半导体装置以及半导体装置的制造方法

摘要

本发明涉及半导体装置以及半导体装置的制造方法。半导体装置具有半导体元件（1）、基板（2）、金属板（3）、多个球状粒子（4）。基板（2）安装有半导体元件（1）。金属板（3）具有彼此对置的一个面（3a）和另一个面（3b），在一个面（3a）设置有基板（2）。多个球状粒子（4）具有球状的外形并且球状的外形的一部分埋没于金属板（3）的另一个面（3b）。由此，能够得到能够促进来自半导体元件的散热的半导体装置及其制造方法。

权利要求

1.一种半导体装置，其特征在于，具备：半导体元件；

基板，安装有所述半导体元件；

金属板，具有彼此对置的一个面和另一个面，在所述一个面设置有所述基板；

多个球状粒子，具有球状的外形，并且，所述球状的外形的一部分埋没于所述金属板的所述另一个面。

2.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，所述球状粒子由金属构成。

3.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，所述球状粒子由陶瓷构成。

4.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，在所述金属板的所述另一个面隔着所述多个球状粒子以及润滑脂安装有散热器。

5.一种半导体装置的制造方法，其特征在于，具有如下工序：准备在一个面设置有安装了半导体元件的基板的金属板；

将具有球状的外形并且具有比所述金属板大的硬度的多个球状粒子喷射到与所述金属板的所述一个面对置的所述金属板的另一个面，由此，使所述多个球状粒子的所述球状的外形的一部分埋没于所述金属板的所述另一个面。

说明书

半导体装置以及半导体装置的制造方法

技术领域

[0001] 本发明涉及半导体装置以及半导体装置的制造方法。

背景技术

[0002] 在半导体装置中，为了促进来自半导体元件等发热体的散热而使用散热器（heat sink）等散热设备。提出了如下结构：为了促进来自半导体元件等发热体的散热而将半导体元件等散热体的热效率较好传递到散热器。

[0003] 例如，在日本特开2006-134989号公报中公开了能够降低电子设备和散热器之间的热阻（thermal resistance）的结构。在该结构中，在电子设备的安装于散热器的一侧的安装板的底面，排列有由于压接而发生变形的突出物。

[0004] 此外，例如，在日本特开2005-236266号公报以及日本特开2005-236276号公报中，公开了能够将发热体侧的热效率较好地传导到散热体侧进行散热的功率模块用基板。在该功率模块用基板中，在绝缘体层的两侧设置有连接了半导体芯片的电路层和散热器。
配置于绝缘体层内的绝缘性高热传导硬质粒子的一部分贯穿到电路层以及散热器这二者中。

[0005] 但是，在上述日本特开2006-134989号公报的结构中，以喷墨方式等利用熔融了的锡将突出物固定并排列在安装板的表面。因此，突出部以平面粘接于安装板的表面。若对突出部和安装板施加热，则由于突出部与安装板的热膨胀差，在粘接部产生应力，由此，存在突出部从安装板剥离的危险。若突出部从安装板剥离，则将作为发热体的电子设备的热效率较好地传递给散热器是困难的。

[0006] 此外，在上述日本特开2005-236266号公报以及日本特开2005-236276号公报的功率模块用基板中，作为连接了半导体芯片的电路层的材料的铜和作为散热器的材料的铝，热膨胀系数不同，所以，由于功率模块工作时的发热而产生电路层与散热器的热膨胀差。其结果是，热应力集中于绝缘性高热传导硬质粒子。因此，存在在绝缘性高热传导硬质粒子与电路层以及散热器的各自的界面产生剥离的危险。若产生该剥离，则将作为发热体的半导体芯片的热效率较好地传递至散热器是困难的。

发明内容

[0007] 本发明是鉴于上述课题而提出的，其目的在于提供一种能够促进来自半导体元件的散热的半导体装置及其制造方法。

[0008] 本发明的半导体装置具有半导体元件、基板、金属板、多个球状粒子。基板安装有半导体元件。金属板具有彼此对置的一个面和另一个面，在一个面设置有基板。多个球状粒子具有球状的外形，并且，球状的外形的一部分埋没于金属板的另一个面。

[0009] 根据本发明的半导体装置，多个球状粒子的球状的外形的一部分埋没于金属板的另一个面。因此，通过使多个球状粒子陷入到金属板的另一个面，从而能够将多个球状粒子较强地接合于金属板。此外，能够使多个球状粒子和金属板的接触面积变大。因此，能够抑制多个球状粒子从金属板剥离。因此，能够使半导体元件的热从多个球状粒子散热。

[0010] 此外，由于多个球状粒子具有球状的外形，所以，在安装在散热器上时不会贯穿到散热器中。因此，能够抑制在多个球状粒子与散热器之间产生热应力。由此，能够抑制在多个球状粒子和金属板以及散热器的界面产生隔离。通过以上那样，能够促进来自半导体元件的散热。

[0011] 本发明的上述以及其他目的、特征、方面以及优点能够根据与所附的附图相关联地理解的与本发明相关的如下的详细说明而变得明确。

附图说明

[0012] 图1是本发明的一个实施方式的半导体装置的概略剖面图。

[0013] 图2是本发明的一个实施方式的半导体装置的概略仰视图。

[0014] 图3是图1的P1部的放大图。

[0015] 图4是图2的P2部的放大立体图。

[0016] 图5是示出本发明的一个实施方式的半导体装置的制造方法的一个工序的概略剖面图。

[0017] 图6是示出图5的接下来的工序的概略剖面图。

[0018] 图7是示出本发明的一个实施方式的变形例的半导体装置的多个球状粒子的周边的结构的概略放大剖面图。

[0019] 图8是本发明的一个实施方式的半导体装置的概略剖面图，是示出安装有散热器的状态的图。

[0020] 图9是图8的P3部的放大图。

[0021] 图10是示出比较例的金属板以及突出部的周边的结构的概略放大剖面图。

[0022] 图11是示出本发明的一个实施方式的金属板以及多个球状粒子的周边的结构的概略放大剖面图。

具体实施方式

[0023] 以下，基于附图对本发明的一个实施方式进行说明。

[0024] 首先，对本发明的一个实施方式的半导体装置的结构进行说明。

[0025] 参照图1以及图2，本实施方式的半导体装置是例如功率模块。本实施方式的半导体装置主要具有半导体元件1、基板2、金属板3、多个球状粒子4、壳体5、电极端子6、布线7、盖8、密封树脂9。此外，在图1中，为了容易观察，多个球状粒子4被简化示出。

[0026] 半导体元件1是例如功率用半导体元件。基板2是例如陶瓷基板。半导体元件1安装于基板2。半导体元件1焊接在设置于基板2的图形部2a上。

[0027] 金属板3具有彼此对置的一个面3a和另一个面3b。在金属板3的一个面3a设置有基板2。基板2和金属板3利用焊料2b连接。金属板3用于提高散热性。金属板3由例如铜或者铝形成。

[0028] 在金属板3的另一个面3b设置有多个球状粒子4。多个球状粒子4排列在金属板3的另一个面3b的整个面。此外，可以在多个球状粒子4彼此之间形成有间隙。关于该多个球状粒子4，在后面详细说明。

[0029] 壳体5形成在金属板3的一个面3a的周围。壳体5由例如树脂形成。电极端子6安装于壳体5。电极端子6以向壳体5的外部突出的方式形成。布线7是例如铝导线。利用布线7将半导体元件1彼此电连接。此外，利用布线7将半导体元件1和设置于壳体5的电极端子6电连接。在壳体5的上端部配置有盖8。盖8用于防尘以及防水。

[0030] 在被金属板3、壳体5以及盖8包围的内部空间配置有半导体元件1、基板2以及布线7。在内部空间内，半导体元件1、基板2以及布线7被密封树脂9覆盖。密封树脂9例如是硅凝胶（silicone gel）。

[0031] 参照图3以及图4，进一步详细地对多个球状粒子4进行说明。多个球状粒子4的每一个具有球状的外形。多个球状粒子4各自的球状的外形的一部分埋没于金属板3的另一个面3b。多个球状粒子4分别在球状的外形的一部分埋没于金属板3的另一个面3b的状态下从另一个面3b突出。多个球状粒子4分别在球状的外形的一部分埋没于金属板3的另一个面3b的状态下排列在另一个面3b。

[0032] 由于球状粒子4的一部分埋没于金属板3的另一个面3b，所以，球状粒子4陷入金属板3，从而能够抑制球状粒子4从金属板3剥离。即，利用该埋没结构得到锚定效应（anchor effect）。因此，金属板3与球状粒子4的粘接的可靠性提高。

[0033] 此外，由于球状粒子4的球状的外形埋没于金属板3的另一个面3b，所以，球状粒子4以球状的外形与金属板3接触。因此，能够充分确保球状粒子4和金属板3的接触面积。由此，能够确保球状粒子4与金属板3的紧贴性。因此，能够增加球状粒子4与金属板3的接合强度。

[0034] 此外，由于球状粒子4的球状的外形埋没于金属板3的另一个面3b，所以，能够充分确保球状粒子4与金属板3的接触面积。因此，从金属板3向球状粒子4的热传导性提高。

[0035] 优选多个球状粒子4从另一个面3b以半球状突出。由此，能够在金属板3的另一个面3b形成致密的排列。此外，在金属板3的另一个面3b使多个球状粒子4间的间隙较小地排列多个球状粒子4是容易的，所以，能够使金属板3的热在另一个面3b的整个面扩散。

[0036] 多个球状粒子4由热传导性优良的材料形成。球状粒子4例如由金属构成。作为球状粒子4的材料，在金属板3的材料是铜的情况下，能够使用铜、镊、铁。进而，能够使用磷青铜、铍铜等铜合金。此外，在金属板3的材料是铝的情况下，除了上述以外，还能够使用黄铜。

[0037] 多个球状粒子4具有比金属板3大的硬度。优选多个球状粒子4的维氏硬度（Hv）为150以上。由于球状粒子4具有比金属板3大的硬度，所以，能够利用喷射法（spray method）将球状粒子4的一部分埋没到金属板3中。

[0038] 优选球状粒子4的距离另一个面3b的高度为30μm以上且150μm以下。在不足30μm的情况下，由于球状粒子4为40～60μm左右的粒径，所以，粒子过于细，在金属板3上形成均匀的层是困难的。此外，若超过150μm，则由于金属板3的另一个面3b上的球状粒子4的密度过于低、金属板3与散热器的间隔过于宽等，所以，得不到充分的低热阻化的效果。

[0039] 接着，对本实施方式的半导体装置的制造方法进行说明。

[0040] 首先，参照图5，准备在一个面3a设置了安装有半导体元件1的基板2的金属板3。接着，参照图6，将多个球状粒子4喷射到与金属板3的一个面3a对置的金属板3的另一个面3b。多个球状粒子4具有球状的外形，并且，具有比金属板3大的硬度。多个球状粒子4利用例如高温以及高压的气体12从喷嘴11加速到音速程度被喷射到金属板3的另一个面3b。

[0041] 并且，使喷嘴11在沿着金属板3的另一个面3b的方向D1移动，由此，在另一个面3b的整个面喷射多个球状粒子4。这些多个球状粒子4被喷射到金属板3的另一个面3b，由此，多个球状粒子4的球状的外形的一部分埋没于金属板3的另一个面3b。

[0042] 本喷射法是如下方法：维持球状粒子4的初始的形状不变进行喷射。冷喷射法也是本喷射法的一个种类。通过使用这样的喷射法，从而不需要对金属板3进行加压以及加热，所以，能够简化制造工艺并且实现低成本化。

[0043] 作为在金属板3上形成的球状粒子4的层数，在热传导方面优选是一层。由于喷射时的球状粒子4的速度快，所以，根据喷射条件，在一次形成的球状粒子4上再次堆积或者附着球状粒子4。为了避免这样的情况，优选对喷射时的气体的温度以及流量（压力）进行控制。

[0044] 此外，在上述中，对球状粒子4由金属构成的情况进行了说明，但是，球状粒子4的材料不限于金属。参照图7，在本实施方式的变形例中，球状粒子4由陶瓷构成。

[0045] 作为陶瓷的球状粒子4，能够使用氧化铝、氮化铝、氮化硅、碳化硅、氧化硅等热传导优良的材料。陶瓷的球状粒子4的硬度一般比金属的硬度高，所以，即便在高温以及高压气体下的喷射法中也不会伴随着外形的变形，在金属板3的另一个面3b上致密地形成高度大致相同且均匀的一层球状粒子层。因此，虽然陶瓷与金属相比热导率低，但是，能够在金属板3的另一个面3b的整个面实现均匀的热传导性能。

[0046] 接着，参照图8以及图9对安装了散热器的半导体装置的结构进行说明。

[0047] 隔着所述多个球状粒子4以及润滑脂14将散热器13安装于金属板3的另一个面3b。润滑脂使用热润滑脂。在金属板3的另一个面3b与散热器13之间没有插入润滑脂14的情况下，在多个球状粒子4与散热器13之间存在空气层，所以，热传导被遮蔽。另一方面，如本实施方式那样，将润滑脂14插入到空隙，由此，能够提高热传导性。因此，能够使半导体装置低热阻化。此外，能够利用润滑脂14将金属板3固定于散热器13。

[0048] 润滑脂14的热导率越高，作为半导体装置的热传导性越提高，但是，即便是一般使用的热导率为1W/mK左右的润滑脂，根据多个球状粒子4，与以往的结构相比，热传导性也提高。

[0049] 此外，润滑脂14涂敷面在金属板3侧或者在散热器13侧都可以，但是，从不在金属板3与散热器13之间插入空气层的观点出发，预先涂敷在金属板3侧更有效。

[0050] 多个球状粒子4与散热器13接触但没有埋没。这样，多个球状粒子4与散热器13成为接触结构，由此，对于半导体元件1的发热时的温度变化，在多个球状粒子4与散热器13之间也不产生热应力。因此，多个球状粒子4具有稳定的低热阻性。此外，多个球状粒子
4埋没于散热器13，由此，不会对散热器13表面造成损伤。因此，能够重复使用散热器13。
因此，能够实现散热器13的修理性。

[0051] 此外，本实施方式的半导体装置的结构不限于上述的结构，代替陶瓷基板，也可以使用利用了树脂绝缘片材的金属基板。此外，不将金属板3接合于陶瓷基板而仅是陶瓷基板也可以，也可以是在陶瓷基板的图形部的相反侧设置的金属板在底面露出的结构。

[0052] 接着，与比较例进行比较，对本实施方式的作用效果进行说明。

[0053] 参照图10，在比较例中，在铜制的金属板3的表面实施金镀层，在其上固定排列有突出部20。此外，为了方便观察，金镀层未图示。该突出部20是通过将熔融的锡以喷墨的方式从喷嘴喷出而形成的。在该比较例中，喷射熔融的锡，将突出部20固定，所以，突出部20没有埋没于金属板3而是附着在金属板3的表面。因此，突出部20以平面与金属板30粘接。

[0054] 因此，突出部20较强地接合于金属板3是困难的。此外，使突出部20与金属板3的接触面积A变大也是困难的。在比较例中，若对突出部20与金属板3施加热，则由于突出部20与金属板3的热膨胀差，在突出部20与金属板3的接触部产生热应力，由此，突出部20容易从金属板3剥离。

[0055] 此外，在比较例中，喷射熔融的锡，所以，形成均匀的形状的突出部20是困难的。此外，由于在金属板3的表面形成突出部20，所以，基底金属的表面处理的均匀性等引起的金属板3与突出部20的粘接的可靠性变低。此外，在比较例中，需要金镀层等的前处理，此外，需要熔融的锡进行固化的时间，所以，制造需要长时间，所以，制造工艺高成本化。

[0056] 另一方面，参照图11，根据本实施方式的半导体装置，多个球状粒子4的球状的外形的一部分埋没于金属板3的另一个面3b。因此，通过使多个球状粒子4陷入到金属板3的另一个面3b，从而能够将多个球状粒子4较强地接合于金属板3。此外，能够使多个球状粒子4与金属板3的接触面积A变大。因此，能够抑制多个球状粒子4从金属板3剥离。因此，能够使半导体元件1的热从多个球状粒子4散热。

[0057] 此外，由于多个球状粒子4具有球状的外形，所以，在安装于散热器13时不贯穿到散热器13。因此，能够抑制在多个球状粒子4与散热器13之间产生热应力。由此，能够抑制在多个球状粒子4与金属板3以及散热器13的界面产生隔离。通过以上那样，能够促进来自半导体元件1的散热。

[0058] 在本实施方式的半导体装置中，由于球状粒子4由金属构成，所以，球状粒子4在热传导性方面优良。因此，能够促进来自半导体元件1的散热。

[0059] 在本实施方式的半导体装置的变形例中，球状粒子4由陶瓷构成，所以，球状粒子4具有比金属的硬度高的硬度。因此，在球状粒子4埋没于金属板3的状态下能够抑制外形的变形。因此，能够使球状粒子在金属板3的另一个面3b均匀排列。由此，在金属板3的另一个面3b的整个面能够实现均匀的热电性能。

[0060] 在本实施方式的半导体装置中，散热器13隔着多个球状粒子4以及润滑脂14安装在金属板3的另一个面3b。因此，能够促进从球状粒子4向散热器13的热传导。由此，能够促进从球状粒子4的散热。

[0061] 此外，多个球状粒子4与散热器13接触但是没有埋没，所以，对于半导体元件1的发热时的温度变化，在多个球状粒子4与散热器13之间也不产生热应力。此外，多个球状粒子4埋没于散热器13，由此，不会对散热器13表面造成损伤。因此，能够重复使用散热器13。因此，能够实现散热器13的修理性。

[0062] 根据本实施方式的半导体装置的制造方法，将具有比金属板3大的硬度的球状粒子4喷射到金属板3的另一个面3b，由此，球状粒子4的球状的外形的一部分埋没于金属板3的另一个面3b。

[0063] 因此，能够使多个球状粒子4埋没于金属板3的另一个面3b。此外，能够将多个球状粒子4在金属板3的另一个面3b形成为均匀的形状。进而，由于不需要金属板3的基底金属的表面处理，所以，能够提高粘接的可靠性。此外，不需要金镀层等的前处理，也不需要球状粒子4进行固化的时间，所以，能够使制造工艺短时间化并且能够低成本化。

[0064] 详细地对本发明进行了说明，但是，应该明确地理解为这仅仅是示例而不是限定，本发明的范围由所附的技术方案解释。