JP7031203B2

JP7031203B2 - 放熱用接着シート、放熱接着部材用積層体、及び複合部材

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Publication number: JP7031203B2
Application number: JP2017190880A
Authority: JP
Inventors: 香織坂口; 壽一澤口; 健次安東; 英宣小林; 努早坂
Original assignee: Toyo Ink SC Holdings Co Ltd; Toyochem Co Ltd
Current assignee: Toyochem Co Ltd; Artience Co Ltd
Priority date: 2017-09-29
Filing date: 2017-09-29
Publication date: 2022-03-08
Anticipated expiration: 2037-09-29
Also published as: JP2019065142A

Description

本発明は、放熱用接着シート、放熱接着部材用積層体、及び放熱用接着シートを用いてなる複合部材に関し、詳しくはパワー半導体装置に好適な複合部材に関する。

家電、産業ロボット、輸送機器等の電力駆動機器はパワー半導体モジュールが搭載されている。パワー半導体素子は高電流・電圧下においても駆動が可能であるが、一方で、電力損失により発熱が生じモジュールが高温環境下に曝されるため、パワー半導体モジュールには効率的な放熱構造の存在が不可欠である。この理由から、一般に、パワー半導体モジュールには、ヒートシンクに代表される放熱ベース基板が樹脂等の絶縁体である接着シートを介して接続されている。

放熱効率を高めるためには、前記樹脂等の接続部材の熱伝導率を高めることが必須であり、例えば、アルミナ、窒化ホウ素、窒化アルミニウム及び窒化ケイ素等の熱伝導性セラミック粒子を樹脂に分散させた放熱用接着シートを用いる方法が知られている。
例えば、特許文献１には、放熱ベース基板と、金属板、はんだ層、及び半導体チップがこの順に積層された半導体モジュールと、を有するパワー半導体装置であって、前記金属板と前記放熱ベース基板との間に、エポキシ樹脂、ノボラック樹脂硬化剤、α－アルミナ、及び窒化ホウ素等とを含有するエポキシ樹脂組成物の硬化体が配置されたパワー半導体装置が開示されている。

特開２０１６－１５５９８５号公報

特許文献１に開示されるように、半硬化状態であるエポキシ樹脂組成物を半導体モジュールと放熱部材との間に挟むことによって密着性を向上させつつ、挟んだ後に加圧・加熱工程を経て硬化させることで、強固な接着力を発現させている。しかし、この加圧・加熱時にはみ出しや染み出しが起こり、加工性が悪く不良品となる場合がある。
また、急激な温度変化に伴う半導体モジュールや放熱部材の膨張や伸縮から生じる応力により、硬化体の内部にクラックが発生しやすく、熱伝導性が著しく悪化してしまうという問題がある。

本発明は、放熱性が高く、熱疲労に対する耐久性に優れる放熱用接着シートであって、前記放熱用接着シートを有する放熱接着部材用積層体、及び放熱用接着シートを用いてなることで、放熱性だけでなく、はみ出しや染み出しもなく、耐久性も良好な複合部材を提供することを目的とする。なかでも、パワー半導体装置の製造工程の歩留まりが良好であり、冷熱サイクルにおいても耐久性が良好であることから、パワー半導体装置に好適な放熱用接着シート、及び冷熱サイクルに対する耐久性と放熱効率の高い複合部材を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、放熱用接着シートには、熱硬化性樹脂（Ａ）と、デンドライト状金属微粒子（Ｂ）を含むことを特徴とする。

本発明の放熱用接着シートは、デンドライト状金属微粒子（Ｂ）による空隙等が存在することで、加熱プレス時に熱硬化性樹脂が流動し、当該空隙等に埋めることが可能となる。これにより放熱用接着シートの横方向の流動を抑制しはみ出しや染み出し加工性の問題を改善できる。それにより、当該放熱用接着シートを使用したパワー半導体装置は、はみ出し由来の不良品が大幅に減少し、歩留まりが良好となる。さらにはデンドライト状金属微粒子（Ｂ）由来の３次元形状により、冷熱サイクル試験中に応力ひずみが発生しても熱伝導性を高レベルで維持することができる。

そのため、本発明により、放熱性に優れ、パワー半導体装置の製造時の加熱プレス時に、放熱用接着シートのはみ出しや染み出しを最小限に低減でき、加工性が良好な放熱用接着シートを提供することができる。そして、前記放熱用接着シートを有する放熱接着部材用積層体を用いてなることで、放熱性だけでなく、はみ出しや染み出しもなく、耐久性も良好な複合部材を提供することができる。加えて、前記放熱接着部材用積層体を用いた複合部材は、冷熱が繰り返される過酷な環境下においても、高い耐久性と放熱性を維持し良好な動作を確保できる。

本発明の放熱接着部材用積層体の一例を示す断面図である。本発明の複合部材の一例を示す断面図である。

《放熱用接着シート》
本発明の放熱用接着シートは、熱を発生し得る部材を含む発熱体と、熱を発生し得る部材を含む発熱体から発生する熱を放熱するための放熱ベース基板と、を接着するための放熱接着部材用積層体を形成するための接着シートであって、少なくとも、熱硬化性樹脂（Ａ）と、デンドライト状金属微粒子（Ｂ）とを含む。放熱用接着シートは、加熱プレスにより放熱層を形成し、熱を発生し得る部材を含む発熱体、および放熱ベース基板の少なくともいずれかと接着するために用いられる。放熱用接着シートは、一層からなるものでも、複数積層されたものでもよい。

本発明の放熱用接着シートの厚みは、５～１００μｍであることが好ましく、６～５０μｍであることがより好ましい。

また、本発明の当該放熱用接着シートは、１５０℃、２ＭＰａ、３０分間の条件で加熱プレスした後の放熱用接着シートの厚み（II）が、加熱プレス前の厚み（I）を１００としたときに、３０～９５であることが好ましい。そして、当該加熱プレス後の厚み（II）は、６０～８０であることがより好ましい。加熱プレス後の厚み（II）が９５より小さい場合放熱層に空隙が十分に確保されるため、加熱プレス時に水平方向への熱硬化性樹脂（Ａ）の染み出しを少なくすることができる。一方、加熱プレス後の厚み（II）が３０より高い場合、加熱プレスによって空隙を完全に埋めることができるため、所望の放熱性を達成できる。

加熱プレスした後の放熱用接着シートの厚み（II）は、５～３０μｍであることが好ましく、８～２０μｍであることがより好ましい。上記厚みにすることで放熱性と、耐久性を向上できる。

本発明の放熱用接着シートは、デンドライト状金属微粒子（Ｂ）により形成される空隙を、加熱プレスをすることで、熱硬化性樹脂（Ａ）により埋めることができる。球状やフレーク状の金属微粒子を使用した放熱用接着シートを同一条件で加熱プレス工程を行う場合と比較して、横方向への染み出しを低減できる。
加熱プレスの条件は、温度１５０～１９０℃程度、圧力１～３ＭＰａ程度、時間１～６０分程度の条件で行うことが一般的である。
また、放熱用接着シートの加熱プレス後、すなわち放熱層としたときの厚みは、５～３０μｍであることが好ましく、８～２０μｍであることがより好ましい。上記厚みにすることで放熱性と、耐久性を向上できる。

＜熱硬化性樹脂（Ａ）＞
本発明において熱硬化性樹脂（Ａ）は、公知の熱硬化性樹脂を用いることができ、熱により軟化するバインダー樹脂を用いることが好ましい。熱硬化性樹脂のＴｇは、－２０℃以上、１００℃以下が好ましく、－１０℃以上、８０℃以下がより好ましい。熱硬化性樹脂は、１種類を用いても複数種類を併用してもよい。複数種類を用いる場合は、混合前のＴｇが上記範囲に含まれているものを主成分とすることが好ましい。熱硬化性樹脂が、熱圧着時に軟化してデンドライト状金属粒子の空隙を埋める流れ性があればよく、特に限定されない。

熱硬化性樹脂の中でも、フェノール系、エポキシ系、ウレタン系、メラミン系、アルキッド系、アミド系などの樹脂が好ましい。さらにパワー半導体装置のように加熱プレス工程にて接着し、さらに貼付した後に急激な温度変化に晒されて使用されることを考えると、密着性と耐久性を兼ね備えたウレタン系樹脂及びアミド系樹脂がより好ましい。

熱硬化性樹脂は、加熱による架橋反応に利用できる官能基を複数有する樹脂である。
官能基は、例えば、水酸基、フェノール性水酸基、カルボキシル基、アミノ基、エポキシ基、オキセタニル基、オキサゾリン基、オキサジン基、アジリジン基、チオール基、イソシアネート基、ブロック化イソシアネート基、シラノール基等が挙げられる。

熱硬化性樹脂（Ａ）の重量平均分子量は、２，０００～１２０，０００が好ましく、２５，０００～１００，０００がより好ましい。重量平均分子量が２０，０００～１２０，０００になると耐久性と流動性を高い水準で両立できる。

熱硬化性樹脂（Ａ）と併用して用いることのできる硬化剤は、熱硬化性樹脂が有する官能基に対応した公知の化合物を使用できる。例えば、樹脂がカルボキシル基を含有する場合はエポキシ硬化剤等が好ましい。また、樹脂が水酸基を含有する場合はイソシアネート硬化剤や酸無水物基含有化合物等が好ましい。

本発明では熱硬化性樹脂（Ａ）に加え、熱可塑性樹脂を併用できる。
熱可塑性樹脂としては、前記硬化性官能基を有しないポリオレフィン系樹脂、ビニル系樹脂、スチレン・アクリル系樹脂、ジエン系樹脂、テルペン樹脂、石油樹脂、セルロース系樹脂、ポリアミド樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリイミド系樹脂、フッ素樹脂などが挙げられる。
ポリオレフィン系樹脂は、エチレン、プロピレン、α－オレフィン化合物などのホモポリマーまたはコポリマーが好ましい。具体的には、例えば、ポリエチレンプロピレンゴム、オレフィン系熱可塑性エラストマー、α－オレフィンポリマー等が挙げられる。
ビニル系樹脂は、酢酸ビニルなどのビニルエステルの重合により得られるポリマーおよびビニルエステルとエチレンなどのオレフィン化合物とのコポリマーが好ましい。具体的には、例えば、エチレン－酢酸ビニル共重合体、部分ケン化ポリビニルアルコール等が挙げられる。
スチレン・アクリル系樹脂は、スチレンや（メタ）アクリロニトリル、アクリルアミド類、（メタ）アクリル酸エステル、マレイミド類などからなるホモポリマーまたはコポリマーが好ましい。具体的には、例えば、シンジオタクチックポリスチレン、ポリアクリロニトリル、アクリルコポリマー、エチレン－メタクリル酸メチル共重合体等が挙げられる。
ジエン系樹脂は、ブタジエンやイソプレン等の共役ジエン化合物のホモポリマーまたはコポリマーおよびそれらの水素添加物が好ましい。具体的には、例えば、スチレン－ブタジエンゴム、スチレン－イソプレンブロックコポリマー等が挙げられる。テルペン樹脂は、テルペン類からなるポリマーまたはその水素添加物が好ましい。具体的には、例えば、芳香族変性テルペン樹脂、テルペンフェノール樹脂、水添テルペン樹脂が挙げられる。
石油系樹脂は、ジシクロペンタジエン型石油樹脂、水添石油樹脂が好ましい。セルロース系樹脂は、セルロースアセテートブチレート樹脂が好ましい。ポリカーボネート樹脂は、ビスフェノールＡポリカーボネートが好ましい。ポリイミド系樹脂は、熱可塑性ポリイミド、ポリアミドイミド樹脂、ポリアミック酸型ポリイミド樹脂が好ましい。

＜デンドライト状金属微粒子（Ｂ）＞
本発明においてデンドライト状金属微粒子（Ｂ）のデンドライト状とは、一般に樹枝状ともいい、樹木の枝のような形状を意味する。デンドライト状金属微粒子（Ｂ）の素材は、金、銀、銅、ニッケル、亜鉛または鉄などの放熱性金属やその合金、ポリアニリンやポリスチレンなどの放熱性有機化合物、あるいはこれらを複合した放熱性化合物を使用できる。または、金属や有機化合物を核とし、当該核の表面を放熱性の素材で被覆した金属微粒子を使用することも好ましい。

放熱性の被覆層を有する金属微粒子は、銅、ニッケル、カドニウム等の金属その合金、ポリアニリンやポリスチレンなどの放熱性有機化合物、あるいは通常の非放熱性の有機化合物などを核とし、表面の被覆層が金、銀、銅などの放熱性に優れる金属で被覆されていることが好ましい。さらには銅を核として、銀で被覆層を形成した金属微粒子がより好ましい。

被覆層を有する金属微粒子における放熱性の被覆層の割合は、デンドライト状導電性微粒子（Ｂ）１００重量％中、１重量％～４０重量％が好ましく、５重量％～２０重量％がより好ましい。銀で被覆された金属微粒子を使用することで、高価な銀の使用量の低減によるコストダウンや、銅の導電性微粒子を使用した場合の銅の酸化による放熱性の低下を抑制できる。

すなわち、デンドライト状金属微粒子（Ｂ）が、核が銅であり、その表面に銀被覆層を有しており、デンドライト状金属微粒子（Ｂ）１００重量％中、銀被覆層が１～４０重量％であることが、コストダウン、および放熱性の観点から好ましいものである。

本発明において加熱プレス前後で放熱用接着シートの厚みが変化するのは、主としてかさ高いデンドライト状金属微粒子（Ｂ）の存在により接着シート内に空隙が存在しやすく、加熱プレスにより熱硬化性樹脂（Ａ）が流動してその空隙を埋めることによるためと推測している。この空隙は、使用するデンドライト状金属微粒子（Ｂ）の平均粒子径Ｄ_５０とＤ_９０の関係によって、より影響を受けやすい。そして、加熱プレス前の接着シート内に空隙が多いほど厚み変化が大きくなる。つまり、プレス前の厚みを１００とした場合に、プレス後の厚みの値が小さくなるほど接着シート内に空隙が多いと考えられる。

すなわち本発明においてデンドライト状金属微粒子（Ｂ）は、平均粒子径Ｄ_５０が３～５０μｍがより好ましく、５～２５μｍがさらに好ましい。平均粒子径Ｄ_５０が３μｍ以上になることで、接着シート内に空隙が出来やすくなり、染み出しを低減できる。一方、平均粒子径Ｄ_５０が５０μｍ以下になることで、放熱用接着シートを加熱プレスした後の、放熱層の薄膜化と放熱性を達成できる。

デンドライト状金属微粒子（Ｂ）の平均粒子径Ｄ_９０は、Ｄ_５０の１．５倍～５倍が好ましく、２倍～３．５倍がより好ましい。平均粒子径Ｄ_９０の値は、Ｄ_５０の平均粒子径に依存する傾向にあるが、４．５μｍ～２５０μｍが好ましい。平均粒子径Ｄ_９０が、Ｄ_５０の１．５倍以上になることで、粒子径分布の幅が広がるため放熱層中に空隙が生じやすい傾向にある。一方、平均粒子径Ｄ_９０が、Ｄ_５０の５倍以下になることで、粒子径分布の幅が広がりすぎず、接着シート内のデンドライト状金属微粒子（Ｂ）の充填が適切になる傾向にある。さらには、巨大なデンドライト状粒子の存在により加熱プレス後に当該巨大なデンドライト状粒子が放熱層から突き出る現象が起こりにくくなる。
そのため、平均粒子径Ｄ_５０が３～５０μｍであり、かつ平均粒子径Ｄ_９０がＤ_５０の１．５～５倍であることが好ましい。

なお、デンドライト状金属微粒子の平均粒子径Ｄ_５０、及びＤ_９０は、日機装社製のマイクロトラックＭＴ３３００を使用して測定することができる。
ここで平均粒子径Ｄ_５０とは、体積粒度分布において、粒子径の細かいものからその粒子の体積割合を積算していったときに、５０％となるところの粒子径であり、平均粒子径Ｄ_９０とは、９０％となるところの粒子径である。デンドライト状金属微粒子の平均粒子径Ｄ_５０、及びＤ_９０は一般的な粒度分布計、例えば、レーザー散乱方式の粒度分布計（日機装社製「マイクロトラックＭＴ３３００ＥＸＩＩ」）等で測定される。レーザー散乱法による体積平均粒子径の測定は、以下のようにして行うことができる。デンドライト状金属微粒子と水を混合しスラリーを作製しておく。測定装置［（株）日機装製マイクロトラックＭＴ３３００ＥＸＩＩ］のセルに該希釈スラリーをサンプリングローディングにおいて適正濃度になるまで注入し、サンプルに応じた溶剤（本発明では水）の屈折率条件を入力後、測定を行う。

本発明においてデンドライト状金属微粒子（Ｂ）は、タップ密度（以下、ＴＤともいう）が、０．８～２．５ｇ／ｃｍ^３であることが好ましい。ＴＤが０．８ｇ／ｃｍ^３以上になることで、接着シート中の金属微粒子の充填をより密にできる。一方、ＴＤが２．５ｇ／ｃｍ^３以下になることで、接着シート内中の金属微粒子の充填が過密になりにくく、加熱プレス前後の膜厚変化が大きい状態を維持できる傾向にあるため、染み出しをより低減できる。

また、デンドライト状金属微粒子（Ｂ）は、見掛密度（以下、ＡＤともいう）が０．４～１．５ｇ／ｃｍ^３あることが好ましい。ＡＤが０．４ｇ／ｃｍ^３以上になることで、接着シート中の金属微粒子の充填をより密にできる。一方、ＴＤが１．５ｇ／ｃｍ^３以下になることで、接着シート内中の金属微粒子の充填が過密になりにくく、加熱プレス前後の膜厚変化が大きい状態を維持できる傾向にあるため、染み出しをより低減できる。

なお、デンドライト状金属微粒子の見掛密度は、ＪＩＳＺ２５０４：２０００に定められた金属粉の見掛密度試験方法により、タップ密度は、ＪＩＳＺ２５１２：金属粉―タップ密度測定方法により求めることができる。

デンドライト状金属微粒子（Ｂ）は、球状やフレーク状の金属微粒子と比較すると、樹の枝のような形状をしているため、１つ１つの粒子間に隙間が生じやすい。そのため、デンドライト状金属微粒子（Ｂ）を使用して放熱用接着シートを形成すると、空隙が生じやすい。

そしてデンドライト状金属微粒子（Ｂ）の見掛密度とタップ密度の値を適切にすることで、放熱用接着シートに、より適切に空隙を形成できる。すなわち本発明においてデンドライト状金属微粒子（Ｂ）は、ＡＤとＴＤの比率（ＡＤ／ＴＤ）が０．３～０．９であることがより好ましい。ＡＤ／ＴＤが０．３以上になることで、ＡＤとＴＤの数値がより適切になり、加熱プレス後の膜厚変化が大きくなりすぎない傾向にある。一方、ＡＤ／ＴＤが０．９以下になることで、ＡＤとＴＤの数値がより適切になり、加熱プレス後の膜厚変化が小さすぎない傾向にある。

放熱用接着シート中にデンドライト状金属微粒子（Ｂ）を使用する割合は、放熱用接着シート１００重量％中、５０～９０重量％が好ましく、６０～８０重量％がより好ましい。使用量が５０重量％以上であることで所望の放熱性が得やすい傾向にある。一方、９０重量％以下であることでシート化するための樹脂量が確保しやすく、塗工適性を向上できる傾向にある。

本発明において放熱用接着シートには、熱硬化性樹脂（Ａ）とデンドライト状金属微粒子（Ｂ）のほか、必要に応じてシランカップリング剤、酸化防止剤、顔料、染料、粘着付与樹脂、可塑剤、紫外線吸収剤、消泡剤、レベリング調整剤、充填剤、難燃剤等を含むこともできる。

続いて本発明の放熱用接着シートの製造方法について説明する。まず、少なくとも熱硬化性樹脂（Ａ）と、デンドライト状金属微粒子（Ｂ）を混合することで放熱用樹脂組成物を作製する。

混合方法は、例えば、ミキサー、ディソルバー、フーバーマーラー、３本ロールミル、サンドミル等を使用することが好ましい。

この放熱用樹脂組成物を用いて、従来公知の塗布方法、例えば、グラビアコート方式、キスコート方式、ダイコート方式、リップコート方式、コンマコート方式、ブレードコート方式、ロールコート方式、ナイフコート方式、スプレーコート方式、バーコート方式、スピンコート方式、ディップコート方式等により放熱用接着シートを形成することができる。

放熱用接着シートの厚みは、５～１００μｍが好ましい。なお、厚みは、ＪＩＳＢ７５０３（ダイヤルゲージ）に則って測定した値である。

本発明の放熱用接着シートの加熱プレス後の膜厚は、デンドライト状金属微粒子（Ｂ）の平均粒子径Ｄ_５０の０．２５倍～１０倍であることが好ましく、０．５倍～５倍がより好ましい。

このように本発明の本発明の放熱用接着シートは、歩留まりが少なく、熱伝導性や耐久性も良好なことから、家電、産業ロボット、輸送機器などの電子機器やパワー半導体モジュールのほか、建材、車両、航空機、及び船舶にも広く使用することができる。

《放熱接着部材用積層体》
放熱接着部材用積層体は、放熱ベース基板と、熱を発生し得る部材を含む発熱体との間に配置される積層体であって、前記放熱ベース基板および熱を発生し得る部材を含む発熱体の少なくともいずれかと接着する放熱用接着シートと、絶縁層とを少なくとも有する。また、放熱ベース基板と、熱を発生し得る部材を含む発熱体との間に配置し、加熱プレスすることで、放熱接着部材を形成する。

絶縁層は、たとえば絶縁性の熱伝導セラミック板、絶縁性接着シート、絶縁フィルム等を用いることができる。

熱伝導セラミック板は、上記熱硬化性樹脂にアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）などの熱伝導セラミックを主成分とするセラミック板が挙げられる。

熱伝導セラミック板の厚みは、セラミック板の場合１０～１５００μｍが好ましく、２０～１０００μｍがより好ましい。

絶縁性接着シートは、放熱用接着シートで説明した熱硬化性樹脂（Ａ）など絶縁性を有する樹脂を使用することが好ましい。絶縁層の熱伝導性を向上するためアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）などの熱伝導セラミック粒子を充填することも好ましい。

また絶縁性接着シートには、必要に応じてシランカップリング剤、酸化防止剤、顔料、染料、粘着付与樹脂、可塑剤、消泡剤、レベリング調整剤、充填剤、難燃剤等を含むこともできる。

絶縁性接着シートの厚みは、５～１００μｍが好ましく、１０～５０μｍがより好ましい。

絶縁フィルムはポリエステル、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリフェニレンサルファイド等の樹脂フィルムを使用できる。これらの中でもポリイミドフィルムが絶縁性と耐久性の観点から好ましい。
絶縁フィルムに上記熱伝導セラミック粒子を添加することでより放熱性を向上することができる。

［放熱用接着部材の構成例１］
複合部材の構成例１について、図１（ａ）を用いて説明する。構成例１は放熱用接着シート／絶縁層／放熱用接着シートとした放熱接着部材用積層体を加熱プレスすることで、放熱層／絶縁層／放熱層の積層構成をとる。

［放熱用接着部材の構成例２］
放熱積層体の構成例２について、図１（ｂ）を用いて説明する。構成例２は放熱用接着シート／絶縁接着シートの構成を有する放熱接着部材用積層体を加熱プレスすることで、放熱層／絶縁層の積層構成をとる。

［放熱用接着部材の構成例３］
放熱積層体の構成例３について、図１（ｃ）を用いて説明する。構成例３は放熱用接着シート／金属層／絶縁接着シートの構成を有する放熱接着部材用積層体を加熱プレスすることで、放熱層／金属層／絶縁層の積層構成をとる。

＜放熱接着部材用積層体の製造方法＞
放熱接着部材用積層体の製造方法の例としては、例えば、放熱用接着シート／絶縁接着シートの積層体である場合、まず、剥離性シート上に、熱により軟化するバインダー樹脂である熱硬化性樹脂（Ａ）と、デンドライト状金属微粒子（Ｂ）を含有する組成物を塗工して放熱用接着シートを形成する。放熱用接着シートは、単層でも複数層でもよい。
次いで、別途、剥離性シート上に、絶縁性樹脂を含有する組成物を塗工して、絶縁接着シートを形成し、て放熱用接着シートと絶縁接着シートをラミネートで張り合わせることで、放熱接着部材用積層体を得ることができる。

また、放熱用接着シート／金属層／絶縁接着シートの積層体である場合、まず、剥離性シート上に放熱用接着シートを形成し、銅キャリア付電解銅箔の電解銅箔面側に金属層を重ねてラミネートした後に、銅キャリアを剥がす。そして、銅キャリアを剥がした面と、別途剥離性シート上に形成した絶縁接着シートとを重ねてラミネートする方法がある。また、剥離性シート上に放熱用接着シートを形成し、その表面に無電解メッキ処理により金属層を形成し、別途剥離性シート上に形成した絶縁接着シートと前記金属層とを重ねてラミネートする方法等が挙げられる。

絶縁接着シートとして、絶縁性の熱伝導セラミック板、絶縁フィルム等を用いる場合には、別途従来公知の接着剤や粘着剤、及びその他の接着シートにより貼付し、積層体を形成することができる。この場合の接着シートとして、本願の放熱用接着シートを用いてもよい。

剥離性シートは、離型性を有するものであればよく特に限定されないが、例えば、シリコーンやアルキッド処理されたＰＥＴフィルム等を使用できる。

金属層は、金属箔、蒸着膜、スパッタリング膜、及び金属メッキ膜から選択できる。金属箔は、例えばアルミニウム、銅、銀、金等の導電性の金属箔が好ましく、シールド性、及びコストの面から銅、銀、アルミニウムがより好ましく、銅がさらに好ましい。
銅は、例えば、圧延銅箔または電解銅箔を使用することが好ましく、金属層の薄さを追及すると圧延銅箔をエッチング処理したものや電解銅箔がより好ましい。金属箔の場合、厚みは０．１～１０μｍが好ましく、０．５～５μｍがより好ましい。
蒸着膜、スパッタリング膜、及び金属メッキ膜は、アルミニウム、銅、銀、金等の導電性の金属材料で形成することが好ましく、銅、銀、アルミニウムがより好ましい。蒸着膜の厚みは、０．１～３μｍが好ましい。スパッタリング膜の厚みは、１０～１０００ｎｍが好ましい。金属メッキ膜の厚みは、通常０．５～５μｍが好ましい。

《複合部材》
本発明の複合部材は、放熱ベース基板と、放熱接着部材用積層体を加熱プレスしてなる放熱接着部材と、熱を発生し得る部材を含む発熱体とを有する。放熱接着部材用積層体は、前記放熱ベース基板の一方の面に設けられており、前記放熱用接着シートの放熱ベース基板側とは反対側の面に前記の熱を発生し得る部材を含む発熱体が設けられていることを特徴とする。
熱を発生し得る部材からでた熱は、放熱接着部材を介して放熱ベース基板へ伝播されることで、発熱体が効率よく冷却される。

また、放熱接着部材は、放熱用接着シートにより、前記放熱ベース基板、および熱を発生し得る部材を含む発熱体の少なくともいずれかと接着してなる。放熱用接着シートが、放熱ベース基板と、熱を発生し得る部材を含む発熱体と接着していない他方については、従来用いられる公知の絶縁性接着シートや、接着シート、粘着剤等により接着されていてもよい。

図２に複合部材の１例を挙げる。図２は上記の［放熱用接着部材の構成例１］で説明した、放熱接着部材によって、放熱ベース基板と導電性部材を有する発熱体を接着した積層構成を特徴とする。

＜放熱ベース基板＞
本発明の放熱ベース基板について説明する。
放熱ベース基板とは、熱を発生し得る部材から発生した熱を最終的に逃がすための部材であり、本発明の放熱ベース基板としては、公知ものを使用することができる。放熱ベース基板は金属やセラミックスが好適に使用され、特に限定はないが、例えば、アルミニウム、銅、鉄、タングステン、モリブデン、マグネシウム、銅―タングステン合金、銅―モリブデン合金、銅―タングステンーモリブデン合金、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素などが挙げられ、単独または２種類以上併用して用いることができる。

放熱ベース基板は、放熱効率を高めるためにフィンを取り付けてもよい。フィンとしては、公知のものを使用することができる。フィンの形状としては、特に限定はないが、例えば、ストレートフィン型、ウェイビーフィン型、オフセットフィン型、ピンフィン型、コルゲートフィン型などが挙げられ、使用目的により適宜選択して用いることができる。

＜発熱体＞
本発明における発熱体は、熱を発生し得る部材を含み、熱を発生する部材単独、または、金属板等の導電性部材上にはんだ等の接合剤を介して積層された形態が挙げられる。

本発明の熱を発生し得る部材とは、集積回路、ＩＣチップ、ハイブリッドパッケージ、マルチモジュール、パワートランジスタ、パワー半導体素子、面抵抗器、及びＬＥＤ（発光ダイオード）用基板等の種々の電子部品などが挙げられる。また、他に、建材、車両、航空機、及び船舶等に用いられ、熱を帯びやすく、性能劣化を防ぐためにその熱を外部に逃がす必要がある物品等が挙げられる。特に、前述の熱伝導性絶縁接着部材は、パワー半導体モジュールに好適に用いることができる。

パワー半導体モジュールの形態には特に制限はないが、一般的に、パワー半導体素子が金属板等の導電性部材上にはんだ等の接合剤を介して積層された積層体であり、さらに前記積層体が樹脂で封止されている構造をとる。この導電性部材と前記放熱ベース基板とが、前述の熱伝導性絶縁接着部材を介して接続されている。この構造により、パワー半導体モジュールが駆動した際に生じる熱が放熱ベース基板へと効率よく伝播し、放熱がされる。

パワー半導体モジュールに使用される導電性部材としては、例えば、銀、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、スズ、鉄、鉛などの金属や、それらの合金、カーボンなどが挙げられ、回路パターンが形成されていてもよい。これらは、樹脂やセラミック上に積層されていてもよい。

前記導電性部材は、パワー半導体素子と放熱接着部材との間に積層されており、パワー半導体で生じた熱を熱伝導性接着部材への伝える役割も果たす。そのため、結果的に前記放熱ベース基板への伝熱が効果的に行われ、パワー半導体素子の放熱が促進される。

＜複合部材の製造方法＞
複合部材は、上記で説明した熱を発生し得る部材を含む発熱体、及び放熱ベース基板の間に放熱接着部材用積層体を設置し、加熱プレスすることで接合させて作製する。
上記の加熱プレスは、温度１５０～１９０℃程度、圧力１～３ＭＰａ程度、時間１～６０分程度の条件で行うことが一般的である。加熱プレスにより放熱接着部材と放熱ベース基板、及びパワー半導体が密着するとともに、放熱用接着シートの熱硬化性樹脂（Ａ）が流動してデンドライト状金属微粒子間の空隙を埋めた後に熱硬化することで、端部に染み出すことなく、高い放熱性を有するものとなる。
なお、硬化を促進させるため、加熱圧着後に１５０～１９０℃で３０～９０分間ポストキュアを行う場合もある。

以下、実施例、比較例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明は以下の実施例のみに限定されるものではない。なお、以下の「部」及び「％」は、それぞれ重量部及び「重量％」に基づく値である。

デンドライト状金属微粒子の平均粒子径Ｄ_５０及びＤ_９０は、日機装社製のマイクロトラックＭＴ３３００を使用して測定した。見掛密度は、ＪＩＳＺ２５０４：２０００に定められた金属粉の見掛密度試験方法により求めた。タップ密度は、ＪＩＳＺ２５１２：金属粉―タップ密度測定方法により求めた。

実施例、および比較例で使用した材料を以下に示す。
［放熱ベース基板］
放熱ベース基板１：厚さ２ｍｍのアルミニウムブロック
［導電性部材］
導電性部材１：２ｍｍの銅ブロック

＜実施例１～５＞
デンドライト状金属微粒子として、表１の材料を用いて放熱用接着シートを作製した。
熱硬化性樹脂としては、ウレタン樹脂（トーヨーケム株式会社製）を用い、デンドライト状金属微粒子（Ｂ）と熱硬化性樹脂の含有量の比率は、樹脂固形分１００部に対してデンドライト状金属微粒子を２５０部とし、乾燥膜厚が４０μｍになるように、厚み１００μｍの表面を剥離処理したポリエチレンテレフタレートフィルム上に、バーコーターを用いて塗工し、１００℃３分乾燥させて放熱用接着シートを得た。但し、実施例５は参考例である。

＜比較例１～２＞
表１に示す金属微粒子を用いて、実施例１～５と同様の方法で、放熱用接着シートを得た。

なお、表１中の被覆層の記載は、デンドライト状金属微粒子（Ｂ）１００重量％中の金属被覆層の重量％を表す。

上記実施例及び比較例について、以下の測定方法及び評価基準にて評価を行った。評価結果を表１に示す。

［放熱接着部材試験片の作製］
熱硬化性樹脂として、ウレタン樹脂（トーヨーケム株式会社製）を用い、乾燥膜厚が４０μｍになるように、厚み１００μｍの表面を剥離処理したポリエチレンテレフタレートフィルム上に、バーコーターを用いて塗工し、１００℃３分乾燥させて絶縁接着シートを得た。その後、絶縁接着シートと、実施例および比較例により得られた放熱用接着シートを張り合わせ、放熱接着部材用積層体を作製した。放熱用接着シートの剥離性シートを剥がし、導電性部材１と仮張りした後、絶縁接着シート側の剥離性シートを剥がし、その面に放熱ベース基板１を載置した。その後１５０℃、２ＭＰａ、３０分間プレスをし、放熱接着部材試験片を得た。

［樹脂の染み出し性評価］
厚さが５０μｍのポリイミドフィルム（東レ・デュポン社製「カプトン２００ＥＮ」）の一方の面に、各実施例及び各比較例により得られた放熱用接着シートをラミネートにより貼付し、穴あけ機で直径５ｍｍの穴を貫通させた。
別途、厚さが５０μｍのポリイミドフィルム（東レ・デュポン社製「カプトン２００ＥＮ」）を用意し、１５０℃、２．０ＭＰａ、３０分間の条件で加熱プレス処理をした。加熱プレス処理後、放熱用接着シートの穴部分を、拡大鏡を用いて観察し、樹脂の染み出し量を測定した。
評価基準は以下の通りである。

◎：放熱用接着シートの樹脂染み出し量が０．０１ｍｍ未満
〇：放熱用接着シートの樹脂染み出し量が０．０１ｍｍ以上０．０５ｍｍ未満
×：放熱用接着シートの樹脂染み出し量が０．０５ｍｍ以上

［熱伝導性の評価］
得られた放熱接着部材試験片を、導電性部材側が熱源に接するように１００℃のホットプレートに乗せ、１分間放置した後、放熱接着部材試験片の放熱ベース基板表面の温度を熱電対により測定し、以下の基準で評価した。熱伝導性が高いほど放熱性が良好であるといえる。

◎：放熱ベース基板表面の温度が９５℃以上
〇：放熱ベース基板板表面の温度が９０℃以上、９５℃未満
×：放熱ベース基板表面の温度が９０℃未満

［耐久性の評価］
放熱接着部材試験片を、－４０℃～１２０℃の冷熱サイクルを３０００サイクルさせた後、前述の熱伝導性の評価を行ない、以下の基準で評価した。

◎：放熱ベース基板表面の温度が９５℃以上
〇：放熱ベース基板表面の温度が９０℃以上、９５℃未満
×：放熱ベース基板表面の温度が９０℃未満

表１の結果より、本発明の放熱用接着シートを用いた場合、放熱性に優れており、熱を発生し得る部材からでた熱は、放熱接着部材を介して放熱ベース基板へ伝播されることで、発熱体が効率よく冷却することができることが確認できた。
また、複合部材製造時の加熱プレス時に、放熱用接着シートのはみ出しや染み出しを抑制できていることから、加工性が良好であり、さらに冷熱が繰り返される過酷な環境下においても、高い耐久性と放熱性を維持し良好な動作を確保できることが確認できた。

１：放熱層
２：絶縁層
３：金属層
４：放熱接着部材
５：パワー半導体素子
６：導電性部材
７：放熱ベース基板
８：発熱体
１０：複合部材

Claims

放熱ベース基板と、熱を発生し得る部材を含む発熱体との間に配置される放熱接着部材用積層体であって、
前記放熱ベース基板および熱を発生し得る部材を含む発熱体の少なくともいずれかと接着する放熱用接着シートと、絶縁層とを有しており、
前記放熱用接着シートは、熱硬化性樹脂（Ａ）と、平均粒子径Ｄ５０が７～２０μｍであるデンドライト状金属微粒子（Ｂ）とを含む、放熱接着部材用積層体。
放熱ベース基板と、放熱接着部材と、熱を発生し得る部材を含む発熱体とを有する複合部材であって、
前記放熱接着部材は、絶縁層と放熱層とを有し、
前記放熱層は、熱硬化性樹脂（Ａ）と、平均粒子径Ｄ５０が７～２０μｍであるデンドライト状金属微粒子（Ｂ）とを含む放熱用接着シートを加熱プレスして形成した、厚みが５～３０μｍの層であって、
放熱接着部材は、前記放熱ベース基板の一方の面に設けられており、
放熱接着部材の放熱ベース基板側とは反対側の面に前記の熱を発生し得る部材を含む発熱体が設けられている複合部材。
絶縁層がアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）及び、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）から選択される熱伝導セラミック板であって、前記熱伝導セラミック板の厚みが１０～１５００μｍであることを特徴とする請求項２記載の複合部材。
熱を発生し得る部材が、パワー半導体素子であることを特徴とする請求項２～３記載の複合部材。
パワー半導体素子と放熱接着部材との間に、導電性部材を有する請求項４記載の複合部材。