JP5591405B2 - 電気部品用樹脂、半導体装置、及び配線基板 - Google Patents

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Description

本発明は、電気部品用樹脂、半導体素子を樹脂で封止した半導体装置、及び配線基板に関する。
例えばインバーター制御機器は、小型化および軽量化が求められている。同様に、インバーター制御機器の内部に実装される樹脂封止型半導体装置は、小型化および軽量化を目指した構成となっている。また、パワー半導体素子を内蔵した樹脂封止型半導体装置又は半導体装置などの電気部品が実装された配線基板では、隣接する電極間の高耐圧化又は放熱性能の向上などが求められている。
樹脂封止型半導体装置において、チップからパッケージ上面への放熱性能は、封止に使用している樹脂の熱伝導度で制約される。そのため、特許文献１では、図１１に示すように、チップ３１を覆うような金属製のケース３３を基板３２に取り付け、ケース３３の内部に冷媒３４を充填している。特許文献１の樹脂封止型半導体装置は、チップ３１から発生した熱が冷媒３４の熱対流によってケース３３に伝えられるため、従来の樹脂封止型半導体装置に比べて外部への熱伝導性を高めることができる。
また、特許文献２のパルス駆動電力半導体用の冷却システムは、相変化物質をマイクロカプセルの形で封止材料に含有させて、熱を吸収している。図１２は特許文献２に開示の半導体装置１００１の概略断面図である。半導体装置１００１は、放熱板１００３、基板１００５および素子１００７を備えている。基板１００５に実装されている素子１００７は、封止材料１０１３で封止されている。封止材料１０１３には、相変化物質１１０３がマイクロカプセルの形で含有されている。封止材料１０１３の一例として、エポキシ樹脂が開示されている。なお、素子１００７と封止材料１０１３との間には、熱伝導材料１００９が充填されている。素子１００７と封止材料１０１３とは、熱伝導材料１００９によって熱結合されている。
特開２００８−４６８８号公報 米国特許第６８４８５００号明細書
しかしながら、特許文献１の樹脂封止型半導体装置では、ケース３３への冷媒３４の充填工程が煩雑になる場合がある。また、冷媒３４としては、誘電率の高いフッ素系不活性液又はエタノールが使用されるため、放熱性能及び絶縁耐圧に限界の兆しが見えてきている。
また、特許文献２の半導体装置は、絶縁耐圧を考慮していない構成のため、高耐圧を実現することは困難である。
本発明は、放熱性能が良好であると共に、高耐圧を実現できる電気部品用樹脂、半導体装置、及び配線基板を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の電気部品用樹脂は、電気絶縁性の樹脂にフィラーを混入することで構成され、前記フィラーは、吸熱して相変化することで絶縁耐圧が変化する相変化物質を電気絶縁性のカプセルに封入して形成されたことを特徴とする。
また、上記課題を解決するために、本発明の半導体装置は、前記電気部品用樹脂によって、半導体素子を封止したことを特徴とする。
また、上記課題を解決するために、本発明の配線基板は、前記電気部品用樹脂により構成されたベース基板に、導体パターンを形成したことを特徴とする。
また、上記課題を解決するために、本発明の別の配線基板は、前記電気部品用樹脂の内部に、電気部品又は導体パターンが形成された層を、直接又は中間層を介して積層して電気回路が構築されたことを特徴とする。
本発明によると、放熱性能が良好であると共に、高耐圧を実現できる電気部品用樹脂、半導体装置、及び配線基板を提供することができる。
本発明の実施の形態１にかかる半導体装置の拡大断面図 本発明の実施の形態１にかかるフィラーの拡大断面図 本発明の実施の形態１にかかる半導体素子の発熱に伴う吸熱と放熱の温度特性図 本発明の実施の形態２にかかる配線基板の実施例１の拡大断面図 実施例２の配線基板の拡大断面図 実施例３の配線基板の拡大断面図 実施例４の配線基板の拡大断面図 実施例５の配線基板の拡大断面図 従来例の半導体装置の拡大断面図 従来例の半導体素子の発熱に伴う吸熱と放熱の温度特性図 特許文献１の半導体装置の拡大断面図 特許文献２の半導体装置の拡大断面図
（実施の形態１）
図１は、本実施の形態１の第１半導体装置を示す。図１の第１半導体装置は、樹脂封止型半導体装置であって、電気絶縁性の電気部品用樹脂を封止樹脂として使用した構造体の一例である。
この第１半導体装置は、パワー素子Ｔ１が第１リードフレーム１に固定され、制御素子Ｔ２が第２リードフレーム２に固定されている。第１，第２リードフレーム１，２は、絶縁シート５ａ，５ｂを介して放熱板３の上面に固定されている。パワー素子Ｔ１、制御素子Ｔ２は、半導体素子の一例である。絶縁シート５ａ，５ｂは、例えば、熱伝導性の電気絶縁材料で構成され、電気絶縁層を複数層の接着層で挟んだ３層構造を有する。外装体４は、第１リードフレーム１及び第２リードフレーム２の一体化と、パワー素子Ｔ１及び制御素子Ｔ２の保護とを目的とするものである。外装体４は、例えばエポキシ等の熱硬化型樹脂の一例である第１樹脂６から構成される。第１樹脂６には、本発明の特徴であるフィラー７が混入されている。本実施の形態１の第１樹脂６中のフィラー７の充填率は、後述する吸熱又は絶縁の特性、第１樹脂６の材料特性などに応じて、２０％以上かつ８０％以下としている。
本発明では、封止をするための樹脂（例えば、第１樹脂６）としては、成形可能な樹脂であると共に、誘電率がフィラー７より高いものを用いることが望ましい。このような樹脂およびフィラー７を用いることで、半導体装置において、瞬間的な電圧上昇に対応した絶縁耐圧の特性を実現することができる。
このフィラー７は、図２（ａ）に示すように、周囲の熱を吸熱して相変化する相変化物質８を電気絶縁性のカプセル９に封入して、構成されている。図２（ａ）は、常温状態のフィラー７の拡大断面図を示す。図２（ａ）に示す常温状態では、相変化物質８の状態は固体である。図２（ｂ）は、パワー素子Ｔ１などから発生した熱を吸収した状態のフィラー７を示す。図２（ｂ）に示す熱を吸収した状態では、相変化物質８の状態は液体である。
具体的には、フィラー７は、シリカ（ＳｉＯ２）製のカプセル９の中に、相変化物質８としてのエリスリトール（erythritol）を注入することで構成されている。本実施の形態１では、カプセル９として、粒径６０μｍのものを使用した。なお、本発明においては、カプセル９としては、粒径２μｍ以上かつ１００μｍ以下のものが使用可能である。本発明においては、カプセル９の殻厚みは、０．１μｍ以上かつ２０μｍ以下である。本実施の形態１では、カプセル９内の相変化物質８として、カプセル９の容積の６０％の体積のエリスリトールを用いている。なお、相変化物質８としてのエリスリトールの体積は、カプセル９の容積に対して３０％以上かつ７０％以下が望ましい。カプセル９と相変化物質８の間は、気体層１０である。気体層１０としては、各種の不活性ガスや空気を使用することができる。本実施の形態１では、高い絶縁性を有するものとして、気体層１０に空気を使用した。
エリスリトールは、常温状態では、図２（ａ）に示すように固体であるが、融解点１１８℃で液体状態に相変化して膨張する。なお、相変化物質８の一例であるエリスリトールの融解点である１１８℃は、パワー素子Ｔ１の耐熱温度１２５℃よりも低い。すなわち、本実施の形態１では、パワー素子Ｔ１の耐熱温度よりも低い融解点を有する相変化物質８を用いている。本発明は、このように相変化物質８の融解点がパワー素子Ｔ１の耐熱温度より低くなるように構成することで、この相変化物質８で吸熱し、パワー素子Ｔ１の耐熱温度以上まで第１半導体装置の温度が上昇する可能性を軽減させている。なお、カプセル９は、相変化物質８が外部に流出しないように、この相変化物質８の融解膨張によっても破裂しない強度に構成されている。
本発明の第１半導体装置が、従来例に比べて温度が上昇する可能性が軽減していることについて、図３と、図９及び図１０を用いて説明する。
図３は、本発明の実施の形態１にかかる半導体素子の発熱に伴う吸熱と放熱の温度特性図である。図９は、従来例の半導体装置の拡大断面図であり、図１０は、従来例の半導体素子の発熱に伴う吸熱と放熱の温度特性図である。
本実施の形態１の第１半導体装置は、フィラー７を混入した第１樹脂６を使用している。そのため、本実施の形態１の第１半導体装置では、パワー素子Ｔ１が発熱して第１樹脂６が温度上昇すると、図３に実線で示したように温度上昇した後、エリスリトールの融解点の１１８℃に上昇した際に、温度上昇が止まる。これは、相変化物質８（エリスリトール）が融解して固体から液体に相変化し、この相変化に伴って融解熱が相変化物質８に吸熱されて、温度上昇の傾きがエリストリールの融解点付近で急激に小さくなるためである。そのため、本実施の形態１の第１半導体装置は、図３のような特性を示すと共に、パワー素子Ｔ１の耐熱温度を越える温度ピークに至る時間を遅らせることができる。
すなわち、本発明の第１半導体装置は、相変化物質を封入したマイクロカプセルを所望の樹脂に混練することにより、良好な放熱特性と共に、絶縁耐圧を向上させることができる。具体的には、良好な放熱特性とは、第１半導体装置の急峻な温度上昇時の吸熱作用を発現させることである。また、絶縁耐圧の向上とは、第１半導体装置の瞬間的な駆動時に課題となる電圧上昇に対して、空間電界集中を防ぐと共に誘電率を低下させることである。
なお、図３の実線において、“区間Ｈ”が、電力損失に伴う発熱区間であり、“区間Ｒ”が、発熱により温度上昇が停止して温度低下する放熱区間である。また、区間Ｈの一部である“区間Ｈ１”は、相変化物質８の相変化に伴って吸熱されて、温度上昇が止まっている区間である。また、区間Ｈの一部である“区間Ｈ２”は、相変化物質８で吸熱できずに第１半導体装置の温度が上昇している区間である。この“区間Ｈ１”と“区間Ｈ２”の関係は、フィラー７内の相変化物質８の量に依存する。相変化物質８の量が多いほど、“区間Ｈ１”が長くなる。
なお、図３の仮想線（二点鎖線）は、図１０に示す従来例の場合の温度上昇変化を示すものである。すなわち、図３の仮想線は、フィラー７を混入しなかった第１樹脂を使用した場合の比較例の温度上昇変化を表している。
このように、本実施の形態１の第１樹脂６を使用することで、外装体４が温度ピークに到達する事態の発生を防止し、半導体装置の温度上昇に伴う信頼性を向上させることができる。本実施の形態１の第１樹脂６は、例えば、モータを駆動するインバーターのドライバー用の半導体装置の場合には、系統逆起電力時の温度影響を緩和することができ、従来と同じ外形寸法のインバーターであってもモータの運転性能を向上させることができる。
さらに、本発明のフィラー７を混入させた第１樹脂６は、発熱時の絶縁耐圧も優れている。この絶縁耐圧について、図９に示す従来の半導体装置を比較例として比較する。なお、図９に示す従来の半導体装置は、外装体２４の熱硬化型樹脂２６の全部がエポキシである。
ここで、エポキシの誘電率が“４”であるのに対して、フィラー７のカプセル９（シリカ）の誘電率が“２．５”であり、相変化物質８（エリスリトール）の誘電率が“１．５”である。そのため、本実施の形態１の半導体装置では、フィラー７の誘電率がエポキシの誘電率よりも低くなり、半導体装置における電極間の絶縁耐圧の向上を実現できる。また、特許文献１における半導体装置に冷媒３４としてエタノールを使用した場合と比較すると、エタノールの誘電率が“２４”であるため、本実施の形態１の半導体装置は、電極間の絶縁耐圧を大幅に向上させることができる。
（実施の形態２）
図４〜図８は、前述の実施の形態１の電気部品用樹脂を絶縁性樹脂として使用した構造体の一例である配線基板を示す。図４〜図８に示す構造体について、実施例１〜実施例５として説明する。なお、実施の形態１と同様のものには同一の符号を付けて説明する。
− 実施例１ −
図４に示す実施例１の配線基板１１ａは、ベース基板１２の上面に導体パターン１３が形成されている。ベース基板１２を構成する電気絶縁性の第１樹脂６に、フィラー７が混入されている。フィラー７は、前述の実施の形態１と同様に、吸熱して相変化する相変化物質８を絶縁性のカプセル９に封入して構成されている。半導体装置１４は、放熱板３を導体パターン１３に熱的に結合して、導体パターン１３を介して放熱するよう構成されている。
このように、電気絶縁性の第１樹脂６にフィラー７を混入した電気部品用樹脂でベース基板１２を構成することによって、相変化物質８の融解熱の吸熱作用によって、半導体装置１４の発熱を、ベース基板１２を介して放熱することができる。よって、半導体装置１４の耐熱温度を越える温度ピークに到達する時間を遅らせることができ、半導体装置１４を熱破壊から保護できる。
− 実施例２ −
図５に示す実施例２の配線基板１１ｂは、導体パターン１３がベース基板１２の中に埋め込まれている点だけが前述の実施例１と異なっている。
− 実施例３ −
図６に示す実施例３の配線基板１１ｃは、内層回路入りの多層配線基板である。配線基板１１ｃは、中間層２０を介して層１８，１９を積層して、電気回路が構築されている。層１８，１９の内部には、能動素子１５又は受動素子１６の電気部品または導体パターン１７が形成されている。実施例３では、各層１８，１９，中間層２０の少なくとも何れかを構成する第１樹脂６に、フィラー７が混入されている。
このように、各層１８，１９，中間層２０を構成する電気部品用樹脂にフィラー７を混入することで、フィラー７内の相変化物質８の融解熱の吸熱作用によって、電気部品を熱破壊から保護できるだけでなく、高周波帯でのシールド効果も期待できる。この高周波帯でのシールド効果は、フィラー７が第１樹脂６に比べて低誘電率である効果である。
− 実施例４ −
図７に示す実施例４の配線基板１１ｄは、中間層２０を介さずに層１８，１９が積層されている点だけが、前述の実施例３と異なっている。
− 実施例５ −
図８に示す実施例５の配線基板１１ｅは、中間層２０に電磁波の通過を遮るシールド層２１が形成されている点だけが、前述の実施例３とは異なっている。
上記の各実施の形態や各実施例では、フィラー７のカプセル９の材質がシリカ（ＳｉＯ２）製であるとして説明した。だが、フィラー７のカプセル９の材質としては、電気絶縁性のメラミン、シリコーンなどの有機系物質なども使用できる。
また、上記の各実施の形態では、フィラー７の相変化物質８がエリスリトールであるとして説明したが、使用対象の素子である電気部品の耐熱温度未満の温度にて相変化する物質であって、誘電率が混入される樹脂よりも小さいものであれば、その他の糖アルコールを使用することもできる。その他の糖アルコールとしては、例えば、ソルビトール，キシリトール、又は、誘電率が“２”程度で融解点が“７０℃”程度のパラフィン、誘電率が“２．３”程度で融解点が“１２５℃”程度のポリエチレンなどの相変化物質が、フィラー７の相変化物質８として使用できる。また、何れの場合にも添加物とその量を調節することによって吸熱特性と放熱特性を調節できる。
また、上記の各実施の形態の配線基板や多層配線基板では、基板の全ての領域にフィラー７が混入されたものとして説明した。だが、フィラー７の混入された電気絶縁性の第１樹脂を、ガラス繊維や炭素繊維などの基材に含浸させるマトリクス樹脂として使用した、プリプレグでも同様に実施できる。
上記の各実施の形態の相変化物質８の融解熱は、固体から液体に相転移する時に必要な潜熱を利用したものであった。だが、固体と液体との中間的な相状態を有する相変化物質８の場合には、固体から前記中間的な相状態への相転移する時に必要な潜熱だけを利用して構成することや、前記中間的な相状態から液体への相転移する時に必要な潜熱だけを利用して構成することもできる。
上記の各実施の形態のフィラー７は、相変化物質８とカプセル９の間が気体層１０であった。だが、相変化物質８とカプセル９の間が液体層またはゲル層であってもよい。この場合、相変化物質８とカプセル９の間の層に要求される特性は、その誘電率が樹脂の一例である第１樹脂６の誘電率以下であることである。
本発明は、大電力制御が必要な空気調和装置などの各種のインバーター装置の小型化のほか、劣悪な使用環境における電気構造体の信頼性の向上に寄与する。
Ｔ１ パワー素子
Ｔ２ 制御素子
１，２ 第１，第２リードフレーム
３ 放熱板
４ 外装体
５ａ，５ｂ 絶縁シート
６ 第１樹脂
７ フィラー
８ 相変化物質
９ カプセル
１０ 気体層
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ 配線基板
１２ ベース基板
１３，１７ 導体パターン
１４ 半導体装置
１５ 能動素子
１６ 受動素子
１８，１９ 層
２０ 中間層
２１ シールド層

Claims (11)

  1. 電気絶縁性の樹脂にフィラーを混入することで構成され、
    前記フィラーは、吸熱して相変化することで絶縁耐圧が変化する相変化物質を電気絶縁性のカプセルに封入して形成された、
    電気部品用樹脂。
  2. 前記相変化物質は、吸熱して相変化することで絶縁耐圧が上昇する、
    請求項１記載の電気部品用樹脂。
  3. 前記フィラーにおける前記相変化物質と前記カプセルとの隙間は、前記相変化物質が吸熱して相変化することで小さくなる、
    請求項１または請求項２記載の電気部品用樹脂。
  4. 前記相変化物質の誘電率は、前記樹脂の誘電率よりも小さい、
    請求項１〜３の何れかに記載の電気部品用樹脂。
  5. 前記相変化物質は、使用対象である電気部品の耐熱温度未満の温度にて相変化する物質である、
    請求項１〜４の何れかに記載の電気部品用樹脂。
  6. 前記カプセルはシリカであり、前記相変化物質は糖アルコールである、
    請求項１〜５の何れかに記載の電気部品用樹脂。
  7. 前記相変化物質は、エリスリトールである、
    請求項１〜６の何れかに記載の電気部品用樹脂。
  8. 前記相変化物質は、ソルビトール、キシリトール、パラフィン、またはポリエチレンのいずれか１つである、
    請求項１〜５の何れかに記載の電気部品用樹脂。
  9. 請求項１〜８の何れかに記載の電気部品用樹脂によって、半導体素子を封止した、
    半導体装置。
  10. 請求項１〜８の何れかに記載の電気部品用樹脂により構成されたベース基板に、導体パターンを形成した、
    配線基板。
  11. 請求項１〜８の何れかに記載の電気部品用樹脂の内部に、電気部品又は導体パターンが形成された層を、直接又は中間層を介して積層して電気回路が構築された、
    配線基板。
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