JP2004533705A - 界面材料ならびにその製造法および使用 - Google Patents

Abstract

樹脂混合物および少なくとも１種のハンダ材料を含む界面材料が本明細書に記載される。この樹脂材料は、どんな適当な樹脂材料を含んでもよいが、ビニルシリコーン、ビニルＱ樹脂、機能性水素化シロキサン、白金−ビニルシロキサンなど１種以上の化合物を含むシリコーン系であることが好ましい。このハンダ材料は、インジウム、銀、銅、アルミニウムおよびその合金、銀メッキした銅、銀メッキしたアルミニウムなどどんな適当なハンダ材料を含んでもよいが、インジウムあるいはインジウム系化合物および／または合金を含むことが好ましい。この界面材料、すなわちポリマーハンダは、高出力半導体デバイスで熱放散を高めることができ、安定な熱的性能を維持する。この界面材料は、成分を合わせて混合してペーストを形成し、それを分配法によって任意の特定の表面に塗布し、室温または高温で硬化させることによって調製することができる。この界面材料はまた、例えばヒートシンクにあらかじめそれを塗布できる他の界面応用例、または他のどんな界面状態に対しても非常にコンプライアントな硬化した粘着性の弾性フィルムまたはシートとして調製できる。

Description

【技術分野】
【０００１】
この一部継続出願は、参照により本明細書に完全に組み込まれる１９９９年３月９日出願の米国本出願第０９／３９８９８９号および２００１年１月３０日出願の第０９／７７４４６６号の特典を請求する。
【０００２】
本発明は界面材料ならびにその製造方法および使用に関する。
【背景技術】
【０００３】
電子部品は、ますます多くの消費者用かつ商用の電子製品に使用されている。これらの消費者用かつ商用の製品のいくつかの例には、テレビ、パソコン、インターネットサーバ、携帯電話、ポケットベル、パームサイズ携帯端末（ｐａｌｍ−ｔｙｐｅ ｏｒｇａｎｉｚｅｒｓ）、携帯用ラジオ、カーステレオ、またはリモコンがある。これらの消費者用かつ商用の電子機器に対する需要が増加するにつれて、それら同じ製品が、消費者および企業にとって、より小さく、より機能的で、かつ持ち運びが容易になることも要求されている。
【０００４】
これらの製品のサイズを小さくしようとする結果として、製品を構成する部品も小さくする必要がある。サイズを小さくするまたは縮小する必要のあるこれらの構成部品のいくつかの例には、印刷回路板または配線板、レジスタ、配線、キーボード、タッチパッド、およびチップパッケージングがある。
【０００５】
したがって、構成部品は、より小さい電子部品に対する要求に対応するために、その部品を縮小させることが可能なより優れた組立て材料または方法があるかどうか決定するために分けて研究されている。積層部品では、積層数を減らすと同時に層の配線密度を上げることが一目標であると思われる。しかし、デバイスを動作させるために通常いくつかの層および層の部品が存在しなければならないことを考えれば、この課題は困難かもしれない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、ａ）デバイスのサイズと積層数を最小にしながら顧客の仕様に合う積層材料の設計および製造を行うこと、ならびにｂ）所望の積層材料およびそれらの積層材料を含む構成部品の信頼できる製造方法を開発することが引き続き必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、樹脂混合物および少なくとも１種のハンダ材料を含む界面材料が提供される。この樹脂材料は、どんな適当な樹脂材料を含んでもよいが、ビニルシリコーン、ビニルＱ樹脂、機能性水素化シロキサン、白金−ビニルシロキサンなど１種以上の化合物を含むシリコーン系であることが好ましい。このハンダ材料は、インジウム、銀、銅、アルミニウム、スズ、ビスマス、ガリウムおよびその合金、銀メッキした銅、銀メッキしたアルミニウムなどどんな適当なハンダ材料を含んでもよいが、インジウムまたはインジウム系化合物を含むことが好ましい。
【０００８】
この界面材料、すなわちポリマーハンダは、高出力半導体デバイスで熱放散を高めることができ、安定な熱的性能を維持する。この界面材料は、それを使用する電子デバイスの熱−機械的応力または出力サイクルの変動時に界面剥離または相分離を受けない。
【０００９】
この界面材料は、成分を合わせて混合してペーストを形成し、それを分配（ｄｉｓｐｅｎｓｉｎｇ）法によって任意の特定の表面に塗布し、室温または高温で硬化させることによって調製することができる。この界面材料はまた、例えばヒートシンクにあらかじめそれを塗布できる他の界面応用例、または他のどんな界面状態に対しても非常にコンプライアントな硬化した粘着性の弾性フィルムまたはシートとして調製できる。
【００１０】
この界面材料はさらにまた、ポリマー系樹脂の酸化を低減させるための酸化防止剤、表面の濡れ性を促進させるための濡れ性向上剤、室温で硬化させることができる促進剤などの硬化促進剤、分散性を高めるための粘度降下剤および架橋助剤を取り込むのに有用かもしれない。また、ほぼ球状粒子のフィラーを含めて界面応用例における界面材料の圧縮性を制限すること、すなわちこの材料および層の厚さを制限または制御することが望ましい場合もある。
【００１１】
上記のフィラーと複合樹脂混合物の組合せなどのハンダ系の熱伝導率は、超極細炭素繊維を他のフィラーとともにこの系に取り込むことによって特に向上させることができることも判明した。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
樹脂混合物および少なくとも１種のハンダ材料を含む界面材料を製造することができる。この樹脂材料は、どんな適当な樹脂材料を含んでもよいが、ビニルシリコーン、ビニルＱ樹脂、機能性水素化シロキサン、白金−ビニルシロキサンなど１種以上の化合物を含むシリコーン系であることが好ましい。このハンダ材料は、インジウム、銀、銅、アルミニウム、スズ、ビスマス、ガリウムおよびその合金、銀メッキした銅、銀メッキしたアルミニウムなどどんな適当なハンダ材料または金属を含んでもよいが、インジウムまたはインジウム系化合物を含むことが好ましい。
【００１３】
本明細書では、「金属」という用語は、元素周期律表のｄブロックおよびｆブロックにある元素、ならびにシリコンやゲルマニウムなど金属様性質を有する元素を意味する。本明細書では、「ｄブロック」という表現は、元素の原子核の周りの３ｄ、４ｄ、５ｄ、６ｄ軌道を満たす電子を有する元素を意味する。本明細書では、「ｆブロック」という表現は、ランタニドおよびアクチニドを含む元素の原子核の周りの４ｆおよび５ｆ軌道を満たす電子を有する元素を意味する。好ましい金属には、インジウム、銀、銅、アルミニウム、スズ、ビスマス、ガリウムおよびその合金、銀メッキした銅、銀メッキしたアルミニウムなどがある。「金属」という用語には、合金、金属／金属複合体、金属セラミックス複合体、金属ポリマー複合体、ならびに他の金属複合体も含まれる。本明細書では、「化合物」という用語は、化学的方法によって元素に分解できる一定の組成を持つ物質を意味する。
【００１４】
本明細書に記載したように、界面材料は、ａ）界面材料／ポリマーハンダ材料は２ミリメートル以下程度の微小ギャップを充填するために用いることができ、ｂ）界面材料／ポリマーハンダ材料は通常の大部分のハンダ材料とは違って、微小ギャップおよびより大きいギャップ中の熱を効率的に放散させることができ、ｃ）界面材料／ポリマーハンダ材料は超小形構成部品、人工衛星に用いられる構成部品、および小さい電子部品に容易に組み込むことができるなど、使用ならびに構成部品のエンジニアリングに直接関連するいくつかの利点を有する。
【００１５】
適当なサーマルフィラーを有することもある、特にシリコーン樹脂を含む樹脂含有界面材料およびハンダ材料は、０．５ｃｍ^２℃／ｗ未満の熱特性を示すことができる。サーマルグリースとは異なって、液状シリコーン樹脂は熱活性化すると架橋して軟質ゲルを形成するので、この材料の熱的性能は、ＩＣデバイスでの熱サイクルまたは流動サイクル後に低下しないはずである。
【００１６】
シリコーン樹脂などの樹脂を含む界面材料およびポリマーハンダは、使用するときサーマルグリースのように「絞り出される」ことはなく、熱サイクル中に界面剥離を示さない。この新規な材料は、分配法によって塗布され、次いで望み通りに硬化する、分配可能な（ｄｉｓｐｅｎｓａｂｌｅ）液状ペーストとして提供することできる。これはまた、ヒートシンクなどの界面の表面にあらかじめ塗布するための、非常にコンプライアントな、硬化した、おそらく架橋性のエラストマーのフィルムまたはシートとして提供することができる。有利には、熱伝導率が約２より大きく、好ましくは少なくとも約４ｗ／ｍ℃のフィラーを用いる。最適には、熱伝導率が約１０ｗ／ｍ℃以上のフィラーを有することが望ましい。この界面材料は、高出力半導体デバイスの熱放散を高める。このペーストは、機能性シリコーン樹脂とサーマルフィラーの混合物として調製することができる。
【００１７】
ビニルＱ樹脂は、以下の基本ポリマー構造を有する活性化硬化特殊シリコーンゴムである。
【００１８】
【化１】

【００１９】
ビニルＱ樹脂は、付加硬化型エラストマー用の透明な強化添加剤でもある。Ｑ樹脂を少なくとも２０％含むビニルＱ樹脂分散剤の例は、ＶＱＭ−１３５（ＤＭＳ−Ｖ４１基剤）、ＶＱＭ−１４６（ＤＭＳ−Ｖ４６基剤）、およびＶＱＸ−２２１（キシレン基剤中５０％）である。
【００２０】
本明細書では、「コンプライアント」という用語は、室温で固く柔軟性のない材料ではなく、室温で容易に曲がり成形できる材料の特性を包含する。本明細書では、「架橋性」という用語は、まだ架橋していない材料または化合物を意味する。
【００２１】
例として、企図したシリコーン樹脂混合物は以下のように形成することができる。
【００２２】
【表１】

【００２３】
この樹脂混合物は、室温または高温で硬化させて、コンプライアントなエラストマーを形成することができる。この反応は、白金錯体またはニッケル錯体などの触媒存在下で、機能性水素化シロキサンによって機能性ビニルシロキサンをヒドロシリル化（付加硬化）することによる。好ましい白金触媒は、ＳＩＰ６８３０．０、ＳＩＰ６８３２．０、および白金−ビニルシロキサンである。
【００２４】
ビニルシリコーンの企図した例には、分子量が約１００００〜５００００のビニル末端ポリジメチルシロキサンがある。機能性水素化シロキサンの企図した例には、分子量が約５００〜５０００のメチルヒドロシロキサン−ジメチルシロキサン共重合体がある。物理的性質は、架橋密度が非常に低い超軟質ゲル材料から架橋密度がより高い強靭なエラストマー網目まで様々に変わり得る。
【００２５】
樹脂混合物に分散させるハンダ材料は、所望の応用例のための任意の適当なハンダ材料であることが企図される。好ましいハンダ材料は、インジウムスズ（ＩｎＳｎ）錯体、インジウム銀（ＩｎＡｇ）錯体および合金、インジウム系錯体、スズ銀銅錯体（ＳｎＡｇＣｕ）、スズビスマス錯体および合金（ＳｎＢｉ）、およびアルミニウム系化合物および合金である。特に好ましいハンダ材料は、インジウムを含む材料である。
【００２６】
サーマルフィラーも樹脂混合物中に分散させることができる。樹脂混合物中にサーマルフィラー粒子が存在すると、有利にはそれらのフィラー粒子の熱伝導性が高くなるはずである。適したフィラー材料には、銀、銅、アルミニウム、およびその合金、窒化ホウ素、アルミニウム球、窒化アルミニウム、銀メッキした銅、銀メッキしたアルミニウム、炭素繊維、金属でコーティングした炭素繊維、金属合金、導電性ポリマーまたは他の複合体材料がある。窒化ホウ素と銀の組合せまたは窒化ホウ素と銀／銅の組合せも熱伝導率を向上させる。少なくとも２０ｗｔ％の量の窒化ホウ素、少なくとも７０ｗｔ％の量のアルミニウム球、少なくとも６０ｗｔ％の量の銀が特に有用である。
【００２７】
特に有効なのは、オハイオ州ＣｅｄａｒｖｉｌｌｅのＡｐｐｌｉｅｄ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ、Ｉｎｃ．社から入手可能なものなど「気相法炭素繊維」（ＶＧＣＦ）と称される特定の形の炭素繊維を含むフィラーである。ＶＧＣＦ、すなわち「超極細炭素繊維」は、熱処理によって高度にグラファイト化したタイプのものである（熱伝導率１９００ｗ／ｍ℃）。約０．５ｗｔ％の超極細炭素繊維を追加すると、熱伝導率が著しく増加する。こうした繊維は様々な長さや直径で利用することができる。すなわち、長さで１ｍｍから数十センチメートルまで、直径で０．１未満から１００μｍ以上まで利用可能である。１つの有用な形は、直径が約１μｍより大きくなく、長さが約５０〜１００μｍであり、直径５μｍ超の他の普通の炭素繊維よりも熱伝導率が約２または３倍大きい。
【００２８】
上記で論じたシリコーン樹脂混合物などの樹脂系に大量のＶＧＣＦを取り込むのは困難である。例えば最大約１μｍの超極細炭素繊維を樹脂に加えた場合、熱伝導率を有益に改善するために樹脂の量に比べて大量の繊維を取り込む必要があるので、それらは十分に混合しない。しかし、比較的大量の他のフィラーを含む樹脂系には、比較的大量の超極細炭素繊維を加えることができることを我々は発見した。ポリマーに単独で加えるよりも他の繊維と共に加える場合、より大量の超極細炭素繊維を樹脂に加えることができ、それによってサーマルインターフェイス材料の熱伝導率が向上する点でより大きな利益が得られる。超極細炭素繊維が樹脂系中に存在する場合、超極細炭素繊維とポリマーの比は重量で０．０５〜０．５０の範囲内であることが望ましい。
【００２９】
ほぼ球状のフィラー粒子を取り込んで、充填密度を最大にすることも有利かもしれない。さらにまた、ほぼ球形状のものなどでは圧縮中に厚さが多少制御できるようになる。有機シラン、有機チタネート、有機ジルコニウムなどの機能性有機金属カップリング剤または濡れ剤を追加することによって、フィラー粒子の分散を容易にすることができる。有機金属カップリング剤、特に有機チタネートは、塗布プロセス中にハンダ材料を容易に溶融させるために使用することもできる。樹脂材料中のフィラーに有用な通常の粒子径は、約１〜２０μｍの範囲内でよく、最大約１００μｍである。
【００３０】
本発明を例示するために、いくつかの実施例を後述の例ＡからＪの成分を混合することによって調製した。示した実施例には、１種以上の任意の添加剤、例えば濡れ性向上剤が含まれる。こうした添加剤の量は様々でよいが、一般に、以下のおおよその量（ｗｔ％で）で有効に存在することができる。フィラーは合計で（フィラーに樹脂を加えて）９５％以下、濡れ性向上剤は０．１〜５％（合計で）、接着促進剤は０．０１〜１％（合計で）である。少なくとも約０．５％の炭素繊維を加えると、熱伝導率が著しく増大することに留意されたい。この実施例はまた、企図した混合物の様々な物理化学的測定値を示す。
【００３１】
【表２】

【００３２】
成分の有機チタネート、ＩｎＳｎ、ＩｎＡｇ、Ｉｎ、ＳｎＡｇＣｕ、ＳｎＢｉ、Ａｌは、重量パーセントまたはｗｔ％として示す。
【００３３】
例Ａはハンダ材料を含まず、参照の目的で用意した。有機チタネートは、濡れ性向上剤としてだけでなく、塗布プロセス中にハンダ材料を容易に溶融させるための融剤としても機能している。
【００３４】
これらの例のハンダ組成物は、以下の通りである。ＩｎＳｎは５２％Ｉｎ（重量で）と４８％Ｓｎ（重量で）からなり、融点が１１８℃である。ＩｎＡｇは９７％Ｉｎ（重量で）と３％Ａｇ（重量で）からなり、融点が１４３℃である。Ｉｎは１００％Ｉｎ（重量で）で、融点が１５７℃である。ＳｎＡｇＣｕは９４．５％スズ（重量で）、３．５％銀（重量で）、２％銅（重量で）からなり、融点が２１７℃である。ＳｎＢｉは６０％スズ（重量で）と４０％ビスマス（重量で）からなり、融点が１７０℃である。異なる成分比率を含む他の組成物は、本明細書に含まれる主題から誘導できることを理解されたい。
【００３５】
処理温度は以下の通りである。例Ａ〜Ｅは１５０℃で３０分、例Ｆ、Ｊ、Ｉは２００℃で３０秒および１５０℃で３０分、例ＧとＨは２４０℃で３０秒および１５０℃で３０分である。
【００３６】
以上、具体的な実施形態ならびに界面材料およびポリマーハンダ材料の応用例を開示した。しかし、本明細書の発明の概念から逸脱することなく、すでに記載したものに加えて、さらに多くの変更形態が可能であることが当業者には明らかなはずである。したがって、本発明の主題は、添付の特許請求の範囲の精神を除いては制限されるべきではない。さらに、明細書と特許請求の範囲の両方を解釈する上で、全ての用語は、その状況と整合性が取れるように可能な限り最も広く解釈すべきである。具体的には、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」と「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は、非排他的に元素、成分、またはステップを指すように解釈すべきである。それは、参照した元素、成分、またはステップが存在し、あるいは利用され、あるいは明確に言及していない他の元素、成分、またはステップと併用できることを示唆している。

Claims (33)

1. 少なくとも樹脂材料および少なくとも１種のハンダ材料を含む電子デバイス用の界面材料。
2. さらに少なくとも１種の濡れ性向上剤を含む請求項１に記載の界面材料。
3. 少なくとも１種の樹脂材料がシリコーン樹脂を含む請求項１に記載の界面材料。
4. シリコーン樹脂がビニル末端シロキサン、強化添加剤、架橋剤および触媒を含む請求項３に記載の界面材料。
5. ビニル末端シロキサンがビニルシリコーンである請求項４に記載の界面材料。
6. 強化添加剤がビニルＱ樹脂である請求項４に記載の界面材料。
7. 架橋剤が機能性水素化シロキサンを含む請求項４に記載の界面材料。
8. 触媒が白金錯体を含む請求項４に記載の界面材料。
9. 白金錯体が白金−ビニルシロキサン化合物である請求項８に記載の界面材料。
10. 濡れ性向上剤が有機チタナイト化合物を含む請求項２に記載の界面材料。
11. 少なくとも１種のハンダ材料がインジウム系合金または化合物を含む請求項１に記載の界面材料。
12. インジウム系合金または化合物がＩｎＳｎ、ＩｎＡｇまたはＩｎを含む請求項１１に記載の界面材料。
13. 少なくとも１種のハンダ材料がスズ系合金または化合物を含む請求項１に記載の界面材料。
14. スズ系合金または化合物がＳｎＡｇＣｕまたはＳｎＢｉを含む請求項１３に記載の界面材料。
15. １種のアルミニウムあるいはアルミニウム系合金または化合物を含む請求項１に記載の界面材料。
16. さらにフィラー材料を含む請求項１に記載の界面材料。
17. フィラー材料が超極細炭素繊維を含む請求項１６に記載の界面材料。
18. 粘度が４５０ポアズより高い請求項１に記載の界面材料。
19. 熱インピーダンスが０．３ｃｍ^２℃／ｗ未満の請求項１に記載の界面材料。
20. 少なくとも１種の樹脂材料および少なくともハンダ材料を含む界面の分配可能なペースト。
21. さらに少なくとも１種の濡れ性向上剤を含む請求項２０に記載の分配可能なペースト。
22. 電子デバイス用の界面材料として有用な請求項２０に記載の分配可能なペースト。
23. 少なくとも１種のシリコーン樹脂材料および少なくとも１種のハンダ材料を含む界面のシートまたはフィルム。
24. さらに少なくとも１種の濡れ性向上剤を含む請求項２３に記載のシートまたはフィルム。
25. 電子デバイス用の界面材料として有用な請求項２３に記載のシートまたはフィルム。
26. 少なくとも１種のシリコーン樹脂材料を少なくとも１種のハンダ材料と合わせることを含む界面材料の製造方法。
27. さらに少なくとも１種の濡れ性向上剤を界面材料に加えることを含む請求項２６に記載の方法。
28. さらに界面材料の分配可能なペーストを調製することを含む請求項２６に記載の方法。
29. さらに界面材料の分配可能なペーストを調製することを含む請求項２７に記載の方法。
30. さらに前記界面材料を、適切な大きさに切断でき電子デバイス中の構成部品間の界面として付着できるシートまたはフィルムに成形することを含む請求項２６に記載の方法。
31. その中に超極細炭素繊維および少なくとも１種の熱伝導性フィラーを取り込むことを含む請求項１に記載の界面材料の熱伝導率を増大させる方法。
32. 前記超極細炭素繊維が、少なくとも約０．５ｗｔ％の量で、または少なくとも０．０５の超極細炭素繊維／ポリマー比で存在する請求項３１に記載の方法。
33. さらに追加として、少なくとも１種の銀、銅、アルミニウム、およびその合金、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、銀メッキした銅、銀メッキしたアルミニウム、炭素繊維、およびその混合物を含むフィラーを取り込むことを含む請求項３１に記載の方法。