(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エポキシ樹脂に、１〜９９ｎｍの平均粒径を有する第１の無機フィラーを添加するステップと、
前記第１の無機フィラーと前記エポキシ樹脂との混合物を、加圧してオリフィスを通過させて、前記第１の無機フィラーの凝集を防止するステップと、
前記オリフィスを通過させた混合物に、さらに０．１〜１００μｍの平均粒径を有する第２の無機フィラーを添加するステップと、
前記第１及び第２の無機フィラーと前記エポキシ樹脂との混合物を、成形して硬化するステップと
を含む、金属ベースの一方の表面に形成するための金属ベース基板用の絶縁材の製造方法。
【請求項２】
前記第１及び第２の無機フィラーが、互いに独立して、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＢＮ、ＡｌＮ及びＳｉ3Ｎ4からなる群から選択される少なくとも１つであり、
前記絶縁材における前記第１及び第２の無機フィラーの配合割合が、それぞれ、３〜７重量％及び８０〜９５重量％である請求項１に記載の方法。
【請求項３】
金属ブロックの一方の表面に、絶縁材を絶縁層として張り合わせるステップと、
前記金属ブロックの他方の表面に、少なくとも１つの回路素子を実装するステップと
を含む半導体モジュールの製造方法であって、
前記絶縁材が、
エポキシ樹脂と、
前記エポキシ樹脂に分散されており、１〜９９ｎｍの平均粒径を有する第１の無機フィラーと、
前記エポキシ樹脂に分散されており、０．１〜１００μｍの平均粒径を有する第２の無機フィラーと、
を含み、
前記第１及び第２の無機フィラーが、互いに独立して、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＢＮ、ＡｌＮ及びＳｉ3Ｎ4からなる群から選択される少なくとも１つであり、
前記絶縁材における前記第１及び第２の無機フィラーの配合割合が、それぞれ、３〜７重量％及び８０〜９５重量％であり、
前記絶縁材を製造するステップとして、
前記エポキシ樹脂に、前記第１の無機フィラーを添加するステップと、
前記第１の無機フィラーと前記エポキシ樹脂との混合物を、加圧してオリフィスを通過させて、前記第１の無機フィラーの凝集を防止するステップと、
前記オリフィスを通過させた混合物に、さらに前記第２の無機フィラーを添加するステップと、
前記第１及び第２の無機フィラーと前記エポキシ樹脂との混合物を、成形して硬化するステップと
を更に含む、半導体モジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絶縁材、金属ベース基板および半導体モジュール並びにこれらの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電源装置に使用される半導体モジュールは、家庭用エアコンや冷蔵庫などの民生機器から、インバータやサーボコントローラなどの産業機器まで、広範囲にわたって適用されている。半導体モジュールは、消費電力の点から、金属ベース基板やセラミックス基板などの配線基板に搭載される。この配線基板にパワー半導体素子などの１つ又は複数の回路素子を搭載し、プラスチックケース枠を接着し、シリコーンゲルやエポキシ樹脂などで封止することによって半導体モジュールが完成する。
【０００３】
また、製造コストを低減するために、トランスファー成形法によるフルモールド半導体モジュールが開発されている（特許文献１参照）。フルモールド半導体モジュールは、リードフレームとヒートシンクを固定的に連結するとともに、これらの電気的絶縁を確保している。図４〜図６に、従来のフルモールド半導体モジュール４０の例を示す。
【０００４】
図４に示す例では、パワー半導体素子や駆動ＩＣなどの複数の回路素子４６が、リードフレーム４７の上に実装されており、またボンディングワイヤ４８によって相互に接続されている。この組立品を所定の金型内に設置した後、この金型内に成形用樹脂４９を流し込むことにより、フルモールド半導体モジュール４０ａが完成する。図５に示す例では、図４に示す例の構成に加えて、ヒートシンク５０がモジュール下部に設けられている。図６に示す例では、絶縁層６１の表裏面に予め金属箔６２と金属ベース６３が張り合わされて形成された金属ベース基板６０が設けられている。この金属ベース基板６０は、絶縁層とヒートシンクの２つの機能を兼ね備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−１３９４６１号公報（段落００３８、図１、図１８）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来のフルモールド半導体モジュールは、消費電力からみて、適用の限界が２００Ｖ、５０Ａ程度であり、電流容量が５０Ａを超えると、パワー半導体素子のロスが大きくなり、フルモールド半導体モジュールの冷却特性が不十分となるという問題がある。金属ベース基板を用いた半導体モジュールは、金属ベース基板の絶縁層の厚さを１００〜１５０μｍと薄くできるので、パワー半導体下部の熱抵抗を小さくすることができる。一方、フルモールド半導体モジュールでは、成形用樹脂の充填性を確保するため、成形用樹脂の厚さを３００μｍ以上にする必要があり、熱抵抗が高くなる。
【０００７】
図５に示す例において、モジュール下部の成形用樹脂４９の厚さを２００μｍ以下にすると、例えば、リードフレーム４７とヒートシンク５０との間隙に、成形用樹脂４９が未充填の空間が残留し、絶縁不良が生じる。成形時に樹脂注入圧力を高くすることによって、充填性は向上するが、ボンディングワイヤ４７の変形や断線の原因にもなる。
【０００８】
図６に示す例では、金属ベース基板６０に回路素子４６およびボンディングワイヤ４７が直接的に接合されているので、モジュール下部に成形用樹脂を充填する必要はない。しかしながら、金属ベース基板６０を別途製造しておく必要があるため、材料コストが増大するという問題がある。
【０００９】
また、金属ベース基板６０の絶縁層６１には、エポキシ樹脂に無機フィラー（例えば、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素など）を充填して熱伝導率を向上させているが、絶縁破壊電圧が充填量の増加にともなって低下するので、３〜４Ｗ／ｍ・Ｋの熱伝導率が限度であり、冷却性に限界がある。
【００１０】
なお、熱伝導率を向上させるために、配線基板に酸化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化アルミニウムなどの焼結体であるセラミックス基板を用いることもできるが、セラミックス基板は金属ベース基板よりもコストを増大させるという問題がある。
【００１１】
そこで本発明は、上記の問題点に鑑み、放熱性および絶縁破壊強度の両方に優れた絶縁材、これを用いた金属ベース基板および半導体モジュール、並びにこれらの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の目的を達成するために、本発明は、その一態様として、金属ベースの一方の表面に形成するための金属ベース基板用の絶縁材の製造方法であって、エポキシ樹脂に、１〜９９ｎｍの平均粒径を有する第１の無機フィラーを添加するステップと、前記第１の無機フィラーと前記エポキシ樹脂との混合物を、加圧してオリフィスを通過させて、前記第１の無機フィラーの凝集を防止するステップと、前記オリフィスを通過させた混合物に、さらに０．１〜１００μｍの平均粒径を有する第２の無機フィラーを添加するステップと、前記第１及び第２の無機フィラーと前記エポキシ樹脂との混合物を、成形して硬化するステップとを含むものである。前記第１及び第２の無機フィラーが、互いに独立して、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＢＮ、ＡｌＮ及びＳｉ3Ｎ4からなる群から選択される少なくとも１つであり、前記絶縁材における前記第１及び第２の無機フィラーの配合割合が、それぞれ、０．１〜７重量％及び８０〜９５重量％であるものが好ましい。
【００１３】
前記第１の無機フィラーの平均粒径は１〜５０ｎｍが好ましい。前記第２の無機フィラーの平均粒径は０．１〜５０μｍが好ましい。前記第１の無機フィラーの配合割合は３〜６重量％が好ましい。
【００１４】
前記絶縁材の厚さは、１０〜５００μｍが好ましい。前記絶縁材は、４〜１５Ｗ／ｍ・Ｋの熱伝導率および少なくとも５ｋＶの絶縁破壊電圧を有することが好ましい。
【００１９】
本発明は、また別の態様として、半導体モジュールの製造方法であって、金属ブロックの一方の表面に、絶縁材を、絶縁層として張り合わせるステップと、前記金属ブロックの他方の表面に、少なくとも１つの回路素子を実装するステップとを含み、前記絶縁材が、エポキシ樹脂と、前記エポキシ樹脂に分散されており、１〜９９ｎｍの平均粒径を有する第１の無機フィラーと、前記エポキシ樹脂に分散されており、０．１〜１００μｍの平均粒径を有する第２の無機フィラーとを含み、前記第１及び第２の無機フィラーが、互いに独立して、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＢＮ、ＡｌＮ及びＳｉ3Ｎ4からなる群から選択される少なくとも１つであり、前記絶縁材における前記第１及び第２の無機フィラーの配合割合が、それぞれ、３〜７重量％及び８０〜９５重量％であり、前記絶縁材を製造するステップとして、前記エポキシ樹脂に、前記第１の無機フィラーを添加するステップと、前記第１の無機フィラーと前記エポキシ樹脂との混合物を、加圧してオリフィスを通過させて、前記第１の無機フィラーの凝集を防止するステップと、前記オリフィスを通過させた混合物に、さらに前記第２の無機フィラーを添加するステップと、前記第１及び第２の無機フィラーと前記エポキシ樹脂との混合物を、成形して硬化するステップとを更に含むものである。
【発明の効果】
【００２０】
上記したように、本発明によれば、このような平均粒径が異なる２種類の無機フィラーを所定の配合割合で用いることで、絶縁材の放熱性を維持したまま、絶縁破壊強度を向上することができる。そして、この絶縁材を上記のように金属ベース基板や半導体モジュールに用いることで、放熱性に優れた金属ベース基板や半導体モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係る金属ベース基板の一実施の形態を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明に係る半導体モジュールの製造方法の一実施の形態を模式的に示す断面図である。
【図３】図２に示す製造方法の一代替例を模式的に示す断面図である。
【図４】従来の半導体モジュールの一例を模式的に示す断面図である。
【図５】従来の半導体モジュールの別の例を模式的に示す断面図である。
【図６】従来の半導体モジュールの更に別の例を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、添付図面を参照して、本発明の一実施の形態について説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、本発明を詳細に説明することを意図するものであり、本発明を限定するものではない。
【００２３】
先ず、本発明に係る絶縁材の一実施の形態について説明する。この絶縁材は、エポキシ樹脂と、このエポキシ樹脂に分散された１〜９９ｎｍの平均粒径を有する第１の無機フィラー及び０．１〜１００μｍの平均粒径を有する第２の無機フィラーとを備える。
【００２４】
エポキシ樹脂としては、特に限定されないが、例えば、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂等の２官能エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、ビスフェノールＡノボラック型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦノボラック型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂、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等の多官能型エポキシ樹脂を単独で又は複数組み合わせて使用することができる。これらの中でも、芳香族のエポキシ樹脂が好ましく、ビスフェノールＡ型のエポキシ樹脂が特に好ましく用いられる。
【００２５】
第１の無機フィラーの平均粒径は非常に細かく、１〜９９ｎｍの範囲である。１ｎｍ未満では、凝集してしまうという問題がある。一方、１００ｎｍ以上となると、ナノフィラー特有の効果が得られないという問題がある。第２の無機フィラーの平均粒径は比較的に粗く、０．１〜１００μｍの範囲である。１００μｍを超えると、絶縁性が得られなくなるという問題がある。一方、０．１μｍ未満では、混練が難しくなるという問題がある。
【００２６】
第１の無機フィラーの平均粒径は、１〜５０ｎｍの範囲がより好ましい。また、第２の無機フィラーの平均粒径は、０．１〜５０μｍがより好ましい。なお、平均粒径の測定は、本明細書では、レーザー回析散乱法で行うこととする。また、第１の無機フィラーの粒径分布は、１〜９９ｎｍの範囲が好ましく、１〜５０ｎｍの範囲がより好ましい。第２の無機フィラーの粒度分布は、０．１〜１００μmの範囲が好ましく、０．５〜５０μｍの範囲がより好ましい。
【００２７】
第１の無機フィラーは、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＢＮ、ＡｌＮ及びＳｉ3Ｎ4からなる群から選択される１つ又は複数の組み合わせである。また、第２の無機フィラーも、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＢＮ、ＡｌＮ及びＳｉ3Ｎ4からなる群から選択される１つ又は複数の組み合わせである。第１の無機フィラーと第２の無機フィラーは、同じ化合物であっても良いし、異なる化合物であってもよい。
【００２８】
第１の無機フィラーの配合割合は、絶縁材の重量を１００％として、０．１〜７重量％の範囲である。０．１重量％未満では、ナノフィラーの効果が得られないという問題がある。一方、７重量％を超えると、分散できなくなるという問題がある。第１の無機フィラーの配合割合は、３〜６重量％の範囲がより好ましい。
【００２９】
第２の無機フィラーの配合割合は、絶縁材の重量を１００％として、８０〜９５重量％の範囲である。８０重量％未満では、所定の熱伝導率を得られないという問題がある。一方、９５重量％を超えると、絶縁性が低下するという問題がある。第２の無機フィラーの配合割合は、８０〜９０量％の範囲がより好ましい。
【００３０】
本発明の絶縁材には、硬化反応を制御するために、硬化剤や硬化助剤を添加してもよい。硬化剤は、エポキシ樹脂の硬化剤として一般に使用されているものでよく、例えば、ジシアンジアミドなどのグアニジン系硬化剤、アジピン酸ジヒドラジド、イソフタル酸ジヒドラジド、ドデカン酸ジヒドラジドなどのジヒドラジド系硬化剤、フェノールノボラック等のフェノール系硬化剤、メチルテトラヒドロ無水フタル酸等の酸無水物系硬化剤、ジアミノジフェニルメタン等のアミン系硬化剤、２−エチル−４−メチルイミダゾール等のイミダゾール系硬化剤を用いることができる。また、硬化助剤として、２−エチル−４−メチルイミダゾール等のイミダゾール類、ベンジルジメチルアミン等の３級アミン類、トリフェニルフォスフィン等の芳香族フォスフィン類、三フッ化ホウ素モノエチルアミン等のルイス酸を用いることができる。
【００３１】
硬化剤の配合割合は、絶縁材を１００重量％として、１〜１０重量％が好ましい。また、硬化助剤の配合割合は、絶縁材を１００重量％として、０．１〜５重量％が好ましい。なお、絶縁材の各原料の配合割合を上述してきたが、それらの残部がエポキシ樹脂の配合割合である。
【００３２】
次に、絶縁材の製造方法について説明する。先ず、エポキシ樹脂に、第１の無機フィラーを添加する。この第１の無機フィラーは、粒径が非常に細かいため、撹拌しても粒子が凝集してしまい、樹脂中に分散させるのが非常に困難である。そこで、エポキシ樹脂に第１の無機フィラーを添加した後、この混合物を、オリフィス加圧通過型分散機によって、加圧してオリフィスを通過させることで、第１の無機フィラーをエポキシ樹脂に分散させることができる。
【００３３】
次に、この混合物に、第２の無機フィラーを添加する。この第２の無機フィラーは、粒径が比較的に粗いため、撹拌するだけで、凝集せずにエポキシ樹脂中に分散させることができる。なお、第２の無機フィラーの添加と一緒に、エポキシ樹脂を更に添加してもよい。すなわち、所定の配合割合のエポキシ樹脂を２回に分けて添加してもよい。
【００３４】
第２の無機フィラーを添加した後、必要により、硬化剤および硬化助剤を添加して、撹拌する。また、この混合物をプリプレグ化させる場合には、溶剤も同時に添加してもよい。溶剤としては、例えば、メチルエチルケトン（ＭＥＫ）などを用いることができる。
【００３５】
次に、この混合物をシート状などの所定の形状に成形する。例えば、離型が可能な金属板やプラスチック板の表面上に、この混合物を塗工した後、スペーサを用いて所定の厚さになるように加圧し、加熱して硬化させる。このようにして、絶縁材を製造することができる。シート状の絶縁材の厚さは、１０〜５００μｍの範囲が好ましく、７０〜３００μｍの範囲がより好ましい。このようにして得られる絶縁材は、４〜１５Ｗ／ｍ・Ｋの熱伝導率および少なくとも５ｋＶの絶縁破壊電圧を有しており、放熱性および絶縁破壊強度の両方に優れている。
【００３６】
図１を参照して、本発明に係る絶縁材を用いた金属ベース基板およびその製造方法の一実施の形態について説明する。図１に示すように、金属ベース基板１０は、本発明に係る絶縁材の絶縁層１１と、この絶縁層１１の一方の表面に形成された１つ又は複数の金属箔１２と、絶縁層１１の他方の面に形成された金属ベース１３とを備える。
【００３７】
金属箔１２は、例えば、ＣｕやＡｌなどを用いることができる。金属箔１２を絶縁層１１の表面に形成した後、選択的にエッチンしてパターニングすることで、回路パターンを形成することができる。金属ベース１３は、例えば、ＣｕやＡｌ、Ｆｅなどを用いることができる。金属ベース１３は、絶縁層１１の表面にあてて加熱プレスすることにより、接着することができる。
【００３８】
このような金属ベース基板１０にすることで、配線基板を任意の形状にすることができ、また回路パターンも任意に構成することができる。よって、パワー半導体素子などの回路素子を、金属箔１２に実装するだけで、各種の半導体モジュールに適用することが可能となる。
【００３９】
図２を参照して、本発明に係る絶縁材を用いた半導体モジュールおよびその製造方法の一実施の形態について説明する。図２（ａ）に示すように、先ず、金属板をプレス加工により正方形や長方形などの所定の形状に打ち抜いて、金属ブロック２４を製作する。金属ブロック２４は、例えば、ＣｕやＭｏなどを用いることができる。また、金属ブロック２４の厚さは、特に限定しないが、１．０〜６．０ｍｍの範囲が好ましい。
【００４０】
次に、図２（ｂ）に示すように、金属ブロック２４の一方の表面に、本発明に係る絶縁材からなる絶縁層２１をあてて、加熱プレスによってこれらを接着する。また、図２（ｃ）に示すように、金属ブロック２４の他方の表面に、パワー半導体素子や駆動ＩＣなどの回路素子２６を、はんだ付けにより接合する。はんだ付けは、ペレット状のはんだを利用し、水素還元が可能な炉において行うことが好ましい。水素還元が可能な炉を使うのは、金属ブロック２４の表面の酸化膜を水素還元により除去し、活性化させることにより、はんだとの濡れ性を向上させるためである。はんだ材料としては、例えば、ＳｎＰｂＡｇなどの高温はんだ、ＳｎＡｇＣｕなどの鉛フリーはんだを用いる。はんだ付けの温度は、はんだの融点に応じて設定する。
【００４１】
パワー半導体素子と金属ブロックのはんだ層（図示省略）にボイドが残留すると、熱抵抗が高くなり、パワー半導体素子から生じる熱を効率良く放熱することができない。そこで、ボイドを発生しないように、はんだが溶融している状態で、１０Ｔｏｒｒ以下の真空引きを行うことが好ましい。
【００４２】
次に、図２（ｄ）に示すように、ボンディングワイヤ２８により、回路素子２６とリードフレーム２７との接続を行う。ボンディングワイヤ２７としては、線径が１２５〜５００μｍのＡｌワイヤを使用することが好ましい。ボンディングワイヤ２７は超音波接合することが好ましい。
【００４３】
そして、図２（ｅ）に示すように、トランスファー成形法により、この組立品を成形用樹脂２９によって封止する。この封止を具体的に説明すると、特に図示しないが、例えば、トランスファー成形機に取り付けた金型に設置して、タブレット状の成形用樹脂をプランジャーにて予熱した金型内に流し込んだ後、数十秒で硬化することから金型から直ぐに取り出して、恒温槽で後硬化することで封止を完了する。なお、金型は１７０〜１８０℃に保温しておくことが好ましい。成形用樹脂２９は、エポキシ樹脂と、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＢＮ、ＡｌＮ及びＳｉ3Ｎ4からなる群から選択される少なくとも１つのフィラーとを備えるものである。成形用樹脂２９は、熱伝導率が０．５〜５Ｗ／ｍ・Ｋのものが好ましい。
【００４４】
なお、図２（ｃ）では、絶縁層２１を金属ブロック２４の回路素子の反対側の面にのみ形成したが、図３に示すように、金属ブロック２４の側面にも絶縁層２１ａを積層することが好ましい。絶縁層２１は薄いため、金属ブロック２４と溶射膜が接する冷却フィン(図示省略)との間に高い電圧が印加される場合に有効で、これにより絶縁性を確保することができる。絶縁層２１ａの金属ブロック２４側面の積層距離は、使用される電圧によって決まる。
【実施例】
【００４５】
エポキシ樹脂（ＪＥＲ社製、型番８２８）１００重量部に、ナノオーダーの酸化アルミニウム（大明化学社製、型番ＴＭ−１００、平均粒径１２ｎｍ）を５重量部添加して、オリフィス加圧通過型分散機を用いて凝集を防ぎながら分散させた後、マイクロオーダーの酸化アルミニウム（アドマテックス社製、平均粒径０．６〜１０μｍ）を１２５０重量部添加して撹拌した。その後、ジシアンジアミド硬化剤（ＪＥＲ社製、型番ＤＩＣＹ１５）を５重量部と、イミダゾール硬化助剤（四国化成社製、型番２Ｐ４ＭＨＺ）を２重量部添加した。次に、この混合物を脱型可能な板上に塗工し、５ＭＰａ、１８０℃で加圧することで、２００μｍの厚さにシート状の絶縁材を作製した（実施例１）。そして、この絶縁材の熱伝導率および絶縁破壊電圧を測定した。熱伝導率の測定は、レーザフラッシュ法によって行った。なお、比較のため、ナノオーダーの酸化アルミニウムを添加せずに、マイクロオーダーの酸化アルミニウムを９２重量％とした点を除き同様にして作製した絶縁材（比較例１）についても測定を行った。その結果を表１に示す。
【００４６】
【表１】
0005532419.tif 000002
【００４７】
表１に示すように、実施例１も比較例１も熱伝導率は８．０Ｗ／ｍ・Ｋであったが、絶縁破壊電圧が実施例１では６．０ｋＶであり、比較例１の４．０ｋＶの１．５倍もの高い値を示した。このように、通常、無機フィラーを充填する程、熱伝導率は向上するが、絶縁破壊電圧は低下するのに対し、実施例１のようにナノオーダーの無機フィラーを添加することで、絶縁破壊電圧が低下するのを防ぐことができた。
【符号の説明】
【００４８】
１０  金属ベース基板
１１  絶縁層
１２  金属箔
１３  金属ベース
２０  半導体モジュール
２１  絶縁層
２２  
２４  金属
２６  回路素子
２７  リードフレーム
２８  ボンディングワイヤ
２９  成形用樹脂
４０  フルモールド半導体モジュール
４６  パワー半導体素子
４７  リードフレーム
４８  ボンディングワイヤ
４９  成形用樹脂
５０  ヒートシンク
６０  金属ベース基板
６１  絶縁層
６２  金属箔
６３  金属ベース
【図１】
0005532419.tif 000003
【図２】
0005532419.tif 000004
【図３】
0005532419.tif 000005
【図４】
0005532419.tif 000006
【図５】
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【図６】
0005532419.tif 000008