WO2022071293A1 - 複合シート及びその製造方法、積層体及びその製造方法、並びに、パワーデバイス - Google Patents
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- C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
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- C04B2235/3409—Boron oxide, borates, boric acids, or oxide forming salts thereof, e.g. borax
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- C04B2235/60—Aspects relating to the preparation, properties or mechanical treatment of green bodies or pre-forms
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- C04B2237/30—Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
- C04B2237/32—Ceramic
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- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
- C04B2237/30—Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
- C04B2237/40—Metallic
- C04B2237/407—Copper
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
- C04B2237/50—Processing aspects relating to ceramic laminates or to the joining of ceramic articles with other articles by heating
- C04B2237/61—Joining two substrates of which at least one is porous by infiltrating the porous substrate with a liquid, such as a molten metal, causing bonding of the two substrates, e.g. joining two porous carbon substrates by infiltrating with molten silicon
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
- C04B2237/50—Processing aspects relating to ceramic laminates or to the joining of ceramic articles with other articles by heating
- C04B2237/70—Forming laminates or joined articles comprising layers of a specific, unusual thickness
- C04B2237/704—Forming laminates or joined articles comprising layers of a specific, unusual thickness of one or more of the ceramic layers or articles
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- 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
- H05K1/00—Printed circuits
- H05K1/02—Details
- H05K1/03—Use of materials for the substrate
- H05K1/0306—Inorganic insulating substrates, e.g. ceramic, glass
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- 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
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- H05K1/02—Details
- H05K1/03—Use of materials for the substrate
- H05K1/0313—Organic insulating material
- H05K1/0353—Organic insulating material consisting of two or more materials, e.g. two or more polymers, polymer + filler, + reinforcement
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- 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
- H05K3/00—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
- H05K3/02—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits in which the conductive material is applied to the surface of the insulating support and is thereafter removed from such areas of the surface which are not intended for current conducting or shielding
- H05K3/022—Processes for manufacturing precursors of printed circuits, i.e. copper-clad substrates
Definitions
- the present disclosure relates to a composite sheet and a manufacturing method thereof, a laminate and a manufacturing method thereof, and a power device.
- thermal interface materials that have electrical insulation for electronic components or printed wiring boards. It has been used to attach it to a heat sink.
- a composite composed of a resin and ceramics such as boron nitride is used as a heat radiating member.
- the ceramic sintered body impregnated with the resin as described above and used as a composite generally, a raw material powder formed into a block shape and further sintered is used. Then, after impregnating with a resin and compounding, it is cut into a sheet having a desired thickness to obtain a composite sheet. A laminate is manufactured by connecting the composite sheet to a metal circuit or the like. In recent years, from the viewpoint of improving the yield and the like, it has been studied to prepare a thinly baked ceramic sintered sheet in advance and impregnate the obtained sintered sheet with a resin to produce a composite sheet. ..
- the present inventors have found that a laminated body using a composite sheet manufactured as described above may not exhibit sufficient heat dissipation.
- the present disclosure also aims to provide a power device having excellent heat dissipation.
- the composite sheet manufactured by impregnating a ceramic sintered body prepared thinly with a resin in advance the conventional block-like shape is obtained.
- a layer made of resin may be formed on the surface of the composite sheet, and when the curing rate of this resin is high, when the metal circuit is connected to the metal circuit. It was found that sufficient contact between the ceramic sintered body and the metal circuit could not be obtained, and the contact thermal resistance tended to increase. This disclosure is based on this finding.
- One aspect of the present disclosure includes a porous ceramics sintered body having a thickness of less than 2 mm and a resin filled in the pores of the ceramics sintered body, and the curing rate of the resin is 10 to 70%.
- the composite sheet is provided.
- the composite sheet is composed of a relatively thin, porous ceramic sintered body, it is adhered to a metal circuit because the curing rate of the resin constituting the composite sheet is adjusted to be within a predetermined range.
- the metal circuit can obtain sufficient contact with the ceramic sintered body, and the contact thermal resistance can be reduced, so that a laminated body having excellent heat dissipation can be prepared.
- the filling rate of the resin may be 85 to 100% by volume.
- the average pore diameter of the pores of the ceramic sintered body may be 0.2 to 10 ⁇ m.
- the average pore diameter of the pores is within the above range, the amount of resin seeping out when adhering to the metal circuit can be made appropriate, and the decrease in adhesiveness can be suppressed.
- the ceramic sintered body may be a nitride sintered body.
- One aspect of the present disclosure provides a laminate in which the above-mentioned composite sheet and metal sheet are laminated.
- the laminated body includes the above-mentioned composite sheet, the composite sheet and the metal sheet can be sufficiently in contact with each other, and the contact thermal resistance can be reduced, so that the heat dissipation is excellent.
- One aspect of the present disclosure is an impregnation step of impregnating the pores of a porous ceramic sintered body having a thickness of less than 2 mm with a resin composition to obtain a resin composition impregnated body, and 70 to 70 to the above resin composition impregnated body.
- a composite sheet having a curing step of semi-curing the resin composition filled in the pores by heating at 160 ° C., and a curing rate of the resin composition in the impregnation step of 5 to 65%. Provide a manufacturing method.
- a porous ceramic sintered body having a thickness of less than 2 mm is used, and a resin composition having a predetermined curing rate is used. Therefore, the resin composition is formed in the pores of the ceramic sintered body.
- the metal circuit can be sufficiently impregnated, and by semi-curing under the above specific conditions, it is possible for the metal circuit to obtain sufficient contact with the ceramic sintered body when bonded to the metal circuit, and contact resistance. It is possible to obtain a composite sheet capable of reducing the number of sheets.
- the curing step may be a step of semi-curing so that the curing rate of the resin composition filled in the pores is 10 to 70%.
- the filling rate of the resin may be 85 to 100% by volume.
- the average pore diameter of the pores of the ceramic sintered body may be 0.2 to 10 ⁇ m.
- the ceramic sintered body may be a nitride sintered body.
- One aspect of the present disclosure provides a method for manufacturing a laminated body, which comprises a laminating step of laminating a composite sheet obtained by the above-mentioned manufacturing method and a metal sheet, and heating and pressurizing the composite sheet.
- the above-mentioned composite sheet is used in the above-mentioned method for manufacturing the laminated body, it is possible to sufficiently achieve contact between the metal sheet and the ceramic sintered body constituting the composite sheet on the adhesive surface between the composite sheet and the metal sheet. , Contact resistance can be reduced, and a laminated body having excellent heat dissipation can be manufactured.
- One aspect of the present disclosure provides a power device comprising a laminate having the above-mentioned composite sheet and a metal sheet laminated on the above-mentioned composite sheet.
- the power device is provided with the composite sheet described above, it can be excellent in heat dissipation.
- the present disclosure it is possible to provide a composite sheet capable of manufacturing a laminated body having excellent adhesiveness and heat dissipation, and a method for manufacturing the composite sheet. Further, according to the present disclosure, by using the composite sheet as described above, it is possible to provide a laminate having excellent adhesiveness and heat dissipation and a method for producing the same. According to the present disclosure, it is also possible to provide a power device having excellent heat dissipation.
- FIG. 1 is a perspective view showing an example of a composite sheet.
- FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of the laminated body.
- each component in the composition means, when a plurality of substances corresponding to each component in the composition are present, the total amount of the plurality of substances present in the composition unless otherwise specified. ..
- One embodiment of the composite sheet includes a porous ceramic sintered body having a thickness of less than 2 mm and a resin filled in the pores of the ceramic sintered body.
- the curing rate of the resin is 10 to 70%.
- FIG. 1 is a perspective view showing an example of the composite sheet 10.
- the composite sheet 10 contains a porous ceramics sintered body 20 having a thickness t of less than 2 mm and a resin filled in the pores of the ceramics sintered body 20.
- the ceramic sintered body 20 may be, for example, a nitride sintered body.
- the nitride sintered body contains nitride particles and pores formed by sintering primary particles of nitride.
- the "resin” in the present disclosure is a semi-cured product (B stage) of a resin composition containing a main agent and a curing agent.
- the semi-cured product is a product in which the curing reaction of the resin composition has partially progressed. Therefore, the resin may contain a thermosetting resin or the like produced by the reaction of the main agent and the curing agent in the resin composition.
- the semi-cured product may contain a monomer such as a main agent and a curing agent in addition to the thermosetting resin as a resin component. It can be confirmed by, for example, a differential scanning calorimeter that the resin contained in the composite sheet is a semi-cured product (B stage) before complete curing (C stage).
- the degree of curing of the resin can be confirmed, for example, by using the curing rate of the resin composition in which the curing rate is 100% when the resin is completely cured as an index.
- the curing rate of the resin is 10 to 70%.
- the upper limit of the curing rate of the resin may be, for example, 68% or less, 65% or less, 63% or less, 60% or less, 50% or less, or 45% or less.
- the lower limit of the curing rate of the resin may be, for example, 12% or more, 13% or more, 15% or more, 17% or more, or 20% or more.
- the curing rate of the resin is within the above range, the resin can be suppressed from flowing out from the composite sheet, and the resin can be sufficiently held in the pores of the ceramic sintered body.
- the curing rate of the resin composition can be determined by measurement using a differential scanning calorimeter. First, the calorific value Q generated when 1 g of the uncured resin composition is completely cured is measured. Then, the temperature of the sample collected from the resin provided in the composite sheet is raised in the same manner, and the calorific value R generated when the sample is completely cured is obtained. At this time, the mass of the sample used for the measurement by the differential scanning calorimeter is the same as the resin composition used for the measurement of the calorific value Q. Assuming that the resin contains c (mass%) of a thermosetting component, the curing rate of the resin composition impregnated in the composite sheet can be obtained by the following formula (A).
- the semi-cured product of the resin composition comprises, for example, at least one structural unit selected from the group consisting of a structural unit derived from a cyanate group, a structural unit derived from a bismaleimide group, and a structural unit derived from an epoxy group. May have.
- the semi-cured product of the resin composition has a structural unit derived from a cyanate group, a structural unit derived from a bismaleimide group, and a structural unit derived from an epoxy group, the production of a composite sheet is facilitated and the composite is composited. The adhesiveness between the sheet and the metal sheet can be further improved.
- Examples of the structural unit having a cyanate group include a triazine ring and the like.
- Examples of the structural unit derived from the bismaleimide group include a structure represented by the following formula (1).
- Examples of the structural unit derived from the epoxy group include a structure represented by the following general formula (2).
- These structural units can be detected using infrared absorption spectroscopy (IR). It can be detected using proton nuclear magnetic resonance spectroscopy ( 1 H-NMR) and carbon-13 nuclear magnetic resonance spectroscopy ( 13 C-NMR). The above-mentioned structural unit may be detected by IR or 1 H-NMR and 13 C-NMR.
- R 1 represents a hydrogen atom or other functional group.
- the other functional group may be, for example, an alkyl group or the like.
- the semi-cured product may contain at least one selected from the group consisting of cyanate resin, bismaleimide resin, and epoxy resin as the thermosetting resin.
- the semi-cured product may contain, for example, a phenol resin, a melamine resin, a urea resin, an alkyd resin, or the like.
- the semi-cured product may contain at least one curing agent selected from the group consisting of a phosphine-based curing agent and an imidazole-based curing agent.
- the semi-cured product may be a cured product formed by curing a polymerizable compound (for example, a compound having a cyanate group, a compound having an epoxy group, etc.) contained in the resin composition with these curing agents.
- the filling rate of the resin in the composite sheet 10 may be, for example, 85 to 100% by volume.
- the filling rate of the resin is within the above range, it is possible to sufficiently increase the exudation of the resin component when adhering to the metal sheet by heating and pressurizing, and the composite sheet of the present embodiment has better adhesion.
- the lower limit of the filling rate of the resin may be 88% by volume or more, 90% by volume or more, 92% by volume or more, 94% by volume or more. May be.
- the volume ratio of the resin in the composite sheet 10 may be 30 to 60% by volume or 35 to 55% by volume based on the total volume of the composite sheet 10.
- the volume ratio of the ceramic particles constituting the ceramic sintered body 20 in the composite sheet 10 may be 40 to 70% by volume or 45 to 65% by volume based on the total volume of the composite sheet 10.
- the composite sheet 10 having such a volume ratio can achieve both excellent adhesiveness and strength at a high level.
- the average pore diameter of the pores of the ceramic sintered body 20 may be, for example, 10 ⁇ m or less, 8 ⁇ m or less, 5 ⁇ m or less, 4 ⁇ m or less, or 3.5 ⁇ m or less. Since the size of the pores of such a ceramic sintered body 20 is small, the contact area between the particles of the ceramic particles can be sufficiently increased. Therefore, the thermal conductivity can be increased.
- the average pore diameter of the pores of the ceramic sintered body 20 may be, for example, 0.2 ⁇ m or more, 0.3 ⁇ m or more, 0.5 ⁇ m or more, 1.0 ⁇ m or more, or 1.5 ⁇ m or more. Since such a ceramic sintered body 20 can be sufficiently deformed when pressed during bonding, the amount of exudation of the resin component can be increased. Therefore, the adhesiveness can be further improved.
- the average pore diameter of the pores of the ceramic sintered body 20 can be measured by the following procedure. First, the composite sheet 10 is heated to remove the resin. Then, using a mercury porosimeter, the pore size distribution when the ceramic sintered body 20 is pressed while increasing the pressure from 0.0042 MPa to 206.8 MPa is obtained. When the horizontal axis is the pore diameter and the vertical axis is the cumulative pore volume, the pore diameter when the cumulative pore volume reaches 50% of the total pore volume is the average pore diameter. As the mercury porosimeter, one manufactured by Shimadzu Corporation can be used.
- the porosity of the ceramic sintered body 20 that is, the ratio of the volume of the pores in the ceramic sintered body 20 may be 30 to 65% by volume, or 35 to 55% by volume. If the porosity becomes too large, the strength of the ceramic sintered body tends to decrease. On the other hand, if the porosity becomes too small, the amount of resin that seeps out when the composite sheet 10 is adhered to other members tends to decrease.
- the bulk density [B (kg / m 3 )] is calculated from the volume and mass of the ceramic sintered body 20, and the bulk density and the theoretical density of the ceramics [A (kg / m 3 )] are used. It can be obtained by the following formula (1).
- the ceramic sintered body 20 may include at least one selected from the group consisting of boron nitride, aluminum nitride, or silicon nitride as the nitride.
- the theoretical density A is 2280 kg / m 3 .
- the theoretical density A is 3260 kg / m 3 .
- the theoretical density A is 3170 kg / m 3 .
- Porosity (% by volume) [1- (B / A)] x 100 (1)
- the bulk density B may be 800 to 1500 kg / m 3 or 1000 to 1400 kg / m 3 . If the bulk density B becomes too small, the strength of the ceramic sintered body 20 tends to decrease. On the other hand, if the bulk density B becomes too large, the filling amount of the resin tends to decrease, and the amount of resin that seeps out when the composite sheet 10 is adhered to other members tends to decrease.
- the thickness t of the ceramic sintered body 20 may be less than 2 mm and may be less than 1.6 mm.
- the ceramic sintered body 20 having such a thickness makes it easier to fill the pores with the resin, and it is possible to more easily prepare a composite sheet having an excellent filling rate. Therefore, the composite sheet 10 can be miniaturized and the adhesiveness of the composite sheet 10 can be improved.
- Such a composite sheet 10 is suitably used as a component of a semiconductor device. From the viewpoint of ease of manufacturing the ceramic sintered body 20, the thickness t of the ceramic sintered body 20 may be 0.1 mm or more, or may be 0.2 mm or more.
- the thickness of the composite sheet 10 may be the same as the thickness t of the ceramic sintered body 20, or may be larger than the thickness t of the ceramic sintered body 20.
- the thickness of the composite sheet 10 may be less than 2 mm and may be less than 1.6 mm.
- the thickness of the composite sheet 10 may be 0.1 mm or more, and may be 0.2 mm or more.
- the thickness of the composite sheet 10 is measured along the direction orthogonal to the main surfaces 10a and 10b. When the thickness of the composite sheet 10 is not constant, the thickness may be measured by selecting arbitrary 10 points, and the average value thereof may be within the above range. Even if the thickness of the ceramic sintered body 20 is not constant, the thickness is measured by selecting arbitrary 10 points, and the average value thereof is the thickness t.
- the sizes of the main surfaces 10a and 10b of the composite sheet 10 are not particularly limited, and may be, for example, 500 mm 2 or more, 800 mm 2 or more, or 1000 mm 2 or more.
- the main surface 10a and the main surface 10b of the composite sheet 10 are not cut surfaces.
- the proportion of the ceramic sintered body 20 exposed on the main surface 10a and the main surface 10b can be reduced, and the coverage with the resin can be sufficiently increased.
- the adhesiveness with other members laminated on the main surface 10a and the main surface 10b can be improved. Since the composite sheet 10 of the present embodiment is adjusted so that the curing rate of the resin is within a predetermined range, even when the surface of the composite sheet 10 is covered with the resin, it can be combined with the metal sheet.
- the resin can be softened and moved by heating during bonding, it is possible to obtain sufficient contact between the metal sheet and the ceramic sintered body, and the contact thermal resistance at the interface between the metal sheet and the composite sheet in the obtained laminate. Can be suppressed. This makes it possible to further improve the adhesiveness and heat dissipation with other members and the like.
- the main surface 10a and the main surface 10b of the composite sheet 10 of the present embodiment are quadrangular, but the shape is not limited to such a shape.
- the main surface may be a polygon other than a quadrangle, or may be a circle.
- the shape may be such that the corners are chamfered, or the shape may be partially cut out. Further, it may have a through hole penetrating in the thickness direction.
- FIG. 2 is a cross-sectional view when an example of the laminated body is cut in the thickness direction.
- the laminate 100 includes a composite sheet 10, a metal sheet 30 bonded to the main surface 10a of the composite sheet 10, and a metal sheet 40 bonded to the main surface 10b of the composite sheet 10.
- the metal sheets 30 and 40 may be a metal plate or a metal foil. Examples of the materials of the metal sheets 30 and 40 include aluminum and copper. The materials and thicknesses of the metal sheets 30 and 40 may be the same or different from each other. Further, it is not essential to include both the metal sheets 30 and 40, and in the modified example of the laminated body 100, only one of the metal sheets 30 and 40 may be provided.
- the laminated body 100 may have a resin layer between the composite sheet 10 and the metal sheets 30 and 40 as long as it does not contradict the gist of the present disclosure.
- This resin layer may be formed by curing the resin exuded from the composite sheet 10.
- the composite sheet 10 and the metal sheets 30 and 40 in the laminate 100 are sufficiently firmly adhered to each other by the exuded resin, and thus have excellent adhesiveness.
- the laminated body 100 is manufactured by using a composite sheet (B stage sheet) in which the curing rate of the resin is within a predetermined range, the contact between the ceramic sintered body and the metal sheet becomes sufficient, and the ceramics The contact thermal resistance at the interface between the sintered body and the metal sheet is suppressed to a low level, and the heat dissipation is also excellent. Since such a laminated body is thin and has excellent adhesiveness and heat dissipation, it can be suitably used for a semiconductor device or the like, for example, as a heat dissipation member.
- One embodiment of the method for producing a composite sheet includes a sintering step for preparing a porous ceramic sintered body and impregnating the pores of the ceramic sintered body having a thickness of less than 2 mm with the resin composition. It has an impregnation step of obtaining a body and a curing step of heating the impregnated body of the resin composition at 70 to 160 ° C. to semi-cure the resin composition filled in the pores.
- the ceramic sintered body will be described with an example of a nitride sintered body.
- the raw material powder used in the sintering process contains nitride.
- the nitride contained in the raw material powder may contain, for example, at least one nitride selected from the group consisting of boron nitride, aluminum nitride, and silicon nitride.
- the boron nitride may be amorphous boron nitride or hexagonal boron nitride.
- the raw material powder is, for example, an amorphous boron nitride powder having an average particle size of 0.5 to 10 ⁇ m or an average particle size of 3.0 to 40 ⁇ m.
- a certain hexagonal boron nitride powder can be used.
- a compound containing a nitride powder may be molded and sintered to obtain a nitride sintered body. Molding may be performed by uniaxial pressurization or by a cold isotropic pressurization (CIP) method.
- a sintering aid may be added to obtain a formulation. Examples of the sintering aid include metal oxides such as yttrium oxide, aluminum oxide and magnesium oxide, carbonates of alkali metals such as lithium carbonate and sodium carbonate, boric acid and the like.
- the blending amount of the sintering aid is, for example, 0.01 part by mass or more or 0.1 with respect to 100 parts by mass of the total of the nitride and the sintering aid. It may be parts by mass or more.
- the blending amount of the sintering aid may be, for example, 20 parts by mass or less, 15 parts by mass or less, or 10 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the total of the nitride and the sintering aid.
- the compound may be, for example, a sheet-shaped molded product by the doctor blade method.
- the molding method is not particularly limited, and a molded product may be obtained by press molding using a mold.
- the molding pressure may be, for example, 5 to 350 MPa.
- the shape of the molded body may be a sheet having a thickness of less than 2 mm. If a nitride sintered body is manufactured using such a sheet-shaped molded body, a sheet-shaped composite sheet having a thickness of less than 2 mm can be manufactured without cutting the nitride sintered body.
- the material loss due to processing can be reduced by forming the sheet shape from the stage of the molded body. Therefore, the composite sheet can be manufactured with a high yield.
- the sintering temperature in the sintering step may be, for example, 1600 ° C. or higher, or 1700 ° C. or higher.
- the sintering temperature may be, for example, 2200 ° C. or lower, or 2000 ° C. or lower.
- the sintering time may be, for example, 1 hour or more, or 30 hours or less.
- the atmosphere at the time of sintering may be, for example, an atmosphere of an inert gas such as nitrogen, helium, and argon.
- a batch type furnace, a continuous type furnace, or the like can be used.
- the batch type furnace include a muffle furnace, a tube furnace, an atmosphere furnace, and the like.
- the continuous furnace include a rotary kiln, a screw conveyor furnace, a tunnel furnace, a belt furnace, a pusher furnace, a large continuous furnace, and the like.
- a nitride sintered body can be obtained.
- the nitride sintered body may be in the form of a block.
- the nitride sintered body is block-shaped, perform a cutting process to process it so that it has a thickness of less than 2 mm.
- the nitride sintered body is cut using, for example, a wire saw.
- the wire saw may be, for example, a multi-cut wire saw or the like.
- a sheet-shaped nitride sintered body having a thickness of less than 2 mm can be obtained.
- the nitride sintered body thus obtained has a cut surface.
- the composite sheet obtained without the cutting step of the nitride sintered body does not have a cut surface, fine cracks can be sufficiently reduced. Therefore, the composite sheet obtained without going through the cutting step of the nitride sintered body can sufficiently improve the insulating property and the thermal conductivity while maintaining a sufficiently high strength. That is, it is excellent in reliability as a member such as an electronic component. Further, when processing such as cutting is performed, material loss occurs. Therefore, the composite sheet having no cut surface of the nitride sintered body can reduce the material loss. This makes it possible to improve the yield of the nitride sintered body and the composite sheet.
- the pores of the ceramic sintered body 20 having a thickness of less than 2 mm are impregnated with the resin composition to obtain a resin composition impregnated body.
- the curing rate of the impregnated resin composition at this time is 5 to 65%. Since the nitride sintered body (ceramic sintered body 20) is in the form of a sheet having a thickness of less than 2 mm, the resin composition is easily impregnated into the inside. Further, by setting the curing rate when impregnating the nitride sintered body with the resin composition within a predetermined range, it is suitable for impregnation, the filling rate of the resin can be sufficiently increased, and the obtained composite sheet can be used. The curing rate of the resin can be easily adjusted.
- the temperature T3 may be, for example, 80 to 160 ° C.
- the impregnation of the resin composition into the nitride sintered body may be carried out under pressure, under reduced pressure, or under atmospheric pressure.
- the method of impregnation is not particularly limited, and the nitride sintered body may be immersed in the resin composition, or may be performed by applying the resin composition to the surface of the nitride sintered body.
- the nitride sintered body can be sufficiently filled with the resin.
- the filling rate of the resin may be, for example, 85 to 100% by volume, and the lower limit of the filling rate of the resin may be, for example, 88% by volume or more, 90% by volume or more, or 92% by volume. It may be 94% by volume or more, and may be 94% by volume or more.
- the impregnation step may be performed under any of reduced pressure conditions, pressurized conditions, and atmospheric pressure conditions, impregnation under reduced pressure conditions, impregnation under pressurized conditions, and impregnation under atmospheric pressure. 2 or more of may be combined.
- the pressure in the impregnation device when the impregnation step is carried out under reduced pressure conditions may be, for example, 1000 Pa or less, 500 Pa or less, 100 Pa or less, 50 Pa or less, or 20 Pa or less.
- the pressure in the impregnation device may be, for example, 1 MPa or more, 3 MPa or more, 10 MPa or more, or 30 MPa or more.
- the average pore diameter of the nitride sintered body may be 0.2 to 10 ⁇ m, and may be 1 to 8 ⁇ m.
- the resin composition for example, one that becomes the resin mentioned in the above description of the composite sheet by curing or semi-curing reaction can be used.
- the resin composition may contain a solvent.
- the viscosity of the resin composition may be adjusted by changing the blending amount of the solvent, or the viscosity of the resin composition may be adjusted by partially advancing the curing reaction.
- the solvent include aliphatic alcohols such as ethanol and isopropanol, 2-methoxyethanol, 1-methoxyethanol, 2-ethoxyethanol, 1-ethoxy-2-propanol, 2-butoxyethanol and 2- (2-methoxyethoxy).
- ketones such as ketones and hydrocarbons such as toluene and xylene. One of these may be contained alone, or two or more thereof may be contained in combination.
- the resin composition may be thermosetting and may contain, for example, at least one compound selected from the group consisting of a compound having a cyanate group, a compound having a bismaleimide group and a compound having an epoxy group, and a curing agent. , May be contained.
- Examples of the compound having a cyanate group include dimethylmethylenebis (1,4-phenylene) biscyanate and bis (4-cyanatephenyl) methane.
- Dimethylmethylenebis (1,4-phenylene) biscyanate is commercially available, for example, as TACN (manufactured by Mitsubishi Gas Chemical Company, Inc., trade name).
- Compounds having a bismaleimide group include, for example, N, N'-[(1-methylethylidene) bis [(p-phenylene) oxy (p-phenylene)]] bismaleimide, and 4,4'-diphenylmethane bismaleimide. And so on.
- N, N'-[(1-methylethylidene) bis [(p-phenylene) oxy (p-phenylene)]] bismaleimide is commercially available, for example, as BMI-80 (manufactured by Keiai Kasei Co., Ltd., trade name). Is available.
- Examples of the compound having an epoxy group include bisphenol F type epoxy resin, bisphenol A type epoxy resin, biphenyl type epoxy resin, and polyfunctional epoxy resin.
- bisphenol F type epoxy resin bisphenol A type epoxy resin
- biphenyl type epoxy resin biphenyl type epoxy resin
- polyfunctional epoxy resin examples include 1,6-bis (2,3-epoxypropane-1-yloxy) naphthalene, which is commercially available as HP-4032D (manufactured by DIC Corporation, trade name), may be used.
- the curing agent may contain a phosphine-based curing agent and an imidazole-based curing agent.
- the phosphine-based curing agent can promote the triazine formation reaction by the trimerization of the compound having a cyanate group or the cyanate resin.
- phosphine-based curing agent examples include tetraphenylphosphonium tetra-p-tolylborate and tetraphenylphosphonium tetraphenylborate.
- Tetraphenylphosphonium tetra-p-tolylbolate is commercially available, for example, as TPP-MK (manufactured by Hokuko Chemical Industry Co., Ltd., trade name).
- the imidazole-based curing agent produces oxazoline and promotes the curing reaction of the compound having an epoxy group or the epoxy resin.
- Examples of the imidazole-based curing agent include 1- (1-cyanomethyl) -2-ethyl-4-methyl-1H-imidazole, 2-ethyl-4-methylimidazole and the like.
- 1- (1-Cyanomethyl) -2-ethyl-4-methyl-1H-imidazole is commercially available, for example, as 2E4MZ-CN (manufactured by Shikoku Chemicals Corporation, trade name).
- the content of the phosphine-based curing agent is, for example, 5 parts by mass or less, 4 parts by mass or less, or 3 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the total amount of the compound having a cyanate group, the compound having a bismaleimide group, and the compound having an epoxy group. It may be less than or equal to a mass part.
- the content of the phosphine-based curing agent is, for example, 0.1 part by mass or more or 0.5 part by mass with respect to 100 parts by mass of the total amount of the compound having a cyanate group, the compound having a bismaleimide group and the compound having an epoxy group. It may be more than one part.
- the content of the phosphine-based curing agent is within the above range, the resin composition impregnated body can be easily prepared, and the time required for adhering the composite sheet cut out from the resin composition impregnated body to other members becomes longer. Can be shortened.
- the content of the imidazole-based curing agent is, for example, 0.1 part by mass or less, 0.05 part by mass with respect to 100 parts by mass of the total amount of the compound having a cyanate group, the compound having a bismaleimide group, and the compound having an epoxy group. It may be less than a part or 0.03 part by mass or less.
- the content of the imidazole-based curing agent is, for example, 0.001 part by mass or more or 0.005 part by mass with respect to 100 parts by mass of the total amount of the compound having a cyanate group, the compound having a bismaleimide group and the compound having an epoxy group. It may be more than one part.
- the content of the imidazole-based curing agent is within the above range, the resin composition impregnated body can be easily prepared, and the composite sheet cut out from the resin composition impregnated body is required for adhesion to the adherend. The time can be further reduced.
- the resin composition may contain components other than the main agent and the curing agent.
- Other components further include, for example, other resins such as phenolic resins, melamine resins, urea resins, and alkyd resins, silane coupling agents, leveling agents, defoaming agents, surface modifiers, and wet dispersants. But it may be.
- the content of these other components may be, for example, 20% by mass or less, 10% by mass or less, or 5% by mass or less, based on the total amount of the resin composition.
- the curing step may be a step of semi-curing so that the curing rate of the resin composition described above is 10 to 70% after being filled in the pores.
- the resin composition is semi-cured by heating and / or light irradiation, depending on the type of the resin composition (or the curing agent added as needed).
- "Semi-curing" also referred to as B stage
- B stage means that it can be further cured by a subsequent curing treatment. Taking advantage of the semi-cured state, the composite sheet and the metal sheet may be adhered by temporarily crimping to another member such as a metal sheet and then heating. By further curing the semi-cured product, it becomes a "completely cured" state (also referred to as C stage).
- the heating temperature when the resin composition is semi-cured by heating may be, for example, 70 to 160 ° C.
- the semi-cured product obtained by semi-curing the resin composition contains, as a resin component, at least one thermosetting resin selected from the group consisting of cyanate resin, bismaleimide resin, and epoxy resin, and a curing agent. It's okay.
- the semi-cured product contains other resins such as phenol resin, melamine resin, urea resin, and alkyd resin as resin components, as well as a silane coupling agent, a leveling agent, a defoaming agent, a surface conditioner, and a wet dispersion. It may contain a component derived from an agent or the like.
- the composite sheet thus obtained has a thickness of, for example, 2 mm or less. Therefore, it is thin and lightweight, and when used as a component of a semiconductor device or the like, the device can be made smaller and lighter. Further, since the pores of the nitride sintered body are sufficiently filled with the resin, it is excellent not only in adhesiveness but also in thermal conductivity and insulation. Further, in the above-mentioned manufacturing method, the composite sheet can be manufactured without cutting the nitride sintered body. Therefore, a highly reliable composite sheet can be manufactured with a high yield. In addition to laminating a metal sheet on a composite sheet to form a laminated body, it can also be used as it is as a heat dissipation member.
- One embodiment of the method for manufacturing a laminated body includes a laminating step of laminating a composite sheet and a metal sheet, heating and pressurizing the composite sheet.
- the composite sheet can be manufactured by the above-mentioned manufacturing method.
- the metal sheet may be a metal plate or a metal foil.
- a metal sheet is placed on the main surface of the composite sheet. With the main surfaces of the composite sheet and the metal sheet in contact with each other, pressure is applied in the direction in which the main surfaces face each other, and the metal sheet is heated. It should be noted that pressurization and heating do not necessarily have to be performed at the same time, and pressurization and crimping may be performed before heating.
- the pressurizing pressure may be, for example, 2 to 10 MPa.
- the heating temperature T5 at this time may be T2 + 20 ° C. or higher, or T2 + 40 ° C. or higher, when the temperature at which the resin composition is semi-cured is T2.
- the resin constituting the composite sheet can be softened, the contact between the ceramic sintered body and the metal sheet can be made sufficient, and the resin composition exuded from the composite sheet can be obtained from the composite sheet and the metal sheet. It can be cured at the interface and firmly bonded to each other.
- the heating temperature T5 may be T2 + 150 ° C. or lower, or may be T2 + 100 ° C. or lower.
- the laminate thus obtained can be used for manufacturing semiconductor devices, power devices and the like.
- a semiconductor element may be provided on one of the metal sheets.
- the other metal sheet may be joined to the cooling fins.
- One embodiment of a power device includes a laminate having the above-mentioned composite sheet and a metal sheet laminated on the above-mentioned composite sheet.
- Example 1 ⁇ Manufacturing of nitride sintered body (ceramic sintered body)> 100 parts by mass of orthoboric acid manufactured by Nippon Denko Co., Ltd. and 35 parts by mass of acetylene black (trade name: HS100) manufactured by Denka Co., Ltd. were mixed using a Henschel mixer. The obtained mixture was filled in a graphite crucible and heated in an arc furnace at 2200 ° C. for 5 hours in an argon atmosphere to obtain massive boron carbide (B 4C ). The obtained lump was coarsely pulverized with a jaw crusher to obtain a coarse powder. This coarse powder was further pulverized by a ball mill having a silicon carbide ball ( ⁇ 10 mm) to obtain pulverized powder.
- HS100 acetylene black
- the prepared pulverized powder was filled in a crucible made of boron nitride. Then, using a resistance heating furnace, the mixture was heated at 2000 ° C. and 0.85 MPa for 10 hours in a nitrogen gas atmosphere. In this way, a calcined product containing boron nitride (B 4 CN 4 ) was obtained.
- a sintering aid was prepared by blending powdered boric acid and calcium carbonate. In the preparation, 50.0 parts by mass of calcium carbonate was added to 100 parts by mass of boric acid. At this time, the atomic ratio of boron to calcium was 17.5 atomic% of calcium with respect to 100 atomic% of boron. 20 parts by mass of the sintering aid was added to 100 parts by mass of the calcined product, and the mixture was mixed using a Henschel mixer to prepare a powdery compound.
- the molded product was placed in a boron nitride container and introduced into a batch type high frequency furnace. In a batch type high frequency furnace, heating was performed under the conditions of normal pressure, nitrogen flow rate of 5 L / min, and 2000 ° C. for 5 hours. Then, the boron nitride sintered body was taken out from the boron nitride container. In this way, a sheet-shaped (square columnar) boron nitride sintered body was obtained. The thickness of the boron nitride sintered body was 0.31 mm.
- the resin composition having a curing rate of 13% was brought to 160 ° C. while maintaining the temperature. Dropped on the main surface of the heated boron nitride sintered body. Under atmospheric pressure, the resin composition dropped on the main surface of the boron nitride sintered body was spread using a silicon rubber spatula, and the resin was spread over the entire main surface. The composition was spread to obtain a resin composition-impregnated body.
- Resin filling factor (% by volume) in the composite sheet ⁇ (bulk density of composite sheet-bulk density of boron nitride sintered body) / (theoretical density of composite sheet-bulk density of boron nitride sintered body) ⁇ ⁇ 100 ... (3)
- the bulk density of the boron nitride sintered body and the composite sheet is based on JIS Z 8807: 2012 "Measurement method of density and specific gravity by geometric measurement", and the length of each side of the boron nitride sintered body or the composite sheet. It was determined based on the volume calculated from (measured by Nogisu) and the mass of the boron nitride sintered body or composite sheet measured by an electronic balance (see item 9 of JIS Z 8807: 2012). The theoretical density of the composite sheet was obtained by the following formula (4).
- Theoretical density of composite sheet true density of boron nitride sintered body + true density of resin x (1-bulk density of boron nitride sintered body / true density of boron nitride) ... (4)
- the true density of the boron nitride sintered body and resin is based on JIS Z 8807: 2012 "Density and specific gravity measurement method by gas substitution method", and the boron nitride sintered body and resin measured using a dry automatic densitometer. (See equations (14) to (17) in Section 11 of JIS Z 8807: 2012).
- the agglomerated fractured portion is the area of the portion where the composite sheet is broken, and it is shown that the larger the area ratio is, the better the adhesiveness is.
- the contact thermal resistance was measured according to the method described in ASTM D5470. From the measurement results, the contact thermal resistance was evaluated according to the following criteria. A: The contact thermal resistance is 0.45 K / W or less. B: The contact thermal resistance is more than 0.45 K / W and 0.65 K / W or less. C: The contact thermal resistance is more than 0.65 K / W.
- thermo resistance ⁇ Evaluation of heat dissipation (heat resistance)> After performing the above-mentioned treatment, the thermal resistance was measured according to the method described in ASTM D5470. From the measurement results, the thermal resistance was evaluated according to the following criteria. A: The thermal resistance is 0.6 K / W or less. B: The thermal resistance is more than 0.6 K / W and 0.8 K / W or less. C: Thermal resistance is over 0.8 K / W.
- Example 2 A composite sheet and a laminate were produced in the same manner as in Example 1 except that the conditions for semi-curing the resin composition in the resin composition impregnated body were changed to 70 ° C. for 300 minutes.
- Example 3 A boron nitride sintered body having the thickness and average pore diameter shown in Table 1 was used as the ceramic sintered body, and the curing rate of the resin composition dropped on the main surface of the boron nitride sintered body was set to 63%. Except for this, a composite sheet and a laminated body were produced in the same manner as in Example 1.
- Example 4 A boron nitride sintered body having the thickness and average pore diameter shown in Table 1 was used as the ceramic sintered body, and the curing rate of the resin composition dropped on the main surface of the boron nitride sintered body was set to 30%. Except for this, a composite sheet and a laminated body were produced in the same manner as in Example 1.
- Example 5 A composite sheet and a laminate were produced in the same manner as in Example 1 except that the curing rate of the resin composition dropped on the main surface of the boron nitride sintered body was 6%.
- Example 6 A boron nitride sintered body having the thickness and average pore diameter shown in Table 1 was used as the ceramic sintered body, and the curing rate of the resin composition dropped on the main surface of the boron nitride sintered body was set to 25%. Except for this, a composite sheet and a laminated body were produced in the same manner as in Example 1.
- Example 7 A boron nitride sintered body having the thickness and average pore diameter shown in Table 1 was used as the ceramic sintered body, and the curing rate of the resin composition dropped on the main surface of the boron nitride sintered body was 64%. Except for this, a composite sheet and a laminated body were produced in the same manner as in Example 1.
- Example 1 A composite sheet and a laminate were produced in the same manner as in Example 1 except that the curing rate of the resin composition dropped on the main surface of the boron nitride sintered body was set to 2%.
- Example 2 A composite sheet and a laminate were produced in the same manner as in Example 1 except that the curing rate of the resin composition dropped on the main surface of the boron nitride sintered body was 81%.
- Example 3 A boron nitride sintered body having the thickness and average pore diameter shown in Table 1 was used as the ceramic sintered body, and the curing rate of the resin composition dropped on the main surface of the boron nitride sintered body was set to 22%. Except for this, a composite sheet and a laminated body were produced in the same manner as in Example 1.
- the present disclosure it is possible to provide a composite sheet capable of manufacturing a laminated body having excellent adhesiveness and heat dissipation, and a method for manufacturing the composite sheet. Further, according to the present disclosure, by using the composite sheet as described above, it is possible to provide a laminate having excellent adhesiveness and heat dissipation and a method for producing the same. According to the present disclosure, it is also possible to provide a power device having excellent heat dissipation.
- 10 Composite sheet, 10a, 10b ... Main surface, 20 ... Ceramic sintered body, 30, 40 ... Metal sheet, 100 ... Laminated body.
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Abstract
本開示の一側面は、厚みが2mm未満である多孔質のセラミックス焼結体と、上記セラミックス焼結体の気孔に充填されている樹脂と、を含み、上記樹脂の硬化率が10~70%である、複合シートを提供する。
Description
本開示は、複合シート及びその製造方法、積層体及びその製造方法、並びに、パワーデバイスに関する。
パワーデバイス、トランジスタ、サイリスタ、及びCPU等の部品においては、使用時に発生する熱を効率的に放熱することが求められる。このような要請から、従来、電子部品を実装するプリント配線板の絶縁層の高熱伝導化を図ったり、電子部品又はプリント配線板を、電気絶縁性を有する熱インターフェース材(Thermal Interface Materials)を介してヒートシンクに取り付けたりすることが行われてきた。このような絶縁層及び熱インターフェース材には、放熱部材として、樹脂と窒化ホウ素等のセラミックスとで構成される複合体が用いられる。
このような複合体として、多孔性のセラミックス焼結体(例えば、窒化ホウ素焼結体)に樹脂を含浸、複合化させた複合体が検討されている(例えば、特許文献1参照)。また、金属回路と樹脂含浸窒化ホウ素焼結体とを有する積層体において、窒化ホウ素焼結体を構成する一次粒子と金属回路とを直接接触させて、積層体の熱抵抗を低減し、放熱性を改善することも検討されている(例えば、特許文献2参照)。
上述のような樹脂を含浸させて複合体として用いるセラミックス焼結体は、一般に、原料粉末をブロック状に成形し、更に焼結させたものが用いられている。そして、樹脂を含浸させて複合化させた後に、所望の厚みのシートに切り出すことで複合シートとする。当該複合シートを金属回路等と接続することで積層体が製造されている。近年、歩留まり等を向上させる観点から、薄く焼き上げたセラミックス焼結体のシートを予め調製し、得られた焼結体シートに対して樹脂を含浸させて複合シートを製造することが検討されている。
本発明者らは上述のように製造される複合シートを用いた積層体では、十分な放熱性を発揮しない場合があることが見いだした。
そこで、本開示は、接着性及び放熱性に優れる積層体を製造可能な複合シート及びその製造方法を提供することを目的とする。また、本開示は、上述のような複合シートを用いることで、接着性及び放熱性に優れる積層体及びその製造方法を提供することを目的とする。本開示はまた、放熱性に優れるパワーデバイスを提供することを目的とする。
上述のような課題に対して、本発明者らが鋭意検討したところ、あらかじめ薄く調製されたセラミックス焼結体に対して樹脂を含浸させることで製造された複合シートにおいては、従前のブロック状の複合体から切り出された複合シートとは異なり、複合シートの表面において樹脂による層が形成されることがあり、この樹脂の硬化率が高い場合には、金属回路との金属回路との接続の際にセラミックス焼結体と金属回路とが充分な接触を得ることができず、接触熱抵抗が上昇する傾向にあることを見出した。本開示は当該知見に基づいてなされたものである。
本開示の一側面は、厚みが2mm未満である多孔質のセラミックス焼結体と、上記セラミックス焼結体の気孔に充填されている樹脂と、を含み、上記樹脂の硬化率が10~70%である、複合シートを提供する。
上記複合シートは、比較的薄い、多孔質のセラミックス焼結体で構成されるものの、複合シートを構成する樹脂の硬化率が所定の範囲となるように調整されているため、金属回路と接着した場合に、金属回路がセラミックス焼結体と十分な接触を獲得することが可能であり、接触熱抵抗を低減できることから、放熱性に優れる積層体を調製できる。
上記樹脂の充填率が85~100体積%であってよい。
上記セラミック焼結体が有する前記気孔の平均細孔径が0.2~10μmであってよい。気孔の平均細孔径が上記範囲内であることによって、金属回路と接着する際の樹脂のしみ出し量を適度なものとし、接着性の低下も抑制できる。
上記セラミックス焼結体が窒化物焼結体であってよい。
本開示の一側面は、上述の複合シートと金属シートとが積層されている、積層体を提供する。
上記積層体は、上述の複合シートを備えることから、複合シートと金属シートとが十分に接触することが可能であり、接触熱抵抗を低減できるため、放熱性に優れる。
本開示の一側面は、厚みが2mm未満である多孔質のセラミックス焼結体の気孔に樹脂組成物を含浸して樹脂組成物含浸体を得る含浸工程と、上記樹脂組成物含浸体を70~160℃で加熱して上記気孔に充填された上記樹脂組成物を半硬化する硬化工程と、を有し、上記含浸工程における上記樹脂組成物の硬化率が5~65%である、複合シートの製造方法を提供する。
上記複合シートの製造方法では、厚みが2mm未満である多孔質のセラミックス焼結体を用いるとともに、所定の硬化率の樹脂組成物を用いていることから、セラミックス焼結体の気孔に樹脂組成物を十分に含浸することができ、上記特定の条件で半硬化させることによって、金属回路と接着した場合に、金属回路がセラミックス焼結体と十分な接触を獲得することが可能であり、接触抵抗を低減可能な複合シートを得ることができる。
上記硬化工程は、上記気孔に充填された上記樹脂組成物の硬化率が10~70%となるように半硬化する工程であってよい。
上記樹脂の充填率が85~100体積%であってよい。
上記セラミックス焼結体が有する上記気孔の平均細孔径が0.2~10μmであってよい。
上記セラミックス焼結体が窒化物焼結体であってよい。
本開示の一側面は、上述の製造方法で得られた複合シートと金属シートとを積層し、加熱及び加圧する積層工程を有する、積層体の製造方法を提供する。
上記積層体の製造方法は、上述の複合シートを用いることから、複合シートと金属シートとの接着面において、金属シートと複合シートを構成するセラミックス焼結体との接触を十分に図ることができ、接触抵抗を低減可能であり、放熱性に優れる積層体を製造することができる。
本開示の一側面は、上述の複合シートと、上記複合シートに積層された金属シートと、を有する積層体を備える、パワーデバイスを提供する。
上記パワーデバイスは、上述の複合シートを備えることから、放熱性に優れたものとなり得る。
本開示によれば、接着性及び放熱性に優れる積層体を製造可能な複合シート及びその製造方法を提供できる。また、本開示によればまた、上述のような複合シートを用いることで、接着性及び放熱性に優れる積層体及びその製造方法を提供できる。本開示によればまた、放熱性に優れるパワーデバイスを提供できる。
以下、場合によって図面を参照して、本開示の実施形態を説明する。ただし、以下の実施形態は、本開示を説明するための例示であり、本開示を以下の内容に限定する趣旨ではない。説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一符号を用い、場合により重複する説明は省略する。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。更に、各要素の寸法比率は図示の比率に限られるものではない。
本明細書において例示する材料は特に断らない限り、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。組成物中の各成分の含有量は、組成物中の各成分に該当する物質が複数存在する場合には、特に断らない限り、組成物中に存在する当該複数の物質の合計量を意味する。
複合シートの一実施形態は、厚みが2mm未満である多孔質のセラミックス焼結体と、上記セラミックス焼結体の気孔に充填されている樹脂と、を含む。上記樹脂の硬化率が10~70%である。
図1は、複合シート10の一例を示す斜視図である。複合シート10は、厚みtが2mm未満である多孔質のセラミックス焼結体20と、セラミックス焼結体20の気孔に充填されている樹脂と、を含む。セラミックス焼結体20は、例えば、窒化物焼結体であってよい。窒化物焼結体は、窒化物の一次粒子同士が焼結して構成される窒化物粒子と気孔とを含有する。
本開示における「樹脂」は、主剤及び硬化剤を含む樹脂組成物の半硬化物(Bステージ)である。半硬化物は、樹脂組成物の硬化反応が一部進行したものである。したがって、樹脂は、樹脂組成物中の主剤及び硬化剤が反応して生成する熱硬化性樹脂等を含んでもよい。上記半硬化物は、樹脂成分として、熱硬化性樹脂に加えて主剤及び硬化剤等のモノマーを含んでもよい。複合シートに含まれる樹脂が完全硬化(Cステージ)前の半硬化物(Bステージ)であることは、例えば、示差走査熱量計によって確認することができる。
樹脂の硬化の程度は、例えば、完全硬化の状態となったときの硬化率を100%とする樹脂組成物の硬化率を指標として確認できる。樹脂の硬化率は10~70%である。樹脂の硬化率の上限値は、例えば、68%以下、65%以下、63%以下、60%以下、50%以下、又は45%以下であってよい。樹脂の硬化率が上記範囲内であると、複合シートと金属シートとを接着する際にも樹脂が適度に軟化し移動できることから、複合シートを構成するセラミックス焼結体と金属シートとの接触を確保することができ、得られる積層体における複合シートと金属シートとの界面における接触抵抗を低減することができる。また樹脂の硬化率の下限値は、例えば、12%以上、13%以上、15%以上、17%以上、又は20%以上であってよい。樹脂の硬化率が上記範囲内であると、樹脂が複合シートから流れ出すことを抑制し、樹脂をセラミックス焼結体の気孔内に十分に保持することができる。
樹脂組成物の硬化率は、示差走査熱量計を用いた測定によって決定することができる。まず、未硬化の状態の樹脂組成物1gを完全に硬化させた際に生じる発熱量Qを測定する。そして、複合シートが備える樹脂から採取したサンプルを同様に昇温させて、完全に硬化させた際に生じる発熱量Rを求める。このとき、示差走査熱量計による測定に使用するサンプルの質量は、発熱量Qの測定に用いた樹脂組成物と同一とする。樹脂中に熱硬化性を有する成分がc(質量%)含有されているとすると、下記式(A)によって複合シートに含浸している樹脂組成物の硬化率が求められる。なお、樹脂が完全に硬化したか否かは、示差走査熱量測定によって得られる発熱曲線において、発熱が終了することで確認することができる。
含浸されている樹脂組成物の硬化率(%)={1-[(R/c)×100]/Q}×100・・・(A)
含浸されている樹脂組成物の硬化率(%)={1-[(R/c)×100]/Q}×100・・・(A)
樹脂組成物の半硬化物は、例えば、シアネート基に由来する構造単位、ビスマレイミド基に由来する構造単位、及びエポキシ基に由来する構造単位からなる群より選択される少なくとも1種の構造単位を有してよい。樹脂組成物の半硬化物が、シアネート基に由来する構造単位、ビスマレイミド基に由来する構造単位、及びエポキシ基に由来する構造単位を有することによって、複合シートの製造が容易になると共に、複合シートと金属シートとの接着性をより向上させることができる。
シアネート基を有する構造単位としては、例えば、トリアジン環等が挙げられる。ビスマレイミド基に由来する構造単位としては、例えば、下記式(1)で示される構造等が挙げられる。エポキシ基に由来する構造単位としては、例えば、下記一般式(2)で示される構造等が挙げられる。これらの構造単位は、赤外線吸収スペクトル法(IR)を用いて検出することができる。プロトン核磁気共鳴分光法(1H-NMR)及び炭素-13核磁気共鳴分光法(13C-NMR)を用いて検出することができる。上述の構造単位は、IR、又は1H-NMR及び13C-NMRのいずれかで検出できればよい。
上記一般式(2)において、R1は、水素原子又はその他の官能基を示す。その他の官能基としては、例えば、アルキル基等であってよい。
上記半硬化物は、熱硬化性樹脂として、シアネート樹脂、ビスマレイミド樹脂、及びエポキシ樹脂からなる群より選択される少なくとも1種を含有してもよい。上記半硬化物は、上記熱硬化性樹脂の他に、例えば、フェノール樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、及びアルキド樹脂等を含有してもよい。
上記半硬化物は、ホスフィン系硬化剤及びイミダゾール系硬化剤からなる群より選択される少なくとも1種の硬化剤を含有してもよい。上記半硬化物は、これらの硬化剤によって、樹脂組成物が含有する重合性化合物(例えば、シアネート基を有する化合物、エポキシ基を有する化合物等)が硬化され形成された硬化物であってよい。
複合シート10における樹脂の充填率は、例えば、85~100体積%であってよい。樹脂の充填率が上記範囲内であることで、加熱及び加圧に金属シートと接着する際、樹脂成分のしみ出しを十分に多くすることができ、本実施形態の複合シートはより優れた接着性を有する。接着性を一層高くする観点から、樹脂の充填率の下限値は、88体積%以上であってよく、90体積%以上であってよく、92体積%以上であってもよく、94体積%以上であってもよい。
複合シート10における樹脂の体積比率は、複合シート10の全体積を基準として、30~60体積%であってよく、35~55体積%であってもよい。複合シート10におけるセラミックス焼結体20を構成するセラミックス粒子の体積比率は、複合シート10の全体積を基準として、40~70体積%であってよく、45~65体積%であってもよい。このような体積比率の複合シート10は、優れた接着性と強度を高水準で両立することができる。
セラミックス焼結体20の気孔の平均細孔径は、例えば、10μm以下、8μm以下、5μm以下、4μm以下、又は3.5μm以下であってよい。このようなセラミックス焼結体20は、気孔のサイズが小さいことから、セラミックス粒子の粒子同士の接触面積を十分に大きくすることができる。したがって、熱伝導率を高くすることができる。セラミックス焼結体20の気孔の平均細孔径は、例えば、0.2μm以上、0.3μm以上、0.5μm以上、1.0μm以上、又は1.5μm以上であってもよい。このようなセラミックス焼結体20は、接着する際に加圧すると十分に変形できるため、樹脂成分のしみ出し量を多くすることができる。このため、接着性を一層向上することができる。
セラミックス焼結体20の気孔の平均細孔径は、以下の手順で測定することができる。まず、複合シート10を加熱して樹脂を除去する。そして、水銀ポロシメーターを用い、0.0042MPaから206.8MPaまで圧力を増やしながらセラミックス焼結体20を加圧したときの細孔径分布を求める。横軸を細孔径、縦軸を累積細孔容積としたときに、累積細孔容積が全細孔容積の50%に達するときの細孔径が平均細孔径である。水銀ポロシメーターとしては、株式会社島津製作所製のものを用いることができる。
セラミックス焼結体20の気孔率、すなわち、セラミックス焼結体20における気孔の体積の比率は、30~65体積%であってよく、35~55体積%であってよい。気孔率が大きくなり過ぎるとセラミックス焼結体の強度が低下する傾向にある。一方、気孔率が小さくなり過ぎると複合シート10が他部材と接着される際にしみ出す樹脂が少なくなる傾向にある。
気孔率は、セラミックス焼結体20の体積及び質量から、かさ密度[B(kg/m3)]を算出し、このかさ密度とセラミックスの理論密度[A(kg/m3)]とから、下記式(1)によって求めることができる。セラミックス焼結体20が窒化物焼結体の例では、窒化物として、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、又は窒化ケイ素からなる群から選択される少なくとも一種を含んでよい。窒化ホウ素の場合、理論密度Aは2280kg/m3である。窒化アルミニウムの場合、理論密度Aは3260kg/m3である。窒化ケイ素の場合、理論密度Aは3170kg/m3である。
気孔率(体積%)=[1-(B/A)]×100 (1)
気孔率(体積%)=[1-(B/A)]×100 (1)
セラミックス焼結体20が窒化ホウ素焼結体である場合、かさ密度Bは、800~1500kg/m3であってよく、1000~1400kg/m3であってもよい。かさ密度Bが小さくなり過ぎるとセラミックス焼結体20の強度が低下する傾向にある。一方、かさ密度Bが大きくなり過ぎると樹脂の充填量が減少して複合シート10が他部材と接着される際にしみ出す樹脂が少なくなる傾向にある。
セラミックス焼結体20の厚みtは、2mm未満であってよく、1.6mm未満であってもよい。このような厚みを有するセラミックス焼結体20であることで、気孔への樹脂の充填がより容易なものとなり、充填率に優れる複合シートをより容易に調製することができる。したがって、複合シート10の小型化が可能であるとともに、複合シート10の接着性を向上することができる。このような複合シート10は、半導体装置の部品として好適に用いられる。セラミックス焼結体20作製の容易性の観点から、セラミックス焼結体20の厚みtは、0.1mm以上であってよく、0.2mm以上であってもよい。
複合シート10の厚みは、セラミックス焼結体20の厚みtと同じであってもよいし、セラミックス焼結体20の厚みtよりも大きくてもよい。複合シート10の厚みは、2mm未満であってよく、1.6mm未満であってもよい。複合シート10の厚みは、0.1mm以上であってよく、0.2mm以上であってもよい。複合シート10の厚みは、主面10a,10bに直交する方向に沿って測定される。複合シート10の厚みが一定ではない場合、任意の10箇所を選択して厚みの測定を行い、その平均値が上述の範囲であればよい。セラミックス焼結体20の厚みが一定でない場合も、任意の10箇所を選択して厚みの測定を行い、その平均値が厚みtとなる。複合シート10の主面10a,10bのサイズは特に限定はなく、例えば、500mm2以上であってよく、800mm2以上であってよく、1000mm2以上であってもよい。
複合シート10の主面10a及び主面10bは切断面ではないことが好ましい。これによって、主面10a及び主面10bに露出するセラミックス焼結体20の割合を低減し、樹脂による被覆率を十分に高くすることができる。その結果、主面10a及び主面10bに積層される他部材との接着性を向上することができる。本実施形態の複合シート10は、樹脂の硬化率が所定の範囲内となるように調整されていることから、複合シート10の表面が樹脂に被覆されている場合であっても、金属シートとの接着の際の加熱によって樹脂が軟化し移動できるため、金属シートと、セラミックス焼結体との接触を十分に得ることがき、得られる積層体における金属シートと複合シートとの界面の接触熱抵抗を抑制できる。これによって、他部材等との接着性及び放熱性を一層向上することができる。
本実施形態の複合シート10の主面10a,主面10bは四角形であったが、このような形状に限定されない。例えば、主面は四角形以外の多角形であってもよいし、円形であってもよい。また、角部が面取りされた形状であってもよいし、一部を切り欠いた形状であってもよい。また、厚さ方向に貫通する貫通孔を有していてもよい。
図2は、積層体の一例を厚さ方向に切断したときの断面図である。積層体100は、複合シート10と、複合シート10の主面10aに接着されている金属シート30と、複合シート10の主面10bに接着されている金属シート40とを備える。金属シート30,40は、金属板であってよく、金属箔であってもよい。金属シート30,40の材質は、アルミニウム、及び銅等が挙げられる。金属シート30,40の材質及び厚みは互いに同じであってよく、異なっていてもよい。また、金属シート30,40の両方備えることは必須ではなく、積層体100の変形例では、金属シート30,40の一方のみを備えていてもよい。
積層体100は、本開示の趣旨に反しない範囲で、複合シート10と金属シート30,40の間に樹脂層を有していてもよい。この樹脂層は、複合シート10からしみ出した樹脂が硬化して形成されたものであってよい。積層体100における複合シート10と金属シート30,40とは、しみ出した樹脂によって十分強固に接着されていることから接着性に優れる。また積層体100は、樹脂の硬化率が所定の範囲内である複合シート(Bステージシート)を用いて製造されることから、セラミックス焼結体と金属シートとの接触が十分なものとなり、セラミックス焼結体と金属シートとの界面による接触熱抵抗が低く抑制されており、放熱性にも優れる。このような積層体は、薄型であるうえに接着性及び放熱性に優れるため、例えば放熱部材として、半導体装置等に好適に用いることができる。
複合シートの製造方法の一実施形態は、多孔質のセラミックス焼結体を調製する焼結工程と、厚みが2mm未満であるセラミックス焼結体の気孔に樹脂組成物を含浸して樹脂組成物含浸体を得る含浸工程と、樹脂組成物含浸体を70~160℃で加熱して気孔に充填された樹脂組成物を半硬化する硬化工程と、を有する。以下、セラミックス焼結体が、窒化物焼結体の例で説明する。
焼結工程で用いる原料粉末は、窒化物を含む。原料粉末に含まれる窒化物は、例えば、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、及び窒化ケイ素からなる群から選択される少なくとも一種の窒化物を含有してよい。窒化ホウ素を含有する場合、窒化ホウ素は、アモルファス状の窒化ホウ素であってよく、六方晶状の窒化ホウ素であってもよい。セラミックス焼結体20として窒化ホウ素焼結体を調製する場合、原料粉末として、例えば、平均粒径が0.5~10μmであるアモルファス窒化ホウ素粉末、又は、平均粒径が3.0~40μmである六方晶窒化ホウ素粉末を用いることができる。
焼結工程では、窒化物粉末を含む配合物を成形して焼結し窒化物焼結体を得てもよい。成形は、一軸加圧で行ってよく、冷間等方加圧(CIP)法で行ってもよい。成形の前に、焼結助剤を配合して配合物を得てもよい。焼結助剤としては、例えば、酸化イットリウム、酸化アルミニウム及び酸化マグネシウム等の金属酸化物、炭酸リチウム及び炭酸ナトリウム等のアルカリ金属の炭酸塩、並びにホウ酸等が挙げられる。焼結助剤を配合する場合は、焼結助剤の配合量は、例えば、窒化物及び焼結助剤の合計100質量部に対して、例えば、0.01質量部以上、又は0.1質量部以上であってよい。焼結助剤の配合量は、窒化物及び焼結助剤の合計100質量部に対して、例えば、20質量部以下、15質量部以下又は10質量部以下であってよい。焼結助剤の添加量を上記範囲内とすることで、窒化物焼結体の平均細孔径を後述の範囲に調整し易くなる。
配合物は、例えば、ドクターブレード法によってシート状の成形体としてよい。成形方法は特に限定されず、金型を用いてプレス成形を行って成形体としてもよい。成形圧力は、例えば5~350MPaであってよい。成形体の形状は、厚さが2mm未満のシート状であってよい。このようなシート状の成形体を用いて窒化物焼結体を製造すれば、窒化物焼結体を切断することなく、厚さが2mm未満のシート状の複合シートを製造することができる。また、ブロック状の窒化物焼結体を切断してシート状とする場合に比べて、成形体の段階からシート状にすることによって、加工による材料ロスを低減することができる。したがって、高い歩留まりで複合シートを製造することができる。
焼結工程の焼結温度は、例えば、1600℃以上であってよく、1700℃以上であってもよい。焼結温度は、例えば、2200℃以下であってよく、2000℃以下であってもよい。焼結時間は、例えば、1時間以上であってよく、30時間以下であってもよい。焼結時の雰囲気は、例えば、窒素、ヘリウム、及びアルゴン等の不活性ガス雰囲気下であってよい。
焼結には、例えば、バッチ式炉及び連続式炉等を用いることができる。バッチ式炉としては、例えば、マッフル炉、管状炉、及び雰囲気炉等を挙げることができる。連続式炉としては、例えば、ロータリーキルン、スクリューコンベア炉、トンネル炉、ベルト炉、プッシャー炉、及び大形連続炉等を挙げることができる。このようにして、窒化物焼結体を得ることができる。窒化物焼結体はブロック状であってよい。
窒化物焼結体がブロック状である場合、2mm未満の厚さとなるように加工する切断工程を行う。切断工程では、窒化物焼結体を、例えばワイヤーソーを用いて切断する。ワイヤーソーは、例えば、マルチカットワイヤーソー等であってよい。このような切断工程によって、例えば厚みが2mm未満のシート状の窒化物焼結体を得ることができる。このようにして得られる窒化物焼結体は切断面を有する。
窒化物焼結体の切断工程を行うと、切断面に、微細なクラックが生じ得る。一方、窒化物焼結体の切断工程を経ずに得られる複合シートは、切断面を有しないため、微細なクラックを十分に低減することができる。したがって、窒化物焼結体の切断工程を経ずに得られる複合シートは、十分に高い強度を維持しつつ、絶縁性及び熱伝導性を十分に向上することができる。すなわち、電子部品等の部材としての信頼性に優れる。また、切断等の加工を行うと、材料ロスが発生する。このため、窒化物焼結体の切断面を有しない複合シートは、材料ロスを低減することができる。これによって、窒化物焼結体及び複合シートの歩留まりを向上することができる。
含浸工程では、厚みが2mm未満であるセラミックス焼結体20の気孔に樹脂組成物を含浸して樹脂組成物含浸体を得る。この際の含浸する樹脂組成物の硬化率は、5~65%である。窒化物焼結体(セラミックス焼結体20)は、厚みが2mm未満のシート状であるため、樹脂組成物が内部にまで含浸されやすい。また、窒化物焼結体に樹脂組成物を含浸する際の硬化率を所定の範囲にすることによって、含浸に適し、樹脂の充填率を十分に高くすることができると共に、得られる複合シートにおける樹脂の硬化率の調整を容易に行うことができる。
窒化物焼結体に樹脂組成物を含浸する際の温度T1は、例えば、樹脂組成物を半硬化する温度T2とした場合に、温度T3(=T2-20℃)以上、且つ温度T4(=T2+20℃)未満であってよい。温度T3は、例えば、80~160℃であってよい。窒化物焼結体への樹脂組成物の含浸は、加圧下で行ってよく、減圧下で行ってもよく、大気圧下で行ってもよい。含浸する方法は特に限定されず、樹脂組成物中に窒化物焼結体を浸漬してもよいし、窒化物焼結体の表面に樹脂組成物を塗布することで行ってもよい。
樹脂組成物の硬化率が適度な範囲であることによって、窒化物焼結体に十分に樹脂を充填することができる。樹脂の充填率は、例えば、85~100体積%であってよく、樹脂の充填率の下限値は、例えば、88体積%以上であってよく、90体積%以上であってよく、92体積%以上であってもよく、94体積%以上であってもよい。
含浸工程は、減圧条件下、加圧条件下、又は大気圧下のいずれの条件下で行ってもよく、減圧条件下での含浸、加圧条件下での含浸、及び大気圧下での含浸の2以上を組み合わせて行ってもよい。減圧条件下で含浸工程を実施する場合における含浸装置内の圧力は、例えば、1000Pa以下、500Pa以下、100Pa以下、50Pa以下、又は20Pa以下であってよい。加圧条件下で含浸工程を実施する場合における含浸装置内の圧力は、例えば、1MPa以上、3MPa以上、10MPa以上、又は30MPa以上であってよい。
窒化物焼結体における気孔の細孔径を調整することによって、毛細管現象による樹脂組成物の含浸を促進することもできる。このような観点から、窒化物焼結体の平均細孔径は0.2~10μmであってよく、1~8μmであってもよい。
樹脂組成物は、例えば、硬化又は半硬化反応によって上述の複合シートの説明で挙げた樹脂となるものを用いることができる。樹脂組成物は溶剤を含んでいてもよい。溶剤の配合量を変えることで樹脂組成物の粘度を調整してもよいし、硬化反応を一部進行させて樹脂組成物の粘度を調整してもよい。溶剤としては、例えば、エタノール、イソプロパノール等の脂肪族アルコール、2-メトキシエタノール、1-メトキシエタノール、2-エトキシエタノール、1-エトキシ-2-プロパノール、2-ブトキシエタノール、2-(2-メトキシエトキシ)エタノール、2-(2-エトキシエトキシ)エタノール、2-(2-ブトキシエトキシ)エタノール等のエーテルアルコール、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル等のグリコールエーテル、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、ジイソブチルケトン等のケトン、トルエン、キシレン等の炭化水素が挙げられる。これらのうちの1種を単独で含んでもよいし、2種以上を組み合わせて含んでもよい。
樹脂組成物は、熱硬化性であってよく、例えば、シアネート基を有する化合物、ビスマレイミド基を有する化合物及びエポキシ基を有する化合物からなる群より選択される少なくとも1種の化合物と、硬化剤と、を含有してよい。
シアネート基を有する化合物としては、例えば、ジメチルメチレンビス(1,4-フェニレン)ビスシアナート、及びビス(4-シアネートフェニル)メタン等が挙げられる。ジメチルメチレンビス(1,4-フェニレン)ビスシアナートは、例えば、TACN(三菱ガス化学株式会社製、商品名)として商業的に入手可能である。
ビスマレイミド基を有する化合物としては、例えば、N,N’-[(1-メチルエチリデン)ビス[(p-フェニレン)オキシ(p-フェニレン)]]ビスマレイミド、及び4,4’-ジフェニルメタンビスマレイミド等が挙げられる。N,N’-[(1-メチルエチリデン)ビス[(p-フェニレン)オキシ(p-フェニレン)]]ビスマレイミドは、例えば、BMI-80(ケイ・アイ化成株式会社製、商品名)として商業的に入手可能である。
エポキシ基を有する化合物としては、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、及び多官能エポキシ樹脂等が挙げられる。例えば、HP-4032D(DIC株式会社製、商品名)として商業的に入手可能である1,6-ビス(2,3-エポキシプロパン-1-イルオキシ)ナフタレン等であってもよい。
硬化剤は、ホスフィン系硬化剤及びイミダゾール系硬化剤を含有してもよい。ホスフィン系硬化剤はシアネート基を有する化合物又はシアネート樹脂の三量化によるトリアジン生成反応を促進し得る。
ホスフィン系硬化剤としては、例えば、テトラフェニルホスホニウムテトラ-p-トリルボレート、及びテトラフェニルホスホニウムテトラフェニルボレート等が挙げられる。テトラフェニルホスホニウムテトラ-p-トリルボレートは、例えば、TPP-MK(北興化学工業株式会社製、商品名)として商業的に入手可能である。
イミダゾール系硬化剤はオキサゾリンを生成し、エポキシ基を有する化合物又はエポキシ樹脂の硬化反応を促進する。イミダゾール系硬化剤としては、例えば、1-(1-シアノメチル)-2-エチル-4-メチル-1H-イミダゾール、及び2-エチル-4-メチルイミダゾール等が挙げられる。1-(1-シアノメチル)-2-エチル-4-メチル-1H-イミダゾールは、例えば、2E4MZ-CN(四国化成工業株式会社製、商品名)として商業的に入手可能である。
ホスフィン系硬化剤の含有量は、シアネート基を有する化合物、ビスマレイミド基を有する化合物及びエポキシ基を有する化合物の合計量100質量部に対して、例えば、5質量部以下、4質量部以下又は3質量部以下であってよい。ホスフィン系硬化剤の含有量は、シアネート基を有する化合物、ビスマレイミド基を有する化合物及びエポキシ基を有する化合物の合計量100質量部に対して、例えば、0.1質量部以上又は0.5質量部以上であってよい。ホスフィン系硬化剤の含有量が上記範囲内であると、樹脂組成物含浸体の調製が容易であり、かつ、樹脂組成物含浸体から切り出される複合シートの他部材への接着に要する時間をより短縮することができる。
イミダゾール系硬化剤の含有量は、シアネート基を有する化合物、ビスマレイミド基を有する化合物及びエポキシ基を有する化合物の合計量100質量部に対して、例えば、0.1質量部以下、0.05質量部以下又は0.03質量部以下であってよい。イミダゾール系硬化剤の含有量は、シアネート基を有する化合物、ビスマレイミド基を有する化合物及びエポキシ基を有する化合物の合計量100質量部に対して、例えば、0.001質量部以上又は0.005質量部以上であってよい。イミダゾール系硬化剤の含有量が上記範囲内であると、樹脂組成物含浸体の調製が容易であり、かつ、樹脂組成物含浸体から切り出される複合シートの用いた被着体への接着に要する時間をより短縮することができる。
樹脂組成物は、主剤及び硬化剤とは別の成分を含んでよい。その他の成分としては、例えば、フェノール樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、及びアルキド樹脂等のその他の樹脂、シランカップリング剤、レベリング剤、消泡剤、表面調整剤、並びに湿潤分散剤等を更に含んでもよい。これらのその他の成分の含有量は、樹脂組成物全量を基準として、例えば、20質量%以下であってよく、10質量%以下であってよく、5質量%以下であってよい。
含浸工程の後に、気孔内に含浸した樹脂組成物を半硬化させる硬化工程を有する。硬化工程は、上記気孔に充填されたうえ記樹脂組成物の硬化率が10~70%となるように半硬化する工程であってよい。硬化工程では、樹脂組成物(又は必要に応じて添加される硬化剤)の種類に応じて、加熱、及び/又は光照射によって、樹脂組成物を半硬化させる。「半硬化」(Bステージともいう)とは、その後の硬化処理によって、更に硬化させることができるものをいう。半硬化の状態であることを利用し金属シート等の他部材と仮圧着して、その後加熱することによって複合シートと金属シートを接着してもよい。半硬化物にさらに硬化処理を施すことで「完全硬化」(Cステージともいう)の状態となる。
硬化工程において、加熱によって樹脂組成物を半硬化させる場合の加熱温度は、例えば70~160℃であってよい。樹脂組成物の半硬化によって得られる半硬化物は、樹脂成分として、シアネート樹脂、ビスマレイミド樹脂、及びエポキシ樹脂からなる群より選択される少なくとも1種の熱硬化性樹脂、並びに硬化剤を含有してよい。半硬化物は、樹脂成分として、例えば、フェノール樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、及びアルキド樹脂等のその他の樹脂、並びに、シランカップリング剤、レベリング剤、消泡剤、表面調整剤、及び湿潤分散剤等に由来する成分を含有してもよい。
このようにして得られた複合シートは、例えば、2mm以下の厚みを有する。このため、薄型且つ軽量であり、半導体装置等の部品として用いられたときに装置の小型化及び軽量化を図ることができる。また、窒化物焼結体の気孔に樹脂が十分に充填されていることから、接着性のみならず、熱伝導性及び絶縁性にも優れる。また、上述の製造方法では、窒化物焼結体を切断することなく複合シートを製造することができる。したがって、信頼性に優れる複合シートを高い歩留まりで製造することができる。なお、複合シートに金属シートを積層して積層体とするほか、そのまま放熱部材として用いることもできる。
積層体の製造方法の一実施形態は、複合シートと金属シートとを積層し、加熱及び加圧する積層工程を有する。複合シートは上述の製造方法で製造することができる。金属シートは、金属板であってよく、金属箔であってもよい。
積層工程では、複合シートの主面上に金属シートを配置する。複合シートと金属シートの主面同士を接触させた状態で、主面同士が対向する方向に加圧するとともに、加熱する。なお、加圧と加熱は必ずしも同時に行う必要はなく、加圧して圧着した後に加熱してもよい。加圧圧力は例えば2~10MPaであってよい。このときの加熱温度T5は、樹脂組成物が半硬化する温度をT2としたときに、T2+20℃以上であってよく、T2+40℃以上であってもよい。これによって、複合シートを構成する樹脂を軟化させ、セラミックス焼結体と金属シートとの接触を十分なものとすることができ、且つ複合シートからしみ出した樹脂組成物を複合シートと金属シートの界面で硬化させ、両者を強固に接着することができる。硬化した硬化物の分解を抑制する観点から、加熱温度T5は、T2+150℃以下であってよく、T2+100℃以下であってもよい。
このようにして得られた積層体は、半導体装置、及びパワーデバイス等の製造に用いることができる。一方の金属シート上に半導体素子を設けてもよい。他方の金属シートは冷却フィンと接合されてもよい。
パワーデバイスの一実施形態は、上述の複合シートと、上記複合シートに積層された金属シートと、を有する積層体を備える。
以上、幾つかの実施形態について説明したが、共通する構成については互いの説明を適用することができる。また本開示は、上記実施形態に何ら限定されるものではない。
実施例及び比較例を参照して本開示の内容をより詳細に説明するが、本開示は下記の実施例に限定されるものではない。
(実施例1)
<窒化物焼結体(セラミックス焼結体)の作製>
新日本電工株式会社製のオルトホウ酸100質量部と、デンカ株式会社製のアセチレンブラック(商品名:HS100)35質量部とをヘンシェルミキサーを用いて混合した。得られた混合物を、黒鉛製のルツボ中に充填し、アーク炉にて、アルゴン雰囲気で、2200℃にて5時間加熱し、塊状の炭化ホウ素(B4C)を得た。得られた塊状物を、ジョークラッシャーで粗粉砕して粗粉を得た。この粗粉を、炭化珪素製のボール(φ10mm)を有するボールミルによってさらに粉砕して粉砕粉を得た。
<窒化物焼結体(セラミックス焼結体)の作製>
新日本電工株式会社製のオルトホウ酸100質量部と、デンカ株式会社製のアセチレンブラック(商品名:HS100)35質量部とをヘンシェルミキサーを用いて混合した。得られた混合物を、黒鉛製のルツボ中に充填し、アーク炉にて、アルゴン雰囲気で、2200℃にて5時間加熱し、塊状の炭化ホウ素(B4C)を得た。得られた塊状物を、ジョークラッシャーで粗粉砕して粗粉を得た。この粗粉を、炭化珪素製のボール(φ10mm)を有するボールミルによってさらに粉砕して粉砕粉を得た。
調製した粉砕粉を、窒化ホウ素製のルツボに充填した。その後、抵抗加熱炉を用い、窒素ガス雰囲気下で、2000℃、0.85MPaの条件で10時間加熱した。このようにして炭窒化ホウ素(B4CN4)を含む焼成物を得た。
粉末状のホウ酸と炭酸カルシウムを配合して焼結助剤を調製した。調製にあたっては、100質量部のホウ酸に対して、炭酸カルシウムを50.0質量部配合した。このときのホウ素とカルシウムの原子比率は、ホウ素100原子%に対してカルシウムが17.5原子%であった。焼成物100質量部に対して焼結助剤を20質量部配合し、ヘンシェルミキサーを用いて混合して粉末状の配合物を調製した。
配合物を、粉末プレス機を用いて、150MPaで30秒間加圧して、シート状(縦×横×厚さ=50mm×50mm×0.30mm)の成形体を得た。成形体を窒化ホウ素製容器に入れ、バッチ式高周波炉に導入した。バッチ式高周波炉において、常圧、窒素流量5L/分、2000℃の条件で5時間加熱した。その後、窒化ホウ素製容器から窒化ホウ素焼結体を取り出した。このようにして、シート状(四角柱状)の窒化ホウ素焼結体を得た。窒化ホウ素焼結体の厚みは0.31mmであった。
<平均細孔径の測定>
得られた窒化ホウ素焼結体について、株式会社島津製作所製の水銀ポロシメーター(装置名:オートポアIV9500)を用い、0.0042MPaから206.8MPaまで圧力を増加しながら細孔容積分布を測定した。積算細孔容積が全細孔容積の50%に達する細孔径を、「平均細孔径」とした。結果を表1に示す。
得られた窒化ホウ素焼結体について、株式会社島津製作所製の水銀ポロシメーター(装置名:オートポアIV9500)を用い、0.0042MPaから206.8MPaまで圧力を増加しながら細孔容積分布を測定した。積算細孔容積が全細孔容積の50%に達する細孔径を、「平均細孔径」とした。結果を表1に示す。
<複合シートの作製>
市販のビスマレイミド(BMI-80(ケイ・アイ化成株式会社製、商品名)10質量部エポキシ樹脂(三菱ケミカル株式会社製、商品名:エピコート807)29.5質量部、及び市販のシアネート樹脂(三菱ガス化学株式会社製、商品名:TACN)60質量部に対し、市販の硬化剤(日本合成化学工業株式会社製、商品名:アクメックスH-84B)を0.5質量部配合して、樹脂組成物を調製した。調製した樹脂組成物を120℃で11時間加熱し、硬化率を64%に調整した。硬化率13%の樹脂組成物を、その温度を維持したまま、160℃に加熱された窒化ホウ素焼結体の主面に滴下した。大気圧下、窒化ホウ素焼結体の主面に滴下した樹脂組成物をシリコンゴム製のヘラを用いて塗り伸ばし、主面全体に樹脂組成物を塗り広げて樹脂組成物含浸体を得た。
市販のビスマレイミド(BMI-80(ケイ・アイ化成株式会社製、商品名)10質量部エポキシ樹脂(三菱ケミカル株式会社製、商品名:エピコート807)29.5質量部、及び市販のシアネート樹脂(三菱ガス化学株式会社製、商品名:TACN)60質量部に対し、市販の硬化剤(日本合成化学工業株式会社製、商品名:アクメックスH-84B)を0.5質量部配合して、樹脂組成物を調製した。調製した樹脂組成物を120℃で11時間加熱し、硬化率を64%に調整した。硬化率13%の樹脂組成物を、その温度を維持したまま、160℃に加熱された窒化ホウ素焼結体の主面に滴下した。大気圧下、窒化ホウ素焼結体の主面に滴下した樹脂組成物をシリコンゴム製のヘラを用いて塗り伸ばし、主面全体に樹脂組成物を塗り広げて樹脂組成物含浸体を得た。
樹脂組成物含浸体を、大気圧下、160℃で5分間加熱して樹脂組成物を半硬化させた。このようにして、四角柱状の複合シート(縦×横×厚さ=縦×横×厚み=50mm×50mm×0.31mm)を作製した。
上記半硬化物に含まれている樹脂組成物の硬化率は、示差走査熱量計を用いた測定によって決定した。まず、未硬化の状態の樹脂組成物1gを完全に硬化させた際に生じる発熱量Qを測定した。そして、複合体が備える半硬化物から採取したサンプルを同様に昇温させて、完全に硬化させた際に生じる発熱量Rを求めた。このとき、示差走査熱量計による測定に使用するサンプルの質量は、発熱量Qの測定に用いた樹脂組成物と同一とした。半硬化物中に熱硬化性を有する成分がc(質量%)含有されているとすると、下記式(A)によって複合体に含浸している樹脂組成物の硬化率が求められる。実施例1における含浸されている樹脂組成物の硬化率は45%であった。
含浸されている樹脂組成物の硬化率(%)={1-[(R/c)×100]/Q}×100・・・(A)
含浸されている樹脂組成物の硬化率(%)={1-[(R/c)×100]/Q}×100・・・(A)
<樹脂(半硬化物)の充填率の測定>
複合シートに含まれる樹脂の充填率を、以下の式(3)によって求めた。結果は表1に示すとおりであった。
複合シートに含まれる樹脂の充填率を、以下の式(3)によって求めた。結果は表1に示すとおりであった。
複合シートにおける樹脂の充填率(体積%)={(複合シートのかさ密度-窒化ホウ素焼結体のかさ密度)/(複合シートの理論密度-窒化ホウ素焼結体のかさ密度)}×100 …(3)
窒化ホウ素焼結体及び複合シートのかさ密度は、JIS Z 8807:2012の「幾何学的測定による密度及び比重の測定方法」に準拠し、窒化ホウ素焼結体又は複合シートの各辺の長さ(ノギスにより測定)から計算した体積と、電子天秤により測定した窒化ホウ素焼結体又は複合シートの質量に基づいて求めた(JIS Z 8807:2012の9項参照)。複合シートの理論密度は、下記式(4)によって求めた。
複合シートの理論密度=窒化ホウ素焼結体の真密度+樹脂の真密度×(1-窒化ホウ素焼結体のかさ密度/窒化ホウ素の真密度) … (4)
窒化ホウ素焼結体及び樹脂の真密度は、JIS Z 8807:2012の「気体置換法による密度及び比重の測定方法」に準拠し、乾式自動密度計を用いて測定した窒化ホウ素焼結体及び樹脂の体積及び質量より求めた(JIS Z 8807:2012の11項の式(14)~(17)参照)。
<積層体の作製>
シート状の銅箔(縦×横×厚み=100mm×20mm×0.035mm)と、シート状の銅板(縦×横×厚み=100mm×20mm×1mm)との間に、上述の複合シート(縦×横×厚み=50mm×20mm×0.31mm)を配置して、銅箔、複合シート及び銅板をこの順に備える積層体を作製した。当該積層体を200℃及び5MPaの条件下で5分間加熱及び加圧した後、200℃及び大気圧の条件下で2時間加熱処理した。これによって積層体を得た。
シート状の銅箔(縦×横×厚み=100mm×20mm×0.035mm)と、シート状の銅板(縦×横×厚み=100mm×20mm×1mm)との間に、上述の複合シート(縦×横×厚み=50mm×20mm×0.31mm)を配置して、銅箔、複合シート及び銅板をこの順に備える積層体を作製した。当該積層体を200℃及び5MPaの条件下で5分間加熱及び加圧した後、200℃及び大気圧の条件下で2時間加熱処理した。これによって積層体を得た。
<接着性(接着強度)の評価>
上述の処理を施したのち、JIS K 6854-1:1999「接着剤-はく離接着強さ試験方法」に準拠して、90°はく離試験を、万能試験機(株式会社エーアンドディ製、商品名:RTG-1310)を用いて実施した。なお、はく離はシート状の銅箔と複合シートの接着界面において行った。試験速度:50mm/min、ロードセル:5kN、測定温度:室温(20℃)の条件で測定を行って、はく離面における凝集破壊部分の面積比率を測定した。測定結果から、以下の基準で接着性を評価した。結果を表1に示す。なお、凝集破壊部分とは、複合シートが破壊した部分の面積であり、この面積比率が大きい方が接着性に優れることを示している。
A:凝集破壊部分の面積比率が70面積%以上である。
B:凝集破壊部分の面積比率が50面積%以上70面積%未満である。
C:凝集破壊部分の面積比率が50面積%未満である。
上述の処理を施したのち、JIS K 6854-1:1999「接着剤-はく離接着強さ試験方法」に準拠して、90°はく離試験を、万能試験機(株式会社エーアンドディ製、商品名:RTG-1310)を用いて実施した。なお、はく離はシート状の銅箔と複合シートの接着界面において行った。試験速度:50mm/min、ロードセル:5kN、測定温度:室温(20℃)の条件で測定を行って、はく離面における凝集破壊部分の面積比率を測定した。測定結果から、以下の基準で接着性を評価した。結果を表1に示す。なお、凝集破壊部分とは、複合シートが破壊した部分の面積であり、この面積比率が大きい方が接着性に優れることを示している。
A:凝集破壊部分の面積比率が70面積%以上である。
B:凝集破壊部分の面積比率が50面積%以上70面積%未満である。
C:凝集破壊部分の面積比率が50面積%未満である。
<接触熱抵抗の評価>
上述の処理を施したのち、ASTM D5470に記載の方法に準拠して、接触熱抵抗を測定した。測定結果から、以下の基準で接触熱抵抗を評価した。
A:接触熱抵抗が0.45K/W以下である。
B:接触熱抵抗が0.45K/W超0.65K/W以下である。
C:接触熱抵抗が0.65K/W超である。
上述の処理を施したのち、ASTM D5470に記載の方法に準拠して、接触熱抵抗を測定した。測定結果から、以下の基準で接触熱抵抗を評価した。
A:接触熱抵抗が0.45K/W以下である。
B:接触熱抵抗が0.45K/W超0.65K/W以下である。
C:接触熱抵抗が0.65K/W超である。
<放熱性(熱抵抗)の評価>
上述の処理を施したのち、ASTM D5470に記載の方法に準拠して、熱抵抗を測定した。測定結果から、以下の基準で熱抵抗を評価した。
A:熱抵抗が0.6K/W以下である。
B:熱抵抗が0.6K/W超0.8K/W以下である。
C:熱抵抗が0.8K/W超である。
上述の処理を施したのち、ASTM D5470に記載の方法に準拠して、熱抵抗を測定した。測定結果から、以下の基準で熱抵抗を評価した。
A:熱抵抗が0.6K/W以下である。
B:熱抵抗が0.6K/W超0.8K/W以下である。
C:熱抵抗が0.8K/W超である。
(実施例2)
樹脂組成物含浸体における樹脂組成物を半硬化させる際の条件を、70℃、300分間に変更したこと以外は、実施例1と同様にして、複合シート及び積層体を製造した。
樹脂組成物含浸体における樹脂組成物を半硬化させる際の条件を、70℃、300分間に変更したこと以外は、実施例1と同様にして、複合シート及び積層体を製造した。
(実施例3)
セラミックス焼結体として表1に示す厚み及び平均細孔径を有する窒化ホウ素焼結体を用いたこと、及び、窒化ホウ素焼結体の主面に滴下する樹脂組成物の硬化率を63%としたこと以外は、実施例1と同様にして、複合シート及び積層体を製造した。
セラミックス焼結体として表1に示す厚み及び平均細孔径を有する窒化ホウ素焼結体を用いたこと、及び、窒化ホウ素焼結体の主面に滴下する樹脂組成物の硬化率を63%としたこと以外は、実施例1と同様にして、複合シート及び積層体を製造した。
(実施例4)
セラミックス焼結体として表1に示す厚み及び平均細孔径を有する窒化ホウ素焼結体を用いたこと、及び、窒化ホウ素焼結体の主面に滴下する樹脂組成物の硬化率を30%としたこと以外は、実施例1と同様にして、複合シート及び積層体を製造した。
セラミックス焼結体として表1に示す厚み及び平均細孔径を有する窒化ホウ素焼結体を用いたこと、及び、窒化ホウ素焼結体の主面に滴下する樹脂組成物の硬化率を30%としたこと以外は、実施例1と同様にして、複合シート及び積層体を製造した。
(実施例5)
窒化ホウ素焼結体の主面に滴下する樹脂組成物の硬化率を6%としたこと以外は、実施例1と同様にして、複合シート及び積層体を製造した。
窒化ホウ素焼結体の主面に滴下する樹脂組成物の硬化率を6%としたこと以外は、実施例1と同様にして、複合シート及び積層体を製造した。
(実施例6)
セラミックス焼結体として表1に示す厚み及び平均細孔径を有する窒化ホウ素焼結体を用いたこと、及び、窒化ホウ素焼結体の主面に滴下する樹脂組成物の硬化率を25%としたこと以外は、実施例1と同様にして、複合シート及び積層体を製造した。
セラミックス焼結体として表1に示す厚み及び平均細孔径を有する窒化ホウ素焼結体を用いたこと、及び、窒化ホウ素焼結体の主面に滴下する樹脂組成物の硬化率を25%としたこと以外は、実施例1と同様にして、複合シート及び積層体を製造した。
(実施例7)
セラミックス焼結体として表1に示す厚み及び平均細孔径を有する窒化ホウ素焼結体を用いたこと、及び、窒化ホウ素焼結体の主面に滴下する樹脂組成物の硬化率を64%としたこと以外は、実施例1と同様にして、複合シート及び積層体を製造した。
セラミックス焼結体として表1に示す厚み及び平均細孔径を有する窒化ホウ素焼結体を用いたこと、及び、窒化ホウ素焼結体の主面に滴下する樹脂組成物の硬化率を64%としたこと以外は、実施例1と同様にして、複合シート及び積層体を製造した。
(比較例1)
窒化ホウ素焼結体の主面に滴下する樹脂組成物の硬化率を2%としたこと以外は、実施例1と同様にして、複合シート及び積層体を製造した。
窒化ホウ素焼結体の主面に滴下する樹脂組成物の硬化率を2%としたこと以外は、実施例1と同様にして、複合シート及び積層体を製造した。
(比較例2)
窒化ホウ素焼結体の主面に滴下する樹脂組成物の硬化率を81%としたこと以外は、実施例1と同様にして、複合シート及び積層体を製造した。
窒化ホウ素焼結体の主面に滴下する樹脂組成物の硬化率を81%としたこと以外は、実施例1と同様にして、複合シート及び積層体を製造した。
(比較例3)
セラミックス焼結体として表1に示す厚み及び平均細孔径を有する窒化ホウ素焼結体を用いたこと、及び、窒化ホウ素焼結体の主面に滴下する樹脂組成物の硬化率を22%としたこと以外は、実施例1と同様にして、複合シート及び積層体を製造した。
セラミックス焼結体として表1に示す厚み及び平均細孔径を有する窒化ホウ素焼結体を用いたこと、及び、窒化ホウ素焼結体の主面に滴下する樹脂組成物の硬化率を22%としたこと以外は、実施例1と同様にして、複合シート及び積層体を製造した。
実施例2~7及び比較例1~3で得られた複合シート及び積層体について、実施例1と同様に、樹脂の硬化率、樹脂の充填率、接着性(接着強度)、接触熱抵抗及び放熱性(熱抵抗)を評価した。結果を表1に示す。
本開示によれば、接着性及び放熱性に優れる積層体を製造可能な複合シート及びその製造方法を提供できる。また、本開示によればまた、上述のような複合シートを用いることで、接着性及び放熱性に優れる積層体及びその製造方法を提供できる。本開示によればまた、放熱性に優れるパワーデバイスを提供できる。
10…複合シート、10a,10b…主面、20…セラミックス焼結体、30,40…金属シート、100…積層体。
Claims (12)
- 厚みが2mm未満である多孔質のセラミックス焼結体と、
前記セラミックス焼結体の気孔に充填されている樹脂と、を含み、
前記樹脂の硬化率が10~70%である、複合シート。 - 前記樹脂の充填率が85~100体積%である、請求項1に記載の複合シート。
- 前記セラミックス焼結体が有する前記気孔の平均細孔径が0.2~10μmである、請求項1又は2に記載の複合シート。
- 前記セラミックス焼結体が窒化物焼結体である、請求項1~3のいずれか一項に記載の複合シート。
- 請求項1~4のいずれか一項に記載の複合シートと金属シートとが積層されている、積層体。
- 厚みが2mm未満である多孔質のセラミックス焼結体の気孔に樹脂組成物を含浸して樹脂組成物含浸体を得る含浸工程と、
前記樹脂組成物含浸体を70~160℃で加熱して前記気孔に充填された前記樹脂組成物を半硬化する硬化工程と、を有し、
前記含浸工程における前記樹脂組成物の硬化率が5~65%である、複合シートの製造方法。 - 前記硬化工程は、前記気孔に充填された前記樹脂組成物の硬化率が10~70%となるように半硬化する工程である、請求項6に記載の複合シートの製造方法。
- 前記樹脂の充填率が85~100体積%である、請求項6又は7に記載の複合シートの製造方法。
- 前記セラミックス焼結体が有する前記気孔の平均細孔径が0.2~10μmである、請求項6~8のいずれか一項に記載の複合シートの製造方法。
- 前記セラミックス焼結体が窒化物焼結体である、請求項6~9のいずれか一項に記載の複合シートの製造方法。
- 請求項6~10のいずれか一項に記載の製造方法で得られた複合シートと金属シートとを積層し、加熱及び加圧する積層工程を有する、積層体の製造方法。
- 請求項1~4のいずれか一項に記載の複合シートと、前記複合シートに積層された金属シートと、を有する積層体を備える、パワーデバイス。
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