JP3697645B2

JP3697645B2 - 熱伝導ゲル

Info

Publication number: JP3697645B2
Application number: JP35703296A
Authority: JP
Inventors: 善明牧田; 昌和高田; 高志今井; 治代影山
Original assignee: 株式会社ジェルテック
Priority date: 1996-12-25
Filing date: 1996-12-25
Publication date: 2005-09-21
Anticipated expiration: 2016-12-25
Also published as: JPH10189838A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電子機器等に搭載されるパワートランジスタ、ダイオード、ＣＭＯＳ等の発熱性部材と、熱交換を促す金属製の熱交換部品（ヒートシンク）との間に介在される放熱シートに関するものであり、特にシリコーンゲルを主成分とした高密着性及び高熱伝導性を有する熱伝導ゲルに係るものである。
【０００２】
【発明の背景】
近時、電子機器は可搬性、省スペース性等が重視されて小型軽量化が求められているとともに、ノート型パソコン等に代表されるようなマイクロプロセッサを搭載した機器においては、クロックの高速化が進められている。このようなクロックの高速化は発熱量を増大させ、更に小型軽量化により、熱が逃げるための空間確保が困難になっている。
【０００３】
ところで前記マイクロプロセッサ、パワートランジスタ、ダイオード等の発熱性部材で発生した熱の放熱部材として用いられるヒートシンクは、従来より種々の素材、形状のものが開発されており、ヒートシンク単体の放熱能力は向上しているものの、放熱部材と発熱性部材とが機械的に密着していないと接触熱抵抗が増大して熱伝導ロスが生じ、結果として放熱効率は低下してしまう。
つまり外観上密着しているように見えても、実際には接触面は凹凸であるため、放熱部材と発熱性部材とは面接触ではなく点接触となっているのである。従って接触点以外には熱伝導率が低い（接触熱抵抗の大きい）空気が介在することとなり、放熱効率を低下させてしまうのである。
【０００４】
このような接触熱抵抗を低減するために、放熱部材と発熱性部材との間に介在させて両者の接触を密にすべく、接触面にシリコーンオイルを塗布する手法もあるが、別途放熱部材の固定手段が必要となる。
そこで放熱部材を保持することのできる「放熱シート」が種々開発されているのであり、この放熱シートは放熱性（高熱伝導率）、密着性（柔軟性、弾力性）及び、引き裂き強度が特性として要求される。一例として特公昭４７−７１５０号等に開示されるように、主成分をシリコーンゴム（ポリオレフィン系エラストマー、酢酸ビニル共重合体）等とし、熱伝導性を与えるためにフィラー（ボロン、窒化ボロン、アルミナ、窒化アルミ、水酸化アルミ、酸化亜鉛、石英、炭化珪素、黒鉛、酸化マグネシウム等）を添加する手法が知られている。
【０００５】
このような放熱シートの主成分の一例であるシリコーンゲルには、付加型と縮合型とがあるが、付加型ではフィラーによる硬化阻害が生じたり、機械強度（引っ張り強度、引き裂き強度）の低いものとなってしまうおそれがある。このため硬化阻害が生じず、高い機械強度を有する縮合型のゲルがベース素材として好適である。
つまり密着性の向上を図る見地からは、柔軟性と弾力性という機械的性状が要求される一方、熱伝導性の向上を図る見地から前記フィラーの充填量を高めることは必須であり、このように密着性及び熱伝導性という異なる性状を同時に要求するとなると、前述の熱伝導性の付与の手法が密着性と相反する性状を呈することとなり、いわば二律背反の技術課題を生じている。
【０００６】
【開発を試みた技術課題】
本発明者はこのような背景の認識の上に立って、「放熱シート」として要求される密着性及び熱伝導性を付与した、新規な熱伝導ゲルを開発することを技術課題としたものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
すなわち請求項１記載の熱伝導ゲルは、縮合型ゲルと、シリコーンオイルと、熱伝導性フィラーとを含み、常温でゲル状に硬化している熱伝導ゲルであって、前記縮合型ゲルは、縮合硬化型の液状シリコーンゲルであり、また前記シリコーンオイルは、ジメチルシリコーンオイル、メチルフェニルシリコーンオイル、アミノ変性シリコーンオイル及びエポキシ変性シリコーンオイルより成る群から一種または二種以上の複数種が選択されたものであり、更にまた前記熱伝導性フィラーは、窒化硼素、窒化珪素、窒化アルミ及び酸化マグネシウムより成る群から一種または二種以上の複数種が選択されたものであり、前記縮合型ゲルと前記シリコーンオイルとの混合比を、１：２とし、また前記縮合型ゲル及び前記シリコーンオイルの混合物と、前記熱伝導性フィラーとの混合物における熱伝導性フィラーの混合率を、総重量の２０〜８０％とすることにより、熱伝導率が０．８〜１．１ｗ／ｍ・ｋであり、且つ針入度が５〜２００となるように形成されたことを特徴として成る。
この発明によれば、熱伝導ゲルに高密着性、高機械強度及び高熱伝導率性を付与することがができる。
また硬化阻害を引き起こさないという縮合型の液状シリコーンゲルの性状により、フィラー添加により所望の熱伝導性を与えても、密着性を損なうことがない。
更にまたフィラーの添加による高硬度化を防止することができ、密着性を損なうことがない。
更にまた熱伝導性の悪い縮合型ゲルに対して、良好な熱伝導性を付与することができる。
更にまたシリコーンオイルにより縮合型ゲルの高硬度化を防止して良好な密着性を付与し、熱伝導性フィラーにより良好な熱伝導性を付与することができる。
更にまた縮合型ゲルとシリコーンオイルとの混合物、または前記縮合型ゲル及びシリコーンオイルの混合物と、熱伝導性フィラーとの混合物に良好な密着性を付与することができる。
更にまた熱伝導ゲルを発熱性部材と放熱部材との間に介在させることで両者を密着させ、実質的な面接触状態を得ることができる。
更にまた熱伝導ゲルを発熱性部材と放熱部材との間に介在させることで発熱性部材から放熱部材への熱伝導を効率的に行うことができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の熱伝導ゲルについて具体的に説明する。本発明の熱伝導ゲルは、縮合型ゲル、シリコーンオイル及び熱伝導性フィラーを主成分として成る。
これら各成分について具体的に説明すると、前記縮合型ゲルとは、液状シリコーンゲルを配合組成に起因する硬化反応型で分類した場合の一タイプであり、ベースポリマー、架橋剤、硬化触媒、充填剤及び添加剤等を成分として成る。
【０００９】
また、前記液状シリコーンゲルには一成分形と二成分形以上の多成分形がある。一成分液状シリコーンゲルは、密封容器中から外部に押し出すことにより空気中の湿気（水分）と反応し、硬化は表面から始まって内部に進行するものであり、室温で硬化する。
一方、二成分液状シリコーンゲルは性状の異なる二液を混合すると、時間経過に従って硬化進行する。この硬化機構は加水分解縮合反応であり、架橋剤としては主に正ケイ酸プロピル等のアルコキシシランが用いられ、また触媒と水の存在が不可欠である。このような縮合型の二成分液状シリコーンゲルは、一般的に接着性を持たず、硬化阻害を起こさないという性状を呈する。
【００１０】
前記ベースポリマーとしては一例としてポリシロキサン（−Ｓｉ−Ｏ−）が用いられる。このポリシロキサン（−Ｓｉ−Ｏ−）のケイ素原子上の置換基は一般的にはメチル基であるが、耐熱性や極低温性付与にはフェニル基が、耐溶剤性向上にはトリフルオロプロピル基等のフッ素化炭化水酸基が用いられる。
【００１１】
前記架橋剤としては、一成分形ではＲＳｉＸ₃ が、二成分形ではＳｉ（ＯＲ）₄ 等が用いられる（Ｘ：メトキシ、ケトオキム基等、Ｒ：メチル、エチル基等）。
【００１２】
前記硬化触媒としては、有機スズ化合物、有機チタン化合物、アミン系化合物等が用いられる。
また前記充填剤としては微粉末シリカ、炭酸カルシウム粉、石英粉等が用いられる。
このような縮合型ゲルは、前記ベースポリマー、架橋剤、硬化触媒、充填剤及び添加剤等を、ロールミキサー、プラネタリーミキサーまたは連続混練機等の各種混練機を用いて、各成分を均一に混合させて製造される。
【００１３】
次にシリコーンオイルについて説明する。シリコーンオイルは、ジメチルポリシロキサンを主骨格とし、様々の有機官能基を側鎖または主鎖末端に導入して成る。そして本発明においてはジメチルシリコーンオイル、メチルフェニルシリコーンオイル、アミノ変性シリコーンオイル及びエポキシ変性シリコーンオイルより成る群から一種または二種以上の複数種が選択される。
【００１４】
次に熱伝導性フィラーについて説明する。本発明において熱伝導性フィラーは、窒化硼素、窒化珪素、窒化アルミ及び酸化マグネシウムより成る群から一種または二種以上の複数種を選択される。
このうち窒化硼素を用いたフィラーの一例について説明すると、このものはＢＮの化学式をもつ硼素の窒化物を焼成したセラミックスを、平均粒径３．５〜０．８μｍ程度の微粉末としたものであり、結晶構造が黒鉛に似た六角網面の積み重なりとして表されるために、化学的、物理的特質が黒鉛に似ているものの、極めて高い絶縁性を示し、色は白色である。その他の特性としては、真比重２．２６、低誘電損失であり絶縁性が高い等が挙げられる。
【００１５】
そして、本発明の熱伝導ゲルを製造するにあたっては、前記縮合型ゲル及び前記シリコーンオイルの混合物と、前記熱伝導性フィラーとの混合物における熱伝導性フィラーの混合率を、総重量の２０〜８０％として混合して熱伝導ゲルを得るのである。
まず縮合型ゲルの主剤に硬化剤を添加して均等に混ざるまで攪拌機等を用いて充分に攪拌する。その後、シリコーンオイル、熱伝導性フィラーを混合し、次いで真空ポンプとデシケータを用いて５〜１０分程度脱泡する。
更にその後、この混合液をドクターブレード法、カレンダーロール法、押出法等により、１．５ｍｍ厚程度のシート状にして常温でゲル状に硬化させ、両面に剥離シートを張り付け、適宜の大きさに裁断する。
【００１６】
このようにして得られたシート状の熱伝導ゲルは、ＪＩＳＫ（Ｋ−２２０７−１９８０５０ｇ荷重) で測定された針入度が５〜２００であり、熱伝導率が０．８〜１．１ｗ／ｍ・ｋ、好ましくは０．９〜１．０ｗ／ｍ・ｋの特性を有するものである。因みにこの熱伝導率は後述する実施例において得られた値であって、熱伝導ゲルの厚さや、周辺環境等により若干の変動が生ずる。
以下、本発明の好ましい実施例について具体的に説明する。
【００１７】
【実施例１】
縮合型ゲルとして、Ｗａｃｋｅｒ社製ＲＴＶ２５３１Ｐを用いた。
またシリコーンオイルとして、Ｗａｃｋｅｒ社製ジメチルシリコーンオイルＡＫ３５用いた。
更にまた熱伝導性フィラーとして、電気化学工業社製ＢＮＢＰを用いた。
そして縮合型ゲルと、シリコーンオイルとの混合比（重量比）を１：２、また縮合型ゲル及びシリコーンオイルの混合物と、熱伝導性フィラーとの混合比（重量比）を７０：３０とした。
このようにして得られた熱伝導性ゲルは、ＪＩＳＫ（Ｋ−２２０７−１９８０５０ｇ荷重) で測定された針入度が８５であり、また熱伝導率が１．０ｗ／ｍ・ｋという特性が得られた。
【００１８】
【実施例２】
縮合型ゲルとして、Ｗａｃｋｅｒ社製ＲＴＶ２５３１Ｐを用いた。
またシリコーンオイルとして、Ｗａｃｋｅｒ社製ジメチルシリコーンオイルＡＫ３５用いた。
更にまた熱伝導性フィラーとして、電気化学工業社製ＳｉＮＦ１を用いた。
そして縮合型ゲルと、シリコーンオイルとの混合比（重量比）を１：２、また縮合型ゲル及びシリコーンオイルの混合物と、熱伝導性フィラーとの混合比（重量比）を３５：６５とした。
このようにして得られた熱伝導性ゲルは、ＪＩＳＫ（Ｋ−２２０７−１９８０５０ｇ荷重) で測定された針入度が５５であり、また熱伝導率が１．０ｗ／ｍ・ｋという特性が得られた。
【００１９】
【実施例３】
縮合型ゲルとして、Ｗａｃｋｅｒ社製ＲＴＶ２５３１Ｐを用いた。
またシリコーンオイルとして、Ｗａｃｋｅｒ社製ジメチルシリコーンオイルＡＫ３５用いた。
更にまた熱伝導性フィラーとして、東洋アルミ社製ＡｌＮＵＭ７０を用いた。そして縮合型ゲルと、シリコーンオイルとの混合比（重量比）を１：２、また縮合型ゲル及びシリコーンオイルの混合物と、熱伝導性フィラーとの混合比（重量比）を３０：７０とした。
このようにして得られた熱伝導性ゲルは、ＪＩＳＫ（Ｋ−２２０７−１９８０５０ｇ荷重) で測定された針入度が５０であり、また熱伝導率が１．０ｗ／ｍ・ｋという特性が得られた。
【００２０】
【実施例４】
縮合型ゲルとして、Ｗａｃｋｅｒ社製ＲＴＶ２５３１Ｐを用いた。
またシリコーンオイルとして、Ｗａｃｋｅｒ社製ジメチルシリコーンオイルＡＫ３５用いた。
更にまた熱伝導性フィラーとして、電気化学工業社製ＢＮＢＰ及び電気化学工業社製ＳｉＮＦ１を用いた。
そして縮合型ゲルと、シリコーンオイルとの混合比（重量比）を１：２とし、前記二種の熱伝導性フィラーの混合比を１：１とし、更にまた縮合型ゲル及びシリコーンオイルの混合物と、熱伝導性フィラーの混合物との混合比（重量比）を６０：４０とした。
このようにして得られた熱伝導性ゲルは、ＪＩＳＫ（Ｋ−２２０７−１９８０５０ｇ荷重) で測定された針入度が５０であり、また熱伝導率が０．９ｗ／ｍ・ｋという特性が得られた。
【００２１】
【発明の効果】
本発明の熱伝導ゲルは、以上述べたような構成を有することによって成るものであって、以下のような効果を奏する。
まずシリコーンオイルにより縮合型ゲルの高硬度化を防止して良好な密着性を付与し、熱伝導性フィラーにより良好な熱伝導性を付与することができる。そして各請求項記載の構成によりもたらされる効果が相乗的に作用することによりフィラーの添加による硬化阻害を引き起こさず、引っ張り強度の強い縮合型シリコーンゲルを用い、この素材に「放熱シート」として要求される密着性及び熱伝導性を具備した熱伝導ゲルの提供が可能となる。
従って熱伝導ゲルを発熱性部材と放熱部材との間に介在させることで両者を密着させ、実質的な面接触状態を得ることができ、発熱性部材から放熱部材への熱伝導を効率的に行うことができる。

Claims

縮合型ゲルと、シリコーンオイルと、熱伝導性フィラーとを含み、常温でゲル状に硬化している熱伝導ゲルであって、前記縮合型ゲルは、縮合硬化型の液状シリコーンゲルであり、また前記シリコーンオイルは、ジメチルシリコーンオイル、メチルフェニルシリコーンオイル、アミノ変性シリコーンオイル及びエポキシ変性シリコーンオイルより成る群から一種または二種以上の複数種が選択されたものであり、更にまた前記熱伝導性フィラーは、窒化硼素、窒化珪素、窒化アルミ及び酸化マグネシウムより成る群から一種または二種以上の複数種が選択されたものであり、前記縮合型ゲルと前記シリコーンオイルとの混合比を、１：２とし、また前記縮合型ゲル及び前記シリコーンオイルの混合物と、前記熱伝導性フィラーとの混合物における熱伝導性フィラーの混合率を、総重量の２０〜８０％とすることにより、熱伝導率が０．８〜１．１ｗ／ｍ・ｋであり、且つ針入度が５〜２００となるように形成されたことを特徴とする熱伝導ゲル。