JPS6149346B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の利用分野） 本発明は高熱伝導性組成物に係り、特に熱膨張
係数が小さく、半導体装置の被覆に好適な高熱伝
導性組成物に関する。

（発明の背景） 高出力トランジスタなどの半導体素子の、発熱
に起因する特性の不安定性や寿命の加速的劣化を
避けるためには、トランジスタペレツトが許容制
限温度を越えて昇温するのを防止する方策がとら
れなければらならない。

また、混成集積回路装置に所定の電気的機能を
持たせるには、同回路装置に搭載される回路素
子、中でも半導体素子としてのトランジスタペレ
ツトは、他の回路素子と電気的に絶縁されなけれ
ばならない場合が多い。

さらに、高度な機能が要求される混成集積回路
装置では、搭載された回路素子が外部からの影
響、とくに電磁波妨害を受けないようにするため
の方策がとられねばならない。

以上のような要請を満す混成集積回路装置の一
例として、第１図のように、放熱体を兼ねた金属
支持体１にソルダ５，５′により一体化された絶
縁物２，２′上に、半導体素子３，３′をはじめと
して抵抗体やコンデンサなどの回路素子をソルダ
４，４′により搭載し、各回路素子に所定の電気
配線を施すと同時に所定の電気端子を設けて（電
気配線、端子は図示せず）、絶縁樹脂６を被覆し
た構造の装置がある。

このような半導体装置では、回路素子で発生し
た熱が主として絶縁物２，２′や金属支持体１を
経由して外部へ放出されるように種々の工夫がな
されている。

一方においては、混成集積回路装置が大容量化
されたり、回路素子を高集積化したりする（例え
ば、回路素子を混成集積回路装置の余剰空間に搭
載する）傾向が強まるにつれ、放熱の多面化、換
言すれば、回路素子から絶縁物を経て金属支持体
へ向う熱流路だけでなく、モールド用絶縁樹脂を
介して混成集積回路装置の上面あるいは側面から
も放熱する必要性が強まつてきている。

従来より被覆用として用いられている絶縁樹脂
は、シリコーン系樹脂あるいはエポキシ系樹脂が
多い。

これらの樹脂の熱伝導率は1.5〜7.5×10^-4ca
／cm・℃・ｓ（シリコーン系樹脂）、７〜18×
10^-4ca／cm・℃・ｓ（エポキシ系樹脂）程度で
あり、金属に比較しては勿論のこと、アルミナや
ベリリヤをはじめとするセラミツク絶縁物と比較
しても熱伝導性が劣る。

このため、大容量の回路素子とりまく全ての方
向へ熱を伝達し、放熱効果を高めるためには、被
覆用絶縁樹脂としてシリコーン系樹脂またはエポ
キシ系樹脂をそのまま使用する現在の方法では不
十分である。

もちろん、樹脂の熱伝導性を高めれば、放熱効
果が高まるわけであり、従来においても、該樹脂
中にアルミナの焼結体粉末や、窒化ホウ素焼結体
粉末などを分散混入した充填物を用いたものがあ
る。しかし、これらの材料を用いても、その熱伝
導率はせいぜい40×10^-4ca／cm℃sec程度であ
り、半導体装置の特性を著しく向上するまでには
至つていない。

（発明の目的） 本発明は、上述の状況に鑑みてなされたもの
で、従来の被覆用絶縁樹脂の欠点を補なうことの
できる高熱伝導性組成物を提供することを目的と
するものである。

（発明の概要） 前述の目的を達成してなる本発明の高熱伝導性
組成物は炭化ケイ素を主成分とし、その他に酸化
ベリリウムおよび窒化ホウ素の少なくとも１種を
含む炭化ケイ素系焼結体の粉末を分散してなる有
機高分子材からなり、前記有機高分子材がシリコ
ーン系樹脂又はエポキシ系樹脂であることを特徴
とする。

即ち、本発明は、炭化ケイ素粉末に含まれる酸
化ベリリウム、窒化ホウ素の含有量が、炭化ケイ
素100重量部に対して２重量部以上である場合、
炭化ケイ素系焼結体は比抵抗10¹⁰Ωcm以上と良好
な電気絶縁性を示すとともに、熱伝導率は0.7ca
／cm・ｓ・℃と優れた熱伝導性を有することに
着目してなされたものである。

このように、優れた電気絶縁性と熱伝導性を兼
備した炭化ケイ素系焼結体の粉末を、シリコーン
系樹脂またはエポキシ系樹脂中に分散させた組成
物は、シリコーン系樹脂またはエポキシ系樹脂そ
のものに比べて電気絶縁性を全く損なうことなく
格段に向上した熱伝導性を示す。

（発明の実施例） 以下に、図面を参照して本発明を詳細に説明す
る。

第２図は、シリコーン系樹脂に炭化ケイ素系焼
結体粉末を分散させた組成物における炭化ケイ素
系焼結体の体積分率（横軸）と熱伝導率（縦軸）
との関係である。熱伝導率は炭化ケイ素系焼結体
の体積分率の増加にともなつて大幅に増大する傾
向を示している。

第３図は、エポキシ系樹脂に炭化ケイ素系焼結
体粉末を分散させた組成物の、炭化ケイ素系焼結
体の体積分率と熱伝導率の関係である。

この場合も、熱伝導率は炭化ケイ素系焼結体の
体積分率の増加にともなつて大幅に増大している
ことが分かる。この際、樹脂組成物の比抵抗は
10¹⁰Ωcm以上の値が保持されることは勿論であ
る。

なお、前述した樹脂組成物が優れた放熱性を有
するのは、本来熱伝導率の小さいシリコーン系樹
脂またはエポキシ系樹脂の欠点を、これら樹脂に
分散された炭化ケイ素系焼結体粉末によつて補な
うことが可能なためである。

また、本発明の樹脂組成物に煙霧質シリカを添
加した場合は、樹脂組成物の展延性が増すため、
シート状等にして使用するような場合に好適な絶
縁物になり得る。

したがつて、本発明の前記高熱伝導性組成物を
半導体装置の充填剤または保護層材として用いれ
ば、放熱性と絶縁性を兼備した樹脂組成物を介し
て、半導体素子ペレツトで発生した熱を放射状に
伝達でき、冷却効果を高めることが可能になる。

以下、本発明を実施例を用いてさらに詳細に説
明する。

実施例 １ 第４図は、半導体素子の収納容器と放熱体とを
兼ねるアルミニウムフインにダイオードペレツト
４個を搭載した5A級整流回路モジユールに、本
発明を適用した実施例の断面図である。

この整流回路モジユールは、アルミニウムフイ
ン１１に設けた凹部に、ダイオードペレツト４個
１４ａ，１４ｂ……がそれぞれ整流回路を構成す
るように電気接続されたサブアツセンブリを搭載
し、そして凹部に絶縁樹脂１６，１７を充填した
ものである。

組立時には、まず最初にアルミニウムフイン１
１に設けた凹部底面１２上に絶縁物１３が載置さ
れ、この絶縁物上にダイオードペレツト１４ａ，
１４ｂ（他のダイオードペレツト２個は図示せ
ず）を電極および電気端子を兼ねる金属リード１
５ａ，１５ｂ，１５ｃと一体化したサブアツセン
ブリが載置される。

そして、これら絶縁物１３およびサブアツセン
ブリの周囲に、シリコーン系樹脂に、BeO／SiC
重量部比0.02を含む炭化ケイ素系焼結体粉末を分
散させた第１の樹脂組成物１６を充填、硬化させ
る。さらに第１の樹脂組成物１６の上に、エポキ
シ系樹脂に、BeO／SiC重量部比0.02を含む炭化
ケイ素系焼結体粉末を分散させた第２の樹脂組成
物１７を充填、硬化させる。

なお、前述した第１の樹脂組成物中の炭化ケイ
素系焼結体粉末の体積分率は71％、そして第２の
樹脂組成物中の炭化ケイ素系焼結体粉末の体積分
率は70％である。

以上の構成で得られた整流回路モジユールのダ
イオードペレツト・空気間の熱抵抗は、８〜11
℃／Ｗ（平均値：10℃／Ｗ、試料数：200個）で
ある。

一方、炭化ケイ素系焼結体粉末を分散させない
シリコーン樹脂およびエポキシ樹脂を用いた従来
型同等品の熱抵抗は13〜15℃／Ｗ（平均値：14
℃／Ｗ、試料数：200個）であり、本実施例のも
のは従来例に比べて、著しい放熱性の向上が認め
られた。この結果、整流回路モジユールの許容電
流容量を従来の5Aから6Aに上げることが可能に
なつた。

実施例 ２ 第５図は、銅板間に絶縁物を介在させた絶縁基
板上にトランジスタペレツト４個、ダイオードペ
レツト２個、チツプ抵抗２個、チツプコンデンサ
２個を搭載した電流制御用5KW級モジユールに
本発明を適用した実施例の断面図である。

この電流制御用モジユールの組立時には、まず
銅支持体２１上に絶縁物２２を介して銅載置板２
３ａ，２３ｂが一体化される。前記銅載置板２３
ａ，２３ｂ上に、前述した回路素子としてのトラ
ンジスタペレツト、ダイオードペレツト、チツプ
抵抗、チツプコンデンサ等の回路素子２８ａ，２
８ｂを搭載する。

そして、それぞれの回路素子に所定の電気配線
を施すとともに電気端子（図示せず）を取り付け
る。

つぎに、銅支持板２１上にケース２４を取り付
けるとともに、前述した絶縁物２２、銅載置板２
１、回路素子２８ａ，２８ｂとしてのトランジス
タペレツト、ダイオードペレツト、チツプ抵抗、
チツプコンデンサを完全に包囲するようにシリコ
ーン系樹脂にBN／SiC重量部比0.03の炭化ケイ素
系焼結体粉末を分散させた第１の樹脂組成物２５
を充填、硬化させる。

さらに、第１の樹脂組成物２５の上に、エポキ
シ樹脂にBN／SiC重量部比0.03の炭化ケイ素系焼
結体粉末を分散させた第２の樹脂組成物２６を充
填、硬化させる。

なお、前述した第１の樹脂組成物中の炭化ケイ
素系焼結体粉末の体積分率は80％、そして第２の
樹脂組成物中の炭化ケイ素系焼結体粉末の体積分
率は80％である。

以上の構成で得られた電流制御用モジユールに
入力電力5KWに相当する通電をして、出力電流
の制御を試みたところ、同モジユールに搭載され
た回路素子としてのトランジスタペレツトおよび
ダイオードペレツトの温度は90〜110℃であり、
炭化ケイ素系焼結体粉末を分散させないシリコー
ン樹脂および／またはエポキシ樹脂を用いた従来
型の同等品に比べて15〜20℃低い素子温度を保つ
ことができた。

実施例 ３ 第６図は、電気配線を施したアルミナ製パツケ
ージにシリコン集積回路素子ペレツトをCCB
（Controlled Colaps Bonding）法によつて搭載
した集積回路装置に、本発明を適用した実施例の
断面図である。

この集積回路装置の組立時には、アルミナパツ
ケージ３１の凹部に設けた厚膜配線３２ａ，３２
ｂ上にはんだボール３３ａ，３３ｂを介してシリ
コン集積回路素子ペレツト３４が搭載される。

そして、アルミナパツケージ３１と金属キヤツ
プ３５とで包囲された空間に、シリコーン系樹脂
にBeO／SiC重量部比0.03の炭化ケイ素系焼結体
粉末を分散させた第１の樹脂組成物３６を充填、
硬化させる。

さらに第１の樹脂組成物３６の上に、エポキシ
樹脂にBN／BiC重量部比0.03の炭化ケイ素系焼結
体粉末を分散させた第２の樹脂組成物３７を充
填、硬化させる。３５は金属キヤツプである。

なお、前述した第１の樹脂組成物３６中の炭化
ケイ素系焼結体粉末の体積分率は80％、そして第
２の樹脂組成物３７中の炭化ケイ素系焼結体粉末
の体積分率は80％である。

以上の構成で得られた集積回路装置に40Wの電
力を印加して作動させたところ、搭載された集積
回路素子ペレツトの温度は100℃を越えなかつ
た。

以上、本発明を実施例により説明したが、本発
明はこれのみに限定されるものではなく、シリコ
ーン系樹脂またはエポキシ系樹脂に分散される炭
化ケイ素系焼結体が、酸化ベリリウムと窒化ホウ
素の両者を含む場合でも本発明の効果ないし利点
を享受できる。

（発明の効果） 以上に説明したように、本発明の樹脂組成物は
電気絶縁性を保持すると同時に優れた熱伝導性を
示すので、本発明の樹脂組成物を半導体装置の充
填剤または保護層材として用いることにより半導
体装置の放熱性を高めることができ、同装置の電
力容量や信頼性を高めることができる。

また、本発明の樹脂組成物は熱膨張係数が小さ
いので、半導体材料との熱膨張係数差が少なく、
特に大型の半導体基体を被覆するのに適してい
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は混成集積回路装置の一例を示す断面
図、第２，第３図はそれぞれ本発明の実施例であ
る樹脂組成物の熱伝導性を示す図、第４図および
第５第６図はそれぞれ本発明の適用例を示す断面
図である。 １１……アルミニウムフイン、１２……凹部底
面、１３……絶縁物、１４ａ，１４ｂ……ダイオ
ードペレツト、１５ａ〜１５ｃ……金属リード、
１６……第１の樹脂組成物、１７……第２の樹脂
組成物。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 炭化ケイ素を主成分とし、その他に酸化ベリ
   リウムおよび窒化ホウ素の少なくとも１種を含む
   炭化ケイ素系焼結体の粉末を分散してなる有機高
   分子材からなることを特徴とする高熱伝導性組成
   物。 ２ 前記有機高分子材がシリコーン系樹脂又はエ
   ポキシ系樹脂であることを特徴とする前記特許請
   求の範囲第１項記載の高熱伝導性組成物。 ３ 炭化ケイ素系焼結体中における酸化ベリリウ
   ムおよび窒化ホウ素の含有率が１％以上であるこ
   とを特徴とする前記特許請求の範囲第１項または
   第２項記載の高熱伝導性組成物。