JP4446514B2

JP4446514B2 - 熱伝導性シリコーン成形体の放熱部材

Info

Publication number: JP4446514B2
Application number: JP16881799A
Authority: JP
Inventors: 和義池田; 満椎葉; 卓川崎
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 1999-06-15
Filing date: 1999-06-15
Publication date: 2010-04-07
Anticipated expiration: 2019-06-15
Also published as: JP2000355654A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱伝導性シリコーン成形体及びその用途に関する。
【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、従来よりトランジスタやサイリスタ等の発熱電子部品は、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、樹脂に窒化ホウ素（ＢＮ）等の熱伝導性フィラーを分散含有させたものが広く賞用されており、また最近では、その柔軟性を例えばアスカーＣ硬度で５０以下までに著しく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／ｍＫ、面方向に対して垂直な方向では約２Ｗ／ｍＫ程度であり、面方向の熱伝導性は数十倍優れていることが知られている。したがって、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、シートの熱伝導性が飛躍的に向上することが期待されるが、従来のカレンダーロール法、ドクターブレード法、押し出し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た。
【０００５】
このような問題を解決するため、特公平６−１２６４３号公報には、ＢＮ粒子をランダムに配向させることが提案されているが、この場合であってもシート面方向に配向したＢＮ粒子も依然として多く存在しているので、十分に熱伝導性が高められているとはいえない。
【０００６】
そこで、シート厚み方向に配向しているＢＮ粒子の割合を、シート面方向に配向している割合よりも多くさせるため、特公平６−３８４６０号公報が提案されている。この方法は、ＢＮ粒子の充填されたシリコーン固化物を成型機でまずブロック化し、次いでそれを垂直方向にスライスしてシート化するものであるので、ブロック寸法が大きくなると成型金型の側面ではＢＮ粒子が配向するものの、内側ではＢＮ粒子がランダムに配向するので、熱伝導性の十分な向上は望めない。
【０００７】
ＢＮ粒子を内側まで十分に配向させるためには、ＢＮ粒子を含有するシリコーン組成物を小さな断面積で棒状に押し出すことが必要であり、成形された棒状成形物は複数本集結させ、押し出し方向で使用することにより、押し出し方向で良好な放熱性を有する放熱部材を得ることができる。
【０００８】
また、最近の放熱部材においては、熱伝導性以外に放熱フィンや発熱体への取り付けやすさや、放熱部材を取り付けた部品を組み込む際、放熱部材の落下や位置ズレをなくすることが要求されている。このような背景から、当該分野においては、表面粘着性を有し、しかも柔軟性と高熱伝導性を併せ持つ放熱部材の出現が待たれていた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、締め付け又は圧縮時の余分な力を吸収できるような柔らかさを有し、しかも極めて高い熱伝導性と表面粘着性を有する、放熱部材として好適な熱伝導性シリコーン成形体を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、
熱伝導性シリコーン成形体の骨格部と、該骨格部の一部又は全部と一体的に形成された熱伝導性シリコーン成形体の樹脂部とからなるものであって、骨格部又は樹脂部の断面形状が、三角形、四角形、六角形、格子状、菱形、台形等の多角形、円形、楕円形、波形、同心円形、放射形、渦巻形であり、骨格部と樹脂部の熱伝導率は異なっており、しかもその表面の少なくとも一部に５Ｎ／ｍ以上の粘着部があることを特徴とする熱伝導性シリコーン成形体の放熱部材である。特に、成形体の厚み方向に対して、垂直な上下両面に粘着部を有し、その差が５Ｎ／ｍ以上であり、また骨格部又は樹脂部の割合が断面積比で５０〜９８％であることを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明は、上記熱伝導性シリコーン成形体からなることを特徴とする電子機器の放熱部材であり、特に熱抵抗が０．５℃／Ｗ・ｍｍ以下、アスカーＣ硬度が６０以下であることを特徴とするものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面に従い、更に詳しく本発明について説明する。図１は、本発明に係る熱伝導性シリコーン成形体の基本体の斜視図、図２は、そのＡ−Ａ断面図である。符号の１は熱伝導性シリコーン成形体の基本体、２は骨格部、３は樹脂部、４は熱伝導性フィラーである。
【００１３】
図１、図２に示されるように、本発明に係る熱伝導性シリコーン成形体の基本体１は、骨格部２と、該骨格部の一部又は全部と一体的に形成された樹脂部３とから構成されており、熱伝導性フィラー４は成形体の厚み方向に配向している割合が著しく多いものであり、しかも骨格部と樹脂部の熱伝導率が異なっているものである。本発明は、このような熱伝導性シリコーン成形体の基本体であって、その表面の少なくとも一部に５Ｎ／ｍ以上の粘着部があることを特徴とするものである。
【００１４】
本発明に係る熱伝導性シリコーン成形体の基本体それ自体については、本出願人が提案した特願平１０−３６７１５９号明細書に記載されている。以下、それを概説する。
【００１５】
骨格部と樹脂部の形成に使用されるシリコーン原料としては、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硬化型ミラブルタイプのシリコーンゴム等が使用されるが、電子機器の放熱部材では、発熱電子部品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、東レダウコーニング社製、商品名「ＳＥ−１８８５」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によって調整することができる。
【００１６】
また、骨格部又は樹脂部の形成に使用される熱伝導性フィラーは、ＢＮ粉末単独又はＢＮ粉末と他の熱伝導性フィラーとの混合粉末である。ＢＮは、鱗片状粒子の面方向（ａ軸）と垂直方向（ｃ軸）とでは熱伝導性が数十倍程度異なっているが、本発明によってその面方向の高熱伝導性を十分に利用することができる。
【００１７】
ＢＮ以外の熱伝導性フィラーとしては、絶縁性が必要な場合には、窒化珪素、窒化アルミニウム、アルミナ、マグネシア等のセラミックス粉末が用いられ、また絶縁性を問わない場合には、これらのセラミックス粉末の他に、アルミニウム、銅、銀、金等の金属粉末や、炭化珪素粉末、炭素粉末等が使用される。熱伝導性フィラーの形状は、破砕形状、球状、繊維状、針状、鱗片状などいずれでもよく、また粒度は、平均粒径１〜１００μｍ程度のものが使用される。
【００１８】
ＢＮ粒子の厚み（ｃ軸方向）は、０．１μｍ以上であることが好ましく、０．１μｍを未満では、シリコーンに分散させる際に粒子が破壊する恐れがある。また、ＢＮ粒子のアスペクト比（縦／横比）はできるだけ大きい方が熱伝導性を向上させる点で好ましく、２０以上が好ましい。
【００１９】
このようなＢＮ粉末は、例えば粗製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ＢＮ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によって製造することができる。
【００２０】
本発明に係る熱伝導性シリコーン成形体の基本体において、その（１）骨格部と樹脂部の構成比率、（２）骨格部と樹脂部の熱伝導率差の大きさ、（３）一つの中空部内部に形成される樹脂部の割合、（４）骨格部ないしは樹脂部の断面形状等については、特に制限はない。以下、これらについて更に詳しく説明する。
【００２１】
骨格部又は樹脂部の構成比率（％）は、断面積中の骨格部又は樹脂部の占める面積比（＝骨各部又は樹脂部の断面積／全断面積×１００）で表され、５０〜９８％であることが好ましい。
【００２２】
骨格部と樹脂部のどちらの熱伝導率を大きくするかは、使用目的に応じて決定される。また、両者の熱伝導率の差についても任意であるが、その一例は２Ｗ／ｍ・Ｋ以上である。
【００２３】
骨格部と樹脂部の間に熱伝導率の差を設ける方法としては、ＢＮ粉末の充填量かその配向のさせ方、又はその両方で行うことができる。ＢＮ粉末の充填量によって行う場合は、ＢＮ含有量の異なるシリコーン組成物を用いることによって容易に行うことができる。この場合、伝熱の主要部（骨格部又は樹脂部）における熱伝導性フィラーの含有量は、３５〜６０体積％特に４０〜５５体積％にすることが好ましい。３５体積％未満では、シリコーン成形体に十分な熱伝導性を付与することができず、６０体積％をこえると機械的強度が低下する。本発明のように、骨格部と樹脂部の熱伝導率を違えた理由は、熱伝導率の高い部分で高熱伝導性を、低い部分で高柔軟性を負担させるためである。
【００２４】
骨格部の中空部内部に形成される樹脂部について説明すると、骨格部が伝熱の主要部となる場合においては、樹脂部が柔軟性に富むものほど、締め付け又は圧縮時に生じる骨格部の変形を吸収でき、発熱体表面への密着性が増すことから、良好な熱伝導性が得られる。骨格部と樹脂部との硬度差は限定されるものではないが、アスカーＣ硬度で５以上あることが好ましい。また、樹脂部は部分的に空隙状態となっていても何ら問題はなく、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。骨格部と樹脂部の間に硬度差を設ける方法としては、フィラーの充填量、シリコーンの種類及び架橋密度などによって行うことができる。
【００２５】
骨格部又は樹脂部の断面形状は、三角形、四角形、六角形、格子状、菱形、台形等の多角形、円形、楕円形、波形、同心円形、放射形、渦巻形などが可能である。
【００２６】
本発明の大きな特徴は、上記熱伝導性シリコーン成形体の基本体において、その表面の少なくとも一部に５Ｎ／ｍ以上の粘着部を設けたことである。特に、成形体の厚み方向に対して、垂直な上下両面に粘着部を形成させ、その差を５Ｎ／ｍ以上とすることが好ましい。
【００２７】
粘着部の形成方法としては、（１）骨格部と樹脂部のうち、どちらか一方又は両方のシリコーンの種類とその架橋密度を調整して粘着部を設ける、（２）熱伝導性シリコーン成形体の表面に粘着剤を塗布するなどがある。後者で使用される粘着剤としては、アクリル系粘着剤、シリコーン系粘着剤、熱伝導性グリース、熱伝導性フィラーを含有又は含有しない低架橋密度のシリコーン組成物などがある。このような粘着剤は、樹脂部形成用原料に配合しておくこともできる。
【００２８】
粘着剤の塗布は、スクリーン印刷、ロールコーター等によって行うことができる。粘着部を限られた一部分に形成する場合や、複雑形状に形成する場合には、スクリーン印刷を用いる方が有効である。
【００２９】
粘着部は、厚い方が高い粘着力を得られるが、熱抵抗が上昇するので、１０〜１００μm程度、特に１０〜５０μmの厚みが好ましい。
【００３０】
一方、前者のシリコーンの種類やその架橋密度の調節によって粘着部を形成させる方法においては、粘着部を形成させない部分に、波長１００〜２８０ｎｍの電磁波（ＵＶ−Ｃ領域の紫外線）を照射することによって、好適に行うことができる。
【００３１】
粘着部の粘着性の程度は、放熱部材を発熱素子に貼り付ける際の落下ないしは位置ズレを起こさせないこと、また放熱部材を挟んで発熱素子を放熱フィンや筐体等で放冷する電子部品においては、その点検や修理の際に放熱部材が発熱部材か放熱フィンのどちらか一方に粘着していることが好ましいことなどを考慮して、５Ｎ／ｍ以上は必要である。その上限には特に制約がなく、脱着できる程度の大きさであればよい。
【００３２】
本発明の熱伝導性シリコーン成形体の形状については制約はなく、用途に応じて適切な形状が選択される。シート状ないしは矩形状のものは、熱伝導性シートや高柔軟性放熱スペーサー等の電子機器の放熱部材として使用される。
【００３３】
本発明の放熱部材は、本発明の熱伝導性シリコーン成形体で構成されてなるものであり、その熱抵抗が０．５℃／Ｗ・ｍｍ以下、アスカーＣ硬度が６０以下であることが好ましい。また、熱伝導性フィラーとして、ＢＮ粉末単独又はＢＮ粉末と他の熱伝導性フィラーとの混合粉末を使用した場合、放熱部材の厚み方向にＸ線を照射して得られたＸ線回折図において、〈１００〉面（ａ軸）に対する〈００２〉面（ｃ軸）のピーク比（〈００２〉／〈１００〉）が１以下であることが好ましい。
【００３４】
【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。
【００３５】
実施例１
骨格部を成形するため、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）の体積比をＡ液：Ｂ液＝１：１の割合で混合して得られ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−１８８５」）４５体積％と、平均粒子径１５μｍ、平均粒子厚み１μｍのＢＮ粉末（電気化学工業社製、商品名「デンカボロンナイトライド」）５５体積％とを、市販ミキサーで混合して熱伝導性コンパウンドを調製した。
【００３６】
このコンパウンドを、直径３ｍｍの孔が横に２０個開けられたダイスから、押し出して未硬化の棒状シリコーン成形物を成形し、長さ６ｃｍに切断後、用意した樹脂製外枠内に積み重ねて集結体とした。この集結体は、未硬化の骨格部と、樹脂部となる中空部から構成されてなるものであり、その平面形状は６０×６０ｍｍ程度である。
【００３７】
次に、粘着性を有する樹脂部を形成するため、液性付加反応型液状シリコーンをＡ液：Ｂ液＝１．２：１の体積割合で混合し、粘着力が発現されるように調整した。これを棒状シリコーン成形物の充填された型枠に流し込み、真空で１０分間処理した後、熱風乾燥機で１２０℃、５時間加硫硬化させた。その後、厚み１ｍｍに切断して本発明の熱伝導性シリコーン成形体を作製した。
【００３８】
実施例２
骨格部に粘着性を持たせるため、骨格部の形成に使用した二液性付加反応型液状シリコーンの混合割合をＡ液：Ｂ液＝１．２：１の体積比にしたこと以外は、実施例１と同様な方法で熱伝導性シリコーン成形体を作製した。
【００３９】
実施例３
樹脂部の形成に使用するスラリーとして、上記二液性付加反応型液状シリコーンの体積比をＡ液：Ｂ液＝１：１としてなるもの８０体積％とシリカ粉末２０体積％との混合物を使用したこと以外は、実施例１に準じて、図１に示される熱伝導性シリコーン成形体の基本体を成形し、その厚み方向に対して垂直となる上面全体に、シリコーン系粘着剤（東芝シリコーン社製、商品名「ＰＳＡ６５７４」）を厚さ１０〜２０μｍに塗布して、本発明の熱伝導性シリコーン成形体を作製した。
【００４０】
実施例４
シリコーン系粘着剤のかわりに、上記二液性付加反応型液状シリコーンの体積比をＡ液：Ｂ液＝１．２：１としてなるもの７０体積％と窒化ケイ素粉末３０体積％とを混合して得られたスラリーを用い、それをスクリーン印刷により厚さ５０μｍに塗布した後、１２０℃の熱風乾燥機で硬化させたこと以外は、実施例３と同様にして、熱伝導性シリコーン成形体を作製した。
【００４１】
実施例５
シリコーン系粘着剤のかわりに、市販の熱伝導性グリース（信越化学工業社製、商品名「Ｇ−７４７」）を用い、スクリーン印刷により厚さ５０μｍに塗布したこと以外は、実施例３と同様にして、熱伝導性シリコーン成形体を作製した。
【００４２】
実施例６
実施例１で作製された本発明の熱伝導性シリコーン成形体の片面に、実施例４で調整されたスラリーをスクリーン印刷により厚さ５０μｍに塗布・硬化させて、熱伝導性シリコーン成形体を作製した。
【００４３】
比較例１
実施例１で調製された熱伝導性コンパウンドを、押し出し口が平面形状であるダイスを用い、平面形状の未硬化シリコーン成形物を押し出し、それを硬化させたこと以外は、実施例１と同様にして熱伝導性シリコーン成形体を製造した。
【００４４】
比較例２
シリコーン系粘着剤を塗布しなかったこと以外は、実施例３と同様にして、熱伝導性シリコーン成形体の基本体を成形し、それを熱伝導性シリコーン成形体とした。
【００４５】
上記で得られた熱伝導性シリコーン成形体について、樹脂部の構成比率、粘着力、厚み方向の熱抵抗及びアスカ−Ｃ硬度を以下に従い測定した。また、アルミニウム製放熱フィンへの取り付け性についても評価した。それらの結果を表１に示す。
【００４６】
（１）樹脂部の構成比率
熱伝導性シリコーン成形体の断面積当たりの樹脂部の占有面積率を顕微鏡で測定した。
【００４７】
（２）粘着力
１２５ｍｍ×２５ｍｍ×１ｍｍの熱伝導性シリコーン成形体を、２００ｍｍ×４０ｍｍのＳＵＳ板に載せ、５００ｇ荷重のローラーを約３００ｍｍ／ｍｉｎの速さで一往復させて圧着する。その後、引張試験機にて、引張速度５０ｍｍ／ｍｉｎで９０゜剥離強度を測定した。
【００４８】
（３）熱抵抗
厚さ１ｍｍの熱伝導性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、式、熱抵抗（℃／Ｗ・ｍｍ）＝｛温度差（℃）／電力（Ｗ）｝／シート厚（ｍｍ）、により算出した。
【００４９】
（４）アスカーＣ硬度
厚さ１ｍｍの熱伝導性シリコーン成形体を円形状（直径２９ｍｍ）に切断した後、１０枚重ねて厚さ１０ｍｍの試験片とした後、アスカーＣ硬度計（高分子計器社製）により、測定荷重５００gを加えて硬度を測定した。
【００５０】
（５）アルミニウム製放熱フィンへの取り付け性
市販のアルミニウム製放熱フィンに、３０ｍｍ×３０ｍｍ×１ｍｍの熱伝導性シリコーン成形体を貼り付けた後、横方向に１０回往復させて位置ズレの有無を確認した。また、放熱フィンを裏返しにして落下の有無を確認した。
評価 ○：位置ズレ、落下なし
△：位置ズレ、落下のいずれかあり
×：位置ズレ、落下の両方あり
【００５１】
【表１】

【００５２】
表１より、実施例１〜６の熱伝導性シリコーン成形体は、比較例１に比べて熱伝導性が大幅に向上している、また、比較例１〜２と比べて、表面に粘着部が形成されていることから取り付け性に優れていることがわかる。
【００５３】
次に、実施例で作製された熱伝導性シリコーン成形体を放熱部材とし、ヒートシンク側に貼って、ボールグッリドアレイ式のＳＲＡＭ等の発熱素子に取り付けたところ、落下や位置ズレもなく組み立てることができた。また、作動時においても、温度上昇を低く抑えることができ、高信頼性の電子機器をつくることができた。
【００５４】
【発明の効果】
本発明によれば、放熱部材に適した粘着性を有し、しかも高柔軟性かつ高熱伝導性のシリコーン成形体を提供することができる。本発明の熱伝導性シリコーン成形体は、熱伝導性シート、柔軟性放熱スペーサー等の電子機器の放熱部材として好適なものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る熱伝導性シリコーン成形体の基本体の斜視図
【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の基本体
２骨格部
３樹脂部
４熱伝導性フィラー

Claims

熱伝導性シリコーン成形体の骨格部と、該骨格部の一部又は全部と一体的に形成された熱伝導性シリコーン成形体の樹脂部とからなるものであって、骨格部又は樹脂部の断面形状が、三角形、四角形、六角形、格子状、菱形、台形等の多角形、円形、楕円形、波形、同心円形、放射形、渦巻形であり、骨格部と樹脂部の熱伝導率は異なっており、しかもその表面の少なくとも一部に５Ｎ／ｍ以上の粘着部があることを特徴とする熱伝導性シリコーン成形体の放熱部材。
放熱部材の厚み方向に対して、垂直な上下両面に粘着部を有し、その差が５Ｎ／ｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の放熱部材。
骨格部又は樹脂部の割合が断面積比で５０〜９８％であることを特徴とする請求項２記載の放熱部材。
請求項１、２又は３記載のいずれかの放熱部材からなることを特徴とする電子機器の放熱部材。
熱抵抗が０．５℃／Ｗ・ｍｍ以下、アスカーＣ硬度が６０以下であることを特徴とする請求項４記載の放熱部材。