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JP2007204750A - サーマルインターフェース材料 - Google Patents

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JP2007204750A
JP2007204750A JP2007015941A JP2007015941A JP2007204750A JP 2007204750 A JP2007204750 A JP 2007204750A JP 2007015941 A JP2007015941 A JP 2007015941A JP 2007015941 A JP2007015941 A JP 2007015941A JP 2007204750 A JP2007204750 A JP 2007204750A
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JP
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acrylic polymer
thermally conductive
silver
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JP2007015941A
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Andrew Collins
アンドリュー・コリンス
Chih-Ming Cheng
チー−ミン・チェン
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Original Assignee
National Starch and Chemical Investment Holding Corp
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Abstract

【課題】 発熱電子デバイス中にサーマルインターフェース材料として使用するための組成物を提供すること。
【解決手段】 本組成物は、アクリルポリマー、一種以上の液体樹脂及び場合により一種以上の固体樹脂と、熱伝導性粒子とを含む、熱を移動させるための熱伝導性組成物である。前記アクリルポリマーが、ブチルアクリレート−エチルアクリロニトリル、ブチルアクリレート−コ−エチルアクリロニトリル、エチルアクリレート−アクリロニトリル及びその混合物からなる群から選択され、前記アクリルポリマーが、ヒドロキシル、カルボン酸、イソシアネートまたはエポキシ官能基をもち、前記アクリルポリマーが、約200,000〜約900,000の範囲の分子量を有し、前記アクリルポリマーが、約30℃〜約−40℃の範囲のTgを有することが好ましい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発熱電子デバイスからコールドシンクに熱を伝導して、伝導熱を吸収且つ分散させるために使用する熱伝導性材料に関する。
背景技術
半導体を含むような電子デバイスは、通常、操作時にかなりの量の熱を発生する。この半導体を冷却するためには、通常、コールドシンクを何らかの方法でデバイスに加える。操作時、使用している間に発生した熱を半導体からコールドシンクへ伝導して、そこで害を及ぼさない形で熱を分散させる。半導体からコールドシンクへの熱伝導を最大化するためには、熱伝導性サーマルインターフェース材料を使用する。このサーマルインターフェース材料は理想的には、コールドシンクと半導体との間を密接させて、熱伝導しやすくする。通常、ペースト様熱伝導性材料、たとえばシリコーングリースや、シート様熱伝導性材料、たとえばシリコーンゴムをサーマルインターフェース材料として使用する。
現行の相変化材料、グリース、ペースト及びパッドの熱伝導性材料は、その使用時に障害が発生するという欠点がある。たとえば、ペーストやグリースの中には熱抵抗の低いものがあるが、これらは液体か半固体状態で適用しなければならないので、その適用を最適化するためには製造での制御が必要である。適用時の制御を向上させることに加えて、ペーストやグリース材料は汚れやすく取り扱いにくいこともある。さらに、グリース及びペーストは、平坦でない表面には使用できない。現行材料を使用する際のさらなる問題点としては、ペーストに関しては再適用時の制御、不都合な領域にグリースが移動すること、及び相変化材料または熱硬化ペーストに関しては再加工性(reworkability)が挙げられる。従来のサーマルインターフェースパッドは、ペースト及びグリースの取り扱い及び適用問題に対処しているが、これらは通常、ペースト及びグリースと比較して熱抵抗が高い。従って、取り扱い及び適用が容易で、さらに熱抵抗が低いサーマルインターフェース材料を提供すると、都合がよい。
発明の概要
発熱性の半導体を含むデバイスでサーマルインターフェース材料として使用するための組成物を提供する。本組成物は、アクリルポリマー、一種以上の液体樹脂、熱伝導性粒子と、場合により一種以上の固体樹脂とのブレンドを含む。
本発明のもう一つの側面では、発熱性部材、コールドシンクと上記記載に従ったサーマルインターフェース材料とを含む電子デバイスを提供する。
好適な態様の詳細な説明
本発明のサーマルインターフェース材料は、熱を分散させるのが望ましい実質的に全ての発熱部材で使用することができる。特に、このサーマルインターフェース材料は、半導体デバイスの発熱性部材から熱を分散させやすくするのに有用である。そのようなデバイスでは、サーマルインターフェース材料は発熱性部材とコールドシンクとの間に層を形成して、分散すべき熱をコールドシンクに伝達する。このサーマルインターフェース材料は、ヒートスプレッダを含むデバイスでも使用することができる。そのようなデバイスでは、サーマルインターフェース材料の層は、前記発熱部材とヒートスプレッダとの間に設置することができ、前記第一の層より通常厚い第二の層は、ヒートスプレッダとコールドシンクの間に配置することができる。
サーマルインターフェース材料は、アクリルポリマーフィルム形成性材料、一種以上の液体樹脂、熱伝導性粒子、場合により一種以上の固体樹脂と、ベース配合物よりも熱輸送を高めるための他の添加剤のブレンドを含む。組成に依存して、ホットメルト押出によってフィルムを形成するのが望ましい。好ましくは、本材料は、そのような材料が加速応力試験下でもその特性を保持するようにブレンドする。
本組成物のアクリルポリマー成分は、主にフィルム形成性組成物として使用する。アクリルポリマーは極性の化学的性質と適合性で、基板及び充填材との親和性が高い。本発明のアクリルコポリマーはコーティング溶媒に可溶性なので、応力の少ない、高強度フィルム成形またはペースト接着剤を容易にする。好ましいアクリルコポリマーは、飽和ポリマーであり、酸化、経年変化及び劣化に耐性である。コポリマーの組成は、高分子量重合物を提供するために、好ましくはブチルアクリレート−エチルアクリロニトリルまたはブチルアクリレート−コ−エチルアクリロニトリルまたはエチルアクリレート−アクリロニトリルである。コポリマーは好ましくは、溶媒及びエポキシ適合性を改善するために、ヒドロキシル、カルボン酸、イソシアネートまたはエポキシ官能基を有する。コポリマーの分子量は高く、好ましくは、約200,000〜約900,000の範囲である。コポリマーのガラス転移温度(Tg)は室温に対して低く、好ましくは約30℃〜約−40℃の範囲である。種々の官能性アクリルコポリマーを使用し得るが、好ましい官能性アクリルコポリマーは、Nagase ChemteX Corporation(大阪、日本)より市販のTEISAN RESIN SG80Hである。
本組成物の液体樹脂成分と、場合によって採用される固体樹脂成分は、界面を湿潤し、熱伝導性を高めるように機能する。本発明で使用するための好ましい樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂などが挙げられ、例えば、ビスフェノール−Aとビスフェノール−Fの一官能性及び多官能性グリシジルエーテル、脂肪族及び芳香族エポキシ、飽和及び不飽和エポキシ、若しくは脂環式エポキシ樹脂またはその組み合わせが挙げられる。最も好ましいエポキシ樹脂はビスフェノールA型の樹脂である。これらの樹脂は、ビスフェノールA樹脂１モルとエピクロロヒドリン２モルとの反応により一般的に製造する。さらに好ましいタイプのエポキシ樹脂は、エポキシノボラック樹脂である。エポキシノボラック樹脂は、通常、フェノール樹脂とエピクロロヒドリンとの反応により製造する。使用し得る追加のエポキシ樹脂としては、ジシクロペンタジエン−フェノールエポキシ樹脂、ナフタレン樹脂、エポキシ官能性ブタジエンアクリロニトリルコポリマー、エポキシ官能性ポリジメチルシロキサン、エポキシ官能性コポリマー、3,4-エポキシシクロヘキシルメチル-3,4-エポキシシクロヘキサンカルボキシレート、ビニルシクロヘキセンジオキシド、3,4-エポキシ-6-メチルシクロヘキシルメチル-3,4-エポキシシクロヘキサンカルボキシレート、ジシクロペンタジエンジオキシド、ポリ（フェニルグリシジルエーテル）−コ−ホルムアルデヒド、ビフェニル型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン−フェノールエポキシ樹脂、ナフタレンエポキシ樹脂、エポキシ官能性ブタジエンアクリロニトリルコポリマー、エポキシ官能性ポリジメチルシロキサン及びその混合物が挙げられるが、これらに限定されない。市販のビスフェノール−F型の樹脂は、記号8230Eのもと、CVC Specialty Chemicals，Maple Shade（ニュージャージー州)から、及び記号RSL1739のもと、Resolution Performance Products Ltd.から市販されている。ビスフェノール−A型のエポキシ樹脂は、EPON 828としてResolution Performance Products Ltd.より市販されており、ビスフェノール−Aとビスフェノール−Fのブレンドは、記号ZX-1059のもと、Nippon Chemical Companyより市販されている。使用し得る追加の液体及び固体樹脂としては、フェノール、アクリル、シリコーン、ポリオール、アミン、ゴムベース（rubber based）、フェノキシ、オレフィン、ポリエステル、イソシアネート、シアネートエステル、ビスマレイミド化学物質及びその混合物が挙げられる。
アクリルポリマー及び樹脂に加えて、サーマルインターフェース材料はさらに、熱伝導性粒子を含む。これらの粒子は、導電性であっても非導電性であってもよい。この材料は好ましくは伝導性粒子を約20〜約95重量%の範囲で含み、最も好ましくは約50〜約95重量%の範囲で伝導性粒子を含む。伝導性粒子は、任意の好適な熱伝導性材料、たとえば銀、金、ニッケル、銅、金属酸化物、窒化ホウ素、アルミナ、酸化マグネシウム、酸化亜鉛、アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、銀−コーティング化有機粒子、銀メッキニッケル、銀メッキ銅、銀メッキアルミニウム、銀メッキガラス、銀フレーク、カーボンブラック、グラファイト、窒化ホウ素コーティング化粒子及びその混合物が挙げられる。好ましくは、伝導性粒子は窒化ホウ素である。
アクリルポリマーと樹脂との組合せは、必要に応じて、低粘度材料の特性及び室温で固体である十分な完全性をもつ材料を製造するように選択すべきである。従って、得られた材料はテープまたはフィルムとして使用するのに好適であり、良好な表面湿潤性(surface wetting)を提供するだろう。本材料は、金属などの表面エネルギーの高い基板、及びプラスチックなどの表面エネルギーの低い基板を湿潤することが可能である。さらに、アクリルポリマーと樹脂との組み合わせにより、得られた材料は再加工可能であり、溶媒や熱を使用することなく、適用後に基板から容易に除去することができる。この特性は、熱抵抗の低い他のサーマルインターフェース材料と比較して特徴的である。本発明のサーマルインターフェース材料は熱抵抗の低い薄いフィルムを提供するという点でも特徴的である。対照的にグリースのサーマルインターフェース材料は熱抵抗が低いが、分配したりスクリーン/ステンシル印刷が必要である。本発明のサーマルインターフェース材料のさらなる利点は、これらの材料が熱も溶媒も使用することなく再加工可能なので、どこでも再加工できるという点である。通常、この材料を使用するには、クランプなどの外部支持が必要だろう。最終的にフィルムの形状では、本発明のサーマルインターフェース材料は、適用されている基板の都合の悪い領域には全く流れないだろう。さらに、適用時に所定の位置にフィルムを保持するために十分な粘着性を提供するために感圧接着剤をフィルムに適用できる。所望により、本材料はペーストの形状であってもよい。
アクリレートは場合により、圧縮性を高めるため、及び取り扱いやすさと材料の伸長しやすさのために主として添加することができる。好ましいアクリレートはNIPOL AR-14であり、Zeon Chemicalより市販されている。
サーマルインターフェース材料は、ペルオキシド類及びアミン類などの種々の公知材料と一緒に硬化させることができる。硬化方法としては、プレス硬化(press cure)及びオートクレーブ硬化が挙げられる。硬化時に適用した時間、温度及び圧力に依存して、広範な硬化条件が可能である。硬化スケジュールに影響を与える他の要素としては、ポリマーブレンド、硬化系、酸受容体(acid acceptor)、充填材系及び部構成が挙げられる。
本発明のサーマルインターフェース材料は好ましくは、アクリルポリマー約２〜約30重量％と一種以上の液体樹脂約２〜約30重量％を含む。本発明のサーマルインターフェース材料は、最も好ましくはアクリルポリマー約２〜約20重量％と、一種以上の液体樹脂約２〜約20重量％と、アクリレート約２〜約20重量％を含む。本材料は、好ましくは伝導性粒子を約15〜約95重量%の範囲で含む。
上記成分に加えて、所望の特性を提供するために配合物に添加剤を含めることができる。添加剤によって提供される最も好都合な特性の一つは、取り扱いの向上である。特に、フェノールホルムアルデヒド、フェノール樹脂、ワックス、エポキシ、熱可塑性樹脂及びアクリル類などの室温で固体の材料は、取り扱いを向上させると都合がよい。配合し得る種々の添加剤は、表面活性剤、界面活性剤、希釈剤、湿潤剤、酸化防止剤、チキソトロープ、強化材料、シラン官能性パーフルオロエーテル、ホスフェート官能性パーフルオロエーテル、シラン類、チタネート類、ワックス、フェノールホルムアルデヒド、エポキシ、並びに表面親和性及びポリマー適合性を提供する他の低分子量ポリマーである。
図１は、サーマルインターフェース材料の二層を使用する電子部材１０を説明する。電子部材１０は、内部連絡１４を介してシリコンダイ(silicon die)１２に結合した基板１１を含む。このシリコンダイは発熱し、この熱は、ダイの少なくとも一方の側に隣接するサーマルインターフェースフィルム１５を通して移動する。ヒートスプレッダ１６は、サーマルインターフェースフィルムに隣接して配置され、第一のサーマルインターフェース材料層を通過する熱の一部を分散させるように機能する。コールドシンク１７はヒートスプレッダに隣接して配置されて、移動した熱エネルギーを分散させる。サーマルインターフェースフィルムパッド１８は、ヒートスプレッダとコールドシンクとの間に位置する。サーマルインターフェースフィルムパッド１８は、通常、サーマルインターフェースフィルム１５よりも厚い。
本発明を以下の非限定的な実施例によって詳細に説明する。
実施例１
サーマルインターフェース材料(配合A)を表１に示すように配合した（全ての割合は重量パーセントである）。アクリルポリマー、固体エポキシ及びアクリレートゴムをメチルエチルケトンに溶解した。次にこの成分を混合容器に段階的に添加した。この混合容器を空気駆動式ミキサー下に設置し、材料を20分間混合した。次にこの材料を脱気し、シリコーン処理済みキャリヤ基板上に５ft/minでコーティングした。材料のコーティング後、フィルムを75℃で20分間乾燥して、溶媒を除去した。
Figure 2007204750
配合A及び種々の市販のグリース及びパッドのサーマルインターフェース材料を熱抵抗に関して試験した。熱抵抗はレーザフラッシュ法によって測定した。当業者は、遷移加熱試験法(transient heating test method)に精通しているだろう。本方法において、サンプルはパルスレーザーによって一つのサンプル上で加熱し、サンプルの裏側で熱流量を測定する。優れた伝熱能力をもつサンプルは、高い熱拡散係数(測定値)をもつだろう。この熱拡散係数は、サンプルの熱伝導率に正比例し、サンプルの熱抵抗に反比例する。試験結果を表２に示す。
Figure 2007204750
表２に示されているように、本発明の配合物のパッドの抵抗は、現在市販されているサーマルインターフェースグリース及びパッドの抵抗とよく匹敵する。
当業者に明らかなように、本発明の趣旨及び範囲を逸脱することなく、本発明の多くの修正及び変形が可能であろう。本明細書中に記載の具体的な態様は、単なる例示を目的とするものであり、本発明は請求項により与えられる等価物の十分な範囲と共に、付記請求の範囲の用語によってのみ限定されるべきである。
図１は、コールドシンクとサーマルインターフェース材料を有する電子部材の側面である。

Claims (18)

  1. アクリルポリマー、一種以上の液体樹脂及び場合により一種以上の固体樹脂と、熱伝導性粒子とを含む、熱を移動させるための熱伝導性組成物。
  2. 前記アクリルポリマーが、ブチルアクリレート−エチルアクリロニトリル、ブチルアクリレート−コ−エチルアクリロニトリル、エチルアクリレート−アクリロニトリル及びその混合物からなる群から選択される、請求項１に記載の熱伝導性組成物。
  3. 前記アクリルポリマーが、ヒドロキシル、カルボン酸、イソシアネートまたはエポキシ官能基をもつ、請求項１に記載の熱伝導性組成物。
  4. 前記アクリルポリマーが、約200,000〜約900,000の範囲の分子量を有する、請求項１に記載の熱伝導性組成物。
  5. 前記アクリルポリマーが、約30℃〜約−40℃の範囲のTgを有する、請求項１に記載の熱伝導性組成物。
  6. 前記組成物が、アクリルポリマーを約２重量%〜約20重量%の範囲で含む、請求項１に記載の熱伝導性組成物。
  7. 前記組成物が、アクリルポリマーを約２重量%〜約20重量%の範囲で含む、請求項２に記載の熱伝導性組成物。
  8. 前記伝導性粒子が、銀、金、ニッケル、銅、金属酸化物、窒化ホウ素、アルミナ、酸化マグネシウム、酸化亜鉛、アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、銀コーティング化有機粒子、銀メッキニッケル、銀メッキ銅、銀メッキアルミニウム、銀メッキガラス、銀フレーク、カーボンブラック、グラファイト、窒化ホウ素コーティング粒子及びその混合物を含む、請求項１に記載の組成物。
  9. 前記熱伝導性組成物が、伝導性粒子約15重量%〜約95重量%の範囲で含む、請求項８に記載の組成物。
  10. 前記一種以上の液体及び固体樹脂が、ビスフェノール−A及びビスフェノール−Fの一官能性及び多官能性グリシジルエーテル、脂肪族及び芳香族エポキシ、飽和及び不飽和エポキシ、脂環式エポキシ樹脂、ビスフェノールAエポキシ樹脂、エポキシノボラック樹脂、ジシクロペンタジエン−フェノールエポキシ樹脂、ナフタレン樹脂、エポキシ官能性ブタジエンアクリロニトリルコポリマー、エポキシ官能性ポリジメチルシロキサン、エポキシ官能性コポリマー、3,4-エポキシシクロヘキシルメチル-3,4-エポキシシクロヘキサンカルボキシレート、ビニルシクロヘキセンジオキシド、3,4-エポキシ-6-メチルシクロヘキシルメチル-3,4-エポキシシクロヘキサンカルボキシレート、ジシクロペンタジエンジオキシド、ポリ（フェニルグリシジルエーテル）−コ−ホルムアルデヒド、ビフェニル型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン−フェノールエポキシ樹脂、ナフタレンエポキシ樹脂、エポキシ官能性ブタジエンアクリロニトリルコポリマー、エポキシ官能性ポリジメチルシロキサン、フェノール、アクリル、シリコーン、ポリオール、アミン、ゴムベース、フェノキシ、オレフィン、ポリエステル、イソシアネート、シアネートエステル、ビスマレイミド及びその混合物からなる群から選択される、請求項１に記載の組成物。
  11. 前記組成物が、一種以上の液体樹脂を約２重量%〜約30重量%の範囲で含む、請求項１に記載の組成物。
  12. 一種以上のアクリレート類をさらに含む、請求項１に記載の組成物。
  13. 一種以上の添加剤をさらに含む、請求項１に記載の組成物。
  14. 前記添加剤が、表面活性剤、酸化防止剤、界面活性剤、希釈剤、湿潤剤、チキソトロープ、強化材料、シラン官能性パーフルオロエーテル、ホスフェート官能性パーフルオロエーテル、シラン類、チタネート類、ワックス、フェノールホルムアルデヒド、エポキシ、アクリル、表面親和性及びポリマー適合性を提供する低分子量ポリマー、並びにその混合物からなる群から選択される、請求項１０に記載の組成物。
  15. 前記組成物が、ペースト、支持されたまたはフリースタンディングフィルムの形状である、請求項１に記載の組成物。
  16. 感圧接着剤をさらに含む、請求項１に記載の組成物。
  17. 発熱部材、コールドシンク及び請求項１に記載のサーマルインターフェース材料を含む電子デバイス。
  18. 発熱部材、ヒートスプレッダ及び請求項１に記載のサーマルインターフェース材料を含む電子デバイス。
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