JP2009081253A - 絶縁シート - Google Patents
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Abstract
【解決手段】発熱部材と放熱部材との間に介装されて用いられるべくシート状に形成されており、金属層2と、無機フィラーを含有するエポキシ樹脂組成物により形成された絶縁層3と、無機フィラーを含むシリコーンゲル組成物により形成された粘着層4とを有する積層構造が形成されている絶縁シート1であって、前記絶縁層が、硬化されたエポキシ樹脂組成物で形成されていることを特徴とする絶縁シート。
【選択図】図1
Description
そして、この電子部品の高集積化にともない、動作時に発熱を生じる発熱素子などといった発熱部材からの熱を機器の外部に放出させるための放熱手法が広く検討されている。
この放熱手法としては、装置内部の熱を周辺空気に放散させる放熱部材を用いる方法が広く行われている。
例えば、この放熱部材として、装置の表面に露出する状態で放熱フィンを設け、ヒートシンクや放熱ブロックなどを通じて発熱素子(発熱部材)から放熱フィン(放熱部材)に熱を伝達させて放熱フィンから周辺空気に熱放散させる方法が行われたりしている。
また、この放熱部材として装置の筐体を用い、発熱部材から発生する熱をこの筐体に伝達して装置表面全体から熱放散させる方法が行われたりもしている。
そのため、表面に電流が流れる状態で用いられる発熱部材や、表面が電気絶縁性を有する材料で形成されている発熱部材であっても絶縁破壊が生じるおそれがある場合などにおいては、装置表面に露出した放熱部材に接触することで感電するおそれが有る。
このようなことから、発熱部材と放熱部材との間のいずれかの箇所に絶縁性を有するシート材(以下「絶縁シート」ともいう)を介装することが行われている。
この絶縁シートについても優れた熱伝達性が求められることから、絶縁シートには、通常、絶縁層の形成に無機フィラーが高充填された樹脂組成物が用いられている。
このセラミック板は、通常、接触熱抵抗を低下させるべくシリコーングリスを介して発熱部材や放熱部材に当接されて用いられている。
このことから、発熱部材や放熱部材に当接する際に面方向に加わる力に偏りが生じた場合には力が強く加えられている箇所のシリコーングリスが流動して厚みを減少させてしまう。
そのことにより、セラミック板に曲げ応力が作用して容易に割れてしまうという問題を有している。
例えば、特許文献1には、金属層と、無機フィラーを含有するエポキシ樹脂組成物により形成された絶縁層とを有する絶縁シートをパワー半導体装置に用いることが記載されている。
さらに、特許文献1には、発熱部材であるパワー半導体チップの熱を伝えるヒートシンクに絶縁層を当接させ(段落〔0067〕など参照)、かつ、金属層に放熱フィンを当接させて(段落〔0129〕など参照)、絶縁シートが発熱部材と放熱部材との間に介装されることが記載されている。
しかも、発熱部材と放熱部材との間に介装される際には、多くの場合、絶縁シートには、加熱状態で圧力が加えられることから、特に絶縁シートの端縁部においては、エポキシ樹脂組成物の流動が起こり絶縁層の厚みが減少してしまうこととなる。
すなわち、従来の絶縁シートは、絶縁信頼性を低下させるおそれを有している。
しかも、エポキシ樹脂組成物が硬化されていることから加熱状態で圧力が加えられた場合などにおいてもエポキシ樹脂組成物が流動してしまうことを抑制することができ、絶縁層の厚みが減少することを抑制し得る。
すなわち、従来の絶縁シートに比べて絶縁信頼性に優れた絶縁シートを提供し得る。
より詳しくは、この図1は、絶縁シート1の表面側を上方に向けて(裏面側を下方に向けて)絶縁シート1を略水平に配置したときの断面を表している。
図1にも示されているように、本実施形態の絶縁シート1は、発熱部材と放熱部材との間に介装されて用いられるべくシート状に形成されており、積層構造を有している。
3は、前記金属層2の表面側に形成された絶縁層であり、該絶縁層3は、その裏面側を前記金属層2の表面側の面に当接させた状態で金属層2の表面側に積層されている。
4は、絶縁シート1の表面層を形成する粘着層であり、該粘着層4は、その裏面側を前記絶縁層3の表面側の面に当接させた状態で絶縁層3の表面側に積層されている。
すなわち、本実施形態の絶縁シート1には、表面側から裏面側にかけて、粘着層4、絶縁層3、金属層2の3層の積層構造が形成されている。
この金属層2の形成に用いる金属としては、銅、アルミニウム、鉄、ニッケルなどの一般的な金属が挙げられる。
すなわち、銅箔やアルミニウム板などを用いて金属層2を形成させることができる。
また、要すれば、異なる金属が貼り合わされてなるクラッド板やクラッド箔などを用いることも可能である。
しかも、このエポキシ樹脂組成物は、含有するエポキシ樹脂が硬化している状態で絶縁層3を形成しており、通常、該硬化状態において体積低効率が1×1010Ω・cm以上となる絶縁性を有している。
前記無機フィラーとしては、窒化硼素、窒化アルミニウム、窒化珪素、酸化珪素、酸化アルミニウム、炭化珪素、ダイヤモンドなどの無機物粒子を例示することができる。
また、前記エポキシ樹脂としては、ビスフェノール型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂などを例示することができる。
なかでも、耐熱性、絶縁性、熱伝導性などに優れる点において、前記無機フィラーとして、窒化硼素、酸化アルミニウム、酸化珪素などを、エポキシ当量180〜500g/eqのビスフェノールA型エポキシ樹脂あるいはフェノール・クレゾールノボラック型エポキシ樹脂と組み合わせて用いることが好適である。
さらに、エポキシ樹脂組成物における無機フィラーの含有量は、40〜80体積%好適である。
この硬化剤としては、一般的なエポキシ樹脂に使用されているものが使用できる。
例えば、以下のようなものが挙げられる。
アミン類;ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミン、テトラエチレンペンタミン、N−アミノエチルピペラジン、イソホロンジアミン、ビス(4−アミノシクロヘキシル)メタン、ビス(アミノメチル)シクロヘキサン、m−キシリレンジアミン、3,9−ビス(3−アミノプロピル)−2,4,8,10−テトラスピロ[5,5]ウンデカン等の脂肪族及び脂環式アミン類、ポリアミド類、メタフェニレンジアミン、ジアミノジフェニルメタン、ジアミノジフェニルスルホン等の芳香族アミン類、ベンジルジメチルアミン、2,4,6−トリス(ジメチルアミノメチル)フェノール、1,8−ジアザビシクロ(5,4,0)ウンデセン−7、1,5−ジアザビシクロ(4,3,0)ノネン−7等の3級アミン類及びその塩類。
このようにして、エポキシ樹脂溶液塗工後に、加熱炉を用いた加熱と、プレス機を用いた熱プレスとの2度の加熱を実施させることにより、エポキシ樹脂をいっそう確実に硬化させうる。
しかも、仮に、加熱炉通過後において絶縁層にボイドなど空気が入った状態になっていたとしても熱プレスを実施することにより絶縁層から空気を追い出すことができ、よりいっそう絶縁信頼性に優れた絶縁シートとすることができる。
すなわち、未硬化のエポキシ樹脂で絶縁層が形成されている従来の絶縁シートは、使用時に熱が加えられて発熱部材などの被着体に圧接されることが行われており、特に、絶縁シートの端部においてはエポキシ樹脂が外方に流出してしまいやすく絶縁層の厚みが低下してしまうおそれを有している。
一方で、本実施形態の絶縁シートは、使用時にはエポキシ樹脂が硬化状態であり、エポキシ樹脂が流出してしまうおそれがない。
例えば、発熱部材と放熱部材との間に介装されて使用される状態よりも大きな面積を有するシート状態で前記熱プレスを実施させる場合には、仮に、プレス領域の外縁部においてエポキシ樹脂が流出して絶縁層の厚みが低下したとしても、この絶縁層厚み低下箇所を取り除いて均一絶縁層厚みを有する絶縁シートを作製することができる。
このようにエポキシ樹脂が硬化している絶縁層3を形成させることで、未硬化のエポキシ樹脂で絶縁層が形成されている従来の絶縁シートに比べて絶縁信頼性に優れた絶縁シートとすることができる。
一方で本実施形態の絶縁シート1は、屈曲などによっても絶縁層に割れなどの欠陥が発生しにくい。したがって、絶縁シートを絶縁信頼性に優れたものとし得る。
しかも、絶縁信頼性に優れたものとし得ることから、絶縁層の薄肉化を図ることもでき絶縁シートとしての熱抵抗値を低減させうる。
さらには、絶縁層の割れを防止するための慎重な取り扱いも不要となって、使用時における作業性をも向上させうる。
前記シリコーンゲルには、液状シリコーンゴムを低い架橋密度で硬化させることにより硬化後にゲル状態を呈するよう調整された材料を用いることができ、オルガノシロキサンポリマーを主成分とした、ポリジメチルシロキサンゲル、ポリメチルトリフルオロプロピルシロキサンゲル、ポリフェニルメチルシロキサンゲルなどが挙げられる。
また、この粘着層4は、一般的に付加反応型シリコーンとして市販されている液状シリコーンゴムに無機フィラーなどを分散させた分散液を作製し、絶縁層3上にこの分散液を塗工して加熱することで、付加反応させて分散液をゲル化させる方法などによって形成させることができる。
しかも、密着性にも優れていることから絶縁シート1の使用時において優れた熱伝達率を発揮させることができ、絶縁シート1を発熱部材と放熱部材との間に介装させて用いることで発熱部材から放熱部材にいたる間の熱抵抗の低減を図り得る。
また、本実施形態においては、金属層2、絶縁層3、粘着層4の3層構造の絶縁シートを例示しているが、本発明においては、絶縁シートを、例えば、金属層と絶縁層との2層構造のものとすることも可能である。
さらには、3層以上の積層構造とすることも可能である。
(金属層)
金属層の形成には200μm厚みのアルミニウム箔を用いた。
(エポキシ樹脂溶液の調整)
下記配合によりエポキシ樹脂溶液を作製した。
エポキシ樹脂:エポキシ当量450〜500g/eq、軟化点60〜70℃のビスフェノールA型エポキシ樹脂(東都化成社製:商品名「YD011」)100重量部
無機フィラー:中心径9μm、BET比表面積1.9m2/gの酸化アルミニウム粒子(昭和電工社製:商品名「AS50」)560重量部、
硬化剤:ジアミノジフェニルスルホン(和歌山精化社製:商品名「セイカキュアS」)13重量部、
硬化促進剤:トリフェニルフォスフィン(TPP)(北興化学社製:商品名「TPP」)0.5重量部
溶剤:メチルエチルケトン(MEK)適宜
上記エポキシ樹脂溶液を、乾燥後の厚みが約120μmとなるようにして金属層の形成に用いられているアルミニウム箔上に塗工、乾燥し、未硬化状態の絶縁層が金属層上に積層された絶縁シートを作製した。
この未硬化状態の絶縁層を有する絶縁シートの一部を従来の絶縁シートを表す比較例としてサンプリングするとともに、残りの部分を、プレス機を用いて5MPaの圧力下にて180℃×120分の熱プレスを実施しエポキシ樹脂を硬化させて、本発明の実施例となる絶縁シートを作製した。
なお、プレス後の絶縁層厚みは、約119μmであった。
実施例、比較例の絶縁シートを、直径150mmのマンドレルに対して、絶縁層が外向きとなるように巻きつけて、絶縁層に割れが発生するかどうかを目視にて観察した。
結果、実施例の絶縁シートには、割れ、クラックなどの発生は見られず、強度に優れていることがわかった。
一方、比較例の絶縁シートには、全面において割れ、クラックなどの発生が見られた。
実施例、比較例の絶縁シートの絶縁層表面に直径20mmの平板電極を当接させ、金属層とこの平板電極との間に交流電圧を印加して絶縁破壊電圧を測定した。
結果、実施例の絶縁シートは、約7kVの絶縁破壊電圧を示したのに対して、比較例の絶縁シートは、約5kVの絶縁破壊電圧であった。
比較例の絶縁シートから、幅30mm×長さ40mmの試験片を切り出し、この試験片を、絶縁層側を金属板に面接させた状態で、プレス機の熱板間に挟み込んで5MPaの圧力下にて180℃×120分の熱プレスを実施した。
その結果、試験片の周囲には樹脂が流出しており、試験片の外縁部においては、絶縁厚みが約90μmまで低下していることが観察された。
Claims (3)
- 発熱部材と放熱部材との間に介装されて用いられるべくシート状に形成されており、金属層と、無機フィラーを含有するエポキシ樹脂組成物により形成された絶縁層とを有する積層構造が形成されている絶縁シートであって、
前記絶縁層が、硬化されたエポキシ樹脂組成物で形成されていることを特徴とする絶縁シート。 - シリコーンゲルが用いられてなる粘着層がさらに備えられており、該粘着層が最表面側に備えられ、且つ、前記粘着層と前記金属層との間に前記絶縁層が備えられている請求項1記載の絶縁シート。
- 前記絶縁層が、前記エポキシ樹脂組成物が未硬化の状態で積層された後に、該積層方向に加圧された状態で熱硬化されて形成されたものである請求項1または2記載の絶縁シート。
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