(57)【要約】【課題】量産性に優れ、低熱抵抗化及び高信頼性を実現できる熱伝導接合材、並びに、この熱伝導接合材を用いた発熱体及び放熱体の実装方法を提供する。【解決手段】  熱伝導性に優れた熱伝導性粒子１１（銅粒子）の表面をシリコンチップ２の動作時の温度より融点が低い低融点金属１２（Ｉｎ−Ｓｎ−Ｂｉ合金）で被覆してなるフィラー１０をシリコンチップ２の動作時の温度より硬化温度が低い熱硬化性樹脂１３中に分散させた熱伝導接合材１を、シリコンチップ２に塗布する（ａ）。塗布した熱伝導接合材１を介在させてシリコンチップ２とヒートシンク４とを位置合わせした後（ｂ）、加熱処理は施さずに。両者を接合させる（ｃ）。シリコンチップ２を動作させ、この動作時にシリコンチップ２から発生する熱により、低融点金属１２を溶融させて金属接続を得ると共に、熱硬化性樹脂１３を硬化させる（ｄ）。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱体と放熱体との間に介在され、前記発熱体からの熱を前記放熱体へ伝導する熱伝導接合材において、
熱伝導性材の表面を該熱伝導性材より融点が低い金属で被覆してなるフィラーを樹脂中に分散させた材料からなることを特徴とする熱伝導接合材。
【請求項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記載の熱伝導接合材。
【請求項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記載の熱伝導接合材。
【請求項４】
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熱伝導性材の表面に被覆してなるフィラーを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。
【請求項５】
前記樹脂は、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請求項４記載の実装方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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熱するために、発熱体と放熱体との間に介在させる熱伝導接合材、及び、この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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【特許文献１】特開２００４−３３５８７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。また、上述のはんだフィラーと熱伝導性フィラーの各々を個別に混合した場合には、樹脂材料内部ではんだフィラーと熱伝導性フィラーとが均一に分散しない。このためにチップが発熱した熱を容易に伝えることができないという問題があった。
【０００６】
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熱伝導接合材、及び、この熱伝導接合材を用いた実装方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る熱伝導接合材は、発熱体と放熱体との間に介在され、前記発熱体からの熱を前記放熱体へ伝導する熱伝導接合材において、熱伝導性材の表面を該熱伝導性材より融点が低い金属で被覆してなるフィラーを樹脂中に分散させた材料からなることを特徴とする。
【０００８】
本発明の熱伝導接合材は、熱伝導性材より融点が低い低融点金属を熱伝導性材の表面に被覆してなるフィラーを樹脂中に分散させて構成されている。この熱伝導接合材を使用した場合、熱伝導接合材中の熱伝導性材は接触でなく、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、樹脂中に分散させるフィラーは１種類であり、均一に分散する。したがって、接合後の金属接続状態を均一にでき、場所によって熱伝導性が異なることはない。
【０００９】
本発明に係る熱伝導接合材は、前記金属の融点が、６０〜１００℃であることを特徴とする。
【００１０】
本発明の熱伝導接合材では、熱伝導性材の表面に被覆さ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も、この低融点金属は容易に溶融する。
【００１１】
本発明に係る熱伝導接合材は、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。
【００１２】
本発明の熱伝導接合材では、熱伝導性材の表面に被覆される融点が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、発熱体の動作時にあっても容易に溶融する。
【００１３】
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熱伝導性材の表面に被覆してなるフィラーを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。
【００１４】
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熱伝導性材の表面に被覆させたフィラーを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。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材は接触でなく、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、樹脂中のフィラーは１種類であって均一に分散するため、接合後の金属接続状態を均一にでき、場所によって熱伝導性が異なることはない。
【００１５】
本発明に係る実装方法は、前記樹脂が、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。
【００１６】
本発明の実装方法では、樹脂の硬化温度が発熱体の動作時の温度より低い。よって、発熱体の動作時に、低融点金属を溶融させると共に樹脂の硬化を行う。よって、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。
【発明の効果】
【００１７】
本発明では、低融点金属を熱伝導性材の表面に被覆させたフィラーを樹脂中に分散させてなる材料を熱伝導接合材としたので、熱伝導接合材中の熱伝導性材は接触でなくて低融点金属により金属接続されるため、熱が伝わりやすくて熱抵抗は低くなり、良好な放熱特性を得ることができる。また、樹脂中に分散させるフィラーは１種類であるため均一に分散することができ、接合後に均一な金属接続状態を実現でき、接合構造全体に均一な熱伝導性を得ることができる。
【００１８】
また、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熱伝導性材の表面に被覆させたフィラーを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。また、１種類であるフィラーは樹脂中に均一に分散しているため、実装後に均一な金属接続状態を実現でき、全体に均一な熱伝導性を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
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、本発明に係る熱伝導接合材の構成を示す図であり、図１（ａ）は加熱前の構成、図１（ｂ）は加熱後の構成をそれぞれ示している。
【００２０】
熱伝導接合材１は、熱伝導性材としての熱伝導性粒子１１の表面を低融点金属１２で被覆してなるフィラー１０を、ベース樹脂としての熱硬化性樹脂１３中に分散させた構成をなしている（図１（ａ）参照）。
【００２１】
熱伝導性粒子１１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、熱伝導性粒子１１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、酸化亜鉛などの無機フィラーを使用できる。低融点金属１２は、後述する発熱体としてのシリコンチップ２の動作時の発熱温度より低い融点（約６０〜１００℃）を有しており、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を使用できる。熱硬化性樹脂１３は、シリコンチップ２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。
【００２２】
なお、熱伝導接合材１におけるフィラー１０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。複数種のフィラーを樹脂中に分散させる場合には、それらの各種のフィラーの均一な分散は困難であるが、本発明ではこの場合とは異なり、１種類のフィラー１０のみを熱硬化性樹脂１３中に分散させるので、多数のフィラー１０を均一に分散させることは容易である。
【００２３】
このような構成の熱伝導接合材１を加熱した場合、熱伝導性粒子１１表面の低融点金属１２が溶融して熱伝導性粒子１１同士が金属接続する（図１（ｂ）参照）。この際、熱硬化性樹脂１３は硬化する。
【００２４】
次に、上述したような構成を有する熱伝導接合材１を用いる本発明の実装方法について説明する。図２は、本発明に係る実装方法の工程の一例を示す図である。
【００２５】
まず、発熱体であるシリコンチップ（半導体素子）２の一面（上面）に、熱伝導接合材１を塗布する（図２（ａ））。シリコンチップ２の他面（下面）には、複数のバンプ２１が形成され、各バンプ２１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２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。
【００２６】
次いで、熱伝導接合材１を介在させて、シリコンチップ２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２（ｂ））、両者を接合させる（図２（ｃ））。この際、加熱処理は必要ない。
【００２７】
その後、接合後のシリコンチップ２の作動試験においてシリコンチップ２を動作させる。このシリコンチップ２の動作時に、シリコンチップ２から発生する熱によって、熱伝導性粒子１１表面の低融点金属１２が溶融して熱伝導性粒子１１同士、熱伝導性粒子１１とシリコンチップ２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１３が硬化する（図２（ｄ））。
【００２８】
以上のように、本発明では、シリコンチップ２（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１３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。
【００２９】
また、１種類のフィラー１０が均一に分散されているので、接合後の金属接続状態を均一にでき、場所によって熱伝導性が異なるような不具合は生じず、全体に均一な熱伝導性を実現することができる。
【００３０】
また、本実施の形態では、熱硬化性樹脂１３がマイクロカプセル型硬化剤を含有しているので、シリコンチップ２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１３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。
【００３１】
なお、上記実施の形態では、発熱体（シリコンチップ２）に熱伝導接合材１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１を塗布しても良く、また、発熱体（シリコンチップ２）及び放熱体（ヒートシンク４）の両方に熱伝導接合材１を塗布するようにしても良い。
【実施例】
【００３２】
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。
【００３３】
（実施例１）
以下の成分からなる熱伝導接合材１を作製した。
フィラー（フィラー１０）
・銅粒子からなる熱伝導性粒子１１（平均粒径：１０μｍ）の表面をＩｎ−Ｓｎ−Ｂ      ｉ合金（融点：６０℃）からなる低融点金属１２でメッキしたもの
樹脂（熱硬化性樹脂１３）
・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
【００３４】
上記成分を有する樹脂に対して、上記フィラー１０を５０体積％添加して熱伝導接合材１を作製した。作製した熱伝導接合材１を用いて、前述した実装工程の手順（図２（ａ）〜（ｄ）参照）に従って、シリコンチップ２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２（ｄ）参照）の熱特性を測定した。
【００３５】
接合部の熱抵抗を測定した結果、０．０３℃・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。また、熱伝導特性は、何れの場所でも均一であった。
【００３６】
（比較例１）
Ｉｎ−Ｓｎ−Ｂｉ合金製の第１フィラー（融点：６０℃、平均粒径：１０μｍ）と、表面を銀メッキした銅製の第２フィラー（平均粒径：３５μｍ）との２種類のフィラーを、実施例１と同様の樹脂に５０体積％分散させて熱伝導接合材を作製した。なお、第１フィラーと第２フィラーとの配合比率は１：１とした。
【００３７】
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０．０６℃・ｃｍ2 ／Ｗであり、実施例１と比較して高かった。また、場所による熱伝導特性のばらつきが見られた。
【００３８】
実施例１の方が、比較例１に比べて熱抵抗は低かった。これは、実施例１のフィラーは熱伝導性が高い銅フィラーにて実質的に構成されているが、比較例１では銅フィラーの他に熱伝導性が低いＩｎ−Ｓｎ−Ｂｉフィラーを含有させており、熱伝導性が高い銅フィラーの含有割合に違いがあるからと考えられる。また、比較例１で熱伝導特性にばらつきが見られたのは、比較例１では２種類のフィラーを含有させたのでフィラーの分散が不均一となったことに起因すると考えられる。これに対して、実施例１では、フィラーが１種類であり、全体に均一な熱伝導特性を得ることができている。
【００３９】
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）  発熱体と放熱体との間に介在され、前記発熱体からの熱を前記放熱体へ伝導する熱伝導接合材において、熱伝導性材の表面を該熱伝導性材より融点が低い金属で被覆してなるフィラーを樹脂中に分散させた材料からなることを特徴とする熱伝導接合材。  （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記載の熱伝導接合材。
（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記載の熱伝導接合材。
（付記４）  前記熱伝導性材は、銅、銀、金、若しくはアルミニウムの金属フィラー、または、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の何れかに記載の熱伝導接合材。
（付記５）  前記フィラーの割合が５０体積％以上であることを特徴とする付記１乃至４の何れかに記載の熱伝導接合材。
（付記６）  前記樹脂は、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の何れかに記載の熱伝導接合材。
（付記７）  前記樹脂の硬化温度は、６０〜１００℃であることを特徴とする付記１乃至６の何れかに記載の熱伝導接合材。
（付記８）  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熱伝導性材の表面に被覆してなるフィラーを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９）  前記樹脂は、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８記載の実装方法。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明に係る熱伝導接合材の構成を示す図である。
【図２】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】
【００４１】
１  熱伝導接合材
２  シリコンチップ（発熱体）
４  ヒートシンク（放熱体）
１０  フィラー
１１  熱伝導性粒子（熱伝導性材）
１２  低融点金属（金属）
１３  熱硬化性樹脂
【図１】
2007189154.tif 000003
【図２】
2007189154.tif 000004