JP3865957B2 - 伝熱性化合物 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体素子の作動により生じる熱を半導体素子から放熱体に速やかに伝えるための伝熱手段として好適に使用される伝熱性化合物に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体素子収納用パッケージや混成集積回路基板等を構成する配線基板への半導体素子の実装方法としては、配線基板の表面に設けられ配線導体と接続された接続パッドに、半導体素子の電極を半田等から成るボール状の金属バンプを介して直接接続する、いわゆるフリップチップ方式の実装方法が多用されるに至っている。
【０００３】
このフリップチップ方式の接続方法に用いられる半導体素子収納用パッケージや混成集積回路基板等に用いられる配線基板は、一般に、酸化アルミニウム質焼結体等の電気絶縁材料から成る絶縁基体と、この絶縁基体の内部および／または表面に形成されたタングステン、モリブデン、マンガン等の高融点金属材料から成る配線導体と、この配線導体に電気的に接続するように形成されたタングステン、モリブデン、マンガン等の高融点金属材料から成る接続パッドとから構成されており、このような配線基板の絶縁基体表面の接続パッドに半導体素子の下面に形成された電極を半田ボール等から成る金属バンプを介して接続することによって半導体素子の各電極が配線導体に接続されて半導体装置として完成することとなる。
【０００４】
また、配線基板上に半導体素子を半田ボール等から成る金属バンプにて接合した後、配線基板と半導体素子との接合をより強固にするために、いわゆるアンダーフィル材と呼ばれる樹脂、例えばエポキシ樹脂等の有機樹脂にフィラーとしてシリカや窒化アルミニウム等の無機充填剤を添加混合した接着材としての樹脂を配線基板と半導体素子との間に形成される空隙内に充填し、これを加熱硬化させることによって配線基板と半導体素子とを強固に接着させることが実施されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来の半導体装置においては、半導体素子と半田ボール等の金属バンプとの接続面積は、半導体素子の面積に比べて極めて小さなものであることから、半導体素子が作動時に発した熱は前記金属バンプに吸収され難く半導体素子内に残留し、その結果、半導体素子に熱破壊が発生したり、特性に熱劣化が発生したりするという問題があった。
【０００６】
また、半導体素子と配線基板との間にアンダーフィル材を充填させた場合であっても、このようなアンダーフィル材の熱伝導率が０．２〜０．７Ｗ／ｍ・Ｋ程度と低いことから半導体素子で発した熱を効果的に吸収することができず、上記同様に半導体素子に熱破壊が発生したり、特性に熱劣化が発生したりするという問題があった。
【０００７】
本発明は上記欠点に鑑みて案出されたものであり、その目的は、絶縁基体上に実装された半導体素子の上面に放熱体を接合させつつ支持し、かつ半導体素子が作動時に発する熱を放熱体に伝達させ、半導体素子を常に適温として長期間にわたり正常、かつ安定に作動させることができる伝熱性化合物を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の伝熱性化合物は、ゴム変性エポキシ樹脂と複素環式基を含む炭化水素基の両端に官能基であるアミンが結合した構造の硬化剤とから成る熱硬化性の担体樹脂と、担体樹脂中に分散された熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の伝熱性フィラー粒子とから成り、かつ外添加で親水性基および疎水性基を有する有機シラン類もしくは有機チタネート類の少なくとも１種から成る分散剤が添加されていることを特徴とするものである。
【０００９】
また本発明は、前記伝熱性フィラー粒子が窒化アルミニウム、窒化ホウ素、酸化アルミニウム、ダイヤモンド、アルミニウム、銅の少なくとも１種から成ることを特徴とするものである。
【００１０】
本発明の伝熱性化合物によれば、担体樹脂中に、例えば、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、酸化アルミニウム、ダイヤモンド、アルミニウム、銅等の熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上と高い伝熱性フィラー粒子を分散させたことから１Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有しており、そのため半導体素子の上面にこの伝熱性化合物を介して放熱体を接合させた場合、半導体素子の作動時に発した熱は伝熱性化合物を介して放熱体に効率良く伝達されるとともに放熱体を通して大気中に放散されることとなり、その結果、半導体素子は常に適温となり、半導体素子を長期間にわたり正常、かつ安定に作動させるこが可能となる。
【００１１】
また本発明の伝熱性化合物によれば、担体樹脂をゴム変性エポキシ樹脂と複素環式基を含む炭化水素基の両端に官能基であるアミンが結合した構造の硬化剤とから成る熱硬化性の樹脂としたことから、半導体素子の上面にこの伝熱性化合物を介して放熱体を接合させた場合、担体樹脂が熱硬化する際に半導体素子及び放熱体と化学的に結合して接着材として作用し、半導体素子と放熱体とを強固に接合することができる。
【００１２】
同時に前記担体樹脂は硬化により３次元網目構造を有して機械的強度が優れたものとなり、半導体素子の上面に接合された放熱体を支えて保持することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に本発明の伝熱性化合物を用いて製作した半導体装置について、図１に示す実施例に基づいて説明する。
図１は本発明の伝熱性化合物を用いて製作した半導体装置の実施の形態の一例を示す断面図であり、１は絶縁基体、２は絶縁基体１の表面および内部に形成されている配線導体、３は半導体素子である。
【００１４】
前記絶縁基体１は、酸化アルミニウム質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、ガラスセラミックス焼結体、結晶化ガラス質焼結体等のセラミックス材料やエポキシ樹脂、ガラスエポキシ、ポリイミド樹脂等の有機系材料等の電気絶縁材料から形成され、例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合であれば、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化マグネシウム、酸化カルシウム等の原料粉末に適当な有機バインダー、溶剤等を添加混合して泥漿物を作るとともに該泥漿物をドクターブレード法やカレンダーロール法等によりシート状に成形してセラミックグリーンシートを得、しかる後、前記セラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工および穴あけ加工を施すとともにこれを複数枚積層し、約１６００℃の高温で焼成することによって製作される。
【００１５】
また前記絶縁基体１はその上面から内部を介し下面にかけて配線導体２が形成されており、該配線導体２は半導体素子３の各電極を外部電気回路に接続する作用をなし、配線導体２のうち絶縁基体１の上面に露出する部分には半導体素子３の電極が金属バンプ４を介して接合され、また絶縁基体１の下面に露出する部分は外部電気回路基板の配線導体に接続される。
【００１６】
前記配線導体２は、金、銀、白金、パラジウム、銅、ニッケル、タングステン、モリブデン、マンガン等の金属またはこれらの合金、あるいはこれらを主成分とする合金等から成り、例えば、タングステン、モリブデン、マンガン等の高融点金属から成る場合であれば、高融点金属の粉末に適当な有機溶剤、溶媒を添加混合して金属ペーストを得、該金属ペーストを従来周知のスクリーン印刷法等の厚膜手法を採用し、絶縁基体１となるセラミックグリーンシートの表面及びセラミックグリーンシートに開けられた貫通孔内に予め所定パターンに塗布充填しておくことによって絶縁基体１の上面から内部を介し下面にかけて被着形成される。
【００１７】
また、前記配線導体２はその露出する表面にニッケル、金等の耐食性に優れ、且つハンダと濡れ性の良い金属をメッキ法により１乃至２０μｍの厚みに被着させておくと、配線導体２の酸化腐食を有効に防止することができるとともに配線導体２と金属バンプ４との接合を強固なものとなすことができる。従って、前記配線導体２はその露出する表面にニッケル、金等の耐食性に優れ、且つロウ材と濡れ性の良い金属をメッキ法により１乃至２０μｍの厚みに被着させておくことが好ましい。
【００１８】
更に前記絶縁基体１はその上面に半導体素子３がフリップチップ方式、具体的には半導体素子３の下面に形成されている電極を絶縁基体１の上面に露出する配線導体２にハンダから成る金属バンプ４を介して接合することによって実装されている。
【００１９】
前記絶縁基体１の上面に実装された半導体素子３は更にその上面にフィンを多数有した放熱体６が伝熱性化合物５を介して接合されており、該放熱体６は半導体素子３が作動時に発した熱を吸収するとともに大気中に良好に放散させる作用をなし、これによって半導体素子３は常に適温となり、半導体素子３を長期間にわたり正常、かつ安定に作動させることができる。
【００２０】
前記放熱体６は銅、アルミニウム、銅−タングステン等の金属や、窒化アルミニウム等のセラミック部材、あるいは厚み方向に配列した炭素繊維を炭素で結合した一方向性複合材料等の伝熱性に優れた材料により形成され、例えば銅から成る場合であれば銅のインゴット（塊）に圧延加工、切断加工等の周知の金属加工法を施すことによって所定の形状に加工される。
【００２１】
なお、前記放熱体６はフィンを多数有するものに限定されるものではなく、平板状であってもよい。
【００２２】
また前記放熱体６は半導体素子３の上面に伝熱性化合物５を介して接合されており、該伝熱性化合物５はゴム変性エポキシ樹脂と変性アミン型硬化剤とから成る熱硬化性の担体樹脂２０乃至６０重量％と、該担体樹脂中に分散された熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の伝熱性フィラー粒子４０乃至８０重量％とから成り、かつ外添加で親水性基および疎水性基を有する有機シラン類もしくは有機チタネート類の少なくとも１種から成る分散剤が前記伝熱性フィラー粒子１００重量部に対し０．５乃至５重量部添加されたもので形成されている。
【００２３】
前記伝熱性化合物５による半導体素子３上面への放熱体６の接合は、例えば、半導体素子３の上面と放熱体６の下面との間に、ゴム変性エポキシ樹脂前駆体と変性アミン型硬化剤とから成る液状の混合物中に、有機シラン類もしくは有機チタネート類の少なくとも１種から成る分散剤と、熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上と高い伝熱性フィラー粒子とを添加混合して得たペーストを配し、該ペーストを加熱硬化させることによって行われる。この場合、ゴム変性エポキシ樹脂と変性アミン型硬化剤とから成る熱硬化性の担体樹脂は熱硬化する際に半導体素子３及び放熱体６と化学的に結合して接着材として作用し、その結果、この伝熱性化合物５を介して半導体素子３と放熱体６とは強固に接合することとなる。
【００２４】
また前記伝熱性化合物５の熱硬化性の担体樹脂はゴム変性エポキシ樹脂と変性アミン型硬化剤の硬化の反応によって３次元網目構造となっており、そのため例えば剪断強度が２０〜３０Ｋｇｆ／ｃｍ2 と強く、機械的強度に優れており、半導体素子３の上面に接合した放熱体６を支えて保持することが可能となる。
【００２５】
さらに前記伝熱性化合物５の熱硬化性の担体樹脂は、複素環式基を含む炭化水素基の両端に官能基であるアミンが結合した構造で分子鎖の変形の自由度が大きい変性アミン型硬化剤を、ゴム状の弾性を有するゴム変性エポキシ樹脂の前駆体に混合させて熱硬化させたものであることから可撓性を有しており、そのため放熱体６を熱伝導率が高く放熱性に優れるが半導体素子３と熱膨張係数が大きく相違する銅やアルミニウム（シリコンの熱膨張係数は２．４×１０-6／℃であるのに対し、銅の熱膨張係数は１．６７８×１０-5／℃、アルミニウムの熱膨張係数は２．３１３×１０-5／℃）で形成した場合であっても、半導体素子３と放熱体６との間に両者の熱膨張係数の相違に起因して発生する応力は熱硬化性の担体樹脂を変形させることによって吸収緩和され、その結果、半導体素子３と放熱体６とを極めて強固に接合させておくことができる。
【００２６】
また更に前記伝熱性化合物５の熱硬化性の担体樹脂には熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上と高い伝熱性フィラー粒子が分散されており、該伝熱性フィラー粒子によって伝熱性化合物５の熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋ以上となり、半導体素子３が作動時に発した熱を伝熱性化合物５を介して放熱体６に効率良く伝達吸収させることができる。
【００２７】
前記伝熱性フィラー粒子しては、例えば、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、酸化アルミニウム、アルミニウム、銅、ダイヤモンドの少なくとも１種が好適に使用される。
【００２８】
前記伝熱性化合物５の熱硬化性の担体樹脂には更に親水性基および疎水性基を有する有機シラン類もしくは有機チタネート類の少なくとも１種から成る分散剤が添加されており、該親水性基によって伝熱性のフィラー粒子表面に吸着するとともに、疎水性基の作用によりゴム変性エポキシ樹脂前駆体と変性アミン型硬化剤とから成る液状の混合物中に拡散して均一に分散し、これにより伝熱性フィラー粒子を担体樹脂中に均一に分散させる作用をなす。
【００２９】
前記親水性基および疎水性基を有する有機シラン類とは、シラン（ＳｉＨ4 ）の水素（Ｈ）を親水性基および疎水性基で置換したものであり、例えば、ビニルトリエトキシシラン、ビニルトリス（β−メトキシエトキシ）シラン、β−（３、４−エポキシシクロヘキシル）エチルトリメトキシシラン、γ−グリセドキシプロピルトリメトキシシラン、γ−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、Ｎ−β−（アミノエチル）−γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、Ｎ−β−（アミノエチル）−γ−アミノプロピルメチルジメトキシシラン、γ−アミノプロピルトリエトキシシラン、γ−プロピルトリメトキシシラン、γ−メルカプトプロピルトリメトキシシラン等があり、これらにおいてメトキシ基（−ＯＣＨ3 ）、エトキシ基（−ＯＣ2 Ｈ5 ）、β−メトキシエトキシ基（−ＯＣ2 Ｈ4 −ＯＣＨ3 ）等のアルコキシ基およびその誘導体が親水性基であり、その他の置換基が疎水性基である。
【００３０】
また、親水性基および疎水性基を有する有機チタネート類とは、アルコキシ基やその誘導体、またはグリコール酸等の親水性基と、炭素数が８以上のアルキル基によるリン酸エステルや、水に不溶性の高級脂肪酸等の疎水性基とがチタン（Ｔｉ）と結合したものが用いられ、例えば、イソプロピルトリイソステアロイルチタネート、イソプロピルトリス（ジオクチルパイロホスフェート）チタネート、ビス（ジオクチルパイロホスフェート）オキシアセテートチタネート、ビス（ジオクチルパイロホスフェート）エチレンチタネート、テトライソプロピルビス（ジオクチルホスファイト）チタネート、テトラオクチルビス（ジトリデシルホスファイト）チタネート等があり、これらにおいてアルコキシ基およびその誘導体はフィラー粒子表面の吸着水や空気中の水分等と加水分解反応を起こすことにより水素結合し得るようになり親水性基として作用し、アルキル基およびその誘導体は疎水性基として作用する。
【００３１】
なお、前記伝熱性化合物５においてゴム変性エポキシ樹脂と変性アミン型硬化剤とから成る熱硬化性の担体樹脂の含有量が２０重量％未満になると、伝熱経路を形成した状態で伝熱性フィラー粒子を保持することができなくなり、また６０重量％を超えると伝熱性部材５の熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋ未満と低くなって半導体素子３で生じた熱を効率良く放熱体６に伝達することができなくなってしまう。従って、伝熱性化合物５中の伝熱性フィラー粒子の含有量は２０乃至６０重量％の範囲に特定される。
【００３２】
また、熱硬化性の担体樹脂におけるゴム変性エポキシ樹脂と変性アミン型硬化剤との混合比は、エポキシ価（エポキシ樹脂のエポキシ基の数）とアミン価（硬化剤のアミノ基数）との比が１：１となるような割合としておくと、熱硬化を均一、かつ速やかにに行わせることができ、担体樹脂の硬化の化学反応による過熱や硬化した樹脂の変色等の不具合を生じる恐れがない。従って、ゴム変性エポキシ樹脂と変性アミン型硬化剤との混合比はエポキシ価とアミン価との比が１：１となるような割合としておくことが好ましい。
【００３３】
更に前記伝熱性化合物５において伝熱性フィラー粒子の含有量が４０重量％未満となると、伝熱性フィラー粒子同士の接触が少なくなって良好な伝熱経路が形成され難いため伝熱性化合物５の熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋ未満と低くなって半導体素子３で生じた熱を効率良く放熱体６に伝達することができなくなり、８０重量％を超えると伝熱性フィラー粒子を担体樹脂によって保持することができなくなる。従って、伝熱性化合物５中の伝熱性フィラー粒子の含有量は４０乃至８０重量％の範囲に特定される。
【００３４】
また更に前記伝熱性化合物５において分散剤の含有量が伝熱性フィラー粒子１００重量部に対して０．５重量部未満となると、伝熱性フィラー粒子を均一に分散させることができなくなり、５重量部を超えると過剰に添加された分散剤により担体樹脂の硬化が部分的に妨げられて機械的強度が劣化しやすくなる。従って、伝熱性化合物５中の分散剤の含有量は伝熱性フィラー粒子１００重量部に対して０．５乃至５重量部の範囲に特定される。
【００３５】
前記伝熱性フィラー粒子は、その平均粒径が１μｍ未満になると伝熱性化合物５中の伝熱経路において伝熱性フィラー粒子同士の接触界面を経る頻度が高くなり、このような粒子界面での熱伝導が粒子内部での熱伝導に比べて劣ることから伝熱性化合物５の熱伝導率を高くすることが困難となる傾向にある。従って、伝熱性フィラー粒子はその粒径が１μｍ以上のものとしておくことが好ましい。
【００３６】
かくして上述の半導体装置によれば、絶縁基体１に形成されている配線導体２を介して絶縁基体１に実装されている半導体素子３と外部電気回路とを電気的に接続し、半導体素子３と外部電気回路との間に電気信号を入出力させることによって半導体素子３は所定の作動を行う。この時、半導体素子３の発した熱は伝熱性化合物５を通して放熱体６に伝達され、放熱体６を介して大気中に放散されることとなる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明の伝熱性化合物によれば、担体樹脂中に、例えば、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、酸化アルミニウム、ダイヤモンド、アルミニウム、銅等の熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上と高い伝熱性フィラー粒子を分散させたことから１Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有しており、そのため半導体素子の上面にこの伝熱性化合物を介して放熱体を接合させた場合、半導体素子の作動時に発した熱は伝熱性化合物を介して放熱体に効率良く伝達されるとともに放熱体を通して大気中に放散されることとなり、その結果、半導体素子は常に適温となり、半導体素子を長期間にわたり正常、かつ安定に作動させるこが可能となる。
【００３８】
また本発明の伝熱性化合物によれば、担体樹脂をゴム変性エポキシ樹脂と変性アミン型硬化剤とから成る熱硬化性の樹脂としたことから、半導体素子の上面にこの伝熱性化合物を介して放熱体を接合させた場合、担体樹脂が熱硬化する際に半導体素子及び放熱体と化学的に結合して接着材として作用し、半導体素子と放熱体とを強固に接合することができる。
【００３９】
同時に前記担体樹脂は硬化により３次元網目構造を有して機械的強度が優れたものとなり、半導体素子の上面に接合された放熱体を支えて保持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の伝熱性化合物を用いて製作した半導体装置の一実施例を示す断面図である。
【符号の説明】
１・・・絶縁基板
２・・・配線導体
３・・・半導体素子
４・・・金属バンプ
５・・・伝熱性化合物
６・・・放熱体
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体素子の作動により生じる熱を半導体素子から放熱体に速やかに伝えるための伝熱手段として好適に使用される伝熱性化合物に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体素子収納用パッケージや混成集積回路基板等を構成する配線基板への半導体素子の実装方法としては、配線基板の表面に設けられ配線導体と接続された接続パッドに、半導体素子の電極を半田等から成るボール状の金属バンプを介して直接接続する、いわゆるフリップチップ方式の実装方法が多用されるに至っている。
【０００３】
このフリップチップ方式の接続方法に用いられる半導体素子収納用パッケージや混成集積回路基板等に用いられる配線基板は、一般に、酸化アルミニウム質焼結体等の電気絶縁材料から成る絶縁基体と、この絶縁基体の内部および／または表面に形成されたタングステン、モリブデン、マンガン等の高融点金属材料から成る配線導体と、この配線導体に電気的に接続するように形成されたタングステン、モリブデン、マンガン等の高融点金属材料から成る接続パッドとから構成されており、このような配線基板の絶縁基体表面の接続パッドに半導体素子の下面に形成された電極を半田ボール等から成る金属バンプを介して接続することによって半導体素子の各電極が配線導体に接続されて半導体装置として完成することとなる。
【０００４】
また、配線基板上に半導体素子を半田ボール等から成る金属バンプにて接合した後、配線基板と半導体素子との接合をより強固にするために、いわゆるアンダーフィル材と呼ばれる樹脂、例えばエポキシ樹脂等の有機樹脂にフィラーとしてシリカや窒化アルミニウム等の無機充填剤を添加混合した接着材としての樹脂を配線基板と半導体素子との間に形成される空隙内に充填し、これを加熱硬化させることによって配線基板と半導体素子とを強固に接着させることが実施されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来の半導体装置においては、半導体素子と半田ボール等の金属バンプとの接続面積は、半導体素子の面積に比べて極めて小さなものであることから、半導体素子が作動時に発した熱は前記金属バンプに吸収され難く半導体素子内に残留し、その結果、半導体素子に熱破壊が発生したり、特性に熱劣化が発生したりするという問題があった。
【０００６】
また、半導体素子と配線基板との間にアンダーフィル材を充填させた場合であっても、このようなアンダーフィル材の熱伝導率が０．２〜０．７Ｗ／ｍ・Ｋ程度と低いことから半導体素子で発した熱を効果的に吸収することができず、上記同様に半導体素子に熱破壊が発生したり、特性に熱劣化が発生したりするという問題があった。
【０００７】
本発明は上記欠点に鑑みて案出されたものであり、その目的は、絶縁基体上に実装された半導体素子の上面に放熱体を接合させつつ支持し、かつ半導体素子が作動時に発する熱を放熱体に伝達させ、半導体素子を常に適温として長期間にわたり正常、かつ安定に作動させることができる伝熱性化合物を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の伝熱性化合物は、ゴム変性エポキシ樹脂と複素環式基を含む炭化水素基の両端に官能基であるアミンが結合した構造の硬化剤とから成る熱硬化性の担体樹脂と、担体樹脂中に分散された熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の伝熱性フィラー粒子とから成り、かつ外添加で親水性基および疎水性基を有する有機シラン類もしくは有機チタネート類の少なくとも１種から成る分散剤が添加されていることを特徴とするものである。
【０００９】
また本発明は、前記伝熱性フィラー粒子が窒化アルミニウム、窒化ホウ素、酸化アルミニウム、ダイヤモンド、アルミニウム、銅の少なくとも１種から成ることを特徴とするものである。
【００１０】
本発明の伝熱性化合物によれば、担体樹脂中に、例えば、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、酸化アルミニウム、ダイヤモンド、アルミニウム、銅等の熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上と高い伝熱性フィラー粒子を分散させたことから１Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有しており、そのため半導体素子の上面にこの伝熱性化合物を介して放熱体を接合させた場合、半導体素子の作動時に発した熱は伝熱性化合物を介して放熱体に効率良く伝達されるとともに放熱体を通して大気中に放散されることとなり、その結果、半導体素子は常に適温となり、半導体素子を長期間にわたり正常、かつ安定に作動させるこが可能となる。
【００１１】
また本発明の伝熱性化合物によれば、担体樹脂をゴム変性エポキシ樹脂と複素環式基を含む炭化水素基の両端に官能基であるアミンが結合した構造の硬化剤とから成る熱硬化性の樹脂としたことから、半導体素子の上面にこの伝熱性化合物を介して放熱体を接合させた場合、担体樹脂が熱硬化する際に半導体素子及び放熱体と化学的に結合して接着材として作用し、半導体素子と放熱体とを強固に接合することができる。
【００１２】
同時に前記担体樹脂は硬化により３次元網目構造を有して機械的強度が優れたものとなり、半導体素子の上面に接合された放熱体を支えて保持することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に本発明の伝熱性化合物を用いて製作した半導体装置について、図１に示す実施例に基づいて説明する。
図１は本発明の伝熱性化合物を用いて製作した半導体装置の実施の形態の一例を示す断面図であり、１は絶縁基体、２は絶縁基体１の表面および内部に形成されている配線導体、３は半導体素子である。
【００１４】
前記絶縁基体１は、酸化アルミニウム質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、ガラスセラミックス焼結体、結晶化ガラス質焼結体等のセラミックス材料やエポキシ樹脂、ガラスエポキシ、ポリイミド樹脂等の有機系材料等の電気絶縁材料から形成され、例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合であれば、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化マグネシウム、酸化カルシウム等の原料粉末に適当な有機バインダー、溶剤等を添加混合して泥漿物を作るとともに該泥漿物をドクターブレード法やカレンダーロール法等によりシート状に成形してセラミックグリーンシートを得、しかる後、前記セラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工および穴あけ加工を施すとともにこれを複数枚積層し、約１６００℃の高温で焼成することによって製作される。
【００１５】
また前記絶縁基体１はその上面から内部を介し下面にかけて配線導体２が形成されており、該配線導体２は半導体素子３の各電極を外部電気回路に接続する作用をなし、配線導体２のうち絶縁基体１の上面に露出する部分には半導体素子３の電極が金属バンプ４を介して接合され、また絶縁基体１の下面に露出する部分は外部電気回路基板の配線導体に接続される。
【００１６】
前記配線導体２は、金、銀、白金、パラジウム、銅、ニッケル、タングステン、モリブデン、マンガン等の金属またはこれらの合金、あるいはこれらを主成分とする合金等から成り、例えば、タングステン、モリブデン、マンガン等の高融点金属から成る場合であれば、高融点金属の粉末に適当な有機溶剤、溶媒を添加混合して金属ペーストを得、該金属ペーストを従来周知のスクリーン印刷法等の厚膜手法を採用し、絶縁基体１となるセラミックグリーンシートの表面及びセラミックグリーンシートに開けられた貫通孔内に予め所定パターンに塗布充填しておくことによって絶縁基体１の上面から内部を介し下面にかけて被着形成される。
【００１７】
また、前記配線導体２はその露出する表面にニッケル、金等の耐食性に優れ、且つハンダと濡れ性の良い金属をメッキ法により１乃至２０μｍの厚みに被着させておくと、配線導体２の酸化腐食を有効に防止することができるとともに配線導体２と金属バンプ４との接合を強固なものとなすことができる。従って、前記配線導体２はその露出する表面にニッケル、金等の耐食性に優れ、且つロウ材と濡れ性の良い金属をメッキ法により１乃至２０μｍの厚みに被着させておくことが好ましい。
【００１８】
更に前記絶縁基体１はその上面に半導体素子３がフリップチップ方式、具体的には半導体素子３の下面に形成されている電極を絶縁基体１の上面に露出する配線導体２にハンダから成る金属バンプ４を介して接合することによって実装されている。
【００１９】
前記絶縁基体１の上面に実装された半導体素子３は更にその上面にフィンを多数有した放熱体６が伝熱性化合物５を介して接合されており、該放熱体６は半導体素子３が作動時に発した熱を吸収するとともに大気中に良好に放散させる作用をなし、これによって半導体素子３は常に適温となり、半導体素子３を長期間にわたり正常、かつ安定に作動させることができる。
【００２０】
前記放熱体６は銅、アルミニウム、銅−タングステン等の金属や、窒化アルミニウム等のセラミック部材、あるいは厚み方向に配列した炭素繊維を炭素で結合した一方向性複合材料等の伝熱性に優れた材料により形成され、例えば銅から成る場合であれば銅のインゴット（塊）に圧延加工、切断加工等の周知の金属加工法を施すことによって所定の形状に加工される。
【００２１】
なお、前記放熱体６はフィンを多数有するものに限定されるものではなく、平板状であってもよい。
【００２２】
また前記放熱体６は半導体素子３の上面に伝熱性化合物５を介して接合されており、該伝熱性化合物５はゴム変性エポキシ樹脂と変性アミン型硬化剤とから成る熱硬化性の担体樹脂２０乃至６０重量％と、該担体樹脂中に分散された熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の伝熱性フィラー粒子４０乃至８０重量％とから成り、かつ外添加で親水性基および疎水性基を有する有機シラン類もしくは有機チタネート類の少なくとも１種から成る分散剤が前記伝熱性フィラー粒子１００重量部に対し０．５乃至５重量部添加されたもので形成されている。
【００２３】
前記伝熱性化合物５による半導体素子３上面への放熱体６の接合は、例えば、半導体素子３の上面と放熱体６の下面との間に、ゴム変性エポキシ樹脂前駆体と変性アミン型硬化剤とから成る液状の混合物中に、有機シラン類もしくは有機チタネート類の少なくとも１種から成る分散剤と、熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上と高い伝熱性フィラー粒子とを添加混合して得たペーストを配し、該ペーストを加熱硬化させることによって行われる。この場合、ゴム変性エポキシ樹脂と変性アミン型硬化剤とから成る熱硬化性の担体樹脂は熱硬化する際に半導体素子３及び放熱体６と化学的に結合して接着材として作用し、その結果、この伝熱性化合物５を介して半導体素子３と放熱体６とは強固に接合することとなる。
【００２４】
また前記伝熱性化合物５の熱硬化性の担体樹脂はゴム変性エポキシ樹脂と変性アミン型硬化剤の硬化の反応によって３次元網目構造となっており、そのため例えば剪断強度が２０〜３０Ｋｇｆ／ｃｍ2 と強く、機械的強度に優れており、半導体素子３の上面に接合した放熱体６を支えて保持することが可能となる。
【００２５】
さらに前記伝熱性化合物５の熱硬化性の担体樹脂は、複素環式基を含む炭化水素基の両端に官能基であるアミンが結合した構造で分子鎖の変形の自由度が大きい変性アミン型硬化剤を、ゴム状の弾性を有するゴム変性エポキシ樹脂の前駆体に混合させて熱硬化させたものであることから可撓性を有しており、そのため放熱体６を熱伝導率が高く放熱性に優れるが半導体素子３と熱膨張係数が大きく相違する銅やアルミニウム（シリコンの熱膨張係数は２．４×１０-6／℃であるのに対し、銅の熱膨張係数は１．６７８×１０-5／℃、アルミニウムの熱膨張係数は２．３１３×１０-5／℃）で形成した場合であっても、半導体素子３と放熱体６との間に両者の熱膨張係数の相違に起因して発生する応力は熱硬化性の担体樹脂を変形させることによって吸収緩和され、その結果、半導体素子３と放熱体６とを極めて強固に接合させておくことができる。
【００２６】
また更に前記伝熱性化合物５の熱硬化性の担体樹脂には熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上と高い伝熱性フィラー粒子が分散されており、該伝熱性フィラー粒子によって伝熱性化合物５の熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋ以上となり、半導体素子３が作動時に発した熱を伝熱性化合物５を介して放熱体６に効率良く伝達吸収させることができる。
【００２７】
前記伝熱性フィラー粒子しては、例えば、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、酸化アルミニウム、アルミニウム、銅、ダイヤモンドの少なくとも１種が好適に使用される。
【００２８】
前記伝熱性化合物５の熱硬化性の担体樹脂には更に親水性基および疎水性基を有する有機シラン類もしくは有機チタネート類の少なくとも１種から成る分散剤が添加されており、該親水性基によって伝熱性のフィラー粒子表面に吸着するとともに、疎水性基の作用によりゴム変性エポキシ樹脂前駆体と変性アミン型硬化剤とから成る液状の混合物中に拡散して均一に分散し、これにより伝熱性フィラー粒子を担体樹脂中に均一に分散させる作用をなす。
【００２９】
前記親水性基および疎水性基を有する有機シラン類とは、シラン（ＳｉＨ4 ）の水素（Ｈ）を親水性基および疎水性基で置換したものであり、例えば、ビニルトリエトキシシラン、ビニルトリス（β−メトキシエトキシ）シラン、β−（３、４−エポキシシクロヘキシル）エチルトリメトキシシラン、γ−グリセドキシプロピルトリメトキシシラン、γ−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、Ｎ−β−（アミノエチル）−γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、Ｎ−β−（アミノエチル）−γ−アミノプロピルメチルジメトキシシラン、γ−アミノプロピルトリエトキシシラン、γ−プロピルトリメトキシシラン、γ−メルカプトプロピルトリメトキシシラン等があり、これらにおいてメトキシ基（−ＯＣＨ3 ）、エトキシ基（−ＯＣ2 Ｈ5 ）、β−メトキシエトキシ基（−ＯＣ2 Ｈ4 −ＯＣＨ3 ）等のアルコキシ基およびその誘導体が親水性基であり、その他の置換基が疎水性基である。
【００３０】
また、親水性基および疎水性基を有する有機チタネート類とは、アルコキシ基やその誘導体、またはグリコール酸等の親水性基と、炭素数が８以上のアルキル基によるリン酸エステルや、水に不溶性の高級脂肪酸等の疎水性基とがチタン（Ｔｉ）と結合したものが用いられ、例えば、イソプロピルトリイソステアロイルチタネート、イソプロピルトリス（ジオクチルパイロホスフェート）チタネート、ビス（ジオクチルパイロホスフェート）オキシアセテートチタネート、ビス（ジオクチルパイロホスフェート）エチレンチタネート、テトライソプロピルビス（ジオクチルホスファイト）チタネート、テトラオクチルビス（ジトリデシルホスファイト）チタネート等があり、これらにおいてアルコキシ基およびその誘導体はフィラー粒子表面の吸着水や空気中の水分等と加水分解反応を起こすことにより水素結合し得るようになり親水性基として作用し、アルキル基およびその誘導体は疎水性基として作用する。
【００３１】
なお、前記伝熱性化合物５においてゴム変性エポキシ樹脂と変性アミン型硬化剤とから成る熱硬化性の担体樹脂の含有量が２０重量％未満になると、伝熱経路を形成した状態で伝熱性フィラー粒子を保持することができなくなり、また６０重量％を超えると伝熱性部材５の熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋ未満と低くなって半導体素子３で生じた熱を効率良く放熱体６に伝達することができなくなってしまう。従って、伝熱性化合物５中の伝熱性フィラー粒子の含有量は２０乃至６０重量％の範囲に特定される。
【００３２】
また、熱硬化性の担体樹脂におけるゴム変性エポキシ樹脂と変性アミン型硬化剤との混合比は、エポキシ価（エポキシ樹脂のエポキシ基の数）とアミン価（硬化剤のアミノ基数）との比が１：１となるような割合としておくと、熱硬化を均一、かつ速やかにに行わせることができ、担体樹脂の硬化の化学反応による過熱や硬化した樹脂の変色等の不具合を生じる恐れがない。従って、ゴム変性エポキシ樹脂と変性アミン型硬化剤との混合比はエポキシ価とアミン価との比が１：１となるような割合としておくことが好ましい。
【００３３】
更に前記伝熱性化合物５において伝熱性フィラー粒子の含有量が４０重量％未満となると、伝熱性フィラー粒子同士の接触が少なくなって良好な伝熱経路が形成され難いため伝熱性化合物５の熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋ未満と低くなって半導体素子３で生じた熱を効率良く放熱体６に伝達することができなくなり、８０重量％を超えると伝熱性フィラー粒子を担体樹脂によって保持することができなくなる。従って、伝熱性化合物５中の伝熱性フィラー粒子の含有量は４０乃至８０重量％の範囲に特定される。
【００３４】
また更に前記伝熱性化合物５において分散剤の含有量が伝熱性フィラー粒子１００重量部に対して０．５重量部未満となると、伝熱性フィラー粒子を均一に分散させることができなくなり、５重量部を超えると過剰に添加された分散剤により担体樹脂の硬化が部分的に妨げられて機械的強度が劣化しやすくなる。従って、伝熱性化合物５中の分散剤の含有量は伝熱性フィラー粒子１００重量部に対して０．５乃至５重量部の範囲に特定される。
【００３５】
前記伝熱性フィラー粒子は、その平均粒径が１μｍ未満になると伝熱性化合物５中の伝熱経路において伝熱性フィラー粒子同士の接触界面を経る頻度が高くなり、このような粒子界面での熱伝導が粒子内部での熱伝導に比べて劣ることから伝熱性化合物５の熱伝導率を高くすることが困難となる傾向にある。従って、伝熱性フィラー粒子はその粒径が１μｍ以上のものとしておくことが好ましい。
【００３６】
かくして上述の半導体装置によれば、絶縁基体１に形成されている配線導体２を介して絶縁基体１に実装されている半導体素子３と外部電気回路とを電気的に接続し、半導体素子３と外部電気回路との間に電気信号を入出力させることによって半導体素子３は所定の作動を行う。この時、半導体素子３の発した熱は伝熱性化合物５を通して放熱体６に伝達され、放熱体６を介して大気中に放散されることとなる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明の伝熱性化合物によれば、担体樹脂中に、例えば、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、酸化アルミニウム、ダイヤモンド、アルミニウム、銅等の熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上と高い伝熱性フィラー粒子を分散させたことから１Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有しており、そのため半導体素子の上面にこの伝熱性化合物を介して放熱体を接合させた場合、半導体素子の作動時に発した熱は伝熱性化合物を介して放熱体に効率良く伝達されるとともに放熱体を通して大気中に放散されることとなり、その結果、半導体素子は常に適温となり、半導体素子を長期間にわたり正常、かつ安定に作動させるこが可能となる。
【００３８】
また本発明の伝熱性化合物によれば、担体樹脂をゴム変性エポキシ樹脂と変性アミン型硬化剤とから成る熱硬化性の樹脂としたことから、半導体素子の上面にこの伝熱性化合物を介して放熱体を接合させた場合、担体樹脂が熱硬化する際に半導体素子及び放熱体と化学的に結合して接着材として作用し、半導体素子と放熱体とを強固に接合することができる。
【００３９】
同時に前記担体樹脂は硬化により３次元網目構造を有して機械的強度が優れたものとなり、半導体素子の上面に接合された放熱体を支えて保持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の伝熱性化合物を用いて製作した半導体装置の一実施例を示す断面図である。
【符号の説明】
１・・・絶縁基板
２・・・配線導体
３・・・半導体素子
４・・・金属バンプ
５・・・伝熱性化合物
６・・・放熱体
Claims (2)
- ゴム変性エポキシ樹脂と複素環式基を含む炭化水素基の両端に官能基であるアミンが結合した構造の硬化剤とから成る熱硬化性の担体樹脂と、該担体樹脂中に分散された熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の伝熱性フィラー粒子とから成り、かつ外添加で親水性基および疎水性基を有する有機シラン類もしくは有機チタネート類の少なくとも１種から成る分散剤が添加されていることを特徴とする伝熱性化合物。
- 前記伝熱性フィラー粒子が窒化アルミニウム、窒化ホウ素、酸化アルミニウム、ダイヤモンド、アルミニウム、銅の少なくとも１種から成ることを特徴とする請求項１に記載の伝熱性化合物。
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