JP5340202B2 - 熱硬化性樹脂組成物、ｂステージ熱伝導性シート及びパワーモジュール - Google Patents

熱硬化性樹脂組成物、ｂステージ熱伝導性シート及びパワーモジュール Download PDF

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Description

本発明は、熱硬化性樹脂組成物、熱伝導性シート及びパワーモジュールに関し、特に、電気・電子機器などの発熱部材から放熱部材へ熱を伝達させる熱伝導性シートを製造するために用いられる熱硬化性樹脂組成物及びＢステージ熱伝導性シート、及び熱硬化性樹脂組成物及びＢステージ熱伝導性シートから得られる熱伝導性シートを具備するパワーモジュールに関する。
従来、電気・電子機器の発熱部材から放熱部材へ熱を伝達させる部材には、熱伝導性及び電気絶縁性に優れていることが要求され、この要求を満たすものとして、熱伝導性及び電気絶縁性に優れた無機充填材を配合した熱伝導性シートが広く用いられている。ここで、熱伝導性及び電気絶縁性に優れた無機充填材としては、アルミナ、窒化ホウ素、シリカ、窒化アルミニウムなどが挙げられるが、その中でも六方晶窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）は、熱伝導性及び電気絶縁性に加えて化学的安定性にも優れており、しかも無毒性且つ比較的安価でもあることから、熱伝導性シートに使用するのに適している。この六方晶窒化ホウ素は、鱗片状の形状を有しているため、鱗片状窒化ホウ素とも言われている。
窒化ホウ素を含む熱伝導性シートとしては、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子を凝集又は凝集して形成した二次凝集粒子や、これをさらに焼結させた二次焼結粒子のような等方的な熱伝導性を有する二次粒子を熱硬化性樹脂中に分散させたものが提案されている（例えば、特許文献１及び２参照）。このような熱伝導性シートは、等方的な熱伝導性を有する二次粒子によってシートの厚さ方向の熱伝導性が高められている。
ところで、近年、電気・電子機器の高耐圧・大電流化に伴い、より高温に熱伝導性シートが曝されるようになってきている。そこで、熱伝導性シートの熱伝導性をより一層向上させるために、無機充填材の配合量を多くする傾向にある。しかし、無機充填材の配合量を多くすると、熱伝導性シート内にボイドやクラックなどの欠陥が発生し易くなり、熱伝導性シートの電気絶縁性が低下してしまう。そのため、熱伝導性シートを作製する際に加圧工程を設けることよって熱伝導性シート内の欠陥の発生を抑制している。例えば、熱伝導性シートを備えたパワーモジュールにおいては、パワーモジュールに組み込む前のＢステージ状態の熱伝導性シート（以下、「Ｂステージ熱伝導性シート」という。）を作製する際に、加圧工程を設けることによってＢステージ熱伝導性シート内の欠陥の発生を抑制している。また、半導体素子が搭載されたリードフレームと金属板との間にＢステージ熱伝導性シートを配置した後、これをトランスファモールド成形により封止樹脂で封止することによってパワーモジュールを製造する場合、トランスファモールド成形時の成形圧力によって熱伝導性シート内の欠陥の発生を抑制している。
特開２００３−６０１３４号公報 国際公開第２００９／０４１３００号公報
しかしながら、パワーモジュールを製造する際のトランスファモールド成形では、Ｂステージ熱伝導性シートに圧力がかかるまでには一定の時間を要するため、圧力がかかる前の高温無加圧時に、加圧して作製されたＢステージ熱伝導性シートが変形緩和（膨張）して熱伝導性シート内に欠陥が発生する。これは、加圧によって作製されたＢステージ熱伝導性シートに歪や残留応力が生じていることに起因している。この時、熱伝導性シートに発生した欠陥は、いくつか集まって大きくなり易く、この大きな欠陥によって熱伝導性シートの電気絶縁性が著しく低下してしまう。そして、この欠陥は、トランスファモールド成形時の成形圧力によっても低減することが難しい。なお、トランスファモールド成形時の成形圧力を高めることによって熱伝導性シート内の欠陥を低減することができるとも考えられるが、特に、無機充填材として二次焼結粒子を用いる場合には、成形圧力を高くし過ぎると、二次焼結粒子が崩れてしまい、熱伝導性シートの熱伝導性が低下してしまう。
本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、ボイドやクラックなどの欠陥の発生箇所及び大きさを制御して電気絶縁性を保持しつつ、優れた熱伝導性を有する熱伝導性シートを与える熱硬化性樹脂組成物及びＢステージ熱伝導性シートを得ることを目的とする。
また、本発明は、電気絶縁性及び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。
本発明者らは、上記のような問題を解決すべく鋭意研究した結果、特定の大きさの空隙を有する二次焼結粒子を配合することで、変形緩和による欠陥の発生を二次焼結粒子の空隙内に規制すると共にその欠陥の大きさを制御し、熱伝導性シートのベース部分（無機充填材間の熱硬化性樹脂部分）における大きな欠陥の発生を抑制し得ることを見出した。
すなわち、本発明は、無機充填材及び熱硬化性樹脂を含む熱硬化性樹脂組成物であって、前記無機充填材は、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子から構成される二次焼結粒子を含み、且つ前記二次焼結粒子の少なくとも一部が、５μｍ以上８０μｍ以下の最大空隙径を有することを特徴とする熱硬化性樹脂組成物である。
また、本発明は、無機充填材をＢステージ状態の熱硬化性樹脂中に分散してなるＢステージ熱伝導性シートであって、前記無機充填材は、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子から構成される二次焼結粒子を含み、且つ前記二次焼結粒子の少なくとも一部が、５μｍ以上８０μｍ以下の最大空隙径を有することを特徴とするＢステージ熱伝導性シートである。
さらに、本発明は、無機充填材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、前記無機充填材は、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子から構成される二次焼結粒子を含み、且つ前記二次焼結粒子の少なくとも一部が、５μｍ以上８０μｍ以下の最大空隙径を有する熱伝導性シートを具備することを特徴とするパワーモジュールである。
本発明によれば、ボイドやクラックなどの欠陥の発生箇所及び大きさを制御して電気絶縁性を保持しつつ、優れた熱伝導性を有する熱伝導性シートを与える熱硬化性樹脂組成物及びＢステージ熱伝導性シートを得ることができる。
また、本発明によれば、電気絶縁性及び熱放散性に優れたパワーモジュールを提供することができる。
５μｍ以上８０μｍ以下の最大空隙径を有する二次焼結粒子の断面図である。 実施の形態１の熱硬化性樹脂組成物から得られる熱伝導性シートの断面図である。 中空二次焼結粒子を含まない熱硬化性樹脂組成物から得られる熱伝導性シートの断面図である。 実施の形態３のパワーモジュールの断面図である。 実施の形態３のパワーモジュールの製造工程を説明するための図である。
実施の形態１．
本実施の形態の熱硬化性樹脂組成物は、無機充填材及び熱硬化性樹脂を含む。
本実施の形態の熱硬化性樹脂組成物に用いられる無機充填材は、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子から構成される二次焼結粒子を含む。二次焼結粒子は、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子を凝集して焼結させたものであり、当該技術分野において一般的に公知である。また、二次焼結粒子は、一般的に、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子の間に形成された小さな空隙、具体的には０．５μｍ未満の最大空隙径を有する空隙をもつが、本実施の形態の熱硬化性樹脂組成物では、二次焼結粒子の少なくとも一部は、５μｍ以上８０μｍ以下の最大空隙径を有する空隙をもつ。本実施の形態の熱硬化性樹脂組成物は、このような最大空隙径を有する二次焼結粒子を配合することにより、熱伝導性シートにおける欠陥の発生箇所及び大きさを適切な範囲に制御することができる。最大空隙径が５μｍ未満であると、熱伝導性シートのベース部分に発生する欠陥を抑制することができず、熱伝導性シートの電気絶縁性が低下する。一方、最大空隙径が８０μｍを超えると、熱伝導性シートのベース部分に発生する欠陥については抑制することができるものの、二次焼結粒子の空隙内に発生する欠陥が大きくなりすぎてしまい、熱伝導性シートの電気絶縁性が低下する。
以下、本明細書において、０．５μｍ未満の最大空隙径を有する空隙をもつ二次焼結粒子を「中実二次焼結粒子」、０．５μｍ以上の最大空隙径を有する空隙をもつ二次焼結粒子を「中空二次焼結粒子」、中実二次焼結粒子及び中空二次焼結粒子の両方を「二次焼結粒子」という。
ここで、中空二次焼結粒子の断面図を図１に示す。図１に示すように、中空二次焼結粒子１は、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子２の間に形成された大きな空隙３を有する。
この中空二次焼結粒子の最大空隙径は、中空二次焼結粒子の平均粒径の２／３以下であることが好ましい。中空二次焼結粒子の最大空隙径が、中空二次焼結粒子の平均粒径の２／３を超えると、大きな空隙周りの殻の部分が薄くなりすぎてしまい、加圧工程の際（例えば、Ｂステージ熱伝導性シートを作製する際の圧力や、パワーモジュールを作製する際のトランスファモールド成形圧力）によって、大きな空隙を維持できないことがある。
この中空二次焼結粒子中の大きな空隙は、パワーモジュールの作製時において熱伝導性シートのベース部分に発生する欠陥に比べて大きい。このような大きな空隙を有する中空二次焼結粒子を熱硬化性樹脂組成物に配合した場合、パワーモジュールの作製時において、Ｂステージ熱伝導性シートが無加圧状態で高温にさらされると、変形緩和が発生すると同時に熱硬化性樹脂が溶融して流動する。そして、変形緩和による膨張によって、毛細管力が小さい中空二次粒子内の熱硬化性樹脂が流出し、熱伝導性シートのベース部分における欠陥の発生を防止する。
ここで、Ｂステージ熱伝導性シートが無加圧状態で高温にさらされ、熱硬化性樹脂が溶融して流動する際の毛細管現象は、一般的に、以下の式（１）によって表すことができる。
ｈ＝２Ｔｃｏｓθ／ρｇｒ （１）
上記式（１）中、ｈは熱硬化性樹脂の流出し易さ（ｍ）を表し、Ｔは表面張力（Ｎ／ｍ）を表し、θは接触角（°）を表し、ρは熱硬化性樹脂の密度（ｋｇ／ｍ３）を表し、ｇは重力加速度（ｍ／ｍ２）を表し、ｒは熱伝導性シートのベース部分に発生する欠陥の径及び中空二次焼結粒子の最大空隙径（ｍ）を表す。
この式（１）からわかるように、熱硬化性樹脂が溶融した際の熱硬化性樹脂の流出し易さは、熱伝導性シートのベース部分に発生する欠陥の径や、中空二次焼結粒子の最大空隙径と関係しており、これらの径が小さいものほど毛細管力が大きいといえる。よって、熱伝導性シートのベース部分に発生する欠陥の径よりも中空二次焼結粒子の最大空隙径を大きくすることで、溶融した熱硬化性樹脂の流動性を制御することができる。
ここで、本実施の形態の熱硬化性樹脂組成物から得られる熱伝導性シートの断面図を図２に示す。図２において、熱伝導性シートは、熱硬化性樹脂５と、熱硬化性樹脂５中に分散された二次焼結粒子（中空二次焼結粒子１及び中実二次焼結粒子４）及び下記で説明する任意の鱗片状窒化ホウ素の一次粒子６とから構成されている。この熱伝導性シートでは、中空二次焼結粒子１内の大きな空隙に欠陥７を生じさせると共に、その欠陥７の大きさを制御している。これにより、熱伝導性シートのベース部分（無機充填材間の熱硬化性樹脂５部分）における欠陥の発生を抑制することができる。
他方、中空二次焼結粒子を含まない熱硬化性樹脂組成物から得られる熱伝導性シートの断面図を図３に示す。図３において、熱伝導性シートは、熱硬化性樹脂５と、熱硬化性樹脂５中に分散された中実二次焼結粒子４及び下記で説明する任意の鱗片状窒化ホウ素の一次粒子６とから構成されている。この熱伝導性シートでは、ベース部分（無機充填材間の熱硬化性樹脂５部分）に大きな欠陥７が発生しており、電気絶縁性が低下する。
つまり、パワーモジュールを製造する際のトランスファモールド成形では、Ｂステージ熱伝導性シートに圧力がかかるまでには一定の時間を要するため、圧力がかかる前の高温無加圧時に、加圧して作製されたＢステージ熱伝導性シートが変形緩和（膨張）すると同時に熱硬化性樹脂が溶融して流動し、熱伝導性シート内に欠陥が発生するが、所定の中空二次焼結粒子を配合した熱硬化性樹脂組成物から作製したＢステージ熱伝導性シートを用いることにより、この欠陥を中空二次焼結粒子の空隙内にのみ発生させ、且つその欠陥の大きさを制御し、熱伝導性シートのベース部分における欠陥の発生を抑制することができる。その結果、熱伝導性シートの電気絶縁性の低下を防止することができる。
二次焼結粒子を構成する鱗片状窒化ホウ素の一次粒子の平均長径は、好ましくは１５μｍ以下、より好ましくは０．１μｍ以上８μｍ以下である。鱗片状窒化ホウ素の一次粒子２の平均長径が１５μｍよりも大きいと、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子が等方的に凝集せず、二次焼結粒子の熱伝導性に異方性が発生することがある。その結果、所望の熱伝導性を有する熱伝導性シートが得られないことがある。
二次焼結粒子の平均粒径は、好ましくは２０μｍ以上１８０μｍ以下、より好ましくは４０μｍ以上１３０μｍ以下である。二次焼結粒子の平均粒径が２０μｍ未満であると、所望の熱伝導性を有する熱伝導性シートが得られないことがある。一方、二次焼結粒子の平均粒径が１８０μｍを超えると、熱硬化性樹脂組成物中に二次焼結粒子を混練分散させることが難しくなり、作業性や成形性に支障を生じることがある。さらに、所望の厚さを有する熱伝導性シートが得られず、電気絶縁性が低下することもある。
また、二次焼結粒子の最大粒径は、熱伝導性シートの厚さに対して大きすぎると界面を伝わって電気絶縁性が低下するおそれがある。よって、二次焼結粒子の最大粒径は、熱伝導性シートの厚さの約９割以下であることが好ましい。
なお、二次焼結粒子の形状は、球状に限定されず、鱗片状などの他の形状であってもよい。ただし、球状以外の他の形状の場合、平均粒径は当該形状における長辺の長さを意味する。また、球状の二次焼結粒子であれば、熱硬化性樹脂組成物を製造する際に、熱硬化性樹脂の流動性を確保しつつ、二次焼結粒子の配合量を高めることができるため、二次焼結粒子は球状であることが好ましい。
二次焼結粒子は、所定の鱗片状窒化ホウ素の一次粒子を用い、公知の方法に従って製造することができる。具体的には、所定の鱗片状窒化ホウ素の一次粒子を公知の方法を用いて凝集させた後、焼結させることによって作製することができる。ここで、焼結温度は特に限定されないが、一般的に２，０００℃である。凝集方法としては特に限定されないが、所定の鱗片状窒化ホウ素の一次粒子と、水溶性バインダと、水とを均一に混合して得たスラリーを上部から噴霧し、液滴が落下する間に乾燥と造粒を行うスプレードライ法が好ましい。スプレードライ法は、大量生産によく用いられ、球状で流動性の良い顆粒（二次凝集粒子）が得られ易いためである。このスプレードライ法において、得られる二次凝集粒子内の空隙の大きさは、スラリー濃度を調製することによって制御することができる。スプレードライ法では、液滴の落下と同時に乾燥を行うことから、スラリー中の鱗片状窒化ホウ素の一次粒子を低濃度にしておくことによって、液滴から乾燥後の二次凝集粒子になるまでの変形量が大きくなり、中空二次凝集粒子となる。逆に、スラリー中の鱗片状窒化ホウ素の一次粒子を高濃度にしておくことによって、液滴から乾燥後の二次凝集粒子になるまでの変形量が小さくなり、中実二次凝集粒子となる。
具体的には、中実二次凝集粒子は、１００質量部の鱗片状窒化ホウ素の一次粒子に対して３０質量部以上１２０質量部以下の水を含むスラリーを用いてスプレードライを行うことによって作製することができる。スラリー中の水が上記範囲よりも少ないと、スラリー粘度が高くなって流動性が低くなり、噴霧の際にスプレードライヤーが閉塞して連続運転ができなくなるという不都合が起こることがある。スラリー中の水が上記範囲よりも多いと、中空二次凝集粒子が形成される割合が多くなる。一方、中空二次凝集粒子は、１００質量部の鱗片状窒化ホウ素の一次粒子に対して１５０質量部以上３００質量部以下の水を含むスラリーを用いてスプレードライを行うことによって作製することができる。スラリー中の水が上記範囲よりも少ないと、中実二次凝集粒子が形成される割合が多くなる。
上記のようにして形成された中空二次凝集粒子及び中実二次凝集粒子は、焼結させることにより、それぞれ中空二次焼結粒子及び中実二次焼結粒子とすることができる。
本実施の形態の熱硬化性樹脂組成物に用いられる無機充填材は、熱伝導性シートの熱伝導性を向上させる観点から、二次焼結粒子を構成する鱗片状窒化ホウ素の一次粒子とは別の、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子をさらに含むことができる。この鱗片状窒化ホウ素の一次粒子の平均長径は、３μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましい。かかる範囲の平均長径を有する鱗片状窒化ホウ素の一次粒子を配合すれば、熱伝導性シート中で二次焼結粒子の間に鱗片状窒化ホウ素の一次粒子がバランスよく充填されるので、熱伝導シートの熱伝導性を高めることができる。特に、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子の平均長径が５μｍ以上２０μｍ以下であると、熱伝導性シートにおける鱗片状窒化ホウ素の一次粒子の充填率を高くすることができ、熱伝導シートの熱伝導性をより一層高めることができる。鱗片状窒化ホウ素の一次粒子の平均長径が３μｍ未満であると、熱伝導性シートの熱伝導性を向上させるために、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子の充填量を高める必要がある。その結果、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子の比表面積が大きくなるため、熱伝導性シートを作製した際に、熱抵抗の大きい部分である熱硬化性樹脂と鱗片状窒化ホウ素の一次粒子との界面が多くなり、所望の熱伝導性が得られないことがある。一方、かかる平均長径が５０μｍを超えると、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子のサイズが大きすぎてしまい、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子が二次焼結粒子の間に適切に充填され難くなることがある。
本実施の形態の熱硬化性樹脂組成物に用いられる無機充填材は、熱伝導性シートの熱伝導性や電気絶縁性を向上させたり、熱伝導性と電気絶縁性とのバランスを図る観点から、本発明の効果を損なわない範囲において、公知の無機粉末をさらに含むことができる。公知の無機粉末としては、溶融シリカ（ＳｉＯ２）、結晶シリカ（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）などを挙げることができる。これらは、単独又は２種以上を組み合わせて用いることができる。
本実施の形態の熱硬化性樹脂組成物における無機充填材の含有量は、熱伝導性シート（熱硬化性樹脂組成物の固形分）中の無機充填材の含有量が好ましくは３０体積％以上、より好ましくは４０体積％以上８０体積％以下となる量である。無機充填材の含有量が３０体積％未満であると、無機充填材の量が少なすぎてしまい、所望の熱伝導性を有する熱伝導性シートが得られないことがある。無機充填材の中でも、本実施の形態の熱硬化性樹脂組成物における中空二次焼結粒子の含有量は、熱伝導性シート（熱硬化性樹脂組成物の固形分）中の中空二次焼結粒子の含有量が好ましくは３体積％以上、より好ましくは５体積％以上２０体積％以下となる量である。中空二次焼結粒子の含有量が５体積％未満であると、中空二次焼結粒子の量が少なすぎてしまい、熱伝導性シートのベース部分における欠陥の発生を抑制する効果が十分に得られないことがある。
本実施の形態の熱硬化性樹脂組成物に用いられる熱硬化性樹脂としては、特に限定されず、当該技術分野において公知のものを用いることができる。熱硬化性樹脂の例としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂などが挙げられる。これらの中でも、エポキシ樹脂は、耐熱性などの各種物性に優れているため特に好ましい。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などが挙げられる。これらの樹脂は、単独又は２種以上を組み合わせて用いることができる。
エポキシ樹脂の硬化剤としては、特に限定されず、当該技術分野において公知のものを用いることができる。硬化剤の例としては、メチルテトラヒドロ無水フタル酸、メチルヘキサヒドロ無水フタル酸、無水ハイミック酸などの脂環式酸無水物；ドデセニル無水コハク酸などの脂肪族酸無水物；無水フタル酸及び無水トリメリット酸などの芳香族酸無水物；ジシアンジアミド、アジピン酸ジヒドラジドなどの有機ジヒドラジド；トリス（ジメチルアミノメチル）フェノール；ジメチルベンジルアミン；１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン及びその誘導体；２−メチルイミダゾール、２−エチル−４−メチルイミダゾール及び２−フェニルイミダゾールなどのイミダゾール類を用いることができる。これらの硬化剤は、単独又は２種以上を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や硬化剤の種類などにあわせ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に対して０．１質量部以上２００質量部以下である。
本実施の形態の熱硬化性樹脂組成物は、熱硬化性樹脂と無機充填材との界面の接着力を向上させる観点から、カップリング剤を含有することができる。カップリング剤としては、特に限定されず、当該技術分野において公知のものを用いることができる。カップリング剤の例としては、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、Ｎ−β（アミノエチル）γ−アミノプロピルトリエトキシシラン、Ｎ−フェニル−γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、γ−メルカプトプロピルトリメトキシシランなどが挙げられる。これらのカップリング剤は、単独又は２種以上を組み合わせて用いることができる。
カップリング剤の配合量は、使用する熱硬化性樹脂やカップリング剤の種類などにあわ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に対して０．０１質量部以上５質量部以下である。
本実施の形態の熱硬化性樹脂組成物は、当該組成物の粘度を調整する観点から、溶剤をさらに含むことができる。溶剤としては、特に限定されず、使用する熱硬化性樹脂や無機充填材の種類にあわせて公知のものを適宜選択すればよい。かかる溶剤の例としては、トルエンやメチルエチルケトンなどが挙げられる。これらは、単独又は２種以上を組み合わせて用いることができる。
熱硬化性樹脂組成物における溶剤の配合量は、混練が可能な量であれば特に限定されず、一般的に、熱硬化性樹脂と無機充填剤との合計１００質量部に対して４０質量部以上８５質量部以下である。
上記のような構成成分を含有する本実施の形態の熱硬化性樹脂組成物の製造方法は、特に限定されず、公知の方法に従って行うことができる。例えば、本実施の形態の熱硬化性樹脂組成物は、以下のようにして製造することができる。
まず、所定量の熱硬化性樹脂と、この熱硬化性樹脂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、二次焼結粒子などの無機充填材を加えて予備混合する。なお、混合物の粘度が低い場合には、溶剤を加えなくてもよい。
次に、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を得ることができる。なお、熱硬化性樹脂組成物に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。
上記のようにして得られる本実施の形態の熱硬化性樹脂組成物は、中空二次焼結粒子を配合しているので、パワーモジュールの作製時に、この中空二次焼結粒子の大きな空隙内にのみ欠陥を発生させ、且つその欠陥の大きさを制御し、熱伝導性シートのベース部分における欠陥の発生を抑制することができる。つまり、ボイドやクラックなどの欠陥の発生箇所及び大きさを制御して電気絶縁性を保持しつつ、優れた熱伝導性を有する熱伝導性シートを与えることができる。
実施の形態２．
本実施の形態のＢステージ熱伝導性シートは、上記の熱硬化性樹脂組成物をシート化して半硬化させたものである。すなわち、本実施の形態のＢステージ熱伝導性シートは、無機充填材をＢステージ状態の熱硬化性樹脂中に分散してなるＢステージ熱伝導性シートであって、前記無機充填材は、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子から構成される二次焼結粒子を含み、且つ前記二次焼結粒子の少なくとも一部が、５μｍ以上８０μｍ以下の最大空隙径を有することを特徴とする。
本実施の形態のＢステージ熱伝導性シートは、上記の熱硬化性樹脂組成物を基材に塗布して乾燥させる工程と、塗布乾燥物を半硬化させる工程とを含む方法によって製造することができる。
ここで、基材としては、特に限定されず、例えば、離型処理された樹脂シートやフィルム等のような公知の基材を用いることができる。また、基材として銅箔などの金属板を用い、金属板付のＢステージ熱伝導性シートとしてもよい。
熱硬化性樹脂組成物の塗布方法としては、特に限定されず、ドクターブレード法などのような公知の方法を用いることができる。
塗布した熱硬化性樹脂組成物の乾燥は、周囲温度で行ってよいが、溶剤の揮発を促進させる観点から、必要に応じて８０℃以上１５０℃以下に加熱してもよい。
塗布乾燥物の半硬化温度は、使用する熱硬化性樹脂の種類にあわせて適宜設定すればよいが、一般的に８０℃以上２００℃以下である。また、半硬化時間は、特に限定されないが、一般的に２分以上２４時間以下である。
また、塗布乾燥物を半硬化させる場合、必要に応じて加圧してもよい。特に、上記の乾燥工程によって塗布乾燥物内に欠陥が発生した場合には、加圧して欠陥を除去しておくことが好ましい。この場合のプレス圧は、好ましくは０．５ＭＰａ以上３０ＭＰａ以下、より好ましくは４ＭＰａ以上１５ＭＰａ以下である。プレス圧が０．５ＭＰａ未満であると、Ｂステージ熱伝導性シート内の欠陥を十分に除去することができないことがある。一方、プレス圧が３０ＭＰａを超えると、二次焼結粒子が変形又は崩壊してしまい、熱伝導性シートの熱伝導性及び電気絶縁性が低下することがある。また、プレス時間は、特に限定されないが、一般的に５分以上６０分以下である。
上記のようにして得られる本実施の形態のＢステージ熱伝導性シートは、発熱部材などの各種部材との接着性に優れていると共に、中空二次焼結粒子を配合しているので、パワーモジュールの作製時に、この中空二次焼結粒子の大きな空隙内にのみ欠陥を発生させ、且つその欠陥の大きさを制御し、熱伝導性シートのベース部分における欠陥の発生を抑制することができる。つまり、ボイドやクラックなどの欠陥の発生箇所及び大きさを制御して電気絶縁性を保持しつつ、優れた熱伝導性を有する熱伝導性シートを与えることができる。
実施の形態３．
本実施の形態のパワーモジュールは、上記の熱硬化性樹脂組成物又はＢステージ熱伝導性シートから得られる熱伝導性シートを具備する。すなわち、本実施の形態のパワーモジュールは、無機充填材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、前記無機充填材は、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子から構成される二次焼結粒子を含み、且つ前記二次焼結粒子の少なくとも一部が、５μｍ以上８０μｍ以下の最大空隙径を有する熱伝導性シートを具備することを特徴とする。
本実施の形態のパワーモジュールにおいて、熱伝導性シート以外の構成は特に限定されず、公知のパワーモジュールの構成を採用することができる。
以下、本実施の形態のパワーモジュールの一例について図面を用いて説明する。
図４は、本実施の形態のパワーモジュールの断面図である。図４において、パワーモジュールは、熱伝導性シート１１と、熱伝導性シート１１を狭持するヒートシンク１０及びリードフレーム１２と、リードフレーム１２上に搭載された電力半導体素子１３とを備えている。そして、電力半導体素子１３の間、及び電力半導体素子１３とリードフレーム１２との間は、金属線１４によってワイヤボンディングされている。また、リードフレーム１２の端部、及びヒートシンク１０の外部放熱部以外は封止樹脂１５で封止されている。このパワーモジュールにおいて、熱伝導性シート１１以外の部材は特に限定されず、当該技術分野において公知のものを用いることができる。
次に、上記構成を有するパワーモジュールの製造方法について図面を用いて説明する。
図５は、本実施の形態のパワーモジュールの製造工程を説明するための図である。図５に示すように、まず、ヒートシンク１０上にＢステージ熱伝導性シート１６を形成する（工程（ａ））。ここで、Ｂステージ熱伝導性シートは、上記熱硬化性樹脂組成物を用いてヒートシンク１０上に直接形成することができる。或いは、別個にＢステージ熱伝導性シート１６を形成した後、Ｂステージ熱伝導性シート１６をヒートシンク１０上に配置してもよい。
次に、Ｂステージ熱伝導性シート１６が形成されたヒートシンク１０を、トランスファモールド用金型２０内に配置する（工程（ｂ））。
次に、電力半導体素子１３及び金属線１４を実装したリードフレーム１２をＢステージ熱伝導性シート１６上に配置する（工程（ｃ））。
次に、トランスファモールド用金型２０内に封止樹脂１５を流し込み、加圧成形して封止樹脂１５を硬化させる（工程（ｄ））。この加圧成形の際の各種条件は特に限定されないが、一般に、成形温度が８０℃以上２５０℃以下、好ましくは１５０℃以上２００℃以下、成形圧力が５ＭＰａ以上３０ＭＰａ以下、成形時間が３０秒以上１８０秒以下である。この工程（ｄ）において、封止樹脂１５による成形圧力がＢステージ熱伝導性シート１６に伝わるまでには一定の時間を要するため、圧力が伝わるまでの間、Ｂステージ熱伝導性シート１６は高温無加圧状態にさらされる。この時、加圧して作製されたＢステージ熱伝導性シート１６が変形緩和（膨張）すると同時に熱硬化性樹脂が溶融して流動し、Ｂステージ熱伝導性シート１６のベース部分に欠陥が生じる。しかし、Ｂステージ熱伝導性シート１６は、所定の最大空隙径を有する中空二次焼結粒子を含んでいるため、毛細管力が小さい中空二次粒子内の熱硬化性樹脂が流出し、ベース部分における欠陥の発生を防止することができる。
最後に、トランスファモールド用金型２０を除去することによって、パワーモジュールを得ることができる（工程（ｅ））。
なお、得られたパワーモジュールは、必要に応じてポストキュアを行ってもよい。
このようにして製造されるパワーモジュールに組み込まれた熱伝導性シート１１は、中空二次焼結粒子の大きな空隙内にのみ欠陥を発生させることによって熱伝導性シートのベース部分における欠陥の発生を抑制し、且つ中空二次焼結粒子内の欠陥の大きさを制御している。これにより、熱伝導性シート１１における電気絶縁性の低下を防止することができ、電気絶縁性及び熱放散性に優れたパワーモジュールとなる。また、パワーモジュールに組み込む際にＢステージ熱伝導性シート１６を用いているため、熱伝導性シート１１とヒートシンク１０との間、及び熱伝導性シート１１とリードフレーム１２との間の接着性も向上し、信頼性に優れたパワーモジュールとなる。
以下、実施例及び比較例により本発明の詳細を説明するが、これらによって本発明が限定されるものではない。
実施例及び比較例で用いた二次焼結粒子は、窒化ホウ素の一次粒子と、水溶性バインダと、水とを含むスラリーを用いてスプレードライを行った後、約２０００℃で焼結させることにより作製した。ここで、二次焼結粒子の最大空隙径は、スラリー中の水の量を調節することによって制御した。また、二次焼結粒子の最大空隙径は、二次焼結粒子をエポキシ樹脂に埋封したサンプルを作製し、そのサンプルの断面を研磨して電子顕微鏡で数千倍に拡大した写真を数枚撮影した後、二次焼結粒子の空隙の最大径を実際に測定することによって求めた。
（実施例１）
液状のビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（ジャパンエポキシレジン株式会社製エピコート８２８）１００質量部と、硬化剤である１−シアノメチル−２−メチルイミダゾール（四国化成工業株式会社製キュアゾール２ＰＮ−ＣＮ）１質量部と、溶媒であるメチルエチルケトン７８質量部とを混合した。その後、この混合物に、無機充填材として二次焼結粒子及び鱗片状窒化ホウ素の一次粒子を加えて予備混合した。ここで、無機充填材は、熱伝導性シートにおいて５〜３０μｍの最大空隙径を有する二次焼結粒子（平均粒径６５μｍ）が５体積％、０．１μｍ未満の最大空隙径を有する二次焼結粒子（平均粒径６５μｍ）が１０体積％、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子（平均長径３０μｍ）が１５体積％となるように加えた。続いて、この予備混合物を三本ロールにて混練することによって熱硬化性樹脂組成物を得た。
次に、この熱硬化性樹脂組成物を、厚さ１０５μｍの銅箔上にドクターブレード法を用いて塗布した後、１１０℃で１５分間の加熱乾燥処理を行い、厚さ２００μｍのＢステージ熱伝導性シートを得た。
次に、銅箔上に形成されたＢステージ熱伝導性シートをトランスファモールド用金型に配置した後、電力半導体素子及び金属線を実装したリードフレームをＢステージ熱伝導性シート上に配置した。そして、トランスファモールド用金型内に封止樹脂を流し込んで加圧成形した。この加圧成形において、成形温度を１８０℃、成形圧力を１０ＭＰａ、成形時間を９０秒とした。続いて、トランスファモールド用金型を取り外した後、１７５℃で８時間、ポストキュアすることにより、パワーモジュールを得た。
（実施例２）
メチルエチルケトンの配合量を１２５質量部としたこと、及び無機充填材として、熱伝導性シートにおいて５〜３０μｍの最大空隙径を有する二次焼結粒子（平均粒径６５μｍ）が５体積％、０．１μｍ未満の最大空隙径を有する二次焼結粒子（平均粒径６５μｍ）が２０体積％、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子（平均長径３０μｍ）が２５体積％となるように加えたこと以外は、実施例１と同様にして熱硬化性樹脂組成物、Ｂステージ熱伝導性シート及びパワーモジュールを得た。
（実施例３）
メチルエチルケトンの配合量を１２５質量部としたこと、及び無機充填材として、熱伝導性シートにおいて５０〜８０μｍの最大空隙径を有する二次焼結粒子（平均粒径６５μｍ）が５体積％、０．１μｍ未満の最大空隙径を有する二次焼結粒子（平均粒径６５μｍ）が２０体積％、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子（平均長径３０μｍ）が２５体積％となるように加えたこと以外は、実施例１と同様にして熱硬化性樹脂組成物、Ｂステージ熱伝導性シート及びパワーモジュールを得た。
（実施例４）
メチルエチルケトンの配合量を１２５質量部としたこと、及び無機充填材として、熱伝導性シートにおいて５〜３０μｍの最大空隙径を有する二次焼結粒子（平均粒径６５μｍ）が１０体積％、０．１μｍ未満の最大空隙径を有する二次焼結粒子（平均粒径６５μｍ）が１５体積％、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子（平均長径３０μｍ）が２５体積％となるように加えたこと以外は、実施例１と同様にして熱硬化性樹脂組成物、Ｂステージ熱伝導性シート及びパワーモジュールを得た。
（実施例５）
メチルエチルケトンの配合量を１２５質量部としたこと、及び無機充填材として、熱伝導性シートにおいて５〜３０μｍの最大空隙径を有する二次焼結粒子（平均粒径６５μｍ）が２０体積％、０．１μｍ未満の最大空隙径を有する二次焼結粒子（平均粒径６５μｍ）が５体積％、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子（平均長径３０μｍ）が２５体積％となるように加えたこと以外は、実施例１と同様にして熱硬化性樹脂組成物、Ｂステージ熱伝導性シート及びパワーモジュールを得た。
（実施例６）
メチルエチルケトンの配合量を２３４質量部としたこと、及び無機充填材として、熱伝導性シートにおいて５〜３０μｍの最大空隙径を有する二次焼結粒子（平均粒径６５μｍ）が５体積％、０．１μｍ未満の最大空隙径を有する二次焼結粒子（平均粒径６５μｍ）が３０体積％、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子（平均長径３０μｍ）が３５体積％となるように加えたこと以外は、実施例１と同様にして熱硬化性樹脂組成物、Ｂステージ熱伝導性シート及びパワーモジュールを得た。
（比較例１）
メチルエチルケトンの配合量を７８質量部としたこと、及び無機充填材として、熱伝導性シートにおいて０．１μｍ未満の最大空隙径を有する二次焼結粒子（平均粒径６５μｍ）が１５体積％、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子（平均長径３０μｍ）が１５体積％となるように加えたこと以外は、実施例１と同様にして熱硬化性樹脂組成物、Ｂステージ熱伝導性シート及びパワーモジュールを得た。
（比較例２）
メチルエチルケトンの配合量を１２５質量部としたこと、及び無機充填材として、熱伝導性シートにおいて０．１〜１μｍの最大空隙径を有する二次焼結粒子（平均粒径６５μｍ）が５体積％、０．１μｍ未満の最大空隙径を有する二次焼結粒子（平均粒径６５μｍ）が２０体積％、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子（平均長径３０μｍ）が２５体積％となるように加えたこと以外は、実施例１と同様にして熱硬化性樹脂組成物、Ｂステージ熱伝導性シート及びパワーモジュールを得た。
（比較例３）
メチルエチルケトンの配合量を１２５質量部としたこと、及び無機充填材として、熱伝導性シートにおいて１００〜１５０μｍの最大空隙径を有する二次焼結粒子（平均粒径６５μｍ）が５体積％、０．１μｍ未満の最大空隙径を有する二次焼結粒子（平均粒径６５μｍ）が２０体積％、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子（平均長径３０μｍ）が２５体積％となるように加えたこと以外は、実施例１と同様にして熱硬化性樹脂組成物、Ｂステージ熱伝導性シート及びパワーモジュールを得た。
上記の実施例１〜６及び比較例１〜３のパワーモジュールに組み込まれた熱伝導性シートについて、部分放電開始電圧及び絶縁破壊電圧を測定することにより電気絶縁性を評価した。部分放電開始電圧は、０．５ｋＶ／秒の一定昇圧にて電圧を連続的に印加することで部分放電が開始する電圧を測定した。また、絶縁破壊電圧は、油中で、熱伝導シートに０．５ｋＶ毎のステップ昇圧にて電圧を印加することにより熱伝導シートが絶縁破壊する電圧を測定した。ここで、部分放電開始電圧の評価において、部分放電開始電圧が３ｋＶ以上であったものを○、３ｋＶ未満であったものを×とした。また、絶縁破壊電圧の評価において、絶縁破壊電圧が５ｋＶ以上であったものを○、５ｋＶ未満であったものを×とした。これらの評価の結果を表１に示す。
Figure 0005340202
表１の結果からわかるように、実施例１〜６のパワーモジュールに組み込まれた熱伝導性シートは、部分放電開始電圧及び絶縁破壊電圧の両方が高く、電気絶縁性が良好であった。これらの熱伝導性シートについて電子顕微鏡にて断面観察を行ったところ、熱伝導性シート内の欠陥は二次焼結粒子内の空隙部分に発生していることを確認した。
これに対して比較例１のパワーモジュールに組み込まれた熱伝導性シートは、部分放電開始電圧及び絶縁破壊電圧の両方が低く、電気絶縁性が十分でなかった。この熱伝導性シートについて電子顕微鏡にて断面観察を行ったところ、熱伝導性シート内のベース部分や二次焼結粒子との界面部分に５μｍ以上の欠陥が発生していることを確認した。
同様に、比較例２のパワーモジュールに組み込まれた熱伝導性シートも、部分放電開始電圧及び絶縁破壊電圧の両方が低く、電気絶縁性が十分でなかった。この熱伝導性シートについて電子顕微鏡にて断面観察を行ったところ、熱伝導性シート内のベース部分や二次焼結粒子との界面部分、二次焼結粒子内の空隙部分などの様々な部分に欠陥が発生していることを確認した。
また、比較例３のパワーモジュールに組み込まれた熱伝導性シートは、部分放電開始電圧が低く、電気絶縁性が十分でなかった。この熱伝導性シートについて電子顕微鏡にて断面観察を行ったところ、熱伝導性シート内の欠陥は二次焼結粒子内の空隙部分に発生していたものの、欠陥の大きさが１００μｍを超えていることを確認した。
以上の結果からわかるように、本発明によれば、ボイドやクラックなどの欠陥の発生箇所及び大きさを制御して電気絶縁性を保持しつつ、優れた熱伝導性を有する熱伝導性シートを与える熱硬化性樹脂組成物及びＢステージ熱伝導性シートを得ることができる。また、本発明によれば、電気絶縁性及び熱放散性に優れたパワーモジュールを提供することができる。
１ 中空二次焼結粒子、２、６ 鱗片状窒化ホウ素の一次粒子、３ 大きな空隙、４ 中実二次焼結粒子、５ 熱硬化性樹脂、７ 欠陥、１０ ヒートシンク、１１ 熱伝導性シート、１２ リードフレーム、１３ 電力半導体素子、１４ 金属線、１５ 封止樹脂、１６ Ｂステージ熱伝導性シート。

Claims (9)

  1. 無機充填材及び熱硬化性樹脂を含む熱硬化性樹脂組成物であって、
    前記無機充填材は、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子から構成される二次焼結粒子を含み、且つ前記二次焼結粒子の少なくとも一部が、５μｍ以上８０μｍ以下の最大空隙径を有することを特徴とする熱硬化性樹脂組成物。
  2. 前記二次焼結粒子の最大空隙径は、前記二次焼結粒子の粒径の２／３以下であることを特徴とする請求項１に記載の熱硬化性樹脂組成物。
  3. 前記無機充填材は、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子をさらに含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の熱硬化性樹脂組成物。
  4. 無機充填材をＢステージ状態の熱硬化性樹脂中に分散してなるＢステージ熱伝導性シートであって、
    前記無機充填材は、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子から構成される二次焼結粒子を含み、且つ前記二次焼結粒子の少なくとも一部が、５μｍ以上８０μｍ以下の最大空隙径を有することを特徴とするＢステージ熱伝導性シート。
  5. 前記二次焼結粒子の最大空隙径は、前記二次焼結粒子の平均粒径の２／３以下であることを特徴とする請求項４に記載のＢステージ熱伝導性シート。
  6. 前記無機充填材は、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子をさらに含むことを特徴とする請求項４又は５に記載のＢステージ熱伝導性シート。
  7. 無機充填材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、前記無機充填材は、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子から構成される二次焼結粒子を含み、且つ前記二次焼結粒子の少なくとも一部が、５μｍ以上８０μｍ以下の最大空隙径を有する熱伝導性シートを具備することを特徴とするパワーモジュール。
  8. 前記二次焼結粒子の最大空隙径は、前記二次焼結粒子の平均粒径の２／３以下であることを特徴とする請求項７に記載のパワーモジュール。
  9. 前記無機充填材は、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子をさらに含むことを特徴とする請求項７又は８に記載のパワーモジュール。
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