JP2005064291A - 絶縁シートおよびこの絶縁シートを用いた半導体装置組立体 - Google Patents

Abstract

【課題】 絶縁性を低下させることなく熱伝導性を向上することができる絶縁シートを提供する。
【解決手段】 半導体装置２０とヒートシンク３０との間に設けられる絶縁シート１であって、オルガノポリシロキサンの基材に、７０〜９３質量％の熱伝導性フィラーを含有し、この絶縁シート中の導電性不純物の量が５００ｐｐｍ以下であることを特徴とする。
【選択図】 図４

Description

本発明は、絶縁シートおよびこの絶縁シートを用いた半導体装置組立体に関する。

半導体装置の中には、内部の半導体素子の損失による熱を逃がすために金属製のパッケージ（一部が金属製のものも含む）を用いて、このパッケージをさらにヒートシンク（冷却器）にネジ止めなどによって固定して用いるものがある。

このような半導体装置は、パッケージの全部または一部が金属製のであるため、通常、金属製のヒートシンクとの間を絶縁するために、半導体装置とヒートシンクとの間に絶縁シートを挟んで固定している（たとえば特許文献１参照）。

このような用途に用いられる従来の絶縁シートは、シリコーンゴムに熱伝導性フィラーを混ぜ込むことで熱伝導性を高めている。したがって、熱伝導性を向上させるためには、シリコーンゴムに混入させる熱伝導性フィラーの量を多くすることになる。
特開２００１−１１０９８５号公報

しかしながら、熱伝導性を向上させるために熱伝導性フィラーを多く含ませると、この熱伝導性フィラー中の金属不純物が多くなり絶縁破壊が起き易くなるといった問題があった。また、同じく熱伝導性フィラーを多く含ませると、シリコーンゴムの可とう性が失われるため、半導体素子のオン／オフなどによる温度サイクルが加わった場合、また、使用環境の温度変化による温度サイクルが加わった場合に、絶縁シートの熱による膨張収縮に対する耐性が無くなって絶縁シートに亀裂が発生し、絶縁不良を引き起こすといった問題もあった。

そこで、本発明の目的は、絶縁性を低下させることなく熱伝導性を向上させた絶縁シートを提供することである。

また、本発明の他の目的は、絶縁性、熱伝導性のよい半導体装置組立体を提供することである。

上記諸目的を達成するための本発明は、オルガノポリシロキサンの基材に、７０〜９３質量％の熱伝導性フィラーを含有してなる絶縁シートであって、当該絶縁シート中の導電性不純物の量が５００ｐｐｍ以下であることを特徴とする絶縁シートである。

また、本発明は、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本発明による絶縁シートと、を有することとを特徴とする半導体装置組立体である。

本発明によれば、熱伝導性フィラーに含まれる導電性不純物の含有量と絶縁シートの熱伝導性フィラー含有量とが関係する絶縁シート中の導電性不純物の量を５００ｐｐ以下としたので、絶縁シートの絶縁性を低下させることなく熱伝導性を向上させることができる。また、この絶縁シートを、半導体装置とヒートシンクとの間に設けたので、絶縁性、熱伝導性のよい半導体組立体を得ることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

（第１の実施の形態）
本発明を適用した第１の実施の形態は、半導体装置用の絶縁シートである。

この絶縁シートは、オルガノポリシロキサンの基材に、熱伝導性フィラーと加硫剤を混ぜて混合し、絶縁シート状に成型した後に、加熱して加硫させたものである。

用いる加硫材としては、たとえば、有機化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）ヘキサンなどがある。

熱伝導性フィラーの含有量は、絶縁シートの全質量に対して７０〜９３質量％である。ここで、熱伝導性フィラーの含有量が７０質量％未満であると、従来からある絶縁シートと変わりがなく、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％を超えて多く含有させた場合には、殆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、シート自体がもろくなり好ましくない。

用いる熱伝導性フィラーとしては、たとえば、ＺｎＯ、ＴｉＯ_２、ＢｅＯ、ＭｇＯ、ＮｉＯＶＯ、ＣｕＯ、ＦｅＯ、ＡｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡＩＮ、ＢＮ、ＳｉＯ_２、ＳｉＣ、ＳｉＮなどの金属酸化物やセラミックスなどがある。

そして、これら熱伝導性フィラーに不純物として含まれる鉄のような導電性不純物の量は、絶縁シートの全質量に対して５００ｐｐｍ以下となるように管理する。

これは、絶縁シートの全質量に対して５００ｐｐｍを超えて導電性不純物が多く存在すると、絶縁シートを薄くした場合に、相対的に絶縁性が低下するためである。

具体的には、たとえば熱伝導性フィラーとして、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）を用いる場合、素原料となるアルミニウムに純度９９．９９％以上のものを用いて、これを空気中または高純度酸素中で加熱することにより酸化することで、熱伝導性フィラー中の導電性不純物を５００ｐｐｍ以下にし、結果として絶縁シートの全質量に対しても４６５ｐｐｍ以下、すなわち、５００ｐｐｍ以下にすることができる。

図１は、絶縁シート中の熱伝導性フィラーによる電気伝導の様子を説明するためのモデル図である。

図１（ａ）に示すように、絶縁シート１内では、熱伝導性フィラー２に含まれる導電性不純物３が絶縁破壊パス４を形成する。したがって、導電性不純物が多い熱伝導性フィラー２の充填率（含有量）を高くすると、図１（ｂ）に示すように、熱伝導性フィラー２の増加に伴って絶縁破壊パス４が増えて、絶縁破壊が起きやすくなる。

これに対し、導電性不純物３が少ない（または存在しない）熱伝導性フィラー２では、図１（ｃ）に示すように、その充填率（含有量）を高くすると、絶縁破壊パス４は同じように増加するものの、一つひとつの絶縁破壊パス４は導電性不純物３の量が少ないため、電気抵抗が非常に高く絶縁破壊に至る電圧が高くなっている。このため、絶縁破壊パス４が増えてもトータルの絶縁性は低下することがない。また、導電性不純物が非常に少ない場合（またはまったく無ければ）には、絶縁破壊パス自体の形成も抑えられて、その分さらにトータルの絶縁性が向上すると考えられる。

したがって、熱伝導性フィラーを増加させても高い絶縁性を維持したまま熱伝導率を上げることが可能となる。

具体的には、熱伝導性フィラー中の導電性不純物として鉄分含有量を見ると、５００ｐｐｍ以下に管理することで、絶縁シートの厚さが０．２ｍｍのとき、ＡＣ１．５ｋＶ以上の耐圧を維持したまま、熱伝導性フィラーの含有量を７０質量％以上に高めて、熱伝導率を約１．５倍にまで高めることができる。

ここでは、導電性不純物として鉄を挙げているが、他の導電性の成分であっても、絶縁シート中の導電性不純物の量として５００ｐｐｍ以下にすることが好ましい。

なお、熱伝導性フィラー中の導電性不純物含有量の下限値は、好ましくは０ｐｐｍであるが、これは完全に導電性不純物を除去することが難しいため、後述する実施例からわかるように、５００ｐｐｍ以下であれば十分である。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態は、熱伝導性フィラーに、あらかじめ表面処理を施し、基材であるオルガノポリシロキサンとの分散性を向上させ、かつ、絶縁シートの物理特性を向上することで絶縁シートに可とう性を付与したものである。

熱伝導性フィラーの表面処理は、シリコーンオイル、変性シリコーンオイル、またはシランカップリング剤（以下シリコーンオイルなどと称する）によって、熱伝導性フィラーを処理するものである。

その他の条件は前述した第１の実施の形態と同様である。すなわち、オルガノポリシロキサンの基材に導電性不純物の含有量が５００ｐｐｍ以下の熱伝導性フィラーを絶縁シートの全質量に対して７０〜９３質量％含有させたものである。

熱伝導性フィラーのシリコーンオイルなどによる処理は、熱伝導性フィラーの粉末をシリコーンオイル、変性シリコーンオイル、またはシランカップリング剤を添加して撹拌した後、加熱乾燥させるものである。この処理におけるシリコーンオイル、変性シリコーンオイル、またはシランカップリング剤の添加量は、熱伝導性フィラーに対して０．１〜５質量％程度である。この添加量は、熱伝導性フィラーの表面を処理するために十分な量であればよく、限定されないが、少なすぎると、熱伝導性フィラーの表面が十分に処理されないため好ましくなく、一方、多すぎても酸化されやすくなって好ましくない。また、加熱乾燥時間は、熱伝導性フィラーが十分に乾く時間であればよい。

なお、変性シリコーンオイルとは、たとえば、下記化学式に示すようなジメチルシリコーンオイルの場合、その側鎖の一部、両末端、または片末端のメチル基をフェニル基、フロロアルキル基以外の有機基で置換したものである。

図２は、熱伝導性フィラー表面のモデル図である。

絶縁シートに可とう性が付与されるメカニズムの詳細は現時点では不明であるが、熱伝導性フィラーをシリコーンオイルなどによって処理することで、熱伝導性フィラーの物質表面５０に存在するＯＨ基とシリコーンオイルが持つＯＨ基が脱水縮合反応により結合したり、物質表面５０のくぼみ５１などにシリコーンオイルなどの分子鎖が入り込んで吸着されたりすることが考えられる。

このように熱伝導性フィラー表面において脱水縮合反応または吸着が起こることによって熱伝導性フィラー表面付近のＯＨ基が多くなって、熱伝導性フィラーと絶縁シートの基材であるオルガノポリシロキサンとの相溶性が高くなる。このため熱伝導性フィラーを高充填した場合でも、絶縁シートの可とう性が失われることなく、絶縁シートとして十分な可とう性が付与されるようになったものと推定される。

半導体装置とヒートシンクとの間の絶縁に、この絶縁シートを用いた場合、半導体素子のオン／オフ、また、使用環境による温度変化などによる温度サイクルが加えられた場合でも、半導体装置やヒートシンクの熱膨張や収縮に追従して伸び縮みするため、温度サイクルが加わった場合における絶縁不良の発生を防止することができる。

図３は、この絶縁シートを半導体装置に用いた場合の温度変化による状態変化を説明するためのモデル図である。なお、図において一点鎖線は半導体装置を固定するネジの中心位置を示す。

たとえば、半導体装置２０における半導体素子の電極が銅、ヒートシンク３０がアルミニウムで構成される場合（半導体装置の詳細構造は後述する第３の実施の形態参照）、線膨張係数が銅よりもアルミニウムの方が大きい。

このため、図３（ａ）に示すように、常温時において、半導体装置２０、絶縁シート１、およびヒートシンク３０がいずれも定常状態のとき、低温時においては、図３（ｂ）に示すように、半導体装置２０を固定する複数のネジ間距離がヒートシンク３０の線膨張係数によって支配されるため、ヒートシンク３０の上部にある半導体装置２０の縮みが少なく、全体が上に凸の反りを示す。逆に、高温時においては、ヒートシンク３０の上部にある半導体装置２０の伸びが少ないため、全体が下に凸の反りを示す。特に、高温時においては、固定したネジ間のピッチが広がり、絶縁シートを引き裂く力が作用することになる。このとき、本第２の実施の形態による絶縁シートは可とう性が十分にあるため、亀裂が入らず絶縁不良が発生しないのである。

（第３の実施の形態）
第３の実施の形態は、上述した第１または第２の実施の形態による絶縁シートを介して半導体装置とヒートシンクとを接続した半導体装置組立体である。この半導体装置組立体は、車両用パワーモジュールと称されている装置の一例である。

図４は、絶縁シートを介した半導体装置とヒートシンクとの接続状態を説明するための分解斜視図であり、図５は、絶縁シートを介した半導体装置とヒートシンクとの接続状態を示す断面図である。なお、図においては、主要部のみを示し、たとえば半導体装置の封止材およびボンディングワイヤーなどは図示省略した。

この半導体装置組立体１０は、半導体装置２０を、第１または第２の実施の形態による絶縁シート１を介してヒートシンク３０に、ネジ４０によってネジ止めしたものである。

半導体装置２０は、金属製のパッケージ台座２１内に半導体素子２２がマウントされている。

パッケージ台座２１内の半導体素子２２がマウントされる部分には、半導体素子２２と電気的接続をとるための電極板２３があらかじめ設けられている。半導体素子は、この電極板２３にハンダまたは導電性接着剤などの接合部材２９により固着されている。

電極板２３は、パッケージ外側のリード２４、２５、２６のうちいずれかと接続されている。なお、どのリードと接続されているかは半導体装置の種類やパッケージの規格などにより異なる。

また、パッケージ台座２１には、固定用の穴２７が開口されており、同様に、絶縁シート１にもこの穴２７に対応した位置に穴１１が開けられている。

そして、パッケージ台座２１の穴２７および絶縁シート１の穴１１にネジ４０を通してヒートシンク３０に開けられているネジ穴３１にネジ止めされる。

半導体装置２０の電極板２３には、電気伝導性の高い銅系金属（銅または銅合金）が使用されている。

樹脂封止（不図示）は、半導体素子２２がマウントされている部分のみ、またはパッケージ台座２１の上全体を覆うように封止されている。なお、パッケージ台座２１全体を樹脂封止する場合には、樹脂封止された部分の穴２７に対応した位置にネジ止めのための穴が開口されている。

樹脂封止に使用される樹脂は、絶縁性が高く耐熱性のある樹脂が使用される。たとえば、ポリフェニンレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、エポキシ（ＥＰ）、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン（ＡＢＳ）などの樹脂材料が用いられる。

なお、半導体装置としては、このような樹脂封止の代わりに金属製の缶体により封止されたものもあり、本第３の実施の形態は、そのような金属製缶体封止のものであっても適用可能である。

絶縁シート１には、上述した第１の実施の形態または第２の実施の形態による絶縁シートを用いる。

ヒートシンク３０は、たとえばアルミニウム、銅、ステンレスなどの金属製である。ここでこのヒートシンク３０は水冷式であり、冷媒を通るための冷媒通路３２が設けられている。

半導体素子２２からの発熱は、電極板２３、接合部材２９、および絶縁シート１を介してヒートシンク３０へ伝わり、ヒートシンク３０の冷媒通路３２を流れる冷媒３５によって抜熱される。

このように、本第３の実施の形態においては、半導体装置２０とヒートシンク３０との間に、上述した第１の実施の形態または第２の実施の形態による絶縁シートを用いたことで、半導体装置からヒートシンクへの熱の伝わりが良くなり、従来よりも発熱量の多い半導体装置を使用することや、高温環境下での使用が可能となる。

たとえば、自動車用の半導体装置では、使用環境温度が、低温は−２０〜３０℃程度から、高温は＋１００℃程度までの温度範囲に曝されることになるため、このような環境下における半導体装置とヒートシンクとの接続に適したものとなる。

以下、さらに実施例により本発明の具体例を説明する。

熱伝導性フィラー、およびその中の導電性不純物の含有量を変えて実際に絶縁シートを製作し、絶縁シートの物性、耐圧、および熱伝導率の評価を行った。物性は、硬度、引張強さ、伸び率、および引裂強さである。物性と耐圧の評価はＪＩＳ Ｋ６２４９「未硬化および硬化シリコーンゴムの試験方法」に基づいて行った。熱伝導性の評価は、ホットワイヤ法により、ここでは、京都電子工業株式会社製の迅速熱伝導率計「ＱＴＭ−５００」を用いて行った。

また、導電性不純物の含有量は、ＩＣＰ−ＭＳ（高周波プラズマ照射による定量分析）法により、鉄分の含有量を測定した。鉄分以外の導電性不純物については、測定限界以下であるため、今回の測定値には無関係である。

各実施例および比較例における熱伝導性フィラーの含有量、熱伝導性フィラー中の導電性不純物の含有量などの構成条件を表１に、評価結果を表２に示す。なお、表１においては、熱伝導性フィラーの含有量をフィラー量と、熱伝導性フィラー中の導電性不純物の含有量を電導物量と、絶縁シート全体の導電性不純物の含有量を総電導物量と、それぞれ表示した。その他の項目は項目どおりである。また、各実施例および比較例における絶縁シートの厚さは、０．２ｍｍとした。

以下、各実施例および比較例について説明する。

（実施例１〜３、および比較例１、２）
オルガノポリシロキサンの基材に、熱伝導性フィラーとして昭和電工株式会社製アルミナ（酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３））粉「ＡＬ３０」を用いて、その含有量を変えて加硫剤と共に混合し、絶縁シート状に成型した後に、加熱、加硫させて絶縁シートを製作した。なお、熱伝導性フィラー中の導電性不純物の含有量は、各実施例、比較例共に５００ｐｐｍ以下となるようにした。また、製作した絶縁シートの厚さは０．２ｍｍとした。

表１および表２から、絶縁シートの全質量に対して熱伝導性フィラーの含有量が７０質量％以上のとき、熱伝導率が向上していることがわかる。なお、耐圧については、実施例と同じように熱伝導性フィラーの導電性不純物（ここでは鉄分）の含有量を５００ｐｐｍ以下としているので、比較的よい値となっている。

ただし、熱伝導フィラーの含有量が９３質量％を超えると、シート自体が硬く、もろくなることがわかる。

（実施例１〜３、比較例３）
上記実施例１〜３に対して、熱伝導性フィラー中の導電性不純物含有量の異なる比較例３を製作した。

実施例１〜３と比較例３は、熱伝導率については実施例２、３がより優れているものの、いずれも良好な値を示している。

一方、耐圧については、実施例１〜３が比較例３と比べて明らかに良くなっている。これは、絶縁シート全体の導電性不純物の含有量によって絶縁性シート全体の耐圧が左右されることを示しているものである。したがって、本発明のように、絶縁シート中の導電性不純物の量を５００ｐｐｍ以下とすることが有効であることがわかる。

（実施例４および５）
実施例４は、熱伝導性フィラーとして、東洋アルミニウム株式会社製窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粉「ＴＯＹＡＬＮＩＴＥ Ｒ１５Ｓ」（平均粒径１５μｍ）を用い、これをＧＥ東芝シリコーン株式会社製シリコーンオイル「ＹＦ３９０５」により処理したものを用いた。

処理方法は、上記窒化アルミニウム粉をミキサーに投入し、撹拌しながら上記シリコーンオイルを添加した。シリコーンオイルの添加量は、窒化アルミニウムの０．０５質量％である。添加後３０分撹拌した後、２００℃のオーブンで１時間加熱乾燥した。

この熱伝導性フィラーをオルガノポリシロキサンの基材に加硫剤と共に混合し、絶縁シート状に成型した後に、加熱、加硫させて絶縁シートを製作した。なお、熱伝導性フィラー中の導電性不純物の含有量は、５００ｐｐｍ以下となるようにした。また、製作した絶縁シートの厚さは０．２ｍｍとした。

実施例５は、熱伝導性フィラーとして、昭和電工株式会社製アルミナ（酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３））粉「ＡＬ３０」を用い、これを日本ユニカー株式会社製シランカップリング剤「Ａ２７４」により処理したものを用いた。

処理方法は、上記アルミナをミキサーに投入し、撹拌しながら、同量のメタノールで希釈した上記シランカップリング剤を添加した。シランカップリング剤の添加量は、アルミナの０．１〜５質量％であり、十分にアルミナに行き渡るようにようすを見ながら添加した。添加後３０分撹拌した後、５０〜２００℃のオーブンで３０分〜１時間加熱乾燥した。温度および乾燥時間は、処理した量に応じてこの範囲内で変更した。

この熱伝導性フィラーをオルガノポリシロキサンの基材に加硫剤と共に混合し、絶縁シート状に成型した後に、加熱、加硫させて絶縁シートを製作した。なお、熱伝導性フィラー中の導電性不純物の含有量は、５００ｐｐｍ以下となるようにした。また、製作した絶縁シートの厚さは０．２ｍｍとした。

これら実施例４および５と、上記実施例１〜３について、上記評価のほかに、さらに、温度サイクル試験を行った。この温度サイクル試験は、気相式冷熱衝撃試験機（エスペック株式会社製「ＴＳＡ−７１Ｓ」）を使用して、−４０〜１２０℃で最低温度および最高温度における保持時間１５〜６０分、途中常温さらし５分により複数のサンプルを用いて実施した。

表１および表２に示した結果から、オイルまたはシランカップリング剤によって熱伝導性フィラーを処理することで可とう性を付与した実施例４および５では、さまざまな保持時間において６００サイクル経過後でも耐圧の低下は無かった。これに対し、熱伝導性フィラーが実施例４および５とほぼ同じ含有量である実施例１（オイル処理なし）では、複数のサンプルのいずれもが２００サイクル経過後までにすべて耐圧低下が発生した。

なお、可とう性については、耐圧ＡＣ１．５ｋＶ以上、熱伝導性５Ｗ／ｍＫ以上を確保した上で、硬度５０〜９０、引張強さ１．７〜１０ＭＰａ、伸び３５〜２００％を確保することが好ましい。これは、熱伝導性フィラーの量、シリコーンオイルまたはシランカップリング剤による処理条件を変えることで、これら範囲にすることができる。

さらに、前記実施例１と同じ構成条件にて、絶縁シートの厚さを変えて耐圧についてのみ評価したところ、０．１５〜０．３ｍｍ程度であることが好ましいことがわかった。これは、０．１ｍｍ程度とした場合、耐圧が低くなり絶縁シートとしての絶縁性能が低下した。一方、０．３ｍｍを超えて厚くした場合には、熱伝導性フィラーを多くしても熱伝導性に改善が見られず、厚くすればするほど熱伝導性が悪くなるため好ましくないものである。

絶縁シート中の熱伝導性フィラーによる電気伝導の様子を説明するためのモデル図である。 熱伝導性フィラー表面のモデル図である。 絶縁シートを半導体装置に用いた場合の温度変化による状態変化を説明するためのモデル図である。 絶縁シートを介した半導体装置とヒートシンクとの接続状態を説明するための分解斜視図である。 絶縁シートを介した半導体装置とヒートシンクとの接続状態を示す断面図である。

符号の説明

１…絶縁シート
１０…半導体装置組立体
２０…半導体装置
３０…ヒートシンク

Claims (6)

1. オルガノポリシロキサンの基材に、７０〜９３質量％の熱伝導性フィラーを含有してなる絶縁シートであって、
   当該絶縁シート中の導電性不純物の量が５００ｐｐｍ以下であることを特徴とする絶縁シート。
2. 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前記請求項１記載の絶縁シートと、
   を有することとを特徴とする半導体装置組立体。
3. 前記熱伝導性フィラーに表面処理を施すことで、前記絶縁シートに可とう性を付与したことを特徴とする請求項２記載の半導体装置組立体。
4. 前記絶縁シートは、耐圧が交流１．５ｋＶ以上、熱伝導性が５Ｗ／ｍＫ以上、硬度が５０〜９０、引張強さが１．７〜１０ＭＰａ、伸びが３５〜２００％であることを特徴とする請求項２または３記載の半導体装置組立体。
5. 前記表面処理は、前記熱伝導性フィラーに、シリコーンオイル、変性シリコーンオイル、またはシランカップリング剤を添加して攪拌後、加熱乾燥する処理であることを特徴とする請求項３または４記載の半導体装置組立体。
6. 車両用に用いられることを特徴とする請求項２〜５のいずれか一つに記載の半導体装置組立体。

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