JPWO2017159252A1 - 熱伝導性シリコーン組成物及び半導体装置 - Google Patents

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Abstract

優れた熱伝導性を有する熱伝導性シリコーン組成物の提供。
下記、成分(A)〜(C)及び(D)を含有する熱伝導性シリコーン組成物。
(A)平均組成式(1) R1 aSiO(4-a)/2 (1)
〔式中、R1は、水素原子、ヒドロキシ基又は一価炭化水素基を示し、aは1.8≦a≦2.2である〕で表される、25℃における動粘度が10〜100,000mm2/sのオルガノポリシロキサン
(B)タップ密度が3.0g/cm3以上であり、比表面積が2.0m2/g以下であり、かつアスペクト比が、2.0〜150.0である銀粉末 成分(A)100質量部に対して、300〜11,000質量部
(C)平均粒径が5〜100μmであり、10W/m℃以上の熱伝導率を有する成分(B)以外の熱伝導性充填材 成分(A)100質量部に対して、10〜2,750質量部
(D)白金系触媒、有機過酸化物及び縮合反応用触媒からなる群より選択される触媒
【選択図】図1

Description

本発明は、熱伝導性に優れたシリコーン組成物及び半導体装置に関する。
電子部品の多くは使用中に熱が発生するので、その電子部品を適切に機能させるためには、その電子部品から熱を取り除くことが必要である。特にパーソナルコンピューターに使用されているCPU等の集積回路素子は、動作周波数の高速化により発熱量が増大しており、熱対策が重要な問題となっている。
したがって、この熱を放熱する多くの方法が提案されている。特に発熱量の多い電子部品では、電子部品とヒートシンク等の部材の間に、熱伝導性グリースや、熱伝導性シートなどの熱伝導性材料を介在させて熱を逃がす方法が提案されている。
特開平2−153995号公報(特許文献1)には、特定のオルガノポリシロキサンに一定粒径範囲の球状六方晶系窒化アルミニウム粉末を配合したシリコーングリース組成物が、特開平3−14873号公報(特許文献2)には、粒径の細かい窒化アルミニウム粉末と粒径の粗い窒化アルミニウム粉末を組み合わせた熱伝導性オルガノシロキサン組成物が、特開平10−110179号公報(特許文献3)には、窒化アルミニウム粉末と酸化亜鉛粉末を組み合わせた熱伝導性シリコーングリースが、特開2000−63872号公報(特許文献4)には、オルガノシランで表面処理した窒化アルミニウム粉末を用いた熱伝導性グリース組成物が開示されている。
窒化アルミニウムの熱伝導率は70〜270W/mKであり、これより熱伝導性の高い材料として熱伝導率900〜2,000W/mKのダイヤモンドがある。特開2002−30217号公報(特許文献5)には、シリコーン樹脂に、ダイヤモンド、酸化亜鉛、分散剤を用いた熱伝導性シリコーン組成物が開示されている。
また、特開2000−63873号公報(特許文献6)や特開2008−222776号公報(特許文献7)には、シリコーンオイル等の基油に金属アルミニウム粉末を混合した熱伝導性グリース組成物が開示されている。
更には熱伝導率の高い銀粉末を充填剤として用いている特許3130193号公報(特許文献8)、特許3677671号公報(特許文献9)なども開示されている。
上記の熱伝導性グリースや熱伝導性材料の中には高い熱伝導率を示すものもあるが、高い熱伝導性を示すものは、圧縮時の最小厚み(BLT)が厚く、熱抵抗が高い。一方で、熱抵抗の低いものは、BLTが薄く、ヒートサイクル後の熱抵抗が悪化し、信頼性に欠ける。従って、いずれの熱伝導性材料や熱伝導性グリースも、最近の発熱量が増大したCPU等の集積回路素子の放熱のためには不十分なものとなってきている。
特開平2−153995号公報 特開平3−14873号公報 特開平10−110179号公報 特開2000−63872号公報 特開2002−30217号公報 特開2000−63873号公報 特開2008−222776号公報 特許3130193号公報 特許3677671号公報
従って、本発明の目的は、良好な放熱効果を奏する熱伝導性シリコーン組成物を提供することにある。
本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意研究した結果、特定のタップ密度と比表面積を持つ銀粉末と、特定の粒径の伝導性充填材とを、特定のオルガノポリシロキサン中に混合することで、熱伝導性が飛躍的に向上することを見出し、本発明を完成した。
すなわち、本発明は、次の熱伝導性シリコーン組成物等を提供するものである。
<1>
下記、成分(A)、(B)、(C)及び(D)を含有する熱伝導性シリコーン組成物。
(A)下記平均組成式(1)
1 aSiO(4-a)/2 (1)
〔式中、R1は、水素原子、ヒドロキシ基又は炭素数1〜18の飽和若しくは不飽和の一価炭化水素基の群の中から選択される1種若しくは2種以上の基を示し、aは1.8≦a≦2.2である。〕
で表される、25℃における動粘度が10〜100,000mm2/sのオルガノポリシロキサン
(B)タップ密度が3.0g/cm3以上であり、比表面積が2.0m2/g以下であり、かつアスペクト比が、2.0〜150.0である銀粉末
成分(A)100質量部に対して、300〜11,000質量部
(C)平均粒径が5〜100μmであり、10W/m℃以上の熱伝導率を有する成分(B)以外の熱伝導性充填材
成分(A)100質量部に対して、10〜2,750質量部
(D)白金系触媒、有機過酸化物及び縮合反応用触媒からなる群より選択される触媒
触媒量
<2>
成分(C)の熱伝導性充填材が、タップ密度が0.5〜2.6g/cm3であり、比表面積が0.15〜3.0m2/gのアルミニウム粉末である<1>記載の熱伝導性シリコーン組成物。
<3>
成分(C)の熱伝導性充填材のアスペクト比が、1.0以上3.0以下である<1>又は<2>記載の熱伝導性シリコーン組成物。
<4>
成分(B)の銀粉末の質量αと成分(C)のアルミニウム粉末の質量βの質量比α/βが3〜150である<1>〜<3>の何れか1項記載の熱伝導性シリコーン組成物。
<5>
成分(A)の全部又は一部が、成分(E):ケイ素原子に結合したアルケニル基を一分子中に少なくとも2個有するオルガノポリシロキサン及び/又は、成分(F):ケイ素原子に結合した水素原子を一分子中に少なくとも2個有するオルガノハイドロジェンポリシロキサンである<1>〜<4>の何れか1項記載の熱伝導性シリコーン組成物。
<6>
更に、成分(G)として、下記一般式(2)
2 bSi(OR34-b (2)
〔式中、R2は、置換基を有していてもよい飽和又は不飽和の一価炭化水素基、エポキシ基、アクリル基及びメタクリル基の中から選択される1種又は2種以上の基を示し、R3は一価炭化水素基を示し、bは1≦b≦3である。〕
で表されるオルガノシランを、成分(A)100質量部に対して0〜20質量部含む<1>〜<5>の何れか1項記載の熱伝導性シリコーン組成物。
<7>
発熱性電子部品と、放熱体とを備えている半導体装置であって、前記発熱性電子部品と前記放熱体との間に、<1>〜<6>の何れか1項記載の熱伝導性シリコーン組成物が介在していることを特徴とする半導体装置。
<8>
<1>〜<6>の何れか1項記載の熱伝導性シリコーン組成物を、発熱性電子部品と放熱体との間で、0.01MPa以上の圧力を掛けた状態で80℃以上に加熱する工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
本発明の熱伝導性シリコーン組成物は、優れた熱伝導性を有するため、半導体装置に有用である。
本発明の半導体装置の1例を示す縦断面概略図である。
本発明の熱伝導性シリコーン組成物について以下詳述する。
成分(A):
成分(A)のオルガノポリシロキサンは、下記平均組成式(1)
1 aSiO(4-a)/2 (1)
〔式中、R1は、水素原子、ヒドロキシ基又は炭素数1〜18の飽和若しくは不飽和の一価炭化水素基の群の中から選択される1種若しくは2種以上の基を示し、aは1.8≦a≦2.2である。〕
で表される、25℃における動粘度が10〜100,000mm2/sのオルガノポリシロキサンである。
上記式(1)において、R1で示される炭素数1〜18の飽和又は不飽和の一価炭化水素基としては、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、ヘキシル基、オクチル基、デシル基、ドデシル基、テトラデシル基、ヘキサデシル基、オクタデシル基等のアルキル基;シクロペンチル基、シクロヘキシル基等のシクロアルキル基;ビニル基、アリル基等のアルケニル基;フェニル基、トリル基等のアリール基;2−フェニルエチル基、2−メチル−2−フェニルエチル基等のアラルキル基;3,3,3−トリフルオロプロピル基、2−(パーフルオロブチル)エチル基、2−(パーフルオロオクチル)エチル基、p−クロロフェニル基等のハロゲン化炭化水素基が挙げられる。本発明のシリコーン組成物をグリースとして用いる場合、aはシリコーングリース組成物として要求される稠度の観点から1.8〜2.2の範囲がよく、特に1.9〜2.1が好ましい。
また、本発明で使用するオルガノポリシロキサンの25℃における動粘度は、10mm2/sより低いと組成物にした時にオイルブリードが出やすくなるし、100,000mm2/sより大きくなると組成物にしたときの粘度が高くなることから取り扱いが乏しくなるため、25℃で10〜100,000mm2/sであることが必要であり、特に30〜10,000mm2/sであることが好ましい。なお、オルガノポリシロキサンの動粘度はオストワルド粘度計で測定した25℃の値である。
成分(E)及び(F):
成分(A)の全部又は一部は、成分(E)ケイ素原子に結合したアルケニル基を一分子中に少なくとも2個含有するオルガノポリシロキサン及び/又は、成分(F)ケイ素原子に結合した水素原子を一分子中に少なくとも2個含有するオルガノハイドロジェンポリシロキサンであることが好ましい。
成分(E)のオルガノポリシロキサンは、ケイ素原子に結合したアルケニル基を、一分子中に平均2個以上(通常2〜50個)、好ましくは2〜20個、より好ましくは2〜10個程度有するものである。成分(E)のオルガノポリシロキサンが含有するアルケニル基としては、例えば、ビニル基、アリル基、ブテニル基、ペンテニル基、ヘキセニル基、ヘプテニル基等が挙げられ、特に、ビニル基が好ましい。成分(E)のアルケニル基は、分子鎖末端のケイ素原子に結合していても、分子鎖非末端のケイ素原子に結合していても、その両方であってもよい。
成分(E)のオルガノポリシロキサンにおいて、ケイ素原子に結合した有機基としては、アルケニル基以外では、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基等のアルキル基;フェニル基、トリル基、キシリル基、ナフチル基等のアリール基;ベンジル基、フェネチル基等のアラルキル基;クロロメチル基、3−クロロプロピル基、3,3,3−トリフルオロプロピル基等のハロゲン化アルキル基などが挙げられ、特に、メチル基、フェニル基が好ましい。
このような成分(E)の分子構造としては、例えば、直鎖状、一部分岐を有する直鎖状、環状、分岐鎖状、三次元網状等が挙げられるが、基本的に主鎖がジオルガノシロキサン単位(D単位)の繰り返しからなり、分子鎖両末端がトリオルガノシロキシ基で封鎖された直鎖状のジオルガノポリシロキサン、又は該直鎖状のジオルガノポリシロキサンと分岐鎖状あるいは三次元網状のオルガノポリシロキサンの混合物が好ましい。
成分(F)のオルガノハイドロジェンポリシロキサンは、ケイ素原子に結合した水素原子(即ち、SiH基)を、一分子中に少なくとも2個(通常、2〜300個)、好ましくは2〜100個程度有するものであり、直鎖状、分岐状、環状、或いは三次元網状構造の樹脂状物のいずれでもよい。成分(F)の水素原子は、分子鎖末端のケイ素原子に結合していても、分子鎖非末端のケイ素原子に結合していても、その両方であってもよい。
成分(F)のオルガノハイドロジェンポリシロキサンにおいて、ケイ素原子に結合した有機基としては、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基等のアルキル基;フェニル基、トリル基、キシリル基、ナフチル基等のアリール基;ベンジル基、フェネチル基等のアラルキル基;クロロメチル基、3−クロロプロピル基、3,3,3−トリフルオロプロピル基等のハロゲン化アルキル基などが挙げられ、特に、メチル基、フェニル基が好ましい。
また、成分(A)の平均組成式(1)で示されるオルガノポリシロキサンと併せて、下記一般式(3)で表される、加水分解性基を有するオルガノポリシロキサン(成分(H))を配合してもよい。この加水分解性オルガノポリシロキサンの含有量は、成分(A)に対して0〜20質量%の量が好ましく、より好ましくは0〜10質量%である。
Figure 2017159252
(式(3)中、R4は炭素数1〜6のアルキル基であり、R5は、互いに独立に、炭素数1〜18の、飽和または不飽和の、非置換または置換の一価炭化水素基であり、cは5〜120である。)
上記式(3)で示されるオルガノポリシロキサンは、シリコーン組成物中に粉末を高充填することを補助する。また、該オルガノポリシロキサンによって粉末の表面を疎水化処理することもできる。
上記式(3)中、R4は、炭素数1〜6のアルキル基であり、例えばメチル基、エチル基、プロピル基などの炭素数1〜6のアルキル基等が挙げられるが、特にメチル基、エチル基が好ましい。R5は、互いに独立に、炭素数1〜18、好ましくは炭素数1〜10の、飽和または不飽和の、非置換または置換の一価炭化水素基である。該一価炭化水素基としては、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、ヘキシル基、オクチル基、デシル基、ドデシル基、テトラデシル基、ヘキサデシル基、及びオクタデシル基等のアルキル基;シクロペンチル基、及びシクロヘキシル基等のシクロアルキル基;ビニル基、及びアリル基等のアルケニル基;フェニル基、及びトリル基等のアリール基;2−フェニルエチル基、及び2−メチル−2−フェニルエチル基等のアラルキル基;又は、これらの基の水素原子の一部又は全部をフッ素、臭素、塩素等のハロゲン原子、シアノ基等で置換したもの、例えば、3,3,3−トリフルオロプロピル基、2−(パーフルオロブチル)エチル基、2−(パーフルオロオクチル)エチル基、p−クロロフェニル基等が挙げられる。この内、特にメチル基が好ましい。上記式(3)中、cは5〜120の整数であり、好ましくは10〜90の整数である。
成分(B):
成分(B)は、タップ密度が3.0g/cm3以上であり、比表面積が2.0m2/g以下の銀粉末である。
成分(B)の銀粉末のタップ密度は、3.0g/cm3より小さいと成分(B)の組成物への充填率が上げられなくなり、組成物の粘度が上がり、作業性が悪くなるため、3.0g/cm3〜10.0g/cm3の範囲がよく、好ましくは4.5g/cm3〜10.0g/cm3、より好ましくは6.0g/cm3〜10.0g/cm3である。
成分(B)の銀粉末の比表面積は、2.0m2/gより大きいと成分(B)の組成物への充填率が上げられなくなり、組成物の粘度が上がり、作業性が悪くなるため0.08m2/g〜2.0m2/gの範囲がよく、好ましくは0.08m2/g〜1.0m2/g、より好ましくは0.08m2/g〜0.5m2/gである。
なお、本明細書記載のタップ密度は、銀粉末100gをはかり、ロートで100mlメスシリンダーに静かに落とした後、シリンダーをタップ密度測定器にのせて落差距離20mm、60回/分の速さで600回落下させ、圧縮した銀粉末の容積から算出した値である。
また、比表面積は、銀粉末約2gをサンプルにとり、60±5℃で10分間脱ガスした後、比表面積自動測定装置(BET法)にて総表面積を測定した。その後、サンプル量をはかり、下記式(4)で計算し、算出したものである。
比表面積(m2/g)=総表面積(m2)/サンプル量(g) (4)
成分(B)の銀粉末のアスペクト比は、2.0〜150.0であり、好ましくは3.0〜100.0の範囲であり、より好ましくは3.0〜50.0の範囲である。アスペクト比とは、粒子の長径と短径の比率(長径/短径)をいう。その測定方法としては、例えば、粒子の電子顕微鏡写真を撮り、この写真から粒子の長径と短径を測定して、この測定された粒子の長径と短径から算出することができる。粒子の大きさは上面からの電子顕微鏡写真で測定でき、この上面の電子顕微鏡写真から大きい方の直径を長径として測定する。この長径に対して短径は粒子の厚さになる。粒子の厚さは上面からの電子顕微鏡写真では測定できない。粒子の厚さを測定するには、電子顕微鏡写真を撮る際に、粒子の載っている試料台を傾斜させて取り付け、上面から電子顕微鏡写真を撮り、試料台の傾きの角度で補正して粒子の厚さを算出すれば良い。具体的には、電子顕微鏡で数千倍に拡大した写真を数枚撮影した後、任意に100個の粒子の長径及び短径を測定し、長径と短径の比(長径/短径)を算出して、平均値を求めた。
成分(B)の銀粉末の粒径は、特に限定されないが、平均粒径は0.2〜50μmの範囲が好ましく、特に1.0〜30μmの範囲が好ましい。平均粒径は、銀粉末をミクロスパテラで1〜2杯100mlビーカーにとり、イソプロピルアルコールを約60ml入れて、超音波ホモジナイザーで1分間銀粉末を分散させた後、レーザー回折式粒度分析計により測定できる、体積基準の体積平均径[MV]である。なお、測定時間は30秒で測定した。
本発明で用いる銀粉末の製造方法は、特に限定されないが、例えば、電解法、粉砕法、熱処理法、アトマイズ法、還元法等が挙げられる。
銀粉末は、上記方法で製造されたものとそのまま用いてもよく、上記数値範囲を満たす範囲になるように粉砕したものを用いてもよい。銀粉末を粉砕する場合、装置は特に限定されず、例えば、スタンプミル、ボールミル、振動ミル、ハンマーミル、圧延ローラ、乳鉢等の公知の装置が挙げられる。好ましいのは、スタンプミル、ボールミル、振動ミル、ハンマーミルである。
成分(B)の銀粉末の配合量は、成分(A)100質量部に対して、300〜11,000質量部である。成分(A)100質量部に対して、300質量部より少ないと得られる組成物の熱伝導率が悪くなり、11,000質量部より多いと組成物の流動性が悪くなり取扱い性が悪くなる。好ましくは300〜5,000質量部、より好ましくは500〜5,000質量部の範囲である。
成分(C):
成分(C)は、平均粒径が5〜100μmであり、10W/m℃以上の熱伝導率を有する成分(B)以外の熱伝導性充填材である。
成分(C)の熱伝導性充填材の平均粒径が5μmより小さいと、得られる組成物の圧縮時における最小厚みが非常に薄くなり、ヒートサイクル後の熱抵抗が悪化してしまう。また、その平均粒径が100μmより大きいと、得られる組成物の熱抵抗が高くなり、性能が低下してしまう。このため、成分(C)の熱伝導性充填材の平均粒径は、5〜100μmの範囲がよく、好ましくは10〜90μm、より好ましくは15〜70μmである。なお、本発明において、成分(C)の熱伝導性充填材の平均粒径は、日装機(株)製マイクロトラックMT330OEXにより測定できる体積基準の体積平均径[MV]である。
成分(C)の熱伝導性充填材の熱伝導率は、10W/m℃より小さいと組成物の熱伝導率が小さくなるため、10W/m℃以上がよく、さらに10〜2,000W/m℃の範囲がよく、好ましくは100〜2,000W/m℃、より好ましくは200〜2,000W/m℃である。なお、本発明において、成分(C)の熱伝導性充填材の熱伝導率は、京都電子工業(株)製QTM−500により測定した値である。
この成分(C)の熱伝導性充填材の配合量は、成分(A)100質量部に対し10質量部より少ないと得られる組成物の圧縮時における最小厚みが非常に薄くなり、ヒートサイクル後の熱抵抗が悪化してしまい、2,750質量部より多いと得られる組成物の粘度が上昇して作業性が悪化してしまうため、10〜2,750質量部の範囲であり、好ましくは30〜1,000質量部、より好ましくは40〜500質量部である。
成分(C)の熱伝導性充填材は、タップ密度が0.5〜2.6g/cm3であり、比表面積が0.15〜3.0m2/gのアルミニウム粉末が好ましい。成分(C)のアルミニウム粉末のタップ密度が0.5g/cm3より小さいと、得られる組成物の圧縮時における最小厚みが非常に薄くなり、ヒートサイクル後の熱抵抗が悪化する虞がある。また、そのタップ密度が2.6g/cm3より大きいと、得られる組成物の熱抵抗が高くなり、性能が低下する虞がある。このため、成分(C)のアルミニウム粉末のタップ密度は、0.5g/cm3〜2.6g/cm3の範囲がよく、好ましくは1.0g/cm3〜2.3g/cm3、より好ましくは1.3g/cm3〜2.0g/cm3である。成分(C)のアルミニウム粉末の比表面積は、0.15m2/gより小さいと、得られる組成物の熱抵抗が高くなり、性能が低下する虞があり、3.0m2/gより大きいと、得られる組成物の圧縮時における最小厚みが非常に薄くなり、ヒートサイクル後の熱抵抗が悪化する虞があるため、0.15m2/g〜3.0m2/gの範囲がよく、好ましくは0.2m2/g〜2.5m2/g、より好ましくは0.2m2/g〜1.5m2/gである。なお、本発明において、成分(C)のアルミニウム粉末のタップ密度は、筒井理化学器械(株)製A.B.D紛体特性測定器A.B.D−72型により測定した値である。また、成分(C)のアルミニウム粉末の比表面積は、(株)マウンテック製HM model−1201(流動BET法)により測定した値である。この比表面積の測定方法は、JIS Z 8830 2013:(ISO9277:2010)に準拠した方法である。
また、成分(C)のアルミニウム粉末は、必要により、オルガノシラン、オルガノシラザン、オルガノポリシロキサン、有機フッ素化合物等で疎水化処理を施したものであってもよい。疎水化処理法としては、一般公知の方法を用いることができ、例えば、アルミニウム粉末と、オルガノシラン又はその部分加水分解物を、トリミックス、ツウィンミックス、プラネタリミキサー(いずれも、井上製作所(株)製混合機の登録商標)、ウルトラミキサー(みずほ工業(株)製混合機の登録商標)、ハイビスディスパーミックス(特殊機化工業(株)製混合機の登録商標)等の混合機にて混合する方法が挙げられる。この際、必要ならば、50〜100℃に加熱してもよい。なお、混合には、トルエン、キシレン、石油エーテル、ミネラルスピリット、イソパラフィン、イソプロピルアルコール、エタノール等の溶剤を用いてもよく、その場合は、混合後に溶剤を真空装置など用いて除去することが好ましい。また、希釈溶剤として、本発明の液体成分である成分(A)のオルガノポリシロキサンを使用することも可能である。この場合、予め処理剤であるオルガノシラン又はその部分加水分解物をオルガノポリシロキサンと混合し、そこにアルミニウム粉末を加えて、疎水化処理と混合を同時に行うことができる。
この方法で製造された組成物もまた、本発明の範囲内である。
さらに、成分(C)の熱伝導性充填材のアスペクト比は、1.0〜3.0がよく、好ましくは1.0〜2.0の範囲がよく、より好ましくは1.0〜1.5の範囲がよい。アスペクト比とは、粒子の長径と短径の比率(長径/短径)をいう。その測定方法としては、例えば、粒子の電子顕微鏡写真を撮り、この写真から粒子の長径と短径を測定して、この測定された粒子の長径と短径から算出することができる。粒子の大きさは上面からの電子顕微鏡写真で測定でき、この上面の電子顕微鏡写真から大きい方の直径を長径として測定する。この長径に対して短径は粒子の厚さになる。粒子の厚さは上面からの電子顕微鏡写真では測定できない。粒子の厚さを測定するには、電子顕微鏡写真を撮る際に、粒子の載っている試料台を傾斜させて取り付け、上面から電子顕微鏡写真を撮り、試料台の傾きの角度で補正して粒子の厚さを算出すれば良い。具体的には、電子顕微鏡で数千倍に拡大した写真を数枚撮影した後、任意に100個の粒子の長径及び短径を測定し、長径と短径の比(長径/短径)を算出して、平均値を求めた。
成分(B)の銀粉末の質量αと成分(C)のアルミニウム粉末の質量βの質量比α/βは、3より小さいと得られる組成物の熱伝導率が低下し、150より大きいと圧縮時における最小厚みが非常に薄くなり、ヒートサイクル後の熱抵抗が悪化するため、3〜150が好ましく、特に8〜100が好ましく、さらに10〜80の範囲が好ましい。
また、本発明の熱伝導性シリコーン組成物は、成分(B)と(C)以外に、本発明の効果を損なわない範囲で、無機化合物粉末及び/又は有機化合物材料を含有させてもよい。無機化合物粉末としては、熱伝導率の高いものが好ましく、例えば、アルミニウム粉末、酸化亜鉛粉末、酸化チタン粉末、酸化マグネシウム粉末、アルミナ粉末、水酸化アルミニウム粉末、窒化ホウ素粉末、窒化アルミニウム粉末、ダイヤモンド粉末、金粉末、銅粉末、カーボン粉末、ニッケル粉末、インジウム粉末、ガリウム粉末、金属ケイ素粉末、二酸化ケイ素粉末の中から選択される1種又は2種以上を挙げることができる。有機化合物材料も、熱伝導率の高いものが好ましく、例えば、炭素繊維、グラフェン、グラファイト、カーボンナノチューブ、カーボン材料の中から選択される1種又は2種以上を挙げることができる。これら無機化合物粉末と有機化合物材料は、必要に応じて、表面にオルガノシラン、オルガノシラザン、オルガノポリシロキサン、有機フッ素化合物等で疎水化処理を施したものを用いてもよい。無機化合物粉末と有機化合物材料の平均粒径は、0.5μmより小さくても100μmより大きくても得られる組成物への充填率が上がらなくなるため、0.5〜100μmの範囲が好ましく、特に好ましくは1〜50μmの範囲である。また、炭素繊維の繊維長は10μmより小さくても500μmより大きくても得られる組成物への充填率が上がらなくなるため、10〜500μmの範囲が好ましく、特に好ましくは30〜300μmの範囲である。無機化合物粉末と有機化合物材料の配合量は、成分(A)100質量部対して3,000質量部より大きくなると流動性が悪くなり取り扱いが悪くなるため0〜3,000質量部が好ましく、特に好ましくは0〜2,000質量部である。
成分(D):
成分(D)は、白金系触媒及び有機過酸化物及び縮合反応用触媒からなる群より選択される触媒であり、本発明の組成物は、成分(D)の触媒を配合することにより、硬化性の組成物とすることができる。
本発明の熱伝導性シリコーン組成物をヒドロシリル化反応により硬化するものとする場合には、成分(A)として成分(E)と成分(F)、成分(D)として白金系触媒を添加する。成分(F)の配合量は、成分(E)のアルケニル基1モルに対して成分(F)のケイ素原子結合水素原子が0.1〜15.0モルの範囲内となる量とすることが好ましく、さらに、0.1〜10.0モルの範囲内となる量とすることが好ましく、特に、0.1〜5.0モルの範囲内となる量とすることが好ましい。
成分(D)の白金系触媒としては、例えば、塩化白金酸、塩化白金酸のアルコール溶液、白金のオレフィン錯体、白金のアルケニルシロキサン錯体、白金のカルボニル錯体が挙げられる。
本発明の熱伝導性シリコーン組成物において、成分(D)の白金系触媒の含有量は、本発明の組成物の硬化に必要な量、いわゆる触媒量であり、具体的には、(A)成分に対して成分(D)に含まれる白金金属が、質量単位で0.1〜2,000ppmの範囲内となる量であることが好ましく、特に、0.1〜1,500ppmの範囲内となる量であることが好ましい。
また、本発明の熱伝導性シリコーン組成物の硬化速度を調節し、取扱作業性を向上させるため、2−メチル−3−ブチン−2−オール、2−フェニル−3−ブチン−2−オール、1−エチニル−1−シクロヘキサノール等のアセチレン系化合物;3−メチル−3−ペンテン−1−イン、3,5−ジメチル−3−ヘキセン−1−イン等のエン−イン化合物;その他、ヒドラジン系化合物、フォスフィン系化合物、メルカプタン系化合物等の硬化反応抑制剤を含有することができる。この硬化反応抑制剤の含有量は、限定されないが、(A)成分100質量部に対して0.0001〜1.0質量部の範囲内とすることが好ましい。
一方、本発明の熱伝導性シリコーン組成物を有機過酸化物によるフリーラジカル反応により硬化するものとする場合には、成分(D)として有機過酸化物を用いることが好ましい。成分(D)の有機過酸化物としては、例えば、ベンゾイルパーオキサイド、ジ(p−メチルベンゾイル)パーオキサイド、ジ(o−メチルベンゾイル)パーオキサイド、ジクミルパーオキサイド、2,5−ジメチル−2,5−ビス(t−ブチルパーオキシ)ヘキサン、ジ−t−ブチルパーオキサイド、t−ブチルパーオキシベンゾエート、1,1−ジ(t−ブチルパーオキシ)シクロヘキサンが挙げられる。成分(D)の有機過酸化物の含有量は、本発明の組成物の硬化に必要な量であり、具体的には、(A)成分100質量部に対して0.1〜8質量部の範囲内とすることが好ましい。
また、本発明の熱伝導性シリコーン組成物を縮合反応により硬化するものとする場合には、組成物中に、硬化剤として、一分子中に少なくとも3個のケイ素原子結合加水分解性基を有するシラン又はシロキサンオリゴマー、成分(D)として縮合反応用触媒を含有させることが好ましい。ここで、ケイ素原子結合加水分解性基としては、アルコキシ基、アルコキシアルコキシ基、アシロキシ基、ケトオキシム基、アルケノキシ基、アミノ基、アミノキシ基、アミド基が例示される。また、このシラン又はシロキサンオリゴマーのケイ素原子には、上記の加水分解性基以外に、例えば、直鎖状アルキル基、分岐鎖状アルキル基、環状アルキル基、アルケニル基、アリール基、アラルキル基、ハロゲン化アルキル基が結合していてもよい。このようなシラン又はシロキサンオリゴマーとしては、例えば、テトラエトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、メチルトリス(メチルエチルケトオキシム)シラン、ビニルトリアセトキシシラン、エチルオルソシリケート、ビニルトリ(イソプロぺノキシ)シランが挙げられる。
このシラン又はシロキサンオリゴマーの含有量は、本発明の組成物の硬化に必要な量であり、具体的には、(A)成分100質量部に対して0.01〜20質量部の範囲内が好ましく、特に、0.1〜10質量部の範囲内が好ましい。
また、成分(D)の縮合反応用触媒は任意の成分であり、例えば、アミノキシ基、アミノ基、ケトオキシム基等の加水分解性基を有するシランを硬化剤として用いる場合には必須ではない。成分(D)の縮合反応用触媒としては、例えば、テトラブチルチタネート、テトライソプロピルチタネート等の有機チタン酸エステル;ジイソプロポキシビス(アセチルアセテート)チタン、ジイソプロポキシビス(エチルアセトアセテート)チタン等の有機チタンキレート化合物;アルミニウムトリス(アセチルアセトネート)、アルミニウムトリス(エチルアセトアセテート)等の有機アルミニウム化合物;ジルコニウムテトラ(アセチルアセトネート)、ジルコニウムテトラブチレート等の有機ジルコニウム化合物;ジブチルスズジオクトエート、ジブチルスズジラウレート、ブチルスズ−2−エチルヘキソエート等の有機スズ化合物;ナフテン酸スズ、オレイン酸スズ、ブチル酸スズ、ナフテン酸コバルト、ステアリン酸亜鉛等の有機カルボン酸の金属塩;ヘキシルアミン、燐酸ドデシルアミン等のアミン化合物、およびその塩;ベンジルトリエチルアンモニウムアセテート等の4級アンモニウム塩;酢酸カリウム等のアルカリ金属の低級脂肪酸塩;ジメチルヒドロキシルアミン、ジエチルヒドロキシルアミン等のジアルキルヒドロキシルアミン;グアニジル基含有有機ケイ素化合物が挙げられる。
本発明の熱伝導性シリコーン組成物において、成分(D)の縮合反応用触媒の含有量は任意量であり、配合する場合は、具体的には、(A)成分100質量部に対して0.01〜20質量部の範囲内とすることが好ましく、特に、0.1〜10質量部の範囲内とすることが好ましい。
成分(G):
さらに、本発明の熱伝導性シリコーン組成物には、成分(G)として、下記一般式(2)
2 bSi(OR34-b (2)
〔式中、R2は、置換基を有していてもよい飽和又は不飽和の一価炭化水素基、エポキシ基、アクリル基及びメタクリル基の中から選択される1種又は2種以上の基を示し、R3は一価炭化水素基を示し、bは1≦b≦3である。〕
で表されるオルガノシランを配合してもよい。
上記一般式(2)のR2としては、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、ヘキシル基、オクチル基、ノニル基、デシル基、ドデシル基、テトラデシル基等のアルキル基;シクロアルキルアルケニル基;アクリル基;エポキシ基;シクロペンチル基、シクロヘキシル基等のシクロアルキル基;ビニル基、アリル基等のアルケニル基;フェニル基、トリル基等のアリール基;2−フェニルエチル基、2−メチル−2−フェニルエチル基等のアラルキル基;3,3,3−トリフルオロプロピル基、2−(パーフルオロブチル)エチル基、2−(パーフルオロオクチル)エチル基、p−クロロフェニル基等のハロゲン化炭化水素基等が挙げられる。一価炭化水素基の置換基としては、アクリロイルオキシ基、メタクリロイルオキシ基等が挙げられる。また、bは1〜3である。R3としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基などの炭素数1〜6の1種若しくは2種以上のアルキル基が挙げられ、特にメチル基、エチル基が好ましい。
成分(G)の一般式(2)で表されるオルガノシランとしては、例えば、下記のものを挙げることができる。
1021Si(OCH33
1225Si(OCH33
1225Si(OC253
1021Si(CH3)(OCH32
1021Si(C66)(OCH32
1021Si(CH3)(OC252
1021Si(CH=CH2)(OCH32
1021Si(CH2CH2CF3)(OCH32
CH2=C(CH3)COOC816Si(OCH33
成分(G)のオルガノシランを添加する場合には、成分(A)100質量部に対し0.1〜20質量部の範囲、より好ましくは0.1〜10質量部の範囲で添加するのがよい。
本発明の熱伝導性シリコーン組成物の製造方法は、従来公知のシリコーン組成物の製造方法に従えばよく、特に制限されるものでない。例えば、上記(A)〜(D)成分、及び必要に応じてその他の成分を、トリミックス、ツウィンミックス、プラネタリミキサー(いずれも、井上製作所(株)製混合機、登録商標)、ウルトラミキサー(みずほ工業(株)製混合機、登録商標)、ハイビスディスパーミックス(プライミクス(株)製混合機、登録商標)等の混合機にて30分〜4時間混合することにより製造することができる。また、必要に応じて、50〜150℃の範囲の温度で加熱しながら混合してもよい。
本発明の熱伝導性シリコーン組成物は、25℃にて測定される絶対粘度が10〜600Pa・s、好ましくは15〜500Pa・s、さらには15〜400Pa・sであるものが好ましい。絶対粘度が上記範囲内であることにより、良好なグリースを提供でき、また作業性にも優れる。上記範囲内の絶対粘度は、各成分を上述した配合量で調整することにより得ることができる。上記絶対粘度は、株式会社マルコム社製の型番PC−1TL(10rpm)を用いて測定した結果である。
本発明の熱伝導性シリコーン組成物を硬化させことによって得られる熱伝導性シリコーン硬化物の性状は、限定されないが、例えば、ゲル状、低硬度のゴム状、又は高硬度のゴム状が挙げられる。
半導体装置:
本発明の半導体装置は、発熱性電子部品と放熱体との間に、本発明の熱伝導性シリコーン組成物が介在していることを特徴とする。本発明の熱伝導性シリコーン組成物は、発熱性電子部品と放熱体との間に、10〜200μmの厚さで介在させることが好ましい。
本発明の半導体装置の代表的な構造を図1に示すが、本発明はこれに限定されるものではない。本発明の熱伝導性シリコーン組成物は、図1の8に示すものである。
本発明の半導体装置を製造するには、本発明の熱伝導性シリコーン組成物を、発熱性電子部品と放熱体との間で、0.01MPa以上の圧力を掛けた状態で80℃以上に加熱する方法が好ましい。この際、掛ける圧力は、0.01MPa以上が好ましく、特に0.05MPa〜100MPaが好ましく、さらに0.1MPa〜100MPaが好ましい。加熱する温度は、80℃以上が必要である。加熱する温度は、好ましくは、90℃〜300℃であり、より好ましくは100℃〜300℃であり、さらに好ましくは120℃〜300℃である。
以下、本発明の効果をより明確にする目的で、実施例及び比較例によって、さらに詳述するが、本発明はこれによって限定されるものではない。
本発明の効果を確認するための試験は、つぎのように行った。
〔粘度〕
組成物の絶対粘度は、マルコム粘度計(タイプPC−1TL)を用いて25℃で測定した。
〔熱伝導率〕
実施例1〜14と比較例1〜8については、各組成物を6mm厚の型に流し込み、0.35MPaの圧力を掛けた状態で150℃に加熱した後、京都電子工業(株)社製のTPS−2500Sにより、25℃において熱伝導率を測定した。実施例15については、組成物を6mm厚の型に流し込み、23±2℃/50±5%RH(相対湿度)に7日間放置した後、京都電子工業(株)社製のTPS−2500Sにより、25℃において熱伝導率を測定した。
〔熱抵抗測定〕
φ(直径)12.7mmの2枚のアルミニウム板の間に、各組成物を挟み込み、0.35MPaの圧力を掛けた状態で、150℃のオーブンに90分間装入して、各組成物を加熱硬化させ、熱抵抗測定用の試験片を作製し、この試験片の熱抵抗を測定した。さらに、その後、ヒートサイクル試験(−55℃←→150℃)を1,000時間実施して熱抵抗の変化を観察した。なお、この熱抵抗測定は、ナノフラッシュ(ニッチェ社製、LFA447)により行った。
〔圧縮時の最小厚み(BLT)測定〕
φ12.7mmの2枚のアルミニウム板の厚みを測定し、その後、厚みを測定した2枚のアルミニウム板の間に、各組成物を挟み込み、0.35MPaの圧力を掛けた状態で、150℃のオーブンに90分間装入して、各組成物を加熱硬化させ、BLT測定用の試験片を作製し、この試験片の厚みを測定した。そして、下記式(5)を用いて、BLTを算出した。
BLT(μm)=試験片の厚み(μm)−使用した2枚のアルミニウム板の厚み(μm) (5)
なお、試験片の厚みの測定は、デジマチック標準外側マイクロメータ((株)ミツトヨ社製、MDC−25MX)により行った。
組成物を形成する以下の各成分を用意した。
成分(A)
A−1:両末端がジメチルビニルシリル基で封鎖され、25℃における動粘度が600mm2/sのジメチルポリシロキサン
A−2:下記式で表されるオルガノハイドロジェンポリシロキサン
Figure 2017159252
A−3:両末端が水酸基で封鎖され、25℃における動粘度が5000mm2/sのジメチルポリシロキサン
成分(B)
B−1:タップ密度が6.6g/cm3、比表面積が0.28m2/g、アスペクト比が8の銀粉末
B−2:タップ密度が6.2g/cm3、比表面積が0.48m2/g、アスペクト比が13の銀粉末
B−3:タップ密度が9.0g/cm3、比表面積が0.16m2/g、アスペクト比が30の銀粉末
B−4:タップ密度が3.0g/cm3、比表面積が2.0m2/g、アスペクト比が50の銀粉末
B−5(比較例):タップ密度が2.3g/cm3、比表面積が2.3m2/g、アスペクト比が1の銀粉末
B−6(比較例):タップ密度が3.3g/cm3、比表面積が2.11m2/g、アスペクト比が1の銀粉末
B−7(比較例):タップ密度が2.8g/cm3、比表面積が1.8m2/g、アスペクト比が2の銀粉末
成分(C)
C−1:平均粒径が15μm、熱伝導率230W/m℃、タップ密度が1.3g/cm3、比表面積が1.5m2/g、アスペクト比が1.5のアルミニウム粉末
C−2:平均粒径が20μm、熱伝導率230W/m℃、タップ密度が1.5g/cm3、比表面積が0.3m2/g、アスペクト比が1.2のアルミニウム粉末
C−3:平均粒径が70μm、熱伝導率230W/m℃、タップ密度が2.0g/cm3、比表面積が0.2m2/g、アスペクト比が1.1のアルミニウム粉末
C−4:平均粒径が11μm、熱伝導率400W/m℃、タップ密度が5.2g/cm3、比表面積が0.2m2/g、アスペクト比が1.1の銀粉末
C−5(比較例):平均粒径が110μm、熱伝導率230W/m℃、タップ密度が2.0g/cm3、比表面積が0.12m2/g、アスペクト比が1.1のアルミニウム粉末
成分(D)
D−1(白金触媒):白金−ジビニルテトラメチルジシロキサン錯体のA−1溶液、白金原子として1wt%含有
D−2(有機過酸化物):パーオキサイド(日本油脂(株)製の商品名パーヘキサC)
D−3(縮合反応用触媒):テトラメチルグアニジルプロピルトリメトキシシラン
成分(G)
G−1:下記式で表されるオルガノシラン
Figure 2017159252
成分(H)
H−1:下記式で表されるオルガノポリシロキサン
Figure 2017159252
成分(I)
I−1(硬化反応抑制剤):1−エチニル−1−シクロヘキサノール
6495441828
成分(J)
J−1(硬化剤):ビニルトリ(イソプロピノキシ)シラン
実施例1〜15及び比較例1〜8
各成分を下記表1〜3に示す組成で混合し、実施例1〜15および比較例1〜8の組成物を得た。
具体的には、容積5リットルのプラネタリーミキサー(井上製作所(株)社製)に成分(A)を入れ、さらに、実施例4では成分(G)、実施例5では成分(H)を加え、これに成分(B)と(C)を加え25℃で1.5時間混合した。つぎに成分(D)を加え、さらに、実施例1〜8と比較例1〜8では成分(I)、実施例15では成分(J)を加えて均一になるように混合した。
Figure 2017159252

Figure 2017159252
Figure 2017159252
6 基板
7 発熱性電子部品(CPU)
8 熱伝導性シリコーン組成物層
9 放熱体(リッド)
成分(J)
J−1(硬化剤):ビニルトリ(イソプロピノキシ)シラン

Claims (8)

  1. 下記、成分(A)、(B)、(C)及び(D)を含有する熱伝導性シリコーン組成物。
    (A)下記平均組成式(1)
    1 aSiO(4-a)/2 (1)
    〔式中、R1は、水素原子、ヒドロキシ基又は炭素数1〜18の飽和若しくは不飽和の一価炭化水素基の群の中から選択される1種若しくは2種以上の基を示し、aは1.8≦a≦2.2である。〕
    で表される、25℃における動粘度が10〜100,000mm2/sのオルガノポリシロキサン
    (B)タップ密度が3.0g/cm3以上であり、比表面積が2.0m2/g以下であり、かつアスペクト比が、2.0〜150.0である銀粉末
    成分(A)100質量部に対して、300〜11,000質量部
    (C)平均粒径が5〜100μmであり、10W/m℃以上の熱伝導率を有する成分(B)以外の熱伝導性充填材
    成分(A)100質量部に対して、10〜2,750質量部
    (D)白金系触媒、有機過酸化物及び縮合反応用触媒からなる群より選択される触媒
    触媒量
  2. 成分(C)の熱伝導性充填材が、タップ密度が0.5〜2.6g/cm3であり、比表面積が0.15〜3.0m2/gのアルミニウム粉末である請求項1記載の熱伝導性シリコーン組成物。
  3. 成分(C)の熱伝導性充填材のアスペクト比が、1.0以上3.0以下である請求項1又は2記載の熱伝導性シリコーン組成物。
  4. 成分(B)の銀粉末の質量αと成分(C)のアルミニウム粉末の質量βの質量比α/βが、3〜150である請求項1〜3のいずれか1項記載の熱伝導性シリコーン組成物。
  5. 成分(A)の全部又は一部が、成分(E):一分子中に少なくとも2個のケイ素原子に結合したアルケニル基を有するオルガノポリシロキサン及び/又は、成分(F):一分子中に少なくとも2個のケイ素原子に結合した水素原子を有するオルガノハイドロジェンポリシロキサンである請求項1〜4のいずれか1項記載の熱伝導性シリコーン組成物。
  6. さらに、成分(G)として、下記一般式(2)
    2 bSi(OR34-b (2)
    〔式中、R2は、置換基を有していてもよい飽和又は不飽和の一価炭化水素基、エポキシ基、アクリル基及びメタクリル基の中から選択される1種又は2種以上の基を示し、R3は一価炭化水素基を示し、bは1≦b≦3である。〕
    で表されるオルガノシランを、成分(A)100質量部に対して0〜20質量部含む請求項1〜5のいずれか1項記載の熱伝導性シリコーン組成物。
  7. 発熱性電子部品と、放熱体とを備えている半導体装置であって、前記発熱性電子部品と放熱体との間に、請求項1〜6のいずれか1項記載の熱伝導性シリコーン組成物が介在していることを特徴とする半導体装置。
  8. 請求項1〜6の何れか1項記載の熱伝導性シリコーン組成物を、発熱性電子部品と放熱体との間で、0.01MPa以上の圧力を掛けた状態で80℃以上に加熱する工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
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