(57)【要約】【課題】銅ベース基板と冷却フィンの間の剥離を防止し、かつ熱抵抗の増加を防止することができる熱伝導シート、およびこれを用いた信頼性の高いパワー半導体装置を提供する。【解決手段】粒径１０μｍ以上３０μｍ以下の第１の熱伝導フィラーを４０ｗｔ％以上６０ｗｔ％以下、粒径０．１μｍ以上１０μｍ以下の第２の熱伝導フィラーを２０ｗｔ％以上３０ｗｔ％以下、夫々耐熱性エポキシ樹脂に充填した熱伝導層の少なくとも片面に、粒径０．１μｍ以上１０μｍ以下の第３の熱伝導フィラーを２０ｗｔ％以上３０ｗｔ％以下、耐熱性エポキシ樹脂に充填した接着層を積層し、加熱成型された熱伝導シートを用いて、銅ベース基板と冷却フィンを接着固定する。【選択図】図１
2011040565.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒径１０μｍ以上３０μｍ以下の第１の熱伝導フィラーを４０ｗｔ％以上６０ｗｔ％以下、粒径０．１μｍ以上１０μｍ以下の第２の熱伝導フィラーを２０ｗｔ％以上３０ｗｔ％以下、夫々耐熱性エポキシ樹脂に充填した熱伝導層の少なくとも片面に、粒径０．１μｍ以上１０μｍ以下の第３の熱伝導フィラーを２０ｗｔ％以上３０ｗｔ％以下、耐熱性エポキシ樹脂に充填した接着層を積層し、加熱成型されたことを特徴とする熱伝導シート。
【請求項２】
前記熱伝導層および接着層の厚さが夫々５０〜１６０μｍ、１０〜２０μｍであることを特徴とする請求項１記載の熱伝導シート。
【請求項３】
半導体素子を搭載した銅ベース基板および冷却フィンを少なくとも含む半導体装置であって、前記銅ベース基板と冷却フィンを接着固定する熱伝導シートを備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
前記熱伝導シートが、熱伝導層と、その両面に配置された接着層とからなる３層構造であることを特徴とする請求項３記載の半導体装置。
【請求項５】
前記熱伝導層は、粒径１０μｍ以上３０μｍ以下の第１の熱伝導フィラーを４０ｗｔ％以上６０ｗｔ％以下、粒径０．１μｍ以上１０μｍ以下の第２の熱伝導フィラーを２０ｗｔ％以上３０ｗｔ％以下、夫々耐熱性エポキシ樹脂に充填したものであることを特徴とする請求項４記載の半導体装置。
【請求項６】
前記接着層は、粒径０．１μｍ以上１０μｍ以下の第３の熱伝導フィラーを２０ｗｔ％以上３０ｗｔ％以下、耐熱性エポキシ樹脂に充填したものであることを特徴とする請求項４記載の半導体装置。
【請求項７】
前記の各熱伝導フィラーが、窒化ホウ素粉末、窒化ケイ素粉末、アルミナ粉末および石英粉末からなる群より選ばれた少なくとも１種のフィラーを含むことを特徴とする請求項５または６記載の半導体装置。
【請求項８】
半導体素子を搭載した銅ベース基板および冷却フィンを少なくとも含む半導体装置の製造方法であって、
粒径１０μｍ以上３０μｍ以下の第１の熱伝導フィラーを４０ｗｔ％以上６０ｗｔ％以下、粒径０．１μｍ以上１０μｍ以下の第２の熱伝導フィラーを２０ｗｔ％以上３０ｗｔ％以下、夫々耐熱性エポキシ樹脂に充填した熱伝導層の少なくとも片面に、粒径０．１μｍ以上１０μｍ以下の第３の熱伝導フィラーを２０ｗｔ％以上３０ｗｔ％以下、耐熱性エポキシ樹脂に充填した接着層を積層し、加熱成型された熱伝導シートを用意する工程と、
当該熱伝導シートを銅ベース基板および冷却フィンの間に挟み、加圧、硬化させる工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱伝導シートおよびこれを用いた半導体装置等に関し、特にはパワー半導体素子が収容される半導体装置(以下、パワーモジュールと称す)に関する。
【背景技術】
【０００２】
図４に従来のパワーモジュールの模式的断面図を示す。パワーモジュール２００は、半導体素子１０を搭載した略方形の銅ベース基板２０と冷却フィン３０とからなる。銅ベース基板２０は絶縁層２１と回路パターン２２および銅板２３を有し、回路パターン２２には半田層ａ１１によりパワー半導体素子１０が半田付けされる。半導体素子１０には半田層ｂ１２によりリードフレーム１３が半田付けされ、主端子１４が取り付けられる。この状態で、銅ベース基板２０には箱型のケース４０が取り付けられ、両者の接合部が接着剤（図示せず）でシールされ、封止材層４１が充填され、ケース４０の上部に板状の蓋４２が取り付けられる。この状態で、銅ベース基板２０は、熱伝導ペースト６０が塗布された冷却フィン３０に、取付ボルト４３で締付トルクを管理し取付けられパワーモジュール２００は完成される。
【０００３】
パワーモジュールの動作時はパワー半導体素子１０や回路パターン２２に大電流が流れるため、パワー半導体素子１０で発生した熱を銅ベース基板２０から熱伝導ペースト６０を介して冷却フィン３０に伝熱し、冷却することが重要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−８７７３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来のパワーモジュールでは、熱伝導ペースト６０としてグリース状の材料を使用するが、グリース状のため、パワーモジュールの使用中に起こる温度変化により銅ベース基板２０と冷却フィン３０の間に剥離空間（ボイド）が発生したり、グリース材のため材料が長期間の使用において劣化し熱抵抗が増加する問題点がある。
【０００６】
例えば、ΔＴｊ＝１００℃、運転１秒、休止９秒の条件を１サイクルとしてパワーサイクル試験を実施すると、サイクル数の増加にしたがい銅ベース基板２０と冷却フィン３０の間に剥離空間が発生し、パワーモジュールの熱抵抗が増加する傾向が顕著になる。また、−４０℃（３０分間)〜＋１２５℃（３０分間）の条件を１サイクルとしてヒートショック試験を実施すると、パワーサイクル試験と同様にサイクル数の増加とともに銅ベース基板２０と冷却フィン３０の間に剥離空間が発生が増加し、熱抵抗が増加する傾向が顕著になる。
【０００７】
本発明は、上述の問題点を解決するため銅ベース基板２０と冷却フィン３０の間の剥離を防止し、かつ熱抵抗の増加を防止することができる熱伝導シート、およびこれを用いた信頼性の高いパワー半導体装置を提供するものである。
【０００８】
なお、上記特許文献１には、熱伝導ペーストに代えて熱伝導シートを用いる半導体装置が開示されているが、銅ベース基板および冷却フィンとの接着性、熱抵抗がともに優れる熱伝導シートは開示されていない。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するため、本発明の熱伝導シートは、熱伝導層の少なくとも片面に接着層を積層し、加熱、成型したものである。熱伝導層は粒径１０μｍ以上３０μｍ以下の第１の熱伝導フィラーを４０ｗｔ％以上６０ｗｔ％以下、粒径０．１μｍ以上１０μｍ以下の第２の熱伝導フィラーを２０ｗｔ％以上３０ｗｔ％以下、夫々耐熱性エポキシ樹脂に充填したものである。接着層は粒径０．１μｍ以上１０μｍ以下の第３の熱伝導フィラーを２０ｗｔ％以上３０ｗｔ％以下、耐熱性エポキシ樹脂に充填したものである。ここで熱伝導層および接着層の厚さは夫々５０〜１６０μｍ、１０〜２０μｍであることが好ましい。
【００１０】
また、本発明の半導体装置は、半導体素子を搭載した銅ベース基板および冷却フィンを少なくとも含む半導体装置であって、銅ベースと冷却フィンを接着固定する熱伝導シートを備えることを特徴とする。ここで熱伝導シートは、熱伝導層と、その両面に配置された接着層とからなる３層構造であることが好ましい。さらに熱伝導層は、粒径１０μｍ以上３０μｍ以下の第１の熱伝導フィラーを４０ｗｔ％以上６０ｗｔ％以下、粒径０．１μｍ以上１０μｍ以下の第２の熱伝導フィラーを２０ｗｔ％以上３０ｗｔ％以下、夫々耐熱性エポキシ樹脂に充填したものであることが好ましく、また、接着層は、粒径０．１μｍ以上１０μｍ以下の第３の熱伝導フィラーを２０ｗｔ％以上３０ｗｔ％以下、耐熱性エポキシ樹脂に充填したものであることが好ましい。加えて熱伝導フィラーは、窒化ホウ素粉末、窒化ケイ素粉末、アルミナ粉末および石英粉末からなる群より選ばれた少なくとも１種のフィラーを含むことが好ましい。
【００１１】
また、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体素子を搭載した銅ベース基板および冷却フィンを少なくとも含む半導体装置の製造方法であって、上記の熱伝導シートを用意する工程と、この熱伝導シートを銅ベース基板および冷却フィンの間に挟み、加圧、硬化させる工程とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の熱伝導シートは、上記構成により加圧、硬化された場合の接着性、熱抵抗がともに優れるものである。
また、本発明の半導体装置は、銅ベース基板および冷却フィンの間に上記の熱伝導シートを挟んで加圧、硬化させたことにより、銅ベース基板および冷却フィンの間の接着性が優れ、剥離がなく、かつ熱抵抗が優れるものである。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の模式的断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る熱伝導シートの模式的断面図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の模式的断面図である。
【図４】従来の半導体装置の模式的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について、図１〜３を参照して説明する。なお、以下の図面において、同じ機能を有する部材には同一の符号を付した。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るパワーモジュールの模式的断面図である。
【００１５】
パワーモジュール１００は、半導体素子１０を搭載した略方形の銅ベース基板２０と冷却フィン３０とから主に構成される。銅ベース基板２０は絶縁層２１、回路パターン２２および銅板２３を有し、回路パターン２２には半田層ａ１１によりパワー半導体素子１０が半田付けされる。銅板２３は、腐食防止および電腐防止のためにニッケルなどの金属膜が被覆されている。半導体素子１０は、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ：Insulated Gate Bipolar Transistor）およびＦＷＤ（フリーホイーリングダイオード：Free Wheeling Diode）とすることができる。半導体素子１０には半田層ｂ１２によりリードフレーム１３が半田付けされ、主端子１４が取り付けられる。この状態で、銅ベース基板２０の周囲には箱型のケース４０が取り付けられ、両者の接合部が接着剤（図示せず）でシールされ、封止材層４１が充填されている。
【００１６】
封止材層４１として好適に使用されるのはシリコーンゲル材料で、２液混合型の反応材料である。所定量計量したのち混合し０．１Ｔｏｒｒの真空状態で１０分間一次脱泡したのちにケース４０内に注型される。その後、０．１Ｔｏｒｒの真空状態で１０分間２次脱泡し１２０℃、２時間加熱硬化され、続いてケース４０の上部に板状の蓋４２が取り付けられる。この状態で、銅ベース基板２０を熱伝導シート５０を介して冷却フィン３０上に設置し、取付ボルト４３で締付トルクを管理しケース４０を冷却フィン３０に固定し、熱伝導シート５０を１５０℃、１時間加熱硬化することによりパワーモジュール１００が完成する。
【００１７】
熱伝導シート５０は、図２に示すように、熱伝導層５１と、その両面に配置された接着層５２とからなる３層構造であり、熱伝導層５１および接着層５２を積層したものを加熱、成型したものである。各層は、窒化ホウ素粉末、窒化ケイ素粉末、アルミナ粉末および石英粉末からなる群より選ばれた少なくとも１種の熱伝導フィラー（充填剤）を、耐熱性エポキシ樹脂に充填したものである。
【００１８】
熱伝導層５１は、好ましくは、粒径１０μｍ以上３０μｍ以下の熱伝導フィラーを４０ｗｔ％以上６０ｗｔ％以下、粒径０．１μｍ以上１０μｍ以下のものを２０ｗｔ％以上３０ｗｔ％以下、夫々耐熱性エポキシ樹脂に充填、混合し、加熱、成型したものである。熱伝導層５１に粒径の異なる２種類の熱伝導フィラーを充填することにより熱伝導率の向上と絶縁距離の確保を同時に実現することができる。すなわち、粒径１０μｍ以上３０μｍ以下の大きな熱伝導フィラーを配合することにより、銅ベース基板２０と冷却フィン３０の間で加圧硬化された後においても絶縁距離（厚さ）を確保できるとともに、これらの大きな熱伝導フィラーの隙間を、粒径０．１μｍ以上１０μｍ以下の小さな熱伝導フィラーで埋めることにより熱伝導性も良好となる。大きな熱伝導フィラーおよび小さな熱伝導フィラーの粒径は、夫々さらに２０μｍ以上３０μｍ以下、０．１μｍ以上５μｍ以下の範囲とすることが好ましい。なお、熱伝導フィラーの含有率は硬化前のエポキシ樹脂に対するものである。
【００１９】
また、接着層５２は、好ましくは、粒径０．１μｍ以上１０μｍ以下の熱伝導フィラーを２０ｗｔ％以上３０ｗｔ％以下、耐熱性エポキシ樹脂に充填し、加熱、成型したものである。接着層５２は、大きな接着強さを有するとともに高い熱伝導性を備える必要がある。すなわち、熱伝導層５１とは異なり、粒径０．１μｍ以上１０μｍ以下の熱伝導フィラーのみを使用し、接着層５２の厚さを１０μｍ以下することにより、１０ＭＰａ以上の接着強さを達成することができるとともに、最大粒径１０μｍ以下のものを３０ｗｔ％以下添加することにより高い熱伝導性をも達成できる。
【００２０】
なお、熱伝導層５１、接着層５２ともに、０．１μｍより小さい粒径の熱伝導フィラーの含有は不可避な量にとどめるべきである。小さなフィラーを多く含むと樹脂の粘度が上がって、シートとしての成形性、加工性が劣るからである。
【００２１】
上記熱伝導層５１および接着層５２の厚さはそれぞれ５０〜１６０μｍ、１０〜２０μｍが好ましく、合計（熱伝導シート５０）の膜厚は７０〜２００μｍが好ましい。また、銅ベース基板２０と冷却フィン３０の間で加圧、硬化した熱伝導シート５０の膜厚は４０〜１８０μｍが好ましい。
【００２２】
なお、上記の所定粒径の熱伝導フィラーは、例えば、平均粒径１０〜３０μｍの熱伝導フィラを公知の方法により分級し得ることができる。
以下、熱伝導シート５０の製作方法を具体的に説明する。
【００２３】
先ず熱伝導層５１を形成する。ノボラック型の１液性エポキシ樹脂に熱伝導フィラーとして粒径１０μｍ以上で粒径３０μｍ以下の窒化ホウ素粉末（ＢＮ、昭和電工（株）製）を添加量６０ｗｔ％、粒径０．１μｍ以上で粒径１０μｍ以下の窒化ホウ素粉末を添加量３０ｗｔ％配合し、充分な混合を行った後、６０℃に加熱されたロール型ラミネーターで厚さ１００μｍのシートに成型し、熱伝導層５１が形成される。
【００２４】
次に接着層５２を形成する。ノボラック型の１液性エポキシ樹脂に熱伝導フィラーとして粒径０．１μｍで粒径１０μｍ以下の窒化ホウ素粉末（ＢＮ、昭和電工（株）製）を添加量３０ｗｔ％配合し、充分な混合を行った後、６０℃に加熱されたロール型ラミネーターで厚さ２０μｍのシートに成型し、接着層５２が形成される。
【００２５】
さらに、このように形成した熱伝導層５１の両面にそれぞれ接着層５２を積層、配置し、６０℃に加熱されたロール型ラミネーターで厚さ１４０μｍに成型して熱伝導シート５０が製作される。
【００２６】
上記の方法により製作した熱伝導シート５０は、樹脂の硬化反応状態がＢステージ状態であるため、冷蔵保管することにより可使時間を長くとることが可能となる。
熱伝導シート５０を銅ベース基板２０と冷却フィン３０に挟み、接着時に１ＭＰａの加圧力を加えることで熱伝導シート５０は厚さ１２０μｍに潰れた状態となる。これは加圧力により接着層５２が約５０％潰れる状態となるためである。この状態で熱伝導シート５０は、銅ベース基板２０と冷却フィン３０の表面に対して充分にぬれる状態となり、良好な接着状態が得られる。また、接着層５２が潰れることにより、潰れる前より熱伝導フィラーの体積密度が大きくなり、熱伝導率が高くなる。この状態で１５０℃、１時間加熱し、熱伝導シート５０を硬化させる。
【００２７】
接着、硬化後の熱伝導シート５０を評価したところ、熱伝導率は３．８Ｗ／ｍ・Ｋで厚さ１２０μｍでの熱抵抗は０．３Ｋ／Ｗであった。これに対し、従来技術として熱伝導ペースト６０にグリース状材料（信越化学製：Ｇ−７４７（商品名））を使用したところ、熱伝導率１．０Ｗ／ｍ・Ｋで厚さ６０μｍでの熱抵抗は０．６Ｋ／Ｗであった。熱伝導シート５０を使用した場合、熱抵抗は、従来の１／２と良好な性能となる。また、熱伝導ペースト６０のグリース状材料の接着強さは、ほとんどない状態であるが、さらに、ノボラック型エポキシ樹脂を使用することにより熱伝導シート５０の硬化後の熱変形温度が１８０℃となり、低温域の−３０℃から高温域の１７５℃まで１０ＭＰａ以上の接着強さ示し、特に高温域での接着強度の性能維持が図られ、銅ベース基板２０と冷却フィン３０の間の熱伝導機能が高温域において長期の信頼性が得られるパワーモジュール構造となる。
（第２の実施の形態）
図３は、本発明の第２の実施の形態に係るパワーモジュールの模式的断面図である。
【００２８】
パワーモジュール１００は、半導体素子１０を搭載した略方形の銅ベース基板２０と冷却フィン３０ａとから主に構成される。銅ベース基板２０は絶縁層２１、回路パターン２２および銅板２３を有し、回路パターン２２には半田層ａ１１によりパワー半導体素子１０が半田付けされる。半導体素子１０には半田層ｂ１２によりリードフレーム１３が半田付けされ、主端子１４が取り付けられる。この状態で、銅ベース基板２０の周囲には箱型のケース４０ａが取り付けられ、両者の接合部を接着剤（図示せず）でシールされ、封止材層４１が充填される。
【００２９】
封止材層４１として好適に使用されるのはシリコーンゲル材料で、２液混合型の反応材料である。所定量計量したのち混合し０．１Ｔｏｒｒの真空状態で１０分間一次脱泡したのちにケース４０ａ内に注型される。その後、０．１Ｔｏｒｒの真空状態で１０分間２次脱泡し１２０℃、２時間加熱硬化され、続いてケース４０ａの上部に板状の蓋４２が取り付けられる。さらに熱伝導シート５０を銅ベース基板２０と冷却フィン３０ａの間に設置し熱プレス（図示せず）により１ＭＰａの加圧力で１５０℃、１時間の加熱硬化を行うことによりパワーモジュール１００が完成する。
【符号の説明】
【００３０】
１０    パワー半導体素子
１１    半田層ａ
１２    半田層ｂ
１３    リードフレーム
１４    主端子
２０    銅ベース基板
２１    絶縁層
２２    回路パターン
２３    銅板
３０、３０ａ    冷却フィン
４０、４０ａ    ケース
４１    封止材層
４２    蓋
４３    取付ボルト
５０    熱伝導シート
５１    熱伝導層
５２    接着層
１００    パワーモジュール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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