专利名称：功率模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及功率模块，详细而言，涉及具备功率器件的功率模块。
背景技术：
近年来，混合动力装置、高亮度LED装置、电磁感应加热装置等采用通过半导体元件转换和控制电力的电力电子(powerelectronics)技术。电力电子技术将大电流转换为热等，因此，要求配置在半导体元件附近的材料具有高散热性(高导热性)。因此，提出了例如将搭载有硅芯片的基板隔着非有机硅高导热性油脂(grease) 放置到散热部件上(例如，参照Nihon DataMaterial Co.，Ltd的网页(http://ffffff. demac. co.jp/products/denshi.html)。)。上述文献中，通过非有机硅高导热性油脂将基板与散热部件粘接，并将基板中产生的热传导 到散热部件。
发明内容
但是，在各种产业领域中，作为功率模块，要求进一步提高散热性。因此，本发明的目的在于，提供散热性优异的功率模块。本发明的功率模块的特征在于，其具备具有绝缘层以及形成于前述绝缘层之上的导体电路的功率模块用基板；设置在前述功率模块用基板之上、且与前述导体电路电连接的功率器件；和用于散热由前述功率模块用基板和/或前述功率器件产生的热的导热性片材，前述导热性片材含有片状的氮化硼颗粒，并且前述导热性片材在与厚度方向正交的方向的热导率为4W/m · K以上。这样的功率模块中，用于散热由功率模块用基板和/或功率器件产生的热的导热性片材含有片状的氮化硼颗粒，且该导热性片材在与厚度方向正交的方向的热导率为4W/ m · K以上，因此，导热性片材的与厚度方向正交的面方向上能够有效地传导热，能够确保优异的散热性。此外，优选的是，本发明的功率模块进一步具备设置在前述功率模块用基板之下的散热部件，并且前述导热性片材配置在前述功率模块用基板与前述散热部件之间。根据这样的功率模块，导热性片材配置在功率模块用基板与散热部件之间，因此， 由功率模块用基板和/或功率器件产生的热能够通过导热性片材向面方向扩散，并传导到散热部件，能够确保更优异的散热性。 此外，本发明的功率模块中，优选的是，前述导热性片材配置在前述功率模块用基板与前述功率器件之间。根据这样的功率模块，导热性片材配置在功率模块用基板与功率器件之间，因此， 由功率器件产生的热能够通过导热性片材向面方向扩散并传导到散热部件，能够确保更优异的散热性。此外，本发明的功率模块中，优选的是，前述功率模块用基板进一步具备设置在前述绝缘层之下的金属支持层，前述导热性片材设置在前述绝缘层与前述金属支持层之间， 并且设置在前述金属支持层与前述散热部件之间。根据这样的功率模块，在功率模块用基板具备金属支持层的情况下，由功率模块用基板和/或功率器件产生的热首先通过绝缘层与金属支持层之间的导热性片材进行传导，接着，该热通过金属支持层进行传导，然后通过金属支持层与散热部件之间的导热片材进行传导，并能够通过散热部件散热。因此，这样的功率模块能够确保优异的散热性。此外，本发明的功率模块中，优选的是，前述导热性片材作为填底胶设置。根据这样的功率模块，功率模块用基板与功率器件之间被导热性片材密封，因此， 能够谋求功率模块用基板与功率器件的连接强度的提高。因此，能够确保优异的散热性，并实现功率模块的机械强度的提高。
图1是表示本发明的功率模块的一个实施方式的简略构成图。图2是用于说明图1所示的功率模块所具备的导热性片材的制造方法的工序图，(a)表示对混合物或层叠片材进行热压的工序，(b)表示将压制片材分割成多个的工序，(c)表示将分割片材层叠的工序。图3是表示图2所示的导热性片材的透视图。图4是表示图1所示的功率模块的制造方法的简略工序图，(a)表示准备散热片的工序，(b)表示在散热片的顶板部的表面放置导热性片材的工序，(c)表示在导热性片材之上放置绝缘层的工序。图5是表示图1所示的功率模块的制造方法的接着图4之后简略工序图，(d)表示在绝缘层之上形成布线(未图示出来)以及端子部的工序，(e)表示在绝缘层之上以及端子部之间放置导热性片材的工序，(f)表示在导热性片材之上放置功率器件，并通过引线将功率器件与端子部电连接的工序。图6是表示本发明的功率模块的其他实施方式的简略构成图。图7示出了耐弯曲性试验的类型I的试验装置(耐弯曲性试验前)的立体图。图8示出了耐弯曲性试验的类型I的试验装置(耐弯曲性试验中)的立体图。
具体实施方式
图1是本发明的功率模块的一个实施方式的简略构成图，图2是用于说明图1所示的功率模块所具备的导热性片材的制造方法的工序图，图3是图2所示的导热性片材的透视图，图4是表示图1所示的功率模块的制造方法的简略工序图，图5是表示图1所示的功率模块的制造方法的接着图4之后的简略工序图。图1中，功率模块1具备功率模块用基板2、功率器件3、作为导热性片材的第1导热性片材21和第2导热性片材22、以及作为散热部件的散热片4。功率模块用基板2是用于搭载功率器件3的基板，其具备绝缘层5以及形成于绝缘层5之上的导体电路6。绝缘层5根据功率模块用基板2的外形形状 而形成，更具体地说，例如，形成为沿长边方向延伸的平板形状。作为形成这样的绝缘层5的绝缘材料，例如，可列举出氮化铝、氧化铝等的陶瓷， 例如聚酰亚胺、聚醚腈、聚醚砜、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚氯乙烯等的树脂、以及玻璃_环氧树脂等。此外，绝缘层5的厚度可以根据目的和用途适当设定。导体电路6形成在绝缘层5的表面，没有图示出来，其按照沿功率模块用基板的长边方向延伸、并且在与长边方向正交的宽度方向隔着间隔并行的方式形成，如图1所示，设有多个(例如，2个)。此外，各导体电路6具备端子部7、从该端子部7连接出来的布线(未图示出来) 以及用于将端子部7以及功率器件3电连接的引线10。在功率模块用基板2的前端部沿宽度方向彼此隔着间隔并列配置有多个(例如，2 个)端子部7，但未图示出来。此外，布线(未图示出来)例如从端子部7连出并沿长边方向设置，在宽度方向彼此隔着间隔并列设置有多根(例如，2根)。作为形成这样的端子部7以及布线(未图示出来)的导体材料，例如，可列举出铜、镍、金、焊锡、或它们的合金等金属材料，优选可列举出铜。引线10由铜、镍、金等导体材料形成，与各端子部7相对应，设有多根(例如，2 根)。各引线10的一个侧端部(或另一侧端部)与端子部7连接，同时另一侧端部与功率器件3连接(引线接合)。此外，在这样的导体电路6中，端子部7以及布线(未图示出来)的厚度和宽度、 各端子部7间的间隔、各布线(未图示出来)间的间隔、以及引线10的直径根据目的和用途来适当设定。功率器件3定义为，控制5V以上的电压和/或IA以上的电流的装置。作为功率器件3，更具体而言，例如，可列举出晶闸管、功率晶体管、整流二极管等半导体元件等。这样的功率器件3形成为例如矩形盒状，在多个(例如，2个)导体电路6之间，设置在绝缘层5之上，并与导体电路6 (引线10)电连接。此外，通过导体电路6能够向这样的功率器件3供给高电力(具体而言，例如，电压为如上述那样的5V以上，和/或，电流为如上述那样的IA以上)。此时，供给的电力在上述功率模块用基板2和/或上述功率器件3中转换为热。此外，功率模块1具备第1导热性片材21和第2导热性片材22，用于散热这样由上述功率模块用基板2和/或上述功率器件3产生的热。第1导热性片材21形成为比绝缘层5大、且比散热片4的顶板部11 (后述)小的平板形状，配置在功率模块用基板2与散热片4之间。详细地说，第1导热性片材21的表面紧贴在功率模块用基板2的背面上，并且第1导热性片材21的背面紧贴在散热片4的顶板部11 (后述)的表面上。
第2导热性片材22形成为比绝缘层5小、且比功率器件3大的平板形状，在多个 (例如，2个)端子部7之间，配置在绝缘层5与功率器件3之间。详细地说，第2导热性片材22的表面紧贴在功率器件3的背面上，并且第2导热性片材22的背面紧贴在功率模块用基板2 (绝缘层5)的表面上。此外，以下，将第1导热性片材21、第2导热性片材22、以及后述的第3导热性片材23以及后述的第4导热性片材24统称为导热性片材20。这种导热性片材20含有氮化硼颗粒。具体而言，导热性片材20含有氮化硼(BN)颗粒作为必要成分，还含有例如树脂成分。
氮化硼颗粒以片状(或者鳞片状)形成，以沿规定方向(后述)取向的形态分散在导热性片材20中。氮化硼颗粒的长边方向的平均长度(与板的厚度方向正交的方向上的最大长度) 为例如1 100 μ m、优选为3 90 μ m。此外，氮化硼颗粒的长边方向的平均长度为5 μ m以上、优选为10 μ m以上、进一步优选为20 μ m以上、尤其优选为30 μ m以上、最优选为40 μ m 以上，通常，为例如IOOym以下、优选为90 μ m以下。此外，氮化硼颗粒的平均厚度(板的厚度方向的长度，即，颗粒的短边方向的长度)为例如0. 01 20 μ m、优选为0. 1 15 μ m。此外，氮化硼颗粒的长宽比(长边方向长度/厚度)为例如2 10000，优选为 10 5000。另外，通过光散射法测定的氮化硼颗粒的平均粒径为例如5μπι以上、优选为 10 μ m以上、进一步优选为20 μ m以上、尤其优选为30 μ m以上、最优选为40 μ m以上，通常为100 μ m以下。此外，通过光散射法测定的平均粒径是指，通过动态光散射式粒度分布测定装置测定的体积平均粒径。通过光散射法测定的氮化硼颗粒的平均粒径不满足上述范围时，有时导热性片材 20变脆，操作性降低。此外，氮化硼颗粒的体积密度(JIS K5101、表观密度)为例如0. 3 1. 5g/cm3、优选为 0. 5 1. Og/cm3。此外，氮化硼颗粒可以使用市售品或者将市售品加工得到的加工品。作为氮化硼颗粒的市售品，例如，可列举出Momentive Performance Materials Inc.制造的“PT”系列 (例如，“ΡΤ-110”等)、昭和电工公司制造的“SHOBN UHP”系列(例如，“SHOBN UHP-1”等)寸。树脂成分是可以分散氮化硼颗粒的树脂，即，是分散氮化硼颗粒的分散介质(基质)，例如，可列举出热固化性树脂成分、热塑性树脂成分等树脂成分。作为热固化性树脂成分，例如，可列举出环氧树脂、热固化性聚酰亚胺、酚醛树脂、 尿素树脂、三聚氰胺树脂、不饱和聚酯树脂、邻苯二甲酸二烯丙酯树脂、硅树脂、热固化性聚氨酯树脂等。作为热塑性树脂成分，例如，可列举出聚烯烃(例如，聚乙烯、聚丙烯、乙烯-丙烯共聚物等)、丙烯酸树脂(例如，聚甲基丙烯酸甲酯等)、聚醋酸乙烯酯、乙烯_醋酸乙烯酯共聚物、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯腈、聚酰胺、聚碳酸酯、聚缩醛、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苯醚、聚苯硫醚、聚砜、聚醚砜、聚醚醚酮、聚芳砜、热塑性聚酰亚胺、热塑性聚氨酯树脂、聚氨基双马来酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、聚醚酰亚胺、双马来酰亚胺三嗪树脂、聚甲基戊烯、氟树脂、液晶聚合物、烯烃-乙烯醇共聚物、离聚物、聚芳酯、丙烯腈-乙烯-苯乙烯共聚物、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、丙烯腈-苯乙烯共聚物等。
这些树脂成分可以单独使用或者组合2种以上使用。热固化性树脂成分中，优选可列举出环氧树脂。环氧树脂在常温下可以是液态、半固态以及固态中的任一形态。具体而言，作为环氧树脂，例如，可列举出双酚型环氧树脂(例如，双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、双酚S型环氧树脂、氢化双酚A型环氧树脂、二聚酸改性双酚型环氧树脂等)、酚醛清漆型环氧树脂(例如，线性酚醛清漆型环氧树脂、甲酚-线性酚醛清漆型环氧树脂、联苯型环氧树脂等)、萘型环氧树脂、芴型环氧树脂(例如，二芳基芴型环氧树脂等)、三苯基甲烷型环氧树脂(例如，三羟基苯基甲烷型环氧树脂等)等芳香族系环氧树脂；例如，三环氧基丙基异氰脲酸酯(三缩水甘油基异氰脲酸酯)、乙内酰脲环氧树脂等含氮环的环氧树脂，例如脂肪族型环氧树脂，例如脂环族型环氧树脂(例如双环环型环氧树脂等)，例如缩水甘油醚型环氧树脂，例如缩水甘油胺型环氧树脂等。这些环氧树脂可以单独使用或者组合2种以上使用。优选可列举出液态的环氧树脂与固态的环氧树脂的组合，进一步优选可列举出液态的芳香族系环氧树脂与固态的芳香族系环氧树脂的组合等。作为这样的组合，具体而言， 可列举出液态的双酚型环氧树脂与固态的三苯基甲烷型环氧树脂的组合，以及液态的双酚型环氧树脂与固态的双酚型环氧树脂的组合。此外，作为环氧树脂，优选可列举出单独使用半固态的环氧树脂，进一步优选可列举出单独使用半固态的芳香族系环氧树脂。作为这样的环氧树脂，更具体地，可列举出半固态的芴型环氧树脂。为液态的环氧树脂与固态的环氧树脂的组合、或者半固态的环氧树脂时，能够提高导热性片材20的高度差追随性(后述)。此外，环氧树脂的环氧当量为例如100 1000g/eqiv.，优选为160 700g/ eqiv.，软化温度(环球法)例如为80°C以下(具体地，为20 80°C )，优选为70°C以下 (具体地，为25 70°C )。此外，环氧树脂在80°C下的熔融粘度例如为10 20000mPa · s，优选为50 15000mPa.So组合使用2种以上环氧树脂的情况下，将它们的混合物的熔融粘度设定为上述范围内。此外，在组合使用常温下为固态的环氧树脂与常温下为液态的环氧树脂的情况下，组合使用软化温度例如低于45°C、优选35°C以下的第1环氧树脂与软化温度例如为 45°C以上、优选为55°C以上的第2环氧树脂。由此，能够将树脂成分(混合物)的动态粘度 (基于JISK 7233，后述)设定为期望的范围，能够提高导热性片材20的高度差追随性。此外，在环氧树脂中可以含有例如固化剂以及固化促进剂，将其制备成环氧树脂组合物。固化剂是通过加热能够使环氧树脂固化的潜伏性固化剂(latent hardener)(环氧树脂固化剂)，例如，可列举出咪唑化合物、胺化合物、酸酐化合物、酰胺化合物、酰胼化合物、咪唑啉化合物等。此外，除上述之外，还可列举出酚化合物、脲化合物、多硫化物化合物等。作为咪唑化合物，可列举出例如2-苯基咪唑、2-甲基咪唑、2-乙基-4-甲基咪唑、 2-苯基-4-甲基-5-羟基甲基咪唑等。作为胺化合物，可列举出例如乙二胺、丙二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺等脂肪族多胺，例如间苯二胺、二氨基二苯基甲烷、二氨基二苯基砜等芳香族多胺等。作为酸酐化合物，可列举出例如邻苯二甲酸酐、马来酸酐、四氢邻苯二甲酸酐、六氢邻苯二甲酸酐、4-甲基-六氢邻苯二甲酸酐、甲基纳迪克酸酐、均苯四酸酐、十二碳烯琥珀酸酐、二氯琥珀酸酐、二苯甲酮四羧酸酐、六氯降冰片烯二酸酐等。作为酰胺化合物，可列举出例如双氰胺、多酰胺等。作为酰胼化合物，可列举出例如己二酸二酰胼等。作为咪唑啉化合物，可列举出例如甲基咪唑啉、2-乙基-4-甲基咪唑啉、乙基咪唑啉、异丙基咪唑啉、2，4-二甲基咪唑啉、苯基咪唑啉、i^一烷基咪唑啉、十七烷基咪唑啉、 2-苯基-4-甲基咪唑啉等。这些固化剂可以单独使用或者组合2种以上使用。作为固化剂，优选可列举出咪唑化合物。作为固化促进剂，可列举出例如三乙二胺、三-2，4，6_ 二甲基氨基甲基苯酚等叔胺化合物，例如，三苯基膦、四苯基鳞四苯基硼酸酯、四-正丁基鳞-ο，ο- 二乙基二硫代磷酸酯等磷化合物，例如季铵盐化合物，例如有机金属盐化合物，例如它们的衍生物等。这些固化促进剂可以单独使用或者组合2种以上使用。相对于100质量份环氧树脂，环氧树脂组合物中固化剂的配合比例为例如0. 5 50质量份、优选为1 10质量份，固化促进剂的配合比例为例如0. 1 10质量份、优选为 0. 2 5质量份。根据需要，上述的固化剂和/或固化促进剂可以制备成通过溶剂溶解和/或分散的溶剂溶液和/或溶剂分散液来使用。作为溶剂，可列举出例如丙酮、甲乙酮等酮类，例如乙酸乙酯等酯类，例如N，N-二甲基甲酰胺等酰胺类等有机溶剂等。此外，作为溶剂，还可以列举出例如水，例如甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇等醇类等水系溶剂。作为溶剂，优选可列举出有机溶剂，更优选可列举出酮类、酰胺类。热塑性树脂成分中，优选可列举出聚烯烃。作为聚烯烃，优选可列举出聚乙烯、乙烯-丙烯共聚物。作为聚乙烯，例如可列举出低密度聚乙烯、高密度聚乙烯等。作为乙烯-丙烯共聚物，例如可列举出乙烯以及丙烯的无规共聚物、嵌段共聚物或接枝共聚物等。这些聚烯烃可以单独使用或组合2种以上使用。此外，聚烯烃的重均分子量和/或数均分子量为例如1000 10000。
此外，聚烯烃可以单独使用或组合2种以上使用。 此外，通过基于JIS K7233(泡粘度计法)的动态粘度试验(温度25°C 士 0. 5°C、溶剂丁基卡必醇、树脂成分(固体成分)浓度40质量％)测定的树脂成分的动态粘度为例如 0. 22 X IO"4 2. OOX l(T4m7s、优选为 0. 3 X IO"4 1. 9X l(T4m7s、更优选为0.4X10—4 1.8X10-4m2/S。此夕卜，上述动态粘度可以设定为例如0. 22X10—4 1. 00Xl(T4m7s、优选为 0. 3X IO"4 0. 9X l(T4m2/s、更优选为 0. 4X IO"4 0. 8Xl(T4m2/s。树脂成分的动态粘度超过上述范围时，有时不能赋予导热性片材20以优异的柔软性和高度差追随性(后述)。另一方面，树脂成分的动态粘度达不到上述范围时，有时不能使氮化硼颗粒沿规定方向取向。此外，在基于JISK 7233(泡粘度计法)的动态粘度试验中，将树脂成分样品中泡的上升速度与标准样品(动态粘度已知)中泡的上升速度相比较，将上升速度一致的标准样品的动态粘度判定为树脂成分的动态粘度，由此来测定树脂成分的动态粘度。此外，在导热性片材20中，氮化硼颗粒的体积基准的含有比例(固体成分，即，氮化硼颗粒相对于树脂成分和氮化硼颗粒的总体积的体积百分比)为例如35体积％以上、优选为60体积％以上、优选为65体积％以上，通常为例如95体积％以下、优选为90体积％ 以下。氮化硼颗粒的体积基准的含有比例达不到上述范围时，有时不能使氮化硼颗粒在导热性片材20中沿规定方向取向。另一方面，氮化硼颗粒的体积基准的含有比例超过上述范围时，有时导热性片材20变脆，操作性和高度差追随性降低。此外，相对于形成导热性片材20的各成分(氮化硼颗粒和树脂成分)的总量(固体成分总量)100质量份，氮化硼颗粒的质量基准的配合比例为例如40 95质量份、优选为65 90质量份，相对于形成导热性片材20的各成分的总量100质量份，树脂成分的质量基准的配合比例为例如5 60质量份、优选为10 35质量份。此外，相对于100质量份树脂成分，氮化硼颗粒的质量基准的配合比例为例如60 1900质量份、优选为185 900 质量份。此外，在组合使用2种环氧树脂(第1环氧树脂以及第2环氧树脂)时，第1环氧树脂相对于第2环氧树脂的质量比例(第1环氧树脂的质量/第2环氧树脂的质量)可以根据各环氧树脂(第1环氧树脂以及第2环氧树脂)的软化温度等适当设定，例如为1/99 99/1、优选为 10/90 90/10。此外，树脂成分中除了包含上述各成分(聚合物)以外，还可以包含例如聚合物前体(例如，包括低聚物在内的低分子量聚合物等)和/或单体。接着，对形成导热性片材20的方法进行说明。该方法中，首先，通过按上述配合比例配合上述各成分，并搅拌混合来制备混合物。搅拌混合中应该将各成分有效地混合，例如，与上述各成分一起配合溶剂，或者， 可以通过例如加热使树脂成分(优选为热塑性树脂成分)熔融。作为溶剂，可列举出与上述相同的有机溶剂。此外，上述固化剂和/或固化促进剂制备成溶剂溶液和/或溶剂分散液时，可以不在搅拌混合中追加溶剂，而是直接将溶剂溶液和/或溶剂分散液的溶剂作为用于搅拌混合的混合溶剂来供于搅拌混合。或者，也可以在搅拌混合中进一步追加溶剂作为混合溶剂。使用溶剂进行搅拌混合时，搅拌混合后除去溶剂。
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为了除去溶剂，例如，在室温下放置1 48小时，或者，例如在40 100°C下加热 0. 5 3小时，或者，例如在0. 001 50kPa的减压气氛下，在20 60°C下加热0. 5 3小时。在通过加热使树脂成分熔融的情况下，加热温度为例如，树脂成分的软化温度附近的温度或者超过该温度的温度，具体地，为40 150°C、优选为70 140°C。接着，在该方法中，将所得混合物热压。具体而言，如图2 (a)所示，例如，根据需要，隔着2张脱模薄膜16对混合物进行热压，由此得到压制片材20A。热压的条件为温度为例如50 150°C、优选为60 140°C， 压力为例如1 lOOMPa、优选为5 50MPa,时间为例如0. 1 100分钟，优选为1 30分钟。更优选对混合物进行真空热压。真空热压的真空度为例如1 lOOPa、优选为5 50Pa，温度、压力以及时间与上述热压的温度、压力以及时间相同。热压的温度、压力和/或时间为上述范围外时，有时不能将导热性片材20的孔隙率P (后述)调节到所期望的值。通过热压得到的压制片材20A的厚度为例如50 1000 μ m、优选为100 800 μ m。接着，在该方法中，如图2(b)所示，将压制片材20A分割成多个(例如，4个)，得到分割片材20B (分割工序)。在压制片材20A的分割中，以沿厚度方向投影时分割成多个的方式将压制片材20A沿其厚度方向切割。并且，将压制片材20A以各分割片材20B在厚度方向投影时为同一形状的方式切割。接着，在该方法中，如图2 (c)所示，将各分割片材20B在厚度方向层叠，得到层叠片材20C (层叠工序)。此后，在该方法中，如图2(a)所示，将层叠片材20C热压(优选为真空热压)(热压工序)。热压的条件与上述混合物的热压条件相同。热压后的层叠片材20C的厚度为例如Imm以下、优选为0. 8mm以下，通常为例如 0. 05匪以上、优选为0. 1匪以上。之后，为了参照图3那样使导热性片材20中氮化硼颗粒14在树脂成分15中有效地沿规定方向取向，重复实施上述的分割工序(图2(b))、层叠工序(图2(c))以及热压工序(图2(a))这一连串工序。重复次数没有特别的限定，可以根据氮化硼颗粒的填充状态适当设定，例如为1 10次、优选为2 7次。此外，上述热压工序(图2(a))中，例如，也可以通过多个压延辊等将混合物以及层叠片材20C压延。由此，能够形成图2以及图3所示的导热性片材20。所形成的导热性片材20的厚度为例如Imm以下、优选为0. 8mm以下，通常为例如 0. 05匪以上、优选为0. 1匪以上。此外，导热性片材20中氮化硼颗粒14的体积基准的含有比例(固体成分，即，氮化硼颗粒14相对于树脂成分15以及氮化硼颗粒14的总体积的体积百分比)如上所述，例如为35体积％以上(优选为60体积％以上、更优选为75体积％以上)，通常为95体积％ 以下(优选为90体积％以下)。氮化硼颗粒14的含有比例达不到上述范围时，有时不能使氮化硼颗粒14在导热性片材20中沿规定方向取向。此外，在树脂成分15为热固化性树脂成分的情况下，例如，在未固化状态下重复实施上述的分割工序(图2(b))、层叠工序(图2(c))以及热压工序(图2(a))这一连串工序，直接得到未固化状态的导热性片材20。此外，未固化状态的导热性片材20在组装到功率模块1中后，根据需要，使其热固化。另外，在这样形成的导热性片材20中，如图3及其局部放大示意图所示，氮化硼颗粒14的长边方向LD沿着导热性片材20的与厚度方向TD交叉(正交)的面方向SD取向。此外，氮化硼颗粒14的长边方向LD与导热性片材20的面方向SD所成的角度的算术平均(氮化硼颗粒14相对于导热性片材20所成的取向角度α)例如为25度以下、优选为20度以下，通常为0度以上。此外，氮化硼颗粒14相对于导热性片材20所成的取向角度α如下算出通过截面抛光机(Cross Section Polisher，CP)对导热性片材20沿厚度方向进行切割加工，然后通过扫描型电子显微镜(SEM)以能够观察到200个以上氮化硼颗粒14的视野的倍率对由此出现的剖面拍摄照片，通过得到的SEM照片，得到氮化硼颗粒14的长边方向LD相对于导热性片材20的面方向SD(与厚度方向TD正交的方向)的倾斜角α，算出其平均值。由此，导热性片材20的面方向SD的热导率为4W/m*K以上、优选为5W/m ·Κ以上、 更优选为10W/m · K以上、进一步优选为15W/m · K以上、特别优选为25W/m · K以上，通常为 200ff/m · K 以下。此外，在树脂成分15为热固化性树脂成分的情况下，导热性片材20的面方向SD 的热导率在热固化前后实质上相同。导热性片材20的面方向SD的热导率达不到上述范围时，面方向SD的导热性不充分，因此，有时不能用于要求这样的面方向SD的导热性的散热用途。此外，导热性片材20的面方向SD的热导率通过脉冲加热法测定。脉冲加热法中， 使用氙气闪光灯分析仪(Xenon FlashAnalyzer) “A-447型”(NETZSCH公司制造)。此外，导热性片材20的厚度方向TD的热导率为例如0. 5 15W/m ·Κ、优选为1 10ff/m · K。此外，导热性片材20的厚度方向TD的热导率通过脉冲加热法、激光闪光法或者TWA法测定。脉冲加热法中可以使用与上述相同的仪器，激光闪光法中使用 “1^-9000”出1^六01 11(0，111(；制造)，1￥六法中使用“31-卩11&86 mobile”(ai_Phase Co. ,Ltd. 制造)。由此，导热性片材20的面方向SD的热导率相对于导热性片材20的厚度方向TD 的热导率之比(面方向SD的热导率/厚度方向TD的热导率)为例如为1. 5以上、优选为 3以上、更优选为4以上，通常为20以下。此外，导热性片材20中形成有例如孔隙(间隙)，但图1中没有示出。导热性片材20中孔隙的比例即孔隙率P可以通过氮化硼颗粒14的含有比例(体积基准)、以及氮化硼颗粒14与树脂成分15的混合物的热压(图2 (a))温度、压力和/或时间来调节，具体地，可以通过将上述的热压(图2(a))温度、压力和/或时间设定为上述范围内来进行调节。导热性片材20中的孔隙率P为例如30体积％以下，优选为10体积％以下。
上述孔隙率P例如如下进行测定首先，通过截面抛光机(Cross Section Polisher, CP)对导热性片材20沿厚度方向进行切割加工，然后通过扫描型电子显微镜 (SEM)以200倍观察由此出现的剖面，得到图像，利用得到的图像，对孔隙部分以及孔隙以外的部分进行二值化(binarization)处理，接着，算出孔隙部分相对于导热性片材20的整体剖面积的面积比。此外，导热性片材20中，固化后的孔隙率P2相对于固化前的孔隙率Pl为例如 100%以下，优选为50%以下。在孔隙率P(Pl)的测定中，在树脂成分15为热固化性树脂成分的情况下，使用热固化前的导热性片材20。导热性片材20的孔隙率P为上述范围内时，能够提高导热性片材20的高度差追随性(后述)。此外，在基于JISK 5600-5-1的圆筒形心轴法的耐弯曲性试验中，在下述试验条件下评价导热性片材20时，优选观察不到断裂。试验条件试验装置类型I心轴直径IOmm弯曲角度90度以上导热性片材20的厚度0. 3mm另外，图7以及图8示出了类型I的试验装置的立体图，下面，说明类型I的试验
直ο在图7以及图8中，类型I的试验装置90包括第一平板91 ；第二平板92，其与第一平板91并列配置；以及心轴(旋转轴)93，其是为了使第一平板91与第二平板92相对转动而设置的。第一平板91形成为大致矩形平板状。另外，在第一平板91的一个端部(可动端部)上设置有止挡件94。止挡件94在第一平板91的表面上以沿第一平板91的一个端部延伸的方式形成。第二平板92呈大致矩形平板状，以其一边与第一平板91的一边(与设有止挡件 94的那个端部相反一侧的另一端部(基端部)的一边)相邻的方式配置。心轴93以沿第一平板91和第二平板92的彼此相邻的那边延伸的方式形成。如图7所示，在开始耐弯曲性试验之前，使该类型I的试验装置90的第一平板91 的表面与第二平板92的表面处于同一平面。并且，实施耐弯曲性试验时，将导热性片材20载置在第一平板91的表面和第二平板92的表面上。此外，将导热性片材20以其一个边与止挡件94抵接的方式载置。接着，如图8所示，使第一平板91与第二平板92相对转动。具体地说，使第一平板91的可动端部和第二平板92的可动端部以心轴93为中心转动规定角度。详细地说，使第一平板91和第二平板92以它们的可动端部的表面相接近(相对)的方式转动。由此，导热性片材20追随第一平板91和第二平板92的转动的同时以心轴93为中心弯曲。更优选的是，即使在上述试验条件下，将弯曲角度设定为180度时，导热性片材20也观察不到断裂。此外，在树脂成分15为热固化性树脂成分的情况下，供于弯曲性试验的导热性片材20为半固化(B阶段状态)的导热性片材20。在上述弯曲角度下的耐弯曲性试验中，在导热性片材20中观察到断裂时，有时不能赋予导热性片材20以优异的柔软性。此外，在基于JISK 7171 (2008年)的三点弯曲试验中，在下述试验条件下评价该导热性片材20时，例如，观察不到断裂。试验条件试验片大小 20mmX 15mm支点间距离5mm试验速度20mm/min (压头的压下速度)弯曲角度120度评价方法在上述试验条件下试验时，目视观察试验片的中央部中有无裂纹等断 m农。此外，在树脂成分15为热固化性树脂成分的情况下，三点弯曲试验中使用热固化前的导热性片材20。因而，由于该导热性片材20在上述三点弯曲试验中没有观察到断裂，因此高度差追随性优异。此外，高度差追随性是指，在将导热性片材20设置到具有高度差的设置对象上时，以沿着该高度差紧贴的方式追随的特性。此外，导热性片材20上可以附着例如文字、记号等标记。即，导热性片材20的标记附着性优异。标记附着性是指，能够使上述标记可靠地附着到导热性片材20上的特性。具体而言，标记通过印刷或刻印等附着(涂布、定影或固着)到导热性片材20上。印刷可列举出例如喷墨印刷、凸版印刷、凹版印刷、激光印刷等。此外，在通过喷墨印刷、凸版印刷或凹版印刷来印刷标记时，例如，可以在导热性片材20的表面(印刷侧那面)设置用于提高标记的定影性的墨定影层。此外，在通过激光印刷来印刷标记时，例如，可以在导热性片材20的表面(印刷侧那面)设置用于提高标记的定影性的调色剂定影层。刻印可列举出例如激光刻印、打刻等。此外，这样得到的导热性片材20通常具有绝缘性。图1中，散热片4的剖面大致呈梳状，由例如镍、铜、铝等导热性优异的金属材料形成，为了冷却功率模块用基板2，可以设置在功率模块用基板2的下侧。这样的散热片4包括顶板部11和设置在顶板部11的下表面侧的多个(例如，13 个)突出部12。顶板部11的上表面与第1导热性片材21接触。突出部12在与厚度方向正交的宽度方向上彼此隔着间隔相对地配置。此外，为了得到这样的功率模块1，首先，准备如图4(a)所示的上述散热片4。接着，在该方法中，如图4(b)所示，在散热片4的顶板部11的表面放置第1导热性片材21。此外，这时，在第1导热性片材21中的树脂成分15为热固化性树脂成分的情况下，优选将B阶段状态的第1导热性片材21贴付到散热片4的顶板部11的表面。接着，在该方法中，如图4(c)所示，在第1导热性片材21之上放置绝缘层5。接着，在该方法中，如图5(d)所示，在绝缘层5之上形成多个(例如，2个)端子部 7以及布线(未图示出来)。对形成端子部7以及布线(未图示出来)的方法没有特别的制限，可以采用例如添加法、半添加法等公知的方法。接着，在该方法中，如图5(e)所示，在绝缘层5之上并位于多个(例如，2个)端子部7以及布线(未图示出来)间放置第2导热性片材22。此外，这时，在第2导热性片材22中的树脂成分15为热固化性树脂成分的情况下，优选将B阶段状态的第2导热性片材22贴附到散热片4的顶板部11的表面。之后，在该方法中，如图5(f)所示，在第2导热性片材22之上放置功率器件3，并通过引线10将功率器件3与端子部7电连接。由此得到功率模块1。此外，在该功率模块1的第1导热性片材21和/或第2导热性片材22为B阶段状态的情况下，根据需要，可以将功率模块1加热，使第1导热性片材21和/或第2导热性片材22热固化，但没有图示出。此外，热固化的时机和条件根据目的以及用途来适当决定。此外，这样的功率模块1能够通过导热性片材20来传导由功率模块用基板2和/ 或功率器件3产生的热，结果，能够确保优异的散热性。S卩，在这样的功率模块1中，用于散热由功率模块用基板2和/或功率器件3产生的热的导热性片材20含有片状的氮化硼颗粒，并且该导热性片材20在与厚度方向正交的方向的热导率为4W/m · K以上，因此，在导热性片材20的与厚度方向正交的面方向能够有效地传导热，能够确保优异的散热性。此外，根据这样的功率模块1，第1导热性片材21配置在功率模块用基板2与散热片4之间，因此，由功率模块用基板2和/或功率器件3产生的热通过第1导热性片材21 向面方向扩散并传导到散热片4，能够确保更优异的散热性。此外，根据这样的功率模块1，第2导热性片材22配置在功率模块用基板2与功率器件3之间，因此，由功率器件3产生的热通过第2导热性片材22向面方向扩散并传导到散热片4，能够确保更优异的散热性。进而，在这样的功率模块1中，上述导热性片材20为绝缘性的，因此，能够更可靠地确保功率器件3、导体电路6以及散热片4之间的绝缘性，能够防止它们短路，并且能够提高功率模块1的性能。图6是本发明的功率模块的其它实施方式的简略构成图。此外，图6中，对于与上述各部相对应的部件，附加相同的附图标记，并省略其详细说明。在上述说明中，功率模块用基板2的绝缘层5与散热片4之间夹着第1导热性片材21，但是，例如功率模块用基板2可以进一步具备金属支持层9，在绝缘层5与金属支持层9之间具有作为导热性片材的第3导热性片材23，同时在金属支持层9与散热片4之间也具有作为导热性片材的第4导热性片材M。更具体地，在该实施方式中，功率模块用基板2进一步具备设置在绝缘层5之下的金属支持层9。
金属支持层9比绝缘层5稍大，形成为沿长边方向延伸的平板形状。作为形成金属支持层9的材料，可列举出例如金属箔或金属薄板，更具体而言，可列举出例如不锈钢、铜、铝、铜-铍、磷青铜、42合金等。此外，金属支持层9的厚度可以根据目的以及用途适当设定。此外，在这样的功率模块1中，形成为与金属支持层9大致相同的平板形状的第3 导热性片材23设置在绝缘层5与金属支持层9之间。进而，形成为比金属支持层9大且比散热片4的顶板部11小的平板形状的第4导热性片材M设置在金属支持层9与散热片4 之间。根据这样的功率模块1，在功率模块用基板2具备金属支持层9的情况下，由功率模块用基板2和/或功率器件3产生的热首先可以通过绝缘层5与金属支持层9之间的第 3导热性片材23进行传导，接着，该热通过金属支持层9进行传导，然后通过金属支持层9 与散热片4之间的第4导热片材M进行传导，通过散热片4散热。因此，能够确保优异的散热性。此外，功率模块1中可以设置上述导热性片材20作为填底胶，但没有图示出来。即，在功率模块1的制造中，除了上述那样通过弓丨线10来搭载功率器件3 (引线接合)之外，还可以通过倒装法安装方式来搭载功率器件3 (倒装法接合)，但没有图示出来。倒装法安装方式中，在功率器件3的下表面(功率模块用基板2侧那面)形成凸块电极，该凸块电极与导体电路6的端子部7通过焊锡等连接。此时，通过夹杂焊料等将功率器件3与功率模块用基板2 (端子部7)隔离，因此， 可以将上述的导热性片材20 (优选为B阶段状态的导热性片材20)作为填底胶夹杂在功率模块用基板2与功率器件3之间。根据这样的功率模块1，功率模块用基板2与功率器件3之间被导热性片材20所密封，因此，能够实现功率模块用基板2与功率器件3的连接强度的提高。因此，能够确保优异的散热性，并且能够实现功率模块1的机械强度的提高。此外，该功率模块1中，根据需要，在散热片4之上，可以进一步通过上述导热性片材20 (优选为B阶段状态的导热性片材20)、硅树脂等将功率模块用基板2、功率器件3以及导热性片材20密封。总之，如果将功率模块用基板2、功率器件3以及导热性片材20用导热性片材20 密封，能够实现散热性的进一步提高。此外，在通过导热性片材20进行密封的情况下，优选的是，为了与功率模块用基板2、功率器件3以及导热性片材20等相对应，将导热性片材20挖凿(hollow out)之后用于密封。由此，在防止功率模块用基板2、功率器件3以及导热性片材20的破损的同时，能够将它们更可靠地密封。此外，该功率模块1中，为了谋求散热性的提高，对于1个端子部7，可以并列配置多个引线10，进而，还可以将引线10形成为带状，但没有图示出来。进而，该功率模块1中，可以通过导热性片材20将引线10(包括并列配置的多个引线10、形成为带状的引线10)的表面覆盖，但没有图示出来。引线10的表面通过导热性片材20覆盖时，在引线10中产生的热能够有效地被传导出来，能够确保优异的散热性，并且能确保各引线10间的绝缘性。
实施例以下示出实施例更具体地说明本发明，但本发明不受实施例的任何限制。制造例1(导热件片材的制造)配合PT-110 (商品名，片状的氮化硼颗粒，平均粒径(光散射法)45 μ m, Momentive Performance Materials Inc.制造)13. 42g、JER^8 (商品名，双酚 A 型环氧树脂、第 1 环氧树脂，液态，环氧当量184 194g/eqiV.，软化温度(环球法)低于25°C，熔融粘度 (800C ) 70mPa · s, JAPAN EPOXY RESINS CO.，Ltd.制造)1. 0g、以及 EPPN-501HY (商品名， 三苯基甲烷型环氧树脂，第2环氧树脂，固态，环氧当量163 175g/eqiV.，软化温度(环球法)57 63°C、日本化药公司制造)2.0g、和固化剂(Curezol 2P4 MHZ-PW(商品名，四国化成公司制造)的5质量％甲乙酮分散液)3g(固体成分0. 15g)(相对于环氧树脂JER^S以及EPPN-501HY的总量为5质量％)并搅拌，在室温(23°C )下放置一晚上使甲乙酮(固化剂的分散介质)挥发，从而制备半固态的混合物。此外，在上述配合中，氮化硼颗粒相对于不包括固化剂在内的固体成分(即氮化硼颗粒和环氧树脂的固体成分)的总体积的体积百分比(体积％)为70体积％。接着，用经过有机硅处理过的2张脱模薄膜将所得混合物夹住，通过真空热压机在80°C、10Pa的气氛(真空气氛)下以5吨的载荷(20MPa)对其热压2分钟，得到厚度 0. 3mm的压制片材(参照图2 (a))。之后，将所得压制片材以沿压制片材的厚度方向投影时被分割成多个的方式切割，得到分割片材(参照图2(b))，接着，将分割片材沿厚度方向层叠，得到层叠片材(参照图 2(c))。接着，通过与上述同样的真空热压机，在与上述同样的条件下对所得层叠片材进行热压(参照图2(a))。接着，重复4次上述的切割、层叠以及热压这一连串操作(参照图2)，得到厚度 0. 3mm的导热性片材(未固化(B阶段)状态)(参照图3)。制造例2 9以及11 16按照表1 表3的配合配方以及制造条件，与制造例1同样地进行处理，得到导热性片材。制造例10按照表2的配合配方配合各成分(氮化硼颗粒以及聚乙烯)并搅拌来制备混合物。即，在各成分的搅拌中，加热至130°C而使聚乙烯熔融。接着，用经过有机硅处理过的2张脱模薄膜将所得混合物夹住，通过真空热压机在120°C、10Pa的气氛(真空气氛)下以1吨的载荷(4MPa)对其热压2分钟，得到厚度 0. 3mm的压制片材(参照图2(a))之后，将所得压制片材以沿压制片材的厚度方向投影时分割成多个的方式切割， 得到分割片材(参照图2(b))，接着，将分割片材沿厚度方向层叠，得到层叠片材(参照图 2(c))接着，通过与上述同样的真空热压机，在与上述同样的条件下对所得层叠片材进行热压(参照图2(a))。接着，重复4次上述的切割、层叠以及加压这一连串操作(参照图2)，得到厚度0. 3mm的导热性片材。实施例1准备散热片(参照图4(a))，接着，切出制造例1中得到的未固化(B阶段)状态的导热性片材，并将其贴附到散热片的顶板部之上(参照图4(b))。接着，在导热性片材上放置氮化铝制的绝缘层(参照图4 (c))，接着，在该绝缘层上通过印刷法分别形成2根布线和2个端子部(参照图5(d))。接着，切出制造例1中得到的未固化(B阶段)状态的导热性片材，并将其贴附到各布线以及各端子部间的绝缘层之上(参照图5(e))。之后，在绝缘层之上的导热性片材上放置功率器件(晶闸管)，并通过引线将功率器件与端子部电连接(参照图5 (f))。之后，在150°C下对其加热120分钟使导热性片材热固化，从而制造功率模块。实施例2 16使用制造例2 16中得到的导热性片材，与实施例1同样地，制造实施例2 16 的功率模块。此外，关于制造例10中得到的导热性片材，在120°C下热熔接以代替热固化。比较例1使用非有机硅高导热性油脂(TG200、Nihon Data MaterialCo.，Ltd制造)代替制造例1中得到的导热性片材，并且使其常温干燥代替通过加热的热固化，除此之外，与实施例1同样地制造功率模块。ML1.热导率测定制造例1 16中得到的导热性片材的热导率。S卩，面方向(SD)的热导率通过使用氙气闪光灯分析仪“LFA-447型”(NETZSCH公司制造)的脉冲加热法来测定。其结果如表1 表3所示。2.散热性使实施例1 16的功率模块工作后，通过红外相机测定导热性片材的温度，确认到温度基本没有上升。此外，在使比较例1的功率模块与上述同样地工作后，通过红外照相机测定非有机硅高导热性油脂的涂膜的温度，确认到温度上升。因此，确认实施例1的功率模块的散热性优异。3.孔隙率(P)制造例1 16的热固化前的导热性片材的孔隙率(Pl)通过下述的测定方法进行测定。孔隙率的测定方法首先，通过截面抛光机(CP)对导热性片材沿厚度方向进行切割加工，然后通过扫描型电子显微镜(SEM)以200倍观察由此出现的剖面，得到图像，之后， 利用得到的图像，对孔隙部分以及孔隙以外的部分进行二值化处理，接着，算出孔隙部分相对于导热性片材的整体剖面积的面积比。结果如表1 表3所示。4.高度差追随性(三点弯曲试验)
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在下述试验条件下基于JISK 7171 (2008年)对制造例1 16的热固化前的导热性片材实施三点弯曲试验，按照下述评价基准评价高度差追随性。其结果如表1 表3所示。 试验条件试验片大小 20mmX 15mm支点间距离5_试验速度20mm/min (压头的压下速度)弯曲角度120度评价基准◎完全没有观察到断裂。〇基本没有观察到断裂。X 明确观察到断裂。5. _标舰视/性(_标记,隱牛某〒 ■瞻隱■厢丨_示记,隱牛)通过喷墨印刷以及激光印刷在制造例1 16的导热性片材上印刷标记，并观察所述标记。结果是，可以看到，对于制造例1 16的导热性片材中的任一者，基于喷墨印刷以及激光印刷这两者的标记均良好，确认印刷标记附着性良好。表权利要求
1.一种功率模块，其特征在于，其具备具有绝缘层以及形成于所述绝缘层之上的导体电路的功率模块用基板； 设置在所述功率模块用基板之上、且与所述导体电路电连接的功率器件；和用于散热由所述功率模块用基板和/或所述功率器件产生的热的导热性片材， 所述导热性片材含有片状的氮化硼颗粒，所述导热性片材在与厚度方向正交的方向的热导率为4W/m · K以上。
2.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，其进一步具备设置在所述功率模块用基板之下的散热部件， 所述导热性片材配置在所述功率模块用基板与所述散热部件之间。
3.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述导热性片材配置在所述功率模块用基板与所述功率器件之间。
4.根据权利要求2所述的功率模块，其特征在于，所述功率模块用基板进一步具备设置在所述绝缘层之下的金属支持层， 所述导热性片材设置在所述绝缘层与所述金属支持层之间、并且设置在所述金属支持层与所述散热部件之间。
5.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述导热性片材作为填底胶设置。
全文摘要
本发明涉及功率模块，该功率模块具备具有绝缘层以及形成于前述绝缘层之上的导体电路的功率模块用基板；设置在前述功率模块用基板之上、且与前述导体电路电连接的功率器件；和用于散热由前述功率模块用基板和/或前述功率器件产生的热的导热性片材。前述导热性片材含有片状的氮化硼颗粒，并且前述导热性片材在与厚度方向正交的方向的热导率为4W/m·K以上。
文档编号H01L23/367GK102157464SQ201110034550
公开日2011年8月17日 申请日期2011年1月30日 优先权日2010年1月29日
发明者内山寿惠, 原和孝, 泉谷诚治, 福冈孝博 申请人:日东电工株式会社