JP3654743B2 - 放熱スペーサー - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、高柔軟性を有し、電子機器に組み込んだ時の発熱性電子部品への負荷を小さくした放熱スペーサーに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
トランジスタ、サイリスタ等の発熱性電子部品においては、使用時に発生する熱をいかにして除去するかが重要な問題である。従来、その熱を除去するには、一般的には発熱性電子部品を電気絶縁性の熱伝導性シートを介して放熱フィンや金属板に取り付けることによって行われており、その熱伝導性シートとしては、主にシリコーンゴムに熱伝導性フィラーの充填されたものが使用されている。
【0003】
最近の電子機器の高密度化に伴い、放熱フィン等を取り付けるスペースがない場合や電子機器が密閉されていてその内部にある放熱フィンから外部への放熱が困難な場合等では、発熱性電子部品から発生した熱を電子機器のケース等に直接伝熱する方式が取られる場合がある。この伝熱を行うために、発熱性電子部品とケースとの間のスペースを埋めるだけの厚みを有した高柔軟性放熱スペーサーが用いられることがある。
【0004】
また、IC化やLSI化された発熱性電子部品がプリント基板に実装されている場合の放熱においても、プリント基板と放熱フィンとの間に高柔軟性放熱スペーサーが用いられることがある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の放熱シートは、ショアー硬度が90以上と硬いために形状追従性が悪く、発熱性電子部品と密着させるのに押圧すると応力に弱い発熱性電子部品が破損する問題があった。放熱シートよりも高柔軟な放熱スペーサーにあっては、その基本技術は熱伝導性フィラーの充填量を放熱シートのそれよりも少なくしたものであるので、充分な熱伝導性を有するものではなかった。
【0006】
そこで、熱伝導性の良好な窒化ホウ素の充填率をあまり高めないで高熱伝導性の付与された放熱スペーサーが要求されている。具体的には、熱伝導率2W/mK以上、アスカーC硬度60未満である。しかしながら、窒化ホウ素は鱗片形状を有しているので充填性が悪く、しかも鱗片状窒化ホウ素粒子の熱伝導性はその面方向よりも厚み方向のほうが格段に劣っているものであるが、その充填された状態は、通常、鱗片状窒化ホウ素粒子の面方向とシートの厚み方向とが垂直すなわち鱗片状窒化ホウ素粒子が「寝て」充填されるため、上記要求を満たすことは困難であった。
【0007】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、熱伝導率2W/mK以上、アスカーC硬度60未満の高柔軟性かつ高熱伝導性の放熱スペーサーを提供することを目的とするものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、六方晶窒化ホウ素の鱗片状の一次粒子が配向せずに、凝集してその粒径が45μm以上となったものを20重量%以上含有してなる松ボックリ状窒化ホウ素を付加反応型液状シリコーン固化物に含有させてなることを特徴とする放熱スペーサーである。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、更に詳しく本発明について説明する。
【0010】
本発明の放熱スペ−サ−におけるマトリックスは、付加反応型液状シリコーンの固化物である。その原料としては、一分子中にビニル基とH−Si基の両方を有する一液性のシリコーン、又は末端あるいは側鎖にビニル基を有するオルガノポリシロキサンと末端あるいは側鎖に2個以上のH−Si基を有するオルガノポリシロキサンとの二液性のシリコーンなどをあげることができる。このような付加反応型液状シリコーンの市販品としては、例えば東レダウコーニング社製、商品名「CY52−283A/B」がある。放熱スペーサーの柔軟性と熱伝導性は、液状シリコーンの架橋密度や、以下に説明する窒化ホウ素の充填量などによって調整することができる。
【0011】
本発明で使用される六方晶窒化ホウ素は、鱗片状の一次粒子が配向せずに集合してなる松ボックリ状窒化ホウ素粒子である。このような窒化ホウ素の製造方法については、特願平8−28768号願書に添付された明細書に記載されており、その概要はほう酸とメラミンの混合物を適度の水蒸気を含む雰囲気下で保持させて得られたほう酸メラミン(C3 N6 H6 ・2H3 BO3 )を触媒の存在下、1700〜2200℃で焼成することである。
【0012】
本発明で使用される松ボックリ状窒化ホウ素は、鱗片状窒化ホウ素の一次粒子が凝集してその粒径が45μm以上となったものを20重量%以上含有しているものであり、高結晶性で配向性が殆どないことが特徴である。このような松ボックリ状窒化ホウ素の結晶性と配向性の評価は、粉末X線回析法によって行うことができる。
【0013】
すなわち、結晶性は粉末X線回折法による黒鉛化指数(GI=Graphitization Index)の程度で評価することができ、そのGIはX線回折図上の(100)、(101)、(102)回折線の積分強度(面積)から、GI=[面積{(100)+(101)}]/[面積(102)]、で求めることができる。
【0014】
結晶性が高くなるほどGIは小さくなり、配向性がなく極めて結晶性の高い窒化ホウ素ではGI=1.4〜1.6である。しかしながら、実際の粉末X線回折測定においては、配向の影響を完全に除去することができないため、GIはこれよりも小さくなることがある。本発明で使用される松ボックリ状窒化ほう素粉末のGIは高結晶性であるため、1.0〜2.0である。
【0015】
次に、配向性はGIによってもある程度は評価できるが、正確な評価は粉末X線回折法による(002)回折線の強度I002 と(100)回折線の強度I100 との比(I002 /I100 )(以後、これを配向性指数[OI=Orientation Index ]と記す)によって行うことができる。配向性が殆どない窒化ホウ素粉末ではOI=6〜7であり、配向性が大きくなるにつれてOIは大きくなる。本発明で使用される松ボックリ状窒化ホウ素は、OI=6〜20で配向性は小さい。
【0016】
本発明の放熱スペーサーは、上記松ボックリ状窒化ホウ素を30〜60体積%好ましくは40〜55体積%含有していることが好ましい。30体積%未満では充分な熱伝導性が得られず、また60体積%を越えると柔軟性が著しく損なわれ、所期の目的を達成することができない。
【0017】
本発明の放熱スペーサーにあっては、上記松ボックリ状窒化ホウ素以外の熱伝導性フィラーを含有させることもできる。例えば、アルミナ、マグネシア等の球状粒子は柔軟性を高め、アルミニウム、銅、銀、金、炭化珪素等は熱伝導性を高める。絶縁性を付与したい場合は、窒化ホウ素、窒化珪素、窒化アルミニウム、アルミナ、マグネシア等を配合することもできる。これらの熱伝導性フィラーの形状は、球状、粉状、繊維状、針状、鱗片状など如何なるものでも良い。粒度は、平均粒径1〜100μm程度である。また、放熱スペーサー中の含有量は、熱伝導性フイラ−の種類によっても異なるが、30体積%以下特に5〜20体積%が好ましい。
【0018】
本発明の放熱スペーサーは、熱伝導率2W/mK以上、アスカーC硬度60未満であることが好ましい。
【0019】
本発明の放熱スペーサーを製造するには、上記液状シリコーンに上記松ボックリ状窒化ホウ素及び必要に応じてのその他の熱伝導性フィラーを混合してスラリーを調製し、それをフッ素樹脂等の型に流し込み、真空乾燥機に入れた室温で脱泡した後、加熱してシリコーンを固化させ、冷却後、型より外すことによって製造することができる。なお、必要に応じて、型より外した後、さらに加熱処理を行なうこともできる。
【0020】
上記製造方法において、スラリ−の成形方法には特に制限はないが、ドクターブレード法の場合は、スラリー粘度は5万cps以下の低粘度であることが望ましい。押出し法又はプレス法の場合にはスラリー粘度10万cps以上の高粘度であることが望ましく、増粘に際してはシリカ超微粉(例えばアエロジル)や十〜数百μmのシリコーンパウダー等を使用することができる。
【0021】
本発明の放熱スペーサーをシート状にした場合の厚みとしては、0.3〜20mm特に0.5〜6mmであることが好ましい。また、その平面ないしは断面の形状としては、三角形、四角形、五角形等の多角形、円形、楕円形等である。また、その表面が球面状のものでもよい。
【0022】
本発明の放熱スペーサーを応力に対して非常に弱い発熱性電子部品に押しつけても、発熱性電子部品が損傷する危険性が極めて小さくなる。また、発熱性電子部品が密集している場合にも形状追従性を十分に満足することができる。
【0023】
【実施例】
以下、実施例、比較例をあげて更に具体的に本発明を説明する。
【0024】
実施例1〜4
オルトほう酸(H3 BO3 )20Kgとメラミン(C3 N6 H6 )19Kgと炭酸カルシウム(CaCO3 )1Kgをヘンシェルミキサーで混合し、それを温度90℃、湿度90%の雰囲気下に6時間保持してほう酸メラミン塩を得た。これを窒素雰囲気中、1800℃で2時間焼成した後、焼成物を粉砕、酸処理、洗浄、乾燥して松ボックリ状窒化ホウ素を製造した。
【0025】
次に、得られた松ボックリ状窒化ホウ素を乾式振動篩い(ホソカワミクロン社製パウダーテスターPT−E型)により45μmの上下に分級した。その結果、45μm以上の凝集粒子の割合は26重量%であり、分級した凝集粒子についてSEM観察を行ったところ、特願平8−28768号願書に添付された図6と同程度の凝集粒子であることを確認した。また、GIは1.28、OIは16.5であった。
【0026】
液状シリコーンとして、A液(ビニル基を有するオルガノポリシロキサン)とB液(H−Si基を有するオルガノポリシロキサン)の二液性の付加反応型液状シリコーン(東レダウコーニング社製、商品名「CY52−283」)をA液対B液の混合比を表1に示す配合(体積%)で混合し、これに上記により製造された分級前の松ボックリ状窒化ホウ素、平均粒径17μmのアルミナ粉(昭和電工社製、商品名「AS−30」)、又は平均粒径18μmの窒化珪素粉(電気化学工業社製、商品名「デンカ窒化けい素」)を表1に示す割合(体積%)で混合してコンパウンドを調合した後、それをプレス法で所望の厚さに成型し、次いで熱風乾燥機で150℃で24時間加熱・硬化させて本発明の放熱スペーサー(厚み1〜5mm)を製造した。
【0027】
比較例1
液状シリコーンのA液対B液の混合比を50/50(体積%)とし、窒化ホウ素を配合しないで調製されたスラリーを、50mm×50mm×1mmのフッ素系型枠に流し込んで硬化させたこと以外は、実施例1と同様にして放熱スペーサーを製造した。
【0028】
比較例2
液状シリコーンのA液対B液の混合比を30/30(体積%)とし、熱伝導性フィラーとして、平均粒径17μmのアルミナ粉(昭和電工社製、商品名「AS−30」)を50体積%混合したこと以外は、実施例1と同様にして放熱スペーサーを製造した。
【0029】
比較例3
松ボックリ状窒化ホウ素のかわりに市販の鱗片状窒化ホウ素粉末(電気化学工業社製、商品名「GP」)を使用したこと以外は、実施例1と同様にして放熱スペーサーを製造した。
【0030】
上記で得られた放熱スペーサーについて、以下に従うアスカーC硬度と熱伝導率を測定した。それらの結果を表1に示す。
【0031】
(1)硬度:放熱スペーサーを50mm×50mmにカットし、数枚重ねて厚みを10mmとし、アスカーC硬度計にて測定した。
【0032】
(2)熱伝導率:放熱スペーサーをTO−3型にカットし、TO−3型銅製ヒーターケースと銅板との間にはさみ、トルクレンチにより締め付けトルク200g−cmをかけてセットした後、銅製ヒーターケースに電力5Wを印加して4分間保持し、銅製ヒーターケースと銅板との温度差(℃)を測定し、(1)式により熱抵抗(℃/W)を求め、この熱抵抗値を用いて(2)式により熱伝導率(W/mK)を算出した。
【0033】
熱抵抗(℃/W)=温度差(℃)/電力(W)・・・・(1)
【0034】
熱伝導率(W/mK)={厚み(m)}/{熱抵抗(K/W)×測定面積(m2 )} ・・・・(2)
【0035】
【表1】
【0036】
表1より、本発明の放熱スペーサーは、アスカーC硬度が60未満と柔軟性に優れ、しかも熱伝導率が2W/m・K以上と高熱伝導性であることがわかる。
【0037】
【発明の効果】
本発明の放熱スペーサーは熱伝導性と柔軟性に優れているため、発熱性電子部品の搭載された回路基板に押しつけても応力が小さく、また高密度化され発熱性電子部品の搭載された回路基板にも良好な密着性を保った状態で放熱を行うことができる。
Claims (1)
- 六方晶窒化ホウ素の鱗片状の一次粒子が配向せずに、凝集してその粒径が45μm以上となったものを20重量%以上含有してなる松ボックリ状窒化ホウ素を付加反応型液状シリコーン固化物に含有させてなることを特徴とする放熱スペーサー。
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