JP2002076204A

JP2002076204A - 樹脂付金属板状体

Info

Publication number: JP2002076204A
Application number: JP2000267115A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Fujiki; 淳藤木; Hiroyuki Yonemura; 裕行米村
Original assignee: Nitto Shinko Corp
Current assignee: Nitto Shinko Corp
Priority date: 2000-09-04
Filing date: 2000-09-04
Publication date: 2002-03-15

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、パワー半導体デバイスに用いられ
る樹脂付金属板状体に係り、放熱性及び絶縁性に対する
信頼性を著しく高めるようにしたパワー半導体デバイス
の放熱装置に用いられる樹脂付金属板状体の提供を目的
とする。【構成】本発明は、パワー半導体デバイスの表面に露
出させる金属放熱板１の内側面に積層された硬化シート
状の熱硬化性樹脂からなる絶縁層２と、この絶縁層２上
に積層された未硬化の熱硬化性樹脂シートからなる接着
層３とを積層したものであり、前記デバイスの電極４を
加熱圧着することにより金属放熱板１と電極４との間に
隙間無く熱硬化性樹脂組成物を充填することによって優
れた放熱性や電気絶縁性を確保する。又、加熱圧着時に
絶縁層２の層厚は変化せず、絶縁層と接着層３との合計
層厚は均一になるので、均一で信頼性の著しく高い放熱
性及び電気絶縁性を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、パワー半導体デバ
イスに用いられる樹脂付金属板状体に係り、特にパワー
半導体デバイスの絶縁性及び放熱性に対する信頼性が高
められるようにしたパワー半導体デバイスの放熱装置に
用いられる樹脂付金属板状体に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、パワー半導体デバイスには動作時
の発熱を周囲に放散するために金属放熱板などの放熱部
材が設けられており、この金属放熱板などの放熱部材と
半導体素子、更に半導体素子に接続された電極とは電気
的に絶縁される。

【０００３】この電極は回路電流が小さい場合には金属
箔、金属蒸着又はめっきなどにより形成された薄膜をエ
ッチングなどにより部分的に除去することによって形成
されたものでも良いが、大電流の場合には過度の発熱を
避けるため金属板を打ち抜いて形成される。また、大電
流の場合には、金属箔、薄膜などのエッチングなどによ
り形成された導体と金属板を打ち抜いて形成した導体と
を併用して電極とすることもある。

【０００４】ところで、小電流の場合には、金属放熱板
の片面に所定の厚さの絶縁層を形成し、その絶縁層の金
属放熱板と反対側の面に導体パターンを形成するという
方法を採用することにより、放熱性及び絶縁性に対する
信頼性が確保されている。

【０００５】近年、パワー半導体デバイスの中では安価
なインジェクションモールドタイプが上市されており、
これらは、金型を用いて半導体及び電極と金属放熱板と
を所定の絶縁間隔を置いて保持し、これらの間に樹脂を
流し込んで半導体及び電極と金属放熱板との間に絶縁層
を形成する手法で作成されている（特開平１１−２２０
０７４号公報参照）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、流し込む樹
脂に熱伝導性が優れている無機質充填剤が配合されてい
るので、金型の磨耗が急速に進行し、正確に絶縁間隔を
設定できなくなることがあり、その結果、放熱性や電気
絶縁性に対する信頼性が低下するという問題が起こる。

【０００７】また、樹脂モールディングの途中でモール
ド樹脂の粘度が高まり、隅々までモールド樹脂を充填で
きなくなり、耐湿熱性や耐熱性更に放熱性や電気絶縁性
に対する信頼性が損なわれるという問題が生じることも
ある。

【０００８】この問題を解決するために、モールド樹脂
が流れる空間の断面積を大きくしてモールド樹脂の充填
性を高めようとすれば、デバイスの外形寸法が大きくな
り、基板にデバイスを実装できなくなるおそれが生じ
る。

【０００９】そして、これらの問題は、特に大型のパワ
ー半導体デバイスの場合に生じ易い。

【００１０】本発明は、これらの従来技術の課題を解消
し、放熱性や電気絶縁性に対する信頼性を高めることが
できるパワー半導体デバイスの放熱装置に用いられる樹
脂付金属板状体を提供することを目的とするものであ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明に係る樹脂付金属
板状体は、前記目的を達成するために、金属製板状体の
少なくとも片面に熱硬化性樹脂組成物硬化体からなる絶
縁層を介して熱硬化性樹脂組成物未硬化体からなる接着
層を積層してなることを特徴とする、という技術的手段
を採用したものである。

【００１２】本発明によれば、デバイスの電極が接着さ
れる接着層及び絶縁層はいずれもシート状であるので、
電極と金属放熱板との距離が正確に一定になり、又、電
極と金属放熱板との間に空隙が生じるおそれも無くな
り、放熱性や電気絶縁性などに対する信頼性が著しく高
められる。

【００１３】本発明に係る樹脂付金属板状体を更に詳細
に説明すれば、以下の通りである。

【００１４】本発明で用いられる金属放熱板は、金属で
構成されていれば良く、例えば鉄、鋼、チタン合金など
を用いてもよいが、アルミニウム合金、銅、真鍮などの
熱伝導率の高い金属板を用いることが好ましい。

【００１５】又、金属放熱板の形状は、特に限定される
ものではないが、伝熱面積を大きくして放熱効果を高め
るために、その外側面に針状或いはフィン状の突起を設
けることもできる。

【００１６】更に、この金属放熱板の板厚は、特に限定
されるものではないが、一般に、１．０〜４．０ｍｍの
範囲とすることが好ましく、１．０ｍｍ未満では所要の
放熱特性が得られないおそれが有る上、反り等の変形が
生じるおそれがあるので好ましくなく、一方、４．０ｍ
ｍを超えるとデバイスの外形寸法が必要以上に大型にな
る上、コスト高となるので好ましくない。

【００１７】本発明において、絶縁層は、熱硬化性樹脂
を硬化させてシート状に形成したものであれば良く、こ
の絶縁層を形成する方法としては、金属放熱板に液状の
熱硬化性樹脂組成物を塗布し、加熱乾燥あるいは加熱加
圧して所定の厚さに硬化させる方法を採用してもよい
が、層厚の安定性及び精度という観点からは、金属放熱
板に半硬化状で、且つ所定の厚さの熱硬化性樹脂組成物
からなるプリプレグシート（フィルム）を重ねて積層
し、これを加熱乾燥あるいは加熱加圧して所定の厚さに
硬化させるという方法が好ましい。

【００１８】この絶縁層の層厚は、特に限定されるもの
ではないが、一般に、１０〜３００μｍであることが好
ましく、特に、５０〜２５０μｍであることが更に好ま
しい。この絶縁層の層厚が、１０μｍ未満では均一な層
厚の絶縁層を形成するのが困難になるうえ、必要とされ
る絶縁性が得られなくなるので好ましくなく、一方、３
００μｍを超えると放熱特性が悪化するので好ましくな
い。

【００１９】前記接着層は、絶縁層に未硬化の熱硬化性
樹脂組成物で構成され、液状の熱硬化性樹脂を絶縁層に
塗布して乾燥させたり、離型性の支持体に担持させた半
硬化状の熱硬化性樹脂組成物シート（フィルム）を転写
したり、プリプレグ状の熱硬化性樹脂組成物シート（フ
ィルム）を重ねて仮着したりすることにより、絶縁層に
積層される。

【００２０】この接着層の層厚は１０〜３００μｍであ
ることが好ましく、特に、１５〜１００μｍであること
が更に好ましい。この接着層の層厚が、１０μｍ未満で
は均一な層厚の接着層を形成するのが困難になるうえ、
必要な接着強度が得られないので好ましくなく、一方、
３００μｍを超えると、寸法精度が著しく低下するおそ
れが生じるうえ、放熱特性が悪化するので好ましくな
い。

【００２１】前記電極としては、この分野で用いられる
ものであれば特に限定されるものではなく、例えば、従
来から公知のものを用いれば良い。

【００２２】前記の絶縁層及び接着層に用いられる熱硬
化性樹脂としては、電気絶縁性の熱硬化性樹脂であれば
特に限定されるものではなく、例えばビスフェノールＡ
型エポキシ樹脂などのエポキシ樹脂、ＢＴレジン、ポリ
イミド樹脂、シリコーン樹脂等が挙げられる。

【００２３】前記の絶縁層及び／又は接着層には、熱伝
導性及び電気絶縁性を高めるために、必要に応じて、そ
の各層全体の１〜９５重量％の熱伝導性及び電気絶縁性
を有する充填材を配合することが望ましい。

【００２４】この充填材の配合量が１重量％未満では充
填材の添加による所要の熱伝導性及び絶縁性が高められ
る効果が得られないので好ましくなく、一方、９５重量
％を超えると熱硬化性樹脂組成物の粘度が高まり、流動
性が悪くなって取扱性が著しく悪くなる上、均一な絶縁
層及び／又は接着層が得難くなるので好ましい。

【００２５】本発明で用いられる充填材としては、酸化
アルミニウム、酸化珪素、窒化珪素、窒化硼素又は窒化
アルミニウム等の無機充填物をその例として挙げること
ができる。

【００２６】

【作用】以上に説明したように、本発明に係る樹脂付金
属板状体は、前記構成を備えるので、以下に述べる作用
を有するのである。

【００２７】即ち、パワー半導体デバイスの電極と金属
放熱板との間にシート状の接着層及び絶縁層が介在する
ので、電極と金属放熱板との間に空隙が生じるおそれが
無くなるという作用が得られるのである。

【００２８】又、絶縁層を硬化させた後に接着層を介し
て電極や半導体素子を接着するので、金属放熱板と電極
との間に絶縁層によって一定以上の均一な絶縁距離を確
保できるという作用が得られるのである。

【００２９】

【発明の実施の態様】以下、本発明に係るパワー半導体
デバイスの放熱装置を図面に基づいて具体的に説明す
る。

【００３０】実施例１図１の断面図に模式的に示すように、このパワー半導体
デバイスに用いられる樹脂付金属板状体は、その下面に
露出するアルミニウム板（大きさが５４０ｍｍ×５４０
ｍｍで板厚が２．０ｍｍ）からなる金属放熱板１と、こ
の金属放熱板１の内側面（図面では上面）に積層された
厚さ１３０μｍの絶縁層２と、この絶縁層３の内側面に
積層され、且つ未硬化の熱硬化性樹脂シートからなる厚
さ３０μｍの接着層３と、この接着層３に接着された前
記デバイスの電極４とを備えている。尚、図中、６はパ
ワー半導体素子であり、又、７はモールド樹脂である。

【００３１】前記絶縁層２は、この実施例では酸化アル
ミニウム（昭和電工製、ＡＳ−５０）からなる充填材を
ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂に８０重量％配合した
プリプレグ状態の熱硬化性樹脂シートを、図２の工程説
明図に示すように、金属放熱板１に重ねた後、加圧加熱
して硬化させたものである（硬化後の厚さ１３０μ
ｍ）。

【００３２】又、接着層３は、硬化させた絶縁層２の上
に重ねられた、酸化珪素（龍森製、クリスタライト）を
ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂に６５重量％配合して
形成したプリプレグ状の熱硬化性樹脂シート（厚さ３０
μｍ）からなり、熱圧着により絶縁層２に仮着される。

【００３３】次いで、電極４を前記接着層３側に載置、
接着することにより、金属放熱板１、絶縁層２、接着層
３及び電極４が積層された積層体からなる樹脂付金属板
状体が形成される。

【００３４】又、前記パワー半導体素子６は、この電極
４の上に半田付けされ、他の電極とパワー半導体素子６
との間には、図示しないリード線が配線される。

【００３５】この後、樹脂モールドにより、金属放熱板
１、絶縁層２、接着層３、電極４、パワー半導体素子６
及びリード線を図１に示すモールド樹脂７内に封入する
ことによりパワー半導体デバイスが形成される。

【００３６】実施例２絶縁層２においてその中に含有されている酸化アルミニ
ウム（昭和電工製、ＡＳ−５０）の配合量を８５重量％
とし、又、酸化アルミニウム（昭和電工製、ＡＳ−５
０）をビスフェノールＡ型エポキシ樹脂に５０重量％配
合した接着層３を用いた以外は、実施例１と同様にして
樹脂付金属板状体を形成した。

【００３７】比較例１絶縁層２を設けずに、金属放熱板（大きさが５４０ｍｍ
×５４０ｍｍで板厚が２．０ｍｍのアルミニウム板）１
の片面に、酸化アルミニウム（昭和電工製、ＡＳ−５
０）をビスフェノールＡ型エポキシ樹脂に８０重量％配
合して形成した末硬化状の熱硬化性樹脂組成物を用い、
前記金属放熱板１の片面に厚さ１６０μｍの未硬化接着
層を形成した後、この接着層に、実施例１で用いたもの
と同様の電極４を積層し、加熱圧着して樹脂付金属板状
体を形成した。なお、電極４を加熱圧着した後（硬化
後）の接着層（硬化層）の厚さは５０μｍであった。

【００３８】比較例２絶縁層２として金属放熱板（大きさが５４０ｍｍ×５４
０ｍｍで板厚が２．０ｍｍのアルミニウム板）１の片面
に、酸化アルミニウム（昭和電工製、ＡＳ−５０）をビ
スフェノールＡ型エポキシ樹脂に８５重量％配合した厚
さ１３０μｍの未硬化樹脂層を用い、この厚さ１３０μ
ｍの未硬化樹脂層と、更にこの未硬化樹脂層上に酸化ア
ルミニウム（昭和電工製、ＡＳ−５０）をビスフェノー
ルＡ型エポキシ樹脂に５０重量％配合した厚さ３０μｍ
の未硬化樹脂層との２層構造としを設け、この積層型の
接着層３において前記金属放熱板１側と反対側に、実施
例１で用いたものと同様の電極４を積層し、加熱圧着し
て樹脂付金属板状体を形成した。なお、電極４を加熱圧
着した後（硬化後）の接着層（硬化層）の全厚さは５０
μｍであった。

【００３９】前述の各実施例及び各比較例で得た樹脂付
金属板状体について、以下の方法で絶縁破壊電圧、熱伝
導率を測定した。

【００４０】まず、絶縁破壊電圧は、各樹脂付金属板状
体の電極４にプローブピンを当て、昇圧速度１ｋＶ／秒
で、６０Ｈｚの交流電流を印加し、カットオフ電流２０
ｍＡで絶縁破壊電圧を測定した。

【００４１】又、熱硬化性樹脂組成物からなる絶縁層
（絶縁層）及び接着層をそれぞれ積層し、加熱加圧して
板厚２．０ｍｍ、大きさ直径５０ｍｍの各硬化体を作成
し、熱流速型熱伝導測定器（Ｈｏｌｏｍｅｔｒｉｘ製Ｔ
ＣＡ−２００）を用い、各硬化体の熱伝導率を測定した
（ＡＳＴＭＥ１５３０に準拠する。）。

【００４２】これらの測定結果は、表１に示す通りであ
る。

【００４３】

【表１】

【００４４】表１に示すように、予め硬化させた絶縁層
２を設けた実施例１及び実施例２では電極４を加熱接着
した後の絶縁層２と接着層３との合計層厚、即ち、絶縁
間隔が１５０μｍであり、十分な絶縁破壊電圧を得るこ
とができたのに対して、比較例１及び比較例２では、絶
縁間隔が５０μｍ或いは６０μｍに減少し、必要な絶縁
破壊電圧を得ることができないことが分る。

【００４５】又、各実施例のものと各比較例のものとを
比較すると、電極接着前（硬化前）においては両者とも
絶縁層の厚さ（絶縁層と接着層の合計厚さ、或いは接着
層の全厚さ）は１６０μｍと同一であるが、未硬化の接
着層のみからなる各比較例の場合には硬化によって厚さ
が著しく変化し、均一なものが得難いことが認められ
る。つまり、各比較例のものは、加熱圧着時に絶縁層の
層厚が著しく変化し、絶縁層の層厚が不均一、且つバラ
ツキ易くなるので、信頼性に乏しく、しかも所要の電気
絶縁性を得ることができないのである。

【００４６】加えて、表１に示す結果から、熱伝導率に
ついて、各実施例のものと各比較例のものとを比較する
と、各実施例のものは、各比較例のものと比較すると、
何等遜色が無く、実用上問題がないことが認められる。

【００４７】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明に係る樹
脂付金属板状体は、金属放熱板と、これに積層される硬
化シート状の熱硬化性樹脂組成物からなる絶縁層と、こ
の上に積層された未硬化の熱硬化性樹脂組成物シート
（フィルム）からなる接着層とを備えるので、この接着
層に重ねて加熱圧着されるデバイスの電極と金属放熱板
との間に隙間無く熱硬化性樹脂組成物を充填できる作用
が得られる結果、この熱硬化性樹脂組成物からなる半導
体素子及びこれに接続されている電極からの発熱を確実
に、かつ均一に接着層及び絶縁層を介して金属放熱板に
伝熱し、この金属放熱板から周囲に放散させることによ
り放熱効果を著しく高めることができるという効果を得
ることができる。

【００４８】又、本発明によれば、絶縁層が硬化シート
状の熱硬化性樹脂組成物からなるので、その後の電極の
加熱圧着時に絶縁層の層厚が変化せず、金属放熱板とデ
バイスの導体との間に一定以上の均一な絶縁間隔を確保
できる作用が得られる結果、金属放熱板と電極との間の
電気的特性を均一にすることができるので、絶縁性など
の電気的特性に対する信頼性を高めることができる上、
熱伝導効率に優れ、電子機器の絶縁、放熱部材として至
極優れた効果を奏するのである。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明に係る樹脂付金属板状体を適用
したパワー半導体デバイスを模式的に示す断面図であ
る。

【図２】図２は、本発明に係る樹脂付金属板状体の製造
工程を説明する工程説明図である。

【符号の説明】

１金属放熱板２絶縁層３接着層４電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属製板状体の少なくとも片面に熱硬化
性樹脂組成物硬化体からなる絶縁層を介して熱硬化性樹
脂組成物未硬化体からなる接着層を積層してなることを
特徴とする樹脂付金属板状体。
【請求項２】絶縁層又は接着層にはその一方又は両方
に高熱伝導性の充填材が配合されている請求項１に記載
の樹脂付金属板状体。