JP2008019319A

JP2008019319A - 高熱伝導性コンパウンド

Info

Publication number: JP2008019319A
Application number: JP2006190959A
Authority: JP
Inventors: Takatsugu Hiratsuka; 孝嗣平塚; Mitsunobu Kimura; 光伸木村
Original assignee: Cosmo Oil Lubricants Co Ltd
Current assignee: Cosmo Oil Lubricants Co Ltd
Priority date: 2006-07-11
Filing date: 2006-07-11
Publication date: 2008-01-31
Anticipated expiration: 2026-07-11
Also published as: JP4841341B2

Abstract

【課題】湿度の高い環境下でも安定性が高く、ちょう度低下を抑えることができる高熱伝導性コンパウンドを提供する。
【解決手段】（Ａ）無機粉末充填剤を８７〜９６質量％、
（Ｂ）基油を２〜１３質量％、
（Ｃ）炭素数８〜２８の不飽和脂肪酸から選ばれる少なくとも１種の脂肪酸を０．０８〜４質量％、含有する高熱伝導性コンパウンド。
【選択図】なし

Description

本発明は、高い熱伝導率を有する高熱伝導性コンパウンドに関し、塗布性に優れ、かつ耐湿性に優れた高熱伝導性コンパウンドに関する。

電子機器に使用されている半導体部品の中には、コンピュータのＣＰＵや電源制御用のパワー半導体のように使用中に発熱をともなう部品がある。これらの半導体部品を熱から保護し、正常に機能させるためには、発生した熱をヒートシンク等の放熱部品へ伝導させ放熱する方法がある。熱伝導性コンパウンドは、これら半導体部品と放熱部品を密着させるように両者の間に塗布され、半導体部品の熱を放熱部品に効率よく伝導させるために用いられる。したがって、熱伝導性コンパウンドには、高い熱伝導性が求められると共に、良好な塗布性のために高いちょう度を有することも求められる。

熱伝導性コンパウンドは、液状炭化水素やシリコーン油等の基油に、金属酸化物や金属窒化物や金属粉末等の熱伝導率の高い充填剤が多量に分散されたグリース状組成物である。また、この組成物中の充填剤の分散性を良好に保ち、さらにちょう度と塗布性を高める目的で、種々の表面改質剤を配合することが検討されている（例えば特許文献１、２参照）。

特開平９−９７９８８公報特開２００６−９６９７３号公報

しかし、熱伝導性コンパウンドは湿度の高い環境に置かれた場合、充填剤の材質によっては、充填剤が吸湿して金属水酸化物等に変質してしまう場合があり、その結果、熱伝導性等の性能低下が懸念される。また、熱伝導性コンパウンド中での充填剤の分散状態によっては、湿度の高い環境に置かれた場合、水分の影響により熱伝導性コンパウンドの充填剤の分散性が悪くなり、その結果、熱伝導性コンパウンドのちょう度が低下し硬化する可能性がある。このようなちょう度低下や硬化が塗布前の保存中に生じた場合、熱伝導性コンパウンドの塗布がしづらくなる場合がある。また、放熱材料として実装使用時にちょう度低下や硬化が起こるとクラックの発生等により、放熱性能が低下する場合がある。
本発明の目的は、湿度の高い環境下でも安定性が高く、ちょう度低下を抑えることができる高熱伝導性コンパウンドを提供することにある。

本発明者らは、上記課題を達成するために鋭意検討した結果、特定の充填剤と特定の表面改質剤を配合することで、湿度の高い環境下でも変質せずちょう度低下を抑えられる熱伝導性コンパウンドが得られることを見出し、本発明の完成に至った。

すなわち、本発明は、（Ａ）無機粉末充填剤を８７〜９６質量％、
（Ｂ）基油を２〜１３質量％未満、
（Ｃ）炭素数８〜２８の不飽和脂肪酸から選ばれる少なくとも１種の脂肪酸を０．０８〜４質量％、をそれぞれ含有する高熱伝導性コンパウンドを提供するものである。
また、本発明は、上記高熱伝導性コンパウンドにおいて、無機粉末充填剤が酸化亜鉛粉末、酸化アルミニウム粉末及び金属アルミニウム粉末より選ばれる少なくとも１種以上である高熱伝導性コンパウンドを提供するものである。

さらに本発明は、上記高熱伝導性コンパウンドにおいて、無機粉末充填剤が平均粒径５〜５０μｍの粗粒と平均粒径０．１５〜２μｍの細粒の組合せであり、それらの質量比が２０：８０〜８５：１５の範囲である高熱伝導性コンパウンドを提供するものである。

さらに、本発明は、（Ｄ）アルケニルコハク酸イミド及びそのホウ素誘導体から選ばれる1種以上を０．００５質量％〜０．１質量％含有する高熱伝導性コンパウンドを提供するものである。

本発明の高熱伝導性コンパウンドは、無機粉末充填剤と特定の表面改質剤の効果により、湿度環境下でも変質しにくく、ちょう度低下を抑え、かつ優れた熱伝導性を実現するものである。本発明の高熱伝導性コンパウンドを使用することで、熱対策の必要な電子部品の放熱性を向上でき、特にＣＰＵやパワー半導体等の放熱材料として好適である。

本発明に用いられる無機粉末充填剤（Ａ）は、酸化亜鉛、酸化アルミニウム、金属アルミニウム、金属銅、窒化ホウ素、炭化ケイ素、シリカなどの粉末が好適に使用でき、酸化亜鉛、酸化アルミニウム、金属アルミニウムなどの粉末が特に好ましい。これらは１種単独で用いても良く、また２種以上を組み合わせて用いることもできる。
無機粉末充填剤は、電気絶縁性を求める場合には、酸化亜鉛、酸化アルミニウム、窒化ホウ素、炭化ケイ素、シリカなどの粉末が好適に使用でき、酸化亜鉛、酸化アルミニウム、窒化ホウ素、シリカの粉末がより好ましく、酸化亜鉛、酸化アルミニウムの粉末が特に好ましい。また、電気絶縁性を求めず、より高熱伝導性を求める場合には、金属アルミニウム、金属銅などの金属粉末が好適に使用でき、金属アルミニウムの粉末が好ましい。

また、上記無機粉末充填剤は、平均粒径が５〜５０μｍの粗粒の無機粉末充填剤と平均粒径が０．１５〜２μｍの細粒の無機粉末充填剤からなることが好ましい。粗粒の無機粉末充填剤の平均粒径は、５０μｍを越えると塗膜が厚くなり熱伝導性が低下する傾向にある。また、細粒の無機粉末充填剤の平均粒径は、０．１５μｍ未満の場合には、充填剤の表面積が大きすぎて、液体成分（基油と表面改質剤）が不足し、ちょう度が低くなったり熱伝導性コンパウンドを調製できなくなる傾向にある。一方、粗粒の無機粉末充填剤の平均粒径が５μｍ未満の場合や、細粒の無機粉末充填剤の平均粒径が２μｍを超える場合には、いずれも無機粉末充填剤が最密充填できなくなる場合があり、結果として十分な熱伝導率が得られなくなる傾向にある。粗粒無機粉末充填剤の平均粒径は、好ましくは５〜４０μｍであり、特に好ましくは８〜３０μｍである。細粒無機粉末充填剤の平均粒径は、好ましくは０．２〜１．８μｍであり、特に好ましくは０．３〜１．５μｍである。

また、粗粒の無機粉末充填剤と細粒の無機粉末充填剤の混合比率は、質量比で２０：８０〜８５：１５の範囲で混合するのが好ましい。細粒の無機粉末充填剤が多すぎると、充填剤の表面積が大きくなりすぎて液体成分（基油と表面改質剤）が不足しちょう度が低くなったり熱伝導性コンパウンドを調製できなくなる場合がある。一方、細粒の無機粉末充填剤が不足すると、無機粉末充填剤を最密充填できない場合があり、結果として十分な熱伝導率が得られない場合がある。

無機粉末充填剤の含有率は８７〜９６質量％であるが、含有率が高いほど熱伝導性に優れ、好ましくは９０〜９５質量％である。８７質量％未満では熱伝導性が低くなったり、また離油を生じ基油の滲み出しを生じることがある。一方、９６質量％を越えるとちょう度が低くなり十分な塗布性を保てなくなったり、熱伝導性コンパウンドが調製できなくなる。

基油（Ｂ）としては、種々の基油が使用でき、例えば、鉱油、合成炭化水素油などの炭化水素系基油、エステル系基油、ポリグリコール、リン酸エステル、シリコーン油及びフッ素油などが挙げられ、炭化水素系基油、エステル系基油が好ましい。基油の分離を防止する点においては、表面張力の低いシリコーン油及びフッ素油は、あまり好ましくない。基油は１種単独で使用しても、２種以上を組み合わせて使用しても良い。
鉱油としては、例えば、鉱油系潤滑油留分を溶剤抽出、溶剤脱ロウ、水素化精製、水素化分解、ワックス異性化などの精製手法を適宜組み合わせて精製したもので、１５０ニュートラル油、５００ニュートラル油、ブライトストック、高粘度指数基油などが挙げられる。鉱油は、高度に水素化精製された高粘度指数基油が好ましい。
合成炭化水素油としては、例えば、エチレンやプロピレン、ブテン、及びこれらの誘導体などを原料として製造されたアルファオレフィンを、単独または２種以上混合して重合したものが挙げられる。アルファオレフィンとしては、炭素数６〜１４のものが好ましく挙げられる。
具体的には、１−デセンのオリゴマーであるポリアルファオレフィン（ＰＡＯ）や、１−ブテンやイソブチレンのオリゴマーであるポリブテン、エチレンとアルファオレフィンのコオリゴマー等が挙げられる。また、アルキルベンゼンやアルキルナフタレン等を用いることもできる。

エステル系基油としては、ジエステルやポリオールエステルが挙げられる。
ジエステルとしては、アジピン酸、アゼライン酸、セバシン酸、ドデカン二酸等の二塩基酸のエステルが挙げられる。二塩基酸としては、炭素数４〜３６の脂肪族二塩基酸が好ましい。エステル部を構成するアルコール残基は、炭素数４〜２６の一価アルコール残基が好ましい。

ポリオールエステルとしては、β位の炭素上に水素原子が存在していないネオペンチルポリオールのエステルで、具体的にはネオペンチルグリコール、トリメチロールプロパン、ペンタエリスリトール等のカルボン酸エステルが挙げられる。エステル部を構成するカルボン酸残基は、炭素数４〜２６のモノカルボン酸残基が好ましい。
また、上記以外にも、エチレングリコール、プロピレングリコール、ブチレングリコール、２−ブチル−２−エチルプロパンジオール、２,４−ジエチル−ペンタンジオール等の脂肪族二価アルコールと、直鎖または分岐鎖の飽和脂肪酸とのエステルも用いることができる。直鎖または分岐鎖の飽和脂肪酸としては、炭素数４〜３０の一価の直鎖または分岐鎖の飽和脂肪酸が好ましい。

ポリグリコールとしては、ポリエチレングリコールやポリプロピレングリコール、及びこれらの誘導体などが挙げられる。

リン酸エステルとしては、トリエチルホスフェート、トリブチルホスフェート、トリフェニルホスフェート、トリクレジルホスフェート、トリキシレニルホスフェート等が挙げられる。
熱伝導性コンパウンドは発熱部に塗布されるため、長時間高温にさらされる。このため、基油としては熱酸化安定性に優れることが望ましい。基油の動粘度は、４０℃で１０ｍｍ^２／ｓ〜６００ｍｍ^２／ｓであることが好ましい。粘度が低すぎると、高温になった時に、蒸発、離油などが生じる恐れがある。また、粘度が高すぎるとちょう度が低くなり熱伝導性コンパウンドが硬くなる恐れがある。

ジエステルやポリオールエステルは、他の基油成分と組み合わせて用いることでちょう度を高くすることができる。その際、組み合わせるジエステルやポリオールエステルは、１種であってもよいし、２種以上組み合わせてもよい。また、ジエステルやポリオールエステルの割合は、ジエステルやポリオールエステルを含む全ての基油成分１００質量％に対して２〜９０質量％が好ましく、より好ましくは２〜５０質量％であり、さらに好ましくは４〜３０質量％である。上記範囲でジエステルやポリオールエステルを配合することで、より高いちょう度とすることができる。
基油の含有量としては２〜１３質量％であり、含有量がこれ以上の場合は、ちょう度が高くなりすぎ、熱伝導性コンパウンドが流れ出てしまう場合がある。さらに離油を生じたり、熱伝導性が低下する場合がある。

本発明に用いられる不飽和脂肪酸（Ｃ）は、無機粉末充填剤の表面に吸着して基油との親和性を向上させることにより、無機粉末充填剤の充填量を増加させ熱伝導性を向上させたり、ちょう度を高めて塗布性を向上させる、表面改質剤としての働きを持つ。本発明に用いられる不飽和脂肪酸（Ｃ）は、従来の表面改質剤として用いられている物質と比較して耐湿効果が良好で、湿度環境下でも充填剤の熱伝導性コンパウンド中への分散を維持でき、熱伝導性コンパウンドのちょう度低下を抑え硬化を防止することができる。

なお、本発明においては、不飽和脂肪酸を用いることで、塗膜をより一層薄くすることができ、発熱部品から放熱部品への熱伝導を効率よく行うことができる。そのため、例えば４Ｗ／ｍ・Ｋ未満の熱伝導性コンパウンドであっても、本発明に用いる表面改質剤を用いることにより、薄膜化することで効率のよい熱伝導が可能となる。
不飽和脂肪酸の種類としては、炭素数８〜２８の不飽和脂肪酸が好ましく、炭素数１２〜２６が更に好ましく、炭素数１４〜２４が特に好ましく、炭素数１８〜２２が最も好ましい。炭素数をこの範囲にすることで、高いちょう度と良好な耐湿性を得ることができる。

不飽和脂肪酸は、不飽和基が炭素−炭素二重結合であるものが好ましい。炭素−炭素二重結合の数は、１〜４個が好ましく、１〜２個がより好ましく、１個が特に好ましい。
また、二重結合を２個以上持つ場合には、共役二重結合と活性メチレン基を持たないものが好ましい。不飽和脂肪酸は、カルボキシル基については一価もしくは二価の不飽和脂肪酸が好ましく、一価の不飽和脂肪酸がより好ましく、炭化水素基については、炭素数８以上の直鎖または分岐鎖を持つ不飽和脂肪酸が好ましい。
不飽和脂肪酸の具体例としては、例えば、カプロレイン酸、ウンデシレン酸、リンデル酸、ツズ酸、ミリストレイン酸、パルミトレイン酸、ゾーマリン酸、ペテロセリン酸、ペテロセライジン酸、オレイン酸、エライジン酸、パセニン酸、コドイン酸、ゴンドイン酸、セトレイン酸、エルカ酸、ブラシジン酸、セラコレイン酸、リノール酸、リノエライジン酸、リノレン酸、アラキドン酸などが挙げられる。

これら不飽和脂肪酸は１種単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせても良い。なお、上記不飽和脂肪酸に代えて飽和脂肪酸を用いた場合には、高いちょう度が得られず、十分な耐湿性を得ることもできない。
本発明に用いる不飽和脂肪酸は、０．０８質量％〜４．０質量％含有することが好ましい。さらに好ましくは０．１〜３．０質量％であり、特に好ましくは０．１〜２．０質量％である。含有量が０．０８質量％より少ない場合、効果が小さく、含有量が４．０質量％より多くても効果の向上は期待できない。

本発明では、さらにアルケニルコハク酸イミド及びそのホウ素誘導体からなる１種以上（Ｄ）を配合することで、無機粉末充填剤の分散性を高めて熱伝導性コンパウンドのちょう度をより一層高め、塗布性を向上させることができる。
アルケニルコハク酸イミド及びそのホウ素誘導体は、一般式（１）で表わされる化合物である。

一般式（１）においてＲ^１１は平均分子量３００〜１００００のアルケニル基又はポリアルケニル基であり、２個のＲ^１１は同一でも異なっていてもよい。アルケニル基としては、プロペニル基、ブテニル基、ペンテニル基などが挙げられ、ポリアルケニル基としては、ポリプロペニル基、ポリブテニル基、ポリペンテニル基などが挙げられる。Ｒ^１２は炭素数２〜５のアルキレン基である。ｎは１〜１０であり、ｎ＋１個のＲ^１２は同一でも異なっていてもよい。Ｘはホウ素含有置換基であるものがアルケニルコハク酸イミドのホウ素誘導体であり、Ｘが導入されていないものがアルケニルコハク酸イミドである。Ｘのホウ素含有置換基としては、例えば化学式（２）の基が例示できる。

このとき、Ｒ^１１の平均分子量は５００〜５０００程度のものが好ましく、７００〜３０００がより好ましい。
本発明に用いるコハク酸イミド及びそのホウ素誘導体は、０．００５質量％〜０．１質量％含有することが好ましい。さらに好ましくは０．００８〜０．０５質量％である。含有量を０．００５質量％以上とすることで充填剤の分散性をより高めることができ、より高いちょう度を得ることができるが、含有量を０．１質量％より多く配合してさらなる効果の向上は期待できない。アルケニルコハク酸イミドまたはそのホウ素誘導体は、１種単独でも２種以上を組み合わせて用いても良く、アルケニルコハク酸イミドとそのホウ素誘導体の両方を組み合わせてもよい。
不飽和脂肪酸（Ｃ）とアルケニルコハク酸イミド及びそのホウ素誘導体からなる１種以上（Ｄ）とを組み合わせる場合には、その質量比は５０：１〜２：１が好ましく、２０：１〜５：１がより好ましい。

また、本発明の高熱伝導性コンパウンドには必要に応じて、その他の公知の添加剤を適宜配合することができる。これらとしては、例えば、酸化防止剤としてはフェノール系、アミン系、イオウ・リン系等の化合物が、さび止め剤としてはスルホン酸塩、カルボン酸、カルボン酸塩等の化合物が、腐食防止剤としてはベンゾトリアゾールおよびその誘導体等の化合物、チアジアゾール系化合物が、増粘剤・増ちょう剤としてはポリブテン、ポリメタクリレート、脂肪酸塩、ウレア化合物、石油ワックス、ポリエチレンワックス等が挙げられる。これらの添加剤の配合量は、通常の配合量であればよい。

本発明の高熱伝導性コンパウンドの製造に関しては、均一に成分を混合できればその方法にはよらない。一般的な製造方法としては、乳鉢、プラネタリーミキサー、２軸式押出機などにより混練りを行い、グリース状にした後、さらに三本ロールにて均一に混練りする方法がある。
本発明の高熱伝導性コンパウンドのちょう度は２００以上であれば使用可能であるが、塗布性、拡がり性、付着性、離油防止性などの点から２５０〜４００であることが好ましい。

以下、実施例により本発明を詳述するが、本発明はこれによって何ら限定されるものではない。
実施例及び比較例に用いた充填剤と基油及び表面改質剤を表１〜３に示す。

（実施例１〜６）
下記表４に実施例１〜６の組成と熱伝導性コンパウンドの性能・性状を示す。表４の組成の成分を配合して、熱伝導性コンパウンドを以下の方法で調製した。なお、表４中の組成の数値の単位は質量％であり、無機粉末充填材のカッコ内の数値は、平均粒径である。
基油に表面改質剤、酸化防止剤等の各種添加剤を溶解し、無機粉末充填剤とともにプラネタリーミキサーまたは自動乳鉢に入れた。室温〜６０℃で３０分混練りを行いよく混合し、グリース状とした。その後、三本ロールによる混練りを２回実施して熱伝導性コンパウンドを調製した。

得られた熱伝導性コンパウンドを用いて、以下に示す性能を評価した。ちょう度は、ＪＩＳ−Ｋ２２２０に準拠して不混和ちょう度を測定した。ちょう度の値が大きいほど熱伝導性コンパウンドが軟らかくなり、逆に小さいほど硬くなる。熱伝導率は、京都電子工業（株）製迅速熱伝導率計ＱＴＭ−５００により２５℃にて測定した。恒温恒湿試験は、温度６０度、相対湿度９０％の環境下に熱伝導性コンパウンドを７２時間放置し、試験前後の不混和ちょう度を測定した。

（比較例１〜５）
下記表５に比較例１〜５の組成と熱伝導性コンパウンドの性能・性状を示す。
実施例１と同様にして表５の組成を配合し、熱伝導性コンパウンドを調製し、不混和ちょう度、熱伝導率、恒温恒湿試験後の不混和ちょう度を測定した。

実施例１〜６からわかるように、本願発明にかかる熱伝導性コンパウンドは熱伝導性とちょう度が高く、耐湿試験後においても高いちょう度を維持しており、耐湿性が良好であることがわかる。
一方、比較例１〜５からわかるように、本願発明（Ｃ）成分である炭素数８〜２８の不飽和脂肪酸を含まない場合には、耐湿試験後にちょう度が極度に悪化し硬化していることがわかる。

本発明の高熱伝導性コンパウンドは、熱対策の必要な電子部品の放熱性を向上でき、特にＣＰＵやパワー半導体の放熱材料として好適である。

Claims

（Ａ）無機粉末充填剤を８７〜９６質量％、
（Ｂ）基油を２〜１３質量％、
（Ｃ）炭素数８〜２８の不飽和脂肪酸から選ばれる少なくとも１種の脂肪酸を０．０８〜４質量％、
それぞれ含有することを特徴とする高熱伝導性コンパウンド。
無機粉末充填剤が、酸化亜鉛粉末、酸化アルミニウム粉末及び金属アルミニウム粉末から選ばれる少なくとも１種以上である請求項１に記載の高熱伝導性コンパウンド。
無機粉末充填剤が平均粒径５〜５０μｍの粗粒と平均粒径０．１５〜２μｍの細粒の組合せであり、それらの質量比が２０：８０〜８５：１５の範囲である請求項１又は２に記載の高熱伝導性コンパウンド。
（Ｄ）アルケニルコハク酸イミド及びそのホウ素誘導体から選ばれる1種以上を０．００５質量％〜０．１質量％含有する請求項１〜３に記載の高熱伝導性コンパウンド。