JP7240429B2 - 放熱部材及び半導体モジュール - Google Patents
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Description
この種の放熱部材は、発熱体と放熱器との間に介装させて用いられ、発熱体から放熱器までの間に良好な伝熱経路を形成させるべく用いられる。
また、熱伝導性シートなどと称される放熱部材は、熱伝導性に優れた絶縁層の形成材料として電気・電子分野において利用されている。
熱伝導性シートは、例えば、半導体モジュールなどの電子部品の構成部材として利用されており、半導体素子の熱をモジュール表面に伝達する放熱経路に熱伝導性に優れた絶縁層を形成させるために利用されている。
そのため、この種の放熱部材は、従来、発熱体である半導体素子や半導体素子を搭載したリードフレームなどの被着体に対して接着剤などを介さずに接着されており、熱接着などの直接的な方法で接着されている。
そして、放熱部材の原材料である前記樹脂としては、熱接着性に優れるとともに被着体が高温になっても接着力が大きく低下しないエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂が広く採用されている。
しかし、無機物粒子を高充填する従来の取り組みにおいては、熱伝導率を十分に向上させることが難しく、例えば、10W/mKを超えるような高い熱伝導率を放熱部材に発揮させることが難しい状況になっている。
また、このようなことから半導体モジュールは、優れた放熱性を発揮させることが難しくなっている。
なお、これまで以上に優れた熱伝導性を発揮することは、放熱部材に広く一般に求められている事柄であり、半導体モジュールにおいて絶縁層を形成させるような場合のみに求められるものではない。
即ち、放熱部材に係る上記課題は特定用途においてのみ存在するものではない。
以下においては、放熱部材が熱伝導性シートであり、且つ、当該熱伝導性シートが半導体モジュールの絶縁層の形成に用いられる場合を例にして説明する。
図に示すように、本実施形態の半導体モジュールは、平面視矩形で扁平な直方体形状を有しており、天面から複数の端子を上向きに突出させている。
本実施形態の半導体モジュール100は、厚み方向中央部、且つ、平面方向中央部となる位置に発熱体である半導体素子10を有している。
また、本実施形態の半導体モジュール100は、前記半導体素子10が発する熱が伝達される金属材であるとともに前記半導体素子10への導電経路となるリード部材20を備え、該リード部材20の下方に前記リード部材20から前記熱が伝達される放熱器30を有している。
さらに、前記半導体モジュール100は、前記リード部材20と前記放熱器30との間に熱伝導性シート1によって形成された電気絶縁層40を有している。
本実施形態の半導体モジュール100は、半導体素子10の下方に前記水平部21が配されており、該水平部21の上面21aが前記半導体素子10の下面10bと接着されるとともに当該接着箇所においてリード部材20と半導体素子10との電気的な接続がなされている。
なお、以下においては、半導体素子10を搭載したリード部材20を「第1リード部材」と称し、これとは別のリード部材20’を「第2リード部材」と称する。
そして、本実施形態における前記放熱器30は、金属ブロックとなっている。
該放熱器30としては、複数のフィンが立設された、「放熱フィン」などと称されるものや単なる板状形状のものが用いられうる。
従って、前記電気絶縁層40の上面は、前記第1リード部材20、及び、前記第2リード部材20’と接着されている領域以外において前記樹脂モールド50の下面50bに接着されている。
即ち、前記無機物は、第1面1aの側から第2面1bの側にかけて連続している。
なお、本実施形態の熱伝導性シート1は、第1面1aを第1リード部材20の下面に接着させているとともに第2面1bを放熱器30に接着させている。
従って、本実施形態の半導体モジュール100では、第1面1a側から第2面1b側にかけて熱伝導性に優れた無機物が連続的に配されているため、半導体素子10が発する熱が熱伝導性シート1(絶縁層40)を介して放熱器30に速やかに伝達される。
即ち、前記板状体1xは、厚み方向tの寸法、幅方向Wの寸法、及び、長さ方向Lの寸法が熱伝導性シート1の全体形状と共通している。
該板状体1xには、穴や溝等の表面凹凸が形成されており、前記樹脂が凹入部分に収容されている。
即ち、前記樹脂は、第1リード部材20や放熱器30との接着に寄与すべく少なくとも熱伝導性シート1の表層部に配されている。
即ち、本実施形態の熱伝導性シート1は、前記板状体1xの一方の表面(以下「第1面1xa」ともいう)か、該第1面1xaとは反対側の他方の表面(以下「第2面1xb」ともいう)かの何れかが表面に露出した状態になっている。
従って、本実施形態の半導体モジュール100は、前記絶縁層40に良好なる導電パスを備えさせうる。
また、熱伝導性シート1において無機物が表面露出していない部分は、樹脂が板状体1xを覆っている部分であり、熱伝導性シート1は、前記部分を一定以上の割合で有することで優れた接着性を発揮する。
前記穴は、板状体1xの片面のみに形成されていても両面に形成されていてもよい。
即ち、前記穴は、板状体1xの第1面1xaにのみ開口していてもよく、第2面1xbのみに開口していてもよい。
また、前記穴は、板状体1xの第1面1xaと第2面1xbとの両方に開口していてもよい。
本実施形態の熱伝導性シート1は、前記穴が前記板状体1xの第1面1xaの側において開口する面積をS1(mm2)、前記穴が前記板状体1xの第2面1xbの側において開口する面積をS2(mm2)とし、前記板状体1xの平面視における形状(輪郭形状)の面積をS0(mm2)とした際に、下記式(1)及び下記式(2)の内の一方又は両方を満足することが好ましい。
3% ≦[(S1/S0)×100%]≦ 80 % ・・・(1)
3% ≦[(S2/S0)×100%]≦ 80 % ・・・(2)
従って、前記穴の開口面積の割合については、第1リード部材20や放熱器30に対する熱伝導性シート1の接着性や熱伝導性シート1が発揮する熱伝導性などの観点から上記の式(1)や式(2)を満たすことが好ましい。
このことにより、熱伝導性シート1は、樹脂と板状体1xとの間で高いアンカー効果を発揮する。
貫通孔は、厚み方向の途中で行き止まりとなる穴に比べて樹脂を充填させ易い。
従って、貫通孔を有する熱伝導性シート1は、内部に空気溜まりが形成されることを抑制することができる。
この場合、板状体1xは、前記貫通孔に対して開口面積の大きな側から樹脂を充填することで、樹脂の充填作業をより簡単なものとすることができる。
また、前記多孔板としては、例えば、非多孔質な無機物板に複数の孔を穿設したものであってもよい。
例えば、前記多孔板としては、図9~図12に示した孔明き無機物板であってもよい。
一方で図3~図8に示したような多孔板を板状体1xとして採用する場合、該板状体1xは、表面観察するだけでは穴の開口面積を正確に求めることが難しい。
その場合、金属の組織観察などに際して用いられる常温硬化型の埋め込み樹脂を用いるなどして前記板状体1xを樹脂埋めし、前記板状体1xの表面を僅かに研磨して前記開口面積を求めるようにすればよい。
より具体的には、板状体1xを樹脂埋めした測定用試料を、エメリーペーパーを配した回転台を有する研磨機などで研磨し、且つ、板状体1xの第1面1xaをエメリーペーパーに対面させて測定用試料を研磨して、該測定用試料の研磨面に板状体1xを露出させ、該研磨面を画像解析装置付きの金属顕微鏡で撮影し、板状体1xを構成している無機物粒子が研磨面に露出している面積を画像解析装置を使って算出し、該面積を全体の面積から
減じることで残りの面積を第1面1xaにおける穴の開口面積(S1)として求めることができる。
なお、この場合の板状体1xの研磨は、例えば、図13に仮想線L1で示したように板状体1xの厚み(T0) の0.1倍(0.1T0)程度とすることができる。
また、第 面1xbにおける穴の開口面積(S2)も同様にして求めることができる。
さらに、板状体1xの厚み方向中央部における穴の面積については、図13に仮想線L2で示したところまで研磨を行い、上記と同様に研磨面を画像解析することで求めることができる。
穴の面積の1.1倍以上であることが好ましく、1.5倍以上であることがより好ましい。
なお、表面における穴の開口面積(S1、S2)は、通常、厚み方向中央部における穴の面積の5倍以下とされる。
なお、図6に示されているように、前記多孔板は、無機物粒子CPが互いに連結して厚み方向tに導電パスP1が形成されている。
従って、このような無機物がこのような多孔板の形態で含まれる熱伝導性シート1は、良好なる熱伝導性を示す。
例えば、細孔分布曲線の最大ピークのピークトップが細孔径の小さな範囲に現れるということは多孔板が緻密で高強度であることを意味する。
また、ピークトップが細孔径の大きな範囲に現れるということは当該多孔板が樹脂を含浸させ易い状態であることを意味する。
さらに、細孔分布曲線における細孔径の小さな範囲での累積細孔容積が少ないということは、当該多孔板が、その隅々にまで樹脂を行き渡らせ易い状態にあることを意味する。
また、多孔板を前記板状体1xとして採用する場合、前記多孔板としては、水銀圧入法によって細孔分布曲線を求めた際に細孔径10μm以下の細孔容積の累積値が全体5%以下となるものを採用することが特に好ましい。
即ち、細孔分布曲線は、差分細孔容積(dV)を、細孔径の対数扱いの差分値(d・logD)で割った値を求め、これを各区間の平均細孔径に対してプロットすることによって求めることができる。
この図9~図12に示した多孔板は、縦横に所定の間隔を設けて非多孔質な無機物板に複数の孔H1を穿設したものである。
具体的には、図9~図12に示した多孔板は、窒化アルミニウム板に空間形状が円錐台型となる貫通孔を穿設したもので、平面に対して正多角形を隙間無く配置した(ピタゴラスのタイル割りを行った)際の正多角形の頂点となる位置に前記貫通孔を配置したものである。
即ち、多孔板は、図3~図8に示したような孔の配置がランダムなものだけでなく、図9~図12に示したような孔の配置がパターン(規則性)を有するものであってもよい。
従って、図9~図12に示した多孔板の孔H1は、板状体の第1面1xaにおいて円形となって開口しているとともに第2面1xbにおいては、第1面1xaよりも大きな円形(例えば、直径1.2倍~3倍)となって開口している。
図9~図12に示した多孔板の孔H1は、多孔板の両面においてある程度大きく開口している方が熱伝導性シート1に対して優れた接着力を発揮させる上において有利となる。
一方で、図9~図12に示した多孔板の孔H1の開口径は、ある程度小さい方が熱伝導性シート1に対して優れた熱伝導性を発揮させる上において有利となる。
そのため、図9~図12に示した多孔板の孔H1は、多孔板の両面における各平均開口径(Dave)が15μm以上1000μm以下であることが好ましく、平均開口径(Dave)が100μm以上800μm以下であることがより好ましく、平均開口径(Dave)が20 0μm以上700μm以下であることが特に好ましい。
図9~図12に示した多孔板の孔H1は、形状が円形である必要はなく、開口形状が多角形などであってもよい。
多孔板の孔H1の形状が円形以外である場合、前記の平均開口径(Dave)は、円相当径として求められる。
即ち、孔H1の形状が円形以外である場合、多孔板の両面において無作為に選択した複数の穴の開口面積を測定して各面における平均値を求め、当該平均値と同じ面積を有する円の直径をそれぞれの面の平均開口径(Dave)とすることができる。
また、前記金属酸化物としては、例えば、金属イオンがドーピングされている酸化インジウムスズ、酸化アンチモンスズ等であってもよい。
一方で前記板状体(多孔板)が、過度に薄いと当該板状体が割れやすくなって熱伝導性シートの取り扱いに注意が必要になる。
また、前記板状体(多孔板)が、過度に薄いと半導体モジュールの絶縁層に求められる電気絶縁性を熱伝導性シートに発揮させることが難しくなる。
また、熱伝導性シートが樹脂による皮膜を板状体の片面又は両面に備えている場合、熱伝導性シートの平均厚みは、0.05mm以上3mm以下であることが好ましく、0.1mm以上2mm以下であることがより好ましい。
そして、樹脂による皮膜の平均厚みは、5μm以上50μm以下であることが好ましい。
また、樹脂皮膜の平均厚みは、樹脂皮膜の設けられている熱伝導性シートの平均厚みを上記のような方法で測定した後、有機溶媒などによって板状体の表面から樹脂皮膜を除去し、樹脂皮膜除去後の板状体の平均厚みを測定することによって求めることができる。
即ち、樹脂皮膜の平均厚みは、熱伝導性シートの平均厚みと板状体の平均厚みとの差として求めることができる。
なお、板状体の両面に樹脂皮膜が形成されており、両面それぞれの樹脂皮膜の平均厚みを求める場合には、樹脂皮膜の除去を片面のみとして除去前の厚みと比較すればよい。
また、板状体が微細な孔を有するものである場合、板状体に対する樹脂の担持は、例えば、減圧下において板状体を前記溶液中に浸漬させた後に減圧を解除し、前記溶液を孔の奥深くにまで浸透させるような方法で実施すればよい。
また、前記板状体には、予めシランカップリング処理などを施しておいてもよい。
また、気泡の存在は、熱伝導性シートの部分放電開始電圧を低下させる要因ともなり得る。
そこで、上記の樹脂としては、比較的低温で軟化して優れた流動性を発揮するものが好ましい。
この点に関し、前記のエポキシ樹脂などでは、硬化前の状態において常温液体状のものが汎用品として市販されている。
しかし、常温液体状のエポキシ樹脂を用いるとべたつきを生じるなどして熱伝導性シートが取り扱い難いものになるおそれがある。
そこで、前記樹脂としては、融点が40℃以上180℃以下のものが好ましく、融点が50℃以上70℃以下のものがより好ましい。
また、前記樹脂としては、融点(Tm)よりも90℃ 高い温度(Tm+90℃)における溶融粘度が、0.01Pa・s以上5Pa・s以下であることが好ましく、0.5P a・s以上1.5Pa・s以下であることがより好ましい。
式(X)中の「n」は、「0」であっても良い。
即ち、下記一般式(X)にはトリス[4-(グリシジルオキシ)フェニル]メタン(メチリジントリスフェノール型エポキシ樹脂)も含まれる。
即ち、硬化剤は、融点が40℃以上180℃以下のものが好ましく、融点が50℃以上70℃以下のものがより好ましい。
また、前記硬化剤としては、融点(Tm)よりも90℃ 高い温度(Tm+90℃)における溶融粘度が、0.01Pa・s以上5Pa・s以下であることが好ましく、0.5Pa・s以上1.5Pa・s以下であることがより好ましい。
高温で活性を示す硬化促進剤を採用することで、エポキシ樹脂、硬化剤、及び、当該硬化促進剤を含むエポキシ樹脂組成物は、加熱することで十分に低粘度化できるものになり、有機溶媒を加えることなくても低粘度化可能なものとなる。
エポキシ樹脂の融点をTme(℃)とした場合、硬化促進剤の種類や配合量は、エポキシ樹脂組成物の反応開始温度(Tr)が下記式(3)を満足するように選択することが好ましく、下記式(4)を満足するように選択することがより好ましい。
〔Tme+10〕≦ Tr ≦ 〔Tme+120〕 ・・・(3)
〔Tme+80〕≦ Tr ≦ 〔Tme+100〕 ・・・(4)
なお、硬化促進剤はテトラフェニルホスホニウム系のものが好ましく、テトラフェニルホスホニウムテトラフェニルボレートであることがより好ましい。
例えば、エポキシ樹脂、硬化剤の融点は、それぞれ試料量を約5mgとし、昇温速度を10℃/minとする条件でDSC曲線を求め、該DSC曲線の吸熱ピークのピークトップ値として求めることができる。
また、エポキシ樹脂組成物の反応開始温度は、試料量を約10mgとし、昇温速度を10℃/minとする条件でDSC曲線を求め、該DSC曲線がベースラインから離れて発熱を開始した時点の温度として求めることができる。
また、本実施形態の熱伝導性シートは、樹脂をBステージ状態とすることで熱接着性を発揮させ得る。
例えば、本実施形態の熱伝導性シートは、半導体素子の熱を瞬時に奪うためのヒートスプレッダや半導体素子を搭載したリードフレームなどに熱接着させて絶縁層を形成させることができ、その際には、樹脂がBステージ状態であることで被着体に良好なる接着性を示すことになる。
そのため、熱伝導性シートは、ヒートスプレッダやリードフレームとの間に高い界面熱抵抗が形成されることを抑制することができる。
また、ここではこれ以上に詳細な説明を繰り返さないが、本実施形態の放熱部材については、上記例示に限定されるものではなく上記例示に適宜な変更を加え得るものである。
10 半導体素子
30 放熱器
40 電気絶縁層
100 半導体モジュール
Claims (10)
- 熱硬化性を有する樹脂と、該樹脂よりも熱伝導率の高い無機物とを含む放熱部材であって、
前記熱硬化性を有する樹脂は、エポキシ樹脂、熱硬化性ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、フェノキシ樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、ジアリルフタレート樹脂、シリコーン樹脂、及び、熱硬化性ウレタン樹脂からなる群から選択される少なくとも1種であり、
前記エポキシ樹脂は、下記一般式(X)で表されるトリスフェノールメタン型のエポキシ樹脂を含んでおり、
前記樹脂によって被着体に接着させて用いられ、該被着体に接着される第1面と、該第1面に対向する第2面とを有し、
前記無機物は、第1面側から第2面側へと連続した状態となって含まれており、
板状形状を有し、一面側に被着体に接着される前記第1面を有しており、前記無機物が厚み方向に連続しており、
厚み方向の寸法が前記板状形状よりも一回り小さい板状体を備え、該板状体が前記無機物で形成され、該板状体には複数の穴が形成されており、該穴に前記樹脂が収容され、且つ、前記板状体の一面側のみに前記樹脂で形成された皮膜が備えられ、前記板状体の他方面側では前記無機物が表面露出しており、
半導体素子を備えた半導体モジュールにおいて、モジュール表面と前記半導体素子との間に絶縁層を形成するために用いられる
放熱部材。 - 前記穴が前記板状体の一面側において開口する面積をS1(mm2)、前記穴が前記板状体の他面側において開口する面積をS2(mm2)とし、前記板状体の平面視における形状の面積をS0(mm2)とした際に、下記式(1)及び下記式(2)の内の一方又は両方を満足する請求項1に記載の放熱部材。
3%≦[(S1/S0)×100%]≦80% ・・・(1)
3%≦[(S2/S0)×100%]≦80% ・・・(2) - 前記穴の少なくとも一部は、板状体の厚み方向中央部から表面に向かう方向に拡大する形状を有している請求項1または2に記載の放熱部材。
- 前記穴の少なくとも一部が、板状体を厚み方向に貫通する貫通孔である請求項1乃至3の何れか1項に記載の放熱部材。
- 前記貫通孔を複数有し、該貫通孔の少なくとも一部は、板状体の一面側から他面側に向かう方向に拡大する形状を有している請求項4に記載の放熱部材。
- 穴を有する前記板状体が、複数の無機物粒子を連結させた多孔板である請求項1乃至5の何れか1項に記載の放熱部材。
- 前記多孔板は、水銀圧入法によって細孔分布曲線を求めた際に細孔容積のピークトップが細孔径15μm以上50μm以下の範囲に現れる請求項6記載の放熱部材。
- 前記多孔板は、水銀圧入法によって細孔分布曲線を求めた際に細孔孔10μm以下の細孔容積の累積値が全体の5%以下となる請求項6又は7記載の放熱部材。
- 貫通孔を有する前記板状体は、非多孔質な無機物板に複数の前記貫通孔が穿設されたものであり、該板状体の両面における前記貫通孔の平均開口径(Dave)がそれぞれ15μm以上1000μm以下である請求項4又は5記載の放熱部材。
- 半導体素子を備えた半導体モジュールであって、
モジュール表面と前記半導体素子との間に絶縁層が形成されており、
請求項1乃至9の何れか1項に記載の放熱部材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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