JP2019212685A - 高熱伝導性絶縁樹脂複合部材及び半導体モジュール - Google Patents
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Abstract
Description
絶縁部を構成する主層の上下面に、該主層を劣化から保護するとともに、被接合物との接合性を向上するための、軟質の高熱伝導率樹脂材料からなる保護接合層を設けると効果的である。
保護接合層を構成する高熱伝導性樹脂複合材料について、導電性のものではグリス状のものとシート状のもののいずれも有効である。絶縁性のものでは、ポンプアウト現象を防止するための枠部材を併用すればグリス状のものを用いることができる。なお、導電性でシート状の樹脂複合材料を用いる場合には、構成部材の精度、特に絶縁部材の上下面を構成する接合層の面精度等を高くしておくことが求められる。
今回の実験から、保護接合層に、グリス状で軟質の樹脂材料に多くのフィラーを充填した樹脂複合材料を用いた場合でも、ポンプアウト現象を防止するための枠部材を設けておけば問題が起きないことが新たに見出された。
比較のために作製した試作品8(硬質グリス/SiN基板/硬質グリス)の熱伝導率は1.8W/m・Kであった。この値は、300℃で動作する半導体デバイスを搭載した半導体モジュールへの実装を想定した絶縁材料に求められる熱伝導率の値よりも大幅に低い。
a) 絶縁樹脂材料と1個又は複数個のダイヤモンド片とを含む層であって該1個又は相互に接触する複数個のダイヤモンド片が該層を厚さ方向に貫通し該層の表面から露出するように配置されてなる主層、またはダイヤモンド基板からなる主層と、
b) 前記主層を保護し被接合部材との接合性を高めるために前記主層の表面及び裏面に配置された層であって、樹脂材料に金属製の導電性フィラーを分散してなる熱伝導率が5W/m・K以上の樹脂複合材料により構成された保護接合層と
を備え、
厚さ方向に0.2kg/cm2の圧力を加えた状態で-40℃への冷却と150℃への加熱を100回繰り返すヒートサイクルテストにおいて前記主層と前記保護接合層の間に剥離が生じず、
前記ヒートサイクルテスト後に3.0kVのAC電圧を1分間印加する処理を3回繰り返す絶縁耐圧テストを行っても絶縁破壊が生じず、
前記ヒートサイクルテスト及び前記絶縁耐圧テストを行った後の熱伝導率が10W/m・K以上である
ことを特徴とする。
c) 前記主層又は前記保護接合層の外周に設けられた枠部材
を備えることが好ましい。
上述の実験における試作品1〜8の評価結果から、高熱伝導性絶縁樹脂複合部材では、絶縁材料からなる主層に、該主層を保護し被接合物(放熱基板電極、冷却器の金属部材等)との接合性を高めるための、樹脂材料を芯材とする保護接合層を配置することが有効であることが見出された。
絶縁樹脂材料からなる芯材に、1又は複数のセラミック、ダイヤモンド等の高熱伝導性絶縁材料の個片を縦型配置又は分散配置してなる樹脂複合材料、又は高熱伝導性材料の基板からなる主層と、
前記主層を保護し被接合部材(放熱基板や放熱基板電極、あるいは冷却器の金属部材など)との接合性を高めるために該主層の表裏面に配置された層であって、樹脂材料(絶縁性樹脂の場合、その硬度50以下のもの、即ち硬度が中程度よりも軟質のものを用いる)に金属からなる導電性フィラーを分散配置してなる熱伝導率が3W/m・K以上の樹脂複合材料により構成された保護接合層を備え、
厚さ方向に0.2kg/cm2の圧力を加えた状態で-40℃への冷却と150℃への加熱を100回繰り返すヒートサイクルテストにおいて前記主層と前記保護接合層の間に剥離が生じず、
前記ヒートサイクルテスト後に3.0kVのAC電圧を1分間印加する処理を3回繰り返す絶縁耐圧テストを行っても絶縁破壊が生じず、
前記ヒートサイクルテスト及び前記絶縁耐圧テストを行った後の熱伝導率が5W/m・K以上である、と表現することができる。また、上述のとおり、必要に応じてポンプアウト現象を防止するための枠部材を適宜に設けるとよい。
絶縁樹脂材料からなる芯材に、セラミックやダイヤモンドといった高熱伝導性絶縁材料に縦型配置(高熱伝導性絶縁材料を主層の厚さ方向に貫通させて該主層の表面に露出させた構造であり、複数個の高熱伝導性絶縁材料がネットワーク化して主層を貫通するものを含む)してなる樹脂複合材料、もしくは高熱伝導性絶縁材料の基板(これも一種の縦型配置に相当する)を主層として用いる。
次に保護接合層は樹脂の柔軟性と接合性を利用するものである。主層の劣化を防止するため、また被接合物との接合性を向上するために用いる。保護接合層については役割から樹脂材料にフィラーを分散配置してなる樹脂複合材料を用いることが好ましい。上記の通り、主層により絶縁部材としての絶縁性が担保されるため、保護接合層に使用する樹脂複合材料は、導電性のもの、絶縁性のものいずれであってもよい。また、これらの多層であってもよい。
本実施例では、ヒートサイクルテスト及び絶縁耐圧テストにおける構造の劣化、放熱基板電極等との接合性の評価、及びポンプアウト現象の有無を確認した。また、加圧下でのヒートサイクルテスト及び絶縁耐圧テスト後の熱伝導率を測定した。なお、構造に劣化が生じた場合でも、必ずしもポンプアウト現象が起こるわけではない。つまり、構造にわずかな劣化があっても、ポンプアウト現象を引き起こすようなものでなければ問題は生じないと考えられる。もちろん、構造の劣化が生じないことが好ましいことは当然である。
製造方法1における工程を順に説明する。後述の実施例1〜5は製造方法1により作製した。
工程1:100mm四方、厚さ3mmのガラス板を準備し、その一面に離型剤を塗る。
工程2:100mm四方、厚さ0.1mmのSUS板の中央に40mm四方の孔を空け、その上下面に離型剤を塗布したガイド部材Aを2枚作製する。
工程3:作製した2枚のガイド部材Aうちの1枚を、離型剤が塗られたガラス板の面に重ね、ガイド部材Aの孔の内部に型取り用のシリコーン樹脂を流し入れて摺り切り、その上に離型剤を塗る。
工程4:100mm四方、高さ0.7mmのSUS板に1.2mm四方の孔を400個均等に設けた、高熱伝導性絶縁材料の位置決めのためのガイド部材Bを作製し、その上下面に離型剤を塗布して、工程3で作製した部材の上に重ねる。
工程5:工程4で作製したガイド部材Bの孔全てに、高熱伝導性絶縁材料である1.1mm×0.7mmのチップ状のダイヤモンド片を導入して軽く押さえ、工程3でガイド部材Aの孔に導入した型取り用のシリコーン樹脂に仮止めする(少量のフィラーを位置決めのために固定する)。
工程6:ガイド部材Bを除去する。
工程7:100mm四方、厚さ0.7mmのSUS板の中央に40mm四方の孔を設けたガイド部材Cの上下面に離型剤を塗布し、これをガイド部材Aの上に重ねたあと、ガイド部材Cの孔にエポキシ樹脂を流し入れる。
工程8:ガイド部材Cの上からシリコーンゴム製のロールを掛け厚みで擦り切り余分なエポキシ樹脂を除去する。
工程9:100mm四方、厚さ3mmのガラス板に離型剤を塗布してガイド部材Cの上に置き、0.2kg/cm2の圧力で押さえる。
工程10:工程9でガラス板を載せた状態のものを真空雰囲気に置き、エポキシ樹脂を硬化させた後、上下のガラス板とガイドAを取り外す。
工程11:工程10においてエポキシ樹脂を硬化させた部材の上下面を、バフ毛に研磨剤が付いた研磨材で研磨し、ダイヤモンド表面に付いた樹脂や汚れを除去する。これにより、エポキシ樹脂からなる芯材の内部にダイヤモンドからなる高熱伝導性絶縁材料を30vol%導入した高熱伝導性絶縁樹脂複合材料で構成された主層が得られる。
工程12:上記工程とは別に、100mm四方、厚さ3mmのガラス板を2枚準備し、それぞれの一面に離型剤を塗る。
工程13:100mm四方、厚さ0.15mmのSUS板の中央に40mm四方の孔を空け、その上下面に離型剤を塗布したガイド部材Dを2枚作製し、それぞれを工程12で準備したガラス板の上に重ねる。
工程14:2枚のガイド部材Dの孔にそれぞれグリス状の導電性樹脂複合材料(熱伝導率3W/m・K)を流し入れて擦りきりしたものを作製する。
工程15:工程14において導電性樹脂複合材料を流し入れたものを、工程11で得られた主層の上下に重ね、0.2kg/cm2の圧力をかけつつ真空中で接着する。その後、2組のガラス板とガイドDを除去する。こうして、全体として21vol%のダイヤモンドを含有した40mm四方、厚さ1.0mmの高熱伝導性絶縁樹脂複合部材が得られる。
工程16:工程15で得られた高熱電導性絶縁樹脂複合部材の上下面にそれぞれ、40mm四方、厚さ1.0mmの、Niメッキ処理が施されたCu板と、Al板とを取り付け、0.5kg/cm2の圧力をかけつつ真空中で接着する。こうして作製した40mm四方、厚さ3mmの部材の外周にポンプアウト対策の枠部材を設け評価用試料とした。
工程17:工程16により作製した評価用試料についてヒートサイクルテスト及び絶縁耐圧テストを行い、その後、熱伝導率を測定した。
製造方法2では、主層の内部にチップ状の高熱伝導性絶縁材料を縦型配置し、さらに高熱伝導性絶縁材料を分散配置して高熱伝導性絶縁樹脂複合部材を作製する。この製造方法2により後述の実施例6から13の高熱伝導性絶縁樹脂複合部材を作製した。製造方法2により作製される高熱伝導性絶縁樹脂複合部材の構成を図1に示す。この製造方法では、芯材11に高熱伝導性絶縁材料13(ダイヤモンド粒子)とダミー粒子12(酸化アルミニウム粒子)とが配置された主層10が形成され、その表裏面に設けられた保護接合層15に高熱伝導性絶縁材料13の端部が食い込んだ状態の高熱伝導性絶縁樹脂複合部材1が得られる。また、図1に示すように、主層10や保護接合層15の外周には適宜に枠部材14を設けることができる。
工程1:100mm四方、厚さ3mmのガラス板を2枚準備し、それぞれの一面に離型剤を塗る。
工程2:100mm四方、厚さ0.1mmのSUS板の中央に40mm四方の孔を空け、その上下面に離型剤を塗布したガイド部材Aを2枚作製する。
工程3:作製した2枚のガイド部材Aうちの1枚を、離型剤が塗られたガラス板の面に重ね、ガイド部材Aの孔の内部に型取り用のシリコーン樹脂を流し入れて摺り切り、その上に離型剤を塗る。もう1枚のガイド部材Aについても同様の処理を行う。
工程4:100mm四方、厚さ0.7mmのSUS板の中央に40mm四方の孔を設けたガイド部材Bを作製し、その上下面に離型剤を塗布する。
工程5:工程3で作製したものの一方に、ガイド部材Bを重ねる。
工程6:100mm四方、厚さ0.1mmのSUS板の中央に40mm四方の孔を設けたガイド部材Cを作製し、その上下面に離型剤を塗布する。
工程7:工程6で作製したガイド部材Cを工程5で作製した部材の上に重ねる。
工程8:工程7で作製した部材の中央に形成されている、40mm四方、厚さ0.8mmの孔に、エポキシ樹脂、粒径0.9mmのダイヤモンド粒子(30vol%)、及び粒径0.6mmのダミーのAl2O3粒子(球状、30vol%)の混合物を流し入れて擦り切る。
工程9:工程8で作製したものに、離型剤と塗布したSUSの□100四方、厚さ3mmのSUS板を重ねて押さえ、型取り用のシリコーン樹脂にダイヤモンド粒子を0.1mm食い込ませる。
工程10:ガイドCを除去し、工程3で作製したものの他方(工程5以降で使用していないもの)を反転し、重ね合わせて加圧することにより型取り用のシリコーン樹脂にダイヤモンド粒子を0.1mm食い込ませる。
工程11:工程10においてエポキシ樹脂を硬化させた部材の上下面を、バフ毛に研磨剤が付いた研磨材で研磨し、ダイヤモンド表面に付いた樹脂や汚れを除去する。これにより、エポキシ樹脂からなる芯材の内部にダイヤモンド粒子を縦型配置して両端を露出させ、さらにAl2O3粒子を分散配置した絶縁樹脂複合材料で構成された主層が形成される。
工程12:上記工程とは別に、100mm四方、厚さ3mmのガラス板を2枚準備し、それぞれの一面に離型剤を塗る。
工程13:100mm四方、厚さ0.15mmのSUS板の中央に40mm四方の孔を空け、その上下面に離型剤を塗布したガイド部材Dを2枚作製し、それぞれを工程12で準備したガラス板の上に重ねる。
工程14:2枚のガイド部材Dの孔にそれぞれグリス状の導電性樹脂複合材料(熱伝導率3W/m・K)を流し入れて擦りきりしたものを作製する。
工程15:工程14において導電性樹脂複合材料を流し入れたものを、工程11で得られた主層の上下に重ね、0.2kg/cm2の圧力をかけつつ真空中で接着する。その後、2組のガラス板とガイドDを除去する。こうして、全体として21vol%のダイヤモンドを含有した40mm四方、厚さ1.0mmの高熱伝導性絶縁樹脂複合部材が得られる。
工程16:工程15で得られた高熱電導性絶縁樹脂複合部材の上下面にそれぞれ、40mm四方、厚さ1.0mmの、Niメッキ処理が施されたCu板と、Al板とを取り付け、0.5kg/cm2の圧力をかけつつ真空中で接着する。こうして作製した40mm四方、厚さ3mmの部材の外周にポンプアウト対策の枠部材を設け評価用試料とした。
工程17:工程16により作製した評価用試料についてヒートサイクルテスト及び絶縁耐圧テストを行い、その後、熱伝導率を測定した。
製造方法3では、主層の内部に高熱伝導性絶縁材料を分散配置してなる高熱伝導性絶縁樹脂複合部材を作製する。この製造方法3により後述の実施例14及び15の高熱伝導性絶縁樹脂複合部材を作製した。
工程1:100mm四方、厚さ3mmのガラス板を準備し、その一面に離型剤を塗る。
工程2:100mm四方、厚さ0.1mmのSUS板の中央に40mm四方の孔を空け、その上下面に離型剤を塗布したガイド部材Aを2枚作製する。
工程3:作製した2枚のガイド部材Aうちの1枚を、離型剤が塗られたガラス板の面に重ね、ガイド部材Aの孔の内部に型取り用のシリコーン樹脂を流し入れて摺り切り、その上に離型剤を塗る。
工程4:100mm四方、高さ0.7mmのSUS板の中央に40mm四方の孔を空け、その上下面に離型剤を塗布したガイド部材Bを作製し、工程3で作製した部材の上に重ねる。
工程5:ガイド部材Bに、粒径0.1mmのダイヤモンド粒子と粒径0.01mmのダイヤモンド粒子を7:1の割合で混合したものを、主層中の含有量が70vol%となる分量で導入し、スケルトンを作り擦り切る。そして、エポキシ樹脂を含浸して擦り切る。
工程6:ガイド部材Bを除去する。
工程7:離型剤を塗った100mm四方、厚さ3mmのガラス板を載せ、0.2kg/cm2の圧力で押さえる。
工程8:工程7でガラス板を載せた状態のものを真空雰囲気に置いてガス抜きした後、上下のガラス板とガイドAを取り外す。これにより、エポキシ樹脂からなる芯材の内部に70vol%のダイヤモンド粒子(高熱伝導性絶縁材料)を導入した高熱伝導性絶縁樹脂複合材料で構成された主層が得られる。
工程9:上記工程とは別に、100mm四方、厚さ3mmのガラス板を2枚準備し、それぞれの一面に離型剤を塗る。
工程10:100mm四方、厚さ0.15mmのSUS板の中央に40mm四方の孔を空け、その上下面に離型剤を塗布したガイド部材Dを2枚作製し、それぞれを工程12で準備したガラス板の上に重ねる。
工程11:2枚のガイド部材Dの孔にそれぞれグリス状の導電性樹脂複合材料(熱伝導率3W/m・K)を流し入れて擦りきりしたものを作製する。
工程12:工程11において導電性樹脂複合材料を流し入れたものを、工程11で得られた主層の上下に重ね、0.2kg/cm2の圧力をかけつつ真空中で接着する。その後、2組のガラス板とガイドDを除去する。こうして、全体として53vol%のダイヤモンドを含有した40mm四方、厚さ1.0mmの高熱伝導性絶縁樹脂複合部材が得られる。
工程13:工程12で得られた高熱電導性絶縁樹脂複合部材の上下面にそれぞれ、40mm四方、厚さ1.0mmの、Niメッキ処理が施されたCu板と、Al板とを取り付け、0.5kg/cm2の圧力をかけつつ真空中で接着する。こうして作製した40mm四方、厚さ3mmの部材の外周にポンプアウト対策の枠部材を設け評価用試料とした。
工程14:工程13により作製した評価用試料についてヒートサイクルテスト及び絶縁耐圧テストを行い、その後、熱伝導率を測定した。
10…主層
11…芯材
12…ダミー粒子
13…高熱伝導性絶縁材料
14…枠部材
15…保護接合層
Claims (3)
- a) 絶縁樹脂材料と1個又は複数個のダイヤモンド片とを含む層であって該1個又は相互に接触する複数個のダイヤモンド片が該層を厚さ方向に貫通し該層の表面から露出するように配置されてなる主層、またはダイヤモンド基板からなる主層と、
b) 前記主層を保護し被接合部材との接合性を高めるために前記主層の表面及び裏面に配置された層であって、樹脂材料に金属製の導電性フィラーを分散してなる熱伝導率が5W/m・K以上の樹脂複合材料により構成された保護接合層と
を備え、
厚さ方向に0.2kg/cm2の圧力を加えた状態で-40℃への冷却と150℃への加熱を100回繰り返すヒートサイクルテストにおいて前記主層と前記保護接合層の間に剥離が生じず、
前記ヒートサイクルテスト後に3.0kVのAC電圧を1分間印加する処理を3回繰り返す絶縁耐圧テストを行っても絶縁破壊が生じず、
前記ヒートサイクルテスト及び前記絶縁耐圧テストを行った後の熱伝導率が10W/m・K以上である
ことを特徴とする高熱伝導性絶縁樹脂複合部材。 - さらに、
c) 前記主層又は前記保護接合層の外周に設けられた枠部材
を備えることを特徴とする請求項1に記載の高熱伝導性絶縁樹脂複合部材。 - 請求項1又は2のいずれかに記載の高熱伝導性絶縁樹脂複合部材を備えた半導体モジュール。
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