JP4788703B2 - サーマルインターフェース材、およびサーマルインターフェース材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、二つの部材間に介装されて一方の部材から他方の部材へ熱を伝達するサーマルインターフェース材と、その製造方法に関する。

従来、発熱性の電子部品から熱を放散させるために、電子部品に対してヒートシンクやヒートスプレッダを取り付けることが行われており、その際、電子部品とヒートシンク等との間にサーマルインターフェース材を介装することも行われている。

この種のサーマルインターフェース材は、一般に、熱伝導率が高い柔軟な熱伝導性材料によって形成されていて、電子部品とヒートシンク等との間に挟み込まれた際に、柔軟に変形してヒートシンク等に密接する。これにより、電子部品とヒートシンク等との間がサーマルインターフェース材によって埋められ、電子部品とヒートシンク等との間に断熱作用のある空隙ができてしまうのを防止することができる。

また、この種のサーマルインターフェース材として、自動実装機での実装に対応したものも既に提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。この特許文献１に記載されたものは、ホットメルト接着剤によって接着対象箇所に接着されるものである。
特許２９４１８０１号公報

ところで、近年、電子機器の性能向上に伴って発熱性の高い電子部品も増大しており、放熱対策がますます重要になっている。こうした背景の下、本件発明者は、発熱性の電子部品の近傍においてプリント配線板に対してヒートシンクを取り付けることにより、電子部品の熱を一旦プリント配線板へ逃がして、プリント配線板を介してヒートシンクへ熱を伝達することを検討している。

この場合、上記のようなサーマルインターフェース材は、プリント配線板とヒートシンクとの間に介装されることになるので、サーマルインターフェース材をプリント配線板上に自動実装できると便利であり、自動実装できる点に関しては、上記特許文献１に記載のものは好適なものである。

しかし、プリント配線板上に実装される多くの電子部品は、いずれもリフローソルダリング等の手法で、プリント配線板に対してはんだ接合されるのに対し、上記従来のサーマルインターフェース材については、はんだ接合での実装はできなかった。

そのため、はんだ接合工程において、上記従来のサーマルインターフェース材を、他の電子部品と全く同様に扱うことは難しい場合があり、この場合、それぞれの特性の違いを考慮した実装工程を採用せざるを得なくなるなど、実装工程を煩雑化させる要因となるおそれがあった。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、その目的は、自動実装機による実装が可能で、特に、一般的な電子部品と同様にはんだ接合を行うことができるサーマルインターフェース材を提供することにある。

以下、本発明において採用した構成について説明する。
本発明のサーマルインターフェース材は、請求項１に記載の通り、自動実装機を使用してプリント配線板上に実装可能なサーマルインターフェース材であって、粘着性のある熱伝導性材料によって形成された熱伝導層が、粘着性のない薄膜材によって形成された粘着防止層と金属材によって形成された金属層との間に挟み込まれた３層構造になっていて、前記粘着防止層によって、前記自動実装機の部品吸着用ノズルで吸着可能な吸着面が形成されるとともに、前記金属層によって、前記プリント配線板に対してはんだ接合可能なはんだ接合面が形成されており、前記粘着防止層および前記熱伝導層は、前記粘着防止層の外面に他の部材を圧接させた際、前記粘着防止層の外面が前記他の部材に密接する形状に変形する程度に柔軟な構造とされており、前記粘着防止層、前記熱伝導層、および前記金属層の積層方向に平行な端面において、前記熱伝導層は、前記粘着防止層および前記金属層よりも凹んだ状態になっていることを特徴とする。

このように構成されたサーマルインターフェース材によれば、粘着防止層によって形成される吸着面を利用することにより、自動実装機の部品吸着用ノズルでサーマルインターフェース材を吸着し、プリント配線板上への配置を行うことができる。また、吸着面の裏側に当たる面は、金属層によって形成されたはんだ接合面となっているので、このはんだ接合面を利用することにより、プリント配線板に対してはんだ接合を行うことができる。したがって、例えば、多くの一般的な電子部品同様、リフローソルダリング法などによってサーマルインターフェース材をプリント配線板上に実装することができる。

なお、こうしてサーマルインターフェース材を実装した後は、例えば、ヒートシンクやヒートスプレッダ等といった他の部材を、粘着防止層側に圧接させることにより、粘着防止層を他の部材に密接させることができる。これにより、サーマルインターフェース材の接合対象箇所からサーマルインターフェース材へと伝わる熱を、効率良く他の部材へと逃がすことができる。
また、本発明のサーマルインターフェース材を自動実装機で使用する際には、サーマルインターフェース材がエンボスキャリアテープやトレーに収容されるが、上述の通り、粘着防止層、熱伝導層、および金属層の積層方向に平行な端面において、熱伝導層が、粘着防止層および金属層よりも凹んだ状態になっていると、熱伝導層がエンボスキャリアテープやトレーに直接接触することがない。
したがって、熱伝導層の端面がエンボスキャリアテープやトレーに粘着することはなく、部品吸着ノズルでの取り出しの際に、サーマルインターフェース材をうまく取り出すことができるようになる。

ところで、このようなサーマルインターフェース材において、熱伝導層を形成するための具体的な方法については様々な方法を考え得る。一例を挙げれば、例えば、熱伝導性材料の原料組成物を粘着防止層と金属層との間に挟み込んでから、粘着防止層および金属層とともに加熱処理を施して、熱伝導性材料の原料組成物を架橋することによって、熱伝導層を形成するといった方法を挙げることができる。

ただし、上記のような方法で熱伝導層を形成した場合、金属層にまで加熱処理が施されるため、金属層の表面に酸化被膜が形成されることがあり、この酸化被膜がはんだ接合面のはんだ濡れ性を低下させる要因となることがある。

この点、請求項２に記載のサーマルインターフェース材は、請求項１に記載のサーマルインターフェース材において、前記熱伝導層は、前記熱伝導性材料の原料組成物を前記粘着防止層と前記金属層との間に挟み込んでから、前記粘着防止層および前記金属層とともに加熱処理を施して、前記熱伝導性材料の原料組成物を架橋することによって形成されたものであり、しかも、前記金属層は、前記はんだ接合面が気密性のある被覆層で被覆されてから前記加熱処理が施されるとともに、当該加熱処理の後に前記被覆層が除去されることにより、前記被覆層で被覆されないまま前記加熱処理が施された場合よりも、前記はんだ接合面上に形成される酸化被膜が低減された状態になっている。

したがって、このようなサーマルインターフェース材であれば、はんだ接合面のはんだ濡れ性は良好なものとなる。したがって、はんだ接合部の接合強度を向上させることができ、さらに、はんだ接合部における電気抵抗も低くすることができる。

また、本発明のサーマルインターフェース材において、熱伝導層は、熱伝導率が高い材料（例えば、熱伝導率が２Ｗ／ｍ・Ｋ以上）の材料で、且つ、粘着防止層の外面を他の部材に密接する形態に変形させることができる程度の柔らかさを持つ材料で、且つ、はんだ接合時に熱を受けても所期の性能を維持できる材料であれば、その具体的な成分については限定されないが、代表的な一例を挙げれば、例えば、請求項３に記載の通り、マトリクスとなるシリコーン中にアルミナ粉末を配合してなる熱伝導性材料によって形成されていると好ましい。

なお、シリコーン以外のマトリクスとしては、フッ素樹脂などを用いることができる。また、アルミナ粉末以外の熱伝導性フィラーとしては、炭化ケイ素や窒化ホウ素の粉末、あるいは、これら以外の一般的に用いられている各種熱伝導性フィラーを用いることができる。

また、本発明のサーマルインターフェース材において、金属層は、はんだ接合するのに適した金属であれば、各種金属およびそれらの合金を任意に利用できるが、代表的な一例を挙げれば、金属層は、リン青銅によって形成されていると好ましい。

また、本発明のサーマルインターフェース材において、粘着防止層は、粘着防止層の外面を他の部材に密接する形態に変形させることができる程度の柔らかさを持つ材料で、且つ、はんだ接合時に熱を受けても所期の性能を維持できる材料であれば、その具体的な成分については限定されないが、代表的な一例を挙げれば、粘着防止層は、ポリイミド製のフィルムによって形成されていると好ましい。

なお、ポリイミド以外のフィルムとしては、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド樹脂）などの耐熱性樹脂製フィルムを利用することができる。また、アルミニウム箔などの金属箔を利用することもでき、この場合、熱伝導層にも導電性フィラーを配合することにより、サーマルインターフェース材を導電性サーマルインターフェース材とすることもできる。

次に、本発明のサーマルインターフェース材の製造方法は、粘着防止層となる粘着性のない薄膜材と、熱伝導層となる粘着性のある熱伝導性材料の原料組成物と、金属層となる金属材と、被覆層となる気密性のある部材とを、当該順序で積層してなる４層構造の積層体を形成する第１の工程と、前記第１の工程で形成された前記４層構造の積層体に対して加熱処理を施すことにより、前記熱伝導性材料の原料組成物を架橋する第２の工程と、前記４層構造の積層体から前記被覆層を剥がすことにより、前記粘着防止層、前記熱伝導層、および前記金属層を積層してなる３層構造のサーマルインターフェース材を得る第３の工程とを備えることを特徴とする。

このような製造方法によれば、上述したサーマルインターフェース材を製造することができる。また特に、被覆層をも積層した４層構造の積層体を形成した後に、加熱処理を施して熱伝導性材料の原料組成物を架橋し、その上で、被覆層を剥がすことにより、粘着防止層、熱伝導層、および金属層を積層してなる３層構造のサーマルインターフェース材を製造するので、加熱処理を施すことに起因して金属層に酸化被膜が形成されるのを防止ないし抑制することができる。

なお、請求項５に記載の通り、前記第３の工程においては、前記４層構造の積層体から前記被覆層を剥がす前に、前記被覆層を残して、前記粘着防止層、前記熱伝導層、および前記金属層を所定の寸法および形状に切断し、切断されていない前記被覆層から、複数片の前記サーマルインターフェース材を取り外すとよい。

このような製造方法であれば、被覆層をも切断してしまう方法とは異なり、切断後のサーマルインターフェース材がばらばらになってしまうことがないので、ばらばらになってしまった複数片のサーマルインターフェース材それぞれから被覆層を剥がすのに比べ、被覆層を剥がす作業にかかる手間が格段に軽減される。

なお、前記第３の工程において、前記切断の際には、超微粒子超硬合金の１本刃を使用すると好ましい。このような製造方法を採用すれば、例えば、プレス型などで切断を行った場合とは異なり、比較的柔らかい粘着防止層および熱伝導層と比較的硬い金属層とを積層してあるにもかかわらず、きれいな切断面を形成することができる。

次に、本発明の実施形態について一例を挙げて説明する。
図１は、サーマルインターフェース材１の斜視図である。
このサーマルインターフェース材１は、自動実装機を使用してプリント配線板上に実装可能なもので、熱伝導層１１が、粘着防止層１２と金属層１３との間に挟み込まれた構造になっている。本実施形態において、このサーマルインターフェース材１は、１０ｍｍ角のものである。

熱伝導層１１は、本実施形態においては、２０重量部のシリコーンに対して８０重量部のアルミナ粉末を配合してなる熱伝導性材料によって形成されている。シリコーンとしては、２種類のシリコーンＡ，Ｂ（シリコーンＡ：東レ・ダウコーニング株式会社製、ＣＹ５２−２７６Ａ、シリコーンＢ：東レ・ダウコーニング株式会社製、ＣＹ５２−２７６Ｂ）を、シリコーンＡ：Ｂ＝２：３の比率で混合して使用した。

また、アルミナ粉末としては、粒径：数十μｍのものと粒径：２〜３μｍのものとを１５：６５の割合で配合したものと、粒径：２〜３μｍのものだけを単独で配合したものとを試作した。アルミナ粉末は、粒径：２〜３μｍのものの配合比が低下すると、熱伝導層１１と金属層１３との接着性が低下する傾向を示すので、上記８０重量部中、６５重量部以上を粒径：２〜３μｍのものにすると好ましい。

また、この熱伝導層１１は、粘着防止層１２、熱伝導層１１、および金属層１３の積層方向に平行な端面において、粘着防止層１２および金属層１３よりも凹んだ状態になっている。なお、熱伝導層１１の厚さは１．０ｍｍとされている。

粘着防止層１２は、本実施形態においては、ポリイミドフィルムによって形成され、この粘着防止層１２によって、自動実装機の部品吸着用ノズルで吸着可能な吸着面が形成されている。また、この粘着防止層１２は、ヒートシンクやヒートスプレッダといった他の部材に当接する部分でもある。

金属層１３は、本実施形態においては、厚さ０．１ｍｍの薄板状リン青銅によって形成され、この金属層１３によって、プリント配線板に対してはんだ接合可能なはんだ接合面が形成されている。

以上のような各層の内、熱伝導層１１、および粘着防止層１２は、粘着防止層１２の外面に他の部材を圧接させた際に、粘着防止層１２の外面が他の部材に密接する形態に変形する程度の柔軟性を有するものとなっている。

図２は、サーマルインターフェース材１の製造方法についての説明図である。
このサーマルインターフェース材１の製造時には、図２に示すように、上述の粘着防止層１２、熱伝導層１１、および金属層１３に加えて、さらに被覆層１４が積層されることにより、中間製品として４層構造の積層体１６が形成される。

より詳しく説明すると、上記４層構造の積層体１６は、コーター２０によって製造される。このコーター２０は、熱伝導層１１を形成する熱伝導性材料の原料組成物を供給する第１供給部２１と、粘着防止層１２を形成するポリイミドフィルムを供給する第２供給部２２と、金属層１３を形成する薄板状のリン青銅材を供給する第３供給部２３と、被覆層１４となる耐熱性フィルムを供給する第４供給部２４とを備えている。

これら第１供給部２１〜第４供給部２４から供給される各材料は、上ロール２７と下ロール２８との間に供給され、上述の４層が同時に積層される。そして、積層された４層構造の積層体１６は、コーター２０からオーブン３０へと連続的に供給され、オーブン３０において加熱処理が施され、これにより、熱伝導層１１を形成する熱伝導性材料の原料組成物が架橋される。

その後、４層構造の積層体１６は、十分に冷却されてから切断され、被覆層１４が剥がされることにより、所期のサーマルインターフェース材１とされる。なお、上記切断の際には、４層構造の積層体１６から被覆層１４を剥がす前に、被覆層１４を残して、粘着防止層１２、熱伝導層１１、および金属層１３を１０ｍｍ角に切断し、切断されていない被覆層１４から、複数片のサーマルインターフェース材１を取り外す。

このようにすれば、被覆層１４をも切断してしまう方法とは異なり、切断後のサーマルインターフェース材１がばらばらになってしまうことがないので、ばらばらになってしまった複数片のサーマルインターフェース材１それぞれから被覆層１４を剥がすのに比べ、被覆層１４を剥がす作業にかかる手間が格段に軽減される。

また、この切断の際には、超微粒子超硬合金の１本刃を使用して切断を行った。このような切断方法であれば、例えば、プレス型などで切断を行った場合とは異なり、比較的柔らかい粘着防止層１２および熱伝導層１１と比較的硬い金属層１３とを積層してあるにもかかわらず、きれいな切断面を形成することができる。

ちなみに、熱伝導層１１を形成する熱伝導性材料の内部には、架橋に伴って収縮しようとする力が作用している。そのため、上記のような切断を行うと、切断部端面の中央部付近は内部から引っ張られ、これにより、熱伝導層１１の端面は凹んだ状態になる。

すなわち、サーマルインターフェース材１においては、熱伝導層１１の熱収縮率を調節することにより、熱伝導層１１の端面が適度に凹むように熱伝導層１１の熱収縮率を最適化してある。

このようにすれば、図３（ａ）に示すように、サーマルインターフェース材１をエンボスキャリアテープ４１に収納した際に、熱伝導層１１とエンボスキャリアテープ４１との間に適度な空隙Ｓを形成することができる。したがって、この空隙Ｓにより、熱伝導層１１がエンボスキャリアテープ４１に粘着するのを防止でき、自動実装機が備える部品吸着ノズルでの取り出しの際に、サーマルインターフェース材１をうまく取り出すことができるようになる。

なお、以上のように構成されたサーマルインターフェース材１は、例えば、図３（ｂ）に示すように、プリント配線板ＰＷＢの導体パターンＰ上にはんだ接合される。すなわち、サーマルインターフェース材１は、はんだ接合面を構成する金属層１３を備えているので、一般的な電子部品と同様に、リフローソルダリング等の方法でプリント配線板ＰＷＢの導体パターンＰ上にはんだ接合することができる。

そして、はんだ接合されたサーマルインターフェース材１上には、ヒートシンクＨＳなどを圧接させることにより、プリント配線板ＰＷＢ側からサーマルインターフェース材１を介してヒートシンクＨＳ側へ熱を伝え、ヒートシンクＨＳから熱を放散させることができる。

ヒートシンクＨＳを圧接させた際には、比較的柔らかい粘着防止層１２および熱伝導層１１は変形し、この変形に伴ってヒートシンクＨＳに密接する形態となる。したがって、粘着防止層１２とヒートシンクＨＳとの間に微細な空隙ができるのを防止でき、プリント配線板ＰＷＢ側からヒートシンクＨＳ側への熱伝導効率を向上させることができる。

以上説明した通り、このサーマルインターフェース材１によれば、自動実装機による実装が可能で、特に、一般的な電子部品と同様にはんだ接合を行うことができる。
また、金属層１３は、はんだ接合面が気密性のある被覆層１４で被覆されてから加熱処理が施されるとともに、加熱処理の後に被覆層１４が除去されることにより、はんだ接合面上に形成される酸化被膜が低減された状態になっているので、はんだ接合面のはんだ濡れ性は良好なものとなる。したがって、はんだ接合部の接合強度を向上させることができ、さらに、はんだ接合部における電気抵抗も低くすることができる。

また、サーマルインターフェース材１において、熱伝導層１１の端面は、粘着防止層１２および金属層１３よりも凹んだ状態になっているので、熱伝導層１１がエンボスキャリアテープ４１に粘着するのを防止できる。

しかも、このような熱伝導層１１の端面の凹部は、熱収縮しやすい熱伝導層１１を、熱収縮しにくい粘着防止層１２と熱収縮しにくい金属層１３との間に挟み込んでから、これら全体を加熱し、その上でこれらを切断することによって形成しているので、金型等で凹部を形成するものとは異なり、きわめて簡単に熱伝導層１１端面に凹部を形成することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の具体的な一実施形態に限定されず、この他にも種々の形態で実施することができる。
例えば、上記実施形態においては、各層を形成する材料について、具体的な材料を例示したが、上述の具体的な材料はあくまでも一例に過ぎず、同等な機能を実現できる材料であれば、他の材料を選定して本発明を実施することができるのはもちろんである。

また、上記実施形態においては、被覆層１４を切断することなく、他の層を切断することにより、切断後にできる複数片のサーマルインターフェース材１をばらばらにすることなく被覆層１４から取り外していたが、これは別の方法を採用してもよい。

例えば、４層構造の積層体１６から被覆層１４を剥がした後、被覆層１４の代わりに被覆層１４とは異なる材料で形成された支持層を貼り直してから、支持層を残して、粘着防止層１２、熱伝導層１１、および金属層１３を所定の寸法および形状に切断し、切断されていない支持層から、複数片のサーマルインターフェース材１を取り外してもよい。

このような製造方法でも、被覆層１４や支持層をも切断してしまう方法とは異なり、切断後のサーマルインターフェース材１がばらばらになってしまうことがないので、ばらばらになってしまった複数片のサーマルインターフェース材１それぞれから被覆層１４や支持層を剥がすのに比べ、被覆層１４や支持層を剥がす作業にかかる手間が格段に軽減される。

しかも、被覆層１４を剥がして支持層を貼り直しているので、被覆層１４については酸化被膜の形成を阻止するのに好適なものであれば、切断されにくいことや切断後にサーマルインターフェース材１を取り外しやすいことなどを考慮しなくてもよい。また、支持層については切断されにくいことや切断後にサーマルインターフェース材１を取り外しやすいことを考慮したものを選定すればよく、酸化被膜の形成を阻止するのに好適であることは考慮しなくてもよい。

したがって、被覆層１４としての機能および支持層としての機能双方を満足するような材質などを選定しなくてもよいので、被覆層１４や支持層を形成するものそれぞれを、より容易に選定できるようになる。

本発明の実施形態として例示したサーマルインターフェース材の斜視図。 サーマルインターフェース材の製造方法についての説明図。 （ａ）はサーマルインターフェース材をエンボスキャリアテープに収納した状態を示す説明図、（ｂ）はサーマルインターフェース材をプリント配線板に実装した状態を示す説明図。

符号の説明

１・・・サーマルインターフェース材、１１・・・熱伝導層、１２・・・粘着防止層、１３・・・金属層、１４・・・被覆層、１６・・・積層体、２０・・・コーター、２１・・・第１供給部、２２・・・第２供給部、２３・・・第３供給部、２４・・・第４供給部、２７・・・上ロール、２８・・・下ロール、３０・・・オーブン、４１・・・エンボスキャリアテープ、ＨＳ・・・ヒートシンク、ＰＷＢ・・・プリント配線板、Ｓ・・・空隙。

Claims (5)

1. 自動実装機を使用してプリント配線板上に実装可能なサーマルインターフェース材であって、
   粘着性のある熱伝導性材料によって形成された熱伝導層が、粘着性のない薄膜材によって形成された粘着防止層と金属材によって形成された金属層との間に挟み込まれた３層構造になっていて、
   前記粘着防止層によって、前記自動実装機の部品吸着用ノズルで吸着可能な吸着面が形成されるとともに、前記金属層によって、前記プリント配線板に対してはんだ接合可能なはんだ接合面が形成されており、
   前記粘着防止層および前記熱伝導層は、前記粘着防止層の外面に他の部材を圧接させた際、前記粘着防止層の外面が前記他の部材に密接する形状に変形する程度に柔軟な構造とされており、
   前記粘着防止層、前記熱伝導層、および前記金属層の積層方向に平行な端面において、前記熱伝導層は、前記粘着防止層および前記金属層よりも凹んだ状態になっている
   ことを特徴とするサーマルインターフェース材。
2. 前記熱伝導層は、前記熱伝導性材料の原料組成物を前記粘着防止層と前記金属層との間に挟み込んでから、前記粘着防止層および前記金属層とともに加熱処理を施して、前記熱伝導性材料の原料組成物を架橋することによって形成されたものであり、
   しかも、前記金属層は、前記はんだ接合面が気密性のある被覆層で被覆されてから前記加熱処理が施されるとともに、当該加熱処理の後に前記被覆層が除去されることにより、前記被覆層で被覆されないまま前記加熱処理が施された場合よりも、前記はんだ接合面上に形成される酸化被膜が低減された状態になっている
   ことを特徴とする請求項１に記載のサーマルインターフェース材。
3. 前記熱伝導層は、マトリクスとなるシリコーン中にアルミナ粉末を配合してなる熱伝導性材料によって形成されている
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のサーマルインターフェース材。
4. 粘着防止層となる粘着性のない薄膜材と、熱伝導層となる粘着性のある熱伝導性材料の原料組成物と、金属層となる金属材と、被覆層となる気密性のある部材とを、当該順序で積層してなる４層構造の積層体を形成する第１の工程と、
   前記第１の工程で形成された前記４層構造の積層体に対して加熱処理を施すことにより、前記熱伝導性材料の原料組成物を架橋する第２の工程と、
   前記４層構造の積層体から前記被覆層を剥がすことにより、前記粘着防止層、前記熱伝導層、および前記金属層を積層してなる３層構造のサーマルインターフェース材を得る第３の工程と
   を備えることを特徴とするサーマルインターフェース材の製造方法。
5. 前記第３の工程においては、前記４層構造の積層体から前記被覆層を剥がす前に、前記被覆層を残して、前記粘着防止層、前記熱伝導層、および前記金属層を所定の寸法および形状に切断し、切断されていない前記被覆層から、複数片の前記サーマルインターフェース材を取り外す
   ことを特徴とする請求項４に記載のサーマルインターフェース材の製造方法。

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