JP2004296787A

JP2004296787A - 放熱シート

Info

Publication number: JP2004296787A
Application number: JP2003087303A
Authority: JP
Inventors: Kazuichi Yamazaki; 和一山崎; Osamu Kato; 修加藤
Original assignee: Nitto Shinko Corp
Current assignee: Nitto Shinko Corp
Priority date: 2003-03-27
Filing date: 2003-03-27
Publication date: 2004-10-21

Abstract

【課題】集積回路等の電子部品に配設され、その電子部品からの発熱を効率よく放散する放熱シートに関し、高柔軟性、高熱伝導性を保持したまま取り扱い性を高めた放熱シートを提供することを課題とする。
【解決手段】熱伝導性材料を結合剤で結合させた２層構造の放熱シートであって、一方の層のアスカーＣ硬度と他方の層のアスカーＣ硬度の硬度差が２１〜５０であることを特徴とする。
【選択図】なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、集積回路等の電子部品に配設され、その電子部品からの発熱を効率よく放散する放熱シートに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、半導体素子等の発熱性電子部品を用いる電子装置においては、通電により半導体素子が発熱し、この発熱により半導体素子の電気的特性が変化し、或いは半導体素子を設けた基板に熱ストレスを与えるなどの問題がある。
【０００３】
これらの問題を解決するため、基板上に設けた半導体素子と放熱部材との間に介在させる熱伝導性を有する放熱シートが開発されている。このような放熱シートを介在させることで、半導体素子の発熱が放熱シートを介して放熱部材に伝達され、放熱部材から大気中に放熱されることになる。
【０００４】
この放熱シートは、表面にそれぞれ微小な凹凸を有する半導体素子と放熱部材との間に形成される空間を埋めて、半導体素子から放熱部材への熱伝導を高めることにも役立っている。
【０００５】
このような放熱シートにあっては、実装時の押圧によって発熱性電子部品を損傷させないように、アスカーＣ硬度５０未満のきわめて柔らかいものが使用されているが、取り扱い性が悪く、それを改善するため、下記特許文献１乃至３のように、予め形成しておいた補強層に柔らかい層を積層したものや、柔らかい層の内部に織物を入れた特許出願もなされている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平２−１９６４５３号公報
【特許文献２】
特開平６−１５５５１７号公報
【特許文献３】
特許第３２８３４５４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記特許文献１乃至３の技術では、放熱シートとして使用する上で、取り扱い性と柔軟性及び熱伝導性をすべて満足させることができないという問題点があった。
【０００８】
また柔らかい層の内部に織物を入れたものは、織物が伸びないため、前記同様柔軟性が低下するおそれがある。
【０００９】
本発明は、上述のような問題点を解決するためになされたもので、高柔軟性、高熱伝導性を保持したまま取り扱い性を高めた放熱シートを提供することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その課題を解決するための手段は、放熱シートを、粉末状又は粒状の熱伝導性材料を結合剤で結合させた２層構造とし、一方の層のアスカーＣ硬度と他方の層のアスカーＣ硬度の硬度差を２１〜５０としたことである。
【００１１】
本発明においては、予め形成しておいた補強層（一方の層）に柔らかい層（他方の層）を積層したもので、柔らかい層と補強層のアスカーＣ硬度が５０程度以上ある場合、伸びも大きく異なっているため、放熱シートの実装時に押圧がかかって横方向に広げられた時に、伸びの小さな補強層が抵抗となって広がりを抑制し、柔軟性が大幅に低下する。一方、柔らかい層と補強層のアスカーＣ硬度の硬度差が２０以下である場合、柔軟性は確保できるが、全体の厚みが薄くなると取り扱い性が大幅に低下する。
【００１２】
そこで、本発明においては、上記のように一方の層のアスカーＣ硬度と他方の層のアスカーＣ硬度の硬度差を２１〜５０としたのである。これにより、柔軟性と熱伝導性を犠牲にすることなく、さらにシート全体の厚さにかかわらず、取り扱い性に優れたシートが得られることとなる。
【００１３】
ここで、１方の層のアスカーＣ硬度は４０〜６０とし、他方の層のアスカーＣ硬度は５〜２５とすることが好ましい。
１方の層のアスカーＣ硬度を４０〜６０とするのが好ましいのは、４０より小さいと、放熱シートの取り扱い性が確保するのが困難になるおそれがあり、６０を超えると放熱性能を確保するのが困難になるおそれがあるからである。
また、他方の層のアスカーＣ硬度を５〜２５とすることが好ましいのは、５より小さいと、放熱シートの取り扱い性が確保するのが困難になるおそれがあり、２５を超えると放熱性能を確保するのが困難になるおそれがあるからである。
【００１４】
熱伝導性材料としては、酸化アルミニウム（アルミナ）、酸化マグネシウム、酸化亜鉛、酸化モリブデン、酸化チタン等の金属酸化物、酸化ケイ素等のケイ素酸化物、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化ケイ素等の窒化物、炭化ケイ素等の炭化物、銅、亜鉛等の金属粉末、人工ダイヤモンド等の公知の熱伝導性樹脂組成物に用いられるものが例示される。
【００１５】
さらに、これら熱伝導材料の大きさとしては、粒径数μｍまでの微粉末状から粒径数ｍｍ程度の顆粒状の熱伝導材料が例示される。また、これら熱伝導材料の形状は、球状、粉状、繊維状、針状、鱗片状等のいかなるものでもよい。
【００１６】
熱伝導性材料を結合する結合剤は、熱電導性材料を所定の結合強度で結合できるものであれば特に限定されるものではないが、具体的にはシリコーンゲル、アクリルゲル等のゲル、天然ゴム又は合成ゴム、天然樹脂又は合成樹脂等の高分子材料が挙げられる。ただし、本発明の放熱シートには高柔軟性が要求されるので、その観点からはエラストマーを用いるのが好ましい。
【００１７】
ここで、合成ゴムとしては、クロロプレンゴム、ブタジエンゴム、イソプレンゴム、シリコーンゴム、エチレン−プロピレン共重合体、アクリロニトリル−ブタジエン共重合体、スチレン−ブタジエン共重合体、スチレン−ブタジエン−スチレン共重合体、スチレン−イソプレン−スチレン共重合体、スチレン−エチレン／ブチレン−スチレン共重合体、スチレン−エチレン／プロピレン−スチレン共重合体等が挙げられる。
【００１８】
また樹脂としては、アクリル樹脂、酢酸ビニル樹脂、塩化ビニル樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、メタクリル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエーテル樹脂、フッ素樹脂等が挙げられる。
【００１９】
熱伝導材料と結合剤との配合割合は特に限定されるものではないが、結合剤１００重量部に対して熱伝導性材料の配合割合が３００〜１６００重量部の範囲とすることが好ましく、これより少ないと放熱特性を高める効果が乏しくなるおそれがあり、これより多いと強度が不足したり成形性が低下するおそれがあるので好ましくない。従って、これらの観点より、結合剤１００重量部に対して熱伝導性材料の配合割合が４００〜８００重量部の範囲とするのが最も好ましい。
【００２０】
熱伝導性材料と結合剤とは、ディスパー、ホモミキサー、ニーダー、プラネタリーミキサー、３本ロール、ボールミル、サンドミル等の混合機により均一に混合させた後、コーティング成形、押出成形、カレンダー成形、プレス成形等の公知の成形技術により、フィルム状、薄板状、板状等に形成される。
【００２１】
尚、本発明の放熱シートを構成する層には、放熱性に大きな影響を与えない程度であれば、難燃剤、着色剤、シランカップリング剤等のカップリング剤、架橋剤、架橋促進剤、適宜・適量配合しても良いのである。
【００２２】
放熱シートの厚み方向に前記硬さの異なる２層のシートを得るためには、架橋密度及び熱伝導性材料の配合量を変えて、固化後の硬度が異なる２種類の配合液を前記公知の混合方法により調整し、真空下で脱泡後、前記公知の成形技術により成形固化を順次行うことにより得られる。
【００２３】
アスカーＣ硬度が４０〜６０の層の厚さは、シート全体の５〜６０％が好ましい。６０％以上になると柔軟性が犠牲になり易く、発熱性電子部品を損傷させたり、熱伝導性が損なわれる可能性がある。一方、５％未満になると、取り扱い性が悪くなり好ましくない。
【００２４】
放熱シートの全体の厚さは特に限定されないが、０．０５〜１０ｍｍとするのが好ましい。厚さが０．０５ｍｍ未満と薄くなりすぎると取り扱い性が悪くなり好ましくなく、１０ｍｍを超えると分厚くなりすぎて当該シートも切断加工、打ち抜き加工等の加工性が悪くなるので好ましくない。
【００２５】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
【００２６】
（実施例１）
本実施例では、結合剤としてシリコーンＡ剤（ＧＥ東芝シリコーン社製ＸＥ１４−Ｂ１０５７Ａ：Ｈ−Ｓｉ基を有するオルガノポリシロキサン）とシリコーンＢ剤（ＧＥ東芝シリコーン社製ＸＥ１４−Ｂ１０５７Ｂ：Ｈ−Ｓｉ基を有するオルガノポリシロキサン）を用い、熱伝導性材料として平均粒径１０μｍのアルミナ（昭和電工社製ＡＳ５０）を用い、これらをミキサーを用いて均一になるまで混練りし、コーティング成形により１層目を、順に２層目を重ねて、１５０ ℃で５分間加熱し、それぞれの層が０．２５ｍｍとなるように形成した。
【００２７】
１層目、２層目ともに、シリコーンＡ剤とシリコーンＢ剤とからなる結合剤１００重量部に対し、熱伝導性材料（アルミナ）の配合量は４００重量部とした。尚、１層目ではシリコーンＡ剤とシリコーンＢ剤との配合比を３０：７０とし、２層目では両者の配合比を５１：４９とした。
【００２８】
（実施例２）
本実施例では、１層目のシリコーンＡ剤とシリコーンＢ剤との配合比を３５：６５とし、２層目の配合比を５０：５０とした。
シリコーンＡ剤、シリコーンＢ剤、アルミナは実施例１と同じものを用い、シリコーンに対するアルミナの配合比も実施例１と同じとし、実施例１と同様の方法で放熱シートを製造した。また１層目及び２層目の層の厚みも実施例１と同じとした。
【００２９】
（実施例３）
本実施例では、１層目のシリコーンＡ剤とシリコーンＢ剤との配合比を３５：６５とし、２層目の配合比を４８：５２とした。
シリコーンＡ剤、シリコーンＢ剤、アルミナは実施例１と同じものを用い、結合剤（シリコーン）に対する熱伝導性材料（アルミナ）の配合比も実施例１と同じとし、実施例１と同様の方法で放熱シートを製造した。また１層目及び２層目の層の厚みも実施例１と同じとした。
【００３０】
（比較例１）
１層目のシリコーンＡ剤とシリコーンＢ剤との配合比を２０：８０とし、２層目の配合比を５０：５０としたものを比較例１とした。
シリコーンＡ剤、シリコーンＢ剤、アルミナは実施例１と同じものを用い、結合剤（シリコーン）に対する熱伝導性材料（アルミナ）の配合比も実施例１と同じとし、実施例１と同様の方法で放熱シートを製造した。また１層目及び２層目の層の厚みも実施例１と同じとした。
【００３１】
（比較例２）
１層目のシリコーンＡ剤とシリコーンＢ剤との配合比を４８：５２とし、２層目の配合比を５０：５０としたものを比較例２とした。
シリコーンＡ剤、シリコーンＢ剤、アルミナは実施例１と同じものを用い、結合剤（シリコーン）に対する熱伝導性材料（アルミナ）の配合比も実施例１と同じとし、実施例１と同様の方法で放熱シートを製造した。また１層目及び２層目の層の厚みも実施例１と同じとした。
【００３２】
（実施例４）
本実施例では、上記実施例１〜３、比較例１，２ですべて一律であったシートの厚み（１層目と２層目の層の厚み）を変えて放熱シートを製造した。すなわち、本実施例では、１層目の厚みを０．３ｍｍとし、２層目の厚みを０．２ｍｍとした。
また、１層目のシリコーンＡ剤とシリコーンＢ剤との配合比を３５：６５とし、２層目の配合比を５０：５０とした。シリコーンＡ剤、シリコーンＢ剤、アルミナは実施例１と同じものを用い、シリコーンに対するアルミナの配合比も実施例１と同じとし、実施例１と同様の方法で放熱シートを製造した。
【００３３】
（実施例５）
本実施例では、シートの１層目の厚みを０．１ｍｍとし、２層目の厚みを０．４ｍｍとした。１層目及び２層目のシリコーンＡ剤とシリコーンＢ剤との配合比は実施例４と同じとした。
シリコーンＡ剤、シリコーンＢ剤、アルミナは実施例１と同じものを用い、シリコーンに対するアルミナの配合比も実施例１と同じとし、実施例１と同様の方法で放熱シートを製造した。
【００３４】
（実施例６）
本実施例では、シートの１層目の厚みを０．０５ｍｍとし、２層目の厚みを０．４５ｍｍとした。１層目及び２層目のシリコーンＡ剤とシリコーンＢ剤との配合比は実施例４と同じとした。
シリコーンＡ剤、シリコーンＢ剤、アルミナは実施例１と同じものを用い、シリコーンに対するアルミナの配合比も実施例１と同じとし、実施例１と同様の方法で放熱シートを製造した。
【００３５】
（比較例３）
上記各実施例がすべて２層でシートが構成されていたのに対し、１層のみでシートを構成したものを比較例３とした。その層のシリコーンＡ剤とシリコーンＢ剤との配合比は３５：６５とした。シートの厚みは０．５ｍｍとした。
シリコーンＡ剤、シリコーンＢ剤、アルミナは実施例１と同じものを用い、シリコーンに対するアルミナの配合比も実施例１と同じとし、実施例１と同様の方法で放熱シートを製造した。
【００３６】
（比較例４）
比較例３と同様に１層のみでシートを構成し、その層のシリコーンＡ剤とシリコーンＢ剤との配合比を５０：５０としたものを比較例４とした。シートの厚みは比較例４と同様に０．５ｍｍとした。
シリコーンＡ剤、シリコーンＢ剤、アルミナは実施例１と同じものを用い、シリコーンに対するアルミナの配合比も実施例１と同じとし、実施例１と同様の方法で放熱シートを製造した。
【００３７】
上記各実施例及び比較例のようにして得られた放熱シートについて、熱伝導率、アスカーＣ硬度、取り扱い性、熱抵抗を測定した。
【００３８】
熱伝導率は、ホロメトリックス（Ｈｏｌｏｍｅｔｒｉｘ）社ＴＣＡ−２００ＬＴ−Ａを用い、ＡＳＴＭ−Ｅ−１５３０（測定温度６０℃）の保護熱流法で測定した。尚、すべての実施例及び比較例で熱伝導率が１．０となるようにした。
【００３９】
アスカーＣ硬度は、試料を重ねて１２ｍｍの厚みとし、アスカーＣ硬度計により、荷重１ｋｇｆで測定した。
【００４０】
取り扱い性は、指触により判定した。内容は、以下のとおりである。
○：取り扱い性が良く、手で持ち上げても変形しない。
×：取り扱い性が悪く、手で持ち上げると変形する。
【００４１】
熱抵抗は、放熱シートをＴＯ−３型トランジスタと放熱器との間に挟み、５０Ｎ／ｃｍ^２の圧力で圧縮させ、トランジスタに２０Ｗの電力をかけて５分間保持し、トランジスタと放熱器の温度差を測定し、次式に従い熱抵抗を算出した。
熱抵抗（℃／Ｗ）＝温度差（℃）／電力（Ｗ）
【００４２】
試験結果を表１及び表２に示す。
【００４３】
【表１】

【００４４】
【表２】

【００４５】
表１及び表２からも明らかなように、１層目と２層目のアスカーＣ硬度の硬度差が２１〜５０となる実施例１乃至６では、いずれも取り扱い性が良く、また熱抵抗も０．７以下で放熱特性に支障を生じさせないものであった。
【００４６】
これに対して比較例２及び比較例４は、取り扱い性の悪いものであった。
【００４７】
一方、比較例１及び比較例３は、取り扱い性は悪くはなかったが、比較例１は熱抵抗が０．８以上、比較例３は１．０以上で、いずれも放熱シートとして使用する上での放熱特性が十分ではないと認められる。
【００４８】
【発明の効果】
以上のように、本発明においては、高柔軟性、高熱伝導性を保持したまま取り扱い性を高めた放熱シートが提供されるという効果がある。

Claims

熱伝導性材料を結合剤で結合させた２層構造の放熱シートであって、一方の層のアスカーＣ硬度と他方の層のアスカーＣ硬度の硬度差が２１〜５０であることを特徴とする放熱シート。
１方の層のアスカーＣ硬度が４０〜６０であり、他方の層のアスカーＣ硬度が５〜２５である請求項１記載の放熱シート。
結合剤１００重量部に対して、熱伝導性材料が３００〜１６００重量部配合されている請求項１又は２記載の放熱シート。
アスカーＣ硬度４０〜６０の層の厚みが全体の厚みの５〜６０％である請求項１乃至３のいずれかに記載の放熱シート。