JP4514344B2

JP4514344B2 - 熱伝導性樹脂成形体及びその用途

Info

Publication number: JP4514344B2
Application number: JP2001030737A
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: 2001-02-07
Filing date: 2001-02-07
Publication date: 2010-07-28
Anticipated expiration: 2021-02-07
Also published as: JP2002237554A

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に好適な熱伝導性樹脂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、シリコーン硬化物に窒化ホウ素（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、更なる放熱特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った。
【０００４】
ところで、ＢＮは鱗片状粒子であり、その熱伝導率は面方向（ａ軸）では約１１０Ｗ／ｍＫ、面方向に垂直な方向（ｃ軸）では約２Ｗ／ｍＫ程度であり、面方向が数十倍優れているので、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て充填する）ことによって、放熱部材の放熱特性が飛躍的に向上することが期待される。しかし、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粒子が配向し、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ｃ軸方向の熱伝導性を活かされないままとなっていた。
【０００５】
そこで、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、この場合に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るので、十分に放熱特性が高められていない。
【０００６】
また、特公平６−３８４６０号公報には、ＢＮ粒子の充填されたシリコーン固化物をブロック化し、次いでそれを垂直方向にスライスしてシート化することによって、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することが提案されている。しかし、この方法では、ブロック寸法が大きくなるとＢＮ粒子がランダムに配向するので、これまた放熱特性の十分な向上は望めない。
【０００７】
この問題を解決するため、特開平２０００−３５５６５４号公報等には、複数の骨格部と、該複数の骨格部によって形成された空隙の少なくとも一部又は全部に充填硬化された樹脂部とから構成されてなる高柔軟性・高熱伝導性の放熱部材が提案されている。この放熱部材は、ＢＮ粒子を含有した樹脂コンパウンドを小さな断面を有する棒状物に押し出し成形し、それらの複数本を集結させて骨格部とするものであるから、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ことができるので高熱伝導性となる。しかも、高柔軟性であるので、電子機器に組み込む際、放熱フイン等のヒートシンクとの密着性が高まる。これらの結果、その放熱部材の組み込まれた電子機器の放熱特性が極めて良好となる。
【０００８】
しかしながら、近年の電子機器の高集積化、高熱密度化のスピードは目覚ましく速く、一部の機器においては、特開平２０００−３５５６５４号公報等の構造ではもはや十分とは言えなくなってきており、更なる放熱特性の改善が要求されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記特開平２０００−３５５６５４号公報等の構造の放熱部材においてその柔軟性を改善し、もって電子機器に組み込む際の密着性を高め、電子機器の放熱特性を一段と向上させることができる熱伝導性樹脂成形体と、電子機器の放熱部材と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、熱伝導性樹脂硬化物からなる複数の骨格部（２）と、該複数の骨格部によって形成された空隙の一部又は全部に充填硬化された樹脂部（３）からなるものであって、上記骨格部のアスカーＣ硬度が５５以下であり、骨格部が、（ａ）窒化ホウ素（ＢＮ）粒子、（ｂ）シリコーン硬化物、（ｃ）シリコーンオイル及び／又はエチレン又はブチレンとプロピレンとの共重合体からなる柔軟性付与剤とを含み、（ａ）が４０体積％以上、（ｂ）が５体積％以上、（ｃ）が０．０５≦（ｃ）／｛（ｂ）＋（ｃ）｝≦０．４であることを特徴とする熱伝導性樹脂成形体である。
【００１１】
また、本発明は、上記熱伝導性樹脂成形体の熱抵抗が０．２℃／Ｗ以下、厚みが０．０５〜５．０ｍｍであることを特徴とする電子機器の放熱部材である。
【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。
【００１３】
図１は本発明の熱伝導性樹脂成形体の一例を示す斜視図、図２はそのＡ−Ａ断面図である。符号の１は熱伝導性樹脂成形体、２は骨格部、３は樹脂部、４は熱伝導性フィラーである。図３は、従来の熱伝導性シートの厚み方向における断面図である。
【００１４】
本発明の熱伝導性樹脂成形体１は、複数の骨格部２と、該複数の骨格部によって形成された空隙の一部又は全部に充填硬化された樹脂部３とから構成されており、樹脂成形体の厚み方向に配向している熱伝導性フィラー４の割合が著しく多いものである。
【００１５】
本発明の熱伝導性樹脂成形体は、その骨格部のアスカーＣ硬度が５５以下である点において、特開平２０００−３５５６５４号公報等の樹脂成形体と異なっている。特開平２０００−３５５６５４号公報の樹脂成形体では、その開示された樹脂配合においては、骨格部のアスカーＣ硬度は小さくても７０程度である。
【００１６】
アスカーＣ硬度が５５以下の高柔軟性を有し、しかも高熱伝導性である骨格部２は、例えば（ａ）窒化ホウ素（ＢＮ）粒子、（ｂ）シリコーン硬化物の原料及び（ｃ）柔軟性付与剤の特定割合からなる混練物を棒状に押し出し成形し、それらの複数本を集結し硬化することによって得ることができる。
【００１７】
ＢＮ粒子（ａ）としては、ｃ軸方向の厚みが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ことが好ましく、２０以上であることが熱伝導性を向上させる点で好ましい。平均粒径は１０〜１００μｍ程度のものが使用される。骨格部のＢＮ粒子の割合は４０体積％以上であり、これよりも少ないと熱伝導性が不十分となる。
【００１８】
このようなＢＮ粒子は、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、１７００〜２２００℃×３〜１５時間加熱処理してＢＮ結晶を十分に発達させ、粉砕後、必要に応じて硫酸、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（例えば特開平９−２０２６６３号公報参照）。
【００１９】
シリコーン硬化物（ｂ）の形成に使用される原料としては、付加反応型液状シリコーン樹脂、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樹脂等が好適である。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樹脂等をあげることができ、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。
【００２０】
柔軟性付与剤（ｃ）は、骨格部のアスカーＣ硬度を５５以下とするために用いられるものであり、これを用いないと骨格部のアスカーＣ硬度が７０以上となる。柔軟付与剤としては、骨格部の主材がシリコーン硬化物である場合、それとの相溶性が高く、しかも化学的活性の小さいものが好ましく、例えばジメチルシリコーンオイル、フェニルメチルシリコーンオイル、クロロフェニルシリコーンオイル、アルキルシリコーンオイル、フロロシリコーンオイル、脂肪酸エステル変性シリコーンオイル等のシリコーンオイルや、エチレン・プロピレン共重合体、ブチレン・プロピレン共重合体等のエチレン又はブチレンとプロピレンとの共重合体から選ばれた１種又は２種以上が使用される。
【００２１】
シリコーン硬化物（ｂ）と柔軟性付与剤（ｃ）との割合は、０．０５≦（ｃ）／｛（ｂ）＋（ｃ）｝≦０．４であることが好ましい。該比が０．０５未満では、骨格部の柔軟性の改善効果が不十分であり、電子機器に組み込む際の密着性が高まらず、放熱特性が向上しない。また、該比が０．４超であると、骨格部の柔軟性が過剰となり、樹脂成形体の保形性が保てなくなる。骨格部のシリコーン硬化物（ｂ）の割合は、５体積％以上であることが好ましい。５体積％未満では、骨格部の保形性が十分ではなく充填されたＢＮ粒子が欠落して高熱伝導性を発揮できなくなることがある。
【００２２】
本発明の熱伝導性樹脂成形体の樹脂部３は、骨格部２によって形成された空隙の一部又は全部に樹脂が充填硬化されて、構成されている。樹脂部の材質は、骨格部との密着性を高めるために骨格部の主材と同種であることが好ましく、骨格部の主材がシリコーン硬化物である場合、付加反応型液状シリコーン樹脂、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樹脂、縮合反応型シリコーン樹脂等であることが好ましい。
【００２３】
樹脂部には、柔軟性を著しく損なわせない範囲で熱伝導性フィラーが含有されていることが好ましい。熱伝導性フィラーとしては、絶縁性を要求する場合は、窒化珪素、窒化アルミニウム、シリカ、アルミナ、マグネシア等のセラミックス粉末が用いられ、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、また平均粒径が０．５〜１００μｍ程度のものが使用される。
【００２４】
本発明の熱伝導性樹脂成形体の骨格部又は樹脂部の構成比率（％）には制限はなく、断面積中の骨格部の占める面積比（骨格部の断面積／全断面積）が５０〜９８％であるものが例示される。
【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、渦巻形等及びその形状の任意の組み合わせが可能である。
【００２６】
本発明の熱伝導性樹脂成形体の用途については種々考えられるが、とりわけ熱抵抗が０．２℃／Ｗ以下、厚みが０．０５〜５．０ｍｍであるものは、電子機器の放熱部材として好適である。とくに、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以下であるものが好ましい。
【００２７】
【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。
【００２８】
実施例１
Ａ液（ビニル基を有するオルガノポリシロキサン）：Ｂ液（Ｈ−Ｓｉ基を有するオルガノポリシロキサン）の混合体積比を１：１の割合で混合した二液性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」）２８体積％、エチレン・プロピレン共重合体（三井化学社製、商品名「ＬＵＣＡＮＴ」）からなる柔軟性付与剤７体積％、平均粒子径２０μｍ、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」）６５体積％を市販ミキサーで混合し、骨格部形成用コンパウンドを調製した。
【００２９】
これを、直径２．５ｍｍの穴が横に２０個設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１０ｃｍに切断後、樹脂製枠内に積み重ね集結体（側面寸法５０×５０ｍｍ）とした。
【００３０】
ついで、枠内に上記Ａ液：Ｂ液＝１：１の割合で混合した二液性付加反応型液状シリコーンを流し込み、真空中、２０分間保持した後、熱風乾燥機で１００℃、１０時間加硫硬化させた。その後、厚み１ｍｍに切断して、図１に示すような本発明の熱伝導性樹脂成形体を作製した。
【００３１】
実施例２比較例１〜４
骨格部形成用コンパウンドを表１に示すものを用いたこと以外は、実施例１と同様にして熱伝導樹脂成形体を作製した。なお、実施例２では柔軟性付与剤として、シリコーンオイル（東レダウコーニング社製、商品名「ＳＨ２００」）を用いた。
【００３２】
上記で得られた熱伝導性樹脂成形体の熱抵抗及びアスカーＣ硬度と、骨格部のアスカーＣ硬度とを以下に従い測定し、表１に示した。
【００３３】
（１）熱抵抗：熱伝導性樹脂成形体をＴＯ−３形状（面積６ｃｍ²）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２０Ｗ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、次式により算出した。
【００３４】
熱抵抗（℃／Ｗ）＝温度差（℃）／電力（Ｗ）
【００３５】
（２）アスカーＣ硬度
骨格部のアスカーＣ硬度は、未硬化の棒状シリコーン成形物を樹脂部の面積比率が０となるように成形した後加硫硬化し、高さ１０ｍｍ×直径２９ｍｍの大きさに切り出したものを試験片として、また熱伝導性樹脂成形体についてはそのままを試験片として、それぞれアスカーＣ型スプリング式硬さ試験機を用い、ＳＲＩＳ０１０１に準拠して測定した。
【００３６】
【表１】

【００３７】
表１より、実施例の熱伝導性樹脂成形体は、比較例に比べて熱抵抗が小さく、柔軟性に優れていることがわかる。
【００３８】
実施例１、２で得られた熱伝導性樹脂成形体（３０ｍｍ角×０．５ｍｍ）をアルミニウム製放熱フィンの平板面に貼り付け、それを発熱性電子部品に装着荷重０．２ＭＰａで組み込んだところ、いずれもその動作時の放熱特性は極めて良好であった。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、電子機器の放熱特性を一段と向上させることができる熱伝導性樹脂成形体と、電子機器の放熱部材とが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の熱伝導性樹脂成形体の斜視図
【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熱伝導性樹脂成形体
２骨格部
３樹脂部
４熱伝導性フィラー

Claims

熱伝導性樹脂硬化物からなる複数の骨格部（２）と、該複数の骨格部によって形成された空隙の一部又は全部に充填硬化された樹脂部（３）からなるものであって、上記骨格部のアスカーＣ硬度が５５以下であり、骨格部が、（ａ）窒化ホウ素粒子、（ｂ）シリコーン硬化物、（ｃ）シリコーンオイル及び／又はエチレン又はブチレンとプロピレンとの共重合体からなる柔軟性付与剤とを含み、（ａ）が４０体積％以上、（ｂ）が５体積％以上、（ｃ）が０．０５≦（ｃ）／｛（ｂ）＋（ｃ）｝≦０．４であることを特徴とする熱伝導性樹脂成形体。
請求項１記載の熱伝導性樹脂成形体の熱抵抗が０．２℃／Ｗ以下、厚みが０．０５〜５．０ｍｍであることを特徴とする電子機器の放熱部材。