JP2021031601A - 熱伝導性樹脂及び放熱構造体 - Google Patents
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Abstract
Description
この組成物は、シリコーン樹脂に熱伝導性フィラーとしての球状アルミナ粒子が含まれている組成物であり、半導体素子と放熱材料(ヒートシンク)の間の間隙を埋めるように使用される。
アルミナ繊維を使用する場合、繊維同士の接触確率がアルミナ粒子を使用する場合と比べて高く、熱が樹脂部分ではなく繊維部分を伝わっていくため、効果的な伝熱パスが形成される。そのため、高い熱伝導率を有する熱伝導性樹脂とすることができる。
また、アルミナ繊維自体が、アルミナ含有量85重量%以上でα−アルミナ率が50重量%以上のアルミナ繊維となっている。シリカ分の多いムライト組成のアルミナ繊維等と比べて熱伝導率の高い組成の繊維であるので、アルミナ繊維の組成の観点からも高い熱伝導率を有する熱伝導性樹脂とすることができる。
アルミナ繊維の含有割合を20重量%以上とすることにより、熱伝導性フィラーとしてアルミナ繊維を配合する効果がより好適に発揮され、より高い熱伝導率を有する熱伝導性樹脂とすることができる。
アルミナ繊維のアスペクト比が上記範囲であると、熱が繊維部分の長い距離を連続して流れ、その間に熱伝導率の低い樹脂部分が介在しないためにより高い熱伝導率を有する熱伝導性樹脂とすることができる。
これらの樹脂は耐熱性が高く、絶縁性にも優れるので好ましい。
当該構造であると、熱源からの熱を熱伝導性樹脂を介して放熱部材に好適に熱伝導させることができる。
以下、本発明の熱伝導性樹脂及び放熱構造体について詳述する。
本発明の熱伝導性樹脂は、樹脂と、上記樹脂中に含まれる、平均繊維径1μm以上であり、アルミナ含有量85重量%以上でα−アルミナ率が50重量%以上であるアルミナ繊維と、からなることを特徴とする。
図1に示す熱伝導性樹脂10は、樹脂20と、樹脂20に含まれるアルミナ繊維30とからなる。
アルミナ繊維30は、樹脂20のマトリックス中に存在している。
これらの中では、エポキシ樹脂又はシリコーン樹脂であることが好ましい。
エポキシ樹脂又はシリコーン樹脂は絶縁性が高いため熱伝導性樹脂を半導体素子等に接触させて使用する場合に絶縁性を確保することができるため好ましい。
アルミナ繊維の平均繊維径は、熱伝導性樹脂の電子顕微鏡写真を倍率1500倍程度で撮影して、得られた写真から10本以上の繊維の径を測定して、その平均値として定める。
アルミナ繊維の平均繊維径が1μm以上であると、アルミナ繊維による伝熱量が多くなり、アルミナ繊維を使用することによる熱伝導性向上効果が好適に発揮される。
アルミナ繊維の平均繊維径は4μm以上であることがより好ましい。
また、アルミナ繊維の平均繊維径は30μm以下であることが好ましい。
このようなアルミナ繊維は、シリカ分の多いムライト組成のアルミナ繊維等と比べて熱伝導率の高い組成の繊維であるので、アルミナ繊維の組成の観点から高い熱伝導率を有する熱伝導性樹脂とすることができる。
まず試料を乳鉢で十分に粉砕し、有機バインダー(Chemplex Industries Inc Spectro Blend 44μm)を加え、よく混合する。その後、加圧することでペレット状に成型する。ペレットのサイズは例えば直径約13mm、厚み約5mmとする。
それを蛍光X線測定装置(株式会社リガク社製ZSX Primus II)により測定する。
本装置のX線管はRhであり、定格最大出力は4kWである。また、分析領域は10mmφである。
<α−アルミナ率の測定方法>
αアルミナ[大明化学工業(株)製 タイミクロン TM−DA]を標準物質として粉末X線回折(XRD)スペクトルを測定し、αアルミナの特徴ピークである2θ=43.0〜43.5°のピーク強度(h0)を測定する。これに対して、測定条件を同一にして測定対象のXRDスペクトルを測定し、2θ=43.0〜43.5°のピーク強度(h)を測定する。標準物質のピーク強度(h0)がαアルミナ100重量%であるとして、h/h0で計算される値をα−アルミナ率とする。
アルミナ繊維の含有割合を20重量%以上とすることにより、熱伝導性フィラーとしてアルミナ繊維を配合する効果がより好適に発揮され、より高い熱伝導率を有する熱伝導性樹脂とすることができる。アルミナ繊維の含有割合が45重量%以上であることがより好ましい。
また、アルミナ繊維の含有割合が90重量%以下であることが好ましく、80重量%以下であることがより好ましい。
アルミナ繊維の割合が2/10未満であると熱伝導性が不足することがあり、樹脂の割合が1/10未満であると成形が困難になることがある。
アルミナ繊維のアスペクト比が上記範囲であると、熱が繊維部分の長い距離を連続して流れ、その間に熱伝導率の低い樹脂部分が介在しないためにより高い熱伝導率を有する熱伝導性樹脂とすることができる。
アルミナ繊維のアスペクト比は(アルミナ繊維の平均繊維長/平均繊維径)で求めることができる。
アルミナ繊維の平均繊維長の測定は、アルミナ繊維の平均繊維径の測定と同様に、熱伝導性樹脂の電子顕微鏡写真を倍率1500倍程度で撮影して、得られた写真から10本以上の繊維長を測定して、その平均値として定めることができる。
アルミナ繊維の平均繊維長は100μm以上であることが好ましく、400μm以上であることがより好ましい。
また、アルミナ繊維の平均繊維長は5000μm以下であることが好ましい。
アルミナ繊維以外の無機繊維としては、シリカ−アルミナ繊維、シリカ繊維、ジルコニア繊維、チタニア繊維、生体溶解性繊維等が挙げられる。
無機フィラーとしては、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、シリカ及びアルミナからなる群から選択された少なくとも1種であることが好ましい。
また、これらの無機粒子は、熱伝導率が高い材料であるので熱伝導性樹脂中に配合することによって熱伝導性樹脂の熱伝導性を高めることができる。
また、これらの無機粒子は、電気伝導性の低い材料であるため、これらの無機粒子を使用することにより熱伝導性樹脂の絶縁性を高めることができる。
アルミナ繊維以外の無機繊維や無機フィラーの割合は、熱伝導性樹脂中において30重量%以下であることが好ましい。
また、1mm以上であることがより好ましく、3mm以下であることがより好ましい。
熱伝導性樹脂に絶縁性が求められる場合はある程度の厚さ(500μm以上)を有することが好ましい。
また、金属材料に比べると熱伝導性樹脂は熱伝導率が低いので、熱伝導性樹脂の厚さが厚すぎる(例えば10mmを超える)と、熱伝導性樹脂を使用することによる全体の熱伝導性の低下が生じることがある。
熱伝導性樹脂の熱伝導率は、レーザーフラッシュ法により測定することできる。
熱伝導性樹脂の形状によって成形方法は任意に設定することができ、プレス成型、ドクターブレード法、押出成形、射出成形、シート成形、フィルム成形等の方法を使用することができる。
また、所定の形状に成形した後に切削、研磨等の機械加工を行って所望の形状にしてもよい。
熱伝導性樹脂を構成する樹脂が熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂といった硬化性の樹脂である場合は、樹脂材料とアルミナ繊維を混合し、成形して得られた樹脂前駆体に対して熱硬化や光硬化の処理を行えばよい。
本発明の放熱構造体は、熱源と、放熱部材と、上記熱源と上記放熱部材との間に配置された本発明の熱伝導性樹脂と、からなることを特徴とする。
図2には、熱源としての半導体素子110と放熱部材としてのヒートシンク200の間に熱伝導性樹脂10が配置された形態の放熱構造体100を示している。
この形態であると、半導体素子110から発生した熱を熱伝導性樹脂10を介してヒートシンク200に熱伝導させることができる。
熱伝導グリスは半導体素子と熱伝導性樹脂の間の空間、及び、熱伝導性樹脂とヒートシンクの間の空間を埋めて接触性を高めて熱伝導性を向上させるために配置されているが、熱伝導性グリスを使用することは必須ではなく、半導体素子110と熱伝導性樹脂10を直接接触させてもよく、熱伝導性樹脂10とヒートシンク200を直接接触させてもよい。
また、放熱部材としては、ヒートシンク、放熱ブロック、放熱フィン、熱拡散シート、ヒートパイプ等を使用することができる。
(実施例1)
樹脂としてビスフェノールA型エポキシ樹脂(jER(登録商標)樹脂828、三菱ケミカル株式会社製)83.3質量部、アミン系硬化剤(jER(登録商標)キュアT、三菱ケミカル株式会社製)16.7重量部の混合物を用いた。
アルミナ繊維として平均繊維径6μm、平均繊維長800μm、アルミナ含有量95重量%、α−アルミナ率82重量%のアルミナ繊維を準備した。
樹脂混合物とアルミナ繊維の重量比が樹脂混合物:アルミナ繊維=5:5となるように樹脂混合物とアルミナ繊維を混合、混練して、熱伝導性樹脂組成物を作製した。
熱伝導性樹脂組成物をプレス成型して厚さ5mmの樹脂シートを作製した。
この樹脂シートを200mm×200mmに加工して、レーザーフラッシュ法熱定数測定装置(アルバック理工株式会社製TC−1200RH)を用いて熱伝導率を測定した。
熱伝導率は10W/m・Kであった。
実施例1において、アルミナ繊維に代えて平均粒子径5μmのアルミナ粒子(デンカ株式会社製)を使用した他は実施例1と同様にして樹脂シートを作製した。
樹脂混合物とアルミナ粒子の重量比は樹脂混合物:アルミナ粒子=5:5とした。
この樹脂シートの熱伝導率を測定したところ0.5W/m・Kであった。
20 樹脂
30 アルミナ繊維
100 放熱構造体
110 半導体素子(熱源)
115 熱伝導グリス
200 ヒートシンク(放熱部材)
Claims (5)
- 樹脂と、
前記樹脂中に含まれる、平均繊維径1μm以上であり、アルミナ含有量85重量%以上でα−アルミナ率が50重量%以上であるアルミナ繊維と、からなることを特徴とする熱伝導性樹脂。 - 前記アルミナ繊維の含有割合が20重量%以上である請求項1に記載の熱伝導性樹脂。
- 前記アルミナ繊維のアスペクト比が、100より大きく1000以下である請求項1又は2に記載の熱伝導性樹脂。
- 前記樹脂がシリコーン樹脂、又はエポキシ樹脂である請求項1〜3のいずれか1項に記載の熱伝導性樹脂。
- 熱源と、放熱部材と、前記熱源と前記放熱部材との間に配置された請求項1〜4のいずれか1項に記載の熱伝導性樹脂と、からなることを特徴とする放熱構造体。
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