CN107871721B - 导热性片材及其制备方法、以及半导体装置 - Google Patents

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Abstract

一种导热性片材，该导热性片材被夹持在半导体装置的热源与散热部件之间，其特征在于，含有粘合剂、碳纤维以及无机填料，所述碳纤维的平均纤维长度为50μm至250μm，按照ASTM‑D5470测定的在负载为7.5kgf/cm2的条件下的热阻小于0.17K·cm2/W，平均厚度小于等于500μm。

Description

导热性片材及其制备方法、以及半导体装置
该申请是分案申请，其母案申请号为201480033308.4，申请日为2015年12月10日，发明名称为：导热性片材及其制备方法、以及半导体装置。
技术领域
本发明涉及导热性片材及其制备方法、以及半导体装置。
背景技术
随着电子设备的进一步高性能化，半导体元件的高密度化以及高实装化不断进展。与此相伴地，更有效地对从构成电子设备的电子元件发出的热进行散热变得尤为重要。为了更有效地进行散热，借助导热性片材将半导体元件安装在散热鳍片、散热板等散热片上。作为导热性片材，广泛使用使无机填料等填充剂(导热性填料)分散含在有机硅中的片材。作为所述无机填料，例如可以举例出氧化铝、氮化铝、氢氧化铝等。
对于这种导热性片材，正在以高导热性为目的进行着各种研究。
例如，正在进行提高基质内混合的无机填料的填充率的研究。然而，如果提高无机填料的填充率，则有可能会损失柔韧性，或者由于无机填料的填充率较高而产生粉尘，因此，提高无机填料的填充率的方法是有限的。
另外，提出了一种在基质内填充氮化硼(BN)、石墨等鳞片状粒子、碳纤维等的技术(例如参考专利文献1和专利文献2)。这些建议的技术是利用鳞片状粒子等所具有的导热率的各向异性的技术。例如，碳纤维的情况，在纤维方向上具有约600W/m·K至1200W/m·K的导热率。氮化硼的情况，已知在面方向上为约110W/m·K，相对于面方向，在垂直的方向上为约2W/m·K左右，具有各向异性。
近年来，半导体元件的高密度化和高实装化显著进展，要求导热性片材具有更进一步的高导热性。另外，要求通过厚度较薄的片材来实现高导热性。
当使用所述碳纤维时，能够获得优异的高导热性与柔韧性并存的导热性片材(例如参考专利文献3)。然而，在厚度较薄的片材(例如平均厚度为500μm以下)中，由于界面的热阻变大，因而未能获得近年来所追求的优异的高导热性与优异的柔韧性并存的导热性片材。
因此，现状是需要提供一种即使厚度较薄也能够使优异的高导热性与优异的柔韧性并存的导热性片材及其制备方法、以及一种使用所述导热性片材的半导体装置。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2006-335957号公报
专利文献2：日本特开2012-15273号公报
专利文献3：日本特开2011-241403号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
本发明所要解决的技术问题在于解决以往的上述诸问题，并达到以下目的。即，本发明的目的在于提供一种即使厚度较薄也能够使优异的高导热性与优异的柔韧性并存的导热性片材及其制备方法、以及一种使用所述导热性片材的半导体装置。
用于解决技术问题的技术方案
本发明用于解决上述技术问题的技术方案如下。即，
<1>一种导热性片材，该导热性片材被夹持在半导体装置的热源与散热部件之间，其特征在于，
含有粘合剂、碳纤维以及无机填料；
所述碳纤维的平均纤维长度为50μm至250μm；
按照ASTM-D5470测定的在负载为7.5kgf/cm2的条件下的热阻小于0.17K·cm2/W；
所述导热性片材的平均厚度小于等于500μm。
<2>根据<1>所述的导热性片材，其特征在于，按照ASTM-D5470测定热阻时，在负载为2.0kgf/cm2至7.5kgf/cm2的范围内，热阻小于等于0.20K·cm2/W。
<3>根据<1>或<2>所述的导热性片材，其特征在于，碳纤维的一部分以如下方式配置在导热性片材的表面：使所述碳纤维的长轴沿着所述导热性片材的面方向。
<4>根据<1>至<3>中任一项所述的导热性片材，其特征在于，无机填料中含有氧化铝。
<5>根据<4>所述的导热性片材，其特征在于，氧化铝的平均粒径为1μm至5μm。
<6>根据<1>至<5>中任一项所述的导热性片材，其特征在于，无机填料中含有氮化铝。
<7>根据<1>至<6>中任一项所述的导热性片材，其特征在于，碳纤维的含量为20体积％至40体积％。
<8>根据<1>至<7>中任一项所述的导热性片材，其特征在于，无机填料的含量为30体积％至55体积％。
<9>根据<1>至<8>中任一项所述的导热性片材，其特征在于，导热性片材的平均厚度(μm)大于碳纤维的平均纤维长度(μm)。
<10>一种导热性片材的制备方法，用于制备<1>至<9>中任一项所述的导热性片材，其特征在于，包括：
挤出成型工序，通过挤出机挤出含有粘合剂前体、碳纤维以及无机填料的导热性组合物，从而获得挤出成型物；
固化工序，使所述挤出成型物固化，从而形成固化物；以及
切割工序，沿所述挤出的方向的垂直方向，以平均厚度小于等于500μm切割所述固化物。
<11>一种半导体装置，其特征在于，
具有热源、散热部件以及被夹持在所述热源与所述散热部件之间的导热性片材；
所述导热性片材为<1>至<9>中任一项所述的导热性片材。
发明的有益效果
根据本发明，能够解决以往的上述诸问题，并达到上述目的，能够提供一种即使厚度较薄也能够使优异的高导热性与优异的柔韧性并存的导热性片材及其制备方法、以及一种使用所述导热性片材的半导体装置。
附图说明
图1A是示出挤出成型时的碳纤维的取向状态的模式图。
图1B是示出挤出成型时的碳纤维的取向状态的模式图。
图2是用于说明本发明的导热性片材的制备方法的一例的概略图。
图3是示出本发明的半导体装置的一例的概略剖面图。
图4是实施例1的导热性片材的表面的SEM图像。
图5是示出负载与热阻之间的关系的图。
图6是实施例16的导热性片材的表面以及截面的SEM图像。
具体实施方式
(导热性片材)
本发明的导热性片材至少含有粘合剂、碳纤维以及无机填料，并进一步根据需要含有其他成分。
所述导热性片材被夹持在半导体装置的热源与散热部件之间使用。
<粘合剂>
作为所述粘合剂，没有特殊限制，能够根据目的进行适当选择，例如可以举例出粘合剂树脂等。作为所述粘合剂树脂，例如可以举例出热塑性聚合物、热固化性聚合物的固化物等。
作为所述热塑性聚合物，例如可以举例出热塑性树脂、热塑性弹性体或者它们的聚合物合金等。
作为所述热塑性树脂，没有特殊限制，能够根据目的进行适当选择，例如可以举例出聚乙烯、聚丙烯、乙烯-α-烯烃共聚物、聚甲基戊烯、聚氯乙烯、聚偏氯乙烯、聚乙酸乙烯酯、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、聚乙烯醇、聚缩醛、聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚萘二甲酸二乙醇酯、聚苯乙烯、聚丙烯腈、苯乙烯-丙烯腈共聚物、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)树脂、聚苯醚、改性聚苯醚、脂族聚酰胺、芳族聚酰胺、聚酰胺-酰亚胺、聚甲基丙烯酸或其酯、聚丙烯酸或其酯、聚碳酸酯、聚苯硫醚、聚砜、聚醚砜、聚醚腈(polyether nitrile)、聚醚酮、聚酮、液晶聚合物、有机硅树脂、离子交联聚合物(ionomer)等。对于这些热塑性树脂，可以单独使用一种，也可以组合两种以上使用。
作为所述热塑性弹性体，例如可以举例出苯乙烯类热塑性弹性体、烯烃类热塑性弹性体、氯乙烯类热塑性弹性体、聚酯类热塑性弹性体、聚氨酯类热塑性弹性体、聚酰胺类热塑性弹性体等。对于这些热塑性弹性体，可以单独使用一种，也可以组合两种以上使用。
作为所述热固化性聚合物，例如可以举例出交联橡胶、环氧树脂、聚酰亚胺树脂、双马来酰亚胺树脂、苯并环丁烯树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯、邻苯二甲酸二烯丙酯(diallyl phthalate)树脂、有机硅树脂、聚氨酯、聚酰亚胺硅氧烷、热固化型聚苯醚、热固化型改性聚苯醚等。对于这些热固化性聚合物，可以单独使用一种，也可以组合两种以上使用。
作为所述交联橡胶，例如可以举例出天然橡胶、丁二烯橡胶、异戊二烯橡胶、腈橡胶(nitrile rubber)、氢化腈橡胶(hydrogenated nitrile rubber)、氯丁橡胶(chloroprene rubber)、乙丙橡胶、氯化聚乙烯、氯磺化聚乙烯、丁基橡胶、卤化丁基橡胶、氟橡胶、聚氨酯橡胶、丙烯酸橡胶、聚异丁烯橡胶、硅橡胶等。对于这些交联橡胶，可以单独使用一种，也可以组合两种以上使用。
其中，从加工成型性、耐候性优异并且对电子元件的贴合性和追随性的观点来看，所述热固化性聚合物尤其优选有机硅树脂。
作为所述有机硅树脂，没有特殊限制，能够根据目的进行适当选择，例如可以举例出加成反应型液状有机硅树脂、用过氧化物硫化的热硫化混炼型有机硅树脂等。其中，作为电子设备的散热部件，对电子元件的发热面和散热片表面的贴合性有所要求，因此尤其优选加成反应型液状有机硅树脂。
作为所述加成反应型液状有机硅树脂，优选以具有乙烯基的聚有机硅氧烷为A液、以具有Si-H基的聚有机硅氧烷为B液的二液性加成反应型液状有机硅树脂。可以根据所希望的导热性片材的柔韧性，对A液与B液的混合比进行适当选择。
作为所述导热性片材中的所述粘合剂的含量，没有特殊限制，能够根据目的进行适当选择，但是优选为25体积％至50体积％。
<碳纤维>
作为所述碳纤维，平均纤维长度(平均长轴长度)只要是50μm至250μm即可，并没有特殊限制，能够根据目的进行适当选择，例如能够使用由沥青类、PAN类、电弧放电法、激光蒸发法、CVD法(化学气相沉积法)、CCVD方法(催化化学气相沉积法)等合成的碳纤维。从导热性的观点来看，在这些之中尤其优选沥青类碳纤维。
根据需要，能够对所述碳纤维的一部分或者全部进行表面处理。作为所述表面处理，例如可以举例出氧化处理、氮化处理、硝化、磺化、或者通过这些处理使导入表面的官能团附着或结合、或者使金属、金属化合物、有机化合物等附着或结合在碳纤维的表面的处理。作为所述官能团，例如可以举例出羟基、羧基、羰基、硝基、氨基等。
从降低热阻的观点来看，优选为碳纤维的一部分以如下方式配置在导热性片材的表面：即，使所述碳纤维的长轴沿着所述导热性片材的面方向。
所述碳纤维的平均纤维长度(平均长轴长度)为50μm至250μm，优选为75μm至200μm，更优选为100μm至150μm。如果所述平均纤维长度小于50μm，则不能充分获得各向异性导热性，会导致热阻变高。如果所述平均纤维长度超过250μm，则所述导热性片材的压缩性会降低，将导致使用时不能获得足够低的热阻。
作为所述碳纤维的平均短轴长度，没有特殊限制，能够根据目的进行适当选择，但是优选为6μm至15μm，更优选为8μm至13μm。
作为所述碳纤维的长宽比(平均长轴长度/平均短轴长度)，没有特殊限制，能够根据目的进行适当选择，但是优选为8以上，更优选为12至30。如果所述长宽比小于8，则由于碳纤维的纤维长度(长轴长度)较短，会导致导热率下降。
在此，能够通过例如显微镜、扫描电子显微镜(SEM)等测定所述碳纤维的平均长轴长度以及平均短轴长度。
作为所述导热性片材中的所述碳纤维的含量，没有特殊限制，能够根据目的进行适当选择，但是优选为20体积％至40体积％，更优选为22体积％至36体积％，尤其优选为28体积％至36体积％。如果所述含量小于20体积％，则难以获得足够低的热阻，如果所述含量超过40体积％，则会对所述导热性片材的成型性和所述碳纤维的取向性产生影响。
<无机填料>
作为所述无机填料，对其形状、材质、平均粒径等没有特殊限制，能够根据目的进行适当选择。作为所述形状，没有特殊限制，能够根据目的进行适当选择，例如可以举例出球状、椭圆球状、块状、粒状、扁平状、针状等。其中，从填充性的观点来看，优选为球状、椭圆球状，尤其优选为球状。
此外，在本说明书中，所述无机填料与所述碳纤维是不同的。
作为所述无机填料，例如可以举例出氮化铝(氮化铝：AlN)、二氧化硅、氧化铝(alumina)、氮化硼、二氧化钛、玻璃、氧化锌、碳化硅、硅(silicon)、氧化硅、氧化铝、金属粒子等。对于这些无机填料，可以单独使用一种，也可以组合两种以上使用。其中，优选为氧化铝、氮化硼、氮化铝、氧化锌、二氧化硅，从导热率的观点来看，尤其优选为氧化铝、氮化铝。
此外，可以对所述无机填料施以表面处理。作为所述表面处理，如果使用偶联剂对所述无机填料进行处理，则所述无机填料的分散性将会提高，并且导热性片材的柔韧性将会提高。
作为所述无机填料的平均粒径，没有特殊限制，能够根据目的进行适当选择。
在所述无机填料为氧化铝的情况下，其平均粒径优选为1μm至10μm，更优选为1μm至5μm，尤其优选为4μm至5μm。如果所述平均粒径小于1μm，则粘度会变大，难以进行混合，如果所述平均粒径超过10μm，则所述导热性片材的热阻会变大。
在所述无机填料为氮化铝的情况下，其平均粒径优选为0.3μm至6.0μm，更优选为0.3μm至2.0μm，尤其优选为0.5μm至1.5μm。如果所述平均粒径小于0.3μm，则粘度会变大，难以进行混合，如果所述平均粒径超过6.0μm，则所述导热性片材的热阻会变大。
能够通过例如粒度分布计、扫描电子显微镜(SEM)测定所述无机填料的平均粒径。
作为所述无机填料的比表面积，没有特殊限制，能够根据目的进行适当选择。
在所述无机填料为氧化铝的情况下，其比表面积优选为0.3m2/g至0.9m2/g。
在所述无机填料为氮化铝的情况下，其比表面积优选为1m2/g至3m2/g。
能够通过例如BET法测定所述无机填料的比表面积。
作为所述导热性片材中的所述无机填料的含量，没有特殊限制，能够根据目的进行适当选择，但是优选为30体积％至55体积％，更优选为35体积％至50体积％。如果所述含量小于30体积％，则所述导热性片材的热阻会变大，如果所述含量超过55体积％，则所述导热性片材的柔韧性会降低。
<其他成分>
作为所述其他成分，没有特殊限制，能够根据目的进行适当选择，例如可以举例出触变性赋予剂、分散剂、固化促进剂、缓凝剂、微增粘剂、增塑剂、阻燃剂、抗氧化剂、稳定剂、着色剂等。
所述导热性片材的平均厚度为500μm以下，优选为100μm至400μm，更优选为200μm至350μm。所述平均厚度是未施加负载时的平均厚度。
优选为所述导热性片材的平均厚度(μm)大于所述碳纤维的平均纤维长度(μm)。由此，使用时容易压缩，能够获得足够低的热阻。
所述导热性片材在施加7.5kgf/cm2的负载时的压缩率优选为5％以上，更优选为10％至70％。如果所述压缩率小于5％，则在压缩时热阻不会变小。
能够通过下式求出所述压缩率。
压缩率(％)＝100×(X-Y)/X
X:施加负载前的导热性片材的平均厚度(μm)
Y:施加7.5kgf/cm2的负载后的导热性片材的平均厚度(μm)。
所述导热性片材按照ASTM-D5470测定的在负载为7.5kgf/cm2的条件下的热阻小于0.17K·cm2/W。作为所述热阻的下限值，没有特殊限制，能够根据目的进行适当选择，但是优选为0.04K·cm2/W。
在此，施加负载进行热阻测定的原因在于，由于使用时通常被夹持在半导体装置的热源与散热部件之间，因而将会对导热性片材施加负载。而且，在对导热性片材施加有负载时与未施加负载时，所述导热性片材的厚度、所述导热性片材内的所述碳纤维的密度和取向、以及所述导热性片材内的所述无机填料的密度等是不同的，因此热阻会发生变化。
优选为，按照ASTM-D5470进行热阻测定时，在负载为2.0kgf/cm2至7.5kgf/cm2的范围内，所述导热性片材的热阻小于等于0.20K·cm2/W。由此，有利于获得具有非常优异的热阻的导热性片材，而不受使用环境左右。作为所述热阻的下限值，没有特殊限制，能够根据目的进行适当选择，但是优选为0.04K·cm2/W。
作为所述导热性片材的制备方法，没有特殊限制，能够根据目的进行适当选择，但是优选为以下说明的本发明的导热性片材的制备方法。
(导热性片材的制备方法)
本发明的导热性片材的制备方法至少包括挤出成型工序、固化工序以及切割工序，并进一步根据需要包括其他工序。
<挤出成型工序>
所述挤出成型工序只要是通过挤出机挤出导热性组合物，从而获得挤出成型物的工序即可，并没有特殊限制，能够根据目的进行适当选择。
-导热性组合物-
所述导热性组合物含有粘合剂前体、碳纤维以及无机填料，并进一步根据需要含有其他成分。
所述粘合剂前体为能够通过后述的固化工序固化，从而形成所述导热性片材的粘合剂的、所述粘合剂的前体，例如可以举例出在本发明的所述导热性片材的说明中示例的所述热固化性聚合物等。
所述碳纤维为在本发明的所述导热性片材的说明中示例的所述碳纤维。
所述无机填料为在本发明的所述导热性片材的说明中示例的所述无机填料。
通过用搅拌器(mixer)等将所述粘合剂前体、所述碳纤维、所述无机填料以及进一步根据需要而加入的其他成分混合，能够调制出所述导热性组合物。
使用挤出机，使所述导热性组合物在模具内挤出成型，由此能够获得挤出成型物。
作为所述挤出机，没有特殊限制，能够根据目的进行适当选择。
通常，在所述挤出机的进出口设置有多个狭缝(slit)，由此使碳纤维沿挤出方向取向。
作为所述狭缝的形状、大小，没有特殊限制，能够根据目的进行适当选择，但是作为所述狭缝的形状，例如可以举例出平板状、格子状、蜂窝状等。作为所述狭缝的大小(宽度)，没有特殊限制，能够根据目的进行适当选择，但是优选为0.5mm至10mm。
作为所述导热性组合物的挤出速度，没有特殊限制，能够根据目的进行适当选择，但是优选为大于等于0.001L/min。
关于所述模具的形状、大小、材质等，没有特殊限制，能够根据目的进行适当选择，作为所述形状，可以举例出中空圆柱状、中空棱柱状等。作为所述大小，能够根据所制作的导热性片材的大小进行适当选择。作为所述材质，例如可以举例出不锈钢等。
在所述导热性组合物通过挤出机等的过程中，所述碳纤维、所述无机填料等向导热性组合物的中心方向聚集，在挤出成型物的表面和中心，所述碳纤维以及所述无机填料的密度是不同的。即，在已通过挤出机的导热性组合物(成型体)的表面，由于所述碳纤维以及所述无机填料未从表面突出，因此，使导热性组合物(成型体)固化而得到的固化物的表面部(导热性片材中的外周部)具备良好的微粘合性，向被粘合体(半导体装置等)进行粘合的粘合性较佳。
另外，如图1A以及图1B所示，通过挤出成型含有碳纤维11以及无机填料12的导热性组合物，能够使碳纤维沿挤出方向取向。
在此，所述微粘合性是指，具有随着时间的推移和湿热的变化粘合力上升较少的再剥离性，并且具有当粘贴在被粘合体上时不会轻易发生位置偏移的程度的粘合性。
<固化工序>
所述固化工序是使所述挤出成型物固化，从而形成固化物的工序。
根据所使用的粘合剂前体进行适宜的固化反应，从而使通过所述挤出成型工序成型的挤出成型物形成固化物。
作为所述挤出成型物的固化方法，没有特殊限制，能够根据目的进行适当选择，但是，在作为所述粘合剂前体而使用有机硅树脂等热固化性聚合物的情况下，优选通过加热来进行固化。
作为在所述加热中使用的装置，例如可以举例出远红外线炉、热风炉等。
作为所述加热温度，没有特殊限制，能够根据目的进行适当选择，但是优选在40℃至150℃的温度下进行。
对于所述有机硅树脂固化后形成的有机硅固化物的柔韧性，没有特殊限制，能够根据目的进行适当选择，例如，能够通过有机硅固化物的交联密度、碳纤维的填充量、无机填料的填充量等进行调整。
<切割工序>
作为所述切割工序，只要是如下工序即可，并没有特殊限制，能够根据目的进行适当选择，即、沿所述挤出的方向的垂直方向，以平均厚度小于等于500μm切割所述固化物。
例如，可以使用超声波切割器(cutter)、刨机等进行所述切割。在所述超声波切割器中，能够对发射频率和振幅进行调节，优选为，发射频率在10kHz至100kHz范围内进行调节，且振幅在10μm至100μm范围内进行调节。如果不是使用超声波切割器，而是使用切割刀(cutter knife)、切片机(旋转刀)进行所述切割，则切割面的表面粗糙度Ra会变大，将导致热阻变大。
通过所述切割工序，沿所述挤出的方向的垂直方向，以规定的平均厚度切割已完成固化反应的固化物，从而能够获得使所述碳纤维沿导热性片材的厚度方向取向(垂直取向)的导热性片材。
另外，当所述加成反应型液状有机硅树脂中的所述A液与所述B液的混合比(质量比)位于A液：B液＝5:5至6:4的范围内时，切割时使碳纤维的一部分以所述碳纤维的长轴沿着所述导热性片材的面方向的方式附着在导热性片材的表面，由此能够获得在导热性片材的表面具有沿着所述导热性片材的面方向配置的碳纤维的导热性片材。
另外，为了获得在导热性片材的表面具有沿着所述导热性片材的面方向配置的碳纤维的导热性片材，所述加成反应型液状有机硅树脂中的所述A液与所述B液的混合比(质量比)优选为A液：B液＝5:5至6:4。在混合比中，如果A液变少，则碳纤维不会附着在导热性片材的表面，如果A液变多，则导热性片材的柔韧性会变得过高，难以进行制备。
在此，使用附图对本发明的导热性片材的制备方法的一例进行说明。
如图2所示，经过挤出、成型、固化、切割(切片)等一系列的工序制备导热性片材。
如图2所述，首先，将粘合剂前体、碳纤维以及无机填料混合并搅拌，从而调制出导热性组合物。接着，在对调制出的导热性组合物进行挤出成型时，使其通过多个狭缝，从而使导热性组合物中混合的碳纤维沿导热性片材的厚度方向取向。接着，使获得的成型体固化后，使用通过超声波切割器，沿所述挤出方向的垂直方向，以规定的厚度切割(切片)固化物，从而能够制作出导热性片材。
(半导体装置)
本发明的半导体装置具有散热部件、热源以及导热性片材，并进一步根据需要具有其他部件。
所述导热性片材被夹持在所述热源与所述散热部件之间。
<热源>
作为所述热源的半导体元件，没有特殊限制，能够根据目的进行适当选择，例如可以举例出CPU、MPU、图形运算元件等。
<散热部件>
作为所述散热部件，只要是将从半导体元件发出的热传导并散发至外部的部件即可，并没有特殊限制，能够根据目的进行适当选择，例如可以举例出散热器、冷却器、散热片、散热板、管芯衬垫(die pad)、印刷电路基板、冷却风扇、珀耳帖(Peltier)元件、热管(heat pipe)、机壳等。
<导热性片材>
所述导热性片材为本发明的所述导热性片材。
在此，图3为示出半导体装置10的一例的概略图，在基板1上设置有半导体元件2，在半导体元件2与散热部件4之间夹持有导热性片材3。
实施例
下面，对本发明的实施例进行说明，但是本发明并不仅限于这些实施例。
在以下的实施例和比较例中，氧化铝粒子以及氮化铝的平均粒径是通过粒度分布计测定到的值。另外，沥青类碳纤维的平均长轴长度以及平均短轴长度是使用显微镜(HIROX Co Ltd生产，KH7700)测定到的值。
(实施例1)
-导热性片材的制作-
使分级调整了比表面积的、18体积％的氧化铝(平均粒径4μm、球状、比表面积0.3m2/g，新日铁住金金属材料株式会社Micron公司生产)、21体积％的氮化铝(平均粒径1μm、球状、比表面积3m2/g、H级，株式会社TOKUYAMA生产)和31体积％的沥青类碳纤维(平均纤维长度100μm、平均短轴长度9.2μm、XN100-10M，日本石墨纤维株式会社生产)分散在二液性加成反应型液状有机硅树脂中，调制出有机硅树脂组合物，其中，所述二液性加成反应型液状有机硅树脂是将有机硅A液(具有乙烯基的有机聚硅氧烷)与有机硅B液(具有H-Si基的有机聚硅氧烷)以3:7(A液：B液)的质量比混合而成的。此外，在上述混合中的体积％是在所获得的导热性片材中的体积％。
另外，所使用的氧化铝以及氮化铝是用硅烷偶联剂进行过偶联处理的。
通过挤出机将所获得的有机硅树脂组合物在模具(中空圆柱状)中挤出成型，制作出有机硅成型体。在挤出机的挤出口形成有狭缝(排出口形状：平板)。
通过烘箱将所获得的有机硅成型体在100℃下加热6小时，从而形成有机硅固化物。
使用超声波切割器，沿挤出方向的垂直方向，将所获得的有机硅固化物切割成片(发射频率20.5kHz、振幅50μm至70μm)，使得平均厚度为100μm。由此，制作出平均厚度为100μm、长度为30mm、宽度为30mm的正方形的实施例1的导热性片材。
使用显微镜(HIROX Co Ltd生产，KH7700)对所获得的导热性片材的截面进行了观察，观察到沥青类碳纤维相对于导热性片材的厚度方向呈0度至5度取向。图4中示出了导热性片材的表面的SEM图像。
另外，对所获得的导热性片材的压缩率进行了测定。其结果如表5-1所示。
〔评价〕
<热阻>
按照ASTM-D5470对热阻进行了测定。结果示出于表1、表4和图5中。
分别在负载为0.5kgf/cm2、1.0kgf/cm2、1.5kgf/cm2、2.0kgf/cm2、3.0kgf/cm2、4.0kgf/cm2、5.3kgf/cm2、6.0kgf/cm2、7.5kgf/cm2的条件下，对热阻进行了测定。
<柔韧性>
通过导热性片材的压缩率对柔韧性进行了评价。具体而言，对向导热性片材施加7.5kgf/m2的负载时的压缩率进行了测定，并基于如下的评价基准进行了评价。
〔评价基准〕
O：压缩率大于等于5％
X：压缩率小于5％
<碳纤维的一部分是否以所述碳纤维的长轴沿着所述导热性片材的面方向的方式配置在导热性片材的表面？(在导热性片材的表面有无碳纤维)>
根据如图4所示的SEM图像，对碳纤维的一部分是否以所述碳纤维的长轴沿着所述导热性片材的面方向的方式配置在导热性片材的表面进行了确认。基于如下的评价标准进行了评价。结果示出于表1中。
〔评价基准〕
A：配置
B：未配置
(实施例2至实施例15、比较例1至比较例4)
除了将实施例1中的碳纤维的种类以及量(体积％)、氧化铝的种类以及量(体积％)、氮化铝的种类以及量(体积％)、以及导热性片材的平均厚度变更为表1至表3中记载的碳纤维的种类以及量(体积％)、氧化铝的种类以及量(体积％)、氮化铝的种类以及量(体积％)、以及导热性片材的平均厚度之外，以与实施例1同样的方式制作出导热性片材。
对于所获得的导热性片材，以与实施例1同样的方式进行了评价。结果示出于表1至表4和图5中。
(实施例16)
除了将实施例1中的有机硅A液与有机硅B液的混合比(质量比)变更为5:5之外，以与实施例1同样的方式制作出导热性片材。
对于所获得的导热性片材，以与实施例1同样的方式进行了评价。结果示出于表3和图5中。另外，对各负载下的压缩率进行了测定。测定结果示出于表5-1中。进一步，图6中示出了导热性片材的SEM图像。其中，SEM图像上的箭头线上方的部分表示导热性片材的表面，箭头线下方的部分表示导热性片材的截面。
(实施例17)
除了将实施例7中的有机硅A液与有机硅B液的混合比(质量比)变更为5:5之外，以与实施例7同样的方式制作出导热性片材。
对于所获得的导热性片材，以与实施例1同样的方式进行了评价。结果示出于表3中。另外，对各负载下的压缩率进行了测定。测定结果示出于表5-2中。
(比较例X、Y、Z)
对于市场上销售的导热性片材，以与实施例1同样的方式，对负载与热阻之间的关系进行了测定。结果示出于表4和图5中。
此外，比较例X的导热性片材为亲和产业株式会社生产的SS-HCTα50-302(厚度0.2mm)，比较例Y的导热性片材是AKUSHISU公司生产的铟片材，比较例Z的导热性片材为Nilaco公司生产的铟片材。
[表1]
Figure BDA0001474827320000161
[表2]
Figure BDA0001474827320000171
[表3]
Figure BDA0001474827320000181
*碳纤维(平均纤维长度：50μm)：XN100-05M(日本石墨纤维株式会社生产)
*碳纤维(平均纤维长度：100μm)：XN100-10M(日本石墨纤维株式会社生产)
*碳纤维(平均纤维长度：150μm)：XN100-15M(日本石墨纤维株式会社生产)
*碳纤维(平均纤维长度：250μm)：XN100-25M(日本石墨纤维株式会社生产)
*氧化铝：新日铁住金金属材料株式会社生产
*AlN(比表面积：1m2/g)：JC(东洋铝业株式会社生产)
*AlN(比表面积：3m2/g)：H级(TOKUYAMA株式会社生产)
[表4]
Figure BDA0001474827320000191
[表5-1]
Figure BDA0001474827320000192
[表5-2]
Figure BDA0001474827320000193
即使实施例1至实施例15的导热性片材的平均厚度薄至500μm以下，按照ASTM-D5470测定的在负载为7.5kgf/cm2的条件下的热阻也小于0.17K·cm2/W，具有优异的热阻，并且柔韧性也优异。
对于将实施例1中的有机硅A液与有机硅B液的混合比(质量比)变更为A液：B液＝5:5的实施例16，在该实施例16的导热性片材中，碳纤维的一部分以所述碳纤维的长轴沿着所述导热性片材的面方向的方式配置在导热性片材的表面，从而使发热体或散热部件与碳纤维的接触面积增加，并使热阻降低。另外，通过将有机硅A液与有机硅B液的混合比(质量比)设为A液：B液＝5:5，提高了柔韧性，使碳纤维的一部分沿着导热性片材的表面方向附着，使低负载的情况下的热阻降低。
对于将实施例7中的有机硅A液与有机硅B液的混合比(质量比)变更为A液：B液＝5:5的实施例17，该实施例17的导热性片材也获得了与上述相同的趋势。
另一方面，在比较例1至比较例3中，无法使优异的热阻与优异的柔韧性并存。在比较例4中，片材成型性较差，无法进行评价。
产业上的可利用性
本发明的导热性片材的导热性高，因此，例如适合用于会因温度而对元件的动作效率和寿命等产生不良影响的CPU、MPU、功率晶体管、LED、激光二极管、各种电池(锂离子电池等各种二次电池、各种燃料电池、电容器、无定形硅、晶体硅、化合物半导体、湿式太阳能电池等各种太阳能电池等)等各种电气设备周边、需要对热进行有效利用的取暖设备的热源周边、热交换器和地板取暖装置的热配管周边等处。
附图标记说明
1 基板
2 半导体元件
3 导热性片材
4 散热部件
10 半导体装置
11 碳纤维
12 无机填料

Claims (6)

1.一种导热性片材，该导热性片材被夹持在半导体装置的热源与散热部件之间，其特征在于，
含有粘合剂、碳纤维以及无机填料；
所述碳纤维的平均纤维长度为50μm至250μm；
所述导热性片材中的所述碳纤维的含量为28体积％至40体积％；
所述导热性片材中的所述无机填料的含量为30体积％至55体积％；
所述无机填料中含有氧化铝和氮化铝；
所述氧化铝的平均粒径为4μm至5μm；
所述氮化铝的平均粒径为0.5μm至1.5μm；
按照ASTM-D5470测定的在负载为7.5kgf/cm2的条件下的热阻小于0.17K·cm2/W；
所述导热性片材的平均厚度小于等于400μm。
2.根据权利要求1所述的导热性片材，其特征在于，
按照ASTM-D5470测定热阻时，在负载为2.0kgf/cm2至7.5kgf/cm2的范围内，热阻小于等于0.20K·cm2/W。
3.根据权利要求1所述的导热性片材，其特征在于，
碳纤维的一部分以如下方式配置在导热性片材的表面：使所述碳纤维的长轴沿着所述导热性片材的面方向。
4.根据权利要求1所述的导热性片材，其特征在于，
导热性片材的平均厚度(μm)大于碳纤维的平均纤维长度(μm)。
5.一种导热性片材的制备方法，用于制备权利要求1所述的导热性片材，其特征在于，包括：
挤出成型工序，通过挤出机挤出含有粘合剂前体、碳纤维以及无机填料的导热性组合物，从而获得挤出成型物；
固化工序，使所述挤出成型物固化，从而形成固化物；以及
切割工序，沿所述挤出的方向的垂直方向切割所述固化物。
6.一种半导体装置，其特征在于，
具有热源、散热部件以及被夹持在所述热源与所述散热部件之间的导热性片材；
所述导热性片材为权利要求1所述的导热性片材。
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