JP2018119050A - 基材付接着シート及び半導体モジュール - Google Patents
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Abstract
Description
一般的には、この種の半導体モジュールは、ヒートスプレッダと呼ばれる金属製のブロックや厚手の金属板で形成されたリードフレーム上に半導体素子を搭載し、ヒートスプレッダやリードフレームによって半導体素子の熱をすばやく奪い去るように構成されている。
従来、この種の半導体モジュール内で発生した熱は、放熱フィンなどの金属製部材を通じてモジュール外に放散されている。
このような要望への対策として、従来の半導体モジュールには、熱伝導率の高い無機フィラーを含むエポキシ樹脂組成物で形成した絶縁層が備えられ、半導体素子から外部に向けての放熱経路に前記絶縁層が配されている。
一般的に前記絶縁層は、ヒートスプレッダやリードフレームに接着した状態で半導体モジュールに備えられており、ヒートスプレッダやリードフレームの半導体素子が搭載された面とは逆側の面に接着されている。
このような場合、一旦、エポキシ樹脂組成物で熱硬化性の接着シートを作製し、該熱硬化性接着シートをヒートスプレッダやリードフレームに接着させるとともに熱硬化させて前記絶縁層を形成させる方法が広く採用されている。
なお、エポキシ樹脂をベースポリマーとしたエポキシ樹脂組成物は、一般に電気絶縁性や耐熱性に優れるとともに幅広い素材に対して良好な接着性を示すものの無機フィラーを高充填させると脆くなって割れやすくなる。
従って、熱硬化性接着シートは、不用意な割れが起きないように銅箔や樹脂フィルムなどの基材シートに積層され、基材付接着シートの状態で取り扱われる。
また、この種の基材付接着シートは、半導体モジュール以外にも利用されており、例えば、下記特許文献3に示されているように絶縁層付ヒートシンクなどを形成するための部材としても利用されている。
このような基材付接着シートは、下記特許文献3の段落0058などに記載されているようにシェアカッターでの切断やパンチングプレスでの打抜によって原料シートを個片化するような方法で作製されている。
基材シートと熱硬化性接着シートとが容易に剥離してしまうようでは、個片化のための切断が行われる際に基材シートが剥離してしまったり、積層体から取出す際に基材シートと熱硬化性接着シートとがセットになって取出されなかったりして取扱い性が悪くなる。
一方で基材シートと熱硬化性接着シートとが強固に接着されていると、基材シートを剥離ライナーとして利用するような場合において剥離性が悪くなり、やはり、取扱い難いものになってしまう。
即ち、従来の基材付接着シートは、十分取扱いが容易ではないという問題を有している。
また、そのために従来の半導体モジュールは、十分製造容易なものにはなっていないという問題を有している。
言い換えれば、基材シートは、熱硬化性接着シートが接着している側よりも反対側の方が外側に突出した状態になっている。
そのため本発明の基材付接着シートは、積層された状態から1枚だけ取出す際に基材シートの突出した部分の引掛りを利用して容易に取出すことができ、当該基材シートを熱硬化性接着シートに対して比較的強固に接着させても、この引掛りを利用して基材シートを熱硬化性接着シートから容易に剥離することができる。
即ち、本発明の基材付接着シートは、従来のものに比べて取扱い性が向上されており、半導体モジュールの絶縁層の形成を容易にさせ得る。
図1は、本実施形態に係る半導体モジュールの断面を示した図であり、この図1にも示されているように本実施形態の半導体モジュール100は、絶縁層10を有している。
該絶縁層10は、図2に示したような2層構造の基材付接着シート1によって形成されたものである。
より具体的には、本実施形態の基材付接着シート1は、エポキシ樹脂と該エポキシ樹脂よりも熱伝導率の高い無機フィラーとを含むエポキシ樹脂組成物で形成された熱硬化性接着シート10’と、該熱硬化性接着シート10’を支持する基材シート20’とを備えている。
前記絶縁層10の形成には、該基材付接着シート1の熱硬化性接着シート10’が用いられている。
本実施形態の半導体モジュール100は、高さの低い扁平な直方体であり、絶縁層10の第2面10bによって底面の一部が構成されている。
即ち、前記絶縁層10は、半導体モジュール100の底面に沿って配されており、平面方向が水平方向となるように半導体モジュール100に配されている。
該ヒートスプレッダ30は、半導体モジュール100よりも小さな扁平な直方体形状を有する金属ブロックで形成されており、その下面に絶縁層10の第1面10aが接着されている。
ヒートスプレッダ30の上面側にはハンダ40と、該ハンダ40でヒートスプレッダ30の上面に固定された半導体素子50とが備えられている。
そして、本実施形態の半導体モジュール100は、ヒートスプレッダ30や半導体素子50を内包し、当該半導体モジュール100の外殻をなす矩形枠状のケース60を備えている。
より詳しくは、該ケース60は、上下に開口を有する周側枠状になっている。
半導体モジュール100は、ケース60を貫通してモジュール内外に延びるリードフレーム70と、前記半導体素子50と該リードフレーム70とを電気的に接続するボンディングワイヤ80と、ケース60内に充填された樹脂モールド90とを備えている。
半導体モジュール100は、絶縁層10の第2面10bを図示していない放熱用の金属製部材(放熱フィン、水循環式強制冷却器など)に当接させて用いられるものである。
即ち、本実施形態の半導体モジュール100は、半導体素子50を備え、該半導体素子50から発生する熱が放熱フィンなどの金属製部材を通じて放熱されるものであり、前記半導体素子50と前記金属製部材との間を電気的に絶縁するための絶縁層10が備えられている。
該基材付接着シート1は、熱硬化性接着シート10’と、基材シート20’との2層構造を有する。
該熱硬化性接着シート10’は、ヒートスプレッダ30に接着する第1接着面10a’と、該第1接着面10a’の反対面であって前記基材シート20’との接着面である第2接着面10b’とを有する。
一方で前記基材シート20’は、前記熱硬化性接着シート10’に接着された第1面20a’と、該第1面20a’の反対面である第2面20b’とを有する。
該基材シート20’の外周端面20c’の一部又は全部は、前記第1面20a’の側から前記第2面20b’の側に向けて外広がりとなる傾斜面になっている。
即ち、一般にシート体の外周端面と両表面とがなす角度はいずれも約90度となっているが本実施形態の基材シート20’は、前記傾斜面となっている部位において、外周端面20c’と第1面20a’とのなす角度が鈍角で、外周端面20c’と第2面20b’とのなす角度が鋭角となっている。
即ち、本実施形態の基材シート20’は、第1面20a’の外縁の位置と第2面20b’の外縁の位置とが平面方向において差を有しており、第1面20a’の外縁から第2面20b’に向けて仮想垂線ax1を引いた場合、該仮想垂線ax1と第2面20b’との交点Pと第2面20b’の外縁との間に一定の距離D(D>0)を有する。
言い換えれば、基材シート20’の第2面20b’ は、第1面20a’よりも外側に突出した状態になっている。
基材シート20’の剥離に際しては、まず、基材シート20’の外周縁の何れかの箇所において、基材シート20’の端部を熱硬化性接着シート10’から離れる方向に引剥がして剥離の起点となる部分を設ける必要がある。
本実施形態の、基材シート20’は、第2面20b’が第1面20a’の外縁から一定の距離Dだけ外向きに突出しているため、この突出分を引掛け代として利用できる。
本実施形態の基材付接着シート1は、基材シート20’の外周端面20c’の全部が傾斜面となっているため外周縁の何れの地点をも剥離起点とすることができる。
そのため、本実施形態の基材付接着シート1は、従来のものに比べて剥離性に優れたものとなっている。
なお、熱硬化性接着シート10’の第2接着面10b’は、基材シート20’の第1面20a’と形状が共通している。
そして、熱硬化性接着シート10’の第1接着面10a’は、第2接着面10b’よりも小面積となっている。
したがって、本実施形態の基材付接着シート1は、熱硬化性接着シート10’をヒートスプレッダ30に接着した際に、この接着面の外縁から基材シート20’の第2面20b’の外縁までの距離が第1面20a’の外縁からの距離Dよりも大きくなり得る。
即ち、熱硬化性接着シート10’の外周端面10c’が傾斜面となっていることで本実施形態の基材付接着シート1は、基材シート20’の剥離に際してより大きな引掛け代を確保することができる。
その一方で、基材付接着シート1を当該基材付接着シート1よりも大面積の原料シートを個片化するような方法で作製することを考慮すると、傾斜角θ1,θ2が小さいということは熱硬化性接着シートに無駄が生じ易いことを意味する。
即ち、原料シートから切り出す個片(基材付接着シート)を原料シート上に割り付けた場合、基材シート側を密接に隣り合わせにしても傾斜角θ1,θ2が小さいと熱硬化性接着シート側では隣り合う個片間に大きな隙間が生じ、製品の歩留まりを考慮すると傾斜角θ1,θ2が小さいことは必ずしも好ましいことにはならない。
同様に 基材シート20’の傾斜面の角度(θ2)は、45度以上90度未満であることが好ましく、50度以上85度以下であることがより好ましく、60度以上80度以下であることが特に好ましい。
なお、上記の角度とは、基材付接着シート1の外周縁を周回する方向に対して直交する平面に沿って基材付接着シート1を切断した断面において観察される角度を意味する。
なお、熱硬化性接着シート10’の傾斜面の角度(θ1)を基材シート20’の傾斜面の角度(θ2)よりも大きくしようとすると原料シートからの個片化に複雑な工程が必要になる。
したがって、熱硬化性接着シート10’の傾斜面の角度(θ1)は、基材シート20’の傾斜面の角度(θ2)以下であることが好ましい。
熱硬化性接着シート10’の傾斜面の角度(θ1)と基材シート20’の傾斜面の角度(θ2)とが異なると、原料シートからの個片化に「切り出し」と「外周端面の加工」との少なくとも2度の工程を必要とするが、傾斜角が共通していると個片化を1度の工程で実施することができる。
このようなことから本実施形態における熱硬化性接着シート10’は、平均厚みが10μm以上1000μm以下であることが好ましく、25μm以上500μm以下であることがより好ましく、50μm以上250μm以下であることが特に好ましい。
このようなことから本実施形態における基材シート20’は、平均厚みが5μm以上500μm以下であることが好ましく、10μm以上250μm以下であることがより好ましく、25μm以上150μm以下であることが特に好ましい。
本実施形態の前記熱硬化性接着シート10’は、基材付接着シート1及び相手部材(ヒートスプレッダ30)の少なくとも一方がエポキシ樹脂の軟化点以上の温度となるように加熱された状態で相手部材に接着される。
このとき熱硬化性接着シート10’が過度な加熱溶融状態となって高い流動性を示すと熱硬化性接着シート10’を形成するエポキシ樹脂組成物が基材シート20’よりも外側にはみ出してしまうおそれがある。
そのようなことから熱硬化性接着シート10’を形成するエポキシ樹脂組成物は、175℃に加熱した際に、1×107Pa・sを超える粘度を示すことが好ましく、1×108Pa・sを超える粘度を示すことがより好ましい。
なお、エポキシ樹脂組成物が過度に流動性が低いものであるとヒートスプレッダ30との接着性が十分良好にならないおそれがある。
そこで175℃に加熱した際のエポキシ樹脂組成物の粘度は、1×1010Pa・s未満であることが好ましく、1×109Pa・s未満であることがより好ましい。
(粘度測定方法)
すなわち、エポキシ樹脂組成物(熱硬化性接着シート)で、10mm(幅)×50mm(長さ)×200μm(厚み)の大きさの測定試料を作製し、該測定試料の長さ方向両端部を下記の装置の測定ヘッドでクランプし、下記の条件で前記粘度を求めることができる。
なお、175℃に加熱した際のエポキシ樹脂組成物の粘度とは、下記条件で昇温して、測定温度が175℃に到達した後に観測される粘度の最低値を意味し、通常、測定温度が175℃に到達した時点に観測される粘度の値を意味する。
測定装置 :ARES(TA Instruments社製)
測定条件 測定モード :トーション(フリー)
周波数/歪み :1Hz/0.03%
測定長 :33mm
昇温速度 :10℃/min(30℃→175℃)
評価温度・時間:175℃等温保持 30分
該無機フィラーとしては、例えば、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、窒化珪素などの無機窒化物フィラー、酸化ケイ素(シリカ)、酸化アルミニウム(アルミナ)、酸化チタン(チタニア)、酸化ジルコニウム(ジルコニア)などの無機酸化物フィラー、ダイヤモンド、タルク、クレー、炭酸カルシウムなどが挙げられる。
なかでも、熱硬化性接着シートに含有させる無機フィラーとしては、窒化ホウ素、酸化アルミニウム、及び、酸化ケイ素の何れかであることが好ましく、少なくとも窒化ホウ素と酸化アルミニウムとを含む混合品か、又は、少なくとも窒化ホウ素と酸化珪素とを含む混合品かの何れかであることがより好ましい。
また、前記混合品は、窒化ホウ素の含有量が50質量%以上95質量%以下であることが好ましい。
なお、熱硬化性接着シートは、接着性や機械的強度などの関係から無機フィラーの含有量が制限され、通常、熱伝導率が20W/m・K以下とされる。
なお、熱硬化性接着シートは、無機フィラーが高充填されるため過度な電気絶縁性を期待することが難しく、通常、体積抵抗率が1×1018Ω・cm以下とされる。
該ヒュームドシリカは、熱硬化性接着シートにおける窒化ホウ素の含有量を100質量部とした際に、0.5質量部以上20質量部以下の割合で熱硬化性接着シートに含有されることが好ましく、1質量部以上10質量部以下の割合で熱硬化性接着シートに含有されることがより好ましい。
凝集体となった窒化ホウ素としては、レーザ回折・散乱法によって求められる体積基準の平均粒子径が10〜200μmであることが好ましい。
前記ヒュームドシリカとしては、レーザ回折・散乱法によって求められる体積基準の平均粒子径が1μm以下であることが好ましく、平均粒子径が2〜100nmであることが好ましい。
これらエポキシ樹脂は単独で用いてもよいし2種以上併用してもよい。
なかでも熱硬化性接着シートに含有させるエポキシ樹脂としてはトリフェニルメタン型エポキシ樹脂が好ましく、熱硬化性接着シートに含有させるエポキシ樹脂の80質量%以上がトリフェニルメタン型エポキシ樹脂であることが好ましい。
前記硬化剤としては、特に限定されるものではないが、例えば、フェノールノボラック樹脂、アラルキル型フェノール樹脂、ジシクロペンタジエン変性フェノール樹脂、ナフタレン型フェノール樹脂、ビスフェノール系フェノール樹脂などのフェノール系硬化剤、ジアミノジフェニルスルホン、ジシアンジアミド、ジアミノジフェニルメタン、トリエチレンテトラミンなどのアミン系硬化剤、酸無水物系硬化剤などが挙げられる。
なかでも、エポキシ樹脂組成物に含有させる硬化剤は、キシリレンノボラックフェノールやビフェニルノボラックフェノールといったアラルキル型フェノール樹脂が好適である。
前記硬化促進剤としては、特に限定されるものではないが、イミダゾール類や、トリフェニルフォスフェイト(TPP)、三フッ化ホウ素モノエチルアミンなどのアミン系硬化促進剤が保存性などにおいて好適である。
該添加剤としては、分散剤、粘着性付与剤、老化防止剤、酸化防止剤、加工助剤、安定剤、消泡剤、難燃剤、増粘剤、顔料などといったプラスチック配合薬品として一般に用いられるものが挙げられる。
該原料シートは、エポキシ樹脂組成物を有機溶媒を使ってワニス化し、基材シートよりも広幅で長尺な帯状基材にこのワニスを連続的に塗工して乾燥することで乾燥塗膜を備えた一次シートを得、2枚の一次シートを乾燥塗膜が内側となるように重ね合せてプレスし、2枚の一次シートが一体となった二次シートを得、該二次シートから片方の帯状基材を取り除くことで作製することができる。
このような方法に代えて、レーザーカッターやワイヤーソーなどで個片を切り出し、これらによる切断方向が原料シートの厚み方向に対して傾斜した状態となるようにして個片を切り出す第2の方法を実施してもよい。
さらに、上記の第1の方法や第2の方法に代えて、算盤球のように外周縁が細く中心部が太い回転砥石や外周縁に向けて先細りとなるディスクカッターでV溝を形成するような形で原料シートを切断する第3の方法で個片を作製しても良い。
これらの方法は、熱硬化性接着シート10’や基材シート20’の形成材料や厚みなどにもよるが、第3の方法は、原料シートにおいて隣り合う2つの基材付接着シートに対して一度に傾斜面を形成することが出来る点において好適である。
なかでも、電解銅箔は、熱硬化性接着シートに対して優れた接着性を発揮する基材シートの原材料として好適である。
即ち、本実施形態の基材付接着シート1は、前記基材シート20’が電解銅箔で、該電解銅箔の光沢面とマット面との内のマット面が前記第1面20a’となっていることが好ましい。
このとき基材シート20’の外周端面が傾斜面となっていることで当該基材シート20’を熱硬化性接着シート10’から容易に剥離することができる。
また、本実施形態においては、基材シート20’が剥離ライナーとして用いられる場合を例示しているが、基材シート20’は、要すれば、熱硬化性接着シート10’から剥離せずに半導体モジュール100の形成材料としてもよい(図4参照)。
即ち、図4に示すように放熱面を形成する金属箔層20と、該金属箔層20に内側から接する絶縁層10とを備えた半導体モジュール100を形成させる場合、前記金属箔層20は、基材付接着シート1によって絶縁層10を形成させた後に基材シート20’とは別の金属箔を用いて形成させてもよいが、基材シート20’を剥離しないことによって形成させることも可能である。
即ち本発明の基材付接着シートや半導体モジュールは上記例示に何等限定されるものではない。
電解銅箔(厚み70μm)で形成された基材シートと、エポキシ樹脂組成物で形成された熱硬化性接着シート(厚み150μm)とが積層された基材付接着シートを作製した。
このとき175℃における粘度が2×108Pa・sの第1のエポキシ樹脂組成物(EPX1)と、粘度が1×107Pa・sの第2のエポキシ樹脂組成物(EPX2)と、粘度が2×106Pa・sの第3のエポキシ樹脂組成物(EPX3)との3種類のエポキシ樹脂組成物を用い熱硬化性接着シートの材質の異なる3種類の基材付接着シートを(シート#1〜シート#3)作製した。
これらの基材付接着シートは、基材シートと熱硬化性接着シートとの両方が外周端面の全部が傾斜面となっており、且つ、熱硬化性接着シートの傾斜面の角度(θ1)と、基材シートの傾斜面の角度(θ2)とが両方とも80度となるように作製した。
なお、第2のエポキシ樹脂組成物(EPX2)を用いた基材付接着シート(シート#2)については、熱硬化性接着シートの傾斜面の角度(θ1)と、基材シートの傾斜面の角度(θ2)とが70度の基材付接着シート(シート#2’)、及び、60度の基材付接着シート(シート#2”)も作製した。
その結果、シート#1、シート#2、シート#2’、シート#2”、シート#3の全てにおいて比較対象とした端面が垂直の基材付接着シートに比べて剥離作業が容易であることが確認できた。
また、金属板に接着した後の熱硬化性接着シートの外周端面の傾斜角を改めて測定したところ、シート#1以外では角度が垂直に近づく形に変化していることがわかった。
特に、シート#3では、端縁部でエポキシ樹脂組成物が流れて基材シートよりも外側にはみ出した状態になることが観察された。
これらの結果を表1に示す。
10 絶縁層
10’ 熱硬化性接着シート
20 金属箔層
20’ 基材シート
30 ヒートスプレッダ
50 半導体素子
100 半導体モジュール
Claims (7)
- エポキシ樹脂と該エポキシ樹脂よりも熱伝導率の高い無機フィラーとを含むエポキシ樹脂組成物で形成された熱硬化性接着シートと、該熱硬化性接着シートを支持する基材シートとを備えた基材付接着シートであって、
前記熱硬化性接着シートは、相手部材に接着する第1接着面と、該第1接着面の反対面であって前記基材シートとの接着面である第2接着面とを有し、
前記基材シートは、前記熱硬化性接着シートとの接着面である第1面と、該第1面の反対面である第2面とを有し、
基材シートの外周端面の一部又は全部は、前記第1面の側から前記第2面の側に向けて外広がりとなる傾斜面である基材付接着シート。 - 基材シートの外周端面の全部が前記傾斜面である請求項1記載の基材付接着シート。
- 前記基材シートが、剥離ライナーとして用いられる請求項1又は2記載の基材付接着シート。
- 前記基材シートが電解銅箔で、該電解銅箔のマット面が前記第1面として用いられている請求項1乃至3の何れか1項に記載の基材付接着シート。
- 前記熱硬化性接着シートの外周端面の一部又は全部は、前記基材シートの傾斜面と面一となる傾斜面である請求項1乃至4の何れか1項に記載の基材付接着シート。
- 前記エポキシ樹脂組成物が、175℃に加熱した際に1×108Pa・sを超える粘度を示す請求項1乃至5の何れか1項に記載の基材付接着シート。
- 半導体素子を備え、該半導体素子から発生する熱が放熱用の金属製部材を通じて放熱される半導体モジュールであって、
前記半導体素子と前記金属製部材との間を電気的に絶縁するための絶縁層が備えられており、請求項1乃至6の何れか1項に記載の基材付接着シートの熱硬化性接着シートによって前記絶縁層が形成されている半導体モジュール。
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