JP5047505B2

JP5047505B2 - 放熱性に優れる電子装置およびその製造方法

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Publication number: JP5047505B2
Application number: JP2006030471A
Authority: JP
Inventors: 邦弘山田; 晃洋遠藤; 弘明木崎
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 2006-02-08
Filing date: 2006-02-08
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2026-02-08
Also published as: JP2007214224A

Description

本発明は、熱伝導性に優れた熱伝導性シリコーン組成物を利用する放熱性に優れる電子装置およびその製造方法に関する。

プリント基板上に実装されるＣＰＵ等の電子部品は使用時の発熱による温度上昇によって性能が低下したり破損したりすることがあるため、従来、電子部品と放熱フィン等の間に熱伝導性の良い放熱シートや放熱グリースが用いられている。放熱シートは手軽に取り付けることができる利点があるが、ＣＰＵ、放熱フィン等の表面は一見平滑に見えてもミクロ的に観れば凸凹があるので、実際はそれらの被着面に放熱シートを確実に密着させることはできず、空気層が残存する結果放熱効果が期待通りに発揮されない不都合がある。それを解決するために放熱シートの表面に粘着層等を設けて密着性を向上させたものも提案されているが十分な結果が得られていない。放熱グリースはCPUや放熱フィン等の表面の凹凸に影響されることなくそれら被着面に良好に追随し密着性をもたらすが、他の部品を汚したり長時間使用するとオイルの流出等の問題が起こりがちである。そのため、液状シリコーンゴム組成物をポッティング剤や接着剤として用いる方法が提案されている（特許文献１、特許文献２）。

ところで、一般的に、CPUなどの電子部品は、シリコンチップとオルガニック基板の間をエポキシ樹脂系のアンダーフィル剤等で封止するが、シリコンチップ及びオルガニック基板、アンダーフィル剤はそれぞれ熱膨張率が異なる。そのため、温度変化により各部品、部材の熱膨張率の違いからシリコンチップ及び基板が反ってしまう。シリコンチップの中央部に対して周辺部では数十ミクロン程度も反ってしまうこともある。しかし、シリコンチップ上に配置されるヒートスプレッダーあるいはヒートシンクは、構造体が大きく高強度であるため反ることはない。したがって、シリコンチップとヒートスプレッダーあるいはヒートシンクとの間に挟まれる放熱材料はシリコンチップの反りに追随できないと、剥離してしまう結果熱抵抗が上昇し所望する放熱性能が得られなくなる。そのため、使用される放熱材料にはシリコンチップの反りに追随できる柔軟性が必要となる。しかし、上記特許文献１、２に記載の組成物は、硬化後の硬化物が非常に硬いことからCPU動作時に起こるシリコンチップの反りに追随出来ずに基材等から剥がれてしまことがある。すると、所望する放熱性能が得られないため、経時で熱抵抗が上昇するなどの問題点があった。

特開昭61-157569号公報特開平8-208993号公報

そこで、本発明は上記欠点を克服し放熱性に優れ高信頼性の電子装置およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意研究を重ねた結果、ヒートスプレッダーあるいはヒートシンクと発熱性電子部品との間に介在させる熱伝導性シリコーン硬化物のずり弾性率を特定の範囲に抑えることにより本発明を完成に至った。

即ち、本発明は、
発熱性電子部品、
ヒートスプレッダーまたはヒートシンク、および、
前記ヒートスプレッダーまたはヒートシンクと前記発熱性電子部品との間に配置され、25℃におけるずり弾性率が200,000Pa以下で、少なくとも２W/ｍKの熱伝導率を有する熱伝導性シリコーン硬化物
を有してなる電子装置を提供する。

また、本発明は上記の電子装置の製造方法として、
発熱性電子部品と、ヒートスプレッダーまたはヒートシンクとの間に、少なくとも２W/ｍKの熱伝導率を有する熱伝導性シリコーン組成物層を介在させ、
該シリコーン組成物層を加熱して、25℃におけるずり弾性率が200,000Pa以下で、少なくとも２W/ｍKの熱伝導率を有する熱伝導性シリコーン硬化物に転換させることを特徴とする電子装置の製造方法を提供するものである。

本発明の電子装置によれば、発熱性電子部品とヒートシンクまたはヒートスプレッダーに介されるシリコーン硬化物は良好な熱伝導性を有するばかりでなく、柔軟性を有しずり弾性率が小さいためシリコンチップの反りに対する追随性が良好で、密着性が維持されるので放熱性能が維持される。この柔軟性、追随性は経時的にも安定で失われることがないので硬化シリコーン層は電子部品から剥がれたりせず、放熱効果の耐久性も高い。

また、本発明の上記電子装置の製造方法によれば、CPUなどの電子部品とヒートスプレッダーやヒートシンクなどの放熱体との間に介在させる熱伝導性シリコーン組成物がペースト状で伸展性があるためにその上から放熱体を圧接固定すると、電子部品及び放熱体の表面に凹凸が存在する場合でもその隙間を押圧により熱伝導性シリコーン組成物で隙間なく埋めることができる。さらに、アッセンブリー時の加熱工程またはCPUなどの電子部品による発熱等により硬化該組成物を硬化させると、上述の優れた放熱特性の電子装置が得られる。

以下にこれを詳述する。なお、本明細書において、ずり弾性率及び熱伝導率は２５℃における測定値である。

本発明に使用される熱伝導性シリコーン硬化物は２５℃におけるずり弾性率が200,000Pa以下であり、好ましくは100,000Pa以下Paであり、より好ましくは10,000〜50,000Paの範囲である。このずり弾性率が200,000Paより大きいとCPUなどの発熱部品の動作時に発生する反りに追随できず所望の放熱特性が得られなくなる。一般的にシリコーンゴムのずり弾性率変化は、温度依存性が低いが、当然ながら温度が高くなるほどずり弾性率は低くなる傾向にある。したがって、25℃でのずり弾性率を200,000Paに抑えられれば電子部品が実働する25℃以上の温度範囲では当然200,000Pa以下となる。本発明は、便宜上、25℃のずり弾性のみを規定するが、電子部品が実働する温度範囲において200,000Pa以下であることが必要となる。

また、この熱伝導性シリコーン硬化物の熱伝導率が2W/ｍK以上であり、好ましくは2.5W/ｍK以上であり、通常2.5〜6W/ｍKの範囲である。小さすぎると所望する放熱特性が得られない。

上記の熱伝導性シリコーン硬化物は、例えば、
（Ａ）アルケニル基含有オルガノポリシロキサンと、
（Ｂ）オルガノハイドロジェンポリシロキサンと、
（Ｃ）熱伝導性フィラーと、
（Ｄ）白金系触媒と、
（Ｅ）反応制御剤
を含有する熱伝導性シリコーン組成物を硬化させることにより得られる。該組成物の熱伝導率は得られる硬化物の熱伝導率と実質的に同じである。以下、この組成物について説明する。

（Ａ）アルケニル基含有オルガノポリシロキサン：
該オルガノポリシロキサンはケイ素原子に直結したアルケニル基を1分子中に少なくとも1個、好ましくは１〜５有するもので、分子構造は限定されず例えば直鎖状でも分岐していてもよい。また、これら構造の異なる２種以上の混合物でもよいし、粘度の異なる２種以上の混合物でもよいアルケニル基としては、ビニル基、アリル基、１−ブテニル基、１−ヘキセニル基などが例示されるが、合成のし易さ、コストの面からビニル基が好ましい。ケイ素原子に結合せる残余の有機基としては、メチル基、エチル基、プルピル基、ブチル基、ヘキシル基、ドデシル基などのアルキル基、フェニル基などのアリール基、２−フェニルエチル基、2-フェニルプロピル基などのアラルキル基が例示され、さらにクロロメチル基、３，３，３，−トリフルオロプロピル基などの置換炭化水素基も例として挙げられる。これらのうち、合成のし易さ、コストの面から９０％以上メチル基が好ましい。ケイ素原子に結合せるアルケニル基は、オルガノポリシロキサンの分子鎖の末端、途中の何れにも存在してもよいが、柔軟性の面では両末端にのみ存在することが好ましい。25℃における粘度は、得られる組成物の保存安定性および組成物の進展性がともに望ましくなる点で、通常、10〜100，000 mm²/sの範囲が好ましく、このましくは100〜50，000 mm²/sである。

（Ｂ）オルガノハイドロジェンポリシロキサン：
オルガノハイドロジェンポリシロキサンは、Si原子に水素原子が直結したSi-H基を1分子中少なくとも1個、好ましくは１〜１０有するもので、直鎖状でも分岐状でもよく、またこれら構造の異なる２種以上の混合物でもよいし、粘度の異なる２種以上の混合物でもよい。Si-H基以外の基は、メチル基、エチル基、プルピル基、ブチル基、ヘキシル基、ドデシル基などのアルキル基、フェニル基などのアリール基、２−フェニルエチル基、2-フェニルプロピル基などのアラルキル基が例示され、さらにクロロメチル基、３，３，３−トリフルオロプロピル基などの置換炭化水素基も例として挙げられる。これらのうち、合成のし易さ、コストの面から９０％以上メチル基が好ましい。ケイ素原子に結合したSi-H基は、オルガノポリシロキサンの分子鎖の末端、途中の何れにも存在してもよい。

（Ｃ）熱伝導性フィラー：
熱伝導性フィラーは前記シリコーン硬化物に熱伝導性を付与するためのものである。例えば、アルミニウム、銀、銅、ニッケル、酸化亜鉛、アルミナ、酸化マグネシウム、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化珪素、ダイヤモンド、グラファイトまたはその組み合わせより選択される。これら熱伝導性フィラーの平均粒径は、通常、0.1〜50μm、好ましくは1〜20μmの範囲である。小さすぎると組成物の粘度が高くなりすぎて進展性の乏しいものとなるし、大きすぎるT得られる組成物が不均一となる易い。また、これら熱伝導性フィラーの形状は球状、不定形状どちらでもよい。

（Ｄ）白金系触媒：
白金系触媒は、白金および白金化合物から選ばれる。この触媒はSi原子に直結するアルケニル基と、同じくSi原子に直結するSi-H基との間の付加反応（ヒドロシリル化反応）を促進する。この成分は、従来公知のものを使用することができるが、例えば白金の単体、塩化白金酸、白金-オレフィン錯体、白金-アルコール錯体、白金配位化合物などが挙げられる。

（Ｅ）反応制御剤：
反応制御剤は、室温でのヒドロシリル化反応の進行を抑え、シェルフライフ、ポットライフを延長させるものである。反応制御剤としては公知のものを使用することができ、アセチレン化合物、各種窒素化合物、有機りん化合物、オキシム化合物、有機クロロ化合物等が利用できる。これらはシリコーン樹脂への分散性を良くするためにトルエン、キシレン、イソプロピルアルコール等の有機溶剤で希釈して使用することもできる。

その他の成分：
上記組成物には必要に応じて上記の必須成分以外にもその他の成分を添加することができる。

例えば、熱伝導性フィラーとシリコーン成分の濡れ性を向上させるために、一般式（１）：
R¹ _aＲ² _ｂSi（OR³）_4-a-b （１）
〔式中、Ｒ^１は炭素原子数6-15のアルキル基であり、Ｒ^２は炭素原子数1〜8の飽和または不飽和の1価の炭化水素基であり、Ｒ^３は炭素原子数1〜6のアルキル基であり、ａは1、2あるいは3の整数、ｂは０〜２の整数で、ａ＋ｂ＝１〜３の整数である。〕
で表されるオルガノシランを必要に応じて用いても良い。一般式（１）中のＲ¹で表される炭素原子数6-15のアルキル基の具体例としては、例えばヘキシル基、オクチル基、ノニル基、デシル基、ドデシル基、テトラデシル基等が挙げられる。炭素原子数が小さすぎると充填剤との濡れ性が充分でなく、大きすぎると該オルガノシランが常温で固化するので取り扱いが不便な上、得られた組成物の低温特性が低下する。またａは1、2あるいは3であるが特に1であることが好ましい。また、上記式中のR²は炭素原子数1〜8の飽和または不飽和の1価の炭化水素基であり、例えばアルキル基、シクロアルキル基、アルケニル基等を挙げることができ、さらに具体的にはメチル基、エチル基、プロピル基、ヘキシル基、オクチル基等のアルキル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基等のシクロアルキル基、ビニル基、アリル基等のアルケニル基、フェニル基、トリル基等のアリール基、2-フェニルエチル基、2-メチル-２-フェニルエチル基等のアラルキル基、3,3,3,-トリフロロプロピル基、2-(ナノフルオロブチル)エチル基、2-(ヘプタデカフルオロオクチル)エチル基、p-クロロフェニル基等のハロゲン化炭化水素基が挙げられるが、特にメチル基、エチル基が好ましい。 R³はメチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基などの炭素原子数1〜6の1種もしくは2種以上のアルキル基であり、特にメチル基、エチル基が好ましい。

前記一般式（１）で表されるオルガノシランの具体例としては、下記のものを挙げることができる。
C₆H₁₃ Si（OCH₃）_3、C₁₀H₂₁Si（OCH₃）₃、C₁₂H₂₅Si（OCH₃）₃、C₁₂H₂₅Si（OC₂H₅）₃、
C₁₀H₂₁Si（CH₃）（OCH₃）₂、C₁₀H₂₁Si（C₆H₅）（OCH₃）₂、C₁₀H₂₁Si（CH₃）（OC₂H₅）₂、
C₁₀H₂₁Si（CH=CH₂）（OCH₃）₂、C₁₀H₂₁Si（CH₂CH₂CF₃）（OCH₃）₂
その他の任意的に配合することができる成分としては、例えば、

[式中、Ｒ^４はＲ^３と同じ意味を有し、Ｒ^５は炭素原子数１〜４のアルコキシ基、ｃは５〜１００の整数である。]
等が挙げられる。

上記の熱伝導性シリコーン組成物は、所要の成分を混合し１液型付加硬化型として低温にて長期にわたり保存できる。

本発明の放熱方法の実施または電子装置の製造においては、上記組成物を例えば市販されているシリンジに詰めてCPU等の発熱性電子部品上に塗布し、得られた塗布層をヒートスプレッダーあるいはヒートシンクと貼り合わせる。このため、組成物の粘度は低すぎると塗布時に液垂れを起こしてしまうし、高すぎると塗布効率が悪くなるため、通常10〜1000 Pa・ｓの範囲が好ましく、より好ましくは50〜400 Pa・ｓである。

発熱性電子部品を組成物層を介してヒートスプレッダーまたはヒートシンクの被着面に貼りあわせた後、接着させるかあるいはクランプ等を用いで締め付けることにより、該電子部品とヒートスプレッダーあるいはヒートシンクとを固定し押圧する。その時に挟み込まれる熱伝導性シリコーン組成物層の厚さは、5μmより小さいとその押圧の僅かなズレにより電子部品と放熱体との間に隙間が生じてしまう恐れがあり、100μmより大きいとその厚みのため熱抵抗が大きくなり放熱効果が悪くなることから5〜100μmの範囲、好ましくは10〜50μmである。

組成物を電子部品上に塗布した後、積極的に加熱して硬化させてもよいし、電子部品の稼動の際の発熱により硬化させてもよい。硬化により生成する硬化物はずり弾性率が低いので電子部品の反りが起ってもそれに追随できるため電子部品からの剥離等は起こらず、経時的にも安定して優れた放熱特性を持続する。

以下、実施例により本発明をさらに詳述する。

実施例、比較例で示す各測定は以下のようにして行った。
−粘度：スパイラル回転粘度計（株式会社マルコム社製、タイプPC-1TL使用）にて測定（25℃、10rpm）
−熱伝導率：JIS R2616の規定に準拠して加熱硬化させる前の熱伝導性シリコーン組成物を深さ3cmの型に流し込み、キッチン用ポリエチレンラップを被せて京都電子工業（株）社製のModel QTM-500で測定した。

−ずり弾性率：ISO6721-10の規定に準拠して、粘弾性測定装置（レオメトリック・サイエンティフィック社製、タイプRDAIII使用）を使用し、直径2.5ｃｍの２枚のパラレルプレートを用いた（熱伝導性シリコーン組成物の厚みは2ｍｍに設定）。測定は、まず室温から５℃／分で125℃まで昇温し、125℃になってから2時間その温度を保持し熱伝導性シリコーン組成物を完全に硬化させた。その後、25℃まで冷却し、硬化後の熱伝導性シリコーン組成物のずり弾性率を測定した（周波数：1.0Rad/sec、ストレイン（変位）：10%に設定）。

−熱抵抗測定：
＜試験片の作成＞
10ｍｍ角のシリコンプレート及びニッケルプレートに熱伝導性シリコーン組成物を挟み込み、140ｋPaの圧力を掛けながら125℃のオーブンにて90分間加熱硬化させた。

＜熱抵抗測定方法＞
上記のように作製した試験片の熱抵抗値をレーザーフラッシュ法にて測定し、その測定値を初期値とした。その後、その試験片を-40℃で30分間と+125℃で30分間の温度サイクルを繰り返す熱衝撃試験機内に入れ、500サイクル後、および1000サイクル後の試験片の熱抵抗を初期値と同様にして測定した。

実施例１−４
下記に示す成分（Ａ）〜（Ｅ）および濡れ性向上剤であるオルガノシランを以下のように混合して実施例1〜4および比較例1〜3に使用するシリコーン組成物を得た。

即ち、５リットルゲートーミキサー（井上製作所（株）製、商品名：５リットルプラネタリミキサー）に成分（Ａ）及び（Ｃ）を仕込み、必要に応じてオルガノシランを加え、７０℃で１時間混合した。得られた混合物を常温になるまで冷却し、次に該混合物に成分（Ｂ）、（Ｄ）、（Ｅ）を表１（実施例）または表２（比較例）に示す配合量で加えて均一になるように混合した。

・成分（Ａ）：
A-1：両末端がジメチルビニルシリル基で封鎖され、２５℃における粘度が６００ｍｍ^２／ｓのジメチルポリシロキサン

・成分（Ｂ）下記式で表されるオルガノハイドロジェンポリシロキサン
B-1

B-2

B-3

B-4

・成分（Ｃ）：
C-1：平均粒径4.9μmのアルミニウム粉末
C-2：平均粒径15.0μmのアルミニウム粉末
C-3：平均粒径1.0μmの酸化亜鉛粉末
C-4：平均粒径70μmのアルミニウム粉末
C-5：平均粒径1.2μmのアルミニウム粉末

・成分（Ｄ）：
D-1：白金-ジビニルテトラメチルジシロキサン錯体のA-1溶液、白金原子として１％含有

・成分（Ｅ）：
E-1：1-エチニル-1-シクロヘキサノールの50%トルエン溶液

・オルガノシラン：
オルガノシラン１：C₆H₁₃ Si（OCH₃）₃
オルガノシラン２：C₁₀H₂₁Si（OCH₃）₃

実施例５
図１は本発明の電子装置の一例を示す半導体装置の縦断面図である。図１に示す様にこの半導体装置は基板１の上に実装されたCPU２と、CPU２の上に設けられた放熱体３と、これらのCPU２と放熱体３との間に設けられた熱伝導性シリコーン組成物の層４とから構成されている。放熱体３はアルミニウム製で、表面積を広くとって放熱作用を向上させるためにフィン付き構造となっている。また、放熱体３と基板１とはクランプ５で締め付けられ、固定されており、シリコーン組成物層４はCPU２と放熱体３との間で押圧されている。

CPU２の上面は2cm×2cmの平面であり、この上に実施例１の熱伝導性シリコーン組成物0.2gを塗布し、上記のようにして放熱体３で押圧した。このようにしてＣＰＵ２と放熱体３との間に挟み込まれた組成物層の厚みは30μmであった。

このような構成を有する半導体装置を、ホストコンピュータ、パーソナルコンピュータ、ワードプロセッサ等使用したときの発熱温度である約１００℃に置いたところ、前記組成物は使用環境下で硬化したが、安定した放熱と熱拡散を持続し、熱蓄積によるＣＰＵの性能低下や破損を防止することができた。

実施例６
図２は本発明の電子装置の別の例を示す半導体装置の縦断面図である。基板６の上に実装されたCPU7と、CPU7の上に熱伝導性シリコーン組成物層８を介して設けられた放熱体９とから構成されている。ここで放熱体９は銅製で表面にニッケルコーティングしたものである。

ＣＰＵ７の上面は1cm×1cmの平面であり、この上に実施例２の熱伝導性シリコーン組成物0.1gを塗布し、その上から放熱体９を被せて押圧した。このようにしてＣＰＵ７と放熱体９との間に挟み込まれた組成物層の厚みは25μmであった。

以上な構成を有する半導体装置を、ホストコンピュータ、パーソナルコンピュータ、ワードプロセッサ等に使用したときの発熱温度である約１００℃に置いたところ、前記組成物は使用環境下で硬化したが、安定した放熱と熱拡散を持続し、熱蓄積によるＣＰＵの性能低下や破損を防止することができた。

半導体装置の縦断面図別の半導体装置の縦断面図

符号の説明

１．基板
２．ＣＰＵ
３．放熱体（ヒートシンク）
４．熱伝導性シリコーン組成物層
５．クランプ
６．基板
７．ＣＰＵ
８．熱伝導性シリコーン組成物層
９．放熱体

Claims

発熱性電子部品、
ヒートスプレッダーまたはヒートシンク、および、
前記ヒートスプレッダーまたはヒートシンクと前記発熱性電子部品との間に配置され、25℃における硬化後のずり弾性率が200,000Pa以下で、硬化前の下記組成物の状態で少なくとも２W/ｍKの熱伝導率を有する熱伝導性シリコーン硬化物
を有してなる電子装置であって、
前記の熱伝導性シリコーン硬化物が、
（Ａ）アルケニル基含有オルガノポリシロキサンと、
（Ｂ）オルガノハイドロジェンポリシロキサンと、
（Ｃ）熱伝導性フィラーと、
（Ｄ）白金系触媒と、
（Ｅ）反応制御剤
を含有してなり、但し前記（Ｃ）成分の熱伝導性フィラーがアルミニウム、酸化亜鉛またはその組み合わせのみからなるフィラーである熱伝導性シリコーン組成物の硬化物である電子装置。
発熱性電子部品と、ヒートスプレッダーまたはヒートシンクとの間に、少なくとも２W/ｍKの熱伝導率を有する熱伝導性シリコーン組成物層を介在させ、
該シリコーン組成物層を加熱して、25℃におけるずり弾性率が200,000Pa以下である熱伝導性シリコーン硬化物に転換させる電子装置の製造方法であって、
前記の熱伝導性シリコーン組成物が、
（Ａ）アルケニル基含有オルガノポリシロキサンと、
（Ｂ）オルガノハイドロジェンポリシロキサンと、
（Ｃ）熱伝導性フィラーと、
（Ｄ）白金系触媒と、
（Ｅ）反応制御剤
を含有し、少なくとも２W/ｍKの熱伝導率を有し、但し前記（Ｃ）成分の熱伝導性フィラーがアルミニウム、酸化亜鉛またはその組み合わせのみからなるフィラーである熱伝導性シリコーン組成物である請求項１に記載の電子装置の製造方法。