JP2008112894A - 粘着性放熱シート - Google Patents

Abstract

【課題】金属基板、ガラスエポキシ基板等に搭載された半導体、ＣＰＵ、チップセット等から発生する熱を効率よく放出するのに用いられるものであり、粘着層を別途付与することなく、自己粘着性を持つ放熱シートに関する。
【解決手段】シリコーン系粘着剤中に熱伝導性フィラーを配合し、両面に自己粘着性を発現させた事を特徴とする放熱シートであり、１８０度引きはがし試験による粘着力が０．２Ｎ／１０ｍｍ以上、熱抵抗が０．９℃／Ｗ以下である粘着性放熱シート。

【選択図】 なし

Description

本発明は、粘着性のあるシリコーン系放熱シートに関する。詳しくは、プリント配線基板（例えば、金属基板、ガラスエポキシ基板等）に搭載された半導体、ＣＰＵ、チップセット等から発生する熱を効率よく放出するのに用いられるものであり、粘着層を別途付与することなく、自己粘着性を持つ放熱シートに関する。

近年、 薄型テレビ、パーソナルコンピューター、デジタルカメラ等の電子機器は高性能化が著しく、ますます小さい搭載面積下に多数の発熱性電子部品が高密度に組み込まれるようになってきている。それに伴い、放熱対策は益々重要となっており、用いられる放熱部材には低熱抵抗化の要求が高まっている。

これら電子機器に搭載される金属基板やプリント配線基板に実装されるパッケージは、素子の発熱による温度上昇で性能が低下したり、場合によっては装置が故障したりする問題が発生している。このため従来からのシリコーン系放熱シートや放熱グリース、相変化型放熱部材等が提案され使用されてきた。

しかしながら、従来のシリコーン系放熱シートの場合、界面熱抵抗が大きく、材料自身の熱伝導率の割には実装着での放熱性に優れなかった場合が多かった。そこで対策としてゴム硬度が低く柔軟性のあるシリコーン系放熱シートも提案されてきている（例えば特許文献１参照）が、柔らかく柔軟であるためハンドリング性に劣り、放熱に効果的な薄肉化（薄膜化）が出来ないため、放熱性に限界があった。

放熱グリースは、放熱フィン等に密着することが可能であり、熱抵抗が低い特徴を有する（例えば特許文献２参照）が、他の部品を汚したり、長時間での使用時に放熱グリースがポンプアウトする欠点があったりした。

相変化型放熱部材は、発熱素子自身の熱で薄肉化し熱抵抗が小さい特徴がある（例えば特許文献３参照）が、マトリックス樹脂自身の長期信頼性はシリコーンより劣るため、相変化温度以上に長時間曝された場合、樹脂層が劣化する等の信頼性に乏しい問題が発生している。また、粘着力はあるものの剥離性が悪く一度装着したあとの再利用は不可能であった。

粘着性を持つ放熱シートは、シリコーン系放熱シートにアクリルやシリコーン等の粘着性を示す樹脂層をシートに塗布する事が一般的に行われている（例えば特許文献４参照）が、粘着層を塗布することで界面熱抵抗が増加し放熱性に悪影響を及ぼしたり、粘着剤を塗布する工程が別途必要であったり等の課題があった。

柔軟性のあるシリコーン系放熱材（例えば特許文献５参照）は、表層に若干の未反応シリコーンがあり微粘着を示すが、粘着力が不十分であり従来の金属基板と放熱フィンに貼り付ける粘着層としては不十分であり、近年のデジタル家電製品（例えばデジタルビデオディスクレコーダや薄型テレビ）やカーナビゲーションなどに使用されるプリント配線基板（例えば、金属基板、ガラスエポキシ基板等）
や、金属、ガラスエポキシ系のフレキシブル性を持つ基板の場合は、各材料の線膨張差による熱ストレス等による変形（例えば反りなど）に追随する事ができず隙間が生じるため放熱に不具合が生じていた。

特開平６−１５５５１７ 特開平１０−１１０１７９ 特開２００２−２３４９５２ 特開昭５６−１６１６９９ 特開平０９−２９６１１４

上記従来技術の状況に鑑み、本発明の目的は、パーソナルコンピューター、薄型テレビ、デジタルカメラ等の電子機器などの発熱素子からの放熱に好適なシリコーン系粘着性放熱シートに関するものである。

本発明者らは、上記目標を達成するため鋭意検討を重ねた結果、シリコーン樹脂の中で粘着性を有する樹脂に特定の熱伝導性フィラーを配合した時に、放熱性、耐熱性、信頼性に優れる粘着性放熱シートが得られることを見いだし本発明に到達した。

本発明はシリコーン系粘着剤中に熱伝導性フィラーを配合し、両面に自己粘着性を発現させた事を特徴とする放熱シートであり、そのシートのＪＩＳ Ｚ０２３７による１８０度引きはがし粘着力の測定による粘着力が０．２Ｎ／１０ｍｍ以上、ＴＯ−３形状の熱抵抗が０．９℃／Ｗ以下である粘着性放熱シートである。また、そのシリコーン系放熱シートのマトリックス成分中にテルペン系粘着付与剤を１０体積％以下含有するシリコーン系粘着放熱シートであることが好ましい。また、補強層で補強して貼り付け、剥がし等の作業時にハンドリング性に優れる粘着放熱シートである。

本発明で使用されるシリコーン系粘着剤は、過酸化物硬化型、付加反応型シリコーンのいずれも用いることができ、シート化して硬化後にも粘着性を発現するシリコーンである。このましくは、ＪＩＳ Ｚ０２３７による１８０度引きはがしによる粘着力が０．２Ｎ／１０ｍｍ以上必要である。粘着力が０．２Ｎ／１０ｍｍより低いとフィラーを加え最終的な放熱シートの形態にした場合に粘着力が劣り好ましくない。

熱伝導性フィラーの最大粒子径は、１０μｍ以上１５０μｍ以下である。１０μｍより最大粒子径が小さいと平均径も小さく比表面積が大きくなり、シート化成型時にコンパウンドの粘度が高くなり好ましくない。また、最大粒子径が１５０μｍより大きいと、得られる放熱シートの厚みを薄くすることが難しくなり、結果として放熱性に優れるシートを製造することが難しくなる。

本発明の放熱シートに使用する熱伝導性フィラーとしては、ボロンナイトライド、窒化アルミニウム、窒化珪素、酸化アルミニウムなど熱伝導率の高いセラミックスが使用できる。特にボロンナイトライド粉末を使用した場合、その結晶構造から耐電圧等のシート絶縁特性を高めることが可能であり好ましい。

本発明の放熱シートは、１８０度引きはがし試験による粘着力が０．２Ｎ／１０ｍｍ以上である。粘着力が０．２Ｎ／１０ｍｍ未満では、金属基板、ガラスエポキシ基板等への貼り付けが出来ない。また、被着体である金属基板、ガラスエポキシ基板、金属筐体などとの部分的な剥離により界面熱抵抗が大きくなり、目的とする放熱性が得られない。

本発明で使用されるテルペン系粘着付与剤は、基材のシリコーン系粘着剤に粘着力を付与する作用を有するものである。またテルペン系粘着付与剤は、基材であるシリコーン系粘着剤との相溶性に優れるため好ましい。

テルペン系粘着付与剤はテレピン油などを原料とした樹脂であり、テルペンを重合したテルペン樹脂、フェノールとテルペンを反応させたテルペンフェノール樹脂、スチレン等と反応させた芳香族変性テルペン樹脂や水素化テルペン樹脂等を例示することができる。好ましくは、テルペンフェノール樹脂、芳香族変性テルペン樹脂、水素化テルペン樹脂である。

本発明の放熱シートは、マトリックス成分中に粘着付与剤を１０体積％以下含有することが好ましい。１０体積％超えて含有する場合は、本発明シートの基本であるシリコーン系粘着剤の特性が生かせず、耐熱、耐湿性能が劣ることになり好ましくない。

テルペン系粘着付与剤は、軟化点温度が３０℃以上１００℃未満の場合と、軟化点温度が１００℃以上１５０℃以下の場合に、その効果が異なり両方の場合でそれぞれ有効である。

テルペン系粘着付与剤の軟化点温度が、３０℃以上１００℃未満の場合は、パソコンのＣＰＵの放熱の場合などのように、地面と平行の発熱素子とヒートシンクの間に放熱シートを挟む場合に有効である。常温時には粘着性を発現し被着体への貼り付け作業性が良好であり、実装されたＣＰＵ等の発熱性部品が実装された基板と金属筐体やヒートシンクの間に挟み込んで使用した場合、当該発熱素子の温度上昇と共に、シリコーン系粘着放熱シートの界面に液状の粘着付与剤成分が溶融介在し、界面熱抵抗を大幅に低減できる。このためハンドリング性が悪い従来のシリコーングリースや、信頼性に乏しい熱可塑性樹脂系の相変化型放熱部材に代わり、ＣＰＵ等の発熱素子の放熱に有効である。

一方、テルペン系粘着付与剤の軟化点温度が１００℃以上１５０℃以下の場合は、デジタル家電製品（例えばデジタルビデオディスクレコーダや薄型テレビ）等に用いられる地面に対し９０度に立てかける発熱素子が実装されたガラスエポキシ基板等に貼り付ける場合や、通常の電源に用いられるネジ止め絶縁放熱シートが使用される部位に有効である。発熱素子の温度が高温になった場合でも、粘着力が低減せず剥離しないため、プリント配線基板（例えば、金属基板、ガラスエポキシ基板等）や金属、ポリイミド、ガラスエポキシフレキシブル基板への装着や、電源機器筐体への粘着固定に有効である。

本発明の放熱シートは、ガラスクロス、ＰＥＴフィルム、ポリイミドフィルム等の補強層で補強することが好ましい。ＣＰＵ用放熱シートや金属基板、ガラスエポキシ基板等の放熱シートに用いる場合、低熱抵抗化の為に薄肉化する事が必要であるが、補強層で補強することでハンドリング性が向上する。また、補強層で補強することで貼り付け、剥がし作業が良好となる。

本発明の放熱シートは、原料の混合工程、成形工程を経て製造される。混合は、万能混合機等を用い、有機溶剤などで希釈して行われるドクターブレードやコンマコーターによるシート化法が望ましく、シート化に際しては離型処理の施されたフィルムを用いることが好ましい。そのフィルムの一例として、シリコーンの塗布やフッ素処理したＰＥＴフィルムがある。また、有機溶剤を使用せずに押し出し成形後にカレンダーロール等で薄肉化して製造することもできる。

以下、実施例を、比較例をあげて更に具体的に本発明を説明する。

実施例１〜４、比較例１〜２
シリコーン系粘着剤（ＧＥ東芝シリコーン社製ＹＲ３３４０）にＢＮ粉末（電気化学工業社製ＳＧＰＳ）とアルミナ粉末（電気化学工業社製ＤＡＷ１０）と硬化剤（日本油脂社製ナイパーＢＷ）を表１に示す配合組成で混合し、トルエンを溶剤に粘度を６Ｐａｓに調整した。調整したスラリーに補強層としてガラスクロスを内部に挿入しながらドクターブレード装置で厚み０．２０ｍｍの放熱シートを作製した。

比較例３、比較例４
市販の放熱シート電気化学工業社製の厚み０．２ｍｍの放熱シートＢＦＧ２０を比較例３として、同様にＢＦＧ２０の両面に１０μｍアクリル粘着層を付与したもの（ＢＦＧ２０ＡＤ）を比較例４として評価した。

得られた放熱シートについて、以下に従い、（１）熱抵抗、（２）粘着力、（３）実装時の温度差、（４）密着性・剥離性を測定した。それらの結果を表１に示す。
（１）熱抵抗
作製した粘着性放熱シートをＴＯ−３型銅製ヒーターケースと銅板の間に０．０３５Ｎ・ｍの力がかかるようにネジ止めした後、ヒーターケースと銅板が６０℃になるまで加温後室温まで冷却する。ついで、ヒーターケースに電力１５Ｗをかけて４分間保持したときに、銅製ヒーターケースと銅板の温度差を測定し、以下の式で熱伝導率を算出した。
熱抵抗（℃／Ｗ）＝温度差（℃）／印加電力（Ｗ）

（２）粘着力
ＪＩＳ−Ｚ０２３７（粘着テープ・粘着シートの試験方法）の粘着力１８０度引きはがし法に準じて粘着力を測定した。

（３）実装時の温度差
薄型テレビや携帯電話等のプリント基板を想定し、縦横３０ｍｍのガラスエポキシ基板上に２Ｗの発熱体を乗せ、作製した粘着性放熱シートで１ｍｍ厚みのアルミ板に貼り付け通電した。３０分後の粘着性放熱シートの上下の温度を計測し、温度差を求めた。

（４）密着性、剥離性
実装時の温度差測定後にガラスエポキシ基板とアルミ板とが確実に密着しているか目視で確認した（密着性）。更に評価後に粘着性放熱シートを剥がす事が可能か確認した（剥離性）。

実施例、比較例から分かるように、本発明の放熱シートは粘着力も高く、密着性に優れ、ガラスエポキシ基板等へも確実に密着することが可能である。また、自己粘着性であるため粘着層を後工程で付与するタイプの放熱シートと異なり熱抵抗も低く、実装時にも良好な放熱性を示した。

実施例５〜８、比較例５、６
シリコーン系粘着剤（ＧＥ東芝シリコーン社製ＹＲ３３４０）に表２に示す配合組成でフィラー、硬化剤及び軟化点温度が異なるテルペン系粘着付与剤を混合し、トルエンを溶剤に粘度を６Ｐａｓに調整した。
テルペン系粘着付与剤は、市販のヤスハラケミカル社製クリアロンP８５（軟化点温度８５℃）、クリアロンP１０５（軟化点温度１０５℃）、ＹＳポリスターT３０（軟化点温度３０℃）、ＹＳポリスターT８０（軟化点温度８０℃）を用いた。作製したスラリーに補強層としてガラスクロスを内部に挿入しながらドクターブレード装置で厚み０．２０ｍｍの放熱シートを作製した。

得られた放熱シートについて、前記に示した（１）熱抵抗（２）粘着力、並びに下記に示す（５）パソコン実装時の温度、（６）高温高湿下での信頼性を測定した。

（５）パソコン実装時の温度
パソコン実装時の温度は、デスクトップパソコンのＣＰＵ（インテル社製登録商標Ｐｅｎｔｉｕｍ（登録商標）４プロセッサ、２．５３ＧＨｚ）とヒートシンクの間に、製作した放熱シート（サイズ：３５ｍｍ×３５ｍｍ）を装着し、ＣＰＵフルパワー、３０分経過後のＣＰＵ温度を熱電対で計測した。

（６）高温高湿下での信頼性
高温高湿下での信頼性は、１５０℃、湿度９５％の環境下に粘着性放熱シートを１０００時間さらした後に、熱抵抗を測定した。熱抵抗の変化（処理後の熱抵抗増加率）が１０％以上高くなった場合に劣化していると判断した。

実施例、比較例から分かるように、本発明の粘着性放熱シートは粘着力も高く、密着性に優れ、発熱素子の温度上昇と共に界面に液状の粘着付与剤成分が溶融介在し、界面熱抵抗を大幅に低減できるためＣＰＵ等発熱密度が高い素子の放熱において優れる結果となった。

実施例９〜１１、比較例７
シリコーン系粘着剤（ＧＥ東芝シリコーン社製ＹＲ３３４０）に表３に示す配合組成でフィラー、硬化剤及び軟化点温度が異なるテルペン系粘着付与剤を混合し、トルエンを溶剤に粘度を６Ｐａｓに調整した。
テルペン系粘着付与剤は、市販のヤスハラケミカル社製クリアロンP１０５（軟化点温度１０５℃）、クリアロンP１１５（軟化点温度１１５℃）、クリアロンP１２５（軟化点温度１２５℃）、ＹＳポリスターT３０（軟化点温度３０℃）を用いた。作製したスラリーに補強層としてガラスクロスを内部に挿入しながらドクターブレード装置で厚み０．２０ｍｍの放熱シートを作製した。

得られた放熱シートについて、前記に示した（１）熱抵抗（２）粘着力、並びに下記に示す（７）高温での保持力について測定した。

（７）高温での保持力
高温での保持力は、縦２５ｍｍ、横２５ｍｍサイズの粘着性放熱シートの片面に縦４０ｍｍ、横３０ｍｍのアルミ板を貼り付け、更に片面を高温乾燥機内のアルミ板に貼り付けた。８０℃の高温下で１時間放置後、８０℃の温度下でアルミ板の下部に２ｋｇｆの荷重を掛け、１時間後にアルミ板が放熱シートから剥離脱落するかどうか試験を行った。

実施例、比較例から分かるように、本発明の粘着性放熱シートは粘着力も高く、密着性に優れ、且つ粘着付与剤の軟化点温度が高いため、高温時にもネジ止め等が不要であり、シート自身の粘着力で密着性を維持できる。

本発明の粘着性放熱シートは、薄型テレビ、ゲーム機、携帯電話、ＬＥＤモジュールのガラスエポキシ基板、金属フレキシブル基板の放熱用に使用できる。また、シリコーン系粘着剤にテルペン系粘着付与剤を付与した場合、その軟化点温度を変えることで、ＣＰＵ、画像チップなどの発熱密度の高い発熱素子の放熱用に使用可能であり、また、電源、パワーモジュールなどの発熱用途にも使用できる。

Claims (5)

1. シリコーン系粘着剤中に熱伝導性フィラーを配合し、表面に自己粘着性を発現させた事を特徴とする放熱シートであり、そのシートの１８０度引きはがし試験による粘着力が０．２Ｎ／１０ｍｍ以上、熱抵抗が０．９℃／Ｗ以下である粘着性放熱シート。
2. シリコーン系粘着剤中に軟化点温度３０℃以上１００℃未満のテルペン系粘着付与剤を含み、含有量が１０体積％以下の請求項１に記載の粘着性放熱シート。
3. シリコーン系粘着剤中に軟化点温度１００℃以上１５０℃以下のテルペン系粘着付与剤を含み、含有量が１０体積％以下の請求項１に記載の粘着性放熱シート。
4. 放熱シート中に補強層を設けた請求項１〜３のいずれか一項に記載の粘着性放熱シート。
5. 請求項１〜４に記載のいずれか一項記載の粘着性放熱シートを用いたデジタル家電製品用放熱モジュール。