JP2014033193A - 熱伝導性シート - Google Patents

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Abstract

【課題】繊維状フィラー同士が互いに接触している頻度の高い熱伝導性シートであって、露出した繊維状フィラーの端部がシート内に没入しないということもなく、発熱体と放熱体との間に配した際、それらに対しそれらの正常な動作を妨げるような負荷をかける必要もない熱伝導性シートを提供する。
【解決手段】繊維状フィラーとバインダ樹脂とを含有する熱伝導性シートは、熱伝導性シートの厚さ方向に配向していない繊維状フィラーの全繊維状フィラー中の割合が４５〜９５％である。
【選択図】なし

Description

本発明は、熱伝導性シートに関する。
駆動の際に発熱を伴うＩＣチップ等の発熱体の故障を防止するため、発熱体を放熱フィン等の放熱体に熱伝導性シートを介して密着させることが行われている。近年、このような熱伝導性シートの熱伝導性を高める工夫として、熱硬化性樹脂に繊維状フィラーが分散した層状の熱硬化性樹脂組成物中の当該繊維状フィラーを、層の厚さ方向に磁場発生装置を用いて配向させた後、熱硬化性樹脂を硬化させて熱伝導性シートを製造することが提案されている（特許文献１）。この熱伝導性シートは、シートの表面に全繊維状フィラーの５０〜１００％の繊維状フィラーの端部が露出しており、発熱体と放熱体との間に適用された際に、繊維状フィラーの露出した端部が熱伝導性シート内に没入する構成となっている。
特許第４８１４５５０号
しかしながら、特許文献１の熱伝導性シートは、全繊維状フィラーの約半分以上の繊維状フィラーがシートの厚さ方向に配向していることになるため、繊維状フィラーを没入させても繊維状フィラー同士が接触する頻度が少なく、熱抵抗が十分に低下しないという問題があった。また、発熱体と放熱体との間への熱伝導性シートの適用条件によっては、露出した繊維状フィラーの端部がシート内に没入しないという問題もあった。反対に、露出した繊維状フィラーの端部をシート内に完全に没入させるために、発熱体と放熱体との間に配した際、それらに対しそれらの正常な動作を妨げるような負荷を掛けざるを得ない場合があるという問題もあった。
本発明の目的は、以上の従来の技術の問題点を解決することであり、繊維状フィラー同士が互いに接触している頻度の高い熱伝導性シートであって、露出した繊維状フィラーの端部がシート内に没入しないということもなく、発熱体と放熱体との間に配した際、それらに対しそれらの正常な動作を妨げるような負荷を掛ける必要もない熱伝導性シートを提供することを目的とする。
本発明者らは、繊維状フィラーを熱伝導性シートの厚さ方向に配列させるということが、従来技術の問題点を引き起こす主原因ではないかとの仮定の下、繊維状フィラーの配向状態を検討したところ、熱伝導性シートの厚さ方向に配向していない繊維状フィラーの全繊維状フィラー中の割合を、比較的高い所定の範囲とすることにより上述の目的を達成できることを見出し、本発明を完成させた。
即ち、本発明は、繊維状フィラーとバインダ樹脂とを含有する熱伝導性シートであって、熱伝導性シートの厚さ方向に配向していない繊維状フィラーの全繊維状フィラー中の割合が、４５〜９５％である熱伝導性シートを提供する。
本発明の熱伝導性シートは、熱伝導性シートの厚さ方向に配向していない繊維状フィラーの全繊維状フィラー中の割合が、４５〜９５％となっている。このため、熱伝導性シート内で繊維状フィラーが互いに接触している頻度が高くなり、熱抵抗が低下する。また、露出した繊維状フィラーの端部がシート内に没入しないということもなく、発熱体と放熱体との間に配した際、それらに対しそれらの正常な動作を妨げるような負荷をかける必要もない。また、熱伝導性シートを折り曲げた際のクラックの発生が抑制できる。
本発明は、繊維状フィラーとバインダ樹脂とを含有する熱伝導性シートであって、熱伝導性シートの厚さ方向に配向していない繊維状フィラーの全繊維状フィラー中の割合が、４５〜９５％である熱伝導性シートである。
熱伝導性シートを構成する繊維状フィラーは、発熱体からの熱を効率良く放熱体に伝導させるためのものである。このような繊維状フィラーとしては、平均径が小さすぎるとその比表面積が過大となって熱伝導性シートを作成する際の樹脂組成物の粘度が高くなりすぎることが懸念され、大きすぎると熱伝導性シートの表面凹凸が大きくなって、発熱体や放熱体への密着性が低下することが懸念されるので、好ましくは８〜１２μｍである。また、そのアスペクト比（長さ／径）は、小さすぎると熱伝導性シート形成用組成物の粘度が高過ぎる傾向があり、大きすぎると熱伝導性シートの圧縮を阻害する傾向があるので、好ましくは２〜５０、より好ましくは３〜３０である。繊維長に特に着目すると、好ましい繊維長は１５〜８００μｍ、より好ましい繊維長は４０〜２５０μｍである。
繊維状フィラーの具体例としては、好ましくは、炭素繊維、金属繊維（例えば、ニッケル、鉄等）、ガラス繊維、セラミックス繊維（例えば、酸化物（例えば、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素等）、窒化物（例えば、窒化ホウ素、窒化アルミニウム等）、ホウ化物（例えば、ホウ化アルミニウム等）、炭化物（例えば、炭化ケイ素等）等の非金属系無機繊維）を挙げることができる。
繊維状フィラーは、熱伝導性シートに対して要求される機械的性質、熱的性質、電気的性質などの特性に応じて選択される。中でも、高弾性率、良好な熱伝導性、高導電性、電波遮蔽性、低熱膨張性等を示す点からピッチ系炭素繊維を好ましく使用することができる。
繊維状フィラーの熱伝導性シート中の含有量は、少なすぎると熱伝導率が低くなり、多すぎると粘度が高くなる傾向があるので、熱伝導性シート中の好ましくは１６〜４０体積％、より好ましくは２０〜３０体積％であり、熱伝導シートを構成する後述のバインダ樹脂１００質量部に対し、好ましくは１２０〜３００質量部、より好ましくは１３０〜２５０質量部である。
なお、繊維状フィラーの他に、本発明の効果を損なわない範囲で、板状フィラー、鱗片状フィラー、球状フィラー等を併用することができる。特に、繊維状フィラーの熱伝導性シート形成用組成物中での二次凝集の抑制という観点から、０．１〜５μｍ径の球状フィラー（好ましくは球状アルミナや球状窒化アルミ）の好ましい範囲は、３０〜６０体積％、より好ましくは３５〜５０体積％であり、繊維状フィラー１００質量部に対し、好ましくは１００〜９００質量部を併用する。
バインダ樹脂は、繊維状フィラーを熱伝導性シート内に保持するものであり、熱伝導性シートに要求される機械的強度、耐熱性、電気的性質等の特性に応じて選択される。このようなバインダ樹脂としては、熱可塑性樹脂、熱可塑性エラストマー、熱硬化性樹脂の中から選択したものを採用することができる。
熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合体等のエチレン−αオレフィン共重合体、ポリメチルペンテン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリ酢酸ビニル、エチレン−酢酸ビニル共重合体、ポリビニルアルコール、ポリビニルアセタール、ポリフッ化ビニリデン及びポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系重合体、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリスチレン、ポリアクリロニトリル、スチレン−アクリロニトリル共重合体、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体（ＡＢＳ）樹脂、ポリフェニレン−エーテル共重合体（ＰＰＥ）樹脂、変性ＰＰＥ樹脂、脂肪族ポリアミド類、芳香族ポリアミド類、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリメタクリル酸、ポリメタクリル酸メチルエステル等のポリメタクリル酸エステル類、ポリアクリル酸類、ポリカーボネート、ポリフェニレンスルフィド、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルニトリル、ポリエーテルケトン、ポリケトン、液晶ポリマー、シリコーン樹脂、アイオノマー等が挙げられる。
熱可塑性エラストマーとしては、スチレン−ブタジエンブロック共重合体又はその水添化物、スチレン−イソプレンブロック共重合体又はその水添化物、スチレン系熱可塑性エラストマー、オレフィン系熱可塑性エラストマー、塩化ビニル系熱可塑性エラストマー、ポリエステル系熱可塑性エラストマー、ポリウレタン系熱可塑性エラストマー、ポリアミド系熱可塑性エラストマー等が挙げられる。
熱硬化性樹脂としては、架橋ゴム、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ジアリルフタレート樹脂等が挙げられる。架橋ゴムの具体例としては、天然ゴム、アクリルゴム、ブタジエンゴム、イソプレンゴム、スチレン−ブタジエン共重合ゴム、ニトリルゴム、水添ニトリルゴム、クロロプレンゴム、エチレン−プロピレン共重合ゴム、塩素化ポリエチレンゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム、ブチルゴム、ハロゲン化ブチルゴム、フッ素ゴム、ウレタンゴム、及びシリコーンゴムが挙げられる。
熱伝導性シートは、繊維状フィラーとバインダ樹脂とに加えて、必要に応じて各種添加剤を含有することができる。
本発明の熱伝導性シートにおいては、その厚さ方向に配向していない繊維状フィラーの全繊維状フィラー中の割合は、４５〜９５％、好ましくは６０〜９０％である。その割合が４５％未満であると、シートの厚さ方向の熱伝導性が不十分となることが懸念され、９５％を超えると互いに接触する繊維状フィラーの割合が少なく、熱伝導性シートの熱伝導性が不十分となる傾向がある。
ここで、シートの厚さ方向に配向していない繊維状フィラーとは、繊維状フィラーの長軸方向が厚さ方向に平行となっていない繊維状フィラーのことである。
厚さ方向に配向していない繊維状フィラーの全繊維状フィラー中の割合は、単位立方体（０．５ｍｍ角）に含まれている繊維状フィラーを顕微鏡観察し、その本数をカウントすることにより求めることができる。具体的には、熱伝導性シートの一断面を観察した際、“厚さ方向に配置され且つ所定の長さが確認できる繊維状フィラーの数”を「厚さ方向に配向している繊維状フィラー」とし、その全体の繊維状フィラー数に対する割合を求めた値から算出することができる。その場合、観察する断面数を少なくとも２方向（縦横）以上とし、それらから得られた平均の値を基準に算出することもできる。
本発明の熱伝導性シートは、以下の工程（Ａ）〜（Ｃ）を有する製造方法によって製造することができる。工程毎に詳細に説明する。
＜工程（Ａ）＞
まず、繊維状フィラーをバインダ樹脂に分散させることにより熱伝導性シート形成用組成物を調製する。この調製は、繊維状フィラーとバインダ樹脂と必要に応じて配合される各種添加剤や揮発性溶剤とを公知の手法により均一に混合することにより行うことができる。
＜工程（Ｂ）＞
次に、調製された熱伝導性シート形成用組成物から、押出し成形法又は金型成形法により成形体ブロックを形成する。
押出し成形法、金型成形法としては、特に制限されず、公知の各種押出し成形法、金型成形法の中から、熱伝導性シート形成用組成物の粘度や熱伝導性シートに要求される特性等に応じて適宜採用することができる。
押出し成形法において、熱伝導性シート形成用組成物をダイより押し出す際、あるいは金型成形法において、熱伝導性シート形成用組成物を金型へ圧入する際、バインダ樹脂が流動し、その流動方向に沿って一部の繊維状フィラーが配向するが、多くは配向がランダムになっている。
なお、ダイの先端にスリットを取り付けた場合、押し出された形成体ブロックの幅方向に対して中央部は、繊維状フィラーが配向しやすい傾向がある。その一方、形成体ブロックの幅方向に対して周辺部は、スリット壁の影響を受けて繊維状フィラーがランダムに配向されやすい。
成形体ブロックの大きさ・形状は、求められる熱伝導性シートの大きさに応じて決めることができる。例えば、断面の縦の大きさが０．５〜１５ｃｍで横の大きさが０．５〜１５ｃｍの直方体が挙げられる。直方体の長さは必要に応じて決定すればよい。
＜工程（Ｃ）＞
次に、形成された成形体ブロックをシート状にスライスする。これにより熱伝導性シートが得られる。スライスにより得られるシートの表面（スライス面）には、繊維状フィラーが露出する。スライスする方法としては特に制限はなく、成形体ブロックの大きさや機械的強度により公知のスライス装置（好ましくは超音波カッタ）の中から適宜選択することができる。成形体ブロックのスライス方向としては、成形方法が押出し成形法である場合には、押出し方向に配向しているものもあるために押出し方向に対して６０〜１２０度、より好ましくは７０〜１００度の方向である。特に好ましくは９０度（垂直）の方向である。
スライス厚としても、特に制限はなく、熱伝導性シートの使用目的等に応じて適宜選択することができる。
＜工程（Ｄ）＞
必要により、得られた熱伝導性シートのスライス面をプレスすることができる。これにより熱伝導性シートの表面を平滑化して、発熱体や放熱体への密着性を向上させることができる。また、熱伝導性シートを圧縮して、繊維状フィラー同士の接触の頻度を増大させることができる。これにより、熱伝導性シートの熱抵抗を低減させることが可能となる。プレスの方法としては、平盤と表面が平坦なプレスヘッドとからなる一対のプレス装置を使用することができる。また、ピンチロールでプレスしてもよい。
プレスの際の圧力としては、低すぎるとプレスをしない場合と熱抵抗が変わらない傾向があり、高すぎるとシートが延伸する傾向があるので、好ましくは２〜８ｋｇｆ／ｃｍ２、より好ましくは３〜７ｋｇｆ／ｃｍ２である。
このようなプレスは、プレスの効果をより高め、プレス時間を短縮するために、バインダ樹脂のガラス転移温度以上で行うことが好ましい。
プレス後のシート厚は圧縮により薄くなるが、シートの圧縮率[｛（プレス前のシート厚−プレス後のシート厚）／プレス前のシート厚｝×１００]が小さすぎると熱抵抗が小さくならない傾向があり、大きすぎるとシートが延伸する傾向があるので、圧縮率が２〜１５％となるようにプレスを行う。
また、プレスによりシートの表面を平滑にすることができる。平滑の程度は表面光沢度で評価することができる。表面光沢度が低すぎると熱伝導性が低下するので、入射角６０度反射角６０度で光沢計で測定した表面光沢度（グロス値）が０．２以上となるようプレスを行うことが好ましい。
このような熱伝導性シートは、発熱体で生じた熱を放熱体に逃がすためにそれらの間に配された構造のサーマルデバイスを与えることができる。発熱体としては、ＩＣチップ、ＩＣモジュール等が挙げられ、放熱体としては、ステンレス等の金属材料から形成されたヒートシンク等が挙げられる。
実施例１
シリコーンＡ液（ビニル基を有するオルガノポリシロキサン）と、シリコーンＢ液（ヒドロジェンシリル基を有するオルガノポリシロキサン）と、アルミナ粒子（平均粒子径３μｍ）と、球状の窒化アルミニウム（平均粒子径１μｍ）と、ピッチ系炭素繊維（平均長軸長１５０μｍ、平均軸径８μｍ）とを、表１に示す割合（体積部）で均一に混合することにより熱伝導性シート形成用シリコーン樹脂組成物を調製した。
この熱伝導性シート形成用シリコーン樹脂組成物を、直方体状の内部空間を有する金型中に流し込み、１００℃のオーブン中で６時間加熱硬化させることにより成形体ブロックを作成した。なお、金型の内面には、剥離処理面が内側となるように剥離ポリエチレンテレフタレートフィルムを貼り付けておいた。
得られた成形体ブロックを０．５ｍｍ厚に超音波カッタでスライスしてシートを得た。このシートの表面には、スライスの際の剪断力で繊維状フィラーの一部が表面に露出し、シート表面に微小凹凸が形成されていた。その後、表１の圧縮率となるように常法に従ってプレスした。また、ピッチ系炭素繊維が、熱伝導性シートの厚さ方向に対し、縦、横、斜めの様々な方向に向いていることを電子顕微鏡観察により確認し、更に、熱伝導性シートの厚さ方向に配向していないピッチ系炭素繊維の全ピッチ系炭素繊維中の割合をカウントした。得られた結果を表１に示す。
実施例２〜１１
表１の配合に従って熱伝導性シート形成用シリコーン樹脂組成物を調製すること以外、実施例１と同様の操作により成形体ブロック、更に熱伝導性シートを作成した。更に、熱伝導性シートの厚さ方向に配向していないピッチ系炭素繊維の全ピッチ系炭素繊維中の割合をカウントした。得られた結果を表１に示す。
比較例１〜４
表１の配合に従い熱伝導性シート形成用シリコーン樹脂組成物を調整し、更に、特開２０１２−２３３３５号公報の押出し成形法により熱伝導性シートを作成し、ピッチ系炭素繊維が（厚さ方向に）配向しやすいその中央部を切り出した。更に、電子顕微鏡で観察し、厚さ方向に配向していないピッチ系炭素繊維の全ピッチ系炭素繊維中の割合をカウントした。得られた結果を表１に示す。
＜評価＞
得られた熱伝導性シートに対し、１ｋｇｆ／ｃｍ２の荷重をかけ、表１の圧縮率となった時点の熱抵抗（Ｋ／Ｗ）をＡＳＴＭ−Ｄ５４７０に準拠した熱抵抗測定装置を用いて測定した。得られた結果を表１に示す。熱抵抗は０．２（Ｋ／Ｗ）以下、面積換算した値では０．６５（Ｋ・ｃｍ２／W）以下であることが望まれる。
Figure 2014033193
表１の実施例１〜１１の熱伝導性シートは、熱伝導性シートの厚さ方向に配向していない炭素繊維の全炭素繊維中の割合が４５〜９５％であったので、好ましい低い値（０．２Ｋ／Ｗ以下（０．６５Ｋ・ｃｍ２／W 以下））を示した。なお、実施例８〜１１の結果から、炭素繊維の平均繊維長が、４０〜２５０μｍであっても良好な結果が得られた。
それに対し、比較例１〜４の熱伝導性シートは、熱伝導性シートの厚さ方向に配向していない炭素繊維の全炭素繊維中の割合が５〜４０％であったので、熱抵抗が０．２Ｋ／Ｗ（０．６５Ｋ・ｃｍ２／W）超となってしまった。
本発明の熱伝導性シートは、その厚さ方向に配向していない繊維状フィラーの全繊維状フィラー中の割合が４５〜９５％となっている。このため、熱伝導性シート内で繊維状フィラーが互いに接触している頻度が高くなり、熱抵抗が低下する。また、露出した繊維状フィラーの端部がシート内に没入しないということもなく、発熱体と放熱体との間に配した際、それらに対しそれらの正常な動作を妨げるような負荷を掛ける必要もない。従って、本発明の熱伝導性シートは、ＩＣチップやＩＣモジュールなどの発熱体と放熱体との間に配するための熱伝導性シートとして有用である。

Claims (7)

  1. 繊維状フィラーとバインダ樹脂とを含有する熱伝導性シートであって、熱伝導性シートの厚さ方向に配向していない繊維状フィラーの全繊維状フィラー中の割合が、４５〜９５％である熱伝導性シート。
  2. 繊維状フィラーの平均径が８〜１２μｍで、アスペクト比が２〜５０である請求項１記載の熱伝導性シート。
  3. 繊維状フィラーがピッチ系炭素繊維である請求項１又は２記載の熱伝導性シート。
  4. 繊維状フィラーの熱伝導性シート中の含有量が、１６〜４０体積％である請求項１〜３のいずれかに記載の熱伝導性シート。
  5. 非繊維状フィラーを更に含有する請求項１〜４のいずれかに記載の熱伝導性シート。
  6. 非繊維状フィラーが、球状の酸化アルミニウム又は窒化アルミニウムである請求項１〜５のいずれかに記載の熱伝導性シート。
  7. バインダ樹脂が、シリコーン樹脂である請求項１〜６のいずれかに記載の熱伝導性シート。
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