KR20190132395A

KR20190132395A - 전열 부재 및 이것을 포함하는 방열 구조체

Info

Publication number: KR20190132395A
Application number: KR1020197028259A
Authority: KR
Inventors: 사오리 이노우에; 도시타카 야마가타; 요시타카 미나카타; 료 요시마츠; 류지 고가
Original assignee: 덴카 주식회사
Priority date: 2017-03-29
Filing date: 2018-03-28
Publication date: 2019-11-27
Also published as: KR102438540B1; WO2018181606A1; CN110168719A; EP3605602A1; US11034623B2; JPWO2018181606A1; CN110168719B; EP3605602B1; EP3605602A4; JP7053579B2; US20200031723A1

Abstract

높은 방열성을 갖고, 또한 열전도율의 이방성이 작고 신뢰성이 우수한 전열 부재를 제공한다. 절연재 (A) 를 포함하는 제 1 표면층과, 절연재 (A) 를 포함하는 제 2 표면층과, 제 1 표면층과 제 2 표면층 사이에 배치되는 절연재 (B) 를 포함하는 중간층을 포함하고, 절연재 (A) 가, 육방정 질화 붕소 일차 입자의 배향도가 0.6 ∼ 1.4 인 제 1 질화 붕소 소결체와 제 1 질화 붕소 소결체에 함침하는 제 1 열경화성 수지 조성물을 포함하는 것이고, 절연재 (B) 가, 육방정 질화 붕소 일차 입자의 배향도가 0.01 ∼ 0.05 인 제 2 질화 붕소 소결체와 제 2 질화 붕소 소결체에 함침하는 제 2 열경화성 수지 조성물을 포함하는 전열 부재. 또한 여기서 배향도는, I.O.P. (The Index of Orientation Preference) 를 의미하고, I.O.P. 는 하기 식으로 산출된다.
I.O.P. = (I100/I002)par./(I100/I002)perp.
여기서, (I100/I002)par. 은, 질화 붕소 소결체의 두께 방향으로 평행한 방향을 따라 측정한 면의 강도비이고, (I100/I002)perp. 는, 질화 붕소 소결체의 두께 방향에 수직인 방향을 따라 측정한 면의 강도비이고, I100 은 (100) 면의 X 선 회절선의 강도를 나타내고, I002 는 (002) 면의 X 선 회절선의 강도를 나타낸다.

Description

전열 부재 및 이것을 포함하는 방열 구조체

본 발명은, 열전도율의 이방성이 작고 신뢰성이 우수한 전열 부재 및 이것을 포함하는 방열 구조체를 제공한다.

파워 디바이스, 양면 방열 트랜지스터, 사이리스터, CPU 등의 발열성 전자 부품에 있어서는, 사용시에 발생하는 열을 어떻게 효율적으로 방열하는지가 중요한 과제로 되어 있다. 종래부터, 이와 같은 방열 대책으로는, (1) 발열성 전자 부품을 실장하는 프린트 배선판의 절연층을 고열전도화하거나, (2) 발열성 전자 부품 또는 발열성 전자 부품을 실장한 프린트 배선판을 전기 절연성의 열 인터페이스재 (Thermal Interface Materials) 를 개재하여 히트싱크에 장착하는 것, 등과 같은 것이 일반적으로 실시되어 왔다. 프린트 배선판의 절연재 및 열 인터페이스재로는, 실리콘 수지나 에폭시 수지에 세라믹스 분말을 첨가하여 경화시킨 전열 부재가 사용되고 있다.

최근, 발열성 전자 부품 내의 회로의 고속·고집적화, 및 발열성 전자 부품의 프린트 배선판에 대한 실장 밀도의 증가에 수반하여, 전자 기기 내부의 발열 밀도는 해마다 증가하고 있다. 그 때문에, 종래보다 더 높은 열전도율을 갖는 전열 부재가 요구되어 오고 있다. 또한, 종래와 같은 두께 방향 또는 면 방향의 일 방향만의 방열뿐만 아니라, 두께 방향 및 면 방향으로의 양 방향에 대한 높은 방열성이 요구되고 있다.

이상과 같은 배경에 의해, (1) 고열전도율, (2) 고절연성 등, 전기 절연 재료로서 우수한 성질을 갖고 있는 육방정 질화 붕소 (hexagonal Boron Nitride) 분말이 주목받고 있다. 그러나, 질화 붕소는, 면내 방향 (a 축 방향) 의 열전도율이 400 W/(m·K) 로 질화 알루미늄이나 질화 규소보다 높은 것에 대해, 두께 방향 (c 축 방향) 의 열전도율이 2 W/(m·K) 이고, 결정 구조와 인편 형상에서 유래되는 열전도율의 이방성이 크다. 그 때문에, 예를 들어 열 인터페이스재의 제조시에, 질화 붕소 입자의 면내 방향 (a 축 방향) 과 열 인터페이스재의 두께 방향이 수직이 되면, 질화 붕소 입자의 면내 방향 (a 축 방향) 의 고열전도율을 충분히 살릴 수 없었다.

특허문헌 1 에서는, 결정 구조가 3 차원 망목상으로서 개방 기공을 갖는 다공질 세라믹스질 소결체의 상기 개방 기공 중에 수지를 충전한 것을 특징으로 하는 세라믹스질 복합체로 이루어지는 전자 회로용 기판으로서, 상기 다공질 세라믹스질 소결체가, 평균 결정립경이 10 ㎛ 이하인 결정립의 세라믹스 재료로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전자 회로용 기판이 제안되어 있다. 그러나, 특허문헌 1 의 방법에서는 인편상 질화 붕소 입자가 일 방향으로 배향되어, 열전도율의 이방성은 저감시킬 수 없었다.

특허문헌 2 에서는, 적어도 포스테라이트 및 질화 붕소를 주성분으로서 포함하고, 질화 붕소가 일 방향으로 배향되어 있는 소결체인 세라믹스 부재, 세라믹스 부재를 사용하여 형성되는 프로브 홀더, 및 세라믹스 부재의 제조 방법이 제안되어 있다. 그러나, 특허문헌 2 의 방법에서는 인편상 질화 붕소의 배향도 I.O.P. (The Index of Orientation Preference) 가 0.07 이하로 크고, 인편상 질화 붕소 입자가 일 방향으로 배향되어 있고, 열전도율의 이방성은 저감시킬 수 없었다.

전열 부재가 사용되는 전자 부품에 있어서, 종래 기술의 열전도율의 이방성이 큰 전열 부재에서는, 냉각 유닛이나 열수송 유닛의 배치에 제약이 있기 때문에, 전자 기기의 추가적인 경박 단소화에 추종하는 것이 곤란해지고 있다. 그 때문에, 열전도율이 우수하고 또한 열전도율의 이방성이 작은 전열 부재의 개발이 강하게 기대되고 있다.

특허문헌 3 에서는, 특정한 칼슘 함유율, 질화 붕소의 흑연화 지수를 갖고, 평균 입경을 적절히 제어한 인편상 질화 붕소 입자를, 질화 붕소 결정의 배향도를 작게, 3 차원으로 결합시켜 질화 붕소 입자간의 접촉성을 높인 질화 붕소 소결체와, 수지를 포함하는 질화 붕소-수지 복합체를 사용하여 방열 부재를 제조함으로써, 열전도율의 이방성이 작은 방열 부재가 제안되어 있다. 이로써 열전도율의 이방성은 개선되고 있지만, 그러나, 배향도가 작아져 질화 붕소 입자의 면내 방향 (a 축 방향) 의 열전도율 400 W/(m·K) 가 발휘되지 않아 열전도율의 향상에 관해서는 충분하지는 않았다.

일본 특허공보 평5-82760호 일본 공개특허공보 2010-275149호 국제 공개 WO2015/022956호

상기 서술한 종래 기술에서는 달성할 수 없는, 방열성이 우수하고 또한 열전도율의 이방성이 작은 전열 부재가 요구되고 있다.

상기 서술한 종래 기술의 과제에 대해, 열전도율의 이방성이 작은 질화 붕소 소결체에 대해 수지를 복합화한 질화 붕소-수지 복합체인 절연재 (A) 를 표면층으로서 배치하고, 또한 열전도율의 이방성이 있고 열전도율이 높은 질화 붕소 소결체에 대해 수지를 복합화한 질화 붕소-수지 복합체인 절연재 (B) 를 그 중앙에 배치함으로써, 종래의 기술에서는 달성할 수 없었던, 방열성이 우수하고, 열전도율의 이방성이 작은 전열 부재를 제조하는 것이 가능한 것을, 본 발명자들이 알아내어 본 발명에 상도하였다.

본 발명은, 파워 디바이스 등의 발열성 전자 부품의 전열 용도에 바람직하게 사용되고, 특히 프린트 배선판의 절연층, 열 인터페이스재, 파워 모듈용 기판 및 자동차용 양면 방열 파워 모듈에 사용되는, 열전도율이 우수하고, 또한 열전도율의 이방성이 작고 신뢰성이 우수한 전열 부재를 제공한다. 즉 본 발명에 있어서는, 이하의 수단을 채용한다.

(1) 절연재 (A) 를 포함하는 제 1 표면층과,

절연재 (A) 를 포함하는 제 2 표면층과,

상기 제 1 표면층과 상기 제 2 표면층 사이에 배치되는, 절연재 (B) 를 포함하는 중간층을 포함하고,

상기 절연재 (A) 가, 육방정 질화 붕소 일차 입자의 배향도가 0.6 ∼ 1.4 인 제 1 질화 붕소 소결체와, 상기 제 1 질화 붕소 소결체에 함침하는 제 1 열경화성 수지 조성물을 포함하는 것이고,

상기 절연재 (B) 가, 육방정 질화 붕소 일차 입자의 배향도가 0.01 ∼ 0.05 인 제 2 질화 붕소 소결체와, 상기 제 2 질화 붕소 소결체에 함침하는 제 2 열경화성 수지 조성물을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전열 부재.

또한 여기서 배향도는, I.O.P. (The Index of Orientation Preference) 를 의미하고, I.O.P. 는 하기 식으로 산출된다.

I.O.P. = (I100/I002)par./(I100/I002)perp.

여기서, (I100/I002)par. 은, 질화 붕소 소결체의 두께 방향으로 평행한 방향을 따라 측정한 면의 강도비이고, (I100/I002)perp. 는, 질화 붕소 소결체의 두께 방향에 수직인 방향을 따라 측정한 면의 강도비이고, I100 은 (100) 면의 X 선 회절선의 강도를 나타내고, I002 는 (002) 면의 X 선 회절선의 강도를 나타낸다.

(2) 상기 절연재 (A) 및 상기 절연재 (B) 중 적어도 일방에 포함되는 질화 붕소 소결체의 양이, 절연재의 체적을 기준으로 하여 20 체적％ 이상 80 체적％ 이하의 범위인, (1) 에 기재된 전열 부재.

(3) 방열판에, 전열 부재를 개재하여 냉각기를 접하여 배치하는 전기 회로 장치의 방열 구조체에 있어서, 상기 전열 부재가, (1) 또는 (2) 에 기재된 전열 부재인, 전기 회로 장치의 방열 구조체.

본 발명에서는, 열전도율의 이방성이 작은 질화 붕소 소결체에 대해 수지를 복합화한 질화 붕소-수지 복합체인 절연재 (A) 를 표면층으로서 배치하고, 또한 열전도율의 이방성이 있고, 열전도율이 높은 질화 붕소 소결체에 대해 수지를 복합화한 질화 붕소-수지 복합체인 절연재 (B) 를 그 중앙에 배치함으로써, 종래의 기술에서는 달성할 수 없었던, 방열성이 우수하고, 열전도율의 이방성이 작은 전열 부재를 얻을 수 있는 것이다.

도 1 은 본 발명의 실시형태에 관련된 전열 부재의 구조의 일례를 나타내는 도면이다.
도 2 는 종래 기술에 관련된 전열 부재의 구조의 일례를 나타내는 도면이다.
도 3 은 종래 기술에 관련된 전열 부재의 구조의 일례를 나타내는 도면이다.

본 명세서에 기재하는 부나 ％ 는 특별히 규정하지 않는 한 질량 기준으로 나타낸다. 또 본 명세서에 있어서는, 수치 범위를 나타내는 「∼」(틸다) 기호는 특별한 언급이 없는 한은 하한의 값 이상 상한의 값 이하의 수치 범위인 것을 의미한다.

본 발명의 실시형태에 관련된 전열 부재는 적어도, 2 층의 절연재 (A) 와 그것에 끼인 절연재 (B) 를 포함하는 것이다. 여기서 절연재 (A) 란, 육방정 질화 붕소 일차 입자의 배향도 I.O.P. (The Index of Orientation Preference) 가 0.01 ∼ 0.05 인 것을 특징으로 하는 질화 붕소 소결체에, 열경화성 수지 조성물이 함침하여 이루어지는 것이다. 또 절연재 (B) 란, 육방정 질화 붕소 일차 입자의 배향도가 20 ∼ 100 인 질화 붕소 소결체에, 열경화성 수지 조성물이 함침하여 이루어지는 것이다. 절연재 (A) 및 절연재 (B) 는, 평판상인 것이 바람직하다. 이하에 각 사용 재료·용어에 대해 설명한다.

＜질화 붕소 소결체, 질화 붕소 수지 복합체, 절연재＞

본 명세서에서는, 질화 붕소 일차 입자끼리가 소결하여 3 차원적으로 연속되는 일체 구조를 이룬 것을 「질화 붕소 소결체」라고 정의한다. 또, 질화 붕소 소결체와 열경화성 수지 조성물로 이루어지는 복합체를 「질화 붕소 수지 복합체」라고 정의한다. 또, 질화 붕소 수지 복합체를 (바람직하게는 시트상으로) 가공 성형한 것을 「절연재」라고 정의한다.

＜방열판＞

방열판은 전극 및 방열체의 기능을 겸한 것이 바람직하고, 예를 들어 구리 합금 혹은 알루미늄 합금 등의 열전도성 및 전기 전도성이 좋은 금속으로 구성되어 있는 것이 바람직하다.

＜냉각기＞

냉각기는, 예를 들어 알루미늄 등으로 이루어지고, 내부를 냉각수가 흐르는 수랭식이나 핀을 갖는 공랭식 등의 것이어도 된다.

＜배향도의 정의 및 평가 방법＞

육방정 질화 붕소 일차 입자 (결정) 의 배향도 I.O.P. 는, 층상으로 형성된 질화 붕소 소결체의 두께 방향으로 평행한 방향을 따라 측정한, 질화 붕소 소결체의 면 (즉, 층의 face 에 상당하는 면) 의 X 선 회절의 (002) 회절선과 (100) 회절선의 강도비, 및 질화 붕소 소결체의 두께 방향에 수직인 방향을 따라 측정한, 질화 붕소 소결체의 면 (즉, 층의 측면) 의 X 선 회절의 (002) 회절선과 (100) 회절선의 강도비로부터, 하기 식으로 산출된다.

I.O.P. = (I100/I002)par./(I100/I002)perp.

여기서, (I100/I002)par. 은, 두께 방향으로 평행한 방향을 따라 측정한 면의 강도비이다. (I100/I002)perp. 는, 두께 방향에 수직인 방향에서 측정한 면의 강도비이다. 또 I100 은 (100) 면의 X 선 회절선의 강도를 나타내고, I002 는 (002) 면의 X 선 회절선의 강도를 나타낸다.

I.O.P. = 1 의 경우에는, 시료 중의 질화 붕소 결정의 방향이 랜덤인 것을 의미한다. I.O.P. 가 1 보다 작다는 것은, 질화 붕소 결정의 (100) 면, 즉 질화 붕소 결정의 a 축이, 두께 방향과 수직으로 배향되어 있는 것을 의미한다. I.O.P. 가 1 을 초과한다는 것은, 질화 붕소 결정의 (100) 면, 즉 질화 붕소 결정의 a 축이, 두께 방향과 평행하게 배향되어 있는 것을 의미한다. 일반적으로, 종래 기술에 의해 제조된 단층의 질화 붕소 소결체의 I.O.P. 는 0.5 이하 또는 2 이상인 것이 알려져 있다. I.O.P. 의 측정은, 예를 들어 「D8 ADVANCE Super Speed」(브루커·에이엑스에스사 제조) 를 사용하여 측정할 수 있다. 측정은, X 선원은 CuKα 선을 사용하고, 관 전압은 45 ㎸, 관 전류는 360 ㎃ 이다. 또, 질화 붕소 소결체에 열경화성 수지 조성물을 함침시킨 복합체의 I.O.P. 는, 당해 질화 붕소 소결체의 I.O.P. 와 실질적으로 동등하다. 이것은 열경화성 수지 조성물은 I.O.P. 계측에 영향을 주기 때문이다.

＜질화 붕소 소결체의 비율＞

질화 붕소 수지 복합체 중의 질화 붕소 소결체의 양은 20 ∼ 80 체적％ (즉 열경화성 수지 조성물의 양은 80 ∼ 20 체적％) 의 범위 내인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 열전도의 이방성을 작게 하고 또한 열전도율의 양립을 달성하기 위해서, 절연재 (B) 는 질화 붕소 소결체의 양이 30 ∼ 70 체적％ (즉 열경화성 수지 조성물은 70 ∼ 30 체적％), 절연재 (A) 는 절연재 (B) 와 방열판 또는 냉각기 사이에 열전도율의 이방성을 맞추기 위해 20 ∼ 30 체적％ (열경화성 수지 조성물은 80 ∼ 70 체적％) 가 좋다. 질화 붕소 소결체의 양이 20 체적％ 보다 작으면 열전도율이 낮은 열경화성 수지 조성물의 비율이 증가하기 때문에, 열전도율이 저하된다. 질화 붕소 소결체의 양이 80 체적％ 보다 크면, 금속판이나 금속 회로 등의 피착체를 절연재에 가열 가압에 의해 접착할 때에, 피착체 표면의 요철에 열경화성 수지 조성물이 침입하기 어려워지고, 인장 전단 접착 강도와 열전도율이 저하될 가능성이 있다. 질화 붕소 수지 복합체 중의 질화 붕소 소결체의 비율 (체적％) 은, 이하에 나타내는 질화 붕소 소결체의 부피 밀도와 기공률의 측정으로부터 구할 수 있다.

질화 붕소 소결체 부피 밀도 (D) = 질량/체적 ·····(1)

질화 붕소 소결체 기공률 = (1 - (D/질화 붕소의 진밀도)) × 100

= 열경화성 수지의 비율 ·····(2)

질화 붕소 소결체의 비율 = 100 - 열경화성 수지의 비율 ·····(3)

또, 통상적인 질화 붕소 소결체의 기공에는, 폐 (閉) 기공과 개 (開) 기공이 존재하지만, 본 발명의 질화 붕소 소결체는, 질화 붕소 입자의 평균 장경이나 어스펙트비 등을 제어함으로써, 폐기공을 1 ％ 이하로 억제할 수 있으므로 무시할 수 있다. 또한, 평균 기공경에 대해서는 특별히 제한은 없지만, 열경화성 수지의 함침성 등으로부터 0.1 ∼ 3.0 ㎛ 가 실제적이다.

＜질화 붕소 소결체와 열경화성 수지 조성물의 복합화＞

본 발명의 질화 붕소 소결체와 열경화성 수지 조성물은, 예를 들어 질화 붕소 소결체에 열경화성 수지 조성물을 함침시킴으로써, 복합화할 수 있다. 열경화성 수지 조성물의 함침은, 진공 함침, 1 ∼ 300 ㎫ 에서의 가압 함침, 또는 그들의 조합의 함침으로 실시할 수 있다. 진공 함침시의 압력은, 1000 Pa 이하가 바람직하고, 100 Pa 이하가 더욱 바람직하다. 가압 함침에서는, 압력 1 ㎫ 이하에서는 질화 붕소 소결체의 내부까지 열경화성 수지 조성물을 충분히 함침할 수 없을 가능성이 있고, 300 ㎫ 이상에서는 설비가 대규모가 되므로 비용적으로 불리하다. 질화 붕소 소결체의 내부에 열경화성 수지 조성물을 용이하게 함침시키기 위해, 진공 함침 및 가압 함침시에 100 ∼ 180 ℃ 로 가열하고, 열경화성 수지 조성물의 점도를 저하시키면 더욱 바람직하다.

＜열경화성 수지 조성물＞

열경화성 수지 조성물로는, 에폭시기, 시아네이트기를 갖는 물질의 단체 또는 양방과, 수산기, 말레이미드기를 갖는 물질의 단체 또는 양방의 조합인 것이 바람직하다. 에폭시기를 갖는 물질로는, 비스페놀 A 형 에폭시 수지, 비스페놀 F 형 에폭시 수지, 다관능 에폭시 수지 (크레졸노볼락에폭시 수지, 디시클로펜타디엔형 에폭시 수지 등), 고리형 지방족 에폭시 수지, 글리시딜에스테르형 에폭시 수지, 글리시딜아민형 에폭시 수지 등, 시아네이트기를 갖는 물질로는, 2,2-비스(4-시아나토페닐)프로판, 비스(4-시아나토-3,5-디메틸페닐)메탄, 2,2-비스(4-시아나토페닐)헥사플루오로프로판, 1,1-비스(4-시아나토페닐)에탄, 1,3-비스(2-(4-시아나토페닐)이소프로필)벤젠 등, 수산기를 갖는 물질로는, 페놀노볼락 수지, 4,4'-(디메틸메틸렌)비스[2-(2-프로페닐)페놀] 등, 말레이미드기를 갖는 물질로는, 4,4'-디페닐메탄비스말레이미드, m-페닐렌비스말레이미드, 비스페놀 A 디페닐에테르비스말레이미드, 3,3'-디메틸-5,5'-디에틸-4,4'-디페닐메탄비스말레이미드, 4-메틸-1,3-페닐렌비스말레이미드, 1,6'-비스말레이미드-(2,2,4-트리메틸)헥산, 4,4'-디페닐에테르비스말레이미드, 4,4'-디페닐술폰비스말레이미드, 1,3-비스(3-말레이미드페녹시)벤젠, 1,3-비스(4-말레이미드페녹시)벤젠, 비스-(3-에틸-5-메틸-4-말레이미드페닐)메탄, 2,2-비스[4-(4-말레이미드페녹시)페닐]프로판 등을 들 수 있다.

열경화성 수지 조성물에는 적절히, 질화 붕소 소결체와 열경화성 수지 조성물간의 밀착성을 향상시키기 위한 실란 커플링제, 젖음성이나 레벨링성의 향상 및 점도 저하를 촉진하여 함침·경화시의 결함의 발생을 저감시키기 위한 소포제, 표면 조정제, 습윤 분산제를 함유할 수 있다. 또, 수지가, 산화 알루미늄, 산화 규소, 산화 아연, 질화 규소, 질화 알루미늄, 질화 붕소, 수산화 알루미늄의 군에서 선택된 단체 또는 2 종 이상의 세라믹스 분말을 포함하면 더욱 바람직하다.

＜질화 붕소 소결체의 기공 내에 대한 표면 처리＞

질화 붕소 소결체의 기공 표면에는, 질화 붕소 소결체와 열경화성 수지 조성물간의 밀착성을 향상시키기 위한 표면 처리를 실시할 수 있다. 표면 처리 방법으로는, 열경화성 수지 조성물과의 복합화 전에, 실란 커플링제 용액을 질화 붕소 소결체의 기공 내에 함침시킨 후, 용제를 건조 등으로 제거함으로써 실시할 수 있다. 실란 커플링제 용액의 함침은, 진공 함침, 1 ∼ 300 ㎫ 에서의 가압 함침, 또는 그들의 조합의 함침으로 실시할 수 있다. 또, 용제는 물, 알코올, 톨루엔 등의 공지된 것을, 단체 또는 조합하여 사용할 수 있다. 실란 커플링제가 갖는 관능기에 대해서는, 열경화성 수지가 갖는 관능기와 반응성을 갖는 것을 적절히 선택할 수 있고, 예를 들어 에폭시기, 시아네이트기, 아미노기 등을 들 수 있다.

＜열경화성 수지 조성물의 반경화＞

질화 붕소 소결체와 복합화한 열경화성 수지 조성물을 반경화 상태로 함으로써도 질화 붕소 수지 복합체를 얻을 수 있다. 가열 방식으로는, 적외선 가열, 열풍 순환, 오일 가열 방식, 핫 플레이트 가열 방식 또는 그들의 조합으로 실시할 수 있다. 반경화는, 함침 종료 후에 함침 장치의 가열 기능을 이용하여 그대로 실시해도 되고, 함침 장치로부터 꺼낸 후에, 열풍 순환식 컨베이어 노 등의 공지된 장치를 사용하여 별도 실시해도 된다.

＜절연재의 두께＞

전열 부재를 구성하는 절연재의 총 두께, 즉 상기 서술한 바와 같이 2 층의 절연재 (A) 와 그것에 끼인 절연재 (B) 의 두께의 합계는, 당해 기술 분야에서 통상 사용되는 기판에서의 요구 특성으로부터 0.32 ㎜ 로 할 수도 있지만, 다른 요구 특성에 따라 바꿀 수도 있다. 예를 들어, 고전압에서의 절연성이 그다지 중요하지 않고 열저항이 중요한 경우에는, 총 두께 0.1 ∼ 0.25 ㎜ 의 얇은 전열 부재를 사용할 수 있고, 반대로 고전압에서의 절연성이나 부분 방전 특성이 중요한 경우에는, 0.35 ∼ 1.0 ㎜ 의 두꺼운 것을 사용해도 된다. 또, 절연재 (A) 와 절연재 (B) 는, 방열 특성을 저해하지 않도록, 개재층이 없이 직접 접착되어 있는 것이 바람직하다.

＜절연재에 대한 표면 처리＞

절연재의 표면에는, 절연재와 방열판 및 냉각기의 밀착성을 향상시키기 위한 표면 처리를 실시할 수 있다. 표면 처리 방법으로는, 방열판 및 냉각기와 절연재의 접착 전에, 실란 커플링제 용액을 질화 붕소 수지 복합체 표면에 도포한 후, 용제를 건조 등으로 제거함으로써 실시할 수 있다. 또, 용제는 물, 알코올, 톨루엔 등의 공지된 것을, 단체 또는 조합하여 사용할 수 있다. 실란 커플링제가 갖는 관능기에 대해서는, 열경화성 수지가 갖는 관능기와 반응성을 갖는 것을 적절히 선택할 수 있고, 예를 들어 에폭시기, 시아네이트기, 아미노기 등을 들 수 있다.

＜방열판 및 냉각기의 접착면＞

절연재와 방열판 및 냉각기의 성능을 향상시키기 위해서, 방열판 및 냉각기와 절연층의 접착면에, 탈지 처리, 샌드 블라스트, 에칭, 각종 도금 처리, 실란 커플링제 등의 프라이머 처리 등의 표면 처리를 실시하는 것이 바람직하다. 또, 방열판 및 냉각기의 질화 붕소 수지 복합체와의 접착면의 표면 조도는, 10 점 평균 조도 (Rzjis) 로 0.1 ㎛ ∼ 15 ㎛ 가 바람직하다. 표면 조도가 0.1 ㎛ 이하이면 절연재와 충분한 밀착성을 확보하는 것이 곤란하고, 또 15 ㎛ 이상이면 접착 계면에서 결함이 발생하기 쉬워지고, 내전압이 저하되거나, 밀착성이 저하될 가능성이 있다.

실시예

이하, 본 발명을 실시예, 비교예를 들어 더욱 구체적으로 설명하지만, 이들은 본 발명 및 그 이점을 보다 잘 이해하기 위해서 제공되는 것이며, 본 발명이 한정되는 것을 의도하는 것은 아니다.

전열 부재의 구조는, 전기 회로 장치의 외부에 노출되는 방열판 상에 순서대로, 절연재 (A), 절연재 (B), 절연재 (A), 냉각기를 적층하여 붙여 제조하였다. 그 후, 협압 부재를 사용하여, 방열판과 냉각기에 의해 반도체 장치가 끼워 넣어지도록 조여서 고정하였다. 이와 같이 하여, 본 실시형태의 전열 부재를 반도체 장치에 장착하였다.

＜실시예 1＞

＜절연재 (A) 의 제조＞

＜질화 붕소 소결체의 작성＞

아모르퍼스 질화 붕소 분말 (「SP」덴카사 제조) 17.50 질량％, 육방정 질화 붕소 분말 (「MGP」덴카사 제조) 7.5 질량％ 및 탄산칼슘 (「PC-700」시라이시 공업사 제조) 0.47 질량％ 를 헨셀 믹서를 사용하여 혼합한 후, 물 74.53 질량％ 를 첨가하여 볼 밀로 5 시간 분쇄하고, 물 슬러리를 얻었다. 또한, 얻어진 물 슬러리의 총 질량에 대해, 폴리비닐알코올 수지 (「고세놀」닛폰 합성 화학사 제조) 를 0.5 질량％ 가 되도록 첨가하고, 용해될 때까지 50 ℃ 에서 가열 교반한 후, 분무 건조기로 건조 온도 230 ℃ 에서 구상화 처리를 실시하였다. 또한, 분무 건조기의 구상화 장치로는, 회전식 아토마이저를 사용하였다. 얻어진 처리물을 질화 붕소제 용기에 충전하고, 배치식 고주파로에서 질소 유량 5 ℓ/min, 2000 ℃ 에서 상압 소결시킨 후, 질화 붕소 용기로부터 소결체를 꺼내어 질화 붕소 소결체를 얻었다. 그 후, 냉간 등방압 가압법 (이하 CIP 라고 기재한다.) 을 사용하여 질화 붕소 소결체를 50 ㎫ 에서 가압하고, 고밀도화를 실시하였다.

＜열경화성 수지의 함침＞

얻어진 질화 붕소 소결체에 수지 함침을 실시하였다. 질화 붕소 소결체와, 비스페놀 F 형 에폭시 수지 (「JER807」미츠비시 화학사 제조) 12.10 질량％, 노볼락형 시아네이트 수지 (「PT-30」론자사 제조, 니혼 합성 화공사 판매) 72.00 질량％, 페놀노볼락 수지 「TD-2131」(DIC 사 제조) 7.9 질량％, 4,4'-디페닐메탄비스말레이미드 수지 「BMI」(케이·아이 화성사 제조) 8.0 질량％ 의 혼합물을 압력 70 Pa 의 진공 중에서 20 분간 탈기하였다. 그 후에 진공하에서 당해 혼합물을 질화 붕소 소결체가 잠기는 정도의 양 부어 넣고, 30 분간 함침하였다. 그 후, 질소 가스를 사용하여 압력 3 ㎫, 온도 120 ℃ 에서 30 분간 가압하여 수지를 함침·경화시키고, 질화 붕소 수지 복합체를 얻었다. 그 후, 대기압하, 160 ℃ 에서 12 시간 가열하고, 수지 혼합물을 반경화 상태로 하였다. 그 후, 멀티 와이어 소 (「MWS-32N」타카토리사 제조) 를 사용하여, 160 ㎛ 의 두께의 시트상으로 가공하고, 절연재 (A) 를 얻었다.

＜절연재 (B) 의 제조＞

＜질화 붕소 소결체의 작성＞

산소 함유량 1.5 ％, 질화 붕소 순도 97.6 ％, 및 아모르퍼스 질화 붕소 분말 34.0 질량％, 산소 함유량 0.3 ％, 질화 붕소 순도 99.0 ％ 인 육방정 질화 붕소 분말 64.2 질량％ 및 탄산칼슘 (「PC-700」시라이시 공업사 제조) 1.8 질량％ 를, 공지된 기술을 사용하여 혼합 분말을 제조하였다. 그리고, 이 성형용의 혼합 분말을 사용하여, 5 ㎫ 에서 블록상으로 프레스 성형하였다. 얻어진 블록 성형체를 배치식 고주파로에서 질소 유량 10 ℓ/min 으로 소결시킴으로써 질화 붕소 소결체를 얻었다. 얻어진 질화 붕소 소결체를 CIP 에 의해 50 ㎫ 에서 처리를 실시하였다.

＜열경화성 수지의 함침＞

얻어진 질화 붕소 소결체에 수지 함침을 실시하였다. 질화 붕소 소결체 비스페놀 F 형 에폭시 수지 (「JER807」미츠비시 화학사 제조) 12.10 질량％, 노볼락형 시아네이트 수지 (「PT-30」론자사 제조, 니혼 합성 화공사 판매) 72.00 질량％, 페놀노볼락 수지 「TD-2131」(DIC 사 제조) 7.9 질량％, 4,4'-디페닐메탄비스말레이미드 수지 「BMI」(케이·아이 화성사 제조) 8.0 질량％ 를 갖는 수지 혼합물을 압력 70 Pa 의 진공 중에서 20 분간 탈기한 후, 진공하에서 당해 수지 혼합물을 질화 붕소 소결체가 잠기는 정도의 양 부어 넣고, 30 분간 함침하였다. 그 후, 질소 가스를 사용하여 압력 3 ㎫, 온도 120 ℃ 에서 30 분간 가압하여 수지를 함침·경화시키고, 질화 붕소-수지 복합체를 얻었다. 그 후, 대기압하, 160 ℃ 에서, 12 시간 동안 가열하고, 수지 혼합물을 반경화시키고, 질화 붕소 수지 복합체로 하였다. 그 후, 멀티 와이어 소 (「MWS-32N」타카토리사 제조) 를 사용하여, 160 ㎛ 의 두께의 시트상으로 가공하고, 절연재 (B) 를 얻었다.

＜적층체의 제조＞

방열판 상에, 절연재 (A), 절연재 (B), 절연재 (A), 냉각기의 순서로 적층하고, 압력 5 ㎫, 가열 온도 200 ℃, 가열 시간 5 시간의 조건에서, 진공 가열 프레스기 (「MHPC-VF-350-350-1-45」메이키 제작소사 제조) 를 사용하여 프레스 접착하고 적층체를 얻었다. 또한 각 부재 사이는 절연재로부터 용융되는 수지로 접착하였다.

＜실시예 2＞

실시예 1 과 상이한 점은 절연재 (A) 의 제조에 있어서 질화 붕소 소결체 제조시의 소성 온도를 2100 ℃ 로 한 점이었다.

＜실시예 3＞

실시예 1 과 상이한 점은 절연재 (A) 의 제조에 있어서 질화 붕소 소결체 제조시의 소성 온도를 1800 ℃ 로 한 점이었다.

＜실시예 4＞

실시예 1 과 상이한 점은 절연재 (B) 의 제조에 있어서 질화 붕소 소결체 제조시의 CIP 를 10 ㎫ 로 한 점이었다.

＜실시예 5＞

실시예 1 과 상이한 점은 절연재 (B) 의 제조에 있어서 질화 붕소 소결체 제조시의 CIP 를 100 ㎫ 로 한 점이었다.

＜실시예 6＞

실시예 1 과 상이한 점은 절연재 (A) 의 제조에 있어서 질화 붕소 소결체 제조시의 CIP 에 의한 처리를 미실시로 한 점이었다.

＜비교예 1＞

실시예 1 과 상이한 점은 절연재 (A) 를 사용하지 않고, 절연재 (B) 만을 적층한 점이었다.

＜비교예 2＞

실시예 1 과 상이한 점은 절연재 (B) 를 사용하지 않고, 절연재 (A) 만을 적층한 점이었다.

＜비교예 3＞

실시예 1 과 상이한 점은 절연재 (A) 와 절연재 (B) 의 적층 구성을 반대로 한 것, 즉 방열판 상에 절연재 (B), 절연재 (A), 절연재 (B), 냉각기의 순서로 적층한 점이었다.

＜비교예 4＞

실시예 1 과 상이한 점은 절연재 (A) 의 제조에 있어서 질화 붕소 소결체 제조시의 소성 온도를 2300 ℃ 로 했기 때문에, 절연재 (A) 의 I.O.P. 가 0.6 을 하회한 점이었다.

＜비교예 5＞

실시예 1 과 상이한 점은, 절연재 (A) 의 제조에 있어서 원료 배합을 아모르퍼스 질화 붕소 분말 (「SP」덴카사 제조) 3.30 질량％, 육방정 질화 붕소 분말 (「MGP」덴카사 제조) 29.7 질량％ 및 탄산칼슘 (「PC-700」시라이시 공업사 제조) 을 0.62 질량％, 헨셀 믹서를 사용하여 혼합한 후, 물 66.38 질량％ 를 첨가하여 볼 밀로 5 시간 분쇄했기 때문에, 절연재 (A) 의 I.O.P. 가 1.4 를 상회한 점이었다.

＜비교예 6＞

실시예 1 과 상이한 점은 절연재 (B) 의 제조에 있어서 질화 붕소 소결체 제조시의 CIP 처리를 150 ㎫ 에서 실시했기 때문에, 절연재 (B) 의 I.O.P. 가 0.05 를 상회한 점이었다.

＜열저항률＞

본 명세서에 있어서의 열저항률은, 단순한 절연재 단체의 열저항률이 아니고, 절연재와 방열판, 냉각기와의 계면 열저항도 포함한 열저항률이다. 측정 시료는 절연재의 양면에 방열판과 냉각기를 접착한 적층체를 사용하고, 과도 열저항을 측정하였다. 구체적으로는, 히터용 칩에 일정한 발열량을 제공한 가열시에 있어서의, 칩 온도 실측값이 거의 일정한 값에 수속될 때까지의 시간 변화 (시각력 (時刻歷)) 를 측정하였다. 본 실시형태에서는, 칩 온도 실측값 (Ta) 의 시간 변화를 측정하는 장치로서, Mentor Graphics Corporation 제조의 「T3Ster」를 채용하였다.

＜절연 파괴 강도의 평가＞

적층체의 일방의 면에 에칭 레지스트를 직경 20 ㎜ 의 원형의 회로 패턴 형상으로 스크린 인쇄하고, 또 타방의 면에 에칭 레지스트를 베타 패턴 형상으로 스크린 인쇄하였다. 에칭 레지스트를 자외선 경화한 후에, 금속판을 염화 제 2 구리액으로 에칭하고, 적층체의 일방의 면에 직경 20 ㎜ 의 원형의 구리 회로를 형성하였다. 이어서, 레지스트를 알칼리 용액으로 박리한 후, 무전해 Ni-P 도금을 2 ㎛ 의 두께로 실시하여 평가용의 회로 기판을 제조하였다. 회로 기판을 절연유 중에 침지하고, 실온에서 교류 전압을 구리 회로와 구리판 사이에 인가시키고, 절연 파괴 강도를 JIS C 2110-2 : 2016 에 준거하여 측정하였다. 측정기에는, 기쿠스이 전자 공업사 제조의 「TOS-8700」을 사용하였다.

＜내열 사이클 특성의 평가＞

에칭 후의 질화 붕소 수지 복합체 회로 기판의 절연 파괴 전압을 JIS C 2141 : 1992 에 준거하여 측정하였다. 다음으로, 질화 붕소 수지 복합체 회로 기판을, -40 ℃ 에서 30 분, 125 ℃ 에서 30 분을 1 사이클로 하는 내열 사이클 시험에서 1000 사이클 반복 시험을 실시한 후, 외관 및 초음파 탐상 장치에서 금속 회로의 접착 상태를 확인하였다. 접착 상태는 초음파 탐상 장치에서 내열 사이클 시험 전후에서의 접합 면적으로부터 비교하였다. 초음파 탐상 이미지에 있어서 박리는 접합부 내의 흑색부에서 나타나므로, 이 흑색부 면적이 내열 사이클 시험 전후에서 커지는 경우를 박리라고 정의하였다. 또한, 절연 파괴 전압을 측정하고, 이하의 식으로 나타내는 열사이클 1000 회 후의 절연 파괴 전압의 저하율을 산출하였다. 저하율이 20 ％ 이하인 것을 합격으로 하였다.

열사이클 1000 회 후의 절연 파괴 전압의 저하율 (％) = ((초기의 절연 파괴 전압 - 내열 사이클 1000 회 후의 절연 파괴 전압) ÷ 초기의 절연 파괴 전압) × 100

이상의 구성과 결과를 하기 표에 정리하여 나타낸다.

산업상 이용가능성

본 발명의 전열 부재는, 일반 산업용이나 차재용 파워 모듈의 용도에 유효하다.

1 : 방열판
2 : 질화 붕소 소결체 (I.O.P. = 0.6 ∼ 1.4) 에 수지를 함침하여 이루어지는 절연재 (A)
3 : 질화 붕소 소결체 (I.O.P. = 0.01 ∼ 0.05) 에 수지를 함침하여 이루어지는 절연재 (B)
4 : 냉각기

Claims

절연재 (A) 를 포함하는 제 1 표면층과,
절연재 (A) 를 포함하는 제 2 표면층과,
상기 제 1 표면층과 상기 제 2 표면층 사이에 배치되는, 절연재 (B) 를 포함하는 중간층을 포함하고,
상기 절연재 (A) 가, 육방정 질화 붕소 일차 입자의 배향도가 0.6 ∼ 1.4 인 제 1 질화 붕소 소결체와, 상기 제 1 질화 붕소 소결체에 함침하는 제 1 열경화성 수지 조성물을 포함하는 것이고,
상기 절연재 (B) 가, 육방정 질화 붕소 일차 입자의 배향도가 0.01 ∼ 0.05 인 제 2 질화 붕소 소결체와, 상기 제 2 질화 붕소 소결체에 함침하는 제 2 열경화성 수지 조성물을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전열 부재.
또한 여기서 배향도는, I.O.P. (The Index of Orientation Preference) 를 의미하고, I.O.P. 는 하기 식으로 산출된다.
I.O.P. = (I100/I002)par./(I100/I002)perp.
여기서, (I100/I002)par. 은, 질화 붕소 소결체의 두께 방향으로 평행한 방향을 따라 측정한 면의 강도비이고, (I100/I002)perp. 는, 질화 붕소 소결체의 두께 방향에 수직인 방향을 따라 측정한 면의 강도비이고, I100 은 (100) 면의 X 선 회절선의 강도를 나타내고, I002 는 (002) 면의 X 선 회절선의 강도를 나타낸다.
제 1 항에 있어서,
상기 절연재 (A) 및 상기 절연재 (B) 중 적어도 일방에 포함되는 질화 붕소 소결체의 양이, 절연재의 체적을 기준으로 하여 20 체적％ 이상 80 체적％ 이하의 범위인, 전열 부재.
방열판에, 전열 부재를 개재하여 냉각기를 접하여 배치하는 전기 회로 장치의 방열 구조체에 있어서, 상기 전열 부재가, 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 전열 부재인, 전기 회로 장치의 방열 구조체.