JP2021109825A - 熱伝導性フィラー、及びそれを含有する熱伝導性組成物 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、これらの問題を解決しつつ、高い熱伝導率を有する熱伝導性フィラー及びその組成物を提供することを目的とする。
[1]窒化アルミニウム粒子を80質量%以上含むフィラーであって、体積基準で、(A)粒子径1.2μm以下の粒子の量が2〜10質量%、(B)粒子径20μm以下の粒子の量が20〜50質量%、(C)粒子径80μm以下の粒子の量が60〜90質量%、の範囲にあり、粒子径50μm以上の粒子は、主として非球状である熱伝導性フィラー。
[2]前記の粒子径50μm以上の粒子であって、画像解析法により測定された長径と短径との比(短径/長径)が0.9以上である粒子の含有割合が、10.0体積%以下である[1]に記載の熱伝導性フィラー。
[3]ゴム、熱可塑性樹脂及び熱硬化性樹脂からなる群より選ばれる少なくとも1種以上
の高分子化合物と、[1]又は[2]に記載の熱伝導性フィラーとを含有し、前記高分子化合物に対し、前記熱伝導性フィラーの量が50体積%以上1500体積%以下であることを特徴とする熱伝導性組成物。
本発明は、粒子径の異なる窒化アルミニウム粒子を混合した熱伝導性フィラー、及びそれを用いた熱伝導性組成物に係る発明である。
本発明の熱伝導性フィラーは、窒化アルミニウム粒子を80質量%以上含むフィラーである。窒化アルミニウムは、異方性がなく、単結晶の熱伝導率が285W/(m・K)と非常に高く、これを用いた前記の熱伝導性フィラーや熱伝導性組成物は、高い熱伝導率を発揮することができる。
(A)粒子径1.2μm以下の粒子を、熱伝導性フィラーを構成する全粒子に対し、2質量%以上10質量%以下含有する。
(B)粒子径20μm以下の粒子を、熱伝導性フィラーを構成する全粒子に対し、20質量%以上50質量%以下含有する。
(C)粒子径80μm以下の粒子を、熱伝導性フィラーを構成する全粒子に対し、60質量%以上90質量%以下含有する。
なお、これらの粒子径は、レーザー回折・散乱法により測定することができる。
となり、緻密に充填することができ、フィラー粒子間の隙間を少なくすることができる。これにより、フィラー粒子同士の接触面積が増大し、界面抵抗が減少するので、高い熱伝導率を発現させる。
中間の粒子径を持つ第2の原料粒子としては、平均粒子径が10μm以上30μm以下の窒化アルミニウム粉を好適に用いることができる。そして、最も平均粒子径の大きい第3の原料粒子としては、平均粒子径が50μm以上100μm以下の窒化アルミニウム粉を好適に用いることができる。
まず、第1の原料粒子の量としては、熱伝導性フィラー全量に対して、5質量%以上20質量%以下が好ましく、8質量%以上15質量%以下がより好ましい。
次に、第2の原料粒子の量としては、熱伝導性フィラー全量に対して、30質量%以上70質量%以下が好ましく、35質量%以上60質量%以下がより好ましい。
そして、第3の原料粒子の量としては、熱伝導性フィラー全量に対して、30質量%以上70質量%以下が好ましく、30質量%以上50質量%以下がより好ましい。
これらの条件をみたすことにより、高い熱伝導率を発現させることのできる熱伝導性フィラーの粒子混合物を得ることができる。
これらの原料粒子を混合する方法としては、均一に混ぜられれば特に限定されず、公知の方法で撹拌できる。
前記熱伝導性フィラーを構成する各フィラー粒子は、粒子同士の接触面積を増大させることにより界面抵抗を減少させることができ、高い熱伝導率を発現することができる。この観点から、前記熱伝導性フィラーを構成する各フィラー粒子、特に、レーザー回折・散乱法により測定された粒子径が50μm以上の粒子が、主として非球状であることがよい。粒子径が50μm以上の粒子が主として非球状であるとすることにより、粒子同士の接触面積をより増大させることができる。
このような非球状の粒子を得る方法としては、例として、粉砕法をあげることができる。
ところで、この非球状の目安として、各粒子の外径のうち、最長の径(長径)と最短の径(短径)との比(短径/長径)が0.9未満であることをあげることができる。この比は、0.85以下が好ましい。0.9以上だと、形状がほぼ真球状になるので、粒子同士の接触部位の増大につながらない。
なお、この比が0.9未満のものとして、楕円体も含まれる。これは、楕円の長軸又は短軸の回転体であるが、長軸方向に突起を有するとみることができるからである。
なお、非球状の粒子が占める割合は、90体積%以上が好ましく、95体積%以上がより好ましい。
ところで、上記の「主として」とは、非球状の粒子の含有割合(体積%)が、この条件を満たすことを意味する。
また、この非球状粒子の占有割合(体積%)の基準となる粒子径の上限は、特に限定されないが、あまり大きすぎる粒子は、混合しても分離しやすく、取扱いにくくなる場合があるので、100μmくらいで十分である。
本発明に係る熱伝導性組成物は、前記の熱伝導性フィラーと、高分子化合物とを含有する。この高分子化合物としては、ゴム等の熱可塑性樹脂、及び熱硬化性樹脂からなる群より選ばれる少なくとも1種以上の高分子化合物をあげることができる。
また、前記ゴム以外の熱可塑性樹脂の具体例としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ポリイミド、フッ素樹脂、ABS(アクリル−ベンゼン−スルホン酸)樹脂等をあげることができる。
さらに、前記熱硬化性樹脂の具体例としては、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂、フェノール樹脂等をあげることができる。
[粒子径測定]
(粒度分布測定(レーザー回折・散乱法による測定))
各実施例及び比較例の熱伝導性フィラーの粒度分布を、レーザー回折式粒度分布測定装置(マイクロトラック・ベル(株)製:MT3300EXII)を用いて、水に分散させて粒度分布の測定を行った。
・(画像解析法による測定)
測定対象の原料粒子10000〜30000個を、マイクロトラック・ベル(株)製:マイクロトラックPartAn SIAを用いて、測定した。平均粒子径(D50)が50μm以上の粒子について、その形状、最も長い径(長径)、及び最も短い径(短径)を測定し、その短径/長径が0.9未満の粒子の体積割合を算出した。体積割合は、当該測定装置において、各粒子の投影面積と同面積の円の回転体である球の体積を基に算出される。
・(電子顕微鏡による撮影)
測定対象の原料粒子について、電子顕微鏡(日本電子(株)製:JSM−7200F)を用いて、倍率:200倍で、撮影した。
各実施例及び比較例の熱伝導性フィラーのタップ密度をJIS R 1628の規格に則り測定した。
作製した各サンプルの粘度を、コーンプレート型粘度計(BROOKFIELD製:DV2T)を用い、回転数2.5rpmで測定した。
粘度測定に用いた各サンプルを直径25mm、厚み5mmの円盤状のシリコン型に注型し、成型し、150℃で60分間処理して、熱伝導測定用サンプルとした。得られた各熱伝導測定用サンプルについて、熱伝導率測定装置(C−THERM社製:TCi)を用いて、非定常法にて、熱伝導率を測定した。
[破砕フィラー]
・窒化アルミニウムフィラー(破砕品)…東洋アルミニウム(株)製:TFZ−S80P(平均粒子径D50:80μm、タップ密度:1.70g/cm3)(以下、「S80P」
と称する。)、粒子径50μm以上100μm以下の粒子のうち、短径/長径が0.9未満(すなわち、形状は非球状)の含有割合:97.3体積%。
なお、この粒子の短径/長径の体積分布を図1(a)に、粒径50μm以上90μm以下の粒子の形状の一部を図1(b)に示す。また、この粒子を、電子顕微鏡を用いて撮影した。その写真を図1(c)に示す。
と称する。)、粒子径50μm以上100μm以下の粒子のうち、短径/長径が0.9未満(すなわち、形状は非球状)の含有割合:97.1体積%。
と称する。)。
と称する。)。
称する。)。
窒化アルミニウム造粒フィラーを製造した。
窒化アルミニウム粉末(東洋アルミニウム(株)製:JC)99重量部に、イットリア(富士フィルム和光純薬(株)製:酸化イットリウム)1重量部、及びイソプロピルアルコール (安藤パラケミー(株)製)40重量部、モビタール((株)クラレ製)1.5重量部、ユニルーブ(日油(株)製)1重量部、を加えて混錬し、スプレードライヤーを用
いて造粒し、400℃、3時間、脱脂した後、1850℃、3時間、焼結した。
得られたフィラーを分別し、平均粒子径D50:80μmのフィラー(以下、「造粒(
80)」と称する。)を得た。
得られた造粒(80)の粒子径50μm以上100μm以下の粒子のうち、短径/長径が0.9未満(すなわち、形状は非球状)の含有割合は、28体積%であった。
なお、この粒子の短径/長径の体積分布を図2(a)に、粒径50μm以上90μm以下の粒子の形状の一部を図2(b)に示す。また、この粒子を、電子顕微鏡を用いて撮影した。その写真を図2(c)に示す。
・アルミナフィラー…日本軽金属(株)製:LS210B(平均粒子径D50:2μm、タップ密度:1.60g/cm3)(以下、「LS210B」と称する。)。
・エポキシ樹脂…三菱ケミカル(株)製:jER825(密度:1.16g/cm3)(以
下、単に「樹脂」と称する。)。
[熱伝導性フィラーの作製]
S80P 5質量部、S20P 4質量部及びN01P 1質量部を、撹拌機(装置名吉川化工(株)製:振動式攪拌機VPA−02)で5分間均一に混合し、熱伝導性フィラーとした。得られた熱伝導性フィラーにおいて、粒子径50μm以上100μm以下の粒子全量を100体積%としたとき、これに含まれる短径/長径0.9未満(すなわち、形状は非球状)の粒子の含有割合は96体積%であった。
得られた熱伝導性フィラーについて、前記のレーザー回折・散乱法で粒度分布を測定し、各粒子径における体積基準累積割合を求めた。測定の結果、粒子径1.2μm以下の粒子の累積含有量が3.0質量%、20μm以下の粒子の累積含有量が25.2質量%、80μm以下の粒子の累積含有量が80.2質量%であった。当該粒度分布のチャートを図3(a)に示す。また、前記の方法でタップ密度を測定した。その結果を表1に示す。
なお、図3(a)において、縦軸は体積基準累積粒子量(全体を100質量部としたときの質量部)を、横軸はレーザー回折・散乱法により測定された粒子径を示す(図3(b)〜(e)、図4(a)〜(d)においても同様。)。また、グラフ中の3本の太い縦線は、粒子径が1.2μm(正確には1.26μm)、20μm(正確には20.17μm)、80μm(正確には80.7μm)における、本願発明で示す体積基準累積粒子量の範囲を示す。図3(b)〜(e)、図4(a)〜(d)においても同様である。
得られた熱伝導性フィラー47gと、樹脂9.2gとを混合した後、三本ロールミル(アイメックス(株)製:BR−150V)を用いて均等に混ぜ合わせて、フィラー量が樹脂に対して150体積%の熱伝導性組成物を作製した。また、熱伝導性フィラーを58.25gとした以外は同様にして185体積%のサンプルを作製した。さらに同様に熱伝導性フィラーを73gとして、233体積%のサンプルを作製した。さらにまた、同様に熱伝導性フィラーを94gとして、300体積%のサンプルを作製した。これを用いて、前記の方法にしたがって、粘度及び熱伝導率を測定した。その結果を表1に示す。
表1に示す原料フィラーを実施例1と同様に混合して、各熱伝導性フィラーを得た。各粒子径における体積基準累積含有量を表1に示す。また、それぞれの熱伝導性フィラーの粒度分布チャートを図3(b)、(c)、(e)、図4(a)、(b)、(d)に示す。
また、実施例1に記載の方法と同様にして、熱伝導性組成物を作製した。これを用いて、前記の方法にしたがって、粘度及び熱伝導率を測定した。その結果を表1に示す。
なお、比較例1の233体積%、比較例2の185体積%、比較例4の233体積%については、粘度の測定ができなかった。また、比較例2の233体積%については、作成することができなかった。
実施例1に記載の方法と同様にして、熱伝導性フィラーを47.8gとした以外は同様にして150体積%のサンプルを、熱伝導性フィラーを59.12gとした以外は同様にして185体積%のサンプルを、熱伝導性フィラーを74.4gとした以外は同様にして233体積%のサンプルを、作製した。これを用いて、前記の方法にしたがって、粘度及び熱伝導率を測定した。その結果を表1に示す。また、それぞれの熱伝導性フィラーの粒度分布チャートを図3(d)、図4(c)に示す。
なお、比較例3の233体積%については、粘度の測定ができなかった。
Claims (3)
- 窒化アルミニウム粒子を80質量%以上含むフィラーであって、
体積基準で、
(A)粒子径1.2μm以下の粒子の量が2〜10質量%、
(B)粒子径20μm以下の粒子の量が20〜50質量%、
(C)粒子径80μm以下の粒子の量が60〜90質量%、
の範囲にあり、
粒子径50μm以上の粒子は、主として非球状である熱伝導性フィラー。 - 前記の粒子径50μm以上の粒子であって、画像解析法により測定された長径と短径との比(短径/長径)が0.9以上である粒子の含有割合が、10.0体積%以下である請求項1に記載の熱伝導性フィラー。
- ゴム、熱可塑性樹脂及び熱硬化性樹脂からなる群より選ばれる少なくとも1種以上の高分子化合物と、請求項1又は2に記載の熱伝導性フィラーとを含有し、
前記高分子化合物に対し、前記熱伝導性フィラーの量が50体積%以上1500体積%以下であることを特徴とする熱伝導性組成物。
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