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Die vorliegende Erfindung betrifft einen wärmeleitenden Kunststoffformartikel.
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Seit einigen Jahren sind elektronische Geräte zunehmend dichter gepackt und dünner, weshalb die Auswirkungen von Wärme, die von integrierten Schaltungen, Leistungsbauelementen und LEDs mit hoher Leuchtkraft erzeugt wird, ein schwerwiegendes Problem darstellen. Daher werden vermehrt flächengebildeförmige wärmeleitende Kunststoffformartikel als Elemente zur effizienten Wärmeübertragung zwischen Wärme erzeugenden Körpern und Wärme ableitenden Körpern von Chips und dergleichen verwendet.
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Als Mittel, um den Kunststoffformartikeln zum Bilden eines wirkungsvollen Wärmeleitwegs eine hohe Wärmeleitfähigkeit zu verleihen, ist es bekannt, einen wärmeleitenden Füllstoff auszurichten und im Kunststoff zu dispergieren.
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Patentdokument 1 schlägt ein Herstellungsverfahren vor, wobei ein Gemisch, das Kunststoff und/oder Kautschuk und schuppenförmige Teilchen aus Bornitrid enthält, durch Extrudieren in mehrere bahnförmige Kunststoffe zu formen und diese nach dem Schichten an den Lippen zu härten oder während der Bildung der Bahnen zu härten.
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In Patentdokument 2 wird als wärmeleitender Kunststoffformkörper ein wärmeleitender Kunststoffformkörper vorgeschlagen, der dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Silikonschichtkörper, der zu 50 bis 75 Vol.-% einen wärmeleitende Füllstoff mit zwei Arten von Bornitridpulver (A) und (B) mit unterschiedlicher mittlerer Teilchengröße enthält, in Schichtrichtung geschnitten ist.
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US 2012/0309885 A1 beschreibt eine Silikonharzzusammensetzung und eine wärmeleitende Folie.
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- Patentdokument 1: JP H08244094 A
- Patentdokument 2: JP 2010-260225 A
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Die Wärmeleitfähigkeit aufweisenden Kunststoffformartikel der Patentdokumente 1 und 2 verwenden vorzugsweise einen Füllstoff aus Bornitrid als wärmeleitenden Füllstoff. Füllstoff aus Bornitrid weist den Vorteil auf, das er ohne Weiteres eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit verleihen kann. Allerdings ist Bornitrid teuer, und wenn wie in den Patentdokumenten 1 und 2 eine große Menge an Füllstoff aus Bornitrid enthalten ist, ist es schwierig, einen Wärmeleitfähigkeit aufweisenden Kunststoffformartikel kostengünstig bereitzustellen.
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Wenn Füllstoff aus Bornitrid als der wärmeleitende Füllstoff verwendet wird und der Füllstoffgehalt gering ist, ist es wiederum schwierig, den Füllstoff auszurichten. Daher besteht das Problem, dass der hergestellte Kunststoffformartikel trotz Benutzung des Füllstoffs aus Bornitrid eine schlechte Wärmeleitfähigkeit aufweist.
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Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht der genannten Probleme getätigt, und ihr liegt als Aufgabe zugrunde, einen wärmeleitenden Kunststoffformartikel bereitzustellen, der eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit aufweist und kostengünstig herstellbar ist.
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Ein wärmeleitender Kunststoffformartikel der vorliegenden Erfindung ist gemäß Anspruch 1 ein wärmeleitendes Flächengebilde, wobei der Kunststoff ein Silikonkautschuk ist, und umfasst einen wärmeleitenden Füllstoff mit einem ersten wärmeleitenden Füllstoff und einem zweiten wärmeleitenden Füllstoff, der eine kleinere Teilchengröße aufweist als der erste wärmeleitende Füllstoff, wobei der Gehalt des wärmeleitenden Füllstoffs 30 bis 50 Vol.-% beträgt, der erste wärmeleitende Füllstoff ein Füllstoff aus Bornitrid mit einer Teilchengröße von 30 µm oder mehr und einem Aspektverhältnis von 10 oder mehr ist, der Gehalt des ersten wärmeleitenden Füllstoffs 5 bis 20 Vol.-% beträgt und der zweite wärmeleitende Füllstoff ein Füllstoff aus einem anderen Material als Bornitrid ist.
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Der wärmeleitende Kunststoffformartikel der vorliegenden Erfindung weist einen ersten wärmeleitenden Füllstoff aus Bornitrid und einen zweiten wärmeleitenden Füllstoff aus einem anderen Material als Bornitrid und mit einer geringeren Teilchengröße als der erste wärmeleitende Füllstoff in einer jeweiligen bestimmten Menge auf, wobei der Gesamtgehalt an wärmeleitendem Füllstoff bei maximal 50 Vol.-% gehalten wird.
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Gemäß dem wärmeleitenden Kunststoffformartikel kann der erste wärmeleitende Füllstoff ausgerichtet werden, obwohl der Gehalt des ersten wärmeleitenden Füllstoffs aus Bornitrid gering ist, weshalb der wärmeleitende Kunststoffformartikel eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit aufweist.
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Auch kann der wärmeleitende Kunststoffformartikel kostengünstig bereitgestellt werden.
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Bei dem vorstehenden wärmeleitenden Kunststoffformartikel beträgt die Teilchengröße des zweiten wärmeleitenden Füllstoffs 3 bis 20 µm.
Dabei eignet sich der zweite wärmeleitende Füllstoff dazu, die Wärmeleitfähigkeit des wärmeleitenden Kunststoffformartikels über die ersten wärmeleitenden Füllstoffe zu erhöhen und den ersten wärmeleitenden Füllstoff bei der Herstellung des wärmeleitenden Kunststoffformartikels auszurichten.
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Bei dem vorstehenden wärmeleitenden Kunststoffformartikel umfasst der zweite wärmeleitende Füllstoff vorzugsweise Magnesiumoxid oder Magnesiumcarbonat.
Dabei eignet sich der zweite wärmeleitende Füllstoff dazu, die Wärmeleitfähigkeit des wärmeleitenden Kunststoffformartikels über den ersten wärmeleitenden Füllstoff zu erhöhen und den wärmeleitende Kunststoffformartikel kostengünstig bereitzustellen.
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Der wärmeleitende Kunststoffformartikel der vorliegenden Erfindung weist eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit auf. Auch kann der wärmeleitende Kunststoffformartikel kostengünstig bereitgestellt werden.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Schnittansicht eines wärmeleitenden Flächengebildes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
- 2 eine schematische Ansicht einer Extrusionsmaschine, die zum Herstellen des wärmeleitenden Flächengebilde der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung benutzt wird.
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Im Folgenden wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Der Begriff „wärmeleitender Kunststoffformartikel“ in der vorliegenden Erfindung ist ein Begriff, der ein durch Schneiden eines Blockgebildes erlangtes Schnittprodukt (ein in Scheiben geschnittenes Flächengebilde) beschreibt.
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1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines wärmeleitenden Flächengebildes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine Schnittansicht parallel zur Dickenrichtung des wärmeleitenden Flächengebildes ist. 1 ist eine schematische Ansicht, und die einzelnen Elemente (insbesondere der erste wärmeleitende Füllstoff und der zweite wärmeleitende Füllstoff) sind nicht maßstabsgetreu dargestellt.
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Ein wärmeleitendes Flächengebilde 1 der vorliegenden Ausführungsform ist zwischen Wärme erzeugenden Elementen wie etwa einem IC-Chip und Wärme abführenden Elemente wie etwa einem Kühlkörper angeordnet, wobei eine Fläche in Kontakt mit dem Wärme erzeugenden Element steht und eine andere Fläche in Kontakt mit dem Wärme abführenden Element steht.
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Das wärmeleitende Flächengebilde 1 weist, wie in 1 gezeigt, einen Matrixbestandteil 2, einen ersten wärmeleitenden Füllstoff 4 und einen zweiten wärmeleitenden Füllstoff 5 auf, wobei der erste wärmeleitende Füllstoff 4 im Wesentlichen in Dickenrichtung des wärmeleitenden Flächengebildes 1 (in 1 in Oben-unten-Richtung) ausgerichtet ist. Bei dem wärmeleitenden Flächengebilde 1 ist ein Wärmeleitweg aufgrund des ersten wärmeleitenden Füllstoffs 4 und des zweiten wärmeleitenden Füllstoffs 5 im Wesentlichen in Dickenrichtung des wärmeleitenden Flächengebildes 1 gebildet. Somit weist das wärmeleitende Flächengebilde 1 in Dickenrichtung eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit auf.
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Bei dem wärmeleitenden Flächengebilde werden andere Bestandteile als die wärmeleitenden Füllstoffe zusammengefasst als Matrixbestandteil bezeichnet.
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Das wärmeleitende Flächengebilde 1 wird erhalten, indem ein blockartiges Material geschnitten wird, in dem eine dünne Kunststofffolie, in der ein erster wärmeleitender Füllstoff 4 in einer Matrixkomponente 2 in der Ebenenrichtung ausgerichtet und dispergiert ist, in einem vertikal gefalteten Zustand eng gefaltet ist. Bei einem solchen wärmeleitenden Flächengebilde 1 kann im Wesentlichen in Dickenrichtung eine Schweißnaht 6 gebildet sein.
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Der Matrixbestandteil 2 enthält wenigstens Kunststoff, der ein Silikonkautschuk ist.
Unter den Gesichtspunkten der ausgezeichneten Elastizität bei Verwendung als Formkörper, Formanpassungsfähigkeit, Anhaftung an der Wärme erzeugenden Fläche beim Kontakt mit dem elektronischen Bauelement und Wärmebeständigkeit wird Silikonkautschuk verwendet.
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Als der Silikonkautschuk lässt sich ein vernetztes hochmolekulares (Silikon) mit einem Silikongerüst nennen.
Die Vernetzung des Silikons kann dabei eine Peroxidvernetzung oder eine Vernetzung mittels Additionsreaktion sein, wobei Peroxidvernetzung bevorzugt wird. Der Grund ist, dass ein mittels Peroxidvernetzung vernetzter Silikonkautschuk eine bessere Wärmebeständigkeit aufweist.
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Als der Silikonkautschuk wird ein Silikonkautschuk bevorzugt, der beispielsweise ein Gemisch aus einem Silikon, dessen Seitenkette ausschließlich eine Methylgruppe und keine ungesättigten Gruppen enthält, und einem Silikon, das an einem Teil seiner Seitenkette (einschließlich des Terminus) eine Vinylgruppe aufweist, ist und einer Peroxidvernetzung unterzogen wurde.
Das Silikon, das an einem Teil seiner Seitenkette eine Vinylgruppe aufweist, kann in Bezug auf das Silikon, dessen Seitenkette ausschließlich eine Methylgruppe und keine ungesättigten Gruppen enthält, als Vernetzungsmittel betrachtet werden.
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Als konkrete Beispiele für das Silikon, das an einem Teil seiner Seitenkette eine Vinylgruppe aufweist, lassen sich beispielsweise an beide Enden der Molekülkette Dimethylvinylsiloxy-Gruppe-blockierendes Dimethylpolysiloxan, an beide Enden der Molekülkette Methylphenylvinylsiloxy-Gruppe-blockierendes Dimethylpolysiloxan, an beiden Enden der Molekülkette Dimethylvinylsiloxy-Gruppe-blockierendes Dimethylsiloxan-Methylphenylsiloxan-Copolymer, an beiden Enden der Molekülkette Dimethylvinylsiloxy-Gruppe-blockierendes Dimethylsiloxan-Methylvinylsiloxan-Copolymer, an beiden Enden der Molekülkette Trimethylsiloxy-Gruppe-blockierendes Dimethylsiloxan-Methylvinylsiloxan-Copolymer, an beiden Enden der Molekülkette Dimethylsiloxy-Gruppe-blockierendes Methyl(3,3,3-trifluorpropyl)polysiloxan, an beiden Enden der Molekülkette Silanol-Gruppe-blockierendes Dimethylsiloxan-Methylvinylsiloxan-Copolymer, an beiden Enden der Molekülkette Silanol-Gruppe-blockierendes Dimethylsiloxan-Methylvinylsiloxan-Methylphenylsiloxan-Copolymer und dergleichen nennen. Diese können allein oder in Kombination von zwei oder mehreren benutzt werden.
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Als das organische Peroxid zum Durchführen der Peroxidvernetzung lassen sich beispielsweise Benzoylperoxid, Dicumylperoxid, 2,5-Dimethyl-2,5-di(t-butylperoxid)hexan, Di-t-butylperoxid, t-Butylperoxid und dergleichen nennen. Diese können allein oder in Kombination von zwei oder mehreren benutzt werden.
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Bei der Vernetzung kann auch ein Vernetzungsförderungsmittel oder ein Vernetzungshilfsmittel verwendet werden.
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Der Matrixbestandteil 2 kann zusätzlich zu dem Silikonkautschuk das oben genannte Vernetzungsmittel, Vernetzungsförderungsmittel oder Vernetzungshilfsmittel enthalten. Der Matrixbestandteil 2 kann außerdem allgemeine Zusätze wie Verstärkungsmittel, Füllmittel, Zartmacher, Weichmacher, Alterungsverzögerer, Klebrigmacher, Antistatikmittel, beigemischten Klebstoff, Flammenverzögerer, Kopplungsmittel und dergleichen enthalten.
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Das wärmeleitende Flächengebilde 1 enthält als die zwei Arten von wärmeleitenden Füllstoffen einen ersten wärmeleitenden Füllstoff 4 und einen zweiten wärmeleitenden Füllstoff 5, der eine kleinere Teilchengröße als der erste wärmeleitende Füllstoff 4 aufweist.
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Der erste wärmeleitende Füllstoff 4 umfasst Bornitrid (BN). Daher weist das wärmeleitende Flächengebilde 1 eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit auf.
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Die Form des ersten wärmeleitenden Füllstoffs 4 ist nicht besonders eingeschränkt, solange er eine festgelegte Teilchengröße bzw. Teilchendurchdurchmesser und ein festgelegtes Seitenverhältnis bzw. Aspektverhältnis aufweist. Als konkrete Form des ersten wärmeleitenden Füllstoffs 4 lässt sich beispielsweise schuppenförmig, plattenförmig, schichtförmig, fadenförmig, zylindrisch, prismenförmig, oval, flach oder dergleichen nennen.
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Unter diesen wird Schuppenförmigkeit bevorzugt. Da nämlich ein schuppenförmiger wärmeleitender Füllstoff ein großes Aspektverhältnis und in Flächenrichtung eine isotrope Wärmeleitfähigkeit aufweist, wird durch einen schuppenförmigen wärmeleitenden Füllstoff bei Ausrichtung desselben die Wärmeleitfähigkeit des Formartikels erhöht.
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Die Teilchengröße des ersten wärmeleitenden Füllstoffs 4 beträgt 30 µm oder mehr. Bei einer Teilchengröße unter 30 µm bildet sich nur schlecht ein Wärmeleitweg, wodurch die Wärmeleitfähigkeit beeinträchtigt werden kann.
Die bevorzugte Obergrenze für die Teilchengröße des ersten wärmeleitenden Füllstoffs 4 beträgt unter dem Gesichtspunkt der Verarbeitungsfähigkeit bei der Herstellung des wärmeleitenden Kunststoffformartikels 100 µm.
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Das Aspektverhältnis des ersten wärmeleitenden Füllstoffs 4 beträgt 10 oder mehr. In diesem Fall ist der zweite wärmeleitende Füllstoff 5, dessen Teilchengröße kleiner als die des ersten wärmeleitenden Füllstoffs 4 ist, in die Zwischenräume zwischen dem ersten wärmeleitenden Füllstoff 4 dispergiert, wodurch sich leicht ein Wärmeleitweg bildet, oder sich der erste wärmeleitende Füllstoff 4 leicht im Matrixbestandteil 2 ausrichten lässt.
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Als Obergrenze des Aspektverhältnisses des ersten wärmeleitenden Füllstoffs 4 wird 100 bevorzugt. In diesem Fall kann der erste wärmeleitende Füllstoff den wärmeleitenden Kunststoffformartikel leicht füllen und weist eine ausgezeichnete Verarbeitungsfähigkeit beim Herstellen des wärmeleitenden Kunststoffformartikels auf.
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In der vorliegenden Erfindung ist die „Teilchengröße“ des wärmeleitenden Füllstoffs ein Begriff, der die mittlere Teilchengröße in der Teilchenverteilungsmessung bezeichnet Die mittlere Teilchengröße wird im Laserbeugungsverfahren gemessen (Vorrichtung: Microtrac, hergestellt von BEL Corporation, Microtrac MT3300EX II). Ferner ist in der vorliegenden Erfindung das „Aspektverhältnis“ des wärmeleitenden Füllstoffs ein Konzept eines Durchschnittswerts eines Verhältnisses einer Hauptachse zu einer Nebenachse. Das Aspektverhältnis wird erhalten, indem willkürlich 200 oder mehr Teilchen aus einem von einem REM aufgenommenen Bild ausgewählt werden, das Verhältnis zwischen der Hauptachse und der Nebenachse berechnet wird und ein Durchschnittswert berechnet wird. In Bezug auf die Hauptachse und die Nebenachse wird hier die Länge des längsten Teils im Beobachtungsbild jedes Teilchens als Hauptachse definiert, und die Länge des Teils, der durch den Mittelpunkt der Hauptachse und orthogonal zur Hauptachse verläuft, wird als Nebenachse definiert.
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Der zweite wärmeleitende Füllstoff 5 weist eine kleinere Teilchengröße als der erste wärmeleitende Füllstoff auf, und er umfasst ein anderes Material als Bornitrid.
Der zweite wärmeleitende Füllstoff 5 umfasst ein anderes Material als Bornitrid und Wärmeleitfähigkeit. Als konkrete Beispiele für den zweiten wärmeleitenden Füllstoff 5 lassen sich beispielsweise Graphit, Kohlenstofffasern, Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT), Glimmer, Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Siliciumcarbid, Silica, Zinkoxid, Magnesiumoxid, Calciumcarbonat, Magnesiumcarbonat, Molybdändisulfid, Kupfer, Aluminium und dergleichen nennen.
Von diesen wird ein wärmeleitender Füllstoff aus Magnesiumoxid oder ein wärmeleitender Füllstoff aus Magnesiumcarbonat bevorzugt. So eignet er sich nämlich dazu, die Wärmeleitfähigkeit des wärmeleitenden Flächengebildes 1 über den ersten wärmeleitenden Füllstoff 4 zu erhöhen und das wärmeleitende Flächengebilde 1 kostengünstig bereitzustellen.
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Die Form des zweiten wärmeleitenden Füllstoffs 5 ist nicht besonders eingeschränkt, und es lässt sich beispielsweise als konkrete Form kugelförmig, schuppenförmig, plattenförmig, schichtförmig, zylindrisch, prismenförmig, oval, flach oder dergleichen nennen.
Der zweite wärmeleitende Füllstoff 5 ist vorzugsweise kugelförmig oder schuppenförmig. In diesem Fall bildet er leicht einen Wärmeleitweg zwischen dem ersten wärmeleitenden Füllstoff 4 und eignet sich zum Ausrichten des ersten wärmeleitenden Füllstoffs 4.
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Die Teilchengröße des zweiten wärmeleitenden Füllstoffs 5 beträgt 3 bis 20 µm.
Da die Teilchengröße des zweiten wärmeleitenden Füllstoffs 5 in diesem Bereich liegt, eignet er sich besser dazu, einen Wärmeleitweg über den ersten wärmeleitenden Füllstoff 4 zu bilden und den ersten wärmeleitenden Füllstoff 4 auszurichten. Da die Teilchengröße des zweiten wärmeleitenden Füllstoffs 5 in diesem Bereich liegt, wird außerdem die Oberflächenrauheit des wärmeleitenden Flächengebildes 1 reduziert, und er eignet sich zum Verringern des Wärmewiderstands beim Kontakt mit dem Wärme erzeugenden Element oder dem Wärme abführenden Element (Wärmewiderstand der Oberfläche des wärmeleitenden Flächengebildes 1).
Wenn dagegen die Teilchengröße des zweiten wärmeleitenden Füllstoffs 5 über 20 µm liegt, lässt sich der erste wärmeleitende Füllstoff 4 nicht leicht ausrichten, und es besteht die Möglichkeit der Beeinträchtigung der Wärmeleitfähigkeit des wärmeleitenden Flächengebildes 1.
Wenn die Teilchengröße des zweiten wärmeleitenden Füllstoffs 5 unter 3 µm liegt, kann je nach Materialeigenschaften des zweiten wärmeleitenden Füllstoffs 5 die Wärmeleitfähigkeit des wärmeleitenden Flächengebildes 1 beeinträchtigt werden. Wenn das Material des zweiten wärmeleitenden Füllstoffs 5 beispielsweise Magnesiumoxid oder Magnesiumcarbonat ist, geschieht es, dass der zweite wärmeleitende Füllstoff 5 im Herstellungsschritt des wärmeleitenden Flächengebildes 1 schäumt, und ein solches Schäumen kann die Wärmeleitfähigkeit des wärmeleitenden Flächengebildes 1 reduzieren.
Die Teilchengröße des zweiten wärmeleitenden Füllstoffs 5 beträgt bevorzugt 5 bis 20 µm, besonders bevorzugt 5 bis 15 µm und am meisten bevorzugt 5 bis 10 µm.
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Als Obergrenze des Aspektverhältnisses des zweiten wärmeleitenden Füllstoffs 5 wird 100 bevorzugt. Der zweite wärmeleitende Füllstoff kann den wärmeleitenden Kunststoffformartikel leicht füllen und weist eine ausgezeichnete Verarbeitungsfähigkeit beim Herstellen des wärmeleitenden Kunststoffformartikels auf.
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Die Untergrenze des Aspektverhältnisses des zweiten wärmeleitenden Füllstoffs 5 ist nicht eingeschränkt, solange das Aspektverhältnis des zweiten wärmeleitenden Füllstoffs 5 1 oder mehr beträgt.
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Die Messverfahren für die Teilchengröße und das Aspektverhältnis des zweiten wärmeleitenden Füllstoffs 5 sind jeweils die gleichen wie für die Teilchengröße und das Aspektverhältnis des ersten wärmeleitenden Füllstoffs 4.
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Der Gehalt des wärmeleitenden Füllstoffs im wärmeleitenden Flächengebilde 1 (Gesamtgehalt des wärmeleitenden Füllstoffs) beträgt 30 bis 50 Vol.-%.
Wenn der Gesamtgehalt des wärmeleitenden Füllstoffs unter 30 Vol.-% liegt, kann keine ausreichende Wärmeleitfähigkeit gewährleistet werden. Wenn der Gehalt 50 Vol.-% übersteigt, wird die Verarbeitungsfähigkeit beim Herstellen des wärmeleitenden Kunststoffformartikels beeinträchtigt und es wird schwierig, den Wärmeleitfähigkeit aufweisenden Kunststoffformartikel kostengünstig bereitzustellen.
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Der Gehalt des ersten wärmeleitenden Füllstoffs 4 im wärmeleitenden Flächengebilde 1 beträgt 5 bis 20 Vol.-%. In diesem Fall kann der erste wärmeleitende Füllstoff ausgerichtet werden und die Wärmeleitfähigkeit kann gewährleistet werden.
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Wenn dagegen der Gehalt des ersten wärmeleitenden Füllstoffs 4 unter 5 Vol.-% beträgt, kann auch bei Ausrichtung des ersten wärmeleitenden Füllstoffs keine ausreichende Wärmeleitfähigkeit gewährleistet werden. Wenn der Gehalt 20 Vol.-% übersteigt, ist es schwierig, den wärmeleitenden Kunststoffformartikel kostengünstig bereitzustellen.
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Der Gehalt des zweiten wärmeleitenden Füllstoffs 5 im wärmeleitenden Flächengebilde 1 beträgt vorzugsweise 10 bis 45 Vol.-%.
Wenn der Gehalt des zweiten wärmeleitenden Füllstoffs 5 unter 10 Vol.-% beträgt, ist es schwierig, den ersten wärmeleitenden Füllstoff beim Formen auszurichten. Wenn dagegen der Gehalt des zweiten wärmeleitenden Füllstoffs 5 45 Vol.-% übersteigt, ist der Gehalt des ersten wärmeleitenden Füllstoffs zu gering, sodass keine ausreichende Wärmeleitfähigkeit gewährleistet werden kann.
Der Gehalt des zweiten wärmeleitenden Füllstoffs 5 beträgt mehr bevorzugt 20 bis 45 Vol.-%.
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Das wärmeleitende Flächengebilde 1 der vorliegenden Ausführungsform enthält als wärmeleitenden Füllstoff den ersten wärmeleitenden Füllstoff 4 und den zweiten wärmeleitenden Füllstoff 5. In diesem Beispiel erfüllen die Teilchengröße D1 des ersten wärmeleitenden Füllstoffs 4 und die Teilchengröße D2 des zweiten wärmeleitenden Füllstoffs 5 die Beziehung D1>D2. Solange die Wirkung der vorliegenden Erfindung nicht beeinträchtigt wird, kann das wärmeleitende Flächengebilde 1 außer dem ersten wärmeleitenden Füllstoff 4 und dem zweiten wärmeleitenden Füllstoff 5 auch einen weiteren wärmeleitenden Füllstoff enthalten.
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Die Dicke des wärmeleitenden Flächengebildes 1 ist nicht besonders eingeschränkt und beträgt beispielsweise etwa 0,1 bis 3,0 mm.
In diesem Fall kann das wärmeleitende Flächengebilde 1 in elektrischen Bauteilen oder Fahrzeugbauteilen auf vorteilhafte Weise als Element benutzt werden, das Wärme zwischen Wärme erzeugenden Elementen und Wärme abführenden Elementen effizient überträgt.
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Unter Bezugnahme auf die Figuren wird ein Verfahren zum Herstellen des wärmeleitenden Flächengebildes der vorliegenden Ausführungsform beschrieben.
2 ist eine schematische Ansicht einer Extrusionsmaschine, die zum Herstellen des wärmeleitenden Flächengebilde der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung benutzt wird. In 2 ist eine schematische Schnittansicht eines vorderen Endteils der Extrusionsmaschine 100 und einer T-Düse gezeigt.
Eine in die Extrusionsmaschine 100 eingebrachte Ausgangsmaterialzusammensetzung, die den wärmeleitenden Füllstoff enthält, wird durch eine Schnecke 8 gerührt und gemischt und über einen Strömungsweg 10 in einen ersten Spalt 12 geleitet.
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Die in die Extrusionsmaschine 100 eingebrachte Ausgangsmaterialzusammensetzung wird zunächst durch den ersten Spalt 12 in Oben-unten-Richtung (Dickenrichtung) zu einer dünnen Bahn zusammengepresst. Beim Passieren des ersten Spalts 12 wirken Scherkräfte auf die Ausgangsmaterialzusammensetzung ein, und der in die Ausgangsmaterialzusammensetzung gemischte erste wärmeleitende Füllstoff wird in Fließrichtung der Ausgangsmaterialzusammensetzung ausgerichtet. In dem durch Passieren des ersten Spalts 12 gebildeten dünnen Kunststoffflächengebildevorläufer ist also wenigstens der erste wärmeleitende Füllstoff in Flächenrichtung des Kunststoffflächengebildevorläufers ausgerichtet.
Wenn der zweite wärmeleitende Füllstoff ein Füllstoff mit einer Form ist, die sich ausrichten lässt, wird der zweite wärmeleitende Füllstoff beim Passieren des ersten Spalts 12 in gleicher Richtung wie der erste wärmeleitende Füllstoff ausgerichtet.
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Die Öffnung des ersten Spalts 12 (Abmessung in Oben-unten-Richtung von 2) beträgt vorzugsweise 0,1 mm oder mehr bis 5,0 mm oder weniger. Wenn die Öffnung des ersten Spalts 12 kleiner als 0,1 mm ist, steigt der Extrusionsdruck mehr als nötig an, und es kommt zu einem Verstopfen durch den Kunststoff. Wenn die Öffnung des ersten Spalts 12 dagegen größer als 5,0 mm ist, nimmt der Ausrichtungsgrad des wärmeleitenden Füllstoffs in Bezug auf die Flächenrichtung des Kunststoffflächengebildevorläufers ab.
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Wenn der dünne Kunststoffflächengebildevorläufer, in dem der erste wärmeleitende Füllstoff in Flächenrichtung ausgerichtet ist, den ersten Spalt 12 vollständig passiert, wird die Fließrichtung des Flächengebildes, die in Extrusionsrichtung eingeschränkt war, freigegeben, und die Fließrichtung ändert sich zu einer Richtung, die ungefähr vertikal zur Extrusionsrichtung ist. Der Grund dafür ist, dass die Oberfläche des Strömungswegs 10 nach dem Passieren des ersten Spalts 12 größer wird und die Länge des Strömungswegs 10 in Oben-unten-Richtung zunimmt.
Wenn der dünne Kunststoffflächengebildevorläufer, dessen Flächengebildefließrichtung sich zu einer Richtung, die ungefähr vertikal zur Extrusionsrichtung ist, verändert hat, den ersten Spalt 12 vollständig durchlaufen hat, wird er weiter zu einem zweiten Spalt 14 gedrückt. Mit dem Kunststoffflächengebildevorläufer im zweiten Spalt 14 tritt der dünne Kunststoffflächengebildevorläufer somit in einen geschichteten Zustand ein. Ein Großteil des ersten wärmeleitenden Füllstoffs wird dabei in Dickenrichtung des Kunststoffflächengebildevorläufers im zweiten Spalt 14 (in Oben-unten-Richtung in 2) ausgerichtet.
Anschließend wird nach Bedarf eine Vernetzung durch Erwärmen des Kunststoffflächengebildevorläufers unter festgelegten Bedingungen durchgeführt, und weiterhin wird der Kunststoffflächengebildevorläufer nach Bedarf in einer Richtung vertikal zur Dickenrichtung in Scheiben geschnitten. Durch das Durchlaufen dieser Schritte wird das wärmeleitende Flächengebilde 1 hergestellt.
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In diesem Beispiel beträgt die Öffnung des zweiten Spalts 14 vorzugsweise das Zweifache oder mehr bis Zwanzigfache oder weniger der Öffnung des ersten Spalts 12. Wenn die Öffnung des zweiten Spalts 14 weniger als das Zweifache der Öffnung des ersten Spalts 12 beträgt, geschieht es, dass der erste wärmeleitende Füllstoff 4 nicht in Dickenrichtung des wärmeleitenden Flächengebildes 1 ausgerichtet wird. Wenn die Öffnung des zweiten Spalts 14 mehr als das Zwanzigfache der Öffnung des ersten Spalts 12 beträgt, kommt es stellenweise zu einem ungeordneten Fließzustand des Kunststoffflächengebildevorläufers, wodurch der Anteil des ersten wärmeleitenden Füllstoffs 4, der in Dickenrichtung des wärmeleitenden Flächengebildes 1 ausgerichtet ist, abnimmt.
Die Öffnung des zweiten Spalts 14 beträgt mehr bevorzugt das Zweifache oder mehr bis Zehnfache oder weniger der Öffnung des ersten Spalts 12.
Unter dem Gesichtspunkt eines gleichmäßigen Fließens des Kunststoffflächengebildevorläufers in Oben-unten-Richtung des Strömungswegs 10 liegen ein Mittelpunkt in Dickenrichtung des ersten Spalts 12 und ein Mittelpunkt in Dickenrichtung des zweiten Spalts 14 in Dickenrichtung vorzugsweise im Wesentlichen an derselben Position.
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Die Form eines Öffnungsabschnitts, der mit dem ersten Spalt 12 in Verbindung steht, ist nicht besonders eingeschränkt, doch ist vorzugsweise eine stromaufwärtige Seitenfläche des Öffnungsabschnitts (Fläche in Oben-Unten-Richtung) eine schräge Fläche, um einen Druckverlust zu verringern, und für eine stromabwärtige Seitenfläche des Öffnungsabschnitts (Fläche in Oben-Unten-Richtung) wird zum Ausrichten des wärmeleitenden Füllstoffs in Dickenrichtung des Kunststoffflächengebildes vorzugsweise ein Neigungswinkel (ein Winkel, den die Extrusionsrichtung und die schräge Fläche bilden) eingestellt. Dieser Neigungswinkel kann beispielsweise 10° bis 50° betragen, und er beträgt vorzugsweise 20° bis 25°.
Der Öffnungsabschnitt, der mit dem ersten Spalt 12 in Verbindung steht, muss nicht oben und unten schräg sein, und es reicht aus, wenn er oben oder unten eine Schräge aufweist.
Die Tiefe des ersten Spalts 12 und des zweiten Spalts 14 (also die Öffnung des ersten Spalts 12 und des zweiten Spalts 14 in einer Richtung im Wesentlichen vertikal zur Papierfläche in 2) ist über die gesamte T-Düse hinweg im Wesentlichen gleich. Die Tiefenabmessung des ersten Spalts und des zweiten Spalts ist nicht besonders eingeschränkt, und es sind verschiedene Auslegungsänderungen entsprechend der Produktbreite des Kunststoffflächengebildes möglich.
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Das wärmeleitende Flächengebilde der vorliegenden Erfindung kann durch das unten aufgeführte Herstellungsverfahren hergestellt werden.
Dabei kann die Herstellung derart sein, dass zunächst eine Ausgangsmaterialzusammensetzung zum Herstellen des wärmeleitenden Flächengebildes zubereitet wird, mit der Ausgangsmaterialzusammensetzung in einem im Stand der Technik bekannten Verfahren mehrere Flächengebilde hergestellt werden, in denen wenigstens der erste wärmeleitende Füllstoff in Flächenrichtung ausgerichtet ist, mehrere der Flächengebilde zu einem Blockgebilde geschichtet werden und das Blockgebilde (Schichtkörper der Flächengebilde) in einer Richtung vertikal zur Ausrichtungsrichtung des ersten wärmeleitenden Füllstoffs geschnitten wird. Wenn das wärmeleitende Flächengebilde in diesem Verfahren hergestellt wird, kann je nach Bedarf zu einem geeigneten Zeitpunkt eine Vernetzungsverarbeitung durchgeführt werden.
Das in diesem Verfahren hergestellte wärmeleitende Flächengebilde ist ein Flächengebilde mit ausgezeichneter Wärmeleitfähigkeit, in dem der erste wärmeleitende Füllstoff im Wesentlichen in Dickenrichtung des wärmeleitenden Flächengebilde ausgerichtet ist.
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Ausführungsbeispiel
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Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen ausführlicher beschrieben, ist jedoch nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt.
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Ausführungsbeispiel 1
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Einem Kunststoffbestandteil mit dem in Tabelle 1 aufgeführten Mischungsverhältnis wurden durch zwei Walzen ein Vernetzungsmittel sowie der erste wärmeleitende Füllstoff und der zweite wärmeleitende Füllstoff (im Folgenden auch zusammengefasst als Ausgangsmaterialbestandteil bezeichnet) beigemischt, wodurch ein bandförmiges Flächengebilde (als Vorläufer dienende Zusammensetzung) erzeugt wurde.
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Als der Kunststoffbestandteil wurden Silikonkautschuk DY321005U, hergestellt von der Dow Corning Toray Co., Ltd., und ein Weichmacher (Silikonöl KF-96-3000CS, hergestellt von der Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.) verwendet.
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Als das Vernetzungsmittel wurden MR-53 und RC-4 50PFD, hergestellt von der Dow Corning Toray Co., Ltd., verwendet. Der Gesamtgehalt derselben ist in Tabelle 1 gezeigt.
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Als der erste wärmeleitende Füllstoff wurde ein Füllstoff aus Bornitrid (XGP, hergestellt von der Denka Company Limited (schuppenförmig, Teilchengröße 35 µm, Aspektverhältnis von etwa 30)) verwendet.
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Als der zweite wärmeleitende Füllstoff wurde ein Füllstoff aus Magnesiumcarbonat (kubisch, Teilchengröße 6 µm, Aspektverhältnis von etwa 1 (hergestellt von der Konoshima Chemical Co., Ltd.)) verwendet.
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Als Nächstes wurde an einer kurzachsigen Extrusionsmaschine 100 für Kautschuk unter Verwendung einer Form (Düse) zur vertikalen Ausrichtung mit einem 1 mm großen ersten Spalt und einem 10 mm zweiten Spalt ein 10 mm dickes Flächengebilde hergestellt, in dem der erste wärmeleitende Füllstoff (schuppenförmiges Bornitrid) in Dickenrichtung ausgerichtet wurde, und das Flächengebilde bei 170 °C 30 Minuten lang einer Vernetzungsverarbeitung unterzogen wurde. Nach der Vernetzungsverarbeitung wurde das Flächengebilde in einer Richtung vertikal zur Dickenrichtung in Scheiben geschnitten, wodurch das wärmeleitfähiges Flächengebilde 1 als ein 500 µm dicker wärmeleitender Kunststoffformartikel hergestellt wurde.
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Ausführungsbeispiel 2
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Mit Ausnahme dessen, dass das Mischungsverhältnis des Ausgangsmaterialbestandteils wie in Tabelle 1 aufgeführt verändert wurde, wurde in gleicher Weise wie in Ausführungsbeispiel 1 ein wärmeleitendes Flächengebilde 1 hergestellt.
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Ausführungsbeispiel 3
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Als der zweite wärmeleitende Füllstoff wurde ein Füllstoff aus Magnesiumcarbonat (kubisch, Teilchengröße 15 µm, Aspektverhältnis von etwa 1 (hergestellt von der Konoshima Chemical Co., Ltd.)) verwendet, und mit Ausnahme dessen, dass das Mischungsverhältnis des Ausgangsmaterialbestandteils wie in Tabelle 1 aufgeführt verändert wurde, wurde in gleicher Weise wie in Ausführungsbeispiel 1 ein wärmeleitendes Flächengebilde 1 hergestellt.
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Ausführungsbeispiel 4
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Mit Ausnahme dessen, dass das Mischungsverhältnis des Ausgangsmaterialbestandteils wie in Tabelle 1 aufgeführt verändert wurde, wurde in gleicher Weise wie in Ausführungsbeispiel 1 ein wärmeleitendes Flächengebilde 1 hergestellt.
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Ausführungsbeispiel 5
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Als der zweite wärmeleitende Füllstoff wurde ein Füllstoff aus Magnesiumoxid (SMO, hergestellt von Sakai Chemical Industry Co., Ltd. (kugelförmig, Teilchengröße 10 µm, Aspektverhältnis von etwa 1)) verwendet, und mit Ausnahme dessen, dass das Mischungsverhältnis des Ausgangsmaterialbestandteils wie in Tabelle 1 aufgeführt verändert wurde, wurde in gleicher Weise wie in Ausführungsbeispiel 1 ein wärmeleitendes Flächengebilde 1 hergestellt.
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Ausführungsbeispiel 6
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Mit Ausnahme dessen, dass das Mischungsverhältnis des Ausgangsmaterialbestandteils wie in Tabelle 1 aufgeführt verändert wurde, wurde in gleicher Weise wie in Ausführungsbeispiel 5 ein wärmeleitendes Flächengebilde 1 hergestellt.
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Referenzbeispiel 7 (nicht erfindungsgemäß)
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Als der zweite wärmeleitende Füllstoff wurde ein Füllstoff aus Magnesiumcarbonat (kubisch, Teilchengröße 26 µm, Aspektverhältnis von etwa 1 (hergestellt von der Konoshima Chemical Co., Ltd.)) verwendet, und mit Ausnahme dessen, dass das Mischungsverhältnis des Ausgangsmaterialbestandteils wie in Tabelle 1 aufgeführt verändert wurde, wurde in gleicher Weise wie in Ausführungsbeispiel 1 ein wärmeleitendes Flächengebilde 1 hergestellt.
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Ausführungsbeispiel 8
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Mit Ausnahme dessen, dass das Mischungsverhältnis des Ausgangsmaterialbestandteils wie in Tabelle 1 aufgeführt verändert wurde, wurde in gleicher Weise wie in Ausführungsbeispiel 3 ein wärmeleitendes Flächengebilde 1 hergestellt.
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Ausführungsbeispiel 9
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Mit Ausnahme dessen, dass das Mischungsverhältnis des Ausgangsmaterialbestandteils wie in Tabelle 1 aufgeführt verändert wurde, wurde in gleicher Weise wie in Ausführungsbeispiel 1 ein wärmeleitendes Flächengebilde 1 hergestellt.
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Ausführungsbeispiel 10
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Mit Ausnahme dessen, dass als der zweite wärmeleitende Füllstoff ein Füllstoff aus Calciumcarbonat („leichtes Calciumcarbonat“, hergestellt von der Maruo Calcium K.K. (kugelförmig, Teilchengröße 6 µm, Aspektverhältnis von etwa 1)) verwendet wurde, wurde in gleicher Weise wie in Ausführungsbeispiel 7 ein wärmeleitendes Flächengebilde 1 hergestellt.
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Ausführungsbeispiel 11
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Mit Ausnahme dessen, dass als der zweite wärmeleitende Füllstoff ein Füllstoff aus Magnesiumoxid (Starmag MSL, hergestellt von Konoshima Chemical Co., Ltd. (kugelförmig, Teilchengröße 9 um, Aspektverhältnis von etwa 1)) verwendet wurde, wurde in gleicher Weise wie in Ausführungsbeispiel 7 ein wärmeleitendes Flächengebilde 1 hergestellt.
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Vergleichsbeispiele 1, 2
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Mit Ausnahme dessen, dass das Mischungsverhältnis des Ausgangsmaterialbestandteils wie in Tabelle 1 aufgeführt verändert wurde (keine Verwendung des zweiten wärmeleitenden Füllstoffs), wurde in gleicher Weise wie in Ausführungsbeispiel 1 ein wärmeleitendes Flächengebilde 1 hergestellt.
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Auswertungsprüfung
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Härte
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Als Härte des erlangten wärmeleitfähigen Kunststoffflächengebildes wurde die Asker-C-Härte gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt.
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Wärmewiderstand
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Der Wärmewiderstand in Dickenrichtung des erlangten wärmeleitfähigen Kunststoffflächengebildes wurde unter Verwendung eines TIM TESTER 1300 mit drei Messdruckniveaus (0,1 MPa, 0,3 MPa und 0,5 MPa) gemessen. Die Messwerte sind in Tabelle 1 aufgeführt. Die Messung erfolgte im Dauerzustandsverfahren gemäß der US-Norm ASTM D5470. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt.
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Tabelle 1
| Ausführungsbeispiele 1 bis 6 und 8 bis 11 und Referenzbeispiel 7 | Vergleichsbeispiele |
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 1 | 2 |
Zusammensetzung | Wärmeleitender Füllstoff | Erster wärmeleitender Füllstoff | Material | BN | BN | BN | BN | BN | BN | BN | BN | BN | BN | BN | BN | BN |
Teilchengröße (µm) | 35 | 35 | 35 | 35 | 35 | 35 | 35 | 35 | 35 | 35 | 35 | 35 | 35 |
Gehalt (Vol.-%) | 11,0 | 14,0 | 15,0 | 17,0 | 17,0 | 17,0 | 20,0 | 20,0 | 20,0 | 20,0 | 20,0 | 40,0 | 30,0 |
Aspektverhältnis | Etwa 30 | Etwa 30 | Etwa 30 | Etwa 30 | Etwa 30 | Etwa 30 | Etwa 30 | Etwa 30 | Etwa 30 | Etwa 30 | Etwa 30 | Etwa 30 | Etwa 30 |
Zweiter wärmeleitender Füllstoff | Material | MgCO3 | MgCO3 | MgCO3 | MgCO3 | MgO | MgO | MgCO3 | MgCO3 | MgCO3 | CaCO3 | MgO | - | - |
Teilchengröße (µm) | 6 | 6 | 15 | 6 | 10 | 10 | 26 | 15 | 6 | 6 | 9 | - | - |
Gehalt (Vol.-%) | 34,0 | 31,0 | 35,0 | 30,0 | 30,0 | 33,0 | 25,0 | 25,0 | 25,0 | 25,0 | 25,0 | - | - |
Aspektverhältnis | Etwa 1 | Etwa 1 | Etwa 1 | Etwa 1 | Etwa 1 | Etwa 1 | Etwa 1 | Etwa 1 | Etwa 1 | Etwa 1 | Etwa 1 | - | - |
| | Gesamtgehalt an wärmeleitendem Füllstoff (Vol.-%) | 45,0 | 45,0 | 50,0 | 47,0 | 47,0 | 50,0 | 45,0 | 45,0 | 45,0 | 45,0 | 45,0 | - | - |
| Kunststoffbestandteil | Silikon kautschuk | Gehalt (Vol.-%) | 15,3 | 15,3 | 13,9 | 14,8 | 14,8 | 13,9 | 15,3 | 15,3 | 15,3 | 15,3 | 15,3 | 16,8 | 26,8 |
| Weichmacher | Gehalt (Vol.-%) | 39,1 | 39,1 | 35,5 | 37,9 | 37,6 | 35,5 | 39,1 | 39,1 | 39,1 | 39,1 | 39,1 | 42,6 | 42,6 |
| Vemetzungsmittel | Gehalt (Vol.-%) | 0,6 | 0,6 | 0,6 | 0,3 | 0,6 | 0,6 | 0,6 | 0,6 | 0,6 | 0,6 | 0,6 | 0,6 | 0,6 |
| Härte | Asker -C | ° | 46 | 42 | 46 | 46 | 24 | 28 | 36 | 45 | 45 | 42 | 33 | 27 | 20 |
| Wärmewiderstand | Messdruck | 0,1 MPa | (Kcm2/W) | 3,62 | 2,05 | 2,38 | 2,77 | 2,85 | 3,01 | 2,18 | 2,10 | 1,67 | 1,97 | 2,50 | 2,40 | 3,63 |
| 0,3 MPa | (Kcm2/W) | 2,55 | 1,79 | 2,04 | 2,06 | 2,10 | 1,92 | 2,01 | 1,70 | 1,35 | 1,55 | 1,85 | 1,84 | 3,18 |
| 0,5 MPa | (Kcm2/W) | 2,22 | 1,67 | 1,89 | 1,76 | 1,90 | 1,77 | 1,85 | 1,35 | 1,17 | 1,47 | 1,69 | 1,80 | 3,00 |
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Die Ergebnisse aus Tabelle 1 zeigen, dass gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter reduzierter Verwendung von teurem BN ein wärmeleitfähiges Kunststoffflächengebilde mit niedrigem Wärmewiderstand bereitgestellt kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- wärmeleitendes Flächengebilde
- 2
- Matrixbestandteil
- 4
- erster wärmeleitender Füllstoff
- 5
- zweiter wärmeleitender Füllstoff
- 6
- Schweißnaht
- 8
- Schnecke
- 10
- Strömungsweg
- 12
- erster Spalt
- 14
- zweiter Spalt
- 100
- Extrusionsmaschine