JP2016183068A

JP2016183068A - フィラー用粉末

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Publication number: JP2016183068A
Application number: JP2015063721A
Authority: JP
Inventors: 哲嗣久世; Tetsutsugu Kuze; 哲朗仮屋; Tetsuro Kariya
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2015-03-26
Filing date: 2015-03-26
Publication date: 2016-10-20
Anticipated expiration: 2035-03-26
Also published as: JP6475531B2

Abstract

【課題】熱伝導性及び導電性に優れ、低コストで得られ、かつ軽量であるフィラー用粉末の提供。
【解決手段】フィラー用粉末の材質は、Ｓｉ系合金である。この合金は、５質量％以上５０質量％以下の元素Ｘを含む。この合金の残部は、Ｓｉ及び不可避的不純物である。元素Ｘは、Ｚｎ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｎ及びＢｉからなる群から選択された１種又は２種以上である。この粉末の密度は、２．０Ｍｇ／ｍ^３以上６．０Ｍｇ／ｍ^３以下である。この合金は、元素Ｘの単相を有する。この単相は、この合金からなる粒子の表面に位置している。Ｓｉの含有率は、５０質量％以上９５質量％以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は、導電フィラー又は放熱フィラーに適した粉末に関する。

封止剤、接着剤、パワーモジュール、電子機器、電子部品等に、導電性樹脂等の導電性物質が用いられている。この導電性物質に含有されるフィラーに、金、銀、白金及び銅のような貴金属の粉末が用いられている。他の金属の表面に貴金属がコーティングされた粉末も、導電フィラーとして用いられている。貴金属の電気抵抗は小さいので、この貴金属を含むフィラーは導電性に優れる。貴金属を含む粒子の凝集により、粒子同士の大きな接触面積が得られるので、この観点からも貴金属はフィラーの導電性に寄与する。

貴金属はさらに、熱伝導性にも優れる。従って、貴金属の粉末は、放熱フィラーとしても用いられている。

貴金属は、高価である。従って、貴金属を含む導電性物質は、高コストである。しかも、貴金属は高比重である。従って、貴金属を含む導電性物質は、重い。同様に、貴金属を含む放熱性物質も、高コストでかつ重い。導電性物質及び放熱性物質のコスト低減及び軽量化の観点から、貴金属以外の元素を含む合金の検討が、種々なされている。

特開２００４−４７４０４公報には、シリコン化合物からなる粒子の表面に、炭素がコーティングされた導電フィラー用合金が開示されている。この粒子では、シリコン微結晶がシリコン化合物に分散している。

特開２００６−５４０６１公報には、Ａｇからなる粒子の表面に、Ｓｉ又はＳｉ系化合物がコーティングされた導電フィラー用合金が開示されている。

特開２００８−２６２９１６公報には、銀と、０．０１−１０質量％のＳｉとを含有する導電フィラー用合金が開示されている。この合金では、銀粒子の表面に、ＳｉＯ_２のゲルがコーティングされている。

特開２００４−４７４０４公報特開２００６−５４０６１公報特開２００８−２６２９１６公報

近年、電子機器及び電子部品の高性能化及び用途拡大が進んでいる。導電性物質及び放熱性物質には、さらなる低コスト化及びさらなる軽量化の要請がある。

本発明の目的は、低コストで得られ、かつ軽量である導電フィラー用又は放熱フィラー用の粉末の提供にある。

本発明に係るフィラー用粉末の材質は、Ｓｉ系合金である。このＳｉ系合金は、Ｚｎ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｎ及びＢｉからなる群から選択された１種又は２種以上である元素Ｘを含む。このＳｉ系合金において、元素Ｘの含有率は５質量％以上５０質量％以下であり、残部はＳｉ及び不可避的不純物である。この粉末の密度は、２．０Ｍｇ／ｍ^３以上６．０Ｍｇ／ｍ^３以下である。

好ましくは、合金は、元素Ｘの単相を含む。この単相は、この合金からなる粒子の表面に位置している。

好ましくは、合金は、Ｓｉと元素Ｘとを含有するシリサイド相を有する。

好ましくは、合金は、Ｓｉの単相を有する。

好ましくは、この粉末の累積５０体積％粒子径Ｄ_５０は、１μｍ以上６０μｍ以下である。

好ましくは、この合金におけるＳｉの含有率は、５０質量％以上９５質量％以下である。

好ましくは、この粉末は、アトマイズ法によって製造される。

本発明に係るフィラー用粉末は、材質がＳｉ系合金であるため、低コストで得られうる。この粉末は、貴金属がコーティングされて得られる粉末に比べ、製造に手間がかからず、しかもコーティング層の剥離の問題も生じない。この粉末は低密度でもある。この粉末では、Ｓｉが放熱性に寄与し、元素Ｘが導電性に寄与する。

図１は、本発明の一実施形態に係る粉末に含まれる粒子の一部が示された拡大図である。

以下、適宜図面が参照されつつ、好ましい実施形態に基づいて本発明が詳細に説明される。

本発明に係るフィラー用粉末は、多数の粒子１の集合である。図１に、この粒子１の一部が示されている。この粒子１の材質は、Ｓｉ系合金である。このＳｉ系合金は、Ｓｉと元素Ｘとを含んでいる。

元素Ｘは、Ｚｎ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｎ及びＢｉからなる群から選択された１種又は２種以上である。この元素Ｘは、導電性に優れる。元素Ｘの電気伝導度は、１０ＡＶ^−１ｍ^−１以上である。

好ましくは、この合金は、
（１）Ｓｉ
（２）元素Ｘ
及び
（３）不可避的不純物
のみを含む。

この合金は、Ｓｉ相３と、シリサイド相４とを有している。このシリサイド相４は、Ｓｉと元素Ｘとを含有する。このシリサイド相４は、Ｓｉと元素Ｘとの化合物を含む。このシリサイド相４において、元素ＸはＳｉに固溶しうる。このシリサイド相４は、元素Ｘの単相を有しうる。

Ｓｉは、電気伝導度の低い元素である。一方、元素Ｘを含むシリサイドの電気伝導度は、高い。このシリサイド相４を有する粉末は、導電性に優れる。特に、元素Ｘの単相又は元素ＸがＳｉに固溶した相を有する粉末は、導電性に優れる。この粉末を含む物体（例えば電子機器）は、導電性に優れる。この粉末は導電フィラーに適している。

Ｓｉは、熱伝導度の高い元素である。Ｓｉ相３を有する粉末は、放熱性に優れる。Ｓｉの単相を有する粉末は、特に放熱性に優れる。この粉末を含む物体（例えば電子機器）は、放熱性に優れる。この粉末は放熱フィラーにも適している。

従来の導電フィラー及び放熱フィラーには、前述の通り、金、銀、白金及び銅のような貴金属が用いられている。金の密度は１９．３２Ｍｇ／ｍ^３であり、銀の密度は１０．５０Ｍｇ／ｍ^３であり、白金の密度は２１．４５Ｍｇ／ｍ^３であり、銅の密度は８．９６０Ｍｇ／ｍ^３である。一方、Ｓｉの密度は２．３２９Ｍｇ／ｍ^３である。Ｓｉの密度は、金属の中では小さい。Ｓｉを含むフィラー用粉末は、軽量である。この粉末を含む物体（例えば電子機器）は、軽量である。

Ｓｉは、貴金属に比べて低価格である。Ｓｉを含むフィラー用粉末は、この粉末を含む物体の低コストを達成する。さらにこの粉末は、コーティングの手間がなく製造されうる。

導電性の観点から、合金における元素Ｘの比率は５質量％以上が好ましく、１０質量％以上がより好ましく、２０質量％以上が特に好ましい。合金が十分なＳｉを含有しうるとの観点から、元素Ｘの比率は５０質量％以下が好ましい。

放熱性、軽量及び低コストの観点から、合金におけるＳｉの比率は５０質量％以上が好ましく、６５質量％以上がより好ましく、７５質量％以上が特に好ましい。合金が十分な元素Ｘを含有しうるとの観点から、Ｓｉの比率は９５質量％以下が好ましい。

元素Ｘの融点は、以下の通りである。
Ｚｎ：４１９．５℃
Ｇａ：２９．８℃
Ｉｎ：１５６．４℃
Ｓｎ：２３１．９℃
Ｂｉ：２７１．３℃
一方、Ｓｉの融点は、１４１４℃である。それぞれの元素Ｘの融点は、Ｓｉの融点よりも低い。

後述されるように、粒子１はアトマイズによって得られうる。元素Ｘの融点が低いので、アトマイズ時に、粒子１の表面２にシリサイド相４が形成されやすい。シリサイド相４が粒子１の表面２に存在する粉末は、導電性に優れる。元素ＸがＳｉと共晶を形成する場合、元素Ｘを多く含む（Ｘ−Ｓｉ）相が粒子１の表面２に形成され易い。元素ＸがＳｉと液相分離を形成する場合、元素Ｘの単相が粒子１の表面２に形成され易い。

粒子１の表面２にシリサイド相４が析出されやすいとの観点から、Ｓｉの融点と元素Ｘの融点との差は９００℃以上が好ましく、１１００℃以上が特に好ましい。同様の観点から、元素Ｘの融点は５００℃以下が好ましく、３００℃以下が特に好ましい。

粉末の電気伝導度は、粒子１内部のバルク抵抗と、粒子１同士の接触抵抗とに、主として支配される。元素Ｘは、軟質である。軟質な元素Ｘを含む合金は、粒子１同士の密着性を高める。この元素Ｘにより、接触抵抗が低減される。シリサイド相４がその表面２に存在する粒子１同士の密着性は、特に高い。

元素Ｘの融点が低いので、この粉末にプレス加工が施されたり、熱処理が施されたとき、粒子１同士の界面で金属結合が生じやすい。この金属結合により、粒子１同士の接触抵抗が低減される。シリサイド相４がその表面２に存在する粒子１同士の接触抵抗は、特に低い。

フィラー用粉末を含む物体（例えば電子機器）の軽量の観点から、この粉末の密度は６．０Ｍｇ／ｍ^３以下が好ましく、５．５Ｍｇ／ｍ^３以下がより好ましく、５．０Ｍｇ／ｍ^３以下が特に好ましい。密度は、２．０Ｍｇ／ｍ^３以上が好ましく、２．５Ｍｇ／ｍ^３以上がより好ましく、３．０Ｍｇ／ｍ^３以上が特に好ましい。

密度は、島津製作所社の乾式自動密度計「アキュピック II ３４０シリーズ」により測定される。この装置の容器に粉末が投入され、ヘリウムガス充填される。定容積膨張法に基づき、粉末の密度が検出される。１０回の測定の平均値が算出される。

この粉末は、基材樹脂と混合されて用いられ得る。混合により、樹脂組成物が得られる。この粉末は、基材樹脂及び溶剤と混合されて用いられ得る。混合により、塗料が得られる。この粉末の累積５０体積％粒子径Ｄ_５０は、６０μｍ以下が好ましい。粒子径Ｄ_５０が６０μｍ以下である粉末を含む樹脂組成物では、この粉末がマトリクス中に均一に分散する。粒子径Ｄ_５０が６０μｍ以下である粉末を含む塗料は、電子機器や電子部品の狭い部位に塗布されやすい。これらの観点から、粒子径Ｄ_５０は５０μｍ以下がより好ましく、４０μｍ以下が特に好ましい。粉末の凝集は、均一な混合を阻害する。凝集が抑制されるとの観点から、粒子径Ｄ_５０は１μｍ以上が好ましく、３μｍ以上がより好ましく、５μｍ以上が特に好ましい。

累積５０体積％粒子径Ｄ_５０は、粉体の全体積を１００％として累積カーブを求めたとき、その累積カーブが５０％となる点の粒子径である。粒子径Ｄ_５０は、日機装社のレーザー回折・散乱式粒子径分布測定装置「マイクロトラックＭＴ３０００」により測定される。この装置のセル内に、粉末が純水と共に流し込まれ、粒子１の光散乱情報に基づいて、粒子径Ｄ_５０が検出される。１０回の測定の平均値が算出される。

フィラー粉末は、アトマイズプロセスによって製造されうる。このプロセスにより、容易かつ安価に粉末が製造されうる。好ましいアトマイズとして、水アトマイズ法、ガスアトマイズ法、ディスクアトマイズ法及びプラズマアトマイズ法が例示される。ガスアトマイズ法及びディスクアトマイズ法が、特に好ましい。

ガスアトマイズ法では、底部に細孔を有する石英坩堝の中に、原料が投入される。この原料が、アルゴンガス雰囲気中で、高周波誘導炉によって加熱され、溶融する。アルゴンガス雰囲気において、細孔から流出する原料に、アルゴンガスが噴射される。原料は急冷されて凝固し、粉末が得られる。噴射圧の調整により、凝固速度がコントロールされうる。噴射圧が大きいほど、凝固速度は大きい。凝固速度のコントロールにより、所望の粒度分布を有する粉末が得られうる。凝固速度が速いほど、粒度分布の幅は小さい。

ディスクアトマイズ法では、底部に細孔を有する石英坩堝の中に、原料が投入される。この原料が、アルゴンガス雰囲気中で、高周波誘導炉によって加熱され、溶融する。アルゴンガス雰囲気において、細孔から流出する原料が、高速で回転するディスクの上に落とされる。回転速度は、４００００ｒｐｍから６００００ｒｐｍである。ディスクによって原料は急冷され、凝固して、粉末が得られる。この粉末にミリングが施されてもよい。

メルトスピニング法によって製造した鱗片状又は薄箔状の材料が、メカニカルアロイング法で粉砕されることで、粉末が製造されてもよい。

以下、実施例によって本発明の効果が明らかにされるが、この実施例の記載に基づいて本発明が限定的に解釈されるべきではない。

表１及び２に示された組成を有する実施例１−２５及び比較例１−２９の粉末を得た。各粉末の成分の、表１及び２に記載されていない残部は、不可避的不純物である。

［熱伝導率］
各粉末の熱伝導率を測定した。まず、篩を用いて径が４５μｍを超える粒子を粉末から除去した。この粉末を、直径が１０ｍｍであり厚さが１ｍｍである円柱状の容器に入れて、放電プラズマ焼結法（ＳＰＳ）によって焼結した。この焼結体の片面にレーザー光を直接当て、反対面から出てくる熱量とその時間を測定した。いわゆるレーザーフラッシュ法により、熱を流して比熱と熱拡散率を算出した。また、アルキメデス法から測定した密度を用いることで、熱伝導率を算出した。この結果が、下記の表１−２に示されている。

［電気伝導度］
各粉末の電気伝導度を測定した。まず、篩を用いて径が４５μｍを超える粒子を粉末から除去した。この粉末を、直径が２５ｍｍであり高さが１０ｍｍである円柱状のサンプルホルダー（東陽テクニカ社の粉体インピーダンス測定用四端子サンプルホルダー）に充填した。この粉末に、上下から４Ｎｍの荷重をかけた。この粉末の上側に電流のプラス端子及び電圧のプラス端子を取り付けた。この粉末の下側に電流のマイナス端子及び電圧のマイナス端子を取り付けた。いわゆる四端子法により、電流を流して電圧を測定した。この結果が、下記の表１及び２に示されている。

表１及び２における製造プロセスの詳細は、下記の通りである。
Ｇ．Ａ．：ガスアトマイズ法
Ｄ．Ａ．：ディスクアトマイズ法
Ｍ．Ｓ．：メルトスピニング法

表１に示される通り、各実施例の粉末の合金は、５０質量％以上９５質量％以下のＳｉを含んでいる。表１では、各粉末が、Ａ−Ｄの格付けで評価されている。この評価の基準は、以下の通りである。以下に示される密度、放熱性能及び粒子径Ｄ_５０を同時に満たす場合に、当該格付けが適用される。
格付けＡ
密度：２．０Ｍｇ／ｍ^３以上６．０Ｍｇ／ｍ^３以下
熱伝導率：５．０ＡＶｍ^−１Ｋ^−１以上
粒子径Ｄ_５０：１μｍ以上２０μｍ未満
格付けＢ
密度：２．０Ｍｇ／ｍ^３以上６．０Ｍｇ／ｍ^３以下
熱伝導率：５．０ＡＶｍ^−１Ｋ^−１以上
粒子径Ｄ_５０：２０μｍ以上６０μｍ以下
格付けＣ
密度：２．０Ｍｇ／ｍ^３以上６．０Ｍｇ／ｍ^３以下
熱伝導率：３．０ＡＶｍ^−１Ｋ^−１以上５．０ＡＶｍ^−１Ｋ^−１未満
粒子径Ｄ_５０：１μｍ以上６０μｍ以下
格付けＤ
密度：２．０Ｍｇ／ｍ^３以上６．０Ｍｇ／ｍ^３以下
熱伝導率：１．０ＡＶｍ^−１Ｋ^−１以上３．０ＡＶｍ^−１Ｋ^−１未満
粒子径Ｄ_５０：１μｍ以上６０μｍ以下

表２に示された各比較例の粉末の格付けは、Ｅである。この粉末は、Ｓｉ含有率、Ｓｉ以外の元素の種類及び密度のいずれかにおいて、本発明の要件を満たしていない。

例えば、実施例２２に係る粉末は、組成が５０Ｓｉ−３０Ｂｉ−２０Ｇａであり、密度は４．１０Ｍｇ／ｍ^３である。また、熱伝導率は１０．８ＡＶｍ^−１Ｋ^−１であり、粒子径Ｄ_５０は８．６μｍである。この粉末は、本実施例で最も好ましい特性を示している。

例えば、比較例２２に係る粉末の熱伝導率は８．９ＡＶｍ^−１Ｋ^−１である。この粉末は優れた放熱性を示し、かつ、粒子径Ｄ_５０が４９．３μｍであるが、Ｓｉ量が２０質量％、密度が８．３１Ｍｇ／ｍ^３であり、本発明の要件を満たさない。この粉末は、電子部品等の軽量化には寄与し得ない。

以上の評価結果から、本発明の優位性は明かである。

本発明に係る粉末は、封止剤、接着剤、パワーモジュール、電子機器、電子部品等に用いられ得る。

１・・・粒子
２・・・表面
３・・・Ｓｉ相
４・・・シリサイド相

Claims

Ｓｉ系合金からなるフィラー用粉末であって、
上記Ｓｉ系合金が、Ｚｎ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｎ及びＢｉからなる群から選択された１種又は２種以上である元素Ｘを含んでおり、
上記Ｓｉ系合金において、上記元素Ｘの含有率が５質量％以上５０質量％以下であって、残部がＳｉ及び不可避的不純物であり、
その密度が２．０Ｍｇ／ｍ^３以上６．０Ｍｇ／ｍ^３以下であることを特徴とするフィラー用粉末。
上記合金が、上記元素Ｘの単相を有しており、
上記単相が上記合金からなる粒子の表面に位置している請求項１に記載の粉末。
上記合金が、上記Ｓｉと上記元素Ｘとを含有するシリサイド相を有する請求項１又は２に記載の粉末。
上記合金が、上記Ｓｉの単相を有する請求項１から３のいずれかに記載の粉末。
その累積５０体積％粒子径Ｄ_５０が１μｍ以上６０μｍ以下である請求項１から４のいずれかに記載の粉末。
上記合金におけるＳｉの含有率が５０質量％以上９５質量％以下である請求項１から５のいずれかに記載の粉末。
アトマイズ法によって製造された請求項１から６のいずれかに記載の粉末。