JP2017212254A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】伝熱部材の接触熱抵抗を低減し、熱伝導性を向上させることで、放熱性が向上した半導体装置を提供する。【解決手段】本発明の半導体装置は、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伝熱部材を備える。伝熱部材は、絶縁伝熱層と、絶縁伝熱層の少なくとも片側に設けられた表面伝熱層とを備える。絶縁伝熱層は、熱硬化型樹脂と、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、熱硬化型樹脂より高い熱伝導性を有する材料からなる。表面伝熱層は、シリコーンゲルと、シリコーンゲル中に分散された伝熱粒子と、を含む。伝熱粒子は、シリコーンゲルよりも高い熱伝導性を有する材料からなり、平坦な面を有する。そして、少なくとも一部の伝熱粒子と発熱部材とが、平坦な面を介して接している。【選択図】図１

Description

本発明は、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。

半導体装置において、電子部品等の発熱する部材（発熱部材）からヒートシンクなどの放熱用の部材（放熱部材）への熱伝導により、放熱が行われる。ここで、発熱部材と放熱部材との隙間を、熱伝導性を有する伝熱部材で埋めることにより、放熱性が高められる。

伝熱部材は、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、伝熱部材は、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。

なお、伝熱部材は、例えば、（１）発熱する半導体素子（電子部品）と放熱部材との間に用いられるか（例えば、特許文献１：特開平６−２０９０５７号公報）、または、（２）半導体素子（電子部品）を実装した基板と放熱部材との間に用いられる（例えば、特許文献２：特開２０１４−３６０３３号公報）。

伝熱部材の熱伝導は、一般に、フィラー（伝熱部材内に分散された粒子など）を経由して行われる。このため、従来の伝熱部材の開発においては、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（伝熱部材中の粒子の含有率）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。このような伝熱部材に関する先行技術について、以下に例示する。

特許文献３（特開平２−１９６４５３号公報）に開示される伝熱部材（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ゴムの層と、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４（特開平８−８８４８８号公報）に開示される伝熱部材では、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伝熱部材が分散されている。

特許文献５（特開２０１１−５４６０９号公報）に開示される伝熱部材（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６−２０９０５７号公報 特開２０１４−３６０３３号公報 特開平２-１９６４５３号公報 特開平８-８８４８８号公報 特開２０１１-５４６０９号公報

伝熱部材の熱伝導性は、熱抵抗を用いて評価される。伝熱部材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、伝熱部材の熱抵抗（Ｒ）は、伝熱部材内部の熱抵抗（Ｒｂ）と、伝熱部材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。従来の伝熱部材の開発においては、伝熱部材内部の熱抵抗（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、伝熱部材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、伝熱部材と発熱部材との間の接触熱抵抗を低減し、熱伝導性を向上させることで、放熱性が向上した半導体装置を提供することを目的とする。

本発明の半導体装置は、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伝熱部材を備える。伝熱部材は、絶縁伝熱層と、絶縁伝熱層の少なくとも片側に設けられた表面伝熱層とを備える。絶縁伝熱層は、熱硬化型樹脂と、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、熱硬化型樹脂より高い熱伝導性を有する材料からなる。表面伝熱層は、シリコーンゲルと、シリコーンゲル中に分散された伝熱粒子と、を含む。伝熱粒子は、シリコーンゲルよりも高い熱伝導性を有する材料からなり、表面に平坦な面を有する。そして、少なくとも一部の伝熱粒子と発熱部材とが、平坦な面を介して接している。

本発明によれば、伝熱部材と発熱部材との間の接触熱抵抗を低減し、熱伝導性を向上させることで、放熱性が向上した半導体装置を提供することができる。

実施形態１の半導体装置の断面模式図である。 接触熱抵抗に対する粒子形状の影響を説明するためのグラフである。 実施形態１の半導体装置に用いた伝熱部材の断面模式図である。 実施形態１の半導体装置の製造方法を説明するための断面模式図である。 実施形態１の変形例の半導体装置の断面模式図である。 実施形態２の半導体装置の断面模式図である。 実施形態３の半導体装置の断面模式図である。 実施形態４の半導体装置の断面模式図である。 実施形態５の半導体装置の断面模式図である。 実施形態５の半導体装置の製造方法を説明するための断面模式図である。 接触熱抵抗を算出する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］
（半導体装置）
図１は、実施形態１の半導体装置の断面図である。

図１（ａ）に示されるように、本実施形態の半導体装置１００は、発熱する電子部品１（発熱部材）、配線板２、発熱部材の熱を放散させるための放熱部材４、および、発熱部材と放熱部材との間に配置された伝熱部材５を備えている。なお、電子部品１は、配線板２の表面に設けられた電極２ａに、はんだ３を用いて接続されている。

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、伝熱部材に直接接触する部材を意味する。

放熱部材は、伝熱部材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、筐体などが挙げられる。

電子部品１からの熱は伝熱部材５を経由して放熱部材４に伝導され外部に放散される。伝熱部材５は、高温側には平坦な面を有する伝熱粒子６１を充填したシリコーンゲル７１からなる表面伝熱層５１と、熱伝導のよい絶縁性粒子６２を熱硬化型樹脂７２に充填した絶縁伝熱層５２で構成される。

表面伝熱層５１は、シリコーンゲル７１と、シリコーンゲル７１中に分散された（平坦な面を有する）伝熱粒子６１とを含んでいる。絶縁伝熱層５２は、熱硬化型樹脂７２と、熱硬化型樹脂７２中に分散された絶縁性粒子６２を含んでいる。

図１（ｂ）に、電子部品１と伝熱部材５との界面の拡大図（図１（ａ）における領域Ａの拡大図）を示す。平坦な面を有する伝熱粒子６１は、シリコーンゲル７１を排除して、電子部品１と接触している。これにより、伝熱部材５の熱伝導性が向上し、半導体装置１００の放熱性が向上する。

伝熱粒子６１が電子部品１と接触するには、シリコーンゲルのような軟らかい樹脂が適する。ＪＩＳ Ｋ２２２０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、伝熱粒子６１が電子部品１と接触できることを実験的に見出した。

また、熱硬化型樹脂７２として、シリコーンゲルを用いてもよい。ただし、熱硬化型樹脂７２は、絶縁性粒子６２を保持する作用の他に、伝熱粒子６１と電子部品１との接触状態、および、絶縁性粒子６２と放熱部材４との接触状態を維持する作用を有している。このため、熱硬化型樹脂７２としては、シリコーンゲル７１よりも針入度の小さいシリコーンゲルを用いることが好ましい。絶縁性粒子６２は、熱硬化型樹脂７２より高い熱伝導性を有する材料からなる。

絶縁伝熱層５２に用いられる熱硬化型樹脂７２は、耐熱性、耐候性、耐寒性および絶縁性を有することが好ましい。このような熱硬化型樹脂としては、例えば、シリコーンゲル、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂などがあげられる。熱硬化型樹脂７２およびシリコーンゲル７１は、同じシリコーンゲルであってもよく、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６２を構成する材料としては、絶縁性を有し、かつ、熱硬化型樹脂７２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６２の粒径は、１０〜１００μｍであることが好ましく、例えば３０〜９０μｍ程度である。なお、本明細書において、「粒径」は、例えば、光学顕微鏡または走査型電子顕微鏡にて撮影した画像から読み取ることができる。

絶縁伝熱層５２中の絶縁性粒子６２の含有率は、６０〜８０体積％であることが好ましく、例えば、７０体積％程度である。

伝熱粒子６１は、平坦な面を有する粒子であれば、特にその形状は限定されない。伝熱粒子６１の具体的な形状として、平面が２面以上あるのが好ましく、このような形状としては、例えば、直方体、偏平形状（実施形態３参照）などが挙げられる。ただし、例えば半球形状のように平面が１面のみである粒子であってもよい。なお、伝熱粒子６１の「平坦な面」とは、ＪＩＳ Ｂ ０６２１に規定された平面度１０μｍ以下の面をいう。なお、表面の凹凸の平面度は、例えば、レーザを用いた非接触３次元測定装置によって測定することができる。

伝熱粒子６１の材料は、シリコーンゲル７１より高い熱伝導性を有する材料であり、導電性であってもよく、絶縁性であってもよい。

具体的な伝熱粒子６１の材料としては、例えば、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、炭化ケイ素などのセラミック粒子、または、銅、ニッケル、アルミニウムなどの金属粒子が挙げられる。

伝熱粒子６１のサイズは、１０〜２００μｍであることが好ましい。なお、一部、１０μｍ以下の微粒子や２００μｍを超える粒子が混入することは許容される。ここで、サイズとは粒子の外接球の直径をいう。表面伝熱層５１中の伝熱粒子６１の含有率は、６０〜８０体積％であることが好ましく、例えば、７０体積％程度である。

図３は、実施形態１の半導体装置に用いた伝熱部材の断面模式図である。図３に示されるように、伝熱部材５は、表面伝熱層５１と絶縁伝熱層５２の２層から構成される。

次に、本実施形態に用いられる伝熱部材５の製造方法の一例について説明する。
熱硬化前の液状のシリコーンゲル７１に熱伝導のよい薄いセラミック板を浸漬した後、セラミック板を粉砕することによって、多数の平坦な面を有する伝熱粒子６１をシリコーンゲル中に作製した後、５〜６分の熱処理をして半硬化のシリコーンゲル７１のシートを形成する。次に、熱硬化前の液状の熱硬化型樹脂７２に絶縁性粒子６２を加え混練した後、半硬化したシリコーンゲル７１上に塗布し、シートを加熱し、シリコーンゲル７１および熱硬化型樹脂を硬化することで、伝熱部材５を得ることができる。

粉砕される薄いセラミック板として、厚さ５０μｍの酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）を用いたがこれに限定されることなく、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）などの高熱伝導材を用いてもよい。また、予め、粉砕して表面の一部が平面である伝熱粒子６１を作製し、シリコーンゲル７１中に充填したものを用いてもよい。

本実施形態では、表面伝熱層５１として、針入度６０のシリコーンゲル７１に、平坦な面を有する酸化アルミニウム（サイズ：５０〜２００μｍ、厚５０μｍ）を８０％（体積比）充填した層を形成し、絶縁伝熱層５２として、針入度４０のシリコーンゲルからなる熱硬化型樹脂７２に球状アルミナを７０％（体積比）充填した層を形成した。平坦な面を有する伝熱粒子６１として、アルミナを用いたが、他に、窒化アルミ（ＡｌＮ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）などの高熱伝導材料を用いてもよい。

本発明者らは、鋭意検討を行った結果、上記の伝熱部材（図３に示されるシート）を圧縮すると、シリコーンゲル７１が排除され、伝熱粒子６１を表面に露出させる（発熱部材と接触させる）ことが可能であることを見出した。

この知見をもとに、発熱部材（電子部品、配線基板等）と熱伝導のよい伝熱粒子６１を平坦な面で接触させることで、伝熱粒子６１の熱伝導面積を大きくすることができ、接触熱抵抗を小さくすることができた。その結果、電子部品等からの熱を効率よく放散できる半導体装置を提供することができた。

なお、本実施形態の半導体装置は、上記の伝熱部材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）
図４は、半導体装置１００の製造方法を説明するための断面模式図である。

図４（ａ）は、配線板２の電極２ａに、電子部品１をはんだ３にて実装した状態を示す断面模式図である。

図４（ｂ）は、放熱部材４の電子部品１と対向する位置に、伝熱部材５を設けた状態を示す断面模式図である。本実施形態では、絶縁伝熱層５２の熱硬化型樹脂７２として、シート状のものを用いたが、電子部品１の表面形状に合わせた形状を有する伝熱部材を得て電子部品１の厚さむらに対応するために、例えば、硬化前のシリコーンゲル、エポキシ樹脂などの液状に絶縁性粒子６２を充填したペースト状のものを用いてもよい。ただし、硬化前のペースト状のものを用いた場合には、後工程で熱硬化型樹脂７２を加熱し、硬化する必要がある。

図４（ｃ）は、配線板２を放熱部材４に押し付けた状態を示す断面模式図である。表面の一部が平面である伝熱粒子６１と電子部品１との接触に要する荷重は、例えば２０ｋＰａである。伝熱部材５の接触状態を保持するために、例えば、配線板２と放熱部材４とをネジ（図示せず）などで機械的に固定する。

（伝熱部材の熱伝導性）
伝熱部材５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。伝熱部材５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、伝熱部材５の熱抵抗（Ｒ）は、式（１）：
Ｒ＝Ｒｂ＋Ｒｃ ・・・（１）
に示されるように、伝熱部材内部の熱抵抗（Ｒｂ）と、伝熱部材５と発熱部材１との間での接触熱抵抗（Ｒｃ）との和で表わされる。

ここで、伝熱部材内の熱抵抗（Ｒｂ）は、式（２）：
Ｒｂ＝ｔ/（λＡ） ・・・（２）
〔ｔ：伝熱部材厚、λ：伝熱部材の熱伝導率（フィラー材質、熱硬化性樹脂の熱伝導率、フィラーの充填率などの因子による）、Ａ：伝熱部材の伝熱面積（伝熱部材の面積）で表わされる。

特許文献３では、伝熱部材を構成する樹脂を軟らかくし、伝熱部材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）を大きくすることで、伝熱部材５の内部の熱抵抗（Ｒｂ）を小さくしようとしている。

特許文献４では、フィラー（粒子）の材料と径を変えて、式（２）のλとＡを大きくして、伝熱部材５の内部の熱抵抗を小さくしようとしている。

特許文献５においては、導電性のフィラー（粒子）を含む層を積層して、式（２）のλを大きくすることで、伝熱部材５の内部の熱抵抗を小さくしようとしている。

このように従来は、伝熱部材内部の熱抵抗（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の従来の一般的な伝熱部材（シリコーンゲルに酸化アルミニウムのフィラー（サイズ１０〜５０μｍ）を充填したシート）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、伝熱部材５の熱抵抗Ｒに占める接触熱抵抗Ｒｃ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、伝熱部材のさらなる熱伝導性の向上が可能である。

接触熱抵抗値は実験的に求めることができる（「定常法による厚さ方向および面内方向熱伝導率測定法」、エレクトロニクス実装学会誌、Ｖｏｌ.１８、Ｎｏ.１（２０１５）を参照）。

図１１に示すように、伝熱部材の厚さを変えて測定した熱抵抗値と厚さの関係のグラフ（一次近似関数：Ｒ_ｔｈ＝ａ・ｔ_ｓ＋ｂ）を実験にて求め、外挿により伝熱部材の厚さが０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。

本実施例では、伝熱部材の厚さを１、２および３ｍｍに変えて、それぞれの厚さについて測定された熱抵抗値から、接触熱抵抗値を求めた。

図２は、接触熱抵抗に対する粒子形状の影響を説明するためのグラフである。
サンプルとしては、（１）シリコーンゲルにサイズ１〜５０μｍの不定形の酸化アルミニウム粒子を充填したもの、（２）シリコーンゲルに５０〜９０μｍの球状の酸化アルミニウム粒子を充填したもの、および、（３）本実施形態の表面伝熱層５１と絶縁伝熱層５２からなる伝熱部材を用いた。

本実施形態の表面伝熱層５１には、シリコーンゲルに平坦な面を有する酸化アルミニウム粒子（サイズ５０〜２００μｍ）を充填したものを用いた。表面伝熱層５１の厚さは５０μｍと一定にして、伝熱部材５の厚さを１、２および３ｍｍに変えたものを作製した。なお、絶縁伝熱層５２は、同じシリコーンゲルに球状の酸化アルミニウム粒子（径３０〜９０μｍ）を充填したものからなる。

図２に、不均一な不定形状粒子を用いた場合の接触熱抵抗を１．０としたときの、各粒子形状における接触熱抵抗比率を示す。図２において、従来の不均一な形状の粒子に比べて、球状粒子の場合は５０％に、本実施形態の伝熱粒子の場合は３０％に、接触熱抵抗を低減できることがわかる。なお、粒子のサイズとは、粒子に外接する球の直径である。

これらの結果から、平坦な面を有する伝熱粒子が接触面積を大きくできるため、接触熱抵抗を小さくする上で有利であることがわかる。

［実施形態１の変形例］
図５は、実施形態１の変形例の半導体装置１０１を示す断面模式図である。

図５に示されるように、本変形例の半導体装置１０１においては、伝熱部材５が配線板２と放熱部材４との間に設けられている点で、実施形態１とは異なる。それ以外の構成は、基本的に実施形態１と同じである。

電子部品１の熱は、放熱ビア２１を経由して、配線板２の裏面に設けられた配線層２ｂに伝達され、伝熱部材５を経由して放熱部材４に伝達される。このように、放熱ビア等により伝熱経路が確保されていれば、電子部品と放熱部材の間に配線板（放熱ビア）などが介在していてもよい。

この半導体装置１０１において、伝熱部材５の表面伝熱層５１に充填された平坦な面を有する伝熱粒子６１は配線層２ｂに接触している。これにより、実施形態１と同様に、伝熱部材５の接触熱抵抗を小さくすることができ、電子部品等からの熱を効率よく放散できる半導体装置が提供される。

［実施形態２］
本実施形態の半導体装置は、伝熱部材において、絶縁伝熱層の両側に表面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６は、実施形態２の半導体装置１０２の断面模式図である。図６に示されるように、伝熱部材５は、絶縁伝熱層５２の表裏（両面）に、平坦な面を有する伝熱粒子６１を充填した表面伝熱層５１が形成されている。

ここで、表面伝熱層５１中に含まれる伝熱粒子６１は、電子部品１だけでなく、放熱部材４とも接触している。これにより、伝熱部材５の熱伝導性がさらに向上し、半導体装置１００の放熱性がさらに向上する。

次に、絶縁伝熱層５２の両側に表面伝熱層５１を有する伝熱部材５の製造方法について説明する。

硬化前の液状のシリコーンゲルに、平坦な面を有する伝熱粒子６１を加えて混練した後、例えば５〜１０分の加熱処理でゲル化させて半硬化のシリコーンゲル７１のシートを形成する。

次に、硬化前の液状の熱硬化型樹脂７２に絶縁性粒子６２を加えて混練する。得られた混練物を、半硬化のシリコーンゲル７１上に塗布する。その後、５〜１０分加熱し、熱硬化型樹脂をゲル化（半硬化）させる。これにより、絶縁伝熱層５２上に表面伝熱層５１を備えた第１の半硬化のシートが作製される。なお、表面伝熱層５１のシリコーンゲル７１および絶縁伝熱層５２の熱硬化型樹脂７２は完全には硬化していない。

第１の半硬化のシートと同様な方法で、絶縁伝熱層５２上に表面伝熱層５１を形成した第２の半硬化のシートを作製する。

次に、第１のシートの絶縁伝熱層５２上に、第２のシートの絶縁伝熱層５２を真空中でボイドがはいらないように積層した後で、加熱し、第１の半硬化シートおよび第２の半硬化シートのシリコーンゲル７１および熱硬化型樹脂７２を完全に硬化させる。この結果、絶縁伝熱層５２の両側に表面伝熱層５１を備えた伝熱部材５を得ることができる。

［実施形態３］
本実施形態の半導体装置は、伝熱粒子として偏平な粒子６１ａが用いられている点で、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７（ａ）は、実施形態３の半導体装置１０３の断面模式図である。図７（ｂ）は、実施形態３の半導体装置１０３における伝熱部材５（図７（ａ）における領域Ｃ）の拡大図である。

図７（ｂ）に示されるように、伝熱部材５の表面伝熱層５１中には、伝熱粒子として偏平な粒子６１ａが積層されている。

偏平な粒子６１ａは、電子部品１に接触しているとともに、積層されて充填され、互いに接触している。電子部品１からの熱は接触している偏平な粒子６１ａに伝導された後、積層された内部にある偏平な粒子６１ａに伝導される。そのため、熱の伝導が、電子部品１の面に垂直な方向だけでなく、積層された偏平な粒子６１ａを経由して面内に拡がる経路によっても行われる。

一方、電子部品１で発生する熱は電子部品の面内で均一でなく、局所的に発熱するため、偏平な粒子６１ａにより、熱を面内に拡げることで、絶縁伝熱層５２内を移動する熱流束の面積を大きくすることができるため、放熱量を大きくすることができ、放熱性を向上することができる。

なお、扁平な粒子６１ａは、その形状が偏平である点で、実施形態１の伝熱粒子と異なるが、それ以外の点（材料など）は実施形態１の伝熱粒子と基本的に同じである。ここで、「偏平な粒子」とは、その表面が２つの平面を含み、その２つの平面のなす角度が０〜１０度であるような粒子である。なお、「偏平な粒子」において、粒子の表面の凹凸は１０μｍ以下である。

偏平な粒子６１ａの材料としては、例えば、酸化アルミニウム、窒化アルミニウムなどの絶縁材料の他に、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。

［実施形態４］
図８は、実施形態４に係る半導体装置１０４の断面模式図である。

図８（ａ）は、実施形態４の半導体装置１０４の断面模式図である。図８（ｂ）は、実施形態４の半導体装置１０４における伝熱部材５（図８（ａ）における領域Ｄ）の拡大図である。

図８（ｂ）に示されるように、本実施形態の半導体装置１０４において、電子部品１と接触している伝熱部材５の表面伝熱層５１および絶縁伝熱層５２には、伝熱粒子６１および絶縁性粒子６２間の隙間に、伝熱粒子６１および絶縁性粒子６２よりも小さい小粒子６３が充填されている。

小粒子６３を充填することによって、平坦な面を有する伝熱粒子６１間の隙間を小粒子６３で埋めることができ、粒子の充填量を大きくすることができる。そのため、電子部品１からの熱伝導に寄与する経路を大きくすることができるため、熱の移動量を大きくすることができ、放熱性能を向上させることができる。

小粒子６３の大きさは、伝熱粒子６１同士の隙間に入り込むことが可能な大きさであり、２０μｍ以下であることが好ましい。小粒子６３を充填することによって、電子部品１からの熱伝導に寄与する経路が多くなり、熱の移動量を大きくすることができ、放熱性能を向上させることができる。小粒子６３は、表面伝熱層５１と絶縁伝熱層５２の両方に充填してもよく、表面伝熱層５１または絶縁伝熱層５２の一方のみに充填してもよい。

なお、「伝熱粒子６１および絶縁性粒子６２よりも小さい」とは、小粒子６３の粒径が伝熱粒子６１および絶縁性粒子６２よりも小さいことを意味する。

小粒子６３の材料は、シリコーンゲルおよび熱硬化型樹脂よりも伝熱性の高い材料である。小粒子６３の材料としては、例えば、酸化アルミニウム、水酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、炭化シリコンなどの絶縁性粒子を用いることができる。

［実施形態５］
図９は、実施形態５に係る半導体装置１０５の断面模式図である。

本実施形態の半導体装置は、絶縁伝熱層５２を構成する熱硬化型樹脂７２が熱硬化型エポキシ樹脂である点で、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。

図９において、配線板２に実装された電子部品１と放熱部材４との間に伝熱部材５が設けられている。伝熱部材５は表面伝熱層５１と絶縁伝熱層５２からなる。表面伝熱層５１は、平坦な面を有する伝熱粒子６１を充填したシリコーンゲル７１からなる。

絶縁伝熱層５２は絶縁性粒子６２を充填した熱硬化型エポキシ樹脂７２ａからなる。熱硬化型エポキシ樹脂７２ａは、硬化前は液状であるため、充填した絶縁性粒子６２間に存在する熱硬化型エポキシ樹脂７２ａが排除されやすく、互いに接触する絶縁性粒子６２を増やすことができる。これにより、伝熱部材５（絶縁伝熱層５２）の熱伝導性が向上する。

また、熱硬化型エポキシ樹脂７２ａは、ヤング率がシリコーンゲルの１０^４倍以上大きく、シリコーンゲルよりも非常に硬いため、絶縁性粒子６２間の接触を強固に維持することができる。そのため、シリコーンゲルに比べて絶縁性粒子６２を経由して移動する熱量を大きくできる。

また、熱硬化型エポキシ樹脂７２ａと表面伝熱層５１のシリコーンゲル７１は接着せず、粘着した状態で、表面伝熱層５１に充填した伝熱粒子６１と絶縁伝熱層５２に充填された絶縁性粒子６２は接触した状態にある。

そのため、電子部品１ａおよび電子部品１ｂと放熱部材４との間に熱膨張差があっても、熱ひずみを表面伝熱層５１の軟らかいシリコーンゲル７１が吸収するため、表面伝熱層５１と絶縁伝熱層５２は剥離することはない。したがって、伝熱部材５を経由する熱量が減少することなく、信頼性の高い安定した放熱が可能になる。

図１０は、実施形態５の半導体装置の製造方法を説明するための断面模式図である。
図１０（ａ）は、電子部品１ａおよび電子部品１ｂが配線板２にはんだにて実装された状態を示す断面模式図である。図１０（ｂ）は電子部品１ａおよび電子部品１ｂの表面に表面伝熱層５１を押し付けて貼りつけた状態を示す断面模式図である。

表面伝熱層５１は平坦な面を有する伝熱粒子６１を充填したシリコーンゲル７１である。シリコーンゲル７１の表面は粘着性を有するシート状であるため、電子部品１ａおよび電子部品１ｂへの貼付固定は容易である。また、平坦な面を有する伝熱粒子６１は電子部品１ａ，１ｂと接触している。

図１０（ｃ）に示されるように、放熱部材４上の電子部品１ａおよび電子部品１ｂと対向する位置に、絶縁性粒子６２を充填した硬化前のペースト状の熱硬化型エポキシ樹脂７２ａを塗布する。硬化前の熱硬化型エポキシ樹脂７２ａはペースト状であるため、塗布量の制御が容易であり、電子部品１ａ，１ｂと放熱部材４との間の間隙の長さに応じた塗布量を供給する。

図１０（ｄ）は、硬化前の熱硬化型エポキシ樹脂７２ａに電子部品１ａ，１ｂを押しつけた状態で加熱し、熱硬化型エポキシ樹脂７２ａを硬化させた状態を示す断面模式図である。図１０（ｄ）において、平坦な面を有する伝熱粒子６１は電子部品１ａ，１ｂに接触するとともに、絶縁性粒子６２とも接触している。

今回開示された実施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 電子部品、２ 配線基板、２ａ 電極、２ｂ 配線層、２１ 放熱ビア、３ はんだ、４ 放熱部材、５ 伝熱部材、５１ 表面伝熱層、５２ 絶縁伝熱層、６１ 伝熱粒子、６１ａ 偏平な粒子、６２ 絶縁性粒子、６３ 小粒子、７１ シリコーンゲル、７２ 熱硬化型樹脂、１００ 半導体装置。

Claims (6)

1. 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伝熱部材を備える、半導体装置であって、
   前記伝熱部材は、絶縁伝熱層と、前記絶縁伝熱層の少なくとも片側に設けられた表面伝熱層とを備え、
   前記絶縁伝熱層は、熱硬化型樹脂と、前記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、
   前記表面伝熱層は、シリコーンゲルと、前記シリコーンゲル中に分散された伝熱粒子と、を含み、
   前記伝熱粒子は表面に平坦な面を有し、前記シリコーンゲルよりも高い熱伝導性を有する材料からなり、
   少なくとも一部の前記伝熱粒子と前記発熱部材とが、前記平坦な面を介して接していることを特徴とする、半導体装置。
2. 前記伝熱部材の前記絶縁伝熱層の両側に前記表面伝熱層を備える、請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記伝熱粒子は偏平な粒子である、請求項１または２に記載の半導体装置。
4. 前記表面伝熱層は、前記伝熱粒子よりも小さい小粒子をさらに含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
5. 前記熱硬化型樹脂が熱硬化型エポキシ樹脂である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。
6. 前記表面伝熱層において前記伝熱粒子が積層されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置。

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