TW202020106A - 半導體元件的製造方法、導熱薄片、及導熱薄片的製造方法 - Google Patents

半導體元件的製造方法、導熱薄片、及導熱薄片的製造方法 Download PDF

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Abstract

一種半導體元件的製造方法，其包括下述步驟：對其間配置有導熱薄片之發熱體及散熱體，朝向前述導熱薄片的厚度方向施加壓力，而經由前述導熱薄片來使前述發熱體與前述散熱體黏合，該導熱薄片在150℃、壓縮應力為0.10 MPa時的壓縮彈性模數為1.40 MPa以下，且在25℃時的黏力為5.0 N・mm以上。

Description

半導體元件的製造方法、導熱薄片、及導熱薄片的製造方法
本案是有關一種半導體元件的製造方法、導熱薄片、及導熱薄片的製造方法。
近年來，隨著多層線路板的線路的高密度化、對半導體封裝體進行的線路的高密度化、電子零件的搭載密度增加、因半導體元件本身的高積體化而每單位面積的發熱量增加等，而正期望提高半導體封裝體的散熱性。
其中，CPU(中央處理裝置，Central Processing Unit)、電力元件等發熱量大的半導體元件，要求優異的散熱性。此等半導體元件具有藉由下述方式來散熱的機構：將散熱膏(grease)、導熱薄片等導熱材料夾在發熱體與鋁、銅等散熱體之間並使其密合(例如參照專利文獻1～4)。 [先前技術文獻] (專利文獻)
專利文獻1：日本特開平05-247268號公報 專利文獻2：日本特開平10-298433號公報 專利文獻3：日本專利第4743344號 專利文獻4：日本專利第5316254號
[發明所欲解決的問題] 近年來，隨著半導體封裝體高性能化，而半導體晶片及半導體封裝體的大型化持續進展。因為此大型化，當使用散熱膏來作為導熱材料時，容易發生熱循環時的滲出(pump-out)，因而越來越難以保證充分的散熱性。另一方面，當使用導熱薄片來作為導熱材料時會有下述這樣的問題：由於半導體晶片或半導體封裝體的翹曲量會因發熱體大型化而增加，故導熱薄片容易從發熱體及散熱體剝離，因而不容易確保散熱性。
鑒於這樣的狀況，本案所欲解決的問題在於提供：一種散熱性優異的半導體元件的製造方法；一種導熱薄片，其能夠製造散熱性優異的半導體元件；及，該導熱薄片的製造方法。 [解決問題的技術手段]
解決上述問題的技術手段，包含下述態樣。 >1>一種半導體元件的製造方法，其包括下述步驟：對其間配置有導熱薄片之發熱體及散熱體，朝向前述導熱薄片的厚度方向施加壓力，而經由前述導熱薄片來使前述發熱體與前述散熱體黏合的步驟，該導熱薄片在150℃、壓縮應力為0.10 MPa時的壓縮彈性模數為1.40 MPa以下，且在25℃時的黏力為5.0 N・mm以上。 >2>如>1>所述之半導體元件的製造方法，其中，由藉由穩態法來測定的熱阻所求出的前述導熱薄片的導熱率為7 W/(m・K)以上。 >3>如>1>或>2>所述之半導體元件的製造方法，其中，前述壓力為0.05 MPa～10.00 MPa。 >4>如>3>所述之半導體元件的製造方法，其中，前述壓力為0.10 MPa～0.50 MPa。 >5>如>1>至>4>中任一項所述之半導體元件的製造方法，其中，前述發熱體為半導體晶片，前述散熱體為散熱器。 >6>如>1>至>5>中任一項所述之半導體元件的製造方法，其中，前述發熱體的與前述導熱薄片相對向的面的面積為25 mm2 以上。 >7>如>1>至>4>中任一項所述之半導體元件的製造方法，其中，前述發熱體為具備散熱器之半導體封裝體，前述散熱體為散熱片。 >8>如>1>至>4>中任一項所述之半導體元件的製造方法，其中，前述發熱體為半導體模組。 >9>如>1>至>8>中任一項所述之半導體元件的製造方法，其中，前述發熱體的與前述導熱薄片相對向的面的面積為100 mm2 以上。 >10>一種導熱薄片，其在150℃、壓縮應力為0.10 MPa時的壓縮彈性模數為1.40 MPa以下，且在25℃時的黏力為5.0 N・mm以上，且該導熱薄片用以配置於半導體元件的發熱體與散熱體之間來將前述發熱體與前述散熱體黏合。 >11>如>10>所述之導熱薄片，其由藉由穩態法來測定的熱阻所求出的導熱率為7 W/(m・K)以上。 >12>如>10>或>11>所述之導熱薄片，其中，前述發熱體為半導體晶片，前述散熱體為散熱器。 >13>如>10>或>11>所述之導熱薄片，其中，前述發熱體為具備散熱器之半導體封裝體，前述散熱體為散熱片。 >14>如>10>或>11>所述之導熱薄片，其中，前述發熱體為半導體模組。 >15>一種導熱薄片的製造方法，該導熱薄片用以當對其間配置有導熱薄片之發熱體及散熱體，朝向前述導熱薄片的厚度方向一邊加熱一邊施加壓力時，經由前述導熱薄片來使前述發熱體與前述散熱體黏合，該導熱薄片的製造方法包括下述步驟：以使得前述導熱薄片的壓縮量滿足下述式的方式，選擇前述導熱薄片的壓縮率及厚度， 式：C＞L2 －L1 ； 式中，L1 為加熱加壓時的前述發熱體的預測翹曲量(μm)，L2 為在結束加熱加壓後冷卻直到25℃為止時的前述發熱體的預測翹曲量(μm)，C為加熱加壓條件下的前述導熱薄片的預測壓縮量(μm)且C＝加壓前的導熱薄片的厚度(μm)×加熱加壓條件下的壓縮率(％)。 [功效]
根據本案，能夠提供：一種散熱性優異的半導體元件的製造方法；一種導熱薄片，其能夠製造散熱性優異的半導體元件；及，該導熱薄片的製造方法。
以下，詳細說明本發明的實施方式。但是，本發明並不受下述實施形態所限定。下述實施形態中，其構成要素(亦包含要素步驟等)除了有特別指明的情形以外，其餘皆非必要。數值及其範圍亦相同，並非用以限制本發明。
本案中，「步驟」的用語中，除了從其它步驟獨立出的步驟以外，即使無法與其它步驟明確區分，只要能夠達成該步驟的目的，則亦包含該步驟。 本案中，在使用「～」來表示的數值範圍中，是包含「～」前後所記載的數值來分別作為最小值及最大值。 在本案中分階段記載的數值範圍中，一個數值範圍中所記載的上限值或下限值可置換為其它分階段記載的數值範圍的上限值或下限值。此外，在本案中所記載的數值範圍中，該數值範圍的上限值或下限值可置換為實施例中揭示的值。 本案中，各成分可包含複數種相當於各成分的物質。當組成物中有複數種相當於各成分的物質存在時，各成分的含有率或含量只要未特別說明，即是意指組成物中存在的該複數種物質的合計含有率或含量。 本案中，相當於各成分的粒子可包含複數種。當組成物中有複數種相當於各成分的粒子存在時，各成分的粒徑只要未特別說明，即是意指關於組成物中存在的該複數種粒子的混合物的值。 本案中，「層」的用語中，除了在觀察該層存在的區域時形成於該區域整體的情形以外，亦包含僅形成於該區域的一部分的情形。 本案中，「積層」的用語是表示將層堆積，可為兩層以上的層結合在一起，亦可為兩層以上的層能夠分離。 本案中，當參照圖式來說明實施形態時，該實施形態的構成不限定於圖式顯示的構成。此外，各圖中，構件的大小僅為概念，構件間的大小的相對關係不限定於此。
《半導體元件的製造方法》 本案的半導體元件的製造方法，其包括下述步驟：對其間配置有導熱薄片之發熱體及散熱體，朝向前述導熱薄片的厚度方向施加壓力，而經由前述導熱薄片來使前述發熱體與前述散熱體黏合，該導熱薄片在150℃、壓縮應力為0.10 MPa時的壓縮彈性模數為1.40 MPa以下，且在25℃時的黏力為5.0 N・mm以上。若藉由本案的半導體元件的製造方法，則能夠抑制導熱薄片剝離，而能夠製造一種散熱性優異的半導體元件。
[發熱體] 本案中的發熱體為經由導熱薄片來將散熱體黏合而使其散熱的對象物。作為發熱體，可舉例如：半導體晶片、半導體封裝體、汽車用電力模組、產業用電力模組等。再者，發熱體並不一定是意指與導熱薄片相接的構件本身能夠發熱。例如：當將導熱薄片用於後述導熱材料(熱界面材料2，TIM2)用途時，雖然半導體封裝體所具備的散熱器會與導熱薄片相接，但此時，將具備該散熱器之半導體封裝體表現為「發熱體」。
發熱體的大小無特別限制。例如：當將導熱薄片用於後述導熱材料(熱界面材料1，TIM1)用途時，發熱體的與導熱薄片相對向的面的面積可為25 mm2 以上，亦可為100 mm2 以上，亦可為200 mm2 以上，亦可為400 mm2 以上。發熱體的與導熱薄片相對向的面的面積，例如可為15000 mm2 以下，亦可為5000 mm2 以下，亦可為2000 mm2 以下。 當將導熱薄片用於後述TIM2用途時，發熱體的與導熱薄片相對向的面的面積可為100 mm2 以上，亦可為400 mm2 以上，亦可為1000 mm2 以上。發熱體的與導熱薄片相對向的面的面積例如：可為40000 mm2 以下，亦可為20000 mm2 以下，亦可為5000 mm2 以下。 當將導熱薄片用於後述電力元件用途時，發熱體的與導熱薄片相對向的面的面積可為100 mm2 以上，亦可為400 mm2 以上，亦可為1000 mm2 以上。發熱體的與導熱薄片相對向的面的面積例如：可為40000 mm2 以下，亦可為20000 mm2 以下，亦可為5000 mm2 以下。
[散熱體] 本案中的散熱體為用以經由導熱薄片來使發熱體散熱的構件。作為散熱體，可舉例如：散熱器、散熱片、冷卻管等。
[導熱薄片] 本案的導熱薄片為一種薄片，其用以配置於半導體元件的發熱體與散熱體之間來將發熱體與散熱體黏合。本案中，所謂薄片，是表示非液狀的薄片狀的製品，與液狀的散熱膏等加以區分。此處，所謂液狀，是意指在25℃時的黏度為1000 Pa・s以下的物質。黏度是定義為在25℃時使用流變計以5.0 s－ 1 的剪切速度來測定時的值。黏度是使用安裝有錐板(直徑40 mm，錐角0)之旋轉式剪切黏度計，在溫度25℃測定作為剪切黏度。
當使用散熱膏來作為發熱體與散熱體之間的導熱材料時，有熱阻會隨著熱循環時的散熱膏的滲出而增加的可能性，但由於在本案的製造方法中是使用導熱薄片，故不會發生滲出。 此外，當使用薄片來作為導熱材料時，有時隨著發熱體的翹曲量增加，薄片會發生剝離而無法獲得期望的散熱性。然而，本案中所使用的導熱薄片在翹曲量增加的半導體封裝體中，亦能夠追隨翹曲而維持發熱體與散熱體之間的充分的黏合面積。藉此，能夠保證優異的散熱特性。其理由雖不一定明確，但我們認為：若將具有上述特定壓縮彈性模數及黏力的導熱薄片配置於發熱體與散熱體之間並進行加壓，則導熱薄片會充分變形，並且導熱薄片會充分黏合在發熱體及散熱體上。因此，即使在加壓後翹曲量改變，仍能夠追隨翹曲而維持黏合面積。
若能夠在導熱薄片不會從發熱體及散熱體剝離的情形下維持黏合面積，則能夠抑制接觸熱阻增加，因而能夠抑制半導體元件的散熱特性降低。因此，即使發熱體發生翹曲仍維持導熱薄片與發熱體及散熱體之間的黏合面積。
本案中所使用的導熱薄片，只要是用以配置於半導體的發熱體與散熱體之間來將發熱體與散熱體黏合即可，其用途無特別限制。導熱薄片，可為例如：配置於發熱體亦即半導體晶片與散熱體亦即散熱器之間的導熱材料(TIM1：Thermal Interface Material 1，熱界面材料1)。此外，亦可為配置於發熱體亦即具備散熱器之半導體封裝體與散熱體亦即散熱片之間的導熱材料(TIM2：Thermal Interface Material 2，熱界面材料2)。並且，亦可為配置於發熱體亦即半導體模組與散熱體之間的導熱材料(電力元件用導熱材料等)。
其中，TIM1以往一直是使用散熱膏，在TIM1的領域中，隨著發熱體的大型化，已難以藉由散熱膏來保證充分的散熱性，因而本案中所使用的導熱薄片特別有用。
使用第1圖來說明當使用導熱薄片來作為TIM1時的導熱薄片的使用形態的具體例。以下述方式使用導熱薄片1：使其中一面密合在半導體晶片2(發熱體)，並使另一面密合在散熱器3(散熱體)。第1圖中，半導體晶片2(發熱體)經使用底部填充材料5來固定在基板4，散熱器3(散熱體)經密封材料6來固接在基板4，且經按壓來提高導熱薄片1與半導體晶片2及散熱器3之間的密合性。發熱體與散熱體經由導熱薄片來積層在一起，即能夠效率良好地將來自發熱體的熱量傳導至散熱體。若能夠效率良好地導熱，則能夠提供一種半導體元件，其在使用半導體元件時的壽命提高，且在長期使用時亦會安定地發揮功能。
本案中所使用的導熱薄片，在150℃、壓縮應力為0.10 MPa時的壓縮彈性模數為1.40 MPa以下，且在25℃時的黏力為5.0 N・mm以上。我們認為：壓縮彈性模數及黏力滿足上述範圍，藉此，即使在發熱體的翹曲量增加的半導體元件中，導熱薄片亦能夠對發熱體及散熱體維持密合性，而能夠維持黏合面積。我們認為：藉此能夠保證散熱性。
我們認為：若在150℃、壓縮應力為0.10 MPa時的壓縮彈性模數為1.40 MPa以下，則柔軟性優異，當施加壓力(加壓)時導熱薄片容易變形，而更容易密合在發熱體及散熱體。並且，我們認為：即使加壓後發熱體的翹曲增加，導熱薄片仍會安定地密合在發熱體及散熱體，而能夠抑制黏合面積降低。
導熱薄片，其在150℃、壓縮應力為0.10 MPa時的壓縮彈性模數為1.40 MPa以下，以1.30 MPa以下為佳，以1.20 MPa以下較佳。若上述壓縮彈性模數為1.20 MPa以下，則會更加提高密合性，而容易追隨翹曲。在150℃、壓縮應力為0.10 MPa時的壓縮彈性模數的下限無特別限制。上述壓縮彈性模數可為0.50 MPa以上，亦可為0.70 MPa以上。
導熱薄片的壓縮彈性模數，能夠使用壓縮測試裝置(例如INSTRON 5948 Micro Tester(INSTRON公司))來進行測定。對導熱薄片朝向厚度方向以0.1 mm/min的位移速度來施加負載，並測定位移(mm)與負載(N)。將由位移(mm)/厚度(mm)所求出的應變(無因次)顯示在橫軸，將由負載(N)/面積(mm2 )所求出的應力(MPa)顯示在縱軸，並將規定應力時的斜率設為壓縮彈性模數(MPa)。具體而言，能夠以例如實施例中所記載的方法來進行測定。
導熱薄片在25℃時的黏力為5.0 N・mm以上，以6.0 N・mm以上為佳，以7.0 N・mm以上較佳。若黏力為5.0 N・mm以上，則有下述傾向：在發生翹曲而發熱體與散熱體的間隔增加時，能夠抑制導熱薄片從發熱體及散熱體剝離。黏力的上限值無特別限制。上述黏力可為20.0 N・mm以下，亦可為15.0 N・mm以下。
導熱薄片在25℃時的黏力，能夠使用萬能物性測試機(例如質構儀(texture analyzer)(英弘精機股份有限公司))來進行測定。在25℃(常溫)時，以負載40 N來將直徑7 mm的探針按壓在導熱薄片並保持10秒後，對將探針提起時的負載與位移曲線進行積分而獲得面積後，將該面積設為在25℃時的黏力(N・mm)。具體而言，能夠以例如實施例中所記載的方法來進行測定。
導熱薄片在150℃、壓縮應力為0.10 MPa時的壓縮彈性模數為1.40 MPa以下，且在25℃時的黏力為5.0 N・mm以上，獲得該導熱薄片的方法無特別限制，能夠藉由例如下述方式來獲得：調整導熱薄片中所使用的導熱性填料、樹脂等各成分的種類及調配比例。
導熱薄片的導熱率無特別限制，越高則越佳。由藉由穩態法來測定的熱阻所求出的導熱薄片的導熱率以7 W/(m・K)以上為佳，以10 W/(m・K)以上較佳，以15 W/(m・K)以上更佳。若導熱率為7 W/(m・K)以上，則有下述傾向：即使為了提高對發熱體的翹曲追隨性而增加導熱薄片的厚度，仍容易抑制熱阻上升。
本案中，導熱薄片的導熱率，具體而言，是以下述方式求出。 將導熱薄片削切成10 mm見方，並夾在發熱體亦即電晶體(2SC2233)與散熱體亦即銅塊之間後，一面在80℃以0.14 MPa的壓力來將電晶體按壓一面測定通入電流時的電晶體的溫度T1(℃)及銅塊的溫度T2(℃)。基於測定值與施加電力W1(W)，以下述方式算出每單位面積(1 cm2 )的熱阻值X(K・cm2 /W)。 X＝(T1－T2)×1/W1 進一步使用厚度t(μm)來以下述方式算出導熱率λ(W/(m・K))。 λ＝(t×10－ 6 )/(X×10－ 4 )
導熱薄片的厚度無特別限制，能夠依所使用的半導體封裝體等的規格來適當選擇。有厚度越小則熱阻越降低的傾向，且有厚度越大則翹曲追隨性越提高的傾向。導熱薄片的平均厚度可為50 μm～3000 μm，從導熱性及密合性的觀點來看，以100 μm～500 μm為佳，以150 μm～300 μm較佳。導熱薄片的平均厚度是使用測微計來測定3處的厚度並以其算術平均值的形式來獲得。導熱薄片的厚度，亦可如後所述基於發熱體的翹曲量來選擇。
導熱薄片的壓縮量無特別限制。例如：在150℃、壓縮應力為0.10 MPa時的壓縮量可為20 μm～1000 μm，亦可為30 μm～200 μm，亦可為40 μm～100 μm。在150℃、壓縮應力為0.15 MPa時的壓縮量亦可為上述值。 所謂導熱薄片的「壓縮量」，是指朝向導熱薄片的厚度方向施加壓力時的導熱薄片的壓縮量，且為從施加壓力前的導熱薄片的厚度減去已施加壓力時的導熱薄片的厚度而得的值。
導熱薄片的壓縮率無特別限制。例如：在150℃、壓縮應力為0.10 MPa時的壓縮率可為10％～60％，亦可為15％～50％，亦可為15％～40％。在150℃、壓縮應力為0.15 MPa時的壓縮率亦可為上述值。 所謂導熱薄片的「壓縮率」，是指上述壓縮量(μm)相對於施加壓力前的導熱薄片的厚度(μm)的比例(％)。
為了保護黏著面，導熱薄片可準備下述來使用：至少其中一面具有保護薄膜之物。此時，將保護薄膜剝離後的導熱薄片用於將發熱體與散熱體黏合。作為保護薄膜，能夠使用例如：聚乙烯、聚酯、聚丙烯、聚對苯二甲酸乙二酯、聚醯亞胺、聚醚醯亞胺、聚醚萘二甲酸酯、甲基戊烯、聚四氟乙烯、乙烯-四氟乙烯共聚物、全氟烷氧基烷等的樹脂薄膜、塗佈紙、塗佈布；及，鋁等金屬箔。此等保護薄膜可單獨使用1種、或組合2種以上來製作成多層薄膜。保護薄膜較佳是經矽氧系、矽石系等脫模劑等來進行表面處理。
只要導熱薄片滿足上述特定壓縮彈性模數及黏力，導熱薄片的組成即無特別限定。可舉例如一種導熱薄片，其含有樹脂及導熱性填料。
作為導熱性填料，可舉例如：氮化鋁、氧化鋁、氮化硼、氧化鈦、氧化鋅、碳化矽、矽、氧化矽、矽石、玻璃、金屬粒子、碳纖維、石墨、石墨烯、奈米碳管等。導熱性填料可經實施表面處理。導熱性填料可單獨使用1種或併用2種以上。
導熱性填料的形狀無特別限定，可舉例如：球狀、橢圓體狀、鱗片狀、顆粒狀、棒狀、針狀、纖維狀等。
導熱性填料的平均粒徑無特別限制，較佳是因應導熱性填料的材質等來設定。
導熱性填料的縱橫比(長徑/短徑)無特別限制，可在1～100的範圍內，亦可在5～50的範圍內，亦可在10～40的範圍內。導熱性填料的縱橫比是設為下述測定值的算術平均值，該等測定值是使用掃描型電子顯微鏡(SEM)來對20個代表性的粒子分別測定長徑相對於短徑的長度的比(長徑/短徑)而得。
從導熱性的觀點來看，導熱性填料較佳是已朝向導熱薄片的厚度方向定向。本案中，所謂「已朝向厚度方向定向」，是指在具有長軸和短軸(亦即縱橫比超過1)的導熱性填料中，導熱性填料的長軸方向與導熱性薄片的表面(主面)所夾的角度(亦稱為「定向角度」)為60以上。定向角度以80以上為佳，以85，以88。
導熱薄片中的導熱性填料的含量，較佳是：因應導熱性填料的材質等，從導熱性與密合性之間的平衡等的觀點來適當選擇。例如：相對於導熱薄片的總體積，導熱性填料的含有率可為25體積％～75體積％，亦可為30體積％～60體積％，亦可為35體積％～50體積％。
作為導熱薄片中所含的樹脂無特別限制，可為例如硬化性樹脂或非硬化性樹脂。作為樹脂，可舉例如：環氧樹脂、矽氧樹脂、丙烯酸系樹脂、聚醯亞胺樹脂、雙馬來醯亞胺樹脂、苯并環丁烯樹脂、酚樹脂、不飽和聚酯、鄰苯二甲酸二烯丙酯樹脂、聚胺酯(polyurethane)、聚醯亞胺矽氧樹脂、熱硬化型聚苯醚、熱硬化型改質聚苯醚、聚丁烯、聚異戊二烯、聚硫醚、丙烯腈橡膠、矽氧橡膠、烴樹脂、萜烯樹脂、萜烯酚樹脂、氫化萜烯酚等。樹脂可單獨使用1種或併用2種以上。
導熱薄片中的樹脂的含量，較佳是因應樹脂的種類及期望的柔軟性、黏著力、密合性、薄片強度、耐水解性等來選擇。例如：相對於導熱薄片的總體積，樹脂的含有率以25體積％～75體積％為佳，以40體積％～70體積％較佳，以50體積％～65體積％更佳。
導熱薄片除了導熱性填料及樹脂以外，還可含有難燃劑、抗氧化劑等各種添加劑。難燃劑無特別限定，能夠從一般使用的難燃劑適當選擇。可舉例如：紅磷系難燃劑及磷酸酯系難燃劑。其中，從安定性優異且密合性會因塑化效果而提高的觀點來看，以磷酸酯系難燃劑為佳。
導熱薄片的製造方法，只要為能夠獲得具有上述特定壓縮彈性模數及黏力的導熱薄片的方法，則無特別限制。可例如：準備含有導熱薄片的各成分之組成物，並藉由壓延、加壓、擠壓、塗佈等來製作薄片。 此外，可藉由下述方式來製作薄片：使用含有導熱薄片的各成分之組成物來成形為成形體，並將該成形體切片。此時，較佳是：以使導熱性填料朝向厚度方向定向的方式將成形體切片。
一實施形態中，導熱薄片可藉由下述方式來製造：準備含有導熱薄片的各成分之組成物，並將該組成物薄片化而獲得薄片後，將前述薄片積層而製作積層體，並將該積層體的側端面切片。以這樣的方法來製造導熱薄片，而有會形成有效率的導熱路徑並能夠獲得導熱性及密合性優異的導熱薄片的傾向。並且，亦可將所獲得的導熱薄片黏貼在保護薄膜後層合。
[發熱體及散熱體的黏合方法] 本案中的半導體元件的製造方法中，對其間配置有導熱薄片之發熱體及散熱體，朝向前述導熱薄片的厚度方向施加壓力，而經由前述導熱薄片來使前述發熱體與前述散熱體黏合。 本案中，所謂黏合，是指複數個面藉由化學性或物理性的力或其兩者來相接在一起的狀態。若藉由本案中的半導體元件的製造方法，則有能夠將發熱體與導熱薄片、散熱體與導熱薄片、或此等兩者的黏合面積維持良好的傾向。經由導熱薄片來使發熱體與散熱體黏合並組裝半導體元件時的黏合面積，較佳為發熱體或散熱體的與導熱薄片相對向的面的面積中的80％以上，更佳為發熱體或散熱體的與導熱薄片相對向的面的面積中的85％以上，進一步更佳為發熱體或散熱體的與導熱薄片相對向的面的面積中的90％以上，特佳為發熱體或散熱體的與導熱薄片相對向的面的面積中的95％以上。
作為將導熱薄片配置於發熱體與散熱體之間的方法，可首先將導熱薄片配置於發熱體上後，經由該導熱薄片來配置散熱體，亦可首先將導熱薄片配置於散熱體上後，經由該導熱薄片來配置發熱體。 對1片導熱薄片，發熱體及散熱體可分別為1個，發熱體及散熱體之中的任一方或雙方亦可為複數個。
對其間配置有導熱薄片之發熱體及散熱體，朝向導熱薄片的厚度方向施加壓力，而經由導熱薄片來使發熱體與散熱體黏合。此時，可從發熱體側施加壓力，亦可從散熱體側施加壓力。
從導熱薄片的密合性及降低對電子零件的負載的觀點來看，對導熱薄片的厚度方向施加的壓力以0.05 MPa～10.00 MPa為佳，以0.10 MPa～5.00 MPa較佳，以0.10 MPa～1.00 MPa更佳。從降低對電子零件的負載的觀點來看，以0.10 MPa～0.50 MPa特佳。從保證導熱薄片的密合性的觀點來看，可因應導熱薄片來調整壓力。例如：導熱薄片的厚度為200 μm以上時將壓力設為0.20 MPa以下，導熱薄片的厚度未達200 μm時將壓力設為超過0.20 MPa。
施加壓力時的溫度無特別限制，較佳是因應導熱薄片的種類來選擇合適的溫度範圍。施加壓力時的溫度可為常溫，從提高壓縮率的觀點來看，以經加熱的溫度為佳。作為經加熱的溫度，例如：可為80℃～200℃，亦可為100℃～190℃，亦可為120℃～180℃。
其中，較佳是在120℃～180℃的溫度範圍內施加0.10 MPa～1.00 MPa的壓力。將壓力設為0.10 MPa以上或將加熱溫度設為120℃以上，而有能夠獲得優異密合性的傾向。此外，壓力為1.00 MPa以下或加熱溫度為180℃以下，而有更加提高密合的可靠性的傾向。我們認為其原因為能夠抑制下述：導熱薄片被過度壓縮而厚度變薄、或周邊構件的應變或殘留應力過大。
施加壓力時，例如在150℃施加0.10 MPa的壓力時的發熱體的翹曲量，例如：可為10 μm以上，亦可為20 μm以上，亦可為25 μm以上。此外，施加壓力時，例如在150℃施加0.10 MPa的壓力時的發熱體的翹曲量，可為80 μm以下，亦可為70 μm以下，亦可為60 μm以下。在150℃施加0.15 MPa的壓力時的發熱體的翹曲量，亦可在上述範圍內。
將壓力釋放後的發熱體的翹曲量，例如：可為40 μm以上，亦可為50 μm以上，亦可為60 μm以上。此外，將壓力釋放後的發熱體的翹曲量，可為150 μm以下，亦可為140 μm以下，亦可為130 μm以下。當將壓力釋放後翹曲量會隨著溫度改變而改變時，上述「將壓力釋放後的發熱體的翹曲量」是設為25℃時的翹曲量。
在將發熱體與散熱體黏合的步驟中，施加壓力時的發熱體的翹曲量與將壓力釋放後的發熱體的翹曲量之間的差值可為30 μm以上，亦可為40 μm以上，亦可為45 μm以上。此外，上述差值的上限值可為例如120 μm以下。
所謂發熱體的「翹曲量」，是表示發熱體翹曲變形時的發熱體的厚度方向的最大變形量(μm)。 使用第2圖來說明當將導熱薄片用於TIM1用途時的翹曲量的測定方法的一例。如下所述，翹曲量能夠依照搭載有發熱體之基板的變形量來進行測定。翹曲量的分析範圍是設為從基板側觀察時搭載有發熱體之部分(發熱體部分a)。將下述定義為翹曲量b：在發熱體部分a，基板的厚度方向的變形量最大的部分與發熱體的端部之間的位移差。 翹曲量越大，則翹曲發生時導熱薄片越容易從發熱體及散熱體剝離。本案中所使用的導熱薄片有下述傾向：即使發熱體的翹曲量增加，仍不會從發熱體及散熱體剝離，而能夠將黏合面積維持良好。
用以經由前述導熱薄片來使發熱體與散熱體黏合的具體方法，只要為能夠將各個散熱體及發熱體在充分密合的狀態下固定的方法，則無特別限制。可舉例如：將導熱薄片配置於發熱體與散熱體之間，並以能夠加壓至0.05 MPa～1.00 MPa左右的治具來固定後，在此狀態下使發熱體發熱、或使用烘箱等來加熱至80～180℃左右的方法。此外，可舉例如：使用能夠在以80～180℃、0.05 MPa～1.00 MPa加熱並加壓的加壓機的方法。
固定，除了夾子以外，亦可使用螺絲、彈簧等治具，在能夠使其持續密合的觀點上，較佳是經以黏合劑等一般使用的手段來進一步固定。
半導體元件能夠以下述方式來製造：如上所述，使用一種已經由導熱薄片來黏合的發熱體及散熱體。半導體元件的種類無特別限制，可舉例如：搭載有CPU、記憶體等積體電路(IC)之電子材料。此外，可舉例如：雙極電晶體、電力金屬氧化物半導體場效電晶體(power MOSFET)、絕緣閘極雙極電晶體(IGBT)等電力元件。
《導熱薄片的製造方法》 本案的一實施形態中，關於一種導熱薄片的製造方法，該導熱薄片用以對其間配置有導熱薄片之發熱體及散熱體，朝向前述導熱薄片的厚度方向一面加熱一面施加壓力時，經由前述導熱薄片來使前述發熱體與前述散熱體黏合，該導熱薄片的製造方法包括下述步驟：以使得前述導熱薄片的壓縮量滿足下述式的方式，選擇前述導熱薄片的壓縮率及厚度， 式：C＞L2 －L1 式中，L1 為加熱加壓時的前述發熱體的預測翹曲量(μm)，L2 為在結束加熱加壓後冷卻直到25℃為止時的前述發熱體的預測翹曲量(μm)，C為加熱加壓條件下的前述導熱薄片的預測壓縮量(μm)且C＝加壓前的導熱薄片的厚度(μm)×加熱加壓條件下的壓縮率(％)。
所謂加熱加壓時的發熱體的預測翹曲量(L1 )，是表示在預測的壓力及溫度條件下的發熱體的預測翹曲量。例如：當預測在150℃以0.10 MPa來施加壓力而經由導熱薄片來使發熱體與散熱體黏合時，是指在150℃以0.10 MPa來施加壓力的條件下的預測翹曲量。此外，當預測在150℃以0.15 MPa來施加壓力而經由導熱薄片來使發熱體與散熱體黏合時，是指在150℃以0.15 MPa來施加壓力的條件下的預測翹曲量。 加熱加壓時的發熱體的預測翹曲量(L1 )，例如：可為10 μm以上，亦可為20 μm以上，亦可為25 μm以上。此外，加熱加壓時的發熱體的預測翹曲量(L1 )可為80 μm以下，亦可為70 μm以下，亦可為60 μm以下。
在結束加熱加壓後冷卻直到25℃為止時的發熱體的預測翹曲量(L2 )，例如：可為40 μm以上，亦可為50 μm以上，亦可為60 μm以上。此外，在結束加熱加壓後冷卻直到25℃為止時的發熱體的預測翹曲量(L2 )，可為150 μm以下，亦可為140 μm以下，亦可為130 μm以下。
上述L1 與L2 之間的差值(L2 －L1 )可為30 μm以上，亦可為40 μm以上，亦可為45 μm以上。此外，上述差值的上限值可為例如120 μm以下。
加熱加壓條件下的導熱薄片的預測壓縮量(C)，是指在預測的壓力及溫度條件下的導熱薄片的壓縮量。例如：當預測在150℃以0.10 MPa來施加壓力而經由導熱薄片來使發熱體與散熱體黏合時，是指在150℃、0.10 MPa的條件下的壓縮量。此外，當預測在150℃以0.15 MPa來施加壓力而經由導熱薄片來使發熱體與散熱體黏合時，是指在150℃、0.15 MPa的條件下的壓縮量。 加熱加壓條件下的導熱薄片的預測壓縮量(C)，例如：可為20 μm～1000 μm，亦可為30 μm～200 μm，可為40 μm～100 μm。
所謂加壓前的導熱薄片的厚度，是指加壓前的導熱薄片的平均厚度。導熱薄片的厚度的較佳範圍是如前所述。
導熱薄片的壓縮率的較佳範圍是如前所述。
我們認為：以上述方式選擇壓縮率及厚度而製得的導熱薄片，由於在使發熱體與散熱體黏合的步驟中會追隨發熱體的翹曲量變化，故具有充分的壓縮量，因此能夠合適地抑制導熱薄片剝離。 [實施例]
以下，藉由實施例來詳細說明本發明，但本發明並不受此等實施例所限定。再者，各實施例中，壓縮彈性模數、壓縮量、黏力、導熱率、翹曲量、及黏合面積的評估，是藉由下述方法來進行。
(壓縮彈性模數及壓縮量的測定) 測定時是使用附有恆溫槽之壓縮測試裝置(INSTRON 5948 Micron Tester(INSTRON公司))。將導熱薄片切割成直徑14 mm的圓形來用於測試。將導熱薄片夾在0.1 mm厚的紙(脫模紙)，並在恆溫槽的溫度150℃，對導熱薄片的厚度方向以0.1 mm/min的位移速度來施加負載，並測定位移(mm)及負載(N)。將由位移(mm)/厚度(mm)所求出的應變(無因次)顯示在橫軸，將由負載(N)/面積(mm2 )所求出的應力(MPa)顯示在縱軸，並將應力為0.10 MPa時的斜率設為壓縮彈性模數(MPa)。此外，將壓縮直到任意壓力為止時的最大位移設為壓縮量(μm)。
(黏力的測定) 使用萬能物性測試機(質構儀(英弘精機股份有限公司))，在25℃(常溫)時，以負載40 N來將直徑7 mm的探針按壓在導熱薄片並保持10秒後，對將探針提起時的負載與位移曲線進行積分而獲得面積後，將該面積設為黏力(N・mm)。
(導熱率的測定) 將導熱薄片削切成10 mm見方，並夾在發熱體亦即電晶體(2SC2233)與散熱體亦即銅塊之間後，一面在80℃以0.14 MPa的壓力來將電晶體按壓一面測定通入電流時的電晶體的溫度T1(℃)及銅塊的溫度T2(℃)。依照測定值及施加電力W1(W)，以下述方式算出每單位面積(1 cm2 )的熱阻值X(K・cm2 /W)。 X＝(T1－T2)×1/W1 進一步使用熱阻值(K・cm2 /W)及厚度t(μm)來以下述方式算出導熱率λ(W/(m・K))。 λ＝(t×10－ 6 )/(X×10－ 4 )
(翹曲量的測定) 翹曲量是使用3D加熱表面形狀測定裝置(TherMoiré PS200，AKROMETRIX公司)來進行測定。測定對應於晶片面積部(20 mm×20 mm)之基板的翹曲量。 組裝封裝體的條件亦即150℃時的晶片面積部之基板的翹曲量為29 μm。此外，組裝後的25℃時的晶片面積部之基板的翹曲量為75 μm。因此，上述翹曲量之間的差值為46 μm。
(黏合面積評估測試) 黏合面積是以下述方式進行評估。使用超音波影像診斷裝置(Insight-300，Insight股份有限公司)，以反射法在35 MHz的條件下觀察黏貼狀態。並且，藉由影像分析軟體(Image J)來使該圖像二值化，並分別算出20 mm見方的晶片部分中的已黏貼的面積的比例後，設為黏合面積(％)。
黏合面積評估測試，是使用以下述方式製得的簡易封裝體。 基板是使用MCL-E-700G(R)(厚度0.81 mm，日立化成股份有限公司)，底部填充材料是使用CEL-C-3730N-2(日立化成股份有限公司)，密封材料是使用矽氧系黏合劑(SE4450，Dow Corning Toray股份有限公司)。此外，散熱器是使用經以鎳來對厚度1 mm的銅板的表面進行鍍覆處理之物。將基板及散熱器的大小設為45 mm見方，將半導體晶片大小設為20 mm見方。此時，在150℃施加0.15 MPa的壓力時的發熱體的翹曲量為29 μm，將壓力釋放後冷卻直到25℃為止時的發熱體的翹曲量為75 μm。
封裝體的組裝是以下述方式進行。將任意厚度的導熱薄片削切成23 mm見方，並黏貼在散熱器。經由導熱薄片來將半導體晶片配置於散熱器。使用高精度加壓加熱接合裝置(HTB-MM，ALPHA DESIGN股份有限公司)以任意溫度及壓力來朝向導熱薄片的厚度方向加壓3分鐘。然後，在150℃的恆溫槽中進行處理2小時，而使密封材料完全硬化。
>實施例1> 選擇日立化成股份有限公司製的厚度0.3 mm的導熱薄片，在150℃、0.15 MPa的條件下，以上述方法來組裝封裝體，並使導熱薄片黏合在發熱體亦即半導體晶片及散熱體亦即散熱器上，該導熱薄片在150℃、壓縮應力為0.10 MPa時的壓縮彈性模數為1.16 MPa，且在25℃時的黏力為7.6 N・mm，導熱率為21 W/(m・K)。此時，黏合面積為99％。翹曲追隨性的指標亦即黏合面積顯示90％以上，顯示優異的翹曲追隨性。在150℃、0.15 MPa壓縮時的導熱薄片的壓縮率為19％，導熱薄片的壓縮量為57 μm。
>實施例2> 選擇日立化成股份有限公司製的厚度0.2 mm的導熱薄片，在150℃、0.15 MPa的條件下，以上述方法來組裝封裝體，並使導熱薄片黏合在發熱體亦即半導體晶片及散熱體亦即散熱器上，該導熱薄片在150℃、壓縮應力為0.10 MPa時的壓縮彈性模數為1.16 MPa，且在25℃時的黏力為7.6 N・mm，導熱率為18 W/(m・K)。此時，黏合面積為95％。翹曲追隨性的指標亦即黏合面積顯示90％以上，顯示優異的翹曲追隨性。在150℃、0.15 MPa壓縮時的導熱薄片的壓縮率為21％，導熱薄片的壓縮量為47 μm。
>實施例3> 選擇日立化成股份有限公司製的厚度0.15 mm的導熱薄片，在150℃、0.31 MPa的條件下，以上述方法來組裝封裝體，並使導熱薄片黏合在發熱體亦即半導體晶片及散熱體亦即散熱器上，該導熱薄片在150℃、壓縮應力為0.10 MPa時的壓縮彈性模數為1.16 MPa，且在25℃時的黏力為7.6 N・mm，導熱率為16 W/(m・K)。此時，黏合面積為90％。在150℃、0.31 MPa壓縮時的導熱薄片的壓縮率為35％，導熱薄片的壓縮量為52 μm。
>比較例1> 選擇液狀的導熱率2 W/(m・K)的矽膏(散熱膏，SANWA SUPPLY公司製，TK-93K(商品名稱))來作為導熱材料，在150℃、0.03 MPa的條件下，以上述方法來組裝封裝體，並使其黏合在發熱體亦即半導體晶片及散熱體亦即散熱器上。再者，由於為液狀，故壓縮彈性模數及黏力無法測定。組裝後的矽膏的厚度為40 μm，黏合面積為63％。
>比較例2> 選擇日立化成股份有限公司製的厚度0.3 mm的導熱薄片，在150℃、0.15 MPa的條件下，以上述方法來組裝封裝體，並使導熱薄片黏合在發熱體亦即半導體晶片及散熱體亦即散熱器上，該導熱薄片在150℃、壓縮應力為0.10 MPa時的壓縮彈性模數為1.44 MPa，且在25℃時的黏力為7.2 N・mm，導熱率為20 W/(m・K)。此時，黏合面積為72％。在150℃、0.15 MPa壓縮時的導熱薄片的壓縮率為13％，導熱薄片的壓縮量為40 μm。
>比較例3> 選擇日立化成股份有限公司製的厚度0.3 mm的導熱薄片，在150℃、0.15 MPa的條件下，以上述方法來組裝封裝體，並使導熱薄片黏合在發熱體亦即半導體晶片及散熱體亦即散熱器上，該導熱薄片在150℃、壓縮應力為0.10 MPa時的壓縮彈性模數為1.73 MPa，且在25℃時的黏力為1.8 N・mm，導熱率為23 W/(m・K)。此時，黏合面積為74％。在150℃、0.15 MPa壓縮時的導熱薄片的壓縮率為13％，導熱薄片的壓縮量為44 μm。 >比較例4> 選擇日立化成股份有限公司製的厚度0.3 mm的導熱薄片，在150℃、0.15 MPa的條件下，以上述方法來組裝封裝體，並使導熱薄片黏合在發熱體亦即半導體晶片及散熱體亦即散熱器上，該導熱薄片在150℃、壓縮應力為0.10 MPa時的壓縮彈性模數為1.35 MPa，且在25℃時的黏力為3.8 N・mm，導熱率為18 W/(m・K)。此時，黏合面積為78％。在150℃、0.15 MPa壓縮時的導熱薄片的壓縮率為16％，導熱薄片的壓縮量為48 μm。
如上所述，當使用實施例的方法來使發熱體與散熱體黏合時，能夠維持良好的黏合面積。我們認為：藉此，能夠獲得散熱性優異的半導體元件。
本說明書中所記載的全部文獻、專利申請案及技術規格是藉由參照來將各個文獻、專利申請案及技術規格具體地且與分別記載的情形相同程度地援用於本說明書中。
1:導熱薄片 2:半導體晶片(發熱體) 3:散熱器(散熱體) 4:基板 5:底部填充材料 6:密封材料 a:發熱體部分(分析範圍) b:翹曲量
第1圖顯示當使用導熱薄片來作為導熱材料(熱界面材料1)時的半導體元件的概略剖面圖。 第2圖是針對使用導熱薄片來作為導熱材料(熱界面材料1)的半導體元件，顯示用以說明翹曲量的圖。
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Claims (15)

  1. 一種半導體元件的製造方法，其包括下述步驟：對其間配置有導熱薄片之發熱體及散熱體，朝向前述導熱薄片的厚度方向施加壓力，而經由前述導熱薄片來使前述發熱體與前述散熱體黏合，該導熱薄片在150℃、壓縮應力為0.10 MPa時的壓縮彈性模數為1.40 MPa以下，且在25℃時的黏力為5.0 N・mm以上。
  2. 如請求項1所述之半導體元件的製造方法，其中，由藉由穩態法來測定的熱阻所求出的前述導熱薄片的導熱率為7 W/(m・K)以上。
  3. 如請求項1或2所述之半導體元件的製造方法，其中，前述壓力為0.05 MPa～10.00 MPa。
  4. 如請求項3所述之半導體元件的製造方法，其中，前述壓力為0.10 MPa～0.50 MPa。
  5. 如請求項1至4中任一項所述之半導體元件的製造方法，其中，前述發熱體為半導體晶片，前述散熱體為散熱器。
  6. 如請求項1至5中任一項所述之半導體元件的製造方法，其中，前述發熱體的與前述導熱薄片相對向的面的面積為25 mm2 以上。
  7. 如請求項1至4中任一項所述之半導體元件的製造方法，其中，前述發熱體為具備散熱器之半導體封裝體，前述散熱體為散熱片。
  8. 如請求項1至4中任一項所述之半導體元件的製造方法，其中，前述發熱體為半導體模組。
  9. 如請求項1至8中任一項所述之半導體元件的製造方法，其中，前述發熱體的與前述導熱薄片相對向的面的面積為100 mm2 以上。
  10. 一種導熱薄片，其在150℃、壓縮應力為0.10 MPa時的壓縮彈性模數為1.40 MPa以下，且在25℃時的黏力為5.0 N・mm以上，且該導熱薄片用以配置於半導體元件的發熱體與散熱體之間來將前述發熱體與前述散熱體黏合。
  11. 如請求項10所述之導熱薄片，其由藉由穩態法來測定的熱阻所求出的導熱率為7 W/(m・K)以上。
  12. 如請求項10或11所述之導熱薄片，其中，前述發熱體為半導體晶片，前述散熱體為散熱器。
  13. 如請求項10或11所述之導熱薄片，其中，前述發熱體為具備散熱器之半導體封裝體，前述散熱體為散熱片。
  14. 如請求項10或11所述之導熱薄片，其中，前述發熱體為半導體模組。
  15. 一種導熱薄片的製造方法，該導熱薄片用以當對其間配置有導熱薄片之發熱體及散熱體，朝向前述導熱薄片的厚度方向一邊加熱一邊施加壓力時，經由前述導熱薄片來使前述發熱體與前述散熱體黏合，該導熱薄片的製造方法包括下述步驟：以使得前述導熱薄片的壓縮量滿足下述式的方式，選擇前述導熱薄片的壓縮率及厚度， 式：C＞L2 －L1 ； 式中，L1 為加熱加壓時的前述發熱體的預測翹曲量(μm)，L2 為在結束加熱加壓後冷卻直到25℃為止時的前述發熱體的預測翹曲量(μm)，C為加熱加壓條件下的前述導熱薄片的預測壓縮量(μm)且C＝加壓前的導熱薄片的厚度(μm)×加熱加壓條件下的壓縮率(％)。
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