JP6399176B1 - 熱伝導性絶縁シートおよび複合部材 - Google Patents
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Abstract
Description
熱伝導性絶縁接着膜は例えば、熱伝導性フィラーと熱硬化性樹脂であるバインダー樹脂の未硬化物および/または半硬化物とを含む熱伝導性絶縁シートを放熱部材と熱発生部材との間に配置し、加熱および加圧により硬化させることで、簡易に形成することができる。
本発明者らは、特許文献1において、高い熱伝導性と高い絶縁性を両立した熱伝導性絶縁シートとして、窒化ホウ素を除く熱伝導性球状フィラーを比較的多く含有する複数の層(A)と窒化ホウ素フィラーを比較的多く含有する1層以上の層(B)とが、層(A)が最外層となるように交互に積層された熱伝導性絶縁シートを開示している(請求項1)。
上記熱伝導性絶縁シートは、窒化ホウ素を除く熱伝導性球状フィラーを比較的多く含有する複数のシート(A’)と窒化ホウ素フィラーを比較的多く含有する1層以上のシート(B’)とをシート(B’)が最外層とはならないように交互に積層し、加圧することで、製造することができる(請求項5)。
特許文献2には、熱硬化性樹脂とフェノール樹脂と絶縁性無機フィラーとを含み、20〜200℃での最低溶融粘度が10〜1000Pa・sである樹脂組成物シートが開示されている(請求項1、2)。
特許文献2には、樹脂組成物シートの最低溶融粘度がBステージからCステージとする加圧加熱工程での樹脂組成物の流動性に影響するため、20〜200℃における最低溶融粘度を調整することで、端部からの樹脂組成物シートの流出を押さえることができることが記載されている(段落0136)。また、20〜200℃における最低溶融粘度が上記範囲内にあると、加熱時に優れた流動性を示し、凹凸構造を有する被着体に対しても追従することが記載されている(段落0138)。しかしながら、特許文献2には、具体的なフローレベルについて、記載も示唆もない。
上記樹脂シートの半硬化状態におけるフロー量は好ましくは、130〜210%である(請求項16)。また、半硬化状態のシート(Bステージシート)における粘度は好ましくは、常温(25〜30℃)では104〜105Pa・sであり、100℃では102〜103Pa・sである(段落0210)。
特許文献3において、フロー量は、200μm厚のBステージシートを10mm角に打ち抜いた試料を、大気圧条件下、温度180℃、プレス圧15MPaの条件で1分間押圧したときの、押圧前後のBステージシートの面積変化率として算出される(段落0218)。
特許文献3に記載のフロー量は大きく、実用上好ましくない。
特許文献4には、無機フィラーの含有率が40〜80体積%であると、樹脂に粘性が付与されて接着時の樹脂流出が防止できることが記載されている(段落0056)。しかしながら、特許文献4には、具体的なフローレベルについて、記載も示唆もない。
半硬化状態のシート(Bステージシート)における粘度は好ましくは、常温(25度)においては104〜107Pa・sであり、100℃では102〜106Pa・sである(段落0121)。
特許文献5には、上記多層樹脂シートでは、被着体に貼り合わせる前において、樹脂組成物層中の大粒子径のフィラーの少なくとも一部を接着材層に入り込ませることにより、接着時の樹脂フローを抑制できることが記載されている(段落0155)。
しかしながら、特許文献5には、具体的なフローレベルについて、記載も示唆もない。
前記シート化工程は、前記樹脂組成物を、前記樹脂が熱溶融する加熱および加圧条件において熱プレスする溶融工程と、前記溶融工程の後、前記樹脂がほぼ流動しない温度まで、温度を降下させるとともに、当該温度に至るまで、加圧状態で保持する保持工程とを有することが好ましい(請求項2)。
前記溶融工程において、前記樹脂の粘度が5000mPa・s未満となるように熱プレスし、前記保持工程において、前記樹脂の粘度が5000mPa・s以上になるまで前記シートを保持することが好ましい(請求項3)。
特許文献6には、上記方法によれば、溶融工程において、樹脂の粘度が5000mPa・s未満となるように熱プレスされたシートが、保持工程において5000mPa・s以上になるまで保持されるため、熱伝導性無機粒子の配向性を高めるとともに、シート中の空隙を低減することができることが記載されている(段落0017)。
しかしながら、特許文献6には、フローレベルについて記載も示唆もない。
特許文献7には、130℃における溶融粘度が10〜300Pa・sの範囲内であると、フィルムの形状を維持しつつも、比較的低粘度であるため、被着体の凹凸に充分に追従でき、ボイドの発生を抑制できることが記載されている(段落0082)。
しかしながら、特許文献7には、フローレベルについて記載も示唆もない。
熱硬化性樹脂であるバインダー樹脂(R)の未硬化物および/または半硬化物を含有する熱伝導性絶縁シートであって、
100〜200℃の温度領域における複素粘度が10,000〜150,000Pa・sであり、前記温度領域における複素粘度の最大値(α)と最小値(β)との比(α/β)が1.0〜4.0であり、下記式(1)により定義されるフロー値が90〜100%であるものである。
フロー値(%)=W2/W1×100・・・(1)
(式(1)中、各符号は以下のパラメータを示す。
W1は50mm四方の熱伝導性絶縁シートの質量である。
W2は50mm四方の熱伝導性絶縁シートを150℃で60分間、1MPaの条件で加熱および加圧して得られる熱伝導性絶縁シートの加熱加圧物の50mm四方の質量である。)
熱を発生し得る熱発生部を含む熱発生部材の少なくとも1つの面に、上記の本発明の熱伝導性絶縁シートの加熱加圧物からなり、バインダー樹脂(R)の硬化物を含む熱伝導性絶縁膜を介して、放熱ベース基板が接着されたものである。
本発明の熱伝導性絶縁シートは、熱硬化性樹脂であるバインダー樹脂(R)の未硬化物および/または半硬化物を含有する。
高熱伝導性を発現できることから、本発明の熱伝導性絶縁シートは、熱伝導性絶縁フィラー(F)と熱硬化性樹脂であるバインダー樹脂(R)の未硬化物または半硬化物とを含有することが好ましい。
フロー値(%)=W2/W1×100・・・(1)
(式(1)中、各符号は以下のパラメータを示す。
W1は50mm四方の熱伝導性絶縁シートの質量である。
W2は50mm四方の熱伝導性絶縁シートを150℃で60分間、1MPaの条件で加熱および加圧して得られる熱伝導性絶縁シートの加熱加圧物の50mm四方の質量である。)
本明細書において、熱伝導性絶縁シートの加熱加圧物(硬化物)を「熱伝導性絶縁膜」と言い、熱発生部材/熱伝導性絶縁膜/放熱部材の放熱ベース基板からなる構造体を「複合部材」と言う。
前記温度領域における複素粘度の最大値(α)が150,000Pa・s以下であれば、加熱加圧時に適度な流動性を有し、熱発生部材および放熱部材の表面凹凸に対して良好に追従し、熱発生部材と放熱部材とを良好に接着することができる。また、加熱加圧時に適度な流動性を有することで、ボイドを低減して空隙率を低減することができ、これによって絶縁性に優れた熱伝導性絶縁膜を形成することができる。
前記温度領域における複素粘度の最小値(β)が10,000Pa・s以上であれば、加熱加圧時に過度に流動して、元のシートの大きさよりも外側に材料が流出(フロー)することが抑制される。
α/βが1.0〜4.0であれば、αとβの差が大きくなく、加熱加圧時に急激な粘度変化がなく、材料の流動性が好適である。
本発明の熱伝導性絶縁シートは好ましくは、100〜200℃の温度領域における複素粘度が27,000〜100,000Pa・sであり、前記温度領域における複素粘度の最大値(α)と最小値(β)との比(α/β)が1.0〜2.5である。
熱伝導性絶縁フィラー(F)は熱伝導性を有するものであれば特に限定されず、例えば、酸化アルミニウム、酸化カルシウム、および酸化マグネシウム等の金属酸化物;窒化アルミニウム、および窒化ホウ素等の金属窒化物;水酸化アルミニウム、および水酸化マグネシウム等の金属水酸化物;炭酸カルシウム、および炭酸マグネシウム等の炭酸金属塩;ケイ酸カルシウム等のケイ酸金属塩;水和金属化合物;結晶性シリカ、非結晶性シリカ、炭化ケイ素、およびこれらの複合物等が挙げられる。これらは、1種または2種以上用いることができる。中でも、アルミナ、窒化アルミニウム、および窒化ホウ素等が好ましい。
熱伝導性絶縁フィラー(F)の形態は特に制限されず、一次粒子、一次粒子を造粒した造粒体、これらの凝集体、およびこれらの組合せが挙げられる。
本明細書において、複数の層(A)のうち最も外側に位置する層を最外層(Aout)と言う。
空隙率は、後記[実施例]の項に記載の方法にて求めることができる。
本明細書において「球状」は、例えば、「円形度」で表すことができる。「円形度」は、粒子をSEM(走査型電子顕微鏡)等で撮影した写真から任意の数の粒子を選び、粒子の面積をS、周囲長をLとしたとき、式:(円形度)=4πS/L2から求めることができる。
本明細書において「球状の粒子」は特に明記しない限り、東亜医用電子(株)製フロー式粒子像分析装置FPIA−1000を用いて粒子の平均円形度を測定した際の平均円形度が0.9〜1のものをいう。好ましくは、平均円形度が0.96〜1である。
球形度、熱伝導性、および絶縁性の観点から、熱伝導性球状フィラー(F1)は、アルミナおよび窒化アルミニウムからなる群より選ばれることが好ましい。
熱伝導性球状フィラー(F1)の平均粒子径は特に制限されず、熱伝導性および塗液中の分散性等の観点から、好ましくは5〜100μm、より好ましくは5〜50μmである。
窒化ホウ素フィラー(F2)の形態は特に制限されず、粉末状または粒状が挙げられる。例えば、鱗片状の一次粒子、鱗片状の一次粒子を造粒した造粒体、およびこれらの凝集体等を使用することができる。鱗片状の窒化ホウ素粒子は熱伝導異方性を有するため、鱗片状の一次粒子を造粒した造粒体またはその凝集体が好適に用いられる。加圧によりボイドを低減できることから、加圧により変形しやすい易変形性凝集体を用いることが好ましい。
圧縮変形率10%に要する平均圧縮力は、微小圧縮試験機(株式会社島津製作所製、MCT−210)を用い、測定領域内で無作為に選んだ10個の粒子について、粒子を10%変形させるための荷重を測定し、求めることができる。
本発明の熱伝導性絶縁シートにおいて、バインダー樹脂として、少なくとも1種以上の熱硬化性樹脂であるバインダー樹脂(R)を用いる。
熱硬化性のバインダー樹脂(R)としては特に制限されず、例えば、ポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリエステルウレタン樹脂、アルキッド樹脂、ブチラール樹脂、アセタール樹脂、ポリアミド樹脂、アクリル樹脂、スチレン−アクリル樹脂、スチレン樹脂、ニトロセルロース、ベンジルセルロース、セルロース(トリ)アセテート、カゼイン、シェラック、ギルソナイト、スチレン−無水マレイン酸樹脂、ポリブタジエン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリ塩化ビニリデン樹脂、ポリフッ化ビニリデン樹脂、ポリ酢酸ビニル樹脂、エチレン酢酸ビニル樹脂、塩化ビニル/酢酸ビニル共重合体樹脂、塩化ビニル/酢酸ビニル/マレイン酸共重合体樹脂、フッ素樹脂、シリコン樹脂、エポキシ樹脂、フェノキシ樹脂、フェノール樹脂、マレイン酸樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、ベンゾグアナミン樹脂、ケトン樹脂、石油樹脂、ロジン、ロジンエステル、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリアクリルアミド、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、メチルセルロース、エチルセルロース、ヒドロキシエチルメチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、カルボキシメチルエチルセルロース、カルボキシメチルニトロセルロース、エチレン/ビニルアルコール樹脂、ポリオレフィン樹脂、塩素化ポリオレフィン樹脂、変性塩素化ポリオレフィン樹脂、および塩素化ポリウレタン樹脂等が挙げられる。
なお、本明細書では、相互に反応し得る官能基を有する複数種の熱硬化性樹脂を用いる場合、量的に多い方を主剤、少ない方を硬化剤と称すこともある。
Mwが10,000以上であれば、加熱加圧時の過度な粘度低下が抑制され、加熱加圧時の流出(フロー)が効果的に抑制され、加熱加圧後に好適な接着性を発現することができる。
Mwが100,000以下であれば、加熱加圧時の過度な粘度上昇が抑制されるので、ボイドを埋める前に樹脂が高粘度化することが抑制され、硬化後の柔軟性が好適となり、加熱加圧後に好適な接着性を発現することができる。
熱伝導性絶縁シート(S)は、例えば以下のような方法で製造することができる。
熱伝導性球状フィラー(F1)、必要に応じて窒化ホウ素フィラー(F2)、未硬化のバインダー樹脂(R)、溶剤、および必要に応じて他の任意成分を含有する塗液(A’’)を調製する。この塗液(A’’)を剥離性シートに塗工した後、溶剤を揮発乾燥して、剥離性シート付きのシート(A’)を作製する。
次いで、シート(B’)の表面を覆っていた剥離性シートを剥がし、露出したシート(B’)の表面に、他の剥離性シート付きのシート(A’)の剥離性シートとは反対側を重ね合せ、[剥離性シート/シート(A’)/シート(B’)/シート(A’)/剥離性シート]の積層構造を有する積層体を得る。
そして、上記積層体を加圧することによりシート(A’)/シート(B’)/シート(A’)を一体化し、「層(A)/層(B)/層(A)]の積層構造を有する熱伝導性絶縁シート(S)の両面が剥離性シートで覆われた積層体を得ることができる。同様の操作を繰り返すことで、5層以上の積層構造を有する熱伝導性絶縁シート(S)を形成することができる。なお、両面の剥離性シートを剥がした後に加圧してもよい。
撹拌混合には一般的な撹拌方法を用いることができる。撹拌混合機としては特に制限されず、例えば、混練機、ディスパー、スキャンデックス、ペイントコンディショナー、サンドミル、らいかい機、メディアレス分散機、三本ロール、およびビーズミル等が挙げられる。
ボイドを効果的に低減できることから、加圧圧着時に熱硬化性樹脂が完全硬化しない比較的低温で加熱を行うことが好ましい。
本発明の複合部材は、熱を発生し得る熱発生部を含む熱発生部材の少なくとも1つの面に、上記の本発明の熱伝導性絶縁シートの加熱加圧物からなり、バインダー樹脂(R)の硬化物を含む熱伝導性絶縁膜を介して、放熱ベース基板が接着されたものである。
(放熱ベース基板)
放熱ベース基板は、ヒートシンク等の放熱部材のベース基板である。
放熱ベース基板の材質としては一般的に金属および/またはセラミックスが使用される。例えば、アルミニウム、銅、鉄、タングステン、モリブデン、マグネシウム、銅―タングステン合金、銅―モリブデン合金、銅―タングステンーモリブデン合金、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、および窒化ケイ素等が挙げられる。これらは1種または2種以上用いることができる。
本明細書において、Raは算術平均粗さであり、JIS B0601 2001に準じて測定することができる。
熱発生部材は、熱を発生し得る熱発生部を含む。熱発生部材としては、集積回路、ICチップ、ハイブリッドパッケージ等の半導体パッケージ、マルチモジュール等の半導体モジュール、パワートランジスタ、パワー半導体素子、パワー半導体素子を含むパワーカード、面抵抗器、および熱電変換モジュール等の各種電子部品;建材;車両、航空機、および船舶等の部材等が挙げられる。
パワーカード等のパワー半導体モジュールは、少なくとも表面(パワー半導体素子の実装面)が導電性を有する基板上に半田等の接合剤を介して1つまたは複数のパワー半導体素子が実装され、好ましくはエポキシ樹脂等の封止材で封止されたものである。パワーカード等のパワー半導体モジュールでは、パワー半導体素子が熱発生部である。パワーカード等のパワー半導体モジュールでは、その片面または両面に、熱伝導性絶縁接着膜を介して放熱ベース基板を接着することができる。この場合、熱発生部材の熱伝導性絶縁接着膜と接する部材は、少なくとも表面が導電性を有する基板、および/または、エポキシ樹脂等の封止材である。
熱伝導性絶縁シート(S)を用いる場合、熱伝導性絶縁シート(S)の製造工程において、複数のシート(A’)と1層以上のシート(B’)とを交互に積層する際の加圧力よりも、複合部材製造時の加圧力は高く設定することができる。
図面を参照して、本発明に係る第1〜第5実施形態の複合部材の構造について、説明する。図1〜図5は模式断面図であり、同じ構成要素には同じ参照符号を付してある。
図2に示す第2実施形態の複合部材2は、パワー半導体素子等の熱発生部材10の両面に熱伝導性絶縁接着膜20を介して放熱ベース基板30が接着されたものである。
複合部材1、2では、熱発生部材10のほぼ全体が熱発生部である。
図3に示す第3実施形態の複合部材3は、上記のパワー半導体モジュール50の片面(基板51の非実装面)に熱伝導性絶縁接着膜20を介して放熱ベース基板30が接着されたものである。図3に示す例では、基板51側に熱伝導性絶縁接着膜20と放熱ベース基板30とを配置しているが、封止材54側にこれらを配置してもよい。
図4に示す第4実施形態の複合部材4は、上記のパワー半導体モジュール50の両面に熱伝導性絶縁接着膜20を介して放熱ベース基板30が接着されたものである。
図5に示す第5実施形態の複合部材5は、上記のパワー半導体モジュール60の両面に熱伝導性絶縁接着膜20を介して放熱ベース基板30が接着されたものである。
図1〜図5に示す複合部材は、適宜設計変更が可能である。
本発明によればまた、空隙率が小さく、熱発生部材と放熱部材との間を良好に接着する熱伝導性絶縁膜を備えた複合部材を提供することができる。
(平均粒子径)
熱伝導性絶縁フィラーの平均粒子径は、Malvern Instruments社製粒度分布計マスターサイザー2000を用いて測定した。測定の際には乾式ユニットを用い、空気圧は2.5バールとした。フィード速度はサンプルにより最適化した。
東亜医用電子(株)製フロー式粒子像分析装置FPIA−1000を用いて、熱伝導性球状フィラーの平均円形度を測定した。トルエン10mlに測定粒子約5mgを分散させて分散液を調製し、この分散液に超音波(20kHz、50W)を5分間印加し、分散液中の粒子濃度を5,000〜2万個/μlとした。この分散液を用いて円相当径粒子群の円形度を測定し、平均円形度を求めた。
微小圧縮試験機(株式会社島津製作所製、MCT−210)を用い、測定領域内で無作為に選んだ10個の粒子について、粒子を10%変形させるのに必要な荷重を測定した。その平均値を圧縮変形率10%に要する平均圧縮力とした。
(固形分量)
薄型蓋付き金属容器内に樹脂溶液1gを量り採り、200℃のオーブンで20分間加熱した後の残質量を測定し、次式により固形分量を求めた。
固形分量(%)=(残質量(g)/1(g))×100
東ソー製GPC(ゲルパーミエーションクロマトグラフィー、HLC8220GPC)を用いて、Mwを測定した。GPCは、溶媒(THF;テトラヒドロフラン)に溶解した物質を分子サイズの差によって分離定量する液体クロマトグラフィーである。
カラムとして、2本の「TOSOH TSKgel Super HZM-N」(東ソー社製)を直列に接続したものを用い、試料濃度0.1%、流量0.34ml/min、圧力7.4MPa、カラム温度40℃の条件で、測定を実施して、ポリスチレン換算のMwを求めた。装置内蔵ソフトを使用して、検量線の作成、分子量およびピーク面積の算出を行い、保持時間5〜9.85分の範囲を分析対象としてMwを求めた。
共栓付き三角フラスコ内に試料約1gを精密に量り採り、シクロヘキサノン溶媒100mLを加えて溶解した。これに、指示薬としてフェノールフタレイン試液を加え、30秒間保持した。その後、溶液が淡紅色を呈するまで、0.1Nアルコール性水酸化カリウム溶液を徐々に滴下した。酸価は次式により求めた。
酸価(mgKOH/g)=(5.611×a×F)/S
上記式中、各符号は以下のパラメータを示す。
S:試料の採取量(g)、
a:0.1Nアルコール性水酸化カリウム溶液の消費量(mL)、
F:0.1Nアルコール性水酸化カリウム溶液の力価。
攪拌機、温度計、還流冷却器、滴下装置、および窒素導入管を備えた反応容器に、テレフタル酸とアジピン酸と3−メチル−1,5−ペンタンジオールとから得られたポリエステルポリオール((株)クラレ製、クラレポリオールP−1011、数平均分子量Mn=1006)401.9部、ジメチロールブタン酸12.7部、イソホロンジイソシアネート151.0部、およびトルエン40部を仕込み、窒素雰囲気下90℃3時間反応させた。これにトルエン300部を加えて、イソシアネート基を有するウレタンプレポリマー溶液を得た。
次に、イソホロンジアミン38.3部、ジ−n−ブチルアミン3.2部、2−プロパノール342.0部、およびトルエン396.0部を混合した溶液に、得られたイソシアネート基を有するウレタンプレポリマー溶液815.1部を添加し、70℃で3時間反応させた。反応終了後に、トルエン144.0部および2−プロパノール72.0部の混合溶剤を用いて希釈した。以上のようにして、固形分量30%、Mw85,000の熱硬化性のポリウレタンポリウレア樹脂(R−1)の溶液を得た。
撹拌機、温度計、還流冷却器、滴下装置、および窒素導入管を備えた反応容器に、メタクリル酸メチル20.0部、メタクリル酸0.6部、メタクリル酸−2−ヒドロキシエチル3.0部、メタクリル酸n−ブチル76.4部、およびプロピレングリコール1−モノメチルエーテル2―アセタート500部を仕込み、窒素雰囲気下で撹拌しながら100℃まで昇温した。次いで、アゾビスイソブチロニトリル0.5部を加え、2時間重合反応を行った。次いで、転化率が98%以上となるまで1時間毎にアゾビスイソブチロニトリルを0.5部加えて重合反応を行った。転化率が98%以上になったことを確認した後、プロピレングリコール1−モノメチルエーテル2―アセタート250部を加えて希釈した。以上のようにして、固形分量40%、Mw30,000の熱硬化性のアクリル樹脂(R−2)の溶液を得た。
撹拌機、還流冷却管、窒素導入管、導入管、および温度計を備えた反応容器に、炭素数36の多塩基酸化合物としてプリポール1009(クローダジャパン株式会社製、酸価194KOHmg/g)を86.8部、フェノール性水酸基を有する多塩基酸化合物として5−ヒドロキシイソフタル酸(スガイ化学社製、以下「5−HIPA」ともいう)を27.3部、炭素数36のポリアミン化合物としてプリアミン1074(クローダジャパン株式会社製、酸価210KOHmg/g)を146.4部、イオン交換水を100部仕込み、発熱の温度が一定になるまで撹拌した。温度が安定した後、110℃まで昇温した。さらに水の流出を確認してから30分後に温度を120℃に昇温した。その後、30分ごとに10℃ずつ昇温しながら脱水反応を続けた。温度が230℃になった後、その温度を維持して3時間反応を続けた。さらに、約2kPaの真空下で、1時間保持した後、温度を低下させた。
最後に、酸化防止剤を添加し、温度が100℃以下になった時点で、トルエンと2−プロパノール(質量比1対1)との混合溶剤を用いて希釈した。以上のようにして、固形分量40%、Mw19,000のフェノール性水酸基含有ポリアミド樹脂(R−3)の溶液を得た。
撹拌機、還流冷却管、窒素導入管、導入管、および温度計を備えた反応容器に、炭素数36の多塩基酸化合物としてプリポール1009(クローダジャパン株式会社製、酸価194KOHmg/g)を66.1部、フェノール性水酸基を有する多塩基酸化合物として5−ヒドロキシイソフタル酸(5−HIPA)を8.3部、炭素数36のポリアミン化合物としてプリアミン1074(クローダジャパン株式会社製、酸価210KOHmg/g)を81.1部、イオン交換水を100部仕込み、発熱の温度が一定になるまで撹拌した。温度が安定した後、110℃まで昇温した。さらに水の流出を確認してから30分後に温度を120℃に昇温した。その後、30分ごとに10℃ずつ昇温しながら脱水反応を続けた。温度が230℃になった後、その温度を維持して3時間反応を続けた。さらに、約2kPaの真空下で、1時間保持した後、温度を低下させた。
最後に、酸化防止剤を添加し、温度が100℃以下になった時点で、トルエンと2−プロパノール(質量比1対1)の混合溶剤を用いて希釈した。以上のようにして、固形分量40%、Mw75,000のフェノール性水酸基含有ポリアミド樹脂(R−4)の溶液を得た。
撹拌機、水分定量受器を付けた還流冷却管、窒素導入管、および温度計を備えた反応容器に、炭素数36の多塩基酸化合物としてプリポール1009(クローダジャパン株式会社製、酸価194KOHmg/g)を70.78部、フェノール性水酸基を有する多塩基酸化合物として5−ヒドロキシイソフタル酸(5−HIPA)を5.24部、炭素数36のポリアミン化合物としてプリアミン1074(クローダジャパン株式会社製、酸価210KOHmg/g)を82.84部、トルエンを4.74部仕込んだ。これらの混合物を撹拌しながら、水の流出を確認しつつ、温度を220℃まで昇温し、脱水反応を続けた。1時間ごとにサンプリングを行い、Mwが40,000になったことを確認し、充分に冷却した後、シクロヘキサノン40部、トルエン91.34部、およびイソプロピルアルコール96.12部を希釈溶剤として加え、充分に溶解させた。以上のようにして、固形分量40.2%、Mw40,000のフェノール性水酸基含有ポリアミド樹脂(R−5)の溶液を得た。
撹拌機、水分定量受器を付けた還流冷却管、窒素導入管、および温度計を備えた4口フラスコに、炭素数36の多塩基酸化合物としてプリポール1009(クローダジャパン株式会社製、酸価194KOHmg/g)を69.4部、フェノール性水酸基を有する多塩基酸化合物として5−ヒドロキシイソフタル酸(5−HIPA)を5.46部、炭素数36のポリアミン化合物としてプリアミン1074(クローダジャパン株式会社製、酸価210KOHmg/g)を80.97部、トルエンを4.74部仕込んだ。これらの混合物を撹拌しながら、水の流出を確認しつつ、温度を220℃まで昇温し、脱水反応を続けた。1時間ごとにサンプリングを行い、Mwが40,000になったことを確認し、充分に冷却した後、シクロヘキサノン40部、トルエン93.5部、およびイソプロピルアルコール97.5部を希釈溶剤として加え、充分に溶解させた。以上のようにして、固形分量40.2%、Mw70,000のフェノール性水酸基含有ポリアミド樹脂(R−6)の溶液を得た。
用いた熱伝導性絶縁フィラーは、以下の通りである。
熱伝導性球状フィラー(F1−1):平均円形度0.99、平均粒子径10μmである球状アルミナ((株)アドマテックス製アドマファインAO−509)、
窒化ホウ素フィラー(F2−1):圧縮変形率10%に要する平均圧縮力が1.32mNであり、平均粒子径が65〜85μmである造粒窒化ホウ素(スリーエムジャパン株式会社製、Agglomerates100)。
(硬化剤)
CA−1:ビスフェノールA型エポキシ樹脂(ジャパンエポキシレジン(株)製エピコート1001)の50%トルエン溶液。
MS−1:トルエンと2−プロパノールを質量比1対1で混合した混合溶剤。
合成例1で得られた樹脂(R−1)の溶液11.5部、硬化剤(CA−1)2.7部、混合溶剤(MS−1)10.6部の混合液を調製した。この混合液に、熱伝導性球状フィラー(F1−1)21部と窒化ホウ素フィラー(F2−1)4.2部を加え、ディスパー撹拌した後、超音波攪拌機に2分間かけて脱泡した。得られた塗液を、6MILのブレードコーターを用いて、剥離性シート(厚さ75μmの離型処理ポリエチレンテレフタレートフィルム)上に塗布し、100℃で2分間、乾燥した。以上のようにして、単位面積当たりの塗布量と下記方法により計算した理論密度から導かれる理論膜厚が34μmのシート1A’の一方の面が剥離性シートで覆われた中間積層体1A’を得た。なお、シート1A’の理論密度は2.50であった。
熱伝導性球状フィラーの質量%=(熱伝導性球状フィラーの質量/シート1A’各成分の乾燥質量の和)×100
窒化ホウ素フィラーの質量%=(窒化ホウ素フィラーの質量/シート1A’各成分の乾燥質量の和)×100
=(シート1A’の各成分の乾燥質量の和)/(シート1A’の各成分の乾燥体積の和)
=(樹脂の乾燥質量+硬化剤の乾燥質量+熱伝導性球状フィラーの質量+窒化ホウ素フィラーの質量)/[(樹脂の乾燥質量/樹脂の密度)+(硬化剤の乾燥質量/硬化剤の密度)+(熱伝導性球状フィラーの質量/熱伝導性球状フィラーの密度)+(窒化ホウ素フィラーの質量/窒化ホウ素フィラーの密度)]
熱伝導性球状フィラーおよび窒化ホウ素フィラー等の密度は一般的なデータを用いる。
バインダー樹脂およびその他の有機成分の密度は、「1(g/cm3)」と概算する。
フィラー添加前の混合液の組成を、合成例2で得られた樹脂(R−2)の溶液8.6部、硬化剤(CA−1)2.7部、混合溶剤(MS−1)13.5部とした以外は製造例1−1と同様にして、理論膜厚が34μmのシート2A’の一方の面が剥離性シートで覆われた中間積層体2A’を得た。
フィラー添加前の混合液の組成を、合成例3で得られた樹脂(R−3)の溶液8.6部、硬化剤(CA−1)2.7部、混合溶剤(MS−1)13.5部とした以外は製造例1−1と同様にして、理論膜厚が34μmのシート3A’の一方の面が剥離性シートで覆われた中間積層体3A’を得た。
フィラー添加前の混合液の組成を、合成例4で得られた樹脂(R−4)の溶液8.6部、硬化剤(CA−1)2.7部、混合溶剤(MS−1)13.5部とした以外は製造例1−1と同様にして、理論膜厚が34μmのシート4A’の一方の面が剥離性シートで覆われた中間積層体4A’を得た。
フィラー添加前の混合液の組成を、合成例5で得られた樹脂(R−5)の溶液8.6部、硬化剤(CA−1)2.7部、混合溶剤(MS−1)13.5部とした以外は製造例1−1と同様にして、理論膜厚が34μmのシート5A’の一方の面が剥離性シートで覆われた中間積層体5A’を得た。
フィラー添加前の混合液の組成を、合成例6で得られた樹脂(R−6)の溶液8.6部、硬化剤(CA−1)2.7部、混合溶剤(MS−1)13.5部とした以外は製造例1−1と同様にして、理論膜厚が34μmのシート6A’の一方の面が剥離性シートで覆われた中間積層体6A’を得た。
フィラー添加前の混合液の組成を、エポキシ樹脂YL6121H(三菱化学株式会社製)3.1部、フェノール樹脂VH−4150(DIC株式会社製)1.6部、イミダゾール化合物2PZ(四国化成工業株式会社製)0.1部、シクロヘキサノン20部とした以外は製造例1−1と同様にして、理論膜厚が34μmのシート7A’の一方の面が剥離性シートで覆われた中間積層体7A’を得た。
フィラー添加前の混合液の組成を、合成例1で得られた樹脂(R−1)の溶液10.8部、硬化剤(CA−1)2.5部、混合溶剤(MS−1)18.7部とし、熱伝導性球状フィラー(F1−1)の量を6.5部、窒化ホウ素フィラー(F2−1)の量を11.5部とした以外は製造例1−1と同様にして、理論膜厚51μmのシート1B’の一方の面が剥離性シートで覆われた中間積層体1B’を得た。シート1A’と同様の計算をして得たシート1B’の理論密度は2.02であった。
フィラー添加前の混合液の組成を、合成例2で得られた樹脂(R−2)の溶液8.1部、硬化剤(CA−1)2.5部、混合溶剤(MS−1)21.4部とした以外は製造例2−1と同様にして、理論膜厚51μmのシート2B’の一方の面が剥離性シートで覆われた中間積層体2B’を得た。
フィラー添加前の混合液の組成を、合成例3で得られた樹脂(R−3)の溶液8.1部、硬化剤(CA−1)2.5部、混合溶剤(MS−1)21.4部とした以外は製造例2−1と同様にして、理論膜厚51μmのシート3B’の一方の面が剥離性シートで覆われた中間積層体3B’を得た。
フィラー添加前の混合液の組成を、合成例4で得られた樹脂(R−4)の溶液8.1部、硬化剤(CA−1)2.5部、混合溶剤(MS−1)21.4部とした以外は製造例2−1と同様にして、理論膜厚51μmのシート4B’の一方の面が剥離性シートで覆われた中間積層体4B’を得た。
フィラー添加前の混合液の組成を、合成例5で得られた樹脂(R−5)の溶液8.1部、硬化剤(CA−1)2.5部、混合溶剤(MS−1)21.4部とした以外は製造例2−1と同様にして、理論膜厚51μmのシート5B’の一方の面が剥離性シートで覆われた中間積層体5B’を得た。
フィラー添加前の混合液の組成を、合成例6で得られた樹脂(R−6)の溶液8.1部、硬化剤(CA−1)2.5部、混合溶剤(MS−1)21.4部とした以外は製造例2−1と同様にして、理論膜厚51μmのシート6B’の一方の面が剥離性シートで覆われた中間積層体6B’を得た。
フィラー添加前の混合液の組成を、エポキシ樹脂YL6121H(三菱化学株式会社製)2.9部、フェノール樹脂VH−4150(DIC株式会社製)1.5部、イミダゾール化合物2PZ(四国化成工業株式会社製)0.1部、シクロヘキサノン27.5部とした以外は製造例2−1と同様にして、理論膜厚51μmのシート7B’の一方の面が剥離性シートで覆われた中間積層体7B’を得た。
製造例1−1で得られた中間積層体1A’から10cm×10cmの大きさで2枚の積層体を切出した。これら2枚の積層体において、剥離性シートを除いたシート1A’のみの質量はそれぞれ0.852gと0.858gであった。また、製造例2−1で得られた中間積層体1B’から10cm×10cmの大きさで1枚の積層体を切出した。この積層体において、剥離性シートを除いたシート1B’のみの質量は1.042gであった。
次に中間積層体1B’側の剥離性シートを剥離し、露出したシート1B’の表面に、他方の中間積層体1A’の剥離性シートとは反対側を同様に貼り合せ、3層構造の熱伝導性絶縁シート(S−1)の両面が剥離性シートで覆われた積層体を得た。
なお、ラミネート条件は、ロール温度上下80℃、ラミネート圧0.6MPa、速度0.5m/分とした。
中間積層体1A’の代わりに製造例1−2で得られた中間積層体2A’、中間積層体1B’の代わりに製造例2−2で得られた中間積層体2B’を用いた以外は実施例1と同様にして、3層構造の熱伝導性絶縁シート(S−2)の両面が剥離性シートで覆われた積層体を得た。
中間積層体1A’の代わりに製造例1−3で得られた中間積層体3A’、中間積層体1B’の代わりに製造例2−3で得られた中間積層体3B’を用いた以外は実施例1と同様にして、3層構造の熱伝導性絶縁シート(S−3)の両面が剥離性シートで覆われた積層体を得た。
中間積層体1A’の代わりに製造例1−4で得られた中間積層体4A’、中間積層体1B’の代わりに製造例2−4で得られた中間積層体4B’を用いた以外は実施例1と同様にして、3層構造の熱伝導性絶縁シート(S−4)の両面が剥離性シートで覆われた積層体を得た。
中間積層体1A’の代わりに製造例1−5で得られた中間積層体5A’、中間積層体1B’の代わりに製造例2−5で得られた中間積層体5B’を用いた以外は実施例1と同様にして、3層構造の熱伝導性絶縁シート(S−5)の両面が剥離性シートで覆われた積層体を得た。
中間積層体1A’の代わりに製造例1−6で得られた中間積層体6A’、中間積層体1B’の代わりに製造例2−6で得られた中間積層体6B’を用いた以外は実施例1と同様にして、3層構造の熱伝導性絶縁シート(S−6)の両面が剥離性シートで覆われた積層体を得た。
中間積層体1A’の代わりに製造例1−7で得られた中間積層体7A’、中間積層体1B’の代わりに製造例2−7で得られた中間積層体7B’を用いた以外は実施例1と同様にして、3層構造の熱伝導性絶縁シート(S−7)の両面が剥離性シートで覆われた積層体を得た。
実施例1〜6および比較例1の各例において、得られた3層構造の熱伝導性絶縁シートの両面が剥離性シートで覆われた積層体から両面の剥離性シートを剥離して、3層構造の熱伝導性絶縁シートを取り出し、以下の評価を実施した。
粘弾性測定装置(Antоn Paar製、MCRレオメーター302)を用いて、熱伝導性絶縁シートの複素粘度を求めた。熱伝導性絶縁シートを5枚重ねて、厚み0.65mmの評価用シートとした。この評価用シートを一対の25mmφの円板状の測定冶具で挟持して測定装置にセットし、周波数10Hz、昇温速度3.5℃/minの条件で、100〜200℃の範囲の複素粘度を測定した。この温度範囲の複素粘度の最大値(α)と最小値(β)を求め、α/βを求めた。
50mm四方の熱伝導性絶縁シートを用意し、初期の質量W1を測定した。次いで、2枚の50mm四方の剥離性シート(厚さ75μmの離型処理ポリエチレンテレフタレートフィルム)で50mm四方の上記熱伝導性絶縁シートを挟み、150℃で60分間、1MPaの条件で加熱および加圧した。加熱および加圧後に2枚の剥離性シートからはみ出した材料がなければ、2枚の剥離性シートで挟まれた50mm四方の熱伝導性絶縁シートの加熱加圧物をそのまま取り出した。2枚の剥離性シートからはみ出した材料があれば、はみ出した材料をカッターで取り除いて、熱伝導性絶縁シートの加熱加圧物の大きさを50mm四方に調整した後、2枚の剥離性シートで挟まれた50mm四方の加熱加圧物を取り出した。取り出した50mm四方の加熱加圧物の質量W2を測定し、下記式(1)によりフロー値を求めた。
フロー値(%)=W2/W1×100・・・(1)
アルミニウム基板(幅25mm、長さ100mm、厚み2mm、線膨張係数23ppm/℃、放熱ベース基板に相当)と、熱伝導性絶縁シートと、銅基板(幅25mm、長さ100mm、厚み2mm、線膨張係数16ppm/℃、熱発生部材の熱伝導性絶縁接着膜と接する部材に相当)とを重ね、150℃で60分間、3MPaの条件で加熱加圧(熱プレス)を行って、複合部材のテストピースを得た。熱伝導性絶縁接着シートの上下の部材に挟まれた部分の大きさは、幅25mm、長さ40mmとした。
せん断接着力は、JIS K 6850に準拠して測定した。
複合部材のテストピースに対して、島津製作所社製SHIMADZU/Autogragh AGS−Xを用い、25℃にて引張り速度1mm/分の条件でせん断力を測定した。測定は2回行い、平均値をせん断接着力とした。
熱伝導性絶縁シートの空隙率は、下記式を用いて算出することができる。
空隙率=1−(熱伝導性絶縁シートの実測密度/熱伝導性絶縁シートの理論密度)
熱伝導性絶縁シートの実測密度=熱伝導性絶縁シートの質量(g)/熱伝導性絶縁シートの体積(cm3)
熱伝導性絶縁シートの理論密度=2枚のシート(A’)および1枚のシート(B’)の質量の和(g)/2枚のシート(A’)および1枚のシート(B’)の体積の和(cm3)
シート(A’)またはシート(B’)の体積=シート(A’)またはシート(B’)の質量(g)/シート(A’)またはシート(B’)の密度(g/cm3)
熱伝導性球状フィラーおよび窒化ホウ素フィラー等の密度は一般的なデータを用いる。
バインダー樹脂およびその他の有機成分の密度は、「1(g/cm3)」と概算する。
熱伝導性絶縁シートを150℃で60分間、1MPaの条件で加熱加圧(熱プレス)して得られる熱伝導性絶縁膜について、上記と同様に、式:空隙率=1−(実測密度/理論密度)から、空隙率を理論的に求めた。
主な製造条件と評価結果を表1に示す。
実施例1〜6ではいずれも、バインダー樹脂の種類、バインダー樹脂の分子量、硬化剤の割合、熱伝導性絶縁フィラーの種類および量等の熱伝導性絶縁シートの組成を調整することで、100〜200℃の温度領域における複素粘度が10,000〜150,000Pa・sであり、前記温度領域における複素粘度の最大値(α)と最小値(β)との比(α/β)が1.0〜4.0である熱伝導性絶縁シートを製造することができた。
実施例1〜6で得られた熱伝導性絶縁シートはいずれも上記のような複素粘度特性を有し加熱加圧時に適度な流動性を有するため、加熱加圧時に元の熱伝導性絶縁シートの大きさより外側への材料の流出がなく、フロー値が90〜100%と好適であった。
実施例1〜6で得られた熱伝導性絶縁シートを用いることで、熱発生部材と放熱部材との接着性に優れ、熱伝導性絶縁膜の空隙率が低く、性能の良い複合部材を製造できることが分かった。
比較例1で得られた熱伝導性絶縁シートは、加熱により架橋を伴う硬化反応が進むため、複素粘度の最大値(α)が実施例1〜6よりも大きい。そのため、硬化後の柔軟性が著しく低く、アルミニウム基板と銅基板とを良好に接着することができなかった。
比較例1で得られた熱伝導性絶縁シートはα/βが大きく、加熱加圧時に急激な粘度上昇が起こる。比較例1で得られた熱伝導性絶縁シートでは、ボイドを埋める前にバインダー樹脂が高粘度化するため、加熱加圧により空隙率を効果的に低減することができなかった。
比較例1で得られた熱伝導性絶縁シートを用いた複合部材のテストピースは、せん断接着力が1.5MPa未満であり、熱伝導性絶縁膜の空隙率が0.3超であった。
10 熱発生部材
20 熱伝導性絶縁接着膜
30 放熱ベース基板
50、60 パワー半導体モジュール(熱発生部材)
51、61、65 基板
52、62、64 半田層
53、63 パワー半導体素子(熱発生部)
54、66 封止材
Claims (7)
- 熱硬化性樹脂であるバインダー樹脂(R)の未硬化物および/または半硬化物を含有する熱伝導性絶縁シートであって、
100〜200℃の温度領域における複素粘度が10,000〜150,000Pa・sであり、前記温度領域における複素粘度の最大値(α)と最小値(β)との比(α/β)が1.0〜4.0であり、下記式(1)により定義されるフロー値が90〜100%である、熱伝導性絶縁シート。
フロー値(%)=W2/W1×100・・・(1)
(式(1)中、各符号は以下のパラメータを示す。
W1は50mm四方の熱伝導性絶縁シートの質量である。
W2は50mm四方の熱伝導性絶縁シートを150℃で60分間、1MPaの条件で加熱および加圧して得られる熱伝導性絶縁シートの加熱加圧物の50mm四方の質量である。) - 100〜200℃の温度領域における複素粘度が27,000〜100,000Pa・sであり、前記温度領域における複素粘度の最大値(α)と最小値(β)との比(α/β)が1.0〜2.5であり、前記フロー値が95〜100%である、請求項1に記載の熱伝導性絶縁シート。
- バインダー樹脂(R)が、熱硬化性ポリウレタン樹脂、熱硬化性アクリル樹脂、および熱硬化性ポリアミド樹脂から選ばれる少なくとも1種である、請求項1または2に記載の熱伝導性絶縁シート。
- さらに熱伝導性絶縁フィラー(F)を含有する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の熱伝導性絶縁シート。
- 熱を発生し得る熱発生部を含む熱発生部材の少なくとも1つの面に、請求項1〜4のいずれか1項に記載の熱伝導性絶縁シートの加熱加圧物からなり、バインダー樹脂(R)の硬化物を含む熱伝導性絶縁膜を介して、放熱ベース基板が接着された、複合部材。
- 前記熱伝導性絶縁膜の空隙率が0.3以下である、請求項5に記載の複合部材。
- 前記熱発生部材がパワー半導体素子を含む、請求項5または6に記載の複合部材。
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