(57)【要約】  【課題】接着性と絶縁性を低下させることなく熱伝導率を向上することができ、半導体素子と放熱部材との接続に好適に用いることができる熱伝導性接着剤、及びこれを用いた放熱モジュール、電力変換装置を提供すること。  【解決手段】半導体素子と放熱部材を直接又は他の部材を介して接続するための熱伝導性接着剤であって、絶縁性樹脂、平均粒径１５μｍ〜３０μｍの窒化アルミニウム粒子、及び平均粒径０．５μｍ〜２μｍの略球状アルミナ粒子を含有し、前記窒化アルミニウム粒子と前記略球状アルミナ粒子の混合比率（体積比）が７０：３０〜８０：２０であり、  前記窒化アルミニウム粒子と前記略球状アルミナ粒子の合計量が、前記絶縁性樹脂、前記窒化アルミニウム粒子、及び前記アルミナ粒子の合計量に対して６０〜７０体積％であることを特徴とする、熱伝導性接着剤。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と放熱部材を直接又は他の部材を介して接続するための熱伝導性接着剤であって、
絶縁性樹脂、平均粒径１５μｍ〜３０μｍの窒化アルミニウム粒子、及び平均粒径０．５μｍ〜２μｍの略球状アルミナ粒子を含有し、
前記窒化アルミニウム粒子と前記略球状アルミナ粒子の混合比率（体積比）が７０：３０〜８０：２０であり、
前記窒化アルミニウム粒子と前記略球状アルミナ粒子の合計量が、前記絶縁性樹脂、前記窒化アルミニウム粒子、及び前記アルミナ粒子の合計量に対して６０〜７０体積％であることを特徴とする、熱伝導性接着剤。
【請求項２】
前記絶縁性樹脂が、エポキシ樹脂を主成分とすることを特徴とする、請求項１に記載の熱伝導性接着剤。
【請求項３】
半導体素子、前記半導体素子に接続した配線材、及び放熱部材を有する放熱モジュールであって、前記配線材と前記放熱部材が請求項１又は２に記載の熱伝導性接着剤を介して接続されていることを特徴とする放熱モジュール。
【請求項４】
請求項３に記載の放熱モジュールと制御装置を有する電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は熱伝導性接着剤、及びそれを用いた放熱モジュール、電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッド自動車、燃料電池自動車等の電気自動車に搭載されるモータ駆動用のインバータ装置や電力回生用電力変換装置には、スイッチング素子等の種々の半導体素子が使用されている。バッテリーの大容量化や高速スイッチング化に伴ってこのような半導体素子に流れる電流が大きくなり、半導体素子の温度上昇が問題となっている。
【０００３】
半導体素子の温度上昇を抑えるために、放熱フィン等の放熱部材を半導体素子に接続して使用している。たとえば、半導体素子を使用した放熱モジュールでは、図１に示すように、半導体素子１に半田層２を介して配線材３が接続され、さらに接着剤４を介して配線材３と放熱部材５が接続されている。このような構造とすることで半導体素子１の温度上昇を抑えることができる。
【０００４】
半導体素子１に発生した熱を効率良く放熱部材に伝えるためには、接着剤４の熱伝導率を上げることが重要である。このため、種々の熱伝導性接着剤が検討されており、絶縁性の樹脂中に熱伝導率の高いフィラーを分散させた樹脂組成物が熱伝導性接着剤として使用されている。
【０００５】
窒化アルミニウム粒子は熱伝導率が高く、熱伝導性接着剤に使用するフィラーとして適している。特許文献１には窒化アルミニウム焼結体の粉砕物からなり、平均粒子径が５０μｍ以下であって３μｍ以下の微粉の含有率が１０％以下であることを特徴とする樹脂充填用窒化アルミニウム粉末、及びこの窒化アルミニウム粉末を含有する樹脂組成物が開示されている。
【特許文献１】特開２００１−１５８６０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
熱伝導性接着剤の熱伝導率を向上させるためには、フィラーの充填量を上げ、隣接するフィラー同士の密着力を向上させることが必要である。しかしフィラーの充填量を上げすぎると接着性が悪くなり、半導体素子から放熱部材に至る放熱経路中で、所要の接着力が得られない。また特許文献１では、銅、銀、金などの熱伝導率の高い金属粉末を窒化アルミニウム粉末と混合して使用することも提案されている。しかし金属粉末は導電性であるため、このような粉末を使用して作成した熱伝導性接着剤は絶縁性を確保できない。一般に放熱部材としては熱伝導率の高い金属を使用することが多い。図１のような構造の放熱モジュールでは半導体素子１と配線材３の間に電流を流しており、接着層４の絶縁抵抗が低くなると配線材３から放熱部材５にも電流が流れてしまい、絶縁破壊電圧の低下やリーク電流の発生などの問題が起こる。
【０００７】
本発明は前記問題を解決するものであり、接着性と絶縁性を低下させることなく熱伝導率を向上することができ、半導体素子と放熱部材との接続に好適に用いることができる熱伝導性接着剤を提供する。さらにこの熱伝導性接着剤を用いることで温度上昇を抑えた放熱モジュール、及び電力変換装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、半導体素子と放熱部材を直接又は他の部材を介して接続するための熱伝導性接着剤であって、絶縁性樹脂、平均粒径１５μｍ〜３０μｍの窒化アルミニウム粒子、及び平均粒径０．５μｍ〜２μｍの略球状アルミナ粒子を含有し、前記窒化アルミニウム粒子と前記略球状アルミナ粒子の混合比率（体積比）が７０：３０〜８０：２０であり、
前記窒化アルミニウム粒子と前記略球状アルミナ粒子の合計量が、前記絶縁性樹脂、前記窒化アルミニウム粒子、及び前記アルミナ粒子の合計量に対して６０〜７０体積％であることを特徴とする熱伝導性接着剤である（請求項１）。
【０００９】
先述したように、窒化アルミニウム粒子等のフィラーを含む熱伝導性接着剤において、フィラーの充填密度は熱伝導性に大きく影響し、フィラーの充填密度が高くなるほど熱伝導性を向上できる。ここでフィラーの球状度が良く、かつ粒径が揃っていると、フィラーの充填密度を高くできる。図２は理想的なフィラーの充填状態を示す模式図である。球状度が高く粒径の揃ったフィラー６は互いに密着して配列することができ、このようなフィラーを使用した熱伝導接着剤では熱伝導率が高くなる。
【００１０】
しかし一般に窒化アルミニウム粒子の球状度は高くない。これは、窒化アルミニウム粒子は粉砕物として得られることが多いからである。これに対し、アルミナ粒子は球状度の高い物が得られやすいが、アルミナの熱伝導率は窒化アルミニウムの熱伝導率に比べて低い。本発明者はこれらの粒子の形状に着目し、平均粒径１５μｍ〜３０μｍの窒化アルミニウム粒子に対して、平均粒径０．５μｍ〜２μｍの略球状アルミナ粒子を組み合わせて使用することでフィラーの充填密度を高くして熱伝導率を向上できることを見いだした。図３は本発明のフィラーの充填状態を示す模式図である。窒化アルミニウム粒子７の隙間を略球状アルミナ粒子８が埋めている。このような組み合わせとすることでフィラーの充填密度を高くでき、熱伝導率の高い熱伝導性接着剤が得られる。
【００１１】
また本発明は、前記絶縁性樹脂が、エポキシ樹脂を主成分とすることを特徴とする、請求項１に記載の熱伝導性接着剤である（請求項２）。エポキシ樹脂は耐熱性が高く、半導体素子の発熱量が大きくなった場合においても接続信頼性の高い熱伝導性接着剤を得ることができる。
【００１２】
また本発明は、半導体素子に接続した配線材、及び放熱部材を有する放熱モジュールであって、前記配線材と前記放熱部材が請求項１又は２に記載の熱伝導性接着剤を介して接続されていることを特徴とする放熱モジュールである（請求項３）。上記のような熱伝導性接着剤を使用することで、半導体素子に発生した熱を効率良く放熱でき、半導体素子の温度上昇を抑えることができる。
【００１３】
また本発明は、請求項３に記載の放熱モジュールと制御装置を有する電力変換装置である（請求項４）。上記のような熱伝導性接着剤を使用することで温度上昇の起こりにくい電力変換装置が得られる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、接着性と絶縁性を低下させることなく熱伝導率を向上することができ、半導体素子と放熱部材との接続に好適に用いることができる熱伝導性接着剤を提供する。さらに、温度上昇を抑えた放熱モジュール、及び電力変換装置を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明に使用する窒化アルミニウム粒子としては、市販されている種々の粒子を使用することができる。形状は特に限定されず、無定型、焼結、粉砕状、球状などのものを使用できる。窒化アルミニウム粒子の平均粒径は１５μｍ〜３０μｍとする。平均粒径が３０μｍを超えると、熱伝導性接着剤を塗布した時に表面が粗くなって、薄く塗布することができない。また平均粒径が１５μｍよりも小さいと、粒子同士が効率良く接触できず、熱伝導性が低下する。なお平均粒径は、レーザードップラー法を応用した粒度分布測定装置等により測定でき、５０％累積粒度径を平均粒径とする。
【００１６】
本発明に使用する略球状アルミナ粒子は、略球状のものであれば特に制限無く、市販されている種々の粒子を使用することができる。略球状アルミナ粒子の平均粒径は０．５μｍ〜２μｍとする。平均粒径が２μｍよりも大きいと、上記の窒化アルミニウム粒子との組み合わせ効果を発揮することができない。また平均粒径が０．５μｍよりも小さいと粒子同士が効率良く接触できず、熱伝導性が低下する。
【００１７】
さらに、窒化アルミニウム粒子と略球状アルミナ粒子の組み合わせ効果を発揮し、充填密度を高めるために、窒化アルミニウム粒子と略球状アルミナ粒子の混合比率は体積比で７０：３０〜８０：２０とする。アルミナ粒子の熱伝導率は窒化アルミニウムの熱伝導率と比べると低いため、アルミナ粒子の割合が３０体積％よりも多くなると、熱伝導性接着剤全体の熱伝導率を上げることができない。またアルミナ粒子の割合が２０体積％よりも少ないと、上記の組み合わせ効果を発揮することができない。
【００１８】
なお、樹脂中にフィラーを混合した樹脂組成物の熱伝導率は、以下に示す式（ブラッグマンの予測式）により予測することができる。
【００１９】
【数１】
2008258254.tif 000003
φ  ：フィラーの体積充填率
λｅ：フィラー混合後の樹脂の熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）
λｄ：フィラーの熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）
λｃ：樹脂の熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）
【００２０】
この予測式はフィラーが樹脂中に良好に分散している理想的な状態を示しており、フィラーの球状度が高い場合には実際の熱伝導率と式から予測される熱伝導率は一致する。しかし先述したように窒化アルミニウム粒子の球状度は高くないため、フィラーの体積充填率が６０％を超えると理想的な充填状態とはならず、実際の樹脂組成物の熱伝導率は予測値よりも低くなる。
【００２１】
しかし窒化アルミニウム粒子と略球状アルミナ粒子を上記の比率で混合して使用することでフィラーの充填状態が良くなり、フィラーの体積充填率を上げてもブラッグマンの予測式から計算される値に近い熱伝導率を持つ樹脂組成物が得られる。
【００２２】
さらに、窒化アルミニウム粒子と略球状アルミナ粒子の合計量（フィラー量）は、絶縁性樹脂及びフィラー量の合計量に対して６０〜７０体積％とする。フィラー量が７０体積％を超えると接着力が低下し、接続信頼性が悪くなる。またフィラー量が６０％よりも少ないと熱伝導率が低くなる。なお、本発明の効果を妨げない範囲において、フィラーとして窒化アルミニウム粒子、略球状アルミナ粒子以外の無機粒子を更に添加しても良い。
【００２３】
本発明に使用する絶縁性樹脂としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、アクリル樹脂、メラミン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂等を使用することができる。熱伝導性接着剤の耐熱性を考慮すると熱硬化性樹脂を使用することが好ましく、特にエポキシ樹脂を使用することが好ましい。エポキシ樹脂の種類は特に限定されないが、ビスフェノールＡ、Ｆ、Ｓ、ＡＤ等を骨格とするビスフェノール型エポキシ樹脂等の他、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂等が例示される。さらにエポキシ樹脂の硬化剤として公知のものを適宜選択して使用することができる。これらの絶縁性樹脂は溶剤に溶解して使用することもできる。
【００２４】
さらに要求特性に応じて硬化促進剤、酸化防止剤、チクソ剤、レベリング剤等の添加剤を混合しても良い。これらの材料を３本ロール、回転攪拌脱泡機、ボールミルなどにより混合、分散して均一な状態として熱伝導性接着剤を作製する。
【００２５】
さらに本発明は、半導体素子、前記半導体素子に接続した配線材、及び放熱部材を有し、前記配線材と前記放熱部材がこれらの熱伝導性接着剤を介して接続されていることを特徴とする放熱モジュール、及びこの放熱モジュールと制御装置を有する電力変換装置を提供する。この放熱モジュール及び電力変換装置は、ハイブリッド自動車や燃料電池自動車等の電気自動車において、例えばモータ駆動用のインバータ装置として適用されるものである。半導体素子としては、ＳｉＣ（シリコンカーバイト）、ＧａＮ（窒化ガリウム）等が使用される。また配線材としては、銅または銅合金等からなる金属板で形成されたバスバー等が使用される。放熱部材としては、熱伝導性にすぐれた金属板等が使用できる。
【００２６】
次に発明を実施するための最良の形態を実施例により説明する。実施例は本発明の範囲を限定するものではない。
【実施例】
【００２７】
（実施例１）
（熱伝導性接着剤の作製）
エポキシ樹脂、及び硬化剤としてジシアンジアミドを酢酸ブチルセロソルブに溶解した絶縁性樹脂溶液を作製した。ここにフィラーとして平均粒径３０μｍの窒化アルミニウム粒子と平均粒径１μｍのアルミナ粒子を体積比で７５：２５となるように加えて均一になるように混合し、フィラー含有量７０体積％の熱伝導性接着剤を作製した。
【００２８】
（熱伝導率の評価）
作製した熱伝導性接着剤のサンプルを基材に塗布し、１５０℃３０分、２２０℃１時間熱処理して硬化させ、０．１ｍｍ厚みのシートを作製した。得られたシートの熱伝導率を京都電子工業製ＴＰＡ−５０１を用いてホットディスク法で測定した。
【００２９】
（接着力評価）
作製した熱伝導性接着剤のサンプルを厚み１．５ｍｍのアルミニウム板に塗布し、１５０℃３０分乾燥した後、オーバーラップ面積が１０ｍｍ角になるように厚み１．５ｍｍのアルミニウム板を重ね合わせ、２２０℃で１時間硬化させてアルミニウム板同士を接着した。５ｍｍ／ｍｉｎで引張試験を行い、剪断接着力を測定した。接着力８ＭＰａ以上を合格とする。
【００３０】
（絶縁性評価：絶縁破壊電圧）
熱伝導率の評価と同様に作製した０．１ｍｍ厚みのシートサンプルを２３℃、５０％ＲＨ雰囲気で５分間処理した後、ＪＩＳ Ｋ６９１１に準拠して１００ｋＶ・３ｋＶ絶縁耐力試験装置で絶縁破壊電圧を測定した。絶縁破壊電圧１０ｋＶ／ｍｍ以上を合格とする。
【００３１】
（絶縁性評価：リーク電流）
熱伝導率の評価と同様に作製した０．１ｍｍ厚みのシートサンプルの表面に１０ｍｍφの電極、裏面に２６ｍｍφの電極を貼り合わせ、５０Ｈｚ ＡＣ１．５ｋＶを印加して６０秒間の最大リーク電流を計測した。最大リーク電流０．１ｍＡ以下を合格とする。
【００３２】
（実施例２）
フィラー含有量を６２体積％としたこと以外は実施例１と同様にして熱伝導性接着剤を作製し、一連の評価を行った。
【００３３】
（比較例１）
フィラー含有量を５５体積％としたこと以外は実施例１と同様に熱伝導性接着剤を作製し、一連の評価を行った。
【００３４】
（比較例２）
フィラーとして、平均粒径１３μｍのアルミナ粒子と、平均粒径１μｍの略球状アルミナ粒子を体積比で７５：２５とし、フィラー含有量を６７体積％としたこと以外は実施例１と同様に熱伝導性接着剤を作製し、一連の評価を行った。以上の結果を表１に示す。
【００３５】
【表１】
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【００３６】
表１に示すように、比較例１はフィラー充填率が５５体積％と低いため、熱伝導率が低くなっており要求特性を満たさない。また比較例２では熱伝導率の低いアルミナ粒子のみを使用しているため、フィラー充填率を６７％と高くしても熱伝導率が低くなっている。これに対して本発明の実施例１、２は熱伝導率が高く、また接着力、リーク電流、絶縁破壊電圧も要求特性を満たしている。
【００３７】
ここでブラッグマンの予測式によりフィラーとして窒化アルミニウム粒子のみを使用したときのフィラー体積充填率と熱伝導率を計算し、これに実施例１、２の熱伝導率と体積充填率をプロットすると図４のようになる。なお窒化アルミニウム粒子の熱伝導率を２００Ｗ／ｍ・Ｋ、樹脂の熱伝導率を０．２Ｗ／ｍ・Ｋとして計算している。
【００３８】
アルミナ粒子の熱伝導率は窒化アルミニウム粒子の熱伝導率よりも低いため、両者の混合フィラーの熱伝導率は窒化アルミニウム単独の粒子に比べて低くなり、混合フィラーを使用した樹脂組成物（熱伝導性接着剤）の熱伝導率は窒化アルミニウム粒子単体を使用した場合に比べて低くなると予想された。しかし実施例１、２の熱伝導率はブラッグマンの予測式から計算される熱伝導率とほぼ同じ値となっており、予想値を上回る熱伝導率となった。このことからも本発明の熱伝導性接着剤が熱伝導性に優れていることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】放熱モジュールの構造を示す、断面模式図である。
【図２】理想的なフィラーの充填状態を示す模式図である。
【図３】本発明の熱伝導接着剤のフィラー充填状態を示す模式図である。
【図４】本発明の熱伝導接着剤の熱伝導率と、フィラー充填率との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  半導体素子
２  半田層
３  配線材
４  接着剤
５  放熱部材
６  球状フィラー
７  窒化アルミニウム粒子
８  略球状アルミナ粒子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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