JP5083076B2

JP5083076B2 - 電子装置の製造方法

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Publication number: JP5083076B2
Application number: JP2008178771A
Authority: JP
Inventors: 今井　　博和
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2008-07-09
Filing date: 2008-07-09
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2028-07-09
Also published as: JP2010021230A

Description

本発明は、熱伝導性の接着剤を介して両部材間を熱的および機械的に接続してなる電子装置の製造方法に関する。

従来では、この種の電子装置の接続は、はんだを介して行われてきたが、近年、はんだ接続に替わる接続方法として、熱伝導性の接着剤を用いた接続方法が採用されてきている。

熱伝導性の接着剤は、熱硬化性樹脂に熱伝導性フィラーを含有してなるものであるが、この場合、当該接着剤を、被接着部材である第１の部材と第２の部材との間に介在させ（接着剤配置工程）、続いて、熱硬化性樹脂を加熱して硬化させることにより両部材を接続する（硬化工程）（たとえば、特許文献１参照）。

このような熱伝導性の接着剤による接続は、Ｐｂを使用しないため環境問題に対応できること、洗浄を廃止できること、コストをセーブできること等、はんだには無いメリットを有する。そして、この接着剤では、当該接着剤を高熱伝導化するために、熱伝導性フィラーの含有割合を高める、いわゆるフィラーの高充填化を行う手法が一般的である。
特開２００１−２６６６４２号公報

本発明者は、実際に、熱伝導性フィラーの高充填化について検討を行った。図７は、本発明者が行った試作検討の結果を示すものであり、従来技術に基づき、接着剤中の熱伝導性フィラーの割合を変えた場合において、各部材と接着剤との界面における熱抵抗（以下、界面熱抵抗という）を測定した結果を示す図である。

図７に示されるように、たとえば熱伝導性フィラーの割合を７７．２ｗｔ％から８７．６ｗｔ％というように熱伝導性フィラーを高充填化して、接着剤自体の熱伝導率を向上させても、界面熱抵抗を十分に低減できない。また、高充填化したものであっても、はんだと比べると界面熱抵抗がかなり高い。これは、被接着部材との接続界面において、熱伝導性フィラーの接触面積および接触圧が不十分なためである。

たとえば、熱伝導性接着剤を介して、第１の部材としてのＩＣチップを、第２の部材としての基板に接続した場合の接続厚さは、一般的に１０〜４０μｍで制御可能である。この場合、接着剤の材料の母材である樹脂の熱抵抗の低さは、あまり影響ないが、熱伝導性フィラーを分散させた材料であることから、当該フィラーが被接着部材に完全に接触することが困難となる。仮に、接触したとしてもその点数は少なく、非常に微小な点接触であるため、接続部の熱抵抗において支配的なのは界面熱抵抗である。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、熱伝導性の接着剤を介して両部材間を熱的および機械的に接続してなる電子装置の製造方法において、熱伝導性フィラーの含有割合を高めることなく、当該フィラーによる良好な接触状態を実現することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明においては、まず、接着剤（３０）として、熱硬化性樹脂（３１）が第１の樹脂（３１１）と第１の樹脂（３１１）よりも硬化速度が遅い第２の樹脂（３１２）とにより構成されるとともに、熱伝導性フィラー（３２）は第２の樹脂（３１２）に含有されているとともに第２の樹脂（３１２）よりも熱膨張係数が大きい材料よりなるものを用意する。

そして、接着剤配置工程では、第１の樹脂（３１１）が両部材（１０、２０）の間にて両部材（１０、２０）の接続部の周辺部側に位置し、第２の樹脂（３１２）が両部材（１０、２０）の間にて第１の樹脂（３１１）の内側に位置するように、接着剤（３０）の配置を行う。

次に行う硬化工程では、加熱することで第２の樹脂（３１２）を未硬化状態としつつ第１の樹脂（３１１）を硬化させて両部材（１０、２０）の接続部の周辺部同士を接着する第１の硬化工程と、次に未硬化状態にある第２の樹脂（３１２）中で熱伝導性フィラー（３２）を加熱して膨張させる第２の硬化工程と、次に、加熱することで第２の樹脂（３１２）を硬化させて第１の樹脂（３１１）の内側にて両部材（１０、２０）を接着する第３の硬化工程とを行う。以上が本発明の製造方法である。

それによれば、第１の硬化工程で、第１の樹脂（３１１）により両部材（１０、２０）が固定され、この固定状態で、続く第２の硬化工程では未硬化状態の第２の樹脂（３１２）中にて熱伝導性フィラー（３２）が熱膨張するので、熱伝導性フィラー（３２）と両部材（１０、２０）との接触圧、または、熱伝導性フィラー（３２）同士の接触圧が高まり、熱伝導性フィラー（３２）による良好な接触状態が得られる。そして、第３の硬化工程では、第２の樹脂（３１２）が硬化することにより、当該熱伝導性フィラー（３２）による良好な接触状態が保持される。

よって、本発明によれば、熱伝導性フィラー（３２）の含有割合を高めることなく、熱伝導性フィラー（３２）による良好な接触状態を実現することができる。

ここで、請求項２に記載の発明のように、用意される接着剤（３０）における熱伝導性フィラー（３２）は、第２の樹脂（３１２）よりも熱膨張係数が大きい材料よりなる芯材部（３２１）と、芯材部（３２１）の表面に設けられた金属部（３２２）とにより構成されたものにできる。

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
図１（ａ）は、本発明の実施形態に係る熱伝導性接着剤３０を用いた電子装置Ｓ１の概略断面構成を示す図であり、（ｂ）は（ａ）中の上方から見たときの熱伝導性接着剤３０における熱硬化性樹脂３１の配置形態を示す概略平面図である。

第１の部材としての電子部品１０が第２の部材としての回路基板２０の上に搭載され、回路基板２０の電極２１と電子部品１０とが導電性接着剤３０を介して電気的・熱的に接続されている。なお、回路基板２０の電極２１を以下、基板電極２１ということにする。

回路基板２０は、セラミック基板やプリント基板、あるいはリードフレームなどを採用することができ、特に限定されるものではない。

基板電極２１は、回路基板２０の一面に形成されており、表面が金属よりなる。そのような金属としては、たとえば、Ａｇを含むＡｇ系金属、Ａｕを含むＡｕ系金属、Ｎｉを含むＮｉ系金属、Ｓｎを含むＳｎ系金属、Ｃｕを含むＣｕ系金属が挙げられ、基板電極２１は、これら金属材料を用いた厚膜やめっきなどにより構成されたものである。

電子部品１０としては、コンデンサや抵抗、半導体素子などの表面実装部品を採用することができる。図１に示される例では、電子部品１０は、シリコン半導体などの半導体よりなるＩＣチップとして示してある。

熱伝導性接着剤３０は、主剤、硬化剤、硬化触媒などを含有する高分子である熱硬化性樹脂３１と熱伝導性フィラー３２とからなる。熱硬化性樹脂３１の使用材料は、高純度で低吸水率となる硬化物となる、耐熱性のある硬化物となるといった特徴を発現するもので、作業性・ペースト適性も考慮し選択したものである。

このような電子装置Ｓ１は、回路基板２０上に電子部品１０を搭載するとともに、回路基板２０上に熱伝導性接着剤３０を介して電子部品１０を接触させ、両部材１０、２０の間隔を固定状態に保持しながら熱伝導性接着剤３０を加熱して熱硬化性樹脂３１を硬化することによって、電子部品１０と回路基板２０とを接続することにより製造される。

本実施形態の接着剤３０について、さらに具体的に述べることとする。この接着剤３０における熱硬化性樹脂３１は、第１の樹脂３１１と第１の樹脂３１１よりも硬化速度が遅い第２の樹脂３１２とにより構成される。

具体的には、第１及び第２の樹脂３１２、３１２を同時に同じ温度で硬化させたとき、第２の樹脂３１２の方が第１の樹脂３１１よりも硬化までの時間が長いことである。たとえば、同じ温度で硬化させるときには、第２の樹脂３１２の方が重合が遅い場合が挙げられ、また、第２の樹脂３１２の方が第１の樹脂３１１よりも硬化温度が高い場合も挙げられる。

そして、第１の樹脂３１１は、両部材１０、２０の間にて両部材１０、２０の接続部の周辺部側に位置し、第２の樹脂３１２は両部材１０、２０の間にて第１の樹脂３１１の内側に位置するように配置されている。両部材１０、２０の接続部とは、両部材１０、２０のうち接着剤３０に接している部位である。

つまり、両部材１０、２０の接続部にて中央部側に位置する第２の樹脂３１２の外側を、第１の樹脂３１１が取り囲んだ配置となっている。ここで、熱伝導性フィラー３２は、比較的硬化速度が遅い方の第２の樹脂３１２に含有されている。

第１の樹脂３１１は、硬化前はペースト状またはＢステージ状態（つまり半硬化状態）の熱硬化性樹脂であり、第２の樹脂３１２よりも速硬化性の樹脂である。また、収縮性樹脂、密着性に優れる樹脂であることが好ましい。また、第１の樹脂３１１の熱膨張係数は、後述する熱伝導性フィラー３２の芯材３２１よりも大きいことが好ましい。このような第１の樹脂３１１としては、たとえばエポキシ系樹脂、フェノール系樹脂、アミン系樹脂、イミダゾール系樹脂などが好ましい。

第２の樹脂３１２は、硬化前はペースト状またはＢステージ状態の熱硬化性樹脂であり、第１の樹脂３１１よりも硬化速度が遅い。また、第２の樹脂３１２は、密着性に優れる樹脂であることが好ましく、たとえば、エポキシ系樹脂、シリコーン系樹脂、アクリル系樹脂等が挙げられるが、第１の樹脂３１１よりも硬化反応が十分遅ければ特に限定されるものではない。

第２の樹脂３１２に含有されている熱伝導性フィラー３２は、接着剤３０の硬化時の熱により膨張する材料よりなるものであって、硬化前の当該第２の樹脂３１２よりも熱膨張係数が大きい材料よりなる。具体的には、熱伝導性フィラー３２は、硬化時の熱により膨張する材料よりなる芯材部３２１と、芯材部３２１の表面に設けられた金属部３２２とにより構成されたものである。

芯材部３２１は、粒状等のこの種の一般的なフィラー形状をなすもので、加熱前は柔軟性がある材料、例えば、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、ビニル樹脂などのＢステージ状態の樹脂などが好ましい。それ以外にも、芯材部３２１としては、内部に無数の気泡を持つウレタン樹脂、エポキシ樹脂などでもよい。この場合、加熱時に当該樹脂が軟化するとともに樹脂内部の空気が膨張し樹脂全体の体積が増加する。

また、芯材部３２１は、硬化前の第２の樹脂３１２よりも熱膨張係数が大きいものであるが、熱膨張係数は材料固有の物性であり、そのような熱膨張係数の関係は、上記した第２の樹脂３１２および芯材部３２１の材料の中から当該関係を満足するものを適宜選択することで実現される。

また、芯材部３２１のサイズは、数μｍ〜５００μｍ程度のものである。また、芯材部３２１から金属部３２２が剥離しないように、芯材部３２１の表面をエッチングやサンドブラストなどによって粗化させておいてもよい。

また、熱伝導性フィラー３２の金属部３２２は、芯材部３２１を被覆している。この金属部３２２は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ系などの金属よりなり、伸縮性が高い金属が好ましい。また、金属部３２２の膜厚は数ｎｍ〜数μｍ程度とすることができる。

図１に示される例では、金属部３２２のコーティング形態は、芯材部３２１の表面の全面に均一に形成されたものであるが、これに限定されるものではない。たとえば、図２に示されるように、金属部３２２のコーティング形態の他の例としては、（ａ）芯材部３２１の表面の全体に均一に配置された膜であって、部分的に切れ目３２３を設けたものや、（ｂ）芯材部３２１の表面に断続的に配置したものとしてもよい。

また、金属部３２２に切れ目３２３を設ける場合には、たとえば亀の甲羅状の切れ目３２３などのパターンが挙げられ、断続的な配置とは、たとえば金属部３２２を芯材部３２１の表面に島状に点在させるなどの形態が可能である。このように切れ目３２３や断続的な配置を取り入れることにより、芯材部３２１の膨張が阻害されにくくなり、熱伝導性フィラー３２の熱膨張が容易なコーティング形態となる。

ここで、金属部３２２のコーティング方法としては、めっき法、ディップ法、蒸着法等が挙げられる。ここで、上記切れ目３２３の形成方法としては、たとえば、熱伝導性フィラー３２を熱硬化性樹脂３１に配合する前に、フィラー単体を高温に加熱して芯材部３２１を膨張させることによって、金属部３２２を予め割っておく方法が挙げられる。また、上記切れ目３２３を入れる場合には、切れ目３２３の深さは金属部３２２の膜厚の半分以下が好ましい。

また、金属部３２２を芯材部３２１の表面に断続的に配置させる方法としては、たとえば、めっきで形成するときに当該めっき液中の金属部の成分を薄くするなど、めっき条件を制御することなどが挙げられる。

また、熱伝導性フィラー３２の充填率は、接着剤３０の全体の体積に対して、体積比率として５０〜９５ｖｏｌ％、好ましくは、接着力も確保するために、７０〜８０ｖｏｌ％程度である。

次に、本実施形態の電子装置の製造方法について、図３を参照して、より詳細に述べる。図３（ａ）は、加熱硬化前の接着剤３０の概略断面図、図３（ｂ）は硬化後の接着剤３０の概略断面図である。

上述したように、本製造方法は、熱伝導性接着剤３０を、電子部品１０と回路基板２０との間に介在させる接着剤配置工程と、続いて、両部材１０、２０の間隔を固定状態に保持しながら接着剤３０の熱硬化性樹脂３１を加熱して硬化させることにより両部材１０、２０を接続する硬化工程とを行う。

まず、本製造方法では、接着剤３０として、熱硬化性樹脂３１が第１の樹脂３１１と第１の樹脂３１１よりも硬化速度が遅い第２の樹脂３１２とにより構成されるとともに、第２の樹脂３１２よりも熱膨張係数が大きい材料よりなる熱伝導性フィラー３２が第２の樹脂３１２に含有されているものを用意する。

そして、接着剤配置工程では、第１の樹脂３１１が両部材１０、２０の間にて当該間の部分の周辺部側に位置し、第２の樹脂３１２が両部材１０、２０の間にて第１の樹脂３１１の内側に位置するように、接着剤３０の配置を行う。ここまでの状態が図３（ａ）に示される。

ここで、外側に第１の樹脂３１１、その内側に第２の樹脂３１２を配置することは、塗布またはシート成形された樹脂として行う。たとえば、塗布する場合には、先に第１の樹脂３１１を環状に塗布した後、その内側に、熱伝導性フィラー３２を含有する第２の樹脂３１２を塗布する。また、シートの場合には、熱伝導性フィラー３２を含有する第２の樹脂３１２の外側を第１の樹脂３１１が取り囲んだ配置にて成形されたシートを、回路基板２０に搭載すればよい。

そして、接着剤３０を介して電子部品１０を回路基板２０上に搭載することで、熱伝導性接着剤３０を、電子部品１０と回路基板２０との間に介在させる。このとき、電子部品１０を基板２０に搭載する際の荷重によって、接着剤３０中の熱伝導性フィラー３２が押し潰されて、フィラー３２と両部材１０、２０との接触面積を確保し、かつ、フィラー３２同士の接触面積も確保するようにする。なお、この搭載では、当該各接触面積の確保が従来レベルと同等となるように、上記荷重を印加する。

次に、硬化工程を行うが、図４は、硬化工程における加熱プロファイルを示す図であり、本硬化工程では、加熱ゾーンＡ、Ｂ、Ｃの順に加熱を行っていく。ここでは、接着剤３０の熱硬化性樹脂３１を構成する第１の樹脂３１１および第２の樹脂３１２ともに、温度Ｔ１にて硬化するものであるが、その温度Ｔ１における硬化速度は第１の樹脂３１１の方が第２の樹脂３１２よりも速いものである。

まず、加熱ゾーンＡでは、室温から温度Ｔ１まで接着剤３０を加熱することで第２の樹脂３１２を未硬化状態としつつ第１の樹脂３１１を硬化する。ここで、温度Ｔ１は、たとえば１５０℃程度である。それによって、両部材１０、２０の接続部の周辺部同士が第１の樹脂３１１を介して接着する（第１の硬化工程）。

次に、加熱ゾーンＢでは、温度Ｔ１のまま接着剤３０の加熱を続け、未硬化状態にある第２の樹脂３１２中で熱伝導性フィラー３２を加熱して膨張させる（第２の硬化工程）。このとき、本実施形態では、主として熱伝導性フィラー３２の芯材部３２１が膨張していく。

上述したように、この芯材部３２１は、硬化前の第２の樹脂３１２よりも熱膨張係数が大きく、結果として熱伝導性フィラー３２も第２の樹脂３１２よりも熱膨張係数が大きいものであるため、第２の樹脂３１２中を熱伝導性フィラー３２が膨張する。加熱ゾーンＢでは、温度Ｔ１での加熱によって、芯材部３２１を構成する樹脂がガラス転移点以上となって膨張するか、または気泡を含有する材料の場合は、当該気泡が膨張する。

そして、両部材１０、２０の間隔は、第１の樹脂３１１によって固定されているので、図３（ｂ）に示されるように、膨張した熱伝導性フィラー３２は、未硬化であり低粘性の第２の樹脂３１２中を拡がり、フィラー３２と両部材１０、２０との接触面積および接触圧が増加する。

次に、加熱ゾーンＣでは、加熱ゾーンＢの温度Ｔ１を保持したまま、さらに時間を経過させて接着剤３０の加熱を続ける。この加熱により第２の樹脂３１２を硬化させて、第１の樹脂３１１の内側にて両部材１０、２０を、第２の樹脂３１２を介して接着する（第３の硬化工程）。上述したように、第２の樹脂３１２は第１の樹脂３１１よりも硬化速度が遅いことから、このことが可能となる。

ここで、図５は、硬化工程における加熱プロファイルの他の例を示す図である。この場合も、上記図４と同様に、加熱ゾーンＡ、加熱ゾーンＢ、加熱ゾーンＣがそれぞれ、第１の硬化工程、第２の硬化工程、第３の硬化工程に相当する。

この図５に示される例では、接着剤３０の熱硬化性樹脂３１を構成する第１の樹脂３１１は温度Ｔ１にて硬化するが、第２の樹脂３１２は、それよりも高い温度Ｔ２で硬化するものであり、結果的に、硬化速度は第１の樹脂３１１の方が第２の樹脂３１２よりも速いものとなっている。

図５によれば、加熱ゾーンＣにおいて、加熱ゾーンＢの温度Ｔ１よりも高い温度Ｔ２で加熱を行うことで、第２の樹脂３１２の硬化温度が第１の樹脂３１１の硬化温度よりも高い場合に有効である。たとえば、加熱ゾーンＢの温度Ｔ１は１５０℃、加熱ゾーンＣの温度Ｔ２は１８０℃程度である。

以上が本実施形態の製造方法であり、硬化工程の終了に伴い、熱伝導性フィラー３２と両部材１０、２０との接触面積および接触圧を従来よりも増加させた状態が維持される。よって、本実施形態によれば、熱伝導性フィラー３２の含有割合を高めることなく、当該フィラーによる良好な接触状態を実現することができる。

この本実施形態の効果について、図６を参照して具体的に述べる。図６は、本発明者が本実施形態の効果を調査した結果を示す図であり、各部材１０、２０と接着剤３０との界面熱抵抗を測定した結果を示す図である。図６では、上記図７に示してある従来技術の結果も並記してある。

本実施形態の接着剤３０としては、上記した熱伝導性フィラー３０を約７０ｖｏｌ％含有するものとした。図６に示されるように、本実施形態の接着剤３０によれば、従来の単に熱伝導性フィラーの割合を高くしたものに比べて、界面熱抵抗を大幅に低減することができ、はんだと同レベルのものにできる。また、上記した接着剤３０の各形態において、この図６に示されるものと同様の界面熱抵抗が得られている。

（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、第１の部材が電子部品１０であり、第２の部材が回路基板２０である例を示したが、これら第１および第２の部材は、熱伝導性の接着剤３０を介して熱的・機械的に接続されるものであればよく、上記実施形態に限定されない。

たとえば、両部材がともに電子部品であってもよいし、両部材がともに回路基板であってもよい。また、第１および第２の部材としては、リードフレームやバスバーなどであってもよく、電子装置を構成するものであればかまわない。

（ａ）は、本発明の実施形態に係る電子装置の概略断面図であり、（ｂ）は（ａ）の上方から見たときの熱硬化性樹脂の平面的な配置形態を示す概略平面図である。金属部のコーティング形態の他の例を示す概略断面図である。（ａ）は加熱硬化前の接着剤の概略断面図、（ｂ）は硬化後の接着剤の概略断面図である。硬化工程における加熱プロファイルを示す図である。硬化工程における加熱プロファイルの他の例を示す図である。実施形態の具体的な効果を示す図である。本発明者が行った試作検討の結果を示す図である。

符号の説明

１０第１の部材としての電子部品
２０第２の部材としての回路基板
３０接着剤
３１熱硬化性樹脂
３２熱伝導性フィラー
３１１第１の樹脂
３１２第２の樹脂
３２１芯材部
３２２金属部

Claims

熱硬化性樹脂（３１）に熱伝導性フィラー（３２）を含有してなる熱伝導性の接着剤（３０）を、第１の部材（１０）と第２の部材（２０）との間に介在させる接着剤配置工程と、
続いて、前記熱硬化性樹脂（３１）を加熱して硬化させることにより前記両部材（１０、２０）を接続する硬化工程とを備える電子装置の製造方法において、
前記接着剤（３０）として、前記熱硬化性樹脂（３１）が第１の樹脂（３１１）と前記第１の樹脂（３１１）よりも硬化速度が遅い第２の樹脂（３１２）とにより構成されるとともに、前記熱伝導性フィラー（３２）は前記第２の樹脂（３１２）に含有されているとともに前記第２の樹脂（３１２）よりも熱膨張係数が大きい材料よりなるものを用意し、
前記接着剤配置工程では、前記第１の樹脂（３１１）が前記両部材（１０、２０）の間にて前記両部材（１０、２０）の接続部の周辺部側に位置し、前記第２の樹脂（３１２）が前記両部材（１０、２０）の間にて前記第１の樹脂（３１１）の内側に位置するように、前記接着剤（３０）の配置を行い、
前記硬化工程は、加熱することで前記第２の樹脂（３１２）を未硬化状態としつつ前記第１の樹脂（３１１）を硬化させて前記両部材（１０、２０）の接続部の周辺部同士を接着する第１の硬化工程と、
次に、前記未硬化状態にある前記第２の樹脂（３１２）中で前記熱伝導性フィラー（３２）を加熱して膨張させる第２の硬化工程と、
次に、加熱することで前記第２の樹脂（３１２）を硬化させて前記第１の樹脂（３１１）の内側にて前記両部材（１０、２０）を接着する第３の硬化工程とを含むものであることを特徴とする電子装置の製造方法。
用意される前記接着剤（３０）における前記熱伝導性フィラー（３２）は、前記第２の樹脂（３１２）よりも熱膨張係数が大きい材料よりなる芯材部（３２１）と、前記芯材部（３２１）の表面に設けられた金属部（３２２）とにより構成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の電子装置の製造方法。