JP2020025095A - Fpgaアレイ - Google Patents
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Landscapes
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Abstract
Description
そのため、上記更新のためのデータをビームとしてスモールセル―エッジ間で当て続ける必要が有るが、エッジは人間、自動車、電車等と共に移動するためそのビーム角度は常々変化させる必要が有る。
[1]ダイヤモンド粒子を含有するFPGAアレイ。
[2]ダイヤモンド粒子の粒子径が0.1μm以上250μm以下である上記[1]に記載のFPGAアレイ。
[3]前記ダイヤモンド粒子を含有するダイヤモンド粒子層を備える上記[1]又は[2]に記載のFPGAアレイ。
[4]前記ダイヤモンド粒子層におけるダイヤモンド粒子の充填率が30体積%以上90体積%以下である上記[3]に記載のFPGAアレイ。
[5]前記ダイヤモンド粒子層が、前記ダイヤモンド粒子と、高分子マトリクスとを含有するダイヤモンド組成物から形成される、上記[3]又は[4]に記載のFPGAアレイ。
[6]前記高分子マトリクスが、シリコーンである上記[5]に記載のFPGAアレイ。
[7]前記ダイヤモンド組成物が、さらに硬化触媒を含有する上記[6]に記載のFPGAアレイ。
[8]前記FPGAアレイが、FPGAと、アンテナを備える上記[1]〜[7]のいずれか1項に記載のFPGAアレイ。
[9]前記ダイヤモンド粒子が前記FPGAで発生した熱を伝熱させ、かつ放熱するように配置される上記[8]に記載のFPGAアレイ。
[10]前記ダイヤモンド粒子を含有するダイヤモンド粒子層を備え、前記ダイヤモンド粒子層が、前記FPGAの上に配置される上記[8]又は[9]に記載のFPGAアレイ。
[11]一方の面側に前記FPGAが取り付けられる基板と、
前記基板の他方の面側の前記FPGAに対応する位置に配置され、かつ、前記ダイヤモンド粒子を含有するダイヤモンド粒子層とをさらに備え、
前記基板の前記FPGAが設けられた位置に前記基板を貫通するようにビアが設けられる上記[8]〜[10]のいずれか1項に記載のFPGAアレイ。
[FPGAアレイ]
本発明のFPGAアレイは、FPGAと、アンテナとを有する。FPGAとは、field−programmable gate arrayの略称であり、製造後に購入者や設計者が構成を設定できる集積回路であり、PLD(programmable logic Device)の一種である。FPGAは、現場でプログラム可能なゲートアレイであることからこのように呼ばれている。アンテナは、外部と無線通信を行い、FPGAは、アンテナにより受信した、又はアンテナから送信するための信号を処理する。
また、FPGAアレイにおいて送受信される電波は、水分により進行が妨げられるが、本発明では、熱伝導性フィラーとして吸水性の低いダイヤモンド粒子が使用されることで、水分により上記電波の進行が妨げられにくくなる。特に、5G通信で用いられるような3.5GHz以上の高い周波数帯の電波は、水分により上記電波の進行が妨げられやすいため、5G通信で使用するようなFPGAアレイにおいてダイヤモンド粒子を用いることで、5G通信が安定する。
さらに、ダイヤモンド粒子は、体積抵抗率が高いので、ダイヤモンド粒子の存在により短絡が生じたりすることも防止できる。
(第1の実施形態)
図1は、FPGAアレイの第1の実施形態を示す模式的な平面図である。FPGAアレイ10は、図1に示すように、FPGA11と、アンテナ12とを備える。また、FPGAアレイ10は、FPGA11、アンテナ12以外にも様々なデバイスを有し、例えば、コンバータ13、アンテナインターフェース14などを備える。
ダイヤモンド粒子層21は、予めシート状に成形されたものをFPGA11上に配置することで形成させてもよいし、後述するダイヤモンド組成物をFPGA11上に塗布などすることにより形成させてもよい。また、ダイヤモンド粒子層21は、ダイヤモンド組成物が熱硬化性などの硬化性を有する場合には、硬化させてからFPGA11上に配置させてよいし、FPGA11上に配置してから硬化させてもよい。
図3は、本発明の第2の実施形態に係るFPGAアレイを示す。第1の実施形態において、ダイヤモンド粒子層は、FPGAが設けられる基板の表面(一方の面)側に配置されるが、本実施形態では、他方の面(裏面)側に配置される。以下、第2の実施形態について第1の実施形態との相違点を説明する。
また、ダイヤモンド粒子層は、基板の表面側、又は基板の裏面側の一方に配置される構成を示したが、基板の表面側及び基板の裏面側の両方に配置されてもよい。
勿論、放熱対象のデバイスは、2つ以上であってもよく、例えば、FPGA11と、コンバータ13などの他のデバイスで発生した熱を放熱させる構成を有してもよい。この場合、ダイヤモンド粒子層21は、1つ設けられ、1つのダイヤモンド粒子層21でFPGA11及び他のデバイスで発生した熱を放熱させる構成を有してもよい。
例えば、ダイヤモンド粒子層21が、表面20A上に設けられる場合には、ダイヤモンド粒子層21は、2つのデバイス(FPGAと他のデバイス)の両方に跨るように設けられるとよい。このような構成でも、ダイヤモンド粒子層21は、一定の柔軟性を有するので、デバイスとスプレッダ23の間を隙間なく埋めることが可能になる。
また、ダイヤモンド粒子層が2つ以上設けられ、各ダイヤモンド粒子層が、各デバイスで発生した熱を放熱させる構成を有してもよい。
次に、本発明のFPGAアレイに含まれるダイヤモンド粒子について、ダイヤモンド粒子層として使用される場合を例に説明する。ダイヤモンド粒子層は、高分子マトリクスと、ダイヤモンドとを含有するダイヤモンド組成物から形成される。
傾き(ΔW/ΔD)は、例えば、ダイヤモンドの形状、大きさ、配合量、表面処理方法などを適宜変更し、また、後述するようにダイヤモンド以外の熱伝導性フィラーを配合し、その熱伝導性フィラーの形状、大きさ、配合量、表面処理方法などを適宜変更することで、上記した所望の範囲内に調整できる。
本発明における高分子マトリクスは、樹脂、液状高分子成分などが挙げられる。
樹脂としては、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂等の硬化性樹脂が挙げられる。硬化性樹脂は、湿気硬化型、熱硬化型、光硬化型のいずれでもよいが、熱硬化型が好ましい。
また、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリ(1−)ブテン樹脂、及びポリペンテン樹脂等のポリオレフィン樹脂、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステル樹脂、ポリスチレン樹脂、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン(ABS)樹脂、エチレン酢酸ビニル共重合体(EVA)、(メタ)アクリル系樹脂、ポリアミド樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂(PVC)等の熱可塑性樹脂などでもよい。
また、エラストマー樹脂としては、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、スチレン系熱可塑性エラストマーなどの熱可塑性エラストマーも使用できる。
液状高分子成分は、配合時に室温かつ常圧下に液状であり、かつ使用時においても液状ないしゲル状の成分である。すなわち、液状高分子成分は、硬化剤などにより硬化されず、また、硬化されても硬化後も液状ないしゲル状となるものである。したがって、液状高分子成分を単独で、又は比較的高い配合割合で使用すると、ダイヤモンド組成物から形成されるダイヤモンド粒子層をペースト状にできる。
主剤として使用されるシリコーン化合物は、25℃における粘度が、好ましくは5mPa・s以上1000mPa・s以下、より好ましくは30mPa・s以上700mPa・s以下、さらに好ましくは150mPa・s以上600mPa・s以下である。
なお、本明細書において粘度は、粘度計(BROOKFIELD回転粘度計DV−E)でスピンドルNo.14の回転子を用い、回転速度5rpm、測定温度25℃で測定するとよい。
硬化剤の25℃における粘度は、好ましくは5mPa・s以上1000mPa・s以下、より好ましくは30mPa・s以上700mPa・s以下、さらに好ましくは150mPa・s以上600mPa・s以下である。
上記した主剤や硬化剤の粘度範囲を上記範囲内とすると、ダイヤモンド組成物を例えばペースト状で一定の形状に保つことができるため、FPGAや基板の上などに容易に配置できるようになる。また、ダイヤモンドなどの絶縁性熱伝導性フィラーを適切に分散させたうえで多量に配合しやすくなる。
また、エポキシ樹脂としては、エポキシ化合物単独で使用されてもよいが、一般的には、上記エポキシ化合物を主剤とし、さらに硬化剤が加えられたものが使用される。硬化剤としては、重付加型又は触媒型のものが用いられる。重付加型の硬化剤としては、例えば、ポリアミン系硬化剤、酸無水物系硬化剤、ポリフェノール系硬化剤、ポリメルカプタン、ジシアンジアミド等が挙げられる。また、上記触媒型の硬化剤としては、例えば、3級アミン、イミダゾール類、ルイス酸錯体等が例示される。これは1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
なお、2液硬化型の場合、ダイヤモンド粒子は、1液及び2液の一方に配合されていてもよいし、両方に配合されていてもよい。後述するその他の熱伝導性フィラーも同様である。
本発明で使用されるダイヤモンド粒子は、その球形度が例えば0.5以上、好ましくは0.55以上、さらに好ましくは0.6以上である。球形度は1に近いほど球形に近いことを示す指標となるものであり、球形度を高くすることで、ダイヤモンド粒子を高分子マトリクスに分散させやすくなり、さらに充填率も高めやすくなる。球形度の上限は、特に限定されず、1である。
なお、各フィラーの球形度は、各フィラーの電子顕微鏡写真を確認し、得られた像における粒子300個について、(粒子の投影面積に等しい円の直径/粒子の投影像に外接する最小円の直径)を算出し、その平均値により求めることができる。
なお、平均粒子径は、体積基準での粒子径を平均した平均粒子径であり、例えば、堀場製作所社製「レーザー回折式粒度分布測定装置」を用いて測定することができる。平均粒子径の算出方法については、累積体積が50%であるときの粒子径(d50)を平均粒子径とすればよい。
ダイヤモンド粒子は、その材料特性から吸水率が低くなるが、粒径を大きくするなどして単位質量あたりの表面積を小さくすると低くなりやすくなる。
なお、吸水率は、フィラーを温度85℃、相対湿度85%の環境試験機に投入し48時間放置し、放置後の重量変化率(質量%)を測定して求めることができる。
なお、ダイヤモンド組成物は、ダイヤモンド粒子の粒度分布において、ピークが2つ以上現れることで平均粒子径が異なる2種類以上のダイヤモンドを有すると判断できる。
このように、大粒径ダイヤモンドと、小粒径ダイヤモンドの両方を使用することで、高分子マトリクスにダイヤモンド粒子を適切に分散させつつ、ダイヤモンドの充填率を高めて、熱抵抗値、及び傾き(ΔW/ΔD)を低くしやすくなる。
大粒径ダイヤモンドは、その平均粒子径が15μm以上200μm以下であることより好ましく、18μm以上150μm以下であることがさらに好ましい。
大粒径ダイヤモンドの形状は、いかなるものでもよいが、上記した破砕状、多角形状、又は球状が好ましい。
ここで、第1の大粒径ダイヤモンドは、平均粒子径が12μm以上35μm以下であることが好ましく、14μm以上30μm以下であることがより好ましい。一方で、第2の大粒径ダイヤモンドは、平均粒子径が40μm以上150μm以下であることがより好ましく、40μm以上125μm以下であることがより好ましい。
勿論、大粒径ダイヤモンドとして、第1及び第2の大粒径ダイヤモンドのいずれか一方のみが使用されてもよい。
この場合、第1の小粒径ダイヤモンドは、平均粒子径が0.5μm以上2μm以下であることが好ましい。一方で、第2の小粒径ダイヤモンドは、平均粒子径が3μm以上7μm以下であることが好ましい。
小粒径ダイヤモンドとして、第1及び第2の小粒径ダイヤモンドを併用とすると、ダイヤモンド粒子の充填率をより高めやすくなる。
勿論、小粒径ダイヤモンドとして、第1及び第2の小粒径ダイヤモンドのいずれか一方のみが使用されてもよい。
同様に、ダイヤモンド粒子は、大粒径ダイヤモンドのみであってもよく、その場合には、大粒径ダイヤモンド粒子は、上記のように、第1及び第2の大粒径ダイヤモンド粒子を含有するとよい。
一方で、ダイヤモンド粒子を、後述するダイヤモンド粒子以外の熱伝導性フィラーと併用する場合、ダイヤモンド粒子の充填率はそれほど高くする必要はない。したがって、そのような場合、ダイヤモンド粒子の充填率は、30体積%以上80体積%以下が好ましく、35体積%以上75体積%以下がより好ましい。
なお、本明細書において「充填率」とは、ダイヤモンド組成物(すなわち、ダイヤモンド粒子層)の全体積に対する、体積%を意味し、例えば、ダイヤモンド粒子の充填率は、ダイヤモンド組成物(すなわち、ダイヤモンド粒子層)の全体積に対する、ダイヤモンド粒子が占める体積%を意味する。各成分の体積は、各成分の重量と、比重により算出可能である。
合成されたダイヤモンド粒子は、必要に応じて、酸洗浄、または、水素ガスを使用した還元処理などが行われる。ダイヤモンド粒子は、酸洗浄し、その後未処理とすると、ダイヤモンド粒子表面に水酸基などの官能基が僅かに存在する。水酸基などの官能基が表面に存在するダイヤモンド粒子は、後述するシラン化合物などの表面処理剤により表面処理されると、その表面処理剤がダイヤモンド粒子に結合ないし付着しやすくなる。
本発明で使用するダイヤモンド粒子は、表面処理がされることが好ましい。ダイヤモンド粒子は、表面処理がされることで、高分子マトリクスになじみやすくなり、高分子マトリクス中に大量のダイヤモンド粒子を均一に分散させやすくなる。また、ダイヤモンド組成物にシラン化合物などのダイヤモンド粒子を分散させるための化合物を配合する必要がないので、ダイヤモンド組成物の粘度、チキソ性、濡れ性、熱伝導率などの低下を抑えつつ、ダイヤモンド粒子を分散させることが可能になる。
ダイヤモンド粒子は、シラン化合物、有機チタン化合物、有機アルミニウム化合物、リン酸化合物などの表面処理剤などで表面処理され、好ましくはシラン化合物により表面処理される。
表面処理剤のダイヤモンド粒子への付着量は、ダイヤモンド粒子に対して、例えば、0.01質量%以上3質量%以下、好ましくは0.02質量%以上2.5質量%以下である。
エポキシ基を有するアルコキシシランとしては、2−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、3−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン等が挙げられる。
(メタ)アクリロイル基を有するアルコキシシランとしては、3−(メタ)アクリロキシプロピルメチルジメトキシシラン、3−(メタ)アクリロキシプロピルトリメトキシシラン、3−(メタ)アクリロキシプロピルメチルジエトキシシラン、3−(メタ)アクリロキシプロピルトリエトキシシラン等が挙げられる。
アミノ基を有するシラン化合物としては、N−2(アミノエチル)3−アミノプロピルメチルジメトキシシラン、N−2(アミノエチル)3−アミノプロピルトリメトキシシラン、N−2(アミノエチル)3−アミノプロピルトリエトキシシラン、3−アミノプロピルトリメトキシシラン、3−アミノプロピルトリエトキシシラン、N−フェニル−3−アミノプロピルトリメトキシシラン等のアルコキシシランが挙げられる。
ビニル基を有するシラン化合物としては、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン等が挙げられる。
メルカプト基を有するアルコキシシランとしては、3−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、3−メルカプトプロピルメチルジメトキシシラン等が挙げられる。
ウレイド基を有するアルコキシシランとしては、3−ウレイドプロピルトリメトキシシランが挙げられる。
イソシアネート基を有するアルコキシシランとしては、3−イソシアネートプロピルトリエトキシシランなどが挙げられる。
アルキルトリアルコキシシランとしては、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、n−プロピルトリメトキシシラン、n−プロピルトリエトキシシラン、n−ヘキシルトリメトキシシラン、n−ヘキシルトリエトキシシラン、n−オクチルトリエトキシシラン、n−デシルトリメトキシシランなど、アルキル基の炭素数が1〜10程度のアルキルトリアルコキシシランが挙げられる。また、アリールトリメトキシシランとしては、フェニルトリメトキシシラン、ベンジルトリメトキシシラン、トリルトリメトキシシランなどのアリール基の炭素数が6〜10程度のアリールトリアルコキシシランが挙げられる。また、ジアルコキシシランとしては、ジメチルジメトキシシラン、ジメチルジエトキシシランなどが挙げられる。
高分子シラン化合物は、例えば、反応性基を有するアルコキシシランと、ポリオルガノシロキサンとを混合して、白金系触媒、パラジウム系触媒、ロジウム系触媒などの触媒存在下加熱などすることで反応させて得るとよい。
反応性基を有するアルコキシシランとしては、上記で列挙したものが使用できるが、上記したもののうち、トリアルコキシシランを使用することが好ましい。反応性基を有するアルコキシシランとしては、(メタ)アクリロイル基又はビニル基を有するシラン化合物が好ましく、(メタ)アクリロイル基を有するトリアルコキシシランがより好ましい。(メタ)アクリロイル基又はビニル基を有するシラン化合物を使用すると、後述するヒドロシリル基(SiH)を有するオルガノポリシロキサンと容易に反応するので、簡単な方法で高分子シラン化合物を得ることができる。
官能基を有するポリオルガノシロキサンは、ヒドロシリル基(SiH)を有するオルガノポリシロキサンが好ましい。ヒドロシリル基(SiH)を有するオルガノポリシロキサンとしては、メチルヒドロシロキサン−ジメチルシロキサンコポリマー、メチルヒドロシロキサン−フェニルメチルシロキサンコポリマーなどが挙げられる。これらは、末端にヒドロシリル基を含有していてもよいが、含有していなくてもよい。
官能基を有するポリオルガノシロキサンの重量平均分子量は、好ましくは800〜5000、より好ましくは1500〜4000である。なお、重量平均分子量は、GPCにより測定してポリスチレン換算の値である。
湿式処理法では、例えば、シラン化合物を分散又は溶解した溶液中に、ダイヤモンド粒子を加えて混合し、その後、加熱処理することで、ダイヤモンド粒子の表面にシラン化合物を結合ないし付着させるとよい。
乾式処理法は、溶液を使用せずに表面処理する方法であり、具体的には、ダイヤモンド粒子にシラン化合物を混合しミキサー等で攪拌し、その後、加熱処理することで、ダイヤモンド粒子の表面にシラン化合物を結合ないし付着させる方法である。
本発明のダイヤモンド組成物は、熱伝導性フィラーとして、ダイヤモンド粒子以外の熱伝導性フィラー(以下、「その他の熱伝導性フィラー」ともいう)をさらに含有してもよい。その他の熱伝導性フィラーを含有すると、フィラー全体としての吸水率が高くなるが、熱伝導性フィラー全体の充填率を向上させて、傾き(ΔW/ΔD)を低くして、放熱性を向上させやすくなる。
その他の熱伝導性フィラーとしては、絶縁性の観点から電気伝導率の低い材料が使用され、例えば、炭化物、窒化物、酸化物、水酸化物、ダイヤモンド以外の炭素系材料などが挙げられる。
炭化物としては、例えば、炭化ケイ素、炭化ホウ素、炭化アルミニウム、炭化チタン、炭化タングステンなどが挙げられる。窒化物としては、例えば、窒化ケイ素、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、窒化ガリウム、窒化クロム、窒化タングステン、窒化マグネシウム、窒化モリブデン、窒化リチウムなどが挙げられる。酸化物としては、例えば、酸化鉄、酸化ケイ素(シリカ)、アルミナ、ベーマイトなどの酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化チタン、酸化セリウム、酸化ジルコニウムなどが挙げられる。水酸化物としては、例えば、水酸化アルミニウム、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウムなどが挙げられる。炭素系材料としては、例えば、カーボンブラック、黒鉛、グラフェン、フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーなどが挙げられる。また、ケイ酸塩鉱物であるタルクなども使用できる。
これらその他の熱伝導性フィラーは、単独で使用してもよいが、2種類以上併用してもよい。
その他の熱伝導性フィラーの熱伝導率は、熱伝導性を向上させる観点から、好ましくは8W/m・K以上であり、より好ましくは20W/m・K以上である。
その他の熱伝導性フィラーの吸水率は、フィラーの種類を適宜選択することが調整できる。また、同じ種類のフィラーであっても、粒径を大きくするなどして単位質量あたりの表面積を小さくすると、吸水率は低くなりやすくなる。
また、その他の熱伝導性フィラーとしては、上記した中でも、吸水性の観点からは、酸化アルミニウム好ましい。
その他の熱伝導性フィラーは、シラン化合物、有機チタン化合物、有機アルミニウム化合物、リン酸化合物などの表面処理剤で表面処理され、好ましくはシラン化合物により表面処理される。なお、表面処理の詳細及び処理方法は、ダイヤモンド粒子に対して行われる表面処理と同様であるからその説明は省略する。
なお、その他の熱伝導性フィラーは、2種類以上使用する場合、全てのフィラーが表面処理されていてもよいし、一部のみが表面処理されていてもよい。
その他の熱伝導性フィラーは、表面処理がされる場合、ダイヤモンド粒子と混合されて、ダイヤモンド粒子と同時に表面処理されることが好ましいが、タイヤモンド粒子とは別に表面処理されてもよい。
また、本発明では、その他の熱伝導性フィラーに加えて、上記したようにダイヤモンド粒子の球形度も高くすることで、ダイヤモンド粒子及びその他の熱伝導性フィラーの合計充填量を高めやすくなる。
また、その他の熱伝導性フィラーの充填率は、好ましくは10体積%以上、より好ましくは20体積%以上である。これら下限値以上とすると、その他の熱伝導性フィラーを配合した効果を発揮させやすくなる。また、吸水率の観点からは、その他の熱伝導性フィラーの充填率は、0質量%でもよい。
また、その他の熱伝導性フィラーの充填率は、絶縁性及び放熱性の観点から、ダイヤモンド粒子の充填率に対して、0.1以上5以下が好ましく、0.2以上4以下がより好ましく、絶縁性をさらに高める観点から0.3以上2以下がさらに好ましい。また、吸水性の観点からは、その他の熱伝導性フィラーの充填率は少なければ少ないほどよく、ダイヤモンド粒子の充填率に対して、1以下がよりさらに好ましく、0.5以下が特に好ましい。
なお、上記したとおり、吸水性の観点などから、その他の熱伝導性フィラーを使用しなくてもよく、すなわち、その他の熱伝導性フィラーの充填率は、ダイヤモンド粒子の充填率に対して0であってもよい。
小粒径熱伝導性フィラーは、1種を単独で使用してもよいが、互いに平均粒子径が異なる2種以上を併用してもよい。例えば、平均粒子径が0.1μm以上2.5μm未満の小粒径熱伝導性フィラー(以下、「第1の小粒径熱伝導性フィラー」ともいう)と、平均粒子径が2.5μm以上10μm未満の小粒径熱伝導性フィラー(以下、「第2の小粒径熱伝導性フィラー」ともいう)が併用されてもよい。
この場合、第1の小粒径熱伝導性フィラーは、平均粒子径が0.3μm以上2μm以下であることが好ましい。一方で、第2の小粒径熱伝導性フィラーは、平均粒子径が3μm以上7μm以下であることが好ましい。
小粒径熱伝導性フィラーとして、第1及び第2の小粒径熱伝導性フィラーを併用とすると、小粒径熱伝導性フィラーの充填率をより高めやすくなる。
勿論、小粒径熱伝導性フィラーとして、第1及び第2の小粒径熱伝導性フィラーのいずれか一方のみが使用されてもよい。
したがって、ダイヤモンド粒子が大粒径ダイヤモンドを含有しない場合や、含有しても少ない場合には、その他の熱伝導性フィラーとして少なくとも大粒径熱伝導性フィラーを配合すればよい。
同様に、ダイヤモンド粒子が小粒径ダイヤモンドを含有しない場合や、含有しても少ない場合には、熱伝導性フィラーとして少なくとも小粒径のその他の熱伝導性フィラーを配合すればよい。
また、ダイヤモンド粒子が、大粒径ダイヤモンドと、小粒径ダイヤモンドの両方をそれぞれ適度な量含有する場合には、熱伝導性フィラーも、小粒径熱伝導性フィラー及び大粒径熱伝導性フィラーの両方をそれぞれ適度に配合するとよい。
熱伝導性フィラー全体における体積比(大粒径/小粒径)を上記範囲内にすると、熱伝導性フィラーの含有量を大量にしても熱伝導性フィラーを高分子マトリクスに均一に分散させることが可能である。また、ダイヤモンド組成物の熱抵抗値を低くし、さらには、傾き(ΔW/ΔD)も低くできる。
なお、熱伝導性フィラー全体の吸水率は、ダイヤモンド組成物に含まれるフィラー全部を上記したとおりに環境試験機に投入して測定するとよい。
本発明のダイヤモンド組成物は、分散剤を含有してもよい。分散剤を含有することで、ダイヤモンド粒子などの熱導電性フィラーをダイヤモンド組成物に分散させやすくなり、ダイヤモンド粒子などを大量にダイヤモンド組成物に配合できる。
分散剤としては、例えば高分子系分散剤が使用できる。使用される高分子系分散剤としては、官能基を有する高分子化合物が挙げられる。高分子化合物としては、例えば、アクリル系、ビニル系、ポリエステル系、ポリウレタン系、ポリエーテル系、エポキシ系、ポリスチレン系、アミノ系等が挙げられる。また、官能基としては、カルボキシル基、リン酸基、スルホン酸基、カルボン酸エステル基、リン酸エステル基、スルホン酸エステル基、ヒドロキシル基、アミノ基、四級アンモニウム塩基、アミド基等が挙げられ、リン酸エステル基が好ましい。分散剤は、高分子マトリクスが例えばエポキシ樹脂を含むときに使用されることが好ましい。
分散剤の含有量は、ダイヤモンド組成物全量基準で、0.1質量%以上5質量%以下が好ましく、0.4質量%以上2.5質量%以上がより好ましい。含有量をこれら下限値以上とすると、ダイヤモンド粒子などの熱伝導性フィラーをダイヤモンド組成物に適切に分散させやすくなる。また、上限値以下とすることで、含有量に見合った分散性を付与できる。
本発明のダイヤモンド組成物は、必要に応じて、酸化防止剤、熱安定剤、着色剤、難燃剤、帯電防止剤等の放熱層に一般的に使用する添加剤を含有してもよい。また、ダイヤモンド組成物に、熱硬化性樹脂を使用する場合には、反応遅延剤を含有させてもよい。
本発明のダイヤモンド組成物は、高分子マトリクス及びダイヤモンド粒子、さらには、必要に応じて配合されるその他の熱伝導性フィラー、分散剤などの添加剤などを混合して調製するとよい。これら成分を混合する方法は、特に限定されないが、例えば、高分子マトリクスに、ダイヤモンド粒子、さらには、必要に応じて配合されるその他の熱伝導性フィラー、添加剤など添加し、その後攪拌ないし混練などすることで調整するとよい。また、2液硬化型の熱硬化性樹脂の場合には、上記したように、予め用意した1液と、2液とを混合することで調製するとよい。1液、2液それぞれを用意する際も同様に各種成分を混合して調製するとよい。
ここで、各成分を混合するときのダイヤモンド組成物の温度は、特に限定されないが、ダイヤモンド粒子や熱伝導性フィラーが分散剤により分散され、かつ高分子マトリクスがエポキシ樹脂である場合には、例えば、20℃以上150℃以下であればよい。各成分を混合するときのダイヤモンド組成物の温度が150℃以下であると、分散剤により分散された各種フィラーの分散性が維持される。また、同様の理由で、ダイヤモンド粒子や熱伝導性フィラーが分散剤により分散され、かつ高分子マトリクスがエポキシ樹脂である場合には、後述するようにダイヤモンド組成物を所定の形状にし、その後硬化するときのダイヤモンド組成物の温度も150℃以下にするとよい。
本発明のダイヤモンド組成物は、例えば、高分子マトリクスが硬化性樹脂を含む場合には、所定の形状にした後、適宜加熱などして硬化させることで所定の形状に成形されたダイヤモンド粒子層にすることができる。ダイヤモンド組成物をダイヤモンド粒子層にする方法としては、特に限定されず、塗布、キャスティング、ポッティング、押出成形などにより、薄膜状、シート状などにするとよい。
[傾き(ΔW/ΔD)]
各実施例、比較例で得られたダイヤモンド組成物を直ちに測定装置の測定部分上に厚み500μm(D2)となるように塗布して、そのときのダイヤモンド組成物の熱抵抗値(W2)を、メンターグラフィックス社製の装置「DynTIM」を用いてASTM D5470に準拠して測定した。その後、ダイヤモンド組成物の厚みを調整して厚み300μm(D1)のときの熱抵抗値(W1)を同様に測定した。得られた熱抵抗値を用いて、式:ΔW(単位:K・cm2/W)/ΔD(単位:mm)=(W2−W1)/(D2−D1)より傾き(ΔW/ΔD、単位:K・cm2/W・mm)を算出した。
(体積抵抗値)
各実施例、比較例のダイヤモンド組成物を平板試料用電極 SME−8310(日置電機社製)により体積抵抗値を測定して、以下の基準により評価した。
○:1.0×1013(Ω・cm)以上
×:1.0×1013(Ω・cm)未満
(絶縁破壊電圧強度)
各実施例、比較例のダイヤモンド組成物を耐電圧試験機(ETECH Electronics社製「MODEL7473」)を用いて、テストサンプル間に0.33kV/秒の速度で電圧が上昇するように、温度25℃にて交流電圧を印加した。テストサンプルに10mAの電流が流れた電圧を絶縁破壊電圧とした。絶縁破壊電圧をテストサンプルの厚みで除算することで規格化し、絶縁破壊強度を算出した。絶縁破壊強度を以下の基準で評価した。
◎:20kV/mm以上
○:10kV/mm以上20kV/mm未満
△:5kV/mm以上10kV/mm未満
×:5kV/mm未満
明細書記載の方法に従って、ダイヤモンド組成物に配合される熱伝導性フィラー全体の吸水率を求めた。
基板上にFPGA及びアンテナが1cm離れた形で搭載されたテストサーキット基板を電源に接続し、実施例、比較例で作製したダイヤモンド組成物をFPGA上に2mmの厚みで塗布した上でアルミ製ヒートシンクを接続した。一方で温度85℃、相対湿度85%の環境試験機に投入し120時間放置した、ダイヤモンド組成物を同様に配置したテストサーキット基板を用意した。これらを用いてアンテナより20GHzの信号を発信した際における信号強度を、キーサイト社製スペクトルアナライザ(N9344C)を用いて測定を行い、環境試験機に投入の有無による強度変化を以下の基準で評価した。
◎:1%未満
○:1%以上5%未満
△:5%以上10%未満
×:10%以上
<ダイヤモンド粒子>
ダイヤ1:第2の小粒径ダイヤモンド、未処理、トーメイダイヤ社製、商品名CMM4−8、平均粒子径4μm、球形度0.6、破砕品、吸水率0.07質量%
ダイヤ2:第1の小粒径ダイヤモンド、未処理、トーメイダイヤ社製、商品名MD−1000、平均粒子径1μm、球形度0.6、破砕品、吸水率0.11質量%
ダイヤ3:第2の大粒径ダイヤモンド、未処理、平均粒子径50μm、サンゴバン社製MBグレード 球形度0.6、破砕品、吸水率0.01質量%
ダイヤ4:第1の大粒径ダイヤモンド、未処理、トーメイダイヤ社製、商品名CMM20−40、平均粒子径20μm、球形度0.6、破砕品、吸水率0.03質量%
(アルミナ)
アルミナ1:第2の小粒径熱伝導性フィラー、マイクロン社製、商品名「AL3」、平均粒子径4μm、球形度1、球形フィラー、吸水率0.79質量%
アルミナ2:第1の小粒径熱伝導性フィラー、株式会社アドマテックス製、商品名「AO502」、平均粒子径0.5μm、球形度1、球形フィラー、吸水率1.67質量%
アルミナ3:大粒径熱伝導性フィラー、マイクロン社製、商品名「AL35」、平均粒子径35μm、球形度1、球形フィラー、吸水率0.35質量%
(酸化マグネシウム)
MgO1:第2の小粒径熱伝導性フィラー、協和化学工業株式会社製、商品名「パイロキスマ5301」、平均粒子径2μm、球形度0.6、粉砕品、吸水率9.01質量%
MgO2:大粒径熱伝導性フィラー、宇部マテリアルズ株式会社製、商品名RF−98、平均粒子径50μm、球形度:0.6、粉砕品、吸水率5.03質量%
(表面処理剤1)
3−アクリロキシプロピルトリメトキシシラン(信越化学工業株式会社製、商品名「KBM5103」)1gと、両末端トリメチルシリル基封鎖メチルヒドロシロキサン−ジメチルシロキサンコポリマー(商品名「HMS031」、Gelest社製、重量平均分子量:1900〜2000)8gと白金触媒0.01gとを混合した。その混合物を150℃のオーブンで2時間加熱して表面処理剤1を得た。
(表面処理)
まず、表面処理剤1を溶媒としてのエタノールで濃度1質量%に希釈した表面処理液を作製した。次に、その表面処理液に、ダイヤモンド1を7.5質量部、ダイヤモンド2を2.5質量部、ダイヤモンド3を4.2質量部、ダイヤモンド4を3.5質量部となるように混合したフィラー混合物を加えた。その後、フィラーが配合された表面処理液を30分間、30℃で攪拌した後、70℃で、12時間加熱して、溶媒を除去して、表面処理剤1により表面処理されたダイヤモンド1〜4の混合物を得た。ダイヤモンド1〜4の混合物に対する、表面処理剤の付着量は、表1に示すとおりであった。
高分子マトリクスとして、付加反応型シリコーン樹脂の主剤を構成するビニル両末端オルガノポリシロキサン(25℃での粘度が300mPa・s)1.5質量部に対して、表面処理されたダイヤモンド1〜4を表1に示す配合部数で加え、さらに反応遅延剤0.015質量部、白金触媒を触媒量添加して、ダイヤモンド組成物の1液を調製した。
また、付加反応型シリコーン樹脂の硬化剤を構成するオルガノハイドロジェンポリシロキサン(25℃での粘度が400mPa・s)1.5質量部に対して、表面処理されたダイヤモンド1〜4を表1に示す配合部数で加え、ダイヤモンド組成物の2液を調製した。
1液と、2液を質量比(1液/2液)1:1で混合して、ダイヤモンド組成物を作製し、評価した。その結果を表1に示す。
表面処理液で処理する熱伝導性フィラーを表1の通りに変更し、表面処理された熱伝導性フィラーの配合部数を表1に示すとおりに調整して、ダイヤモンド組成物の1液及び2液を作製した以外は、実施例1と同様に実施した。
高分子マトリクスとして、ジメチルポリシロキサン(シリコーンオイル、商品名「SH200CV」、東レ・ダウコーニング株式会社製、粘度:110cS)1.4質量部に対して、表1で示されている配合部数で、実施例1と同様に表面処理された熱伝導性フィラーを加えた。遊星式攪拌機を用いて25℃、500rpmで25分間攪拌することにより、ダイヤモンド組成物を得た。
ダイヤモンド粒子を使用せずに、ダイヤモンド組成物の配合を表1に示すとおりに変更した以外は、実施例1と同様に実施した。
それに対して、熱伝導性フィラーとしてダイヤモンド粒子を使用しない比較例では、熱伝導性を十分に良好にすることができなかった。また、熱伝導性フィラーの吸水率が高くなり、電波の進行が放熱層の水分により阻害されやすくなり、電磁波特性評価における信号強度の低下が大きくなった。特に、3.5GHz以上の電波の進行はより水分に影響を受けやすいため、5G通信のスモールセルに使用すると信号を送受信しにくくなると考えられる。
11 FPGA
12 アンテナ
13 コンバータ
14 アンテナインターフェース
20 基板
20A 表面
20B 裏面
21 ダイヤモンド粒子層
22 筐体
23 第1のスプレッダ
24 第2のスプレッダ
Claims (11)
- ダイヤモンド粒子を含有するFPGAアレイ。
- ダイヤモンド粒子の粒子径が0.1μm以上250μm以下である請求項1に記載のFPGAアレイ。
- 前記ダイヤモンド粒子を含有するダイヤモンド粒子層を備える請求項1又は2に記載のFPGAアレイ。
- 前記ダイヤモンド粒子層におけるダイヤモンド粒子の充填率が30体積%以上90体積%以下である請求項3に記載のFPGAアレイ。
- 前記ダイヤモンド粒子層が、前記ダイヤモンド粒子と、高分子マトリクスとを含有するダイヤモンド組成物から形成される、請求項3又は4に記載のFPGAアレイ。
- 前記高分子マトリクスが、シリコーンである、請求項5に記載のFPGAアレイ。
- 前記ダイヤモンド組成物が、さらに硬化触媒を含有する請求項6に記載のFPGAアレイ。
- 前記FPGAアレイが、FPGAと、アンテナを備える請求項1〜7のいずれか1項に記載のFPGAアレイ。
- 前記ダイヤモンド粒子が前記FPGAで発生した熱を伝熱させ、かつ放熱するように配置される請求項8に記載のFPGAアレイ。
- 前記ダイヤモンド粒子を含有するダイヤモンド粒子層を備え、前記ダイヤモンド粒子層が、前記FPGAの上に配置される請求項8又は9に記載のFPGAアレイ。
- 一方の面側に前記FPGAが取り付けられる基板と、
前記基板の他方の面側の前記FPGAに対応する位置に配置され、かつ、前記ダイヤモンド粒子を含有するダイヤモンド粒子層とをさらに備え、
前記基板の前記FPGAが設けられた位置に前記基板を貫通するようにビアが設けられる請求項8〜10のいずれか1項に記載のFPGAアレイ。
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CN112072301A (zh) * | 2020-08-10 | 2020-12-11 | 超讯通信股份有限公司 | 双极化低剖面宽带5g基站天线 |
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