JP2007084705A - 樹脂組成物とこれを用いた回路基板およびパッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、基板やパッケージ等に用いる樹脂組成物に関するものであり、高い熱伝導率と良好な電気絶縁性を併せ持つ樹脂組成物を提供することを目的とする。
【解決手段】外周部が酸化により連続的に高抵抗層２に変成された炭化珪素粉末１と、樹脂とを含んだ構成である。炭化珪素粉末１の外周部を酸化することで、絶縁性を有した高抵抗層２に連続的に変成でき、炭化珪素の高熱伝導性を有効に活用し、絶縁性と高熱伝導性を併せ持つフィラとして使用することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、高い熱伝導性を有し、半導体等の電子部品の封止、基板等に用いることで、高い放熱効果が得られる樹脂組成物及び、樹脂封止物を用いた基板・パッケージに関するものである。

近年におけるエレクトロニクス技術の発達によって電気・電子機器の小型化・軽量化・高性能化が加速している。電気・電子機器の小型化・高性能化に伴う機器内部の発熱に対する放熱性の優れた材料が強く求められている。しかしながら、基板・パッケージ等に用いられる樹脂自体は、一般に熱伝導率が低い材料であり、熱伝導性の良好な無機充填材（フィラ）を添加することで、熱伝導性を高めている。熱伝導性の高いフィラとして、アルミナ、窒化アルミ、窒化硼素等が用いられている。基板・パッケージに用いるためには、樹脂組成物の絶縁性が必須であり、フィラにも絶縁性が必要となる。しかし、自由電子が熱を伝搬することができる金属の様な導電体の方が、一般的に熱伝導性が高く、金属の熱伝導性を活かした取り組みもなされている。

なお、この発明の出願に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１〜３が知られている。
特開平８−１８３８７５号公報 特開平７−３１００１８号公報 特開２００３−１９３０２１号公報

しかし、高熱伝導かつ絶縁性のフィラとして、多くの特許（例えば、特許文献２，３）に記載されている炭化珪素（ＳｉＣ）は抵抗が低く、半導体として用いられている材料であり、絶縁性は有していない。また、炭化珪素は研磨剤として用いられているほど硬度が高く、樹脂との混練の際に機械にダメージを与えてしまうために高熱伝導のフィラとしては使用しにくい状況にある。本発明の目的は、高い熱伝導率と良好な電気絶縁性を併せ持つ樹脂組成物を提供することにある。

前記従来の課題を解決するために、本発明は、外周部が酸化により連続的に高抵抗層に変成された炭化珪素粉末と、樹脂とを含んだ構成である。炭化珪素の外周部を酸化することで、絶縁性を有した高抵抗層に連続的に変成でき、炭化珪素の高熱伝導性を有効に活用し、絶縁性と高熱伝導性を併せ持つフィラとして使用することができる。フィラにアルミナやシリカの膜を形成する技術もあるが、接着強度やフィラとの密着性に関して、フィラを酸化し、一体かつ連続で絶縁層を形成した方が優位である。密着性は熱伝導に関して、低熱伝導率である空気層が影響するため重要なファクターである。また、外周部に形成した高抵抗層は炭化珪素より硬度が低く、樹脂と混練する機械へのダメージを低減することができる。

本発明の構成によれば、外周部が酸化により連続的に高抵抗層に変成された炭化珪素粉末を、絶縁性と、高熱伝導性を併せ持つフィラとして使用することができる。また、外周部に形成した高抵抗層は炭化珪素より硬度が低く、樹脂と混練する機械へのダメージを低減することができる。この炭化珪素粉末と樹脂を混合することで絶縁性かつ熱伝導性の高い樹脂組成物を実現することができる。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１について、本発明の特に請求項１，３，４，５，８の発明について説明する。

図１は、酸化処理前の炭化珪素粉末を示す断面図、図２は、本発明における炭化珪素粉末を示す断面図である。本発明では、図１に示すような炭化珪素粉末１が、図２に示すように外周部が酸化されて連続的に高抵抗層２に変成された状態で存在している。本発明の樹脂組成物は、図２に示すような炭化珪素粉末と、樹脂とを含んでいる。ここで、連続という表現は境目なくという意味で用いている。

炭化珪素の好ましい形状としては、平均粒子径１〜２００μｍの粒子状物を挙げることができる。平均粒子径が１μｍ未満になると、炭化珪素粉末の外周部の高抵抗層の厚みの比率が多くなってしまうので、炭化珪素全体が高抵抗化してしまい熱伝導率が低減する。また２００μｍを超えると、回路基板の配線パターン下に存在するときにピール強度が低下する。また、フィラの形状は球状に近い方が、表面積を低減することができ、パッケージ性が向上し、樹脂にフィラを大量に充填することが可能である。特に平均粒子径が１〜２０μｍならば硬化物の表面平滑性がよい。

炭化珪素の外周部に酸化層を形成する方法としては、熱酸化法やＣＶＤ、溶液を用いた方法等があげられるが、特に熱酸化法は、簡易に酸化層を形成でき有効である。

炭化珪素は８００℃以上に加熱することで外周部に短時間で酸化層を形成することができる。加熱時の雰囲気は空気または酸素雰囲気中が望ましい。温度と時間を調整することで、用途に応じて酸化層の厚みを調整できる。又、前記高抵抗層の厚みは炭化珪素粉末の平均粒子径の１／４以下にすることで炭化珪素の高い熱伝導率を有効に活用できる。

また、炭化珪素をカップリング剤で表面処理することにより樹脂との界面の親和性、接合性を高めて用いることができる。使用できるカップリング剤には、各種のものがあるが、例えば、シラン系及びチタネート系、アニオン系カップリング剤を用いることができる。これらは単独であるいは二種以上を混合して使用することができる。又、本発明においてカップリング剤を使用する場合は、上記のフィラと共に樹脂に直接添加してもよいが、予めカップリング剤でフィラを表面処理して使用することもできる。

本発明に使用することのできる樹脂は、特に限定されるものではないが、熱可塑樹脂、熱硬化樹脂、光硬化樹脂等を用いることができる。例えば、熱硬化樹脂の場合、フェノール、エポキシ、アクリル、メラミン、シリコン、ポリイミド等の樹脂を用いることができる。

また、加工性、機械的、電気的及び熱的特性、表面特性、難燃性及び光安定性を増強するため更に本発明の効果を損なわない範囲で添加剤を配合してもよい。このような添加剤の典型例としては、可塑剤、滑剤及び離型剤、付着促進剤、酸化防止剤、熱及び光安定剤、シート化剤、難燃剤、顔料及び染料が挙げられる。

本発明の炭化珪素を樹脂に配合することにより、容易に樹脂に熱伝導性を付与することができる。例えば、本発明の方法によれば、電気絶縁性は１×１０⁷Ω・ｃｍ以上で、かつ３．５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導性を付与することが可能になる。本発明の炭化珪素の樹脂への配合量としては、目的とする熱伝導率に応じて調整することができる。好ましくは１０〜９５体積充填率程度で配合するのがよい。粘度が低く、充填剤として使用する際は、粘度を低くすることができる１０〜６５体積充填率程度の配合量が望ましく、基板等として用いる場合、３０〜９５体積充填率程度が望ましい。体積充填率が１０未満であると熱伝導率が低く、また９５体積充填率以上は取り扱いが困難である。体積充填率を向上させる方法としては、粒径の異なる複数の粉末を組み合わせることができる。

混錬は特に限定はなく、原料が均一に混ざり合うように混合すればよい。フィラと樹脂をドライブレンドすることもできるし、あるいは、樹脂を溶媒に溶かし、その溶液に充填剤を懸濁し、次いで溶媒を除去させて樹脂組成物を得ることもできる。また、液状の樹脂とフィラを高粘度対応ミキサーにて混練することも可能であり、減圧下で行ってもよい。固形の樹脂の場合、軟化温度近傍で混合することができる。

本発明の樹脂組成物の製造にあたっては、シート成型、カレンダー加工、押出し、トランスファー成形又は射出成形等の加工工程によって粒状物や板状物等に好みの形状に成形することができる。また、前記加工工程によって、例えば板状物から高熱伝導性基板を製造する場合、板状物の１層以上をリードフレーム、放熱板などの各種部品の接着面に重ね、一体化するように硬化することにより製造することができる。

（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２について、本発明の特に請求項２，６，７の発明について説明する。

本発明の樹脂組成物は、図２に示すような炭化珪素粉末と、絶縁性粉末と、樹脂とを含んでいる。

絶縁性粉末を混合することで、樹脂組成物の絶縁性を向上させることができる。

絶縁性粉末は、特に限定するわけではなく、アルミナ、シリカの様なセラミックス系の材料や、窒化アルミニウム、窒化硼素といった金属の窒化物・酸化物を用いることができる。絶縁性粉末の熱伝導性も高い方が望ましい。

絶縁性粉末の体積充填率は、炭化珪素粉末の体積充填率の１／２以下であることが、より熱伝導率の大きい炭化珪素の体積充填率を上げることができ望ましい。

また、絶縁性粉末の平均粒子径が、炭化珪素粉末の平均粒子径の１／２以下であることで、炭化珪素が熱伝導性に関して支配的に作用する。本発明において、絶縁性粉末の平均粒子径は、０．０５μｍ以上がよい。０．０５μｍ未満の場合、表面積が大きく、樹脂組成物の粘度が上昇し、多量に混合することが困難であるため好ましくない。

また、フィラの形状は球状に近い方が、表面積を低減でき、パッケージ性が向上し、樹脂にフィラを大量に充填することが可能であるため好ましい。

（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３について、本発明の特に請求項９〜１４の発明について説明する。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。なお、本発明は以下の実施の形態に限定されない。

本発明の実施の形態３における回路基板の断面図を図３に示す。本発明の回路基板は、外周部が酸化により連続的に高抵抗層に変成された炭化珪素粉末と樹脂からなる樹脂組成物を硬化した板状絶縁体１０１と、前記板状絶縁体１０１に形成された配線部１０２からなる回路基板である。

板状絶縁体１０１は実施の形態１，２に記載の樹脂組成物を硬化したものであり、配線部１０２の異なる配線間を絶縁する機能を有する。また、板状絶縁体１０１は、実施の形態１，２の樹脂組成物を補強材に含浸させた硬化物を用いることもできる。補強材としては、ガラスクロス、アラミド不織布といった構造体を用いることができ、強度の向上が図れる。

配線部１０２は、電気伝導性を有する物質からなり、たとえば、金属箔や導電性樹脂組成物、金属板を加工したリードフレームを用いることができる。金属箔やリードフレームを用いることにより、エッチング等により微細な配線部の作製が容易となる。また、金属箔においては、離型フィルムを用いて転写等による配線部１０２の形成も可能となる。特に銅箔は値段も安く、電気伝導性、熱伝導性も高いため好ましい。また、離型フィルム上に配線部を形成することにより、配線部１０２が取り扱いやすくなる。また、導電性樹脂組成物を用いることにより、スクリーン印刷等による、配線パターンの製作が可能となる。

さらに、リードフレームを用いることにより、電気抵抗の低い、厚みのある金属を使用できる。また、リードフレームの少なくとも一部が板状絶縁体に埋設されることで、リードフレームの接触面積を増やすことができるので、熱伝導性およびピール強度を高めることができる。また、エッチングによるパターンの微細化や打ち抜き加工等の簡易な製造法が使える。また、これらの配線部１０２は表面にメッキ処理をすることにより、耐食性や電気伝導性を向上させることができる。また、単層だけでなく、図４，５に示すように、複数層の配線部１０２を形成してもよい。

また、各配線部１０２間を電気的に接続する手段、例えばインナービアやスルーホールビアのような導電経路１０３を有することで、複雑な回路形成が可能となる。また、配線部の板状絶縁体との接触面を粗化することで、接着性を向上させることができる。配線部は、表層に半導体及び／または電子部品を実装することも可能である。

また、図６の様に放熱部１０４を板状絶縁体１０１に形成する構造は熱を効率よく放熱できる。放熱部１０４の材料としては、金属または焼結体等を用いることができ、熱伝導率は１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上が好ましい。例えば、アルミニウムや銅、珪素、炭化珪素とアルミニウムの焼結体等を用いることができる。

また、この放熱部１０４を空冷・水冷または、シャーシ等に密着させることによって、熱をスムーズに放出することができる。また、放熱部１０４の板状絶縁体１０１の界面を粗化させることで、両者の接触面積が大きくなり、冷却効果が向上する。さらに、粗化面が形成されることで、放熱部１０４と板状絶縁体１０１との間にアンカー効果が働き、放熱部１０４と板状絶縁体１０１との接着強度が向上する。粗化面は、黒化還元処理、研磨処理、エッチング処理、ブラスト処理及びメッキ処理等により形成できる。また、放熱部１０４の下面に放熱フィンとして凸部または凹部を形成することで、放熱性が向上する。また、放熱部１０４に開口部を形成しておくことで、放熱部１０４をシャーシ等に固定しやすくなる。

（実施の形態４）
以下、本発明の実施の形態４について、本発明の特に請求項１５の発明について説明する。

本発明の半導体パッケージについて図面を用いて説明する。本発明の実施の形態４にお
ける半導体パッケージの断面図を図７に示す。本発明の半導体パッケージは、半導体５０５及び半導体５０５を実装した配線部５０２の一部を、外周部が酸化により連続的に高抵抗層に変成された炭化珪素粉末と樹脂からなる樹脂組成物の硬化物（絶縁体５０１）に内蔵した構成である。

絶縁体５０１は実施の形態１，２に記載の樹脂組成物を硬化したものであり、トランスファー成形、射出成形等によって作製できる。

配線部５０２は、電気伝導性を有する物質からなり、たとえば、リードフレームや配線板等を用いることができる。リードフレームを用いることにより、電気抵抗の低い、厚みのある金属を使用できるため電流が流しやすく、大電流を消費する半導体への電流供給が容易となる。また、エッチングによる微細パターン化や打ち抜き加工等の簡易な製造法が使える。また、これらの配線部は表面にメッキ処理をすることにより、ワイヤーボンディングが容易となり、耐食性や電気伝導性を向上させることができる。また、放熱効果を持たすこともできる。また、配線板を用いることで多くの配線を収容できる。

半導体５０５は、パッド５０６を有し、ボンディングワイヤー５０７を介して配線部５０２に接続している。半導体５０５及びその実装方法は特に限定するものではない。

また、半導体パッケージに放熱部を一体で形成することも可能である。

以下、実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明する。

炭化珪素（屋久島電工製）は＃２０００、＃６５０の２種類の粒径を用いて行った。炭化珪素粉末の外周部に酸化層を形成する方法としては、炭化珪素を大気中で１１００℃に加熱する熱酸化によって行った。加熱時間を１，２，４時間として、酸化層の厚みを変えて行った。

樹脂は液状エポキシ樹脂（旭チバ（株）製 ＡＥＲ２５０（商品名））と、固形エポキシ樹脂（油化シェルエポキシ（株）製 ５０４９−Ｂ−７０（商品名））、潜在性硬化剤（旭電化（株）製のＥＨ３６３６Ｓ（商品名））と、フェノールノボラック型硬化剤（油化シェルエポキシ（株）製のエピコート１５２（商品名））の混合物を用いた。

上記樹脂とフィラを７０Ｖｏｌ％の配合比でプラネタリを用いて混合し、樹脂組成物を得た。

比較用として熱酸化処理を行っていない炭化珪素も同様に作製している。熱酸化処理した炭化珪素においては、熱酸化処理していない炭化珪素と異なり、混合後にプラネタリ表面の曇りが見られなかった。この樹脂組成物を金型で加圧（３ＭＰａ）・加熱（２００℃×１Ｈｏｕｒ）し、φ１２．７ｍｍ、ｔ１ｍｍの円板状に成形した。

上記の試験片を用いて、熱伝導率、体積抵抗率の測定を行った。熱伝導率は、キセノンフラッシュアナライザを用いて測定した。熱伝導率測定は試料表面にカーボンスプレーを塗布し、キセノンフラッシュアナライザにより、熱拡散率を測定した。また、同様にパイロセラムを標準試験片として比熱測定を行い、密度と積算することにより熱伝導率を算出している。

熱伝導率＝熱拡散率×比熱×密度
体積抵抗率はスパッタで金電極を形成し、絶縁抵抗計を用いて体積抵抗率を測定した。（表１）に＃６５０の結果、（表２）に＃２０００の結果を示す。

熱酸化により、炭化珪素粉末の外周部が高抵抗層に連続的に変成し、体積抵抗率が上昇している。熱伝導率は＃６５０の粒径では大きな低下は見られず、高い熱伝導率性を示している。＃２０００の粒径では高絶縁性化が行われており、若干の熱伝導率の減少が見られているが、混合物としては高い熱伝導性を実現している。

本発明により、外周部を酸化し高抵抗層に連続的に変成した炭化珪素粉末と、樹脂を含む樹脂組成物により、高い熱伝導率を有し、且つ、従来の炭化珪素では得られなかった電気絶縁性をも兼ね備え、基板・パッケージとして使用可能であり、更に混練時の装置へのダメージも低減できる有用な樹脂組成物を提供することができる。

酸化処理前の炭化珪素粉末を示す断面図 本発明における炭化珪素粉末を示す断面図 本発明の実施の形態３における回路基板の断面図 本発明の実施の形態３における回路基板の断面図 本発明の実施の形態３における回路基板の断面図 本発明の実施の形態３における回路基板の断面図 本発明の実施の形態４における半導体パッケージの断面図

符号の説明

１ 炭化珪素粉末
２ 高抵抗層
１０１ 板状絶縁体
１０２ 配線部
１０３ 導電経路
１０４ 放熱部
５０１ 絶縁体
５０２ 配線部
５０５ 半導体
５０６ パッド
５０７ ワイヤー

Claims (15)

1. 外周部が酸化により連続的に高抵抗層に変成された炭化珪素粉末と、樹脂とを含む樹脂組成物。
2. 外周部が酸化により連続的に高抵抗層に変成された炭化珪素粉末と、絶縁性粉末と、樹脂とを含む樹脂組成物。
3. 炭化珪素粉末の平均粒子径が、１〜２００μｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の樹脂組成物。
4. 高抵抗層は、熱酸化法を用いて変成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の樹脂組成物。
5. 高抵抗層の厚みが、前記炭化珪素粉末の平均粒子径の１／４以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の樹脂組成物。
6. 絶縁性粉末の体積充填率が、炭化珪素粉末の体積充填率の１／２以下であることを特徴とする請求項２〜５のいずれか一つに記載の樹脂組成物。
7. 絶縁性粉末の平均粒子径が、炭化珪素粉末の平均粒子径の１／２以下であることを特徴とする請求項２〜５のいずれか一つに記載の樹脂組成物。
8. 高抵抗層が、酸素雰囲気中または大気中において８００℃以上の温度で加熱されることにより変成されている請求項４に記載の樹脂組成物。
9. 外周部が酸化により連続的に高抵抗層に変成された炭化珪素粉末と樹脂を含む樹脂組成物を硬化した板状絶縁体と、前記板状絶縁体に形成された配線部とからなる回路基板。
10. 外周部が酸化により連続的に高抵抗層に変成された炭化珪素粉末と樹脂を含む樹脂組成物を硬化した板状絶縁体と、前記板状絶縁体の両面に互いに形成された配線部と、放熱部とからなる回路基板。
11. 外周部が酸化により連続的に高抵抗層に変成された炭化珪素粉末と樹脂を含む樹脂組成物を補強材に含浸させ硬化した板状絶縁体と、前記板状絶縁体に形成された配線部とからなる回路基板。
12. 配線部がリードフレームにより形成されている請求項９〜１１のいずれか一つに記載の回路基板。
13. リードフレームの少なくとも一部が板状絶縁体に埋設されている請求項１２に記載の回路基板。
14. 配線部が銅箔により形成されている請求項９〜１１のいずれか一つに記載の回路基板。
15. 半導体と、前記半導体を実装した配線部と、前記半導体と、前記配線部の一部を内蔵し、外周部が酸化により連続的に高抵抗層に変成された炭化珪素粉末と樹脂とを含む樹脂組成物を硬化した半導体パッケージ。

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