放熱性・絶縁耐をもつ

パワーデバイス用

コンポジット材料の開発

豊橋技術科学大学豊橋技術科学大学豊橋技術科学大学豊橋技術科学大学 大学院工学研究科大学院工学研究科大学院工学研究科大学院工学研究科

電気電子工学系電気電子工学系電気電子工学系電気電子工学系

准教授准教授准教授准教授 村上村上村上村上 義信義信義信義信 murakami@ee.tut.ac.jp

教授教授教授教授 長尾長尾長尾長尾 雅行、武藤浩行雅行、武藤浩行雅行、武藤浩行雅行、武藤浩行

助手助手助手助手 川島川島川島川島 朋裕朋裕朋裕朋裕

新技術の概要

特徴

• 簡便な法により熱伝導率

と絶縁耐を制御可能

• スケールメリットがある

• 熱可塑性高分子の使用

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分絶縁材料にフィラーとして混合する異性熱伝導六

晶BN粒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。

0

50

100

150

200

250

0 5 10 15 20

直流絶縁破壊

強度

[kV/mm]

熱伝導率 [W/m･K]

A

B

C

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 deviceSolder

Conductive pattern

Heat sink

High thermal conductive board

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→放熱性能の向上放熱性能の向上放熱性能の向上放熱性能の向上が必要

機器の高電界化→絶縁性能の向上絶縁性能の向上絶縁性能の向上絶縁性能の向上が必要

3

材料材料材料材料 熱伝導率熱伝導率熱伝導率熱伝導率 絶縁性絶縁性絶縁性絶縁性 加工性加工性加工性加工性 コストコストコストコスト

セラミック × ×

高分子材料(樹脂) ×

コンポジット材料

研究背景

Power deviceSolder

Conductive pattern

Heat sink

High thermal conductive board

Heat generation

Heat release path

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

コンポジット材料に求められる性能として・・・

放熱経路は基板の厚さ方向となる

4

パワーデバイスで発熱

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

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

5

充填材充填材充填材充填材 熱伝導率熱伝導率熱伝導率熱伝導率

[W/(m･Ｋ･Ｋ･Ｋ･Ｋ)]抵抗率抵抗率抵抗率抵抗率

[Ω････cm]コストコストコストコスト

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 ×

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))

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

電気絶縁性を持った放熱性充填材の例

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

フィラー充填高分子材料

エポキシ

フィラー

凝集・接触凝集・接触凝集・接触凝集・接触

6

field

絶縁破壊の強さ

想定される破壊経路Platelet BN

PMMA

板状BN

7

電界方向に配向するBNが存在する

配向板状BN

熱伝導率

放熱性・絶縁耐をもつ

コンポジット材料のコンセプト

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

※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

※1

※2

コンポジット粒子 8参考文献：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)

静電吸着法による

コンポジット材料作製

型に試料を注入

遠心力によりBN密度が上昇

厚さ方向にBNが配向するようにプレス

Centrifugal force

Centrifugal force

遠心分離BN

PMMA

破断面のSEM画像

スタート

S0：複合粒子の作製

S１：スラリーの作製

S３： 遠心力の印加

S２：型枠にスラリー導入

S４ ：遠心力方向への押圧

S５：型枠から離型

S６：ホットプレス

工程フロー

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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安価安価安価

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

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静電吸着法による

コンポジット材料作製結果（２）

0

5

10

15

20

25

30

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Ave

rag

e an

gle

of

BN

fill

ers

[deg

]PMMA Particle Size [µm]

Sample of prepared 10 MPaSample of prepared 100 MPa

10 MPa 100 MPa

0

2

4

6

8

10

12

14

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

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NF

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m]

PMMA Particle Size [µm]

Sample of prepared 10 MPaSample of prepared 100 MPa

10 MPa 100 MPa

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静電吸着法による

コンポジット材料作製結果（3）

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企業への期待

• 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

ライセンス，共同研究，人材支援，情報交換など

性能向上

性能向上・量産化

実装・量産化

対象企業 企業への期待

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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 - 6980Mail: tut-sangaku@rac.tut.ac.jp 担当:勝川裕幸

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

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