JP2009004536A - 熱伝導性樹脂シート及びこれを用いたパワーモジュール - Google Patents

熱伝導性樹脂シート及びこれを用いたパワーモジュール Download PDF

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Abstract

【課題】 無機充填材が高い充填率で充填されて高い熱伝導性が確保され、かつ樹脂が配合させて加工性が確保され、かつボイドが抑制されて良好な電気絶縁性が確保された熱伝導性樹脂シート及びこれを用いたパワーモジュールを得る。
【解決手段】 樹脂と、界面活性剤で被覆され熱伝導性で且つ絶縁性の充填材とを備え、上記充填材を上記樹脂中に分散させる。また、熱伝導性で且つ絶縁性の充填材と、界面活性剤とを備え、上記充填材と上記界面活性剤を上記樹脂中に分散させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発熱体から放熱部材へ熱を伝達させるために用いる熱伝導性樹脂シートに関し、特に電力半導体素子等の発熱体からの熱を放熱部材に伝達させ、かつ絶縁層としても機能する熱伝導性樹脂層を形成するための熱伝導性樹脂シートに関する。また上記熱伝導性樹脂シートを用いたパワーモジュールに関する。
電気・電子機器の発熱部から放熱部材へ熱を伝達させる熱伝導性樹脂層には、高熱伝導性、絶縁性、接着性の要求から、熱硬化性樹脂に無機充填材を添加した熱伝導性樹脂組成物が用いられている。
例えば、パワーモジュールにおいては、電力半導体素子を搭載したリードフレームの裏面と放熱部となる金属板との間に設ける熱伝導性樹脂層として、無機充填材を含有した熱硬化性樹脂シートや塗布膜を用いる（例えば、特許文献１参照）。
ＣＰＵ等の発熱性電子部品と放熱フィンとの間に介在させる熱伝導性樹脂層として、高熱伝導性の無機粉体を充填した熱硬化性樹脂シートがある（例えば、特許文献２参照）。
また、無機粉体を充填したコンパウンドシートを作製する場合、球形充填材と非球形充填材を混合させ、柔軟性及び形状追従性を持たせることが開示されている（例えば、特許文献３）。
特開２００１−１９６４９５号公報（第３頁、図１） 特開２００２−１６７５６０号公報（第３頁、図１） 特開２００２−１２１３９３号公報
しかしながら、熱伝導性を向上させるため樹脂に対する無機充填材の充填率を高くすると、樹脂が空間に回り込まずボイドが形成され、熱伝導性樹脂シートの電気絶縁性や機械的強度が低下するという問題があった。特にパワーモジュールの絶縁層として用いる場合には、耐圧特性が要求され、熱伝導性樹脂シート中のボイドが耐圧を低下させる要因となる問題があった。
この発明は、上述の問題点を解決するためになされたものであり、無機充填材が高い充填率で充填されて高い熱伝導性が確保され、かつ樹脂が配合させて加工性が確保され、かつボイドが抑制されて良好な電気絶縁性が確保された熱伝導性樹脂シート及びこれを用いたパワーモジュールを得ることを目的としている。
この発明に係る熱伝導性樹脂シートは、樹脂と、界面活性剤で被覆され、熱伝導性で、且つ絶縁性の充填材とを備え、上記充填材は、上記樹脂中に分散されていることを特徴とする。
また、樹脂と、熱伝導性で、且つ絶縁性の充填材と、界面活性剤とを備え、上記充填材と上記界面活性剤は、上記樹脂中に分散されていることを特徴とする。
この発明に係るパワーモジュールは、電力半導体素子と、上記電力半導体素子から発生する熱を放熱する放熱部材と、上記放熱部材と接着された上記熱伝導性樹脂シートの硬化体とを備える。
この発明によれば、無機充填材が高い充填率で充填されて高い熱伝導性が確保され、かつ樹脂が配合させて加工性が確保され、かつボイドが抑制されて良好な電気絶縁性が確保された熱伝導性樹脂シートを得ることができる。
またこの発明の熱伝導性樹脂シートを用いることにより、放熱性、電気絶縁性に優れたパワーモジュールを得ることができる。
実施の形態１．
図１は、本発明に係る実施の形態１における熱伝導性樹脂シート４の断面を模式化してその一部を示した模式図である。図１において、熱伝導性樹脂シート４は、例えば窒化アルミニウムからなる粒子状の充填材１がマトリックス樹脂３中に充填されており、充填材１の接触により伝熱路を確保して熱伝導性を高め、充填材１間の隙間が樹脂３で埋められている。さらに充填材１には例えばカルボン酸エステルを含む界面活性剤２が０．１μｍ程度コーティングされている。
この熱伝導性樹脂シート４においては、界面活性剤２により充填材１同士の接触抵抗が小さくなるため、充填材１の充填量を増大することができる。また樹脂３が空間に回りこみ易くなるため、空隙率を小さくすることができる。
なお、界面活性剤２の厚さは、充填材１同士の接触抵抗を小さくでき、熱伝導を妨げない厚さとすることが好ましく。０．０１〜１０μｍ程度がよい。さらに好ましくは０．１〜１μｍ程度がよい。
実施の形態２．
図２は、本発明に係る実施の形態２における熱伝導性樹脂シート４の断面を模式化してその一部を示した模式図である。図２において、熱伝導性樹脂シート４は、例えば窒化アルミニウムからなる粒子状の充填材１がマトリックス樹脂３中に充填されており、充填材１の接触により伝熱路を確保して熱伝導性を高め、充填材１間の隙間が樹脂３で埋められている。さらに充填材１と樹脂３とを混練する際にカルボン酸エステルを含む界面活性剤２をマトリクスとなる樹脂３にあらかじめ溶解させ界面活性剤２を混合させた。
この熱伝導性樹脂シート４においては、界面活性剤２により充填材１同士の接触抵抗が小さくなるため、充填材１の充填量を増大することができる。また樹脂３が空間に回りこみ易くなるため、空隙率を小さくすることができる。
界面活性剤２は、充填材１同士の接触抵抗を小さくでき、熱伝導を妨げない程度混合されていることが好ましく、例えば充填材の総質量に対して０．０００５〜３０質量％程度とすればよい。
界面活性剤２は、樹脂３に分散させて混合させてもよい。
なお、上記実施の形態１では、界面活性剤２を充填材１にコーティングする例について、また実施の形態２では混合させる例を示したが、界面活性剤２を充填材１にコーティングするとともに混合させてもよい。
実施の形態３．
図３は、本発明に係る実施の形態３における熱伝導性樹脂シート４の断面を模式化してその一部を示した模式図である。図３において、熱伝導性樹脂シート４は例えば窒化アルミニウムからなる粒子状の充填材１と例えば窒化硼素からなる扁平状充填材５がマトリックス樹脂３中に充填されており、充填材１と扁平状充填材５の隙間が樹脂３で埋められている。さらに充填材１には例えばカルボン酸エステルを含む界面活性剤２が０．１μｍ程度コーティングされている。この熱伝導性樹脂シート４は、充填材１の接触により伝熱路を確保して熱伝導性を高め、さらに充填材１の間に扁平状充填材５が介在することにより、熱伝導性樹脂シート４の厚さ方向に分布する隣接する充填材１同士が、扁平状充填材５により繋がれ、伝熱経路を形成するため、熱が熱伝導性樹脂シート４の厚さ方向に伝わり易くなる。扁平状充填材５は界面活性剤２により充填材１の周囲にすべり込みやすいため、充填率を向上できるとともに、厚さ方向に配列しやすくなり、厚さ方向の熱伝導性を向上させることができる。
ここで扁平状充填材５とは、例えば図４に示すような長径Ｌが０．５〜２００μｍ程度、短径が０．２〜１００μｍ程度の平板状のものを用いることができる。長径Ｌは１〜５０μｍであれば熱伝導性樹脂シート４を形成するために調製する熱伝導性樹脂組成物のチクソトロピック性が抑制できるのでより好ましい。なおその外縁の形状は限定されず、矩形形状、楕円形状のものであってもよい。材質としては、本実施の形態で用いた窒化硼素の他に電気絶縁性の酸化アルミニウム（アルミナ）、炭化珪素、雲母チタン、硫酸バリウム、雲母、セリサイト、スメクタイトなどを用いることができる。これらを２種類以上用いてもよい。
また、熱伝導性を高める観点から、粒子状の充填材１と扁平状充填材５の体積配合比を２０／８０〜８０／２０程度にすることが好ましく、特に５０／５０程度が好ましい。扁平状充填材５の体積配合比を大きくすると、扁平状充填材５の間に粒子状の充填材１が介在し、熱伝導性樹脂シート４の面内に配向している扁平状充填材５を熱伝導性樹脂シート４の面方向に対して角度を持って分散するようになる。そのため層状に重なっている扁平状充填材５同士が接触し、熱伝導性樹脂シート４の厚さ方向に対し扁平状充填材５が連なった熱伝達経路を形成して、厚さ方向の熱伝導性が向上する。このとき粒子状の充填材１は、層状に重なっている扁平状充填材５と接触して、熱伝導性樹脂シート４の厚さ方向に連なる熱が伝達する経路の一部となる。
本実施の形態では、界面活性剤２を充填材１にコーティングする例について述べたが、扁平状充填材５にコーティングさせてもよい。また充填材１と扁平状充填材５の両方にコーティングさせてもよい。さらにマトリクスとなる樹脂３にあらかじめ溶解する、均一に分散させるなどの処理により界面活性剤２を混合させてもよい。
実施の形態４．
図５は、本発明に係る実施の形態４における熱伝導性樹脂シート４の断面を模式化してその一部を示した模式図である。図５において、熱伝導性樹脂シート４は例えば窒化アルミニウムからなる粒子状の充填材１と例えば窒化硼素からなる扁平状充填材５がマトリックス樹脂３中に充填されており、充填材１と扁平状充填材５の隙間が樹脂３で埋められている。さらに充填材１、扁平状充填材５および樹脂３を混練する際にカルボン酸エステルを含む界面活性剤２をマトリクスとなる樹脂３にあらかじめ溶解させ界面活性剤２を混合させた。
この熱伝導性樹脂シート４においては、界面活性剤２により充填材１および扁平状充填材５の接触抵抗が小さくなるため、充填材１および扁平状充填材５の充填量を増大することができる。また樹脂３が空間に回りこみ易くなるため、空隙率を小さくすることができる。
界面活性剤２は、充填材１同士の接触抵抗を小さくでき、熱伝導を妨げない程度混合されていることが好ましく、例えば充填材の総質量に対して０．０００５〜３０質量％程度とすればよい。
界面活性剤２は、樹脂３に分散させて混合させてもよい。
ここで、粒子状の充填材１と扁平状充填材５の総質量に対し、混合する界面活性剤２の添加量を変化させて、熱伝導性樹脂シート４の硬化体を作製し、三菱電線製ディスチャージデテクター装置によりそれぞれの硬化体の破壊電圧を測定するとともに、上記硬化体の厚さを測定して破壊電界を求めた。図６に破壊電界と界面活性剤添加量との関係を示す。図６に示すとおり、界面活性剤２を０．０００５質量％以上にすると破壊電界を向上できることがわかり、０．００１質量％以上とするとさらに安定して高い破壊電界を得ることができることがわかる。より好ましくは０．００２質量％以上とすればよい。
さらに添加量を増大させると粒子状の充填材１と扁平状充填材５の量を増やせなくなり、熱伝導率を低下させ好ましくないため、２０質量％以下程度とするのが好ましい。さらに好ましくは、１０質量％以下である。
界面活性剤２を用いない場合粒子状の充填材１と扁平状充填材５との滑りが悪いことにより、分散性が悪くなり、樹脂３が回りこみにくくなってボイドが発生しやすく、ボイドに起因した絶縁破壊が起こるものと思われる。少量であると、粒子状の充填材１と扁平状充填材５の表面にまわりこめず、分散性が改善できない。また多すぎると凝集により分散性が悪くなることによりボイドが発生し破壊電界を低下させるものと思われる。
また図７は、レーザーフラッシュ法を用いて測定した熱伝導率を用いてＫ／Ｋ0（Ｋ：硬化体の熱伝導率、Ｋ0：界面活性剤２を添加しない硬化体の熱伝導率）を求め、界面活性剤添加量との関係をプロットしたものである。図７より、ほぼ上述の破壊電界との関係と同様に界面活性剤２を添加することによる熱伝導率向上の効果がわかる。０．０００５質量％以上にすると熱伝導率を向上でき、０．００２質量％以上とするとさらに安定して高い熱伝導率を得ることができる。より好ましくは０．００５質量％以上とすればよい。また添加量を増大させると粒子状の充填材１と扁平状充填材５の量を増やせなくなるため、熱伝導率を低下させる。この観点から界面活性剤２の添加量は、３０質量％以下程度とするのが好ましい。１０質量％以下とするとさらに安定して高い熱伝導率を得ることができる。さらに好ましくは、１質量％以下である。
上述のとおり、界面活性剤２を分散させることにより、破壊電界向上、熱伝導率向上を図ることができるが、その効果は次の作用により発現するものと思われる。
充填材１あるいは扁平状充填材５の表面には通常凹凸が存在するが、界面活性剤２が吸着することにより、該凹凸を緩和でき表面は滑らかになる。さらに界面活性材２は潤滑性を有するので、充填材同士がぶつかる場合に比べ、摩擦抵抗を著しく小さくできる。この効果を発現するためには、界面活性剤２の添加量が所定量を越える必要がある。充填材全体に回りこませ、厚さを確保するためである。
さらに界面活性剤２は、分子内に親水性の部分と疎水性（親油性）の部分を併せ持つため、親水、親油のバランスによって２相界面に強く吸着されて、界面の自由エネルギーを著しく低下させる作用を示すことができる。したがって、これらの作用はモノエステル化合物よりも、ジエステルやそれ以上の多エステル化合物の方が効果が高い。
本実施の形態では、界面活性剤２を樹脂３に分散させる例について述べたが、充填材１もしくは扁平状充填材５、あるいは両方にコーティングさせてもよい。予めコーティングさせることにより、確実に充填材１あるいは扁平状充填材５の表面の凹凸に吸着させることができる。
上記実施の形態１〜４において、充填剤１に塗布、あるいは充填材１および樹脂３に混合させる界面活性剤２としては、良好な湿潤性や分散性を有し、かつ安定して分散状態を保持できるエステル化合物が好ましい。例えば上記エステル化合物として、カルボン酸とアルコールから脱水して縮合反応により得られるカルボン酸エステルを用いることができる。上記カルボン酸としては、例えば飽和、不飽和、ヒドロキシ、芳香族カルボン酸などがあり、飽和カルボン酸としては、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸、カプロン酸、カプリル酸、カプリン酸、ウンデカン酸、ラウリン酸、トリデカン酸、ミリスチン酸、ペンタデカン酸、パルミチン酸、マルガリン酸、ステアリン酸、ノナデカン酸、アラキジン酸、バハン酸、セチロン酸、モンタン酸、メリシン酸などの直鎖脂肪酸を用いることができ、不飽和脂肪酸としては、ウンデシレン酸、バルミトオレイン酸、オレイン酸、リノール酸、リノレイン酸、アラキドン酸を用いることができる。また、ヒドロキシ脂肪酸としては、イソオクチル酸、ネオトリガン酸、イソミリスチン酸、イソパルミチン酸、イソステアリン酸などの分岐脂肪酸、ヒドロキシステアリン酸、リシノール酸を用いることができる。
さらに１分子中にカルボン酸を２個以上持つ多塩基酸を用いることもできる。上記多塩基酸としてはシュウ酸、マロン酸、コハク酸、シクロブタン-１，１-ジカルボン酸、シクロヘキサン-１，２-ジカルボン酸、ジグリコール酸、ジチオグリコール酸、グルタン酸、アジピン酸、ピメリン酸、スベリン酸、アゼライン酸、セバシン酸、ウンデカンジオン酸、ドデカン二酸、エイコサン二酸、ダイマー酸、水添ダイマー酸などがあげられる。不飽和二塩基酸としてはフマル酸、マレイン酸、イタコン酸などがあげられる。ヒドロキシ多塩基酸としては酒石酸、リンゴ酸、ムチン酸、イタコン酸などがあげられる。
また、エステル化のために用いるアルコールとしては、例えばメタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、ヘプタノール、オクタノール、ノナノール、デカノール、ウンデカノール、ドデカノール（ラウリルアルコール）、トリデカノール、ミリスチルアルコール、ペンタデカノール、セチルアルコール、ヘプタデカノール、オクタデカノール、ノナデカノール、エイコサノール、ベヘニルアルコール、テトラコサノール、セトステアリルアルコールなどを用いることができる。
イソプロピルアルコール、イソブチルアルコール、イソペンチルアルコール、イソヘキサノール、イソハプタノール、イソオクタノール、ジメチルオクタノール、イソノナノール、イソデカノール、イソウンデカノール、イソドデカノール、イソトリデカノール、イソテトラデカノール、イソペンタデカノール、ヘキシルデカノール、イソステアリルアルコール、イソノナデカノール、オクチルドデカノール、２−エチルヘキサノール、２−ブチルオクタノール、２−オクチルドデカノールなどの分岐アルコール、ウンデセノール、ラウロレノール、ミリストレノール、パルミトレノール、オレイルアルコール、ブラシジルアルコール、アラキジルアルコールなどの不飽和アルコール、エチレングリコール、プロピレングリコール、トリメチレングリコール、ブタンジオール、ペンタンジオール、ヘキサンジオール、ヘプタンジオール、オクタンジオール、ノナンジオールデカンジオール、ピナコール、ヒドロベンゾイン、ベンズピナコール、シクロペンタン-１，４-ジオール、ダイマージオール、ネオペンチルグリコール、グリセリン、トリメチロールプロパンおよびその縮合物、トリメチロールエタン、ペンタエリスリットおよびその縮合物、ソルビット（ソルビトール）、グリセリン縮合物、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコールなどの２価以上のアルコールを用いてもよい。
上記エステル化反応は、例えば上述の材料より適当なものを選択して反応容器に仕込み、酸、アルカリまたは金属触媒の存在下あるいは非存在下、該反応に不活性な有機溶媒中で１５０〜２００℃にて数時間から１０時間程度で、副生成する水を除去しながら行う。なお触媒を用いる場合は、反応重量に対して０．００１〜１．０％加える。反応終了後、未反応物を水洗、アルカリ脱酸、シリカゲルなどの吸着剤処理などの方法で分離除去して精製する。このようにして得られたエステルは常温で液体または固体状であり、融点が１８０℃以下のものである。このようにして得られたエステル化合物からなる界面活性剤２は、マトリクスとなる樹脂３にあらかじめ溶解するか均一に分散させた状態で配合してもよく、充填材１あるいは扁平状充填材５の表面にあらかじめコーティングされた状態で用いてもよい。
上述のエステル化合物のうち分子内に多数個のエステルと多数個のアルコールを持つ化合物を得ることもでき、これらを界面活性剤２とすることもできる。その例としては、ソルビタン脂肪酸エステル類（例えば、ソルビタンモノラウレート、ソルビタンモノステアレート、ソルビタントリステアレート、ソルビタンモノオレエート、ソルビタントリオレエート、ソルビタンセスキオレエート、ソルビタンジステアレート等）、ポリオキシエチレンソルビタン脂肪酸エステル類（例えば、ポリオキシエチレンソルビタンモノラウレート、ポリオキシエチレンソルビタンモノパルミテート、ポリオキシエチレンソルビタンモノステアレート、ポリオキシエチレンソルビタンモノオレエート、ポリオキシエチレンソルビタントリオレエート等）、ポリオキシエチレンソルビトール脂肪酸エステル類（テトラオレイン酸ポリオキシエチレンソルビット等）、グリセリン脂肪酸エステル類（例えば、グリセロールモノステアレート、グリセロールモノオレエート等）、ポリオキシエチレン脂肪酸エステル類（例えば、ポリエチレングリコールモノラウレート、ポリエチレングリコールモノステアレート、ポリエチレングリコールモノラウレート、ポリエチレングリコールモノオレエート等）があげられる。
このようにして得られたエステル化合物は、常温で液体または固体であり、融点が１８０℃以下のものである。
なお、上記実施の形態１〜４において、界面活性剤２としてカルボン酸エステルを用いた例を示したが、エーテル化合物を用いてもよい。具体例としては、ポリオキシアルキレンアルキルエーテルおよびポリオキシアルキレンアルキルフェニルエーテル類（例えば、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、ポリオキシエチレンラウリルエーテル、ポリオキシエチレンセチルエーテル、ポリオキシエチレンステアリルエーテル、ポリオキシエチレンオレイルエーテル、ポリオキシエチレンオクチルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンノニルフェニルエーテル等）、オキシエチレン・オキシプロピレンブロックコポリマー、ポリエチレングリコール、ポリオキシエチレンアルキルアミン類、ポリオキシエチレン硬化ひまし油、アルキルアルカノールアミド類等が挙げられる。
これらの界面活性剤は１種類で用いても、複数用いてもよい。カルボン酸エステルと併せて用いてもよい。
上記実施の形態１〜４において、充填材１は、平均粒径が１〜３００μｍ程度の略球形のものが好ましいが、粉砕された形状で多角体形状であってもよい。材質としては、上記実施の形態１〜４で用いた窒化アルミニウムの他に、電気絶縁性の酸化アルミニウム（アルミナ）、酸化珪素（シリカ）、窒化珪素、炭化珪素、窒化硼素、ダイヤモンドなどを用いてもよい。これらを２種類以上混合させてもよい。
上記実施の形態１〜４において、充填材１は、粒子状のものを用いたが、平板状のものを用いてもよい。すなわち、充填材のすべてを扁平状充填材５に置き換えて用いても本発明の効果を発現できる。
また、上記実施の形態１〜４において、樹脂３としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂などの組成物を用いることができる。エポキシ樹脂は、熱伝導性樹脂シート４のＢステージ化が可能であり、耐熱性、電気特性、加工性などの観点より特に好ましい。
エポキシ樹脂組成物の主剤としては、例えば、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、オルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、脂環脂肪族エポキシ樹脂、グリシジルーアミノフェノール系エポキシ樹脂が挙げられる。これらのエポキシ樹脂は２種以上を併用しても良い。
エポキシ樹脂組成物の硬化剤としては、例えば、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が挙げられる。これらの硬化剤は２種以上を併用しても良い。
熱伝導性樹脂シート４には、必要に応じてカップリング剤を含有させても良い。用いられる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挙げられる。上記カップリング剤は２種類以上併用しても良い。
熱伝導性樹脂シート４に上記のようなカップリング剤を含有させると、発熱部となる電子機器の電力半導体素子２３を搭載する基材やヒートシンク部材２４などとの接着強度が向上し、さらに好ましい。
また、熱伝導性樹脂シート４のマトリックスとなる樹脂３に熱硬化性のエポキシ樹脂組成物を用いた場合、主剤の一部として数平均分子量３０００以上のエポキシ樹脂を併用すると、熱伝導性樹脂シート４の柔軟性が向上し、電気・電子機器の発熱部や放熱部に対する密着性が増して、好ましい。数平均分子量３０００以上のエポキシ樹脂の配合割合は、主剤の液状エポキシ樹脂１００重量部に対して１０〜４０重量部である。この配合割合が１０重量部未満では、上記の密着性の向上が認められない。この配合割合が４０重量部より大きいと、熱伝導性樹脂シート硬化体の耐熱性が低下する。
実施の形態５．
上記実施の形態１〜４の熱伝導性樹脂シート４は、例えば次の工程により作製できる。
まず、所定量の熱硬化性樹脂の主剤とこの主剤を硬化させるのに必要な量の硬化剤とを含む熱硬化性樹脂組成物と、この熱硬化性樹脂組成物と例えば同重量の溶剤とを混合し、上記熱硬化性樹脂組成物の溶液とする。
次に、上記熱硬化性樹脂組成物の溶液に、予め界面活性剤２をコーティングした充填材１を添加して予備混合する。この予備混合物を例えば３本ロールやニーダなどで混練し、コンパウンドとする。
次に、得られたコンパウンドを、離型処理されたポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ
）フィルムや金属板などの基材に、ドクターブレード法で塗布する。
次に、この塗布物を乾燥し、塗布物中の溶剤を揮発させ、シート化し、さらに加熱してＢステージ化する。上記加熱工程はプレスで加重しながら行ってもよく、加熱後別途プレスを用いて加重をかけ圧縮させてもよい。
また、上記工程において、予め界面活性剤２をコーティングした充填材１を用いる工程に替え、充填材１の予備混合時に界面活性剤２を添加してもよい。これらの両方を行ってもよい。また、充填材１のみではなく、扁平状充填材５を併せて用いてもよい。この場合扁平状充填材５に予め界面活性剤２をコーティングしてもよく、別途界面活性剤２を添加してもよい。
実施の形態６．
図８は、本発明の実施の形態６に係るパワーモジュールの断面模式図である。
図８に示すように、本実施の形態のパワ−モジュール２０は、配線材と放熱部材とを兼ねるリードフレーム２２の第１の面に電力半導体素子２３が載置されており、リードフレーム２２の電力半導体素子２３が載置された面に対向する反対側の第２の面に、上記実施の形態１〜３に係る熱伝導性樹脂シート４の硬化体２１を介してヒートシンク部材２４が設けられている。電力半導体素子２３は、やはりリードフレーム２２に載置された制御用半導体素子２５と金属線２６で接続されている。そして、熱伝導性樹脂シートの硬化体２１、リードフレーム２２、ヒートシンク部材２４、電力半導体素子２３、制御用半導体素子２５、金属線２６などのパワーモジュール構成部材はモールド樹脂２７により封止されている。
本実施の形態のパワーモジュール２０は、以下のようにして製造される。まず、リードフレーム２２の所定の部分に、電力半導体素子２３や制御用半導体素子２５を半田などにより接合する。次に、リードフレーム２２の電力半導体素子２３が載置された面に対向する反対側の第２の面に、Ｂステージ状の熱伝導性樹脂シート４を介してヒートシンク部材２４を積層し、加熱加圧して熱伝導性樹脂シート４を硬化させ、ヒートシンク部材２４を接着する。次に、電力半導体素子２３と制御用半導体素子２５とに、金属線２６をワイヤボンド法により接合し、配線を行う。最後に、例えば、トランスファーモールド法により、モールド樹脂２７で封止して、パワーモジュール２０を完成する。
本実施の形態のパワーモジュール２０は、パワーモジュールの発熱部である電力半導体素子２３を載置したリードフレーム２２に、上記実施の形態１〜４に係る熱伝導性樹脂シート４の硬化体２１を介してヒートシンク部材２４が接着されている。熱伝導性樹脂シートの硬化体２１は、電気絶縁性と従来にはない優れた熱伝導性を有しており、電力半導体素子２３で発生した熱を高効率にヒートシンク部材２４に伝達し放熱できるので、パワーモジュールの小形化と高容量化とを実現できる。
なお、本実施の形態では、リードフレーム２２とヒートシンク部材２４との間に熱伝導性樹脂シート４を介する例について説明したが、本発明に係る熱伝導性樹脂シート４は、電気絶縁性と高熱伝導性を兼ね備えるので、ヒートシンク部材２４を省略した構成も実現できる。
また、本実施の形態では、ヒートシンク部材２４がモールド樹脂でモールドされた例を示したが、例えば図９に示すようにケース４５に電力半導体素子４３、回路基板４２、ヒートシンク部材４４が設けられ、ケース４５外のヒートスプレッダー４７が、上記実施の形態１〜４に係る熱伝導性樹脂シート４の硬化体４１となっていてもよい。ケース４５内はたとえば注型樹脂４６で保護されている。図９に示すパワーモジュール４０では、回路基板４２、ヒートシンク部材４４のうち少なくともいずれかが放熱部材として機能する。
本発明に係る熱伝導性樹脂シート４は、マトリックスとなる樹脂３をＢステージ状態とすることができるので、電力半導体素子４３などの発熱部を備えたリードフレームなどの基材と熱伝導性のよい金属製ヒートシンク部材２４、４４やヒートスプレッダー４７とを接着でき、かつ電気絶縁できる。さらに熱伝導性樹脂シート４の硬化物２１は充填材の体積分率を向上させたため、高熱伝導性を有し、ボイド５を極端に抑えたので、電気特性を著しく向上させることができる。
本発明の熱伝導性樹脂シートについて、実施例にてさらに詳細に説明する。
実施例１.
樹脂３として、主剤である液状のジャパンエポキシレジン株式会社製ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（エピコート８２８）質量１００に対し、四国化成工業株式会社製硬化剤１−シアノエチル−２−メチルイミダゾール（キュアゾール２ＰＮ−ＣＮ）１質量％を含む熱硬化性樹脂組成物に、メチルエチルケトンを１０１質量％添加、撹拌して、熱硬化性樹脂組成物の溶液を調製した。
上記熱硬化性樹脂組成物の溶液に、充填材１として、平均粒径ＤＲが３０μｍの東洋アルミ株式会社製窒化アルミ充填材（TOYALNITE FLD）を用い、全充填材に対する充填材１の体積含有率をＶＲ、全充填材に対する扁平状充填材５の体積含有率をＶＬとして予備混合した。さらに充填材１の質量を１００として、１質量％の界面活性剤２、花王株式会社製ソルビタンモノステアレート（レオドールAS-10V）を添加して十分に溶解したコンパウンドとした。
次に、上記コンパウンドを厚さ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、１１０℃で１５分間の加熱乾燥処理をし、厚さが１０００μｍでＢステージ状態の熱伝導性樹脂シートを作製した。
さらに、上記熱伝導性樹脂シートを１２０℃で１時間と１６０℃で３時間の加熱を行い熱伝導性樹脂シートの硬化体とし、この硬化体の厚さ方向の熱伝導率ＫＭをレーザーフラッシュ法で測定した。
実施例２〜７.
熱硬化性樹脂組成物の溶液に、充填材１として、平均粒径ＤＲが３０μｍの東洋アルミ株式会社製窒化アルミ充填材（TOYALNITE FLD）、扁平状充填材５として、長径ＤＬが７μｍの電気化学工業株式会社製窒化硼素充填材（ＧＰ）を用い、全充填材に対する充填材１の体積含有率をＶＲ、全充填材に対する扁平状充填材５の体積含有率をＶＬとして種々の配合比で予備混合した。さらに充填材１、扁平状充填材５の総質量１００に対して、界面活性剤２として、１質量％の花王株式会社製ソルビタンモノステアレート（レオドールAS-10V）を熱硬化性樹脂組成物の溶液中に添加して十分に溶解したコンパウンドとし、実施例２〜７として上記実施例１と同様にして、熱伝導性樹脂シート４を作製し、加熱後の硬化体の厚さ方向の熱伝導率ＫＭをレーザーフラッシュ法で測定した。
実施例８.
熱硬化性樹脂組成物の溶液に、扁平状充填材５として、長径ＤＬが７μｍの電気化学工業株式会社製窒化硼素充填材（ＧＰ）を用い、扁平状充填材５の総質量１００に対して、界面活性剤２として、１質量％の花王株式会社製ソルビタンモノステアレート（レオドールAS-10V）を添加して十分に溶解したコンパウンドとし、実施例８として上記実施例１と同様にして、熱伝導性樹脂シート４を作製し、加熱後の硬化体の厚さ方向の熱伝導率ＫＭをレーザーフラッシュ法で測定した。
比較例１〜８．
比較例として、上記実施例１〜８と同様にして、界面活性剤２を添加させない熱伝導性樹脂シートを作製し、加熱後の硬化体の厚さ方向の熱伝導率ＫＲをレーザーフラッシュ法で測定した。
表１に実施例１〜８および比較例１〜８の配合比ＶＬ/ＶＲ、熱伝導率ＫＭ、ＫＭ/ＫＲ （ただし、ＫＲは配合比ＶＬ/ＶＲに対応させて同配合比の熱伝導率を対比させている）を示す。これより、ＶＬ/ＶＲが３０/７０〜７０/３０の範囲で高い熱伝導率ＫＭが得られ、さらに界面活性剤２を混合させると熱伝導率ＫＭを向上できることがわかる。また、ＶＬ/ＶＲが３０/７０〜７０/３０の範囲において、ＫＭ/ＫＲが１．３程度となり、界面活性剤２を混合させる効果も高くなる。
Figure 2009004536
また、図１０に示すように、全充填材に対する扁平状充填材５の体積含有率ＶＬが３０〜８０％の範囲である熱伝導性樹脂シート４の硬化体は、粒子状の充填材１を単独で用いた熱伝導性樹脂シート４および扁平状充填材５を単独で用いた熱伝導性樹脂シート４のどちらの硬化体よりも、熱伝導率が大きくなることがわかる。また、界面活性剤２を使用するとさらに熱伝導率が向上することがわかる。
実施例９〜１６．
実施例２と同様にして熱硬化性樹脂組成物の溶液に、充填材１として、平均粒径ＤＲが３０μｍの東洋アルミ株式会社製窒化アルミ充填材（TOYALNITE FLD）、扁平状充填材５として、長径ＤＬが７μｍの電気化学工業株式会社製窒化硼素充填材（ＧＰ）を用い、ＶＬ/ＶＲを５０／５０に固定して、充填材１、扁平状充填材５の総質量１００に対して、界面活性剤２として、１質量％の花王株式会社製ポリエチレングリコールジステアレート（エマノーン3299V）、ポリオキシエチレン硬化ヒマシ油（エマノーンCH-60(K)）、グリセロールモノステアレート（レオドールMS-60）、ソルビタンモノラウレート（レオドールSP-L10）、ポリオキシエチレン(20)ソルビタンモノステアレート（レオドールTW-S120V）、ポリオキシエチレン(30)ソルビトールテトラオレエート（レオドール430）、および日本エマルジョン株式会社製トリステアリン酸ポリオキシエチレングリセリル（EMALEX GWS-303）をそれぞれ表２に示すように混合させ、熱伝導性樹脂シート４を作製し、実施例９〜１５とし、硬化体の熱伝導率ＫＭを測定するとともに、ＶＬ/ＶＲが50/50で界面活性剤２を用いない比較例５の熱伝導率ＫＲを参照して、ＫＭ/ＫＲを求めた。これより、界面活性剤２を替えても、熱伝導率の向上効果が観られることがわかる。
Figure 2009004536
実施例１７.
実施例１の熱伝導性樹脂シート４を用い、実施の形態５のパワーモジュール２０のリードフレーム２２の第２の面と銅のヒートシンク部材２４とを接着した。さらに、トランスファーモールド法により、モールド樹脂２７で封止して、パワーモジュール２０とした。さらに、パワーモジュール２０をフルパワーで稼動させた状態で、リードフレーム２２の第１の面と、銅のヒートシック部材２４の中央部にとりつけた熱電対により、温度を測定した。その結果、定常となった時のリードフレーム２２とヒートシンク部材２４との温度差は５℃と小さいことが確認できた。同様に実施例２〜１６についてもほぼ５℃以内となり、熱伝導性樹脂シート４の放熱性が確認できた。
本発明の実施の形態１に係る熱伝導性樹脂シートを模式的に示した断面図である。 本発明の実施の形態２に係る熱伝導性樹脂シートを模式的に示した断面図である。 本発明の実施の形態３に係る熱伝導性樹脂シートを模式的に示した断面図である。 本発明の実施の形態３に係る扁平状充填材を模式的に示した斜視図である。 本発明の実施の形態４に係る扁平状充填材を模式的に示した斜視図である。 本発明の実施の形態４に係る破壊電界と界面活性剤添加量との関係を示した特性図である。 本発明の実施の形態４に係る熱伝導率と界面活性剤添加量との関係を示した特性図である。 本発明の実施の形態６に係るパワーモジュール模式的に示した断面図である。 本発明の実施の形態６に係るパワーモジュール模式的に示した断面図である。 本発明に係る熱伝導率と扁平状充填材の体積含有率との関係を示した特性図である。
符号の説明
１ 第１充填材、２ 第２充填材、３ 樹脂、４ 熱伝導性樹脂シート、５ ボイド、６ 扁平状充填材、２０、４０ パワーモジュール、２１、４１ 熱伝導性樹脂シートの硬化体、２２ リードフレーム、２３、４３ 電力半導体素子、２４、４４ ヒートシンク部材、４５ ケース、４６ 注型樹脂、４７ ヒートスプレッダー

Claims (7)

  1. 樹脂と、界面活性剤で被覆され、熱伝導性で、且つ絶縁性の充填材とを備え、
    上記充填材は、上記樹脂中に分散されていることを特徴とする熱伝導性樹脂シート。
  2. 樹脂と、熱伝導性で、且つ絶縁性の充填材と、界面活性剤とを備え、
    上記充填材と上記界面活性剤は、上記樹脂中に分散されていることを特徴とする熱伝導性樹脂シート。
  3. 充填材は、粒径状充填材と扁平状充填材を含むことを特徴とする請求項１あるいは請求項２記載の熱伝導性樹脂シート。
  4. 粒径状充填材および扁平状充填材の少なくともいずれかは界面活性剤で被覆されていることを特徴とする請求項３記載の熱伝導性樹脂シート。
  5. 界面活性剤は、カルボン酸エステル化合物を含むことを特徴とする請求項１あるいは請求項２記載の熱伝導性樹脂シート。
  6. 界面活性剤は、充填材の総質量に対して０．０００５〜３０質量％であることを特徴とする請求項２記載の熱伝導性樹脂シート。
  7. 電力半導体素子と、上記電力半導体素子から発生する熱を放熱する放熱部材と、上記放熱部材と接着された請求項１乃至６のいずれかに記載の熱伝導性樹脂シートの硬化体と、
    を備えたことを特徴とするパワーモジュール。
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