JP2002194306A - 熱伝導性シート - Google Patents

熱伝導性シート

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heat conductive
heat
conductive sheet
sheet
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章博 仁木
Shunji Hyozu
俊司 俵頭
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Sekisui Chemical Co Ltd
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  • Adhesives Or Adhesive Processes (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 所定以上の熱伝導性を有している粘着層を備
えているとともに、この粘着層が室温でも粘着可能で、
柔軟性のある粘着層を備えた熱伝導性シートを提供する
ことを目的とする。 【解決手段】 熱伝導率10W/m・K以上のシート状
物の少なくとも片面に、熱伝導フィラーを含むととも
に、室温で粘着し、剪断貯蔵弾性率が1.0×104
1.0×107Paの粘着層が積層された構成とした。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、粘着層が積層され
た熱伝導性シートに関する。
【0002】
【従来の技術】たとえば、電気・電子部品などの発熱体
に添設して、この発熱体から伝わった発熱体の熱を放熱
させるヒートシンクへ伝える役割を有する熱伝導材とし
ては、従来、熱が発熱体から放熱部品に効率よく伝わる
ように、アルミニウム箔などの高熱伝導性シートが用い
られている。高熱伝導性シートを前記発熱体とヒートシ
ンクとの間に添設するとき、前記高熱伝導性シートの両
面に粘着層が形成されていると、容易に接着することが
できるため好ましい。
【0003】ところが、一般に粘着層を形成する樹脂な
どの粘着材料は、熱伝導率が悪いため、高熱伝導性シー
トの有している熱伝導性を阻害してしまうおそれがあ
る。このため、前記粘着材料に加えて、熱伝導性フィラ
ーなどの高熱伝導材料を含有させた粘着物質により形成
させた粘着層を高熱伝導シートに積層してなる熱伝導性
シートが知られている。(実開平2−102452号公
報参照)
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の熱伝導
性シートに積層されている高熱伝導材料を含有している
粘着層は、十分な柔軟性を有しておらず、他の部材に添
設させたとき、この部材に対する密着が不十分なものと
なってしまう。一方、加熱することにより接着可能な状
態となるようになっているタイプの高熱伝導材料を含有
している粘着層が積層されてなる熱伝導性シートも知ら
れている。
【0005】しかし、このようなタイプの粘着層を備え
た熱伝導性シートは、加熱しなければ粘着性を有さない
ため、ICなどの熱を加えることにより不都合を生じる
おそれのある発熱体に取り付けるには不適であった。
【0006】そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなさ
れ、所定以上の熱伝導性を有している粘着層を備えてい
るとともに、この粘着層が室温でも粘着可能で、柔軟性
のある粘着層を備えた熱伝導性シートを提供することを
目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記問題を解決するため
に、本発明の請求項1にかかる熱伝導材(以下、「請求
項1の熱伝導材」と記す。)は、熱伝導率10W/m・
K以上のシート状物の少なくとも片面に、熱伝導フィラ
ーを含むとともに、室温で粘着し、剪断貯蔵弾性率が
1.0×104〜1.0×107Paの粘着層が積層され
た構成とした。
【0008】上記構成において、熱伝導率10W/m・
K以上のシート状物とは、特に限定されないが、たとえ
ば、銅やアルミニウムなどの金属シートやグラファイト
シートなどが挙げられる。このとき、シート状物は、熱
伝導率が200W/m・K以上であることが好ましい。
また、シート状物は、平滑であっても良いし、凹凸が設
けられていても良いし特に限定されない。シート状物の
シート面に凹凸が設けられている場合、この凹凸形状
は、特に限定されないが、たとえば、断面波型や断面視
方形の凹凸が交互に設けられているような形状が挙げら
れる。また、シート状物の厚みは、熱伝導性シート全体
の10〜90%程度の厚みをしていることが好ましい。
【0009】本発明における粘着層は、室温で、剪断貯
蔵弾性率が1.0×104〜1.0×107Paの範囲に
あれば、特に限定されないが、1.0×104〜1.0
×106Paの範囲にあることが好ましく、1.0×1
4〜1.0×105Paの範囲にあることがより好まし
い。すなわち、剪断貯蔵弾性率が1.0×104Paよ
り小さいと、凝集力が低すぎて基材や被着体への糊残り
が発生してしまい使い勝手が悪くなってしまう。一方、
剪断貯蔵弾性率が1.0×107Paよりも大きいと、
柔軟性が乏しくなり、密着性が悪くなってしまう。した
がって、被着体との界面での接触性が小さくなり熱伝導
性を劣化させてしまう。
【0010】上記粘着層は、熱可塑性のバインダー樹脂
中に高熱伝導性を有する熱伝導性フィラーを充填させる
ことにより形成することができる。バインダー樹脂と熱
伝導フィラーとの配合割合は、特に限定されないが、バ
インダー樹脂が90容量%〜50容量%、熱伝導性フィ
ラーが10容量%〜50容量%程度に配合されているこ
とが好ましい。
【0011】このときの粘着層の熱伝導率は、特に限定
されないが、本発明の請求項2にかかる熱伝導材(以
下、「請求項2の熱伝導材」と記す。)のように、熱伝
導率5W/m・K以上あることが好ましく、10W/m
・K以上あることがさらに好ましい。
【0012】また、粘着層が、シート状物の両面に積層
されている場合は、本発明の請求項3にかかる熱伝導材
(以下、「請求項3の熱伝導材」と記す。)のように、
粘着層がシート状物の両面に積層されているとともに、
一方の粘着層の粘着力と他方の粘着層の粘着力とが異な
っているようにすることが好ましい。このようにする
と、たとえば、本発明にかかる熱伝導性シートを半導体
とヒートシンクとの隙間の熱伝導層として用いた場合、
ヒートシンクとの接触部分の粘着力を強くし、半導体と
の接触部分の粘着力を弱くすることにより、半導体の取
り替えを行うときに、熱伝導性シートを破損させること
なく、容易に取り替えが出来る。因みに、このときの粘
着力は、室温で、シート状物の一方の面に積層されてい
る粘着層の粘着力を300gf/25mmより強くし、
他方の面に積層されている粘着層の粘着力を300gf
/25mmより弱くすることが好ましい。
【0013】また、熱伝導フィラーとしては、特に限定
されないが、たとえば、金、銅、銀、鉄、アルミニウ
ム、コバルト、すず、ニッケル、チタン、インジウムな
どの金属および各種合金などの粒子;酸化アルミニウム
(アルミナ)、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化ベリ
リウム、酸化チタン、酸化インジウムすず(ITO)な
どの酸化物類粒子;窒化ホウ素、窒化ケイ素、窒化アル
ミニウムなどの窒化物類粒子;炭化ケイ素、黒鉛、ダイ
ヤモンド、非晶カーボン、カーボンブラック、炭素繊維
などの炭化物類粒子;石英、石英ガラスなどのシリカ粉
類粒子などが挙げられる。ただし、熱伝導性シートを、
絶縁性を必要とする用途に用いる場合、上記金属および
各種合金などの金属系充填材は、絶縁性に劣るため、他
の無機フィラーを用いることが好ましい。
【0014】また、熱伝導フィラーとして、たとえば、
窒化ホウ素などの鱗片状粒子と、炭化ケイ素、窒化アル
ミなどの球状粒子とを用いる場合、前記鱗片状粒子と球
状粒子との比率を1/9〜9/1程度の割合で組み合わ
せて用いるようにすると、高い熱伝導率を得ることがで
きるため好ましい。
【0015】また、熱伝導フィラーの粒径は、0.05
μm〜50μmであることが好ましく、0.1μm〜2
0μmであることがより好ましい。すなわち、フィラー
粒径が0.05μmよりも小さいと、二次凝集が生じ、
バインダーへの分散が困難になってしまい、フィラー粒
径が50μmよりも大きいと、薄膜の接着層を形成させ
たときに表面アレが発生するおそれがある。また、粒径
が15μm以上の熱伝導フィラーを用いる場合は、熱伝
導フィラーの配合割が、20容量%よりも少なくするこ
とが好ましい。すなわち、20容量%以上の場合は薄膜
の接着層を形成させたときに表面アレが発生するおそれ
がある。
【0016】また、上記熱伝導フィラーを充填させるバ
インダー樹脂としては、特に限定されないが、粘着性に
優れているアクリル系樹脂を用いることが好ましい。上
記アクリル系樹脂は、炭素数1〜14のアルキル基を有
する(メタ)アクリル酸エステルを重合して得られる。
これらの(メタ)アクリル酸エステルとしては、たとえ
ば、(メタ)アクリル酸メチル、リル酸エチル、(メ
タ)アクリル酸n−プロピル、(メタ)アクリル酸イソ
プロピル、(メタ)アクリル酸n−ブチル、(メタ)ア
クリル酸Sec−ブチル、(メタ)アクリル酸t−ブチ
ル、メタクリル酸シクロヘキシル、(メタ)アクリル酸
n−オクチル、アクリル酸イソオクチル、(メタ)アク
リル酸2−エチルヘキシル、アクリル酸イソノニル、
(メタ)アクリル酸ラウリルなどが挙げられる。なお、
(メタ)アクリルなる表現は、アクリルおよびメタクリ
ルを総称するものである。上述した(メタ)アクリル酸
エステルは、1種のみが用いられてもよく、2種以上併
用されてもよい。
【0017】また、上記アクリル系樹脂は、得られる樹
脂のガラス転移温度および極性を調整するために、他の
ビニルモノマーを共重合させてもよい。このような共重
合可能なビニルモノマーとしては、α−メチルスチレ
ン、ビニルトルエン、スチレンなどに代表されるスチレ
ン系単量体;メチルビニルエーテル、エチルビニルエー
テル、イソブチルビニルエーテルに代表されるビニルエ
ーテル系単量体;フマル酸、フマル酸のモノアルキルエ
ステル、フマル酸のジアルキルエステル、マレイン酸、
マレイン酸のモノアルキルエステル、マレイン酸のジア
ルキルエスエル、イタコン酸、イタコン酸のモノアルキ
ルエステルなどの不飽和カルボン酸または不飽和カルボ
ン酸アルキルエステル;(メタ)アクリルニトニル、ブ
タジエン、イソプレン、塩化ビニル、塩化ビニリデン、
酢酸ビニル、ビニルケトン、ビニルピロリドン、ビニル
ピリジン、(メタ)アクリルアミド、ビニルカルバゾー
ルなどを挙げることができる。
【0018】上記アクリル系樹脂は、共重合成分とし
て、ラジカルの重合性の不飽和二重結合で末端を修飾さ
れ、数平均分子量が800〜30000であり、ガラス
転移温度が30℃以上である重合体(以下、重合体Aと
記す。)をグラフト共重合させることが好ましい。この
ようなグラフト共重合によって、共重合した高ガラス転
移温度のセグメントが凍結相を形成し、擬似架橋として
作用するため、凝集力の強いアクリル系樹脂を得ること
ができ、このアクリル系樹脂を用いて保持力に優れた粘
着層を得ることが出来る。また、上述したようにして得
られたアクリル系樹脂は、ホットメルトタイプであり、
凍結相が熱的に可逆で、ガラス転移温度以上で溶融する
ため、熱伝導性フィラーとの溶融混練や、押出成形によ
るホットメルト塗工を容易に行うことができる。
【0019】上記重合体Aとしては、他の重合性単量体
と共重合可能な二重結合を有し、数平均分子量が800
〜30000であり、ガラス転移温度が30℃以上であ
れば、特に限定されない。すなわち、重合体Aの数平均
分子量が800よりも小さい場合は重合体としての凝集
力が得られず、30000よりも大きい場合は重合が困
難となってしまうので好ましくない。また、重合体Aの
ガラス転移温度が30℃より小さい場合は、常温では凍
結相の凝集が不十分となり、重合体としての凝集力が得
られないので好ましくない。
【0020】なお、ここで、他の重合性単量体と共重合
可能な二重結合とは、ラジカル重合性の不飽和二重結合
を意味し、このような二重結合を有する官能基としては
ビニル基、(メタ)アクリロイル基、アリル基などが挙
げられる。重合体Aの具体的な例としては、たとえば、
東亜合成化学社製;商品名:AA−6が挙げられる。
【0021】重合体Aをアクリル系樹脂に共重合させる
とき、重合体Aのアクリル系樹脂中の割合は、アクリル
酸エステル100重量部に対して、5〜100重量部で
あることが好ましく、10〜30重量部がより好まし
い。すなわち、重合体Aの割合が5重量部よりも少ない
場合は重合体としての凝集力が得られず、100重量部
よりも多い場合はゲル化を招き実用性が低下する。
【0022】また、上記アクリル系樹脂は、凝集力を高
めるために架橋を導入しても良い。架橋の手法としては
イソシアネート系架橋剤、アジリジン系架橋剤、エポキ
シ系架橋剤などの架橋剤を用いた化学架橋が挙げられ
る。また、電子線などの放射線架橋や紫外線などの照射
による光架橋を施すようにしてもよい。また、無架橋の
状態でアクリル系樹脂と熱伝導性充填剤を混練・混合を
行うことによってより多くの熱伝導性充填剤を配合する
ことができ、こうして得られた樹脂組成物を粘着層とし
て使用することで、シート状物に積層し、後架橋するこ
とによって、熱伝導性と粘着性が優れた粘着層を備えた
熱伝導性シートを得ることができる。上記アクリル系樹
脂には、石油樹脂、水添石油樹脂、クマロン・インデン
樹脂、ロジン樹脂などのタッキファイアを添加してもよ
い。このようにタッキファイアを添加すると、より粘着
性の高い粘着層を形成することができる。
【0023】上記アクリル系樹脂は、溶液重合、塊状重
合などの任意の方法により得ることができるが、通常、
(メタ)アクリル酸アルキルエステルを、たとえば酢酸
エチルなどの適当な溶媒に溶解させ、重合開始剤を用い
た溶液重合法により容易に得ることができる。また、
(メタ)アクリル酸アルキルエステルと光重合開始剤と
を含む無溶媒液状混合物に対し、窒素などの不活性雰囲
気中において紫外線を照射することにより重合する方法
を用いても良い。
【0024】また、上記アクリル系樹脂の分子量として
は特に限定されないが、特に1万〜400万のものであ
ることが好ましい。すなわち、分子量が1万よりも小さ
い場合は得られる樹脂組成物の強度、伸びが低下してし
まう。一方、分子量が400万よりも大きい場合は熱伝
導性充填材との混練が困難となり、得られる樹脂組成物
の強度が低下してしまう。
【0025】また、アクリル系樹脂のガラス転移温度
は、−120℃〜20℃が好ましく、−100℃〜0℃
が特に好ましい。すなわち、ガラス転移温度が−120
℃よりも低い場合は、熱可塑性樹脂の合成が困難であ
る。一方、ガラス転移温度が20℃よりも高い場合は、
得られる樹脂組成物の柔軟性が低下して、常温において
十分な粘着性を得ることができなくなってしまう。
【0026】また、アクリル系樹脂の粘度は、特に制限
を受けないが、特に100cps〜10万cpsである
ことが好ましい。すなわち、粘度が100cps未満で
あると、充填材を充填させて混練・混合させる際に剪断
が伝わらず、充填材粒子同士が凝集したり、ベース樹脂
中に均一に分散せず混ざりにくくなってしまったりす
る。一方、粘度が10万cpsを超えると粘度が高くな
りすぎて、充填量を増やすにつれて分散せず混ざりにく
くなってしまう。
【0027】熱伝導性シートの厚みは、特に限定されな
いが、20μm〜800μmであることが好ましく、3
0μm〜180μmであることがより好ましい。すなわ
ち、熱伝導性シートの厚みが20μmよりも小さいと、
発熱体とヒートシンクとの隙間へ追随させる効果が不十
分になり、界面熱抵抗が上昇してしまう。一方、熱伝導
性シートの厚みが20μmよりも大きいと、熱の伝達距
離が長くなるため、熱抵抗値が上昇してしまう。
【0028】また、熱伝導性シートは、強度を増すため
に補強材と複合させるようにしても良い。ここで、補強
材としては、特に限定されないが、たとえば、ガラスク
ロス、アルミ板、銅板などの金属板、金属メッシュなど
が挙げられる。さらに、熱伝導性シートは、どのような
面形状をしていても良く、使用目的に応じて任意の形状
に打ち抜いて使用してもよい。
【0029】加えて、熱伝導性シートは、被着体への貼
付、輸送、保存時のハンドリングおよびごみ付着の防止
などの観点から、剥離紙などの包装紙で包装するように
して取り扱うことが好ましい。上記包装材としては、特
に限定されないが、たとえば、ポリエチレンフィルム、
ポリプロピレンフィルム、ポリエチレンテレフタレート
(PET)フィルム、テフロン(登録商標)フィルム、
ガラスクロス補強テフロンフィルム、紙基材などが挙げ
られる。
【0030】
【発明の実施の形態】以下、本発明にかかる熱伝導材の
実施の形態を図面とともに説明する。図1は、本発明に
かかる熱伝導性シートの1実施の形態を示した側面視断
面図である。
【0031】図1に示したように、熱伝導性シート1
は、シート状物としての金属シート2の両面に粘着層3
と粘着層4とが積層されている。金属シート2は、厚み
が10μm〜100μmの平滑なアルミシートにより形
成されている。
【0032】粘着層3および粘着層4は、いずれも室温
(0〜30℃)で剪断貯蔵弾性率が1.0×104
1.0×107Paとなっているとともに5W/m・K
以上の熱伝導率を有している。また、粘着層3は、熱伝
導フィラーとして窒化物粒子および炭化物粒子を10〜
50容量%含有しているアクリル系樹脂により形成さ
れ、室温で300gf/25mmより強い粘着力を有し
ている。また、粘着層4は、熱伝導フィラーとして窒化
物粒子および炭化物粒子を10〜50容量%含有してい
るアクリル系樹脂により形成され、室温で300gf/
25mmより弱い粘着力を有している。
【0033】この熱伝導性シート1は、以上のようにな
っているため、ICなどの電子部品とヒートシンクなど
の放熱部品との間に挟着させるとき、優れた熱伝導率を
有したまま、室温であっても容易に各部材に貼着させる
ことができる。しかも、粘着層3と粘着層4との粘着力
が異なるため、粘着力の強い粘着層3をヒートシンクに
接触させ、粘着力の弱い粘着層4をICなどの電子部品
に接触させるように貼着させることで、ヒートシンクに
は安定して貼着されるとともに、ICなどを取り換える
ときも、この熱伝導性シート1を破損させたりすること
なく容易に取り換えることができる。
【0034】
【実施例】以下に本発明の実施例をより詳しく説明す
る。 (実施例1)2−エチルヘキシルアクリレート90重量
部とアクリル酸10重量部とを重合して得たバインダー
樹脂としてのアクリル酸エステル共重合体に対し、熱伝
導性フィラーとしての窒化ホウ素(電気化学工業社製、
グレードSGP 平均粒径18μm)を65重量部およ
び炭化ケイ素(屋久島電工社製、グレードOY−15平
均粒径5μm)を24重量部それぞれ混合して得た粘着
材(熱伝導フィラー含有量30容量%)100重量部
に、溶媒として酢酸エチル400重量部を加えた塗工溶
液をマルチコーターで厚み50μmの平滑なアルミ板の
両面に塗工乾燥し、15μmの粘着層を両面に有する全
体の厚み80μmの熱伝導性シートを得た。なお、得ら
れた熱伝導性シートは、室温(23℃)であっても十分
な粘着力を示し、取り扱い性に優れたものであった。
【0035】(実施例2)アクリル酸エステル共重合体
に対し、熱伝導性フィラーとしての窒化ホウ素(電気化
学工業社製、グレードSGP 平均粒径18μm)を3
8重量部および炭化ケイ素(屋久島電工社製、グレード
OY−15 平均粒径5μm)を14重量部それぞれ混
合して粘着材(熱伝導フィラー含有量20容量%)を得
たこと以外は実施例1と同様にして、15μmの粘着層
を両面に有する全体の厚み80μmの熱伝導性シートを
得た。なお、得られた熱伝導性シートは、室温(23
℃)であっても十分な粘着力を示し、取り扱い性に優れ
たものであった。
【0036】(比較例1)アクリル酸エステル共重合体
に対し、熱伝導性フィラーとしての窒化ホウ素(電気化
学工業社製、グレードSGP 平均粒径18μm)を3
55重量部および炭化ケイ素(屋久島電工社製、グレー
ドOY−15 平均粒径5μm)を128重量部それぞ
れ混合して粘着材(熱伝導フィラー含有量70容量%)
を得たこと以外は実施例1と同様にして、15μmの粘
着層を両面に有する全体の厚み80μmの熱伝導性シー
トを得た。なお、得られた熱伝導性シートは、室温(2
3℃)で粘着層の柔軟性に欠け、取り扱い性が非常に悪
かった。
【0037】(比較例2)アクリル酸エステル共重合体
に対し、熱伝導性フィラーを加えず、粘着材(熱伝導フ
ィラー含有量0容量%)を得たこと以外は実施例1と同
様にして、15μmの粘着層を両面に有する全体の厚み
80μmの熱伝導性シートを得た。なお、得られた熱伝
導性シートは、室温(23℃)であっても十分な粘着力
を示し、取り扱い性に優れたものであった。
【0038】以上の実施例1、実施例2および比較例
1、比較例2における熱伝導性シートのそれぞれを、図
2に示した測定装置Sを用いて以下のようにして熱抵抗
値を測定した。測定装置Sを用いた熱抵抗値の測定は、
アルミニウム製の冷却器s1の上に、サンプルとなる熱
伝導材s2を乗せ、さらにその上に熱源となるIC(韓
国製:7805 UC8847、電力量3.5W)を乗
せた。
【0039】以上の状態で、ボルトs3により、締め付
けトルク1N/mで締め付け、ICに電源を入れた5分
後のT1部分とT2部分との温度を測定した。なお、冷
却器s1は、内部に恒温水槽s4から23℃の水を循環
供給されるようになっている。また、熱抵抗値の計算は
以下のようにして行った。 熱抵抗値(℃/W)=(T1−T2)/(ICへの供給
電力量)
【0040】また、剪断貯蔵弾性率は、(レオメトリッ
クス社製;メカニカルスペクトロメーターRMS−80
0/RDSII)によって、周波数10Hz、温度23℃
で測定した。以上の結果を表1に示した。
【0041】
【表1】
【0042】表1の結果より、実施例1および実施例2
で得られた熱伝導性シートは、優れた伝熱性を有してい
るのに加えて、室温であっても、粘着層が適度な柔軟性
を有しているのが分かる。一方、比較例1で得られた熱
伝導性シートは、取り扱い性が悪いだけでなく、室温に
おける剪断貯蔵弾性率が大きすぎ、粘着層の柔軟性に欠
けているため、熱伝導フィラーを大量に含有しているに
もかかわらず熱抵抗が大きくなっていることが分かる。
また、比較例2は、伝熱性が非常に悪く、熱伝導材とし
ては用いることが出来ない。
【0043】
【発明の効果】本発明の請求項1および請求項2にかか
る熱伝導性シートは、以上のように構成されているの
で、この熱伝導性シートを他の部材へ貼着させるとき、
高熱伝導率を有しているとともに適度な剪断貯蔵弾性率
を有した粘着層が、他の部材との界面密着性を確保する
ため、熱伝導性に優れている。また、この粘着層は、室
温で粘着するため取り扱い性も優れており、熱伝導性シ
ートを他の部材へ貼着させる作業を容易に行うことがで
きる。また、本発明の請求項3にかかる熱伝導性シート
は、シート状物の両面に積層されている粘着層の粘着力
が異なるため、半導体などの取り換え作業なども容易に
行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にかかる熱伝導材の1実施の形態を示し
た側面視断面図である。
【図2】熱抵抗値を測定する装置の概略図である。
【符号の説明】
1 熱伝導性シート 2 シート状物 3 粘着層 4 粘着層

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】熱伝導率10W/m・K以上のシート状物
    の少なくとも片面に、熱伝導フィラーを含むとともに、
    室温で粘着し、剪断貯蔵弾性率が1.0×104〜1.
    0×107Paの粘着層が積層された熱伝導性シート。
  2. 【請求項2】粘着層の熱伝導率が5W/m・K以上であ
    る請求項1に記載の熱伝導性シート。
  3. 【請求項3】粘着層がシート状物の両面に積層されてい
    るとともに、一方の粘着層の粘着力と他方の粘着層の粘
    着力とが異なっている請求項1または請求項2に記載の
    熱伝導性シート。
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