JP2017212253A

JP2017212253A - 放熱シートおよび半導体装置

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Publication number: JP2017212253A
Application number: JP2016102478A
Authority: JP
Inventors: 濱口　恒夫; Tsuneo Hamaguchi; 恒夫濱口; 翔太佐藤; Shota Sato; 健太藤井; Kenta Fujii; 雄二白形; Yuji Shirakata
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-05-23
Filing date: 2016-05-23
Publication date: 2017-11-30
Anticipated expiration: 2036-05-23
Also published as: JP6647139B2

Abstract

【課題】接触熱抵抗が低減され、熱伝導性が向上した放熱シートを提供する。【解決手段】本発明の放熱シートは、絶縁層と、絶縁層の少なくとも片側に設けられた伝熱層と、を備える放熱シートである。絶縁層は、第１の熱硬化型樹脂と、第１の熱硬化型樹脂中に分散された絶縁性粒子と、を含む。絶縁性粒子は、第１の熱硬化型樹脂より高い熱伝導性を有する材料からなる。伝熱層は、第２の熱硬化型樹脂と、第２の熱硬化型樹脂中に分散されたはんだ材料からなるはんだ粒子と、を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、放熱シートおよび半導体装置に関する。

近年、車載や車両用の大容量産業機器に用いられる半導体装置は、多機能化、高出力化および小型化の傾向にある。これに伴い、半導体装置に実装される電子部品の単位体積当たりの発熱量は大きく上昇している。このため、放熱性が向上した半導体装置の開発が望まれている。

放熱シートは、半導体装置などにおいて、電子部品等の発熱する部材（発熱部材）とヒートシンクなどの放熱用の部材（放熱部材）の隙間を埋めて、発熱部材（高温側）から放熱部材（低温側）に熱を伝導するために用いられる。このため、放熱シートは、各部材の表面の凹凸にならって密着できるようにゴム弾性を有し、かつ、熱伝導性を有している。また、放熱シートは、電子部品の短絡を防止するために、電気的な絶縁性も有している。

一般に、放熱シートの熱伝導は、フィラー（放熱シート内に分散された粒子など）を経由して行われる。このため、従来の放熱シートの開発においては、主に、（ｉ）熱伝導のよいフィラーを充填すること、および、（ii）フィラーの充填率（放熱シート中の粒子の含有率）を大きくすることにより、熱伝導性を向上させる検討が行われていた。このような放熱シートに関する先行技術について、以下に例示する。

特許文献１（特開平２−１９６４５３号公報）に開示される放熱シート（伝熱シート）では、シリコーンゴム中に金属酸化物等の熱伝導性材料が混入されている。なお、取り扱いに必要な強度を有するシリコーン樹脂の層と、柔らかく変形しやすいシリコーンゴムの層とが積層されている。これにより、プリント基板に搭載された集積回路素子（発熱部材）の高さや傾きのばらつきを吸収することができる。

特許文献２（特開平８−８８４８８号公報）に開示される放熱シートでは、シリコーンゴム等の樹脂中に、粒状熱伝導性フィラーとして、粒状アルミナとこれよりも粒径が大きいマグネシアを含有した放熱シートが分散されている。

特許文献３（特開２００８−２７０６７８号公報）には、熱硬化型樹脂中に、粒径の異なる２種の無機充填材を含有する放熱シート（絶縁シート）が開示されている。この放熱シートでは、第１の無機充填材を厚さ方向における中央部に配置し、第１の無機充填材よりも粒径の小さい第２の無機充填材を表面近傍に分布させている。

特許文献４（特開２０１１−５４６０９号公報）に開示される放熱シート（熱伝導性シート）は、導電性かつ熱伝導性のフィラーと熱可塑性樹脂（ポリエステル系熱可塑性エラストマー）とからなる導電性熱伝導性樹脂層、および、その片面または両面に設けられた絶縁性かつ熱伝導性のフィラーと熱可塑性樹脂とからなる絶縁性熱伝導性樹脂層を備えている。

特開平２−１９６４５３号公報特開平８−８８４８８号公報特開２００８−２７０６７８号公報特開２０１１−５４６０９号公報

放熱シートの熱伝導性は、熱抵抗を用いて評価される。放熱シートの熱伝導性を向上させるためには、熱抵抗（Ｒ）を小さくする必要がある。なお、放熱シートの熱抵抗（Ｒ）は、放熱シート自体の熱抵抗（Ｒｂ）と、放熱シートと発熱部材等との界面における接触熱抵抗（Ｒｃ）との和で表わされる。従来の放熱シートの開発においては、放熱シート自体の熱抵抗（Ｒｂ）を減少させることが検討されてきた。

しかし、本発明者らの検討により、熱抵抗（Ｒ）全体に対する接触熱抵抗（Ｒｃ）の占める割合が比較的大きいことが分かった。これまでは、接触熱抵抗（Ｒｃ）を減少させることは検討されておらず、放熱シートの熱伝導性を大幅に向上させることは難しかった。

本発明は、上記の課題に鑑み、接触熱抵抗が低減され、熱伝導性が向上された放熱シートを提供することを目的とする。

本発明の放熱シートは、絶縁層と、絶縁層の少なくとも片側に設けられた伝熱層と、を備える放熱シートである。絶縁層は、第１の熱硬化型樹脂と、第１の熱硬化型樹脂中に分散された絶縁性粒子と、を含む。絶縁性粒子は、第１の熱硬化型樹脂より高い熱伝導性を有する材料からなる。伝熱層は、第２の熱硬化型樹脂と、第２の熱硬化型樹脂中に分散されたはんだ材料からなるはんだ粒子と、を含む。

本発明によれば、接触熱抵抗が低減され、熱伝導性が向上した放熱シートを提供することができる。

実施形態１の放熱シートの断面模式図である。実施形態１の放熱シートを適用した半導体装置の断面模式図である。実施形態１の半導体装置の発熱部材と放熱シートの接合部を拡大して示す断面模式図である。実施形態１の変形例の放熱シートの断面模式図である。（ａ）は、実施形態２の放熱シートの断面模式図である。（ｂ）は、（ａ）の部分拡大図である。実施形態２の放熱シートを適用した半導体装置の部分断面模式図である。実施形態４の放熱シートの断面模式図である。実施形態４の放熱シートを適用した半導体装置の部分断面模式図である。実施形態５の放熱シートの断面模式図である。実施形態６の半導体装置における放熱シート１およびその周囲の断面模式図である。接触熱抵抗の計算方法を説明するための模式的なグラフである。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表す。

［実施形態１］
（放熱シート）
図１は、本実施形態の放熱シートの断面模式図である。図１に示されるように、本実施形態の放熱シート１は、絶縁層１１（絶縁性熱伝導性樹脂層）と、絶縁層１１の片側に設けられた伝熱層１２とを備える。

絶縁層１１は、第１の熱硬化型樹脂３１と、第１の熱硬化型樹脂３１中に分散された絶縁性粒子２１と、を含む。絶縁性粒子２１は、第１の熱硬化型樹脂より高い熱伝導性を有する材料からなる。

伝熱層１２は、第２の熱硬化型樹脂と、第２の熱硬化型樹脂中に分散されたはんだ材料からなるはんだ粒子と、を含む。

絶縁層１１および伝熱層１２に用いられる第１の熱硬化型樹脂３１および第２の熱硬化型樹脂３２としては、耐熱性、耐候性、耐寒性および絶縁性を有する熱硬化型樹脂であることが好ましい。このような熱硬化型樹脂としては、例えば、シリコーンゴム（シリコーンゲルを含む）、エチレン・プロピレン・ジエンゴム（ＥＰＤＭ）、クロロプレンゴム、ウレタンゴムなどが挙げられる。特に、シリコーンゲルのガラス転移点は、例えば−５０℃程度である。第１の熱硬化型樹脂３１および第２の熱硬化型樹脂３２は、同じ樹脂であってもよく、異なる樹脂であってもよい。

なお、本明細書において、「熱硬化型樹脂」とは、特にその状態について記載のない限り、熱硬化後の状態を意味し、硬化前の状態については、「硬化前の熱硬化型樹脂」のように記載される。

絶縁性粒子２１を構成する材料としては、絶縁性を有し、かつ、第１の熱硬化型樹脂３１よりも高い熱伝導性を有する材料であれば特に限定されないが、例えば、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、水酸化アルミニウム、窒化ホウ素、炭化ケイ素などが挙げられる。

絶縁性粒子２１の平均粒径は、１０〜８０μｍであることが好ましく、例えば１０〜３０μｍ程度である。絶縁層１１中の絶縁性粒子２１の含有率は、６０〜９０体積％であることが好ましく、例えば、７０体積％程度である。

はんだ粒子２２は、はんだ材料からなる。はんだ材料は、環境保全のために、鉛を含まないことが好ましい。

はんだ材料は、通常、第２の熱硬化型樹脂３２より高い熱伝導性を有する。なお、はんだ材料は、導電性であってもよく、絶縁性であってもよい。

具体的なはんだ材料としては、例えば、Ｓｎ−Ｂｉ系、Ｓｎ−Ｂｉ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｃｕ系などのはんだ材料が挙げられる。より具体的なはんだ材料としては、例えば、Ｓｎ−５８Ｂｉ、Ｓｎ−５７Ｂｉ−Ａｇ、Ｓｎ−３．５Ａｇ、Ｓｎ−０．７Ｃｕなどが挙げられる。

はんだ粒子２２の平均粒径は、１０〜５０μｍであることが好ましく、例えば３０μｍ程度である。伝熱層１２中のはんだ粒子２２の含有率は、６０〜９０体積％であることが好ましく、例えば、７０体積％程度である。

次に、図１に示される放熱シート１の製造方法の一例について説明する。
まず、硬化前の第１の熱硬化型樹脂３１に絶縁性粒子２１を加え混練する。その後、混練物をシート状に延ばして、例えば５〜１０分の熱処理で第１の熱硬化型樹脂３１をゲル化（半硬化）させる。

次に、硬化前の第２の熱硬化型樹脂３２中にはんだ粒子２２を加え混練する。その後、混練物をゲル化した第１の熱硬化型樹脂３１上に薄く塗布し、１時間の加熱により硬化（本硬化）させる。これにより、第１の熱硬化型樹脂３１と第２の熱硬化型樹脂３２とが積層されてなる放熱シート１を得ることができる。

（半導体装置）
本実施形態の半導体装置は、発熱部材、発熱部材の熱を放散させるための放熱部材、および、発熱部材と放熱部材との間に配置された放熱シートを備える。

発熱部材は、熱を発生する部材であれば特に限定されず、例えば、電子部品などの発熱体自体、または、発熱体に伝熱可能に接続された部材などが挙げられる。なお、本明細書では、「発熱部材」の用語は、熱を発する部材のうち、放熱シートに直接接触する部材を意味する。

放熱部材は、放熱シートを介して発熱部材の熱を放散させることのできる部材であれば特に限定されず、例えば、ヒートシンクが挙げられる。

放熱シートは、上述した本実施形態の放熱シートと基本的に同じものであるため、重複する説明は省略する。

すなわち、放熱シートは、絶縁層と、絶縁層の少なくとも片側に設けられた伝熱層とを備える。絶縁層は、第１の熱硬化型樹脂と、第１の熱硬化型樹脂中に分散された絶縁性粒子と、を含み、絶縁性粒子は、第１の熱硬化型樹脂より高い熱伝導性を有する材料からなる。伝熱層は、第２の熱硬化型樹脂と、はんだ材料と、を含む。

ただし、上記放熱シートの伝熱層中に含まれるはんだ粒子は、半導体装置の製造過程における加熱または加圧処理により、半導体装置においては加熱または加圧処理前の粒子状の形状を維持していない（変形している）。

また、発熱部材と放熱シートの界面に、半導体装置の製造過程における加熱処理により形成された、はんだ結合部（金属間化合物層）を有している。これにより、発熱部材と放熱シートとの間の接触熱抵抗が小さくなり、半導体装置の放熱性が向上する。

図２は、本実施形態の放熱シートを適用した半導体装置の断面模式図である。図２に示されるように、半導体装置１０は、配線板２（配線層２ｂを有するプリント基板）、配線板２に搭載された発熱の大きな電子部品５、放熱シート１、および、ヒートシンクなどの放熱部材４を備える。図２に示される半導体装置では、配線板２（配線層２ｂ）が上記の発熱部材に相当する。

電子部品５で発生した熱は、配線板２の放熱ビア２ａを経由して、配線板２の裏面の配線層２ｂに伝導される。熱は、さらに配線層２ｂとはんだ接合した放熱シート１に伝導されて、放熱部材４に伝導される。なお、配線層２ｂの材料は、はんだ接合が可能な金属であることが好ましく、例えば、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎｉなどが挙げられる。

また、本実施形態の半導体装置は、上記の放熱シートを用いることで放熱性が向上するため、小型化および高集積化が可能である。

（半導体装置の製造方法）
本実施形態の半導体装置の製造方法は、基本的に、
発熱部材の表面に放熱シートを積層し、放熱シートの発熱部材と反対側の表面に放熱部材を積層する、積層工程と、
放熱シートを発熱部材と放熱部材で加圧（狭圧）する、加圧工程と、
放熱シートを伝熱層中に含まれるはんだ材料の融点以上に加熱する、加熱工程と、
を含む。

以下、図２に示される半導体装置１０の製造方法の具体例について説明する。
図２に示される半導体装置１０の製造方法は、
電子部品５を搭載した配線板２の配線層２ｂ（発熱部材）の表面に無洗浄フラックスを塗布する塗布工程と、
無洗浄フラックスが塗布された配線層２ｂの表面に放熱シート１を積層し、放熱シート１の配線層２ｂと反対側の表面に放熱部材４を積層する、積層工程と、
放熱シート１を配線板２と放熱部材４とで加圧（狭圧）する、加圧工程と、
放熱シート１を伝熱層１２中に含まれる（はんだ粒子２２を構成する）はんだ材料の融点以上に加熱する、加熱工程と、
を含んでいる。

加圧工程により、伝熱層１２中のはんだ粒子２２と配線層２ｂとの間に介在する第２の熱硬化型樹脂３２は排除され、はんだ粒子２２が配線層２ｂと接触する。この状態で加熱工程を実施すると、無洗浄フラックスの作用によりはんだ粒子２２の表面の酸化膜が除去され、はんだ粒子２２と配線層２ｂの接触界面にはんだ接合部（金属間化合物層）３が形成され、はんだ接合が行われる。

なお、無洗浄フラックスの代わりに、硬化剤として有機酸を含む硬化前の熱硬化性エポキシ樹脂を用いても、はんだ接合部を得ることができる。

ただし、上記加圧行程等において、伝熱層１２中のはんだ粒子２２と配線層２ｂとの間に介在する第２の熱硬化型樹脂３２が十分に排除されなければ、はんだ粒子２２が配線層２ｂと接触できない可能性がある。そこで、排除できる軟らかい樹脂として、ＪＩＳＫ２２２０に規定されている針入度が３０〜９０のシリコーンゲルを用いた場合において、はんだ粒子２２が配線層２ｂと接触することを実験的に検証した。

なお、本発明者らは、針入度が３０〜９０のシリコーンゲルを第２の熱硬化型樹脂３２として用いた場合に、放熱シートの加熱処理前の状態において、はんだ粒子は熱硬化型樹脂に分散された状態で保持され、はんだ粒子とシリコーンゲルとが混ざり合うことがないことも、実験的に確認している。なお、上記の針入度は、ＪＩＳＫ２２２０に規定される針入度である。

図３は、本実施形態の半導体装置の発熱部材と放熱シートの接合部を拡大して示す断面模式図である。

図３に示されるように、上記の製造工程（特に加熱工程）により、はんだ粒子２２は、配線層２ｂ（発熱部材）との界面には、はんだ接合部（金属間化合物層）３が形成されている。

（放熱シートの熱伝導性）
放熱シートの熱伝導性は、熱抵抗を用いて評価される。「熱抵抗」とは、温度の伝わりにくさを表す指標であり、単位発熱量当たりの温度上昇値を意味する。放熱シートの熱伝導性を向上させるためには、熱抵抗（Ｒ）を小さくする必要がある。

なお、放熱シートの熱抵抗（Ｒ）は、式（１）：
Ｒ＝Ｒｂ＋Ｒｃ・・・（１）
に示されるように、放熱シート自体の熱抵抗（Ｒｂ）と、放熱シートと発熱部材との間での接触熱抵抗（Ｒｃ）との和で表わされる。

ここで、放熱シート内の熱抵抗（Ｒｂ）は、式（２）：
Ｒｂ＝ｔ/（λＡ）・・・（２）
〔ｔ：放熱シート厚、λ：放熱シートの熱伝導率（主にフィラーの熱伝導率）、Ａ：放熱シートの伝熱面積（放熱シートの面積、フィラー径、フィラー充填率などの因子によって定められる熱伝導に寄与する面積）〕
で求められる。

特許文献１では、放熱シートを構成する樹脂を軟らかくし、放熱シートを発熱部材の表面に密着させることで、式（２）の伝熱面積（Ａ）を増加させて、熱抵抗（Ｒｂ）を小さくしようとしている。

特許文献２では、フィラーの材料と径を変えて、式（２）のλとＡを大きくして、放熱シートの熱抵抗を小さくしようとしている。

特許文献３では、絶縁性を維持しながら熱伝導性を向上させるために、表面に粒径の小さいフィラーを配置することで、フィラーの充填率を上げて、放熱シートの熱抵抗を小さくしようとしている。

特許文献４においては、導電性のフィラーを含む層を積層して、式（２）のλを大きくすることで、放熱シートの熱抵抗を小さくしようとしている。

このように従来は、放熱シート自体の熱抵抗（Ｒｂ）を減少させることが検討されてきた。しかし、本発明者らの検討により、熱抵抗（Ｒ）全体に対する接触熱抵抗（Ｒｃ）の占める割合が比較的大きいことが分かった。

一例として、厚さ１ｍｍの従来の一般的な放熱シート（シリコーンゲルにアルミナの微粉末（サイズ１〜５０μｍ）を充填してなるシート）を用いて、熱抵抗（Ｒ）全体に対する接触熱抵抗（Ｒｃ）の占める割合を実験的に求めたところ、その割合は３０〜４０％であった。

したがって、接触熱抵抗（Ｒｃ）を小さくすることで、放熱シートのさらなる熱伝導性の向上が可能である。

従来技術について、発熱部材と放熱シートの接触面を微視的にみると、発熱部材の表面と放熱シート中の粒子は加圧によって極薄くなった樹脂を介して接触していると考えられている。このように、熱伝導の悪い樹脂を介しているため、熱抵抗が大きくなり、伝熱量は少なくなる。また、粒子は球形状であるため、伝熱に寄与する面積（伝熱面積）が小さくなる。

これに対して、本発明者らの検討により、本実施形態では、放熱シート１（伝熱層１２）と配線層２ｂとが、はんだ接合部３を形成することにより、接触熱抵抗Ｒｃを９×１０^−８Ｋ・ｍ^２/Ｗ以下に低減できることがわかった。

一方、従来の放熱シートについて、式（３）の右辺第１項および第２項を含む値として、試験（ＡＳＴＭＤ５４７０に準拠した熱伝導率測定装置）により求めた接触熱抵抗の値は、０．３３（Ｋ／Ｗ）であった。したがって、通常の放熱シートに対する本実施形態の放熱シートの接触熱抵抗の比率は、２．９×１０^−８／０．３３＝９×１０^−８である。

このように、本実施形態の放熱シートは、従来と比べて大幅に接触熱抵抗が低減されたものである。このように、放熱シートの接触熱抵抗を小さくすれば、放熱シートの熱伝導性は大幅に向上する。

なお、本実施形態の放熱シートの接触熱抵抗Ｒｃの値は、計算によって求めた。計算の根拠を以下に説明する。

「社団法人日本機械学会発行、伝熱工学資料、2009年発行5版、ｐ.16-17」によれば、接触熱抵抗は、以下の式（３）：

１／Ｒｃ＝（ａ／Ａ）／｛（δ１／λ１）＋（δ２／λ２）｝＋｛（Ａ−ａ）／Ａ｝・λｆ／（δ１＋δ２）・・・（３）

で表わされる。

式（３）において、δは、表面の突起高さを示す。ａは、はんだ接合部の面積である。Ａは、接触面の見掛けの面積（接触面に垂直な方向から見て接触している２つの物体が重なっている部分の面積）である。λは、熱伝導率である。λｆは、はんだの金属間化合物の熱伝導率である。（δ１＋δ２）は、金属間化合物層の厚さである。なお、δおよびλの添え字の１は、接触している２つの物体のうちの一方の物体（例えば、放熱シート）の値であることを意味し、２は、他方の物体（例えば、発熱部材）の値であることを意味する。また、λｆは、接触している２つの物体の間の介在物質の熱伝導率である。

はんだに関する文献（『R．J．Fieldsほか、"PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF INTERMETALLIC COMPOUNDS COMMONLY FOUND IN SOLDER JOINTS"、NIST Material Science and Engineering Division、Material Performance Group Research Publication、1991年10月』、および、『高尾尚史ほか、「CuおよびCu-Sn系化合物のSn-Pbはんだ濡れ性解析」豊田中央研究所Ｒ＆Ｄレビュー、Vol.31，No.4、1996年12月、p.61-69』）に基づいて、λｆは、はんだがＣｕ_３Ｓｎ化合物である場合、約７０Ｗ／ｍＫである。（δ１＋δ２）＝１μｍとし、はんだ接合が得られている面積が全体の半分（ａ／Ａ＝０．５）であると仮定すれば、式（３）の右辺第２項は３×１０^−８（Ｋ／Ｗ）となる。

ただし、放熱シートの接触熱抵抗は、試験により求めることもできる。以下では、放熱シートの接触熱抵抗Ｒｃを試験により求める方法の一例について説明する。

まず、厚さの異なる複数の放熱シート（測定サンプル）について、熱伝導率を熱伝導測定器（「Polyfile、「方向熱流定常比較法を用いた熱伝導率測定装置の開発」、株式会社レスカ、2013年10月、p.44-46」参照）を用いて測定する。

図１１に示されるように、得られた複数の測定データから、放熱シートの厚さと熱伝導率との関係を示すグラフ（一次近似関数：Ｒ_ｔｈ＝ａ・ｔ_ｓ＋ｂ）を作成し、外挿により放熱シートの厚さが０の場合の熱抵抗値を接触熱抵抗（Ｒｃ）として求めることができる。すなわち、上記一次近似関数のｂの値が接触熱抵抗となる。

［実施形態１の変形例］
本変形例の放熱シートは、絶縁層の両側に伝熱層が設けられている点で、実施形態１とは異なる。それ以外の点は、基本的に上記の実施形態１と同じである。

図４は、実施形態１の変形例の放熱シートの断面模式図である。図４に示されるように、本変形例の放熱シートでは、絶縁層１１の両側に伝熱層が設けられている。すなわち、すなわち、絶縁層１１の一方側に第１の伝熱層１２ａが設けられ、絶縁層１１の他方側に第２の伝熱層１２ｂが設けられている。

次に、図４に示す本変形例の放熱シートの製造方法について説明する。
まず、硬化前の第２の熱硬化型樹脂３２ａに第１のはんだ粒子２２ａを加え混練した後、シート状に延ばして、５〜１０分の加熱処理で第２の熱硬化型樹脂３２ａをゲル化させる。次に、硬化前の第１の熱硬化型樹脂３１ａ中に絶縁性粒子２１を加え混練した後、上記ゲル化した第２の熱硬化型樹脂３２ａ上に塗布し、５〜１０分加熱し、第１の熱硬化型樹脂をゲル化させる。この結果、ゲル化した熱硬化型樹脂層からなる第１の伝熱層１２ａと絶縁層１１とを積層してなる放熱シートを得ることができる。

次に、硬化前の第２の熱硬化型樹脂３２ｂに第２のはんだ粒子２２ｂを加え混練した後、シート状に延ばして、５〜１０分の加熱処理で、第２の熱硬化型樹脂３２ｂをゲル化させる。次に、硬化前の第１の熱硬化型樹脂３１ａ中に絶縁性粒子２１を加え混練した後、上記ゲル化した第２の熱硬化型樹脂３２ｂ上に塗布し、５〜１０分の加熱処理で、第１の熱硬化型樹脂をゲル化させる。この結果、ゲル化した熱硬化型樹脂層からなる第２の伝熱層１２ｂと絶縁層１１とを積層してなる放熱シートを得ることができる。

次に、ゲル化した第１の伝熱層１２ａ上に絶縁層１１を積層したシートと、ゲル化した第２の伝熱層上に絶縁層１１を積層したシートの絶縁層１１面を合わせて積層した後、
各熱硬化型樹脂を熱で硬化させることで、絶縁層１１の一方側に第１の伝熱層１２ａが設けられ、他方側に第２の伝熱層１２ｂが設けられた放熱シート１を得ることができる。

本変形例の放熱シートを用いた半導体装置の製造方法は、実施形態１で説明した半導体装置１０の製造方法と基本的に同じである。

ただし、半導体装置の製造過程における加熱処理等により、発熱部材（配線層２ｂ）と放熱シート１との界面だけでなく、放熱部材４と放熱シート１との界面にも、はんだ結合部（金属間化合物層）を形成してもよい。この場合、発熱部材と放熱シートとの間だけでなく、放熱部材と放熱シートとの間の接触熱抵抗も小さくなり、さらに半導体装置の放熱性が向上する。

この場合、放熱部材４は、はんだ接合できる材料から構成されている。はんだ接合できる放熱部材の材料としては、例えば、銅、銀、ニッケルなどが挙げられる。

なお、加熱工程の温度を、第１のはんだ粒子２２ａの融点、および、第２のはんだ粒子２２ｂの融点のいずれか高い方の温度以上の温度に調整すれば、発熱部材と放熱シート１との界面だけでなく、放熱部材４と放熱シート１との界面にも、はんだ結合部を形成することができる。

［実施形態２］
図５（ａ）は、本実施形態の放熱シートの断面模式図である。また、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＡで示す部分を拡大した部分拡大図である。図５（ａ）および（ｂ）に示されるように、本実施形態の放熱シートは、伝熱層１２が、はんだ粒子２２よりも小さく、第２の熱硬化型樹脂３２より高い熱伝導性を有する小粒子２３をさらに含む点で、実施形態１とは異なる。それ以外の点は、基本的に実施形態１と同じである。

本実施形態においては、小粒子２３をさらに含むことで、伝熱層中の熱伝導性に優れた粒子の充填率が大きくなるため、放熱シートの熱伝導性が向上する。

図６は、本実施形態の放熱シート１を適用した半導体装置１０（図２参照）についての（配線層２ｂと放熱シート１の界面付近の）部分断面模式図である。

図６に示されるように、はんだ粒子２２間の隙間に、はんだ粒子２２より小さい小粒子２３が充填されている。ここで、小粒子２３は、熱硬化型樹脂３２よりも熱伝導性が高い。このため、熱伝導性が高い材料の密度が高められ、放熱シートの伝熱量が大きくなる。

したがって、本実施形態においては、はんだ粒子２２により、接触熱抵抗（Ｒｃ）を小さくすることができることに加え、小粒子２３により、伝熱層１２自体の熱抵抗（Ｒｂ）も小さくすることができるため、伝熱層１２の熱抵抗をさらに小さくすることができる。

小粒子２３の熱伝導率は、好ましくは１Ｗ／ｍＫ以上（ガラスの熱伝導率以上）であり、より好ましくは２０Ｗ／ｍＫ以上（伝熱性材料として一般に用いられるアルミナの熱伝導率以上）であり、さらに好ましくは４０Ｗ／ｍＫ以上（はんだ粒子２２の一般的な熱伝導率以上）である。小粒子２３の熱伝導性が高いほど、放熱シートの熱伝導性が向上する。

本実施形態において、小粒子２３の材料は、熱硬化型樹脂３２よりも熱伝導性が高い材料である。

小粒子２３の材料としては、例えば、金属材料を用いることができる。金属材料としては、例えば、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、マグネシウム（Ｍｇ）などを用いることができる。

金属材料は、はんだ粒子２２を構成するはんだ材料よりも熱伝導のよい金属材料であることが好ましい。より、放熱効果を大きくするためである。はんだ粒子２２を構成するはんだ材料以外の金属材料としては、Ｃｕ、Ａｌなどが挙げられる。

また、小粒子２３の材料として、セラミックスを用いてもよい。セラミックスとしては、例えば、酸化アルミニウム（アルミナ：Ａｌ_２Ｏ_３）、水酸化アルミニウム（Ａｌ（ＯＨ）_３）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、カーボン（Ｃ）などが挙げられる。

小粒子２３の材料の融点は、はんだ粒子２２を構成するはんだ材料の融点より高いことが好ましい。この場合、図１０に示されるように、はんだ粒子の溶融時に小粒子２３が溶融するのを防止するためである。

小粒子２３の大きさは、はんだ粒子２２同士の隙間に入り込むことが可能な大きさであることが好ましい。この場合、はんだ粒子２２の密度を下げずに、小粒子２３の充填密度と同じ分、熱伝導性が比較的高い材料の密度を高めることができる。したがって、効率的に放熱シートの熱伝導性を高めることができる。

例えば、はんだ粒子２２の粒径が３０μｍである場合、小粒子２３の粒径は１２μｍである。なお、ここでいう「粒径」とは、「平均粒径」であり、例えば、レーザ回折を用いた粒度測定装置によって測定することができる。この場合、はんだ粒子２２の含有率を６０〜９０体積％とすると、小粒子２３の含有率は４〜６体積％になる。ここで、伝熱層中のはんだ粒子２２と小粒子２３との合計の含有率は６４〜９６体積％である。

本実施形態の放熱シートの製造方法においては、硬化前の第２の熱硬化型樹脂３２ａ中にはんだ粒子２２および小粒子２３を加えて混練する。それ以外の点は、基本的に実施形態１の放熱シートの製造方法と同じであるため、重複する説明は省略する。

なお、図５（ａ）では、絶縁層１１の片面に伝熱層１２ａを設けたが、図４と同様に、絶縁層１１の両側に伝熱層を設けてもよい。

［実施形態３］
本実施形態の放熱シートは、第２の熱硬化型樹脂３２ｂが第１の熱硬化型樹脂３１ｂよりも硬い点で、実施形態１とは異なる。それ以外の構成は、基本的に図１に示した実施形態１の放熱シートと同じである。

本実施形態においては、第２の熱硬化型樹脂３２ｂが第１の熱硬化型樹脂３１ｂよりも硬いため、放熱シート１を配線板２に押し付けて加圧した状態で、はんだの融点以上に加熱しても、第２の熱硬化型樹脂３２ｂが支えとなって、伝熱層１２が潰れにくい。

また、本実施形態では、発熱部材と放熱部材との間の熱膨張差が大きい場合でも、第１の熱硬化型樹脂３１ｂが（第２の熱硬化型樹脂３２ｂよりも）軟らかいため、配線板２と放熱部材４との熱膨張差が吸収され、配線板２の反りの発生を抑制することができる。

第１の熱硬化型樹脂３１ｂおよび第２の熱硬化型樹脂３２ｂとして用いられる硬化前の熱硬化型樹脂としては、例えば、熱硬化性のシリコーンゲルを用いることができる。

第１の熱硬化型樹脂および第２の熱硬化型樹脂の硬さの指標としては、例えば、針入度が挙げられる。針入度は、第１の熱硬化型樹脂および第２の熱硬化型樹脂熱硬化性のシリコーンゲルなどの柔らかい材料である場合に適した硬さの指標である。なお、針入度が小さい程、材料が硬いことを意味する。

第２の熱硬化型樹脂の針入度は、例えば２０〜６０である。第１の熱硬化型樹脂の針入度は、例えば６０〜１００である。なお、針入度は、例えば、ＪＩＳＫ２２２０に規定される稠度試験法（１／４コーン、総荷重：９．３８ｇ）によって測定することができる。

［実施形態４］
図７は、本実施形態の放熱シートの断面模式図である。図７に示されるように、本実施形態の放熱シートは、伝熱層１２が、はんだ粒子２２を含有する層（はんだ粒子層）と金属粒子２４を含有する層（金属粒子層）の２層を含み、金属粒子を含有する層が絶縁層１１側に設けられている点で、実施形態１とは異なる。それ以外の点は、基本的に実施形態１と同じである。

本実施形態においては、伝熱層１２がはんだ粒子層および金属粒子層の２層を含むことで、伝熱層１２内の熱伝導性が向上し、放熱シート１の熱伝導性が向上する。

実施形態１のように伝熱層がはんだ粒子のみを含む場合よりも、熱伝導性を向上させるためには、「金属粒子」を構成する金属材料の熱伝導率が「はんだ材料」よりも高いことが好ましい。

金属粒子２４を構成する金属材料は、はんだ粒子２２を構成するはんだ材料とは異なる金属材料である。金属粒子２４を構成する金属材料は、加熱溶融されたはんだ材料に濡れる金属であり、かつ、はんだ粒子２２が溶融した際に、はんだ粒子２２との界面に金属間化合物層（はんだ接合部）を形成可能な金属であることが好ましい。金属粒子２４を構成する具体的な金属材料としては、例えば、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、ニッケル（Ｎｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）などが挙げられる。

なお、図７では、金属粒子２４は球状の粒子である。ただし、本実施形態においては、金属粒子２４の形状は、特に限定されず、例えば、フレーク状の金属粒子などを用いてもよい。

図８は、本実施形態の放熱シート１を適用した半導体装置１０（図２参照）についての（配線層２ｂと放熱シート１の界面付近の）部分断面模式図である。

はんだ粒子２２は、溶融して配線層２ｂとの界面で金属間化合物を形成するとともに、金属粒子２４とも金属間化合物を形成する。このため、配線層２ｂとの界面の接触熱抵抗は小さくなるとともに、粒子間（はんだ粒子２２と金属粒子２４との間）の接触熱抵抗も小さくすることができる。

また、金属粒子層内でも熱を伝導することができるため、放熱の経路を増やすことで伝導する熱量を大きくすることができ、さらに熱伝導性が向上する。

［実施形態５］
図９は、本実施形態の放熱シートの断面模式図である。

図９に示されるように、本実施形態の放熱シート１では、絶縁層１１の両側に伝熱層が設けられている。すなわち、本実施形態の放熱シートは、絶縁層１１の一方側に設けられた伝熱層（第１の伝熱層１２ａ）と、絶縁層１１の他方側に設けられた伝熱層（第２の伝熱層１２ｂ）と、を備える。

第１の伝熱層１２ａには、はんだ粒子（第１のはんだ粒子２２ａ）が分散されている。また、第２の伝熱層１２ｂには、はんだ粒子（第２のはんだ粒子２２ｂ）が分散されている。ここで、第１のはんだ粒子２２ａの融点は、第２のはんだ粒子２２ｂの融点よりも低い。

本実施形態の放熱シートは、これらの点で実施形態１とは異なるが、それ以外の点は、基本的に実施形態１と同じである。

図１０は、本実施形態の放熱シート１を適用した半導体装置１０（図２参照）についての（配線層２ｂと放熱シート１の界面付近の）部分断面模式図である。

本実施形態の半導体装置では、図１０に示されるように、第２の伝熱層１２ｂ中の第２のはんだ粒子２２ｂは、潰れた状態で放熱部材４と接触している。なお、第１の伝熱層１２ａ中の第１のはんだ粒子２２ａは、配線層２ｂとははんだ接合している。

本実施形態の放熱シートを用いた半導体装置の製造方法は、加熱工程において、加熱温度が、第１のはんだ粒子２２ａの融点以上で、かつ、第２のはんだ粒子２２ｂの融点以下の温度に調整される点で、実施形態１の半導体装置の製造方法とは異なる。それ以外の点は、実施形態１の変形例を用いた半導体装置の製造方法と基本的に同じである。

上記の製造方法によれば、加熱工程において、第１のはんだ粒子２２ａを溶融させながら、第２のはんだ粒子２２ｂが溶融しないようにすることができる。

放熱部材４がはんだ接合できない材料で構成されている場合は、仮に第２のはんだ粒子２２ｂを溶融させると、放熱部材４に濡れないために、側面に流出しやすくなる。このため、第２のはんだ粒子２２ｂを溶融させずに、加圧工程で潰した状態にする方が、従来のアルミナ粒子を用いた場合よりも、放熱シート１と放熱部材４との界面での有効接触面積（伝熱面積）を大きくすることができる。これにより、放熱シートと放熱部材４との界面における接触熱抵抗を低減することができる。

一般的に、はんだ材料（第２のはんだ粒子２２ｂ）のビッカース硬度は１２〜３０程度であるのに対し、絶縁層１１に充填した絶縁性粒子２１として用いる酸化アルミニウム、窒化アルミニウムなどのセラミックスの粒子のビッカース硬度は約２０００である。このため、放熱シート１を加圧する加圧工程において、第２のはんだ粒子２２ｂは容易に潰すことができる。

したがって、本実施形態においては、放熱部材４がはんだ接合できない材料で構成されている場合でも、放熱シート１と放熱部材４との界面での接触熱抵抗を低減でき、放熱シートの熱伝導性を向上させることができる。これにより、半導体装置の放熱性を向上させることができる。

さらに、本実施形態においては、第２のはんだ粒子２２ｂが溶融しないため、第２の伝熱層１２ｂと放熱部材４との界面から溶融したはんだが周囲に流れ出すことにより、放熱シート１の端面において絶縁不良が発生することを防止できる。

なお、第１の伝熱層１２ａの第１のはんだ粒子２２ａは溶融するが、第２の熱可塑性樹脂層３２ａとして第２の熱可塑性樹脂層３２ｂよりも硬い樹脂を用いることで、はんだが放熱シートの端部周囲に流れ出すことを抑制できる。

ただし、発熱側（配線層２ｂなどの発熱部材と放熱シート１の界面）では、局所的に発熱している場合があり、単位面積あたりの熱量が大きいため、発熱部材と放熱シート１とがはんだ接合されていることが好ましい。はんだ接合されていない場合、局所的な発熱が生じた箇所で発熱部材から放熱シート１への熱の伝導が十分に行われず、放熱性が大きく低下する可能性があるからである。

一方、放熱側（放熱部材４と放熱シート１の界面）では、熱の拡散により単位面積あたりの熱量が小さくなっているため、本実施形態のように、放熱部材４と放熱シート１とがはんだ接合されていなくてよい。

今回開示された実施形態および実施例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説明ではなくて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。

１放熱シート、２配線基板、２ａ放熱ビア、２ｂ配線層、３はんだ接合部（金属間化合物層）、４放熱部材、５電子部品、１０半導体装置、１１絶縁層、１２伝熱層、１２ａ第１の伝熱層、１２ｂ第２の伝熱層、２１絶縁性粒子、２２第１のはんだ粒子、２２ｂ第２のはんだ粒子、２３小粒子、２４金属粒子、３１，３１ａ，３１ｂ第１の熱硬化型樹脂、３２，３２ａ，３２ｂ第２の熱硬化型樹脂。

Claims

絶縁層と、前記絶縁層の少なくとも片側に設けられた伝熱層と、を備える放熱シートであって、
前記絶縁層は、第１の熱硬化型樹脂と、前記第１の熱硬化型樹脂中に分散された絶縁性粒子と、を含み、
前記絶縁性粒子は、前記第１の熱硬化型樹脂より高い熱伝導性を有する材料からなり、
前記伝熱層は、第２の熱硬化型樹脂と、前記第２の熱硬化型樹脂中に分散されたはんだ材料からなるはんだ粒子と、を含む、放熱シート。
前記伝熱層は、前記はんだ粒子よりも小さく、前記第２の熱硬化型樹脂より高い熱伝導性を有する小粒子をさらに含む、請求項１に記載の放熱シート。
前記第２の熱硬化型樹脂は前記第１の熱硬化型樹脂よりも硬い、請求項１または２に記載の放熱シート。
前記伝熱層は、前記はんだ粒子を含有する第１層と、金属粒子を含有する第２層と、を含み、
前記第２層は、前記第１層の前記絶縁層側に設けられている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の放熱シート。
前記絶縁層の一方側に設けられた前記伝熱層である第１の伝熱層と、
前記絶縁層の他方側に設けられた前記伝熱層である第２の伝熱層と、を備え、
前記第１の伝熱層に含まれる前記はんだ粒子の融点は、前記第２の伝熱層に含まれる前記はんだ粒子の融点よりも低い、請求項１〜４のいずれか１項に記載の放熱シート。
発熱部材、前記発熱部材の熱を放散させるための放熱部材、および、前記発熱部材と前記放熱部材との間に配置された放熱シートを備える、半導体装置であって、
前記放熱シートは、絶縁層と、前記絶縁層の少なくとも片側に設けられた伝熱層とを備え、
前記絶縁層は、第１の熱硬化型樹脂と、前記第１の熱硬化型樹脂中に分散された絶縁性粒子と、を含み、
前記絶縁性粒子は、前記第１の熱硬化型樹脂より高い熱伝導性を有する材料からなり、
前記伝熱層は、第２の熱硬化型樹脂と、はんだ材料と、を含み、
前記発熱部材と前記放熱シートの界面に、はんだ結合部を有する、半導体装置。