JP2011178961A - 樹脂組成物、熱伝導性シート及びその製造方法、並びにパワーモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】樹脂組成物や熱伝導性シートを製造する際の機械的な力による二次焼結粒子の変形や崩壊を抑制し、シート厚み方向の熱伝導性及び電気絶縁性に優れた熱伝導性シートを与える樹脂組成物を提供する。
【解決手段】無機充填材をマトリックス樹脂成分中に分散してなる樹脂組成物であって、
前記無機充填材は、０．１μｍ超過５μｍ以下の平均長径を有する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は、４０％以下の気孔率及び４０ＭＰａ以上の弾性率を有することを特徴とする樹脂組成物とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、樹脂組成物、熱伝導性シート及びその製造方法、並びにパワーモジュールに関し、特に、パワーモジュールなどの電気・電子機器の発熱部材から放熱部材へ熱を伝達させる熱伝導性シートを製造するために用いられる樹脂組成物、この樹脂組成物を用いる熱伝導性シート及びその製造方法、並びにパワーモジュールに関する。

従来、パワーモジュールなどの電気・電子機器の発熱部材から放熱部材へ熱を伝達させる部材には、熱伝導性及び電気絶縁性に優れていることが要求され、この要求を満たすものとして、無機充填材をマトリックス樹脂中に分散させた熱伝導性シートが広く用いられている。この熱伝導性シートに用いられる無機充填材としては、アルミナ、窒化ホウ素（ＢＮ）、シリカ、窒化アルミニウムなどが挙げられるが、その中でも六方晶窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）は、熱伝導性及び電気絶縁性に加えて化学的安定性にも優れており、しかも無毒性且つ比較的安価でもある。そのため、六方晶窒化ホウ素は、熱伝導性シートで使用するのに最適である。

六方晶窒化ホウ素は、黒鉛と同様の分子構造を有している。また、一般に市販されている六方晶窒化ホウ素は、図４に示すように鱗片状の結晶構造を有しているため、鱗片状窒化ホウ素とも称される。図４において、矢印の方向は熱伝導の方向、矢印の太さは熱伝導の大きさを表す。この鱗片状窒化ホウ素は、長径方向（結晶方向）の熱伝導率が高く、短径方向（層方向）の熱伝導率が低いという熱的異方性を有しており、結晶のａ軸方向（面方向）の熱伝導率は、ｃ軸方向（厚み方向）の数倍から数十倍と言われている。そのため、マトリックス樹脂中に分散させる鱗片状窒化ホウ素をシート内で直立させた状態、すなわち、鱗片状窒化ホウ素の長径方向をシート厚み方向と平行に配向させることにより、シート厚み方向の熱伝導性を飛躍的に向上させた熱伝導性シートの開発が行われている。

一般に、熱伝導性シートは、無機充填材をマトリックス樹脂成分中に分散させた樹脂組成物をプレス成形法、射出成形法、押出成形法、カレンダー成形法、ロール成形法、ドクターブレード成形法などの公知の成形方法によってシート状に成形した後、硬化させることによって製造される。しかしながら、このような方法では、シート状に成形する際の圧力や流動によって、鱗片状窒化ホウ素がシート内で倒れた状態、すなわち、図５に示すように、マトリックス樹脂４中で鱗片状窒化ホウ素（鱗片状窒化ホウ素の一次粒子２）の長径方向がシート面方向と平行に配向され易い。このような熱伝導性シートは、シート面方向の熱伝導性に優れているため、シート厚み方向が熱伝導経路となる使用形態においては熱伝導性が十分でない。
一方、全ての鱗片状窒化ホウ素の長径方向をシート厚み方向と平行に配向させると、熱伝導性が向上する代わりに電気絶縁性が著しく低下してしまう。そのため、熱伝導性と電気絶縁性とのバランスを考慮しつつ、熱伝導性シート中の鱗片状窒化ホウ素の配向を調整しなければならない。

そこで、鱗片状窒化ホウ素を凝集させて焼結した二次焼結体を作製し、この二次焼結粒子をマトリックス樹脂成分中に分散させた樹脂組成物を用いて熱伝導性シートを製造する方法が提案されている。この二次焼結粒子は、等方的な熱伝導性を有しているので、熱伝導性シート中の鱗片状窒化ホウ素の配向を適切な状態に制御することができる。そのため、この熱伝導性シートは、良好な電気絶縁性を維持しつつ、シート厚み方向の熱伝導性を向上させることができると考えられている。
しかしながら、樹脂組成物に配合される二次焼結粒子は、様々な機械的な力（例えば、樹脂組成物中に二次焼結粒子を分散させる際の剪断力や、熱伝導性シートを製造する際のプレス圧力など）によって変形又は崩壊し、二次焼結粒子を構成する鱗片状窒化ホウ素の多くは、その長径方向がシート面方向と平行に配向してしまうことがある。その結果、シート厚み方向の熱伝導性が十分に向上しないという問題がある。

一方、二次焼結粒子を含む樹脂組成物を用いて製造される熱伝導性シートにおいて、二次焼結粒子の強度を規定したものがある。例えば、特許文献１では、崩壊強度のバルク密度に対する比が６．５ＭＰａ・ｃｃ／ｇ以上の二次焼結粒子を用いることが提案されている。また、特許文献２では、超音波の印加前後におけるレーザー回折・散乱式粒度分布測定による平均粒径の変化率が４７％以下の二次焼結粒子を用いることが提案されている。

特表２００８−５１０８７８号公報 国際公開第２００９／０４１３００号公報

しかしながら、特許文献１及び２のように二次焼結粒子の強度を単に規定しても、樹脂組成物や熱伝導性シートにおける二次焼結粒子の変形や崩壊を十分に抑制することができないことがある。すなわち、特許文献１では、二次焼結粒子が崩壊する強度を規定しているだけであり、樹脂組成物や熱伝導性シートを製造する際の機械的な力による二次焼結粒子の変形や崩壊については特に考慮されていない。そのため、このような強度を有する二次焼結粒子を用いて樹脂組成物や熱伝導性シートを実際に製造した場合、二次焼結粒子の変形や崩壊が生じることがある。同様に、特許文献２では、超音波の印加前後における平均粒径の変化率によって二次焼結粒子の強度を規定しているが、このような強度を有する二次焼結粒子を用いて樹脂組成物や熱伝導性シートを実際に製造した場合でも、二次焼結粒子の変形や崩壊が生じることがある。その結果、図６に示すように、二次焼結粒子３を構成する鱗片状窒化ホウ素の一次粒子２の多くは、その長径方向がシート面方向に平行に配向し、シート厚み方向の熱伝導率が十分に向上しない。このように特許文献１及び２では、二次焼結粒子の強度設計が十分に検討されていないため、樹脂組成物や熱伝導性シートを実際に製造した場合に二次焼結粒子の変形や崩壊が生じてしまうことがある。

従って、本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、樹脂組成物や熱伝導性シートを製造する際の機械的な力による二次焼結粒子の変形や崩壊を抑制し、シート厚み方向の熱伝導性及び電気絶縁性に優れた熱伝導性シートを与える樹脂組成物を提供することを目的とする。
また、本発明は、シート厚み方向の熱伝導性及び電気絶縁性に優れた熱伝導性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、熱放散性及び電気絶縁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。

本発明者らは、上記のような問題を解決すべく鋭意研究した結果、樹脂組成物や熱伝導性シートを製造する際の二次焼結粒子の変形や崩壊が、二次焼結粒子の弾性率と密接に関係しているという知見に基づき、二次焼結粒子の弾性率を所定の範囲にすることで、この二次焼結粒子の変形や崩壊を抑制することができ、また、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子の平均長径及び二次焼結粒子の気孔率を所定の範囲にすることで、所定の範囲の弾性率を有する二次焼結粒子を作製することができることを見出した。
すなわち、本発明は、無機充填材をマトリックス樹脂成分中に分散してなる樹脂組成物であって、前記無機充填材は、０．１μｍ超過５μｍ以下の平均長径を有する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は、４０％以下の気孔率及び４０ＭＰａ以上の弾性率を有することを特徴とする樹脂組成物である。
また、本発明は、無機充填材をマトリックス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、０．１μｍ超過５μｍ以下の平均長径を有する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は、４０％以下の気孔率及び４０ＭＰａ以上の弾性率を有することを特徴とする熱伝導性シートである。

また、本発明は、上記の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０．５ＭＰａ以上５０ＭＰａ以下のプレス圧で加圧しながら硬化させる工程とを含むことを特徴とする熱伝導性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。

本発明によれば、シート厚み方向の熱伝導性及び電気絶縁性に優れた熱伝導性シートを与える樹脂組成物を提供することができる。また、本発明によれば、シート厚み方向の熱伝導性及び電気絶縁性に優れた熱伝導性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、熱放散性及び電気絶縁性に優れたパワーモジュールを提供することができる。

実施の形態２の熱伝導性シートの断面図である 実施の形態３のパワーモジュールの断面図である。 実施例１〜６及び比較例１〜４における二次焼結粒子の弾性率と熱伝導性シートの熱伝導率との関係を示すグラフである。 鱗片状窒化ホウ素の結晶構造を示す図である。 鱗片状窒化ホウ素を含む従来の熱伝導性シートの断面図である。 二次焼結粒子を含む従来の熱伝導性シートの断面図である。

実施の形態１．
本実施の形態の樹脂組成物は、無機充填材をマトリックス樹脂成分中に分散してなるものである。
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。ここで、本明細書において「二次焼結粒子」とは、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子を等方的に凝集させ、焼結によって一次粒子同士を結着させたものを意味する。
二次焼結粒子は４０ＭＰａ以上の弾性率を有する。ここで、本明細書において「二次焼結粒子の弾性率」とは、熱硬化性樹脂中に二次焼結粒子が分散された熱伝導性シートを実際に作製した後、この熱伝導性シートを、電気炉を用い、空気雰囲気中、５００℃〜８００℃の温度で５〜１０時間程度熱処理して灰化させることで得た二次焼結粒子について、微小圧縮試験機による圧縮試験を行って得た応力−歪み曲線から求めた値を意味する。上記のような弾性率を有する二次焼結粒子を用いることで、樹脂組成物や熱伝導性シートを製造する際の機械的な力による二次焼結粒子の変形や崩壊を抑制することができる。二次焼結粒子の弾性率が４０ＭＰａ未満であると、樹脂組成物や熱伝導性シートを製造する際の機械的な力によって二次焼結粒子の多くが変形又は崩壊してしまう。

上記のような弾性率を有する二次焼結粒子は、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子の平均長径及び二次焼結粒子の気孔率を所定の範囲にすることで作製することができる。
二次焼結粒子を構成する鱗片状窒化ホウ素の一次粒子は、０．１μｍ超過５μｍ以下の平均長径を有する。ここで、本明細書において「鱗片状窒化ホウ素の一次粒子の平均長径」とは、熱硬化性樹脂中に二次焼結粒子が分散された熱伝導性シートを実際に作製し、この熱伝導性シート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値を意味する。一次粒子の平均長径が０．１μｍ以下であると、焼結の際に焼結不足となり易く、一次粒子同士の結着力が小さくなる。その結果、二次焼結粒子の弾性率が低下してしまう。一方、一次粒子の平均長径が５μｍを超えると、二次焼結粒子を構成する一次粒子の数が減少し、一次粒子同士の結着点の数が著しく少なくなる。その結果、二次焼結粒子の弾性率が低下する。

二次焼結粒子は４０％以下の気孔率を有する。ここで、本明細書において「二次焼結粒子の気孔率」とは、熱硬化性樹脂中に二次焼結粒子が分散された熱伝導性シートを実際に作製した後、この熱伝導性シートを、電気炉を用い、空気雰囲気中、５００℃〜８００℃の温度で５〜１０時間程度熱処理して灰化させることで得た二次焼結粒子について、水銀圧入式のポロシメータを用いて測定した値を意味する。二次焼結粒子の気孔率が４０％を超えると、二次焼結粒子の密度が低くなり、二次焼結粒子の弾性率が低下する。

二次焼結粒子の形状は、特に限定されないが、球状であることが好ましい。二次焼結粒子が球状であれば、二次焼結粒子の配合量を多くしても樹脂組成物の流動性を確保することができる。
二次焼結粒子の平均粒径は、好ましくは２０μｍ以上１８０μｍ以下、より好ましくは４０μｍ以上１３０μｍ以下である。ここで、本明細書において「二次焼結粒子の平均粒径」とは、熱硬化性樹脂中に二次焼結粒子が分散された熱伝導性シートを実際に作製した後、この熱伝導性シートを、電気炉を用いて５００℃〜８００℃の温度で空気雰囲気中にて５〜１０時間程度熱処理して灰化することによって得た二次焼結粒子について、レーザー回折・散乱法による粒度分布測定によって得られた粒径の平均値を意味する。二次焼結粒子の平均粒径が２０μｍ未満であると、所望の熱伝導性を有する熱伝導性シートが得られないことがある。一方、二次焼結粒子の平均粒径が１８０μｍを超えると、二次焼結粒子をマトリックス樹脂成分中に混合分散させることが困難となり、作業性や成形性に支障を生じることがある。
また、製造する熱伝導性シートの厚さに対する二次焼結粒子の最大粒径が大きすぎる場合、界面を伝って絶縁性が低下するおそれがある。そのため、二次凝集粒子の最大粒径は、製造する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。

二次焼結粒子は、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子を含むスラリーをスプレードライ法などの公知の方法によって凝集させた後、焼結させることによって製造することができる。例えば、結晶性が比較的低い鱗片状窒化ホウ素を仮焼きして粉砕処理を行った後、これに水性媒体（例えば、水など）やバインダー（例えば、ポリビニルアルコールなど）を加えてスラリーを調製する。次に、このスラリーをスプレードライすることによって顆粒（二次凝集粒子）を形成させた後、焼成すればよい。この方法における各条件（仮焼温度、粉砕時間、スラリー濃度、焼成温度など）は、使用する原料などによって異なるため、一義的に定義することは難しい。そのため、使用する原料などに応じて、二次焼結粒子が上記特性を有するように適宜調整する必要がある。

二次焼結粒子の含有量は、樹脂組成物の固形分（熱伝導性シート）中で２０体積％以上８０体積％以下となることが好ましい。特に、樹脂組成物の固形分中の二次焼結粒子の含有量が３０体積％以上６５体積％以下の場合には、二次焼結粒子をマトリックス樹脂成分中に混合分散させ易く、作業性や成形性が良好であると共に、熱伝導性シートの熱伝導性がより一層向上する。二次焼結粒子の含有量が２０体積％未満であると、所望の熱伝導性を有する熱伝導性シートが得られないことがある。一方、二次焼結粒子の含有量が８０体積％を超えると、二次焼結粒子をマトリックス樹脂成分中に混合分散させることが困難となり、作業性や成形性に支障を生じることがある。

無機充填材は、熱伝導性や電気絶縁性の向上や、熱伝導性と電気絶縁性とのバランスの改善を目的として、上記の二次焼結粒子を構成する鱗片状窒化ホウ素とは別の鱗片状窒化ホウ素や無機粉末を含むことができる。無機粉末の例としては、溶融シリカ（ＳｉＯ_２）、結晶シリカ（ＳｉＯ_２）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）などが挙げられる。これらは、単独又は組み合わせて用いることができる。
上記の二次焼結粒子以外の無機充填材の配合量は、本発明の効果を損なわない範囲であれば特に限定されず、使用する無機充填材の種類に応じて適宜設定すればよい。

本明細書において「マトリックス樹脂成分」とは、硬化した際にマトリックス樹脂となる成分のことを意味し、熱硬化性樹脂や硬化剤を含む。
熱硬化性樹脂の例としては、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が挙げられる。これらの中でも、エポキシ樹脂は、耐熱性などの物性に優れているので好ましい。エポキシ樹脂の例としては、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−アミノフェノール系エポキシ樹脂などが挙げられる。これらの樹脂は、単独又は組み合わせて用いることができる。

熱硬化性樹脂として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などが挙げられる。これらの硬化剤は、単独又は組み合わせて用いることができる。
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応じ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０．１質量部以上２００質量部以下である。

本実施の形態の樹脂組成物は、二次焼結粒子とマトリックス樹脂との界面の接着力を向上させる観点から、カップリング剤を含むことができる。カップリング剤の例としては、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。これらのカップリング剤は、単独又は組み合わせて用いることができる。
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応じ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１質量部以下である。

本実施の形態の樹脂組成物は、当該組成物の粘度を調整する観点から、溶剤を含むことができる。溶剤としては特に限定されず、使用する熱硬化性樹脂や無機充填材の種類に応じて適宜選択すればよい。かかる溶剤としては、例えば、トルエンやメチルエチルケトンなどが挙げられる。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。
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。

上記のような構成成分を含有する本実施の形態の樹脂組成物の製造方法は、特に限定されず、公知の方法に従って行うことができる。例えば、樹脂組成物は、以下のようにして製造することができる。
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、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本ロールやニーダなどを用いて混練することによって樹脂組成物を得ることができる。なお、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。

このようにして製造される本実施の形態の樹脂組成物は、強度設計が十分になされた二次焼結粒子を配合しているため、樹脂組成物や熱伝導性シートを製造する際の機械的な力による二次焼結粒子の変形や崩壊を抑制することができる。そのため、本実施の形態の樹脂組成物は、シート厚み方向の熱伝導性及び電気絶縁性に優れた熱伝導性シートを与えることができる。

実施の形態２．
本実施の形態の熱伝導性シートは、上記の樹脂組成物をシート状に成形した後、硬化してなるものである。すなわち、本実施の形態の熱伝導性シートは、無機充填材をマトリックス樹脂中に分散してなり、前記無機充填材は、０．１μｍ超過５μｍ以下の平均長径を有する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は、４０％以下の気孔率及び４０ＭＰａ以上の弾性率を有する。

以下、図面を参照して本実施の形態の熱伝導性シートについて説明する。
図１は、本実施の形態における熱伝導性シートの断面図である。図１において、熱伝導性シート１は、マトリックス樹脂２と、このマトリックス樹脂２中に分散された二次焼結粒子３とから構成されている。そして、二次焼結粒子３は、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子４から構成されている。

本実施の形態の熱伝導性シート１は、上記の樹脂組成物を基材に塗布して乾燥させる工程と、塗布乾燥物を所定のプレス圧で加圧しながら硬化させる工程とを含む方法によって製造することができる。
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などの公知の離型性基材が挙げられる。また、熱伝導性シート１を放熱部材上に直接形成する場合には、放熱部材を基材として用いてもよい。ここで、放熱部材としては特に限定されないが、例えば、リードフレーム、ヒートシンク、ヒートスプレッダなどが挙げられる。
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公知の方法を用いることができる。
塗布した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。

塗布乾燥物の加圧時のプレス圧は、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の多くが変形又は崩壊してしまい、熱伝導性シート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。
塗布乾燥物の硬化温度は、使用する熱硬化性樹脂の種類にあわせて適宜設定すればよいが、一般的に１５０℃以上２５０℃以下である。また、硬化時間は、特に限定されないが、一般的に２分以上２４時間以下である。

このようにして得られる熱伝導性シート１では、強度設計が十分になされた二次焼結粒子をマトリックス樹脂２中に分散させているので、熱伝導性シート１を製造する際の機械的な力による二次焼結粒子３の変形や崩壊を抑制することができる。そのため、この熱伝導性シート１は、熱伝導性及び電気絶縁性に優れたものとなる。

実施の形態３．
本実施の形態のパワーモジュールは、上記の樹脂組成物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、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、上記の熱伝導性シートとを備え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。

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２は、本実施の形態のパワーモジュールの断面図である。図２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シート１１と、リードフレーム１２に搭載された電力半導体素子１３及び制御用半導体素子１５とを備えている。そして、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１４の外部放熱部以外は封止樹脂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。

パワーモジュールに熱伝導性シート１１を組み込む方法は、特に限定されることはなく、公知の方法に従って行うことができる。例えば、熱伝導性シート１１を別個に作製した場合、電力半導体素子１３などの各種部品を搭載したリードフレーム１２と、ヒートシンク１４との間に熱電伝導性シート１１を挟み込んだ後、これをトランスファーモールド成型用金型に配置し、トランスファーモールド成型装置を用いて封止樹脂７を金型に流し込み、加圧及び加熱して封止すればよい。また、ヒートシンク１２に熱伝導性シート１１を直接形成する場合、熱伝導性シート１上に、電力半導体素子１３などの各種部品を搭載したリードフレーム１２を配置した後、これをトランスファーモールド成型用金型に配置し、トランスファーモールド成型装置を用いて封止樹脂７を金型に流し込み、加圧及び加熱して封止すればよい。
なお、上記では、トランスファーモールド法による封止方法を説明したが、それ以外の公知の方法（例えば、プレス成形法、射出成形法、押出成形法）などを用いてもよい。

また、パワーモジュールに熱伝導性シート１１を組み込む場合、マトリックス樹脂２がＢステージ状態（半硬化状態）にある熱伝導性シート１を予め作製しておき、これをリードフレーム１２とヒートシンク１４との間に挟みこんだ後、所定のプレス圧で加圧しながら１５０℃以上２５０℃以下に加熱することで熱伝導性シート１を作製してもよい。この方法によれば、熱伝導性シート１に対するリードフレーム１２及びヒートシンク１４の接着性を高めることができる。
このような構成を有するパワーモジュール１０は、熱伝導性及び電気絶縁性に優れた熱伝導性シート１１を有しているので、熱放散性及び電気絶縁性に優れたものとなる。

以下、実施例及び比較例により本発明の詳細を説明するが、これらによって本発明が限定されるものではない。
（二次焼結粒子の作製）
純度９３％で結晶性が比較的低い鱗片状窒化ホウ素を窒素雰囲気中、１８００℃で１時間仮焼きした後、ライカイ機を用いて３時間粉砕処理を行った。次に、鱗片状窒化ホウ素１００質量部に対して１〜５質量部のポリビニルアルコール（バインダー）を加えてスラリーを調製し、このスラリーをスプレードライすることによって顆粒にした。次に、この顆粒を窒素雰囲気中、所定の焼成温度で２時間焼成することによって二次焼結粒子を得た。得られた二次焼結粒子の製造条件及び特性を表１に示す。

表１において、バインダー添加量とは、鱗片状窒化ホウ素１００質量部に対するバインダーの添加量を意味する。また、一次粒子の平均長径、二次焼結粒子の平均粒径及び気孔率は、上記で説明した方法により測定した値を意味する。

表１に示されているように、二次焼結粒子の弾性率は、二次焼結粒子を構成する一次粒子の平均長径や二次焼結粒子の気孔率と関係していることがわかる。例えば、二次焼結粒子Ｎｏ．Ｇは、気孔率が高すぎる（すなわち、密度が低すぎる）ため、弾性率が低くなる。また、二次焼結粒子Ｎｏ．Ｈは、二次焼結粒子を構成する一次粒子の平均長径が小さすぎるため、焼成の際に焼結不足となって一次粒子同士の結着力が弱くなり、弾性率が低くなる。また、二次焼結粒子Ｎｏ．Ｉ及びＪは、二次焼結粒子を構成する一次粒子の平均長径が大きすぎるため、一次粒子同士の結着点の数が少なくなり、弾性率が低くなる。

（実施例１）
液状のビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（熱硬化性樹脂、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、１−シアノエチル−２−メチルイミダゾール（硬化剤、四国化成工業株式会社製キュアゾール２ＰＮ−ＣＮ）１質量部とを混合した後、メチルエチルケトン（溶剤）１６６質量部をさらに加えて混合攪拌した。次に、この混合物に２８７質量部の二次凝集粒子Ｎｏ．Ａを加えて予備混合した後、この予備混合物を三本ロールにて混練し、二次凝集粒子Ｎｏ．Ａが均一に分散された樹脂組成物を調製した。ここで、樹脂組成物の固形分における二次焼結粒子Ｎｏ．Ａの含有量は６０体積％とした。

次に、この樹脂組成物を厚さ１０５μｍの基材（銅箔）上にドクターブレード法にて塗布した後、１１０℃で１５分間加熱乾燥させることによって、厚さが１００μｍでＢステージ状態の熱伝導性シートを得た。
次に、基材上に形成したＢステージ状態の熱伝導性シートを、熱伝導性シート側が内側になるように２枚重ねた後、１４．７ＭＰａのプレス圧で加圧しながら１２０℃で１時間加熱し、さらに１６０℃で３時間加熱することで、熱硬化性樹脂を完全に硬化させ、２つの基材に挟まれた熱伝導性シートを得た。

（実施例２）
二次焼結粒子Ｎｏ．Ａの代わりに二次焼結粒子Ｎｏ．Ｂを用いたこと以外は実施例１と同様にして樹脂組成物及び熱伝導性シートを得た。
（実施例３）
二次焼結粒子Ｎｏ．Ａの代わりに二次焼結粒子Ｎｏ．Ｃを用いたこと以外は実施例１と同様にして樹脂組成物及び熱伝導性シートを得た。
（実施例４）
二次焼結粒子Ｎｏ．Ａの代わりに二次焼結粒子Ｎｏ．Ｄを用いたこと以外は実施例１と同様にして樹脂組成物及び熱伝導性シートを得た。

（実施例５）
二次焼結粒子Ｎｏ．Ａの代わりに二次焼結粒子Ｎｏ．Ｅを用いたこと以外は実施例１と同様にして樹脂組成物及び熱伝導性シートを得た。
（実施例６）
二次焼結粒子Ｎｏ．Ａの代わりに二次焼結粒子Ｎｏ．Ｆを用いたこと以外は実施例１と同様にして樹脂組成物及び熱伝導性シートを得た。
（実施例７）
メチルエチルケトン（溶剤）の量を７８質量部としたこと、及び二次焼結粒子Ｎｏ．Ａの代わりに二次焼結粒子Ｎｏ．Ｃを用い、その量を８２質量部としたこと以外は実施例１と同様にして樹脂組成物及び熱伝導性シートを得た。ここで、樹脂組成物の固形分における二次焼結粒子Ｎｏ．Ａの含有量は３０体積％とした。

（実施例８）
メチルエチルケトン（溶剤）の量を１０２質量部としたこと、及び二次焼結粒子Ｎｏ．Ａの代わりに二次焼結粒子Ｎｏ．Ｃを用い、その量を１２７質量部としたこと以外は実施例１と同様にして樹脂組成物及び熱伝導性シートを得た。ここで、樹脂組成物の固形分における二次焼結粒子Ｎｏ．Ａの含有量は４０体積％とした。
（実施例９）
メチルエチルケトン（溶剤）の量を２３４質量部としたこと、及び二次焼結粒子Ｎｏ．Ａの代わりに二次焼結粒子Ｎｏ．Ｃを用い、その量を４４６質量部としたこと以外は実施例１と同様にして樹脂組成物及び熱伝導性シートを得た。ここで、樹脂組成物の固形分における二次焼結粒子Ｎｏ．Ａの含有量は７０体積％とした。

（比較例１）
比較例１では、４０％を超える気孔率及び４０ＭＰａ未満の弾性率を有する二次焼結粒子Ｎｏ．Ｇを用いて樹脂組成物及び熱伝導性シートを作製した。ここで、二次焼結粒子Ｎｏ．Ａの代わりに二次焼結粒子Ｎｏ．Ｇを用いたこと以外は実施例１と同様にして樹脂組成物及び熱伝導性シートを得た。
（比較例２）
比較例２では、０．１μｍ以下の平均長径を有する一次粒子から構成され、４０ＭＰａ未満の弾性率を有する二次焼結粒子Ｎｏ．Ｈを用いて樹脂組成物及び熱伝導性シートを作製した。ここで、二次焼結粒子Ｎｏ．Ａの代わりに二次焼結粒子Ｎｏ．Ｈを用いたこと以外は実施例１と同様にして樹脂組成物及び熱伝導性シートを得た。

（比較例３）
比較例３では、５μｍを超える平均長径を有する一次粒子から構成され、４０ＭＰａ未満の弾性率を有する二次焼結粒子Ｎｏ．Ｉを用いて樹脂組成物及び熱伝導性シートを作製した。ここで、二次焼結粒子Ｎｏ．Ａの代わりに二次焼結粒子Ｎｏ．Ｉを用いたこと以外は実施例１と同様にして樹脂組成物及び熱伝導性シートを得た。
（比較例４）
比較例４では、５μｍを超える平均長径を有する一次粒子から構成され、４０％を超える気孔率及び４０ＭＰａ未満の弾性率を有する二次焼結粒子Ｎｏ．Ｊを用いて樹脂組成物及び熱伝導性シートを作製した。ここで、二次焼結粒子Ｎｏ．Ａの代わりに二次焼結粒子Ｎｏ．Ｊを用いたこと以外は実施例１と同様にして樹脂組成物及び熱伝導性シートを得た。

上記実施例１〜９及び比較例１〜４で得られた熱伝導性シートについて、シート厚み方向の熱伝導率をレーザーフラッシュ法にて測定した。この熱伝導率の結果は、比較例４の熱伝導性シートで得られた熱伝導率を基準とする各実施例又は各比較例の熱伝導性シートで得られた熱伝導率の相対値（［各実施例又は各比較例の熱伝導性シートで得られた熱伝導率］／［比較例４の熱伝導性シートで得られた熱伝導率］）として表２に表した。
なお、表２において、各実施例及び比較例で使用した構成成分の含有量についてもまとめた。ここで、二次焼結粒子の含有量とは、樹脂組成物の固形分（熱伝導性シート）中の二次焼結粒子の含有量を意味する。また、配合量は質量部を単位とする。

表２に示されているように、実施例１〜９の熱伝導性シートは熱伝導率が高かったのに対し、比較例１〜４の熱伝導性シートは熱伝導率が低かった。比較例１〜４の熱伝導性シートでは、二次焼結粒子の弾性率が低すぎたため、樹脂組成物や熱伝導性シートを製造する際の機械的な力によって二次焼結粒子の多くが変形や崩壊してしまい、多くの鱗片状窒化ホウ素の長径方向がシート面方向と平行に配向したと考えられる。

ここで、上記の結果を詳細に検討するため、二次焼結粒子の弾性率が、熱伝導性シートの熱伝導率に与える影響を示すグラフを図３に示す。なお、このグラフは、二次焼結粒子の含有量が同じである実施例１〜６及び比較例１〜４を基に作成した。
図３に示されているように、二次焼結粒子の弾性率は、熱伝導性シートの熱伝導率と密接に関係しており、二次焼結粒子の弾性率が４０ＭＰａ以上であると、熱伝導性シートの熱伝導率が著しく向上する。

次に、実施例１〜９の熱伝導性シートを用い、トランスファーモールド法により封止樹脂で封止して、パワーモジュールを作製した。
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１〜９の熱伝導性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。

以上の結果からわかるように、本発明によれば、シート厚み方向の熱伝導性及び電気絶縁性に優れた熱伝導性シートを与える樹脂組成物を提供することができる。また、本発明によれば、シート厚み方向の熱伝導性及び電気絶縁性に優れた熱伝導性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、熱放散性及び電気絶縁性に優れたパワーモジュールを提供することができる。

１、１１ 熱伝導性シート、２ マトリックス樹脂、３ 二次焼結粒子、４ 鱗片状窒化ホウ素の一次粒子、１０ パワーモジュール、１２ リードフレーム、１３ 電力半導体素子、１４ ヒートシンク、１５ 制御用半導体素子、１６ 金属線、１７ 封止樹脂。

Claims (8)

1. 無機充填材をマトリックス樹脂成分中に分散してなる樹脂組成物であって、
   前記無機充填材は、０．１μｍ超過５μｍ以下の平均長径を有する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は、４０％以下の気孔率及び４０ＭＰａ以上の弾性率を有することを特徴とする樹脂組成物。
2. 前記二次焼結粒子は、２０μｍ以上１８０μｍ以下の平均粒径を有することを特徴とする請求項１に記載の樹脂組成物。
3. 前記樹脂組成物の固形分における前記二次焼結粒子の含有量は、２０体積％以上８０体積％以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の樹脂組成物。
4. 無機充填材をマトリックス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、０．１μｍ超過５μｍ以下の平均長径を有する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は、４０％以下の気孔率及び４０ＭＰａ以上の弾性率を有することを特徴とする熱伝導性シート。
5. 前記二次焼結粒子は、２０μｍ以上１８０μｍ以下の平均粒径を有することを特徴とする請求項４に記載の熱伝導性シート。
6. 前記熱伝導性シートにおける前記二次焼結粒子の含有量は、２０体積％以上８０体積％以下であることを特徴とする請求項４又は５に記載の熱伝導性シート。
7. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の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０．５ＭＰａ以上５０ＭＰａ以下のプレス圧で加圧しながら硬化させる工程と
   を含むことを特徴とする熱伝導性シートの製造方法。
8. 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４〜６のいずれか一項に記載の熱伝導性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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