JP2019114729A - 熱伝導性絶縁接着シート、および該シートの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
例えば、特許文献1には、金属板、はんだ層、および半導体チップがこの順に積層された半導体モジュールと、放熱部材とを含むパワー半導体装置であって、前記金属板と前記放熱部材との間に、エポキシ樹脂、ノボラック樹脂硬化剤、α−アルミナ、および窒化ホウ素等とを含有するエポキシ樹脂組成物の硬化体が配置されたパワー半導体装置が開示されている。
また、部材の軽量化を狙い、上記課題を高分子材料を用いて克服しようとする試みも始まり、絶縁性を高めた高分子材料に熱伝導性粒子を混合した熱伝導性絶縁接着部材の開発も進んでいるが、パワー半導体装置に好適な複合部材として、高い熱伝導性と絶縁性との両立は、十分ではないのが現状である。
さらに、パワー半導体装置の作製工程を簡素化するために、熱伝導性絶縁接着シートの接着および硬化工程における加熱・加圧時間の短時間化が要求される。
特許文献4においても、180℃、1時間の加熱硬化を要する。
すなわち、本発明は、下記[1]〜[8]に関する。
[1] 複数の層(A)と、1層以上の層(B)とを有し、複数の層(A)と1層以上の層(B)とは、層(B)が最外層には位置しないように交互に積層されてなる熱伝導性絶縁接着シートであって、下記条件(1)〜(3)の全てを満たす、熱伝導性絶縁接着シートに関する。
(1) 複数の層(A)が、熱伝導性フィラー(F)と熱硬化性樹脂(R)と硬化剤(C)とを含有し、硬化促進剤(D)を含有し得る熱硬化型組成物の未硬化物および/または半硬化物である。
(2) 層(B)が、熱伝導性フィラー(F)と熱硬化性樹脂(R)と硬化剤(C)と硬化促進剤(D)とを含有する熱硬化型組成物の未硬化物および/または半硬化物である。
(3) 複数の層(A)のうち最も外側に位置する最外層(Aout)に含まれる熱伝導性フィラー(F)の質量が、層(B)に含まれ得る熱伝導性フィラー(F)の質量よりも相対的に多い。
層(B)は、熱伝導性フィラー(F)として窒化ホウ素フィラー(F2)を含有し、熱伝導性球状フィラー(F1)を含み得るものである、上記[1]〜[6]いずれかに記載の熱伝導性絶縁接着シートに関する。
(101) 熱伝導性フィラー(F)と熱硬化性樹脂(R)と硬化剤(C)とを含有し、硬化促進剤(D)を含有し得る熱硬化型組成物シート(A’)を複数用意する工程。
(102) 熱伝導性フィラー(F)と熱硬化性樹脂(R)と硬化剤(C)と硬化促進剤(D)とを含有する熱硬化型組成物シート(B’)をであって、複数のシート(A’)のうち積層後に最も外側に位置する予定の最外層用シート(A’out)に含まれる熱伝導性フィラー(F)の質量が、シート(B’)に含まれ得る熱伝導性フィラー(F)の質量よりも相対的に多い、熱硬化型組成物シート(B’)を用意する工程。
(103) 前記シート(B’)が最外層にはならないように、前記シート(A’)と前記シート(B’)とを交互に積層し、加圧する工程。
本明細書において、熱伝導性絶縁接着シートの加熱・加圧物(硬化物)を「熱伝導性絶縁膜」と言い、熱発生部材/熱伝導性絶縁膜/放熱部材の放熱ベース基板からなる構造体を「複合部材」と言う。
まず、層(A)に関して説明する。層(A)は熱伝導性フィラー(F)と熱硬化性樹脂(R)と硬化剤(C)とを含有し、硬化促進剤(D)を含有し得る熱硬化型組成物の未硬化物および/または半硬化物であり、主に熱伝導性球状フィラー(F1)を含有する。また、最も外側に位置する前記層(A)は層(Aout)となる。
また、最も外側に位置する層(Aout)における熱伝導性球状フィラー(F1)の含有量(F1A質量%)が、層(B)に含有し得る熱伝導性球状フィラー(F1)の含有質量率(F1B質量%)よりも高いことで、発熱体や放熱ベース基板の凹凸への追従性・接着性が向上する。
層(B)は、熱伝導性フィラー(F)と熱硬化性樹脂(R)と硬化剤(C)と硬化促進剤(D)とを含有する熱硬化型組成物の未硬化物および/または半硬化物である。
層(B)は、熱伝導性フィラー(F)と熱硬化性樹脂(R)と硬化剤(C)と硬化促進剤(D)との合計100質量%中、窒化ホウ素フィラー(F2)を30〜90質量%含み、熱伝導性球状フィラー(F1)を0〜30質量%含むことが好ましい。
層(B)中の窒化ホウ素フィラー(F2)の含有率は、熱伝導性の点から30質量%以上、膜形成性の点から90質量%以下であり、望ましくは40〜80質量%の範囲である。また層(B)には、30質量%以下の範囲で熱伝導性球状フィラー(F1)を併用してもよい。
本発明の熱伝導性絶縁接着シートは、空隙率が0.2以下であることが好ましい。
熱伝導性絶縁接着シートは、発熱体と放熱ベース基板との間に挟まれ使用される。そのため、発熱体から生じた熱を効率的に放熱部材に伝え、さらに十分な絶縁性を確保するために空隙率は0.2以下であることが好ましく、さらに0.15以下であることが望ましい。空隙率が0.2以下であることにより絶縁性がより優れたものとなり、シートの凝集力が向上し、機械的強度や接着力が良好となり、空気・水分のシート内部への侵入を防止し、耐久性が向上する。
空隙率=1−(熱伝導性絶縁接着シートの実測密度/熱伝導性絶縁接着シートの理論密度)
熱伝導性絶縁接着シートの実測密度=熱伝導性絶縁接着シート質量(g)/熱伝導性絶縁接着シート体積(cm3)
熱伝導性絶縁接着シートの理論密度=
熱硬化型組成物シート(A’)および熱硬化型組成物シート(B’)の質量の和(g)/同体積の和(cm3)=
(熱硬化型組成物シート(A’)および熱硬化型組成物シート(B’)を構成する各成分の乾燥質量の和)/(熱硬化型組成物シート(A’)および熱硬化型組成物シート(B’)を構成する各成分の乾燥体積の和)
熱硬化型組成物シート(A’)および熱硬化型組成物シート(B’)の体積=同質量(g)/同密度(g/cm3)
窒化ホウ素フィラー(F2)、熱伝導性球状フィラー(F1)等の密度は一般的なものを用いる。
熱硬化性樹脂(R)と硬化剤(C)と硬化促進剤(D)その他の有機成分の密度は仮に1とする。
仮に熱伝導性絶縁接着シートの実測重量に対し体積が無限大に大きい場合、実測密度≒0となり、空隙率≒1となる。
熱伝導性絶縁接着シートが空隙を含み実測密度が理論密度を下回る場合、空隙率は0〜1の値となる。
発熱体と放熱ベース基板との間に挟まれた状態での空隙率を予測することにより、熱伝導性絶縁接着シートの使用条件を設定することができる。
そして、熱伝導性球状フィラー(F1)を含有し、変形しやすい熱硬化型組成物シート(A’)が最外層に位置することにより、熱を発生し得る部材を含む発熱体や放熱ベース基板の凹凸への追従性・接着性が向上でき、接触熱抵抗の点からも熱伝導性が向上できたものと考察する。
本発明の熱伝導性絶縁接着シートは、最も外側に位置する層(Aout)の不揮発成分全体積中の熱伝導性フィラーの占有体積率が、50%よりも多く90%以下であることが好ましい。
熱伝導性球状フィラー(F1)の重量(g)÷熱伝導性球状フィラー(F1)の比重(g/cm3)・・・(1)
窒化ホウ素フィラー(F2)の重量(g)÷窒化ホウ素フィラー(F2)の比重(g/cm3)・・・(2)
シート中の熱伝導性フィラー以外のその他の成分(g)÷1(g/cm3)・・・(3)
体積%=100×{((1)+(2))/((1)+(2)+(3))}
※シート中の熱伝導性フィラー以外のその他の成分は、計算を容易にするため比重を1g/cm3とした。
本発明では、用いる熱硬化性樹脂(R)、硬化剤(C)、および硬化促進剤(D)熱伝導性球状フィラー(F1)、及び窒化ホウ素フィラー(F2)は不揮発性成分であるため、例えば、熱硬化型組成物シート(A’)や熱硬化型組成物シート(B’)を加熱・加圧した前後で不揮発性成分中の上記占有体積率は変化しないとみなす。
熱伝導性絶縁接着シートを形成する熱硬化型組成物シートを用いて形成することができる。
熱伝導性球状フィラー(F1)、熱硬化性樹脂(R)、硬化剤(C)を含有し、窒化ホウ素フィラー(F2)、硬化促進剤(D)を含有し得る層(A)を形成するための熱硬化型組成物シート(A’)、および、窒化ホウ素フィラー(F2)、熱硬化性樹脂(R)、硬化剤(C)、硬化促進剤(D)を含有し、熱伝導性球状フィラー(F1)を含有し得る層(B)を形成するための、熱硬化型組成物シート(B’)を用い、層(A)と層(B)とが、前記層(B)が最外層には位置しないように交互に積層することで、熱伝導性絶縁接着シートが得られる。
また、このとき、最も外側に位置する層(Aout)における熱伝導性球状フィラー(F1)の含有質量率(F1A質量%)が、熱伝導性絶縁(B)に含有し得る熱伝導性球状フィラー(F1)の含有質量率(F1B質量%)よりも高いことを特徴とする。
本発明の熱伝導性絶縁接着シートは、熱伝導性フィラーを含有し、層(A)は、熱伝導性球状フィラー(F1)を含有し、窒化ホウ素フィラー(F2)を含有し得る。層(B)は、窒化ホウ素フィラー(F2)を含有し、熱伝導性球状フィラー(F1)を含有し得る。
熱伝導性球状フィラー(F1)は、窒化ホウ素フィラー(F2)以外の、球状である熱伝導性フィラーであれば、従来公知の熱伝導性フィラーを用いることができる。
熱伝導性球状フィラー(F1)としては、例えば、アルミナ、酸化カルシウム、酸化マグネシウム等の金属酸化物、窒化アルミニウム等の金属窒化物、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム等の金属水酸化物、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム等の炭酸金属塩、ケイ酸カルシウム等のケイ酸金属塩、水和金属化合物、結晶性シリカ、非結晶性シリカ、炭化ケイ素またはこれらの複合物等が挙げられる。これらは、1種類でもよいし複数の種類を併用することもできる。
球形度、熱伝導性、絶縁性の観点からアルミナまたは窒化アルミニウムの少なくとも一方であることが望ましい。
本発明では種々の窒化ホウ素フィラー(F2)を用いることができ、例えば、鱗片状、凝集体、造粒体等を使用することができる。ただし、本発明は、これらに何ら限定されるものではない。
窒化ホウ素フィラー(F2)は熱伝導性に異方性を有するため、鱗片状の一次粒子を造粒した造粒窒化ホウ素フィラーが好適に用いられる。しかし、変形しにくい造粒窒化ホウ素フィラーでは圧力をかけても空隙が残りやすいため、特に、易変形性造粒窒化ホウ素フィラーを用いることが好ましい。シート内の空隙を出来るだけ少なくし、最外層がシート内部の熱伝導性能を活かすことにより、高い熱伝導性と絶縁性の両立が可能となるために好ましい。
易変形性造粒窒化ホウ素フィラーは、熱伝導性絶縁接着シートを形成する際の圧力を調整し、変形を適度な範囲に調整することで、空隙率の低下と熱伝導性を両立することが容易であるため好適に用いられる。
圧縮変形率10%に要する平均圧縮力は、微小圧縮試験機(株式会社島津製作所製、MCT−210)を用い、測定領域内で無作為に選んだ10個の粒子について、粒子を10%変形させるための荷重を測定し、求めることができる。
本発明で使用される熱硬化性樹脂(R)は、特に限定されず、例えば、ポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリエステルウレタン樹脂、ポリウレタンポリウレア樹脂等のポリウレタン系樹脂、アルキッド樹脂、ブチラール樹脂、アセタール樹脂、ポリアミド樹脂、アクリル樹脂、スチレン−アクリル樹脂、スチレン樹脂、ニトロセルロース、ベンジルセルロース、セルロース(トリ)アセテート、カゼイン、シェラック、ギルソナイト、ゼラチン、スチレン−無水マレイン酸樹脂、ポリブタジエン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリ塩化ビニリデン樹脂、ポリフッ化ビニリデン樹脂、ポリ酢酸ビニル樹脂、エチレン酢酸ビニル樹脂、塩化ビニル/酢酸ビニル共重合体樹脂、塩化ビニル/酢酸ビニル/マレイン酸共重合体樹脂、フッ素樹脂、シリコン樹脂、エポキシ樹脂、フェノキシ樹脂、フェノール樹脂、マレイン酸樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、ベンゾグアナミン樹脂、ケトン樹脂、石油樹脂、ロジン、ロジンエステル、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリアクリルアミド、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、メチルセルロース、エチルセルロース、ヒドロキシエチルメチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、カルボキシメチルエチルセルロース、カルボキシメチルニトロセルロース、エチレン/ビニルアルコール樹脂、ポリオレフィン樹脂、塩素化ポリオレフィン樹脂、変性塩素化ポリオレフィン樹脂、および塩素化ポリウレタン樹脂等が挙げられる。熱硬化性樹脂(R)は、1種または2種以上を用いることができる。
本発明では、硬化速度および硬化物の物性をコントロールするために、熱硬化性樹脂(R)に応じ適当な硬化剤(C)を用いる。
本発明の熱伝導性絶縁接着シートでは、加熱・加圧プレス工程において1時間未満の時間で硬化が完了するよう、硬化促進剤(D)を含有する。
これらはいずれも1種のみを使用してもよく、2種以上を併用してもよい。
3級アミノ基を有する潜在性促進剤としては、3級アミノ基とエポキシ基と反応し得る官能基とを有し、比較的低分子量の化合物に、比較的低分子量のエポキシ化合物が付加したアダクト型の潜在性硬化促進剤が挙げられる。エポキシ基と反応し得る官能基としては、1級または2級のアミノ基、酸無水物、カルボキシル基などが挙げられる。
3級アミノ基を有するアダクト型の潜在性硬化促進剤としては、イミダゾール基のように複素環を有するものと、複素環を有しないものとがある。
例えば、味の素ファインテクノ株式会社製のアミキュアMY-24、アミキュアMY-25、アミキュアMY-H、アミキュアMY-24J、アミキュアMY-HK-1;株式会社ADEKA製のEH4380S、EH3616S、EH5001P、EH4357S、EH3615S等が挙げられる。
例えば、味の素ファインテクノ株式会社製のアミキュアPN-23、アミキュアPN-23J、アミキュアPN-31、アミキュアPN-31J、アミキュアPN-40、アミキュアPN-40J、アミキュアPN-50、アミキュアPN-H、株式会社ADEKA製のアデカハードナーEH3293S、アデカハードナーEH3366S、アデカハードナーEH4346S、エアープロダクツジャパン株式会社製のサンマイドLH210等が挙げられる。
ジシアンジアミド変性ポリアミン(例えば、株式会社ADEKA製のEH3842等)、
尿素結合含有変性ポリアミン(例えば、株式会社T&K TOKA製のフジキュアーFXE1000、フジキュアーFXR1110、フジキュアーFXR1121、フジキュアーFXR1081等)、
尿素結合含有変性脂肪族ポリアミン(例えば、株式会社ADEKA製のEH4353S)、
尿素結合およびイミダゾール基含有変性ポリアミン(例えば、株式会社T&K TOKA製のFXR1110、FXR1121)、
イミダゾール化合物(例えば、四国化成工業株式会社製キュアゾール2MZ-A、キュアゾール2MA-OK、キュアゾール2PHZ、キュアゾール2P4MHZ等)等も挙げられる。
なお、前記硬化促進剤(D)の含有量は、層(A)および層(B)それぞれ1層ずつにおける含有量を指す。すなわち、硬化剤(C)100質量部に対して、硬化促進剤(D)を20質量部含む層(A)を3層、および硬化剤(C)100質量部に対して、硬化促進剤(D)を50質量部含む層(B)を2層、交互に重ね合せた場合、層(A)中に含まれる硬化促進剤(D)の量は20質量部であり、層(B)中に含まれる硬化促進剤(D)の量は50質量部である。
本発明の熱伝導性絶縁接着シートは、例えば以下のような方法で得ることができる。
熱伝導性球状フィラー(F1)と窒化ホウ素フィラー(F2)と熱硬化性樹脂(R)と硬化剤(C)と硬化促進剤(D)との合計100質量%中、熱伝導性球状フィラー(F1)を30〜90質量%、窒化ホウ素を0〜30質量%、液状分散媒、および必要に応じて他の任意成分を含有する塗液(A‘’)を調製し、これを剥離性シートに塗工後、液状分散媒を揮発乾燥し、剥離性シート付きの熱硬化型組成物シート(A’)を作製する。
次いで熱硬化型組成物シート(B’)の表面を覆っていた剥離性シートを剥がし、露出した熱硬化型組成物シート(B’)の表面に、他の剥離性シート付きの熱硬化型組成物シート(A’)の剥離性シートとは反対側を重ね合せ、[剥離性シート/熱硬化型組成物シート(A’)/熱硬化型組成物シート(B’)/熱硬化型組成物シート(A’)/剥離性シート]という状態の積層体を得る。
そして、前記積層体を加圧することにより、熱硬化型組成物シート(A’)/熱硬化型組成物シート(B’)/熱硬化型組成物シート(A’)を一体化し、「層(Aout)/層(B)/層(Aout)]を形成可能な熱伝導性絶縁接着シートを得る。
両面の剥離性シートを剥がしてから加圧することもできる。
加圧圧着方法は特に限定されず、公知のラミネーターまたはプレス処理機を使用することができる。加圧する際には加熱することが好ましい。
撹拌混合には一般的な撹拌方法を用いることができる。撹拌混合機としては特に限定されないが、例えば、ディスパー、ミキサー、混練機、スキャンデックス、ペイントコンディショナー、サンドミル、らいかい機、メディアレス分散機、三本ロール、およびビーズミル等が挙げられる。
加圧圧着時の温度および圧力は適宜選択することが出来るが、高圧にしすぎると窒化ホウ素フィラー(F2)崩れてしまい熱伝導性が低下し、低すぎると熱伝導性絶縁接着シート内に空隙が残り、熱を発生し得る部材を含む発熱体と放熱ベース基板との間に挟み使用する際の熱伝導性が低下する場合がある。
本発明の放熱ベース基板について説明する。
放熱ベース基板とは、熱を発生し得る部材を含む発熱体から発生した熱を最終的に逃がすための部材であり、本発明の放熱ベース基板としては、公知のものを使用することができる。
表面粗さRaは、算術平均粗さRaを指し、規定された中心線平均粗さであり、その基準粗さを1mmとした場合の中心線平均粗さである。測定は、JIS B0601‘2001に準じて行うことができる。
本発明における発熱体は、熱を発生し得る部材を含み、熱を発生し得る部材単独、または、金属板等の導電性部材上にはんだ等の接合剤を介して熱を発生し得る部材が積層された形態等が挙げられる。
このように、熱を発生し得る部材、または導電性部材において熱伝導性絶縁接着シートと接触する面は、放熱ベース基板で説明した同様の理由に加え、電荷は細く尖った部分に密集しやすいという性質があるため絶縁性の観点からも、表面粗さ(Ra(ii))は、0.1〜2μmであることが好ましい。
<平均粒子径>
熱伝導性球状フィラーの平均粒子径は、Malvern Instruments社製粒度分布計マスターサイザー2000を用いて測定した。測定の際には乾式ユニットを用い、空気圧は2.5バールとした。フィード速度はサンプルにより最適化した。
熱伝導性球状フィラー(F1)の円形度は、東亜医用電子(株)製フロー式粒子像分析装置FPIA−1000を用いて平均円形度を測定した。トルエン10mlに測定したい粒子約5mgを分散させて分散液を調製し、超音波(20kHz、50W)を分散液に5分間照射し、分散液濃度を5,000〜2万個/μlとした。この分散液を用い、上記装置により測定を行い、円相当径粒子群の円形度を測定し、平均円形度を求めた。
易変形性凝集体の圧縮変形率10%に要する平均圧縮力は微小圧縮試験機(株式会社島津製作所製、MCT−210)を用い、測定領域内で無作為に選んだ10個の粒子について、粒子を10%変形させるための荷重を測定した。その平均値を圧縮変形率10%に要する平均圧縮力とした。
[熱伝導性フィラー]
<熱伝導性球状フィラー(F1)>
F1−1:球状アルミナAO-509(平均粒子径=10μm、円形度=0.99)
F1−2:球状アルミナCB-A20s(平均粒子径=21μm、円形度=0.98)
F1−3:球状アルミナDAW45(平均粒子径=41μm、円形度=0.98)
<窒化ホウ素フィラー(F2)>
F2−1:Agglomerates100(凝集タイプ、平均粒子径=65-85μm)
F2−2:PTX-60(造粒タイプ、平均粒子径=55-65μm)
<熱硬化性樹脂合成例1>
(樹脂1:ポリアミド樹脂)
撹拌機、水分定量受器を付けた還流冷却管、窒素導入管、および温度計を備えた反応容器に、炭素数36の多塩基酸化合物としてプリポール1009(クローダジャパン株式会社製、酸価194KOHmg/g)を70.78部、フェノール性水酸基を有する多塩基酸化合物として5−ヒドロキシイソフタル酸(5−HIPA)を5.24部、炭素数36のポリアミン化合物としてプリアミン1074(クローダジャパン株式会社製、酸価210KOHmg/g)を82.84部、トルエンを4.74部仕込んだ。これらの混合物を撹拌しながら、水の流出を確認しつつ、温度を220℃まで昇温し、脱水反応を続けた。1時間ごとにサンプリングを行い、Mwが40,000になったことを確認し、充分に冷却した後、トルエン111.34部、およびイソプロピルアルコール116.12部を希釈溶剤として加え、充分に溶解させた。以上のようにして、固形分量40%、Mw40000のフェノール性水酸基含有ポリアミド樹脂(樹脂1)の溶液を得た。
(樹脂2:ポリウレタンポリウレア樹脂))
攪拌機、温度計、還流冷却器、滴下装置、および窒素導入管を備えた反応容器に、テレフタル酸とアジピン酸と3−メチル−1,5−ペンタンジオールとから得られたポリエステルポリオール((株)クラレ製「クラレポリオールP−1011」、Mn=1006)401.9質量部、ジメチロールブタン酸12.7質量部、イソホロンジイソシアネート151.0質量部、およびトルエン40質量部を仕込み、窒素雰囲気下90℃3時間反応させ、これにトルエン300質量部を加えてイソシアネート基を有するウレタンプレポリマー溶液を得た。
次に、イソホロンジアミン27.8質量部、ジ−n−ブチルアミン3.2質量部、2−プロパノール342.0質量部、トルエン396.0質量部を混合したものに、得られたイソシアネート基を有するウレタンプレポリマー溶液815.1質量部を添加し、70℃3時間反応させ、トルエン144.0質量部および2−プロパノール72.0質量部で希釈し、固形分30%、Mw=54,000、酸価=8mgKOH/gのポリウレタンポリウレア樹脂(樹脂2)の溶液を得た。
<硬化剤(C)>
硬化剤1:エポキシ硬化剤EX−411(ナガセケムテックス株式会社)
硬化剤1の5%トルエン溶液を調製し、使用した。
硬化促進剤1:3級アミン-アダクト潜在性硬化促進剤 アミキュアMY-25(味の素ファインテクノ株式会社)
硬化促進剤2:イミダゾール-アダクト潜在性硬化促進剤 アミキュアPN-40(味の素ファインテクノ株式会社)
トルエンと2−プロパノールをあらかじめ質量比で1対1で混合したものを、以下混合溶剤とする。
放熱ベース基板1:Ra0.2μm、厚さ2mmのアルミニウムブロック
導電性部材1:Ra0.2μm、2mmの銅ブロック
<塗液A1>
樹脂1の溶液を11.48質量部、硬化剤1の溶液を4質量部、混合溶剤を9.5質量部混ぜ合わせた中に、熱伝導性球状フィラーF1−1を21質量部と、窒化ホウ素フィラーF2−1を4.2質量部とを加え、ディスパー撹拌したのち、超音波攪拌機に2分かけて脱泡して塗液を得た。
表1記載の配合で、塗液A1と同様にして塗液A2〜A8、塗液B1〜B8を得た。
<熱硬化型組成物シートA1>、
塗液A1を6MILのブレードコーターを用いて、剥離性シート(厚さ75μmの離型処理ポリエチレンテレフタレートフィルム)に塗布し、100℃で2分間乾燥し、一方の面が剥離性シートで覆われた熱硬化型組成物シートA1を得た。
表2記載の塗液を使用し、熱硬化型組成物シートA1と同様にして熱硬化型組成物シートA2〜A8、B1〜B8を得た。
熱硬化型組成物シートの組成(固形分重量部)を表2に記す。
熱伝導性球状フィラー(F1)の質量%=(熱伝導性球状フィラー1の質量/熱硬化型組成物シートA1各成分の乾燥質量の和)×100
=[21.0/(11.48×0.4+4.0×0.05+21.0+4.2)]×100
=70
窒化ホウ素フィラー(F2)の質量%=(窒化ホウ素フィラー1の質量/熱硬化型組成物シートA1各成分の乾燥質量の和)×100
=[4.2/(11.48×0.4+4.0×0.05+21.0+4.2)]×100
=14
(熱硬化型組成物シートA1各成分の乾燥質量の和)/(熱硬化型組成物シートA1各成分の乾燥体積の和)
=(樹脂1の乾燥質量+硬化剤1の乾燥質量+熱伝導性球状フィラー1+窒化ホウ素フィラー1の質量)/[(樹脂1の乾燥質量/樹脂1の密度)+(硬化剤1の乾燥質量/硬化剤1の密度)+(熱伝導性球状フィラー1の質量/熱伝導性球状フィラー1の密度)+(窒化ホウ素フィラー1の質量/窒化ホウ素フィラー1の密度)]
=(11.48×0.4+4.0×0.05+21.0+4.2))/[(11.48×0.4/1)+(4.0×0.05/1)+(21.0/3.9)+(4.2/2.3)]
=2.50である。
(1)熱伝導性球状フィラー1の重量(g)÷フィラー比重(g/cm3)
=21/3.9
=5.38(cm3)
(2)窒化ホウ素フィラー1の重量(g)÷窒化ホウ素フィラー1比重(g/cm3)
=4.2/2.3
=1.83(cm3)
(3)熱伝導性フィラー(F)以外のその他の成分(g)÷1(g/cm3)
=((8.6×0.4)+(2.7×0.5))/1
=(3.44+1.35)/1
=4.79
体積%=100×{((1)+(2))/((1)+(2)+(3))
=100×{(5.38+1.83)/(5.38+1.83+4.79)}
=60(vol%)
<熱伝導性絶縁接着シート1>
熱硬化型組成物シートA1から10cm×10cmの大きさで2枚、熱硬化型組成物シートB2から10cm×10cmの大きさで1枚を切出した。剥離性シートを除いた、熱硬化型組成物シートA1の質量は0.876gと0.849g、熱硬化型組成物シートB2の質量は1.039gであった。
次に熱硬化型組成物シートB2側の剥離性シートを剥離し、露出した熱硬化型組成物シートB2の表面に、他の熱硬化型組成物シートA1の剥離性シートとは反対側を同様に貼り合せ、両面が剥離性シートで覆われた熱伝導性絶縁接着シート1の積層体を得た。
なお、ラミネート条件は、ロール温度上下80℃、ラミネート圧0.6MPa、速度0.5m/分とした。
後述する方法に従い、熱伝導性絶縁接着シートとしての理論密度、プレス後の実測密度、空隙率、およびポットライフを求め、さらに後述する方法に従い、複合部材を得、該複合部材中の硬化後の熱伝導性絶縁層の厚み、熱伝導率、絶縁破壊電圧を求め、その結果を表3に示す。
熱伝導性絶縁接着シート1の両面の剥離性シートを剥離し4隅および中央の膜厚を株式不会社ニコン製「DIGIMICROSTANDMS−5C」で測定した平均値は138μmであった。
<密度>、<空隙率>
熱伝導性絶縁接着シート1の理論密度は、以下の通り。
理論密度=熱硬化型組成物シートの質量の和(g)/同体積の和(cm3)
=(熱硬化型組成物シートA1の質量(g)+熱硬化型組成物シートB2の質量(g))/(熱硬化型組成物シートA1の体積(cm3)+熱硬化型組成物シートB2の体積(cm3))
=(熱硬化型組成物シートA1の質量(g)熱硬化型組成物シートB2の質量(g))/[(熱硬化型組成物シートA1の質量/熱硬化型組成物シートA1の理論密度)+(熱硬化型組成物シートB2の質量/熱硬化型組成物シートB2の理論密度)]
=((0.876+0.849)+1.039)/((0.876+0.849)/2.50+1.039/2.02)
=2.29となる。
そのうちの1片の積層体を剥離性シートのついた状態で1MPaの圧力で150℃、10分間熱プレスを行った後、両面の基材を剥離し4隅および中央の膜厚を株式不会社ニコン製DIGIMICROSTANDMS−5Cで測定した平均値は138μmであった。
また、前記積層体から、両面を覆っていた剥離性シートを除いた熱伝導性絶縁接着シート1の質量は0.688gであった。
実測密度=熱伝導性絶縁接着シート質量(g)/熱伝導性絶縁接着シート体積(cm3)
=熱プレス後の熱伝導性絶縁接着シート1の単位面積当たりの質量(g/cm2)/熱プレス後の熱伝導性絶縁接着シート1の厚さ(cm)
=[0.688/(5×5)]/(138/10000)=1.99となる。
空隙率=1−(実測密度/理論密度)
=1−1.99/2.29=0.13となる。
10cm×10cmの大きさの熱伝導性絶縁接着シートの両面が剥離性シートで覆われた積層体を5cm×5cmの大きさに4分割し、そのうちの1片の積層体を剥離性シートのついた状態で5℃、40℃でそれぞれ1週間保管した。その後、各々のサンプルを1MPaの圧力で150℃、10分間熱プレスを行った後の空隙率を算出した。ポットライフの判断は下記の通りである。
○:(40℃で保管した熱伝導性絶縁接着シートのプレス後の空隙率)/(5℃で保管した熱伝導性絶縁接着シートのプレス後の空隙率)≦0.10、実用に値し、より好ましい。
△:0.10<(40℃で保管した熱伝導性絶縁接着シートのプレス後の空隙率)/(5℃で保管した熱伝導性絶縁接着シートのプレス後の空隙率)≦0.15、実用に値し好ましい。
×:(40℃で保管した熱伝導性絶縁接着シートのプレス後の空隙率)/(5℃で保管した熱伝導性絶縁接着シートのプレス後の空隙率)>0.15、実用に値しない。
熱伝導性絶縁接着シートを15mm角に切り出し、両面の剥離性シートを剥がし、15mm×15mm、厚さ0.2mmの放熱ベース基板としてのアルミニウム及び厚さ0.2mmの導電性部材としての銅との間に挟み、150℃、1MPaで10分間プレスし、複合部材を得、熱伝導率測定用サンプルとした。
サンプル表面に金を蒸着し、カーボンスプレーによりカーボンを被覆した後、キセノンフラッシュアナライザーLFA447NanoFlash(NETZSCH社製)にて、試料環境25℃での熱拡散率を測定した。比熱容量はエスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社製の高感度型示差走査熱量計DSC220Cを用いて測定した。密度は組成からの計算値を用いた。これらのパラメータから、熱伝導率を求めた。
なお、硬化後の熱伝導性絶縁層の厚みは、得られた複合部材の厚みを株式不会社ニコン製「DIGIMICROSTANDMS−5C」で測定し、用いた放熱ベース基板および導電性部材の厚みを差し引いて求めた。
40mm×40mm、厚さ2mmの銅ブロック(C1020P(1/2H))、中央部に25mmφの穴を打ち抜いた、50mm×50mm、厚さ25μmのポリイミドフィルム、両面の剥離性シートを剥がした熱伝導性絶縁接着シート(40mm×40mm)、および(40mm×40mm、厚さ2mmのアルミニウムブロック(A3003P(H24))を準備し、銅ブロック/ポリイミドフィル/熱伝導性絶縁接着シート/アルミニウムブロックの構成となるように積層し、加熱150℃、加圧2〜3MPaの条件で10分間熱プレスし圧着した。
上記で得られたサンプルを、25℃、50%RH環境で1晩静置した後、鶴賀電機株式会社製「TM650 耐電圧試験機」を用い、25℃50%RH環境で、サンプルをフッ素系不活性液体(スリーエムジャパン株式会社製 フロリナートFC−3283)中に浸漬した状態で、0kVから10kVを100秒間で変化させるプログラムを用い、閾値電流2mAとし、絶縁破壊した時の電圧を読み取り絶縁破壊電圧とした。
表3記載の熱硬化型組成物シートA1〜A5とB1〜B6とを使用して、熱伝導性絶縁接着シート1の製造例と同様の貼り合わせ作業を繰り返し、シートA1〜A5側が最外層になるようにシートA1〜A5とシートB1〜B6とを交互に積層し、両面が剥離性シートで覆われた熱硬化型組成物シート2〜16を得た。
実施例1と同様にして、密度、空隙率、ポットライフ、複合部材中の硬化後の熱伝導性絶縁層の厚み、熱伝導率、絶縁破壊電圧を求め、その結果を表3に示す。
[パワー半導体装置の作製]
両面に回路が形成されたセラミックス回路基板上の、一方の面に半田を介してパワー半導体素子を接合し、他方の面に銅製のヒートスプレッダを接触させ、パワー半導体素子を接合している側全体をエポキシ樹脂で封止し、パワー半導体モジュールを得た。
前記ヒートスプレッダに、実施例9で得た熱伝導性絶縁接着シート9が接するよう、熱伝導性絶縁接着シート前駆体、アルミニウム板の順に積層し、1MPaで150℃、10分間プレスをし、パワー半導体装置を得た。前記導電性部材であるヒートスプレッダのRaは0.2μm、放熱ベース基板であるアルミニウム板のRaは0.2μm、プレス後の熱伝導性接着部材の厚みは260μmであった。
得られたパワー半導体装置を、−40℃〜120℃の冷熱サイクルを3000サイクルさせた。その後、パワー半導体装置を断面方向に切断し、熱伝導性絶縁接着シートの剥離、ボイドの状態を冷熱サイクル未実施物とともにSEM(走査型電子顕微鏡)で確認し比較した。その結果、パワー半導体装置は冷熱サイクル前後で状態の変化がなく、セラミックス回路基板とアルミニウム板との間の熱伝導性絶縁接着シートには、剥離やボイドの発生は認められなかった。
1:熱を発生し得る部材
1a:パワー半導体素子
2:熱伝導性絶縁接着シート
3:放熱ベース基板
4:導電性部材
5:半田
6:封止剤
7:発熱体
Claims (8)
- 複数の層(A)と、1層以上の層(B)とを有し、複数の層(A)と1層以上の層(B)とは、層(B)が最外層には位置しないように交互に積層されてなる熱伝導性絶縁接着シートであって、下記条件(1)〜(3)の全てを満たす、熱伝導性絶縁接着シート。
(1) 複数の層(A)が、熱伝導性フィラー(F)と熱硬化性樹脂(R)と硬化剤(C)とを含有し、硬化促進剤(D)を含有し得る熱硬化型組成物の未硬化物および/または半硬化物である。
(2) 層(B)が、熱伝導性フィラー(F)と熱硬化性樹脂(R)と硬化剤(C)と硬化促進剤(D)とを含有する熱硬化型組成物の未硬化物および/または半硬化物である。
(3) 複数の層(A)のうち最も外側に位置する最外層(Aout)に含まれる熱伝導性フィラー(F)の質量が、層(B)に含まれ得る熱伝導性フィラー(F)の質量よりも相対的に多い。 - 硬化剤(C)が、エポキシ基、イソシアネート基、カルボジイミド基、アジリジン基からなる群より選ばれる少なくとも一種の官能基を有すものである、請求項1記載の熱伝導性熱硬化型接着シート
- 硬化剤(C)がエポキシ基を有すものでありエポキシ当量が50〜500(g/eq)である、請求項2記載の熱伝導性熱硬化型接着シート。
- 硬化促進剤(D)が3級アミノ基を有するものである、請求項1〜3いずれか1項に記載の熱伝導性熱硬化型接着シート。
- 層(B)に含まれる硬化剤(C)100質量部に対して、硬化促進剤(D)を25〜150質量部を含む、請求項1〜4いずれか1項に記載の熱伝導性絶縁接着シート。
- 熱硬化性樹脂(R)が、ポリウレタン系樹脂またはポリアミド樹脂である、請求項1〜5いずれか1項に記載の熱伝導性絶縁接着シート。
- 最外層(Aout)は、熱伝導性フィラー(F)として熱伝導性球状フィラー(F1)を含み、窒化ホウ素フィラー(F2)を含有し得るものであり、
層(B)は、熱伝導性フィラー(F)として窒化ホウ素フィラー(F2)を含有し、熱伝導性球状フィラー(F1)を含み得るものである、請求項1〜6いずれか1項に記載の熱伝導性絶縁接着シート。 - 複数の層(A)と1層以上の層(B)とを有す熱伝導性絶縁接着シートの製造方法であって、下記条件(101)〜(103)の全てを満たす、熱伝導性絶縁接着シートの製造方法。
(101) 熱伝導性フィラー(F)と熱硬化性樹脂(R)と硬化剤(C)とを含有し、硬化促進剤(D)を含有し得る熱硬化型組成物シート(A’)を複数用意する工程。
(102) 熱伝導性フィラー(F)と熱硬化性樹脂(R)と硬化剤(C)と硬化促進剤(D)とを含有する熱硬化型組成物シート(B’)をであって、複数のシート(A’)のうち積層後に最も外側に位置する予定の最外層用シート(A’out)に含まれる熱伝導性フィラー(F)の質量が、シート(B’)に含まれ得る熱伝導性フィラー(F)の質量よりも相対的に多い、熱硬化型組成物シート(B’)を用意する工程。
(103) 前記シート(B’)が最外層にはならないように、前記シート(A’)と前記シート(B’)とを交互に積層し、加圧する工程。
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