特許 6582783 半導体装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6582783

(24)【登録日】2019年9月13日

(45)【発行日】2019年10月2日

(54)【発明の名称】半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/36 20060101AFI20190919BHJP

   H01L 23/12 20060101ALI20190919BHJP

【ＦＩ】

   H01L23/36 D

   H01L23/36 C

   H01L23/12 J

【請求項の数】7

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2015-183261(P2015-183261)

(22)【出願日】2015年9月16日

(65)【公開番号】特開2017-59677(P2017-59677A)

(43)【公開日】2017年3月23日

【審査請求日】2018年6月14日

(73)【特許権者】

【識別番号】000005234

【氏名又は名称】富士電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002918

【氏名又は名称】特許業務法人扶桑国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】齊藤 隆

(72)【発明者】

【氏名】百瀬 文彦

(72)【発明者】

【氏名】西村 芳孝

(72)【発明者】

【氏名】望月 英司

【審査官】 秋山 直人

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００４−２１４２８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１７１９３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−０２７０８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５６−０７１９６０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２３／３６

Ｈ０１Ｌ ２３／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体チップと、
絶縁板と、前記絶縁板のおもて面に形成された回路板と、前記絶縁板の裏面に形成された金属板とを有し、前記回路板上に前記半導体チップが設けられた積層基板と、
おもて面に前記積層基板が設けられ、裏面に複数の窪みが形成され、前記窪みが複数重なり合って構成され、前記裏面の算術平均粗さは、１μｍ〜１０μｍであり、前記裏面の最大高さは、１２μｍ〜７１．５μｍであり、前記窪みの凹み幅は、０．１７ｍｍ〜０．７２ｍｍである放熱板と、
前記放熱板の前記裏面に放熱材を介して設けられた放熱器と、
を有する半導体装置。

【請求項2】

前記放熱材は、熱伝導率が、１．５〜２Ｗ／ｍ・Ｋである、
請求項１記載の半導体装置。

【請求項3】

前記放熱材は、有機オイルにフィラーが含有されている、
請求項２記載の半導体装置。

【請求項4】

前記放熱材における前記フィラーの充填率は、８０ｗｔ％〜９５ｗｔ％である、
請求項３記載の半導体装置。

【請求項5】

前記フィラーの平均粒径は、０．１μｍ〜１０μｍである、
請求項４記載の半導体装置。

【請求項6】

前記放熱材の厚さは、１００μｍである、
請求項５記載の半導体装置。

【請求項7】

前記放熱板の前記裏面はショットピーニング処理を行うことにより、前記窪みが複数重なり合って構成されている、
請求項１記載の半導体装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体装置に関する。

【背景技術】

【0002】

電力変換装置等として用いられるパワー半導体装置は、半導体チップと、おもて面に回路板、裏面に金属板がそれぞれ形成された絶縁板とを有し、回路板上にはんだを介して半導体チップが設けられた積層基板と、当該積層基板がはんだを介して設けられた放熱ベースとを有する。このような構成がケースに入れられたパワー半導体装置は、更に、銅ベースの裏面にサーマルコンパウンドを介して放熱フィンが取り付けられる。また、パワー半導体装置では、半導体チップと、積層基板と、放熱ベースとをはんだ接合するために加熱される。この際、各部材間の熱膨張係数に差があるために、放熱ベースに反りが生じてしまう。反りが生じた放熱ベースと、放熱フィンとの間に隙間が生じるとサーマルコンパウンドの厚さが不均一となり、放熱性が低下してしまう。

【0003】

そこで、放熱ベースに加工硬化層を形成することにより、放熱ベースの反りを制御することができる。これにより、放熱ベースと放熱フィンとを密着させてサーマルコンパウンドの厚さを均一にし、放熱性の低下を抑制する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００４−２１４２８４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかし、半導体チップの動作状況に基づき、パワー半導体装置の温度が変化するのに伴い、放熱ベースが繰り返し変形してしまう。このため、放熱ベース下のサーマルコンパウンドの一部が外部に押し出され（ポンプアウト）、サーマルコンパウンドの塗布分布にばらつきが生じてしまう。これにより、パワー半導体装置の放熱性が低下してしまう。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一観点によれば、半導体チップと、絶縁板と、前記絶縁板のおもて面に形成された回路板と、前記絶縁板の裏面に形成された金属板とを有し、前記回路板上に前記半導体チップが設けられた積層基板と、おもて面に前記積層基板が設けられ、裏面に複数の窪みが形成され、前記窪みが複数重なり合って構成され、前記裏面の算術平均粗さは、１μｍ〜１０μｍであり、前記裏面の最大高さは、１２μｍ〜７１．５μｍであり、前記窪みの凹み幅は、０．１７ｍｍ〜０．７２ｍｍである放熱板と、前記放熱板の前記裏面に放熱材を介して設けられた放熱器と、を有する半導体装置が提供される。

【発明の効果】

【0007】

開示の技術によれば、半導体装置の放熱性の低下を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施の形態における半導体装置を示す図である。

【図2】実施の形態におけるショットピーニング処理を説明するための図である。

【図3】実施の形態におけるショットピーニング処理により放熱ベースに形成された窪みのＳＥＭ像の模式図である。

【図4】実施の形態における半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。

【図5】実施の形態におけるショットピーニング処理のショット材の平均粒径に対する算術平均粗さ及び最大高さの変化を表すグラフである。

【図6】実施の形態におけるショットピーニング処理の処理時間に対する算術平均粗さ及び最大高さの変化を表すグラフである。

【図7】実施の形態におけるショットピーニング処理の超音波振幅に対する算術平均粗さ及び最大高さの変化を表すグラフである。

【図8】実施の形態におけるショットピーニング処理のショット材の平均粒径に対する窪み幅の変化を表すグラフである。

【図9】実施の形態における放熱ベースに対する熱サイクル試験を説明するための図である。

【図10】実施の形態における放熱ベースのサイクル数に対する上昇温度を表すグラフである。

【図11】実施の形態におけるショットピーニング処理が行われていない放熱ベースに対する熱サイクル試験の観察結果を示す図である。

【図12】実施の形態におけるショットピーニング処理が行われた放熱ベースに対する熱サイクル試験の観察結果を示す図である。

【図13】実施の形態におけるショットピーニング処理のショット材の平均粒径に対する熱サイクル試験の結果を示す図である。

【図14】参考例としてのサンドペーパーを用いた場合の熱サイクル試験の結果を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、実施の形態について図面を用いて説明する。
まず、半導体装置について、図１を用いて説明する。
図１は、実施の形態における半導体装置を示す図である。

【0010】

半導体装置１００は、半導体チップ１１０と、積層基板１２０と、放熱ベース１４０（放熱板）とが積層されてケース１５０に収納されて、半導体チップ１１０と、積層基板１２０と、放熱ベース１４０のおもて面側とが樹脂（図示を省略）で封止されている。

【0011】

半導体チップ１１０は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ＦＷＤ（Free Wheeling Diode）等の半導体素子を含む。なお、図１では、半導体チップ１１０を１個のみ記載しているが、必要に応じて複数配置することも可能である。

【0012】

積層基板１２０は、絶縁板１２１と、絶縁板１２１のおもて面に形成された回路板１２２と、絶縁板１２１の裏面に形成された金属板１２３とを有する。また、積層基板１２０は、回路板１２２上に半導体チップ１１０がはんだ（図示を省略）を介して設けられている。

【0013】

放熱ベース１４０は、熱伝導性が高い、例えば、アルミニウム、金、銀、銅等の金属により構成されており、おもて面に積層基板１２０がはんだ１３０を介して設けられている。また、このような放熱ベース１４０の表面には耐食性を向上させるためにニッケル等による保護膜を形成してもよい。保護膜はニッケルの他、クロム、金等を適用することもできる。保護膜はスパッタリングやＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学的気相成長法）やめっきによって形成される。また、放熱ベース１４０の裏面には、複数の小さな窪みが形成され、窪みが複数重なり合って構成されている。なお、放熱ベース１４０の裏面に対する窪みの形成方法の詳細については後述する。

【0014】

なお、半導体チップ１１０内、また、半導体チップ１１０の主電極と、ケース１５０の端子とが、ワイヤ（図示を省略）にて電気的に接続されている。
このような構成を有する半導体装置１００は、放熱ベース１４０の裏面にサーマルコンパウンド１６０（放熱材）を介して放熱フィン１７０（放熱器）が設けられている。放熱フィン１７０は、熱伝導性が高い、例えば、アルミニウム、金、銀、銅等の金属により構成されており、放熱ベース１４０の裏面にサーマルコンパウンド１６０を挟んでネジ（図示を省略）で取り付けられている。

【0015】

なお、サーマルコンパウンド１６０は、例えば、ノンシリコーン系の有機オイルと、当該有機オイルに含有されたフィラー（その一例として、アルミナ）とを含む。なお、フィラーの充填率は８０ｗｔ％〜９５ｗｔ％、フィラーの平均粒径は、０．１μｍ〜１０μｍ（平均５μｍ）である。また、サーマルコンパウンド１６０の熱伝導率は１．９９Ｗ／（ｍ・Ｋ）、粘度が５４２Ｐａ・ｓ（回転速度０．３ｒｐｍ時）、１１２Ｐａ・ｓ（回転速度３ｒｐｍ時）である。このようなサーマルコンパウンド１６０が、放熱ベース１４０に対して厚さ１００μｍ程度塗布されている。

【0016】

このような半導体装置１００では、放熱ベース１４０の裏面に複数の小さな窪みが形成され、窪みが複数重なり合って構成されている。このため、放熱ベース１４０の裏面に塗布するサーマルコンパウンド１６０に対する濡れ性が向上する。また、放熱ベース１４０の裏面にサーマルコンパウンド１６０を介して放熱フィン１７０を設けると、放熱ベース１４０の窪みがアンカー効果によりサーマルコンパウンド１６０に対する密着性が向上する。このため、半導体チップ１１０の動作発熱に基づく半導体装置１００の温度変化に応じて放熱ベース１４０が変形しても、放熱ベース１４０の裏面のサーマルコンパウンド１６０の外部への押し出し（ポンプアウト）が抑制される。したがって、半導体装置１００では、ポンプアウトに対する特性（耐久性、信頼性）が向上するため、半導体装置１００の放熱性の低下が抑制され、半導体装置１００の信頼性が維持されるようになる。

【0017】

次に、以下では、放熱ベース１４０の裏面の複数の窪みの形成方法の詳細については説明する。
まず、放熱ベース１４０の裏面に対する複数の窪みの形成方法について、図２を用いて説明する。

【0018】

図２は、実施の形態におけるショットピーニング処理を説明するための図である。
なお、図２（Ａ）は、ショットピーニング処理を説明する図を表し、図２（Ｂ）は、ショットピーニング処理が行われた放熱ベース１４０を説明するための図を表している。

【0019】

半導体装置１００の放熱ベース１４０の裏面に複数の窪みが、ショットピーニング（ＳＰ）処理により形成される。
放熱ベース１４０の裏面にショットピーニング処理を実行するために、放熱ベース１４０の裏面の窪み１４１の形成領域に対して、例えば、図２（Ａ）に示されるように、ショットピーニング処理装置２００が設置される。

【0020】

ショットピーニング処理装置２００は、超音波振動装置２１０と、超音波振動装置２１０により振動される複数のショット材２２０とを含む。
このようなショットピーニング処理装置２００では、超音波振動装置２１０を駆動させることにより、ショット材２２０が振動する。振動するショット材２２０が放熱ベース１４０の裏面に打ち付けられることにより、図２（Ｂ）に示されるように、放熱ベース１４０の裏面に複数の窪み１４１が形成され、窪み１４１が複数重なり合って構成される。

【0021】

ショットピーニング処理装置２００では、様々な処理条件を設定することで、窪み１４１の窪み幅、深さ等を制御することができる。
ショット材２２０は、例えば、金属（金属合金含む）、セラミックス、ガラス等を用いることができる。また、このようなショット材２２０の平均粒径として、例えば、０．３ｍｍ、０．５ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍ等の材質を用いることができる。なお、ショット材２２０の平均粒径は、各ショット材２２０をＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）によりそれぞれ観察して、その粒径を計測して平均を取ることで得られる。このショット材２２０の形状は、角ばった形状でも、球状でもよい。また、放熱ベース１４０の表面に形成した保護膜上にショットピーニング処理を行う場合のショット材は球状であることが好ましい。なぜならば、このような保護膜上のショットピーニング処理に角ばったショット材を利用すると、保護膜に亀裂が生じ、剥離等が生じてしまうことがあるからである。

【0022】

また、超音波振動装置２１０による超音波振幅（振幅）は、例えば、３５μｍ、５５μｍ、７０μｍ、８０μｍとすることができ、振動時間（処理時間）は、例えば、５秒、１０秒、１５秒、２０秒、１００秒とすることができる。これらの条件を組み合わせることで、放熱ベース１４０の裏面に形成する複数の窪み１４１の数、サイズ等を適宜制御することができる。

【0023】

ここで、ショットピーニング処理により放熱ベース１４０に形成される窪み１４１について、図３を用いて説明する。
図３は、実施の形態におけるショットピーニング処理により放熱ベースに形成された窪みのＳＥＭ像の模式図である。

【0024】

なお、図３（Ａ）は、ショットピーニング処理により放熱ベース１４０に形成された窪み１４１の一つ分の上面のＳＥＭ像の模式図であり、図３（Ｂ）は、当該窪み１４１の一つ分の断面のＳＥＭ像の模式図である。

【0025】

平滑な放熱ベース１４０にショットピーニング処理を短時間行うと、ショット材２２０が放熱ベース１４０の裏面に衝突して、加工痕として窪み１４１が生じ、このような窪み１４１が重なることなく、散らばって形成される。この際の一つの窪み１４１は、ショット材２２０の形状を転写したように形成される。そのため、ショット材２２０が球状であれば、図３（Ａ）に示されるように、窪み１４１は球の一部のようになる。その窪みの断面は、図３（Ｂ）に示されるように、円弧状となる。なお、この際の窪み１４１の幅を窪み幅とする。そして、沢山のショット材２２０が衝突すると、窪み１４１が重なり合って、球状の窪みが並んだ、等方的な仕上げ面が形成される。

【0026】

また、例えば、ショットピーニング処理を行う前の裏面の算術平均粗さＲａが０．１８μｍであり、最大高さＲｚが２μｍである放熱ベース１４０に対してショットピーニング処理を行う場合について説明する。

【0027】

なお、ショットピーニング処理が行われた放熱ベース１４０の裏面の表面粗さの測定は、触針式表面粗さ計によって行うことができる。測定条件は、カットオフ長は２．５ｍｍ、測定長さは１２．５ｍｍ、速度は０．３ｍｍ／ｓ、カットオフの種別はガウシアンとして測定した。

【0028】

このような放熱ベース１４０の裏面に対して、以下の様々な処理条件によりショットピーニング処理を行う。すなわち、ショット材２２０がＳＵＳ３０４、ショット材２２０の平均粒径が１ｍｍ、超音波振動装置２１０の振幅が３５μｍで、処理時間が２０秒間であるとする。このような処理条件に基づくショットピーニング処理が行われた放熱ベース１４０の裏面の算術平均粗さＲａは、２．３μｍ、最大高さＲｚは、１５．９μｍとなる。

【0029】

また、別の処理条件として、ショット材２２０がＳＵＳ３０４、ショット材２２０の平均粒径が４ｍｍ、超音波振動装置２１０の振幅が８０μｍで、処理時間が２０秒間であるとする。このような処理条件に基づくショットピーニング処理が行われた放熱ベース１４０の裏面の算術平均粗さＲａは、８．１μｍ、最大高さＲｚは、６７．９μｍとなる。

【0030】

次に、このようなショットピーニング処理が行われた放熱ベース１４０を含む半導体装置１００の製造方法について、図４を用いて説明する。
図４は、実施の形態における半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。

【0031】

なお、ショットピーニング処理工程については半導体装置１００の製造方法の説明後に説明する。
［ステップＳ１０］ 放熱ベース１４０に、例えば、下に凸（凹状）になるような反り（初期反り）を与える。なお、この工程は省略することも可能である。

【0032】

これは、後に、半導体チップ１１０、積層基板１２０、放熱ベース１４０をはんだを介して積層して加熱してはんだ接合する際に、各部材間の熱膨張率係数により放熱ベース１４０が上に凸に反ることを見越して、予め、放熱ベース１４０にこのような初期反りを与えておくものである。

【0033】

［ステップＳ１１］ 放熱ベース１４０上にはんだ板を介して積層基板１２０を設け、積層基板１２０の回路板１２２上にはんだ板を介して半導体チップ１１０を設けて、各部材をセットする。

【0034】

［ステップＳ１２］ 加熱して、半導体チップ１１０と、積層基板１２０と、放熱ベース１４０との各部材間に配置されたはんだ板を溶融し、溶融したはんだを固化することで、半導体チップ１１０と、積層基板１２０と、放熱ベース１４０とに対するはんだ付けを行う。

【0035】

［ステップＳ１３］ 半導体チップ１１０に対するワイヤボンディングを行って、配線接続を行う。
［ステップＳ１４］ ケース１５０に端子の取り付けを行う。

【0036】

［ステップＳ１５］ ステップＳ１１でセットした半導体チップ１１０と、積層基板１２０と、放熱ベース１４０とをケース１５０に収納して、ケース１５０を接着して半導体装置１００を組み立てる。

【0037】

なお、この際、ケース１５０の裏面側では、放熱ベース１４０の裏面が露出している。
［ステップＳ１６］ ケース１５０内の半導体チップ１１０と積層基板１２０と放熱ベース１４０のおもて面とを樹脂またはシリコーンゲルで封止する。

【0038】

［ステップＳ１７］ ケース１５０の端子を曲げて、蓋を取り付ける。
［ステップＳ１８］ 放熱ベース１４０の裏面にサーマルコンパウンドを１００μｍの厚さになるように塗布する。

【0039】

［ステップＳ１９］ サーマルコンパウンド１６０を塗布した放熱ベース１４０の裏面に放熱フィン１７０を取り付け、放熱フィン１７０を放熱ベース１４０に対してネジで固定する。

【0040】

以上により、放熱フィン１７０が取り付けらえた半導体装置１００が製造される。
このような半導体装置１００の製造方法において、放熱ベース１４０に対するショットピーニング処理工程は、ステップＳ１０で初期反りを付与するために行ってもよいし、ステップＳ１２〜Ｓ１７のいずれかの工程の後に行うことができる。なお、他の工程に影響を与えないという観点からすれば、ステップＳ１７の工程の後に、ショットピーニング処理を行うことが好ましい。

【0041】

次に、放熱ベース１４０に対するショットピーニング処理において、様々な処理条件に基づく放熱ベース１４０の裏面の算術平均粗さＲａ、最大高さＲｚの変化について説明する。様々な処理条件としては、例えば、ショット材２２０の平均粒径、超音波振動装置２１０による処理時間、超音波振動装置２１０による超音波振幅をそれぞれ変化させるものとする。なお、ショットピーニング処理を行わない放熱ベース１４０の裏面は、平滑な表面である。

【0042】

まず、放熱ベース１４０の裏面に対するショットピーニング処理において、ショット材２２０の平均粒径に対する放熱ベース１４０の裏面の算術平均粗さＲａ、最大高さＲｚの変化について図５を用いて説明する。

【0043】

図５は、実施の形態におけるショットピーニング処理のショット材の平均粒径に対する算術平均粗さ及び最大高さの変化を表すグラフである。
なお、当該グラフの横軸は、ショット材２２０の平均粒径（ｍｍ）を表している。また、当該グラフの左側の縦軸は、算術平均粗さＲａ（μｍ）を、右側の縦軸は、最大高さＲｚ（μｍ）をそれぞれ表している。

【0044】

また、この場合のショットピーニング処理の他の処理条件は、ショット材２２０は、ＳＵＳ３０４、処理時間は２０秒、超音波振幅は７０μｍである。
図５のグラフによれば、ショット材２２０の平均粒径が増加するにつれて、算術平均粗さＲａも、最大高さＲｚも共に増加することが分かる。すなわち、ショット材２２０が大きくなることで、ショット材２２０の運動エネルギーが増加するために、放熱ベース１４０を打ち付ける力が増加し、算術平均粗さＲａ及び最大高さＲｚが増加していることが考えられる。特に、ショット材２２０の平均粒径が１ｍｍ〜５ｍｍでは、算術平均粗さＲａ及び最大高さＲｚは平均粒径に対してほぼ比例して増加している。

【0045】

次いで、放熱ベース１４０の裏面に対するショットピーニング処理において、超音波振動装置２１０における処理時間に対する放熱ベース１４０の裏面の算術平均粗さＲａ、最大高さＲｚの変化について図６を用いて説明する。

【0046】

図６は、実施の形態におけるショットピーニング処理の処理時間に対する算術平均粗さ及び最大高さの変化を表すグラフである。
なお、当該グラフの横軸は、処理時間（秒）を表している。また、当該グラフの左側の縦軸は、算術平均粗さＲａ（μｍ）を、右側の縦軸は、最大高さＲｚ（μｍ）をそれぞれ表している。

【0047】

また、この場合のショットピーニング処理の処理条件は、ショット材２２０は、ＳＵＳ３０４、ショット材２２０の平均粒径は２ｍｍ、超音波振幅は７０μｍである。この場合において、処理時間が５秒、１０秒、１５秒、２０秒における算術平均粗さＲａ及び最大高さＲｚを計測した。

【0048】

図６のグラフによれば、算術平均粗さＲａ及び最大高さＲｚは、超音波振動装置２１０による処理時間にほとんど依存することなく、ほぼ一定であることが分かる。
次いで、放熱ベース１４０の裏面に対するショットピーニング処理において、超音波振動装置２１０における超音波振幅に対する放熱ベース１４０の裏面の算術平均粗さＲａ、最大高さＲｚの変化について図７を用いて説明する。

【0049】

図７は、実施の形態におけるショットピーニング処理の超音波振幅に対する算術平均粗さ及び最大高さの変化を表すグラフである。
なお、当該グラフの横軸は、超音波振幅（μｍ）を表している。また、当該グラフの左側の縦軸は、算術平均粗さＲａ（μｍ）を、右側の縦軸は、最大高さＲｚ（μｍ）をそれぞれ表している。

【0050】

また、この場合のショットピーニング処理の処理条件は、ショット材２２０は、ＳＵＳ３０４、ショット材２２０の平均粒径は２ｍｍ、超音波振動装置２１０による処理時間は２０秒である。この場合において、超音波振幅が、３５μｍ、５５μｍ、７０μｍ、８０μｍにおける各算術平均粗さＲａ及び最大高さＲｚを計測した。

【0051】

図７のグラフによれば、超音波振幅が増加するにつれて、算術平均粗さＲａも、最大高さＲｚも共に増加することが分かる。すなわち、超音波振幅が増加することで、振動によりショット材２２０に与えられるエネルギーが増加するために、放熱ベース１４０を打ち付ける力が増加し、算術平均粗さＲａ及び最大高さＲｚが増加していることが考えられる。

【0052】

したがって、図５〜図７のグラフから、算術平均粗さＲａ及び最大高さＲｚは、ショット材２２０の平均粒径及び超音波振動装置２１０の超音波振幅の増加に伴って、増加し、超音波振動装置２１０の処理時間には依存しないことが分かる。

【0053】

次に、放熱ベース１４０に対するショットピーニング処理において、ショット材２２０の平均粒径を変化させた際の放熱ベース１４０の裏面に形成される（１つの）窪みの径（窪み幅（図３参照））の変化について図８を用いて説明する。

【0054】

図８は、実施の形態におけるショットピーニング処理のショット材の平均粒径に対する窪み幅の変化を表すグラフである。
なお、当該グラフの横軸は、ショット材２２０の平均粒径（ｍｍ）を表している。また、当該グラフの縦軸は、窪み幅（ｍｍ）を表している。

【0055】

また、この場合のショットピーニング処理の処理条件は、ショット材２２０は、ＳＵＳ３０４、超音波振動装置２１０による処理時間は２０秒、超音波振幅は７０μｍである。この場合において、ショット材２２０の平均粒径が０．３ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍ、６ｍｍにおける各窪み幅を計測した。

【0056】

図８のグラフによれば、ショット材２２０の平均粒径が増加するにつれて、窪みの窪み幅も増加することが分かる。これは、ショット材２２０の平均粒径が増加するため、放熱ベース１４０の裏面に打ち付けられる面積も増加することから、ショット材２２０による窪みの窪み幅も増加することが考えられる。

【0057】

また、言い換えると、ショット材２２０の平均粒径が小さければ、窪みの窪み幅も減少することになる。このように、一つ一つの窪みは球状であり、それらが重なり合って、球状の等方的な仕上げ面が形成される。

【0058】

次に、放熱ベース１４０に対して、ショットピーニング処理を行った場合、または、行わない場合の半導体装置１００の放熱性について説明する。
まず、放熱ベース１４０に対して、ショットピーニング処理を行った場合、または、行わない場合の半導体装置１００の上昇温度を計測する熱サイクル試験について図９を用いて説明する。

【0059】

図９は、実施の形態における放熱ベースに対する熱サイクル試験を説明するための図である。
なお、図９（Ａ）は、熱サイクル試験で用いられるサンプルとして、ショットピーニング処理が行われる放熱ベース１４０の平面図、図９（Ｂ）は、熱サイクル試験を行う熱サイクル試験装置６００の模式図をそれぞれ示している。

【0060】

実施の形態で行う熱サイクル試験のサンプルとして、図９（Ａ）に示される、放熱ベース１４０を用いる。
この放熱ベース１４０は、四隅にネジ孔１４２を備え、裏面に３箇所の処理領域１４３が設けられている。

【0061】

このような放熱ベース１４０のショットピーニング処理が行われていない場合（非処理）の算術平均粗さＲａは０．１８μｍ、最大高さＲｚは２μｍである。
一方、放熱ベース１４０の各処理領域１４３にショットピーニング処理が行われた場合の処理領域１４３における算術平均粗さＲａは５．３μｍ、最大高さＲｚは３８．４μｍである。但し、この場合のショットピーニング処理の処理条件は、ショット材２２０はＳＵＳ３０４、ショット材２２０は球状で、その平均粒径は２ｍｍ、超音波振動装置２１０による処理時間は２０秒、超音波振動装置２１０により超音波振幅は７０μｍである。

【0062】

このようなサンプルに対して熱サイクル試験を行う熱サイクル試験装置６００は、図９（Ｂ）に示されるように、側部に設けられた放熱フィン１７０に、サーマルコンパウンド１６０（その厚さは１００μｍ程度）を介して放熱ベース１４０がネジで固定されている。また、放熱ベース１４０のおもて面には、はんだ（図示を省略）を介して積層基板１２０及び半導体チップ１１０が設けられている。

【0063】

なお、放熱ベース１４０の処理領域１４３に対応して、半導体チップ１１０が放熱ベース１４０の表面側に設置されてもよい。半導体チップ１１０を駆動させた場合、半導体チップ１１０が発熱源となるため、その放熱ベース１４０の裏面部が熱変形を繰り返す。そのため、ポンプアウトを抑制するには、半導体チップ１１０に設置された位置に対応した放熱ベース１４０の裏面に処理領域１４３を設けることが効果的である。なお、放熱ベース１４０の裏面の全面に処理してもよい。

【0064】

熱サイクル試験装置６００では、このようにして取り付けられた放熱ベース１４０を２５度から１４０度の間で温度変化させて、その際の放熱ベース１４０の温度を計測する。なお、熱サイクル試験装置６００による温度変化は、２５度から１４０度まで９０秒かけて温度上昇させ、その後、１４０度から２５度まで１２０秒かけて温度低下させて、１サイクルとする。熱サイクル試験装置６００は、１００サイクルごとに、放熱ベース１４０の中心部に設けられた温度計により放熱ベース１４０の温度を計測する。熱サイクル試験装置６００は、このような温度計測を、２０００サイクルまで行う。

【0065】

また、熱サイクル試験装置６００は、ショットピーニング処理が行われていない放熱ベース１４０に対しても上記と同様の温度計測を行う。
次に、このようにして熱サイクル試験装置６００により計測されたショットピーニング処理が行われた放熱ベース１４０と、ショットピーニング処理が行われていない放熱ベース１４０との熱サイクル試験における上昇温度について図１０を用いて説明する。

【0066】

図１０は、実施の形態における放熱ベースのサイクル数に対する上昇温度を表すグラフである。
なお、図１０では、横軸は、熱サイクル試験のサイクル数（回）を、縦軸は、上昇温度（度）をそれぞれ表している。なお、上昇温度とは、１サイクル後の放熱ベース１４０が所定温度から上昇した温度を表す。また、「◇（白抜きひし形）」は、ショットピーニング（ＳＰ）処理を行っていない放熱ベース１４０の場合の、「■（黒抜き四角形）」は、ショットピーニング（ＳＰ）処理を行っている放熱ベース１４０の場合の上昇温度の変化をそれぞれ表している。

【0067】

図１０のグラフによれば、ショットピーニング処理を行っていない放熱ベース１４０では、サイクル数が４００回まで、ほとんど、温度が上昇していない。しかし、サイクル数が４００回を超えると温度の上昇が開始する。その後は、サイクル数が増加するにつれて、上昇温度も増加していることが分かる。

【0068】

これは、サイクル数が４００回程度までの温度変化では、放熱ベース１４０があまり変化せず、ポンプアウトがほとんど生じていないことが考えられる。すなわち、放熱ベース１４０と放熱フィン１７０との間のサーマルコンパウンド１６０が垂れ落ちることなく、放熱ベース１４０（裏面）全体にサーマルコンパウンド１６０が塗布された状態が維持されていることが考えられる。したがって、サイクル数が４００回程度までは、放熱ベース１４０から放熱フィン１７０に対する放熱性が低下せずに維持されていることが考えられる。

【0069】

ところが、サイクル数が４００回程度を超えると、放熱ベース１４０に変化が生じ始めるに伴い、ポンプアウトも生じ始めることが考えられる。すなわち、放熱ベース１４０と放熱フィン１７０との間のサーマルコンパウンド１６０の垂れ落ちが生じ始め、放熱ベース１４０（裏面）全面に塗布されたサーマルコンパウンド１６０の塗布分布に斑が生じ始める。したがって、サイクル数が４００回程度を超えると、放熱ベース１４０から放熱フィン１７０に対する放熱性が低下し始める。このため、サイクル数が４００回程度を超えて、サイクル数が更に増加するにつれて、上昇温度も増加することが考えられる。

【0070】

一方、図１０のグラフによれば、ショットピーニング処理を行った放熱ベース１４０では、サイクル数が２０００回まで増加しても、温度が最大５度程度上昇するに留まり、ほとんど温度が上昇していない。

【0071】

これは、ショットピーニング処理を行っていない場合と同様に、サイクル数が４００回程度までの温度変化では、放熱ベース１４０があまり変化せず、ポンプアウトがほとんど生じていないことが考えられる。すなわち、放熱ベース１４０と放熱フィン１７０との間のサーマルコンパウンド１６０が垂れ落ちることなく、放熱ベース１４０（裏面）全体にサーマルコンパウンド１６０が塗布された状態が維持されていることが考えられる。したがって、サイクル数が４００回程度までは、放熱ベース１４０から放熱フィン１７０に対する放熱性が低下せずに維持されていることが考えられる。

【0072】

また、ショットピーニング処理を行っていない場合と同様に、サイクル数が４００回程度を超えると、放熱ベース１４０に変化が生じ始めることが考えられる。しかしながら、放熱ベース１４０は、その裏面にショットピーニング処理により形成された窪みのアンカー効果により放熱ベース１４０の裏面に塗布されたサーマルコンパウンド１６０に対する密着性が向上する。このため、サイクル数の増加に伴い放熱ベース１４０が変化しても、ポンプアウトによるサーマルコンパウンド１６０の垂れ落ちが抑制されて、放熱ベース１４０（裏面）全体に対するサーマルコンパウンド１６０の塗布分布の斑の発生が抑制されることが考えられる。したがって、サイクル数が増加しても、放熱ベース１４０から放熱フィン１７０に対する放熱性が低下せずに維持されることが考えられる。

【0073】

ところで、このようにショットピーニング処理を行わなかった場合または行った場合の放熱ベース１４０に対して熱サイクル試験を２０００回まで行った後の放熱ベース１４０及び放熱フィン１７０に付着されているサーマルコンパウンド１６０の観察を行った。

【0074】

以下では、ショットピーニング処理を行っていない場合または行った場合の放熱ベース１４０及び放熱フィン１７０の観察結果について、図１１及び図１２を用いてそれぞれ説明する。

【0075】

図１１は、実施の形態におけるショットピーニング処理が行われていない放熱ベースに対する熱サイクル試験の観察結果を示す図であり、図１２は、実施の形態におけるショットピーニング処理が行われた放熱ベースに対する熱サイクル試験の観察結果を示す図である。

【0076】

なお、図１１（Ａ），１２（Ａ）は、放熱ベース１４０の裏面（サーマルコンパウンド１６０の塗布面）側を示し、図１１（Ｂ），１２（Ｂ）は、放熱フィン１７０の主面（放熱ベース１４０との接合面）側を示す図である。

【0077】

また、図１１及び図１２では、サーマルコンパウンド１６０が垂れ落ちて、抜けてしまっている領域を破線で囲って表している。
ショットピーニング処理が行われなかった場合では、既述の通りポンプアウトが生じていることから、図１１（Ａ）に示されるように、放熱ベース１４０の裏面の図中上側の中央部及び図中下側の中央部にサーマルコンパウンド１６０が垂れ落ちて、抜けてしまっている領域１６１ａ，１６１ｂが生じていることが分かる。

【0078】

同様に、図１１（Ｂ）に示されるように、放熱フィン１７０の主面の図中上側の中央部及び図中下側の中央部にもサーマルコンパウンド１６０が垂れ落ちて、抜けてしまっている領域１６２ａ，１６２ｂが生じていることが分かる。

【0079】

これに対して、ショットピーニング処理が行われた場合では、図１２（Ａ）に示されるように、放熱ベース１４０の裏面の図中上側の中央部及び図中下側の中央部にサーマルコンパウンドが垂れ落ちて、抜けてしまっている領域１６３ａ，１６３ｂ，１６３ｃが生じている。しかし、ショットピーニング処理が行われて放熱ベース１４０の裏面に窪みが形成されているために放熱ベース１４０に対するサーマルコンパウンド１６０の密着性が向上していることから、この領域１６３ａ，１６３ｂ，１６３ｃは、図１１（Ａ）の場合（領域１６１ａ，１６１ｂ）と比較すると、十分小さい。すなわち、放熱ベース１４０に対するサーマルコンパウンド１６０の面積が図１１（Ａ）の場合と比較すると十分広い。

【0080】

同様に、図１２（Ｂ）に示されるように、放熱フィン１７０の主面の図中上側の中央部及び図中下側の中央部のサーマルコンパウンドが垂れ落ちて、抜けてしまっている領域１６４ａ，１６４ｂも、図１１（Ｂ）の場合（領域１６２ａ，１６２ｂ）と比較すると小さいことが分かる。

【0081】

以上から、ショットピーニング処理が行われる場合の放熱ベース１４０と放熱フィン１７０との間のサーマルコンパウンド１６０の面積は、ショットピーニング処理が行われない場合と比較して広い。つまり、ショットピーニング処理が行われることにより、ポンプアウトの発生が抑制されている。このため、ショットピーニング処理が行われた場合は、行われない場合よりも、放熱ベース１４０及び放熱フィン１７０による放熱性の低下が抑制される。

【0082】

したがって、図９〜図１２から、放熱ベース１４０に対するショットピーニング処理の処理条件が、ショット材２２０がＳＵＳ３０４、ショット材２２０の平均粒径が２ｍｍ、超音波振動装置２１０による処理時間が２０秒、超音波振動装置２１０により超音波振幅が７０μｍである場合には、サーマルコンパウンド１６０の放熱ベース１４０に対する濡れ性が向上し、ポンプアウトに対する特性（耐久性、信頼性）が向上することが分かる。

【0083】

更に、このようなショットピーニング処理の処理条件で球状のショット材２２０の平均粒径を２ｍｍ以外に設定した場合においても、上記の熱サイクル試験を行った。
このような場合における熱サイクル試験の結果について、図１３を用いて説明する。

【0084】

図１３は、実施の形態におけるショットピーニング処理のショット材の平均粒径に対する熱サイクル試験の結果を示す図である。
図１３では、「ショット材の平均粒径（ｍｍ）」に対して、「算術平均粗さＲａ（μｍ）」、「最大高さＲｚ（μｍ）」、「ポンプアウトに対する特性（耐久性、信頼性）」、「サーマルコンパウンドの濡れ性」がそれぞれ示されている。なお、「ポンプアウトに対する特性（耐久性、信頼性）」が向上した場合には「〇」を、向上しなかった場合には「×」を記している。同様に、「サーマルコンパウンドの濡れ性」が向上した場合には「〇」を、向上しなかった場合には「×」を記している。

【0085】

「ショット材の平均粒径（ｍｍ）」は、既述の２ｍｍに加えて、０．３ｍｍ、０．５ｍｍ、１ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍ、５ｍｍ、６ｍｍ、８ｍｍの場合において熱サイクル試験を行った。なお、この場合のショットピーニング処理の他の処理条件は、既述の通り、ショット材２２０はＳＵＳ３０４、処理時間は２０秒、超音波振幅は７０μｍである。

【0086】

このような場合における熱サイクル試験の結果は、図１３に示されるように、「ショット材の平均粒径（ｍｍ）」が０．３ｍｍ、０．５ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍ、５ｍｍ、６ｍｍの場合には、「ポンプアウトに対する特性（耐久性、信頼性）」及び「サーマルコンパウンドの濡れ性」の向上が認められた。

【0087】

しかし、「ショット材の平均粒径（ｍｍ）」が８ｍｍの場合には、「ポンプアウトに対する特性（耐久性、信頼性）」及び「サーマルコンパウンドの濡れ性」が向上しないことが認められた。

【0088】

したがって、ショット材２２０の平均粒径としては、０．３ｍｍ程度〜６ｍｍ程度が好適であることが考えられる。また、このショット材２２０の平均粒径の場合には、算術平均粗さＲａは、１μｍ〜１０μｍ、最大高さＲｚは１２μｍ〜７１．５μｍである。このショット材２２０の平均粒径の範囲について以下で検討する。

【0089】

まず、放熱ベース１４０に対するショットピーニング処理におけるショット材２２０の平均粒径が小さくなると、図７に示したように、窪み幅も小さくなることから、放熱ベース１４０の裏面の重なり合った複数の窪みの表面積が小さくなる。このように重なり合った複数の窪みの表面積が小さい放熱ベース１４０の裏面は、当該裏面に塗布したサーマルコンパウンド１６０に対する摩擦力も小さくなってしまう。このため、放熱ベース１４０からサーマルコンパウンド１６０が流れやすくなり、ポンプアウトが生じてしまうことが考えられる。

【0090】

また、放熱ベース１４０に対するショットピーニング処理におけるショット材２２０の平均粒径が小さくなると、図５にも示したように、算術平均粗さＲａ及び最大高さＲｚが小さくなる。そして、サーマルコンパウンド１６０に含まれるフィラーの平均粒径は、０．１μｍ程度〜１０μｍ程度であった。このため、放熱ベース１４０に対するショットピーニング処理におけるショット材２２０の平均粒径が小さくなると、サーマルコンパウンド１６０に含まれるフィラーが放熱ベース１４０に形成された窪みに入り込まない場合が発生する。よって、放熱ベース１４０に対するサーマルコンパウンド１６０の濡れ性が低下し、また、放熱ベース１４０のサーマルコンパウンド１６０に対する密着性が向上せずに、ポンプアウトの発生が抑制されなくなることが考えられる。

【0091】

したがって、ショット材２２０の平均粒径が０．３ｍｍを下回ると、上記のような理由により、ポンプアウトの発生が抑制されず、また、サーマルコンパウンドの濡れ性が向上しなくなることが考えられる。

【0092】

一方、放熱ベース１４０に対するショットピーニング処理におけるショット材２２０の平均粒径が、例えば、６ｍｍ程度を超えるように大きくなると、図５にも示したように、算術平均粗さＲａ及び最大高さＲｚも大きくなる。このため、サーマルコンパウンド１６０の塗布量が少ない場合には、放熱ベース１４０と放熱フィン１７０との距離が大きくなり、サーマルコンパウンド１６０が流れ出すことが考えられる。そこで、この場合に、放熱ベース１４０の窪み全体が埋まるように、サーマルコンパウンド１６０を塗布しようとすると、サーマルコンパウンド１６０の塗布量が増加して、放熱ベース１４０から放熱フィン１７０への放熱性が低下してしまう。

【0093】

上記から、ショット材２２０の平均粒径は小さすぎても、大きすぎても放熱ベース１４０から放熱フィン１７０への放熱性を低下させてしまう。
よって、ショット材２２０の平均粒径は、０．３ｍｍ程度〜６ｍｍ程度であることが好ましい。また、ショット材２２０がこのような範囲である場合に、放熱ベース１４０の裏面に形成される重なり合った複数の窪みは、その算術平均粗さＲａは１μｍ〜１０μｍであり、その最大高さＲｚは１２μｍ〜７１．５μｍであることが好ましい。

【0094】

また、ショット材２２０がこのような範囲であることから、図８を踏まえると、放熱ベース１４０の裏面に形成される窪みの窪み幅は、少なくとも、０．１７ｍｍ〜０．７２ｍｍであることが好ましい。

【0095】

次に、参考例として、ショットピーニング処理を行わずに、裏面をサンドペーパーで研磨した放熱ベース１４０を熱サイクル試験装置６００により上記と同様の熱サイクル試験を行った場合の熱サイクル試験の結果について、図１４を用いて説明する。

【0096】

図１４は、参考例としてのサンドペーパーを用いた場合の熱サイクル試験の結果を示す図である。
図１４では、「サンドペーパー」に対して、「算術平均粗さＲａ（μｍ）」、「最大高さＲｚ（μｍ）」、「ポンプアウトに対する特性（耐久性、信頼性）」、「サーマルコンパウンドの濡れ性」がそれぞれ示されている。なお、ショットピーニング処理を行った場合に対して「ポンプアウトに対する特性（耐久性、信頼性）」が向上した場合には「〇」を、向上しなかった場合には「×」を記している。同様に、ショットピーニング処理を行った場合に対して「サーマルコンパウンドの濡れ性」が向上した場合には「〇」を、向上しなかった場合には「×」を記している。

【0097】

「サンドペーパー」は、その粗さが、＃４００（４００番）、＃１２００（１２００番）を用いて放熱ベース１４０の裏面の処理領域１４１が均一になるように研磨処理を行っている。

【0098】

このような場合における熱サイクル試験の結果は、図１４に示されるように、「サンドペーパー」が＃４００、＃１２００のいずれの場合において、平滑な表面の場合に比べて「ポンプアウトに対する特性」及び「サーマルコンパウンドの濡れ性」は向上する。しかし、ショットピーニング処理を行った場合に対して、「ポンプアウトに対する特性（耐久性、信頼性）」及び「サーマルコンパウンドの濡れ性」が向上しないことが認められた。サンドペーパーで放熱ベース１４０の裏面を研磨することより、一方向に延伸する溝が複数形成される。この際、半導体チップ１１０の動作発熱に基づく温度変化に応じて放熱ベース１４０が変形すると、放熱ベース１４０の裏面のサーマルコンパウンド１６０は、放熱ベース１４０の裏面に形成された溝部によりアンカー効果により密着性が向上する。しかしながら、放熱ベース１４０の裏面のサーマルコンパウンド１６０は、放熱ベース１４０の変形具合によっては、放熱ベース１４０の裏面に形成された溝部に沿って外部に押し出されてしまう。すなわち、ポンプアウトが生じてしまう。そして、このように放熱ベース１４０の裏面に複数の溝部が形成されると、放熱ベース１４０の裏面に塗布するサーマルコンパウンド１６０に対する濡れ性も均一でなくなるため、低下する。

【0099】

したがって、放熱ベース１４０の裏面をサンドペーパーで研磨する場合よりも、放熱ベース１４０の裏面にショットピーニング処理を行って、複数の小さい窪み１４１を形成して、窪み１４１が複数重なり合って構成されることで、放熱ベース１４０のサーマルコンパウンドの濡れ性を向上させ、ポンプアウトを防止することができるようになる。

【0100】

このように、上記半導体装置１００では、放熱ベース１４０の裏面に複数の窪み１４１が形成され、窪み１４１が複数重なり合って構成されている。放熱ベース１４０の裏面の複数の窪み１４１は、放熱ベース１４０の裏面にショットピーニング処理を行うことで形成される。この際のショットピーニング処理の処理条件として、ショット材２２０がＳＵＳ３０４、処理時間が２０秒、超音波振幅が７０μｍである際に、ショット材２２０の平均粒径を０．３ｍｍ〜６ｍｍとすることが好ましい。このような処理条件に基づきショットピーニング処理が行われた放熱ベース１４０の裏面にサーマルコンパウンド１６０を介して放熱フィン１７０を設けると、放熱ベース１４０の重なり合った複数の窪み１４１がアンカー効果によりサーマルコンパウンド１６０に対する密着性が向上する。このため、半導体チップ１１０の動作による半導体装置１００の温度変化に応じて、放熱ベース１４０が変形しても、放熱ベース１４０の裏面のサーマルコンパウンド１６０の外部への押し出しが抑制される。したがって、サーマルコンパウンド１６０のポンプアウトが抑制されるため、半導体装置１００の放熱性の低下が抑制され、半導体装置１００の信頼性が維持されるようになる。

【符号の説明】

【0101】

１００ 半導体装置
１１０ 半導体チップ
１２０ 積層基板
１２１ 絶縁板
１２２ 回路板
１２３ 金属板
１３０ はんだ
１４０ 放熱ベース
１４１ 窪み
１４２ ネジ孔
１４３ 処理領域
１５０ ケース
１６０ サーマルコンパウンド
１７０ 放熱フィン
２００ ショットピーニング処理装置
２１０ 超音波振動装置
２２０ ショット材

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】