⾼放熱性・⾼絶縁耐⼒をもつ パワーデバイス用 コンポジット材料の開発 豊橋技術科学大学 大学院工学研究科 電気電子工学系 准教授 村上 義信 [email protected] 教授 長尾 雅行、武藤浩行 助手 川島 朋裕 新技術の概要 ⾼分⼦絶縁材料にフィラーとして混合する異⽅性熱伝導六⽅ 晶BN粒⼦を配向制御することにより熱伝導率20W／ｍ・K以 上、絶縁破壊強度１００ｋV／ｍｍ以上の特性を有するコン ポジット絶縁材料を開発した。 250 200 直流絶縁破壊強度 [kV/mm] 特徴 • 簡便な⽅法により熱伝導率 と絶縁耐⼒を制御可能 • スケールメリットがある • 熱可塑性高分子の使用 150 B A 100 C 50 0 0 5 10 15 20 熱伝導率 [W/m･K] 2 研究背景 車載用パワーモジュールなどに実装されるパワーデバイスの基板には 放熱機能を有するセラミック基板が用いられてきた Power device Solder Conductive pattern High thermal conductive board Heat sink 近年、電気･電子機器の小型化、高密度化、大容量化が進んでいる 機器の発熱の増大 放熱性能の向上が必要 →放熱性能の向上 放熱性能の向上 機器の高電界化 絶縁性能の向上が必要 →絶縁性能の向上 絶縁性能の向上 材料 熱伝導率 絶縁性 加工性 コスト セラミック ◎ △ × × 高分子材料(樹脂) × ◎ ◎ ○ コンポジット材料 ◎ ○ ○ ○ 3 研究背景 コンポジット材料に求められる性能として・・・ Heat generation Power device パワーデバイスで発熱 Solder Conductive pattern High thermal conductive board Heat release path Heat sink 放熱経路は基板の厚さ方向となる 絶縁性を保ちつつ、厚さ方向に高い熱伝導率を持つコンポジット材料の要求 ナノ充填材の添加、樹脂の熱伝導率の向上などにより 約10 W/(m･K)の材料が開発されている 4 材料の選定 高い熱伝導率及び許容可能な絶縁破壊の強さ を持った高熱伝導性基板の開発 電気絶縁性を持った放熱性充填材の例 充填材 熱伝導率 [W/(m･Ｋ ･Ｋ)] ･Ｋ 抵抗率 [Ω･･cm] コスト アルミナ 15~30 1014～1015 ◎ 窒化ホウ素 60~200 1015 ○ 窒化アルミニウム 150~200 1014 × 窒化アルミニウムは熱伝導率に優れているが、コスト面から使用に制限がある アルミナを用いた場合、熱伝導率10 W/(m･Ｋ)以上の達成は困難 主粒子(充填材)：窒化ホウ素（BN） 吸着粒子（母材）：ポリメタクリル酸メチル(PMMA(平均粒径4 µm)) 5 従来技術とその問題点 従来のコンポジット絶縁材料では、絶縁破壊強度が１００ｋV／ ｍｍを超えるものは熱伝導率が１W／ｍ・K程度で熱伝導率が １０W／ｍ・Kでは絶縁破壊強度が６０ｋV／ｍｍと低い。 フィラーの高充填 →高分子中の凝集体 →絶縁耐力の低下 →高熱伝導率 エポキシ フィラー 凝集・接触 フィラー充填高分子材料 6 ⾼放熱性・⾼絶縁耐⼒をもつ コンポジット材料のコンセプト 絶縁破壊の強さ Platelet BN 熱伝導率 想定される破壊経路 PMMA field 板状BN 配向板状BN 電界方向に配向するBNが存在する 7 静電吸着法 高分子電解質を用いて 両材の表面電荷を 相反するように調整 ※2 ※1 ※1ポリジアリルジメチルアンモニウムクロリド ※2ポリスチレンスルホン酸ナトリウム コンポジット粒子 参考文献：武藤浩行、「ナノ複合粒子の新規製法とそれを用いた複合材の製造方法」、新技術説明会 (2009) 8 静電吸着法による コンポジット材料作製 工程フロー Centrifugal force PMMA スタート S0：複合粒子の作製 S１：スラリーの作製 S２：型枠にスラリー導入 Centrifugal force BN S３： 遠心力の印加 遠心分離 S４ ：遠心力方向への押圧 S５：型枠から離型 型に試料を注入 S６：ホットプレス 厚さ方向にBNが 破断面のSEM画像 配向するようにプレス 遠心力によりBN密度が上昇 9 新技術の特徴 従来技術との比較 熱伝導性と絶縁破壊強度を容易に制御できる 従来：フィラーの凝集の影響のため両者は相反し、 その制御は困難 スケールメリットがあり、特殊設備を使用しないので スケールメリットがあり、特殊設備を使用しないので安価 スケールメリットがあり、特殊設備を使用しないので安価 従来：電界などの外部力により六方晶BNを配向させる 熱可塑性高分子材料コンポジット絶縁材料を作製できる 従来：熱硬化性高分子 10 静電吸着法による コンポジット材料作製結果（１） ※1 Z. Wang : “Development of Epoxy/BN Composites with High Thermal Conductivity and Sufficient Dielectric Breakdown Strength”, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical, Vol.18, No.6 (2011) ※2 X. Huang : “Boron Nitride Based Poly(phenylene sulfide) Composites with Enhanced Thermal Conductivity and Breakdown Strength”, IEEJ Transactions on Fundamentals and Materials, Vol.133, No.3, pp.66-70 (2013) 11 静電吸着法による コンポジット材料作製結果（２） 12 Sample of prepared 10 MPa Sample of prepared 100 MPa 14 12 10 8 6 10 MPa Sample of prepared 10 MPa Sample of prepared 100 MPa 30 Average angle of BN fillers [deg] Average Distance between BN Fillers[µm] 静電吸着法による コンポジット材料作製結果（3） 100 MPa 4 2 25 20 15 10 MPa 100 MPa 10 5 0 0 0 1 2 3 4 5 6 7 PMMA Particle Size [µm] 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 PMMA Particle Size [µm] 9 13 企業への期待 ライセンス，共同研究，人材支援，情報交換など 対象企業 • ポリマー材料メーカー • 絶縁材料メーカー • パワーモジュールメーカー 14 企業への期待 性能向上 性能向上・量産化 実装・量産化 14 本技術に関する知的財産権 • 発明の名称 ：複合絶縁板および 複合絶縁板の製造方法 • 出願番号 ：特願2015-155609 • 出願人 ：豊橋技術科学大学 • 発明者 ：村上義信、長尾雅行 川島朋裕、武藤浩行 お問合せ先：研究推進アドミニストレーションセンター Phone: 0532 - 44 - 6975 FAX: 0532 - 44 - 6980 Mail: [email protected] 担当:勝川裕幸 15 15
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