(57)【要約】【課題】  接着性および熱伝導性を向上した熱伝導シートを得ることを目的とする。【解決手段】  セラミックスシート等の熱伝導性を有する基体３の両面に、所定の開口面積を有する凹部としての溝３０が基体の一方の端部から他方の端部まで連続して形成され、基体３の表面と裏面との両面には樹脂組成物を含む接着剤層２が設けられ、溝３０には、上記樹脂組成物が充填されている。接着剤層２は例えば半硬化状態にしておき熱伝導シート１を被着体に接着する場合に接着剤として作用させる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱伝導性を有する基体と、樹脂組成物を含む接着剤層とを備えた熱伝導シートであって、上記基体の少なくとも一方の面には、所定の開口面積を有する凹部が形成され、上記凹部には、上記樹脂組成物が充填されていることを特徴とする熱伝導シート。
【請求項２】
凹部が形成された基体の面において、凹部の開口面積が、上記基体上面の面積の５〜３０％であることを特徴とする請求項１に記載の熱伝導シート。
【請求項３】
凹部が形成された基体の面上には被熱伝導体が設けられ、凹部が形成された基体の面において、基体の上面の面積に対する上記凹部の開口面積の比率は、上記基体の面における、被熱伝導体の搭載領域と非搭載領域とで異なり、
（被熱伝導体の搭載領域における凹部の開口面積）／（被熱伝導体の搭載領域における基体の上面の面積）＜（被熱伝導体の非搭載領域における凹部の開口面積）／（被熱伝導体の非搭載領域における基体の上面の面積）
であることを特徴とする請求項１に記載の熱伝導シート。
【請求項４】
熱伝導性を有する基体と、樹脂組成物を含む接着剤層とを備え、上記基体上に被熱伝導体が設けられる熱伝導シートであって、上記基体の少なくとも被熱伝導体が設けられる面には凹部が形成され、上記凹部には、上記樹脂組成物が充填され、被熱伝導体が設けられる基体の面において、基体の上面の面積に対する上記凹部の開口面積の比率は、上記基体の面における、被熱伝導体の搭載領域と非搭載領域とで異なり、
（被熱伝導体の搭載領域における凹部の開口面積）／（被熱伝導体の搭載領域における基体の上面の面積）＜（被熱伝導体の非搭載領域における凹部の開口面積）／（被熱伝導体の非搭載領域における基体の上面の面積）
であることを特徴とする熱伝導シート。
【請求項５】
被熱伝導体の搭載領域における基体の面には凹部が設けられていないことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の熱伝導シート。
【請求項６】
凹部は、基体の面の一方の端部から他方の端部まで設けられた溝であることを特徴とする請求項１または請求項４に記載の熱伝導シート。
【請求項７】
凹部は、基体の面に複数設けられた穴であることを特徴とする請求項１または請求項４に記載の熱伝導シート。
【請求項８】
凹部は、基体の一方の面から他方の面に、上記基体を貫通していることを特徴とする請求項７に記載の熱伝導シート。
【請求項９】
凹部が形成された基体の面上には被熱伝導体が設けられ、上記凹部が形成された基体の面において、複数の凹部の間隔は、上記被熱伝導体の搭載領域と非搭載領域とで異なり、
（被熱伝導体の搭載領域における凹部の間隔）＞（被熱伝導体の非搭載領域における凹部の間隔）であることを特徴とする請求項１または請求項４に記載の熱伝導シート。
【請求項１０】
接着剤層は半硬化状態の熱硬化性樹脂組成物を含有することを特徴とすることを特徴とする請求項１または請求項４に記載の熱伝導シート。
【請求項１１】
接着剤層は無機フィラーを含有することを特徴とすることを特徴とする請求項１または請求項４に記載の熱伝導シート。
【請求項１２】
ヒートシンクと、被熱伝導体であって上記ヒートシンク上に搭載されたパワー半導体素子と、上記パワー半導体素子を封止するモールド樹脂と、上記ヒートシンクのパワー半導体素子の搭載面の反対面に設けられた請求項１〜請求項１１のいずれかに記載の熱伝導シートとを備えたことを特徴とするパワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被熱伝導体であって、例えばパワー半導体素子等の発熱体からの熱を伝導して放出する熱伝導シートおよび熱伝導シートを用いたパワーモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体電力素子（パワー半導体素子）が実装されたリードフレームの、上記半導体電力素子が実装された面の反対面に、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＢｅＯ等、絶縁性および熱伝導性に優れた物質からなる絶縁体（セラミックス板）を接着剤により接着させたものがある（例えば特許文献１参照）。
また、高分子フィルム内に、セラミックスの多面体を配置した複合セラミックスシートがある（例えば特許文献２参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−１５６２５３号公報（第３頁）
【特許文献２】特開平９−３１４７４７号公報（第１頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
熱伝導性に優れたセラミックス板は、接着剤によりヒートスプレッダまたはリードフレーム等に接着して用いるが、上記セラミックス板は、半導体電力素子等の発熱体により、ヒートスプレッダまたはリードフレームとの熱膨張率の差等により応力を受けて接着剤との界面で剥離して発熱体からの熱の伝導が阻害されるという課題があった。
また、複合セラミックスシートは、ヒートスプレッダまたはリードフレームに接着した場合、セラミックスの多面体間の樹脂組成物により、上記ヒートスプレッダまたはリードフレームとの接着性は向上するものの、熱伝導を担うセラミックスの多面体間での熱の受け渡しが乏しく熱伝導性が低下するという課題があった。
【０００５】
本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、セラミック板に代表される基体の有する優れた熱伝導性を維持し、接着性に優れた熱伝導シートを得ることを目的とする。また、高容量化が可能なパワーモジュールを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る熱伝導シートは、熱伝導性を有する基体と、樹脂組成物を含む接着剤層とを備えた熱伝導シートであって、上記基体の少なくとも一方の面には、所定の開口面積を有する凹部が形成され、上記凹部には、上記樹脂組成物が充填されているものである。
【発明の効果】
【０００７】
基体における熱の受け渡しを損なうことなく、基体に設けた凹部およびこれに充填された樹脂組成物により、熱伝導シートの接着性および熱伝導性を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における熱伝導シートの概略構成図であり、図１（ａ）は熱伝導シート１の基体３の表面に設けられた接着剤層２を透視した上面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）におけるａ−ａ線断面図で、基体３の表面に設けられた接着剤層２も併せて記載したものである。なお、基体３の平坦部３２の表面に存在する接着剤層２は、基体３の熱伝導性を損なわないために、基体１に比べて非常に薄く設けるが説明をわかりやすくするため厚く記載している。
本発明の実施の形態１における熱伝導シート１は、セラミックスシート等の熱伝導性を有する基体３の両面に、所定の開口面積を有する凹部としての溝３０が形成され、基体３の表面と裏面には樹脂組成物を含む接着剤層２が設けられ、溝３０には、上記樹脂組成物が充填されている。接着剤層２を例えば半硬化状態にしておき熱伝導シート１を被着体に接着する場合に接着剤として作用させる。
【０００９】
ここで、所定の開口面積とは、接着特性、熱伝導特性をともに確保するために、基体３に設けられた溝３０の開口部３０ａの面積であって、側面３０ｂは含まない。溝３０を複数設けた場合は、溝３０の開口部３０ａの面積の総和を意味する。
上述のように構成された熱伝導シート１は、基体３に凹部としての溝３０を形成し、上記溝３０に接着剤層２の樹脂組成物を充填することによって接着性が向上する。さらに、基体３は面方向に連続しているので熱の受け渡しがスムーズに行われ、基体３に用いられる例えばセラミックスシートの優れた熱伝導性を確保できる。
なお、本実施の形態では基体３の両面に溝３０および接着剤層２を設けた例を示したが、例えば溝３０を熱伝導シートの被熱伝導体を搭載する側の基体の面のみに形成しても良く、熱伝導シートの用途に対応して設けるのが良い。
【００１０】
本実施の形態に係わる基体３としては、熱伝導性を有するセラミックスシートが用いられ、セラミックス材料としては１０Ｗ／ｍＫ以上の高い熱伝導率を有する材料であれば特に限定されるものではないが、アルミナ、窒化ホウ素、窒化アルミニウム等、３０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有する材料を用いることが好ましい。また、例えば窒化アルミニウムの表面に酸化膜であるアルミナがコーティングされたものでも良い。
また、上記基体３の厚さは、０．１ｍｍ〜２ｍｍ程度が良い。薄い方が熱抵抗が小さくなるため０．１ｍｍ〜０．８ｍｍ程度がより好ましい。
【００１１】
本実施の形態に係わる接着剤層２は主に樹脂組成物で構成され、例えばエポキシ樹脂、フェノール樹脂、シリコーンゴム等の熱硬化性樹脂や、ポリエチレン、ポリイミド、アクリル系の熱可塑性樹脂等が用いられる。本実施の形態においては、上記樹脂組成物として熱硬化性樹脂を用い、半硬化状態として用いた例を示したが、熱可塑性樹脂を用い、熱により軟化または溶融させて用いても同様に接着剤として作用させることができる。つまり、片面が半硬化状態、軟化状態または溶融状態であれば片面が接着可能であり、樹脂全体が半硬化状態、軟化状態または溶融状態であれば両面が接着可能な熱伝導シートとなるため用途が広がる。
また、上記樹脂組成物に、さらに、熱伝導性の良いアルミナ、窒化ホウ素、窒化アルミニウム等の無機フィラーを充填したものであっても良く、熱伝導性が向上し、基体３のセラミックスとの熱応力も低減できるため好ましい。上記フィラーの径は０．０１μｍ〜１００μｍであることが好ましく、接着剤層２となる樹脂組成物の最終的な厚さ以下の大きさの径のものを用いる。
また、上記接着剤層２の厚さは、熱伝導シート１を接着する被着体からの熱の伝導のためには薄い方が良いが、厚い方が接着性が向上する。そのため、基体３の平坦部３２上の接着剤層２の厚さは、基体３の厚さの１／１０〜１／２０程度が良い。
【００１２】
本実施の形態に係わる基体３として、５０ｍｍ角で、厚さ０．６３５ｍｍの窒化アルミニウムシートに、図１に示すように、幅０．２ｍｍ、深さ０．１ｍｍの溝を、表１に示すような間隔で、基体３の一方の端部から他方の端部まで連続して一方向に形成したものを用いる。
接着剤層２となる樹脂組成物として、アルミナ粉末を５０体積重量部充填したエポキシ樹脂を用い、上記のように溝を設けた基体３の表裏面にそれぞれ５０μｍ厚で設けて接着剤層２を形成して本実施の形態の熱伝導シート１を作製した。
【００１３】
【表１】
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【００１４】
上記のようにして得られた本実施の形態の熱伝導シート１を銅板２枚の間に接着し、上記２枚の銅板を互いに銅板の面方向と平行な方向（剪断方向）に引っ張り、破断するときの強度により接着強度を測定した。
また、上記各熱伝導シート１の熱伝導率を測定した。
表１に、基体３の上面の面積に対する溝の開口面積の比率（以下、「溝の開口面積の比率」という。）、基体３に設けた溝３０の間隔、上記引張剪断試験により得られた接着強度と熱伝導率を示す。また、図２に、溝３０の開口面積の比率と接着強度との相関を示す特性図を示す。なお、基体３の上面とは、基体の両面または一方の面における、基体の平坦部３２を連ねた面であり、溝３０を設ける前の基体３の表面に相当し、基体の上面の面積とは、溝を設ける前の基体３の表面積である。
表１および図２に示すように、溝の開口面積の比率を大きくすることにより接着性が向上し、溝の開口面積の比率は５％以上であるのが望ましい。
一方、溝の開口面積の比率が大きくなると接着剤層２が厚くなり熱伝導シート１の熱伝導性に悪影響を及ぼし、図２に示すように、溝の開口面積の比率が３０％を越えると接着強度の上昇が緩慢になるため、熱伝導シート１の接着性および熱伝導性を確保するには、溝の面積比率は５〜３０％であるのが望ましい。なお、上記傾向は、基体３の両面に設けた溝３０の深さの合計が、基体３の厚さの１／１０〜１／２の範囲で同様に示された。
なお、表１に示す熱伝導シート１の熱伝導率は、全般的に約２０Ｗ／ｍＫ、絶縁耐圧は約１２ｋＶであり、絶縁性を備えた熱伝導シートであることが確認できた。
【００１５】
また、表１において、溝を設けていない熱伝導シートは、セラミックスシートを接着剤により付着したものであるが、表１に示すように、本実施の形態の熱伝導シート１の接着強度は、溝を設けない熱伝導シートの２倍をはるかに越えている。一方、熱伝導率については、高分子材料にセラミックス多面体を配置した複合セラミックスシートの約１．５倍と高いものが得られた。
本実施の形態では、凹部として、基体の一方の端部から他方の端部まで連続して一方向に形成された溝３０の例を示したが、基体３表面の溝が一方向に平行であるだけでなく、溝同士が交じり合うように設けられても良い。溝が一方向のみに形成された場合は、接着強度はその方向に直交する方向が強くなるが、交じりあうように形成されていることによって一方向だけではなく、他の各方向の接着強度が強くなるという効果が生まれる。
また、図３に示すように、端部まで連続しない溝３１でも良く、穴でも良い。また、溝の断面形状は特定するものではなく、本実施の形態におけるようにＶ状や、凹状または半円状でも良い。半円状とすれば、溝においてクラックが生じることを防止できるので好ましい。
【００１６】
実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２における熱伝導シート１に係わる基体の概略構成を示す上面図であり、基体３に設ける凹部として、図１に示す熱伝導シート１において、溝３０の代わりに穴３３を設けた場合である。また、図４（ａ）に示すように、穴３３の開口部の大きさを調整することにより、図４（ｂ）に示すように、穴３３を設ける密度を調整することにより、基板３の上面の面積に対する、穴３３の開口部の面積比率を調整している。
凹部としての穴３３が形成された基体３の面上には被熱伝導体が設けられるが、穴３３が形成された基体３の面において、基体３の上面の面積に対する上記穴の開口面積の比率は、発熱体の直下領域等、被熱伝導体の搭載領域６０ａとそれ以外の非搭載領域６０ｂとで異なり、
（被熱伝導体の搭載領域における穴の開口面積）／（被熱伝導体の搭載領域における基体の上面の面積）＜（被熱伝導体の非搭載領域における穴の開口面積）／（被熱伝導体の非搭載領域における基体の上面の面積）としている。
つまり、図４（ａ）に示すように、本実施の形態の熱伝導シートにおいて、接着性を重視したい被熱伝導体の非搭載領域６０ｂと、熱伝導性を確保したい被熱伝導体の搭載領域６０ａとで、穴３３の開口部の面積が異なり、被熱伝導体の非搭載領域６０ｂにおける穴３３の開口部を、被熱伝導体の搭載領域６０ａにおける穴３３の開口部より大きくすることにより、基体３の上面の面積における穴３３の開口面積比率を上記のように調整したものである。
また、図４（ｂ）に示すように、本実施の形態の熱伝導シートにおいて、接着性を重視したい被熱伝導体の非搭載領域６０ｂと、熱伝導性を確保したい被熱伝導体の搭載領域６０ａとで、穴３３の配置密度が異なり、被熱伝導体の非搭載領域６０ｂにおける穴３３の密度を、被熱伝導体の搭載領域６０ａにおける穴３３の密度より高くすることにより、基体３の上面の面積における穴３３の開口面積比率を上記のように調整したものである。
なお、本実施の形態において、穴が基体の一方の面から他方の面に貫通していても良く、基体３の上面と下面の接着剤層がつながるため、基体３との接着力が非常に増すのと同時に、被着体から受ける応力などに対して緩和しやすいシートとなる。
【００１７】
実施の形態３．
図５は、本発明の実施の形態３における熱伝導シート１に係わる基体３の概略構成図であり、例えば熱伝導シート１に被熱伝導体である発熱体６を搭載する場合で、図５（ａ）は上面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）におけるａ−ａ線断面図である。
つまり、被着体と熱伝導シート１とが剥離しないように接着性を向上させるために、熱伝導シート１における発熱体６の直下領域の周囲６０ｂの基体３に溝３０を集中して設け、発熱体６の直下領域６０ａの基体３には溝３０を設けない他は実施の形態１の熱伝導シートと同様であり、発熱体６の直下領域の周囲６０ｂの接着性が高く被着体と剥離しにくいため、熱伝導性と接着性が共に優れ、より信頼性が向上する。
図６は、本実施の形態における、基体３の別の例を示す上面図であり、例えば熱伝導シート１に被熱伝導体である発熱体を搭載する場合で、熱伝導シート１における発熱体６の直下領域の周囲６０ｂの基体３に、図５に示すものより、溝３０の間隔を狭く密に形成したもので、より接着性が向上する。
なお、本実施の形態において、凹部として穴を設けた場合も同様の効果が得られる。
【００１８】
実施の形態４．
図７は、本発明の実施の形態４における、パワーモジュールの概略構成を示す断面図であり、実施の形態１〜３の熱伝導シート１を用いたものである。
本実施の形態のパワーモジュール７は、被熱伝導体であって、発熱体となるパワー半導体素子６が、被着体となるヒートシンク９に搭載され、ヒートシンク９に上記実施の形態１〜３の熱伝導シート１が接着し、ヒートシンク９はリードフレーム８とつながっている。また、上記熱伝導シート１は被着体となるヒートスプレッダ１１にも接着し、上記構成部材がモールド樹脂１０で封止されている。
なお、熱伝導シート１を半硬化状態の固形シートとして、ヒートシンク９とヒートスプレッダ１１の間に配置し、加熱加圧硬化すれば、生産性よく接着できる。また、上記ヒートシンク９とヒートスプレッダ１１との接着工程は、モールド樹脂１０による封止工程で同時に行っても良い。
本実施の形態のパワーモジュール７に対して、「−４０℃での３０分間保持と１２５℃での３０分間保持」を１サイクルとして、３００サイクルを施したヒートサイクル試験を施したところ、ヒートシンク９とヒートスプレッダ１１とを接着する熱伝導シート１の剥離や熱伝導シート１内の基体３と接着剤層２の剥離は認められず放熱性を維持することができ、高容量化が可能となった。
【００１９】
図８は、本実施の形態において、被着体となるヒートシンク９と熱伝導シート１の部分を拡大して模擬的に示す断面図であり、上記ヒートシンク９には発熱体６が搭載されている。また、熱伝導シート１として、例えば図５または図６の熱伝導シート１を用いた場合で、熱伝導シート１において、発熱体６を搭載する領域６０ａの基体３には溝３０が設けられず、発熱体６を搭載しない領域６０ｂの基体３に溝３０が設けられたものである。
図８（ｂ）は、上記熱伝導シート１の基体３に設けられた溝３０の一部が貫通している場合で、発熱体６が搭載されていない領域６０ｂの基体３に設けられた溝３０が貫通している。これは、図５または図６に示された基体３の両面に、半硬化状態の接着剤層２を設けた熱伝導シート１を、接着剤層２を被着体に接着させた場合に、例えば被着体との接着時にかかる圧力によって、基体３であるセラミックス材料が一部の溝３０で割れて貫通した場合で、接着剤層２と基体３の接着性の向上につながるだけでなく、被着体との接着力も向上する。
【００２０】
上記のように、本実施の形態に係わる熱伝導シートにおいては、被着体との接着時に、基体３であるセラミックス材料の溝３０に応力が集中ので、割れやすい部分を予測できる。そのため、本実施の形態に示すように、例えば被熱伝導体の非搭載領域６０ｂ等、割れてもパワーモジュールの特性に余り影響しない領域で基体３が割れるように溝３０を形成する箇所を設計することにより、パワーモジュールの信頼性がさらに向上する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施の形態１における熱伝導シートの概略構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１における熱伝導シートの基体の上面の面積に対する溝の開口面積の比率と、接着強度との相関を示す特性図である。
【図３】本発明の実施の形態１における別の熱伝導シートの上面図である。
【図４】本発明の実施の形態２における熱伝導シートに係わる基体の概略構成を示す上面図である。
【図５】本発明の実施の形態３における熱伝導シートの基体の概略構成図である。図４のＢ−Ｂ線における断面図である。
【図６】本発明の実施の形態１における別の熱伝導シートの基体の概略構成図である。本発明の実施の形態２における、パワーモジュールの概略構成を示す下面図である。
【図７】本発明の実施の形態４のパワーモジュールの概略構成を示す断面図である。
【図８】本発明の実施の形態４のパワーモジュールの、発熱体が搭載された被着体となるヒートシンクと熱伝導シートの部分を拡大して模擬的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００２２】
１  熱伝導シート、２  接着剤層、３  基体、３０，３１  溝（凹部）、３３  穴（凹部）、６  被熱伝導体（発熱体）、６０ａ  被熱伝導体の搭載領域、６０ｂ  被熱伝導体の非搭載領域、７  パワーモジュール。
【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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