JP5036696B2 - 熱伝導性シート及びパワーモジュール - Google Patents
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Description
この六方晶窒化ホウ素は、黒鉛と同様の層状の結晶構造を有し、その形状は鱗片状である。また、この鱗片状窒化ホウ素は、図5に示すように、長径方向(結晶方向)の熱伝導率が高く、短径方向(層方向)の熱伝導率が低いという異方的な熱伝導性を有しており、かかる長径方向と短径方向との間の熱伝導率の差は、数倍から数十倍と言われている。図5において、矢印の方向は熱伝導の方向、矢印の太さは熱伝導の大きさを表す。そのため、熱硬化性樹脂中に分散される鱗片状窒化ホウ素を、シート内で直立させた状態、すなわち鱗片状窒化ホウ素の長径方向がシート厚み方向と一致するように配向させることにより、シート厚み方向の熱伝導性を飛躍的に向上させた熱伝導性シートの開発が行われている。
また、全ての鱗片状窒化ホウ素の長径方向をシート厚み方向に平行に配向させてしまうと、熱伝導性が向上する代わりに絶縁性が著しく低下してしまうので、熱伝導性と絶縁性とのバランスを考慮しつつ、熱伝導性シートにおける鱗片状窒化ホウ素の配向を調整しなければならない。
なお、無機充填剤として球状の窒化アルミニウム(AlN)を配合する方法もあるが、窒化アルミニウムの比誘電率(約9)は、窒化ホウ素の比誘電率(約4)に比べて高く、熱硬化性樹脂の比誘電率(約4)と大きく異なるため、絶縁性が大幅に低下してしまうという問題があった。
従って、本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、熱伝導性及び絶縁性に優れた熱伝導性シートを提供することを目的とする。
また、本発明は、熱放散性に優れたパワーモジュールを提供することを目的とする。
すなわち、本発明は、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子が等方的に凝集した二次凝集粒子を熱硬化性樹脂中に分散してなる熱伝導性シートであって、前記二次凝集粒子が、球状であり、且つ20μm以上180μm以下の平均粒径、50%以下の気孔率及び0.05μm以上3μm以下の平均気孔径を有し、前記熱伝導性シートにおける前記二次凝集粒子の充填率が、20体積%以上80体積%以下であることを特徴とする熱伝導性シートである。
また、本発明は、一方の放熱部材に搭載された電力半導体素子と、前記電力半導体素子で発生する熱を外部に放熱する他方の放熱部材と、前記半導体素子で発生する熱を前記一方の放熱部材から前記他方の放熱部材に伝達する上記の熱伝導性シートとを備えることを特徴とするパワーモジュールである。
以下に、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図1は、本実施の形態における熱伝導性シートの断面模式図である。図1において、熱伝導性シート1は、マトリックスとなる熱硬化性樹脂2と、この熱硬化性樹脂2中に分散された窒化ホウ素の二次凝集粒子3とから構成されている。この二次凝集粒子3は、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子4が等方的に凝集したものである。
ここで、二次凝集粒子3の強度は、二次凝集粒子3の気孔率及び平均気孔径に依存しており、気孔率が低く(すなわち、密度が高く)、且つ平均気孔径が小さな気孔が均一に分布していれば、二次凝集粒子3の強度は高くなると考えられる。
また、二次凝集粒子3の強度を確保する観点から、二次凝集粒子3の平均気孔径は3μm以下とする必要がある。二次凝集粒子3の平均気孔径が3μmを超えると、気孔径が大きい部分が存在することになり、その部分の強度が極端に低下する。一方、二次凝集粒子3の平均気孔径の下限は、二次凝集粒子3の強度を確保する観点からは特に限定されないが、二次凝集粒子3の平均気孔径が小さすぎると、二次凝集粒子3の気孔に熱硬化性樹脂2が入り込み難くなる。その結果、熱伝導性シート1中にボイドが残存してしまい、熱伝導性シート1の絶縁性及び耐湿性が低下してしまう。そのため、二次凝集粒子の平均気孔径は0.05μm以上とする必要がある。
なお、製造する熱伝導性シート1の厚さに対して二次凝集粒子3の最大粒径は、大きすぎると界面を伝って絶縁性が低下するおそれがある。そのため、二次凝集粒子3の最大粒径は、熱伝導性シート1の厚さの約9割以下であることが好ましい。
エポキシ樹脂としては、例えば、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、オルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、脂環脂肪族エポキシ樹脂、グリシジル−アミノフェノール系エポキシ樹脂が挙げられる。これらの樹脂は、単独又は組み合わせて用いることができる。
硬化剤の配合量は、使用する熱硬化性樹脂2や硬化剤の種類によって適宜調整すればよく、一般的に、100質量部の熱硬化性樹脂2に対して0.1質量部以上200質量部以下である。
カップリング剤の配合量は、使用する熱硬化性樹脂2やカップリング剤の種類等に併せて適宜設定すればよいが、一般的に、100質量部の熱硬化性樹脂2に対して0.01質量%以上1質量%以下である。
鱗片状窒化ホウ素や無機粉末の配合量は、本発明の効果を損なわない範囲であれば特に限定されず、使用する鱗片状窒化ホウ素や無機粉末にあわせて適宜調整すればよい。
まず、所定量の熱硬化性樹脂2と、この熱硬化性樹脂2を硬化させるために必要な量の硬化剤とを混合する。次に、この混合物に溶剤を加えた後、二次凝集粒子3(必要なら、鱗片状窒化ホウ素及び/又は無機粉末)を更に加えて予備混合し、この予備混合物を3本ロールやニーダ等を用いて混練することによって熱硬化性樹脂組成物(熱伝導性シート用コンパウンド)を作製する。ここで、溶剤としては、特に限定されることはなく、トルエンやメチルエチルケトン等を用いることができる。また、溶剤の配合量も、予備混合が可能な量であれば特に限定されることはなく、一般的に、熱硬化性樹脂組成物において40質量%以上85質量%以下である。なお、熱硬化性樹脂組成物の粘度が低い場合には、溶剤を加えなくてもよい。また、カップリング剤を配合する場合、カップリング剤は混練工程前までに加えればよい。
ここで、熱伝導性シート1を電気・電子機器の発熱部材と放熱部材との間に配置する場合、マトリックスの熱硬化性樹脂がBステージ状態の熱伝導性シート1を用い、この熱伝導性シート1の配置後に150℃以上200℃以下に加熱して硬化させることによって、発熱部材及び放熱部材を熱伝導性シート1に接着することができる。また、電気・電子機器の発熱部材及び放熱部材のいずれか一方に熱伝導性シート1を接着し、この熱伝導性シート1に他方の発熱部材又は放熱部材を圧接しながら150℃以上200℃以下に加熱して硬化させることにより、発熱部材及び放熱部材の熱伝導性シート1に対する接着性をより一層向上させることができる。なお、発熱部材に熱伝導性シート1を直接接触させることが適切でない場合には、発熱部材と熱伝導性シート1の間に発熱部材を配置してもよい。
本実施の形態におけるパワーモジュールは、一方の放熱部材に搭載された電力半導体素子と、前記電力半導体素子で発生する熱を外部に放熱する他方の放熱部材と、前記電力半導体素子で発生する熱を前記一方の放熱部材から前記他方の放熱部材に伝達する上記熱伝導性シート1とを備えている。
このような構成を有するパワーモジュール10は、熱伝導性及び絶縁性に優れた熱伝導性シートを有しているので、熱放散性に優れたものとなる。
(二次凝集粒子の調製)
純度93%で結晶性が比較的低い鱗片状窒化ホウ素を窒素雰囲気中、1800℃で1時間仮焼きし、ライカイ機を用いて3時間粉砕処理を行った。次に、窒化ホウ素100質量部に対して5質量部のポリビニルアルコール(バインダー)を加えてスラリーを調製し、このスラリーをスプレードライして顆粒にした。次に、この顆粒を窒素雰囲気中、2000度で2時間焼成することによって、二次凝集粒子No.Aを調製した。
二次凝集粒子No.B〜Jは、仮焼温度及び粉砕時間を表1のものに変更したこと以外は二次凝集粒子No.Aの調製方法と同様にして調製した。
また、上記の調製方法により得られた二次凝集粒子の特徴を表1に示す。
熱硬化性樹脂である液状のビスフェノールA型エポキシ樹脂(エピコート828:ジャパンエポキシレジン株式会社製)100質量部と、硬化剤である1−シアノエチル−2−メチルイミダゾール(キュアゾール2PN−CN:四国化成工業株式会社製)1質量部とを混合した後、この混合物に、溶剤であるメチルエチルケトン166質量部を加えて攪拌した。次に、287質量部の窒化ホウ素の二次凝集粒子No.Cを混合物に配合して予備混合した後、この予備混合物を三本ロールにて混練し、二次凝集粒子No.Cが均一に分散された熱硬化性樹脂組成物を調製した。
次に、この熱硬化性樹脂組成物を厚さ105μmの放熱部材(銅箔)上にドクターブレード法にて塗布し、110℃で15分間の加熱乾燥処理をし、厚さが100μmでBステージ状態の熱伝導性シートを作製した。そして、放熱部材上に形成したBステージ状態の熱伝導性シートを、熱伝導性シート側が内側になるように2枚重ねた後、120℃で1時間加熱し、さらに160℃で3時間加熱することで、熱伝導性シートのマトリックスである熱硬化性樹脂を完全に硬化させ、2つの放熱部材に挟まれた熱伝導性シートを得た。ここで、熱伝導性シートにおける二次凝集粒子No.Cの充填率は60体積%であった。
二次凝集粒子としてNo.Dを用いたこと以外は、実施例1と同様にして2つの放熱部材に挟まれた熱伝導性シートを得た。ここで、熱伝導性シートにおける二次凝集粒子No.Dの充填率は60体積%であった。
(実施例3)
二次凝集粒子としてNo.Eを用いたこと以外は、実施例1と同様にして2つの放熱部材に挟まれた熱伝導性シートを得た。ここで、熱伝導性シートにおける二次凝集粒子No.Eの充填率は60体積%であった。
(実施例4)
二次凝集粒子としてNo.Fを用いたこと以外は、実施例1と同様にして2つの放熱部材に挟まれた熱伝導性シートを得た。ここで、熱伝導性シートにおける二次凝集粒子No.Fの充填率は60体積%であった。
(実施例5)
二次凝集粒子としてNo.Gを用いたこと以外は、実施例1と同様にして2つの放熱部材に挟まれた熱伝導性シートを得た。ここで、熱伝導性シートにおける二次凝集粒子No.Gの充填率は60体積%であった。
溶剤であるメチルエチルケトン78質量部を加えたこと、及び二次凝集粒子としてNo.Dを用い、82質量部の二次凝集粒子No.Dを混合物に配合したこと以外は、実施例1と同様にして2つの放熱部材に挟まれた熱伝導性シートを得た。ここで、熱伝導性シートにおける二次凝集粒子No.Dの充填率は30体積%であった。
(実施例7)
溶剤であるメチルエチルケトン102質量部を加えたこと、及び二次凝集粒子としてNo.Dを用い、127質量部の二次凝集粒子No.Dを混合物に配合したこと以外は、実施例1と同様にして2つの放熱部材に挟まれた熱伝導性シートを得た。ここで、熱伝導性シートにおける二次凝集粒子No.Dの充填率は40体積%であった。
(実施例8)
溶剤であるメチルエチルケトン234質量部を加えたこと、及び二次凝集粒子としてNo.Dを用い、446質量部の二次凝集粒子No.Dを混合物に配合したこと以外は、実施例1と同様にして2つの放熱部材に挟まれた熱伝導性シートを得た。ここで、熱伝導性シートにおける二次凝集粒子No.Dの充填率は70体積%であった。
比較例1では、本発明で規定した平均気孔径の範囲よりも小さい平均気孔径を有する二次凝集粒子を用いて熱伝導性シートを作製した。具体的には、二次凝集粒子としてNo.Aを用いたこと以外は、実施例1と同様にして2つの放熱部材に挟まれた熱伝導性シートを得た。ここで、熱伝導性シートにおける二次凝集粒子No.Aの充填率は60体積%であった。
(比較例2)
比較例2では、本発明で規定した平均気孔径の範囲よりも小さい平均気孔径を有する二次凝集粒子を用いて熱伝導性シートを作製した。具体的には、二次凝集粒子としてNo.Bを用いたこと以外は、実施例1と同様にして2つの放熱部材に挟まれた熱伝導性シートを得た。ここで、熱伝導性シートにおける二次凝集粒子No.Bの充填率は60体積%であった。
(比較例3)
比較例3では、本発明で規定した平均気孔径の範囲よりも大きい平均気孔径を有する二次凝集粒子を用いて熱伝導性シートを作製した。具体的には、二次凝集粒子としてNo.Hを用いたこと以外は、実施例1と同様にして2つの放熱部材に挟まれた熱伝導性シートを得た。ここで、熱伝導性シートにおける二次凝集粒子No.Hの充填率は60体積%であった。
比較例4では、本発明で規定した気孔率の範囲よりも大きい気孔率を有する二次凝集粒子を用いて熱伝導性シートを作製した。具体的には、二次凝集粒子としてNo.Iを用いたこと以外は、実施例1と同様にして2つの放熱部材に挟まれた熱伝導性シートを得た。ここで、熱伝導性シートにおける二次凝集粒子No.Iの充填率は60体積%であった。
(比較例5)
比較例5では、本発明で規定した気孔率の範囲よりも大きい気孔率を有する二次凝集粒子を用いて熱伝導性シートを作製した。具体的には、二次凝集粒子としてNo.Jを用いたこと以外は、実施例1と同様にして2つの放熱部材に挟まれた熱伝導性シートを得た。ここで、熱伝導性シートにおける二次凝集粒子No.Jの充填率は60体積%であった。
また、熱伝導性シートの絶縁破壊電界(BDE)は、油中で、放熱部材に挟まれた熱伝導性シートに1kV/秒の一定昇圧にて電圧を印加することにより測定された絶縁破壊電圧(BDV)を熱伝導性シートの厚さで割ることにより算出した。かかる絶縁破壊電界(BDE)の結果は、比較例1の熱伝導性シートで得られたBDEを基準とする各実施例又は比較例の熱伝導性シートで得られたBDEの相対値([各実施例又は比較例の熱伝導性シートで得られたBDE]/[比較例1の熱伝導性シートで得られたBDE]の値)として表2に示した。
なお、表2において、各実施例及び比較例で使用した構成成分の種類及び配合量等についてもまとめた。また、配合量については質量部を用いて表した。
図3に示されているように、二次凝集粒子の気孔率と熱伝導性シートの熱伝導率の相対値との間には密接な関係があり、二次凝集粒子の気孔率が50%を超えると、熱伝導率の相対率が低下、すなわち熱伝導性が低下する。さらに、図4に示されているように、二次凝集粒子の平均気孔径と、熱伝導性シートの熱伝導率及び絶縁破壊電界の相対値との間には密接な関係があり、二次凝集粒子の平均気孔径が0.05μm未満であると、絶縁破壊電界の相対率が低下、すなわち絶縁性が低下し、また二次凝集粒子の平均気孔径が3μmを超えると、熱伝導率の相対率が低下、すなわち熱伝導性が低下する。
以上の結果からわかるように、本発明の熱伝導性シートは、熱伝導性及び絶縁性に優れている。
Claims (4)
- 鱗片状窒化ホウ素の一次粒子が等方的に凝集した二次凝集粒子を熱硬化性樹脂中に分散してなる熱伝導性シートであって、
前記二次凝集粒子が、球状であり、且つ20μm以上180μm以下の平均粒径、50%以下の気孔率及び0.05μm以上3μm以下の平均気孔径を有し、前記熱伝導性シートにおける前記二次凝集粒子の充填率が、20体積%以上80体積%以下であることを特徴とする熱伝導性シート。 - 前記二次凝集粒子を構成する前記一次粒子の平均長径が、0.1μm以上15μm以下であることを特徴とする請求項1に記載の熱伝導性シート。
- 前記二次凝集粒子とは別に、溶融シリカ、結晶シリカ、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム及び炭化ケイ素からなる群から選択される無機粉末、又は鱗片状窒化ホウ素をさらに含有することを特徴とする請求項1又は2に記載の熱伝導性シート。
- 一方の放熱部材に搭載された電力半導体素子と、前記電力半導体素子で発生する熱を外部に放熱する他方の放熱部材と、前記半導体素子で発生する熱を前記一方の放熱部材から前記他方の放熱部材に伝達する、請求項1〜3のいずれか一項に記載の熱伝導性シートとを備えることを特徴とするパワーモジュール。
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