JP6307288B2 - 熱伝導性部材、及び半導体装置 - Google Patents
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Description
<1> 熱伝導性シートと、
該熱伝導性シートを挟持し、かつ該熱伝導性シートの端面を露出させることなく、該熱伝導性シートの両面を露出させるカバー部材とを有することを特徴とする熱伝導性部材である。
<2> 熱伝導性シートの面積(X)に対するカバー部材の開口部の面積(Y)の比率、〔Y(cm2)/X(cm2)〕×100(%)が、70%以上100%未満である前記<1>に記載の熱伝導性部材である。
<3> カバー部材が、開口部を有する第1のシートと、開口部を有し、かつ該第1のシートと共に該熱伝導性シートを挟持する第2のシートとからなり、
該第1のシートと該第2のシートとの外周端面が、封止された前記<1>から<2>のいずれかに記載の熱伝導性部材である。
<4> 第1のシート及び第2のシートが、絶縁体である前記<3>に記載の熱伝導性部材である。
<5> 第1のシート及び第2のシートの材質が、ポリイミド、アラミド、及びポリエチレンテレフタレートのいずれかである前記<3>から<4>のいずれかに記載の熱伝導性部材である。
<6> 第1のシート及び第2のシートの開口部が、熱伝導性シートと相似形である前記<3>から<5>のいずれかに記載の熱伝導性部材である。
<7> 熱伝導性シートが、バインダーと、炭素繊維とを含有する前記<1>から<6>のいずれかに記載の熱伝導性部材である。
<8> バインダーが、シリコーン樹脂を含有する前記<7>に記載の熱伝導性部材である。
<9> 熱伝導性シートが、ASTM−D2240で規定されるショアOO硬度が95以下である前記<1>から<8>のいずれかに記載の熱伝導性部材である。
<10> 熱源と、放熱部材と、前記熱源と前記放熱部材との間に挟持される熱伝導性部材とを有し、
前記熱伝導性部材が、前記<1>から<9>のいずれかに記載の熱伝導性部材であることを特徴とする半導体装置である。
本発明の熱伝導性部材は、熱伝導性シートと、カバー部材とを少なくとも有し、更に必要に応じて、その他の部を有する。
前記熱伝導性シートとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、バインダーと、炭素繊維とを少なくとも含有し、更に必要に応じて、その他の成分を含有することが好ましい。
前記炭素繊維は前記熱伝導性シートに高い熱伝導性を与える。一方で、前記炭素繊維は、導電性を有するため、前記熱伝導性シートが導電性を有することになり、前記熱伝導性シートに起因する電気的なトラブルを引き起こすという問題がある。
しかし、本発明の前記熱伝導性部材によれば、前記カバー部材が、前記熱伝導性シートを挟持し、かつ前記熱伝導性シートの端面を露出させることがないため、前記熱伝導性シートに起因する電気的なトラブルを防ぐことができる。
前記熱伝導性シートの平均厚みは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、5,000μm以下が好ましく、50μm〜4,800μmがより好ましく、60μm〜4,500μmが特に好ましい。前記平均厚みは、荷重をかけていない時の平均厚みである。
前記圧縮率は、以下の式により求めることができる。
圧縮率(%)=100×(A−B)/A
A:荷重をかける前の熱伝導性シートの平均厚み(μm)
B:荷重7.5kgf/cm2をかけた後の熱伝導性シートの平均厚み(μm)
ここで、荷重をかけて熱抵抗を測定するのは、使用時には、通常、半導体装置の熱源と放熱部材との間に挟持されることで熱伝導性シートに荷重がかかるためである。そして、熱伝導性シートに荷重がかかっている場合と、荷重がかかっていない場合とでは、前記熱伝導性シートの厚み、前記熱伝導性シート内の前記炭素繊維の密度、及び配向、並びに前記熱伝導性シート内の前記無機物フィラーの密度などが異なるため、熱抵抗が変化する。
前記バインダーとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、バインダー樹脂などが挙げられる。前記バインダー樹脂としては、例えば、熱可塑性ポリマー、熱硬化性ポリマーの硬化物などが挙げられる。
前記熱可塑性ポリマーとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、熱可塑性樹脂、熱可塑性エラストマー、又はこれらのポリマーアロイなどが挙げられる。
前記熱可塑性樹脂としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−α−オレフィン共重合体、ポリメチルペンテン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリ酢酸ビニル、エチレン−酢酸ビニル共重合体、ポリビニルアルコール、ポリアセタール、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリスチレン、ポリアクリロニトリル、スチレン−アクリロニトリル共重合体、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体(ABS)樹脂、ポリフェニレンエーテル、変性ポリフェニレンエーテル、脂肪族ポリアミド類、芳香族ポリアミド類、ポリアミドイミド、ポリメタクリル酸又はそのエステル、ポリアクリル酸又はそのエステル、ポリカーボネート、ポリフェニレンスルフィド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルニトリル、ポリエーテルケトン、ポリケトン、液晶ポリマー、シリコーン樹脂、アイオノマーなどが挙げられる。これらの熱可塑性樹脂は、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよく、また、適宜合成したものであってもよいし、市販品であってもよい。
前記熱可塑性エラストマーとしては、例えば、スチレン系熱可塑性エラストマー、オレフィン系熱可塑性エラストマー、塩化ビニル系熱可塑性エラストマー、ポリエステル系熱可塑性エラストマー、ポリウレタン系熱可塑性エラストマー、ポリアミド系熱可塑性エラストマーなどが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよく、また、適宜合成したものであってもよいし、市販品であってもよい。
前記熱硬化性ポリマーとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、架橋ゴム、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ビスマレイミド樹脂、ベンゾシクロブテン樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル、ジアリルフタレート樹脂、シリコーン樹脂、ポリウレタン、ポリイミドシリコーン、熱硬化型ポリフェニレンエーテル、熱硬化型変性ポリフェニレンエーテルなどが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよく、また、適宜合成したものであってもよいし、市販品であってもよい。
前記架橋ゴムとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、天然ゴム、ブタジエンゴム、イソプレンゴム、ニトリルゴム、水添ニトリルゴム、クロロプレンゴム、エチレンプロピレンゴム、塩素化ポリエチレン、クロロスルホン化ポリエチレン、ブチルゴム、ハロゲン化ブチルゴム、フッ素ゴム、ウレタンゴム、アクリルゴム、ポリイソブチレンゴム、シリコーンゴムなどが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよく、また、適宜合成したものであってもよいし、市販品であってもよい。
前記シリコーン樹脂としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、付加反応型液状シリコーンゴム、過酸化物を加硫に用いる熱加硫型ミラブルタイプのシリコーンゴムなどが挙げられる。これらの中でも、電子機器の放熱部材としては、電子部品の発熱面とヒートシンク面との密着性が要求されるため、付加反応型液状シリコーンゴムが特に好ましい。
前記炭素繊維としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ピッチ系、PAN系、アーク放電法、レーザー蒸発法、CVD法(化学気相成長法)、CCVD法(触媒化学気相成長法)等で合成されたものを用いることができる。これらの中でも、熱伝導性の点から、ピッチ系炭素繊維、ポリベンザゾール繊維を黒鉛化した炭素繊維が特に好ましい。
前記炭素繊維は、必要に応じて、その一部又は全部を表面処理して用いることができる。前記表面処理としては、例えば、酸化処理、窒化処理、ニトロ化、スルホン化、あるいはこれらの処理によって表面に導入された官能基若しくは炭素繊維の表面に、金属、金属化合物、有機化合物等を付着あるいは結合させる処理などが挙げられる。前記官能基としては、例えば、水酸基、カルボキシル基、カルボニル基、ニトロ基、アミノ基などが挙げられる。
前記炭素繊維の平均繊維長(平均長軸長さ)は、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、50μm〜250μmが好ましく、75μm〜200μmがより好ましく、100μm〜150μmが特に好ましい。前記平均繊維長が、50μm未満であると、異方性熱伝導性が十分に得られず、熱抵抗が高くなってしまうことがある。前記平均繊維長が、250μmを超えると、前記熱伝導性シートの圧縮性が低下して、使用時に十分に低い熱抵抗が得られなくなることがある。
前記炭素繊維の平均短軸長さとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、6μm〜15μmが好ましく、8μm〜13μmがより好ましい。
前記炭素繊維のアスペクト比(平均長軸長さ/平均短軸長さ)としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、8以上が好ましく、12〜30がより好ましい。前記アスペクト比が、8未満であると、炭素繊維の繊維長(長軸長さ)が短いため、熱伝導率が低下してしまうことがある。
ここで、前記炭素繊維の平均長軸長さ、及び平均短軸長さは、例えばマイクロスコープ、走査型電子顕微鏡(SEM)などにより測定することができる。
前記熱伝導性シートにおける前記炭素繊維の含有量としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、15体積%〜40体積%が好ましく、18体積%〜36体積%がより好ましく、20体積%〜36体積%が特に好ましい。前記含有量が、15体積%未満であると、十分に低い熱抵抗を得ることが困難になることがあり、40体積%を超えると、前記熱伝導性シートの成形性及び前記炭素繊維の配向性に影響を与えてしまうことがある。
前記その他の成分としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、無機物フィラー、チキソトロピー性付与剤、分散剤、硬化促進剤、遅延剤、微粘着付与剤、可塑剤、難燃剤、酸化防止剤、安定剤、着色剤などが挙げられる。
前記無機物フィラーとしては、その形状、材質、平均粒径などについては特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。前記形状としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、球状、楕円球状、塊状、粒状、扁平状、針状などが挙げられる。これらの中でも、球状、楕円形状が充填性の点から好ましく、球状が特に好ましい。
なお、本明細書において、前記無機物フィラーは、前記炭素繊維とは異なる。
前記無機物フィラーがアルミナの場合、その平均粒径は、1μm〜10μmが好ましく、1μm〜5μmがより好ましく、4μm〜5μmが特に好ましい。前記平均粒径が、1μm未満であると、粘度が大きくなり、混合しにくくなることがあり、10μmを超えると、前記熱伝導性シートの熱抵抗が大きくなることがある。
前記無機物フィラーが窒化アルミニウムの場合、その平均粒径は、0.3μm〜6.0μmが好ましく、0.3μm〜2.0μmがより好ましく、0.5μm〜1.5μmが特に好ましい。前記平均粒径が、0.3μm未満であると、粘度が大きくなり、混合しにくくなることがあり、6.0μmを超えると、前記熱伝導性シートの熱抵抗が大きくなることがある。
前記無機物フィラーの平均粒径は、例えば、粒度分布計、走査型電子顕微鏡(SEM)により測定することができる。
前記無機物フィラーがアルミナの場合、その比表面積は、0.3m2/g〜0.9m2/gが好ましい。
前記無機物フィラーが窒化アルミニウムの場合、その比表面積は、1m2/g〜3m2/gが好ましい。
前記無機物フィラーの比表面積は、例えば、BET法により測定できる。
前記カバー部材は、熱伝導性シートを挟持し、かつ前記熱伝導性シートの端面を露出させることなく、前記熱伝導性シートの両面を露出させる。
前記カバー部材は、開口部を有する第1のシートと、開口部を有し、かつ前記第1のシートと共に前記熱伝導性シートを挟持する第2のシートとからなり、前記第1のシートと前記第2のシートとの外周端面は封止されてなることが好ましい。
前記第1のシート及び前記第2のシートとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、絶縁体が好ましい。
前記第1のシート及び前記第2のシートの材質としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、ポリイミド、アラミド、ポリエチレンテレフタレートが好ましい。
前記第1のシート及び前記第2のシートの開口部としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、前記熱伝導性シートと相似形であることが好ましい。
前記第1のシート及び第2のシートの平均厚みとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、3μm〜180μmが好ましく、5μm〜100μmがより好ましい。
前記熱伝導性部材の製造方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、以下の方法などが挙げられる。
図1Aに示す窓枠状の第1のシート1と、図1Bに示す窓枠状の第2のシート2とを用意する。第1のシート1と第2のシート2とは、同形状である。第2のシート2の外周に図2に示すように接着剤3を塗布する。そして、第1のシート1の中央部に熱伝導性シートを配置した後に、前記熱伝導性シート上に、接着剤3が第1のシート1に接するように、第2のシート2を載せ、第1のシート1及び第2のシート2で前記熱伝導性シートを挟持しつつ、第1のシート1の外周と第2のシート2の外周とを接着剤3により接着させる。そうすることにより、前記熱伝導性部材が得られる。言うまでも無く、接着剤3は第2のシート2の全面に塗布してもよい。
また、第1のシートと第2のシートとの接着には、前記接着剤に代えて粘着テープを用いてもよい。その場合、第1のシートの外表面の外周、及び第1のシートの側面、並びに第2のシートの外表面の外周、及び第2のシートの側面を粘着テープで覆うことで、第1のシートと第2のシートとを接着させることができる。
図2Aに示す2つの窓枠を有する第3のシート4を用意する。図2Bに示すようにシート4に接着剤3を塗布する。その後、片方の窓枠上に熱伝導性シートを置き、第3のシート4を破線部で折り返す。そうすることにより、前記熱伝導性部材が得られる。
熱伝導性シート13がシート14(第1のシート又は第2のシート)に挟持されている、又は熱伝導性シート13がシート14の上に配置されている状態を図3に示す。図3に示すような、熱伝導性シート13と、シート14との重なり幅(a)としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、0.1cm〜2.0cmが好ましく、0.2cm〜1.5cmがより好ましい。
前記面積(X)は、前記熱伝導性シートの一の面の面積である。
前記面積(Y)は、前記カバー部材の一の開口部の面積(Y)である。
前記カバー部材が、前記第1のシートと前記第2のシートとからなる場合、前記面積(Y)は、前記第1のシート又は前記第2のシートの開口部の面積である。
本発明の半導体装置は、放熱部材と、熱源と、熱伝導性部材とを有し、更に必要に応じて、その他の部材を有する。
前記熱伝導性部材は、前記熱源と前記放熱部材との間に挟持されている。
前記熱源としての半導体素子としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、CPU、MPU、グラフィック演算素子などが挙げられる。
前記放熱部材としては、半導体素子から発生する熱を伝導して外部に放散させるものであれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、放熱器、冷却器、ヒートシンク、ヒートスプレッダー、ダイパッド、プリント基板、冷却ファン、ペルチェ素子、ヒートパイプ、筐体などが挙げられる。
前記熱伝導性部材は、本発明の前記熱伝導性部材である。
<熱伝導性部材の作製>
シリコーンA液(ビニル基を有するオルガノポリシロキサン)と、シリコーンB液(H−Si基を有するオルガノポリシロキサン)とを5:5(A液:B液)の質量比で混合した二液性の付加反応型液状シリコーン樹脂に、分級して比表面積を調整したアルミナ(平均粒径4μm、球状、比表面積0.3m2/g、新日鉄住金マテリアルズ株式会社マイクロン社製)20体積%と、窒化アルミニウム(平均粒径1μm、球状、比表面積3m2/g、Hグレード、株式会社トクヤマ製)20体積%と、ピッチ系炭素繊維(平均繊維長150μm、平均短軸長さ9.2μm、XN100−15M、日本グラファイトファイバー株式会社製)20体積%とを分散させて、シリコーン樹脂組成物を調製した。なお、上記配合における体積%は、得られる熱伝導性シートにおける体積%である。
また、アルミナ及び窒化アルミニウムは、シランカップリング剤でカップリング処理したものを用いた。
得られたシリコーン樹脂組成物を押出機で型(中空円柱状)の中に押出成形し、シリコーン成形体を作製した。押出機の押出口にはスリット(吐出口形状:平板)が形成されている。
得られたシリコーン成形体をオーブンにて100℃で6時間加熱して、シリコーン硬化物とした。
得られたシリコーン硬化物を、平均厚みが2.5mmとなるように超音波カッターで押出しの方向に対し垂直方向にスライス切断した(発信周波数20.5kHz、振幅50μm〜70μm)。以上により、平均厚み2.5mm、縦30mm、横30mmの正方形状の熱伝導性シートを作製した。
得られた熱伝導性シートを、図1Aに示した、第1のシート1〔窓枠状のアラミド紙(帝人デュポンアドバンストペーパー株式会社製、平均厚み0.05mm、縦4.5cm、横4.5cm)〕上に配置した。そして、図1Bに示した、接着剤3を塗布した第2のシート2(第1のシート1と同形状、及び同素材)を、接着剤3が第1のシート1に接するように、前記熱伝導性シート上に載せ、第1のシート1及び第2のシート2で前記熱伝導性シートを挟持しつつ、第1のシート1の外周と第2のシート2の外周とを接着剤3により接着させ、熱伝導性部材を得た。
<熱抵抗>
ASTM−D5470に従って、熱抵抗を測定した。結果を表1−1に示した。
熱抵抗は、荷重3.0kgf/cm2の条件下でそれぞれ測定した。
ASTM−D2240に従って、ショア硬度を測定した。結果を表1−1に示した。
作製した実施例1の熱伝導性部材を、図4に示したように、熱伝導測定装置(デクセリアルズ株式会社製)のヒーター側の金属ロッド(熱源12)と冷却側の金属ロッド(放熱部材11)との間に介在させて、矢印の方向に3kgf/cm2の荷重をかけた。荷重をかけた後の熱伝導性シート13の厚みは2.0mmとなった。
その結果、図5に示したように、荷重をかけると熱源12と放熱部材11の隙間はなくなり、また、熱伝導性シート13の端部がカバー部材14に覆われる形となった。よって、半導体装置に応用した場合も、炭素繊維が端面から落ちないことから、短絡(ショート)が発生する恐れがなかった。
実施例1において、表1のように第1のシート及び第2のシートの種類、熱伝導性シートの平均厚み、熱伝導性シートの面積(X)に対するカバー部材の開口部の面積(Y)の比率(Y/X)を変更した以外は、実施例1と同様にして、熱伝導性部材を作製した。
得られた熱伝導性部材について、実施例1と同様にして評価を行った。結果を表1−1及び表1−2に示した。
2 第2のシート
3 接着剤
4 第3のシート
11 放熱部材
12 熱源
13 熱伝導性シート
14 シート
Claims (9)
- 熱伝導性シートと、
該熱伝導性シートを挟持し、かつ該熱伝導性シートの端面を露出させることなく、該熱伝導性シートの両面を露出させるカバー部材とを有し、
該カバー部材が、開口部を有する第1のシートと、開口部を有し、かつ該第1のシートと共に該熱伝導性シートを挟持する第2のシートとからなり、
該第1のシートと該第2のシートとの外周端面が、封止されたことを特徴とする熱伝導性部材。 - 熱伝導性シートの面積(X)に対するカバー部材の開口部の面積(Y)の比率、〔Y(cm2)/X(cm2)〕×100(%)が、70%以上100%未満である請求項1に記載の熱伝導性部材。
- 第1のシート及び第2のシートが、絶縁体である請求項1から2のいずれかに記載の熱伝導性部材。
- 第1のシート及び第2のシートの材質が、ポリイミド、アラミド、及びポリエチレンテレフタレートのいずれかである請求項1から3のいずれかに記載の熱伝導性部材。
- 第1のシート及び第2のシートの開口部が、熱伝導性シートと相似形である請求項1から4のいずれかに記載の熱伝導性部材。
- 熱伝導性シートが、バインダーと、炭素繊維とを含有する請求項1から5のいずれかに記載の熱伝導性部材。
- バインダーが、シリコーン樹脂を含有する請求項6に記載の熱伝導性部材。
- 熱伝導性シートが、ASTM−D2240で規定されるショアOO硬度が95以下である請求項1から7のいずれかに記載の熱伝導性部材。
- 熱源と、放熱部材と、前記熱源と前記放熱部材との間に挟持される熱伝導性部材とを有し、
前記熱伝導性部材が、請求項1から8のいずれかに記載の熱伝導性部材であることを特徴とする半導体装置。
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