JP5864142B2 - 熱伝導シートの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱伝導シートの製造方法に関する。

本発明に係る熱伝導シートは、例えば、ＣＰＵ（中央処理装置）やＧＰＵ（グラフィック処理装置）等の高放熱性を必要とする半導体装置に適用される。

ＣＰＵやＧＰＵ等に使用される半導体素子（チップ）は、配線基板（パッケージ）上に電気的に接続されて固定されている。かかる半導体素子はその動作時にかなり高温になるので、その動作時に発する熱を大気に放出するための放熱部品（例えば、銅（Ｃｕ）等の金属製のヒートスプレッダ）をチップ上に配置している。その際、チップとヒートスプレッダの間に、ＴＩＭ（サーマル・インタフェース・マテリアル）と呼ばれる材料を挟んで熱的に結合させている。

かかる熱インタフェース材（ＴＩＭ）には高熱伝導性が要求されるため、その一つとして、インジウム（Ｉｎ）が使用されている。例えば、インジウムのシートをヒートスプレッダと半導体素子（チップ）の間に挟み、インジウムの融点（１５６．６℃）以下の温度で硬化する樹脂材（接着剤）を用いて、いったんヒートスプレッダと、チップを実装しているパッケージとを固定する。その後、インジウムの融点以上の温度でリフローを行い、加圧しながら溶融したインジウムの厚さをコントロールして、ヒートスプレッダとチップを接合させている。

かかる従来技術に関連する技術の一例は、下記の特許文献１に記載されている。この文献には、インジウムのシート内に銅の繊維を分散させた熱伝導体が開示されている。

特開２００４−２３８６４６号公報

上述したように現状の技術では、半導体素子（チップ）とヒートスプレッダの間に熱インタフェース材（ＴＩＭ）としてインジウムが用いられているが、以下の課題があった。

先ず、インジウムは銅に比べて熱伝導率が約１／５（銅の３９８Ｗ／ｍ・Ｋに対し、インジウムは８１．６Ｗ／ｍ・Ｋ）と低いため、放熱経路のボトルネックとなり得る。すなわち、ヒートスプレッダには高放熱性が要求されるため熱伝導性の高い銅が用いられることが多いが、ＴＩＭとして用いられるインジウムは、このヒートスプレッダ（銅）の一部分に接触しているにすぎない。このため、放熱経路全体として見たときに熱源に近い部分での熱抵抗が他の部分と比べて高くなるため、全体的な熱伝導性が低下することになる。

また、ヒートスプレッダとチップを接合させる際に（アセンブリ時）、インジウムのシートをチップとヒートスプレッダの間に挟み込み、熱を加えて接着させている。このとき、インジウムは液状化するため、加圧しながらインジウム（シート）を所要の厚さにコントロールするのが難しい。

さらに、インジウムはレアアースであるため、コスト的な変動があり（比較的高価）、例えば、国際的な取引問題が発生した場合に安定した入手が困難になるなどの影響を受けるおそれがある。

以上に鑑み、熱伝導性を更に高めることができる熱伝導シートの製造方法を提供することを目的とする。

さらに、アセンブリ時のシート厚の調整を容易に行えるとともに、コストの低減に寄与することができる熱伝導シートの製造方法を提供することを目的とする。

以下の開示の第１の観点によれば、第１の金属材と第２の金属材とがシート状に複合成形され、前記第２の金属材が前記第１の金属材よりも高い熱伝導性を有していることを特徴とする熱伝導シートが提供される。

また、第２の観点によれば、上記の第１の観点に係る熱伝導シートにおいて、前記第１の金属材がインジウムのシートであり、前記第２の金属材がインジウムよりも高い融点を有する金属の粒粉であり、該金属の粒粉が前記インジウムのシート中に包含されていることを特徴とする熱伝導シートが提供される。

また、第３の観点によれば、第１の金属材と、該第１の金属材よりも高い熱伝導性を有する第２の金属材とを用意すること、加熱手段及び加圧手段を用いて、前記第１の金属材と前記第２の金属材とを複合しシート状に成形すること、を含むことを特徴とする熱伝導シートの製造方法が提供される。

また、第４の観点によれば、上記の第３の観点に係る熱伝導シートの製造方法において、前記第１の金属材としてインジウムのシートを、前記第２の金属材としてインジウムよりも高い融点を有する金属の粒粉をそれぞれ用意し、次に加熱ローラにより、前記インジウムのシートを溶融した状態で、該溶融したインジウムのシート中に前記金属の粒粉を混入させ、次に加圧ローラにより、前記金属の粒粉が混入されたインジウムのシートを所要の厚さに成形する、ことを特徴とする熱伝導シートの製造方法が提供される。

上記の第１及び第３の観点に係る熱伝導シート及びその製造方法によれば、第１の金属材（例えば、インジウム）に、この第１の金属材よりも熱伝導性の高い第２の金属材（例えば、銅など）が複合されているので、全体的な熱伝導性が上がり、熱抵抗が下がる。

また、上記の第２及び第４の観点に係る熱伝導シート及びその製造方法によれば、第１の金属材（インジウム）が溶融する温度でも第２の金属材（金属の粒粉）の融点には達しないため、アセンブリ時において圧縮に対するシート厚の調整を容易に行える。

また、第２の金属材（金属の粒粉）として銅を使用した場合、熱インタフェース材（ＴＩＭ）として使用する量（ボリューム）が同じであれば、インジウム単体の場合と比べて銅の価格は低いため、コストダウンにも寄与する。

第１の実施形態に係る熱伝導シートの構成を示したもので、（ａ）は熱伝導シートの断面構造を示す図、（ｂ）は熱伝導シートを斜視的に見たときの構造を概略的に示す図である。 図１に示す熱伝導シートの一変形例に係る構成を示したもので、（ａ）は熱伝導シートの断面構造を示す図、（ｂ）は熱伝導シートを斜視的に見たときの構造を概略的に示す図である。 図１（図２、図７）に示す熱伝導シートを用いて半導体装置を構成した場合の一例を示す断面図である。 第１の実施形態に係る熱伝導シートを製造するための装置の構成を概略的に示す側面図である。 図４の製造装置に用いられるステージの構造を斜視的に見たときの外観図である。 図５のステージを用いてめっき付銅粒粉を整列させて下流側に送り出している様子を模式的に示す上面図である。 第２の実施形態に係る熱伝導シートの構成を示す断面図である。 第２の実施形態に係る熱伝導シートを製造するための装置の構成を概略的に示す側面図である。

以下、本発明の好適な実施の形態について、添付の図面を参照しながら説明する。

（第１の実施形態…図１〜図６参照）
図１は第１の実施形態に係る熱伝導シートの構成を示したものであり、（ａ）はその熱伝導シートの断面構造、（ｂ）はその熱伝導シートを斜視的に見たときの構造を概略的に示している。

本実施形態に係る熱伝導シート１０は、インジウム（Ｉｎ）のシート１２中に、インジウムよりも高い熱伝導性及び高い融点を有する金属粒粉１６が多数混入されて形成されている。

金属粒粉１６は、その形状が球状であり（図１（ｂ））、銅（Ｃｕ）粒粉１４の表面にめっき層１５が被着された構造（図１（ａ））を有している。このめっき層１５は、インジウムとの密着性を高めるための金（Ａｕ）めっき層を含んでいる。さらに、このＡｕめっき層と銅（Ｃｕ）粒粉１４との間にバリヤメタル層としてのニッケル（Ｎｉ）めっき層を含んでいる。つまり、めっき層１５はＮｉ／Ａｕの２層構造からなっている。

以下の記述において、めっき層１５が被着された銅粒粉１４（金属粒粉１６）を、便宜上、「めっき付銅粒粉」とも呼ぶことにする。

本実施形態の熱伝導シート１０において、インジウムのシート１２中に包含される多数のめっき付銅粒粉１６は、図１（ｂ）に概略的に示すように、整列させた状態（つまり、均一な密度）で混入されているのが好ましい。このように整列させた状態でめっき付銅粒粉１６が包含されていると、熱伝導シート１０を熱インタフェース材（ＴＩＭ）として利用したときに（図３参照）、熱伝導性の良い銅（Ｃｕ）の部分を通る熱量が相対的に大きくなるため、ＴＩＭ全体としての放熱性が高められる。

また、インジウムのシート１２中にめっき付銅粒粉１６を整列させた状態で混入させておくことにより、後述するようにアセンブリ時のシート厚をコントロールする際にその調整が行い易くなるという点で有利である。

本実施形態では、インジウムのシート１２中に混入させる金属粒粉１６の素材として銅粒粉１４を用いているが、所要の属性（インジウムよりも高い熱伝導性及び高い融点）を有した金属であれば十分である。例えば、銀（Ａｇ）の粒粉を使用してもよい。

図２は第１の実施形態（図１）の一変形例に係る熱伝導シートの構成を示したものであり、（ａ）はその熱伝導シートの断面構造、（ｂ）はその熱伝導シートを斜視的に見たときの構造を概略的に示している。

この変形例の熱伝導シート１０ａは、上述した実施形態の熱伝導シート１０（図１）と比べて、インジウムのシート１２中に包含されるめっき付銅粒粉１６ａの形状が直方体もしくは立方体の形状（図２（ｂ））である点で相違する。他の構成（銅粒粉１４ａの表面にめっき層（Ｎｉ／Ａｕ）１５ａを被着させている点、めっき付銅粒粉１６ａを整列させた状態で混入させている点）については、上述した実施形態の場合と同様であるので、その説明は省略する。

図３は、図１に示す熱伝導シート１０（図２に示す熱伝導シート１０ａ、図７に示す熱伝導シート６０）を用いて半導体装置を構成した場合の一例を断面図の形態で示したものである。

図３に示す半導体装置４０において、２０は放熱対象とされる半導体素子（チップ）を示し、この半導体素子（チップ）２０は、能動素子等の回路が形成されている側の面（回路形成面）を下にして配線基板（パッケージ）２２上に実装されている。このパッケージ２２とチップ２０との接続（接合）部分については具体的な図示を省略しているが、この部分の構成は、一般的なプリント配線板等にチップをフリップチップ実装した場合の構成と同じである。

例えば、パッケージ２２として樹脂基板（プラスチックパッケージ）を用いた場合、その樹脂基板のソルダレジスト層から露出するパッド（ソルダレジスト層で覆われた配線層の所要の箇所に画定される部分）に、チップ２０の電極端子をはんだバンプ等を介して電気的に接続する（フリップチップ接続）。さらに、その実装されたチップ２０とパッケージ２２との隙間にアンダーフィル樹脂（熱硬化性のエポキシ系樹脂等）を充填し、熱硬化させて機械的に接合する。

３０は金属製のヒートスプレッダを示し、半導体素子（チップ）２０が動作時に発する熱を大気に放出するためのものである。このヒートスプレッダ３０には、その材料として銅（Ｃｕ）が用いられ、さらにその表面にニッケル（Ｎｉ）めっきが施されている。ヒートスプレッダ３０は、その主要部分（放熱を担う部分）が板状に成形されており（板状部３０ａ）、この板状部３０ａの周囲に側壁部３０ｂが一体的に形成された構造を有している。この側壁部３０ｂは、平面視すると、チップ２０の外形（方形）に合わせて方形のリング状に成形されている。ヒートスプレッダ３０は、この側壁部３０ｂを介して、固定用の樹脂（エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂等の熱硬化性樹脂）３２により、パッケージ２２上に固定されている。

また、熱インタフェース材（ＴＩＭ）としての役割を果たす熱伝導シート１０（１０ａ，６０）は、半導体素子（チップ）２０の回路形成面と反対側の面と、ヒートスプレッダ３０の板状部３０ａの内側（チップ２０に対向する側）の面との間に、各面にそれぞれ接着された状態で介在している。つまり、熱伝導シート１０（１０ａ，６０）を介してチップ２０とヒートスプレッダ３０は熱結合されている。

次に、第１の実施形態に係る熱伝導シート１０（１０ａ）を製造する方法について、図４〜図６を参照しながら説明する。

図４は第１の実施形態に係る熱伝導シートを製造するための装置の構成を側面から見たときの概略図である。また、図５はこの製造装置に用いられるステージの構造を斜視的に見たときの外観図、図６はこのステージを用いてめっき付銅粒粉を整列させて下流側に送り出している様子を模式的に示す上面図である。図４〜図６に示す実施形態では、図２に示す熱伝導シート１０ａを製造する場合を例示している。

図４に示すように、製造装置５０は、ステージ５１と、バイブレータ５２と、供給ローラ５３と、加熱ローラ５４と、加圧ローラ５５と、巻取りローラ５６とを備えている。

ステージ５１は、第１ステージ５１ａと第２ステージ５１ｂに分かれ、一体的に形成されている（図５参照）。バイブレータ５２は、ステージ５１の第１ステージ５１ａの下方側に配置され（図４参照）、その振動部５２Ｓを介して第１ステージ５１ａに適当な振動を与えるためのものである。

供給ローラ５３には、インジウムのシート１２Ａがロール状に巻回されている。このインジウムのシート１２Ａは、例えば、厚さが１００μｍ程度で、幅が２２ｍｍ程度に選定されている。このインジウムのシート１２Ａの幅は、半導体素子２０（図３参照）の平面視したときのサイズ（縦×横の矩形）の縦又は横の寸法に対応している。

加熱ローラ５４は、供給ローラ５３の後段に配置され、ステージ５１の第２ステージ５１ｂ上の加工対象物（インジウムのシート１２Ａ、めっき付銅粒粉１６ａ）に接触可能に設けられている。この加熱ローラ５４は、供給ローラ５３から引き出されて移動されてくるインジウムのシート１２Ａを溶融する一方で、第２ステージ５１ｂ上を搬送されてくるめっき付銅粒粉１６ａを、その溶融したインジウム（シート）１２Ａ中に混入させるためのものである。このため、加熱ローラ５４の温度は、少なくともインジウムの融点（１５６．６℃）を超える温度、例えば、１７０℃前後の温度に設定されている。この温度は、めっき付銅粒粉１６ａの融点（銅：１０８３．４℃／ニッケル：１４５０℃／金：１０６４．４℃）よりもはるかに低い温度である。

加圧ローラ５５は、加熱ローラ５４の後段に配置され、第２ステージ５１ｂ上の加工対象物（インジウム（シート）１２Ａ中にめっき付銅粒粉１６ａが混入された状態のシート１０Ａ）に接触可能に設けられている。この加圧ローラ５５は、加熱ローラ５４によって一体化されたシート１０Ａを所要の厚さに成形するためのものである。

このようにして所要の厚さに成形された熱伝導シート１０Ａは、巻取りローラ５６によって巻き取られる。この後、この熱伝導シート１０Ａを適当な長さにカットすることで、目的の熱伝導シート１０ａ（図２）が得られる。

上述した方法では図２の熱伝導シート１０ａを製造しているが、図１に示す熱伝導シート１０についても同様に、製造装置５０（図４）を使用して製造することができる。

製造装置５０（図４）において、ステージ５１の第１ステージ５１ａは、インジウムのシート１２Ａ中に混入されるべきめっき付銅粒粉１６ａを貯留し、均一な密度に整列させて第２ステージ５１ｂ側に送り出すための部分として利用される。一方、第２ステージ５１ｂは、加熱ローラ５４によって一体化されたシート１０Ａを、加圧ローラ５５と協働して所要の厚さにコントロールするための部分として利用される。このため、各ステージ５１ａ，５１ｂは、図５及び図６に示すように特定の形状に成形されている。

先ず、第１ステージ５１ａは、水平方向に配置された第２ステージ５１ｂに対して、図５に示すように上方向に傾斜して設けられている。さらに、各ステージ５１ａ，５１ｂの周囲の部分（第２ステージ５１ｂの出口側の部分を除く）には、上方に折り曲げ加工されたガイド５１Ｇが設けられている。

第１ステージ５１ａを上方向に傾斜させることにより、この第１ステージ５１ａ上に貯留されためっき付銅粒粉１６ａが、バイブレータ５２（振動部５２Ｓ）から与えられる振動によって第２ステージ５１ｂ側に移動し易くなる。また、第１ステージ５１ａのガイド５１Ｇの存在により、貯留されためっき付銅粒粉１６ａが、バイブレータ５２の振動に起因して第１ステージ５１ａ上からこぼれ落ちるのを防ぐことができる。また、第２ステージ５１ｂのガイド５１Ｇの存在により、加熱ローラ５４によって液状化したインジウム１２Ａ（めっき付銅粒粉１６ａが混入されている）が第２ステージ５１ｂ上からはみ出るのを防ぐことができる。

また、第１ステージ５１ａは、平面視したときに、図６に示すように第２ステージ５１ｂ側に向かう出口の部分（先端部）が先細りの形状となるように成形されている。このように先端部を細くすることにより、バイブレータ５２の振動によってこの先端部に集められためっき付銅粒粉１６ａは、強制的に整列させられた状態で（つまり、均一な密度で）第２ステージ５１ｂ側に送り出される。

これにより、第２ステージ５１ｂ上で加熱及び加圧処理された際に、インジウムのシート１２Ａ中にめっき付銅粒粉１６ａを均等に分散配置させることができる。このようにインジウムのシート１２Ａ中にめっき付銅粒粉１６ａを均一な密度で混入させることで、熱伝導性にむらが生じない熱伝導シート１０（１０ａ）を製造することができる。

以上説明したように、第１の実施形態に係る熱伝導シート１０（１０ａ）及びその製造方法によれば、インジウムのシート１２中に、インジウムよりも高い熱伝導性を有するめっき付銅粒粉１６（１６ａ）が混入されているので、インジウム単体の場合と比べて、熱伝導性を更に高めることができる。つまり、熱伝導シート１０（１０ａ）全体としての熱伝導性が上がり、熱抵抗が下がる。

また、図３に例示したように熱伝導シート１０（１０ａ）を熱インタフェース材（ＴＩＭ）として適用したときに（アセンブリ時）、インジウムが溶融する温度でもめっき付銅粒粉１６（１６ａ）の融点には達しないため、圧縮に対するシート厚の調整を容易に行うことができる。

また、熱インタフェース材（ＴＩＭ）として使用する量（ボリューム）が同じであれば、インジウム単体の場合と比べて銅の価格は低いため、コストの低減に寄与することができる。

（第２の実施形態…図７、図８参照）
図７は第２の実施形態に係る熱伝導シートの構成を断面図の形態で示したものである。

この第２の実施形態の熱伝導シート６０は、インジウム（Ｉｎ）のシート６４が、インジウムよりも高い熱伝導性及び高い融点を有する銅（Ｃｕ）のシート６２の両面にそれぞれ積層されて形成されている。つまり、熱伝導シート６０は、Ｉｎ／Ｃｕ／Ｉｎの３層構造からなっている。銅のシート６２の厚さは、インジウムのシート６４の厚さよりも厚く選定されている。

以下、第２の実施形態の熱伝導シート６０を製造する方法について、図８を参照しながら説明する。図８はその熱伝導シート６０を製造するための装置の構成を側面から見たときの概略図である。

図８に示すように、製造装置７０は、供給ローラ７１、７２及び７３と、加熱ローラ７４及び７５と、加圧ローラ７６及び７７と、巻取りローラ７８とを備えている。

供給ローラ７１には、銅のシート６２Ａがロール状に巻回されている。この銅のシート６２Ａは、例えば、厚さが１００μｍ程度で、幅が２２ｍｍ程度に選定されている。この銅のシート６２Ａの幅は、半導体素子２０（図３参照）の平面視したときのサイズ（縦×横の矩形）の縦又は横の寸法に対応している。

供給ローラ７２及び７３には、それぞれインジウムのシート６４Ａがロール状に巻回されている。このインジウムのシート６４Ａは、例えば、厚さが５０μｍ程度で、幅が２２ｍｍ程度（銅のシート６２Ａの幅と同じ）に選定されている。一方の供給ローラ７２は上方側に配置され、他方の供給ローラ７３は下方側に配置されている。

加熱ローラ７４及び７５は、それぞれ対応する供給ローラ７４及び７５の後段に配置され、加工対象物（銅のシート６２Ａ、インジウムのシート６４Ａ）に接触可能に設けられている。加熱ローラ７４及び７５は、供給ローラ７１から引き出されて移動されてくる銅のシート６２Ａの両面に、供給ローラ７２，７３からそれぞれ引き出されて移動されてくるインジウムのシート６４Ａを重ね合わせ、熱接着させるためのものである。このため、加熱ローラ７４，７５の温度は、上述した第１の実施形態の場合と同様に、１７０℃前後の温度に設定されている。

加圧ローラ７６及び７７は、それぞれ対応する加熱ローラ７４及び７５の後段に配置され、加工対象物（熱接着された３層構造（Ｉｎ／Ｃｕ／Ｉｎ）のシート６０Ａ）に接触可能に設けられている。加圧ローラ７６及び７７は、加熱ローラ７４及び７５を通して一体化されたシート６０Ａを所要の厚さに成形するためのものである。

このようにして所要の厚さに成形された熱伝導シート６０Ａは、巻取りローラ７８によって巻き取られる。この後、この熱伝導シート６０Ａを適当な長さにカットすることで、目的の熱伝導シート６０（図７）が得られる。

第２の実施形態に係る熱伝導シート６０ 及びその製造方法によれば、インジウムよりも高い熱伝導性及び高い融点を有する銅のシート６２を熱伝導シート６０中に介在させているので、上述した第１の実施形態の場合と同様の効果を奏することができる。

さらに、この第２の実施形態では、第１の実施形態で必要としたような、めっき付銅粒粉１６（１６ａ）をインジウムのシート１２中で整列させる処理は不要である。これにより、熱伝導シート６０を熱インタフェース材（ＴＩＭ）として利用したときに（図３）、放熱の際の全熱量がこの銅のシート６２を通ることになり、第１の実施形態のようにめっき付銅粒粉１６（１６ａ）の部分を通る場合と比べて、ＴＩＭ全体としての放熱性をより一層高めることができる。

また、第１の実施形態の場合（インジウムのシート１２中にめっき付銅粒粉１６を整列させた状態で混入させる場合）と比べて、ベタ状の銅のシート６２を介在させた方が、アセンブリ時のシート厚の調整がより一層行い易くなる。

上述した各実施形態では、熱インタフェース材（ＴＩＭ）として、インジウムのシート１２中にめっき付銅粒粉１６，１６ａを包含させた形態（図１の熱伝導シート１０、図２の熱伝導シート１０ａ）、又は銅のシート６２の両面をインジウムのシート６４で挟み込んだ形態（図７の熱伝導シート６０）を例にとって説明したが、ＴＩＭの形態がこれらに限定されないことはもちろんである。

例えば、第１の実施形態（図１、図２）の変形例として、めっき付銅粒粉１６，１６ａの代わりに、カーボンナノチューブをインジウムのシート中に包含させるようにしてもよい。この場合、インジウムのシート中でカーボンナノチューブを熱伝導方向に配列させるのが好ましい。カーボンナノチューブは熱伝導性に優れており、また曲げ強度が非常に高いため、半導体素子の動作時の発熱によって起こり得る形状変化（反り）に柔軟に追従し得ることが期待される。このことは、高い熱伝導性の維持に寄与する。

１０，１０ａ，１０Ａ，６０，６０Ａ…熱伝導シート、
１２，１２Ａ，６４，６４Ａ…インジウム（Ｉｎ）のシート、
１４，１４ａ…銅（Ｃｕ）の粒粉、
１５，１５ａ…めっき（Ｎｉ／Ａｕ）層、
１６，１６ａ…めっき付銅粒粉（金属粒粉）、
２０…半導体素子（チップ）、
３０…ヒートスプレッダ、
４０…半導体装置、
５０，７０…（熱伝導シートの）製造装置、
５１…ステージ、
６２，６２Ａ…銅（Ｃｕ）のシート。

Claims (2)

1. インジウムのシートからなる第１の金属材と、前記第１の金属材よりも高い熱伝導性を有し、かつ前記第１の金属材よりも高い融点を有する金属の粒粉からなる第２の金属材とを用意すること、
   バイブレータの振動によってステージの上に金属の粒粉を整列させること、
   加熱ローラにより、前記インジウムのシートを溶融した状態で、前記溶融したインジウムのシート中に前記ステージ上の前記金属の粒粉を混入させ、
   次に加圧ローラにより、前記金属の粒粉が混入されたインジウムのシートを所要の厚さに成形すること、を含むことを特徴とする熱伝導シートの製造方法。
2. 前記第２の金属材として、その表面に金めっきが施された銅又は銀の粒粉を使用することを特徴とする請求項１に記載の熱伝導シートの製造方法。

Images