JP2006210597A - 絶縁シートおよびその製造方法、並びに上記絶縁シートを用いたパワーモジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】 接着力の低下が防止され熱伝導性、絶縁性に優れた絶縁シートを得ることを目的とする。
【解決手段】 絶縁シート７は、電力半導体素子１を搭載したリードフレーム２とヒートシンク部材６との接着に用い、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂を主成分とする接着剤成分に充填材を分散したもので、絶縁シート７を、主としてリードフレーム２とヒートシンク部材６との接着に寄与する領域（接着面領域７ｂ：熱硬化性樹脂からなるシートにおいては接着面から０．１〜１０００μｍ厚がこの領域に相当する。）と、上記接着面領域以外の領域（内部領域７ｃ）とした場合、接着面領域７ｂにおける充填材の充填率を、内部領域７ｃにおける充填率より小で、接着力の低下が防止される範囲とし、内部領域７ｃにおける充填材の充填率を優れた熱伝導率を呈する範囲とすることにより、接着面領域の熱伝導率を内部領域の熱伝導率より小さくする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、接着性と熱伝導性に優れた絶縁シートおよびその製造方法、並びに上記絶縁シートを用いたパワーモジュールに関するものである。
従来、熱伝導性シートは、電気・電子部品等の発熱体に接着させ、上記発熱体からの熱をヒートシンク部材へ伝えて放熱させる熱伝導材として用いられ、熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫ以上の、例えば銅やアルミニウムなどの金属シートやグラファイトシートの少なくとも片面に、熱伝導フィラーを含有し室温で粘着できる粘着層が積層されたものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−１９４３０６号公報（第１頁）
しかしながら、上記熱伝導性シートは金属シートやグラファイトシート等のシート状物と粘着層との複数層からなるため、上記シート状物と粘着層との間では、金属やグラファイト表面と粘着層の有機成分との界面が存在し、この界面において熱伝導性シートの接着力が低下し、熱伝導性、絶縁性能が低下するという課題があった。
本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、接着力の低下が防止され熱伝導性、絶縁性に優れた絶縁シートを得ることを目的とする。また、上記絶縁シートの製造方法と上記絶縁シートを用いたパワーモジュールを得ることを目的とする。
本発明に係る第１の絶縁シート、熱硬化性樹脂を主成分とする接着剤成分に充填部材を充填してなる絶縁シートであって、上記絶縁シートの接着面領域の熱伝導率が、上記絶縁シートの上記接着面領域以外の内部領域の熱伝導率より小さいものである。
本発明の第１の絶縁シートは、熱硬化性樹脂を主成分とする接着剤成分に充填部材を充填してなる絶縁シートであって、上記絶縁シートの接着面領域の熱伝導率が、上記絶縁シートの上記接着面領域以外の内部領域の熱伝導率より小さいもので、接着力の低下が防止され、熱伝導性に優れるという効果がある。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１の絶縁シートの説明図であり、電力半導体素子１を搭載したリードフレーム（導電部材）２とヒートシンク部材６との接着に用いた場合である。本実施の形態の絶縁シート７は、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂を主成分とする接着剤成分に、充填部材を分散したもので構成されるが、上記充填部材が接着剤成分に一様に分散されているのではなく、絶縁シート７を、主としてリードフレーム（導電部材）２とヒートシンク部材６との接着に寄与する領域（絶縁シート７の接着面７ａから絶縁シートの内部へわたる領域で、この領域を接着面領域７ｂと云い、熱硬化性樹脂からなるシートにおいては接着面から０．１〜１０００μｍ厚がこの領域に相当する。）と、上記接着面領域以外の領域（この領域を内部領域７ｃという。）とした場合、接着面領域７ｂにおける充填部材の充填率を、内部領域７ｃにおける充填率より小で、接着力の低下が防止される範囲とし、内部領域７ｃにおける充填部材の充填率を優れた熱伝導率を呈する範囲とすることにより、接着力、熱伝導性および絶縁性に優れた絶縁シートを得ることができる。
パワーモジュールの大電流化、高速化などに伴い、電力半導体素子の発熱量はますます増大する一方、パワーモジュールの小型化、高生産性が要求され、放熱効率の向上のために、ヒートシンク部材として熱伝導率の高い金属を用いることが望ましいが、電力半導体素子を搭載し電気的接続をとる導電部材とヒートシンク部材との絶縁が必要となり、導電部材とヒートシンク部材とに介在して用いられ、絶縁性と熱伝導性に優れるとともに導電部材とヒートシンク部材との接着性にも優れた絶縁シートが必要となる。
図２は、本実施の形態の絶縁シートに係わる、熱伝導率による比接着強度の変化を示す特性図である。
絶縁シートの熱伝導率を変化させるために、絶縁シート中の充填部材の充填量を調整する。所定の熱伝導率の絶縁シートを例えば銅基材に形成し、上記絶縁シートと銅基材との接着強度を測定するが、上記絶縁シートの銅基材との接着強度は、充填部材を含有しない接着剤成分のみを用いた絶縁シート（熱伝導率は０．２ｗ／ｍＫ）の接着強度を１００％とした比接着強度として示す。
図２からわかるように、充填部材の充填量が増加すると熱伝導率は増加するが、充填量が増し熱伝導率が８Ｗ／ｍＫを越えると、充填部材と接着剤成分の有機成分との界面が増えることになりボイドなどの欠陥が増加するため接着力が低下し始め、１０Ｗ／ｍＫ以上になると急激に接着力が低下する。
また、図３は、上記のようにして熱伝導率を変化させた１ｍｍ厚の絶縁シートの絶縁破壊電界の、熱伝導率による変化を示す特性図であるが、図３に示すように、充填部材の添加量が増加すると熱伝導率は増加するが、充填量が増し熱伝導率が１５Ｗ／ｍＫを越えると、充填部材と接着剤成分の有機成分との界面が増えることになりボイドなどの欠陥が増加するため、絶縁破壊電界が低下し始め、１６Ｗ／ｍＫ以上になると急激に絶縁破壊電界が低下しているのがわかる。
そこで、図２、図３からわかるように、例えば１０Ｗ／ｍＫ以上の高熱伝導性のシートを、上記接着剤成分に一様に上記充填部材を充填したもので得ようとすると、破壊電界は充分であるが、接着強度が低下する。また、一様に充填部材を充填したもので充分な接着強度と破壊電界を得ようとすると、熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫを大幅に下回る。
以上のことから、接着性が高く、絶縁性能に優れ、かつ従来のものと比べて１０Ｗ／ｍＫ以上程度の高熱伝導性のシートとするためには、主として導電部材またはヒートシンク部材に接着する機能を有する面領域（接着面領域）は１０Ｗ／ｍＫ以下の熱伝導率、好ましくは８Ｗ／ｍＫ以下の熱伝導率で接着力が高くなるような組成とし、接着面領域以外の内部領域は１０〜１６Ｗ／ｍＫの熱伝導率の高い組成とし、接着面領域の熱伝導率を内部領域の熱伝導率より小とすることにより、絶縁シートを均一な充填率の組成のもので作製するのに比べて、接着性と絶縁性と熱伝導性の特性を共に満足させることができる。
なお、本実施の形態の絶縁シートに係わる充填部材は、例えば、絶縁シートにおいて、充填率が接着面から上記シート内部へ離れるにしたがって順次増加するように充填部材の充填率を傾斜するように充填して、絶縁シートの接着面から内部方向へ離れるに従って熱伝導率が順次大きくなるようにしたり、上記接着面領域７ｂと内部領域７ｃにおいて、充填部材の充填率を段階的に変化させるように充填して、絶縁シートの接着面領域における熱伝導率と、絶縁シートの接着面領域以外の内部領域の熱伝導率とが段階的に異なるようにする。
本実施の形態の絶縁シートに係わる充填部材としては、扁平状もしくは粒子状の充填材、または貫通孔を有するシートが用いられる。
扁平状充填材とは、立体物を押しつぶしたような扁平形状を有する充填材であり、厚さが薄く、長辺と短辺を有する長方体の形状のもので、断面は四角形に限らず、その他の多角形であっても、角が多少丸みを帯びて楕円形であってもよい。また長辺と短辺が等しい正四角形、正多角形、円形でもよい。製造工程で押しつぶして作製しても、もともとの形状であってもよく、酸化アルミニウム（アルミナ）、窒化ホウ素、炭化ケイ素、マイカなどがあり、これらを２種類以上用いてもよい。
粒子状充填材としては、略球形のものが好ましいが、粉砕されたような形状で多面形状であってもよい。材質としては、酸化アルミニウム（アルミナ）、酸化ケイ素（シリカ）、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ホウ素などを用いればよい。
さらに粒子状充填材としては、上記扁平状充填材や粒子状充填材を凝集させたものであってもよい。
貫通孔を有するシートとしては、貫通孔を有する導電性の金属シート、貫通孔を有するセラミックスシート、貫通孔を有し上記貫通孔が金属によりコーティングされたセラミックスシート、または貫通孔を有し上記貫通孔が金属によりコーティングされたガラス積層板が用いられ、上記貫通孔により接着剤成分が絶縁シート内で連続しており、界面が連続することによる剥離等が防止できる。なお、貫通孔を有する金属シート等の導電性の充填部材は、接着面領域に用いるより内部領域、中でも内部領域の厚さ方向の中央部領域であるコア領域に用いる方が絶縁性の安定上好ましい。
本実施の形態の絶縁シートに係わる接着剤成分の主成分となる熱硬化性樹脂としては、例えばエポキシ樹脂を用いることができ、具体的には液状ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂｛商品名：エピコート８２８，ジャパンエポキシ（株）製｝、液状ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂｛商品名：エピコート８０７，ジャパンエポキシ（株）製｝、固形ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂｛商品名：エピコート１００１，ジャパンエポキシ（株）製｝、オルト−クレゾールノボラック型エポキシ樹脂｛商品名：ＥＯＣＮ−１０２Ｓ，日本化薬（株）製｝、フェノールノボラック型エポキシ樹脂｛商品名：エピコート１５２，ジャパンエポキシ（株）製｝、脂環脂肪族エポキシ樹脂｛商品名：ＣＹ１７９，バンティコ（株）製｝、グリシジルーアミノフェノール系エポキシ樹脂｛商品名：ＥＬＭ１００，住友化学工業（株）製｝、特殊多官能エポキシ樹脂｛商品名：ＥＰＰＮ５０１，日本化薬（株）製｝が挙げられ、これらを２種類以上併用しても良い。
また、硬化剤として、メチルテトラヒドロ無水フタル酸、メチルヘキサヒドロ無水フタル酸、無水ハイミック酸などの脂環式酸無水物、ドデセニル無水コハク酸などの脂肪族酸無水物、無水フタル酸、無水トリメリット酸などの芳香族酸無水物、ジシアンジアミド、アジピン酸ジヒドラジドなどの有機ジヒドラジド、トリス（ジメチルアミノメチル）フェノール、ジメチルベンジルアミン、１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン、およびその誘導体、２−メチルイミダゾール、２−エチルー４−メチルイミダゾール、２−フェニルイミダゾールなどのイミダゾール類を用いて固形のシートにすることができ、これらを２種類以上併用しても良い。
また粘度調整材として、アセトン、トルエンなどの有機溶媒を適宜用いてもよい。
実施の形態２．
図４は本発明の実施の形態２の絶縁シート７を模式的に示した説明図であり、扁平状充填材７１と粒子状充填材７２からなる充填部材を接着剤成分７０に分散したものからなり、絶縁シート７が両面に接着面７ａを有する場合であるため、絶縁シート７の上下面領域が接着面領域７ｂとなり、接着面領域７ｂにおける充填部材の充填率が、内部領域７ｃにおける充填率より小さく、接着面領域７ｂと内部領域７ｃの熱伝導率が実施の形態１に示す範囲となるように充填部材の充填率が調整されている。
なお、図４（ａ）は上記充填部材の充填率が絶縁シートの接着面から内部方向（中央部）に離れると順次連続的に増加するように充填されている。
また、図４（ｂ）は、充填部材の扁平状充填材７１と粒子状充填材７２からなる充填部材の総体積に対する充填率を調整して接着面領域７ｂと内部領域７ｃの熱伝導率を段階的に変化させた構造で、接着面領域７ｂにおける充填部材の充填率が内部領域７ｃよりも小で、接着面領域７ｂと内部領域７ｃの熱伝導率を実施の形態１に示す熱伝導率の範囲とする。
上記の構成により本実施の形態の絶縁シート７は、熱硬化性樹脂成分が十分な接着面領域７ｂにより接着性が維持され、内部領域７ｃでは熱伝導性を確保できる。そのため、高い熱伝導率を得るために充填部材を高充填することにより接着性や絶縁性能の著しく低下した絶縁シートを単独で用いるよりも、接着性と高熱伝導性を両立した絶縁シートを得ることができる。
図５は本発明の実施の形態２の別の絶縁シート７を模式的に示した説明図であり、絶縁シート７の一方の面にのみ接着面７ａを有する場合で、接着面側が接着面領域７ｂ、他方の面側が内部領域７ｃであり、片面にのみ接着性を必要とするシート構造として好適に用いられる。
実施の形態３．
図６は本発明の実施の形態３の絶縁シートに係わる充填部材の充填状態を模式的に示した説明図であり、図中矢印は絶縁シートの厚さ方向であり、（ａ）は充填部材として、扁平状充填材７１と粒子状充填材７２とが混在する場合、（ｂ）は扁平状充填材７１のみを用いた場合である。
即ち、本実施の形態の絶縁シートは実施の形態１において、扁平状充填材７１と粒子状充填材７２を共に用いる｛図６（ａ）｝か、扁平状充填材７１のみを用いる｛図６（ｂ）｝他は実施の形態１と同様であり、扁平状充填材７１と粒子状充填材７２を共に用いると、絶縁シートでは、粒子状充填材が扁平状充填材を支え、絶縁シートの厚さ方向において、扁平状充填材を長辺方向に配向させる。したがって厚さ方向の放熱特性が著しく向上するとともに、扁平状充填材の重なりが減少するので、充填量を増大することができる。
また（ｂ）のように扁平状充填材７１のみを用いた場合、絶縁シートでは扁平状充填材が重なり合って配向するために絶縁破壊電界などの絶縁性能を増大することができる。
実施の形態４．
図７は本発明の実施の形態４の絶縁シート７を模式的に示す説明図であり、図７（ａ）は、熱伝導率が実施の形態１における接着面領域における範囲となるように、接着剤成分７０に充填材７１、７２が一様に充填された絶縁シートにおいて、内部領域７ｃにおいて厚さ方向の中央部領域であるコア領域に、充填部材として貫通孔７４を有する熱伝導性に優れた金属シート７３を配置したもの、図７（ｂ）は実施の形態２の絶縁シートの内部領域７ｃの中央部（コア領域）に充填部材として上記金属シート７３を設けた構造であり、特に上記金属シート７３等の導電性の充填部材は、接着面領域に用いるより内部領域、中でもコア領域に用いる方が絶縁性の安定上好ましい。また、本実施の形態では、いずれも金属シート７３の貫通孔において樹脂が連続しているため、絶縁シート内での金属シートと熱硬化性樹脂との界面が連続せず界面における剥離が防止できる。
なお、上記実施の形態１〜４の絶縁シート７を用いた接着において、さらに接着強度を向上させるため、接着剤成分にカップリング剤を含有させてもよい。
カップリング剤としては、例えばγ―グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、Ｎ−Β（アミノエチル）γ―アミノプロピルトリエトキシシラン、Ｎ−フェニル−γ―アミノプロピルトリメトキシシラン、γ―メルカプトプロピルトリメトキシシランなどがある。上記カップリング剤を２種類以上併用しても良い。
実施の形態５．
図８は本発明の実施の形態５の絶縁シート７を模式的に示す説明図であり、実施の形態２の絶縁シートの内部領域７ｃにおける厚さ方向の中央部領域のコア領域に、充填部材として、貫通孔７４を有し、上記貫通孔の表面に銅等の金属層７５をコーティングした例えばガラス積層板等の絶縁板７６を配置したもので、上記貫通孔にコーティングした銅７５により熱伝導が付与され、上記貫通孔において樹脂が連続しており界面が連続せず界面における剥離が防止できる。なお、上記絶縁板を用いることにより、下記に示すように絶縁シートの作製工程における硬化時に受けた圧力や樹脂の収縮による応力を防止できる。
実施の形態６．
図９は本発明の実施の形態の絶縁シートの製造方法における積層工程の説明図であり、図中、矢印は積層方向を示す。
即ち、銅等の基材２１の上に順次、接着面領域となる第１の絶縁シート組成物からなる第１の層１７ｂ、内部領域となる第２の絶縁シート組成物からなる第２の層１７ｃ、接着面領域となる第１の絶縁シート組成物からなる第１の層１７ｂを形成してＡまたはＢステージ状態の積層体７ｅを得る｛図９（ａ）｝。
また、上記基材２１の上に順次、接着面領域となる第１の絶縁シート組成物からなる第１の層１７ｂと内部領域となる第２の絶縁シート組成物からなる第２の層１７ｃを形成させたものを２枚張り合わせてＡまたはＢステージ状態の積層体７ｅを得る｛図９（ｂ）｝。
また、上記基材２１に接着面領域となる第１の絶縁シート組成物からなる第１の層１７ｂを形成したものを、内部領域となる第２の絶縁シート組成物からなる第２の層１７ｃに張り付けてＡまたはＢステージ状態の積層体７ｅを得る｛図９（ｃ）｝。
なお、上記接着面領域となる第１の絶縁シート組成物における充填部材の充填率は、内部領域となる第２の絶縁シート組成物における充填部材の充填率より小であり、各絶縁シート組成物は熱硬化により熱伝導率が実施の形態１に示す熱伝導率の範囲となるものである。
上記のようにして得られた、接着剤成分がＡまたはＢステージ状態の積層体７ｅをプレスすると、接着面領域となる第１の絶縁シート組成物からなる第１の層１７ｂと内部領域となる第２の絶縁シート組成物からなる第２の層１７ｃの樹脂がお互いに混合され界面がなくなり絶縁シート全体が連続した層となった本実施の形態の絶縁シートを得るが、上記のようにシート化することにより熱伝導率の低い空気が押し出されポーラスな欠陥が解消されるため熱が効率よく伝えられ熱伝導率が高くなるだけでなく、絶縁特性における欠陥であるボイドなどの空隙も改善されコロナ発生を抑制し絶縁性能が向上できるという効果がある。
実施の形態７．
図１０は本発明の実施の形態７の絶縁シートの製造方法における積層工程の説明図で、図中矢印は積層方向である。
即ち、離型フィルム上に接着剤成分に充填部材を分散した絶縁シート組成物を塗布したものを２枚用意し、上記塗布状態で充填部材の比重の違いにより充填部材の沈降速度の違いを利用して接着面領域７ｂと内部領域７ｃが実施の形態１に示す熱伝導率の範囲となるように充填部材の分布を調整した後、上記離型フィルムを除去し、これを中心に向かって充填部材濃度が高くなるように張り合わせて積層体７ｅを得、実施の形態６と同様にプレスして、絶縁シート組成物の樹脂がお互いに混合され界面がなくなり絶縁シート全体が連続した層となる本実施の形態の絶縁シートを得ることができる。
このようにシート化することにより熱伝導率の低い空気が押し出されポーラスな欠陥が解消されるため熱が効率よく伝えられ熱伝導率が高くなるだけでなく、絶縁特性における欠陥であるボイドなどの空隙も改善されコロナ発生を抑制し絶縁性能が向上できるというメリットがある。
実施の形態８．
図１１、図１２および図１３は本発明の実施の形態８のパワーモジュールの構成図であり、電力半導体素子１は、リードフレーム（導電部材）２に搭載され、上記実施の形態１〜７の絶縁シートの硬化体７７が、導電部材２とヒートシンク部材６に接着して設けられ、別途リードフレーム２に搭載されたコントロール用半導体素子４と金属線５で接続され、上記構成部材は、モールド樹脂１０で封止された構造となっている。
なお、上記実施の形態の絶縁シートをＡまたはＢステージ状態の半硬化状態の固形シートにしてリードフレーム２とヒートシンク部材６の間に配置し、加熱硬化させるようにすれば、生産性よく、リードフレーム２とヒートシンク部材６を接着できる。絶縁シートの硬化反応によるリードフレーム２とヒートシンク部材６との接着工程は、モールド樹脂１０による封止工程において同時に行ってもよい。
パワーモジュールを封止するモールド樹脂１０としては、例えば、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂を用いればよい。リードフレーム２の材料としては、銅やアルミ金属が用いられる。また、ヒートシンク部材６としては銅、アルミニウム等の金属やこれらの合金、またはアルミナ等のセラミックを用いることができる。
本実施の形態のパワーモジュールは、ヒートシンク部材６と導電部材２とを接着する絶縁シートの硬化体７７が、従来の絶縁性熱伝導性樹脂シートにはない優れた熱伝導性と接着性と絶縁性を有しており、パワーモジュールの小形化と高容量化を可能にする。
また、図１２に示すように、絶縁シートの硬化体７７が金属製ヒートシンク部材またはアルミナなどの絶縁板を覆うようすると、モールド樹脂１０との熱膨張率差が小さくできるため剥離を防止できる。
また、上記絶縁シートは、高熱伝導率が達成できるのでヒートシンク部材６を兼ねて良好な放熱特性を示すことができ、図１３に示すように、図５に示す絶縁シート７の硬化体７７がヒートシンク部材を兼ねた一層構造にすることも可能であり、モールド樹脂１０との熱膨張率差が小さくできる。このためクラックの発生などもより抑制できる。
実施の形態９．
図１４は、本発明の実施の形態９のパワーモジュールの構成図であり、ケースタイプのパワーモジュールである。
つまり、ヒートシンク部材６と、ヒートシンク部材６の表面に設けられた回路基板８と、この回路基板８に搭載された電力半導体素子１と、ヒートシンク部材６の周縁部に接着されたケース９と、ケース内に注入され回路基板８および電力半導体素子１などを封止する注型樹脂４と、ヒートシンク部材６の回路基板８が設けられた面に対向する反対側の面に接着して実施の形態１〜７の絶縁シートの硬化体７７設けられ、この硬化体７７によりヒートシンク部材６とヒートスプレッダー１１が接着している。
本実施の形態のパワーモジュールは、ヒートシンク部材６とヒートスプレッダー１１とを接着する絶縁シートの硬化体７７が、従来の絶縁性熱伝導性樹脂シートにはない優れた熱伝導性と接着性と絶縁性を有しており、パワーモジュールの小形化と高容量化を可能にする。
実施例１．
表１に示すようにビスフェノールＡ型エポキシ樹脂｛商品名：エピコート８２８，ジャパンエポキシレジン（株）製｝１００重量部および硬化促進剤の１−シアノエチル−２−メチルイミダゾール｛商品名：キュアゾール２ＰＮ−ＣＮ，四国化成工業（株）製｝１重量部からなる接着剤成分に２００重量部のメチルエチルケトンを添加し、次いで扁平形状充填材として窒化ホウ素７μｍ｛商品名：ＧＰ，電気化学工業（株）製｝１４３重量部、粒子状充填材として窒化ケイ素５μｍ｛商品名：ＳＮ−７，電気化学工業（株）製｝２０１重量部の混合からなる充填部材を添加して混合し３本ロールで混練してから真空脱泡し絶縁シート組成物Ａを得る。
なお、絶縁シート組成物Ａにおける、メチルエチルケトンを除く接着剤成分および充填部材の全体積に対する充填部材の閉める割合（充填部材／絶縁シート）は６０体積％である。また窒化ホウ素と窒化ケイ素の体積比率は１：１である。
Figure 2006210597
上記絶縁シート組成物Ａを厚さ１００μｍの片面離型処理したポリエチレンテレフタレートシートの離型処理面上にドクターブレード法で塗布し、３０分静置して充填部材を沈降させた後、１１０℃で５分間加熱乾燥し、上記絶縁シート材料組成物Ａ塗膜面に別のポリエチレンテレフタレートシートを設けてはさみ、厚さが５５μｍのＢステージ状態の積層体を作製する。
ついで上記Ｂステージ状態の積層体を２枚用意し、それぞれのポリエチレンテレフタレートシートの離型処理面をはがし、図１０に示すように、剥した面を合わせて１３０℃で８０ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力で真空プレスして全厚が約２００μｍの本発明の実施例の絶縁シートを得、上記絶縁シートの厚さ方向の熱伝導率を測定して結果を表２に示す。なお、熱伝導率はレーザーフラッシュ法で測定した。
また、上記と同様にして作製した絶縁シートを２ｍｍ厚の銅板に挟み込んで接着性試験片を作製し、５０ｍｍ／秒で銅板と絶縁シートとの引張強度を測定した。また上記絶縁シートの破壊電界も測定し、結果を表２に示す。
Figure 2006210597
実施例２．
表１に示す絶縁シート組成物Ａと、実施例１と同様にして表１の絶縁シート組成物Ｂを調整する。なお、絶縁シート組成物Ｂにおける窒化ホウ素と窒化ケイ素の体積比率は上記絶縁シート組成物Ａと同様１：１であり、絶縁シート組成物における、メチルエチルケトンを除く接着剤成分および充填部材の全体積に対する充填部材の閉める割合（充填部材／絶縁シート）を表１に示すように調整することにより、下記のようにして得られる本実施例の絶縁シート内の熱伝導率を上記実施の形態に示す所定の範囲に調整することができる。
絶縁シート組成物Ｂを１００μｍ厚の片面離型処理したポリエチレンテレフタレートシートの離型処理面上にドクターブレード法で塗布し、１１０℃で５分間加熱乾燥して３５μｍ厚の絶縁シートＢ層（接着面領域となる層）を得、さらにその上に絶縁シート組成物Ａをドクターブレード法で塗布して９０μｍ厚の絶縁シートＡ層（内部領域となる層）を積層してＢステージ状態の積層体を作製した。
ついで上記Ｂステージ状態の積層体を２枚用意し、それぞれの絶縁シートＡ層面を合わせて図９（ｂ）に示す積層体を得、これを１３０℃で８０ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力で真空プレスして全厚が約２１０μｍの本発明の実施例の絶縁シートを得た。
得られた絶縁シートの熱伝導率を実施例１と同様に評価し、２ｍｍ厚の銅板に上記と同様にして作製した絶縁シートを挟み込んで接着性試験片を作製し、５０ｍｍ／秒で引張強度を測定した。また上記絶縁シートの破壊電界も測定し、結果を表２に示す。
実施例３．
表１に示す絶縁シート組成物Ａと、絶縁シート組成物Ｂと絶縁シート組成物Ｃを調整した。なお、絶縁シート組成物Cにおける窒化ホウ素と窒化ケイ素の体積比率は上記絶縁シート組成物Ａと同様１：１であり、絶縁シート組成物における、メチルエチルケトンを除く接着剤成分および充填部材の全体積に対する充填部材の閉める割合（充填部材／絶縁シート）を表１に示すように調整することにより、本実施例の絶縁シート内の熱伝導率を上記実施の形態に示す所定の範囲に調整することができる。
まず、絶縁シート組成物Ｃを１００μｍ厚の片面離型処理したポリエチレンテレフタレートシートの離型処理面上にドクターブレード法で塗布し１１０℃で５分間加熱乾燥し約５〜７μｍ厚の絶縁シートＣ層を得た。さらにその上層に絶縁シート組成物Ｂをドクターブレード法で塗布し１１０℃で５分間加熱乾燥し２５μｍ厚の絶縁シートＢ層を得た。さらにその上層に絶縁シート組成物Ａをドクターブレード法で塗布し加熱乾燥し８５μｍ厚の絶縁シートＡ層を積層してＢステージの積層体を作製した。
ついで上記Ｂステージ状態の積層体を２枚用意し、それぞれの縁シートＡ層面を合わせて１３０℃で真空プレスし全厚が２２０μｍの本発明の実施例の絶縁シートを得た。
得られた絶縁シートの熱伝導率を実施例１と同様に評価し、上記と同様にして作製した絶縁シートを２ｍｍ厚の銅板に挟み込んで接着性試験片を作製し、５０ｍｍ／秒で引張強度を測定した。また絶縁シートの破壊電界も測定し、結果を表２に記した。
実施例４．
表１に示す絶縁シート組成物Ａと、絶縁シート組成物Ｂを調整した。
ついで得られた絶縁シート組成物Ｂを１００μｍ厚の片面離型処理したポリエチレンテレフタレートシートの離型処理面上にドクターブレード法で塗布し１１０℃で５分間加熱乾燥し、さらにその上層に絶縁シート組成物Ａをドクターブレード法で塗布し加熱乾燥し実施例２と同じ厚さのＢステージの積層体を得た。
ついで上記Ｂステージ状態の積層体を２枚用意し、それぞれの絶縁シートＡ層面の間に、１ｍｍ間隔に直径０．５ｍｍの貫通孔を有する５０μｍ厚の銅シートをはさむようにして１３０℃で真空プレスし図７（ｂ）の形態で示される全厚が２２０μｍの本発明の実施例の絶縁シートを作製した。
得られた絶縁シートの熱伝導率を実施例１と同様に評価した。また２ｍｍ厚の銅板上に上記と同様にして作製した絶縁シートを挟み込んで接着性試験片を作製し、５０ｍｍ／秒で引張強度を測定した。また絶縁シートの破壊電界も測定し、結果を表２に示す。
実施例５．
表１に示す絶縁シート組成物Ａと、絶縁シート組成物Ｂを調整した。
ついで得られた絶縁シート組成物Ｂを１００μｍ厚の片面離型処理したポリエチレンテレフタレートシートの離型処理面上にドクターブレード法で塗布し１１０℃で５分間加熱乾燥し、さらにその上層に絶縁シート組成物Ａをドクターブレード法で塗布し加熱乾燥し実施例２と同じ厚さのＢステージの積層体を得た。
ついで上記Ｂステージ状態の積層体を２枚用意し、それぞれの絶縁シートＡ層面の間に、２ｍｍ間隔に直径１ｍｍの貫通孔を有する１００μｍ厚のアルミナシートをはさむようにして１３０℃で真空プレスし全厚が３００μｍの本発明の実施例の絶縁シートを作製した。
得られた絶縁シートの熱伝導率を実施例１と同様に評価し、２ｍｍ厚の銅板に上記と同様にして作製した絶縁シートを挟み込んで接着性試験片を作製し、５０ｍｍ／秒で引張強度を測定した。また絶縁シートの破壊電界も測定した。結果を表２に記した。
実施例６．
表１に示す絶縁シート組成物Ａと、絶縁シート組成物Ｂを調整した。
ついで得られた絶縁シート組成物Ｂを１００μｍ厚の片面離型処理したポリエチレンテレフタレートシートの離型処理面上にドクターブレード法で塗布し１１０℃で５分間加熱乾燥し、さらにその上層に絶縁シート組成物Ａをドクターブレード法で塗布し加熱乾燥し実施例２と同じ厚さのＢステージの積層体を得た。
ついで上記Ｂステージ状態の積層体を２枚用意し、それぞれの絶縁シートＡ層面の間に、２ｍｍ間隔に直径０．５ｍｍの貫通孔を有し、上記貫通孔の表面に銅をコーティングした０．８ｍｍ厚のガラス積層板をはさむようにして１３０℃で真空プレスし図８の形態で示される全厚が約１ｍｍの本発明の実施例の絶縁シートを作製した。
得られた絶縁シートの熱伝導率を実施例１と同様に評価し、２ｍｍ厚の銅板に上記と同様にして作製した絶縁シートを挟み込んで接着性試験片を作製し、５０ｍｍ／秒で引張強度を測定した。また絶縁シートの破壊電界も測定し、結果を表２に記した。
比較例１．
表１に示す絶縁シート組成物Ａを使用し、２００μｍ厚の熱伝導性接着フィルムを作製した。
得られた熱伝導性接着フィルムを用いて熱伝導率は実施例１と同様に評価した。また２ｍｍ厚の銅板上に上記と同様にして作製した熱伝導性接着フィルムを挟み込んで接着性試験片を作製し、実施例１と同様に５０ｍｍ／秒で引張強度を測定した。また熱伝導性接着フィルムの破壊電界も測定し、結果を表２に記した。
比較例２．
表１に示す絶縁シート組成物Ｂを使用し、２００μｍ厚の熱伝導性接着フィルムを作製した。
得られた熱伝導性接着フィルムを用いて熱伝導率は実施例１と同様に評価した。また２ｍｍ厚の銅板上に上記と同様にして作製した熱伝導性接着フィルムを挟み込んで接着性試験片を作製し、実施例１と同様に５０ｍｍ／秒で引張強度を測定した。また熱伝導性接着フィルムの破壊電界も測定し、結果を表２に記した。
表２から、本発明の実施例の絶縁シートは接着強度に優れるとともに熱伝導性と絶縁性を効果的に両立できることが示された。
本発明の実施の形態１の絶縁シートの説明図である。 本発明の実施の形態１の絶縁シートに係わる、熱伝導率による比接着強度の変化を示す特性図である。 本発明の実施の形態１の絶縁シートに係わる、熱伝導率による絶縁破壊電界の変化を示す特性図である。 本発明の実施の形態２の絶縁シートを模式的に示した説明図である。 本発明の実施の形態２の別の絶縁シートを模式的に示した説明図である。 本発明の実施の形態３の絶縁シートに係わる充填材の充填状態を模式的に示した説明図である。 本発明の実施の形態４の絶縁シートを模式的に示す説明図である。 本発明の実施の形態５の絶縁シートを模式的に示す説明図である。 本発明の実施の形態６の絶縁シートの製造方法における積層工程の説明図である。 本発明の実施の形態７の絶縁シートの製造方法における積層工程の説明図である。 本発明の実施の形態８のパワーモジュールの構成図である。 本発明の実施の形態８のパワーモジュールの構成図である。 本発明の実施の形態８のパワーモジュールの構成図である。 本発明の実施の形態９のパワーモジュールの構成図である。
符号の説明
１ 電力半導体素子、２ 導電部材、６ ヒートシンク部材、７ 絶縁シート、７ａ 接着面、７ｂ 接着面領域、７ｃ 内部領域、７ｅ 積層体、１７ｂ 第１の層、１７ｃ 第２の層、１０ モールド樹脂、７０ 接着剤成分、７１，７２ 充填部材、７３ 金属シート、７４ 貫通孔、７５ 金属層、７６ 絶縁板、７７ 絶縁シートの硬化体、８ 回路基板、９ ケース、１１ ヒートスプレッダー。


Claims (14)

  1. 熱硬化性樹脂を主成分とする接着剤成分に充填部材を充填してなる絶縁シートであって、上記絶縁シートの接着面領域の熱伝導率が、上記絶縁シートの上記接着面領域以外の内部領域の熱伝導率より小さいことを特徴とする絶縁シート。
  2. 絶縁シートの接着面領域の熱伝導率が０．２〜１０Ｗ／ｍＫであり、絶縁シートの内部領域の熱伝導率が１０〜１６Ｗ／ｍＫであることを特徴とする請求項１に記載の絶縁シート。
  3. 接着面領域における充填部材の充填率が、内部領域における充填部材の充填率より小さく、接着面領域と内部領域の熱伝導率を、各領域の充填部材の充填率により調整することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の絶縁シート。
  4. 絶縁シートの接着面から内部方向へ離れるに従って熱伝導率が順次大きくなることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の絶縁シート。
  5. 絶縁シートの接着面領域における熱伝導率と、絶縁シートの接着面領域以外の内部領域の熱伝導率とが段階的に異なることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の絶縁シート。
  6. 充填部材が扁平状または粒子状の充填材であり、酸化アルミニウム（アルミナ）、窒化ホウ素および炭化ケイ素の少なくとも１種であることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の絶縁シート。
  7. 充填部材として、貫通孔を有するセラミックスシート、貫通孔を有し上記貫通孔が金属によりコーティングされたセラミックスシート、または貫通孔を有し上記貫通孔が金属によりコーティングされたガラス積層板が、絶縁シートの内部領域に充填されていることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の絶縁シート。
  8. 絶縁シートの内部領域において厚さ方向の中央部領域であるコア領域に、導電性の充填部材が充填されていることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の絶縁シート。
  9. 導電性の充填部材が貫通孔を有する導電性金属シートであることを特徴とする請求項８に記載の絶縁シート。
  10. 接着剤成分がＡまたはＢステージ状態であることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の絶縁シート。
  11. 熱硬化性樹脂を主成分とする接着剤成分および充填部材を含有し、熱硬化により熱伝導率が０．２〜１０Ｗ／ｍＫとなる第１の絶縁シート組成物と、熱硬化性樹脂を主成分とする接着剤成分および充填部材を含有し、熱硬化により熱伝導率が１０〜１６Ｗ／ｍＫとなる第２の絶縁シート組成物とを用い、上記第１の絶縁シート組成物からなる第１の層に上記第２の絶縁シート組成物からなる第２の層を設けたＡまたはＢステージ状態の積層体を得る工程と、上記ＡまたはＢステージ状態の積層体を、上記第１、第２の層の接着剤成分が互いに混合するようにプレス処理する工程とを備えた絶縁シートの製造方法。
  12. プレス処理する工程の前に、第１、第２のＡまたはＢステージ状態の積層体の第２の層同士を貼り合わせる工程を有することを特徴とする請求項１１に記載の絶縁シートの製造方法。
  13. 電力半導体素子と、この電力半導体素子を搭載した導電部材と、この導電部材の上記電力半導体素子を搭載した面と反対側の面に着設した請求項１〜請求項１０のいずれかに記載の絶縁シートの硬化体と、この絶縁シートの硬化体に着設したヒートシンク部材とを備えたパワーモジュール。
  14. 電力半導体素子と、この電力半導体素子を搭載した回路基板と、この回路基板を設けたヒートシンク部材と、このヒートシンク部材の周縁部に接着されたケースと、このケース内に注入され上記回路基板および上記電力半導体素子を封止する注型樹脂と、上記ヒートシンク部材の上記回路基板が設けられた面の反対側の面に着設した請求項１〜請求項１０のいずれかに記載の絶縁シートの硬化体と、この絶縁シートの硬化体に着設したヒートスプレッダーとを備えたパワーモジュール。
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