説明

接着体

【課題】高い熱伝導率が得られると共に、その熱伝導率の所望値(理論値)との乖離を抑制することのできる接合層を備える接着体を提供すること。
【解決手段】接着体1は、金属材料で構成された第1の被着体2と、第2の被着体3と、第1の被着体2と第2の被着体3とを接着する接着層4とを有している。接着層4は、接着剤41と、接着剤41よりも熱伝導率の高いフィラー42とを含んでいる。また、接着剤41は、高分子材料を含んでいる。また、接着層4の空隙率は、0.1%以下であり、接着層4中のフィラー42の含有率は、60%〜80%である。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、接着体に関する。
【背景技術】
【0002】
近年のエレクトロニクス分野の急速な発展による電子回路の高集積化、小型化・高密度化により、電子回路から発生する熱の処理が問題となっている。そこで、例えば、特許文献1には、電子回路と放熱部材とを絶縁性を有する熱伝導性樹脂層を介して接合した構成のパッケージが提案されている。このような構成によれば、電子回路から発生する熱を熱伝導性樹脂層を介して効率的に放熱部材に伝達することができるため、効率的に電子回路を冷却することができる。
【0003】
このような特許文献1では、熱伝導性樹脂層として、セラミックス等のフィラー(粉体)を含有する樹脂絶縁層等を用いている。ここで、樹脂絶縁層に含まれている樹脂材料よりもフィラーの方が熱伝導率が高いため、樹脂絶縁層の熱伝導性を向上させるために、樹脂絶縁層中のフィラーの含有率(充填率)を高くするのが好ましい。しかしながら、樹脂絶縁層中のフィラーの含有率を高くしすぎると、絶縁樹脂層中にボイド(空隙)が発生する(例えば、特許文献2参照)。ここで、樹脂材料およびフィラーがそれぞれ特定されていれば、フィラーの含有率と絶縁樹脂層の熱伝導率との理論式を導き出せ、所定の熱伝導率を有する絶縁樹脂層を簡単に設計することができるが、絶縁樹脂層中に前記ボイドが発生し過ぎると、実測値が前記理論式から求められる理論値から乖離し、求められる性能(熱伝導率)を有する絶縁樹脂層を設計することが困難となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2001−196495号公報
【特許文献2】特開2008−308576号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明の目的は、高い熱伝導率が得られると共に、その熱伝導率の所望値(理論値)との乖離を抑制することのできる接合層を備える接着体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
このような目的は、下記(1)〜(12)の本発明により達成される。
(1) 金属材料で構成された第1の被着体と、
第2の被着体と、
前記第1の被着体と前記第2の被着体とを接合する接着剤と、前記接着剤よりも熱伝導率の高いフィラーとを含む接着層とを有し、
前記接着剤は、高分子材料を含み、
前記接着層の空隙率は、0.1%以下であり、
前記接着層中の前記フィラーの含有率は、60%〜80%であることを特徴とする接着体。
【0007】
(2) 前記第1の被着体は、前記第2の被着体から前記接着層を介して伝達された熱を放熱する機能を有している上記(1)に記載の接着体。
【0008】
(3) 前記接着層の厚さは、10μm〜200μmである上記(1)または(2)に記載の接着体。
【0009】
(4) 前記接着剤は、熱硬化性樹脂材料で構成されている上記(1)ないし(3)のいずれかに記載の接着体。
【0010】
(5) 前記フィラーは、無機フィラーである上記(1)ないし(4)のいずれかに記載の接着体。
【0011】
(6) 前記フィラーの平均粒径は、0.1μm〜25μmである上記(1)ないし(5)のいずれかに記載の接着体。
【0012】
(7) 前記フィラーは、平均粒径の異なる第1フィラーおよび第2フィラーを含み、
前記第1フィラーの平均粒径は、0.1μm〜1μmであり、
前記第2フィラーの平均粒径は、15μm〜25μmである上記(1)ないし(6)のいずれかに記載の接着体。
【0013】
(8) 前記フィラー中の前記第1フィラーの含有率は、40wt%〜50wt%である上記(7)に記載の接着体。
【0014】
(9) 前記第2の被着体は、導体層である上記(1)ないし(8)のいずれかに記載の接着体。
【0015】
(10) 前記第2の被着体は、導体パターンである上記(9)に記載の接着体。
(11) 前記導体パターンと電気的に接続された回路素子を有し、
前記回路素子は、通電によって発熱する上記(10)に記載の接着体。
【0016】
(12) 前記接着層は、絶縁性を有している上記(1)ないし(11)のいずれかに記載の接着体。
【発明の効果】
【0017】
本発明の接着体によれば、接着層の空隙率が0.1%以下としつつ、接着層中のフィラーの含有率が60%〜80%であるため、接着層に優れた熱伝導性を付与することができるとともに、接着層の熱伝導率の理論値からの乖離を抑制することができる。
【0018】
特に、第1の被着体が放熱効果を有する場合には、第2の被着体側で発生した熱を接着層を介して第1の被着体から効果的に放熱することができる。また、接着層が絶縁性を有する場合には、接着層によって、第1の被着体と第2の被着体とを絶縁することができるため、例えば、第2の被着体上に回路を形成することにより、当該回路で発生した熱を第1の被着体から効果的に放熱することができる。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【図1】本発明の接着体の第1実施形態を示す部分断面図である。
【図2】図1に示す接着体が有する接着層の構成を示す模式的断面図である。
【図3】本発明の接着体の第2実施形態を示す断面図である。
【図4】本発明の接着体の第3実施形態を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0020】
以下、本発明の接着体を添付図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。
<第1実施形態>
図1は、本発明の接着体の第1実施形態を示す部分断面図、図2は、図1に示す接着体が有する接着層の構成を示す模式的断面図である。なお、以下では、説明の都合上、図1および図2中の上側を「上」または「上方」、下側を「下」または「下方」とも言う。また、図1中では、見易くするために接着体の大きさを誇張して模式的に図示しており、接着体と自動車との大きさの比率は実際とは大きく異なる。
【0021】
図1に示す接着体1は、自動車20に搭載され、その前方に向かって光を照射する多数の発光ダイオード素子(LED)202が配置されたヘッドライト(光源)201の例えばON/OFF(点燈/消灯)を制御する制御基板として機能する。なお、以下では、接着体1を「制御基板1」とも言う。
【0022】
制御基板1は、支持板(第1の被着体)2と、導体層(第2の被着体)3と、支持板2と導体層3とを接着する接着層4とを有している。また、導体層3上には、半導体素子51、52等の通電により発熱する回路素子や、コネクタ53等が設けられており、これらが回路6を形成している。
【0023】
支持板2は、導体層3を支持するベースとなるものである。また、支持板2は、通電によって前記回路素子から発生する熱を放熱する放熱部としても機能する。このような支持板2は、金属材料で構成され、特に、アルミニウムまたはアルミニウム合金で構成されているのが好ましい。アルミニウムまたはその合金で支持板2を構成することにより、支持板2の熱伝導性をより高くすることができ、前記回路素子から発生した熱を支持板2から効率よく放熱することができる。
【0024】
支持板2の厚さは、導体層3を支持することができれば、特に限定されないが、例えば、1〜5mmであるのが好ましく、1〜2mmであるのがより好ましい。支持板2の厚さをこのような数値範囲に設定することにより、制御基板1を自動車20に載置可能な程度の強度に確保することができるとともに、制御基板1の薄型化(小型化)を図ることができる。さらには、前記熱を効率よく放熱することができる。
【0025】
導体層3は、回路6の配線(導体パターン)の少なくとも一部を構成している。導体層3は、導電性を有する金属材料で構成されたものである。この導体層3は、接着層4の上面全面に積層された金属箔をエッチング等のパターニング処理によって所定のパターンに形成したものである。なお、導体層3を構成する金属材料としては、特に限定されないが、例えば、銅を好適に用いることができる。これにより、安価に、抵抗値が小さい導体層3が得られる。
【0026】
このような導体層3の厚さは、特に限定されないが、例えば、10〜200μmであるのが好ましく、18〜70μmであるのがより好ましい。
【0027】
本実施形態では、接着層4の上面に、導体層3が形成されていない部分を覆う被覆層(ソルダーレジスト層)7が設けられている。これにより、導体層3を保護することができ、回路6の劣化やショートを防止することができる。被覆層7の構成材料は、絶縁性を有していれば特に限定されず、例えば、エポキシ樹脂、シアネート樹脂、フェノール樹脂等の各種樹脂材料を用いることができる。なお、被覆層7は、省略してもよい。
【0028】
半導体素子51、52は、その内部に、銅等の導電性金属材料で構成される配線パターンが設けられている。この配線パターンは、下面から突出した複数の端子に電気的に接続されている。そして、各端子がそれぞれ導体層3と接合され、これにより、半導体素子51、52が導体層3と電気的に接続される。各端子は、例えば半田、銀ろう、銅ろう、燐銅ろうのような各種ろう材を主材料として構成することができる。
【0029】
なお、半導体素子51、52の外装部を構成するモールド部512、522は、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等のような熱硬化性樹脂で構成されている。
【0030】
コネクタ53は、中継ケーブル204を介して、ヘッドライト201に接続されている。なお、中継ケーブル204のヘッドライト201と反対側の端部には、コネクタ53と接続されるコネクタ205が設置されている。
【0031】
コネクタ53は、いわゆる「オス側」のコネクタであり、複数のピン(端子)531と、これらのピン531を一括して収納するハウジング532とを有している。各ピン531は、それぞれ、銅等の導電性金属材料で構成され、導体層3に電気的に接続されている。そして、各ピン531と、いわゆる「メス側」のコネクタ205の各端子(図示せず)とが嵌合により接続される。
【0032】
ハウジング532は、筒体で構成され、制御基板1に対し立設している。そして、ハウジング532に収納された各ピン531も制御基板1に対し垂直方向に、すなわち、鉛直上方に向かって起立している。これにより、コネクタ53に中継ケーブル204のコネクタ205を接続する際、コネクタ205を上方から差し込むことができ、その接続作業を容易に行なうことができる。
【0033】
ハウジング532の構成材料としては、特に限定されないが、例えば、半導体素子51、52のモールド部512、522の構成材料と同様の熱硬化性樹脂が用いることができる。
【0034】
さらに、本実施形態の制御基板1は、導体層3や半導体素子51、52、特に導体層3と半導体素子51、52との接続部を覆う保護部材8を有している。
【0035】
保護部材8は、硬質の樹脂材料で構成され、層状に設けられている。これにより、半導体素子51、52や、コネクタ53を一括して固定することができる。従って、自動車20が走行しているときにその振動が制御基板1に伝達したとしても、当該振動による半導体素子51、52やコネクタ53の離脱を確実に防止することができる。また、例えば、ケーシングで制御基板1を覆わなくとも、半導体素子51、52等を保護することができる。また、半導体素子51、52等が保護部材8に埋設された状態となるため、これらに対する防水・防塵機能を発揮することができる。
【0036】
保護部材8を構成する硬質の樹脂材料としては、特に限定されないが、例えば、半導体素子51、52のモールド部512、522やハウジング532の構成材料と同様の熱硬化性樹脂を用いることができ、特にエポキシ樹脂、フェノール樹脂が好ましい。
【0037】
ここで、保護部材8を構成する樹脂材料には、アルミナ等の金属酸化物、窒化ホウ素等の窒化物に代表される電気絶縁性かつ高熱伝導性フィラーを充填されているのが好ましい。これにより、保護部材8を介して、通電によって半導体素子51、52等が発した熱の放熱が促進される。そして、この放熱と、支持板2を介しての放熱とが相まって、制御基板1は、全体として放熱性に極めて優れたものとなる。
【0038】
接着層4は、支持板2と導体層3との間に形成されており、これらを接着(接合)する機能を有している。また、接着層4は、絶縁性を有しており、この接着層4によって、支持板2と導体層3との絶縁状態が確保されている。
【0039】
さらには、接着層4は、優れた熱伝導性を有しており、回路6で発生した熱(特に、通電により回路素子から発生した熱)を支持板2に伝達する機能を有している。これにより、回路6で発生した熱を効率よく支持板2から放熱することができる。このような接着層4の熱伝導率は、高いほど良く、具体的には、1W/m・K以上であるのが好ましく、3W/m・K以上であるのがより好ましい。これにより、より効率よく回路6で発生した熱を接着層4を介して支持板2に伝達することができる。
【0040】
接着層4の厚さ(平均厚さ)は、特に限定されないが、10μm〜200μm程度であるのが好ましく、20μm〜150μm程度であるのがより好ましい。これにより、接着層4の絶縁性を確保しつつ、接着層4の熱伝導性を向上させることができる。
【0041】
図2に示すように、このような接着層4は、接着剤41中に、フィラー42を分散させたものを層状に形成したものである。接着剤41は、接着層4の絶縁性を確保するとともに、支持板2と導体層3とを接着する機能を有しており、一方のフィラー42は、接着層4の熱伝導率を高める機能を有している。
【0042】
また、接着層4は、その空隙率(ボイドの体積占有率)Vが0.1%以下である。このように、接着層4の空隙率Vを0.1%以下とすることにより、接着層4の熱伝導率の実測値が理論値から大きく乖離するのを抑制することができる。これにより、所望値(設計値)とほぼ等しい熱伝導率を有する接着層4が比較的簡単に得られる。
【0043】
ここで、接着層4の空隙率Vは、例えば、次の計算式(1)で求めることができる。
V=1−ρ/(df×Vf+dm×(1−Vf))‥‥(1)
ただし、式(1)中「ρ」は、接着層4の実測比重(実測値)であり、「df」は、フィラー42の比重であり、「Vf」は、接着層4中のフィラー42の含有率(体積充填率)であり、「dm」は、接着剤41の比重である。
【0044】
また、前記「熱伝導率の理論値」とは、接着層4内にボイドが形成されていないと仮定した場合の熱伝導率の値を言い、この値は、接着剤41の種類(熱伝導率)、フィラー42の種類(熱伝導率)、接着層4中のフィラー42の含有率などから求めることができる。
【0045】
また、前記「接着層4の熱伝導率の実測値が理論値から大きく乖離するのを抑制することができる」とは、実測値をλとし、理論値をλtとしたとき、λ/λtを0.70〜1.30程度とすることができることを言う。
【0046】
なお、熱伝導率の理論値λtは、用いるフィラー42の形状により種々提案されているが、例えば略球形状(球状)フィラーの場合、次の計算式(2)、すなわちBruggemanの式で求めることができる。
【0047】
1−Φ=[(λt−λf)/(λm−λf)]×(λm/λt)1/3‥‥(2)
ただし、式(2)中「Φ」は、接着層4中のフィラー42の含有率(体積充填率)であり、「λf」は、フィラー42の熱伝導率であり、「λm」は、接着剤41の熱伝導率である。
【0048】
また、実測値λは、迅速熱伝導率計Kemtherm QTM−D3(京都電子工業社製)を使用し、プローブ法に準拠して室温にて測定することができる。
【0049】
接着剤41は、高分子材料と硬化剤とを含んでいる。硬化剤は、高分子材料を硬化させるためのものであり、省略することもできる。
【0050】
高分子材料としては、接着性および絶縁性を有していれば、特に限定されず、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂の各種樹脂材料を用いることができる。熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−酢酸ビニル共重合体等のポリオレフィン、変性ポリオレフィン、ポリアミド(例:ナイロン6、ナイロン46、ナイロン66、ナイロン610、ナイロン612、ナイロン11、ナイロン12、ナイロン6−12、ナイロン6−66)、熱可塑性ポリイミド、芳香族ポリエステル等の液晶ポリマー、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンサルファイド、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート、ポリエーテル、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリアセタール、スチレン系、ポリオレフィン系、ポリ塩化ビニル系、ポリウレタン系、ポリエステル系、ポリアミド系、ポリブタジエン系、トランスポリイソプレン系、フッ素ゴム系、塩素化ポリエチレン系等の各種熱可塑性エラストマー等、またはこれらを主とする共重合体、ブレンド体、ポリマーアロイ等が挙げられ、これらのうちの1種または2種以上を混合して用いることができる。一方、熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、ポリエステル(不飽和ポリエステル)樹脂、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂、ポリウレタン樹脂等が挙げられ、これらのうちの1種または2種以上を混合して用いることができる。
【0051】
これらのなかでも、接着剤41として熱硬化性樹脂を用いるのが好ましく、さらに、入手の容易性からエポキシ樹脂を用いるのがより好ましい。これにより、支持板2と導体層3とをより強固に接着することができる。また、熱硬化性樹脂は、熱可塑性樹脂と比べて熱に強いため、接着剤41として熱硬化性樹脂を用いることにより制御基板1の耐久性を向上させることができる。
【0052】
エポキシ樹脂としては、例えば、ビスフェノールA、ビスフェノールF、ビスフェノールAD、ハイドロキノン、メチルハイドロキノン、ジメチルハイドロキノン、ジブチルハイドロキノン、レゾルシン、メチルレゾルシン、ビフェノール、テトラメチルビフェノール、ジヒドロキシナフタレン、ジヒドロキシジフェニルエーテル、フェノールノボラック樹脂、クレゾールノボラック樹脂、ビスフェノールAノボラック樹脂、ジシクロペンタジエンフェノール樹脂、テルペンフェノール樹脂、フェノールアラルキル樹脂、ナフトールノボラック樹脂などの各種エポキシ樹脂が挙げられる。
【0053】
硬化剤としては、特に限定されず、例えば、ジシアンジアミド、脂肪族ポリアミド等のアミド系硬化剤や、ジアミノジフェニルメタン、メタンフェニレンジアミン、アンモニア、トリエチルアミン、ジエチルアミン等のアミン系硬化剤や、ビスフェノールA、ビスフェノールF、フェノールノボラック樹脂、クレゾールノボラック樹脂、p−キシレン−ノボラック樹脂などのフェノール系硬化剤や、酸無水物類等を挙げることができる。
【0054】
このような接着剤41中に分散しているフィラー42は、接着剤41の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有している。これにより、接着層4の熱伝導率を高めることができる。このようなフィラー42としては、接着剤41の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有していれば、特に限定されず、有機フィラー、無機フィラーのいずれも用いることができるが、無機フィラーを用いるのが好ましい。無機フィラーは、有機フィラーよりも高い熱伝導率を有しているため、フィラー42として、無機フィラーを用いることにより、接着層4の熱伝導率をより高めることができる。
【0055】
フィラー42の熱伝導率としては、特に限定されないが、接着剤41の熱伝導率の10倍以上であるのが好ましく、20倍以上であるのがより好ましい。また、フィラー42の熱伝導率としては、例えば、3W/m・K以上であるのが好ましい。
【0056】
また、フィラー42は、略球形状(球状)をなしているのが好ましい。これにより、フィラー42の表面の全域に接着剤41が接触し易くなり、ボイドの発生をより効果的に防止または抑制することができる。
【0057】
また、フィラー42の平均粒径としては、特に限定されないが、0.1μm〜25μm程度であるのが好ましく、0.25μm〜20μm程度であるのがより好ましい。これにより、フィラー42同士の凝集を効果的に防止でき、凝集した2次粒子中に空隙が形成されたり、接着層4の各領域で熱伝導性にムラが生じたりするのを、効果的に防止または抑制することができる。
【0058】
また、フィラー42の粒子径の変動係数(すなわち、粒度分布の狭さ;CV値)は、特に限定されないが、30%以下であるのが好ましく、20%以下であるのがより好ましく、10%以下であるのがさらに好ましい。
【0059】
無機フィラーとしては、例えば、シリカ、アルミナ、ケイ藻土、酸化チタン、酸化鉄、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、金属フェライト等の酸化物、窒化ホウ素、窒化ケイ素、窒化ガリウム、窒化チタン等の窒化物、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム等の水酸化物、炭酸カルシウム(軽質、重質)、炭酸マグネシウム、ドロマイト、ドーソナイト等の炭酸塩、硫酸カルシウム、硫酸バリウム、硫酸アンモニウム、亜硫酸カルシウム等の硫酸塩または亜硫酸塩、タルク、マイカ、クレー、ガラス繊維、ケイ酸カルシウム、モンモリロナイト、ベントナイト等のケイ酸塩、ホウ酸亜鉛、メタホウ酸バリウム、ホウ酸アルミニウム、ホウ酸カルシウム、ホウ酸ナトリウム等のホウ酸塩、カーボンブラック、グラファイト、炭素繊維等の炭素、その他鉄粉、銅粉、アルミニウム粉、亜鉛華、硫化モリブデン、ボロン繊維、チタン酸カリウム、チタン酸ジルコン酸鉛が挙げられる。
【0060】
これらの中でも、前記無機フィラーとしては、絶縁性および熱伝導性に優れるという観点から、シリカ、アルミナ、ケイ藻土、酸化チタン、酸化鉄、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、金属フェライト等の酸化物、窒化ホウ素、窒化ケイ素、窒化ガリウム、窒化チタン等の窒化物が好ましい。
【0061】
接着層4中のフィラー42の含有率(体積充填率)は、60%〜80%程度であり、60%〜70%程度であるのがより好ましい。これにより、接着層4の熱伝導率を充分に高くすることができ、かつ、接着層4の熱伝導率の実測値(λ)の理論値(λt)からの乖離を抑制することができる。また、このような範囲とすることにより、接着層4中に接着剤41を充分に含有することができ、接着層4の接着力の低下を抑制することができる。
【0062】
<第2実施形態>
図3は、本発明の接着体の第2実施形態を示す断面図である。
【0063】
以下、この図を参照して本発明の接着体の第2実施形態について説明するが、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。
【0064】
本実施形態の接着体は、接着層に含まれる無機フィラーが平均粒径の異なる2種のフィラーを有していること以外は、前記第1実施形態と同様である。
【0065】
フィラー42は、互いに粒径(平均粒径)の異なる第1フィラー421および第2フィラー422を含んでいる。第1フィラー421および第2フィラー422は、共に、無機フィラーであるのが好ましい。
【0066】
第1フィラー421および第2フィラー422の熱伝導率としては、特に限定されないが、共に、接着剤41の熱伝導率の10倍以上であるのが好ましく、20倍以上であるのがより好ましい。また、第1フィラー421および第2フィラー422の熱伝導率としては、例えば、共に、3W/m・K以上であるのが好ましい。
【0067】
また、第1フィラー421および第2フィラー422は、共に、略球形状(球状)をなしているのが好ましい。これにより、第1フィラー421、第2フィラー422の表面の全域に接着剤41が接触し易くなり、ボイドの発生をより効果的に防止または抑制することができる。
【0068】
本実施形態では、第1フィラー421の方が、第2フィラー422よりも平均粒径が小さい。第1フィラー421の粒径(平均粒径)は、特に限定されないが、例えば、第1フィラー421の粒径(平均粒径)をr1とし、第2フィラー422の粒径(平均粒径)をr2としたとき、r1は、0.01×r2〜0.2×r2程度であるのが好ましい。第1フィラー421と第2フィラー422との粒径差を前記範囲程度とすることにより、例えば凝集した複数の第2フィラー422の間に第1フィラー421が容易に入り込むことができ、凝集した2次粒子中に空隙が形成されたり、接着層4の各領域で熱伝導性にムラが生じたりするのを、効果的に防止または抑制することができる。
【0069】
第1フィラー421と第2フィラー422の粒径(平均粒径)の組み合わせは、特に限定されないが、第1フィラー421の粒径(平均粒径)が0.1μm〜1μm程度で、第2フィラーの粒径(平均粒径)が15μm〜25μm程度であるのが好ましく、第1フィラー421の粒径(平均粒径)が0.5μm程度で、第2フィラーの粒径(平均粒径)が20μm程度であるのがより好ましい。このような数値範囲を満足することにより、フィラー42同士の凝集を効果的に防止でき、凝集した2次粒子中に空隙が形成されたり、接着層4の各領域で熱伝導性にムラが生じたりするのを、効果的に防止または抑制することができる。
【0070】
また、フィラー42中の第1フィラー421の含有率(質量含有率)は、30%〜50%程度であるのが好ましい。これにより、上記効果がより顕著なものとなる。
【0071】
<第3実施形態>
図4は、本発明の接着体の第3実施形態を示す断面図である。
【0072】
以下、この図を参照して本発明の接着体の第3実施形態について説明するが、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。
【0073】
本実施形態の接着体は、回路を有していないこと以外は、前記第1実施形態と同様である。
【0074】
図4に示すように、接着体1Aは、導体層(第2の被着体)3Aと、支持板(第1の被着体)2と、導体層3Aと支持板2とを接着する接着層4とを有している。本実施形態では、導体層3Aは、前述した第1実施形態のような導体パターンにパターニングされておらず、接着層4の上面のほぼ全域に形成されている。この導体層3Aを、所定のパターンにパターニングすることにより、前述した第1実施形態の導体層3を形成することができる。そのため、接着体1Aは、前述した第1実施形態の接着体1を製造する際の中間物であるとも言える。
【0075】
以上、本発明の接着体を図示の実施形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、接着体を構成する各部は、同様の機能を発揮し得る任意の構成のものと置換することができる。また、任意の構成物が付加されていてもよい。
【0076】
また、本発明の接着体は、自動車に搭載されている場合、ヘッドライトを制御するよう構成されたものであるが、これに限定されず、例えば、電装品の電子制御するよう構成されたものでもよい。また、本発明の接着体が搭載されるものとして、前記実施形態では自動車であったが、これに限定されず、例えば、船舶、航空機、鉄道車両でもよい。
【0077】
また、前述した第1実施形態では、回路に2つの半導体素子が配置されているが、これに限定されず、例えば、3つ以上の半導体素子が配置されていてもよいし、配置されていなくてもよい。
【0078】
また、前述した実施形態では、第2の被着体が導体層、すなわち金属材料で構成されているものであったが、第2の被着体としては、これに限定されず、例えば、樹脂材料で構成されたものであってもよい。また、第1の被着体と第2の被着体とを絶縁する必要がない場合には、接着層が絶縁性を有していなくてもよい。
【実施例】
【0079】
次に、本発明の具体的な実施例について説明する。しかしながら、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。
【0080】
1.接着体の製造
以下のようにして接着体を製造した。
(実施例1)
ビスフェノールA型フェノキシ樹脂(三菱化学製、1255、重量平均分子量4.8×104)47.0重量%、ビスフェノールA型エポキシ樹脂(DIC製、850S、エポキシ当量190)20.0重量%、ビスフェノールA型エポキシ樹脂(三菱化学製、1001、エポキシ当量475)30.0重量部、2−フェニルイミダゾール(四国化成製2PZ)1.0重量部、環状シロキサン化合物(1,3,5,7−テトラメチルシクロテトラシロキサン:アズマックス製)を2.0重量配合し、これに溶剤としてメチルエチルケトンを40質量部配合して撹拌して樹脂ワニスを得た。この樹脂ワニスの固形分の熱伝導率は、0.2W/mK、比重は1.25であった。
【0081】
次に、上記の樹脂ワニスの固形分100質量部に対して、フィラーとして熱伝導率40W/mK、比重3.65、平均粒径0.5μmの酸化マグネシウム粒子を450質量部を配合して攪拌して混合物を得た。
【0082】
次いで、この塗布液を、アルミニウムで構成された厚さ1.0mmの金属板(第1の被着体)の表面に、コーターを用いて塗布した後、温度160℃、5分間の条件で加熱乾燥し、溶剤を除去することにより接着層中間体を得た。次に、上記の接着層中間体の表面(金属板と反対側の面)に、厚さ18μmの銅箔(第2の被着体)を重ね、温度180℃、圧力30kgf/cm、120分間の条件で加熱加圧成形し、接着層中間体中の熱硬化性樹脂を硬化させて実施例1の接着体を得た。
【0083】
このようにして得られた接着体の接着層の厚さは、80μmであった。また、接着層中の酸化マグネシウム粒子の含有率(体積充填率)は、60%であり、前述した式(1)から求められた接着層の空隙率は、0.04であった。
【0084】
(実施例2)
接着体の接着層中の酸化マグネシウム粒子の含有率が65%である以外は、実施例1の接着体と同様にして実施例2の接着体を得た。また、前述した式(1)から求められた接着層の空隙率は、0.04であった。
【0085】
(実施例3)
接着体の接着層中の酸化マグネシウム粒子の含有率が70%である以外は、実施例1の接着体と同様にして実施例3の接着体を得た。また、前述した式(1)から求められた接着層の空隙率は、0.04であった。
【0086】
(実施例4)
接着体の接着層中の酸化マグネシウム粒子の含有率が80%である以外は、実施例1の接着体と同様にして実施例4の接着体を得た。また、前述した式(1)から求められた接着層の空隙率は、0.04であった。
【0087】
(実施例5)
ビスフェノールA型フェノキシ樹脂(三菱化学製、1255、重量平均分子量4.8×104)47.0重量%、ビスフェノールA型エポキシ樹脂(DIC製、850S、エポキシ当量190)20.0重量%、ビスフェノールA型エポキシ樹脂(三菱化学製、1001、エポキシ当量475)30.0重量部、2−フェニルイミダゾール(四国化成製2PZ)1.0重量部、γ―グリシドキシプロピルトリメトキシシラン(信越シリコーン製KBM−403)を2.0重量配合し、これに溶剤としてメチルエチルケトンを40質量部配合して撹拌して樹脂ワニスを得た。この樹脂ワニスの固形分の熱伝導率は、0.2W/mK、比重は1.25であった。
【0088】
次に、上記の樹脂ワニスの固形分100質量部に対して、フィラーとして熱伝導率40W/mK、比重3.65、平均粒径0.5μmの酸化マグネシウム粒子を450質量部を配合して攪拌して混合物を得た。
【0089】
次いで、この塗布液を、アルミニウムで構成された厚さ1.0mmの金属板(第1の被着体)の表面に、コーターを用いて塗布した後、温度160℃、5分間の条件で加熱乾燥し、溶剤を除去することにより接着層中間体を得た。次に、上記の接着層中間体の表面(金属板と反対側の面)に、厚さ18μmの銅箔(第2の被着体)を重ね、温度180℃、圧力90kgf/cm、120分間の条件で加熱加圧成形し、接着層中間体中の熱硬化性樹脂を硬化させて実施例5の接着体を得た。
【0090】
このようにして得られた接着体の接着層の厚さは、80μmであった。また、接着層中の酸化マグネシウム粒子の含有率(体積充填率)は、60%であり、前述した式(1)から求められた接着層の空隙率は、0.04であった。
【0091】
(実施例6)
接着体の接着層中の酸化マグネシウム粒子の含有率が65%である以外は、実施例5の接着体と同様にして実施例6の接着体を得た。また、前述した式(1)から求められた接着層の空隙率は、0.04であった。
【0092】
(実施例7)
接着体の接着層中の酸化マグネシウム粒子の含有率が70%である以外は、実施例5の接着体と同様にして実施例7の接着体を得た。また、前述した式(1)から求められた接着層の空隙率は、0.04であった。
【0093】
(実施例8)
接着体の接着層中の酸化マグネシウム粒子の含有率が80%である以外は、実施例5の接着体と同様にして実施例8の接着体を得た。また、前述した式(1)から求められた接着層の空隙率は、0.04であった。
【0094】
(実施例9)
ビスフェノールA型フェノキシ樹脂(三菱化学製、1255、重量平均分子量4.8×104)47.0重量%、ビスフェノールA型エポキシ樹脂(DIC製、850S、エポキシ当量190)20.0重量%、ビスフェノールA型エポキシ樹脂(三菱化学製、1001、エポキシ当量475)30.0重量部、2−フェニルイミダゾール(四国化成製2PZ)1.0重量部、γ―グリシドキシプロピルトリメトキシシラン(信越シリコーン製KBM−403)を2.0重量配合し、これに溶剤としてメチルエチルケトンを40質量部配合して撹拌して樹脂ワニスを得た。この樹脂ワニスの固形分の熱伝導率は、0.2W/mK、比重は1.25であった。
【0095】
次に、上記の樹脂ワニスの固形分100質量部に対して、フィラーとして熱伝導率40W/mK、比重3.65の酸化マグネシウム粒子であって、平均粒径が20μmのものを250質量部、平均粒径が0.5μmのものを200質量部配合して攪拌し、混合物を得た。平均粒径が0.5μmの酸化マグネシウムのフィラー全体に対する含有率(質量含有率)は、44.4%である。
【0096】
次いで、この塗布液を、アルミニウムで構成された厚さ1.0mmの金属板(第1の被着体)の表面に、コーターを用いて塗布した後、温度160℃、5分間の条件で加熱乾燥し、溶剤を除去することにより接着層中間体を得た。次に、上記の接着層中間体の表面(金属板と反対側の面)に、厚さ18μmの銅箔(第2の被着体)を重ね、温度180℃、圧力30kgf/cm、120分間の条件で加熱加圧成形し、接着層中間体中の熱硬化性樹脂を硬化させて実施例9の接着体を得た。
【0097】
このようにして得られた接着体の接着層の厚さは、80μmであった。また、接着層中の酸化マグネシウム粒子の含有率(体積充填率)は、60%であり、前述した式(1)から求められた接着層の空隙率は、0.04であった。
【0098】
(実施例10)
接着体の接着層中の酸化マグネシウム粒子の含有率が65%である以外は、実施例9の接着体と同様にして実施例10の接着体を得た。また、前述した式(1)から求められた接着層の空隙率は、0.04であった。
【0099】
(実施例11)
接着体の接着層中の酸化マグネシウム粒子の含有率が70%である以外は、実施例10の接着体と同様にして実施例11の接着体を得た。また、前述した式(1)から求められた接着層の空隙率は、0.04であった。
【0100】
(実施例12)
接着体の接着層中の酸化マグネシウム粒子の含有率が80%である以外は、実施例11の接着体と同様にして実施例12の接着体を得た。また、前述した式(1)から求められた接着層の空隙率は、0.04であった。
【0101】
(実施例13)
フィラーとして熱伝導率40W/mK、比重3.65、平均粒径20μmの酸化マグネシウム粒子を用いた以外は、実施例1の接着体と同様にして実施例13の接着体を得た。また、前述した式(1)から求められた接着層の空隙率は、0.04であった。
【0102】
(実施例14)
フィラーとして熱伝導率40W/mK、比重3.65、平均粒径20μmの酸化マグネシウム粒子を用いた以外は、実施例2の接着体と同様にして実施例14の接着体を得た。また、前述した式(1)から求められた接着層の空隙率は、0.04であった。
【0103】
(実施例15)
フィラーとして熱伝導率40W/mK、比重3.65、平均粒径20μmの酸化マグネシウム粒子を用いた以外は、実施例3の接着体と同様にして実施例15の接着体を得た。また、前述した式(1)から求められた接着層の空隙率は、0.04であった。
【0104】
(実施例16)
フィラーとして熱伝導率40W/mK、比重3.65、平均粒径20μmの酸化マグネシウム粒子を用いた以外は、実施例4の接着体と同様にして実施例16の接着体を得た。また、前述した式(1)から求められた接着層の空隙率は、0.04であった。
【0105】
(比較例1)
加熱加圧形成時の圧力を5kgf/cmとし、前述した式(1)から求められる接着層の空隙率を0.11とした以外は、実施例1の接着体と同様にして比較例1の接着体を得た。
【0106】
(比較例2)
加熱加圧形成時の圧力を5kgf/cmとし、前述した式(1)から求められる接着層の空隙率を0.11とした以外は、実施例2の接着体と同様にして比較例2の接着体を得た。
【0107】
(比較例3)
加熱加圧形成時の圧力を5kgf/cmとし、前述した式(1)から求められる接着層の空隙率を0.11とした以外は、実施例3の接着体と同様にして比較例3の接着体を得た。
【0108】
(比較例4)
加熱加圧形成時の圧力を5kgf/cmとし、前述した式(1)から求められる接着層の空隙率を0.11とした以外は、実施例4の接着体と同様にして比較例4の接着体を得た。
【0109】
(比較例5)
接着体の接着層中の酸化マグネシウム粒子の含有率が90%である以外は、実施例1の接着体と同様にして比較例5の接着体を得た。また、前述した式(1)から求められた接着層の空隙率は、0.04であった。
【0110】
(比較例6)
接着体の接着層中の酸化マグネシウム粒子の含有率が50%である以外は、実施例1の接着体と同様にして比較例6の接着体を得た。また、前述した式(1)から求められた接着層の空隙率は、0.04であった。
【0111】
(比較例7)
加熱加圧形成時の圧力を30kgf/cmとし、前述した式(1)から求められる接着層の空隙率を0.11とした以外は、実施例5の接着体と同様にして比較例7の接着体を得た。
【0112】
(比較例8)
加熱加圧形成時の圧力を30kgf/cmとし、前述した式(1)から求められる接着層の空隙率を0.11とした以外は、実施例6の接着体と同様にして比較例8の接着体を得た。
【0113】
(比較例9)
加熱加圧形成時の圧力を30kgf/cmとし、前述した式(1)から求められる接着層の空隙率を0.11とした以外は、実施例7の接着体と同様にして比較例9の接着体を得た。
【0114】
(比較例10)
加熱加圧形成時の圧力を30kgf/cmとし、前述した式(1)から求められる接着層の空隙率を0.11とした以外は、実施例8の接着体と同様にして比較例10の接着体を得た。
【0115】
(比較例11)
接着体の接着層中の酸化マグネシウム粒子の含有率が90%である以外は、実施例5の接着体と同様にして比較例11の接着体を得た。また、前述した式(1)から求められた接着層の空隙率は、0.04であった。
【0116】
(比較例12)
接着体の接着層中の酸化マグネシウム粒子の含有率が50%である以外は、実施例5の接着体と同様にして比較例12の接着体を得た。また、前述した式(1)から求められた接着層の空隙率は、0.04であった。
【0117】
(比較例13)
加熱加圧形成時の圧力を10kgf/cmとし、前述した式(1)から求められる接着層の空隙率を0.11とした以外は、実施例9の接着体と同様にして比較例13の接着体を得た。
【0118】
(比較例14)
加熱加圧形成時の圧力を10kgf/cmとし、前述した式(1)から求められる接着層の空隙率を0.11とした以外は、実施例10の接着体と同様にして比較例14の接着体を得た。
【0119】
(比較例15)
加熱加圧形成時の圧力を10kgf/cmとし、前述した式(1)から求められる接着層の空隙率を0.11とした以外は、実施例11の接着体と同様にして比較例15の接着体を得た。
【0120】
(比較例16)
加熱加圧形成時の圧力を10kgf/cmとし、前述した式(1)から求められる接着層の空隙率を0.11とした以外は、実施例12の接着体と同様にして比較例16の接着体を得た。
【0121】
(比較例17)
接着体の接着層中の酸化マグネシウム粒子の含有率が90%である以外は、実施例9の接着体と同様にして比較例17の接着体を得た。また、前述した式(1)から求められた接着層の空隙率は、0.04であった。
【0122】
(比較例18)
接着体の接着層中の酸化マグネシウム粒子の含有率が50%である以外は、実施例9の接着体と同様にして比較例18の接着体を得た。また、前述した式(1)から求められた接着層の空隙率は、0.04であった。
【0123】
(比較例19)
加熱加圧形成時の圧力を10kgf/cmとし、前述した式(1)から求められる接着層の空隙率を0.11とした以外は、実施例13の接着体と同様にして比較例19の接着体を得た。
【0124】
(比較例20)
加熱加圧形成時の圧力を10kgf/cmとし、前述した式(1)から求められる接着層の空隙率を0.11とした以外は、実施例14の接着体と同様にして比較例20の接着体を得た。
【0125】
(比較例21)
加熱加圧形成時の圧力を10kgf/cmとし、前述した式(1)から求められる接着層の空隙率を0.11とした以外は、実施例15の接着体と同様にして比較例21の接着体を得た。
【0126】
(比較例22)
加熱加圧形成時の圧力を10kgf/cmとし、前述した式(1)から求められる接着層の空隙率を0.11とした以外は、実施例16の接着体と同様にして比較例22の接着体を得た。
【0127】
(比較例23)
接着体の接着層中の酸化マグネシウム粒子の含有率が90%である以外は、実施例13の接着体と同様にして比較例23の接着体を得た。また、前述した式(1)から求められた接着層の空隙率は、0.04であった。
【0128】
(比較例24)
接着体の接着層中の酸化マグネシウム粒子の含有率が50%である以外は、実施例13の接着体と同様にして比較例24の接着体を得た。また、前述した式(1)から求められた接着層の空隙率は、0.04であった。
【0129】
2.評価
(2−1)フィラーの体積充填率と接着層の熱伝導率との関係について
実施例1〜4および比較例1〜6の熱伝導率を下記の表1に示す。四角の点「■」が各実施例を示し、三角の点「▲」が各比較例を示す。また、表1に示す点線は、理想値(λt)を示す線である。理想値とは、接着層中に空隙がないと仮定した場合の接着層の熱伝導率を言う。
【0130】
【表1】

【0131】
表1に示すように、実施例1〜4では、高い熱伝導率を発揮しながら、実測値(λ)の理想値(λt)からの乖離が抑制されており、特に実施例1〜3にて顕著である。これに対して、比較例1〜4では、対応する実施例に対して、実測値(λ)の理想値(λt)からの乖離が大きくなっている。また、比較例5では、高い熱伝導率を発揮しているが、実測値(λ)の理想値(λt)からの乖離が大きく、反対に、比較例6では、実測値(λ)の理想値(λt)からの乖離が抑制されているが、高い熱伝導率を発揮できていない。
【0132】
次に、実施例5〜8および比較例7〜12の熱伝導率を下記の表2に示す。四角の点「■」が各実施例を示し、三角の点「▲」が各比較例を示す。また、表2に示す点線は、理想値(λt)を示す線である。
【0133】
【表2】

【0134】
表2に示すように、実施例5〜8では、高い熱伝導率を発揮しながら、実測値(λ)の理想値(λt)からの乖離が抑制されおり、特に実施例5〜7にて顕著である。これに対して、比較例7〜10では、対応する実施例に対して、実測値(λ)の理想値(λt)からの乖離が大きくなっている。また、比較例11では、高い熱伝導率を発揮しているが、実測値(λ)の理想値(λt)からの乖離が大きく、反対に、比較例12では、実測値(λ)の理想値(λt)からの乖離が抑制されているが、高い熱伝導率を発揮できていない。
【0135】
次に、実施例9〜12および比較例13〜18の熱伝導率を下記の表3に示す。四角の点「■」が各実施例を示し、三角の点「▲」が各比較例を示す。また、表3に示す点線は、理想値(λt)を示す線である。理想値とは、接着層中に空隙がないと仮定した場合の接着層の熱伝導率を言う。
【0136】
【表3】

【0137】
表3に示すように、実施例9〜12では、高い熱伝導率を発揮しながら、実測値(λ)の理想値(λt)からの乖離が抑制されており、特に実施例9〜11にて顕著である。これに対して、比較例13〜16では、対応する実施例に対して、実測値(λ)の理想値(λt)からの乖離が大きくなっている。また、比較例17では、高い熱伝導率を発揮しているが、実測値(λ)の理想値(λt)からの乖離が大きく、反対に、比較例18では、実測値(λ)の理想値(λt)からの乖離が抑制されているが、高い熱伝導率を発揮できていない。
【0138】
次に、実施例13〜16および比較例19〜24の熱伝導率を下記の表4に示す。四角の点「■」が各実施例を示し、三角の点「▲」が各比較例を示す。また、表4に示す点線は、理想値(λt)を示す線である。理想値とは、接着層中に空隙がないと仮定した場合の接着層の熱伝導率を言う。
【0139】
【表4】

【0140】
表4に示すように、実施例13〜16では、高い熱伝導率を発揮しながら、実測値(λ)の理想値(λt)からの乖離が抑制されており、特に実施例13〜15で顕著である。これに対して、比較例19〜22では、対応する実施例に対して、実測値(λ)の理想値(λt)からの乖離が大きくなっている。また、比較例23では、高い熱伝導率を発揮しているが、実測値(λ)の理想値(λt)からの乖離が大きく、反対に、比較例24では、実測値(λ)の理想値(λt)からの乖離が抑制されているが、高い熱伝導率を発揮できていない。
【符号の説明】
【0141】
1、1A 接着体
2 支持板
3、3A 導体層
4 接着層
41 接着剤
42 フィラー
421 第1フィラー
422 第2フィラー
51、52 半導体素子
512、522 モールド部
53 コネクタ
531 ピン(端子)
532 ハウジング
6 回路
7 被覆層
8 保護部材
20 自動車
201 ヘッドライト
202 発光ダイオード素子
204 中継ケーブル
205 コネクタ

【特許請求の範囲】
【請求項1】
金属材料で構成された第1の被着体と、
第2の被着体と、
前記第1の被着体と前記第2の被着体とを接合する接着剤と、前記接着剤よりも熱伝導率の高いフィラーとを含む接着層とを有し、
前記接着剤は、高分子材料を含み、
前記接着層の空隙率は、0.1%以下であり、
前記接着層中の前記フィラーの含有率は、60%〜80%であることを特徴とする接着体。
【請求項2】
前記第1の被着体は、前記第2の被着体から前記接着層を介して伝達された熱を放熱する機能を有している請求項1に記載の接着体。
【請求項3】
前記接着層の厚さは、10μm〜200μmである請求項1または2に記載の接着体。
【請求項4】
前記接着剤は、熱硬化性樹脂材料で構成されている請求項1ないし3のいずれかに記載の接着体。
【請求項5】
前記フィラーは、無機フィラーである請求項1ないし4のいずれかに記載の接着体。
【請求項6】
前記フィラーの平均粒径は、0.1μm〜25μmである請求項1ないし5のいずれかに記載の接着体。
【請求項7】
前記フィラーは、平均粒径の異なる第1フィラーおよび第2フィラーを含み、
前記第1フィラーの平均粒径は、0.1μm〜1μmであり、
前記第2フィラーの平均粒径は、15μm〜25μmである請求項1ないし6のいずれかに記載の接着体。
【請求項8】
前記フィラー中の前記第1フィラーの含有率は、40wt%〜50wt%である請求項7に記載の接着体。
【請求項9】
前記第2の被着体は、導体層である請求項1ないし8のいずれかに記載の接着体。
【請求項10】
前記第2の被着体は、導体パターンである請求項9に記載の接着体。
【請求項11】
前記導体パターンと電気的に接続された回路素子を有し、
前記回路素子は、通電によって発熱する請求項10に記載の接着体。
【請求項12】
前記接着層は、絶縁性を有している請求項1ないし11のいずれかに記載の接着体。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【公開番号】特開2012−76421(P2012−76421A)
【公開日】平成24年4月19日(2012.4.19)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−225973(P2010−225973)
【出願日】平成22年10月5日(2010.10.5)
【出願人】(000002141)住友ベークライト株式会社 (2,927)
【Fターム(参考)】