JP5591405B2 - 電気部品用樹脂、半導体装置、及び配線基板 - Google Patents
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Description
本発明は、電気部品用樹脂、半導体素子を樹脂で封止した半導体装置、及び配線基板に関する。
例えばインバーター制御機器は、小型化および軽量化が求められている。同様に、インバーター制御機器の内部に実装される樹脂封止型半導体装置は、小型化および軽量化を目指した構成となっている。また、パワー半導体素子を内蔵した樹脂封止型半導体装置又は半導体装置などの電気部品が実装された配線基板では、隣接する電極間の高耐圧化又は放熱性能の向上などが求められている。
樹脂封止型半導体装置において、チップからパッケージ上面への放熱性能は、封止に使用している樹脂の熱伝導度で制約される。そのため、特許文献1では、図11に示すように、チップ31を覆うような金属製のケース33を基板32に取り付け、ケース33の内部に冷媒34を充填している。特許文献1の樹脂封止型半導体装置は、チップ31から発生した熱が冷媒34の熱対流によってケース33に伝えられるため、従来の樹脂封止型半導体装置に比べて外部への熱伝導性を高めることができる。
また、特許文献2のパルス駆動電力半導体用の冷却システムは、相変化物質をマイクロカプセルの形で封止材料に含有させて、熱を吸収している。図12は特許文献2に開示の半導体装置1001の概略断面図である。半導体装置1001は、放熱板1003、基板1005および素子1007を備えている。基板1005に実装されている素子1007は、封止材料1013で封止されている。封止材料1013には、相変化物質1103がマイクロカプセルの形で含有されている。封止材料1013の一例として、エポキシ樹脂が開示されている。なお、素子1007と封止材料1013との間には、熱伝導材料1009が充填されている。素子1007と封止材料1013とは、熱伝導材料1009によって熱結合されている。
また、特許文献2のパルス駆動電力半導体用の冷却システムは、相変化物質をマイクロカプセルの形で封止材料に含有させて、熱を吸収している。図12は特許文献2に開示の半導体装置1001の概略断面図である。半導体装置1001は、放熱板1003、基板1005および素子1007を備えている。基板1005に実装されている素子1007は、封止材料1013で封止されている。封止材料1013には、相変化物質1103がマイクロカプセルの形で含有されている。封止材料1013の一例として、エポキシ樹脂が開示されている。なお、素子1007と封止材料1013との間には、熱伝導材料1009が充填されている。素子1007と封止材料1013とは、熱伝導材料1009によって熱結合されている。
しかしながら、特許文献1の樹脂封止型半導体装置では、ケース33への冷媒34の充填工程が煩雑になる場合がある。また、冷媒34としては、誘電率の高いフッ素系不活性液又はエタノールが使用されるため、放熱性能及び絶縁耐圧に限界の兆しが見えてきている。
また、特許文献2の半導体装置は、絶縁耐圧を考慮していない構成のため、高耐圧を実現することは困難である。
また、特許文献2の半導体装置は、絶縁耐圧を考慮していない構成のため、高耐圧を実現することは困難である。
本発明は、放熱性能が良好であると共に、高耐圧を実現できる電気部品用樹脂、半導体装置、及び配線基板を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の電気部品用樹脂は、電気絶縁性の樹脂にフィラーを混入することで構成され、前記フィラーは、吸熱して相変化することで絶縁耐圧が変化する相変化物質を電気絶縁性のカプセルに封入して形成されたことを特徴とする。
また、上記課題を解決するために、本発明の半導体装置は、前記電気部品用樹脂によって、半導体素子を封止したことを特徴とする。
また、上記課題を解決するために、本発明の半導体装置は、前記電気部品用樹脂によって、半導体素子を封止したことを特徴とする。
また、上記課題を解決するために、本発明の配線基板は、前記電気部品用樹脂により構成されたベース基板に、導体パターンを形成したことを特徴とする。
また、上記課題を解決するために、本発明の別の配線基板は、前記電気部品用樹脂の内部に、電気部品又は導体パターンが形成された層を、直接又は中間層を介して積層して電気回路が構築されたことを特徴とする。
本発明によると、放熱性能が良好であると共に、高耐圧を実現できる電気部品用樹脂、半導体装置、及び配線基板を提供することができる。
(実施の形態1)
図1は、本実施の形態1の第1半導体装置を示す。図1の第1半導体装置は、樹脂封止型半導体装置であって、電気絶縁性の電気部品用樹脂を封止樹脂として使用した構造体の一例である。
図1は、本実施の形態1の第1半導体装置を示す。図1の第1半導体装置は、樹脂封止型半導体装置であって、電気絶縁性の電気部品用樹脂を封止樹脂として使用した構造体の一例である。
この第1半導体装置は、パワー素子T1が第1リードフレーム1に固定され、制御素子T2が第2リードフレーム2に固定されている。第1,第2リードフレーム1,2は、絶縁シート5a,5bを介して放熱板3の上面に固定されている。パワー素子T1、制御素子T2は、半導体素子の一例である。絶縁シート5a,5bは、例えば、熱伝導性の電気絶縁材料で構成され、電気絶縁層を複数層の接着層で挟んだ3層構造を有する。外装体4は、第1リードフレーム1及び第2リードフレーム2の一体化と、パワー素子T1及び制御素子T2の保護とを目的とするものである。外装体4は、例えばエポキシ等の熱硬化型樹脂の一例である第1樹脂6から構成される。第1樹脂6には、本発明の特徴であるフィラー7が混入されている。本実施の形態1の第1樹脂6中のフィラー7の充填率は、後述する吸熱又は絶縁の特性、第1樹脂6の材料特性などに応じて、20%以上かつ80%以下としている。
本発明では、封止をするための樹脂(例えば、第1樹脂6)としては、成形可能な樹脂であると共に、誘電率がフィラー7より高いものを用いることが望ましい。このような樹脂およびフィラー7を用いることで、半導体装置において、瞬間的な電圧上昇に対応した絶縁耐圧の特性を実現することができる。
本発明では、封止をするための樹脂(例えば、第1樹脂6)としては、成形可能な樹脂であると共に、誘電率がフィラー7より高いものを用いることが望ましい。このような樹脂およびフィラー7を用いることで、半導体装置において、瞬間的な電圧上昇に対応した絶縁耐圧の特性を実現することができる。
このフィラー7は、図2(a)に示すように、周囲の熱を吸熱して相変化する相変化物質8を電気絶縁性のカプセル9に封入して、構成されている。図2(a)は、常温状態のフィラー7の拡大断面図を示す。図2(a)に示す常温状態では、相変化物質8の状態は固体である。図2(b)は、パワー素子T1などから発生した熱を吸収した状態のフィラー7を示す。図2(b)に示す熱を吸収した状態では、相変化物質8の状態は液体である。
具体的には、フィラー7は、シリカ(SiO2)製のカプセル9の中に、相変化物質8としてのエリスリトール(erythritol)を注入することで構成されている。本実施の形態1では、カプセル9として、粒径60μmのものを使用した。なお、本発明においては、カプセル9としては、粒径2μm以上かつ100μm以下のものが使用可能である。本発明においては、カプセル9の殻厚みは、0.1μm以上かつ20μm以下である。本実施の形態1では、カプセル9内の相変化物質8として、カプセル9の容積の60%の体積のエリスリトールを用いている。なお、相変化物質8としてのエリスリトールの体積は、カプセル9の容積に対して30%以上かつ70%以下が望ましい。カプセル9と相変化物質8の間は、気体層10である。気体層10としては、各種の不活性ガスや空気を使用することができる。本実施の形態1では、高い絶縁性を有するものとして、気体層10に空気を使用した。
エリスリトールは、常温状態では、図2(a)に示すように固体であるが、融解点118℃で液体状態に相変化して膨張する。なお、相変化物質8の一例であるエリスリトールの融解点である118℃は、パワー素子T1の耐熱温度125℃よりも低い。すなわち、本実施の形態1では、パワー素子T1の耐熱温度よりも低い融解点を有する相変化物質8を用いている。本発明は、このように相変化物質8の融解点がパワー素子T1の耐熱温度より低くなるように構成することで、この相変化物質8で吸熱し、パワー素子T1の耐熱温度以上まで第1半導体装置の温度が上昇する可能性を軽減させている。なお、カプセル9は、相変化物質8が外部に流出しないように、この相変化物質8の融解膨張によっても破裂しない強度に構成されている。
本発明の第1半導体装置が、従来例に比べて温度が上昇する可能性が軽減していることについて、図3と、図9及び図10を用いて説明する。
図3は、本発明の実施の形態1にかかる半導体素子の発熱に伴う吸熱と放熱の温度特性図である。図9は、従来例の半導体装置の拡大断面図であり、図10は、従来例の半導体素子の発熱に伴う吸熱と放熱の温度特性図である。
図3は、本発明の実施の形態1にかかる半導体素子の発熱に伴う吸熱と放熱の温度特性図である。図9は、従来例の半導体装置の拡大断面図であり、図10は、従来例の半導体素子の発熱に伴う吸熱と放熱の温度特性図である。
本実施の形態1の第1半導体装置は、フィラー7を混入した第1樹脂6を使用している。そのため、本実施の形態1の第1半導体装置では、パワー素子T1が発熱して第1樹脂6が温度上昇すると、図3に実線で示したように温度上昇した後、エリスリトールの融解点の118℃に上昇した際に、温度上昇が止まる。これは、相変化物質8(エリスリトール)が融解して固体から液体に相変化し、この相変化に伴って融解熱が相変化物質8に吸熱されて、温度上昇の傾きがエリストリールの融解点付近で急激に小さくなるためである。そのため、本実施の形態1の第1半導体装置は、図3のような特性を示すと共に、パワー素子T1の耐熱温度を越える温度ピークに至る時間を遅らせることができる。
すなわち、本発明の第1半導体装置は、相変化物質を封入したマイクロカプセルを所望の樹脂に混練することにより、良好な放熱特性と共に、絶縁耐圧を向上させることができる。具体的には、良好な放熱特性とは、第1半導体装置の急峻な温度上昇時の吸熱作用を発現させることである。また、絶縁耐圧の向上とは、第1半導体装置の瞬間的な駆動時に課題となる電圧上昇に対して、空間電界集中を防ぐと共に誘電率を低下させることである。
すなわち、本発明の第1半導体装置は、相変化物質を封入したマイクロカプセルを所望の樹脂に混練することにより、良好な放熱特性と共に、絶縁耐圧を向上させることができる。具体的には、良好な放熱特性とは、第1半導体装置の急峻な温度上昇時の吸熱作用を発現させることである。また、絶縁耐圧の向上とは、第1半導体装置の瞬間的な駆動時に課題となる電圧上昇に対して、空間電界集中を防ぐと共に誘電率を低下させることである。
なお、図3の実線において、“区間H”が、電力損失に伴う発熱区間であり、“区間R”が、発熱により温度上昇が停止して温度低下する放熱区間である。また、区間Hの一部である“区間H1”は、相変化物質8の相変化に伴って吸熱されて、温度上昇が止まっている区間である。また、区間Hの一部である“区間H2”は、相変化物質8で吸熱できずに第1半導体装置の温度が上昇している区間である。この“区間H1”と“区間H2”の関係は、フィラー7内の相変化物質8の量に依存する。相変化物質8の量が多いほど、“区間H1”が長くなる。
なお、図3の仮想線(二点鎖線)は、図10に示す従来例の場合の温度上昇変化を示すものである。すなわち、図3の仮想線は、フィラー7を混入しなかった第1樹脂を使用した場合の比較例の温度上昇変化を表している。
このように、本実施の形態1の第1樹脂6を使用することで、外装体4が温度ピークに到達する事態の発生を防止し、半導体装置の温度上昇に伴う信頼性を向上させることができる。本実施の形態1の第1樹脂6は、例えば、モータを駆動するインバーターのドライバー用の半導体装置の場合には、系統逆起電力時の温度影響を緩和することができ、従来と同じ外形寸法のインバーターであってもモータの運転性能を向上させることができる。
さらに、本発明のフィラー7を混入させた第1樹脂6は、発熱時の絶縁耐圧も優れている。この絶縁耐圧について、図9に示す従来の半導体装置を比較例として比較する。なお、図9に示す従来の半導体装置は、外装体24の熱硬化型樹脂26の全部がエポキシである。
ここで、エポキシの誘電率が“4”であるのに対して、フィラー7のカプセル9(シリカ)の誘電率が“2.5”であり、相変化物質8(エリスリトール)の誘電率が“1.5”である。そのため、本実施の形態1の半導体装置では、フィラー7の誘電率がエポキシの誘電率よりも低くなり、半導体装置における電極間の絶縁耐圧の向上を実現できる。また、特許文献1における半導体装置に冷媒34としてエタノールを使用した場合と比較すると、エタノールの誘電率が“24”であるため、本実施の形態1の半導体装置は、電極間の絶縁耐圧を大幅に向上させることができる。
(実施の形態2)
図4〜図8は、前述の実施の形態1の電気部品用樹脂を絶縁性樹脂として使用した構造体の一例である配線基板を示す。図4〜図8に示す構造体について、実施例1〜実施例5として説明する。なお、実施の形態1と同様のものには同一の符号を付けて説明する。
図4〜図8は、前述の実施の形態1の電気部品用樹脂を絶縁性樹脂として使用した構造体の一例である配線基板を示す。図4〜図8に示す構造体について、実施例1〜実施例5として説明する。なお、実施の形態1と同様のものには同一の符号を付けて説明する。
− 実施例1 −
図4に示す実施例1の配線基板11aは、ベース基板12の上面に導体パターン13が形成されている。ベース基板12を構成する電気絶縁性の第1樹脂6に、フィラー7が混入されている。フィラー7は、前述の実施の形態1と同様に、吸熱して相変化する相変化物質8を絶縁性のカプセル9に封入して構成されている。半導体装置14は、放熱板3を導体パターン13に熱的に結合して、導体パターン13を介して放熱するよう構成されている。
図4に示す実施例1の配線基板11aは、ベース基板12の上面に導体パターン13が形成されている。ベース基板12を構成する電気絶縁性の第1樹脂6に、フィラー7が混入されている。フィラー7は、前述の実施の形態1と同様に、吸熱して相変化する相変化物質8を絶縁性のカプセル9に封入して構成されている。半導体装置14は、放熱板3を導体パターン13に熱的に結合して、導体パターン13を介して放熱するよう構成されている。
このように、電気絶縁性の第1樹脂6にフィラー7を混入した電気部品用樹脂でベース基板12を構成することによって、相変化物質8の融解熱の吸熱作用によって、半導体装置14の発熱を、ベース基板12を介して放熱することができる。よって、半導体装置14の耐熱温度を越える温度ピークに到達する時間を遅らせることができ、半導体装置14を熱破壊から保護できる。
− 実施例2 −
図5に示す実施例2の配線基板11bは、導体パターン13がベース基板12の中に埋め込まれている点だけが前述の実施例1と異なっている。
図5に示す実施例2の配線基板11bは、導体パターン13がベース基板12の中に埋め込まれている点だけが前述の実施例1と異なっている。
− 実施例3 −
図6に示す実施例3の配線基板11cは、内層回路入りの多層配線基板である。配線基板11cは、中間層20を介して層18,19を積層して、電気回路が構築されている。層18,19の内部には、能動素子15又は受動素子16の電気部品または導体パターン17が形成されている。実施例3では、各層18,19,中間層20の少なくとも何れかを構成する第1樹脂6に、フィラー7が混入されている。
図6に示す実施例3の配線基板11cは、内層回路入りの多層配線基板である。配線基板11cは、中間層20を介して層18,19を積層して、電気回路が構築されている。層18,19の内部には、能動素子15又は受動素子16の電気部品または導体パターン17が形成されている。実施例3では、各層18,19,中間層20の少なくとも何れかを構成する第1樹脂6に、フィラー7が混入されている。
このように、各層18,19,中間層20を構成する電気部品用樹脂にフィラー7を混入することで、フィラー7内の相変化物質8の融解熱の吸熱作用によって、電気部品を熱破壊から保護できるだけでなく、高周波帯でのシールド効果も期待できる。この高周波帯でのシールド効果は、フィラー7が第1樹脂6に比べて低誘電率である効果である。
− 実施例4 −
図7に示す実施例4の配線基板11dは、中間層20を介さずに層18,19が積層されている点だけが、前述の実施例3と異なっている。
図7に示す実施例4の配線基板11dは、中間層20を介さずに層18,19が積層されている点だけが、前述の実施例3と異なっている。
− 実施例5 −
図8に示す実施例5の配線基板11eは、中間層20に電磁波の通過を遮るシールド層21が形成されている点だけが、前述の実施例3とは異なっている。
図8に示す実施例5の配線基板11eは、中間層20に電磁波の通過を遮るシールド層21が形成されている点だけが、前述の実施例3とは異なっている。
上記の各実施の形態や各実施例では、フィラー7のカプセル9の材質がシリカ(SiO2)製であるとして説明した。だが、フィラー7のカプセル9の材質としては、電気絶縁性のメラミン、シリコーンなどの有機系物質なども使用できる。
また、上記の各実施の形態では、フィラー7の相変化物質8がエリスリトールであるとして説明したが、使用対象の素子である電気部品の耐熱温度未満の温度にて相変化する物質であって、誘電率が混入される樹脂よりも小さいものであれば、その他の糖アルコールを使用することもできる。その他の糖アルコールとしては、例えば、ソルビトール,キシリトール、又は、誘電率が“2”程度で融解点が“70℃”程度のパラフィン、誘電率が“2.3”程度で融解点が“125℃”程度のポリエチレンなどの相変化物質が、フィラー7の相変化物質8として使用できる。また、何れの場合にも添加物とその量を調節することによって吸熱特性と放熱特性を調節できる。
また、上記の各実施の形態の配線基板や多層配線基板では、基板の全ての領域にフィラー7が混入されたものとして説明した。だが、フィラー7の混入された電気絶縁性の第1樹脂を、ガラス繊維や炭素繊維などの基材に含浸させるマトリクス樹脂として使用した、プリプレグでも同様に実施できる。
上記の各実施の形態の相変化物質8の融解熱は、固体から液体に相転移する時に必要な潜熱を利用したものであった。だが、固体と液体との中間的な相状態を有する相変化物質8の場合には、固体から前記中間的な相状態への相転移する時に必要な潜熱だけを利用して構成することや、前記中間的な相状態から液体への相転移する時に必要な潜熱だけを利用して構成することもできる。
上記の各実施の形態のフィラー7は、相変化物質8とカプセル9の間が気体層10であった。だが、相変化物質8とカプセル9の間が液体層またはゲル層であってもよい。この場合、相変化物質8とカプセル9の間の層に要求される特性は、その誘電率が樹脂の一例である第1樹脂6の誘電率以下であることである。
本発明は、大電力制御が必要な空気調和装置などの各種のインバーター装置の小型化のほか、劣悪な使用環境における電気構造体の信頼性の向上に寄与する。
T1 パワー素子
T2 制御素子
1,2 第1,第2リードフレーム
3 放熱板
4 外装体
5a,5b 絶縁シート
6 第1樹脂
7 フィラー
8 相変化物質
9 カプセル
10 気体層
11a,11b,11c,11d,11e 配線基板
12 ベース基板
13,17 導体パターン
14 半導体装置
15 能動素子
16 受動素子
18,19 層
20 中間層
21 シールド層
T2 制御素子
1,2 第1,第2リードフレーム
3 放熱板
4 外装体
5a,5b 絶縁シート
6 第1樹脂
7 フィラー
8 相変化物質
9 カプセル
10 気体層
11a,11b,11c,11d,11e 配線基板
12 ベース基板
13,17 導体パターン
14 半導体装置
15 能動素子
16 受動素子
18,19 層
20 中間層
21 シールド層
Claims (11)
- 電気絶縁性の樹脂にフィラーを混入することで構成され、
前記フィラーは、吸熱して相変化することで絶縁耐圧が変化する相変化物質を電気絶縁性のカプセルに封入して形成された、
電気部品用樹脂。 - 前記相変化物質は、吸熱して相変化することで絶縁耐圧が上昇する、
請求項1記載の電気部品用樹脂。 - 前記フィラーにおける前記相変化物質と前記カプセルとの隙間は、前記相変化物質が吸熱して相変化することで小さくなる、
請求項1または請求項2記載の電気部品用樹脂。 - 前記相変化物質の誘電率は、前記樹脂の誘電率よりも小さい、
請求項1〜3の何れかに記載の電気部品用樹脂。 - 前記相変化物質は、使用対象である電気部品の耐熱温度未満の温度にて相変化する物質である、
請求項1〜4の何れかに記載の電気部品用樹脂。 - 前記カプセルはシリカであり、前記相変化物質は糖アルコールである、
請求項1〜5の何れかに記載の電気部品用樹脂。 - 前記相変化物質は、エリスリトールである、
請求項1〜6の何れかに記載の電気部品用樹脂。 - 前記相変化物質は、ソルビトール、キシリトール、パラフィン、またはポリエチレンのいずれか1つである、
請求項1〜5の何れかに記載の電気部品用樹脂。 - 請求項1〜8の何れかに記載の電気部品用樹脂によって、半導体素子を封止した、
半導体装置。 - 請求項1〜8の何れかに記載の電気部品用樹脂により構成されたベース基板に、導体パターンを形成した、
配線基板。 - 請求項1〜8の何れかに記載の電気部品用樹脂の内部に、電気部品又は導体パターンが形成された層を、直接又は中間層を介して積層して電気回路が構築された、
配線基板。
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