JP7330419B1

JP7330419B1 - 放熱部材、基材付き放熱部材およびパワーモジュール

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Publication number: JP7330419B1
Application number: JP2023519041A
Authority: JP
Inventors: 元基正木
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2022-07-12
Filing date: 2022-07-12
Publication date: 2023-08-21
Anticipated expiration: 2042-07-12
Also published as: WO2024013858A1

Abstract

セラミックフィラーと、非磁性および扁平状の金属フィラーと、保持材と、を含む、放熱部材。

Description

本開示は、放熱部材、基材付き放熱部材およびパワーモジュールに関する。

ＬＥＤ素子やＩＣ等の発熱部品を搭載した電気電子機器において、高出力化による発熱量の増大により、放熱技術の重要性が増している。特に、防塵防水のため密閉筐体で使用される車載電装品や真空中で使用される宇宙機器等は、空気対流による放熱が困難という問題がある。そのため、従来の放熱技術であるアルミヒートシンクによる自然空冷や電動ファンによる強制空冷等では、十分な放熱効果が得られない。また、ＣＰＵの高性能化によって発熱量が増大傾向にあるノート型パソコンを含む情報機器では、小型化や高密度実装化が進んでおり、体積の大きいアルミヒートシンクを搭載するスペースがないという問題もある。さらに、従来のアルミヒートシンクは金属製であるため、電磁ノイズを発生し、電気電子機器の誤動作を招くという問題もある。そのため、近年、従来の放熱技術では放熱対策が困難な電気電子機器を対象に、赤外線の熱放射を利用したセラミックヒートシンクが注目されている。

特許第４４０４８５５号公報（特許文献１）では、粒径が最低３μｍから最大３２５メッシュの範囲であるショールトルマリン粉末と流動状の固定剤とを混和してなる塗布剤を、銅またはアルミニウムからなる基材の表面に、ショールトルマリン粉末が１平方ｃｍあたり０．０２５から０．０５ｇの面密度となるように塗着して固化してなるトルマリン層を有したことを特徴とする放熱部材が開示されている。

特許第４４０４８５５号公報

しかしながら、特許文献１で開示されている放熱部材では、熱伝導率の低い樹脂系の固定剤を含有していることから、放熱部材の熱抵抗が大きくなりすぎる。そのため、熱源の熱が放熱部材の表面に十分に伝わらず、放熱部材表面の放射性能が低下するおそれがある。

本開示は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、熱伝導率が高く、かつ、放射性能に優れる放熱部材および基材付き放熱部材を提供することを目的とする。
また、放熱性能に優れる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、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、放射率の高いセラミックフィラーと、熱伝導率の高い非磁性の金属フィラーとを複合化させた材料において、非磁性の金属フィラーの形状を扁平状にすることで、熱パスとなる金属フィラー同士の接触を効率的に得ることができ、熱伝導率が高く、かつ、放射性能に優れる放熱部材が得られることを見出した。また、本セラミックフィラーを放熱部材に適用することで、放熱部材の放射性能が向上することも見出した。
本開示は、以下の放熱部材、基材付き放熱部材およびパワーモジュールに関する。

基材と、放熱部材と、を備え、
前記放熱部材は、前記基材の表面にコーティングされるコーティング層である、基材付き放熱部材。

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ことのできる放熱部材または基材付き放熱部材と、外部と電気的に接続されるリードフレームと、を備え、
前記リードフレームは、外部接続部を有し、
前記外部接続部の表面の少なくとも一部は、前記放熱部材または前記基材付き放熱部材により覆われている、パワーモジュール。

本開示によれば、熱伝導率が高く、かつ、放射性能に優れる放熱部材および基材付き放熱部材を提供することができる。また、放熱性能に優れるパワーモジュールを提供することができる。

図１は、実施の形態１における放熱部材の一例を示す断面模式図である。図２は、実施の形態１における放熱部材を熱源に設置した一例を示す断面模式図である。図３は、球形状のフィラー同士の接触状況を示す断面模式図である。図４は、扁平状のフィラー同士の接触状況を示す断面模式図である。図５は、実施の形態１における放熱部材の他の一例を示す断面模式図である。図６は、実施の形態１における放熱部材の他の一例を示す断面模式図である。図７は、実施の形態１における放熱部材の他の一例を示す断面模式図である。図８（ａ）は、セラミックフィラーの断面模式図であり、図８（ｂ）は、金属フィラーの断面模式図である。図９は、実施の形態２における基材付き放熱部材の一例を示す断面模式図である。図１０は、実施の形態３におけるパワーモジュールの断面模式図である。

以下、本開示の実施の形態について説明する。

実施の形態１.
＜放熱部材＞
図１は、実施の形態１に係る放熱部材の一例を示す断面模式図である。以下、図１を用いて、本実施の形態に係る放熱部材１について説明する。本実施の形態に係る放熱部材１は、セラミックフィラー２と、非磁性および扁平状の金属フィラー３と、保持材４と、を含む。本実施の形態に係る放熱部材１は、図２に示すように、半導体素子等の熱源５から発生した熱を放熱部材１の表面から赤外線の放射によって外部に放出することで、放熱効果を発現する。また、放熱部材１の表面温度が高いほど、表面（図２において、熱源と接している面とは反対の面）から赤外線が多量に放射され、放熱効果が向上する。そのため、放熱部材１の放熱効果を高めるには、表面に熱源の熱を効率的に伝達し、表面温度を可能な限り高めることが必要である。

しかしながら、一般的に、セラミックフィラーおよび保持材は、熱伝導率が金属フィラーと比較して高くないため、熱抵抗が高くなり易く、効率的に熱を伝達することが困難である。そこで、本実施の形態の放熱部材１では、熱伝導率の高い非磁性の金属フィラー３を含有することで、放熱部材１の熱伝導率を向上させている。その際、非磁性の金属フィラー３の形状を扁平形状にすることで、非磁性の金属フィラー３同士がより接触し易くなるため、非磁性の金属フィラー３の含有量が少なくても放熱部材１の熱伝導率が向上する。そのため、本実施の形態の放熱部材１は、熱伝導率が高く、かつ、放射性能に優れたものとなる。

（セラミックフィラー）
本実施の形態の放熱部材１は、セラミックフィラー２を含む。セラミックフィラー２を含むことにより、放射性能を向上させることができる。

セラミックフィラー２としては、特に制限はないが、放射率が高いことが好ましく、例えば、アルミナ、酸化亜鉛、シリカ、ジルコニア、炭化ケイ素、窒化アルミ、窒化ケイ素、窒化ホウ素等の工業的なセラミック材料、電気石、白土、軽石等のケイ酸塩系の鉱物、パーライト、ゼオライト等のアルミノケイ酸塩系の鉱物、タルク、菫青石等のマグネシウムケイ酸塩系の鉱物、等の鉱物系のセラミック材料等が挙げられる。これらのセラミックフィラー２は、単独で用いてもよいし、２種以上を組み合わせて用いてもよい。２種以上を組み合わせて使用する場合には、その組み合わせは特に限定されない。

これらのセラミックフィラー２の中でも、アルミナ、電気石が好ましく、特に、電子機器の放熱で重要となる波長３μｍ以上２５μｍ以下の赤外線の放射率が高い極性結晶体の一種である電気石がより好ましい。また、放熱部材の熱伝導率を高める観点からは、放射率だけでなく、熱伝導率が比較的高い窒化物系のセラミック材料である窒化アルミ、窒化ケイ素、窒化ホウ素等が好ましい。さらに、放射率の高い鉱物系のセラミック材料と、熱伝導率の高い窒化物系のセラミック材料とを組合わせて用いることで、放熱部材の放射性能および熱伝導率をより向上させる効果が得られる。

セラミックフィラー２の含有率は、十分な放射性能を得る観点から、３０体積％以上８０体積％以下であり、４０体積％以上７０体積％以下であることが好ましい。セラミックフィラー２の含有率が３０体積％未満の場合、放熱部材１の放射性能が十分に向上しない。セラミックフィラー２の含有率が８０体積％を超える場合、他の構成成分である金属フィラー３および保持材４の含有量が少なくなるため、放熱部材１の熱伝導率向上効果や成型性の観点で劣るおそれがある。

セラミックフィラー２の平均粒径（ｄ_１）は、特に制限はないが、１．０μｍ以上３０μｍ以下であることが好ましい。ここで、本実施の形態におけるセラミックフィラー２の平均粒径は、セラミックフィラー２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、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で拡大（例えば、５０００倍）した後、少なくとも２０個の粒子について長径を測定し、その測定値を平均化することによって得ることができる。なお、長径とは、セラミックフィラー２の断面における該セラミックフィラー２の外周上の２点を結ぶ線分（２点間線分）のうち最大の長さを有する線分（最長線分）の長さを意味する（図８（ａ）参照）。

セラミックフィラー２の形状は、特に制限はないが、例えば、球状または略球状、鱗片状、柱状等が挙げられ、球状または略球状であることが好ましい。

（金属フィラー）
本実施の形態の放熱部材１は、非磁性および扁平状の金属フィラー３を含む。非磁性および扁平状の金属フィラー３を含むことにより、熱伝導率を向上させることができる。

金属フィラー３は、熱伝導率が高い金属材料である。一般的に、金属材料の熱伝導率は、磁性金属よりも、非磁性の金属の方が高い傾向がある。また、磁性金属を含む放熱部材１を電子機器に用いた場合、電磁気的に回路に悪影響を及ぼすおそれがある。そのため、本実施の形態の放熱部材１では、非磁性の金属材料を金属フィラー３として用いる。

非磁性の金属フィラー３の熱伝導率は、１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることが好ましく、１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることがより好ましく、２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることがさらに好ましい。非磁性の金属フィラー３としては、例えば、金、銀、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、タングステン等の比較的熱伝導率の高い金属材料が挙げられる。これらの非磁性の金属フィラー３は、単独で用いてもよいし、２種以上を組み合わせて用いてもよい。２種以上を組み合わせて使用する場合には、その組み合わせは特に限定されない。特に、コストと熱伝導率との観点から、銅および銅合金を用いることが好ましい。

金属フィラー３の形状は、扁平状である。金属フィラーの形状が、例えば球状である場合には、図３に示すように、放熱部材の中で球状の金属フィラー同士が接触しにくいため、有効な熱パスを形成しにくい。そのため、放熱部材の熱伝導率を向上させるためには、金属フィラーを多量に含有する必要がある。その結果、放熱部材を作製可能なフィラー含有量の範囲において、放射性能を担うセラミックフィラー２の含有量が相対的に少なくなるという問題がある。一方、本実施の形態の金属フィラー３は扁平状であるため、図４に示すように、放熱部材の中で金属フィラー３同士の接触が得られ易いため、放熱部材１における金属フィラー３の含有量が比較的少ない場合であっても、放熱部材１の熱伝導率向上に有効な熱パスを形成することが可能となる。

また、金属フィラー３の形状が扁平状であるとは、原料として用いる金属フィラーを加熱圧縮したフィラー、扁平状である金属フィラーの原料等を含むものである。

非磁性および扁平状の金属フィラー３のアスペクト比は、３以上３０以下であり、４以上２０以下であることが好ましい。ここで、非磁性および扁平状の金属フィラー３のアスペクト比は、非磁性および扁平状の金属フィラー３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、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で拡大（例えば、５０００倍）した後、少なくとも２０個の粒子について非磁性および扁平状の金属フィラー３の長径および短径を測定して長径と短径との比（長径／短径）を算出し、その平均値を求めることによって得られる値を意味する。なお、長径とは、非磁性および扁平状の金属フィラー３の断面における該非磁性および扁平状の金属フィラー３の外周上の２点を結ぶ線分（２点間線分）のうち最大の長さを有する線分（最長線分）の長さを意味し、短径とは、最長線分と垂直に交わる２点間線分のうち、最大長さを有する２点間線分の長さを意味する（図８（ｂ）参照）。

非磁性および扁平状の金属フィラー３のアスペクト比が３未満の場合、扁平状による金属フィラー３同士の接触し易さの効果が十分に得られず、放熱部材１の熱伝導率向上に有効な熱パスが形成されないおそれがある。非磁性および扁平状の金属フィラー３のアスペクト比が３０を超える場合、短径が短い、すなわち、扁平状の金属フィラー３の厚みが薄すぎるため、非磁性および扁平状の金属フィラー３の強度が極端に弱くなり、扁平状を保てないおそれがある。

非磁性および扁平状の金属フィラー３の平均長径（ｄ_２）は、放熱部材１の厚みをｔとしたとき、下記式（１）を満たすことが好ましい。
２．０≦ｄ_２≦ｔ／２・・・（１）
平均長径（ｄ_２）が２μｍ未満の場合、非磁性および扁平状の金属フィラー３同士が接触しにくいため、実用性を阻害するほどではないものの、有効な熱パスを形成しにくいおそれがある。平均長径（ｄ_２）がｔ／２μｍを超える場合、放熱部材１の厚み（ｔ）に対して平均長径（ｄ_２）が長すぎるため、非磁性および扁平状の金属フィラー３が放熱部材１の厚み方向に対して垂直方向に倒れ易くなる。そのため、実用性を阻害するほどではないものの、放熱部材１の厚み方向への熱伝導率が向上しにくいおそれがある。なお、後述するように、放熱部材１の厚みであるｔは、５μｍ以上であることが好ましい。

非磁性および扁平状の金属フィラー３の含有率は、十分な熱伝導率を得る観点から、１０体積％以上６０体積％以下であり、１５体積％以上５０体積％以下であることが好ましい。非磁性および扁平状の金属フィラー３の含有率が１０体積％未満の場合、放熱部材１の熱伝導率が十分に向上しない。非磁性および扁平状の金属フィラー３の含有率が６０体積％を超える場合、他の構成成分であるセラミックフィラー２および保持材４の含有量が少なくなるため、放熱部材１の放射性能向上効果や成型性の観点で劣るおそれがある。

（保持材）
本実施の形態の放熱部材１に含まれる保持材４としては、特に制限はなく、セラミックフィラー２および非磁性および扁平状の金属フィラー３を放熱部材１中に均一に分散し、固定化する機能を有していればよい。保持材４としては、例えば、有機系バインダーまたは無機系バインダーを適宜選択して使用することができる。有機系バインダーまたは無機系バインダーを選定する際の指標としては、例えば耐熱性が挙げられ、放熱部材１を使用する温度領域によって、所望の耐熱性を有する有機系バインダーまたは無機系バインダーを適宜選択すればよい。また、密着性や放熱部材１の製造容易性の観点からは、有機系バインダーが好ましい。

有機系バインダーとしては、特に限定されないが、耐熱性や耐久性の観点から、例えば、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、ポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂が挙げられ、接着性の観点から、エポキシ樹脂が好ましい。エポキシ樹脂の具体例としては、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等が挙げられる。これらの有機系バインダーは、単独で用いてもよいし、２種以上を組み合わせて用いてもよい。２種以上を組み合わせて使用する場合には、その組み合わせは特に限定されない。

有機系バインダーとして上述の熱硬化性樹脂を用いる場合、放熱部材１は、硬化剤を含んでいてもよい。硬化剤は、特に制限はなく、使用する熱硬化性樹脂の種類に応じて公知のものを適宜選択すればよい。硬化剤としては、例えば、アミン類、フェノール類、酸無水物類、イミダゾール類、ポリメルカプタン硬化剤、ポリアミド樹脂等が挙げられる。

また、有機系バインダーとしてエポキシ樹脂を用いる場合の硬化剤としては、例えば、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、無水ハイミック酸等の脂環式酸無水物、ドデセニル無水コハク酸等の脂肪族酸無水物、無水フタル酸、無水トリメリット酸等の芳香族酸無水物、ジシアンジアミド、アジピン酸ジヒドラジド等の有機ジヒドラジド、２－メチルイミダゾールおよびその誘導体、２－エチル－４－メチルイミダゾール、２－フェニルイミダゾール等のイミダゾール類、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）ウンデセンおよびその誘導体等が挙げられる。これらの硬化剤は、単独で用いてもよいし、２種以上を組み合わせて用いてもよい。２種以上を組み合わせて使用する場合には、その組み合わせは特に限定されない。

硬化剤の含有量は、使用する熱硬化性樹脂や硬化剤の種類等に応じ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０．１質量部以上２００質量部以下である。

本実施の形態の放熱部材１は、セラミックフィラー２ならびに非磁性および扁平状の金属フィラー３と、熱硬化性樹脂の硬化物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んでいてもよい。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等が挙げられる。これらのカップリング剤は、単独で用いてもよいし、２種以上を組み合わせて用いてもよい。２種以上を組み合わせて使用する場合には、その組み合わせは特に限定されない。

カップリング剤の含有量は、使用する熱硬化性樹脂やカップリング剤の種類等に応じ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１質量部以下である。

無機系バインダーとしては、特に限定されないが、セラミックフィラー２ならびに非磁性および扁平状の金属フィラー３との馴染みがよく、均一な分散が可能である液状の無機系バインダーが好ましい。また、無機系バインダーの硬化温度は、有機系バインダーの硬化温度と比較して高温である場合が多いが、作業性や後述する基材８の熱処理による変質防止の観点から、無機系バインダーの硬化温度は、２５０℃以下であり、２００℃以下であることが好ましく、１８０℃以下であることがより好ましい。このような硬化温度を有する無機系バインダーを用いることで、基材８の熱劣化を発生させずに効率的にコーティング層を形成することが可能となる。無機系バインダーの具体例としては、ゾルゲルガラス、有機無機ハイブリッドガラス、水ガラス、一液性の無機接着剤、二液性の無機接着剤等が挙げられる。これらの無機系バインダーは、単独で用いてもよいし、２種以上を組み合わせて用いてもよい。２種以上を組み合わせて使用する場合には、その組み合わせは特に限定されない。

保持材４の含有率は、１０体積％以上６０体積％以下であり、１５体積％以上５０体積％以下であることが好ましい。保持材４の含有率が１０体積％未満の場合、セラミックフィラー２と非磁性および扁平状の金属フィラー３とを保持する力が不足し、成型性の観点で劣るおそれがある。保持材４の含有率が６０体積％を超える場合、他の構成成分であるセラミックフィラー２および非磁性および扁平状の金属フィラー３の含有量が少なくなるため、放熱部材１の放射性能および熱伝導率向上効果の観点で劣るおそれがある。

（分散構造）
本実施の形態の放熱部材１においては、図１に示すように、放熱部材１全体に、セラミックフィラー２と非磁性および扁平状の金属フィラー３とが均一に分散していてもよい。セラミックフィラー２と、非磁性および扁平状の金属フィラー３とが均一に分散することにより、放熱部材１全体に均一に熱源５の熱が伝わり易くなり、放熱性能がより向上する。

また、セラミックフィラー２と、非磁性および扁平状の金属フィラー３とは、放熱部材１の厚み方向において、各含有量に濃度勾配を有していてもよい。具体的には、図６に示すように、セラミックフィラー２の含有量は、放熱部材の厚み方向に向かうに従い減少する濃度勾配を有していてもよく、非磁性および扁平状の金属フィラー３の含有量は、放熱部材の厚み方向に向かうに従い増加する濃度勾配を有していてもよい。すなわち、放熱部材１の厚み方向で、熱源５と接している面に近い領域（図６の下側）は、非磁性および扁平状の金属フィラー３を多く含んでいることが好ましく、熱源５と接している面とは反対側の領域（図６の上側）は、セラミックフィラー２を多く含んでいることが好ましい。これは、セラミックフィラー２が放射性能を向上させる機能を有し、非磁性および扁平状の金属フィラー３が熱伝導率を向上させる機能を有するためである。

さらに、図７に示すように、放熱部材１は、セラミックフィラー２を多く含有する第１層６と、非磁性および扁平状の金属フィラー３を多く含有する第２層７と、の２層構造を有していてもよい。このような場合も、放熱部材１の厚み方向で、熱源５と接している面に近い第２層７は、非磁性および扁平状の金属フィラー３を多く含んでいることが好ましく、熱源５と接している面とは反対側の第１層６は、セラミックフィラー２を多く含んでいることが好ましい。

放熱部材１の分散構造は、放熱部材１を切断し、その断面をＳＥＭで拡大（例えば、５０００倍）して観察することによって確認することができる。

（配向状態）
本実施の形態の放熱部材１における非磁性および扁平状の金属フィラー３の配向状態は、図１に示すように、等方的に分散していることが好ましい。ここで、「等方的に分散している」とは、非磁性および扁平状の金属フィラー３の分布に配向性がないこと（または配向性が小さいこと）を意味する。すなわち、放熱部材１中において、非磁性および扁平状の金属フィラー３がランダムな方向に向いている。例えば、図５に示すように、非磁性および扁平状の金属フィラー３の長軸方向が放熱部材１の長手方向（図５の横方向）に向いている場合、放熱部材１の厚み方向の熱伝導率が向上しにくいおそれがある。一方、非磁性および扁平状の金属フィラー３が等方的に分散している場合、放熱部材１の厚み方向に熱パスが形成され易くなり、熱伝導率がより向上する。

非磁性および扁平状の金属フィラー３は、放熱部材１中にセラミックフィラー２が存在することで、非磁性および扁平状の金属フィラー３の長軸方向が放熱部材１の長手方向に向くことが物理的に防止され、等方的に分散する傾向がある。そのため、非磁性および扁平状の金属フィラー３を放熱部材１中で等方的に分散させるためには、セラミックフィラー２の平均粒径（ｄ_１）と、非磁性および扁平状の金属フィラー３の平均長径（ｄ_２）との比を調整すればよい。セラミックフィラー２の平均粒径（ｄ_１）と非磁性および扁平状の金属フィラー３の平均長径（ｄ_２）との比（ｄ_１／ｄ_２）は、下記式（２）を満たすことが好ましい。
０．５≦ｄ_１／ｄ_２≦５．０・・・（２）
ｄ_１／ｄ_２が上記範囲にある場合、非磁性および扁平状の金属フィラー３が等方的に分散され易くなる。なお、放熱部材１における非磁性および扁平状の金属フィラー３の配向状態は、上述の放熱部材１の分散構造と同じ方法で確認することができる。

（平均放射率）
本実施の形態の放熱部材１の平均放射率は、７０％以上である。一般的に、放熱部材１の放射率は温度によって変化するが、電気電子機器の放熱部材１として通常使用される２００℃以下の温度領域、好ましくは１５０℃以下の温度領域において、７０％以上の平均放射率を有している場合、放熱部材１として十分な冷却性能が得られる。放熱部材１の平均放射率は、７５％以上であることが好ましく、８０％以上であることがより好ましい。

平均放射率は、放射率測定装置を用いて、３μｍ以上２５μｍ以下の波長領域における各放射率を測定し、全波長領域での放射率の平均値を算出することによって求められる。

（熱伝導率）
本実施の形態の放熱部材１の熱伝導率は、３Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である。放熱部材１の熱伝導率が３Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である場合、熱源から発生した熱が放熱部材１に効率的に伝達されるため、さらに高い放熱性能が期待できる。放熱部材１の熱伝導率は、５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることが好ましく、１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることがより好ましい。なお、本実施の形態における放熱部材１の熱伝導率は、放熱部材１の厚み方向の熱伝導率を意味する。

熱伝導率は、レーザーフラッシュ法を用いて測定される。

（形状）
本実施の形態の放熱部材１の形状は、用途に応じて適宜設定される。放熱部材１の形状は、特に制限はないが、例えば、シート、フィルム、薄膜、成形体等が挙げられる。

（厚み）
放熱部材１の厚みｔは、放熱部材１の形状や使用するセラミックフィラー２、非磁性および扁平状の金属フィラー３に応じて適宜調整される。ただし、非磁性および扁平状の金属フィラー３の平均長径（ｄ_２）を考慮して、放熱部材１の厚みｔは、５μｍ以上であることが好ましい。

（その他）
本実施の形態の放熱部材１は、本開示の効果を損なわない範囲で、溶剤を含んでいてもよい。溶剤としては、特に限定されることはなく、使用するセラミックフィラー２や非磁性および扁平状の金属フィラー３の種類等に応じて公知のものを適宜選択すればよい。溶剤としては、例えば、水、メタノール、エタノール、プロパノール、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノン、Ｎ，Ｎ－ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ－ジメチルアセトアミド、Ｎ，Ｎ－ジメチルプロピオンアミド、ジメチルスルホキシド、Ｎ－メチル－２－ピロリドン、酢酸エチル、酢酸ブチル、プロピレンカーボネート、ジエチレンカーボネート、トルエン、キシレン、ピリジン、テトラヒドロフラン、ジクロロメタン、クロロホルム、１，１，１，３，３，３－ヘキサフルオロイソプロパノール、ギ酸、酢酸等が挙げられる。これらの溶剤は、単独で用いてもよいし、２種以上を組み合わせて用いてもよい。２種以上を組み合わせて使用する場合には、その組み合わせは特に限定されない。

実施の形態２.
図９は、実施の形態２に係る基材付き放熱部材の一例を示す断面模式図である。以下、図９を用いて、本実施の形態に係る基材付き放熱部材について説明する。本実施の形態の基材付き放熱部材は、基材８と、放熱部材１と、を備え、放熱部材１は、基材８の表面にコーティングされるコーティング層である。

基材８は、特に制限はないが、熱源５の熱を効率的に伝達する観点から、熱伝導率の高い金属およびセラミックであることが好ましい。金属としては、例えば、アルミニウム、銅、ステンレス、鉄、その他合金等が挙げられる。セラミックとしては、例えば、アルミナ、マグネシア、ジルコニア、窒化アルミ、炭化ケイ素等が挙げられる。これらは、単独で用いてもよいし、２種以上を組み合わせて用いてもよい。２種以上を組み合わせて使用する場合には、その組み合わせは特に限定されない。

また、コーティング層の厚みは、放熱部材１の厚みと同様に、放熱部材１の形状や使用するセラミックフィラー２の平均粒径（ｄ_１）、非磁性および扁平状の金属フィラー３の平均長径（ｄ_２）に応じて適宜調整される。ただし、基材８との密着性やヒートサイクル等の長期信頼性試験での耐剥離性の観点から、１０μｍ以上２００μｍ以下であることが好ましい。

実施の形態３.
本実施の形態のパワーモジュールは、電力半導体素子と、電力半導体素子で発生する熱を外部に放熱することのできる実施の形態１に記載の放熱部材または実施の形態２に記載の基材付き放熱部材と、外部と電気的に接続されるリードフレームと、を備える。リードフレームは、外部接続部を有する。外部接続部の表面の少なくとも一部は、実施の形態１に記載の放熱部材または実施の形態２に記載の基材付き放熱部材により覆われている。

以下、本実施の形態のパワーモジュールについて図面を用いて説明する。
図１０は、本実施の形態のパワーモジュールの断面模式図である。図１０において、パワーモジュール９は、リードフレーム１０と、放熱部材であるヒートシンク１１と、リードフレーム１０とヒートシンク１１との間に配置された絶縁シート１２と、リードフレーム１０に搭載された電力半導体素子１３および制御用半導体素子１４とを備えている。そして、電力半導体素子１３と制御用半導体素子１４との間、および、電力半導体素子１３とリードフレーム１０との間は、金属線１５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１０は外部接続部を有し、リードフレーム１０の外部接続部以外、および、ヒートシンク１１の外部放熱部以外は、封止樹脂１６で封止されている。さらに、リードフレーム１０の外部接続部の表面の少なくとも一部は、放熱部材１または基材付き放熱部材により覆われている。施工の容易性から基材付き放熱部材１であることが好ましい。パワーモジュール９は、リードフレーム１０の外部接続部の表面の少なくとも一部が放熱部材１または基材付き放熱部材により覆われていることで、リードフレーム１０の表面からの赤外線放射により、放熱性能が向上する。また、リードフレーム１０の外部接続部の表面の放熱部材１または基材付き放熱部材により覆われている部分が多い程、パワーモジュール９の放熱性能はより向上する。

本実施の形態のパワーモジュールにおいて、放熱部材１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。例えば、電力半導体素子１３としては、ケイ素によって形成されたものを用いることができるが、ケイ素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成されたものを用いることが好ましい。ワイドバンドギャップ半導体としては、例えば、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料、ダイヤモンド等が挙げられる。

ワイドバンドギャップ半導体によって形成された電力半導体素子１３は、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、電力半導体素子１３の小型化が可能となる。そして、このように小型化された電力半導体素子１３を用いることにより、電力半導体素子１３を組み込んだパワーモジュール９の小型化も可能になる。

また、ワイドバンドギャップ半導体により形成された電力半導体素子１３は、耐熱性も高いため、リードフレーム１０やヒートシンク１１等の放熱部材等の小型化にもつながり、パワーモジュール９の一層の小型化が可能になる。

さらに、ワイドバンドギャップ半導体により形成された電力半導体素子１３は、電力損失も低いため、素子としての高効率化も可能となる。

以下、実施例を挙げて本開示を詳細に説明するが、本開示はこれらに限定されるものではない。

＜実施例１＞
保持材として、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（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－シアノエチル－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質量部とを混合した後、溶剤であるメチルエチルケトン１６６質量部を加えて混合攪拌した。次に、この混合物に、セラミックフィラーとしてアルミナフィラー（Ｎｏ．Ａ）（形状：球形、平均粒径（ｄ_１）：１．２μｍ）５６３質量部と、非磁性および扁平状の金属フィラーとして銅フィラー（Ｎｏ．ｃ）（平均長径（ｄ_２）：５．０μｍ）５０５質量部とを添加して予備混合した。次に、この予備混合物を三本ロールにて混練し、セラミックフィラーと非磁性および扁平状の金属フィラーとが均一に分散されるように調製した。

次に、調製した組成物を厚さ２ｍｍの基材（アルミニウム板）上にコーターを用いて塗布した後、１１０℃で１５分間加熱乾燥させた。その後、１２０℃で１時間加熱し、さらに１６０℃で３時間加熱することで、溶剤を完全に除去し、保持材を完全に硬化させることで、放熱部材を得た。

＜実施例２＞
アルミナフィラー（Ｎｏ．Ａ）の代わりにアルミナフィラー（Ｎｏ．Ｂ）（形状：球形、平均粒径（ｄ_１）：２．５μｍ）を用いたこと以外は、実施例１と同じ方法で放熱部材を得た。

＜実施例３＞
アルミナフィラー（Ｎｏ．Ａ）の代わりにアルミナフィラー（Ｎｏ．Ｃ）（形状：球形、平均粒径（ｄ_１）：１０μｍ）を用いたこと以外は、実施例１と同じ方法で放熱部材を得た。

＜実施例４＞
アルミナフィラー（Ｎｏ．Ａ）の代わりにアルミナフィラー（Ｎｏ．Ｅ）（形状：球形、平均粒径（ｄ_１）：２４μｍ）を用いたこと以外は、実施例１と同じ方法で放熱部材を得た。

＜実施例５＞
アルミナフィラー（Ｎｏ．Ａ）の代わりにアルミナフィラー（Ｎｏ．Ｄ）（形状：球形、平均粒径（ｄ_１）：１５μｍ）を用いたこと、および、銅フィラー（Ｎｏ．ｃ）の代わりに銅フィラー（Ｎｏ．ｂ）（平均長径（ｄ_２）：２．１μｍ）を用いたこと以外は、実施例１と同じ方法で放熱部材を得た。

＜実施例６＞
アルミナフィラー（Ｎｏ．Ａ）の代わりにアルミナフィラー（Ｎｏ．Ｅ）を用いたこと、および、銅フィラー（Ｎｏ．ｃ）の代わりに銅フィラー（Ｎｏ．ｂ）を用いたこと以外は、実施例１と同じ方法で放熱部材を得た。

＜実施例７＞
アルミナフィラー（Ｎｏ．Ａ）の代わりにアルミナフィラー（Ｎｏ．Ｂ）を用いたこと、および、銅フィラー（Ｎｏ．ｃ）の代わりに銅フィラー（Ｎｏ．ａ）（平均長径（ｄ_２）：０．８μｍ）を用いたこと以外は、実施例１と同じ方法で放熱部材を得た。

＜実施例８＞
アルミナフィラー（Ｎｏ．Ａ）の代わりに電気石（Ｎｏ．Ｆ）（形状：球形、平均粒径（ｄ_１）：３．０μｍ）４３６質量部を用いたこと以外は、実施例１と同じ方法で放熱部材を得た。

＜比較例１＞
アルミナフィラー（Ｎｏ．Ａ）の代わりにアルミナフィラー（Ｎｏ．Ｃ）６１０質量を用いたこと、非磁性および扁平状の金属フィラーを用いなかったこと以外は、実施例１と同じ方法で放熱部材を得た。

＜比較例２＞
アルミナフィラー（Ｎｏ．Ａ）の代わりにアルミナフィラー（Ｎｏ．Ｃ）を用いたこと、および、銅フィラー（Ｎｏ．ｃ）の代わりに非磁性および球形状の銅フィラー（平均粒径：２．５μｍ）を用いたこと以外は、実施例１と同じ方法で放熱部材を得た。

なお、実施例１～８で使用した銅フィラーＮｏ．ａ～ｃに関して、上述の方法でアスペクト比を算出した結果、全て３以上３０以下であることが確認された。また、実施例１～８の放熱部材の断面を、上述の方法で観察した結果、混練時と同様に、セラミックフィラーおよび非磁性および扁平状の金属フィラーが均一に分散していることが確認された。

＜評価方法＞
評価は下記の方法により行った。

（１）熱伝導率
実施例１～８および比較例１～２で得られた放熱部材について、厚み方向の熱伝導率をレーザーフラッシュ法にて測定した。試験片は、各放熱部材から、直径１０ｍｍ、厚み１ｍｍに切り出されたものが使用された。この熱伝導率の結果は、実施例１の放熱部材で得られた熱伝導率を基準とし、各実施例または各比較例の放熱部材で得られた熱伝導率の相対値（［各実施例または各比較例の放熱部材で得られた熱伝導率］／［実施例１の放熱部材で得られた熱伝導率］の値）として表１に示した。

（２）冷却性能（放熱性能）
縦１００ｍｍ、横１００ｍｍおよび厚み７ｍｍの実施例１～８および比較例１～２で得られた放熱部材の片側表面に、セラミックヒーターを取り付け、２０Ｗの電力を印加し、放熱部材およびセラミックヒーターの温度が飽和温度に達するまで、数時間放置した。その後、熱電対を用いて、セラミックヒーターの表面温度を計測した。その結果を表１に示す。２０Ｗの電力を印加した際のセラミックヒーターの飽和温度が放熱部材としての冷却性能であり、飽和温度が低い程、放熱部材としての冷却性能が高いことを示す。

実施例１～８の放熱部材は、熱伝導率および冷却性能に優れていた。特に、０．５≦ｄ_１／ｄ_２≦５．０を満たす実施例２～４は、より熱伝導率および冷却性能に優れていた。さらに、放射性能に優れる電気石をセラミックフィラーとして用いた実施例８は、最も冷却性能に優れていた。

一方、比較例１は、非磁性および扁平状の金属フィラーを含まないため、熱伝導率および冷却性能が劣っていた。比較例２は、非磁性の金属フィラーではあるが、形状が球形状の金属フィラーを用いたため、熱伝導率および冷却性能が劣っていた。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１放熱部材、２セラミックフィラー、３金属フィラー、４保持材、５熱源、６第１層、７第２層、８基材、９パワーモジュール、１０リードフレーム、１１ヒートシンク、１２絶縁シート、１３電力半導体素子、１４制御用半導体素子、１５金属線、１６封止樹脂。

Claims

セラミックフィラー（扁平状のセラミックフィラーを除く）と、非磁性および扁平状の金属フィラーと、保持材と、を含む、放熱部材。
下記式（１）：
０．５≦ｄ_１／ｄ_２≦５．０・・・（１）
の関係を満たし、上記式（１）中、
ｄ_１は、前記セラミックフィラーの平均粒径を示し、
ｄ_２は、前記金属フィラーの平均長径を示す、請求項１に記載の放熱部材。
前記セラミックフィラーが、アルミナおよび電気石からなる群から選択される少なくとも１種を含む、請求項１に記載の放熱部材。
前記セラミックフィラーおよび前記金属フィラーが、均一に分散している、請求項１に記載の放熱部材。
前記セラミックフィラーおよび前記金属フィラーが、放熱部材の厚み方向において、含有量に濃度勾配を有する、請求項１に記載の放熱部材。
基材と、請求項１から５のいずれか１項に記載の放熱部材と、を備え、
前記放熱部材は、前記基材の表面にコーティングされるコーティング層である、基材付き放熱部材。
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ことのできる請求項１から５のいずれか１項に記載の放熱部材または請求項６に記載の基材付き放熱部材と、外部と電気的に接続されるリードフレームと、を備え、
前記リードフレームは、外部接続部を有し、
前記外部接続部の表面の少なくとも一部は、前記放熱部材または前記基材付き放熱部材により覆われている、パワーモジュール。
前記電力半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体によって構成されている、請求項７に記載のパワーモジュール。
前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドである、請求項８に記載のパワーモジュール。