(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エポキシ樹脂と充填材とを含む熱伝導性シート用樹脂組成物であって、
前記充填材が、鱗片状窒化ホウ素の二次粒子のみからなり、
前記二次粒子が、３以上７以下の結晶化度を有する二次粒子を６０質量％以上含むことを特徴とする熱伝導性シート用樹脂組成物。
【請求項２】
前記二次粒子が、２０μｍ以上１８０μｍ以下の平均粒径を有することを特徴とする請求項１に記載の熱伝導性シート用樹脂組成物。
【請求項３】
前記熱伝導性シート用樹脂組成物の固形分における前記二次粒子の含有量が２０体積％以上８０体積％以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱伝導性シート用樹脂組成物。
【請求項４】
前記二次粒子を構成する前記鱗片状窒化ホウ素の平均長径が１５μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱伝導性シート用樹脂組成物。
【請求項５】
エポキシ樹脂の硬化物中に充填材を含む熱伝導性シートであって、
前記充填材が、鱗片状窒化ホウ素の二次粒子のみからなり、
前記二次粒子が、３以上７以下の結晶化度を有する二次粒子を６０質量％以上含むことを特徴とする熱伝導性シート。
【請求項６】
前記二次粒子が、２０μｍ以上１８０μｍ以下の平均粒径を有することを特徴とする請求項５に記載の熱伝導性シート。
【請求項７】
前記熱伝導性シートにおける前記二次粒子の含有量が２０体積％以上８０体積％以下であることを特徴とする請求項５又は６に記載の熱伝導性シート。
【請求項８】
前記二次粒子を構成する前記鱗片状窒化ホウ素の平均長径が１５μｍ以下であることを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載の熱伝導性シート。
【請求項９】
一方の放熱部材に搭載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５〜８のいずれか一項に記載の熱伝導性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１０】
前記電力半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることを特徴とする請求項９に記載のパワーモジュール。
【請求項１１】
前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドであることを特徴とする請求項１０に記載のパワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱伝導性シート用樹脂組成物、熱伝導性シート及びパワーモジュールに関し、特に、パワーモジュール等の電気・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シートの製造に用いられる熱伝導性シート用樹脂組成物、並びにこの熱伝導性シート用樹脂組成物を用いて製造される熱伝導性シート及び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生じた熱を放熱部材に伝達させる部材には、熱伝導性及び電気絶縁性に優れていることが要求される。このような要求を満たす部材として、無機充填材を熱硬化性樹脂の硬化物中に分散させた熱伝導性シートが広く用いられている。この熱伝導性シートに用いられる無機充填材としては様々なものが知られているが、その中でも六方晶窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）は、熱伝導性及び電気絶縁性に加えて化学的安定性にも優れており、しかも無毒性且つ比較的安価でもあるため、熱伝導性シートに用いるのに最適である。
【０００３】
六方晶窒化ホウ素は、黒鉛と同様の分子構造を有している。また、一般に市販されている六方晶窒化ホウ素は、図４に示すように鱗片状の結晶構造を有しているため、鱗片状窒化ホウ素とも称される。図４において、矢印の方向は熱伝導の方向、矢印の太さは熱伝導の大きさを表す。この鱗片状窒化ホウ素は、長径方向（結晶方向）の熱伝導率が高く、短径方向（層方向）の熱伝導率が低いという熱的異方性を有しており、結晶のａ軸方向（面方向）の熱伝導率は、ｃ軸方向（厚み方向）の数倍から数十倍と言われている。そのため、熱硬化性樹脂の硬化物中に分散させる鱗片状窒化ホウ素をシート内で直立させた状態、すなわち、鱗片状窒化ホウ素の長径方向をシート厚み方向と平行に配向させることにより、シート厚み方向の熱伝導性を飛躍的に向上させた熱伝導性シートの開発が行われている。
【０００４】
一般に、熱伝導性シートは、鱗片状窒化ホウ素及び熱硬化性樹脂を含む樹脂組成物をプレス成形法、射出成形法、押出成形法、カレンダー成形法、ロール成形法、ドクターブレード成形法などの公知の成形方法によってシート状に成形した後、硬化させることによって製造される。しかしながら、このような方法では、シート状に成形する際の圧力や流動によって、鱗片状窒化ホウ素がシート内で倒れた状態、すなわち、図５に示すように、熱硬化性樹脂の硬化物４中で鱗片状窒化ホウ素２の長径方向がシート面方向と平行に配向され易い。このような熱伝導性シートは、シート面方向の熱伝導性に優れているため、シート厚み方向が熱伝導経路となる使用形態においては熱伝導性が十分でない。
【０００５】
そこで、シート厚み方向の熱伝導性を高めるために様々な方法が提案されている。例えば、鱗片状窒化ホウ素を凝集させた二次粒子を作製し、この二次粒子を含む樹脂組成物を用いて熱伝導性シートを製造する方法が提案されている（例えば、特許文献１及び２参照）。このような二次粒子を用いることにより、鱗片状窒化ホウ素が熱伝導性シート内で倒れた状態になることを抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３６５４７４３号公報
【特許文献２】国際公開第２００９／０４１３００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
鱗片状窒化ホウ素を凝集させた二次粒子を用いる従来の熱伝導性シートは、鱗片状窒化ホウ素の配向を制御することにより、シート厚み方向の熱伝導性を向上させているが、その効果は十分でない。特に、パワーモジュールでは、近年、大容量化及び小型化に伴って発熱量が増大しており、放熱性を改善する観点から、熱伝導性シートの厚み方向の熱伝導性を向上させることが依然として求められている。
他方、鱗片状窒化ホウ素を凝集させた二次粒子の代わりに、球状の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を配合する方法もあるが、窒化アルミニウムの比誘電率（約９）は、窒化ホウ素の比誘電率（約４）に比べて高く、熱硬化性樹脂の比誘電率（約４）と大きく異なるため、電気絶縁性が大幅に低下してしまう。
【０００８】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、シート厚み方向の熱伝導性及び電気絶縁性に優れた熱伝導性シートを与える熱伝導性シート用樹脂組成物を提供することを目的とする。
また、本発明は、シート厚み方向の熱伝導性及び電気絶縁性に優れた熱伝導性シートを提供することを目的とする。
さらに、本発明は、放熱性及び電気絶縁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】
【０００９】
本発明者らは、上記のような課題を解決すべく鋭意研究した結果、鱗片状窒化ホウ素を凝集させた二次粒子の結晶化度が、二次粒子の凝集力及び熱伝導性と密接に関係しているという知見に基づき、所定の範囲の結晶化度を有する二次粒子を用いることで、鱗片状窒化ホウ素の配向を制御するだけでなく、二次粒子それ自体の熱伝導性も向上させ得ることを見出した。
【００１０】
すなわち、本発明は、エポキシ樹脂と充填材とを含む熱伝導性シート用樹脂組成物であって、前記充填材が、鱗片状窒化ホウ素の二次粒子のみからなり、前記二次粒子が、３以上７以下の結晶化度を有する二次粒子を６０質量％以上含むことを特徴とする熱伝導性シート用樹脂組成物である。
また、本発明は、エポキシ樹脂の硬化物中に充填材を含む熱伝導性シートであって、前記充填材が、鱗片状窒化ホウ素の二次粒子のみからなり、前記二次粒子が、３以上７以下の結晶化度を有する二次粒子を６０質量％以上含むことを特徴とする熱伝導性シートである。
さらに、本発明は、一方の放熱部材に搭載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、前記熱伝導性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】
【００１１】
本発明によれば、シート厚み方向の熱伝導性及び電気絶縁性に優れた熱伝導性シートを与える熱伝導性シート用樹脂組成物を提供することができる。また、本発明によれば、シート厚み方向の熱伝導性及び電気絶縁性に優れた熱伝導性シートを提供することができる。さらに、本発明によれば、放熱性及び電気絶縁性に優れたパワーモジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態２における熱伝導性シートの断面図である。
【図２】実施の形態３におけるパワーモジュールの断面図である。
【図３】実施例１〜５及び比較例１〜４における二次粒子の結晶化度とシート厚み方向の熱伝導率との関係を表すグラフである。
【図４】鱗片状窒化ホウ素の結晶構造を示す図である。
【図５】鱗片状窒化ホウ素を含む従来の熱伝導性シートの断面図である。
【図６】二次粒子を含む従来の熱伝導性シートの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１．
本実施の形態の熱伝導性シート用樹脂組成物（以下、「樹脂組成物」と略す。）は、熱硬化性樹脂と鱗片状窒化ホウ素の二次粒子とを含む。ここで、本明細書において「鱗片状窒化ホウ素の二次粒子」とは、鱗片状窒化ホウ素（以下、「一次粒子」と言うこともある。）を等方的に凝集させ、焼結することによって鱗片状窒化ホウ素同士を結着させたものを意味する。
二次粒子は、熱伝導性シートの製造の際に崩壊して一次粒子がシート内で倒れた状態になることを抑制するため、凝集力が大きいことが望ましい。また、熱伝導性シートの厚み方向の熱伝導性を向上させるため、二次粒子それ自体の熱伝導率が高いことも望ましい。
【００１４】
本発明者らは、二次粒子の凝集力及び熱伝導性について詳細な研究を行った結果、二次粒子の凝集力及び熱伝導性が、二次粒子の結晶化度と密接に関係していることを見出した。このような知見に基づき、本実施の形態の樹脂組成物では、二次粒子の凝集力及び熱伝導性の両方を高めるため、二次粒子の結晶化度を３以上７以下に規定する必要がある。二次粒子の結晶化度が３未満であると、一次粒子同士の結合力が弱くなり、二次粒子の凝集力が低下する。その結果、熱伝導性シートの製造の際に二次粒子が崩壊し、一次粒子がシート内で倒れた状態になり易くなる。一方、二次粒子の結晶化度が７を超えると、鱗片状窒化ホウ素のフォノンによって熱の伝導が阻害されるため、二次粒子の熱伝導率が低下する。その結果、熱伝導性シートの厚み方向の熱伝導性が十分に向上しない。
【００１５】
また、二次粒子は、全てが３以上７以下の結晶化度を有していてもよいが、全ての二次粒子のうちの６０質量％以上が３以上７以下の結晶化度を有していれば、熱伝導性シートを製造した場合にシート厚み方向の熱伝導性の向上効果が十分に得られる。３以上７以下の結晶化度を有する二次粒子が６０質量％未満であると、シート厚み方向の熱伝導性の向上効果が十分に得られない。
【００１６】
ここで、二次粒子の結晶化度は、二次粒子のＸ線回折パターンを測定することによって求めることができる。具体的には、Ｘ線回折における（１００）面、（１０１）面及び（１０２）面の各回折ピーク面積を求め、下記の（式１）に代入することによって算出することができる。
結晶化度＝［（１００）＋（１０１）］／（１０２）    （式１）
上記の式１において、（１００）、（１０１）及び（１０２）は、各面の回折ピーク面積を表す。一般に、二次粒子の結晶化度は、結晶性が低くなると大きな値となり、結晶性が高くなると小さな値となる。完全な結晶性では、二次粒子の結晶化度は１．６程度の値となる。
【００１７】
二次粒子の結晶化度の算出は、数点（好ましくは１０点）のサンプリングを行い、各サンプルから得られた結晶化度の平均値を求めることが好ましい。
樹脂組成物中の二次粒子の結晶化度を算出する場合、原料の二次粒子をサンプルとして用いればよい。また、熱伝導性シート中の二次粒子の結晶化度を算出する場合、熱伝導性シートを、電気炉を用い、空気雰囲気中、５００℃〜８００℃の温度で５〜１０時間程度熱処理して灰化することによって得られた二次粒子をサンプルとして用いればよい。
【００１８】
二次粒子を構成する鱗片状窒化ホウ素（一次粒子）の平均長径は、好ましくは１５μｍ以下、より好ましくは０．１μｍ以上１０μｍ以下である。ここで、樹脂組成物中の二次粒子を構成する鱗片状窒化ホウ素の平均長径を測定する場合、原料の二次粒子をサンプルとし、電子顕微鏡で数千倍に拡大した写真を数枚撮影した後、鱗片状窒化ホウ素の長径を実際に測定し、その測定値を平均することによって求めることができる。また、熱伝導性シート中の二次粒子を構成する鱗片状窒化ホウ素の平均長径を測定する場合、熱伝導性シートの断面を研磨して電子顕微鏡で数千倍に拡大した写真を数枚撮影した後、鱗片状窒化ホウ素の長径を実際に測定し、その測定値を平均することによって求めることができる。上記のような範囲の平均長径であれば、鱗片状窒化ホウ素があらゆる方向を向いて凝集するため、等方的な熱伝導性を有する二次粒子となる。一方、鱗片状窒化ホウ素の平均長径が１５μｍよりも大きいと、鱗片状窒化ホウ素が等方的に凝集しないため、二次粒子の熱伝導性に異方性が現れることがある（すなわち、特定方向の熱伝導性だけが高くなることがある）。その結果、シート厚み方向の熱伝導性を十分に向上させることができない場合がある。
【００１９】
二次粒子の形状は、特に限定されないが、球状であることが好ましい。二次粒子が球状であれば、二次粒子の配合量を多くしても樹脂組成物の流動性を確保することができる。
二次粒子の平均粒径は、好ましくは２０μｍ以上１８０μｍ以下、より好ましくは４０μｍ以上１３０μｍ以下である。ここで、樹脂組成物中の二次粒子の平均粒径を測定する場合、原料の二次粒子をサンプルとし、このサンプルについてレーザー回折・散乱法による粒度分布測定を行うによって求めることができる。また、熱伝導性シート中の二次粒子の平均粒径を測定する場合、熱伝導性シートを、電気炉を用いて５００℃〜８００℃の温度で空気雰囲気中にて５〜１０時間程度熱処理して灰化することによって得た二次粒子をサンプルとし、このサンプルについてレーザー回折・散乱法による粒度分布測定を行うによって求めることができる。二次粒子の平均粒径が２０μｍ未満であると、所望の熱伝導性を有する熱伝導性シートが得られないことがある。一方、二次粒子の平均粒径が１８０μｍを超えると、二次粒子を樹脂組成物中に混合分散させることが困難となり、作業性や成形性に支障を生じることがある。
また、製造する熱伝導性シートの厚さに対する二次粒子の最大粒径が大きすぎる場合、界面を伝って電気絶縁性が低下するおそれがある。そのため、二次粒子の最大粒径は、製造する熱伝導性シートの厚さの約９割以下であることが好ましい。
【００２０】
二次粒子は、鱗片状窒化ホウ素を含むスラリーをスプレードライ法等の公知の方法によって凝集させた後、焼結することによって製造することができる。ここで、焼結温度は、特に限定されることはないが、一般に約２，０００℃である。また、この方法における条件は、使用する原料等の種類によって異なるため、一義的に定義することが難しい。そのため、使用する原料等に応じて、二次粒子が上記特性を有するように適宜調整する必要がある。
【００２１】
二次粒子の含有量は、樹脂組成物の固形分（熱伝導性シート）中で２０体積％以上８０体積％以下となることが好ましい。特に、樹脂組成物の固形分中の二次粒子の含有量が３０体積％以上６５体積％以下の場合には、二次粒子を樹脂組成物中に混合分散させ易く、作業性や成形性が良好であると共に、熱伝導性シートの熱伝導性がより一層向上する。二次粒子の含有量が２０体積％未満であると、所望の熱伝導性を有する熱伝導性シートが得られないことがある。一方、二次粒子の含有量が８０体積％を超えると、二次粒子を樹脂組成物中に混合分散させることが困難となり、作業性や成形性に支障を生じることがある。
【００２２】
熱硬化性樹脂としては、特に限定されず、当該技術分野において公知のものを用いることができる。熱硬化性樹脂の例としては、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、及び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、耐熱性や接着性等の特性に優れているので好ましい。エポキシ樹脂の例としては、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、及びグリシジル−アミノフェノール系エポキシ樹脂等が挙げられる。これらの樹脂は、単独又は２種以上を組み合わせて用いることができる。
【００２３】
熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂を用いる場合、硬化剤の例としては、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及び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；無水フタル酸及び無水トリメリット酸等の芳香族酸無水物；ジシアンジアミド及び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）ウンデセン及びその誘導体；２−メチルイミダゾール、２−エチル−４−メチルイミダゾール及び２−フェニルイミダゾール等のイミダゾール類等が挙げられる。これらの硬化剤は、単独又は２種以上を組み合わせ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や硬化剤の種類等に応じて適宜設定する必要があるが、一般的に１００質量部の熱硬化性樹脂に対して０．１質量部以上２００質量部以下である。
【００２４】
本実施の形態の樹脂組成物は、二次粒子と熱硬化性樹脂の硬化物との界面の接着力を向上させる観点から、カップリング剤を含むことができる。カップリング剤の例としては、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、単独又は組み合わせ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やカップリング剤の種類等に応じて適宜設定する必要があるが、一般的に１００質量部の熱硬化性樹脂に対して０．０１質量部以上１質量部以下である。
【００２５】
本実施の形態の樹脂組成物は、熱伝導性や電気絶縁性の向上や、熱伝導性と電気絶縁性とのバランスの改善を目的として、上記の二次粒子とは異なる様々な充填材を含むことができる。充填材の例としては、溶融シリカ（ＳｉＯ２）、結晶シリカ（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）等が挙げられる。これらは、単独又は組み合わせて用いることができる。
上記の充填材の配合量は、本発明の効果を損なわない範囲であれば特に限定されず、使用する充填材の種類に応じて適宜設定すればよい。
【００２６】
本実施の形態の樹脂組成物は、当該組成物の粘度を調整する観点から、溶剤を含むことができる。溶剤としては特に限定されず、使用する熱硬化性樹脂の種類や各成分の配合量等に応じて適宜選択すればよい。かかる溶剤としては、例えば、トルエンやメチルエチルケトン等が挙げられる。これらは単独又は２種以上を組み合わせて用いることができる。
溶剤の配合量は、混練が可能な量であれば特に限定されないが、一般的に、熱硬化性樹脂、二次粒子及び任意の充填材の合計１００質量部に対して４０質量部以上８５質量部以下である。
【００２７】
上記のような構成成分を含有する本実施の形態の樹脂組成物の製造方法は、特に限定されず、公知の方法に従って行うことができる。例えば、樹脂組成物は、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と、この熱硬化性樹脂を硬化させるために必要な量の硬化剤とを混合する。次に、この混合物に溶剤を加えた後、二次粒子及び任意の充填材を加えて予備混合する。なお、樹脂組成物の粘度が低い場合には、溶剤を加えなくてもよい。次に、この予備混合物を３本ロールやニーダなどを用いて混練することによって樹脂組成物を得ることができる。なお、樹脂組成物にカップリング剤を配合する場合、カップリング剤は混練工程前までに加えればよい。
【００２８】
上記のようにして製造される本実施の形態の樹脂組成物は、所定の結晶化度を有する二次粒子を特定の割合で配合することにより、熱伝導性シートの製造の際に二次粒子が崩壊して一次粒子がシート内で倒れた状態になることを抑制すると共に、二次粒子それ自体の熱伝導性を向上させることができるため、シート厚み方向の熱伝導性に優れた熱伝導性シートを与えることができる。また、この樹脂組成物は、二次粒子が鱗片状窒化ホウ素から形成されているため、電気絶縁性に優れた熱伝導性シートを与えることができる。
【００２９】
実施の形態２．
本実施の形態の熱伝導性シートは、上記の樹脂組成物をシート状に成形した後、硬化してなるものである。すなわち、本実施の形態の熱伝導性シートは、熱硬化性樹脂の硬化物中に鱗片状窒化ホウ素の二次粒子を含む。ここで、二次粒子は、３以上７以下の結晶化度を有する二次粒子を６０質量％以上含む。
【００３０】
以下、図面を参照して本実施の形態の熱伝導性シートについて説明する。
図１は、本実施の形態における熱伝導性シートの断面図である。図１において、熱伝導性シート１は、熱硬化性樹脂の硬化物２と、この熱硬化性樹脂の硬化物２中に分散された二次粒子３とから構成されている。そして、二次粒子３は、鱗片状窒化ホウ素（一次粒子）４から構成されている。
【００３１】
本実施の形態の熱伝導性シート１は、上記の樹脂組成物を基材に塗布して乾燥した後、塗布乾燥物を加熱して硬化させることによって製造することができる。また、必要であれば塗布乾燥物を所定のプレス圧で加圧しながら加熱して硬化させてもよい。
ここで、基材としては、特に限定されず、例えば、離型処理された樹脂シートやフィルムなどの公知の離型性基材が挙げられる。また、熱伝導性シート１を放熱部材上に直接形成する場合には、放熱部材を基材として用いてもよい。ここで、放熱部材としては特に限定されないが、例えば、リードフレーム、ヒートシンク、ヒートスプレッダなどが挙げられる。
樹脂組成物の塗布方法としては、特に限定されず、ドクターブレード法等の公知の方法を用いることができる。
塗布した樹脂組成物の乾燥は、周囲温度で行ってよいが、溶剤の揮発を促進させる観点から、必要に応じて８０℃以上１５０℃以下に加熱してもよい。
【００３２】
塗布乾燥物を加圧する場合、プレス圧は、特に限定されないが、好ましくは０．５ＭＰａ以上５０ＭＰａ以下、より好ましくは１．９ＭＰａ以上３０ＭＰａ以下である。また、プレス時間は、特に限定されないが、一般的に５分以上６０分以下である。
塗布乾燥物の硬化温度は、使用する熱硬化性樹脂の種類にあわせて適宜設定すればよいが、一般的に１５０℃以上２５０℃以下である。また、硬化時間は、特に限定されないが、一般的に２分以上２４時間以下である。
【００３３】
上記のようにして製造される本実施の形態の熱伝導性シートは、所定の結晶化度を有する二次粒子を特定の割合で配合することにより、熱伝導性シートの製造の際に二次粒子が崩壊して一次粒子がシート内で倒れた状態になることを抑制すると共に、二次粒子それ自体の熱伝導性を向上させることができるため、シート厚み方向の熱伝導性に優れている。また、この熱伝導性シートは、二次粒子が鱗片状窒化ホウ素から形成されているため、電気絶縁性にも優れている。
【００３４】
実施の形態３．
本実施の形態のパワーモジュールは、上記の樹脂組成物から得られる熱伝導性シートを具備する。すなわち、本実施の形態のパワーモジュールは、一方の放熱部材に搭載された電力半導体素子と、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、半導体素子で発生する熱を一方の放熱部材から他方の放熱部材に伝達する、上記の熱伝導性シートとを備えることを特徴とする。
【００３５】
以下、本実施の形態のパワーモジュールについて図面を用いて説明する。
図２は、本実施の形態のパワーモジュールの断面図である。図２において、パワーモジュール１０は、一方の放熱部材であるリードフレーム１２と、他方の放熱部材であるヒートシンク１４と、リードフレーム１２とヒートシンク１４との間に配置された熱伝導性シート１１と、リードフレーム１２に搭載された電力半導体素子１３及び制御用半導体素子１５とを備えている。そして、電力半導体素子１３と制御用半導体素子１５との間、及び電力半導体素子１３とリードフレーム１２との間は、金属線１６によってワイヤボンディングされている。また、リードフレーム１２の外部接続部、及びヒートシンク１４の外部放熱部以外は封止樹脂１７で封止されている。
【００３６】
このパワーモジュールにおいて、熱伝導性シート１１以外の部材は特に限定されず、当該技術分野において公知のものを用いることができる。例えば、電力半導体素子１３としては、ケイ素によって形成されたものを用いることができるが、ケイ素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成されたものを用いることが好ましい。ワイドバンドギャップ半導体としては、例えば、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドが挙げられる。
ワイドバンドギャップ半導体によって形成された電力半導体素子１３は、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、電力半導体素子１３の小型化が可能となる。そして、このように小型化された電力半導体素子１３を用いることにより、電力半導体素子１３を組み込んだパワーモジュールの小型化も可能になる。
また、ワイドバンドギャップ半導体により形成された電力半導体素子１３は、耐熱性も高いため、リードフレーム１２やヒートシンク１４などの放熱部材などの小型化にもつながり、パワーモジュールの一層の小型化が可能になる。
さらに、ワイドバンドギャップ半導体により形成された電力半導体素子１３は、電力損失も低いため、素子としての高効率化も可能となる。
【００３７】
パワーモジュールに熱伝導性シート１１を組み込む方法としては、特に限定されることはなく、公知の方法に従って行うことができる。例えば、熱伝導性シート１１を別個に作製した場合、電力半導体素子１３などの各種部品を搭載したリードフレーム１２と、ヒートシンク１４との間に熱伝導性シート１１を挟み込んだ後、これをトランスファーモールド成型用金型に配置し、トランスファーモールド成型装置を用いて封止樹脂１７を金型に流し込み、加圧及び加熱して封止すればよい。
また、ヒートシンク１４に熱伝導性シート１１を直接形成した場合、電力半導体素子１３などの各種部品を搭載したリードフレーム１２を熱伝導性シート１１上に配置した後、これをトランスファーモールド成型用金型に配置し、トランスファーモールド成型装置を用いて封止樹脂１７を金型に流し込み、加圧及び加熱して封止すればよい。
なお、上記では、トランスファーモールド法による封止方法を説明したが、それ以外の公知の方法（例えば、プレス成形法、射出成形法、押出成形法）などを用いてもよい。
【００３８】
特に、パワーモジュールに熱伝導性シート１１を組み込む場合、熱硬化性樹脂がＢステージ状態（半硬化状態）にある熱伝導性シート１１を予め作製しておき、これをリードフレーム１２とヒートシンク１４との間に挟みこんだ後、所定のプレス圧で加圧しながら１５０℃以上２５０℃以下に加熱することで熱伝導性シート１１を作製することが好ましい。この方法によれば、熱伝導性シート１１に対するリードフレーム１２及びヒートシンク１４の接着性を高めることができる。
【００３９】
上記のようにして製造される本実施の形態のパワーモジュールは、シート厚み方向の熱伝導性及び電気絶縁性に優れた熱伝導性シートを有しているので、放熱性及び電気絶縁性が高い。
【実施例】
【００４０】
以下、実施例及び比較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。
下記の実施例及び比較例で用いた二次粒子は、鱗片状窒化ホウ素（一次粒子）を含むスラリーをスプレードライ法等の公知の方法によって凝集させた後、約２，０００℃で焼結することによって製造した。原料や製造条件等を変えて作製した様々な二次粒子について、Ｘ線回折パターンを測定し、結晶化度を算出した。なお、一次粒子の平均長径及び二次粒子の平均粒径は上記の方法によって求めた。作製した二次粒子の特徴を表１に示す。
【００４１】
【表１】
0005791488.tif 000002
【００４２】
（実施例１）
液状のビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（熱硬化性樹脂、ジャパンエポキシレジン株式会社製エピコート８２８）１００質量部と、１−シアノエチル−２−メチルイミダゾール（硬化剤、四国化成工業株式会社製キュアゾール２ＰＮ−ＣＮ）１質量部とを混合した後、メチルエチルケトン（溶剤）１６６質量部をさらに加えて混合攪拌した。次に、この混合物に、二次粒子Ｎｏ．Ｃを２８７質量部加えて混合した。次に、この混合物を三本ロールにて混練し、二次粒子Ｎｏ．Ｃが均一に分散された樹脂組成物を得た。
【００４３】
次に、この樹脂組成物を厚さ１０５μｍの銅箔（放熱部材）上にドクターブレード法にて塗布した後、１１０℃で１５分間加熱乾燥させることによって、厚さが１００μｍでＢステージ状態の熱伝導性シートを得た。
次に、銅箔上に形成したＢステージ状態の熱伝導性シートを、熱伝導性シート側が内側になるように２枚重ねた後、１２０℃で１時間加熱し、さらに１６０℃で３時間加熱することで、熱硬化性樹脂を完全に硬化させ、２つの銅箔に挟まれた熱伝導性シートを得た。
【００４４】
（実施例２）
二次粒子Ｎｏ．Ｃの代わりに二次粒子Ｎｏ．Ｄを用いたこと以外は実施例１と同様にして、樹脂組成物及び２つの銅箔に挟まれた熱伝導性シートを得た。
（実施例３）
二次粒子Ｎｏ．Ｃの代わりに二次粒子Ｎｏ．Ｅを用いたこと以外は実施例１と同様にして、樹脂組成物及び２つの銅箔に挟まれた熱伝導性シートを得た。
（実施例４）
二次粒子Ｎｏ．Ｃの代わりに二次粒子Ｎｏ．Ｆを用いたこと以外は実施例１と同様にして、樹脂組成物及び２つの銅箔に挟まれた熱伝導性シートを得た。
（実施例５）
二次粒子Ｎｏ．Ｃの代わりに二次粒子Ｎｏ．Ｇを用いたこと以外は実施例１と同様にして、樹脂組成物及び２つの銅箔に挟まれた熱伝導性シートを得た。
【００４５】
（比較例１）
二次粒子Ｎｏ．Ｃの代わりに二次粒子Ｎｏ．Ａを用いたこと以外は実施例１と同様にして、樹脂組成物及び２つの銅箔に挟まれた熱伝導性シートを得た。
（比較例２）
二次粒子Ｎｏ．Ｃの代わりに二次粒子Ｎｏ．Ｂを用いたこと以外は実施例１と同様にして、樹脂組成物及び２つの銅箔に挟まれた熱伝導性シートを得た。
（比較例３）
二次粒子Ｎｏ．Ｃの代わりに二次粒子Ｎｏ．Ｈを用いたこと以外は実施例１と同様にして、樹脂組成物及び２つの銅箔に挟まれた熱伝導性シートを得た。
（比較例４）
二次粒子Ｎｏ．Ｃの代わりに二次粒子Ｎｏ．Ｉを用いたこと以外は実施例１と同様にして、樹脂組成物及び２つの銅箔に挟まれた熱伝導性シートを得た。
【００４６】
上記の実施例及び比較例で得られた熱伝導性シートについて、シート厚み方向の熱伝導率をレーザーフラッシュ法にて測定した。この熱伝導率の測定結果は、比較例１の熱伝導性シートで得られた熱伝導率を基準とし、各実施例又は各比較例の熱伝導性シートで得られた熱伝導率の相対値（［各実施例又は各比較例の熱伝導性シートで得られた熱伝導率］／［比較例１の熱伝導性シートで得られた熱伝導率］の値）として表２に示す。
【００４７】
また、上記の熱伝導性シートについて、絶縁破壊電界（ＢＤＥ）を評価した。熱伝導性シートの絶縁破壊電界（ＢＤＥ）は、油中で、銅箔に挟まれた熱伝導性シートに１ｋＶ／秒の一定昇圧にて電圧を印加することにより測定された絶縁破壊電圧（ＢＤＶ）を熱伝導性シートの厚さで割ることにより算出した。この絶縁破壊電界（ＢＤＥ）の結果は、実施例１の熱伝導性シートで得られたＢＤＥを基準とし、各実施例又は比較例の熱伝導性シートで得られたＢＤＥの相対値（［各実施例又は比較例の熱伝導性シートで得られたＢＤＥ］／［実施例１の熱伝導性シートで得られたＢＤＥ］の値）として表２に示す。
なお、表２では、上記の各実施例及び比較例で使用した構成成分の配合量等についてもまとめた。また、配合量については質量部を用いて表した。
【００４８】
【表２】
0005791488.tif 000003
【００４９】
表２に示されているように、３以上７以下の結晶化度を有する二次粒子を用いた実施例１〜５の熱伝導性シートは、シート厚み方向の熱伝導率が高かったのに対し、３未満又は７超過の結晶化度を有する二次粒子を用いた比較例１〜４の熱伝導性シートは、シート厚み方向の熱伝導率が低かった。これは、二次粒子の結晶化度が３未満となると、二次粒子の凝集力が著しく低下し、熱伝導性シートの製造の際に二次粒子が崩壊する結果、一次粒子がシート厚み方向に垂直に配向してしまうことが原因と考えられる（図６参照）。一方、二次粒子の結晶化度が７を超えると、二次粒子それの熱伝導率が低下してしまうことが原因と考えられる。
上記の実施例１〜５及び比較例１〜４の結果を基に、二次粒子の結晶化度とシート厚み方向の熱伝導率との関係を表すグラフを図３に示す。図３に示すように、二次粒子の結晶化度とシート厚み方向の熱伝導性には密接な関係があることがわかる。
【００５０】
（実施例６）
二次粒子Ｎｏ．Ｃの代わりに、二次粒子Ｎｏ．Ｂを１１４．８質量部及び二次粒子Ｎｏ．Ｄを１７２．８質量部用いたこと以外は実施例１と同様にして、樹脂組成物及び２つの銅箔に挟まれた熱伝導性シートを得た。
（実施例７）
二次粒子Ｎｏ．Ｃの代わりに、二次粒子Ｎｏ．Ｂを５７．４質量部及び二次粒子Ｎｏ．Ｄを２２９．６質量部用いたこと以外は実施例１と同様にして、樹脂組成物及び２つの銅箔に挟まれた熱伝導性シートを得た。
（実施例８）
二次粒子Ｎｏ．Ｃの代わりに、二次粒子Ｎｏ．Ｂを２８．７質量部及び二次粒子Ｎｏ．Ｄを２５８．３質量部用いたこと以外は実施例１と同様にして、樹脂組成物及び２つの銅箔に挟まれた熱伝導性シートを得た。
【００５１】
（実施例９）
メチルエチルケトン（溶剤）の量を７８質量部にすると共に、二次粒子Ｎｏ．Ｃの代わりに二次粒子Ｎｏ．Ｄを用い、その量を８２質量部にしたこと以外は実施例１と同様にして、樹脂組成物及び２つの銅箔に挟まれた熱伝導性シートを得た。
（実施例１０）
メチルエチルケトン（溶剤）の量を１０２質量部にすると共に、二次粒子Ｎｏ．Ｃの代わりに二次粒子Ｎｏ．Ｄを用い、その量を１２７質量部にしたこと以外は実施例１と同様にして、樹脂組成物及び２つの銅箔に挟まれた熱伝導性シートを得た。
（実施例１１）
メチルエチルケトン（溶剤）の量を２３４質量部にすると共に、二次粒子Ｎｏ．Ｃの代わりに二次粒子Ｎｏ．Ｄを用い、その量を４４６質量部にしたこと以外は実施例１と同様にして、樹脂組成物及び２つの銅箔に挟まれた熱伝導性シートを得た。
【００５２】
（比較例５）
二次粒子Ｎｏ．Ｃの代わりに、二次粒子Ｎｏ．Ｂを１２９．２質量部及び二次粒子Ｎｏ．Ｄを１５７．９質量部用いたこと以外は実施例１と同様にして、樹脂組成物及び２つの銅箔に挟まれた熱伝導性シートを得た。
【００５３】
上記の実施例及び比較例で得られた熱伝導性シートについて、シート厚み方向の熱伝導率及び絶縁破壊電界（ＢＤＥ）を評価した。これらの評価は、上記と同様の基準を用い、相対値として表３に示す。
なお、表３では、上記の各実施例及び比較例で使用した構成成分の配合量等についてもまとめた。また、配合量については質量部を用いて表した。
【００５４】
【表３】
0005791488.tif 000004
【００５５】
表３に示されているように、二次粒子全体に占める３以上７以下の結晶化度を有する二次粒子の割合が６０質量％以上である熱伝導性シートは、シート厚み方向の熱伝導率が高かったのに対し、この割合が５５質量％である熱伝導性シートは、シート厚み方向のシート厚み方向の熱伝導率が低かった（実施例６〜８と比較例５との比較）。また、二次粒子の含有量が３０〜７０体積％である熱伝導性シートは、シート厚み方向の熱伝導率が高かった（実施例９〜１１）。
【００５６】
次に、実施例１〜１１の熱伝導性シートを用い、トランスファーモールド法により封止樹脂で封止して、パワーモジュールを作製した。
このパワーモジュールにおいて、リードフレームと銅のヒートシンクの中央部とに熱電対を取り付けた後、パワーモジュールを稼動させ、リードフレームとヒートシンクとの温度をそれぞれ測定した。その結果、実施例１〜１１の熱伝導性シートを用いたパワーモジュールはいずれも、リードフレームとヒートシンクとの温度差が小さく、放熱性に優れていた。
【００５７】
以上の結果からわかるように、本発明によれば、シート厚み方向の熱伝導性及び電気絶縁性に優れた熱伝導性シートを与える熱伝導性シート用樹脂組成物を提供することができる。また、本発明によれば、シート厚み方向の熱伝導性及び電気絶縁性に優れた熱伝導性シートを提供することができる。さらに、本発明によれば、放熱性及び電気絶縁性に優れたパワーモジュールを提供することができる。
【符号の説明】
【００５８】
１  熱伝導性シート、２  熱硬化性樹脂の硬化物、３  二次粒子、４  鱗片状窒化ホウ素、１０  パワーモジュール、１１  熱伝導性シート、１２  リードフレーム、１３  電力半導体素子、１４  ヒートシンク、１５  制御用半導体素子、１６  金属線、１７  封止樹脂。
【図１】
0005791488.tif 000005
【図２】
0005791488.tif 000006
【図３】
0005791488.tif 000007
【図４】
0005791488.tif 000008
【図５】
0005791488.tif 000009
【図６】
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