JP2012119674A - 熱伝導シート - Google Patents

Abstract

【課題】低誘電率の熱伝導シートにおいて、窒化ホウ素の使用量を低減すること。
【解決手段】母剤に熱伝導フィラーと中空フィラーとを下表に示す配合で混練し、シート状に成形して加硫した。成形できた各実施例では、１００ＭＨｚにおける比誘電率が４．０未満であった。また、熱伝導率も０．８Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上でアスカーＣ硬度も３０以下であった。

【選択図】なし

Description

本発明は、電子部品等の発熱源からの放熱を促すため、その発熱源に対して接触するように配置して使用される熱伝導シートに関する。

従来より、シリコーンやアクリル樹脂等のエラストマに熱伝導フィラーを混合（充填）し、シート状に成形してなる熱伝導シートが考えられている。この種の熱伝導シートは、電気・電子装置の内部において、例えば発熱源となる電子部品と、ヒートシンクや筐体パネル等といった放熱板となる部品（以下、単に放熱器という）との間に介在させるように配置される。

このように熱伝導シートを配置した場合、電子部品等が発生する熱を放熱器側へ良好に逃がすことができる。このため、この種の熱伝導シートは、例えばＣＰＵの長寿命化等のために不可欠な素材として注目を集めている。

一方、高周波特性を重視する回路基板用途では、次のような理由で、この種の熱伝導シートの比誘電率を低下させることが要請されている。すなわち、比誘電率の高い熱伝導シートを電子部品と放熱器との間に挟むと、一種のコンデンサが形成される。そして、熱伝導シートの比誘電率が高いほど、そのコンデンサの静電容量は大きくなり、場合によっては高周波ノイズを発生させる原因となるといった懸念がある。

そこで、熱伝導フィラーとして多量の窒化ホウ素を使用することにより、低誘電率の熱伝導シートを提供することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平９−１２９８２号公報

ところが、窒化ホウ素は高価な熱伝導フィラーであるため、多量に使用すると熱伝導シートの製造コストが上昇してしまう。そのため、窒化ホウ素を全く使用せずに、若しくは少ない使用量で、低誘電率の熱伝導シートを提供可能とすることが望まれている。

そこで、本発明は、低誘電率の熱伝導シートにおいて、窒化ホウ素を使用しない、またはその使用量を低減することを目的としてなされた。

上記目的を達するためになされた本発明は、エラストマからなる母剤に、気体を含めた比重である嵩比重が０．１〜１．０の中空フィラーと熱伝導フィラーとを混合し、シート状に成形してなる熱伝導シートであって、
上記熱伝導フィラーとして最も多く含まれる熱伝導フィラーうちの少なくとも１種類が、窒化ホウ素以外の熱伝導フィラーであることを特徴とする。

また、上記目的を達するためになされた本発明は、エラストマからなる母剤に、気体を含めた比重である嵩比重が０．１〜１．０の中空フィラーと熱伝導フィラーとを混合し、シート状に成形してなる熱伝導シートであって、
上記熱伝導フィラーとして窒化ホウ素以外の熱伝導フィラーが使用されていることを特徴とする。

このように構成された本発明の熱伝導シートでは、エラストマからなる母剤に、有機系バルーンまたはフライアッシュバルーンの如き中空フィラーが混合されている。中空フィラーの内部は気体であるので比誘電率が低く、窒化ホウ素を使用しなくても、またはその使用量を低減しても、熱伝導シートの比誘電率を良好に低下させることができる。そこで、本発明では、上記熱伝導フィラーとして最も多く含まれる熱伝導フィラーうちの少なくとも１種類を、窒化ホウ素以外の熱伝導フィラーとしている。

この場合も、混合される中空フィラーの内部は気体であるので比誘電率が低く、窒化ホウ素を使用しなくても、熱伝導シートの比誘電率を良好に低下させることができる。
また、気体は熱伝導率が低いので、嵩比重が０．１〜１．０の中空フィラーを混合することによって熱伝導シート自体の熱伝導率も低下することが懸念されたが、本願出願人は、母剤であるエラストマ１００重量部に対して、窒化ホウ素以外の熱伝導フィラーを２００〜３００重量部混合（使用）することで熱伝導率も確保できることを発見した。

従って、本発明の熱伝導シートは、窒化ホウ素を使用しなくても低い比誘電率と高い熱伝導率とを両立することができる。
ここで中空フィラーの嵩比重が１．０以下であると、窒化ホウ素以外の熱伝導フィラーを用いた場合でも比誘電率を低くできる。

一方、０．１以上であると、熱伝導シート内に存在する空気量を少なくできるので、断熱層としての作用が抑制され、熱伝導シートの熱伝導率を低下させることがない。また、母剤であるエラストマに対する混合が容易に可能となる。更に、得られる熱伝導シート内に中空フィラーが均質に混合されるため、該シートの物性の部位による差異がなくなり安定となる。

そして中空フィラーの嵩比重が０．１〜１．０の範囲外であると、母剤中に対する中空フィラーの混合が困難となる。その結果、以下の２つの問題が顕在化する。すなわち、
（１）上記中空フィラーが母剤中に偏在してしまい、得られる熱伝導シートの各物性が安定的に発現しない。
（２）中空フィラーが偏在する部位において、該フィラーの外形状が熱伝導シート外部に現れてしまうため、電子部品等の発熱源や放熱板に対する密着性が低下して、熱伝導シートの性能が発揮できなくなる。

また、母剤であるエラストマ１００重量部に対する熱伝導フィラーの混合量が２００重量部以上であると、窒化ホウ素を使用した場合と同等以上の熱伝導率を確保し得る。
一方、３００重量部以下であると、母剤であるエラストマに対する混合が容易となるため、熱伝導シートの成形を短時間で完了できる。また、得られる熱伝導シート内に熱伝導フィラーが均質に混合されるため、該シートの物性（特に熱伝導率等）の部位による差異がなくなり安定となる。

併せて、本願出願人は、エラストマ１００重量部に対して、上記中空フィラーの使用量を５〜８０重量部とすることで、熱伝導シートの比誘電率を良好に低下させ、かつシート形状により容易に成形できるようになることも発見した。

この中空フィラーの使用量が５重量部以上であると、窒化ホウ素以外の熱伝導フィラーを用いた場合でも比誘電率を低くできる。
一方、８０重量部以下であると、母剤であるエラストマに対する混合が容易となるため、熱伝導シートの成形を短時間で完了できる。また、得られる熱伝導シート内に中空フィラーが均質に混合されるため、該シートの物性（特に比誘電率）の部位による差異がなくなり安定となる。

ここで、中空フィラーとして有機系バルーンを使用した場合、該有機系バルーンは弾性を有するので、材料混練の際にバルーンが破壊され難く、熱伝導シートの硬度を低下させると共に圧縮永久歪みを生じ難くすることもできる。従って、低硬度で圧縮永久歪みを生じ難いといった極めて良好な特性を有する。

また、中空フィラーとして、その嵩比重が０．１〜１．０であるものを使用すると、その比重が母剤の比重に近いため、母剤に混合し易く、その結果、母剤中に中空フィラーを均質に分散させ得る。従って、比誘電率を低くすると共に、熱伝導率も確保するといった中空フィラーによる効果が、熱伝導シートの一部に偏って発現することなく、熱伝導シート全体で均質的に発現し易い。

更に、中空フィラーとしてフライアッシュバルーンを使用してもよい。この場合、フライアッシュバルーンの比重は母剤の比重に近いため、より混合しやすくなると共にフィラーとしての取り扱い性が良好になる。また、フライアッシュバルーンは、高強度であるため材料混練の際にバルーンが破壊され難いという効果も生じる。

ここで、フライアッシュバルーンとは，石炭火力発電所から発生するフライアッシュ（飛灰）に少量含まれる中空・球形の粒子のことであり，「浮灰」，「セノスフェア」とも呼ばれる。主成分はシリカとアルミナである。フライアッシュバルーンは，フライアッシュを水に混ぜ，水に浮遊するものだけを集めることにより採取される。

また、本発明の熱伝導シートにおいて、その熱伝導率が０．８Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、１００ＭＨｚにおける比誘電率が４．０以下であってもよい。このような特性を満たすように上記熱伝導フィラーの混合量を調整すれば、本発明の熱伝導シートは、電子部品等の発熱源の熱を極めて良好に放熱器に伝達することができ、しかもノイズの原因とも極めてなり難いといった、顕著な特性を呈する。

更に、本発明の熱伝導シートにおいて、そのアスカーＣ硬度が、３０以下であってよい。このような特性を満たすように上記熱伝導フィラー等の混合量を調整すれば、本発明の熱伝導シートは、電子部品等の発熱源に対する密着性が増すため、熱を極めて良好に放熱器に伝達することができる、顕著な特性を呈する。

次に、本発明の実施の形態を説明する。本実施の形態では、以下の製造方法により熱伝導シートを製造した。すなわち、母剤であるエラストマとして用いる液状シリコーンに、中空フィラーと熱伝導フィラーとを混合・混練することで、液状シリコーン内に中空フィラー及び熱伝導フィラーを均質に分散させた。

上記母剤であるエラストマとしては、上述の液状シリコーンの他、アクリル樹脂等が挙げられる。
また、上記混合の方法としては、真空脱泡ミキサー等の機械を用いて混練する方法の他、押し出し，２本ロール，ニーダ，バンバリーミキサー等の種々の方法を適用することができる。この内、ミキサーを使用して混練する場合、作業性が向上する点で望ましい。

続いて、このように中空フィラー及び熱伝導フィラーを混合した液状シリコーンを０．５ｍｍのシート状に成形した後、加硫を施した。この成形の方法としては、コーター，カレンダロール，押し出し，プレス等の機械を用いて成形する方法等、種々の方法を適用することができる。この内、コーターを用いて成形する場合、薄いシート（フィルム）の作製が簡単にできる、生産性がよいため大量生産に向いている、シート（フィルム）の厚さ精度が出し易い、といった点で望ましい。

以下に各実験例１〜４に使用した物質等を記載する。
・液状シリコーン（母剤）：２液性シリコンエラストマー（東レ・ダウ製、２５℃における粘度１０００ｍＰａ・ｓ）
・熱伝導フィラー
Ａ：窒化ホウ素（National Nitride Technologies製、平均粒径約６μｍ）
Ｂ：水酸化アルミニウム（日本軽金属製、平均粒径約１０μｍ）
Ｃ：水酸化マグネシウム（神島化学工業製、平均粒径約１μｍ）
Ｄ：アルミナ（日本軽金属製、平均粒径約１２μｍ）
Ｅ：炭化ケイ素（昭和電工製、平均粒径約８μｍ）
・中空フィラー
ａ：フライアッシュバルーン（商品名「フィライト」：日本フィライト製、粒径分布５〜３００μｍ、嵩比重０．６５〜０．８５）
ｂ：有機系バルーン（商品名「エクスパンセル ＥＭＣ４０（Ｂ）」：日本フィライト製、平均粒径約４０μｍ，嵩比重０．１３〜０．１８ ）
ｃ：フライアッシュバルーン（セノスフェア（フライアッシュバルーンの一種）：巴工業製、平均粒径約５０μｍ、嵩比重０．８））
ｄ：中空フィラー[ガラスバルーン]（ポッターズバロティーニ製、平均粒径約４０μｍ，嵩比重０．２）
ｅ：中空フィラー[シラスバルーン]（丸中白土製、平均粒径約４０μｍ、嵩比重０．１５〜０．２０）
ｆ：有機系バルーン（商品名「エクスパンセル」：日本フィライト製、平均粒径約４０μｍ，嵩比重０．０３〜０．０８
ｇ：中空フィラー[シラスバルーン]（シラックスウ製、平均粒径約４０μｍ、嵩比重１．１）

（実験例１：熱伝導フィラーの混合量）
次に、実施例の熱伝導シートを、表１の左側欄に示すように配合を特定して製造した。（実施例１−１〜１−１５、比較例１−１〜１−４）
更に、そのような配合で混練した液状シリコーンをシート状に成形し、１３０℃，１０分，ｔ＝０．５ｍｍの加硫条件で加硫を施して得られた熱伝導シートの物性及び評価を、表１の右側欄に示した。

なお、以下の各表１〜３及び５に記載される配合割合については、全て重量部表示である。

なお、熱伝導フィラーとして窒化ホウ素を、中空フィラーとしてフライアッシュバルーン（商品名「フィライト」）をそれぞれ使用したものを、参考例１〜３として示した。ここから、窒化ホウ素は、エラストマ１００重量部に対して６５重量部を混合すると、その鱗片状という粒子形状故に成形性が悪化し、８０重量部では成形できないことと、６５重量部混合した場合に、熱伝導率は０．９０、比誘電率は４．２と、非常に高い性能を発揮することが確認された。

評価については、「成形性」、「熱伝導率」、「比誘電率」及び「アスカーＣ硬度」の各結果を総合的に判断して、以下の各結果が全て「○」で「○」、一つでも「△」があれば「△」、一つでも「×」があれば「×」とした。

また、各結果の評価方法は、本発明の熱伝導シートとして「好適」なものを「○」、「適」なものを「△」、「不適」なものを「×」とした。具体的には以下の通り。
１．成形性
○：０．５ｍｍのシート状物に好適に成形できる。
△：成形はできるが熱伝導フィラー、中空フィラーが部位によって不均質。
×：成形が困難または不能
２．熱伝導率
○：０．８Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上（一般的な熱伝導シートに要求される数値）
△：０．８Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満
３．比誘電率
○：４．０未満（一般的に高周波ノイズを抑制する上で望ましい数値）
△：４．０以上
４．アスカーＣ硬度
○：３０以下
△：３０を超える
表１に示すように、熱伝導フィラーとして水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウムを使用した場合、何れもその混合量が３５０重量部の時点で成形ができないことが確認された。

また、熱伝導フィラーとして水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウムを使用した場合、その混合量が２００〜３００重量部で評価は「○」、その混合量が２００重量部未満で「△」となることが確認された。

中空フィラーについては、５〜８０重量部の範囲であれば、その種類に拘わらず評価は「○」、「△」であった。
同時に、中空フィラーの好適な混合量は、その嵩密度に大きく関係し、ａ：フライアッシュバルーンにおける３０重量部が、ｂ：有機系バルーンにおける８重量部と略同等の作用を呈することが確認された。

ここから、中空フィラーの好適な混合量は、その嵩密度の比率と正の相関関係を有していると推察される。
また、実施例１−１５では、アスカーＣ硬度が６５と３０を上回っており、実装時における電子部品やヒートシンクの凹凸に対する追従性に劣ることが分かった。これに対して、実施例１−１〜１−１４は、アスカーＣ硬度が何れも３０以下の良好な値を呈し、電子部品やヒートシンクの凹凸に対する追従性も優れており、電子部品等の発熱源の熱を極めて良好にヒートシンクに伝達することができることが分かった。また、本配合は手で混合・混練したために、実施例１−１４、１−１５は中空フィラーが破壊されていなかったが量産時にミキサーを用いて混練すると、これが破壊され更に特性が悪くなることが懸念される。

（実験例２：中空フィラーの混合量）
次に、実施例の熱伝導シートを、表２の左側欄に示すように配合を特定して製造し（実施例１−３、２−１〜２−２、比較例２−１〜２−３）、実験例１と同様にシート状に成形し、同条件で熱伝導シートを製造した、そしてその物性及び評価を、表２の右側欄に示した。

なお、中空フィラーを使用していないものを参考例４〜６として示した。

表２に示すように、中空フィラーを混合していない参考例４〜６では、１００ＭＨｚにおける比誘電率がそれぞれ４．７、５．１、５．８と、高周波ノイズを抑制する上で望ましいと言われている４．０を大きく上回った。これに対して、中空フィラーを混合している各実施例２−１、２−２は、その比誘電率がそれぞれ３．１、４．１となった。これは中空フィラーに含まれる気体の比誘電率が低いことに起因している。また、気体は熱伝導率が低いので、熱伝導シート自体の熱伝導率の低下も懸念されたが、上記の実験例１、実験例２から明らかなように熱伝導率も確保できた。

また、中空フィラーの混合量が５重量部以下（実施例２−２）の場合には比誘電率が４．１と、４に近いものの下回らず、８０重量部を超えると（８５重量部：比較例２−１）熱伝導シートが成形できなかった。

更に、嵩比重が０．１〜１．０の範囲外の中空フィラーを使用する場合（比較例２−２、２−３）、何れも熱伝導シートが成形できなかった。また何れの比較例も、中空フィラーが熱伝導シートの上側（比較例２−２）または下側（比較例２−３）に偏在している様子が、外部からの目視で確認できた。

（実験例３：熱伝導フィラーとして酸化物（アルミナ）を使用した場合）
次に、実施例の熱伝導シートを、表３の左側欄に示すように配合を特定して製造し（実施例３−１〜３−１０、比較例３−１〜３−６）、実験例１と同様にシート状に成形し、同条件で熱伝導シートを製造した、そしてその物性及び評価を、表３の右側欄に示した。

なお、熱伝導フィラーとして、比誘電率が９以上と高い炭化ケイ素のみを、中空フィラーとしてフライアッシュバルーン（商品名「フィライト」）を使用したものを参考例７として示した。

表３に示すように、アルミナまたは炭化ケイ素のみを熱伝導フィラーとして使用した参考例７、実施例３−１〜３−６は、熱伝導フィラーとして水酸化物を使用した結果（実験例１における各実施例）に比較して、１００ＭＨｚにおける比誘電率が高くなる傾向があった。しかし、それらのフィラーと比較的比誘電率の低い窒化ホウ素または水酸化アルミニウムとを混合して使用することで、実施例３−７〜３−１０に示すように比誘電率を良好に低下させることができた。

また、一部窒化ホウ素を使用した実施例３−９、３−１０でも、その使用量は（母剤１００重量部に対して）５０重量部（約１２体積％）と少なくて済み、他の実施例では窒化ホウ素を使用しなくてもよいので、熱伝導シートの製造コストを良好に低減することができる。また、液状のエラストマ母剤に中空フィラーのみを混合する場合は、中空フィラーが浮き上がって混合し難くなるが、上記各実施例では、熱伝導フィラーによって中空フィラーが浮き上がるのを物理的に阻害することもでき、製造も容易になる。

更に、次の表４に示すように、アルミナとマグネシアとは同様の比誘電率を有する。このため、表３の配合において、アルミナとマグネシアとを入れ替えても同様の結果が得られるものと推定される。

更に、表１の配合において、水酸化アルミニウムと水酸化マグネシウムとを入れ替えた各実施例においても、比誘電率については同様の結果が得られている。これは、水酸化アルミニウムと水酸化マグネシウムとも同様の比誘電率を有する（表４参照）点から自明である。

（実験例４：中空フィラーの種類による圧縮永久歪み特性）
次に、中空フィラーとして実験例１と同様の有機系（樹脂）バルーンを使用した場合と、実施例１−１４と同様のガラスバルーンを使用した場合とで、圧縮永久歪み特性の相違を調べる実験を行った。なお、この実験では、中空フィラーの混合量を揃えるため、次の表５に示す配合で上記方法により熱伝導シートをそれぞれ作成した。

そして、作成された熱伝導シートから１０ｍｍ角のサンプルを各３つ作成し、シックネスゲージにて厚さを測定し、圧縮板にて間隙量０．５ｍｍに挟み込み、その後常温にて放置してサンプルの厚さの変化を測定した。測定結果を表６に示す。

表６に示すように、中空フィラーとして樹脂バルーンを使用した場合、圧縮永久歪みが極めて残り難いことが分かった。これは、樹脂バルーンが弾性を有することに起因すると考えられ、前述のように熱伝導シートの硬度が低いのも同様の理由と考えられる。

従って、本実施例４−１の熱伝導シートは、窒化ホウ素の使用しない、または使用量を低減させて低い比誘電率と高い熱伝導率とを両立した上で、しかも、低硬度で圧縮永久歪みを生じ難いといった極めて良好な特性を有する。

よって、本実施例の熱伝導シートでは、電子部品等の発熱源の熱を極めて良好に、かつ、長期間安定して、ヒートシンクに伝達することができ、しかも、高周波ノイズの発生を抑制することができる。

更に、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施することができる。例えば、エラストマとしては、液状シリコーンの他、シリコーンゲル、アクリルゲル等のアクリル系のエラストマやＥＰＤＭも適用することができる。

また、有機系バルーンとしては、前述した日本フィラメント製のエクスパンセルの他、フェノールバルーンとしてユニオンカーバイド製のＵＣＡＲ及びＰＨＥＮＯＬＩＣ ＭＩＣＲＯＢＡＬＬＯＯＮＳ、エポキシバルーンとしてＥＭＥＲＳＯＮ＆ＣＵＭＩＮＧ製のＥＣＣＯＳＰＨＥＲＥＳ、尿素バルーンとしてＥＭＥＲＳＯＮ＆ＣＵＭＩＮＧ製のＥＣＣＯＳＰＨＥＲＥＳ ＶＦ−Ｏ、サランバルーンとしてＤＯＷ ＣＨＥＭＩＣＡＬ製のＳＡＲＡＮ ＭＩＣＲＯＳＰＨＥＲＥＳ、松本油脂製薬製のマツモトマイクロスフェア、ポリスチレンバルーンとしてＡＲＣＯ ＰＯＬＹＭＥＲＳ製のＤＹＬＩＴＥ ＥＸＰＡＮＤＡＢＬＥ ＰＯＬＹＳＴＹＲＥＮＥ、ＢＡＳＦ ＷＹＡＮＤＯＴＥ製のＥＸＰＡＮＤＡＢＬＥ ＰＯＬＹＳＴＹＲＥＮＥ ＢＥＡＤＳ、架橋型スチレン−アクリル酸バルーンとして日本合成ゴム製のＳＸ８６３（Ｐ）など、種々の市販品を使用することができる。

更に、実施例１−１〜１−６、１−１３、２−１、２−２、３−１、３−２、３−４，３−５、３−７、３−９のように、中空フィラーとしてフライアッシュバルーンの一例であるフィライトまたはセノスフェア等を使用した場合、その比重が０．８と母剤の液状シリコーンの比重に近いため、窒化ホウ素の使用量を低減させても低い比誘電率と高い熱伝導率とを両立することができるといった上記各実施例と同様の効果に加えて、母剤に混合し易いといった効果も生じる。

Claims (5)

1. エラストマからなる母剤に嵩比重が０．１〜１．０の中空フィラーと熱伝導フィラーとを混合し、シート状に成形してなる熱伝導シートであって、
   上記熱伝導フィラーとして最も多く含まれる熱伝導フィラーうちの少なくとも１種類が、窒化ホウ素以外の熱伝導フィラーであることを特徴とする熱伝導シート。
2. エラストマからなる母剤に嵩比重が０．１〜１．０の中空フィラーと熱伝導フィラーとを混合し、シート状に成形してなる熱伝導シートであって、
   上記熱伝導フィラーとして、窒化ホウ素以外の熱伝導フィラーが使用されていることを特徴とする熱伝導シート。
3. 前記熱伝導フィラーの混合量は、前記エラストマ１００重量部に対して、２００〜３００重量部であることを特徴とする請求項２に記載の熱伝導シート。
4. 前記中空フィラーの混合量は、前記エラストマ１００重量部に対して、５〜８０重量部であることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の熱伝導シート。
5. 前記中空フィラーは、有機系バルーンまたはフライアッシュバルーンであることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の熱伝導シート。