(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性熱伝導性フィラーの充填されたシリコーン硬化物の少なくとも一部分に、熱伝導性フィラー充填の熱可塑性樹脂からなり加温により変形する接着層を形成させてなるものであって、上記熱可塑性樹脂がエチレン−酢酸ビニル共重合体であり、接着層に該熱可塑性樹脂の融点よりも低い低融点有機物を含有させてなることを特徴とする放熱部材。
【請求項２】
請求項１記載の放熱部材が組み込まれたパワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気絶縁性と熱伝導性に優れた放熱部材及びパワーモジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、パワーモジュールや自動車電装部品等では、発生した熱を効率よく除去するため、シリコーンゴムにボロンナイトライド粉末を分散含有させてなる絶縁放熱シートを介して放熱フィン等に取り付けられている。このような絶縁放熱シートにおいては、その熱伝導性はボロンナイトライド粉末の充填率を高くすることによって行われているが、その反面、引張強度が著しく低下するので高充填化による熱伝導性の向上には限度があった。
【０００３】
そのため、市販の絶縁放熱シート、例えばＴＯ−３タイプのトランジスター用絶縁放熱シートでは、その厚みが０. ３ｍｍのもので、熱抵抗が０. ２０℃／Ｗ程度（熱伝導率として２. ５Ｗ／ｍＫ程度）が最上級品である。しかし、近年、モジュールや電装部品は高性能化により発熱量が増大しており、さらに熱伝導性の優れた絶縁放熱シートが要求されるようになってきた。
【０００４】
そこで、窒化アルミニウム粉末のような高熱伝導性フィラーを高充填させる試みもあるが、この場合、ゴムシートの表面に微細な凹凸が生じて電子部品や放熱板等との密着性が悪化し、界面熱抵抗が上昇して期待したほどには放熱効果は高まらない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らは、このような現状に鑑み、電気絶縁性と熱伝導性に優れた高熱伝導性絶縁シート等の放熱部材を得ることを目的として種々検討した結果、従来の絶縁放熱シートは、界面に発生する熱抵抗の影響により、熱伝導性が大幅に損なわれることを突き止め、界面熱抵抗を減少させる方法として、絶縁放熱シート表面に熱伝導性フィラー充填の熱可塑性樹脂からなる接着層を形成させれば良いことを見いだし、本発明を完成させたものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、絶縁性熱伝導性フィラーの充填されたシリコーン硬化物の少なくとも一部分に、熱伝導性フィラー充填の熱可塑性樹脂らなり加温により変形する接着層を形成させてなるものであって、上記熱可塑性樹脂がエチレン−酢酸ビニル共重合体であることを特徴とする放熱部材である。この場合において、接着層には、熱可塑性樹脂の融点よりも低い低融点有機物を更に含有させてなるものである。また、本発明は、上記放熱部材が組み込まれたパワーモジュールである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、さらに詳しく本発明について説明すると、本発明の放熱部材は、絶縁性熱伝導性フィラーの充填されたシリコーン硬化物からなる基材と、その少なくとも一部分に形成させた熱伝導性フィラー充填のエチレン−酢酸ビニル共重合体からなる接着層に熱可塑性樹脂の融点よりも低い低融点有機物を含有させて構成されている。
【０００８】
基材には、種々の形態のものが使用できる。たとえば、熱伝導率０．５〜３．５W／ｍK、ショアＡ硬度７０〜１００、厚み０．０９〜５．０ｍｍの放熱シート、熱伝導率０．５〜１０Ｗ／ｍＫ、アスカーＣ硬度５〜５０、厚み０．１〜５．０の放熱スペーサーなどである。放熱シートは、半導体素子が搭載された基板を放熱フィンに取り付ける際に主に用いられ、放熱スペーサーは、放熱フィンを取り付けるスペースがないとか、電子機器が密閉されていて放熱フィンからの放熱が困難な場合において、電子機器のケースに直接伝熱して放熱するとき、あるいはＩＣ・ＬＳＩの半導体素子がプリント基板に実装する際の放熱に主に用いられる。
【０００９】
放熱シート、放熱スペーサーの製造の区分は、原料シリコーンと、熱伝導性フィラーの種類及びその割合と、硬化度等とによって行われる。放熱シートは、例えばシリコーンゴム又は樹脂１００部（体積部、以下同じ）と、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化珪素、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化亜鉛から選ばれる一種又は二種以上の絶縁性熱伝導性フィラー３５〜７０部の混合物をシート成形後、硬化することによって製造される（例えば特公昭５７−５２３７６号公報参照）。放熱スペーサーは、例えば一液型又は二液型液状シリコーン１００部と上記絶縁性熱伝導性フィラー５０〜８５部の混合物をシート成形後、硬化することによって製造される（例えば特開２００１−１５８６０９号参照）。いずれも市販品があり、前者には電気化学工業製商品名「放熱シートＢＦＧグレード」など、後者には電気化学工業製商品名「放熱スペーサーＦＳＡグレード」などが例示される。
【００１０】
基材は、引張り・引裂き等の強度と、電気絶縁に対する信頼性を高めるため、網目状補強材で補強されていることが好ましい。網目状補強材としては、ガラスクロス、フッ素樹脂製メッシュ、ステンレスメッシュなどが使用される。
【００１１】
接着層は、パワーモジュール等の作動温度、例えば４０〜１５０℃で形態変化し、基材と相手材とを密着させ、界面熱抵抗を低下させる機能を発現させるものである。接着層は、加温によって変形する熱可塑性樹脂に熱伝導性フィラーが充填されたものである。接着力は、ＪＩＳ  Ｚ  ０２３７に従い、アルミニウム板で測定された値（室温）が０．３Ｎ／２５ｍｍ以上であることが好ましい。これよりも小さいと、電子機器に組み込む際にズレたりして取り扱いが不便となる。接着力は、熱可塑性樹脂の種類や配合比によって調整することができる。エチレン−酢酸ビニル共重合体を熱可塑性樹脂とし、その配合比を高めると接着力が高くなる。また、ホットメルト接着剤の接着力向上に使われる、ロジン、ポリペンテン系樹脂、オレフィン系の不飽和炭化水素などを配合することによっても接着力を高めることができる。
【００１２】
熱可塑性樹脂としては、エチレン−酢酸ビニル共重合体が好適である。また、熱伝導性フィラーとしては、上記絶縁性熱伝導性フィラーの他に、炭化ケイ素、黒鉛、ダイアモンド、金、銀、銅、鉄、アルミニウム、ニッケル等の導電性粉末も使用することができる。
【００１３】
相手材との密着性を高めるには、熱可塑性樹脂が加温されたときに流動する方がよく、熱伝導性を高めるためには、熱伝導性フィラーを高充填するのがよいが流動性が悪くなるので、熱伝導性と加温時の流動性のバランスを考慮して、熱伝導性フィラーの充填量が決定される。充填量は、熱可塑性樹脂１００部に対し５５〜６５部を例示できるが、フィラーの形状、粒子径、粒子径分布等の影響を受けるため、最適充填量は試行錯誤によって決定することが望ましい。
【００１４】
接着層には、融点が熱可塑性樹脂の融点よりも低い低融点有機物が、熱可塑性樹脂１００部に対し２００部以下、特に好ましい範囲として３０〜１００部含まれている。これによって、加温時に接着層の流動性が高まり、接着層の薄肉化や密着性を確保することが可能となる。２００部をこえると、加温状態で低融点有機物が滲みだし、周囲の電子部品などを汚染する原因となる。低融点有機物としては、加温状態で液状となるものが好ましいが、室温で液状のものでもあってもよい。例示すれば、流動パラフィン、固形パラフィン、ロジン等の低分子炭化水素化合物やシリコーンオイルなどである。
【００１５】
接着層の形成は、熱可塑性樹脂に熱伝導性フィラーが充填されてなる接着層形成材料をトルエンなどの溶剤でスラリー化し基材にスクリーン印刷する方法が最も精度良く、所定量、所定厚みにすることができる。また、接着層形成材料を基材に点在させた後、耐熱性離型フィルムで挟み、加熱ロールを通すことによってフィルム状に形成させることもできる。さらには、押し出し法、加熱ロール法等によって接着層形成材料のフィルムを成形し、それを基材に張り合わせ、ラミネーター等で加温することによっても形成させることができる。
【００１６】
接着層は、基材の少なくとも一部分に形成されるが、好ましくは基材表裏面積の６０％以上、特に表裏全面に形成させることが好ましい。形成割合が、基材表裏面積の６０％未満では、相手材との密着が不十分となり、また空気が閉じこめられて空気断熱層を形成する恐れがある。
【００１７】
パワーモジュールは、高性能化に比例して消費電力が上昇している。たとえば、ハイブリッド自動車向けのものは消費電力が数十キロワットに上昇している。更に、熱の発生源であるチップは高密度実装され、発熱密度は益々上昇していく傾向にある。モジュールにはピン挿入実装タイプ、表面実装タイプ、及びそれらの混在タイプがあるが、特に表面実装タイプが主流となっている。何れのタイプも極細のリード線が表面に剥き出しになるため、モジュール上方側は、空気冷熱以外の放熱策を取ることができないため、上方からの放熱は僅かである。従って、発生する熱の大半をモジュール下方へ伝熱させ放散させなければならない。
【００１８】
チップの使用可能温度範囲は１７５℃以下とされているが、一般的には１００℃以下で使われる。そのためには下方から効率よく熱を放散させる必要があり、本発明の放熱部材が組み込まれたパワーモジュールは、チップ温度上昇を従来よりも大幅に抑えることが可能である。本発明のパワーモジュールとしては、チップが表面実装された基板と、冷却用の放熱ユニットの間に、接着層を有する本発明の放熱部材が装着された構造を例示できる。
【００１９】
【実施例】
以下、実施例、比較例をあげてさらに具体的に本発明を説明する。使用した材料は、以下のとおりである。
【００２０】
（１）基材の樹脂成分
液状シリコーンゴム：ＧＥ東芝シリコーン社製商品名「ＹＥ５８２２」
アクリルゴム：三井化学社製商品名「アルマテックス」
ウレタンゴム：三井化学社製商品名「オレスター」
【００２１】
（２）接着層の樹脂成分
熱可塑性樹脂：ＥＶＡ（エチレン−酢酸ビニル共重合体）；三井デュポンポリケミカル社製商品名「エバフレックスＥＶ４０Ｗ」（融点４０℃）
低融点有機物：
流動パラフィン；松村石油研究所社製商品名「モレスコホワイトＰ３５０Ｐ」（融点−１２℃以下（流動点−１２℃））
ロジン；荒川化学工業社製商品名「スーパーエステルＬ」（融点なし、粘性液体）
固形パラフィン；ＯＧ技研社製商品名「ＨＲ−１Ａ」（融点５５℃）
【００２２】
（３）絶縁性熱伝導性フィラー（表には「フィラー」と記載）及び熱伝導性フィラー
窒化ホウ素：電気化学工業社製商品名「ＳＧＰ」（平均粒子径１５μｍ）
窒化アルミニウム／粗粉：窒化アルミニウム粉末（電気化学工業社製商品名「ＡＰ１０」）を、窒素雰囲気下、１７５０℃で２時間焼成した後ボールミルで解砕し、振動篩で４５μｍ下に分級した粉末
窒化アルミニウム／微粉：トクヤマ社製商品名「Ｈグレード」（平均粒子径２μｍ）
窒化ケイ素：電気化学工業社製商品名「ＳＮ−Ｆ１」（平均粒子径２７μｍ）
アルミナ／粗紛：昭和電工社製商品名「ＣＢ３０」（平均粒子径３０μｍ）
アルミナ／微紛：昭和電工社製商品名「ＣＢ１０」（平均粒子径１０μｍ）
アルミナ／超微紛：住友化学工業社製商品名「ＡＡ０５」（平均粒子径０．５μｍ）
銅紛：福田金属箔工業社製（平均粒子径５μｍ）
【００２３】
実施例１〜７  比較例１〜４  参考例
樹脂成分と絶縁性熱伝導性フィラーを表１、表２示す割合で混合し、トルエンの適量を加えて粘度を５０Ｐａ・ｓ程度のスラリーを調製した。これを用いて網目状補強材（ユニチカ社製ガラスクロス商品名「Ｅ０２Ａ４Ｗ」）をシート中央内部に介在させたシートを成形し、表１、表２に示される熱伝導率、ショアＡ硬度、厚みを有する基材を製造した。
【００２４】
樹脂成分と熱伝導性フィラーを、表１、表２の割合で混合し、１１０℃加熱下で混練して接着層形成材料を製造した。
【００２５】
ついで、基材の両面又は片面に、直径２ｍｍの孔が３ｍｍの等間隔で並んだステンレス製の板を置き、その上から接着層形成材料のトルエンスラリー（粘度約２０Ｐａ・ｓ）をローラーで点在状に塗工し、放熱部材を製造した。
【００２６】
得られた放熱部材の絶縁破壊電圧及び熱抵抗を以下に従って測定した。それらの結果を表１、表２に示す。比較例１〜４は接着層を形成させなかった基材の値である。
【００２７】
（１）絶縁破壊電圧：ＪＩＳ  Ｃ  ２１１０に準じて測定した。
（２）熱抵抗：放熱部材をＴＯ−３型銅製ヒーターケースと銅板との間に挟み、締付けトルク０．５Nｍにてセットした後、銅製ヒーターケースに電力１５Ｗをかけて４分間保持して銅製ヒーターケースと銅板との温度差を測定し、式、熱抵抗（℃／Ｗ）＝温度差（℃）／電力（Ｗ）、により算出した。
（３）熱伝導率：（２）で算出した熱抵抗値をもとに、式、熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）＝試料厚み（ｍ）／伝熱面積（ｍ2）／熱抵抗（℃／Ｗ）、により算出した。なお、伝熱面積は０．０００６ｍ2（ＴＯ−３形状）である。
（４）ショアＡ硬度：ショア硬度計により測定した。
【００２８】
実施例８、９  比較例５、６
液状シリコーンゴムのかわりに、表３に示される基材の樹脂成分を用いたこと以外は、実施例１に準じて放熱部材を製造した。それらの結果を表３に示す。比較例５、６は、接着層を形成させなかった基材の値である。
【００２９】
実施例１０〜１３
接着層を表４に示すように種々違えたこと以外は、実施例１に準じて放熱部材を製造した。それらの結果を表４に示す。
【００３０】
実施例１４〜１６
実施例１で製造した接着層形成材料を、厚み０．１５ｍｍのフィルム状に成形した。これを比較例１の基材両面に張り合わせた後、離型フィルムで挟んで、加熱ロールに掛け密着させて放熱部材を製造した。それらの結果を表５に示す。
【００３１】
【表１】
0003739335.tif 000002
【００３２】
【表２】
0003739335.tif 000003
【００３３】
【表３】
0003739335.tif 000004
【００３４】
【表４】
0003739335.tif 000005
【００３５】
【表５】
0003739335.tif 000006
【００３６】
表１〜５から、本発明の実施例は、接着層を形成させない比較例に比べて、熱抵抗が大幅に低減でき、しかも絶縁破壊電圧５ｋＶ以上であって十分な電気絶縁性を有する放熱部材となることが分かる。また、接着層にパラフィンを配合させた実施例１と実施例３との対比から、配合した低融点有機物が同種であっても、熱可塑性樹脂の融点よりも低い低融点有機物を更に存在させることによって低熱抵抗となることが示された。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、電気絶縁性と熱伝導性に優れた放熱部材が提供される。本発明の放熱部材の組み込まれたパワーモジュールは、パワーモジュール自体から発生する熱を効果的に放熱させることができ、高性能化、高密度実装化が可能となる。