JP2011176024A - 熱硬化性樹脂組成物、bステージ熱伝導性シート及びパワーモジュール - Google Patents
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Abstract
【解決手段】無機充填材及び熱硬化性樹脂5を含む熱硬化性樹脂組成物であって、前記無機充填材は、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子6から構成される二次焼結粒子1を含み、且つ前記二次焼結粒子の少なくとも一部が、5μm以上80μm以下の最大空隙径7を有することを特徴とする熱硬化性樹脂組成物とする。また、無機充填材をBステージ状態の熱硬化性樹脂中に分散してなるBステージ熱伝導性シートであって、前記無機充填材は、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子から構成される二次焼結粒子を含み、且つ前記二次焼結粒子の少なくとも一部が、5μm以上80μm以下の最大空隙径を有することを特徴とするBステージ熱伝導性シートとする。
【選択図】図2
Description
窒化ホウ素を含む熱伝導性シートとしては、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子を凝集又は凝集して形成した二次凝集粒子や、これをさらに焼結させた二次焼結粒子のような等方的な熱伝導性を有する二次粒子を熱硬化性樹脂中に分散させたものが提案されている(例えば、特許文献1及び2参照)。このような熱伝導性シートは、等方的な熱伝導性を有する二次粒子によってシートの厚さ方向の熱伝導性が高められている。
また、本発明は、電気絶縁性及び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、無機充填材及び熱硬化性樹脂を含む熱硬化性樹脂組成物であって、前記無機充填材は、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子から構成される二次焼結粒子を含み、且つ前記二次焼結粒子の少なくとも一部が、5μm以上80μm以下の最大空隙径を有することを特徴とする熱硬化性樹脂組成物である。
さらに、本発明は、無機充填材を熱硬化性樹脂中に分散してなる熱伝導性シートであって、前記無機充填材は、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子から構成される二次焼結粒子を含み、且つ前記二次焼結粒子の少なくとも一部が、5μm以上80μm以下の最大空隙径を有する熱伝導性シートを具備す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、電気絶縁性及び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、無機充填材及び熱硬化性樹脂を含む。
本実施の形態の熱硬化性樹脂組成物に用いられる無機充填材は、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子から構成される二次焼結粒子を含む。二次焼結粒子は、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子を凝集して焼結させたものであり、当該技術分野において一般的に公知である。また、二次焼結粒子は、一般的に、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子の間に形成された小さな空隙、具体的には0.5μm未満の最大空隙径を有する空隙をもつが、本実施の形態の熱硬化性樹脂組成物では、二次焼結粒子の少なくとも一部は、5μm以上80μm以下の最大空隙径を有する空隙をもつ。本実施の形態の熱硬化性樹脂組成物は、このような最大空隙径を有する二次焼結粒子を配合することにより、熱伝導性シートにおける欠陥の発生箇所及び大きさを適切な範囲に制御することができる。最大空隙径が5μm未満であると、熱伝導性シートのベース部分に発生する欠陥を抑制することができず、熱伝導性シートの電気絶縁性が低下する。一方、最大空隙径が80μmを超えると、熱伝導性シートのベース部分に発生する欠陥については抑制することができるものの、二次焼結粒子の空隙内に発生する欠陥が大きくなりすぎてしまい、熱伝導性シートの電気絶縁性が低下する。
以下、本明細書において、0.5μm未満の最大空隙径を有する空隙をもつ二次焼結粒子を「中実二次焼結粒子」、0.5μm以上の最大空隙径を有する空隙をもつ二次焼結粒子を「中空二次焼結粒子」、中実二次焼結粒子及び中空二次焼結粒子の両方を「二次焼結粒子」という。
この中空二次焼結粒子の最大空隙径は、中空二次焼結粒子の平均粒径の2/3以下であることが好ましい。中空二次焼結粒子の最大空隙径が、中空二次焼結粒子の平均粒径の2/3を超えると、大きな空隙周りの殻の部分が薄くなりすぎてしまい、加圧工程の際(例えば、Bステージ熱伝導性シートを作製する際の圧力や、パワーモジュールを作製する際のトランスファモールド成形圧力)によって、大きな空隙を維持できないことがある。
h=2Tcosθ/ρgr (1)
上記式(1)中、hは熱硬化性樹脂の流出し易さ(m)を表し、Tは表面張力(N/m)を表し、θは接触角(°)を表し、ρは熱硬化性樹脂の密度(kg/m3)を表し、gは重力加速度(m/m2)を表し、rは熱伝導性シートのベース部分に発生する欠陥の径及び中空二次焼結粒子の最大空隙径(m)を表す。
この式(1)からわかるように、熱硬化性樹脂が溶融した際の熱硬化性樹脂の流出し易さは、熱伝導性シートのベース部分に発生する欠陥の径や、中空二次焼結粒子の最大空隙径と関係しており、これらの径が小さいものほど毛細管力が大きいといえる。よって、熱伝導性シートのベース部分に発生する欠陥の径よりも中空二次焼結粒子の最大空隙径を大きくすることで、溶融した熱硬化性樹脂の流動性を制御することができる。
他方、中空二次焼結粒子を含まない熱硬化性樹脂組成物から得られる熱伝導性シートの断面図を図3に示す。図3において、熱伝導性シートは、熱硬化性樹脂5と、熱硬化性樹脂5中に分散された中実二次焼結粒子4及び下記で説明する任意の鱗片状窒化ホウ素の一次粒子6とから構成されている。この熱伝導性シートでは、ベース部分(無機充填材間の熱硬化性樹脂5部分)に大きな欠陥7が発生しており、電気絶縁性が低下する。
また、二次焼結粒子の最大粒径は、熱伝導性シートの厚さに対して大きすぎると界面を伝わって電気絶縁性が低下するおそれがある。よって、二次焼結粒子の最大粒径は、熱伝導性シートの厚さの約9割以下であることが好ましい。
なお、二次焼結粒子の形状は、球状に限定されず、鱗片状など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ため、二次焼結粒子は球状であることが好ましい。
上記のようにして形成された中空二次凝集粒子及び中実二次凝集粒子は、焼結させることにより、それぞれ中空二次焼結粒子及び中実二次焼結粒子とすることができる。
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など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。
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などにあわせて適宜設定すればよいが、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ず、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、二次焼結粒子などの無機充填材を加えて予備混合する。なお、混合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Bステージ熱伝導性シートは、上記の熱硬化性樹脂組成物をシート化して半硬化させたものである。すなわち、本実施の形態のBステージ熱伝導性シートは、無機充填材をBステージ状態の熱硬化性樹脂中に分散してなるBステージ熱伝導性シートであって、前記無機充填材は、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子から構成される二次焼結粒子を含み、且つ前記二次焼結粒子の少なくとも一部が、5μm以上80μm以下の最大空隙径を有することを特徴とする。
ここで、基材としては、特に限定されず、例えば、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。また、基材として銅箔などの金属板を用い、金属板付のBステージ熱伝導性シートとしてもよい。
熱硬化性樹脂組成物の塗布方法としては、特に限定されず、ドクターブレード法など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、塗布乾燥物を半硬化させる場合、必要に応じて加圧してもよい。特に、上記の乾燥工程によって塗布乾燥物内に欠陥が発生した場合には、加圧して欠陥を除去しておくことが好ましい。この場合のプレス圧は、好ましくは0.5MPa以上30MPa以下、より好ましくは4MPa以上15MPa以下である。プレス圧が0.5MPa未満であると、Bステージ熱伝導性シート内の欠陥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30MPaを超えると、二次焼結粒子が変形又は崩壊してしまい、熱伝導性シート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、上記の熱硬化性樹脂組成物又はBステージ熱伝導性シートから得られる熱伝導性シートを具備する。すなわち、本実施の形態のパワーモジュールは、無機充填材を熱硬化性樹脂中に分散してなる熱伝導性シートであって、前記無機充填材は、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子から構成される二次焼結粒子を含み、且つ前記二次焼結粒子の少なくとも一部が、5μm以上80μm以下の最大空隙径を有する熱伝導性シートを具備することを特徴とする。
本実施の形態のパワーモジュールにおいて、熱伝導性シート以外の構成は特に限定されず、公知のパワーモジュールの構成を採用することができる。
図4は、本実施の形態のパワーモジュールの断面図である。図4において、パワーモジュールは、熱伝導性シート11と、熱伝導性シート11を狭持するヒートシンク10及びリードフレーム12と、リードフレーム12上に搭載された電力半導体素子13とを備えている。そして、電力半導体素子13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14によってワイヤ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10の外部放熱部以外は封止樹脂15で封止されている。このパワーモジュールにおいて、熱伝導性シート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。
図5は、本実施の形態のパワーモジュールの製造工程を説明するための図である。図5に示すように、まず、ヒートシンク10上にBステージ熱伝導性シート16を形成する(工程(a))。ここで、Bステージ熱伝導性シートは、上記熱硬化性樹脂組成物を用いてヒートシンク10上に直接形成することができる。或いは、別個にBステージ熱伝導性シート16を形成した後、Bステージ熱伝導性シート16をヒートシンク10上に配置してもよい。
次に、Bステージ熱伝導性シート16が形成されたヒートシンク10を、トランスファモールド用金型20内に配置する(工程(b))。
次に、電力半導体素子13及び金属線14を実装したリードフレーム12をBステージ熱伝導性シート16上に配置する(工程(c))。
最後に、トランスファモールド用金型20を除去することによって、パワーモジュールを得ることができる(工程(e))。
なお、得られたパワーモジュールは、必要に応じてポストキュアを行ってもよい。
実施例及び比較例で用いた二次焼結粒子は、窒化ホウ素の一次粒子と、水溶性バインダと、水とを含むスラリーを用いてスプレードライを行った後、約2000℃で焼結させることにより作製した。ここで、二次焼結粒子の最大空隙径は、スラリー中の水の量を調節することによって制御した。また、二次焼結粒子の最大空隙径は、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、二次焼結粒子の空隙の最大径を実際に測定することによって求めた。
液状のビスフェノールA型エポキシ樹脂(ジャパンエポキシレジン株式会社製エピコート828)100質量部と、硬化剤である1−シアノメチル−2−メチルイミダゾール(四国化成工業株式会社製キュアゾール2PN−CN)1質量部と、溶媒であるメチルエチルケトン78質量部とを混合した。その後、この混合物に、無機充填材として二次焼結粒子及び鱗片状窒化ホウ素の一次粒子を加えて予備混合した。ここで、無機充填材は、熱伝導性シートにおいて5〜30μmの最大空隙径を有する二次焼結粒子(平均粒径65μm)が5体積%、0.1μm未満の最大空隙径を有する二次焼結粒子(平均粒径65μm)が10体積%、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子(平均長径30μm)が15体積%となるように加えた。続いて、この予備混合物を三本ロールにて混練することによって熱硬化性樹脂組成物を得た。
次に、この熱硬化性樹脂組成物を、厚さ105μmの銅箔上にドクターブレード法を用いて塗布した後、110℃で15分間の加熱乾燥処理を行い、厚さ200μmのBステージ熱伝導性シートを得た。
次に、銅箔上に形成されたBステージ熱伝導性シートをトランスファモールド用金型に配置した後、電力半導体素子及び金属線を実装したリードフレームをBステージ熱伝導性シート上に配置した。そして、トランスファモールド用金型内に封止樹脂を流し込んで加圧成形した。この加圧成形において、成形温度を180℃、成形圧力を10MPa、成形時間を90秒とした。続いて、トランスファモールド用金型を取り外した後、175℃で8時間、ポストキュアすることにより、パワーモジュールを得た。
メチルエチルケトンの配合量を125質量部としたこと、及び無機充填材として、熱伝導性シートにおいて5〜30μmの最大空隙径を有する二次焼結粒子(平均粒径65μm)が5体積%、0.1μm未満の最大空隙径を有する二次焼結粒子(平均粒径65μm)が20体積%、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子(平均長径30μm)が25体積%となるように加えたこと以外は、実施例1と同様にして熱硬化性樹脂組成物、Bステージ熱伝導性シート及びパワーモジュールを得た。
メチルエチルケトンの配合量を125質量部としたこと、及び無機充填材として、熱伝導性シートにおいて50〜80μmの最大空隙径を有する二次焼結粒子(平均粒径65μm)が5体積%、0.1μm未満の最大空隙径を有する二次焼結粒子(平均粒径65μm)が20体積%、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子(平均長径30μm)が25体積%となるように加えたこと以外は、実施例1と同様にして熱硬化性樹脂組成物、Bステージ熱伝導性シート及びパワーモジュールを得た。
メチルエチルケトンの配合量を125質量部としたこと、及び無機充填材として、熱伝導性シートにおいて5〜30μmの最大空隙径を有する二次焼結粒子(平均粒径65μm)が10体積%、0.1μm未満の最大空隙径を有する二次焼結粒子(平均粒径65μm)が15体積%、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子(平均長径30μm)が25体積%となるように加えたこと以外は、実施例1と同様にして熱硬化性樹脂組成物、Bステージ熱伝導性シート及びパワーモジュールを得た。
メチルエチルケトンの配合量を125質量部としたこと、及び無機充填材として、熱伝導性シートにおいて5〜30μmの最大空隙径を有する二次焼結粒子(平均粒径65μm)が20体積%、0.1μm未満の最大空隙径を有する二次焼結粒子(平均粒径65μm)が5体積%、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子(平均長径30μm)が25体積%となるように加えたこと以外は、実施例1と同様にして熱硬化性樹脂組成物、Bステージ熱伝導性シート及びパワーモジュールを得た。
メチルエチルケトンの配合量を234質量部としたこと、及び無機充填材として、熱伝導性シートにおいて5〜30μmの最大空隙径を有する二次焼結粒子(平均粒径65μm)が5体積%、0.1μm未満の最大空隙径を有する二次焼結粒子(平均粒径65μm)が30体積%、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子(平均長径30μm)が35体積%となるように加えたこと以外は、実施例1と同様にして熱硬化性樹脂組成物、Bステージ熱伝導性シート及びパワーモジュールを得た。
メチルエチルケトンの配合量を78質量部としたこと、及び無機充填材として、熱伝導性シートにおいて0.1μm未満の最大空隙径を有する二次焼結粒子(平均粒径65μm)が15体積%、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子(平均長径30μm)が15体積%となるように加えたこと以外は、実施例1と同様にして熱硬化性樹脂組成物、Bステージ熱伝導性シート及びパワーモジュールを得た。
メチルエチルケトンの配合量を125質量部としたこと、及び無機充填材として、熱伝導性シートにおいて0.1〜1μmの最大空隙径を有する二次焼結粒子(平均粒径65μm)が5体積%、0.1μm未満の最大空隙径を有する二次焼結粒子(平均粒径65μm)が20体積%、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子(平均長径30μm)が25体積%となるように加えたこと以外は、実施例1と同様にして熱硬化性樹脂組成物、Bステージ熱伝導性シート及びパワーモジュールを得た。
メチルエチルケトンの配合量を125質量部としたこと、及び無機充填材として、熱伝導性シートにおいて100〜150μmの最大空隙径を有する二次焼結粒子(平均粒径65μm)が5体積%、0.1μm未満の最大空隙径を有する二次焼結粒子(平均粒径65μm)が20体積%、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子(平均長径30μm)が25体積%となるように加えたこと以外は、実施例1と同様にして熱硬化性樹脂組成物、Bステージ熱伝導性シート及びパワーモジュールを得た。
これに対して比較例1のパワーモジュールに組み込まれた熱伝導性シートは、部分放電開始電圧及び絶縁破壊電圧の両方が低く、電気絶縁性が十分でなかった。この熱伝導性シートについて電子顕微鏡にて断面観察を行ったところ、熱伝導性シート内のベース部分や二次焼結粒子との界面部分に5μm以上の欠陥が発生していることを確認した。
同様に、比較例2のパワーモジュールに組み込まれた熱伝導性シートも、部分放電開始電圧及び絶縁破壊電圧の両方が低く、電気絶縁性が十分でなかった。この熱伝導性シートについて電子顕微鏡にて断面観察を行ったところ、熱伝導性シート内のベース部分や二次焼結粒子との界面部分、二次焼結粒子内の空隙部分などの様々な部分に欠陥が発生していることを確認した。
また、比較例3のパワーモジュールに組み込まれた熱伝導性シートは、部分放電開始電圧が低く、電気絶縁性が十分でなかった。この熱伝導性シートについて電子顕微鏡にて断面観察を行ったところ、熱伝導性シート内の欠陥は二次焼結粒子内の空隙部分に発生していたものの、欠陥の大きさが100μmを超えていることを確認した。
Claims (9)
- 無機充填材及び熱硬化性樹脂を含む熱硬化性樹脂組成物であって、
前記無機充填材は、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子から構成される二次焼結粒子を含み、且つ前記二次焼結粒子の少なくとも一部が、5μm以上80μm以下の最大空隙径を有することを特徴とする熱硬化性樹脂組成物。 - 前記二次焼結粒子の最大空隙径は、前記二次焼結粒子の粒径の2/3以下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。
- 前記無機充填材は、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子をさらに含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の熱硬化性樹脂組成物。
- 無機充填材をBステージ状態の熱硬化性樹脂中に分散してなるBステージ熱伝導性シートであって、
前記無機充填材は、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子から構成される二次焼結粒子を含み、且つ前記二次焼結粒子の少なくとも一部が、5μm以上80μm以下の最大空隙径を有することを特徴とするBステージ熱伝導性シート。 - 前記二次焼結粒子の最大空隙径は、前記二次焼結粒子の平均粒径の2/3以下であることを特徴とする請求項4に記載のBステージ熱伝導性シート。
- 前記無機充填材は、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子をさらに含むことを特徴とする請求項4又は5に記載のBステージ熱伝導性シート。
- 無機充填材を熱硬化性樹脂中に分散してなる熱伝導性シートであって、前記無機充填材は、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子から構成される二次焼結粒子を含み、且つ前記二次焼結粒子の少なくとも一部が、5μm以上80μm以下の最大空隙径を有する熱伝導性シートを具備することを特徴とするパワーモジュール。
- 前記二次焼結粒子の最大空隙径は、前記二次焼結粒子の平均粒径の2/3以下であることを特徴とする請求項7に記載のパワーモジュール。
- 前記無機充填材は、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子をさらに含むことを特徴とする請求項7又は8に記載のパワーモジュール。
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