JP4942978B2

JP4942978B2 - 熱伝導性シリコーングリース組成物及びそれを用いた半導体装置

Info

Publication number: JP4942978B2
Application number: JP2005288486A
Authority: JP
Inventors: 千里星野
Original assignee: Momentive Performance Materials Japan LLC
Current assignee: Momentive Performance Materials Japan LLC
Priority date: 2005-09-30
Filing date: 2005-09-30
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2025-09-30
Also published as: JP2007099821A

Description

本発明は、熱伝導性及び電気絶縁性に優れた熱伝導性シリコーングリース組成物及びそれを用いた半導体装置に関する。

従来、電子部品の多くには、使用時の温度上昇による損傷や性能低下等を防止するため、ヒートシンク等の放熱体が広く用いられている。電子部品から発生する熱を放熱体に効率よく伝導させるため、一般に電子部品と放熱体との間に熱伝導性材料が使用される。

熱伝導性材料としては、例えば特許文献１には、シリコーンオイルをベースとして、アルミニウム粉末などの金属粉末を配合した熱伝導性グリース組成物が提案されている。また、特許文献２には、アルミニウム粉末及び酸化亜鉛粉末を配合した付加反応硬化型の熱伝導性シリコーン組成物が提案されている。

しかしながら、従来の熱伝導性材料は、金属粉末等を高充填すると熱伝導性能を改善することができるが、電気絶縁性を維持することが難しい。また、電子部品の多くは一般的に高い電気絶縁性が求められるため、このような場合には使用することが困難であった。
特開２０００−０６３８７３号公報特開２００２−３２７１１６号公報

本発明の目的は、熱伝導性及び電気絶縁性に優れた熱伝導性シリコーングリース組成物及びそれを用いた半導体装置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検討した結果、液状シリコーンに対する金属粉末の配合量と、金属酸化物粉末及び／又は金属窒化物粉末の配合量を最適化し、得られる組成物の体積抵抗率を１×１０^１１Ω・ｃｍ以上とすることによって、熱伝導性とともに電気絶縁性に優れた熱伝導性シリコーングリース組成物が得られることを見出し、本発明をなすに至った。

すなわち、本発明の熱伝導性シリコーングリース組成物は、（Ａ）液状シリコーン１００重量部、（Ｂ）平均粒径が０．５〜１００μｍのアルミニウム粉末１００〜５００重量部、及び（Ｃ）平均粒径が０．１〜１０μｍの酸化亜鉛粉末５０〜８００重量部を含有し、体積抵抗率が１×１０^１１Ω・ｃｍ以上であることを特徴とする。

また、本発明の半導体装置は、発熱性電子部品と放熱体とを有し、前記発熱性電子部品と前記放熱体との間に上記熱伝導性シリコーングリース組成物を介在させてなることを特徴とする。

上記構成により、熱伝導性及び電気絶縁性に優れた熱伝導性シリコーングリース組成物及びそれを用いた半導体装置を提供することが可能となる。

以下、本発明の熱伝導性シリコーングリース組成物について説明する。

［（Ａ）成分］
本発明に用いられる（Ａ）成分の液状シリコーンは、常温で液状である公知のシリコーン、例えば、ポリオルガノシロキサン、ポリオルガノシルアルキレン、ポリオルガノシラン及びそれらの共重合体等から適宜選択することが可能であるが、特に、下記一般式：
Ｒ^１ _ａＳｉＯ_{（４−ａ）／２}
で表されるオイル状のポリオルガノシロキサンを用いることが好ましい。これによって、良好な耐熱性、安定性及び電気絶縁性を得ることができる。上記式中において、Ｒ¹は、独立に炭素数１〜１８の一価炭化水素基から選択される１種もしくは２種以上の基である。Ｒ¹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ヘキシル基、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−トリフロロプロピル基、２−（パーフロロブチル）エチル基、２−（パーフロロオクチル）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などが挙げられるが、特にメチル基、フェニル基、炭素数６〜１８のアルキル基が好ましい。ａは、液状シリコーンの合成のし易さから、１．８〜２．２の範囲がよく、特に１．９〜２．１が好ましい。

また、（Ａ）成分の粘度は、２３℃において０．０５〜１０Ｐａ・ｓ、特に０．１〜５Ｐａ・ｓであることが好ましい。０．０５Ｐａ・ｓ未満であると、得られる組成物の安定性が悪化しオイル分離が起こり易くなる。一方、１０Ｐａ・ｓを越えると、得られる組成物の流動性が乏しくなる。

［（Ｂ）成分］
本発明に用いられる（Ｂ）成分の金属粉末は、平均粒径が０．５〜１００μｍ、好ましくは、０．５〜３０μｍのものが使用される。０．５μｍ未満であると、得られる組成物において所望の稠度が得られ難い。一方、１００μｍを超えると、得られる組成物の安定性が悪化し、オイル分離等が起こり易くなる。

（Ｂ）成分としては、例えばアルミニウム粉末、銅粉末、銀粉末、ニッケル粉末、鉄粉末、ステンレス粉末等の各種金属粉末が挙げられ、１種単独または２種以上を混合して用いてもよいが、特に、アルミニウム粉末を用いることが好ましい。また、その形状は、球状、不定形状のいずれでもよい。

（Ｂ）成分の配合量は、（Ａ）成分であるポリオルガノシロキサン１００重量部に対して、１００〜５００重量部、好ましくは１５０〜４８０重量部である。１００重量部未満であると、得られる組成物の熱伝導率が低下し易くなる。一方、５００重量部を越えると、得られる組成物において所望の体積抵抗率が得られ難くなる。

［（Ｃ）成分］
本発明に用いられる（Ｃ）成分の金属酸化物粉末及び／又は金属窒化物粉末は、（Ｂ）成分の金属粉末の隙間に入り込み易くする上で、平均粒径が０．１〜１０μｍ、好ましくは０．２〜８μｍのものが使用される。０．１μｍ未満であると、得られる組成物において所望の稠度が得られ難い。一方、１０μｍを超えると、（Ｂ）成分の金属粉末との組合せによる細密充填が困難になり、所望の熱伝導率を得られ難くなる。

（Ｃ）成分としては、例えば酸化亜鉛粉末、酸化アルミニウム粉末、酸化マグネシウム粉末、窒化ホウ素粉末、窒化アルミニウム粉末、窒化ケイ素粉末等の各種金属酸化物粉末及び／又は金属窒化物粉末が挙げられる。特に、酸化亜鉛粉末、酸化アルミニウム粉末及び窒化ホウ素粉末から選ばれる少なくとも１種を用いることが好ましく、１種単独または２種以上を混合して用いてもよい。また、その形状は、球状、不定形状のいずれでもよい。

（Ｃ）成分の配合量は、（Ａ）成分であるポリオルガノシロキサン１００重量部に対して、５０〜８００重量部、好ましくは１００〜５００重量部である。５０重量部未満であると、（Ｂ）成分の金属粉末の隙間を埋めることができなくなるため、熱伝導率が低下する。一方、８００重量部を越えると、得られる組成物において所望の稠度が得られ難くなる。

したがって、（Ｂ）成分と（Ｃ）成分との合計量は、ベースオイルである（Ａ）成分１００重量部に対して、１５０〜１３００重量部となる範囲で使用することが可能である。１５０重量部未満であると、熱伝導性が不十分となる。一方、１３００重量部を超えると、得られる組成物の流動性が低下して作業性が悪化し易くなる。なお、（Ｂ）成分と（Ｃ）成分の配合量は、所望の熱伝導率と体積抵抗率を得る上で、同量または（Ｂ）成分が（Ｃ）成分より多くなる量であることが好ましい。

本発明における熱伝導性シリコーングリース組成物は、上記（Ａ）〜（Ｃ）の各成分を基本成分とし、これらに必要に応じて、その他任意成分としてウエッター成分を配合してもよい。ウエッター成分は、（Ｂ）成分及び（Ｃ）成分の粉末表面をウエッター成分で処理することにより、前記粉末とベースオイルである（Ａ）成分のポリオルガノポリシロキサンとの濡れ性を向上させるものである。

ウエッター成分としては、下記一般式：
Ｒ^２ _ｂＲ^３ _ｃＳｉ（ＯＲ^４）_{４−ｂ−ｃ}
で表されるアルコキシシランを用いることが好ましい。上記式中のＲ^２は、炭素数６〜１５のアルキル基である。具体例としては、ヘキシル基、ノニル基、デシル基、ドデシル基、テトラデシル基等が挙げられる。また、Ｒ^３は、炭素数１〜８の飽和又は不飽和の一価の炭化水素基である。具体例としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ヘキシル基、オクチ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ヘキシル基、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−トリフロロプロピル基、２−（パーフロロブチル）エチル基、２−（パーフロロオクチル）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などが挙げられるが、特にメチル基、エチル基が好ましい。Ｒ^４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種もしくは２種以上のアルキル基であり、特にメチル基、エチル基が好ましい。また、ｂは１〜３の整数であるが、特に１であることが好ましい。ｃは０〜２の整数、ｂ＋ｃは１〜３の整数である。

ウエッター成分の配合量は、（Ｂ）成分及び（Ｃ）成分と、（Ａ）成分との濡れ性を向上させる上で、（Ａ）成分１００重量部に対して、０．０１〜１０重量部の範囲が好ましい。

さらに、その他任意成分として公知の耐熱添加剤、シリカ等の粘度調整剤、着色剤、溶剤等を本発明の目的を損なわない範囲で添加してもよい。

本発明の熱伝導性シリコーングリース組成物を製造するには、上述した（Ａ）〜（Ｃ）成分及びその他任意成分をプラネタリーミキサー等の混合機で混合することにより得ることができる。必要ならば５０〜１５０℃に加熱しながら混合してもよい。更に混合後、均一仕上げのため、高剪断力下で混練操作を行うことが好ましい。混練装置としては、３本ロール、コロイドミル、サンドグラインダー等があるが、中でも３本ロールによる方法が好ましい。

本発明の熱伝導性シリコーングリース組成物の稠度は、１５０〜４５０であることが好ましい。なお、稠度は、ＪＩＳＫ２２２０に準拠した値である。２５℃における稠度が、４５０を超えると、塗布時に液ダレを起こしやすくなる。一方、１５０未満であると、例えばシリンジやディスペンサ等を用いて電子部品に塗布する際に、吐出し難くなり所望の厚さに塗布することが困難になる。

本発明の熱伝導性シリコーングリース組成物は、体積抵抗率が１×１０^１１Ω・ｃｍ以上、特に１×１０^１２Ω・ｃｍ以上であることが好ましい。体積抵抗率が１×１０^１１Ω・ｃｍ未満であると、電気的短絡の危険性が増加し、適応範囲が狭まる場合がある。

また、本発明の熱伝導性シリコーングリース組成物は、熱線法で測定した２５℃における熱伝導率が０．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、特に１．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることが好ましい。熱伝導率が０．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満であると、熱伝導性能が不十分になる場合があり、用途が限定され易くなる。

したがって、本発明の熱伝導性シリコーングリース組成物は、熱伝導性とともに優れた電気絶縁性を発揮するため、発熱性電子部品と放熱体との間に介在される電気絶縁性の熱伝導性材料として好適である。

次に、本発明の半導体装置について図面を参照して説明する。図１は、本発明に係る半導体装置の一例を示す断面図である。

図１に示すように、本発明の半導体装置１は、配線基板２に実装された例えばＣＰＵ３等の発熱性電子部品とヒートシンク４等の放熱体との間に、上述した熱伝導性シリコーングリース組成物５を介在させてなる。このような半導体装置１は、配線基板２に実装されたＣＰＵ３に、例えばシリンジ等で熱伝導性シリコーングリース組成物５を塗布した後、ヒートシンク４と配線基板２とをクランプ６等で押圧することによって得られる。

ＣＰＵ３とヒートシンク４との間に介在する熱伝導性シリコーングリース組成物５の厚さは、５〜３００μｍであることが好ましい。５μｍより薄いと、押圧の僅かなずれによりＣＰＵ３とヒートシンク４との間に隙間が生じる恐れがある。一方、３００μｍより厚いと、熱抵抗が大きくなり、放熱効果が悪化し易くなる。

本発明を実施例により詳細に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。なお、実施例及び比較例中の粘度は、２３℃において測定した値である。

実施例および比較例で得られた熱伝導性シリコーングリース組成物は、以下のようにして評価し、結果を表１に示した。

［熱伝導率］
２５℃において、熱線法に従い、熱伝導率計（京都電子工業社製、ＱＴＭ−５００）を用いて測定した。

［体積抵抗率］
ＭＩＬ−Ｓ−８６６０Ｂに従い、測定した。

［実施例１］
粘度０．６Ｐａ・ｓのＣ_１０変性シリコーンオイル１００重量部、平均粒径が１０μｍのアルミニウム粉末４５０重量部、平均粒径が０．５μｍである酸化亜鉛粉末４５０重量部、所定の耐熱添加剤０．５重量部をプラネタリー型ミキサー（ダルトン社製）に仕込み、室温にて１時間撹拌混合し、さらに１２０℃にて１時間撹拌混合した後、３本ロール（小平製作所製）にて処理を行い、熱伝導性シリコーングリース組成物を製造した。
この組成物の特性を測定し、結果を表１に示した。

［参考例２］
粘度０．６Ｐａ・ｓのＣ_１０変性シリコーンオイル１００重量部、平均粒径が１０μｍのアルミニウム粉末４５０重量部、平均粒径が０．５μｍである酸化アルミニウム粉末３００重量部、所定の耐熱添加剤０．５重量部をプラネタリー型ミキサー（ダルトン社製）に仕込み、室温にて１時間撹拌混合し、さらに１２０℃にて１時間撹拌混合した後、３本ロール（小平製作所製）にて処理を行い、熱伝導性シリコーングリース組成物を製造した。
この組成物の特性を測定し、結果を表１に示した。

［実施例３］
粘度０．８Ｐａ・ｓのジメチルシリコーンオイル１００重量部、平均粒径が１０μｍのアルミニウム粉末４５０重量部、平均粒径が０．５μｍである酸化亜鉛粉末４００重量部をプラネタリー型ミキサー（ダルトン社製）に仕込み、室温にて１時間撹拌混合し、さらに１２０℃にて１時間撹拌混合後、３本ロール（小平製作所製）にて処理を行い、熱伝導性シリコーングリース組成物を製造した。
この組成物の特性を測定し、結果を表１に示した。

［実施例４］
粘度０．６Ｐａ・ｓのＣ_１０変性シリコーンオイル１００重量部、平均粒径が２μｍのアルミニウム粉末４００重量部、平均粒径が０．５μｍである酸化亜鉛粉末２００重量部をプラネタリー型ミキサー（ダルトン社製）に仕込み、室温にて１時間撹拌混合し、さらに１２０℃にて１時間撹拌混合後、３本ロール（小平製作所製）にて処理を行い、熱伝導性シリコーングリース組成物を製造した。
この組成物の特性を測定し、結果を表１に示した。

［比較例１］
粘度０．６Ｐａ・ｓのＣ_１０変性シリコーンオイル１００重量部、平均粒径が１０μｍのアルミニウム粉末８００重量部、所定の耐熱添加剤０．５重量部をプラネタリー型ミキサー（ダルトン社製）に仕込み、室温にて１時間撹拌混合し、さらに１２０℃にて１時間撹拌混合後、３本ロール（小平製作所製）にて処理を行い、熱伝導性シリコーングリース組成物を製造した。
この組成物の特性を測定し、結果を表１に示した。

［比較例２］
粘度０．６Ｐａ・ｓのＣ_１０変性シリコーンオイル１００重量部、平均粒径が１０μｍのアルミニウム粉末６５０重量部、平均粒径が０．５μｍである酸化亜鉛粉末１００重量部、所定の耐熱添加剤０．５重量部をプラネタリー型ミキサー（ダルトン社製）に仕込み、室温にて１時間撹拌混合し、さらに１２０℃にて１時間撹拌混合後、３本ロール（小平製作所製）にて処理を行い、熱伝導性シリコーングリース組成物を製造した。
この組成物の特性を測定し、結果を表１に示した。

表１から明らかなように、（Ａ）成分のベースオイル１００重量部に対する（Ｂ）成分の配合量が１００〜５００重量部であり、かつ、（Ｃ）成分の配合量が５０〜８００重量部である各実施例の熱伝導性シリコーングリース組成物は、熱伝導率を０．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上にするとともに、体積抵抗率を１×１０^１１Ω・ｃｍ以上にすることができる。したがって、高い熱伝導性能と電気絶縁性を兼ね備えているため、発熱性電子部品と放熱体との間に介在される電気絶縁性の熱伝導性材料として好適である。

本発明の半導体装置の一例を示す断面図。

符号の説明

１…半導体装置、２…配線基板、３…ＣＰＵ、４…ヒートシンク、５…熱伝導性シリコーングリース組成物、６…クランプ。

Claims

（Ａ）液状シリコーン１００重量部、
（Ｂ）平均粒径が０．５〜１００μｍのアルミニウム粉末１００〜５００重量部、
及び
（Ｃ）平均粒径が０．１〜１０μｍの酸化亜鉛粉末５０〜８００重量部を含有し、体積抵抗率が１×１０^１１Ω・ｃｍ以上であることを特徴とする熱伝導性シリコーングリース組成物。
前記（Ａ）成分の２３℃における粘度が、０．０５〜１０Ｐａ・ｓであることを特徴とする請求項１に記載の熱伝導性シリコーングリース組成物。
前記（Ａ）成分は、下記一般式：
Ｒ^１ _ａＳｉＯ_{（４−ａ）／２}
（Ｒ¹は独立に炭素数１〜１８の一価炭化水素基、ａは１．８≦ａ≦２．２である。）で表されるポリオルガノシロキサンであることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱伝導性シリコーングリース組成物。
熱伝導性シリコーングリース組成物の２５℃における稠度が、１５０〜４５０であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の熱伝導性シリコーングリース組成物。
熱伝導性シリコーングリース組成物の熱線法で測定した２５℃における熱伝導率が、０．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の熱伝導性シリコーングリース組成物。
発熱性電子部品と放熱体とを有し、前記発熱性電子部品と前記放熱体との間に請求項１乃至５のいずれか１項に記載の熱伝導性シリコーングリース組成物を介在させてなることを特徴とする半導体装置。