JP2013207242A - 発熱素子放熱装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】所望される耐電圧を簡易かつ適切に確保することができる発熱素子放熱装置を実現する。
【解決手段】発熱素子１０を含む発熱ユニットＵと、絶縁性の接着シート３０を介して発熱ユニットＵに接着される放熱部材４０と、を備えた発熱素子放熱装置１。接着シート３０は、熱硬化性樹脂Ｒを主成分として構成されていると共に、発熱ユニットＵと放熱部材４０との接着前に熱硬化された予備硬化部３２と、発熱ユニットＵと放熱部材４０との接着時に熱硬化された主硬化部３４とを有する。予備硬化部３２は、発熱ユニットＵと放熱部材４０とに挟まれる接着領域の一部に形成されている。
【選択図】図８

Description

本発明は、発熱素子を含む発熱ユニットと、電気的絶縁性及び伝熱性を有する接着シートを介して発熱ユニットに接着される放熱部材と、を備えた発熱素子放熱装置に関する。

上記のような発熱素子放熱装置として、特開２００３−１５３５５４号公報（特許文献１）に記載された装置〔インバータ装置〕が知られている。この特許文献１では、発熱素子放熱装置は、以下のようにして製造されている。まず、発熱素子〔半導体チップであるＩＧＢＴ１９１及びダイオード２０１〕が伝熱部材〔導体２２〕にはんだ接合されて、発熱ユニットが形成される。その後、放熱部材〔冷却器２４〕と発熱ユニットの伝熱部材との間に接着シート〔絶縁樹脂シート２５〕を介在させた状態で、放熱部材と発熱ユニットとが熱圧着される。このようにして、放熱部材、接着シート、及び発熱ユニットが記載の順に積層された発熱素子放熱装置が得られる。

特許文献１の発熱素子放熱装置において、接着シートは、発熱ユニットと放熱部材とを接着させると共に、これらの間の電気的絶縁性を確保するための役割を担っている。しかし、熱圧着の際に過剰な圧力が接着シートに加わると、当該接着シートが部分的に薄くなる等して、発熱ユニットと放熱部材との間の電気的絶縁性が低下してしまう可能性がある。特に、特許文献１のように発熱ユニットが半導体チップ等の発熱素子を含み、発熱素子への直接的な加圧を避けながら熱圧着を行うような場合には、発熱素子が設けられていない領域に対応する部分に応力が集中しやすく、上記の課題が生じやすい。また、特許文献１の接着シートは伝熱性向上のために無機粒子を含んでいるが、過剰な圧力が接着シートに加わると、無機粒子と接着シートを構成する樹脂成分との界面部分に空隙が生じる可能性もある。このような空隙が生じると、当該空隙を通って電流が流れやすくなるため、発熱ユニットと放熱部材との間の電気的絶縁性が低下してしまう可能性がある。その結果、耐電圧（機器に対して印加可能な電圧の限界値）が低下する可能性がある。

特開２００３−１５３５５４号公報

そこで、所望される耐電圧を簡易かつ適切に確保することができる発熱素子放熱装置の実現が望まれる。

本発明に係る、発熱素子を含む発熱ユニットと、電気的絶縁性及び伝熱性を有する接着シートを介して前記発熱ユニットに接着される放熱部材と、を備えた発熱素子放熱装置の特徴構成は、前記接着シートは、熱硬化性樹脂を主成分として構成されていると共に、前記発熱ユニットと前記放熱部材との接着前の加熱により硬化された予備硬化部と、前記発熱ユニットと前記放熱部材との接着時の熱圧着により硬化された主硬化部とを有し、前記予備硬化部は、前記接着時に前記発熱ユニットと前記放熱部材とに挟まれる領域である接着領域の一部に形成されている点にある。

この特徴構成によれば、接着シートは、発熱ユニットと放熱部材とを接着させる主硬化部とは別に、両者の接着前に接着領域の一部に形成される予備硬化部を有する。この予備硬化部は、発熱ユニットと放熱部材との接着時に既に硬化されているので、両者を熱圧着して接着させる際には、両者間に所定間隔を確保させるための一種のスペーサとして機能する。よって、発熱ユニットと放熱部材との接着の際に、接着シートが薄くなり過ぎることを抑制でき、発熱ユニットと放熱部材との間の電気的絶縁性の確保が容易となる。従って、所望される耐電圧を簡易かつ適切に確保することができる発熱素子放熱装置を実現できる。

ここで、前記接着シートの厚さ方向に見て、複数の前記予備硬化部が前記接着領域内に分散配置され、複数の前記予備硬化部のそれぞれは、前記厚さ方向の全域に亘って連続するように形成されていると好適である。

この構成によれば、予備硬化部が接着シートの厚さ方向の全域に亘って形成されるので、発熱ユニットと放熱部材との間隔を所望の大きさに近づけることが容易となる。また、接着領域の複数箇所に形成される予備硬化部により、接着領域の各位置での、発熱ユニットと放熱部材との間隔のばらつきを抑制できる。

また、前記予備硬化部は、加熱されるのと同時に前記接着シートの厚さ方向に加圧されて形成され、前記予備硬化部の厚さが、前記発熱ユニットと前記放熱部材との接着後に前記主硬化部となる領域の前記接着前の厚さよりも小さいと好適である。

この構成によれば、加圧しながら加熱することで、予備硬化部の密度（強度）を高めることができ、スペーサとしての機能を確保することができる。また、接着シートにおける主硬化部に対応する領域の硬化前の厚さが予備硬化部の厚さよりも厚いので、発熱ユニットと放熱部材との熱圧着による接着力を確保できる。

また、前記予備硬化部は、加熱されるのと同時に前記接着シートの厚さ方向に加圧されて形成され、前記予備硬化部の厚さが、前記発熱ユニットと前記放熱部材との間の電気的絶縁性を確保可能な絶縁距離以上であると好適である。

この構成によれば、加圧しながら加熱することで、予備硬化部の密度（強度）を高めることができ、スペーサとしての機能を確保することができる。また、予備硬化部の厚さが絶縁距離以上であるので、発熱ユニットと放熱部材との間の電気的絶縁性を確保することが容易となる。

また、前記接着シートは、前記熱硬化性樹脂よりも伝熱性の高い無機粒子を含み、前記予備硬化部は、加熱されるのと同時に前記接着シートの厚さ方向に加圧されて形成され、前記予備硬化部の厚さが、前記無機粒子の最大径よりも大きいと好適である。

この構成によれば、接着シートが無機粒子を含むので、比較的伝熱性の低い熱硬化性樹脂を主成分とする接着シートの伝熱性を向上させることができる。よって、発熱ユニット（発熱素子）で発生した熱を、接着シートを介して放熱部材へと効率的に伝達することができ、放熱効率（冷却効率）を高めることができる。また、予備硬化部の形成の際に、加圧しながら加熱することで、予備硬化部の密度（強度）を高めることができ、スペーサとしての機能を確保することができる。更に、予備硬化部の厚さが無機粒子の最大径よりも大きいので、発熱ユニットと放熱部材との熱圧着時に、無機粒子と接着シートを構成する樹脂成分との界面の状態が適正に維持される。つまり、両者の界面部分に空隙等が生じることが有効に抑制されるので、発熱ユニットと放熱部材との間の電気的絶縁性を適切に確保することができる。

また、前記発熱ユニットは、前記発熱素子が固定される伝熱部材を含み、前記伝熱部材は、前記接着シートの厚さ方向に見て前記発熱素子を取り囲む領域である周囲領域を有し、前記厚さ方向に見て、前記伝熱部材の全体が前記接着シートと重複する位置に配置されていると共に、前記予備硬化部が前記周囲領域と重複する位置に配置されていると好適である。

この構成によれば、伝熱部材の全体が接着シートと重複するので、伝熱部材の全体が接着シートを介して放熱部材に接着され、接着強度を適正に確保することができる。また、伝熱部材に設定される周囲領域に対して押圧力を作用させることで、発熱素子への直接的な加圧を避けながら、発熱ユニットと放熱部材との熱圧着を行うことができる。よって、発熱素子の性能を適正に維持しながら熱圧着を行うことができる。この場合において、予備硬化部が周囲領域と重複する位置に配置されるので、押圧力が加えられる周囲領域に対応する部分において特に、接着シートを所望の厚さ以上に維持することができる。

また、前記伝熱部材は、前記厚さ方向に見て矩形状であり、前記厚さ方向に見て、複数の前記予備硬化部が、矩形枠状の前記周囲領域における四隅部分のそれぞれと重複する位置に配置されていると好適である。

この構成によれば、加工性に優れた矩形状の伝熱部材を用い、簡易かつ低コストに発熱素子放熱装置を得ることができる。また、少なくとも４つの予備硬化部が、矩形枠状の周囲領域における四隅部分のそれぞれと重複する位置に配置されるので、周囲領域に対応する部分の全体において、接着シートの厚さを均等化することができる。

本発明に係る、発熱素子を含む発熱ユニットと、電気的絶縁性及び伝熱性を有する接着シートを介して前記発熱ユニットに接着される放熱部材と、を備えた発熱素子放熱装置の製造方法の特徴構成は、前記接着シートを前記放熱部材の載置面に載せた状態で、前記接着シートの一部を加熱すると同時に前記接着シートの厚さ方向に加圧して予備硬化部を形成する予備硬化工程と、前記予備硬化工程の後、前記接着シートにおける前記放熱部材側とは反対側の面に前記発熱ユニットを載せ、前記発熱ユニットと前記放熱部材とにより前記接着シートを挟んだ状態で熱圧着を行い、前記発熱ユニットと前記放熱部材とを接着させる熱圧着工程と、を有する点にある。

この特徴構成によれば、熱圧着工程よりも前に行われる予備硬化工程により、接着シートの一部に予備硬化部が形成される。予備硬化工程では、加圧しながら加熱することで、密度（強度）を高めながら硬化させて予備硬化部を形成することができる。その際、放熱部材に接着シートを載せた状態で、放熱部材の載置面を基準として高精度な厚さ管理を行いながら予備硬化部を形成することができる。この予備硬化部は、それ以降に行われる熱圧着工程において、発熱ユニットと放熱部材との間に所定間隔を確保させるための一種のスペーサとして機能する。よって、発熱ユニットと放熱部材との接着の際に、予備硬化部の厚さに応じて接着シートが薄くなり過ぎることを抑制でき、発熱ユニットと放熱部材との間の電気的絶縁性の確保が容易となる。従って、所望される耐電圧を簡易かつ適切に確保することができる発熱素子放熱装置を容易に製造できる。

インバータ装置の回路構成を模式的に示すブロック図 インバータ装置の部分斜視図 配置工程での状態を示す模式図 予備硬化工程での状態を示す模式図 予備硬化工程終了時の接着シートの一例を示す図 熱圧着工程での状態を示す模式図 熱圧着工程での状態を示す模式図 インバータ装置の部分断面図 図８の要部拡大図 予備硬化工程終了時の接着シートの他の例を示す図 予備硬化工程終了時の接着シートの他の例を示す図 予備硬化工程終了時の接着シートの他の例を示す図

本発明に係る発熱素子放熱装置の実施形態について、図面を参照して説明する。発熱素子放熱装置は、発熱素子と放熱部材とを備え、発熱素子からの発生熱を放熱部材により放熱することができるように構成された装置である。このような発熱素子放熱装置の一例として、本実施形態では、図１に示すような、回転電機３を制御するシステムにおけるインバータ装置１を例として説明する。なお、回転電機３は、モータ（電動機）、ジェネレータ（発電機）、並びに必要に応じてモータ及びジェネレータの双方の機能を果たすモータ・ジェネレータのいずれをも含む概念として用いている。

図２に示すように、インバータ装置１は、発熱素子１０を含む発熱ユニットＵと、電気的絶縁性を有するシート部材３０を介して発熱ユニットＵに接着される放熱部材４０と、を備えている。本実施形態では、発熱ユニットＵは発熱素子１０が固定される伝熱部材２０を含んでいる。すなわち、インバータ装置１は、発熱素子１０と、当該発熱素子１０が固定される伝熱部材２０と、絶縁性のシート部材３０を介して伝熱部材２０に接着される放熱部材４０と、を備えている。これらは、放熱部材４０、シート部材３０、伝熱部材２０、及び発熱素子１０の順に積層されている。本実施形態では、これらの積層方向をＺ方向と定義する。また、本実施形態では、互いに直交し、かつ、Ｚ方向にも直交する二方向を、それぞれＸ方向及びＹ方向と定義する。本実施形態では、Ｚ方向が、シート部材３０の厚さ方向に一致している。なお、以下では、Ｚ方向における相対的に発熱素子１０側を「上」と記載する場合がある。

１．インバータ装置の基本構成
インバータ装置１の基本構成について、図１及び図２を参照して説明する。インバータ装置１は、複数（本例では６つ）のスイッチング素子１２を備えたインバータ回路を有する。インバータ回路はブリッジ回路により構成されており、直流電源としてのバッテリ６（各種の二次電池やキャパシタ等）の正極Ｐ側と負極Ｎ側（例えばグランド側）との間に２つのスイッチング素子１２が直列に接続され、この直列回路が３つ並列に接続されている。各スイッチング素子１２には、整流素子１６がそれぞれ並列接続されている。直列接続される一対のスイッチング素子１２はそれぞれ、回転電機３の各相のステータコイル４に接続されている。そして、各スイッチング素子１２は、制御回路（図示せず）からの制御信号に従ってそれぞれ個別にスイッチング制御される。

本実施形態では、スイッチング素子１２として、半導体素子（本例では能動素子）の一種であるＩＧＢＴ（insulated gate bipolar transistor）を用いている。なお、スイッチング素子１２として、バイポーラ型、電界効果型、ＭＯＳ型など種々の構造のパワートランジスタを用いることも可能である。また、整流素子１６として、半導体素子（本例では能動素子）の一種であるダイオードを用いている。スイッチング素子１２及び整流素子１６は、通電されたときに損失が熱エネルギー（ジュール熱）として発散されて発熱する。本実施形態では、スイッチング素子１２及び整流素子１６が、本発明における「発熱素子１０」に相当する。

発熱素子１０であるスイッチング素子１２及び整流素子１６は、伝熱部材２０に固定されている。伝熱部材２０は、導電性の材料により構成されている。また、伝熱部材２０は、伝熱性の高い材料により構成されている。伝熱部材２０は、例えば銅やアルミニウム等の金属材料からなる板状部材とすることができる。伝熱部材２０は、例えば板状の金属板を用いて打ち抜き加工により形成することができる。伝熱部材２０は、発熱素子１０からの発生熱を放熱部材４０側に拡散させるヒートスプレッダとして機能する。伝熱部材２０は、Ｚ方向視で矩形状（長方形状）に形成されている。ここで、Ｚ方向視とは、伝熱部材２０やシート部材３０等の厚さ方向でもあるＺ方向に見た状態である。また、矩形状とは、全体として略矩形状であることを表し、角部が円弧状とされたり面取りされたりしても良い。

本実施形態では、１つの伝熱部材２０にスイッチング素子１２及び整流素子１６が１つずつ固定されて、１つの発熱ユニットＵが構成されている（図６も参照）。そして、そのような発熱ユニットＵが、複数（本例では６つ）設けられている。図２に示すように、本例では、これら６つの発熱ユニットＵは、互いに所定間隔を隔てて、Ｘ方向に２つ並ぶと共にＹ方向に３つ並ぶように整列して配置されている。

図２に示すように、これら６つの発熱ユニットＵは、本実施形態では共通の（１枚の）シート部材３０を介して放熱部材４０に接着されている。放熱部材４０は、伝熱性の高い材料により構成されている。放熱部材４０は、例えば銅やアルミニウム等の金属材料からなる板状部材とすることができる。放熱部材４０は、発熱素子１０からの発生熱を伝熱部材２０から受け取って放熱させるヒートシンクとして機能する。放熱部材４０は、Ｚ方向視で矩形状（長方形状）に形成されている。放熱部材４０は、Ｚ方向視で６つの発熱ユニットＵ及び１枚のシート部材３０を完全に包含する大きさの矩形状に形成されている。

伝熱部材２０と放熱部材４０との間に介在されるシート部材３０は、熱硬化性樹脂Ｒを主成分として構成されている。熱硬化性樹脂Ｒとは、加熱により硬化する性質を有する樹脂である。熱硬化性樹脂Ｒを主成分として構成されるとは、主要な構成成分が熱硬化性樹脂Ｒであることを表し、他の成分を含有することを許容する概念である。シート部材３０は、加熱されることによって熱硬化性樹脂Ｒが硬化して、当該シート部材３０を挟んで配置される２つの部材（ここでは、伝熱部材２０と放熱部材４０）を接着させることが可能である。つまり、シート部材３０は接着性を有する。

また、熱硬化性樹脂Ｒを主成分として構成されるシート部材３０は、一般的な樹脂材料が有する性質に従い、電気的絶縁性を有する。これにより、伝熱部材２０と放熱部材４０との間が、シート部材３０によって適切に絶縁されている。このように、シート部材３０は、接着シートとして機能すると共に、絶縁シートとして機能する。シート部材３０は、Ｚ方向視で矩形状（長方形状）に形成されている。シート部材３０は、Ｚ方向視で６つの発熱ユニットＵを完全に包含する大きさの矩形状に形成されている。つまり、シート部材３０は、それぞれの伝熱部材２０の接着面２２（図６〜図８を参照）の外縁部よりも外側に延出した状態で、放熱部材４０の載置面４１に接着されている。なお、伝熱部材２０の接着面２２は、シート部材３０を介して放熱部材４０に接着される面である。これにより、シート部材３０における延出部３６のＸＹ平面に沿った長さの分だけ、伝熱部材２０と放熱部材４０との間の沿面距離が確保されている。よって、この点からも両者間の絶縁性がより確実に確保されている。なお、シート部材３０は、Ｚ方向視で放熱部材４０によって完全に包含される大きさとされている。

シート部材３０を構成する熱硬化性樹脂Ｒとしては、公知のものを用いることができ特に限定されない。例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、キシレン樹脂、フラン樹脂、シアン酸エステル樹脂等を例示することができる。電気的絶縁性の観点からは、エポキシ樹脂やフェノール樹脂を好ましく用いることができる。エポキシ樹脂としては、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂やノボラック型エポキシ樹脂、ハロゲン化エポキシ樹脂等を用いることができる。また、フェノール樹脂としては、ノボラック型フェノール樹脂やレゾール型フェノール樹脂等を用いることができる。これらのうちの２種類以上を混合して用いても良い。

シート部材３０は、熱硬化性樹脂Ｒ以外にも他の成分を含有し得る。例えば熱硬化性樹脂Ｒがエポキシ樹脂やフェノール樹脂を用いて構成される場合には、硬化剤及び硬化促進剤を添加することができる。また、必要に応じて、分散剤、酸化防止剤、及び安定剤等を添加することもできる。更に、粘着性付与剤、加工助剤、消泡剤、難燃剤、増粘剤、及び顔料等の、プラスチック配合薬品として一般に用いられるものを適宜添加しても良い。熱硬化性樹脂Ｒに対するこれらの添加割合は、少量（微量）である。

本実施形態では、シート部材３０は、熱硬化性樹脂Ｒよりも伝熱性の高い無機粒子Ｉを含んでいる（図９を参照）。熱硬化性樹脂Ｒを主成分として構成されるシート部材３０は、本来的には、伝熱部材２０や放熱部材４０を構成する金属材料に対して、伝熱性が相対的に低い。そのため、発熱素子１０での発生熱を伝熱部材２０から放熱部材４０へと効率的に伝達することを可能とするべく、熱硬化性樹脂Ｒよりも伝熱性の高い無機粒子Ｉが添加されている。このような無機粒子Ｉは、一般に無機フィラーと呼ばれるものである。無機粒子Ｉとしては、伝熱性及び電気的絶縁性の高い無機材料の粒子を好ましく用いることができる。例えば、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化ガリウム、炭化ケイ素、二酸化ケイ素、及びダイヤモンド等を例示することができる。これらのうちの２種類以上を併用しても良い。

無機粒子Ｉとしては、所定形状の一次粒子が凝集した粒子（凝集粒子）を用いることができる。この凝集粒子には、全体として顆粒状となるように形成された凝集粒子（顆粒状粒子）や、一次粒子の形状が区別できる程度に集合して形成された凝集粒子（集合状粒子）等が含まれる。無機粒子Ｉの粒径は、最終的なシート部材３０の厚さに応じて設定すると良い。なお、無機粒子Ｉの粒径は、レーザー回折・散乱法での粒度分布測定等に基づいて求めることができる。

熱硬化性樹脂Ｒに対する無機粒子Ｉの添加割合は、他の添加剤の添加割合よりも高く設定されている。シート部材３０の全体における無機粒子Ｉの割合は、例えば５０〜９５重量％とすることができる。５０重量％未満であれば、シート部材３０の全体としての伝熱性の向上効果が薄れる可能性がある。９５重量％よりも高いと、熱硬化性樹脂Ｒの量が相対的に少なくなり、接着性能が低下する可能性がある。そこで、上記の範囲内とすることで、シート部材３０の接着性能を適正に維持させながら、全体としての伝熱性を有効に向上させることができる。

本実施形態では、放熱部材４０の、発熱ユニットＵが載せられる載置面４１とは反対側の放熱面４２（図８を参照）から、放熱部材４０に伝達された熱が系外に放出される。すなわち、本実施形態に係るインバータ装置１は、発熱素子１０からの発生熱が、伝熱部材２０からシート部材３０を介して放熱部材４０に効率的に伝達されて、放熱面４２から放熱されるように形成されている。なお、より広い表面積を確保して放熱性能を向上させるため、放熱面４２に板状のフィン部材や柱状のピン部材等が設けられても良い。これらは、放熱部材４０と一体的に設けられても良いし、放熱部材４０とは別体として設けられても良い。

２．インバータ装置の製造方法
本実施形態に係るインバータ装置１の製造方法について、図３〜図９を参照して説明する。本製造方法は、本実施形態に係るインバータ装置１の製造において一般的な、接合工程、配置工程、熱圧着工程、配線工程、及び封止工程を有すると共に、これらに加えて予備硬化工程を更に有する。配置工程、予備硬化工程、熱圧着工程、配線工程、及び封止工程は、記載の順に実行される。接合工程は、熱圧着工程よりも前に実行され、本実施形態では配置工程よりも前に実行される。なお、各図においては、シート部材３０の構成を視覚的に分かりやすくするため、シート部材３０の厚さを実際よりも厚く描いている。

接合工程は、発熱素子１０であるスイッチング素子１２及び整流素子１６を伝熱部材２０に接合する工程である（図示せず）。本実施形態では、接合工程においてはんだリフローを行い、スイッチング素子１２及び整流素子１６と伝熱部材２０とを接合（はんだ接合）する。はんだリフローでは、伝熱部材２０の載置面２１に印刷等により予めはんだを塗布しておき、その上にスイッチング素子１２及び整流素子１６を載せた状態でリフロー炉内に入れる。そして、これらを炉内ではんだの溶融温度以上まで加熱し、伝熱部材２０の載置面２１にスイッチング素子１２及び整流素子１６をはんだ接合して、発熱ユニットＵを形成する。接合工程では、このような発熱ユニットＵが複数（本例では６つ）形成される。

図２から理解できるように、各発熱ユニットＵにおいて、スイッチング素子１２及び整流素子１６は、Ｚ方向視で、伝熱部材２０の中央領域に配置されている。言い換えれば、伝熱部材２０は、スイッチング素子１２及び整流素子１６が載置される素子載置領域２４を、当該伝熱部材２０の載置面２１の中央部に有する。また、伝熱部材２０は、スイッチング素子１２及び整流素子１６（素子載置領域２４）を取り囲むように枠状に形成された周囲領域２５を、載置面２１の周縁部に有する。本実施形態では、素子載置領域２４は矩形状に形成され、それに応じて、周囲領域２５は矩形枠状に形成されている。周囲領域２５にはスイッチング素子１２等の半導体素子は配置されておらず、周囲領域２５の全体で載置面２１が露出している。

配置工程は、シート部材３０を構成する樹脂組成物を放熱部材４０に配置する工程である。図３に示すように、配置工程では、本実施形態では、熱硬化性樹脂Ｒを主成分とする樹脂組成物が、印刷等により放熱部材４０の載置面４１に塗布される。樹脂組成物は、熱硬化性樹脂Ｒ以外に、所定割合で添加された無機粒子Ｉを含有する（図９を参照）。このときの塗布厚さは、最終的にシート部材３０に必要とされる厚さに応じて設定される。より具体的には、伝熱部材２０と放熱部材４０との間の電気的絶縁性を確保可能な絶縁距離Ｌや、無機粒子Ｉの粒径等に基づいて設定される。なお、予めシート状に形成され、かつ、完全には硬化していない状態のシート部材３０を別途取得し、そのシート部材３０を配置工程で使用しても良い。この場合、配置工程では、放熱部材４０の載置面４１にシート部材３０が載せられる。

予備硬化工程は、シート部材３０を放熱部材４０の載置面４１に載せた状態（樹脂組成物を載置面４１に塗布した状態）で、その一部を局所的に加熱して予備硬化を行う工程である。ここで、局所的に加熱するとは、シート部材３０の厚さ方向であるＺ方向視における一部の閉領域のみを加熱することを表す。この場合における閉領域は、１つだけであっても良いし、複数存在しても良い。図４に示すように、予備硬化工程では、熱圧着装置６０に備えられる支持部材６２に放熱部材４０を載せた状態で、シート部材３０（樹脂組成物）の一部をＺ方向に沿って加圧すると同時に加熱する。

具体的には、支持部材６２と、本実施形態ではＺ方向に延びる枠状の支持部６５及び複数の柱状（円柱状）の加熱押圧部６６を有する第一押圧部材６４とで、放熱部材４０及びシート部材３０（樹脂組成物）を挟持する。その状態で、支持部材６２側に向かって第一押圧部材６４を押し付けながら加熱押圧部６５を発熱させることで、シート部材３０（樹脂組成物）の一部をＺ方向に沿って加圧すると同時に加熱する。これにより、熱硬化性樹脂Ｒのうち加熱された部分が硬化し、図４及び図５に示すように、シート部材３０（樹脂組成物）の一部に、複数の予備硬化部３２がＺ方向視で点状に形成される。

予備硬化部３２は、その後の熱圧着工程において、発熱ユニットＵと放熱部材４０とが接着される際に両者に挟まれることになる接着領域３８の一部に形成される。このとき、複数の予備硬化部３２は、Ｚ方向視で接着領域３８内に分散配置するように形成される。本実施形態では、接着領域３８は、伝熱部材２０の全体に対応する領域である。なお、図４及び図５では、１つの発熱ユニットＵに対応する領域のみを示している。また、図５では、伝熱部材２０の外縁を一点鎖線で示すと共に、素子載置領域２４と周囲領域２５との境界を二点鎖線で示している。これらの図に示すように、本実施形態では、１つの発熱ユニットＵ当たり、Ｘ方向及びＹ方向に３つずつ並ぶように整列して、計９つの予備硬化部３２が形成される。これらの予備硬化部３２は、各発熱ユニットＵとの接着領域３８において、対称状（本例では点対称状）に配置される。ここで、対称状とは、全体として実質的に対称であることを表す。従って、例えば製造上許容され得る誤差による多少の位置ずれを有する状態となっていても良い。

なお、６つの発熱ユニットＵは、Ｘ方向に２つ並ぶと共にＹ方向に３つ並ぶように配置されている。これに応じて、シート部材３０の全体では、Ｘ方向に６つずつ並ぶと共にＹ方向に９つずつ並ぶように整列して、計５４個の予備硬化部３２が形成される（図示せず）。また、予備硬化部３２以外の領域は、未だ硬化されていない樹脂組成物が残存する未硬化領域３８ｕであり、その後の熱圧着工程において硬化されて主硬化部３４となる領域である。

図４に示すように、予備硬化部３２のそれぞれは、シート部材３０の厚さ方向であるＺ方向の全域に亘って連続するように形成される。すなわち、予備硬化部３２は、Ｚ方向に沿った柱状（円柱状）に形成される。本実施形態では、一様な厚さを有する樹脂組成物の一部を局所的にＺ方向に沿って加圧及び加熱して予備硬化部３２を形成するので、予備硬化部３２のＺ方向に沿った厚さＴ１は、未硬化領域３８ｕの厚さＴ２よりも小さい。例えば、未硬化領域３８ｕの厚さＴ２の０．８倍以下となるように設定することができる。このような厚さであれば、その後の熱圧着工程における、未硬化領域３８ｕでの熱圧着の確実性を適切に担保できる。

また、本実施形態では、予備硬化部３２の厚さＴ１は、伝熱部材２０と放熱部材４０との間の電気的絶縁性を確保することや、無機粒子Ｉの粒径等を考慮して設定される。より具体的には、予備硬化部３２の厚さＴ１は、発熱ユニットＵと放熱部材４０との間の電気的絶縁性を確保可能な絶縁距離（空間距離）Ｌ以上となるように設定される（図９を参照）。なお、絶縁距離Ｌは、絶縁性能を検証するための予備実験等に基づいて予め経験的に求めることができる。また、予備硬化部３２の厚さＴ１は、無機粒子Ｉの最大径Ｄｘよりも大きくなるように設定される。例えば、無機粒子Ｉの最大径Ｄｘの１．５倍以上となるように設定することができる。ここで、無機粒子Ｉの最大径Ｄｘとは、所定の粒度分布を示す無機粒子Ｉの粒径の最大値である。このように、本実施形態では、絶縁距離Ｌ以上であり、かつ、無機粒子Ｉの最大径Ｄｘよりも大きくなるように、予備硬化部３２の厚さＴ１が設定される。このとき、本実施形態では、全ての予備硬化部３２の厚さＴ１が一律に設定される。

予備硬化部３２の厚さ管理は、第一押圧部材６４により行うことができる。本実施形態では、狙いとする予備硬化部３２の厚さＴ１に応じて、支持部６５及び加熱押圧部６６のサイズを所定の関係とすることで厚さ管理を行う。具体的には、加熱押圧部６６の下面６６ａのＺ方向の位置と支持部６５の下面６５ａのＺ方向の位置との差を、狙いとする予備硬化部３２の厚さＴ１に一致させるように第一押圧部材６４を形成する。このようにすれば、予備硬化部３２の厚さ管理を容易に行うことができる。

このように、本実施形態に係るシート部材３０は、放熱部材４０と発熱ユニットＵ（伝熱部材２０）との接着前（熱圧着工程前）に局所的に加熱されてなる予備硬化部３２を有する。そして、接着領域３８内の未硬化領域３８ｕに分散配置された複数の予備硬化部３２を有するシート部材３０が、放熱部材４０の載置面４１に載せられた状態で、熱圧着工程に提供される。

熱圧着工程は、シート部材３０における放熱部材４０側とは反対側の面に発熱ユニットＵを載せ、放熱部材４０と発熱ユニットＵとによりシート部材３０を挟んだ状態で熱圧着を行う工程である。なお、以下では特定の１つの発熱ユニットＵに注目して説明するが、他の発熱ユニットＵについても、同様の操作が行なわれるものとする。熱圧着工程では、Ｚ方向視で、発熱ユニットＵ（伝熱部材２０）の全体がシート部材３０と重複する位置に配置される（図５も参照）。そして、放熱部材４０と伝熱部材２０とでシート部材３０を挟んだ状態で、伝熱部材２０の接着面２２の全体をシート部材３０に熱圧着して、放熱部材４０と発熱ユニットＵ（伝熱部材２０）とを接着させる。

具体的には、図７に示すように、支持部材６２と、本実施形態ではＺ方向に延びる矩形枠状の押圧部６９を有する第二押圧部材６８とで、放熱部材４０、シート部材３０（複数の予備硬化部３２を有する状態の樹脂組成物）、及び発熱ユニットＵを挟持する。その状態で、全体を加熱しながら、支持部材６２側に向かって第二押圧部材６８を押し付けることで、シート部材３０（樹脂組成物）の全体をＺ方向に沿って加圧すると同時に加熱する。これにより、未硬化領域３８ｕにある熱硬化性樹脂Ｒが硬化し、シート部材３０における接着領域３８の全体に主硬化部３４が形成される。なお、その際、伝熱部材２０の外縁から外側にはみ出た領域にある熱硬化性樹脂Ｒも硬化し、延出部３６が形成される。

なお、本実施形態では、熱圧着工程では、矩形枠状の押圧部６９は、伝熱部材２０の載置面２１の中央部に設定された素子載置領域２４を押圧することなく、載置面２１の周縁部（素子載置領域２４の外側）に設定された矩形枠状の周囲領域２５のみを押圧する。これにより、発熱素子１０（本例では、半導体素子であるスイッチング素子１２及び整流素子１６）への直接的（物理的）な加圧を避けながら、放熱部材４０と発熱ユニットＵとの熱圧着を行うことができる。その際、伝熱部材２０の接着面２２の全体に均等に加重をかけつつ熱圧着を行うことができる。よって、発熱素子１０の性能を適正に維持しながら熱圧着を行うことができる。

配線工程は、スイッチング素子１２と端子（図示せず）との間を電気的に接続する工程である。配線工程は、例えば公知のワイヤボンディング工程により実施することができる。封止工程は、封止材によって、発熱素子１０、伝熱部材２０、シート部材３０、及び放熱部材４０を封止する工程である。封止工程は、例えば電子工業用エポキシ樹脂等の公知の封止材を用いて、公知のモールド工程により実施することができる。以上説明した各工程を経て、インバータ装置１が製造される。なお、図２及び図８では、配線や封止材等を省略して描いている。

このように、シート部材３０は、放熱部材４０と発熱ユニットＵとの接着前の加熱により局所的に硬化された予備硬化部３２と、発熱ユニットＵと放熱部材４０との接着時の熱圧着により全面的に硬化された主硬化部３４とを有する。すなわち、シート部材３０は、図８に示すように、放熱部材４０と発熱ユニットＵとを接着させる主硬化部３４とは別に、これらの接着前において接着領域３８の一部に局所的に形成される複数の柱状の予備硬化部３２を有する。予備硬化部３２は、予備硬化工程において既に硬化されているので、その後の熱圧着工程において放熱部材４０と発熱ユニットＵとを熱圧着する際には、両者間に所定間隔を確保させるための一種のスペーサとして機能する。

本実施形態では、図９に示すように、予備硬化部３２の厚さＴ１は、上述した絶縁距離Ｌ以上であり、かつ、無機粒子Ｉの最大径Ｄｘよりも大きくなるように設定される。よって、スペーサとして機能する予備硬化部３２は、放熱部材４０と発熱ユニットＵとの間に、絶縁距離Ｌ以上であってかつ無機粒子Ｉの最大径Ｄｘよりも大きい隙間を形成させる。よって、放熱部材４０と発熱ユニットＵとの間の空間距離を絶縁距離Ｌ以上として、電気的絶縁性を確実に確保することができる。また、放熱部材４０と発熱ユニットＵとの熱圧着時に、最大径Ｄｘを有する無機粒子Ｉが、放熱部材４０の載置面４１と伝熱部材２０の接着面２２との双方に接する状態となるまで押圧されることが回避される。よって、無機粒子Ｉとシート部材３０を構成する樹脂成分（主に主硬化部３４）との界面の状態が適正に維持される。つまり、両者の界面部分に空隙等が生じることが有効に抑制されるので、放熱部材４０と発熱ユニットＵとの間の電気的絶縁性を適切に確保することができる。

更に本実施形態では、熱圧着工程において矩形枠状の周囲領域２５のみを押圧することに対応して、予備硬化部３２と周囲領域２５とが、Ｚ方向視で互いに重複する位置に配置されている。このような構成は、予備硬化工程において、周囲領域２５の位置を考慮して複数の予備硬化部３２を形成すると共に、熱圧着工程において、複数の予備硬化部３２と周囲領域２５とが重なるようにシート部材３０に伝熱部材２０を載せることで実現できる。

ところで、周囲領域２５のみを押圧する場合には、発熱素子１０の性能を適正に維持しながら熱圧着を行うことができる反面、周囲領域２５に対応するシート部材３０の領域に応力が集中しやすい。このような点を考慮し、本実施形態では、Ｚ方向視で周囲領域２５と重複する位置に、複数の予備硬化部３２を配置している。これにより、シート部材３０における応力が集中しやすい部分で特に、放熱部材４０と発熱ユニットＵとの間隔を所定間隔以上に維持することができる。更に本実施形態では、Ｚ方向視で、矩形枠状の周囲領域２５における４つの隅部２５ａのそれぞれと重複する位置に、予備硬化部３２が配置されている。よって、周囲領域２５に対応する部分の全体において、放熱部材４０と発熱ユニットＵとの間隔を均等化することができる。

なお、本実施形態では、図５に示すように、Ｚ方向視で、矩形枠状の周囲領域２５における４つの辺部の各中央部のそれぞれと重複する位置や、素子載置領域２４の中央部と重複する位置にも、予備硬化部３２が配置されている。これにより、接着領域３８の全体で、放熱部材４０と発熱ユニットＵとの間隔を、均等化しつつ所定間隔以上に維持することが可能となっている。

以上説明したように、本実施形態に係るインバータ装置１では、熱硬化性樹脂Ｒを主成分とする絶縁性のシート部材３０を介して放熱部材４０と発熱ユニットＵとを熱圧着させる際に、両者間の距離を容易に所望の間隔以上に維持することができる。よって、放熱部材４０と発熱ユニットＵとの間の電気的絶縁性の確保が容易となり、所望される耐電圧を簡易かつ適切に確保することができる。

３．その他の実施形態
最後に、本発明に係る発熱素子冷却装置の、その他の実施形態について説明する。なお、以下のそれぞれの実施形態で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することも可能である。

（１）上記の実施形態では、予備硬化工程により、シート部材３０の一部に複数の予備硬化部３２がＺ方向視で点状に形成される構成を例として説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されない。例えば図１０に示すように、シート部材３０の一部に、連続する１つの予備硬化部３２がＺ方向視で枠状（図示の例では矩形枠状）に形成される構成としても良い。この場合において、矩形枠状の予備硬化部３２は、上記の実施形態と同様に、Ｚ方向視で周囲領域２５と重複する位置に配置されることが好ましい。なお、周囲領域２５の形状は、伝熱部材２０の形状に応じたものとなる。そのため、予備硬化部３２は、伝熱部材２０の形状に応じて、矩形以外の形状を有する枠状に形成されても良い。なお、伝熱部材２０の形状と無関係に、矩形以外の形状を有する枠状に形成されても良い。

また、例えば図１１に示すように、予備硬化工程により、シート部材３０の一部に複数の予備硬化部３２がＺ方向視で線状に形成される構成としても良い。図示の例では、Ｚ方向視で、矩形枠状の周囲領域２５における２つの短辺部のそれぞれと重複する位置に、２つの直線状の予備硬化部３２が配置されている。また、これら２つの予備硬化部３２の間に、素子載置領域２４と周囲領域２５とに跨って重複するように、もう１つの直線状の予備硬化部３２が配置されている。これら３つの予備硬化部３２は、Ｙ方向に沿って互いに平行に配置されている。なお、２つの又は４つ以上の直線状の予備硬化部３２が形成されても良い。また、複数の予備硬化部３２が、Ｘ方向に沿って互いに平行に配置されても良いし、或いは、互いに交差（例えば直交）するように配置されても良い。更に、例えば図１２に示すように、複数の予備硬化部３２が、矩形枠状の周囲領域２５における４つの隅部２５ａのそれぞれと重複する位置に、折線状に形成されても良い。

なお、複数の予備硬化部３２がＺ方向視で点状に形成される場合において、例えば図１２に示すように、その断面形状が多角形状（図示の例では矩形状）とされても良い。この場合、予備硬化部３２は、多角柱状（四角柱状）に形成されることになる。更に、Ｚ方向視で点状の予備硬化部３２、Ｚ方向視で枠状の予備硬化部３２、及びＺ方向視で線状の予備硬化部３２の２つ以上が並存しても良い。図１２には、４つの折線状の予備硬化部３２と３つの矩形点状の予備硬化部３２とが混在する場合の例を示している。要するに、予備硬化部３２は、シート部材３０における接着領域３８の一部に形成されるものであれば良く、その個数、位置、形状、及び配置関係等は任意に設定することが可能である。

（２）上記の実施形態では、複数の予備硬化部３２が、Ｚ方向視で周囲領域２５における４つの隅部２５ａ及び４つの辺部、並びに素子載置領域２４の中央部とそれぞれ重複する位置に配置された構成を例として説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されない。例えば、複数の予備硬化部３２が、Ｚ方向視で周囲領域２５と重複する位置にのみ配置された構成としても良い（図１０も参照）。この場合において、複数の予備硬化部３２が、Ｚ方向視で４つの隅部２５ａと重複する位置にのみ配置され、又は、４つの辺部と重複する位置にのみ配置された構成としても良い。

（３）上記の実施形態では、予備硬化部３２の厚さＴ１が、絶縁距離Ｌ以上であり、かつ、無機粒子Ｉの最大径Ｄｘよりも大きくなるように設定される例について説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されない。すなわち、絶縁距離Ｌ及び最大径Ｄｘのいずれか一方のみに基づいて、予備硬化部３２の厚さＴ１が設定されても良い。なお、最大径Ｄｘの条件に加えて、又はこれに代えて、無機粒子Ｉの基準径に基づいて予備硬化部３２の厚さＴ１が設定されても良い。ここで、無機粒子Ｉの基準径は、所定の粒度分布を示す無機粒子Ｉの平均径、モード径、又はメジアン径（例えばｄ５０）等とすることができる。また、複数の予備硬化部３２が形成される場合において、これらの厚さが、一律ではなく一部異なるように設定されても良い。例えば、複数の予備硬化部３２の厚さが、形成される位置に応じて異なるように設定されても良い。一例として、Ｚ方向視で周囲領域２５と重複する位置に形成された予備硬化部３２の厚さが、素子載置領域２４のみと重複する位置に形成された予備硬化部３２の厚さよりも大きく設定されても良い。

（４）上記の実施形態では、発熱素子１０が、能動素子であるスイッチング素子１２及び整流素子１６である場合の例について説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されない。例えば発熱素子１０が、他の能動素子である場合や、抵抗素子やコンデンサ素子等の受動素子である場合等にも、本発明を好適に適用することができる。

（５）上記の実施形態では、接合工程が配置工程よりも前に実行される場合の想定例について説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されない。接合工程は、少なくとも熱圧着工程よりも前に実行されれば好適であり、接合工程と配置工程との間、配置工程と予備硬化工程との間、又は予備硬化工程と熱圧着工程との間に実行されても良い。或いは、接合工程、配置工程、又は予備硬化工程と同時に実行されても良い。なお、時間的及び／又は地理的に異なる場所で実行される接合工程で形成される発熱ユニットＵを別途取得し、その発熱ユニットＵを熱圧着工程に提供する構成としても良い。

（６）その他の構成に関しても、本明細書において開示された実施形態は全ての点で例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されない。すなわち、本願の特許請求の範囲に記載されていない構成に関しては、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。

本発明は、半導体素子等の発熱素子を含む発熱ユニットを備えた半導体装置等に利用することができる。

１ ：インバータ装置（発熱素子放熱装置）
１０ ：発熱素子
１２ ：スイッチング素子
１６ ：整流素子
２０ ：伝熱部材
２１ ：載置面
２２ ：接着面
２５ ：周囲領域
２５ａ ：隅部
３０ ：シート部材（接着シート）
３２ ：予備硬化部
３４ ：主硬化部
３８ ：接着領域
４０ ：放熱部材
４１ ：載置面
Ｕ ：発熱ユニット
Ｒ ：熱硬化性樹脂
Ｉ ：無機粒子
Ｔ１ ：予備硬化部の厚さ
Ｔ２ ：未硬化領域の厚さ
Ｌ ：絶縁距離
Ｄｘ ：無機粒子の最大径

Claims (8)

1. 発熱素子を含む発熱ユニットと、電気的絶縁性及び伝熱性を有する接着シートを介して前記発熱ユニットに接着される放熱部材と、を備えた発熱素子放熱装置であって、
   前記接着シートは、熱硬化性樹脂を主成分として構成されていると共に、前記発熱ユニットと前記放熱部材との接着前の加熱により硬化された予備硬化部と、前記発熱ユニットと前記放熱部材との接着時の熱圧着により硬化された主硬化部とを有し、
   前記予備硬化部は、前記接着時に前記発熱ユニットと前記放熱部材とに挟まれる領域である接着領域の一部に形成されている発熱素子放熱装置。
2. 前記接着シートの厚さ方向に見て、複数の前記予備硬化部が前記接着領域内に分散配置され、複数の前記予備硬化部のそれぞれは、前記厚さ方向の全域に亘って連続するように形成されている請求項１に記載の発熱素子放熱装置。
3. 前記予備硬化部は、加熱されるのと同時に前記接着シートの厚さ方向に加圧されて形成され、
   前記予備硬化部の厚さが、前記発熱ユニットと前記放熱部材との接着後に前記主硬化部となる領域の前記接着前の厚さよりも小さい請求項１又は２に記載の発熱素子放熱装置。
4. 前記予備硬化部は、加熱されるのと同時に前記接着シートの厚さ方向に加圧されて形成され、
   前記予備硬化部の厚さが、前記発熱ユニットと前記放熱部材との間の電気的絶縁性を確保可能な絶縁距離以上である請求項１から３のいずれか一項に記載の発熱素子放熱装置。
5. 前記接着シートは、前記熱硬化性樹脂よりも伝熱性の高い無機粒子を含み、
   前記予備硬化部は、加熱されるのと同時に前記接着シートの厚さ方向に加圧されて形成され、
   前記予備硬化部の厚さが、前記無機粒子の最大径よりも大きい請求項１から４のいずれか一項に記載の発熱素子放熱装置。
6. 前記発熱ユニットは、前記発熱素子が固定される伝熱部材を含み、
   前記伝熱部材は、前記接着シートの厚さ方向に見て前記発熱素子を取り囲む領域である周囲領域を有し、
   前記厚さ方向に見て、前記伝熱部材の全体が前記接着シートと重複する位置に配置されていると共に、前記予備硬化部が前記周囲領域と重複する位置に配置されている請求項１から５のいずれか一項に記載の発熱素子放熱装置。
7. 前記伝熱部材は、前記厚さ方向に見て矩形状であり、
   前記厚さ方向に見て、複数の前記予備硬化部が、矩形枠状の前記周囲領域における四隅部分のそれぞれと重複する位置に配置されている請求項６に記載の発熱素子放熱装置。
8. 発熱素子を含む発熱ユニットと、電気的絶縁性及び伝熱性を有する接着シートを介して前記発熱ユニットに接着される放熱部材と、を備えた発熱素子放熱装置の製造方法であって、
   前記接着シートを前記放熱部材の載置面に載せた状態で、前記接着シートの一部を加熱すると同時に前記接着シートの厚さ方向に加圧して予備硬化部を形成する予備硬化工程と、
   前記予備硬化工程の後、前記接着シートにおける前記放熱部材側とは反対側の面に前記発熱ユニットを載せ、前記発熱ユニットと前記放熱部材とにより前記接着シートを挟んだ状態で熱圧着を行い、前記発熱ユニットと前記放熱部材とを接着させる熱圧着工程と、
   を有する発熱素子放熱装置の製造方法。
   

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