JP2005343728A - 窒化ホウ素粉末及びその用途 - Google Patents

Abstract

【課題】樹脂等の放熱性を改善できる窒化ホウ素粉末と、それを樹脂等に含有させた組成物と、この組成物からなる電子部品の放熱材を提供する。
【解決手段】頻度粒度分布において、５〜３０μｍの領域に極大値Ｂ、１００〜３００μｍの領域に極大値Ａを有することを特徴とする窒化ホウ素粉末。この場合において、極大値Ｂの頻度に対する極大値Ａの頻度の比率｛（極大値Ａの頻度）／（極大値Ｂの頻度）｝が１〜１０であることが好ましい。上記本発明の窒化ホウ素粉末をゴム及び樹脂の少なくとも一方に含有させてなることを特徴とする組成物。上記本発明の組成物から構成されてなることを特徴とする電子部品の放熱材。
【選択図】 なし

Description

本発明は、窒化ホウ素粉末及びその用途に関する。

従来、電子部品等の放熱材の熱伝導性フィラーとしては、入手が容易で比較的安価なアルミナ粉末が用いられているが、その熱伝導率が２０〜３０W／ｍＫでしかないので適用範囲に制約があった。これに対し、窒化ケイ素粉末、窒化アルミニウム粉末は、１００W／ｍＫを超える熱伝導率を有しているのでアルミナ粉末のような適用範囲の制約は少ないが、加水分解性と、固い材料であることによる金型磨耗性に問題があった。

ＣＰＵ、パワーモジュール等の半導体技術の急速な発展にともない、放熱材に対する放熱特性の要求レベルは年々厳しくなっており、放熱材の開発が半導体技術開発の律速となっていることもある。このような背景のもと、高熱伝導性を有し、しかも化学的・熱的にも安定な窒化ホウ素が着目され、熱伝導性フィラーとして利用することが進められている。

熱伝導性フィラーの性能は、材料自体の高熱伝導率と、その材料をゴム及び樹脂の少なくとも一方（以下、これを「樹脂等」ともいう。）にどれだけ多く含有させることができるかによって左右される。窒化ホウ素粉末は、結晶構造的には熱伝導の異方性が大きく、鱗片状と称される板状の粒子形態を取るため、アルミナ粉末よりも樹脂等への充填性は悪い。また、窒化ホウ素粉末はアルミナ粉末のように溶融して球状化することができないことも充填性が悪い原因となっている。

これを改善するため、窒化ホウ素粉末の粒度を調整する、成形方法を工夫するなどの種々の提案があるが（例えば特許文献１〜３）、今日の要求に対しては十分に満足できていない。
特開平１１−２６６６１号公報 特開平１１−１５６９１４号公報 特開２０００−１０８２２０号公報

本発明の目的は、樹脂等の放熱性を改善できる窒化ホウ素粉末と、それを樹脂等に含有させた組成物と、この組成物からなる電子部品の放熱材を提供することである。

すなわち、本発明は、頻度粒度分布において、５〜３０μｍの領域に極大値Ｂ、１００〜３００μｍの領域に極大値Ａを有することを特徴とする窒化ホウ素粉末である。この場合において、極大値Ｂの頻度に対する極大値Ａの頻度の比率｛（極大値Ａの頻度）／（極大値Ｂの頻度）｝が１〜１０であることが好ましい。また、本発明は、上記本発明の窒化ホウ素粉末をゴム及び樹脂の少なくとも一方に含有させてなることを特徴とする組成物である。さらに、本発明は、上記本発明の組成物から構成されてなることを特徴とする電子部品の放熱材である。

本発明によれば、樹脂等の放熱性を改善することができる窒化ホウ素粉末と、それを樹脂等に含有させた組成物（以下、単に「組成物」ともいう。）と、この組成物から構成されてなる電子部品の放熱材が提供される。

放熱材の熱抵抗を低減し放熱性を向上させ方法には二つの手段がある。一つは放熱材の熱伝導性を良くすることであり、他の一つは放熱材の厚みを薄くすることである。放熱材の表面状態が熱抵抗の低減に悪影響を与えることがあるが、熱抵抗は放熱材の厚みに概ね反比例しているので、その厚みを薄くすることによって熱抵抗を低減させることができる。この場合、窒化ホウ素粉末は、その最大粒子径が放熱材厚みの１／３〜１／５以下であるものが経験的に選択使用されているが、放熱材の厚みが薄くなるに従い、窒化ホウ素粉末も微粉化される。しかし、微粉化された窒化ホウ素は、樹脂等の流動性を悪化させるので高充填（高含有）させることができず、熱伝導性の発現が犠牲となる。

本発明は、上記の経験則の壁を破り、最大粒子径が放熱材厚みの８０％程度までの大きさの窒化ホウ素粒子の使用を可能とするべく、頻度粒度分布において、５〜３０μｍの領域と、１００〜３００μｍの領域とに極大値を有させたものである。１００〜３００μｍの領域に極大値Ａを有する窒化ホウ素粉末（以下、「粗大粉末」ともいう。）は、その大きな粒子に起因する良好な熱伝導性を有しており、これを利用するために本発明では粗大粉末が必要となる。粗大粉末を本発明の構成成分とすることによって、窒化ホウ素の異方性に起因する樹脂等中での粒子の配向を小さくすることができ、窒化ホウ素の熱伝導性を効率よく利用することができる。

本発明において、粗大粉末の上限を３００μｍとしたのは、それをこえる大きな粒子を製造することが困難であること、また放熱材の厚みが制約されることによる。１００μｍ未満の窒化ホウ素ではその異方性が強くなるので、窒化ホウ素本来の熱伝導性の発現が損なわれる恐れがある。また、粗大粉末は、１００〜３００μｍの粒子径を持つ窒化ホウ素以外のセラミックス粉末とは異なり、硬度が低く加工性に富んだ柔らかな材料であるので成形金型を摩耗させにくいことも、粗大粉末が選択された理由である。粗大粉末の含有率は、本発明の窒化ホウ素粉末中、３０〜９５体積％、特に５０〜９０体積％であることが好ましい。

窒化ホウ素は異方性を有する板状粒子であるので、粗大粉末を単結晶で得ることは困難である。本発明において、粗大粉末は、例えば窒化ホウ素焼結体の粉砕物、凝集粒子等によって入手可能であるが、凝集粒子が好ましい。凝集粒子とは、一次粒子が集合して形成された粒子のことである。凝集粒子の製造方法を例示すれば、バインダーを用いて一次粒子を集合させる方法、窒化ホウ素を合成する際、結晶化の調整を行って粒子間に凝集力を発生させて集合させる方法などである。前者方法で使用されるバインダーとしては、例えばホウ酸、ホウ酸カルシウム、ホウ酸ナトリウム等を例示することができる。後者方法の一例は、特許文献１の実施例で製造された松ボックリ状窒化ホウ素から１００〜３００μｍの粒子を分級することである。

凝集粒子を構成する一次粒子の大きさは、１〜２０μｍ特に２〜１８μｍであることが好ましい。また、この大きさの一次粒子が９０体積％以上集合して構成された凝集粒子であることが好ましい。一次粒子の大きさが１μｍ未満であると、その低結晶性に起因して高熱伝導性が得られ難く、また２０μｍ超の一次粒子にあっては、数個〜十数個の粗大粉末しか得られないので、熱伝導性を十分に利用することが困難となる。

凝集粒子を構成している一次粒子の大きさは、凝集を解かなくとも、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって容易に一次粒子同士の境界を判断することができる。本発明の明細書においては、凝集粒子の一次粒子の大きさは、３００個の一次粒子の大きさを測定し、その平均値で表示されている。

本発明の窒化ホウ素粉末は、５〜３０μｍの領域に極大値Ｂを有する窒化ホウ素粉末（以下、「微細粉末」ともいう。）を構成成分としている。微細粉末は粗大粉末の隙間に容易に入り込むことができる粒子であり、これによって粒子同士の接触点数を増やし、熱抵抗の低減効果を助長する。微細粉末の含有率は、本発明の窒化ホウ素粉末中、５〜７０体積％、特に１０〜５０体積％であることが好ましい。

本発明の窒化ホウ素粉末においては、高熱伝導性の発現（熱抵抗の低減化）の点から、微細粉末の極大値Ｂの頻度に対する粗大粉末の極大値Ａの頻度の比率｛（極大値Ａの頻度）／（極大値Ｂの頻度）｝が１〜１０、特に４〜９であることが好ましい。

本発明の窒化ホウ素粉末は、粗大粉末と微細粉末を混合することによって製造することができる。この場合において、樹脂等への混合性の点から、窒化ホウ素粉末中の粗大粉末と微細粉末の合計含有率は９５％以上（１００％を含む）、特に９７％以上（１００％を含む）であることが好ましいが、３０μｍ超１００μｍ未満の粒子を積極的に５体積％以下（０を含まない）、特に２体積％以下（０を含まない）を含有させることによって、熱抵抗の低減効果を更に助長させることができる。

本発明の窒化ホウ素粉末の粒度分布は、レーザー回折散乱法によって測定することができる。粒度分布測定機としては、例えばベックマンコールター社製商品名「モデルＬＳ−２３０」等がある。

本発明で用いられる窒化ホウ素粉末は、高熱伝導性を確保する点から、低酸素、高結晶性の粒子で構成されていることが好ましく、特に酸素量＜１質量％かつＧ.Ｉ.値＜３、中でも酸素量＜０．６質量％かつＧ.Ｉ.値＜２であることが好ましい。ここにＧ.Ｉ.値とは、窒化ホウ素の結晶性を表す指標としてしばしば用いられるＧｒａｐｈｉｔｅＩｎｄｅｘのことであり、粉末Ｘ線回折で測定された回折線強度から、式、Ｇ.Ｉ.＝（Ｉ１００＋Ｉ１０１）／Ｉ１０２、（式中、Ｉ１００、Ｉ１０１、Ｉ１０２は各々、（１００）、（１０１）、（１０２）面の回折線強度である。）で算出される。この値が小さいほど結晶性が高いことを表している。

本発明の組成物は、ゴム及び樹脂の少なくとも一方に本発明の窒化ホウ素粉末が混合されたものである。配合の一例を示せば、ゴム及び樹脂の少なくとも一方が１００体積部に対し、窒化ホウ素粉末が２５〜１５０体積部である。本発明の組成物は、電子部品の放熱材として好適に使用することができる。

ゴムとしては、例えばシリコーンゴム、ウレタンゴム、アクリルゴム、ブチルゴム、エチレンプロピレンゴム、ウレタンゴム、エチレン酢酸ビニル共重合体等を用いることができる。また、樹脂としては、例えばエポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、不飽和ポリエステル、フッ素樹脂、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド等のポリアミド、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステル、ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンスルフィド、全芳香族ポリエステル、ポリスルホン、液晶ポリマー、ポリエーテルスルホン、ポリカーボネート、マレイミド変性樹脂、ＡＢＳ樹脂、ＡＡＳ（アクリロニトリル−アクリルゴム・スチレン）樹脂、ＡＥＳ（アクリロニトリル・エチレン・プロピレン・ジエンゴム−スチレン）樹脂等を用いることができる。

実施例１〜３ 比較例１〜１０
ホウ酸、メラミン、及び炭酸カルシウム（いずれも試薬特級）を、質量比７０：５０：５の割合で混合し、窒素ガス雰囲気中、室温から１４００℃までを１時間で昇温し、１４００℃で３時間保持してから２０００℃までを４時間で昇温し、２０００℃で２時間保持した後、室温まで冷却して窒化ホウ素を製造した。これを粉砕し、篩い分けして、粗大粉末ａと微細粉末ｂを準備した。一方、市販の窒化ホウ素焼結体（電気化学工業社製商品名「デンカボロンナイトライド成形体ＮＢ−１０００」）を粉砕し、篩い分けして、粗大粉末ｃ、微細粉末ｄ、他粉末Ｅ〜Ｈを準備した。さらに、微細な一次粒子の凝集粉として、他粉末Ｉ（電気化学工業社製商品名「デンカボロンナイトライドＳＰ−２」）を準備した。これらの粉末特性を表１に示す。

各粉末を表２に示す割合で混合して種々の窒化ホウ素粉末を製造した。これをシリコーン樹脂（東芝ＧＥシリコーン社製）に表２に示す充填量の割合で混合し、５００Ｐａの減圧脱泡を３分間行ってから、ＰＥＴ製シートの上にガラス棒で約０．６ｍｍの厚さに伸ばしてシートを成形した。窒化ホウ素粉末の混合率は、シリコーン樹脂組成物の粘度によって決め、成形限界(約２００Ｐａ)になるまで、窒化ホウ素粉末の追加と混合を繰り返した。なお、充填量（体積％）は、シリコーン、窒化ホウ素の比重を各々０．９０、２．３とし、加えた質量から算出した。

成形されたシートは、１００℃、２時間で加熱硬化させ、２．５ｃｍ角に打ち抜き、マイクロメーターでシート厚みを測定した後、ＡＳＴＭ Ｄ ５４７０に準じて熱抵抗を測定し、シート厚みと測定面積から熱伝導率を算出した。それらの結果を表２に示す。なお、表２に示された「Ａ／Ｂ」は、｛（極大値Ａの頻度）／（極大値Ｂの頻度）｝の比率である。

本発明の窒化ホウ素粉末は、樹脂等に熱伝導性を付与するフィラーとして使用される。また、本発明の組成物は電子部品の放熱材等として使用される。

Claims (4)

1. 頻度粒度分布において、５〜３０μｍの領域に極大値Ｂ、１００〜３００μｍの領域に極大値Ａを有することを特徴とする窒化ホウ素粉末。
2. 極大値Ｂの頻度に対する極大値Ａの頻度の比率｛（極大値Ａの頻度）／（極大値Ｂの頻度）｝が１〜１０であることを特徴とする請求項１記載の窒化ホウ素粉末。
3. 請求項１又は２記載の窒化ホウ素粉末を、ゴム及び樹脂の少なくとも一方に含有させてなることを特徴とする組成物。
4. 請求項３記載の組成物から構成されてなることを特徴とする電子部品の放熱材。