JP4137288B2

JP4137288B2 - 熱伝導性シリコーン成形物の製造方法

Info

Publication number: JP4137288B2
Application number: JP15491399A
Authority: JP
Inventors: 哲美大塚; 康彦板橋; 卓川崎
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 1999-06-02
Filing date: 1999-06-02
Publication date: 2008-08-20
Anticipated expiration: 2019-06-02
Also published as: JP2000343577A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子機器の放熱部材を製造するのに好適な高熱伝導性シリコーン成形物の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子機器においては、使用時に発生する熱をどのように除去するかが重要な課題であり、それを解決するため、従来よりＩＣ、ＬＳＩ、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の半導体素子は、熱伝導性シート等の放熱部材を介して放熱フインや放熱板等のヒートシンクに取り付けられている。熱伝導性シートとしては、シリコーンに窒化ホウ素（ＢＮ）等の熱伝導性フィラーを分散含有させたものが広く使用されており、また最近では、その柔軟性を例えばアスカーＣ硬度で５０以下までに柔らかくした高柔軟性放熱スペーサーも使用されるようになってきている。
【０００３】
今日、このような放熱部材においては、更なる熱伝導性の向上が要求されており、それをＢＮの充填率を高めることによって対応しているが、その反面、シートの機械的強度が低下するので、充填率を高める方法には限界がある。
【０００４】
ＢＮは鱗片状粒子であり、その熱伝導率は面方向では約１１０Ｗ／ｍ・Ｋ、面方向に対して垂直な方向では約２Ｗ／ｍ・Ｋ程度であり、面方向の熱伝導性は数十倍大きいことが知られている。従って、ＢＮ粒子の面方向を熱の伝達方向であるシートの厚み方向と同じにする（すなわち、ＢＮ粒子をシート厚み方向に立たせる）ことによって、熱伝導性が飛躍的に向上することが期待される。
【０００５】
しかしながら、従来のカレンダーロール法、ドクターブレード法等の成形方法では、シート成形時にＢＮ粒子の配向が起こり、図３のように鱗片状粒子の面方向がシート面方向と同一となってしまい、ＢＮ粒子の面方向の優れた熱伝導性を活かされないままとなっている。また、プレス成形、押し出し成形においても、成形時の剪断速度が十分でない場合は、ＢＮ粉末を高熱伝導性を付与する方向へ配向させることができないため、十分な高熱伝導性が得られないという問題があった。
【０００６】
配向が十分でなくとも熱伝導性を高める方法として、ＢＮ粒子を高充填する方法があるが、この方法ではシートは硬くなり、電子部品が荷重に弱い場合には、取り付け時の締め付け力によって損傷する問題があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記において鑑みてなされたものであり、その目的は、電子機器の放熱部材を製造するのに好適な熱伝導性シリコーン成形物の製造方法を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、扁平度１０以上の窒化ホウ素粉末とシリコーンを含んでなるシリコーン組成物原料を、２５〜３５ｓ^-1の剪断速度で押し出し成形し棒状シリコーン成形物を成形し、複数の棒状シリコーン成形物を長さ方向で集結し、集結した棒状シリコーン成形物の骨格部に対する中空部の断面積比が０．１〜０．３であり、中空部を有する骨格部を形成させた後、中空部にシリコーン組成物を充填することを特徴とする熱伝導性シリコーン成形体の製造方法である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について更に詳しく説明する。
【００１０】
本発明で使用されるシリコーン原料は、付加反応型液状シリコーンゴム、過酸化物を加硫に用いる熱加硫型ミラブルタイプのシリコーンゴム等が使用されるが、放熱部材としては、半導体素子あるいは半導体素子が組み込まれたモジュールの発熱面とヒートシンク面との密着性が要求されるため、付加反応型液状シリコーンゴムが望ましい。その具体例としては、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や、末端又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又は側鎖に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があり、市販品としては、東レダウコ−ニング社製、商品名「ＳＥ−１８８６」等がある。シリコーン硬化物の柔軟性は、シリコーンの架橋密度や熱伝導性フィラーの充填量等によって調整することができる。
【００１１】
また、熱伝導性フィラーとしては、窒化ホウ素が使用される。窒化ホウ素は、上記した熱伝導性の異方性があり、それをうまく利用することによって、更なる高熱伝導性を付与したシリコーン成形体を製造することができる。扁平度が１０以上の窒化ホウ素粉末が使用される。
【００１２】
ここで、粉末の扁平度とは、１個の粒子の長軸径の１／２の値をその粒子の最大粒子厚みで割ることによって求められた値であり、２００個の粒子の平均値である。
【００１３】
このような扁平度を有する窒化ホウ素粉末を得る方法の一例として、粗製ＢＮ粉末をアルカリ金属又はアルカリ土類金属のほう酸塩の存在下、窒素雰囲気中、２０００℃×３〜７時間加熱処理して窒化ホウ素結晶を十分に発達させ、粉砕後、必要に応じて硝酸等の強酸によって精製することをあげることができる。
【００１４】
本発明で押し出し成形されるシリコーン組成物原料は、上記シリコーンと熱伝導性フィラーを必須成分として含むシリコーン組成物である。更に、これに硬化剤等の各種の添加剤を適宜配合することもできる。シリコーンと熱伝導性フィラーの割合については、特に制限はないが、シリコーン３０〜８０体積％、熱伝導性フィラー７０〜２０体積％程度であることが望ましい。また、シリコーン組成物原料の見かけ粘度は、１．０×１０³Ｐａ・ｓ以上であることが好ましい。見かけ粘度がこれよりも小さいと、得られたシリコーン成形体が柔らかいため、容易に変形し、配向が乱れて鉄伝導性が低下してしまう。
【００１５】
本発明においては、上記シリコーン組成物原料を剪断速度２５〜３５ｓ^-1を付与して押し出し成形する。押し出し成形機としては、公知のものを用いることができる。剪断速度が２０ｓ-1未満では、シリコーン成形体に熱伝導性フィラーを十分に配向させることができないので、熱伝導性を十分に高めることが困難となる。
【００１６】
シリコーン成形体の断面形状については、特に限定されるものではなく、三角形、四角形、六角形、菱形、台形等の多角形、円形、楕円形等の形状が可能である。しかしながら、本発明においては、シリコーン成形体の中心部においても熱伝導性フィラーを配向させるのため、十分な剪断速度を与えることが必要である。この観点から、成形体断面積を０．５〜３００ｍｍ²の範囲とすることが好ましく、更には成形体断面積の任意の二点を結んだときの最長径が０．３〜１５ｍｍの範囲にあるものが望ましい。
【００１７】
シリコーン組成物原料の調合は、ロールミル、ニーダー、バンバリーミキサー等を用いて行うことができる。また、押し出し成形されたシリコーン成形体の硬化は、遠赤外炉、熱風炉等を用いて行うことができる。その後、必要に応じて所望長さに切断され、種々の用途に供される。また、押し出し成形されたシリコーン成形体を、十分に硬化をさせない状態でその複数を複合させて別用途に供することができる。更には、この複合物を上記シリコーン組成物原料と同じ又は別のシリコーン組成物で処理して他の用途、例えば電子部品の放熱部材に供することもできる。
【００１８】
以下、その放熱部材の製造方法について説明すると、まず、縦列及び／又は横列に複数の孔が設けられてなるダイスから、上記シリコーン組成物原料を押し出し成形して、未硬化の棒状シリコーン成形物を成形し、硬化後又は硬化前に、これらの全てを集結させて、中空部を有する骨格部からなるコア材を製造する。次いで、上記中空部の少なくとも一つの内部の全部又は一部に、熱伝導性フィラーを含有した又は含有しないシリコーン組成物を充填・硬化させて樹脂部を形成させ、適宜長さに切断する。
【００１９】
樹脂部は、部分的に空隙状態となっていても、実用上何ら問題はなく、用途によってはこのような構造が好都合であることもある。中空部に充填されるシリコーン組成物の粘度としては、１００００ｃＰ以下、特に５００〜８０００ｃＰであることが好ましい。また、樹脂部に熱伝導性フィラーを配合する場合、その熱伝導性フィラーとしては、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、窒化ホウ素、窒化ケイ素粉末等を用いることができる。更に、導電性を付与したい場合などには、銀、アルミニウム、銅等の金属粉末又は金属箔等も配合することができる。
【００２０】
骨格部に対する樹脂部の断面積比（樹脂部／骨格部）は、０．１〜０．３であることが好ましい。上記断面積比が０．０５未満では、放熱部材として使用する際、骨格部の変形を十分に吸収することができず、半導体素子に荷重がかかり取り付け時に半導体素子が損傷する恐れがある。また、上記断面積比が１．０をこえると、骨格部自体の熱伝導性は高められても、放熱部材全体の熱伝導性が十分に高めることができない。
【００２１】
【実施例】
以下、実施例と比較例をあげて更に具体的に本発明を説明する。
【００２２】
実施例１
ミラブル型シリコーンゴム（東芝シリコーン社製、商品名「ＴＳＥ２２１」）に、扁平度１３の市販ＢＮ粉末を表１に示す割合で混合し、更に少量のシリコーンゴム用加硫剤（２、４−ジクロロパーオキサイド）とシリコーンゴム用難燃付与剤（白金含有イソプロピルアルコール）を混合して、表１に示される見かけ粘度のシリコーン組成物原料を調合した。
【００２３】
これを、直径４ｍｍの孔が横に１０列設けられたダイスから、平均の剪断速度３５ｓ^-1で押し出し成形して未硬化の棒状シリコーン成形物を得、それを連続的に１５０℃の遠赤外乾燥炉を５分間通過させて加硫硬化させた。次いで、この硬化物をフッ素樹脂製の型枠に積層しながら入れ、骨格部と中空部からなるコア材を成形した。中空部の平面形状は各辺が湾曲した三角形が主であった。
【００２４】
コア材の全ての中空部の内部の全部に、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「ＳＥ−１８８６」）の割合が１対１の混合比からなる、粘度１０００ｃＰのスラリーを流し込み、真空で２０分間処理した後、熱風乾燥機で１５０℃、１５時間加硫硬化させた。その後、これを型枠から取り出し、厚み１ｍｍに切断して、図１に示される熱伝導性シリコーン成形物を製造した。
【００２５】
実施例２
ミラブル型シリコーンゴムのかわりに、Ａ液（ビニル基を有するオルガノポリシロキサン）対Ｂ液（Ｈ−Ｓｉ基を有するオルガノポリシロキサン）の混合比を表１に示す割合とした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「ＳＥ−１８８６」）を用いたこと以外は、実施例１と同様にして熱伝導性シリコーン成形物を製造した。
【００２７】
比較例１
押し出し時の剪断速度を１０ｓ^-1に設定したこと以外は、実施例１と同様にしてシリコーン成形物を製造した。
【００２８】
比較例２
押し出し時の剪断速度を１０ｓ^-1に設定したこと以外は、実施例３と同様にしてシリコーン成形物を製造した。
【００２９】
上記で得られたシリコーン成形体について、骨格部と樹脂部の断面積比、厚み方向の熱抵抗及び熱伝導性フィラーの扁平度を測定した。それらの結果を表１に示す。
【００３０】
（１）見かけ粘度
シリコーン組成物原料をフローテスター（島津製作所社製「ＣＦＴ−５００Ｄ」）に充填し、一定速度で押し出したときの見かけ粘度を測定した。
（２）骨格部と樹脂部の断面積比（樹脂部／骨格部）
熱伝導性シリコーン成形体の骨格部及び樹脂部の面積を画像解析法により求め、その比率を算出した。
（３）厚み方向の熱抵抗
シリコーン成形体をＴＯ−３形状に切断し、これをＴＯ−３型の銅製ヒーターケースと銅板との間にはさみ、締付けトルク５ｋｇｆ−ｃｍにてセットした後、銅製ヒーターケースに電力１５Ｗをかけて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、熱抵抗（℃／Ｗ・ｍｍ）＝｛温度差（℃）／電力（Ｗ）｝／シート厚（ｍｍ）にて熱抵抗を算出した。
（４）熱伝導性フィラーの扁平度
液体窒素により冷却した状態でシリコーン成形体を厚み方向に切断して破断面を露出させ、その破断面をＳＥＭ観察をして、熱伝導性フィラーの平均粒子径及び最大粒子厚みを測定し、扁平度を求めた。
【００３１】
【表１】

【００３２】
【発明の効果】
本発明の製造方法によれば、電子機器の放熱部材を製造するのに好適な高熱伝導性シリコーン成形物を生産性良く製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の製造方法によって得られた熱伝導性シリコーン成形体の斜視図
【図２】図１のＡ−Ａ断面図
【図３】従来の熱伝導性シートの厚み方向における断面図
【符号の説明】
１熱伝導性シリコーン成形体
２骨格部
３樹脂部
４熱伝導性フィラー

Claims

扁平度１０以上の窒化ホウ素粉末とシリコーンを含んでなるシリコーン組成物原料を、２５〜３５ｓ^-1の剪断速度で押し出し成形し棒状シリコーン成形物を成形し、複数の棒状シリコーン成形物を長さ方向で集結し、集結した棒状シリコーン成形物の骨格部に対する中空部の断面積比が０．１〜０．３であり、中空部を有する骨格部を形成させた後、中空部にシリコーン組成物を充填することを特徴とする熱伝導性シリコーン成形体の製造方法。