JP2003023127A - 電子機器の放熱部材形成用粒状材料及び用途 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】電子機器の接合面に微視的に追随して密着し、
放熱特性の良好な放熱部材となる取り扱い性の良好な粒
状材料と、それの組み込まれた放熱特性の良好な電子機
器を提供する。 【解決手段】熱伝導性セラミックス粉末及び／又は金属
粉末１００体積部に対しシリコーンゲル３５〜１５０体
積部を含有してなる平均粒子径０．２〜１０ｍｍの粒状
物からなり、９．８Ｎの荷重下で形態変化するものであ
ることを特徴とする電子機器の放熱部材形成用粒状材
料。この粒状材料が形態変化し、放熱部材となって組み
込まれている電子機器。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、放熱部材形成用粒
状材料及びその用途に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、発熱性電子部品は高密度化によ
り、放熱部材の熱特性向上への要求が益々高まってお
り、熱抵抗の低減化が鋭意検討されている。

【０００３】熱抵抗は、放熱部材の厚みに正比例、熱伝
導率に反比例し、また放熱部材と電子部品との間の熱接
触抵抗の大きさに左右されることから、放熱部材の熱抵
抗の低減には、高熱伝導性フィラーを高充填して放熱部
材自身の熱伝導率を高めるとともに、電子部品等との接
合面に微視的に追随して密着させることによって熱接触
抵抗を低減させ、しかも放熱部材の厚みを極力薄くする
ことが理想的である。

【０００４】そこで、シリコーンゴムに高熱伝導性フィ
ラーを充填してシート状にした放熱シートや、シリコー
ンゲルに高熱伝導性フィラーを充填してシート状にした
放熱スペーサーでは、熱抵抗を小さくするために、放熱
部材の厚みを薄くしたり、柔軟性を付与して熱接触抵抗
を低減することが行われているが、その反面、放熱部材
の取り扱い性が悪化するので、このような方法で熱抵抗
を低減させるには限界があった。

【０００５】一方、グリース又は加温によって形態変化
する熱塑性樹脂に高熱伝導性フィラーを充填したフェー
ズチェンジタイプの放熱部材では、装着時の密着性が高
まるので熱抵抗の低減効果に優れている。しかし、グリ
ースは塗布工程での作業性の悪さ、塗布厚みの不均一
性、液状部分のしみ出し等の問題から敬遠される傾向に
あり、また熱塑性樹脂は、装着時に加圧・加熱溶融が必
要となるので、電子部品を損傷させる危険がある。

【０００６】また、フェーズチェンジタイプの放熱部材
は、加圧・加熱溶融により薄肉化することで熱抵抗を低
減できるが、この場合においても、装着前の放熱部材自
体の厚みを薄くしておく必要がある。フェーズチェンジ
タイプの放熱部材には、そののマトリクスをワックスや
パラフィンとするものもあるが、シート状に成形すると
非常に脆く、特に薄肉化させた場合には強度に問題があ
った。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】そこで、今日の課題
は、放熱フイン等のヒートシンクや回路基板等の電子部
品との接合面に微視的に追随して密着することができ、
しかも取り扱い性の良好な放熱部材の開発である。本発
明の目的は、この課題を解決することのできる放熱部材
形成用粒状材料及びそれを用いて形成された放熱部材の
組み込まれた電子機器を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、熱
伝導性セラミックス粉末及び／又は金属粉末１００体積
部に対しシリコーンゲル３５〜１５０体積部を含有して
なる平均粒子径０．２〜１０ｍｍの粒状物からなり、
９．８Ｎの荷重下で形態変化するものであることを特徴
とする電子機器の放熱部材形成用粒状材料である。ま
た、本発明は、上記粒状材料が形態変化し、放熱部材と
なって組み込まれている電子機器である。

【０００９】

【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。

【００１０】本発明の電子機器の放熱部材形成用粒状材
料（以下、単に「粒状材料」という。）は、熱伝導性セ
ラミックス粉末及び／又は金属粉末１００体積部あたり
シリコーンゲル３５〜１５０体積部を含有してなり、
９．８Ｎの荷重下で形態変化する点が特徴である。本発
明の粒状材料は、それ自体が放熱部材ではなく放熱部材
を形成するための材料であり、しかもその形状が粒状物
である点が特徴であり、荷重下で形態変化し、放熱部と
被放熱部の密着性を良好にする点が特徴である。

【００１１】本発明の粒状材料の形状は、球形に近い程
好ましいが、円柱状等の不定形であっても良い。粒状材
料の平均粒子径は、０．２ｍｍ〜１０ｍｍであることが
好ましい。その理由を説明すると、本発明の粒状材料に
含まれているシリコーンゲルは、凝集しやすいため、平
均粒子径０．２ｍｍ未満では形状保持性が悪化する。シ
リコーンゲルの量を低減することによってこの欠点を解
消することができるが、形態変化性が極端に乏しくな
る。一方、平均粒子径が１０ｍｍを超えると、電子機器
へ装着するには大きすぎるため、電子機器へ装着し薄肉
化させるにはかなりの荷重を必要とし、実質上、電子機
器へ使用することは困難となる。

【００１２】本発明の粒状材料は、その大きさや装着部
の面積に応じ、１個ないし複数個用いられる。たとえ
ば、電子機器の放熱面が２５ｍｍ角の場合、粒子径５ｍ
ｍの粒状材料では１個、平均粒子径が２ｍｍの粒状材料
では約２０個が最適な量となる。

【００１３】本発明の粒状材料は、熱伝導性セラミック
ス粉末及び／又は金属粉末とシリコーンゲルを室温で混
合し、それを所定の大きさの孔（例えば直径１ｍｍ）を
有する押出し成形機を用いてロッド状に成形した後、適
当な長さ（例えば１．５ｍｍ）に裁断することによって
製造することができる。この場合には、均一質量の円柱
状粒状材料が製造される。

【００１４】一方、比較的粒子径の小さい粒状材料は、
例えば容器に熱伝導性セラミックス粉末及び／又は金属
粉末を入れ、スリーワンモーターにて攪拌しながらシリ
コーンゲルを滴下し、造粒することによって製造するこ
とができる。

【００１５】本発明において、熱伝導性セラミックス粉
末及び／又は金属粉末１００体積部に対し、シリコーン
ゲルが３５体積部未満では粒状材料の形態変化性が小さ
くなるので好ましくない。また、１５０体積部超である
と、熱伝導性が低下し放熱部材の放熱特性が改善しな
い。好ましくは４０〜７５体積部である。

【００１６】本発明の粒状材料には、白金錯体等の難燃
剤、酸化鉄、有機顔料等の着色剤、シラン系、チタネー
ト系、アルミネート系カップリング剤等の表面改質剤、
シリコーンオイル等の粘度調整材などをそれぞれ最大で
上記熱伝導性セラミックス粉末及び／又は金属粉末と有
機物との混練物１００体積部に対し、５体積部以下を共
存させることができる。

【００１７】熱伝導性セラミックス粉末又は金属粉末
は、上記割合において、粒状材料の熱伝導率が１Ｗ／ｍ
Ｋ以上になるものが用いられる。具体的には、熱伝導性
セラミックス粉末については、平均粒子径が１００μｍ
以下、好ましくは５０μｍ以下のアルミナ、炭化ケイ
素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化ケイ素等が、
また金属粉末としては、平均粒子径が１００μｍ以下、
好ましくは５０μｍ以下のアルミニウム、銅、銀、これ
らの金属を成分とする各種合金等が用いられる。これら
の中でも、窒化アルミニウム焼結体の粉砕物が高絶縁性
且つ高熱伝導性であるので特に好ましい。

【００１８】一方、シリコーンゲルとしては、熱伝導性
セラミックス粉末又は金属粉末を加え粒状材料を形成し
たときに、９．８Ｎの荷重下で形態変化を起こすような
ものが使用される。熱伝導性セラミックス粉末又は金属
粉末の含有率が高い領域では、用いるシリコーンゲルの
粘度は低い方が好ましく、熱伝導性セラミックス粉末又
は金属粉末の含有率が低い領域では、シリコーンゲルの
粘度が高い方が好ましい。具体的には、ポッティング
（注型封止）用シリコーンのうち、ゲルタイプを用いる
のが好ましい。ポッティング用のシリコーンゲルは、１
成分タイプと２成分タイプがあり、何れのタイプでも用
いることができる。シリコーンゲルの粘度は、０．４Ｐ
ａ・ｓ〜１０Ｐａ・ｓのものが好ましい。

【００１９】本発明の粒状材料は、その構成成分が全て
難燃性を示すため、形態変化して電子部品として使用す
る場合、安全性の点で好ましい。

【００２０】本発明の粒状材料の形態変化の程度として
は、以下で定義された形態変化率が２０％以上、特に４
０％以上であることが好ましい。すなわち、粒状材料を
上下ＰＥＴフィルムに挟み、２５℃の空気中、粒状材料
に９．８Ｎの荷重を掛け、１分間保持する。その後、Ｐ
ＥＴフィルムに挟んだまま粒状材料を取りだし後、ＰＥ
Ｔフィルムを剥がし、マイクロゲージにて厚みを測定
し、粒状材料の厚み変化率を形態変化率とする。

【００２１】つぎに、本発明の電子機器について説明す
る。

【００２２】電子機器においては、半導体等から発生し
た熱を系外に逃がすため、半導体等の搭載された回路基
板は、放熱部材を介してヒートシンクに取り付けられて
いる。ヒートシンクを設ける余裕がない場合には、放熱
部材を介し直接ケースに取り付けられる構造もある。本
発明の電子機器は、本発明の粒状材料を形態変化させそ
の放熱部材となって組み込まれているものであるすなわ
ち、本発明の電子機器は、電子機器を組み立てる際、放
熱部材の必要な箇所に本発明の粒状材料を配置し、組み
立て時の荷重下、例えば９．８Ｎ以上の荷重下、形態変
化を起こさせ、狭い隙間にまで流延させ、放熱部材とな
って組み込まれている。

【００２３】その放熱特性の一例を示すと、質量０．０
３ｇの粒状材料（平均粒子径２．８ｍｍ、形態変化率５
２％）１個を、電子機器の放熱を必要とする箇所に配置
し、締め付け荷重９．８Ｎで押しつけると、粒状材料は
直径１３ｍｍ以上の円形シート状に形態変化し、その厚
みが０．１ｍｍ程度の放熱部材となって組み込まれる。
この放熱部材の熱抵抗は０．１４℃／Ｗであり、電子機
器の放熱特性は市販の放熱グリースと同等以上となる。

【００２４】

【実施例】以下、実施例、比較例をあげて更に本発明を
説明する。

【００２５】実施例１ 高熱伝導性セラミックス粉末として窒化アルミニウム焼
結体を粉砕して得た平均粒子径２０μｍの粉末１００体
積部に対して、シリコーンゲルとして東芝シリコーン社
製「商品名：シリコーンポッティングゲルＴＳＥ３０７
０（Ａ）」を２７体積部、東芝シリコーン社製「商品
名：シリコーンポッティングゲルＴＳＥ３０７０
（Ｂ）」を２７体積部混合し、３本ロールを用いて室温
で１０分間混練した。

【００２６】この混練物を、約３ｍｍの幅の溝を持つ鉄
板上に置き、手で溝に沿って転がし、粒状材料を製造し
た。この粒状材料の直径は約２．８ｍｍであった。

【００２７】実施例２ （ａ）高熱伝導性セラミックス粉末として窒化アルミニ
ウム焼結体を粉砕して得た平均粒子径２０μｍの粉末
と、（ｂ）良熱伝導性粉末として平均粒子形０．４μｍ
の住友化学社製アルミナ粉末「商品名：ＡＡ０４」とを体
積百分率でａ：ｂ＝６０:４０の割合で混合し、熱伝導
性セラミックス粉末を調製した。この熱伝導性セラミッ
クス粉末を窒化アルミニウム粉末の変わりに用いたこと
以外は、実施例１と同様にして、球状の粒状材料を製造
した。

【００２８】実施例３ 比較例１ 実施例２と同じ混練物を用い、溝の幅が異なる鉄板を使
用し、実施例３では直径７．５ｍｍ、比較例１では直径
１２ｍｍの粒状材料を製造した。

【００２９】実施例４、５ 比較例２、３ 原料の配合を種々変えたこと以外は、実施例２と同様に
して球状材料を製造した。

【００３０】実施例６〜８ 窒化アルミニウム焼結体粉末の変わりに表２に示す球状
アルミナ及び金属粉末を用いたこと以外は、実施例１と
同様にして球状の粒状材料を製造した。

【００３１】上記で得られた粒状材料の（１）形態変化
率及び（２）熱抵抗を以下に従い測定した。それらの結
果を表１に示す。

【００３２】 （１）形態変化率：上記に従って測定した。 （２）熱抵抗：粒状材料１をヒーター内蔵の銅製ブロッ
ク２（伝熱面１ｃｍ角）と銅製冷却板３（８ｃｍ角）か
らなる熱抵抗測定機（図１参照）に挟みセットした。銅
製ブロック側に９．８Ｎ（１ｋｇ）の荷重がかかるよう
に錘４をセットし、熱抵抗測定を行った。熱抵抗測定
は、ヒーターに１５Ｗの印可電圧を４分間掛け、銅製ブ
ロックと銅製冷却板の温度差を測定した。熱抵抗は、
式、熱抵抗（℃／Ｗ）＝温度差（℃）／印加電力
（Ｗ）、により算出した。

【００３３】

【表１】

【００３４】表１から、本発明の粒状材料は、装着時の
荷重により薄肉化し、また密着性も良好であるため、極
めて優れた放熱特性を発現できるものであることがわか
る。また、一般的な放熱材料では、熱抵抗を低減するた
めに材料の厚みを薄くしておく必要があり、マトリック
ス樹脂の脆さにより取り扱いし難い問題があったが、本
発明の粒状材料は取り扱い易いものである。

【００３５】

【発明の効果】本発明によれば、電子機器の接合面に微
視的に追随して密着し、放熱特性の良好な放熱部材とな
る取り扱い性の良好な粒状材料と、それの組み込まれた
放熱特性の良好な電子機器が提供される。

【００３６】すなわち、本発明の粒状材料を用いる効果
は、以下のとおりである。 （１）粒状物であるので計量しやすく、また実装する部
分の容積に合わせて量を最適化できる。 （２）従来の放熱グリース、フェーズチェンジタイプ放
熱材料と同等以上の放熱特性を保持したまま脆さを改善
することができる。 （３）電子機器に組み込む際に、回路基板やヒートシン
ク等の電子部品の凹凸を吸収し密着する。 （４）締め付けトルクによる電子機器の損傷を軽減でき
る。 （５）組み立て時に形態変化して薄肉化するので、熱抵
抗を低減できるだけでなく、密着性が良好となり、回路
基板とヒートシンク間等に発生する界面熱抵抗を低減す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】熱抵抗測定機の説明図

【符号の説明】

１ 粒状材料 ２ ヒーター内蔵銅製ブロック ３ 銅製冷却板 ４ 錘 ５ 保持ケース

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5E322 AA11 AB06 FA05 5F036 AA01 BB21 BD21

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱伝導性セラミックス粉末及び／又は金
   属粉末１００体積部に対しシリコーンゲル３５〜１５０
   体積部を含有してなる平均粒子径０．２〜１０ｍｍの粒
   状物からなり、９．８Ｎの荷重下で形態変化するもので
   あることを特徴とする電子機器の放熱部材形成用粒状材
   料。
2. 【請求項２】 請求項１記載の粒状材料が形態変化し、
   放熱部材となって組み込まれている電子機器。