JP6240014B2 - 封止用樹脂 - Google Patents

Description

本発明は、電子機器等に実装される電子部品を封止する封止用樹脂に関する。

従来から、樹脂を使用して配線基板に実装された電子部品を封止することが知られている（例えば、特許文献１を参照）。このような電子部品の封止に用いられる樹脂は、封止用樹脂と言われている。封止用樹脂には、電子部品の発熱量が電子部品の高性能化に伴い増大していることから、封止した電子部品による発熱を良好に放出するために放熱性の向上が求められている。

特開２００６−４５４２１号公報

特許文献１に開示されている封止用の樹脂では、樹脂中に封止用樹脂の熱膨張を低減するためにシリカが充填されている。しかしながら、シリカは一般的に熱伝導率が小さいため、単にシリカを充填しただけでは、封止用樹脂の放熱性には寄与しにくい。その結果、放熱が不十分なために電子部品の発熱によって、封止用樹脂内に熱がこもり高温環境となったことで電子部品が誤作動を起こすおそれがある。

本発明はこのような事情に鑑みて案出されたものであり、その目的は、電子部品の放熱性を向上させることが可能な封止用樹脂を提供することにある。

本発明の一実施形態に係る封止用樹脂は、熱硬化性の樹脂と、該樹脂中に充填された、該樹脂よりも熱伝導率が高い複数の無機粒子とを備えた、電子部品を封止するための封止用樹脂であって、前記樹脂は、未硬化状態の母材樹脂と、該母材樹脂中に分散され、該母材樹脂よりも分子量の大きい複数の樹脂粒子とを有しており、前記無機粒子は、前記母材樹脂中に充填された、前記樹脂粒子よりも粒径が大きい複数の第１無機粒子と、該第１無機粒子同士の間隙に充填された、該第１無機粒子および前記樹脂粒子よりも粒径が小さい複数の第２無機粒子とを有しており、前記第１無機粒子同士の間隙の一部において、充填された前記第２無機粒子とともに前記樹脂粒子が存在している。

本発明の一実施形態に係る封止用樹脂によれば、複数の第２無機粒子が充填された複数の第１無機粒子の間隙内に樹脂粒子が存在している。それゆえ、本発明の一実施形態に係る封止用樹脂を使用して電子部品を封止した場合においても、複数の第１無機粒子の間隙内に充填された第２無機粒子とともに樹脂粒子を存在させることができる。その結果、複数の第１無機粒子同士の間隙内の第２無機粒子が樹脂粒子に押し出されるように密集する。したがって、複数の第１無機粒子の間隙内に密集した第２無機粒子を、複数の第１無機粒子間の熱伝導を向上させる熱伝導経路として機能させることができる。よって、電子部品の放熱性を向上させることができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る封止用樹脂の概略を示した断面図である。 図２は、本発明の一実施形態に係る封止用樹脂の一部を拡大して示した断面図である。

以下、本発明の一実施形態に係る封止用樹脂について、図１および図２を参照しつつ説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。

図１は、本発明の一実施形態に係る封止用樹脂の概略を示した断面図であり、封止用樹脂が電子部品を封止している状態を示している。図２は、本発明の一実施形態に係る封止用樹脂の一部を拡大して示した断面図であり、樹脂および無機粒子の様子を示している。

封止用樹脂１は、電子部品２を封止するものである。封止用樹脂１は、図１に示すように、半田ボール等を用いて実装された電子部品２を覆うように配線基板３上に配されている。なお、図１に示す状態では、封止用樹脂１は硬化した状態である。

封止用樹脂１は、図２に示すように、樹脂４と樹脂４中に充填された複数の無機粒子５とを有している。そして、樹脂４は、母材樹脂４１および樹脂粒子４２を有しており、無機粒子５は、第１無機粒子５１および第２無機粒子５２を有している。

樹脂４は、例えば封止用樹脂１の５質量％以上３０質量％以下を占めている。複数の無機粒子５は、例えば封止用樹脂１の７０質量％以上９５質量％以下を占めている。なお、図２は、電子部品２を封止する前の状態を示している。

封止用樹脂１を構成する樹脂４は、電子部品２を封止するものである。樹脂４は、熱硬化性樹脂からなる。樹脂４は、電子部品２の封止前は完全には硬化してない状態であり、電子部品２を封止するときに熱硬化させる。なお、樹脂４の熱伝導率は、例えば０．１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上０．４Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下に設定される。

樹脂４は、前述した通り、複合材料において主体となる素材であるマトリックス（母材）に相当する母材樹脂４１および複合材料における分散材に相当する複数の樹脂粒子４２を有している。すなわち、樹脂４は、母材樹脂４１および母材樹脂４１中に分散された複数の樹脂粒子４２を有している複合材料である。

母材樹脂４１は、電子部品２を封止する主体となる素材である。母材樹脂４１は、樹脂４の主要部になり、樹脂４に充填された複数の無機粒子５は、母材樹脂４１に充填されている。母材樹脂４１は、例えばエポキシ樹脂またはフェノール樹脂等からなる。本実施形態では、母材樹脂４１は、エポキシ樹脂で形成されている。母材樹脂４１を形成するエポキシ樹脂としては、分子内に２個以上のエポキシ基を含んでいればよく、例えばビフェニル型、ビスフェノール型、グリシジルエステル型または多官能型等のエポキシ樹脂、あるいはこれらのエポキシ樹脂を２種類以上組み合わせたエポキシ樹脂で形成される。

母材樹脂４１は、電子部品２を封止する前は未硬化の状態である。具体的には、電子部品２を封止する前の母材樹脂４１の未硬化の状態は、いわゆるＢステージの状態である。また、母材樹脂４１が融解する温度は、例えば６０℃以上１２０℃以下に設定される。なお、樹脂粒子４２にも、紫外線等の照射によって硬化する光硬化樹脂を用いてもよい。

樹脂粒子４２は、後に詳述するように、第１無機粒子５１同士の間隙の一部に存在して、無機粒子５の第２無機粒子５２を第１無機粒子５１同士の間隙の一部において密集させ
る機能を有する。樹脂粒子４２は、例えば第１無機粒子５１同士の間隙に１つ存在していたり、複数が疎らに存在していたりする。樹脂粒子４２は、例えばエポキシ樹脂またはフェノール樹脂等で形成される。本実施形態では、樹脂粒子４２はエポキシ樹脂で形成されている。樹脂粒子４２を形成するエポキシ樹脂としては、分子内に２個以上のエポキシ基を含んでいればよく、例えばビフェニル型、ビスフェノール型、グリシジルエステル型または多官能型等のエポキシ樹脂、あるいはこれらのエポキシ樹脂を２種類以上組み合わせたエポキシ樹脂で形成される。なお、樹脂粒子４２にも、紫外線等の照射によって硬化する光硬化樹脂を用いてもよい。

樹脂粒子４２が融解する温度は、母材樹脂４１が融解する温度よりも大きい。これにより、封止用樹脂１の製造過程において樹脂粒子４２を塊状の部材として封止用樹脂１内に存在させることができる。樹脂粒子４２が融解する温度は、例えば１２０℃以上１８０℃以下に設定されている。なお、樹脂粒子４２が融解する温度は、樹脂粒子４２の材料として分子量が母材樹脂４１を形成した樹脂よりも大きいものを選択することによって、母材樹脂４１が融解する温度よりも高くすることができる。

無機粒子５は、封止用樹脂１の放熱性を向上させるものとして機能する。また、無機粒子５は、封止用樹脂１の熱膨張量を低減するものとしても機能する。無機粒子５は、前述した通り、第１無機粒子５１および第２無機粒子５２を有している。具体的には、無機粒子５は、母材樹脂４１中に充填された、樹脂粒子４２よりも粒径が大きい複数の第１無機粒子５１と、第１無機粒子５１同士の間隙に充填された、第１無機粒子５１および樹脂粒子４２よりも粒径が小さい複数の第２無機粒子５２とを有している。

第１無機粒子５１は、封止用樹脂１の母材樹脂４１中に充填されており、封止用樹脂１の放熱性を向上させるものである。第１無機粒子５１は、樹脂４（母材樹脂４１および樹脂粒子４２）よりも熱伝導率が高く設定されている。すなわち、第１無機粒子５１は、樹脂４よりも熱伝導率が高い材料で形成されている。また、第１無機粒子５１は、具体的には、例えば酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化ホウ素等の材料で形成される。中でも、放熱性の観点からは酸化アルミニウムで形成されることが好ましい。上記材料の熱伝導率は、例えば１．３Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上３００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下の材料からなる。

第２無機粒子５２は、樹脂４（母材樹脂４１および樹脂粒子４２）よりも熱伝導率が高く設定されている。すなわち、第２無機粒子５２は、樹脂４よりも熱伝導率が高い材料で形成されている。また、第２無機粒子５は、具体的には、例えば酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化ホウ素等の材料で形成される。中でも、放熱性の観点からは酸化アルミニウムで形成されることが好ましい。上記材料の熱伝導率は、例えば１．３Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上３００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下の材料からなる。

第１無機粒子５１は、例えば球状の粒子である。第１無機粒子５１の平均粒径は、例えば１μｍ以上５５μｍ以下である。

第２無機粒子５２は、第１無機粒子５１同士の間隙において封止用樹脂１の母材樹脂４１中に充填されており、第１無機粒子５１とともに封止用樹脂１の放熱性を向上させるものである。第２無機粒子５２は、例えば球状の粒子である。第２無機粒子５２の平均粒径は、例えば１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下に設定される。

なお、これらの第１無機粒子５１および第２無機粒子５２の平均粒径は、粒子の上下（Ｚ）方向に沿った断面について、ＳＥＭ等を用いて２０個以上５０個以下の第１無機粒子
５１または第２無機粒子５２を含むように拡大した断面を観察し、この拡大した断面において各粒子の最大径を測定し、その最大径の平均値を算出することによって求められる。

母材樹脂４１中に充填された複数の第１無機粒子５１同士間の間隙には、第２無機粒子５２が充填されている。さらに複数の第１無機粒子５１同士間の間隙には、第２無機粒子５２とともに樹脂粒子４２も存在している。すなわち、第２無機粒子５２が充填された第１無機粒子５１同士間の間隙に、さらに樹脂粒子４２が存在していることから、第１無機粒子５１同士間の間隙には樹脂粒子４２に押し出されるようにして第２無機粒子５２が密集している。

電子部品２の封止前の封止用樹脂１が前述の構成を有していることによって、電子部品２の封止後においても、封止用樹脂１は、複数の第１無機粒子５１同士の間隙において第２無機粒子５２を密集させることができる。すなわち、封止用樹脂１で電子部品２を封止した後においても、複数の樹脂粒子４２が粒状のまま存在したり、または樹脂溜まりを形成したりして、依然として複数の第１無機粒子５１同士の間隙において第２無機粒子５２を密集させることができる。その結果、密集した複数の第２無機粒子５２を熱伝導の経路として、複数の第１無機粒子５１同士間での熱伝導を良好にすることができる。したがって、電子部品２が発する熱を封止用樹脂１を介して放出しやすくなる。

樹脂粒子４２は、電子部品２を封止する前は未硬化の状態であることが好ましい。この場合、母材樹脂４１と樹脂粒子４２との接着強度を向上させることができ、電子部品２の封止時に母材樹脂４１と樹脂粒子４２との界面に気泡が入ることを抑制することができる。なお、母材樹脂４１と樹脂粒子４２との接着が確保されていれば、電子部品２を封止する前において、樹脂粒子４２は硬化した状態でも構わない。この場合、樹脂粒子４２が既に硬化していることから、封止用樹脂１の製造過程における温度制御が容易になる。

樹脂４における母材樹脂４１の含有割合は、樹脂４における樹脂粒子４２の含有割合よりも大きい。これにより、電子部品２の封止時において、封止用樹脂１の流動性を確保することができ、電子部品２を確実に封止することができる。樹脂４における母材樹脂４１の含有割合は、例えば樹脂４の７０質量％以上９７質量％以下に設定される。樹脂４における樹脂粒子４２の含有割合は、例えば樹脂４の３質量％以上３０質量％以下を占めている。

本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良、組合せ等が可能である。

前述した本発明の実施形態では、複数の無機粒子５を無機絶縁材料から形成した場合を記載したが、複数の無機粒子５を例えば炭化珪素または金属材料等の高熱伝導の材料から形成してもよい。なお、この場合には、封止用樹脂１の絶縁性を確保するために、複数の無機粒子５に表面を酸化させた絶縁膜（図示せず）を形成してもよい。

＜封止用樹脂の製造方法＞
以下、本発明の実施形態に係る封止用樹脂１の製造方法について説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。

（１）樹脂４（母材樹脂４１および樹脂粒子４２）を準備する。母材樹脂４１として、未硬化状態の熱硬化性樹脂を準備する。具体的には、母材樹脂４１は、エポキシ樹脂またはフェノール樹脂等からなる。本実施形態では、母材樹脂４１としてエポキシ樹脂を使用する。母材樹脂４１は、例えば塊状または粉末状に形成される。母材樹脂４１が粉末状で
ある場合は、後の工程において複数の無機粒子５と混合しやすくなる。

また、樹脂粒子４２として、未硬化状態の熱硬化性樹脂からなる粒子を準備する。樹脂粒子４２が未硬化状態の樹脂である場合には、後の工程において、母材樹脂４１と樹脂粒子４２との接着強度を向上させることができる。樹脂粒子４２は、具体的には、エポキシ樹脂またはフェノール樹脂等で形成される。本実施形態では、樹脂粒子４２は、エポキシ樹脂で形成されている。なお、本実施形態では、樹脂粒子４２として未硬化状態の樹脂を使用しているが、母材樹脂４１との接着を確保できれば、樹脂粒子４２は硬化した状態の樹脂であっても構わない。

樹脂粒子４２は、母材樹脂４１よりも融解する温度が高く設定されている。樹脂粒子４２は複数ある。すなわち、複数の樹脂粒子４２が集合することで、樹脂の粉末となっている。その結果、後の工程において、樹脂粒子４２は、封止用樹脂１内において、母材樹脂４１中に塊状の部材として存在することができる。なお、樹脂粒子４２が融解する温度は、樹脂粒子４２の材料として分子量が母材樹脂４１の材料よりも大きいものを選択することによって、母材樹脂４１が融解する温度よりも高くすることができる。

本実施形態では、樹脂粒子４２は、加熱によって母材樹脂４１よりも先に熱硬化し始める。すなわち、樹脂粒子４２は、母材樹脂４１よりも融解する温度は高いが、熱硬化が開始する温度は低い材料からなる。これにより、後の工程において、母材樹脂４１よりも先に樹脂粒子４２を熱硬化させ始めることができ、樹脂粒子４２を粒状の塊として存在させやすくなる。なお、このとき、後の工程において、樹脂粒子４２は母材樹脂４１に比べて流動化しないまま熱硬化することになる。なお、熱硬化が開始する温度は、樹脂４に混ぜる硬化剤などを選択することによって調整することができる。

樹脂粒子４２の大きさは、本工程においては、当初は第１無機粒子５１の粒径よりも大きく設定される。樹脂粒子４２は、第１無機粒子５１と比較してヤング率が小さい材料であることから、後の混合工程において例えば複数の無機粒子５（複数の第１無機粒子５１および複数の第２無機粒子５２）に削られたり、または一部が流動化したりして小さくなる。しかしながら、樹脂粒子４２の大きさが第１無機粒子５１の粒径よりも大きいことで、後の工程を経ても、樹脂粒子４２を塊状の部材として存在させることができる。そして、樹脂粒子４２の大きさを第１無機粒子５１よりも小さく、かつ第２無機粒子５２よりも大きくすることができる。その結果、第１無機粒子５１同士の間隙の一部において複数の第２無機粒子５２とともに存在することによって、その間隙において複数の第２無機粒子５２を密集させることができる。なお、このとき、本工程において、樹脂粒子４２の大きさは、当初は例えば０．０２ｍｍ以上１ｍｍ以下に設定される。また、本工程において、樹脂粒子４２の量等を調整することによって、第１無機粒子５１同士の間隙に存在する樹脂粒子４２の数や大きさなどを調整することができる。

（２）複数の無機粒子５（第１無機粒子５１および第２無機粒子５２）を準備する。複数の無機粒子５は、従来周知の方法で準備する。例えば、第１無機粒子５１に酸化ケイ素からなるものを用いる場合であれば、例えば、ケイ酸ナトリウム水溶液（水ガラス）などのケイ酸化合物を精製し、化学的に酸化ケイ素を析出させることによって、複数の第１無機粒子５１を作製することができる。また、例えば、第２無機粒子５２に酸化ケイ素からなるものを用いる場合であれば、例えば、ケイ酸ナトリウム水溶液（水ガラス）などのケイ酸化合物を精製し、化学的に酸化ケイ素を析出させた溶液を火炎中に噴霧し、凝集物の形成を低減しつつ８００℃以上１５００℃以下に加熱することによって、複数の第２無機粒子５２を作製することができる。

（３）樹脂４および複数の無機粒子５を混合する。具体的には、樹脂４および複数の無
機粒子５を硬化剤および硬化促進剤と共に例えばミキサ内で混ぜ、その後に母材樹脂４１、複数の樹脂粒子４２および複数の無機粒子５を加熱しつつ混練することによって混合する。

樹脂４等の加熱温度は、母材樹脂４１が軟化する温度以上樹脂粒子４２の樹脂粒子が融解する温度以下に設定される。これにより、ミキサ内において、樹脂粒子４２の形状を保ちつつ母材樹脂４１を軟化させて、母材樹脂４１内に複数の無機粒子５および複数の樹脂粒子４２を充填することができる。これにより、母材樹脂４１内の充填物が密に配置されて、母材樹脂４１中の第１無機粒子５１同士の間隙に第２無機粒子５２を充填し、さらにその間隙に樹脂粒子４２を存在させることができる。

なお、母材樹脂４１等を加熱する温度は、母材樹脂４１が融解する温度でも構わない。この場合には、母材樹脂４１の溶融粘度をさらに低くすることができる。その結果、母材樹脂４１等の混合作業を効率的に行なうことができる。なお、このとき、母材樹脂４１等の加熱温度は、例えば６０℃以上１２０℃以下の温度に設定される。

なお、硬化剤としては、例えばメチルテトラヒドロフタル酸無水物またはアミドアミン等を用いることができる。また、硬化促進剤としては、トリフェニルホスフィン、イミダゾールまたはテトラフェニルホスホニウムテトラフェニルボレート等を用いる。また、本工程では、添加剤として、ワックス、消泡剤、レベリング剤、着色剤、難燃助剤または酸化防止剤等を添加してもよい。また、本工程においては、無機粒子５の分散性を向上させるために、シランカップリング剤等を使用して表面処理してもよい。

樹脂４および複数の無機粒子５の加熱は、母材樹脂４１が半硬化の状態（いわゆるＢステージ）になるまで行なう。また、このとき、本実施形態の樹脂粒子４２は、母材樹脂４１よりも先に熱硬化が開始しているため、母材樹脂４１よりも熱硬化が進んだ状態である。なお、樹脂粒子４２は、完全に硬化していないことが好ましい。これにより、後の電子部品を封止する過程において、母材樹脂４１と樹脂粒子４２との接着強度を向上させることができる。なお、樹脂粒子４２は、いわゆるＢステージとＣステージとの間の状態にある。

（４）工程（３）で混合した原料を冷却して固化させる。次いで、この固化物を、この粉末をプレスして任意のサイズのタブレットを作製する。以上のようにして、封止用樹脂１が製造される。

（５）最後に、工程（１）〜工程（５）で製造された封止用樹脂１を使用して電子部品２を封止する。具体的には、封止用樹脂１を、配線基板３に実装された電子部品２とともに金型内に配する。その後、例えばトランスファー成形、射出成形、圧縮成形等によって、金型を例えば１５０℃以上で加熱して、封止用樹脂１の母材樹脂４１を流動化させて電子部品２を封止用樹脂１で覆い、この封止用樹脂１を熱硬化させることによって、電子部品２を封止することができる。

１ 封止用樹脂
２ 電子部品
３ 配線基板
４ 樹脂
４１ 母材樹脂
４２ 樹脂粒子
５ 無機粒子
５１ 第１無機粒子
５２ 第２無機粒子

Claims (1)

1. 熱硬化性の樹脂と、該樹脂中に充填された、該樹脂よりも熱伝導率が高い複数の無機粒子とを備えた、電子部品を封止するための封止用樹脂であって、
   前記樹脂は、未硬化状態の母材樹脂と、該母材樹脂中に分散され、該母材樹脂よりも分子量の大きい複数の樹脂粒子とを有しており、
   前記無機粒子は、前記母材樹脂中に充填された、前記樹脂粒子よりも粒径が大きい複数の第１無機粒子と、該第１無機粒子同士の間隙に充填された、該第１無機粒子および前記樹脂粒子よりも粒径が小さい複数の第２無機粒子とを有しており、
   前記第１無機粒子同士の間隙の一部において、充填された前記第２無機粒子とともに前記樹脂粒子が存在している、封止用樹脂。

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