JP2009081253A - 絶縁シート - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁信頼性に優れた絶縁シートを提供する。
【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

本発明は、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いる絶縁シートに関し、より詳しくは、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積層構造が形成されている絶縁シートに関する。

近年の電気・電子機器の小型化の要望にともない、内部の電子部品を高集積化させることが求められている。
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。

この放熱部材や、発熱部材から放熱部材へと熱を伝達するためのヒートシンクや放熱ブロックなどには、優れた熱伝達性が求められており、通常、アルミニウムなどの金属が用いられている。
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。

あるいは、このような樹脂組成物が用いられた絶縁シートに代えて発熱部材と放熱部材との間の絶縁性を確保すべくセラミック板が用いられたりもしている。
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。

ところで、樹脂組成物が用いられた絶縁シートの絶縁層の形成においては、樹脂組成物の樹脂成分には、優れた電気絶縁性ならびに耐熱性を有するとともに、無機フィラーを高充填させつつ絶縁層の強度を維持することが求められていることからエポキシ樹脂が用いられたりしている。
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。

この特許文献１にも記載されているように、従来の絶縁シートは、エポキシ樹脂が未硬化であり、発熱部材と放熱部材との間に介装される際に硬化が実施されている。

通常、未硬化のエポキシ樹脂組成物は、特に無機フィラーが高充填されているような場合には、脆くわずかな屈曲などによって割れを発生させてしまう。
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。
特開２００４−１６５２８１号公報

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、絶縁信頼性に優れた絶縁シートの提供を課題としている。

本発明は、前記課題を解決すべく、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を提供する。

なお、本明細書において“発熱部材と放熱部材との間”との用語は、“発熱部材と放熱部材との間のいずれかの箇所”を意図しているものであり、“絶縁シートが発熱部材と放熱部材との間に介装されている”とは、“絶縁シートが発熱部材と放熱部材との間のいずれかの箇所に介装されている”状態を意図しているものである。

すなわち、本発明において“絶縁シートが発熱部材と放熱部材との間に介装されている”とは、“絶縁シートの一面側が発熱部材に接し、他面側が放熱部材に接する状態で発熱部材と放熱部材との間に介装される場合のみ”を意図するものではなく、例えば、発熱部材からヒートシンクを介して放熱部材に熱が伝達される場合において、“一面側が発熱部材に接し、他面側がヒートシンクに接する状態や、一面側がヒートシンクに接し、他面側が放熱部材に接する状態で発熱部材と放熱部材との間に介装される場合”などをも含む意図で用いている。

本発明によれば、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から、未硬化のエポキシ樹脂組成物で絶縁層が形成されている従来の絶縁シートに比べて、絶縁層に割れが発生することを抑制させ得る。
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。

以下に、本発明の好ましい実施の形態について（添付図面に基づき）説明する。

図１は、絶縁シートの断面図を表しており、図１中の１は、絶縁シートを表している。
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。

図中２は、絶縁シート１の裏面層を形成する金属層である。
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。

前記金属層２は、金属材料で形成されており、例えば、金属箔や金属板などを用いて形成させることができる。
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。

前記絶縁層３は、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ている。
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。

なお、上記のようなエポキシ樹脂を硬化状態とさせるべく、エポキシ樹脂組成物には、硬化剤を含有させることができる。
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。

酸無水物類；無水フタル酸、無水トリメリット酸、無水ピロメリット酸等の芳香族酸無水物類、無水テトラヒドロフタル酸、無水メチルテトラヒドロフタル酸、無水ヘキサヒドロフタル酸、無水メチルヘキサヒドロフタル酸、無水メチルエンドメチレンテトラヒドロフタル酸、無水ドデセニルコハク酸、無水トリアルキルテトラヒドロフタル酸等の脂環式カルボン酸無水物類。

多価フェノール類；カテコール、レゾルシン、ハイドロキノン、ビスフェノールＦ、ビスフェノールＡ、ビスフェノールＳ、ビフェノール、フェノールノボラック類、クレゾールノボラック類、ビスフェノールＡノボラック類等の２価フェノールのノボラック化物類、トリスヒドロキシフェニルメタン類、アラルキルポリフェノール類、ジシクロペンタジエンポリフェノール類等。

その他；２−メチルイミダゾール、２−エチル−４−イミダゾール及び２−フェニルイミダゾール等のイミダゾール系化合物及びその塩類、アミンのＢＦ３錯体化合物、脂肪族スルホニウム塩及び芳香族スルホニウム塩等のブレンステッド酸塩類、ジシアンジアミド類、アジピン酸ジヒドラジッド及びフタル酸ジヒドラジッド等の有機酸ヒドラジッド類、ポリメルカプタン類、トリフェニルホスフィン等の有機ホスフィン化合物類等。

これらのエポキシ樹脂用硬化剤は、単独で使用してもよいが、２種以上を併用して使用することも可能である。

さらに、絶縁層３の形成に用いるエポキシ樹脂組成物には、酸化防止剤、紫外線吸収材、難燃剤、粘度調節剤、レベリング剤、消泡剤、着色剤、カップリング剤、分散剤などを、本発明の効果を損なわない範囲で含有させることができる。

この絶縁層３については、例えば、前記エポキシ樹脂を可溶な溶剤にエポキシ樹脂、無機フィラー、硬化剤などを分散させてエポキシ樹脂溶液を作製し、前記金属層２上にエポキシ樹脂溶液を塗工して加熱炉を通過させるなどして、溶剤を除去するとともにエポキシ樹脂の硬化を実施して形成させることができる。

また、要すれば、エポキシ樹脂溶液を塗工直後の加熱炉での加熱は、溶剤の乾燥程度にとどめておいて、別途、熱プレスなどによって圧力を加えながらエポキシ樹脂の硬化を実施することも可能である。
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。

さらには、この熱プレスによって絶縁シートに所定厚みの絶縁層を容易に確保させることができる。
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。

また、このような方法によって絶縁層を形成させることにより、樹脂流動による厚みの減少やボイドの残存が低減できるとともに絶縁層の機械的強度が向上されることにより、絶縁シートに、絶縁性や熱伝導性における信頼性の向上効果を発揮させ得る。

なお、エポキシ樹脂が硬化していることについては、例えば、硬化後の絶縁層３からエポキシ樹脂組成物をサンプリングし、フーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴ−ＩＲ）で赤外吸収スペクトルを測定し、通常、エポキシ基の存在によって９１４ｃｍ^-1付近に観察される吸収ピークが明確に観察されないことなどから確認することができる。
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。

すなわち、いわゆるＢステージ状態などと呼ばれる未硬化状態のエポキシ樹脂組成物で絶縁層が形成されている従来の絶縁シートは、絶縁シートを屈曲したりすると割れを生じやすく絶縁層に欠陥を発生させやすい。
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。

前記粘着層４は、シリコーンゲルと無機フィラーとを含むシリコーンゲル組成物が用いられて形成されている。
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。

この粘着層４を形成するシリコーンゲル組成物に含有される無機フィラーは、エポキシ樹脂組成物に用いる無機フィラーと同様のものを用いることができる。
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。

このようなシリコーンゲル組成物が用いられた粘着層４を絶縁シート１に形成させることにより、絶縁シート１の貼付、剥離などの作業性が向上される。
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。

なお、本実施形態の絶縁シート１における金属層２、絶縁層３、粘着層４の各層の厚みについては、特に限定されず用途に応じて適宜定めることができる。
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。

次に実施例を挙げて本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

（絶縁シートの作製）
（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。

（絶縁層）
（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

（絶縁層の形成）
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。

（評価１）
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。

（評価２）
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。

（評価３）
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。

以上のようなことからも、本発明によれば、絶縁信頼性に優れた絶縁シートを提供しうることがわかる。

絶縁シートの概略断面図。

符号の説明

１：絶縁シート、２：金属層、３：絶縁層、４：粘着層

Claims (3)

1. 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。
2. 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。
3. 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。

Images