WO2019230252A1 - 高熱伝導性絶縁複合部材及び半導体モジュール - Google Patents

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WO2019230252A1
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insulating
resin
main layer
thermal conductivity
layer
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福井　彰
としゑ 福井
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株式会社半導体熱研究所
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    • B32B27/00—Layered products comprising a layer of synthetic resin
    • B32B27/18—Layered products comprising a layer of synthetic resin characterised by the use of special additives
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    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating

Definitions

  • the present invention is provided on the front surface and / or the back surface of the main layer in order to protect the main layer made of an insulating material, and to protect the main layer and to improve the bondability between the heat dissipation substrate electrode and the cooler.
  • the present invention also relates to a high thermal conductivity insulating composite member having a high thermal conductivity and insulation, comprising a protective bonding layer made of a high thermal conductivity composite material.
  • the present invention also relates to a semiconductor module provided with the high thermal conductive insulating composite member.
  • the first generation IGBT module initially used DBC (Direct Bonded Cupper, which is a ceramic substrate joined with Cu as a circuit layer) as an insulated circuit board.
  • DBA Direct Bond Aluminum, which is a ceramic substrate joined with Al with excellent conductivity as a circuit layer
  • the second generation IGBT module with a heat resistance reduced by 30% compared to the first generation IGBT module by adopting a structure in which the heat sink and thermal grease are omitted and the DBA and cooler are joined with Al punching metal It was put into practical use.
  • the third-generation IGBT module has a double-sided cooling structure in which Cu heat sink substrate electrodes are soldered to both sides of the Si semiconductor device, and the semiconductor device is insulated by the Si 4 N 3 ceramic (hereinafter referred to as SiN) thin plate. And joined to the cooler by insulating grease made of hard resin.
  • SiN Si 4 N 3 ceramic
  • a metal layer for soldering and joining other members to the upper and lower surfaces is provided.
  • the metal layer is liable to be peeled off or the ceramic substrate is easily cracked, which causes a problem in reliability. It is also expensive. Further development is underway to solve these points, but the same problem still exists.
  • thermal grease and heat dissipation board DBA, lead frame, etc.
  • DBA thermal grease and heat dissipation board
  • lead frame etc.
  • the thermal resistance is as high as 65% of the whole heat path.
  • One heat path of the double-sided cooling structure has a simplified structure including a semiconductor device (heating side), solder, heat radiation board electrode, insulating member layer, and cooler (cooling side).
  • the thermal resistance of the insulating layer is high. Obviously, this is an obstacle to improving the cooling performance.
  • thermal contact resistance between members constituting the IGBT module is not taken into consideration. For this reason, the thermal resistance value calculated from the thermal conductivity of the material constituting each member and the size of each member does not match the actual temperature distribution.
  • DBA heat dissipation board, thermal grease, and lead wires are omitted, and a double-sided cooling structure achieves a significant improvement in cooling performance and reliability.
  • the heat path is composed of a heating element (semiconductor device), an insulating part (solder, heat dissipation board electrode, insulation-related layer), and a cooling body (cooler), but the thermal resistance of the insulating part is still the heat path. It accounts for the majority of the overall thermal resistance.
  • the insulating member needs to have the same size and a certain thickness as the heat dissipation substrate electrodes to be joined.
  • the thickness is preferably in the range of 0.2 to 3.0 mm. If it is thinner than this, insulation may not be ensured, and the function of correcting the dimensional variation of each member is insufficient. On the other hand, if it is thicker than this, internal fracture tends to occur in a heat cycle test under pressure.
  • the present invention has been made to solve these problems.
  • the fourth-generation IGBT module for in-vehicle use is being developed such as downsizing to about 1/4 size or built in a motor. ing.
  • the maximum temperature during operation of the semiconductor device is expected to reach 300 ° C in order to maximize the performance of the SiC semiconductor device.
  • IGBT modules can be developed by reducing the thermal resistance of insulating materials (improving thermal conductivity) while gradually increasing the maximum operating temperature of semiconductor devices to 200 ° C, 250 ° C, and 300 ° C. It is desired.
  • each heat path may release half the amount of heat that needs to be released. Further, in the third generation IGBT module, since the semiconductor device is bonded to the insulating member via the heat dissipation substrate electrode, the temperature rise of the insulating member is suppressed as compared with the case where both are directly bonded. Therefore, it is possible to use a resin material for a part of the insulating member.
  • the temperature burden on the insulating member can be further suppressed.
  • Patent Documents 1 and 2 describe a sheet-like insulating member in which a highly heat-conductive insulating material such as ceramic such as SiN or diamond is dispersed inside a base material made of an insulating resin material such as silicone resin.
  • a highly heat-conductive insulating material such as ceramic such as SiN or diamond
  • a base material made of an insulating resin material such as silicone resin.
  • the material dispersed and arranged inside the base material is also referred to as “filler”.
  • Patent Document 3 a columnar body of a highly heat-conductive insulating material such as SiN or diamond is penetrated in the thickness direction of a flexible insulating sheet made of a thermoplastic resin or a thermosetting resin, and an end portion of the insulating sheet is passed through.
  • a sheet-like insulating member exposed from the sheet surface is described.
  • the material arranged so as to penetrate the base material vertical arrangement
  • This insulating member is described as having a high thermal conductivity (a thermal conductivity of 25 W / m ⁇ K or more as a material) and an electrical insulation property (an electrical insulation resistivity of 10 12 ⁇ ⁇ cm or more).
  • solder bumps are provided on the surface and bonded to a metal member or the like of a cooler via the solder bumps.
  • Patent Document 4 has a main layer in which a pole of diamond particles is arranged in a heat-resistant insulating resin or glass, and a high thermal conductor layer made of metal disposed on the front and back surfaces of the main layer.
  • An insulating member having a structure in which the arranged diamond particles are protruded from the front and back surfaces of the main layer to be bitten into the high thermal conductor layer is described.
  • an insulating member (mainly in the form of a sheet) in which the thermal conductivity is increased by dispersing ceramic and diamond fillers with high thermal conductivity inside a base material made of an insulating resin material.
  • a base material made of an insulating resin material.
  • Many have been proposed in the past.
  • the effect of increasing the thermal conductivity by the filler is not so great.
  • the flexibility of the sheet material is lost and becomes brittle, and the bonding property with a member to be bonded (such as a heat dissipation substrate electrode or a cooler) is also deteriorated.
  • Heat cycle that assumes a state where an insulating member is mounted on a semiconductor module, although it is possible to prevent brittleness by using a flexible grease-like resin material or to improve the bondability with a member to be joined. If the temperature change is repeated under pressure in the test, a pump-out phenomenon in which the resin material flows out may occur.
  • the insulating member having the above-described configuration there has been proposed a material in which the combination of elements such as the type of insulating resin material, the type, shape, and arrangement form of a high thermal conductive insulating material (filler or pole) is appropriately changed.
  • a silicone resin, an epoxy resin, a polyimide resin, or the like is used as the insulating resin material. Ceramics such as Al 2 O 3 , AlN, SiN, BN, or h-BN (hexagonal boron nitride), diamond, and the like are used as the high thermal conductive insulating material.
  • the dispersed arrangement structure is obtained by uniformly dispersing the filler in the resin material.
  • the vertical arrangement structure there is a structure in which poles are arranged so as to penetrate the resin material in the thickness direction and be exposed from the surface.
  • a substrate made of a highly thermally conductive insulating material that is, a substrate that does not use a base material
  • Some insulating members with fillers dispersed inside the insulating resin material are in the form of sheets that have been put to practical use, but their thermal conductivity is 2 W / m ⁇ K or less, which is used for household appliances and industrial applications.
  • the small low-performance IGBT module remains in use.
  • solder bumps are provided on the surface and partially bonded to a metal member of a cooler, but ceramic and diamond (linear expansion coefficient 2.5 to 6.5 ppm / K) and metal (linear expansion coefficient 17 to 23ppm / K), the difference in coefficient of linear expansion is large, and when a heat cycle test under pressure assuming the state of being incorporated in a semiconductor module is performed, solder cracks or breaks occur, or at the interface between the pole and the resin material. Distortion occurs and both peel. Furthermore, if a dielectric strength test is performed after the heat cycle test, dielectric breakdown may occur.
  • a plurality of diamond particle poles are arranged in a bonding layer made of a heat-resistant insulating resin or glass to form an insulator layer protruding from the surface, and these diamond particles are hardened.
  • a high thermal conductor layer made of metal (Al, Cu, Ag, etc.) is used, but the difference in coefficient of linear expansion between metal and diamond is large. There is a worry to do.
  • the diamond may break and cause defects.
  • the thermal conductivity of glass is as low as about 1 W / m ⁇ K, an insulating member using glass for the bonding layer cannot provide a sufficient heat dissipation effect.
  • Resin is clearly more flexible than metal and ceramic, and has high insulation and bondability.
  • the thermal conductivity is about 0.25 W / m ⁇ K, which is as low as hard wood. Therefore, even if the type, form (sheet shape or grease shape), or hardness of the resin material is changed, the thermal conductivity is not greatly improved.
  • Hard resin material has low flexibility, fluidity, adhesion, and bondability, and easily peels off from the metal parts of the cooler to be joined, but maintains the shape after processing and prevents the pump-out phenomenon It is useful to do. Therefore, a hard resin material is used to prevent the pump-out phenomenon even with some grease materials.
  • Ceramics and diamond constituting fillers and poles have high thermal conductivity, high insulation, and high heat resistance, but are brittle and hard materials. The bondability is low.
  • In order to improve the thermal conductivity of an insulating resin composite material obtained by introducing a high thermal conductive insulating material into the insulating resin it is more expensive to arrange the poles vertically than to disperse the filler in the resin material. An effect is obtained.
  • an insulating member is manufactured by a combination of a resin material and a filler, it is difficult to obtain an effect of improving thermal conductivity unless the filler ratio is increased very much in a dispersed arrangement.
  • heat cycle tests As mentioned above, increasing the proportion of highly thermally conductive insulating material (diamond or ceramic) makes it brittle, and heat cycle tests and dielectric strength tests under pressure (hereinafter collectively referred to as "heat cycle tests") Degradation occurs during evaluation according to the description, and there is a problem that characteristics are greatly reduced.
  • heat cycle tests in the vertical arrangement in which a pole is passed through a layer made of a resin material and exposed on the surface, the effect of improving the thermal conductivity can be obtained even by using a small amount of a high thermal conductive insulating material.
  • the present invention has been made in view of the above-mentioned background, and the object of the present invention is to provide sufficient insulation to withstand a dielectric strength test even after a heat cycle test assuming mounting on a semiconductor module. And providing a high thermal conductivity insulating composite member having high thermal conductivity and high thermal conductivity.
  • heat cycle test under pressure assuming that it is mounted on a semiconductor module even if an insulating member combining these materials is developed, taking into consideration only the material properties of the resin material and the high thermal conductivity material. Etc., it does not conform to the actual usage of the insulating member, and the required characteristics cannot be obtained. Achieving the development goal of obtaining an insulating member that can ensure the required thermal conductivity and insulation during mounting, because the conventional method cannot reduce the thermal resistance of the heat path from the semiconductor device, which is a heating element, to the cooler Proved difficult.
  • the inventor's development goal is to provide inexpensive, insulating and high thermal conductivity (thermal), where the front and back surfaces are joined to the heat-dissipating substrate electrode (heat generation side) and cooler (cooling side) members, respectively. It is to develop a high thermal conductive insulating composite member having a contact resistance).
  • the main layer is protected on both the upper and lower surfaces of the main layer having high thermal conductivity and insulation to prevent deterioration, and heat dissipation substrate electrodes and
  • the dispersion arrangement structure is a structure in which fillers are uniformly dispersed inside a base material made of an insulating resin material.
  • the vertical arrangement structure is a structure in which a highly thermally conductive insulating material is penetrated in the thickness direction and exposed on the surface.
  • the vertical arrangement structure includes a substrate made of only a high thermal conductivity insulating material.
  • an insulating member having a high thermal conductivity can be obtained with the small amount of the high thermal conductive insulating material in the vertical arrangement structure as compared with the distributed arrangement structure.
  • the insulating resin material used as a base material it is preferable to use a material having flexibility and capable of absorbing variations in dimensions of other members.
  • a pole made of a highly heat-conductive insulating material was arranged so as to penetrate the base material made of an insulating resin material in the thickness direction and exposed on the upper and lower surfaces (vertical arrangement).
  • These poles may be one pole body arranged in the thickness direction, or arranged so that one pole formed by networking multiple particles in contact with each other penetrates in the thickness direction It may be what was done.
  • the exposure here refers to a state where the pole can be confirmed from the surface of the main layer. That is, in addition to the state in which the pole protrudes from the surface of the main layer and the state in which the pole is flush with the surface, the state in which the end of the pole is in a position depressed from the surface is included.
  • the diamond having the highest thermal conductivity among various materials was selected as the high thermal conductive insulating material constituting the pole.
  • Diamond is an insulating material and has a high thermal conductivity of 2000 W / m ⁇ K. Up until now, it has been shunned because it is considered to be expensive from the image of jewelry, but the price of normal-sized industrial diamond particles is comparable to that of AlN used as a filler, and more than h-BN. Inexpensive. Already, industrial diamond particles have a track record of being used as heat dissipation substrates in laser devices or devices for optical and microwave communications, making them suitable as high-thermal-conductivity insulating materials for the heat path of semiconductor modules. The characteristics are also excellent.
  • insulating resin material used as the base material of the main layer silicone resin and epoxy resin were selected with reference to previous reports.
  • the type and form of the resin material do not significantly affect the improvement of the thermal conductivity, but the hardness greatly affects the deterioration in the heat cycle test under pressure and the presence or absence of the pump-out phenomenon.
  • the hard resin material is more resistant to the pump-out phenomenon but is less susceptible to deterioration, so the following confirmation was performed.
  • a durometer made by Teclock Co., Ltd. (measuring machine and measurement based on JIS K 6253, JIS K 7215), which is often used to measure the hardness of rubber and plastics Hardness values of 0 to 100 (see Non-Patent Document 1) were used. Those having a hardness value of 70 or more are classified as hard resin materials, and those having a hardness value of 30 or less are classified as soft resin materials.
  • a material that does not correspond to either a hard resin material or a soft resin material is a general resin material having a medium hardness.
  • the main layer is protected from deterioration in the heat cycle test under pressure, the occurrence of pump-out phenomenon is prevented, and the material to be bonded is bonded.
  • the role of improving the bondability is required.
  • the protective bonding layer was optimized by trying several resin composite materials in which insulating or conductive fillers having high thermal conductivity were dispersed in the resin material.
  • resin materials sheet-like and grease-like, and there are hard (hardness 70 or higher) and soft (hardness 30 or lower). Further, there are an insulating resin material and a conductive resin material.
  • the conductive resin composite material As the conductive resin composite material, a sheet-like material and a grease-like material were used. When using a soft resin material in which the pump-out phenomenon occurs, a frame member for preventing the pump-out phenomenon of the resin material or the resin composite material constituting the protective bonding layer was used. On the other hand, since it is common not to use such a frame member with hard insulating grease, the frame member was not used in accordance with the actual situation.
  • this experiment was carried out from among ceramic AlN, BN, aluminum oxide, diamond, and conductive materials such as Ag, Cu, and Al carbon.
  • the one suitable for was chosen.
  • silicone resin and epoxy resin were selected with reference to previous reports.
  • the effect on the thermal conductivity by the type and form is small, but it greatly affects the deterioration in the heat cycle test under pressure and the presence or absence of the pump-out phenomenon.
  • Hard (hard) resin is used to prevent the pump-out phenomenon, and there are sheet-like and grease-like forms.
  • Table 1 shows characteristics of various materials constituting the main layer and the protective bonding layer.
  • the thermal conductivity of the insulating member can be efficiently improved with a small amount by arranging the poles vertically rather than dispersing the fillers.
  • Prototype 1 uses a grease-like material (thermal conductivity 5 W / m ⁇ K) in which 50 vol% of Ag filler is dispersed in a soft silicone resin as the high thermal conductive resin composite material constituting the protective bonding layer. . Further, a frame member for preventing the grease-like soft silicone resin from flowing out due to the pump-out phenomenon was used. In prototype 1, neither peeling nor dielectric breakdown occurred in either the heat cycle test or the withstand voltage test, and the thermal conductivity measured for the test piece cut out after these tests was as good as 18 W / m ⁇ K.
  • Prototype 2 uses a grease-like material (thermal conductivity 5 W / m ⁇ K) in which 50 vol% of Ag filler is dispersed in a hard silicone resin as the high thermal conductive resin composite material that forms the protective bonding layer. .
  • thermal conductivity was slightly lower than that of prototype 1.
  • Prototype 3 a sheet-like material (thermal conductivity 5 W / m ⁇ K) in which 50 vol% of Ag filler is dispersed in a hard epoxy resin is used as the high thermal conductive resin composite material that forms the protective bonding layer. .
  • the thermal conductivity measured for the test piece cut out after these tests was 11 W / m ⁇ K.
  • the pump-out phenomenon did not occur.
  • Prototype 3 used a sheet-shaped resin composite material with good flatness and flatness processing accuracy, but the sheet material has poor fluidity and therefore has poor bondability with the member to be joined, and heat is higher than that of prototype 1. It is thought that the conductivity was lowered.
  • Prototype 4 a grease-like material (thermal conductivity 5W / m ⁇ K) in which 60vol% of AlN filler is dispersed in a soft silicone resin was used as the high thermal conductive resin composite material constituting the protective bonding layer. .
  • a frame member was used to prevent a pump-out phenomenon in which the grease-like soft silicone resin flows out.
  • the frame member provided to prevent the pump-out phenomenon in which the grease-like silicone resin flows out helps to repair internal deterioration.
  • the AlN filler content was as high as 60 vol%, neither peeling nor dielectric breakdown occurred in either the heat cycle test or the dielectric strength test.
  • the thermal conductivity measured about the test piece cut out after these tests was 14 W / m * K.
  • Prototype 5 a sheet-like material (thermal conductivity 5 W / m ⁇ K) in which 60 vol% of AlN filler is dispersed in a hard epoxy resin was used as the high thermal conductive resin composite material constituting the protective bonding layer. .
  • peeling occurred at the interface between the metal member, which is an object to be bonded, and the protective bonding layer when the heat cycle test was performed, so the dielectric strength test and the measurement of thermal conductivity were not performed.
  • peeling occurred because a large volume of 60% AlN filler was dispersed in epoxy resin, and when this was processed into a sheet, the filler was broken or the network was broken. This is considered to be because a defect occurred in the protective bonding layer, which caused deterioration during evaluation. This suggests that a combination of a sheet-like hard resin material and 60 vol% or more AlN filler is not suitable for practical use.
  • Prototype 6 was prepared for comparison, and the protective bonding layer was composed only of soft and grease-like silicone resin (thermal conductivity 0.25 W / m ⁇ K).
  • a frame member was used to prevent the grease-like silicone resin from flowing out.
  • the measured thermal conductivity of the specimen cut out after these tests was as low as 1.4 W / m ⁇ K, making it suitable for practical use. Absent.
  • thermo conductivity 5W / m ⁇ K thermal conductivity 5W / m ⁇ K
  • Prototype 8 was also prepared for comparison, and is an insulating member with a structure of hard grease / SiN substrate / hard grease. In Prototype 8, neither peeling nor dielectric breakdown occurred in either the heat cycle test or the withstand voltage test. However, the measured thermal conductivity of the specimen cut out after these tests was 1.8 W / m ⁇ K.
  • the verification results of the high thermal conductive insulating resin composite member based on the new idea can be summarized as follows.
  • a protective bonding layer made of a soft high thermal conductivity resin material is provided on the upper and lower surfaces of the main layer constituting the insulating portion, while protecting the main layer from deterioration and improving the bondability with the object to be bonded. It is effective.
  • the high thermal conductive resin composite material constituting the protective bonding layer both a grease-like material and a sheet-like material are effective as conductive materials.
  • a grease-like material can be used if a frame member for preventing the pump-out phenomenon is used in combination.
  • the high thermal conductive insulating composite member according to the present invention is a) a layer including an insulating resin material and one or more diamond pieces or an insulating piece which is a ceramic piece, and the one or more insulating pieces contacting each other in the thickness direction
  • a main layer arranged so as to penetrate through and exposed from the surface of the layer, or a main layer made of a diamond substrate or a ceramic substrate
  • a protective bonding layer made of a resin composite material having a thermal conductivity of 5 W / m ⁇ K or more, in which a filler having a higher thermal conductivity than that of the base material is dispersed.
  • a single insulating piece may be arranged so as to penetrate the main layer, and a plurality of networked insulating pieces arranged in contact with each other may be arranged so as to penetrate the main layer. May be. That is, it is sufficient if one or a plurality of insulator pieces are vertically arranged as described above (vertical arrangement structure).
  • a diamond substrate or a ceramic substrate that also satisfies the requirement that the insulator penetrates in the thickness direction of the main layer (forms a heat path in the thickness direction of the main layer) can also be used as the main layer.
  • the insulator pieces may be in various shapes such as a granular shape or a chip shape.
  • the filler does not have to protrude significantly from the surface of the protective bonding layer, and may be of an appropriate size and shape that is less than or equal to the thickness of the protective bonding layer itself.
  • the insulating material contained in the main layer or the material contained in the protective bonding layer is easily softened, c) of the main layer or the protective bonding layer It is preferable to provide a frame member provided on the outer periphery.
  • the frame member may be arranged according to the characteristics of the insulating material included in the main layer and the material included in the protective bonding layer, and may be provided on the outer periphery of only the main layer or only the protective bonding layer. It may be provided so as to surround all of them.
  • the highly heat-conductive insulating composite member according to the present invention for the semiconductor module, it has high heat conductivity, and even if the temperature change (heat cycle) under pressure accompanying the operation of the semiconductor device is repeated, dielectric breakdown, There is an advantage that the thermal conductivity is reduced or the separation between the members hardly occurs.
  • the specific configuration described above as the high thermal conductive insulating composite member according to the present invention is a part of the configuration that can be taken based on this technical idea, and the value of the characteristic requirement is also based on this technical idea.
  • the value that can be taken by the highly heat-conductive insulating composite member that can be configured is limited to a particularly preferable range.
  • the technical idea of the high thermal conductive insulating resin composite material based on the technical idea of the new idea, Insulating resin material, one or a plurality of ceramics, a resin composite material in which individual pieces of highly heat conductive insulating material such as diamond are vertically arranged or dispersedly arranged, or a main layer made of a substrate of high heat conductive insulating material, A layer disposed on the front surface and / or back surface of the main layer in order to protect the main layer and to enhance the bondability with a member to be bonded (a heat dissipation substrate, a heat dissipation substrate electrode, or a metal member of a cooler).
  • a base material made of a resin material in the case of an insulating resin, preferably having a hardness of 50 or less, that is, a material whose hardness is softer than medium
  • a protective bonding layer composed of a composite material having a thermal conductivity of 3 W / m
  • the thermal conductivity after the heat cycle test and the withstand voltage test are 5 W / m ⁇ K or more (more preferably 10 W / m ⁇ K or more).
  • Main layer The base layer (first base material) made of an insulating resin material is placed vertically in a highly thermally conductive insulating material such as ceramic or diamond (the main layer is penetrated in the thickness direction of the main layer).
  • a resin composite material formed by exposing a plurality of high thermal conductive insulating materials to a network and including a substrate penetrating the main layer), or a substrate of a high thermal conductive insulating material (this is also a kind) Is used as the main layer.
  • the insulating material that constitutes the main layer ensures the insulating property of the high thermal conductive insulating composite member as a whole.
  • evaluation such as a heat cycle test under pressure required for mounting on a semiconductor module, there is a problem in that the structure deteriorates and bonding reliability and characteristics deteriorate.
  • the individual pieces of the high thermal conductivity material those having various shapes such as a granular material and a chip shape can be used.
  • the individual pieces may be arranged so that a single piece penetrates the main layer, or a plurality of pieces networked by contacting each other may be arranged to penetrate the main layer. Good. As long as it can be arranged so as to penetrate the main layer and be exposed from the front and back surfaces, there is no detailed designation of the size.
  • a substrate made of a highly thermally conductive insulating material can be used as the main layer in that it can satisfy the requirement of forming a heat path in the thickness direction of the main layer.
  • a substrate made of a highly thermally conductive insulating material can be used as the main layer in that it can satisfy the requirement of forming a heat path in the thickness direction of the main layer.
  • substrates can also be used.
  • the vertical arrangement is used including the case where these substrates are used for the main layer.
  • a ceramic having a small thickness has a low thermal resistance but is expensive. Diamonds are extremely expensive as they become thicker, so thin ones are chosen.
  • the thickness of the main layer is preferably in the range of 40% to 95% with respect to the average thickness of the entire high thermal conductivity insulating composite member. If it is thinner than this range, the dielectric strength voltage may be insufficient. Further, when the substrate is used, deterioration easily occurs. On the other hand, if a composite resin material thicker than this range is used as the main layer, buckling tends to occur, and if a substrate thicker than this range is used as the main layer, the reliability tends to decrease. Furthermore, the diamond substrate is expensive.
  • this problem can be solved by adopting a structure in which protective bonding layers made of a composite material in which a highly thermally conductive filler is dispersed in a resin material that is more flexible than metal or ceramic are arranged on the front and back surfaces of the main layer.
  • protective bonding layers made of a composite material in which a highly thermally conductive filler is dispersed in a resin material that is more flexible than metal or ceramic are arranged on the front and back surfaces of the main layer.
  • a substrate made of a resin composite material composed of an insulating material having high thermal conductivity or a substrate is used.
  • the heat path is configured by arranging (vertical arrangement) so that the pole penetrates in the vertical direction (thickness direction) of the main layer.
  • the pole can be exposed from the surface of the main layer. Exposure here refers to the state where the pole is visible when the main layer is viewed from the front or back surface, the state where the high thermal conductive insulating material protrudes from the front and back surfaces of the main layer, or the state where it is depressed from the front and back surfaces Is included.
  • a substrate ceramic substrate or the like
  • a high thermal conductivity insulating material can be used for the vertical arrangement.
  • the main layer is composed of a resin composite material
  • a silicone resin, an epoxy resin, a polyimide resin, a PPS resin, or the like can be used as a resin material as a base material.
  • the base material other resins, rubber, glass, oil and the like can be used, but it is preferable to use a silicone resin or an epoxy resin.
  • the protective layer and the frame member disposed above and below the main layer may be configured to prevent outflow.
  • the hardness of the resin material is represented by a value of hardness 0 to 80 measured using a hardness gauge.
  • a hardness of 0 is liquid. From the investigation by the present inventor, when a resin material having a hardness of 5 to 50 is used, it is necessary to provide a frame member for measures against the pump-out phenomenon. When a hard resin material is used, the possibility of the pump-out phenomenon is reduced, but there is a possibility that the deterioration and the bonding property with the object to be bonded may be lowered.
  • the form of the resin material can be appropriately selected according to the situation, such as a sheet-like or grease-like form, but the resin composite material constituting the main layer can be easily produced in the form of a sheet. desirable.
  • Ceramic or diamond can be suitably used as the pole of the high thermal conductive insulating material. Further, particles having a maximum dimension of 1 ⁇ m or more and 1000 ⁇ m or less, chips, scaly bodies, broken pieces, or the like can be used, or a combination thereof can be used. When particles of less than 1 ⁇ m are used, the surface area of the particles increases and the possibility of defects occurring in the main layer increases. On the other hand, those having a size exceeding 1000 ⁇ m are expensive. A thin ceramic substrate is low in thermal resistance but expensive. Diamonds are extremely expensive as they become thicker, so thin ones are chosen.
  • the following method is conceivable as a method of vertically arranging the poles on the base material made of a resin material.
  • the first method is a manufacturing method in which a large single pole body is filled in a resin material so as to penetrate the main layer and is exposed from the surface of the main layer.
  • the thermal conductivity can be improved most efficiently with a small amount (corresponding to the manufacturing method 1 described later).
  • the large pole is expensive, and there is a problem that the manufacturing cost is high because it is accurately arranged on the resin material.
  • the “pole” in the specification of the present application means an individual piece that is arranged so as to penetrate the main layer in the thickness direction and be exposed from the surface thereof. Other shapes may be used.
  • Method 2 large pole particles and dummy particles (Al 2 O 3 , AlN, resin, glass, rubber, etc.) are added to the resin material, and the total content of both particles is 50 vol. It is possible to position the pole by introducing it into more than% and putting it in the mold. The content of the pole can be increased or decreased by changing the ratio of the content of the particles (corresponding to the production method 2 described later).
  • the third method is a method of manufacturing a pole without using large particles of a high thermal conductive insulating material, which consists of the method found in the manufacturing process of Prototype 3 above and CuW or CuMo.
  • This is a technique that combines impregnation methods used to manufacture members. For example, mixed particles of high thermal conductive insulating materials having particle sizes of 100 ⁇ m and 10 ⁇ m are put into a mold, a skeleton in which the particles are in contact in the vertical direction is formed, and a soft resin is impregnated there.
  • the particles of the high thermal conductive insulating material can be networked, penetrated in the thickness direction of the main layer, and the end portions thereof exposed from the surface (corresponding to the manufacturing method 3 described later).
  • Method 3 can be used not only for the production of the main layer, but also as a method for producing the entire high thermal conductive insulating resin composite member by using a frame member for countermeasures against the pump-out phenomenon.
  • a layer with a small filler content (corresponding to the protective bonding layer in the present invention) was formed on the front and back surfaces to form a three-layer structure as a whole. Yes. That is, the constituent requirements of the high thermal conductive insulating composite member of the present invention are satisfied.
  • the main layer produced by the above methods 1 to 3 may be provided over the entire insulating member, or provided in a concentrated manner on a portion of the insulating member corresponding to the region where the semiconductor device as the heating element is disposed. The cooling efficiency may be improved.
  • the main layer produced by the above methods 1 to 3 can also be used as a pole in the above method 1. Furthermore, when the insulating resin material is thick, internal breakage or the like in a heat cycle test under pressure assuming actual use is likely to occur, but this may be mitigated by making the main layer a multilayer structure.
  • ⁇ Poles of high thermal conductivity insulating material are desirably exposed in the range of 10% to 70% of the front and back surfaces of the main layer, considering the actual product. If the area where the high thermal conductivity insulating material is exposed is less than 10%, it is difficult to obtain high thermal conductivity. On the other hand, when the area where the heat conductive insulating material is exposed is 70% or more, the ratio of the resin material to the surface becomes too small and becomes brittle.
  • the main layer is a substrate made of a highly heat conductive insulating material, the area where the high heat conductive insulating material is exposed on the front and back surfaces of the main layer is 100% (in other words, high heat conductivity is applied to the entire front and back surfaces of the main layer. The conductive insulating material is exposed), but since the resin material is not used, there is no concern that the above problem will occur.
  • the frame member In order to avoid the pump-out phenomenon of the resin material, in addition to the frame member, it may be possible to arrange a stopper of another shape, but a frame member having a shape covering the outer periphery of the main layer (and the bonding layer) is used. It is the simplest and can reliably prevent the pump-out phenomenon.
  • the frame member may be made of a material having an insulating property and a good bonding property to the main layer and the protective bonding layer, and is not limited to a material made of a specific material. When one of the main layer and the protective bonding layer is soft, it is necessary to attach a frame member to avoid the pump-out phenomenon.
  • the countermeasure against humidity can be avoided by blocking moisture in the atmosphere from the main layer and the protective bonding layer with a frame member for preventing pump-out.
  • the protective bonding layer utilizes the flexibility and bonding properties of the resin. It is used to prevent deterioration of the main layer and to improve the bondability with the workpiece.
  • the protective bonding layer it is preferable to use a resin composite material in which a filler of a substance having a higher thermal conductivity than that of the base material is dispersed in a base material (second base material) made of a resin material.
  • the resin composite material used for the protective bonding layer may be either conductive or insulating.
  • these multilayers may be sufficient.
  • the filler does not have to protrude significantly from the surface of the protective bonding layer, and may be of an appropriate size and shape that is about the same as or less than the thickness of the protective bonding layer itself.
  • a resin composite material in which a conductive filler is introduced into a resin material for example, a silicone resin, an epoxy resin, a polyimide resin, a PPS resin, or the like can be used as a resin material as a base material.
  • a base material other resins, rubber, glass, oil and the like can be used, but it is preferable to use a silicone resin or an epoxy resin.
  • a protective bonding layer is formed using a liquid material such as oil as a base material, leakage is prevented by an object to be bonded (a heat dissipation substrate electrode or a metal member of a cooler) and a frame member disposed above and below the protective bonding layer. What is necessary is just to comprise.
  • the resin hardness index of resin composite materials has a hardness of 0 to 100 measured with a hardness gauge.
  • the measurement method is defined by JIS standards and is used as an index of resin and rubber hardness. ing.
  • the type of resin is different, there is a problem that the comparison by hardness is only a guide. From the above investigation results, when using a resin material having a hardness of 50 or less, it is considered necessary to provide a frame member as a countermeasure against the pump-out phenomenon. When a hard resin material is used, the possibility of a pump-out phenomenon is reduced, but deterioration and bondability with an object to be bonded are reduced.
  • the form of the resin material can be appropriately selected depending on the situation, such as a sheet form or a grease form. From the viewpoint of improving the bondability with the object to be joined, it is preferably soft (flexible or medium hardness), and an appropriate type is selected from those having such characteristics according to the use situation. can do. If there is little variation in the dimensions and flatness of each member, a hard resin sheet can be used.
  • the above-mentioned main layer includes a material in which a high thermal conductivity material protrudes from the surface of the main layer, and the protruded pole bites into the protective bonding layer. Therefore, it is preferable that the protective bonding layer has a flexibility that allows the pole to bite and maintains the bonding property.
  • a sheet-like object having flexibility and adhesion can be used as long as the accuracy (for example, surface accuracy) of each member is ensured.
  • the thickness of the protective bonding layer is preferably within the range of 0.03 mm or more and 1.50 mm or less in average thickness of both the layers arranged on the front and back surfaces of the main layer. If it is thinner than this, it is difficult to protect the main layer and repair the deterioration at the time of evaluation. Moreover, if it becomes thicker than this, it will become easy to produce buckling, and an internal fracture may occur in a heat cycle test. Further, it is desirable that the protective bonding layer is a layer in which a high thermal conductivity material is uniformly distributed.
  • the resin material to be used is preferably soft and has good fluidity, adhesion, and bondability with each member.
  • the shape of the protective bonding layer may be a sheet shape or a grease shape.
  • the thermal conductivity of the protective bonding layer is 3 W / m ⁇ K or more, preferably 5 W / m ⁇ K or more.
  • the protective bonding layer is conductive or insulating.
  • conductive resin composite materials are superior in characteristics such as thermal conductivity and insulating properties. There is no worry about destruction.
  • Conductive resin composite materials are already on the market as high thermal conductive bonding materials for semiconductor ICs and LSIs.
  • the metal used as the filler introduced into the resin material has a high thermal conductivity.
  • Al has a high thermal conductivity of 230 W / m ⁇ K
  • Cu has a high thermal conductivity of 393 W / m ⁇ K
  • Ag has a high thermal conductivity of 420 W / m ⁇ K.
  • a filler having a shape suitable for improving the thermal conductivity This filler is obtained by joining low melting point metals to each other to form a strong network, and it is possible to obtain a stable and high-quality product at low cost.
  • the low melting point metal is a metal having a low melting point (for example, a melting point of 350 ° C. or lower) such as Sn, Pb, or an alloy thereof.
  • Metal fillers have better wettability with resin materials than ceramic fillers, and can improve thermal conductivity with a small amount. Therefore, metal fillers are suitable for high thermal conductivity materials to be introduced into resin composite materials that form protective bonding layers. Yes. You may use the nano metal joining material which consists of a resin material and a nano metal (nanosize metal particle). In addition, sheet materials and grease materials with various hardnesses are sold.
  • the structure of the insulating resin composite material is basically the same as that of the conductive resin composite material, but the content of Al 2 O 3 , AlN, SiN, BN and diamond used as filler is high.
  • a sheet material made of a hard resin composite material when the high thermal conductivity material bites into the resin material, the defect generated there starts as a starting point and the deterioration is accelerated. Therefore, a sheet material of a hard resin composite material is not suitable.
  • a frame member for preventing the pump-out phenomenon may be provided.
  • the protective bonding layer may be configured by combining a conductive resin composite material and an insulating resin composite material.
  • the high thermal conductive insulating composite member of the present invention is mounted on a semiconductor module and used to efficiently transmit heat generated in the semiconductor device to the cooler.
  • it can be suitably used when it is necessary to ensure insulation by a heat path and it is required to efficiently transmit heat as in a semiconductor module.
  • Specific applications include IGBT modules, microwave communication modules, IC modules, LSI modules, LED modules, and the like.
  • the thermal conductivity is 3 W, which protects the main layer on the surface and / or the back surface of the main layer made of an insulating material and improves the bondability with the member to be joined.
  • a protective bonding layer made of a composite material of at least / m ⁇ K (preferably at least 5 W / m ⁇ K) is disposed.
  • an insulating resin composite material obtained by introducing a high thermal conductive insulating material into an insulating resin material or an insulating substrate is used.
  • the insulating resin composite material may have a structure in which a highly thermally conductive insulating material (pole) is disposed so as to penetrate the main layer in the thickness direction and its end is exposed from the surface of the main layer. it can.
  • the resin material that is the base material of the main layer has a flexible resin composition with a thermal conductivity of 3 W / m ⁇ K or higher, or a thermal conductivity of 5 W / m ⁇ K or higher.
  • a sheet-like or grease-like resin composite material can be used.
  • the heat dissipation substrate and heat dissipation substrate electrode made of Cu plate, Ni-plated Cu plate, or Ni-plated alloy, used in IGBT modules used in electric vehicles, etc. are 220mm x 170mm maximum in thickness.
  • the thickness is 3.0 to 5.0 mm, and the divided type is 40 mm square and the thickness is 1.0 to 2.0 mm.
  • the cooler is made of a sufficiently larger Cu plate, a Ni-plated Cu plate, or a plate made of an alloy such as an Al alloy. Considering these flatness, flatness, dimensional variation, and parallelism between members, the thickness of the high thermal conductive insulating resin member is preferably in the range of 0.2 mm to 2.0 mm.
  • the thickness is less than 0.2 mm, the possibility of peeling due to thermal stress caused by the difference in the linear expansion coefficient between the heat dissipation substrate electrode and the cooler increases. Moreover, when the thickness is larger than 2.0 mm, internal fracture due to vibration is likely to occur.
  • the metal member has flatness, flatness, and variations in dimensions, and there is also a problem of parallelism between members. In consideration of adapting to the actual situation, the size of the insulation member to be developed is 40 mm square and thickness 1.0 mm. Moreover, evaluation and measurement were performed in the state which joined the metal member up and down.
  • a disk-shaped test piece cut out by a laser processing machine with a diameter of 10 mm and a thickness of 3.0 mm from a sample after conducting a dielectric strength test a heat conduction measuring instrument (FTC manufactured by Advance Riko Co., Ltd.) -RT) was used to measure the thermal conductivity by the laser flash method.
  • This test piece is a state in which a metal plate of Cu plate is bonded to the top and bottom. Therefore, using a separate SPS device, a 1.0 mm thick Ni-plated Cu plate and a 1.0 mm thick Al plate were joined to the top and bottom of a 1.0 mm thick Cu plate (pressure 1.5 kg weight).
  • the thermal conductivity was determined.
  • the criterion for evaluation of thermal conductivity was 5 W / m ⁇ K or more, a more preferable criterion was 10 W / m ⁇ K or more, and a more preferable reference value was 20 W / m ⁇ K or more.
  • Process 1 A 100 mm square and 3 mm-thick glass plate is prepared, and a mold release agent is applied to one surface thereof.
  • Process 2 Two guide members A having a 40 mm square hole in the center of a 100 mm square, 0.1 mm thick SUS plate and having a release agent applied to the upper and lower surfaces thereof are prepared.
  • Step 3 One of the two prepared guide members A is placed on the surface of a glass plate coated with a release agent, and a silicone resin for casting is poured into the hole of the guide member A and rubbed off. Apply a release agent on it.
  • Process 4 Produce guide member B for positioning high thermal conductive insulating material with 100mm square, 0.7mm high SUS plate with 400 holes of 1.2mm square equally, and release on upper and lower surfaces The agent is applied, and is overlaid on the member produced in step 3.
  • Step 5 A 1.1 mm ⁇ 0.7 mm chip-shaped diamond piece, which is a high thermal conductivity insulating material, is introduced into all the holes of the guide member B produced in step 4 and lightly pressed. In step 3, the holes are formed in the guide member A. Temporarily fix to the introduced silicone resin for molding (fix a small amount of filler for positioning).
  • Step 6 The guide member B is removed.
  • Process 7 A release agent is applied to the upper and lower surfaces of the guide member C having a 40 mm square hole in the center of a 100 mm square, 0.7 mm thick SUS plate. An epoxy resin is poured into the hole of the member C.
  • Step 8 A silicone rubber roll is hung on the guide member C and scraped off with a thickness to remove excess epoxy resin.
  • Step 9 A release agent is applied to a 100 mm square, 3 mm thick glass plate, placed on the guide member C, and pressed with a pressure of 0.2 kg weight / cm 2 (19.6 kPa).
  • Step 10 The glass plate placed in Step 9 is placed in a vacuum atmosphere and the epoxy resin is cured, and then the upper and lower glass plates and the guide A are removed.
  • Step 11 The upper and lower surfaces of the member obtained by curing the epoxy resin in Step 10 are polished with an abrasive having an abrasive on the buffing hair to remove the resin and dirt attached to the diamond surface.
  • a main layer composed of a high thermal conductive insulating resin composite material obtained by introducing 30 vol% of the high thermal conductive insulating material made of diamond into the base material made of epoxy resin can be obtained.
  • Step 12 Separately from the above steps, two glass plates of 100 mm square and 3 mm thickness are prepared, and a release agent is applied to one surface of each.
  • Step 13 Two guide members D each having a 40 mm square hole in the center of a 100 mm square, 0.15 mm thick SUS plate and coated with a release agent on the upper and lower surfaces thereof are prepared in step 12. Stack on a board.
  • Step 14 A grease-like conductive resin composite material (thermal conductivity 3 W / m ⁇ K) is poured into the holes of the two guide members D, respectively, and is rubbed.
  • Step 15 The material in which the conductive resin composite material is poured in Step 14 is stacked on top and bottom of the main layer obtained in Step 11, and bonded in a vacuum while applying a pressure of 0.2 kgf / cm 2 (19.6 kPa). . Thereafter, the two glass plates and the guide D are removed.
  • Step 16 Attach a Cu plate with a Ni plating treatment of 40 mm square and a thickness of 1.0 mm to each of the upper and lower surfaces of the high thermal conductive insulating resin composite member obtained in Step 15 and 0.5 kg. while applying a pressure of heavy / cm 2 (49.0kPa) adhered in a vacuum.
  • An evaluation sample was prepared by providing a frame member for preventing pump-out on the outer periphery of the 40 mm square and 3 mm thick member thus produced.
  • Step 17 A heat cycle test and a withstand voltage test were performed on the evaluation sample prepared in Step 16, and then the thermal conductivity was measured.
  • ⁇ Manufacturing method 2> In the manufacturing method 2, a chip-like highly thermally conductive insulating material is vertically arranged inside the main layer, and the highly thermally conductive insulating material is further dispersedly arranged to produce a highly thermally conductive insulating resin composite member.
  • high thermal conductive insulating resin composite members of Examples 6 to 13 described later were produced.
  • FIG. 1 shows the configuration of the high thermal conductive insulating resin composite member produced by the production method 2.
  • a main layer 10 in which a high thermal conductive insulating material 13 (diamond particles) and dummy particles 12 (aluminum oxide particles) are arranged is formed on a base material 11, and a protective bonding layer provided on the front and back surfaces thereof.
  • a frame member 14 can be appropriately provided on the outer periphery of the main layer 10 and the protective bonding layer 15.
  • Step 4 A guide member B having a 40 mm square hole in the center of a 100 mm square, 0.7 mm thick SUS plate is prepared, and a release agent is applied to the upper and lower surfaces thereof.
  • Step 5 The guide member B is superimposed on one of the ones produced in Step 3.
  • Step 6 A guide member C having a 40 mm square hole in the center of a 100 mm square, 0.1 mm thick SUS plate is prepared, and a release agent is applied to the upper and lower surfaces thereof.
  • Step 7 The guide member C produced in Step 6 is overlaid on the member produced in Step 5.
  • Step 8 A 40 mm square, 0.8 mm thick hole, epoxy resin, 0.9 mm diameter diamond particles (30 vol%), and a 0.6 mm diameter dummy formed in the center of the member produced in step 7 A mixture of Al 2 O 3 particles (spherical, 30 vol%) is poured and worn.
  • Step 9 The mold produced in Step 8 is overlapped with a release agent and an applied SUS 100 square SUS plate with a thickness of 3 mm and pressed, and 0.1 mm of diamond particles are digged into the mold-forming silicone resin.
  • Step 10 The guide C is removed, the other of the ones produced in Step 3 (those not used in Step 5 and after) is inverted, and the diamond particles are added to the silicone resin for mold making by 0.1 mm by overlapping and pressing.
  • Step 11 The upper and lower surfaces of the member obtained by curing the epoxy resin in Step 10 are polished with an abrasive having an abrasive on the buffing hair to remove the resin and dirt attached to the diamond surface.
  • a main layer made of an insulating resin composite material in which diamond particles are vertically arranged inside a base material made of an epoxy resin to expose both ends and Al 2 O 3 particles are dispersedly formed is formed.
  • Step 12 Separately from the above steps, two glass plates of 100 mm square and 3 mm thickness are prepared, and a release agent is applied to one surface of each.
  • Step 13 Two guide members D each having a 40 mm square hole in the center of a 100 mm square, 0.15 mm thick SUS plate and coated with a release agent on the upper and lower surfaces thereof are prepared in step 12. Stack on a board.
  • Step 14 A grease-like conductive resin composite material (thermal conductivity 3 W / m ⁇ K) is poured into the holes of the two guide members D, respectively, and is rubbed.
  • Step 15 The material in which the conductive resin composite material is poured in Step 14 is stacked on top and bottom of the main layer obtained in Step 11, and bonded in a vacuum while applying a pressure of 0.2 kgf / cm 2 (19.6 kPa). . Thereafter, the two glass plates and the guide D are removed.
  • Step 16 Attach a Cu plate with a Ni plating treatment of 40 mm square and a thickness of 1.0 mm to each of the upper and lower surfaces of the high thermal conductive insulating resin composite member obtained in Step 15 and 0.5 kg. while applying a pressure of heavy / cm 2 (49.0kPa) adhered in a vacuum.
  • An evaluation sample was prepared by providing a frame member for preventing pump-out on the outer periphery of the 40 mm square and 3 mm thick member thus produced.
  • Step 17 A heat cycle test and a withstand voltage test were performed on the evaluation sample prepared in Step 16, and then the thermal conductivity was measured.
  • ⁇ Manufacturing method 3> In the manufacturing method 3, a highly heat conductive insulating resin composite member formed by dispersing and disposing a high heat conductive insulating material inside the main layer is manufactured. By this production method 3, high thermal conductive insulating resin composite members of Examples 14 and 15 described later were produced.
  • Process 1 A 100 mm square and 3 mm-thick glass plate is prepared, and a mold release agent is applied to one surface thereof.
  • Process 2 Two guide members A having a 40 mm square hole in the center of a 100 mm square, 0.1 mm thick SUS plate and having a release agent applied to the upper and lower surfaces thereof are prepared.
  • Step 3 One of the two prepared guide members A is placed on the surface of a glass plate coated with a release agent, and a silicone resin for casting is poured into the hole of the guide member A and rubbed off. Apply a release agent on it.
  • Step 4 A 40 mm square hole is formed in the center of a 100 mm square, 0.7 mm high SUS plate, and a guide member B with a release agent applied to the upper and lower surfaces thereof is formed and superimposed on the member produced in step 3 .
  • Step 5 Into the guide member B, a mixture of diamond particles having a particle size of 0.1 mm and diamond particles having a particle size of 0.01 mm in a ratio of 7: 1 is introduced in such an amount that the content in the main layer becomes 70 vol%. Make a skeleton and wear it. Then, it is impregnated with an epoxy resin and scraped off.
  • Step 6 The guide member B is removed.
  • Step 7 Place a 100 mm square, 3 mm thick glass plate coated with a release agent, and press with a pressure of 0.2 kgf / cm 2 (19.6 kPa).
  • Step 8 After placing the glass plate placed in Step 7 in a vacuum atmosphere and degassing, the upper and lower glass plates and the guide A are removed. As a result, a main layer composed of a high thermal conductive insulating resin composite material in which 70 vol% diamond particles (high thermal conductive insulating material) are introduced into the base material made of epoxy resin is obtained.
  • Step 9 Separately from the above steps, two glass plates of 100 mm square and 3 mm thickness are prepared, and a release agent is applied to one surface of each.
  • Step 10 Two guide members D each having a 40 mm square hole in the center of a 100 mm square, 0.15 mm thick SUS plate and coated with a release agent on the upper and lower surfaces thereof are prepared in step 12. Stack on a board.
  • Step 11 A grease-like conductive resin composite material (thermal conductivity 3 W / m ⁇ K) is poured into the holes of the two guide members D, respectively, and is rubbed.
  • Step 12 The conductive resin composite material poured in Step 11 is layered on top and bottom of the main layer obtained in Step 11, and bonded in a vacuum while applying a pressure of 0.2 kgf / cm 2 (19.6 kPa). . Thereafter, the two glass plates and the guide D are removed.
  • Step 13 Attach a Cu plate with an Ni plating treatment of 40 mm square and a thickness of 1.0 mm to each of the upper and lower surfaces of the high thermal conductive insulating resin composite member obtained in Step 12 and 0.5 kg. while applying a pressure of heavy / cm 2 (49.0kPa) adhered in a vacuum.
  • An evaluation sample was prepared by providing a frame member for preventing pump-out on the outer periphery of the 40 mm square and 3 mm thick member thus produced.
  • Step 14 A heat cycle test and a withstand voltage test were performed on the evaluation sample prepared in Step 13, and then the thermal conductivity was measured.
  • Table 3 shows the configurations and evaluation results of Examples 1 to 16 produced by the manufacturing methods 1 to 3 described above.
  • the high thermal conductivity insulating resin composite member of Example 16 and Comparative Examples 1 to 4 were produced by a production method according to the above production methods 1 to 3.
  • Example 1 to 17 and Comparative Examples 1 to 4 were all prepared in duplicate, and a heat cycle test and an insulation withstand voltage test were sequentially performed for each, and then the thermal conductivity was measured.
  • pass both passes are marked as “ ⁇ ”
  • dielectric strength test those that showed no deterioration due to dielectric breakdown are passed (both pass) “Indicated as“ ⁇ ”.
  • the thermal conductivity was determined to be at least 5 W / m ⁇ K, preferably 10 W / m ⁇ K or more, and more preferably 20 W / m ⁇ K or more.
  • the value of the thermal conductivity described in Table 3 is an average value of two sheets. As shown in Table 3, it was confirmed that in Examples 1 to 16, good characteristics were obtained.
  • the above embodiment is an example, and can be appropriately changed in accordance with the above technical idea and the gist of the present invention.

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Abstract

絶縁樹脂材料１１とダイヤモンド片１３とを含む層であって該ダイヤモンド片１３が該層を厚さ方向に貫通し該層の表面から露出するように配置されてなる主層１０と、主層１０の表面及び裏面に配置された層であって樹脂材料に金属からなる導電性フィラーを分散配置してなる熱伝導率が5W/m・K以上の樹脂複合材料により構成された保護接合層１５とを備え、ヒートサイクルテストにおいて主層１０と保護接合層１５の間に剥離が生じず、ヒートサイクルテスト後に絶縁耐圧テストを行っても絶縁破壊が生じず、ヒートサイクルテスト及び絶縁耐圧テストを行った後の熱伝導率が10W/m・K以上である高熱伝導性絶縁樹脂複合部材１。

Description

高熱伝導性絶縁複合部材及び半導体モジュール
　本発明は、絶縁材料からなる主層と、該主層を保護するとともに被接合物である放熱基板電極や冷却器等との接合性を高めるために主層の表面及び／又は裏面に設けられた高熱伝導性の複合材料からなる保護接合層とを備えた、高熱伝導率及び絶縁性を有する高熱伝導性絶縁複合部材に関する。また、その高熱伝導性絶縁複合部材を備えた半導体モジュールに関する。
　近年、HV（Hybrid Vehicle）車に続き、世界各国で電気自動車（EV: Electric Vehicle）の本格的な実用化が進みつつある。こうしたなかSiC半導体デバイスを使用した小型、高性能、かつ安価な絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor）モジュールの研究開発が進められている。
　第1世代のIGBTモジュールでは、当初、絶縁回路基板としてDBC（Direct Bonded Cupper。セラミック基板に、導電性の優れたCuを回路層として接合したもの。）が用いられていたが、より厳しい使用環境で使用することができ、より寿命が長いDBA（Direct Bond Aluminum。セラミック基板に、導電性の優れたAlを回路層として接合したもの。）が用いられるようになって実用化された。その後、放熱基板とサーマルグリスを省略し、DBAと冷却器をAlパンチングメタルで接合した構造を採ることで第1世代のIGBTモジュールに比べて熱抵抗を30％低減した第2世代のIGBTモジュールが実用化された。
　第3世代のIGBTモジュールは、Si半導体デバイスの両面にCu薄板の放熱基板電極をはんだ付けした両面冷却構造を有しており、Si4N3セラミック（以下SiNと称す）薄板により半導体デバイスが絶縁され、硬質樹脂からなる絶縁グリスにより冷却器と接合される。こうした新しい構造を採ることにより、第1世代のIGBTモジュールに比べて熱抵抗を65％低減し、第2世代のIGBTモジュールに比べて熱抵抗を50％低減した、優れた冷却性を有するIGBTモジュールが実用化された。
　Al2O3、AlN、SiN等のセラミック基板により絶縁性を担保するDBCやDBAの構造では、その上下面に他の部材をハンダ付けして接合するための金属層が設けられている。こうした構造では接合部分が多いため、金属層が剥離したりセラミック基板に割れが生じたりしやすく信頼性に問題がある。また高価でもある。これらの点を解決するために更なる開発が行われているが、依然として同じ問題が存在している。
　また、熱抵抗を低くするためにAl2O3、AlN、SiN等の薄いセラミック基板の上下両面に絶縁樹脂のグリスを配して各部材に接合する構造では、グリスの流出（ポンプアウト現象）を生じさせないために硬質樹脂が用いられる。こうした構造では、加圧下で繰り返し温度を上昇、下降させるヒートサイクルテストを行うと、薄いセラミック基板で割れ等の劣化が起こる問題がある。熱抵抗が大きく、また高価であるという問題もある。
　こうしたことから、冷却器等との接合のための金属層や硬質樹脂からなる絶縁グリスとともに用いられるセラミック基板では、熱伝導性を向上（熱抵抗を低下）するために薄くする方向にある。しかし、その結果、半導体モジュールの製作時や加圧下でのヒートサイクルテストで部分的に偏った圧力がかかり割れが起こる問題がある。また、接合部が多く剥離しやすいという問題もある。さらに、はんだや蝋材にAgを含む場合は、Agがセラミック内部を移動する現象（マイグレイション現象）が起こることにより絶縁破壊が起こるという問題が生じたり、セラミックの種類によっては湿度が高くなると劣化で絶縁性が担保されなくなったりするという問題がある。このマイグレイション現象や湿度による劣化は、セラミック基板が薄くなるとより起こりやすくなる。こうした問題が生じると絶縁部材として所期の特性が得られなくなり、また信頼性も低下する。そのため、使用可能なセラミックの種類や厚さが限定される。
　既に、両面冷却構造を有する第3世代のIGBTモジュールでは、冷却性能の向上や、サーマルグリスと放熱基板、DBA、あるいはリードフレーム等を省略することにより冷却性能や信頼性の向上が図られている。しかし、薄いSiNの薄板と硬質樹脂の絶縁グリスの組み合わせにより絶縁する構造であり、開示されている半導体IGBTモジュールの資料から推定すると熱抵抗が熱路全体の65％と高く、サーマルグリスと放熱基板等の部材を省略した効果が出ていない。両面冷却構造の1本の熱路は半導体デバイス（発熱側）・はんだ・放熱基板電極・絶縁部材層・冷却器（冷却側）と簡素化された構成になっている。しかし、絶縁層の熱抵抗が高いことが顕在化している。これが冷却性の向上の障害になっていることは明らかである。
　従来、開示されているいずれのIGBTモジュールでも、IGBTモジュールを構成する部材間の熱接触抵抗が考慮されていない。そのため、各部材を構成する材料の熱伝導率と各部材の大きさから計算される熱抵抗値と実際の温度分布とが一致していない。第3世代のIGBTモジュールでは、DBA、放熱基板、サーマルグリス、及びリード線が省略され、更に両面冷却構造にすることで大幅な冷却性と信頼性の向上を実現している。このIGBTモジュールでは、熱路が発熱体（半導体デバイス）、絶縁部（はんだ・放熱基板電極・絶縁関連層）、冷却体（冷却器）から構成されるが、依然として絶縁部の熱抵抗が熱路全体の熱抵抗の大半を占めている。
　以上を踏まえると、絶縁部材の開発において、該部材を構成する材料の特性を考慮するだけでは十分でなく、実際の使用を想定した、放熱基板電極（発熱側）及び冷却器（冷却側）に接合された状態での熱接触抵抗を考慮する必要があることが分かる。また、半導体モジュールへの実装を考慮すると、絶縁部材は、接合する放熱基板電極と同程度の大きさと一定程度の厚さを有する必要がある。またその厚さの範囲は0.2～3.0mmの範囲内であることが望ましい。これよりも薄いと絶縁性を確保することができない可能性があり、また各部材の寸法のバラツキを補正する機能が不足する。また、これよりも厚いと加圧下でのヒートサイクルテストで内部破断が起こりやすくなる。本発明は、こうした課題を解決すべくなされたものである。
　また、次世代の電気自動車に搭載することを念頭に、車載用の第4世代のIGBTモジュールでは、1/4程度の大きさに小型化したり、モーターに内蔵したりするなどの開発が進められている。第4世代のIGBTモジュールでは、SiC半導体デバイスの性能を最大限引き出すため、半導体デバイスの動作時の最高温度が300℃に達すると見込まれている。その一方、最高動作温度が300℃に達する半導体デバイスから発せられる熱を放出するような熱路を構成するのは難度が高く、熱路以外の部材の開発との歩調を合わせる必要もある。このため、半導体デバイスの最高動作温度を200℃、250℃、300℃と段階的に上昇させつつ絶縁部材の熱抵抗を低減（熱伝導率を向上）してIGBTモジュールを開発していくことが望まれている。
　上述した第3世代のIGBTモジュールでは2本の熱路が構成されるため、各熱路では放出を要する熱量の半分を放出すればよい。また、第3世代のIGBTモジュールでは、半導体デバイスが放熱基板電極を介して絶縁部材に接合されるため、両者を直接接合する場合に比べて絶縁部材の温度上昇が抑制される。従って、絶縁部材の一部に樹脂材料を用いることが可能である。特に、熱伝導率の高いCu（熱伝導率393W/m・K）を主たる材料とする放熱基板電極や、金属とダイヤモンドを主たる材料とする放熱基板電極（例えば熱伝導率800W/m・Kの放熱基板電極）を用いることにより、絶縁部材の温度負担を更に抑制することができる。
　そこで、DBCやDBAよりも安価で柔軟性があり、大型化も容易な樹脂材料を用いた絶縁部材の開発が行われてきた。そのような絶縁部材について、従来、提案されているものを本発明者が調査した結果を以下に説明する。
　特許文献１及び２には、SiN等のセラミックやダイヤモンドといった高熱伝導性絶縁材料を、シリコーン樹脂等の絶縁樹脂材料からなる母材の内部に分散させたシート状の絶縁部材が記載されている。以下、このように母材の内部に分散配置される材料を「フィラー」とも呼ぶ。
　特許文献３には、熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂からなり可撓性を有する絶縁シートの厚さ方向に、SiNやダイヤモンド等の高熱伝導性絶縁材料の柱状体を貫通させ、その端部をシート表面から露出させたシート状の絶縁部材が記載されている。以下、このように母材を貫通するように配置（縦型配置）される材料を「ポール」とも呼ぶ。この絶縁部材は熱伝導率が高く（材料としての熱伝導率25W/m・K以上）、電気絶縁性を有する（電気絶縁抵抗率1012Ω・cm以上）と記載されている。また、その表面にハンダバンプを設け、該ハンダバンプを介して冷却器の金属部材等に接合することが記載されている。
　特許文献４には、耐熱性絶縁樹脂やガラス中にダイヤモンド粒子のポールを配した主層と、該主層の表裏面に配置された金属からなる高熱伝導体層とを有し、主層に配したダイヤモンド粒子を該主層の表裏面から突出させて高熱伝導体層に食い込ませた構造の絶縁部材が記載されている。
特開平９－２２６１８号公報 特開２００１－２８３０号公報 国際公開第９５／０２３１３号 特開２００７－２１４４９２号公報
"デュロメータ／IRHD硬さ計",[online],株式会社　テクロック,[平成30年5月31日検索],インターネット<URL:http://www.teclock.co.jp/10Duromer_J.pdf>
　特許文献１及び２のように、絶縁樹脂材料からなる母材の内部に高熱伝導率のセラミックやダイヤモンドのフィラーを分散配置して熱伝導率を高めた絶縁部材（主にシート状のもの）は、従来、多数提案されている。しかし、フィラーによる熱伝導率の上昇効果はそれほど大きくない。また、フィラーの量を多くするにつれてシート材の柔軟性が失われて脆くなり、被接合部材（放熱基板電極や冷却器など）との接合性も悪くなる。柔軟性のあるグリス状の樹脂材料を用いることにより脆くなることを防止したり被接合部材との接合性を高めたりすることはできるものの、半導体モジュールに絶縁部材を実装した状態を想定したヒートサイクルテストにおいて加圧下で温度変化が繰り返されると、樹脂材料が流出するポンプアウト現象が起こってしまう場合がある。
　上記のような構成の絶縁部材に関しては、絶縁樹脂材料の種類、高熱伝導性絶縁材料（フィラーやポール）の種類、形状、配置形態といった要素の組み合わせを適宜に変更したものが提案されている。絶縁樹脂材料としては、シリコーン系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂などが用いられている。高熱伝導性絶縁材料には、Al2O3、AlN、SiN、BN、あるいはh-BN（六方晶窒化ホウ素）といったセラミックや、ダイヤモンドなどが用いられている。上述のとおり、分散配置構造はフィラーを樹脂材料の内部に均一分散したものである。縦型配置構造には樹脂材料の厚さ方向に貫通し表面から露出するようにポールを配置した構造のものがある。また、高熱伝導性絶縁材料からなる基板（すなわち、母材を使用しないもの）も一種の縦型配置構造とみなすことができる。
　シート状の樹脂材料を用いる場合には、ロール加工時の加工性を考慮して50μm以下の比較的小さな粒子をフィラーとして使用しネットワーク化しているが、加工時にフィラーのネットワークが破壊されて欠陥になりやすいという問題がある。このような欠陥が生じた絶縁部材について、実際に半導体モジュールに組み込まれた状態を想定して加圧下でのヒートサイクルテストを行うと劣化し、該絶縁部材に接合されている部材が剥離する。また、ヒートサイクルテスト後に絶縁耐圧テストを行うと、欠陥部分でアーク放電の雪崩現象が起こり絶縁破壊に至る。さらに、これらに伴って熱伝導率も低下する。絶縁樹脂材料の内部にフィラーを分散配置した絶縁部材の中には実用化されているシート状のものがあるものの、それらの熱伝導率は2W/m・K以下であり、家電製品や産業用の小型の低性能のIGBTモジュールにおける使用に留まっている。
　特許文献３に記載の放熱シートでは高い熱伝導率が得られるとされている。しかし、絶縁材料シートの表面に露出させたセラミックやダイヤモンドと、放熱シートに接合される放熱基板電極や冷却器の金属部材はいずれも硬質かつ高融点の材料であるため、両者を接触させても通常の温度では接合されない。また、表面にハンダバンプを設け、冷却器の金属部材等と部分的に接合する方法も提案されているが、セラミックやダイヤモンド（線膨張係数2.5～6.5ppm/K）と金属（線膨張係数17～23ppm/K）では線膨張係数の差が大きく、半導体モジュールに組み込まれた状態を想定した加圧下でのヒートサイクルテストを行うと、ハンダの亀裂や破断が生じたり、ポールと樹脂材料の界面で歪みが生じたりして両者が剥離する。さらに、ヒートサイクルテスト後に絶縁耐圧テストを行うと絶縁破壊が起こる可能性がある。
　特許文献４に記載の絶縁部材では、耐熱性絶縁樹脂やガラスからなる接合層に複数のダイヤモンド粒子のポールを配置して表面から突出させた絶縁体層を構成し、それらのダイヤモンド粒子を硬質の材料である金属（Al, Cu, Ag等）からなる高熱伝導体層に食い込ませているが、金属とダイヤモンドでは線膨張係数の差が大きいため、ヒートサイクルテストを行うと熱応力により両者が剥離する心配がある。また、ダイヤモンドが破損して欠陥を生じさせる可能性もある。また、ガラスの熱伝導率は1W/m・K程度と低いため、接合層にガラスを用いた絶縁部材では十分な放熱効果を得ることができない。加えて、ガラスは脆く破損しやすいという問題もある。
　先行技術の調査から分かるように、従来行われているのは絶縁材料の開発であり、そうした絶縁材料を用いた絶縁部材を他の部材と接合することも提案されているが、加圧下でのヒートサイクルテスト後に所要の特性を満たすものではない。特に、絶縁部材には、取り扱いが簡単であり、また安価であることが求められているが、従来の絶縁部材には以下のような問題がある事が分かった。
　樹脂は、金属やセラミックよりも明らかに柔軟であり、高い絶縁性と接合性を有している。しかし、熱伝導率が0.25W/m・K程度であり、これは硬質木材並みの低い値である。そのため、樹脂材料の種類、形態（シート状やグリス状）、あるいは硬さを変えても熱伝導率が大きく向上することはない。硬質の樹脂材料は柔軟性、流動性、密着性、接合性が低く、接合される冷却器の金属部材等との剥離が起こりやすいものの、加工後の形状を維持したり、ポンプアウト現象を防止したりするには有用である。そのため、一部のグリス材でもポンプアウト現象を防止するために硬質の樹脂材料が使用される。
　フィラーやポールを構成するセラミックやダイヤモンドは高熱伝導性、高絶縁性、及び高耐熱性を有しているが脆く、また硬質の材料であることから、放熱基板電極や冷却器の金属部材等との接合性が低い。絶縁樹脂中に高熱伝導性絶縁材料を導入してなる絶縁樹脂複合材料の熱伝導率を向上させるには、樹脂材料にフィラーを分散配置するよりもポールを縦型配置する方が、少量で高い効果が得られる。樹脂材料とフィラーの組み合わせで絶縁部材を作製する場合、分散配置ではフィラー割合を非常に多くしないと熱伝導性を向上する効果が得られにくい。しかし、上述のとおり、高熱伝導性絶縁材料（ダイヤモンドやセラミック）の割合を多くすると脆くなり、また加圧下でのヒートサイクルテストや絶縁耐圧テスト（以下、これらをまとめて「ヒートサイクルテスト等」とも記載する。）による評価時に劣化が起こり、特性が大きく低下する問題がある。一方、樹脂材料からなる層にポールを貫通させて表面に露出させる縦型配置では、少量の高熱伝導性絶縁材料の使用でも熱伝導性を向上する効果が得られる。ただし、冷却器等を構成する金属部材との接合性が低く、ヒートサイクルテスト等による評価時に劣化が起こり、特性が大きく低下する問題がある。樹脂材料とダイヤモンドやセラミックは濡れ性が悪く、特にダイヤモンドやセラミックのポールを多くすると絶縁部材の作製時や完成品の評価時に劣化が起こり、特性が低下する問題がある。上述のとおり、縦型配置構造の一種とみなすことができる、高熱伝導性絶縁材料であるセラミックの薄板で構成される基板についても上記同様の問題がある。
　本発明は上記の背景などを踏まえて成されたものであり、その目的とするところは、半導体モジュールへの実装を想定したヒートサイクルテストを行った後でも、絶縁耐圧テストに耐えうる十分な絶縁性と、高い熱伝導率とを有する高熱伝導性絶縁複合部材を提供することである。
　上述のとおり、単純に樹脂材料と高熱伝導性材料の材料特性のみを考慮し、これらを組み合わせた絶縁部材を開発しても、半導体モジュールに実装されることを想定した加圧下でのヒートサイクルテスト等を行うと絶縁部材の使用実態に適合しておらず、所要の特性を得ることができていない。従来の方法では発熱体である半導体デバイスから冷却器に至る熱路の熱抵抗を低減することができず、実装時に所要の熱伝導性及び絶縁性を担保できる絶縁部材を得るという開発目標の達成は困難であることが分かった。
　本発明者の開発目標は、表面と裏面がそれぞれ、実用化可能な放熱基板電極（発熱側）と冷却器（冷却側）の部材に接合される、安価で、絶縁性及び高熱伝導性（熱接触抵抗まで含む）を有する高熱伝導性絶縁複合部材を開発することである。
　これまでに開発されてきた絶縁部材の問題点を解決するために、高熱伝導性及び絶縁性を有する主層の上下両面に、該主層を保護して劣化を防止するとともに、放熱基板電極や冷却器の金属部材等との接合性を向上させるための、柔らかく高い熱伝導率を有する材料からなる保護接合層を配置した構造の高熱伝導性絶縁複合部材を発案した。
　新しい発想の高熱伝導性絶縁複合部材の元となる仮説を検証するために以下の実験を行った。併せて、既に実用化されている絶縁部材と比較するために、SiN基板の上下面に硬質グリスを配した（以下、こうした構成を「硬質グリス/SiN基板/硬質グリス」のように記載する。）試料（後記の試作品８）を、本発明者による開発品と同一寸法で作製し、両者を同一の基準で評価して特性を調べた。
　分散配置構造はフィラーを絶縁樹脂材料からなる母材の内部に均一分散させた構造である。縦型配置構造は高熱伝導性絶縁材料を厚さ方向に貫通させ表面に露出させた構造である。縦型配置構造には、樹脂材料と高熱伝導性絶縁材料（のポール）を組み合わせたもののほか、高熱伝導性絶縁材料のみからなる基板も含まれる。分散配置構造に比べると、縦型配置構造の方が少量の高熱伝導性絶縁材料で高い熱伝導率を有する絶縁部材が得られる可能性がある。母材となる絶縁樹脂材料には、柔軟性を有し、他の部材の寸法のバラツキを吸収可能なものを用いることが好ましい。
　試作品１～６では、絶縁樹脂材料からなる母材を厚さ方向に貫通して上下面に露出するように高熱伝導性絶縁材料から成るポールを配置（縦型配置）した。こうしたポールは、1個のポール体が厚さ方向に配置されたものであってもよく、あるいは相互に接触する複数の粒子がネットワーク化してなる1つのポールが厚さ方向に貫通するように配置されたものであってもよい。また、ここでいう露出は、主層の表面からポールが確認できる状態をいう。つまり、ポールが主層の表面から突出した状態や表面と面一にある状態のほか、ポールの端部が表面から陥没した位置にある状態も含まれる。
　ポールを構成する高熱伝導性絶縁材料には、各種材料の中でも最も高い熱伝導率を有するダイヤモンドを選択した。
　絶縁性と高熱伝導性を兼ね備えた材料にはセラミックもあるが、今回の試作ではダイヤモンドのポールを用いた。ダイヤモンドは絶縁材料であり熱伝導率は2000W/m・Kと高い。これまで宝飾品のイメージから高価であると考えられ敬遠されてきたが、通常の大きさの工業用ダイヤモンド粒子の価格は他にフィラーとして用いられるAlNと同程度であり、またh-BNよりも安価である。既に、工業用のダイヤモンド粒子は、レーザ装置、あるいは光通信やマイクロ波通信用の装置における放熱基板として使用されているという実績があり、半導体モジュールの熱路の高熱伝導性絶縁材料として適しており、特性も優れている。
　正確な測定データを得るためには主層を厚さ方向に貫通するポールが該主層の表面から露出する量を安定させる必要があり、そのためには寸法精度の高いものが必要である。安価に得られるという点では量産される工業用ダイヤモンド粒子が有利であるが、形状や寸法のバラツキが大きい。そのため、ここでは寸法精度の高さを優先し、CVD法で作製されたダイヤモンド基板から切断した1.1mm四方、厚さ0.7mmという大きさのチップ状のものを使用した。また、ダイヤモンド基板についても、同じ厚さ0.7mmのものを使用した。
　主層の母材となる絶縁樹脂材料には、これまでの報告を参考にしてシリコーン樹脂とエポキシ樹脂を選択した。樹脂材料の種類や形態は熱伝導率の向上にそれほど大きく影響しないが、その硬さは加圧下でのヒートサイクルテスト等における劣化やポンプアウト現象の有無に大きく影響を与える。硬質の樹脂材料の方がポンプアウト現象には強いが、劣化に弱いため、以下のような確認を行なった。
　なお、樹脂材料の硬さの測定には、ゴムやプラスチックの硬さを測定する際に多く用いられている株式会社テクロック社製のデュロメータ（JIS K 6253、JIS K 7215に準拠した測定機、測定される硬度値0～100。非特許文献１参照）を用いた。この硬度値が70以上のものは硬質の樹脂材料に分類され、硬度値が30以下のものは軟質の樹脂材料に分類される。硬質の樹脂材料と軟質の樹脂材料のいずれにも該当しないものは硬度が中程度の一般樹脂材料とされている。
　高熱伝導性絶縁樹脂複合部材の保護接合層を構成する材料については、加圧下でのヒートサイクルテストにおいて主層を劣化から保護し、またポンプアウト現象の発生を防止し、さらに被接合物との接合性を高めるという役割が求められる。保護接合層については、樹脂材料に高熱伝導性の絶縁性あるいは導電性のフィラーを分散配置した幾つかの樹脂複合材料を試して最適化を試みた。
　樹脂材料の形態には、シート状のものとグリス状のものがあり、硬さにも硬質（硬度70以上）のものと軟質（硬度30以下）のものがある。また、絶縁性の樹脂材料と導電性の樹脂材料が存在する。
　導電性の樹脂複合材料についてはシート状のもの及びグリス状のものを用いた。ポンプアウト現象が起こる柔らかい樹脂材料を使用する際には、保護接合層を構成する樹脂材料や樹脂複合材料のポンプアウト現象を防ぐための枠部材を使用した。一方、硬質の絶縁グリスではこうした枠部材を用いないことが一般的であるため、その実態に合わせて枠部材を使用しなかった。
　高熱伝導性材料のフィラーとしては、これまでに報告されている絶縁性材料であるセラミックのAlN、BN、酸化アルミニウム、ダイヤモンド、及び導電性材料であるAg、Cu、Alカーボンの中から今回の実験に適したものを選んだ。
　保護接合層を構成する樹脂材料には、これまでの報告を参考にしてシリコーン樹脂とエポキシ樹脂を選択した。種類や形態による熱伝導率への影響は小さいが、加圧下でのヒートサイクルテストにおける劣化やポンプアウト現象の有無に大きく影響をする。硬い（硬質）樹脂はポンプアウト現象を防止するために用いられる、その形態にはシート状のものとグリス状のものがある。
　上述した主層及び保護接合層を構成する各種材料の特性を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　既に述べたように、フィラーを分散配置するよりもポールを縦型配置する方が、少量で効率よく絶縁部材の熱伝導性を向上させることができる。また、高熱伝導性絶縁複合部材と被接合部材との接合性を考慮する必要があり、具体的には、加圧下でのヒートサイクルテスト後でも、絶縁耐圧テストに耐えうる十分な絶縁性と、高い熱伝導率とを有することが求められる。こうした課題を今回の提案で解決できるかを検証した。
　実験は、原則として後述の実施例１により試作を行い評価や測定を行った。その結果の一部を表２に示す。また、詳細を表３に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　試作品１～５のいずれについても、主層には、硬質のエポキシ樹脂に30vol%のダイヤモンド片のポールを縦型配置した樹脂複合材料を用いた。この主層の上下面に保護接合層をつけ、全体としてダイヤモンドを21vol%含有する高熱伝導性絶縁樹脂複合部材を作成し評価（ヒートサイクルテスト及び絶縁耐圧テスト）と特性測定（熱伝導率）を行った。
　試作品１では、保護接合層を構成する高熱伝導性樹脂複合材料として、軟質のシリコーン樹脂にAgフィラーを50vol%分散してなるグリス状のもの（熱伝導率5W/m・K）を使用した。また、グリス状の軟質シリコーン樹脂がポンプアウト現象により流出するのを防止するための枠部材を使用した。試作品１では、ヒートサイクルテストと絶縁耐圧テストのいずれにおいても剥離や絶縁破壊は生じず、これらのテスト後に切り出した試験片について測定した熱伝導率も18W/m・Kと良好であった。この結果から、絶縁材料で構成した主層の上下面に樹脂複合材料からなる保護接合層を配置して該主層を劣化から保護し、また被接合部材との接合性を向上することが効果的であることを確認できた。また、30vol%（絶縁部を構成する主層におけるダイヤモンドの含有量。絶縁部材全体でのダイヤモンドの含有量は21vol%）という少量のダイヤモンドの使用で高い熱伝導率が得られた。保護接合層を構成する高熱伝導性樹脂複合材料として、軟質のシリコーン樹脂にAgフィラーを50vol%分散してなるグリス状のもの（熱伝導率5W/m・K）を使用したが問題はなかった。
　試作品２では、保護接合層を構成する高熱伝導性樹脂複合材料として、硬質のシリコーン樹脂にAgフィラーを50vol%分散してなるグリス状のもの（熱伝導率5W/m・K）を使用した。試作品２でも、ヒートサイクルテストと絶縁耐圧テストのいずれにおいても剥離や絶縁破壊は生じず、これらのテスト後に切り出した試験片について測定した熱伝導率も13W/m・Kであった。ただし、熱伝導率は試作品１よりもやや低い値となった。
　試作品３では、保護接合層を構成する高熱伝導性樹脂複合材料として、硬質のエポキシ樹脂にAgフィラーを50vol%分散してなるシート状のもの（熱伝導率5W/m・K）を使用した。試作品３でも、ヒートサイクルテストと絶縁耐圧テストのいずれにおいても剥離や絶縁破壊は生じず、これらのテスト後に切り出した試験片について測定した熱伝導率も11W/m・Kであった。また、ポンプアウト現象は起こらなかった。試作品３では平面度や平坦度の加工精度の良いシート状の樹脂複合材料を使用したが、シート材には流動性がないため被接合部材との接合性が悪く、試作品１よりも熱伝導率が低くなったと考えられる。
　試作品４では、保護接合層を構成する高熱伝導性樹脂複合材料として、軟質のシリコーン樹脂にAlNフィラーを60vol%分散してなるグリス状のもの（熱伝導率5W/m・K）を用いた。試作品４では、グリス状の軟質シリコーン樹脂が流出するポンプアウト現象を防止するために枠部材を使用した。試作品４ではポンプアウト現象により劣化が生じる可能性が推測されたが、特性評価において問題は生じなかった。試作品４の断面を調べたところ、グリス状のシリコーン樹脂が流出するポンプアウト現象を防止するために設けた枠部材が、内部の劣化の修復に役立っているという新しい現象を発見した。AlNフィラーの含有量が60vol%と多かったが、ヒートサイクルテストと絶縁耐圧テストのいずれにおいても剥離や絶縁破壊は生じなかった。また、これらのテスト後に切り出した試験片について測定した熱伝導率は14W/m・Kであった。
　試作品５では、保護接合層を構成する高熱伝導性樹脂複合材料として、硬質のエポキシ樹脂にAlNフィラーを60vol%分散してなるシート状のもの（熱伝導率5W/m・K）を用いた。試作品５では、ヒートサイクルテストを行った段階で被接合物である金属部材と保護接合層の界面に剥離が生じたため、絶縁耐圧テストと熱伝導率の測定は行わなかった。試作品５のヒートサイクルテストで剥離が生じたのは、60vol%という多くのAlNフィラーをエポキシ樹脂に分散し、これをシート状に加工した際にフィラーが破壊されたりネットワークが破断されたりして保護接合層の内部に欠陥が生じ、これに起因して評価時に劣化が起こったためであると考えられる。これは、シート状の硬質の樹脂材料と60vol%以上のAlNフィラーの組み合わせが実用化に適さない事を示唆している。
　試作品６は比較のために作製したものであり、保護接合層を、軟質でグリス状のシリコーン樹脂のみ（熱伝導率0.25W/m・K）のみで構成した。また、グリス状のシリコーン樹脂の流出を防止するために枠部材を使用した。ヒートサイクルテストと絶縁耐圧テストのいずれにおいても剥離や絶縁破壊は生じなかったものの、これらのテスト後に切り出した試験片について測定した熱伝導率は1.4W/m・Kと低かったため、実用には適さない。
　試作品７では、主層として40mm四方、厚さ0.7mmのダイヤモンド基板を用いた。保護接合層は試作品３と同じである。試作品７でも、ヒートサイクルテストと絶縁耐圧テストのいずれにおいても基板での剥離や絶縁破壊は生じず、これらのテスト後に切り出した試験片について測定した熱伝導率も103W/m・Kと良好であった。この結果から、絶縁材料で構成した主層（基板）の上下面に樹脂複合材料からなる保護接合層を配置して該主層を劣化から保護し、また被接合部材との接合性を向上することが効果的であることを確認できた。また、主層がダイヤモンド基板であっても高い熱伝導率が得られた。保護接合層を構成する高熱伝導性樹脂複合材料として、軟質のシリコーン樹脂にAgフィラーを50vol%充填してなるグリス状のもの（熱伝導率5W/m・K）を使用したが問題はなかった。非常に良好な結果であるが高価である。
　試作品８も比較のために作製したものであり、硬質グリス/SiN基板/硬質グリスという構造の絶縁部材である。試作品８ではヒートサイクルテストと絶縁耐圧テストのいずれにおいても剥離や絶縁破壊は生じなかった。しかし、これらのテスト後に切り出した試験片について測定した熱伝導率は1.8W/m・Kであった。
　上記試作品１～８の評価結果から、新しい発想に基づく高熱伝導性絶縁樹脂複合部材の検証結果を以下のようにまとめることができる。
　絶縁部を構成する主層の上下面に、該主層を劣化から保護するとともに、被接合物との接合性を向上するための、軟質の高熱伝導率樹脂材料からなる保護接合層を設けると効果的である。
　保護接合層を構成する高熱伝導性樹脂複合材料について、導電性のものではグリス状のものとシート状のもののいずれも有効である。絶縁性のものでは、ポンプアウト現象を防止するための枠部材を併用すればグリス状のものを用いることができる。なお、導電性でシート状の樹脂複合材料を用いる場合には、構成部材の精度、特に絶縁部材の表裏面を構成する接合層の面精度等を高くしておくことが求められる。
　今回の実験から、保護接合層に、グリス状で軟質の樹脂材料に多くのフィラーを充填した樹脂複合材料を用いた場合でも、ポンプアウト現象を防止するための枠部材を設けておけば問題が起きないことが新たに見出された。
　比較のために作製した試作品８（硬質グリス/SiN基板/硬質グリス）の熱伝導率は1.8W/m・Kであった。この値は、300℃で動作する半導体デバイスを搭載した半導体モジュールへの実装を想定した絶縁材料に求められる熱伝導率の値よりも大幅に低い。
　以上の実験を踏まえた本発明に係る高熱伝導性絶縁複合部材は、
　a) 絶縁樹脂材料と1個又は複数個のダイヤモンド片又はセラミック片である絶縁物片とを含む層であって該1個又は相互に接触する複数個の絶縁物片が該層を厚さ方向に貫通し該層の表面から露出するように配置されてなる主層、またはダイヤモンド基板又はセラミック基板からなる主層と、
　b) 前記主層を保護し被接合部材との接合性を高めるために前記主層の表面及び裏面に配置された層であって、樹脂、ガラス、及びオイルのうちの1つ又は複数の組み合わせからなる母材の内部に、該母材よりも熱伝導率が高い物質のフィラーを分散してなる熱伝導率が5W/m・K以上の樹脂複合材料により構成された保護接合層と
　を備え、
　厚さ方向に0.2kg重/cm2（19.6kPa）の圧力を加えた状態で-40℃への冷却と150℃への加熱を100回繰り返すヒートサイクルテストにおいて前記主層と前記保護接合層の間に剥離が生じず、
　前記ヒートサイクルテスト後に3.0kVのAC電圧を1分間印加する処理を3回繰り返す絶縁耐圧テストを行っても絶縁破壊が生じず、
　前記ヒートサイクルテスト及び前記絶縁耐圧テストを行った後の熱伝導率が10W/m・K以上である
　ことを特徴とする。
　前記主層では、単一の絶縁物片が主層を貫通するように配置されていてもよく、相互に接触することによりネットワーク化された複数の絶縁物片が主層を貫通するように配置されていてもよい。即ち、１個又は複数個の絶縁物片が上述のように縦型配置されたものであればよい（縦型配置構造）。絶縁物が主層の厚さ方向に貫通する（主層の厚さ方向に熱路を構成する）という要件を同じく満たす、ダイヤモンド基板又はセラミック基板を主層として用いることもできる。なお、前記の縦型配置構造の場合、絶縁物片としては粒状のもの、チップ状のもの等、種々の形状のものを用いることができる。前記フィラーは、保護接合層の表面から大きく突出することがなければよく、保護接合層自体の厚さと同程度以下の、適宜の大きさ及び形状のものを用いることができる。
　本発明に係る高熱伝導性絶縁複合部材において、前記主層に含まれる絶縁材料又は前記保護接合層に含まれる材料が軟化しやすいものである場合には
　c) 前記主層又は前記保護接合層の外周に設けられた枠部材
　を備えることが好ましい。
　上記枠部材は、主層に含まれる絶縁材料と保護接合層に含まれる材料の特性に応じて配置を決めればよく、主層のみ又は保護接合層のみの外周に設けられていてもよいし、それら全ての外周を囲うように設けられていてもよい。
　半導体モジュールに本発明に係る高熱伝導性絶縁複合部材を用いることにより、高い熱伝導性を有し、半導体デバイスの動作に伴う加圧下での温度変化（ヒートサイクル）が繰り返されても絶縁破壊、熱伝導性の低下、あるいは部材間の剥離が生じにくいという利点が得られる。
本発明に係る高熱伝導性絶縁複合部材の一実施例の構成図。
　はじめに、上述した新しい発想の技術的思想に基づく高熱伝導性絶縁複合部材の技術的思想を説明する。なお、本発明に係る高熱伝導性絶縁複合部材として上記した具体的な構成はこの技術的思想に基づいて採りうる構成の一部であり、またその特性要件の値も、この技術的思想に基づいて構成し得る高熱伝導性絶縁複合部材が採り得る値を特に好ましい範囲に限定したものである。
１．構造と評価の考え方
　上述の実験における試作品１～８の評価結果から、高熱伝導性絶縁複合部材では、絶縁材料からなる主層に、該主層を保護し被接合物（放熱基板電極、冷却器の金属部材等）との接合性を高めるための保護接合層を配置することが有効であることが見出された。
　上記の結果から、新しい発想の技術的思想に基づく高熱伝導性絶縁樹脂複合部材の技術的思想を、
　絶縁樹脂材料に、1又は複数のセラミック、ダイヤモンド等の高熱伝導性絶縁材料の個片を縦型配置又は分散配置してなる樹脂複合材料、又は高熱伝導性絶縁材料の基板からなる主層と、
　前記主層を保護し被接合部材（放熱基板や放熱基板電極、あるいは冷却器の金属部材など）との接合性を高めるために該主層の表面及び／又は裏面に配置される層であって、樹脂材料（絶縁性樹脂の場合、好ましくはその硬度50以下のもの、即ち硬度が中程度よりも軟質のものを用いる）等からなる母材の内部に、金属等の、母材よりも熱伝導率が大きい物質からなる導電性フィラーを分散配置してなる、熱伝導率が3W/m・K以上の複合材料により構成された保護接合層を備え、
　厚さ方向に0.2kg重/cm2（19.6kPa）の圧力を加えた状態で-40℃への冷却と150℃への加熱を100回繰り返すヒートサイクルテストにおいて前記主層と前記保護接合層の間に剥離が生じず、
　前記ヒートサイクルテスト後に3.0kVのAC電圧を1分間印加する処理を3回繰り返す絶縁耐圧テストを行っても絶縁破壊が生じず、
　前記ヒートサイクルテスト及び前記絶縁耐圧テストを行った後の熱伝導率が5W/m・K以上（より好ましくは10W/m・K以上）である、と表現することができる。また、上述のとおり、必要に応じてポンプアウト現象を防止するための枠部材を適宜に設けるとよい。
２．主層
　絶縁樹脂材料からなる母材（第1母材）に、セラミックやダイヤモンドといった高熱伝導性絶縁材料に縦型配置（高熱伝導性絶縁材料を主層の厚さ方向に貫通させて該主層の表面に露出させた構造であり、複数個の高熱伝導性絶縁材料がネットワーク化して主層を貫通するものを含む）してなる樹脂複合材料、もしくは高熱伝導性絶縁材料の基板（これも一種の縦型配置に相当する）を主層として用いる。
　主層を構成する絶縁材料は高熱伝導性絶縁複合部材全体としての絶縁性を確保する。しかし、半導体モジュールに実装する際に必要とされる加圧下でのヒートサイクルテスト等の評価において、構造が劣化して接合信頼性や特性の低下が起こる問題がある。これまではポンプアウト現象から硬質の樹脂にセラミック及びダイヤモンドを縦型配置した構造が望ましいとされていたが、上述した試作品の実験結果から、軟質の樹脂でもポンプアウト現象への対策の枠部材を設ければ使用することが可能である。
　高熱伝導性材料の個片には、粒状のもの、チップ状のもの等、種々の形状のものを用いることができる。また、該個片は、単一片が主層を貫通するように配置されていてもよく、相互に接触することによりネットワーク化された複数の片が主層を貫通するように配置されていてもよい。主層を貫通し、その表裏面から露出するように配置可能なものであれば、大きさについて細かな指定はない。
　さらに、主層の厚さ方向に熱路を構成するという要件を満たすことができるという点で、高熱伝導性絶縁材料（セラミック、ダイヤモンド）の基板を主層として使用することができる。また、これらの基板から切り出したり分割したりしたものを用いることもできる。本願明細書では、これらの基板を主層に用いる場合を含めて縦型配置とする。セラミックは厚みが薄いものは熱抵抗が小さいが高価である。ダイヤモンドは厚くなると極端に高価になるので薄いものが選ばれる。
　主層の厚さは、高熱伝導性絶縁複合部材全体の平均厚さに対して40%以上95%以下の範囲であることが好ましい。この範囲よりも薄いと絶縁耐圧が不足する可能性がある。また基板を使用する場合には劣化が起こりやすくなる。一方、この範囲よりも厚い複合樹脂材料を主層として用いると座屈が生じやすくなり、この範囲よりも厚い基板を主層として用いると信頼性が低下しやすい。さらに、ダイヤモンド基板の場合は高価になる。なお、この対策として金属やセラミックより柔軟な樹脂材料等に高熱伝導性のフィラーを分散配置した複合材料からなる保護接合層を主層の表裏面に配置する構造を採ることによりこの問題を解決することができた。主層を構成する絶縁材料と、保護接合層を構成する複合材料の組み合わせの最適化が優れた開発品を生む。
　主層には、絶縁性で高熱伝導性を有する材料から構成する樹脂複合材料からなるもの、もしくは基板を用いる。例えば、絶縁性の樹脂材料にポールを導入してなる樹脂複合材料を用いる場合、ポールが主層の縦方向（厚さ方向）に貫通するように配置（縦型配置）されて熱路を構成し、該ポールが主層の表面から露出した構成を採ることができる。ここでいう露出とは、主層を表面あるいは裏面から見たときに、ポールが見える状態を言い、該高熱伝導性絶縁材料が主層の表裏面から突出した状態や、表裏面から陥没した状態が含まれる。主層には、縦型配置には高熱伝導率絶縁材料からなる基板（セラミック基板等）を用いることもできる。
　主層を樹脂複合材料から構成する場合、その母材となる樹脂材料として、例えばシリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、PPS樹脂等を用いることができる。母材には、その他の樹脂、ゴム、ガラス、オイルなどを使用することもできるが、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂を用いることが好ましい。なお、オイル等の液状の材料を母材として主層を構成する場合には、その上下に配置される保護接合層と枠部材で流出を防止するように構成すればよい。
　また、樹脂材料の硬さはハードネスゲージを用いて測定される硬度0～80の値で表される。また、この測定にはJIS規格があり、種々の樹脂やゴムの硬さが測定されているが種類が異なると硬度の値が同じでも感触が異なる等の問題がある。硬さ0は液状である。本発明者による調査から、硬さ5～50の樹脂材料を用いる場合にはポンプアウト現象の対策のための枠部材を設ける必要がある。硬質の樹脂材料を用いるとポンプアウト現象が起こる可能性は低減されるが劣化や被接合物との接合性が低くなる可能性がある。また、形態はシート状のもの、グリス状のもの等、樹脂材料の形態は状況に応じて適宜に選択することができるが、主層を構成する樹脂複合材料はシート状のものが製造しやすく望ましい。
　樹脂材料に細径の高熱伝導性絶縁物質を充填してなる樹脂複合材料を、該材料のポンプアウト現象を防止するための枠部材とともに用いる場合には、軟質の樹脂材料や硬度5～50のグリス状の樹脂材料を用いることが望ましい。
　高熱伝導性絶縁材料のポールとしてはセラミックやダイヤモンドを好適に用いることができる。また、最大寸法が1μm以上1000μm以下の粒子、チップ、鱗片体、破壊片等のものを用いることができ、またそれらを組み合わせて用いることもできる。1μm未満の粒子を用いると粒子の表面積が大きくなるため主層内に欠陥が発生する可能性が高くなる。一方、1000μmを超える大きさのものは高価である。薄いセラミック基板は熱抵抗が小さいが高価である。ダイヤモンドは厚くなると極端に高価になるので薄いものが選ばれる。
　樹脂材料からなる母材にポールを縦型配置する方法として、例えば以下のような方法が考えられる。
　1つ目の方法（方法１）として、大きな1個のポール体が主層を貫通するように樹脂材料に充填し、これを主層の表面から露出させる製法である。この方法では、少ない量で熱伝導率を最も効率よく向上させることができる（後述の製造方法１に対応）。しかし、大きなポールは高価であり、また樹脂材料に正確に配置するために製造コストがかかるという問題がある。なお、本願明細書における「ポール」は、主層を厚さ方向に貫通しその表面から露出するように配置される個片を意味するものであって、円筒形状のものに限らず、球状等の他の形状であってもよい。
　2つ目の方法（方法２）として、樹脂材料に大きなポールの粒子とダミーの粒子（Al2O3、AlN、樹脂、ガラス、ゴム等の粒子）を、両粒子の含有量の合計が50vol%以上となるように導入し、それを型に入れることによりポールを位置決めすることができる。粒子の含有量の比率を変えることでポールの含有量を増減することができる（後述の製造方法２に対応）。
　3つ目の方法（方法３）は大きな高熱伝導性絶縁材料の粒子を使用しないでポールを製作する方法であり、これは上述の試作品３の作製過程で見出した方法とCuWやCuMoからなる部材の作製に用いられる含浸法を組み合わせた技術である。例えば、粒径が100μmと10μmである高熱伝導性絶縁材料の混合粒子を型に入れ、粒子が上下方向に接触したスケルトンを作り、そこに柔らかい樹脂を含浸させるというものである。高熱伝導性絶縁材料の含有を70vol%以上（粒径100μmの粒子と粒径10μmの粒子の混合比率は7：3であり、更なる最適化は実験により混合粒子の比率を求めることが可能である）とすることにより、高熱伝導性絶縁材料の粒子をネットワーク化し、主層の厚さ方向に貫通させ、その端部を表面から露出させることができる（後述の製造方法３に対応）。
　方法３については、主層の作製だけでなく、ポンプアウト現象への対策のための枠部材を併用することにより高熱伝導性絶縁樹脂複合部材の全体を作製する方法として用いることもできる。ただし、絶縁部材が、半導体モジュールに実装して用いられるという実態に即した加圧下でのヒートサイクルテスト等を行った後でも、絶縁耐圧テストに耐えうる十分な絶縁性と、高い熱伝導率とを有することが求められる。ヒートサイクルテスト等による評価を行った後の品物の断面を調べたところ、表裏面にフィラーの含有量が少ない層（本発明における保護接合層に相当）が形成され全体として3層構造になっている。つまり、本発明の高熱伝導性絶縁複合部材の構成要件を満たす。
　上記の方法１～３により作製される主層は、絶縁部材の全体にわたって設けてもよく、あるいは絶縁部材のうち、発熱体である半導体デバイスが配置される領域に対応する部分に集中して設け、冷却効率を向上させるようにしても良い。また、上記の方法１～３により作製した主層を上記方法１におけるポールとして用いることもできる。さらに、絶縁樹脂材料が厚くなると実際の使用を想定した加圧下でのヒートサイクルテストでの内部破断等が起こりやすくなるが、これは主層を多層構造にすることにより緩和できる可能性がある。
　高熱伝導性絶縁材料のポールは、実際の製品を考えると、主層の表面及び裏面の10%以上70％以下の範囲で露出していることが望ましい。高熱伝導性絶縁材料が露出する面積が10%よりも少ないと、高い熱伝導性が得られにくい。一方、熱伝導性絶縁材料が露出する面積が70%以上になると、表面に占める樹脂材料の割合が小さくなりすぎて脆くなる。主層が高熱伝導性絶縁材料の基板である場合、主層の表面及び裏面に高熱伝導性絶縁材料が露出する面積が100%となる（換言すれば主層の表面及び裏面の全体に高熱伝導性絶縁材料が露出した状態である）が、樹脂材料を使用したものではないため上記の問題が生じる心配はない。
　樹脂材料のポンプアウト現象を回避するために、枠部材のほか、他の形状のストッパーを配置することも考えられるが、主層（及び接合層）の外周を覆うような形状の枠部材を用いることが最も簡単であり確実にポンプアウト現象を防止することができる。枠部材は絶縁性を有し主層や保護接合層との接合性が良好な材料からなるものを用いればよく、特定の材料からなるものには限定されない。主層や保護接合層の一方が軟質である場合には、ポンプアウト現象を回避するための枠部材の取り付けが必要である。
　また、マイグレイションが心配な場合には保護接合層のフィラーとしてAgを使用しなければよい。また、湿度対策はポンプアウト対策の枠部材で大気中の水分等を主層及び保護接合層から遮断することで回避できる。
３．保護接合層
　次に保護接合層は樹脂の柔軟性と接合性を利用するものである。主層の劣化を防止するため、また被接合物との接合性を向上するために用いる。保護接合層は、樹脂材料からなる母材（第2母材）に、該母材よりも熱伝導率が大きい物質のフィラーを分散配置してなる樹脂複合材料を用いることが好ましい。上記の通り、主層により絶縁部材としての絶縁性が担保されるため、保護接合層に使用する樹脂複合材料は、導電性、絶縁性のいずれであってもよい。また、これらの多層であってもよい。フィラーは、保護接合層の表面から大きく突出することがなければよく、保護接合層自体の厚さと同程度以下の、適宜の大きさ及び形状のものを用いることができる。
　樹脂材料に導電性フィラーを導入した樹脂複合材料を用いる場合、その母材となる樹脂材料として、例えばシリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、PPS樹脂等を用いることができる。母材には、その他の樹脂、ゴム、ガラス、オイルなどを使用することもできるが、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂を用いることが好ましい。また、上記材料の複数を組み合わせて母材を構成してもよい。なお、オイル等の液状の材料を母材として保護接合層を構成する場合には、その上下に配置される被接合物（放熱基板電極や冷却器の金属部材）と枠部材で流出を防止するように構成すればよい。
　樹脂複合材料（あるいは樹脂材料）の樹脂硬さの指標には、ハードネスゲージで測定される硬度0～100があり、その測定方法はJIS規格で定められ、樹脂やゴムの硬度の指標として用いられている。しかし、樹脂の種類が異なった場合に硬度による比較は目安でしかない問題がある。上述の調査結果から硬度50以下の樹脂材料を使用する場合にはポンプアウト現象への対策のために枠部材を設けておく必要があると考えられる。硬質の樹脂材料を用いるとポンプアウト現象が起こる可能性は低減されるが劣化や被接合物との接合性が低くなる。また、形態はシート状のもの、グリス状のもの等、樹脂材料の形態は状況に応じて適宜に選択することができる。被接合物との接合性を向上する観点から軟質（柔軟なものあるいは中程度の硬度）のものであることが好ましく、そうした特性を有するものの中から使用状況に応じて適宜の種類のものを選択することができる。各部材の寸法や平面度などのバラツキが少ない場合には硬質樹脂のシートを使用することもできる。
　上述した主層には、高熱伝導性材料が主層の表面から突出したものが含まれ、突出したポールは保護接合層の内部に食い込むことになる。従って、保護接合層は、ポールの食い込みを許容し、かつ接合性を維持できるような柔軟性を有するものとすることが好ましい。また、被接合物との接合性の観点では、各部材の精度（例えば面精度）が担保されている限りにおいて、柔軟性及び密着性を有するシート状の物を用いることができる。しかし、各部材の加工精度の実態を考えると柔らかく、流動性があり、密着性が高いグリス状のものを用いることが望ましい。
　保護接合層の厚さは、主層の表裏面に配置される層の両方を合わせて平均厚みで0.03mm以上1.50mm以下の範囲内であることが望ましい。これよりも薄くなると主層を保護し評価時の劣化を修復することが難しい。また、これよりも厚くなると座屈が生じやすくなり、ヒートサイクルテストで内部破断が起こる可能性がある。また、保護接合層は、高熱伝導性材料が均一に分散配置されたものであることが望ましい。使用する樹脂材料は柔らかく、流動性、密着性、各部材との接合性が良いものが望ましい。これらの要件を満たす限りにおいて、保護接合層の形状はシート状のものであってもよく、グリス状のものであってもよい。絶縁部材全体としての放熱性の向上を図る観点から、保護接合層の熱伝導率は3W/m・K以上、好ましくは熱伝導率5W/m・K以上である。
　これらの要件を満たせば、保護接合層が導電性であるか絶縁性であるかを問わないが、一般に、導電性の樹脂複合材料の方が熱伝導性等の特性に優れており、また絶縁破壊を生じる心配もない。
　導電性の樹脂複合材料は、既に半導体のICやLSI用の高熱伝導性接合材料として販売されている。こうした材料では、樹脂材料に導入されるフィラーとなる金属の熱伝導率が高い。例えば、Alの熱伝導率は230W/m・K、Cuの熱伝導率は393W/m・K、Agの熱伝導率は420W/m・Kといずれも高い。また、熱伝導率の向上に適した形状のフィラーが存在する。このフィラーは低融点金属を相互に接合して強固なネットワークを形成させたものであり、安定した高品質の品物を安価で入手することが可能である。低融点金属とは、Sn、Pb、あるいはそれらの合金といった、低融点（例えば融点が350℃以下である）の金属である。金属フィラーは、セラミックフィラーよりも樹脂材料との濡れ性が良く、また少量で熱伝導率を向上させることができることから、保護接合層を構成する樹脂複合材料に導入する高熱伝導性材料に適している。樹脂材料とナノ金属（ナノサイズの金属粒子）からなるナノ金属接合材料を用いてもよい。その他、様々な硬度のシート材やグリス材が販売されている。
　絶縁性の樹脂複合材料の構造も導電性の樹脂複合材料と基本的には同じ構成を有しているが、フィラーとして用いられるAl2O3、AlN、SiN、BNやダイヤモンドの含有率が高いものは脆く、劣化に弱いという問題がある。特に硬質の樹脂複合材料からなるシート材では、高熱伝導性材料が樹脂材料に食い込むと、そこで生じた欠陥が起点となり劣化が促進する。従って、硬い樹脂複合材料のシート材は適さない。柔らかい樹脂複合材料については、ポンプアウト現象を防止するための枠部材を設ければよい。なお、導電性の樹脂複合材料と絶縁性の樹脂複合材料を組み合わせて保護接合層を構成してもよい。また、ポンンプアウト現象への対策のための枠部材を設け、柔らかい樹脂を使用することで加圧下でのヒートサイクルテストで劣化を修正する機能を果たすという現象を発見した。
　本発明の高熱伝導性絶縁複合部材は、半導体モジュールに実装され、半導体デバイスで発生した熱を効率的に冷却器に伝えるために用いられる。特に、半導体モジュールのように、熱路で絶縁性を担保する必要があり、かつ効率的に熱を伝えることが求められる場合に好適に用いることができる。具体的な用途には、IGBTモジュール、マイクロ波通信用モジュール、ICモジュール、LSIモジュール、LEDモジュール等が挙げられる。
　本発明者が提案する高熱伝導性複合部材では、絶縁材料からなる主層の表面及び／又は裏面に、該主層を保護するとともに被接合部材との接合性を向上する、熱伝導率が3W/m・K以上（好ましくは5W/m・K以上）である複合材料からなる保護接合層を配したものである。主層には、絶縁樹脂材料に高熱伝導性絶縁材料を導入してなる絶縁性の樹脂複合材料や、絶縁性の基板が用いられる。絶縁性の樹脂複合材料は、主層を厚さ方向に貫通するように高熱伝導性絶縁材料（ポール）を配し、その端部を主層の表面から露出させた構成のものとすることができる。主層の母材となる樹脂材料には、柔軟性を有し、熱伝導率が3W/m・K以上であるグリス状の樹脂複合材料や、熱伝導率が5W/m・K以上であるシート状やグリス状の樹脂複合材料を用いることができる。
　電気自動車等で使用されるIGBTモジュールにおいて用いられる、Cu板、NiメッキされたCu板、あるいはNiメッキされた合金からなる放熱基板や放熱基板電極は、一体型のものでは最大220mm×170mm、厚さ3.0～5.0mmであり、分割型のものでは40mm四方、厚さ1.0～2.0mmである。また、冷却器にはこれらよりも十分に大きなCu板、NiメッキされたCu板、もしくはAl合金等の合金からなる板材が用いられる。これらの平面度、平坦度、あるいは寸法のバラツキや部材間の平行度を考慮すると、高熱伝導性絶縁樹合部材の厚さは0.2mm以上2.0mm以下の範囲内であることが好ましい。厚さが0.2mm未満になると放熱基板電極と冷却器の線膨張係数の差によって生じる熱応力で剥離が生じる可能性が高まる。また、厚さが2.0mmよりも大きいと振動での内部破断に至りやすい。また、金属部材には平面度、平坦度、また、寸法にバラツキがあり、更に部材間の平行度の問題もある。実態に適応することを考慮し、開発する絶縁部材の大きさを40mm四方、厚さ1.0mmとした。また、評価や測定は上下に金属部材を接合した状態で行った。
　従来、絶縁部材の開発では、主にシート材を製作し、それから切り出した小片の評価品を用いて個別に耐圧テストやヒートサイクルテスト、ポンプアウト現象の評価を行っていた。しかし、これらの評価では、半導体モジュール等に実装した状態での特性（劣化や接合信頼性、ポンプアウト現象）を確認することはできない。従って、被接合部材である放熱基板電極や冷却器などを想定した大型の金属部材に実際に接合した状態で加圧下でのヒートサイクルテスト等の評価を行う必要がある。これらの評価は従来のものに比べて厳しく、また絶縁部材の使用実態にも合っている。
　次に、本実施例の高熱伝導性絶縁複合部材の評価方法を説明する。
　本実施例では、ヒートサイクルテスト及び絶縁耐圧テストにおける構造の劣化、放熱基板電極等との接合性の評価、及びポンプアウト現象の有無を確認した。また、加圧下でのヒートサイクルテスト及び絶縁耐圧テスト後の熱伝導率を測定した。なお、構造に劣化が生じた場合でも、必ずしもポンプアウト現象が起こるわけではない。つまり、構造にわずかな劣化があっても、ポンプアウト現象を引き起こすようなものでなければ問題は生じないと考えられる。もちろん、構造の劣化が生じないことが好ましいことは当然である。
　評価、測定に際しては、40mm四方、厚さ1.0mmという大きさで高熱伝導性絶縁複合部材の特性を確認するため、上下面にそれぞれ、40mm四方、厚さ1.0mmであるNiメッキ処理が施されたCu板とAl板を接合した。主層と保護接合材層のいずれかに軟質な樹脂材料が含まれる場合にはポンプアウト現象への対策のために枠部材を設けた。こうして全体として40mm四方、厚さ3.0mmの大きさである試料を作製し、各種の評価を行った後に熱伝導率を測定した。
　耐熱性、接合性、ポンプアウト現象の確認と評価においては、上記試料（40mm四方、厚さ3.0mm）の厚さ方向に0.2kg重/cm2（19.6kPa）の圧力を加えた状態で、-40℃への冷却と150℃への加熱を100回繰り返すヒートサイクルテストを行い、信頼性の確認（剥離や割れおよび樹脂の流れだしの有無の確認）を行った。
　次に、ヒートサイクルテストを行った試料について、絶縁特性を評価するために、絶縁耐圧試験機（日置電機社製、絶縁耐圧試験機3153型）を用いて、AC3.0kVの電圧を1分間印加するテスト（絶縁耐圧テスト）を3回行い、絶縁破壊の有無を確認した。
　続いて、絶縁耐圧試験を行った後の試料から、レーザ加工機により直径10mm、厚さ3.0mmの大きさで切りだした円板状の試験片について、熱伝導測定器（アドバンス理工社製　FTC-RT）を用いてレーザーフラッシュ法により熱伝導率を測定した。この試験片は上下にCu板の金属板が接合された状態のものである。そこで、別途、SPS装置を用いて、厚さ1.0mmのCu板の上下に、厚さ1.0mmのNiメッキ処理が施されたCu板と厚さ1.0mmのAl板を接合（圧力1.5kg重/cm2（147kPa）、温度850℃、処理時間3秒）したものを作製して同じ測定を行って得られた熱伝導率との比較により、各実施例の高熱伝導性絶縁樹脂複合部材の熱伝導率を求めた。熱伝導率の評価の基準を5W/m・K以上とし、より好ましい基準を10W/m・K以上、更に好ましい基準値を20W/m・K以上とした。
　以下、本発明に係る高熱伝導性絶縁複合部材の実施例である高熱伝導性絶縁樹脂複合部材の製造方法１～３（評価用試料の作製と、特性評価に関する工程を含む）を説明する。
＜製造方法１＞
　製造方法１における工程を順に説明する。後述の実施例１～５は製造方法１により作製した。
　工程１：100mm四方、厚さ3mmのガラス板を準備し、その一面に離型剤を塗る。
　工程２：100mm四方、厚さ0.1mmのSUS板の中央に40mm四方の孔を空け、その上下面に離型剤を塗布したガイド部材Ａを2枚作製する。
　工程３：作製した2枚のガイド部材Ａうちの1枚を、離型剤が塗られたガラス板の面に重ね、ガイド部材Ａの孔の内部に型取り用のシリコーン樹脂を流し入れて摺り切り、その上に離型剤を塗る。
　工程４：100mm四方、高さ0.7mmのSUS板に1.2mm四方の孔を400個均等に設けた、高熱伝導性絶縁材料の位置決めのためのガイド部材Ｂを作製し、その上下面に離型剤を塗布して、工程３で作製した部材の上に重ねる。
　工程５：工程４で作製したガイド部材Ｂの孔全てに、高熱伝導性絶縁材料である1.1mm×0.7mmのチップ状のダイヤモンド片を導入して軽く押さえ、工程３でガイド部材Ａの孔に導入した型取り用のシリコーン樹脂に仮止めする（少量のフィラーを位置決めのために固定する）。
　工程６：ガイド部材Ｂを除去する。
　工程７：100mm四方、厚さ0.7mmのSUS板の中央に40mm四方の孔を設けたガイド部材Ｃの上下面に離型剤を塗布し、これをガイド部材Ａの上に重ねたあと、ガイド部材Ｃの孔にエポキシ樹脂を流し入れる。
　工程８：ガイド部材Ｃの上からシリコーンゴム製のロールを掛け厚みで擦り切り余分なエポキシ樹脂を除去する。
　工程９：100mm四方、厚さ3mmのガラス板に離型剤を塗布してガイド部材Ｃの上に置き、0.2kg重/cm2（19.6kPa）の圧力で押さえる。
　工程１０：工程９でガラス板を載せた状態のものを真空雰囲気に置き、エポキシ樹脂を硬化させた後、上下のガラス板とガイドＡを取り外す。
　工程１１：工程１０においてエポキシ樹脂を硬化させた部材の上下面を、バフ毛に研磨剤が付いた研磨材で研磨し、ダイヤモンド表面に付いた樹脂や汚れを除去する。これにより、エポキシ樹脂からなる母材の内部にダイヤモンドからなる高熱伝導性絶縁材料を30vol%導入した高熱伝導性絶縁樹脂複合材料で構成された主層が得られる。
　工程１２：上記工程とは別に、100mm四方、厚さ3mmのガラス板を2枚準備し、それぞれの一面に離型剤を塗る。
　工程１３：100mm四方、厚さ0.15mmのSUS板の中央に40mm四方の孔を空け、その上下面に離型剤を塗布したガイド部材Ｄを2枚作製し、それぞれを工程１２で準備したガラス板の上に重ねる。
　工程１４：2枚のガイド部材Ｄの孔にそれぞれグリス状の導電性樹脂複合材料（熱伝導率3W/m・K）を流し入れて擦りきりしたものを作製する。
　工程１５：工程１４において導電性樹脂複合材料を流し入れたものを、工程１１で得られた主層の上下に重ね、0.2kg重/cm2（19.6kPa）の圧力をかけつつ真空中で接着する。その後、2組のガラス板とガイドＤを除去する。こうして、全体として21vol%のダイヤモンドを含有した40mm四方、厚さ1.0mmの高熱伝導性絶縁樹脂複合部材が得られる。
　工程１６：工程１５で得られた高熱電導性絶縁樹脂複合部材の上下面にそれぞれ、40mm四方、厚さ1.0mmの、Niメッキ処理が施されたCu板と、Al板とを取り付け、0.5kg重/cm2（49.0kPa）の圧力をかけつつ真空中で接着する。こうして作製した40mm四方、厚さ3mmの部材の外周にポンプアウト対策の枠部材を設け評価用試料とした。
　工程１７：工程１６により作製した評価用試料についてヒートサイクルテスト及び絶縁耐圧テストを行い、その後、熱伝導率を測定した。
＜製造方法２＞
　製造方法２では、主層の内部にチップ状の高熱伝導性絶縁材料を縦型配置し、さらに高熱伝導性絶縁材料を分散配置して高熱伝導性絶縁樹脂複合部材を作製する。この製造方法２により後述の実施例６から１３の高熱伝導性絶縁樹脂複合部材を作製した。製造方法２により作製される高熱伝導性絶縁樹脂複合部材の構成を図１に示す。この製造方法では、母材１１に高熱伝導性絶縁材料１３（ダイヤモンド粒子）とダミー粒子１２（酸化アルミニウム粒子）とが配置された主層１０が形成され、その表裏面に設けられた保護接合層１５に高熱伝導性絶縁材料１３の端部が食い込んだ状態の高熱伝導性絶縁樹脂複合部材１が得られる。また、図１に示すように、主層１０や保護接合層１５の外周には適宜に枠部材１４を設けることができる。
　以下、製造方法２における工程を順に説明する。
　工程１：100mm四方、厚さ3mmのガラス板を2枚準備し、それぞれの一面に離型剤を塗る。
　工程２：100mm四方、厚さ0.1mmのSUS板の中央に40mm四方の孔を空け、その上下面に離型剤を塗布したガイド部材Ａを2枚作製する。
　工程３：作製した2枚のガイド部材Ａうちの1枚を、離型剤が塗られたガラス板の面に重ね、ガイド部材Ａの孔の内部に型取り用のシリコーン樹脂を流し入れて摺り切り、その上に離型剤を塗る。もう1枚のガイド部材Ａについても同様の処理を行う。
　工程４：100mm四方、厚さ0.7mmのSUS板の中央に40mm四方の孔を設けたガイド部材Ｂを作製し、その上下面に離型剤を塗布する。
　工程５：工程３で作製したものの一方に、ガイド部材Ｂを重ねる。
　工程６：100mm四方、厚さ0.1mmのSUS板の中央に40mm四方の孔を設けたガイド部材Ｃを作製し、その上下面に離型剤を塗布する。
　工程７：工程６で作製したガイド部材Ｃを工程５で作製した部材の上に重ねる。
　工程８：工程７で作製した部材の中央に形成されている、40mm四方、厚さ0.8mmの孔に、エポキシ樹脂、粒径0.9mmのダイヤモンド粒子（30vol%）、及び粒径0.6mmのダミーのAl2O3粒子（球状、30vol%）の混合物を流し入れて擦り切る。
　工程９：工程８で作製したものに、離型剤と塗布したSUSの□100四方、厚さ3mmのSUS板を重ねて押さえ、型取り用のシリコーン樹脂にダイヤモンド粒子を0.1mm食い込ませる。
　工程１０：ガイドＣを除去し、工程３で作製したものの他方（工程５以降で使用していないもの）を反転し、重ね合わせて加圧することにより型取り用のシリコーン樹脂にダイヤモンド粒子を0.1mm食い込ませる。
　工程１１：工程１０においてエポキシ樹脂を硬化させた部材の上下面を、バフ毛に研磨剤が付いた研磨材で研磨し、ダイヤモンド表面に付いた樹脂や汚れを除去する。これにより、エポキシ樹脂からなる母材の内部にダイヤモンド粒子を縦型配置して両端を露出させ、さらにAl2O3粒子を分散配置した絶縁樹脂複合材料で構成された主層が形成される。
　工程１２：上記工程とは別に、100mm四方、厚さ3mmのガラス板を2枚準備し、それぞれの一面に離型剤を塗る。
　工程１３：100mm四方、厚さ0.15mmのSUS板の中央に40mm四方の孔を空け、その上下面に離型剤を塗布したガイド部材Ｄを2枚作製し、それぞれを工程１２で準備したガラス板の上に重ねる。
　工程１４：2枚のガイド部材Ｄの孔にそれぞれグリス状の導電性樹脂複合材料（熱伝導率3W/m・K）を流し入れて擦りきりしたものを作製する。
　工程１５：工程１４において導電性樹脂複合材料を流し入れたものを、工程１１で得られた主層の上下に重ね、0.2kg重/cm2（19.6kPa）の圧力をかけつつ真空中で接着する。その後、2組のガラス板とガイドＤを除去する。こうして、全体として21vol%のダイヤモンドを含有した40mm四方、厚さ1.0mmの高熱伝導性絶縁樹脂複合部材が得られる。
　工程１６：工程１５で得られた高熱電導性絶縁樹脂複合部材の上下面にそれぞれ、40mm四方、厚さ1.0mmの、Niメッキ処理が施されたCu板と、Al板とを取り付け、0.5kg重/cm2（49.0kPa）の圧力をかけつつ真空中で接着する。こうして作製した40mm四方、厚さ3mmの部材の外周にポンプアウト対策の枠部材を設け評価用試料とした。
　工程１７：工程１６により作製した評価用試料についてヒートサイクルテスト及び絶縁耐圧テストを行い、その後、熱伝導率を測定した。
＜製造方法３＞
　製造方法３では、主層の内部に高熱伝導性絶縁材料を分散配置してなる高熱伝導性絶縁樹脂複合部材を作製する。この製造方法３により後述の実施例１４及び１５の高熱伝導性絶縁樹脂複合部材を作製した。
　以下、製造方法３における工程を順に説明する。
　工程１：100mm四方、厚さ3mmのガラス板を準備し、その一面に離型剤を塗る。
　工程２：100mm四方、厚さ0.1mmのSUS板の中央に40mm四方の孔を空け、その上下面に離型剤を塗布したガイド部材Ａを2枚作製する。
　工程３：作製した2枚のガイド部材Ａうちの1枚を、離型剤が塗られたガラス板の面に重ね、ガイド部材Ａの孔の内部に型取り用のシリコーン樹脂を流し入れて摺り切り、その上に離型剤を塗る。
　工程４：100mm四方、高さ0.7mmのSUS板の中央に40mm四方の孔を空け、その上下面に離型剤を塗布したガイド部材Ｂを作製し、工程３で作製した部材の上に重ねる。
　工程５：ガイド部材Ｂに、粒径0.1mmのダイヤモンド粒子と粒径0.01mmのダイヤモンド粒子を7：1の割合で混合したものを、主層中の含有量が70vol%となる分量で導入し、スケルトンを作り擦り切る。そして、エポキシ樹脂を含浸して擦り切る。
　工程６：ガイド部材Ｂを除去する。
　工程７：離型剤を塗った100mm四方、厚さ3mmのガラス板を載せ、0.2kg重/cm2（19.6kPa）の圧力で押さえる。
　工程８：工程７でガラス板を載せた状態のものを真空雰囲気に置いてガス抜きした後、上下のガラス板とガイドＡを取り外す。これにより、エポキシ樹脂からなる母材の内部に70vol%のダイヤモンド粒子（高熱伝導性絶縁材料）を導入した高熱伝導性絶縁樹脂複合材料で構成された主層が得られる。
　工程９：上記工程とは別に、100mm四方、厚さ3mmのガラス板を2枚準備し、それぞれの一面に離型剤を塗る。
　工程１０：100mm四方、厚さ0.15mmのSUS板の中央に40mm四方の孔を空け、その上下面に離型剤を塗布したガイド部材Ｄを2枚作製し、それぞれを工程１２で準備したガラス板の上に重ねる。
　工程１１：2枚のガイド部材Ｄの孔にそれぞれグリス状の導電性樹脂複合材料（熱伝導率3W/m・K）を流し入れて擦りきりしたものを作製する。
　工程１２：工程１１において導電性樹脂複合材料を流し入れたものを、工程１１で得られた主層の上下に重ね、0.2kg重/cm2（19.6kPa）の圧力をかけつつ真空中で接着する。その後、2組のガラス板とガイドＤを除去する。こうして、全体として53vol%のダイヤモンドを含有した40mm四方、厚さ1.0mmの高熱伝導性絶縁樹脂複合部材が得られる。
　工程１３：工程１２で得られた高熱電導性絶縁樹脂複合部材の上下面にそれぞれ、40mm四方、厚さ1.0mmの、Niメッキ処理が施されたCu板と、Al板とを取り付け、0.5kg重/cm2（49.0kPa）の圧力をかけつつ真空中で接着する。こうして作製した40mm四方、厚さ3mmの部材の外周にポンプアウト対策の枠部材を設け評価用試料とした。
　工程１４：工程１３により作製した評価用試料についてヒートサイクルテスト及び絶縁耐圧テストを行い、その後、熱伝導率を測定した。
　上述の製造方法１～３により作製した実施例１～１６の構成と評価結果を表３に示す。なお、実施例１６の高熱伝導性絶縁樹脂複合部材、及び比較例１～４については、上述の製造方法１～３に準じた製造方法により作製した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　実施例１～１７及び比較例１～４を全て2枚ずつ作製し、それぞれについてヒートサイクルテスト、絶縁耐圧テストを順に行い、さらにその後に熱伝導率を測定した。ヒートサイクルテスト後に剥離が見られなったものを合格（2枚とも合格を「◎」と表記。）とし、絶縁耐圧テストでは絶縁破壊による劣化が見られなったものを合格（2枚とも合格を「◎」と表記。）とした。熱伝導率については、少なくとも5W/m・K以上、好ましくは10W/m・K以上、さらに好ましくは20W/m・K以上であることを判定の基準とした。なお、表３に記載の熱伝導率の値は2枚の平均値である。表３に示すとおり、実施例１～１６ではいずれも良好な特性が得られることが確認できた。
　上記実施例は一例であって、上記の技術的思想や本発明の趣旨に沿って適宜に変更することができる。
１…高熱伝導性絶縁樹脂複合部材
１０…主層
１１…母材
１２…ダミー粒子
１３…高熱伝導性絶縁材料
１４…枠部材
１５…保護接合層

Claims (4)

  1. 　a) 絶縁樹脂材料と1個又は複数個のダイヤモンド片又はセラミック片である絶縁物片とを含む層であって該1個又は相互に接触する複数個の絶縁物片が該層を厚さ方向に貫通し該層の表面から露出するように配置されてなる主層、またはダイヤモンド基板又はセラミック基板からなる主層と、
    　b) 前記主層を保護し被接合部材との接合性を高めるために前記主層の表面及び裏面に配置された層であって、樹脂、ガラス、及びオイルのうちの1つ又は複数の組み合わせからなる母材の内部に、該母材よりも熱伝導率が大きい物質のフィラーを分散してなる熱伝導率が5W/m・K以上の複合材料により構成された保護接合層と
    　を備え、
    　厚さ方向に0.2kg重/cm2の圧力を加えた状態で-40℃への冷却と150℃への加熱を100回繰り返すヒートサイクルテストにおいて前記主層と前記保護接合層の間に剥離が生じず、
    　前記ヒートサイクルテスト後に3.0kVのAC電圧を1分間印加する処理を3回繰り返す絶縁耐圧テストを行っても絶縁破壊が生じず、
    　前記ヒートサイクルテスト及び前記絶縁耐圧テストを行った後の熱伝導率が10W/m・K以上である
    　　ことを特徴とする高熱伝導性絶縁複合部材。
  2. 　前記フィラーが導電性フィラーであることを特徴とする請求項１に記載の高熱伝導性絶縁複合部材。
  3. 　さらに、
    　c) 前記主層又は前記保護接合層の外周に設けられた枠部材
    　を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の高熱伝導性絶縁複合部材。
  4. 　請求項１から３のいずれかに記載の高熱伝導性絶縁複合部材を備えた半導体モジュール。
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