(57)【要約】【課題】  接続信頼性をこれまで以上に向上させることができる導電性接着シートの提供を課題とする。【解決手段】  上記課題を解決するために本発明は、導電性接着シートにおいて、シートの面方向の電気的な或いは熱的な若しくは電気的かつ熱的な伝達路を構成する基材１を、少なくとも２つ被接合体の一方の熱膨張係数とその他方の熱膨張係数との間の熱膨張係数を有する金属箔から形成することを特徴とする。このような構成を採用した本発明によれば、熱膨張差によって、基体１と被接合体との間の電気的な或いは熱的な若しくは電気的かつ熱的な伝達路を構成する突起層２にかかる応力を緩和することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱膨張係数の異なる少なくとも２つの被接合体を接合してそれらを電気的に或いは熱的に若しくは電気的かつ熱的に接続するものであって、
基材と、
該基材の両面或いは片面に形成された突起層と、
該突起層に充填された樹脂組成物と
を有し、
前記基材は、
金属箔から形成されており、
かつシートの面方向の電気的な或いは熱的な若しくは電気的かつ熱的な伝達路を形成するものであり、
かつ少なくとも２つ被接合体の一方の熱膨張係数とその他方の熱膨張係数との間の熱膨張係数を有するものであり、
前記突起層は、
複数の金属柱を備えており、
かつ少なくとも２つの被接合体と前記基材との間の電気的な或いは熱的な若しくは電気的かつ熱的な伝達路を形成するものであり、
前記複数の金属柱は、先端が前記樹脂組成物の表面から露出するように、前記基材の表面に設けられており、
前記樹脂組成物は、前記複数の金属柱が、少なくとも２つの被接合体に接触した状態で、少なくとも２つの被接合体を接着し、少なくとも２つの被接合体を接合する
ことを特徴とする導電性接着シート。
【請求項２】
請求項１に記載の導電性接着シートにおいて、
前記金属箔は、第１の金属材の両面に第２の金属材を積層した複合金属材からなり、
前記第１の金属材は、前記第２の金属材の熱膨張係数よりも低い熱膨張係数を有するものであり、
前記第２の金属材は、前記第１の金属材の体積抵抗率よりも低い体積抵抗率を有するものである
ことを特徴とする導電性接着シート。
【請求項３】
請求項２に記載の導電性接着シートにおいて、
前記第１の金属材は、ニッケルが３０〜５５重量％含有した鉄ニッケル合金であり、
前記第２の金属材は銅である
ことを特徴とする導電性接着シート。
【請求項４】
請求項１に記載の導電性接着シートにおいて、
前記先端には、銅，ニッケル，金，錫，アルミニウムのいずれかを主体とする金属層が設けられている
ことを特徴とする導電性接着シート。
【請求項５】
車載用バッテリから供給された直流電力を、半導体素子で構成された変換回路によって交流電力に変換し、変換された交流電力を電動機に供給する自動車用電力変換装置に具備されており、
かつ車載用バッテリに電気的に接続された導電性部材と半導体素子との間の接合及び電動機に電気的に接続された導電性部材と半導体素子との間の接合に少なくとも用いられている
自動車用電力変換装置の接合部材であって、
基材と、
該基材の両面或いは片面に形成された突起層と、
該突起層に充填された樹脂組成物と
を有し、
前記基材は、
第１の金属材の両面に第２の金属材を積層した複合金属箔から形成されており、
かつシートの面方向の電気的かつ熱的な伝達路を形成するものであり、
かつ車載用バッテリに電気的に接続された導電性部材或いは電動機に電気的に接続された導電性部材の熱膨張係数と半導体素子の熱膨張係数との間の熱膨張係数を有するものであり、
前記第１の金属材は、前記第２の金属材の熱膨張係数よりも低い熱膨張係数を有するものであり、
前記第２の金属材は、前記第１の金属材の体積抵抗率よりも低い体積抵抗率を有するものであり、
前記突起層は、
複数の金属柱を備えており、
かつ車載用バッテリに電気的に接続された導電性部材と前記基材との間、電動機に電気的に接続された導電性部材と前記基材との間及び半導体素子と前記基材との間の電気的かつ熱的な伝達路を形成するものであり、
前記複数の金属柱は、先端が前記樹脂組成物の表面から露出するように、前記基材の表面に設けられており、
前記樹脂組成物は、前記複数の金属柱が、車載用バッテリに電気的に接続された導電性部材，電動機に電気的に接続された導電性部材及び半導体素子に接触した状態で、車載用バッテリに電気的に接続された導電性部材，電動機に電気的に接続された導電性部材及び半導体素子を接着し、車載用バッテリに電気的に接続された導電性部材と半導体素子とを、電動機に電気的に接続された導電性部材と半導体素子とをそれぞれ接合する
ことを特徴とする導電性接着シート。
【請求項６】
請求項５に記載の導電性接着シートにおいて、
前記第１の金属材は、ニッケルが３０〜５５重量％含有した鉄ニッケル合金であり、
前記第２の金属材は銅である
ことを特徴とする導電性接着シート。
【請求項７】
請求項５に記載の導電性接着シートにおいて、
前記先端には、銅，ニッケル，金，錫，アルミニウムのいずれかを主体とする金属層が設けられている
ことを特徴とする導電性接着シート。
【請求項８】
導電性接着シートの製造方法であって、
第１の金属材の熱膨張率よりも低い熱膨張率を有する第２の金属材の両面に、前記第２の金属材の体積抵抗率よりも低い体積抵抗率を有する前記第１の金属材を被覆して基材を形成する工程と、
前記基材の両面或いは片面に樹脂組成物による樹脂層を形成する工程と、
前記樹脂層に所定のピッチで複数の穴を穿設する工程と、
前記複数の穴に電気鍍金を施し、これによって、先端が前記樹脂層の表面から露出するように、前記基材の表面に複数の金属柱を形成して前記基材の両面或いは片面に突起層を形成する工程と
を有する
ことを特徴とする導電性接着シートの製造方法。
【請求項９】
請求項７に記載の導電性接着シートの製造方法において、
前記突起層を形成した後、前記複数の金属注の先端に、銅，ニッケル，金，錫，アルミニウムのいずれかを主体とする金属層を形成する工程を含む
ことを特徴とする導電性接着シートの製造方法。
【請求項１０】
導電性接着シートの製造方法であって、
第１の金属材の熱膨張率よりも低い熱膨張率を有する第２の金属材の両面に、前記第２の金属材の体積抵抗率よりも低い体積抵抗率を有する前記第１の金属材を被覆して基材を形成する工程と、
前記基材の両面或いは片面に鍍金用型部材を貼り付ける工程と、
前記鍍金用型部材に所定のピッチで複数の穴を穿設する工程と、
前記複数の穴に電気鍍金を施して前記鍍金用型部材を剥がし、これによって、前記基材の表面に複数の金属柱を形成して前記基材の両面或いは片面に突起層を形成する工程と、
前記突起層に樹脂組成物を充填して前記基材の両面或いは片面に樹脂層を形成する工程と、
前記樹脂層の表面から前記複数の金属柱の先端が露出するように、前記樹脂層の表面を加工する工程と
を有する
ことを特徴とする導電性接着シートの製造方法。
【請求項１１】
請求項９に記載の導電性接着シートの製造方法において、
前記樹脂層の表面を加工した後、前記樹脂層の表面から露出する前記先端に、銅，ニッケル，金，錫，アルミニウムのいずれかを主体とする金属層を形成する工程を含む
ことを特徴とする導電性接着シートの製造方法。
【請求項１２】
車載用バッテリから供給された直流電力を交流電力に変換して電動機に供給し、電動機の駆動を制御するものであって、
冷却媒体によって冷却されるヒートシンクと、
該ヒートシンク上に載置された絶縁基板と、
該絶縁基板上に載置された複数の半導体素子と、
車載用バッテリの出力を受ける複数の入力側導電性部材と、
前記半導体素子の出力を受ける複数の出力側導電性部材と
を有し、
複数の半導体素子は、複数の上アーム側半導体素子と複数の下アーム側半導体素子とを構成しており、
前記複数の上アーム側半導体素子と前記複数の下アーム側半導体素子は、電気的にブリッジ状に接続されて、車載用バッテリから供給された直流電力を交流電力に変換するためのブリッジ回路を構成しており、
前記絶縁基板の両面には複数の導電性パターンが設けられており、
少なくとも前記複数の上アーム側半導体素子とこれらにそれぞれ対応する前記導電性パターンとの接合、前記複数の下アーム側半導体素子とこれらにそれぞれ対応する前記導電性パターンとの接合には導電性接着シートが用いられており、
前記導電性接着シートは、
基材と、
該基材の両面或いは片面に形成された突起層と、
該突起層に充填された樹脂組成物と
を有しており、
前記基材は、
金属箔から形成されており、
かつシートの面方向の電気的かつ熱的な伝達路を形成するものであり、
かつ前記複数の上アーム側半導体素子のそれぞれに対応する前記導電性パターン或いは前記複数の下アーム側半導体素子のそれぞれに対応する前記導電性パターンの熱膨張係数と前記半導体素子の熱膨張係数との間の熱膨張係数を有するものであり、
前記突起層は、
複数の金属柱を備えており、
かつ前記複数の上アーム側半導体素子のそれぞれに対応する前記導電性パターンと前記基材との間，前記複数の下アーム側半導体素子のそれぞれに対応する前記導電性パターンと前記基材との間及び前記半導体素子と前記基材との間の電気的かつ熱的な伝達路を形成するものであり、
前記複数の金属柱は、先端が前記樹脂組成物の表面から露出するように、前記基材の表面に設けられており、
前記樹脂組成物は、前記複数の金属柱が、前記複数の上アーム側半導体素子のそれぞれに対応する前記導電性パターン，前記複数の下アーム側半導体素子のそれぞれに対応する前記導電性パターン及び前記半導体素子に接触した状態で、前記複数の上アーム側半導体素子のそれぞれに対応する前記導電性パターン，前記複数の下アーム側半導体素子のそれぞれに対応する前記導電性パターン及び前記半導体素子を接着し、前記複数の上アーム側半導体素子とこれらにそれぞれ対応する前記導電性パターンとを、前記複数の下アーム側半導体素子とこれらにそれぞれ対応する前記導電性パターンとをそれぞれ接合する
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項１３】
請求項１１に記載の電力変換装置において、
前記金属箔は、第１の金属材の両面に第２の金属材を積層した複合金属材からなり、
前記第１の金属材は、前記第２の金属材の熱膨張係数よりも低い熱膨張係数を有するものであり、
前記第２の金属材は、前記第１の金属材の体積抵抗率よりも低い体積抵抗率を有するものである
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項１４】
請求項１２に記載の電力変換装置において、
前記第１の金属材は、ニッケルが３０〜５５重量％含有した鉄ニッケル合金であり、
前記第２の金属材は銅である
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項１５】
請求項１１に記載の電力変換装置において、
前記先端には、銅，ニッケル，金，錫，アルミニウムのいずれかを主体とする金属層が設けられている
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項１６】
請求項１１に記載の電力変換装置において、
前記導電性接着シートは、
前記ヒートシンクと前記絶縁基板の前記導電性パターンとの接合に用いられており、
かつ前記絶縁基板から前記導電性パターンを介して熱伝達された半導体素子の発熱を前記ヒートシンクに熱伝達する
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項１７】
請求項１１に記載の電力変換装置において、
前記導電性接着シートは、
前記複数の上アーム側半導体素子とこれらにそれぞれ対応する前記入力側導電性部材との接合、前記複数の上アーム側半導体素子とこれらにそれぞれ対応する前記出力側導電性部材との接合、前記複数の上アーム側半導体素子のそれぞれに対応する前記導電性パターンとこれらにそれぞれ対応する前記出力側導電性部材との接合、前記複数の下アーム側半導体素子のそれぞれに対応する前記導電性パターンとこれらにそれぞれ対応する前記入力側導電性部材との接合に用いられており、
かつ前記複数の上アーム側半導体素子とこれらにそれぞれ対応する前記入力側導電性部材との間を、前記複数の上アーム側半導体素子とこれらにそれぞれ対応する前記出力側導電性部材との間を、前記複数の上アーム側半導体素子のそれぞれに対応する前記導電性パターンとこれらにそれぞれ対応する前記出力側導電性部材との間を、前記複数の下アーム側半導体素子のそれぞれに対応する前記導電性パターンとこれらにそれぞれ対応する前記入力側導電性部材との間をそれぞれ電気的に接続する
ことを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導電性接着シート及びその製造方法並びに電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子と導電性部材との接合部材としては、例えば特許文献１や特許文献２に開示されたシート部材が知られている。特許文献１に開示されたシート部材は、金属粒子を分散させた樹脂を金属箔の両面に積層したものである。特許文献２に開示されたシート部材は、金属箔の片面或いは両面に複数の金属凸状物を配置し、金属凸状物間の隙間に樹脂を充填したものである。
【０００３】
【特許文献１】特開平６−２９１２２６号公報
【特許文献２】特開２００３−２７３２９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
半導体素子を用いる電子機器、例えば自動車に用いられ、車載電源であるバッテリの直流電力を交流電力に変換して電動機に供給する電力変換装置においては、半導体素子と絶縁基板上の導電性パターンとの接合に半田が用いられている。半導体素子と端子部材や端子部材と絶縁基板の導電性パターンとの間の電気的な接続にはアルミワイヤが用いられている。ところが、半田には、地球環境に影響を与えるとされている鉛が含まれている。このため、電力変換装置においては最近、半導体素子と絶縁基板上の導電性パターンとの接合に鉛フリー半田や半田に替わる接合部材を用いることが検討されている。また、アルミワイヤによる接続は、半導体素子の高度化に伴う電流密度の増加によって限界が生じてきている。このため、電力変換装置においては最近、アルミワイヤに替わる接続が検討されている。
【０００５】
また、電力変換装置においては、半導体素子の動作によって生じる発熱を放熱部材まで熱伝達して冷却し、半導体素子の温度を許容温度以下に抑える必要がある。従って、電力変換装置に採用される接合部材としては、熱伝導率の良いものが好ましい。さらに、電力変換装置においては、半導体素子の動作によって生じる発熱又は装置の設置環境によって熱疲労を受ける。熱疲労は、半導体素子と接合部材との接合界面及び導電性部材と接合部材との接合界面において特に大きい。これは、半導体素子，導電性部材及び接合部材それぞれの熱膨張係数の違いに応じて生じる熱膨張差によって大きな応力が接合界面にかかるからである。従って、電力変換装置に採用される接合部材としては、熱膨張差による応力を緩和できるものが好ましい。
【０００６】
上記接合部材に替わる接合部材の１つとしては、前述した特許文献１及び特許文献２に記載のシート部材が挙げられる。
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載のシート部材では、金属粒子間に存在する樹脂を金属粒子が突き破り、半導体素子と導電性部材とに接触する必要がある。また、特許文献１に記載のシート部材では、シートの厚み方向に金属粒子を点接触させることによってシートの厚み方向の導電路を形成しているので、金属粒子の数相当の接点がシート内部に形成される。このため、特許文献１に記載のシート部材では、体積低効率が金属粒子単体よりもおおよそ１桁高くなると共に、熱抵抗が大きくなる。従って、特許文献１に記載のシート部材を接合部材として用いる場合には、電気的特性を向上させると共に、熱伝導性を向上させる必要がある。
【０００８】
また、特許文献１に記載のシート部材は、半導体素子や導電性部材よりも弾性率が小さい樹脂を用いて構成されているので、それに熱膨張差による応力を緩和する機能を持たせることができる。しかし、樹脂の熱膨張係数は比較的大きい。このため、特許文献１に記載のシート部材では、樹脂が熱膨張することによって次第に金属粒子間の接触抵抗が大きくなる。従って、特許文献１に記載のシート部材を接合部材として用いる場合には、接続信頼性を向上させる必要がある。
【０００９】
これに対して特許文献２に記載のシート部材では、金属凸状物によってシートの厚み方向の導電路を形成しているので、シート内部に接点が形成されない。このため、特許文献２に記載のシート部材では、特許文献１に記載のシート部材よりも体積低効率が小さくなると共に、熱抵抗も小さくなる。また、特許文献２に記載のシート部材では、シート内部に接点が形成されないので、特許文献１に記載のシート部材における接触抵抗の増大という課題を生じることがない。
【００１０】
そこで、本願発明者らは、特許文献２に記載のシート部材に着目し、その自動車用電力変換装置への適用を試みた。しかしながら、特許文献２に記載のシート部材では、熱膨張係数の違いに応じた熱膨張差によって金属凸状物にかかる応力、特に半導体素子と金属箔との間を接続する金属凸状物にかかる応力が大きくなる。これは、半導体素子の熱膨張係数が２〜４×１０-6／Ｋであるのに対し、金属箔（銅）の熱膨張係数が、導電性部材の熱膨張係数と同じように１７〜２５×１０-6／Ｋであることに起因する。また、自動車用電力変換装置は、産業用電力変換装置や家電用電力変換装置とは異なり、−４０度の低温から１３０度さらには１８０度の高温という熱サイクルの厳しい環境の下で使用されることに起因する。さらに、自動車用電力変換装置においては近年、車載電源の高規格化に伴う低電圧システムの採用により、半導体素子に流れる電流が大きくなり、半導体素子の発熱が増加することに起因する。従って、金属凸状物を有するシート部材の自動車用電力変換装置への適用にあたっては、熱膨張差によって金属凸状物にかかる応力を緩和し、これまで以上に接続信頼性を向上させることが必要である。特に１５年以上という寿命が要求される自動車用電力変換装置に適用される接合部材にとっては必須の課題ということができる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、接続信頼性をこれまで以上に向上させることができる導電性接着シートを提供する。また、本発明は、熱サイクルの厳しい装置に接合部材として適用されも長年に渡って接続信頼性を維持し、その装置の長寿命化に貢献することができる導電性接着シートを提供する。
【００１２】
ここに、本発明は、導電性接着シートにおいて、シートの面方向の電気的な或いは熱的な若しくは電気的かつ熱的な伝達路を構成する基材を、少なくとも２つ被接合体の一方の熱膨張係数とその他方の熱膨張係数との間の熱膨張係数を有する金属箔から形成することを特徴とする。
【００１３】
本発明によれば、上記のように基材が構成されているので、熱膨張差によって、基体と被接合体と間の電気的な或いは熱的な若しくは電気的かつ熱的な伝達路を構成する金属体にかかる応力を緩和することができる。
【００１４】
また、本発明は、上記導電性接着シートの製造方法を提供する。
【００１５】
さらに、本発明は、上記導電性接着シートを接合部材として適用した自動車用電力変換装置を提供する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、上記のように熱膨張差による応力を緩和することができるので、接続信頼性をこれまで以上に向上させることができる。これにより、本発明によれば、熱サイクルの厳しい装置に接合部材として適用されても長年に渡って接続信頼性を維持し、その装置の長寿命化に貢献することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明に係る導電性接着シートの最も代表的な最良の実施形態は次の通りである。すなわち熱膨張係数の異なる少なくとも２つの被接合体を接合してそれらを電気的に或いは熱的に若しくは電気的かつ熱的に接続するものであって、基材と、この基材の両面或いは片面に形成された突起層と、この突起層に充填された樹脂組成物とを有し、基材は、金属箔から形成されており、かつシートの面方向の電気的な或いは熱的な若しくは電気的かつ熱的な伝達路を形成するものであり、かつ少なくとも２つ被接合体の一方の熱膨張係数とその他方の熱膨張係数との間の熱膨張係数を有するものであり、突起層は、複数の金属柱を備えており、かつ少なくとも２つの被接合体と基材との間の電気的な或いは熱的な若しくは電気的かつ熱的な伝達路を形成するものであり、複数の金属柱は、先端が前記樹脂組成物の表面から露出するように、基材の表面に設けられており、樹脂組成物は、複数の金属柱が、少なくとも２つの被接合体に接触した状態で、少なくとも２つの被接合体を接着し、少なくとも２つの被接合体を接合する導電性接着シートにある。
【００１８】
本発明に係る導電性接着シートの製造方法の最も代表的な最良の実施形態のうちの一つは次の通りである。すなわち第１の金属材の熱膨張率よりも低い熱膨張率を有する第２の金属材の両面に、第２の金属材の体積抵抗率よりも低い体積抵抗率を有する第１の金属材を被覆して基材を形成する工程と、基材の両面或いは片面に樹脂組成物による樹脂層を形成する工程と、樹脂層に所定のピッチで複数の穴を穿設する工程と、複数の穴に電気鍍金を施し、これによって、先端が樹脂層の表面から露出するように、基材の表面に複数の金属柱を形成して基材の両面或いは片面に突起層を形成する工程とを有する導電性接着シートの製造方法にある。
【００１９】
本発明に係る導電性接着シートの製造方法の最も代表的な最良の実施形態のうちのもう一つは次の通りである。すなわち第１の金属材の熱膨張率よりも低い熱膨張率を有する第２の金属材の両面に、第２の金属材の体積抵抗率よりも低い体積抵抗率を有する第１の金属材を被覆して基材を形成する工程と、基材の両面或いは片面に鍍金用型部材を貼り付ける工程と、鍍金用型部材に所定のピッチで複数の穴を穿設する工程と、複数の穴に電気鍍金を施して鍍金用型部材を剥がし、これによって、基材の表面に複数の金属柱を形成して基材の両面或いは片面に突起層を形成する工程と、突起層に樹脂組成物を充填して基材の両面或いは片面に樹脂層を形成する工程と、樹脂層の表面から複数の金属柱の先端が露出するように、樹脂層の表面を加工する工程とを有する導電性接着シートの製造方法にある。
【００２０】
本発明に係る電力変換装置の最も代表的な最良の実施形態は次の通りである。すなわち車載用バッテリから供給された直流電力を交流電力に変換して電動機に供給し、電動機の駆動を制御するものであって、冷却媒体によって冷却されるヒートシンクと、このヒートシンク上に載置された絶縁基板と、この絶縁基板上に載置された複数の半導体素子と、車載用バッテリの出力を受ける複数の入力側導電性部材と、半導体素子の出力を受ける複数の出力側導電性部材とを有し、複数の半導体素子は、複数の上アーム側半導体素子と複数の下アーム側半導体素子とを構成しており、複数の上アーム側半導体素子と複数の下アーム側半導体素子は、電気的にブリッジ状に接続されて、車載用バッテリから供給された直流電力を交流電力に変換するためのブリッジ回路を構成しており、絶縁基板の両面には複数の導電性パターンが設けられており、少なくとも複数の上アーム側半導体素子とこれらにそれぞれ対応する導電性パターンとの接合、複数の下アーム側半導体素子とこれらにそれぞれ対応する導電性パターンとの接合には導電性接着シートが用いられており、導電性接着シートは、基材と、この基材の両面或いは片面に形成された突起層と、この突起層に充填された樹脂組成物とを有しており、基材は、金属箔から形成されており、かつシートの面方向の電気的かつ熱的な伝達路を形成するものであり、かつ複数の上アーム側半導体素子のそれぞれに対応する導電性パターン或いは複数の下アーム側半導体素子のそれぞれに対応する導電性パターンの熱膨張係数と半導体素子の熱膨張係数との間の熱膨張係数を有するものであり、突起層は、複数の金属柱を備えており、かつ複数の上アーム側半導体素子のそれぞれに対応する導電性パターンと前記基材との間，複数の下アーム側半導体素子のそれぞれに対応する導電性パターンと基材との間及び半導体素子と基材との間の電気的かつ熱的な伝達路を形成するものであり、複数の金属柱は、先端が樹脂組成物の表面から露出するように、基材の表面に設けられており、樹脂組成物は、複数の金属柱が、複数の上アーム側半導体素子のそれぞれに対応する導電性パターン，複数の下アーム側半導体素子のそれぞれに対応する導電性パターン及び半導体素子に接触した状態で、複数の上アーム側半導体素子のそれぞれに対応する導電性パターン，複数の下アーム側半導体素子のそれぞれに対応する導電性パターン及び半導体素子を接着し、複数の上アーム側半導体素子とこれらにそれぞれ対応する導電性パターンとを、複数の下アーム側半導体素子とこれらにそれぞれ対応する導電性パターンとをそれぞれ接合する電力変換装置にある。
【実施例１】
【００２１】
本発明の第１実施例を図１乃至図６に基づいて説明する。
【００２２】
図１，図２に示す本実施例の導電性接着シートは、図３乃至図５に示す電力変換装置の接合部材として適用されるものである。そして、図３乃至図５に示す電力変換装置は、図６に示す自動車に搭載されている。本実施例の導電性接着シートは、熱サイクルがとても厳しい自動車用電力変換装置の接合部材として特に有用なものであるが、産業用或いは家電用の電力変換装置や他の半導体装置に、半田やワイヤに替わる接合部材として適用することもできる。
【００２３】
まず、図６に示す自動車のパワートレインの概略構成について説明する。図６に示す自動車は、内燃機関であるエンジン１１０を動力源としたエンジンパワートレインと、モータジェネレータ１２０を動力源としたエレクトリックパワートレインの両方を備えたハイブリッド電気自動車の１つである。エンジンパワートレインは主として自動車の駆動源を構成する。エレクトリックパワートレインは主としてエンジン１１０の始動源，エンジン１１０のアシスト源及び自動車の電力源として用いられる。従って、図６に示す自動車においては、イグニションキースイッチがオン状態にあって、信号待ちなどの停車時にエンジン１１０を停止させ、発車時にエンジン１１０を再始動する、いわゆるアイドルストップを行うことができる。
【００２４】
図６に示す自動車において１００は車体である。車体１００のフロント部には前輪車軸１０１が回転可能に軸支されている。前輪車軸１０１の両端には前輪１０２，１０３が設けられている。車体１００のリア部には後輪車軸１０４が回転可能に軸支されている。後輪車軸１０４の両端には後輪１０５，１０６が設けられている。図６に示す自動車においては前輪駆動方式を採用している。このため、前輪車軸１０１の中央部には、動力分配機構であるデファレンシャルギア１１１（以下、「ＤＥＦ１１１」と略称する）が設けられおり、エンジン１１０から変速機１１２を介して伝達された回転駆動力を左右の前輪車軸１０１に分配するようになっている。変速機１１２はエンジン１１０の回転駆動力を変速してＤＥＦ１１１に伝達している。
【００２５】
エンジン１１０にはモータジェネレータ１２０が機械的に連結されている。これによって、モータジェネレータ１２０の回転駆動力がエンジン１１０に、エンジン１１０の回転駆動力がモータジェネレータ１２０にそれぞれ伝達できるようになっている。図６に示す自動車においては、エンジン１１０のクランクシャフトに設けられたプーリー１１０ａとモータジェネレータ１２０の回転軸に設けられたプーリー１２０ａとの間をベルト１３０によって機械的に連結することにより、エンジン１１０とモータジェネレータ１２０とを機械的に連結している。
【００２６】
モータジェネレータ１２０は、インバータ装置１２１によって制御された３相交流電力がステータ１２０ｂのステータコイル（図示省略）に供給されることによって、マグネット（図示省略）を有するロータ１２０ｃが回転し、３相交流電力に応じた回転駆動力を発生する。すなわちモータジェネレータ１２０はインバータ装置１２１から制御され、電動機として動作する。一方、モータジェネレータ１２０は、エンジン１１０の回転駆動力を受けてロータ１２０ｃが回転することによって、ステータ１２０ｂのステータコイルに起電力が誘起され、３相交流電力を発生する。すなわちモータジェネレータ１２０は発電機として動作する。尚、本実施例では、モータジェネレータ１２０としてロータ１２０ｃにマグネットを有する交流式同期機を用いる場合を例にとり説明するが、交流式誘導機を用いてもよい。
【００２７】
インバータ装置１２１は、高圧バッテリ１２２から供給された直流電力を３相交流電力に変換する電力変換装置であり、運転指令値，モータジェネレータ１２０のステータコイルに流れる３相交流電流値及びロータ１２０ｃの磁極位置などの入力信号に応じた指令信号を演算し、この指令信号から駆動信号を生成し、この駆動信号に基づいて、インバータブリッジ回路を構成する電力変換用半導体素子を駆動（オン・オフ）するようになっている。高圧バッテリ１２２は、図６に示す自動車の高電圧（４２ｖ）系電源を構成するものであり、モータジェネレータ１２０の駆動用電源、エンジン１１０に供給される燃料の量を制御するインジェクタ（燃料噴射弁）のアクチュエータ用電源、エンジン１１０に供給される空気量を制御するスロットバルブ（絞り弁）のアクチュエータ用電源などにも用いられている。高圧バッテリ１２２には、モータジェネレータ１２０によって発電された３相交流電力がインバータ装置１２１によって直流電力に変換されて供給されている。高圧バッテリ１２２は、変換された直流電力を充電する。尚、高圧バッテリ１２２としてはバッテリ電圧３６ｖのリチウムイオンバッテリを用いている。
【００２８】
高圧バッテリ１２２にはＤＣ−ＤＣコンバータ１２４を介して低圧バッテリ１２３に電気的に接続されている。低圧バッテリ１２３は、図６に示す自動車の低電圧（１４ｖ）系電源を構成するものであり、エンジン１１０を始動させるスタータ１２５，ラジオ，ライトなどの電源に用いられている。低圧バッテリ１２３には、高圧バッテリ１２２からの直流電力がＤＣ−ＤＣコンバータ１２４によって降圧されて供給されている。低圧バッテリ１２３は、降圧された直流電力を充電する。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２４を用いて低圧バッテリ１２３の直流電力を昇圧し、高圧バッテリ１２２に供給して高圧バッテリ
１２２することもできる。尚、低圧バッテリ１２３としてはバッテリ電圧１２ｖの鉛バッテリを用いている。
【００２９】
図６に示す自動車では複数の運転モードを有し、各運転モードに応じてエレクトリックパワートレインの駆動を制御している。エンジン１１０が初期始動モードにある時、すなわちエンジン１１０が冷えている状態において、イグニションキースイッチをオンにしてエンジン１１０を始動、すなわちコールド始動させる時には、低圧バッテリ１２３から直流電力をスタータ１２５に供給してスタート１２５を駆動させる。これにより、エンジン１１０を始動させる。
【００３０】
エンジン１１０が再始動モード（アイドルストップモード）にある時、すなわちエンジン１１０が温まっており、イグニションキースイッチがオンの状態において、信号待ちなどの停車時にエンジン１１０を停止させ、再発車時にエンジン１１０を再始動（ホット始動）させる時には、高圧バッテリ１２２の直流電力をインバータ装置１２１で交流電力に変換してモータジェネレータ１２０に供給し、モータジェネレータ１２０を駆動させ、モータジェネレータ１２０の回転駆動力をエンジン１１０に伝達する。これにより、エンジン１１０を再始動させる。尚、アイドルストップモードにおいて、高圧バッテリ１２２の充電量が不足している場合や、エンジン１１０が十分に温まっていない場合などにおいては、エンジン１１０を停止せず駆動を継続する。また、アイドルストップモード中においては、エアコンのコンプレッサなど、エンジン１１０を駆動源としている補機類の駆動源を確保する必要がある。この場合、モータジェネレータ１２０を駆動させて補機類を駆動する。
【００３１】
加速モード時や高負荷運転モードにある時には、エンジン１１０に対する負荷が大きくなるので、高圧バッテリ１２２の直流電力をインバータ装置１２１で交流電力に変換してモータジェネレータ１２０に供給し、モータジェネレータ１２０を駆動させ、モータジェネレータ１２０の回転駆動力をエンジン１１０に伝達する。これにより、エンジン１１０の駆動をアシストする。高圧バッテリ１２２の充電が必要な充電モードにある時には、エンジン１１０によってモータジェネレータ１２０を駆動させる。これにより、交流電力を発電させ、発電電力をインバータ装置１２１で直流電力に変換して高圧バッテリ１２２を充電する。車両の制動時や減速時などの回生モードにある時には、車両の運動エネルギーをモータジェネレータ１２０に伝達してモータジェネレータ１２０を駆動させる。これによっり、交流電力を発電させ、発電電力をインバータ装置１２１で直流電力に変換して高圧バッテリ１２２を充電する。
【００３２】
次に、図３乃至図５に示すインバータ装置１１２の構成について説明する。
【００３３】
インバータ装置１１２は大別すると、インバータ制御回路１４０，インバータ駆動回路１５０及びインバータブリッジ回路１６０から構成されている。このうちインバータ制御回路１４０は、ハイブリッド制御装置やエンジン制御装置などの上位制御装置から出力されたトルク指令値τと、電流センサ１８０ａ〜１８０ｃによって検出されたｕ相〜ｗ相の電流値ｉｕ〜ｉｗと、磁極位置センサ１９０によって検出されたロータ１２０ｃの磁極位置θとを入力信号として入力し、これらに基づいて演算を行い、電圧指令値ｖｖ〜ｖｗをインバータ駆動回路１５０に出力する。インバータ駆動回路１５０は、インバータ制御回路１４０から出力された電圧指令値ｖｖ〜ｖｗに基づいてパワー半導体素子２３の駆動信号を生成し、これをインバータブリッジ回路１６０に出力する。インバータブリッジ回路１６０は、インバータ駆動回路１５０から出力された駆動信号に基づいてパワー半導体素子２３を駆動（オン・オフ動作）させ、高圧バッテリ１２２から供給された直流電力を３相交流電力に変換してモータジェネレータ１２０のステータ１２０ｂのステータコイルに供給する。
【００３４】
インバータブリッジ回路１６０は、６つのパワー半導体素子２３がブリッジ状に電気的に接続されたものであり、１つの半導体モジュールによって構成されている。本実施例では、パワー半導体素子２３としてＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ）を用いている。尚、ＭＯＳＦＥＴの替わりにＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）を用いてもよい。ＭＯＳＦＥＴからなるパワー半導体素子２３は、ドレイン電極２３ａ，ソース電極２３ｃ，インバータ駆動回路１５０から出力された駆動信号が入力されるゲート電極２３ｂの３つの電極を備えている。また、ＭＯＳＦＥＴからなるパワー半導体素子２３では、ドレイン電極２３ａとソース電極２３ｃとの間にダイオード２３ｄが電気的に接続されている。ダイオード２３ｄの順方向は、ソース電極２３ｃからドレイン電極２３ａに向かう方向になっている。
【００３５】
ブリッジ回路は、上アーム側のパワー半導体素子２３のソース電極２３ｃと下アーム側のパワー半導体素子２３のドレイン電極２３ａとを電気的に直列接続した１つのアーム回路が３つ並列に並べられたものであり、各アームにおける上アーム側のパワー半導体素子２３のドレイン電極２３ａと直流正極側とが、各アームにおける下アーム側のパワー半導体素子２３のソース電極２３ｃと直流負極側とがそれぞれ電気的に接続されることによって構成されたものである。また、１つ目のアーム回路における上アーム側のパワー半導体素子２３のソース電極２３ｃと下アーム側のパワー半導体素子２３のドレイン電極２３ａとの間には交流ｕ相側が電気的に接続されいる。２つ目のアーム回路における上アーム側のパワー半導体素子２３のソース電極２３ｃと下アーム側のパワー半導体素子２３のドレイン電極２３ａとの間には交流ｖ相側が電気的に接続されいる。３つ目のアーム回路における上アーム側のパワー半導体素子２３のソース電極２３ｃと下アーム側のパワー半導体素子２３のドレイン電極２３ａとの間には交流ｗ相側が電気的に接続されいる。また、インバータブリッジ回路１６０の直流正極側と負極側との間には、パワー半導体素子２３の動作による直流電圧の変動を抑制するための平滑用コンデンサ１７０が電気的に接続されている。
【００３６】
次に、実際のインバータブリッジ回路１６０の構成、すなわち半導体モジュールの構成について説明する。
【００３７】
図３，図４において２０は、ニッケルめっきを施した無酸素銅製の放熱板である。放熱板２０は熱伝導性を有しており、空気或いは水若しくは不凍液などの冷却媒体によって冷却されている。放熱板２０の周縁部からは、底面及び上面が開放したケース２１の周壁が立設されている。ケース２１は、絶縁性を有する樹脂などから成型されたものである。ケース２１の中はブリッジ回路の各アームに対応して区画されている。ケース２１の対向する側壁の一方には区画毎に直流正極端子２６と直流負極端子２７がインサート成型によって設けられている。直流正極端子２６及び直流負極端子２７は板状の導電性部材から形成されたものであり、その一方がケース２１の対向する側壁の一方の表面に露出し、その他方がケース２１の対向する側壁の一方の内部を通ってケース２１の中まで延びて露出するステップ形状のものである。ケース２１の対向する側壁の他方には区画毎に交流端子２４がインサート成型によって設けられている。交流端子２４は板状の導電性部材から形成されたものであり、その一方がケース２１の対向する側壁の他方の表面に露出し、その他方がケース２１の対向する周壁の他方の内部を通ってケース２１の中まで延びて露出するステップ形状のものである。
【００３８】
ケース２１の中の放熱板２０上には区画毎に絶縁基板２２が設けられている。絶縁基板２２はセラミックス製のものであり、その両面に導体パターン２２ａ，２２ｂがメタライズされている。導体パターン２２ｂは導電性接着シート２９によって放熱板２０上に接合されている。これにより、導体パターン２２ｂは放熱板２３と熱的に接続される。ケース２１の中の各区画毎において、導体パターン２２ａの一方の直流負極端子２７側の部位にはパワー半導体素子２３が導電性接着シート２８によって接合されている。導体パターン２２ａの他方の交流端子２４側の部位（導体パターン２２ａの一方の直流負極端子２７側の部位と対角線上にある部位）にはパワー半導体素子２３が導電性接着シート２８によって接合されている。これにより、パワー半導体素子２３は導体パターン２２ａと電気的にかつ熱的に接続される。尚、導電性接着シート２８，２９の具体的な構成については後述する。
【００３９】
また、ケース２１の中の各区画毎において、導体パターン２２ａの一方の直流負極端子２７側の部位上にあるパワー半導体素子２３と直流負極端子２７，交流端子２４と導体パターン２２ａの一方、導体パターン２２ａの他方の交流端子２４側の部位上にあるパワー半導体素子２３と交流端子２４，導体パターン２２ａの他方と直流正極端子２６のそれぞれは導電性接着シート３０によって電気的に接続されている。尚、導電性接着シート３０の具体的な構成については後述する。
【００４０】
パワー半導体素子２３はチップ状のものであり、上面にソース電極２３ｃ及びゲート電極２３ｂ，下面にドレイン電極２３ａを有している。導体パターン２２ａの他方の交流端子２４側の部位上にあるパワー半導体素子２３は上アーム側のものに相当し、導体パターン２２ａの一方の直流負極端子２７側の部位上にあるパワー半導体素子２３は下アーム側のものに相当する。ゲート電極２３ｂは、図示省略したインバータ駆動回路を構成する基板に電気的に接続されたドライブ回路基板接続端子３１にワイヤ３２によって電気的に接続されている。ドライブ回路基板接続端子３１は、導電性部材から形成されたＬ字状の部材であり、その一方がケース２１の中に露出し、その他方がケース２１の内部を貫通して上方に延びている。ドライブ回路基板接続端子３１の一方は面状に形成され、ワイヤ３２がボンディングできるようになっている。ドライブ回路基板接続端子３１の他方はピン状に形成され、図示省略したインバータ駆動回路基板に設けられた孔に挿通できるようになっている。ドライブ回路基板接続端子３１はケース２１にインサート成型によって設けられている。
【００４１】
次に、図１に示す導電性接着シート２８，２９及び図２に示す導電性接着シート３０について説明する。
【００４２】
図１，図２において１は基材である。基材１は金属箔から形成されており、シートの面方向の電気的な或いは熱的な若しくは電気的かつ熱的な伝達路を形成するものである。金属箔は、第１の金属の両面に第２の金属を積層した複合材から形成されたものであり、被接合体の一つであるパワー半導体素子２３の熱膨張係数（２〜４×１０-6／Ｋ）よりも大きい熱膨張係数を有すると共に、被接合体のもう一つである導体パターン２２ａの熱膨張係数（１７〜２５×１０-6／Ｋ）よりも小さい熱膨張係数を有するものである。すなわち基材１の熱膨張係数は被接合体の中間にある。
【００４３】
第１の金属は第２の金属よりも熱膨張係数の小さい金属である。本実施例では、第１の金属として、厚さが３５μｍであり、ニッケルが４２重量％含有された鉄ニッケル合金を用いている。尚、本実施例では、ニッケルの含有量が４２重量％のものを用いる場合について説明したが、これに限定されることはなく、ニッケルの含有量としては３０〜５５重量％が好ましい。第２の金属は第１の金属よりも体積抵抗率の小さい金属であり、本実施例では、第２の金属として、厚さが約１０μｍの銅を用いて、これを鉄ニッケル合金の両面に被覆している。以上から基材１の全体の厚みは５５μｍとなるが、特に限定されることはなく、数μｍ〜数mmの間に設定されていればよい。尚、シートの面方向に電気を伝導させる場合は、熱を伝達させる場合よりも厚くなり、その厚みは、流れる電流値に応じて制御すればよい。
【００４４】
図１に示す導電性接着シート２８，２９においては基材１の両面に、図２に示す導電性接着シート３０においては基材１の片面かつ被接合体と対向する接合部位５（本実施例では基材１の両端）に突起層２が形成されている。突起層２は複数の金属柱３が２００μｍの等ピッチで基材１の表面に行列配置されたものであり、基材１と被接合体との間、すなわちシートの厚み方向の電気的な或いは熱的な若しくは電気的かつ熱的な伝達路を形成するものである。金属柱３は、断面が直径１００μｍの円形で、シートの厚み方向の長さが５０μｍの短円柱であり、その先端面が樹脂組成物４の表面から外部に露出或いは樹脂組成物４の表面から外部に露呈するように、基材１の表面に設けられたものである。突起層２の複数の金属柱３間には樹脂組成物４が充填されている。樹脂組成物４は、シートの厚み方向の厚さが５０μｍのものであり、熱硬化性を有するポリイミドフィルムから構成されている。
【００４５】
尚、本実施例の図２に示す導電性接着シート３０では、突起層２が形成されている接合部位５のみに樹脂組成物４を充填しているが、他の回路との絶縁性確保の目的で、接合部位５以外の部位でありかつ基材１の表面に絶縁樹脂層を形成しても構わない。絶縁樹脂層を形成する樹脂としては、樹脂組成物４と同一の樹脂を用いても、異なる樹脂を用いても構わない。
【００４６】
本実施例では、前述のように、金属柱３の先端面を、樹脂組成物４の表面から外部に露出或いは樹脂組成物４の表面から外部に露呈させているが、このやり方としてはいろいろなものがあり、どれを採用しても構わない。例えば図８に示すように、金属柱３の先端面と樹脂組成物４の表面とを面一としてもよい。また、図９に示すように、金属柱３の先端面が樹脂組成物４の表面よりも低くして、樹脂組成物４の表面に窪みが形成されるようにしてもよい。さらに、図１０に示すように、金属柱３の先端面が樹脂組成物４の表面よりも高くし、樹脂組成物４の表面から金属柱３の先端が突出するようにしてもよい。尚、被接合体の接合において樹脂組成物４が加熱により収縮又は流動する場合には、図９に示すように、樹脂組成物４の表面に窪みを形成する方式が有利であると言うことができる。金属柱３の先端面を溶接或いは半田付け若しくは圧接によって被接合部材に接合する場合には、図１０に示すように、樹脂組成物４の表面から金属柱３の先端を突出させる方式が有利であると言うことができる。
【００４７】
また、本実施例では、前述のように、断面が円形の短円柱を金属柱３に用いたが、断面が多角形の柱体であっても構わない。さらに、本実施例では、前述のように、金属柱３を等ピッチで規則的に行列配置したが、不規則的に配列しても構わない。さらにまた、本実施例では、前述のように、突起層２の厚みを５０μｍとしたが、これに限定されることはなく、数μｍ〜数mmの間で設定して構わない。
【００４８】
また、本実施例では、前述のように、樹脂組成物４としてポリイミドフィルムを用いたが、エポキシ，フェノールなどの熱硬化性樹脂を主体とするものを用いても構わない。或いはポリアミド，ポリアミドイミド，ポリエーテルイミドなどの熱可塑性樹脂を主体とするものを樹脂組成物４として用いてもよい。若しくは熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂との混合物を樹脂組成物４として用いても構わない。樹脂組成物４には、無機，ガラスなどのフィラーを充填しても構わない。
【００４９】
本実施例の図１に示す導電性接着シート２８，２９は、パワー半導体素子２３と導体パターン２２ａとの接合、導体パターン２２ｂと放熱板２０との接合のように、互いの接合面がシートの厚み方向において向かい合う２つの被接合体の接合に用いられる。本実施例の図２に示す導電性接着シート３０は、導体パターン２２ａと直流正極端子２６或いは交流端子２４との接合、パワー半導体素子２３と直流負極端子２７或いは交流端子２４との接合のように、互いの接合面がシートの面方向の異なる位置において同一方向を向いている２つの被接合体の接合に用いられる。また、互いの接合面がシートの面方向の異なる位置において向かい合う方向を向いている２つの被接合体の接合には、本実施例の図２に示す導電性接着シート３０の基材１の片面の両端部に設けられている突起層２の一方を、図７に示すように、基材１のもう一方の片面の端部に設ける、すなわち導電性接着シートをクランク状にすればよい。
【００５０】
次に、導電性接着シートの製造方法について説明する。
【００５１】
本実施例では、図１に示す導電性接着シート２８，２９の製造方法を例にとり説明するが、図２に示す導電性接着シート３０にも同様に適用することができる。
【００５２】
・第１製造工程
厚さが３５μｍであり、ニッケルが４２重量％含有された鉄ニッケル合金箔（日立金属製：ＹＥＦ４２）の両面に電気銅鍍金を施す。これにより、鉄ニッケル合金箔の両面に厚さ約１０μｍの銅が被覆された基材１を製作する。
【００５３】
・第２製造工程
厚さが５０μｍのポリイミドフィルム（宇部興産製：ユーピレックスＶＴ）を基材１の両面に貼り合わせ、これを真空プレスを用いてプレスし、接合する。これにより、樹脂組成物４による樹脂層が基材１の両面に形成されたシート部材を製作する。
【００５４】
・第３製造工程
ＵＶ−ＹＡＧレーザ穴あけ機を用いて、直径１００μｍの穴をシート部材の両面の樹脂層全面に２００μｍの等ピッチで縦横に形成する。
【００５５】
・第４製造工程
シート部材の穴内に電気銅鍍金を施す。これにより、金属柱３の先端が樹脂組成物４の表面から外部に露出或いは樹脂組成物４の表面から外部に露呈する突起層２を形成し、厚さ約１５０μｍの導電性接着シートを得る。
【００５６】
本実施例では、前述のように、突起層２を電気銅鍍金により形成したが、これに限定されることはない。基材１の一部分をエッチングする方法や、基材１の表面に同種或いは異種の金属をスパッタリングする方法、基材１の表面に同種或いは異種の金属をクラッド加工する方法などを用いることもできる。
【００５７】
次に、図１に示す導電性接着シート２８，２９及び図２に示す導電性接着シート３０を用いた電力変換装置の組み立て方法について説明する。
【００５８】
・第１組立工程
放熱板２０，両面に導体パターン２２ａ，２２ｂをメタライズした絶縁基板２２，直流正極端子２６，直流負極端子２７，交流端子２４及びドライブ回路基板接続端子３１がインサート成型されたケース２１，パワー半導体素子２３を用意する。
【００５９】
・第２組立工程
放熱板２０上に、図１に示す導電性接着シート２９を載せ、導電性接着シート２９の上に、導体パターン２２ｂが下向きになるように絶縁基板２２を載せる。さらに、絶縁基板２２の導体パターン２２ａの一方側でありかつ直流負極端子２７側の部位上、導体パターン２２ａの他方側でありかつ交流端子２４側の部位上のそれぞれに、図１に示す導電性接着シート２８を載せ、各導電性接着シート２８の上に、ドレイン電極２３ａの面が下に向くようにパワー半導体素子２３を載せる。この状態において、真空プレスを用いてプレスしながら加熱接合する。これにより、樹脂組成物４が硬化又は溶融し、被接合体の表面に金属柱３の表面が面接触した状態で、樹脂組成物４と被接合体が接着し、被接合体が接合される。また、この接合時に超音波の印加し、金属柱３の先端面の金属と被接合体の金属とを溶着させることにより、金属柱３の先端面と被接合体の表面とを溶接することができる。これにより、高い接合強度を得ることができる。
【００６０】
・第３組立工程
放熱板２０とケース２１とをシリコーン接着剤（図示省略）を用いて接合する。
【００６１】
・第４組立工程
図２に示す導電性接着シート３０の片側の突起層２をパワー半導体素子２３のソース電極２３ｃの面上に載せ、もう片側の突起層２を直流負極端子２７の面上に載せ、フリップチップボンダを用いて接合する。同様に、図２に示す導電性接着シート３０の片側の突起層２をパワー半導体素子２３のソース電極２３ｃの面上に載せ、もう片側の突起層２を交流端子２４の面上に載せ、フリップチップボンダを用いて接合する。また、図２に示す導電性接着シート３０の片側の突起層２を導体パターン２２ａの面上に載せ、もう片側の突起層２を直流正極端子２６の面上に載せ、フリップチップボンダを用いて接合する。同様に、図２に示す導電性接着シート３０の片側の突起層２を導体パターン２２ａの面上に載せ、もう片側の突起層２を交流端子２４の面上に載せ、フリップチップボンダを用いて接合する。
【００６２】
・第５組立工程
パワー半導体素子２３のゲート電極２３ｂとドライブ回路基板接続端子３１とにワイヤ３２をボンディングし、パワー半導体素子２３のゲート電極２３ｂとドライブ回路基板接続端子３１とを電気的に接続する。
【００６３】
・第６組立工程
ケース２１の中にシリコーンゲル樹脂（図示省略）を注入し、ケース２１の上面開口部に樹脂製カバー（図示省略）をエポキシ接着剤（図示省略）によって接合し、ケース２１の上面開口部を樹脂製カバー（図示省略）によって塞ぐ。
【００６４】
以上説明した本実施例の導電性接着シートによれば、基材１として、体積抵抗率の小さい金属と熱膨張係数の小さい金属との複合材からなる金属箔を用いているので、基材として銅製の金属箔を用いる従来のものと同等に、基材１の体積抵抗率を小さくすることができると共に、基材として銅製の金属箔を用いる従来のものよりも、基材１の熱膨張係数を小さくすることができる。このため、本実施例の導電性接着シートでは、被接合部材、例えばパワー半導体素子２３と導体パターン２２ａとの熱膨張係数の違いに応じた熱膨張差によって金属柱３にかかる応力を緩和することができ、これまで以上に接続信頼性を向上させることができる。従って、本実施例の導電性接着シートによれば、熱サイクルの厳しい装置、例えば１５年以上という寿命が要求される自動車用電力変換装置の接合部材に適用されても、長年に渡って接続信頼性を維持し、自動車用電力変換装置の長寿命化に貢献することができる。尚、本実施例では、基材１として複合材を用いたが、複合材と同等に体積抵抗率及び熱膨張係数を小さくすることができる単体の金属材がある場合にはそれを用いても構わない。また、導電性接着シートが接合部材として熱的な接続のみ目的として用いられる場合は、基材１として、ニッケルが３０〜５５重量％含有された鉄ニッケル合金を単体で用いても構わない。
【００６５】
また、本実施例の導電性接着シートによれば、突起層２及び基材１が熱的及び電気的な伝達経路になり、シートの内部に接点が形成されることがないので、金属と同等の熱伝導率及び体積抵抗率を得ることができる。
【００６６】
また、本実施例の導電性接着シートによれば、突起層２に樹脂組成物４が充填されているので、金属柱３は容易に弾性変形することができる。このため、本実施例の導電性接着シートでは、被接合部材、例えばパワー半導体素子２３と導体パターン２２ａとの熱膨張係数の違い応じた熱膨張差によって、パワー半導体素子２３と導電性接着シートとの間の接合界面及び導体パターン２２ａと導電性接着シートとの間の接合界面にかかる応力を緩和することができる。
【００６７】
発明者らは、本実施例の導電性接着シートが、熱サイクルの厳しい装置の接合部材として好ましいことを実験によって確認するために、本実施例によって得られた導電性接着シートを１０mm×１０mmに裁断し、熱抵抗及び電気抵抗を測定した。この結果、本実施例によって得られた導電性接着シートでは、熱抵抗が０.０１９(Ｋ／Ｗ)、電気抵抗が９.２×１０-8（Ω）であった。
【００６８】
また、本実施例の導電性接着シートを接合部材として適用した自動車用電力変換装置について、低温−４０℃という環境下で３０分、高温１２５℃という環境下で３０分という温度サイクル試験を１０００サイクル行った。そして、温度サイクル試験後、試片の断面観察を行った。この結果、本実施例の導電性接着シートを接合部材として適用した自動車用電力変換装置では、断線，剥離などの不具合が見られず、高い接続信頼性を得られることが確認できた。
【実施例２】
【００６９】
本発明の第２実施例である導電性接着シートの製造方法について説明する。本実施例の導電接着シートの構成は、第１実施例の導電性接着シートの構成と同様のものである。また、本実施例では、第１実施例と同様に、基材１の両面に突起層２を設けた構造のものの製造方法を例にとり説明するが、基材１の片面に突起層２を設けた構造のものにも同様に適用することができる。
【００７０】
・第１製造工程
厚さが３５μｍであり、ニッケルが４２重量％含有された鉄ニッケル合金箔（日立金属製：ＹＥＦ４２）の両面に電気銅鍍金を施す。これにより、鉄ニッケル合金箔の両面に厚さ約１０μｍの銅が被覆された基材１を製作する。
【００７１】
・第２製造工程
感光性レジストを基材１の両面に厚さが約５０μｍになるようにラミネートし、フォトマスクを合わせ、超高圧水銀灯で露光する。この後、現像し、直径１００μｍの穴を基材１の両面の感光性レジスト全面に２００μｍの等ピッチで縦横に形成する。
【００７２】
・第３製造工程
感光性レジストの穴内に電気銅鍍金を施す。この後、感光性レジストを剥離する。これにより、基材１の両表面に複数の金属柱３を形成し、厚さが約５０μｍの突起層２を基材１の両面に形成する。
【００７３】
・第４製造工程
基材１の両面に形成された突起層２にポリイミドワニス（宇部興産製：ＵワニスＡ）をメタルマスクで印刷し、これを１３０℃の乾燥炉で３０分間乾燥する。これにより、樹脂組成物４を突起層２に充填する。
【００７４】
・第５製造工程
突起層２の端面にあるポリイミドワニスの残りをプラズマ洗浄機で除去し、金属柱３の先端面を樹脂組成物４の表面から外部に露出或いは樹脂組成物４の表面から外部に露呈させ、厚さが約１５０μｍの導電性接着シートを製作した。
【００７５】
以上説明した本実施例の導電性接着シートにおいても、第１実施例と同様の効果を得ることができる。
【実施例３】
【００７６】
本発明の第３実施例である導電性接着シートの製造方法について説明する。本実施例の導電接着シートの構成は、第１実施例の導電性接着シートの構成と同様のものである。また、本実施例では、第１実施例と同様に、基材１の両面に突起層２を設けた構造のものの製造方法を例にとり説明するが、基材１の片面に突起層２を設けた構造のものにも同様に適用することができる。
【００７７】
・第１製造工程
厚さが３５μｍであり、ニッケルが４２重量％含有された鉄ニッケル合金箔（日立金属製：ＹＥＦ４２）の両面に電気銅鍍金を施す。これにより、鉄ニッケル合金箔の両面に厚さ約１０μｍの銅が被覆された基材１を製作する。
【００７８】
・第２製造工程
エポキシ系絶縁樹脂（旭電化製：ＢＵＲ−４５３Ｓ）を基材１の両面に厚さが５０μｍになるようにラミネートし、真空プレスで加熱，硬化する。これにより、樹脂組成物４による樹脂層が基材１の両面に形成されたシート部材を製作する。
【００７９】
・第３製造工程
ＵＶ−ＹＡＧレーザ穴あけ機を用いて、直径１００μｍの穴をシート部材の両面の樹脂層全面に２００μｍの等ピッチで縦横に形成する。
【００８０】
・第４製造工程
シート部材の穴内に電気銅鍍金を施す。これにより、金属柱３の先端が樹脂組成物４の表面から外部に露出或いは樹脂組成物４の表面から外部に露呈する突起層２を形成し、厚さ約１５０μｍの導電性接着シートを得る。
【００８１】
以上説明した本実施例の導電性接着シートにおいても、第１実施例と同様の効果を得ることができる。
【実施例４】
【００８２】
本発明の第４実施例である導電性接着シートの構成を図１１に基づいて説明する。本実施例の導電性接着シートは、第１乃至３実施例のいずれかの製造方法によって製作されたものであり、突起層２を構成する金属柱３の先端面に、ニッケル及び金からなる金属層６が形成されている。
【００８３】
このように構成された本実施例の導電性接着シートは、第１乃至３実施例のいずれかの製造方法によって導電性接着シートを製作した後、突起層２を構成する金属柱３の先端面に、厚さ約５μｍの無電解ニッケル鍍金を行い、この後、厚さ約１μｍの無電解金鍍金を施し、突起層２を構成する金属柱３の先端面に、ニッケル及び金からなる金属層６を形成している。
【００８４】
本実施例の導電性接着シートによれば、突起層２を構成する金属柱３の先端面に、ニッケル及び金からなる金属層６を形成しているので、被接合部材、例えばパワー半導体素子２３の表面と金属層６の先端面との接触抵抗を、第１乃至３実施例のいずれかの導電性接着シートよりも小さくすることができ、熱伝導性や体積抵抗率をさらに向上することができる。
【００８５】
尚、本実施例では、前述のように、金属層６を鍍金によって形成したが、これに限定されることはなく、スパッタリングやクラッドなどの加工方法でもよい。また、本実施例では、銅製の金属柱３の先端面に金属層６を形成する場合について説明したが、金属柱３が鉄ニッケル合金の場合には、まず、銅鍍金を施し、この後、無電解ニッケル鍍金，無電解金鍍金を施す。このようにすれば、金属柱３の先端面の最外層に金鍍金層を施すことができ、被接合部材、例えばパワー半導体素子２３の表面と金属層６の先端面との接触抵抗を小さくすることができる。さらに、金属柱３がアルミニウム以外の金属の場合、金属柱３の先端面にアルミニウムをスパッタリングし、かつ被接合部材、例えばパワー半導体素子２３と導電性接着シートとを接合する加圧加熱工程において超音波を併用すれば、パワー半導体素子２３のアルミニウムパッドと金属柱３の先端面との溶接が良好に行われ、高い接合強度を得ることができる。
【実施例５】
【００８６】
本発明の第５実施例である導電性接着シートについて説明する。本実施例の導電性接着シートは、第１乃至３実施例のいずれかの製造方法によって製作されたものであり、突起層２を構成する金属柱３の先端面に、すずからなる金属層６が形成されている。このように構成された本実施例の導電性接着シートは、第１乃至３実施例のいずれかの製造方法によって導電性接着シートを製作した後、突起層２を構成する金属柱３の先端面に、厚さ約１０μｍの電気すず亜鉛合金鍍金を施し、突起層２を構成する金属柱３の先端面に、すず亜鉛合金からなる金属層６を形成している。
【００８７】
本実施例の導電性接着シートにおいても、前例と同様の効果を得ることができる。
【００８８】
尚、本実施例では、前述のように、銅製の金属柱３の先端面に、すず亜鉛合金かからなる金属層６を形成する場合について説明したが、これに替えて、無電解すず及び銀からなる金属層６を金属柱３の先端面に形成してもよい。すなわち金属柱３の突端面に無電解すず鍍金を施し、この後、銀鍍金を施して金属層６を金属柱３の先端面に形成する。このような構成の金属層６を形成することにより、被接合体の接合時、加熱によって無電解すず及び銀からる金属層６が溶融し、金属柱３の突端面を被接合体の金属面に半田付けすることができる。従って、高い接合強度を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】本発明の第１実施例である導電性接着シートの構成を示す断面図。
【図２】本発明の第１実施例である導電性接着シートの構成を示す断面図。
【図３】図１，図２の導電性接着シートを接合部材として適用した自動車用インバータ装置のインバータブリッジ回路のモジュール構成を示す断面図。
【図４】図１，図２の導電性接着シートを接合部材として適用した自動車用インバータ装置のインバータブリッジ回路のモジュール構成を示す平面図。
【図５】図３，図４の自動車用インバータ装置が搭載される自動車の電気的な電機システムの構成を示すシステム構成図。
【図６】図３，図４の自動車用インバータ装置が搭載される自動車のパワートレインの構成を示すブロック図。
【図７】図２の導電性接着シートの変形例を示す断面図。
【図８】図１の導電性接着シートの突起層と樹脂組成物との位置関係を示す断面図。
【図９】図８の導電性接着シートの変形例を示す断面図。
【図１０】図８の導電性接着シートの変形例を示す断面図。
【図１１】本発明の第４実施例である導電性接着シートの構成を示す断面図。
【符号の説明】
【００９０】
１…基材、２…突起層、３…金属柱、４…樹脂組成物、６…金属層。
【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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