JP2008255275A - 熱伝導性シリコーングリース組成物及びそれを用いた半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液ダレを抑制するとともに作業性に優れ、良好な熱伝導性を発揮する熱伝導性シリコーングリース組成物及びそれを用いた半導体装置を提供する。
【解決手段】熱伝導性シリコーングリース組成物は、（Ａ）２３℃における粘度が０．０５〜１０Ｐａ・ｓであり、ケイ素原子に結合する有機基がすべてメチル基からなるジメチルポリシロキサン：１００重量部、及び（Ｂ）熱伝導性充填剤：５００〜２０００重量部を含有し、２３℃における粘度が４００Ｐａ・ｓ以下、熱伝導率が２．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である。
【選択図】なし

Description

本発明は、液ダレを抑制するとともに作業性に優れ、良好な熱伝導性を発揮する熱伝導性シリコーングリース組成物及びそれを発熱性電子部品と放熱体との間に介在させてなる半導体装置に関する。

従来から電子部品の多くには、使用時の温度上昇による損傷や性能低下等を防止するために、ヒートシンク等の放熱体が広く用いられており、電子部品から発生する熱を放熱体に効率よく伝導させるため、一般に電子部品と放熱体との間には熱伝導性材料が使用される。

熱伝導性材料としては、放熱シートや放熱グリースが知られている。一般に、放熱グリースはその性状が液体に近く、放熱シートと比べて、発熱性電子部品や放熱体表面の凹凸に影響されることなく両者に密着して界面熱抵抗を小さくすることができる。このような放熱グリースとしては、シリコーンオイルをベースとして、アルミニウム粉末などの熱伝導性充填剤を配合したシリコーングリース組成物が提案されている（例えば特許文献１参照）。

しかし、従来のシリコーングリース組成物は、熱伝導性充填剤を高充填すると熱伝導性能が改善されることが知られているが、製造過程において作業性の低下を招く傾向にあり、その配合量の上限は制限されていた。このため、近年の電子部品の高集積化、高速化にともなう発熱量のさらなる増大により、従来のシリコーングリース組成物では十分な熱伝導性効果を得られない。

また、発熱性電子部品のＯＮ／ＯＦＦによる加熱／冷却サイクルにより、液ダレが発生して電子部品が汚染されやすい。この汚染によって、電子部品の本来の性能が発揮されない、あるいは作動し難い傾向があった。シリコーングリース組成物を高粘度にすれば、液ダレの低減を図ることができるが、作業性が悪化しやすい。
特開２０００−０６３８７３号公報

本発明の目的は、液ダレを抑制するとともに作業性に優れ、良好な熱伝導性を発揮する熱伝導性シリコーングリース組成物及びそれを用いた半導体装置を提供することにある。

本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討した結果、ベースオイルとして特定の置換基を有する液状シリコーンを配合して、組成物の粘度と熱伝導率を所定の範囲にすることによって、電子部品の冷熱サイクルによる液ダレを抑制し、作業性及び熱伝導性に優れた熱伝導性シリコーングリース組成物が得られることを見出し、本発明をなすに至った。

すなわち、本発明の熱伝導性シリコーングリース組成物は、
（Ａ）２３℃における粘度が０．０５〜１０Ｐａ・ｓであり、下記式：

（Ｒ¹は同一もしくは相異なる、メチル基、フェニル基及びビニル基から選ばれる基、ｐは正数、ｑは０以上の数、かつ、０．９０≦ｐ／（ｐ＋ｑ）≦１を満足する数である。）で表されるポリオルガノシロキサン １００重量部、
及び
（Ｂ）熱伝導性充填剤 ５００〜２０００重量部
を含有し、２３℃における粘度が４００Ｐａ・ｓ以下、熱伝導率が２．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることを特徴とする。

また、本発明の半導体装置は、発熱性電子部品と放熱体とを有し、前記発熱性電子部品と前記放熱体との間に上記熱伝導性シリコーングリース組成物を介在させてなることを特徴とする。

上記構成により、液ダレを抑制するとともに作業性に優れ、良好な熱伝導性を発揮する熱伝導性シリコーングリース組成物及びそれを用いた半導体装置を提供できる。

以下、本発明の熱伝導性シリコーングリース組成物について説明する。

［（Ａ）成分］
（Ａ）成分のオイル状のポリオルガノシロキサンは、電子部品の冷熱サイクルによる液ダレを抑制し、良好な作業性と熱伝導性を組成物に与える、本発明の特徴を付与する成分である。

（Ａ）成分は、下記式で表される。

式中、Ｒ¹は、メチル基、フェニル基及びビニル基から選ばれる基であり、互いに同一でも異なっていてもよい。なかでも、液ダレを抑制し低粘度で作業性に優れた組成物を与える点から、すべてのＲ¹がメチル基であることが好ましい。

ｐは正数、ｑは０以上の数、かつ、０．９０≦ｐ／（ｐ＋ｑ）≦１、好ましくは０．９５≦ｐ／（ｐ＋ｑ）≦１を満足する数である。ｐ＋ｑは、限定されるものではないが、好ましくは５０〜１０００である。なお、ｐ，ｑは、（Ａ）成分の一般式での組成、数値を示しているにすぎず、分子レベルを制限するものではない。

（Ａ）成分の粘度は、２３℃において０．０５〜１０Ｐａ・ｓ、好ましくは０．１〜５Ｐａ・ｓである。粘度が０．０５Ｐａ・ｓ未満であると、得られる組成物の安定性が悪化してオイル分離が起こり易くなる。一方、１０Ｐａ・ｓを越えると、組成物の流動性が乏しくなる。（Ａ）成分は、１種単独または２種以上を組み合わせてもよい。

（Ａ）成分としては、例えばジメチルポリシロキサン、ジメチル−ジフェニルシロキサンコポリマー、ジメチル‐メチルフェニルシロキサンコポリマーなどが挙げられ、好ましくは、下記式で表されるような、分子鎖両末端がトリメチルシロキシ基で封鎖されたジメチルポリシロキサンである。

ｒは、５０≦ｒ≦１０００、好ましくは１００≦ｒ≦８００を満足する数である。

［（Ｂ）成分］
（Ｂ）成分としては、熱伝導率が良好なものであればよく、例えば酸化亜鉛、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム等の金属酸化物粉末、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等の金属窒化物粉末、アルミニウム、銅、銀、ニッケル、鉄、ステンレス等の金属粉末が挙げられ、なかでも金属酸化物粉末、金属粉末が好ましく、酸化亜鉛、酸化アルミニウム、アルミニウムがより好ましい。（Ｂ）成分は、１種単独または２種以上を混合して用いてもよい。

（Ｂ）成分の平均粒径は、１００μｍ以下、好ましくは０．１〜８０μｍである。平均粒径が１００μｍを超えると、得られる組成物の安定性が悪化し、オイル分離等が起こり易くなる。平均粒径は、例えばレーザー光回折法で求めることができる。（Ｂ）成分の形状は、球状、不定形状のいずれでもよい。

（Ｂ）成分は、そのまま用いてもよいが、樹脂成分との濡れ性を向上させる点から、１種または２種以上の周知の表面処理剤（ウエッター）でその表面を予め疎水化処理したものを用いてもよい。あるいはこのような表面処理剤を別途組成物中に配合してもよい。

（Ｂ）成分の配合量は、（Ａ）成分１００重量部に対して５００〜２０００重量部、好ましくは８００〜１５００重量部である。配合量が５００重量部未満であると、所望の熱伝導率が得られにくい。一方、２０００重量部を越えると、作業性の低下を招く。

［その他任意成分］
上述した（Ａ）成分と（Ｂ）成分を基本成分とし、これらに必要に応じてその他任意成分として表面処理剤（ウエッター）、耐熱性向上剤、着色剤、接着性付与材、組成物の粘度や作業性を良好にする上で希釈剤（例えば、付加反応に寄与しないポリオルガノシロキサン）などを本発明の目的を損なわない範囲で添加してもよい。

ウエッター成分は、（Ｂ）成分の粉末表面を処理することにより、前記粉末とベースオイルである（Ａ）成分との濡れ性を向上させるものである。

ウエッター成分としては、一般式：
Ｒ^５ _ｂＲ^６ _ｃＳｉ（ＯＲ^７）_{４−（ｂ＋ｃ）}
で表されるアルコキシシランを用いることが好ましい。

式中のＲ^５は、炭素原子数６〜１５のアルキル基であり、例えばヘキシル基、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。また、Ｒ^６は炭素原子数１〜８の飽和又は不飽和の一価炭化水素基であり、例えばメチル基、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ヘキシル基、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−（パーフロロブチル）エチル基、２−（パーフロロオクチル）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などが挙げられ、好ましくはメチル基、エチル基である。Ｒ^７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、好ましくはメチル基、エチル基である。ｂは１〜３の整数であり、好ましくは１である。ｃは０〜２の整数、ｂ＋ｃは１〜３の整数である。

ウエッター成分の配合量は、（Ｂ）成分と（Ａ）成分との濡れ性を向上させる上で、（Ａ）成分１００重量部に対して０．０１〜１０重量部である。

本発明の熱伝導性シリコーングリース組成物の製造方法としては、上述した（Ａ）〜（Ｂ）成分及びその他任意成分を周知の混練機で、常温、または必要に応じて加熱（例えば５０〜１５０℃）しながら混練する方法が挙げられる。混練機としては、必要に応じて加熱手段や冷却手段を備えた周知の装置を使用でき、例えばプラネタリーミキサー、３本ロール、ニーダー、品川ミキサー、トリミックス、ツインミックス等が挙げられ、単独またはこれらを組み合わせて使用することができる。

熱伝導性シリコーングリース組成物の２３℃における粘度（ＪＩＳ Ｋ ６２４９）は、４００Ｐａ・ｓ以下、好ましくは１００〜３５０Ｐａ・ｓである。粘度が４００Ｐａ・ｓを超えると、作業性が悪化しやすく、シリンジやディスペンサ等を用いて電子部品に塗布する場合に、吐出し難くなり所望の厚さになりにくい。

熱伝導性シリコーングリース組成物は、２３℃における熱伝導率が２．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である。熱伝導率が２．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満であると、熱伝導性能が不十分になる場合があり、用途が限定され易くなる。

よって、本発明の熱伝導性シリコーングリース組成物は、電子部品のＯＮ／ＯＦＦによる冷熱サイクルでの液ダレを抑制するとともに、低粘度で作業性に優れ、良好な熱伝導性を発揮するため、発熱性電子部品と放熱体との間に介在される熱伝導性材料として好適である。

次に、本発明の半導体装置について図面を参照して説明する。図１は、本発明に係る半導体装置の一例を示す断面図である。

半導体装置１は、配線基板２に実装されたＣＰＵ３等の発熱性電子部品とヒートシンク４等の放熱体との間に、上述した熱伝導性シリコーングリース組成物５を介在させてなる。このような半導体装置１は、配線基板２に実装されたＣＰＵ３に、例えばシリンジで熱伝導性シリコーングリース組成物５を塗布した後、ヒートシンク４と配線基板２とをクランプ６等で押圧することによって得られる。

熱伝導性シリコーングリース組成物５の厚さは、５〜３００μｍであることが好ましい。厚さが５μｍより薄いと、押圧の僅かなずれによりＣＰＵ３とヒートシンク４との間に隙間が生じる恐れがある。一方、３００μｍより厚いと、熱抵抗が大きくなり、放熱効果が悪化し易い。

本発明を実施例により詳細に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。実施例及び比較例中、平均粒径はレーザー光回折法により測定した値である。実施例及び比較例で得られた熱伝導性シリコーングリース組成物は、以下のようにして評価し、結果を表１に示した。表１に示した特性は、２３℃において測定した値である。

［垂れ性試験］
銅板とガラス板で熱伝導性シリコーングリース組成物を挟み込み、冷熱サイクル試験（１サイクル：０℃×１５分＋１２０℃×１５分）を３００サイクル行い、液ダレを目視で観察した。

［粘度］
ＪＩＳ Ｋ ６２４９に準拠して、２３℃で測定した。

［熱伝導率］
熱伝導率計（京都電子工業社製、ＱＴＭ−５００）を用いて測定した。

［実施例１］
（Ａ−１）２３℃における粘度が０．５Ｐａ・ｓであり、下記式：

で表されるジメチルポリシロキサン１００重量部、（Ｂ−１）平均粒径１０μｍのアルミナ１１２０重量部、（Ｂ−２）平均粒径０．５μｍのアルミナ２８０重量部をプラネタリーミキサー（ダルトン社製）にて室温（２３℃）で６０分間混練し、１２０℃で減圧混練を１２０分間行った後、室温になるまで冷却減圧混練を３０分間続けて、希釈剤として２３℃における粘度が０．１Ｐａ・ｓであり、両末端がトリメチルシロキシ基で封鎖されたポリジメチルシロキサン４０重量部を上記プラネタリーミキサーに加え常温で３０分間混練して、熱伝導性シリコーングリース組成物を得た。
この組成物の特性を測定し、結果を表１に示した。

［実施例２］
（Ａ−１）ジメチルポリシロキサン１００重量部、（Ｂ−３）平均粒径１０μｍのアルミニウム３００重量部、（Ｂ−４）平均粒径０．３μｍの酸化亜鉛３００重量部をプラネタリーミキサー（ダルトン社製）にて室温（２３℃）で６０分間混練し、１２０℃で減圧混練を１２０分間行った後、室温になるまで冷却減圧混練を３０分間行い、熱伝導性シリコーングリース組成物を得た。
この組成物の特性を測定し、結果を表１に示した。

［比較例１］
（Ａ−２）２３℃における粘度が０．６Ｐａ・ｓであり、下記式：

で表されるメチルデシルポリシロキサン１００重量部、（Ｂ−１）平均粒径１０μｍのアルミナ８００重量部、（Ｂ−２）平均粒径０．５μｍのアルミナ２００重量部をプラネタリーミキサー（ダルトン社製）にて室温（２３℃）で６０分間混練し、１２０℃にて減圧混練を１２０分間行った後、室温になるまで冷却減圧混練を３０分間行い、熱伝導性シリコーングリース組成物を得た。
この組成物の特性を測定し、結果を表１に示した。

［比較例２］
（Ａ−２）メチルデシルポリシロキサン１００重量部、（Ｂ−３）平均粒径１０μｍのアルミニウム４８０重量部、（Ｂ−４）平均粒径０．３μｍの酸化亜鉛４８０重量部をプラネタリーミキサー（ダルトン社製）にて室温（２３℃）で６０分間混練し、１２０℃で減圧混練を１２０分間行った後、室温になるまで冷却減圧混練を３０分間行い、熱伝導性シリコーングリース組成物を得た。
この組成物の特性を測定し、結果を表１に示した。

表１から明らかなように、ベースオイルの（Ａ）成分として、ケイ素原子に結合する有機基が全てメチル基からなるジメチルポリシロキサンを配合した各実施例は、冷熱サイクルによる液ダレを抑制できる。さらに、熱伝導率が２．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であるため優れた熱伝導性を発揮でき、２３℃における粘度が４００Ｐａ・ｓ以下であるため電子部品に塗布する場合には、良好な作業性を付与することができる。

本発明の半導体装置の一例を示す断面図。

符号の説明

１…半導体装置、２…配線基板、３…ＣＰＵ、４…ヒートシンク、５…熱伝導性シリコーングリース組成物、６…クランプ。

Claims (6)

1. （Ａ）２３℃における粘度が０．０５〜１０Ｐａ・ｓであり、下記式：
   

   

   （Ｒ¹は同一もしくは相異なる、メチル基、フェニル基及びビニル基から選ばれる基、ｐは正数、ｑは０以上の数、かつ、０．９０≦ｐ／（ｐ＋ｑ）≦１を満足する数である。）で表されるポリオルガノシロキサン １００重量部、
   及び
   （Ｂ）熱伝導性充填剤 ５００〜２０００重量部
   を含有し、２３℃における粘度が４００Ｐａ・ｓ以下、熱伝導率が２．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることを特徴とする熱伝導性シリコーングリース組成物。
2. 前記（Ａ）成分が、下記式：
   

   

   （式中、ｒは、５０≦ｒ≦１０００を満足する数である。）で表されるポリオルガノシロキサンであることを特徴とする請求項１に記載の熱伝導性シリコーングリース組成物。
3. 前記（Ｂ）成分の平均粒径が、１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の熱伝導性シリコーングリース組成物。
4. 前記（Ｂ）成分が、金属酸化物粉末及び／または金属粉末であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の熱伝導性シリコーングリース組成物。
5. 前記（Ｂ）成分が、酸化アルミニウム、酸化亜鉛及びアルミニウムから選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の熱伝導性シリコーングリース組成物。
6. 発熱性電子部品と放熱体とを有し、前記発熱性電子部品と前記放熱体との間に請求項１乃至５のいずれか１項に記載の熱伝導性シリコーングリース組成物を介在させてなることを特徴とする半導体装置。

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