JP2021031641A

JP2021031641A - 熱伝導性組成物

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Publication number: JP2021031641A
Application number: JP2019156049A
Authority: JP
Inventors: 智柏谷; Satoshi Kashiwatani; 敏夫森本; Toshio Morimoto
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority date: 2019-08-28
Filing date: 2019-08-28
Publication date: 2021-03-01
Anticipated expiration: 2039-08-28
Also published as: JP7379939B2

Abstract

【課題】高い熱伝導率を有するとともに優れた耐熱性を有する熱伝導性組成物を提供する。【解決手段】本発明は、熱伝導性充填剤と、基油と、を含有し、基油は重合平均分子量が３５００以上５０００未満のパーフルオロポリオキセタンである熱伝導性組成物である。熱伝導性充填剤の含有量は、熱伝導性組成物１００質量％に対し８０質量％以上９７質量％以下の割合であることが好ましく、基油の含有量は、当該熱伝導性組成物１００質量％に対し２質量％以上２０質量％以下の割合であることが好ましい。【選択図】なし

Description

本発明は、熱伝導性組成物、特に高い熱伝導率を有する熱伝導性組成物に関する。

例えば、電子機器に使用されている半導体部品の中には、コンピューターのＣＰＵ、ペルチェ素子、ＬＥＤ、インバーター等の電源制御用パワー半導体等使用中に発熱をともなう発熱部品がある。これらの発熱部品を熱から保護し、正常に機能させるために、熱伝導性グリースや熱伝導性シートを介して、発熱部品から発生した熱をヒートスプレッダーやヒートシンク等の放熱部品（冷却装置）へ伝導させ放熱させる方法がある。

ここで、熱伝導性グリースとは、流動性又は半流動性を有する潤滑剤であって、発熱部品と放熱部品の間隔を狭くした状態で効果的に放熱部品（冷却装置）へ熱を伝導することが可能なグリースである。また、熱伝導性シートとは、基材に熱伝導性塗料を塗布した熱伝導性を有するシートであり、取り扱い性が非常に簡便で、繰り返し使用が可能なシートである。

ここで、本明細書では、熱伝導性組成物とは熱伝導性グリースや熱伝導性塗料等の熱伝導性を有する流動体または半流動体の総称を意味する。

このような熱伝導組成物に関し、例えば熱伝導性グリースとしては、ポリαオレフィン油やシリコーン油等の基油に、銀、アルミニウム等の金属、或いは、酸化亜鉛又は酸化アルミニウム等の金属酸化物や、窒化ホウ素、窒化アルミニウム等の無機窒化物等の熱伝導性充填剤を分散させたもの等が知られている。

近年、電力制御機器の大電力動作や電子機器の高速動作の結果、発熱部品の発熱量は増大する傾向にある。それに対し、例えば、高い熱伝導性を有する熱伝導性グリースを提供することを目的として特定の表面改質剤を配合した技術（特許文献１参照）等が開示されている。

一方で、部品の小型化と発熱部品の高密度実装化に伴い、発熱の密度もまた上昇する傾向にある。このような発熱の量的増大と高密度化に対応して機器の性能を長期に亘って安定に維持するため、発熱部品内での発熱を効率的に除去する必要性から、熱伝導性組成物は、高い耐熱性を有すると同時に、発熱部品と放熱部品の間に従来よりも優れた熱伝導性を有する層を形成することが求められている。

一般に熱伝導組成物の熱伝導性は、熱伝導性充填剤の含有量が支配的であるが、その特性を十分発揮するためには、熱伝導性充填剤間を橋渡しする基油が、放熱させる熱に耐えうる耐熱性が必要となる。そのため、例えば、高い耐熱性を有し、熱伝導性に優れた熱伝導組成物（熱伝導性グリース）を提供することを目的として、基油としてポリオルガノシロキサン等のシリコーン油を使用した技術（特許文献２参照）が開示されている。

しかしながら、基油としてシリコーン油を使用した熱伝導性グリースでは、加熱により発生するシロキサンガスによる接点障害発生の懸念から、シリコーン油を使用しない熱伝導性グリース等の熱伝導性組成物が求められている。

特開２００８−２８０５１６号公報特開２００７−１０６８０９号公報

本発明は、高い耐熱性を有しつつ、優れた熱伝導性を有する熱伝導性組成物を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を達成するために鋭意検討した結果、所定の重合平均分子量のパーフルオロポリオキセタンを基油として含有した熱伝導性組成物であれば上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明は以下のものを提供する。

（１）本発明の第１は、少なくとも、熱伝導性充填剤と、基油と、を含有し、前記基油は重合平均分子量が３５００以上５０００未満のパーフルオロポリオキセタンである熱伝導性組成物である。

（２）本発明の第２は、第１の発明において、前記熱伝導性充填剤の含有量は、当該熱伝導性組成物１００質量％に対し８０質量％以上９７質量％以下の割合である熱伝導性グリースである。

（３）本発明の第３は、第１又は第２の発明において、前記基油の含有量は、当該熱伝導性組成物１００質量％に対し２質量％以上２０質量％以下の割合である熱伝導性組成物である。

本発明に係る熱伝導性組成物によれば、高い耐熱性を有するとともに優れた熱伝導性を有する。

以下、本発明の具体的な実施形態（以下、「本実施の形態」という）について詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の目的の範囲内において、適宜変更を加えて実施することができる。

≪１．熱伝導性組成物≫
本実施の形態に係る熱伝導性組成物は、少なくとも、熱伝導性充填剤と、基油と、を含有する。以下、熱伝導性組成物に含まれる各成分について説明する。

（１）基油
本実施の形態に係る熱伝導性組成物は、基油として、重合平均分子量が３５００以上５０００未満のパーフルオロポリオキセタンであることを特徴としている。本発明者らは、各種基油との組み合わせを鋭意研究した結果、フッ素系の基油のなかでも、パーフルオロポリオキセタンを用いることにより、高い耐熱性を維持できることを見出した。

そして、本発明者らは、フッ素系の基油のなかでも重合平均分子量が３５００以上５０００未満のパーフルオロポリオキセタンを選択することにより、熱伝導性充填剤を高密度に含有させることを可能となり、高い耐熱性に加えて、優れた熱伝導性を奏することを見出した。

また、パーフルオロポリオキセタンは、重合平均分子量は３８００以上４８００以下であることが好ましく、４２００以上４６００以下であることがより好ましい。

重合平均分子量が３５００以上５０００未満のパーフルオロポリオキセタンとしては、例えば、ダイキン社製のデルナムＳ６５等が市販されており、好適に用いることができる。

（２）熱伝導性充填剤
熱伝導性充填剤は、熱伝導性組成物に高い熱伝導性を付与する成分である。熱伝導性充填剤としては、基油より高い熱伝導性を有するものであれば特に限定されないが、金属酸化物、無機窒化物、金属（合金も含む。）、ケイ素化合物、カーボン材料等の粉末を用いることが好ましい。熱伝導性充填剤の種類は１種類であってもよいし、また２種以上を組み合わせて用いることもできる。

熱伝導性充填剤としては、電気絶縁性を求める場合には、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、炭化ケイ素、シリカ、ダイヤモンド等の、半導体やセラミック等の非導電性物質の粉末が好ましく、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、炭化ケイ素、シリカの粉末がより好ましく、酸化亜鉛、酸化アルミニウム、窒化アルミニウムの粉末が特に好ましい。

また、上記の熱伝導性充填剤のなかでも高い熱伝導性を有するという観点からは、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム窒化ホウ素及び炭化ケイ素からなる群から選ばれる少なくとも１種以上であることが好ましい。

電気的な特性に対する要求が無く、電気絶縁性が求められない場合は、金属粉末や炭素材料粉末と非導電性物質の粉末とを組み合わせて用いることもできる。金属粉末を用いる場合は、高い熱伝導性を有するという観点から、銅、アルミニウム、及び銀の粉末からなる群から選ばれる少なくとも１種以上であることが好ましい。

熱伝導性充填剤の含有量は、熱伝導性組成物１００質量％に対し８０質量％以上９７質量％以下の割合であることが好ましく、９０質量％以上９６質量％以下の割合であることがより好ましい。熱伝導性充填剤の含有量が８０質量％以上の割合であることにより、熱伝導性組成物に高い熱伝導率を付与することができる。熱伝導性充填剤の含有量が９７質量％以下の割合であることにより、例えば、本実施の形態に係る熱伝導性組成物を熱伝導性グリースとする場合、ちょう度の低下を抑制して適切な粘度とし、十分な展性を付与することができる。

（３）分散剤
分散剤は、必要に応じて、本実施の形態に係る熱伝導性組成物に含有させてもよい。分散剤は、本実施の形態に係る熱伝導性組成物において必須の成分ではないが、熱伝導性組成物に含有される熱伝導性充填剤の表面に吸着し、熱伝導性充填剤と基油との親和性を向上させることができる。すなわち、分散剤は、熱伝導性充填剤の表面改質剤として機能し、熱伝導性充填剤と基油との親和性を向上させることによって、熱伝導性を向上させることができる。また、例えば本実施の形態に係る熱伝導性組成物を熱伝導性グリースとする場合、ちょう度を向上させ、適切な粘度とすることができる。

分散剤としては、例えば、含フッ素基・親水性含有オリゴマー、含フッ素基・親油性基含有オリゴマー、含フッ素基・親水性基・親油性基含有オリゴマー、含フッ素基・親水性基・親油性基・カルボキシル基含有オリゴマー、パーフルオロブタンスルホン酸塩、パーフルオロアルキル基含有カルボン酸塩、パーフルオロアルキル基・リン酸基含有リン酸エステル等のフッ素系分散剤や、ポリグリセリンモノアルキルエーテル化合物、カルボン酸構造を有する化合物、ポリカルボン酸系化合物等を挙げることができる。これらは単独で使用してもよいが、２種以上を組み合わせて使用してもよい。基油との親和性との観点からフッ素系分散剤を使用することが好ましく、含フッ素基・親水性含有オリゴマーを使用することが特に好ましい。

分散剤の含有量は、熱伝導性組成物１００質量％に対して０．００１質量％以上３質量％以下であることが好ましい。より好ましくは０．０５質量％以上２質量％以下であり、さらに好ましくは０．１５質量％以上１質量％以下であり、最も好ましくは０．２質量％以上０．５質量％以下である。

分散剤の含有量が０．００１質量％以上であることにより、熱伝導性組成物に含有される無機粉末充填剤と基油との親和性をより向上させる効果が得られ、熱伝導性組成物を熱伝導性グリースとする場合に、ちょう度を効果的に高めることができ、適切な粘度の熱伝導性組成物とすることができるため好ましい。

一方、分散剤の含有量が３質量％を超えても、分散剤含有による効果が飽和して熱伝導性組成物の特性は大きく変化しない。本実施の形態に係る熱伝導性組成物に好適に用いることのできる分散剤は、高い耐熱性等を有する必要があり、一般的に価格の高い物が多い。そのため、分散剤の含有量を３質量％以下にすることにより、余計なコストの発生を抑制することができるため好ましい。

（４）増ちょう剤
増ちょう剤も、必要に応じて、本実施の形態に係る熱伝導性組成物に含有させてもよい。増ちょう剤は、本実施の形態に係る熱伝導性組成物において必須の成分ではないが、例えば、熱伝導性組成物を熱伝導性グリースとする場合、増ちょう剤を含有させることにより、熱伝導性グリースのちょう度を制御して、熱伝導性グリースの塗布性を向上させることができる。

増ちょう剤としては、例えば、ウレア化合物、ナトリウムテレフタラメート、ポリテトラフルオロエチレン、有機化ベントナイト、シリカゲル、石油ワックス、ポリエチレンワックス等を挙げることができる。特に、基油との親和性との観点からポリテトラフルオロエチレンを使用することが好ましい。

増ちょう剤の含有量は、熱伝導性グリースの所望とするちょう度に基づいて適宜設定することができるが、熱伝導性グリース１００質量％に対して０．００５質量％以上１質量％以下の割合で含有させることが好ましい。増ちょう剤の含有量を０．００５質量％以上とすることにより、基油に対するちょう度の調整効果が発揮され始め、熱伝導性グリースを使用目的に適した粘度にグリース化させることができるため好ましい。増ちょう剤の含有量が１質量％を超えると、ちょう度が低くなり過ぎ、グリース状を維持できなくなったりするため好ましくない。

なお、グリースの特性を有する観点からすると、熱伝導性グリースの塗布性、拡がり性、付着性の観点から、熱伝導性グリースに適した粘度となるように、増ちょう剤の含有量を適宜選択することが好ましい。熱伝導性グリースの粘度は付着性の観点では高粘度とするのが好ましいものの、塗布のしやすさから１０００Ｐａ・ｓ以下とすることが好ましく、良好な濡れ拡がり性も維持するには６００Ｐａ.ｓ以下とすることがより好ましい。

（５）その他の成分
本実施の形態に係る熱伝導性組成物においては、必要に応じて、上記の各成分以外の他の成分（その他の成分）をさらに含有することができる。その他の成分としては、例えば、酸化防止剤、基油拡散防止剤、防錆剤、腐食防止剤、増粘剤等を挙げることができる。

例えば、基油拡散防止剤は、熱伝導性組成物に含まれる基油が、塗布面に拡散するのを防止する効果のある成分である。基油拡散防止剤としては、パーフルオロアルキル基を含有する拡散防止剤を用いることができる。

また、防錆剤としては、スルホン酸塩、カルボン酸、カルボン酸塩、コハク酸エステル等が挙げられる。腐食防止剤としては、ベンゾトリアゾール及びその誘導体等の化合物、チアジアゾール系化合物等を挙げることができる。増粘剤としては、ポリブテン、ポリメタクリレート、オレフィンコポリマー、高粘度のポリアルファオレフィン等を挙げることができる。

これらの添加剤の含有量は、熱伝導性組成物の特性を損なわない範囲であれば、特に限定されない。すなわち、一般的な熱伝導性グリースに通常用いている含有量と同程度の量を含ませることができる。

≪２．熱伝導性組成物の製造方法>>
本実施の形態に係る熱伝導性組成物は、各成分を混合することにより製造することができる。製造方法としては、均一に成分を混合できる方法であれば特に限定されず、例えば、一般的なグリースの製造方法等を採用することができる。

具体的な製造方法としては、プラネタリーミキサー、自転公転ミキサー等により混練りを行い、グリース状にした後、さらに三本ロールにてより均一に混練りする方法を用いることができる。

以下、本発明の実施例及び比較例を示して、本発明についてより具体的に説明する。なお、本発明は以下の実施例によって何ら限定されるものではない。

≪実施例、比較例≫
下記（Ａ）〜（Ｄ）に示す各材料を用い、下記表１に示す組成の熱伝導性グリースを作製した。

（構成材料）
（Ａ）熱伝導性充填剤：酸化亜鉛
・Ａ１：平均粒径１１μｍ
・Ａ２：平均粒径０．６μｍ
（Ｂ）基油
・Ｂ１：パーフルオロポリオキセタン
（ダイキン社製デムナムＳ６５重合平均分子量：４５００）
・Ｂ２：パーフルオロポリエーテル
（ソルベイソレクシス社製ＦｏｍｂｌｉｎＹＵ７００重合平均分子量：５０００）
・Ｂ３：パーフルオロアルキルエーテル
（Ｄｙｐｏｎｔ社製ＫｒｙｔｏｘＧＰＬ１０７重合平均分子量：７５００）
（Ｃ）分散剤
・Ｃ１：含フッ素基・親水性含有オリゴマー（ＤＩＣ社製メガファックＦ４３０）
（Ｄ）増ちょう剤
・Ｄ１：ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）（喜多村社製ＫＴＬ１００）

下記表１に示すように各材料（Ａ）〜（Ｄ）をプラネタリーミキサーにて混合しグリース状とした。その後、三本ロールによる混練を行うことにより各材料を十分に分散させて、実施例及び比較例の熱伝導性グリースを製造した。

［熱伝導性グリースの評価］
（粘度評価）
粘度評価には、レオメーターを用いて室温下でせん断速度が６Ｓ^−１のときの粘度を測定した。測定結果を表１に示す。

（熱伝導率測定）
実施例及び比較例の熱伝導性グリースついて、熱伝導率を測定した。具体的には、京都電子工業社製迅速熱伝導率計ＱＴＭ−５００により室温にて熱伝導率を測定した。なお、熱伝導率は高いほど熱伝導性グリースとしては好ましい。

（耐熱性評価）
耐熱性はＥＩＡＪＥＤ−４７０１／１０６に準じたパワーサイクル試験において、熱抵抗増加率が１０％以内を示す限界回数（耐久サイクル数）により評価した。パワーサイクル試験は、富士電機株式会社製パワーモジュール２ＭＢ１３００ＶＮ−１２０−５０を用い、Ｔｊ（ジャンクション温度）１６５℃を到達温度に、ΔＴｊ１００℃として、昇温時間６０秒、降温時間１２０秒を１サイクルとした。測定結果を表１に示す。なお、耐久サイクル数は１０００以上あれば十分に耐熱性を有すると評価できる。

（基油残存率評価）
上記の実施例及び比較例の熱伝導性グリースついて、基油残存率を測定した。具体的には、２５０℃８時間保持後の基油の残存量を求め、初期投入量に対する基油残存率を算出した。算出結果を表１に示す。なお、基油残存率は高いほど熱伝導性グリースとして好ましい。具体的には、８０％以上であることが好ましい。

表１より、重合平均分子量が４５００のパーフルオロポリオキセタンである基油を含有した実施例１、２の熱伝導性グリースは、高い熱伝導率を有するとともに優れた耐熱性を有する熱伝導性グリースであることが分かる。

一方、パーフルオロポリオキセタンではない基油を含有した比較例１、２の熱伝導性グリースは耐熱性の低い熱伝導性グリースであることが分かる。

以上より、重合平均分子量が３５００以上５０００未満のパーフルオロポリオキセタンである基油を含有した本発明の熱伝導性組成物であれば、高い耐熱性を有するとともに優れた熱伝導性を有することが確認された。

Claims

少なくとも、熱伝導性充填剤と、基油と、を含有し、
前記基油は重合平均分子量が３５００以上５０００未満のパーフルオロポリオキセタンである
熱伝導性組成物。
前記熱伝導性充填剤の含有量は、当該熱伝導性組成物１００質量％に対し８０質量％以上９７質量％以下の割合である
請求項１に記載の熱伝導性組成物。
前記基油の含有量は、当該熱伝導性組成物１００質量％に対し２質量％以上２０質量％以下の割合である
請求項１又は２に記載の熱伝導性組成物。