JP2016027142A - 熱伝導性シート、熱伝導性シートの硬化物および半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の熱伝導性シートは、熱硬化性樹脂(A)と、熱硬化性樹脂(A)中に分散された無機充填材(B)とを含む。そして、本発明の熱伝導性シートは、当該熱伝導性シートの硬化物を700℃、4時間加熱処理して灰化した後の灰化残渣に含まれる無機充填材(B)について、水銀圧入法による細孔径分布測定を行ったとき、上記灰化残渣に含まれる上記無機充填材の粒子体積をaとし、上記灰化残渣に含まれる上記無機充填材の水銀圧入法により測定される粒子内空隙体積をbとしたとき、100×b/aで示される上記無機充填材の気孔率が40%以上65%以下であり、上記灰化残渣に含まれる上記無機充填材の上記水銀圧入法により測定される平均気孔径が0.20μm以上1.35μm以下である。
【選択図】なし
Description
これらの電力制御装置は、その耐圧や電流容量に応じて各種機器に応用されている。特に、近年の環境問題、省エネルギー化推進の観点から、各種電気機械へのこれら電力制御装置の使用が年々拡大している。
特に車載用電力制御装置について、その小型化、省スペ−ス化と共に電力制御装置をエンジンル−ム内に設置することが要望されている。エンジンル−ム内は温度が高く、温度変化が大きい等過酷な環境であり、高温での放熱性および絶縁性により一層優れる部材が必要とされる。
熱硬化性樹脂と、上記熱硬化性樹脂中に分散された無機充填材とを含む熱伝導性シートであって、
当該熱伝導性シートの硬化物を700℃、4時間加熱処理して灰化した後の灰化残渣に含まれる上記無機充填材について、水銀圧入法による細孔径分布測定を行ったとき、
上記灰化残渣に含まれる上記無機充填材の粒子体積をaとし、上記灰化残渣に含まれる上記無機充填材の上記水銀圧入法により測定される粒子内空隙体積をbとしたとき、100×b/aで示される上記無機充填材の気孔率が40%以上65%以下であり、
上記灰化残渣に含まれる上記無機充填材の上記水銀圧入法により測定される平均気孔径が0.20μm以上1.35μm以下である、熱伝導性シートが提供される。
また、熱伝導性シート中の上記無機充填材の気孔率が65%以下であり、かつ、上記無機充填材の平均気孔径が1.35μm以下であることで、無機充填材の強度を向上でき、その結果、熱伝導性シート製造前後において、上記無機充填材の形状や配向をある程度保持することができる。これにより、熱伝導性シートおよびその硬化物の熱伝導性を向上できるため、得られる半導体装置の放熱性を向上できる。
さらに上記気孔率および上記平均気孔径が上記範囲内であると、熱伝導性シート中に上記無機充填材が均一に分散されている。そのため、温度変化が激しい環境下に長時間置かれても膜厚等が変化しにくいため、本発明の熱伝導性シートを用いた半導体装置は放熱性の低下が起きにくい。
以上から、本発明によれば、上記無機充填材の上記気孔率および平均気孔径を上記範囲内に制御することにより、放熱性および絶縁性のバランスに優れた熱伝導性シートおよびその硬化物を得ることができると推察される。そして、当該熱伝導性シートを半導体装置に適用することで、耐久性の高い半導体装置を実現できる。
上記熱伝導性シートを硬化してなる熱伝導性シートの硬化物が提供される。
金属板と、
上記金属板の第1面側に設けられた半導体チップと、
上記金属板の上記第1面とは反対側の第2面に接合された熱伝導材と、
上記半導体チップおよび上記金属板を封止する封止樹脂とを備え、
上記熱伝導材が、上記熱伝導性シートにより形成された半導体装置が提供される。
そして、本実施形態に係る熱伝導性シート中の無機充填材(B)の気孔率が40%以上、好ましくは42%以上、より好ましくは45%以上、そして65%以下、好ましくは63%以下、さらに好ましくは60%以下である。
ここで、熱伝導性シート中の無機充填材(B)の気孔率は、熱伝導性シートの硬化物を700℃、4時間加熱処理して灰化した後の灰化残渣に含まれる無機充填材(B)について、水銀圧入法による細孔径分布測定を行ったとき、上記灰化残渣に含まれる無機充填材(B)の粒子体積をaとし、上記灰化残渣に含まれる無機充填材(B)の上記水銀圧入法により測定される粒子内空隙体積をbとしたとき、100×b/aで示される。図3は、無機充填材(B)の気孔率を説明するための模式図である。
無機充填材(B)の上記粒子内空隙体積bは、たとえば水銀圧入式のポロシメータで測定できる。細孔径Rを横軸とし、対数微分細孔容積(dV/dlogR)を縦軸としたときの無機充填材(B)の細孔径分布曲線(無機充填材(B)のLog微分細孔容積分布曲線)のピークが細孔径0.03μm以上100μm以下の範囲で2つ以上ある場合、通常は、細孔径が0.03μm以上3.0μm以下の範囲内にピークを形成する際に圧入された水銀の体積が無機充填材(B)の単位重量当たりの粒子内空隙体積bを示し、細孔径が3.0μm以上100μm以下の範囲内にピークを形成する際に圧入された水銀の体積が無機充填材(B)の単位重量当たりの粒子間空隙体積を示す。
また、粒子体積aは、細孔径が0.03μm以上3.0μm以下の範囲内にピークを形成する直前まで圧入された水銀の体積と測定に使用する粉体用セルの体積から算出することができる。また、得られた粒子体積aと無機充填材(B)の重量(g)から無機充填材(B)の密度(g/mL)を算出することができる。
ここで、無機充填材(B)の密度(g/mL)は上記水銀圧入法により測定することができる粒子密度であり、無機充填材(B)の重量(g)を無機充填材(B)の体積(すなわち粒子体積a)で割った値である。無機充填材(B)の体積は、上記粒子間空隙体積は含まれず、粒子の物質自体の体積、粒子内の閉細孔の体積および粒子内空隙体積bの和である。
また、本実施形態において、細孔径は細孔の直径を示す。また、平均気孔径はモード径である。
ここで、本実施形態に係る熱伝導性シート中の無機充填材(B)の平均気孔径は、当該熱伝導性シートを700℃、4時間加熱処理して灰化した後の灰化残渣に含まれる上記無機充填材の平均気孔径であり、水銀圧入法により測定される。無機充填材(B)の上記平均気孔径は、たとえば水銀圧入式のポロシメータで測定できる。たとえば、無機充填材(B)の細孔径分布曲線のピークが細孔径0.03μm以上100μm以下の範囲で2つ以上ある場合、細孔径が0.03μm以上3.0μm以下の範囲のピークが粒子内空隙体積bを示し、そのピークに対応する細孔径の平均値が上記平均気孔径である。ここで、上記平均気孔径はモード径である。
そして、本実施形態に係る熱伝導性シートは、上記気孔率および上記平均気孔径を上記範囲内であると、熱伝導性シートおよびその硬化物中に上記無機充填材が均一に分散されている。そのため、温度変化が激しい環境下に長時間置かれても膜厚等が変化しにくいため、本実施形態に係る熱伝導性シートを用いた半導体装置は熱伝導性の低下が起きにくい。
以上から、本実施形態によれば、熱伝導性シート中の無機充填材の上記気孔率および平均気孔径を上記範囲内に制御することにより、放熱性および絶縁性のバランスに優れた熱伝導性シートおよびその硬化物を得ることができると推察される。そして、当該熱伝導性シートを半導体装置に適用することで、耐久性の高い半導体装置を実現できる。
なお、本実施形態において、熱伝導性シートはBステージ状態のものをいう。また、熱伝導性シートを硬化させたものを「熱伝導性シートの硬化物」と呼ぶ。また、熱伝導性シートを半導体装置に適用し、硬化させたものを「熱伝導材」と呼ぶ。熱伝導性シートの硬化物は熱伝導材を含む。また、本実施形態において、熱伝導性シートの硬化物はCステージ状態のものをいい、Bステージ状態の熱伝導性シートを、たとえば、180℃、10MPaで40分間熱処理することにより硬化して得られたものである。
本実施形態に係る熱伝導性シートを適用した半導体装置の一例としては、たとえば、半導体チップがヒートシンク(金属板)上に設けられており、ヒートシンクの半導体チップが接合された面とは反対側の面に、熱伝導材が設けられた構造が挙げられる。
また、本実施形態に係る熱伝導性シートを適用した半導体パッケージの他の例としては、熱伝導材と、熱伝導材の一方の面に接合した半導体チップと、上記熱伝導材の上記一方の面と反対側の面に接合した金属部材と、上記熱伝導材、上記半導体チップおよび上記金属部材を封止する封止樹脂と、を備えるものが挙げられる。
本発明者の検討によれば、従来の熱伝導性シートを用いた半導体装置は、自動車のエンジンルーム内等の温度変化が激しい環境下に長時間置かれると、熱伝導性シートの熱伝導率や絶縁性の低下等が生じて半導体装置の耐久性が低下してしまうことが明らかになった。そのため、従来の半導体装置は耐久性に劣っていた。
一方、本実施形態に係る熱伝導性シートを用いた半導体装置は温度変化が激しい環境下でも耐久性に優れている。この理由としては、本実施形態に係る熱伝導性シートは、ボイドが発生し難い構造になっており、かつ、熱伝導性シート中の無機充填材(B)が熱伝導性シート製造前の形状や配向をある程度維持しており、さらに熱伝導性シート中に均一に分散されているからだと考えられる。熱伝導性シート中のボイドの発生が少ないことにより、熱伝導性シートおよびその硬化物の絶縁性を向上でき、さらに熱伝導性シート製造前後において、無機充填材(B)の形状や配向をある程度保持できることにより、熱伝導性シートおよびその硬化物の熱伝導性を向上できる。
以上の理由から、本実施形態に係る熱伝導性シートおよびその硬化物は放熱性および絶縁性のバランスに優れているため、この熱伝導性シートを半導体装置に適用すると、耐久性に優れる半導体装置が得られると推察される。
本実施形態においては、とくに熱硬化性樹脂(A)の種類を適切に選択することや、熱伝導性シートを形成するための樹脂ワニスを構成する溶媒を適切に選択すること、熱伝導性シートに対して圧縮圧力を印加する工程を含むこと、熱硬化性樹脂(A)および無機充填材(B)を添加した樹脂ワニスに対しエージングを行うこと、当該エージングにおける加熱・加圧条件、無機充填材(B)の焼成条件等が、上記気孔率および平均気孔径を制御するための因子として挙げられる。
ここで、熱伝導性シートの硬化物のガラス転移温度は次のように測定できる。まず、熱伝導性シートを180℃、10MPaで40分間熱処理することにより、熱伝導性シートの硬化物を得る。次いで、得られた硬化物のガラス転移温度(Tg)を、DMA(動的粘弾性測定)により昇温速度5℃/min、周波数1Hzの条件で測定する。
ガラス転移温度が上記下限値以上であると、導電性成分の運動開放をより一層抑制できるため、温度上昇による熱伝導性シートの絶縁性の低下をより一層抑制できる。その結果、より一層絶縁信頼性に優れた半導体装置を実現できる。
ガラス転移温度は熱伝導性シートを構成する各成分の種類や配合割合、および熱伝導性シートの作製方法を適切に調節することにより制御することができる。
熱硬化性樹脂(A)としては、たとえば、エポキシ樹脂、シアネート樹脂、ポリイミド樹脂、ベンゾオキサジン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、シリコーン樹脂、ビスマレイミド樹脂、アクリル樹脂等が挙げられる。熱硬化性樹脂(A)として、これらの中の1種類を単独で用いてもよいし、2種類以上を併用してもよい。
このような熱硬化性樹脂(A)を使用することで、本実施形態に係る熱伝導性シートの硬化物のガラス転移温度を高くするとともに、熱伝導性シートおよびその硬化物の放熱性および絶縁性を向上させることができる。
熱硬化性樹脂(A)の含有量が上記上限値以下であると、熱伝導性シートおよびその硬化物の強度や難燃性がより一層向上したり、熱伝導性シートおよびその硬化物の熱伝導性がより一層向上したりする。
無機充填材(B)としては、たとえばシリカ、アルミナ、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素等が挙げられる。これらは1種を単独で用いても、2種以上を併用してもよい。
通常は、焼成温度を上げたり、焼成時間を増加させたりするほど、上記気孔率および平均気孔径を大きくすることができる。
このように、無機充填材(B)として、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子を焼結させて得られる二次凝集粒子を用いる場合には、熱硬化性樹脂(A)中における無機充填材(B)の分散性を向上させる観点から、熱硬化性樹脂(A)としてジシクロペンタジエン骨格を有するエポキシ樹脂がとくに好ましい。
ここで、無機充填材(B)の平均粒径は、レーザー回折式粒度分布測定装置により、粒子の粒度分布を体積基準で測定したときのメディアン径(D50)である。
なお、この平均長径は電子顕微鏡写真により測定することができる。たとえば、以下の手順で測定する。まず、二次凝集粒子をミクロトームなどで切断しサンプルを作製する。次いで、走査型電子顕微鏡により、数千倍に拡大した二次凝集粒子の断面写真を数枚撮影する。次いで、任意の二次凝集粒子を選択し、写真から鱗片状窒化ホウ素の一次粒子の長径を測定する。このとき、10個以上の一次粒子について長径を測定し、それらの平均値を平均長径とする。
無機充填材(B)の含有量を上記下限値以上とすることにより、熱伝導性シートおよびその硬化物における熱伝導性や機械的強度の向上をより効果的に図ることができる。一方で、無機充填材(B)の含有量を上記上限値以下とすることにより、樹脂組成物の成膜性や作業性を向上させ、熱伝導性シートおよびその硬化物の膜厚の均一性をより一層良好なものとすることができる。
これにより、熱伝導性と絶縁性のバランスにより一層優れた熱伝導性シートおよびその硬化物を実現することができる。
本実施形態に係る熱伝導性シートは、熱硬化性樹脂(A)としてエポキシ樹脂を用いる場合、さらに硬化剤(C)を含むのが好ましい。
硬化剤(C)としては、硬化触媒(C−1)およびフェノール系硬化剤(C−2)から選択される1種以上を用いることができる。
硬化触媒(C−1)としては、たとえばナフテン酸亜鉛、ナフテン酸コバルト、オクチル酸スズ、オクチル酸コバルト、ビスアセチルアセトナートコバルト(II)、トリスアセチルアセトナートコバルト(III)等の有機金属塩;トリエチルアミン、トリブチルアミン、1,4−ジアザビシクロ[2.2.2]オクタン等の3級アミン類;2−フェニル−4−メチルイミダゾール、2−エチル−4−メチルイミダゾール、2,4−ジエチルイミダゾール、2−フェニル−4−メチル−5−ヒドロキシイミダゾール、2−フェニル−4,5−ジヒドロキシメチルイミダゾール等のイミダゾール類;トリフェニルホスフィン、トリ−p−トリルホスフィン、テトラフェニルホスホニウム・テトラフェニルボレート、トリフェニルホスフィン・トリフェニルボラン、1,2−ビス−(ジフェニルホスフィノ)エタン等の有機リン化合物;フェノール、ビスフェノールA、ノニルフェノール等のフェノール化合物;酢酸、安息香酸、サリチル酸、p−トルエンスルホン酸等の有機酸;等、またはこの混合物が挙げられる。硬化触媒(C−1)として、これらの中の誘導体も含めて1種類を単独で用いることもできるし、これらの誘導体も含めて2種類以上を併用することもできる。
本実施形態に係る熱伝導性シート中に含まれる硬化触媒(C−1)の含有量は、特に限定されないが、熱伝導性シート100質量%に対し、0.001質量%以上1質量%以下が好ましい。
これらの中でも、ガラス転移温度の向上及び線膨張係数の低減の観点から、フェノール系硬化剤(C−2)がノボラック型フェノール樹脂またはレゾール型フェノール樹脂が好ましい。
フェノール系硬化剤(C−2)の含有量は、特に限定されないが、熱伝導性シート100質量%に対し、1質量%以上30質量%以下が好ましく、5質量%以上15質量%以下がより好ましい。
さらに、本実施形態に係る熱伝導性シートは、カップリング剤(D)を含んでもよい。
カップリング剤(D)は、熱硬化性樹脂(A)と無機充填材(B)との界面の濡れ性を向上させることができる。
カップリング剤(D)の添加量は無機充填材(B)の比表面積に依存するので、特に限定されないが、無機充填材(B)100質量部に対して0.1質量部以上10質量部以下が好ましく、特に0.5質量部以上7質量部以下が好ましい。
本実施形態に係る熱伝導性シートは、さらにフェノキシ樹脂(E)を含んでもよい。フェノキシ樹脂(E)を含むことにより熱伝導性シートおよびその硬化物の耐屈曲性をより一層向上できる。
また、フェノキシ樹脂(E)を含むことにより、熱伝導性シートおよびその硬化物の弾性率を低下させることが可能となり、熱伝導性シートおよびその硬化物の応力緩和力を向上させることができる。
また、フェノキシ樹脂(E)を含むと、粘度上昇により流動性が低減し、ボイド等が発生することを抑制できる。また、熱伝導性シートと放熱部材との密着性を向上できる。これらの相乗効果により、半導体装置の絶縁信頼性をより一層高めることができる。
本実施形態に係る熱伝導性シートには、本発明の効果を損なわない範囲で、酸化防止剤、レベリング剤等を含むことができる。
まず、上述の各成分を溶媒へ添加して、ワニス状の樹脂組成物を得る。本実施形態においては、たとえば溶媒中に熱硬化性樹脂(A)等を添加して樹脂ワニスを作製したのち、当該樹脂ワニスへ無機充填材(B)を入れて三本ロール等を用いて混練することにより樹脂組成物を得ることができる。これにより、無機充填材(B)をより均一に、熱硬化性樹脂(A)中へ分散させることができる。
上記溶媒としては特に限定されないが、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、プロピレングリコールモノメチルエーテル、シクロヘキサノン等が挙げられる。
エージングは、たとえば30〜80℃、8〜25時間、好ましくは12〜24時間、0.1〜1.0MPaの条件により行うことができる。通常は、エージング温度を上げたり、エージング時間を増加させたりするほど、上記気孔率および平均気孔径を大きくすることができる。
本実施形態においては、このようにロールによる圧縮圧力をかけて気泡を除去する工程を含むことにより、圧縮圧力に起因して無機充填材(B)が変形し、熱伝導性シート中の無機充填材(B)の気孔率および平均気孔径を低下させることができる。
以下、詳細に説明する。
次に、各リード160をリードフレームの枠体(図示略)から切断する。こうして、図1に示すような構造の半導体装置100が得られる。
これに対し、本実施形態に係る半導体装置100は、たとえば、その実装床面積が10×10mm以上100×100mm以下の大型のパッケージであったとしても、上記の構造の熱伝導材140を備えることにより、十分な耐久性を得ることが期待できる。
これに対し、平面視において、金属層150の上面151の外形線と、熱伝導材140の下面142の外形線と、が重なっている構造とすることにより、熱伝導材140におけるクラックの発生および金属層150の剥離を抑制することができる。
ホウ酸メラミン(ホウ酸:メラミン=2:1(モル比))と鱗片状窒化ホウ素粉末(平均長径:15μm)を混合して得られた混合物(ホウ酸メラミン:鱗片状窒化ホウ素粉末=10:1(質量比))を、0.2質量%のポリアクリル酸アンモニウム水溶液へ添加し、2時間混合して噴霧用スラリーを調製した(ポリアクリル酸アンモニウム水溶液:混合物=100:30(質量比))。次いで、このスラリーを噴霧造粒機に供給し、アトマイザーの回転数15000rpm、温度200℃、スラリー供給量5ml/minの条件で噴霧することにより、複合粒子を作製した。次いで、得られた複合粒子を、窒素雰囲気下、2000℃、10時間の条件で焼成することにより、平均粒径が80μmの凝集窒化ホウ素を得た。
ここで、凝集窒化ホウ素の平均粒径は、レーザー回折式粒度分布測定装置(HORIBA社製、LA−500)により、粒子の粒度分布を体積基準で測定し、そのメディアン径(D50)とした。
実施例1〜7および比較例1〜2、4について、以下のように熱伝導性シートを作製した。
まず、表1に示す配合に従い、熱硬化性樹脂と、硬化剤とを溶媒であるメチルエチルケトンに添加し、これを撹拌して熱硬化性樹脂組成物の溶液を得た。次いで、この溶液に無機充填材を入れて予備混合した後、三本ロールにて混練し、無機充填材を均一に分散させた熱伝導性シート用樹脂組成物を得た。次いで、得られた熱伝導性シート用樹脂組成物に対し、60℃、0.6MPa、15時間の条件によりエージングを行った。次いで、熱伝導性シート用樹脂組成物を、銅箔上にドクターブレード法を用いて塗布した後、これを100℃、30分間の熱処理により乾燥して、膜厚が400μmである樹脂シートを作製した。次いで、上記樹脂シートを二本のロール間に通して圧縮することにより、樹脂シート内の気泡を除去し、膜厚が200μmであるBステージ状の熱伝導性シートを得た。
なお、表1中における各成分の詳細は下記のとおりである。
なお、表1中における各成分の詳細は下記のとおりである。
エポキシ樹脂1:ジシクロペンタジエン骨格を有するエポキシ樹脂(XD−1000、日本化薬社製)
エポキシ樹脂2:ビフェニル骨格を有するエポキシ樹脂(YX−4000、三菱化学社製)
エポキシ樹脂3:アダマンタン骨格を有するエポキシ樹脂(E201、出光興産社製)
エポキシ樹脂4:フェノールアラルキル骨格を有するエポキシ樹脂(NC−2000−L、日本化薬社製)
エポキシ樹脂5:ビフェニルアラルキル骨格を有するエポキシ樹脂(NC−3000、日本化薬社製)
エポキシ樹脂6:ナフタレンアラルキル骨格を有するエポキシ樹脂(NC−7000、日本化薬社製)
エポキシ樹脂7:ビスフェノールF型エポキシ樹脂(830S、大日本インキ社製)
エポキシ樹脂8:ビスフェノールA型エポキシ樹脂(828、三菱化学社製)
シアネート樹脂1:フェノールノボラック型シアネート樹脂(PT−30、ロンザジャパン社製)
硬化触媒1:2−フェニル−4,5−ジヒドロキシメチルイミダゾール(2PHZ−PW、四国化成社製)
硬化触媒2:トリフェニルホスフィン(北興化学社製)
(硬化剤C−2)
フェノール系硬化剤1:トリスフェニルメタン型のフェノールノボラック樹脂(MEH−7500、明和化成社製)
充填材1:上記鱗片状窒化ホウ素の一次粒子により構成された二次凝集粒子の作製により作製された凝集窒化ホウ素
充填材2:上記作製例において、焼成温度を1500℃、焼成時間を8時間に変更した以外は上記二次凝集粒子の作製例と同様の方法により作製された、平均粒径が80μmの凝集窒化ホウ素
充填材3:上記作製例において、焼成温度を2100℃、焼成時間を15時間に変更した以外は上記二次凝集粒子の作製例と同様の方法により作製された、平均粒径が80μmの凝集窒化ホウ素
充填材4:上記作製例において、焼成温度を2100℃、焼成時間を10時間に変更した以外は上記二次凝集粒子の作製例と同様の方法により作製された、平均粒径が80μmの凝集窒化ホウ素
無機充填材(B)の気孔率および平均気孔径を次のように測定した。まず、得られた熱伝導性シートを180℃、10MPaで40分間熱処理することにより、熱伝導性シートの硬化物を得た。次いで、熱伝導性シートの硬化物を大気圧下で、700℃、4時間加熱処理して灰化した。次いで、得られた灰化残渣に含まれる無機充填材(B)の気孔率および平均気孔径を島津製作所社製マイクロメリテックス 細孔分布測定装置オートポア9520型により計測した。
具体的には灰化残渣を100℃、1時間、大気圧下で、加熱乾燥し水分を蒸発させることにより測定試料(無機充填材(B))を得た。次いで、得られた測定試料約0.2gを標準5cc粉体用セル(ステム容積0.4cc)に採り、初期圧7kPa(約1psia、細孔径約180μm相当)の条件で測定した。
水銀パラメーターは、装置デフォルトの水銀接触角130degrees、水銀表面張力は485dynes/cmに設定した。得られた結果から、0.03μm以上3.0μm以下の範囲のピークに対応する細孔径の平均値である平均気孔径(モード径)を算出した。
さらに得られた結果から、気孔率を算出した。気孔率は、気孔率=100×(単位重量当たりの粒子内空隙体積[mL/g])×(無機充填材(B)の密度[g/mL])で算出される。
ここで、単位重量当たりの粒子内空隙体積は細孔径が0.03μm以上3.0μm以下の範囲のピークの面積である。
無機充填材(B)の密度(g/mL)は島津製作所社製マイクロメリテックス 細孔分布測定装置オートポア9520型により計測した。
熱伝導性シートの硬化物の熱伝導率を次のように測定した。まず、得られた熱伝導性シートを180℃、10MPaで40分間熱処理することにより、熱伝導性シートの硬化物を得た。次いで、得られた硬化物の厚み方向の熱伝導率を計測した。具体的には、レーザーフラッシュ法(ハーフタイム法)にて測定した熱拡散係数(α)、DSC法により測定した比熱(Cp)、JIS−K−6911に準拠して測定した密度(ρ)より次式を用いて熱伝導率を算出した。熱伝導率の単位はW/m・Kである。測定温度25℃である。熱伝導率[W/m・K]=α[mm2/s]×Cp[J/kg・K]×ρ[g/cm3]。評価基準は以下の通りである。
◎ :12W/m・K以上
○ :10W/m・K以上12W/m・K未満
△ :6W/m・K以上10W/m・K未満
× :6W/m・K未満
熱伝導性シートの硬化物の絶縁破壊電圧をJIS K6911に準じて、次のように測定した。まず、得られた熱伝導性シートを180℃、10MPaで40分間熱処理することにより、熱伝導性シートの硬化物を得た。
次いで、熱伝導性シートの硬化物を30mm角に切断し、そのサンプルに20mmφの円形電極を作成した。なお、塗布時の基材として使用している銅箔をエッチングすることでこの電極を得た。対電極は銅箔基材をそのまま使用した。
次いで、菊水電子TOS9201を用いて、絶縁油中で両電極に昇圧速度2.5kV/秒の速度で電圧が上昇するように、交流電圧を印加した。熱伝導性シートの硬化物が破壊した電圧を、絶縁破壊電圧とした。評価基準は以下の通りである。
◎◎:5.0kV以上
◎ :4.0kV以上5.0kV未満
○ :3.0kV以上4.0kV未満
△ :2.0kV以上3.0kV未満
× :2.0kV未満
熱伝導性シートの硬化物のガラス転移温度を次のように測定した。まず、得られた熱伝導性シートを180℃、10MPaで40分間熱処理することにより、熱伝導性シートの硬化物を得た。次いで、得られた硬化物のガラス転移温度(Tg)を、DMA(動的粘弾性測定)により昇温速度5℃/min、周波数1Hzの条件で測定した。
実施例1〜12および比較例1〜4のそれぞれについて、半導体パッケージの絶縁信頼性を次のように評価した。まず、熱伝導性シートの硬化物を用いて図1に示す半導体パッケージを作製した。次いで、この半導体パッケージを用いて、温度85℃、湿度85%、交流印加電圧1.5kVの条件で連続湿中絶縁抵抗を評価した。なお、抵抗値106Ω以下を故障とした。評価基準は以下の通りである。
◎◎:300時間以上故障なし
◎ :200時間以上300時間未満で故障あり
○ :150時間以上200時間未満で故障あり
△ :100時間以上150時間未満で故障あり
× :100時間未満で故障あり
実施例1〜12および比較例1〜4のそれぞれについて、半導体パッケージのヒートサイクル性を次のように評価した。まず、熱伝導性シートの硬化物を用いて図1に示す半導体パッケージを作製した。次いで、この半導体パッケージ3個を用いて、ヒートサイクル試験を実施した。ヒートサイクル試験は、−40℃5分〜+125℃5分を1サイクルとして3000回行なった。評価基準は以下の通りである。
つぎに、超音波映像装置(日立建機ファインテック社製、FS300)を用いて、半導体チップ、導電層に異常がないか観察した。
◎:半導体チップ、導電層ともに異常なし。
○:半導体チップおよび/または導電層の一部にクラックが見られるが実用上問題なし。
△:半導体チップおよび/または導電層の一部にクラックが見られ実用上問題あり。
×:半導体チップ、導電層ともにクラックが見られ使用できない。
一方、気孔率および平均気孔径の少なくとも一方が本発明の範囲外である比較例1〜4の熱伝導性シートは熱伝導率および絶縁破壊電圧の少なくとも一方が劣っていた。このような熱伝導性シートを用いた比較例1〜4の半導体パッケージは、絶縁信頼性およびヒートサイクル性に劣っていた。
したがって、本発明による熱伝導性シートを用いることにより、耐久性の高い半導体装置が得られることが分かった。
110 半導体チップ
111 上面
112 下面
120 導電層
130 ヒートシンク(金属板)
131 第1面
132 第2面
140 熱伝導性シート(熱伝導材)
141 上面
142 下面
150 金属層
151 上面
152 下面
160 リード
161 電極
170 ワイヤ
180 封止樹脂
182 下面
Claims (9)
- 熱硬化性樹脂と、前記熱硬化性樹脂中に分散された無機充填材とを含む熱伝導性シートであって、
当該熱伝導性シートの硬化物を700℃、4時間加熱処理して灰化した後の灰化残渣に含まれる前記無機充填材について、水銀圧入法による細孔径分布測定を行ったとき、
前記灰化残渣に含まれる前記無機充填材の粒子体積をaとし、前記灰化残渣に含まれる前記無機充填材の前記水銀圧入法により測定される粒子内空隙体積をbとしたとき、100×b/aで示される前記無機充填材の気孔率が40%以上65%以下であり、
前記灰化残渣に含まれる前記無機充填材の前記水銀圧入法により測定される平均気孔径が0.20μm以上1.35μm以下である、熱伝導性シート。 - 請求項1に記載の熱伝導性シートにおいて、
前記無機充填材は、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子により構成されている二次凝集粒子である、熱伝導性シート。 - 請求項2に記載の熱伝導性シートにおいて、
前記二次凝集粒子を構成する前記一次粒子の平均長径が0.01μm以上20μm以下である、熱伝導性シート。 - 請求項1乃至3いずれか一項に記載の熱伝導性シートにおいて、
前記無機充填材の平均粒径が5μm以上180μm以下である、熱伝導性シート。 - 請求項1乃至4いずれか一項に記載の熱伝導性シートにおいて、
前記無機充填材の含有量が、当該熱伝導性シート100質量%に対し、50質量%以上95質量%以下である、熱伝導性シート。 - 請求項1乃至5いずれか一項に記載の熱伝導性シートにおいて、
前記熱硬化性樹脂がジシクロペンタジエン骨格を有するエポキシ樹脂、ビフェニル骨格を有するエポキシ樹脂、アダマンタン骨格を有するエポキシ樹脂、フェノールアラルキル骨格を有するエポキシ樹脂、ビフェニルアラルキル骨格を有するエポキシ樹脂、ナフタレンアラルキル骨格を有するエポキシ樹脂、およびシアネート樹脂から選択される一種または二種以上である、熱伝導性シート。 - 請求項1乃至6いずれか一項に記載の熱伝導性シートにおいて、
昇温速度5℃/min、周波数1Hzの条件で動的粘弾性測定により測定される、当該熱伝導性シートの硬化物のガラス転移温度が175℃以上である、熱伝導性シート。 - 請求項1乃至7いずれか一項に記載の熱伝導性シートを硬化してなる熱伝導性シートの硬化物。
- 金属板と、
前記金属板の第1面側に設けられた半導体チップと、
前記金属板の前記第1面とは反対側の第2面に接合された熱伝導材と、
前記半導体チップおよび前記金属板を封止する封止樹脂とを備え、
前記熱伝導材が、請求項1乃至7いずれか一項に記載の熱伝導性シートにより形成された半導体装置。
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