JP3744420B2 - 熱伝導性樹脂組成物およびそれを使用した電子部品装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は発熱する電子部品と放熱体との間に介在する熱伝導性樹脂組成物に係り、特に熱伝導率を向上した熱伝導性樹脂組成物に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図６は従来から慣用的に使用される電子部品装置の概略図である。具体的には熱伝導性樹脂組成物を介して電子部品の発熱を放熱体に熱伝導する電子部品装置の概略図である。
【０００３】
１は電子部品装置、２は熱伝導性樹脂組成物、３は放熱体、４は電子部品、４１はバンプ、５は電子部品搭載基板、５１は電極、６はベース樹脂（マトリックス材）、７はフィラーである。
【０００４】
電子部品装置１は大略放熱体３と電子部品４と熱伝導性樹脂組成物２とから構成されている。この電子部品４は熱伝導性樹脂組成物２を介して放熱体３例えばヒートシンク３と接合されている。そして熱伝導性樹脂組成物２は大略ベース樹脂（マトリックス材）６にフィラー７を混合したものである。
【０００５】
そして電子部品４の稼働による発熱を熱伝導性樹脂組成物２内のフィラー７を熱伝導してヒートシンク３に熱伝搬し、続いてヒートシンク３から大気に放熱している。この電子部品装置１は具体的には電子部品４のバンプ４１と電子部品搭載基板５の電極５１とを導電接続している。
【０００６】
これら電子部品装置１は高性能、高機能を要求されている。このために電子部品４の発熱量が増えている。この発熱に起因する高温が電子部品４の誤動作の原因になっている。従って電子部品４の稼働による発熱をヒートシンク３に効率良く熱伝搬し放熱する必要がある。
【０００７】
この課題を解決する技術として熱伝導性樹脂組成物２にフィラー７を含有して放熱効率を向上させている。このフィラー７としてアルミナ粉末等を使用した特公昭５９−５２１９５号公報、さらにフィラー７として窒化アルミ・窒化ケイ素等の窒化物を使用した特公平６−１９０２７号公報がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし上記公報の技術は希望する放熱効率が得られない。これは図６に図示するように熱伝導性樹脂組成物２内のフィラー７は大別して大形と小形の２種類が多数存在している。この内の大形フィラー７の粒径が球形を成し、更に電子部品と放熱体との隙間が大球形フィラーまたは小形フィラーの粒径以上であることが熱伝導の効率向上を抑止している。
【０００９】
具体的には電子部品４と放熱体３との間の充填厚み方向のフィラー７の数が増えるとフィラー相互間の接触点が多くなって、その間の熱伝導抵抗が大きくなり、電子部品装置の放熱効率が悪くなる。結果として電子部品４を所望する温度に冷却できない。従って本発明の目的は電子部品と放熱体との接続間隙を充填するために用いられる熱伝導性樹脂の熱伝導効率を改善することであり、更に具体的には高性能半導体電子部品と放熱フィンとの間に介在する熱伝導性樹脂のフィラーを改良して放熱効果を向上させようとするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は最良な熱伝導率を呈するフィラーの在り方として、個々のフィラーの一端が電子部品４に接する一方、他端がヒートシンク３に接した状態が望ましいとの知見から電子部品４とヒートシンク３との縦方向の熱伝導を個々のフィラー単体で直接に繋いで熱伝導を行うようなフィラー７を含む熱伝導性樹脂組成物２を提供するものである。
【００１１】
そして請求項１に記載の発明は長径と短径とのアスペクト比が２以上の第１の繊維状熱伝導性粉末と、第１の繊維状粉末の短径より小さい粒径の第２の熱伝導性粉末とをマトリックス材に７０〜７５体積％の割合で充填された熱伝導性樹脂が粘度１０００〜２５００Pa・s であることを特徴とする熱伝導性樹脂を提供する。従って電子部品と放熱体とに介在する熱伝導性樹脂組成物のフィラー相互間の接触点の数を減少でき、電子部品の熱を放熱体に効率良く熱伝導する。従って電子部品の熱を放熱体に効率良く熱伝導して冷却する。結果として電子部品の誤動作を防止でき、且つ電子部品装置の信頼性を向上できる。 更に、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の第１の繊維状熱伝導性粉末の長径が６０〜３００μm 、短径が５０〜１００μm であることを特徴とする熱伝導性樹脂を提供する。結果として熱伝導性樹脂組成物の熱伝導率を向上させて、従って電子部品の熱を放熱体に効率良く熱伝導して冷却する。
【００１２】
続いて請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の第１の繊維状熱伝導性粉末がインジウム、アルミニウム、錫、ダイヤモンドの少なくとも１つを充填されることを特徴とする熱伝導性樹脂を提供する。従って熱伝導性樹脂組成物の熱伝導率を向上させる。結果として電子部品の熱を放熱体に効率良く熱伝導して冷却する。
【００１３】
更に請求項４に記載の発明は、請求項１記載の第１の繊維状熱伝導性粉末と第２の熱伝導性粉末との配合比率が、第１の繊維状熱伝導性粉末：第２の熱伝導性粉末＝２：１〜１：３の体積比率であることを特徴とする熱伝導性樹脂組成物を提供する。従って熱伝導性樹脂組成物の熱伝導率を向上させる。結果として電子部品の熱を放熱体に効率良く熱伝導して冷却する。
【００１４】
次に請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４に記載の熱伝導性樹脂組成物がフィルム状であり、該熱伝導性樹脂組成物の厚みが第１の繊維状熱伝導性粉末の長径以下で、且つ短径以上であることを特徴とする熱伝導性樹脂組成物を提供する。従って熱伝導性樹脂組成物の取り扱いを容易にできる。
【００１５】
続いて請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５に記載の熱伝導性樹脂組成物を介して電子部品と放熱体とを設けた電子部品装置であることを特徴とする電子部品装置を提供する。従って電子部品の熱を放熱体に効率良く熱伝導して冷却する。結果として電子部品の誤動作を防止できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の好適な電子部品装置の概略図である。
６はベース樹脂（マトリックス材）、７１は第１のフィラー（第１の繊維状熱伝導性粉末）、７２は第２のフィラー（第２の熱伝導性粉末）である。各図面において、同一の構成要素には共通の参照符号を付して説明を省略する。
【００１７】
以下、特徴となる本発明の好適な熱伝導性樹脂組成物２の形態を説明する。
熱伝導性樹脂組成物２は大略ベース樹脂（マトリックス材）６に第１のフィラー（第１の繊維状熱伝導性粉末）７１と第２のフィラー（第２の熱伝導性粉末）７２を混合したものである。更に分散剤を添加している。
＜実施例１＞
１］ベース樹脂（マトリックス材）６
液状シリコーンオイルは例えば東芝シリコーン株式会社の製品名ＴＳＦ４５１−５０である。
【００１８】
２］第１のフィラー（第１の繊維状熱伝導性粉末）７１
インジウムは長径約１００μm と短径５０μm とのアスペクト比が約２であり具体的には高純度化学株式会社の製品名ＩＮＥ０７ＰＢである。
【００１９】
３］第２のフィラー（第２の熱伝導性粉末）７２
平均粒径３μｍのアルミニウムと平均粒径０．８μｍの酸化亜鉛とを１：１の割合で混合する。このアルミニウムは例えば高純度化学株式会社の製品名ＡＬＥ１１ＰＢである。そして酸化亜鉛は具体的には高純度化学株式会社の製品名ＺＮＯ０４ＰＡである。
【００２０】
４］分散剤
チタネート系カップリング剤は味の素ファインテクノ株式会社の製品名ＫＲ−ＴＴＳである。
【００２１】
上記材料を用いて、第１のフィラー７１と第２のフィラー７２との配合比率を３：１から１：４の６種類に分類し、更にこの６種類をフィラー７１、７２の充填量が６０から７５体積％の４種類を作り、結果として表１に示すように２４種類のサンプルを作製した。
【００２２】
【表１】
【００２３】
表１−ａに上記２４種類のサンプルの熱伝導率の測定結果を示す。
配合比率が第１のフィラー：第２のフィラー＝３：１の樹脂は粘度が低く過ぎてシリコーンオイルとフィラーが分離して所定厚みのペースト状にならなかった。また配合比率が第１のフィラー：第２のフィラー＝１：４のサンプルの内で、フィラーの充填量が６５体積％以上は粘度が高過ぎてペースト状にならなかった。従って熱伝導性樹脂組成物２としては使用不可能である。
【００２４】
次にペースト状の１７種類の熱伝導率を測定した。
図２は熱伝導率を測定する測定装置概略図である。
【００２５】
熱伝導率測定装置は大略、ヒータブロックＨＢ、２個の熱電対ＮＥ１、ＮＥ２を設けた上下２枚の銅板Ｃｕ１、銅板Ｃｕ２、冷却水を充満させたベローズとから構成されている。そして下側の銅板Ｃｕ１はヒータブロックＨＢに密着して設置されている。そして上側の銅板Ｃｕ２を冷却水を充満させたベローズに密着して設置されている。このヒータブロックＨＢは電源に接続され図示しない電流計、電圧計を設けている。
【００２６】
各サンプルの熱伝導率の測定は下記の方法で行われる。
最初に被測定用の熱伝導性樹脂組成物２を上下に設置された銅板Ｃｕ２と銅板Ｃｕ１とで挟恃する。続いてヒータブロックＨＢで加熱する。次に加熱開始から数分経過して上下２枚の銅板Ｃｕ１、銅板Ｃｕ１に設けられた熱電対で計測した温度の変化が一定した際の各熱電対の温度差と印可した電流値と電圧値を読み取る。そして下記の式によりコンパウンドの熱抵抗及び熱伝導率を算出した。
【００２７】
ΔＲ＝ΔＴ／（Ｉ・Ｖ）
ΔＲ：サンプルの熱抵抗（℃／Ｗ）
ΔＴ：加熱側と冷却側の温度差（℃）
Ｉ：印可電流（Ａ）
Ｖ：印可電圧（Ｖ）
λ＝Δｔ／（ΔＲ・ΔＳ）
λ：サンプルの熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）
Δｔ：サンプル厚さ（ｍ）
ΔＳ：サンプル面積（ｍ2)
＜考察＞
表１−ａの結果のとおり、第１のフィラー７１の割合と第２のフィラー７２の割合とは第１のフィラー７１の割合が第２のフィラー７２割合より多くなる程に熱伝導率が良い。
【００２８】
次に図１に図示する電子部品装置の作り方を説明する。
熱伝導性樹脂組成物２はペースト状の薄板体である。この熱伝導性樹脂組成物２の厚みが第１の繊維状熱伝導性粉末７１の長径以下で、且つ短径以上である。
【００２９】
最初にこの熱伝導性樹脂組成物２をヒートシンク３と電子部品４とで挟持する。この熱伝導性樹脂組成物２内に設けられた第１のフィラー７１と第２のフィラー７２とはランダムに配置されている。従って、第１のフィラー７１が１固のみで電子部品４とヒートシンク３とを直接に橋絡状に架設されている物と、橋絡状に架設されていないものとが混在する。詳細には繊維状熱伝導性粉末７１の長径方向の一端がヒートシンク３と繋がり、他端が電子部品が繋がっているものと、繋がっていないないものとが混在する。
【００３０】
続いて熱伝導性樹脂組成物２を加圧した。加圧され熱伝導性樹脂組成物２の厚みが薄くなる。従って既に電子部品４とヒートシンク３とに橋絡状に架設されている第１のフィラー７１が橋絡状態で傾斜、又は変形し、橋絡状態でない第１のフィラー７１が橋絡状態になる。従って電子部品４とヒートシンク３とを直接に１個のフィラーで橋絡状に架設され熱伝導するフィラーの数量が増える。結果として複数個のフィラー７１、７２を介して熱伝導するより１個のフィラーで熱伝導する方が接触抵抗が低く熱伝導率が良い。
【００３１】
この第１のフィラーの傾斜は熱伝導性樹脂組成物２の粘度の値により調節可能である。表１−ｂに記載のとおり、マトリックス材に７０体積％の割合で充填された熱伝導性樹脂の粘度１０００〜１５００Pa・s の熱伝導率が好ましい。更にマトリックス材に７５体積％の割合で充填された熱伝導性樹脂の粘度１５００〜２５００Pa・s の熱伝導率が最適である。
【００３２】
上記熱伝導率の向上は長径と短径とを有する第１のフィラー７１と第１のフィラー７１の短径より小さい粒径の第２のフィラー７２とをマトリックス材６に７０〜７５体積％の割合で充填した熱伝導性樹脂組成物２を電子部品４と放熱体３との隙間に第１のフィラー７１の長径以下で、且つ短径以上である電子部品装置１に適用したことで創出できるものである。
【００３３】
図３、図４は熱伝導性樹脂組成物２を介して電子部品４とヒートシンク３とを設けた側断面である。
図３に図示する電子部品４とヒートシンク３との隙間Ｇ１は図４に図示する隙間Ｇ２よりひろい。上述したように、これらの隙間Ｇ１、Ｇ２を所望する隙間にするために押圧して調節したものである。本発明に係る熱伝導性樹脂を使用し、加圧することで繊維状熱伝導性粉末を傾斜又は変形させることで熱伝導性樹脂組成物２の厚みを容易に調整できる。結果として電子部品４とヒートシンク３との隙間Ｇを所望する厚みに容易に製造できる。
【００３４】
図５は隙間Ｇと抵抗率との関係を示す図である。
電子部品４とヒートシンク３との隙間Ｇは第１のフィラー７１の長径以下で短径以上に設けると、本発明に係る熱伝導性樹脂の熱抵抗は従来の熱伝導性樹脂の熱抵抗よりも変化量が小さい。従って製造過程で隙間Ｇの誤差が生じても製品の品質を均一に保つことができる。
＜実施例２＞
実施例１の第１のフィラー７１のみを変更した。詳細にはインジウムをアルミニウムに変えた以外は実施例１と同じ材料である。
【００３５】
１］第１のフィラー（第１の繊維状熱伝導性粉末）７１
アルミニウムは長径約１００μm と短径約５０μm とのアスペクト比が約２であり具体的には高純度化学株式会社の製品名ＡＬＥ０６ＰＢである。
【００３６】
２］ベース樹脂（マトリックス材）６、第２のフィラー（第２の熱伝導性粉末）７２、分散剤は実施例１と同じ材料である。
【００３７】
上記材料を用いて、配合比率を第１のフィラー７１：第２のフィラー７２＝１：３とし、フィラーの充填量を６０〜７５体積％に変化させたサンプルを作製し、そして実施例１と同様の方法にて熱伝導率を測定した。
【００３８】
【表２】
【００３９】
表２に熱伝導率の測定結果を示す。フィラー充填量が６０〜６５体積％のものは熱伝導率が２〜４Ｗ／ｍ・Ｋ程度であった。これに対して、７０〜７５体積％のものは５〜６Ｗ／ｍ・Ｋと高い熱伝導率を示した。実施例１と同様にフィラーの充填量が６０から７５体積％に多くなるほど熱伝導率は良くなる。
＜実施例３＞
実施例１のインジウムを錫に変えた以外は実施例１と同じ材料を用いた。
【００４０】
１］第１のフィラー（第１の繊維状熱伝導性粉末）７１
錫は長径約１００μm と短径約５０とのアスペクト比が約２であり具体的には高純度化学株式会社の製品名ＳＮＥ０６ＰＢである。
【００４１】
２］ベース樹脂（マトリックス材）６、第２のフィラー（第２の熱伝導性粉末）７２、分散剤は実施例１と同じ材料である。
【００４２】
上記材料を用いて、配合比率を第１のフィラー７１：第２のフィラー７２＝１：３とし、フィラーの充填量を６０〜７５体積％と変えたサンプルを作製し、そして実施例１と同様の方法にて熱伝導率を測定した。
【００４３】
【表３】
【００４４】
表３に熱伝導率の測定結果を示す。フィラー充填量が６０〜６５体積％のものは熱伝導率が２〜４Ｗ／ｍ・Ｋ程度であった。これに対して７０〜７５体積％のものは５〜６Ｗ／ｍ・Ｋと高い熱伝導率を示した。
＜実施例４＞
実施例１のベース樹脂である液状シリコーンオイルを液状シリコーンゲルに変えた以外は実施例１と同じ材料を用いた。
【００４５】
１］ベース樹脂（マトリックス材）６
液状シリコーンゲルは例えば東レ・ダウコーニング・シリコ−ン株式会社の製品名ＳＥ１８８５である。
【００４６】
２］第１のフィラー（第１の繊維状熱伝導性粉末）７１、第２のフィラー（第２の熱伝導性粉末）７２、分散剤は実施例１と同じ材料である。
【００４７】
上記材料を用いて、配合比率を第１のフィラー７１：第２のフィラー７２＝１：３とし、フィラーの充填量を６０〜７５体積％と変えたサンプルを作製し、そして実施例１と同様の方法にて熱伝導率を測定した。
【００４８】
【表４】
【００４９】
表４に熱伝導率の測定結果を示す。フィラー充填量が６０〜６５体積％のものは熱伝導率が２〜５Ｗ／ｍ・Ｋ程度であった。これに対して７０〜７５体積％のものは６Ｗ／ｍ・Ｋと高い熱伝導率を示した。
＜実施例５＞
実施例１のベース樹脂である液状シリコーンオイルをエポキシ樹脂に変えた以外は実施例１と同じ材料を用いた。
【００５０】
１］ベース樹脂（マトリックス材）６
エポキシ樹脂は例えば主剤が大日本インキ株式会社の製品名８３０ＬＶＰであり、硬化剤は旭チバ株式会社の製品名ＨＸ−３９２１である。
【００５１】
２］第１のフィラー（第１の繊維状熱伝導性粉末）７１、第２のフィラー（第２の熱伝導性粉末）７２、分散剤は実施例１と同じ材料である。
【００５２】
上記材料を用いて、配合比率を第１のフィラー７１：第２のフィラー７２＝１：３とし、フィラーの充填量を６０〜７５体積％と変えたサンプルを作製し、そして実施例１と同様の方法にて熱伝導率を測定した。
【００５３】
【表５】
【００５４】
表５に熱伝導率の測定結果を示す。フィラー充填量が６０体積％のものは熱伝導率が２〜３Ｗ／ｍ・Ｋであったが、６５体積％のものは５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を示した。
＜実施例６＞
実施例１のベース樹脂である液状樹脂にシリコーンゴムを用いた以外は実施例１と同じ材料を用いた。
【００５５】
熱伝導性樹脂組成物の材料
１］ベース樹脂（マトリックス材）６
液状シリコーンゴムは例えば東芝シリコーン株式会社の製品名ＴＳＥ３０３３である。
【００５６】
２］第１のフィラー（第１の繊維状熱伝導性粉末）７１、第２のフィラー（第２の熱伝導性粉末）７２、は実施例１と同じ材料である。
【００５７】
上記材料を用いて、配合比率を第１のフィラー７１：第２のフィラー７２＝１：３とし、フィラーの量が６５体積％、厚さが１００μｍ，２００μｍのフィルム状のサンプルを作製し、そして実施例１と同様の方法にて熱伝導率を測定した。
【００５８】
【表６】
【００５９】
表６に熱伝導率の測定結果を示す。液状シリコーンゴムのフィルム厚さが１００μｍのものはフィルムは表面に１５０〜２５０μｍの凹凸が発生した。この凹凸が熱伝導率を１〜２Ｗ／ｍ・Ｋに低下させた原因と思われる。しかしフィルムの厚さが２００μｍでは５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を示した。厚さ１００μｍのフィルム表面の凹凸が大きかったのは、１００〜２００μｍ径のインジウムのフィラーを含んでいたためであり、フィルム厚さよりも小粒径のフィラーを使用することによりフィルム状態は良くなり、高い熱伝導率が得られるようになる。
【００６０】
また、第１のフィラー７１の長径と短径の比であるアスペクト比は、電子部品４とヒートシンク３との隙間Ｇの値に関係する。実際の製品組み立て時の隙間Ｇの誤差を考慮すると、アスペクト比は１．１〜３．０程度が望ましい。
【００６１】
ベース樹脂６となる液状樹脂としては、種々の高分子材料を用いることが可能である。対化学的な安定と耐熱性と電気特性とに優れ、さらに流動性が高いなどの観点からシリコーンオイルやシリコーンゲルが良い。特に粘度が低いシリコーンオイルがより好ましい。シリコーンオイルは分子量の違いにより粘度・揮発性等が変わるため、使用条件等を満足できるものであれば、分子量が小さいものほど粘度が低く好ましい。また、耐熱性が要求され、リペア性が必要でない用途ではエポキシ系などの熱硬化性樹脂を使用することが可能である。更に、マトリックス材に熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、シリコーンゴムを使用してフィルム状とすることにより取扱性が向上する。
【００６２】
フィラー７１、７２の表面処理を行うとベース樹脂６とフィラーとの分散性・充填率の向上に効果がある。これに使用する分散剤としては公知のものを使用できるが、チタネート系カップリング剤が特に有効である。
【００６３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の熱伝導性樹脂組成物を採用すれば熱伝導性樹脂組成物の熱伝導率が向上して、電子部品の熱を放熱体に効率良く熱伝導冷却する。結果として電子部品の高温に起因する誤動作を防止でき、且つ電子部品装置１の信頼性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の好適な電子部品装置の概略図、
【図２】 熱伝導率を測定する測定装置概略図、
【図３】 熱伝導性樹脂組成物を介して電子部品とヒートシンクとを
設けた側断面、
【図４】 熱伝導性樹脂組成物を介して電子部品とヒートシンクとを設けた側断面、
【図５】 隙間と熱伝導率との関係を示す図、
【図６】 従来の電子部品装置の概略図である。
【符号の説明】
１ 電子部品装置、
２ 熱伝導性樹脂組成物、
３ 放熱体、
４ 電子部品、
４１ バンプ、
５ 電子部品搭載基板、
５１ 電極、
６ ベース樹脂（マトリックス材）、
７ フィラー、
７１ 第１のフィラー（第１の繊維状熱伝導性粉末）、
７２ 第２のフィラー（第２の熱伝導性粉末）、
【発明の属する技術分野】
本発明は発熱する電子部品と放熱体との間に介在する熱伝導性樹脂組成物に係り、特に熱伝導率を向上した熱伝導性樹脂組成物に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図６は従来から慣用的に使用される電子部品装置の概略図である。具体的には熱伝導性樹脂組成物を介して電子部品の発熱を放熱体に熱伝導する電子部品装置の概略図である。
【０００３】
１は電子部品装置、２は熱伝導性樹脂組成物、３は放熱体、４は電子部品、４１はバンプ、５は電子部品搭載基板、５１は電極、６はベース樹脂（マトリックス材）、７はフィラーである。
【０００４】
電子部品装置１は大略放熱体３と電子部品４と熱伝導性樹脂組成物２とから構成されている。この電子部品４は熱伝導性樹脂組成物２を介して放熱体３例えばヒートシンク３と接合されている。そして熱伝導性樹脂組成物２は大略ベース樹脂（マトリックス材）６にフィラー７を混合したものである。
【０００５】
そして電子部品４の稼働による発熱を熱伝導性樹脂組成物２内のフィラー７を熱伝導してヒートシンク３に熱伝搬し、続いてヒートシンク３から大気に放熱している。この電子部品装置１は具体的には電子部品４のバンプ４１と電子部品搭載基板５の電極５１とを導電接続している。
【０００６】
これら電子部品装置１は高性能、高機能を要求されている。このために電子部品４の発熱量が増えている。この発熱に起因する高温が電子部品４の誤動作の原因になっている。従って電子部品４の稼働による発熱をヒートシンク３に効率良く熱伝搬し放熱する必要がある。
【０００７】
この課題を解決する技術として熱伝導性樹脂組成物２にフィラー７を含有して放熱効率を向上させている。このフィラー７としてアルミナ粉末等を使用した特公昭５９−５２１９５号公報、さらにフィラー７として窒化アルミ・窒化ケイ素等の窒化物を使用した特公平６−１９０２７号公報がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし上記公報の技術は希望する放熱効率が得られない。これは図６に図示するように熱伝導性樹脂組成物２内のフィラー７は大別して大形と小形の２種類が多数存在している。この内の大形フィラー７の粒径が球形を成し、更に電子部品と放熱体との隙間が大球形フィラーまたは小形フィラーの粒径以上であることが熱伝導の効率向上を抑止している。
【０００９】
具体的には電子部品４と放熱体３との間の充填厚み方向のフィラー７の数が増えるとフィラー相互間の接触点が多くなって、その間の熱伝導抵抗が大きくなり、電子部品装置の放熱効率が悪くなる。結果として電子部品４を所望する温度に冷却できない。従って本発明の目的は電子部品と放熱体との接続間隙を充填するために用いられる熱伝導性樹脂の熱伝導効率を改善することであり、更に具体的には高性能半導体電子部品と放熱フィンとの間に介在する熱伝導性樹脂のフィラーを改良して放熱効果を向上させようとするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は最良な熱伝導率を呈するフィラーの在り方として、個々のフィラーの一端が電子部品４に接する一方、他端がヒートシンク３に接した状態が望ましいとの知見から電子部品４とヒートシンク３との縦方向の熱伝導を個々のフィラー単体で直接に繋いで熱伝導を行うようなフィラー７を含む熱伝導性樹脂組成物２を提供するものである。
【００１１】
そして請求項１に記載の発明は長径と短径とのアスペクト比が２以上の第１の繊維状熱伝導性粉末と、第１の繊維状粉末の短径より小さい粒径の第２の熱伝導性粉末とをマトリックス材に７０〜７５体積％の割合で充填された熱伝導性樹脂が粘度１０００〜２５００Pa・s であることを特徴とする熱伝導性樹脂を提供する。従って電子部品と放熱体とに介在する熱伝導性樹脂組成物のフィラー相互間の接触点の数を減少でき、電子部品の熱を放熱体に効率良く熱伝導する。従って電子部品の熱を放熱体に効率良く熱伝導して冷却する。結果として電子部品の誤動作を防止でき、且つ電子部品装置の信頼性を向上できる。 更に、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の第１の繊維状熱伝導性粉末の長径が６０〜３００μm 、短径が５０〜１００μm であることを特徴とする熱伝導性樹脂を提供する。結果として熱伝導性樹脂組成物の熱伝導率を向上させて、従って電子部品の熱を放熱体に効率良く熱伝導して冷却する。
【００１２】
続いて請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の第１の繊維状熱伝導性粉末がインジウム、アルミニウム、錫、ダイヤモンドの少なくとも１つを充填されることを特徴とする熱伝導性樹脂を提供する。従って熱伝導性樹脂組成物の熱伝導率を向上させる。結果として電子部品の熱を放熱体に効率良く熱伝導して冷却する。
【００１３】
更に請求項４に記載の発明は、請求項１記載の第１の繊維状熱伝導性粉末と第２の熱伝導性粉末との配合比率が、第１の繊維状熱伝導性粉末：第２の熱伝導性粉末＝２：１〜１：３の体積比率であることを特徴とする熱伝導性樹脂組成物を提供する。従って熱伝導性樹脂組成物の熱伝導率を向上させる。結果として電子部品の熱を放熱体に効率良く熱伝導して冷却する。
【００１４】
次に請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４に記載の熱伝導性樹脂組成物がフィルム状であり、該熱伝導性樹脂組成物の厚みが第１の繊維状熱伝導性粉末の長径以下で、且つ短径以上であることを特徴とする熱伝導性樹脂組成物を提供する。従って熱伝導性樹脂組成物の取り扱いを容易にできる。
【００１５】
続いて請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５に記載の熱伝導性樹脂組成物を介して電子部品と放熱体とを設けた電子部品装置であることを特徴とする電子部品装置を提供する。従って電子部品の熱を放熱体に効率良く熱伝導して冷却する。結果として電子部品の誤動作を防止できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の好適な電子部品装置の概略図である。
６はベース樹脂（マトリックス材）、７１は第１のフィラー（第１の繊維状熱伝導性粉末）、７２は第２のフィラー（第２の熱伝導性粉末）である。各図面において、同一の構成要素には共通の参照符号を付して説明を省略する。
【００１７】
以下、特徴となる本発明の好適な熱伝導性樹脂組成物２の形態を説明する。
熱伝導性樹脂組成物２は大略ベース樹脂（マトリックス材）６に第１のフィラー（第１の繊維状熱伝導性粉末）７１と第２のフィラー（第２の熱伝導性粉末）７２を混合したものである。更に分散剤を添加している。
＜実施例１＞
１］ベース樹脂（マトリックス材）６
液状シリコーンオイルは例えば東芝シリコーン株式会社の製品名ＴＳＦ４５１−５０である。
【００１８】
２］第１のフィラー（第１の繊維状熱伝導性粉末）７１
インジウムは長径約１００μm と短径５０μm とのアスペクト比が約２であり具体的には高純度化学株式会社の製品名ＩＮＥ０７ＰＢである。
【００１９】
３］第２のフィラー（第２の熱伝導性粉末）７２
平均粒径３μｍのアルミニウムと平均粒径０．８μｍの酸化亜鉛とを１：１の割合で混合する。このアルミニウムは例えば高純度化学株式会社の製品名ＡＬＥ１１ＰＢである。そして酸化亜鉛は具体的には高純度化学株式会社の製品名ＺＮＯ０４ＰＡである。
【００２０】
４］分散剤
チタネート系カップリング剤は味の素ファインテクノ株式会社の製品名ＫＲ−ＴＴＳである。
【００２１】
上記材料を用いて、第１のフィラー７１と第２のフィラー７２との配合比率を３：１から１：４の６種類に分類し、更にこの６種類をフィラー７１、７２の充填量が６０から７５体積％の４種類を作り、結果として表１に示すように２４種類のサンプルを作製した。
【００２２】
【表１】
表１−ａに上記２４種類のサンプルの熱伝導率の測定結果を示す。
配合比率が第１のフィラー：第２のフィラー＝３：１の樹脂は粘度が低く過ぎてシリコーンオイルとフィラーが分離して所定厚みのペースト状にならなかった。また配合比率が第１のフィラー：第２のフィラー＝１：４のサンプルの内で、フィラーの充填量が６５体積％以上は粘度が高過ぎてペースト状にならなかった。従って熱伝導性樹脂組成物２としては使用不可能である。
【００２４】
次にペースト状の１７種類の熱伝導率を測定した。
図２は熱伝導率を測定する測定装置概略図である。
【００２５】
熱伝導率測定装置は大略、ヒータブロックＨＢ、２個の熱電対ＮＥ１、ＮＥ２を設けた上下２枚の銅板Ｃｕ１、銅板Ｃｕ２、冷却水を充満させたベローズとから構成されている。そして下側の銅板Ｃｕ１はヒータブロックＨＢに密着して設置されている。そして上側の銅板Ｃｕ２を冷却水を充満させたベローズに密着して設置されている。このヒータブロックＨＢは電源に接続され図示しない電流計、電圧計を設けている。
【００２６】
各サンプルの熱伝導率の測定は下記の方法で行われる。
最初に被測定用の熱伝導性樹脂組成物２を上下に設置された銅板Ｃｕ２と銅板Ｃｕ１とで挟恃する。続いてヒータブロックＨＢで加熱する。次に加熱開始から数分経過して上下２枚の銅板Ｃｕ１、銅板Ｃｕ１に設けられた熱電対で計測した温度の変化が一定した際の各熱電対の温度差と印可した電流値と電圧値を読み取る。そして下記の式によりコンパウンドの熱抵抗及び熱伝導率を算出した。
【００２７】
ΔＲ＝ΔＴ／（Ｉ・Ｖ）
ΔＲ：サンプルの熱抵抗（℃／Ｗ）
ΔＴ：加熱側と冷却側の温度差（℃）
Ｉ：印可電流（Ａ）
Ｖ：印可電圧（Ｖ）
λ＝Δｔ／（ΔＲ・ΔＳ）
λ：サンプルの熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）
Δｔ：サンプル厚さ（ｍ）
ΔＳ：サンプル面積（ｍ2)
＜考察＞
表１−ａの結果のとおり、第１のフィラー７１の割合と第２のフィラー７２の割合とは第１のフィラー７１の割合が第２のフィラー７２割合より多くなる程に熱伝導率が良い。
【００２８】
次に図１に図示する電子部品装置の作り方を説明する。
熱伝導性樹脂組成物２はペースト状の薄板体である。この熱伝導性樹脂組成物２の厚みが第１の繊維状熱伝導性粉末７１の長径以下で、且つ短径以上である。
【００２９】
最初にこの熱伝導性樹脂組成物２をヒートシンク３と電子部品４とで挟持する。この熱伝導性樹脂組成物２内に設けられた第１のフィラー７１と第２のフィラー７２とはランダムに配置されている。従って、第１のフィラー７１が１固のみで電子部品４とヒートシンク３とを直接に橋絡状に架設されている物と、橋絡状に架設されていないものとが混在する。詳細には繊維状熱伝導性粉末７１の長径方向の一端がヒートシンク３と繋がり、他端が電子部品が繋がっているものと、繋がっていないないものとが混在する。
【００３０】
続いて熱伝導性樹脂組成物２を加圧した。加圧され熱伝導性樹脂組成物２の厚みが薄くなる。従って既に電子部品４とヒートシンク３とに橋絡状に架設されている第１のフィラー７１が橋絡状態で傾斜、又は変形し、橋絡状態でない第１のフィラー７１が橋絡状態になる。従って電子部品４とヒートシンク３とを直接に１個のフィラーで橋絡状に架設され熱伝導するフィラーの数量が増える。結果として複数個のフィラー７１、７２を介して熱伝導するより１個のフィラーで熱伝導する方が接触抵抗が低く熱伝導率が良い。
【００３１】
この第１のフィラーの傾斜は熱伝導性樹脂組成物２の粘度の値により調節可能である。表１−ｂに記載のとおり、マトリックス材に７０体積％の割合で充填された熱伝導性樹脂の粘度１０００〜１５００Pa・s の熱伝導率が好ましい。更にマトリックス材に７５体積％の割合で充填された熱伝導性樹脂の粘度１５００〜２５００Pa・s の熱伝導率が最適である。
【００３２】
上記熱伝導率の向上は長径と短径とを有する第１のフィラー７１と第１のフィラー７１の短径より小さい粒径の第２のフィラー７２とをマトリックス材６に７０〜７５体積％の割合で充填した熱伝導性樹脂組成物２を電子部品４と放熱体３との隙間に第１のフィラー７１の長径以下で、且つ短径以上である電子部品装置１に適用したことで創出できるものである。
【００３３】
図３、図４は熱伝導性樹脂組成物２を介して電子部品４とヒートシンク３とを設けた側断面である。
図３に図示する電子部品４とヒートシンク３との隙間Ｇ１は図４に図示する隙間Ｇ２よりひろい。上述したように、これらの隙間Ｇ１、Ｇ２を所望する隙間にするために押圧して調節したものである。本発明に係る熱伝導性樹脂を使用し、加圧することで繊維状熱伝導性粉末を傾斜又は変形させることで熱伝導性樹脂組成物２の厚みを容易に調整できる。結果として電子部品４とヒートシンク３との隙間Ｇを所望する厚みに容易に製造できる。
【００３４】
図５は隙間Ｇと抵抗率との関係を示す図である。
電子部品４とヒートシンク３との隙間Ｇは第１のフィラー７１の長径以下で短径以上に設けると、本発明に係る熱伝導性樹脂の熱抵抗は従来の熱伝導性樹脂の熱抵抗よりも変化量が小さい。従って製造過程で隙間Ｇの誤差が生じても製品の品質を均一に保つことができる。
＜実施例２＞
実施例１の第１のフィラー７１のみを変更した。詳細にはインジウムをアルミニウムに変えた以外は実施例１と同じ材料である。
【００３５】
１］第１のフィラー（第１の繊維状熱伝導性粉末）７１
アルミニウムは長径約１００μm と短径約５０μm とのアスペクト比が約２であり具体的には高純度化学株式会社の製品名ＡＬＥ０６ＰＢである。
【００３６】
２］ベース樹脂（マトリックス材）６、第２のフィラー（第２の熱伝導性粉末）７２、分散剤は実施例１と同じ材料である。
【００３７】
上記材料を用いて、配合比率を第１のフィラー７１：第２のフィラー７２＝１：３とし、フィラーの充填量を６０〜７５体積％に変化させたサンプルを作製し、そして実施例１と同様の方法にて熱伝導率を測定した。
【００３８】
【表２】
表２に熱伝導率の測定結果を示す。フィラー充填量が６０〜６５体積％のものは熱伝導率が２〜４Ｗ／ｍ・Ｋ程度であった。これに対して、７０〜７５体積％のものは５〜６Ｗ／ｍ・Ｋと高い熱伝導率を示した。実施例１と同様にフィラーの充填量が６０から７５体積％に多くなるほど熱伝導率は良くなる。
＜実施例３＞
実施例１のインジウムを錫に変えた以外は実施例１と同じ材料を用いた。
【００４０】
１］第１のフィラー（第１の繊維状熱伝導性粉末）７１
錫は長径約１００μm と短径約５０とのアスペクト比が約２であり具体的には高純度化学株式会社の製品名ＳＮＥ０６ＰＢである。
【００４１】
２］ベース樹脂（マトリックス材）６、第２のフィラー（第２の熱伝導性粉末）７２、分散剤は実施例１と同じ材料である。
【００４２】
上記材料を用いて、配合比率を第１のフィラー７１：第２のフィラー７２＝１：３とし、フィラーの充填量を６０〜７５体積％と変えたサンプルを作製し、そして実施例１と同様の方法にて熱伝導率を測定した。
【００４３】
【表３】
表３に熱伝導率の測定結果を示す。フィラー充填量が６０〜６５体積％のものは熱伝導率が２〜４Ｗ／ｍ・Ｋ程度であった。これに対して７０〜７５体積％のものは５〜６Ｗ／ｍ・Ｋと高い熱伝導率を示した。
＜実施例４＞
実施例１のベース樹脂である液状シリコーンオイルを液状シリコーンゲルに変えた以外は実施例１と同じ材料を用いた。
【００４５】
１］ベース樹脂（マトリックス材）６
液状シリコーンゲルは例えば東レ・ダウコーニング・シリコ−ン株式会社の製品名ＳＥ１８８５である。
【００４６】
２］第１のフィラー（第１の繊維状熱伝導性粉末）７１、第２のフィラー（第２の熱伝導性粉末）７２、分散剤は実施例１と同じ材料である。
【００４７】
上記材料を用いて、配合比率を第１のフィラー７１：第２のフィラー７２＝１：３とし、フィラーの充填量を６０〜７５体積％と変えたサンプルを作製し、そして実施例１と同様の方法にて熱伝導率を測定した。
【００４８】
【表４】
表４に熱伝導率の測定結果を示す。フィラー充填量が６０〜６５体積％のものは熱伝導率が２〜５Ｗ／ｍ・Ｋ程度であった。これに対して７０〜７５体積％のものは６Ｗ／ｍ・Ｋと高い熱伝導率を示した。
＜実施例５＞
実施例１のベース樹脂である液状シリコーンオイルをエポキシ樹脂に変えた以外は実施例１と同じ材料を用いた。
【００５０】
１］ベース樹脂（マトリックス材）６
エポキシ樹脂は例えば主剤が大日本インキ株式会社の製品名８３０ＬＶＰであり、硬化剤は旭チバ株式会社の製品名ＨＸ−３９２１である。
【００５１】
２］第１のフィラー（第１の繊維状熱伝導性粉末）７１、第２のフィラー（第２の熱伝導性粉末）７２、分散剤は実施例１と同じ材料である。
【００５２】
上記材料を用いて、配合比率を第１のフィラー７１：第２のフィラー７２＝１：３とし、フィラーの充填量を６０〜７５体積％と変えたサンプルを作製し、そして実施例１と同様の方法にて熱伝導率を測定した。
【００５３】
【表５】
表５に熱伝導率の測定結果を示す。フィラー充填量が６０体積％のものは熱伝導率が２〜３Ｗ／ｍ・Ｋであったが、６５体積％のものは５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を示した。
＜実施例６＞
実施例１のベース樹脂である液状樹脂にシリコーンゴムを用いた以外は実施例１と同じ材料を用いた。
【００５５】
熱伝導性樹脂組成物の材料
１］ベース樹脂（マトリックス材）６
液状シリコーンゴムは例えば東芝シリコーン株式会社の製品名ＴＳＥ３０３３である。
【００５６】
２］第１のフィラー（第１の繊維状熱伝導性粉末）７１、第２のフィラー（第２の熱伝導性粉末）７２、は実施例１と同じ材料である。
【００５７】
上記材料を用いて、配合比率を第１のフィラー７１：第２のフィラー７２＝１：３とし、フィラーの量が６５体積％、厚さが１００μｍ，２００μｍのフィルム状のサンプルを作製し、そして実施例１と同様の方法にて熱伝導率を測定した。
【００５８】
【表６】
表６に熱伝導率の測定結果を示す。液状シリコーンゴムのフィルム厚さが１００μｍのものはフィルムは表面に１５０〜２５０μｍの凹凸が発生した。この凹凸が熱伝導率を１〜２Ｗ／ｍ・Ｋに低下させた原因と思われる。しかしフィルムの厚さが２００μｍでは５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を示した。厚さ１００μｍのフィルム表面の凹凸が大きかったのは、１００〜２００μｍ径のインジウムのフィラーを含んでいたためであり、フィルム厚さよりも小粒径のフィラーを使用することによりフィルム状態は良くなり、高い熱伝導率が得られるようになる。
【００６０】
また、第１のフィラー７１の長径と短径の比であるアスペクト比は、電子部品４とヒートシンク３との隙間Ｇの値に関係する。実際の製品組み立て時の隙間Ｇの誤差を考慮すると、アスペクト比は１．１〜３．０程度が望ましい。
【００６１】
ベース樹脂６となる液状樹脂としては、種々の高分子材料を用いることが可能である。対化学的な安定と耐熱性と電気特性とに優れ、さらに流動性が高いなどの観点からシリコーンオイルやシリコーンゲルが良い。特に粘度が低いシリコーンオイルがより好ましい。シリコーンオイルは分子量の違いにより粘度・揮発性等が変わるため、使用条件等を満足できるものであれば、分子量が小さいものほど粘度が低く好ましい。また、耐熱性が要求され、リペア性が必要でない用途ではエポキシ系などの熱硬化性樹脂を使用することが可能である。更に、マトリックス材に熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、シリコーンゴムを使用してフィルム状とすることにより取扱性が向上する。
【００６２】
フィラー７１、７２の表面処理を行うとベース樹脂６とフィラーとの分散性・充填率の向上に効果がある。これに使用する分散剤としては公知のものを使用できるが、チタネート系カップリング剤が特に有効である。
【００６３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の熱伝導性樹脂組成物を採用すれば熱伝導性樹脂組成物の熱伝導率が向上して、電子部品の熱を放熱体に効率良く熱伝導冷却する。結果として電子部品の高温に起因する誤動作を防止でき、且つ電子部品装置１の信頼性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の好適な電子部品装置の概略図、
【図２】 熱伝導率を測定する測定装置概略図、
【図３】 熱伝導性樹脂組成物を介して電子部品とヒートシンクとを
設けた側断面、
【図４】 熱伝導性樹脂組成物を介して電子部品とヒートシンクとを設けた側断面、
【図５】 隙間と熱伝導率との関係を示す図、
【図６】 従来の電子部品装置の概略図である。
【符号の説明】
１ 電子部品装置、
２ 熱伝導性樹脂組成物、
３ 放熱体、
４ 電子部品、
４１ バンプ、
５ 電子部品搭載基板、
５１ 電極、
６ ベース樹脂（マトリックス材）、
７ フィラー、
７１ 第１のフィラー（第１の繊維状熱伝導性粉末）、
７２ 第２のフィラー（第２の熱伝導性粉末）、
Claims (6)
- 長径と短径とのアスペクト比が２以上の第１の繊維状熱伝導性粉末と、
第１の繊維状粉末の短径より小さい粒径の第２の熱伝導性粉末とを
マトリックス材に７０〜７５体積％の割合で充填して成り、粘度が１０００〜２５００Pa・s であることを特徴とする熱伝導性樹脂組成物。 - 請求項１に記載の第１の繊維状熱伝導性粉末の長径が６０〜３００μm 、短径が５０〜１００μm であることを特徴とする熱伝導性樹脂組成物。
- 請求項１に記載の第１の繊維状熱伝導性粉末がインジウム、
アルミニウム、錫、ダイヤモンドの少なくとも１つから成ることを特徴とする熱伝導性樹脂組成物。 - 請求項１に記載の第１の繊維状熱伝導性粉末と第２の熱伝導性粉末との配合比率が、
第１の繊維状熱伝導性粉末：第２の熱伝導性粉末＝２：１〜１：３
の体積比率であることを特徴とする熱伝導性樹脂組成物。 - 請求項１乃至４に記載の熱伝導性樹脂組成物がフィルム状であり、該熱伝導性樹脂組成物の厚みが第１の繊維状熱伝導性粉末の長径以下で、且つ短径以上であることを特徴とする熱伝導性樹脂組成物。
- 請求項１乃至５に記載の熱伝導性樹脂組成物を介して電子部品に放熱体を設けたことを特徴とする電子部品装置。
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