JP4089636B2 - 熱伝導性樹脂シートの製造方法およびパワーモジュールの製造方法 - Google Patents
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Description
例えば、パワーモジュールにおいては,電力半導体素子を搭載したリードフレームの裏面と放熱部となる金属板との間に設ける熱伝導性の絶縁層として、無機粉体を含有した熱硬化性樹脂のシートや塗布膜がある。(例えば、特許文献1参照)。
また、例えば、CPU等の発熱性電子部品と放熱フィンとの間に介在させる熱伝導性樹脂組成物として、高熱伝導性の無機充填剤を配合した熱硬化性樹脂組成物のシートがある。(例えば、特許文献2参照)。
従来の熱硬化性樹脂に高熱伝導性の無機充填剤を添加する絶縁性を有する熱伝導性樹脂シートでは、添加する無機充填剤の含有率を増やすことにより熱伝導性を向上させている。しかし、無機充填剤の含有率の増加は熱伝導性樹脂シートの製造上の点から限界があり、さらに大きい熱伝導率を有する絶縁性の熱伝導性樹脂シートを得ることができないとの問題があった。
また、上記従来の絶縁性の熱伝導性樹脂シートを電力半導体素子を搭載した発熱部と放熱部であるヒートシンクとの間に設けたパワーモジュールでは、小形化と高容量化とが制限されるとの問題があった。
図1は、本発明の実施の形態1における熱伝導性樹脂シートの断面模式図である。
図1にあるように、熱伝導性樹脂シート1はマトリックスとなる熱硬化性樹脂2と、この熱硬化性樹脂2中に分散した無機の扁平状充填剤(扁平状充填剤と略記する)3と無機の粒子状充填剤(粒子状充填剤と略記する)4とから構成されている。
すなわち、発明者らは、熱伝導性樹脂シート中に含有される充填剤が、所定の割合の扁平状充填剤3と粒子状充填剤4との混合充填剤であると、扁平状充填剤または粒子状充填剤の単独の充填剤である場合に比べ、熱伝導性樹脂シートの熱伝導性が大幅に向上することを見出して本発明を完成するにいたった。
図2(a)に示すように、扁平状充填剤13を単独に含有する熱伝導性樹脂シート10では、多くの扁平状充填剤13が熱伝導性樹脂シート10の面内に水平に配向し、熱伝導性樹脂シート10の厚さ方向では、扁平状充填剤13間に樹脂層が多く介在し、熱伝導性樹脂シート10の厚さ方向の熱伝導率は大きくない。
また、図2(b)に示すように、粒子状充填剤14を単独に含有する熱伝導性樹脂シート11では、粒子状充填剤14が熱伝導性シート15中に均一に分散し、やはり、粒子状充填剤14間に樹脂層が多く介在し、熱伝導性樹脂シート11の厚さ方向の熱伝導率は大きくない。
まず、粒子状充填剤が扁平状充填剤より多い混合充填剤を含有する熱伝導性樹脂シートでは、粒子状充填剤間に扁平状充填剤が存在することになる。この扁平状充填剤が、熱伝導性樹脂シートの厚さ方向に分布する異なる粒子状充填剤と接触し、熱伝導性樹脂シートの厚さ方向に充填剤が連なった熱が伝達する経路を形成して、熱伝導性樹脂シートの厚さ方向の熱伝導性が向上する。
本実施の形態で用いる扁平状充填材3の平均の長径(DLと略記する)は0.5μm〜100μmが好ましく、特に1〜50μmであれば熱伝導性樹脂シートを形成するために調製する熱伝導性樹脂組成物のチクソトロピック性が抑制できるので、さらに好ましい。
本実施の形態における扁平状充填材3の長径Lとは、図3に示すように扁平状充填剤3の平面部における最長の長さである。
本実施の形態で用いる粒子状充填剤4の平均粒径(DRと略記する)は、DLの0.4〜3.6倍である。DRがDLが0.4倍未満であると、熱伝導性樹脂シート1中で、熱伝導性樹脂シート1の面内方向に対し角度をもって分散する扁平状充填剤3が少なく、熱伝導性樹脂シート1の厚さ方向の熱伝導性の向上が小さい。また、DRがDLの3.6倍より大きいと、扁平状充填材3が粒子状充填剤4間をつなぐ効果が減少し、熱伝導性樹脂シート1の厚さ方向の熱伝導性の向上が小さい。
エポキシ樹脂組成物の主剤としては、例えば、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、オルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、脂環脂肪族エポキシ樹脂、グリシジルーアミノフェノール系エポキシ樹脂が挙げられる。これらのエポキシ樹脂は2種以上を併用しても良い。
熱伝導性樹脂シート1に上記のようなカップリング剤を含有させると、電気・電子機器の発熱部や放熱部に対する接着力が向上する。
まず、所定量の熱硬化性樹脂の主剤とこの主剤を硬化させるのに必要な量の硬化剤とからなる熱硬化性樹脂組成物と、例えばこの熱硬化性樹脂組成物と同重量の溶剤とを混合し、上記熱硬化性樹脂組成物の溶液とする。次に、上記熱硬化性樹脂組成物の溶液に、扁平状充填剤と粒子状充填剤との混合充填剤を添加して予備混合する。この予備混合物を例えば3本ロールやニーダなどで混練し、熱伝導性樹脂シート用コンパウンドする。次に、得られたコンパウンドを、離型処理された樹脂シートや金属板上に、ドクターブレード法により塗布する。次に、この塗布物を乾燥し、塗布物中の溶剤を揮発させ、熱伝導性樹脂シート1を得る。この時、必要に応じて加熱をして、溶剤の揮発を促進させても良く、熱硬化性樹脂組成物の反応を進め、Bステージ化しても良い。
また、粘度が低い熱硬化性樹脂組成物の場合は、溶剤を添加することなしに、熱硬化性樹脂組成物そのものに、混合充填剤を添加しても良い。
また、カップリング剤などの添加剤は、熱硬化性樹脂組成物と混合充填剤との混練工程までに添加すれば良い。
上記方法で得られた熱伝導性樹脂シート1は、マトリックスの熱硬化性樹脂がBステージ状態であるので、電気・電子機器の発熱部と放熱部材とで挟んで加熱硬化して、発熱部と放熱部材とを接着するとともに電気絶縁する。この熱伝導性樹脂シートの硬化物は高熱伝導性を有するので、発熱部からの熱を放熱部材へ効率よく伝達する。
また、熱伝導性樹脂シート1を、電気・電子機器の発熱部と放熱部材の、いずれか一方に接着し、他方をこの硬化した熱伝導性樹脂シート面に圧接し、発熱部からの熱を放熱部材へ伝達させる。
また、熱伝導性樹脂シート1を硬化させ、硬化した熱伝導性樹脂シート硬化体を、電気・電子機器の発熱部と放熱部材とで挟んで、発熱部からの熱を放熱部材へ伝達させる。
また、本実施の形態に示す熱伝導性樹脂シート1は、充填剤の含有率を極限までに増やさなくても、高い熱伝導率を有するので、上記熱伝導性樹脂シート用コンパウンドの粘度を下げることができ、厚さが薄く、表面が平坦な熱伝導性樹脂シート1を得ることができる。
すなわち、厚さが薄くできるので、熱伝導性樹脂シート1の厚さ方向の熱抵抗が小さいという効果がある。また、得られる熱伝導性樹脂シート1の表面が平坦であるので、発熱部や放熱部材への密着性が優れており、接触熱抵抗が小さく、熱伝達性が優れている。
図4は、本発明の実施の形態2におけるパワーモジュールの断面模式図である。
図4に示すように、本実施の形態のパワ−モジュール20は、リードフレーム22の第1の面に電力半導体素子23が載置されており、リードフレーム22の電力半導体素子23が載置された面に対向する反対側の第2の面に、実施の形態1の熱伝導性樹脂シート1の硬化体21を介してヒートシンク部材24が設けられている。電力半導体素子23は、やはりリードフレームに載置された制御用半導体素子25と金属線26で接続されている。そして、熱伝導性樹脂シート21、リードフレーム22、ヒートシンク部材24、電力半導体素子23、制御用半導体素子25、金属線26などのパワーモジュール構成部材はモールド樹脂27により封止されている。しかし、リードフレーム22の外部回路と接続する部分とヒートシンク部材24の熱伝導性樹脂シート21が接着された面と対向する面とはモールド樹脂27で覆われていない構造である。
このような構造とすると、上記の効果に加え、ヒートシンク部材24の熱伝導性樹脂シートの硬化体21に対する固着が強固となり、パワーモジュール運転時のヒートサイクルにより発生する応力による、ヒートシンク部材24の剥離の耐性が向上する。
また、ヒートシンク部材の表面に40〜100μmの凹凸を設けてもよく、これにより、熱伝導性樹脂シートへの接着性が向上する。
図6は、本発明の実施の形態3におけるパワーモジュールの断面模式図である。
図6に示すように、本実施の形態のパワ−モジュール30は、リードフレーム22の電力半導体素子23が載置された第1の面に対向する反対側の第2の面に、Bステージ状の熱伝導性樹脂シート1のみを積層し加熱硬化させ熱伝導性樹脂シート1の硬化体31を設け、金属板や無機板のヒートシンク部材を設けなかった以外は、実施の形態2のパワ−モジュール20と同様なものである。
本実施の形態のパワ−モジュール30は、実施の形態2のパワ−モジュール20の有する上記効果に加え、部品点数を少なくできコストを低減できる。それと、熱伝導性樹脂シート1の硬化体31は、金属板や無機板のヒートシンク部材より、封止用のモールド樹脂との熱膨張率差が小さく、パワーモジュール運転時のヒートサイクルにより封止用モールド樹脂に発生する応力を低減でき、パワーモジュールの耐クラック性が向上する。
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断面模式図である。
図7に示すように、本実施の形態のパワーモジュール40はケースタイプのパワーモジュールであり、無機の絶縁板からなるヒートシンク部材44と、ヒートシンク部材44の表面に形成された回路基板42と、この回路基板42に載置された電力半導体素子43と、ヒートシンク部材44の周縁部に接着されたケース45と、ケース内に注入され回路基板42および電力半導体素子43などを封止する注型樹脂46と、ヒートシンク部材44の回路基板42が設けられた面に対向する反対側の面に積層された実施の形態1の熱伝導性樹脂シートの硬化体41と、熱伝導性樹脂シートの硬化体41を介してヒートシンク部材44に接合されたヒートスプレッダー46とからなる。
本実施の形態のパワーモジュール40は、ヒートシンク部材44とヒートスプレッダー46とを接合する熱伝導性樹脂シートの硬化体41が、従来の絶縁性熱伝導性樹脂シートにはない優れた熱伝導性を有しており、パワーモジュールの小形化と高容量化を可能にする。
比較例1として、粒子状充填剤を用いた熱伝導性樹脂シートを調製した。
主剤である液状のビスフェノールA型エポキシ樹脂{エピコート828:ジャパンエポキシレジン(株)社}100重量部と、硬化剤である1−シアノエチル−2−メチルイミダゾール{キュアゾール2PN−CN:四国化成工業(株)社}1重量部とからなる熱硬化性樹脂組成物に、メチルエチルケトンの101重量部を添加、撹拌して、熱硬化性樹脂組成物の溶液を調製する。
次に、上記コンパウンドを厚さ100μmの片面離型処理したポリエチレンテレフタレートシートの離型処理面上にドクターブレード法で塗布し、110℃で15分間の加熱乾燥処理をし、厚さが80μmでBステージ状態の熱伝導性樹脂シートを作製する。
次に、上記熱伝導性樹脂シートを120℃で1時間と160℃で3時間の加熱を行い熱伝導性樹脂シートの硬化体とし、この硬化体の厚さ方向の熱伝導率KRをレーザーフラッシュ法で測定した。
比較例2として、扁平状充填剤を用いた熱伝導性樹脂シートを調製した。充填剤として、DLが7μmで扁平状の窒化硼素充填材{GP:電気化学工業(株)}を用いた以外は、比較例1と同様にして熱伝導性樹脂シートを作製し、比較例1と同様にして、上記熱伝導性樹脂シートの硬化体の厚さ方向の熱伝導率KLをレーザーフラッシュ法で測定した。
充填剤として、DLが7μmで扁平状の窒化硼素充填材{GP:電気化学工業(株)}とDRが5μmで粒子状の窒化珪素充填剤{SN−7:電気化学工業(株)}とを、表1に示す各体積含有率の比率(VL/VR)で混合した混合充填剤を用いた以外は、比較例1と同様にして各熱伝導性樹脂シートのサンプル1〜サンプル6を作製した。各サンプルを比較例1と同様して硬化し、上記各熱伝導性樹脂シートサンプルの硬化体を得て、比較例1と同様の方法により各硬化体の厚さ方向の熱伝導率KMをレーザーフラッシュ法で測定した。
上記各サンプルの硬化体の熱伝導率KMと比較例1の粒子状充填剤を用いた熱伝導性樹脂シートの硬化体の熱伝導率KRとの比率(KM/KR)、上記各サンプルの硬化体の熱伝導率KMと比較例2の扁平状充填剤を用いた熱伝導性樹脂シートの硬化体の熱伝導率KLとの比率(KM/KL)、各熱伝導性樹脂シートサンプルに用いた混合充填剤における扁平状充填剤と粒子状充填剤との体積含有率の割合(VL/VR)、扁平状充填剤のDLと粒子状充填剤のDRとの比率(DR/DL)を表1に示した。
DLが7μmで扁平状の窒化硼素充填材{GP:電気化学工業(株)}とDRが0.8μmで粒子状の炭化珪素充填剤{GC#9000:フジミインコーポレーテッド(株)}とを体積含有率の比率(VL/VR)=(50/50)で混合した(DR/DL)が0.11の混合充填剤を用いた以外は、実施例1と同様にして熱伝導性樹脂シートを作製し、実施例1と同様にして、上記熱伝導性樹脂シートの硬化体の厚さ方向の熱伝導率KNをレーザーフラッシュ法で測定した。
熱伝導性樹脂シートに用いた扁平状窒化硼素充填剤のグレードとDL、粒子状炭化珪素充填剤の種類とDR、(DR/DL)とを表2に示した。
DLが7μmで扁平状の窒化硼素充填材{GP:電気化学工業(株)}と、表2に示す各DRとグレードの粒子状の炭化珪素充填剤とを(VL/VR)=(50/50)の体積含有率の比率で混合した混合充填剤を用いた以外は、比較例1と同様にして各熱伝導性樹脂シートのサンプル7〜サンプル11を作製し、比較例1と同様にして、上記各サンプルの硬化体の厚さ方向の熱伝導率KMをレーザーフラッシュ法で測定した。
上記サンプルの硬化体の熱伝導率KMと比較例3の熱伝導性樹脂シートの硬化体の熱伝導率KNとの比率(KM/KN)、各サンプルに用いた扁平状窒化硼素充填剤のグレードとDL、粒子状炭化珪素充填剤のグレードとDR、(DR/DL)とを、表2に示した。
実施例1のサンプル2ないしサンプル5のいづれかの熱伝導性樹脂シート1を介して、実施の形態2のパワーモジュール20のリードフレーム22の第2の面と銅のヒートシンク部材24とを接着した。さらに、トランスファーモールド法により、モールド樹脂27で封止して、パワーモジュール20を完成した。
本実施例では、パワーモジュール20のリードフレーム22の第1の面と、銅のヒートシック部材24の中央部に熱電対を取り付け、パワーモジュール20をフルパワーで稼動させ、リードフレーム22とヒートシンク部材24との温度を測定した。サンプル2ないしサンプル5のいづれかの熱伝導性樹脂シート1を用いたパワーモジュール20とも、定常となった時のリードフレーム22とヒートシンク部材24との温度差は5℃と小さく、放熱性が優れており、本実施例のパワーモジュールは、小形・高容量化が可能である。
Claims (3)
- 熱硬化性樹脂組成物と溶剤とを混合し、上記熱硬化性樹脂組成物の溶液とする工程と、
上記溶液に、扁平状充填剤と粒子状充填剤との混合充填剤を、
上記混合充填剤中における上記扁平状無機充填剤の体積含有率VLと上記粒子状無機充填剤の体積含有率VRとの比率(VL/VR)が(30/70)〜(80/20)で、かつ上記粒子状無機充填剤の平均粒径DRが上記扁平状無機充填剤の平均長径DLの1〜3.6倍となるように混練してコンパウンドとする工程と、
上記コンパウンドを、シートあるいは金属板に塗布して塗布物とする工程と、
上記塗布物を乾燥、あるいは加熱する工程と
を備えたことを特徴とする熱伝導性樹脂シートの製造方法。 - 熱硬化性樹脂組成物は、液状のエポキシ樹脂と数平均分子量3000以上のエポキシ樹脂との混合物を主剤として、硬化剤を含むエポキシ樹脂組成物であることを特徴とする請求項1に記載の熱伝導性樹脂シートの製造方法。
- 熱硬化性樹脂組成物と溶剤とを混合し、上記熱硬化性樹脂組成物の溶液とする工程と、
上記溶液に、扁平状充填剤と粒子状充填剤との混合充填剤を、
上記混合充填剤中における上記扁平状無機充填剤の体積含有率VLと上記粒子状無機充填剤の体積含有率VRとの比率(VL/VR)が(30/70)〜(80/20)で、かつ上記粒子状無機充填剤の平均粒径DRが上記扁平状無機充填剤の平均長径DLの1〜3.6倍となるように混練してコンパウンドとする工程と、
上記コンパウンドを、シートあるいは金属板に塗布して塗布物とする工程と、
上記塗布物を乾燥、あるいは加熱する工程と
により熱伝導性樹脂シートを準備する工程と、
リードフレームの所定の部分に、電力半導体素子を接合する工程と、
上記リードフレームの上記電力半導体素子が載置された反対側の面に、
上記熱伝導性樹脂シートを載置し、加熱加圧して上記熱伝導性樹脂シートを硬化させる工程と、
上記電力半導体素子に配線を行う工程と、
上記電力半導体素子をモールド樹脂で封止する工程と
を備えたパワーモジュールの製造方法。
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