JP2004010880A - 樹脂組成物及び放熱部材 - Google Patents

Abstract

【課題】高熱伝導性かつ高絶縁性の樹脂組成物と、放熱部材、特に放熱グリースを提供する。
【解決手段】Ｘ線回折によるミラー指数（１００）面、（００２）面及び（１０１）面の３つの回折ピークの平均半価幅が０．０９５°以下で、平均粒径１０〜５０μｍである窒化アルミニウム粉末と、平均粒径がこの窒化アルミニウム粉末よりも小さく、熱伝導率が２５０Ｗ／ｍＫ以上である金属粉末とが樹脂に充填されてなり、熱伝導率が４Ｗ／ｍＫ以上、絶縁抵抗が１×１０^９Ω以上であることを特徴とする樹脂組成物。この樹脂組成物からなることを特徴とする電子部品の放熱部材、特に樹脂を液状シリコーンとした放熱グリース。
【選択図】　　なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化アルミニウム粉末の充填された樹脂組成物及び放熱部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、発熱性電子部品の高密度化等により、放熱部材に対する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ので、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、熱抵抗を少なくするために更なる薄化が要求される。ここで、放熱部材としては、シリコーンゴムに熱伝導性無機粉末が充填された硬化物からなる放熱シート、シリコーンゲルに熱伝導性無機粉末が充填され、柔軟性を有する硬化物からなる放熱スペーサー、液状シリコーンに熱伝導性無機粉末が充填された流動性のある放熱グリースが例示される。
【０００３】
放熱部材の熱伝導率を向上させるには、樹脂に熱伝導性無機粉末を高充填させれると共に薄化すればよく、薄化のためには低粘度に調整された樹脂組成物が用いられる。熱伝導性無機粉末としては、窒化アルミニウム粉末が例示され、その充填率を高めるための多くの提案がある。たとえば、オルガノポリシロキサンに平均粒径０．５〜５μｍの球状六方晶窒化アルミニウム粒子を充填する（特公平６−３９５９１号公報）、平均粒径が０．５〜１０μｍで、１００μｍ以上の粒子を含まない窒化アルミニウム粉末と、酸化亜鉛、アルミナ、窒化硼素、炭化珪素等の無機粉末とを、液状シリコーンに充填する（特開２０００−１０９７３号公報）、などである。
【０００４】
しかしながら、これらの窒化アルミニウム粉末の結晶性は大きくないので熱伝導率は十分に高くなく、放熱部材の高熱伝導化には自ずと限度があった。そこで、本出願人は、窒化アルミニウム粉末とイットリア等の焼結助剤を含む混合原料を焼結して得られた窒化アルミニウム焼結体の粉砕物と、金属粉とを併用することを提案した（特開２００１−１５８６０９号公報）。しかしながら、この技術においては、窒化アルミニウム焼結体の粉砕時に、粒子内に再度歪みが発生する、粒子のエッジが鋭利になるなどし、放熱部材が放熱グリースである場合には、更なる高流動性と高熱伝導性を有するものにはなりにくいことが未解決であった。
【０００５】
一方、金属粉を充填する技術（特開２０００−６２８７３号公報）においては、窒化アルミニウム粉末よりも高熱伝導性の付与が可能となるが、絶縁性ではないので放熱グリースとして使用するには制約がある。そこで、金属粉表面を酸化又は窒化して絶縁性を付与することが提案（特開平１１−１２４８１号公報）されている。しかし、これが充填された放熱グリースは、熱伝導率が最大でも２．１５Ｗ／ｍＫであり、期待したほどまでには高くならず、また絶縁性ではあるが、酸化膜や窒化膜の厚みは０．１μｍ以下であるため、耐電圧は期待できない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記に鑑み、窒化アルミニウム粉末が充填された高熱伝導性かつ絶縁性の樹脂組成物と、放熱部材、特に放熱グリースを提供することである。本発明の目的は、高結晶性窒化アルミニウム粉末と、この高結晶性窒化アルミニウム粉末よりも平均粒径の小さい金属粉末とを樹脂に充填させることによって達成することができる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、Ｘ線回折によるミラー指数（１００）面、（００２）面及び（１０１）面の３つの回折ピークの平均半価幅が０．０９５°以下で、平均粒径１０〜５０μｍである窒化アルミニウム粉末（以下、「高結晶性窒化アルミニウム粉末」ともいう。）と、平均粒径がこの高結晶性窒化アルミニウム粉末よりも小さく、熱伝導率が２５０Ｗ／ｍＫ以上である金属粉末とが樹脂に充填されてなり、熱伝導率が４Ｗ／ｍＫ以上、絶縁抵抗が１×１０^９Ω以上であることを特徴とする樹脂組成物である。また、本発明は、この樹脂組成物からなることを特徴とする電子部品の放熱部材、特に樹脂を液状シリコーンとした放熱グリースである。
【０００８】
【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。
【０００９】
本発明の樹脂組成物において、その充填材は、高結晶性窒化アルミニウム粉末と金属粉末とが必須成分となる。充填材の構成比率は、８０％（質量％、以下同じ）以上（１００％を含む）がこの必須成分であり、１００％でない時の残部は、高結晶性窒化アルミニウム粉末以外の窒化アルミニウム粉末、窒化ケイ素粉末、窒化ホウ素粉末、アルミナ粉末、炭化ホウ素粉末、炭化ケイ素粉末から選ばれた一種又は二種以上であることが好ましい。
【００１０】
高結晶性窒化アルミニウム粉末は、Ｃｕ−ｋα（２θ）のＸ線回折によるミラー指数（１００）面、（００２）面及び（１０１）面の３つの回折ピークの平均半価幅（以下、単に「半価幅」という。）が０．０９５°以下で、平均粒径１０〜５０μｍである窒化アルミニウム粉末である。この詳細については、特願２００１−３１７９８２号明細書に記載されており、本発明においては、その明細書の実施例に記載された方法で製造されたものが使用できる。
【００１１】
本発明においては、高結晶性窒化アルミニウム粉末の半価幅が特に重要である。半価幅は結晶性の指標であり、結晶性が高いほど半価幅は小さくなる。結晶性を左右する因子は、粉砕等のメカノケミカル的な作用による粒子表面の結晶の乱れ、表面や内部に不純物が存在することによる結晶欠陥等に起因する乱れ、結晶子の大きさ等である。本発明においては、半価幅が０．０９５°以下、好ましくは０．０８５°以下の高結晶性窒化アルミニウム粉末が用いられる。この半価幅の値は、従来の窒化アルミニウム粉末が０．２〜０．４°程度であるのに対して極めて小さいことが特異的である。半価幅が０．０９５°をこえると、それが充填された樹脂組成物の熱伝導率は著しく向上しない。本発明において、半価幅を上記３つの回折ピークの半価幅の平均値としたのは、配向性の影響をできるだけなくして結晶性の判断を行うためである。
【００１２】
高結晶性窒化アルミニウム粉末の平均粒径は、１０〜５０μｍであり、好ましくは２０〜４０μｍである。平均粒径が１０μｍ未満であると、樹脂組成物内での粒子間接触点数が増え、熱抵抗は大きくなる。また、平均粒径が５０μｍをこえると、放熱部材の薄化が困難となる。
【００１３】
本発明で使用される金属粉末は、その平均粒径が高結晶性窒化アルミニウム粉末のそれよりも小さいことが条件となる。好ましくは、平均粒径１０μｍ以下の範囲内であって、高結晶性窒化アルミニウム粉末の平均粒径よりも９０〜３０％小さいことである。このように、平均粒径を違えることによって、放熱部材が薄化しても、高結晶性窒化アルミニウム粉の平均粒径が大きいので、高電圧における絶縁性を確保できる。金属粉末の熱伝導率については、高結晶性窒化アルミニウムと同等以上が好ましく、２５０Ｗ／ｍＫ以上、より好ましくは４００Ｗ／ｍＫ以上である。２５０Ｗ／ｍＫ未満では高結晶性窒化アルミニウム粉末を単独で充填した樹脂組成物よりも熱伝導率は向上しない。
【００１４】
このような金属粉末としては、銅、金、銀から選ばれた一種又は二種以上が好ましいが、価格を考慮すると、銅粉が最適となる。
【００１５】
高結晶性窒化アルミニウム粉末と金属粉末の樹脂への充填率は、樹脂組成物の熱伝導率が４Ｗ／ｍＫ以上、絶縁抵抗が１×１０^９Ω以上となるように決定される。その割合の一例を示せば、高結晶性窒化アルミニウム粉末の充填率が４０〜７５質量％、銅粉末１５〜５０質量％である。樹脂組成物の熱伝導率が４Ｗ／ｍＫ未満では、放熱特性が不十分となる。また、絶縁抵抗が１×１０^９Ω・ｃｍ未満では、絶縁が不十分となり、電子部品に電圧をかけたときに、電子部品とアルミフィン等の放熱フイン間でショートする場合がある。たとえば、放熱部材を１００μｍ（０．０１ｃｍ）に制御して塗布した場合、１×１０^８Ω・ｃｍしかなければ、１ＫＶの電圧がかかれば、１ｍＡの電流が流れてしまう。グリースは流動性があるので、塗工時の膜厚は１０μｍになる場合もあり、使用する電圧にもよるが、絶縁を保証するには、１×１０^９Ω・ｃｍ以上が必要である。
【００１６】
本発明で用いられる樹脂としては、液状シリコーン、合成油などの油状物質、パラフィン系鉱油、未硬化液状エポキシ樹脂等が例示される。耐熱信頼性の点から、液状シリコーンが好ましい。液状シリコーンとしては、ＧＥ東芝シリコーン社製商品名「ＴＳＦ４５１−１０００」等が例示される。液状シリコーンを用いたときに、本発明の放熱部材は放熱グリースとなる。放熱グリースの流動性は、液状シリコーンの粘度と、高結晶性窒化アルミニウム粉末及び／又は金属粉末の充填量によって調整することができる。
【００１７】
本発明の樹脂組成物は、上記諸材料をブレンダーやミキサーで混合後３本ロール等で混練りするか、万能混合攪拌機、ニーダー等で混練りすることによって製造することができる。
【００１８】
本発明の樹脂組成物の用途としては、放熱部材があるが、何らこれに限られることはなく、熱伝導性樹脂一般、体温冷却用樹脂、温度測定用樹脂等にも使用できる。
【００１９】
【実施例】
以下、実施例及び比較例をあげて更に具体的に本発明を説明する。
【００２０】
実施例１〜４
アトマイズされた平均粒径２５μｍのアルミニウム粉末１００質量部に対し、窒化アルミニウム粉末を骨材として１５質量部を配合した混合粉末を、アルミニウム箔製円筒容器（高さ約２０ｃｍ、直径約４ｃｍ）に入れ、窒素ガス（８０体積％）−アンモニアガス（２０体積％）の雰囲気下、最高温度１４００℃に加熱された窒化炉で窒化して窒化アルミニウムインゴットを製造した。これをジョークラッシャー、Ｗロールクラッシャーを用いて１ｍｍ下の窒化アルミニウム粒に粉砕した後、ボールミルで３０分間粉砕し、更に７２μｍの振動フルイで通過させ、窒化アルミニウム粉末を製造した。
【００２１】
これを窒化硼素製容器に充填し、黒鉛発熱体の加熱炉を用い、一酸化炭素ガスと窒素ガスの混合ガス雰囲気下で加熱した後、４５μｍの振動篩いで分級し、表１の特性を有する高結晶性窒化アルミニウム粉末を製造した。雰囲気ガスの流量は、１００リットル／分、昇温速度は、１２００℃までは毎時６００℃、１２００℃から最高温度までは毎時１００℃とし、最高温度１９８０℃における保持時間を２時間とした。
【００２２】
高結晶性窒化アルミニウム粉末と、市販の銅粉末（福田金属製：商品名「ＨＷＱ−５μｍ」）及び液状シリコーン（ＧＥ東芝シリコーン社製商品名「ＴＳＦ４５１−１０００」）又はパラフィン系鉱油とを表２の割合で配合し、万能混合攪拌機を用いて１５分間混合し、その後真空脱泡して樹脂組成物（放熱グリース）を得た。
【００２３】
比較例１、２
高結晶性窒化アルミニウム粉末又は銅粉末を単独で用い、表２の割合としたこと以外は、実施例１と同様にして樹脂組成物を製造した。
【００２４】
比較例３、４
高結晶性窒化アルミニウム粉末の代わりに、実施例１で製造された窒化アルミニウム粉末（比較例３）、又は市販窒化アルミニウム粉末（トクヤマ社製商品名「Ｈグレード」）（比較例４）を用いたこと以外は、実施例１と同様にして樹脂組成物を得た。
【００２５】
比較例５
銅粉末の代わりに、金属アルミニウム粉末（理論熱伝導率２３７Ｗ／ｍＫ）を使用したこと以外は、実施例１と同様にして樹脂組成物を得た。
【００２６】
得られた樹脂組成物の粘度、熱伝導率、絶縁抵抗（体積固有抵抗）を以下に従って測定した。それらの結果を表２に示す。
【００２７】
（１）粘度：キャピラリー・レオメーター（東洋精機社製「Ｃａｐｉｒｏｇｒａｐｈ」）を用い、せん断応力を０．３７ＭＰａとして測定した。
（２）熱伝導率：樹脂組成物をＴＯ−３型銅製ヒーターケースと銅板の間に入れ、左右２点を径３ｍｍのネジを用い５ｋｇｆ・ｃｍで締め付けてセットした後、ヒーターケースに電力１５Ｗをかけて５分間保持した後、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０．０００６ｍ^２から、式、熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）＝〔電力（Ｗ）×樹脂組成物厚み（ｍ）／〔伝熱面積（０．０００６ｍ^２）×温度差（℃）〕から算出した。
（３）絶縁抵抗：８ｃｍ角の開口部を有する四フッ化エチレン樹脂製容器（厚み０．３ｍｍ）に、各実施例及び比較例の樹脂組成物を充填し、ＪＩＳ　Ｃ２１２３に準拠して体積固有抵抗を測定した。
【００２８】
なお、本例で用いた窒化アルミニウム粉末の半価幅は、粉末Ｘ線回折装置を用い、ミラー指数（１００）面、（００２）面及び（１０１）面の３つの回折ピークの平均半価幅である。Ｘ線回折の管球はＣｕでＫα１ピークを用いた。また、窒化アルミニウム粉末と銅粉末の平均粒径は、レーザー散乱式粒度測定計「マイクロトラックＳＰＡ７９９７型」によって測定した。
【００２９】
【表１】

【００３０】
【表２】

【００３１】
表１、表２に示すとおり、高結晶性窒化アルミニウム粉末と金属粉末とが充填された本発明の樹脂組成物は、比較例に比べて高熱伝導性かつ高絶縁性を有することが示された。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、高熱伝導性かつ高絶縁性の樹脂組成物と、放熱部材、特に放熱グリースが提供される。

Claims (3)

1. Ｘ線回折によるミラー指数（１００）面、（００２）面及び（１０１）面の３つの回折ピークの平均半価幅が０．０９５°以下で、平均粒径１０〜５０μｍである窒化アルミニウム粉末と、平均粒径が該窒化アルミニウム粉末よりも小さく、熱伝導率が２５０Ｗ／ｍＫ以上である金属粉末とが樹脂に充填されてなり、熱伝導率が４Ｗ／ｍＫ以上、絶縁抵抗が１×１０^９Ω以上であることを特徴とする樹脂組成物。
2. 請求項１記載の樹脂組成物からなることを特徴とする電子部品の放熱部材。
3. 請求項１記載の樹脂組成物からなり、樹脂が液状シリコーンであることを特徴とする電子部品の放熱グリース。