JPH0997988A - 熱伝導性コンパウンド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の熱伝導性グリースや熱伝導性シート等
に用いられる熱伝導性コンパウンドにおいては、絶縁性
の確保と高熱伝導化とを両立させると共に、水分等によ
る変質を防止することが課題とされていた。 【解決手段】 シリコーンオイルやアクリル樹脂等の柔
軟性を有する電気絶縁性マトリックス中に、例えば熱伝
導率が30W/m K 以上の窒化ケイ素を主成分とするセラミ
ックス粒子を分散させた熱伝導性コンパウンドである。
このような熱伝導性コンパウンド３は、熱伝導性グリー
スや熱伝導性シート等として、半導体パッケージ１等の
発熱部品と放熱フィン２等の冷却部品との間に配置され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱伝導性グリース
や熱伝導性シート等として用いられる熱伝導性コンパウ
ンドに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、熱伝導性グリースや熱伝導性
シート等を発熱部品表面に塗布もしくは配置することに
より、熱抵抗を低減して発熱部品からの熱の放散を促進
する冷却システムが、半導体部品、電子部品、エネルギ
関連部品等の各種の分野で採用されている。特に、近年
の半導体製造技術の進歩によって、高集積化、高速化、
大電力化等が急速に進められ、発熱量が増加傾向にある
半導体素子の分野においては、放熱性の改善がより一層
求められている。

【０００３】例えば、半導体分野においては、半導体パ
ッケージやＬＳＩ等と放熱フィンとの間、あるいは半導
体パッケージやＬＳＩ等と実装ボードとの間に、グリー
ス状やシート状の熱伝導体を介在させることによって、
半導体素子から放熱フィンや実装ボードへの熱伝導効率
を高め、放熱特性の改善を図ることが行われている。上
述した熱伝導体のうち、例えば熱伝導性グリースとして
は高熱伝導率を有するペースト状のシリコーン樹脂中に
金属粒子、アルミナ粒子、窒化ホウ素粒子、窒化アルミ
ニウム粒子等を分散させたものが、また熱伝導性シート
としてはポリエチレン、ポリエステル、ポリプロピレ
ン、ポリイミド、シリコンラバー等の可撓性を有する有
機系材料中に同様な金属もしくはセラミックス粒子を分
散させたものが用いられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たような従来の熱伝導性グリースや熱伝導性シート等に
おいて、金属粒子を分散させたものは熱伝導性には優れ
るものの、耐電圧に劣り、絶縁性を重視する部品には使
用することができないという欠点を有している。また、
アルミナ粒子や窒化ホウ素粒子を分散させた熱伝導性グ
リースや熱伝導性シートでは、絶縁性は確立できるもの
の、熱伝導性の向上があまり期待できず、発熱量の大き
い部品への適用は困難であった。

【０００５】これらに対して、窒化アルミニウム粒子を
分散させた熱伝導性グリースや熱伝導性シートは、絶縁
性の確保と高熱伝導化を両立させることができ、電子部
品用等として期待されているものの、窒化アルミニウム
粒子自体の水分に対する不安定性等に起因して、特に熱
伝導性グリースにおける変質が問題となっている。

【０００６】このように、従来の熱伝導性グリースや熱
伝導性シート等に用いられる熱伝導性コンパウンドにお
いては、絶縁性の確保と高熱伝導化とを両立させると共
に、水分等による変質を防止することが課題とされてい
た。

【０００７】本発明は、このような課題に対処するため
になされたもので、絶縁性の確保と高熱伝導化とを両立
させると共に、水分等による変質を防止することによっ
て、発熱部品と冷却部品等との熱接触抵抗を良好にかつ
安定して低減し得る熱伝導性コンパウンドを提供するこ
とを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の熱伝導性コンパ
ウンドは、請求項１に記載したように、柔軟性を有する
電気絶縁性マトリックスと、前記電気絶縁性マトリック
ス中に分散された窒化ケイ素を主成分とするセラミック
ス粒子とを有することを特徴としており、特に請求項２
に記載したように、前記窒化ケイ素を主成分とするセラ
ミックス粒子は30W/m K 以上の熱伝導率を有することを
特徴としている。

【０００９】窒化ケイ素を主成分とするセラミックス粒
子は、電気絶縁性を有すると共に、窒化アルミニウム粒
子等に比べて耐水性が高く、さらにアルミナ粒子等に比
べて高熱伝導性（例えば30W/m K 以上）を有するもので
ある。従って、熱伝導性グリースや熱伝導性シート等と
して用いられる熱伝導性コンパウンドの絶縁性の確保と
高熱伝導化とを両立させた上で、水分等による変質を防
止することができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施するための形
態について説明する。

【００１１】本発明の熱伝導性コンパウンドは、柔軟性
を有する電気絶縁性マトリックス中に窒化ケイ素を主成
分とするセラミックス粒子を分散させたものであり、具
体的には熱伝導性グリースや熱伝導性シート等として用
いられる。

【００１２】熱伝導性コンパウンドのマトリックス材料
には、電気絶縁性と使用用途に応じた柔軟性を有するも
のであれば各種材料を用いることができる。例えば、熱
伝導性グリースとする場合のマトリックス材料として
は、シリコーンオイル等が好適である。

【００１３】また、熱伝導性シートとする場合には、電
気絶縁性マトリックス材料として高分子樹脂を用い、こ
れに窒化ケイ素を主成分とするセラミックス粒子を分散
させたものをシート状に成形すればよい。このような熱
伝導性シートの電気絶縁性マトリックスとしては、アク
リル樹脂、ポリウレタン樹脂等の柔軟性（可撓性）を有
する高分子樹脂が好適である。特に、アクリル樹脂は柔
軟性に優れ、発熱部品および冷却部品等の接合面に対す
る良好な追従性が得られることから、熱接触抵抗の低減
に効果を発揮する。

【００１４】上述したような柔軟性を有する電気絶縁性
マトリックス中に分散させるセラミックス粒子は、窒化
ケイ素を主成分とするものであり、特に30W/m K 以上の
熱伝導率を有する窒化ケイ素を主成分とするセラミック
ス粒子（以下、窒化ケイ素基セラミックス粒子と記す）
が好適である。このような熱伝導率を有する窒化ケイ素
基セラミックス粒子は、窒化ケイ素原料粉末に焼結助剤
として酸化イットリウムのような希土類酸化物粉末や酸
化アルミニウム粉末等を添加し、さらに適量の有機バイ
ンダや分散媒を添加して混合した後、これを顆粒化し、
この顆粒状粉末に脱脂、焼成（仮焼）処理を施すことに
よって、再現性よく得ることができる。上記した仮焼窒
化ケイ素基セラミックス粒子は、焼結助剤による脱酸素
効果や結晶粒径の増大等により熱伝導率が向上し、30W/
m K 以上というような高熱伝導性を達成することができ
る。焼結助剤は窒化ケイ素原料粉末に対して 3〜 7重量
% 程度添加することが好ましい。また、上記焼成（仮
焼）時に窒化ホウ素粉末等を添加して、窒化ケイ素粒子
間の反応（焼結）を防ぐようにしてもよい。これによっ
て、粉末状の仮焼窒化ケイ素基セラミックス粒子が容易
に得られる。

【００１５】上述したような窒化ケイ素基セラミックス
粒子は、電気絶縁性を有すると共に、窒化アルミニウム
粒子等に比べて耐水性が高く、さらにアルミナ粒子等に
比べて高熱伝導性（30W/m K 以上）を有するものであ
る。従って、熱伝導性グリースや熱伝導性シート等とし
て用いられる熱伝導性コンパウンドの絶縁性の確保と高
熱伝導化とを両立させた上で、水分等による変質を防止
することができる。

【００１６】すなわち、電気絶縁性マトリックス中に分
散させた窒化ケイ素基セラミックス粒子が高い熱伝導率
性を与え、なおかつ空気中の水分等に対して窒化アルミ
ニウムより安定であるため、熱伝導性グリースを高い熱
放散性を必要とする電子機器部品に塗布したり、あるい
は熱伝導性シートを放熱面に配置することによって、発
熱部品からの熱を効率よく冷却部品等に伝達することが
できると共に、絶縁性に関しても特別な処理を行うこと
なく十分に確保することができる。そして、空気中の水
分等による変質も生じにくいため、上記熱伝達を高信頼
性の下で実現することができる。本発明は特に水分等と
反応しやすい高熱伝導性グリース等に対して大きな効果
を発揮する。

【００１７】電気絶縁性マトリックス中に分散させる窒
化ケイ素基セラミックス粒子の形状や量等は、使用用途
やマトリックス材料に応じて適宜設定されるものである
が、具体的な窒化ケイ素基セラミックス粒子の形状とし
ては平均粒径を 200μm 以下とすることが好ましい。窒
化ケイ素基セラミックス粒子の平均粒径が 200μm を超
えると、電気絶縁性マトリックス中への均一分散が困難
となるおそれがある。また、窒化ケイ素基セラミックス
粒子の分散量は、熱伝導性グリースとする場合には電気
絶縁性マトリックスに対して40〜55体積% 程度とするこ
とが好ましく、また熱伝導性シートとする場合には電気
絶縁性マトリックスに対して50〜65体積% 程度とするこ
とが好ましい。窒化ケイ素基セラミックス粒子の平均粒
径にもよるが、あまり分散量を多くしすぎるとマトリッ
クス材料本来の特性、例えば柔軟性（流動性等を含む）
が損われるおそれがある。一方、あまり分散量が少なす
ぎると熱伝導性の向上効果が十分に得られないおそれが
ある。

【００１８】さらに、上述したような窒化ケイ素基セラ
ミックス粒子（粉末）のマトリックス材料に対する濡れ
性を改善して分散性を高める目的で、窒化ケイ素基セラ
ミックス粉末に対して予め表面改質処理を施しておくこ
とも効果的である。表面改質処理の具体例としては、窒
化ケイ素基セラミックス粉末に対して 0.1〜 1重量%程
度のチタネート系カップリング剤等を混合する等の処理
が挙げられる。チタネート系カップリング剤は、セラミ
ックス粒子表面に薄い被膜層（コーテイング層）を形成
し、セラミックス粒子の樹脂マトリックス等に対する濡
れ性を著しく向上させ、かつ耐水性を高める。

【００１９】本発明の熱伝導性コンパウンドを熱伝導性
グリースに適用する場合には、上記窒化ケイ素基セラミ
ックス粒子（粉末）をシリコーンオイル等の電気絶縁性
マトリックス材料に添加し、これを汎用の二軸回転混練
機等で 1〜 2時問程度混練することで製造される。ま
た、熱伝導性シートに適用する場合には、上記窒化ケイ
素基セラミックス粒子（粉末）を高分子樹脂材料粉末等
の電気絶縁性マトリックス材料に添加し、これを十分に
混練し、さらに必要に応じてバインダ等を添加して原料
混合体を調製し、この原料混合体をドクターブレード法
等で所定のシート形状に成形することで製造される。

【００２０】本発明の熱伝導性コンパウンドは、例えば
図１に示すように、半導体パッケージ１等の発熱部品と
放熱フィン２等の冷却部品との間に介在（熱伝導性コン
パウンド３）され、これによって半導体パッケージ１か
ら放熱フィン２に効率よく熱を伝達することが可能とな
る。熱伝導性コンパウンド３は、グリースとして半導体
パッケージ１の上面に塗布してもよいし、またシートと
して半導体パッケージ１と放熱フィン２との間に配置し
てもよい。なお、図１に示す半導体パッケージ１は、多
層セラミックス配線基板４からなるパッケージ基体に半
導体素子５が搭載され、かつ半導体素子５と電気的に接
続された外部端子（バンプ端子）６がプリント基板７に
接合搭載されている。

【００２１】また、図２に示すように、半導体パッケー
ジ１等の発熱部品とプリント基板７等との間に、熱伝導
性コンパウンド３を介在させてもよい。この場合にも、
熱伝導性コンパウンド３はグリースとして半導体パッケ
ージ１の下面に予め塗布しておいてもよいし、またシー
トとして半導体パッケージ１とプリント基板７との間に
配置してもよい。なお、図２に示す半導体パッケージ１
は、多層セラミックス配線基板４からなるパッケージ基
体に半導体素子５が搭載され、かつ半導体素子５と電気
的に接続された外部端子としてのピン端子８がプリント
基板７に接続されており、このピン端子８部分を含めて
熱伝導性コンパウンド３が半導体パッケージ１とプリン
ト基板７との間に介在されている。

【００２２】なお、本発明の熱伝導性コンパウンドが塗
布もしくは配置される発熱部品は、上述した半導体パッ
ケージに限られるものではなく、半導体素子（ベアチッ
プ等）、各種受動部品や能動部品等、種々の半導体部品
や電子部品に対して適用することができる。さらに電子
部品等に限らず、他分野の発熱部品に対して本発明の熱
伝導性コンパウンドを適用することも可能である。

【００２３】

【実施例】次に、本発明の具体的な実施例について説明
する。

【００２４】実施例１ まず、窒化ケイ素粉末に焼結助剤として酸化イットリウ
ム粉末 5重量% と酸化チタン粉末 0.2重量% を添加し、
これに適量の界面活性剤と溶剤を加えてボールミルで24
時間混合した。さらに、ボールミル中に有機バインダと
して適量のアクリル樹脂を添加してさらに24時間混合し
た。

【００２５】次いで、得られたスラリーをスプレードラ
イヤにて40μm 程度の顆粒状にし、これを窒素気流中に
て脱脂した後、適量の窒化ホウ素粉末と混合し、これを
窒素気流中にて 2193Kで焼成した。この焼成により得ら
れた顆粒状の窒化ケイ素焼結体を超音波振動で粒子に分
割して、平均粒径20μm の窒化ケイ素基セラミックス粉
末（粒子）を作製した。

【００２６】そして、得られた窒化ケイ素基セラミック
ス粉末に 1重量% のチタネート系カップリング剤を添加
し、さらに窒化ケイ素基セラミックス粉末に対して40体
積%となるようにシリコーンオイルを加え、アルミナ製
ボールミル中で24時間混合して、熱伝導性グリースを作
製した。

【００２７】このようにして作製した熱伝導性グリース
を、厚さ 2mmの 2枚の金属アルミニウムペレットの間に
塗布し、ペレットごとレーザーフラッシュ法にて熱拡散
率を測定した。その結果、熱拡散率にして 0.120cm² /s
と高い熱伝導性を示した。なお、上記したスプレードラ
イヤによる窒化ケイ素顆粒を、プレス成形により直径14
mm×厚さ 4mmの形状に成形し、これを同様にして脱脂お
よび焼結した。この窒化ケイ素基焼結体の熱伝導率をレ
ーザーフラッシュ法にて測定したところ、40W/m K であ
った。

【００２８】さらに、上述した実施例による熱伝導性グ
リースと、本発明との比較例として窒化ケイ素基セラミ
ックス粒子に代えて窒化アルミニウム粒子を用いる以外
は同様にして作製したグリースとを、湿度 90%の雰囲気
中に放置したところ、比較例のグリースでは固液分離が
認められた。一方、実施例による熱伝導性グリースでは
変質は認められなかった。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の熱伝導性
コンパウンドによれば、絶縁性の確保と高熱伝導化とを
両立させた上で、水分等による変質を防止することが可
能となる。従って、本発明の熱伝導性コンパウンドを発
熱部品と冷却部品等との間に介在させることによって、
熱接触抵抗を良好にかつ安定して低減することができ、
発熱部品の放熱特性を大幅に改善することが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の熱伝導性コンパウンドの一使用例を
示す図である。

【図２】 本発明の熱伝導性コンパウンドの他の使用例
を示す図である。

【符号の説明】

１……半導体パッケージ ２……放熱フィン ３……熱伝導性コンパウンド ７……プリント基板

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 柔軟性を有する電気絶縁性マトリックス
   と、前記電気絶縁性マトリックス中に分散された窒化ケ
   イ素を主成分とするセラミックス粒子とを有することを
   特徴とする熱伝導性コンパウンド。
2. 【請求項２】 請求項１記載の熱伝導性コンパウンドに
   おいて、 前記窒化ケイ素を主成分とするセラミックス粒子は、30
   W/m K 以上の熱伝導率を有することを特徴とする熱伝導
   性コンパウンド。
3. 【請求項３】 請求項１記載の熱伝導性コンパウンドに
   おいて、 前記電気絶縁性マトリックスは、シリコーンオイルを主
   成分とすることを特徴とする熱伝導性コンパウンド。
4. 【請求項４】 請求項１記載の熱伝導性コンパウンドに
   おいて、 前記セラミックス粒子は、 200μm 以下の平均粒径を有
   することを特徴とする熱伝導性コンパウンド。
5. 【請求項５】 請求項１記載の熱伝導性コンパウンドに
   おいて、 前記セラミックス粒子の表面にコーティング層が形成さ
   れていることを特徴とする熱伝導性コンパウンド。