JP2015082652A - Polymer sheet and semiconductor module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ポリマーシート及び半導体モジュールに関し、より詳しくは、半導体素子と、該半導体素子の下方に配され前記半導体素子が発する熱が伝達される金属板と、該金属板の下方に配され前記金属板から前記熱が伝達される放熱器と、前記半導体素子及び前記金属板を覆う樹脂モールドとを備え、前記放熱器と前記金属板との間を絶縁する電気絶縁層をさらに備えた半導体モジュール及び前記電気絶縁層を形成するポリマーシートに関する。 The present invention relates to a polymer sheet and a semiconductor module. More specifically, the present invention relates to a semiconductor element, a metal plate disposed below the semiconductor element, to which heat generated by the semiconductor element is transmitted, and disposed below the metal plate. A semiconductor module comprising: a heat radiator that transfers heat from a metal plate; and a resin mold that covers the semiconductor element and the metal plate; and an electric insulating layer that insulates between the heat radiator and the metal plate And a polymer sheet forming the electrical insulating layer.
従来、半導体素子と、該半導体素子の熱を外部放熱する放熱器とが樹脂モールドによって一体化された半導体モジュールが広く用いられている。
この種の半導体モジュールは、通常、前記放熱器がアルミニウムや銅などの金属製で且つ該放熱器が外部露出した状態となっていることから安全性を確保する目的で半導体素子と放熱器との間に電気絶縁層が形成されたりしている。
この電気絶縁層は、従来、無機フィラーが高充填されたポリマーシートやセラミックスプレートで形成されている。
ここで、セラミックスプレートによって電気絶縁層を形成させる方法は、セラミックスプレートと放熱器とをロウ付けする方法や、グリーンシートを放熱器上で焼成する方法などが知られている。
このようにセラミックスプレートで電気絶縁層を形成させるのには手間が掛かるのに対しポリマーシートによって電気絶縁層を形成させる場合は、熱プレスなどの簡便な手法を採用可能である。
2. Description of the Related Art Conventionally, a semiconductor module in which a semiconductor element and a radiator that radiates heat from the semiconductor element to the outside are integrated by a resin mold has been widely used.
In this type of semiconductor module, the radiator is usually made of a metal such as aluminum or copper and the radiator is exposed to the outside. An electrical insulating layer is formed between them.
This electrical insulating layer is conventionally formed of a polymer sheet or a ceramic plate highly filled with an inorganic filler.
Here, as a method of forming an electrical insulating layer with a ceramic plate, a method of brazing a ceramic plate and a radiator, a method of firing a green sheet on a radiator, and the like are known.
In this way, it takes time to form the electrical insulating layer with the ceramic plate, but when forming the electrical insulating layer with the polymer sheet, a simple method such as hot pressing can be employed.
ただし、ポリマーシートは、通常、セラミックスプレートに比べて熱伝導性に優れた電気絶縁層を形成させることが難しい。
そのため、電気絶縁層の形成にポリマーシートを利用する場合は、放熱器の上に前記電気絶縁層を介して直接半導体素子を搭載させると、半導体素子が瞬間的に大きな熱を発生させた際に当該半導体素子の温度上昇を抑制することが難しくなる。
従って、従来のこの種の半導体モジュールは、例えば、電気絶縁層と半導体素子との間に一時的に半導体素子から熱を奪うための金属板が介装されたりしている。
However, it is usually difficult for a polymer sheet to form an electrical insulating layer having excellent thermal conductivity as compared with a ceramic plate.
Therefore, when using a polymer sheet for forming an electrical insulating layer, when a semiconductor element is mounted directly on the radiator via the electrical insulating layer, when the semiconductor element momentarily generates large heat, It becomes difficult to suppress the temperature rise of the semiconductor element.
Therefore, in this type of conventional semiconductor module, for example, a metal plate for temporarily removing heat from the semiconductor element is interposed between the electrical insulating layer and the semiconductor element.
この半導体素子と電気絶縁層との間に金属板を配して半導体素子が発する熱を金属板に伝達させることに関し、例えば、下記特許文献１には、リードフレームを半導体素子の下面に接着させることが記載されており、半導体素子の搭載地点において板面を略水平としたリードフレームと、複数のフィンを有する放熱器と、該放熱器と前記リードフレームとの間に形成された電気絶縁層とを有する半導体モジュールが下記特許文献１に記載されている。
即ち、特許文献１記載の半導体モジュールは、金属板によって形成されたリードフレームを半導体素子の下面に接着させることで半導体素子に大きな発熱が生じた場合でも発生した熱を前記リードフレームに素早く伝達させて半導体素子に過度な温度上昇が生じないように構成されている。
For example, in Patent Document 1 below, a lead frame is bonded to the lower surface of a semiconductor element by disposing a metal plate between the semiconductor element and the electrical insulating layer to transmit heat generated by the semiconductor element to the metal plate. A lead frame whose plate surface is substantially horizontal at the mounting point of the semiconductor element, a radiator having a plurality of fins, and an electrical insulating layer formed between the radiator and the lead frame The semiconductor module which has these is described in the following patent document 1.
That is, in the semiconductor module described in Patent Document 1, the generated heat is quickly transferred to the lead frame even when a large amount of heat is generated in the semiconductor element by bonding a lead frame formed of a metal plate to the lower surface of the semiconductor element. Thus, the semiconductor element is configured not to cause an excessive temperature rise.
前記のような半導体モジュールは、通常、電気絶縁層を構成するポリマーシートの無機フィラー含有量が増大されたり電気絶縁層が薄肉化されたりすることで、半導体素子から放熱器までの熱抵抗が低減され、放熱性が向上され得る。
その一方で、半導体モジュールは、電気絶縁層における無機フィラー含有量を過大なものとしたり、電気絶縁層の厚みを過度に薄くしたりすると電気絶縁層が割れやすくなって絶縁信頼性を低下させるおそれを有する。
さらに、半導体モジュールは、電気絶縁層における無機フィラー含有量を過大なものとすると金属板や放熱器と当該電気絶縁層との接着性を良好な状態とすることが困難になり、界面剥離による絶縁信頼性の低下が生じるおそれが有る。
In the semiconductor module as described above, the thermal resistance from the semiconductor element to the radiator is usually reduced by increasing the inorganic filler content of the polymer sheet constituting the electrical insulation layer or reducing the thickness of the electrical insulation layer. Thus, heat dissipation can be improved.
On the other hand, in the semiconductor module, if the inorganic filler content in the electrical insulation layer is excessive or the thickness of the electrical insulation layer is excessively thin, the electrical insulation layer is liable to break and the insulation reliability may be reduced. Have
Furthermore, if the inorganic filler content in the electrical insulating layer is excessive, it becomes difficult for the semiconductor module to have good adhesion between the metal plate or radiator and the electrical insulating layer. There is a risk that reliability may be reduced.
即ち、電気絶縁層がポリマーシートによって形成されている従来の半導体モジュールは、優れた放熱性と優れた絶縁信頼性との両立を図ることが困難であるという問題を有している。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、半導体モジュールの電気絶縁層の形成に適したポリマーシートを提供することによって優れた放熱性と優れた絶縁信頼性との両立がなされた半導体モジュールを提供することを課題としている。
That is, the conventional semiconductor module in which the electrical insulating layer is formed of a polymer sheet has a problem that it is difficult to achieve both excellent heat dissipation and excellent insulation reliability.
The present invention has been made in view of the above problems, and provides a polymer sheet suitable for the formation of an electrical insulating layer of a semiconductor module, thereby achieving both excellent heat dissipation and excellent insulation reliability. The challenge is to provide modules.
本発明者は、前記課題を解決すべく、鋭意検討したところ、金属板の外周縁よりも外側で電気絶縁層が樹脂モールドに接着されている箇所においては、樹脂モールドの硬化収縮や放熱器と樹脂モールドとの線膨張係数の違いなどによって電気絶縁層に剥離方向への応力を作用させ易く、この応力によって電気絶縁層の剥離や割れを生じさせ易くなっていることを見出した。
そして、本発明者は、この電気絶縁層の外周部分の低弾性率化を図ることで前記応力が生じても電気絶縁層に剥離や割れが生じ難くなることを見出して本発明を完成させるに至った。
The present inventor has intensively studied to solve the above-mentioned problems, and in the place where the electrical insulating layer is bonded to the resin mold outside the outer peripheral edge of the metal plate, the resin mold is cured and contracted and the heat sink and It has been found that stress in the peeling direction is easily applied to the electrical insulating layer due to a difference in coefficient of linear expansion from the resin mold, and the electrical insulation layer is easily peeled or cracked by this stress.
Then, the present inventor has found that the lowering of the elastic modulus of the outer peripheral portion of the electrical insulating layer makes it difficult for the electrical insulating layer to be peeled off or cracked even if the stress is generated. It came.
即ち、ポリマーシートに係る本発明は、半導体素子と、該半導体素子の下方に配され前記半導体素子が発する熱が伝達される金属板と、該金属板の下方に配され前記金属板から前記熱が伝達される放熱器と、前記半導体素子及び前記金属板を覆う樹脂モールドとを備え、前記放熱器と前記金属板との間を絶縁する電気絶縁層をさらに備えた半導体モジュールに用いられ、前記電気絶縁層の形成に用いられるポリマーシートであって、外周部と、該外周部よりも内側の中央部とが異なるポリマー組成物によって形成されており、前記中央部の面積が前記金属板の下面よりも大面積で、該中央部が前記放熱器の上面と前記金属板の下面とに接着され且つ前記外周部が前記放熱器の上面と前記樹脂モールドの下面とに接着されて前記電気絶縁層の形成に用いられ、前記外周部が前記中央部よりも低弾性率であることを特徴としている。 That is, the present invention relating to a polymer sheet includes a semiconductor element, a metal plate disposed below the semiconductor element, to which heat generated by the semiconductor element is transmitted, and a metal plate disposed below the metal plate from the metal plate. Is used in a semiconductor module further comprising an electrical insulating layer that insulates between the heatsink and the metal plate, and a heatsink to which the heatsink is transmitted, and a resin mold that covers the semiconductor element and the metal plate. A polymer sheet used for forming an electrical insulating layer, wherein an outer peripheral portion and a central portion inside the outer peripheral portion are formed of different polymer compositions, and an area of the central portion is a lower surface of the metal plate The electrical insulation layer has a larger area, the central portion is bonded to the upper surface of the radiator and the lower surface of the metal plate, and the outer peripheral portion is bonded to the upper surface of the radiator and the lower surface of the resin mold. Form of Used, it is characterized in that the outer peripheral portion is a low elastic modulus than the central portion.
また、半導体モジュールに係る本発明は、半導体素子と、該半導体素子の下方に配され前記半導体素子が発する熱が伝達される金属板と、該金属板の下方に配され前記金属板から前記熱が伝達される放熱器と、前記半導体素子及び前記金属板を覆う樹脂モールドとを備え、前記放熱器と前記金属板との間にポリマーシートによって形成された電気絶縁層をさらに備えた半導体モジュールであって、前記電気絶縁層は、外周部と、該外周部よりも内側の中央部とが異なるポリマー組成物によって形成されており、前記中央部の面積が前記金属板の下面よりも大面積で、該中央部が前記放熱器の上面と前記金属板の下面とに接着され且つ前記外周部が前記放熱器の上面と前記樹脂モールドの下面とに接着されており、前記外周部が前記中央部よりも低弾性率であることを特徴としている。 Further, the present invention relating to a semiconductor module includes a semiconductor element, a metal plate disposed below the semiconductor element to which heat generated by the semiconductor element is transmitted, and disposed below the metal plate and from the metal plate to the heat plate. A semiconductor module further comprising an electrical insulating layer formed of a polymer sheet between the radiator and the metal plate, and a radiator mold that covers the semiconductor element and the metal plate. The electrical insulating layer is formed of a polymer composition having a different outer peripheral portion and a central portion inside the outer peripheral portion, and the area of the central portion is larger than the lower surface of the metal plate. The central portion is bonded to the upper surface of the radiator and the lower surface of the metal plate, and the outer peripheral portion is bonded to the upper surface of the radiator and the lower surface of the resin mold, and the outer peripheral portion is the central portion. Than It is characterized by a low modulus of elasticity.
樹脂モールドの硬化収縮や、放熱器と樹脂モールドとの線膨張係数の違いによって半導体モジュールに生じる応力は、通常、電気絶縁層の平面方向中央部よりも外周部の方に強く作用し易いが、本発明の半導体モジュールにおいては、電気絶縁層の外周部が中央部よりも低弾性率となっている。
従って、本発明の半導体モジュールは、前記のような応力が生じた場合でも前記外周部が弾性変形されて前記応力が緩和され得る。
即ち、本発明の半導体モジュールは、当該外周部における応力緩和作用により電気絶縁層が剥離してしまうおそれを従来の半導体モジュールに比べて抑制させ得る。
なお、電気絶縁層の中央部は、前記のような応力が加わり難いため、従来の半導体モジュールと同様に無機フィラーを高充填させても剥離等の問題生じるおそれが低い。
即ち、本発明によれば優れた放熱性と優れた絶縁信頼性との両立がなされた半導体モジュールが提供され得る。
The stress generated in the semiconductor module due to the curing shrinkage of the resin mold and the difference in the linear expansion coefficient between the radiator and the resin mold usually tends to act more strongly on the outer peripheral portion than the central portion in the planar direction of the electrical insulating layer. In the semiconductor module of the present invention, the outer peripheral portion of the electrical insulating layer has a lower elastic modulus than the central portion.
Therefore, in the semiconductor module of the present invention, even when the stress as described above is generated, the outer peripheral portion is elastically deformed and the stress can be relaxed.
That is, the semiconductor module of the present invention can suppress the possibility that the electrical insulating layer is peeled off due to the stress relaxation action at the outer peripheral portion as compared with the conventional semiconductor module.
In addition, since the stress as described above is difficult to be applied to the central portion of the electrical insulating layer, there is a low possibility of causing problems such as peeling even when highly filled with an inorganic filler as in the conventional semiconductor module.
That is, according to the present invention, a semiconductor module in which both excellent heat dissipation and excellent insulation reliability are achieved can be provided.
以下に、本発明の好ましい実施の形態について図を参照しつつ説明する。
まず、半導体モジュールについて説明する。
図１は、本実施形態の半導体モジュールの概略正面図であり、図２は、同半導体モジュールの概略平面図である。
また、図３は、本実施形態の半導体モジュールの内部構造を示す概略断面図であり、図２におけるＡ−Ａ’線矢視断面図である。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, the semiconductor module will be described.
FIG. 1 is a schematic front view of the semiconductor module of the present embodiment, and FIG. 2 is a schematic plan view of the semiconductor module.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the internal structure of the semiconductor module of the present embodiment, and is a cross-sectional view taken along line AA ′ in FIG.
図に示すように、本実施形態の半導体モジュールは、平面視矩形で扁平な直方体形状を有しており、天面から２本の端子を上向きに突出させている。
なお、以下においては、図１、３正面視「縦方向」を半導体モジュールの「上下方向」として本発明の実施形態を説明するとともにこの「上下方向」を「垂直方向」や「厚み方向」と称することがある。
また、以下においては、図１、３正面視「横方向」を半導体モジュールの「左右方向」として本発明の実施形態を説明するとともにこの「左右方向」を「水平方向」や「平面方向」と称することがある。
As shown in the figure, the semiconductor module of the present embodiment has a flat rectangular parallelepiped shape in plan view, and has two terminals protruding upward from the top surface.
In the following, the embodiment of the present invention will be described with the “vertical direction” in FIG. 1 and FIG. 3 viewed from the front as the “vertical direction” of the semiconductor module, and the “vertical direction” will be referred to as “vertical direction” and “thickness direction”. Sometimes called.
In the following, the embodiment of the present invention will be described with the “horizontal direction” in FIG. 1 and FIG. 3 viewed from the front as the “left and right direction” of the semiconductor module, and the “left and right direction” is referred to as “horizontal direction” and “planar direction”. Sometimes called.
本実施形態の半導体モジュール１００は、厚み方向中央部、且つ、平面方向中央部となる位置に半導体素子１０を有している。
また、本実施形態の半導体モジュール１００は、前記半導体素子１０が発する熱が伝達される金属板であるとともに前記半導体素子１０への導電路となるリード部材２０を備え、該リード部材２０の下方に前記リード部材２０から前記熱が伝達される放熱器３０を有している。
さらに、前記半導体モジュール１００は、前記放熱器と前記金属板との間にポリマーシートによって形成された電気絶縁層４０を有している。
The
In addition, the
Furthermore, the
本実施形態における前記リード部材２０は、長板状の金属製部材が長手方向の途中において略直角に折り曲げられた形状を有しており、半導体モジュール内において板面が略水平方向となるように配された水平部２１と該水平部２１の一端から上方に向けて垂直に延びる垂直部２２とを有し、該垂直部２２の上端部によって前記端子を形成させている。
本実施形態の半導体モジュール１００は、半導体素子１０の下方に前記水平部２１が配されており、該水平部２１の上面２１ａが前記半導体素子１０の下面１０ｂと接着されるとともに当該接着箇所においてリード部材２０と半導体素子１０との電気的な接続がなされている。
The
In the
また、本実施形態の半導体モジュール１００は、半導体素子１０を水平部上面に搭載したリード部材２０とは別のリード部材２０’をさらに備えている。
なお、以下においては、半導体素子１０を搭載したリード部材２０を「第一リード部材」と称し、これとは別のリード部材２０’を「第二リード部材」と称する。
In addition, the
In the following, the
前記第二リード部材２０’は、第一リード部材２０と同様に水平部２１’と垂直部２２’とを有し、前記水平部２１’と前記半導体素子１０とがボンディングワイヤー６０によって電気的に接続され、垂直部２２’の上端部が前記第一リード部材２０とは別に端子を形成する状態となって半導体モジュール１００に備えられている。
The
なお、本実施形態の半導体モジュール１００においては、前記第一リード部材２０の水平部２１の下面２１ｂ、及び、前記第二リード部材２０’の水平部２１’の下面２１ｂ’が前記電気絶縁層４０’の上面１０ａに接着されており、該電気絶縁層４０’の下面４０ｂは前記放熱器３０の上面３０ａに接着されている。
そして、本実施形態における前記放熱器３０は、冷媒を流通させて強制冷却を行うことが可能な冷却器となっており、金属製ブロックの内部に前記冷媒を流通させるための流路３１を備えた構造となっている。
In the
The
また、本実施形態の半導体モジュール１００には、電気絶縁層４０の上面４０ａよりも上側に樹脂モールド５０が形成されており、前記半導体素子１０、前記第一リード部材２０、及び、前記第二リード部材２０’を覆う形で前記樹脂モールド５０が形成されている。
従って、前記電気絶縁層４０の上面４０ａは、前記第一リード部材２０、及び、前記第二リード部材２０’と接着されている領域以外において前記樹脂モールド５０の下面５０ｂに接着されている。
Further, in the
Accordingly, the
この電気絶縁層４０の形成には図４に概略平面図を示したポリマーシート１が使用されており、該ポリマーシート１は、平面方向における中央部１１と該中央部１１よりも外側の外周部１２とが異なるポリマー組成物によって形成されている。
従って、前記電気絶縁層４０は、前記ポリマーシート１の中央部１２によって形成される中央部４１と、前記ポリマーシート１の外周部１２によって形成される外周部４２とが異なる特性を有している。
なお、ポリマーシート１は、前記中央部１１の面積が前記第一リード部材２０の水平部２１の下面２１ｂよりも大面積となるように形成されている。
そして、前記電気絶縁層４０は、前記ポリマーシート１の中央部１１を前記放熱器３０の上面３０ａと前記水平部２１の下面２１ｂとに接着させ且つ前記外周部１２を前記放熱器３０の上面と前記樹脂モールド５０の下面とに接着させる形で半導体モジュール１００に備えられている。
The polymer sheet 1 shown in a schematic plan view in FIG. 4 is used to form the electrical insulating
Therefore, the electrical insulating
The polymer sheet 1 is formed such that the area of the
The electrical insulating
ここで、前記樹脂モールド５０は、通常、従来の半導体モジュールなどと同様に加熱溶融状態の樹脂組成物を注型成形する方法などによって形成され得る。
その場合、前記電気絶縁層４０の外周部４２は、樹脂モールド５０の硬化収縮による応力を中央部４１よりも強く受けることになる。
また、半導体モジュール１００の動作時と休止時とにおける温度の違い、樹脂モールド５０と放熱器３０との熱膨張係数との違いなどによって樹脂モールド５０と電気絶縁層４０との界面に生じる応力や放熱器３０と電気絶縁層４０との界面に生じる応力などについても外周部４２の方が中央部４１よりも強く作用しやすい。
このため、本実施形態の半導体モジュール１０は、放熱器３０と電気絶縁層４０との界面剥離、樹脂モールド５０と電気絶縁層４０との界面剥離、電気絶縁層４０の割れなどを抑制して当該半導体モジュール１０の絶縁信頼性を確保する上において前記ポリマーシート１の外周部１２が中央部１１よりも低弾性率となっている。
即ち、本実施形態の半導体モジュール１０は、前記のような応力の加わり易い電気絶縁層４０の外周部４２を中央部４１よりも低弾性率にすることで前記応力を当該外周部で吸収させ易くし、電気絶縁層４０に界面剥離や割れが発生することを抑制している。
Here, the
In that case, the outer
Further, stress and heat dissipation generated at the interface between the
For this reason, the
That is, the
一方で、前記中央部１１は、半導体素子１０から放熱器３０までの間に良好なる伝熱パスを形成させる上において外周部１２よりも高い熱伝導率を有していることが好ましい。
即ち、本実施形態の半導体モジュール１０は、電気絶縁層４０の中央部４１の熱抵抗を外周部４２よりも低くして半導体素子１０に大きな発熱が生じた場合でも当該半導体素子１０の温度上昇が抑制されるように形成されることが好ましい。
On the other hand, the
That is, in the
このポリマーシート１の中央部１１や外周部１２の形成に用いるポリマー組成物の内、中央部１１を形成させるポリマー組成物（以下「第一ポリマー組成物」ともいう）は、上記効果をより確実に発揮させる上においてポリマー成分と無機フィラー成分とを含み、該無機フィラー成分を高い体積割合で含有するものが好ましい。
ただし、電気絶縁層４０に優れた電気絶縁性を発揮させるべく、第一ポリマー組成物のみならず外周部１２の形成に用いるポリマー組成物（以下「第二ポリマー組成物」ともいう）には、イオン成分量の少ない無機フィラーを含有させることが好ましい。
なお、前記ポリマーシート１の中央部１１や外周部１２、或いは、前記電気絶縁層４０の中央部４１や外周部４２は、ＪＩＳ Ｃ２１３９によって測定される体積抵抗率が１×１０13Ω・ｃｍ以上となるように形成されることが好ましい。
Among the polymer compositions used for forming the
However, in order to exhibit excellent electrical insulation in the electrical insulating
The
前記第一ポリマー組成物のポリマー成分は、一般的なポリマーシートの形成に用いられている樹脂やゴムの１種以上により構成させることができる。
この樹脂としては、熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂を例示でき、この内、熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、エチレン−酢酸ビニル共重合体樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリスチレン樹脂、フェノキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエーテルアミドイミド樹脂、ポリエーテルスルフィド樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂などが挙げられる。
また、前記ポリマー成分として熱硬化性樹脂を採用するのであれば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂などが挙げられる。
さらに、前記ポリマー成分として採用可能なゴムを例示すると、例えば、天然ゴム、ポリイソプレンゴム、スチレン−ブタジエン共重合体ゴム、ポリブタジエンゴム、エチレン−プロピレン共重合体ゴム、エチレン−プロピレン−ジエン共重合体ゴム、ブタジエン−アクリロニトリル共重合体ゴム、イソブチレン−イソプレン共重合体ゴム、クロロプレンゴム、シリコンゴム、フッソゴム、クロロ・スルホン化ポリエチレン、ポリウレタンゴムなどが挙げられる。
The polymer component of the first polymer composition can be composed of one or more kinds of resins and rubbers used for forming a general polymer sheet.
Examples of this resin include thermoplastic resins and thermosetting resins. Among these resins, examples of thermoplastic resins include polyethylene resins, polypropylene resins, ethylene-vinyl acetate copolymer resins, polyvinyl chloride resins, polystyrene resins, and phenoxy. Examples include resins, acrylic resins, polyamide resins, polyamideimide resins, polyimide resins, polyetheramideimide resins, polyethersulfide resins, polyphenylene sulfide resins, and polyetherimide resins.
Moreover, if a thermosetting resin is employ | adopted as said polymer component, an epoxy resin, a phenol resin, etc. will be mentioned.
Further, examples of rubber that can be used as the polymer component include natural rubber, polyisoprene rubber, styrene-butadiene copolymer rubber, polybutadiene rubber, ethylene-propylene copolymer rubber, and ethylene-propylene-diene copolymer. Examples thereof include rubber, butadiene-acrylonitrile copolymer rubber, isobutylene-isoprene copolymer rubber, chloroprene rubber, silicon rubber, fluorine rubber, chlorosulfonated polyethylene, and polyurethane rubber.
なかでも、第一ポリマー組成物のポリマー成分としては、リード部材２０，２０’や放熱器３０などの金属製品に対して優れた接着性を示すとともに耐熱性にも優れていることからエポキシ樹脂を採用することが好ましい。
しかも、前記ポリマー成分としては、エポキシ当量４５０〜２０００ｇ／ｅｑの常温固体のビスフェノールＡ型エポキシ樹脂と、エポキシ当量１６０〜２２０ｇ／ｅｑの８７℃から９３℃の間に軟化点を有するノボラック型エポキシ樹脂とが合計で９０質量％以上含有されていることが好ましく、前記ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂とノボラック型エポキシ樹脂との質量比率が４０：６０〜６０：４０となっていることが好ましい。
なお、このエポキシ樹脂のエポキシ当量は、ＪＩＳ Ｋ ７２３６により求めることができ、軟化点はＪＩＳ Ｋ ７２３４の環球法により求めることができる。
Among these, as the polymer component of the first polymer composition, epoxy resin is used because it exhibits excellent adhesion to metal products such as the
Moreover, as the polymer component, a normal temperature solid bisphenol A type epoxy resin having an epoxy equivalent of 450 to 2000 g / eq and a novolac type epoxy resin having a softening point between 87 ° C. and 93 ° C. of an epoxy equivalent of 160 to 220 g / eq. And 90% by mass or more in total, and the mass ratio of the bisphenol A type epoxy resin and the novolak type epoxy resin is preferably 40:60 to 60:40.
The epoxy equivalent of this epoxy resin can be determined according to JIS K 7236, and the softening point can be determined according to the ring and ball method of JIS K 7234.
このようにポリマー成分の主成分としてエポキシ樹脂を採用する場合には前記第一ポリマー組成物には、さらに、エポキシ樹脂の硬化剤、硬化促進剤を含有させることができる。
この硬化剤としては、特に限定されるものではないが、例えば、ジアミノジフェニルスルホン、ジシアンジアミド、ジアミノジフェニルメタン、トリエチレンテトラミンなどのアミン系硬化剤、フェノールノボラック樹脂、アラルキル型フェノール樹脂、ジシクロペンタジエン変性フェノール樹脂、ナフタレン型フェノール樹脂、ビスフェノール系フェノール樹脂などのフェノール系硬化剤、酸無水物などを用いることができる。
なかでも、電気絶縁層４０に電気特性における信頼性を確保し易い点において、フェノールノボラック樹脂、ジアミノジフェニルスルホンが好適である。
前記硬化促進剤としては、特に限定されるものではないが、イミダゾール類や、トリフェニルフォスフェイト（ＴＰＰ）、三フッ化ホウ素モノエチルアミンなどのアミン系硬化促進剤が保存性などにおいて好適である。
Thus, when employ | adopting an epoxy resin as a main component of a polymer component, the said 1st polymer composition can be made to contain the hardening | curing agent and hardening accelerator of an epoxy resin further.
The curing agent is not particularly limited, and examples thereof include amine curing agents such as diaminodiphenyl sulfone, dicyandiamide, diaminodiphenylmethane, and triethylenetetramine, phenol novolac resins, aralkyl type phenol resins, and dicyclopentadiene-modified phenols. Resin, phenolic curing agents such as naphthalene type phenolic resin and bisphenolic phenolic resin, acid anhydrides and the like can be used.
Among these, phenol novolac resin and diaminodiphenyl sulfone are preferable in that it is easy to ensure reliability in the electrical characteristics of the electrical insulating
The curing accelerator is not particularly limited, but amine-based curing accelerators such as imidazoles, triphenyl phosphate (TPP), and boron trifluoride monoethylamine are preferable in terms of storage stability.
前記無機物フィラー成分は、ポリマー製品に熱伝導性を発揮させるために広く一般に採用されているものを採用することができるが、なかでも窒化ホウ素が熱伝導性に優れており好適である。
しかも、窒化ホウ素の板状の一次粒子が凝集した粒子（凝集粒子）を用いることが好ましい。
この凝集粒子としては、全体顆粒状を呈する状態に形成された凝集粒子（顆粒状粒子）や窒化ホウ素の一次粒子の鱗片状構造が区別できる程度に集合された集合状態を呈する凝集粒子（集合状粒子）などを用いることができる。
As the inorganic filler component, those widely adopted in general for exhibiting thermal conductivity in polymer products can be adopted, and boron nitride is particularly preferred because of its excellent thermal conductivity.
Moreover, it is preferable to use particles (aggregated particles) obtained by agglomerating plate-like primary particles of boron nitride.
As the aggregated particles, aggregated particles (granular particles) formed in an overall granular state or aggregated particles (aggregated state) exhibiting an aggregated state aggregated to such an extent that the scaly structure of the primary particles of boron nitride can be distinguished. Particles) and the like.
なお、前記第一ポリマー組成物には、形成させるポリマーシート１の厚みなどにもよるが、通常、１０〜２００μｍの平均粒径を有する凝集粒子を含有させ得る。
なお、この“平均粒径”については、例えば、レーザー回折法での粒度分布測定を実施してＤ５０値を測定することにより求めることができる。
In addition, although it depends on the thickness of the polymer sheet 1 to be formed, etc., the first polymer composition can usually contain aggregated particles having an average particle size of 10 to 200 μm.
The “average particle diameter” can be obtained, for example, by measuring the D50 value by measuring the particle size distribution by a laser diffraction method.
また、前記無機フィラー成分としては、このような窒化ホウ素以外の物質（例えば、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化ガリウム、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、二酸化ケイ素、ダイヤモンド等）で形成された無機物粒子も含有させ得る。 The inorganic filler component may also contain inorganic particles formed of a substance other than boron nitride (for example, aluminum nitride, silicon nitride, gallium nitride, aluminum oxide, silicon carbide, silicon dioxide, diamond, etc.). obtain.
なお、第一ポリマー組成物には、優れた熱伝導性と優れた接着性とを発揮させる上において前記無機フィラーを５０％体積以上７０体積％以下含有させることが好ましく、前記無機フィラーを５５体積％以上６５体積％以下含有させることがより好ましい。 The first polymer composition preferably contains 50% by volume or more and 70% by volume or less of the inorganic filler in order to exhibit excellent thermal conductivity and excellent adhesiveness, and 55% by volume of the inorganic filler. More preferably, the content is from 65% to 65% by volume.
また、ここでは詳述しないが、この第一ポリマー組成物には、上記のようなポリマー成分、無機物フィラー成分など以外に、分散剤、粘着性付与剤、老化防止剤、酸化防止剤、加工助剤、安定剤、消泡剤、難燃剤、増粘剤、顔料などといったゴム、プラスチック配合薬品として一般に用いられるものを適宜加えることができる。 Although not described in detail here, in addition to the polymer component and the inorganic filler component as described above, the first polymer composition includes a dispersant, a tackifier, an anti-aging agent, an antioxidant, a processing aid. Agents, stabilizers, antifoaming agents, flame retardants, thickeners, pigments, etc., rubber, plastics and other commonly used chemicals can be added as appropriate.
一方でポリマーシート１の前記外周部１２を形成させる第二ポリマー組成物としては、第一ポリマー組成物と同様の材料構成で、単に無機フィラー成分の割合が第一ポリマー組成物に比べて低くされて第一ポリマー組成物よりも低弾性率にされたものや、ポリマー成分にゴムが含有されて第一ポリマー組成物よりも低弾性率化されたものなどを採用することができる。
また、第一ポリマー組成物のポリマー成分がエポキシ樹脂を主成分としている場合であれば、このエポキシ樹脂の一部、又は、全部がゴム変性エポキシに置き換えられることによって第一ポリマー組成物よりも低弾性率化されたものを第二ポリマー組成物として採用することができる。
On the other hand, the second polymer composition for forming the outer
Further, when the polymer component of the first polymer composition is mainly composed of an epoxy resin, a part or all of the epoxy resin is replaced with rubber-modified epoxy so that it is lower than the first polymer composition. What was made into elastic modulus can be employ | adopted as a 2nd polymer composition.
なお、前記外周部１２を形成させる第二ポリマー組成物としては、無機フィラー成分の主成分を二酸化珪素粒子とすることが好ましい。
また、第二ポリマー組成物は、エポキシ樹脂及び／又はフェノール樹脂をポリマー成分の主成分とし、エラストマーをさらに含有させることが好ましい。
該エラストマーは、ポリマー成分に占める割合が、２５質量％以上３５質量％以下となるように第二ポリマー組成物に含有させることが好ましい。
該エラストマー以外の前記ポリマー成分における前記エポキシ樹脂及び前記フェノール樹脂は、質量割合（エポキシ樹脂：フェノール樹脂）が３：２〜１：１となるように第二ポリマー組成物に含有させることが好ましい。
該第二ポリマー組成物における前記エラストマーは、アクリル系エラストマー（メタクリル酸エチルやアクリル酸アルキルの重合物）やその他のゴムなどを採用することができ、前記エポキシ樹脂や前記フェノール樹脂は、第一ポリマー組成物において例示のものと同様のものを採用することができる。
本実施形態の第二ポリマー組成物は、熱硬化性を有することが好ましく、第一ポリマー組成物と同様に硬化剤を含有させることができる。
なお、該硬化剤としては、フェノール系硬化剤以外のアミン系硬化剤や酸無水物系硬化剤とすることが好ましい。
In addition, as a 2nd polymer composition which forms the said outer
The second polymer composition preferably contains an epoxy resin and / or a phenol resin as a main component of the polymer component and further contains an elastomer.
The elastomer is preferably contained in the second polymer composition such that the proportion of the polymer component is 25% by mass or more and 35% by mass or less.
The epoxy resin and the phenol resin in the polymer component other than the elastomer are preferably contained in the second polymer composition so that the mass ratio (epoxy resin: phenol resin) is 3: 2 to 1: 1.
As the elastomer in the second polymer composition, an acrylic elastomer (polymer of ethyl methacrylate or alkyl acrylate) or other rubber can be adopted, and the epoxy resin or the phenol resin is the first polymer. The same composition as exemplified in the composition can be employed.
It is preferable that the 2nd polymer composition of this embodiment has thermosetting, and can contain a hardening | curing agent similarly to a 1st polymer composition.
The curing agent is preferably an amine curing agent other than a phenol curing agent or an acid anhydride curing agent.
さらに、第二ポリマー組成物は、架橋シリコーンポリマーや各種ゴムをベースポリマーとしたものであっても良い。 Furthermore, the second polymer composition may be a polymer based on a crosslinked silicone polymer or various rubbers.
なお、前記第一ポリマー組成物が前記電気絶縁層４０の中央部４１を３Ｗ／ｍ・Ｋ以上２０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の熱伝導率とし得るように配合調整されることが好ましい一方で前記第二ポリマー組成物は、樹脂モールド５０及び放熱器３０と、電気絶縁層４０との間に作用する応力の緩和作用の方が熱伝導性に関する作用よりも重要で、通常、電気絶縁層４０の外周部４２を０．２Ｗ／ｍ・Ｋ以上３Ｗ／ｍ・Ｋ以下の熱伝導率とし得るように配合調整される。
その一方で、第二ポリマー組成物は、電気絶縁層４０の外周部４２を中央部４１に比べて１５０００ＭＰａ以上の低弾性率なものとし得るように配合されていることが好ましい。
具体的には、第二ポリマー組成物は、外周部４２の２５℃における引張り弾性率を３０００ＭＰａ以上２００００ＭＰａ以下とし得るように配合されることが好ましい。
The first polymer composition is preferably blended and adjusted so that the
On the other hand, it is preferable that the 2nd polymer composition is mix | blended so that the outer
Specifically, the second polymer composition is preferably blended so that the tensile elastic modulus at 25 ° C. of the outer
なお、電気絶縁層４０の外周部４２や中央部４１の弾性率についてはＪＩＳ Ｋ７２４４−４「プラスチック−動的機械特性の試験方法−第４部：引張振動−非共振法」に従って、動的粘弾性測定装置（ＤＭＡ）を用いて測定することができる。
The elastic modulus of the outer
本実施形態におけるポリマーシート１は、薄い方が中央部１１の熱抵抗を低くすることができて放熱性に有利となる反面、所定以上の厚みを有している方が絶縁信頼性を確保しやすい。
また、本実施形態におけるポリマーシート１は、外周部１２に対して優れた応力緩和作用を発揮させる上においても所定以上の厚みを有している方が好ましい。
このような点において、前記ポリマーシート１（中央部１１、及び、外周部１２）は、５０μｍ以上３００μｍ以下の厚みとされることが好ましい。
The polymer sheet 1 in the present embodiment can reduce the thermal resistance of the
Further, the polymer sheet 1 in the present embodiment preferably has a predetermined thickness or more in order to exert an excellent stress relaxation effect on the outer
In such a point, it is preferable that the polymer sheet 1 (the
このようなポリマーシート１は、従来の一般的なポリマーシートと同様の製造方法にて作製することができ、このようなポリマーシート１を使って半導体モジュール１００の電気絶縁層４０を形成させる方法についても従来と同様の方法を採用することができる。
Such a polymer sheet 1 can be produced by the same manufacturing method as a conventional general polymer sheet, and a method for forming the electrical insulating
具体的には、中央部１１と外周部１２とを形成させるためのシートを別々に作製し、これらのシートから、中央部形状のシート片、及び、外周部形状のシート片をそれぞれ切り出し、該シート片を組み合わせて一体化させることで本実施形態の半導体モジュール１００に組み込むポリマーシート１を作製することができる。
Specifically, sheets for forming the
なお、シート片どうしを一体化させてポリマーシートを形成させるのは、要すれば、放熱器上で実施してもよい。
即ち、予めポリマーシートを形成させた後に該ポリマーシートを放熱器に積層して電気絶縁層を形成させるのではなく、放熱器の上にシート片をセットしたものを熱プレスなどにかけてこれらを接着一体化させてポリマーシートの形成と電気絶縁層の形成とを同時に行うようにしてもよい。
また、放熱器の上にシート片をセットし、半導体素子の搭載されたリード部材をさらにセットしてインジェクション金型内に収容し、この金型内に加熱溶融されたモールド用の樹脂を注入して樹脂モールドを形成させるとともに前記モールド用樹脂の注入圧力と樹脂温度（熱容量）とによってシート片どうし、シート片と放熱器、及び、シート片とリード部材とを接着一体化させるようにしても良い。
即ち、ポリマーシートの形成は、半導体モジュールの形成と同時に行うようにしてもよい。
The polymer sheet may be formed by integrating the sheet pieces, if necessary, on a radiator.
That is, instead of forming a polymer sheet in advance and then laminating the polymer sheet on a radiator to form an electrical insulation layer, a sheet piece set on the radiator is applied to a heat press or the like to bond them together. The formation of the polymer sheet and the formation of the electrical insulating layer may be performed simultaneously.
Also, a sheet piece is set on the radiator, a lead member on which a semiconductor element is mounted is further set and accommodated in an injection mold, and a mold resin heated and melted is injected into the mold. In addition, the resin mold may be formed and the sheet pieces may be bonded to each other by the injection pressure and the resin temperature (heat capacity) of the molding resin, and the sheet piece and the radiator, and the sheet piece and the lead member may be bonded and integrated. .
That is, the polymer sheet may be formed simultaneously with the formation of the semiconductor module.
なお、樹脂モールドを形成させた後、当該樹脂モールドが冷え固まる過程において生じる硬化収縮により、樹脂モールドと電気絶縁層との界面には半導体モジュールの中心に向けての応力が働き、この応力が半導体モジュールの外周部において、電気絶縁層と放熱器との界面や電気絶縁層と樹脂モールドとの界面を剥離させる方向の力となって作用することになる。
そして、通常、電気絶縁層の外周縁に近い箇所ほど前記応力が強く作用することになるが、本実施形態の電気絶縁層は、外周部が低弾性率となっているために前記応力を緩和させることができる。
しかも、前記電気絶縁層は、外周部が低弾性率であるため、ポリマーシートと放熱器との接着に際して厚み方向に同じ圧力を作用させた場合でも、中央部に比べて外周部の方がアンカー効果を発揮させやすくなる。
即ち、本実施形態の半導体モジュールにおいては、電気絶縁層の外周部を放熱器や樹脂モールドに対して接着性に優れたものとすることができる。
従って、本実施形態の半導体モジュールは、電気絶縁層の上下両面における界面剥離が生じ難く、しかも、該電気絶縁層の外周部に生じた割れがリード部材の近傍にまで波及して絶縁信頼性が損なわれるおそれも抑制され得る。
Note that after the resin mold is formed, the stress shrinks toward the center of the semiconductor module at the interface between the resin mold and the electrical insulating layer due to curing shrinkage that occurs in the process of cooling and solidifying the resin mold. In the outer peripheral part of the module, it acts as a force in a direction to peel off the interface between the electric insulation layer and the heatsink and the interface between the electric insulation layer and the resin mold.
Usually, the stress is more strongly applied to the portion closer to the outer peripheral edge of the electrical insulating layer. However, the electrical insulating layer of the present embodiment relaxes the stress because the outer peripheral portion has a low elastic modulus. Can be made.
In addition, since the outer peripheral portion of the electrical insulating layer has a low elastic modulus, even when the same pressure is applied in the thickness direction when the polymer sheet and the radiator are bonded, the outer peripheral portion is anchored compared to the central portion. It becomes easy to show the effect.
That is, in the semiconductor module of the present embodiment, the outer peripheral portion of the electrical insulating layer can be excellent in adhesion to the radiator and the resin mold.
Therefore, in the semiconductor module of the present embodiment, the interface peeling between the upper and lower surfaces of the electrical insulating layer is difficult to occur, and the crack generated in the outer peripheral portion of the electrical insulating layer spreads to the vicinity of the lead member and the insulation reliability is increased. The risk of damage can also be suppressed.
なお、ここではこれ以上の詳細な説明を繰り返さないが、本発明の半導体モジュールやポリマーシートは、上記例示されたものに限定されるものではない。
即ち、上記に例示の無い事項でも半導体モジュールやポリマーシートについて従来公知の技術事項は、本発明の半導体モジュールやポリマーシートに適宜採用が可能なものである。
また、上記例示においては、外周部や中央部の厚みが均一な場合を例示しているが、例えば、図５、図６に示すようにこれらの厚みが部分的に異なるように形成されていてもよい。
なお、図５は、ポリマーシートの外周部を放熱器や樹脂モールドの側面にまで接着させた場合を示すもので、図６は、半導体素子を搭載したリード部材と接着される箇所においてポリマーシートを２層構成とし絶縁信頼性の強化を図った場合を示すものである。
In addition, although detailed description beyond this is not repeated here, the semiconductor module and polymer sheet of this invention are not limited to what was illustrated above.
That is, even in matters not exemplified above, conventionally known technical matters regarding the semiconductor module and polymer sheet can be appropriately adopted for the semiconductor module and polymer sheet of the present invention.
Moreover, although the case where the thickness of an outer peripheral part and a center part is uniform is illustrated in the said illustration, for example, as shown in FIG. 5, FIG. 6, it is formed so that these thickness may differ partially. Also good.
FIG. 5 shows the case where the outer periphery of the polymer sheet is bonded to the side surface of the radiator or the resin mold. FIG. 6 shows the case where the polymer sheet is bonded to the lead member on which the semiconductor element is mounted. This shows a case where a two-layer structure is used to enhance insulation reliability.
また、上記例示においては、樹脂モールドが電気絶縁層の上面側だけに形成されている場合を示しているが、図７に示すように、電気絶縁層の側面や放熱器の側面に及ぶ樹脂モールドが形成されている場合も本発明の意図する範囲のものである。
さらに、図８、図９に示すように、外周部の一部を中央部に重畳させている場合や、放熱器が冷媒循環式のものではなく自然放冷式の放熱フィン３０ｘなどである場合も本発明の意図する範囲のものである。
Moreover, although the case where the resin mold is formed only on the upper surface side of the electric insulation layer is shown in the above illustration, as shown in FIG. 7, the resin mold extending to the side surface of the electric insulation layer and the side surface of the radiator. Is formed within the range intended by the present invention.
Further, as shown in FIGS. 8 and 9, when a part of the outer peripheral portion is superposed on the central portion, or when the radiator is not a refrigerant circulation type but a natural cooling
１ ポリマーシート
１０ 半導体素子
１１ 中央部
１２ 外周部
２０ リード部材（金属板）
３０ 放熱器
４０ 電気絶縁層
４１ 中央部
４２ 外周部
５０ 樹脂モールド
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
30
Claims (4)
外周部と、該外周部よりも内側の中央部とが異なるポリマー組成物によって形成されており、前記中央部の面積が前記金属板の下面よりも大面積で、該中央部が前記放熱器の上面と前記金属板の下面とに接着され且つ前記外周部が前記放熱器の上面と前記樹脂モールドの下面とに接着されて前記電気絶縁層の形成に用いられ、前記外周部が前記中央部よりも低弾性率であることを特徴とするポリマーシート。 A semiconductor element, a metal plate disposed below the semiconductor element to which heat generated by the semiconductor element is transmitted, a radiator disposed below the metal plate and from which the heat is transmitted, and the semiconductor A polymer sheet used for a semiconductor module including an element and a resin mold that covers the metal plate, and further including an electric insulating layer that insulates between the radiator and the metal plate. Because
The outer peripheral portion and the central portion inside the outer peripheral portion are formed of different polymer compositions, the area of the central portion is larger than the lower surface of the metal plate, and the central portion is the heat sink Adhered to the upper surface and the lower surface of the metal plate, and the outer peripheral portion is bonded to the upper surface of the radiator and the lower surface of the resin mold to be used for forming the electric insulating layer, and the outer peripheral portion is formed from the central portion. Is a polymer sheet characterized by a low elastic modulus.
前記電気絶縁層は、外周部と、該外周部よりも内側の中央部とが異なるポリマー組成物によって形成されており、前記中央部の面積が前記金属板の下面よりも大面積で、該中央部が前記放熱器の上面と前記金属板の下面とに接着され且つ前記外周部が前記放熱器の上面と前記樹脂モールドの下面とに接着されており、前記外周部が前記中央部よりも低弾性率であることを特徴とする半導体モジュール。 A semiconductor element, a metal plate disposed below the semiconductor element to which heat generated by the semiconductor element is transmitted, a radiator disposed below the metal plate and from which the heat is transmitted, and the semiconductor A semiconductor module comprising a resin mold covering the element and the metal plate, and further comprising an electrical insulating layer formed of a polymer sheet between the radiator and the metal plate,
The electrical insulating layer is formed of a polymer composition having a different outer peripheral portion and a central portion inside the outer peripheral portion, the area of the central portion being larger than the lower surface of the metal plate, A portion is bonded to the upper surface of the radiator and the lower surface of the metal plate, and the outer peripheral portion is bonded to the upper surface of the radiator and the lower surface of the resin mold, and the outer peripheral portion is lower than the central portion. A semiconductor module having an elastic modulus.
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