JP4582144B2 - 熱伝導シートおよびその製造方法、並びに熱伝導シートを用いたパワーモジュール - Google Patents
熱伝導シートおよびその製造方法、並びに熱伝導シートを用いたパワーモジュール Download PDFInfo
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Description
本発明は、例えばパワー半導体素子等の発熱体からの熱を放出する熱伝導シートおよびその製造方法、並びに熱伝導シートを用いたパワーモジュールに関するものである。
電力回路が実装されたリードフレームの、上記電力回路が実装された面の反対面に、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮまたはＢｅＯ等、絶縁性および熱伝導性に優れた物質からなる絶縁体（セラミックス板）を熱伝導シートとして接着したものがある（例えば特許文献１参照）。
従来のセラミックス板からなる熱伝導シートは、接着面形状に追随するのが困難で、例えばヒートスプレッダまたはリードフレームなどに接着した場合、ヒートスプレッダまたはリードフレームからの応力を受けやすい。
そこで、セラミックス板を薄くすると強度が劣るため、上記応力によるクラックが発生し易くなり、セラミックス板を厚くすると上記クラックは防止できるが熱伝導シートの熱伝導性が低下するという課題があった。
そこで、セラミックス板を薄くすると強度が劣るため、上記応力によるクラックが発生し易くなり、セラミックス板を厚くすると上記クラックは防止できるが熱伝導シートの熱伝導性が低下するという課題があった。
本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、熱伝導性に優れると共に、熱伝導シート内の、セラミックスに代表される熱伝導性を有する材料におけるクラックの発生が防止された熱伝導シートを得ることを目的とする。また、製造方法が容易でコスト面でも有利である熱伝導シートの製造方法を得ることを目的とする。また、高容量化が可能なパワーモジュールを得ることを目的とする。
本発明に係る第１の熱伝導シートは、互いに隣接して設けられ、熱伝導性を有する複数の薄体片と、複数の上記薄体片の側面の間に介在し、上記側面間を接着してシートとする樹脂組成物とを備え、複数の上記薄体片の側面間の間隔が、０．１ｍｍ以上、３ｍｍ以下であり、被熱伝導体の搭載領域における上記薄体片の間隔が、上記被熱伝導体の非搭載領域における上記薄体片の間隔より狭いことを特徴とするものである。また、本発明に係る第２の熱伝導シートは、互いに隣接して設けられ、熱伝導性を有する複数の薄体片と、複数の上記薄体片の側面の間に介在し、上記側面間を接着してシートとする樹脂組成物とを備えた熱伝導シートであって、上記薄体片の面方向の大きさが３ｍｍ角以上、２５ｍｍ角以下であり、被熱伝導体の搭載領域における上記薄体片の面方向の大きさが、上記被熱伝導体の非搭載領域における上記薄体片の大きさより大であることを特徴とするものである。
本発明によれば、熱伝導性を有する複数の薄体片が互いに隣接して設けられているので、熱伝導性に優れると共に熱伝導シートにおけるクラックが防止されるという効果がある。
１ 熱伝導シート、２ 樹脂組成物、２０ 樹脂層、２１ 表面樹脂層、３ 薄体、３１ 薄体片、３２ 側面（分断面）、３３ 溝、３４ 表面、５ 保持シート（粘着シート）、６ 発熱体（被熱伝導体）、７ パワーモジュール。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における、熱伝導シートの概略構成を示す上面図と断面図であり、（ａ）は本実施の形態の熱伝導シート１の表面に設けられた表面樹脂層２１を透視した上面図、（ｂ）は（ａ）のａ−ａ線断面における、熱伝導シート１の断面図である。
図１に示すように、本実施の形態の熱伝導シート１は、熱伝導性を有する複数の薄体片３１が面方向に互いに隣接し、この薄体片３１の側面３２の間に樹脂組成物２が介在し、上記側面３２が樹脂組成物２により接着されてシートとなったもので、セラミックス板に代表される熱伝導材料を一枚で用いるのではなく、上記熱伝導材料を複数の薄体片３１として用いることにより、例えばヒートスプレッダまたはリードフレームからの応力を緩和することが可能となり、クラックが防止できる。なお、本実施の形態の熱伝導シート１には、上記樹脂組成物２が薄体片３１の表面３４にも連続して設けられて、表面樹脂層２１を形成している。
図１は、本発明の実施の形態１における、熱伝導シートの概略構成を示す上面図と断面図であり、（ａ）は本実施の形態の熱伝導シート１の表面に設けられた表面樹脂層２１を透視した上面図、（ｂ）は（ａ）のａ−ａ線断面における、熱伝導シート１の断面図である。
図１に示すように、本実施の形態の熱伝導シート１は、熱伝導性を有する複数の薄体片３１が面方向に互いに隣接し、この薄体片３１の側面３２の間に樹脂組成物２が介在し、上記側面３２が樹脂組成物２により接着されてシートとなったもので、セラミックス板に代表される熱伝導材料を一枚で用いるのではなく、上記熱伝導材料を複数の薄体片３１として用いることにより、例えばヒートスプレッダまたはリードフレームからの応力を緩和することが可能となり、クラックが防止できる。なお、本実施の形態の熱伝導シート１には、上記樹脂組成物２が薄体片３１の表面３４にも連続して設けられて、表面樹脂層２１を形成している。
表１は、本実施の形態の熱伝導シート１における薄体片３１の面方向の大きさおよび間隔と、熱伝導シート１の特性を示す。
つまり、本実施の形態においては、樹脂組成物２がエポキシ樹脂であり、薄体片３１が０．６３ｍｍ厚のＡｌＮ（窒化アルミ）のセラミックス板からなり、表１に示すように面方向の大きさが１ｍｍ角〜３０ｍｍ角の正方形で、それらの間隔が０．０５ｍｍ〜５ｍｍである熱伝導シート１（０．７ｍｍ厚）に対して、熱抵抗、絶縁耐圧および不良率を測定した。
なお、不良率とは、上記熱伝導シート１に対して「−４０℃での３０分間保持と１２５℃での３０分間保持」を１サイクルとして３００サイクルのヒートサイクル試験を施した後に、上記熱伝導シート１の全薄体片３１に対して、クラックが入った薄体片３１の割合であり、上記熱伝導シート１は、薄体片３１の表面３４に表面樹脂層２１が設けられて０．７ｍｍ厚となっている。
また、表１に基づいて得られたものであるが、本実施の形態の熱伝導シート１において、薄体片３１の各間隔における、薄体片３１の面方向の大きさと熱伝導シート１の熱抵抗との関係を示す特性図を図２に、薄体片３１の面方向の大きさと熱伝導シート１の絶縁耐圧との関係を示す特性図を図３に、薄体片３１の面方向の大きさと熱伝導シート１の不良率との関係を示す特性図を図４に示す。なお、図２〜図４において、ａは薄体片３１の間隔が０．０５ｍｍである場合の特性、ｂは薄体片３１の間隔が０．１ｍｍである場合の特性、ｃは薄体片３１の間隔が３ｍｍである場合の特性、ｄは薄体片３１の間隔が５ｍｍである場合の特性である。
なお、不良率とは、上記熱伝導シート１に対して「−４０℃での３０分間保持と１２５℃での３０分間保持」を１サイクルとして３００サイクルのヒートサイクル試験を施した後に、上記熱伝導シート１の全薄体片３１に対して、クラックが入った薄体片３１の割合であり、上記熱伝導シート１は、薄体片３１の表面３４に表面樹脂層２１が設けられて０．７ｍｍ厚となっている。
また、表１に基づいて得られたものであるが、本実施の形態の熱伝導シート１において、薄体片３１の各間隔における、薄体片３１の面方向の大きさと熱伝導シート１の熱抵抗との関係を示す特性図を図２に、薄体片３１の面方向の大きさと熱伝導シート１の絶縁耐圧との関係を示す特性図を図３に、薄体片３１の面方向の大きさと熱伝導シート１の不良率との関係を示す特性図を図４に示す。なお、図２〜図４において、ａは薄体片３１の間隔が０．０５ｍｍである場合の特性、ｂは薄体片３１の間隔が０．１ｍｍである場合の特性、ｃは薄体片３１の間隔が３ｍｍである場合の特性、ｄは薄体片３１の間隔が５ｍｍである場合の特性である。
図３に示すように、薄体片３１の面方向の大きさが３ｍｍ角以上では熱伝導シート１の絶縁耐圧は薄体片３１の面方向の大きさによる影響が少なく一定であり、３ｍｍ角未満では熱伝導シート１の絶縁耐圧の低下が顕著となり、図２に示すように、薄体片３１の面方向の大きさが３ｍｍ角未満では熱伝導シート１の熱抵抗の増加も顕著となる傾向が見られる。
また、図４に示すように、薄体片３１の面方向の大きさが２５ｍｍ角を越えると不良率の増加が顕著となる。
これは、熱伝導シート１において、薄体片３１が３ｍｍ角未満では、数が非常に多くなることによって作業が困難になるばかりでなく、樹脂組成物２の占める割合が多くなって熱抵抗が大きくなり、また、熱伝導シート１の厚さ方向において、樹脂組成物２と薄体片３１との界面が多く存在することになり、絶縁破壊が起こる確率が高くなって絶縁耐圧が低下したものと推察される。
また、薄体片３１が２５ｍｍ角を越えることにより、製造工程中や使用時の衝撃や応力などによって薄体片にクラックが生じる可能性が増したことによると推察される。
以上のことから、本実施の形態の熱伝導シート１に係わる薄体片３１の面方向の大きさが、３ｍｍ角以上、２５ｍｍ角以下であると、応力を緩和することができて熱伝導シートのクラックが防止できるとともに、絶縁耐圧と熱伝導性を確保することができることが分かる。
また、図４に示すように、薄体片３１の面方向の大きさが２５ｍｍ角を越えると不良率の増加が顕著となる。
これは、熱伝導シート１において、薄体片３１が３ｍｍ角未満では、数が非常に多くなることによって作業が困難になるばかりでなく、樹脂組成物２の占める割合が多くなって熱抵抗が大きくなり、また、熱伝導シート１の厚さ方向において、樹脂組成物２と薄体片３１との界面が多く存在することになり、絶縁破壊が起こる確率が高くなって絶縁耐圧が低下したものと推察される。
また、薄体片３１が２５ｍｍ角を越えることにより、製造工程中や使用時の衝撃や応力などによって薄体片にクラックが生じる可能性が増したことによると推察される。
以上のことから、本実施の形態の熱伝導シート１に係わる薄体片３１の面方向の大きさが、３ｍｍ角以上、２５ｍｍ角以下であると、応力を緩和することができて熱伝導シートのクラックが防止できるとともに、絶縁耐圧と熱伝導性を確保することができることが分かる。
さらに、図２に示すように、薄体片３１の大きさが５ｍｍ角以上では熱抵抗の減少傾向が顕著となって放熱性が向上するが、これは熱伝導シート１の面方向への熱伝導の広がりが増したことによると推察される。また、図４に示すように、薄体片３１の大きさが１５ｍｍ角以下では不良率の減少が顕著となるが、これは製造工程中や使用時に薄体片のクラックが生じる可能性がより減少したことによると推察される。
以上のことから、本実施の形態の熱伝導シート１に係わる薄体片３１の面方向の大きさは、５ｍｍ角以上、１５ｍｍ角以下であると、熱伝導シートのクラックがさらに防止できるとともに、熱伝導性を確保することができることが分かる。
なお、薄体片３１がＡｌ２Ｏ３（アルミナ）またはＢＮ（窒化ホウ素）等のセラミックス板からなるものでも本実施の形態と同様の結果が得られた。また、薄体片３１の厚さが０．１ｍｍ以上、２ｍｍ以下の範囲のものでも、本実施の形態と同様の結果が得られた。
以上のことから、本実施の形態の熱伝導シート１に係わる薄体片３１の面方向の大きさは、５ｍｍ角以上、１５ｍｍ角以下であると、熱伝導シートのクラックがさらに防止できるとともに、熱伝導性を確保することができることが分かる。
なお、薄体片３１がＡｌ２Ｏ３（アルミナ）またはＢＮ（窒化ホウ素）等のセラミックス板からなるものでも本実施の形態と同様の結果が得られた。また、薄体片３１の厚さが０．１ｍｍ以上、２ｍｍ以下の範囲のものでも、本実施の形態と同様の結果が得られた。
なお、本実施の形態において、熱伝導シート１に係わる薄体片３１の面方向が、一辺が３ｍｍ以上、２５ｍｍ以下の正方形であると、上記効果が得られることを示したが、上記薄体片３１面の最長の対角線長さが、一辺が３ｍｍである正方形の対角線長さである（３２＋３２）１／２ｍｍ以上、一辺が２５ｍｍである正方形の対角線長さである（２５２＋２５２）１／２ｍｍ以下であれば、上記薄体片３１の面方向の形状が、正方形に限定されず多角形または円であっても本実施の形態と同様の効果を得ることができる。
また、熱伝導シート１における各薄体片３１間の間隔は狭い程、熱抵抗が低くなるため好ましいが、狭すぎると樹脂組成物２が上記薄体片３１の間に入り込むことが困難となって空隙が残り絶縁耐圧の低下が懸念されるため、上記間隔は０．１ｍｍ以上であることが好ましい。しかし、３ｍｍを越えると熱抵抗が高くなる傾向があるため、上記間隔は、０．１ｍｍ以上、３ｍｍ以下が好ましい。
図５（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態１における、別の熱伝導シートの薄体片の概略構成を示す断面図であり、本実施の形態における薄体片３１の分断面（側面）３２の断面形状が熱伝導シート１のシート面に対して斜めであり、（ｃ）は上記断面形状が円弧の一部の場合である。
図５に示すように、本実施の形態の熱伝導シート１は、上記薄体片３１の分断面（側面）３２の断面形状が、熱伝導シート１面に対して垂直に切り立っていないので、薄体片３１の角に電界集中することが防止され絶縁破壊が起こり難く、また、上記薄体片３１の分断面（側面）３２の、熱伝導シート１の厚さ方向における沿面距離が長くなって絶縁耐圧が向上する。
図５に示すように、本実施の形態の熱伝導シート１は、上記薄体片３１の分断面（側面）３２の断面形状が、熱伝導シート１面に対して垂直に切り立っていないので、薄体片３１の角に電界集中することが防止され絶縁破壊が起こり難く、また、上記薄体片３１の分断面（側面）３２の、熱伝導シート１の厚さ方向における沿面距離が長くなって絶縁耐圧が向上する。
本実施の形態の熱伝導シート１に係わる樹脂組成物２は、薄体片３１の分断面（側面）３２の間を接着してシートとするためのものであるので、熱伝導性の面からは薄体片３１表面３４上には必ずしも必要ではないが、接着部材との接着性の観点からは設けることが好ましく、熱抵抗と接着性とを考慮すると薄体片３１表面３４の表面樹脂層２１の厚さは１μｍ以上、１００μｍ以下が好ましく、５μｍ以上、４０μｍ以下であることがより好ましい。表面樹脂層２１の厚さは１μｍ未満では接着性が得難く、１００μｍを越えると熱抵抗が非常に大きくなる。
また、上記樹脂組成物２には熱伝導性のよい粒子が含有されていることが好ましく、例えば熱伝導性に優れた金属フィラーや無機粉末フィラーを用いることができ、絶縁性が要求される場合は、例えばＡｌ２Ｏ３（アルミナ）、ＢＮ（窒化ホウ素）またはＡｌＮ（窒化アルミニウム）等の無機粉末フィラーを用いる。上記粒子の粒径は０．０１μｍ以上、１００μｍ以下、０．１μｍ以上、２０μｍ以下がより好ましく、表面樹脂層２１厚と同定度の大きさのものを用いることにより熱伝導が向上する。
また、上記樹脂組成物２には熱伝導性のよい粒子が含有されていることが好ましく、例えば熱伝導性に優れた金属フィラーや無機粉末フィラーを用いることができ、絶縁性が要求される場合は、例えばＡｌ２Ｏ３（アルミナ）、ＢＮ（窒化ホウ素）またはＡｌＮ（窒化アルミニウム）等の無機粉末フィラーを用いる。上記粒子の粒径は０．０１μｍ以上、１００μｍ以下、０．１μｍ以上、２０μｍ以下がより好ましく、表面樹脂層２１厚と同定度の大きさのものを用いることにより熱伝導が向上する。
本実施の形態の熱伝導シート１に係わる、熱伝導性を有するシート状または板状の薄体３としては、熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫ以上の高い熱伝導率を有するものが用いられるが、３０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有するものが好ましく、例えば、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）、ＢＮ（窒化ホウ素）またはＡｌＮ（窒化アルミニウム）等の材料を用いたセラミックス板を用いる。
なお、上記セラミックス板を用いた熱伝導シート１では、薄体片３１の分断面３２が平坦でないことからアンカー効果によって接着性が向上し、絶縁耐圧性が向上する。
また、上記薄体３の厚さは、薄い程熱抵抗が小さくなるが、０．１ｍｍ以上、２ｍｍ以下、０．１ｍｍ以上、０．８ｍｍ以下がより好ましい。薄体３の厚さが０．１ｍｍ未満ではシートの強度が弱くなり反りが発生する可能性があり、２ｍｍを越えると熱抵抗が大きくなる可能性がある。
なお、上記セラミックス板を用いた熱伝導シート１では、薄体片３１の分断面３２が平坦でないことからアンカー効果によって接着性が向上し、絶縁耐圧性が向上する。
また、上記薄体３の厚さは、薄い程熱抵抗が小さくなるが、０．１ｍｍ以上、２ｍｍ以下、０．１ｍｍ以上、０．８ｍｍ以下がより好ましい。薄体３の厚さが０．１ｍｍ未満ではシートの強度が弱くなり反りが発生する可能性があり、２ｍｍを越えると熱抵抗が大きくなる可能性がある。
実施の形態２．
図６は、本発明の実施の形態２における、熱伝導シートの製造方法の概略を示す工程図である。
まず、図６（ａ）に示すように、上記熱伝導性を有するシート状または板状の薄体３の表面に溝３３を形成し、図６（ｂ）に示すように、上記薄体３の両面に樹脂組成物２からなる樹脂層２０を設け、上記薄体３の少なくとも一方の面から上記樹脂層２０に圧力３０を加えることにより応力を利用して、薄体３を薄体片３１に分断すると同時に、図６（ｃ）に示すように、薄体片３１の分断面３２の間に樹脂組成物２を介在させ、薄体片３１に分断された状態でシートを形成する。
本実施の形態の熱伝導シート１の製造方法においては、上記のように薄体３の表面に溝３３を設け容易に分断されるようにすることにより、上記薄体３を薄体片３１に分断する第１の工程と、上記薄体片３１の分断面（側面）３２の間に樹脂組成物２を介在させ、上記側面の間を接着してシートとする第２の工程とを同時に施すことができる。
図６は、本発明の実施の形態２における、熱伝導シートの製造方法の概略を示す工程図である。
まず、図６（ａ）に示すように、上記熱伝導性を有するシート状または板状の薄体３の表面に溝３３を形成し、図６（ｂ）に示すように、上記薄体３の両面に樹脂組成物２からなる樹脂層２０を設け、上記薄体３の少なくとも一方の面から上記樹脂層２０に圧力３０を加えることにより応力を利用して、薄体３を薄体片３１に分断すると同時に、図６（ｃ）に示すように、薄体片３１の分断面３２の間に樹脂組成物２を介在させ、薄体片３１に分断された状態でシートを形成する。
本実施の形態の熱伝導シート１の製造方法においては、上記のように薄体３の表面に溝３３を設け容易に分断されるようにすることにより、上記薄体３を薄体片３１に分断する第１の工程と、上記薄体片３１の分断面（側面）３２の間に樹脂組成物２を介在させ、上記側面の間を接着してシートとする第２の工程とを同時に施すことができる。
本実施の形態における第１の工程において、薄体３に分断用の溝３３を設けると、上記溝３３の側面にかかる圧力で、薄体３の分断を制御良くかつ容易に行うことができるが、上記溝３３としては、図６（ａ）に示すように溝３３の幅方向の断面形状がＶ字状のものの他に、図７の、本発明の実施の形態２における、別の熱伝導シートの製造方法において用いる薄体３の断面形状に示すように、溝３３の幅方向の断面形状が半円状のものを用いても同様の効果がある。
つまり、図６（ａ）に示す断面形状の薄体３を用いた場合は図５（ａ）に示す断面形状の薄体片３１に、図７に示す断面形状の薄体３を用いた場合は図５（ｃ）に示す断面形状の薄体片３１に分断される。
また、図６（ａ）に示すように、薄体３の両面に溝３３を形成すると、分断がより容易となるが、薄体３の少なくとも一方の表面に形成しても分断することは可能であり、この場合は、図５（ｄ）に示す断面形状の薄体片３１に分断される。薄体３の片面のみに溝３３を形成する場合は、熱伝導シート１を用いる際に、発熱体を搭載する側に溝３３を形成することにより、薄体片３１が効率よく発熱体から伝わった熱を広げることができる。
つまり、図６（ａ）に示す断面形状の薄体３を用いた場合は図５（ａ）に示す断面形状の薄体片３１に、図７に示す断面形状の薄体３を用いた場合は図５（ｃ）に示す断面形状の薄体片３１に分断される。
また、図６（ａ）に示すように、薄体３の両面に溝３３を形成すると、分断がより容易となるが、薄体３の少なくとも一方の表面に形成しても分断することは可能であり、この場合は、図５（ｄ）に示す断面形状の薄体片３１に分断される。薄体３の片面のみに溝３３を形成する場合は、熱伝導シート１を用いる際に、発熱体を搭載する側に溝３３を形成することにより、薄体片３１が効率よく発熱体から伝わった熱を広げることができる。
本実施の形態の熱伝導シート１の製造方法により、熱伝導シート１の厚さは、薄体３の厚さと樹脂組成物２の量によってコントロールすることができ、熱伝導シート１の所定の厚さに近い厚さの薄体３を用いることで、薄くて熱伝導率が高い熱伝導シート１を容易に製造することができる。
表２に、本実施の形態の熱伝導シート１の製造方法において用いる、熱伝導性を有するシート状または板状の薄体３の材料、厚さ、上記薄体３に設けた幅方向の断面がＶ字状である溝３３におけるＶ字の頂角（Ｖ溝角度）および薄体３を分断するに要する圧力と、樹脂組成物２の組成および薄体片３１上の表面樹脂層２１の厚さ（表面厚）、並びに熱伝導シート１の絶縁耐圧を示す。
つまり、樹脂組成物２としてＡｌ２Ｏ３（アルミナ）フィラーを充填したエポキシ樹脂を、上記薄体３として０．６３５ｍｍ厚のＡｌＮ（窒化アルミ）のセラミックス板を用い、表２に示すように、頂角が１０°〜１６０°のＶ字状の溝３３を深さ０．２ｍｍで設け、表２に示す圧力を加えて分断することにより、上記のようにして実施の形態２−１〜実施の形態２−６の熱伝導シート１を製造し、絶縁耐圧を測定した。
この場合、樹脂組成物２は各薄体片３１の間に介在するとともに薄体片３１の表面にも渡り表面樹脂層２１（表面厚）となり接着層として用いられる。この表面樹脂層２１の最終的な厚さを決めるのが上記樹脂層２０にかける圧力３０と樹脂組成物２に充填されているフィラーの粒径であり、例えば上記表面樹脂層２１を２００μｍ以下とする場合には上記フィラーの粒度分布を考慮して最大で２００μｍを越えないようにする。また、上記接着層を１００μｍ以下に薄くしたい場合には燐片状の窒化ホウ素フィラーを充填し、上記圧力３０を１０ＭＰａ以上にするか、フィラーの粒度分布の最大値が１００μｍであるものを充填する。なお、表２に示す熱伝導シート１における、薄体片３１の大きさは１０ｍｍ角、各薄体片３１の間隔は０．５ｍｍである。
つまり、樹脂組成物２としてＡｌ２Ｏ３（アルミナ）フィラーを充填したエポキシ樹脂を、上記薄体３として０．６３５ｍｍ厚のＡｌＮ（窒化アルミ）のセラミックス板を用い、表２に示すように、頂角が１０°〜１６０°のＶ字状の溝３３を深さ０．２ｍｍで設け、表２に示す圧力を加えて分断することにより、上記のようにして実施の形態２−１〜実施の形態２−６の熱伝導シート１を製造し、絶縁耐圧を測定した。
この場合、樹脂組成物２は各薄体片３１の間に介在するとともに薄体片３１の表面にも渡り表面樹脂層２１（表面厚）となり接着層として用いられる。この表面樹脂層２１の最終的な厚さを決めるのが上記樹脂層２０にかける圧力３０と樹脂組成物２に充填されているフィラーの粒径であり、例えば上記表面樹脂層２１を２００μｍ以下とする場合には上記フィラーの粒度分布を考慮して最大で２００μｍを越えないようにする。また、上記接着層を１００μｍ以下に薄くしたい場合には燐片状の窒化ホウ素フィラーを充填し、上記圧力３０を１０ＭＰａ以上にするか、フィラーの粒度分布の最大値が１００μｍであるものを充填する。なお、表２に示す熱伝導シート１における、薄体片３１の大きさは１０ｍｍ角、各薄体片３１の間隔は０．５ｍｍである。
図８は、表２に基づいて得られたものであるが、図８において、ｐは本実施の形態の熱伝導シート１の製造方法において、薄体３に設けた上記Ｖ字状の溝３３のＶ字の頂角と、薄体３を薄体片３１へ分断するに要する圧力との関係を示し、ｑは上記頂角と熱伝導シート１の絶縁耐圧との関係を示す。
図８に示すように、上記頂角が２０°未満では薄体３を分割するための圧力が増すとともに、絶縁耐圧の低下が顕著になる。また、１６０°を越えると分割するための圧力が工業的に実施するには大きくなり過ぎ、溝３３以外のところでもクラックが生じる危険性があるため、Ｖ字状の溝３３のＶ字の頂角は２０°以上、１６０°以下が好ましい。
さらに、Ｖ字の頂角が６０°以上では絶縁耐圧性に優れ、１２０°以下では分断に要する圧力が小さくなるため、Ｖ字状の溝３３のＶ字の頂角は６０°以上、１２０°以下であるのがより好ましい。
なお、薄体３としてＡｌ２Ｏ３（アルミナ）またはＢＮ（窒化ホウ素）等のセラミックス板を用いても、また、薄体３の厚さが０．１ｍｍ以上、２ｍｍ以下の範囲で、溝３３の深さが０．０５ｍｍ以上、０．４ｍｍ以下の範囲のものを用いても本実施の形態と同様の結果が得られた。
図８に示すように、上記頂角が２０°未満では薄体３を分割するための圧力が増すとともに、絶縁耐圧の低下が顕著になる。また、１６０°を越えると分割するための圧力が工業的に実施するには大きくなり過ぎ、溝３３以外のところでもクラックが生じる危険性があるため、Ｖ字状の溝３３のＶ字の頂角は２０°以上、１６０°以下が好ましい。
さらに、Ｖ字の頂角が６０°以上では絶縁耐圧性に優れ、１２０°以下では分断に要する圧力が小さくなるため、Ｖ字状の溝３３のＶ字の頂角は６０°以上、１２０°以下であるのがより好ましい。
なお、薄体３としてＡｌ２Ｏ３（アルミナ）またはＢＮ（窒化ホウ素）等のセラミックス板を用いても、また、薄体３の厚さが０．１ｍｍ以上、２ｍｍ以下の範囲で、溝３３の深さが０．０５ｍｍ以上、０．４ｍｍ以下の範囲のものを用いても本実施の形態と同様の結果が得られた。
表３に、本実施の形態による別の熱伝導シートにおいて、薄体片３１の材料、厚さおよび熱伝導シート１の表面積における薄体片３１の占有面積率と、樹脂組成物２の組成および薄体片３１上の表面樹脂層２１の厚さ（表面厚）と、熱伝導シート１の熱伝導率を示す。
つまり、熱伝導性を有する薄体３としてＡｌＮ（窒化アルミ）またはＡｌ２Ｏ３（アルミナ）のセラミックス板を、樹脂組成物２としてＡｌ２Ｏ３（アルミナ）フィラーまたはＢＮ（窒化ホウ素）を充填したエポキシ樹脂を用い、上記のようにして実施の形態２−７〜実施の形態２−１９の熱伝導シート１を製造し、上記熱伝導シート１の表面積における薄体片３１の占める面積（占有面積）と熱伝導シート１の熱伝導率を測定した。
つまり、熱伝導性を有する薄体３としてＡｌＮ（窒化アルミ）またはＡｌ２Ｏ３（アルミナ）のセラミックス板を、樹脂組成物２としてＡｌ２Ｏ３（アルミナ）フィラーまたはＢＮ（窒化ホウ素）を充填したエポキシ樹脂を用い、上記のようにして実施の形態２−７〜実施の形態２−１９の熱伝導シート１を製造し、上記熱伝導シート１の表面積における薄体片３１の占める面積（占有面積）と熱伝導シート１の熱伝導率を測定した。
表３に示すように、本実施の形態による熱伝導シート１は熱伝導率に優れていることがわかる。また、上記熱伝導シート１は、製造工程中および「−４０℃での３０分間保持と１２５℃での３０分間保持」を１サイクルとして、３００サイクルのヒートサイクル試験を施しても、セラミックス板にクラックが生じなかった。
実施の形態３．
図９（ａ）〜（ｆ）は、本発明の実施の形態３における、熱伝導シートの製造方法の概略を示す工程図であり、実施の形態２において、第１の工程における薄体３の分断を、保持シート５を用いて行う場合である。
図９（ａ）に示すように、まず、溝３３を設けた薄体３を例えば粘着シート等の保持シート５に保持し、第１の工程である図９（ｂ）に示すように、保持シート５を面方向に引張る力４０によって薄体３を分断して薄体片３１を得る。この場合、例えば、薄体３をセラミックス板のようにもろいものにしたり、薄体３の表面に溝３３を設けたり、薄体３の厚さを例えば１００μｍ程度に薄くすることにより分断を容易に行うことができる。
その後、図９（ｃ）に示すように、薄体片３１上に樹脂組成物２からなる樹脂層２０を設けて、上記樹脂層２０に圧力３０をかけて、第２の工程である図９（ｄ）に示すように、薄体片３１の分断面３２間に樹脂組成物２を介在させ、図９（ｅ）に示すように、その後保持シート５を取り除く。熱伝導シート１に接着性を持たせる場合には保持シート５を取り除いた面に樹脂を塗布またはプレスし、上記樹脂を半硬化状態にしておく。樹脂を最終的に半硬化状態にしておくには、樹脂シートをプレスして半硬化状態で止めておいたり、液状樹脂を塗布した後に半硬化状態で止めておく。
また、図９（ｆ）に示すように、保持シート５を取り除いた面に、樹脂組成物２により銅箔４を接着させても良く、銅箔４が片面に存在することによって熱伝導シート１の耐湿性が向上する。
図９（ａ）〜（ｆ）は、本発明の実施の形態３における、熱伝導シートの製造方法の概略を示す工程図であり、実施の形態２において、第１の工程における薄体３の分断を、保持シート５を用いて行う場合である。
図９（ａ）に示すように、まず、溝３３を設けた薄体３を例えば粘着シート等の保持シート５に保持し、第１の工程である図９（ｂ）に示すように、保持シート５を面方向に引張る力４０によって薄体３を分断して薄体片３１を得る。この場合、例えば、薄体３をセラミックス板のようにもろいものにしたり、薄体３の表面に溝３３を設けたり、薄体３の厚さを例えば１００μｍ程度に薄くすることにより分断を容易に行うことができる。
その後、図９（ｃ）に示すように、薄体片３１上に樹脂組成物２からなる樹脂層２０を設けて、上記樹脂層２０に圧力３０をかけて、第２の工程である図９（ｄ）に示すように、薄体片３１の分断面３２間に樹脂組成物２を介在させ、図９（ｅ）に示すように、その後保持シート５を取り除く。熱伝導シート１に接着性を持たせる場合には保持シート５を取り除いた面に樹脂を塗布またはプレスし、上記樹脂を半硬化状態にしておく。樹脂を最終的に半硬化状態にしておくには、樹脂シートをプレスして半硬化状態で止めておいたり、液状樹脂を塗布した後に半硬化状態で止めておく。
また、図９（ｆ）に示すように、保持シート５を取り除いた面に、樹脂組成物２により銅箔４を接着させても良く、銅箔４が片面に存在することによって熱伝導シート１の耐湿性が向上する。
実施の形態４．
本発明の実施の形態４の熱伝導シート１の製造方法は、実施の形態２において、薄体３の分断を、薄体３の少なくとも一方の表面に樹脂組成物２からなる樹脂層２０を半硬化状態で接着させておき、加熱と冷却とを交互に与えることによって、上記薄体３と樹脂組成物２からなる樹脂層２０との熱膨張率の差を利用して分断を行う他は、実施の形態２と同様にして熱伝導シート１を製造する方法である。
なお、本実施の形態においても、薄体３の少なくとも一方の表面に溝３３を形成することにより、容易に制御良く分断することができる。
本発明の実施の形態４の熱伝導シート１の製造方法は、実施の形態２において、薄体３の分断を、薄体３の少なくとも一方の表面に樹脂組成物２からなる樹脂層２０を半硬化状態で接着させておき、加熱と冷却とを交互に与えることによって、上記薄体３と樹脂組成物２からなる樹脂層２０との熱膨張率の差を利用して分断を行う他は、実施の形態２と同様にして熱伝導シート１を製造する方法である。
なお、本実施の形態においても、薄体３の少なくとも一方の表面に溝３３を形成することにより、容易に制御良く分断することができる。
実施の形態５．
図１０は、本発明の実施の形態５における、熱伝導シートの概略構成を示す上面図とこれに搭載された発熱体（被熱伝導体）の配置図であり、上記発熱体６は、上記熱伝導シート１によってこれからの熱が伝導され放出されるべき被熱伝導体である。
つまり、図１０（ａ）に表面樹脂層２１を透視して示すように、本実施の形態の熱伝導シート１は、薄体片３１の間隔が等間隔でなく、搭載した発熱体６の直下部分（搭載領域）における薄体片３１の間隔を、発熱体６の直下から離れたところ（非搭載領域）における薄体片３１の間隔より狭く集中させて配置したものである他は、実施の形態１の熱伝導シート１と同様である。
本実施の形態の熱伝導シート１においては、薄体片３１が上記のように配置しているので、薄体片３１の間隔が熱伝導シート１全体で均等で、上記発熱体６の直下部分のように狭く密に詰まっている場合に比べて、熱伝導シート１とこの熱伝導シート１と接着する部材との熱膨張率の差などによる応力をより緩和することができる。
但し、薄体片３１を密に詰める場合でも、薄体片３１間の間隔は０．１ｍｍ以上、１ｍｍ以下であることが好ましく、一方、発熱体６直下でない部分における薄体片３１の間隔がより広い部分においても、薄体片３１間の間隔は０．５ｍｍ以上、３ｍｍ以下であるのが好ましい。
なお、熱伝導シート１に直接発熱体６が搭載されていることに限定されず、発熱体６と熱伝導シート１の間に金属やセラミックス板が介在していてもよい。
図１０は、本発明の実施の形態５における、熱伝導シートの概略構成を示す上面図とこれに搭載された発熱体（被熱伝導体）の配置図であり、上記発熱体６は、上記熱伝導シート１によってこれからの熱が伝導され放出されるべき被熱伝導体である。
つまり、図１０（ａ）に表面樹脂層２１を透視して示すように、本実施の形態の熱伝導シート１は、薄体片３１の間隔が等間隔でなく、搭載した発熱体６の直下部分（搭載領域）における薄体片３１の間隔を、発熱体６の直下から離れたところ（非搭載領域）における薄体片３１の間隔より狭く集中させて配置したものである他は、実施の形態１の熱伝導シート１と同様である。
本実施の形態の熱伝導シート１においては、薄体片３１が上記のように配置しているので、薄体片３１の間隔が熱伝導シート１全体で均等で、上記発熱体６の直下部分のように狭く密に詰まっている場合に比べて、熱伝導シート１とこの熱伝導シート１と接着する部材との熱膨張率の差などによる応力をより緩和することができる。
但し、薄体片３１を密に詰める場合でも、薄体片３１間の間隔は０．１ｍｍ以上、１ｍｍ以下であることが好ましく、一方、発熱体６直下でない部分における薄体片３１の間隔がより広い部分においても、薄体片３１間の間隔は０．５ｍｍ以上、３ｍｍ以下であるのが好ましい。
なお、熱伝導シート１に直接発熱体６が搭載されていることに限定されず、発熱体６と熱伝導シート１の間に金属やセラミックス板が介在していてもよい。
実施の形態６．
図１１は、本発明の実施の形態６における、熱伝導シートの概略構成を示す上面図とこれに搭載された発熱体（被熱伝導体）の配置図である。
つまり、図１１（ａ）に表面樹脂層２１を透視して示すように、本実施の形態の熱伝導シート１は、薄体片３１の間隔は等間隔であるが、搭載された発熱体６の直下部分（搭載領域）における薄体片３１の大きさを、発熱体６の直下部分から離れたところ（非搭載領域）における薄体片３１の大きさより大きくして配置したものである他は、実施の形態１の熱伝導シート１と同様で、これによって熱抵抗が低減し発熱体からの熱を効率よく放熱することができる。
図１１は、本発明の実施の形態６における、熱伝導シートの概略構成を示す上面図とこれに搭載された発熱体（被熱伝導体）の配置図である。
つまり、図１１（ａ）に表面樹脂層２１を透視して示すように、本実施の形態の熱伝導シート１は、薄体片３１の間隔は等間隔であるが、搭載された発熱体６の直下部分（搭載領域）における薄体片３１の大きさを、発熱体６の直下部分から離れたところ（非搭載領域）における薄体片３１の大きさより大きくして配置したものである他は、実施の形態１の熱伝導シート１と同様で、これによって熱抵抗が低減し発熱体からの熱を効率よく放熱することができる。
なお、薄体片３１の形状は上記実施の形態に示した形状に限定されず、熱伝導シート１の上面から見て三角形または六角形になるように、上記溝３３を設けることにより、薄体片３１の大きさや形状を調整する。
実施の形態７．
図１２は、本発明の実施の形態７における、パワーモジュールの概略構成を示す断面図であり、実施の形態１〜６のいずれかの熱伝導シート１を用いたものである。
本実施の形態のパワーモジュール７は、パワー半導体素子６がリードフレーム８とつながったヒートシンク９に搭載され、上記実施の形態１〜６の熱伝導シート１がヒートシンク９とヒートスプレッダ１１とに接着し、上記構成部材がモールド樹脂１０で封止された構造となっている。
なお、実施の形態１〜６の熱伝導シート１を半硬化状態の固形シートとしてヒートシンク９とヒートスプレッダ１１の間に配置し、加熱硬化すれば、生産性よく接着できる。また、熱伝導シート１の硬化反応によるヒートシンク９とヒートスプレッダ１１との接着工程は、モールド樹脂１０による封止工程で同時に行ってもよい。
本実施の形態のパワーモジュール７に対して、「−４０℃での３０分間保持と１２５℃での３０分間保持」を１サイクルとして、３００サイクルを施したヒートサイクル試験を施したところ、ヒートシンク９とヒートスプレッダ１１とを接着する熱伝導シート１における薄体片３１に割れが認められず放熱性を維持することができ、高容量化が可能となった。
図１２は、本発明の実施の形態７における、パワーモジュールの概略構成を示す断面図であり、実施の形態１〜６のいずれかの熱伝導シート１を用いたものである。
本実施の形態のパワーモジュール７は、パワー半導体素子６がリードフレーム８とつながったヒートシンク９に搭載され、上記実施の形態１〜６の熱伝導シート１がヒートシンク９とヒートスプレッダ１１とに接着し、上記構成部材がモールド樹脂１０で封止された構造となっている。
なお、実施の形態１〜６の熱伝導シート１を半硬化状態の固形シートとしてヒートシンク９とヒートスプレッダ１１の間に配置し、加熱硬化すれば、生産性よく接着できる。また、熱伝導シート１の硬化反応によるヒートシンク９とヒートスプレッダ１１との接着工程は、モールド樹脂１０による封止工程で同時に行ってもよい。
本実施の形態のパワーモジュール７に対して、「−４０℃での３０分間保持と１２５℃での３０分間保持」を１サイクルとして、３００サイクルを施したヒートサイクル試験を施したところ、ヒートシンク９とヒートスプレッダ１１とを接着する熱伝導シート１における薄体片３１に割れが認められず放熱性を維持することができ、高容量化が可能となった。
本発明による熱伝導シート１は、例えば、パワー半導体素子等の発熱体を搭載したパワモジュール等の半導体装置に用いることができる。
Claims (9)
- 互いに隣接して設けられ、熱伝導性を有する複数の薄体片と、
複数の上記薄体片の側面の間に介在し、上記側面間を接着してシートとする樹脂組成物とを備えた熱伝導シートであって、
複数の上記薄体片の側面間の間隔が、０．１ｍｍ以上、３ｍｍ以下であり、
被熱伝導体の搭載領域における上記薄体片の間隔が、上記被熱伝導体の非搭載領域における上記薄体片の間隔より狭いことを特徴とする熱伝導シート。 - 互いに隣接して設けられ、熱伝導性を有する複数の薄体片と、
複数の上記薄体片の側面の間に介在し、上記側面間を接着してシートとする樹脂組成物とを備えた熱伝導シートであって、
上記薄体片の面方向の大きさが３ｍｍ角以上、２５ｍｍ角以下であり、
被熱伝導体の搭載領域における上記薄体片の面方向の大きさが、上記被熱伝導体の非搭載領域における上記薄体片の大きさより大であることを特徴とする熱伝導シート。 - 樹脂組成物が薄体片の表面に連続して設けられ、上記薄体片表面の上記樹脂組成物からなる表面樹脂層の厚さが１μｍ以上、１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の熱伝導シート。
- 薄体片は０．１ｍｍ以上、２ｍｍ以下の厚さのセラミックス板からなることを特徴とする請求項１または２に記載の熱伝導シート。
- 薄体の少なくとも一方の面に溝を形成する工程と、
上記溝が形成された熱伝導性を有するシート状または板状の上記薄体を分断して複数の薄体片を得る工程と、
複数の上記薄体片の分断面間に樹脂組成物を介在させて、上記薄体片を接着してシートとする工程と
を備えたことを特徴とする熱伝導シートの製造方法。 - 溝の幅方向の断面形状がＶ字状または半円状であることを特徴とする請求項５に記載の熱伝導シートの製造方法。
- 熱伝導性を有するシート状または板状の薄体を分断して複数の薄体片を得る第１の工程と、
上記複数の薄体片の分断面間に樹脂組成物を介在させて、上記薄体片を接着してシートとする第２の工程とを備え、
上記薄体の少なくとも一方の面に樹脂組成物からなる樹脂層を設け、上記薄体の少なくとも一方から上記樹脂層に圧力をかけて上記第１の工程と上記第２の工程とを同時に施すことを特徴とする熱伝導シートの製造方法。 - 薄体を保持シートに保持する工程を備え、上記保持シートを面方向に引張ることにより、熱伝導性を有するシート状または板状の上記薄体を分断して複数の薄体片を得る工程と、
複数の上記薄体片の分断面間に樹脂組成物を介在させて、上記薄体片を接着してシートとする工程と
を備えたことを特徴とする熱伝導シートの製造方法。 - ヒートシンクと、このヒートシンク上に搭載されたパワー半導体素子と、上記パワー半導体素子を封止するモールド樹脂と、上記ヒートシンクのパワー半導体素子の搭載面の反対面に接着した請求項１または２に記載の熱伝導シートとを備えたことを特徴とするパワーモジュール。
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