JP2012126591A - 高熱伝導性マグネシアセラミックス焼結体 - Google Patents

Abstract

【課題】
電気・電子用途の放熱用部材に要求される性能である熱伝導性と放熱性並びに価格のバランスに優れた高熱伝導性セラミックス焼結体を提供する。
【解決手段】
高熱伝導性セラミックス焼結体は、酸化マグネシウム９４〜９９．９重量％、二酸化ケイ素０．３〜５重量％を含み、酸化マグネシウム及び二酸化ケイ素の合計量が９６重量％以上であり、気孔率が１％以下である高熱伝導性セラミックス焼結体である。二酸化ケイ素は焼結助剤として酸化マグネシウムに添加される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高熱放散・高熱伝導マグネシアセラミックス、詳しくは電気・電子用途の放熱用部材に適した高熱伝導性マグネシアセラミックス焼結体に関する。特に、高熱伝導性マグネシアセラミックス焼結体からなる高輝度発光ダイオード（LED）収容部材およびそれを実装するための基板、一般照明用途の外装部品筐体に関する。

マグネシア（酸化マグネシウム）は、耐熱性や機械的強度が高いことから、電子材料などの焼成用容器等に使用される（特許文献１参照）。マグネシア焼結体は、原料マグネシア粒子に水を加えたスラリーを造粒し、これを成形した後、焼成することにより得られる。高密度で耐水和性、耐蝕性に優れ、高融点・高純度金属溶解用に使用されるマグネシア系焼結体が知られている（特許文献２参照）。特許文献２に記載されたマグネシア系焼結体は気相法により得られたマグネシア粉末に酸化アルミニウムなどの群から選ばれる酸化物を含む。しかし、特定範囲の含有量を有するマグネシア、アルミナ、ジルコニアを含むマグネシア磁器組成物では、焼結助剤が被焼結体と反応してマグネシア焼結体の耐食性を低下させることがあるという問題があった（特許文献３参照）。

白熱電球や蛍光灯に代わる発光ダイオード（LED）ランプは、LEDの輝度を高めると素子近傍が高温になり本来の性能を発揮できず、LEDの発光効率、寿命の低下が懸念されている。既存の砲弾型LEDランプでは、モールド樹脂よりも高い熱伝導率を有する放熱板（熱伝導担体）をリードフレームに沿って設けており、伝熱経路の断面積が小さく、放熱が効率的ではないという問題があった（特許文献４参照）。そこで、アルミナ、窒化アルミニウム、サファイアなどと共に、LED素子を囲む収容部材の材質にマグネシアを使用し、LED素子で発生する熱を放熱することが検討されている。

しかし、焼成用容器に使用される上記のマグネシア焼結体では熱伝導率が低く、焼結体の密度が比較的低いという問題があった。このため、特に、高輝度LEDランプの放熱部品としては、アルミナなどの材質と比較して熱伝導性及び放熱性は十分ではなかった。また、上記特許文献２に記載された化学組成の高密度マグネシア焼結体は、電気・電子用途の放熱用部材で要求される放熱効果の点で性能と価格のバランスが良くなかった。

特開平５−３３０９０３号公報 特開平５−１９４０２１号公報 特開２００７−２８４３１４号公報 特開２００９−１４６９８２号公報

従って、本発明の目的は、電気・電子用途の放熱用部材に要求される性能である熱伝導性並びに放熱性及び価格のバランスに優れた高熱伝導性マグネシアセラミックス焼結体を提供することである。さらに、本発明の目的は、高熱伝導性マグネシアセラミックス焼結体からなる電気・電子用途の放熱用部材を提供することである。

本発明者らは、種々鋭意研究の結果、酸化マグネシウム９４〜９９．９重量％、二酸化ケイ素０．３〜５重量％を含み、該酸化マグネシウム及び該二酸化ケイ素の合計量が９６重量％以上であり、気孔率が１％以下である高熱伝導性マグネシアセラミックス焼結体により、本発明の目的を達成した。

本発明の熱伝導・熱拡散に優れたマグネシアセラミックス焼結体は、工業用の安価な原料を用いることができ、アルミナより高い熱伝導率、熱放散性を有し、窒化アルミニウムより価格が安価である。本発明に係る高熱伝導性マグネシアセラミックス焼結体は、エタノールなどの有機溶媒を用いないため、低コストかつ環境負荷の少ない製造プロセスが可能であり、熱伝導性と放熱性並びに価格のバランスに優れる。

本発明の高熱伝導性マグネシアセラミックス焼結体は、電気・電子用途の放熱用部材として、特に高輝度LED収容部材、またはそれを実装するための基板、一般照明用途の外装部品筐体などの放熱用部材に好適である。

図１は本実施形態の高熱伝導性マグネシアセラミックス焼結体からなる電気・電子用途の放熱用部材の好ましい構成を示す断面図である。 図２は本実施形態の高熱伝導性マグネシアセラミックス焼結体からなる放熱用部材として構成された基板を示す斜視図である。 図３は本実施形態の高熱伝導性マグネシアセラミックス焼結体からなる放熱用部材として構成された外装部品筐体を示す斜視図である。

以下、本発明の高熱伝導性セラミックス焼結体について、その好ましい実施形態に基づいて説明する。
本実施形態の高熱伝導性マグネシアセラミックス焼結体は、酸化マグネシウムの含有量は９４〜９９．９重量％、好ましくは９６〜９９．５重量％、であり、二酸化ケイ素の含有量は０．３〜５重量％、好ましくは０．５〜３重量％、であり、酸化マグネシウム及び二酸化ケイ素の合計量が９６重量％以上、好ましくは９７重量％以上、更に好ましくは９８重量％であり、気孔率が１％以下、好ましくは０．５％以下である。

原料マグネシアは、工業用等級品を使用することが価格の点から好ましいが、これ以外のもの、例えば高純度等級品使用してもよい。

焼結体に含まれる二酸化ケイ素の含有量が０．３重量％より小さいと、酸化マグネシウム粉末の焼結性が低下し、焼結体の熱伝導性が低くなり、５重量％を超えると、酸化マグネシウムの焼結性は低下しないが、熱伝導性が低下する。

焼結体において酸化マグネシウム及び二酸化ケイ素の合計量が９６重量％より少ないと、焼結体の熱伝導性が低くなる。
焼結体の気孔率が１％を超えると、強度や耐蝕性などの焼結体特性が低下する。

本発明の高熱伝導性マグネシアセラミックス焼結体は、酸化アルミニウムを含むことが好ましい。酸化アルミニウムの含有量は、好ましくは０．１〜３重量％、更に好ましくは０．３〜２重量％である。焼結体に含まれる酸化アルミニウムの含有量が０．１重量％より小さいと、酸化マグネシウム粉末の焼結性が低下し、焼結体の熱伝導性が低くなり、３重量％を超えると、熱伝導性が低下する。

本発明の高熱伝導性セラミックス焼結体は、従来から用いられている製造プロセスにより製造される。
原料の酸化マグネシウム、及び二酸化ケイ素を上記の比率で、好ましくは酸化アルミニウムを加えて配合し、配合した原料粉末を下記の乾式混合または湿式混合で混合、撹拌して、高熱伝導性マグネシアセラミックス粒子を調製する。

本実施形態において、高熱伝導性マグネシアセラミックス粒子は、当該分野で知られた湿式混合により、例えばポットミル、アトリッションミル、媒体攪拌ミル等の湿式混合機を用いて、マグネシアセラミックス粒子に対して水もしくは非有機溶媒を加えて粉砕、混合した後、必要に応じてアクリル樹脂、ＰＶＡ等のバインダー成分などの添加剤を加え、スプレードライヤーで噴霧して微粒化し、乾燥して得られる。

本実施形態において、高熱伝導性マグネシアセラミックス粒子は、当該分野で知られた乾式混合により、例えば高速ミキサー、スーパーミキサー、ヘンシェルミキサー、ナウターミキサー及びリボンブレンダー等の乾式混合機を用いて、必要に応じてマグネシアセラミックス粒子に対してアクリル樹脂、ＰＶＡ等のバインダー成分などの添加剤を加えて混合、撹拌して得られる。

酸化マグネシウム、二酸化ケイ素及び酸化アルミニウム以外の成分は含有されてもよいが、酸化マグネシウム及び二酸化ケイ素の合計量に酸化アルミニウムを加えた合計量が９８重量％より少ないと、焼結体の熱伝導性が低くなる。酸化マグネシウム、二酸化ケイ素及び酸化アルミニウム以外の添加成分の合計量は２重量％未満が好ましく、１重量％未満がより好ましい。

高熱伝導性マグネシアセラミックス粒子の平均粒径は、スプレードライ粉末で好ましくは５０〜２５０μｍである。

高熱伝導性マグネシアセラミックスの成形体は、当該分野で知られたプレス成形、ＣＩＰ成形法等を適用することが可能であり、高熱伝導性マグネシアセラミックス粒子にバインダー成分などの添加剤を加えた高熱伝導性マグネシアセラミックスの前駆体を金型に充填して圧縮することで得られる。また、高熱伝導性マグネシアセラミックス粒子に対して鋳込み成形法を適用して、滑剤等の添加剤を含む高熱伝導性マグネシアセラミックス粒子のスラリーを鋳込型に充填・加圧して鋳込成形し、高熱伝導性マグネシアセラミックス成形体を得る。上記の成形方法の他にも、押出し成形法を適用して上記のスラリーを押出型を通過させて押出成形し、高熱伝導性マグネシアセラミックス成形体を得ることも可能である。また、射出成形法や注型成形法を適用して、高熱伝導性マグネシアセラミックスの前駆体を加圧充填して、高熱伝導性マグネシアセラミックス成形体を得ることも可能である。

本実施形態の高熱伝導性マグネシアセラミックス焼結体は、続く焼成工程で高熱伝導性マグネシアセラミックス成形体を、好ましくは、大気圧雰囲気下に、１４００〜１７００℃で１〜５時間、加熱して、成形体において二酸化ケイ素を焼結助剤として、好ましくは焼結助剤として添加した酸化アルミニウムを加えて、酸化マグネシウムを焼結することで得られる。二酸化ケイ素、及び酸化アルミニウム粒子は、隣接する酸化マグネシウム粒子同士を融点以下の温度で結合容易にして酸化マグネシウムの比較的低温での焼結を促進する。高熱伝導性マグネシアセラミックス焼結体は、０．５％以下の気孔率を有し、アルミナ（96％）の１．５倍以上の高熱伝導率、ＪＩＳ準拠の試験法（レーザーフラッシュ法）で約４０Ｗ／ｍ・Ｋの熱伝導率を有する。

本実施形態の電気・電子用途の放熱用部材は、好ましい構成において、高熱伝導性マグネシアセラミックス焼結体からなり、高輝度LEDランプのLEDチップを包囲するLED収容材である。この構成において、放熱用部材は、基板上に配置され、高輝度LEDランプのLEDチップを包囲するLED収容材である。

本発明の電気・電子用途の放熱用部材は、高熱伝導性マグネシアセラミックス焼結体からなり、高輝度LEDランプのLEDチップを実装する基板である放熱用部材である。この構成において、放熱用部材は、高輝度LEDランプのLEDチップを実装する基板であり、直接、LEDチップに接して配置される。

また、本発明の電気・電子用途の放熱用部材は、高熱伝導性マグネシアセラミックス焼結体からなり、高輝度LEDランプを囲繞する一般照明用途の外装部品筐体である放熱用部材である。この構成において、放熱用部材は、基台上に配置されたLEDランプを囲繞する外装部品筐体である。

以下、本発明の高熱伝導性マグネシアセラミックス焼結体からなる電気・電子用途の放熱用部材の好ましい構成について、図を参照しながら説明する。
図１に本発明のLED用パッケージ20を含む高輝度LED用途のLEDランプ1を示す。LEDランプ1は、基板10と、LED収容材20と、LEDチップ30とを備える。

LEDランプ1を長時間点灯すると、LEDチップ30は動作により発生した熱により高温になる。このとき、基板10上にLEDチップ30を収容するLED収容材20が配置されている場合には、基板10及びLED収容材20は、高熱伝導性マグネシアセラミックス焼結体から構成されるので、効率良くLEDチップ30で発生した熱を受け取って接触している基板10に受け取った熱の大部分を放出し、LEDチップ30の素子付近の温度が上昇することを抑制する。さらに、LED収容材20は、焼結体の主成分である酸化マグネシウムの遠赤外線放射率が高いので、蓄積した熱の一部を遠赤外線放射により外部に放散する。

このように、基板10及びLED収容材20は高熱伝導性セラミックス焼結体から構成されるので、LEDチップ30で発生した熱の大部分を放熱するとともに、蓄積された熱の一部は遠赤外線放射により外部に放散する。

以上の放熱用部材の好ましい構成においては、LED収容材として説明したが、本発明の高熱伝導性マグネシアセラミックス焼結体からなる電気・電子用途の放熱用部材として、高輝度LEDランプのLEDチップ30を実装するための基板10であって、LEDチップ30の放熱用部材であるように機能する基板として構成することができる（図２を参照する）。
高熱伝導性マグネシアセラミックス焼結体が高熱伝導率を有するので、LEDランプ1を組み込む基板101上で、LEDチップで発生した熱を効率良く放熱する。

また、本発明の高熱伝導性セラミックス焼結体からなる電気・電子用途の放熱用部材として、LEDランプ201を組み込む基台210上のLEDランプ201を囲繞する一般照明用途の外装部品筐体であって、LEDランプ201の放熱部材であるように機能する外装部品筐体220として構成することができる（図３を参照する）。外装部品筐体は、室内の天井や壁等に装備される基台上に配置されたLEDランプを囲繞する部材であり、基台の周囲でLEDランプからの熱を外部に放熱する。

以下、実施例を挙げて本発明の高熱伝導性セラミックス焼結体について説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（気孔率）
実施例で作製した高熱伝導性マグネシアセラミックス焼結体及び比較例で作製した比較マグネシア焼結体の気孔率は、JIS R 1634に準拠し、試験片の気孔率を測定することにより求めた。
（放熱テスト）
実施例で作製した高熱伝導性マグネシアセラミックス焼結体の放熱性能は、高輝度LEDと基板の間に作製した放熱板を入れ、１５分間点灯した時点の素子付近の温度を計測することにより試験した。

［実施例１］
工業用のマグネシア粉末に焼結助剤として二酸化ケイ素と、所望により酸化アルミニウムを、表１に示す配合比（重量％）で調製した原料粉末３ｋｇに水４ｋｇを加えた水性スラリーを、媒体攪拌ミルに供給して充分に、湿式混合し、バインダー３％添加した混合スラリーをスプレードライヤーで噴霧乾燥して、高熱伝導性マグネシアセラミックス粒子が得られた。

得られた高熱伝導性マグネシアセラミックス粒子に対して、冷間等方圧プレス装置により、平板のゴム型内において高熱伝導性マグネシアセラミックス粒子を圧力９８ＭＰａで圧縮して、高熱伝導性マグネシアセラミックスの前駆体を圧縮成形し、平板の高熱伝導性マグネシアセラミックス成形体を得た。続いて焼成工程で、得られた平板の高熱伝導性マグネシアセラミックス成形体を、１６５０℃において３時間、大気圧雰囲気下に加熱炉中で焼成して高熱伝導性マグネシアセラミックス粒子を焼結させて、高熱伝導性マグネシアセラミックス焼結体1からなる平板の放熱部材を作製した。放熱部材から規定の寸法及び形状を有する試験片に加工し、ＪＩＳ法に準拠した気孔率を測定した。試験片の気孔率の測定結果を表１に示す。この試験片の熱伝導率をJIS R 1611に準拠したレーザーフラッシュ法により測定し、測定値は４０Ｗ／ｍ・Ｋであった。

［実施例２〜５］
実施例１で用いた、工業用のマグネシア粉末に焼結助剤として二酸化ケイ素と、所望により酸化アルミニウムを、表１に示す配合比（重量％）で調製した原料粉末に、上記のバインダー成分を３重量％添加し、高速ミキサーで乾式混合して、高熱伝導性マグネシアセラミックス粒子が得られた。

バインダー成分を添加した高熱伝導性マグネシアセラミックスの前駆体を、実施例1と同様にして、平板に圧縮成形した。続く焼成工程で、高熱伝導性マグネシアセラミックス焼結体2〜5からなる平板の放熱部材を作製した。放熱部材から規定の寸法及び形状を有する試験片に加工し、ＪＩＳ法に準拠した気孔率を測定した。試験片の気孔率の測定結果を表１に示す。

表１に示すように、焼結体に含まれる二酸化ケイ素、及び酸化アルミニウムの含有率が上記の重量範囲より小さいと、焼結体の熱伝導性が低くなる。酸化マグネシウム及び二酸化ケイ素の合計量が９６重量％より少ないと、焼結体の熱伝導性が低下する。
高熱伝導性マグネシアセラミックス焼結体1の熱伝導率の測定値を比較材質の熱伝導率とともに表２に示す。

表２に示すように、実施例１において得られた高熱伝導性マグネシアセラミックス焼結体はアルミナより高い熱伝導率を有する。

Claims (6)

1. 酸化マグネシウム９４〜９９．９重量％、二酸化ケイ素０．３〜５重量％を含み、該酸化マグネシウム及び該二酸化ケイ素の合計量が９６重量％以上であり、気孔率が１％以下である高熱伝導性マグネシアセラミックス焼結体。
2. 酸化アルミニウム０．１〜３重量％を含む請求項１に記載の高熱伝導性マグネシアセラミックス焼結体。
3. 請求項１に記載の高熱伝導性マグネシアセラミックス焼結体からなる電気・電子用途の放熱用部材。
4. 請求項１に記載の高熱伝導性マグネシアセラミックス焼結体からなり、高輝度LEDランプのLEDチップを包囲するLED収容材である請求項３に記載の放熱用部材。
5. 請求項１に記載の高熱伝導性マグネシアセラミックス焼結体からなり、高輝度LEDランプのLEDチップを実装する基板である請求項３に記載の放熱用部材。
6. 請求項１に記載の高熱伝導性マグネシアセラミックス焼結体からなり、高輝度LEDランプを囲繞する一般照明用途の外装部品筐体である請求項３に記載の放熱用部材。

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