JP4693624B2 - 実装方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子などの発熱体で発生した熱を、ヒートシンク、ヒートスプレッダなどの放熱体へ伝導させて放射するために、熱伝導接合材を介して発熱体と放熱体とを実装する方法に関する。

電子機器に使用される半導体素子では、近年、その高集積化、高速化などにより発熱量が著しく多くなっており、半導体素子から発せられる熱を効率良く外部へ放散する必要がある。この熱放散の一手法として、半導体素子にヒートシンクを取り付け、半導体素子で発生した熱をヒートシンクに伝えて放熱することが知られている。この際、半導体素子とヒートシンクとをそのまま接触させた場合には、それらの接合面に空隙が生じるため、熱伝導性が低下することになる。そこで、この空隙を埋めて接合界面の熱抵抗を低減して熱伝導性を向上させるために、半導体素子とヒートシンクとの間に、熱伝導性の接合材を介在させて放熱効率を高くすることが行われている。

このような熱的接続に使用される熱伝導接合材としては、放熱グリースと呼ばれるペースト状のもの、放熱シートまたは熱伝導性シートと呼ばれるシートタイプのものなどがある。これらは、熱伝導性が良好な無機フィラーをベースとなる樹脂に分散させて、ペースト状またはシート状にしたものである。また、銀、銅などの金属フィラーを充填した導電性ペーストも使用されている。しかしながら、これらの接合材は何れも充填されたフィラー同士の接触によって熱を伝えるので、熱抵抗が大きい。

また、他の熱伝導接合材として、熱硬化性樹脂にはんだフィラーを充填させた接合材がある（例えば、特許文献１参照）。熱硬化性樹脂としてエポキシ系樹脂（硬化温度：約１５０〜２００℃）を使用し、はんだフィラーとしてＳｎ−Ｂｉはんだ（融点：１３８℃）を用いた場合には、樹脂の硬化温度においてはんだフィラーも溶融する。この結果、接合材中のフィラー同士、及びフィラーと発熱体または放熱体との間が、接触ではなく、はんだによって金属接合されるために、熱が伝わりやすくなって、熱抵抗を低減できる。
特開２００４−３３５８７２号公報

しかしながら、上述した手法では、実装時に加熱処理が必要である、硬化温度が高い、硬化時間が長いなどの使用条件の制約が大きく、量産性が要求される用途には適用しにくいという問題があり、改善の余地がある。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、このような使用条件の制約が無く、量産性の用途に容易に適用でき、低熱抵抗化及び高信頼性が実現可能な実装方法を提供することを目的とする。

本発明に係る実装方法は、自身の動作によって発熱する発熱体に、熱伝導接合材を介して放熱体を実装する方法において、前記発熱体及び／または前記放熱体に、前記発熱体の動作時の温度より融点が低い金属を少なくとも含む熱伝導性フィラーを熱硬化性樹脂中に分散させてなる前記熱伝導接合材を塗布し、前記発熱体と前記放熱体とを、前記熱伝導接合材を介在させて位置合わせし、前記発熱体を動作させて、前記発熱体から発生する熱によって、前記金属を溶融させるとともに、前記熱硬化性樹脂を硬化させることを特徴とする。

本発明の実装方法では、発熱体の動作時の温度より融点が低い低融点金属を少なくとも含む熱伝導性フィラーを熱硬化性樹脂中に分散させてなる熱伝導接合材を、発熱体、放熱体の一方または両方に塗布し、この塗布した熱伝導接合材を介在させて発熱体と放熱体とを位置合わせし、発熱体を動作させてその動作時の熱によって低融点金属を溶融させ、低熱抵抗の接合を実現するとともに、発熱体の動作時の熱によって熱硬化性樹脂の硬化を行う。発熱体の動作時に低融点金属を溶融させるので、実装時に特別な加熱処理は不要である。よって、短時間で簡便に実装を行える。この結果、量産性に優れている。また、熱伝導接合材中の熱伝導性フィラーは接触でなく、低融点金属によって金属接続されるので、熱が伝わりやすくて熱抵抗は低くなり、良好な放熱特性が得られる。また、熱硬化性樹脂の硬化のための特別な加熱処理は不要であり、量産性に優れている。

本発明に係る実装方法は、前記金属の融点が、６０〜１００℃であることを特徴とする。

本発明の実装方法では、熱伝導接合材に含まれる低融点金属の融点が６０〜１００℃である。よって、半導体素子などの発熱体の動作時の熱によって、この低融点金属は容易に溶融する。

本発明に係る実装方法は、前記金属が、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｂｉ合金、及びＩｎ−Ｂｉ合金から選ばれる少なくとも１種類の合金であることを特徴とする。

本発明の実装方法では、熱伝導接合材に含まれる融点が６０〜１００℃の低融点金属として、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｂｉ合金、Ｉｎ−Ｂｉ合金を使用する。よって、発熱体の動作時に容易に溶融する。

本発明に係る実装方法は、前記熱硬化性樹脂が、マイクロカプセル型硬化剤を含有していることを特徴とする。

本発明の実装方法では、熱硬化性樹脂がマイクロカプセル型硬化剤を含有している。発熱体の動作時にカプセルが融けて中の硬化剤が流出し、熱硬化性樹脂が硬化する。よって、常温で反応する硬化剤も使用可能であり、その使用範囲が広くなる。

本発明の実装方法では、発熱体の動作時の温度より融点が低い低融点金属を少なくとも含む熱伝導性フィラーを熱硬化性樹脂中に分散させてなる熱伝導接合材を、発熱体、放熱体の一方または両方に塗布し、この塗布した熱伝導接合材を介在させて発熱体と放熱体とを位置合わせし、発熱体を動作させてその動作時の熱によって低融点金属を溶融させるとともに、発熱体の動作時の熱によって熱硬化性樹脂を硬化させるようにしたので、実装のための特別な加熱処理が不要となって量産性に優れており、しかも、低熱抵抗化を実現することができる。

以下、本発明をその実施の形態を示す図面を参照して具体的に説明する。図１は、本発明に係る実装方法の工程の一例を示す図である。

まず、発熱体であるシリコンチップ（半導体素子）１の一面（上面）に、熱伝導接合材２を塗布する（図１（ａ））。シリコンチップ１の他面（下面）には、複数のバンプ１１が形成され、各バンプ１１は、回路基板３の各電極３１と接続されている。また、シリコンチップ１と回路基板３との間は封止樹脂３２により封止されている。

熱伝導接合材２は、低融点金属からなる第１のフィラー２１と、熱伝導性に優れる第２のフィラー２２と、ベース樹脂としての熱硬化性樹脂２３とから構成されている。熱伝導接合材２におけるフィラー（第１のフィラー２１及び第２のフィラー２２）の充填量は、良好な熱伝導性を得るために５０体積％以上であることが好ましい。

第１のフィラー２１は、シリコンチップ１の動作時の発熱温度より低い融点（約６０〜１００℃）を有する金属フィラーであり、具体的には、例えばＩｎ−Ｓｎ−Ｂｉ合金、Ｉｎ−Ｂｉ合金などからなる金属フィラーを使用できる。

第２のフィラー２２は、融点が３００℃以上で熱伝導性に優れた金属フィラー、無機フィラーを使用する。具体的には、第２のフィラー２２として、銅、銀、金、アルミニウムなどの金属フィラー、アルミナ、シリカ、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、酸化亜鉛などのの無機フィラーを使用できる。また、これらの金属フィラーまたは無機フィラーの表面を金属被覆したフィラーも使用できる。この際、被覆する金属としては、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｂｉ合金、Ｉｎ−Ｂｉ合金などを使用できる。このような構成であれば、第１のフィラー２１が溶融した際に第１のフィラー２１との濡れ性が良い。

熱硬化性樹脂２３は、シリコンチップ１の動作時の発熱温度より低い温度（約６０〜１００℃）で硬化する樹脂であり、主剤としてのエポキシ樹脂とマイクロカプセル型の硬化剤とを含んでいる。

次に、このような熱伝導接合材２を介在させて、シリコンチップ１と放熱体であるヒートシンク４との位置合わせを行った後（図１（ｂ））、両者を接合させる（図１（ｃ））。この際、加熱処理は施さない。

その後、接合後のシリコンチップ１の作動試験を行うためにシリコンチップ１を動作させる。このシリコンチップ１の動作時に、シリコンチップ１から発生する熱によって、第１のフィラー２１が溶融して第２のフィラー２２同士、第２のフィラー２２とシリコンチップ１及びヒートシンク４との間が金属接続されると共に、熱硬化性樹脂２３が硬化する（図１（ｄ））。

以上のように、本発明では、シリコンチップ１（発熱体）の動作時の熱を利用することによって、低熱抵抗化を実現するためには必須の金属接続を行う。また、この動作時の熱を利用してベース材である熱硬化性樹脂２３の硬化を行う。よって、低熱抵抗化を実現するために従来例では不可欠であった加熱処理を無くすことができて、実装処理を簡便に行えるため、量産性に優れている。また、併せて低熱抵抗化も実現できている。

なお、上記実施の形態では、発熱体（シリコンチップ１）に熱伝導接合材２を塗布することとしたが、これとは異なり、放熱体（ヒートシンク４）に熱伝導接合材２を塗布しても良く、また、発熱体（シリコンチップ１）及び放熱体（ヒートシンク４）の両方に熱伝導接合材２を塗布するようにしても良い。

以下、実施例に基づき本発明をより具体的に説明する。但し、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
以下の成分からなる熱伝導接合材２を作製した。
熱伝導性フィラー
・Ｉｎ−Ｓｎ−Ｂｉ合金（第１のフィラー２１）（融点：６０℃、平均粒径：１０μ ｍ）
・表面を銀メッキした銅（第２のフィラー２２）（平均粒径：３５μｍ）
樹脂（熱硬化性樹脂２３）
・主剤１：ビスフェノールＦ型エポキシ（ＥＸＡ−８３０ＬＶＰ，大日本インキ）
５０重量部
・主剤２：ナフタレン型エポキシ（ＨＰ−４０３２Ｄ，大日本インキ）
５０重量部
・硬化剤：酸無水物（ＫＲＭ−２９１−５，旭電化）
１００重量部
・促進剤：イミダゾール（ＨＸ−３９２１ ＨＰ，旭化成ケミカルズ）
１重量部

上記成分を有する樹脂に対して、上記熱伝導性フィラーを５０体積％添加して熱伝導接合材２を作製した。なお、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｂｉ合金（第１のフィラー２１）と銀メッキ銅（第２のフィラー２２）との配合比率は１：１とした。

作製した熱伝導接合材２を用いて、前述した実装工程の手順（図１（ａ）〜（ｄ）参照）に従って、シリコンチップ１及びヒートシンク４を実装させた。そして、得られた実装品（図１（ｄ）参照）の熱特性を測定した。

接合部の熱抵抗を測定した結果、０．０６℃・ｃｍ² ／Ｗと極めて低い熱抵抗で接合できていることを確認できた。

（比較例１）
第１のフィラーとしてＩｎ−Ｓｎ−Ｂｉ合金（融点：６０℃）の代わりにＳｎ−Ｂｉ合金（融点：１３８℃）を用いた以外は実施例１と成分が同じである熱伝導接合材を作製し、その作製した熱伝導接合材を用いて、実施例１と同様にシリコンチップとヒートシンクとの実装を行い、その実装品の熱特性を測定した。

その結果、接合部の熱抵抗は０．２℃・ｃｍ² ／Ｗであり、実施例１と比較して高かった。これは、シリコンチップの動作時の温度が最大１００℃であるため、熱伝導接合材中のＳｎ−Ｂｉ合金（第１のフィラー）が溶融せずに、金属接続が得られなかったことに起因すると考えられる。

以上の本発明の実施の形態または実施例に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１） 自身の動作によって発熱する発熱体に、熱伝導接合材を介して放熱体を実装する方法において、前記発熱体及び／または前記放熱体に、前記発熱体の動作時の温度より融点が低い金属を少なくとも含む熱伝導性フィラーを熱硬化性樹脂中に分散させてなる前記熱伝導接合材を塗布し、前記発熱体と前記放熱体とを、前記熱伝導接合材を介在させて位置合わせし、前記発熱体を動作させて前記金属を溶融させることを特徴とする実装方法。
（付記２） 前記金属の融点は、６０〜１００℃であることを特徴とする付記１記載の実装方法。
（付記３） 前記金属は、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｂｉ合金、及びＩｎ−Ｂｉ合金から選ばれる少なくとも１種類の合金であることを特徴とする付記１または２記載の実装方法。
（付記４） 前記熱伝導性フィラーは、銅、銀、金、若しくはアルミニウムの金属フィラー、アルミナ、シリカ、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、若しくは酸化亜鉛の無機フィラー、または、これらのフィラー表面を金属被覆したフィラーを含むことを特徴とする付記１乃至３の何れかに記載の実装方法。
（付記５） 前記熱硬化性樹脂は、前記発熱体の動作時の温度より低い温度で硬化することを特徴とする付記１乃至４の何れかに記載の実装方法。
（付記６） 前記熱硬化性樹脂は、マイクロカプセル型硬化剤を含有していることを特徴とする付記１乃至５の何れかに記載の実装方法。
（付記７） 前記熱硬化性樹脂の硬化温度は、６０〜１００℃であることを特徴とする付記１乃至６の何れかに記載の実装方法。
（付記８） 前記熱伝導接合材における前記熱伝導性フィラーの割合が５０体積％以上であることを特徴とする付記１乃至７の何れかに記載の実装方法。

本発明に係る実装方法の工程の一例を示す図である。

符号の説明

１ シリコンチップ（発熱体）
２ 熱伝導接合材
４ ヒートシンク（放熱体）
２１ 第１のフィラー（金属）
２２ 第２のフィラー
２３ 熱硬化性樹脂

Claims (4)

1. 自身の動作によって発熱する発熱体に、熱伝導接合材を介して放熱体を実装する方法において、
   前記発熱体及び／または前記放熱体に、前記発熱体の動作時の温度より融点が低い金属を少なくとも含む熱伝導性フィラーを熱硬化性樹脂中に分散させてなる前記熱伝導接合材を塗布し、
   前記発熱体と前記放熱体とを、前記熱伝導接合材を介在させて位置合わせし、
   前記発熱体を動作させて、前記発熱体から発生する熱によって、前記金属を溶融させるとともに、前記熱硬化性樹脂を硬化させることを特徴とする実装方法。
2. 前記金属の融点は、６０〜１００℃であることを特徴とする請求項１記載の実装方法。
3. 前記金属は、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｂｉ合金、及びＩｎ−Ｂｉ合金から選ばれる少なくとも１種類の合金であることを特徴とする請求項１または２記載の実装方法。
4. 前記熱硬化性樹脂は、マイクロカプセル型硬化剤を含有していることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の実装方法。

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