DE102011077504B4 - Isolierelement, metallbasissubstrat und halbleitermodul sowie deren herstellungsverfahren - Google Patents

Isolierelement, metallbasissubstrat und halbleitermodul sowie deren herstellungsverfahren Download PDF

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Abstract

Isolierelement mit:
einem Epoxyharz;
einem ersten anorganischen Füllstoff, der in dem Epoxyharz verteilt ist und einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1 bis 99 nm aufweist; und
einem zweiten anorganischen Füllstoff, der in dem Epoxyharz verteilt ist und einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 0,1 bis 100 µm aufweist, wobei
der erste und zweite anorganische Füllstoff voneinander unabhängig sind und zumindest einen darstellen, der ausgewählt ist aus einer Gruppe, die Al2O3, SiO2, BN, AIN und Si3N4 beinhaltet, und das Mischungsverhältnis des ersten anorganischen Füllstoffs in einem Bereich von 3 bis 6 Gew.-%, mit dem Gewicht des Isolierelements als 100%, liegt und das Mischungsverhältnis des zweiten anorganischen Füllstoffs in einem Bereich von 80 bis 95 Gew.-%, mit dem Gewicht des Isolierelements als 100%, liegt.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Isolierelement, ein Metallbasissubstrat und ein Halbleitermodul sowie deren Herstellungsverfahren.
  • Verwandte Technik
  • In Leistungsversorgungsvorrichtungen verwendete Halbleitermodule werden in einem weiten Umfeld eingesetzt, von Verbrauchergeräten, wie etwa häusliche Klimaanlagen und Kühlgeräten, bis zu industriellen Instrumenten, wie etwa Wechselrichtern und Servoreglern. Vom Stromverbrauch her gesehen, wird ein Halbleitermodul an einem Verdrahtungssubstrat, wie etwa einem Metallbasissubstrat oder Keramiksubstrat, montiert. Ein oder mehrere Schaltungselemente, wie etwa ein Leistungshalbleiterelement, wird an dem Verdrahtungssubstrat montiert, ein Kunststoffgehäuserahmen wird befestigt und das Halbleitermodul wird vervollständigt, indem es mit einem Siliciumgel, einem Epoxyharz oder dergleichen abgedichtet wird.
  • Zur Senkung der Herstellungskosten ist ein unter Anwendung eines Transferverfahrens komplett vergossenes Halbleitermodul entwickelt worden (siehe JP H09-139461 A , Absatz 0038, 1 und 18). Mit einem komplett vergossenen Halbleitermodul sind ein Leiterrahmen und eine Wärmesenke unbeweglich verbunden und ihre elektrische Isolierung ist sichergestellt. 4 bis 6 zeigen ein Beispiel eines bereits bekannten komplett vergossenen Halbleitermoduls 40.
  • In dem in 4 gezeigten Beispiel sind mehrere Schaltungselemente 46, wie etwa Leistungshalbleiterelemente oder Treiber-ICs, an einem Leiterrahmen 47 angebracht und miteinander durch einen Verbindungsdraht 48 verbunden. Nachdem die Baugruppe in einer vorgegebenen Gießform platziert wurde, wird ein komplett vergossenes Halbleitermodul 40a vervollständigt, indem ein Gießharz 49 in die Gießform gegossen wird. In dem in 5 gezeigten Beispiel ist zusätzlich zu der Konfiguration des in dem in 4 gezeigten Beispiels eine Wärmesenke 50 in einem unteren Abschnitt des Moduls vorgesehen. In dem in 6 gezeigten Beispiel ist ein Metallbasissubstrat 60, das von einer Metallfolie 62 und einer Metallbasis 63 gebildet wird, die vorab an der Vorder- und Rückseite einer Isolierschicht befestigt werden, vorgesehen. Das Metallbasissubstrat 60 kombiniert die beiden Funktionen einer Isolierschicht und einer Wärmesenke.
  • Jedoch hat das bereits bekannte komplett vergossene Halbleiterleistungsmodul vom Stromverbrauch her gesehen eine Anwendungsbegrenzung im Bereich von 200V, 50A, und wenn die Stromkapazität 50A überschreitet, nimmt der Leistungshalbleiterelementverlust zu, und es besteht insofern ein Problem, als die Kühleigenschaft des komplett vergossenen Halbleitermoduls unzureichend ist. Mit einem Halbleitermodul, das ein Metallbasissubstrat verwendet, ist es möglich, die Dicke der Isolierschicht des Metallbasissubstrats mit 100 bis 150 µm klein zu machen, was bedeutet, dass es möglich ist, den Wärmewiderstand des unteren Bereichs des Leistungshalbleiters zu senken. Währenddessen ist es mit dem komplett vergossenen Halbleitermodul notwendig, die Dicke des Gießharzes 300 µm oder mehr zu machen, um die Belastbarkeit des Gießharzes sicherzustellen, und der Wärmewiderstand nimmt zu.
  • In dem in 5 gezeigten Beispiel bleibt, wenn die Dicke des Gießharzes 49 im unteren Bereich des Moduls 200 µm oder weniger gemacht wird, ein Raum, in dem kein Gießharz 49 geladen wird, in beispielsweise einer Lücke zwischen dem Leiterrahmen 47 und der Wärmesenke 50 zurück und es tritt ein Isolierversagen auf. Obwohl die Belastbarkeit durch Erhöhen des Harzeinspritzdrucks beim Gießen verbessert wird, kann dies der Grund für eine Verformung oder Unterbrechung des Verbindungsdrahts 47 sein.
  • In dem in 6 gezeigten Beispiel besteht, wenn das Schaltungselement 46 und der Verbindungsdraht 47 direkt mit dem Metallbasissubstrat 60 verbunden werden, keine Notwendigkeit, das Gießharz in den unteren Bereich des Moduls zu laden. Da es jedoch notwendig ist, das Metallbasissubstrat 60 getrennt herzustellen, besteht das Problem, dass die Materialkosten steigen.
  • Auch wird in der Isolierschicht 61 des Metallbasissubstrats 60 die Wärmeleitfähigkeit durch Laden eines anorganischen Füllstoffs (beispielsweise Siliciumoxid, Aluminiumoxid, Siliciumnitrid, Aluminiumnitrid oder Bornitrid) in ein Epoxyharz erhöht, aber da die Überschlagspannung zusammen mit einer Erhöhung der geladenen Menge sinkt, ist eine Wärmeleitfähigkeit von 3 bis 4 W/m·K die Grenze, und es gibt eine Grenze für die Kühleigenschaft.
  • Obwohl es auch möglich ist, ein Keramiksubstrat, das ein Sinterkörper aus Aluminiumoxid, Siliciumnitrid, Aluminiumnitrid oder dergleichen ist, für das Verdrahtungssubstrat zu verwenden, um die Wärmeleitfähigkeit zu erhöhen, besteht insofern ein Problem, als das Keramiksubstrat mehr als das Metallbasissubstrat bewirkt, dass die Kosten steigen.
  • Die JP 2007-077333 A betrifft ein Herstellungsverfahren einer elektronischen Komponente. Der Halbleiter der Elektronikkomponente wird über eine Epoxyharzformmasse versiegelt. Bei dem Herstellungsverfahren wird die Epoxyharzformmasse mit einem Härtungsmittel vermengt und nach einem Abkühlen und weiteren Prozessschritten in die gewünschte Form gebracht.
  • Die JP 2005-263977 A betrifft eine Harzzusammensetzung für eine gute Wärmeleitfähigkeit zum Einsatz für Halbleiterchips. In einer Wärmeleitungslage ist ein gehärteter Stoff aus einem Harz mit einer Struktur mit einer anorganischen pulverförmigen Füllung und einem Harz in einer Matrix gefüllt. Das Harz fungiert als anorganisches Bindemittel um den anorganischen pulverförmigen Füllstoff zu binden.
  • In der JP 2008-153430 A ist eine Wärmeableitplatte mit Wärmeableitelementen mit konkaven und konvexen Bereichen an der Oberfläche und einer wärmeleitenden Schicht, welche mit den konkaven und konvexen Bereiche verbunden ist, beschrieben. Die wärmeleitende Schicht umfasst ein Harz und wärmeleitende mikroskopische Füllelemente mit einem Partikeldurchmesser von nicht mehr als 1/10 der konvexen und konkaven Bereiche und einen anorganischen Füllstoff.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Daher ist es unter Berücksichtigung der vorstehend beschriebenen Probleme eine Aufgabe der Erfindung, ein Isolierelement, das sowohl in der Wärmeabstrahlung als auch der Durchschlagfestigkeit überlegen ist, ein Metallbasissubstrat und ein Halbleitermodul, die das Isolierelement verwenden, sowie deren Herstellungsverfahren bereitzustellen.
  • Nach einem Aspekt hat ein Isolierelement mit einem Epoxyharz, einen ersten anorganischen Füllstoff, der in dem Epoxyharz verteilt ist und einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1 bis 99 nm aufweist, und einen zweiten anorganischen Füllstoff, der in dem Epoxyharz verteilt ist und einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 0,1 bis 100 µm aufweist, wobei der erste und zweite anorganische Füllstoff voneinander unabhängig sind und zumindest einen darstellen, der ausgewählt ist aus einer Gruppe, die Al2O3, SiO2, BN, AIN und Si3N4 beinhaltet, und die Mischungsverhältnisse des ersten und zweiten anorganischen Füllstoffs im Isolierelement 0,1 bis 7 Gew.-% bzw. 80 bis 95 Gew.-% betragen.
  • Es ist bevorzugt, dass der durchschnittliche Teilchendurchmesser des ersten anorganischen Füllstoffs 1 bis 50 nm beträgt. Es ist bevorzugt, dass der durchschnittliche Teilchendurchmesser des zweiten anorganischen Füllstoffs 0,1 bis 50 µm beträgt. Es ist bevorzugt, dass das Mischungsverhältnis des ersten anorganischen Füllstoffs 3 bis 6 Gew.-% beträgt.
  • Es ist bevorzugt, dass die Dicke des Isolierelements 10 bis 500 µm beträgt. Es ist bevorzugt, dass das Isolierelement eine Wärmeleitfähigkeit von 4 bis 20 W/m·K und eine Überschlagspannung von mindestens 5 kV hat.
  • Ein weiterer Aspekt ist ein Metallbasissubstrat mit einer Isolierschicht des vorstehend beschriebenen Isolierelements, einer Metallbasisplatte und einer Metallfolie.
  • Ein noch weiterer Aspekt ist ein Halbleitermodul mit dem vorstehend beschriebenen Metallbasissubstrat und zumindest einem Schaltungselement, das auf der Oberfläche der Metallfolie des Metallbasissubstrats angebracht ist.
  • Ein noch weiteres Ausführungsbeispiel des Halbleitermoduls gemäß diesem Aspekt der Erfindung beinhaltet einen Metallblock, eine Isolierschicht des vorstehend beschriebenen Isolierelements, die an einer Oberfläche des Metallblocks angebracht ist, und mindestens ein Schaltungselement, das auf der anderen Oberfläche des Metallblocks montiert ist.
  • Ein weiterer Aspekt ist ein Isolierelement-Herstellungsverfahren mit den Schritten des Zugebens eines ersten anorganischen Füllstoffs mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1 bis 99 nm zu einem Epoxyharz, des Druckbeaufschlagens eines Gemisches aus dem ersten anorganischen Füllstoff und dem Epoxyharz, des Bewirkens, dass es durch eine Öffnung hindurchgeht, und des Verhinderns einer Ballung des ersten anorganischen Füllstoffs, weiterhin des Zugebens eines zweiten anorganischen Füllstoffs mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 0,1 bis 100 µm zu dem Gemisch, das veranlasst wurde, durch die Öffnung hindurchzugehen, und des Formens und Härtens des Gemisches aus dem ersten und zweiten anorganischen Füllstoff und dem Epoxyharz.
  • Ein noch weiterer Aspekt ist ein Halbleitermodul-Herstellungsverfahren mit den Schritten des Befestigens des vorstehend beschriebenen Isolierelements als Isolierschicht an einer Oberfläche eines Metallblocks und des Anbringens zumindest eines Schaltungselements auf der anderen Oberfläche des Metallblocks.
  • Wie vorstehend beschrieben, ist es durch Verwendung zweiter Arten eines anorganischen Füllstoffs wie diesem mit differierenden durchschnittlichen Teilchendurchmessern in vorgegebenen Mischungsverhältnissen möglich, die Durchschlagfestigkeit zu erhöhen, während die Wärmeabstrahlung des Isolierelements aufrechterhalten wird. Dann ist es durch Verwenden des Isolierelements in einem Metallbasissubstrat oder Halbleitermodul, wie vorstehend beschrieben, möglich, ein Metallbasissubstrat und Halbleitermodul bereitzustellen, die in der Wärmeabstrahlung überlegen sind.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine Schnittansicht, die ein Ausführungsbeispiel eines Metallbasissubstrats gemäß der Erfindung schematisch zeigt;
    • 2A bis 2E sind Schnittansichten, die ein Ausführungsbeispiel eines Halbleitermodul-Herstellungsverfahrens gemäß der Erfindung schematisch zeigen;
    • 3 ist eine Schnittansicht, die ein alternatives Beispiel des in den 2A bis 2E gezeigten Herstellungsverfahrens schematisch zeigt;
    • 4 ist eine Schnittansicht, die ein Beispiel eines bereits bekannten Halbleitermoduls schematisch zeigt;
    • 5 ist eine Schnittansicht, die ein anderes Beispiel eines bereits bekannten Halbleitermoduls schematisch zeigt; und
    • 6 ist eine Schnittansicht, die ein noch anderes Beispiel eines bereits bekannten Halbleitermoduls schematisch zeigt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
  • Nachstehend erfolgt unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung. Das nachstehend beschriebene Ausführungsbeispiel soll die Erfindung eingehend beschreiben und schränkt die Erfindung nicht ein.
  • Zuerst erfolgt eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels eines Isolierelements gemäß der Erfindung. Das Isolierelement beinhaltet ein Epoxyharz und einen ersten anorganischen Füllstoff mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1 bis 99 nm und einen zweiten anorganischen Füllstoff mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 0,1 bis 100 µm, die in dem Epoxyharz verteilt sind.
  • Obwohl keine besondere Beschränkung besteht, kann beispielsweise ein bifunktionales Epoxyharz, wie etwa ein Bisphenol-A-Epoxyharz oder Bisphenol-F-Epoxyharz, oder ein multifunktionales Epoxyharz, wie etwa ein Phenolnovolac-Epoxyharz, Cresolnovolac-Epoxyharz, Bisphenol-A-Novolac-Epoxyharz, Bisphenol-F-Novolac-Epoxyharz, Naphthalin-Epoxyharz, Biphenyl-Epoxyharz oder Dicyclopentadien-Epoxyharz einzeln oder in Kombination von mehreren davon als das Epoxyharz verwendet werden. Von diesen ist ein aromatisches Epoxyharz bevorzugt und das Bisphenol-A-Epoxyharz ist für den Gebrauch besonders bevorzugt.
  • Der durchschnittliche Teilchendurchmesser des ersten anorganischen Füllstoffs ist extrem klein und liegt im Bereich von 1 bis 99 nm. Wenn der Durchmesser weniger als 1 nm beträgt, besteht insofern ein Problem, als eine Ballung auftritt. Wenn der Durchmesser 100 nm oder mehr beträgt, besteht währenddessen insofern ein Problem, als der Vorteil, den ein Nanofüllstoff bietet, nicht erhalten werden kann. Der durchschnittliche Teilchendurchmesser des zweiten anorganischen Füllstoffs ist vergleichsweise groß und liegt im Bereich von 0,1 bis 100 µm. Wenn der Durchmesser 100 µm überschreitet, besteht insofern ein Problem, als die Isoliereigenschaft nicht erhalten werden kann. Wenn der Durchmesser weniger als 0,1 µm beträgt, besteht währenddessen insofern ein Problem, als das Kneten schwierig wird.
  • Es ist mehr bevorzugt, dass der durchschnittliche Teilchendurchmesser des ersten anorganischen Füllstoffs in einem Bereich von 1 bis 50 nm liegt. Es ist ebenfalls mehr bevorzugt, dass der durchschnittliche Teilchendurchmesser des zweiten anorganischen Füllstoffs 0,1 bis 50 µm beträgt. In dieser Beschreibung wird die Messung des durchschnittlichen Teilchendurchmessers unter Verwendung eines Laserbeugungs- und -streuungsverfahrens ausgeführt. Auch ist es bevorzugt, dass die Teilchendurchmesserverteilung des ersten anorganischen Füllstoffs in einem Bereich von 1 bis 99 nm liegt und dass sie, mehr bevorzugt, in einem Bereich von 1 bis 50 nm liegt. Es ist bevorzugt, dass die Teilchengrößenverteilung des zweiten anorganischen Füllstoffs in einem Bereich von 0,1 bis 100 µm liegt und dass sie, mehr bevorzugt, in einem Bereich von 0,5 bis 50 µm liegt.
  • Der erste anorganische Füllstoff ist einer oder eine Kombination von mehreren, die ausgewählt sind aus einer Gruppe, die Al2O3, SiO2, BN, AIN und Si3N4 beinhaltet. Der zweite anorganische Füllstoff ist ebenfalls einer oder eine Kombination von mehreren, die ausgewählt sind aus einer Gruppe, die Al2O3, SiO2, BN, AIN und Si3N4 beinhaltet. Der erste anorganische Füllstoff und der zweite anorganische Füllstoff können die gleiche Verbindung oder verschiedene Verbindungen sein.
  • Das Mischungsverhältnis des ersten anorganischen Füllstoffs liegt in einem Bereich von 0,1 bis 7 Gew.-%, mit dem Gewicht des Isolierelements als 100%. Wenn das Mischungsverhältnis weniger als 0,1 Gew.-% beträgt, besteht insofern ein Problem, als der Vorteil des Nanofüllstoffs nicht erhalten werden kann. Wenn das Mischungsverhältnis 7 Gew.-% überschreitet, besteht währenddessen insofern ein Problem, als eine Verteilung nicht möglich ist. Es ist mehr bevorzugt, dass das Mischungsverhältnis des ersten anorganischen Füllstoffs in einem Bereich von 3 bis 6 Gew.-% liegt.
  • Das Mischungsverhältnis des zweiten anorganischen Füllstoffs liegt in einem Bereich von 80 bis 95 Gew.-% mit dem Gewicht des Isolierelements als 100%. Wenn das Mischungsverhältnis weniger als 80 Gew.-% beträgt, besteht insofern ein Problem, als eine vorgegebene Wärmeleitfähigkeit nicht erhalten werden kann. Wenn das Mischungsverhältnis 95 Gew.-% übersteigt, besteht währenddessen insofern ein Problem, als die Isoliereigenschaft abnimmt. Es ist mehr bevorzugt, dass das Mischungsverhältnis des zweiten anorganischen Füllstoffs in einem Bereich von 80 bis 90 Gew.-% liegt.
  • Ein Härtungsmittel oder Härtungshilfsmittel kann zu dem Isolierelement der Erfindung zugegeben werden, um eine Härtungsreaktion zu steuern. Da das Härtungsmittel eines sein kann, das allgemein als Epoxyharz-Härtungsmittel verwendet wird, beispielsweise ein Härtungsmittel der Guanidinreihe, wie etwa Dicyandiamid, ein Härtungsmittel der Dihydrazidreihe, wie etwa Adipinsäuredihydrazid, Isophthalsäuredihydrazid oder Dodecansäuredihydrazid, kann ein Härtungsmittel der Phenolreihe, wie etwa Phenolnovolac, ein Härtungsmittel der Säureanhydridreihe, wie etwa ein Methyltetrahydrophthalsäureanhydrid, ein Härtungsmittel der Aminreihe, wie etwa Diaminodiphenylmethan, oder ein Härtungsmittel der Imidazolreihe, wie etwa 2-Ethyl-4-methylimidazol, verwendet werden. Auch kann ein Imidazoltyp, wie etwa 2-Ethyl-4-methylimidazol, ein Tertiäramintyp, wie etwa Benzylmethylamin, ein aromatischer Phosphintyp, wie etwa Triphenylphosphin, oder eine Lewissäure, wie etwa Bortrifluoridmonoethylamin, als Härtungshilfsmittel verwendet werden.
  • Es ist bevorzugt, dass das Mischungsverhältnis des Härtungsmittels 1 bis 10 Gew.-%, mit dem Isolierelement als 100 Gew.-%, beträgt. Auch ist es bevorzugt, dass das Mischungsverhältnis des Härtungshilfsmittels 0,1 bis 5 Gew.-%, mit dem Isolierelement als 100 Gew.-%, beträgt. Das Mischungsverhältnis jedes Rohmaterials des Isolierelements ist vorstehend beschrieben worden und der Rest ist das Mischungsverhältnis des Epoxyharzes.
  • Als Nächstes erfolgt eine Beschreibung eines Herstellungsverfahrens des Isolierelements. Zuerst wird der erste anorganische Füllstoff zu dem Epoxyharz zugegeben. Da der Teilchendurchmesser des ersten anorganischen Füllstoffs extrem klein ist, ballen sich die Teilchen, selbst wenn sie gerührt werden, und es ist äußerst schwierig, den ersten anorganischen Füllstoff dazu zu bringen, sich im Harz zu verteilen. Daher ist es, nachdem der erste anorganische Füllstoff zum Epoxyharz zugegeben worden ist, möglich, den ersten anorganischen Füllstoff zu bewegen, sich in dem Epoxyharz zu verteilen, indem das Gemisch mit Druck beaufschlagt und bewirkt wird, dass es durch eine Öffnung hindurchgeht, wobei ein Druckbeaufschlagungsöffnungs-Durchgangstyp-Diffusor verwendet wird.
  • Als Nächstes wird der zweite anorganische Füllstoff zu dem Gemisch zugegeben. Da der Teilchendurchmesser des zweiten anorganischen Füllstoffs vergleichsweise groß ist, ist es möglich, den zweiten anorganischen Füllstoff dazu zu bringen, sich ohne Ballung im Epoxyharz zu verteilen, und zwar einfach durch Rühren. Das Epoxyharz kann weiterhin zusammen mit der Zugabe des zweiten anorganischen Füllstoffs zugegeben werden. Das heißt, ein vorgegebenes Mischungsverhältnis des Epoxyharzes kann bei zwei getrennten Gelegenheiten zugegeben werden.
  • Nach der Zugabe des zweiten anorganischen Füllstoffs werden das Härtungsmittel und das Härtungshilfsmittel nach Bedarf zugegeben und gerührt. Auch kann beim Vorimprägnieren des Gemischs ebenfalls ein Lösungsmittel zur gleichen Zeit zugegeben werden. Beispielsweise kann Methylethylketon (MEK) als Lösungsmittel verwendet werden.
  • Als Nächstes wird das Gemisch zu einer vorgegebenen Form, wie etwa einer Platte, geformt. Beispielsweise wird, nachdem das Gemisch auf die Oberfläche einer Metallplatte oder Kunststoffplatte, die deformiert werden kann, aufgetragen worden ist, dieses auf eine vorgegebene Dicke unter Verwendung eines Abstandsstücks unter Druck gesetzt und durch Erhitzen gehärtet. Auf diese Weise ist es möglich, das Isolierelement herzustellen. Es ist bevorzugt, dass die Dicke des Plattenform-Isolierelements in einem Bereich von 10 bis 500 µm liegt, und mehr bevorzugt, dass es in einem Bereich von 70 bis 300 µm liegt. Das auf diese Weise erhaltene Isolierelement hat eine Wärmeleitfähigkeit von 4 bis 15 W/m·K und eine Überschlagspannung von mindestens 5 kV, und es ist sowohl in der Wärmeabstrahlung als auch in der Durchschlagfestigkeit überlegen.
  • Unter Bezugnahme auf 1 erfolgt eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels eines Metallbasissubstrats unter Verwendung des Isolierelements gemäß der Erfindung sowie eines Herstellungsverfahrens des Metallbasissubstrats. Wie in 1 gezeigt, beinhaltet ein Metallbasissubstrat 10 eine Isolierschicht 11 des Isolierelements gemäß der Erfindung, eine oder mehrere Metallfolien 12, die auf einer Oberfläche der Isolierschicht 11 ausgebildet sind, und eine Metallbasis 13, die auf der anderen Oberfläche der Isolierschicht 11 ausgebildet ist.
  • Beispielsweise kann Cu oder Al für die Metallfolie 12 verwendet werden. Nach dem Ausbilden der Metallfolie 12 auf der Oberfläche der Isolierschicht 11 kann ein Schaltungsmuster durch Strukturieren mittels eines selektiven Ätzens gebildet werden. Beispielsweise kann Cu, AI oder Fe für die Metallbasis 13 verwendet werden. Die Metallbasis 13 kann befestigt werden, indem sie gegen die Oberfläche der Isolierschicht 11 platziert und eine Heißpresse eingesetzt wird.
  • Durch Übernahme dieser Art von Metallbasissubstrat 10 ist es möglich, irgendeine Form für ein Verdrahtungssubstrat zu übernehmen, und es ist auch möglich, das Schaltungsmuster nach Wunsch zu konfigurieren. Daher kann ein Schaltungselement, wie etwa ein Leistungshalbleiterelement, bei jeglicher Art von Halbleitermodul angewendet werden, indem es einfach auf der Metallfolie 12 montiert wird.
  • Unter Bezugnahme auf 2A bis 2E erfolgt eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels eines Halbleitermoduls unter Verwendung des Isolierelements gemäß der Erfindung sowie eines Herstellungsverfahrens des Halbleitermoduls. Zuerst wird, wie in 2A gezeigt, eine Metallplatte in einer vorgegebenen Form, wie etwa einem Quadrat oder einem Rechteck, durch Pressen ausgestanzt, wodurch ein Metallblock 24 hergestellt wird. Beispielsweise kann Cu oder Mo für den Metallblock 24 verwendet werden. Ebenfalls ist es bevorzugt, obwohl nicht besonders eingeschränkt, dass die Dicke des Metallblocks 24 in einem Bereich von 1,0 bis 6,0 mm liegt.
  • Als Nächstes wird, wie in 2B gezeigt, eine Isolierschicht 21, die aus dem Isolierelement gemäß der Erfindung gebildet ist, gegen eine Oberfläche des Metallblocks 24 platziert und die beiden werden aneinander durch eine Heißpresse befestigt. Auch wird, wie in 2C gezeigt, ein Schaltungselement 26, wie etwa ein Leistungshalbleiterelement oder Treiber-IC, durch Löten mit der anderen Oberfläche des Metallblocks 24 verbunden. Es ist bevorzugt, dass das Löten in einem Ofen, in dem eine Wasserstoffreduktion möglich ist, unter Verwendung eines Lötmetalls in Pelletform ausgeführt wird. Der Grund für die Verwendung eines Ofens, in dem eine Wasserstoffreduktion möglich ist, ist die Verbesserung einer Leckage mit dem Lötmetall durch Entfernen und Aktivieren einer Oxidschicht auf der Oberfläche des Metallblocks 24 durch Wasserstoffreduktion. Beispielsweise wird ein Hochtemperaturlötmetall, wie etwa SnPbAg, oder ein bleifreies Lötmetall, wie etwa SnAgCu, als Lötmaterial verwendet. Die Löttemperatur wird nach Maßgabe des Lötmetallschmelzpunkts eingestellt.
  • Wenn ein Hohlraum in einer (nicht gezeigten) Lötschicht des Leistungshalbleiterelements und Metallblocks zurückbleibt, nimmt der Wärmewiderstand zu, und es ist nicht möglich, Wärme, die von dem Leistungshalbleiterelement erzeugt wird, wirksam abzuleiten. Damit daher kein Hohlraum auftritt, ist es bevorzugt, dass ein Vakuumieren bei 10 Torr oder weniger in einem Zustand ausgeführt wird, in dem das Lötmetall geschmolzen ist.
  • Als Nächstes wird, wie in 2D gezeigt, eine Verbindung des Schaltungselements 26 und eines Leiterrahmens 27 unter Verwendung eines Verbindungsdrahts 28 ausgeführt. Es ist bevorzugt, einen AI-Draht mit einem Durchmesser von 125 bis 500 µm als Verbindungsdraht 28 zu verwenden. Es ist bevorzugt, dass der Verbindungsdraht 28 ultraschallverbunden wird.
  • Dann wird, wie in 2E gezeigt, die Baugruppe mit einem Gießharz 29 unter Anwendung eines Transferverfahrens abgedichtet. Um eine spezifische Beschreibung des Abdichtens zu geben, wird die Baugruppe, obwohl dies nicht gesondert gezeigt ist, beispielsweise in einer Gießform platziert, die an einer Transfermaschine angebracht ist, und, nachdem ein Tablettenform-Gießharz in die vorerwärmte Gießform unter Verwendung eines Tauchkolbens gegossen wurde und es aus der Gießform sofort entfernt wurde, da es innerhalb einiger Zehntelsekunden härtet, wird das Abdichten durch Nachhärten in einer thermostatischen Kammer vollendet. Es ist bevorzugt, dass die Gießform auf einer Temperatur von 170 bis 180° gehalten wird. Das Gießharz 29 beinhaltet ein Epoxyharz und zumindest einen Füllstoff, der ausgewählt ist aus einer Gruppe, die Al2O3, SiO2, BN, AIN und Si3N4 beinhaltet. Es ist bevorzugt, dass das Gießharz eine Wärmeleitfähigkeit von 0,5 bis 5 W/m·K hat.
  • In 2C wird die Isolierschicht 21 nur auf der Oberfläche des Metallblocks 24 auf der Seite gegenüber dem Schaltungselement ausgebildet, aber es ist bevorzugt, eine Isolierschicht 21a auch auf den Seitenflächen des Metallblocks 24 anzubringen, wie in 3 gezeigt. Da die Isolierschicht 21a dünn ist, ist es wirksam, wenn eine hohe Spannung zwischen dem Metallblock 24 und einer Kühllamelle (in der Zeichnung weggelassen), mit der eine gesprühte Schicht in Kontakt kommt, angelegt wird, und deswegen ist es möglich, die Isoliereigenschaft sicherzustellen. Der Anbringungsabstand der Isolierschicht 21a auf den Seitenflächen des Metallblocks 24 wird nach Maßgabe der eingesetzten Spannung bestimmt.
  • Arbeitsbeispiel
  • 5 Gew.-% eines nanoskaligen Aluminiumoxids (hergestellt von Taimei Chemicals Co., Ltd., Modellnummer TM-100, durchschnittlicher Teilchendurchmesser 12 nm) wird zu 100 Gew.-% eines Epoxyharzes (hergestellt von JER Co., Ltd., Modellnummer 828) zugegeben, und nach dem Verteilen unter Verhinderung einer Ballung durch Verwendung eines Druckbeaufschlagungsöffnungs-Durchgangstyp-Diffusors, werden 1250 Gew.-% eines mikroskaligen Aluminiumoxids (hergestellt von Admatechs Co., Ltd., durchschnittlicher Teilchendurchmesser 0,6 bis 10 µm) zugegeben und gerührt. Anschließend werden 5 Gew.-% eines Dicyandiamid-Härtungsmittels (hergestellt von JER Co., Ltd., Modellnummer DICY15) und 2 Gew.-% eines Imidazol-Härtungshilfsmittels (hergestellt von Shikoku Chemicals Corporation, Modellnummer 2P4MHZ) zugegeben. Als Nächstes wird ein plattenförmiges Isolierelement in einer Dicke von 200 µm durch Auftragen des Gemisches auf eine Platte, die deformiert werden kann, und Druckbeaufschlagung mit 5 MPa, 180°C hergestellt (Arbeitsbeispiel 1). Dann werden die Wärmeleitfähigkeit und Überschlagspannung des Isolierelements gemessen. Die Messung der Wärmeleitfähigkeit erfolgt unter Anwendung eines Laserblitzverfahrens. Zu Vergleichszwecken wird die Messung auch an einem Isolierelement (Vergleichsbeispiel 1) ausgeführt, das auf die gleiche Weise hergestellt ist, ausgenommen der Punkt, dass das mikroskalige Aluminiumoxid zu 92 Gew.-% gemacht wird, ohne das nanoskalige Aluminiumoxid zuzugeben. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengestellt. Tabelle 1
    Mischungsverhältnis (Gew.-% in Bezug auf 100 Gew.-% Harz) Wärmeleitfähigkeit W/m.K Überschlagspannung kV
    mikroskaliges Al2O3 nanoskaliges Al2O3 Härtungsmittel Härtungshilfsmittel
    Arbeitsbeispiel 1 1.250 5 5 2 8 6
    Vergleichsbeispiel 1 1.250 5 2 8 4
  • Wie in Tabelle 1 gezeigt, weisen sowohl das Arbeitsbeispiel 1 als auch das Vergleichsbeispiel 1 eine Wärmeleitfähigkeit von 8,0 W/m·K auf, aber die Überschlagspannung im Arbeitsbeispiel 1 beträgt 6,0 kV, was einen 1,5-fach höheren Wert als die 4,0 kV des Vergleichsbeispiels 1 zeigt. Im Gegensatz zum Normalzustand, bei dem, obwohl die Wärmeleitfähigkeit zunimmt, je mehr anorganischer Füllstoff geladen wird, die Überschlagspannung geringer wird, ist es auf diese Weise möglich, zu verhindern, dass die Überschlagspannung abnimmt, indem ein nanoskaliger Füllstoff, wie im Arbeitsbeispiel 1, zugegeben wird.

Claims (10)

  1. Isolierelement mit: einem Epoxyharz; einem ersten anorganischen Füllstoff, der in dem Epoxyharz verteilt ist und einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1 bis 99 nm aufweist; und einem zweiten anorganischen Füllstoff, der in dem Epoxyharz verteilt ist und einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 0,1 bis 100 µm aufweist, wobei der erste und zweite anorganische Füllstoff voneinander unabhängig sind und zumindest einen darstellen, der ausgewählt ist aus einer Gruppe, die Al2O3, SiO2, BN, AIN und Si3N4 beinhaltet, und das Mischungsverhältnis des ersten anorganischen Füllstoffs in einem Bereich von 3 bis 6 Gew.-%, mit dem Gewicht des Isolierelements als 100%, liegt und das Mischungsverhältnis des zweiten anorganischen Füllstoffs in einem Bereich von 80 bis 95 Gew.-%, mit dem Gewicht des Isolierelements als 100%, liegt.
  2. Isolierelement nach Anspruch 1, wobei der durchschnittliche Teilchendurchmesser des ersten anorganischen Füllstoffs 1 bis 50 nm beträgt.
  3. Isolierelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei der durchschnittliche Teilchendurchmesser des zweiten anorganischen Füllstoffs 0,1 bis 50 µm beträgt.
  4. Isolierelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Dicke des Isolierelements 10 bis 500 µm beträgt.
  5. Isolierelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Isolierelement eine Wärmeleitfähigkeit von 4 bis 20 W/m·K und eine Überschlagspannung von mindestens 5 kV hat.
  6. Metallbasissubstrat mit: einer Isolierschicht (11) des Isolierelements nach einem der Ansprüche 1 bis 5; einer Metallbasisplatte (13); und einer Metallfolie (12).
  7. Halbleitermodul mit: dem Metallbasissubstrat nach Anspruch 6; und zumindest einem Schaltungselement (26), das auf der Oberfläche der Metallfolie (12) des Metallbasissubstrats angebracht ist.
  8. Halbleitermodul mit: einem Metallblock (24); einer Isolierschicht (11) des Isolierelements nach einem der Ansprüche 1 bis 5, die an einer Oberfläche des Metallblocks (24) angebracht ist; und mindestens einem Schaltungselement (26), das auf der anderen Oberfläche des Metallblocks (24) montiert ist.
  9. Isolierelement-Herstellungsverfahren mit den folgenden Schritten: Zugeben eines ersten anorganischen Füllstoffs mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1 bis 99 nm zu einem Epoxyharz; Druckbeaufschlagen eines Gemisches aus dem ersten anorganischen Füllstoff und dem Epoxyharz, Bewirken, dass es durch eine Öffnung hindurchgeht, und Verhindern einer Ballung des ersten anorganischen Füllstoffs; weiterhin Zugeben eines zweiten anorganischen Füllstoffs mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 0,1 bis 100 µm zu dem Gemisch, das veranlasst wurde, durch die Öffnung hindurchzugehen; und Formen und Härten des Gemisches aus dem ersten und zweiten anorganischen Füllstoff und dem Epoxyharz wobei der erste und zweite anorganische Füllstoff voneinander unabhängig sind und zumindest einen darstellen, der ausgewählt ist aus einer Gruppe, die Al2O3, SiO2, BN, AIN und Si3N4 beinhaltet, und das Mischungsverhältnis des ersten anorganischen Füllstoffs in einem Bereich von 3 bis 6 Gew.-%, mit dem Gewicht des Isolierelements als 100%, liegt und das Mischungsverhältnis des zweiten anorganischen Füllstoffs in einem Bereich von 80 bis 95 Gew.-%, mit dem Gewicht des Isolierelements als 100%, liegt.
  10. Halbleitermodul-Herstellungsverfahren mit den folgenden Schritten: Befestigen des Isolierelements nach einem der Ansprüche 1 bis 5 als Isolierschicht an einer Oberfläche eines Metallblocks (24); und Anbringen zumindest eines Schaltungselements (26) auf der anderen Oberfläche des Metallblocks (24).
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