JP2022007405A - 絶縁性放熱材料、絶縁膜及び絶縁膜の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】耐電圧性と熱伝導性の両者がバランスよく向上した絶縁性放熱材料及び絶縁膜を提供する。【解決手段】樹脂とフィラーとを含む絶縁性放熱材料であって、前記フィラーは、粒径が２．５μｍ以下の無機物粒子と、粒径が０．６μｍ以下の無機物粒子と、粒径が０．２μｍ以下の無機物粒子とを含み、前記粒径が２．５μｍ以下の無機物粒子の含有量が前記絶縁性放熱材料中の体積濃度で５０体積％以上８０体積％以下の範囲内にあって、前記粒径が０．６μｍ以下の無機物粒子の含有量が前記絶縁性放熱材料中の体積濃度で１６体積％以上２４体積％以下の範囲内にあり、前記粒径が０．２μｍ以下の無機物粒子の含有量が前記絶縁性放熱材料中の体積濃度で６体積％以上１２体積％以下の範囲内にある絶縁性放熱材料。【選択図】図１

Description

本発明は、絶縁性放熱材料、絶縁膜及び絶縁膜の製造方法に関する。

絶縁性放熱材料は、例えば、金属ベース基板の絶縁膜の材料として用いられる。金属ベース基板は、半導体素子やＬＥＤなどの電子部品を実装するための基板の一つである。金属ベース基板は、金属基板と、絶縁膜と、回路層とがこの順で積層された積層体である。電子部品は、回路層の上にはんだを介して実装される。このような構成とされた金属ベース基板では、電子部品にて発生した熱は、絶縁膜を介して金属基板に伝達され、金属基板から外部に放熱される。このため、絶縁膜は、耐電圧性に優れ、かつ熱伝導性が高いことが要求される。このような絶縁膜の材料として用いられる絶縁性放熱材料は、一般に、絶縁性や耐電圧性に優れる樹脂と、熱伝導性に優れるフィラーとを含む。

絶縁性放熱材料に含まれるフィラーとしては、アルミナ、窒化アルミニウム、マグネシア、炭化珪素、結晶シリカなどの無機物粒子が利用されている。また、絶縁性放熱材料に含まれる無機物粒子として平均粒径が異なるものを使用することが検討されている（特許文献１～３）。

特開２０１２－３１４０２号公報 特開２０１４－１８９７０１号公報 特開２０１５－２０７６６９号公報

ところで、近年の電子機器の高集積化や小型化にともなって、金属ベース基板はさらなる耐電圧性と熱伝導性の向上が望まれている。このため、金属ベース基板の絶縁膜の材料として用いられる絶縁性放熱材料に対してもさらなる耐電圧性と熱伝導性の向上が要求されている。しかしながら、フィラーは絶縁性放熱材料の熱伝導性の向上に対しては有効であるが、フィラーの含有量を多くして、樹脂の含有量を少なくすると、絶縁性放熱材料内の耐電圧性が低下することがある。このため、耐電圧性と熱伝導性の両者をバランスよく向上させることは難しい。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、耐電圧性と熱伝導性の両者がバランスよく向上した絶縁性放熱材料及び絶縁膜を提供することを目的とする。本発明はまた、耐電圧性と熱伝導性の両者がバランスよく向上した絶縁膜の製造方法を提供することもその目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の絶縁性放熱材料は、樹脂とフィラーとを含む絶縁性放熱材料であって、前記フィラーは、粒径が２．５μｍ以下の無機物粒子と、粒径が０．６μｍ以下の無機物粒子と、粒径が０．２μｍ以下の無機物粒子とを含み、前記粒径が２．５μｍ以下の無機物粒子の含有量が前記絶縁性放熱材料中の体積濃度で５０体積％以上８０体積％以下の範囲内にあって、前記粒径が０．６μｍ以下の無機物粒子の含有量が前記絶縁性放熱材料中の体積濃度で１６体積％以上２４体積％以下の範囲内にあり、前記粒径が０．２μｍ以下の無機物粒子の含有量が前記絶縁性放熱材料中の体積濃度で６体積％以上１２体積％以下の範囲内にある。

本発明の絶縁性放熱材料によれば、粒径が２．５μｍ以下である微細な無機物粒子の含有量が上記の範囲内とされているので、相対的に粒子径が大きい無機物粒子の粒子間に、相対的に粒子径が小さい無機物粒子を効率よく介在させることができる。よって、無機物粒子の添加による耐電圧性の低下を抑えつつ、絶縁性放熱材料の熱伝導性を向上させることができる。特に、本発明の絶縁性放熱材料によれば、粒径が０．６μｍ以下の微細な無機物粒子の含有量が上記の範囲内とされ、粒径が０．２μｍ以下のさらに微細な無機物粒子の含有量が上記の範囲内とされているので、耐電圧性を維持したまま、熱伝導性をより向上させることができる。

ここで、本発明の絶縁性放熱材料において、前記フィラーは、前記フィラーの粒度分布が、少なくとも２つのピークを有することが好ましい。
この場合、相対的に粒子径が大きい無機物粒子と相対的に粒子径が小さい無機物粒子との差が明確になるので、相対的に粒子径が大きい無機物粒子の粒子間に、相対的に粒子径が小さい無機物粒子をより効率よく介在させることができる。よって、絶縁性放熱材料の熱伝導性をより向上させることができる。なお、粒度分布は、体積基準の度数分布である。体積基準の度数分布は、レーザー回折散乱法を用いた粒度分布測定装置等で測定することができる。

また、本発明の絶縁性放熱材料において、前記無機物粒子はアルミナ粒子、窒化アルミニウム粒子及びマグネシア粒子からなる群より選ばれる少なくとも一種の粒子を含むことが好ましい。
この場合、絶縁性放熱材料の熱伝導性をさらに向上させることができる。

また、本発明の絶縁性放熱材料において、前記樹脂は、ポリイミド、又はポリアミドイミド、もしくはこれらの混合物であることが好ましい。
この場合、絶縁性放熱材料の絶縁性、耐電圧性、化学的耐性及び機械特性を向上させることができる。

本発明の絶縁膜は、上述の絶縁性放熱材料を含む。
本発明の絶縁膜は、上述の絶縁性放熱材料を含むので、耐電圧性と熱伝導性の両者をバランスよく向上させることができる。

本発明の絶縁膜の製造方法は、平均粒径が０．０１μｍ以上０．６μｍ未満の範囲内にある無機物粒子を固形分中の体積濃度で１６体積％以上２４体積％以下の範囲内、平均粒径が０．６μｍ以上２．５μｍ未満の範囲内にある無機物粒子を固形分中の体積濃度で３４体積％以上５６体積％以下の範囲内、残部が樹脂となる割合で含有する固形分と、溶媒とを含む液状組成物であって、粒径が２．５μｍ以下の無機物粒子の含有量が固形分中の体積濃度で５０体積％以上８０体積％以下の範囲内にあって、粒径が０．６μｍ以下の無機物粒子の含有量が固形分中の体積濃度で１６体積％以上２４体積％以下の範囲内にあり、粒径が０．２μｍ以下の無機物粒子の含有量が固形分中の体積濃度で６体積％以上１２体積％以下の範囲内にある液状組成物を用いて、基板の上に、湿潤絶縁性組成物膜を形成する工程と、前記湿潤絶縁性組成物膜を加熱して絶縁膜を形成する工程と、を有する。

上記の本発明の絶縁膜の製造方法によれば、平均粒径が異なる２種類の無機物粒子を、固形分中の体積濃度が上記の範囲内となる割合で使用するので、相対的に粒子径が大きい無機物粒子の粒子間に、相対的に粒子径が小さい無機物粒子を効率よく介在させることができる。よって、耐電圧性と熱伝導性の両者がバランスよく向上した絶縁膜を製造することができる。なお、平均粒径は、体積平均粒径を意味する。体積平均粒径は、粒子の全体積を１００％とした体積基準の累積度数分布曲線において、体積５０％に相当する点の粒径である。体積基準の累積度数分布曲線は、レーザー回折散乱法を用いた粒度分布測定装置で測定することができる。

また、本発明の絶縁膜の製造方法は、平均粒径が０．０１μｍ以上０．２μｍ未満の範囲内にある無機物粒子を固形分中の体積濃度で８体積％以上１２体積％以下の範囲内、平均粒径が０．２μｍ以上０．６μｍ未満の範囲内にある無機物粒子を固形分中の体積濃度で８体積％以上１２体積％以下の範囲内、平均粒径が０．６μｍ以上２．５μｍ未満の範囲内にある無機物粒子を固形分中の体積濃度で３４体積％以上５６体積％以下の範囲内、残部が樹脂となる割合で含有する固形分と、溶媒とを含む液状組成物であって、粒径が２．５μｍ以下の無機物粒子の含有量が固形分中の体積濃度で５０体積％以上８０体積％以下の範囲内にあって、粒径が０．６μｍ以下の無機物粒子の含有量が固形分中の体積濃度で１６体積％以上２４体積％以下の範囲内にあり、粒径が０．２μｍ以下の無機物粒子の含有量が固形分中の体積濃度で６体積％以上１２体積％以下の範囲内にある液状組成物を用いて、基板の上に、湿潤絶縁性組成物膜を形成する工程と、前記湿潤絶縁性組成物膜を加熱して絶縁膜を形成する工程と、を有する。

上記の本発明の絶縁膜の製造方法によれば、平均粒径が異なる３種類の無機物粒子を、固形分中の体積濃度が上記の範囲内となる割合で使用するので、相対的に粒子径が大きい無機物粒子の粒子間に、相対的に粒子径が小さい無機物粒子を効率よく介在させることができる。よって、耐電圧性と熱伝導性の両者がバランスよく向上した絶縁膜を製造することができる。

本発明によれば、耐電圧性と熱伝導性の両者がバランスよく向上した絶縁性放熱材料及び絶縁膜を提供することが可能となる。また、本発明によれば、耐電圧性と熱伝導性の両者がバランスよく向上した絶縁性放熱材料の製造方法を提供することも可能となる。

本発明の一実施形態に係る絶縁性放熱材料の概略断面図である。

以下に、本発明の一実施形態について添付した図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る絶縁性放熱材料の概略断面図である。
図１において、絶縁性放熱材料１は、樹脂２とフィラー３とを含む。

樹脂２は、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、又はこれらの混合物を含むことが好ましい。これらの樹脂は、絶縁性、耐電圧性、化学的耐性及び機械特性などの特性に優れるので、絶縁性放熱材料１のこれらの特性が向上する。

フィラー３は、樹脂２に分散されている。フィラーは、粒径が２．５μｍ以下の無機物粒子と、粒径が０．６μｍ以下の無機物粒子と、粒径が０．２μｍ以下の無機物粒子とを含む。すなわち、フィラー３は、粒径が２．５μｍ以下で０．６μｍを超える大径無機物粒子３ａと、粒径が０．６μｍ以下で０．２μｍを超える中径無機物粒子３ｂと、粒径が０．２μｍ以下の小径無機物粒子３ｃとを含む。大径無機物粒子３ａの粒子間に中径無機物粒子３ｂと小径無機物粒子３ｃとが介在し、大径無機物粒子３ａと中径無機物粒子３ｂの間及び中径無機物粒子３ｂの粒子間に小径無機物粒子３ｃが介在する。相対的に粒径が大きい粒子間に、相対的に粒径が小さい粒子を介在させることによって、粒子間の熱伝導性が向上する。フィラー３は、例えば、球状、楕円球状、柱状、板状などの形状を有していてもよいし、均一な形状を持たない不定形であってもよい。樹脂２に対する分散性や凝集のしにくさ、充填のしやすさなどの観点から、フィラー３は、球状又は楕円球状であることが好ましい。

粒径が２．５μｍ以下の無機物粒子（大径無機物粒子３ａと中径無機物粒子３ｂと小径無機物粒子３ｃの合計）の含有量は、絶縁性放熱材料１中の体積濃度で５０体積％以上８０体積％以下の範囲内にある。粒径が０．６μｍ以下の無機物粒子（中径無機物粒子３ｂと小径無機物粒子３ｃの合計）の含有量は、絶縁性放熱材料１中の体積濃度で１６体積％以上２４体積％以下の範囲内にある。すなわち、大径無機物粒子３ａの含有量は、２６体積％以上６４体積％以下の範囲内にある。粒径が０．２μｍ以下の無機物粒子（小径無機物粒子３ｃ）の含有量は、絶縁性放熱材料１中の体積濃度で６体積％以上１２体積％以下の範囲内にある。すなわち、中径無機物粒子３ｂの含有量は、４体積％以上１８体積％以下の範囲内にある。

粒径が２．５μｍ以下の無機物粒子の含有量が上記の範囲内にあると、絶縁性放熱材料１の耐電圧性の低下を抑えつつ、絶縁性放熱材料１の熱伝導性を向上させることができる。フィラー３は、粒径が２．５μｍを超える粗大無機物粒子を含んでいてもよい。粒径が２．５μｍを超える粗大無機物粒子は絶縁性放熱材料１中の体積濃度で５体積％以上含まないことが好ましい。

粒径が０．６μｍ以下の無機物粒子の含有量が上記の範囲内にあって、粒径が０．２μｍ以下の無機物粒子の含有量が上記の範囲内にあると、大径無機物粒子３ａの粒子間に、十分に中径無機物粒子３ｂ及び小径無機物粒子３ｃを介在させることができる。このため、絶縁性放熱材料１の耐電圧性の維持しつつ、絶縁性放熱材料１の熱伝導性を向上させることができる。

絶縁性放熱材料１のフィラー３の含有量（体積濃度）は、次のようにして求めることができる。
絶縁性放熱材料１を、大気中で加熱して、樹脂２を除去し、残分のフィラー３を回収する。加熱温度は、樹脂２が熱分解し、かつフィラー３が熱分解しない温度であれば特に制限はない。加熱時間は、例えば、１２時間である。回収したフィラー３の重量を測定して、加熱前の絶縁性放熱材料１の重量とから、フィラー３の重量ベースの含有量（重量濃度）を算出する。重量ベースの含有量を、樹脂２の密度、フィラー３の密度を用いて体積ベースの含有量（体積濃度）に変換する。

具体的には、加熱して回収したフィラー３の重量をＷａ（ｇ）、加熱前の絶縁性放熱材料１の重量をＷｆ（ｇ）、フィラー３の密度をＤａ（ｇ／ｃｍ^３）、樹脂２の密度をＤｒ（ｇ／ｃｍ^３）として、フィラー３の含有量（重量％）を下記の式より算出する。
フィラー３の含有量（重量％）＝Ｗａ／Ｗｆ×１００
＝Ｗａ／｛Ｗａ＋（Ｗｆ－Ｗａ）｝×１００

次に、フィラー３の含有量Ｖａ（体積％）を下記の式より算出する。
フィラー３の含有量Ｖａ（体積％）
＝（Ｗａ／Ｄａ）／｛（Ｗａ／Ｄａ）＋（Ｗｆ－Ｗａ）／Ｄｒ｝×１００

フィラー３に含まれる各粒径の無機物粒子の含有量（体積濃度）は、次のようにして求めることができる。
加熱回収したフィラー３を水中に分散させて分散液を得る。次いで、分散液中のフィラー３の体積基準の粒度分布を、レーザー回折・散乱粒度分布法を用いて測定する。得られた粒度分布を用いて体積累積分布曲線を作成して、篩下の累積粒径が２．５μｍ、０．６μｍ、０．２μｍの粒子の体積濃度（体積％）をそれぞれＶ_２．５、Ｖ_０．６、Ｖ_０．２として読み取る。そして、絶縁膜中の各粒径以下の粒子の含有量（体積％）を下記の式より算出する。
絶縁膜中の２．５μｍ以下の粒子の含有量（体積％）＝Ｖａ×Ｖ_２．５／１００
絶縁膜中の０．６μｍ以下の粒子の含有量（体積％）＝Ｖａ×Ｖ_０．６／１００
絶縁膜中の０．２μｍ以下の粒子の含有量（体積％）＝Ｖａ×Ｖ_０．２／１００

フィラー３は、フィラー３の粒度分布が少なくとも２つのピークを有していてもよい。
フィラー３が２つのピークを有する場合、粒径が相対的に大きい大径側のピークは、１．０μｍ以上２．５μｍ以下の範囲内にあることが好ましい。粒径が相対的に小さい小径側のピークは、０．０５μｍ以上０．４μｍ未満の範囲内にあることが好ましい。大径側のピークと小径側のピークとの差は、０．６μｍ以上２．１μｍ以下の範囲内にあることが好ましく、０．８μｍ以上１．７μｍ以下の範囲内にあることがより好ましい。

フィラー３が３つのピークを有する場合、粒径が最も大きいピークは、０．６μｍ以上２．５μｍ以下の範囲内にあることが好ましい。粒径が２番目に大きいピークは、０．２μｍ以上０．６μｍ未満の範囲内にあることが好ましい。粒径が最も小さいピークは、０．０５μｍ以上０．２μｍ未満の範囲内にあることが好ましい。粒径が最も大きいピークと粒径が２番目に大きいピークとの差は、０．２μｍ以上１．８μｍ以下の範囲内にあることが好ましく、０．５μｍ以上１．５μｍ以下の範囲内にあることがより好ましい。粒径が２番目に大きいピークと粒径が最も小さいピークとの差は、０．１μｍ以上０．４μｍ以下の範囲内にあることが好ましい。

フィラー３に含まれる無機物粒子としては、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）粒子、アルミナ水和物粒子、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粒子、マグネシア（ＭｇＯ）粒子、シリカ（ＳｉＯ_２）粒子、炭化珪素（ＳｉＣ）粒子、酸化チタン（ＴｉＯ_２）粒子、窒化硼素（ＢＮ）粒子などを用いることができる。これらの無機物粒子は一種を単独で使用してもよいし、二種以上を組み合わせて使用してもよい。これらの無機物粒子の中では、アルミナ粒子、窒化アルミニウム粒子、マグネシア粒子であることが好ましく、アルミナ粒子がより好ましい。アルミナ粒子は、α－アルミナ粒子であることが好ましい。

本実施形態の絶縁性放熱材料１は、例えば、金属ベース基板などの回路基板において、金属箔（回路パターン）と基板の間に配置する絶縁膜として用いることができる。また、電子部品や回路基板の表面を保護する保護膜として用いることができる。さらに、単独のシート又はフィルムとして、例えば、フレキシブルプリント基板などの回路基板用の絶縁膜として用いることができる。またさらに、エナメル線のエナメル膜のように、コイルやモータに利用される絶縁導体の絶縁膜として用いることができる。

次に、本実施形態の絶縁膜の製造方法を説明する。
本実施形態の絶縁膜の製造方法は、例えば、固形分と溶媒とを含む液状組成物を用いて、基板の上に、湿潤絶縁性組成物膜を形成する工程と、得られた湿潤絶縁性組成物膜を加熱して絶縁膜を形成する工程と、を有する。

液状組成物に含まれる固形分は、液状組成物を加熱して溶媒を除去したときに固体として残留する成分である。固形分は、無機物粒子及び樹脂である。液状組成物中の樹脂は、溶媒に溶解していてもよい。固形分は、平均粒径が異なる二種もしくは三種の無機物粒子を含む。

固形分が、平均粒径が異なる二種の無機物粒子を含む場合、平均粒径が相対的に小さい第１無機物粒子は、平均粒径が０．０１μｍ以上０．６μｍ未満の範囲内にある。第１無機物粒子は、粒径が０．０１μｍ未満の粒子の含有量が３体積％以下であることが好ましく、粒径が０．６μｍ以上の粒子の含有量が３０体積％以下であることが好ましい。また、平均粒径が相対的に大きい第２無機物粒子は、平均粒径が０．６μｍ以上２．５μｍ未満の範囲内にある。第２無機物粒子は、粒径が０．６μｍ未満の粒子の含有量が２体積％以下であることが好ましく、２．５μｍ以上の粒子の含有量が５体積％以下であることが好ましい。

液状組成物の固形分の配合割合は、第１無機物粒子が体積濃度で１６体積％以上２４体積％以下の範囲内にあって、第２無機物粒子が体積濃度で３４体積％以上５６体積％以下の範囲内にあり、残部が樹脂となる割合である。また、液状組成物の固形分の組成は、粒径が２．５μｍ以下の無機物粒子の含有量が体積濃度で５０体積％以上８０体積％以下の範囲内にあって、粒径が０．６μｍ以下の無機物粒子の含有量が体積濃度で１６体積％以上２４体積％以下の範囲内にあり、粒径が０．２μｍ以下の無機物粒子の含有量が体積濃度で６体積％以上１２体積％以下の範囲内にある。

第１無機物粒子と、第２無機物粒子と、樹脂との混合方法は特に制限はない。例えば、第１無機物粒子と第２無機物粒子と溶媒を含む粒子混合物分散液と、樹脂溶液とを混合してもよい。また、第１無機物粒子分散液と、第２無機物粒子分散液と、樹脂溶液とを同時に混合してもよい。

平均粒径が異なる三種の無機物粒子を含む場合、平均粒径が最も小さい第３無機物粒子は、平均粒径が０．０１μｍ以上０．２μｍ未満の範囲内にある。第３無機物粒子は、粒径が０．０１μｍ未満の粒子の含有量が３体積％以下であることが好ましく、粒径が０．２μｍ以上の粒子の含有量が３５体積％以下であることが好ましい。平均粒径が２番目に小さい第４無機物粒子は、平均粒径が０．２μｍ以上０．６μｍ未満の範囲内にある。第４無機物粒子は、粒径が０．２μｍ未満の粒子の含有量が１２体積％以下であることが好ましく、粒径が０．６μｍ以上の粒子の含有量が４０体積％以下であることが好ましい。平均粒径が最も大きい第５無機物粒子は、平均粒径が０．６μｍ以上２．５μｍ未満の範囲内にある。第５無機物粒子は、粒径が０．６μｍ未満の粒子の含有量が２体積％以下であることが好ましく、粒径が２．５μｍ以上の粒子の含有量が５体積％以下 であることが好ましい。

液状組成物の固形分の配合割合は、第３無機物粒子が体積濃度で８体積％以上１２体積％以下の範囲内にあって、第４無機物粒子が体積濃度で８体積％以上１２体積％以下の範囲内にあり、第５無機物粒子が体積濃度で３４体積％以上５６体積％以下の範囲内にあって、残部が樹脂となる割合である。また、液状組成物の固形分の組成は、粒径が２．５μｍ以下の無機物粒子の含有量が体積濃度で５０体積％以上８０体積％以下の範囲内にあって、粒径が０．６μｍ以下の無機物粒子の含有量が体積濃度で１６体積％以上２４体積％以下の範囲内にあり、粒径が０．２μｍ以下の無機物粒子の含有量が体積濃度で６体積％以上１２体積％以下の範囲内にある。

第３無機物粒子と、第４無機物粒子と、第５無機物粒子と、樹脂との混合方法は特に制限はない。例えば、第３無機物粒子と第４無機物粒子と第５無機物粒子と溶媒を含む粒子混合物分散液と、樹脂溶液とを混合してもよい。また、第３無機物粒子分散液と、第４無機物粒子分散液と、第５無機物粒子分散液と、樹脂溶液とを同時に混合してもよい。

上記の液状組成物を用いて、基板の上に、湿潤絶縁性組成物膜を形成する方法としては、塗布法又は電着法を用いることができる。

塗布法は、基板の上に、液状組成物を塗布して塗布層を形成する方法である。液状組成物を塗布する方法としては、スピンコート法、バーコート法、ナイフコート法、ロールコート法、ブレードコート法、ダイコート法、グラビアコート法、ディップコート法などを用いることができる。

電着法は、樹脂粒子と無機物粒子とを含む液状組成物（電着液）に金属基板を浸漬して、金属基板の表面に樹脂粒子と無機物粒子とを電着させて電着層を形成する方法である。電着液としては、無機物粒子混合物が分散された分散液と樹脂が溶解した樹脂溶液とを混合して得られた無機物粒子分散樹脂溶液に、樹脂の貧溶媒を加えて樹脂を粒子として析出させることによって調製したものを用いることができる。

湿潤絶縁性組成物膜を加熱して絶縁膜を形成する方法としては、特に制限はなく、溶媒の揮発温度以上の温度で加熱すればよい。加熱温度は、通常は、２００℃以上であり、好ましくは２５０℃以上である。

以上のような構成とされた本実施形態の絶縁性放熱材料１によれば、粒径が２．５μｍ以下である微細な無機物粒子（大径無機物粒子３ａと中径無機物粒子３ｂと小径無機物粒子３ｃの合計）の含有量が上記の範囲内とされているので、相対的に粒子径が大きい無機物粒子（大径無機物粒子３ａ）の粒子間に、相対的に粒子径が小さい無機物粒子（中径無機物粒子３ｂ、小径無機物粒子３ｃ）を効率よく介在させることができる。よって、無機物粒子の添加による耐電圧性の低下を抑えつつ、絶縁性放熱材料の熱伝導性を向上させることができる。特に、本実施形態の絶縁性放熱材料１によれば、粒径が０．６μｍ以下の微細な無機物粒子（中径無機物粒子３ｂと小径無機物粒子３ｃの合計）の含有量が上記の範囲内とされ、粒径が０．２μｍ以下のさらに微細な無機物粒子（小径無機物粒子３ｃ）の含有量が上記の範囲内とされているので、耐電圧性を維持したまま、熱伝導性をより向上させることができる。

本実施形態の絶縁性放熱材料１において、フィラー３の粒度分布が、少なくとも２つのピークを有する場合は、相対的に粒子径が大きい無機物粒子と相対的に粒子径が小さい無機物粒子との差が明確になる。このため、相対的に粒子径が大きい無機物粒子の粒子間に、相対的に粒子径が小さい無機物粒子をより効率よく介在させることができる。よって、絶縁性放熱材料１の熱伝導性をより向上させることができる。また、無機物粒子がアルミナ粒子、窒化アルミニウム粒子及びマグネシア粒子からなる群より選ばれる少なくとも一種の粒子を含む場合は、絶縁性放熱材料１の熱伝導性をさらに向上させることができる。さらに、樹脂２がポリイミド、又はポリアミドイミド、もしくはこれらの混合物である場合は、絶縁性放熱材料１の絶縁性、耐電圧性、化学的耐性及び機械特性を向上させることができる。

また、本実施形態の絶縁膜は、上述の絶縁性放熱材料を含むので、耐電圧性と熱伝導性の両者をバランスよく向上させることができる。

さらに、本実施形態の絶縁膜の製造方法によれば、平均粒径が異なる２種類または３種類の無機物粒子を、固形分中の体積濃度が上記の範囲内となる割合で使用するので、相対的に粒子径が大きい無機物粒子の粒子間に、相対的に粒子径が小さい無機物粒子を効率よく介在させることができる。よって、耐電圧性と熱伝導性の両者がバランスよく向上した絶縁膜を製造することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

実施例では、樹脂として、ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリアミドイミドとポリイミドを質量比で５０：５０の割合で含む混合物（ＰＩ＋ＰＡＩ）を用い、フィラーとして、平均粒径が１８μｍ、３μｍ、１．５μｍ、０．７μｍ、０．４μｍ、０．１μｍのアルミナ粒子を用いた。平均粒径１８μｍの粒子群に含まれる２．５μｍ以下の粒子の含有率は１体積％以下、平均粒径３μｍの粒子群に含まれる２．５μｍ以下の粒子の含有率は３５体積％、０．６μｍ以下の粒子の含有率は１体積％以下、平均粒径１．５μｍの粒子群に含まれる２．５μｍ以下の粒子の含有率は９６体積％、０．６μｍ以下の粒子の含有率は１体積％以下、平均粒径０．７μｍの粒子群に含まれる２．５μｍ以下の粒子の含有率は１００体積％、０．６μｍ以下の粒子の含有率は４３体積％、０．２μｍ以下の粒子の含有率は１体積％以下、平均粒径０．４μｍの粒子群に含まれる２．５μｍ以下の粒子の含有率は１００体積％、０．６μｍ以下の粒子の含有率は８６体積％、０．２μｍ以下の粒子の含有率は１１体積％、平均粒径０．１μｍの粒子群に含まれる０．６μｍ以下の粒子の含有率は１００体積％、０．２μｍ以下の粒子の含有率は７９体積％であった。

［本発明例１］
樹脂を体積濃度で２３体積％、平均粒径が１．５μｍのアルミナ粒子を体積濃度で５５体積％、平均粒径が０．４μｍのアルミナ粒子を体積濃度で１２体積％、平均粒径が０．１μｍのアルミナ粒子を体積濃度１０体積％の割合で含むアルミナ粒子分散樹脂溶液を、次のようにして調製した。樹脂としては、ポリアミドイミドとポリイミドの混合物を用いた。

先ず、平均粒径が１．５μｍのアルミナ粒子と、平均粒径が０．４μｍのアルミナ粒子と、平均粒径が０．１μｍのアルミナ粒子とを上記の割合で混合してアルミナ粒子混合物を作成した。得られたアルミナ粒子混合物１．０ｇを、ＮＭＰ（Ｎ－メチル－２－ピロリドン）を６２．５ｇ、１Ｍ２Ｐ（１－メトキシ－２－プロパノール）を１０ｇ、ＡＥ（アミノエーテル）を０．２２ｇの割合で含む混合溶媒に投入し、３０分間超音波処理して、アルミナ粒子混合物分散液を調製した。また、ポリアミドイミドとポリイミドの混合物をＮＭＰに溶解して樹脂の濃度が５質量％の樹脂溶液を調製した。
上記のアルミナ粒子混合物分散液と樹脂溶液とを、樹脂とアルミナ粒子の含有量が上記の割合となるように、かつ樹脂の濃度が５質量％となるように混合して、アルミナ粒子分散樹脂溶液を調製した。このアルミナ粒子分散樹脂溶液を用いて、電着法により絶縁性樹脂材料からなる絶縁膜を、次のようにして成膜して、絶縁膜付き銅基板を作製した。

上記のアルミナ粒子分散樹脂溶液を、５０００ｒｐｍの回転速度で撹拌しながら、そのアルミナ粒子分散樹脂溶液に水を２１ｇ滴下して、樹脂を析出させることによって、アルミナ粒子分散電着液を調製した。得られたアルミナ粒子分散電着液に、厚み０．３ｍｍで３０ｍｍ×２０ｍｍの銅基板と、ステンレス電極とを浸漬し、銅基板を正極、ステンレス電極を負極として、１００Ｖの直流電圧を印加して、銅基板の表面に電着膜を形成した。なお、銅基板の裏面は保護テープを貼り付けて、電着膜が形成されないように保護した。電着膜の膜厚は、加熱によって生成する絶縁膜の膜厚が２０μｍとなる厚みとした。次いで、電着膜を形成した銅基板を、大気雰囲気下、２５０℃で３分間加熱して、電着膜を乾燥させて、絶縁膜付き銅基板を作製した。

［本発明例２～３、比較例１～３］
樹脂の種類とアルミナ粒子分散樹脂溶液の組成を、下記の表１に示すとおりに代えたこと以外は、本発明例１と同様にして絶縁膜付き銅基板を作製した。なお、表１の樹脂の種類におけるＰＩはポリイミド、ＰＡＩはポリアミドイミドを示す。

［本発明例４］
樹脂の種類とアルミナ粒子分散樹脂溶液の組成を、下記の表１に示すとおりに代えたこと以外は、本発明例１と同様にしてアルミナ粒子分散樹脂溶液を調製した。このアルミナ粒子分散樹脂溶液を用いて、塗布法により絶縁性樹脂材料からなる絶縁膜を、次のようにして成膜して、絶縁膜付き銅基板を作製した。

得られたアルミナ粒子分散樹脂溶液を、スギノマシン社製スターバーストを用い、圧力５０ＭＰａの高圧噴射処理を１０回繰り返すことにより分散処理を行なって、アルミナ粒子分散樹脂塗布液を調製した。得られたアルミナ粒子分散樹脂塗布液を、厚み０．３ｍｍで３０ｍｍ×２０ｍｍの銅基板の表面に、加熱後の膜厚が２０μｍとなるように塗布して塗布膜を形成した。次いで塗布膜を形成した銅基板をホットプレート上に配置して、３℃／分の昇温速度で室温から６０℃まで昇温し、６０℃で１００分間加熱した後、さらに１℃／分の昇温速度で１２０℃まで昇温し、１２０℃で１００分間加熱して、乾燥して乾燥膜とした。その後、乾燥膜を２５０℃で１分間、次いで４００℃で１分間加熱して、絶縁膜付き銅基板を作製した。

［本発明例５～６、比較例４～６］
樹脂の種類とアルミナ粒子分散樹脂溶液の固形分組成を、下記の表１に示すとおりに代えたこと以外は、本発明例４と同様にして絶縁膜付き銅基板を作製した。

［評価］
本発明例１～６及び比較例１～６で得られた絶縁膜付き銅基板について、下記の評価を行なった。その結果を、下記の表２に示す。

（絶縁膜中のアルミナ粒子の体積濃度）
絶縁膜付き銅基板を塩化ナトリウム水溶液中にて通電し、銅基板から気体を発生させることにより、銅基板と絶縁膜とを分離した。得られた絶縁膜を用いて、前述の方法により絶縁膜中のアルミナ粒子の合計体積濃度を測定した。次いで、前述の方法により各粒径のアルミナ粒子の体積濃度を測定した。

（膜厚当たりの耐電圧）
耐電圧は、株式会社計測技術研究所の多機能安全試験器７４４０を用いて測定した。絶縁膜付銅基板の絶縁膜の表面に電極（φ６ｍｍ）を配置した。絶縁膜付銅基板の銅基板と絶縁膜の表面に配置した電極をそれぞれ電源に接続し、６０００Ｖまで３０秒で昇圧した。銅基板と電極との間に流れる電流値が５０００μＡになった時点の電圧を絶縁膜の耐電圧とした。

（絶縁膜の熱伝導率）
熱伝導率（絶縁膜の厚さ方向の熱伝導率）は、ＮＥＴＺＳＣＨ－ＧｅｒａｔｅｂａｕＧｍｂＨ製のＬＦＡ４７７ Ｎａｎｏｆｌａｓｈを用いて、レーザーフラッシュ法により測定した。熱伝導率は、界面熱抵抗を考慮しない２層モデルを用いて算出した。なお、銅基板の厚みは既述したように０．３ｍｍ、銅基板の熱拡散率は１１７．２ｍｍ^２／秒とした。絶縁膜の熱伝導率の計算には、アルミナ粒子の密度３．８９ｇ／ｃｍ^３、アルミナ粒子の比熱０．７８Ｊ／ｇＫ、ポリアミドイミド樹脂の密度１．４１ｇ／ｃｍ^３、ポリアミドイミド樹脂の比熱１．０９Ｊ／ｇＫ、ポリイミドの密度１．４ｇ／ｃｍ^３、ポリイミドの比熱１．１３Ｊ／ｇＫを用いた。

（性能値）
下記の式より得られた値を性能値とした。
性能値＝膜厚当たりの耐電圧（ｋＶ／ｍｍ）×絶縁膜の熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）

（ボイドの有無）
絶縁膜付き銅基板を樹脂埋めし、機械研磨によって断面を露出させた。次いで、露出した絶縁膜付き銅基板の絶縁膜の断面を、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いて観察した。絶縁膜の断面積１００μｍ^２に対して、最大径が０．３μｍ以上のボイド（気孔）が１個以上見られた場合を、ボイド有りとした。

粒径が２．５μｍ以下、０．６μｍ以下、０．２μｍ以下のアルミナ粒子の体積濃度がそれぞれ本発明の範囲内にある本発明例１～６は、性能値がいずれも高いことから、耐電圧性と熱伝導性とがバランスよく向上していることが確認された。

粒径が２．５μｍを超える粗大アルミナ粒子の体積濃度が高く、粒径が２．５μｍ以下のアルミナ粒子の体積濃度が本発明の範囲よりも低い比較例１～２は、耐電圧性が低下する傾向が確認された。

粒径が０．２μｍ以下のアルミナ粒子の体積濃度が本発明の範囲よりも低い比較例３は、熱伝導率が低くなる傾向が見られた。すなわち、比較例３は、本発明例３と比較すると、２．５μｍ以下のアルミナ粒子の含有量は同等であり、耐電圧性は同等であるが、熱伝導性が低下した。これは、比較例３では、粒径が２．５μｍ以下で０．６μｍを超える大径アルミナ粒子の粒子間に介在する０．２μｍ以下の小径アルミナ粒子の量が少ないためである。

粒径が２．５μｍ以下のアルミナ粒子の体積濃度が本発明の範囲よりも高い比較例４は、耐電圧が低下する傾向が見られた。これは、アルミナ粒子の総量が多くなりすぎたことにより、アルミナ粒子同士の間を樹脂で完全に埋めることが難しくなり、絶縁膜中にボイド（気孔）が形成されたためである。

粒径が０．２μｍ以下のアルミナ粒子の体積濃度が本発明の範囲よりも多い比較例５は、熱伝導率が低下する傾向が見られた。これは、０．２μｍ以下の小径アルミナ粒子は表面積が大きいため、その量が多くなりすぎると、樹脂とアルミナ粒子の界面での熱抵抗が大きくなるである。

粒径が２．５μｍ以下のアルミナ粒子の体積濃度が本発明の範囲よりも低い比較例６は、熱伝導率が低くなる傾向が見られた。これは、絶縁膜中のアルミナ粒子の総量が少なくなりすぎたことにより、熱を伝えるパスが充分に形成されなかったためである。

１ 絶縁性放熱材料
２ 樹脂
３ フィラー
３ａ 大径無機物粒子
３ｂ 中径無機物粒子
３ｃ 小径無機物粒子

Claims (7)

1. 樹脂とフィラーとを含む絶縁性放熱材料であって、
   前記フィラーは、粒径が２．５μｍ以下の無機物粒子と、粒径が０．６μｍ以下の無機物粒子と、粒径が０．２μｍ以下の無機物粒子とを含み、
   前記粒径が２．５μｍ以下の無機物粒子の含有量が前記絶縁性放熱材料中の体積濃度で５０体積％以上８０体積％以下の範囲内にあって、前記粒径が０．６μｍ以下の無機物粒子の含有量が前記絶縁性放熱材料中の体積濃度で１６体積％以上２４体積％以下の範囲内にあり、前記粒径が０．２μｍ以下の無機物粒子の含有量が前記絶縁性放熱材料中の体積濃度で６体積％以上１２体積％以下の範囲内にある絶縁性放熱材料。
2. 前記フィラーは、前記フィラーの粒度分布が、少なくとも２つのピークを有する請求項１に記載の絶縁性放熱材料。
3. 前記無機物粒子はアルミナ粒子、窒化アルミニウム粒子及びマグネシア粒子からなる群より選ばれる少なくとも一種の粒子を含む請求項１又は２に記載の絶縁性放熱材料。
4. 前記樹脂は、ポリイミド、又はポリアミドイミド、もしくはこれらの混合物である請求項１から３のいずれか一項に記載の絶縁性放熱材料。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の絶縁性放熱材料を含む絶縁膜。
6. 平均粒径が０．０１μｍ以上０．６μｍ未満の範囲内にある無機物粒子を固形分中の体積濃度で１６体積％以上２４体積％以下の範囲内、平均粒径が０．６μｍ以上２．５μｍ未満の範囲内にある無機物粒子を固形分中の体積濃度で３４体積％以上５６体積％以下の範囲内、残部が樹脂となる割合で含有する固形分と、溶媒とを含む液状組成物であって、粒径が２．５μｍ以下の無機物粒子の含有量が固形分中の体積濃度で５０体積％以上８０体積％以下の範囲内にあって、粒径が０．６μｍ以下の無機物粒子の含有量が固形分中の体積濃度で１６体積％以上２４体積％以下の範囲内にあり、粒径が０．２μｍ以下の無機物粒子の含有量が固形分中の体積濃度で６体積％以上１２体積％以下の範囲内にある液状組成物を用いて、基板の上に、湿潤絶縁性組成物膜を形成する工程と、
   前記湿潤絶縁性組成物膜を加熱して絶縁膜を形成する工程と、を有する絶縁膜の製造方法。
7. 平均粒径が０．０１μｍ以上０．２μｍ未満の範囲内にある無機物粒子を固形分中の体積濃度で８体積％以上１２体積％以下の範囲内、平均粒径が０．２μｍ以上０．６μｍ未満の範囲内にある無機物粒子を固形分中の体積濃度で８体積％以上１２体積％以下の範囲内、平均粒径が０．６μｍ以上２．５μｍ未満の範囲内にある無機物粒子を固形分中の体積濃度で３４体積％以上５６体積％以下の範囲内、残部が樹脂となる割合で含有する固形分と、溶媒とを含む液状組成物であって、粒径が２．５μｍ以下の無機物粒子の含有量が固形分中の体積濃度で５０体積％以上８０体積％以下の範囲内にあって、粒径が０．６μｍ以下の無機物粒子の含有量が固形分中の体積濃度で１６体積％以上２４体積％以下の範囲内にあり、粒径が０．２μｍ以下の無機物粒子の含有量が固形分中の体積濃度で６体積％以上１２体積％以下の範囲内にある液状組成物を用いて、基板の上に湿潤絶縁性組成物膜を形成する工程と、
   前記湿潤絶縁性組成物膜を加熱して絶縁膜を形成する工程と、を有する絶縁膜の製造方法。

Images