(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒径の大きさから二別された電気絶縁性の複数の無機充填材のうち、平均粒径の大きい方を第１充填材とし、小さい方を第２充填材として準備する工程と、
上記第１充填材の臨界体積分率をＣＦＶＣ１とし、
上記第２充填材の臨界体積分率をＣＦＶＣ２とし、
上記第１充填材の体積と上記第２充填材の体積の和に対する上記第１充填材の体積の比をαとして、
樹脂の体積配合比を
（ｉ）０＜（第１充填材の体積）／（無機充填材の総体積）≦α／（α＋α／ＣＦＶＣ１×ＣＦＶＣ２）のとき、（１−α）／ＣＦＶＣ２×（１−ＣＦＶＣ２）／｛１＋（１−α）／ＣＦＶＣ２×（１−ＣＦＶＣ２）｝に決定し、
（ｉｉ）α／（α＋α／ＣＦＶＣ１×ＣＦＶＣ２）＜（第１充填材の体積）／（無機充填材の総体積）＜１のとき、（α／ＣＦＶＣ１−１）／（α／ＣＦＶＣ１）に決定する工程と、
上記体積配合比に基づき、上記樹脂と上記第１充填材と上記第２充填材とを混練してコンパウンドを作製する工程と、
上記コンパウンドを基材に塗布した塗布物を乾燥させた後、加重をかけて圧縮させる工程とを備えた熱伝導性樹脂シートの製造方法。
【請求項２】
第１充填材のみを樹脂に配合した複数の成形体１を作製し実測した実測密度ρｍ１と理想密度ρ１から空隙率φA１を算出する工程と、
上記成形体１の上記充填材の体積濃度と上記成形体１の充填率（１−空隙率φA１）とをプロットし、外挿から、上記第１充填材の臨界体積分率ＣＦＶＣ１を求める工程と、
第２充填材のみを上記樹脂に配合した複数の成形体２を作製し実測した実測密度ρｍ２と理想密度ρ２から空隙率φA２を算出する工程と、
上記成形体２の上記充填材の体積濃度と上記成形体２の充填率（１−空隙率φA２）とをプロットし、外挿から、上記第２充填材の臨界体積分率ＣＦＶＣ２を求める工程と
をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の熱伝導性樹脂シートの製造方法。
【請求項３】
空隙率２％以下となるまで、加重をかけて圧縮させることを特徴とする請求項１または２記載の熱伝導性樹脂シートの製造方法。
【請求項４】
第１充填材は球状充填材、第２充填材は扁平状充填材であることを特徴とする請求項１または２記載の熱伝導性樹脂シートの製造方法。
【請求項５】
電力半導体素子を載置したリードフレームに請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法で製造された熱伝導性樹脂シートの硬化体を介して放熱部材を接着する工程を備えたパワーモジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発熱体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層を形成するための熱伝導性樹脂シートに関し、特に電力半導体素子等の発熱体からの熱を放熱部材に伝達させ、かつ絶縁層としても機能する熱伝導性樹脂層を形成するための熱伝導性樹脂シートに関する。また上記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。
【背景技術】
【０００２】
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層には、高熱伝導性、絶縁性、接着性の要求から、熱硬化性樹脂に無機充填材を添加した熱伝導性樹脂組成物が用いられている。
【０００３】
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となる金属板との間に設ける熱伝導性樹脂層として、無機充填材を含有した熱硬化性樹脂シートや塗布膜を用いる（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
ＣＰＵ等の発熱性電子部品と放熱フィンとの間に介在させる熱伝導性樹脂層として、高熱伝導性の無機粉体を充填した熱硬化性樹脂シートがある（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
また、無機粉体を充填したコンパウンドシートを作製する場合、高い熱伝導性を得るため無機粉体の充填率を上げる方法として、異なる粒径を有する無機粉体を配合することが開示されている（例えば、特許文献３、特許文献４）。
【０００６】
特許文献３は、異なる粒径の無機充填材の接触面積を大きくし、熱伝導性を向上させるものであり、特許文献４は、異なる３種の粒径を有する球状アルミナをビフェニル型エポキシ樹脂に配合し、さらに成形性、耐半田クラック性も向上させている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−１９６４９５号公報（第３頁、図１）
【特許文献２】特開２００２−１６７５６０号公報（第３頁、図１）
【特許文献３】特開平６−３１０８２４号公報
【特許文献４】特開平７−２７８４１５号公報（第７頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、熱伝導性を向上させるため、樹脂に対する無機充填材の充填率を高くするとボイドが形成され、熱伝導性樹脂シートの電気絶縁性や機械的強度が低下するという問題があった。また樹脂に異なる粒径を有する２種以上の無機充填材を充填する場合、高い熱伝導率を確保するための配合比を決めることが困難であった。
【０００９】
この発明は、上述の問題点を解決するためになされたものであり、異なる粒径を有する二種以上の無機充填材が高い充填率で充填されて高い熱伝導性が確保され、かつ樹脂が配合させて加工性が確保され、かつボイドが抑制されて良好な電気絶縁性が確保された熱伝導性樹脂シート及びこれを用いたパワーモジュールを得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明に係る熱伝導性樹脂シートの製造方法は、粒径の大きさから二別された電気絶縁性の複数の無機充填材のうち、平均粒径の大きい方を第１充填材とし、小さい方を第２充填材として準備する工程と、
上記第１充填材の臨界体積分率をＣＦＶＣ１とし、
上記第２充填材の臨界体積分率をＣＦＶＣ２とし、
上記第１充填材の体積と上記第２充填材の体積の和に対する上記第１充填材の体積の比をαとして、
樹脂の体積配合比を
（ｉ）０＜（第１充填材の体積）／（無機充填材の総体積）≦α／（α＋α／ＣＦＶＣ１×ＣＦＶＣ２）のとき、（１−α）／ＣＦＶＣ２×（１−ＣＦＶＣ２）／｛１＋（１−α）／ＣＦＶＣ２×（１−ＣＦＶＣ２）｝に決定し、
（ｉｉ）α／（α＋α／ＣＦＶＣ１×ＣＦＶＣ２）＜（第１充填材の体積）／（無機充填材の総体積）＜１のとき、（α／ＣＦＶＣ１−１）／（α／ＣＦＶＣ１）に決定する工程と、
上記体積配合比に基づき、上記樹脂と上記第１充填材と上記第２充填材とを混練してコンパウンドを作製する工程と、
上記コンパウンドを基材に塗布した塗布物を乾燥させた後、加重をかけて圧縮させる工程とを備えたものである。
【００１７】
この発明に係るパワーモジュールの製造方法は、電力半導体素子を載置したリードフレームに請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法で製造された熱伝導性樹脂シートの硬化体を介して放熱部材を接着する工程を備える。
【発明の効果】
【００１８】
この発明によれば、異なる粒径を有する二種以上の無機充填材が高い充填率で充填されて高い熱伝導性が確保され、かつ樹脂が配合させて加工性が確保され、かつボイドが抑制されて良好な電気絶縁性が確保された熱伝導性樹脂シートを得ることができる。
【００１９】
またこの発明の熱伝導性樹脂シートを用いることにより、放熱性、電気絶縁性に優れたパワーモジュールを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
実施の形態１．
塗料技術の分野において、Ｔｅｍｐｌｅ  Ｃ．Ｐａｔｔｏｎ（Ｐａｉｎｔ  Ｆｌｏｗ  ａｎｄ  Ｐｉｇｍｅｎｔ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ，ｐ．１２６〜ｐ．１３８，１９７９，Ｊｏｈｎ，Ｗｉｌｅｙ  ＆  Ｓｏｎｓ，Ｉｎｃ．）は、バインダーに対して顔料体積濃度（ＰＶＣ：Ｐｉｇｍｅｎｔ  Ｖｏｌｕｍｅ  Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ）を増加させていくと、顔料濃度が低いと低い充填率となり、ある配合比で最密充填に到達し、さらに顔料を増やすとボイドが発生することを示し、臨界顔料体積分率（ＣＰＶＣ：Ｃｒｉｔｉｃａｌ  Ｐｉｇｍｅｎｔ  Ｖｏｌｕｍｅ  Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ）とＰＶＣより空隙率φAIRを求めている。
【００２１】
ここで、熱伝導樹脂シート４について検討する。樹脂３に対して充填材１の体積濃度（ＦＶＣ：Ｆｉｌｌｅｒ  Ｖｏｌｕｍｅ  Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ）を増加させていくと、充填材１の濃度が低い場合ボイド５は発生しにくいものの低充填率状態となり（図１（ａ））、所定の充填材配合比で最密充填状態に達し（図１（ｂ））、さらに充填材１を増やすと充填材間にボイド５が発生すると考えられる（図１（ｃ））。ここで図１（ｂ）に示される最密充填状態の配合比を、臨界充填材体積分率（ＣＦＶＣ：Ｃｒｉｔｉｃａｌ  Ｆｉｌｌｅｒ  Ｖｏｌｕｍｅ  Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ）とすると、ＦＶＣがＣＦＶＣ以上の配合比での空隙率φAIRを、１−ＣＦＶＣ／ＦＶＣとして求めることができる。
【００２２】
さらに、図１（ｂ）の充填材１の最密充填状態において、充填材１（以下第１充填材という）の隙間に、第１充填材１より粒径の小さな第２充填材２を密に埋めることにより、第１充填材１の伝熱路および第２充填材２の伝熱路を形成すれば、より高い熱伝導性が期待できる（図２）。ここで第１充填材１と第２充填材２との隙間をボイド５を発生させない状態で樹脂３で埋めることにより、絶縁性、加工性、接着性を向上できる。
【００２３】
第１充填材１の周囲、あるいは隙間を第２充填材２で埋めることにより伝熱路を確保できていれば、必ずしも第１充填材の体積分率が大きい必要はなく、例えば図３に示すように第２充填材２の体積分率を大きくしてもよい。
【００２４】
図１の一種の充填材を含む熱伝導性樹脂シート４の硬化体を、次の手順で作製し、臨界充填材体積分率を求めた。
まず第１充填材１のみを樹脂３に、第１充填材１の体積濃度ＦＶＣ１を任意に増大させて配合した成形体をいくつか作製した。そしてこれらの成形体を実測した重量と体積から求めた実測密度ρｍ１と、理想密度ρ１（ρ１＝（第１充填材の重量＋樹脂の重量）／（第１充填材の体積＋樹脂の体積）から空隙率φA１（φA１＝１−ρｍ１／ρ1）を算出した。さらに図４に示すように充填率と第１充填材１の体積濃度をプロットし、外挿から空隙率が零となる第１充填材１の臨界体積分率ＣＦＶＣ１を求めた。
【００２５】
同様にして第２充填材２のみを樹脂３に、第２充填材２の体積濃度ＣＦＶＣ２を任意に増大させて配合した成形体をいくつか作製し、これらの成形体の実測した重量と体積から求めた実測密度ρｍ２と、理想密度ρ２（ρ２＝（第１充填材の重量＋樹脂の重量）／（第１充填材の体積＋樹脂の体積）から空隙率φA２（φA２＝１−ρｍ２／ρ２）を算出し、図４に示すように充填率と第２充填材２の体積濃度をプロットして空隙率が零となる第２充填材２の臨界体積分率ＣＦＶＣ２を求めた。
【００２６】
さらに第１充填材１、第２充填材２それぞれの臨界体積分率ＣＦＶＣ１、ＣＦＶＣ２から、図２あるいは図３に示す樹脂３と２種の充填材を配合した熱伝導性樹脂シート４の最密充填状態を次のとおり検討した。
（ｉ）  第１充填材１の体積分率が第２充填材２に比べて、比較的小さい低配合比領域（領域Ｉ）
領域Ｉでは、次式で充填材総体積分率φｃ１２、すなわち異なる粒径を有する２種類の充填材を樹脂３に充填した場合のボイド５が発生しない最密充填率を求めることができる。
φｃ１２＝（Ｖ１＋Ｖ２）／（Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３）                      （３）
（ここで、Ｖ１は第１充填材１の体積、Ｖ２は第２充填材２の体積、Ｖ３は樹脂３の体積）
さらに式（３）において、第１充填材１及び第２充填材２の合計体積すなわち充填材総体積（Ｖ１＋Ｖ２）を１とし、第１充填材体積Ｖ1の充填材総体積に対する比をαとした場合次式が成立つ。
Ｖ３＝Ｖ２／ＣＦＶＣ２  ×（１−ＣＦＶＣ２）
＝（１−α）／ＣＦＶＣ２  ×（１−ＣＦＶＣ２）                  （４）
したがって、図５における第１充填材、第２充填材、樹脂の体積分率と第１充填材体積／充填材総体積との関係図に示すとおり、ボイド５が許容空隙率以下に抑制される充填材の最密充填状態となる第１充填材、第２充填材、及び樹脂の体積分率は次のとおりとなる。
【００２７】
第１充填材１の体積分率：
α／{１＋（１−α）／ＣＦＶＣ２×（１−ＣＦＶＣ２）}                （５）
第２充填材２の体積分率：
（１−α）／{１＋（１−α）／ＣＦＶＣ２×（１−ＣＦＶＣ２）}        （６）
樹脂３の体積分率：
（１−α）／ＣＦＶＣ２×（１−ＣＦＶＣ２）
／{１＋（１−α）／ＣＦＶＣ２×（１−ＣＦＶＣ２）}  −φＡＣ        （７）
ここで、φＡＣは許容空隙率であるが、ボイドが非常に少ない状態では、φＡＣ≒０とできる。したがって、
（樹脂の体積分率）＝（１−α）／ＣＦＶＣ２×（１−ＣＦＶＣ２）
／{１＋（１−α）／ＣＦＶＣ２×（１−ＣＦＶＣ２）}  （８）
つまり、上記式（５）（６）（８）に基づき、第１充填材１、第２充填材２、および樹脂の体積配合比を決定すれば、ボイド５が許容空隙率以下に抑制される充填材の最密充填状態となる。現実的には、熱伝導率確保のため第１充填材１、第２充填材２の体積分率の和をＣＦＶＣ２確保することを考慮すれば、ボイド５を抑制する観点より樹脂の体積配合比を増やすことが必要となり、
（ｉ）０＜（第１充填材の体積）／（無機充填材の総体積）≦α／（α＋α／ＣＦＶＣ１×ＣＦＶＣ２）のとき
（１−α）／ＣＦＶＣ２×（１−ＣＦＶＣ２）／{１＋（１−α）／ＣＦＶＣ２×（１−ＣＦＶＣ２）}  ≦  （樹脂の体積分率）  ≦  １−ＣＦＶＣ２                （９）
として、樹脂の体積配合比を決定すればよい。
なお、このとき充填材総体積分率φｃ１２は次式で得られる。
φｃ１２＝１／{１＋（１−α）／ＣＦＶＣ２×（１−ＣＦＶＣ２）}        （１０）
【００２８】
（ｉｉ）  一方粒径の大きい第１充填材１の配合比が粒径の小さい第２充填材２に比べて、比較的大きい高配合比領域（領域ＩＩ）において、同様に充填材体積をＶ1＋Ｖ２＝１とし、粒径の大きい第１充填材体積Ｖ１の充填材総体積に対する比をαとした場合、樹脂３の体積Ｖ３、および充填材の最密充填状態が得られる充填材総体積分率φｃ１２は次式で求めることができる。
【００２９】
Ｖ３＝α／ＣＦＶＣ１−１                                              （１１）
Ｖ２／ＣＦＶＣ２×（１−ＣＦＶＣ２）
＝（１−α）／ＣＦＶＣ２×（１−ＣＦＶＣ２）                          （１２）
【００３０】
これよりボイド５が許容空隙率以下に抑制される充填材の最密充填状態が得られる各成分の体積分率は、
第１充填材１の体積分率：ＣＦＶＣ１                                    （１３）
第２充填材２の体積分率：
（１−α）／(α／ＣＦＶＣ１)                                          （１４）
樹脂３の体積分率：
(α／ＣＦＶＣ１−１)／(α／ＣＦＶＣ１)  −φＡＣ                      （１５）
となる。ここで、φＡＣは許容空隙率であるが、ボイドが非常に少ない状態では、φＡＣ≒０とできる。したがって、
（樹脂の体積分率）＝(α／ＣＦＶＣ１−１)／(α／ＣＦＶＣ１)            （１６）
つまり、上記式（１３）（１４）（１６）に基づき、第１充填材１、第２充填材２、および樹脂の体積配合比を決定すれば、ボイド５が許容空隙率以下に抑制される充填材の最密充填状態となる。現実的には、熱伝導率確保のため第１充填材１、第２充填材２の体積分率の和をＣＦＶＣ１確保することを考慮すれば、ボイド５を抑制する観点より樹脂の体積配合比を増やすことが必要となり、
（ｉｉ）α／（α＋α／ＣＦＶＣ１×ＣＦＶＣ２）＜（第１充填材の体積）／（無機充填材の総体積）＜１のとき
(α／ＣＦＶＣ１−１)／(α／ＣＦＶＣ１)  ≦  （樹脂の体積分率）
≦  １−ＣＦＶＣ１                                                    （１７）
として、樹脂の体積配合比を決定すればよい。
なお、このとき充填材総体積分率φｃ１２は次式で得られる。
φｃ１２＝１／(α／ＣＦＶＣ１)                                        （１８）
【００３１】
また、図５に示すように、充填材総体積分率φｃ１２は、領域Ｉと領域ＩＩとの境界で最大となり、第１充填材１の体積分率を増やしてもＣＦＶＣ１が限界となることがわかる。すなわち、ボイドを許容空隙率以下に抑え、充填材総体積分率φｃ１２を上げるためには、第１充填材体積／充填材総体積がα／（α＋α／ＣＦＶＣ１×ＣＦＶＣ２）以下となる領域で、第１充填材１と第２充填材２との配合比を決定することが好ましい。つまり、
０  ＜  Ｖ１／（Ｖ１＋Ｖ２）  ≦  α／（α＋α／ＣＦＶＣ１×ＣＦＶＣ２）より、
０  ＜  α  ≦  α／（α＋α／ＣＦＶＣ１×ＣＦＶＣ２）                （１９）
【００３２】
以上のように、第１充填材１の臨界体積分率ＣＦＶＣ１及び第２充填材２の臨界体積分率ＣＦＶＣ２を例えば実験的に求め、第１充填材、第２充填材、樹脂の体積分率と第１充填材体積／充填材総体積との関係を導くことにより、ボイド５が許容空隙率以下となり、かつ充填材を最密充填状態とした最適配合比が得られる。
【００３３】
すなわち、粒径の大きな第１充填材１の隙間に理想的に粒径の小さな第２充填材２が配置され、さらにその隙間を樹脂３が埋めるボイド５のない飽和状態に近い状態が実現でき、結果として、充填材の最密充填による熱伝導性確保と、ボイド５が少なく樹脂３により埋められることにより、加工性、接着性、絶縁性を確保できる。このため高信頼性の熱伝導シートを得ることができる。ここで充填材の充填率は充填材総体積分率φｃ１２で与えられる。
【００３４】
なお、本実施の形態では、第１充填材１および第２充填材２の粒径は、それぞれの粒径分布より平均値を用いた。二種以上の充填材を用いる場合には、二種に大別して、平均粒径を用いれば同様に数値を求めることができる。
【００３５】
実施の形態２．
本発明に係る実施の形態２においては、第１充填材１を粒径３０μｍ程度の略球状の窒化アルミニウム粒子とし、第２充填材２を図６に示す長径Ｌが５〜１５μｍ程度の扁平状充填材６とし、上記実施の形態１における第２充填材２と置き換えて臨界充填率を求めた。本実施の形態における扁平状充填材６の長径Ｌとは、図６に示すように扁平状充填剤６の平面部における最長の長さである。本実施の形態において、ボイド５の少ない状態で、かつ第１充填材１のみを充填材とする臨界体積分率ＣＦＶＣ１に対し、約３５％の充填率の向上が得られ、熱伝導率は約２倍に向上した。
【００３６】
球状の第１充填材１間に扁平状充填材６を介在させることにより、熱伝導性樹脂シート４の厚さ方向に分布する隣接する球状の第１充填材１同士が、扁平状充填材６により繋がれ、伝熱経路を形成するため、熱が熱伝導性樹脂シート４の厚さ方向にさらに伝わり易くなるためである。
【００３７】
なお、本実施の形態において、扁平状充填材６は、図６に示す平板状のものを用いたが、その外縁の形状は限定されず、特に矩形形状とした場合熱伝導性を向上させる効果があることがわかった。材質としては電気絶縁性の酸化アルミニウム（アルミナ）、窒化硼素、炭化珪素などを用いればよい。これらを２種類以上用いてもよい。
【００３８】
また、上記実施の形態１および実施の形態２において、第１の充填材１は、略球状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。材質としては、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、窒化硼素などを用いればよい。これらを２種類以上用いてもよい。
【００３９】
また、上記実施の形態１および実施の形態２において、２種の充填材を用いる例を示したが、第１充填材１、第２充填材２のいずれか、または両方を複数の異なる径の充填材としてもよい。すなわち、２種に限らず、複数の充填材を適用した場合の最密充填を実現する各材料の体積分率が求められ、充填率を著しく向上させることができるため熱伝導率を向上できる。また充填材間は、ボイド５を発生させることなく、樹脂３により埋められているので、絶縁性、加工性、接着性を高めることができる。
【００４０】
また、樹脂３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、熱伝導性樹脂シート４の絶縁性、接着性の観点より、特に好ましい。
【００４１】
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が挙げられる。これらのエポキシ樹脂は２種以上を併用しても良い。
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が挙げられる。これらの硬化剤は２種以上を併用しても良い。
【００４２】
熱伝導性樹脂シート４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。上記カップリング剤は２種類以上併用しても良い。
熱伝導性樹脂シート４に上記のようなカップリング剤を含有させると、発熱部となる電子機器の電力半導体素子２３を搭載する基材やヒートシンク部材２４などとの接着強度が向上し、さらに好ましい。
【００４３】
また、熱伝導性樹脂シート４のマトリックスとなる樹脂３に熱硬化性のエポキシ樹脂組成物を用いた場合、主剤の一部として数平均分子量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４の柔軟性が向上し、電気・電子機器の発熱部や放熱部に対する密着性が増して、好ましい。数平均分子量３０００以上のエポキシ樹脂の配合割合は、主剤の液状エポキシ樹脂１００重量部に対して１０〜４０重量部である。この配合割合が１０重量部未満では、上記の密着性の向上が認められない。この配合割合が４０重量部より大きいと、熱伝導性樹脂シート硬化体の耐熱性が低下する。
【００４４】
実施の形態３．
第１充填材１として粒径３０μｍ程度の略球状の窒化アルミニウム、第２充填材２として扁平状充填材６を用い、第１充填材１の体積Ｖ１を、充填材総体積Ｖ１＋Ｖ２に対して３０％と固定し、樹脂体積Ｖ３を変化させて熱伝導性樹脂シート４を作製してそれぞれ熱伝導性樹脂シート４の充填材の充填率φ、熱伝導率λを測定した。
図７は、φ／ＣＦＶＣ１（ＣＦＶＣ１：第１充填材１の臨界充填材体積分率）とＶ２／（Ｖ２＋Ｖ３）（Ｖ２：充填材２の体積、Ｖ３：樹脂３の体積）との関係を、図８は、λ／λＣＦＶＣ１（λＣＦＶＣ１：第１充填材のみを臨界充填させた場合の熱伝導率）とＶ２／（Ｖ２＋Ｖ３）との関係をプロットしたものである。
【００４５】
図７に示すとおり、第１充填材１のみを臨界充填させた場合（φ＝ＣＦＶＣ１、φ／ＣＦＶＣ１＝１）に比べ、第１充填材１および第２充填材２を充填させることにより充填率φが向上できることがわかる。さらにＶ２／（Ｖ２＋Ｖ３）値が０．６６以上で飽和状態となり、充填率は約２７％程度向上する。
また熱伝導率については、図８に示すとおり、第１充填材１のみを臨界充填させた場合の熱伝導率λＣＦＶＣ１（λ／λＣＦＶＣ１＝１）に比較して、Ｖ２／（Ｖ２＋Ｖ３）値が０．６６程度で約６０％向上した。ここで熱伝導率を向上できる好ましい範囲は、第１充填材１のみを臨界充填させた場合の約４０％の熱伝導率向上を図ることができる０．６≦Ｖ２／（Ｖ２＋Ｖ３）≦０．７２であり、さらに好ましい範囲は、約５０％の熱伝導率向上を図ることができる０．６２≦Ｖ２／（Ｖ２＋Ｖ３）≦０．７、最も好ましい範囲は、約６０％の熱伝導率向上を図ることができる０．６５≦Ｖ２／（Ｖ２＋Ｖ３）≦０．６７５であることがわかる。このようにして、熱伝導率を１２Ｗ/ｍ・Ｋ程度以上に向上できることがわかった。
【００４６】
さらに、図９に比重比ρ/ρo（ρo：各配合比におけるボイドが無い理想密度）とＶ２／（Ｖ２＋Ｖ３）との関係を、図１０にＢＤＶ(Break Down Voltage)比ＢＤＶ／ＢＤＶo（ＢＤＶo：ボイドが無い場合のＢＤＶ値の平均）とＶ２／（Ｖ２＋Ｖ３）との関係を示した。なおボイドが無い場合のＢＤＶ値の平均とは、比重比ρ/ρoがほぼ１の場合、すなわち図９よりＶ２／（Ｖ２＋Ｖ３）≦０．６６のＢＤＶ値の平均である。また、ρは成形体を実測した重量と体積から求めた。１−ρ／ρoが空隙率に相当する。ＢＤＶ測定は、三菱電線製ディスチャージデテクター装置により測定した。
【００４７】
図９より、Ｖ２／（Ｖ２＋Ｖ３）値が小さい、すなわち樹脂比率が大きい熱伝導性樹脂シート４では、比重比ρ/ρoはほぼ１となり、空隙率がほぼ０に近い状態となっているが、樹脂体積Ｖ３が減少すると、ボイド５が発生するためρ/ρo値が低下することがわかる。同様の関係で図１０からＢＤＶ値が低下することがわかる。
【００４８】
さらに図１０よりＢＤＶ値を確保できるＶ２／（Ｖ２＋Ｖ３）値は０．６７５以下であり、図９においてＶ２／（Ｖ２＋Ｖ３）値が０．６７５のときのρ/ρo値が０．９８であることから、許容空隙率は２％以下であることがわかる。さらに好ましくはＶ２／（Ｖ２＋Ｖ３）値０．６６５以下で、許容空隙率は１％以下であることがわかる。
【００４９】
なお、本実施の形態において、第１充填材１の体積Ｖ１を、充填材総体積Ｖ１＋Ｖ２に対して３０％と固定した例を示したが、他の配合比においても同様に成立つ。
【００５０】
実施の形態４．
上記実施の形態１〜３で述べた熱伝導性樹脂シート４のうち、特に充填材の体積分率を著しく高くした熱伝導性樹脂シート４の製造方法を検討した。
【００５１】
まず、所定量の熱硬化性樹脂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を含む熱硬化性樹脂組成物と、この熱硬化性樹脂組成物と例えば同重量の溶剤とを混合し、上記熱硬化性樹脂組成物の溶液とする。
【００５２】
次に、上記熱硬化性樹脂組成物の溶液に、第１充填材１と第２充填材２を予め混合させた混合充填材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、コンパウンドとする。
【００５３】
次に、得られたコンパウンドを、離型処理されたポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルムや金属箔などの基材に、ドクターブレード法で塗布する。
【００５４】
次に、この塗布物を乾燥し、塗布物中の溶剤を揮発させ、シート化し、さらに加熱してＢステージ化する。
【００５５】
次に、熱伝導性樹脂シート４にロールプレスを用いて線圧加重を１００ｋｇｆ／ｃｍ程度かけ圧縮させた。
【００５６】
なお、粘度が低い熱硬化性樹脂組成物の場合は、溶剤を添加を省略することもできる。硬化促進のために触媒を、接着強度向上のためにカップリング剤などを適宜添加してもよい。
【００５７】
実施の形態５．
図１１は、本発明の実施の形態５に係るパワーモジュールの断面模式図である。
図１１に示すように、本実施の形態のパワ−モジュール２０は、配線材と放熱部材とを兼ねるリードフレーム２２の第１の面に電力半導体素子２３が載置されており、リードフレーム２２の電力半導体素子２３が載置された面に対向する反対側の第２の面に、上記実施の形態１〜４に係る熱伝導性樹脂シート４の硬化体２１を介してヒートシンク部材２４が設けられている。電力半導体素子２３は、やはりリードフレーム２２に載置された制御用半導体素子２５と金属線２６で接続されている。そして、熱伝導性樹脂シートの硬化体２１、リードフレーム２２、ヒートシンク部材２４、電力半導体素子２３、制御用半導体素子２５、金属線２６などのパワーモジュール構成部材はモールド樹脂２７により封止されている。
【００５８】
本実施の形態のパワーモジュール２０は、以下のようにして製造される。まず、リードフレーム２２の所定の部分に、電力半導体素子２３や制御用半導体素子２５を半田などにより接合する。次に、リードフレーム２２の電力半導体素子２３が載置された面に対向する反対側の第２の面に、Ｂステージ状の熱伝導性樹脂シート４を介してヒートシンク部材２４を積層し、加熱加圧して熱伝導性樹脂シート４を硬化させ、ヒートシンク部材２４を接着する。次に、電力半導体素子２３と制御用半導体素子２５とに、金属線２６をワイヤボンド法により接合し、配線を行う。最後に、例えば、トランスファーモールド法により、モールド樹脂２７で封止して、パワーモジュール２０を完成する。
【００５９】
本実施の形態のパワーモジュール２０は、パワーモジュールの発熱部である電力半導体素子２３を載置したリードフレーム２２に、上記実施の形態１〜３に係る熱伝導性樹脂シート４の硬化体２１を介してヒートシンク部材２４が接着されている。熱伝導性樹脂シートの硬化体２１は、電気絶縁性と従来にはない優れた熱伝導性を有しており、電力半導体素子２３で発生した熱を高効率にヒートシンク部材２４に伝達し放熱できるので、パワーモジュールの小形化と高容量化とを実現できる。
【００６０】
なお、本実施の形態では、リードフレーム２２とヒートシンク部材２４との間に熱伝導性樹脂シート４を介する例について説明したが、本発明に係る熱伝導性樹脂シート４は、電気絶縁性と高熱伝導性を兼ね備えるので、ヒートシンク部材２４を省略した構成も実現できる。
【００６１】
また、本実施の形態では、ヒートシンク部材２４がモールド樹脂でモールドされた例を示したが、例えば図１２に示すようにケース４５に電力半導体素子４３、回路基板４２、ヒートシンク部材４４が設けられ、ケース４５外のヒートスプレッダー４７が、上記実施の形態１〜４に係る熱伝導性樹脂シート４の硬化体４１となっていてもよい。ケース４５内はたとえば注型樹脂４６で保護されている。図１２に示すパワーモジュール４０では、回路基板４２、ヒートシンク部材４４のうち少なくともいずれかが放熱部材として機能する。
【００６２】
本発明に係る熱伝導性樹脂シート４は、マトリックスとなる樹脂３をＢステージ状態とすることができるので、電力半導体素子４３などの発熱部を備えたリードフレームなどの基材と熱伝導性のよい金属製ヒートシンク部材２４、４４やヒートスプレッダー４７とを接着でき、かつ電気絶縁できる。さらに熱伝導性樹脂シート４の硬化物２１は充填材の体積分率を向上させたため、高熱伝導性を有し、ボイド５を極端に抑えたので、電気特性を著しく向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の実施の形態１に係る熱伝導性樹脂シートを模式的に示した断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る熱伝導性樹脂シートを模式的に示した断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る熱伝導性樹脂シートを模式的に示した断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る充填率と充填材の体積濃度との関係を示した模式図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係る第１充填材、第２充填材、樹脂の体積分率と第１充填材の総体積／充填材総体積との関係図である。
【図６】本発明の実施の形態２に係る第２充填材を模式的に示した斜視図である。
【図７】本発明の実施の形態３に係るφ／ＣＦＶＣ１とＶ２／（Ｖ２＋Ｖ３）との関係図である。
【図８】本発明の実施の形態３に係るλ／λＣＦＶＣ１とＶ２／（Ｖ２＋Ｖ３）との関係図である。
【図９】本発明の実施の形態３に係るρ／ρoとＶ２／（Ｖ２＋Ｖ３）との関係図である。
【図１０】本発明の実施の形態３に係るＢＶＤ／ＢＤＶoとＶ２／（Ｖ２＋Ｖ３）との関係図である。
【図１１】本発明の実施の形態５に係るパワーモジュール模式的に示した断面図である。
【図１２】本発明の実施の形態５に係るパワーモジュール模式的に示した断面図である。
【符号の説明】
【００６４】
１  第１充填材、２  第２充填材、３  樹脂、４  熱伝導性樹脂シート、５  ボイド、６  扁平状充填材、２０、４０  パワーモジュール、２１、４１  熱伝導性樹脂シートの硬化体、２２  リードフレーム、２３、４３  電力半導体素子、２４、４４  ヒートシンク部材、４５  ケース、４６  注型樹脂、４７  ヒートスプレッダー
【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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