JP2014040533A - 熱硬化性樹脂組成物、熱伝導性樹脂シートの製造方法と熱伝導性樹脂シート、並びに電力用半導体装置 - Google Patents
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【解決手段】熱伝導性のフィラー3を熱硬化性の樹脂マトリクス2中に分散させた熱硬化性樹脂組成物であって、フィラー3は、一次粒子4を凝集させた二次凝集体3であり、樹脂マトリクス2は、硬化後のガラス転移温度が170℃以上であるとともに、硬化が始まる前の100℃における粘度が20Pa・s以下になるように調整されている。
【選択図】図3
Description
本実施の形態1にかかる熱硬化性樹脂組成物は、熱的異方性を有する結晶を凝集させ、熱的に等方性となった熱伝導性無機フィラーを、100℃での溶融粘度が20Pa・s以下になるように調整された耐熱性樹脂マトリクス中に分散させたものである。これにより、後で詳述するように、凝集体内部へ樹脂が浸透して、ボイドの残留を抑制し、耐熱性、熱伝導性、耐絶縁性を兼ね備えた熱伝導性樹脂シートを得ることができるようになる。以下、詳細に説明する。
例えば、ジャパンエポキシレジン(株)より入手可能なビスフェノール型フェノキシ樹脂としては、一般に広く市販されているE1256、E4250やE4275などを用いることが可能である。
例えば、ジャパンエポキシレジン(株)より入手可能な変性ビスフェノール型エポキシ樹脂としては、一般に広く市販されているYL7175−500やYL7175−1000などを用いることが可能である。
本実施の形態の熱伝導性樹脂シートは、上記実施の形態1で説明した熱硬化性樹脂組成物を用いて作成したもので、基本的には熱硬化性樹脂組成物をシート化して硬化させたものである。図3は本実施の形態2にかかる熱伝導性樹脂シートの構成について説明するためのもので、図3(a)は、熱伝導性樹脂シートの断面模式図、図3(b)は図3(a)における部分拡大断面図である。また、図4は比較例にかかる熱硬化性樹脂組成物を用いて作成した熱伝導性樹脂シートの図3(b)の断面図に対応する断面模式図である。また、図5は本実施の形態2にかかる熱伝導性樹脂シートの製造方法を説明するためのフローチャートである。以下、詳細に説明する。
本実施の形態にかかる電力用半導体装置は、発熱源である電力用半導体素子と放熱部材とを絶縁して伝熱接合するための部材として、上記各実施の形態で説明した熱伝導性樹脂シートを用いたものである。図6は本実施の形態3にかかる電力用半導体装置の構成を説明するための断面模式図である。
常温で固形のナフタレン型エポキシ樹脂(EPICLON EXA−4710:DIC株式会社製):20質量部、常温で液状のビスフェノールA型エポキシ樹脂(JER828:三菱化学株式会社製):80質量部、フェノールノボラック樹脂(硬化剤、PSM6842:群栄化学株式会社製):57質量部、メチルエチルケトン(溶剤):237質量部、を添加して撹拌混合した。次に、この混合物に、窒化ホウ素の二次凝集粒子(PTX60:モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ・ジャパン合同株式会社)を、溶剤を除いた全成分の合計体積に対して40体積%となるように添加して予備混合した。この予備混合物を三本ロールにてさらに混練し、窒化ホウ素の二次凝集粒子が均一に分散された熱硬化性樹脂組成物を得た。
実施例1に対して、フェノールノボラック樹脂(硬化剤、PSM6842:群栄化学株式会社製):62質量部、柔軟性付与材(EXA4850−150:DIC株式会社製):20質量部、メチルエチルケトン(溶剤):275質量部に変更した。それ以外の構成については実施例1と同様にして熱硬化性樹脂組成物を得た。
実施例1に対して、常温で固形のナフタレン型エポキシ樹脂(EPICLON EXA−4710:DIC株式会社製):50質量部、常温で液状のビスフェノールA型エポキシ樹脂(JER828:三菱化学株式会社製):50質量部、フェノールノボラック樹脂(硬化剤、TD−2131:DIC株式会社製):59質量部、メチルエチルケトン(溶剤):240質量部に変更した。それ以外の構成については実施例1と同様にして熱硬化性樹脂組成物を得た。
実施例3に対して、フェノールノボラック樹脂(硬化剤、TD−2131:DIC株式会社製):63質量部、柔軟性付与材(EXA4850−150:DIC株式会社製):20質量部、メチルエチルケトン(溶剤):276質量部に変更した。それ以外の構成については実施例3と同様にして熱硬化性樹脂組成物を得た。
実施例1に対して、常温で固形のナフタレン型エポキシ樹脂(EPICLON EXA−4710:DIC株式会社製):100質量部、常温で液状のビスフェノールA型エポキシ樹脂(JER828:三菱化学株式会社製):0質量部、フェノールノボラック樹脂(硬化剤、MEH−7800:明和化成株式会社製):105質量部、メチルエチルケトン(溶剤):309質量部に変更した。それ以外の構成については実施例1と同様にして熱硬化性樹脂組成物を得た。
実施例5に対して、フェノールノボラック樹脂(硬化剤、MEH−7800:明和化成株式会社製):113質量部、柔軟性付与材(EXA4850−150:DIC株式会社製):20質量部、メチルエチルケトン(溶剤):351質量部に変更した。それ以外の構成については実施例5と同様にして熱硬化性樹脂組成物を得た。
実施例3に対して、窒化ホウ素の二次凝集粒子をサンゴバンに変更したそれ以外の構成については実施例3と同様にして熱硬化性樹脂組成物を得た。
実施例3に対して、窒化ホウ素の二次凝集粒子(PTX60:モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ・ジャパン合同株式会社)の、溶剤を除いた全成分の合計体積に対する割合を変更した。それ以外の構成については実施例3と同様にして熱硬化性樹脂組成物を得た。
実施例1に対して、常温で固形のナフタレン型エポキシ樹脂(EPICLON EXA−4710:DIC株式会社製):90質量部、常温で液状のビスフェノールA型エポキシ樹脂(JER828:三菱化学株式会社製):10質量部、フェノールノボラック樹脂(硬化剤、TD−2131:DIC株式会社製):62質量部、メチルエチルケトン(溶剤):244質量部に変更した。それ以外の構成については実施例1と同様にして熱硬化性樹脂組成物を得た。
実施例9に対して、常温で固形のナフタレン型エポキシ樹脂(EPICLON EXA−4710:DIC株式会社製):100質量部、常温で液状のビスフェノールA型エポキシ樹脂(JER828:三菱化学株式会社製):0質量部に変更した。それ以外の構成については実施例9と同様にして熱硬化性樹脂組成物を得た。
常温で固形のナフタレン型エポキシ樹脂(EPICLON EXA−4710:DIC株式会社製):0質量部、常温で液状のビスフェノールA型エポキシ樹脂(JER828:三菱化学株式会社製):100質量部、フェノールノボラック樹脂(硬化剤、TD−2131:DIC株式会社製):56質量部、メチルエチルケトン(溶剤):236質量部を添加して攪拌混合した。次に、この混合物に、窒化ホウ素の二次凝集粒子(PTX60:モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ・ジャパン合同株式会社)を、溶剤を除いた全成分の合計体積に対して40体積%となるように添加して予備混合した。この予備混合物を三本ロールにてさらに混練し、窒化ホウ素の二次凝集粒子が均一に分散された熱硬化性樹脂組成物を得た。
比較例1に対して、常温で固形のナフタレン型エポキシ樹脂(EPICLON EXA−4710:DIC株式会社製):60質量部、常温で液状のビスフェノールA型エポキシ樹脂(JER828:三菱化学株式会社製):40質量部、フェノールノボラック樹脂(硬化剤、PSM6842:群栄化学株式会社製):65質量部、柔軟性付与材(EXA4850−150:DIC株式会社製):20質量部、メチルエチルケトン(溶剤)の添加量を279質量部に変更した。それ以外の構成については比較例1と同様にして熱硬化性樹脂組成物を得た。
比較例2に対して、常温で固形のナフタレン型エポキシ樹脂(EPICLON EXA−4710:DIC株式会社製):50質量部、常温で液状のビスフェノールA型エポキシ樹脂(JER828:三菱化学株式会社製):50質量部、フェノールノボラック樹脂(硬化剤、PSM6842:群栄化学株式会社製):64質量部、メチルエチルケトン(溶剤)の添加量を277質量部に変更した。それ以外の構成については比較例2と同様にして熱硬化性樹脂組成物を得た。
比較例1に対して、常温で固形のナフタレン型エポキシ樹脂(EPICLON EXA−4710:DIC株式会社製):100質量部、常温で液状のビスフェノールA型エポキシ樹脂(JER828:三菱化学株式会社製):0質量部、フェノールノボラック樹脂(硬化剤、PSM6842:群栄化学株式会社製):63質量部を用い、メチルエチルケトン(溶剤)の添加量を246質量部に変更した。それ以外の構成については比較例1と同様にして熱硬化性樹脂組成物を得た。
比較例4に対して、フェノールノボラック樹脂(硬化剤、PSM6842:群栄化学株式会社製):68質量部を用い、柔軟性付与材(EXA4850−150:DIC株式会社製):20質量部、メチルエチルケトン(溶剤)の添加量を283質量部に変更した。それ以外の構成については比較例4と同様にして熱硬化性樹脂組成物を得た。
1種類目の評価用シート(第1評価用シートと称す)は、はじめに、各評価サンプルの熱硬化性樹脂組成物をそれぞれ、厚さ105μmの放熱部材上にドクターブレード法にて塗布した後、110℃で15分間、加熱乾燥させることによって、厚さが100μmの塗布乾燥物を得た。次に、放熱部材上に形成した塗布乾燥物を、塗布乾燥物側が内側になるように2枚重ねた後、5MPaのプレス圧で加圧しながら100℃で20分間加熱することで半硬化(ステップS30)状態の熱伝導性樹脂シートを得た。これをさらに5MPaのプレス圧で加圧しながら200℃で3時間加熱することで、半硬化状態の熱伝導性樹脂シートを完全に硬化させ、熱伝導性樹脂シート(厚さ200μm)が2つの放熱部材に挟まれた第1評価用シートを得た。
2:耐熱性樹脂マトリクス(樹脂マトリクス)、
3:二次凝集粒子(二次凝集体、フィラー)、
4:一次粒子、
10:電力用半導体装置、
12C、12P:リードフレーム、
13:電力半導体素子、
14:ヒートシンク(放熱部材)、
15:制御用半導体素子、
16C、16P:ボンディングワイヤ、
17:封止樹脂。
Claims (11)
- 熱伝導性のフィラーを熱硬化性の樹脂マトリクス中に分散させた熱硬化性樹脂組成物であって、
前記フィラーは、一次粒子を凝集させた二次凝集体であり、
前記樹脂マトリクスは、硬化後のガラス転移温度が170℃以上であるとともに、硬化が始まる前の100℃における粘度が20Pa・s以下になるように調整されていることを特徴とする熱硬化性樹脂組成物。 - 前記一次粒子は、方向によって熱伝導率が異なる熱的異方性を有する結晶であり、
前記二次凝集体は、前記熱的異方性を有する結晶を、等方性を有するように凝集させたものであることを特徴とする請求項1に記載の熱硬化性樹脂組成物。 - 前記一次粒子は、窒化ホウ素の結晶であることを特徴とする請求項1または2に記載の熱硬化性樹脂組成物。
- 前記二次凝集体は、前記窒化ホウ素の結晶を凝集して焼結させたものであることを特徴とする請求項3に記載の熱硬化性樹脂組成物。
- 前記樹脂マトリクスの硬化が始まる前の軟化点が60℃以下であることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載の熱硬化性樹脂組成物。
- 前記樹脂マトリクスの主構成材料が、エポキシ樹脂とフェノール硬化剤であることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1項に記載の熱硬化性樹脂組成物。
- 請求項1ないし6のいずれか1項に記載の熱硬化性樹脂組成物の塗膜を形成する工程と、
前記塗膜を加熱し、前記樹脂マトリクスの溶融状態を所定時間保った後に硬化させる工程と、
を含むことを特徴とする熱伝導性樹脂シートの製造方法。 - 請求項7に記載の熱伝導性樹脂シートの製造方法によって製造されたことを特徴とする熱伝導性樹脂シート。
- 放熱部材と、
請求項8に記載の熱伝導性樹脂シートを介して前記放熱部材に接合された電力用半導体素子と、
を備えたことを特徴とする電力用半導体装置。 - 前記電力用半導体素子がワイドバンドギャップ半導体材料により形成されていることを特徴とする請求項9に記載の電力用半導体装置。
- 前記ワイドバンドギャップ半導体材料は、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料、およびダイヤモンドのうちのいずれかであることを特徴とする請求項10に記載の電力用半導体装置。
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