JP4529470B2

JP4529470B2 - 接着剤及びそれを用いた電子部品

Info

Publication number: JP4529470B2
Application number: JP2004039439A
Authority: JP
Inventors: 祐子澤田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-02-17
Filing date: 2004-02-17
Publication date: 2010-08-25
Anticipated expiration: 2024-02-17
Also published as: JP2005232207A

Description

この発明は、熱伝導性にすぐれた接着剤及びその接着剤を用いて半導体素子と放熱部材とを接着した電子部品に関するものである。

車載電装品、航空・宇宙関連部品、家電品、情報機器などに用いられる電子部品は、発熱体となる半導体素子からの放熱のため、その半導体素子と放熱板やヒートシンクなどの放熱部材とを熱伝導性接着剤で接着している。熱伝導性接着剤は、熱硬化性樹脂やシリコーングリースなどに熱伝導性充填材を充填したものが広く知られている。なかでも、熱伝導性充填材として窒化ホウ素の粒子を充填し、この窒化ホウ素を磁場によって一定方向に配向させて熱伝導性を向上させている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００２−６９３９２号公報

しかしながら、従来の技術では、半導体素子と放熱部材との加熱接着後に常温まで冷却する際や、半導体素子の稼動・停止において昇温と降温を繰り返す際に、接着界面の剥離や接着層のクラックが発生しうるという問題がある。これは、前述の温度変化において、半導体素子と放熱部材の熱膨張率の差から電子部品に熱応力が加わり、接着層がその熱応力を十分に緩和できないために起こる。熱伝導性充填材が粒子の場合、粒子は熱応力が加わっても変形しないから、熱硬化性樹脂の変形だけでは熱応力を緩和しきれないときに、このような問題が生じる。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、熱伝導性充填材でも熱応力を緩和できる接着剤を提供する。さらに、この接着剤を用いて半導体素子と放熱部材とを接着し、熱応力による接着界面の剥離や接着層のクラックを防止した電子部品を提供する。

この発明における接着剤は、熱伝導性繊維が絡み合ったフェルト状の伸縮性生地と、この伸縮性生地に含浸された熱硬化性樹脂とを備え、この熱硬化性樹脂によって被着体と接着可能な接着剤であって、熱伝導性繊維は熱硬化性樹脂の表面において露出部分を有し、この露出部分が金属で被覆されているものである。

この発明における電子部品は、半導体素子と、半導体素子から発生される熱を放出するための放熱部材とを有し、半導体素子と放熱部材とは、熱伝導性繊維が絡み合った伸縮性生地とこの伸縮性生地に含浸された熱硬化性樹脂とを備える接着剤によって接着された電子部品であって、熱伝導性繊維は熱硬化性樹脂の表面において露出部分を有し、この露出部分が金属で被覆されているとともに半導体素子及び放熱部材に接しているものである。

この発明によれば、熱伝導性繊維が絡み合った伸縮性生地でも熱応力を緩和できる接着剤を提供できる。さらに、この接着剤を用いて半導体素子と放熱部材とを接着し、熱応力による接着界面の剥離や接着層のクラックを防止した電子部品を提供できる。

実施の形態１．
図１は、本発明が適用される接着剤の実施の形態１を説明するための断面図である。図１において、接着剤としての接着シート１は、熱伝導性繊維２をフェルト状に絡み合わせた伸縮性生地に、熱硬化性樹脂を含浸させたものである。

熱伝導性繊維２としては、例えばステンレス繊維があげられ、一般に繊維径が数μｍから数十μｍである。このような熱伝導性繊維２が螺旋状など曲線形状をしており、互いに絡み合った状態でプレスすると、フェルト状の伸縮性生地が得られる。伸縮性生地の厚さは、熱伝導性繊維２の量やプレス圧によって様々に調整できる。また、熱伝導性繊維２を多数本収束して糸にした場合、これらの糸を編み込んだニット状の伸縮性生地を得ることもできる。また、熱伝導性繊維２は、鉄、銅、黄銅、アルミニウム、金、銀などステンレス以外の金属繊維やアルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素など熱伝導性セラミック繊維でもよく、これらの混紡であってもよい。

このようにして得られた伸縮性生地に、未硬化状態で液状の熱硬化性樹脂３を含浸させる。図２は、含浸方法を説明するための模式図である。まず伸縮性生地を、フッ素樹脂被覆などの離型用シート４で挟み込む。このとき、伸縮性生地の表面にある熱伝導性繊維２は、離型用シート４に食い込んでいる。この状態で、シリンジ５から伸縮性生地に向けて液状の熱硬化性樹脂３を吐出する。熱硬化性樹脂３の吐出圧力や吐出量、温度は、この熱硬化性樹脂３が伸縮性生地の隅々まで含浸するように調整できる。含浸後に、この熱硬化性樹脂３を加熱して半硬化状態や冷却して凝固状態にすると、接着シート１として取り扱いが容易になる。これは、液状から半固体状または固体状となり、ハンドリング中に変形することがないからである。なお、Ｂステージと呼ばれる半硬化状態にすることが一般に行われている。また、熱硬化性樹脂３が半固体状または固体状となった接着シート１を使用する際は、離型用シート４を剥離する。

このようにして得られた接着シート１は、半固体状または固体状の熱硬化性樹脂３の表面において、熱伝導性繊維２が部分的に露出している。この露出部分は、先述の熱硬化性樹脂３の含浸時に離型用シート４に食い込んだ部分であって、熱硬化性樹脂３に被覆されていない。なお、熱硬化性樹脂３としてはエポキシ樹脂が広く用いられるが、他にポリイミド系、シリコーン系、ウレタン系などが知られている。

図３は、この接着シート１を用いた電子部品の断面図である。電子部品６は、半導体素子７と放熱部材としてのヒートシンク８とを接着シート１を用いて接着したものである。半導体素子７は、例えばパソコンなどの電子機器に搭載して長時間連続的に稼動するとジュール熱を発生する。すると、半導体素子７の誤動作などの不具合が発生する。そこで、すみやかに放熱することを目的としてヒートシンク８などが用いられている。半導体素子７とヒートシンク８との間に接着シート１を挿入して加熱加圧すると、接着シート１の熱硬化性樹脂３は半硬化物から硬化物へと反応し、この硬化反応によって半導体素子７とヒートシンク８とを接着できる。熱硬化性樹脂３がエポキシ樹脂の場合、接着温度は例えば１６０〜２００℃である。

電子部品６の製造工程では、接着シート１の接着温度まで加熱され、後に常温まで冷却される。また、電子部品６が稼動している間は半導体素子７のジュール熱で昇温し、電子部品６が停止すると降温する。このとき、半導体素子７とヒートシンク８の熱膨張率の差によって熱応力が発生する。図４は、熱応力による電子部品６の変形の模式図である。一般に、半導体素子７に対して、銅やアルミニウムなどのヒートシンク８のほうが大きい熱膨張率を有する。そのため、半導体素子７に比べてヒートシンク８の膨張量や収縮量は大きくなる。そこで、この膨張量や収縮量の差に応じて、例えば図４のように接着シート１が台形状に変形する。これは、熱硬化性樹脂３だけでなく伸縮性生地２も、熱応力に応じて変形するためである。すなわち、伸縮性生地２は、ヒートシンク８との接着界面に近い側ほど熱伝導性繊維２が降温時においては密になるように収縮、昇温時においては疎になるように膨張し、熱応力の緩和に寄与する。

ちなみに、この接着層が従来技術のような熱伝導性粒子を高充填したものである場合、半導体素子７とヒートシンク８との膨張量や収縮量の差を、接着層の変形により吸収しきれない場合が発生する。そのため、半導体素子７と接着層との界面またはヒートシンク８と接着層との界面に発生するせん断方向の応力によって剥離が生じたり、電子部品６自体の反りに起因して発生する引き剥がし方向の応力によって接着層や半導体素子７またはヒートシンク８自体の凝集破壊やクラックが発生したりすることになる。

これに対して、この実施の形態における接着シート１は、半導体素子７とヒートシンク８の膨張量や収縮量の差に基づく熱応力を良好に緩和できる。さらに、電子部品６においては、良好な応力緩和によって、接着シート１と半導体素子７との接着界面、接着シート１とヒートシンク８との接着界面の剥離を防止できるとともに、接着シート１からなる接着層のクラックを防止できる。

また、熱硬化性樹脂３は、化学構造的にシリコーン系やフッ素樹脂系、スチレン−ブタジエン系などのゴム成分で変性したり、ゴム粒子を添加したりすることによって、接着加熱後の硬化状態において常温以下のガラス転位温度を有することができる。これにより、熱硬化性樹脂３は、常温以上での熱応力緩和性が向上する。

また、接着シート１の熱伝導性繊維２は、接着前において熱硬化性樹脂３の表面において露出部分を有する。この露出部分は、接着後に半導体素子７及びヒートシンク８に直接的に接している。熱伝導性繊維２は接着層内部において絡み合っているから、半導体素子７とヒートシンク８との間には、熱伝導性繊維２を介して良好な熱伝導路が形成されることになる。したがって、半導体素子７からヒートシンク８への熱伝導性が向上し、良好な放熱特性が得られる。

なお、接着シート１の熱硬化性樹脂３の表面から熱伝導性繊維２を部分的に露出させる方法として、図５に示すようなサンドブラスト法を用いてもよい。図において、接着シート１に対して研磨粒子ノズル９から研磨粒子を吐出する。熱硬化性樹脂３は、熱伝導性繊維２よりも柔らかいために選択的に研磨される。研磨粒子や吐出圧力は適宜選択できる。このようにすれば、熱伝導性繊維２が熱硬化性樹脂３によって全面的に被覆されていたとしても、熱硬化性樹脂３の表面から熱伝導性繊維２を部分的に露出させることができる。

実施の形態２．
図６は、実施の形態２を説明するための電子部品の断面図である。この実施の形態は、実施の形態１の接着シート１において、熱伝導性繊維２の表面にインジウムめっきしたものである。インジウムの融点は１５６．６１℃であり、熱硬化性樹脂３は硬化温度が例えば１６０〜１８０℃のものを用いる。すなわち、熱伝導性繊維２は、熱硬化性樹脂３の硬化温度よりも低い融点を有する金属で被覆されている。さらに、熱硬化性樹脂３の表面において熱伝導性繊維２が部分的に露出しており、この露出部分はインジウムで被覆されている。

この接着シート１を用いて半導体素子７とヒートシンク８とを接着する場合、接着加熱時にインジウムが溶融して、接着シート１と半導体素子７との接着界面、および接着シート１とヒートシンク８との接着界面にインジウムが拡散する。そのため、接着界面全体に形成されるインジウム膜１０によって金属接合されていることから、熱伝導性が一段と向上する。また、接着と金属接合とを一括して実施できる。

さらに、熱伝導性が向上することにより、電子部品の発熱による誤動作や電子部品の破壊・脱落といった不具合を防止する効果がある。また、インジウムは、他の金属と比較して融点が低いために接合温度も低く、再接合による修復も可能である。

実施の形態３．
この実施の形態は、実施の形態１の接着シート１において、熱伝導性繊維２の表面に半田を被覆したものである。熱硬化性樹脂３の表面において熱伝導性繊維２が部分的に露出しており、この露出部分は半田で被覆されている。

この接着シート１を用いて半導体素子７とヒートシンク８とを接着する場合、まず、接着シート１と半導体素子７との接触面、および接着シート１とヒートシンク８との接触面に振動を与え、この振動による摩擦熱で半田を溶融させる。溶融した半田は、これらの接触面に拡散する。振動源としては、例えば超音波があげられる。次に、熱硬化性樹脂３を硬化温度まで昇温し、接着シート１と半導体素子７、接着シート１とヒートシンク８を接着する。

この実施の形態でも、接着界面全体に形成される半田膜によって金属接合されていることから、熱伝導性が一段と向上する。また、半田をあらかじめ振動によって溶融させていることから、熱硬化性樹脂３の硬化温度が半田すなわち熱伝導性繊維２を被覆する金属の溶融温度より低くても、このような電子部品６が得られる。

この発明は、応力緩和を目的とした接着剤に広く利用できる。

実施の形態１を説明するための接着シートの断面図である。実施の形態１を説明するための含浸方法の模式図である。実施の形態１を説明するための電子部品の断面図である。実施の形態１を説明するための熱応力による電子部品の変形の模式図である。実施の形態１を説明するためのサンドブラスト法の模式図である。実施の形態２を説明するための電子部品の断面図である。

符号の説明

１接着シート、２熱伝導性繊維、３熱硬化性樹脂、４離型用シート、６電子部品、７半導体素子、８ヒートシンク、１０インジウム膜。

Claims

熱伝導性繊維が絡み合ったフェルト状の伸縮性生地と、前記伸縮性生地に含浸された熱硬化性樹脂とを備え、前記熱硬化性樹脂によって被着体と接着可能な接着剤であって、前記熱伝導性繊維は前記熱硬化性樹脂の表面において露出部分を有し、前記露出部分が金属で被覆されていることを特徴とする接着剤。
前記金属は、前記熱硬化性樹脂の硬化温度より低い融点を有することを特徴とする請求項１記載の接着剤。
半導体素子と、半導体素子から発生される熱を放出するための放熱部材とを有し、前記半導体素子と前記放熱部材とは、熱伝導性繊維が絡み合った伸縮性生地と前記伸縮性生地に含浸された熱硬化性樹脂とを備える接着剤によって接着された電子部品であって、前記熱伝導性繊維は前記熱硬化性樹脂の表面において露出部分を有し、前記露出部分が金属で被覆されているとともに前記半導体素子及び前記放熱部材に接していることを特徴とする電子部品。
半導体素子と、半導体素子から発生される熱を放出するための放熱部材とを有し、前記半導体素子と前記放熱部材とは、熱伝導性繊維が絡み合った伸縮性生地と前記伸縮性生地に含浸された熱硬化性樹脂とを備える接着剤によって接着された電子部品であって、前記熱伝導性繊維は前記熱硬化性樹脂の表面において露出部分を有し、前記露出部分が前記熱硬化性樹脂の硬化温度より低い融点を有する金属で被覆されているとともに前記半導体素子及び前記放熱部材に接していることを特徴とする電子部品。