JP2008153430A - 放熱基板並びに熱伝導性シートおよびこれらを用いたパワーモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】表面に凹凸を有する放熱部材の少なくともいずれか一方の表面の細かな凹凸が熱伝導性に優れた部材により充填された放熱基板を提供する。
【解決手段】放熱基板は、表面に凹凸を有する放熱部材（６、７）と上記凹凸部に接合される熱伝導性シート（８）を備えた放熱基板（１）において、上記熱伝導性シート（８）は、熱硬化性樹脂（２）、上記凹凸に対して１０分の１以下の粒子径である熱伝導性微細充填剤（３）および平均粒径が３μｍ以上で１００μｍ以下であり、且つ熱伝導性および絶縁性を有する無機充填剤（４、５）から構成されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、電気・電子機器等の発熱対象部から放熱部材へ熱を伝達させるのに用いる熱伝導性シートに関し、特にパワーモジュールの発熱を放熱部材に伝導させる絶縁性の熱伝導性シートおよびこれを用いたパワーモジュールに関するものである。

従来、電気・電子機器の発熱部から放熱部材へ熱を伝達させる熱伝導樹脂膜層には、高熱伝導性と絶縁性との要求から、熱硬化性樹脂に無機の充填剤を添加した熱伝導性樹脂組成物が広く用いられている。さらに該無機充填剤の粒径を限定している。
例えば、発熱性電子部品の放熱部材であって、樹脂組成物の熱伝導率を向上させるために窒化アルミニウム粉末の平均粒子径を限定している（例えば、特許文献１参照）。
また、表面に酸化アルミニウム被覆層を有する窒化アルミニウムを充填した高熱伝導性樹脂組成物であって、流動性と充填性を考慮して該窒化アルミニウムの平均粒径を限定している（例えば、特許文献２参照）。

特開２００１−１５８６１０号公報 特開２００２−２６５７９４号公報

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大幅に増大しており、電気・電子機器の発熱部から放熱部材へ熱を伝達させる熱伝導性樹脂シートには、さらなる高熱伝導性が要求されている。従来の熱硬化性樹脂に高熱伝導性の無機充填剤を添加する絶縁性の熱伝導性シートでは、添加する無機充填剤の含有率を増やすことや無機充填剤の最密充填により熱伝導性を向上させている。しかし、発熱部材や放熱部材には細かな凹凸があり、その凹凸には無機充填剤が充填されず熱伝導性の低い熱硬化性樹脂層が形成される。そのため発熱部側から熱伝導性シート、及び熱伝導性シートから放熱部材への熱伝達が低下する問題があった。

この発明の目的は、表面に凹凸を有する放熱部材の少なくともいずれか一方の表面の細かな凹凸が熱伝導性に優れた部材により充填することができる放熱基板並びに熱伝導性シートおよびこれらを用いたパワーモジュールを提供することである。

この発明に係わる放熱基板は、表面に凹凸を有する放熱部材と上記凹凸部に接合される熱伝導性シートを備えた放熱基板であって、上記熱伝導性シートは、熱硬化性樹脂と、上記凹凸に対して１０分の１以下の粒子径である熱伝導性微細充填剤と、平均粒径が３μｍ以上で１００μｍ以下であり、且つ熱伝導性および絶縁性を有する無機充填剤とを備える。

この発明に係わる放熱基板の効果は、放熱部材の表面の凹凸に対して１０分の１以下の熱伝導性微細充填剤を含有する熱硬化性樹脂が放熱部材の表面の凹凸に充填され、充填された熱硬化性樹脂に熱伝導性が良好な熱伝導性微細充填剤が含まれるので、凹凸に充填された熱硬化性樹脂を単位時間多くの熱が伝導して放熱部材に伝搬することができるということである。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係わる放熱基板の断面模式図である。
この発明の実施の形態１に係わる放熱基板１は、図１に示すように、放熱部材６および放熱部材７、放熱部材６と放熱部材７との間に介設された熱伝導性シート８から構成され、一方の放熱部材６から他方の放熱部材７へ熱を伝導する。そして、放熱部材６と放熱部材７は、相対する面に細かな凹凸が存在する。
放熱部材６および放熱部材７は、銅またはアルミニウムなどの金属が用いられる。そして、放熱部材６および放熱部材７の表面にエッチング処理などによって１５μｍ以下の凹凸を形成する。

この熱伝導性シート８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中に分散した粒子が放熱部材６および放熱部材７の表面の凹凸に対して１０分の１以下の熱伝導性微細充填剤３と、平均粒径が３μｍ以上で１００μｍ以下の数種類の熱伝導性無機充填剤４、５とから構成される。

粒子が放熱部材６および放熱部材７の表面の凹凸に対して１０分の１以下の熱伝導性微細充填剤３は、熱伝導性に優れた銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）などの金属類や、窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、炭化珪素（ＳｉＣ）、結晶シリカ（ＳｉＯ_２）などである。なお、これらを２種類以上混ぜて用いてもよい。特に、窒化ホウ素または窒化アルミニウムは熱伝導率が高いので、好ましい。

熱伝導性無機充填剤４、５としては、電気絶縁性で熱伝導性に優れた窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、炭化珪素（ＳｉＣ）、結晶シリカ（ＳｉＯ_２）などである。これらを２種類以上混ぜて用いてもよい。特に、窒化ホウ素または窒化アルミニウムは熱伝導率が高いので、好ましい。
また、この実施の形態１に係わる熱伝導性無機充填剤４、５の平均粒子径は３μｍ以上で１００μｍ以下が好ましく、特に、平均粒子径が１０〜７０μｍであれば熱伝導率と電気絶縁性のバランスがとれるので、さらに好ましい。

熱伝導性シート８のマトリックスとなる熱硬化性樹脂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、ポリイミド樹脂などの組成物を用いることができるが、エポキシ樹脂は、熱伝導性シート８の製造が容易になるので、特に好ましい。

エポキシ樹脂組成物の主剤としては、例えば、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、グリシジルーアミノフェノール系エポキシ樹脂を用いることができる。これらエポキシ樹脂組成物の主剤を２種以上混合して用いても良い。

エポキシ樹脂組成物の硬化剤としては、例えば、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、無水ハイミック酸などの脂環式酸無水物、ドデセニル無水コハク酸などの脂肪族酸無水物、無水フタル酸、無水トリメリット酸などの芳香族酸無水物、ジシアンジアミド、アジピン酸ジヒドラジドなど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−エチルー４−メチルイミダゾール、２−フェニルイミダゾールなどのイミダゾール類を用いることができる。これらエポキシ樹脂組成物の硬化剤を２種以上混合して用いても良い。

なお、熱伝導性シート８には、必要に応じてカップリング剤を含有させても良い。用いられるカップリング剤としては、例えば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などが挙げられる。これらカップリング剤を２種類以上併用しても良い。
そして、熱伝導性シート８にカップリング剤を含有させると、電気・電子機器の放熱部材６や放熱部材７に対する接着力が向上する。
放熱部材６、７の表面に凹凸を設けるためには、硫酸と過酸化水素の溶液処理、塩化第二鉄の溶液処理、エッチング処理、ブラスト処理、ブラッシング処理、ペーパー処理などがある。
また、放熱部材６、７の表面に熱伝導性シート８との接着性を向上するために、上記カップリング剤などの塗布やクロム酸処理、プラズマ処理やＵＶ照射処理などを施しても良い。

次に、この発明の実施の形態１に係わる放熱基板用の熱伝導性シート用プリプレーグの製造方法について説明する。
まず、所定量の主剤とこの主剤を硬化するために必要な量の硬化剤とからなる熱硬化性樹脂組成物と、例えばこの熱硬化性樹脂組成物と同重量の溶剤とを混合して、熱硬化性樹脂組成物の溶液を作製する。
次に、熱硬化性樹脂組成物の溶液に、平均粒径が３μｍ以上で１００μｍ以下の熱伝導性無機充填剤４、５と粒子径が放熱部材６および放熱部材７の表面の凹凸に対して１０分の１以下の熱伝導性微細充填剤３との混合充填剤を添加して予備混合する。
次に、この予備混合物を例えば３本ロールやニーダなどで混練し、熱伝導性シート用コンパウンドを作製する。
次に、この熱伝導性シート用コンパウンドを、離型処理された樹脂シートや直接放熱部材６、７上に、ドクターブレード法により塗布する。
次に、この塗布物中の溶剤を揮発させて塗布物を乾燥して、熱伝導性シート用プリプレーグを作製する。放熱部材６、７の上に直接作製する場合は、放熱部材６、７に貼り付いている状態になる。

なお、塗布物を乾燥するとき、必要に応じて加熱をして溶剤の揮発を促進させても良く、熱硬化性樹脂組成物の反応を進め、Ｂステージ化しても良い。
また、粘度が低い熱硬化性樹脂組成物の場合は、溶剤を添加することなしに、熱硬化性樹脂組成物そのものに、混合充填剤を添加しても良い。
また、カップリング剤などの添加剤は、熱硬化性樹脂組成物と混合充填剤との混練工程までに添加すれば良い。

次に、このように作製された熱伝導性シート用プリプレーグを用いて放熱部材６と放熱部材７を接着する方法について説明する。
熱伝導性シート用プリプレーグは、マトリックスの熱硬化性樹脂２がＢステージ状態であるので、放熱部材６と放熱部材７とで挟んで加熱硬化して、放熱部材６と放熱部材７を接着するとともに電気絶縁する。この放熱基板１は高熱伝導性を有するので、一方の放熱部材６からの熱を他方の放熱部材７へ効率よく伝導することができる。
また、放熱基板１を、放熱部材６または放熱部材７のいずれか一方に接着し、他方をこの硬化した熱伝導性シート８に圧接することにより、一方からの熱を他方へ伝導することができる。
また、熱伝導性シート用プリプレーグを硬化させて得られた熱伝導性シート８を、放熱部材６と放熱部材７とで機械的に挟むことにより、一方からの熱を他方へ伝導することができる。

図２は、比較のため表面に凹凸を有する放熱部材とこの凹凸部に接合される熱伝導性シートを備えた放熱基板において、熱伝導性シートが粒子径の大きな無機充填剤だけを含有する放熱基板の断面模式図である。
粒子径の大きな無機充填剤を含有する熱伝導性シート１３から構成される放熱基板１１は、図２に示すように、放熱部材６および放熱部材７に設けられた細かな凹凸に無機充填剤が充填されず熱伝導性の低い熱硬化性樹脂層が形成される。そのため熱伝導性無機充填剤が充填されていない熱硬化性樹脂層で熱伝導が少なくなり、放熱基板１１の熱伝導率は小さい。

他方、この発明の実施の形態１に係わる放熱基板１は、熱伝導性シート８における熱硬化性樹脂２のマトリックス中に平均粒径が３μｍ以上で１００μｍ以下の熱伝導性無機充填剤４、５と粒子径が放熱部材６および放熱部材７の表面の凹凸に対して１０分の１以下の熱伝導性微細充填剤３との混合充填剤を含有したものであり、絶縁性を有するとともに、粒子径の大きな無機充填剤を用いたものより、格段に優れた熱伝導性を有する。

また、この実施の形態１に係わる放熱基板１における熱伝導性シート８は、無機充填剤の含有率を極限までに増やさなくても、高い熱伝導率を有するので、熱伝導性シート用コンパウンドの粘度を下げることができ、厚さが薄く、表面が平坦な熱伝導性シート８を得ることができる。
すなわち、厚さを薄くできるので、熱伝導性シート８の厚さ方向の熱抵抗が小さいという効果がある。
また、得られる熱伝導性シート８の表面が平坦であるので、放熱部材６や放熱部材７への密着性が優れており、接触熱抵抗が小さく、熱伝達性が優れている。

実施の形態２．
図３は、この発明の実施の形態２に係わる放熱基板１２の断面模式図である。
この発明の実施の形態２に係わる放熱基板１２は、図３に示すように、放熱部材６および放熱部材７、凹凸部に設けられた粒子径が放熱部材６および放熱部材７の表面の凹凸に対して１０分の１以下の熱伝導性微細充填剤３を配合した第１の熱伝導性層９と、その間に設けられた平均粒径が３μｍ以上で１００μｍ以下の熱伝導性無機充填剤４、５を配合した第２の熱伝導性層１０とから構成される。
また、実施の形態２に係わる放熱基板１２の第２の熱伝導性層１０に、図１に示すように、熱伝導性微細充填剤３をも配合しても良い。

この実施の形態２に係わる放熱基板１２においては、一方の放熱部材６から伝導してきた熱を第１の熱伝導性層９を介して第２の熱伝導性層１０に伝導し、第２の熱伝導性層１０を伝導してきた熱を第１の熱伝導性層９を介して放熱部材７に伝達することができるので、放熱基板１２の熱伝導性の大幅向上を実現することができる。

次に、この発明の実施の形態２に係わる熱伝導性層用プリプレーグの製造方法を説明する。
まず、第１の熱伝導性層９に係わる第１の熱伝導性層用コンパウンドの製造方法を説明する。
所定量の主剤とこの主剤を硬化させるのに必要な量の硬化剤とからなる熱硬化性樹脂組成物と、例えばこの熱硬化性樹脂組成物と同重量の溶剤とを混合し、熱硬化性樹脂組成物の溶液を調整する。
次に、熱硬化性樹脂組成物の溶液に、粒子径が放熱部材６および放熱部材７の表面の凹凸に対して１０分の１以下の熱伝導性微細充填剤３を添加して予備混合する。この予備混合物を例えば３本ロールやニーダなどで混練し、第１の熱伝導性層用コンパウンドを作製する。

次に、第２の熱伝導性層１０に係わる第２の熱伝導性層用コンパウンドの製造方法を説明する。
所定量の主剤とこの主剤を硬化させるのに必要な量の硬化剤とからなる熱硬化性樹脂組成物と、例えばこの熱硬化性樹脂組成物と同重量の溶剤とを混合し、熱硬化性樹脂組成物の溶液を調整する。
次に、熱硬化性樹脂組成物の溶液に、平均粒径が３μｍ以上で１００μｍ以下の熱伝導性無機充填剤４、５を、また必要に応じて熱伝導性微細充填剤３を添加して予備混合する。この予備混合物を例えば３本ロールやニーダなどで混練し、第２の熱伝導性層用コンパウンドを作製する。

次に、第１の熱伝導性層用コンパウンドおよび第２の熱伝導性層用コンパウンドを、離型処理された樹脂シートや直接放熱部材上に、ドクターブレード法により塗布する。
次に、この塗布物中の溶剤を揮発させて塗布物を乾燥して、第１の熱伝導性層用プリプレーグおよび第２の熱伝導性層用プリプレーグを作製する。

なお、この時、必要に応じて加熱をして、溶剤の揮発を促進させても良く、熱硬化性樹脂組成物の反応を進め、Ｂステージ化しても良い。
また、粘度が低い熱硬化性樹脂組成物の場合は、溶剤を添加することなしに、熱硬化性樹脂組成物そのものに、混合充填剤を添加しても良い。
また、カップリング剤などの添加剤は、熱硬化性樹脂組成物と混合充填剤との混練工程までに添加すれば良い。

次に、このように作製された第１の熱伝導性層用プリプレーグおよび第２の熱伝導性層用プリプレーグを用いて放熱部材６と放熱部材７を接着する方法について説明する。
放熱部材６と放熱部材７の接着する面にそれぞれ第１の熱伝導性層用プリプレーグを接するように配置し、その第１の熱伝導性層プリプレーグの間に第２の熱伝導性層用プリプレーグを配置し、加圧下で加熱して硬化し、放熱部材６と放熱部材７を接着するとともに電気絶縁する。

この放熱基板１２は高熱伝導性を有するので、一方の放熱部材６からの熱を他方の放熱部材７へ効率よく伝導することができる。
また、熱伝導性シート１３を放熱部材６または放熱部材７のいずれか一方に接着し、他方をこの硬化した熱伝導性シート１３に圧接することにより、一方からの熱を他方へ伝導することができる。
また、第２の熱伝導性層用プリプレーグを両側から第１の熱伝導性層用プリプレーグで挟んだ状態で加熱硬化して得られた熱伝導性シート１３を、放熱部材６と放熱部材７とで挟むことにより、一方の放熱部材６からの熱を他方の放熱部材７へ伝導することができる。

この発明の実施の形態２に係わる放熱基板１２は、放熱部材６側と放熱部材７側とに粒子径が放熱部材６および放熱部材７の表面の凹凸に対して１０分の１以下の熱伝導性微細充填剤３を含有した第１の熱伝導性層を、その間に平均粒径が３μｍ以上で１００μｍ以下の熱伝導性無機充填剤４、５、また必要に応じて熱伝導性微細充填剤３を含有した第２の熱伝導性層を形成することにより、絶縁性を有するとともに、粒子径の大きな無機充填剤のみを用いたものより、格段に優れた熱伝導性を有する。

次に、この発明に係わる放熱基板について６つの実施例と比較のための５つの比較例を示してさらに詳細に説明する。表１には６つの実施例の放熱基板を構成する組成比とレーザーフラッシュ法で測定した熱伝導率を示す。また、表２には５つの比較例の放熱基板を構成する組成比とレーザーフラッシュ法で測定した熱伝導率を示す。なお、表１の実施例６の熱伝導率の値は第１の熱伝導層と第２の熱伝導層を合わせた放熱基板の値である。

実施例１．
主剤である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式会社製）｝１００重量部と、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（四国化成工業株式会社製）｝１重量部とからなる熱硬化性樹脂組成物を、溶媒であるメチルエチルケトンの１０１重量部に添加し、撹拌して、熱硬化性樹脂組成物の溶液を調製する。
次に、熱硬化性樹脂組成物の溶液に、無機充填剤として、平均粒径が８０μｍの球形形状の窒化アルミニウムを熱硬化性樹脂組成物と無機充填剤の合計体積に対して５５体積％（なお、以下の説明において記載されている体積％は同様な意味である）と、熱伝導性微細充填剤として０．０５μｍの球形形状の窒化アルミニウムを５体積％とを添加し、予備混合する。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、無機充填剤を均一に分散させた熱伝導性シート用コンパウンドを作製する。
次に、熱伝導性シート用コンパウンドを表面の凹凸が１５μｍになるようにエッチング処理した厚さ１０５μｍの放熱部材上にドクターブレード法で塗布し、１１０℃で１５分間の加熱乾燥処理をし、厚さが１００μｍでＢステージ状態の熱伝導性シート用プリプレーグを作製する。
次に、熱伝導性シート用プリプレーグを樹脂面が内側になるように２枚重ね、１２０℃で１時間と１６０℃で３時間の加熱を行い硬化し実施例１の放熱基板１を得た。そして、この実施例１の放熱基板１の厚さ方向の熱伝導率をレーザーフラッシュ法で測定した。

実施例２．
無機充填剤として、平均粒径が８０μｍの球形形状の窒化アルミニウムを５５体積％と、熱伝導性微細充填剤として０．６μｍの球形形状の窒化アルミニウムを５体積％とを用いた以外は、実施例１と同様にして実施例２の放熱基板１を作製した。それから、実施例１と同様にして、実施例２の放熱基板１の厚さ方向の熱伝導率をレーザーフラッシュ法で測定した。

実施例３．
無機充填剤として、平均粒径が８０μｍの球形形状の窒化アルミニウムを３０体積％と、平均粒径が１８μｍで扁平形状の窒化ホウ素を２８体積％と、熱伝導性微細充填剤として０．０３μｍの扁平形状の窒化ホウ素を２体積％とを用いた以外は、実施例１と同様にして実施例３の放熱基板１を作製した。それから、実施例１と同様にして、実施例３の放熱基板１の厚さ方向の熱伝導率をレーザーフラッシュ法で測定した。

実施例４．
無機充填剤として、平均粒径が８０μｍの球形形状の窒化アルミニウムを３０体積％と、平均粒径が１８μｍで扁平形状の窒化ホウ素を２８体積％と、熱伝導性微細充填剤として０．７μｍの扁平形状の窒化ホウ素を２体積％とを用いた以外は、実施例１と同様にして実施例４の放熱基板１を作製した。それから、実施例１と同様にして、実施例４の放熱基板１の厚さ方向の熱伝導率をレーザーフラッシュ法で測定した。

実施例５．
無機充填剤として、平均粒径が１８μｍで扁平形状の窒化ホウ素を５５体積％と、熱伝導性微細充填剤として０．０５μｍの球形形状の窒化アルミニウムを２体積％と、０．０３μｍの扁平形状の窒化ホウ素を３体積％とを用いた以外は、実施例１と同様にして実施例５の放熱基板１を作製した。それから、実施例１と同様にして、実施例５の放熱基板１の厚さ方向の熱伝導率をレーザーフラッシュ法で測定した。

実施例６．
主剤である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式会社製）｝１００重量部と、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（四国化成工業株式会社製）｝１重量部とからなる熱硬化性樹脂組成物を、溶媒であるメチルエチルケトンの１０１重量部に添加し、撹拌して、熱硬化性樹脂組成物の溶液を２つ調製した。
次に、一方の熱硬化性樹脂組成物の溶液に、熱伝導性微細充填剤として０．０３μｍの扁平形状の窒化ホウ素を熱硬化性樹脂組成物と充填剤の合計体積に対して６０体積％を添加し、予備混合した。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、熱伝導性微罪充填剤を均一に分散させた第１の熱伝導性層用コンパウンドを作製した。
次に、第１の熱伝導性層用コンパウンドを表面の凹凸が５μｍになるようにエッチング処理した厚さ１０５μｍの放熱部材上にドクターブレード法で塗布し、１１０℃で１５分間の加熱乾燥処理をし、厚さが５０μｍでＢステージ状態の第１の熱伝導性層用プリプレーグを作製した。

次に、他方の熱硬化性樹脂組成物の溶液に、無機充填剤として、平均粒径が８０μｍの球形形状の窒化アルミニウムを熱硬化性樹脂組成物と無機充填剤の合計体積に対して３０体積％と平均粒径が１８μｍの扁平形状の窒化ホウ素を３０体積％とを添加し、予備混合した。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、無機充填剤を均一に分散させた第２の熱伝導性層用コンパウンドを作製した。
次に、第２の熱伝導性層用コンパウンドを厚さ５０μｍの片面離型処理したポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）シートの離型処理面上にドクターブレード法で塗布し、１１０℃で１５分間の加熱乾燥処理をし、厚さが１００μｍでＢステージ状態の第２の熱伝導性層用プリプレーグを作製した。

次に、１枚の第１の熱伝導性層用プリプレーグと１枚の第２の熱伝導性層用プリプレーグを重ねて真空ラミネーターで間に空気が存在しないように重ね合わせる。それから、重ね合わされた積層体の第２の熱伝導性層用プリプレーグの面に１枚の第１の熱伝導性層用プリプレーグを重ねて真空ラミネーターで間に空気が存在しないように重ね合わせる。これを１２０℃で１時間と１６０℃で３時間の加熱を行い実施例６の放熱基板１２を作製した。それから、実施例１と同様にして、実施例６の放熱基板１２の厚さ方向の熱伝導率をレーザーフラッシュ法で測定した。

比較例１．
無機充填剤として、平均粒径が８０μｍの球形形状の窒化アルミニウムを６０体積％を用いた以外は、実施例１と同様にして比較例１の放熱基板１１を作製した。それから、実施例１と同様にして、比較例１の放熱基板１１の厚さ方向の熱伝導率をレーザーフラッシュ法で測定した。

比較例２．
無機充填剤として、平均粒径が８０μｍの球形形状の窒化アルミニウムを３０体積％と、平均粒径が１８μｍの扁平形状の窒化ホウ素を３０体積％とを用いた以外は、実施例１と同様にして比較例２の放熱基板１１を作製した。それから、実施例１と同様にして、比較例２の放熱基板１１の厚さ方向の熱伝導率をレーザーフラッシュ法で測定した。

比較例３．
無機充填剤として、平均粒径が８０μｍの球形形状の窒化アルミニウムを５５体積％と、粒子径が５μｍの球形形状の窒化アルミニウムを５体積％とを用いた以外は、実施例１と同様にして比較例３の放熱基板１１を作製した。それから、実施例１と同様にして、比較例３の放熱基板１１の厚さ方向の熱伝導率をレーザーフラッシュ法で測定した。

比較例４．
無機充填剤として、平均粒径が８０μｍの球形形状の窒化アルミニウムを５５体積％と、粒子径が５０μｍの球形形状の窒化アルミニウムを５体積％とを用いた以外は、実施例１と同様にして比較例４の放熱基板１１を作製した。それから、実施例１と同様にして、比較例４の放熱基板１１の厚さ方向の熱伝導率をレーザーフラッシュ法で測定した。

比較例５．
無機充填剤として、平均粒径が８０μｍの球形形状の窒化アルミニウムを３０体積％と、平均粒径が１８μｍの扁平形状の窒化ホウ素を２８体積％と、粒子径が８μｍの扁平形状の窒化ホウ素を２体積％とを用いた以外は、実施例１と同様にして比較例５の放熱基板１１を作製した。それから、実施例１と同様にして、比較例５の放熱基板１１の厚さ方向の熱伝導率をレーザーフラッシュ法で測定した。

図４は、放熱基板の厚さ方向の熱伝導率の無機充填剤として用いた窒化アルミニウムの粒子径に対する依存性を示すグラフである。また、図５は、放熱基板の厚さ方向の熱伝導率の無機充填剤として用いた窒化ホウ素の粒子径に対する依存性を示すグラフである。

図４と図５から分かるように、配合した熱伝導性の充填剤の粒子径が放熱部材の表面の凹凸１５μｍの１０分の１である１．５μｍ以下になると放熱基板の熱伝導率は増大する。これに対して、配合した熱伝導性の充填剤の粒子径が放熱部材の表面の凹凸の１０分の１を超えると熱伝導性の充填剤がその凹凸内に入り込めなくなり、放熱基板の熱伝導率は低下する。
また、熱伝導性の充填剤の粒子の形状が球形形状または扁平形状のいずれであっても放熱部材の表面の凹凸の１０分の１以下の粒子径であれば熱伝導率を増大できる。

また、粒子が球形形状の窒化アルミニウムを用いると窒化アルミニウムの熱伝導率が大きいので、例えば５体積％混合するだけで熱伝導性シートの熱伝導率を増大することができる。
また、粒子が扁平形状の窒化ホウ素を用いると窒化ホウ素の熱伝導率が大きいので、例えば２体積％混合するだけで放熱基板の熱伝導率を増大することができる。
また、実施例５の放熱基板のように球形形状の窒化アルミニウムと扁平形状の窒化ホウ素とを混合して用いても放熱基板の熱伝導率を増大することができる。

また、粒子径の非常に細かい粒子を配合した第１の熱伝導性層９を第２の熱伝導性層１０の両側に設けた放熱基板は、実施例６として示すように、熱伝導率が大きく増大することができる。

この発明に係わる放熱基板を放熱部材６と放熱部材７との間に介設されたパワーモジュールは、電力半導体素子で発生する熱が熱伝導率の大き放熱基板を経由して放熱部材７としてのヒートシンクに良好に伝搬されるので、大電力の用途に適用することができる。

実施の形態３．
上述の実施の形態に係わる熱伝導性シート８、１４、または放熱基板１、１２を用いて組み立てたパワーモジュールについて説明する。
図６は、表面に凹凸を有するリードフレームおよびヒートシンクを熱伝導性シートで接着し、リードフレーム上に電力半導体素子を実装し、樹脂封止して作製したパワーモジュールの断面図である。
放熱部材としてのリードフレーム１９と放熱部材としてのヒートシンク２３の表面は細かな凹凸が形成されている。そして、熱伝導性シート用プリプレーグをリードフレーム１９とヒートシンク２３で両側から挟み、１２０℃で１時間と１６０℃で３時間の加熱を行い硬化する。次に、リードフレーム１９の熱伝導性シート８の反対の面に電力半導体素子２０を実装し、電力半導体素子２０の電極とリードフレーム１９とをワイア２１でワイアボンディングし、その後、樹脂２２で封止してパワーモジュール１７を作製する。

図７は、熱伝導性シート用プリプレーグが貼付されたヒートシンクの断面図である。
放熱部材としてのヒートシンク２３に熱伝導性シート用コンパウンドをドクターブレード法で塗布し、１１０℃で１５分間の加熱乾燥処理をし、厚さが１００μｍでＢステージ状態の熱伝導性シート用プリプレーグ１８を貼付されたヒートシンク２３を作製する。それから、ヒートシンク２３とリードフレーム１９とで熱伝導性シート用プリプレーグ１８を介在させて挟み、１２０℃で１時間と１６０℃で３時間の加熱を行い硬化する。次に、リードフレーム１９の熱伝導性シート８の反対の面に電力半導体素子２０を実装し、電力半導体素子２０の電極とリードフレーム１９とをワイア２１でワイアボンディングし、その後、樹脂２２で封止してパワーモジュール１７を作製する。

図８は、熱伝導性シート用プリプレーグが貼付された電極材の断面図である。図９は、熱伝導性シートにより接着されたヒートスプレッダと電極材の断面図である。図１０は、電極材上に電力半導体素子が実装されたパワーモジュールの断面図である。
放熱部材としての電極材２５に熱伝導性シート用コンパウンドをドクターブレード法で塗布し、１１０℃で１５分間の加熱乾燥処理をし、厚さが１００μｍでＢステージ状態の熱伝導性シート用プリプレーグ１８が貼付された電極材２５を作製する。それから、ヒートヒートスプレッダ２４と電極材２５とで熱伝導性シート用プリプレーグ１８を介在させて挟み、１２０℃で１時間と１６０℃で３時間の加熱を行い硬化する。次に、電極材２５をパターン形成して電極を作製し、電極に電力半導体素子２０を実装し、電力半導体素子２０の電極とリードフレーム１９とをワイア２１でワイアボンディングし、その後、樹脂２２で封止してパワーモジュール３０を作製する。

図１１は、両面に電極材が接着された熱伝導性シートの断面図である。図１２は、一方の電極材上に電力半導体素子が実装されたパワーモジュールの断面図である。
放熱部材としての２枚の電極材２５で熱伝導性シート用プリプレーグ１８を挟み、１２０℃で１時間と１６０℃で３時間の加熱を行い硬化する。次に、一方の電極材２５をパターン形成して電極を作製し、電極に電力半導体素子２０を実装し、電力半導体素子２０の電極とリードフレーム１９とをワイア２１でワイアボンディングし、その後、樹脂２２で封止してパワーモジュール３１を作製する。

図１３は、スプレッダが放熱接着剤で放熱基板に接着されているパワーモジュールの断面図である。
放熱基板１、１２の一方の放熱部材６、７をパターン形成して電極を作製する。それから、例えばシリコーングリスなどの放熱接着剤２６でヒートスプレッダ２４を接着する。次に、電極に電力半導体素子２０を実装し、電力半導体素子２０の電極とリードフレーム１９とをワイア２１でワイアボンディングし、その後、樹脂２２で封止してパワーモジュール３２を作製する。

この発明の実施の形態１に係わる放熱基板の断面模式図である。 比較のための粒子径の大きな無機充填剤を含有する放熱基板の断面模式図である。 この発明の実施の形態２に係わる放熱基板の断面模式図である。 放熱基板の厚さ方向の熱伝導率の充填剤として用いた窒化アルミニウムの粒子径に対する依存性を示すグラフである。 放熱基板の厚さ方向の熱伝導率の充填剤として用いた窒化ホウ素の粒子径に対する依存性を示すグラフである。 表面に凹凸を有するリードフレームおよびヒートシンクを熱伝導性シートで接着し、リードフレーム上に電力半導体素子を実装し、樹脂封止して作製したパワーモジュールの断面図である。 熱伝導性シート用プリプレーグが貼付されたヒートシンクの断面図である。 熱伝導性シート用プリプレーグが貼付された電極材の断面図である。 熱伝導性シートにより接着されたヒートスプレッダと電極材の断面図である。 電極材上に電力半導体素子が実装されたパワーモジュールの断面図である。 両面に電極材が接着された熱伝導性シートの断面図である。 一方の電極材上に電力半導体素子が実装されたパワーモジュールの断面図である。 スプレッダが放熱接着剤で放熱基板に接着されているパワーモジュールの断面図である。

符号の説明

１、１１、１２ 放熱基板、２ 熱硬化性樹脂、３ 熱伝導性微細充填剤、４ 熱伝導性無機充填剤、６、７ 放熱部材、８、１３、１４ 熱伝導性シート、９、１０ 熱伝導性層、１７、３０、３１、３２ パワーモジュール、１８ 熱伝導性シート用プリプレーグ、１９ リードフレーム、２０ 電力半導体素子、２１ ワイア、２２ 樹脂、２３ ヒートシンク、２４ ヒートスプレッダ、２５ 電極材、２６ 放熱接着剤。

Claims (10)

1. 表面に凹凸を有する放熱部材と上記凹凸部に接合される熱伝導性シートを備えた放熱基板であって、
   上記熱伝導性シートは、熱硬化性樹脂と、上記凹凸に対して１０分の１以下の粒子径である熱伝導性微細充填剤と、平均粒径が３μｍ以上で１００μｍ以下であり、且つ熱伝導性および絶縁性を有する無機充填剤とを備えることを特徴とする放熱基板。
2. 上記熱伝導性微細充填剤が扁平形状であることを特徴とする請求項１に記載の放熱基板。
3. 上記熱伝導性微細充填剤が球形形状であることを特徴とする請求項１に記載の放熱基板。
4. 上記熱伝導性微細充填剤が扁平形状のものと球形形状のものとが混合されたものであることを特徴とする請求項１に記載の放熱基板。
5. 上記扁平形状の熱伝導性微細充填剤が窒化ホウ素であることを特徴とする請求項２に記載の放熱基板。
6. 上記球形形状の熱伝導性微細充填剤が窒化アルミニウムであることを特徴とする請求項３に記載の放熱基板。
7. 表面に凹凸を有する放熱部材と少なくともいずれか一方に接合される熱伝導性シートを備えた放熱基板であって、
   上記熱伝導性シートは、少なくとも上記放熱部材と接合されている部分が、熱硬化性樹脂と、上記凹凸に対して１０分の１以下の粒子径である熱伝導性微細充填剤とを備える第１の熱伝導層を有することを特徴とする放熱基板。
8. 表面に凹凸を有する放熱部材と接合される得る熱伝導性シートであって、
   熱硬化性樹脂と上記凹凸に対して１０分の１以下の粒子径である熱伝導性微細充填剤から構成される第１の熱伝導層を有することを特徴とする熱伝導性シート。
9. 一方の放熱部材に実装された電力半導体素子と上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を備えるパワーモジュールにおいて、
   上記一方の放熱部材から上記他方の放熱部材に上記電力半導体素子で発生する熱を伝達する請求項１乃至７のいずれか一項に記載の放熱基板を有することを特徴とするパワーモジュール。
10. 一方の放熱部材に実装された電力半導体素子と上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を備えるパワーモジュールにおいて、
    上記一方の放熱部材から上記他方の放熱部材に上記電力半導体素子で発生する熱を伝達する請求項８記載の熱伝導性シートを有することを特徴とするパワーモジュール。

Images