JP2006089579A - 熱伝導シートとその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱伝導性充填剤を高充填させる必要が無く、柔軟性の著しい低下を抑え、補強性を持たせるとともに高い熱伝導性を付与し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】 高分子のブレンド物からなる熱伝導シートであり、少なくともエラストマー、絶縁性を有する熱伝導性充填剤、粘着付与剤、そして結晶性高分子を配合したシートであり、結晶性高分子がマトリックス成分に含まれていることと、熱伝導性充填剤とマトリックス相間の相互作用を高めることにより、高強度であり、なおかつ高熱伝導性を有する熱伝導シートを得ることができる。
【選択図】なし

Description

本発明は熱伝導シートとその製造方法に関し、詳しくはエラストマー、絶縁性を有する熱伝導性充填剤、粘着付与剤、そして結晶性高分子を配合することによって柔軟性の著しい低下を抑え、補強性を持たせ、そして高い熱伝導性を付与した熱伝導シートとその製造方法に関する。

近年、パーソナルコンピューター、デジタルビデオディスク、携帯電話などの電子機器に使用されるＣＰＵ、ドライバＩＣ、メモリーなどのＬＳＩは集積度の向上と動作の高速化に伴い消費電力が増大すると共にその発熱量も増大し、電子機器の誤動作や電子部品の損傷の一因となっているため、その放熱対策が大きな問題となっている。それに加え、近年、従来セラミックス基板を使用していた部分の樹脂化が進んでいるが、この場合、基板そのものの熱伝導率が低下しており、放熱対策は非常に重要な問題として把握されている。

従来から、電子機器等においては、その使用中に電子部品の温度上昇を抑えるために、黄銅等、熱伝導率の高い金属板を用いたヒートシンクが使用されている。このヒートシンクは、その電子部品が発生する熱を伝導し、その熱を外気との温度差によって表面から放出する。電子部品から発生する熱をヒートシンクに効率よく伝えるために、ヒートシンクを電子部品に密着させる必要があり、熱伝導シートなどを電子部品とヒートシンクとの間にインターフェイスとして用い、電子部品の効率的な熱伝導を行っている。また、樹脂基板へはその基板よりも熱伝導性の高い放熱シートを貼付することで熱対策が為されている。

しかし上述の如く、近年の電子機器関連部品は高速処理化が進み、それにともなって発熱量も増大していることから、従来の熱伝導シートでは熱伝導率不足のために、熱対策ができない場合が増えてきている。

そのため、グラファイト、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、アルミニウム、銅等からなる熱伝導性充填材を高充填させた熱伝導シート等が一般に使用されているが、充填剤を高充填させると、成形性などに問題が生じ、均一なシートを得られないといった問題があった。また、著しい強度低下が起こるため、熱伝導シートの取り扱いの際に引き裂きなどの破壊現象が起こる不具合も懸念された。

これを改善するために、特許文献１には、平均粒子径が異なる熱伝導性充填剤を組み合わせて、充填剤配合量の増量を可能とし、熱伝導率を向上できることが記載されている。しかしながら、充填剤を高充填することにより熱伝導率が増大しても、加工性が悪くなり、熱伝導シートの強度が損なわれるといった問題点があった。

また特許文献２には、従来の熱伝導シートと同等以上の熱伝導性と強度を持たせるためにガラスクロスで補強された熱伝導シートの仕様を開示している。しかし、この熱伝導シートも内部に高硬度のガラスクロス層が存在することによって、柔軟性が失われるために貼付時の追従性に限界があった。したがって段差のある基板上や、複雑形状の箇所等に熱伝導シートを貼付けるのは困難であり、更にはこのような補強材料を用いても、熱伝導性を高めるといった効果は小さかった。
特開２０００−１５１１６０号公報 特開平９―１９９８８０号公報

このように、従来から充填剤を高充填させることなく高熱伝導性を付与でき、なおかつ高強度の熱伝導シートを作製することは困難であった。

本発明はこのような問題に対処するものであり、熱伝導性充填剤を高充填させる必要が無く、柔軟性の著しい低下を抑え、補強性を持たせるとともに高い熱伝導性を付与した熱伝導性シートを提供することを目的とする。

即ち、本願の発明では、高分子のブレンド物からなる熱伝導シートであり、少なくともエラストマー、絶縁性を有する熱伝導性充填剤、粘着付与剤、そして結晶性高分子を配合した熱伝導シートにある。この熱伝導性シートは高い熱伝導性を有する結晶成分を含んでいることにより、マトリックス成分の熱伝導性および強度が増大し、熱伝導シート自体の熱伝導性の向上とともに破断強度の増大効果もみられる。またこの熱伝導シートの構成材料中にはエラストマーと粘着付与剤を含んでいるため、段差のある基板、複雑形状の箇所に貼付けるに十分な柔軟性、粘着性を有する熱伝導シートになる。

また、本願の発明では、極性基で修飾された結晶性高分子を熱伝導シートの構成材料として用い、極性基を有する結晶性高分子が金属酸化物などからなる熱伝導性充填剤とのなじみ性を改善し、より高い熱伝導性を付与することができる場合や、結晶性高分子がエラストマー１００重量部に対して５〜５０重量部配合されることにより、十分な強度を持つとともに、高い熱伝導性を付与した熱伝導シートが得られる場合も含んでいる。結晶性高分子が５重量部未満になると熱伝導性及び強度の改善がみられず、逆に５０重量部を超えると熱伝導シートの柔軟性が失われてしまう恐れがある。

更に、本願の発明では、予め結晶性高分子中に絶縁性を有する熱伝導性充填剤を混合分散させてマスターバッチを作製した後、このマスターバッチにエラストマーと粘着付与剤を加えて混練してシートを作製することにより、充填剤とマトリックス相間のなじみ性が改善されたより高い熱伝導性を有する熱伝導シートを作製する場合や、結晶性高分子が極性基で修飾されている場合や、結晶性高分子がエラストマー１００重量部に対して５〜５０重量部配合される場合を含んでいる。また、結晶性高分子が極性基で修飾されている場合や、結晶性高分子がエラストマー１００重量部に対して５〜５０重量部配合される場合を含んでいる。

以上ように本願発明は、結晶性高分子がマトリックス成分に含まれていることと、熱伝導性充填剤とマトリックス相間の相互作用を高めることにより、高強度であり、なおかつ高熱伝導性を有する熱伝導シートを得ることができる。更には、結晶性高分子材料の表面にアルコール基やカルボキシル基などの極性基が存在することによって、表面に極性基を有する熱伝導性充填剤との相互作用が増大し、より高い熱伝導性を有する熱伝導シートを得ることができる。

以下、本発明の好ましい実施形態を説明すると、本実施形態における熱伝導シートは（Ａ）所定の耐熱性とフィラー充填性を有するエラストマー、（Ｂ）高い熱伝導性を有する結晶性高分子、（Ｃ）絶縁性を有する熱伝導性充填剤、（Ｄ）粘着性と硬度の調整機能を営む粘着付与剤を主原料としている。また必要に応じて各種添加剤を加え、各種方法により均一に一体化したゴム組成物が得られる。その後、ロール、プレス機等を用いて加硫したシート状に成形される。

（Ａ）所定の耐熱性とフィラー充填性を有するエラストマーとしては、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、スチレン-ブタジエンゴム、ブチルゴム、エチレン-プロピレンゴムやエチレン・プロピレン・ジエンモノマー等のエチレン−α−オレフィンエラストマー、シリコーンゴムなどの合成ゴム、オレフィン系ＴＰＥ、スチレン系ＴＰＥなどの熱可塑性エラストマーなどが挙げられる。これらは単独あるいは２種以上が併用して使用される。ここでは成形加工の効率の良さや汎用性の面などから、スチレン系熱可塑性エラストマーを用いることが好ましい。

このスチレン系熱可塑性エラストマーとしては、例えばスチレン-ブタジエン-スチレンのトリブロック共重合体（ＳＢＳ）、スチレン-イソプレン-スチレンのトリブロック共重合体（ＳＩＳ）、ＳＢＳに水素添加したエラストマー（ＳＥＢＳ）、ＳＩＳに水素添加したエラストマー（ＳＥＰＳ）等が挙げられる。これらは単独あるいは２種以上が併用して使用される。これらの中でも、低硬度であり、粘着特性に優れるＳＩＳが好ましい。

（Ｂ）本発明で使用する結晶性高分子は、材料の結晶化度が８０％以上であり、熱可塑性であって融点が１８０℃以下であることが高い熱伝導性を有するゴム組成物を得るための条件になる。結晶性高分子材料としては、安価であり成形が容易なことから高密度ポリエチレンが好ましい。結晶性高分子の配合割合はエラストマー１００重量部に対して５〜５０重量部が好ましい。５重量部未満では熱伝導シートの熱伝導性及び強度が改善されず、また５０重量部を超えると熱伝導シートの柔軟性が失われてしまう恐れがある。

上記結晶性高分子材料としては、熱伝導性充填剤とのなじみ性を考慮すると、極性基を有し充填剤との相互作用が強いものが好ましい。特に、金属酸化物等の親水性の高い熱伝導性充填剤との相互作用が強い材料が好ましく、例えばアルコール基および／またはカルボキシル基からで修飾された高密度ポリエチレンなどを含む。

上記結晶性高分子材料を配合すれば、マトリックス相の結晶成分が増大し、高強度でより高い熱伝導性を有する熱伝導シートが得られる。また、熱伝導率を向上させるためには熱伝導性充填剤の体積分率を増加させることが考えられるが、熱伝導性充填剤の体積分率が増加すると、熱伝導シートの強度が著しく低下してしまう。本発明では結晶性高分子材料を加えることによってマトリックス成分の熱伝導性を増大させているため、熱伝導性充填剤の体積分率を増大させることなく熱伝導シートの熱伝導性を高めることができ、強度も大きく改善することができる。

（Ｃ）熱伝導性充填剤としては、熱伝導性と絶縁性が必要なことから、例えば酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化亜鉛等の金属酸化物粉体や窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化ケイ素等の金属窒化物粉体、炭化ケイ素、炭化ホウ素等の金属炭化物粉体が挙げられる。これらは単独あるいは２種以上を併用して用いられる。これらの中でも高充填性や汎用性などの面から酸化アルミニウムが好ましい。熱伝導性充填剤の配合割合はエラストマー１００重量部に対して１００〜３，０００重量部であり、より好ましくは３００〜１，８００重量部である。

（Ｄ）粘着付与剤としては、特に限定されるものではないが、例えばロジン系樹脂、テルペンフェノール樹脂、テルペン樹脂、芳香族炭化水素変性テルペン樹脂、石油樹脂、クロマン・インデン樹脂、スチレン系樹脂、フェノール系樹脂、キシレン樹脂等が挙げられる。これらは単独であるいは２種以上併用して用いられる。粘着付与剤の配合量はエラストマー１００重量部に対して１０〜５００重量部であり、より好ましくは５０〜２００重量部である。

その他の配合剤も通常ゴム組成物に用いられているもの，例えば、加工助剤としてステアリン酸などの脂肪酸、老化防止剤としてアミン、イミダゾール、フェノールとその誘導体等、可塑剤として各種オイルを任意に用いることが可能である。また架橋が必要な材料に対しては、硫黄系架橋、有機過酸化物架橋、金属酸化物架橋、樹脂架橋など各種架橋系を用いることができる。

また本発明では、上記原料のうち結晶性高分子（Ｂ）中にあらかじめ熱伝導性充填剤（Ｃ）を混合分散させておくことにより、結晶性高分子と熱伝導性充填剤とのなじみ性が改善された熱伝導シートを得ることができる。更には、結晶性高分子（Ｂ）がアルコール基、カルボキシル基などの極性基によって修飾されていることにより、その効果は顕著となる。なじみ性が良くなることにより、マトリックス相-充填剤間の隙間領域の減少により熱伝導の低下が抑制され、高い熱伝導性を有する熱伝導シートが得られる。

得られた熱伝導シートの破断強度としては、０．５〜５ＭＰａが好ましく、０．５ＭＰａ未満の場合には、シートの引裂などの破壊が起こりやすくなり、取り扱いが困難となる。一方、５ＭＰａを超えると、柔軟性の低下が起こり、基板への密着性の低下、複雑形状の箇所への貼り付けができないといった不具合が発生する。

また熱伝導率は貼り付ける対象によって要求レベルが異なるので、特に限定されるものではないが、１．５Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましい。１．５Ｗ／ｍＫ未満の場合には電子基板等の放熱を十分に行えない恐れがある。

本発明の熱伝導シートは、電子機器、モーター等の発熱性機器中に存在する発熱体と放熱体との間に介在させることによって機器中に発生する不要な熱を逃すことができる。上記発熱性機器としては、パーソナルコンピューター、ゲーム機等の電子機器内のＣＰＵ、他にはモーター、電源、トランス、電池等が挙げられる。

以下、本発明を実施例により更に詳細に説明する。
実施例１〜５
表１に示す実施例のゴム組成物は、いずれもいて作製した。まず実施例１、２、４、そして５では、結晶性高分子としてアルコール基およびカルボキシル基の両方で修飾した高密度ポリエチレンまたは高密度ポリエチレンと、各種熱伝導性充填剤を配合してマスターバッチを作製した後、このマスターバッチにスチレン系熱可塑性エラストマーと各種粘着付与剤を加えて混練して得られたゴム組成物をプレス機によってシート状に成形した。
また実施例３では、アルコール基およびカルボキシル基の両方で修飾した高密度ポリエチレン、スチレン系熱可塑性エラストマー、熱伝導性充填剤、粘着付与剤を同時に密閉式混練機を用いて混練して得られたゴム組成物をプレス機によってシート状に成形した。

このようにして得られた熱伝導シートについて、破断強度、熱伝導率を下記の方法に従って評価した。そしてこれらの結果を表１に示す。

破断強度はＪＩＳ Ｋ ６２５１に従って評価した。また熱伝導率測定は、レーザーフラッシュ法熱定数測定装置ＴＣ−７０００（真空理工社製）を用いて測定した熱拡散率の値から算出した。

比較例１〜４
表１の比較例に示したゴム組成物も上記と同様、密閉式混練機を用いて作製した。比較例１はポリエチレンを配合しておらず、比較例２は低密度ポリエチレンを配合し、熱伝導性充填剤として酸化アルミニウムを用いた。比較例３では熱伝導性充填剤として窒化アルミニウムを用いた。また比較例４は酸化アルミニウムを高配合させた。これらをその他各種材料と混合均一化することにより得られたゴム組成物をプレス機によってシート状に成形し、実施例と同様に破断強度、熱伝導率を評価した。

このように比較例１、３は結晶性高分子を用いていない例、比較例２は結晶性の低い高分子を用いた例、比較例４は充填剤を高充填させて作製したシートである。この結果、実施例は比較例よりも高強度かつ高い熱伝導性を有することが明らかである。

本実施例では、高密度ポリエチレンを配合することにより、熱伝導シートの強度および熱伝導性を高めることができる。逆に結晶性の比較的低い低密度ポリエチレンを配合しても熱伝導性が大きく向上しないことから、結晶化度の高い高密度ポリエチレンを用いることが不可欠である。また、高密度ポリエチレンと熱伝導性充填剤をあらかじめ一体化してマスターバッチにしておくこと、また極性基で修飾された高密度ポリエチレンを用いることにより、より高い熱伝導性を付与することができるが判る。

即ち、上記高密度ポリエチレンを配合することで、マトリックス相の結晶成分が増大し、高強度でより高い熱伝導性を有する熱伝導シートが得られる。また、熱伝導率を向上させるためにはフィラー体積分率を増加させることが考えられるが、フィラー体積分率が増加すると熱伝導シートの強度が著しく低下してしまう。本発明では結晶性高分子材料を加えることによってマトリックス成分の熱伝導性を増大させているため、フィラー体積分率を増大させることなく熱伝導シートの熱伝導性を高めることができ、強度も大きく改善することができる。

また、実施例１、２、４、そして５のように、予め高密度ポリエチレンと熱伝導性充填剤を混合均一化させマスターバッチとしておくことにより、結晶性高分子と熱伝導性充填剤との相互作用を高めることができ、その結果熱伝導を阻害するマトリックス相と熱伝導性充填剤間の隙間領域が減少するため、高い熱伝導性を有する熱伝導シートが得られる。

更には、表面に極性基を存在させた高密度ポリエチレンを使用することによって、表面に極性基を有する酸化アルミニウムや窒化アルミニウムなどの熱伝導性充填剤との相互作用が増大し、より高い熱伝導性を有する熱伝導シートを得ることができる。

本発明に係る放熱性に優れる熱伝導材料は、電子部品が発生する熱を伝導し、その熱を外部へ放出するヒートシンクに使用される。

Claims (6)

1. 高分子のブレンド物からなる熱伝導シートであり、少なくともエラストマー、絶縁性を有する熱伝導性充填剤、粘着付与剤、そして結晶性高分子を配合したことを特徴とする熱伝導シート。
2. 結晶性高分子が極性基で修飾されていることを特徴とする請求項３の熱伝導シート。
3. 結晶性高分子がエラストマー１００重量部に対して５〜５０重量部配合される請求項１または２記載の熱伝導シート。
4. 予め結晶性高分子中に絶縁性を有する熱伝導性充填剤を混合分散させてマスターバッチを作製した後、このマスターバッチにエラストマーと粘着付与剤を加えて混練してシートを作製することを特徴とする熱伝導シートの製造方法。
5. 結晶性高分子が極性基で修飾されていることを特徴とする請求項４の熱伝導シートの製造方法。
6. 結晶性高分子がエラストマー１００重量部に対して５〜５０重量部配合される請求項４または５記載の熱伝導シートの製造方法。