JP2008045123A - 熱伝導性材料 - Google Patents

Abstract

【課題】 電子デバイスにおける封止材、耐腐食剤、接着剤、サーマルインターフェース材料などの様々な用途に使用するための低粘度組成物を提供すること。
【解決手段】 本発明の組成物は、１以上の樹脂、１以上の硬化剤、高いアスペクト比を有する粒子を有する１以上の熱伝導性充填材、及び１以上の反応性希釈剤のブレンドを含む。本発明はまた、この熱伝導性組成物を含む電子デバイスにおける使用のための接着剤、サーマルインターフェース材料、封止材、及び耐腐食性組成物を提供し、また、この熱伝導性組成物を含む電子デバイス、及びこの熱伝導性組成物を利用する１以上の電子部品から熱を移動させる方法も提供する。
【選択図】 なし

Description

発明の詳細な説明

発明の分野
本発明は、電子部品を封止し、電子部品を接着し、及び／又は熱を吸収し消散させるコールドシンクに発熱電子デバイスからの熱を移動させるための熱伝導性材料に関する。

発明の背景
本明細書に記載される発明は、低粘度、熱伝導性、電気絶縁性ペースト組成物に関する。これは、電子デバイスの封止、印刷配線板への熱消散部品の接着、ヒートシンクへの印刷配線板の接着、熱伝導性が要求される他の全ての用途などの様々な電子用途に利用される。

電子デバイスの保護に加えて、これら組成物はまた、部品を機械的に固定し、電子デバイスの熱伝導を制御する。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。

従来から使用されているサーマルインターフェース材料のクラスは、熱伝導性フィルム又はシート、グリース、又は相変化材料である。そのような材料は高い熱伝導性を与えるが、それらのほとんどは、しばしば、スクリュー、クリップなどの追加の機械的固定器と組み合わせて、部品をその場所に保持しなければならない。

サーマルインターフェース材料の別のクラスは、有機熱可塑性又は熱硬化性の有機バインダーであって、銀、金、アルミニウム、ニッケル、銅などの金属を充填したものである。これら材料の熱伝導率は一般に高く、3〜5Ｗ／ｍＫの範囲内であるが、それらは電気絶縁が必要な用途に使用することができない。

現在利用できる、分配可能又は印刷可能な、電気絶縁サーマルインターフェース材料は1〜1.5Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する。より高い熱伝導率を有する場合、それらはもはや分配可能又は印刷可能とはならない。

現在利用可能な組成物を超える高い熱伝導率を与える低粘度の電気絶縁性組成物を提供することが有利である。
発明の概要
本発明は電子デバイスにおける封止材、接着剤、サーマルインターフェース材料などの用途に使用するための低粘度熱硬化性組成物を開示する。本発明の組成物は、１以上の樹脂、１以上の硬化剤、１以上の熱伝導性充填材、及び１以上の反応性希釈剤のブレンドを含む。

一つの態様において本組成物は低粘度であり、分配可能又はステンシル印刷可能である。
更なる態様において本発明は約５〜約４０重量％の有機物質及び約６０〜約９５重量％の熱伝導性粒子を含む熱硬化性組成物を提供する。

本発明の別の面は上述した記載に従った材料を含む電子デバイスを提供する。
発明の詳細な記述
本発明の材料は、封止材保護、腐食保護、１以上の部品間の接着、及び／又は熱の消散を与えることが望まれる用途などの多くの様々な用途の実質的にはあらゆる電子部品と共に利用されることができる。特に、本材料は、電子デバイス内の接続部及び部品の保護を与えるため、及び、そのようなデバイスにおける発熱部品からの熱の消散を助けるために有用である。さらに、本材料は、電子部品が様々なｐＨの範囲を伴うインク、水などの過酷な材料に曝されることによって起こる腐食から保護されることが求められる、インクジェット印刷機などの用途に有用である。本材料はまた、接着剤ペーストとして利用されて電子部品を基板に接着、例えば、パワーダイオードを印刷回路板に接着、印刷回路板を金属のヒートシンクに接着など、することができる。サーマルインターフェース材料として作用するときは、本材料は発熱部品とコールドシンクとの間の層をしばしば形成し、消散されるべき熱をコールドシンクに移動させる。

より速く流動し、低粘度で、ボードレベル（board-level）の封止材又は熱伝導性組成物に対する需要が高まっている。低粘度で塗布することによって、多重プロセスの利点、例えば、塗布の前に基板を加熱する要件を排除すること、容易に分配又はステンシル印刷できること、などが得られる。基板を加熱することを排除することで、改善された製造スループットの形で高い製造効率が得られる。

本発明の材料は、１以上の硬化性樹脂、１以上の硬化剤、及び熱伝導性充填材を含み、熱伝導性充填材は鋭い幾何学的な端部を有さず、粒子の長さ対幅の比によって測定される高い粒子アスペクト比を有する。

場合によって、反応性希釈剤、可塑剤、接着促進剤、粘度改質剤、顔料などの他の材料を、望ましい結果が得られるのに必要な量で混和してもよい。
好適な硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ、シリコーン、シアネートエステル、ビスマレイミド、ウレタン、アクリレート、それらの組み合わせなどの樹脂を挙げることができる。その樹脂の25℃における粘度は3000cps以下であることが望ましい。

本発明の熱伝導性組成物における使用に好適なエポキシ樹脂の例としては、液状エポキシ類、例えば、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類、脂肪族及び芳香族エポキシ類、飽和及び不飽和エポキシ類、フェノール性エポキシ類、フェノールノボラックエポキシ類、非グリシジルエーテルエポキシ樹脂、例えば、脂環式エポキシ樹脂、それらの組み合わせなどが挙げられる。

グリシジルエーテルエポキシ類は、非グリシジルエーテルエポキシ類と別個に又は組み合わせて本材料において利用できる。このタイプの好ましいエポキシ樹脂はビスフェノールＡ樹脂である。別の好ましいエポキシ樹脂はビスフェノールＦタイプ樹脂である。さらに好ましいタイプのエポキシ樹脂は、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類、エポキシ官能性ポリジメチルシロキサンであり、それらの混合物も同様に採用できる。市販のビスフェノールＦタイプ樹脂は、CVC Specialty Chemicals, Maple Shade, New Jerseyから8230Eの製品名で、Resolution Performance Products LLCからRSL1739の製品名で入手可能である。ビスフェノールＡタイプの樹脂はResolution Technologyから例えばEPON 828として商業的に入手でき、ビスフェノールＡとビスフェノールＦのブレンド物はNippon Chemical CompanyからZX-1059の製品名で入手できる。

非グリシジルエーテルエポキシ類の例としては、エポキシ化ジオレフィン、例えば、環構造の一部である二つのエポキシ基及びエステル結合を含む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、ビス(3,4-エポキシシクロヘキシルメチルアジペート)などが挙げられる。利用できる更なるエポキシ類としては、例えば、二つのエポキシ基を含み、その内の一つが環構造の一部である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、それらの混合物などが挙げられる。市販の非グリシジルエーテルエポキシ類の例としては、ERL-4221及びERL-4299が挙げられ,両者は共にDow Chemical Companyから商業的に入手できる。１以上のエポキシ樹脂は代表的には組成物の２０重量％〜約６０重量％の量で使用される。

１以上の硬化剤は組成物の硬化に有効な量で利用される。エポキシ樹脂の場合、有用な硬化剤は、アミン類、無水物、フェノール化合物、ジシアンジアミン、ブロック化イミダゾールである。特に有用な硬化剤としては、例えば、2-メチルイミダゾール、2-フェニルイミダゾール、2-フェニル-4-メチルイミダゾール、2-エチル-4-メチルイミダゾール、2-ウンデシルイミダゾール、1-ベンジル-2-メチルイミダゾール、1-シアノエチル-2-メチルイミダゾール、1-シアノエチル-2-エチル-4-メチルイミダゾールなどの置換イミダゾール類などが挙げられる。

組成物の粘度は希釈剤で調節できる。一般に、組成物は、その組成物を効率よく分配し又はステンシル印刷できるようにするために低粘度であることが好ましい。利用できる反応性希釈剤の例としては、別個又は組み合わせで、グリシジルエーテル類、例えば、1,4-ブタンジオールジグリシジルエーテル、p-tert-ブチルフェニルグリシジルエーテル、アリルグリシジルエーテル、グリセロールジグリシジルエーテル、アルキルフェノールのグリシジルエーテル（Cardolite CorporationからCardolite NC513として市販）が挙げられるが、他の希釈剤も利用できる。

本材料はさらに熱伝導性粒子を含む。これら粒子は非導電性である。滑らかな幾何学的表面及び高アスペクト比、即ち、１より大きい長さ対幅アスペクト比を有する熱伝導性粒子が本組成物において利用されて球状粒子及び／又は粗い幾何学的端部を有する粒子を超える高い熱伝導率が付与される。一つの態様において、粒子のアスペクト比が約１〜２．５の範囲内である。１より大きいアスペクト比を有する粒子は球状又は他の形状の粒子よりも約２０％大きな熱伝導率を与える。

熱伝導性粒子は、接着剤の熱膨張係数を低減するのに好ましいときに添加されてもよい非導電性充填材などのあらゆる好適な熱伝導性材料を含むことができる。熱伝導性充填材の例としては、シリカ、アルミナ、ナノシリカ、ナノアルミナ、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、それらの混合物などが挙げられる。好ましくは熱伝導性粒子はアルミナである。

本発明の材料は、好ましくは、硬化性樹脂を約５〜約４０重量％、硬化剤又は触媒を約０．１〜約３０重量％、熱伝導性粒子を約２５〜約９５重量％含む。場合によって、組成物は反応性希釈剤を約２〜２０重量％含むことができる。

有機添加剤などの追加の成分を配合物に含めることができ、所望の物性が付与される。含めることができる様々な添加剤は、表面活性剤、界面活性剤、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、脱泡剤（air release agents）、流動添加剤、接着促進剤、レオロジー改質剤、スペーサービーズ、それらの混合物などである。これらの成分は特定の組成物に利用される樹脂の使用に望ましい物性のバランスを得るために特別に選ばれる。

本発明のさらなる態様において、電子デバイスの１以上の部品の間で熱を移動する方法が提供される。この方法は、電子部品を提供し、望ましい位置に本発明の組成物を施してその部品の１以上によって発生した熱を効率よく移動させる。さらなる態様において、本発明の組成物を含む電子部品が提供される。

本発明をさらに以下の非制限的実施例によって説明する。
実施例
材料の７つのサンプルが以下のプロセスによって製造された。エポキシ樹脂ブレンド物は、反応性希釈剤と共にプラネタリー真空ミキサー内に装填され、中位のせん断で約２〜５分間混合された。硬化剤又は触媒が添加され、中位のせん断で混合された。熱伝導性成分は徐々に増やしながら数回でその混合物に添加した。各添加の後ごとに、混合物は中位から低位のせん断で攪拌された。最後の添加の後、混合物は約30〜60分間攪拌された。その混合物をゆっくりと混合しながら10〜20分間の真空によって脱気した。サンプルの配合を表１に示す。

¹ ブレンド物：ビスフェノール A エポキシ/アミン付加物（専売樹脂（proprietary resin）を伴う）
70wt% ZX1059（Tohto Kasei、日本、から市販）と30wt% Jeffamine D-2000（Huntsman、TX、USA、から市販）とを混合し、120℃で2時間加熱し、室温（25℃）に冷却したブレンド物
² 1,4-ブタンジオールジグリシジルエーテル（BDDGE）、Aldrichから市販
³ 2-フェニル-4-メチルイミダゾール（2P4MZ）及び2-エチル-4-メチルイミダゾール（2E4MZ）のイミダゾールブレンド物、Aldrichから市販
⁴ AS-40、Showa Denkoから市販、１：１．１〜１：２．３のアスペクト比
⁵ DAB-20 SA、Denki KKKから市販
⁶ DAB-30 S1、Denki KKKから市販
⁷ DAB-45、Denki KKKから市販
⁸ Disperbyk 180、Byk-Chemieから市販
表１の組成物について、その粘度をコンスタントせん断速度レオメーターで、その熱伝導率をASTM E1461-01のフォトフラッシュ法によって試験した。粘度及び熱伝導率の試験結果を表２に示す。

表２に示すように、高アスペクト比を有するアルミナ充填材を有する組成物は球状アルミナ充填材を含む組成物よりも優れた熱伝導率を与えた。さらに、高アスペクト比充填材を有する組成物は、それらが利用されることができる封止、接着又は熱移動の用途に好適な低い粘度を与える。

当業者に明らかであるように、本発明の多くの変更及び変形がその精神及び範囲を逸脱することなく行い得る。本明細書に記載される特定の態様は例示の手段としてのみ与えられ、本発明は添付の特許請求の範囲の記載並びにそのような特許請求の範囲が与える均等物の全範囲によってのみ制限される。

Claims (20)

1. １以上の硬化性樹脂、１以上の硬化剤、及び熱伝導性粒子、並びに、場合によって１以上の希釈剤を含む熱伝導性組成物であって、熱伝導性粒子の少なくとも一部が高いアスペクト比を有する、組成物。
2. １以上の硬化性樹脂が、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類、脂肪族及び芳香族エポキシ類、飽和及び不飽和エポキシ類、フェノール性エポキシ類、フェノールノボラックエポキシ類、非グリシジルエーテルエポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂、グリシジルエーテルエポキシ類、エポキシ官能性ブタジエンアクリロニトリル、エポキシ官能性ポリジメチルシロキサン、エポキシ化ジオレフィン、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シリコーン、シアネートエステル、ウレタン、アクリレート、ビスマレイミド、又はそれらの混合物からなる群から選ばれる、請求項１の組成物。
3. １以上の硬化剤が、アミン類、無水物、フェノール化合物、ジシアンジアミン、ブロック化イミダゾール、2-メチルイミダゾール、2-フェニルイミダゾール、2-フェニル-4-メチルイミダゾール、2-エチル-4-メチルイミダゾール、2-ウンデシルイミダゾール、1-ベンジル-2-メチルイミダゾール、1-シアノエチル-2-メチルイミダゾール、1-シアノエチル-2-エチル-4-メチルイミダゾール、又はそれらの混合物からなる群から選ばれる、請求項１に記載の組成物。
4. １以上の希釈剤が、グリシジルエーテル類、1,4-ブタンジオールジグリシジルエーテル、p-tert-ブチルフェニルグリシジルエーテル、アリルグリシジルエーテル、グリセロールジグリシジルエーテル、アルキルフェノールのグリシジルエーテル及びそれらの混合物からなる群から選ばれる、請求項１の組成物。
5. 熱伝導性粒子がシリカ、アルミナ、ナノシリカ、ナノアルミナ、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、窒化ホウ素、窒化アルミニウムからなる群から選ばれる、請求項１の組成物。
6. 熱伝導性粒子の少なくとも一部が１．０よりも大きな長さ対幅のアスペクト比を有する、請求項１の組成物。
7. 長さ対幅のアスペクト比が１．０よりも大きく約２．５までの範囲である、請求項６の組成物。
8. 熱伝導性粒子の少なくとも一部が幾何学的に滑らかな表面を有する、請求項１の組成物。
9. 表面活性剤、界面活性剤、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、脱泡剤、流動添加剤、接着促進剤、レオロジー改質剤、スペーサービーズ、及びそれらの混合物からなる群の１以上をさらに含む請求項１の組成物。
10. 組成物が、ペーストの形状である、請求項１の組成物。
11. １以上の硬化性樹脂が組成物の約５〜約４０重量％の範囲を構成する、請求項１の組成物。
12. １以上の硬化剤が組成物の約０．１〜約３０重量％の範囲を構成する、請求項１の組成物。
13. １以上の希釈剤が組成物の約２〜約２０重量％の範囲を構成する、請求項１の組成物。
14. １以上の熱伝導性粒子が組成物の約２５〜約９５重量％の範囲を構成する、請求項１の組成物。
15. 請求項１の熱伝導性組成物を含む電子デバイスにおける使用のための接着剤。
16. 請求項１の熱伝導性組成物を含む電子デバイスにおける使用のためのサーマルインターフェース材料。
17. 請求項１の熱伝導性組成物を含む電子デバイスにおける使用のための封止材。
18. 請求項１の熱伝導性組成物を含む電子デバイスにおける使用のための耐腐食性組成物。
19. 請求項１の熱伝導性組成物を含む電子デバイス。
20. 請求項１の熱伝導性組成物を利用する１以上の電子部品から熱を移動させる方法。