DE60200630T2

DE60200630T2 - Wärmeleitende Siliconzusammensetzung und Halbleiteranordnung

Info

Publication number: DE60200630T2
Application number: DE2002600630
Authority: DE
Inventors: Kunihiro Usui-gun Yamada; Kenichi Usui-gun Isobe
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 2001-05-01
Filing date: 2002-04-29
Publication date: 2005-06-30
Anticipated expiration: 2022-04-30
Also published as: US20030049466A1; DE60200630D1; JP3580366B2; EP1254924A1; US6649258B2; EP1254924B1; JP2002327116A; TWI303261B

Description

Diese Erfindung betrifft Siliconzusammensetzungen mit Wärmeleitfähigkeit und Halbleitervorrichtungen unter Verwendung derselben.
IC-Einheiten, wie beispielsweise Prozessoren (CPU) und andere auf Printplatten montierte elektronische Bauteile, verlieren durch den Temperaturanstieg aufgrund der während des Betriebs erzeugten Wärme an Leistung oder fallen sogar aus. Nach dem Stand der Technik werden wärmeableitende Platten oder Schmiere mit guter Wärmeleitfähigkeit zwischen der IC-Einheit und dem mit Rippen versehenen Kühlkörper vorgesehen. Die wärmeableitenden Platten weisen den Vorteil auf, dass sie leicht zu montieren sind. Da die Oberfläche einer CPU oder eines mit Rippen versehenen Kühlkörpers trotz der anscheinenden Ebenheit mikroskopisch kleine Unregelmäßigkeiten aufweist, ist es in der Praxis schwierig, die wärmeableitende Platte gut mit der daran befestigten Oberfläche zu verbinden, und oft verbleibt ein Zwischenraum dazwischen. Das bringt den Nachteil mit sich, dass die wärmeableitende Platte nicht die gewünschte wärmeableitende Wirkung entfalten kann. Eine typische Lösung, die bisher vorgeschlagen worden ist, besteht in der Bereitstellung einer wärmeableitenden Platte mit einer druckempfindlichen Kleberschicht, um eine bessere Verbindung zu erzielen, was jedoch immer noch unzureichend ist. Die wärmeableitende Schmiere kann ungeachtet der Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche in engem Kontakt mit der Oberfläche einer CPU und eines mit Rippen versehenen Kühlkörpers stehen, kann jedoch benachbarte Teile verunreinigen und bei Langzeiteinsatz zur Problemen mit austretendem Öl führen. Um diese Probleme zu überwinden, schlagen die JP-A 61-157569 und 8-208993 die Verwendung von flüssigen Siliconkautschukzusammensetzung als Einbettmittel oder Klebstoff vor. Diese flüssigen Siliconkautschukzusammensetzungen weisen jedoch aufgrund des verringerten Gehalts an wärmeleitendem Füllstoff nur geringe Wärmeleitfähigkeit auf. Aufgrund der Wärmeabgabe von einer CPU und von Feuchtigkeit in der Umgebungsluft neigen die flüssigen Siliconkautschukzusammensetzungen im gehärteten Zustand dazu, allmählich hart zu werden, und verlieren schließlich ihre Elastizität, so dass sie vom Substrat oder von der CPU abblättern. Somit erhöhen diese Zusammensetzungen im Lauf der Zeit ihren Wärmeleitwiderstand.
Allgemein besteht das Ziel der Erfindung in der Bereitstellung von wärmeleitenden Siliconzusammensetzungen, die Wärmeleitfähigkeit – vorzugsweise bessere als bei bisherigen derartigen Zusammensetzungen – mit Elastizität verbinden, die vorzugsweise aufrechterhalten wird, selbst wenn sie über einen längeren Zeitraum Wärme ausgesetzt sind. Zu schützende Aspekte umfassen die ungehärteten und gehärteten Zusammensetzungen, Gegenstände und insbesondere Filme aus der gehärteten Zusammensetzung, Verfahren zu ihrer Herstellung und Verwendung, Halbleiter oder IC-Vorrichtungen, die diese enthalten, sowie die Herstellung solcher Vorrichtungen.
Die Erfindung betrifft eine Siliconzusammensetzung vom Additionsreaktionstyp, die Organopolysiloxan mit zumindest zwei Alkenylgruppen pro Molekül und Organohydrogenpolysiloxan mit zumindest zwei an Siliciumatome gebundenen Wasserstoffatomen pro Molekül enthält. Durch gemeinsame Verwendung von Organohydrogenpolysiloxanen der folgenden allgemeinen Formeln (1) und (2), Einmischen eines Gemischs aus Aluminiumpulver und Zinkoxidpulver als Füllstoff und gegebenenfalls Einmischen eines eine langkettige Alkylgruppe enthaltenden Organosilans der folgenden allgemeinen Formel (3) wird eine wärmeleitende Siliconzusammensetzung erhalten, die aufgrund eines möglichen Erhöhung der eingemischten Füllstoffmenge gute Wärmeleitfähigkeit aufweist und ihre Elastizität beibehält, selbst wenn sie über einen längeren Zeitraum Wärme ausgesetzt ist. Effiziente Wärmeableitung wird erzielt, indem ein gehärteter Film aus der wärmeleitenden Siliconzusammensetzung zwischen einem Halbleiterchip und einem Wärmeableiter bereitgestellt wird. Genauer gesagt wird bei einem Wärmeableitermittel für eine IC-Einheit, die eine auf einer Printplatte befestigte IC-Einheit und einen auf der Oberfläche der IC-Einheit vorhandenen Wärmeableiter umfasst, die wärmeleitende Siliconzusammensetzung zwischen der IC-Einheit und dem Wärmeableiter eingegossen und wärmegehärtet, um einen gehärteten Film mit einer Dicke von beispielsweise 10 bis 100 μm herzustellen.
Demgemäß umfasst ein Aspekt hierin eine wärmeleitende Siliconzusammensetzung, umfassend:

(A) 100 Gewichtsteile Organopolysiloxan, das zumindest zwei Alkenylgruppen pro Molekül enthält und eine Viskosität von 10 bis 100.000 mm²/s bei 25°C aufweist,
(B) Organohydrogenpolysiloxan der allgemeinen Formel (1):
worin R¹ eine Alkylgruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen ist, n und m positive Zahlen sind, für die gilt: 0,01 ≤ n/(n + m) ≤ 0,3,
(C) Organohydrogenpolysiloxan der allgemeinen Formel (2):
worin R² eine Alkylgruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen ist, und k eine positive Zahl von 5 bis 1.000 ist,

(D) 800 bis 1.200 Gewichtsteile eines Füllstoffs, der aus Aluminiumpulver mit einer mittleren Teilchengröße von 0,1 bis 50 μm und Zinkoxidpulverfüllstoff mit einer mittleren Teilchengröße von 0,1 bis 5 μm in einem Gewichtsverhältnis von 1 : 1 bis 10 : 1 besteht,
(E) einen Katalysator, der aus der aus Platin und Platinverbindungen bestehende Gruppe ausgewählt ist, beispielsweise in einer Menge, um bezogen auf das Ge wicht von Komponente (A) 0,1 bis 500 ppm elementares Platin zu ergeben, sowie vorzugsweise auch
(F) 0,01 bis 1 Gewichtsteile eines Reglers zur Unterdrückung der katalytischen Aktivität von Komponente (E). Die Zusammensetzung weist eine Viskosität von 50 bis 1.000 Pa·s bei 25°C auf.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Zusammensetzung außerdem (G) 0,01 bis 10 Gewichtsteile Organosilan der allgemeinen Formel (3): R³ _aR⁴ _bSi(OR⁵)_4–a–b (3)worin R³ eine Alkylgruppe mit 6 bis 15 Kohlenstoffatomen ist, R⁴ eine einwertige Kohlenwasserstoffgruppe mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen ist, R⁵ eine Alkylgruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen ist, "a" eine ganze Zahl von 1 bis 3 ist, "b" eine ganze Zahl von 0 bis 2 ist und a + b eine ganze Zahl von 1 bis 3 ist.
Auch eine Halbleitervorrichtung, die eine auf einer Printplatte montierte IC-Einheit und einen Wärmeableiter umfasst, um Wärme von der IC-Packung abzuleiten, ein gehärteter Film aus der oben definierten wärmeleitenden Siliconzusammensetzung mit einer Dicke von 10 bis 100 μm, die zwischen der IC-Einheit und dem Wärmeableiter angeordnet ist, werden hierin ins Auge gefasst.
Weitere Aspekte finden sich in den Ansprüchen und/oder nachstehend.
KURZBESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN
Die einzige Figur, 1, ist eine schematische Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
NÄHERE ERLÄUTERUNGEN; OPTIONEN UND PRÄFERENZEN
Komponente (A) der wärmeleitenden Siliconzusammensetzung gemäß der Erfindung ist ein Organopolysiloxan mit zumindest zwei Alkenylgruppen pro Molekül, die jeweils an ein Siliciumatom gebunden sind. Es kann entweder unverzweigt oder verzweigt sein, wobei ein Gemisch aus zwei oder mehr Organopolysiloxanen mit unterschiedlicher Viskosität akzeptabel ist.
Das hierin verwendete Organopolysiloxan weist vorzugsweise die folgenden mittlere Zusammensetzungsformel (4) auf: R⁶ _cSiO_(4–c)/2 (4)
Hierin sind die R⁶, die gleich oder unterschiedlich sein können, substituierte oder unsubstituierte einwertige Kohlenwasserstoffgruppen mit 1 bis 18 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise 1 bis 3 Kohlenstoffatomen, und c ist eine positive Zahl im Bereich von 1,5 bis 2,8, vorzugsweise 1,8 bis 2,5, insbesondere 1,95 bis 2,05.
Beispiele für die durch R⁶ dargestellte, an ein Siliciumatom gebundene substituierte oder unsubstituierte einwertige Kohlenwasserstoffgruppe umfassen Alkylgruppen, wie z. B. Methyl, Ethyl, Propyl, Isopropyl, Butyl, Isobutyl, tert-Butyl, Pentyl, Neopentyl, Hexyl, Cyclohexyl, Octyl, Nonyl, Decyl und Dodecyl; Arylgruppen, wie z. B. Phenyl, Tolyl, Xylyl und Naphthyl; Aralkylgruppen, wie z. B. Benzyl, Phenylethyl und 2-Phenylpropyl, Alkenylgruppen, wie z. B. Vinyl, Allyl, Propenyl, Isoprenyl, 1-Butenyl, 1-Hexenyl, Cyclohexenyl und Octenyl; und substituierte Formen der obigen Gruppen, worin ein oder alle Wasserstoffatome mit Halogenatomen substituiert sind (z. B. Fluor, Brom und Chlor), Cyanogruppen oder dergleichen, wie z. B. Chlormethyl, Chlorpropyl, Bromethyl, 3,3,3-Trifluorpropyl und Cyanoethyl. Um die Synthese zu erleichtern und wirtschaftlich zu arbeiten, sind zumindest 90% der R⁶-Gruppen Methyl.
Zumindest zwei der R⁶-Gruppen sind Alkenylgruppen mit vorzugsweise 2 bis 8 Kohlenstoffatomen, insbesondere 2 bis 6 Kohlenstoffatomen. Vorzugsweise beträgt der Gehalt der Alkylgruppen 0,001 bis 20 Mol-%, insbesondere 0,01 bis 10 Mol-%, der gesamten an Siliciumatome gebundenen organischen Gruppen, d. h. der gesamten durch R⁶ in Formel (4) dargestellten, substituierten oder unsubstituierten einwertigen Kohlenwasserstoffgruppen. Die Alkenylgruppen können an die Siliciumatome an den Enden der Molekülkette oder an Siliciumatome mitten in der Molekülkette oder an beide gebunden sein. Vom Standpunkt der Härtungsgeschwindigkeit der Zusammensetzung und der physikalischen Eigenschaften im gehärteten Zustand, insbesondere der Elastizität, gesehen sollte das hierin verwendete Organopolysiloxan vorzugsweise zumindest eine an das Siliciumatom am Ende der Molekülkette gebundene Alkenylgruppe aufweisen.
Das Organopolysiloxan (A) sollte eine Viskosität bei 25°C im Bereich von 10 bis 100.000 mm²/s, vorzugsweise 100 bis 50.000 mm²/s, aufweisen. Bei einer Viskosität von weniger als 10 mm²/s kann die Zusammensetzung an Lagerstabilität verlieren. Bei einer Viskosität von mehr als 100.000 mm²/s kann die Zusammensetzung an Gießbarkeit einbüßen.
Komponente (B) ist ein Organohydrogenpolysiloxan mit zumindest zwei, vorzugsweise zumindest drei, an Siliciumatome gebundenen Wasserstoffatomen (d. h. Si-H-Gruppen) pro Molekül. Genauer gesagt handelt es sich um ein Organohydrogenpolysiloxan mit Si-H-Gruppen in Seitenketten, dargestellt durch die folgenden allgemeine Formel (1):
worin R¹ eine Alkylgruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen ist und n und m positive Zahlen sind, für die gilt: 0,01 ≤ n/(n + m) ≤ 0,3.
Genauer gesagt ist R¹ eine Alkylgruppe, die aus Methyl, Ethyl, Propyl, Butyl, Hexyl und Analogen ausgewählt ist. Davon ist Methyl bevorzugt, weil es leicht zu synthetisieren und kostengünstig ist. Wenn n/(n + m) in Formel (1) kleiner als 0,01 ist, kann die Zusammensetzung nicht zu einer Netzwerkstruktur vernetzen. Wenn n/(n + m) größer als 0,3 ist, sind nach der anfänglichen Härtung mehr Si-H-Gruppen nicht umgesetzt, so dass Feuchtigkeit oder andere Faktoren im Laufe der Zeit zu einer übermäßigen Vernetzungsreaktion führen können, was dazu führt, dass die Zusammensetzung an Elastizität einbüßt. Aus diesem Grund sollte n/(n + m) in Formel (1) im Bereich von 0,01 bis 0,3, vorzugsweise 0,05 bis 0,2, liegen. Die Summe n + m beträgt vorzugsweise etwa 5 bis 500, insbesondere etwa 10 bis 300, ist jedoch nicht darauf beschränkt.
Komponente (C) ist ein Organohydrogenpolysiloxan der allgemeinen Formel (2):
Hierin ist R² eine Alkylgruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen, wie z. B. Methyl, Ethyl, Propyl, Butyl oder Hexyl, wie für R¹ angeführt wurde. Um die Synthese zu erleichtern und wirtschaftlich zu arbeiten, sind zumindest 90% der R⁶-Gruppen Methyl.
In Formel (2) ist k eine positive Zahl von 5 bis 1.000, vorzugsweise 10 bis 100. Ist k kleiner als 5, neigt das Organohydrogenpolysiloxan dazu, flüchtig zu sein, weshalb es für elektronische Bauteile ungeeignet ist, während ein Wert für k von über 1.000 zu erhöhter Viskosität und Schwierigkeiten bei der Handhabung führen kann.
Die Gesamtmenge der Komponenten (B) und (C) ist so gewählt, dass das Verhältnis zwischen der Anzahl an Si-H-Gruppen in den Komponenten (B) und (C) und der Anzahl an Alkenylgruppen in Komponente (A) im Bereich von 0,6 : 1 bis 1,5 : 1, vorzugsweise 0,7 : 1 bis 1,4 : 1, liegt. Wenn das Verhältnis (Anzahl an Si-H-Gruppen in den Komponenten B und C) : (Anzahl an Alkenylgruppen in Komponente A) kleiner als 0,6 ist, kann die Zusammensetzung keine zufrieden stellende Netzwerkstruktur bilden oder notwendige Härte erreichen. Wenn das Verhältnis größer als 1,5 ist, können nichtumgesetzte Si-H-Gruppen eine übermäßige Vernetzungsreaktion mit Feuchtigkeit erfahren, so dass die Zusammensetzung an Elastizität einbüßt. Die Komponenten (B) und (C) werden in solchen Mengen eingesetzt, dass das Verhältnis zwischen der Anzahl an Si-H-Gruppen in Komponente (C) und der Anzahl an Si-H-Gruppen in Komponente (B) 1,0 : 1 bis 10,0 : 1, vorzugsweise 1,5 : 1 bis 5,0 : 1, beträgt. Wenn das Verhältnis (Anzahl an Si-H-Gruppen in Komponente C) : (Anzahl an Si-H-Gruppen in Komponente B) kleiner als 1,0 ist, ist die Elastizität nach dem Härten eventuell nicht ausreichend. Wenn das Verhältnis größer als 10,0 ist, kann die Härtung unzureichend sein.
Komponente (D) ist ein Füllstoff, um der Zusammensetzung der Erfindung Wärmeleitfähigkeit zu verleihen. Der hierin verwendete Füllstoff ist ein Gemisch aus Aluminiumpulver und Zinkoxidpulver. Wenn das Aluminiumpulver eine mittlere Teilchengröße von weniger als 0,1 μm aufweist, kann die resultierende Zusammensetzung ziemlich viskos und weniger gießfähig sein. Wenn das Aluminiumpulver eine mittlere Teilchengröße von mehr als 50 μm aufweist, kann die Zusammensetzung inhomogen werden. Aus diesem Grund sollte das hierin verwendete Aluminiumpulver eine mittlere Teilchengröße von 0,1 bis 50 μm, vorzugsweise 1 bis 20 μm, aufweisen. Wenn das Zinkoxidpulver eine mittlere Teilchengröße von weniger als 0,1 μm aufweist, kann die resultierende Zusammensetzung ziemlich viskos und weniger gießfähig sein. Wenn das Zinkoxidpulver eine mittlere Teilchengröße von mehr als 5 μm aufweist, kann die Zusammensetzung ungleichmäßig werden. Aus diesem Grund sollte das hierin verwendete Zinkoxidpulver eine mittlere Teilchengröße von 0,1 bis 5 μm, vorzugsweise 1 bis 4 μm aufweisen. Die Aluminium- und Zinkoxidpulverteilchen können kugelförmig oder unregelmäßig geformt sein.
Die Wärmeleitfähigkeit dieser Mineralien wird nachstehend erläutert. Aluminium- und Zinkoxidpulver weisen im Allgemeinen eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 237 W/mK bzw. etwa 20 W/mK auf, was zeigt, dass Aluminiumpulver allein vorteilhafter ist, um hohe Wärmeleitfähigkeit zu erzielen. Die Verwendung von Aluminiumpulver alleine ergibt jedoch eine Zusammensetzung, die instabil und anfällig für Ölabsonderung ist. Es wurde herausgefunden, dass das Vermischen von Aluminiumpulver und Zinkoxidpulver Ölabsonderung verhindern kann. Wenn das Gewichtsverhältnis Aluminiumpulver : Zinkoxidpulver kleiner als 1 : 1 ist, ist die resultierende Zusammensetzung weniger wärmeleitend. Ist dieses Verhältnis größer als 10 : 1, tritt im Laufe der Zeit beträchtliche Ölabsonderung auf. Daher sollte das Gewichtsverhältnis Aluminiumpulver : Zinkoxidpulver 1 bis 10, vorzugsweise zumindest 2 bis nicht mehr als 8, betragen.
Die eingemischte Menge des Aluminiumpulver-Zinkoxidpulver-Gemischs beträgt 800 bis 1.200 Gewichtsteile, vorzugsweise 850 bis 1.150 Gewichtsteile, pro 100 Gewichtsteile von Komponente (A). Davon ausgehend ist eine Zusammensetzung, die weniger als 800 Teile des Pulvergemischs enthält, weniger wärmeleitend, während eine Zusammensetzung, die mehr als 1.200 Teile des Pulvergemischs enthält, weniger gießfähig ist.
Komponente (E) ist ein Katalysator, der aus Platin und Platinverbindungen ausgewählt ist und zur Förderung der Additionsreaktion zwischen Alkenylgruppen in Komponente (A) und Si-H-Gruppen in Komponenten (B) und (C) dient. Beispiele für Katalysatoren sind elementares Platin, Chlorplatinsäure, Platin-Olefin-Komplexe, Platin-Alkohol-Komplexe und koordinative Platinverbindungen. Geeigneterweise wird die Menge des Katalysator so gewählt, dass 0,1 bis 500 Gewichtsteile Platinatome pro 1 Million Gewichtsteile von Komponente (A) vorhanden sind. Weniger als 0,1 ppm Platin erzeugen eventuell keine katalytische Wirkung. Bei mehr als 500 ppm Platin ist normalerweise keine weitere Steigerung der Härtungsgeschwindigkeit zu erwarten.
Komponente (F) ist ein Regler, vorzugsweise um das Fortschreiten einer Hydrosilylierungsreaktion bei Raumtemperatur zu verhindern und so die Lagerfähigkeit und Gebrauchsdauer zu verlängern. Der Reaktionsregler kann aus allgemein bekannten Verbindungen ausgewählt sein, beispielsweise Acetylenverbindungen, Stickstoffver bindungen, organischen Phosphorverbindungen, Oximverbindungen und organischen Chlorverbindungen. Eine geeignete Menge des Reglers (F) ist 0,01 bis 1 Gewichtsteile pro 100 Gewichtsteile von Komponente (A). Weniger als 0,01 Teile des Reglers können die Lagerfähigkeit oder Gebrauchsdauer nicht bedeutend verbessern, während mehr als 1 Teil des Reglers die Härtbarkeit verringern kann. Bei seiner Verwendung kann der Regler mit einem organischen Lösungsmittel, wie beispielsweise Toluol, Xylol oder Isopropylalkohol verdünnt werden, um seine Dispersion im Siliconharz zu verbessern.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Zusammensetzung der Erfindung außerdem (G) ein Organosilan der allgemeinen Formel (3), um die Benetzung des Füllstoffs mit den Siliconkomponenten zu verbessern. Das Organosilan dient als Netzmittel. R³ _aR⁴ _bSi(OR⁵)_4–a–b (3)
Hierin ist R³ eine Alkylgruppe mit 6 bis 15 Kohlenstoffatomen, R⁴ eine einwertige Kohlenwasserstoffgruppe mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen, R⁵ eine Alkylgruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen, "a" eine ganze Zahl von 1 bis 3, "b" eine ganze Zahl von 0 bis 2 ist und a + b eine ganze Zahl von 1 bis 3.
Unter Bezugnahme auf Formel (3) ist R³ eine Alkylgruppe mit 6 bis 15 Kohlenstoffatomen, wie z. B. Hexyl, Octyl, Nonyl, Decyl, Dodecyl und Tetradecyl. Bei weniger als 6 Kohlenstoffatomen ist die Benetzbarkeit des Füllstoffs unzureichend. Beispiele mehr als 15 Kohlenstoffatomen ist das Organosilan schwer zu handhaben, weil es bei Raumtemperatur erstarrt und die resultierende Zusammensetzung schlechte Eigenschaften bei niedrigen Temperaturen aufweist. Der Index "a" = 1, 2 oder 3, vorzugsweise 1. R⁴ ist aus gesättigten oder ungesättigten einwertigen Kohlenwasserstoffgruppen mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen, beispielsweise Alkyl-, Cycloalkyl- und Alkenylgruppen, ausgewählt. Veranschaulichende Beispiele sind Alkylgruppen, wie z. B. Methyl, Ethyl, Propyl, Hexyl und Octyl, Cycloalkylgruppen, wie z. B. Cyclopentyl und Cyclohexyl, Alkenylgruppen, wie z. B. Vinyl und Allyl, Arylgruppen, wie z. B. Phenyl und Tolyl, Aralkylgruppen, wie z. B. 2-Phenylethyl und 2-Methyl-2-phenylethyl, und halogenierte Kohlenwasserstoffgruppen wie z. B. 3,3,3-Trifluorpropyl, 2-(Nonafluorbutyl)ethyl, 2-(Heptadecafluoroctyl)ethyl und p-Chlorphenyl. Unter anderen sind Methyl und Ethyl bevorzugt. R⁵ ist eine Alkylgruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen, wie z. B. Methyl, Ethyl, Propyl, Butyl, Pentyl und Hexyl, oder ein Gemisch daraus, wobei Methyl und Ethyl bevorzugt sind.
Veranschaulichende, nicht einschränkende Beispiele für das Organosilan der Formel (3) umfassen
C₆H₁₃Si(OCH₃)₃,
C₁₀H₂₁Si(OCH₃)₃,
C₁₂H₂₅Si(OCH₃)₃,
C₁₂H₂₅Si(OC₂H₅)₃,
C₁₀H₂₁Si(CH₃)(OCH₃)₂,
C₁₀H₂₁Si(C₆H₅)(OCH₃)₂,
C₁₀H₂₁Si(CH₃)(OC₂H₅)₂,
C₁₀H₂₁Si(CH=CH₂)(OCH₃)₂ und
C₁₀H₂₁Si(CH₂CH₂CF₃)(OCH₃)₂.
Eine geeignete Menge des eingemischten Organosilans beträgt 0,01 bis 10 Gewichtsteile, vorzugsweise 0,1 bis 7 Gewichtsteile, pro 100 Gewichtsteile an Komponente (A). Weniger als 0,1 Teile des Organosilans führen zu weniger Benetzungswirkung, während mehr als 10 Teile des Organosilans kaum zusätzliche Wirkung zeigen und unwirtschaftlich sind.
Neben den oben genannten Komponenten (A) bis (F) und der optionalen Komponente (G) kann die wärmeleitende Siliconzusammensetzung der Erfindung falls gewünscht auch Additive enthalten. Beispielsweise können Hafthilfsmittel zur chemischen Bindung und Fixierung der IC-Einheit (z. B. CPU) am Wärmeableiter (z. B. Kühlkörper) und Antioxidanzien zur Verhinderung von Zerstörung zugesetzt werden.
Die wärmeleitende Siliconzusammensetzung kann durch Vermischen der oben genannten wesentlichen und falls gewünscht optionalen Komponenten, erhalten werden. Die Zusammensetzung in der Einkomponentenform ermöglicht langfristige Lagerung bei niedriger Temperatur.
Bei einer typischen vorteilhaften Anwendung wird die wärmeleitende Siliconzusammensetzung der Erfindung zwischen einem Halbleiterchip und einem Wärmeableiter positioniert, so dass die Zusammensetzung als Wärmeübertragungselement zum Leiten der durch den Halbleiterchip produzierten Wärme zum Wärmeableiter dient. Wenn die Zusammensetzung als Wärmeübertragungselement oder zu einem anderen Zweck verwendet wird, wird sie unter geeigneten Bedingungen gehärtet, beispielsweise durch 5- bis 120-minütiges Erhitzen auf eine Temperatur von etwa 60 bis 200°C.
Gemäß der Erfindung wird eine Halbleitervorrichtung bereitgestellt, in der ein gehärteter Film aus der wärmeleitenden Siliconzusammensetzung zwischen einem Halbleiterchip und einem Wärmeableiter angeordnet ist. Bei einer spezifischen Ausführungsform der Erfindung wird ein Wärmeableitungsgerät für eine IC-Einheit bereitgestellt, das eine auf einer Printplatte befestigte IC-Einheit und einen auf der Oberfläche der IC-Einheit angeordneten Wärmeableiter umfasst, um Wärme von der IC-Einheit abzuleiten, worin ein gehärteter Film aus der wärmeleitenden Siliconzusammensetzung zwischen der IC-Einheit und dem Wärmeableiter angeordnet ist.
Bei der Herstellung der Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung ist die wärmeleitende Siliconzusammensetzung in einer Spritze enthalten, die herkömmlich aufgebaut sein kann, und wird daraus auf die Oberfläche von IC-Einheiten, wie beispielsweise CPUs, aufgebracht. Für solch eine Anwendung sollte die Zusammensetzung vorzugsweise eine Viskosität im Bereich von 50 bis 1.000 Pa·s, noch bevorzugter 100 bis 400 Pa·s bei 25°C aufweisen. Eine Zusammensetzung mit einer Viskosität von weniger als 50 Pa·s kann beim Auftragen tropfen, während eine Viskosität von mehr als 1.000 Pa·s eine effiziente Auftragung verhindern kann.
Durch das Auftragen der wärmeleitenden Siliconzusammensetzung zwischen einer Printplatte und einem Wärmeableiter und das Verbinden der Platte und des Wärmeableiters mithilfe einer Klammer oder dergleichen wird die Zusammensetzung zwischen der IC-Einheit und dem Wärmeableiter fixiert und komprimiert. Die zwischen der IC-Einheit und dem Wärmeableiter eingebrachte Zusammensetzung weist vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 10 bis 100 μm, vorzugsweise 25 bis 50 μm, auf. Eine Dicke von weniger als 10 μm ermöglicht eine leichte Druckverlagerung, wodurch sich ein Spalt zwischen der IC-Einheit und dem Wärmeableiter bilden kann, während eine Dicke von mehr als 100 μm einen beträchtlichen Wärmeleitwiderstand ergibt, der in manchen Fällen der Wärmeableitung unannehmbar sein kann.
Nach der Abgabe härtet die Zusammensetzung durch die von der IC-Einheit produzierte Wärme. Sobald sie gehärtet ist, weist die Zusammensetzung ausreichende Klebrigkeit, um eine Verlagerung zu verhindern, und lang andauernde Elastizität auf, um ein Abblättern vom Trägermaterial zu verhindern. Alternativ dazu kann die Zusammensetzung auch nach dem Abgeben aktiv wärmegehärtet werden.
Gemäß der Erfindung wird in einem Wärmeableitungsgerät für eine IC-Einheit, das eine auf einer Printplatte montierte IC-Einheit und einen Wärmeableiter in Druckkontakt mit der Oberfläche der IC-Einheit umfasst, die wärmeleitende Siliconzusammensetzung zwischen der IC-Einheit und dem Wärmeableiter eingebracht.
Bei dieser Ausführungsform ist die wärmeleitende Siliconzusammensetzung zwischen der IC-Einheit und dem Wärmeableiter pastös und gießfähig, so dass, selbst wenn die IC-Einheit und der Wärmeableiter Unregelmäßigkeiten auf ihrer Oberfläche aufweisen, die Spalten dazwischen gleichmäßig mit der Siliconzusammensetzung gefüllt werden können, indem der Wärmeableiter einfach auf die Siliconzusammensetzung auf der IC-Einheit aufgedrückt wird. Aufgrund der durch die IC-Einheit produzierten Wärme wird die Siliconzusammensetzung gehärtet und an Ort und Stelle damit verklebt. Die Siliconzusammensetzung verliert im Laufe der Zeit nicht an Elastizität und blättert auch nicht von den Trägermaterialien ab. Somit stellt die Siliconzu sammensetzung sicher, dass die gewünschte Wärmeableitungswirkung erzielt wird, wodurch die Zuverlässigkeit des gesamten elektronischen Bauteils verbessert wird.
BEISPIELE
Nachstehend sind zur Veranschaulichung, keineswegs jedoch als Einschränkung, Beispiele für die Erfindung angeführt.
Beispiele und Vergleichsbeispiele
Die folgenden Komponente wurden verwendet.
Komponente (A)
A-1: Dimethylpolysiloxan, das an einem Ende mit einer Dimethylvinylsilylgruppe blockiert ist und eine Viskosität von 600 mm²/s bei 25°C aufweist.
Komponente (B)
Es wurden die Organohydrogenpolysiloxane B-1 bis B-4 verwendet.
Komponente (C)
Es wurden die Organohydrogenpolysiloxane C-1 und C-2 verwendet.
Komponente (D)
Die Pulvergemische D-1 bis D-6 wurden erhalten, indem Aluminiumpulver und Zinkoxidpulver in einem in Tabelle 1 angegebenen Gewichtsverhältnis 15 Minuten lang bei Raumtemperatur in einem 5 Liter fassenden Planetenmischer (Inoue Mfg. K. K.) vermischt wurden:
Aluminiumpulver mit einer mittleren Teilchengröße von 4,9 μm
Aluminiumpulver mit einer mittleren Teilchengröße von 15,0 μm
Zinkoxidpulver mit einer mittleren Teilchengröße von 1,0 μm
Tabelle 1
Komponente (E)
E-1: A-1-Lösung von Platin-Divinyltetramethyldisiloxan-Komplex, enthält 1% Platinatome.
Komponente (F)
F-1: 50%ige Toluollösung von 1-Ethinyl-1-cyclohexanol.
Komponente (G)
Es wurden die Organosilane G-1 und G-2 verwendet.
G-1: C₆H₁₃Si(OCH₃)₃
G-2: C₁₀H₂₁Si(OCH₃)₃
Wärmeleitende Siliconzusammensetzungen der Beispiele 1 bis 6 und Vergleichsbeispiele 1 bis 10 wurden hergestellt, indem Komponenten (A) bis (F) wie folgt vermischt wurden. Komponente (A) wurde in einen 5 Liter fassender Planetenmischer (Inoue Mfg. K. K.) gegeben, Komponente (D) wurde in der in den Tabellen 2 oder 3 angegebenen Menge zugesetzt, gegebenenfalls wurde Komponente (G) zugesetzt, und dann wurde der Inhalt eine Stunde lang bei 70°C durchmischt. Das Gemisch wurde auf Raumtemperatur abgekühlt, dann wurden die Komponenten (B), (C) und (F) in den in den Tabellen 2 oder 3 angegebenen Mengen zugesetzt, und der Inhalt wurde bis zur Homogenität vermischt.
Die so erhaltenen Zusammensetzungen wurden den folgenden Tests unterzogen. Die Ergebnisse sind in den Tabellen 2 und 3 zusammengefasst.
(1) Viskosität
Gemessen mithilfe eines Rotationsviskosimeters bei 25°C.
(2) Wärmeleitfähigkeit
Jede Zusammensetzung wurde in eine 3 cm tiefe Form gegossen und mit Frischhaltefolie zugedeckt. Eine Wärmeleitfähigkeit wurde mithilfe eines Wärmeleitfähigkeitsschnellmessgeräts Modell QTM-500 (Kyoto Electronic Industry K. K.) gemessen.
(3) Lagerstabilität
Nachdem die einzelnen Zusammensetzungen einen Monat lang bei –5°C gehalten worden waren, wurde ihr Aussehen einer visuellen Prüfung unterzogen.
O: keine Absonderung
X: beachtliches Ausbluten von Öl
(4) Härte
Die Zusammensetzung wurde auf ihre Elastizität im Laufe der Zeit bewertet, indem ihre Härte mithilfe eines Asker-C-Härtemessgeräts (Skala für niedrige Härte) von Kobunshi Keiki K. K. gemessen wurde. Jede Zusammensetzung wurden in eine 10 mm tiefe Form gegossen und eine Stunde lang bei 125°C gehärtet, wodurch eine 10 mm dicke Gummiplatte erzeugt wurde, die auf 25°C abgekühlt wurde. Die anfängliche Härte der Gummiplatte wurde gemessen. Danach wurde die Gummiplatte 100 Stunden lang in einer Atmosphäre mit einer Temperatur von 130°C, einer Feuchtigkeit von 100% und einem Druck von 2 atm gehalten. Dann wurde sie auf 25°C abgekühlt und ihre Härte erneut gemessen (Härte nach Alterung).
Tabelle 2
Tabelle 3
Als Nächstes wurden die wärmeleitenden Siliconzusammensetzungen der obigen Beispiele auf Halbleitervorrichtungen aufgetragen. 1 ist ein seitlicher Querschnitt einer Halbleitervorrichtung mit einer IC-Einheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Wie in 1 zu sehen ist, umfasst die Halbleitervorrichtung eine CPU 2, die auf einer Printplatte 3 montiert ist, einen Kühlkörper 4, der auf der CPU 2 angeordnet ist, und einen gehärteten Film 1 aus der wärmeleitenden Siliconzusammensetzung, die zwischen der CPU 2 und dem Kühlkörper 4 angeordnet ist. Der Kühlkörper 4 besteht aus Aluminium und ist mit Rippen ausgestattet, um die Oberfläche zu vergrößern und so die Wärmeableitungswirkung zu verstärken. Die Printplatte 3 und der Kühlkörper 4 sind mithilfe einer Klemme 5 befestigt und fixiert, wodurch der Film 1 dazwischen komprimiert wird.
Bei dieser Halbleitervorrichtung wurden 0,2 g der wärmeleitenden Siliconzusammensetzung jedes Beispiels auf eine 2 cm × 2 cm große Oberfläche aufgetragen und zwischen der CPU 2 und dem Kühlkörper 4 angeordnet. Der gehärtete Film aus der Siliconzusammensetzung war 30 μm dick.
Die Wärmeableitungsstruktur der IC-Einheit der oben beschriebenen Anordnung wurde für CPUs verwendet, die eine Temperatur vom 150°C erreichten, wie sie herkömmlicherweise in Host-Computern und Personalcomputern eingesetzt werden. Stabile Wärmeableitung und -diffusion fanden statt, wodurch verhindert wurde, dass es aufgrund von Wärmestau zu Leistungsverlust oder Ausfällen der CPUs kam.
Somit ist es möglich, eine wärmeleitenden Siliconzusammensetzung herzustellen, die hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist und nicht an Elastizität verliert, wenn sie über einen längeren Zeitraum Wärme ausgesetzt ist.
Obwohl einige bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurden, können im Lichte der obigen Lehren eine Vielzahl von Modifikationen und Variationen daran vorge nommen werden. Es versteht sich also, dass die Erfindung auch anders in die Praxis umgesetzt werden kann, als in den Beispielen speziell beschrieben wurde.

Claims

Wärmeleitende Siliconzusammensetzung, umfassend: (A) 100 Gewichtsteile Organopolysiloxan, das zumindest zwei Alkenylgruppen pro Molekül enthält und eine Viskosität von 10 bis 100.000 mm²/s bei 25°C aufweist, (B) Organohydrogenpolysiloxan der allgemeinen Formel (1):
worin R¹ eine Alkylgruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen ist, n und m positive Zahlen sind, für die gilt: 0,01 ≤ n/(n + m) ≤ 0,3, (C) Organohydrogenpolysiloxan der allgemeinen Formel (2):
worin R² eine Alkylgruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen ist, und k eine positive Zahl von 5 bis 1.000 ist, wobei die Komponenten (B) und (C) in solchen Mengen enthalten sind, dass das Verhältnis zwischen der Gesamtanzahl an Si-H-Gruppen in den Komponenten (B) und (C) und der Anzahl an Alkenylgruppen in Komponente (A) 0,6 : 1 bis 1,5 : 1 beträgt, und in einem derartigen Anteil vorliegen, dass das Verhältnis zwischen der Anzahl an Si-H-Gruppen in Komponente (C) und der Anzahl an Si-H-Gruppen in Komponente (B) 1,0 : 1 bis 10,0 : 1 beträgt, (D) insgesamt 800 bis 1.200 Gewichtsteile Aluminiumpulver mit einer mittleren Teilchengröße von 0,1 bis 50 μm und Zinkoxidpulverfüllstoff mit einer mittleren Teil chengröße von 0,1 bis 5 μm, wobei diese Pulver in einem Gewichtsverhältnis von 1 : 1 bis 10 : 1 vorliegen, (E) einen Härtekatalysator, der aus Platin und Platinverbindungen ausgewählt ist, und (F) 0,01 bis 1 Gewichtsteile eines Reglers zur Unterdrückung der katalytischen Aktivität von Komponente (E), wobei die Zusammensetzung eine Viskosität von 50 bis 1.000 Pa·s bei 25°C aufweist.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, die außerdem (G) 0,01 bis 10 Gewichtsteile Organosilan der allgemeinen Formel (3) umfasst: R³ _aR⁴ _bSi(OR⁵)_4–a–b (3)worin R³ eine Alkylgruppe mit 6 bis 15 Kohlenstoffatomen ist, R⁴ eine einwertige Kohlenwasserstoffgruppe mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen ist, R⁵ eine Alkylgruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen ist, "a" eine ganze Zahl von 1 bis 3 ist, "b" eine ganze Zahl von 0 bis 2 ist und a + b eine ganze Zahl von 1 bis 3 ist.
Halbleitervorrichtung, umfassend eine auf einer Printplatte montierte IC-Packung und eine Wärmeableitung, die auf der Oberfläche der IC-Packung vorgesehen ist, um Wärme von der IC-Packung abzuleiten, wobei zwischen der IC-Packung und der Wärmeableitung ein gehärteter Film aus einer wärmeleitenden Siliconzusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2 mit einer Dicke von 10 bis 100 μm angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung nach Anspruch 3, worin die Zusammensetzung zwischen der IC-Packung und der Wärmeableitung aufgetragen und gehärtet wird.
Gegenstand oder Film aus einer gehärteten Zusammensetzung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2.