熱伝導性樹脂シート及びパワーモジュール
【課題】熱伝導性及び耐電圧性に優れた熱伝導性樹脂シートを提供する。
【解決手段】熱伝導性で且つ絶縁性の無機充填剤が熱硬化性樹脂中に分散されており、前記無機充填剤が、扁平状の無機充填剤と粒子状の無機充填剤との混合充填剤である熱伝導性樹脂シートであって、前記粒子状の無機充填剤の比誘電率よりも小さく、且つ前記熱硬化性樹脂の比誘電率よりも大きな比誘電率、及び１μｍ以上５０μｍ以下の厚さを有する被覆層によって前記粒子状の無機充填剤の表面が被覆されていることを特徴とする熱伝導性樹脂シートとする。
【解決手段】熱伝導性で且つ絶縁性の無機充填剤が熱硬化性樹脂中に分散されており、前記無機充填剤が、扁平状の無機充填剤と粒子状の無機充填剤との混合充填剤である熱伝導性樹脂シートであって、前記粒子状の無機充填剤の比誘電率よりも小さく、且つ前記熱硬化性樹脂の比誘電率よりも大きな比誘電率、及び１μｍ以上５０μｍ以下の厚さを有する被覆層によって前記粒子状の無機充填剤の表面が被覆されていることを特徴とする熱伝導性樹脂シートとする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気・電子機器等の発熱部材から放熱部材へ熱を伝達させるために用いる熱伝導性樹脂シートに関し、特にパワーモジュールの発熱部材から放熱部材への熱の伝達を担う絶縁性の熱伝導性樹脂シート、及びその熱伝導性樹脂シートを用いたパワーモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、電気・電子機器の発熱部材から放熱部材へ熱を伝達させる熱伝導性樹脂層には、熱伝導性及び絶縁性が高いことが要求されており、かかる要求を満たすものとして、無機充填材を熱硬化性樹脂中に分散させた熱伝導性樹脂シートが広く用いられている。
例えば、パワーモジュールにおいては、電力半導体素子を搭載したリードフレームの裏面と、放熱部材となる金属板との間に設ける熱伝導性絶縁層として、熱伝導率が高い扁平状の無機充填剤と、扁平状の無機充填剤よりも熱伝導率が高い粒子状の無機充填剤とからなる混合充填剤を熱硬化性樹脂中に分散させた熱伝導性樹脂シートが用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２３２３１３号公報（第９頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、電子機器の小型化や電子部品の高性能化に伴い、電子機器や電子部品からの発熱量は増大する傾向にあり、電気・電子機器の発熱部材から放熱部材へ熱を伝達させる熱伝導性樹脂シートの熱伝導性をさらに高めることが望まれている。また、電気・電子機器の大容量化も進み、電力半導体素子と放熱部材との間の電界が増加しているため、それらの間に配置される熱伝導性樹脂シートに要求される絶縁破壊電圧も高くなっている。従って、熱伝導性樹脂シートには、熱伝導性及び耐電圧性が高いことが要求されている。
しかしながら、特許文献１の熱伝導性樹脂シートでは、依然として十分な熱伝導性が得られていない。
【０００５】
一方、特許文献１の熱伝導性樹脂シートにおいて、混合充填剤の配合量を増加する方法や、熱伝導率が高い粒子状の無機充填剤の平均粒径を増大する方法によって熱伝導性を向上させることができる。
しかしながら、熱伝導性樹脂シートにおける混合充填剤の配合量の増加には限界があり、その限界を超えて配合すると、熱伝導性樹脂シート内にボイドが発生してしまい、熱伝導性樹脂シートの熱伝導率及び絶縁耐圧が低下する。また、熱伝導率が高い粒子状の無機充填剤の平均粒径を増大させると、熱伝導性樹脂シートの絶縁耐圧が低下する。この絶縁耐圧の低下は、熱伝導性樹脂シートの構成成分の比誘電率の差に起因するものであり、例えば、エポキシ樹脂（熱硬化性樹脂）及び扁平状の窒化ホウ素（無機充填剤）の比誘電率が約４であるのに対し、粒子状の窒化アルミニウム（無機充填剤）の比誘電率が約９と高いために、粒子状の窒化アルミニウムの表面に電界が集中して熱伝導性樹脂シートの絶縁耐圧が低下する。
【０００６】
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、熱伝導性及び耐電圧性に優れた熱伝導性樹脂シートを提供することを目的とする。
また、本発明は、熱放散性に優れたパワーモジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者等は、上記のような問題を解決すべく鋭意研究した結果、扁平状の無機充填剤と粒子状の無機充填剤とが熱硬化性樹脂中に分散された熱伝導性樹脂シートにおいて、特定の被覆層によって粒子状の無機充填剤の表面を被覆することにより、熱伝導性及び耐電圧性を向上させ得ることを見出した。
すなわち、本発明は、熱伝導性で且つ絶縁性の無機充填剤が熱硬化性樹脂中に分散されており、前記無機充填剤が、扁平状の無機充填剤と粒子状の無機充填剤との混合充填剤である熱伝導性樹脂シートであって、前記粒子状の無機充填剤の比誘電率よりも小さく、且つ前記熱硬化性樹脂の比誘電率よりも大きな比誘電率、及び１μｍ以上５０μｍ以下の厚さを有する被覆層によって前記粒子状の無機充填剤の表面が被覆されていることを特徴とする熱伝導性樹脂シートである。
また、本発明は、一方の放熱部材に実装された電力半導体素子と、前記電力半導体素子で発生する熱を外部に放熱する他方の放熱部材と、前記電力半導体素子で発生する熱を前記一方の放熱部材から前記他方の放熱部材に伝達する、上記の熱伝導性樹脂シートとを備えることを特徴とするパワーモジュールである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、熱伝導性及び耐電圧性に優れた熱伝導性樹脂シートを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施の形態１．
以下に、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本実施の形態における熱伝導性樹脂シートの断面模式図である。図１において、熱伝導性樹脂シート１は、マトリックスとなる熱硬化性樹脂２と、この熱硬化性樹脂２中に分散された無機充填剤とから構成されている。かかる無機充填剤は、扁平状の無機充填剤３と粒子状の無機充填剤４との混合充填剤であり、粒子状の無機充填剤４の表面は、被覆層５で被覆されている。かかる被覆層５は、粒子状の無機充填剤４の比誘電率よりも小さく、且つ熱硬化性樹脂２の比誘電率よりも大きな比誘電率、及び１μｍ以上５０μｍ以下の厚さを有している。
【００１０】
図２は、従来（特許文献１）の熱伝導性樹脂シートの断面模式図である。図２において、熱伝導性樹脂シート６は、粒子状の無機充填剤４が、被覆層５で被覆されていないことを除けば、本発明の実施の形態における熱伝導性樹脂シート１と同じ構成である。
かかる従来の熱伝導性樹脂シート６では、混合充填剤の配合量を一定とした場合、混合充填剤における扁平状の無機充填剤３の体積含有率ＶＬと粒子状の無機充填剤４の体積含有率ＶＲとの比率（ＶＬ／ＶＲ）を、（３０／７０）〜（８０／２０）とすることで熱伝導率を高めることができる。
【００１１】
この熱伝導性樹脂シート６の熱伝導率をさらに高める方法として、混合充填剤の配合量を増加させる方法がある。
しかしながら、熱伝導性樹脂シート６の熱伝導率は、一般的に、一定量以上の充填剤を配合すると低下する。例えば、扁平状の窒化ホウ素を含む熱伝導性樹脂シートにおける、扁平状の窒化ホウ素の体積充填率［ＶＬ］と、理論熱伝導率［ＫＳ（Ｗ／ｍＫ）］に対する実測熱伝導率［ＫＬ（Ｗ／ｍＫ）］の比［ＫＬ／ＫＳ］との関係を表すグラフを図３に示す。ここで、熱伝導性樹脂シートの理論熱伝導率［ＫＳ（Ｗ／ｍＫ）］の算出には、金城の式を用いた。なお、金城の式とは、１−Φ＝｛（λｅ−λｄ）／（λｃ−λｄ）｝×（λｃ／λｅ）｛１/（１＋Ｘ）｝で表される式である。式中、Φ：充填剤の体積充填率（−）、λｅ：熱伝導性樹脂シートの熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）、λｄ：充填剤の熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）、λｃ：マトリックス樹脂の熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）、Ｘ：充填剤の形状パラメータ（球＝２、不定形＞２）である。
図３に示されているように、扁平状の窒化ホウ素の体積充填率［ＶＬ］が６０体積％を超えると、［ＫＬ／ＫＳ］が低下することがわかる。すなわち、熱伝導性樹脂シートの実測熱伝導率［ＫＬ］が理論熱伝導率［ＫＳ］よりも低下する。これは、充填剤の配合量が多くなるにつれて、熱伝導性樹脂シート内にボイドが発生することに起因している。このボイドの発生によって、熱伝導性樹脂シートの熱伝導率が低下し、さらに耐電圧性も低下することとなる。
【００１２】
一方、熱伝導性樹脂シート６の熱伝導率をさらに高める別の方法として、粒子状の無機充填剤４の粒径を大きくする方法がある。
しかしながら、例えば、粒子状の窒化アルミニウム（無機充填剤）４の比誘電率は、エポキシ樹脂（熱硬化性樹脂）２及び扁平状の窒化ホウ素（無機充填剤）３の比誘電率よりも倍近く大きいため、粒子状の窒化アルミニウム（無機充填剤）４の表面に電界が集中してしまい、熱伝導性樹脂シート６の耐電圧性が低下する。
【００１３】
これに対して本発明の実施の形態における熱伝導性樹脂シート１は、粒子状の無機充填剤４の比誘電率よりも小さく、且つ熱硬化性樹脂２の比誘電率よりも大きな比誘電率、及び１μｍ以上５０μｍ以下の厚さを有する被覆層によって粒子状の無機充填剤４の表面を被覆しているので、粒子状の無機充填剤４の表面に生じる電界集中を緩和し、熱伝導性樹脂シート１の耐電圧性を高めることができる。これにより、熱伝導性樹脂シート１の耐電圧性を低下させることなく、平均粒径の大きな粒子状の無機充填剤４を配合することが可能となり、熱伝導性樹脂シート１の熱伝導性をさらに高めることができる。
【００１４】
本実施の形態において使用可能な熱硬化性樹脂２としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂等が挙げられる。これらの中でも、エポキシ樹脂は、熱伝導性樹脂シート１の製造が容易であるので好ましい。
エポキシ樹脂としては、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、オルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、脂環脂肪族エポキシ樹脂、グリシジル−アミノフェノール系エポキシ樹脂が挙げられる。これらのエポキシ樹脂は、単独又は２種以上を併用して用いることができる。
【００１５】
本実施の形態における熱伝導性樹脂シート１は、マトリックスとなる熱硬化性樹脂２を硬化させるために、硬化剤を含むことができる。かかる硬化剤としては、特に制限されることはなく、熱硬化性樹脂２の種類にあわせて公知のものを適宜選択すればよい。
中でも、熱硬化性樹脂２にエポキシ樹脂を用いる場合に使用可能な硬化剤としては、メチルテトラヒドロ無水フタル酸、メチルヘキサヒドロ無水フタル酸、無水ハイミック酸等の脂環式酸無水物；ドデセニル無水コハク酸等の脂肪族酸無水物；無水フタル酸、無水トリメリット酸等の芳香族酸無水物；ジシアンジアミド、アジピン酸ジヒドラジド等の有機ジヒドラジド；トリス（ジメチルアミノメチル）フェノール、ジメチルベンジルアミン、１，８-ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン、およびその誘導体、２−メチルイミダゾール、２−エチル−４−メチルイミダゾール、２−フェニルイミダゾール等のイミダゾール類が挙げられる。これらの硬化剤は、単独又は２種以上を併用して用いることができる。
硬化剤の配合量は、使用する熱硬化性樹脂２や硬化剤の種類等にあわせて適宜調整すればよいが、一般的に、１００質量部の熱硬化性樹脂２に対して５０質量部以上１１０質量部以下である。
【００１６】
本実施の形態における熱伝導性樹脂シート１は、電気・電子機器の発熱部材や放熱部材に対する接着性を向上させるために、カップリング剤を含むことができる。かかるカップリング剤としては、γ―グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、Ｎ−β（アミノエチル）γ―アミノプロピルトリエトキシシラン、Ｎ−フェニル−γ―アミノプロピルトリメトキシシラン、γ―メルカプトプロピルトリメトキシシラン等が挙げられる。これらのカップリング剤は、単独又は２種以上を併用して用いることができる。
カップリング剤の配合量は、使用する熱硬化性樹脂２やカップリング剤の種類等にあわせて適宜調整すればよいが、一般的に１００質量部の熱硬化性樹脂２に対して０．０１質量部以上１質量部以下である。
【００１７】
また、熱伝導性樹脂シート１のマトリックスとなる熱硬化性樹脂２にエポキシ樹脂を用いる場合には、主剤の一部として平均分子量が３０００以上のエポキシ樹脂を併用すると、熱伝導性樹脂シート１の柔軟性が向上し、電気・電子機器の発熱部材や放熱部材に対する密着性が増すので好ましい。かかる平均分子量が３０００以上のエポキシ樹脂の配合量は、１００質量部の熱硬化性樹脂２に対して１０質量部以上４０質量部以下であることが好ましい。この配合割合が１０質量部未満では、所望の密着性の向上が認められないことがある。一方、この配合割合が４０質量部より大きいと、熱伝導性樹脂シート１の耐熱性が低下することがある。
【００１８】
本実施の形態における扁平状の無機充填剤３は、平板状の無機充填剤であり、その外縁の形状は限定されない。その中でも、矩形の形状の無機充填剤は、熱伝導性樹脂シート１の厚さ方向の熱伝導性を向上させる効果が特に大きいので好ましい。
扁平状の無機充填剤３の種類としては、特に限定されることはなく、電気絶縁性の酸化アルミニウム（アルミナ）、窒化硼素、炭化珪素等が挙げられる。これらは、単独又は２種以上を併用して用いることができる。
扁平状の無機充填剤３の平均長径は、０．５〜１００μｍであることが好ましい。特に、扁平状の無機充填剤３の平均長径が１〜５０μｍであれば、熱伝導性樹脂シート１の製造の際に、熱硬化性樹脂２を含む熱硬化性樹脂組成物のチクソトロピック性を抑制することができる。ここで、長径とは、扁平状の無機充填剤３の平面部における最長部分の長さのことを意味する。
【００１９】
本実施の形態における粒子状の無機充填剤４は、略球形のものが好ましいが、粉砕された形状で多角体形状であってもよい。
粒子状の無機充填剤４の種類としては、特に限定されることはなく、電気絶縁性の酸化アルミニウム（アルミナ）、酸化珪素（シリカ）、窒化珪素、窒化アルミニウム、炭化珪素、窒化硼素等が挙げられる。これらは、単独又は２種以上を併用して用いることができる。
粒子状の無機充填剤４の平均粒径は、５μｍ以上であることが好ましい。平均粒径が５μｍ未満であると、熱伝導性樹脂シート１の熱伝導率が低下してしまうことがある。一方、粒子状の無機充填剤４の平均粒径の上限は特に限定されない。これは、作製する熱伝導性樹脂シート１の厚さに応じて、適用される粒子状の無機充填剤４の最大粒径が設定されるからである。
【００２０】
本実施の形態における、粒子状の無機充填剤４を被覆する被覆層５は、粒子状の無機充填剤４の比誘電率よりも小さく、且つ熱硬化性樹脂２の比誘電率よりも大きな比誘電率を有する。また、被覆層５の厚さは、１μｍ以上５０μｍ以下である。被覆層５の厚さが１μｍ未満であると、粒子状の無機充填剤４の表面に生じる電界集中を十分に緩和することができず、所望の耐電圧性を有する熱伝導性樹脂シート１が得られない。一方、被覆層５の厚さが５０μｍを超えると、熱伝導性樹脂シート１の熱伝導性が低下する。
【００２１】
被覆層５としては、上記特性を有していれば特に限定されることはないが、絶縁性無機充填剤と、上記熱硬化性樹脂２とを含む熱硬化性樹脂組成物の硬化物であることが好ましい。
また、絶縁性無機充填剤の平均粒径は、１μｍ以下であることが好ましい。なお、絶縁性無機充填剤は、粒子状以外にも破砕状や扁平状であってもよく、これらの形状の場合には、長径が１μｍ以下であればよい。この絶縁性無機充填剤の平均粒径が１μｍを超えると、粒子状の無機充填剤４を十分に被覆し得ないことがある。また、被覆層５を形成するために用いられる熱硬化性樹脂組成物は、上記の硬化剤、カップリング剤、平均分子量が３０００以上のエポキシ樹脂を含むことができる。
ここで使用可能な絶縁性無機充填剤としては、電気絶縁性の酸化アルミニウム（アルミナ）、酸化珪素（シリカ）、窒化珪素、窒化アルミニウム、炭化珪素、窒化硼素等が挙げられる。これらは、単独又は２種以上を併用して用いることができる。また、熱硬化性樹脂組成物における絶縁性無機充填剤の配合量は、熱硬化性樹脂組成物の合計体積に対して５体積％以上６０体積％以下であることが好ましい。かかる絶縁性無機充填剤の配合量が５体積％未満であると、所望の耐電圧性を有する熱伝導性樹脂シート１が得られないことがある。一方、絶縁性無機充填剤の配合量が６０体積％を超えると、粒子状の無機充填剤４の表面を十分に被覆し得ないことがある。
【００２２】
粒子状の無機充填剤４の表面に被覆層５を形成する方法としては、特に限定されることはなく、従来公知の方法を用いることができる。具体的には、上記成分を含む熱硬化性樹脂組成物を粒子状の無機充填剤４にスプレーコーティングすればよい。或いは、熱硬化性樹脂組成物をトルエンやメチルエチルケトン等の溶媒で希釈し、その中に粒子状の無機充填剤４を浸漬した後、乾燥させればよい。
【００２３】
本実施の形態の熱伝導性樹脂シート１における、上記扁平状の無機充填剤３の体積含有率ＶＬと、上記被覆層５を有する粒子状の無機充填剤４の体積含有率ＶＲとの比率（ＶＬ／ＶＲ）は、（３０／７０）〜（８０／２０）であることが好ましい。特に、かかる比率（ＶＬ／ＶＲ）が（３４／６６）〜（７０／３０）であると、熱伝導性の向上効果が特に大きくなる。かかる比率（ＶＬ／ＶＲ）が（３０／７０）未満であると、粒子状の無機充填剤４の間を繋ぐ扁平状の無機充填剤３が少なくなり、熱伝導性樹脂シート１における厚さ方向の熱伝導性の向上効果が得られないことがある。一方、かかる比率（ＶＬ／ＶＲ）が（８０／２０）を超えると、熱伝導性樹脂シート１の面に水平な方向に対して角度を持って分散する扁平状の無機充填剤３が少なくなり、多くの扁平状の無機充填剤３の平面が熱伝導性樹脂シート１の面に平行となることがある。その結果、熱伝導性樹脂シート１の厚さ方向に熱伝導する充填剤の経路が少なくなり、熱伝導性樹脂シート１における厚さ方向の熱伝導性の向上効果が得られないことがある。
【００２４】
本実施の形態の熱伝導性樹脂シート１における、上記扁平状の無機充填剤３と上記被覆層５を有する粒子状の無機充填剤４との混合充填剤の配合量は、熱伝導性樹脂シート１の有機成分に対して４０体積％以上８５体積％以下であることが好ましい。混合充填剤の配合量が４０体積％未満であると、熱伝導性樹脂シート１の熱伝導率が低下してしまうことがある。一方、混合充填剤の配合量が８５体積％を超えると、熱伝導性樹脂シート１内にボイドを含有してしまうことがある。
【００２５】
上記のような構成成分を含む本実施の形態の熱伝導性樹脂シート１は、以下のようにして製造することができる。
まず、所定量の熱硬化性樹脂２並びに任意成分の硬化剤及び平均分子量が３０００以上のエポキシ樹脂を含む熱硬化性樹脂組成物を調製する。
次に、この熱硬化性樹脂組成物に溶剤を配合して熱硬化性樹脂組成物の溶液を調製し、扁平状の無機充填剤３、及び被覆層５を有する粒子状の無機充填剤４を添加して予備混合する。ここで、熱硬化性樹脂組成物の溶液を調製するのに使用される溶剤としては、特に限定されることはなく、トルエンやメチルエチルケトン等を用いることができる。また、かかる溶剤の配合量も、予備混合し得る量であれば特に限定されることはなく、一般に、熱硬化性樹脂組成物と無機充填剤の合計質量に対して４０質量％以上８５質量％以下である。なお、熱硬化性樹脂組成物の粘度が低い場合には、溶剤を配合しなくてもよい。また、カップリング剤を配合する場合、カップリング剤は下記の混練工程前までに添加すればよい。
【００２６】
次に、この予備混合物を３本ロールやニーダ等を用いて混練し、熱伝導性樹脂シート１用コンパウンドとした後、このコンパウンドを離型処理された樹脂シートや金属板上に、ドクターブレード法等によって塗布する。
次に、この塗布物を乾燥し、塗布物中の溶剤を揮発させることによって、熱伝導性樹脂シート１を得ることができる。ここで、乾燥の際には、必要に応じて、８０〜１５０℃に加熱し、溶剤の揮発を促進させてもよい。また、パワーモジュール等に組み込む際には、発熱部材及び放熱部材との接着性等の観点から、マトリックスの熱硬化性樹脂２をＢステージ化させてもよい。
【００２７】
このようにして製造される本実施の形態の熱伝導性樹脂シート１は、電気・電子機器の発熱部材と放熱部材との間に配置することにより、発熱部材と放熱部材とを接着すると共に電気絶縁することができる。かかる熱伝導性樹脂シート１は、熱伝導性が高いので、発熱部材から放熱部材に熱を効率良く伝達することができる。
ここで、電気・電子機器の発熱部材と放熱部材との間に熱伝導性樹脂シート１を配置する場合、マトリックスの熱硬化性樹脂２がＢステージ状態の熱伝導性樹脂シート１を用い、この熱伝導性樹脂シート１の配置後に１５０〜２００℃に加熱して硬化させることによって、発熱部材及び放熱部材を熱伝導性樹脂シート１に接着することができる。また、電気・電子機器の発熱部材及び放熱部材のいずれか一方に、熱伝導性樹脂シート１を圧接しながら１５０〜２００℃に加熱して硬化させることによって、発熱部材及び放熱部材の熱伝導性樹脂シート１に対する接着性をより向上させることができる。
【００２８】
本実施の形態の熱伝導性樹脂シート１は、扁平状の無機充填剤３や粒子状の無機充填剤４を単独で用いた熱伝導性樹脂シートよりも、格段に優れた熱伝導性を有している。また、本実施の形態の熱伝導性樹脂シート１は、充填剤の含有率を極限まで増やさなくても高い熱伝導性を有するので、熱伝導性樹脂シート用コンパウンドの粘度を下げることができる。それにより、表面が平坦で薄い熱伝導性樹脂シート１を製造することが可能となる。
さらに、本実施の形態の熱伝導性樹脂シート１は、耐電圧性が高いため、熱伝導性樹脂シート１の厚さを薄くすることにより、厚さ方向の熱抵抗を飛躍的に小さくすることが可能となる。また、本実施の形態の熱伝導性樹脂シート１は、表面が平坦であるため、発熱部材や放熱部材との密着性が優れており、接触熱抵抗が小さく、熱伝達性に優れたものとなる。
【００２９】
本実施の形態のパワーモジュールは、一方の放熱部材に実装された電力半導体素子と、前記電力半導体素子で発生する熱を外部に放熱する他方の放熱部材と、前記電力半導体素子で発生する熱を前記一方の放熱部材から前記他方の放熱部材に伝達する上記の熱伝導性樹脂シートとを備える。
図４は、本実施の形態のパワーモジュールの断面模式図である。図４において、パワーモジュール７は、一方の放熱部材であるリードフレーム８に実装された電力半導体素子９と、他方の放熱部材であるヒートシンク１２と、リードフレーム８とヒートシンク１２との間に配置された熱伝導性樹脂シート１とを備えている。また、パワーモジュール７は、電力半導体素子９の電極とリードフレーム８とがワイヤ１０によってワイアボンディングされており、樹脂１１で封止されている。
かかる本実施の形態のパワーモジュール７は、熱伝導性及び耐電圧性に優れた熱伝導性樹脂シート１を有しているので、熱放散性に優れたものとなる。
【実施例】
【００３０】
以下、実施例により本発明の詳細を説明するが、これらによって本発明が限定されるものではない。
［実施例１］
液状のビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（比誘電率３．４、エピコート８２８：ジャパンエポキシレジン（株）社）１００質量部と、硬化剤である１−シアノエチル−２−メチルイミダゾール（キュアゾール２ＰＮ−ＣＮ：四国化成工業（株）社）１質量部とを含む熱硬化性樹脂組成物に、メチルエチルケトン１０１質量部を添加し、撹拌して、熱硬化性樹脂組成物の溶液を調製した。
一方、液状のビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（エピコート８２８：ジャパンエポキシレジン（株）社）１００質量部と、硬化剤である１−シアノエチル−２−メチルイミダゾール（キュアゾール２ＰＮ−ＣＮ：四国化成工業（株）社）１質量部とを含む熱硬化性樹脂組成物に、平均粒径が０．０１μｍのアルミナを、熱硬化性樹脂組成物とアルミナとの合計体積に対して５５体積％配合した。次いで、粒子状の無機充填剤として平均粒径が３０μｍの窒化アルミニウム（比誘電率９）を用い、熱硬化性樹脂組成物を窒化アルミニウムにスプレーコーティングすることによって、１〜５００μｍの厚さ（各サンプルの具体的な厚さは表１に示す）の被覆層（比誘電率５．８〜６．２）を有する窒化アルミニウムを作製した。
【００３１】
次に、熱硬化性樹脂組成物の溶液に、扁平状の窒化ホウ素（平均長径１０μｍ）と、被覆層を有する窒化アルミニウムとの混合充填剤（ＶＬ／ＶＲ＝５０／５０）を、熱硬化性樹脂組成物の溶液と混合充填剤との合計体積に対して５０体積％配合した。この予備混合物をさらに、三本ロールにて混練し、熱硬化性樹脂組成物の溶液中に混合充填剤を均一に分散させた熱伝導性樹脂シート用コンパウンドを作製した。
次に、熱伝導性樹脂シート用コンパウンドを、厚さ１００μｍの離型処理したポリエチレンテレフタレートシート上にドクターブレード法で塗布した後、１１０℃で１５分間の加熱乾燥処理をして厚さが５００μｍでＢステージ状態の熱伝導性樹脂シートを作製した。
次に、Ｂステージ状態の熱伝導性樹脂シートを１２０℃で１時間加熱した後、１６０℃で３時間加熱して熱伝導性樹脂シートを完全に硬化させた。このようにして得られた熱伝導性樹脂シート（サンプル１〜３）において、厚さ方向の熱伝導率をレーザーフラッシュ法にて測定し、絶縁破壊電界をステップ昇圧法にて測定した。かかる測定で得られた熱伝導率の値をＫＭｉ（ｉはサンプル番号、以下同じ）、絶縁破壊電界の値をＥＭｉ（ｉはサンプル番号、以下同じ）として表す。
【００３２】
［比較例１］
実施例１において、被覆層の厚さを０．０５μｍ、０．５μｍ及び１００μｍとしたこと以外は、実施例１と同様にして熱伝導性樹脂シートを作製した（サンプル４〜６）。
［比較例２］
被覆層を有する窒化アルミニウムの代わりに、平均粒径が３０μｍの窒化ケイ素を用いること以外は、実施例１と同様にして熱伝導性樹脂シートを作製した。この熱伝導性樹脂シートにおいて、厚さ方向の熱伝導率及び絶縁破壊電界を、実施例１と同様にして測定した。かかる測定で得られた熱伝導率の値をＫＣ１、絶縁破壊電界の値をＥＣ１として表す。
比較例２の熱伝導性樹脂シートで測定された熱伝導率及び絶縁破壊電界の値を比較基準として、実施例１及び比較例１の熱伝導性樹脂シートで測定された熱伝導率及び絶縁破壊電界を評価した。その結果を表１に示す。また、被覆層の厚さに対するＫＭｉ／ＫＣ１及びＥＭｉ／ＥＣ１の関係を図５示す。
【００３３】
【表１】
【００３４】
表１及び図５に示されているように、ＫＭｉ／ＫＣ１の値は、被覆層の厚さが増加するに従って減少する傾向にあり、特に被覆層の厚さが５０μｍを超えると急激に減少する（すなわち、熱伝導性樹脂シートの熱伝導率が低下する）傾向にあった。一方、ＥＭｉ／ＥＣ１の値は、被覆層の厚さが増加するに従って増加する傾向にあった。つまり、被覆層の厚さが増すと、熱伝導性樹脂シートの耐電圧性は向上するが、逆に粒子状の無機充填剤の周囲の熱抵抗が増加することによって熱伝導性樹脂シートの熱伝導率が低下することとなる。しかしながら、本発明の熱伝導性樹脂シートは、被覆層の厚さが１μｍ以上５０μｍ以下であるので、熱伝導率の低下を抑制しつつ、耐電圧性を向上させることができる。
【００３５】
［実施例２］
液状のビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（エピコート８２８：ジャパンエポキシレジン（株）社）１００質量部と、硬化剤である１−シアノエチル−２−メチルイミダゾール（キュアゾール２ＰＮ−ＣＮ：四国化成工業（株）社）１質量部とを含む熱硬化性樹脂組成物に、平均粒径が５μｍの窒化ホウ素を、熱硬化性樹脂組成物と窒化ホウ素との合計体積に対して５５体積％配合した。次いで、粒子状の無機充填剤として平均粒径が８０μｍの窒化アルミニウム（比誘電率９）を用い、熱硬化性樹脂組成物を窒化アルミニウムにスプレーコーティングすることによって、２０μｍの厚さの被覆層を有する窒化アルミニウムを作製した。
上記の被覆層で被覆した窒化アルミニウムを用いたこと以外は、実施例１と同様にして熱伝導性樹脂シート（サンプル７）を作製した。この熱伝導性樹脂シートにおいて、厚さ方向の熱伝導率及び絶縁破壊電界を、実施例１と同様にして測定した。
【００３６】
［実施例３］
平均粒径が５μｍの窒化ホウ素の代わりに、平均粒径が５μｍのアルミナを用いたこと以外は、実施例２と同様にして熱伝導性樹脂シート（サンプル８）を作製した。この熱伝導性樹脂シートにおいて、厚さ方向の熱伝導率及び絶縁破壊電界を、実施例１と同様にして測定した。
［実施例４］
平均粒径が５μｍの窒化ホウ素の代わりに、平均粒径が１μｍのシリカを用いたこと以外は、実施例２と同様にして熱伝導性樹脂シート（サンプル９）を作製した。この熱伝導性樹脂シートにおいて、厚さ方向の熱伝導率及び絶縁破壊電界を、実施例１と同様にして測定した。
【００３７】
［比較例３］
窒化アルミニウムの表面に被覆層を設けないこと以外は、実施例２と同様にして熱伝導性樹脂シートを作製した。この熱伝導性樹脂シートにおいて、厚さ方向の熱伝導率及び絶縁破壊電界を、実施例１と同様にして測定した。かかる測定で得られた熱伝導率の値をＫＣ２、絶縁破壊電界の値をＥＣ２として表す。
比較例３の熱伝導性樹脂シートで測定された熱伝導率及び絶縁破壊電界の値を比較基準として、実施例２〜４の熱伝導性樹脂シートで測定された熱伝導率及び絶縁破壊電界を評価した。その結果を表２及び図６に示す。
【００３８】
【表２】
【００３９】
表２及び図６に示されているように、実施例２〜４の熱伝導性樹脂シートでは、粒子状の無機充填剤として平均粒径が８０μｍの窒化アルミニウムを使用しているにもかかわらず、ＫＭｉ／ＫＣ２の値は低下せず、ＥＭｉ／ＥＣ２の値も高かった。よって、実施例２〜４の熱伝導性樹脂シートは、熱伝導性及び耐電圧性に優れているといえる。
以上の結果からわかるように、本実施の形態の熱伝導性樹脂シートは、熱伝導性及び耐電圧性に優れている。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】実施の形態における熱伝導性樹脂シートの断面模式図である。
【図２】従来の熱伝導性樹脂シートの断面模式図である。
【図３】扁平状の窒化ホウ素を含む熱伝導性樹脂シートにおける、扁平状の窒化ホウ素の体積充填率［ＶＬ］と、理論熱伝導率［ＫＳ（Ｗ／ｍＫ）］に対する実測熱伝導率［ＫＬ（Ｗ／ｍＫ）］の比［ＫＬ／ＫＳ］との関係を示すグラフである。
【図４】本実施の形態のパワーモジュールの断面模式図である。
【図５】実施例１及び比較例１の熱伝導性樹脂シートにおける、被覆層の厚さに対するＫＭｉ／ＫＣｌ及びＥＭｉ／ＥＣ１の関係を示すグラフである。
【図６】実施例２〜４の熱伝導性樹脂シートにおけるＫＭｉ／ＫＣ２及びＥＭｉ／ＥＣ２を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４１】
１、６ 熱伝導性樹脂シート、２ 熱硬化性樹脂、３ 扁平状の無機充填剤、４ 粒子状の無機充填剤、５ 被覆層、７ パワーモジュール、８ リードフレーム、９ 電力半導体素子、１０ ワイヤ、１１ 樹脂、１２ ヒートシンク。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気・電子機器等の発熱部材から放熱部材へ熱を伝達させるために用いる熱伝導性樹脂シートに関し、特にパワーモジュールの発熱部材から放熱部材への熱の伝達を担う絶縁性の熱伝導性樹脂シート、及びその熱伝導性樹脂シートを用いたパワーモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、電気・電子機器の発熱部材から放熱部材へ熱を伝達させる熱伝導性樹脂層には、熱伝導性及び絶縁性が高いことが要求されており、かかる要求を満たすものとして、無機充填材を熱硬化性樹脂中に分散させた熱伝導性樹脂シートが広く用いられている。
例えば、パワーモジュールにおいては、電力半導体素子を搭載したリードフレームの裏面と、放熱部材となる金属板との間に設ける熱伝導性絶縁層として、熱伝導率が高い扁平状の無機充填剤と、扁平状の無機充填剤よりも熱伝導率が高い粒子状の無機充填剤とからなる混合充填剤を熱硬化性樹脂中に分散させた熱伝導性樹脂シートが用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２３２３１３号公報（第９頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、電子機器の小型化や電子部品の高性能化に伴い、電子機器や電子部品からの発熱量は増大する傾向にあり、電気・電子機器の発熱部材から放熱部材へ熱を伝達させる熱伝導性樹脂シートの熱伝導性をさらに高めることが望まれている。また、電気・電子機器の大容量化も進み、電力半導体素子と放熱部材との間の電界が増加しているため、それらの間に配置される熱伝導性樹脂シートに要求される絶縁破壊電圧も高くなっている。従って、熱伝導性樹脂シートには、熱伝導性及び耐電圧性が高いことが要求されている。
しかしながら、特許文献１の熱伝導性樹脂シートでは、依然として十分な熱伝導性が得られていない。
【０００５】
一方、特許文献１の熱伝導性樹脂シートにおいて、混合充填剤の配合量を増加する方法や、熱伝導率が高い粒子状の無機充填剤の平均粒径を増大する方法によって熱伝導性を向上させることができる。
しかしながら、熱伝導性樹脂シートにおける混合充填剤の配合量の増加には限界があり、その限界を超えて配合すると、熱伝導性樹脂シート内にボイドが発生してしまい、熱伝導性樹脂シートの熱伝導率及び絶縁耐圧が低下する。また、熱伝導率が高い粒子状の無機充填剤の平均粒径を増大させると、熱伝導性樹脂シートの絶縁耐圧が低下する。この絶縁耐圧の低下は、熱伝導性樹脂シートの構成成分の比誘電率の差に起因するものであり、例えば、エポキシ樹脂（熱硬化性樹脂）及び扁平状の窒化ホウ素（無機充填剤）の比誘電率が約４であるのに対し、粒子状の窒化アルミニウム（無機充填剤）の比誘電率が約９と高いために、粒子状の窒化アルミニウムの表面に電界が集中して熱伝導性樹脂シートの絶縁耐圧が低下する。
【０００６】
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、熱伝導性及び耐電圧性に優れた熱伝導性樹脂シートを提供することを目的とする。
また、本発明は、熱放散性に優れたパワーモジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者等は、上記のような問題を解決すべく鋭意研究した結果、扁平状の無機充填剤と粒子状の無機充填剤とが熱硬化性樹脂中に分散された熱伝導性樹脂シートにおいて、特定の被覆層によって粒子状の無機充填剤の表面を被覆することにより、熱伝導性及び耐電圧性を向上させ得ることを見出した。
すなわち、本発明は、熱伝導性で且つ絶縁性の無機充填剤が熱硬化性樹脂中に分散されており、前記無機充填剤が、扁平状の無機充填剤と粒子状の無機充填剤との混合充填剤である熱伝導性樹脂シートであって、前記粒子状の無機充填剤の比誘電率よりも小さく、且つ前記熱硬化性樹脂の比誘電率よりも大きな比誘電率、及び１μｍ以上５０μｍ以下の厚さを有する被覆層によって前記粒子状の無機充填剤の表面が被覆されていることを特徴とする熱伝導性樹脂シートである。
また、本発明は、一方の放熱部材に実装された電力半導体素子と、前記電力半導体素子で発生する熱を外部に放熱する他方の放熱部材と、前記電力半導体素子で発生する熱を前記一方の放熱部材から前記他方の放熱部材に伝達する、上記の熱伝導性樹脂シートとを備えることを特徴とするパワーモジュールである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、熱伝導性及び耐電圧性に優れた熱伝導性樹脂シートを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施の形態１．
以下に、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本実施の形態における熱伝導性樹脂シートの断面模式図である。図１において、熱伝導性樹脂シート１は、マトリックスとなる熱硬化性樹脂２と、この熱硬化性樹脂２中に分散された無機充填剤とから構成されている。かかる無機充填剤は、扁平状の無機充填剤３と粒子状の無機充填剤４との混合充填剤であり、粒子状の無機充填剤４の表面は、被覆層５で被覆されている。かかる被覆層５は、粒子状の無機充填剤４の比誘電率よりも小さく、且つ熱硬化性樹脂２の比誘電率よりも大きな比誘電率、及び１μｍ以上５０μｍ以下の厚さを有している。
【００１０】
図２は、従来（特許文献１）の熱伝導性樹脂シートの断面模式図である。図２において、熱伝導性樹脂シート６は、粒子状の無機充填剤４が、被覆層５で被覆されていないことを除けば、本発明の実施の形態における熱伝導性樹脂シート１と同じ構成である。
かかる従来の熱伝導性樹脂シート６では、混合充填剤の配合量を一定とした場合、混合充填剤における扁平状の無機充填剤３の体積含有率ＶＬと粒子状の無機充填剤４の体積含有率ＶＲとの比率（ＶＬ／ＶＲ）を、（３０／７０）〜（８０／２０）とすることで熱伝導率を高めることができる。
【００１１】
この熱伝導性樹脂シート６の熱伝導率をさらに高める方法として、混合充填剤の配合量を増加させる方法がある。
しかしながら、熱伝導性樹脂シート６の熱伝導率は、一般的に、一定量以上の充填剤を配合すると低下する。例えば、扁平状の窒化ホウ素を含む熱伝導性樹脂シートにおける、扁平状の窒化ホウ素の体積充填率［ＶＬ］と、理論熱伝導率［ＫＳ（Ｗ／ｍＫ）］に対する実測熱伝導率［ＫＬ（Ｗ／ｍＫ）］の比［ＫＬ／ＫＳ］との関係を表すグラフを図３に示す。ここで、熱伝導性樹脂シートの理論熱伝導率［ＫＳ（Ｗ／ｍＫ）］の算出には、金城の式を用いた。なお、金城の式とは、１−Φ＝｛（λｅ−λｄ）／（λｃ−λｄ）｝×（λｃ／λｅ）｛１/（１＋Ｘ）｝で表される式である。式中、Φ：充填剤の体積充填率（−）、λｅ：熱伝導性樹脂シートの熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）、λｄ：充填剤の熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）、λｃ：マトリックス樹脂の熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）、Ｘ：充填剤の形状パラメータ（球＝２、不定形＞２）である。
図３に示されているように、扁平状の窒化ホウ素の体積充填率［ＶＬ］が６０体積％を超えると、［ＫＬ／ＫＳ］が低下することがわかる。すなわち、熱伝導性樹脂シートの実測熱伝導率［ＫＬ］が理論熱伝導率［ＫＳ］よりも低下する。これは、充填剤の配合量が多くなるにつれて、熱伝導性樹脂シート内にボイドが発生することに起因している。このボイドの発生によって、熱伝導性樹脂シートの熱伝導率が低下し、さらに耐電圧性も低下することとなる。
【００１２】
一方、熱伝導性樹脂シート６の熱伝導率をさらに高める別の方法として、粒子状の無機充填剤４の粒径を大きくする方法がある。
しかしながら、例えば、粒子状の窒化アルミニウム（無機充填剤）４の比誘電率は、エポキシ樹脂（熱硬化性樹脂）２及び扁平状の窒化ホウ素（無機充填剤）３の比誘電率よりも倍近く大きいため、粒子状の窒化アルミニウム（無機充填剤）４の表面に電界が集中してしまい、熱伝導性樹脂シート６の耐電圧性が低下する。
【００１３】
これに対して本発明の実施の形態における熱伝導性樹脂シート１は、粒子状の無機充填剤４の比誘電率よりも小さく、且つ熱硬化性樹脂２の比誘電率よりも大きな比誘電率、及び１μｍ以上５０μｍ以下の厚さを有する被覆層によって粒子状の無機充填剤４の表面を被覆しているので、粒子状の無機充填剤４の表面に生じる電界集中を緩和し、熱伝導性樹脂シート１の耐電圧性を高めることができる。これにより、熱伝導性樹脂シート１の耐電圧性を低下させることなく、平均粒径の大きな粒子状の無機充填剤４を配合することが可能となり、熱伝導性樹脂シート１の熱伝導性をさらに高めることができる。
【００１４】
本実施の形態において使用可能な熱硬化性樹脂２としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂等が挙げられる。これらの中でも、エポキシ樹脂は、熱伝導性樹脂シート１の製造が容易であるので好ましい。
エポキシ樹脂としては、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、オルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、脂環脂肪族エポキシ樹脂、グリシジル−アミノフェノール系エポキシ樹脂が挙げられる。これらのエポキシ樹脂は、単独又は２種以上を併用して用いることができる。
【００１５】
本実施の形態における熱伝導性樹脂シート１は、マトリックスとなる熱硬化性樹脂２を硬化させるために、硬化剤を含むことができる。かかる硬化剤としては、特に制限されることはなく、熱硬化性樹脂２の種類にあわせて公知のものを適宜選択すればよい。
中でも、熱硬化性樹脂２にエポキシ樹脂を用いる場合に使用可能な硬化剤としては、メチルテトラヒドロ無水フタル酸、メチルヘキサヒドロ無水フタル酸、無水ハイミック酸等の脂環式酸無水物；ドデセニル無水コハク酸等の脂肪族酸無水物；無水フタル酸、無水トリメリット酸等の芳香族酸無水物；ジシアンジアミド、アジピン酸ジヒドラジド等の有機ジヒドラジド；トリス（ジメチルアミノメチル）フェノール、ジメチルベンジルアミン、１，８-ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン、およびその誘導体、２−メチルイミダゾール、２−エチル−４−メチルイミダゾール、２−フェニルイミダゾール等のイミダゾール類が挙げられる。これらの硬化剤は、単独又は２種以上を併用して用いることができる。
硬化剤の配合量は、使用する熱硬化性樹脂２や硬化剤の種類等にあわせて適宜調整すればよいが、一般的に、１００質量部の熱硬化性樹脂２に対して５０質量部以上１１０質量部以下である。
【００１６】
本実施の形態における熱伝導性樹脂シート１は、電気・電子機器の発熱部材や放熱部材に対する接着性を向上させるために、カップリング剤を含むことができる。かかるカップリング剤としては、γ―グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、Ｎ−β（アミノエチル）γ―アミノプロピルトリエトキシシラン、Ｎ−フェニル−γ―アミノプロピルトリメトキシシラン、γ―メルカプトプロピルトリメトキシシラン等が挙げられる。これらのカップリング剤は、単独又は２種以上を併用して用いることができる。
カップリング剤の配合量は、使用する熱硬化性樹脂２やカップリング剤の種類等にあわせて適宜調整すればよいが、一般的に１００質量部の熱硬化性樹脂２に対して０．０１質量部以上１質量部以下である。
【００１７】
また、熱伝導性樹脂シート１のマトリックスとなる熱硬化性樹脂２にエポキシ樹脂を用いる場合には、主剤の一部として平均分子量が３０００以上のエポキシ樹脂を併用すると、熱伝導性樹脂シート１の柔軟性が向上し、電気・電子機器の発熱部材や放熱部材に対する密着性が増すので好ましい。かかる平均分子量が３０００以上のエポキシ樹脂の配合量は、１００質量部の熱硬化性樹脂２に対して１０質量部以上４０質量部以下であることが好ましい。この配合割合が１０質量部未満では、所望の密着性の向上が認められないことがある。一方、この配合割合が４０質量部より大きいと、熱伝導性樹脂シート１の耐熱性が低下することがある。
【００１８】
本実施の形態における扁平状の無機充填剤３は、平板状の無機充填剤であり、その外縁の形状は限定されない。その中でも、矩形の形状の無機充填剤は、熱伝導性樹脂シート１の厚さ方向の熱伝導性を向上させる効果が特に大きいので好ましい。
扁平状の無機充填剤３の種類としては、特に限定されることはなく、電気絶縁性の酸化アルミニウム（アルミナ）、窒化硼素、炭化珪素等が挙げられる。これらは、単独又は２種以上を併用して用いることができる。
扁平状の無機充填剤３の平均長径は、０．５〜１００μｍであることが好ましい。特に、扁平状の無機充填剤３の平均長径が１〜５０μｍであれば、熱伝導性樹脂シート１の製造の際に、熱硬化性樹脂２を含む熱硬化性樹脂組成物のチクソトロピック性を抑制することができる。ここで、長径とは、扁平状の無機充填剤３の平面部における最長部分の長さのことを意味する。
【００１９】
本実施の形態における粒子状の無機充填剤４は、略球形のものが好ましいが、粉砕された形状で多角体形状であってもよい。
粒子状の無機充填剤４の種類としては、特に限定されることはなく、電気絶縁性の酸化アルミニウム（アルミナ）、酸化珪素（シリカ）、窒化珪素、窒化アルミニウム、炭化珪素、窒化硼素等が挙げられる。これらは、単独又は２種以上を併用して用いることができる。
粒子状の無機充填剤４の平均粒径は、５μｍ以上であることが好ましい。平均粒径が５μｍ未満であると、熱伝導性樹脂シート１の熱伝導率が低下してしまうことがある。一方、粒子状の無機充填剤４の平均粒径の上限は特に限定されない。これは、作製する熱伝導性樹脂シート１の厚さに応じて、適用される粒子状の無機充填剤４の最大粒径が設定されるからである。
【００２０】
本実施の形態における、粒子状の無機充填剤４を被覆する被覆層５は、粒子状の無機充填剤４の比誘電率よりも小さく、且つ熱硬化性樹脂２の比誘電率よりも大きな比誘電率を有する。また、被覆層５の厚さは、１μｍ以上５０μｍ以下である。被覆層５の厚さが１μｍ未満であると、粒子状の無機充填剤４の表面に生じる電界集中を十分に緩和することができず、所望の耐電圧性を有する熱伝導性樹脂シート１が得られない。一方、被覆層５の厚さが５０μｍを超えると、熱伝導性樹脂シート１の熱伝導性が低下する。
【００２１】
被覆層５としては、上記特性を有していれば特に限定されることはないが、絶縁性無機充填剤と、上記熱硬化性樹脂２とを含む熱硬化性樹脂組成物の硬化物であることが好ましい。
また、絶縁性無機充填剤の平均粒径は、１μｍ以下であることが好ましい。なお、絶縁性無機充填剤は、粒子状以外にも破砕状や扁平状であってもよく、これらの形状の場合には、長径が１μｍ以下であればよい。この絶縁性無機充填剤の平均粒径が１μｍを超えると、粒子状の無機充填剤４を十分に被覆し得ないことがある。また、被覆層５を形成するために用いられる熱硬化性樹脂組成物は、上記の硬化剤、カップリング剤、平均分子量が３０００以上のエポキシ樹脂を含むことができる。
ここで使用可能な絶縁性無機充填剤としては、電気絶縁性の酸化アルミニウム（アルミナ）、酸化珪素（シリカ）、窒化珪素、窒化アルミニウム、炭化珪素、窒化硼素等が挙げられる。これらは、単独又は２種以上を併用して用いることができる。また、熱硬化性樹脂組成物における絶縁性無機充填剤の配合量は、熱硬化性樹脂組成物の合計体積に対して５体積％以上６０体積％以下であることが好ましい。かかる絶縁性無機充填剤の配合量が５体積％未満であると、所望の耐電圧性を有する熱伝導性樹脂シート１が得られないことがある。一方、絶縁性無機充填剤の配合量が６０体積％を超えると、粒子状の無機充填剤４の表面を十分に被覆し得ないことがある。
【００２２】
粒子状の無機充填剤４の表面に被覆層５を形成する方法としては、特に限定されることはなく、従来公知の方法を用いることができる。具体的には、上記成分を含む熱硬化性樹脂組成物を粒子状の無機充填剤４にスプレーコーティングすればよい。或いは、熱硬化性樹脂組成物をトルエンやメチルエチルケトン等の溶媒で希釈し、その中に粒子状の無機充填剤４を浸漬した後、乾燥させればよい。
【００２３】
本実施の形態の熱伝導性樹脂シート１における、上記扁平状の無機充填剤３の体積含有率ＶＬと、上記被覆層５を有する粒子状の無機充填剤４の体積含有率ＶＲとの比率（ＶＬ／ＶＲ）は、（３０／７０）〜（８０／２０）であることが好ましい。特に、かかる比率（ＶＬ／ＶＲ）が（３４／６６）〜（７０／３０）であると、熱伝導性の向上効果が特に大きくなる。かかる比率（ＶＬ／ＶＲ）が（３０／７０）未満であると、粒子状の無機充填剤４の間を繋ぐ扁平状の無機充填剤３が少なくなり、熱伝導性樹脂シート１における厚さ方向の熱伝導性の向上効果が得られないことがある。一方、かかる比率（ＶＬ／ＶＲ）が（８０／２０）を超えると、熱伝導性樹脂シート１の面に水平な方向に対して角度を持って分散する扁平状の無機充填剤３が少なくなり、多くの扁平状の無機充填剤３の平面が熱伝導性樹脂シート１の面に平行となることがある。その結果、熱伝導性樹脂シート１の厚さ方向に熱伝導する充填剤の経路が少なくなり、熱伝導性樹脂シート１における厚さ方向の熱伝導性の向上効果が得られないことがある。
【００２４】
本実施の形態の熱伝導性樹脂シート１における、上記扁平状の無機充填剤３と上記被覆層５を有する粒子状の無機充填剤４との混合充填剤の配合量は、熱伝導性樹脂シート１の有機成分に対して４０体積％以上８５体積％以下であることが好ましい。混合充填剤の配合量が４０体積％未満であると、熱伝導性樹脂シート１の熱伝導率が低下してしまうことがある。一方、混合充填剤の配合量が８５体積％を超えると、熱伝導性樹脂シート１内にボイドを含有してしまうことがある。
【００２５】
上記のような構成成分を含む本実施の形態の熱伝導性樹脂シート１は、以下のようにして製造することができる。
まず、所定量の熱硬化性樹脂２並びに任意成分の硬化剤及び平均分子量が３０００以上のエポキシ樹脂を含む熱硬化性樹脂組成物を調製する。
次に、この熱硬化性樹脂組成物に溶剤を配合して熱硬化性樹脂組成物の溶液を調製し、扁平状の無機充填剤３、及び被覆層５を有する粒子状の無機充填剤４を添加して予備混合する。ここで、熱硬化性樹脂組成物の溶液を調製するのに使用される溶剤としては、特に限定されることはなく、トルエンやメチルエチルケトン等を用いることができる。また、かかる溶剤の配合量も、予備混合し得る量であれば特に限定されることはなく、一般に、熱硬化性樹脂組成物と無機充填剤の合計質量に対して４０質量％以上８５質量％以下である。なお、熱硬化性樹脂組成物の粘度が低い場合には、溶剤を配合しなくてもよい。また、カップリング剤を配合する場合、カップリング剤は下記の混練工程前までに添加すればよい。
【００２６】
次に、この予備混合物を３本ロールやニーダ等を用いて混練し、熱伝導性樹脂シート１用コンパウンドとした後、このコンパウンドを離型処理された樹脂シートや金属板上に、ドクターブレード法等によって塗布する。
次に、この塗布物を乾燥し、塗布物中の溶剤を揮発させることによって、熱伝導性樹脂シート１を得ることができる。ここで、乾燥の際には、必要に応じて、８０〜１５０℃に加熱し、溶剤の揮発を促進させてもよい。また、パワーモジュール等に組み込む際には、発熱部材及び放熱部材との接着性等の観点から、マトリックスの熱硬化性樹脂２をＢステージ化させてもよい。
【００２７】
このようにして製造される本実施の形態の熱伝導性樹脂シート１は、電気・電子機器の発熱部材と放熱部材との間に配置することにより、発熱部材と放熱部材とを接着すると共に電気絶縁することができる。かかる熱伝導性樹脂シート１は、熱伝導性が高いので、発熱部材から放熱部材に熱を効率良く伝達することができる。
ここで、電気・電子機器の発熱部材と放熱部材との間に熱伝導性樹脂シート１を配置する場合、マトリックスの熱硬化性樹脂２がＢステージ状態の熱伝導性樹脂シート１を用い、この熱伝導性樹脂シート１の配置後に１５０〜２００℃に加熱して硬化させることによって、発熱部材及び放熱部材を熱伝導性樹脂シート１に接着することができる。また、電気・電子機器の発熱部材及び放熱部材のいずれか一方に、熱伝導性樹脂シート１を圧接しながら１５０〜２００℃に加熱して硬化させることによって、発熱部材及び放熱部材の熱伝導性樹脂シート１に対する接着性をより向上させることができる。
【００２８】
本実施の形態の熱伝導性樹脂シート１は、扁平状の無機充填剤３や粒子状の無機充填剤４を単独で用いた熱伝導性樹脂シートよりも、格段に優れた熱伝導性を有している。また、本実施の形態の熱伝導性樹脂シート１は、充填剤の含有率を極限まで増やさなくても高い熱伝導性を有するので、熱伝導性樹脂シート用コンパウンドの粘度を下げることができる。それにより、表面が平坦で薄い熱伝導性樹脂シート１を製造することが可能となる。
さらに、本実施の形態の熱伝導性樹脂シート１は、耐電圧性が高いため、熱伝導性樹脂シート１の厚さを薄くすることにより、厚さ方向の熱抵抗を飛躍的に小さくすることが可能となる。また、本実施の形態の熱伝導性樹脂シート１は、表面が平坦であるため、発熱部材や放熱部材との密着性が優れており、接触熱抵抗が小さく、熱伝達性に優れたものとなる。
【００２９】
本実施の形態のパワーモジュールは、一方の放熱部材に実装された電力半導体素子と、前記電力半導体素子で発生する熱を外部に放熱する他方の放熱部材と、前記電力半導体素子で発生する熱を前記一方の放熱部材から前記他方の放熱部材に伝達する上記の熱伝導性樹脂シートとを備える。
図４は、本実施の形態のパワーモジュールの断面模式図である。図４において、パワーモジュール７は、一方の放熱部材であるリードフレーム８に実装された電力半導体素子９と、他方の放熱部材であるヒートシンク１２と、リードフレーム８とヒートシンク１２との間に配置された熱伝導性樹脂シート１とを備えている。また、パワーモジュール７は、電力半導体素子９の電極とリードフレーム８とがワイヤ１０によってワイアボンディングされており、樹脂１１で封止されている。
かかる本実施の形態のパワーモジュール７は、熱伝導性及び耐電圧性に優れた熱伝導性樹脂シート１を有しているので、熱放散性に優れたものとなる。
【実施例】
【００３０】
以下、実施例により本発明の詳細を説明するが、これらによって本発明が限定されるものではない。
［実施例１］
液状のビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（比誘電率３．４、エピコート８２８：ジャパンエポキシレジン（株）社）１００質量部と、硬化剤である１−シアノエチル−２−メチルイミダゾール（キュアゾール２ＰＮ−ＣＮ：四国化成工業（株）社）１質量部とを含む熱硬化性樹脂組成物に、メチルエチルケトン１０１質量部を添加し、撹拌して、熱硬化性樹脂組成物の溶液を調製した。
一方、液状のビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（エピコート８２８：ジャパンエポキシレジン（株）社）１００質量部と、硬化剤である１−シアノエチル−２−メチルイミダゾール（キュアゾール２ＰＮ−ＣＮ：四国化成工業（株）社）１質量部とを含む熱硬化性樹脂組成物に、平均粒径が０．０１μｍのアルミナを、熱硬化性樹脂組成物とアルミナとの合計体積に対して５５体積％配合した。次いで、粒子状の無機充填剤として平均粒径が３０μｍの窒化アルミニウム（比誘電率９）を用い、熱硬化性樹脂組成物を窒化アルミニウムにスプレーコーティングすることによって、１〜５００μｍの厚さ（各サンプルの具体的な厚さは表１に示す）の被覆層（比誘電率５．８〜６．２）を有する窒化アルミニウムを作製した。
【００３１】
次に、熱硬化性樹脂組成物の溶液に、扁平状の窒化ホウ素（平均長径１０μｍ）と、被覆層を有する窒化アルミニウムとの混合充填剤（ＶＬ／ＶＲ＝５０／５０）を、熱硬化性樹脂組成物の溶液と混合充填剤との合計体積に対して５０体積％配合した。この予備混合物をさらに、三本ロールにて混練し、熱硬化性樹脂組成物の溶液中に混合充填剤を均一に分散させた熱伝導性樹脂シート用コンパウンドを作製した。
次に、熱伝導性樹脂シート用コンパウンドを、厚さ１００μｍの離型処理したポリエチレンテレフタレートシート上にドクターブレード法で塗布した後、１１０℃で１５分間の加熱乾燥処理をして厚さが５００μｍでＢステージ状態の熱伝導性樹脂シートを作製した。
次に、Ｂステージ状態の熱伝導性樹脂シートを１２０℃で１時間加熱した後、１６０℃で３時間加熱して熱伝導性樹脂シートを完全に硬化させた。このようにして得られた熱伝導性樹脂シート（サンプル１〜３）において、厚さ方向の熱伝導率をレーザーフラッシュ法にて測定し、絶縁破壊電界をステップ昇圧法にて測定した。かかる測定で得られた熱伝導率の値をＫＭｉ（ｉはサンプル番号、以下同じ）、絶縁破壊電界の値をＥＭｉ（ｉはサンプル番号、以下同じ）として表す。
【００３２】
［比較例１］
実施例１において、被覆層の厚さを０．０５μｍ、０．５μｍ及び１００μｍとしたこと以外は、実施例１と同様にして熱伝導性樹脂シートを作製した（サンプル４〜６）。
［比較例２］
被覆層を有する窒化アルミニウムの代わりに、平均粒径が３０μｍの窒化ケイ素を用いること以外は、実施例１と同様にして熱伝導性樹脂シートを作製した。この熱伝導性樹脂シートにおいて、厚さ方向の熱伝導率及び絶縁破壊電界を、実施例１と同様にして測定した。かかる測定で得られた熱伝導率の値をＫＣ１、絶縁破壊電界の値をＥＣ１として表す。
比較例２の熱伝導性樹脂シートで測定された熱伝導率及び絶縁破壊電界の値を比較基準として、実施例１及び比較例１の熱伝導性樹脂シートで測定された熱伝導率及び絶縁破壊電界を評価した。その結果を表１に示す。また、被覆層の厚さに対するＫＭｉ／ＫＣ１及びＥＭｉ／ＥＣ１の関係を図５示す。
【００３３】
【表１】
【００３４】
表１及び図５に示されているように、ＫＭｉ／ＫＣ１の値は、被覆層の厚さが増加するに従って減少する傾向にあり、特に被覆層の厚さが５０μｍを超えると急激に減少する（すなわち、熱伝導性樹脂シートの熱伝導率が低下する）傾向にあった。一方、ＥＭｉ／ＥＣ１の値は、被覆層の厚さが増加するに従って増加する傾向にあった。つまり、被覆層の厚さが増すと、熱伝導性樹脂シートの耐電圧性は向上するが、逆に粒子状の無機充填剤の周囲の熱抵抗が増加することによって熱伝導性樹脂シートの熱伝導率が低下することとなる。しかしながら、本発明の熱伝導性樹脂シートは、被覆層の厚さが１μｍ以上５０μｍ以下であるので、熱伝導率の低下を抑制しつつ、耐電圧性を向上させることができる。
【００３５】
［実施例２］
液状のビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（エピコート８２８：ジャパンエポキシレジン（株）社）１００質量部と、硬化剤である１−シアノエチル−２−メチルイミダゾール（キュアゾール２ＰＮ−ＣＮ：四国化成工業（株）社）１質量部とを含む熱硬化性樹脂組成物に、平均粒径が５μｍの窒化ホウ素を、熱硬化性樹脂組成物と窒化ホウ素との合計体積に対して５５体積％配合した。次いで、粒子状の無機充填剤として平均粒径が８０μｍの窒化アルミニウム（比誘電率９）を用い、熱硬化性樹脂組成物を窒化アルミニウムにスプレーコーティングすることによって、２０μｍの厚さの被覆層を有する窒化アルミニウムを作製した。
上記の被覆層で被覆した窒化アルミニウムを用いたこと以外は、実施例１と同様にして熱伝導性樹脂シート（サンプル７）を作製した。この熱伝導性樹脂シートにおいて、厚さ方向の熱伝導率及び絶縁破壊電界を、実施例１と同様にして測定した。
【００３６】
［実施例３］
平均粒径が５μｍの窒化ホウ素の代わりに、平均粒径が５μｍのアルミナを用いたこと以外は、実施例２と同様にして熱伝導性樹脂シート（サンプル８）を作製した。この熱伝導性樹脂シートにおいて、厚さ方向の熱伝導率及び絶縁破壊電界を、実施例１と同様にして測定した。
［実施例４］
平均粒径が５μｍの窒化ホウ素の代わりに、平均粒径が１μｍのシリカを用いたこと以外は、実施例２と同様にして熱伝導性樹脂シート（サンプル９）を作製した。この熱伝導性樹脂シートにおいて、厚さ方向の熱伝導率及び絶縁破壊電界を、実施例１と同様にして測定した。
【００３７】
［比較例３］
窒化アルミニウムの表面に被覆層を設けないこと以外は、実施例２と同様にして熱伝導性樹脂シートを作製した。この熱伝導性樹脂シートにおいて、厚さ方向の熱伝導率及び絶縁破壊電界を、実施例１と同様にして測定した。かかる測定で得られた熱伝導率の値をＫＣ２、絶縁破壊電界の値をＥＣ２として表す。
比較例３の熱伝導性樹脂シートで測定された熱伝導率及び絶縁破壊電界の値を比較基準として、実施例２〜４の熱伝導性樹脂シートで測定された熱伝導率及び絶縁破壊電界を評価した。その結果を表２及び図６に示す。
【００３８】
【表２】
【００３９】
表２及び図６に示されているように、実施例２〜４の熱伝導性樹脂シートでは、粒子状の無機充填剤として平均粒径が８０μｍの窒化アルミニウムを使用しているにもかかわらず、ＫＭｉ／ＫＣ２の値は低下せず、ＥＭｉ／ＥＣ２の値も高かった。よって、実施例２〜４の熱伝導性樹脂シートは、熱伝導性及び耐電圧性に優れているといえる。
以上の結果からわかるように、本実施の形態の熱伝導性樹脂シートは、熱伝導性及び耐電圧性に優れている。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】実施の形態における熱伝導性樹脂シートの断面模式図である。
【図２】従来の熱伝導性樹脂シートの断面模式図である。
【図３】扁平状の窒化ホウ素を含む熱伝導性樹脂シートにおける、扁平状の窒化ホウ素の体積充填率［ＶＬ］と、理論熱伝導率［ＫＳ（Ｗ／ｍＫ）］に対する実測熱伝導率［ＫＬ（Ｗ／ｍＫ）］の比［ＫＬ／ＫＳ］との関係を示すグラフである。
【図４】本実施の形態のパワーモジュールの断面模式図である。
【図５】実施例１及び比較例１の熱伝導性樹脂シートにおける、被覆層の厚さに対するＫＭｉ／ＫＣｌ及びＥＭｉ／ＥＣ１の関係を示すグラフである。
【図６】実施例２〜４の熱伝導性樹脂シートにおけるＫＭｉ／ＫＣ２及びＥＭｉ／ＥＣ２を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４１】
１、６ 熱伝導性樹脂シート、２ 熱硬化性樹脂、３ 扁平状の無機充填剤、４ 粒子状の無機充填剤、５ 被覆層、７ パワーモジュール、８ リードフレーム、９ 電力半導体素子、１０ ワイヤ、１１ 樹脂、１２ ヒートシンク。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱伝導性で且つ絶縁性の無機充填剤が熱硬化性樹脂中に分散されており、前記無機充填剤が、扁平状の無機充填剤と粒子状の無機充填剤との混合充填剤である熱伝導性樹脂シートであって、
前記粒子状の無機充填剤の比誘電率よりも小さく、且つ前記熱硬化性樹脂の比誘電率よりも大きな比誘電率、及び１μｍ以上５０μｍ以下の厚さを有する被覆層によって前記粒子状の無機充填剤の表面が被覆されていることを特徴とする熱伝導性樹脂シート。
【請求項２】
前記混合充填剤における前記扁平状の無機充填剤の体積含有率ＶＬと、前記被覆層を有する粒子状の無機充填剤の体積含有率ＶＲとの比率（ＶＬ／ＶＲ）が、（３０／７０）〜（８０／２０）であることを特徴とする請求項１に記載の熱伝導性樹脂シート。
【請求項３】
前記被覆層が、窒化硼素、アルミナ及びシリカの少なくとも１種と、熱硬化性樹脂とを含む熱硬化性樹脂組成物の硬化物であることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱伝導性樹脂シート。
【請求項４】
一方の放熱部材に実装された電力半導体素子と、前記電力半導体素子で発生する熱を外部に放熱する他方の放熱部材と、前記電力半導体素子で発生する熱を前記一方の放熱部材から前記他方の放熱部材に伝達する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱伝導性樹脂シートとを備えることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項１】
熱伝導性で且つ絶縁性の無機充填剤が熱硬化性樹脂中に分散されており、前記無機充填剤が、扁平状の無機充填剤と粒子状の無機充填剤との混合充填剤である熱伝導性樹脂シートであって、
前記粒子状の無機充填剤の比誘電率よりも小さく、且つ前記熱硬化性樹脂の比誘電率よりも大きな比誘電率、及び１μｍ以上５０μｍ以下の厚さを有する被覆層によって前記粒子状の無機充填剤の表面が被覆されていることを特徴とする熱伝導性樹脂シート。
【請求項２】
前記混合充填剤における前記扁平状の無機充填剤の体積含有率ＶＬと、前記被覆層を有する粒子状の無機充填剤の体積含有率ＶＲとの比率（ＶＬ／ＶＲ）が、（３０／７０）〜（８０／２０）であることを特徴とする請求項１に記載の熱伝導性樹脂シート。
【請求項３】
前記被覆層が、窒化硼素、アルミナ及びシリカの少なくとも１種と、熱硬化性樹脂とを含む熱硬化性樹脂組成物の硬化物であることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱伝導性樹脂シート。
【請求項４】
一方の放熱部材に実装された電力半導体素子と、前記電力半導体素子で発生する熱を外部に放熱する他方の放熱部材と、前記電力半導体素子で発生する熱を前記一方の放熱部材から前記他方の放熱部材に伝達する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱伝導性樹脂シートとを備えることを特徴とするパワーモジュール。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００８−２５５１８６（Ｐ２００８−２５５１８６Ａ）
【公開日】平成２０年１０月２３日（２００８．１０．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−９７３８３（Ｐ２００７−９７３８３）
【出願日】平成１９年４月３日（２００７．４．３）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１０月２３日（２００８．１０．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年４月３日（２００７．４．３）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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