(57)【要約】【課題】優れた機械的性質に加えて優れた熱的性質を有するインタフェース取り付け用パッドを提供する。【解決手段】熱伝導性の高い中心バルク層に熱伝導性表面薄層を積層する。バルク層は、可とう性ポリマー樹脂マトリックスと約１０〜８５容積％の１０〜８０のショア００硬度を有するバルク層を造るのに十分な量の熱伝導性超微粒子を含み、表面薄層は、バルク層のポリマーマトリックスと相溶性であるポリマー樹脂とバルク層中に存在する量よりも少ない約５〜６０容積％の超微粒子充填剤とを含み；しかも、その硬度は、前記バルク層の硬度より実質的に大きく、約２０のショア００硬度〜６０のショアＡ硬度の範囲にある。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
　熱伝導性の高い中心バルク層と、熱伝導性の表面薄層とを有する、可とう性熱伝導性の多層プラスチックの半導体取り付け用パッドであって、該表面薄層が、該バルク層の向かい合った一対の主表面の少なくとも一方に一体的に接合されている該パッドにおいて、
　（ａ）前記バルク層は、熱伝導性の超微粒子と、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂及びポリブタジエン樹脂から成る群から選ばれる可とう性ポリマー樹脂マトリックスとを含有し；前記超微粒子は、前記マトリックス中に、約１０〜８５容積％の範囲の量であって且つ１０〜８０のショア００硬度を有するバルク層を造るのに十分な量で存在しており；しかも、
　（ｂ）前記表面薄層は、２〜５０μｍの厚さを有し、且つ、前記バルク層のポリマーマトリックスと相溶性であるポリマー樹脂であって、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂及びポリブタジエン樹脂から成る群から選ばれる該ポリマー樹脂と、熱伝導性の超微粒子充填剤とを含有し、しかも、該ポリマー樹脂には、前記バルク層中に存在する量よりも少ない範囲の量であって約５〜６０容積％の範囲の量の該超微粒子充填剤が混合されており；しかも、前記表面薄層の硬度は、前記バルク層の硬度より実質的に大きく且つ約２０のショア００硬度〜６０のショアＡ硬度の範囲にある；
ことを特徴とする、上記半導体取り付け用パッド。
【請求項２】
　バルク層及び表面薄層のために選択されるポリマー樹脂が、シリコーンエラストマーと熱伝導性充填剤の混合物である、請求項１に記載の半導体取り付け用パッド。
【請求項３】
　表面薄層のために選択されるポリマー樹脂がエチレン酢酸ビニル共重合体であり、バルク層のために選択されるポリマー樹脂がシリコーンエラストマーである、請求項１に記載の半導体取り付け用パッド。
【請求項４】
　熱伝導性の超微粒子充填剤が、アルミナ、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、黒鉛、炭化ケイ素、酸化亜鉛、銅粉、アルミニウム粉、銀粉、その他の金属粉、及びそれらの混合物から成る群から選択される、請求項１に記載の半導体取り付け用パッド。
【請求項５】
　バルク層及び表面薄層のために選択される超微粒子充填剤がアルミナである、請求項１に記載の半導体取り付け用パッド。
【請求項６】
　熱伝導性の超微粒子充填剤が、アルミニウム、銅及び銀から成る群から選択される金属粉である、請求項１に記載の半導体取り付け用パッド。
【請求項７】
　バルク層が、約１〜１５Ｗ／ｍ．Ｋ．の範囲の熱伝導率を有する、請求項１に記載の半導体取り付け用パッド。
【請求項８】
　表面薄層が、約０．３〜５Ｗ／ｍ．Ｋ．の範囲の熱伝導率を有する、請求項７に記載の半導体取り付け用パッド。
【請求項９】
　超微粒子充填剤がアルミナである、請求項２に記載の半導体取り付け用パッド。
【請求項１０】
　超微粒子充填剤が、ポリマーマトリックス中に２０〜５０容積％の範囲の量で存在しており、且つ、該ポリマーマトリックスが、２０〜５０のショア００硬度を有している、請求項９に記載の半導体取り付け用パッド。
【請求項１１】
　表面薄層中の超微粒子充填剤が、２０〜４０容積％の範囲の量で存在している、請求項１０に記載の半導体取り付け用パッド。
【請求項１２】
　熱伝導性表面薄層は、バルク層の向かい合った主表面の各々に一体的に接合されており、各々の表面薄層のポリマーマトリックスは、異なるポリマーである、請求項１に記載の半導体取り付け用パッド。
【請求項１３】
　熱伝導性表面薄層は、バルク層の向かい合った主表面の各々に一体的に接合されており、それら表面薄層の一方には、他方の表面薄層に比べて、著しく多い量の超微粒子充填剤が混合されている、請求項１に記載の半導体取り付け用パッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は概して、インタフェース(interface; 境界面)として使用するための改善された複合材料；又は、固体電子素子とヒートシンクの表面との間の熱放散経路(heat dissipating path)に沿って挿入される取り付け用パッド(mounting pad)を形成するために使用される改善された複合材料；に関する。
【０００２】
　この複合材料は、化学組成及び／又は物理的性質が相違してもよい複数の表面薄層(skin layers)であって、バルク層(bulk layer)に一体的に接合され対となっている該表面薄層が側面に配置されている多層パッドで構成され、優れた熱的性質に加えて優れた機械的性質を有する複合材料を形成する。本発明の複合材料は、製造操作及び取扱い操作の間又はそれら操作の後に該複合材料から容易に取り除くことのできる剥離ライナーを、それら表面薄層が支えて、適切に保持するようにうまく適合させるので、電子装置を製造し加工するのに有用である。
【背景技術】
【０００３】
　インタフェース取り付け用パッドの熱的性質を高めるためには、複合材料の樹脂系の微粒子使用量を増大させることが実用的である。しかし、使用量を増大させると、熱的性質は改善されるものの、通常、機械的性質に悪影響を与える。高度に充填された複合材料の硬度を低減させるためには、樹脂系の架橋を減らすか、又はゲル様樹脂を使用するのが通例である。これに関連して、過剰の使用量及び軽度の架橋により典型的には、該混合物の皮膜引張り強さが減少することになり、そのために、生成物は、製造操作における取扱いが困難及び／又は不可能になる。一例として、剥離フィルムを取り除く時、その取り付け用パッドの一部が該剥離フィルムに付着する場合があるので、剥離フィルムの効果的な使用が妨げられる。該パッドの一部分が損失すれば、空気を混入させる空隙が創り出されるため、該構造物がそれの本来の目的のために使用できなくなる。もちろん、如何なる類の表面破壊も、インタフェース取り付け用パッドとしては受け入れられない。本発明は、軟質であって高度に充填されており、しかも、製造操作において容易に加工処理することのできるパッドを製造することを狙いとする。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
　本発明のバルク層は、熱伝導性の充填剤（例えば、アルミナ、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、黒鉛、酸化亜鉛、アルミニウム、銅粉、銀粉、熱伝導性のセラミックス又は金属、及びそれらの配合物又は混合物）を含有するシリコーンエラストマーから成ることができる。しかし、上記に示すように、バルク層には、そのような充填剤が高濃度で使用されている。有用であるバルク層及び表面層のためのその他の樹脂は、ポリエチレン、エポキシ、アクリル、ポリウレタン、ポリエステル、又はポリブタジエンである。バルク層は、１〜１５Ｗ／ｍ．Ｋ．の範囲の熱伝導率と、約１０〜８０の範囲のショア００硬度とを有する。バルク層の厚さは典型的には、約１０〜２５０ミルの範囲にある。
【０００５】
　同様に、バルク層の表面または薄層は、類似の熱伝導性充填剤で充填されている。表面薄層には、バルク層と同様の樹脂系を使用することができるが、別個の異なった機械的性質を有する。バルク層の樹脂系と相溶性であるエポキシ、アクリル、ポリウレタン、ポリエステル又はエラストマーゴムを包含する他の樹脂系を使用することもできる。表面薄層は典型的には、約０．３〜５Ｗ／ｍ．Ｋ．の範囲の熱伝導率と、バルク層の硬度よりもかなり大きい硬度（例えば、約３０のショア００硬度〜６０のショアＡ硬度）とを有する。この表面薄層の性質のために、表面薄層を可とう性フィルムのホットメルトとして施与することが可能となる。これによって、バルク層、即ち中心層の熱的性能全体に悪影響を与えることはない。更に、表面薄層が典型的に約２〜５０μｍの厚さである限り、該表面薄層は、バルク層材料の硬度を変えないし増大させもしない。
【０００６】
　本発明の熱的インタフェースパッド(thermal interface pads)はとりわけ、低硬度のパッドを必要としている用途において有用である。本発明の複合材料は、優れた強度と可とう性とを有する表面薄層が形成されているため、その他の所望の物理的性質をも有している。皮膜引張り強さが小さいか、そうでなければ機械的強度に乏しいバルク層（即ち、中心層）を利用しているにも関わらず、これらの特徴のために、複合材料全体の寸法は安定する。更に、この表面薄層の性質によって、典型的なライナー材［例えば、標準的シリコーン剥離ライナー、及びＴｅｆｌｏｎ（登録商標）］を包含するライナーの表面に張り付くか、付着するか、またはブロックする傾向のあるバルク層の問題が排除され、従って、加工処理の後、又は、特定の最終用途の操作若しくは工程に引き続いて、ライナーから本発明の材料を容易に取り除くことが可能になる。更に、高強度を有する表面薄層が存在することによって、標準的シリコーン剥離ライナーから複合材料全体を容易に取り除くことが可能になる。表面薄層の性質によって更に、典型的なピック・アンド・プレイス(pick-and-place)製造の用途に耐え得るのに十分な寸法安定性が、該複合材料全体に与えられる。
【０００７】
　表面薄層の性質によって、高度に充填された材料及び／又は低度に架橋された材料を製造すること及び利用することが可能になる。これに関連し、従って、本発明に基づいて造られるインタフェースパッドは、取り付け操作が行われる表面のあらゆる微小空隙又は微小欠陥へフローする(flow)か、そうでなければ、その微小空隙又は微小欠陥に合致する(conform)。従って、本発明に基づいて造られるインタフェース素子では、バルク層の可とう性よりも大きい可とう性だけでなく、バルク層のモジュラスよりも大きいモジュラスをも有する表面薄層が利用される。この性質によって、境界面の熱抵抗は著しく減少し、従って、熱管理を目的とする複合材料全体の熱的性能が増大する。
【０００８】
　従って、本発明の第１の目的は、固体電子素子と放熱表面との向かい合った表面の間に配置される、改善されたインタフェース取り付け用パッドであって、該複合材料全体の機械強度を高めるために、優れた機械的性質に加えて優れた熱的性質を有する高度には充填されていない表面層が側面に配置されている、皮膜引張り強さの小さい高度に充填された中心バルク層から成る該パッドを提供することである。
【０００９】
　本発明の更なる目的は、ヒートシンク(heat sink)の諸表面に半導体素子を取り付けるのに使用するための、改善された熱的インタフェースパッドであって、優れた機械的性質（皮膜引張り強さを包含する）に加えて優れた熱的性質を有する該複合材料を提供することである。
【００１０】
　本発明の他の目的及び更なる目的は、明細書、特許請求の範囲及び添付図面から当業者には明らかであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
　（好ましい具体例の記述）
　本発明の好ましい具体例によると、図面に例示されているように、一般に１０で示される可とう性プラスチックの熱伝導性多層インタフェースパッドが例示される。パッド１０は、中心層又はバルク層１１を備えており、この中心のバルク層１１の向かい合った主表面に一体的に接合されている一対の熱伝導性表面薄層（１２及び１３）によって側面が防御されている。加えて、表面薄層（１２及び１３）の外側には剥離ライナー（１４及び１５）が配置されており、それによって、それら表面薄層の表面に保護性層が与えられる。
【００１２】
　バルク層は、好ましくは熱伝導性の超微粒子が濃密に充填された、ビニル及び水素化物を末端基とするポリメチルシロキサンを含有するシロキサンポリマーの混合物を含有する。大抵の用途に対して、超微粒子としてのアルミナが３．７５の密度を有すると仮定すると、シロキサン樹脂中に存在する該超微粒子は、約５００Ｐｈｒ〜２３００Ｐｈｒの範囲にある。容積尺度で、該超微粒子は、充填剤約１０〜８５容積％の範囲、好ましくは２０％〜８０％の範囲の量で存在する。ある特定の用途において、該超微粒子を、２種類の別個の粒径範囲で構成されている粒子の混合物として選定することができる。そのような用途の１つにおいて、大きい方の粒子は約５０μｍの平均直径を有し、この粒子は、約２μｍの平均直径を有する小さい方の粒子と混合される。大抵の用途のために、バルク層には幾分大きい（通常、平均直径が２μｍより大きい）粒子が利用される。それが利用される用途において、粒子の混合物は、バルク層の熱的性質が向上するのを助ける。また、２つの型(models)及び３つの型を有する混合物もまた有用である。
【００１３】
　それら表面薄層は、バルク層と異なる物理的性質及び／又は化学的性質を有し、バルク層と相溶することができる。表面薄層の皮膜引張り強さは大きいので、表面薄層はパッド全体の物理的性質を改善する。それら表面薄層のための諸物質の混合物は、熱伝導性粒子充填剤を、バルク層中の量よりも少ない量で（好ましくは約５容積％〜６０容積％の範囲で、一層好ましくは１０容積％〜４０容積％の範囲で）含有する。
【００１４】
　製法全体において、表面薄層をバルク層と対にする(mate)ためには、カレンダー操作(calendering operation)を利用することが好ましい。所望により、他の積層操作(laminating operations)を採用することができる。積層操作や対にする操作を迅速に行うために、原材料の取り扱いを容易にするため、当然ながら、それら表面薄層の外面に剥離ライナーを施すことが好ましい。
【００１５】
　（実施例）
　本発明の多層インタフェースを造るために試みられる操作の説明を容易にするために、次に具体的な実施例を記載する。
【００１６】
　（Ａ）バルク層
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【００１７】
　実際の製造では、樹脂成分と充填剤とを十分に混合することによって、反応物混合物を調製する。その後、反応抑制剤及び触媒を添加する。その後、反応生成物を、圧延するか、そうでなければ、平らにして、所望厚の厚さ（この場合、１０〜２５０ミル）を有するパッドにする。このパッドは、高度に充填されていて、低度の架橋結合と、３０〜６０のショア００（通常、約５０のショア００）の硬度とを有する。パッドの機械的性質のため、主としてパッドの皮膜引張り強さが小さいために、このパッドをＴｅｆｌｏｎ（登録商標）ライナーから剥離することは困難である。表面薄層を追加すれば、ライナーから該複合材料を剥離することが容易となり、取り扱いが容易となる。表面薄層を被覆したシリコーン剥離ライナーはまた、上記の例においてシリコーンゲル樹脂を使用したパッドを製造するのに役立つ。
【００１８】
　例Ｉの配合の変形バージョンにおいて、アルミナ粉末の充填剤を、２０００重量部（ｇ）以下の量まで増やすことができる。この量は、バルク層に望まれる、必要とされる熱に関する条件と物理的性質とによって決まる。
【００１９】
2004080040.tif 000004
【００２０】
　実際の製造では、樹脂成分と充填剤とを十分に混合することによって、反応物混合物を調製する。その後、反応抑制剤及び触媒を添加し、その後、反応生成物を、平らにするか又は圧延して、約１０〜２５０ミルの厚さを有するパッドにする。このバルク材料は低度に架橋結合されていて軟質であり、４０のショア００の目標硬度を有する。この製造物は、Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標）ライナーからうまく剥離するが、標準的シリコーン剥離ライナーからはうまく剥離しない。
【００２１】
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【００２２】
　実際の製造では、樹脂成分と充填剤とを十分に混合することによって、反応物混合物を調製する。その後、反応抑制剤及び触媒を添加し、その後、反応生成物を、圧延して、約１０〜２５０ミルの所望厚さを有するパッドにする。これは低度に充填された、弾性バルク材料である。それの接着性は、ライナー表面上で５０ｇ／インチより大きく、該材料を引伸ばして著しく変形させる。このため、ライナーから取り除いた後、使用することは困難になる。表面薄層によって、複合材料全体の標準ライナーからの剥離に要する力は３０ｇ／インチ未満まで減少する。
【００２３】
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【００２４】
　この配合物は、約７０のショア００硬度を有する。この材料を、市販の剥離ライナーに接着するか又は張り付けることによって、結果として該パッドは１０〜６０ミルの厚さで変形する。表面薄層は、３０ｇ／インチ未満の力での剥離によって、標準的シリコーン剥離ライナーから容易に取り除かれる。
【００２５】
　この例IVに基づく幾つかの配合物において、アルミナ充填剤の量は、所要とされる熱伝導性によって決まるが、２００重量部（ｇ）まで減らすことができる。そのような配合物は典型的には、約４０のショア００硬度を有し；また、標準的シリコーン剥離ライナーから容易に取り除かれるように、表面薄層を積層することができる。
【００２６】
　（Ｂ）表面薄層
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【００２７】
　この例で選定されるマイクロクリスタリンワックスは、５５℃の融点を有し、チョコスロバキア(CT)、ハートフォード(Hartford)のムーア・アンド・ミュンガー社(Moore and Munger Co.)から、商品名「Ｍ−７３３２」で市販されている。
　この例Ｖの配合物の幾つかの変形において、アルミナ含量は、１００重量部（ｇ）〜７２０重量部（ｇ）の量の範囲に及ぶことがあり、これは所要の熱的性能及び物理的性質によって決定される。
【００２８】
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【００２９】
　例Ｖの配合物（表面薄層）は、熱伝導性粒子充填剤の量を低減することによって、更に変性することができ、表示される量の黒鉛を使用した。結果は、例Ｖ（表面薄層）の結果に匹敵し、皮膜引張り強さが僅かに大きかった。
　この例VIの配合の変形において、黒鉛は、約９０〜１５０ｇの間の範囲で存在することができ、好ましくは約２０容積％の範囲である。黒鉛の量は、所望の熱的性能及び物理的性質によって決定する。
【００３０】
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【００３１】
　この配合物は、シリコーンバルク層と一層良好に対とすることができ、また、硬質の保護層を与える。
【００３２】
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【００３３】
　例VIIIの配合物は、選択されるバルク層と一緒に使用するための表面薄層を製造するために利用される。該バルク層のために選定されるエラストマーは常に、表面薄層のモジュラスよりもかなり小さいモジュラスを有することが注目される。この点に関し、表面薄層のために選択されるシリコーンエラストマーは典型的には、それが対になるバルク層のモジュラスより大きい約２０〜７０ｋＰａ（５〜１０ｐｓｉ）のモジュラスを有することがある。
【００３４】
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【００３５】
　例IXの配合物は、シリコーンエラストマーを選択したことを除き、例VIIIの配合物に類似したものであった。例IXの配合物において、選択したシリコーンエラストマーは、７０〜１００ｋＰａ（１０〜１５ｐｓｉ）のモジュラスを有していた。この配合物から製造された表面薄層材を用いて達成された結果は、例VIIIの配合物から得られた硬度よりも増大した硬度を示した。
【００３６】
　例Ｉ〜例IXの、各々の表面薄層反応生成物を、所望の厚さで剥離フィルムに施与し、その後、予備的形成品の上部表面薄層及び下部表面薄層を形成するために、バルク層と直接に接触させて配置することができる。類似した表面薄層又は選択された異種の表面薄層を、任意のバルク層のために利用することができる。また、表面薄層の選択は当然、機械的性質（例えば、硬度、熱的性質等）を包含する最終用途の必要条件によって決まる。それら外側に剥離フィルムを配置し、予備的形成品は次いで、カレンダーにかけて所望の仕上げ厚さにする。取り扱いは、諸剥離ライナーが存在するので容易となる。本発明の諸表面薄層と一緒に使用する諸剥離ライナーは、標準的シリコーンフィルム又はポリエステルフィルム［例えば、応力配向ポリエチレンテレフタレート（Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標））］から製造することが好ましい。
【００３７】
　接合技術
　例IVの反応生成物を含有する表面薄層を、例Ｉのバルク層の向かい合った主表面に施与した。露出した各々の表面薄層を、１〜５ミルのシリコーン剥離ライナーの剥離ライナーで被覆した。３ミルのシリコーン剥離ライナーを、０．３ミル〜３ミルの間の表面薄層と一緒に使用するとうまく適合することが分かった。この複合材料を次いで、一対の調整済みピンチローラを通過させ、全体の厚さを５〜２０ミルに圧縮した。結果として、０．５〜２５Ｗ／ｍ-Ｋの、全体の（即ち、複合材料の）熱伝導率を有する、非常に均一で可とう性の取り付け用パッドが得られた。１つの用途において、３８ミルの厚さを有するバルク層（例Ｉ）は、諸表面薄層であって、各々が１．０ミルであり（例IV）各々が３．０ミルのシリコーン剥離ライナーを備えている該表面薄層によって側面が防御され、一対の調整済みピンチローラを通過させ、全体の厚さを４０ミルに圧縮した。複合材料積層物の最終厚さは、製品に意図されている特定の用途により決定される。
【００３８】
　それらパッドの機械的性質は優れており、該剥離ライナーは、如何なるブロッキングの形跡もなく、諸表面薄層から容易に取り外すことができた。
【００３９】
　バルク層は、大抵の用途のためには、約５〜２５０ミルの厚さを有するのが好ましく、相溶性(compatible)の表面薄層を該バルク層に施す。表面薄層の厚さは、大抵の目的のためには、約０．１〜２ミルの範囲であるのが有用であることが分かった。一層薄いバルク層を有する積層物のために選定される表面薄層の事実上の厚さは、該バルク層に施与されるそれ相応に一層薄くなることはよく理解されるであろう。一層厚い厚さ寸法を有するこれら構成要素については、逆が当てはまる。
【００４０】
　従って、上記の諸例は、単に説明することを目的として与えられており、特許請求の範囲を制限するものと解釈されるべきではなく、本発明は他の態様を包含する。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明に基づいて造られた典型的なインタフェース取り付け用パッドを例示しており、個々の層が断面で示されている、部分的拡大断面の斜視図である。
【００４２】
　１０　パッド
　１１　バルク層
　１２　熱伝導性表面薄層
　１３　熱伝導性表面薄層
　１４　剥離ライナー
　１５　剥離ライナー
【図１】
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