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KR102493229B1 - 열 전도성 절연 시트 및 복합 부재 - Google Patents

열 전도성 절연 시트 및 복합 부재 Download PDF

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KR102493229B1
KR102493229B1 KR1020207008699A KR20207008699A KR102493229B1 KR 102493229 B1 KR102493229 B1 KR 102493229B1 KR 1020207008699 A KR1020207008699 A KR 1020207008699A KR 20207008699 A KR20207008699 A KR 20207008699A KR 102493229 B1 KR102493229 B1 KR 102493229B1
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KR
South Korea
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thermally conductive
sheet
conductive insulating
insulating sheet
resin
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토시이치 사와구치
나오히로 타나카
카오리 사카구치
켄지 안도
히데노부 코바야시
Original Assignee
토요잉크Sc홀딩스주식회사
토요켐주식회사
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Publication date
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Abstract

본 발명은, 가열 가압시에 적당한 유동성을 가지고, 원래 시트의 크기보다 외측으로의 재료의 유출의 우려가 없는 열 전도성 절연 시트를 제공한다. 본 발명의 열 전도성 절연 시트는, 열경화성 수지인 바인더 수지(R)의 미경화물 및/또는 반경화물을 함유한다. 100~200℃의 온도 영역에서의 복소 점도가 10,000~ 150,000Pa·s, 상기 온도 영역에서의 복소 점도의 최대값(α)과 최소값(β)의 비 (α/β)가 1.0~4.0이며, 흐름 값이 90~100%이다. 흐름 값(%)=W2/W1×100(W1: 50mm 사방의 열 전도성 절연 시트의 질량, W2: 50mm 사방의 열 전도성 절연 시트를 150 ℃에서 60분간, 1MPa의 조건에서 가열 및 가압해서 얻어지는 열 전도성 절연 시트의 가열 가압물의 50mm 사방의 질량)

Description

열 전도성 절연 시트 및 복합 부재
본 발명은, 열 전도성 절연 시트 및 이를 이용한 복합 부재에 관한 것이다.
각종 전자 부품(예를 들면, 파워 반도체 소자 및 이를 포함하는 파워 카드 등)의 열을 발생할 수 있는 열 발생 부재에서 히트 싱크 등의 방열 부재로의 열 전도를 촉진하고, 방열을 촉진하기 위해 방열 부재의 방열 베이스 기판과 열 발생 부재 사이에 열 전도성 절연 접착막을 배치하는 것이 바람직하다. 높은 열 전도성을 발현할 수 있기 때문에, 열 전도성 절연 접착막은, 열 전도성 절연 필러와 바인더 수지를 포함하는 것이 바람직하다.
열 전도성 절연 접착막은 예를 들면, 열 전도성 필러와 열경화성 수지인 바인더 수지의 미경화물 및/또는 반경화물을 포함하는 열 전도성 절연 시트를 방열 부재와 열 발생 부재 사이에 배치하고, 가열 및 가압에 의해 경화시킴으로써 간단하고 쉽게 형성할 수 있다.
열 전도성 절연 시트는, 높은 열 전도성과 높은 절연성을 갖는 것이 바람직하다. 열 전도성 절연 시트는 또한 열 발생 부재 및 방열 부재의 표면 요철에 양호하게 추종할 수 있는 유연성을 가지고, 열 발생 부재와 방열 부재를 양호하게 접착하는 것이 바람직하다.
본 발명자들은, 특허문헌 1에 있어서, 높은 열 전도성과 높은 절연성을 양립 한 열 전도성 절연 시트로서 질화 붕소를 제외한 열 전도성 구상(球狀) 필러를 비교적 많이 함유하는 복수의 층(A)과 질화 붕소 필러를 비교적 많이 함유하는 1층 이상의 층(B)이, 층(A)가 가장 바깥층이 되도록 교대로 적층된 열 전도성 절연 시트를 개시하고 있다(청구항 1).
상기 열 전도성 절연 시트는, 질화 붕소를 제외한 열 전도성 구상 필러를 비교적 많이 함유하는 복수의 시트(A')와 질화 붕소 필러를 비교적 많이 함유하는 1층 이상의 시트(B')를 시트(B')가 최외층이 되지 않도록 교대로 적층하여 가압함으로써 제조할 수 있다(청구항 5).
일본 특허공보 제6135817호 국제공개공보 제2012/102212호 국제공개공보 제2013/065758 일본 특허공개공보 제2016-79304호 국제공개공보 제2012/132691호 일본 특허공개공보 제2012-212727호 일본 특허공개공보 제2015-103578호
열 전도성 절연 시트는, 열 발생 부재 및 방열 부재의 표면 요철에 대해서 양호하게 추종하고 열 발생 부재 및 방열 부재를 양호하게 접착하여, 보이드(void)를 줄일 수 있도록 가열 가압시에 어느 정도 유동하는 것이 바람직하다. 그러나, 가열 가압시에 과도하게 유동하여 원래 시트의 크기보다 바깥쪽으로 재료가 유출(흐름)하는 것은, 원하는 열 전도 성능을 얻을 수 없게 될 우려가 있고, 외관상으로도 바람직하지 않다.
본 발명의 관련 기술로서, 특허문헌 2~8을 들 수 있다.
특허문헌 2에는, 열경화성 수지와 페놀 수지와 절연성 무기 필러를 포함하고, 20~200℃에서의 최저 용융 점도가 10~1000Pa·s인 수지 조성물 시트가 개시되어 있다(청구항 1, 2).
특허문헌 2에는, 수지 조성물 시트의 최저 용융점도가 B스테이지에서 C스테이지로 하는 가압 가열 공정에서의 수지 조성물의 유동성에 영향을 주기 때문에, 20~200℃에서의 최저 용융점도를 조정함으로써, 단부에서의 수지 조성물 시트의 유출을 억제할 수 있는 것이 기재되어 있다(단락0136). 또한, 20~200℃에서의 최저 용융 점도가 상기 범위 내에 있으면, 가열시에 뛰어난 유동성을 보여 요철 구조를 갖는 피 착체에 대해서도 추종하는 것이 기재되어 있다(단락0138). 그러나, 특허문헌2에는, 구체적인 흐름 레벨(flow level)에 관해서, 기재도 시사도 없다.
특허문헌 3에는, α-알루미나를 포함하는 제1의 필러와, 질화물 필러를 포함하는 제2의 필러와, 열경화성 수지를 포함하는 수지 시트가 개시되어 있다(청구항 1, 4, 15).
상기 수지 시트의 반경화 상태에서의 흐름량은 바람직하게는, 130~210%이다(청구항16). 또한, 반경화 상태의 시트(B스테이지 시트)에서의 점도는 바람직하게는, 상온(25~30℃)에서는 104~105Pa·s이고, 100℃에서는 102~103Pa·s이다(단락0210).
특허문헌 3에 있어서, 흐름량은 200μm 두께의 B스테이지 시트를 10mm 사각형으로 뚫어 낸 시료를, 대기압 조건하, 온도 180℃, 프레스압 15MPa의 조건에서 1 분간 가압했을 때의, 가압 전후의 B스테이지 시트의 면적 변화율로서 산출된다(단락0218).
특허문헌 3에 기재된 흐름량은 크게 실용상 바람직하지 않다.
특허문헌 4에는, 수지와 무기 필러를 함유하고, 100℃에서의 용융 점도가 1.0×105 ~ 1.0×108Pa·s인 수지 시트가 개시되어 있다(청구항 1).
특허문헌 4에는, 무기 필러의 함유율이 40~80체적%이면, 수지에 점성이 부여되어서 접착시의 수지 유출을 방지할 수 있는 것이 기재되어 있다(단락0056). 그러나, 특허문헌 4에는 구체적인 흐름 레벨에 관해서 기재도 시사도 없다.
특허문헌 5에는, 열경화성 수지 및 필러를 포함한 수지조성물층과, 상기 수지 조성물층의 적어도 한쪽 면 위에 배치된 접착제층을 갖는 다층 수지 시트가 개시되어 있다(청구항 1).
반경화 상태의 시트(B스테이지 시트)에서의 점도는 바람직하게는 상온(25도)에서는 104~107Pa·s이고, 100℃에서는 102~106Pa·s이다(단락0121).
특허문헌 5에는, 상기 다층 수지 시트에서는, 피착체에 첩부시키기 전에, 수지 조성물층 중의 큰 입자 지름의 필러의 적어도 일부를 접착제 층에 들어가게 함으로써 접착시의 수지 흐름을 억제할 수 있는 것이 기재되어 있다(단락0155).
그러나, 특허문헌 5에는, 구체적인 흐름 레벨에 관해서, 기재도 시사도 없다.
특허문헌 6에는, 수지 및 열 전도성 무기 입자를 함유하는 수지 조성물을 열 프레스하여 용융 상태에서 반고형 상태로 한 후, 그리고 또한 점도를 증가시킴으로써 시트화 하는 시트화 공정을 갖는 열 전도성 시트의 제조 방법이 개시되어 있다 (청구항 1).
상기 시트화 공정은, 상기 수지 조성물을, 상기 수지가 열 용융하는 가열 및 가압 조건에 있어서 열 프레스하는 용융 공정과, 상기 용융 공정 후, 상기 수지가 거의 유동하지 않는 온도까지 온도를 하강시키면서 동시에, 당해 온도에 이르기까지, 가압 상태로 유지하는 유지 공정을 갖는 것이 바람직하다(청구항 2).
상기 용융 공정에 있어서, 상기 수지의 점도가 5000mPa·s미만이 되도록 열 프레스 하고, 상기 유지 공정에 있어서, 상기 수지의 점도가 5000mPa·s이상이 될때까지 상기 시트를 유지하는 것이 바람직하다(청구항 3).
특허문헌 6에는, 상기 방법에 의하면, 용융 공정에 있어서, 수지의 점도가 5000mPa·s미만이 되도록 열 프레스된 시트가, 유지 공정에 있어서 5000mPa·s이상이 될 때까지 유지되기 때문에, 열 전도성 무기 입자의 배향성을 높이면서 동시에 시트 중의 공극을 저감할 수 있는 것이 기재되어 있다(단락0017).
그러나, 특허문헌 6에는, 흐름 레벨에 관해서 기재도 시사도 없다.
특허문헌 7에는, 열전도율이 12W/m·K이상의 열 전도성 입자를 함유하는 열 경화형 다이본드 필름에 있어서, 130℃에서의 용융 점도가 10~300Pa·s의 범위 내인 것이 바람직하다 것이 기재되어 있다(청구항1, 단락0082).
특허문헌 7에는, 130℃에서의 용융 점도가 10~300Pa·s의 범위 내이면, 필름의 형상을 유지하면서도 비교적 낮은 점도이기 때문에 피착체의 요철에 충분히 추종할 수 있어 보이드의 발생을 억제할 수 있는 것이 기재되어 있다(단락0082).
그러나, 특허문헌 7에는 흐름 레벨에 관해서 기재도 시사도 없다.
본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것이며, 열발생부재와 방열부재 사이에 배치되어 가열 및 가압될 때에, 열발생부재 및 방열부재의 표면 요철에 대해서 양호하게 추종 가능한 적당한 유동성을 가지고, 원래 시트의 크기보다 바깥쪽으로의 재료 유출의 우려가 없는 열 전도성 절연 시트를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 열 전도성 절연 시트는,
열경화성 수지인 바인더 수지(R)의 미경화물 및/또는 반경화물을 함유하는 열 전도성 절연 시트이며,
100~200℃의 온도 영역에서의 복소(複素) 점도가 10,000~150,000Pa·s이고, 상기 온도 영역에서의 복소 점도의 최대값(α)과 최소값(β)의 비(α/β)가 1.0~4.0이며, 하기 식(1)에 의해 정의되는 흐름 값(flow value)이 90~100%인 것이다.
흐름 값(%) = W2 / W1 × 100…(1)
(식(1) 중, 각 부호는 다음의 파라미터를 나타낸다.
W1은 50mm 사방의 열 전도성 절연 시트의 질량이다.
W2는 50mm 사방의 열 전도성 절연 시트를 150℃에서 60분간, 1MPa의 조건에서 가열 및 가압해서 얻어지는 열 전도성 절연 시트의 가열 가압물의 50mm 사방의 질량이다.)
본 발명의 복합 부재는,
열을 발생할 수 있는 열 발생부를 포함하는 열 발생 부재의 적어도 하나의 면에, 상기의 본 발명의 열 전도성 절연 시트의 가열 가압물로 이루어지고, 바인더 수지(R)의 경화물을 포함하는 열 전도성 절연막을 통해서 방열 베이스 기판이 접착된 것이다.
본 발명에 따르면, 열 발생 부재와 방열 부재 사이에 배치되어 가열 및 가압될 때에, 열 발생 부재 및 방열 부재의 표면 요철에 대해서 양호하게 추종할 수 있는 적당한 유동성을 가지고, 원래 시트의 크기보다 외측으로의 재료 유출의 우려가 없는 열 전도성 절연 시트를 제공할 수 있다.
도 1은, 본 발명에 관련한 제1 실시형태의 복합 부재의 모식 단면도이고,
도 2는, 본 발명에 관련한 제2 실시형태의 복합 부재의 모식 단면도이고,
도 3은, 본 발명에 관련한 제3 실시형태의 복합 부재의 모식 단면도이고,
도 4는, 본 발명에 관련한 제4 실시형태의 복합 부재의 모식 단면도이고,
도 5는, 본 발명에 관련한 제5 실시형태의 복합 부재의 모식 단면도이다.
[열 전도성 절연 시트]
본 발명의 열 전도성 절연 시트는, 열경화성 수지인 바인더 수지(R)의 미경화물 및/또는 반경화물을 함유한다.
높은 열 전도성을 발현할 수 있어서, 본 발명의 열 전도성 절연 시트는, 열 전도성 절연 필러(F)와 열경화성 수지인 바인더 수지(R)의 미경화물 또는 반경화물을 함유하는 것이 바람직하다.
본 명세서에 있어서, 「미경화물」은 원료의 열경화성 수지가 완전히 경화되지 않은 상태의 것이며, 「반경화물」은 원료의 열경화성 수지의 경화가 부분적으로 진행하여 완전히 경화되기 전의 상태의 것(이른바 B스테이지 수지)을 말한다.
본 발명의 열 전도성 절연 시트는, 100~200℃의 온도 영역에서의 복소 점도가 10,000~150,000Pa·s이고, 상기 온도 영역에서의 복소 점도의 최대값(α)과 최소값(β)의 비(α/β)가 1.0~4.0이며, 하기 식 (1)에 의해 정의되는 흐름 값이 90~ 100%이다.
흐름 값(%) = W2 / W1 × 100…(1)
(식(1) 중, 각 부호는 다음의 파라미터를 나타낸다.
W1은 50mm 사방의 열 전도성 절연 시트의 질량이다.
W2는 50mm 사방의 열 전도성 절연 시트를 150℃에서 60분간, 1MPa의 조건에서 가열 및 가압해서 얻어지는 열 전도성 절연 시트의 가열 가압물의 50mm 사방의 질량이다. )
본 발명의 열 전도성 절연 시트는, 각종 전자 부품(예를 들면, 파워 반도체 소자 및 이를 포함하는 파워 카드 등)의 열을 발생할 수 있는 열 발생 부재와 히트 싱크 등의 방열 부재의 방열 베이스 기판 사이에 배치하고, 가열 및 가압에 의해 경화시켜서 사용할 수 있다.
본 명세서에 있어서, 열 전도성 절연 시트의 가열 가압물(경화물)을 「열 전도성 절연막」이라 하고, 열 발생 부재 / 열 전도성 절연막 / 방열 부재의 방열 베이스 기판으로 이루어지는 구조체를 「복합 부재」라고 한다.
본 발명의 열 전도성 절연 시트는, 100~200℃의 온도 영역에서의 복소 점도가 10,000~150,000Pa·s이고, 상기 온도 영역에서의 복소 점도의 최대값(α)과 최소값(β)의 비(α/β)가 1.0~4.0이다.
상기 온도 영역에서의 복소 점도의 최대값(α)이 150,000Pa·s이하이면, 가열 가압시에 적당한 유동성을 가지며, 열 발생 부재 및 방열 부재의 표면 요철에 대해서 양호하게 추종하고, 열 발생 부재와 방열 부재를 양호하게 접착할 수 있다. 또한, 가열 가압시에 적당한 유동성을 가짐으로써, 보이드를 줄여서 공극률을 줄일 수 있고, 이에 따라 절연성이 뛰어난 열 전도성 절연막을 형성할 수 있다.
상기 온도 영역에서의 복소 점도의 최소값(β)이 10,000Pa·s이상이면, 가열 가압시에 과도하게 유동해서 원래 시트의 크기보다도 바깥쪽으로 재료가 유출(흐름)되는 것이 억제된다.
α/β가 1.0~4.0이면, α와 β의 차이가 크지 않고, 가열 가압시에 급격한 점도 변화가 없어서 재료의 유동성이 적합하다.
본 발명의 열 전도성 절연 시트는 바람직하게는 100~200℃의 온도 영역에서의 복소 점도가 27,000~100,000Pa·s이고, 상기 온도 영역에서의 복소 점도의 최대 값(α)과 최소값(β)의 비(α/β)가 1.0~2.5이다.
본 발명의 열 전도성 절연 시트는 상기와 같은 점도 특성을 가지고 가열 가압시에 적당한 유동성을 가지기 때문에 가열 가압시에 과도하게 유동하지 않는다. 따라서, 본 발명의 열 전도성 절연 시트는 흐름 값이 90~100%이며, 가열 가압시에 과도하게 유동하여 원래 시트의 크기보다 바깥쪽으로 재료가 유출(흐름)될 우려가 없다. 따라서, 본 발명의 열 전도성 절연 시트를 이용하여 복합 부재를 제조할 때에 재료 유출에 의해 원하는 열 전도 성능 및 원하는 접착 성능을 얻을 수 없게 될 우려가 없고, 재료 유출에 의한 복합 부재의 외관 악화의 우려도 없다. 흐름 값은 바람직하게는 95~100%, 더 바람직하게는 97~100%이다.
열 전도성 절연 시트의 100~200℃의 온도 영역에서의 복소 점도, 상기 온도 영역에서의 복소 점도의 최대값(α)과 최소값(β)의 비(α/β), 및 흐름 값은, 바인더 수지(R)의 종류, 바인더 수지(R)의 분자량, 경화제의 비율, 열 전도성 절연 필러(F)의 종류 및 양 등의 열 전도성 절연 시트의 조성에 의해 조정할 수 있다.
본 명세서에 있어서, 각종 파라미터는 특별히 명기하지 않는 한, 후술하는 [실시 예]의 항목에 기재된 방법으로 구하는 것으로 한다.
(열 전도성 절연 필러(F))
열 전도성 절연 필러(F)는 열 전도성을 갖는 것이라면 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, 산화 알루미늄, 산화 칼슘, 및 산화 마그네슘 등의 금속 산화물; 질화 알루미늄, 및 질화 붕소 등의 금속 질화물; 수산화 알루미늄, 및 수산화 마그네슘 등의 금속 수산화물; 탄산 칼슘, 및 탄산 마그네슘 등의 탄산 금속염; 규산 칼슘 등의 규산 금속염; 수화 금속 화합물; 결정성 실리카, 비결정성 실리카, 탄화 규소, 및 이들의 복합물 등을 들 수 있다. 이들은, 1종 또는 2종 이상 사용할 수 있다. 특히, 알루미나, 질화 알루미늄, 및 질화 붕소 등이 바람직하다.
열 전도성 절연 필러(F)의 형태는 특별히 제한되지 않고, 1차 입자, 1차 입자를 조립한 과립체, 이들의 응집체, 및 이들의 조합을 들 수 있다.
열 전도성 절연 필러(F)는, 열 전도율이 높은 질화 붕소 필러를 포함하는 것이 바람직하다. 일반적으로 질화 붕소 필러는 젖음성이 나쁘고 또한 형상이 불규칙하기 때문에, 열 전도성 절연 필러(F)로서 질화 붕소 필러만을 이용하는 경우, 내부에 보이드가 생기기 쉬운 경향이 있다. 높은 열 전도율과 낮은 공극률의 관점에서, 열 전도성 절연 필러(F)는 질화 붕소를 제외한 열 전도성 구상 필러(F1)와 질화 붕소 필러(F2)를 포함하는 것이 바람직하다.
높은 열 전도율과 낮은 공극률의 관점에서 바람직한 양태로서, 열 전도성 구상 필러(F1)와 바인더 수지(R)의 미경화물 또는 반경화물을 함유하고, 질화 붕소 필러(F2)를 함유할 수 있는 복수의 층(A)과, 질화 붕소 필러(F2)와 바인더 수지(R)의 미경화물 또는 반경화물을 함유하고, 열 전도성 구상 필러(F1)를 함유할 수 있는 1층 이상의 층(B)을 가지고, 층(B)이 가장 바깥층이 되지 않도록, 복수의 층 (A)과 1층 이상의 층(B)이 교대로 적층된 구조를 갖는 열 전도성 절연 시트(S)를 들 수 있다.
본 명세서에 있어서, 여러 층(A) 중 가장 바깥쪽에 위치하는 층을 최외층 (Aout)이라 한다.
층(A)는 열 전도성 구상 필러(F1)를 비교적 많이 함유하는 층이며, 층(B)는 질화 붕소 필러(F2)를 비교적 많이 함유하는 층이다. 복수의 층(A) 중 적어도 가장 바깥층(Aout) 중의 바인더 수지(R)의 함유량은, 층(B) 중의 바인더 수지(R)의 함유량보다도 많은 것이 바람직하다.
열 전도성 절연 시트(S)는, 열 전도성 구상 필러(F1)와 미경화의 바인더 수지(R)를 함유하고, 질화 붕소 필러(F2)를 함유할 수 있는 복수의 시트(A')와, 질화 붕소 필러(F2)와 미경화의 바인더 수지(R)를 함유하고, 열 전도성 구상 필러(F1)를 함유할 수 있는 1층 이상의 시트(B')가, 시트(B')가 가장 바깥층이 되지 않도록 교대로 적층되어 가압된, 미경화 또는 반경화의 적층 가압 시트인 것이 바람직하다.
시트(A'), (B')는 각각 필요에 따라서 난연제, 충전제, 및 기타 각종 첨가제를 포함할 수 있다. 난연제로서는, 예를 들면, 수산화 알루미늄, 수산화 마그네슘, 및 인산 화합물 등을 들 수 있다. 다른 첨가제로서 예를 들면, 기재 밀착성을 높이기 위한 커플링제, 흡습시·고온시의 신뢰성을 높이기 위한 이온 포착제·산화 방지제, 및 레벨링제 등을 들 수 있다.
열 전도성 절연 시트(S)에서는, 열 전도성이 높은 질화 붕소 필러(F2)를 비교적 많이 함유하는 시트(B')에 의해 높은 열 전도성을 확보할 수 있지만, 시트(B')만으로는 보이드가 발생하기 쉬운 경향이 있다. 시트(A')가 보이드를 발생하기 어려운 열 전도성 구상 필러(F1)을 비교적 많이 함유하고, 바람직하게는 바인더 수지(R)를 시트(B')보다 비교적 많이 함유함으로써, 가압후, 바람직하게는 바인더 수지(R)가 완전 경화하지 않는 온도로 가열 및 가압 후에, 시트(B') 내의 보이드가 효과적으로 채워져, 열 전도성 절연 시트(S)의 전체의 보이드의 양을 저감시켜, 열 전도성 절연 시트(S)의 전체의 공극률을 저하시킬 수 있다. 구체적으로는 열 전도성 절연 시트(S)의 전체 공극률을 바람직하게는 0.4이하, 더 바람직하게는 0.3이하로 할 수 있다.
열 전도성 구상 필러(F1)를 비교적 많이 함유하는 시트(A')는 포함되는 필러가 구상이기 때문에 무용제 상태에서도 시트(A')가 가압, 바람직하게는 가열 및 가압에 의해 쉽게 변형되기 쉬운 것으로 추정된다. 그 결과, 시트(A') 중에 포함되고, 시트(B')와의 적층 계면 근방에 위치하고 있는 열 전도성 구상 필러(F1), 바인더 수지(R), 및 임의로 포함될 수 있는 질화 붕소 필러(F2)의 일부가, 가압, 바람직하게는 가열 및 가압에 의해 공극이 많은 시트(B') 내의 보이드를 메워 열 전도성 절연 시트(S) 전체의 공극률을 줄일 수 있는 것으로 추정된다.
열 전도성 절연 시트(S)에서는, 열 전도성 구상 필러(F1)를 비교적 많이 함유하고, 바람직하게는 바인더 수지(R)를 비교적 많이 함유하고, 비교적 변형되기 쉬운 층(A)이 가장 바깥층에 위치함에 따라, 열 발생 부재 및 방열 부재의 표면 요철에 대한 추종성, 및 열 발생 부재와 방열 부재 사이의 접착성을 향상할 수 있다.
열 발생 부재와 방열 부재 사이에 배치되어, 바인더 수지(R)가 완전 경화하는 온도로 가열 및 가압되어 경화됨에 따라 생성되는 열 전도성 절연막에서는, 가압에 의해 전체의 보이드의 양을 효과적으로 감소시켜, 전체의 공극률을 효과적으로 저하시킬 수 있다. 구체적으로는, 열 전도성 절연막의 전체의 공극률을 바람직하게는 0.3이하, 보다 바람직하게는 0.2이하로 할 수 있다.
또한, 가압, 바람직하게는 가열 및 가압에 의해, 시트(A') 중에 포함된 열 전도성 구상 필러(F1), 바인더 수지(R), 및 포함될 수 있는 질화 붕소 필러(F2)가 어느 정도 시트(B')로 이행하여, 시트(B')의 공극률을 메웠는지를 특정할 수단이 없다(혹은 특정에는 비현실적인 많은 노력을 요한다). 또한, 바인더 수지(R), 열 전도성 구상 필러(F1), 및 질화 붕소 필러(F2)는 비휘발성 성분이다. 이러한 점을 고려해서, 시트(A') 및 시트(B')를 가압, 바람직하게는 가열 및 가압 전후에서 점유 체적율은 변화하지 않는다고 본다. 즉, 편의상, 시트(A') 중에 포함된 각 성분의 양을 층(A) 중의 양으로 하고, 편의상 시트(B') 중에 포함된 각 성분의 양을 층(B) 중의 양으로 본다.
공극률은, 후술하는 [실시 예]의 항목에 기재된 방법으로 구할 수 있다.
<열 전도성 구상 필러(F1)>
본 명세서에서, 「구상(球狀)」은, 예를 들면, 「원형도(圓形度)」로 나타낼 수 있다. 「원형도」는, 입자를 SEM(주사형 전자현미경) 등으로 촬영한 사진에서 임의의 수의 입자를 선택하고, 입자의 면적을 S, 주변 길이를 L로 했을 때, 식:(원형도) = 4πS / L2에서 구할 수 있다.
본 명세서에 있어서, 「구상의 입자」는 특별히 언급하지 않는 한, Toa Medical Electronics Co., Ltd. 제품 플로우 타입 입자상 분석 장치 FPIA-1000을 이용하여 입자의 평균 원형도를 측정했을 때의 평균 원형도가 0.9~1인 것을 말한다. 바람직하게는 평균 원형도가 0.96~1이다.
열 전도성 구상 필러(F1)의 종류는, 질화 붕소 이외의 열 전도성을 갖는 것이면 좋고, 예를 들면, 알루미나, 산화 칼슘, 산화 마그네슘, 결정성 실리카, 및 비결정성 실리카 등의 금속 산화물; 질화 알루미늄 등의 금속 질화물; 수산화 알루미늄 및 수산화 마그네슘 등의 금속 수산화물; 탄화 규소 등의 금속 탄화물; 탄산 칼슘 및 탄산 마그네슘 등의 탄산 금속염; 규산 칼슘 등의 규산 금속염; 수화 금속 화합물; 이들의 조합 등을 들 수 있다. 이들은 1종 또는 2종 이상 이용할 수 있다.
구형도, 열 전도성, 및 절연성의 관점에서, 열 전도성 구상 필러(F1)는, 알루미나 및 질화 알루미늄으로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하다.
열 전도성 구상 필러(F1)의 평균 입자 지름은 특별히 제한되지 않고, 열 전도성 및 도액 중의 분산성 등의 관점에서, 바람직하게는 5~100μm, 더 바람직하게는 5~50μm이다.
<질화 붕소 필러(F2)>
질화 붕소 필러(F2)의 형태는 특별히 제한되지 않고, 분말상 또는 입상(粒狀)을 들 수 있다. 예를 들면, 비늘 조각 모양의 1차 입자, 비늘 조각 모양의 1차 입자를 조립한 과립체, 및 이들의 응집체 등을 사용할 수 있다. 비늘 조각 모양의 질화 붕소 입자는 열전도 이방성을 갖기 때문에 비늘 조각 모양의 1차 입자를 조립한 과립체 또는 그 응집체가 적합하게 사용된다. 가압에 의해 보이드를 저감할 수 있으므로 가압에 의해 변형되기 쉬운 용이 변형성 응집체를 이용하는 것이 바람직하다.
본 명세서에서 말하는 「용이 변형성 응집체」란, 별도로 명시되지 않는 한, 평균 1차 입자 지름이 0.1~15μm의 질화 붕소 입자의 과립체 이루어지고, 평균 입자 지름이 2~100μm, 압축 변형률 10%에 요하는 평균 압축력이 5mN이하의 질화 붕소 응집체이다.
본 명세서에 있어서, 「1차 입자」란 단독으로 존재할 수 있는 최소 입자를 나타내고, 「평균 1차 입자 지름」이란 SEM(주사형 전자현미경) 등으로 관찰되는 1차 입자 지름의 긴 지름(長徑)을 의미한다. 「1차 입자 지름의 긴 지름」이란, 구상 입자에 대해서는 1차 입자의 최대 직경을 의미하고, 육각 판상 또는 원판상 입장에 관해서는 두께 방향에서 관찰한 입자의 투영상에서의 최대 직경 또는 최대 대각선 길이를 의미한다. 또한, 「평균 1차 입자 지름」은, 300개의 입자의 긴 지름을 상기 방법에 의해 측정하여 그 개수 평균으로서 산출한다.
압축 변형률 10%에 요하는 평균 압축력은, 미소 압축 시험기(Shimadzu Corporation 제품, MCT-210)를 이용하여, 측정 영역 내에서 무작위로 선택한 10개의 입자에 관해서 입자를 10% 변형시키기 위한 하중을 측정하여 구할 수 있다.
(바인더 수지)
본 발명의 열 전도성 절연 시트에 있어서, 바인더 수지로서 적어도 1종 이상의 열경화성 수지인 바인더 수지(R)를 사용한다.
열경화성의 바인더 수지(R)로서는 특별히 제한되지 않고, 예를 들면, 폴리우레탄 수지, 폴리우레탄 폴리우레아 수지, 폴리에스테르 수지, 폴리에스테르 우레탄 수지, 알키드 수지, 부티랄 수지, 아세탈 수지, 폴리아미드 수지, 아크릴 수지, 스티렌-아크릴 수지, 스티렌 수지, 니트로셀룰로오스, 벤질 셀룰로오스, 셀룰로오스(트리)아세테이트, 카제인, 셸락, 길소나이트, 스티렌-무수말레산 수지, 폴리부타디엔 수지, 폴리염화비닐 수지, 폴리염화비닐리덴 수지, 폴리불화비닐리덴 수지, 폴리초산비닐 수지, 에틸렌초산비닐 수지, 염화 비닐/초산 비닐 공중합체 수지, 염화 비닐/초산 비닐/말레산 공중합체 수지, 불소 수지, 실리콘 수지, 에폭시 수지, 페녹시 수지, 페놀 수지, 말레산 수지, 요소 수지, 멜라민 수지, 벤조구아나민 수지, 케톤 수지, 석유 수지, 로진, 로진 에스테르, 폴리비닐 알코올, 폴리비닐 피롤리돈, 폴리아크릴아미드, 히드록시에틸 셀룰로오스, 히드록시프로필 셀룰로오스, 메틸 셀룰로오스, 에틸 셀룰로오스, 히드록시에틸 메틸셀룰로오스, 히드록시프로필 메틸셀룰로오스, 카르복시메틸 셀룰로오스, 카르복시메틸 에틸 셀룰로오스, 카르복시메틸 니트로셀룰로오스, 에틸렌/비닐 알코올 수지, 폴리올레핀 수지, 염소화 폴리올레핀 수지, 변성 염소화 폴리올레핀 수지, 및 염소화 폴리우레탄 수지 등을 들 수 있다.
또한, 본 명세서에서는, 상호 반응할 수 있는 관능기를 갖는 여러 종류의 열경화성 수지를 이용하는 경우, 양적으로 많은 쪽을 주제(主劑), 적은 쪽을 경화제로 칭할 수 있다.
열경화성 수지인 바인더 수지(R)로서는, 가열 가압시의 점도(유동성)가 적합하고, 경화전 및 경화후의 유연성이 비교적 높고, 가열 가압시에 보이드를 효과적으로 줄일 수 있으며, 가열 가압 후에 적합한 접착성을 발현하기 때문에 열경화성 폴리우레탄 수지, 열경화성 아크릴 수지, 및 열경화성 폴리아미드 수지에서 선택되는 적어도 1종 이상이 바람직하다.
열 전도성 절연 시트 중의 바인더 수지(R)의 미경화시의 중량 평균 분자량 (Mw)은 특별히 제한되지 않고, 바람직하게는 10,000~100,000, 더 바람직하게는 15,000~90,000, 한층 더 바람직하게는 17,000~85,000, 특히 바람직하게는 20,000~75,000, 가장 바람직하게는 30,000~70,000이다.
Mw가 10,000이상이면, 가열 가압시의 과도한 점도 저하가 억제되어, 가열 가압시의 유출(흐름)이 효과적으로 억제되고, 가열 가압 후에 적합한 접착성을 발현할 수 있다.
Mw가 100,000이하이면, 가열 가압시의 과도한 점도 상승이 억제되므로, 보이드를 메우기 전에 수지가 고점도화 하는 것이 억제되고, 경화후의 유연성이 적합해지고, 가열 가압 후에 적합한 접착성을 발현할 수 있다.
본 발명에서는 필요에 따라서 열경화성 수지와 가열시에 반응할 수 있는 관능기를 갖지 않는 1종 이상의 다른 바인더 수지를 병용해도 좋다.
(열 전도성 절연 시트(S)의 제조 방법의 예)
열 전도성 절연 시트(S)는, 예를 들면 다음과 같은 방법으로 제조할 수 있다.
열 전도성 구상 필러(F1), 필요에 따라서 질화 붕소 필러(F2), 미경화의 바인더 수지(R), 용제, 및 필요에 따라서 다른 임의 성분을 함유하는 도액(A')을 조제한다. 이 도액(A')을 박리성 시트에 도공한 후, 용제를 휘발 건조해서 박리성 시트를 갖는 시트(A')를 제작한다.
별도, 상기와 같이 해서, 질화 붕소 필러(F2), 필요에 따라서 열 전도성 구상 필러(F1), 미경화의 바인더 수지(R), 용제, 및 필요에 따라서 다른 임의 성분을 함유하는 도액(B')을 조제한다. 이 도액(B')을 박리성 시트에 도공한 후, 용제를 휘발 건조해서 박리성 시트를 갖는 시트(B')를 제작한다.
그러한 후에, 박리성 시트가 구비된 시트(B')의 박리성 시트와는 반대측과, 박리성 시트가 구비된 시트(A')의 박리성 시트와는 반대측을 서로 겹쳐 맞춘다. 겹쳐 맞출 때, 가압해도 된다.
이어서, 시트(B')의 표면을 덮고 있던 박리성 시트를 벗겨 노출된 시트(B')의 표면에, 다른 박리성 시트가 구비된 시트(A')의 박리성 시트와는 반대측을 겹쳐맞춰서 [박리성시트/시트(A')/시트(B')/시트(A')/박리성시트]의 적층 구조를 갖는 적층체를 얻는다.
그리고, 상기 적층체를 가압함으로써 시트(A')/시트(B')/시트(A')를 일체화하고, [층(A)/층(B)/층(A)]의 적층 구조를 갖는 열 전도성 절연 시트(S)의 양면이 박리성 시트로 덮인 적층체를 얻을 수 있다. 같은 조작을 반복함으로써 5층 이상의 적층 구조를 갖는 열 전도성 절연 시트(S)을 형성할 수 있다. 또한, 양면의 박리성 시트를 벗긴 후에 가압해도 된다.
시트(A') 형성용의 도액(A''), 시트(B') 형성용의 도액(B'')은, 열 전도성 구상 필러(F1) 및/또는 질화 붕소 필러(F2), 미경화의 바인더 수지(R), 용제, 및 필요에 따라서 다른 임의 성분을 교반 혼합함으로써 제조할 수 있다.
교반 혼합에는 일반적인 교반 방법을 사용할 수 있다. 교반 혼합기로서는 특별히 제한되지 않고, 예를 들면, 혼련기, 디스퍼(Disper), 스캔덱스, 페인트 컨디셔너, 샌드 밀, 연마기(grinding machine), 미디어레스(media-less) 분산기, 삼본 롤(three-roll mill), 및 비드 밀 등을 들 수 있다.
교반 혼합 후는, 도액(A'') 및 도액(B'')에서 기포를 제거하기 위해, 탈포 공정을 실시하는 것이 바람직하다. 탈포 방법으로서는, 특별히 제한되지 않고, 예를 들면, 진공 탈포 및 초음파 탈포 등을 들 수 있다.
박리성 시트로서는, 예를 들면, 폴리에스테르 필름, 폴리에틸렌 필름, 폴리프로필렌 필름, 및 폴리이미드 필름 등의 수지 필름에 이형 처리한 것을 들 수 있다.
박리성 시트로의 도액(A'') 및 도액(B'')의 도공 방법으로서는 특별히 제한되지 않고, 예를 들면, 나이프 코팅(knife coating), 블레이드 코팅, 컴마 코팅, 다이 코팅, 립 코팅, 롤 코팅, 커튼 코팅, 바 코팅, 그라비아 코팅, 플렉소 코팅, 딥 코팅, 스프레이 코팅, 스크린 코팅, 스핀 코팅, 디스펜서를 이용하는 방법, 및 잉크젯 인쇄 등을 들 수 있다.
시트(A') 및 시트(B')의 두께 및 단위 면적당 도공량은 특별히 제한되지 않는다. 시트(A')의 두께에 대해서 시트(B')의 두께가 상대적으로 충분히 두꺼운 경우, 적층에 의해 효과적으로 공극을 감소할 수 있다. 예를 들면, [층(A)/층(B)/ 층(A)]의 적층 구조를 갖는 열 전도성 절연 시트의 경우, 층(A) 형성용의 시트(A')의 두께는 층(B) 형성용의 시트(B')의 절반 정도인 것이 바람직하다. 그러나, 각 시트의 두께는, 최종적으로 얻어지는 [층(A)/층(B)/층(A)]의 공극률과 열전도율을 보면서 적층시의 가열 및 가압 조건을 감안하여 결정할 수 있다.
가압 프레스 처리 방법은 특별히 제한되지 않고, 공지의 프레스 처리기 및 라미네이터 등을 사용할 수 있다. 분위기를 감압으로 해서 대기압과의 사이에 차이를 마련함으로써 가압 프레스하는 방법이라도 좋다.
보이드를 효과적으로 저감할 수 있으므로, 가압 압착시에 열경화성 수지가 완전 경화되지 않는 비교적 저온에서 가열을 행하는 것이 바람직하다.
[복합 부재]
본 발명의 복합 부재는, 열을 발생할 수 있는 열 발생부를 포함하는 열 발생 부재의 적어도 하나의 면에, 상기의 본 발명의 열 전도성 절연 시트의 가열 가압물로 이루어지고, 바인더 수지(R)의 경화물을 포함하는 열 전도성 절연막을 통해서 방열 베이스 기판이 접착된 것이다.
(방열 베이스 기판)
방열 베이스 기판은, 히트 싱크 등의 방열 부재의 베이스 기판이다.
방열 베이스 기판의 재질로서는, 일반적으로 금속 및/또는 세라믹이 사용된다. 예를 들면, 알루미늄, 구리, 철, 텅스텐, 몰리브덴, 마그네슘, 구리-텅스텐 합금, 구리-몰리브덴 합금, 구리-텅스텐-몰리브덴 합금, 질화 알루미늄, 탄화 규소, 및 질화규소 등을 들 수 있다. 이들은 1종 또는 2종 이상 사용할 수 있다.
방열 베이스 기판의 열 전도성 절연 접착막과 접하는 면의 표면 거칠기(Ra)는 바람직하게는 0.1~2μm, 더 바람직하게는 0.2~1.7μm이다. Ra가 0.μm이상이면 앵커 효과에 의해 방열 베이스 기판과 열 전도성 절연 접착막과의 밀착성이 향상되고 내구성이 향상된다. Ra가 2μm이하이면, 방열베이스 기판의 표면 요철이 작고, 절연성이 향상된다.
본 명세서에 있어서, Ra는 산술 평균 거칠기이며, JIS B0601 2001에 준하여 측정할 수 있다.
방열 베이스 기판에는, 방열 효율을 높이기 위해 공지의 핀(fin)이 설치되어 있어도 좋다. 핀으로서는, 예를 들면, 스트레이트 핀, 웨이비(wavy) 핀, 오프셋 핀, 핀 핀(pin fin), 및 주름 핀 등을 들 수 있다. 이들 핀은 방열 베이스 기판과 일체화 되어 있어도 좋다.
(열 발생 부재)
열 발생 부재는, 열을 발생할 수 있는 열 발생부를 포함한다. 열 발생 부재로서는, 집적 회로, IC 칩, 하이브리드 패키지 등의 반도체 패키지, 멀티 모듈 등의 반도체 모듈, 파워 트랜지스터, 파워 반도체 소자, 파워 반도체 소자를 포함하는 파워 카드, 면 저항기, 및 열전 변환 모듈 등의 각종 전자 부품; 건축재; 차량, 항공기, 및 선박 등의 부재 등을 들 수 있다.
본 발명의 복합 부재는 예를 들면, 열 발생 부재가 파워 반도체 소자를 포함하는 파워 카드 등의 파워 반도체 모듈인 경우에 적합하다.
파워 카드 등의 파워 반도체 모듈은, 적어도 표면(파워 반도체 소자의 구현면)이 도전성을 갖는 기판 상에 납땜 등의 접합제를 통해서 하나 또는 복수의 파워 반도체 소자가 구현되고, 바람직하게는 에폭시 수지 등의 봉지재로 봉지된 것이다. 파워 카드 등의 파워 반도체 모듈에서는, 파워 반도체 소자가 열 발생부이다. 파워 카드 등의 전력 반도체 모듈에서는, 그 한쪽면 또는 양면에, 열 전도성 절연 접착막을 통해서 방열 베이스 기판을 접착할 수 있다. 이 경우, 열 발생 부재의 열 전도성 절연 접착막과 접하는 부재는, 적어도 표면이 전도성을 갖는 기판, 및/또는 에폭시 수지 등의 봉지재이다.
적어도 표면이 도전성을 갖는 기판으로서는 예를 들면, 은, 구리, 알루미늄, 니켈, 주석, 철, 납, 이들의 합금, 및 카본 등의 도전성 기판을 들 수 있다. 도전성 기판에는 회로 패턴이 형성되어 있어도 좋다. 적어도 표면이 도전성을 갖는 기판은, 수지 및 세라믹 등의 비도전성 기판 상에 도전막이 형성된 기판이라도 좋다.
열 발생 부재와 열 전도성 절연 접착막과의 밀착성이 향상되고 내구성이 향상되므로, 열 발생 부재의 열 전도성 절연 접착막과 접하는 면의 표면 거칠기(Ra)는, 바람직하게는 0.1~2μm, 더 바람직하게는 0.2~1.7μm이다. Ra가 0.1μm이상이면, 앵커 효과에 의해 열 발생 부재와 열 전도성 절연 접착막과의 밀착성이 향상되고 내구성이 향상된다. Ra가 2μm이하이면, 열 발생 부재의 표면 요철이 작고, 절연성이 향상된다.
본 발명의 열 전도성 절연 시트를 열 발생 부재와 방열 베이스 기판 사이에 배치한 후, 바인더 수지(R)가 완전 경화하는 온도로 가열 및 가압함으로써, 본 발명의 복합 부재를 제조할 수 있다.
열 전도성 절연 시트(S)를 사용하는 경우, 열 전도성 절연 시트(S)의 제조 공정에 있어서, 복수의 시트(A')와 1층 이상의 시트(B')을 교대로 적층할 때의 가압력보다도 복합 부재 제조시의 가압력은 높게 설정할 수 있다.
(복합 부재의 실시 형태)
도면을 참조해서, 본 발명에 관련한 제1~제5 실시 형태의 복합 부재의 구조에 관해서 설명한다. 도 1 내지 도 5는 모식 단면도이고, 동일한 구성 요소에는 동일한 참조 부호를 붙인다.
도 1에 나타내는 제1 실시 형태의 복합 부재(1)는, 파워 반도체 소자 등의 열 발생 부재(10)의 한면에 열 전도성 절연 접착막(20)을 통해서 방열 베이스 기판 (30)이 접착된 것이다.
도 2에 나타내는 제2 실시 형태의 복합 부재(2)는, 파워 반도체 소자 등의 열 발생 부재(10)의 양면에 열 전도성 절연 접착막(20)을 통해서 방열 베이스 기판 (30)이 접착된 것이다.
복합 부재(1,2)에서는, 열 발생 부재(10)의 거의 전체가 열 발생부이다.
도 3, 도 4에 있어서, 부호 50은 파워 반도체 소자를 포함하는 파워 카드 등의 파워 반도체 모듈(열 발생 부재)이다. 파워 반도체 모듈(50)은, 금속 기판 등의 적어도 표면(파워 반도체 소자의 구현면)이 도전성을 갖는 기판(51) 위에 솔더 층(52)을 통해서 파워 반도체 소자(53)가 구현되고, 에폭시 수지 등의 봉지재(54)로 봉지된 것이다. 파워 반도체 모듈(50)에서는, 파워 반도체 소자(53)가 열 발생 부이다. 기판(51) 상에 복수의 파워 반도체 소자(53)가 구현되어 있어도 좋다.
도 3에 나타내는 제3 실시 형태의 복합 부재(3)는, 상기의 파워 반도체 모듈 (50)의 한면(기판(51)의 비구현면)에 열 전도성 절연 접착막(20)을 통해서 방열 베이스 기판(30)이 접착된 것이다. 도 3에 나타내는 예에서는, 기판(51) 측에 열 전도성 절연 접착막(20)과 방열 베이스 기판(30)을 배치하고 있지만, 봉지재(54) 측에 이들을 배치해도 좋다.
도 4에 나타내는 제4 실시 형태의 복합 부재(4)는, 상기의 파워 반도체 모듈 (50)의 양면에 열 전도성 절연 접착막(20)을 통해서 방열 베이스 기판(30)이 접착 된 것이다.
도 5에 있어서, 부호 60은 파워 반도체 소자를 포함하는 파워 카드 등의 파워 반도체 모듈(열 발생 부재)이다. 파워 반도체 모듈(60)은, 금속 기판 등의 적어도 한쪽 면(파워 반도체 소자 측의 면)이 도전성을 갖는 제1의 기판(61) 위에 제1의 솔더층(62)을 통해서 파워 반도체 소자(63)가 구현되고, 그 위에, 제2의 솔더 층(64)을 통해서 금속 기판 등의 적어도 한쪽 면(파워 반도체 소자 측의 면)이 도성을 갖는 제2의 기판(65)이 접합되고, 에폭시 수지 등의 봉지재(66)로 봉지된 것이다. 파워 반도체 모듈(60)에서는, 파워 반도체 소자(63)가 열 발생부이다. 제1의 기판(61) 위에 복수의 파워 반도체 소자(63)가 구현되어 있어도 좋다.
도 5에 나타내는 제5 실시 형태의 복합 부재(5)는, 상기의 파워 반도체 모듈 (60)의 양면에 열 전도성 절연 접착막(20)을 통해서 방열 베이스 기판(30)이 접착 된 것이다.
도 1~도 5에 나타내는 복합 부재는, 적절히 설계 변경이 가능하다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 열 발생 부재와 방열 부재 사이에 배치되어 가열 및 가압 될 때에, 열 발생 부재 및 방열 부재의 표면 요철에 대해서 양호하게 추종 가능한 적당한 유동성을 가지고, 원래 시트의 크기보다 바깥쪽으로의 재료 유출의 우려가 없는 열 전도성 절연 시트를 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면 또한 공극률이 작고, 열 발생 부재와 방열 부재 사이를 양호하게 접착하는 열 전도성 절연막을 구비한 복합 부재를 제공할 수 있다.
[실시 예]
이하, 본 발명에 관련한 실시 예 및 비교 예에 대해서 설명한다. 또한, [실시 예]의 항목에 있어서, 「부」 및 「%」는 특별히 언급하지 않는 한, 각각 「질량부」, 「질량%」를 나타낸다.
[필러의 평가 항목과 평가 방법]
(평균 입자 지름)
열 전도성 절연 필러의 평균 입자 지름은, Malvern Instruments사 제품 입도 분포계 Mastersizer 2000을 이용하여 측정하였다. 측정시에는 건식 유닛을 이용하고, 공기압은 2.5bar로 했다. 피드 속도는 샘플에 의해 최적화 했다.
(원형도)
Toa Medical Electronics Co., Ltd. 제품 플로우식 입자상 분석 장치 FPIA-1000을 이용하여, 열 전도성 구상 필러의 평균 원형도를 측정했다. 톨루엔 10ml에 측정 입자 약 5mg을 분산시켜서 분산액을 조제하고, 이 분산액에 초음파(20kHz, 50W)를 5분간 인가하여, 분산액 중의 입자 농도를 5,000~20,000개/μl로 했다. 이 분산액을 이용하여 원상당 지름 입자군의 원형도를 측정하여, 평균 원형도를 구하였다.
(압축 변형률 10%에 요하는 평균 압축력)
미소 압축 시험기(Shimadzu Corporation 제품, MCT-210)를 이용하여, 측정 영역 내에서 무작위로 선택한 10개의 입자에 관해서, 입자를 10% 변형시키는데 필요한 하중을 측정했다. 그 평균값을 압축 변형률 10%에 요하는 평균 압축력으로 하였다.
[수지 용액의 평가 항목과 평가 방법]
(고형분량)
박형 뚜껑이 있는 금속 용기 내에 수지 용액 1g을 칭량하여, 200℃의 오븐에서 20분간 가열한 후의 남은 질량을 측정하여 다음 식에 의해 고형분량을 구했다.
고형분량(%) = (남은 질량(g)/1(g)) × 100
(중량 평균 분자량(Mw))
Tosoh Corporation 제품 GPC(겔 파미에이션 크로마토그래피, HLC8220GPC)를 이용하여 Mw를 측정했다. GPC는, 용매(THF; 테트라하이드로퓨란)에 용해된 물질을 분자 사이즈의 차이에 의해 분리 정량하는 액체 크로마토그래피이다.
칼럼으로서, 두 개의 「TOSOH TSKgel Super HZM-N」(Tosoh Corporation 제품)을 직렬로 접속한 것을 이용하여, 시료 농도 0.1%, 유량 0.34ml/min, 압력 7.4MPa, 칼럼 온도 40℃의 조건에서 측정을 실시하여 폴리스티렌 환산의 Mw를 구했다. 장치 내장 소프트웨어를 사용하여 검량선의 작성, 분자량 및 피크 면적의 산출하고, 유지 시간 5~9.85분의 범위를 분석 대상으로서 Mw를 구했다.
(산가)
마개 달린 삼각 플라스크 내에 시료 약 1g을 정밀하게 칭량하여, 시클로헥사논 용매 100mL를 더하여 용해했다. 여기에 지시약으로서 페놀프탈레인 시액을 넣어 30초간 유지했다. 그 후, 용액이 담홍색을 띨때까지 0.1N 알코올성 수산화칼륨 용액을 서서히 적하했다. 산가(酸價)는 다음 식에 의해 구하였다.
산가(KOHmg/g) = (5.611×a×F) / S
상기 식 중, 각 부호는 아래의 파라미터를 나타낸다.
S : 시료의 채취량(g),
a : 0.1N 알코올성 수산화칼륨 용액의 소비량(mL),
F : 0.1N 알코올성 수산화칼륨 용액의 역가.
[합성 예 1] (폴리우레탄 폴리우레아 수지(R-1)의 용액의 합성)
교반기, 온도계, 환류 냉각기, 적하 장치, 및 질소 도입관을 구비한 반응 용기에, 테레프탈산과 아디핀산과 3-메틸-1,5-펜탄디올에서 얻어진 폴리에스테르 폴리올(Kuraray Co., Ltd. 제품, 쿠라레 폴리올 P-1011, 수평균분자량Mn=1006) 401.9 부, 디메틸올부탄산 12.7부, 이소포론디이소시아네이트 151.0부, 및 톨루엔 40부를 준비하여, 질소 분위기하 90℃ 3시간 반응시켰다. 이것에 톨루엔 300부를 추가하여 이소시아네이트기를 갖는 우레탄 프레폴리머 용액을 얻었다.
다음으로, 이소포론디아민 38.3부, 디-n-부틸아민 3.2부, 2-프로판올 342.0 부, 및 톨루엔 396.0부를 혼합한 용액에, 얻어진 이소시아네이트기를 갖는 우레탄 프레폴리머 용액 815.1부를 첨가하여 70℃에서 3시간 반응시켰다. 반응 종료 후에, 톨루엔 144.0부 및 2-프로판올 72.0부의 혼합 용제를 사용하여 희석하였다. 이상과 같이 해서, 고형분량 30%, Mw85,000의 열경화성의 폴리우레탄 폴리우레아 수지(R-1)의 용액을 얻었다.
[합성 예 2] (아크릴 수지(R-2)의 용액의 합성)
교반기, 온도계, 환류 냉각기, 적하 장치, 및 질소 도입관을 구비한 반응 용기에, 메타크릴산 메틸 20.0부, 메타크릴산 0.6부, 메타크릴산-2-히드록시에틸 3.0 부, 메타크릴산 n-부틸 76.4부, 및 프로필렌 글리콜 1-모노메틸 에테르 2-아세테이트 500부를 준비하여, 질소 분위기하에서 교반하면서 100℃까지 승온했다. 이어서, 아조비스이소부티로니트릴 0.5부를 더하여, 2시간 중합 반응을 실시했다. 이어서, 전화율(轉化率)이 98%이상 될 때까지 1시간마다 아조비스이소부티로니트릴을 0.5부 더하여 중합 반응을 행하였다. 전화율이 98%이상이 된 것을 확인한 후, 프로필렌 글리콜 1- 모노메틸 에테르 2-아세테이트 250부를 더하여 희석하였다. 이상과 같이 해서, 고형분량 40%, Mw30,000의 열경화성의 아크릴 수지(R-2)의 용액을 얻었다.
[합성 예 3] (폴리아미드 수지(R-3) 용액의 합성)
교반기, 환류 냉각관, 질소 도입관, 도입관, 및 온도계를 구비한 반응 용기에, 탄소수 36의 다염기산 화합물로서 Pripol 1009(Croda Japan Co. 제품, 산가 194KOHmg/g)를 86.8부, 페놀성 수산기를 갖는 다염기산 화합물로서 5-히드록시이소프탈산(Sugai Chemical Industry Co., Ltd 제품, 이하「5-HIPA」라고도 함)을 27.3부, 탄소수 36의 폴리아민 화합물로서 Priamine 1074(Croda Japan Co. 제품, 산가 210KOHmg/g)를 146.4부, 이온 교환수를 100부 준비해서, 발열의 온도가 일정하게 될 때까지 교반하였다. 온도가 안정된 후, 110℃까지 승온했다. 그리고 또한 물의 유출을 확인하고서 30분 후에 온도를 120℃로 승온했다. 그 후, 30분마다 10℃씩 승온하면서 탈수 반응을 계속했다. 온도가 230℃가 된 후, 그 온도를 유지하고 3시간 반응을 계속했다. 그리고 또한, 약 2kPa의 진공 하에서, 1시간 유지한 후, 온도를 저하시켰다.
마지막으로, 산화 방지제를 첨가하여 온도가 100℃ 이하가 된 시점에서, 톨루엔과 2-프로판올(질량비 1:1)의 혼합 용제를 이용하여 희석하였다. 이상과 같이해서 고형분량 40%, Mw 19,000의 페놀성 수산기 함유 폴리아미드 수지(R-3)의 용액을 얻었다.
[합성 예 4](폴리아미드 수지(R-4) 용액의 합성)
교반기, 환류 냉각관, 질소 도입관, 도입관, 및 온도계를 구비한 반응 용기에, 탄소수 36의 다염기산 화합물로서 Pripol 1009(Croda Japan Co. 제품, 산가 194KOHmg/g)를 66.1부, 페놀성 수산기를 갖는 다염기산 화합물로서 5-히드록시이소프탈산(5-HIPA)을 8.3부, 탄소수 36의 폴리아민 화합물로서 Priamine 1074(Croda Japan Co. 제품, 산가 210KOHmg/g)를 81.1부, 이온 교환수를 100부 준비하여, 발열의 온도가 일정하게 될 때까지 교반하였다. 온도가 안정된 후, 110℃까지 승온했다. 그리고 또한 물의 유출을 확인하고 30분 후에 온도를 120℃로 승온했다. 이후, 30분마다 10℃씩 승온하면서 탈수 반응을 계속했다. 온도가 230℃가 된 후, 그 온도를 유지해서 3시간 동안 반응을 계속했다. 그리고 또한, 약 2kPa의 진공 하에서 1시간 유지한 후, 온도를 저하시켰다.
마지막으로, 산화 방지제를 첨가하여 온도가 100℃이하가 되었을 때, 톨루엔 과 2-프로판올(질량비 1:1)의 혼합 용제를 이용하여 희석하였다. 이상과 같이 해서 고형분량 40%, Mw 75,000의 페놀성 수산기 함유 폴리아미드 수지(R-4)의 용액을 얻었다.
[합성 예 5](폴리아미드 수지(R-5)의 용액의 합성)
교반기, 수분 정량수기가 달린 환류 냉각관, 질소 도입관, 및 온도계를 구비한 반응 용기에, 탄소수 36의 다염기산 화합물로서 Pripol 1009(Croda Japan Co. 제품, 산가 194KOHmg/g)를 70.78부, 페놀성 수산기를 갖는 다염기산 화합물로서 5- 히드록시이소프탈산(5-HIPA)을 5.24부, 탄소수 36의 폴리아민 화합물로서 Priamine 1074(Croda Japan Co. 제품, 산가 210KOHmg/g)를 82.84부, 톨루엔을 4.74부 준비하였다. 이들 혼합물을 교반하면서 물의 유출을 계속 확인하여 온도를 220℃까지 승온하고, 탈수 반응을 계속했다. 1시간마다 샘플링을 실시하여, Mw가 40,000가 되었음을 확인하고, 충분히 냉각한 후, 시클로헥사논 40부, 톨루엔 91.34부, 및 이소프로필 알코올 96.12부를 희석 용제로서 더하여 충분히 용해시켰다. 이상과 같이 해서, 고형분량 40.2%, Mw 40,000의 페놀성 수산기 함유 폴리아미드 수지(R-5)의 용액을 얻었다.
[합성 예 6](폴리아미드 수지(R-6)의 용액의 합성)
교반기, 수분 정량수기가 달린 환류 냉각관, 질소 도입관, 및 온도계를 구비한 4구 플라스크에, 탄소수 36의 다염기산 화합물로서 Pripol 1009(Croda Japan Co. 제품, 산가 194KOHmg/g)를 69.4부, 페놀성 수산기를 갖는 다염기산 화합물로서 5-히드록시이소프탈산(5-HIPA)을 5.46부, 탄소수 36의 폴리아민 화합물로서 Priamine 1074(Croda Japan Co. 제품, 산가 210KOHmg/g) 80.97부, 톨루엔을 4.74부 준비하였다. 이들 혼합물을 교반하면서, 물의 유출을 계속 확인하고, 온도를 220℃까지 승온하고, 탈수 반응을 계속했다. 1시간마다 샘플링을 실시하고, Mw가 40,000이 되었음을 확인하고, 충분히 냉각한 후, 시클로헥사논 40부, 톨루엔 93.5부, 및 이소프로필알코올 97.5부를 희석 용제로서 더하여 충분히 용해시켰다. 이상과 같이 해서, 고형분량 40.2%, Mw 70,000의 페놀성 수산기 함유 폴리아미드 수지(R-6)의 용액을 얻었다.
[열 전도성 절연 필러]
이용한 열 전도성 절연 필러는, 다음과 같다.
열 전도성 구상 필러(F1-1) : 평균 원형도 0.99, 평균 입자 지름 10μm인 구상 알루미나(Admatechs사 제품 Admafine AO-509),
질화 붕소 필러(F2-1) : 압축 변형률 10%에 요하는 평균 압축력이 1.32mN이며, 평균 입자 지름이 65~85μm인 과립 질화 붕소(3M 재팬 제품, Agglomerates 100).
[기타 재료]
(경화제)
CA-1 : 비스페놀 A형 에폭시 수지(Japan Epoxy Resin Co., Ltd. 제품, Epikote 1001)의 50% 톨루엔 용액.
(혼합 용제)
MS-1 : 톨루엔과 2-프로판올을 질량비 1 대 1로 혼합한 혼합 용제.
[제조 예 1-1] (시트(1A')의 제조)
합성 예 1에서 얻어진 수지(R-1)의 용액 11.5부, 경화제(CA-1) 2.7부, 혼합 용제(MS-1) 10.6부의 혼합액을 조제하였다. 이 혼합액에, 열 전도성 구상 필러 (F1-1) 21부와 질화 붕소 필러(F2-1) 4.2부를 더하여, 디스퍼 교반한 후, 초음파 교반기로 2분간 탈포했다. 얻어진 도액을, 6MIL의 블레이드 코터를 이용하여 박리 성 시트(두께 75μm의 이형 처리 폴리에틸렌 테레프탈레이트 필름) 위에 도포하고, 100℃에서 2분간 건조했다. 이상과 같이 해서, 단위 면적당의 도포량과 하기 방법에 따라 계산한 이론 밀도에서 유도되는 이론막 두께가 34μm의 시트(1A')의 한쪽 면이 박리성 시트로 덮인 중간 적층체(1A')를 얻었다. 또한, 시트(1A')의 이론 밀도는 2.50이었다.
조성에서 계산한 시트(1A')에 포함되는, 열 전도성 구상 필러의 질량% 및 질화 붕소 필러의 질량%는 다음과 같다.
열 전도성 구상 필러의 질량% = (열 전도성 구상 필러의 질량/시트(1A') 각 성분의 건조 질량의 합) × 100
질화 붕소 필러의 질량% =(질화 붕소 필러의 질량/시트(1A') 각 성분의 건조 질량의 합) × 100
조성에서 계산한 시트(1A')의 이론 밀도
=(시트(1A')의 각 성분의 건조 질량의 합) / (시트(1A')의 각 성분의 건조 체적의 합)
=(수지의 건조 질량 + 경화제의 건조 질량 + 열 전도성 구상 필러의 질량 + 질화 붕소 필러의 질량) / [(수지의 건조 질량 / 수지의 밀도) + (경화제의 건조 질량 / 경화제 밀도) + (열 전도성 구상 필러의 질량 / 열 전도성 구상 필러의 밀도) + (질화 붕소 필러의 질량 / 질화 붕소 필러의 밀도)]
열 전도성 구상 필러 및 질화 붕소 필러 등의 밀도는 일반적인 데이터를 사용한다.
바인더 수지 및 기타 유기 성분의 밀도는, 「1(g/㎤)」로 개산(槪算)한다.
[제조 예 1-2] (시트(2A')의 제조)
필러 첨가 전의 혼합액의 조성을, 합성 예 2에서 얻어진 수지(R-2)의 용액 8.6부, 경화제(CA-1) 2.7부, 혼합 용제(MS-1) 13.5부로 한 것 이외에는 제조 예 1-1과 동일하게 해서, 이론 막 두께가 34μm의 시트(2A')의 한쪽 면이 박리성 시트로 덮인 중간 적층체(2A')를 얻었다.
[제조 예 1-3] (시트(3A')의 제조)
필러 첨가 전의 혼합액의 조성을, 합성 예 3에서 얻은 수지(R-3)의 용액 8.6부, 경화제(CA-1) 2.7부, 혼합 용제(MS-1) 13.5부로 한 것 이외는 제조 예 1-1과 동일하게 해서, 이론 막 두께가 34μm의 시트(3A')의 한쪽 면이 박리성 시트로 덮인 중간 적층체(3A')를 얻었다.
[제조 예 1-4] (시트(4A')의 제조)
필러 첨가 전의 혼합액의 조성을, 합성 예 4에서 얻은 수지(R-4)의 용액 8.6부, 경화제(CA-1) 2.7부, 혼합 용제(MS-1) 13.5부로 한 것 이외는 제조 예 1-1과 동일하게 해서, 이론 막 두께가 34μm의 시트(4A')의 한쪽 면이 박리성 시트로 덮인 중간 적층체(4A')를 얻었다.
[제조 예 1-5] (시트(5A')의 제조)
필러 첨가 전의 혼합액의 조성을, 합성 예 5에서 얻은 수지(R-5)의 용액 8.6부, 경화제(CA-1) 2.7부, 혼합 용제(MS-1) 13.5부로 한 것 이외는 제조 예 1-1과 동일하게 해서, 이론 막 두께가 34μm의 시트(5A')의 한쪽 면이 박리성 시트로 덮인 중간 적층체(5A')를 얻었다.
[제조 예 1-6] (시트(6A')의 제조)
필러 첨가 전의 혼합액의 조성을, 합성 예 6에서 얻은 수지(R-6)의 용액 8.6부, 경화제(CA-1) 2.7부, 혼합 용제(MS-1) 13.5부로 한 것 이외는 제조 예 1-1과 동일하게 해서 이론 막 두께가 34μm의 시트(6A')의 한쪽 면이 박리성 시트로 덮인 중간 적층체(6A')를 얻었다.
[제조 예 1-7] (시트(7A')의 제조)
필러 첨가 전의 혼합액의 조성을, 에폭시 수지 YL6121H(Mitsubishi Chemical Corporation 제품) 3.1부, 페놀 수지 VH-4150(DIC 주식회사 제품) 1.6부, 이미다졸 화합물 2PZ(Shikoku Chemical Corporation 제품) 0.1부, 시클로헥사논 20부로 한 것 이외에는 제조 예 1-1과 동일하게 해서 이론 막 두께가 34μm의 시트(7A')의 한쪽 면이 박리성 시트로 덮인 중간 적층체(7A')을 얻었다.
[제조 예 2-1] (시트(1B')의 제조)
필러 첨가 전의 혼합액의 조성을, 합성 예 1에서 얻은 수지(R-1)의 용액 10.8부, 경화제(CA-1) 2.5부, 혼합 용제(MS-1) 18.7부로 하고, 열 전도성 구상 필러(F1-1)의 양을 6.5부, 질화 붕소 필러(F2-1)의 양을 11.5부로 한 것 이외는 제조 예 1-1과 동일하게 해서, 이론 막 두께 51μm의 시트(1B')의 한쪽 면이 박리성 시트로 덮인 중간 적층체(1B')를 얻었다. 시트(1A')와 같은 계산을 해서 얻은 시트 (1B')의 이론 밀도는 2.02이었다.
[제조 예 2-2] (시트(2B')의 제조)
필러 첨가 전의 혼합액의 조성을, 합성 예 2에서 얻은 수지(R-2)의 용액 8.1부, 경화제(CA-1) 2.5부, 혼합 용제(MS-1) 21.4부로 한 이외는 제조 예 2-1과 동일하게 해서 이론 막 두께 51μm의 시트(2B')의 한쪽 면이 박리성 시트로 덮인 중간 적층체(2B')를 얻었다.
[제조 예 2-3] (시트(3B')의 제조)
필러 첨가 전의 혼합액의 조성을, 합성 예 3에서 얻은 수지(R-3)의 용액 8.1 부, 경화제(CA-1) 2.5부, 혼합 용제(MS-1) 21.4부로 한 이외는, 제조 예 2-1과 동일하게 해서 이론 막 두께 51μm의 시트(3B')의 한쪽 면이 박리성 시트로 덮인 중간 적층체(3B')를 얻었다.
[제조 예 2-4] (시트(4B')의 제조)
필러 첨가 전의 혼합액의 조성을, 합성 예 4에서 얻은 수지(R-4)의 용액 8.1부, 경화제(CA-1) 2.5부, 혼합 용제(MS-1) 21.4부로 한 이외는 제조 예 2-1과 동일하게 해서 이론 막 두께 51μm의 시트(4B')의 한쪽 면이 박리성 시트로 덮인 중간 적층체(4B')를 얻었다.
[제조 예 2-5] (시트(5B')의 제조)
필러 첨가 전의 혼합액의 조성을, 합성 예 5에서 얻은 수지(R-5)의 용액 8.1부, 경화제(CA-1) 2.5부, 혼합 용제(MS-1) 21.4부로 한 이외는 제조 예 2-1과 동일하게 해서 이론 막 두께 51μm의 시트(5B')의 한쪽 면이 박리성 시트로 덮인 중간 적층체(5B')를 얻었다.
[제조 예 2-6] (시트(6B')의 제조)
필러 첨가 전의 혼합액의 조성을, 합성 예 6에서 얻은 수지(R-6)의 용액 8.1부, 경화제(CA-1) 2.5부, 혼합 용제(MS-1) 21.4부로 한 이외는 제조 예 2-1과 동일하게 해서 이론 막 두께 51μm의 시트(6B')의 한쪽 면이 박리성 시트로 덮인 중간 적층체(6B')을 얻었다.
[제조 예 2-7] (시트(7B')의 제조)
필러 첨가 전의 혼합액의 조성을, 에폭시 수지 YL6121H(Mitsubishi Chemical Corporation 제품) 2.9부, 페놀 수지 VH-4150(DIC 주식회사 제품) 1.5부, 이미다졸 화합물 2PZ((Shikoku Chemical Corporation 제품) 0.1부, 시클로헥사논 27.5부로 한 것 이외에는 제조 예 2-1과 동일하게 해서 이론 막 두께 51μm의 시트(7B')의 한쪽 면이 박리성 시트로 덮인 중간 적층체(7B')를 얻었다.
[실시 예 1]
제조 예 1-1에서 얻은 중간 적층체(1A')에서 10cm×10cm의 크기로 2장의 적층체를 잘라냈다. 이들 2장의 적층체에 있어서 박리성 시트를 제외한 시트(1A')만의 질량은 각각 0.852g과 0.858g이었다. 또한, 제조 예 2-1에서 얻은 중간 적층 체(1B')에서 10cm×10cm의 크기로 1장의 적층체를 잘라냈다. 이 적층체에 있어서, 박리성 시트를 제외한 시트(1B')만의 질량은 1.042g이었다.
한쪽의 중간 적층체(1A')의 박리성 시트와는 반대측과, 중간 적층체(1B')의 박리성 시트와는 반대측을 맞춰서 롤 라미네이터를 이용하여 붙였다.
이어서 중간 적층체(1B') 측의 박리성 시트를 박리하고, 노출된 시트(1B')의 표면에, 다른 쪽의 중간 적층체(1A')의 박리성 시트와는 반대측을 동일하게 맞붙여서, 3층 구조의 열 전도성 절연 시트(S-1)의 양면이 박리성 시트로 덮인 적층체를 얻었다.
또한, 라미네이트 조건은, 롤 온도 상하 80℃, 라미네이트 압력 0.6MPa, 속도 0.5m/분으로 하였다.
[실시 예 2]
중간 적층체(1A') 대신에 제조 예 1-2에서 얻은 중간 적층체(2A'), 중간 적층체(1B') 대신에 제조 예 2-2에서 얻은 중간 적층체(2B')를 이용한 것 이외는 실시 예 1과 동일하게 해서, 3층 구조의 열 전도성 절연 시트(S-2)의 양면이 박리성 시트로 덮인 적층체를 얻었다.
[실시 예 3]
중간 적층체(1A') 대신에 제조 예 1-3에서 얻은 중간 적층체(3A'), 중간 적층체(1B') 대신에 제조 예 2-3에서 얻은 중간 적층체(3B')를 이용한 것 이외는 실시 예 1과 동일하게 해서, 3층 구조의 열 전도성 절연 시트(S-3)의 양면이 박리 성 시트로 덮인 적층체를 얻었다.
[실시 예 4]
중간 적층체(1A') 대신에 제조 예 1-4에서 얻은 중간 적층체(4A'), 중간 적층체(1B') 대신에 제조 예 2-4에서 얻은 중간 적층체(4B')를 이용한 것 이외는 실시 예 1과 동일하게 해서 3층 구조의 열 전도성 절연 시트(S-4)의 양면이 박리성 시트로 덮인 적층체를 얻었다.
[실시 예 5]
중간 적층체(1A') 대신에 제조 예 1-5에서 얻은 중간 적층체(5A'), 중간 적층체(1B') 대신에 제조 예 2-5에서 얻은 중간 적층체(5B')를 이용한 것 이외는 실시 예 1과 동일하게 해서 3층 구조의 열 전도성 절연 시트(S-5)의 양면이 박리성 시트로 덮인 적층체를 얻었다.
[실시 예 6]
중간 적층체(1A') 대신에 제조 예 1-6에서 얻은 중간 적층체(6A'), 중간 적층체(1B') 대신에 제조 예 2-6에서 얻은 중간 적층체(6B')를 이용한 것 이외는 실시 예 1과 동일하게 해서 3층 구조의 열 전도성 절연 시트(S-6)의 양면이 박리성 시트로 덮인 적층체를 얻었다.
[비교 예 1]
중간 적층체(1A') 대신에 제조 예 1-7에서 얻은 중간 적층체(7A'), 중간 적층체(1B') 대신에 제조 예 2-7에서 얻은 중간 적층체(7B')를 이용한 것 이외는 실시 예 1과 동일하게 해서 3층 구조의 열 전도성 절연 시트(S-7)의 양면이 박리성 시트로 덮인 적층체를 얻었다.
[열 전도성 절연 시트의 평가 항목과 평가 방법]
실시 예 1~6 및 비교 예 1의 각 예에 있어서, 얻은 3층 구조의 열 전도성 절연 시트의 양면이 박리성 시트로 덮인 적층체에서 양면의 박리성 시트를 박리해서 3층 구조의 열 전도성 절연 시트를 잘라내고, 다음의 평가를 실시했다.
(복소 점도)
점탄성 측정 장치(Anton Paar 제품, MCR 레오미터 302)를 이용하여 열 전도성 절연 시트의 복소 점도를 구했다. 열 전도성 절연 시트를 5장 겹쳐서, 두께 0.65mm의 평가용 시트로 하였다. 이 평가용 시트를 한 쌍의 25mmφ의 원판상의 측정 지그로 사이에 끼워서 측정 장치에 셋팅하고, 주파수 10Hz, 승온 속도 3.5℃/min의 조건에서 100~200℃ 범위의 복소 점도를 측정했다. 이 온도 범위의 복소 점도의 최대 값(α)과 최소값(β)를 구하고, α/β를 구했다.
(흐름 값)
50mm 사방의 열 전도성 절연 시트를 준비하여, 초기의 질량(W1)을 측정했다. 이어서, 2장의 50mm 사방의 박리성 시트(두께 75μm의 이형 처리 폴리에틸렌 테레 프탈레이트 필름)에서 50mm 사방의 상기 열 전도성 절연 시트를 사이에 끼워 150℃에서 60분간, 1MPa의 조건에서 가열 및 가압했다. 가열 및 가압 후에 2장의 박리성 시트에서 튀어나온 재료가 없으면, 2장의 박리성 시트로 사이에 끼워진 50mm 사방의 열 전도성 절연 시트의 가열 가압물을 그대로 꺼냈다. 2장의 박리성 시트에서 튀어나온 재료가 있으면, 튀어나온 재료를 커터로 제거해서 열 전도성 절연 시트의 가열 가압물의 크기를 50mm 사방으로 조정한 후, 2장의 박리성 시트로 사이에 끼워진 50mm 사방의 가열 가압물을 꺼냈다. 꺼낸 50mm 사방의 가열 가압물의 질량(W2)을 측정하여, 하기 식(1)에 의해 흐름 값을 구하였다.
흐름 값(%) = W2 / W1 × 100…(1)
(복합 부재의 전단 접착력)
알루미늄 기판(폭 25mm, 길이 100mm, 두께 2mm, 선팽창 계수 23ppm/℃, 방열베이스 기판에 상당)과, 열 전도성 절연 시트와, 구리 기판(폭 25mm, 길이 100mm, 두께 2mm, 선팽창 계수 16ppm/℃, 열 발생 부재의 열 전도성 절연 접착막과 접하는 부재에 상당)을 겹쳐서, 150℃에서 60분간, 3MPa의 조건에서 가열 가압(열 프레스)을 수행하여 복합 부재의 테스트 피스를 얻었다. 열 전도성 절연 접착 시트의 상하 부재에 끼워진 부분의 크기는, 폭 25mm, 길이 40mm로 하였다.
전단 접착력은, JIS K 6850에 준거하여 측정했다.
복합 부재의 테스트 피스에 대해서, 시마즈 제작소 제품 SHIMADZU/Autogragh AGS-X를 이용하여, 25℃에서 인장 속도 1mm/min의 조건으로 전단력을 측정했다. 측정은 2회 반복하고, 평균값을 전단 접착력으로 하였다.
(열 전도성 절연막의 공극률)
열 전도성 절연 시트의 공극률은, 하기 식을 이용하여 산출할 수 있다.
공극률 = 1 - (열 전도성 절연 시트의 실측 밀도 / 열 전도성 절연 시트의 이론 밀도)
열 전도성 절연 시트의 실측 밀도 = 열 전도성 절연 시트의 질량(g) / 열 전도성 절연 시트의 체적(㎤)
열 전도성 절연 시트의 이론 밀도 = 2장의 시트(A') 및 1장의 시트(B')의 질량의 합(g) / 2장의 시트(A') 및 1장의 시트(B')의 체적의 합(㎤)
시트(A') 또는 시트(B')의 체적 = 시트(A') 또는 시트(B')의 질량(g) / 시트 (A') 또는 시트(B')의 밀도(g/㎤)
열 전도성 구상 필러 및 질화 붕소 필러 등의 밀도는 일반적인 데이터를 이용한다.
바인더 수지 및 기타 유기 성분의 밀도는, 「1(g/㎤)」라고 개산한다.
열 전도성 절연 시트를 150℃에서 60분간, 1MPa의 조건에서 가열 가압(열 프레스)해서 얻어지는 열 전도성 절연막에 관해서, 상기와 같이, 식:공극률 = 1 - (실측 밀도 / 이론 밀도)에서, 공극률을 이론적으로 구하였다.
[평가 결과]
주요 제조 조건과 평가 결과를 표 1에 나타낸다.
실시 예 1-6에서는 모두 바인더 수지의 종류, 바인더 수지의 분자량, 경화제의 비율, 열 전도성 절연 필러의 종류 및 양 등의 열 전도성 절연 시트의 조성을 조정함으로써, 100~200℃의 온도 영역에서의 복소 점도가 10,000~150,000Pa·s이고, 상기 온도 영역에서의 복소 점도의 최대값(α)과 최소값(β)의 비(α/β)가, 1.0 ~ 4.0인 열 전도성 절연 시트를 제조할 수 있었다.
실시 예 1-6에서는, 바인더 수지로서 분자량이 적절한 열경화성 폴리우레탄 수지, 열경화성 아크릴 수지, 또는 열경화성 폴리아미드 수지를 사용함으로써, 상기 특성을 갖는 열 전도성 절연 시트를 제조할 수 있었다.
실시 예 1-6에서는, 열 전도성 절연 시트 제조에서의 라미네이트 시에 2장의 시트(A')와 1장의 시트(B')의 적층체가 적당한 유동성을 가짐으로써, 보이드를 저감시켜서 공극률을 줄일 수 있었다.
실시 예 1-6에서 얻은 열 전도성 절연 시트는 모두 상기와 같은 복소 점도 특성을 가지고 가열 가압시에 적당한 유동성을 가지므로 가열 가압시에 원래의 열 전도성 절연 시트의 크기보다 바깥쪽으로의 재료의 유출이 없고, 흐름 값이 90~100%로 적합했다.
실시 예 1-6에서 얻은 열 전도성 절연 시트는 가열 가압전 및 가열 가압후의 유연성이 높고, 가열 가압시에 적당한 유동성을 가지므로 알루미늄 기판과 구리 기판을 양호하게 접착할 수 있고, 가열 가압에 의해 공극률을 한층 더 절감할 수 있었다. 실시 예 1-6에서 얻은 열 전도성 절연 시트를 이용한 복합 부재의 테스트 피스는 모두 전단 접착력이 2.5MPa 이상이며, 열 전도성 절연막의 공극률이 0.2 이하였다.
실시 예 1-6에서 얻은 열 전도성 절연 시트를 이용함으로써, 열 발생 부재와 방열 부재의 접착성이 뛰어나고, 열 전도성 절연막의 공극률이 낮고, 성능이 좋은 복합 부재를 제조할 수 있는 것으로 나타났다.
비교 예 1에서는, 바인더 수지로서 열경화성 에폭시 수지와 열경화성 페놀 수지를 이용하여 열 전도성 절연 접착 시트를 제조하였다. 이 열 전도성 절연 시트는, 100~200℃의 온도 영역에서의 복소 점도의 최대값(α)이 150,000Pa·s초과이며, 복소 점도의 최대값(α)과 최소값(β)의 비(α/β)가 4초과였다.
비교 예 1에서 얻은 열 전도성 절연 시트는, 실시 예 1~6보다도 복소 점도의 최소값(β)이 작기 때문에, 가열 가압시의 유동성이 크고, 가열 가압시에 원래의 열 도성 절연 시트의 크기보다 바깥쪽으로의 재료의 유출이 많아 흐름 값이 90%미만이 되었다.
비교 예 1에서 얻은 열 전도성 절연 시트는, 가열에 의해 가교를 수반하는 경화 반응이 진행되기 때문에 복소 점도의 최대값(α)이 실시 예 1~6보다도 크다. 따라서, 경화후의 유연성이 현저하게 낮고, 알루미늄 기판과 구리 기판을 양호하게 접착할 수 없었다.
비교 예 1에서 얻은 열 전도성 절연 시트는 α/β가 크고, 가열 가압시에 급격한 점도 상승이 일어난다. 비교 예 1에서 얻은 열 전도성 절연 시트에서는, 보이드를 메우기 전에 바인더 수지가 고점도화 하기 때문에, 가열 가압에 의해 공극률을 효과적으로 저감할 수 없었다.
비교 예 1에서 얻은 열 전도성 절연 시트를 이용한 복합 부재의 테스트피스는, 전단 접착력이 1.5MPa미만이며, 열 전도성 절연막의 공극률이 0.3초과였다.
[표 1]
Figure 112020031339162-pct00001
본 발명은 상기 실시 형태 및 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 범위 내에서 적절하게 설계 변경이 가능하다.
본 출원은, 2017년 9월 15일에 출원된 일본 특허출원2017-17823호를 기초로하는 우선권을 주장하고 그 개시의 전부를 여기에 포함한다.
1, 2, 3, 4, 5; 복합 부재
10; 열 발생 부재
20; 열 전도성 절연 접착막
30; 방열 베이스 기판
50, 60; 파워 반도체 모듈(열 발생 부재)
51, 61, 65; 기판
52, 62, 64; 솔더층
53, 63; 파워 반도체 소자(열발생부)
54, 66; 봉지재

Claims (7)

  1. 열경화성 수지인 바인더 수지(R)의 미경화물 또는 반경화물을 함유하는 열 전도성 절연 시트이며,
    100~200℃의 온도 영역에서의 복소 점도가 10,000~150,000Pa·s이고, 상기 온도 영역에서의 복소 점도의 최대값(α)과 최소값(β)의 비(α/β)가 1.0~4.0이며, 하기 식(1)에 의해 정의되는 흐름 값(flow value)이 90~100%인, 열 전도성 절연 시트:
    흐름 값(%) = W2 / W1 × 100…(1)
    (식(1) 중, 각 부호는 다음의 파라미터를 나타낸다.
    W1은 50mm 사방의 열 전도성 절연 시트의 질량이다.
    W2는 50mm 사방의 열 전도성 절연 시트를 150℃에서 60분간, 1MPa의 조건에서 가열 및 가압해서 얻어지는 열 전도성 절연 시트의 가열 가압물의 50mm 사방의 질량이다.)
  2. 제1항에 있어서,
    100~200℃의 온도 영역에서의 복소 점도가 27,000~100,000Pa·s이고, 상기 온도 영역에서의 복소 점도의 최대값(α)과 최소값(β)의 비(α/β)가 1.0~2.5이고, 상기 흐름 값이 95~100%인 열 전도성 절연 시트.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    바인더 수지(R)가, 열경화성 폴리우레탄 수지, 열경화성 아크릴 수지, 및 열경화성 폴리아미드 수지에서 선택되는 적어도 1종인 열 전도성 절연 시트.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    열 전도성 절연 필러(F)를 더 함유하는 열 전도성 절연 시트.
  5. 열을 발생할 수 있는 열 발생부를 포함하는 열 발생 부재의 적어도 하나의 면에, 제1항 또는 제2항에 기재된 열 전도성 절연 시트의 가열 가압물로 이루어지고, 바인더 수지(R)의 경화물을 포함하는 열 전도성 절연막을 통해서 방열 베이스 기판이 접착된, 복합 부재.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 열 전도성 절연막의 공극률이 0.3이하인 복합 부재.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 열 발생 부재가 파워 반도체 소자를 포함하는 복합 부재.
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