構成を示す断面図である。
【図７】従来の半導体モジュールの構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態となる半導体モジュールの構造について説明する。この半導体モジュールにおいては、基板上に半導体チップが搭載され、その放熱が裏面の放熱板を介して行われる。ここで、配向性の異なる黒鉛層が２層積層された積層構造をもつ放熱板が用いられる。更に、この放熱板と基板とは、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜を介して接合されている。
【００１６】
図１は、この半導体モジュール１０の構造を示す断面図である。この半導体モジュール１０においては、絶縁基板（基板）１１の表面（図中上側の面）に、回路パターン１２が形成されている。回路パターン１２は、絶縁基板１１上の配線の一部をなすため、そのパターンは適宜設定される。回路パターン１２のうちの一部の上に、はんだ層１３を介して半導体チップ１４が搭載される。半導体チップ１４と回路パターン１２との間の電気的接続は、半導体チップ１４の下側のはんだ層１３や、ボンディングワイヤ１５により行われ、電気回路が構成される。この半導体モジュール１０の入出力は、回路パターン１２の一部とはんだ層１３を介して接続されたリード１６によって取り出される。
【００１７】
絶縁基板１１は例えば窒化アルミニウム等で構成されたセラミック基板であり、回路パターン１２は例えば銅等の導電性及び熱伝導率が高い金属で構成される。半導体チップ１４には、例えばダイオードやＩＧＢＴ等、大電流で動作するパワー半導体素子が形成されている。
【００１８】
絶縁基板１１の裏面（図中下側の面）全面には、放熱板１７が接合されている。ここで、放熱板１７は、第１の黒鉛層１７１と第２の黒鉛層１７２が積層された構造がＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜１７３でコーティングされた構造である。第１の黒鉛層１７１は、絶縁基板１１側にある層であり、第２の黒鉛層１７２は、その反対側の層である。
【００１９】
第１の黒鉛層１７１、第２の黒鉛層１７２は、共にグラファイトで構成される。周知のように、グラファイトは、六角形環（六方晶系における六角形の結晶が亀の甲上に２次元的に広がった構成）が積層された形態の結晶構造をもつ。グラファイトにおいては、この六角形環が広がる方向における熱伝導率が高く、その積層方向における熱伝導率が低くなっている。すなわち、こうした結晶構造に起因して熱伝導率の異方性が生じている。図２に模式的に示されるように、この放熱板１７においては、第１の黒鉛層１７１において六角形環が広がる方向を水平方向（絶縁基板１１の主面方向）とし、第２の黒鉛層１７２において六角形環が広がる方向を垂直方向（絶縁基板１１の主面に対して垂直な方向）とする。この構成により、第１の黒鉛層１７１においては水平方向で高い熱伝導率が得られ、第２の黒鉛層１７２においては垂直方向で高い熱伝導率が得られる。
【００２０】
第１の黒鉛層１７１、第２の黒鉛層１７２、共に六角形環が広がる方向において５００Ｗ／ｍ／Ｋ以上の高い熱伝導率をもつ。この値は、銅、アルミニウム等の熱伝導率（３００〜４００Ｗ／ｍ／Ｋ程度）よりも高い。ただし、上記の方向とそれぞれ垂直な方向における熱伝導率は、銅、アルミニウム等よりも低い。
【００２１】
ＤＬＣ膜１７３を構成するダイヤモンドライクカーボンは、炭化水素等からなる非晶質の硬質膜である。また、絶縁基板１１の裏面（半導体チップ１４等が設けられた側と反対側の面）にも、ＤＬＣ膜１８が形成されている。この構成においては、ＤＬＣ膜１７３とＤＬＣ膜１８とが直接接合されることにより、放熱板１７と絶縁基板１１とが接合される。ＤＬＣ膜１７３、１８は、３０Ｗ／ｍ／Ｋ程度の熱伝導率をもち、グラファイトの六角形環が広がる方向におにける値と比べると低いものの、一般に接着層として使用されるプリプレグ等（１〜５Ｗ／ｍ／Ｋ程度）と比べると高い熱伝導率をもつ。また、非晶質であるためにその熱伝導に異方性はなく、等方的である。また、その電気抵抗率は１０７〜１０１３Ω・ｃｍ程度と高く、絶縁体として使用することができる。
【００２２】
また、絶縁基板１１の表面上で、回路パターン１２間、半導体チップ１４間等には、これらの間の絶縁性の確保のために絶縁層１９が形成されている。絶縁層１９としても、ＤＬＣを使用することができる。
【００２３】
上記の構造はモールド層１００中に封止され、その側面からリード１６が突出し、これによって外部からこの半導体モジュール１０への電気的接続を行うことができる。図１における放熱板１７の裏面がモールド層１００の裏面に露出する。実際にこの半導体モジュール１０が使用される際には、この面が金属板等と接触する形態となる。
【００２４】
この構造の半導体チップ１４において熱伝導の起こる状況を模式的に図３に示す。ここで、この半導体モジュール１０は金属ブロック１１０上に搭載されているものとし、モールド層１００の記載は省略されている。半導体チップ１４で発生した熱は、その下のはんだ層１３を介して回路パターン１２に伝わり、絶縁基板１１に伝わる。この際、絶縁基板１１においては、半導体チップ１４の直下に伝わる熱量が大きい。この熱はＤＬＣ膜１８を介して直下の放熱板１７に伝わる。なお、モールド層１００を構成する樹脂材料の熱伝導率は金属等と比べて無視できる程度に低いため、モールド層１００を介した熱伝導は無視できる程度である。
【００２５】
放熱板１７においては、まず第１の黒鉛層１７１においては、水平方向の熱伝導率が高いために、この熱が水平方向に伝わる。これにより、半導体チップ１４の直下の箇所で集中的に発生した熱が水平方向に分散する。その後、この熱は第２の黒鉛層１７２に伝わる。第２の黒鉛層１７２においては、垂直方向の熱伝導率が高いために、この熱は下側に伝わり、ＤＬＣ膜１７３を介して最終的に金属ブロック１１０に伝わる。このように、この半導体モジュール１０においては、半導体チップ１４が発した熱が絶縁基板１１に伝わり、この熱が第１の黒鉛層１７１において水平方向に広がり、その後に第２の黒鉛層１７２において垂直方向に伝わる。これにより、絶縁基板１１や放熱板１７等における特定の箇所の温度を上昇させることなく、効率的に放熱をすることができる。
【００２６】
この際、この半導体モジュール１０が設置される際には、最終的には放熱板１７からその下側に向かって熱が伝わることによって放熱がなされる。このため、図１、３の構成においては、放熱板１７の下側において垂直方向での熱伝導の効率を高くすることが好ましい。このため、逆に上側においては水平方向での熱伝導の効率を高くすることが好ましい。ここで、前記の通り黒鉛は特定の方向においてのみ極めて高い熱伝導率をもつため、第１の黒鉛層１７１と第２の黒鉛層１７２における配向を図２の通りとすることが好ましい。
【００２７】
この際、最終的に重要となるのは垂直方向の熱伝導である。このため、第１の黒鉛層１７１よりも、第２の黒鉛層１７２を厚くすることが好ましい。第１の黒鉛層１７１の厚さは、例えば５０μｍ〜１ｍｍ程度とすることができる。
【００２８】
また、絶縁基板１１の表面側にある絶縁層１９の材料としてＤＬＣを用いた場合には、他の絶縁材料（フォトレジスト等）を用いた場合よりも高い熱伝導率が得られ、モールド層１００を構成する材料よりも高い熱伝導率が得られる。このため、絶縁層１９の材料としてＤＬＣを用いた場合、絶縁基板１１上における水平方向での熱伝導の効率が向上する。この効果は放熱板１７によらずに生じるが、前記の通り、放熱板１７の下部において垂直方向の熱伝導効率を高く、上部において水平方向の熱伝導効率を高くするという観点から、上記の構成の放熱板１７を用いた場合には、絶縁層１９の材料としてＤＬＣを用いることが特に好ましい。
【００２９】
上記の半導体モジュール１０の製造方法について説明する。
【００３０】
絶縁基板１１上に回路パターン１２を形成し、回路パターン１２の上にはんだ層１３を用いて半導体チップ１４、リード１６を搭載する工程については、従来より周知の半導体モジュールと同様である。このため、これらについての詳細は省略する。
【００３１】
放熱板１７の製造方法について説明する。この放熱板１７においては、図２に示されたように第１の黒鉛層１７１と第２の黒鉛層１７２とが積層されて構成される。異なる配向性をもつ第１の黒鉛層１７１と第２の黒鉛層１７２は、板状の状態で別途製造される。これは、黒鉛板を製造する周知の製造方法により行われる。これらを積層して熱処理を行うことにより、炭素同士の直接接合により、第１の黒鉛層１７１と第２の黒鉛層１７２とが貼り合わされた積層構造が得られる。
【００３２】
次に、この積層構造の全面にＤＬＣ膜１７３を成膜する（放熱板側コーティング工程）。これは、周知のＤＬＣコーティング法により行われる。例えば、メタン（ＣＨ４）、Ｃ６Ｈ６（ベンゼン）、Ｈ２等を反応ガスとして用いたプラズマＣＶＤ法を用いることができる。この場合の成膜温度は３５℃〜２００℃とすることができ、低温で成膜が可能である。これによって、図２の構造の放熱板１７が得られる。
【００３３】
なお、一般に得られる黒鉛板の表面には凹凸が多いが、ＤＬＣ膜１７３を形成することにより、その表面が平滑化される。このため、これによって放熱板１７と絶縁基板１１側との間の密着性や熱伝導を向上させることができる。また、黒鉛板は脆く、粉末として脱落しやすいことが一般に知られているが、表面にＤＬＣ膜１７３を形成することにより、表面を保護し、脱落を抑制することもできる。
【００３４】
絶縁基板１１の裏面側のＤＬＣ膜１８も、上記と同様に成膜する（基板側コーティング工程）。更に、表側における絶縁層１９としてもＤＬＣを用いることができるが、これについても同様である。前記の通りＤＬＣの成膜温度は低いため、半導体チップ１４等が絶縁基板１１上に搭載された後でこの成膜を行うことが可能である。ＤＬＣ膜１７３、１８はそれぞれ前記の積層構造、絶縁基板１１の裏面の全面にわたり形成されているのに対し、絶縁層１９はパターニングされている。このパターニングは、例えばリソグラフィ工程とウェットエッチング工程を行うことにより行うことができる。
【００３５】
絶縁基板１１側と放熱板１７とを接合する工程（接合工程）について説明する。これらの接合は、ＤＬＣ膜１８とＤＬＣ膜１７３の接合によって行われる。このためには、まず、ＤＬＣ膜１８及びＤＬＣ膜１７３の表面に対して、大気中もしくは減圧雰囲気中でプラズマ処理を施す、すなわち、高電圧によって気体をプラズマ化させた雰囲気中にこれらの表面が曝される状態とする。これにより、ＤＬＣ表面の炭素結合が活性化される。炭素結合が活性化された状態でＤＬＣ膜１８とＤＬＣ膜１７３を圧着すれば、これらの直接接合が行われる。この接合は低温（室温）で行うことが可能である。
【００３６】
なお、接合工程において接合されるのは、放熱板１７の上面におけるＤＬＣ膜１７３とＤＬＣ膜１８である。このため、ＤＬＣ膜１７３を、積層構造の全面ではなく、積層構造における第１の黒鉛層１７１の表面のみに形成してもよい。すなわち、ＤＬＣ膜１７３は、最低限第１の黒鉛層１７１の表面に形成されていればよい。
【００３７】
その後、従来の半導体モジュールと同様にボンディングワイヤ１５を接続し、モールド層１００を形成すれば、半導体モジュール１０が得られる。
【００３８】
このように、この半導体モジュール１０においては、接着層等を別途用いることなく、放熱板１７と絶縁基板１１側とが接合される。図７に記載の従来の半導体モジュール９０においては、これらは接着層を用いて接合されていた。有機材料等で構成された接着層は絶縁基板を構成するセラミックや放熱板よりも一般に熱伝導率が低いため、放熱特性を劣化させる原因となる。これに対して、上記の構成においては、こうした熱伝導率の低い接着層を用いることなしに、熱伝導率の高いＤＬＣのみを用いて接合を行うことができるため、高い放熱効率を得ることが可能である。
【００３９】
また、放熱板１７の構成は図２に示されたように単純であり、その製造も、前記の通り、容易である。特に、絶縁基板１１よりも上側の構成は従来の半導体モジュールと同様であり、放熱板の構成とその接合方法のみが異なる。すなわち、単純な構造で高い放熱特性をもった半導体モジュール１０を得ることができる。
【００４０】
次に、上記の半導体モジュール１０の変形例について説明する。上記の放熱板１７の代わりに、以下に説明する構成の放熱板を使用することも可能である。これらの場合の放熱板には、第１の黒鉛層中に局所的に金属層が埋め込まれている。
【００４１】
図４は、半導体モジュール１０の場合とは異なる放熱板２７が用いられた、第１の変形例となる半導体モジュール２０の構成を示す断面図である。絶縁基板１１、回路パターン１２、はんだ層１３、半導体チップ１４、ボンディングワイヤ１５、リード１６、絶縁層１９については前記と同様であるため説明を省略する。また、図におけるモールド層１００の記載は省略している。
【００４２】
ここで用いられる放熱板２７においても、前記と同様の構成の第１の黒鉛層２７１と第２の黒鉛層２７２の積層構造が用いられており、これがＤＬＣ膜２７３でコーティングされている点でも前記の放熱板１７と同様である。ただし、ここでは、第１の黒鉛層２７１における第２の黒鉛層２７２側に、第１の埋め込み金属層２７４、第２の埋め込み金属層２７５が埋め込まれて形成されている。第１の埋め込み金属層２７４、第２の埋め込み金属層２７５は、共に銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）等、あるいはこれらを含む合金で構成される。これらの金属層を構成する材料の熱伝導率は等方的であり、その値は、第１の黒鉛層２７１における水平方向の熱伝導率よりも低いが、その垂直方向の熱伝導率よりも高い。
【００４３】
ここで、図示されるように、第１の黒鉛層２７１の厚さをＡ、第１の埋め込み金属層２７４の厚さをＢ、第２の埋め込み金属層２７５の厚さをＣとする。また、第１の埋め込み金属層２７４は、半導体チップ１４を搭載する回路パターン１２の直下に形成され、その大きさ、形状はこの回路パターン１２に対応している。また、第２の埋め込み金属層２７５は、第１の埋め込み金属層２７４の周囲に、配列されて設けられている。第２の埋め込み金属層２７５の幅をＤ、その間隔をＥとする。
【００４４】
前記の通り、第１の黒鉛層２７１においては、水平方向における熱伝導率が特に高く設定されており、垂直方向における熱伝導率は低くなっている。第１の埋め込み金属層２７４、第２の埋め込み金属層２７５は、垂直方向における熱伝導率と水平方向における熱伝導率を調整するために用いられる。これらの金属層が設けられた箇所においては、その垂直方向における熱伝導率は第１の黒鉛層２７１よりも高いため、垂直方向の熱伝導特性が向上する。前記の放熱板１７においては、第１の黒鉛層１７１と第２の黒鉛層１７２の膜厚構成だけで放熱板１７中の熱伝導の状態がほぼ決定されるのに対し、この放熱板２７においては、第１の埋め込み金属層２７４、第２の埋め込み金属層２７５を適宜設けることによって、放熱板２７中の上部における熱伝導特性を適宜制御することができる。
【００４５】
図４の構成においては、最も熱の流入が大きな回路パターン１２の直下に第１の埋め込み金属層２７４を設けることにより、第１の黒鉛層２７１によってこの熱を水平方向に拡散させると同時に、第２の黒鉛層２７２への放熱も効率的に行っている。この際、第１の黒鉛層２７１の本来の機能である水平方向への放熱を阻害しないためには、第１の埋め込み金属層２７４の厚さＢは、第１の黒鉛層２７１の厚さＡよりも小さくすることが好ましい。
【００４６】
第２の埋め込み金属層２７５も同様の目的で設けられるが、これが設けられた箇所（第１の埋め込み金属層２７４の周囲）においては、第１の埋め込み金属層２７４が設けられた箇所よりは熱の流入が少ないため、垂直方向の熱伝導よりも、水平方向の熱伝導を優先することが好ましい。このため、第２の埋め込み金属層２７５の厚さＣは、第１の埋め込み金属層２７４の厚さＢよりも小さくすることが好ましい。すなわち、Ａ＞Ｂ＞Ｃとすることが好ましい。ただし、第１の黒鉛層２７１における水平方向の熱伝導を有効に生じさせるためには、第１の埋め込み金属層２７４、第２の埋め込み金属層２７５共に、第２の黒鉛層２７２との界面側に設けることが好ましい。
【００４７】
また、第１の埋め込み金属層２７４が、半導体チップ１４を搭載する回路パターン１２に対応する大きさ、形状であったのに対し、第２の埋め込み金属層２７５は、その大きさを小さくし、これを間隔を空けて配列させた構成とすることが、水平方向の熱伝導効率を確保する上では好ましい。このため、第２の埋め込み金属層２７５の幅Ｄは、その間隔Ｅよりも小さくすることが好ましい。なお、図４は断面を示しているが、第２の埋め込み金属層２７５の平面形状は、各々が図４の紙面に垂直な方向に平行に延びるストライプ状、これらが交差するメッシュ状、あるいは個々の第２の埋め込み金属層２７５がドット状とされて２次元的に配列された構成、等とすることができる。これらの構成は適宜設定することができる。
【００４８】
この放熱板２７を製造するに際しては、まず、第１の黒鉛層２７１中に、第１の埋め込み金属層２７４、第２の埋め込み金属層２７５に対応する溝を形成し、この溝の中に金属を埋め込んで第１の埋め込み金属層２７４、第２の埋め込み金属層２７５を形成する。その後、第２の黒鉛層２７２をこれに接合する工程については前記の放熱板１７の場合と同様である。ただし、この場合の熱処理温度は、金属の融点以下（例えば５００〜１０００℃）とする。ＤＬＣ膜２７３を形成する以降の工程は、前記の放熱板１７の場合と同様である。
【００４９】
第２の変形例に用いられる放熱板として、放熱板２７の構成をより単純化した構成をもつ放熱板３７の断面図を図５に示す。この構造においては、図４における２種類の金属層（第１の埋め込み金属層２７４、第２の埋め込み金属層２７５）を同一仕様の埋め込み金属層３７１とし、これを等間隔に配置している。埋め込み金属層３７１は、第１の黒鉛層２７１の膜厚方向全面にわたり形成されている。埋め込み金属層３７１の平面形状は、前記と同様に、ストライプ状、メッシュ状、ドット状とすることができる。この場合、埋め込み金属層３７１において垂直方向の熱伝導効率が高く、埋め込み金属層３７１の間の第１の黒鉛層２７１において水平方向の熱伝導効率が高くなる。このため、水平方向の熱伝導効率は前記の放熱板１７、２７と比べると劣るものの、放熱板３７の上部の全面にわたり、水平方向と垂直方向の熱伝導効率を共に高く保つことができる。また、埋め込み金属層３７１が規則性をもって配列されるため、前記の放熱板２７よりもこれを容易に製造することができる。また、この構成の放熱板３７は、絶縁基板１１上の回路パターン１２の構成や半導体チップ１４の配置によらずに設計され、汎用品とすることができるので、これをより安価に製造することができる。
【００５０】
なお、放熱板３７の上部における水平方向の熱伝導効率を高めるという目的より、前記の放熱板２７と同様に、埋め込み金属層３７１の幅Ｆは、その間隔Ｇよりも小さくすることが好ましい。
【００５１】
なお、この場合においても、最終的には熱は垂直方向（下側）に伝わるため、垂直方向で特に高い熱伝導効率をもつ第２の黒鉛層２７２が同様に用いられる。
【００５２】
第３の変形例に用いられる放熱板である放熱板４７の断面図を図６に示す。この場合には、埋め込み金属層３７１を第１の黒鉛層２７１よりも薄く（Ｉ＜Ｈ）している。すなわち、埋め込み金属層３７１の厚さＩを調整することによって、垂直方向の熱伝導効率と水平方向の熱伝導効率を調整している。ただし、この場合においても、放熱板４７の上部における水平方向の熱伝導効率を高めるという目的より、前記の放熱板２７と同様に、埋め込み金属層３７１の幅Ｊは、その間隔Ｋよりも小さくすることが好ましい。
【００５３】
このように、水平方向に六角形環が広がるように配向された第１の黒鉛層と、垂直方向に六角形環が広がるように配向された第２の黒鉛層を使用する限りにおいて、その内部の構成は適宜設定することができる。特に、第１の黒鉛層中における垂直方向の熱伝導効率を向上させるために、この内部に適宜金属層を配置することができる。この構成は、搭載する半導体チップ１４の構成や発熱量、回路パターン１２の構成、半導体モジュールの形状、サイズ等に応じて適宜設定することができる。
【００５４】
なお、上記の例では、第１の黒鉛層が水平方向に六角形環が広がるように配向され、第２の黒鉛層が垂直方向に六角形環が広がるように配向されているものとしたが、上記の効果を奏する限りにおいて、これらの配向方向がそれぞれ厳密にこれらの方向となっている必要はない。
【００５５】
また、上記においては、絶縁基板上に回路パターンが形成され、この上に半導体チップが搭載された構成において、絶縁基板の裏側に放熱板を接合させた形態の半導体モジュールについて記載した。しかしながら、上記の放熱板を用いた構成は、任意の基板上に半導体チップを搭載し、この基板の裏面側に放熱板を接合させた構成を具備する半導体モジュールであれば有効であることは明らかである。
【符号の説明】
【００５６】
１０、２０、９０ 半導体モジュール
１１、９１ 絶縁基板（基板）
１２、９２ 回路パターン
１３、９３ はんだ層
１４、９４ 半導体チップ
１５、９５ ボンディングワイヤ
１６、９６ リード
１７、２７、３７、４７、９７ 放熱板
１８、１７３、２７３ ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）層
１９、９９ 絶縁層
９８ 接着層
１００ モールド層
１１０ 金属ブロック
１７１、２７１ 第１の黒鉛層
１７２、２７２ 第２の黒鉛層
２７４ 第１の埋め込み金属層
２７５ 第２の埋め込み金属層
３７１ 埋め込み金属層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワー半導体チップをヂードフレーム上に搭載する半導体モジュールの構造に関する。また、その製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
大電流の動作を行うパワー半導体素子として、シリコンで構成されたダイオードやＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等が用いられている。これらの素子が形成された半導体チップが用いられた半導体モジュールにおいては、半導体チップからの放熱が効率的に行われるような構成とされる。
【０００３】
こうした半導体モジュールの断面構造を図７に模式的に示す。この半導体モジュール９０においては、絶縁基板９１の表面（図中上側の面）に、銅等で構成された回路パターン９２が形成されている。回路パターン９２は、絶縁基板９１上の配線の一部をなすため、そのパターンは適宜設定される。回路パターン９２のうちの一部の上に、はんだ層９３を介して半導体チップ９４が搭載される。半導体チップ９４と回路パターン９２との間の電気的接続は、半導体チップ９４の下側のはんだ層９３や、ボンディングワイヤ９５により行われ、電気回路が構成される。この半導体モジュール９０の入出力は、回路パターン９２の一部とはんだ層９３を介して接続されたリード９６によって取り出される。絶縁基板９１の裏面（図中下側の面）全面には、放熱板９７が、プリプレグ等の接着層９８を介して接合されている。なお、表面において、回路パターン９２間、半導体チップ９４間等には、これらの間の絶縁性の確保のために絶縁層９９が形成されている。絶縁層９９を構成する材料は任意であるが、最も簡易に得られる材料として、フォトレジスト等を用いることができる。
【０００４】
これらの構造は樹脂等で構成されたモールド層１００中に封止され、その側面からリード９６が突出し、これによって外部からこの半導体モジュール９０への電気的接続を行うことができる。
【０００５】
また、図７における放熱板９７の裏面がモールド層１００の裏面に露出している。実際にこの半導体モジュール９０が使用される際には、この面が金属板等と接触する形態となる。これにより、半導体チップ９４が発した熱は、回路パターン９２、絶縁基板９１、放熱板９７等を介して放熱される。
【０００６】
この構造においては、放熱板９７の熱伝導率が高いことが要求され、これを構成する材料としては、一般に銅や銅合金等が用いられている。また、例えば特許文献１には、更に高い熱伝導率をもつ材料としてグラファイト（黒鉛）を用いた構成が記載されている。グラファイトは銅等と比べて高い熱伝導率をもつため、これを用いて高い放熱特性をもつ半導体モジュールを得ることができた。これにより、高性能のパワー半導体モジュールを得ることができた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１−１８１５５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１にも記載されるように、グラファイトは極めて高い熱伝導率をもつが、銅等と異なり、その熱伝導率には異方性がある。特許文献１に記載の技術においては、その熱伝導率が高いのは放熱板の面内方向である。この方向におけるグラファイトの熱伝導率は１０００〜２０００Ｗ／ｍ／Ｋ程度であり、この値は、銅、アルミニウム等の熱伝導率（高々３００〜４００Ｗ／ｍ／Ｋ程度）と比べて、極めて高い。一方、放熱板の膜厚方向においては１〜５Ｗ／ｍ／Ｋ程度であり、この値は銅等よりも低い。
【０００９】
このため、図７の構造の放熱板９７としてグラファイトを用いた場合には、横方向（絶縁基板９１の主面と平行な方向）の熱伝導は良好となるものの、縦方向（絶縁基板９１の主面と垂直な方向）の熱伝導は良好とはならない。ところが、前記の通り、熱は、最終的には半導体モジュール９０から外部へ縦方向（絶縁基板９１の主面と垂直方向）に流れる。このため、特許文献１に記載の構造においては、充分な放熱特性を得ることは困難である。特許文献１に記載の技術において、横方向から放熱されるような構成を採用すれば高い放熱特性を得ることも可能であるが、この場合には、半導体モジュールの構造やその取付方法が複雑になることは明らかである。
【００１０】
すなわち、単純な構成で高い放熱特性をもった半導体モジュールを得ることは困難であった。
【００１１】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明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】
【００１２】
本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の半導体モジュールは、半導体チップが表面に搭載された基板の裏面に放熱板が接合された構成を具備する半導体モジュールであって、前記放熱板は、前記基板側に設けられ、前記基板の主面方向に六角形環が広がる方向をもつように配向された第１の黒鉛層と、前記基板と反対側に設けられ、前記基板の主面と垂直な方向に六角形環が広がる方向をもつように配向された第２の黒鉛層と、からなる積層構造を具備し、前記放熱板と前記基板とは、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜を介して接合されたことを特徴とする。
本発明の半導体モジュールにおいて、前記第２の黒鉛層は前記第１の黒鉛層よりも厚いことを特徴とする。
本発明の半導体モジュールにおいて、前記第１の黒鉛層中に、金属層が埋め込まれたことを特徴とする。
本発明の半導体モジュールにおいて、前記金属層は、前記第１の黒鉛層よりも薄く、前記第１の黒鉛層中における前記第２の黒鉛層側に形成されたことを特徴とする。
本発明の半導体モジュールにおいて、前記金属層は、前記基板における前記半導体チップが搭載された箇所に対応する前記第１の黒鉛層中に埋め込まれていることを特徴とする。
本発明の半導体モジュールにおいて、前記金属層は、前記第１の黒鉛層中に周期的に配列され、配列方向における前記金属層の幅は前記金属層の間隔よりも短いことを特徴とする。
本発明の半導体モジュールにおいて、前記基板は絶縁基板であり、当該絶縁基板上に導電性の回路パターンが複数形成され、当該回路パターンの一部の上に前記半導体チップが搭載された構成を具備し、前記回路パターン間に、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）からなる絶縁層が形成されたことを特徴とする。
本発明の半導体モジュールの製造方法は、前記半導体モジュールの製造方法であって、前記積層構造における少なくとも前記第１の黒鉛層表面にＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜を形成する放熱板側コーティング工程と、前記基板の裏面にＤＬＣ膜を形成する基板側コーティング工程と、前記第１の黒鉛層側のＤＬＣ膜及び前記基板側のＤＬＣ膜に対してプラズマ処理を施した後に、前記第１の黒鉛層側のＤＬＣ膜と前記基板側のＤＬＣ膜とを圧着して接合させ、前記基板と前記放熱板とを接合する接合工程と、を具備することを特徴とする。
本発明の半導体モジュールの製造方法は、前記放熱板側コーティング工程において、前記積層構造の全面にＤＬＣ膜を形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は以上のように構成されているので、単純な構成で高い放熱特性をもった半導体モジュールを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態に係る半導体モジュールの構成を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る半導体モジュールにおいて用いられる放熱板を構成する黒鉛層の配向性を模式的に示す図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る半導体モジュールにおける熱伝導の様子を模式的に示す図である。
【図４】本発明の実施の形態の第１の変形例となる半導体モジュールの構成を示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態の第２の変形例となる半導体モジュールにおいて用いられる放熱板の構成を示す断面図である。
【図６】本発明の実施の形態の第３の変形例となる半導体モジュールにおいて用いられる放熱板の構成を示す断面図である。
【図７】従来の半導体モジュールの構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態となる半導体モジュールの構造について説明する。この半導体モジュールにおいては、基板上に半導体チップが搭載され、その放熱が裏面の放熱板を介して行われる。ここで、配向性の異なる黒鉛層が２層積層された積層構造をもつ放熱板が用いられる。更に、この放熱板と基板とは、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜を介して接合されている。
【００１６】
図１は、この半導体モジュール１０の構造を示す断面図である。この半導体モジュール１０においては、絶縁基板（基板）１１の表面（図中上側の面）に、回路パターン１２が形成されている。回路パターン１２は、絶縁基板１１上の配線の一部をなすため、そのパターンは適宜設定される。回路パターン１２のうちの一部の上に、はんだ層１３を介して半導体チップ１４が搭載される。半導体チップ１４と回路パターン１２との間の電気的接続は、半導体チップ１４の下側のはんだ層１３や、ボンディングワイヤ１５により行われ、電気回路が構成される。この半導体モジュール１０の入出力は、回路パターン１２の一部とはんだ層１３を介して接続されたリード１６によって取り出される。
【００１７】
絶縁基板１１は例えば窒化アルミニウム等で構成されたセラミック基板であり、回路パターン１２は例えば銅等の導電性及び熱伝導率が高い金属で構成される。半導体チップ１４には、例えばダイオードやＩＧＢＴ等、大電流で動作するパワー半導体素子が形成されている。
【００１８】
絶縁基板１１の裏面（図中下側の面）全面には、放熱板１７が接合されている。ここで、放熱板１７は、第１の黒鉛層１７１と第２の黒鉛層１７２が積層された構造がＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜１７３でコーティングされた構造である。第１の黒鉛層１７１は、絶縁基板１１側にある層であり、第２の黒鉛層１７２は、その反対側の層である。
【００１９】
第１の黒鉛層１７１、第２の黒鉛層１７２は、共にグラファイトで構成される。周知のように、グラファイトは、六角形環（六方晶系における六角形の結晶が亀の甲上に２次元的に広がった構成）が積層された形態の結晶構造をもつ。グラファイトにおいては、この六角形環が広がる方向における熱伝導率が高く、その積層方向における熱伝導率が低くなっている。すなわち、こうした結晶構造に起因して熱伝導率の異方性が生じている。図２に模式的に示されるように、この放熱板１７においては、第１の黒鉛層１７１において六角形環が広がる方向を水平方向（絶縁基板１１の主面方向）とし、第２の黒鉛層１７２において六角形環が広がる方向を垂直方向（絶縁基板１１の主面に対して垂直な方向）とする。この構成により、第１の黒鉛層１７１においては水平方向で高い熱伝導率が得られ、第２の黒鉛層１７２においては垂直方向で高い熱伝導率が得られる。
【００２０】
第１の黒鉛層１７１、第２の黒鉛層１７２、共に六角形環が広がる方向において５００Ｗ／ｍ／Ｋ以上の高い熱伝導率をもつ。この値は、銅、アルミニウム等の熱伝導率（３００〜４００Ｗ／ｍ／Ｋ程度）よりも高い。ただし、上記の方向とそれぞれ垂直な方向における熱伝導率は、銅、アルミニウム等よりも低い。
【００２１】
ＤＬＣ膜１７３を構成するダイヤモンドライクカーボンは、炭化水素等からなる非晶質の硬質膜である。また、絶縁基板１１の裏面（半導体チップ１４等が設けられた側と反対側の面）にも、ＤＬＣ膜１８が形成されている。この構成においては、ＤＬＣ膜１７３とＤＬＣ膜１８とが直接接合されることにより、放熱板１７と絶縁基板１１とが接合される。ＤＬＣ膜１７３、１８は、３０Ｗ／ｍ／Ｋ程度の熱伝導率をもち、グラファイトの六角形環が広がる方向におにける値と比べると低いものの、一般に接着層として使用されるプリプレグ等（１〜５Ｗ／ｍ／Ｋ程度）と比べると高い熱伝導率をもつ。また、非晶質であるためにその熱伝導に異方性はなく、等方的である。また、その電気抵抗率は１０７〜１０１３Ω・ｃｍ程度と高く、絶縁体として使用することができる。
【００２２】
また、絶縁基板１１の表面上で、回路パターン１２間、半導体チップ１４間等には、これらの間の絶縁性の確保のために絶縁層１９が形成されている。絶縁層１９としても、ＤＬＣを使用することができる。
【００２３】
上記の構造はモールド層１００中に封止され、その側面からリード１６が突出し、これによって外部からこの半導体モジュール１０への電気的接続を行うことができる。図１における放熱板１７の裏面がモールド層１００の裏面に露出する。実際にこの半導体モジュール１０が使用される際には、この面が金属板等と接触する形態となる。
【００２４】
この構造の半導体チップ１４において熱伝導の起こる状況を模式的に図３に示す。ここで、この半導体モジュール１０は金属ブロック１１０上に搭載されているものとし、モールド層１００の記載は省略されている。半導体チップ１４で発生した熱は、その下のはんだ層１３を介して回路パターン１２に伝わり、絶縁基板１１に伝わる。この際、絶縁基板１１においては、半導体チップ１４の直下に伝わる熱量が大きい。この熱はＤＬＣ膜１８を介して直下の放熱板１７に伝わる。なお、モールド層１００を構成する樹脂材料の熱伝導率は金属等と比べて無視できる程度に低いため、モールド層１００を介した熱伝導は無視できる程度である。
【００２５】
放熱板１７においては、まず第１の黒鉛層１７１においては、水平方向の熱伝導率が高いために、この熱が水平方向に伝わる。これにより、半導体チップ１４の直下の箇所で集中的に発生した熱が水平方向に分散する。その後、この熱は第２の黒鉛層１７２に伝わる。第２の黒鉛層１７２においては、垂直方向の熱伝導率が高いために、この熱は下側に伝わり、ＤＬＣ膜１７３を介して最終的に金属ブロック１１０に伝わる。このように、この半導体モジュール１０においては、半導体チップ１４が発した熱が絶縁基板１１に伝わり、この熱が第１の黒鉛層１７１において水平方向に広がり、その後に第２の黒鉛層１７２において垂直方向に伝わる。これにより、絶縁基板１１や放熱板１７等における特定の箇所の温度を上昇させることなく、効率的に放熱をすることができる。
【００２６】
この際、この半導体モジュール１０が設置される際には、最終的には放熱板１７からその下側に向かって熱が伝わることによって放熱がなされる。このため、図１、３の構成においては、放熱板１７の下側において垂直方向での熱伝導の効率を高くすることが好ましい。このため、逆に上側においては水平方向での熱伝導の効率を高くすることが好ましい。ここで、前記の通り黒鉛は特定の方向においてのみ極めて高い熱伝導率をもつため、第１の黒鉛層１７１と第２の黒鉛層１７２における配向を図２の通りとすることが好ましい。
【００２７】
この際、最終的に重要となるのは垂直方向の熱伝導である。このため、第１の黒鉛層１７１よりも、第２の黒鉛層１７２を厚くすることが好ましい。第１の黒鉛層１７１の厚さは、例えば５０μｍ〜１ｍｍ程度とすることができる。
【００２８】
また、絶縁基板１１の表面側にある絶縁層１９の材料としてＤＬＣを用いた場合には、他の絶縁材料（フォトレジスト等）を用いた場合よりも高い熱伝導率が得られ、モールド層１００を構成する材料よりも高い熱伝導率が得られる。このため、絶縁層１９の材料としてＤＬＣを用いた場合、絶縁基板１１上における水平方向での熱伝導の効率が向上する。この効果は放熱板１７によらずに生じるが、前記の通り、放熱板１７の下部において垂直方向の熱伝導効率を高く、上部において水平方向の熱伝導効率を高くするという観点から、上記の構成の放熱板１７を用いた場合には、絶縁層１９の材料としてＤＬＣを用いることが特に好ましい。
【００２９】
上記の半導体モジュール１０の製造方法について説明する。
【００３０】
絶縁基板１１上に回路パターン１２を形成し、回路パターン１２の上にはんだ層１３を用いて半導体チップ１４、リード１６を搭載する工程については、従来より周知の半導体モジュールと同様である。このため、これらについての詳細は省略する。
【００３１】
放熱板１７の製造方法について説明する。この放熱板１７においては、図２に示されたように第１の黒鉛層１７１と第２の黒鉛層１７２とが積層されて構成される。異なる配向性をもつ第１の黒鉛層１７１と第２の黒鉛層１７２は、板状の状態で別途製造される。これは、黒鉛板を製造する周知の製造方法により行われる。これらを積層して熱処理を行うことにより、炭素同士の直接接合により、第１の黒鉛層１７１と第２の黒鉛層１７２とが貼り合わされた積層構造が得られる。
【００３２】
次に、この積層構造の全面にＤＬＣ膜１７３を成膜する（放熱板側コーティング工程）。これは、周知のＤＬＣコーティング法により行われる。例えば、メタン（ＣＨ４）、Ｃ６Ｈ６（ベンゼン）、Ｈ２等を反応ガスとして用いたプラズマＣＶＤ法を用いることができる。この場合の成膜温度は３５℃〜２００℃とすることができ、低温で成膜が可能である。これによって、図２の構造の放熱板１７が得られる。
【００３３】
なお、一般に得られる黒鉛板の表面には凹凸が多いが、ＤＬＣ膜１７３を形成することにより、その表面が平滑化される。このため、これによって放熱板１７と絶縁基板１１側との間の密着性や熱伝導を向上させることができる。また、黒鉛板は脆く、粉末として脱落しやすいことが一般に知られているが、表面にＤＬＣ膜１７３を形成することにより、表面を保護し、脱落を抑制することもできる。
【００３４】
絶縁基板１１の裏面側のＤＬＣ膜１８も、上記と同様に成膜する（基板側コーティング工程）。更に、表側における絶縁層１９としてもＤＬＣを用いることができるが、これについても同様である。前記の通りＤＬＣの成膜温度は低いため、半導体チップ１４等が絶縁基板１１上に搭載された後でこの成膜を行うことが可能である。ＤＬＣ膜１７３、１８はそれぞれ前記の積層構造、絶縁基板１１の裏面の全面にわたり形成されているのに対し、絶縁層１９はパターニングされている。このパターニングは、例えばリソグラフィ工程とウェットエッチング工程を行うことにより行うことができる。
【００３５】
絶縁基板１１側と放熱板１７とを接合する工程（接合工程）について説明する。これらの接合は、ＤＬＣ膜１８とＤＬＣ膜１７３の接合によって行われる。このためには、まず、ＤＬＣ膜１８及びＤＬＣ膜１７３の表面に対して、大気中もしくは減圧雰囲気中でプラズマ処理を施す、すなわち、高電圧によって気体をプラズマ化させた雰囲気中にこれらの表面が曝される状態とする。これにより、ＤＬＣ表面の炭素結合が活性化される。炭素結合が活性化された状態でＤＬＣ膜１８とＤＬＣ膜１７３を圧着すれば、これらの直接接合が行われる。この接合は低温（室温）で行うことが可能である。
【００３６】
なお、接合工程において接合されるのは、放熱板１７の上面におけるＤＬＣ膜１７３とＤＬＣ膜１８である。このため、ＤＬＣ膜１７３を、積層構造の全面ではなく、積層構造における第１の黒鉛層１７１の表面のみに形成してもよい。すなわち、ＤＬＣ膜１７３は、最低限第１の黒鉛層１７１の表面に形成されていればよい。
【００３７】
その後、従来の半導体モジュールと同様にボンディングワイヤ１５を接続し、モールド層１００を形成すれば、半導体モジュール１０が得られる。
【００３８】
このように、この半導体モジュール１０においては、接着層等を別途用いることなく、放熱板１７と絶縁基板１１側とが接合される。図７に記載の従来の半導体モジュール９０においては、これらは接着層を用いて接合されていた。有機材料等で構成された接着層は絶縁基板を構成するセラミックや放熱板よりも一般に熱伝導率が低いため、放熱特性を劣化させる原因となる。これに対して、上記の構成においては、こうした熱伝導率の低い接着層を用いることなしに、熱伝導率の高いＤＬＣのみを用いて接合を行うことができるため、高い放熱効率を得ることが可能である。
【００３９】
また、放熱板１７の構成は図２に示されたように単純であり、その製造も、前記の通り、容易である。特に、絶縁基板１１よりも上側の構成は従来の半導体モジュールと同様であり、放熱板の構成とその接合方法のみが異なる。すなわち、単純な構造で高い放熱特性をもった半導体モジュール１０を得ることができる。
【００４０】
次に、上記の半導体モジュール１０の変形例について説明する。上記の放熱板１７の代わりに、以下に説明する構成の放熱板を使用することも可能である。これらの場合の放熱板には、第１の黒鉛層中に局所的に金属層が埋め込まれている。
【００４１】
図４は、半導体モジュール１０の場合とは異なる放熱板２７が用いられた、第１の変形例となる半導体モジュール２０の構成を示す断面図である。絶縁基板１１、回路パターン１２、はんだ層１３、半導体チップ１４、ボンディングワイヤ１５、リード１６、絶縁層１９については前記と同様であるため説明を省略する。また、図におけるモールド層１００の記載は省略している。
【００４２】
ここで用いられる放熱板２７においても、前記と同様の構成の第１の黒鉛層２７１と第２の黒鉛層２７２の積層構造が用いられており、これがＤＬＣ膜２７３でコーティングされている点でも前記の放熱板１７と同様である。ただし、ここでは、第１の黒鉛層２７１における第２の黒鉛層２７２側に、第１の埋め込み金属層２７４、第２の埋め込み金属層２７５が埋め込まれて形成されている。第１の埋め込み金属層２７４、第２の埋め込み金属層２７５は、共に銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）等、あるいはこれらを含む合金で構成される。これらの金属層を構成する材料の熱伝導率は等方的であり、その値は、第１の黒鉛層２７１における水平方向の熱伝導率よりも低いが、その垂直方向の熱伝導率よりも高い。
【００４３】
ここで、図示されるように、第１の黒鉛層２７１の厚さをＡ、第１の埋め込み金属層２７４の厚さをＢ、第２の埋め込み金属層２７５の厚さをＣとする。また、第１の埋め込み金属層２７４は、半導体チップ１４を搭載する回路パターン１２の直下に形成され、その大きさ、形状はこの回路パターン１２に対応している。また、第２の埋め込み金属層２７５は、第１の埋め込み金属層２７４の周囲に、配列されて設けられている。第２の埋め込み金属層２７５の幅をＤ、その間隔をＥとする。
【００４４】
前記の通り、第１の黒鉛層２７１においては、水平方向における熱伝導率が特に高く設定されており、垂直方向における熱伝導率は低くなっている。第１の埋め込み金属層２７４、第２の埋め込み金属層２７５は、垂直方向における熱伝導率と水平方向における熱伝導率を調整するために用いられる。これらの金属層が設けられた箇所においては、その垂直方向における熱伝導率は第１の黒鉛層２７１よりも高いため、垂直方向の熱伝導特性が向上する。前記の放熱板１７においては、第１の黒鉛層１７１と第２の黒鉛層１７２の膜厚構成だけで放熱板１７中の熱伝導の状態がほぼ決定されるのに対し、この放熱板２７においては、第１の埋め込み金属層２７４、第２の埋め込み金属層２７５を適宜設けることによって、放熱板２７中の上部における熱伝導特性を適宜制御することができる。
【００４５】
図４の構成においては、最も熱の流入が大きな回路パターン１２の直下に第１の埋め込み金属層２７４を設けることにより、第１の黒鉛層２７１によってこの熱を水平方向に拡散させると同時に、第２の黒鉛層２７２への放熱も効率的に行っている。この際、第１の黒鉛層２７１の本来の機能である水平方向への放熱を阻害しないためには、第１の埋め込み金属層２７４の厚さＢは、第１の黒鉛層２７１の厚さＡよりも小さくすることが好ましい。
【００４６】
第２の埋め込み金属層２７５も同様の目的で設けられるが、これが設けられた箇所（第１の埋め込み金属層２７４の周囲）においては、第１の埋め込み金属層２７４が設けられた箇所よりは熱の流入が少ないため、垂直方向の熱伝導よりも、水平方向の熱伝導を優先することが好ましい。このため、第２の埋め込み金属層２７５の厚さＣは、第１の埋め込み金属層２７４の厚さＢよりも小さくすることが好ましい。すなわち、Ａ＞Ｂ＞Ｃとすることが好ましい。ただし、第１の黒鉛層２７１における水平方向の熱伝導を有効に生じさせるためには、第１の埋め込み金属層２７４、第２の埋め込み金属層２７５共に、第２の黒鉛層２７２との界面側に設けることが好ましい。
【００４７】
また、第１の埋め込み金属層２７４が、半導体チップ１４を搭載する回路パターン１２に対応する大きさ、形状であったのに対し、第２の埋め込み金属層２７５は、その大きさを小さくし、これを間隔を空けて配列させた構成とすることが、水平方向の熱伝導効率を確保する上では好ましい。このため、第２の埋め込み金属層２７５の幅Ｄは、その間隔Ｅよりも小さくすることが好ましい。なお、図４は断面を示しているが、第２の埋め込み金属層２７５の平面形状は、各々が図４の紙面に垂直な方向に平行に延びるストライプ状、これらが交差するメッシュ状、あるいは個々の第２の埋め込み金属層２７５がドット状とされて２次元的に配列された構成、等とすることができる。これらの構成は適宜設定することができる。
【００４８】
この放熱板２７を製造するに際しては、まず、第１の黒鉛層２７１中に、第１の埋め込み金属層２７４、第２の埋め込み金属層２７５に対応する溝を形成し、この溝の中に金属を埋め込んで第１の埋め込み金属層２７４、第２の埋め込み金属層２７５を形成する。その後、第２の黒鉛層２７２をこれに接合する工程については前記の放熱板１７の場合と同様である。ただし、この場合の熱処理温度は、金属の融点以下（例えば５００〜１０００℃）とする。ＤＬＣ膜２７３を形成する以降の工程は、前記の放熱板１７の場合と同様である。
【００４９】
第２の変形例に用いられる放熱板として、放熱板２７の構成をより単純化した構成をもつ放熱板３７の断面図を図５に示す。この構造においては、図４における２種類の金属層（第１の埋め込み金属層２７４、第２の埋め込み金属層２７５）を同一仕様の埋め込み金属層３７１とし、これを等間隔に配置している。埋め込み金属層３７１は、第１の黒鉛層２７１の膜厚方向全面にわたり形成されている。埋め込み金属層３７１の平面形状は、前記と同様に、ストライプ状、メッシュ状、ドット状とすることができる。この場合、埋め込み金属層３７１において垂直方向の熱伝導効率が高く、埋め込み金属層３７１の間の第１の黒鉛層２７１において水平方向の熱伝導効率が高くなる。このため、水平方向の熱伝導効率は前記の放熱板１７、２７と比べると劣るものの、放熱板３７の上部の全面にわたり、水平方向と垂直方向の熱伝導効率を共に高く保つことができる。また、埋め込み金属層３７１が規則性をもって配列されるため、前記の放熱板２７よりもこれを容易に製造することができる。また、この構成の放熱板３７は、絶縁基板１１上の回路パターン１２の構成や半導体チップ１４の配置によらずに設計され、汎用品とすることができるので、これをより安価に製造することができる。
【００５０】
なお、放熱板３７の上部における水平方向の熱伝導効率を高めるという目的より、前記の放熱板２７と同様に、埋め込み金属層３７１の幅Ｆは、その間隔Ｇよりも小さくすることが好ましい。
【００５１】
なお、この場合においても、最終的には熱は垂直方向（下側）に伝わるため、垂直方向で特に高い熱伝導効率をもつ第２の黒鉛層２７２が同様に用いられる。
【００５２】
第３の変形例に用いられる放熱板である放熱板４７の断面図を図６に示す。この場合には、埋め込み金属層３７１を第１の黒鉛層２７１よりも薄く（Ｉ＜Ｈ）している。すなわち、埋め込み金属層３７１の厚さＩを調整することによって、垂直方向の熱伝導効率と水平方向の熱伝導効率を調整している。ただし、この場合においても、放熱板４７の上部における水平方向の熱伝導効率を高めるという目的より、前記の放熱板２７と同様に、埋め込み金属層３７１の幅Ｊは、その間隔Ｋよりも小さくすることが好ましい。
【００５３】
このように、水平方向に六角形環が広がるように配向された第１の黒鉛層と、垂直方向に六角形環が広がるように配向された第２の黒鉛層を使用する限りにおいて、その内部の構成は適宜設定することができる。特に、第１の黒鉛層中における垂直方向の熱伝導効率を向上させるために、この内部に適宜金属層を配置することができる。この構成は、搭載する半導体チップ１４の構成や発熱量、回路パターン１２の構成、半導体モジュールの形状、サイズ等に応じて適宜設定することができる。
【００５４】
なお、上記の例では、第１の黒鉛層が水平方向に六角形環が広がるように配向され、第２の黒鉛層が垂直方向に六角形環が広がるように配向されているものとしたが、上記の効果を奏する限りにおいて、これらの配向方向がそれぞれ厳密にこれらの方向となっている必要はない。
【００５５】
また、上記においては、絶縁基板上に回路パターンが形成され、この上に半導体チップが搭載された構成において、絶縁基板の裏側に放熱板を接合させた形態の半導体モジュールについて記載した。しかしながら、上記の放熱板を用いた構成は、任意の基板上に半導体チップを搭載し、この基板の裏面側に放熱板を接合させた構成を具備する半導体モジュールであれば有効であることは明らかである。
【符号の説明】
【００５６】
１０、２０、９０ 半導体モジュール
１１、９１ 絶縁基板（基板）
１２、９２ 回路パターン
１３、９３ はんだ層
１４、９４ 半導体チップ
１５、９５ ボンディングワイヤ
１６、９６ リード
１７、２７、３７、４７、９７ 放熱板
１８、１７３、２７３ ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）層
１９、９９ 絶縁層
９８ 接着層
１００ モールド層
１１０ 金属ブロック
１７１、２７１ 第１の黒鉛層
１７２、２７２ 第２の黒鉛層
２７４ 第１の埋め込み金属層
２７５ 第２の埋め込み金属層
３７１ 埋め込み金属層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップが表面に搭載された基板の裏面に放熱板が接合された構成を具備する半導体モジュールであって、
前記放熱板は、
前記基板側に設けられ、前記基板の主面方向に六角形環が広がる方向をもつように配向された第１の黒鉛層と、
前記基板と反対側に設けられ、前記基板の主面と垂直な方向に六角形環が広がる方向をもつように配向された第２の黒鉛層と、
からなる積層構造を具備し、
前記放熱板と前記基板とは、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜を介して接合されたことを特徴とする半導体モジュール。
【請求項２】
前記第２の黒鉛層は前記第１の黒鉛層よりも厚いことを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項３】
前記第１の黒鉛層中に、金属層が埋め込まれたことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体モジュール。
【請求項４】
前記金属層は、前記第１の黒鉛層よりも薄く、前記第１の黒鉛層中における前記第２の黒鉛層側に形成されたことを特徴とする請求項３に記載の半導体モジュール。
【請求項５】
前記金属層は、前記基板における前記半導体チップが搭載された箇所に対応する前記第１の黒鉛層中に埋め込まれていることを特徴とする請求項３又は４に記載の半導体モジュール。
【請求項６】
前記金属層は、前記第１の黒鉛層中に周期的に配列され、配列方向における前記金属層の幅は前記金属層の間隔よりも短いことを特徴とする請求項３又は４に記載の半導体モジュール。
【請求項７】
前記基板は絶縁基板であり、当該絶縁基板上に導電性の回路パターンが複数形成され、当該回路パターンの一部の上に前記半導体チップが搭載された構成を具備し、
前記回路パターン間に、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）からなる絶縁層が形成されたことを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項８】
請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の半導体モジュールの製造方法であって、
前記積層構造における少なくとも前記第１の黒鉛層表面にＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜を形成する放熱板側コーティング工程と、
前記基板の裏面にＤＬＣ膜を形成する基板側コーティング工程と、
前記第１の黒鉛層側のＤＬＣ膜及び前記基板側のＤＬＣ膜に対してプラズマ処理を施した後に、前記第１の黒鉛層側のＤＬＣ膜と前記基板側のＤＬＣ膜とを圧着して接合させ、前記基板と前記放熱板とを接合する接合工程と、
を具備す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９】
前記放熱板側コーティング工程において、前記積層構造の全面にＤＬＣ膜を形成することを特徴とする請求項８に記載の半導体モジュールの製造方法。
【請求項１】
半導体チップが表面に搭載された基板の裏面に放熱板が接合された構成を具備する半導体モジュールであって、
前記放熱板は、
前記基板側に設けられ、前記基板の主面方向に六角形環が広がる方向をもつように配向された第１の黒鉛層と、
前記基板と反対側に設けられ、前記基板の主面と垂直な方向に六角形環が広がる方向をもつように配向された第２の黒鉛層と、
からなる積層構造を具備し、
前記放熱板と前記基板とは、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜を介して接合されたことを特徴とする半導体モジュール。
【請求項２】
前記第２の黒鉛層は前記第１の黒鉛層よりも厚いことを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項３】
前記第１の黒鉛層中に、金属層が埋め込まれたことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体モジュール。
【請求項４】
前記金属層は、前記第１の黒鉛層よりも薄く、前記第１の黒鉛層中における前記第２の黒鉛層側に形成されたことを特徴とする請求項３に記載の半導体モジュール。
【請求項５】
前記金属層は、前記基板における前記半導体チップが搭載された箇所に対応する前記第１の黒鉛層中に埋め込まれていることを特徴とする請求項３又は４に記載の半導体モジュール。
【請求項６】
前記金属層は、前記第１の黒鉛層中に周期的に配列され、配列方向における前記金属層の幅は前記金属層の間隔よりも短いことを特徴とする請求項３又は４に記載の半導体モジュール。
【請求項７】
前記基板は絶縁基板であり、当該絶縁基板上に導電性の回路パターンが複数形成され、当該回路パターンの一部の上に前記半導体チップが搭載された構成を具備し、
前記回路パターン間に、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）からなる絶縁層が形成されたことを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項８】
請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の半導体モジュールの製造方法であって、
前記積層構造における少なくとも前記第１の黒鉛層表面にＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜を形成する放熱板側コーティング工程と、
前記基板の裏面にＤＬＣ膜を形成する基板側コーティング工程と、
前記第１の黒鉛層側のＤＬＣ膜及び前記基板側のＤＬＣ膜に対してプラズマ処理を施した後に、前記第１の黒鉛層側のＤＬＣ膜と前記基板側のＤＬＣ膜とを圧着して接合させ、前記基板と前記放熱板とを接合する接合工程と、
を具備す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９】
前記放熱板側コーティング工程において、前記積層構造の全面にＤＬＣ膜を形成することを特徴とする請求項８に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５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−６９６７０（Ｐ２０１２−６９６７０Ａ）
【公開日】平成２４年４月５日（２０１２．４．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２１２３７１（Ｐ２０１０−２１２３７１）
【出願日】平成２２年９月２２日（２０１０．９．２２）
【出願人】（０００１０６２７６）サンケン電気株式会社 (982)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月５日（２０１２．４．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月２２日（２０１０．９．２２）
【出願人】（０００１０６２７６）サンケン電気株式会社 (982)
【Ｆターム（参考）】
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