JP2011181651A - Heat dissipation substrate and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、放熱が要求される各種電子部品に用いられる放熱基板とその製造方法に関する。 The present invention relates to a heat dissipation substrate used for various electronic components that require heat dissipation and a method for manufacturing the same.
電子機器の小型化のためにパワー系の半導体や、高機能半導体、発光素子等の発熱密度が向上している。このような電子部品の放熱用には、伝熱層を有する放熱基板が使われている。しかし、樹脂に無機フィラを添加して作製された従来の伝熱層には次の課題がある。伝熱層中の無機フィラの含有率を高くすると、熱伝導率は増加する。しかしながら、伝熱層の表面粗さが増加し、成形性が低下する。さらに伝熱層の表面や内部のボイド等が増加し、表面の光沢が下がり、電気的絶縁性が低下する。 In order to reduce the size of electronic devices, the heat generation density of power semiconductors, high-performance semiconductors, light-emitting elements, and the like has been improved. A heat dissipation board having a heat transfer layer is used for heat dissipation of such electronic components. However, the conventional heat transfer layer produced by adding an inorganic filler to a resin has the following problems. When the content of the inorganic filler in the heat transfer layer is increased, the thermal conductivity increases. However, the surface roughness of the heat transfer layer increases and the moldability decreases. Further, the surface of the heat transfer layer and internal voids increase, the gloss of the surface decreases, and the electrical insulation properties decrease.
こうした課題は、伝熱層における無機フィラの含有率を高めるほど、発生しやすい。これは伝熱層における樹脂成分の含有率が低下するためである。すなわち含有率が増加した無機フィラを樹脂で濡らし、固定することが難しくなるためである。次に図21を用いて、従来の伝熱層における無機フィラの体積分率と、その時の熱伝導率や表面粗さとの関係について説明する。 Such a problem is more likely to occur as the content of the inorganic filler in the heat transfer layer is increased. This is because the resin component content in the heat transfer layer is reduced. That is, it is difficult to wet and fix the inorganic filler whose content is increased with the resin. Next, the relationship between the volume fraction of the inorganic filler in the conventional heat transfer layer and the thermal conductivity and surface roughness at that time will be described with reference to FIG.
図21は、無機フィラの体積分率(単位はVol%)と、その時の熱伝導率(単位はW/m・K)、表面粗さRmax(単位はÅ)との関係を示したものである。 FIG. 21 shows the relationship between the volume fraction of inorganic filler (unit: Vol%), thermal conductivity at that time (unit: W / m · K), and surface roughness Rmax (unit: Å). is there.
図21において、(1)は理論曲線(Bruggemanの式)、(2)は従来品のRmax、(3)はその時の光沢度(実測の20度光沢度は、ゼロであり、多くても5以下となる)を示す。 In FIG. 21, (1) is a theoretical curve (Bruggeman's equation), (2) is Rmax of a conventional product, (3) is the glossiness at that time (the measured 20 ° glossiness is zero, at most 5) Is as follows).
図21より、無機フィラの体積分率が60Vol%以上、更に66Vol%以上と表面粗さが増加することが判る。また70Vol%で、表面粗さRmaxが7500Å(0.75μm)を超える。そして無機フィラの体積分率が増加して、表面粗さRmaxが増加するほど、光沢度が急激に低下し、伝熱層の表面や内部にひびやクラック、ボイド等が発生しやすくなる。また無機フィラ自体の結着力が低下し、あるいは表面に露出した無機フィラが脱落しやすくなる。そのため、伝熱層表面への発熱部品等の密着性や固定性に課題が発生する。 It can be seen from FIG. 21 that the surface roughness increases when the volume fraction of the inorganic filler is 60 Vol% or more, and further 66 Vol% or more. Further, at 70 Vol%, the surface roughness Rmax exceeds 7500 mm (0.75 μm). As the volume fraction of the inorganic filler increases and the surface roughness Rmax increases, the glossiness decreases rapidly, and cracks, cracks, voids and the like are likely to occur on the surface and inside of the heat transfer layer. In addition, the binding force of the inorganic filler itself is reduced, or the inorganic filler exposed on the surface tends to fall off. Therefore, a problem arises in the adhesion and fixability of the heat-generating component to the heat transfer layer surface.
図22を用いて、さらに詳しく説明する。図22(A)(B)は共に、伝熱層に含まれる無機フィラの含有率が高い場合における、従来の伝熱層の課題を模式的に説明する断面図である。 This will be described in more detail with reference to FIG. FIGS. 22A and 22B are cross-sectional views schematically illustrating the problems of the conventional heat transfer layer when the content of the inorganic filler contained in the heat transfer layer is high.
無機フィラの含有率が高くなるほど、図22に示すように、無機フィラ1と、熱硬化性樹脂2と、からなる伝熱層3の自由表面4の表面や内部には無数のボイド5が発生している。そしてボイド5により、自由表面4の表面粗さは急激に増加し、光沢度は低下する。なお自由表面4とは、他の個体と接していない、さらには研磨や切削等が行なわれていない自然な表面を意味する。
As the content of the inorganic filler increases, an infinite number of
このように、自由表面4の表面粗さが増加し、さらに内部や表面にボイド5が発生すると、無機フィラ1の含有率を高めても伝熱層3の熱伝導率があまり増加しなくなる。また、発熱体(図示していない)との密着性が低下することにより熱伝導効率が低下する場合がある。さらに伝熱層3自体の成形性が低下する。あるいは伝熱層3自体が脆くなり、欠けやすくなる。
As described above, when the surface roughness of the
更に、図22(B)に示すように、この伝熱層3に、リードフレーム6や、基板7を埋め込んだ場合、これら伝熱層3とリードフレーム6との界面、あるいは基板7と伝熱層3との界面での密着性が低く、隙間8が発生しやすい。
Furthermore, as shown in FIG. 22B, when the
そして隙間8、あるいは密着不足によって、リードフレーム6から伝熱層3への、あるいは基板7から伝熱層3への熱伝導性が低下し、更に電気絶縁性(例えば、高温時の漏れ電流)が低下する。
Further, due to the
また伝熱層3に、リードフレーム6や基板7を埋め込む際の位置決め精度も低下するが、これは伝熱層3の流動性が低下するためである。
Further, the positioning accuracy when the
このような課題に対し、従来より、例えば伝熱層3に、ポリイミドフィルムのような絶縁性に優れ、光沢度の高い樹脂を使うことで、その密着性向上による放熱効果を高めることが提案されている。またその応用例として、金属コア基板が提案されている。
Conventionally, for example, it has been proposed to increase the heat dissipation effect by improving the adhesiveness of the
次に図23を用いて従来の金属コア基板について説明する。図23は従来の金属コア基板の断面図である。 Next, a conventional metal core substrate will be described with reference to FIG. FIG. 23 is a cross-sectional view of a conventional metal core substrate.
図23は、従来の金属コア基板9の断面図である。図23において、金属板10の上には電気絶縁層11が形成されている。電気絶縁層11の上には銅箔12が積層されている。そしてこの上に、半田13を用いて、電子部品14や半導体15、端子16等が実装される。電気絶縁層11の熱伝導率が高いほど、電子部品14や半導体15からの熱を金属板10に伝えることができ、温度上昇を抑えることができる。電気絶縁層11としてはフィルム状の樹脂シートに無機フィラを添加した材料を用いることができるが、無機フィラの含有率を高めることは難しい(例えば、特許文献1)。
FIG. 23 is a cross-sectional view of a conventional
また熱伝導率を高める方法として、電気絶縁層11のフィラとして熱伝導率の高い材料を用いる、あるいはフィラの充填量を増加させるといった手法がよく用いられる。また、樹脂の熱伝導率を高めることも効果がある。このような構成を、図24(A)〜(C)を用いて説明する。例えば樹脂の熱伝導率を高める手段として、結晶性樹脂を用いることが提案されている(例えば、特許文献2)。
As a method for increasing the thermal conductivity, a method of using a material having a high thermal conductivity as the filler of the
図24(A)〜(C)は、従来の結晶性樹脂の説明図である。結晶性樹脂を用いることは、メソゲン基17を有するモノマー18を互いに重合させて、電気絶縁性でかつ優れた熱伝導性を得ようとすることを狙いとしている。結晶性樹脂を用いて高放熱性(あるいは高熱伝導性)を得るには、結晶性樹脂の結晶化率を高める必要がある。しかし結晶性樹脂において、その結晶化率を高めるほど、できあがった基板が硬くて脆い。すなわち曲がらずに折れてしまう、あるいは欠けやひびが入りやすい。そのため結晶性樹脂を用いて、電子部品を実装するための放熱基板を作製しても、その使用用途が大きく限られる。
24A to 24C are explanatory diagrams of a conventional crystalline resin. The use of a crystalline resin aims at polymerizing
このためメソゲン基を有するエポキシ樹脂を用いても、図22を用いて説明した課題を解決することは難しい。さらにエポキシ樹脂が結晶化するほど、図22を用いて説明した課題が発生しやすい可能性がある。さらには、無機フィラの含有率が66Vol%より低い領域からこうした課題が発生しやすくなる。 For this reason, even if an epoxy resin having a mesogenic group is used, it is difficult to solve the problem described with reference to FIG. Further, as the epoxy resin is crystallized, the problem described with reference to FIG. 22 is likely to occur. Furthermore, such a problem easily occurs from a region where the content of the inorganic filler is lower than 66 Vol%.
強度を向上させる方法として、網目構造をとりやすい硬化剤を配合する方法等も提案されている。しかしながら、結晶性エポキシ樹脂の場合、立体的な結合を作ることで、結晶性が阻害され、高い熱伝導率が得られない場合が多い。 As a method for improving the strength, a method of blending a curing agent that easily takes a network structure has been proposed. However, in the case of a crystalline epoxy resin, by making a steric bond, the crystallinity is often inhibited and high thermal conductivity cannot be obtained in many cases.
さらに結晶性樹脂は金属板等に対する接着力が弱い。あるいは結晶化樹脂の内部や結晶化樹脂と金属板との界面に応力が集中しやすく、この応力によって結晶化樹脂と金属板との界面が剥離する場合がある。そのため、放熱基板を作製した場合、落下試験等の耐衝撃性に課題が残る場合がある。 Furthermore, the crystalline resin has a weak adhesion to a metal plate or the like. Alternatively, stress is likely to concentrate inside the crystallized resin or at the interface between the crystallized resin and the metal plate, and the interface between the crystallized resin and the metal plate may be peeled off due to the stress. For this reason, when a heat dissipation substrate is manufactured, there may be a problem in impact resistance such as a drop test.
これら従来の放熱基板では、熱伝導性を高めるために無機フィラの含有量を増加した場合、伝熱層の表面が粗化しやすく、伝熱層と、伝熱層に埋め込んだリードフレームや配線基板との間の密着性が低下し、電気絶縁性に影響を与える可能性があった。また伝熱層にリードフレームや配線基板を、互いに高精度な位置情報を持った状態で高精度に埋設し、リードフレームと配線基板とを電気的に接続することが難しかった。 In these conventional heat dissipation boards, when the content of the inorganic filler is increased to increase the thermal conductivity, the surface of the heat transfer layer is likely to be roughened, and the heat transfer layer and the lead frame or wiring board embedded in the heat transfer layer There was a possibility that the adhesion between the two would be reduced and the electrical insulation would be affected. In addition, it has been difficult to electrically connect the lead frame and the wiring board by burying the lead frame and the wiring board in the heat transfer layer with high precision in a state of having highly accurate positional information.
本発明は、上記した状況を考慮して成されたものである。すなわち、本発明は、無機フィラの含有量を増加した場合でも、伝熱層の表面の粗化を防止し電気絶縁性を高め、更に伝熱層に、各々が略平坦になるようにリードフレームや配線基板を、互いに高い位置精度を保った状態で電気的に接続しながら埋め込んだ放熱基板及びその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above situation. That is, according to the present invention, even when the content of the inorganic filler is increased, the surface of the heat transfer layer is prevented from being roughened, the electrical insulation is improved, and the lead frame is formed so that each of the heat transfer layers is substantially flat. Another object of the present invention is to provide a heat dissipation board in which wiring boards are embedded while being electrically connected while maintaining high positional accuracy, and a method for manufacturing the same.
上記の課題を解決するため、本発明は、金属板と、この金属板上に設けられたシート状の、結晶性エポキシ樹脂を含む硬化済の熱硬化性樹脂と、無機フィラとからなる伝熱層と、この伝熱層に固定された、配線基板と、リードフレームと、を有する放熱基板であって、前記伝熱層における前記無機フィラの含有率が、66Vol%以上、90Vol%以下であって、前記配線基板の側面の一部以上と、前記リードフレームの側面の一部以上とは、半田部もしくは機械的接続部の一つ以上を介して接続されている放熱基板とする。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides a heat transfer comprising a metal plate, a sheet-shaped cured thermosetting resin including a crystalline epoxy resin, and an inorganic filler. A heat dissipation board having a layer, a wiring board fixed to the heat transfer layer, and a lead frame, wherein the content of the inorganic filler in the heat transfer layer is 66 Vol% or more and 90 Vol% or less. In addition, a part or more of the side surface of the wiring board and a part or more of the side surface of the lead frame are a heat dissipation board connected via one or more of a solder part or a mechanical connection part.
本発明によって、放熱基板の放熱、あるいは伝熱特性を大幅に向上させると共に、高温時での優れた電気絶縁性を有する放熱基板及びその製造方法を提供することによって、高温半導体(例えば、シリコン系以外のSiC系半導体等のパワーデバイス)の効率的な動作が実現でき、環境、省エネ、消費電力、炭酸ガスの削減等に貢献する。 The present invention greatly improves the heat dissipation or heat transfer characteristics of the heat dissipation substrate and provides a heat dissipation substrate having excellent electrical insulation at high temperatures and a method for manufacturing the same, thereby providing a high-temperature semiconductor (eg, silicon-based). Other than SiC-based semiconductor power devices) can be operated efficiently, contributing to the environment, energy saving, power consumption, carbon dioxide gas reduction, and the like.
更に、リードフレームや配線基板の位置決め、あるいは位置合わせ、あるいはこれらの電気的接続、あるいはヒートスプレッド(あるいは熱拡散)は、半田部を介して効率的に行なうことができる。 Further, positioning or alignment of the lead frame and the wiring board, electrical connection thereof, or heat spread (or thermal diffusion) can be efficiently performed via the solder portion.
以下、図面を参照しながら本発明の実施例を説明する。なお各実施例において、先行する実施例と同じ構成をなすものには同一の符号を付し、詳細な説明を省略することがある。また本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In each embodiment, components having the same configuration as that of the preceding embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description may be omitted. The present invention is not limited to the following examples.
(実施例1)
図1は、本発明の実施例1における放熱基板を斜めから見た様子を示す断面図である。
Example 1
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a state in which the heat dissipation board according to the first embodiment of the present invention is viewed from an oblique direction.
図1において、101は放熱基板、102は伝熱層、103はリードフレーム、104は配線基板、105は配線部、106は絶縁部、107は金属板、108は半田部、109は接続部である。 In FIG. 1, 101 is a heat dissipation board, 102 is a heat transfer layer, 103 is a lead frame, 104 is a wiring board, 105 is a wiring part, 106 is an insulating part, 107 is a metal plate, 108 is a solder part, 109 is a connecting part. is there.
なお半田部108とは、市販の半田材料を用いた接続のみならず、電子部品の実装用の鉛フリー半田や、導電ペースト、半導体等の接合に使われる合金接合、金−金接合、超音波接合、金属接合等も含むものである。
The
またリードフレーム103の側面の一部以上と配線基板104の側面の一部以上とを半田部108を介して接続することで、放熱基板101の表面を平滑にすると共に、接続面積を配線基板104の形状に影響を与えることなく、その厚み方向に広げることができる。なお半田部108以外の機械的、あるいは物理的接続手段によって接続されていても良い。例えば、リードフレーム103の側面の一部以上と配線基板104側面の一部以上とが、溶接、リベット、ネジ止め、接着剤等の機械的な手段(あるいは物理的な手段)を用いて固定、あるいは接続されていても良い。なお配線基板104とリードフレーム103とを、互いの側面の一部以上を利用して電気的に接続した接続部109とすることで、放熱基板101の表面を平滑にすると共に、その接続面積を広げることができる。また互いを電気的に接続することで、ヒートスプレッド効果を高められる。
Further, by connecting a part or more of the side surface of the
放熱基板101は、少なくとも、シート状の伝熱層102と、この伝熱層102に埋め込まれ、固定された配線基板104と、リードフレーム103と、を有している。
The
そして配線基板104と、リードフレーム103とは、半田部108を介して、接触、位置決め、あるいは電気的に、あるいは熱的に接続されている。
The
配線基板104としては、市販のガラエポ基板(ガラエポ基板とは、ガラス線にエポキシ樹脂を含浸させた絶縁部106と、銅箔からなる配線部105とを、スルーホール112等を介して層間接続したガラスエポキシ多層基板のことである)や、ハイブリッドIC(例えば、アルミナ等のセラミック板からなる絶縁部106の上に、銀や銅等の配線部105を設けたものであり、耐熱性、放熱性に優れている)等を用いることが望ましい。
As the
例えば、図1における放熱基板101のリードフレーム103は、100Aを超える大電流に対応でき、更にヒートスプレッダーとしての効果を有しているので、パワー半導体等(図示していない)の実装や放熱に好適である。
For example, the
図1における、放熱基板101の伝熱層102に埋め込んだ配線基板104は、微細配線に対応できるため、パワー半導体(図示していない)の制御用の半導体や各種チップ部品等の高密度実装に好適である。例えば配線基板104にガラエポ基板を用いることで、制御回路の高密度実装に対応できる。また配線基板104に、アルミナ基板等のセラミック基板を用いることで、更に優れた放熱性が得られる。
Since the
更に詳しく説明する。なお伝熱層102の厚みを、0.6mm以上とすることで、強化絶縁を満足させることができる。ここで強化絶縁とは、二重絶縁によるものと同等以上の感電に対する保護を与える単一の絶縁を意味する。なお二重絶縁は、基礎絶縁と付加絶縁とで形成される絶縁である。このように強化絶縁を満足させることで、UL規格やIEC規格等で知られる製品の安全性を満足でき、放熱基板101の上に、一次側の電気回路(例えば、電源回路)を形成することができる。ULとはUnderwriter's Laboratolies Incorporated、IECとは国際電気標準会議を意味し、日本のJISに相当する。
This will be described in more detail. The reinforced insulation can be satisfied by setting the thickness of the
なお、放熱基板101を、二次側回路に用いる場合、伝熱層102の厚みを、0.6mm未満とすることも可能である。なお二次側回路には、DC−DCコンバータ等のカー用電源も含む。なおDC−DCコンバータとは、DC入力からDC出力を作成する電力変換器である。
In addition, when using the thermal radiation board |
伝熱層102における無機フィラ127の含有率は、66Vol%以上90Vol%以下である。
The content of the
なお、金属板107は、シート状の伝熱層102の一面に固定されているが、この形態に限定する必要は無い。すなわちシート状、あるいは棒状、あるいは板状の伝熱層102に、金属板107を埋め込むことも有用である。例えば、伝熱層102の片面に金属板107を埋め込む、あるいは伝熱層102の内部に金属板107を埋め込むことも有用である。
In addition, although the
また金属板107に用いる金属材料は、金、銀、銅、ニッケル、アルミニウム、あるいはこれらの複合物(複合部材はこれら金属材料の合金やメッキ、蒸着物、クラッド材等も含む)とすることが有用である。これは金、銀、銅、ニッケル、アルミニウムが、単独で、あるいは複合物とすることで、金属板107に有用な熱伝導性等に優れた特徴を有するためである。
The metal material used for the
なお伝熱層102の表面は、20度光沢が70以上の、いわゆるピアノブラック状の綺麗な光沢を有していることが好ましい。例えば、表面を漆黒の深みを有する滑らか表面とすることが望ましい。
The surface of the
なお伝熱層102の色は、黒色に限定する必要は無い。後述する図4等においては、発明者らがカーボンブラック等の黒色顔料を伝熱層102に添加したため黒色になっているだけである。例えば、赤色や青色、緑色等の顔料等を添加すれば、それぞれの色調で光沢を有する滑らかな表面が得られる。アルミナや酸化チタン等の白色顔料を添加することで、白色の綺麗な光沢面、あるいは白色のグランドピアノのような光沢面とすることができる。このように白色とすることで、実施例1の放熱基板101を、発光ダイオード(LED)等に代表される半導体発光素子の実装用基板として用いることができる。この場合、白色にした伝熱層102の光沢を有する表面が、LEDの光の反射板として機能するため、家庭用LED照明、あるいは車用ヘッドライトとして使うことができる。
The color of the
なお伝熱層102の表面となる表面部自体を透明とすることは有用であるが、表面部を白色にする場合、無機フィラより粒径の小さな白色顔料を添加すればよい。
Although it is useful to make the surface part itself that is the surface of the
なお用途によっては、伝熱層102の表面の光沢が好ましくないことがある。このような場合、伝熱層102の一部の表面を研磨することで、表面の平面性(あるいは平滑性)を高められる。更に後述する図9等で説明するように、各実施例の伝熱層102において、その表面層は無機フィラ含有率が低く、研磨しやすいことも好適である。すなわち、伝熱層102の表面を、薄く研磨し(例えば、後述する図10(B)に示す表面層128を研磨除去し)、この上に発熱部品を熱伝導率の高い接着剤で固定することも有用である。
Depending on the application, the gloss of the surface of the
図2(A)(B)を用いて、配線基板104とリードフレーム103との間に設けた半田部108について説明する。
The
図2(A)(B)は、共に配線基板とリードフレームとの間に設けた接触部について説明する断面図である。 2A and 2B are cross-sectional views for explaining a contact portion provided between the wiring board and the lead frame.
図2において、110はボンディングワイヤ、112はスルーホールである。図2(A)に示すように、配線基板104の表面に設けた配線部105と、リードフレーム103の間に、ボンディング装置(図示していない)を用いて、ボンディングワイヤ110による配線を行なうことができる。なおボンディングワイヤ110には、アルミニウム線や金線、銅線等を用いる。これらは熱伝導性が高く、電気抵抗が低い。なお配線部105や、リードフレーム103の表面には、ボンディング性を高めるために、予め金メッキ等を行なっておくことは有用である。
In FIG. 2, 110 is a bonding wire and 112 is a through hole. As shown in FIG. 2A, wiring with the
なおリードフレーム103の厚みと、配線基板104の厚みを同じとする必要は無い。
Note that the
図2(B)に示すように、配線基板104に設けた複数層の配線部105どうしを層間接続するスルーホール112を設けることは有用である。
As shown in FIG. 2 (B), it is useful to provide a through
図3(A)(B)は、共に配線基板の側面に設けた側面電極を利用する様子を説明する断面図である。 FIGS. 3A and 3B are cross-sectional views illustrating a state in which side electrodes provided on the side surface of the wiring board are used.
図3において、111は側面電極であり、例えば配線基板104に形成した貫通孔(特に貫通孔を利用して形成したスルーホール孔)を、半分に分割した孔(半割り孔と呼ばれることがある)等に相当する。図3(A)に示すように、配線基板104の側面に、側面電極111を形成し、リードフレーム103の先端部分を、この半割り孔に挿入し(あるいは押し当てて)、更に半田部108を介して接続することで、位置合わせ時に調芯機能も発揮できるため、更に位置合わせ精度を高められる。なおリードフレーム103の先端部分の形状を、側面電極111に密着しやすいように加工しておくことは有用である。
In FIG. 3,
図4(A)(B)は、それぞれ放熱基板を斜めから見た様子を説明する断面図と、その一部を拡大した断面図である。 4A and 4B are a cross-sectional view illustrating a state in which the heat dissipation substrate is viewed obliquely and a cross-sectional view in which a part thereof is enlarged.
図4(A)に示すように、配線基板104の周囲に半割り孔(番号は付与していない)を形成し、この半割り孔を利用して、リードフレーム103を固定したり、半田部108を介して電気的に接続したりして、接続部109を構成している。
As shown in FIG. 4A, a half hole (not numbered) is formed around the
図5は、放熱基板の他の一例の上面図である。図5に示すように、リードフレーム103と、配線基板104の表面に設けた配線105とを、ボンディングワイヤ110で接続することで、更に電気的導通や熱的導通(すなわちヒートスプレッド効果)を高めることができる。
FIG. 5 is a top view of another example of the heat dissipation board. As shown in FIG. 5, by connecting the
(実施例2)
次に実施例2として、図6(A)〜(B)を用いて、図1等に示した放熱基板101の製造方法の一例について説明する。
(Example 2)
Next, as a second embodiment, an example of a method for manufacturing the
図6(A)〜(B)は、共に放熱基板101を製造する様子を説明する断面図である。114は金型であり、温度調整装置(図示していない)を用いて、温度調整できる。115は保護フィルムであり、金型114の表面に樹脂等が付着することを防止する。
FIGS. 6A to 6B are cross-sectional views illustrating how the
ここで配線基板104は、市販のガラスエポキシ樹脂を使った樹脂基板や、セラミック基板を用いたハイブリッドIC等である。116は未硬化組成物であり、未硬化組成物116が熱硬化して、伝熱層102となる。117は矢印である。
Here, the
なお複数のリードフレーム103を、前述の図4、図5に示したように周囲で一体化させた場合(あるいは額縁状の周囲部分から、内部に複数本のリードフレーム103を内側に突き出す形状とした場合)、リードフレーム103の位置決めは、周囲(あるいは額縁部分)で行なうことができるが、配線基板104の場合、浮島状態(すなわち、外部から独立した状態)であり、正確な位置決め固定が難しい場合がある。こうした場合、配線基板104とリードフレーム103とを、1つ以上の半田部108を有して固定しておくことで、配線基板104の位置決めが容易となる。
When the plurality of
図6(A)に示すように、金属板107の上に、未硬化組成物116を配置する。なお未硬化組成物116は、シート状であっても、ペレット状、あるいは丸棒状等であっても良い。
As shown in FIG. 6A, the
更に、その上に、配線基板104やリードフレーム103を配置し、金型114でこれらを加圧して、埋め込む。なお金型114を加熱することは、未硬化組成物116が低粘度化するので、埋め込みの工程において、好適である。
Further, the
図6(B)は、未硬化組成物116の成形が終了した後の様子を示す断面図である。矢印117に示すように、配線基板104やリードフレーム103が埋め込まれた未硬化組成物116(図6(B)では、硬化済の伝熱層102として図示している)から金型114や保護フィルム115を取り除く。その後、未硬化組成物116を熱硬化させ、伝熱層102とする。なお未硬化組成物116の熱硬化は、金型114内で行なっても、あるいは金型114から取り出した状態で行なっても良い。
FIG. 6B is a cross-sectional view showing a state after the molding of the
なおこの硬化の際、保護フィルム115は予め剥離しておく方がよい。こうすることで、伝熱層102の表面を、自由表面とし、未硬化組成物116中に含まれる熱硬化性樹脂が熱対流しやすくなる。その結果、効果的に表面部の20度光沢を70以上、あるいは表面粗さRaを3000Å(0.3μm)以下にすることができる。
In this curing, it is better to peel off the
以上のように、金属板107上に、結晶性エポキシ樹脂(図示していない)を含む未硬化状態の熱硬化性樹脂(図示していない)と、無機フィラ(図示していない)とを含む未硬化組成物116と、リードフレーム103と、配線基板104とを配置する配置工程と、前記金属板107上で、前記未硬化組成物116を加熱し、前記リードフレーム103と、前記配線基板104とを埋め込む、埋め込み工程と、少なくとも前記未硬化組成物116を、前記結晶性エポキシ樹脂の結晶化温度以上まで加熱して、液体状態とし、前記無機フィラの隙間を対流させる対流工程と、前記未硬化組成物116を熱硬化させ、伝熱層102とする熱硬化工程と、を備える放熱基板101の製造方法によって、無機フィラ127の含有率が、66Vol%以上、90Vol%以下であっても、優れた絶縁性を有する放熱基板101を実現できる。またリードフレーム103と前記配線基板104とを、1以上の(望ましくは2以上、更には3以上)の半田部108や接続部109を介して電気的に接続すると同時に固定することで、これら部材の位置精度を高めることができ、リードフレーム103上や配線基板104上への各種、電子部品の実装性を高められる。
As described above, the
次に未硬化組成物116の予備成形について、図7を用いて説明する。
Next, preforming of the
図7は、未硬化組成物116をシート状に成形する様子を説明する模式図である。118は成形装置である。例えば、未硬化組成物116は、混練装置(図示していない)から出すと同時に、成形装置118等を用いることで、シート状、丸棒状、ペレット状等の成形しやすい形状で成形することができる。
FIG. 7 is a schematic diagram for explaining how the
未硬化組成物116をシート状、丸棒状、あるいはペレット状等に予備成形することで、取扱いが容易になる。特にシート状であることが好ましい。このように、未硬化組成物116をシート状とすることで、未硬化組成物116自体の取扱いが容易になる。これは他に例えれば、積層基板を形成する際の中間体である、ガラス繊維にエポキシ樹脂を含浸させて形成されたプリプレグと同様である。また、未硬化組成物116をシート状とすることで、金属板107の表面へ貼り付けやすくなる。さらに金属板107が曲面状に曲がっている、あるいはL字型に折れている場合であっても、これら表面に略一定の厚みを保った状態で、未硬化組成物116を容易に貼り付けることができる。また金属板107の表面に貼り付けられたシート状の未硬化組成物116は、所定温度(例えば、150℃〜200℃。特に未硬化組成物中に添加して結晶性エポキシ樹脂の融点以上)に加熱されることで、その内部に含まれる熱硬化性樹脂が軟化、液状化する。そして、この液状化し、低粘度化した熱硬化性樹脂が、無機フィラ127の隙間を対流することで、下地となる金属板107との密着性を高め、内部や表面におけるボイドの発生を抑制する。
By pre-molding the
なお保護フィルム115としては、市販の表面をシリコン処理や撥水処理、離型処理したPET等の樹脂フィルムを用いることができる。
As the
また予備成形した、未硬化組成物116の厚みは、0.02mm以上、5.00mm以下が望ましい。厚みが0.02mm未満の場合、未硬化組成物116にピンホールが発生する場合がある。また厚みが5.00mmを超えると、放熱基板101に用いた場合、放熱性に影響を与える場合がある。なお図5の成形装置118の成形部(例えば、加圧ロール)を加熱しておくことで、未硬化組成物116の成形性を高められ、できあがったシートの厚みバラツキも低減できる。そしてシート状に予備成形した未硬化組成物116の表面に、保護フィルム115を一種の保護シートとして残しておくことで、ゴミ等の汚れが付着したりすることを防止できる。
The thickness of the
なお、未硬化組成物116はコーターを用いて金属板107に塗工したり、押出成型機で成形したりしてもよい。
The
また、粘度を調整するために溶剤を添加してもよい。あらかじめ溶剤に溶かした状態で混練してもよい。なお、製造方法は、上記に限定されるものではない。 A solvent may be added to adjust the viscosity. You may knead | mix in the state previously melt | dissolved in the solvent. The manufacturing method is not limited to the above.
なお、放熱基板101に取付ける発熱部品(図示していない)としては、例えばパワー半導体(パワートランジスタ、パワーFET、高出力LED、高出力レーザー)以外に、トランスやコイル、チョークコイル等の電子部品やLEDや半導体レーザー等の発光素子等であっても良い。
In addition, as heat-generating components (not shown) attached to the
またこれら発熱体を、熱伝導性の接着剤等を用いて、リードフレーム103等をヒートスプレッダーに使うために貼り付けても良い。また発熱体から出たリード端子等をリードフレーム103に半田付けしても良い。なお半田(図示していない)として、鉛フリー半田や導電性ペースト等を用いてもよい。
Further, these heating elements may be attached using a heat conductive adhesive or the like in order to use the
また発熱部品(図示していない)を制御するための電子部品(図示していない)を、配線基板104上に実装することは有用である。
It is also useful to mount an electronic component (not shown) for controlling a heat generating component (not shown) on the
なお伝熱層102に埋め込まれた、配線基板104と、リードフレーム103との間の接続は、ジャンパー線、0Ωのチップ抵抗、あるいは、ワイヤー等を用いることは有用である(ジャンパー線等は図示していない)。
For the connection between the
発熱基板に、パワー半導体、制御用半導体等を実装することで、発熱が課題となる回路となる、PDPテレビの電源回路(サステイン回路も含む)、乗用車のDC−DCコンバータ、太陽電池等のDC−ACコンバータ等が製造できる。なおDC−ACコンバータとは直流を交流に、DC−DCコンバータとは直流を直流に変換するコンバータのことである。 By mounting power semiconductors, control semiconductors, etc. on the heat generation board, the power supply circuit (including the sustain circuit) of PDP televisions, which becomes a circuit where heat generation becomes a problem, DC-DC converters for passenger cars, DC for solar cells, etc. -AC converters can be manufactured. The DC-AC converter is a converter that converts direct current into alternating current, and the DC-DC converter is a converter that converts direct current into direct current.
(実施例3)
実施例3では、伝熱層102の表面状態について、図8、図9を用いて説明する。119は光沢度計、120は光源、121はレンズ、122は受光部、123は点線、124は表面である。
(Example 3)
In Example 3, the surface state of the
なお伝熱層102の表面は、光沢を有する面、あるいは滑らかな面とすることは有用である。以下、図8を用いて伝熱層102の光沢について説明する。図8は、伝熱層102の光沢の評価方法を説明する図である。
It is useful that the surface of the
光沢度計119の内部には、光源120が設けられている。光沢度計119はグロスメータと呼ばれることもある。光源120から出た光は、レンズ121を経て被測定物である伝熱層102の表面に照射される。この光は被測定物の表面で反射され、レンズ121を介して、受光部122に入射する。
A
光沢度としては例えば、JIS K 5600−4−7の鏡面光沢度を用いることができる。なお鏡面光沢度とは、規定した光源120及び受光部122の角度にて、鏡面方向に対象物から反射する光束と、屈折率1.567のガラスから鏡面方向に反射する光束の比である。被測定面に垂直な方向と光源120からの入射方向とのなす角度、および被測定面に垂直な方向と受光部122へ向かう方向とのなす角度は、たとえば、図8に示すように20°とすることができる。以下、上記角度を20°として測定したJIS K5600−4−7の鏡面光沢度を20度光沢と称する。
As the glossiness, for example, the mirror glossiness of JIS K 5600-4-7 can be used. The specular gloss is the ratio of the light beam reflected from the object in the specular direction and the light beam reflected from the glass having a refractive index of 1.567 in the specular direction at the specified angle of the
また光沢度の測定は、表面124の形状や模様の有無等、表面の状況に影響を受けやすい場合がある。そのため、測定ポイント(いわゆるn数)を増加させて、最も光沢度の高い場所の測定値を採用する。これは、一番光沢度の高い場所が、最も他の影響を受けていない表面に相当するからである。
In addition, the measurement of glossiness may be easily affected by the surface condition such as the shape of the
なお20度光沢の測定が難しい場合、60度光沢を採用してもよい。 If measurement of 20 degree gloss is difficult, 60 degree gloss may be employed.
伝熱層102の表面は70以上の20度光沢を有することが好ましい。さらに望ましくは80以上である。光沢度が70未満の場合、表面が粗面である場合がある。この場合、伝熱層102の上に、発熱部品を固定する場合、固定する発熱部品との密着性が低下し、放熱効率が低下することがある。また60度光沢で評価する場合も、70以上の光沢度が望ましく、さらに望ましくは80以上である。
The surface of the
次に伝熱層102の表面粗さについて図9を参照しながら説明する。図9は伝熱層102の表面粗さの評価方法を説明する模式図である。
Next, the surface roughness of the
表面粗さは、表面粗さ計125を矢印117で示すように、伝熱層102の表面を走査しながら測定する。なお表面粗さ計125には、接針式を用いることが望ましいが、非接触式を用いても可能である。例えば、レーザー式の表面粗さ計125を用いてもよい。このような光学式の表面粗さ計125を用いた場合、得られた結果が正しいかどうかの検討を行なうことが望ましい。
The surface roughness is measured while scanning the surface of the
なお表面粗さの測定は、表面の形状や模様126の有無等、表面の状況に影響を受けやすい場合がある。そのため、測定ポイント(いわゆるn数)を増加させて、最も表面粗さの小さい部分での表面粗さの測定値の値を採用する。これは、一番表面粗さの小さい部分が、最も他の影響を受けていない表面に相当するからである。
Note that the measurement of the surface roughness may be easily influenced by the surface conditions such as the shape of the surface and the presence / absence of the
伝熱層102の表面の表面粗さRaは、3000Å以下(0.3μm以下)であることが好ましい。さらに望ましくは2000Å以下である。もしくはRmaxが15000Å以下(1.5μm以下)であることが好ましい。さらに望ましくは13000Å以下(1.3μm以下)である。ここで、表面粗さRaとは、算術平均粗さと呼ばれるものであり、改定後のJIS−B−06011894で定義されている。Rmaxとは、改定前のJIS−N−06011882で「最大高さ」と呼ばれ、改定後のJIS−B−06011894におけるRy(最大高さ)に相当する。
The surface roughness Ra of the surface of the
表面の表面粗さRaが3000Åを超える(0.3μmを超える)場合、あるいはRmaxが15000Åを超える(1.5μmを超える)場合、伝熱層102の上に、発熱部品を固定する場合、固定する発熱部品との密着性が低下し、放熱効率が低下することがある。
When the surface roughness Ra exceeds 3000 mm (greater than 0.3 μm), or when Rmax exceeds 15000 mm (greater than 1.5 μm), fixing is performed when fixing a heat-generating component on the
なお伝熱層102の表面の光沢度を70以上とする場合、あるいは表面粗さをRaで3000Å以下、あるいはRmaxz(あるいはRz)で15000Å以下(1.5μm以下)とするには、伝熱層102の表面に、樹脂を主体とした表面層を設けることが望ましい。そしてこの表面層を構成する樹脂は、伝熱層102に含有された無機フィラの隙間から、染み出した、あるいは対流してなる熱硬化性樹脂を主体とすることが望ましい。
When the glossiness of the surface of the
更に図10(A)(B)を用いて、各実施例における伝熱層102の表面が滑らかになる理由について説明する。図10(A)は伝熱層102の表面を拡大して説明する模式図、図10(B)は、伝熱層102の対流の様子を模式的に説明する断面図である。126は模様、127は無機フィラ、128は表面層、129は主要部、130は熱硬化性樹脂である。
Furthermore, the reason why the surface of the
前述のように、伝熱層102の表面は滑らかであり、内部に殆どボイドは残っていない。すなわち、伝熱層102を構成する無機フィラ127が熱硬化性樹脂130によって充分覆われている。その結果、厚み方向において無機フィラ127の粒子どうしの接触部分、あるいは無機フィラ127と熱硬化性樹脂130との界面、あるいは無機フィラ127の粒子どうしの間、あるいは熱硬化性樹脂130の内部に、殆ど気泡が残っていない。その結果として、漏れ電流も少なくなる。
As described above, the surface of the
図10(B)に示すように、伝熱層102の表面には細かい模様126が観察されることがある。模様126は例えばベナールセルに類似している。
As shown in FIG. 10B, a
図10(B)は、未硬化組成物116が、熱硬化して伝熱層102を構成する際に、熱硬化性樹脂130が対流(例えばベナール対流等の熱対流)する様子を説明する断面図である。
FIG. 10B is a cross-sectional view illustrating how the
図10(B)における矢印117は、未硬化組成物116(伝熱層102として図示している部分に相当する)に含まれる熱硬化性樹脂130が、加熱時に急激に低粘度化し、無機フィラ127の隙間を対流する様子を模式的に示している。なお熱硬化性樹脂130として、結晶性エポキシ樹脂を用いることは有用である。結晶性エポキシ樹脂は、融点(あるいは結晶化温度)を超えると、極めて低粘度な液状に変化するため、熱対流しやすい。なお図10(B)は模式図であり、正確ではない。そのため、伝熱層102の表面124に、模様126やベナールセルが観察されない場合がある。
An
次にベナール対流について説明する。ベナール対流とは、1900年にフランスのベナール(Henri Bernard)が発見した現象である。この現象では、粘性の高い流動層の下面を加熱すると、加熱された流体は浮力によって上昇し、流体内部、さらにはその表面124に、細胞状の模様126(流体セル)が発生する。
Next, Benard convection will be described. Benard convection is a phenomenon discovered in 1900 by Henri Bernard. In this phenomenon, when the lower surface of the fluidized bed having high viscosity is heated, the heated fluid rises by buoyancy, and a cellular pattern 126 (fluid cell) is generated inside the fluid and further on the
次にベナール対流によって、伝熱層102の表面層128、表面124や、内部にボイドが発生しにくい、あるいは表層や内部に残っていたボイドがベナール対流等により消失するメカニズムについて説明する。
Next, the
発明者らは、数百種類に渡る様々な未硬化組成物116について、さまざまな実験を行なった。すなわち未硬化組成物116を加熱し熱硬化するまで、その表面124を観察した。そして未硬化組成物116に含まれる硬化前の熱硬化性樹脂130が、含有率が66Vol%以上の無機フィラ127を主体とする伝熱層102を形成する際に、積極的にベナール対流することで、伝熱層102中のボイドが激減することを見出した。なお表面層128の流動性を高くする、あるいは熱硬化条件によっては、伝熱層102の表面124に、ベナール対流等の痕跡が見つけにくいことがある。
The inventors have conducted various experiments on hundreds of different
なお未硬化組成物116に含まれている、熱硬化する前の熱硬化性樹脂130には、結晶性エポキシ樹脂成分(結晶性エポキシモノマー等に代表される、熱硬化する前の状態の結晶性エポキシ樹脂)が含まれていることが望ましい。
Note that the
そして硬化前の未硬化組成物116は、結晶性エポキシモノマー等に代表される、熱硬化する前の状態の結晶性エポキシ樹脂を含んでいる。熱硬化する前の結晶性エポキシ樹脂は、その結晶化温度未満(あるいは融点未満)では固体状態であるが、結晶化温度以上(あるいは融点以上)で水のような低粘度の液体状態となる。このように熱硬化する前の結晶化エポキシ樹脂(あるいは熱硬化によって、結晶性エポキシ樹脂を形成する樹脂部材)は結晶状態では安定した固体として存在するが、融点に達するとともに速やかに結晶状態が溶け、極めて低粘度の液体に変化する。
The
そのため未硬化組成物116に含まれる、硬化前の結晶性エポキシ樹脂は、未硬化組成物116の加熱途中に、結晶化温度を超え、水のような低粘度の液体状態となる。そして、この低粘度化した、液体状態の結晶性エポキシ樹脂成分(未硬化状態)が、加熱によっても粘度が低下しにくい非晶質のエポキシ樹脂成分を溶解する。こうして低粘度化した熱硬化性樹脂130(すなわち、硬化する前の熱硬化性樹脂130)は、その流動性を高め、内部で積極的にベナール対流、あるいはそれに類似した対流を発生させる。そして最後に、結晶性エポキシ樹脂となる成分や、非晶質エポキシ樹脂成分が、熱硬化し、対流が終息する。
Therefore, the crystalline epoxy resin before curing contained in the
そしてこのベナール等の対流によって、無機フィラ127の粒子がそれぞれ、互いにより安定した位置に移動し、互いに無機フィラ127どうしが緻密に密着し、充填密度が高くなる。更に無機フィラ127の粒子間の狭い隙間にも低粘度化した熱硬化性樹130は浸透し、各種部材の表面を積極的に濡らす。
And by this convection such as Benard, the particles of the
このようにして無機フィラ127の表面や周囲に残った気泡やボイドも、このベナール対流等によって短時間に外部に排出させることができる。このようにベナール対流によってボイドが少なくなると共に、無機フィラ127の充填率が増加する。また伝熱層102の表面124が滑らかになる。
In this way, bubbles and voids remaining on the surface and the periphery of the
なお硬化前の結晶性エポキシ樹脂は、室温(例えば25℃)では、安定した固体として存在する。そのため秤量等の作業をしやすい。 The crystalline epoxy resin before curing exists as a stable solid at room temperature (for example, 25 ° C.). Therefore, work such as weighing is easy.
一般的に、硬化前のエポキシ樹脂成分の分子量と粘度との間には相関関係がある。そのためエポキシ樹脂成分を低粘度化させるためには、一般的に分子量を小さくする。しかしながら、エポキシ樹脂成分の分子量を小さくすると、軟化点も低下するため、常温(例えば、20℃〜30℃)での取扱い性が低下する。また低粘度化させたエポキシ樹脂の硬化物のTg(ガラス転移温度)は、低下してしまう。そのため、硬化前であっても室温で固体である結晶性エポキシ樹脂を用いることが好ましい。 In general, there is a correlation between the molecular weight and viscosity of the epoxy resin component before curing. Therefore, in order to lower the viscosity of the epoxy resin component, the molecular weight is generally reduced. However, when the molecular weight of the epoxy resin component is reduced, the softening point is also lowered, so that the handleability at room temperature (for example, 20 ° C. to 30 ° C.) is lowered. Moreover, Tg (glass transition temperature) of the cured epoxy resin having a reduced viscosity is lowered. Therefore, it is preferable to use a crystalline epoxy resin that is solid at room temperature even before curing.
以上のように、伝熱層102は、少なくとも熱硬化性樹脂130と、無機フィラ127と、からなる。そして無機フィラ127の含有率は、66Vol%以上が望ましい。また表面124に、厚み20μm以下で、熱硬化性樹脂130を主体とした表面層128が設けられている。この構成により、伝熱層102の内部や表面124におけるボイドの発生を抑制することができる。また、伝熱層102における無機フィラ127の高充填化が可能となり、熱伝導性を高めることができる。さらに、伝熱層102の成形性や取り扱いの利便性を大幅に改善することができる。
As described above, the
なお熱対流を発生させた結果として、ベナールセルが発生することが望ましいが、表面124の細かい凸部がベナールセルかどうかの見分けが難しい場合もある。しかし少なくとも、熱伝導性材料を加熱した際に発生する対流に起因するものであれば、ベナールセルの一種である。
Although it is desirable that a Benard cell is generated as a result of generating thermal convection, it may be difficult to distinguish whether the fine convex portion of the
無機フィラ127としては、アルミナ、窒化アルミ、窒化ホウ素、炭化ケイ素、窒化ケイ素、酸化マグネシウム、酸化亜鉛から選ばれた少なくとも1種類を用いることが望ましい。このような熱伝導性の高い材料を無機フィラ127として用いることで、伝熱層102の熱伝導性をさらに高めることができる。また絶縁性等の観点からもこれらの材料が好ましい。また、これらの材料を組み合わせることも可能である。
As the
また無機フィラ127の平均粒径は、0.1μm以上、100μm以下の範囲が望ましい。平均粒径が0.1μm未満の場合、比表面積が大きくなり、未硬化組成物116の混練が難しくなり、伝熱層102の成形性にも影響を与える場合がある。また100μmを超えると、伝熱層102の薄層化が難しくなり、放熱基板101としての放熱性に影響を与え、製品の小型化に影響を与える可能性がある。なお無機フィラ127の充填率を増加するために、異なる粒度分布を有する複数種の無機フィラ127を選び、これらを混合して使用してもよい。
The average particle size of the
図11は、伝熱層102の表面付近の断面を説明する模式図である。伝熱層102は、無機フィラ127の含有率の高い主要部129(例えば、無機フィラ127が自重で沈殿してなる部分)と、無機フィラ127の含有率の低い表面層128(例えば、上澄み部分)と、から構成されていることが判る。点線123は、主要部129と表面層128との境界部分を示すが、実際に境界や界面が存在する訳ではない。これは主要部129を構成する熱硬化性樹脂130が、対流して表面層128として内部より染み出したものであるからである。また界面が存在しないことによって、界面の存在に起因する課題が発生しないため、その信頼性が高くなる。
FIG. 11 is a schematic diagram illustrating a cross section near the surface of the
表面層128は、伝熱層102の表面に形成された、厚み20μm以下、望ましくは10μm以下、さらに望ましくは5μm以下の熱硬化性樹脂130を主体とした層状部分である。本実施例では、表面層128を伝熱層102の表面付近に積極的に設けている。なお表面層128の厚みが、20μmを超える場合、この上に固定する発熱部品への熱伝導を阻害する可能性がある。
The
また伝熱層102全体における無機フィラ127の含有率は、66Vol%以上、90Vol%以下が望ましい。Vol%は、体積の百分率を意味する。66Vol%未満の場合、成形性等は優れているが、熱伝導率が低い場合がある。
Further, the content of the
なお無機フィラ127の表面の98%以上を熱硬化性樹脂130で覆うことでその熱伝導率を、1W/m・K以上とすることができる。無機フィラ127の表面の98%未満しか熱硬化性樹脂130で覆われていない場合、熱伝導率が低くなる場合がある。あるいは所定の強度が得られない場合がある。
In addition, the thermal conductivity can be 1 W / m · K or more by covering 98% or more of the surface of the
上記のように、無機フィラ127の表面の98%以上が熱硬化性樹脂130で覆われると共に、伝熱層102の表層に、熱硬化性樹脂130を主体とする表面層128が存在することが好ましい。これにより無機フィラ127と熱硬化性樹脂130との界面に沿って、電流が流れることを防止するため、耐電圧特性が低下しにくい。
As described above, 98% or more of the surface of the
また無機フィラ127の表面を覆う熱硬化性樹脂130の一部を、伝熱層102の表面に表面層128として設けることが好ましい。これにより、伝熱層102の曲げ強度を高めることができ、また伝熱層102を曲げても、クラックが発生しにくくなる。
A part of the
なお、無機フィラ127と熱硬化性樹脂130の混合物を硬化させて、主要部129に相当する下地層を形成後、別に用意した熱硬化性樹脂130を薄く塗布して、硬化させ、表面層128に相当する樹脂層を形成することもできる。しかしながらこのようにして伝熱層102に似た構造を作製しても優れた放熱効果が発揮されない。また下地層と樹脂層との界面で剥離等が発生する可能性がある。
In addition, after the mixture of the
このように、主要部129に含まれるエポキシ樹脂(あるいは熱硬化性樹脂130等)と、表面層128に含まれるエポキシ樹脂(あるいは熱硬化性樹脂130等)とを、略同じ組成、あるいは略同じエポキシ樹脂組成とすることが望ましい。熱硬化性樹脂130に含まれるエポキシ樹脂を略同じ組成とすることで、図11の点線123に示すような部分に、応力が集中してクラック133等が発生するのを抑制することができる。
As described above, the epoxy resin (or
なお表面層128が、熱硬化時に無機フィラ127の隙間から染み出したものかどうかは、断面を走査型顕微鏡(SEM)や、顕微鏡を使ったFTIR等の分析装置で解析すれば判断することは容易である。このように無機フィラ127の隙間から熱硬化性樹脂130が染み出して、あるいは対流して表面層128が形成されていれば、無機フィラ127の隙間を充填する熱硬化性樹脂130と、表面層128を構成する熱硬化性樹脂130とが、実質的に同一材料となる。また互いの間に接続面あるいは界面が存在しない、あるいは分析しても見つからない。このように接続面あるいは界面が、通常の分析方法で検出できない状態を、以下染み出した状態として表現する。
Whether the
なお表面層128における無機フィラ127の含有率は、40Vol%以下が望ましい。より望ましくは30Vol%以下、さらに望ましくは20Vol%以下である。このように、表面層128における無機フィラ127の含有率を低くし、熱硬化性樹脂130を主体とする。さらには伝熱層102の厚み方向に積極的に、無機フィラ127の濃度分布の勾配を設ける。例えば、表層側は無機フィラ127の含有率は小さく、内層側は無機フィラ127の含有率が66Vol%以上と高くなるようにする。このようにして表面層128に熱伝導性接着剤等で固定する発熱部品の固定性と、伝熱層102の熱伝導性とを共に高めることができる。
The content of the
また伝熱層102や、伝熱層102を用いて作製した放熱基板101は、共に信頼性が高く、プレッシャークッカー試験にも対応できる。また放熱基板101を形成する金属板107側にプレッシャークッカーによる影響が発生した場合でも、伝熱層102側にはプレッシャークッカーによる影響が発生しにくくなる。これは伝熱層102の表面が表面層128で保護されているためであり、更に主要部129と金属板107との界面が、熱硬化性樹脂130で良く濡れるためである。なおプレッシャークッカー試験とは、樹脂封止された電子部品等の耐湿性の試験法の一つであり、IEC 68−2−66等で規格化されている。なおIECとは、国際電気標準会議(International Electrotechnical Commission)の意味である。
In addition, the
(実施例4)
実施例4では、未硬化組成物116について説明する。
Example 4
Example 4 describes the
次に、未硬化組成物116を構成する部材である、結晶性エポキシ樹脂のモノマーおよび硬化剤について(一般式1)〜(式8)を用いて個別に説明する。
Next, the monomer and the curing agent of the crystalline epoxy resin, which are members constituting the
(一般式1)、(式3)〜(式8)は、結晶性エポキシモノマーの一例を示す構造式を示す。(一般式1)において、XはS(硫黄)もしくはO(酸素)、CH2(メチレン基)、なし(単結合すなわち直接結合)である。またR1、R2、R3、R4はCH3、H、t−Bu(3級ブチル基)等である。またR1〜R4は同じであってもよい。すなわち(式4)〜(式8)の化合物は(一般式1)の具体例である。このエポキシ基を有するモノマーを主剤ともいう。なお(一般式1)の構造を有していてもR1、R2、R3、R4の大きさによる立体障害によって結晶性でないエポキシモノマーもある。例えばXが単結合、R1、R2、R3、R4が全てCH3の場合は非晶質になる。このようなエポキシモノマーは本発明における結晶性エポキシ樹脂には該当しない。 (General Formula 1) and (Formula 3) to (Formula 8) show a structural formula showing an example of a crystalline epoxy monomer. In (General Formula 1), X is S (sulfur) or O (oxygen), CH 2 (methylene group), or none (single bond or direct bond). R1, R2, R3, and R4 are CH 3 , H, t-Bu (tertiary butyl group), and the like. R1 to R4 may be the same. That is, the compounds of (Formula 4) to (Formula 8) are specific examples of (General Formula 1). This monomer having an epoxy group is also referred to as a main agent. Note that there are epoxy monomers that have the structure of (General Formula 1) but are not crystalline due to steric hindrance due to the size of R1, R2, R3, and R4. For example, when X is a single bond and R1, R2, R3, and R4 are all CH 3 , it becomes amorphous. Such an epoxy monomer does not correspond to the crystalline epoxy resin in the present invention.
なお結晶性エポキシモノマーは、互いに自己配列することで、結晶性を発現させる。この自己配列には、(一般式1)や(式4)に示すようにフェニル基−フェニル基からなるメソゲン構造を活用することが有用である。 Crystalline epoxy monomers self-align with each other to develop crystallinity. For this self-arrangement, it is useful to utilize a mesogenic structure comprising a phenyl group-phenyl group as shown in (General Formula 1) and (Formula 4).
なお硬化後の熱硬化性樹脂130における結晶性エポキシ樹脂の結晶化状態を調べるには、サンプル表面の樹脂部分だけを壊すことなく極めて薄く切り出して偏光顕微鏡等で評価することが有用である。また示差走査熱量測定(DSC)も有用である。DSCを用いた場合、熱硬化性樹脂130に含まれる結晶性エポキシ樹脂の量は、重量%(あるいはwt%)で測定される。しかしながら、このデータを体積%(あるいはVol%)に変換することは有用である。これは、用いる結晶性エポキシモノマーの分子量が種類によって異なるからである。また未硬化状態において、結晶性エポキシ樹脂(結晶性エポキシモノマー)を抽出するには、遠心分離等の分離手法が有用である。
In order to examine the crystallized state of the crystalline epoxy resin in the
(式2)は、結晶性エポキシ樹脂の硬化に用いる硬化剤の構造式である。Xは、S(硫黄)、O(酸素)もしくは単結合である。(一般式1)や(式3)のモノマーと、(式2)の硬化剤を混合し、重合したものを結晶性エポキシ樹脂と呼んでもよい。 (Formula 2) is a structural formula of a curing agent used for curing the crystalline epoxy resin. X is S (sulfur), O (oxygen) or a single bond. A polymer obtained by mixing the monomers of (General Formula 1) or (Formula 3) and the curing agent of (Formula 2) and polymerizing them may be called a crystalline epoxy resin.
なお主剤と硬化剤の割合は、エポキシ当量から計算する。「エポキシ当量」とは、エポキシ樹脂に含まれるエポキシ基1g当量あたりの「エポキシ樹脂」の重量(g数)である。例えば、分子構造が既知のエポキシ樹脂の場合、そのエポキシ樹脂の分子量を、1分子のそのエポキシ樹脂に含まれるエポキシ基の数で除することで算出できる。また必要に応じて、塩酸−ジオキサン法等を用いる測定によって「エポキシ当量」を決定することができる。JIS K7236「エポキシ樹脂のエポキシ当量試験方法」を参考にすることは有用である。 The ratio between the main agent and the curing agent is calculated from the epoxy equivalent. “Epoxy equivalent” means the weight (g number) of “epoxy resin” per 1 g equivalent of epoxy group contained in the epoxy resin. For example, in the case of an epoxy resin with a known molecular structure, it can be calculated by dividing the molecular weight of the epoxy resin by the number of epoxy groups contained in one molecule of the epoxy resin. If necessary, the “epoxy equivalent” can be determined by measurement using a hydrochloric acid-dioxane method or the like. It is useful to refer to JIS K7236 “Testing method for epoxy equivalent of epoxy resin”.
また硬化剤として(式2)以外の硬化剤を使ってもよい。なお具体的な結晶性エポキシモノマーとしては、例えば(式3)〜(式8)に示したものを使うことができる。(式3)〜(式8)に示すモノマーの融点は50〜120℃程度で、さらに溶解粘度も低い。例えば、150℃における粘度は6〜20mPa・sである。そのため、無機フィラ127と混合し、分散させやすい。
A curing agent other than (Formula 2) may be used as the curing agent. In addition, as a specific crystalline epoxy monomer, what was shown, for example in (Formula 3)-(Formula 8) can be used. The melting points of the monomers shown in (Formula 3) to (Formula 8) are about 50 to 120 ° C., and the dissolution viscosity is also low. For example, the viscosity at 150 ° C. is 6 to 20 mPa · s. Therefore, it is easy to mix and disperse with the
次に主剤における結晶性エポキシモノマーの好ましい比率について説明する。主剤における結晶性エポキシモノマーの体積比率は、5Vol%以上、100Vol%以下の範囲内が望ましい。さらに望ましくは、10Vol%以上、93Vol%以下の範囲である。結晶性エポキシモノマーの割合が、5Vol%以上とすることで、伝熱層102の表面124を滑らかにすることができる。一方、5Vol%未満の場合、熱硬化時の低粘度化効果が得られない場合がある。また結晶性エポキシモノマーの割合が93Vol%を超える場合、熱硬化時に低粘度化しすぎて、滲んだり、伝熱層102としての形状の保持性に影響を与えたりする可能性がある。また主剤の全体に対して、結晶性エポキシモノマーは40Vol%以上含有されていることがさらに望ましい。この範囲であれば結晶性が発現しやすい。
Next, the preferable ratio of the crystalline epoxy monomer in the main agent will be described. The volume ratio of the crystalline epoxy monomer in the main agent is desirably in the range of 5 Vol% or more and 100 Vol% or less. More preferably, it is the range of 10 Vol% or more and 93 Vol% or less. By setting the ratio of the crystalline epoxy monomer to 5 Vol% or more, the
なお上述のように、必要に応じて、他の添加物を加えることができる。例えば可塑剤、酸アミド類、エステル類、パラフィン類などの離型剤、ニトリルゴム、ブタジエンゴム等の応力緩和剤、リン酸エステル、メラミン等の有機系難燃剤、五酸化アンチモン、酸化モリブデン、硼酸亜鉛、酸化錫、メタ硼酸バリウム、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、アルミン酸カルシウム等の無機系難燃剤、シラン系カップリング剤、チタネート系カップリング剤、アルミニウム系カップリング剤等のカップリング剤、染料や顔料等の着色剤、ガラス繊維、ボロン繊維、シリコンカーバイト繊維、アルミナ繊維、シリカアルミナ繊維などの無機系繊維、アラミド繊維、ポリエステル繊維、セルロース繊維などの有機系繊維、酸化安定剤、光安定剤、耐湿性向上剤、チキソトロピー付与剤、希釈剤、消泡剤、他の各種の樹脂、粘着付与剤、帯電防止剤、滑剤、紫外線吸収剤等を配合することもできる。 In addition, as above-mentioned, another additive can be added as needed. For example, release agents such as plasticizers, acid amides, esters, paraffins, stress relieving agents such as nitrile rubber and butadiene rubber, organic flame retardants such as phosphate esters and melamine, antimony pentoxide, molybdenum oxide, boric acid Inorganic flame retardants such as zinc, tin oxide, barium metaborate, aluminum hydroxide, magnesium hydroxide, calcium aluminate, silane coupling agents, titanate coupling agents, coupling agents such as aluminum coupling agents, Colorants such as dyes and pigments, inorganic fibers such as glass fibers, boron fibers, silicon carbide fibers, alumina fibers and silica alumina fibers, organic fibers such as aramid fibers, polyester fibers and cellulose fibers, oxidation stabilizers, light Stabilizer, moisture resistance improver, thixotropy imparting agent, diluent, antifoaming agent, various other It fat, tackifiers, antistatic agents, lubricants, also be incorporated an ultraviolet absorber and the like.
なお、熱可塑樹脂を添加することで、結晶性エポキシ樹脂の耐衝撃性を向上させることができる。熱可塑樹脂の添加については結晶性エポキシ樹脂の構造に起因する制約がある。熱伝導率と耐衝撃性の両立を実現するためには、主剤と硬化剤の合計の100体積部に対して0.3体積部以上、5.0体積部以下の熱可塑樹脂の量が望ましい。熱可塑樹脂としてはアクリル樹脂等を用いることができ、特にコアシェル型のアクリル樹脂を配合すると耐衝撃性が向上する。ここでコアシェルとは、例えばアクリル樹脂等の熱可塑樹脂からなるコア層を他の樹脂(例えばガラス状ポリマーやエポキシ樹脂等)からなるシェル層で被覆した真珠状微粒子である。なお用途に応じて多層構造としてもよい。なお一次粒子径は0.05〜1.00μmの範囲(望ましくは0.1〜0.5μm)のものを使うことで分散性を高められる。なお二次凝集体を構成していても、二軸混練機等を用いることで容易に分散できる。これはコアシェル構造のためである。 In addition, the impact resistance of a crystalline epoxy resin can be improved by adding a thermoplastic resin. The addition of the thermoplastic resin is limited due to the structure of the crystalline epoxy resin. In order to realize both thermal conductivity and impact resistance, an amount of thermoplastic resin of 0.3 volume part or more and 5.0 volume part or less is desirable with respect to 100 volume parts of the total of the main agent and the curing agent. . An acrylic resin or the like can be used as the thermoplastic resin, and impact resistance is improved particularly when a core-shell type acrylic resin is blended. Here, the core shell is pearl-like fine particles in which a core layer made of a thermoplastic resin such as an acrylic resin is covered with a shell layer made of another resin (for example, a glassy polymer or an epoxy resin). A multi-layer structure may be used depending on the application. Dispersibility can be enhanced by using particles having a primary particle size in the range of 0.05 to 1.00 μm (preferably 0.1 to 0.5 μm). In addition, even if it comprises the secondary aggregate, it can disperse | distribute easily by using a biaxial kneader etc. This is due to the core-shell structure.
なおコアは、例えばアクリルモノマーの単独重合体あるいは共重合体からなる低いTg(望ましくは50℃以下、さらには0℃以下)を有する熱可塑樹脂とする。これは未硬化組成物116の内部、あるいは伝熱層102の内部で応力の集中点として働き、耐衝撃性の向上や応力緩和を行うためである。
The core is made of a thermoplastic resin having a low Tg (desirably 50 ° C. or lower, more preferably 0 ° C. or lower) made of, for example, a homopolymer or copolymer of an acrylic monomer. This is because it acts as a stress concentration point in the
なおコアシェル型のポリマーを用いた場合は、コア部分に熱可塑樹脂の一種としてゴム状樹脂を用いてもよい。これは一次粒子径が1.00μm以下の微粒子状態では、架橋しているゴム状樹脂であっても、架橋していない熱可塑性樹脂であっても、実質的に同様に働き、耐衝撃性を向上させたり応力を緩和したりするためである。このため熱可塑性樹脂はゴム状樹脂(架橋樹脂)であってもよい。 When a core-shell type polymer is used, a rubber-like resin may be used as a kind of thermoplastic resin for the core portion. In the fine particle state with a primary particle size of 1.00 μm or less, this works substantially in the same way regardless of whether it is a crosslinked rubber-like resin or a non-crosslinked thermoplastic resin. This is to improve or relieve stress. For this reason, the thermoplastic resin may be a rubber-like resin (crosslinked resin).
なおシェルのTgは高く設定する。望ましくは100℃以上、さらには150℃以上が好ましい。これは粒子同士の融着の制限や、エポキシ樹脂(結晶性エポキシ樹脂を含む)や硬化剤等への相溶性、分散性を高めるためである。 Note that the Tg of the shell is set high. Desirably, it is 100 ° C. or higher, more preferably 150 ° C. or higher. This is for the purpose of increasing the compatibility between the particles, the compatibility with the epoxy resin (including the crystalline epoxy resin), the curing agent, and the dispersibility.
なお未硬化組成物116中に添加したアクリル樹脂等の熱可塑樹脂は、アセトン等で抽出可能な状態で添加することが望ましい。これは未硬化組成物116の中に、こうした耐衝撃性を向上させる樹脂を、例えば海島構造に分散(あるいは点在、あるいは分散)させることで、耐衝撃性を高めるためである。そしてこのような海島構造とすることで、アセトン等で抽出でき、熱可塑樹脂が海島構造で分散していることが確かめられる。なお抽出にあたっては、サンプルを粉砕することで熱可塑樹脂等の検出精度を高められる。
The thermoplastic resin such as an acrylic resin added to the
なおアクリル樹脂等の熱可塑樹脂が、抽出できない状態で未硬化組成物116の中に存在していた場合は、アセトン等を用いても抽出することが難しい。例えば、エポキシ樹脂と反応した、あるいはエポキシ樹脂の中に溶解した、あるいはエポキシ樹脂の中に分子状態で分散した状態である。このような状態で未硬化組成物116の中に熱可塑樹脂が溶解した場合、耐衝撃性の向上効果が得られない。これはエポキシ樹脂と熱可塑樹脂との間に界面(あるいは応力集中)が発生しないためである。
When a thermoplastic resin such as an acrylic resin is present in the
なお抽出量は、抽出用のサンプルの状態(粉砕状態等)に依存するため、サンプル中の全樹脂において熱可塑樹脂の割合の痕跡、例えば、0.1Vol%以上、望ましくは1Vol%以上とする。これは抽出で熱可塑樹脂の絶対値の判断が難しい場合があるためである。 Since the amount of extraction depends on the state of the sample for extraction (such as the pulverized state), the amount of thermoplastic resin in the total resin in the sample is, for example, 0.1 Vol% or more, preferably 1 Vol% or more. . This is because it may be difficult to determine the absolute value of the thermoplastic resin by extraction.
次に未硬化組成物116の調製方法について説明する。まず結晶性エポキシモノマーと非晶質エポキシモノマーと硬化剤と熱可塑樹脂と無機フィラ127とを配合比に従って秤量し混合する。
Next, a method for preparing the
混練装置としては、市販の加熱混練装置や二軸混練機を使う。例えば、プラネタリーミキサーやニーダー、あるいは株式会社東洋精機製作所のラボプラストミルなどを使用する。なお混練装置の内部には、攪拌羽根としてΣ型、Z型等の攪拌羽根をつけてもよい。また羽根以外の形状を用いることもできる。また混練装置はヒーター等で所定温度に加熱できるものを用いることが望ましい。混練装置を加熱することで、室温では固体状態であった材料を溶解(あるいは液化)できるため他の部材との親和性を高められる。 As the kneading apparatus, a commercially available heating kneading apparatus or a biaxial kneader is used. For example, a planetary mixer or kneader or a laboratory plast mill manufactured by Toyo Seiki Seisakusho Co., Ltd. is used. In the kneading apparatus, a stirring blade such as a Σ type or a Z type may be attached as a stirring blade. Moreover, shapes other than a blade | wing can also be used. Further, it is desirable to use a kneading apparatus that can be heated to a predetermined temperature with a heater or the like. By heating the kneading apparatus, the material that is in a solid state at room temperature can be dissolved (or liquefied), so that the affinity with other members can be increased.
なおモノマーの温度を、その溶解温度以上(例えば50〜200℃)の範囲とすることで、熱可塑樹脂を含んだ硬化性樹脂の溶融粘度を低く保ち、無機フィラ127の樹脂への均一分散を可能にすることができる。
By setting the temperature of the monomer within the range of the melting temperature or higher (for example, 50 to 200 ° C.), the melt viscosity of the curable resin containing the thermoplastic resin is kept low, and the
なおこれら部材が液化状態を保てる最低温度以上、例えば100℃以上とすることが望ましい。そしてこの最低液化温度以上で、混練することで、均一化させやすい。 It is desirable that these members have a minimum temperature that can maintain a liquefied state, for example, 100 ° C. or higher. And it is easy to make it uniform by kneading above this minimum liquefaction temperature.
なお硬化剤を添加する際に、混練装置あるいはその中にセットした材料の温度を下げておくことで、添加後の熱硬化反応あるいは経時変化を抑えることもできる。このようにして、未硬化組成物116を作製する。
In addition, when adding a hardening | curing agent, the thermosetting reaction after addition or a time-dependent change can also be suppressed by lowering | hanging the temperature of a kneading apparatus or the material set in it. In this way, an
なお無機フィラ127と硬化性樹脂合計における比率において、無機フィラ127は66Vol%以上、90Vol%以下の範囲が望ましい。すなわち、硬化性樹脂は5Vol%未満、34Vol%未満の範囲が望ましい。さらに、無機フィラ127は70Vol%以上、90Vol%以下で、樹脂成分は12Vol%以上、30Vol%以下の範囲が望ましい。ここで硬化性樹脂とは、結晶性エポキシモノマーを含む主剤と硬化剤との合計を意味する。
In addition, in the ratio in the
無機フィラ127の割合が66Vol%未満の場合、未硬化組成物116が硬化してなる伝熱層102の熱伝導率が低下する場合がある。また無機フィラ127の割合が96Vol%より大きくなると、熱硬化性樹脂130の成形性に影響を与える場合がある。
When the ratio of the
以上のように、未硬化組成物116として、硬化性樹脂と、割れやすさを低減するために添加した熱可塑樹脂と、無機フィラ127とで構成することができる。硬化性樹脂は主剤と硬化剤とを含む。主剤は結晶性エポキシモノマーを5Vol%以上、100Vol%以下含有する。熱可塑樹脂は硬化性樹脂に対して0.3体積部以上、5.0体積部以下の範囲で添加されている。無機フィラ127は未硬化組成物116全体の中で66Vol%以上、90Vol%以下の範囲で含有されている。このような組成の未硬化組成物116を用いることで、伝熱層102の放熱性と耐衝撃性を高めることができる。
As described above, the
また主剤と硬化剤を反応させ硬化した熱硬化性樹脂130が結晶性を有することで、その熱伝導率を高めることができる。
Further, the
また(式2)に示すように、硬化剤が2つのOH基またはNH2基を有していることで、主剤に含まれるエポキシモノマーとの反応性を有する。なお、OH基とNH2基を1分子に2つずつ有していてもよい。さらには結晶化の促進も可能になる。そのため、伝熱層102の熱伝導率を高め、放熱基板101における放熱性を高めることができる。
Moreover, as shown in (Formula 2), it has reactivity with the epoxy monomer contained in the main agent because the curing agent has two OH groups or NH 2 groups. In addition, you may have two OH groups and two NH2 groups per molecule. Furthermore, crystallization can be promoted. Therefore, the thermal conductivity of the
(実施例5)
また必要に応じて、無機系の難燃剤を添加する方法が知られている。しかし有機系の難燃剤として、構造的に大きく異なる樹脂を配合すると結晶化が阻害されるため添加量が制限される。そのため、結晶性を保ったまま難燃化が達成できない。また、無機系の難燃剤の場合、難燃剤の熱伝導率が低いため、量を多くすると熱伝導率が低下する。
(Example 5)
Further, a method of adding an inorganic flame retardant as required is known. However, when an organic flame retardant is blended with structurally different resins, the amount of addition is limited because crystallization is inhibited. Therefore, flame retardancy cannot be achieved while maintaining crystallinity. In addition, in the case of an inorganic flame retardant, the thermal conductivity of the flame retardant is low. Therefore, if the amount is increased, the thermal conductivity decreases.
ここでは、結晶性樹脂の硬くて脆い、また、燃えやすいという課題を解決し、結晶性樹脂を用いた放熱基板101に高熱伝導性と丈夫さを両立し、未硬化組成物116に難燃性を付与する方法を説明する。
Here, the problem that the crystalline resin is hard and brittle and easily burns is solved, the
具体的には、樹脂成分に難燃性エポキシ樹脂を添加し、無機フィラ127に難燃助剤フィラを添加する。より詳細には、結晶性エポキシモノマーを5Vol%以上、100Vol%以下含有する主剤と、硬化剤とで構成される硬化性樹脂の100体積部に、3体積部以上、15体積部以下の難燃性エポキシモノマーを添加する。そして硬化性樹脂と難燃性エポキシモノマーの混合物に無機フィラ127と難燃助剤フィラとを配合して未硬化組成物116を調製する。未硬化組成物116における無機フィラ127の体積比は66Vol%以上、90Vol%以下とする。難燃助剤フィラは硬化性樹脂の100体積部に対して0.6体積部以上、3.5体積部以下添加する。
Specifically, a flame retardant epoxy resin is added to the resin component, and a flame retardant auxiliary filler is added to the
このように難燃性エポキシと難燃助剤フィラを、結晶化が崩れない割合で添加することで難燃性を付与し、高い熱伝導率を維持したまま伝熱層102の難燃性を向上することができる。
In this way, the flame retardant epoxy and the flame retardant auxiliary filler are added at a ratio that does not cause crystallization to be imparted, and flame retardancy is imparted to the
また、硬化性樹脂に対する難燃助剤フィラの添加比率は0.6体積部以上、3.5体積部以下が望ましい。難燃助剤フィラの熱伝導率が低いため、3.5体積部より多い場合は、熱伝導率の低下が激しい。また、0.6体積部未満では難燃性を付与することができなくなる。難燃助剤フィラとしては、水酸化合物、ホウ素化合物、アンチモン化合物、モリブデン化合物、金属酸化物塩などを用いることができる。特に三酸化アンチモン(AntimonyTrioxide)は難燃性の効果が大きく望ましい。三酸化アンチモンの粒径は小さい方がよく、0.1〜20μmが望ましい。さらに好ましくは0.3〜10.0μmである。0.1μmより小さい場合は、高価であり未硬化組成物116への分散が難しい場合がある。また粒径が20μmを超えた場合、伝熱層102の表面124が粗面化し、リードフレーム103との密着性に影響を与える可能性がある。
Further, the addition ratio of the flame retardant auxiliary filler to the curable resin is preferably 0.6 parts by volume or more and 3.5 parts by volume or less. Since the thermal conductivity of the flame retardant aid filler is low, when it is more than 3.5 parts by volume, the thermal conductivity is drastically reduced. Moreover, if it is less than 0.6 volume part, a flame retardance cannot be provided. As the flame retardant auxiliary filler, a hydroxyl compound, a boron compound, an antimony compound, a molybdenum compound, a metal oxide salt, or the like can be used. In particular, antimony trioxide (Antimony Trioxide) is desirable because of its high flame retardancy effect. The particle size of antimony trioxide is preferably small, and is preferably 0.1 to 20 μm. More preferably, it is 0.3-10.0 micrometers. If it is smaller than 0.1 μm, it is expensive and may be difficult to disperse in the
なお三酸化アンチモンの粒径は、吸湿性にも影響を与える場合がある。そのため吸湿性が課題となる場合、三酸化アンチモンの粒径が細かいほど、吸湿しやすい。そのため吸湿性が課題となる場合、三酸化アンチモンの粒径は0.1μm以上とすることが望ましい。これは0.1μm未満の細かい三酸化アンチモンは吸湿性が高いためである。 The particle size of antimony trioxide may affect the hygroscopicity. Therefore, when hygroscopicity becomes a problem, the smaller the particle size of antimony trioxide, the easier it is to absorb moisture. Therefore, when hygroscopicity is a problem, the particle size of antimony trioxide is desirably 0.1 μm or more. This is because fine antimony trioxide of less than 0.1 μm is highly hygroscopic.
なお三酸化アンチモンの粒径は、無機フィラ127の粒径とマッチングさせ、無機フィラ127の粒径に近い粒径にすることで、エポキシ樹脂等への分散を容易にできる。この場合、複数の異なる粒径の無機フィラ127を組み合わせて用いる場合、小さな粉、あるいは大きな粉のどちらか一方と、粒径を揃えることが望ましい。こうすることで、これら粉体の分散性を高めることができる。大きな粒径は例えば1.0〜10.0μm、小さな粒径は例えば0.2〜0.6μmである。
The particle size of antimony trioxide is matched with the particle size of the
なお未硬化組成物116において、無機フィラ127の含有率は66Vol%以上90Vol%以下の範囲内が望ましい。すなわち硬化性樹脂や難燃性のエポキシモノマー、分散剤等からなる熱硬化性樹脂130の含有率は10Vol%より多く34Vol%より少ない範囲内とする。無機フィラ127の割合が66Vol%未満の場合、未硬化組成物116が硬化して形成される伝熱層102の熱伝導率が低下する場合がある。また、難燃性にも影響を与える。また無機フィラ127の割合が90Vol%より大きくなる(さらに96Vol%を超えると)と、伝熱層102の成形性や表面性が低下し、耐電圧特性が低下する場合がある。
In the
以上のような組成に未硬化組成物116を調製することで、高熱伝導化と難燃化を実現することができる。なお難燃性エポキシモノマーとして臭素化エポキシを用いることで、未硬化組成物116、あるいは伝熱層102、これら部材を用いた放熱基板101等における高熱伝導化と難燃化を実現することができる。なお臭素化エポキシ樹脂は、分子量を選定することで他の樹脂との相溶性に優れブリードアウトを減らすことができる。ブリードアウトとは、未硬化組成物116中の各種添加物が経時変化によって凝集し表面124に粉化する現象や、硬化物の周囲に発生する低分子樹脂や溶剤の「染み出し」等の現象である。特にブリードアウトを減らすことで、放熱性や難燃化を高められる。
By preparing the
また硬化剤が、2つのOH基及び/またはNH2基を有していることで、未硬化組成物116の反応性や硬化性、あるいは難燃化材等とのマッチングを改善し、高熱伝導化と難燃化を両立することができる。
In addition, since the curing agent has two OH groups and / or NH 2 groups, the reactivity and curability of the
(実施例6)
次に、特に高熱伝導率と、高い難燃性と、耐衝撃性との両立について説明する。
(Example 6)
Next, the coexistence of particularly high thermal conductivity, high flame retardancy, and impact resistance will be described.
従来の結晶性樹脂は、結晶性樹脂特有の特性(硬くて脆い、欠けやすい、割れやすい、燃えやすい等)のため、放熱基板101用の用途が限定されている。強度を向上させる方法として、網目構造をとりやすい硬化剤を配合する方法等があるが、結晶性エポキシ樹脂の場合、立体的な結合をつくることで、結晶性が阻害され、高い熱伝導率が得られない場合が多い。
Conventional crystalline resins are limited in use for the
さらに結晶性樹脂は金属板107に対する接着力が弱い。あるいは結晶化樹脂の内部や結晶化樹脂と金属板107との界面に応力が集中しやすく、この応力によって結晶化樹脂と金属板107との界面が剥離する場合がある。そのため、放熱基板101を作製した場合、落下試験等の耐衝撃性に課題が残る場合がある。
Further, the crystalline resin has a weak adhesion to the
また難燃性の付加については上述の通りである。したがって結晶性樹脂の硬くて脆い、また、燃えやすいという課題を解決して、高熱伝導性と丈夫さを両立し、難燃性を付与するには、上述の熱可塑性樹脂と難燃性エポキシ樹脂と難燃助剤フィラとを併用する。 The addition of flame retardancy is as described above. Therefore, in order to solve the problem that the crystalline resin is hard and brittle and easily burnable, to achieve both high thermal conductivity and durability, and to impart flame retardancy, the above-described thermoplastic resin and flame retardant epoxy resin are used. And flame retardant aid filler.
具体的には、結晶性エポキシモノマーを5Vol%以上、100Vol%以下含有する主剤と、硬化剤との合計である硬化性樹脂の100体積部に対し、3体積部以上、12体積部以下の難燃性エポキシモノマーを添加する。そして0.3体積部以上、2.5体積部以下の熱可塑性樹脂を添加する。さらにこれらの混合物に無機フィラ127と難燃助剤フィラとを配合して未硬化組成物116を調製する。未硬化組成物116における無機フィラ127の体積比率は66Vol%以上、90Vol%以下とする。難燃助剤フィラは、硬化性樹脂の100体積部に対し、0.6体積部以上、2.5体積部以下添加する。
Specifically, it is difficult for 3 to 12 parts by volume with respect to 100 parts by volume of the curable resin, which is the total of the main agent containing 5 to 100% by volume of the crystalline epoxy monomer and the curing agent. Add flammable epoxy monomer. And 0.3 volume part or more and 2.5 volume part or less thermoplastic resin is added. Furthermore, the
このように難燃性エポキシモノマーと難燃助剤フィラを結晶化が崩れない割合で添加することで難燃性を付与する。そして結晶化が崩れない割合で熱可塑性樹脂を配合する。これによって部品実装用基板として要求される丈夫さ(割れにくさ等)と高熱伝導性及び難燃性を付与することができる。その結果、高放熱性と丈夫さ・難燃性を両立させることができる。 In this way, flame retardancy is imparted by adding the flame retardant epoxy monomer and the flame retardant auxiliary filler at a rate that does not cause crystallization to break. And a thermoplastic resin is mix | blended in the ratio which crystallization does not collapse. As a result, it is possible to provide the required strength (hardness to crack), high thermal conductivity, and flame resistance required for a component mounting board. As a result, it is possible to achieve both high heat dissipation, robustness and flame retardancy.
また未硬化組成物116(あるいは未硬化組成物116が硬化して形成された伝熱層102)に応力が集中しにくくなるため、金属板107との間の密着力も向上する。
In addition, since the stress is less likely to concentrate on the uncured composition 116 (or the
(実施例7)
図12(A)は本実施例による伝熱層102の表面124の顕微鏡写真、図12(B)はその模式図である。図13(A)はその伝熱層102の表面124を3次元的に示す斜視図、図13(B)はその模式図である。
(Example 7)
FIG. 12A is a photomicrograph of the
図12〜図13の伝熱層102において、無機フィラ127の含有量を70Vol%とした。そして残りの30Vol%は、熱硬化性樹脂130を主体とし、ここに必要に応じて少量の分散剤、難燃剤、着色剤等を添加した。
In the
図12(A)、図12(B)に示すように、倍率150倍で観察すると、伝熱層102の表面124(すなわち表面層128の表面124)は滑らかであり、顕微鏡のピント合わせ用に付けた汚れ131が、表面124に僅かに黒いシミ状に残っている。
As shown in FIGS. 12A and 12B, when observed at a magnification of 150 times, the
図12(A)は、市販のレーザー顕微鏡(キーエンス製VK−9510)を用い、平面方向で約100μm×約75μm、厚み方向で1.2μmの評価結果を示している。このサンプルの表面124において、一番厚みが高くなっている部分でも、高さが0.8μm程度であることが判る。このように、このサンプルの表面は極めて滑らかである。またこのサンプルの表面の算術平均粗さRaは0.5μm、最大高さRyは0.90μm、Rzは0.53μmであった。また20度光沢は95〜105(n=5)、また60度光沢は100(n=5)であった。
FIG. 12A shows evaluation results of about 100 μm × about 75 μm in the planar direction and 1.2 μm in the thickness direction using a commercially available laser microscope (VK-9510 manufactured by Keyence). It can be seen that the highest thickness of the
次に、図12、図13に示したサンプルの自由表面が、滑らかになるメカニズムについて説明する。 Next, the mechanism by which the free surface of the sample shown in FIGS. 12 and 13 becomes smooth will be described.
未硬化組成物116に添加した結晶性エポキシ樹脂は、結晶化温度未満では固体であり、結晶化温度以上で液体となる。即ち、結晶化エポキシ樹脂は結晶状態では安定した固体として存在するが、融点に達するとともに速やかに結晶状態が溶け、極めて低粘度の液体に変化する。そのため発明品の場合、熱硬化するための加熱途中に、結晶化温度を超えることで、熱硬化性樹脂130自体が極めて低粘度の液体と変化する。その結果、熱硬化性樹脂130がフィラの表面を充分に濡らすことが出来る。またフィラとフィラとの間の狭い隙間にも低粘度化した熱硬化性樹脂130が浸透する。この結果、発明品ではフィラと熱硬化性樹脂130との界面、あるいはフィラとフィラとの間、あるいは熱硬化性樹脂130の内部の、気泡(あるいはボイド)を解消することができる。
The crystalline epoxy resin added to the
次に、従来例として、図12(A)〜図13(B)に示したサンプルと同様に、無機フィラ127の含有量を70Vol%とした。そして、残りは硬化性樹脂を主体とし、必要に応じて分散剤、難燃剤、着色剤等を添加した。
Next, as a conventional example, the content of the
従来品に用いた硬化性樹脂は、主剤となる非晶質エポキシモノマーと、硬化剤とを用いて形成した。 The curable resin used for the conventional product was formed using an amorphous epoxy monomer as a main agent and a curing agent.
図12(A)〜図13(B)と同様に評価した結果を図14(A)〜図15(B)に示す。図14(A)は従来の伝熱層102の表面124の顕微鏡写真、図14(B)はその模式図である。図15(A)はその伝熱層102の表面124を3次元的に示す斜視図、図15(B)はその模式図である。132は突起部、133はクラックであり、クラック133はボイド等も含むものとする。
The results evaluated in the same manner as in FIGS. 12 (A) to 13 (B) are shown in FIGS. 14 (A) to 15 (B). 14A is a photomicrograph of the
従来の伝熱層102の表面124には、突起部132や、ボイドが、無数に存在している。また図14(A)〜図15(B)より、試作した従来例の、突起部132の高さは20μm程度、クラック133の深さは10μm程度であることが判る。このように突起部132やクラック133が発生する理由は前述の図10(A)、図10(B)にて説明した対流が、従来品の場合、殆ど発生しない為である。またこのサンプルの表面124の算術平均粗さRaは0.85μm(n=5)、最大高さRyは21.50μm(n=5)、Rzは21.04μm(n=5)であった。また20度光沢は0(n=5)、また60度光沢も0(n=5)であった。
The
次に、従来品の自由表面が、前述の図12等に示したように、凹凸を有するメカニズムについて説明する。再試作従来品において、熱硬化性樹脂として、非晶質エポキシ樹脂成分を用いており、結晶性エポキシ樹脂は添加していない。 Next, the mechanism in which the free surface of the conventional product has irregularities as shown in FIG. In the re-prototype conventional product, an amorphous epoxy resin component is used as the thermosetting resin, and no crystalline epoxy resin is added.
一般的に非晶質のエポキシ樹脂は、分子量分布を持った不定形の固体として得られる。そして不定形な固体状態として得られる樹脂状物は、液体と固体との境が明確ではなく、温度上昇と共に徐々に軟化して、それと共に粘度の高い液体となり、やがて流動性が高くなって低粘度の液体へと変化する。 In general, an amorphous epoxy resin is obtained as an amorphous solid having a molecular weight distribution. The resinous material obtained as an amorphous solid state is not clear at the boundary between the liquid and the solid, and gradually softens as the temperature rises, and becomes a high-viscosity liquid. It changes to a liquid with viscosity.
以上より、従来品の場合、熱硬化するための加熱途中に、熱硬化性樹脂自体の粘度が低下しにくく、熱硬化性樹脂の対流現象が発生しにくく、内部にはボイドが、その表面には突起部や凹部が発生しやすいと思われる。 From the above, in the case of conventional products, during the heating for thermosetting, the viscosity of the thermosetting resin itself is difficult to decrease, the convection phenomenon of the thermosetting resin hardly occurs, and voids are formed inside the surface. Is likely to generate protrusions and recesses.
次に、図16を用いて、本実施例による伝熱層102と従来例の伝熱層102の電気特性について比較した結果を説明する。
Next, the results of comparison of the electrical characteristics of the
図16は、本実施例による伝熱層102と従来例の伝熱層102の漏れ電流の温度特性を、電気特性の一例として示すグラフである。すなわちこの評価では、放熱基板101の耐熱性について、漏れ電流の面から評価している。
FIG. 16 is a graph showing the temperature characteristics of the leakage current of the
ここで測定方法について説明する。まず加熱用の市販のホットプレートを用意する。そしてホットプレートの上に、絶縁性を確保するための耐熱性セラミック基板を載せ、このセラミック基板の上に、電極となる金属板107を載せる。セラミック基板として、例えば、厚さ1〜2mmのアルミナ基板を用いる。そしてこの金属板107の上に、厚み0.4mmで約5cm角の伝熱層102を含む放熱基板101を載せ、この上に漏れ電流測定機から伸びる測定端子を装着する。そして、金属板と、測定端子との間に、4.3kVの電圧を印加し、その時の漏れ電流を測定する。なおサンプルの温度は、ホットプレートによって制御する。表面温度は、サンプルの表面に、熱電対を取付けて測定する。
Here, the measurement method will be described. First, a commercially available hot plate for heating is prepared. Then, a heat-resistant ceramic substrate for ensuring insulation is placed on the hot plate, and a
図16において、「・」のプロットは従来品の測定結果、「◆」のプロットは本実施例によるサンプルの測定結果を示す。図16から明らかなように、従来品の漏れ電流は60℃以下では小さいが、60℃を超えると、漏れ電流が温度上昇に従って大きくなる。そして110℃を超えると漏れ電流がさらに大きくなる。また160℃を超えると急激に漏れ電流が大きくなり、190℃で絶縁が破壊されている。このように従来品では、温度上昇と共に漏れ電流が増加する。 In FIG. 16, the “•” plot indicates the measurement result of the conventional product, and the “♦” plot indicates the measurement result of the sample according to this example. As apparent from FIG. 16, the leakage current of the conventional product is small at 60 ° C. or less, but when it exceeds 60 ° C., the leakage current increases as the temperature rises. And if it exceeds 110 degreeC, a leakage current will become still larger. When the temperature exceeds 160 ° C., the leakage current suddenly increases, and the insulation is broken at 190 ° C. Thus, in the conventional product, the leakage current increases as the temperature rises.
従来品は、前述の図22等に示すように、伝熱層3の表面に無数の凹凸を有している。また伝熱層3とリードフレーム6や基板7との界面には、隙間8や、ボイド5が無数に残っている。更に伝熱層3を構成する無機フィラ1が熱硬化性樹脂2によって充分覆われていない。その結果、従来例では、その厚み方向において、無機フィラ1どうしが単なる物理的接触(あるいは点接触)しているだけである。その結果、温度上昇と共に漏れ電流が急激に増加し、最後には絶縁破壊してしまったと考えられる。
The conventional product has innumerable irregularities on the surface of the
一方、本実施例によるサンプルの漏れ電流は、190℃付近までは極めて小さい。そして200℃付近から温度上昇と共に徐々に漏れ電流が増加し、220℃付近から漏れ電流の増加が大きくなる。それでも、240℃においても絶縁破壊しない。このように、本実施例によるサンプルでは、温度上昇によっても漏れ電流は増加しにくい。すなわち、本実施例によるサンプルは優れた電気的特性を有しているが、これは図10(B)等で説明した理由による。 On the other hand, the leakage current of the sample according to this example is extremely small up to around 190 ° C. The leakage current gradually increases with increasing temperature from around 200 ° C., and the increase in leakage current increases from around 220 ° C. Nevertheless, dielectric breakdown does not occur even at 240 ° C. Thus, in the sample according to this example, the leakage current hardly increases even when the temperature rises. That is, the sample according to this example has excellent electrical characteristics, which is due to the reason described in FIG.
次に図17を用いて、更に詳しく説明する。図17は、未硬化組成物116に埋め込まれたリードフレーム103や配線基板104の側面や底面で、熱硬化性樹脂130が対流する様子を説明する断面図である。図17において、矢印117は、加熱され、低粘度化した熱硬化性樹脂130が、無機フィラ127の隙間を対流する様子を示す。
Next, a more detailed description will be given with reference to FIG. FIG. 17 is a cross-sectional view for explaining how the
図17に示すように、配線基板104の埋め込まれた側面が、凹凸を有する粗面であっても、低粘度化した熱硬化性樹脂130が、その側面の細かい凹凸まで濡らすため、凹凸に残った空気等を除去することができ、配線基板104と未硬化組成物116との密着性を高め、電気絶縁性や密着力を高める。なお配線基板104の側面(いわゆるブレーク面、あるいは切断面)を粗面化することで、未硬化組成物116との密着面積が増加できる。その結果、伝熱層102と配線基板104との密着強度が増加し、漏れ電流も低減する。
As shown in FIG. 17, even if the side surface in which the
以上のように、リードフレーム103と、配線基板104とを、互いにその一部が、半田部108を介して接触した状態で、共に伝熱層102に埋め込むことによって、リードフレーム103と伝熱層102の接触面積を増加でき、放熱性を高めることができる。またこれらを埋め込むことで、伝熱層102の表面124に突き出すリードフレーム103の厚みを小さくすることもできる。こうしてリードフレーム103に、例えば肉厚0.3mmのリードフレーム103を用いた場合でも、伝熱層102に埋め込むことで、伝熱層102からのリードフレーム103の突き出し量(あるいは段差)を50μm以下に抑える。望ましくは20μm以下、さらには10μm以下に抑える。こうして突き出し量を抑えることで、リードフレーム103の上に形成するソルダーレジスト(図示していない)の形成が容易となり、ソルダーレジストの膜厚も薄層、均一化でき、放熱基板101の放熱性が高まる。
As described above, the
こうして発熱部品を冷却することで、発熱部品の効率を向上し、高寿命化、高信頼性化が可能となる。例えばLEDの場合、光量が増加する。あるいは電源回路の効率が向上する。また小型化も可能となる。 By cooling the heat generating component in this way, the efficiency of the heat generating component can be improved, and the life and reliability can be increased. For example, in the case of an LED, the amount of light increases. Alternatively, the efficiency of the power supply circuit is improved. Also, miniaturization is possible.
またリードフレーム103の一部分以上を伝熱層102に埋め込むことで、リードフレーム103と伝熱層102との接続強度が高まる。そしてリードフレーム103の引張り強度を高めることができる。引張り強度の測定方法については、プリント配線基板104における銅箔の引張り強度評価方法等を参考にすればよい。
Further, by embedding a part or more of the
放熱基板101を構成するリードフレーム103の一部は、図1に示したように折曲げることが可能であり、必要に応じて他に用意した配線基板104(図示していない)に接続したり、リード線を巻きつけ半田付けしたり、圧着端子を用いることができる。
A part of the
なお実施例で作成した放熱基板101は、未硬化組成物116の熱硬化に伴う反りやうねりは殆ど発生しない。反りやうねりは、例えば、金属板107と未硬化組成物116との熱膨張係数の差が原因となる。しかしながら例えば、発明者らの実験によると100mm角において50μm以下であった。これは前述したボイド消失メカニズムによって、内部応力の低減や無機フィラ127の高密度充填が実現できたためと考えられる。
In addition, the
なお、放熱基板101の上に設けられた硬化後の伝熱層102の表面124には、無機フィラ127の隙間から、染み出した熱硬化性樹脂130からなる表面層128が形成されている。表面層128は表面124以外に、伝熱層102とその上に固定された配線であるリードフレーム103と、伝熱層102との界面に存在していることは有用である。更に表面粗化した銅箔をリードフレーム103とした場合、この粗化表面124と、伝熱層102との界面に表面層128が存在していることも同様である。
Note that a
また未硬化組成物116の上に、粗面化した銅箔等を配線として固定し、未硬化組成物116を硬化し、銅箔と一体化した場合も、銅箔と硬化後の伝熱層102との界面に、表面層128が形成されることが望ましい。また銅箔の一部をエッチング等で除去した場合、伝熱層102の表面124に、銅箔を固定していた表面層128がそのまま残る。こうして表面124に露出した表面層128の表面124には、銅箔、あるいは銅箔表面124に設けた粗化面の表面124形状が、そのままレプリカのように転写される。この場合でも表面層128が、伝熱層102の信頼性を高める。
Also, when a roughened copper foil or the like is fixed as a wiring on the
(実施例8)
次に、本発明の実施例8を用いて放熱基板101に用いる各種部材について説明する。
(Example 8)
Next, various members used for the
なおリードフレーム103からなる配線を、銅箔からなる配線としても良い。放熱基板101の用途に応じて、銅箔とリードフレーム103とを使い分けることができる。伝熱層102に埋め込まれる配線(例えば、リードフレーム103)の厚みとして0.002〜0.10mmの範囲が必要な場合は銅箔を用い、0.10〜1.00mmの範囲が必要な場合はリードフレーム103を用いればよい。なおリードフレーム103の部材としては銅を主体としたものを用いることが望ましい。例えばタフピッチ銅や無酸素銅等と呼ばれているものを用いることができる。銅を主体とすることで、高放熱性と低抵抗性を両立することができる。またリードフレーム103の一部分以上を伝熱層102に埋めることで、放熱基板101におけるリードフレーム103に起因する段差(厚み段差)を低減できる。
The wiring made of the
(実施例9)
以下に実施例9として、伝熱層102の製造に用いた、未硬化組成物116について説明する。
Example 9
Hereinafter, as Example 9, an
実施例9として、結晶性エポキシ樹脂を40Vol%以上含有するエポキシ樹脂と、硬化剤と、前記エポキシ樹脂と前記硬化剤との合計に対して3Vol%以上12Vol%以下の難燃性エポキシ樹脂と、前記エポキシ樹脂と前記硬化剤に対して0.3Vol%以上2.5Vol%以下の熱可塑樹脂と、前記エポキシ樹脂と前記硬化剤と前記難燃性エポキシに対して70Vol%以上88Vol%以下の無機フィラと、前記エポキシ樹脂と前記硬化剤に対して0.6Vol%以上2.5Vol%以下の難燃助剤フィラと、からなる未硬化組成物116、あるいは伝熱層102について実験した結果を示す。
As Example 9, a flame retardant epoxy resin of 3 Vol% or more and 12 Vol% or less with respect to the total of an epoxy resin containing 40 vol% or more of a crystalline epoxy resin, a curing agent, and the epoxy resin and the curing agent; 0.3 vol% or more and 2.5 vol% or less thermoplastic resin with respect to the epoxy resin and the curing agent, and 70 vol% or more and 88 vol% or less inorganic with respect to the epoxy resin, the curing agent and the flame retardant epoxy. The result of having experimented about the
なお未硬化組成物116、あるいは伝熱層102は、少なくとも、結晶性エポキシ樹脂を含む熱硬化性樹脂と、無機フィラとを含み、無機フィラ127の含有率が未硬化組成物116、あるいは伝熱層102の66Vol%以上90Vol%以下が望ましいことは言うまでもない。
The
まず耐衝撃性について評価した結果を、[表1]を用いて説明する。 First, the results of evaluating the impact resistance will be described using [Table 1].
結晶性エポキシ含有樹脂としてジャパンエポキシレジン製「YL6120H」、エポキシ樹脂として「YX4000H」、硬化剤として、4、4’−ジアミノビフェニル、4、4’−ジハイドロキシビフェニルエーテル、難燃性エポキシ樹脂として日本化薬製臭素化エポキシ「BREN−S」、熱可塑樹脂としてゼオン化成製コアシェルアクリレート共重合体「F351」、無機フィラとしてアルミナ、難燃助剤フィラとして三酸化アンチモンを用意した。 “YL6120H” made by Japan Epoxy Resin as crystalline epoxy-containing resin, “YX4000H” as epoxy resin, 4,4′-diaminobiphenyl, 4,4′-dihydroxybiphenyl ether as curing agent, Japan as flame retardant epoxy resin Brominated epoxy “BREN-S” manufactured by Kayaku Co., Ltd., ZEON Kasei core-shell acrylate copolymer “F351” as a thermoplastic resin, alumina as an inorganic filler, and antimony trioxide as a flame retardant auxiliary filler were prepared.
上記の材料と、硬化促進剤として、ジャパンエポキシレジン製「P−200」イミダゾール(アミンアダクト)を混合攪拌し、エポキシ樹脂、硬化剤が融解する温度まで加熱し、2軸混練機を用いて混合した。混合後、各種試験に応じた形状に成形しこれを、図6(A)における未硬化組成物116とした。
“P-200” imidazole (amine adduct) made by Japan Epoxy Resin as a curing accelerator is mixed and stirred, heated to a temperature at which the epoxy resin and curing agent melt, and mixed using a biaxial kneader. did. After mixing, it was molded into a shape according to various tests, and this was used as the
そして、図6(A)に示すように、金属板107上に、未硬化組成物116と、市販の多層のガラスエポキシ樹脂基板(厚み0.6mm)、リードフレーム(厚み0.5mm)をセットし、図6(B)に示すようにして、1170℃×5Hourの条件で加熱硬化した。
6A, an
落下試験用のサンプルは100mm×100mm×1.6mmの形状で作製し、1.5mの高さからコンクリート上に自由落下させた。試料に割れ、ひびが発生するかどうかで、結果を判断した。試料の配合条件はエポキシ樹脂中の結晶性エポキシ樹脂の割合、フィラ量、熱可塑樹脂の割合を変化させて行った。 A sample for a drop test was produced in a shape of 100 mm × 100 mm × 1.6 mm, and freely dropped onto the concrete from a height of 1.5 m. The result was judged by whether the sample was cracked or cracked. The blending conditions of the sample were changed by changing the ratio of the crystalline epoxy resin in the epoxy resin, the filler amount, and the ratio of the thermoplastic resin.
結晶性エポキシ樹脂、フィラの割合は多くなるほど割れやすくなる傾向があり、熱可塑樹脂を加えることで耐衝撃性が向上する(熱伝導率的には低下する)。[表1]に結果を示す。 As the proportions of the crystalline epoxy resin and filler increase, they tend to break, and the impact resistance is improved by adding a thermoplastic resin (decreasing in thermal conductivity). The results are shown in [Table 1].
熱可塑樹脂を0.3%以上加えることで耐衝撃性が向上できる。 Impact resistance can be improved by adding 0.3% or more of thermoplastic resin.
なお未硬化組成物116中に添加したアクリル樹脂等の熱可塑樹脂は、アセトン等で抽出可能な状態で添加することが望ましい。これは熱伝導樹脂の中に、こうした耐衝撃性を向上させる樹脂を、例えば海島構造に分散(あるいは点在、あるいは分散)させることで、耐衝撃性を高めるためである。そしてこのような海島構造とすることで、アセトン等で抽出でき、熱可塑樹脂が海島構造で分散していることが確かめられる。なお抽出にあたっては、サンプルを粉砕することで熱可塑樹脂等の検出精度を高められる。
The thermoplastic resin such as an acrylic resin added to the
なおアクリル樹脂等の熱可塑樹脂が、抽出できない状態で未硬化組成物116の中に存在していた場合(例えば、エポキシ樹脂と反応した、あるいはエポキシ樹脂の中に溶解した、あるいはエポキシ樹脂の中に分子状態で分散した)は、アセトン等を用いても抽出することが難しい。そしてこのような状態で未硬化組成物116の中に熱可塑樹脂が溶解した場合、耐衝撃性の向上効果が得られない。これはエポキシ樹脂と熱可塑樹脂との間に界面(あるいは応力集中)が発生しないためである。
In the case where a thermoplastic resin such as an acrylic resin is present in the
なお抽出量は、抽出用のサンプルの状態(粉砕状態等)に依存するため、サンプル中の全樹脂に対する熱可塑樹脂の割合の痕跡(例えば、0.1%以上、望ましくは1%以上)とする。これは抽出で熱可塑樹脂の絶対値の判断が難しい場合があるためである。 Since the amount of extraction depends on the state of the sample for extraction (such as the pulverized state), the trace of the ratio of the thermoplastic resin to the total resin in the sample (for example, 0.1% or more, preferably 1% or more) To do. This is because it may be difficult to determine the absolute value of the thermoplastic resin by extraction.
次に難燃化について評価した結果を、[表2]を用いて説明する。 Next, the results of evaluating the flame retardancy will be described using [Table 2].
難燃性試験用として、サンプル1:124±5mm×13±0.5mm×1.6mm、サンプル2:124±5mm×13±0.5mm×0.4mmの形状で作製し、UL94の規格に基づく難燃性試験を実施した。 For flame retardancy test, sample 1: 124 ± 5mm × 13 ± 0.5mm × 1.6mm, sample 2: 124 ± 5mm × 13 ± 0.5mm × 0.4mm, manufactured according to UL94 standard Based on the flame retardancy test.
10秒接炎後、炎をはなし、消火までの燃焼時間(t1)を計り、消火後、10秒接炎後、炎をはなし、消火までの燃焼時間(t2)を計った。 After 10 seconds of flame contact, the flame was extinguished and the combustion time (t1) until extinction was measured. After flame extinguishing, after 10 sec. Flame contact, the flame was extinguished and the combustion time (t2) until extinction was measured.
試料の配合条件は燃えやすい結晶性エポキシ樹脂が多く、フィラが少ない条件で行い、難燃性エポキシ、難燃助剤フィラの割合を変化させて行った。 The sample was mixed under the condition that there were many flammable crystalline epoxy resins and few fillers, and the ratio of the flame retardant epoxy and the flame retardant auxiliary filler was changed.
難燃性エポキシ、難燃助剤フィラを加えることで難燃性が向上する(熱伝導率的には低下する)。[表2]に結果を示す。 Addition of flame retardant epoxy and flame retardant aid filler improves flame retardancy (decreases thermal conductivity). The results are shown in [Table 2].
難燃性エポキシを3Vol%以上かつ難燃助剤フィラを0.6Vol%以上混合したときに難燃性を付加できる。 Flame retardancy can be added when 3 vol% or more flame retardant epoxy and 0.6 vol% or more flame retardant auxiliary filler are mixed.
次に熱可塑樹脂を加え、耐衝撃性を向上させた状態での難燃化について評価した結果の一例を、[表3]を用いて説明する。 Next, an example of the result of evaluating the flame retardancy in a state where impact resistance is improved by adding a thermoplastic resin will be described using [Table 3].
熱伝導率測定用のサンプルはφ1/2インチ、t1mmの円板状に作製し、ブルカーエイエックスエス社製キセノンレーザーフラッシュを用いて測定を行った。 A sample for measuring thermal conductivity was prepared in a disk shape of φ1 / 2 inch and t1 mm, and measurement was performed using a xenon laser flash manufactured by Bruker AXS.
試料の配合条件は熱伝導率が大きくなる結晶性エポキシ樹脂が多く、フィラが多い条件で行い、熱可塑樹脂、難燃性エポキシ、難燃助剤フィラの割合を変化させて行った。[表3]に熱可塑樹脂の結果を示す。 The sample was mixed under the condition that there were many crystalline epoxy resins having a large thermal conductivity and a large amount of filler, and the ratio of the thermoplastic resin, the flame retardant epoxy, and the flame retardant auxiliary filler was changed. Table 3 shows the results of the thermoplastic resin.
熱可塑樹脂を加えることで熱伝導率は低下し、3%以上加えたときに、エポキシ樹脂は結晶性を取ることができなくなり、熱伝導率が極端に低下する。 The thermal conductivity is reduced by adding a thermoplastic resin, and when 3% or more is added, the epoxy resin cannot take crystallinity, and the thermal conductivity is extremely lowered.
次に難燃性エポキシ樹脂の効果について、[表4]を用いて説明する。 Next, the effect of the flame retardant epoxy resin will be described using [Table 4].
[表4]に難燃性エポキシ樹脂の結果を示す。 [Table 4] shows the results of the flame-retardant epoxy resin.
3%以上の難燃性エポキシ樹脂が難燃性を付加するために必要だが、難燃性エポキシ樹脂を加えることで熱伝導率は低下し、15%以上加えたときに、エポキシ樹脂は結晶性を取ることができなくなり、熱伝導率が極端に低下する。 Although 3% or more flame retardant epoxy resin is necessary to add flame retardancy, the addition of flame retardant epoxy resin decreases the thermal conductivity, and when 15% or more is added, the epoxy resin is crystalline. Can not be taken, and the thermal conductivity is extremely reduced.
次に難燃助剤フィラの効果について、[表5]を用いて説明する。 Next, the effect of the flame retardant aid filler will be described using [Table 5].
[表5]に難燃助剤フィラの結果を示す。 [Table 5] shows the results of the flame retardant aid filler.
0.6%以上の難燃助剤フィラが難燃性を付加するために必要だが、難燃助剤フィラを加えることで熱伝導率は低下(フィラ量が増えるため極端な低下はしない)し、3%以上加えたときに、エポキシ樹脂は結晶性を取ることができなくなり、熱伝導率が極端に低下する。 A flame retardant aid filler of 0.6% or more is necessary to add flame retardancy, but the addition of the flame retardant aid filler reduces the thermal conductivity (the amount of filler does not increase drastically). When 3% or more is added, the epoxy resin cannot take crystallinity, and the thermal conductivity is extremely lowered.
(実施例10)
実施例10を用いて、実施例1等で説明した伝熱層102中に含まれる無機フィラの含有率の最適化について実験した結果について説明する。
(Example 10)
The results of experiments on the optimization of the content of the inorganic filler contained in the
図18は、伝熱層中の無機フィラの体積分率と熱伝導率との関係についての実験結果の一例を説明する図である。図18において、横軸は伝熱層102に含まれる無機フィラの体積分率(単位はVol%)、縦軸は伝熱層の熱伝導率(単位は、W/m・K)である。図18に示すように、伝熱層102に含まれる無機フィラの体積分率が増加するにつれて、熱伝導率が増加する様子を示す。
FIG. 18 is a diagram for explaining an example of an experimental result regarding the relationship between the volume fraction of the inorganic filler in the heat transfer layer and the thermal conductivity. In FIG. 18, the horizontal axis represents the volume fraction of inorganic filler contained in the heat transfer layer 102 (unit: Vol%), and the vertical axis represents the thermal conductivity of the heat transfer layer (unit: W / m · K). As shown in FIG. 18, the thermal conductivity increases as the volume fraction of the inorganic filler contained in the
[表6]に、図18や、実施例1等で説明した伝熱層102に含まれる無機フィラの体積含有率(Vol%)を変化させ、その時に得られた熱伝導率(単位はW/m・K)と、耐電圧特性(4.2kV印加)について、評価した結果の一例を示す。
In [Table 6], the volume content (Vol%) of the inorganic filler contained in the
[表6]に示すように、伝熱層102中に含まれる無機フィラ127の含有率が、90Vol%以下では、所定の耐電圧特性が得られるが、含有率が96Vol%以上では、必要な耐電圧特性が得られない。また無機フィラ127の含有率が、66Vol%未満では、放熱基板として要求される熱伝導率が得られない。
As shown in [Table 6], when the content of the
以上より、[表6]の総合評価結果に示すように、伝熱層102に含まれる無機フィラ127の含有率は、66Vol%以上90Vol%以下が、放熱基板101として好適であることが判る。
From the above, as shown in the comprehensive evaluation results in [Table 6], it is found that the content of the
なお無機フィラ127の含有率はVol%で評価することが望ましい。これは無機フィラ127の比重の影響を抑えるためである。なお無機フィラ127の含有率を上げるには、平均粒径の異なる無機フィラ(例えば、平均粒径10μmと、平均粒径1μm)を混ぜる、あるいは無機フィラの形状を工夫する等、通常の高充填化手法を用いることが有用である。
In addition, it is desirable to evaluate the content rate of the
(実施例11)
実施例11では、図19、20を用いて、リードフレーム103と配線基板104との半田部108を介した接続の一例について接続する。
(Example 11)
In Example 11, an example of connection between the
図19(A)(B)は、共に上下左右に互いに絶縁された配線部を有するチップ状の配線基板の斜視図である。図19に示すような、チップ状の配線基板104を一種のジャンパーチップとして用いることで、矢印117に示すように、複数の配線をクロスさせることができる。
FIGS. 19A and 19B are perspective views of a chip-like wiring board having wiring portions that are insulated from each other vertically and horizontally. By using the chip-
図20(A)(B)は、それぞれ複数のリードフレームの間にチップ状の配線基板を挿入する様子を説明する斜視断面図と、その一部拡大断面図である。 20A and 20B are a perspective sectional view and a partially enlarged sectional view for explaining a state in which a chip-like wiring board is inserted between a plurality of lead frames, respectively.
図20(A)に示すように、例えば両側面に側面電極111(側面電極は図示していない)を設けた、アルミナ基板)を、隣接する複数のリードフレーム103の間に挟む。 As shown in FIG. 20A, for example, an alumina substrate provided with side electrodes 111 (side electrodes are not shown) on both side surfaces is sandwiched between a plurality of adjacent lead frames 103.
図20(B)に示すように、隣接するリードフレーム103a、103b、103cの間にアルミナ基板等の配線基板104を挿入することで、互いのリードフレーム103a、103b、103c間を絶縁した状態で、ヒートスプレッド(熱拡散)することができる。
As shown in FIG. 20B, by inserting a
以上のように、本発明に係る伝熱層とその製造方法によって、放熱性が必要な機器の小型化、低コスト化、高信頼性化が可能となる。そのため、車用のDCDCコンバータ、照明用の発光ダイオード等の各種機器の小型化、高効率化に貢献できる。 As described above, the heat transfer layer and the manufacturing method thereof according to the present invention can reduce the size, cost, and reliability of equipment that requires heat dissipation. Therefore, it can contribute to miniaturization and high efficiency of various devices such as a DC-DC converter for vehicles and a light emitting diode for illumination.
101 放熱基板
102 伝熱層
103 リードフレーム
104 配線基板
105 配線部
106 絶縁部
107 金属板
108 半田部
109 接続部
110 ボンディングワイヤ
111 側面電極
112 スルーホール
114 金型
115 保護フィルム
116 未硬化組成物
117 矢印
118 成形装置
119 光沢度計
120 光源
121 レンズ
122 受光部
123 点線
124 表面
125 表面粗さ計
126 模様
127 無機フィラ
128 表面層
129 主要部
130 熱硬化性樹脂
131 汚れ
132 突起部
133 クラック
DESCRIPTION OF
Claims (6)
この金属板上に設けられたシート状の、結晶性エポキシ樹脂を含む硬化済の熱硬化性樹脂と、無機フィラとからなる伝熱層と、
この伝熱層に固定された、配線基板と、リードフレームと、
を有する放熱基板であって、
前記伝熱層における前記無機フィラの含有率が、66Vol%以上、90Vol%以下であって、
前記配線基板の側面の一部以上と、前記リードフレームの側面の一部以上とは、半田部もしくは機械的接続部の一つ以上を介して接続されている放熱基板。 A metal plate,
A sheet-like heat-cured resin containing a crystalline epoxy resin provided on the metal plate, and a heat transfer layer made of an inorganic filler,
A wiring board, a lead frame, fixed to the heat transfer layer,
A heat dissipation board having
The content of the inorganic filler in the heat transfer layer is 66 Vol% or more and 90 Vol% or less,
A part of the side surface of the wiring board and a part of the side surface of the lead frame are connected to each other through one or more of a solder part or a mechanical connection part.
前記金属板上で、前記未硬化組成物を加熱し、前記未硬化組成物に前記リードフレームと前記配線基板とを埋め込む、埋め込み工程と、
少なくとも前記未硬化組成物を、前記結晶性エポキシ樹脂の結晶化温度、あるいは融点のいずれか1つ以上まで加熱して、液体状態とし、前記無機フィラの間を対流させる対流工程と、
前記未硬化組成物を熱硬化させ、伝熱層とする熱硬化工程と、
を備える放熱基板の製造方法であって、
前記無機フィラの含有率が、66Vol%以上、90Vol%以下であり、
前記配線基板の側面の一部以上と、前記リードフレームの側面の一部以上とは、半田部もしくは機械的接続部の一つ以上を介して接続していることを特徴とする放熱基板の製造方法。 An arrangement step of disposing an uncured thermosetting resin containing a crystalline epoxy resin, an uncured composition containing an inorganic filler, a lead frame, and a wiring board on a metal plate,
An embedding step of heating the uncured composition on the metal plate and embedding the lead frame and the wiring board in the uncured composition;
A convection step of heating at least the uncured composition to any one or more of a crystallization temperature or a melting point of the crystalline epoxy resin to form a liquid state and convection between the inorganic fillers;
A thermosetting step of thermosetting the uncured composition to form a heat transfer layer;
A method of manufacturing a heat dissipation board comprising:
The content of the inorganic filler is 66 Vol% or more and 90 Vol% or less,
A part of the side surface of the wiring board and a part of the side surface of the lead frame are connected via one or more of a solder part or a mechanical connection part. Method.
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