JP6340220B2 - 半導体モジュール用熱伝導性シート、及び、半導体モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、半導体モジュール用熱伝導性シート、及び、半導体モジュールに関する。
従来、パワートランジスタやサイリスタなどの作動時に発熱をともなう半導体素子と、該半導体素子が発する熱を放熱するための金属板や放熱フィンといった放熱用部材とが一体化された半導体モジュールが機械類のパワー制御などにおいて広く用いられている。
この種の半導体モジュールにおいては、前記半導体素子が樹脂モールドされてなるモジュール本体と前記放熱用部材との間に熱伝導性に優れたシート状の部材が介装されており、該シート状部材は、「熱伝導性シート」などと称されたりしている。
この半導体モジュール用の熱伝導性シートとしては、基材シート(例えば、銅箔など)の片面や両面に、熱硬化性樹脂及び無機フィラーを含有する絶縁層を形成させたものや、基材シートなどを有していない絶縁層のみからなるものなどが知られている(例えば、特許文献1)。
この半導体モジュールは、熱伝導性シートの絶縁層を放熱用部材に熱溶着させて形成されている。
特開2010−94887号公報
しかし、従来の半導体モジュールは、高温高湿下では、熱伝導性シートの絶縁層と、放熱用部材との間で剥離してしまうという問題を有する。
斯かる問題を解決すべく、絶縁層と放熱用部材とを接合する前に、放熱用部材の表面を粗化処理して絶縁層と放熱用部材との接触面積を高めることが考えられるが、この粗化処理では、手間がかかるという問題がある。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、放熱用部材との間で剥離し難い半導体モジュール用熱伝導性シートを提供することを第一の課題とする。また、熱伝導性シートの絶縁層と放熱用部材との間で剥離が生じ難い半導体モジュールを提供することを第二の課題とする。
本発明者らが鋭意検討したところ、絶縁層が没食子酸を含有する熱伝導性シートを用いて半導体モジュールを作製すると、熱伝導性シートの絶縁層と放熱用部材との間で剥離が生じ難くなることを見出し、本発明を想到するに至った。
すなわち、本発明は、半導体素子を樹脂モールドしたモジュール本体と、前記半導体素子が発する熱を放熱すべく外部露出した金属製の放熱用部材と、前記モジュール本体及び前記放熱用部材の間に介装された熱伝導性シートとを備える半導体モジュールの形成に用いられる、半導体モジュール用熱伝導性シートであって、
無機フィラー、及び、熱硬化性樹脂を含有する絶縁層を備えており、
前記半導体モジュールでは前記絶縁層を前記放熱用部材に熱溶着させて用いられ、
前記絶縁層は、更に、没食子酸を含有する、半導体モジュール用熱伝導性シートにある。
本発明は、半導体素子を樹脂モールドしたモジュール本体と、前記半導体素子が発する熱を放熱すべく外部露出した金属製の放熱用部材と、前記モジュール本体及び前記放熱用部材の間に介装された熱伝導性シートとを備える半導体モジュールであって、
前記熱伝導性シートが、無機フィラー、及び、熱硬化性樹脂を含有する絶縁層を備えており、
該絶縁層が、前記放熱用部材に接し、更に、没食子酸を含有する、半導体モジュールにある。
以上のように、本発明によれば、放熱用部材との間で剥離し難い半導体モジュール用熱伝導性シートを提供しうる。また、熱伝導性シートの絶縁層と放熱用部材との間で剥離が生じ難い半導体モジュールを提供しうる。
一実施形態の熱伝導性シートの断面構造を示した概略断面図。 図1の熱伝導性シートの使用状態を模式的に示した半導体モジュールの概略断面図。 他実施形態の熱伝導性シートの使用状態を模式的に示した半導体モジュールの概略断面図。 熱伝導性シートを介して2枚の銅板を重ね合わせた状態を示す概略平面図。 熱伝導性シートを介して2枚の銅板を重ね合わせた状態を示す概略正面図。
以下、本発明の一実施形態について説明する。
まず、本実施形態の半導体モジュール用熱伝導性シート(以下、単に「熱伝導性シート」ともいう。)について説明する。
本実施形態の熱伝導性シートは、半導体素子を樹脂モールドしたモジュール本体と、前記半導体素子が発する熱を放熱すべく外部露出した金属製の放熱用部材と、前記モジュール本体及び前記放熱用部材の間に介装された熱伝導性シートとを備える半導体モジュールの形成に用いられる。また、本実施形態の熱伝導性シートは、無機フィラー、及び、熱硬化性樹脂を含有する絶縁層を備えている。さらに、本実施形態の熱伝導性シートは、前記半導体モジュールで前記絶縁層が前記放熱用部材に熱溶着させて用いられる。前記絶縁層は、更に、没食子酸を含有する。
なお、没食子酸は、下記式(1)で表される芳香族化合物である。
Figure 0006340220
本実施形態の熱伝導性シートは、絶縁層が没食子酸を含有することにより、熱伝導性シートの絶縁層と放熱用部材との間で剥離が生じ難くなる。
前記絶縁層は、無機フィラー、熱硬化性樹脂、及び、没食子酸を含有する樹脂組成物によって形成された層である。
前記樹脂組成物では、有機成分における没食子酸の配合割合が、好ましくは1.0〜5.0質量%、より好ましくは1.2〜1.5質量%である。
前記熱硬化性樹脂は、特に限定されないが、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂などが挙げられる。
エポキシ樹脂としては、例えば、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、変性ビスフェノールA型エポキシ樹脂、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、変性ビスフェノールF型エポキシ樹脂、トリフェニルメタン型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、フェノキシ樹脂等の各種のエポキシ樹脂を単独または2種以上併用して採用することができる。
フェノール樹脂としては、例えば、ジシクロペンタジエン型フェノール樹脂、ノボラック型フェノール樹脂、クレゾールノボラック樹脂、フェノールアラルキル樹脂、トリフェニルメタン型フェノール樹脂等が用いられる。
なかでも、トリフェニルメタン型フェノール樹脂は、耐熱性において有利であり、フェノールアラルキル樹脂は、放熱用部材との間に良好なる接着性を示す点において好ましく用いられる。
なお、前記熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂を採用する場合には、熱硬化性樹脂に当該エポキシ樹脂の硬化剤や硬化促進剤をさらに加えて熱硬化性を調整してもよい。
硬化剤としては、例えば、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を用いることができる。
また、前記ノボラック型フェノール樹脂などもエポキシ樹脂を硬化させるための硬化剤として前記熱硬化性樹脂に含有させることができる。
硬化促進剤としては、例えば、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などが挙げられる。
一方で熱硬化性樹脂としてフェノール樹脂を採用する場合には、ヘキサメチレンテトラミン、各種の2官能以上のエポキシ化合物、イソシアネート類、トリオキサン及び環状ホルマール等を前記フェノール樹脂の硬化剤として含有させても良い。
前記無機フィラーは、熱硬化性樹脂よりも熱伝導率が高ければ特に限定されないが、例えば、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化ガリウム、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、二酸化珪素、酸化マグネシウム、ダイヤモンドなどの粒子が挙げられる。
本実施形態における前記熱伝導性シートは、上記のような樹脂組成物のみをシート化したり、或いは、別のシート状の部材などに積層したりすることで形成させることができる。
なお、熱伝導性シートに熱伝導のみならず電気絶縁性などが求められるような場合においては、該熱伝導性シートには、絶縁層を2層以上積層した状態で備えさせ、且つ、該絶縁層を担持させるための基材層を別途備えさせることが好ましい。
なお、前記基材層については、通常、5μm〜500μmの厚みを有するポリマーフィルム、金属箔、繊維シートなどによって形成させることができる。
前記ポリマーフィルムであれば、例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリブチレンナフタレート、ポリ乳酸、ポリアリレートなどのポリエステル樹脂;ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂;ポリアミド6、ポリアミド6,6、ポリアミド11、ポリアミド12等の脂肪族ポリアミド樹脂;ポリ−p−フェニレンテレフタルアミド、ポリ−m−フェニレンイソフタルアミドなどの芳香族ポリアミド樹脂;ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデンなどの塩素系樹脂;ポリテトラフロロエチレン、テトラフロロエチレン−パーフロロアルキルビニルエーテル共重合体、テトラフロロエチレン−ヘキサフロロプロピレン共重合体、テトラフロロエチレン−エチレン共重合体、ポリフッ化ビニリデンなどのフッ素系樹脂;ポリイミド樹脂;ポリカーボネート樹脂;アクリル樹脂;ポリフェニレンサルファイド樹脂;ポリウレタン樹脂;ポリビニルアルコール樹脂などからなる樹脂フィルムを基材層の形成に用いることができる。
また、前記金属箔であれば、銅、アルミニウム、ニッケル、鉄などの金属やその合金からなる金属箔によって基材層を形成させることができる。
該金属箔としては、異種金属が貼り合わされてなるクラッド箔や異種金属をメッキしたメッキ箔であってもよい。
さらに、前記繊維シートであれば、ポリエステル繊維不織布、パルプシート、ガラスマット、カーボン繊維シートなどを採用して前記基材層を形成させることができる。
なお、基材層は、これらが複合化されたシートによって形成させることも可能であり、例えば、アルミラミネート樹脂フィルムなどの金属箔とポリマーフィルムとが積層された積層フィルムを用いて形成させることができる。
以下に、本実施形態における熱伝導性シートの一つの実施態様を示す事例として、電気絶縁性に優れ、絶縁シートとしても利用可能な熱伝導性シートについて図を参照しつつ説明する。
この電気絶縁性に優れた熱伝導性シート(以下「絶縁シート」ともいう)は、図1にその断面構造を示すように、2層の絶縁層11,12を備えている。
即ち、本実施形態の絶縁シート10は、2層の積層構造を有するシート体であり、2層の絶縁層11,12の内の第一の絶縁層11(以下、「第一絶縁層11」ともいう)によって一面側が構成され、他面側が第二の絶縁層12(以下、「第二絶縁層12」ともいう)によって構成されている。
第一絶縁層11及び第二絶縁層12は、本実施形態の樹脂組成物からなり、Bステージ化(半硬化)させた前記樹脂組成物からなるものである。
本実施形態の前記絶縁層11,12は、無機フィラーを含有する前記樹脂組成物によって形成されており、優れた熱伝導性を発揮するように形成されている。
また、無機フィラーを高充填させようとすると絶縁層11,12にピンホールやボイドなどの欠陥が形成され易くなるが、本実施形態の絶縁シート10は、絶縁層を2層積層することで仮に欠陥箇所が形成された場合でも当該欠陥が絶縁シートの厚み方向に連続的なものとなることを防いでいる。
該第一絶縁層11及び第二絶縁層12は、絶縁シート10に優れた電気絶縁性を発揮させ得る上において、トータルでの体積抵抗率が1×1013Ω・cm以上であることが好ましく、1×1014Ω・cm以上であることがより好ましい。
また、第一絶縁層11及び第二絶縁層12は、個々の体積抵抗率も1×1013Ω・cm以上であることが好ましく、1×1014Ω・cm以上であることがより好ましい。
また、前記第一絶縁層11及び第二絶縁層12は、絶縁シート10に優れた熱伝導性を発揮させる上において、前記樹脂組成物を十分に硬化(Cステージ化)させた際の熱伝導率が5W/m・K以上となるように前記無機フィラーの種類や配合量の調整がなされていることが好ましい。
なお、樹脂組成物によって形成させた成形体の熱伝導率については、通常、キセノンフラッシュアナライザー(例えば、NETZSCH社製、「LFA−447型」)によって測定することができる。
この熱伝導率については、キセノンフラッシュアナライザーによらず、他のレーザーフラッシュ法やTWA法により測定することができ、例えば、レーザーフラッシュ法では、アルバック理工社製の「TC−9000」を用いて測定することができる。
そして、TWA法では、アイフェイズ社製の「ai−Phase mobile」を用いて測定することができる。
なお、第一絶縁層11と第二絶縁層12とは、同じ樹脂組成物によって形成させる必要性はなく無機フィラーの含有量などを異ならせていても良い。
さらに、第一絶縁層11と第二絶縁層12とは、それぞれの厚みも共通させる必要はない。
この第一絶縁層11及び第二絶縁層12の厚みは、それぞれ、通常、25μm〜300μm程度とすることができる。
次に、本実施形態の半導体モジュールについて説明する。例えば、本実施形態の半導体モジュールは、図2、3に示すように半導体モジュールが挙げられる。
まず、図2に基づいて、本実施形態の半導体モジュール100を説明する。
この図2は、半導体モジュールの断面を示した概略図である。
本実施形態の半導体モジュール100は、半導体素子30を樹脂モールドしたモジュール本体100xと、前記半導体素子30が発する熱を放熱すべく外部露出した金属製の放熱用部材20と、前記モジュール本体100x及び前記放熱用部材20の間に介装された熱伝導性シート10とを備える。
前記モジュール本体100xは、前記半導体素子30と、該半導体素子30のヒートシンクとして機能する金属板40とを有し、平置き配置された前記金属板40の上面側にハンダ50によって固定された状態で前記半導体素子30を有している。
前記半導体素子30は、前記金属板40の上面の面積に比べて小さなものであり、本実施形態においては、ベアチップの状態で金属板上に搭載されている。
本実施形態のモジュール本体100xは、その外殻をなす角筒状のケース60を有し、該ケース60は、平面視における形状が前記金属板40よりも一回り大きく、且つ、正面視における形状が、絶縁シート10、金属板40、及び、半導体素子30の厚みを足し合わせた高さよりも高く形成されている。
即ち、前記ケース60は、絶縁シート10、金属板40、及び、半導体素子30の全てを内包可能な大きさを有している。
そして、モジュール本体100xは、前記金属板40を包囲するように前記ケース60を配置させており、該ケース60の側壁を貫通してケースの内外に延びるリードフレーム70をさらに備えている。
また、該モジュール本体100xは、前記リードフレーム70のケース内における端部と前記半導体素子30とがボンディングワイヤ80によって電気的に接続され、且つ、前記ケース内の空きスペースに封止樹脂が充填されてなるモールド部90が形成されている。
本実施形態における該モールド部90は、半導体素子30、及び、金属板40を埋設させている。
そして、本実施形態の前記絶縁シート10は、前記半導体素子30が搭載されている側とは逆側となる金属板40の下面に配されている。
本実施形態の絶縁シート10は、平面視における形状が金属板40の下面に相当する形状となっており、金属板40の下面外縁40eと第二絶縁層12の外縁とを揃えた状態で当該金属板40の下面に接着されている。
また、本実施形態の絶縁シート10は、前記モールド部90に上面側を埋設させ且つ前記放熱用部材20が無い状態においては、その下面側が露出するように半導体モジュール100の形成に用いられている。
即ち、本実施形態の半導体モジュール100は、モールド部90の下面が絶縁シート10の前記第一絶縁層11の下面と略面一な状態となるように形成されている。
なお、本実施形態においては、前記放熱用部材20として、上面が前記金属板40の下面よりも大きな平坦面となった板状の基板部21と該基板部21の下面から複数のフィンを垂下させてなるフィン部22とを有する放熱フィンが採用されている。
なお、本実施形態の半導体モジュール100は、Bステージ化された第一絶縁層11の下面を前記放熱用部材20の基板部21の上面に接着させ、Bステージ化された第二絶縁層12の上面を金属板40の下面に接着させる。
前記のように本実施形態の半導体モジュール100は、この金属板40に半導体素子30が直接搭載されており、半導体素子30と金属板40とが略同電位となっている。
従って、前記絶縁シート10は、金属板40から前記放熱用部材20までの間に良好なる伝熱経路を形成させるとともに金属板40と放熱用部材20とを電気的な接続が遮断された状態となすべく半導体モジュール100に備えられている。
本実施形態の絶縁シート10は、優れた電気絶縁性と熱伝導性を有することから半導体モジュール100の動作時における半導体素子30のジャンクション温度が過度に上昇することを抑制させることができ、半導体モジュール100の故障を防いで耐用期間を長期化させ得る。
このような効果を発揮するのは、必ずしも図2に例示した態様のみならず、図3に例示するような半導体モジュールにおいても同じである。
このことを図3を参照しつつ説明する。
なお、図3も図2と同様に半導体モジュールの断面を示した概略図であり、図3において図2と同じ数値の符号が付されている構成部分は図2と同様であるため、ここでは必要以上に繰り返して説明は行わない。
この図3に示した半導体モジュール100’は、絶縁シート10’が積層構造を有しておらず、無機フィラーを含有する樹脂組成物をBステージ化させてなる絶縁層単層のシート体である点において図2の半導体モジュール100と異なっている。
また、該半導体モジュール100’は、絶縁シート10’がケース60’の平面形状と同等に形成されており、且つ、前記モールド部90’が金属板40’の下面と略面一となるように形成されている点においても図2の半導体モジュール100と異なっている。
そして、前記絶縁シート10’は、当該絶縁シート10’を除いた半導体モジュール100’の主要部分たるモジュール本体100x’の下面に接着させて用いられ、前記金属板40’に対する絶縁を施して半導体モジュール100’を構成させるべく用いられる。
また、該絶縁シート10’は、図3に示すように、前記モジュール本体100x’と放熱用部材20’との間に介装させて用いられている。
なお、該絶縁シート10’を用いて図3に示すような半導体モジュール100’を形成させる場合は、該絶縁シート10’をモジュール本体側に先に接着させた後に前記絶縁シート10’を使ってさらに放熱用部材20’を接着させるようにしても良く、逆に一旦絶縁シート10’を放熱用部材20’の基板部21’の上面に接着させて絶縁層付放熱用部材を作製した後で、該絶縁層付放熱用部材をモジュール本体100x’に接着させるようにしてもよい。
さらには、モジュール本体100x’と放熱用部材20’との間に絶縁シート10’を挟んで熱プレスするなどして絶縁シート10’をモジュール本体部100x’と放熱器20’とに同時に接着させるようにしてもよい。
このような場合も、Cステージ化された絶縁シート10’が優れた電気絶縁性と熱伝導性を発揮することから該絶縁シート10’を構成部材として備えた半導体モジュール100’は、その耐用期間を長期化させ得る。
ここではこれ以上に詳細な説明を繰り返すことは行わないが、例えば、図3に例示した態様において、絶縁シート10’を図1、2での例示と同様に2層以上の絶縁層を有するものとすることも可能である。
また、図2、3に例示した態様において、絶縁層以外に基材層を有するものとしたりすることも可能であり、また、基材層の両面に絶縁層を形成させたものとしたりすることも可能である。
また、本発明の熱伝導性シートについては、従来公知の技術事項を本発明の効果が著しく損なわれない範囲において適宜採用することが可能なものである。
なお、本発明においては、絶縁シートの形成材料とした樹脂組成物は、前記モールド部90,90’や前記ケース60,60’などの形成にも利用可能なものである。
次に、実施例および比較例を挙げて本発明についてさらに具体的に説明する。
(実施例1:湿熱処理なし)
下記<樹脂組成物の配合>に示す配合にて樹脂組成物の成分を混合して樹脂組成物を作製した。
そして、図4A及び図4Bに示すように、前記樹脂組成物をシート状にした熱伝導性シート60(厚み:0.150mm)を介して、2枚の銅板50(縦:100mm、横:25mm、厚み:1.0mm)(表面の粗化処理なし)を重ね合わせた(接着面積:12.5mm×25mm)。
次に、この重ね合わせた箇所を2.0MPaの圧力で加圧しつつ、この重ねあわせた銅板50を180℃で180分加熱し、熱伝導性シートの熱硬化性樹脂を硬化させ、試料を得た。
そして、この試料に対して下記<試験条件>で接着性試験(せん断強度試験)を行った。結果を下記表1に示す。
なお、下記表1の「破壊モード」に示す「凝集」とは、熱伝導性シートが破壊された状態となったことを意味し、「界面」とは、銅板と熱伝導性シートとが界面で剥離した状態となったことを意味する。
<樹脂組成物の配合>
・エポキシ樹脂(熱硬化性樹脂)としてのビスフェノールA型エポキシ樹脂:100質量部
・フェノール樹脂(熱硬化性樹脂)としてのノボラック型フェノール樹脂:100質量部
・硬化促進剤としてのイミダゾール類:2質量部
・没食子酸:有機成分における没食子酸の配合割合が0.25質量%となるようにした。
・無機フィラーとしての窒化ホウ素:640質量部
<試験条件>
試験機: MODEL−1840VT/500WL(アイコーエンジニアリング(株)社製)
ロードセル: MODEL−3500 容量5kN(アイコーエンジニアリング(株)社製)
試験速度: 5.0mm/min
チャック間距離: 15.5cm
環境温度: 室温(25℃)
(実施例1:湿熱処理あり)
試料を接着性試験(せん断強度試験)に供する前に、試料に湿熱処理をしたこと(温度:85℃、相対湿度:85%、時間:500hrs)以外は、「実施例1:湿熱処理なし」と同様に、接着性試験(せん断強度試験)を行った。結果を下記表1に示す。
なお、下記表1に示す「保持率」とは、湿熱処理なしでのせん断強度に対する、湿熱処理ありのせん断強度を意味する。
(実施例2〜6、及び、比較例1)
没食子酸の量を下記表1のようにしたこと以外は、実施例1と同様に、接着性試験(せん断強度試験)を行った。結果を下記表1に示す。
Figure 0006340220
表1に示すように、実施例1〜6では、比較例1に比べて、保持率が高かった。
従って、本発明によれば、放熱用部材との間で剥離し難い半導体モジュール用熱伝導性シートを提供することができることがわかる。
10:熱伝導性シート(絶縁シート)、11:第一絶縁層、12:第二絶縁層、20:放熱用部材、30:半導体素子、40:金属板、50:銅板、60:熱伝導性シート、100:半導体モジュール、100x:モジュール本体

Claims (2)

  1. 半導体素子を樹脂モールドしたモジュール本体と、前記半導体素子が発する熱を放熱すべく外部露出した金属製の放熱用部材と、前記モジュール本体及び前記放熱用部材の間に介装された熱伝導性シートとを備える半導体モジュールの形成に用いられる、半導体モジュール用熱伝導性シートであって、
    無機フィラー、及び、熱硬化性樹脂を含有する樹脂組成物によって形成された絶縁層を備えており、
    前記半導体モジュールでは前記絶縁層を前記放熱用部材に熱溶着させて用いられ、
    前記樹脂組成物は、更に、没食子酸を含有し、
    前記樹脂組成物では、有機成分における前記没食子酸の配合割合が、1.0質量以上である、半導体モジュール用熱伝導性シート。
  2. 半導体素子を樹脂モールドしたモジュール本体と、前記半導体素子が発する熱を放熱すべく外部露出した金属製の放熱用部材と、前記モジュール本体及び前記放熱用部材の間に介装された熱伝導性シートとを備える半導体モジュールであって、
    前記熱伝導性シートは、無機フィラー、及び、熱硬化性樹脂を含有する樹脂組成物によって形成された絶縁層を備えており、
    該絶縁層は、前記放熱用部材に熱溶着され、
    前記樹脂組成物は、更に、没食子酸を含有し、
    前記樹脂組成物では、有機成分における前記没食子酸の配合割合が、1.0質量以上である、半導体モジュール。
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