JP2006503166A - 熱軟化熱伝導性組成物およびその調製方法 - Google Patents

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Abstract

熱軟化熱伝導性組成物は、シリコーン樹脂を含む母材と熱伝導性充填剤とを含む。組成物は電子デバイスの熱的界面材料として使用することができる。組成物は任意の望ましい軟化温度を有するように処方される。

Description

本発明は、熱軟化熱伝導性(HSTC)組成物およびその調製方法およびその使用に関する。さらに詳細には、本発明は、シリコーン樹脂系および熱伝導性充填剤を含むHSTC組成物に関する。HSTC組成物は、熱界面材料(TIM)として使用することができる。
半導体、トランジスタ、集積回路(IC)、ディスクリートデバイスなどの電子部品、および当技術分野で知られた他の電子部品は、通常の動作温度または通常の動作温度範囲内で動作するように設計される。しかし、電子部品の動作は熱を発生する。熱が十分除去されなければ、電子部品はその通常の動作温度よりも顕著に高い温度で動作するであろう。過剰の温度は電子部品の性能およびそれに伴うデバイスの動作に悪い影響を与え、故障までの平均時間に悪い影響を与える。
これらの問題を避けるために、電子部品からヒートシンクへ熱伝導によって熱を除去することができる。次いで、ヒートシンクは対流または放射技術など任意の都合のよい手段によって冷却することができる。熱伝導の間、熱は電子部品からヒートシンクへ電子部品とヒートシンク間の表面接触によって、または電子部品とヒートシンクのTIMによる接触によって伝導することができる。
電子部品とヒートシンクの表面は典型的には完全に平滑でなく、したがって、表面間の完全な接触を達成することは困難である。不十分な熱導体である空気の空間が表面の間に現れ、インピーダンスを増す。空間はTIMを表面の間に挿入することによって充填することができる。TIMの熱抵抗が低いほど、電子部品からヒートシンクへの熱の流れは多い。
B.H.Copely、修士論文MS Thesis、University of Minnesota、 1984 Wengorvius, J.H.、Burnell, T.B.、Zumbrum, M.A.、Krenceski,M.A.、Polym. Preprints 1998、39(1)、512 米国特許第6,169,142号明細書(第4列、7-33行) 欧州特許出願公開第1 101 167 A2号明細書 Zweifel, Hans、"Effect of Stabilization of Polypropylene During Processing and Its Influence on Long-Term Behavior under Thermal Stress, "Polymer Durability、Ciba-Geigy AG、Additives Division、CH-4002 Basel, Switzerland、American Chemical Society、vol.25、375〜396頁、1996 米国特許第6,169,142号明細書(第4列42行〜第5列2行) 米国特許第5,929,164号明細書(第1列65行〜第3列65行) 米国特許第4,299,715号明細書 米国特許第5,904,796号明細書 米国特許第5,912,805号明細書 米国特許第5,930,893号明細書 米国特許第5,950,066号明細書 米国特許第6,054,198号明細書 米国特許第6,286,212号明細書 Campbell, R.C.;Smith, S.E.;Diets,R.L.、"Measurements of Adhesive Bondline Effective Thermal Conductivity and Thermal Resistance Using the Laser Flash Method," IEEE SEMI-THERM XV Symposium、(1999) 83〜97頁 Campbell, R.C.;Smith, S.E.;Diets,R.L., "Laser Flash Diffusivity Measurements of Filled Adhesive Effective Thermal Conductivity and Contact Resistance Using Multilayer Methods," Thermal Conductivity 25-Thermal Expansion 13、June 13〜16、1999 "Standard Test Method for Thermal Diffusivity of Solids by the Flash Method," ASTM Test Method E1461-92
市場で入手可能ないくつかのTIMは、熱伝導性充填材を充填した弾性体である。しかし、弾性体には、熱的界面接触抵抗を低下させ、基板とTIMの間の効率的な熱伝導を高めるために高い圧力を必要とする欠点がある。
伝導性充填剤を有するシリコーングリースもTIMとして提案された。しかし、グリースは、それらを塗布するのが汚く、塗布の後に空間から流れ出すという欠点を有する。
HSTC組成物は、それらが低温で固体として取り扱うことができ、高温で軟化するので、上述の問題を解決するのに有利である。軟化温度は電子部品の通常の動作温度に等しいかそれを超える温度とすることができる。
HSTC組成物はワックスなどの有機材料と伝導性充填剤を含むことができる。しかし、有機ワックスは、塗布後に電子部品の動作中に空間から流れ出す欠点を有する。また、有機ワックスは室温で脆いことがある。
本発明は、熱軟化熱伝導性(HSTC)組成物およびその調製方法と使用に関する。HSTC組成物は母材と熱伝導性充填剤を含む。母材はシリコーン樹脂を含む。
特記しないかぎり全ての量、割合、百分比は重量による。以下は本明細書で使用する定義のリストである。
(用語の定義と使用)
「A」および「an」の各々は、1個またはそれ以上を意味する。
「アルキル(alkyl)」は、1価の飽和炭化水素基を意味する。
「組合せ(combination)」は、任意の方法によって2つ以上を一緒にすることを意味する。
「コポリマー(copolymer)」は、少なくとも2種類の別個のモノマーからなるポリマーを意味する。コポリマーは2種類の別個のモノマーだけから作られたポリマーを含むが、制限されない。
「Dユニット」は、式R2SiO2/2(各Rは有機の基である)のユニットを意味する。
「Mユニット」は、式R3SiO1/2(各Rは有機の基である)のユニットを意味する。
「Qユニット」は、式SiO4/2の単位を意味する。
「シロキサン」および「シリコーン」は、本明細書において同意語として使用される。
「シリコーン樹脂」は、RxSiO(4-x)/2ユニット(各Rは有機基であり、少なくとも1個のユニットが1よりも大きなxを有する条件で、各xは0、1、2または3である)を含む分枝状分子構造を有するポリマーを意味する。
「置換した」は、炭素原子に結合した1個または複数の水素原子を他の置換基で置き換えたことを意味する。
「表面処理した」は、充填剤粒子の反応性基の全てまたは一部を任意の都合のよい化学的または非反応性手段によって反応性を低くしたことを意味する。
「Tユニット」は、式RSiO3/2(Rは有機基である)のユニットを意味する。
(熱軟化熱伝導性組成物)
本発明はHSTC組成物に関する。HSTC組成物は、
(A)シリコーン樹脂を含む母材と、
(B)熱伝導性充填剤と、
任意選択的に(C)処理剤と、
任意選択的に(D)酸化防止剤とを含む。
(母材)
シリコーン樹脂は当技術分野に既知であり、市場で入手可能である。シリコーン樹脂は、組成物に組成物の4〜60%の量加えることができる。シリコーン樹脂は、DT、MDT、DTQ、MQ、MDQ、MDTQ、またはMTQ樹脂、あるいはDTまたはMQ樹脂など、M、D、T、Qユニットの組合せを含むことができる。
DT樹脂は、式、
(R1R2SiO2/2)a(R3SiO3/2)b
を含む樹脂で例示される。
R1、R2、R3の各例は同じであることも異なることもできる。R1、R2、R3は各ユニットの中で異なってもよい。各R1、R2、R3は、独立に炭化水素基またはアルコキシ基などのヒドロキシル基または有機基を表す。炭化水素基は飽和または不飽和とすることができる。炭化水素基は、分枝、非分枝、環状、またはその組合せとすることができる。炭化水素基は、1〜40個の炭素原子、あるいは1〜30個の炭素原子、あるいは1〜20個の炭素原子、あるいは1〜10個の炭素原子、あるいは1〜6個の炭素原子を有することができる。炭化水素基は、メチル、エチル、n-プロピル、イソプロピル、n-ブチル、t-ブチル、あるいはメチルまたはエチル、あるいはメチルなどのアルキル基を含み、フェニル、トリル、キシリル、ベンジル、フェニルエチル、あるいはフェニルなどの芳香族基を含む。不飽和炭化水素基はビニル、アリル、ブテニル、ヘキセニルなどのアルケニルを含む。
上記の式において、aは1〜200であり、あるいは1〜100であり、あるいは1〜50であり、あるいは1〜37であり、あるいは1〜25である。上記の式において、bは1〜100であり、あるいは1〜75であり、あるいは1〜50であり、あるいは1〜37であり、あるいは1〜25である。
あるいは、DT樹脂は、式、
(R1 2SiO2/2)a(R2 2SiO2/2)b(R1SiO3/2)a(R2SiO3/2)b(式中、R1、R2、a、bは上述の通りである)を有することができる。あるいは、この式において、各R1はアルキル基とすることができ、各R2は芳香族基とすることができる。
MQ樹脂は、式、
(R1R2R3SiO1/2)c(SiO4/2)d (式中、R1、R2、R3、は上述の通りであり、cは1〜100であり、dは1〜100であり、dに対するcの平均比率は0.65〜1.9である)の樹脂によって例示される。
シリコーンポリマーを、シリコーン樹脂に追加して、またはその一部の代りに成分(A)に加えることができる。シリコーンポリマーは、組成物の0〜35%の量加えることができる。シリコーンポリマーは、ポリジメチルシロキサンなどの直鎖または分枝状ポリジオルガノシロキサンとすることができる。シリコーンポリマーは、式、
(R1R2R3SiO1/2)2(R1R2SiO2/2)e(式中、R1、R2、R3、は上述の通りであり、eは5〜800であり、あるいは50〜200である)のポリマーによって例示される。
M、D、T、Qユニットの組合せおよびシリコーンポリマーの存在は材料の物理的および流動学的特性に影響を与える。典型的に、それらの組成物は広いガラス転移温度(Tg)範囲を有する。この範囲を超えると、組成物は温度の上昇と共にモジュラスと粘度が顕著に低下する。これはHSTC組成物の緩やかな軟化または硬化をもたらす。例えば、B.H.Copely、修士論文MS Thesis、University of Minnesota、1984 およびWengorvius, J.H.、Burnell, T.B.、Zumbrum, M.A.、Krenceski,M.A.、Polym. Preprints 1998、39(1)、512は、ガラス転移温度に対するMQ樹脂/シリコーンポリマーの影響を示している。本発明の目的のために、シリコーン樹脂またはシリコーン樹脂/シリコーンポリマーの組合せは、環境温度に近いフィルムとして取り扱うのに必要な物理的な完全さとモジュラスを有するように選択することができる。これはHSTC組成物をTIMとしてフィルムの形態で適用することを容易にする。室温での母材の粘度は100パスカル・秒(Pa・s)を超えることができる。したがって、適切なシリコーン樹脂またはシリコーン樹脂/シリコーンポリマーの組合せは、動作または組立て温度でモジュラスと粘度が大きく低下するように選択される。これは熱発生と熱放散基板の間の組成物の密接な接触を促進する。90℃を超えると、母材の粘度は10Pa・s以下とすることができる。
実質的に、シリコーン樹脂またはシリコーン樹脂とシリコーンポリマーの組合せにおけるM、D、T、およびQユニットの組合せは、適用温度と組立て温度または動作温度の間の粘度が十分大きく変化するように選択される。また、シリコーン樹脂も室温で粘着性があるように選択することができる。それらの母材から調製されたTIMは組立てが容易になるので有利であろう。
組成物は成分(A)を少なくとも4%、あるいは少なくとも5%含むことができる。組成物は成分(A)を60%まで、あるいは50%まで、あるいは20%まで、あるいは10%まで含むことができる。
本明細書の範囲の開示は、範囲自体を開示するだけではなく、その中に包含されるあらゆるもの、並びに最終点の開示であると解釈すべきであることを理解すべきである。例えば、1〜10の範囲の開示は、1〜10の範囲を開示するだけではなく、1、2.7、9、10を個別に、ならびにその範囲に包含される任意の他の数字も開示していることを理解すべきである。同様に、炭素原子1〜5個の炭化水素の範囲の開示は、炭素原子1〜5個の炭化水素だけをひとつの種類として開示するのではなく、炭素原子1個の炭化水素、炭素原子2個の炭化水素、炭素原子3個の炭化水素、炭素原子4個の炭化水素、炭素原子5個の炭化水素を個別に開示するものと理解すべきである。
(充填剤)
成分(B)は熱伝導性充填剤である。成分(B)は成分(A)の中に分散される。組成物中の成分(B)の量は、成分(A)に選択した材料、成分(B)に選択した材料、および組成物の軟化温度を含む様々な要因に依存する。成分(B)の量は、組成物全体の少なくとも40%、あるいは組成物全体の少なくとも50%、あるいは組成物全体の少なくとも80%、あるいは組成物全体の少なくとも85%とすることができる。成分(B)の量は、組成物の96%まで、あるいは95%までとすることができる。成分(B)の量があまり少ないと、組成物はある用途において十分な熱伝導性を持たないであろう。
成分(B)は熱伝導性、導電性、またはその両方とすることができる。あるいは、成分(B)は、熱伝導性および電気的に絶縁性とすることができる。成分(B)用の適切な熱伝導性充填剤は、金属粒子、金属酸化物粒子、およびその組合せを含む。成分(B)用の適切な熱伝導性充填剤は、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、チタン酸バリウム、酸化ベリリウム、窒化ホウ素、ダイヤモンド、グラファイト、酸化マグネシウム、銅、金、ニッケル、または銀などの金属粒子、シリコンカーバイド、タングステンカーバイド、酸化亜鉛、およびこれらの組合せによって例示される。
熱伝導性充填剤は当技術分野に既知であり、商業的に入手可能である。例えば、米国特許第6,169,142号(第4列、7-33行)を参照されたい。例えば、CB-A20SおよびAl-43-MeはShowa Denkoから商業的に入手可能な異なる粒子サイズの酸化アルミニウム充填剤であり、AA-04、AA-2、AA18はSumitomo Chemical Companyから商業的に入手可能な酸化アルミニウム充填剤である。
銀充填剤はMetalor Technologies U.S.A. Corp. of Attleboro、Massachusetts、U.S.A.から商業的に入手可能である。窒化ホウ素充填剤は、Advanced Ceramics Corporation, Cleveland、Ohio、U.S.A.から商業的に入手可能である。
充填剤粒子の形状は特に制限されないが、丸いまたは球状の粒子は、組成物中に充填剤を高度に充填したとき粘度が望ましくないレベルに増加するのを防止することができる。
異なる粒子サイズおよび異なる粒子サイズ分布を有する充填剤の組合せは、成分(B)として使用することができる。例えば、より大きな平均粒子サイズを有する第1の酸化アルミニウムを、より小さな平均粒子サイズを有する第2の酸化アルミニウムと、最密充填の理論分布曲線に適合する割合で組合せることが望ましいであろう。これは充填効率を向上させ、粘度を低下させ、熱移動を高めることができる。
充填剤の平均粒子サイズは、成分(B)に選択した充填剤の種類および組成物に加えた正確な量を含む様々な要因に依存するが、充填剤は少なくとも0.2、あるいは少なくとも2マイクロメートルの平均粒子サイズを有することができる。充填剤は、80マイクロメートルまで、あるいは50マイクロメートルまでの平均粒子サイズを有することができる。
成分(B)用の充填剤は任意選択的に表面処理することができる。処理剤および処理方法は当技術分野に既知であり、例えば、米国特許第6,169,142号(第4列42行〜第5列2行)を参照されたい。組成物は少なくとも0.05%の(C)処理剤を含むことができる。HSTC組成物は、(C)処理剤を5%まで、あるいは2%まで、あるいは0.5%まで含むことができる。
処理剤は、式R4 fSi(OR5)(4-f)(式中、fは1、2、または3であり、xは3である)を有するアルコキシシランとすることができる。R4は、少なくとも1個の炭素原子、あるいは少なくとも8個の炭素原子の置換または非置換の一価の炭化水素基である。R4は、50個までの炭素原子、あるいは30個までの炭素原子、あるいは18個までの炭素原子を有する。R4は、ヘキシル、オクチル、ドデシル、テトラデシル、ヘキサデシル、オクタデシルなどのアルキル基、およびベンジル、フェニルエチルなどの芳香族基によって例示される。R4は、飽和または不飽和、分枝または非分枝、および非置換とすることができる。R4は飽和、非分枝、および非置換とすることができる。
R5は、少なくとも１の炭素原子の非置換飽和炭化水素である。R5は、4個までの炭素原子、あるいは2個までの炭素原子を有することができる。成分(C)はヘキシルトリメトキシシラン、オクチルトリエトキシシラン、デシルトリメトキシシラン、ドデシルトリメトキシシラン、テトラデシルトリメトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルエチルトリメトキシシラン、オクタデシルトリメトキシシラン、オクタデシルトリエトキシシラン、およびその組合せによって例示される。
また、アルコキシ-官能性オリゴシロキサンも処理剤として使用することができる。アルコキシ-官能性オリゴシロキサンおよびその調製方法は当技術分野に既知であり、例えば、欧州特許出願公開第1 101 167 A2号を参照されたい。例えば、適切なアルコキシ-官能性オリゴシロキサンは式(R6O)gSi(OSiR7 2R8)4-gのものを含む。この式において、gは1、2、または3、あるいはgは3である。各R6はアルキル基とすることができる。各R7は炭素原子1〜10個の不飽和一価炭化水素基から独立に選択することができる。各R8は、少なくとも11個の炭素原子を有する不飽和一価炭化水素基とすることができる。
また、処理剤は、オクタデシルメルカプタン等のアルキルチオール、オレイン酸、ステアリン酸などの脂肪酸、およびミリスチルアルコール、セチルアルコール、ステアリルアルコールなどのアルコール、またはその組合せを含むこともできる。
アルミナまたは不動態化した窒化アルミニウム用の処理剤は、アルコキシシリル官能性のアルキルメチルポリシロキサン(例えば、R9 hR10 iSi(OR11)(4-h-i)の部分的に加水分解した縮合物または共加水分解縮合物、または混合物)、加水分解可能な基がシラザン、アシルオキシ、またはオキシモ(oximo)である類似の材料を含むことができよう。これらの全てにおいて、上記の式中のR9などのSiに繋がれる基は、長鎖の不飽和一価炭化水素または一価の芳香族官能性炭化水素である。R10は一価の炭化水素基であり、R11は炭素原子1〜4個の一価炭化水素基である。上記の式において、h+iが1、2、または3である条件で、hは1、2、または3であり、iは0、1、または2である。当業者であれば、過度の実験を行うことなく、特定の処理を最適化して充填剤の分散を助けることができよう。
(他の任意選択的な成分)
熱伝導性充填剤である成分(B)は、熱伝導性充填剤に加えて、または熱伝導性充填剤の一部の替わりに、任意選択的に強化充填剤を含むことができる。強化充填剤は、破砕したKEVLAR(登録商標)などの破砕したファイバーとすることができる。理論に拘束されることは望まないが、破砕したKEVLAR(登録商標)は強度および熱膨張係数(CTE)を向上させるものと考えられる。また、強化充填剤は成分(C)で処理することができる。
任意選択的な成分(D)は酸化防止剤である。理論に拘束されることは望まないが、成分(D)はシリコーン樹脂、シリコーンポリマー、または充填剤処理剤の鎖の破断または分解を防止するものと考えられる。成分(D)は、ポリプロピレンなどのプラスチックに通常使用される任意の酸化防止剤を含むことができる。成分(D)は、組成物中に少なくとも0.001%、あるいは少なくとも0.05%から1%まで加えることができる。
適切な酸化防止剤は当技術分野に既知であり、商業的に入手可能である。適切な酸化防止剤はフェノール性酸化防止剤、およびフェノール性酸化防止剤と安定剤との組合せを含む。フェノール性酸化防止剤は、完全に立体的に障害のあるフェノールおよび部分的に立体障害のあるフェノールを含む。安定剤は、三価の有機リン化合物、亜リン酸塩、ホスホン酸塩、またはその組合せなどの有機リン誘導体、硫化物、ジアルキルジチオカルバマート、ジチオジプロピオン酸塩、およびその組合せを含む有機硫黄化合物などの硫黄系相乗剤、テトラメチル-ピペリジン誘導体などの立体障害アミンを含む。適切な酸化防止剤および安定剤は、Zweifel, Hans、"Effect of Stabilization of Polypropylene During Processing and Its Influence on Long-Term Behavior under Thermal Stress," Polymer Durability、Ciba-Geigy AG、Additives Division、CH-4002、Basel、Switzerland、American Chemical Society、vol.25、375〜396頁、1996に開示されている。
適切なフェノール性酸化防止剤は、ビタミンEおよびCiba Specialty Chemicals, U.S.A.製のIRGANOX(登録商標)1010を含む。IRGANOX(登録商標)1010はペンタエリスリトールテトラキス(3-(3,5-ジ-t-ブチル-4-ヒドロキシフェニル)プロピオナート)を含む。
任意選択的な成分(E)は、抑制剤である。成分(E)は、付加反応触媒抑制剤とすることができる。付加反応触媒抑制剤は当技術分野に既知であり、商業的に入手可能である。例えば、米国特許第5,929,164号(列1行65〜列3行65)を参照されたい。
成分(E)は、ホスフィン、ジホスフィン、アミン、ジアミン、トリアミン、有機硫化物、アルケニル官能性化合物、アルキニル官能性化合物、ヒドロキシ官能性化合物、その組合せまたは任意の他の遷移金属触媒毒とすることができる。
適切なホスフィンは、トリアルキルホスフィンおよびトリフェニルホスフィンなどのトリアリールホスフィンを含む。適切なジホスフィンはテトラフェニルエチレンジホスフィンを含む。適切なアミンは、n-ブチルアミンおよびトリエタノールアミンを含む。適切なジアミンは、テトラメチレンジアミンを含む。適切な有機硫化物はエチルフェニルスルフィドを含む。適切なアルケニル-官能性化合物は、有機のオルガノシリコーン、またはオルガノシランとすることができる。適切なアルケニル-官能性化合物は、ビニルシロキサンおよびビニルシランを含む。適切なアルキニル官能性化合物は、アセチレン、プロピン、1-ブチン、1-ペンチン、4,4-ジメチル-1-ペンチン、1-へキシン、5-メチル-1-ヘキシン、1-デシンなどの有機物とすることができる。
成分(E)は、組成物が中央演算装置(CPU)デバイスに使用されるとき、少なくとも7年間HSTC組成物に機械的および化学的安定性を与えるのに十分な量で加えられる。成分(E)の量は、少なくとも0.001%とすることができる。成分(E)の量は、1%までの量とすることができる。
成分(F)は、成分(A)に追加して、または成分(A)の一部の替わりに加えることのできる任意選択的な母材材料である。成分(F)は、有機官能性シリコーンワックス、シリコーン-有機ブロックコポリマー、またはその組合せを含むことができる。
成分(G)は、溶媒または希釈剤などのビヒクルである。成分(G)は、例えば混合と送達を助けるために、組成物の調製の間に加えることができる。成分(G)の全てまたは一部は任意選択的にHSTC組成物を調製した後除去することができる。
成分(H)は湿潤剤である。
成分(I)は消泡剤である。
成分(J)は顔料である。
成分(K)は難燃剤である。
成分(L)はスペーサーである。スペーサーは有機粒子、無機粒子、またはその組合せを含むことができる。スペーサーは熱伝導性、導電性またはその両方とすることができる。スペーサーは少なくとも25マイクロメートルから250マイクロメートルまでの粒子サイズを有することができる。スペーサーは単一分散されたビーズを含むことができる。成分(L)の量は、粒子の分布、配置の間に加えられる圧力、配置の温度を含む様々な要因に依存する。組成物は、成分(B)に追加して、またはその一部の代りに成分(L)を15%まで、あるいは5%まで含むことができる。
成分(M)は低融点金属充填剤である。低融点金属充填剤はIn、Snまたはその合金を含むことができる。低融点金属充填剤は任意選択的にさらにAg、Bi、Cd、Cu、Ga、Pb、Zn、またはその組合せを含むことができる。適切な低融点金属充填剤の例には、In-Bi-Sn合金、Sn-In-Zn合金、Sn-In-Ag合金、Sn-Ag-Bi合金、Sn-Bi-Cu-Ag合金、Sn-Ag-Cu-Sb合金、Sn-Ag-Cu合金、Sn-Ag合金、Sn-Ag-Cu-Zn合金、およびその組合せが含まれる。低融点金属充填剤は、250℃まで、あるいは225℃までの融点を有することができる。低融点金属充填剤は、少なくとも50℃、あるいは少なくとも150℃の融点を有することができる。低融点金属充填剤は、共晶合金、非共晶合金、または純金属とすることができる。低融点金属充填剤は、当技術分野に既知であり、商業的に入手可能である。成分(M)は成分(B)の全てまたは一部に追加で、または代りに加えることができる。組成物は96%までの成分(M)を含むことができる。
(熱軟化熱伝導性組成物の調製方法)
成分(A)は、組成物が室温で固体として取り扱うことができ、電子デバイスの組立て温度またはそれを超える温度で変形可能であるように選択される。
HSTC組成物は、メートルケルビン当たり少なくとも0.8ワット(W/mK)、あるいは少なくとも2W/mKの熱伝導性を有するように処方することができる。熱伝導性は、成分(B)用に選択した充填剤の量および種類を含む様々な要因に依存する。
HSTC組成物は、全ての成分を軟化温度よりも高い温度で混合することなど、任意の都合のよい手段によって調製することができる。
成分(C)が存在するとき、HSTC組成物は任意選択的に成分(B)を成分(C)で表面処理し、その後組成物を軟化温度を超える温度で混合することによって調製することができる。あるいは、成分(C)は、他の成分のいくつかまたは全てと、軟化温度を超える温度で同時に混合することができる。
成分(G)が存在するとき、組成物は環境温度または高温で全ての成分を混合することによって調製することができる。
(使用方法)
上述のHSTC組成物は熱界面材料(TIM)などの界面材料として使用することができる。界面材料は任意の都合のよい形態を有することができ、当業者であれば、成分(A)および他の成分を適切に選択することによって形態を制御することが可能であろう。HSTC組成物は環境条件の下で安定な形に処方することができる。HSTC組成物は環境条件下で自立型に処方することができる。HSTC組成物は、任意選択的にパッド、錠剤、シート、またはテープなどの平坦な部材として提供することができる。あるいは、HSTC組成物は、半球状の小塊、凸状部材、ピラミッド、または円錐形として提供することができる。理論に拘束されることは望まないが、成分(A)は環境条件下でHSTC組成物を粘着性のある固体にすることができ、粘着性は基板へのHSTC組成物の貼付に有利であろうと考えられる。
HSTC組成物は任意選択的に表面上に除去可能な剥離シートを有することができる。剥離シートはHSTC組成物が環境条件で粘着性であるとき使用することができる。剥離シートは、例えば、比較的低い表面エネルギーを有するワックスまたはシリコーン被覆紙またはプラスチックシートとすることができる。HSTC組成物は、フェイスストック(face stock)、ライナー、または他の剥離シートに、例えば、噴霧コーティング、ナイフコーティング、ローラコーティング、キャスティング、ドラムコーティング、浸漬等の直接法、または剥離シートを用いる間接転写法などの任意の従来の手段によって貼付することができる。貼付の前に、溶媒、希釈剤、または他のビヒクルをHSTC組成物に加えることができ、その後ビヒクルを除去して、HSTC組成物の接着フィルム、コーティング、または残留物を剥離シート上に残す。
HSTC組成物は、例えば、HSTC組成物が加工の間十分な形状安定性に欠ける状態のときに、任意選択的に基板上にコーティングすることができる。基板は熱伝導性材料、導電性材料、または両方とすることができる。基板は、例えば、金、銀、銅、またはアルミニウム箔などの金属箔または穴あけした金属箔、ポリイミド、ポリアミド、E.I.Du Pont de Nemours and Company, Inc., of Wilmington, Delaware、U.S.A.製のKAPTON(登録商標)、またはポリエチレンテレフタレートポリエステル(E.I.Du Pont de Nemours and Company, Inc., of Wilmington、Delaware、U.S.A.製のMYLAR(登録商標))とすることができる。組成物は基板の1面または複数面に被覆することができる。剥離シートは被覆した基板の両面に使用することができる。この界面材料を図1に示す。図1において、界面材料100は基板101と、基板101の反対側に形成された上述のHSTC組成物の層102とを含む。剥離ライナー103はHSTC組成物102の露出面の上に貼付される。
上述のHSTC組成物を含む様々な界面材料を調製することができる。上述のHSTC組成物を使用して、米国特許第4,299,715号および第5,904,796号に開示されたものを含む様々な方法によって界面材料を調製することができる。
HSTC組成物は熱源とヒートスプレッダとの間の熱の通路に沿って挿入することができる。HSTC組成物は、形状安定なHSTC組成物またはHSTC組成物を含む界面材料を熱源とヒートスプレッダとの間に接着剤もしくはプライマーとともに、または接着剤もしくはプライマーなしで適用することや、HSTC組成物の熱溶融分配またはHSTC組成物の溶媒キャスティングなど、都合のよい任意の手段によって挿入することができる。
熱源は半導体、トランジスタ、集積回路、またはディスクリートデバイスなどの電子部品を含むことができる。
ヒートスプレッダはヒートシンク、熱伝導性プレート、熱伝導性カバー、ファン、循環冷却系、その組合せ、またはその他を含むことができる。HSTC組成物は電子部品とヒートシンクを直接接触させて用いることができる。HSTC組成物は電子部品へ適用し、その後ヒートシンクへ適用することができ、またはHSTC組成物はヒートシンクへ適用し、その後電子部品へ適用することもできる。
HSTC組成物を熱通路に沿って挿入する間またはその後、HSTC組成物を軟化温度と同じかそれよりも高い温度に加熱することができる。圧力を加えることができる。次いでHSTC組成物を冷却することができる。
さらに本発明は、
(a)電子部品と、
(b)界面材料と、
(c)ヒートシンクと
を含む製品に関し、界面材料は電子部品の表面からヒートシンクの表面へ展延する熱通路に沿って配置され、界面材料は上述の組成物を含む。
さらに本発明は、
(a)ヒートスプレッダと、
(b)ヒートスプレッダ表面上の界面材料と
を含む製品に関し、界面材料およびヒートスプレッダは電子部品とヒートシンクとの間に熱伝導通路の一部を含むように構成され、界面材料は上述の組成物を含む。
図2は本発明によるデバイス200を示す。デバイス200は、半田ボールアレイ211とチップアンダーフィル209によって基板204上に搭載された電子部品(集積回路(IC)チップとして示されている)203を含む。基板204は、パッド210を経由してその上に取り付けられた半田ボール205を有する。第1の界面材料(TIM1)206は、ICチップ203と金属カバー207との間に挿入される。金属カバー207はヒートスプレッダとして働く。第2の界面材料(TIM2)202は金属カバー207とヒートシンク201との間に挿入される。デバイスが動作するとき、熱は矢208で表した熱通路に沿って移動する。
製品およびデバイスは上述のHSTC組成物を含んで調製することができる。例えば、上述のHSTC組成物は、米国特許第5,912,805号、第5,930,893号、第5,950,066号、第6,054,198号、第6,286,212号に開示されたデバイスにおける熱伝導性界面材料として、これらの文献に記載された界面材料に加えて、またはそれに代えて使用することができる。
これらの実施例は本発明を当業者に例示することを意図しており、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲を制限するものと解釈すべきではない。Meはメチル基を表し、Phはフェニル基を表す。
(参照実施例1、レーザフラッシュ法)
熱界面材料の熱インピーダンス測定はHolometrix Microflash 300装置(Holometrix Micromet、Bedford、MA、現在NETZSCH Instruments, Inc.)で行われる。サンプル調製に使用するためのシリコンウェーハはSan Jose、CAのAddison Engineering, Inc.から入手する。シリコンウェーハは8±0.13ミリメートル(mm)平方の基板に切り分け、Nashua、NHのSilicon Senseで脱イオン水洗浄する。
これらのシリコンウェーハは、熱インピーダンスの測定用の試験組立て体を調製するための基板として使用される。熱インピーダンスを試験するために、HSTC組成物の層を1個のシリコン基板上に配置する。第2のシリコン基板をHSTC組成物の上に置いてサンドイッチ組立て体を形成する。異なる温度で圧縮力を組立て体に加えてHSTC組成物の流れを監視し、その圧縮力/温度条件下で得られる接合線の厚さを測定する。
組立て体の熱インピーダンスはレーザフラッシュ方法によって測定される。レーザフラッシュ法は、組立て体の一方の側をレーザからの単一パルスで急速に加熱し、反対側に到達する温度妨害結果を時間の関数として監視することを含む。2個の基板間の薄いTIMの熱インピーダンスは、複数層分析を用いて測定される。方法の技術的な詳細は、Campbell, R.C.;Smith, S.E.;Dietz,R.L.、"Measurements of Adhesive Bondline Effective Thermal Conductivity and Thermal Resistance Using the Laser Flash Method," IEEE SEMI-THERM XV Symposium、(1999) 83〜97頁、Campbell, R.C.;Smith,S.E.;Dietz,R.L.、"Laser Flash Diffusivity Measurements of Filled Adhesive Effective Thermal Conductivity and Contact Resistance Using Multilayer Methods," Thermal Conductivity 25-Thermal Expansion 13、June 13〜16、1999; および"Standard Test Method for Thermal Diffusivity of Solids by the Flash Method," ASTM Test Method E1461-92による装置マニュアルならびに刊行物に見出すことができる。
(参照実施例2、粘度の測定)
温度の関数としての組成物の複合粘度測定はPiscataway、NJ、USAのRheometric Scientific製Advanced Rheometric Expansion System (ARES) Rheometerで測定される。データは、組成物を25mmの平行なプレートの間で、0.5%の動的応力、周波数1ラジアン/秒、および冷却速度2℃/分の下で、90〜30℃に冷却することによって記録する。
(実施例1)
式、(Ph2SiO2/2)19(Me2SiO2/2)19(PhSiO3/2)37(MeSiO3/2)25のシリコーン樹脂を、樹脂と充填剤を80℃に加熱し、遠心混合することによって、Al2O3充填剤(Showa-Denko K.K.製のCB-A20SとAl-43-Me酸化アルミニウム充填剤の2:1混合物)と混合する。混合物は85.65重量%の充填剤充填量である。
参照実施例2に述べた条件下で、粘度計で測定して得られるHSTC組成物の複合粘度は、30℃で7,376Pa・s、および90℃で-10Pa・sである。HSTC組成物は2枚の剥離ライナーの間でプレスして形状安定性のある、粘着性のある、可撓性の室温で6ミル厚さのフィルムにすることができる。
参照実施例1に述べたように2個のシリコン基板の間に組立て体を調製するために、HSTC組成物が使用される。90℃で、異なる圧縮圧力下での組立て体内のHSTC組成物の接合線厚さは、これらの接合厚さで、レーザフラッシュによって測定した熱インピーダンスと共に、表1に示されている。
Figure 2006503166
(実施例2)
式、(Ph2SiO2/2)19(Me2SiO2/2)19(PhSiO3/2)37(MeSiO3/2)25のシリコーン樹脂を、樹脂と充填剤を80℃に加熱し、遠心混合することによって、Al2O3充填剤(Showa-Denko K.K.製のCB-A20SとAL-43-Me酸化アルミニウム充填剤の2:1混合物)と混合する。混合物は88.08重量%の充填剤充填量である。
参照実施例2に述べた条件下で、粘度計で測定して得られるHSTC組成物の複合粘度は、30℃で13,932Pa・s、および90℃で190Pa・sである。HSTC組成物は2枚の剥離ライナーの間でプレスして、形状安定性のある、粘着性のある、可撓性のある、室温で6ミル厚さのフィルムにすることができる。
参照実施例1に述べたように、HSTC組成物を使用して2個のシリコン基板の間に組立て体を調製した。90℃で、異なる圧縮圧力下での組立て体内のHSTC組成物の接合線厚さは、これらの接合厚さで、レーザフラッシュによって測定した熱インピーダンスと共に、表2に示されている。
Figure 2006503166
(実施例3）
(i)(CH3)3SiO1/2シロキサンユニットとSiO4/2シロキサンユニットからなるオルガノポリシロキサン樹脂(樹脂は数平均分子量が2,600であり、SiO4/2ユニットに対する(CH3)3SiO1/2ユニットのモル比が0.9:1であり、樹脂は1重量%未満のケイ素結合ヒドロキシル基を含む)61.08重量%と、(ii)25℃で約0.3〜0.6パスカル・秒(Pa・s)の粘度を有するジメチルビニルシロキシ末端のポリジメチルシロキサン38.92重量%とからなるシリコーン樹脂/シリコーンポリマー混合物をこの実施例の母材として使用する。上述の樹脂/ポリマー混合物を、樹脂と充填剤を80℃に加熱し、遠心混合することによって、Al2O3充填剤(Showa-Denko K.K.製のCB-A20SとAL-43-Me酸化アルミニウム充填剤の2:1混合物)および充填剤処理剤としてステアリン酸(Aldrich Chemical Company)に混合する。混合物は、88.08重量%の充填剤、0.6重量%のステアリン酸、および11.32重量%の母材を含む。
参照実施例2に述べた条件下で、粘度計で測定した、得られたHSTC組成物の複合粘度は、30℃で96,691Pa・s、および90℃で1,996Pa・sである。得られたHSTC組成物を2枚の剥離ライナーの間でプレスして、形状安定性のある、粘着性のある、可撓性のある、室温で6ミル厚さのフィルムにすることができる。
参照実施例1に述べたように2個のシリコン基板の間に組立て体を調製するために、HSTC組成物が使用される。90℃で、異なる圧縮圧力下での組立て体内のHSTC組成物の接合線厚さは、これらの接合厚さで、レーザフラッシュによって測定した熱インピーダンスと共に、表3に示されている。
Figure 2006503166
(実施例4)
式、(Ph2SiO2/2)19(Me2SiO2/2)19(PhSiO3/2)37(MeSiO3/2)25のシリコーン樹脂を、樹脂と充填剤を100℃に加熱し、遠心混合することによって、窒化ホウ素充填剤(Advanced Ceramics Corporation製PT350S)と混合する。混合物は54.87重量%の充填剤充填量である。
参照実施例2に述べた条件下で、粘度計で測定した、得られたHSTC組成物の複合粘度は、30℃で455,640Pa・s、および90℃で10,058Pa・sである。得られたHSTC組成物を2枚の剥離ライナーの間でプレスして、形状安定性のある、粘着性のある、可撓性のある、室温で6ミル厚さのフィルムにすることができる。
参照実施例1に述べたように2個のシリコン基板の間に組立て体を調製するために、HSTC組成物が使用される。90℃で、異なる圧縮圧力下での組立て体内の前記材料の接合線厚さは、これらの接合厚さで、レーザフラッシュによって測定した熱インピーダンスと共に、表4に示されている。
Figure 2006503166
本発明による界面材料を示す図である。 本発明によるデバイスを示す図である
符号の説明
100 界面材料
101 基板
102 HSTC組成物の層
103 剥離ライナー
200 デバイス
201 ヒートシンク
202 第2の熱的界面材料(TIM2)
203 電子部品
204 基板
205 半田ボール
206 第1の熱的界面材料(TIM1)
207 金属カバー
208 矢で表された熱通路
209 チップアンダーフィル
210 パッド
211 半田ボールアレイ

Claims (21)

  1. (A)(i)組成物の重量に対して4〜60%のシリコーン樹脂と、
    (ii)組成物の重量に対して0〜35%のシリコーンポリマーと
    を含む母材と、
    (B)組成物の重量に対して40〜96%の熱伝導性充填剤と、
    (C)組成物の重量に対して0〜5%の処理剤と、
    (D)組成物の重量に対して0〜1%の酸化防止剤と
    を含む組成物。
  2. 成分(i)がDT樹脂、MQ樹脂、またはその組合せを含む請求項1に記載の組成物。
  3. 成分(i)が、(R1R2SiO2/2)a(R3SiO3/2)bおよび(R1 2SiO2/2)a(R2 2SiO2/2)b(R1SiO3/2)c(R2SiO3/2)d(式中、
    各R1は独立にヒドロキシル基または有機基を表し、
    各R2は独立にヒドロキシル基または有機基を表し、
    各R3は独立にヒドロキシル基または有機基を表し、
    aは少なくとも1であり、
    aは200までであり、
    bは少なくとも1であり、
    bは100までであり、
    cは少なくとも1であり、
    cは100までであり、
    dは少なくとも1であり、
    dは100までである)
    から選択されるDT樹脂を含む請求項1に記載の組成物。
  4. 成分(i)が、式(R1R2R3SiO1/2)c(SiO4/2)d
    (各R1は独立にヒドロキシル基または有機基を表し、
    各R2は独立にヒドロキシル基または有機基を表し、
    各R3は独立にヒドロキシル基または有機基を表し、
    cは少なくとも1であり、
    cは100までであり、
    dは少なくとも1であり、
    dは100までであり、
    c/dの平均比は0.65〜1.9である)
    のMQ樹脂を含む請求項1に記載の組成物。
  5. 成分(ii)が存在し、式(R1R2R3SiO1/2)2(R1R2SiO2/2)e(式中、
    各R1は独立にヒドロキシル基または有機基を表し、
    各R2は独立にヒドロキシル基または有機基を表し、
    各R3は独立にヒドロキシル基または有機基を表し、
    eは少なくとも5であり、
    eは800までである)を有する請求項1に記載の組成物。
  6. 成分(B)が、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、チタン酸バリウム、酸化ベリリウム、窒化ホウ素、ダイヤモンド、グラファイト、酸化マグネシウム、金属粒子、シリコンカーバイド、タングステンカーバイド、酸化亜鉛、またはその組合せを含む請求項1に記載の組成物。
  7. (E)抑制剤、(F)有機官能性シリコーンワックス、シリコーン-有機物ブロックコポリマー、またはその組合せ、(G)ビヒクル、(H)湿潤剤、(I)消泡剤、(J)顔料、(K)難燃剤、(L)スペーサー、(M)低融点金属充填剤、(N)強化充填剤、またはその組合せから選択される任意選択的な成分をさらに含む請求項1に記載の組成物。
  8. (I)請求項1に記載の組成物を含む界面材料であって、前記組成物が、平坦な部材、半球状の小塊、凸状部材、ピラミッド、または円錐形として形成される界面材料。
  9. 前記組成物が、基板表面上にコーティングされる請求項8に記載の界面材料。
  10. 前記基板が、金属箔、穴あけされた金属箔、ポリアミドシート、ポリイミドシート、またはポリエチレンテレフタレートポリエステルシートを含む請求項9に記載の界面材料。
  11. 前記組成物が、前記基板の2面にコーティングされる請求項9に記載の界面材料。
  12. (II)前記基板の反対側の組成物の表面を被覆する剥離シートをさらに含む請求項11に記載の界面材料。
  13. (i)熱源とヒートスプレッダとの間の熱通路に沿って、請求項1に記載の組成物を挿入することを含む方法。
  14. 前記熱源が電子部品を含む請求項13に記載の方法。
  15. 前記ヒートスプレッダが、ヒートシンク、熱伝導性プレート、熱伝導性カバー、ファン、または循環冷却系を含む請求項13に記載の方法。
  16. (ii)前記組成物を前記組成物の軟化温度以上の温度に加熱すること、
    (iii)前記組成物に圧力を加えること、
    (iv)前記組成物を相変化温度よりも低い温度に冷却すること
    をさらに含む請求項13に記載の方法。
  17. 請求項16に記載の方法によって調製されるデバイス。
  18. 成分(A)(i)および成分(A)(ii)は、存在するならば、成分(A)が室温で100Pa・sを超える粘度を有するように、かつ、成分(A)が動作温度または組立て温度でモジュラスおよび粘度を低下させるように選択される請求項1、6および7のいずれか一項に記載の組成物。
  19. 成分(A)が90℃以上で10Pa・s以下の粘度を有する請求項18に記載の組成物。
  20. 成分(A)(i)が、
    (a)(Ph2SiO2/2)19((CH3)2SiO2/2)19(PhSiO3/2)37((CH3)SiO3/2)25(Phはフェニル基を表す)と、
    (b)(CH3)3SiO1/2シロキサンユニットおよびSiO4/2シロキサンユニットからなるオルガノポリシロキサン樹脂(樹脂は数平均分子量が2,600であり、SiO4/2ユニットに対する(CH3)3SiO1/2ユニットのモル比が0.9:1であり、樹脂は1重量%未満のケイ素結合ヒドロキシル基を含む)
    から選択される請求項1、6および7のいずれか一項に記載の組成物。
  21. 成分(A)(ii)が存在し、成分(A)(ii)がジメチルビニルシロキシ末端のポリジメチルシロキサンである請求項1、6、7、および20のいずれか一項に記載の組成物。
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