JP4413649B2 - 放熱構造体及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、放熱構造体及びその製造方法に関し、特に、電気的な絶縁状態を維持しつつ、半導体装置等の発熱体からの熱を効率的に放散し、且つ、長期間の使用に耐える放熱構造体及びその製造方法に関する。
従来より、半導体素子等の発熱体を冷却するための各種の放熱構造体が提案されている。図７及び図８に従来の半導体装置の放熱構造体の一例を示す。なお、図７及び図８では、通電用のボンディングワイヤ及び封止樹脂は図示を省略している。
図７に示す放熱構造体では、半導体素子１１が電極板１２と共に半導体装置１の樹脂成型部１３に固着されており、図８に示すように半導体素子１１の電極板１２は樹脂成型部１３の表面に露出している。樹脂成型部１３には固定用穴１４が形成されており、固定用穴１４に挿入される固定用ネジ３により樹脂成型部１３は金属製ヒートシンク２に固定されている。金属製ヒートシンク２内には冷媒通路５が形成されており、冷媒通路５内には放熱用冷媒が循環している。
樹脂成型部１３と金属製ヒートシンク２との間には、絶縁・放熱機能を有するシート４が挿入されており、樹脂成型部１３の表面上の電極板１２と金属製ヒートシンク２との間は電気的に絶縁されている。そして、シート４は固定用ネジ３により半導体装置１の樹脂成型部１３及び金属製ヒートシンク２と一体化されている。したがって、半導体素子１１において発生した熱は、電極板１２→シート４→金属製ヒートシンク２→冷媒通路５の経路により放熱される。
シート４としては、一般に、シリコーンゴム等の電気的絶縁性を有する基材と熱伝導性フィラーから製造され、電気的絶縁性と熱伝導性との両方の機能を有する絶縁・放熱シートが使用される。
図７及び図８に示す放熱構造体において、シート４の熱抵抗を低減させて冷却効率を改善するには、例えば、シート４中の熱伝導性フィラーの充填率を高めるか、あるいは、シート４の柔軟性を高めて、微細な凹凸を有する半導体装置１（電極板１２）及び金属製ヒートシンク２の表面とシート４との接触効率を改善することが考えられる。
しかし、前記の２つの熱抵抗低減策は二律背反の関係にあるため、シート４の柔軟化による熱抵抗の低減には限界がある。そこで、特開平１１−１３５６９１号公報に記載されるように、シリコーンオイル等の電気絶縁性を有する基材に熱伝導性フィラーを混合して得られた電気絶縁性・熱伝導性のグリース６をシート４の表面に塗布することが提案されている。図９は、シート４の両面にグリース６を塗布した場合の電極板１２と金属製ヒートシンク２とのシート４の接触状態を示す拡大図である。図９に示されるように、シート４の柔軟性が不十分で電極板１２と金属製ヒートシンク２の表面の微細な凹凸に十分追従することができなくとも、グリース６が電極板１２及び金属製ヒートシンク２とシート４の接触面における微細な空隙に充填されるため、熱抵抗を低減することができる。
特開平１１−１３５６９１号公報
特開平１１−１３５６９１号公報（［００１９］段落等参照）によれば、図９に示すようにグリース６を表面に塗布したシート４は半導体素子稼働時の温度条件下において長期間使用可能であるとされているが、実際には、シート４表面にグリース６を塗布した状態で半導体素子稼働時等の高温下で長期間使用するとグリース６が変質して固化し、及び／又は、シート４が弾性を失い、最終的に、シート４の電気絶縁性が失われ、半導体装置１（電極板１２）の絶縁不良が発生するという問題がある。
図１０を用いて絶縁不良発生のメカニズムを説明する。半導体装置１と金属製ヒートシンク２との間にグリース６が両面塗布されたシート４が介在する図１０の放熱構造体において、グリース６はジメチルポリシロキサン系シリコーンオイル基材６１及び熱伝導性フィラー６２を含み、シート４はジメチルポリシロキサン系シリコーンゴム基材４１及び熱伝導性フィラー４２を含む。これらシート４及びグリース６はそれぞれ単体では高い耐熱性を備えている。そして、これらを組み合わせて使用することにより、図１０に示される放熱構造体は、図１０（ａ）に示す初期状態においては高い絶縁性と放熱性を両立できる。
しかし、図示される放熱構造体では、シート４及びグリース６のそれぞれの基材はどちらもジメチルポリシロキサン系であり化学構造が類似している。したがって、図１０（ｂ）に示されるように、長期使用の間に、グリース６中のジメチルポリシロキサン系シリコーンオイル基材６１の成分がシート４内に浸透し、これにより、シート４は膨潤して強度及び伸び特性等が劣化する。また、シート４の表面のグリース６中には高い割合で固形分である熱導電性フィラー６２が残存することになり、最終的には、グリース６の殆どが熱導電性フィラー６２によって占められ、グリース６は固化してしまう。
グリース６の固化により、シート４は半導体装置１と金属製ヒートシンク２に固着した状態となるが、この状態で半導体装置１の半導体素子の稼働を繰り返すと、半導体装置１及び金属製ヒートシンク２の熱膨張係数が異なるために、稼働時の高温状態と稼働停止時の低温状態の温度サイクルにおいて、異なる変位がシート４の両面に加えられ、シート４を引裂く力が発生する。なお、前記温度サイクルは、半導体素子の繰り返し稼働のみならず半導体装置の設置条件（例えば自動車）によっても発生する。そして、この引裂力発生が長期使用の間に繰り返されると、シート４の一部に亀裂が発生し、その結果、半導体装置１と金属製ヒートシンク２との間において絶縁不良が発生する。
なお、図１０では、シート４の両面にグリース６が塗布された例を示しているが、前記の絶縁不良の問題はシート４の片面にのみグリース６が塗布されている場合も同様に発生する。
本発明は前記の問題点を解決することをその目的とするものであって、具体的には、長期間に亘って、電気絶縁性を維持しつつ半導体装置等の発熱体からの熱を効率的に放散することのできる放熱構造体を提供することをその目的とする。
本発明の放熱構造体は、電気絶縁性且つ熱伝導性シートを介して発熱体及び放熱体が一体化されている放熱構造体において、前記電気絶縁性且つ熱伝導性シートと前記発熱体との間、及び／又は、前記電気絶縁性且つ熱伝導性シートと前記放熱体との間に、前記電気絶縁性且つ熱伝導性シートと非相溶性である熱伝導性グリースからなる熱伝導性グリース層が存在することを特徴とする。
前記熱伝導性グリースがパーフルオロポリエーテル系組成物、Ｃ６−Ｃ２０アルキル変性シリコーン系組成物又はフッ化アルキル変性シリコーン系組成物からなる場合は、前記電気絶縁性且つ熱伝導性シートはメチルビニルシリコーン系ゴムからなることが好ましい。
一方、前記熱伝導性グリースがジメチルシリコーン系組成物、パーフルオロポリエーテル系組成物、Ｃ６−Ｃ２０アルキル変性シリコーン系組成物又はメチルフェニルシリコーン系組成物からなる場合は、前記電気絶縁性且つ熱伝導性シートがフロロシリコーン系組成物からなることが好ましい。
前記熱伝導性グリースの熱伝導性は一般に当該グリースに含まれる熱伝導性フィラーによりもたらされるものである。なお、前記熱伝導性フィラーは粒径の異なるフィラーの混合物であってもよい。
本発明の放熱構造体は、
電気絶縁性且つ熱伝導性シートの少なくとも一方の表面、及び／又は、発熱体及び／又は放熱体の表面に熱伝導性グリースが塗布する塗布工程、
前記電気絶縁性且つ熱伝導性シートの表面に発熱体又は放熱体の一方の表面を圧着する第１の圧着工程、及び
前記電気絶縁性且つ熱伝導性シートの前記表面とは異なる他方の表面に発熱体又は放熱体の他方の表面を圧着する第２の圧着工程
を含む方法によって製造されることが可能であり、当該製造方法において使用される前記電気絶縁性且つ熱伝導性シートと前記熱伝導性グリースとは非相溶性である。
電気絶縁性且つ熱伝導性シートの少なくとも一方の表面、及び／又は、発熱体及び／又は放熱体の表面に熱伝導性グリースが塗布する塗布工程、
前記電気絶縁性且つ熱伝導性シートの表面に発熱体又は放熱体の一方の表面を圧着する第１の圧着工程、及び
前記電気絶縁性且つ熱伝導性シートの前記表面とは異なる他方の表面に発熱体又は放熱体の他方の表面を圧着する第２の圧着工程
を含む方法によって製造されることが可能であり、当該製造方法において使用される前記電気絶縁性且つ熱伝導性シートと前記熱伝導性グリースとは非相溶性である。
前記塗布工程においては、前記電気絶縁性且つ熱伝導性シートの両面、及び／又は、発熱体及び放熱体の表面に前記熱伝導性グリースが塗布されてもよい。また、前記熱伝導性グリースはスポット塗布されてもよい。ここで「スポット塗布」とは塗布物を被塗布面上に点状に塗布することを指し、塗布物は被塗布面の全面には塗布されない。そして、被塗布物は少なくとも１つのスポット（点）として塗布面に載置されることができる。
前記二つの圧着工程は連続的に実施することも可能であるが、好ましくは、同時に行われる。
前記製造方法において使用される熱伝導性グリースがパーフルオロポリエーテル系組成物、Ｃ６−Ｃ２０アルキル変性シリコーン系組成物又はフッ化アルキル変性シリコーン系組成物からなる場合は、前記電気絶縁性且つ熱伝導性シートはメチルビニルシリコーン系ゴムからなることが好ましい。
一方、前記製造方法において使用される前記熱伝導性グリースがジメチルシリコーン系組成物、パーフルオロポリエーテル系組成物、Ｃ６−Ｃ２０アルキル変性シリコーン系組成物又はメチルフェニルシリコーン系組成物からなる場合は、前記電気絶縁性且つ熱伝導性シートはフロロシリコーン系ゴムからなることが好ましい。
前記製造方法において使用される前記熱伝導性グリースに含まれる熱伝導性フィラーは粒径の異なるフィラーの混合物であってもよい。
本発明の放熱構造体において放熱の対象となる前記発熱体としては、半導体素子を含む半導体装置が好ましい。
本発明の放熱構造体によれば、多数回の温度サイクルが印可されても、電気絶縁性且つ熱導電性シートに亀裂が発生することを防止できる。したがって、長期間に亘って、電気絶縁性を維持しつつ半導体装置等の発熱体からの熱を効率的に放散することができる。また、発熱体と放熱体の表面の微細な凹凸に熱伝導性グリースが充填されるので、熱抵抗を効果的に低減することができ、放熱効率が高い。特に、熱伝導性グリースと電気絶縁性且つ熱伝導性シートとの基材を特定の組み合わせとした場合には、この効果は顕著である。
また、本発明の放熱構造体によれば、熱伝導性グリース及び／又は前記電気絶縁性且つ熱伝導性シートが熱伝導性フィラーを固形分として含む場合であっても、長期間に亘る電気絶縁を維持し、且つ、効果的な放熱を行うことができる。特に、熱伝導性フィラーが粒径の異なるフィラーの混合物である場合は、熱伝導性フィラーの充填率を向上させることができ、更に、熱伝導性グリースに含まれる場合は、当該グリースの稠度をも高く維持しつつ充填率を向上可能であるので、放熱効率を更に改善することができる。
本発明の放熱構造体の製造方法では、当該放熱構造体を効率的に生産することが可能である。特に、熱伝導性グリースを薄く塗り広げることができるので塗布作業が特に効率的であり、また、熱抵抗を更に低減することができる。そして、前記圧着工程において熱伝導性グリースが押し広げられるので、当該グリース内の気泡が除去されて更に放熱効率を高めることができる。
本発明の放熱構造体は、電気絶縁性且つ熱伝導性シートと発熱体との間、及び／又は、電気絶縁性且つ熱伝導性シートと放熱体との間に、電気絶縁性且つ熱伝導性シートと非相溶性である熱伝導性グリースからなる熱伝導性グリース層が存在する層構造を有している。したがって、発熱体からの熱は、発熱体→（熱伝導性グリース）→電気絶縁性且つ熱伝導性シート→（熱伝導性グリース）→放熱体の経路で伝達され、この結果、発熱体は冷却される。
前記発熱体及び放熱体は特に限定されるものではないが、本発明の放熱構造体は、電気的に絶縁されるべき関係にある発熱体及び放熱体の組み合わせに好適であり、特に、自動車内等の大きな温度変化を受ける過酷な環境下で使用される場合に特に好適である。前記発熱体としては、例えば、半導体素子のように、絶縁されるべき電極等の部位を備え、稼働時に発生する熱を除去する必要のある各種の電子デバイスが挙げられる。また、前記放熱体としては、ジャケット、ヒートパイプ、ヒートシンク等の放熱機能を有する公知の物体が挙げられる。
本発明の放熱構造体において、電気絶縁性且つ熱伝導性シートは、電気絶縁性及び熱伝導性の両方の性質を備えるものであれば、任意のシートが使用可能であるが、発熱体及び放熱体との密着性の点で、弾性を有するゴムシートであることが好ましい。
電気絶縁性且つ熱伝導性のゴムシートとしては、電気絶縁性且つ熱伝導性の各種の基材からなるゴムシートが使用可能である。当該ゴムシート用の基材としては、耐熱性の面でシリコーンゴム、クロロスルフォン化ポリエチレンゴム等の合成ゴムが好ましく、特に高い耐熱性、電気絶縁性を有するシリコーンゴムが好ましい。
前記シリコーンゴムの主成分であるシリコーン生ゴムは、重合度５，０００〜１０，０００程度で平均分子量４０万〜８０万、粘度数百万〜千数百万センチストークスの高分子体である。シリコーン生ゴムの種類としては、ジメチルシリコーン生ゴム（ASTMD-1418による表示でMQ）メチルビニルシリコーン生ゴム（同・VMQ）メチルフェニルビニルシリコーン生ゴム（同・PVMQ）フロロシリコーン生ゴム（同・FVMQ）などが挙げられる。ジメチルシリコーン生ゴムは不飽和基を含まずシリコーンオイルと同一の分子構造を持つ生ゴムである。メチルビニルシリコーン生ゴムはジメチルシリコーン生ゴムのメチル基の一部をビニル基に置き換えた生ゴムである。メチルフェニルビニルシリコーン生ゴムはジメチルシリコーン生ゴムのメチル基の一部をビニル基とメチル基に置き換えた生ゴムである。フロロシリコーン生ゴムはメチルトリフロロプロピルシロキサンに少量のメチルビニルシロキサンを共重合した生ゴムである。成型加工性、強度、圧縮永久歪性などの物理特性上、メチルビニルシリコーン生ゴムやトリフロロプロピル基を導入し耐油性・耐溶剤性を向上したフロロシリコーン生ゴムなどが好ましい。
これらシリコーン生ゴムを主原料として乾式シリカ、湿式シリカなどの補強充填剤、珪藻土、石英粉末などの増量充填剤、添加剤、架橋剤などを加えシリコーンコンパウンドを得ることができ、当該シリコーンコンパウンドを架橋・硬化して成形加工することによりシリコーンゴムシートを得ることができる。なお、前記シリコーンコンパウンドからシリコーンゴムシートへの成型加工方法及び架橋・硬化方法は、使用される触媒により異なるが、当該技術分野において周知の方法により行うことができる。
シリコーン生ゴムを主原料として乾式シリカ、湿式シリカなどの補強充填剤、珪藻土、石英粉末などの増量充填剤を加えたシリコーンコンパウンドは熱伝導性が低いので高い熱伝導性を付与するためには、シリコーンゴムコンパウンドに熱伝導性フィラー、例えば、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化マグネシウム(MgO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化ニッケル(NiO)、酸化チタン(TiO2)、酸化ケイ素(SiO2)、酸化バナジウム(VO)、酸化銅(CuO)、酸化鉄(FeO)、酸化銀(AgO)等の金属酸化物粉末又は窒化アルミニウム(AlN)、窒化ホウ素(BN)、炭化ケイ素(SiC)、窒化ケイ素(SiN)等の無機化合物粉末を配合させることが好ましい。これにより、高い熱伝導性を有するゴムシートを製造することができる。ゴムシート自体の電気絶縁性が高く全体としての電気絶縁性が維持されるのであれば、アルミニウム、金、銀、銅、ニッケル、鉄等の金属粉末も使用可能である。このような熱伝導性フィラーとしては、市販品をそのまま使用することができる。
前記熱伝導性フィラーは、前記シリコーンゴムコンパウンドへの分散性、又は、前記ゴムシートの物理特性を改善するために表面処理されてもよい。表面処理としては、例えば、シランカップリング剤による処理が挙げられる。シランカップリング剤としては、ｎ−ヘキシルトリメトキシシラン、ｎ−ヘキシルトリエトキシシラン、ｎ−オクチルトリエトキシシラン、ｎ−デシルトリメトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、ジフェニルジメトキシシラン、ジフェニルジエトキシシラン等を挙げることができる。
前記熱伝導性フィラーの粒径は何ら限定されるものではなく、例えば、０．１〜５００μｍの範囲のものが使用される。なお、粒径の異なる熱伝導性フィラーの混合物を使用することも可能である。
また、熱伝導性フィラーの配合量も何ら制限されるものではないが、一般に、配合量が少な過ぎると熱伝導性が低下し、また、配合量が多過ぎると熱伝導性は向上するもののゴムシートの物理的強度が低下するので、ゴムシートの材質によっても異なるが、シリコーンゴムコンパウンド１００質量部あたり５０〜２０００質量部、好ましくは１００〜１５００質量部の割合で配合することが好ましい。
本発明の放熱構造体において、熱伝導性グリースとは、熱伝導性を有するグリースを意味し、例えば、液状ポリマー基油（ベースオイル）に増稠剤と熱伝導性フィラーとの組み合わせ、或いは、増稠作用を有する熱伝導性フィラーを配合して得られたグリース状又はコンパウンド状のペーストを意味する。
ベースオイルとしては、例えば、鉱油系のパラフィン系オイル及びナフテン系オイルが挙げられ、また、合成油系のαオレフィンポリマー又はオリゴマー、ポリアルキレングリコール、ジエステル（二塩基酸エステル）、トリメリット酸エステル、ポリオールエステル、パーフルオロポリエーテル、ポリフェニルエーテル及び液状シリコーン等が挙げられる。電気絶縁性及び耐熱性の点で、ベースオイルは液状シリコーン又はパーフルオロポリエーテルが好ましい。
前記液状シリコーンは常温（２５℃）で液状であればよく、直鎖状又は分岐状構造を有していてもよい。このような液状シリコーンとしては、例えば、次の化学式：
（式中、Ｒは炭素数１乃至４のアルキル基であり、メチル基が好ましい。但し、Ｒの一部はビニル基又は水酸基であってよい；Ｒ’は炭素数６乃至２０の長鎖アルキル基であり、例えば、ヘキシル基、デシル基、ドデシル基等の非置換アルキル基、２−フェニルエチル基、２−フェニルプロピル基等のアリール置換アルキル基である；Ｒ”はアリール基であり、例えば、フェニル基である；Ｒ’”はＲ又はＲ”と同義である；Ｒ””は炭素数１乃至４のフッ化アルキル基を表し、例えば、３、３、３−トリフルオロプロピル基である；ａ、ｂ、ｃ及びｄは、２５℃における粘度が１０〜５００，０００ｃｓとなるような０又は正数である）を有する、直鎖状ポリジオルガノシロキサンが挙げられる。なお、グリース特性の面では、前記直鎖状ポリジオルガノポリシロキサンの粘度は２５℃で２０〜３０，０００ｃｓが好ましい。
前記直鎖状ポリジオルガノシロキサンとしては、グリースとしての汎用性から、以下のシリコーン（１）〜（４）が好ましい。
（１） ジメチルシリコーン：
（式中、Ｍｅはメチル基であり；ｌは正の整数である）
（２） メチルフェニルシリコーン：
（式中、Ｍｅはメチル基であり；Ｒ”はメチル基又はフェニル基であり；Ｒ”’はフェニル基であり；ｍは０又は正の整数であり；ｎは正の整数である）
その具体例としては、
と
がある。
（３） Ｃ６−Ｃ２０アルキル変性シリコーン：
（式中、Ｍｅはメチル基であり；R’は炭素原子数６から２０のアルキル基であり、例えば、ヘキシル基、デシル基、ドデシル基等の非置換アルキル基、２−フェニルエチル基、２−フェニルプロピル基等のアリール置換アルキル基である；Ｒ”はメチル基又はフェニル基であり；Ｒ”’はフェニル基であり；ｐは正の整数であり；ｏ及びｑはそれぞれ独立に０又は正の整数である）
具体的には、
と
の構造式のもの等各種市販されている。
（４） フッ化アルキル変性シリコーン：
（式中、Ｍｅはメチル基であり；Ｒ””はフッ化アルキル基であり；ｒは０又は正の整数であり；ｓは正の整数である）
具体的には、
がある。
なお、前記シリコーン（１）〜（４）は、側鎖のメチル基が他のシロキサン基で置換されている分岐状のものであってもよく、また、末端基はヒドロキシル基又はビニル基等で置換されていてもよい。
前記パーフルオロポリエーテルとしては、例えば、以下構造式：
（式中、末端基Ａは、−Ｆ、−ＣＦ３、−Ｃ２Ｆ５、−Ｃ３Ｆ７、−ＣＦ（ＣＦ３）ＯＣＦ３、−ＯＦ、−ＯＣＦ３、−ＯＣ２Ｆ５、−ＯＣ３Ｆ７、又は、−ＯＣＦ（ＣＦ３）ＯＣＦ３であり；末端基Ｂは、−ＣＦ３、−Ｃ２Ｆ５、−Ｃ３Ｆ７、又は、−ＣＦ（ＣＦ３）ＯＣＦ３であり；ｘ、ｙ及びｚは０又は正の整数であり、ｘ＋ｙ＋ｚ＞１であって、２５℃における粘度が５０〜５００，０００ｃｓであるような数である）を有するものが挙げられる。
前記パーフルオロポリエーテルの具体例としては、例えば、以下のものが挙げられる
（式中、ｘ及びｙは前記のとおりである）
（式中、ｙ及びｚは前記のとおりである）
（式中、ｘは前記のとおりである）
（式中、ｘは前記のとおりである）
ベースオイルに配合される熱伝導性フィラーとしては、前記ゴム組成物に配合される熱伝導性フィラーと同一のものを使用することができる。特に、増稠作用を有する点で既述した金属酸化物粉末及び無機化合物粉末が好ましい。なお、ベースオイルの電気絶縁性が高くグリース全体としての電気絶縁性が維持されるのであればアルミニウム、金、銀、銅、ニッケル、鉄等の金属粉末も使用可能である。このような熱伝導性フィラーとしては、市販品をそのまま使用することができる。
前記熱伝導性フィラーはベースオイルへの分散性を改善するために表面処理されてもよい。また、熱伝導性フィラーの粒径は何ら限定されるものではなく、例えば、０．１〜５００μｍの範囲のものが使用される。また、粒径の異なる熱伝導性フィラーの混合物を使用することも可能であり、この場合は、熱伝導性グリースの稠度を低下させずに熱伝導性フィラーの配合率を高めることができるため、熱抵抗を大幅に低減することができる。異なる粒径の熱伝導性フィラーの混合物を使用する場合、例えば、一方のフィラーの平均粒径は他方のフィラーの平均粒径の１／２〜１／５０とすることができる。
ベースオイルに対する熱伝導性フィラーの配合量は、当該フィラーの種類、並びに、異なる粒径の熱伝導性フィラーの組合せの有無等により多少異なるが、ベースオイル１００質量部あたり１０〜１０００質量部が好ましい。
必要に応じて熱伝導性フィラーと共に配合される前記増稠剤としては公知のものが使用可能であり、例えば、リチウム石鹸、カルシウム石鹸、アルミニウム石鹸、リチウム複合石鹸、アルミニウム複合石鹸等の金属石鹸系増稠剤；ベントナイト、シリカゲル等の無機系増稠剤等；ウレア化合物、銅フタロシアニン等の有機系増稠剤を用いることができる。
熱伝導性グリースの製造方法は公知であり、例えば、加熱条件下において、ベースオイルと熱伝導性フィラーとを攪拌機中で混合し、更に必要に応じて増稠剤を混合した混合物を冷却後、ロールにて均質化することにより熱伝導性グリースを製造することができる。
本発明では、前記電気絶縁性且つ熱伝導性シート及び前記熱伝導性グリースの中から、相互に非相溶性であるシート及びグリースが選択され、組み合わされて使用される。
ここで「相溶性」の概念につき説明すると、例えば図７〜図１０に示す放熱構造体において長期使用の間にグリース６中のシリコーンオイル基材６１がシリコーンゴム基材４１からなるシート４内に浸透するように、二つの物体を接触させた場合に、一方の物体から他方の物体への有意量の物質移行が生じる性質をここでは「相溶性」という。したがって、図７〜図１０の放熱構造体においてグリース６とシート４とは相互に「相溶性」である。なお、ここでの「相溶性」とは、二物体がマクロ的な意味で相互に溶解して一体となる性質を指すのではなく、二物体が接触界面を通して有意量の任意の物質を移行させる性質を指す。したがって、前記二物体は独立した形状を維持して接触可能であり、例えば、当該二物体は固体とペースト（グリース等）、固体と液体（オイル等）、固体と固体でありうる。
一方、本発明の放熱構造体では、放熱体と発熱体との間に介在する熱伝導性グリース及び電気絶縁性且つ熱伝導性シートは相互に相溶性ではなく「非相溶性」である。すなわち、熱伝導性グリースと電気絶縁性且つ熱伝導性シートとの間の物質の移行は無いか或いは非常に僅かである。ここで、物質の移行が「僅か」とは、典型的には、物質移行を受けた熱伝導性グリース又は電気絶縁性且つ熱伝導性シートの質量変化が１０質量％未満、好ましくは５質量％未満、より好ましくは２質量％未満、特に好ましくは１質量％未満であることを意味する。
このように、本発明では、「非相溶性」である熱伝導性グリースと電気絶縁性且つ熱伝導性シートとの組み合わせを使用するので、両者を接触させても物質の移行が実質的に発生しない。したがって、本発明の放熱構造体では、電気絶縁性且つ熱伝導性シートが膨潤して強度・伸びなどの物理特性等が劣化することがなく、また、熱伝導性グリースはペースト状態を維持して固化することがない。このため、本発明の放熱構造体は、長期間に亘って電気絶縁性を維持しつつ効果的に放熱機能を発揮することができる。
図１及び図２を用いて、本発明の放熱構造体の一実施態様を説明する。なお、図１及び図２では、通電用のボンディングワイヤ及び封止樹脂は図示を省略している。
図１及び図２に示す本発明の放熱構造体では、半導体素子１１が電極板１２と共に半導体装置１の樹脂成型部１３に固着されており、電極板１２は樹脂成型部１３の表面の一部を構成している。電極板１２の材質は特に制限されるものではなく、任意の導電性物質を使用することができるが、電気伝導性及び熱伝導性の面で金属が好ましく、特に銅系金属が好ましい。樹脂成型部１３の材質も特に制限されるものではなく、ポリフェニレンスルフィド、ポリブチレンテレフタレート、フェノール樹脂等の任意の熱可塑性又は熱硬化性樹脂を使用することができるが、高絶縁性及び高耐熱性の樹脂材料が好ましい。
樹脂成型部１３には複数の固定用穴１４が形成されており、固定用穴１４に挿入される固定用ネジ３により樹脂成型部１３はヒートシンク２に固定されている。ヒートシンク２は熱伝導性の面で金属製が好ましく、特に、アルミニウム系金属又は銅系金属が好ましい。ヒートシンク２内には冷媒通路５が形成されており、冷媒通路５内には放熱用冷媒が循環している。放熱用冷媒は特に限定されるものではなく、水又は各種有機溶媒等の慣用の冷媒が使用される。
図１及び図２に示す本発明の放熱構造体では、樹脂成型部１３とヒートシンク２との間に、電気絶縁性且つ熱伝導性シート７（以下、単に「シート７」という）が挿入されており、シート７は樹脂成型部１３の表面上の電極板１２とヒートシンク２との間を電気的に絶縁している。そして、樹脂成型部１３に対向するシート７の表面には熱伝導性グリース８（以下、単に「グリース８」という）が塗布され、また、シート７に対向するヒートシンク２の表面にもグリース８が塗布された状態で、シート７は固定用孔７３を貫通する固定用ネジ３により半導体装置１の樹脂成型部１３及びヒートシンク２と一体化されている。シート７の厚みは特に制限されるものではないが、０．０１〜５ｍｍが好ましく、０．１〜３ｍｍがより好ましい。０．０１ｍｍ未満では電気絶縁性が低下するおそれがあり、５ｍｍを越えると熱伝導性が低下するおそれがある。
図１及び図２に示す放熱構造体の例では、半導体素子１１において発生した熱は、電極板１２→グリース８→シート７→グリース８→ヒートシンク２→冷媒通路５の経路により放熱される。図１及び図２の例では、グリース８が電極板１２及びヒートシンク２の表面の微細な凹凸に充填され、熱抵抗となる微細な空隙を電極板１２及びヒートシンク２とシート７との接触面に形成しないので、グリース８を塗布しない場合に比べて大幅に熱抵抗を低減することができる。なお、グリース８の層の厚みはシート７及びヒートシンク２の表面状態にもよるが、０．０１〜２ｍｍが好ましく、０．１〜１ｍｍがより好ましい。０．０１ｍｍ未満では潤滑特性が失われるおそれがあり、２ｍｍを越えると熱抵抗が増大するおそれがある。
図１及び図２に示す放熱構造体の例では、グリース８の塗布パターンは特に制限されるものではなく、グリース８は、例えば、シート７の両面、及び／又は、樹脂成型部１３及びヒートシンク２の表面に塗布されてもよい。しかし、熱抵抗低減の観点からは、図示されるように、シート７の両面にグリース８が塗布されることが好ましい。また、半導体装置１とヒートシンク２の一体化の順序も特に限定されるものではなく、シート７の一方の面を半導体装置１（樹脂成型部１３）に圧着した後にシート７の他方の面をヒートシンク２に圧着してもよく、また、その逆でもよい。しかし、工程の簡略化の点では、半導体装置１、シート７及びヒートシンク２の一体化は同時に行うことが好ましい。
前記塗布のための手段も特に限定されるものではなく、ローラー、ブレード、ワイヤー等の任意の塗布手段を使用することができる。また、グリース８は、ディスペンサー等の公知の塗布手段を用いてスポット塗布されてもよい。スポット塗布量は、グリース８の所望の厚みによるが、１点当たり１０〜１００ｍｇが好ましい。
次に図１及び図２の放熱構造体に低温状態から高温状態への温度サイクルが付与された場合の作用を図３を用いて説明する。半導体装置１とヒートシンク２との間にグリース８が両面塗布されたシート７が介在する図３の放熱構造体において、グリース８はベースオイル８１及び熱伝導性フィラー８２を含み、シート７はシリコーンコンパウンド７１及び熱伝導性フィラー７２を含む。
例えば、半導体装置１の樹脂成型部の下面の一部を構成する電極板（図示を省略）が銅からなり、ヒートシンク２がアルミニウムからなる場合、線膨張係数は銅＜アルミニウムであるために、図示しないが、図３（ａ）の低温条件下では放熱構造体は上に凸の反りを有し、図３（ｂ）の高温条件下では下に凸の反りを有する。なお、自動車で使用される半導体装置の場合、半導体装置は半導体素子の稼働の如何に係わらず、天候・エンジン熱等の要因により、−２０℃以下から＋１００℃以上までの温度範囲に曝される。
ここで、低温条件（図３（ａ））から高温条件（図３（ｂ））への温度サイクル下では、シート７の両面には半導体装置１（の電極板）及びヒートシンク２から異なる変位が加えられることになる。しかし、図３の本発明の放熱構造体ではシート７とグリース８とは非相溶性であり、グリース８からシート７へのベースオイル等の物質の移行が実質的にないのでグリース８はペースト状態に維持される。そして、グリース８の潤滑作用により、シート７及び半導体装置１、並びに、シート７及びヒートシンク２は相互に自由に相対位置を変更することができる。したがって、シート７の両面には半導体装置１（の電極板）及びヒートシンク２からの圧縮力及び／又は引張力が伝達されることがなく、或いは、その大きさは影響のない程度にまで低減される。
このように、本発明の放熱構造体では、グリース８は長期間に亘って変質せず潤滑作用を発揮するので、電極板及びヒートシンク２から作用する圧縮力及び／又は引張力を解消又は軽減することができる。また、非相溶性のグリース８からシート７へのベースオイル等の物質移行が実質的に回避されるので、シート７はその機械的物性（引張強度、伸び特性等）を長期間に亘って維持することができる。したがって、温度サイクルが長期間に亘って繰り返し付与された場合であっても、シート７に亀裂等が発生することがなく、半導体装置１とヒートシンク２との間の絶縁不良の発生が長期に亘って防止される。
ところで、ある二物体が「相溶性」である典型例は、当該二物体が類似の化学構造を有する物質からなる場合である。例えば、図７〜図１０に示す放熱構造体では、シート７及びグリース８が共にジメチルポリシロキサン系シリコーンからなるので、グリース８からシート７へ分子レベルでジメチルポリシロキサン成分が移行する。
そこで、図１〜図３に示す本発明の放熱構造体では、シート７及びグリース８の基材の化学構造は非類似であることが好ましい。例えば、シート７がメチルビニルシリコーン系ゴムシートである場合は、グリース８のベースオイルとしては、ジメチルシリコーン以外のポリオルガノシロキサン、例えば、Ｃ６−Ｃ２０アルキル変性シリコーンオイル、フッ化アルキル変性シリコーンオイル、又は、パーフルオロポリエーテルオイルが好ましい。また、例えば、シート７がフロロシリコーン系ゴムシートである場合は、グリース８のベースオイルとしては、フロロシリコーン以外のポリオルガノシロキサン、例えば、ジメチルシリコーンオイル、Ｃ６−Ｃ２０アルキル変性シリコーンオイル、メチルフェニルシリコーンオイル、又は、パーフルオロポリエーテルオイルが好ましい。
次に、図４を用いてグリース８に対する熱伝導性フィラーの充填態様について説明する。
図４（ａ）はベースオイル８１中に同一の粒径のフィラー８２を低充填率で配合したグリース８の例を示す。一方、図４（ｂ）はベースオイル８１中に同一の粒径フィラー８２を高充填率で配合したグリース８の例を示す。フィラー８１の充填率が低いと熱伝導性の向上が見られないので、放熱性の点では図４（ｂ）のフィラーの充填パターンの方が好ましい。しかし、フィラー８２の充填率を高めるとグリース８の稠度が低くなり、固くなるので、薄く塗布することが困難となる。したがって、図４（ｂ）の充填パターンでは、結果的に、グリース８の塗布層が厚く為らざるを得ず、このために、全体的にはグリース８層の熱抵抗が増大してしまう。
そこで、図４（ｃ）に示すように、粒径の異なる熱伝導性フィラー９２、９３を混合してベースオイル９１中に配合してグリース９とすることが好ましい。この場合、熱伝導性ベースオイル９１中のフィラー９２、９３の充填率を高めてもグリース９の稠度が低下することがない。したがって、比較的多量のフィラー９２、９３を含むグリース９の塗布層の厚みを薄くすることができるので、グリース９自体の熱伝導率向上と相まって、グリース９層の熱抵抗を大幅に低減することができる。
また、金属製の電極板１２及び／又は金属製のヒートシンク２の表面にグリースを塗布する場合に比べて、ゴム製のシート７の表面にグリースを薄く塗布することは一般に困難であるが、稠度の高いグリース９であれば、ゴム製のシート７の表面であっても容易に薄く塗布することができるので、グリース層の存在自体による熱抵抗の増大が抑制される。
図５及び図６に、グリース９を使用した本発明の放熱構造体の製造方法の一例を示す。なお、図３と同一の部品には同一の符号を付し、説明を省略する。
まず、公知のディスペンサーを使用して、半導体装置１の樹脂成型部１３に面するシート７の一方の表面及びシート７に対向するヒートシンク２の表面にグリース９をスポット塗布する。
次に、固定ネジ３を締め付けることにより、樹脂成型部１３、シート７及びヒートシンク２を同時に一体化して放熱構造体とする。この際、図６に示すように、ヒートシンク２とシート７との間でグリース９はスポット状から面状に押し広げられるので、グリース９中の気泡が外部に押し出されて除去される。これにより、グリース９の熱抵抗を更に除去することができ、良好な熱伝導性を保持することができる。特に、稠度の高いグリース９を使用することにより、気泡の除去を良好に行うことができる。
なお、一体化の順序はこれに限られるものではなく、樹脂成型部１３又はヒートシンク２の一方とシート７の一体化を先行して実施した後に、ヒートシンク２又は樹脂成型部１３の他方との一体化を行ってもよい。ただし、工程数の点では、樹脂成型部１３、シート７及びヒートシンク２の固定ネジ３による一体化を同時に行うことが好ましい。
なお、固定ネジ３のトルクを制御することにより、グリース９からの気泡除去の態様を制御することも可能である。
［参考例］
メチルビニルシリコーン生ゴム系シリコーンゴムシート（サーコンＴＲ：富士高分子工業株式会社製：以下、「ＭＳシート」という）及びフロロシリコーン生ゴム系シリコーンゴムシート（以下、「ＦＳシート」という）のそれぞれを各種のベースオイルに７０℃で２００時間浸漬した後、各シリコーンゴムシートの質量を測定し、浸漬前の質量に対する増加率（膨潤率：ｗｔ％）を決定した。結果を表１に示す。
メチルビニルシリコーン生ゴム系シリコーンゴムシート（サーコンＴＲ：富士高分子工業株式会社製：以下、「ＭＳシート」という）及びフロロシリコーン生ゴム系シリコーンゴムシート（以下、「ＦＳシート」という）のそれぞれを各種のベースオイルに７０℃で２００時間浸漬した後、各シリコーンゴムシートの質量を測定し、浸漬前の質量に対する増加率（膨潤率：ｗｔ％）を決定した。結果を表１に示す。
参考例１〜６のゴムシートとベースオイルとの組み合わせは「非相溶性」であり、参考例７〜１０のゴムシートとベースオイルの組み合わせは「相溶性」である。なお、発熱体及び放熱体の線膨張係数によっても異なるが、前記膨潤率が１０ｗｔ％以下であるゴムシートとベースオイルの組み合わせは、本発明の電気絶縁性且つ熱導電性シート及び熱伝導性グリースの基材として使用可能である。したがって、参考例１〜６のゴムシート及びベースオイルの組み合わせは本発明の電気絶縁性且つ熱導電性シート及び熱伝導性グリースとして好適である。なお、参考例１〜１０で使用された各ベースオイルは以下のとおりである。
・パーフルオロポリエーテルオイル
製品名 アウジモント社製フォンブリンＭ１５（平均分子量が８０００であるジフルオロメチレンオキサイドとテトラフルオロエチレンオキサイドとの共重合体で［００５１］記載の［化１３］に相当する）。
製品名 アウジモント社製フォンブリンＭ１５（平均分子量が８０００であるジフルオロメチレンオキサイドとテトラフルオロエチレンオキサイドとの共重合体で［００５１］記載の［化１３］に相当する）。
・ジメチルシリコーンオイル
２５℃における粘度が５００ｃｓであるポリジメチルシロキサン（［００４２］記載の［化２］に相当する）。
２５℃における粘度が５００ｃｓであるポリジメチルシロキサン（［００４２］記載の［化２］に相当する）。
・メチルフェニルシリコーンオイル
２５℃での粘度が１００ｃｓで、フェニル基を５モル％含有するポリジメチルメチルフェニルシロキサン（［００４３］記載の［化３］に相当する）。
２５℃での粘度が１００ｃｓで、フェニル基を５モル％含有するポリジメチルメチルフェニルシロキサン（［００４３］記載の［化３］に相当する）。
・ドデシル変性メチルシリコーンオイル
２５℃での粘度が８００ｃｓで、ドデシル基を４５モル％含有するポリジメチルメチルドデシルシロキサン（［００４６］記載の［化６］に相当する）。
２５℃での粘度が８００ｃｓで、ドデシル基を４５モル％含有するポリジメチルメチルドデシルシロキサン（［００４６］記載の［化６］に相当する）。
・フッ化アルキル変性シリコーンオイル
２５℃での粘度が３００ｃｓであるポリメチル３、３、３−トリフルオロプロピルシロキサン（［００４７］記載の［化９］に相当する）。
２５℃での粘度が３００ｃｓであるポリメチル３、３、３−トリフルオロプロピルシロキサン（［００４７］記載の［化９］に相当する）。
［実施例１］
メチルビニルシリコーン生ゴム１００質量部に補強充填剤である乾式シリカ（二酸化ケイ素粉末、日本アエロジル社製、商品名エアルジル２００）を５質量部混練したベースに、熱伝導性フィラーとして酸化アルミニウム（昭和電工株式会社製、商品名ＡＬ−３０）を７００質量部添加してコンパウンドとした。その後、加硫剤としてビス・２，４ジクロルベンゾイルパーオキサイド５０％含有の加硫剤をコンパウンド中のメチルビニルシリコーン生ゴム１００質量部に対して５質量部を添加し均一分散混合し配合物を得た。次に熱加硫プレス機を使用し１２０℃×５分の１次加硫を行なった後、熱風オーブンで２００℃×４時間の２次加硫を行い、厚み０．２０ｍｍのシリコーンゴムシートを得た。
メチルビニルシリコーン生ゴム１００質量部に補強充填剤である乾式シリカ（二酸化ケイ素粉末、日本アエロジル社製、商品名エアルジル２００）を５質量部混練したベースに、熱伝導性フィラーとして酸化アルミニウム（昭和電工株式会社製、商品名ＡＬ−３０）を７００質量部添加してコンパウンドとした。その後、加硫剤としてビス・２，４ジクロルベンゾイルパーオキサイド５０％含有の加硫剤をコンパウンド中のメチルビニルシリコーン生ゴム１００質量部に対して５質量部を添加し均一分散混合し配合物を得た。次に熱加硫プレス機を使用し１２０℃×５分の１次加硫を行なった後、熱風オーブンで２００℃×４時間の２次加硫を行い、厚み０．２０ｍｍのシリコーンゴムシートを得た。
一方、参考例で使用したパーフルオロポリエーテルオイル２７質量部を酸化アルミニウム粉末（粒径２ミクロン）７３質量部と混練した後３本ロールにて均質化して稠度２２０のパーフルオロポリエーテルグリースを得た。
底面の大きさが約２００ｍｍ×１５０ｍｍの半導体装置１を採用した図１及び図２に示す放熱構造体において、シート７として前記シリコーンゴムシートを使用し、且つ、グリース８として前記パーフルオロポリエーテルグリースを使用したものについて、−４０℃で３０分且つ１２０℃で３０分の温度サイクル試験を行った。５サイクル経過後であっても、シリコーンゴムシート及びパーフルオロポリエーテルグリースに異常はなく、継続使用が可能であった。
［比較例１］
実施例１において、前記パーフルオロポリエーテルグリースに代えて、参考例で使用したジメチルシリコーンオイル３１質量部に酸化亜鉛（粒径０.５ミクロン）６９質量部を混同して得られた稠度２５０のポリジメチルシロキサングリースを使用したこと以外は同一の条件下で温度サイクル試験を行った。１回目のサイクルでシリコーンゴムシートに亀裂が入り、継続使用不能となった。
実施例１において、前記パーフルオロポリエーテルグリースに代えて、参考例で使用したジメチルシリコーンオイル３１質量部に酸化亜鉛（粒径０.５ミクロン）６９質量部を混同して得られた稠度２５０のポリジメチルシロキサングリースを使用したこと以外は同一の条件下で温度サイクル試験を行った。１回目のサイクルでシリコーンゴムシートに亀裂が入り、継続使用不能となった。
１：半導体装置、２：ヒートシンク、３：固定ネジ、４：シート、５：冷媒通路、６：グリース、７：電気絶縁性且つ熱伝導性シート、８：熱伝導性グリース、９：熱伝導性グリース、１１：半導体素子、１２：電極板、１３：樹脂成型部、１４：固定用穴、４１：シリコーンゴム基材、４２：熱伝導性フィラー、６１：シリコーンオイル基材、６２：熱伝導性フィラー、７１：シリコーンコンパウンド、７２：熱伝導性フィラー、８１：ベースオイル、８２：熱伝導性フィラー、９１：ベースオイル、９２：熱伝導性フィラー
Claims (11)
- 電気絶縁性且つ熱伝導性シートを介して発熱体及び放熱体が一体化されている電子デバイスの放熱構造体において、
前記電気絶縁性且つ熱伝導性シートと前記発熱体との間、及び／又は、前記電気絶縁性且つ熱伝導性シートと前記放熱体との間に、
前記電気絶縁性且つ熱伝導性シートと非相溶性である熱伝導性グリースからなる熱伝導性グリース層が存在しており、
前記電気絶縁性且つ熱伝導性シートがメチルビニルシリコーン系ゴム又はフロロシリコーン系ゴムからなり、
前記電気絶縁性且つ熱伝導性シートがメチルビニルシリコーン系ゴムからなる場合は、前記熱伝導性グリースがパーフルオロポリエーテル系組成物、Ｃ６−Ｃ２０アルキル変性シリコーン系組成物又はフッ化アルキル変性シリコーン系組成物からなり、
前記電気絶縁性且つ熱伝導性シートがフロロシリコーン系ゴムからなる場合は、前記熱伝導性グリースがジメチルシリコーン系組成物、パーフルオロポリエーテル系組成物、Ｃ６−Ｃ２０アルキル変性シリコーン系組成物又はメチルフェニルシリコーン系組成物からなる
ことを特徴とする電子デバイスの放熱構造体。 - 前記電気絶縁性且つ熱伝導性シートの両表面上に前記熱伝導性グリース層が存在する、請求項１記載の放熱構造体。
- 前記熱伝導性グリースが粒径の異なる熱伝導性フィラーの混合物を含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載の放熱構造体。
- 前記発熱体が半導体装置であることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の放熱構造体。
- 電気絶縁性且つ熱伝導性シートの少なくとも一方の表面、及び／又は、発熱体及び／又は放熱体の表面に熱伝導性グリースを塗布する塗布工程、
前記電気絶縁性且つ熱伝導性シートの表面に発熱体又は放熱体の一方の前記表面を圧着する第１の圧着工程、及び、
前記電気絶縁性且つ熱伝導性シートの前記表面とは異なる他方の表面に発熱体又は放熱体の他方の前記表面を圧着する第２の圧着工程
を含む電子デバイスの放熱構造体の製造方法であって、
前記電気絶縁性且つ熱伝導性シートと前記熱伝導性グリースとは非相溶性であり、
前記電気絶縁性且つ熱伝導性シートがメチルビニルシリコーン系ゴム又はフロロシリコーン系ゴムからなり、
前記電気絶縁性且つ熱伝導性シートがメチルビニルシリコーン系ゴムからなる場合は、前記熱伝導性グリースがパーフルオロポリエーテル系組成物、Ｃ６−Ｃ２０アルキル変性シリコーン系組成物又はフッ化アルキル変性シリコーン系組成物からなり、
前記電気絶縁性且つ熱伝導性シートがフロロシリコーン系ゴムからなる場合は、前記熱伝導性グリースがジメチルシリコーン系組成物、パーフルオロポリエーテル系組成物、Ｃ６−Ｃ２０アルキル変性シリコーン系組成物又はメチルフェニルシリコーン系組成物からなる
ことを特徴とする電子デバイスの放熱構造体の製造方法。 - 前記塗布工程において、前記電気絶縁性且つ熱伝導性シートの両面に前記熱伝導性グリースが塗布されることを特徴とする、請求項５記載の製造方法。
- 前記塗布工程において、前記発熱体及び放熱体の表面に熱伝導性グリースが塗布されることを特徴とする、請求項５又は６記載の製造方法。
- 前記塗布工程において、前記熱伝導性グリースがスポット塗布されることを特徴とする、請求項５乃至７のいずれかに記載の製造方法。
- 前記二つの圧着工程が同時に行われる、請求項５乃至８のいずれかに記載の製造方法。
- 前記熱伝導性グリースが粒径の異なる熱伝導性フィラーの混合物を含むことを特徴とする、請求項５乃至９のいずれかに記載の製造方法。
- 前記発熱体が半導体装置であることを特徴とする、請求項５乃至１０のいずれかに記載の製造方法。
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