JP2011034685A - 電気絶縁性熱伝導シート、及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】生産性が高く、かつ熱伝導性及び靭性、弾性等の機械的特性に優れる電気絶縁性熱伝導シートを提供する。
【解決手段】下方から上方へ向けて延在し、互いに離隔してなる複数のセラミック結晶体と、前記セラミック結晶体の隙間に充填されたゴム弾性を有する高分子体とを具え、前記セラミック結晶体の上部及び下部が、外方へ露出するようにして電気絶縁性熱伝導シートを構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気絶縁性熱伝導シート、及びその製造方法に関する。

パワーエレクトロニクスにおいては、素子が発生する熱を効率良く逃がす技術が重要である。このような技術として、例えば半導体装置等のパワーエレクトロニクスをシリコーン系接着剤で窒化アルミニウム等の比較的熱伝導性の高い基板に結合し、半導体装置で発生した熱を基板に伝達させ、前記基板を介して外部に放熱させることによって実施していた。しかしながら、窒化アルミニウム等のセラミック基板は、硬くもろい性質があるためハンドリング時あるいは素子を取り付ける際に基板が割れてしまうことがあった。

このような問題に鑑み、セラミック基板中に高熱伝導性の充填材を樹脂に分散させるような技術が提案されているが、充填材の接触界面に存在する樹脂成分が熱バリアとなり十分な熱伝導性の確保が難しかった。また、高熱伝導性の窒化ホウ素を樹脂中に高濃度に充填させて上述のような基板を作製する技術（特許文献１）や、高熱伝導性繊維を樹脂中に充填及び配向させて上述のような基板を作製する技術（特許文献２）が提案されているが、これらの技術においては、基板の製造工程が煩雑になって製造性が低下するとともに、母材として樹脂を用いているため、十分な放熱特性を奏することができないという問題があった。

特開平１１−７１４９８号 特開平１０−１３９８９３号

本発明は、生産性が高く、かつ熱伝導性及び靭性、弾性等の機械的特性に優れる電気絶縁性熱伝導シートを提供することを目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明の一態様は、下方から上方へ向けて延在し、互いに離隔してなる複数のセラミック結晶体と、前記セラミック結晶体の隙間に充填されたゴム弾性を有する高分子体とを具え、前記セラミック結晶体の上部及び下部が、外方へ露出してなることを特徴とする、電気絶縁性熱伝導シートに関する。

また、本発明の一態様は、基板上に、電子ビーム物理蒸着法によって、下方から上方へ向けて延在し、互いに離隔してなる複数のセラミック結晶体を形成する工程と、前記セラミック結晶体の隙間にゴム弾性を有する高分子の前駆体を真空含浸させた後、高分子化して、前記セラミック結晶体の前記隙間に充填されたゴム弾性を有する高分子体を形成する工程と、を具えることを特徴とする、電気絶縁性熱伝導シートの製造方法に関する。

本態様の電気絶縁性熱伝導性シートにおいては、下方から上方へ向けて延在し、互いに離隔してなる複数のセラミック結晶体の隙間にゴム弾性を有する高分子体が充填されている。したがって、電気絶縁性熱伝導シートは、高い弾性を有し、靭性に優れるので、ハンドリング時又は半導体装置等のパワーエレクトロニクスを取り付ける際に割れて破壊してしまうようなことがない。

また、複数のセラミック結晶体の上部及び下部が、電気絶縁性熱伝導シートの外方に露出しているので、パワーエレクトロニクスを電気絶縁性熱伝導シートに装着し、前記パワーエレクトロニクスから前記電気絶縁性熱伝導シートに伝達した熱を、前記電気絶縁性熱伝導シートを介して外部（ヒートシンク）に効率的に放熱することができる。

なお、本態様における“複数のセラミック結晶体の上部及び下部が、電気絶縁性熱伝導シートの外方に露出している”とは、複数のセラミック結晶体の上部及び下部が、電気絶縁性熱伝導シートの上面及び下面の平面レベルと同じか、あるいはこの平面レベルよりも高く外方に向けて突出した状態を意味するものである。

さらに、上記態様の製造方法によれば、基板上に、電子ビーム物理蒸着法によって、下方から上方へ向けて延在し、互いに離隔してなる複数のセラミック結晶体を形成した後、前記セラミック結晶体の隙間にゴム弾性を有する高分子の前駆体を真空含浸させた後、高分子化して高分子体を作製するのみで、上記電気絶縁性熱伝導シートを製造することができる。したがって、高い生産性の下、上記電気絶縁性熱伝導シートを製造することができる。

なお、上記製造方法においては、基板上に複数のセラミック結晶体及び高分子体が形成されることになるが、前記基板は適宜機械研磨やエッチング等によって除去することができる。

また、以下に詳述するように、前記基板が金属フィルム等のように熱伝導性に優れる基板の場合は、除去することなく、そのまま電気絶縁性熱伝導シートの一部に含めることができる。

以上、本発明によれば、生産性が高く、かつ熱伝導性及び靭性、弾性等の機械的特性に優れる電気絶縁性熱伝導シートを提供することができる。

実施形態における電気絶縁性熱伝導シートの概略構成を示す断面図である。 図１に示す実施形態の変形例における電気絶縁性熱伝導シートの概略構成を示す断面図である。 本実施形態における電気絶縁性熱伝導シートの製造方法における製造工程を示す図である。 本実施形態における電気絶縁性熱伝導シートの製造方法における製造工程を示す図である。 本実施形態における電気絶縁性熱伝導シートの製造方法における製造工程を示す図である。 隙間に対する高分子体の含浸状態と絶縁破壊電圧（ｋＶ）との関係を示すグラフである。 基板の回転速度（ｒｐｍ）と、基板上に占める隙間の割合（％）との関係を示すグラフである。

以下、本発明の詳細、並びにその他の特性及び利点について、発明の実施の形態に基づいて説明する。

（電気絶縁性熱伝導シート）
図１は、実施形態における電気絶縁性熱伝導シートの概略構成を示す断面図である。
図１に示すように、本実施形態の電気絶縁性熱伝導シート１０は、互いに離隔してなる複数のセラミック結晶体１１と、セラミック結晶体１１の隙間に充填されたゴム弾性を有する高分子体１２とを有している。セラミック結晶体１１は、図１に示すように、下方から上方へ向けて延在している。なお、特に図示しないが、セラミック結晶体１１の詳細な結晶構造は、その幅が下方から上方へ向かうにつれて拡大し、花弁のような形状を呈している。これは以下に説明する製造方法に起因するものである。

しかしながら、本実施形態において、セラミック結晶体１１の結晶構造は特に限定されるものではなく、任意の形状、例えば柱状のセラミック結晶体とすることもできる。

セラミック結晶体１１の大きさは、好ましくは０．０１μｍ〜１０００μｍの範囲に制御する。セラミック結晶体１１の大きさが０．０１μｍより小さいと、電気絶縁性熱伝導シート１０が十分な熱伝導性を示さない場合があるとともに、セラミック結晶体１１の強度が不十分となって、以下に説明するような製造方法にしたがって、高分子体１２を、セラミック結晶体１１間の隙間１１Ａに形成するのが困難になる場合がある。

セラミック結晶体１１の大きさが１０００μｍよりも大きいと、電気絶縁性熱伝導シート１０に占めるセラミック結晶体１１の割合が増大し、電気絶縁性熱伝導シート１０の柔軟性、靭性が損なわれる場合がある。したがって、ハンドリング時又は半導体装置等のパワーエレクトロニクスの取り付けの際に、電気絶縁性熱伝導シート１０が破損してしまう恐れがある。

なお、“セラミック結晶体１１の大きさ”とは、セラミック結晶体１１の形状を特徴づける大きさであって、花弁状の形態を呈する場合は、その最少幅及び最大幅が上記範囲内であることを意味する。また、セラミック結晶体１１が柱状結晶を呈する場合は、その直径を意味するものである。

また、隣接するセラミック結晶体１１の隙間１１Ａの幅は、０．０１μｍ〜１００μｍの範囲であることが好ましい。なお、図１から明らかなように、隙間１１Ａは後に高分子体１２によって埋設される箇所である。したがって、隙間１１Ａの幅が０．０１μｍよりも小さいと、高分子体１２を作製する際の前駆体を隙間１１Ａ内に含浸させることができず、高分子体１２の形成が困難になる場合があり、電気絶縁性熱伝導シート１０の弾性、靭性等の機械的特性が不十分となるとともに、電気的絶縁性も不十分となる恐れがある。なお、隙間１１Ａの幅のさらに好ましい下限値は０．１μｍである。

一方、隙間１１Ａの幅が１００μｍよりも大きくなると、電気絶縁性熱伝導シート１０に占めるセラミック結晶体１１の割合が減少し、電気絶縁性熱伝導シート１０の熱伝導特性が低下して、半導体装置等のパワーエレクトロニクスで発生した熱を外部（ヒートシンク）に十分に伝達することができなくなり、その本来的な機能を奏することができなくなってしまう場合がある。

なお、図１に示すように、本実施形態では、セラミック結晶体１１の上部及び下部と、電気絶縁性熱伝導シート１０の上面１０Ａ及び下面１０Ｂの平面レベルとが同一となっているが、上面１０Ａ及び下面１０Ｂの平面レベルよりも外方に向けて突出したような構成を有していてもよい。

また、セラミック結晶体１１は、アルミナ、マグネシアから構成することができる。これらの材料は本来的に高い熱伝導率を呈するとともに、以下の製造方法で説明する電子ビーム物理蒸着法によって簡易に結晶化することができる。したがって、セラミック結晶体１１、すなわち電気絶縁性熱伝導シート１０に対して高い熱伝導特性を付与することができる。

但し、セラミック結晶体１１を構成する材料は、上述したアルミナ、マグネシアに限定されるものではなく、その他の材料をも適宜用いることができる。

さらに、高分子体１２は、ゴム弾性を有することが必要であって、好ましくはシリコーンゴムから構成することができる。シリコーンゴムは主鎖のシロキサン結合が強く、耐熱性に優れる。したがって、半導体装置等のパワーエレクトロニクスが生成する熱のみでなく、パワーエレクトロニクスを電気絶縁性熱伝導シート１０に取り付ける際に、例えば半田を使用した場合において、半田付けの際の約２００℃程度の温度に対しても十分な耐性を呈することができる。

シロキサン結合は直鎖状であってもよいし、側鎖を有し、三次元的に架橋したものであってもよい。但し、シリコーンゴムを構成するには、シロキサン結合が５０００〜１００００程度形成されていることが必要である。

また、上記シリコーンゴムの他、ウレタンゴム、天然ゴム、ブチルゴム等を使用することができる。これらの高分子材料も、パワーエレクトロニクスが生成する熱には耐えうることができるが、半田付けのような高温には耐えうることができない。

なお、図２に示すように、本実施形態の電気絶縁性熱伝導シート１０においては、セラミック結晶体１１の下部に接触するようにして金属フィルム１４を形成することができる。これによって、電気絶縁性熱伝導シート１０の熱導電性がさらに向上し、外部（ヒートシンク）に対してより効果的に放熱することができる。金属フィルム１４は、以下に説明する製造方法において、セラミック結晶体１１及び高分子体１２を形成する際の基板としても機能することができる。

金属フィルム１４は、例えば銅、鉄、金、銀、チタンなどのある程度の熱伝導性を有し、化学的に安定な材料から構成することができる。

（電気絶縁性熱伝導シートの製造方法）
次に、実施形態における電気絶縁性熱伝導シートの製造方法について説明する。
図３〜図５は、本実施形態における電気絶縁性熱伝導シートの製造方法における製造工程を示す図である。

最初に、図３に示すように、るつぼ２１内に蒸着源２２を入れるとともに、るつぼ２１の上方に基板１４を配置する。次いで、蒸着源２２に対して電子ビームＥを照射して、蒸着源２２の蒸気２３を得る。すると、蒸気２３が基板１４の表面に接触することによって核が形成され、この核を中心として、基板１４の下方から上方に延在し、互いに離隔してなる複数のセラミック結晶体１１を得る（図４参照）。

その後、隣接するセラミック結晶体１１上に高分子体１２の前駆体をコーティングし、隙間１１Ａ内に高分子体１２の前駆体を含浸させ（図５参照）、高分子化させる。なお、隙間１１Ａ内よりはみ出した前駆体、又は高分子体１２は、刷毛などで除去する。高分子化させるに際しては、室温で長時間放置したり、所定温度に加熱して所定時間保持したりすることによって行う。

前駆体としては、例えばオリゴマーやモノマーを例示することができ、また、適宜市販のものを用いることができる。具体的に、高分子体１２をシリコーンゴムから構成する場合は、シラノールのオリゴマーやモノマーを隙間１１Ａに含浸させた後、縮合反応させる。また、高分子体１２をウレタンゴムから構成する場合は、ポリオール及びジイソシアネートのモノマーを隙間１１Ａ内に含浸させた後、これらのモノマー同士を縮合反応させる。

なお、市販のものを用いる場合は、例えば市販の液状かつ未硬化の前駆体を、隙間１１Ａ内に含浸させた後、硬化させて高分子化させる。

含浸の際は、図４に示すような構造体に、上記モノマー等を接触させた後、真空引きすることによって行うことが好ましい。これによって、隙間１１Ａの幅が比較的小さい場合においても、上記モノマーの含浸を簡易に行うことができ、高分子体１２を簡易に形成することができる。なお、真空引きは、例えば１００Ｐａ程度の圧力下で数十分行う。

但し、隙間１１Ａの幅が比較的大きい場合は、真空引きを行うことなく、大気中で行うこともできる。

以上のような工程を経ることによって、図１に示すような電気絶縁性熱伝導シート１０を得る。基板１４は、機械研磨、硝酸等を用いたエッチング等によって適宜除去することもできるが、上述のような金属フィルム１４から構成する場合は、除去することなく残存させてもよい。この場合、電気絶縁性熱伝導シート１０の熱導電性がさらに向上し、外部（ヒートシンク）に対してより効果的に放熱することができる。一方、基板１４として金属フィルム１４を用い、これを熱伝導シート１０から剥離する場合は、例えば、これらの間にブレードを挿入することなどによって行う。

なお、図４に示すように、基板１４上にセラミック結晶体１１を形成する場合、蒸着源２２から生成した蒸気２３の方向、すなわち蒸着源２２の蒸発方向と垂直な軸Ｉ−Ｉ回りにおいて、矢印で示すような方向（反時計回り又は時計回り）に基板１４を回転させることが好ましい。これによって、図４（図１）に示すような、基板１４の下方から上方に延在し、互いに離隔してなる複数のセラミック結晶体１１を簡易に得ることができる。

図６は、隙間１１Ａに対する高分子体１２の含浸状態と絶縁破壊電圧（ｋＶ）との関係を示すグラフである。なお、絶縁破壊電圧（ｋＶ）を測定するに際しては、セラミック結晶体１１の隙間１１Ａに高分子体１２を含浸させて得た電気絶縁性熱伝導シートを、半球電極及び平板電極で挟み込み、フロリナート中で交流電圧をかけることにより実施した。また、基板１４はＳＵＳ基板とし、セラミック結晶体１１はジルコニア結晶体とした。さらに、高分子体１２は、Momentive社製YE5822の未硬化のシリコーン樹脂を用い、この未硬化シリコーン樹脂を隙間１１Ａ内に含浸させた後、硬化させた。

図６から明らかなように、隙間１１Ａ内に高分子体１２を含浸充填させていない場合は、絶縁破壊電圧は約１ｋＶと低いが、高分子体１２を含浸充填させることによって、絶縁破壊電圧が上昇することが分かる。そして、特に真空含浸させた場合（圧力５Ｐａ）においては、単に常温常圧下で含浸させた場合に比較して、絶縁破壊電圧が増大することが分かる。

本態様における絶縁破壊電圧は、隙間１１Ａ内に充填される高分子体１２の割合が増すにつれて増大すると考えられる。したがって、上述のように、真空含浸させた場合の絶縁破壊電圧が、常温常圧下で含浸させた場合の絶縁破壊電圧に比較して増大しているので、真空含浸を用いることにより、隙間１１Ａ内により多くの高分子体１２が含浸充填されていることが分かる。

また、基板１４の回転速度によって、セラミック結晶体１１間の隙間１１Ａの幅を決定することができる。具体的には、基板１４の回転速度を増大させるにしたがって、隙間１１Ａの幅を増大させることができる。したがって、上述のように隙間１１Ａの幅を０．０１μｍ〜１００μｍの範囲に制御するような場合、基板１４の回転速度は、例えば１０ｒｐｍ〜３０ｒｐｍとする。

図７は、基板１４の回転速度（ｒｐｍ）と、基板１４上に占める隙間１１Ａの割合（％）との関係を示すグラフである。なお、図７においては、基板１４の表面から成長したセラミック結晶体１１の高さ毎の隙間１１Ａの大きさ（幅）、すなわち基板１４上に占める隙間１１Ａの割合（％）を計測している。

例えば、黒丸のプロットは、基板１４上に成長したセラミック結晶体１１の、基板１４の表面からセラミック結晶体１１の高さの２５％に相当する位置での隙間１１Ａの幅、すなわち基板１４上に占める隙間１１Ａの割合（％）を意味し、黒三角のプロットは、基板１４上に成長したセラミック結晶体１１の、基板１４の表面からセラミック結晶体１１の高さの５０％に相当する位置での隙間１１Ａの幅、すなわち基板１４上に占める隙間１１Ａの割合（％）を意味している。同様に、黒四角のプロットは、基板１４上に成長したセラミック結晶体１１の、基板１４の表面からセラミック結晶体１１の高さの７５％に相当する位置での隙間１１Ａの幅、すなわち基板１４上に占める隙間１１Ａの割合（％）を意味している。

このような観点から図７を解析すると、黒丸のプロットで示されるセラミック結晶体１１の高さの２５％の位置、すなわち基板１４に比較的近い位置では、比較的低い回転速度の範囲（５ｒｐｍから１０ｒｐｍ）では、隙間１１Ａが見られないが、上述したように、基板１４の回転速度を１０ｒｐｍ以上とすることによって、セラミック結晶体１１のほとんどの高さに相当する位置で、隙間１４の幅の増大、すなわち基板１４上に占める隙間１１Ａの割合（％）が増大していることが分かる。

なお、図７に示すグラフは、電子ビームパワー４５ｋＷで、蒸着温度が１２１０Ｋなる条件下で得たものである。

以上、本発明を上記具体例に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記具体例に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいて、あらゆる変形や変更が可能である。

１０ 電気絶縁性熱伝導シート
１１ セラミック結晶体
１１Ａ 隙間
１２ 高分子体
１４ 基板
２１ るつぼ
２２ 蒸着源
２３ 蒸気

Claims (10)

1. 下方から上方へ向けて延在し、互いに離隔してなる複数のセラミック結晶体と、
   前記セラミック結晶体の隙間に充填されたゴム弾性を有する高分子体とを具え、
   前記セラミック結晶体の上部及び下部が、外方へ露出してなることを特徴とする、電気絶縁性熱伝導シート。
2. 前記セラミック結晶体の大きさが、０．０１μｍ〜１０００μｍの範囲に制御されていることを特徴とする、請求項１に記載の電気絶縁性熱伝導シート。
3. 前記セラミック結晶体の隙間の幅が、０．０１μｍ〜１００μｍの範囲に制御されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の電気絶縁性熱伝導シート。
4. 前記セラミック結晶体は、アルミナ及びマグネシアの少なくとも一方を含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載の電気絶縁性熱伝導シート。
5. 前記高分子体は、シリコーンゴムであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一に記載の電気絶縁性熱伝導シート。
6. 前記セラミック結晶体の前記上部又は下部が接触してなる金属フィルムからなる基板を具えることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一に記載の電気絶縁性熱伝導シート。
7. 基板上に、電子ビーム物理蒸着法によって、下方から上方へ向けて延在し、互いに離隔してなる複数のセラミック結晶体を形成する工程と、
   前記セラミック結晶体の隙間にゴム弾性を有する高分子の前駆体を真空含浸させた後、高分子化して、前記セラミック結晶体の前記隙間に充填されたゴム弾性を有する高分子体を形成する工程と、
   を具えることを特徴とする、電気絶縁性熱伝導シートの製造方法。
8. 前記複数のセラミック結晶体を形成する際に、蒸着源からの蒸発方向と垂直な軸回りに前記基板を回転させることを特徴とする、請求項７に記載の電気絶縁性熱伝導シートの製造方法。
9. 前記基板の回転速度が１０ｒｐｍ〜３０ｒｐｍであることを特徴とする、請求項８に記載の電気絶縁性熱伝導シートの製造方法。
10. 前記基板は、金属フィルムからなることを特徴とする、請求項７〜９のいずれか一に記載の電気絶縁性熱伝導シートの製造方法。

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