(57)【要約】【課題】熱伝導性に優れ、応力を緩和することができる熱伝導性接合材及び熱伝導性接合材を用いた半導体装置を提供することを目的としている。【解決手段】熱伝導性接合材１は、第一の繊維群２ａと、第二の繊維群２ｂとを平織りにしたものであり、繊維群２（２ａ，２ｂ）は、芯材となる金属繊維３に、金属繊維３同士の接着性及び熱伝導性を向上させるために金属繊維３の表面に被覆材４が形成された構成となっている。これにより、パワー半導体素子等で発生した熱を効率よく放熱することができる接合部材としての効果を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱伝導性を有する被覆材で覆われているとともに規則的な間隔で並置された金属繊維からなる第一の繊維群と、
熱伝導性を有する被覆材で覆われているとともに規則的な間隔で並置された金属繊維からなり、前記第一の繊維群と交差するように配置された第二の繊維群と、
を備えたことを特徴とする熱伝導性接合材。
【請求項２】
前記第一の繊維群と前記第二の繊維群とにより織布が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱伝導性接合材。
【請求項３】
前記第一の繊維群と前記第二の繊維群とにより不織布が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱伝導性接合材。
【請求項４】
前記第一の繊維群と前記第二の繊維群とが熱伝導性を有する充填材で充填され、表面が平坦化されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の熱伝導性接合材。
【請求項５】
前記充填材が多孔性材料により構成されていることを特徴とする請求項４に記載の熱伝導性接合材。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の熱伝導性接合材を放熱部材と半導体素子との間の接合部材として用いたことを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱伝導性に優れ、応力を緩和する構造を有する熱伝導性接合材及び熱伝導性接合材を用いた半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やショットキーダイオードなどのパワー半導体素子を使用したパワーモジュールにおいては、パワー半導体素子を搭載した線膨張率の低い絶縁基板、例えば、窒化珪素板（Ｓｉ３Ｎ４）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）などのセラミックからなる絶縁基板と、放熱板となる線膨張率の高い金属板のヒートシンクなどを接合するが、熱膨張係数の差によりクラックなどの不具合が生じる。
【０００３】
そこで、絶縁基板と放熱板との応力を緩和し、クラックの発生を防止する方法として、例えば、特許文献１の放熱装置では、絶縁基板と放熱板との間に複数の貫通穴が形成された応力緩和部材を介在させ、応力緩和構造をもたせることにより、熱膨張係数の差により生じるクラックなどの発生を防止している。
【０００４】
また、特許文献２の複合金属箔では、金属繊維で構成される二次元網目構造からなる多孔質金属箔とこの多孔質金属箔の孔の内部及び周囲の少なくとも一部に設けられるプライマーとを備えている。プライマーを設けることで、多孔質金属箔に由来する優れた特性を維持または向上させながら、所望の機能を金属箔に付与することができる。この複合金属箔は、プリント基板の内層材や導電用材料等、各種用途に使用することが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２９４６９９号公報
【特許文献２】特開２０１２−２１９３３３号公報
【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、特許文献１の放熱装置における複数の貫通穴が形成された応力緩和部材では、パンチングなどの機械加工では、バリや歪みが発生し、安定した開口率の接合材を低コストで製造することは容易ではないという課題があった。また、特許文献２における複合金属箔を応力を緩和する接合材として利用するには、多孔質金属箔が、不規則に分枝状繊維を張り巡らさせて構成されていることから、金属繊維の向きが不揃いとなるため、熱伝導性が低下するという課題があった。
【０００７】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、熱伝導性に優れ、応力を緩和することができる熱伝導性接合材及び熱伝導性接合材を用いた半導体装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の熱伝導性接合材は、熱伝導性を有する被覆材で覆われているとともに規則的な間隔で並置された金属繊維からなる第一の繊維群と、前記第一の繊維群と交差するように配置された、熱伝導性を有する被覆材で覆われているとともに規則的な間隔で並置された金属繊維からなる第二の繊維群と、を備えたことを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明の半導体装置は、上記熱伝導性接合材を放熱部材と半導体素子との間の接合部材として用いたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の熱伝導性接合材によれば、金属繊維が布状に形成されているため、薄くて柔軟性が高く、また、接合後も金属繊維が規則的に配されているため、放熱性にも優れていることから、パワー半導体素子等で発生した熱を効率よく放熱する接合部材として効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態１に係る熱伝導性接合材の構造を示す概略斜視図である。
【図２】実施の形態１に係る熱伝導性接合材を構成する金属繊維の断面図である。
【図３】実施の形態１に係る熱伝導性接合材を構成する金属繊維の他の実施態様を示す断面図である。
【図４】実施の形態１に係る熱伝導性接合材を適用した半導体装置の例を示す概略断面図である。
【図５】実施の形態２に係る熱伝導性接合材の構造を示す概略断面図である。
【図６】実施の形態２に係る熱伝導性接合材の他の実施態様の構造を示す概略断面図である。
【図７】実施の形態３に係る熱伝導性接合材の構造を示す概略斜視図である。
【図８】実施の形態３に係る熱伝導性接合材の他の実施態様の構造を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態に係る熱伝導性接合材及び熱伝導性接合材を用いた半導体装置について図１〜図８を参照して説明する。
【００１３】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る熱伝導性接合材の構造を示す概略斜視図であり、図２は、実施の形態１に係る熱伝導性接合材を構成する金属繊維の断面図である。図３は、実施の形態１に係る熱伝導性接合材を構成する金属繊維の他の実施態様を示す断面図である。また、図４は、実施の形態１に熱伝導性接合材を適用した半導体装置の例を示す概略断面図である。
【００１４】
図１及び図２に示すように、熱伝導性接合材１は、芯材となる金属繊維３に、金属繊維３同士の接着性及び熱伝導性を向上させるために金属繊維３の表面に被覆材４が形成されるとともに規則的な間隔で並置された第一の繊維群２ａと、同様に、金属繊維３の表面に被覆材４が形成されるとともに規則的な間隔で並置された第二の繊維群２ｂと、が交差されて平織りにされた構成となっている。
【００１５】
次に、熱伝導性接合材１の構造について詳細に説明する。図１に示すように、熱伝導性接合材１は、第一の繊維群２ａと第二の繊維群２ｂの金属繊維３が平織りにされて網目構造を有している。このため、熱伝導性接合材１は、弾性及び伸縮性に富んでいる。網目構造により、開口率は高くなっているが、接合材としては、開口率を低くして、接合力が高く熱伝導率の高い方が好ましいが、一方で、応力を緩和する観点からは開口率が高い方が望ましい。この開口率は、繊維群２の密度や外径により調整することが可能であり、要求される熱伝導性、応力緩和性に応じて決定することができる。したがって、開口率は、５から８０％、好ましくは、１０から５５％の範囲で調整される。
【００１６】
また、金属繊維３は、熱伝導性に優れた金属線材であれば、使用する目的に応じて適切に選択すればよく、特に限定されるものではなく、例えば、銅、アルミ、金、銀、ニッケル、コバルト、ステンレス、錫、インジウムなどの金属やその合金である。金属繊維３の線材の径としては、織物や編物状に作り上げることが容易にできるという点で、好ましくは５μｍから５００μｍであり、より好ましくは、５から２００μｍである。金属繊維３の断面形状は、図２に示すような円形状であってもよく、あるいは、図３に示すように扁平形状であってもよい。また、織物構造にできるものであればよく、目的に応じて選択することができる。また、均等な網目構造を有しているので、熱伝導性接合材として、面内で均一な熱伝導特性を持たすことができる。
【００１７】
金属繊維３の表面に被覆形成される被覆材４としては、熱伝導性を有するものであればよく、各種はんだ材やロウ材、導電性接着剤、導電塗料などが使われる。また、その形成方法としては、ダイコータを用いた塗布による方法、めっきによる方法、噴き付けによる方法など、さまざまな手法による方法を用いることが可能である。また、被覆材４は、金属繊維３を補強する役目も持っている。
【００１８】
続いて、上記のように構成された熱伝導性接合材１を、例えば、パワー半導体素子５を使用したパワーモジュール（半導体装置）１０に適用する場合について説明する（図４）。パワーモジュール１０では、パワー半導体素子５で発生した熱を効率よく放熱して、パワー半導体素子５の温度を所定以下の温度に保つ必要がある。このため、図４に示すように、パワー半導体素子５を搭載した絶縁基板６と放熱板９とは、熱伝導性接合材１を介して接合されている。より詳細には、パワー半導体素子５と絶縁基板６との間には、パワー半導体素子５を駆動させるための回路基板７が配置されている。また、絶縁基板６と熱伝導性接合材１との間には、絶縁基板６との接合性を向上させるため、金属板８が配置されている。パワー半導体素子５から放熱板９への熱伝導性を向上させるために、熱伝導性接合材１の金属繊維３の向きを揃えることができるため、効率よく熱伝導をさせることができる。さらに、熱伝導性接合材１は、金属繊維３で構成されているため、線膨張係数の異なる絶縁基板６と放熱板９とを接合した際に、熱伝導性に優れた応力緩和層として作用する。
【００１９】
絶縁基板６としては、必要とされる絶縁性や熱伝導性、機械強度を満たしていれば、どのようなセラミックスで形成されたものであってもよい。例えば、窒化珪素板（Ｓｉ３Ｎ４）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）などで形成される。また、パワー半導体素子５と回路基板７との接合、絶縁基板６と回路基板７との接合、絶縁基板６と金属板８との接合部材の図示は省略している。これらの接合部材としては、はんだ材や銀ペーストなどの各種ペースト材、ロウ材などを用いることができる。また、拡散接合などで接合するものであってもよい。回路基板７の基材は、導電性に優れた銅やアルミニウムなどの金属により形成される。金属板８としては、熱伝導性に優れた金属材、例えば、アルミニウムや銅などの金属板が用いられる。また、放熱板９は、図示したような板状だけでなく、ヒートシンク形状に加工されたものでも、ウォータージャケットのような冷熱板でも、放熱が可能な構造であれば、特に制約されるものではない。放熱板９の材料としては、熱伝導性に優れた金属材、例えば、アルミニウムや銅で構成されている。
【００２０】
このようなパワーモジュール１０の構成によれば、パワー半導体素子５が接合されている絶縁基板６と放熱板９との線膨張係数差が大きいとき、例えば、絶縁基板６が窒化珪素板（Ｓｉ３Ｎ４）である場合には、その線膨張係数は４×１０−６／℃であり、放熱板９がアルミニウムである場合には、その線膨張係数は２３．５×１０−６／℃であり、その線膨張係数の差は約２０ｐｐｍと大きい。線膨張係数の差が、約１０ｐｐｍ程度以上と大きくなると絶縁基板６と放熱板９とを接合すると熱応力が問題となるが、金属繊維３を網目構造にした熱伝導性接合材１をパワーモジュール１０に用いることにより、その応力を緩和させる効果がある。
【００２１】
このように、実施の形態１に係る熱伝導性接合材では、被覆材で被覆された金属繊維を織ることにより布状に形成されているため、薄くて柔軟性が高く、また、接合後も金属繊維が規則的に存在しているため、放熱性にも優れていることから、パワー半導体素子等で発生した熱を効率よく放熱することができる接合部材としての効果を発揮する顕著な効果がある。
【００２２】
実施の形態２．
図５は、実施の形態２に係る熱伝導性接合材の構造を示す概略断面図である。実施の形態１の熱伝導性接合材１との相違点は、実施の形態２の熱伝導性接合材２１では、表面に被覆材４で被覆された金属繊維３からなる繊維群２（２ａ，２ｂ）をさらに充填材２４により埋め込んだ構造であり、平坦化された表面２５を有している点である。
【００２３】
図５に示すように、熱伝導性接合材２１は、実施の形態１の熱伝導性接合材１と同様に、第一の繊維群２ａと、第二の繊維群２ｂとが平織りにされており、さらに、繊維群２（２ａ，２ｂ）全体が充填材２４で埋められて板状に形成されている。また、実施の形態１と同様、繊維群２（２ａ，２ｂ）は、芯材となる金属繊維３と、金属繊維３同士の接着性及び熱伝導性を向上させるために金属繊維３の表面に形成された被覆材４と、で構成されている。
【００２４】
次に、熱伝導性接合材２１の構造について詳細に説明する。図５に示すように、熱伝導性接合材２１は、充填材２４により充填され、平坦化された表面２５を持っているため他の部材との密着性を向上させることができ、接合力を向上させるとともに、熱伝導性も向上させることができる。充填材２４としては、被覆材４と同様、熱伝導性を有するものであればよく、各種はんだ材やロウ材、導電性接着剤、導電塗料などが使われる。充填材２４の形成方法としては、充填、塗布、浸漬等を利用することができる。また、充填材２４として、多孔性を持たせるように気泡を含有した有機材料を用いることにより、所定の開口率を有する熱伝導性接合材２１を作ることができる。開口率の調整は、充填材の充填の仕方や気泡の含有量を調整することにより可能である。ここで、有機材料には、導電性を有するフィラーが混合されたものを用いる。これにより、接合時の対象物に合わせて、その応力を緩和する能力を調整することができる。
【００２５】
また、実施の形態２の他の実施態様として、図６に示すように、被覆されていない金属繊維からなる繊維群３２（３２ａ，３２ｂ）全体を充填材２４で埋め、充填材２４に被覆材としての役目も兼ね備えさせて、板状の熱伝導性接合材３１としてもよい。
【００２６】
このように、実施の形態２に係る熱伝導性接合材では、実施の形態１と同様、熱伝導性に優れた金属繊維により構成されるとともに、充填材により埋められて板状に形成されており、表面が平坦化されているため、他の部材との密着性を向上させることができ、接合力を向上させるとともに、熱伝導性も向上させることができるという顕著な効果がある。
【００２７】
実施の形態３．
図７は、実施の形態３に係る熱伝導性接合材の構造を示す概略斜視図である。実施の形態１における熱伝導性接合材１との相違点は、熱伝導性接合材１では、第一の繊維群２ａと、第二の繊維群２ｂとが織り込まれ平織りにされているのに対して、実施の形態３の熱伝導性接合材４１では、第一の繊維群２ａと第二の繊維群２ｂとを織り込まず、上下に重ねて、不織布とされている点である。
【００２８】
次に、熱伝導性接合材４１の構造について詳細に説明する。図７に示すように、熱伝導性接合材４１は、第一の繊維群２ａと第二の繊維群２ｂの金属繊維３が不織布として網目構造を有している。このため、実施の形態１と同様、熱伝導性接合材４１は、弾性及び伸縮性に富んでいる。不織布であるため、繊維群を織ったり、編んだりする必要がないため、作製が簡便で、低コスト化を図ることができる効果がある。
【００２９】
また、実施の形態３の他の実施態様として、図８に示すように、実施の形態２と同様に、繊維群２（２ａ，２ｂ）全体を充填材２４で埋め、板状の熱伝導性接合材５１としてもよい。これにより、実施の形態２と同様の効果を有し、さらに、低コスト化を実現することができる。
【００３０】
このように、実施の形態３に係る熱伝導性接合材では、繊維群を織らずに不織布として作製することにより、実施の形態１と同様、熱伝導性に優れ、応力を緩和することができる機能を持ち、さらに、作製が容易なため、低コスト化を図ることできるという顕著な効果がある。
【００３１】
なお、上記実施の形態では、第一の繊維群２ａと第二の繊維群２ｂの金属繊維３とが直交して配置されている場合について説明したが、網目構造を有していればよく、直角以外の角度で交差する場合であってもよい。これにより、上記実施の形態と同様、熱伝導性接合材として、面内で均一な熱伝導特性を持たすことができる。
【００３２】
また、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
【００３３】
また、図において、同一符号は、同一または相当部分を示す。
【符号の説明】
【００３４】
１，２１，３１，４１，５１  熱伝導性接合材、２（２ａ，２ｂ），３２（３２ａ，３２ｂ）  繊維群、３  金属繊維、４  被覆材、５  パワー半導体素子、６  絶縁基板、７  回路基板、８  金属板、９  放熱板、１０  パワーモジュール（半導体装置）、２４  充填材。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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