(57)【要約】【課題】厚みを小さくしても優れた放熱性を発揮することができる放熱グリス及びこれを用いた半導体冷却構造を提供すること。【解決手段】被着体１８、１９間に介在させ、加圧下で使用される放熱グリス１及びこれを用いた半導体冷却構造である。放熱グリス１は、シリコーン系オイル１１と、このオイル中に分散された熱伝導フィラ１２とを含有する。熱伝導フィラ１２は、モース硬度が４以下であり、熱伝導率が８０Ｗ／ｍＫ以上である。半導体冷却構造においては、相互に加圧密着された半導体モジュールと絶縁体と冷却管との間に放熱グリス１が介在している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被着体（１８、１９）間に介在させ、加圧下で使用される放熱グリス（１）であって、
シリコーン系オイル（１１）と、
該シリコーン系オイル中に分散された熱伝導フィラ（１２）と、を含有し、
該熱伝導フィラ（１２）は、モース硬度が４以下であり、熱伝導率が８０Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする放熱グリス（１）。
【請求項２】
上記放熱グリス（１）は、０．１ＭＰａ以上の加圧条件下で使用されることを特徴とする請求項１に記載の放熱グリス（１）。
【請求項３】
上記熱伝導フィラ（１２）は、上記被着体（１８、１９）間において変形した状態で介在されることを特徴とする請求項１又は２に記載の放熱グリス（１）。
【請求項４】
上記熱伝導フィラ（１２）は、Ａｌ、ＢＮ、ＭｇＯ、及びグラファイトからなるグループから選ばれる少なくとも１種からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の放熱グリス（１）。
【請求項５】
上記熱伝導フィラ（１２）は、ＢＮ及び／又はＭｇＯからなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の放熱グリス（１）。
【請求項６】
半導体モジュール（３）と、絶縁体（４）と、冷却管（５）とが、それぞれの主面において互いに加圧密着された半導体冷却構造（２）であって、
上記半導体モジュール（３）の主面（３５）と上記絶縁体（４）の主面（４５）との間、及び該絶縁体（４）の他の主面（４６）と上記冷却管（５）の主面（５５）との間には、請求項１〜５のいずれか１項に記載の放熱グリス（１）が介在していることを特徴とする半導体冷却構造（２）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放熱性に優れた放熱グリス及びこれを用いた半導体冷却構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば発熱体を備える被着体と冷却手段を備える他の被着体との密着性を高めることによって冷却性能を高めるため、被着体間に放熱性を有するグリスや接着剤を介在させることが行われている。このような接着剤としては、例えば、導電性粒子と、該導電性粒子よりも平均粒径が小さく、表面に絶縁層が形成された金属粒子からなる熱伝導粒子とが接着剤成分に分散された異方性導電接着剤が開発されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−６７７６２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
熱伝導粒子等の熱伝導フィラの配合量を増やすことにより、グリスや接着剤の放熱性を高めることは可能である。しかしながら、グリスや接着剤等の樹脂材料中に熱伝導フィラを多量に配合すると粘度が高くなる。また、放熱性を高めるためには、多量に配合した熱伝導フィラを最密充填させる必要性があり、その結果、上述の従来技術のように粒径の大きなフィラと小さなフィラとを組み合わせる必要がある。しかし、粘度が高く、粒径の大きなフィラを有するグリスや接着剤を用いると、被着体間に介在させるグリスや接着剤の厚みが必然的に大きくなってしまう。その結果、従来のグリスや接着剤においては、厚みの縮小と放熱性の向上との両立が困難であった。
【０００５】
本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、厚みを小さくしても優れた放熱性を発揮することができる放熱グリス及びこれを用いた半導体冷却構造を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様は、被着体間に介在させ、加圧下で使用される放熱グリスであって、
シリコーン系オイルと、
該シリコーン系オイル中に分散された熱伝導フィラと、を含有し、
該熱伝導フィラは、モース硬度が４以下であり、熱伝導率が８０Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする放熱グリスにある。
【０００７】
本発明の他の態様は、半導体モジュールと、絶縁体と、冷却管とが、それぞれの主面において互いに加圧密着された半導体冷却構造であって、
上記半導体モジュールの主面と上記絶縁体の主面との間、及び該絶縁体の他の主面と上記冷却管の主面との間には、上記放熱グリスが介在していることを特徴とする半導体冷却構造にある。
【発明の効果】
【０００８】
上記放熱グリスは、シリコーン系オイルと、該シリコーン系オイル中に分散された、所定のモース硬度及び熱伝導率を有する熱伝導フィラとを含有している。そして、放熱グリスは、被着体間に介在させ、加圧下で使用される。そのため、被着体間において、上記のごとくモース硬度の低い熱伝導フィラを変形させることができ、被着体間で熱伝導フィラが熱を充分に伝達することができる。そのため、被着体間に塗布する放熱グリスの厚みを小さくしても、放熱グリスは優れた放熱性を発揮することができる。また、熱伝導フィラの配合量を少なくしても、放熱グリスは優れた放熱性を発揮することができる。
【０００９】
上記半導体冷却構造は、半導体モジュールと絶縁体と冷却管とが、それぞれの主面において互いに加圧密着されており、各主面の間には上述の放熱グリスが介在している。即ち、上述の放熱グリスが被着体（半導体モジュール、絶縁体、冷却管）間に加圧された状態で配置されている。そのため、半導体冷却構造においては、放熱グリスの厚みを小さくしても、放熱グリスが優れた放熱性を発揮することができる。それ故、半導体冷却構造は、放熱性に優れる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１実施形態における、加圧状態で被着体間に介在する放熱グリスの断面図。
【図２】実施例１〜実施例４、比較例１、及び比較例２の放熱グリスの圧力と熱抵抗との関係を示す説明図。
【図３】第２実施形態における、半導体冷却構造の断面図。
【図４】第２実施形態における、積層された半導体冷却構造の斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（第１実施形態）
本実施形態においては、実施例及び比較例にかかる複数の放熱グリスを作製し、加圧条件下における放熱グリスの放熱特性を評価する。図１に示すごとく、本実施形態における放熱グリス１は、被着体１８、１９間に介在させ、加圧下で使用される。放熱グリス１は、シリコーン系オイル１１と、このシリコーン系オイル１１中に分散された多数の熱伝導フィラ１２とを含有する。
【００１２】
熱伝導フィラ１２としては、アルミニウム（Ａｌ；実施例１）、窒化ホウ素（ＢＮ；実施例２）、グラファイト（実施例３）、酸価マグネシウム（ＭｇＯ；実施例４）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3；比較例１）、又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ；比較例２）を用いた。これらの熱伝導フィラ１２のモース硬度、熱伝導率、平均粒子径、形状、体積抵抗値をそれぞれ後述の表１に示す。なお、平均粒子径は、レーザー回折・散乱法によって求めた粒度分布における体積積算値５０％での粒径を意味する。
【００１３】
シリコーンオイル１１に各熱伝導フィラ１２を混合することにより、６種類の放熱グリス１（実施例１〜実施例４、比較例１、及び比較例２）を作製した。シリコーンオイル１１としては、市販品（信越化学工業(株)製のＫＦ−９６）を用いた。各放熱グリス１における熱伝導フィラ１２の配合量（充填量）を後述の表１に示す。
【００１４】
次に、各実施例及び比較例の放熱グリス１について、加圧条件下における熱抵抗を測定した。熱抵抗は、定常法を用いた熱抵抗測定装置（(株)レスカ製の熱伝導率測定装置ＴＣＭ−１０００）により測定した。この熱抵抗測定装置により、放熱グリス１を加圧しながら、放熱グリス１の熱抵抗（Ｗ／Ｋ）を測定した。測定範囲は、０．０３〜５０ＷｍＫ（熱伝導率）である。放熱グリス１にかかる圧力と、放熱グリス１の熱抵抗との関係を図２に示す。また、放熱グリス１にかかる圧力が０．７３ＭＰａである時における放熱グリスの熱抵抗を表１に示す。
【００１５】
【表１】
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【００１６】
表１より知られるように、実施例１〜４の放熱グリス１は、比較例１及び２よりも加圧時における熱抵抗が非常に低く、放熱性に優れている。即ち、実施例１〜４のように、モース硬度が４以下であり、熱伝導率が８０Ｗ／ｍＫ以上である熱伝導フィラ１２がシリコーン系オイル１１中に分散された放熱グリス１は、優れた放熱性を示すことができる。これは、実施例１〜４の放熱グリス１においては、図１に示されるように、モース硬度の低い熱伝導フィラ１２が被着体１８、１９間での加圧によって変形し、変形した状態で被着体１８、１９間に介在しているためであると考えられる。そのため、実施例１〜４の放熱グリス１においては、熱伝導フィラ１２の優れた熱伝導性が充分にいかされ、放熱グリス１が上述のように優れた放熱性を発揮することができる。
【００１７】
また、表１より知られるように、実施例１〜４の放熱グリス１は、比較例１及び２に比べて熱伝導フィラ１２の配合割合が少なく、シリコーンオイル１１中に占める熱伝導フィラ１２の割合が少ないにもかかわらず、上述のように、優れた放熱性を示すことができる。したがって、実施例１〜４の放熱グリス１は、塗布厚みを小さくしても充分に優れた放熱性を発揮することができる。
【００１８】
また、図２より知られるように、実施例１〜４の放熱グリス１は、比較例１及び２に比べて、圧力０．１ＭＰａ以上の加圧条件下において熱抵抗が顕著に低下する。即ち、モース硬度が４以下であり、熱伝導率が８０Ｗ／ｍＫ以上である熱伝導フィラ１２を含有する放熱グリス１（実施例１〜４）は、圧力０．１ＭＰａ以上の加圧条件下で使用されることが好ましい。この場合には、放熱グリス１は充分に優れた放熱性を発揮することができる。同様の観点から、放熱グリス１は、圧力０．２ＭＰａ以上の加圧条件で使用されることがより好ましく、圧力０．３ＭＰａ以上の加圧条件で使用されることがさらにより好ましい。なお、加圧力が大きくなりすぎると、耐圧性を高めるために被着体１８、１９の構造を大きくする必要性が生じたり、加圧に必要なばね等の押圧手段を大きくする必要性が生じるおそれがある。結果として、放熱グリス１周辺の構造の耐圧性を高めるために構造を大きくする必要が生じ、小型化への対応が困難になるおそれがある。かかる観点から、放熱グリス１は圧力２ＭＰａ以下で使用されることが好ましい。
【００１９】
熱伝導フィラ１２のモース硬度は、上述のように４以下であることが好ましい。この場合には、加圧に対する変形が比較的容易になるため、被着体１８、１９間で放熱グリス１が上述の優れた放熱性を発揮できる。変形がより容易になるという観点からモース硬度は３以下であることがより好ましく、２以下であることがさらに好ましい。
【００２０】
熱伝導フィラ１２の熱伝導率は、８０Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましい。フィラ１２の熱伝導率が８０Ｗ／ｍＫ未満の場合には、フィラ１２の添加による放熱性の向上効果が小さくなり、放熱グリスの放熱性を充分に高めることができなくなるおそれがある。このような熱伝導フィラ１２としては、金属粒子、セラミックス粒子等を用いることができる。なお、入手が困難であるという観点からは、熱伝導フィラ１２の熱伝導率は４００Ｗ／ｍ以下であることが好ましい。
【００２１】
熱伝導フィラ１２の平均粒子径は、５μｍ以下であることが好ましく、２．５μｍ以下であることがより好ましい。平均粒子径が大きくなると、被着体１８、１９間への塗布厚みが大きくなるおそれがある。
【００２２】
熱伝導フィラ１２は、Ａｌ、ＢＮ、ＭｇＯ、及びグラファイトからなるグループから選ばれる少なくとも１種からなることが好ましい。この場合には、上述の実施例に示すように、放熱性に優れた放熱グリス１を確実に実現できる。また、放熱グリス１の電気絶縁性を高めるという観点からは、熱伝導フィラ１２はＢＮ及び／又はＭｇＯからなることより好ましい。即ち、この場合には、放熱グリス１は、放熱性と電気絶縁性とを兼ね備えることができるため、放熱性のみならず、電気絶縁性が要求される用途に好適になる。
【００２３】
熱伝導フィラ１２は、例えば球状、鱗片状、角状、板状、凝集体状等であってもよい。好ましくは、熱伝導フィラ１２のアスペクト比は１より大きいことがよい。この場合には、放熱グリス１中でアスペクト比の大きな熱伝導フィラ１２が熱を伝達し易くなるため、放熱性をより向上させることができる。
【００２４】
放熱グリス１は、シリコーンオイル１１中に界面活性剤等のような添加剤を含有することができる。このような、添加剤としては、シリコーン系グリスに汎用されているものを採用することができる。
【００２５】
被着体１８、１９としては、様々な組み合わせがある。例えば被着体１８、１９のいずれか一方が発熱体を備え、他方が冷却手段を備えることが好ましい。この場合には、放熱グリス１を介して発熱体からの熱を充分に冷却手段に伝えることができる。そのため、放熱グリス１の優れた放熱性能が充分にいかされる。
【００２６】
（第２実施形態）
次に、上述の被着体として、半導体モジュール、絶縁体、及び冷却管を備える半導体冷却構造の実施形態について説明する。図３に示すごとく、本実施形態における半導体冷却構造２は、半導体モジュール３と、絶縁体４と、冷却管５とが、それぞれの主面において互いに加圧密着されている。絶縁体４は、半導体モジュール３と、この半導体モジュール３を冷却する冷却管５とに挟まれている。半導体モジュール３は、半導体素子（図示略）を内蔵しており、全体形状が板状である。冷却管５は、アルミニウムからなり、全体形状が板状である。絶縁体４は絶縁性セラミック板からなる。
【００２７】
図３に示すように、半導体モジュール３は、両面冷却構造を有し、絶縁体４及び冷却管５が半導体モジュール３の両主面３５に積層配置されている。そして、半導体モジュール３の主面３５と絶縁体４の主面４５との間、及び該絶縁体４の他の主面４６と冷却管５の主面５５との間には、放熱グリス１が介在している。即ち、半導体モジュール３の両主面３５上に放熱グリス１を介して絶縁体４が積層配置され、各絶縁体４の主面４６上に放熱グリス１を介して冷却管５が積層配置されている。さらに、上記のように配置された冷却管５の反対側にも同様の構成で、絶縁体４及び半導体モジュール３がグリス１を介して積層されている。そして、全体としては、図４に示すごとく、冷却管５と半導体モジュール３とが絶縁体４及びグリス１を介して交互に積層配置されている。なお、一対の冷却管５の間には、２個の半導体モジュール３が左右に並列配置された状態で挟持されている。
【００２８】
半導体モジュール３は、ＩＧＢＴ等の半導体素子（図示略）を内蔵し、さらにこの半導体素子から発生する熱を主面３５側に伝達する放熱板（図示略）を内蔵している。半導体モジュール３には、電気的導通のための外部接続端子３１が設けられている。外部接続端子３１には、主電極端子３１１と、該主電極端子３１１の突出方向と略１８０度異なる方向へ突出させた信号端子３１２とがある。
【００２９】
図３に示すごとく、冷却管５は、その内部に冷媒流路５１を有しており、流路５１内に冷却媒体が流通可能に構成されている。また、図４に示すごとく、複数の冷却管５の両端をそれぞれ連結する蛇腹パイプ５０１が配置されており、２箇所のヘッダ部５０２が形成されている。また、これら２箇所のヘッダ部５０２の一方の端部には、冷却管５に接続された冷媒導入口５０３と冷媒排出口５０４とがそれぞれ設けてある。このようにして、複数の冷却管５を並列配置してなる冷却器５０が構成されている。そして、隣り合う冷却管５の間に上述のごとく半導体モジュール３を挟持させ、冷却管５内に冷却媒体を流通させることにより、半導体モジュール３を両面から冷却することができる。図４に示す積層配置された複数の半導体モジュール３及び複数の冷却管５等によって構成される半導体冷却構造２は、例えば、自動車用のインバータ等の電力変換装置の一部を構成する。
【００３０】
半導体モジュール３と絶縁体４と冷却管５とを組み付ける際には、それぞれの主面３５、４５、４６、５５の間に放熱グリス１を配置して半導体モジュール３と絶縁体４と冷却管５とを積層し、その後、積層方向Ｘに押圧力を加える。このとき、放熱グリス１は、半導体モジュール３の主面３５と絶縁体４の主面４５との間、或いは、絶縁体４の他の主面４６と冷却管５の主面５５との間において、四方に広がる。放熱グリス１の塗布量や押圧力は、放熱グリス１がはみ出さない程度に調整するが、場合によっては、放熱グリス１が、半導体モジュール３と絶縁体４との接触面の端部や、絶縁体４と冷却管５との接触面の端部からはみ出すこともある。半導体モジュール３と絶縁体４と冷却管５とは、積層方向Ｘに０．１ＭＰａ以上の圧力で加圧されており、放熱グリス１には０．１ＭＰａ以上の圧力が加わる。放熱グリス１として、例えば上述の実施例１〜４を用いることができる。
【００３１】
次に、本実施形態の作用効果につき説明する。半導体冷却構造２は、半導体モジュール３と絶縁体４と冷却管５とが、それぞれの主面３５、４５、４６、５５において互いに加圧密着されており、各主面３５、４５、４６、５５の間には上述の放熱グリス１が介在している。放熱グリス１としては、モース硬度４以下、熱伝導率８０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導フィラ１２がシリコーン系オイル１１中に分散されたグリスが用いられており、放熱グリス１が被着体（半導体モジュール３、絶縁体４、冷却管５）の間で加圧された状態で配置されている。そのため、半導体冷却構造２においては、放熱グリス１が上述の第１実施形態で示す優れた放熱性を発揮し、半導体冷却構造２も優れた放熱性を発揮することができる。また、放熱グリス１の厚みを小さくしても優れた放熱性を発揮することができる。
【００３２】
半導体冷却構造２において、放熱グリス１中の熱伝導フィラ１２は、加圧により変形している（図１参照）。この変形により、放熱グリス１の放熱性が向上しており、半導体冷却構造２は上述のように優れた放熱性を示すことができる。このように優れた放熱性を示すため、半導体冷却構造２は、特にハイブリッド車（ＨＶ）用のパワーコントロールユニット（ＰＣＵ）に用いられる半導体モジュール（パワーカード）等の冷却に好適である。
【００３３】
半導体冷却構造２における放熱グリス１としては、上述の実施例２及び実施例４のように、ＢＮ及び／又はＭｇＯからなる熱伝導フィラ１２を用いることが好ましい。この場合には、放熱グリス１が電気絶縁性を発揮することができるため、半導体モジュール３と冷却管５との間の電気的絶縁性を確保することができる。
【００３４】
このように、本実施形態によれば、放熱性に優れた半導体冷却構造２を提供することができる。
【００３５】
以上のように、放熱グリス及び半導体冷却構造の実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を損なわない範囲内で種々の変更が可能である。
【符号の説明】
【００３６】
１  放熱グリス
１１  シリコーン系オイル
１２  熱伝導フィラ
１８  被着体
１９  被着体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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