JP2008218771A - 接着シート、接着シートの製造方法および半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 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。また、上記の高熱伝導性を有する半導体装置を構成するのに適しており、電気絶縁性が高く、かつシート面に垂直な方向に熱伝導性の高い接着シートを提供する。
【解決手段】 表面に電気絶縁膜を有する異方形状の金属粒子が樹脂中に分散している接着剤を有する接着シートであって、金属粒子の長手方向が、接着シート面と垂直な方向に配向していることを特徴とする接着シート。また、異方形状の磁性金属粒子の長手方向を磁場により接着シート面と垂直な方向に配向させる工程を含む製造方法で接着シートを製造する。
【選択図】 図３

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、配線基板とヒートシンクを固定接着する接着剤は、半導体素子で発生した熱が配線基板からヒートシンクに向かう方向に伝導しやすいように高熱伝導性を有することが望まれている。

本発明の目的は、電気絶縁性が高く、かつシート面に垂直な方向に熱伝導性の高い接着シートとその製造方法を提供し、高い放熱性を有する半導体装置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異方形状の金属粒子が樹脂中に分散している接着剤を有する接着シートであって、金属粒子の長手方向が、接着シート面と垂直な方向に配向していることを特徴とする接着シートである（請求項１）。接着シートなので、例えば板材同士の接着工程において、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。

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。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。

例えば、異方性を有する金属粒子の形状は、針状とすることができる（請求項２）。針状とすることにより、粒子間の接触による電気絶縁膜の破損を抑制しながら配向させた状態での充填率を高めることができ、高い電気絶縁性と熱伝導性が得られる。

また、異方性を有する金属粒子として、複数の一次金属粒子が連結した金属粒子とすることができる（請求項３）。球状の粒子を連結させているので、連結数の制御により、アスペクト比を制御することができる。

上記の接着剤を金属シートの両面に塗布した接着シートとすることもできる（請求項４）。シート基材には金属を用いているので、熱伝導性は良好であり、両面に接着剤が塗布されているので、電気絶縁も良好である。

また、金属粒子を磁性金属により形成し、粒子の長手方向を磁場により接着シート面と垂直な方向に配向させる工程を含む製造方法で、上記の接着シートを製造することができる（請求項５）。

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（請求項６）。

以上のように、本発明によれば、電気絶縁性が高く、かつシート面に垂直な方向に熱伝導性の高い接着シートとその製造方法を提供し、高い放熱性を有する半導体装置を提供することができる。

以下、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１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、これらの金属や合金に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。

また、図１では金属粒子１は複数の一次粒子がつながった形状になっているが、この形状に限定されるものではなく、柱状、楕円状、針状、繊維状、平板状などであってもよい。

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。

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。

電気絶縁膜としては、酸化鉄や酸化銅などの酸化物膜、リン酸鉄やリン酸アルミニウムなどのリン酸塩膜、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、絶縁膜の平均厚さは小さくなる。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、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。

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、樹脂中に電機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。

一方、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。したがって、接着剤の粘度が５０Ｐａ・ｓｅｃ以上２００Ｐａ・ｓｅｃ以下であることが好ましい。上記のように粘度を調節するためには、有機溶剤を含ませることが望ましい。接着剤に対する前記有機溶剤の含有量は、５重量％以上８．５重量％以下とすればよい。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。

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シート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。

（実施の形態１）
平均粒径１μｍの球状の一次Ｆｅ粒子が複数つながった金属粒子の表面を、溶液法を用いてリン酸鉄塩化合物膜で被覆する。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鎖状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。さらに、酢酸ブチルセルソルブを７．８重量％添加し、接着剤の粘度を９２Ｐａ・ｓｅｃに調整し、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。

図２は、金属シート４の両面に接着剤３が塗布されている接着シートの断面模式図である。ここでは金属シート４としてＣｕシートを用い、厚さ２０μｍのＣｕシートの両面に上記の金属粒子を含む接着剤を塗布している。接着シートとす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。また金属シートの厚さは、シートの取扱い、コスト、熱伝導性の点から、１０μｍから５０μｍとするのがよい。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。

次に、接着シートのシート面に対し、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。磁場の大きさは０．１Ｔとする。図３は、電気絶縁膜で被覆された複数の一次金属粒子６を樹脂５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。この接着シートは、接着剤中の粒子６の長軸方向を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に配向に熱伝導性が高い。

なお、基材シートに接着剤を塗布し、異方性を有する金属粒子を配向させたのち、基材からはがして接着シートとすることも可能である。

（実施の形態２）
図４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８がはんだ９により配線基板１０に固定されている。半導体素子８と配線基板１０にはボンディングワイヤ７が配線され、回路等に電気的に接続されている。配線基板１０とヒートシンク１２は接着シート１１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１０とヒートシンク１２との接着には実施の形態１の接着シートが使用されている。

この半導体装置は、配線基板とヒートシンクの間の絶縁性を十分確保できており、半導体素子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。

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複数の一次金属粒子が連結した金属粒子の断面模式図である。 本発明の接着シートの断面模式図である。 本発明で用いる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。

符号の説明

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

Claims (6)

1. 表面に電気絶縁膜を有する異方形状の金属粒子が樹脂中に分散している接着剤を有する接着シートであって、
   前記金属粒子の長手方向が、接着シート面と垂直な方向に配向していることを特徴とする接着シート。
2. 前記金属粒子は、針状である請求項１に記載の接着シート。
3. 前記金属粒子は、複数の一次金属粒子が連結した金属粒子である請求項１に記載の接着シート。
4. 金属シートの両面に前記接着剤が塗布されている請求項１から請求項３のいずれかに記載の接着シート。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の接着シートの製造方法であって、
   前記金属粒子は磁性材料からなり、
   前記金属粒子の長手方向を磁場により接着シート面と垂直な方向に配向させる工程を含むことを特徴とする接着シートの製造方法。
6. 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から請求項４のいずれかに記載の接着シートにより、前記配線基板と前記ヒートシンクが接着されている半導体装置。

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