JP5424984B2 - Manufacturing method of semiconductor module - Google Patents
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Description
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。 The present invention is a semiconductor module for producing a semiconductor module in which a semiconductor element is mounted on an upper surface side and heat generated by the semiconductor element is transmitted, and a semiconductor module in which a heat sink is bonded to the lower surface side of the heat spreader via an insulating sheet. It relates to a manufacturing method.
従来、半導体素子が樹脂で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、通常、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を設け、そ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。
2. Description of the Related Art Conventionally, a semiconductor module packaged by molding a semiconductor element with a resin has been widely used. In the semiconductor module, the junction temperature is usually constant because the semiconductor element generates heat when energized. Various heat dissipating means are provided to prevent the above-described rise.
As such means, there is generally known a method in which a member called a heat spreader is provided to quickly take away heat generated from a semiconductor element, and the semiconductor element is mounted on the upper surface of the member and arranged in a module. Yes.
The heat spreader usually employs a member such as a metal block because quick heat diffusibility and sufficient heat capacity are required.
However, as the temperature of the heat spreader rises, the speed at which heat is taken from the semiconductor element is reduced, which may increase the temperature of the semiconductor element.
For this reason, in a conventional semiconductor module or the like, a member called a heat sink that has a surface exposed to the outer surface of the semiconductor module and discharges internal heat from the exposed surface to the outside of the module is a lower surface of the heat spreader. It is provided on the side.
Since this heat sink needs to secure a wide heat dissipation area, it is usually formed of a metal plate larger than the heat spreader, and in many cases, it is formed of a metal plate having a size covering the entire lower surface of the semiconductor module. Yes.
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)が配合されて熱伝導性の向上が図られた熱硬化性樹脂組成物が用いられて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。
In order to improve the heat dissipation in such a semiconductor module, it is advantageous to reduce the thermal resistance value between the heat spreader and the heat sink. On the other hand, the heat spreader and the heat sink are insulated for safety. It is required to ensure sex.
For this reason, an insulating sheet using a thermosetting resin composition in which inorganic particles (inorganic filler) are blended to improve thermal conductivity is interposed between the heat spreader and the heat sink, The heat spreader and the heat sink are bonded with the insulating sheet.
例えば、特許文献1には、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂組成物からなる絶縁樹脂層と金属層とを備えた金属層付絶縁シートを用いて前記金属層の下面を露出させた半導体モジュールを作製する方法が記載されており、ヒートスプレッダの下面に前記金属層付絶縁シートを加熱状態で当接させて前記絶縁樹脂層を前記ヒートスプレッダに熱接着させることが記載されている。
なお、この特許文献1の金属層は、銅箔などの金属箔で形成され熱容量が十分に確保されていないことからヒートシンクとしての機能が十分ではなく、この種の半導体モジュールには、前記金属層の表面(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。
For example,
In addition, since the metal layer of this
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。 However, since the heat dissipation grease has a lower thermal conductivity than a metal or the like, a layer having a high thermal resistance is formed between the metal sheet layer and the radiator. In such a semiconductor module, it is difficult to ensure sufficient heat dissipation.
上記のような問題に対して、例えば、金属層などが設けられていない、熱硬化性樹脂組成物だけで構成された単なる絶縁シートを利用し、その一面側をヒートスプレッダに熱接着させるとともに他面側を十分な熱容量を有するヒートシンクに熱接着させるようにして半導体モジュールを作製することで、この半導体モジュールに優れた放熱性を発揮させることが考えられる。
しかし、絶縁シートは、優れた熱伝導性を発揮させるために無機フィラーが高充填されており、割れやすいために金属層などを設けずに単独で使用することが一般的には難しい。
したがって、ヒートシンクとヒートスプレッダに絶縁シートの表裏を熱接着させる場合においては、これらに同時に熱接着させることが難しく、セパレータフィルムなどの基材に絶縁シートを担持させた状態でヒートシンクかヒートスプレッダいずれか一方に接着させた後に、前記セパレータフィルムを剥離して他方に熱接着させる方法を採用することが絶縁信頼性を確保する上で好ましい。
In order to solve the above problems, for example, a simple insulating sheet composed only of a thermosetting resin composition that is not provided with a metal layer or the like is used, and one surface side thereof is thermally bonded to a heat spreader and the other surface. It can be considered that a semiconductor module is produced by thermally bonding the side to a heat sink having a sufficient heat capacity so that the semiconductor module exhibits excellent heat dissipation.
However, since the insulating sheet is highly filled with an inorganic filler in order to exhibit excellent thermal conductivity and is easily broken, it is generally difficult to use it alone without providing a metal layer or the like.
Therefore, when the front and back of the insulating sheet are thermally bonded to the heat sink and the heat spreader, it is difficult to thermally bond them simultaneously, and either the heat sink or the heat spreader is supported with the insulating sheet supported on a substrate such as a separator film. In order to ensure insulation reliability, it is preferable to employ a method in which the separator film is peeled off and thermally bonded to the other after bonding.
また、ヒートスプレッダとヒートシンクとの間に絶縁シートを介装させる場合には、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が絶縁シートによって覆われていることが好ましい。
そのため、ヒートスプレッダに絶縁シートを先に接着させると該ヒートスプレッダから絶縁シートがはみ出した状態となって、割れを防止するために慎重な取り扱いが必要になるため、ヒートシンクの側に先に絶縁シートを接着させる方が好ましい。
ここで、ヒートシンクと絶縁シートとの接着界面における熱抵抗を低減させるために、例えば、高い温度条件を採用するなどして、より強固な熱接着を実施させようとすると絶縁シートの熱硬化が進行してしまい、その後接着されるヒートスプレッダとの間の接着力を低下させるおそれを有する。
すなわち、ヒートスプレッダとヒートシンクとの両方に良好なる接着状態を形成させることが難しく、優れた放熱性を付与させることが困難となる。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、放熱性に優れた半導体モジュールを作製し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。
When an insulating sheet is interposed between the heat spreader and the heat sink, it is preferable that the heat sink is covered with the insulating sheet over a wider area than the lower surface of the heat spreader because of the creepage distance.
For this reason, if the insulating sheet is first bonded to the heat spreader, the insulating sheet protrudes from the heat spreader, and careful handling is required to prevent cracking. It is preferable to make it.
Here, in order to reduce the thermal resistance at the bonding interface between the heat sink and the insulating sheet, for example, by adopting a high temperature condition, the thermal curing of the insulating sheet proceeds when a stronger thermal bonding is performed. Therefore, there is a possibility that the adhesive force between the heat spreader and the heat spreader to be bonded thereafter is lowered.
That is, it is difficult to form a good adhesion state on both the heat spreader and the heat sink, and it is difficult to impart excellent heat dissipation.
This invention is made | formed in view of such a problem, and makes it the subject to provide the manufacturing method of the semiconductor module which can produce the semiconductor module excellent in heat dissipation.
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いる半導体モジュールを作製すべく、熱硬化性樹脂組成物で形成された絶縁シートを用い、該絶縁シートが未硬化な状態でその一面側に前記ヒートスプレッダを熱接着させるとともに他面側に前記ヒートシンクを熱接着させ、該熱接着された前記絶縁シートを熱硬化させる半導体モジュールの製造方法であって、前記絶縁シートとして、前記一面側と前記他面側とが異なる熱硬化性樹脂組成物で形成され、しかも、前記一面側よりも熱硬化反応の反応速度が速い熱硬化性樹脂組成物で前記他面側が形成された絶縁シートを用い、該絶縁シートの前記他面側を前記ヒートシンクに熱接着させた後に前記一面側を前記ヒートスプレッダに熱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。 In order to solve the above problems, the present invention provides a heat sink for dissipating the heat to the outside of the module via an insulating sheet on the lower surface side of a heat spreader on which a semiconductor element is mounted on the upper surface side and heat generated by the semiconductor element is transmitted. In order to fabricate a semiconductor module to which is bonded, an insulating sheet formed of a thermosetting resin composition is used, and the heat spreader is thermally bonded to one surface side of the insulating sheet in an uncured state and the other surface side. A method of manufacturing a semiconductor module in which the heat sink is thermally bonded to the insulating sheet, and the thermally bonded insulating sheet is thermally cured, wherein the one surface side and the other surface side are different as the insulating sheet. An insulating sheet formed of a material and having the other surface side formed of a thermosetting resin composition having a higher reaction rate of the thermosetting reaction than the one surface side Used, to provide a method for manufacturing a semiconductor module, characterized in that to thermally bonding the one surface side to the heat spreader after the other surface of the insulating sheet was thermally bonded to the heat sink.
本発明の半導体モジュールの製造方法においては、ヒートスプレッダに熱接着される絶縁シートの一面側よりも反応速度が速い熱硬化性樹脂組成物で、ヒートシンクに熱接着される他面側が形成されている。
したがって、絶縁シートとヒートシンクとの熱接着を行った後に、ヒートスプレッダに熱接着させる側に過度な熱硬化反応が生じてヒートスプレッダとの接着性に問題を生じさせるおそれを低減しうる。
すなわち、本発明によれば放熱性に優れた半導体モジュールを作製し得る半導体モジュールの製造方法を提供しうる。
In the method for manufacturing a semiconductor module of the present invention, the other surface side that is thermally bonded to the heat sink is formed with a thermosetting resin composition that has a faster reaction rate than the one surface side of the insulating sheet that is thermally bonded to the heat spreader.
Therefore, after the thermal bonding between the insulating sheet and the heat sink, it is possible to reduce the possibility of causing an excessive thermosetting reaction on the side to be thermally bonded to the heat spreader and causing a problem in the adhesion with the heat spreader.
That is, according to the present invention, it is possible to provide a method for manufacturing a semiconductor module capable of producing a semiconductor module having excellent heat dissipation.
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。
The preferred embodiments of the present invention will be described below.
First, an example is given and demonstrated about the semiconductor module manufactured by the manufacturing method of this invention.
FIG. 1 is a view showing a cross section of the semiconductor module of the present embodiment. As shown in FIG. 1, the
The
In addition, another
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。
The
The
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、本実施形態においては、その断面図である図2にも示されているように厚み方向に2層の積層構造が形成され、該2層はそれぞれ異なる熱硬化性樹脂組成物で構成されている
なお、図1には詳細を図示していないが、本実施形態においては、絶縁シート10が、その一面側を構成している層11(以下「第一層11」ともいう)を前記ヒートスプレッダ30に熱接着させ、他面側を構成している層12(以下「第二層12」ともいう)を前記ヒートシンク20に熱接着させて用いられている。
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。
The
This
That is, in the
In addition, the
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。
The insulating
The
Therefore, the insulating
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。
In this
Further, the thinner the insulating
Furthermore, the contact thermal resistance at the interface can be reduced by the better adhesion on the adhesive surface A1 between the
上記第一層11及び第二層12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む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主として用いた場合には、ヒートシンク20やヒートスプレッダ30と接着すべく絶縁層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、接着後の厚みが薄くなって、絶縁性が低下してしまうおそれがあるためである。
As the resin composition for forming the
As the base polymer of the thermosetting resin composition, an epoxy resin is used because it has high insulation reliability and excellent heat resistance, and also exhibits excellent adhesion to metal bodies such as the
Moreover, a room temperature solid epoxy resin is preferred.
This room temperature solid epoxy is preferable because when the room temperature liquid epoxy resin is mainly used, when the insulating
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。
On the other hand, if the viscosity does not decrease to some extent when adhering to the adherend (
The epoxy resin has an epoxy equivalent of 450 to 2000 g / eq and is solid bisphenol at room temperature in that the resin composition for forming the insulating
In addition, this epoxy equivalent can be calculated | required by JISK7236.
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。
Thus, when an epoxy resin is contained in a resin composition as a polymer component, the hardening | curing agent and hardening accelerator of an epoxy resin are normally contained in a resin composition.
The curing agent is not particularly limited, and examples thereof include amine curing agents such as diaminodiphenyl sulfone, dicyandiamide, diaminodiphenylmethane, and triethylenetetramine, phenol novolac resins, aralkyl type phenol resins, and dicyclopentadiene-modified phenols. Resin, phenolic curing agents such as naphthalene type phenolic resin and bisphenolic phenolic resin, acid anhydrides and the like can be used.
Among these, phenol novolac resin and diaminodiphenyl sulfone are preferable in that it is easy to ensure reliability in electrical characteristics.
The curing accelerator is not particularly limited, but amine-based curing accelerators such as imidazoles, triphenyl phosphate (TPP), and boron trifluoride monoethylamine are preferable in terms of storage stability.
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焼結材などによって複数凝集された形状を有する粒子(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。
Boron nitride particles can be suitably employed for the inorganic filler in that it has excellent thermal conductivity.
Moreover, it is preferable to use particles (aggregated particles) having a shape in which a plurality of plate-like primary particles of boron nitride are aggregated with a sintered material or the like.
As the aggregated particles, aggregated particles (granular particles) formed in an overall granular state or aggregated particles (aggregated state) exhibiting an aggregated state aggregated to such an extent that the scaly structure of the primary particles of boron nitride can be distinguished. Particles) and the like.
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。
In addition, although it depends on the thickness of the insulating
The “average particle diameter” can be determined by, for example, measuring the D50 value by performing particle size distribution measurement using a laser diffraction method.
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。 The inorganic filler may also contain inorganic particles formed of a substance other than boron nitride (for example, aluminum nitride, silicon nitride, gallium nitride, aluminum oxide, silicon carbide, silicon dioxide, diamond, etc.). .
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。
In addition, the content of the inorganic filler in the thermosetting resin composition for forming the insulating
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。
Further, although not described in detail here, the thermosetting resin composition for forming the insulating
ここで、前記ヒートスプレッダ30に熱接着される第一層11を構成している熱硬化性樹脂組成物は、前記ヒートシンク20に熱接着される第二層12を構成している熱硬化性樹脂組成物よりも熱硬化反応における反応性が低い(第二層12の方が第一層11よりも反応速度が速い)ことがヒートスプレッダ30からヒートシンク20にかけての熱抵抗の低減を図る上で重要な要素となる。
Here, the thermosetting resin composition constituting the
このような反応性の違いを絶縁シート10に付与する具体的な方法としては、例えば、前記エポキシ樹脂の種類や、硬化剤、硬化促進剤の種類や量を変更する方法が挙げられる。
一般に、クレゾールノボラック型のような多官能なエポキシ樹脂は、ビスフェノール型のエポキシ樹脂に比べて硬化反応速度が速いため、先のようにビスフェノール型のエポキシ樹脂とクレゾールノボラック型のエポキシ樹脂とをブレンドして利用する場合にはそのブレンド比を変更することで第一層11と第二層12との硬化反応速度に違いを持たせることができる。
ただし、配合調整を容易にさせ得る点においては、エポキシ樹脂の配合自体は、第一層11と第二層12とで変更せずに硬化剤や硬化促進剤の量による反応速度の調整を図ることが好ましい。
Examples of a specific method for imparting such a difference in reactivity to the insulating
Generally, polyfunctional epoxy resins such as cresol novolac type have a faster curing reaction speed than bisphenol type epoxy resin, so blend bisphenol type epoxy resin and cresol novolac type epoxy resin as described above. In the case of using the
However, in terms of ease of blending adjustment, the epoxy resin blending itself is not changed between the
なお、後述するように、第二層12とヒートシンク20との熱接着は、熱プレスのような比較的簡便な方法によって実施可能ではあるが、第一層11とヒートスプレッダ30との熱接着においては、高い圧力を加えるとヒートスプレッダの下面のエッジ部30eに応力を集中させてしまい絶縁シート10にクラックを発生させるおそれを有する。
また、工程によっては、既に半導体素子50が半田付けされたヒートスプレッダ30を第一層11に熱接着させる必要が生じ、圧力を付加し難い状況となる場合がある。
そのような場合においては、第一層11の形成材料として、常温で液状のエポキシ樹脂や、ゴム変性された柔軟なエポキシ樹を積極的に採用して前記第一層11とヒートスプレッダ30との接着性の改善を図ることが好ましい。
As will be described later, the thermal bonding between the
Further, depending on the process, it may be necessary to thermally bond the
In such a case, the
なお、硬化反応速度の確認方法としては、動的粘弾性測定装置を用いた一定温度条件下における粘度変化の測定によって確認することができ、例えば、第一層11や第二層12を構成する熱硬化性樹脂組成物で作製した100〜200μmの厚みのシート状試料に加熱条件下(例えば、100〜200℃の範囲内のいずれかの温度)における1Hzの振動数での“ねじりモード”による粘度測定を行い、粘度が最も低下した時点から、粘度変化がなくなる時点までの硬化時間をもって硬化反応速度を判定することができる。
In addition, as a confirmation method of hardening reaction rate, it can confirm by the measurement of the viscosity change on the fixed temperature conditions using a dynamic viscoelasticity measuring apparatus, for example, comprises the
なお、この絶縁シート10は、第二層12をヒートシンク20に熱接着させた後に、第一層11をヒートスプレッダ30に熱接着させるべく用いられる。
したがって、絶縁シート10とヒートシンク20、及び、絶縁シート10とヒートスプレッダ30の両方に優れた接着性を付与し、ヒートスプレッダ30からヒートシンク20にかけての熱抵抗の低減を図る上において、第一層11を構成する熱硬化性樹脂組成物と第二層12を構成する熱硬化性樹脂組成物との硬化反応速度の違いについては、前記第一層11を構成する熱硬化性樹脂組成物の前記硬化時間が10〜20分となる温度において、第二層12を構成する熱硬化性樹脂組成物の硬化時間が5分以下(通常、1分以上)となるように設定することが好ましい。
The insulating
Therefore, the
なお、この絶縁シート10は、一般的な半導体モジュールにおいては、通常、1×1013Ω・cm以上の体積抵抗率を有する状態に形成され、50〜200μmの厚みとなるように形成される。
その場合、第一層11と第二層12との厚みの比率は特に限定されるものではなく、通常、1:9〜9:1程度の範囲の内のいずれかの比率とされる。
また、本実施形態においては、2層構造の絶縁シート10を例示しているが、前記第一層11と前記第二層12の間に、新たなる層を有する3層構造以上のものであっても本実施形態の半導体モジュール製造方法に採用が可能である。
The insulating
In that case, the ratio of the thickness of the
In the present embodiment, the insulating
なお、ヒートシンク20を形成させるための金属板や、ヒートスプレッダ30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。
Note that the metal plate for forming the
次いで、上記のような半導体モジュール1を作製する方法について説明する。
本実施形態に係る半導体モジュールの製造方法においては、
a)前記第一層11と前記第二層12とを有する絶縁シートを作製する絶縁シート作製工程
b)前記第二層12をヒートシンク20の所定位置に熱接着させる第一熱接着工程
c)前記第一熱接着工程においてヒートシンク20に接着された絶縁シート10に、さらにヒートスプレッダ30を熱接着させる第二熱接着工程
を実施する。
Next, a method for manufacturing the
In the method for manufacturing a semiconductor module according to this embodiment,
a) Insulating sheet manufacturing step of manufacturing an insulating sheet having the
この各工程は、例えば、以下のようにして実施することが可能である。
(a:絶縁シート作製工程)
本実施形態に係る前記絶縁シート作製工程においては、まず、第一層11を形成させるための熱硬化性樹脂組成物を調整し、適当な溶媒を利用して塗工液を作製する。
例えば、エポキシ樹脂をベースにする場合であれば、該エポキシ樹脂を可溶な有機溶媒に前記エポキシ樹脂や無機フィラーといった配合材料を分散させた塗工液(以下「ワニス」ともいう)を調整する。
金属箔や樹脂フィルムなどの基材となるものをロール状に巻き取った基材ロールを塗工機にセットして該塗工機に前記ワニスを供給して前記基材上に連続的に塗膜を形成させ、これを乾燥炉に導入していわゆるBステージ状態と呼ばれる完全に硬化がされていない未硬化な乾燥状態となるようにして前記基材上に第一層11を形成させる。
次いで、第二層12を形成させるための熱硬化性樹脂組成物を調整し、第一層11と同様にワニスを作製する。
そして、第一層11の形成されたロールを改めて塗工機にセットするとともに前記第二層12を形成するためのワニスを当該塗工機に供給して第一層11と同様に塗工乾燥を行って基材に担持された絶縁シート10を形成させる。
Each of these steps can be performed as follows, for example.
(A: Insulating sheet manufacturing process)
In the insulating sheet manufacturing step according to the present embodiment, first, a thermosetting resin composition for forming the
For example, in the case of using an epoxy resin as a base, a coating liquid (hereinafter also referred to as “varnish”) in which a compounding material such as the epoxy resin or an inorganic filler is dispersed in a soluble organic solvent is prepared. .
A base material roll, which is a base material such as a metal foil or a resin film, wound in a roll is set in a coating machine, and the varnish is supplied to the coating machine to continuously coat the base material. A film is formed and introduced into a drying furnace to form the
Next, a thermosetting resin composition for forming the
And the roll in which the
または、上記のような方法に代えて、第一層11を上記のごとく基材上に形成させるとともに別の基材上に前記第一層11と同様にして第二層12を形成させ、その後、この第一層11と第二層12とを直接貼り合せて絶縁シート10を作製する方法を採用することもできる。
この場合、第一層11と第二層12とを貼り合せる方法としては、例えば、熱プレスによって貼り合せる方法や2本の加熱用ローラーの間を通過させて貼り合せる方法など加熱、加圧することによって一体化させる方法が挙げられる。
Alternatively, instead of the above method, the
In this case, as a method of bonding the
この絶縁シート10は、例えば、前記基材ごと打ち抜き加工するなどして所定の大きさに加工して前記第一熱接着工程に供することができる。
The insulating
(b:第一熱接着工程)
上記絶縁シート作製工程では、第一層11が基材によって被覆された状態となり、第二層12を露出させた状態で打ち抜きシートなどの形態で絶縁シートが作製される。
そして、この第一熱接着工程においては、前記ヒートシンク20を構成する金属板などの表面にこの露出している第二層12を面接させて、熱プレスなどによって熱接着を実施する。
その後、ヒートシンク20に第二層12の表面を熱接着させた絶縁シートから前記基材を剥離して除去し、第一層11を露出させ、続く第二熱接着工程に供給する。
(B: First heat bonding step)
In the insulating sheet manufacturing step, the
In the first heat bonding step, the exposed
Thereafter, the base material is peeled off and removed from the insulating sheet in which the surface of the
(c:第二熱接着工程)
該第二熱接着工程においては、前記第一熱接着工程においてヒートシンク20に熱接着された絶縁シート10にさらにヒートスプレッダ30の下面を熱接着させる。
この熱接着方法は、一般的な熱プレスやオートクレーブのような加熱条件下で加圧することができる装置を用いて実施させることができる。
なお、図1に例示のごとく樹脂モールドが施されている半導体モジュール1を作製する場合であれば、この樹脂モールドにおける熱と圧力とをこの絶縁シート10とヒートスプレッダ30との熱接着に利用することが好ましい。
(C: Second heat bonding step)
In the second thermal bonding step, the lower surface of the
This thermal bonding method can be carried out using an apparatus capable of applying pressure under heating conditions such as a general hot press or autoclave.
If the
例えば、注型金型内に絶縁シートが接着されている面を上側にしてヒートシンク20を配置し、半導体素子50が半田付けされたヒートスプレッダ30を前記ヒートシンク20において絶縁シートが接着されている領域の略中央部に載置して、ケーシング80を被せ、該ケーシング80の内側に熱溶融させたモールド用の樹脂組成物を圧入し、半導体素子50を搭載したヒートスプレッダ30を前記樹脂組成物でモールドするとともに、前記絶縁シート10の第一層11とヒートスプレッダ30の下面とを熱接着させる方法を採用することができる。
このような方法を採用することで、半導体モジュールの製造における工程を簡略化させうるとともに半導体モジュールの製造に必要なエネルギー量を削減させ得る。
For example, the
By adopting such a method, it is possible to simplify the process in manufacturing the semiconductor module and reduce the amount of energy necessary for manufacturing the semiconductor module.
本実施形態に係る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30に接着させる面とヒートシンク20に接着させる面とが異なる熱硬化性樹脂組成物で形成された絶縁シートを利用し、前記ヒートスプレッダ30に接着させる一面側よりも熱硬化反応の反応速度が速い熱硬化性樹脂組成物で前記ヒートシンク20に接着させる他面側を構成させた絶縁シートを利用している。
したがって、第一熱接着工程において、ヒートシンク20との間に十分強固な熱接着をさせた後も、第一層11を構成している熱硬化性樹脂組成物が硬化反応性を残存させており、第二熱接着工程における熱接着において過度な硬化反応の進行による接着力不足が生じるおそれを抑制させ得る。
In the method for manufacturing a semiconductor module according to the present embodiment, an insulating sheet formed of a thermosetting resin composition having a surface to be bonded to the
Accordingly, in the first thermal bonding step, the thermosetting resin composition constituting the
例えば、絶縁シート10の第一層11において、ヒートスプレッダ30との熱接着前に硬化反応をある程度以上進行させてしまうと、ヒートスプレッダ30との熱接着時において、表面が軟化せずにタック性が発現せず絶縁シート10とヒートスプレッダ30との界面A1における密着性を低下させるおそれを有する。
一方で、この第一層11を構成している熱硬化性樹脂組成物に十分な反応性を残存させるべく絶縁シート10とヒートシンク20との熱接着における温度を低下させるようなことをすると、今度は、このヒートシンク20と絶縁シート10との界面A2における密着性を低下させるおそれを有する。
For example, in the
On the other hand, when the temperature in the thermal bonding between the insulating
そのようなことが生じると、この界面における熱抵抗を増大させてしまい、半導体素子50が発生させた熱がヒートシンク20を通じて系外に放出されるまでの熱抵抗が十分低減されず放熱性に劣るものとなってしまうおそれを有する。
しかし、本実施形態においては、第一層11の側に反応速度の遅い熱硬化性樹脂組成物が用いられていることから、ヒートシンク20やヒートスプレッダ30との間に十分な密着性を確保させることが容易に実施できる。
すなわち、本実施形態においては、放熱性に優れた半導体モジュールを簡便に作製し得る。
When this occurs, the thermal resistance at this interface increases, and the thermal resistance until the heat generated by the
However, in this embodiment, since a thermosetting resin composition having a slow reaction rate is used on the
That is, in this embodiment, a semiconductor module having excellent heat dissipation can be easily produced.
なお、このような強固な接着をヒートシンク20やヒートスプレッダ30との間に形成させた後においても、絶縁シート10が未硬化で、完全に熱硬化反応がなされていないようであれば、必要に応じて、当該半導体モジュールを熱風循環式オーブンなどに所定時間収容させてこの絶縁シート10のポストキュアを実施させる工程を設けてもよい。
If the insulating
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。
In the present embodiment, the semiconductor module manufacturing method of the present invention and the semiconductor module manufactured by the manufacturing method are exemplified as described above. However, the present invention relates to the semiconductor module and the manufacturing method thereof. It is not limited to the illustration.
For example, in the present embodiment, a plate-shaped heat sink is illustrated, but the present invention also applies to a case where a heat sink in which fins and pins are erected on the lower surface (exposed surface) side to improve air cooling performance is used. Is within the intended range.
(製造方法1:比較例1)
無機フィラー(窒化ホウ素)を50体積%含有する熱硬化性樹脂組成物(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・乾燥して金属層付絶縁シート(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層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熱溶融されたモールド樹脂を射出成形することによって、その熱と圧力とで前記金属層付絶縁シートとヒートスプレッダとの本接着を行った。
その後、これ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、図3(a)に示すような構造を有する半導体モジュールを作製し、下面に露出している銅箔の表面に放熱グリスを塗布して別途ヒートシンクを取り付けた。
このとき「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。
(Manufacturing method 1: Comparative example 1)
A thermosetting resin composition (epoxy resin composition) containing 50% by volume of an inorganic filler (boron nitride) is dispersed in an organic solvent to form a varnish, which is applied to a copper foil having a thickness of 105 μm and dried to form a metal. A layered insulating sheet (insulating layer thickness 200 μm) was prepared.
By temporarily adhering the insulating sheet with a metal layer to the lower surface of the heat spreader on which the semiconductor element is mounted on the upper surface side, setting the casing, and injection-molding the mold resin melted in the casing, the heat and pressure Then, the adhesion between the insulating sheet with metal layer and the heat spreader was performed.
Thereafter, this is heated to perform post-cure of the epoxy resin composition to produce a semiconductor module having a structure as shown in FIG. 3 (a), and heat radiation grease is applied to the surface of the copper foil exposed on the lower surface. A heat sink was attached separately.
At this time, the thermal resistance value from the “semiconductor element” to the “heat sink” was measured and found to be 1.0 ° C./W.
Moreover, when the withstand voltage test between a lead frame and a heat sink was implemented, the dielectric breakdown voltage was 10 kV.
(製造方法2:比較例2)
金属層付絶縁シートの仮接着されていないヒートスプレッダをケーシング中にセットして該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と同じ金属層付絶縁シートを加熱加圧して熱接着させた。
その後、製造例1と同様にポストキュアして図3(b)に示すような半導体モジュールを作製した。
この半導体モジュールの下面に露出している銅箔に放熱グリスを塗布して別途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。
(Production method 2: Comparative example 2)
A heat spreader that is not temporarily bonded to an insulating sheet with a metal layer is set in the casing and the molding resin is injection-molded in such a manner that the lower surface of the heat spreader is exposed, and then the same metal as in Comparative Example 1 is formed on the exposed surface of the heat spreader. The insulating sheet with a layer was heated and pressed to be thermally bonded.
Thereafter, post-curing was conducted in the same manner as in Production Example 1 to produce a semiconductor module as shown in FIG.
When heat dissipation grease was applied to the copper foil exposed on the lower surface of the semiconductor module and a separate heat sink was attached, the thermal resistance was measured in the same manner as in Comparative Example 1, and the dielectric breakdown voltage was measured. And values of 10 kV were obtained.
(製造方法3:比較例3)
前記金属層付絶縁シートの作製において用いたものと同じ熱硬化性樹脂組成物を含んだワニスを使用して、前記金属層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シートを形成させた。
この絶縁シートを、上記製造方法1で別途用いたヒートシンクに、該絶縁シートが完全に硬化してしまわないように比較的短時間の内に熱接着させ、半導体素子の搭載されたヒートスプレッダをその上に載せて、上記製造方法1と同様にモールド樹脂による、加熱、加圧を実施してヒートスプレッダの下面を絶縁シートに熱接着させた。
その後、これまでと同様にポストキュアして、図1に示されるような半導体モジュールを作製した(ただし、単一の熱硬化性樹脂組成物で絶縁シートが形成されている点については図1と相違している)。
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3.0℃/Wと2kVとの値が得られた。
この結果について、比較例3の製造方法にて得られた半導体モジュールを観察したところ、ヒートシンクと絶縁シートとの界面の一部において剥離が生じており、空気層が形成されていることが判明した。
(Manufacturing method 3: Comparative example 3)
Using a varnish containing the same thermosetting resin composition as used in the production of the insulating sheet with a metal layer, the insulating sheet is made to have a thickness equivalent to the insulating layer thickness of the insulating sheet with the metal layer. Formed.
The insulating sheet was thermally bonded to a heat sink separately used in the
Thereafter, post-curing was performed in the same manner as described above to produce a semiconductor module as shown in FIG. Is different).
When the thermal resistance of the obtained semiconductor module was measured in the same manner as in Comparative Example 1 and the dielectric breakdown voltage was measured, values of 3.0 ° C./W and 2 kV were obtained, respectively.
About this result, when the semiconductor module obtained by the manufacturing method of Comparative Example 3 was observed, it was found that peeling occurred at a part of the interface between the heat sink and the insulating sheet, and an air layer was formed. .
(製造方法4:実施例1)
前記製造例3(比較例3)の絶縁シートと同じワニスを基材にコーティングした後、乾燥させ、前記基材上に約100μmの絶縁層(第一層)を形成させた。
この絶縁層の硬化反応時間が約1時間となる温度条件における硬化反応時間が約15分となるように硬化剤と硬化促進剤とを増量した熱硬化性樹脂組成物をワニス化して、当該ワニスを前記絶縁層(第一層)の上にコーティングした後、乾燥させ、さらに約100μmの絶縁層(第二層)を形成させた(合計約200μm)。
この絶縁シートの第二層をヒートシンクに熱プレスして接着させた後、基材を除去した。
その後、第一層側とヒートスプレッダとの熱接着等は、製造例3と同様にして図1に示されるような構造を有する半導体モジュールを作製した。
この実施例1で得られた半導体モジュールについて、これまで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放熱性に優れた半導体モジュールが得られることがわかる。
(Manufacturing method 4: Example 1)
The substrate was coated with the same varnish as the insulating sheet of Production Example 3 (Comparative Example 3), and then dried to form an insulating layer (first layer) of about 100 μm on the substrate.
The varnish is formed by varnishing the thermosetting resin composition in which the amount of the curing agent and the curing accelerator is increased so that the curing reaction time in the temperature condition where the curing reaction time of the insulating layer is about 1 hour is about 15 minutes. Was coated on the insulating layer (first layer) and dried to form an insulating layer (second layer) of about 100 μm (total of about 200 μm).
After the second layer of this insulating sheet was hot-pressed and adhered to a heat sink, the substrate was removed.
Thereafter, a semiconductor module having a structure as shown in FIG. 1 was produced in the same manner as in Production Example 3 for heat bonding between the first layer side and the heat spreader.
For the semiconductor module obtained in Example 1, the thermal resistance was measured and the dielectric breakdown voltage was measured in the same manner as before, and values of 0.5 ° C./W and 10 kV were obtained, respectively.
This also shows that according to the present invention, a semiconductor module excellent in heat dissipation can be obtained.
1:半導体モジュール、10:絶縁シート、11:第一層、12:第二層、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 1: Semiconductor module, 10: Insulating sheet, 11: First layer, 12: Second layer, 20: Heat sink, 30: Heat spreader, 40: Solder, 50: Semiconductor element, 60: Bonding wire, 70: Lead frame, 80 : Casing, 90: Mold resin
Claims (2)
前記絶縁シートとして、前記一面側と前記他面側とが異なる熱硬化性樹脂組成物で形成され、しかも、前記一面側よりも熱硬化反応の反応速度が速い熱硬化性樹脂組成物で前記他面側が形成された絶縁シートを用い、該絶縁シートの前記他面側を前記ヒートシンクに熱接着させた後に前記一面側を前記ヒートスプレッダに熱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。 To manufacture a semiconductor module in which a semiconductor element is mounted on the upper surface side, and a heat sink for dissipating the heat to the outside of the module is bonded to the lower surface side of the heat spreader to which heat generated by the semiconductor element is transmitted via an insulating sheet And using an insulating sheet formed of a thermosetting resin composition, the heat spreader is thermally bonded to one surface side of the insulating sheet in an uncured state, and the heat sink is thermally bonded to the other surface side. A method for manufacturing a semiconductor module, wherein the insulating sheet is thermally cured,
As the insulating sheet, the one surface side and the other surface side are formed of different thermosetting resin compositions, and the other surface is a thermosetting resin composition having a faster reaction rate of the thermosetting reaction than the one surface side. A method of manufacturing a semiconductor module, comprising: using an insulating sheet having a surface side, and thermally bonding the other surface side of the insulating sheet to the heat sink and then thermally bonding the one surface side to the heat spreader.
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