JP2001230353A - 放熱部材 - Google Patents

放熱部材

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Abstract

(57)【要約】 【課題】熱伝導性と耐加水分解性のバランスに優れた放
熱部材を提供すること。 【解決手段】シリコーン固化物に窒化アルミニウム粉末
が50体積%以上充填されてなる熱伝導率5W/m・K
以上の成形体からなるものであって、上記窒化アルミニ
ウム粉末の粒度構成が、粒子径150μm未満90%以
上、45μm未満の粒子に対する45〜150μmの粒
子の体積比率が0.5〜1.5であることを特徴とする
発熱性電子部品の放熱部材。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、発熱性電子部品の
放熱部材に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、発熱性電子部品は高密度化によ
り、放熱部材の熱伝導性の要求が益々高まっている。ま
た、携帯用パソコンをはじめ、電子機器の小型、薄型、
軽量化が進み、今後もこの方向性は変わらないと考えら
れる。従って、これらの電子機器へ用いる放熱部材も高
熱伝導化にあわせて薄型化が要求されている。
【0003】従来、放熱部材の熱伝導性の向上には、窒
化ホウ素粉末の充填量を高めることが、一般的に行われ
ている。しかし、窒化ホウ素粒子は、その形状が鱗片状
であるのでシリコーン固化物へは粒子が寝た状態で充填
されてしまい、a軸方向の高熱伝導性(110W/m・
K)を十分に利用することが困難である。そのために
は、窒化ホウ素粒子を立たせて充填させるべき特別な配
慮が必要であった。
【0004】そこで、熱伝導性の更なる向上のために
は、窒化アルミニウム粉末をフィラーとする多くの提案
がある(特開平3−14873号公報、特開平3−29
5863号公報、特開平6−164174号公報等)。
【0005】しかしながら、シリコーン固化物中の窒化
アルミニウム粉末は、水分と加水分解を起こし、水酸化
アルミニウムとアンモニアガスが発生する。水酸化アル
ミニウムは、熱伝導率が窒化アルミニウムよりもかなり
小さく、またアンモニアガスはそのまま気泡として残存
するので、いずれの場合も放熱部材の放熱特性が低下
し、窒化アルミニウム粉末の良好な熱伝導性を十分に生
かすことができていない。
【0006】この問題を解決するため、耐加水分解性の
高い粒子径の大きい100μm前後の粒子だけを用いる
ことが考えられるが、この場合、放熱部材の表面には粗
い粒子による凹凸が生じるため、発熱性電子部品に実装
したときに密着性が悪くなり、効率的な放熱を行うこと
ができなくなる。この放熱部材の密着性の問題は、放熱
部材が薄型化されると、さらに顕著となる。薄型化した
場合、放熱部材自体の熱伝導率よりも、表面の凹凸によ
る熱抵抗がかなり勝るためである。
【0007】大きい粒子を用いるのと同様な考え方か
ら、球状窒化アルミニウム焼結体粒子を用いることの提
案(特開平11−269302号公報等)がある。この
技術は、原料窒化アルミニウム粒子サイズをあらかじめ
造粒等によって焼結粒子サイズに調整しておくものであ
り、粉砕工程を経ないことが特徴である。このような球
状粒子を用いることによって、熱伝導性・樹脂の流動性
・成形時の金型摩耗性等が改善されたが、生産面・品質
面で解決しなければならない課題がある。
【0008】すなわち、品質面では、球状を維持するた
めに熱伝導率の低い結晶化触媒をバインダーとして球状
粒子内に留めておく必要があり、球状粒子自体の熱伝導
率を向上させることが困難であること、また、製造技術
面では、造粒時に有機系バインダー及び溶剤を用いるこ
と、焼成時に焼結助剤の溶出により球状粒子同士が合着
・凝集することなどである。しかも、所期したほどには
放熱部材の熱伝導率は向上しない。その原因は、放熱部
材の凹凸による密着性低にある。
【0009】そこで、放熱部材の密着性を、窒化アルミ
ニウム焼結体から得られた平均粒子径50μm以下の粉
砕物を用いて解決することの提案(特開平6−2090
57号公報)があるが、この場合、耐加水分解性に劣る
懸念がある。また、粒子径が小さくなると、粒子間に薄
い熱伝導率の小さい樹脂層が介在し、粒子間の接触抵抗
が増大するため、放熱部材の熱伝導率を十分に向上させ
ることができなくなる。
【0010】更には、窒化アルミニウム焼結体から得ら
れた平均粒子径30〜50μmの粉砕物と、平均粒子径
0.1〜5μmの未焼結窒化アルミニウム粉末とを併用
することの提案がある(特開平6−24715号公
報)。これによって、放熱部材の凹凸が少なくなり、密
着性は向上するが、焼結体粉末自体が微粉を有すること
に加え、更に0.1〜5μmの超微粉を20%以上を混
合するので、熱伝導率の大幅な向上はない。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記に鑑み
てなされたものであり、その目的は、窒化アルミニウム
粉末の粒度構成を適正化することによって、熱伝導性と
耐加水分解性のバランスに優れた放熱部材を提供するこ
とである。
【0012】
【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、シ
リコーン固化物に窒化アルミニウム粉末が50体積%以
上充填されてなる熱伝導率5W/m・K以上の成形体か
らなるものであって、上記窒化アルミニウム粉末の粒度
構成が、粒子径150μm未満90%以上、45μm未
満の粒子に対する45〜150μmの粒子の体積比率が
0.5〜1.5であることを特徴とする発熱性電子部品
の放熱部材である。
【0013】
【発明の実施の形態】以下、更に詳しく本発明について
説明する。
【0014】本発明における「放熱部材」とは、シリコ
ーン固化物に窒化アルミニウム粉末が充填されたもので
あり、IC、LSI等の半導体素子等の発熱性電子部品
から発生した熱を効率よく系外に除去するため、例えば
半導体素子と放熱基板等との間の0.1〜1mm程度の
隙間に組み込まれて使用されているものである。そのサ
イズ、硬さ、用途等の違いによって、放熱板、放熱シー
ト、放熱スペーサー等がある。
【0015】本発明において、重要なことは、放熱部材
の熱伝導性・耐加水分解性・薄型化をバランス良く実現
させるために、窒化アルミニウム粉末の粒度構成を適正
化したことであり、特に粒子径150μm未満90%以
上、45μm未満の粒子に対する45〜150μmの粒
子の体積比率が0.5〜1.5、好適には3μm以下の
微粉の含有率を10%以下としたことである。
【0016】本発明で使用される窒化アルミニウム粉末
は、アルミナ還元法、金属アルミニウム粉末の直接窒化
法等で製造された粉末や、このような窒化アルミニウム
粉末にイットリア等の焼結助剤を0.5〜10%程度添
加し、成形後、窒素、アルゴン等の非酸化性雰囲気下、
温度1600〜2000℃程度で焼結された窒化アルミ
ニウム焼結体を粉砕して得られ粉砕物など、いずれであ
っても良い。好ましくは、45〜150μmの粒子を窒
化アルミニウム焼結体の粉砕物で構成されていることで
ある。
【0017】本発明で使用される窒化アルミニウム粉末
は、その主粒が150μm以下であり、150μmを超
える粒子は、多くても10%とする。150μmをこえ
る粗粒子が多くなると、放熱部材の表面の凹凸が多くな
り、密着性が悪くなって熱伝導性が十分に向上しない。
【0018】また、45μm未満の粒子に対する45〜
150μmの粒子の体積比率が0.5未満であると、シ
リコーン固化物への充填性が極端に悪化し、熱伝導率5
W/m・K以上の達成が困難となる。一方、該比が1.
5超であると、放熱部材の表面の凹凸が多くなり、密着
性が悪くなって熱伝導性が十分に向上しない。これらの
関連を有する中にあっても、耐加水分解性を具備させる
ため、3μm以下の微粉含有量を10%以下とすること
が好ましい。
【0019】窒化アルミニウム粉末のシリコーン固化物
への充填量は、熱伝導率5W/m・K以上の達成と成形
性の点から、50体積%以上、好ましくは70〜85体
積%である。
【0020】本発明の放熱部材のマトリックスを構成す
るシリコーン固化物としては、一般的な電子材料用途に
使用されているシリコーンゴム、例えば付加反応により
加硫する液状シリコーンゴム、過酸化物を加硫に用いる
熱加硫型ミラブルタイプのシリコーンゴム等が不都合な
く用いることができる。
【0021】中でも、放熱スペーサーは、半導体素子の
発熱面と放熱フィン等の放熱面との密着性が要求される
ため、シリコーン固化物中でも柔軟性を有するもの、ゴ
ム弾性を有するものが好適である。特に柔軟性が必要な
場合は、付加反応型液状シリコーンの固化物が使用でき
る。この付加反応型液状シリコーンの具体例としては、
一分子中にビニル基とH−Si基の両方を有する一液性
のシリコーン、又は末端あるいは側鎖あるいは両端にビ
ニル基を有するオルガノポリシロキサンと末端あるいは
側鎖に2個以上のH−Si基を有するオルガノポリシロ
キサンとの二液性のシリコーン等をあげることができ
る。このような付加反応型液状シリコーンの市販品とし
ては、例えば東レダウコーニング社製、商品名「SE−
1885」等を例示することができる。放熱スペーサー
の柔軟性は、付加反応によって形成される架橋密度によ
って調整することができる。また必要に応じて、各種の
硬化剤やその他の添加剤を適宜配合することができる。
【0022】放熱部材が放熱スペーサーである場合、そ
の柔軟性は、JISA硬度で80以下が好ましい。
【0023】放熱部材の形状については特に制限はな
い。厚みは、0.05〜6mm、特に0.2〜2mmが
一般的である。
【0024】本発明の放熱部材を製造する一例を説明す
ると、シリコーン原料と所定粒度に調整された窒化アル
ミニウム粉末とを、ロールミル、ニーダー、バンバリー
ミキサー等の混合機を用いて混合し、その混合物を真空
脱気してから厚さ調整のための中空金枠に詰め、その上
下面をフッ素樹脂、ポリエチレンテレフタレート等の樹
脂製ベースフィルムで覆った後、更にその上下面に平滑
な金属板を当て、通常の平板プレス機を用い、5〜10
0MPa程度の圧力でプレスすることによって行われ
る。成形は、押出し法であってもよい。成形後、そのま
ま又は金枠から外して成形物の加硫を行い固化させる。
加硫温度は、40〜200℃であることが望ましい。
【0025】
【実施例】以下、実施例、比較例をあげて更に具体的に本
発明を説明する。
【0026】実施例1〜3 比較例1、2 市販の窒化アルミニウム粉末(東洋アルミニウム社製
商品名「トーヤルナイト」、平均粒径2.7μm 3μ
m以下の微粉含有率52体積%)(a粉)、及び市販の
窒化アルミニウム焼結体を振動ミルにて粉砕して、50
0〜150μm(b粉)、45〜150μm(c粉)、
45μm下(3μm以下の微粉含有率5体積%)(d
粉)の窒化アルミニウム粉末をそれぞれ準備し、それら
を適宜混合して表1に示される粒度構成にした。
【0027】付加反応型シリコーンゴム(東芝シリコー
ン社製商品名「TSE3070」)と、上記粒度調整さ
れた窒化アルミニウム粉末を表1に示す割合で攪拌混合
機にて混合した。この混合物を真空脱気した後、厚み
1.0mmの中空金枠に詰め、その上下面をポリエチレ
ンテレフタレート製フイルムで覆った後、更にその上下
面に平板な金属板を当接し、14.7MPaの圧力でプ
レスした。次いで、金枠のまま温度150℃に保持され
た熱風乾燥機に20時間静置して加硫を行った後金枠よ
り取り外し、各種の放熱スペーサーを製造した。
【0028】得られた放熱スペーサーについて、以下に
従う熱伝導率を測定した。また、窒化アルミニウム粉末
の粒度構成と加水分解度を以下のようにして測定した。
それらの結果を表1に示す。
【0029】(1)熱伝導率 放熱スペーサーをTO−3型銅製ヒーターケースと銅板
の間に挟み、スペーサー厚みの10%を圧縮した状態
で、ヒーターケースに電力20Wをかけて4分間保持し
てヒーターケースと銅板の温度差を測定し、TO−3型
の伝熱面積0.0006m2から、式、熱伝導率(W/
m・K)=〔電力(W)×シート厚さ(0.001
m)〕/〔伝熱面積(0.0006m2)×温度差
(℃)〕から算出した。
【0030】(2)粒度構成 粒径はJIS篩を用いたロータップ法により測定した。
また、3μm以下の粒子の含有率は、レーザー回折式粒
度分布法(測定装置:Leed&Northrup社製
「マイクロトラックSPA」)で測定した。
【0031】(3)加水分解度 粒度調整された窒化アルミニウム粉末を温度80℃、相
対湿度95%以上の条件下に24時間静置した後、粉末
の酸素量を測定して評価した。試験前後の酸素量の差
が、式、AlN+3H2O=Al(OH)3 +NH3
に従い、窒化アルミニウムが水酸化アルミニウムに変化
したと仮定し、試験前後の酸素量の差を窒化アルミニウ
ムが水酸化アルミニウムに変化したときの理論酸素量
(61.5%)で割った値を、加水分解度とした。
【0032】
【表1】
【0033】表1から、本発明の放熱部材は、比較例に
比べて高熱伝導性であり、しかも窒化アルミニウム粉末
の加水分解度が小さいことから耐加水分解性も大きいも
のであることがわかる。
【0034】
【発明の効果】本発明によれば、熱伝導性と耐加水分解
性のバランスに優れた放熱部材が提供される。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) B29K 509:04 H01L 23/36 M Fターム(参考) 4F204 AA33 AB11 AB16 AC04 AH33 AR12 AR20 EA03 EB01 EE03 EE30 EF02 EF47 5E322 AA11 AB11 FA05 5F036 AA01 BA03 BA23 BB01 BB08 BB21 BD11 BD14

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 シリコーン固化物に窒化アルミニウム粉
    末が50体積%以上充填されてなる熱伝導率5W/m・
    K以上の成形体からなるものであって、上記窒化アルミ
    ニウム粉末の粒度構成が、粒子径150μm未満90%
    以上、45μm未満の粒子に対する45〜150μmの
    粒子の体積比率が0.5〜1.5であることを特徴とす
    る発熱性電子部品の放熱部材。
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