(57)【要約】【課題】電気絶縁性及び熱伝導性に優れ、成形も容易な立体形状の絶縁部材を提供する。【解決手段】熱伝導性フィラーを含有する絶縁性材料からなる平面状の絶縁部１１と、これより相対的に少ない含有量の熱伝導性フィラーを含有するか又は熱伝導性フィラーを含有しない絶縁性材料からなる立体状の絶縁部１２とが一体的に形成されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱伝導性フィラーを含有する絶縁性材料からなる平面状の絶縁部と、これより相対的に少ない含有量の熱伝導性フィラーを含有するか又は熱伝導性フィラーを含有しない絶縁性材料からなる立体状の絶縁部とが一体的に形成されていることを特徴とする立体形状の絶縁部材。
【請求項２】
前記平面状の絶縁部の、前記熱伝導性フィラーの含有量が７０〜９３質量％であることを特徴とする請求項１記載の立体形状の絶縁部材。
【請求項３】
前記平面状の絶縁部と前記立体状の絶縁部との接合部分において、前記平面状の絶縁部の周縁端面と前記立体状の絶縁部の周縁端面とが同じ厚さで突合わされていることを特徴とする請求項１または２記載の立体形状の絶縁部材。
【請求項４】
前記平面状の絶縁部と前記立体状の絶縁部との接合部分において、前記平面状の絶縁部周縁の少なくとも一部が、前記立体状の絶縁部周縁に覆われていることを特徴とする請求項１または２記載の立体形状の絶縁部材。
【請求項５】
前記平面状の絶縁部と前記立体状の絶縁部との接合部分において、前記平面状の絶縁部周縁の主面に、前記立体状の絶縁部周縁が接合されていることを特徴とする請求項１または２記載の立体形状の絶縁部材。
【請求項６】
前記平面状の絶縁部と前記立体状の絶縁部との接合部分において、前記平面状の絶縁部の主面と前記立体状の絶縁部の主面との間に、前記立体状の絶縁部の主面の方が高くなる段部が形成されていることを特徴とする請求項４または５記載の立体形状の絶縁部材。
【請求項７】
半導体装置と、ヒートシンクと、前記半導体装置と前記ヒートシンクとの間に設けられた請求項１〜６の何れかに記載の立体形状の絶縁部材とを有する半導体モジュール。
【請求項８】
熱伝導性フィラーを含有する絶縁性材料からなる平面状の絶縁部と、これより相対的に少ない含有量の熱伝導性フィラーを含有するか又は熱伝導性フィラーを含有しない絶縁性材料からなる立体状の絶縁部とを一体的に成形することを特徴とする立体形状の絶縁部材の製造方法。
【請求項９】
前記平面状の絶縁部を成形する第１工程と、
前記平面状の絶縁部に前記立体状の絶縁部を一体的に成形する第２工程とを有することを特徴とする請求項８記載の絶縁部材の製造方法。
【請求項１０】
前記平面状の絶縁部は、熱伝導性フィラーを含有する絶縁材料を押出成形または圧延成形することにより成形することを特徴とする請求項８または９記載の立体形状の絶縁部材の製造方法。
【請求項１１】
前記立体状の絶縁部は、前記平面状の絶縁部を成形型にセットし、インサート成形することにより成形することを特徴とする請求項１０記載の立体形状の絶縁部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体モジュールなどに用いられる、立体形状の絶縁部材及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体装置などの電子機器を、金属製パッケージを介して金属製ヒートシンクに取り付けることがあり、この場合、金属製パッケージと金属製ヒートシンクとの間を絶縁するためにシリコーンゴム製絶縁シートが介装されたものが知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
この種の絶縁シートは、金属製パッケージと金属製ヒートシンクとの間の電気絶縁性を確保することに加えて、熱伝導性に優れていることが求められる。上記特許文献１には、熱伝導性フィラーを含有するシリコーンゴムで絶縁シートを構成することで電気絶縁性と熱伝導性を両立させることが提案されている。
【０００４】
ところで、電気絶縁性を高めるためには、半導体装置を組み付けたパッケージの周縁についても、沿面絶縁距離を確保すべく絶縁シートを全周にわたって折り曲げて立体形状にすることが望ましい。従来の絶縁シートは平面形状であったため、押出成形や圧延成形により製造していたが、立体形状の絶縁部材を押出成形や圧延成形で製造することはできなかった。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−６４２９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、電気絶縁性及び熱伝導性に優れ、成形も容易な立体形状の絶縁部材及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、熱伝導性フィラーを含有する絶縁性材料からなる平面状の絶縁部と、これより相対的に少ない含有量の熱伝導性フィラーを含有するか又は熱伝導性フィラーを含有しない絶縁性材料からなる立体状の絶縁部とが一体的に形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、電気絶縁性及び熱伝導性の両方の特性を必要とする部位を平面状の絶縁部とし、熱伝導性フィラーを含有する絶縁性材料から構成する。この絶縁部は平面状であるため熱伝導性フィラーの含有量を多くしても容易に成形することができる。
【０００９】
一方、主として電気絶縁性の特性を必要とする部位を立体状の絶縁部とし、熱伝導性フィラーの含有量を上記絶縁部よりも少なく（ゼロを含む）した絶縁性材料から構成する。この絶縁部は熱伝導性フィラーの含有量が少ないため、立体状の成形も容易に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１１】
《第１実施形態》
図１は本発明の第１実施形態に係る絶縁部材を用いた半導体モジュールの要部を示す分解斜視図、図２は図１の各部品を組み立てた状態におけるII-II線に沿う断面図である。
【００１２】
まず、半導体モジュールを構成する立体形状の絶縁部材１、半導体装置２及びヒートシンク３の構成を説明する。この種の半導体モジュールは、半導体装置２を、絶縁部材１を挟んでヒートシンク３に、ネジ４によってネジ止めしたものであり（なお、図１には１つのネジ４のみを図示し、その他のネジは省略する。）、たとえば電気自動車、燃料電池自動車、ハイブリッド自動車などのパワーモジュールとして用いられる。
【００１３】
半導体装置２は、金属製のパッケージ２１内に電極板２２を介して半導体素子２３が実装されることにより構成されている。図２の断面図に示すように、パッケージ２１の半導体素子２３がマウントされる部分には、半導体素子２３と電気的接続をとるための電極板２２が予め設けられており、半導体素子２３は、この電極板２２にハンダまたは導電性接着剤などの接合部材２４により固着されている。
【００１４】
電極板２２は、電気伝導性の高い銅系金属（銅または銅合金）により構成され、パッケージ２１の外側に突出したリード２５Ｕ，２５Ｖ，２５Ｗのうち何れかと接続されている。本例の電極板２２の下面は、図２に示すようにパッケージ２１の底面と面一になるように設けられている。なお、半導体装置２の具体的構成は図示するものに限定されず、他の形態を採用することもできる。
【００１５】
ヒートシンク３は、たとえばアルミニウム、銅、ステンレスなどの金属により構成されている。本例のヒートシンク３は水冷式であり、冷媒を通すための冷媒流路３１が設けられている。なお、ヒートシンク３の具体的構成は図示するものに限定されず、他の形態を採用することもできる。
【００１６】
ところで、半導体素子２３が実装された金属製パッケージ２１は、同じく金属製ヒートシンク３との間で電気的に絶縁しなければならない。
【００１７】
また、半導体素子２３は作動すると自己発熱し、この半導体素子２３からの発熱は、ハンダなどの接合部材２４から電極板２２及びパッケージ２１に伝わるが、半導体素子２３を延命させるために除熱する必要もある。
【００１８】
このため、パッケージ２１とヒートシンク３との間で電気的絶縁をとると同時に、半導体素子２３から生じた熱をヒートシンク３へ効率よく伝えて除熱するために、本実施形態に係る絶縁部材２が、パッケージ２１とヒートシンク３との間に介装されている。
【００１９】
本実施形態に係る絶縁部材２は、平面状の絶縁部１１と、その周囲に位置する立体状の絶縁部１２とから構成され、平面状の絶縁部１１は電気絶縁性に優れるとともに熱伝導性にも優れる特性を有する一方、立体状の絶縁部１２は電気絶縁性に優れるとともに成形性に優れる特性を有する。
【００２０】
本例の平面状の絶縁部１１は、半導体装置２との間で組み立てられた際に、半導体装置２の６つの電極２２が少なくとも接触する大きさ、面積に形成され、より好ましくは図２に示すように電極２２の端部よりも若干オーバーハングする大きさに形成されている。平面的な形状は、図１に示すように矩形であることが歩留まりの観点から好ましい。
【００２１】
この平面状の絶縁部１１は、絶縁性に優れた主材料に熱伝導性に優れた充填材を含有させたもので、たとえば、オルガノポリシロキサンの基材（いわゆるシリコーンゴムの基材）に、熱伝導性フィラーと加硫剤を混ぜて混合し、平面状に押出成形した後に、加熱して加硫することで製造することができる。
【００２２】
このとき用いられる加硫材としては、たとえば、有機過酸化物であるベンゾイルパーオキサイド、２，４−ジクロロベンゾイルパーオキサイド、ターシャリブチルベンゾイルパーオキサイド、ジターシャリブチルパーオキサイド、ジクミルパーオキサイド、２，５−ジメチル２，５−ビス（ターシャリ）ブチルパーオキシ）ヘキサンなどを挙げることができる。本例の平面状の絶縁部１１には、有機過酸化硬化型オルガノポリシロキサンを用いることが好ましい。
【００２３】
また、用いられる熱伝導性フィラーとしては、たとえば、ＺｎＯ、ＴｉＯ２、ＢｅＯ、ＭｇＯ、ＮｉＯＶＯ、ＣｕＯ、ＦｅＯ、ＡｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＡＩＮ、ＢＮ、ＳｉＯ２、ＳｉＣ、ＳｉＮなどの金属酸化物やセラミックスなどを挙げることができる。
【００２４】
本例の平面状の絶縁部１１において、熱伝導性フィラーの含有量は、絶縁部１１の全質量に対して７０〜９３質量％である。熱伝導性フィラーの含有量が７０質量％未満であると、熱伝導性の向上をもたらさないので好ましくない。一方、９３質量％を超えると、ほとんどが熱伝導性フィラーそのものによって形成されることになり、絶縁部自体が脆くなり好ましくない。
【００２５】
本例の平面状の絶縁部１１は、材質的に絶縁性及び熱伝導性の両方の特性に優れ、しかも平板形状であるため、主として圧縮方向の外力が作用するだけであり、耐久性に優れたものとなる。また、平板形状であるため押出成形や圧延成形によっても容易に成形することができる。
【００２６】
これに対して、平面状の絶縁部１１の周囲には、平面状の絶縁部１１の周縁端面と同じ厚さで突合わされて接合された平面部分１２１と、この平面部分１２１の周縁でほぼ直立するように形成された縦壁部分１２２とで構成される立体状の絶縁部１２が一体的に形成されている。
【００２７】
この立体状の絶縁部１２は、絶縁性に優れた主材料を主成分とし、熱伝導性に優れた充填材を全く含有しないものである。そしてたとえば、ビニル基を有するオルガノポリシロキサンの基材（いわゆるシリコーンゴムの基材）と、架橋剤としてのハイドロジェンオルガノポリシロキサンと、熱伝導性フィラーとを白金触媒などの存在下で加熱混合し、立体状に射出成形することで製造することができる。本例の立体状の絶縁部１２には、付加反応型オルガノポリシロキサンを用いることが好ましい。
【００２８】
本例の立体状の絶縁部１２に上記平面状の絶縁部１１と同じ熱伝導性フィラーを用いることができるが、本例では熱伝導性フィラーは全く含有していない。
【００２９】
本例の立体状の絶縁部１２は、半導体装置２の電極２２が直接接触する訳ではないので、成形性に悪影響を与える熱伝導性を抑え、絶縁性の特性を優先させることができる。特に、縦壁部分１２２を形成することで、パッケージ２１又は電極２２とヒートシンク３との沿面絶縁距離が長くなり、平面形状の絶縁部材に比べて格段に絶縁性を高めることができる。
【００３０】
熱伝導性フィラーの含有量が異なる平面状の絶縁部１１と立体状の絶縁部１２とを一体的に成形するには、矩形平面状の絶縁部１１を押出成形または圧延成形により予め成形し、この平面状の絶縁部１１を成形型にセットしてその周囲に立体状の絶縁部１２を射出成形する、いわゆるインサート成形法により製造することができる。平面状の絶縁部１１は熱伝導性フィラーの含有量が相対的に多いので射出成形などの成形法では成形性が悪いが、形状が平面状であることから押出成形法や圧延成形法による成形は容易である。逆に、熱伝導性フィラーの含有量が相対的に少ない立体状の絶縁部１２は射出成形法による成形性が良い。このように、平面状の絶縁部１１と立体状の絶縁部１２を異なる成形法で成形することで、絶縁性と熱伝導性だけでなく成形性にも優れた立体形状の絶縁部材１を得ることができる。
【００３１】
本発明の立体状の絶縁部材１は、上述した押出成形法又は圧延成形法とインサート成形法の組み合わせだけでなく、たとえば二色成形法を利用することができる。なお、上述した押出成形法または圧延成形法とインサート成形法による製造方法は後述する他の実施形態においても採用することができる。
【００３２】
図３はインサート成形法による成形型の断面図であり、インサート成形法の第２工程を示す。本例は図３に示す例の平面状の絶縁部１１と立体状の絶縁部１２との製造順序を逆にした例である。
【００３３】
すなわち、まず、図示しない第１工程において、押出機に注入された材料がダイとニップルの間に設けられた均一な隙間を通り、絶縁部が円筒状に成形される。これをカットして開くことで、平面状の絶縁部１１を形成する。
【００３４】
次いで、図３に示す第２工程において、コア型４１の上面に平面状の絶縁部１１を置き、成形型４２Ｂとコア型４１とを相対的に接近離反可能に設け（成形装置４Ｂ）、これらを型締めしたときに形成されるキャビティ４３Ｂに、注入口４４Ｂから立体状の絶縁部１１を構成する材料を注入する。そして、コア型４１と成形型４２Ｂを型開きすると、平面状の絶縁部１１と立体状の絶縁部１２とが接合して一体となった立体形状の絶縁部材１が得られる。
【００３５】
本例においても、第１工程において、熱伝導性フィラーの含有量が相対的に多い平面状の絶縁部１１を押出成形するが、この絶縁部１１は平板形状で単純な構造であるため熱伝導性フィラーを多く含んでいても不具合なく成形することができる。また第２工程において、立体状の絶縁部１２は複雑な構造であるが、射出成形により注入される材料は熱伝導性フィラーが含有されていないので、不具合なく成形することができる。
【００３６】
《第２実施形態》
図４は本発明の第２実施形態に係る絶縁部材を用いた半導体モジュールの要部断面図であって、図１の各部品を組み立てた状態におけるII-II線断面図に相当する部分の断面図である。以下の第２実施形態から第４実施形態に係る半導体モジュールにおいては、本発明に係る絶縁部材１の構造が相違するだけでその他の半導体装置２及びヒートシンク３の構成は上述した第１実施形態と同じである。
【００３７】
本実施形態の立体状の絶縁部材１は、平面状の絶縁部１１と立体状の絶縁部１２とが一体的に成形された点で上述した第１実施形態と共通するが、これら絶縁部１１,１２の接合部分の構造が相違する。
【００３８】
すなわち、本例の絶縁部材１では、平面状の絶縁部１１と立体状の絶縁部１２との接合部分において、平面状の絶縁部１１の周縁の主面に、立体状の絶縁部１２の周縁が接合されている。換言すれば、平面状の絶縁部１１の周縁の主面にほぼ直角に、縦壁部分１２２のみからなる立体状の絶縁部１２が立設されている。
【００３９】
この場合、平面状の絶縁部１１の厚さ(板厚)と立体状の絶縁部１２の厚さ(板厚)は、等しくても良いし、相違しても良い。また、平面状の絶縁部１１と立体状の絶縁部１２とを一体的に成形するには、上述した第１実施形態と同様に、平面状の絶縁部１１を予め押出成形法または圧延成形法で成形しておき、これを成形型にセットしてその周囲に立体状の絶縁部１２を射出成形するインサート成形法を用いることができる。
【００４０】
本実施形態に係る立体形状の絶縁部材１においても、上述した第１実施形態と同様の作用効果を奏する。
【００４１】
《第３実施形態》
図５は本発明の第３実施形態に係る絶縁部材を用いた半導体モジュールの要部断面図であって、図１の各部品を組み立てた状態におけるII-II線断面図に相当する部分の断面図である。
【００４２】
本実施形態の立体状の絶縁部材１は、平面状の絶縁部１１と立体状の絶縁部１２とが一体的に成形された点で上述した第１実施形態と共通するが、これら絶縁部１１,１２の接合部分の構造が相違する。また、半導体装置１において、電極２２の底面がパッケージ２１の底面から僅かに突出して装着されている点が相違する。
【００４３】
すなわち、平面状の絶縁部１１と立体状の絶縁部１２との接合部分において、平面状の絶縁部１１の周縁が、立体状の絶縁部１２の周縁（平面部分１２１の周縁）に覆われている。換言すれば、立体状の絶縁部１２の平面部分１２１の厚さ(板厚)が平面状の絶縁部１１の厚さ(板厚)よりも厚く形成され、平面状の絶縁部１１の周縁が立体状の絶縁部１２の周縁に埋め込まれたかたちとされている。
【００４４】
これにより、平面状の絶縁部１１と立体状の絶縁部１２の平面部分１２１との接合部分に、立体状の絶縁部１２の方が高くなる段部１３が形成されることになる。この段部１３の高さは、たとえばパッケージ２１からの電極２２の突出寸法とすることが好ましい。
【００４５】
上述したとおり、本例の半導体装置２ではパッケージ２１の底面から電極２２が突出した構造とされているが、図５に示すように立体状の絶縁部１２の平面部分１２１の板厚を、平面状の絶縁部１１の板厚より厚くして段部１３を形成することで、パッケージ２１の底面が立体状の絶縁部１２に接触する一方で、電極２２の底面が平面状の絶縁部１１に接触するので、このような構造の半導体装置２であっても良好に放熱することができる。
【００４６】
《第４実施形態》
図６は本発明の第４実施形態に係る絶縁部材を用いた半導体モジュールの要部断面図であって、図１の各部品を組み立てた状態におけるII-II線断面図に相当する部分の断面図である。
【００４７】
本実施形態の立体状の絶縁部材１は、平面状の絶縁部１１と立体状の絶縁部１２とが一体的に成形された点で上述した第１実施形態と共通するが、これら絶縁部１１,１２の接合部分の構造が相違する。また、半導体装置１において、電極２２の底面がパッケージ２１の底面から僅かに突出して装着されている点が相違する。
【００４８】
すなわち、本例の絶縁部材１では、平面状の絶縁部１１と立体状の絶縁部１２との接合部分において、平面状の絶縁部１１の周縁の主面に、立体状の絶縁部１２の編面部分１２１が接合されている。換言すれば、平面状の絶縁部１１の周縁の主面に、断面がＬ字状の立体状の絶縁部１２が立設されている。このとき、平面部分１２１は平面状の絶縁部１１の主面に沿って延在して接合されているので、その板厚ぶんだけ立体状の絶縁部１２の方が高くなる段部１３が形成されることになる。この段部１３の高さは、たとえばパッケージ２１からの電極２２の突出寸法とすることが好ましい。
【００４９】
上述した第３実施形態と同様に、本例の半導体装置２ではパッケージ２１の底面から電極２２が突出した構造とされているが、図６に示すように立体状の絶縁部１２の平面部分１２１を平面状の絶縁部１１の主面に接合して段部１３を形成することで、パッケージ２１の底面が立体状の絶縁部１２に接触する一方で、電極２２の底面が平面状の絶縁部１１に接触する。これにより、このような構造の半導体装置２であっても良好に放熱することができる。
【００５０】
《第５実施形態》
図７は本発明の第５実施形態に係る絶縁部材を用いた半導体モジュールの要部を示す分解斜視図、図８は図７のIX-IX線に沿う断面図である。
【００５１】
本実施形態の立体状の絶縁部材１は、平面状の絶縁部１１と立体状の絶縁部１２とが一体的に成形された点で上述した第１実施形態と共通するが、平面状の絶縁部１１が複数に分割されて構成されている構造が相違する。
【００５２】
すなわち、図７及び図８に示すように、本例の平面状の絶縁部１１は、半導体装置２の電極２２が設けられた位置に対応して、また電極２２の大きさと同じかそれより僅かに大きい矩形形状で構成され、６つの電極２２に対応して６つの絶縁部１１から構成されている。
【００５３】
平面状の絶縁部１１は熱伝導性フィラーの含有量が多く、この種の熱伝導性フィラーは高価であることから、最も熱伝導性が必要とされる部分にのみ平面状の絶縁部１１を配置することで、安価な絶縁部材１を提供することができる。
【００５４】
また、熱伝導性フィラーの含有量が多い平面状の絶縁部１１はシリコーンゴムなどの絶縁性材料の含有量が相対的に少なくなるので、引張強度や伸び率が低下する。一方、半導体モジュールでは、半導体装置２の発熱やヒートシンク３の冷却などの温度変化が大きいので、その間に挟んで設けられる絶縁部材１は引張強度が高く、伸び率が大きい特性を有することが望ましい。
【００５５】
そこで、本例のように最も温度変化が大きい、パッケージ２１とヒートシンク３との当接面に相当する絶縁部材の主面を、熱伝導性フィラーの含有量が大きい平面状の絶縁部１１と、熱伝導性フィラーの含有量がゼロか相対的に少ない立体状の絶縁部１２とで構成することにより、温度変化に対する引張強度や伸び率は立体状の絶縁部１２で吸収することができ、耐温度サイクル性などの信頼性も向上させることができる。
【００５６】
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る絶縁部材を用いた半導体モジュールの要部を示す分解斜視図である。
【図２】図１のII-II線に沿う断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る絶縁部材を製造する例を示す成形型の断面図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る絶縁部材を用いた半導体モジュールの要部断面図（図１のII-II線断面に相当する図）である。
【図５】本発明の第３実施形態に係る絶縁部材を用いた半導体モジュールの要部断面図（図１のII-II線断面に相当する図）である。
【図６】本発明の第４実施形態に係る絶縁部材を用いた半導体モジュールの要部断面図（図１のII-II線断面に相当する図）である。
【図７】本発明の第５実施形態に係る絶縁部材を用いた半導体モジュールの要部を示す分解斜視図である。
【図８】図７のIX-IX線に沿う断面図である。
【符号の説明】
【００５８】
１…立体形状の絶縁部材
１１…平面状の絶縁部
１２…立体状の絶縁部
２…半導体装置
２１…パッケージ
２２…電極
２３…半導体素子
３…ヒートシンク
３１…冷媒流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
2008124129.tif 000005
【図４】
2008124129.tif 000006
【図５】
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【図６】
2008124129.tif 000008
【図７】
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【図８】
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