JP2011116913A - 熱硬化性樹脂組成物、熱伝導性樹脂シート及びその製造方法、並びにパワーモジュール - Google Patents
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Abstract
【解決手段】窒化ホウ素の二次焼結粒子を耐熱性樹脂マトリックス成分中に分散してなる熱硬化性樹脂組成物であって、600以上70,000以下の重量平均分子量及び130℃以下のガラス転移温度を有する可撓性樹脂である密着性付与剤を、前記耐熱性樹脂マトリックス成分100質量部に対して5質量部以上30質量部以下の範囲で含むことを特徴とする熱硬化性樹脂組成物とする。
【選択図】なし
Description
しかしながら、耐熱性を有する樹脂マトリックスは硬くて脆く、熱伝導性を高めることを目的として窒化ホウ素の二次焼結体などの無機充填材の配合量を多くした場合、熱伝導性樹脂シートはますます脆くなってしまう。つまり、耐熱性を有する樹脂マトリックスを与える成分(以下、耐熱性樹脂マトリックス成分という)を含む熱硬化性樹脂組成物は、熱伝導性樹脂シートの製造時(例えば、熱硬化性樹脂組成物の塗工時や塗布乾燥物の成形時など)に割れや欠けが生じるため、ハンドリング性が十分でないという問題がある。
そこで、熱硬化性樹脂組成物のハンドリング性を向上させるために、重量平均分子量が大きく、且つ芳香族骨格を有するフェノキシ樹脂などを全樹脂成分の合計100質量部に対して20〜90重量配合する方法が提案されている(例えば、特許文献3参照)。
一方、樹脂マトリクスと二次焼結粒子との間の密着性を向上させる方法として、熱伝導性樹脂シートを製造する際のプレス工程においてプレス圧を増加する方法が考えられるが、シート中で二次焼結粒子が崩れ、窒化ホウ素のa軸方向がシートの面方向に配向してしまうため、シート厚み方向の熱伝導率が向上しないという問題がある。
また、本発明は、耐熱性、熱伝導性及び電気絶縁性に優れた熱伝導性樹脂シート及びその製造方法を提供することを目的とする。
さらに、本発明は、耐熱性や熱放散性に優れたパワーモジュールを提供することを目的とする。
すなわち、本発明は、窒化ホウ素の二次焼結粒子を耐熱性樹脂マトリックス成分中に分散してなる熱硬化性樹脂組成物であって、600以上70,000以下の重量平均分子量及び130℃以下のガラス転移温度を有する可撓性樹脂である密着性付与剤を、前記耐熱性樹脂マトリックス成分100質量部に対して5質量部以上30質量部以下の範囲で含むことを特徴とする熱硬化性樹脂組成物である。
また、本発明は、上記の熱硬化性樹脂組成物を基材に塗布して乾燥させる工程と、塗布乾燥物を硬化させる工程とを含むことを特徴とする熱伝導性樹脂シートの製造方法である。
さらに、本発明は、一方の放熱部材に搭載された電力半導体素子と、前記電力半導体素子で発生する熱を外部に放熱する他方の放熱部材と、前記半導体素子で発生する熱を前記一方の放熱部材から前記他方の放熱部材に伝達する上記の熱伝導性樹脂シートとを備えることを特徴とするパワーモジュールである。
また、本発明によれば、耐熱性、熱伝導性及び電気絶縁性に優れた熱伝導性樹脂シート及びその製造方法を提供することができる。
さらに、本発明によれば、耐熱性や熱放散性に優れたパワーモジュールを提供することができる。
本実施の形態の熱硬化性樹脂組成物は、窒化ホウ素の二次焼結粒子を耐熱性樹脂マトリックス成分中に分散してなるものであり、特定の密着性付与剤を所定の割合で含むことを特徴とする。
密着性付与剤は、600以上70,000以下、好ましくは600以上60,000以下の重量平均分子量、及び130℃以下、好ましくは100℃以下のガラス転移温度を有する可撓性樹脂であれば特に限定されない。可撓性樹脂の重量平均分子量が600未満であると、可撓性樹脂を配合しても耐熱性樹脂マトリックスと二次焼結粒子との間の密着性を向上させる効果が十分に得られない。一方、可撓性樹脂の重量平均分子量が70,000を超えると、可撓性樹脂の粘度が高くなり、二次焼結粒子のポアに可撓性樹脂が浸透し難くなる。その結果、耐熱性樹脂マトリックスと二次焼結粒子との間の密着性を向上させる効果が十分に得られない。また、可撓性樹脂のガラス転移温度が130℃を超えた場合も同様に、二次焼結粒子中のポアに可撓性樹脂が浸透し難くなるため、耐熱性樹脂マトリックスと二次焼結粒子との間の密着性を向上させる効果が十分に得られない。
上記一般式(1)で表されるビスフェノール型エポキシ樹脂は、一般に市販されており、例えば、ジャパンエポキシレジン株式会社から販売されているJER E1256、E4250、E4275などを用いることができる。
上記一般式(2)で表されるアルキレンオキサイド変性ビスフェノール型エポキシ樹脂は、一般に市販されており、例えば、ジャパンエポキシレジン株式会社から販売されているYL7175−500、YL7175−1000や、DIC株式会社から販売されているEPICLON EXA4850、4816、4822などを用いることができる。
スチレン系ポリマーの中でも、エポキシ基を有するスチレン系ポリマーが好ましい。このようなスチレン系ポリマーは、一般に市販されており、例えば、日油株式会社から販売されているマープルーフ(登録商標)G−0115S、G−0250S、G−1005SAなどを用いることができる。
熱伝導性樹脂シートに使用可能な程度の耐熱性を有する熱硬化性樹脂としては、特に限定されないが、例えば、当該技術分野において一般的に公知の耐熱性エポキシ樹脂が挙げられる。耐熱性エポキシ樹脂は、1分子中に2個以上のエポキシ基を有し、好ましくは100以上1000以下、より好ましくは150以上500の範囲のエポキシ当量を有するものが望ましい。
これらの耐熱性エポキシ樹脂は、一般に常温で固形であるため、熱硬化性樹脂組成物のハンドリング性(特に、半硬化時のハンドリング性)を考慮すると、常温で液状のエポキシ樹脂に溶解して使用することが好ましい。ここで、「常温」とは、一般に25℃のことを意味する(以下において「常温」なる語は、同じ意味で用いる)。
硬化剤としては、特に限定されることはなく、使用する熱硬化性樹脂の種類にあわせて公知のものを適宜選択すればよい。熱硬化性樹脂として耐熱性エポキシ樹脂を用いる場合、硬化剤の例としては、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及び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;無水フタル酸及び無水トリメリット酸などの芳香族酸無水物;ジシアンジアミド及び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)ウンデセン及びその誘導体;2−メチルイミダゾール、2−エチル−4−メチルイミダゾール及び2−フェニルイミダゾールなどのイミダゾール類;フェノールノボラック、o−クレゾールノボラック、p−クレゾールノボラック、t−ブチルフェノールノボラック、ジシクロペンタジエンクレゾール、ポリパラビニルフェノール、ビスフェノールA型ノボラック、キシリレン変性ノボラック、デカリン変性ノボラック、ポリ(ジ−o−ヒドロキシフェニル)メタン、ポリ(ジ−m−ヒドロキシフェニル)メタン、ポリ(ジ−p−ヒドロキシフェニル)メタンなどのフェノール樹脂が挙げられる。これらは、単独又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
熱硬化性樹脂組成物における硬化剤の配合量は、使用する熱硬化性樹脂や硬化剤の種類等にあわせて適宜調整すればよく、一般的に、100質量部の熱硬化性樹脂に対して0.1質量部以上200質量部以下である。
二次焼結粒子を構成する一次粒子の平均長径は、好ましくは15μm以下、より好ましくは0.1μm以上8μm以下である。一次粒子の平均長径が15μmよりも大きいと、一次粒子の焼結密度が低くなりすぎてしまい、二次焼結粒子自体の熱伝導性が低下すると共に、熱伝導性樹脂シートの製造工程(プレス工程)において二次焼結粒子が崩れ易くなり、所望の熱伝導性を有する熱伝導性樹脂シートが得られないことがある。
なお、二次焼結粒子の形状は、球状に限定されず、鱗片状等の他の形状であってもよい。ただし、球状以外の他の形状の場合、平均粒径は当該形状における長辺の長さを意味する。また、球状の二次焼結粒子であれば、熱硬化性樹脂組成物を製造する際に、熱硬化性樹脂の流動性を確保しつつ、二次焼結粒子の配合量を高めることができること等を考慮すると、二次焼結粒子は球状であることが好ましい。
二次焼結粒子を含む無機充填材の熱硬化性樹脂組成物における配合量は、好ましくは30体積%以上80体積%以下、より好ましくは40体積%以上70体積%以下である。なお、熱硬化性樹脂組成物が下記で説明する溶剤を含有する場合、溶剤を除いた熱硬化性樹脂組成物における無機充填材の含有量を意味する。二次焼結粒子を含む無機充填材の含有量が30体積%未満であると、所望の熱伝導性を有する熱伝導性樹脂シートが得られないことがある。一方、二次焼結粒子を含む無機充填材の含有量が80体積%を超えると、熱伝導性樹脂シート内にボイドが発生し易くなり、熱伝導性樹脂シートの熱伝導性や電気絶縁性が低下することがある。
熱硬化性樹脂組成物におけるカップリング剤の配合量は、使用する熱硬化性樹脂やカップリング剤の種類等にあわせて適宜設定すればよく、一般的に、100質量部の熱硬化性樹脂に対して0.01質量部以上5質量部以下である
熱硬化性樹脂組成物における溶剤の配合量は、混練が可能な量であれば特に限定されることはなく、一般的に、熱硬化性樹脂と無機充填剤との合計100質量部に対して40質量部以上85質量部以下である。
まず、所定量の熱硬化性樹脂と、この熱硬化性樹脂を硬化させるために必要な量の硬化剤と、所定量の密着性付与剤とを混合する。
次に、この混合物に溶剤を加えた後、二次焼結粒子や一般的な無機充填材を加えて予備混合する。なお、エポキシ樹脂組成物の粘度が低い場合には、溶剤を加えなくてもよい。
次に、この予備混合物を3本ロールやニーダ等を用いて混練することによって熱硬化性樹脂組成物を得ることができる。なお、熱硬化性樹脂組成物にカップリング剤を配合する場合、カップリング剤は混練工程前までに加えればよい。
本実施の形態の熱伝導性樹脂シートは、上記の熱硬化性樹脂組成物をシート化して硬化させたものである。
以下、本実施の形態の熱伝導性樹脂シートについて図面を用いて説明する。
図1aは、本実施の形態の熱伝導性樹脂シートの断面図である。図1bは、本実施の形態の熱伝導性樹脂シートにおける耐熱性樹脂マトリックスと二次焼結粒子との界面の拡大断面図である。図1aにおいて、熱伝導性樹脂シート1は、耐熱性樹脂マトリックス2と、耐熱性樹脂マトリックス2中に分散された二次焼結粒子3及び密着性付与剤5とを含む。なお、密着性付与剤5は、二次焼結粒子3に比べて非常に小さいため、図1aでは図示していない。また、二次焼結粒子3は、窒化ホウ素の一次粒子4から構成されている。
ここで、基材としては、特に限定されることはなく、例えば、銅箔や離型処理された樹脂シートやフィルム等のような公知の基材を用いることができる。
熱硬化性樹脂組成物の塗布方法としては、特に限定されることはなく、ドクターブレード法等のような公知の方法を用いることができる。
塗布した熱硬化性樹脂組成物の乾燥は、周囲温度で行ってよいが、溶剤の揮発を促進させる観点から、必要に応じて80℃以上150℃以下に加熱してもよい。
また、塗布乾燥物を硬化させる場合、必要に応じて加圧してもよい。この場合のプレス圧は、好ましくは0.5MPa以上50MPa以下、より好ましくは1.9MPa以上30MPa以下である。プレス圧が0.5MPa未満であると、熱伝導性樹脂シート1内のボイドを十分に除去することができないことがある。一方、プレス圧が50MPaを超えると、二次焼結粒子3が変形又は崩壊してしまい、熱伝導性樹脂シート1の熱伝導性及び電気絶縁性が低下することがある。また、プレス時間は、特に限定されないが、一般的に5分以上60分以下である。
本実施の形態のパワーモジュールは、一方の放熱部材に搭載された電力半導体素子と、前記電力半導体素子で発生する熱を外部に放熱する他方の放熱部材と、前記半導体素子で発生する熱を前記一方の放熱部材から前記他方の放熱部材に伝達する上記の熱伝導性樹脂シートとを備える。
以下、本実施の形態のパワーモジュールについて図面を用いて説明する。
図3は、本実施の形態のパワーモジュールの断面図である。図3において、パワーモジュール10は、一方の放熱部材であるリードフレーム12に搭載された電力半導体素子13と、他方の放熱部材であるヒートシンク14と、リードフレーム12とヒートシンク14との間に配置された熱伝導性樹脂シート11とを備えている。さらに、電力半導体素子13と制御用半導体素子15との間、及び電力半導体素子13とリードフレーム12との間は、金属線16によってワイアボンディングされている。また、リードフレーム12の端部、及びヒートシンク14の外部放熱のための部分以外は封止樹脂17で封止されている。このパワーモジュール10において、熱伝導性樹脂シート11以外の部材は特に限定されず、当該技術分野において公知のものを用いることができる。
(窒化ホウ素の二次焼結粒子の作製)
平均長径3μmの窒化ホウ素の一次粒子をスプレードライ等の公知の方法によって凝集させた後、約2,000℃で焼成して焼結(粒成長)させることにより、二次焼結粒子を得た。ここで、一次粒子の平均長径は、二次焼結粒子をエポキシ樹脂に埋封したサンプルを作製し、そのサンプルの断面を研磨して電子顕微鏡で数千倍に拡大した写真を数枚撮影した後、一次粒子の長径を実際に測定し、その測定値を平均することによって求めた。
密着性付与剤A−1:19質量部と、メチルエチルケトンMEK(溶剤):181質量部とを攪拌混合した後、常温で固形のナフタレン型エポキシ樹脂(EPICLON EXA−4710:DIC株式会社製):80質量部、常温で液状のビスフェノールA型エポキシ樹脂(JER828:ジャパンエポキシレジン株式会社製):20質量部、及び1−シアノエチル−2−メチルイミダゾール(硬化剤、キュアゾール2PN−CN:四国化成工業株式会社製):1質量部を添加してさらに攪拌混合した。次に、この混合物に、上記で作製した窒化ホウ素の二次焼結粒子を、溶剤を除いた全成分の合計体積に対して40体積%となるように添加して予備混合した。この予備混合物を三本ロールにてさらに混練し、窒化ホウ素の二次焼結粒子が均一に分散された熱硬化性樹脂組成物を得た。
密着性付与剤A−1の代わりに密着性付与剤A−2を用いたこと以外は実施例1と同様にして熱硬化性樹脂組成物を得た。
(実施例3)
密着性付与剤A−1の代わりに密着性付与剤A−3を用いたこと以外は実施例1と同様にして熱硬化性樹脂組成物を得た。
(実施例4)
密着性付与剤A−1の代わりに密着性付与剤A−5を用いたこと以外は実施例1と同様にして熱硬化性樹脂組成物を得た。
密着性付与剤A−1の代わりに密着性付与剤A−6を用いたこと以外は実施例1と同様にして熱硬化性樹脂組成物を得た。
(実施例6)
密着性付与剤A−1:19質量部の代わりに密着性付与剤A−3:5質量部を用い、メチルエチルケトンMEKの添加量を160質量部に変えたこと以外は実施例1と同様にして熱硬化性樹脂組成物を得た。
(実施例7)
密着性付与剤A−1:19質量部の代わりに密着性付与剤A−3:11質量部を用い、メチルエチルケトンMEKの添加量を169質量部に変えたこと以外は実施例1と同様にして熱硬化性樹脂組成物を得た。
密着性付与剤A−1:19質量部の代わりに密着性付与剤A−3:25質量部を用い、メチルエチルケトンMEKの添加量を190質量部に変えたこと以外は実施例1と同様にして熱硬化性樹脂組成物を得た。
(実施例9)
密着性付与剤A−1の代わりに密着性付与剤A−8を用いたこと以外は実施例1と同様にして熱硬化性樹脂組成物を得た。
(実施例10)
密着性付与剤A−1の代わりに密着性付与剤A−9を用いたこと以外は実施例1と同様にして熱硬化性樹脂組成物を得た。
(実施例11)
密着性付与剤A−1の代わりに密着性付与剤A−3を用い、常温で固形のナフタレン型エポキシ樹脂(EPICLON EXA−4710:DIC株式会社製)の代わりに常温で固形のビフェニル型エポキシ樹脂(YX4000:ジャパンエポキシレジン株式会社製)を用いたこと以外は実施例1と同様にして熱硬化性樹脂組成物を得た。
常温で固形のナフタレン型エポキシ樹脂(EPICLON EXA−4710:DIC株式会社製):80質量部、常温で液状のビスフェノールA型エポキシ樹脂(JER828:ジャパンエポキシレジン株式会社製):20質量部、1−シアノエチル−2−メチルイミダゾール(硬化剤、キュアゾール2PN−CN:四国化成工業株式会社製):1質量部、及びメチルエチルケトンMEK(溶剤):152質量部を攪拌混合した。次に、この混合物に、上記で作製した窒化ホウ素の二次焼結粒子を、溶剤を除いた全成分の合計体積に対して40体積%となるように添加して予備混合した。この予備混合物を三本ロールにてさらに混練し、窒化ホウ素の二次焼結粒子が均一に分散された熱硬化性樹脂組成物を得た。
密着性付与剤A−1の代わりに密着性付与剤A−4を用いたこと以外は実施例1と同様にして熱硬化性樹脂組成物を得た。
(比較例3)
密着性付与剤A−1の代わりに密着性付与剤A−7を用いたこと以外は実施例1と同様にして熱硬化性樹脂組成物を得た。
密着性付与剤A−1:19質量部の代わりに密着性付与剤A−3:3質量部を用い、メチルエチルケトンMEKの添加量を157質量部に変えたこと以外は実施例1と同様にして熱硬化性樹脂組成物を得た。
(比較例5)
密着性付与剤A−1:19質量部の代わりに密着性付与剤A−3:34質量部を用い、メチルエチルケトンMEKの添加量を203質量部に変えたこと以外は実施例1と同様にして熱硬化性樹脂組成物を得た。
次に、放熱部材上に形成した塗布乾燥物を、塗布乾燥物側が内側になるように2枚重ねた後、5MPaのプレス圧で加圧しながら120℃で20分間加熱することで半硬化(Bステージ)状態の熱伝導性樹脂シートを得た。これをさらに5MPaのプレス圧で加圧しながら160℃で3時間加熱することで、Bステージ状態の熱伝導性樹脂シートを完全に硬化させ、2つの放熱部材に挟まれた熱伝導性樹脂シート(厚さ200μm)を得た。
なお、表2では、各実施例及び比較例で使用した構成成分の種類及び配合量についてもまとめた。各構成成分の配合量は質量部である。
これに対して、密着性付与剤を配合しない熱硬化性樹脂組成物(比較例1)、重量平均分子量又はガラス転移温度が所定の範囲にない可撓性樹脂を密着性付与剤として配合した熱硬化性樹脂組成物(比較例2及び3)、密着性付与剤の配合量が適切でない熱硬化性樹脂組成物(比較例4及び5)では、耐熱性は十分であったものの、熱伝導性、絶縁破壊電圧及び曲げ強度のいずれかが十分でなかった。
図4からわかるように、密着性付与剤の配合量が5質量部以上30質量部以下の範囲にあると、十分な曲げ強度が得られ、熱伝導性樹脂シートの製造時(特に、Bステージ状態での成形・加工時)のハンドリング性が向上する。加えて、密着性付与剤の配合量がこの範囲にあると、絶縁破壊電圧が高くなる。逆に、密着性付与剤の配合量が5質量部以上30質量部以下の範囲にないと、十分な曲げ強度が得られず、熱伝導性樹脂シートの製造時(特に、Bステージ状態での成形・加工時)に割れや欠けが生じ、ハンドリング性が低下する。加えて、密着性付与剤の配合量がこの範囲にないと、絶縁破壊電圧も低くなる。
このパワーモジュールにおいて、リードフレームと銅のヒートシンクの中央部とに熱電対を取り付けた後、パワーモジュールを稼動させ、リードフレームとヒートシンクとの温度をそれぞれ測定した。その結果、実施例1〜11の熱硬化性樹脂組成物から得られた熱伝導性樹脂シートを用いたパワーモジュールはいずれも、リードフレームとヒートシンクとの温度差が小さく、熱放散性に優れていた。
Claims (6)
- 窒化ホウ素の二次焼結粒子を耐熱性樹脂マトリックス成分中に分散してなる熱硬化性樹脂組成物であって、
600以上70,000以下の重量平均分子量及び130℃以下のガラス転移温度を有する可撓性樹脂である密着性付与剤を、前記耐熱性樹脂マトリックス成分100質量部に対して5質量部以上30質量部以下の範囲で含むことを特徴とする熱硬化性樹脂組成物。 - 前記可撓性樹脂は、ビスフェノール型エポキシ樹脂及びスチレン系ポリマーからなる群より選択される少なくとも1つであることを特徴とする請求項1に記載の熱硬化性樹脂組成物。
- 前記ビスフェノール型エポキシ樹脂は、以下の一般式(1)又は(2):
- 請求項1〜3のいずれか一項に記載の熱硬化性樹脂組成物を硬化させてなることを特徴とする熱伝導性樹脂シート。
- 請求項1〜3のいずれか一項に記載の熱硬化性樹脂組成物を基材に塗布して乾燥させる工程と、塗布乾燥物を硬化させる工程とを含むことを特徴とする熱伝導性樹脂シートの製造方法。
- 一方の放熱部材に搭載された電力半導体素子と、前記電力半導体素子で発生する熱を外部に放熱する他方の放熱部材と、前記半導体素子で発生する熱を前記一方の放熱部材から前記他方の放熱部材に伝達する請求項4に記載の熱伝導性樹脂シートとを備えることを特徴とするパワーモジュール。
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