KR101616239B1 - 열전도성 시트 및 그의 제조 방법, 및 반도체 장치 - Google Patents

열전도성 시트 및 그의 제조 방법, 및 반도체 장치

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아츠야 요시나리
다쿠히로 이시이
신이치 우치다
마사히코 이토
슌스케 우치다
?스케 우치다
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데쿠세리아루즈 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 반도체 장치의 열원과 방열 부재 사이에 협지되는 열전도성 시트로서, 결합제와, 탄소 섬유와, 무기물 충전제를 함유하고, 상기 탄소 섬유의 평균 섬유 길이가 50㎛ 내지 250㎛이며, ASTM-D5470에 따라 측정되는 하중 7.5㎏f/㎠ 조건 하에서의 열저항이 0.17K·㎠/W 미만이고, 평균 두께가 500㎛ 이하인 열전도성 시트에 관한 것이다.

Description

열전도성 시트 및 그의 제조 방법, 및 반도체 장치{THERMALLY CONDUCTIVE SHEET, METHOD FOR PRODUCING SAME, AND SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은 열전도성 시트 및 그의 제조 방법, 및 반도체 장치에 관한 것이다.
전자 기기의 한층 더한 고성능화에 수반하여 반도체 소자의 고밀도화 및 고실장화가 진행되고 있다. 이에 따라, 전자 기기를 구성하는 전자 부품으로부터 발열되는 열을 더 효율적으로 방열하는 것이 중요해지고 있다. 반도체 소자는, 효율적으로 방열시키기 위하여 열전도성 시트를 개재하여 방열 핀, 방열판 등의 히트 싱크에 설치되어 있다. 열전도성 시트로서는, 실리콘에 무기물 충전제 등의 충전제(열전도성 충전제)를 분산 함유시킨 것이 널리 사용되고 있다. 상기 무기물 충전제로서는, 예를 들어 알루미나, 질화알루미늄, 수산화알루미늄 등을 들 수 있다.
이러한 열전도성 시트에 있어서는, 고열전도성을 목적으로 하여 다양한 검토가 행해지고 있다.
예를 들어, 매트릭스 중에 배합되어 있는 무기물 충전제의 충전율을 높이는 것이 행해지고 있다. 그러나, 무기물 충전제의 충전율을 높이면 유연성이 손상되거나, 무기물 충전제의 충전율이 높음으로써 분말 탈락이 발생할 우려가 있기 때문에, 무기물 충전제의 충전율을 높이는 방법에는 한계가 있다.
또한, 질화붕소(BN), 흑연 등의 비늘 조각형 입자, 탄소 섬유 등을 매트릭스 중에 충전시키는 기술이 제안되어 있다(예를 들어, 특허문헌 1 및 2 참조). 이들 제안된 기술은 비늘 조각형 입자 등이 갖는 열전도율의 이방성을 이용하는 기술이다. 예를 들어 탄소 섬유의 경우, 섬유 방향으로는 약 600W/m·K 내지 1,200W/m·K의 열전도율을 갖고 있다. 질화붕소의 경우에는, 면 방향으로는 약 110W/m·K, 면 방향에 대하여 수직인 방향으로는 약 2W/m·K 정도이며, 이방성을 갖는 것이 알려져 있다.
최근에는 반도체 소자의 고밀도화 및 고실장화가 현저하게 진척되어, 열전도성 시트에는 한층 더 높은 고열전도성이 요구되고 있다. 또한, 고열전도성은 두께가 얇은 시트에서 얻어질 것이 요구되고 있다.
상기 탄소 섬유를 사용하면, 우수한 고열전도성과 유연성을 양립시킨 열전도성 시트가 얻어진다(예를 들어, 특허문헌 3 참조). 그러나 두께가 얇은 시트(예를 들어 평균 두께가 500㎛ 이하)에서는 계면의 열저항이 커지기 때문에, 최근 들어 요구되는 우수한 고열전도성과, 우수한 유연성을 양립시킬 수 있는 열전도성 시트가 얻어지고 있지 않다.
따라서, 두께가 얇더라도 우수한 고열전도성과 우수한 유연성을 양립시킬 수 있는 열전도성 시트 및 그의 제조 방법, 및 상기 열전도성 시트를 사용한 반도체 장치의 제공이 요구되고 있는 것이 현 상황이다.
일본 특허 공개 제2006-335957호 공보 일본 특허 공개 제2012-15273호 공보 일본 특허 공개 제2011-241403호 공보
본 발명은, 종래에 있어서의 상기 여러 문제를 해결하여 이하의 목적을 달성하는 것을 과제로 한다. 즉, 본 발명은, 두께가 얇더라도 우수한 고열전도성과 우수한 유연성을 양립시킬 수 있는 열전도성 시트 및 그의 제조 방법, 및 상기 열전도성 시트를 사용한 반도체 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서는 이하와 같다. 즉,
<1> 반도체 장치의 열원과 방열 부재 사이에 협지되는 열전도성 시트로서,
결합제와, 탄소 섬유와, 무기물 충전제를 함유하고,
상기 탄소 섬유의 평균 섬유 길이가 50㎛ 내지 250㎛이며,
ASTM-D5470에 따라 측정되는, 하중 7.5㎏f/㎠ 조건 하에서의 열저항이 0.17K·㎠/W 미만이고,
상기 열전도성 시트의 평균 두께가 500㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 열전도성 시트이다.
<2> ASTM-D5470에 따라 열저항을 측정할 때의 하중 2.0㎏f/㎠ 내지 하중 7.5㎏f/㎠의 범위에서 열저항이 0.20K·㎠/W 이하인, 상기 <1>에 기재된 열전도성 시트이다.
<3> 탄소 섬유의 일부가, 열전도성 시트의 표면에, 상기 탄소 섬유의 장축이 상기 열전도성 시트의 면 방향을 따라 배치되어 있는, 상기 <1> 또는 <2>에 기재된 열전도성 시트이다.
<4> 무기물 충전제가 알루미나를 함유하는, 상기 <1> 내지 <3> 중 어느 하나에 기재된 열전도성 시트이다.
<5> 알루미나의 평균 입경이 1㎛ 내지 5㎛인, 상기 <4>에 기재된 열전도성 시트이다.
<6> 무기물 충전제가 질화알루미늄을 함유하는, 상기 <1> 내지 <5> 중 어느 하나에 기재된 열전도성 시트이다.
<7> 탄소 섬유의 함유량이 20체적％ 내지 40체적％인, 상기 <1> 내지 <6> 중 어느 하나에 기재된 열전도성 시트이다.
<8> 무기물 충전제의 함유량이 30체적％ 내지 55체적％인, 상기 <1> 내지 <7> 중 어느 하나에 기재된 열전도성 시트이다.
<9> 열전도성 시트의 평균 두께(㎛)가 탄소 섬유의 평균 섬유 길이(㎛)보다도 큰, 상기 <1> 내지 <8> 중 어느 하나에 기재된 열전도성 시트이다.
<10> 상기 <1> 내지 <9> 중 어느 하나에 기재된 열전도성 시트의 제조 방법이며,
결합제 전구체와, 탄소 섬유와, 무기물 충전제를 함유하는 열전도성 조성물을 압출기로 압출하여 압출 성형물을 얻는 압출 성형 공정과,
상기 압출 성형물을 경화시켜 경화물로 하는 경화 공정과,
상기 경화물을, 상기 압출 방향에 대하여 수직 방향으로 평균 두께 500㎛ 이하로 절단하는 절단 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전도성 시트의 제조 방법이다.
<11> 열원과, 방열 부재와, 상기 열원과 상기 방열 부재 사이에 협지되는 열전도성 시트를 갖고,
상기 열전도성 시트가 상기 <1> 내지 <9> 중 어느 하나에 기재된 열전도성 시트인 것을 특징으로 하는 반도체 장치이다.
본 발명에 따르면, 종래에 있어서의 상기 여러 문제를 해결하여 상기 목적을 달성할 수 있어, 두께가 얇더라도 우수한 고열전도성과 우수한 유연성을 양립시킬 수 있는 열전도성 시트 및 그의 제조 방법, 및 상기 열전도성 시트를 사용한 반도체 장치를 제공할 수 있다.
도 1a는 압출 성형 시의 탄소 섬유의 배향 상태를 도시하는 모식도이다.
도 1b는 압출 성형 시의 탄소 섬유의 배향 상태을 도시하는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 열전도성 시트의 제조 방법의 일례를 설명하기 위한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 반도체 장치의 일례를 도시하는 개략 단면도이다.
도 4는 실시예 1의 열전도성 시트의 표면의 SEM 사진이다.
도 5는 하중과 열저항의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 6은 실시예 16의 열전도성 시트의 표면 및 단면의 SEM 사진이다.
(열전도성 시트)
본 발명의 열전도성 시트는, 결합제와, 탄소 섬유와, 무기물 충전제를 적어도 함유하고, 필요에 따라 그 외의 성분을 더 함유한다.
상기 열전도성 시트는, 반도체 장치의 열원과 방열 부재 사이에 협지되어 사용된다.
<결합제>
상기 결합제로서는 특별히 제한은 없으며, 목적에 따라 적절히 선택할 수 있고, 예를 들어 결합제 수지 등을 들 수 있다. 상기 결합제 수지로서는, 예를 들어 열가소성 중합체, 열경화성 중합체의 경화물 등을 들 수 있다.
상기 열가소성 중합체로서는, 예를 들어 열가소성 수지, 열가소성 엘라스토머, 또는 이들의 중합체 알로이 등을 들 수 있다.
상기 열가소성 수지로서는 특별히 제한은 없으며, 목적에 따라 적절히 선택할 수 있고, 예를 들어 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-α-올레핀 공중합체, 폴리메틸펜텐, 폴리염화비닐, 폴리염화비닐리덴, 폴리아세트산비닐, 에틸렌-아세트산비닐 공중합체, 폴리비닐알코올, 폴리아세탈, 폴리불화비닐리덴, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리스티렌, 폴리아크릴로니트릴, 스티렌-아크릴로니트릴 공중합체, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체(ABS) 수지, 폴리페닐렌에테르, 변성 폴리페닐렌에테르, 지방족 폴리아미드류, 방향족 폴리아미드류, 폴리아미드이미드, 폴리메타크릴산 또는 그의 에스테르, 폴리아크릴산 또는 그의 에스테르, 폴리카르보네이트, 폴리페닐렌술피드, 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리에테르니트릴, 폴리에테르케톤, 폴리케톤, 액정 중합체, 실리콘 수지, 아이오노머 등을 들 수 있다. 이들은 1종 단독으로 사용할 수도 있고 2종 이상을 병용할 수도 있다.
상기 열가소성 엘라스토머로서는, 예를 들어 스티렌계 열가소성 엘라스토머, 올레핀계 열가소성 엘라스토머, 염화비닐계 열가소성 엘라스토머, 폴리에스테르계 열가소성 엘라스토머, 폴리우레탄계 열가소성 엘라스토머, 폴리아미드계 열가소성 엘라스토머 등을 들 수 있다. 이들은 1종 단독으로 사용할 수도 있고 2종 이상을 병용할 수도 있다.
상기 열경화성 중합체로서는, 예를 들어 가교 고무, 에폭시 수지, 폴리이미드 수지, 비스말레이미드 수지, 벤조시클로부텐 수지, 페놀 수지, 불포화 폴리에스테르, 디알릴프탈레이트 수지, 실리콘 수지, 폴리우레탄, 폴리이미드실리콘, 열경화형 폴리페닐렌에테르, 열경화형 변성 폴리페닐렌에테르 등을 들 수 있다. 이들은 1종 단독으로 사용할 수도 있고 2종 이상을 병용할 수도 있다.
상기 가교 고무로서는, 예를 들어 천연 고무, 부타디엔 고무, 이소프렌 고무, 니트릴 고무, 수소 첨가 니트릴 고무, 클로로프렌 고무, 에틸렌프로필렌 고무, 염소화폴리에틸렌, 클로로술폰화폴리에틸렌, 부틸 고무, 할로겐화부틸 고무, 불소 고무, 우레탄 고무, 아크릴 고무, 폴리이소부틸렌 고무, 실리콘 고무 등을 들 수 있다. 이들은 1종 단독으로 사용할 수도 있고 2종 이상을 병용할 수도 있다.
이들 중에서도 성형 가공성, 내후성이 우수함과 함께, 전자 부품에 대한 밀착성 및 추종성의 관점에서, 상기 열경화성 중합체는 실리콘 수지인 것이 특히 바람직하다.
상기 실리콘 수지로서는 특별히 제한은 없으며, 목적에 따라 적절히 선택할 수 있고, 예를 들어 부가 반응형 액상 실리콘 수지, 과산화물을 가황에 사용하는 열 가황형 밀러블 타입의 실리콘 수지 등을 들 수 있다. 이들 중에서도 전자 기기의 방열 부재로서는, 전자 부품의 발열면과 히트 싱크면의 밀착성이 요구되기 때문에 부가 반응형 액상 실리콘 수지가 특히 바람직하다.
상기 부가 반응형 액상 실리콘 수지로서는, 비닐기를 갖는 폴리오르가노실록산을 A액, Si-H기를 갖는 폴리오르가노실록산을 B액으로 한 2액성의 부가 반응형 실리콘 수지가 바람직하다. A액과 B액의 혼합 비율은 원하는 열전도성 시트의 유연성에 따라 적절히 선택된다.
상기 열전도성 시트에 있어서의 상기 결합제의 함유량으로서는 특별히 제한은 없으며, 목적에 따라 적절히 선택할 수 있지만, 25체적％ 내지 50체적％가 바람직하다.
<탄소 섬유>
상기 탄소 섬유로서는, 평균 섬유 길이(평균 장축 길이)가 50㎛ 내지 250㎛이면 특별히 제한은 없으며, 목적에 따라 적절히 선택할 수 있고, 예를 들어 피치계, PAN계, 아크 방전법, 레이저 증발법, CVD법(화학 기상 성장법), CCVD법(촉매 화학 기상 성장법) 등으로 합성된 것을 사용할 수 있다. 이들 중에서도 열전도성의 관점에서 피치계 탄소 섬유가 특히 바람직하다.
상기 탄소 섬유는 필요에 따라 그의 일부 또는 전부를 표면 처리하여 사용할 수 있다. 상기 표면 처리로서는, 예를 들어 산화 처리, 질화 처리, 니트로화, 술폰화, 또는 이들 처리에 의하여 표면에 도입된 관능기 또는 탄소 섬유의 표면에 금속, 금속 화합물, 유기 화합물 등을 부착 또는 결합시키는 처리 등을 들 수 있다. 상기 관능기로서는, 예를 들어 수산기, 카르복실기, 카르보닐기, 니트로기, 아미노기 등을 들 수 있다.
탄소 섬유의 일부가, 열전도성 시트의 표면에, 상기 탄소 섬유의 장축이 상기 열전도성 시트의 면 방향을 따라 배치되어 있는 것이, 열저항을 저하시키는 점에서 바람직하다.
상기 탄소 섬유의 평균 섬유 길이(평균 장축 길이)는 50㎛ 내지 250㎛이고, 75㎛ 내지 200㎛가 바람직하며, 100㎛ 내지 150㎛가 보다 바람직하다. 상기 평균 섬유 길이가 50㎛ 미만이면, 이방성 열전도성이 충분히 얻어지지 않아 열저항이 높아져 버린다. 상기 평균 섬유 길이가 250㎛를 초과하면, 상기 열전도성 시트의 압축성이 저하되어, 사용 시에 충분히 낮은 열저항이 얻어지지 않게 된다.
상기 탄소 섬유의 평균 단축 길이로서는 특별히 제한은 없으며, 목적에 따라 적절히 선택할 수 있지만, 6㎛ 내지 15㎛가 바람직하고, 8㎛ 내지 13㎛가 보다 바람직하다.
상기 탄소 섬유의 종횡비(평균 장축 길이/평균 단축 길이)로서는 특별히 제한은 없으며, 목적에 따라 적절히 선택할 수 있지만, 8 이상이 바람직하고, 12 내지 30이 보다 바람직하다. 상기 종횡비가 8 미만이면, 탄소 섬유의 섬유 길이(장축 길이)가 짧기 때문에 열전도율이 저하되어 버리는 경우가 있다.
여기서, 상기 탄소 섬유의 평균 장축 길이 및 평균 단축 길이는, 예를 들어 현미경, 주사형 전자 현미경(SEM) 등에 의하여 측정할 수 있다.
상기 열전도성 시트에 있어서의 상기 탄소 섬유의 함유량으로서는 특별히 제한은 없으며, 목적에 따라 적절히 선택할 수 있지만, 20체적％ 내지 40체적％가 바람직하고, 22체적％ 내지 36체적％가 보다 바람직하며, 28체적％ 내지 36체적％가 특히 바람직하다. 상기 함유량이 20체적％ 미만이면 충분히 낮은 열저항을 얻는 것이 곤란해지는 경우가 있고, 40체적％를 초과하면 상기 열전도성 시트의 성형성 및 상기 탄소 섬유의 배향성에 영향을 끼치게 되는 경우가 있다.
<무기물 충전제>
상기 무기물 충전제로서는, 그의 형상, 재질, 평균 입경 등에 대해서는 특별히 제한은 없으며, 목적에 따라 적절히 선택할 수 있다. 상기 형상으로서는 특별히 제한은 없으며, 목적에 따라 적절히 선택할 수 있고, 예를 들어 구상, 타원구상, 괴상, 입상, 편평상, 침상 등을 들 수 있다. 이들 중에서도 구상, 타원 형상이 충전성의 관점에서 바람직하며, 구상이 특히 바람직하다.
또한 본 명세서에 있어서, 상기 무기물 충전제는 상기 탄소 섬유와는 상이하다.
상기 무기물 충전제로서는, 예를 들어 질화알루미늄(질화알루미늄: AlN), 실리카, 알루미나(산화알루미늄), 질화붕소, 티타니아, 유리, 산화아연, 탄화규소, 규소(실리콘), 산화규소, 산화알루미늄, 금속 입자 등을 들 수 있다. 이들은 1종 단독으로 사용할 수도 있고 2종 이상을 병용할 수도 있다. 이들 중에서도 알루미나, 질화붕소, 질화알루미늄, 산화아연, 실리카가 바람직하며, 열전도율의 관점에서 알루미나, 질화알루미늄이 특히 바람직하다.
또한, 상기 무기물 충전제는 표면 처리가 실시되어 있을 수도 있다. 상기 표면 처리로서 커플링제로 상기 무기물 충전제를 처리하면, 상기 무기물 충전제의 분산성이 향상되어 열전도성 시트의 유연성이 향상된다.
상기 무기물 충전제의 평균 입경으로서는 특별히 제한은 없으며, 목적에 따라 적절히 선택할 수 있다.
상기 무기물 충전제가 알루미나인 경우, 그의 평균 입경은 1㎛ 내지 10㎛가 바람직하고, 1㎛ 내지 5㎛가 보다 바람직하며, 4㎛ 내지 5㎛가 특히 바람직하다. 상기 평균 입경이 1㎛ 미만이면 점도가 커져 혼합하기 어려워지는 경우가 있고, 10㎛를 초과하면 상기 열전도성 시트의 열저항이 커지는 경우가 있다.
상기 무기물 충전제가 질화알루미늄인 경우, 그의 평균 입경은 0.3㎛ 내지 6.0㎛가 바람직하고, 0.3㎛ 내지 2.0㎛가 보다 바람직하며, 0.5㎛ 내지 1.5㎛가 특히 바람직하다. 상기 평균 입경이 0.3㎛ 미만이면 점도가 커져 혼합하기 어려워지는 경우가 있고, 6.0㎛를 초과하면 상기 열전도성 시트의 열저항이 커지는 경우가 있다.
상기 무기물 충전제의 평균 입경은, 예를 들어 입도 분포계, 주사형 전자 현미경(SEM)에 의하여 측정할 수 있다.
상기 무기물 충전제의 비표면적으로서는 특별히 제한은 없으며, 목적에 따라 적절히 선택할 수 있다.
상기 무기물 충전제가 알루미나인 경우, 그의 비표면적은 0.3㎡/g 내지 0.9㎡/g가 바람직하다.
상기 무기물 충전제가 질화알루미늄인 경우, 그의 비표면적은 1㎡/g 내지 3㎡/g가 바람직하다.
상기 무기물 충전제의 비표면적은, 예를 들어 BET법에 의하여 측정할 수 있다.
상기 열전도성 시트에 있어서의 상기 무기물 충전제의 함유량으로서는 특별히 제한은 없으며, 목적에 따라 적절히 선택할 수 있지만, 30체적％ 내지 55체적％가 바람직하고 35체적％ 내지 50체적％가 보다 바람직하다. 상기 함유량이 30체적％ 미만이면 상기 열전도성 시트의 열저항이 커지는 경우가 있고, 55체적％를 초과하면 상기 열전도성 시트의 유연성이 저하되는 경우가 있다.
<그 외의 성분>
상기 그 외의 성분으로서는 특별히 제한은 없으며, 목적에 따라 적절히 선택할 수 있고, 예를 들어 틱소트로피성 부여제, 분산제, 경화 촉진제, 지연제, 미점착 부여제, 가소제, 난연제, 산화 방지제, 안정제, 착색제 등을 들 수 있다.
상기 열전도성 시트의 평균 두께는 500㎛ 이하이며, 100㎛ 내지 400㎛가 바람직하고, 200㎛ 내지 350㎛가 보다 바람직하다. 상기 평균 두께는 하중을 걸지 않았을 때의 평균 두께이다.
상기 열전도성 시트의 평균 두께(㎛)는 상기 탄소 섬유의 평균 섬유 길이(㎛)보다도 큰 것이 바람직하다. 그와 같이 함으로써, 사용 시에 압축하기 쉽고 충분히 낮은 열저항이 얻어진다.
상기 열전도성 시트는, 하중 7.5㎏f/㎠를 걸었을 때의 압축률이 5％ 이상인 것이 바람직하고, 10％ 내지 70％인 것이 보다 바람직하다. 상기 압축률이 5％ 미만이면 압축 시에 열저항이 작아지지 않는 경우가 있다.
상기 압축률은 이하의 식에 의하여 구할 수 있다.
압축률(％)=100×(X-Y)/X
X: 하중을 걸기 전의 열전도성 시트의 평균 두께(㎛)
Y: 하중 7.5㎏f/㎠를 건 후의 열전도성 시트의 평균 두께(㎛)
상기 열전도성 시트는, ASTM-D5470에 따라 측정되는, 하중 7.5㎏f/㎠ 조건 하에서의 열저항이 0.17K·㎠/W 미만이다. 상기 열저항의 하한값으로서는 특별히 제한은 없으며, 목적에 따라 적절히 선택할 수 있지만, 0.04K·㎠/W가 바람직하다.
여기서, 하중을 걸고 열저항을 측정하는 것은, 사용 시에는 통상, 반도체 장치의 열원과 방열 부재 사이에 협지됨으로써 열전도성 시트에 하중이 걸리기 때문이다. 그리고 열전도성 시트에 하중이 걸려 있는 경우와 하중이 걸리지 않은 경우는, 상기 열전도성 시트의 두께, 상기 열전도성 시트 내의 상기 탄소 섬유의 밀도 및 배향, 및 상기 열전도성 시트 내의 상기 무기물 충전제의 밀도 등이 상이하기 때문에 열저항이 변화된다.
상기 열전도성 시트는, ASTM-D5470에 따라 열저항을 측정할 때의 하중 2.0㎏f/㎠ 내지 하중 7.5㎏f/㎠의 범위에서 열저항이 0.20K·㎠/W 이하인 것이 바람직하다. 그와 같이 함으로써, 사용 환경에 좌우되지 않고, 매우 우수한 열저항을 갖는 열전도성 시트가 얻어지는 점에서 유리하다. 상기 열저항의 하한값으로서는 특별히 제한은 없으며, 목적에 따라 적절히 선택할 수 있지만, 0.04K·㎠/W가 바람직하다.
상기 열전도성 시트의 제조 방법으로서는 특별히 제한은 없으며, 목적에 따라 적절히 선택할 수 있지만, 이하에서 설명하는 본 발명의 열전도성 시트의 제조 방법이 바람직하다.
(열전도성 시트의 제조 방법)
본 발명의 열전도성 시트의 제조 방법은, 압출 성형 공정과, 경화 공정과, 절단 공정을 적어도 포함하고, 필요에 따라 그 외의 공정을 더 포함하여 이루어진다.
<압출 성형 공정>
상기 압출 성형 공정은, 열전도성 조성물을 압출기로 압출하여 압출 성형물을 얻는 공정이면 특별히 제한은 없으며, 목적에 따라 적절히 선택할 수 있다.
-열전도성 조성물-
상기 열전도성 조성물은, 결합제 전구체와, 탄소 섬유와, 무기물 충전제를 함유하고, 필요에 따라 그 외의 성분을 더 함유한다.
상기 결합제 전구체는, 후술하는 경화 공정에 의하여 경화되어 상기 열전도성 시트의 결합제가 되는 상기 결합제의 전구체이며, 예를 들어 본 발명의 상기 열전도성 시트의 설명에 있어서 예시한 상기 열경화성 중합체 등을 들 수 있다.
상기 탄소 섬유는, 본 발명의 상기 열전도성 시트의 설명에 있어서 예시한 상기 탄소 섬유이다.
상기 무기물 충전제는, 본 발명의 상기 열전도성 시트의 설명에 있어서 예시한 상기 무기물 충전제이다.
상기 열전도성 조성물은, 상기 결합제 전구체, 상기 탄소 섬유, 상기 무기물 충전제, 및 필요에 따라 추가로 그 외의 성분을 믹서 등을 사용하여 혼합함으로써 제조할 수 있다.
압출기를 사용하여 상기 열전도성 조성물을 금형 내에 압출 성형함으로써 압출 성형물을 얻을 수 있다.
상기 압출기로서는 특별히 제한은 없으며, 목적에 따라 적절히 선택할 수 있다.
상기 압출기의 압출구에는 통상, 복수의 슬릿이 형성되어 있으며, 이것에 의하여 탄소 섬유가 압출 방향으로 배향된다.
상기 슬릿의 형상, 크기로서는 특별히 제한은 없으며, 목적에 따라 적절히 선택할 수 있지만, 상기 슬릿의 형상으로서는, 예를 들어 평판형, 격자형, 허니컴형 등을 들 수 있다. 상기 슬릿의 크기(폭)로서는 특별히 제한은 없으며, 목적에 따라 적절히 선택할 수 있지만, 0.5㎜ 내지 10㎜가 바람직하다.
상기 열전도성 조성물의 압출 속도로서는 특별히 제한은 없으며, 목적에 따라 적절히 선택할 수 있지만, 0.001L/min 이상이 바람직하다.
상기 금형의 형상, 크기, 재질 등에 대해서는 특별히 제한은 없으며, 목적에 따라 적절히 선택할 수 있고, 상기 형상으로서는 중공 원기둥형, 중공 각기둥형 등을 들 수 있다. 상기 크기로서는, 제작하는 열전도성 시트의 크기에 따라 적절히 선정할 수 있다. 상기 재질로서는, 예를 들어 스테인레스 등을 들 수 있다.
상기 열전도성 조성물이 압출기 등을 통과하는 과정에 있어서, 상기 탄소 섬유, 상기 무기물 충전제 등은 열전도성 조성물의 중심 방향으로 모여, 압출 성형물의 표면과 중심에서는 상기 탄소 섬유 및 상기 무기물 충전제의 밀도가 상이하다. 즉, 압출기를 통과한 열전도성 조성물(성형체)의 표면에는, 상기 탄소 섬유 및 상기 무기물 충전제가 표면에 돌출되어 있지 않으므로, 열전도성 조성물(성형체)을 경화시킨 경화물의 표면부(열전도성 시트에 있어서의 외주부)가 양호한 미점착성을 구비하여, 피착체(반도체 장치 등)에의 접착성이 양호해진다.
또한, 도 1a 및 도 1b에 도시한 바와 같이, 탄소 섬유(11) 및 무기물 충전제(12)를 포함하는 열전도성 조성물을 압출 성형함으로써 탄소 섬유를 압출 방향으로 배향시킬 수 있다.
여기서 상기 미점착성이란, 시간 경과 및 습열에 의한 접착력 상승이 적은 재박리성을 갖고, 피착체에 부착했을 경우에 간단히 위치가 어긋나지 않을 정도의 점착성을 갖는 것을 의미한다.
<경화 공정>
상기 경화 공정은 상기 압출 성형물을 경화시켜 경화물로 하는 공정이다.
상기 압출 성형 공정에서 성형된 압출 성형물은, 사용하는 결합제 전구체에 따른 적절한 경화 반응에 의하여 경화물로 된다.
상기 압출 성형물의 경화 방법으로서는 특별히 제한은 없으며, 목적에 따라 적절히 선택할 수 있지만, 상기 결합제 전구체로서 실리콘 수지 등의 열경화성 중합체를 사용하는 경우에는, 가열에 의하여 경화시키는 것이 바람직하다.
상기 가열에 사용하는 장치로서는, 예를 들어 원적외로, 열풍로 등을 들 수 있다.
상기 가열 온도로서는 특별히 제한은 없으며, 목적에 따라 적절히 선택할 수 있지만, 40℃ 내지 150℃에서 행하는 것이 바람직하다
상기 실리콘 수지가 경화된 실리콘 경화물의 유연성은 특별히 제한은 없으며, 목적에 따라 적절히 선택할 수 있고, 예를 들어 실리콘 경화물의 가교 밀도, 탄소 섬유의 충전량, 무기물 충전제의 충전량 등에 따라 조정할 수 있다.
<절단 공정>
상기 절단 공정으로서는, 상기 경화물을, 상기 압출 방향에 대하여 수직 방향으로 평균 두께 500㎛ 이하로 절단하는 공정이면 특별히 제한은 없으며, 목적에 따라 적절히 선택할 수 있다.
상기 절단은, 예를 들어 초음파 커터, 대패 등을 사용하여 행해진다. 상기 초음파 커터에서는 발신 주파수와 진폭을 조절할 수 있으며, 발신 주파수는 10㎑ 내지 100㎑, 진폭은 10㎛ 내지 100㎛의 범위에서 조절하는 것이 바람직하다. 상기 절단을 초음파 커터가 아니라 커터 나이프, 미트 슬라이서(회전날)로 행하면, 절단면의 표면 조도 Ra가 커져 열저항이 커지고 만다.
상기 절단 공정에 따르면, 경화 반응이 완료된 경화물을, 상기 압출 방향에 대하여 수직 방향으로 소정의 두께로 절단함으로써, 상기 탄소 섬유가 열전도성 시트의 두께 방향으로 배향(수직 배향)된 열전도성 시트를 얻을 수 있다.
또한, 상기 부가 반응형 액상 실리콘 수지에 있어서의 상기 A액과 상기 B액의 혼합 비율(질량비)이 A액:B액=5:5 내지 6:4의 범위에 있는 경우에는, 절단 시에 탄소 섬유의 일부가, 열전도성 시트의 표면에, 상기 탄소 섬유의 장축이 상기 열전도성 시트의 면 방향을 따라 부착됨으로써, 상기 열전도성 시트의 면 방향을 따라 배치된 탄소 섬유를 열전도성 시트의 표면에 갖는 열전도성 시트를 얻을 수 있다.
또한, 상기 열전도성 시트의 면 방향을 따라 배치된 탄소 섬유를 열전도성 시트의 표면에 갖는 열전도성 시트를 얻기 위해서는, 상기 부가 반응형 액상 실리콘 수지에 있어서의 상기 A액과 상기 B액의 혼합 비율(질량비)은 A액:B액=5:5 내지 6:4가 특히 바람직하다. 혼합 비율에 있어서, A액이 적어지면 탄소 섬유는 열전도성 시트의 표면에 부착되지 않고, 많아지면 열전도성 시트의 유연성이 지나치게 높아져 제조가 곤란해지는 경우가 있다.
여기서, 본 발명의 열전도성 시트의 제조 방법의 일례를 도면을 이용하여 설명한다.
도 2에 도시한 바와 같이, 압출, 성형, 경화, 절단(슬라이스) 등의 일련의 공정을 거쳐 열전도성 시트가 제조된다.
도 2에 도시한 바와 같이, 먼저 결합제 전구체, 탄소 섬유 및 무기물 충전제를 배합 및 교반하여 열전도성 조성물을 제조한다. 다음으로, 제조한 열전도성 조성물을 압출 성형할 때 복수의 슬릿을 통과시킴으로써, 열전도성 조성물 중에 배합된 탄소 섬유를 열전도성 시트의 두께 방향으로 배향시킨다. 다음으로, 얻어진 성형체를 경화시킨 후, 경화물을 상기 압출 방향에 대하여 수직 방향으로 초음파 커터로 소정의 두께로 절단(슬라이스)함으로써, 열전도성 시트를 제작할 수 있다.
(반도체 장치)
본 발명의 반도체 장치는, 방열 부재와, 열원과, 열전도성 시트를 갖고, 필요에 따라 그 외의 부재를 더 갖는다.
상기 열전도성 시트는 상기 열원과 상기 방열 부재 사이에 협지되어 있다.
<열원>
상기 열원으로서의 반도체 소자로서는 특별히 제한은 없으며, 목적에 따라 적절히 선택할 수 있고, 예를 들어 CPU, MPU, 그래픽 연산 소자 등을 들 수 있다.
<방열 부재>
상기 방열 부재로서는, 반도체 소자로부터 발생하는 열을 전도하여 외부에 방산시키는 것이면 특별히 제한은 없으며, 목적에 따라 적절히 선택할 수 있고, 예를 들어 방열기, 냉각기, 히트 싱크, 히트 스프레더, 다이 패드, 프린트 기판, 냉각 팬, 펠티에 소자, 히트 파이프, 하우징 등을 들 수 있다.
<열전도성 시트>
상기 열전도성 시트는 본 발명의 상기 열전도성 시트이다.
여기서, 도 3은 반도체 장치(10)의 일례를 도시하는 개략도이며, 기판(1) 상에 반도체 소자(2)가 배치되어 있고, 방열 부재(4)와의 사이에 열전도성 시트(3)가 협지되어 있다.
실시예
이하, 본 발명의 실시예를 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예에 전혀 한정되는 것은 아니다.
이하의 실시예 및 비교예에 있어서, 알루미나 입자 및 질화알루미늄의 평균 입경은 입도 분포계에 의하여 측정한 값이다. 또한, 피치계 탄소 섬유의 평균 장축 길이 및 평균 단축 길이는 현미경(하이록스 가부시키가이샤(HiROX Co Ltd) 제조, KH7700)으로 측정한 값이다.
(실시예 1)
-열전도성 시트의 제작-
실리콘 A액(비닐기를 갖는 오르가노폴리실록산)과 실리콘 B액(H-Si기를 갖는 오르가노폴리실록산)을 3:7(A액:B액)의 질량비로 혼합한 2액성의 부가 반응형 액상 실리콘 수지에, 분급하여 비표면적을 조정한 알루미나(평균 입경 4㎛, 구상, 비표면적 0.3㎡/g, 신닛폰 세이테쓰 스미토모 긴조쿠 머티리얼즈 가부시키가이샤 마이크론사 제조) 18체적％와, 질화알루미늄(평균 입경 1㎛, 구상, 비표면적 3㎡/g, H 그레이드, 가부시키가이샤 도쿠야마 제조) 21체적％와, 피치계 탄소 섬유(평균 섬유 길이 100㎛, 평균 단축 길이 9.2㎛, XN100-10M, 니혼 그라파이트 파이버 가부시키가이샤 제조) 31체적％를 분산시켜, 실리콘 수지 조성물을 제조하였다. 또한, 상기 배합에 있어서의 체적％는, 얻어지는 열전도성 시트에 있어서의 체적％이다.
또한, 알루미나 및 질화알루미늄은 실란 커플링제로 커플링 처리한 것을 사용하였다.
얻어진 실리콘 수지 조성물을 압출기로 금형(중공 원기둥형) 내에 압출 성형하여 실리콘 성형체를 제작하였다. 압출기의 압출구에는 슬릿(토출구 형상: 평판)이 형성되어 있다.
얻어진 실리콘 성형체를 오븐에서 100℃에서 6시간 가열하여 실리콘 경화물로 하였다.
얻어진 실리콘 경화물을 평균 두께가 100㎛가 되도록, 초음파 커터로 압출 방향에 대하여 수직 방향으로 슬라이스 절단하였다(발신 주파수 20.5㎑, 진폭 50㎛ 내지 70㎛). 이상에 의하여, 평균 두께 100㎛, 세로 30㎜, 가로 30㎜의 정사각형의 실시예 1의 열전도성 시트를 제작하였다.
얻어진 열전도성 시트는, 그의 단면을 현미경(하이록스 가부시키가이샤 제조, KH7700)으로 관찰한 바, 피치계 탄소 섬유가 열전도성 시트의 두께 방향에 대하여 0° 내지 5°로 배향되어 있었다. 도 4에 열전도성 시트의 표면의 SEM 사진을 도시하였다.
또한, 얻어진 열전도성 시트의 압축률을 측정하였다. 그 결과를 표 5-1에 나타내었다.
[평가]
<열저항>
ASTM-D5470에 따라 열저항을 측정하였다. 결과를 표 1, 표 4 및 도 5에 나타내었다.
열저항은 하중 0.5㎏f/㎠, 1.0㎏f/㎠, 1.5㎏f/㎠, 2.0㎏f/㎠, 3.0㎏f/㎠, 4.0㎏f/㎠, 5.3㎏f/㎠, 6.0㎏f/㎠, 7.5㎏f/㎠의 조건 하에서 각각 측정하였다.
<유연성>
유연성은 열전도성 시트의 압축률로 평가하였다. 구체적으로는, 열전도성 시트에 하중 7.5㎏f/㎠를 걸었을 때의 압축률을 측정하여, 이하의 평가 기준으로 평가하였다.
[평가 기준]
○: 압축률이 5％ 이상
×: 압축률이 5％ 미만
<탄소 섬유의 일부가, 열전도성 시트의 표면에, 상기 탄소 섬유의 장축이 상기 열전도성 시트의 면 방향을 따라 배치되어 있는지 여부(열전도성 시트의 표면에 있어서의 탄소 섬유의 유무)>
탄소 섬유의 일부가, 열전도성 시트의 표면에, 상기 탄소 섬유의 장축이 상기 열전도성 시트의 면 방향을 따라 배치되어 있는지 여부를 도 4와 같은 SEM 사진에 의하여 확인하였다. 이하의 평가 기준으로 평가하였다. 결과를 표 1에 나타내었다.
[평가 기준]
A: 배치되어 있다
B: 배치되어 있지 않다
(실시예 2 내지 15, 비교예 1 내지 4)
실시예 1에 있어서, 탄소 섬유의 종류 및 양(체적％), 알루미나의 종류 및 양(체적％), 질화알루미늄의 종류 및 양(체적％), 그리고 열전도성 시트의 평균 두께를, 표 1 내지 3에 기재된 탄소 섬유의 종류 및 양(체적％), 알루미나의 종류 및 양(체적％), 질화알루미늄의 종류 및 양(체적％), 그리고 열전도성 시트의 평균 두께로 변경한 것 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여, 열전도성 시트를 제작하였다.
얻어진 열전도성 시트에 대하여, 실시예 1과 마찬가지로 하여 평가를 행하였다. 결과를 표 1 내지 4 및 도 5에 나타내었다.
(실시예 16)
실시예 1에 있어서, 실리콘 A액과 실리콘 B액의 배합 비율(질량비)을 5:5로 변경한 것 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여, 열전도성 시트를 제작하였다.
얻어진 열전도성 시트에 대하여, 실시예 1과 마찬가지로 하여 평가를 행하였다. 결과를 표 3 및 도 5에 나타내었다. 또한, 각 하중에 있어서의 압축률을 측정하였다. 측정 결과를 표 5-1에 나타내었다. 또한, 열전도성 시트의 SEM 사진을 도 6에 도시하였다. 여기서, SEM 사진 상의 화살표보다도 윗부분은 열전도성 시트의 표면을 나타내고, 아랫부분은 열전도성 시트의 단면을 나타낸다.
(실시예 17)
실시예 7에 있어서, 실리콘 A액과 실리콘 B액의 배합 비율(질량비)을 5:5로 변경한 것 이외에는 실시예 7과 마찬가지로 하여, 열전도성 시트를 제작하였다.
얻어진 열전도성 시트에 대하여, 실시예 1과 마찬가지로 하여 평가를 행하였다. 결과를 표 3에 나타내었다. 또한, 각 하중에 있어서의 압축률을 측정하였다. 측정 결과를 표 5-2에 나타내었다.
(비교예 X, Y, Z)
시판품의 열전도성 시트에 대하여, 하중과 열저항의 관계를 실시예 1과 마찬가지로 하여 측정하였다. 결과를 표 4 및 도 5에 나타내었다.
또한, 비교예 X의 열전도성 시트는 신와 산교 가부시키가이샤 제조의 SS-HCTα50-302(두께 0.2㎜)이고, 비교예 Y의 열전도성 시트는 액시스사 제조의 인듐 시트이며, 비교예 Z의 열전도성 시트는 닐라코(Nilaco)사 제조의 인듐 시트이다.
[표 1]
Figure 112016006904549-pct00001
[표 2]
Figure 112016006904549-pct00002
[표 3]
Figure 112016006904549-pct00003
* 탄소 섬유(평균 섬유 길이: 50㎛): XN100-05M(니혼 그라파이트 파이버 가부시키가이샤 제조)
* 탄소 섬유(평균 섬유 길이: 100㎛): XN100-10M(니혼 그라파이트 파이버 가부시키가이샤 제조)
* 탄소 섬유(평균 섬유 길이: 150㎛): XN100-15M(니혼 그라파이트 파이버 가부시키가이샤 제조)
* 탄소 섬유(평균 섬유 길이: 250㎛): XN100-25M(니혼 그라파이트 파이버 가부시키가이샤 제조)
* 알루미나: 신닛폰 세이테쓰 스미토모 긴조쿠 머티리얼즈 가부시키가이샤 제조
* AlN(비표면적: 1㎡/g): JC(도요 알루미늄 가부시키가이샤 제조)
* AlN(비표면적: 3㎡/g): H 그레이드(도쿠야마 가부시키가이샤 제조)
[표 4]
Figure 112016006904549-pct00004
[표 5-1]
Figure 112016006904549-pct00005
[표 5-2]
Figure 112016006904549-pct00006
실시예 1 내지 15의 열전도성 시트는 평균 두께가 500㎛ 이하로 얇더라도, ASTM-D5470에 따라 측정되는 하중 7.5㎏f/㎠ 조건 하에서의 열저항이 0.17K·㎠/W 미만이어서 우수한 열저항을 갖고 있으며, 또한 유연성도 우수하였다.
실시예 1에 있어서, 실리콘 A액과 실리콘 B액의 배합 비율(질량비)을 A액:B액=5:5로 변화시킨 실시예 16의 열전도성 시트는, 탄소 섬유의 일부가, 열전도성 시트의 표면에, 상기 탄소 섬유의 장축이 상기 열전도성 시트의 면 방향을 따라 배치됨으로써 발열체 또는 방열 부재와 탄소 섬유의 접촉 면적이 증가하여, 열저항의 저하를 초래하였다. 또한, 실리콘 A액과 실리콘 B액의 배합 비율(질량비)을 A액:B액=5:5로 함으로써 유연성이 향상되어, 탄소 섬유의 일부가 열전도성 시트 표면 방향을 따라 부착되었으며, 저하중의 경우에 있어서의 열저항의 저하로 이어졌다.
실시예 7에 있어서, 실리콘 A액과 실리콘 B액의 배합 비율(질량비)을 A액:B액=5:5로 변화시킨 실시예 17의 열전도성 시트도 상기와 마찬가지의 경향이 얻어졌다.
한편, 비교예 1 내지 3에서는 우수한 열저항과 우수한 유연성을 양립시킬 수 없었다. 비교예 4에서는 시트 형성성이 나빠 평가를 할 수 없었다.
본 발명의 열전도성 시트는 열전도성이 높으므로, 예를 들어 온도에 따라 소자 동작의 효율이나 수명 등에 악영향이 나타나는 CPU, MPU, 파워 트랜지스터, LED, 레이저 다이오드, 각종 전지(리튬 이온 전지 등의 각종 이차 전지, 각종 연료 전지, 캐패시터, 비정질 실리콘, 결정 실리콘, 화합물 반도체, 습식 태양 전지 등의 각종 태양 전지 등) 등의 각종 전기 디바이스 주변이나, 열의 유효 이용이 요구되는 난방 기기의 열원 주변, 열 교환기나 바닥 난방 장치의 열 배관 주변 등에 적절히 사용된다.
1: 기판
2: 반도체 소자
3: 열전도성 시트
4: 방열 부재
10: 반도체 장치
11: 탄소 섬유
12: 무기물 충전제

Claims (11)

  1. 반도체 장치의 열원과 방열 부재 사이에 협지되는 열전도성 시트로서,
    결합제와, 탄소 섬유와, 무기물 충전제를 함유하고,
    상기 탄소 섬유의 평균 섬유 길이가 50㎛ 내지 250㎛이며,
    상기 열전도성 시트에 있어서의 상기 탄소 섬유의 함유량이 28체적％ 내지 40체적％이고,
    ASTM-D5470에 따라 측정되는, 하중 7.5㎏f/㎠ 조건 하에서의 열저항이 0.17K·㎠/W 미만이고,
    상기 열전도성 시트의 평균 두께가 500㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 열전도성 시트.
  2. 제1항에 있어서, 상기 열전도성 시트의 평균 두께가 400㎛ 이하인 열전도성 시트.
  3. 반도체 장치의 열원과 방열 부재 사이에 협지되는 열전도성 시트로서,
    결합제와, 탄소 섬유와, 무기물 충전제를 함유하고,
    상기 탄소 섬유의 평균 섬유 길이가 50㎛ 내지 250㎛이며,
    상기 열전도성 시트에 있어서의 상기 탄소 섬유의 함유량이 20체적％ 내지 40체적％이고,
    상기 열전도성 시트에 있어서의 상기 무기물 충전제의 함유량이 30체적％ 내지 55체적％이고,
    상기 무기물 충전제가 알루미나와 질화알루미늄을 함유하고,
    상기 알루미나의 평균 입경이 4㎛ 내지 5㎛이고,
    상기 질화알루미늄의 평균 입경이 0.5㎛ 내지 1.5㎛이며,
    ASTM-D5470에 따라 측정되는, 하중 7.5㎏f/㎠ 조건 하에서의 열저항이 0.17K·㎠/W 미만이고,
    상기 열전도성 시트의 평균 두께가 400㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 열전도성 시트.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서, ASTM-D5470에 따라 열저항을 측정할 때의 하중 2.0㎏f/㎠ 내지 하중 7.5㎏f/㎠의 범위에서 열저항이 0.20K·㎠/W 이하인 열전도성 시트.
  5. 제1항 또는 제3항에 있어서, 탄소 섬유의 일부가, 열전도성 시트의 표면에, 상기 탄소 섬유의 장축이 상기 열전도성 시트의 면 방향을 따라 배치되어 있는 열전도성 시트.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 무기물 충전제가 알루미나를 함유하는 열전도성 시트.
  7. 제6항에 있어서, 알루미나의 평균 입경이 1㎛ 내지 5㎛인 열전도성 시트.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 무기물 충전제가 질화알루미늄을 함유하는 열전도성 시트.
  9. 제1항 또는 제3항에 있어서, 열전도성 시트의 평균 두께(㎛)가 탄소 섬유의 평균 섬유 길이(㎛)보다도 큰 열전도성 시트.
  10. 제1항 또는 제3항에 기재된 열전도성 시트의 제조 방법이며,
    결합제 전구체와, 탄소 섬유와, 무기물 충전제를 함유하는 열전도성 조성물을 압출기로 압출하여 압출 성형물을 얻는 압출 성형 공정과,
    상기 압출 성형물을 경화시켜 경화물로 하는 경화 공정과,
    상기 경화물을, 상기 압출 방향에 대하여 수직 방향으로 절단하는 절단 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전도성 시트의 제조 방법.
  11. 열원과, 방열 부재와, 상기 열원과 상기 방열 부재 사이에 협지되는 열전도성 시트를 갖고,
    상기 열전도성 시트가 제1항 또는 제3항에 기재된 열전도성 시트인 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
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