(57)【要約】【課題】熱伝導性能を向上させた電気絶縁シートの製造方法を提供する。【解決手段】  板状の結晶構造を有し、結晶面に平行な方向への熱伝導率が前記結晶面に垂直な方向への熱伝導率よりも大きいフィラーＦと熱可塑性樹脂材との混合材を、ダイスＤ内に導入し、ダイスＤ内にて、前記混合材を加熱するとともに所定の第１方向へ加圧しつつ、溶融した熱可塑性樹脂材の一部をダイスＤから排出させることにより、前記溶融した熱可塑性樹脂材を所定の第２方向へ流動させる所定の第２方向へ流動させる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状の結晶構造を有し、結晶面に平行な方向への熱伝導率が前記結晶面に垂直な方向への熱伝導率よりも大きい熱伝達材と熱可塑性樹脂材との混合材を、型枠内に導入し、前記型枠内にて、前記混合材を加熱するとともに所定の第１方向へ加圧しつつ、溶融した熱可塑性樹脂材の一部を前記型枠から排出させることにより、前記溶融した熱可塑性樹脂材を所定の第２方向へ流動させる工程を含む、電気絶縁シートの製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の電気絶縁シートの製造方法において、
前記熱伝達材が前記型枠から排出されないように、前記熱可塑性樹脂材の排出路の入口の寸法が設定されている、電気絶縁シートの製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の電気絶縁シートの製造方法において、
前記熱伝達材の結晶面が前記第１方向に平行になるように、前記熱伝達材を配向させた前記混合材を製造する工程を含む、電気絶縁シートの製造方法。
【請求項４】
板状の結晶構造を有し、結晶面に平行な方向への熱伝導率が前記結晶面に垂直な方向への熱伝導率よりも大きい熱伝達材を含む電気絶縁シートであって、その一方のシート面の中心部側から他方のシート面の外周部側へ向かう直線に対し、前記熱伝達材の結晶面が平行である、電気絶縁シート。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気絶縁シート及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、半導体素子は、その作動に伴い発熱する。特に、出力電力が比較的大きい半導体素子の発熱量は大きい。そこで、半導体素子の熱破壊を防止するため、半導体素子に、金属製（例えば、アルミニウム合金製又銅製）の放熱器（放熱フィン）が装着され、その冷却効率が高められる。この場合、半導体素子と放熱器との間を電気的に絶縁するための電気絶縁シートが、半導体素子と放熱器との間に挟みこまれている。
【０００３】
例えば、下記特許文献１の電気絶縁シートは、熱伝導性に優れたフィラー（熱伝達材）を含有している。フィラーとして、例えば、窒化ホウ素（ＢＮ）が用いられる。このフィラーは六方晶系に属し、その結晶は板状（鱗片状）を呈する。フィラーの結晶面に垂直な方向に比べて、フィラーの結晶面に平行な方向への熱伝達率が大きい。よって、電気絶縁シートにおいて、所定の方向（例えば、シート厚方向）に対して、フィラーの結晶面を平行に配列させる（配向させる）ことにより、前記所定の方向に熱を伝達し易い電気絶縁シートを構成できる。
【０００４】
特許文献１の電気絶縁シートは、次のようにして製造される。まず、フィラーの表面に熱可塑性樹脂材が吸着した複合粒子を含むスラリーが製造される（スラリー製造工程）。つぎに、前記スラリーが型枠内に導入され、遠心分離法を用いて前記複合粒子が堆積される（遠心分離工程）。つぎに、前記堆積された前記複合粒子が加圧されて前記複合粒子からなる板状の成形体が製造される（成形工程）。最後に、前記成形体がダイス（型枠）内にて加熱されつつ、前記成形体の板厚方向に加圧される（ホットプレス工程）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１７−３７８３３号公報
【発明の概要】
【０００６】
特許文献１の電気絶縁シートの製造方法では、遠心分離工程において、各フィラーの結晶面が所定の方向（前記成形体の厚さ方向）に略平行になるように、各フィラーが配向される（図２３参照）。しかし、その後段のホットプレス工程において、前記成形体が、ダイス内にて、その厚さ方向にプレスされることにより、各フィラーの方向が前記所定の方向からずれる（図２４及び図２５参照）。つまり、各フィラーが整列されておらず、それらの向きが様々である。よって、電気絶縁シートの熱伝導性能を向上させ難い。
【０００７】
本発明は上記課題に対処するためになされたもので、その目的は、熱伝導性能を向上させた電気絶縁シート及びその製造方法を提供することにある。なお、下記本発明の各構成要件の記載においては、本発明の理解を容易にするために、実施形態の対応箇所の符号を括弧内に記載しているが、本発明の各構成要件は、実施形態の符号によって示された対応箇所の構成に限定解釈されるべきものではない。
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の特徴は、板状の結晶構造を有し、結晶面に平行な方向への熱伝導率が前記結晶面に垂直な方向への熱伝導率よりも大きい熱伝達材（Ｆ）と熱可塑性樹脂材との混合材を、型枠（Ｄ）内に導入し、前記型枠内にて、前記混合材を加熱するとともに所定の第１方向（例えば、混合材の厚さ方向）へ加圧しつつ、溶融した熱可塑性樹脂材の一部を前記型枠から排出させることにより、前記溶融した熱可塑性樹脂材を所定の第２方向（例えば、混合材の外周部側）へ流動させる工程を含む、電気絶縁シートの製造方法としたことにある。ここで、「結晶構造」とは、ミクロな原子構造（正方晶など）ではなく、熱伝導材のマクロな結晶の構造を表す。また、「結晶面」とは、板状の結晶構造の表面のうち、面積が最大となる面を表す。
【０００９】
この場合、前記熱伝達材が前記型枠から排出されないように、前記熱可塑性樹脂材の排出路（ｄ,Ｇ,ＴＨ）の入口の寸法が設定されているとよい。
【００１０】
また、この場合、前記熱伝達材の結晶面が前記第１方向に平行になるように、前記熱伝達材を配向させた前記混合材を製造する工程を含むとよい。
【００１１】
また、本発明の特徴は、板状の結晶構造を有し、結晶面に平行な方向への熱伝導率が前記結晶面に垂直な方向への熱伝導率よりも大きい熱伝達材（Ｆ１）を含む電気絶縁シート（Ｓ１）であって、その一方のシート面の中心部側から他方のシート面の外周部側へ向かう直線に対し、前記熱伝達材の結晶面が平行である、電気絶縁シートとしたことにある。
【００１２】
特許文献１の製造方法によれば、ホットプレス工程において、溶融した熱可塑性樹脂材は排出されないので、熱伝達材と熱可塑性樹脂材との比率は変化しない。それに対し、本発明に係る製造方法によれば、ホットプレス工程において、溶融した熱可塑性樹脂材の一部が排出路から排出される。そのため、特許文献１の製造方法を用いて製造された電気絶縁シートに比べて、本発明に係る製造方法を用いて製造された電気絶縁シートの熱伝達材の含有率が高くなる。つまり、従来の電気絶縁シートに比べて、本発明に係る電気絶縁シートの密度が増大している。また、本発明に係る製造方法では、型枠内にて溶融した熱可塑性樹脂材が所定の方向に流動し、その流れに沿って、熱伝達材が配向される。これにより、電気絶縁シートの熱伝導率を向上させることができる。また、各熱伝達材の結晶面を、電気絶縁シートの上面の中央部側から下面の外周部側へ向かう直線に平行になるように設定すれば、電気絶縁シートの上面側の熱を放射状に拡散させつつ下面側へ伝達させることができる。
【００１３】
上記のように、本発明によれば、熱伝導性能を向上させた電気絶縁シートを製造できる。つまり、電気絶縁シートの熱伝導率を向上させるとともに、熱の伝達方向を所定の方向に設定できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係る電気絶縁シートの製造方法のホットプレス工程の概略図である。
【図２】下パンチ及びダイスの平面図である。
【図３】ホットプレス工程におけるダイスの内部を示す断面図である。
【図４】電気絶縁シート内のフィラーの配向を示す平面図である。
【図５】電気絶縁シートの径方向に垂直な断面図である。
【図６】図５の一部を拡大した断面図である。
【図７】電気絶縁シートの密度、比熱、熱拡散率及び熱伝導率を示す表である。
【図８】第１の変形例に係る下パンチの斜視図である。
【図９】第１の変形例に係る下パンチ及びダイスの平面図である。
【図１０】第１の変形例に係るホットプレス工程におけるダイスの内部を示す断面図である。
【図１１】第２の変形例に係る下パンチの斜視図である。
【図１２】第２の変形例に係る下パンチ及びダイスの平面図である。
【図１３】第２の変形例に係るホットプレス工程におけるダイスの内部を示す断面図である。
【図１４】第３の変形例に係る下パンチの斜視図である。
【図１５】第３の変形例に係る下パンチ及びダイスの平面図である。
【図１６】第３の変形例に係るホットプレス工程におけるダイスの内部を示す断面図である。
【図１７】第４の変形例に係る下パンチの斜視図である。
【図１８】第４の変形例に係る下パンチ及びダイスの平面図である。
【図１９】第４の変形例に係るホットプレス工程におけるダイスの内部を示す断面図である。
【図２０】第５の変形例に係る下パンチの斜視図である。
【図２１】第５の変形例に係る下パンチ及びダイスの平面図である。
【図２２】第５の変形例に係るホットプレス工程におけるダイスの内部を示す断面図である。
【図２３】従来の電気絶縁シートの製造のホットプレス工程におけるダイスの内部を示す断面図である。
【図２４】従来の電気絶縁シートの径方向に垂直な断面図である。
【図２５】図２４の一部を拡大した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の一実施形態に係る電気絶縁シートの製造方法について説明する。以下、一例として、円板状の電気絶縁シートＳ１を製造する工程について説明するが、用途に応じて、電気絶縁シートＳ１を他の形状（例えば、多角形）に変更可能である。
【００１６】
まず、特許文献１と同様に、フィラーＦの表面に熱可塑性樹脂材が吸着した複合粒子を含むスラリーが製造される（スラリー製造工程）。本実施形態では、フィラーＦとして、窒化ホウ素（ＢＮ）を採用し、熱可塑性樹脂材として、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）を採用する。つぎに、前記スラリーが型枠内に導入され、遠心分離法を用いて前記複合粒子が堆積される（遠心分離工程）。つぎに、前記堆積された前記複合粒子が加圧されて前記複合粒子からなる円板状の成形体ＭＢが製造される（成形工程）。この成形体ＭＢにおいて、各フィラーＦの面が成形体ＭＢの板厚方向に平行になるように、各フィラーＦが配向されている。
【００１７】
つぎに、成形体ＭＢが、図１乃至図３に示すように、円筒状のダイスＤ内にて、加熱されつつ、成形体ＭＢの板厚方向に加圧される（ホットプレス工程）。具体的には、成形体ＭＢは、円柱状の上パンチＰ１と下パンチＰ２との間に挟み込まれる。そして、上パンチＰ１が下パンチＰ２側へ押圧される。ダイスＤの内径は、例えば、「１０ｍｍ」である。また、上パンチＰ１の外径は、ダイスＤの内径と略同一である。一方、下パンチＰ２の外径は、ダイスＤの内径よりも少し小さい。つまり、ダイスＤの内周面と下パンチＰ２の外周面との間には、隙間ｄが形成されている。この隙間ｄの幅Ｗは、フィラーＦの平均粒径（長手方向寸法）より少し小さく設定されている。具体的には、隙間ｄの幅Ｗは、例えば、「４５μｍ」である。なお、図１において、ダイスＤ内の構成を示すために、ダイスＤの一部を切り欠いている。
【００１８】
成形体ＭＢがダイスＤ内にて加熱されることにより、熱可塑性樹脂材が溶融する。そして、溶融した熱可塑性樹脂材の一部が、隙間ｄへ流入してダイスＤの外側へ排出される。すなわち、溶融した熱可塑性樹脂材が成形体ＭＢの外周部側へ流動する。上記のように、成形体ＭＢが加熱される前の状態において、各フィラーＦは、その面が成形体ＭＢの板厚方向に平行になるように配向されているが、熱可塑性樹脂材が加熱されて溶融し、隙間ｄへ向かって流動することにより、各フィラーＦが成形体ＭＢの外周側へ傾く。つまり、各フィラーＦの面が、成形体ＭＢの上面の中央部側から下面の外周部側へ向かう直線に平行になるように、各フィラーＦが配向される（図４乃至図６参照）。なお、上記のように隙間ｄの幅ＷがフィラーＦの平均粒径よりも小さく設定されているので、フィラーＦは、隙間ｄ内へは進入しない。つまり、溶融した熱可塑性樹脂材のみが隙間ｄに流入する。
【００１９】
なお、上記のホットプレス工程において成形体ＭＢに印加される圧力は、例えば、５０ＭＰａである。また、成形体ＭＢの温度は、例えば、２５０℃である。また、ホットプレス工程の継続時間は、例えば、１時間である。ホットプレス工程が終了すると、成形体ＭＢが冷却されて固化する。そして、ダイスＤから成形体ＭＢ（つまり、完成品としての電気絶縁シートＳ１）が取り出される。ここで、成形体ＭＢが冷却されて固化する際、隙間ｄに流入した熱可塑性樹脂材も固化する。隙間ｄ内にて固化した熱可塑性樹脂材は、下パンチＰ２の外周面に付着している。電気絶縁シートＳ１がダイスＤから取り出される際、電気絶縁シートＳ１の本体部（円板状部）と下パンチＰ２に付着した部分との境界部が分断される。上記のようにして、電気絶縁シートＳ１が製造される。なお、電気絶縁シートＳ１のシート厚は、例えば、１ｍｍである。
【００２０】
本実施形態に係る製造方法を用いて製造された電気絶縁シートＳ１と特許文献１の製造方法を用いて製造された電気絶縁シートＳ０の密度、比熱、熱拡散率及び熱伝導率の比較結果を図７に示す。なお、周知のアルキメデス法を用いて密度を測定した、また、周知のレーザーフラッシュ法を用いて比熱及び熱拡散率を測定した。そして、前記測定した密度、比熱及び熱拡散率を乗算して、熱伝導率を求めた。
【００２１】
特許文献１の製造方法によれば、ホットプレス工程において、溶融した熱可塑性樹脂材は排出されないので、フィラーと熱可塑性樹脂材との比率は変化しない。それに対し、本実施形態では、ホットプレス工程において、溶融した熱可塑性樹脂材の一部が隙間ｄから排出される。そのため、特許文献１の製造方法を用いて製造された電気絶縁シートＳ０に比べて、電気絶縁シートＳ１のフィラーＦの含有率が高くなる。つまり、電気絶縁シートＳ０に比べて、電気絶縁シートＳ１の密度が増大している。また、本実施形態では、ダイスＤ内にて溶融した熱可塑性樹脂材が所定の方向に流動し、その流れに沿って、フィラーＦが配向される。これにより、電気絶縁シートＳ１の熱伝導率を電気絶縁シートＳ０に比べて約２５％向上させることができた。なお、本実施形態では、各フィラーＦの結晶面が、電気絶縁シートＳ１の上面の中央部側から下面の外周部側へ向かう直線に平行になるように、各フィラーＦが配向されている。したがって、電気絶縁シートＳ１の上面側の熱を放射状に拡散させつつ下面側へ伝達させることができる。上記のように、本実施形態によれば、熱伝導性能を向上させた電気絶縁シートＳ１を製造できる。つまり、電気絶縁シートＳ１の熱伝導率を向上させるとともに、熱の伝達方向を所定の方向（本実施形態では放射状）に設定できる。
【００２２】
さらに、本発明の実施にあたっては、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
【００２３】
例えば、上記実施形態の下パンチＰ２に替えて、図８乃至図２２に示すような下パンチＰ３,Ｐ４,Ｐ５,Ｐ６,Ｐ７のうちのいずれかを用いても良い。図８乃至図１０に示す下パンチＰ３及び図１１乃至図１３に示す下パンチＰ４の外径は、ダイスＤの内径と同一である。下パンチＰ３及び下パンチＰ４の外周面には、上下方向に延びる複数の溝Ｇが形成されている。これらの溝Ｇは、下パンチＰ３及び下パンチＰ４の周方向に等間隔に配置されている。溶融した熱可塑性樹脂材は、これらの溝Ｇ（排出路）に向かって流動する。この熱可塑性樹脂材の流れに沿って、フィラーＦが配向される。つまり、下パンチＰ３又は下パンチＰ４を用いた場合、上記実施形態と略同様に、上面側の熱を放射状に拡散させつつ下面側へ伝達させる特性を有する電気絶縁シートＳ１を製造できる。
【００２４】
図１４乃至図１６に示す下パンチＰ５の外径は、ダイスＤの内径と同一である。下パンチＰ５の外周面には、螺旋状に延びる複数の溝Ｇが形成されている。これらの溝Ｇは、下パンチＰ５の周方向に等間隔に配置されている。溶融した熱可塑性樹脂材は、これらの溝Ｇ（排出路）に向かって流動する。したがって、この場合、上面側の熱を渦巻き状に拡散させつつ下面側へ伝達させる特性を有する電気絶縁シートＳ１を製造できる。
【００２５】
図１７乃至図１９に示す下パンチＰ６の外径は、ダイスＤの内径と同一である。下パンチＰ６には、その上面から下面へ貫通する複数の貫通孔ＴＨが形成されている。溶融した熱可塑性樹脂材は、これらの貫通孔ＴＨ（排出路）に向かって流動する。したがって、この場合、上面側の熱を略垂直に下面側へ伝達させる特性を有する電気絶縁シートＳ１を製造できる。
【００２６】
図２０乃至図２２に示す下パンチＰ７の外径は、ダイスＤの内径より少し小さい。つまり、図１乃至図７を用いて説明した実施形態と同様に、下パンチＰ７の外周面とダイスＤの内周面との間には隙間ｄが形成されている。さらに、下パンチＰ７には、その上面から下面へ貫通する複数の貫通孔ＴＨが形成されている。溶融した熱可塑性樹脂材は、隙間ｄ及び貫通孔ＴＨ（排出路）に向かって流動する。したがって、この場合、上面側の外周部付近の熱を外側へ拡散させつつ下面側へ伝達させるとともに、上面側の中央部付近の熱を略垂直に下面側へ伝達させる特性を有する電気絶縁シートＳ１を製造できる。
【００２７】
上記のように、熱を伝達させる方向（特性）に応じて、溶融した熱可塑性樹脂材の排出路の位置、方向、形状などを設定すればよい。なお、上記の溝Ｇ及び貫通孔ＴＨからフィラーＦが排出されないように、それらの寸法（溝Ｇの溝幅及び溝深さ、貫通孔ＴＨの内径）が設定されている。これによれば、溶融した熱可塑性樹脂材の一部がダイスＤから排出されるので、電気絶縁シートＳ１のフィラーＦの含有量（密度）が従来よりも増大する。よって、これらの製造方法を用いた場合にも、熱伝導率を従来よりも向上させた電気絶縁シートＳ１を製造できる。
【００２８】
また、成形体ＭＢの製造方法は、上記の方法（スラリー製造工程、遠心分離工程及び成形工程）に限られず、成形体ＭＢにおいて、各フィラーＦの面が成形体ＭＢの板厚方向に平行になるように、各フィラーＦが配向されれば、どのような製造方法を採用してもよい。例えば、磁場を用いて各フィラーＦを配向させてもよい。
【００２９】
なお、上記実施形態では、ホットプレス工程において、各フィラーＦが予め配向された成形体ＭＢを用いているが、各フィラーＦの向きが多少ばらついていたとしても、溶融した熱可塑性樹脂材の流れに沿って、各フィラーＦが配向されることにより、熱伝導性能を向上させた電気絶縁シートＳ１を製造できる。
【符号の説明】
【００３０】
Ｄ・・・ダイス、ｄ・・・隙間、Ｆ・・・フィラー、Ｇ・・・溝、ＭＢ・・・成形体、Ｐ１・・・上パンチ、Ｐ２,Ｐ３,Ｐ４,Ｐ５,Ｐ６,Ｐ７・・・下パンチ、Ｓ０,Ｓ１・・・電気絶縁シート、ＴＨ・・・貫通孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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