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JP-2026076569-A - 組成物、電子部品および半導体デバイス

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Abstract

【課題】 Ｇａ（ガリウム）又はＧａ合金と、熱伝導性セラミックスフィラーとを含む組成物において、操作性・作業性に優れる組成物を提供すること。 【解決手段】 （Ａ）Ｇａ又はＧａ合金と、（Ｂ）熱伝導性セラミックスフィラーと、（Ｃ）融点が９００℃以上の金属粉とを含む、組成物。 【選択図】 なし

Inventors

  • 加藤 大樹
  • 坂本 淳

Assignees

  • 株式会社トクヤマ

Dates

Publication Date
20260512
Application Date
20241024

Claims (6)

  1. （Ａ）Ｇａ又はＧａ合金と、（Ｂ）熱伝導性セラミックスフィラーと、（Ｃ）融点が９００℃以上の金属粉とを含む、組成物。
  2. 前記（Ｃ）融点が９００℃以上の金属粉は、第４周期および第５周期に属する遷移金属を含む、請求項１に記載の組成物。
  3. 前記（Ｂ）熱伝導性セラミックスフィラーの充填率が２５～７０体積％であることを特徴とする、請求項１に記載の組成物。
  4. 前記（Ｃ）融点が９００℃以上の金属粉の充填率が１～２０体積％であることを特徴とする、請求項１に記載の組成物。
  5. 請求項１～４のいずれか一項に記載の組成物を含む、電子部品。
  6. 請求項１～４のいずれか一項に記載の組成物を含む、半導体デバイス。

Description

本発明は、液体金属と熱伝導性セラミックスフィラーを含む組成物、および該組成物を含む電子部品並びに半導体デバイスに関する。 電子機器の高機能化・高性能化に伴い、電子部品の小型化・高密度化が進んでいる。そのため、電子部品から生じる熱をより効率的に放熱することが重要となる。 例えば、電子部品から発生する熱を効率的に放熱するために、サーマルインターフェースマテリアルが利用されている。サーマルインターフェースマテリアルは、半導体素子から生じる熱をヒートシンク又は筐体等に逃がす経路の熱抵抗を緩和するための材料であり、シート、ゲル、グリースなど多様な形態が用いられている。サーマルインターフェースマテリアルとしては、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂などに、金属フィラー、セラミックスフィラー、ダイヤモンドなどの熱伝導性充填剤を充填した組成物が知られている。 例えば特許文献１では、２５℃での動粘度が１０～５００，０００ｍｍ２／ｓのオルガノポリシロキサン、平均粒径が０．０１～１００μｍの熱伝導性充填剤、融点が－２０～１００℃のガリウム又はガリウム合金、特定の構造を備えるアルコキシシラン化合物を含む熱伝導性シリコーン組成物に関する発明が開示されている。特許文献１に記載の熱伝導性充填剤は、具体的には、酸化亜鉛、アルミナ、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、水酸化アルミニウム、酸化マグネシウムなどであり、該熱伝導性充填剤と、ガリウム又はガリウム合金は、主として、シリコーン組成物の熱伝導率向上の役割を果たすものである。 特開２０２３－１６０２６７号公報 以下、本発明の実施形態の一例について詳細に説明する。ただし、本発明は次に説明する実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、任意に変形して実施することができる。 （Ａ）Ｇａ又はＧａ合金 本発明の組成物は、（Ａ）Ｇａ又はＧａ合金を含む。Ｇａ合金は、Ｇａを含むものであれば特に制限なく使用することが可能である。（Ａ）Ｇａ又はＧａ合金は、樹脂よりも熱伝導率が高いため、樹脂に窒化アルミニウムなどの熱伝導性セラミックスフィラーを充填した従来の組成物などよりも、組成物の熱伝導率を高くすることができる。 （Ａ）Ｇａ又はＧａ合金の融点は、特に限定されないが、－２５～６０℃であることが好ましく、－２０～４０℃であることがより好ましい。Ｇａ又はＧａ合金の融点は、上記範囲内であると、熱伝導性セラミックスフィラーとの組成物を作製する際に、融解しやすいため、作業性が向上する。 Ｇａは金属ガリウムであり、融点は２８～３０℃である。また、Ｇａ合金の融点は、Ｇａ合金の組成により調整することができる。なお、融点は、例えば、示差走査熱量測定（ＤＳＣ）により確認することができる。 （Ａ）Ｇａ又はＧａ合金の中でも、融点が低く、組成物の流動性を高める観点から、Ｇａ合金が好ましい。Ｇａ合金は、ＧａとＧａ以外の他の金属との合金である。他の金属としては、特に限定されるものではないが、例えば、Ｉｎ（インジウム）、Ｓｎ（スズ）、Ｚｎ（亜鉛）、Ｂｉ（ビスマス）からなる群から選択される１種又は２種以上の金属が挙げられる。Ｇａ合金としては、例えば、Ｇａ－Ｉｎ（ガリウム－インジウム合金）、Ｇａ－Ｉｎ－Ｓｎ（ガリウム－インジウム－スズ合金）、Ｇａ－Ｓｎ－Ｚｎ（ガリウム－スズ－亜鉛合金）、Ｇａ－Ｉｎ－Ｂｉ－Ｓｎ（ガリウム－インジウム－ビスマス－スズ合金）などが挙げられる。これらの中でも、入手容易性の観点から、Ｇａ－Ｉｎ－Ｓｎ（ガリウム－インジウム－スズ合金）が好ましい。Ｇａ合金におけるＧａの割合は、特に限定されず、Ｇａ合金の融点及び熱伝導率の調整の観点から適宜調整すればよいが、例えば、５質量％以上であり、好ましくは３０質量％以上であり、より好ましくは５０質量％以上である。 本発明の組成物における（Ａ）Ｇａ又はＧａ合金の量は、特に限定されないが、好ましくは２５体積％以上７０体積％以下であり、より好ましくは３５体積％以上６０体積％以下である。（Ａ）Ｇａ又はＧａ合金の量をこれらの範囲内とすることで、良好な流動性と、高い熱伝導率を兼ね備える組成物とすることができる。 （Ｂ）熱伝導性セラミックスフィラー 本発明の組成物は、（Ｂ）熱伝導性セラミックスフィラーを含む。（Ｂ）熱伝導性セラミックスフィラーは、高い熱伝導率を備えることから、該熱伝導性セラミックスフィラーを含有する組成物は、放熱性に優れる。 （Ｂ）熱伝導性セラミックスフィラーは、公知のものが使用可能であり、例えば、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化ケイ素、酸化アルミニウム（アルミナ）、酸化マグネシウム、酸化亜鉛、シリカ、炭化ケイ素、ダイヤモンドが挙げられ、中でも窒化アルミニウム、窒化ホウ素、アルミナ、酸化亜鉛、炭化ケイ素、ダイヤモンドが好ましく、窒化アルミニウム、ダイヤモンドが特に好ましい。これらの熱伝導性セラミックスフィラーとしては、市販のものを特に制限なく利用することができる。また、熱伝導性セラミックスフィラーは、複数種類のものを組み合わせて用いることもできる。 （Ｂ）熱伝導性セラミックスフィラーのＤ５０の下限値は、特に限定されないが、０．５μｍ以上であることが好ましく、１μｍ以上であることがより好ましく、５μｍ以上であることがさらに好ましい。Ｄ５０が、これら下限値以上であると、組成物の熱伝導率を高めやすくなる。（Ｂ）熱伝導性セラミックスフィラーのＤ５０の上限値は、特に限定されないが、１５０μｍ以下であることが好ましく、１２５μｍ以下であることがより好ましく、１００μｍ以下であることがさらに好ましい。Ｄ５０が、これら上限値以下であると、組成物を厚みの薄いサーマルインターフェースマテリアルとして使用しやすくなる。 本明細書におけるＤ５０は、レーザー回折・散乱法により求めた粒度分布曲線における、体積累積が５０％となる粒径である。Ｄ５０は、例えば、熱伝導性セラミックスフィラーを分散させた溶液を試料として得て、該試料の粒度分布を、レーザー回折型粒度分布測定装置を用いて測定し、得られた粒度分布曲線から求めることができる。 本発明の組成物における（Ｂ）熱伝導性セラミックスフィラーの充填率は、特に限定されないが、組成物の流動性、及び、組成物の熱伝導率の向上の観点から、組成物全体に対して、好ましくは２５体積％以上７０体積％以下であり、より好ましくは３５体積％以上６０体積％以下である。 （Ｃ）融点が９００℃以上の金属粉 本発明の組成物は、（Ｃ）融点が９００℃以上の金属粉を含む。このような金属粉を含むことによって、流動性に優れる組成物とすることができる。この理由は明らかではないが、本発明者らは以下のように考えている。なお、本発明は、以下に限定されない。 （Ａ）Ｇａ又はＧａ合金は、界面張力が大きいため、（Ｂ）熱伝導性セラミックスフィラー表面への濡れ性は悪い。そのため、（Ａ）Ｇａ又はＧａ合金と、（Ｂ）熱伝導性セラミックスフィラーを混合しても、うまく馴染まず、流動性に優れた組成物が得られにくいと考えられる。他方、金属粉に対しては、金属同士であるため濡れやすい。そのため、金属粉を（Ａ）Ｇａ又はＧａ合金に添加すると、（Ａ）Ｇａ又はＧａ合金の粘度が上昇して界面張力が低下し、（Ｂ）熱伝導性セラミックスフィラー表面への濡れ性が改善し流動性が改善され、せん断力がかかった場合に（Ａ）Ｇａ又はＧａ合金と（Ｂ）熱伝導性セラミックスフィラーが分離することを防止できると考えられる。 ここで、（Ａ）Ｇａ又はＧａ合金は、融点が低く、他の金属と混合しやすく、合金化が進行しやすい。特に、融点が低い金属とは容易に合金化が進行し、例えば、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｂｉは融点が５００℃以下と低い金属であり、（Ａ）Ｇａ又はＧａ合金に容易に溶解して合金を形成する。また、融点が低い金属では、結晶粒界が不安定になりやすいため、Ｇａが金属格子に容易に拡散・侵食して金属内部から合金化が進行しやすい。例えば、ＧａはＡｌ（アルミニウム）の結晶粒界に侵食することでＡｌを脆化させるため、容易に合金が形成される。この合金化は、組成物の流動性に悪影響を及ぼすため、融点が低い金属粉を使用しても優れた流動性を有する組成物とすることができない。一方、（Ｃ）融点が９００℃以上の金属粉であれば、（Ａ）Ｇａ又はＧａ合金と合金を形成しにくいため、前記の悪影響を避けつつ、（Ａ）Ｇａ又はＧａ合金と（Ｂ）熱伝導性セラミックスフィラーとの馴染みを改善することが可能となり、流動性に優れる組成物を提供することができると推察される。 （Ｃ）融点が９００℃以上の金属粉は、第４周期および第５周期に属する遷移金属であることが好ましい。第４周期および第５周期に属する遷移金属は、ｄ軌道電子を有するが、これは外部のｓ軌道にも分布する。この多数の電子が広く分布する性質により、金属結合に関与する電子多く、結合力の増大に寄与するため、第４周期および第５周期に属する遷移金属は典型金属に比べて高い融点を示す。実際、第４周期および第５周期に属する遷移金属は、全て融点が９００℃以上である。なお、本明細書における第４周期および第５周期に属する遷移金属は、第４周期および第５周期に属する第３族から第１１族までの金属であり、スカンジウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、イットリウム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、テクネチウム、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀がこれに該当する。本発明においては、入手容易性の観点から、（Ｃ）融点が９００℃以上の金属粉としてチタン、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ニオブ、モリブデン、銀を含むことが好ましく、クロム、ニッケル、銅、銀を含むことが特に好ましい。 （Ｃ）融点が９００℃以上の金属粉としては、市販のものを特に制限なく利用することができる。また、金属粉は、複数種類のものを組み合わせて用いることもできる。さらに、２種以上の金属からなる合金であってもよい。特に好ましくは、クロム粉、ニッケル粉、銅粉、銀粉である。 （Ｃ）融点が９００℃以上の金属粉は、融点の上限は特に限定されないが、例えば３０００℃以下とすることができる。 （Ｃ）融点が９００℃以上の金属粉の粒径は、特に限定されないが、０．１μｍ以上２００μｍ以下であることが好ましく、０．５μｍ以上１７５μｍ以下であることがより好ましく、１μｍ以上１５０μｍ以下であることがさらに好ましい。粒径がこれら範囲内であると、良好な流動性を有する組成物とすることが容易となる。 なお、本明細書における粒径は、倍率５００倍で撮影した走査型電子顕微鏡画像において観察される粒子の長径である。粒子を１００個以上観察し、各々の粒子について長径を計測して得られた個数頻度の粒径分布において、小さい方からの累計で９０％となる粒子の長径を粒径とする。 本発明の組成物における（Ｃ）融点が９００℃以上の金属粉の充填率は、特に限定されないが、組成物の流動性、及び、組成物の熱伝導率の向上の観点から、組成物全体に対して、好ましくは１体積％以上２０体積％以下であり、より好ましくは２体積％以上１０体積％以下である。 （その他成分） 本発明の組成物は、本発明の効果を阻害しない範囲で、（Ａ）Ｇａ又はＧａ合金、（Ｂ）熱伝導性セラミックスフィラー、（Ｃ）融点が９００℃以上の金属粉以外の成分を含んでいてもよい。その他の成分としては、例えば、分散剤、酸化防止剤、及び着色剤などが挙げられる。 また、本発明の組成物には、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂などの有機物を含有させてもよいが、組成物の熱伝導率及び流動性を良好にする観点から、有機物の量はできる限り少量とすることが好ましい。本発明の組成物における、有機物の量は、好ましくは５質量％以下であり、より好ましくは１質量％以下であり、さらに好ましくは０質量％である。 また、本発明の組成物には、融点が９００℃未満の金