JP2008214524A - 接着剤、半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 電気絶縁性および熱伝導性が高く、配線基板などに塗布しやすい接着剤やその接着剤が塗布された接着シートを提供し、高い放熱性を有する半導体装置とその製造方法を提供する。
【解決手段】 表面に電気絶縁膜を有する金属粒子が樹脂中に分散している接着剤であって、粘度が５０Ｐａ・ｓｅｃ以上２００Ｐａ・ｓｅｃ以下とする。さらに、半導体素子と配線基板とヒートシンクとを備える半導体装置において、本発明の接着剤または接着シートを用いて、配線基板とヒートシンクを接着することができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、発熱性の半導体素子を含む半導体装置において、半導体素子の配線基材とヒートシンクを接着する技術に関する。

電気自動車やハイブリッド車などには、モータ駆動用のスイッチング素子を備えた半導体装置が用いられている。車載用の半導体装置においては、発熱量の大きい半導体素子が装備されており、高い放熱性が要求されている。

特許文献１には、半導体等の発熱部品の封止材料として、金属および／または炭素からなる高熱伝導粉末が電気絶縁性被膜で被覆された高熱伝導性充填材を配合してなる高熱伝導性樹脂組成物が開示されている。

特許文献２には、発熱性の半導体素子がリードフレーム（配線基板）に固着され、リードフレーム下には電気絶縁層を挟持してヒートシンクが配置されており、熱放散に好適で低熱抵抗を有する構造の半導体装置が開示されている。

特開平８−１８３８７５号公報 特許３２０１２７７号公報

配線基板とヒートシンクで挟持される電気絶縁層は、半導体装置を組み立てる際に、配線基板とヒートシンクを固定接着する接着剤とすることもできる。しかしながら、例えばスクリーン印刷により配線基板の裏面などの平板上に接着剤として塗布するためには、適度の粘度であることが要求される。

本発明の目的は、電気絶縁性および熱伝導性が高く、配線基板などに塗布しやすい接着剤を提供し、高い放熱性を有する半導体装置とその製造方法を提供することである。

本発明は、表面に電気絶縁膜を有する金属粒子が樹脂中に分散している接着剤であって、粘度が５０Ｐａ・ｓｅｃ以上２００Ｐａ・ｓｅｃ以下であることを特徴とする接着剤である（請求項１）。この範囲の粘度であることにより、配線基板などに塗布しやすくなり、特にスクリーン印刷などで塗布することが可能となる。

また、接着剤には有機溶剤が接着剤に対して５重量％以上８．５重量％以下含まれていることが望ましい（請求項２）。有機溶剤を粘度調整用の溶剤として用いることにより、容易にかつ低コストで、接着剤の粘度を５０Ｐａ・ｓｅｃ以上２００Ｐａ・ｓｅｃ以下にすることができる。

半導体素子と配線基板とヒートシンクとを備える半導体装置は、本発明の接着剤を用いて、配線基板とヒートシンクを接着することで構成することができる（請求項３）。本発明の接着剤は電気絶縁性および熱伝導性が高いため、配線基板とヒートシンクの間の電気絶縁性を高く保ちつつ、半導体素子で発生した熱をヒートシンクに効率よく伝導させることができるので、高い放熱性を有する半導体装置となる。

接着剤中の金属粒子の形状は異方性を有する形状（異方形状）とし、粒子の長軸方向を接着面に対して垂直に配向させることにより、接着面に対して垂直方向の熱伝導度が高めることができる（請求項４）。配向しやすくするため、異方性を有する金属粒子のアスペクト比は３以上としておくことが望ましい。

なお、異方性を有する金属粒子のアスペクト比は次のように定義する。まず金属粒子の最大の直線長さを最大径とし、最大径と平行な方向を長軸方向とする。最大径を高さとして金属粒子を同じ体積の円柱と仮定したときの長軸方向と垂直な断面の直径で、最大径を割った値をアスペクト比とする。

上記の半導体装置は、配線基板とヒートシンクを接着する工程と、金属粒子を磁性金属粒子として、金属粒子の長手方向を磁場により接着面と垂直な方向に配向させる工程を含む製造方法により製造することができる（請求項５）。

以上のように、本発明によれば、電気絶縁性および熱伝導性が高く、配線基板などに塗布しやすい接着剤を提供し、この接着剤を用いて高い放熱性を有する半導体装置とその製造方法を提供することができる。

以下に実施の形態を挙げて本発明を詳細に説明する。

図１は、電気絶縁膜により被覆された金属粒子の断面模式図である。金属粒子１の表面が電気絶縁膜２で被覆されている。金属としては、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｇ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｗ、Ｚｎもしくはこれらの２種以上からなる合金などが挙げられる。あるいは、金属単体や合金にＳｉ等の添加物を加えたものでも良い。さらに、金属粒子としては、金属単体や合金に、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＣ、Ａｌ−ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２、などのセラミック材料が少量混ざって、粒子形状になっているものでも良い。

金属粒子の平均粒径は、０．０５μｍ以上であることが望ましい。０．０５μｍ以上であれば、酸化などによる劣化を抑制できる。さらには、取扱い作業がしやすいので、０．５μｍ以上であることが好ましい。ここで、平均粒径とは、個々の金属粒子を同じ体積の球としたときの直径を粒径とし、含まれている粒子の平均をとったものとする。

また、接着面における接着剤の厚さは、熱伝導性を向上させるために２００μｍ以下であることが好ましいので、粒子が接着する基材面と接触し、電気絶縁膜が破損して電気絶縁性が劣化することを抑制するため、金属粒子の長軸の長さは２００μｍ以下であることが望ましい。

図１では金属粒子１の断面は円になっているが、金属粒子の形状は球に限定されるものではない。楕円球状、針状、板状、多面体状などでも良く、表面に多数の突起を有するような形状や複数の一次粒子がつながった形状でも良い。

電気絶縁膜としては、金属酸化物膜、金属窒化物膜、金属炭化物、ホウ酸金属塩化合物膜、リン酸金属塩化合物膜、シリコン系樹脂やエポキシ樹脂などの有機物膜などが挙げられる。電気絶縁膜を金属粒子表面に形成する方法には、酸素中で高温熱処理により酸化処理する方法、溶液を金属粒子と反応させる方法、スパッタリング法などの物理蒸着またはＣＶＤなどの化学蒸着によりコーティングする方法、ゾルゲル法などによりコーティングする方法、シラン系あるいはチタネート系カップリング剤を用いる方法、などがある。

電気絶縁膜の厚さは、金属粒子の体積と、金属粒子と電気絶縁膜を合わせた体積の比（金属粒子の体積／（金属粒子の体積＋電気絶縁膜の体積））が、各粒子において０．９以上となることが好ましい。この比を大きくすることにより、電気絶縁膜の平均厚さは小さくなる。電気絶縁膜は熱伝導度が低い材料が多いため、平均厚さは小さい方が接着剤の熱伝導度を高めやすい。さらに、電気絶縁膜の平均厚さは小さいほうが金属粒子の充填度を高くすることができ、したがって、接着剤の熱伝導度を高めることができる。

また、電気絶縁膜の最小厚さと最大厚さの比（最小厚さ／最大厚さ）は、各粒子において０．７以上であることが好ましい。この比の値が１に近づくほど電気絶縁膜の厚さのばらつきは小さくなり、電気絶縁膜の厚さのばらつきが小さいほうが、電気絶縁性が安定して高く保たれるため、電気絶縁の信頼性が良くなる。

さらに電気絶縁膜を単層ではなく２層以上とすることもできる。例えば、Ｆｅ粒子の表面を酸化物膜でコーティングした後、シラン系カップリング剤で表面処理することにより、電気絶縁膜は２層構造となる。２層以上の電気絶縁膜とする構造において、最外層を有機材料とすることにより、接着剤の構成材料である樹脂との親和性を高めることができる。

図２は、本発明の接着剤の断面模式図である。表面に電気絶縁膜２を有する金属粒子１が樹脂３中に分散している。

接着剤中の金属粒子の割合（充填率）は５０体積％以上８０体積％以下であることが好ましい。５０体積％以上にすることにより熱伝導度を高めることができる。また８０体積％以下にすることにより、十分な樹脂量を確保して接着剤として機能させるとともに、樹脂中に電気絶縁膜で被覆された金属粒子を分散させる際に粒子同士の接触が過度に生じて電気絶縁膜が破損することを抑制し、電気絶縁性を保つことができる。

また異方性を有する磁性金属粒子を樹脂中に分散させ、磁場を印加することにより、粒子の長軸方向を接着面に対して垂直に配向させることができる。磁場の大きさは粒子のサイズ、アスペクト比、充填率、接着剤の粘度などを考慮して適宜調整するが、１ｍＴから１０Ｔ程度である。粘度が比較的高いときには、磁場を大きくすることが有効であり、超電導マグネットを利用するとよい。また、粒子とする磁性金属としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、およびこれらの合金、Ｆｅ−Ｓｉ合金、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ合金などを挙げることができる。

さらには、上記で説明した接着剤を、基材シートに塗布したのち、はがして接着シートとしたり、１０μｍから５０μｍ程度の厚さの金属シートの両面に塗布してそのまま接着シートとすることもできる。接着剤を塗布する金属シートには、Ｃｕのほか、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ等の熱伝導性の良い金属を使用するのが望ましい。塗布方法は、例えばスクリーン印刷法を用いることができる。接着シートなので、板材同士の接着工程などにおいて、板材への塗布作業が不要となり、接着工程を短縮することができる。また、シート基材に金属を用いると熱伝導性が良好であり、両面に接着剤が塗布されているので、電気絶縁性も良好である。

接着シートとする場合、金属粒子の長軸の長さは、接着シートの接着剤の厚さよりも小さくすることが望ましい。粒子がシート表面から露出して基材の接着面と接触し、電気絶縁膜が破損して電気絶縁性が劣化することを抑制できる。ここで接着シートの接着剤の厚さとは、金属シートを備えていない接着シートについては接着シートの厚さとし、金属シートを備えている接着シートについては金属シートの片面側における接着剤の厚さとする。

また、接着シートの接着剤の厚さは１０μｍ以上２００μｍ以下とすることが望ましい。１０μｍ以上とすることにより接着シートが取扱いやすくなり、２００μｍ以下とすることにより高い放熱性を確保できる。

（実施の形態１）
平均粒径が１５μｍの球状のＦｅ粒子の表面に、溶液法によりリン酸鉄塩化合物膜を被覆する。リン酸鉄塩化合物膜の平均の厚さは約０．１μｍとする。このリン酸鉄塩化合物膜で被膜されたＦｅ粒子をエポキシ樹脂中に分散させる。配合量は、接着剤に対して７０体積％となるようにする。

有機溶剤として酢酸ブチルセルソルブを使用し、接着剤に添加することにより、粘度を調整し、金属粒子を含む接着剤を作製する。有機溶剤としてはカルビトールなども使用できる。表1に各有機溶剤添加量（重量％）における接着剤の粘度（Ｐａ・ｓｅｃ）、およびその添加量でのスクリーン印刷の状態を示す。

サンプルＮｏ．１およびＮｏ．２では粘度が低いため、接着面上を流れて設定範囲に収まるように塗布できておらず、またサンプルＮｏ．６では粘度が高いため、印刷機のスクリーンから接着剤がうまくはがれず塗布後に凹凸の激しい（三角錐状に接着剤が立った）状態となっており、スクリーン印刷の状態が不良である。サンプルＮｏ.３〜Ｎｏ．５においては、有機溶剤の添加量を５重量％以上８．５重量％以下とし、接着剤の粘度を５０Ｐａ・ｓｅｃ以上２００Ｐａ・ｓｅｃ以下にすることにより、スクリーン印刷の状態がサンプルＮｏ．１、Ｎｏ．２、Ｎｏ．６のような不良とならず、良好になっている。

（実施の形態２）
図３は、発熱性の半導体素子と配線基板とヒートシンクとを備える半導体装置の断面模式図である。半導体素子５がはんだ６により配線基板７に固定されている。半導体素子５と配線基板７にはボンディングワイヤ４が配線され、回路等に電気的に接続されている。配線基板７とヒートシンク９は接着剤８により接着されている。この半導体装置の作製において、配線基板７のヒートシンク９との接着面に実施の形態１の接着剤をスクリーン印刷により塗布し、配線基板７とヒートシンク９を接着することができる。

この半導体装置は、配線基板７とヒートシンク９の間の絶縁性を十分確保できており、かつ半導体素子５で発生する熱がヒートシンクへ伝導しやすくなっている。

また、接着面における接着剤の厚さ、すなわち配線基板とヒートシンクの接着面間の距離は、熱伝導性を向上させるために小さいほうが好ましく、２００μｍ以下であることが望ましい。

さらに、粒子が配線基板やヒートシンクの接着面と接触し、絶縁膜が破損して電気絶縁性が劣化することを抑制するため、金属粒子の長軸の長さは、配線基板とヒートシンクの接着面間の距離より小さくすることが望ましい。

（実施の形態３）
図４は、電気絶縁膜により被覆された異方形状の金属粒子の断面模式図である。異方形状の金属粒子である複数の一次金属粒子が連結した金属粒子１０が電気絶縁膜１１で被覆されており、一次金属粒子として球状の一次Ｆｅ粒子を用いている。この粒子を用いて、実施の形態１と同様にして、接着剤を作製する。

次にこの接着剤により、配線基板とヒートシンクを接着する。接着後、０．１Ｔの磁場を印加して粒子の長軸方向を接着面に対して垂直に配向させる。図５は、電気絶縁膜で被覆された複数の一次金属粒子が連結した金属粒子１３を樹脂１２中に分散させ、粒子の長軸方向を接着面に対して垂直に配向させた接着剤の断面模式図である。接着剤中の粒子１３の長軸方向が接着面に対して垂直に配向しているため、接着面に対して垂直な方向の熱伝導性が高い。したがって、この接着剤を使用して配線基板とヒートシンクを接着することにより、さらに放熱性に優れた半導体装置となっている。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の接着剤に用いる表面被覆された金属粒子の断面模式図である。 本発明の接着剤の断面模式図である。 本発明の半導体装置の断面模式図である。 本発明の接着剤に用いる表面被覆された異方形状の金属粒子の断面模式図である。 本発明の接着剤の断面模式図である。

符号の説明

１ 金属粒子
２ 電気絶縁膜
３ 樹脂
４ ボンディングワイヤ
５ 半導体素子
６ はんだ
７ 配線基板
８ 接着剤
９ ヒートシンク
１０ 複数の一次金属粒子が連結した金属粒子
１１ 電気絶縁膜
１２ 樹脂
１３ 電気絶縁膜で被覆された複数の一次金属粒子が連結した金属粒子

Claims (5)

1. 表面に電気絶縁膜を有する金属粒子が樹脂中に分散している接着剤であって、
   粘度が５０Ｐａ・ｓｅｃ以上２００Ｐａ・ｓｅｃ以下であることを特徴とする接着剤。
2. 有機溶剤が接着剤に対して５重量％以上８．５重量％以下含まれている請求項１に記載の接着剤。
3. 半導体素子と配線基板とヒートシンクとを備える半導体装置であって、
   請求項１または請求項２に記載の接着剤により、前記配線基板と前記ヒートシンクが接着されていることを特徴とする半導体装置。
4. 前記金属粒子は異方形状であって、前記金属粒子の長手方向が接着面と垂直な方向に配向している請求項３に記載の半導体装置。
5. 請求項４に記載の半導体装置の製造方法であって、
   前記金属粒子は磁性材料からなり、
   前記配線基板と前記ヒートシンクを接着する工程と、
   前記金属粒子の長手方向を磁場により接着面と垂直な方向に配向させる工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。

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