JP2013056996A - 高熱伝導性樹脂組成物 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱伝導性に優れた樹脂組成物を提供する、特に電子部品用放熱部材として好適な樹脂組成物を提供する。
【解決手段】 平均球形度０．８５以上、水酸基が３０個／ｎｍ^２以下である平均粒子径１０〜５０μｍの球状酸化アルミニウム粉末と平均粒子径０．３〜１μｍの酸化アルミニウム粉末の配合割合が体積比で５：５〜９．５：０．５であり、球状酸化アルミニウム粉末と酸化アルミニウム粉末を８０〜９０体積％含有してなることを特徴とする高熱伝導性樹脂組成物。球状酸化アルミニウム粉末と酸化アルミニウム粉末をシランカップリング剤で表面処理することが好ましい。
【選択図】 なし

Description

本発明は、熱伝導性に優れた樹脂組成物とその用途に関するものであり、特に電子部品用放熱部材として使用した際に、パワーデバイス、トランジスタ、サイリスタ、ＣＰＵ（中央処理装置）等の発熱性電子部品を損傷させることなく、電子機器に組み込むことができる熱伝導性樹脂組成物に関するものである。

パワーデバイス、トランジスタ、サイリスタ、ＣＰＵ等の発熱性電子部品においては、使用時に発生する熱を如何に除去することが重要な問題となっている。従来、このような除熱方法としては、発熱性電子部品を電気絶縁性の放熱シートを介して放熱フィンや金属板に取り付け、熱を逃がすことが一般的に行われており、その放熱シートとしてはシリコーン樹脂に熱伝導性フィラーを分散させたものが使用されている。

近年、電子部品内の回路の高集積化に伴いその発熱量も大きくなっており、従来にも増して高い熱伝導性を有する材料が求められてきている。
熱伝導性材料の熱伝導性を向上させるには、これまで酸化アルミニウム粉末、窒化アルミニウム粉末といった高い熱伝導性を示すフィラーをマトリックス樹脂へ含有する手法が一般的であった。（特許文献１〜４）

特開２００５−１６２５５５号公報 特開２００３−３４２０２１号公報 特開２００２−２８０４９８号公報 特開２００５−２０９７６５号公報

本発明の目的は、熱伝導性に優れた樹脂組成物を提供することであり、特に電子部品用放熱部材として好適な樹脂組成物を提供することである。

本発明は、上記の課題を解決するために、以下の手段を採用する。
（１）平均球形度０．８５以上、水酸基が３０個／ｎｍ^２以下である平均粒子径１０〜５０μｍの球状酸化アルミニウム粉末と平均粒子径０．３〜１μｍの酸化アルミニウム粉末の配合割合が体積比で５：５〜９．５：０．５であり、球状酸化アルミニウム粉末と酸化アルミニウム粉末を８０〜９０体積％含有してなることを特徴とする高熱伝導性樹脂組成物。
（２）球状酸化アルミニウム粉末と酸化アルミニウム粉末をシランカップリング剤で表面処理することを特徴とする前記（１）に記載の高熱伝導性樹脂組成物。
（３）前記（１）又は（２）記載の高熱伝導性樹脂組成物を用いた放熱部材。
（４）前記（１）又は（２）記載の高熱伝導性樹脂組成物を用いた放熱シート。

本発明によれば、熱伝導性に優れた放熱部材を提供することができる。

以下、本発明について詳細に説明する。
本発明で使用されるフィラーは、平均球形度０．８５以上、水酸基が３０個／ｎｍ^２以下である平均粒子径１０〜５０μｍの球状酸化アルミニウム粉末と平均粒子径０．３〜１μｍの酸化アルミニウム粉末である。

酸化アルミニウム粉末の結晶構造は、単結晶体、多結晶体のいずれでもよいが、結晶相は高熱伝導性の点からα相が望ましく、また比重は３．７以上が望ましい。比重が３．７未満であると、粒子内部に存在する空孔と低結晶相の割合が多くなるため、熱伝導率を高めることが困難となる。酸化アルミニウム粉末の粒度調整は、分級・混合操作によって行うことができる。

球状酸化アルミニウム粉末は、平均球形度０．８５以上、表面水酸基が３０個／ｎｍ^２以下である平均粒子径１０〜５０μｍである必要があり、好ましくは２０〜４０μｍであることが必要である。平均球形度が０．８５未満であると粒子同士の接触が著しくなり、シート表面の凹凸が大きくなって界面熱抵抗が増大し熱伝導率が悪くなる傾向にある。また、表面水酸基が３０個／ｎｍ^２を超えると、樹脂への充填性が悪くなり、熱伝導率が悪くなる傾向にある。一方、平均粒子径が１０μｍ未満では、粒子同士の接触が少なくなり、粒子間接触熱抵抗の増大により熱伝導率が悪くなる傾向にある。また、５０μｍ超であると、シート表面の凹凸が大きくなって界面熱抵抗が増大し熱伝導率が悪くなる傾向にある。

酸化アルミニウム粉末は、平均粒子径０．３〜１μｍである必要があり、好ましくは０．５〜０．７μｍである必要である。平均粒子径が０．３μｍ未満では、粒子同士の接触が少なくなり、粒子間接触熱抵抗の増大により熱伝導率が悪くなる傾向にある。また、１μｍ超であると、シート表面の凹凸が大きくなって界面熱抵抗が増大し熱伝導率が悪くなる傾向にある。

本発明の高熱伝導性樹脂組成物中の球状酸化アルミニウム粉末と酸化アルミニウム粉末５：５〜９．５：０．５である必要があり、さらに配合割合は６：４〜９：１の配合割合の範囲のものが好ましい。球状酸化アルミニウムの割合が５より小さくなるとフィラーの充填性が悪くなる傾向にある。反対に球状酸化アルミニウムの割合が９．５より大きくなると、フィラーが緻密に充填しづらくなり、熱伝導性が減少する傾向にある。

本発明の高熱伝導性樹脂組成物中の熱伝導性フィラーの含有率は、８０〜９０体積％であり、特に８０〜８５体積％であることが望ましい。熱伝導性フィラーの含有率が８０体積％未満では樹脂組成物の熱伝導性が不十分となり、また９０体積％を越えると、熱伝導性フィラーの充填が困難となる。

平均球形度は、実体顕微鏡、例えば「モデルＳＭＺ−１０型」（ニコン社製）、走査型電子顕微鏡にて撮影した粒子像を画像解析装置、例えば（日本アビオニクス社製など）に取り込み、次のようにして測定することができる。すなわち、写真から粒子の投影面積（Ａ）と周囲長（ＰＭ）を測定する。周囲長（ＰＭ）に対応する真円の面積を（Ｂ）とすると、その粒子の球形度はＡ／Ｂとして表示できる。そこで、試料粒子の周囲長（ＰＭ）と同一の周囲長をもつ真円を想定すると、ＰＭ＝２πｒ、Ｂ＝πｒ^２であるから、Ｂ＝π×（ＰＭ／２π）^２となり、個々の粒子の球形度は、球形度＝Ａ／Ｂ＝Ａ×４π／（ＰＭ）^２として算出することができる。このようにして得られた任意の粒子２００個の球形度を求めその平均値を平均球形度とした。

本発明における球状酸化アルミニウム粉末の表面水酸基濃度はカールフィッシャー電量滴定法、例えば三菱化学社製商品名「微量水分測定装置ＣＡ−１００」、「鉱物用水分気化装置ＶＡ−１２２」にて測定することができる。具体的には、試料０．３〜１．０ｇを水分気化装置に入れ、脱水処理されたアルゴンガスをキャリアガスとして供給しながら電気ヒーターで加熱昇温する。カールフィッシャー電量測定法において、温度２００℃を超え、９００℃までに発生した水分を表面水酸基量と定義する。測定された水分量と比表面積から、表面水酸基の濃度を算出する。

本発明における平均粒子径は、島津製作所製「レーザー回折式粒度分布測定装置ＳＡＬＤ−２００」を用いて測定を行った。評価サンプルは、ガラスビーカーに５０ｃｃの純水と測定する熱伝導性粉末を５ｇ添加して、スパチュラを用いて撹拌し、その後超音波洗浄機で１０分間、分散処理を行った。分散処理を行った熱伝導性材料の粉末の溶液をスポイドを用いて、装置のサンプラ部に一滴ずつ添加して、吸光度が測定可能になるまで安定するのを待った。このようにして吸光度が安定になった時点で測定を行う。レーザー回折式粒度分布測定装置では、センサで検出した粒子による回折／散乱光の光強度分布のデータから粒度分布を計算する。平均粒子径は測定される粒子径の値に相対粒子量（差分％）を掛けて、相対粒子量の合計（１００％）で割って求められる。なお、平均粒子径は粒子の平均直径である。

シランカップリング剤としては、ビニル系シランカップリング剤、アクリル系シランカップリング剤、長鎖アルキル系シランカップリング剤等があり、好ましくはビニル系シランカップリング剤が好ましい。ビニル系シランカップリング剤の使用量は、球状酸化アルミニウム粉末１００質量部に対して０．１〜５質量部であることが好ましい。０．１質量部より少ないとその効果は小さく、５質量部より多くても使用量にあった効果は発現しない。

シランカップリング剤による球状アルミナ粉末の表面処理方法としては、流体ノズルを用いた噴霧方式、せん断力のある攪拌方式、ボールミル、ミキサー等の乾式法、水系または有機溶剤系等の湿式法を採用することができる。攪拌式は、球状酸化アルミニウム粉末の破壊が起こらない程度にして行うことが肝要である。乾式法における系内温度または処理後の乾燥温度は、表面処理剤の種類に応じ分解しない領域で適宜決定されるが、８０〜１５０℃である。

本発明の高熱伝導性樹脂組成物は、原料の混合・成形・加硫工程を経て製造される。混合には、ロールミル、ニーダー、バンバリーミキサー等の混合機が用いられる。成形方法はドクターブレード法が好ましいが、樹脂の粘度によって押し出し法・プレス法・カレンダーロール法等を用いることができる。加硫温度は、５０〜２００℃が望ましい。５０℃未満では加硫が不十分であり、２００℃をこえるとスペーサーの一部が劣化する。加硫は、一般的な熱風乾燥機、遠赤外乾燥機、マイクロ波乾燥機等を用いて行われる。

本発明で使用される樹脂としてはシリコーン樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂等があるが、好ましくはシリコーン樹脂である。シリコーン樹脂としては、ミラブル型シリコーンが代表的なものであるが、総じて所要の柔軟性を発現させることが難しい場合が多いので、高い柔軟性を発現させるためには付加反応型シリコーンが好適である。付加反応型液状シリコーンの具体例としては、一分子中にビニル基とＨ−Ｓｉ基の両方を有する一液反応型のオルガノポリシロキサン、または末端あるいは側鎖にビニル基を有するオルガノポリシロキサンと末端あるいは側鎖に２個以上のＨ−Ｓｉ基を有するオルガノポリシロキサンとの二液性のシリコーンなどである。例えば東レ・ダウコーニング・シリコーン社製、商品名「ＳＥ−１８８５Ａ／Ｂ」がある。

付加反応型シリコーンは、ビニル基をもつオルガノポリシロキサン、Ｈ−Ｓｉ基を有するオルガノポリシロキサン、触媒として白金化合物を用い、さらに加熱することで硬化反応が進み、樹脂硬化物が得られる。

本発明で使用される付加反応型液状シリコーンは、アセチルアルコール類、マレイン酸エステル類などの反応遅延剤、十〜数百μｍのアエロジルやシリコーンパウダーなどの増粘剤、難燃剤、顔料などと併用することもできる。

熱伝導率は、ＡＳＴＭ Ｅ−１４６１に準拠した樹脂組成物の熱拡散率、密度、比熱を全て乗じて算出した（熱伝導率＝熱拡散率×密度×比熱）。熱拡散率は、試料を幅１０ｍｍ×１０ｍｍ×厚み１ｍｍに加工し、レーザーフラッシュ法により求めた。測定装置はキセノンフラッシュアナライザー（ＮＥＴＳＣＨ社製 ＬＦＡ４４７ ＮａｎｏＦｌａｓｈ）を用い、２５℃で測定を行った。密度はアルキメデス法を用いて求めた。比熱は、ＤＳＣ（リガク社製 ＴｈｅｒｍｏＰｌｕｓ Ｅｖｏ ＤＳＣ８２３０）を用いて求めた。

実施例１〜９ 比較例１〜１０
熱伝導性フィラーとして表１及び表２に示される球状酸化アルミニウム粉末７種類、酸化アルミニウム粉末５種類、付加反応型液状シリコーン樹脂（東レ・ダウコーニング・シリコーン社製、商品名「ＳＥ−１８８５Ａ／Ｂ」）を室温下で表３〜４に示す配合（体積％）で、自転・公転ミキサーであるシンキー社製「あわとり練太郎」を用いて、回転速度２０００ｒｐｍで１０分混合して樹脂組成物を製造した。

実施例１０〜１２
シランカップリング剤で表面処理した球状酸化アルミニウム粉末及び酸化アルミニウム粉末それぞれ１種類は、シランカップリング剤（東レ・ダウコーニング・シリコーン社製、商品名「Ｚ−６２１０」）を用いて表面処理を行った。表面処理は、ボール径２０ｍｍ、ボール充填率５０体積％の１０Ｌ容器内に、球状酸化アルミニウム粉末１ｋｇとシランカップリング剤１０ｇを投入し、常温、常圧の条件下、１回／秒の速度で１時間運転後、１２０℃にて１時間乾燥処理を行った。表面処理した酸化アルミニウム粉末、付加反応型液状シリコーン樹脂（東レ・ダウコーニング・シリコーン社製、商品名「ＳＥ−１８８５Ａ／Ｂ」）を室温下で表５に示す配合（体積％）で、自転・公転ミキサーであるシンキー社製「あわとり練太郎」を用いて、回転速度２０００ｒｐｍで１０分混合して樹脂組成物を製造した。

この樹脂組成物をスリット（１ｍｍ×１００ｍｍ）付きダイスの固定されたシリンダー構造金型内に１００ｇ充填し、ピストンで５ＭＰａの圧力をかけながらスリットから押し出して樹脂組成物を得た。
このシートを１１０℃で３時間加熱し、熱伝導性及び絶縁性を評価する樹脂組成物のシートを製造した。
上記で得られた樹脂組成物のシートの熱伝導率を測定した結果を表３〜５に示した。

表３及び表５の実施例と表４の比較例から、本発明の高熱伝導性樹脂組成物は、優れた熱伝導性を示していることがわかる。

本発明の高熱伝導性樹脂組成物を電子部品用放熱部材として使用した場合、例えば、パワーデバイス等の半導体素子の放熱部材として使用した場合、長期間使用可能となる。

Claims (4)

1. 平均球形度０．８５以上、水酸基が３０個／ｎｍ^２以下である平均粒子径１０〜５０μｍの球状酸化アルミニウム粉末と平均粒子径０．３〜１μｍの酸化アルミニウム粉末の配合割合が体積比で５：５〜９．５：０．５であり、球状酸化アルミニウム粉末と酸化アルミニウム粉末を８０〜９０体積％含有してなることを特徴とする高熱伝導性樹脂組成物。
2. 球状酸化アルミニウム粉末と酸化アルミニウム粉末をシランカップリング剤で表面処理することを特徴とする請求項１に記載の高熱伝導性樹脂組成物。
3. 請求項１又は２記載の高熱伝導性樹脂組成物を用いた放熱部材。
4. 請求項１又は２記載の高熱伝導性樹脂組成物を用いた放熱シート。