JP4610764B2

JP4610764B2 - 放熱スペーサー

Info

Publication number: JP4610764B2
Application number: JP2001073564A
Authority: JP
Inventors: 哲美大塚; 満椎葉; 卓川崎
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2001-03-15
Filing date: 2001-03-15
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2021-03-15
Also published as: JP2002280498A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コンピューター、ワードプロセッサーなどの情報処理機器におけるＩＣ、ＬＳＩ、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の半導体素子より発生する熱を効率よく放出するのに有用な放熱スペーサーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、情報処理機器は、携帯用使用の薄型サイズのものが好まれるようになった。それに伴い、半導体素子も高密度化・小型化され、そこから発生する熱も増加の一途をたどり、それを効率良く除去することが重要な課題となっている。
【０００３】
従来、半導体素子より発生した熱の除去は、半導体素子を熱伝導性シート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いる。しかしながら、情報処理機器の小型化、薄型化により、放熱フィン等を取り付けるスペースがない場合も多くなり、その場合には情報処理機器のケース等に直接伝熱して放熱する方式が取られている。
【０００４】
このような方式においては、半導体素子とケースの間に、そのスペースを埋める厚みを有した、熱伝導性フィラー含有のシリコーン硬化物からなる柔らかな放熱スペーサー（以下、単に「スペーサー」ともいう。）が用いられている。
【０００５】
しかし、半導体素子も高密度化・小型化されると同時にその形状も多岐にわたり、段差も付くなど複雑な形状となってきており、その形状に追従して固定させる必要から、スペーサーに粘着性が要求されるようになってきた。そこで、スペーサーに粘着層を別途形成することが考えられるが、粘着層はスペーサーの熱伝導性を阻害するので、良い方法であるとはいえない。
【０００６】
スペーサーの高熱伝導化を達成するには、スペーサー内に存在する熱伝導性フィラーを連続的に接触させることが必要であり、その一法として熱伝導性フィラーの充填量を多くすることが行われている。しかし、この方法ではスペーサーの柔らかさが低下し、情報処理機器のケース等との接触が悪くなって、熱伝導性が逆に低下する等、充填量を高める方式には限界があった。また、金属粉、窒化アルミニウム粉末等の高熱伝導性フィラーを用いる方法では、絶縁性、化学的安定性（窒化アルミニウム粉末は空気中の水分と加水分解を起こしやすい。）等、別途解決しなければならない問題がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、加水分解を起こさないアルミナ粉末を用い、高熱伝導性、高柔軟性、自己粘着性を有する放熱スペーサー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、球形度０．９６、平均粒子径４５μｍの球状アルミナ粉末と、球形度０．８８〜０．９０、平均粒子径が４〜５μｍの球状アルミナ粉末の混合粉末からなり、その混合粉末の１μｍ以下の割合が１１〜１３％、平均粒子径が３６〜３９μｍであるフィラーが６５体積％充填されたシリコーン硬化物からなることを特徴とする、熱伝導率２Ｗ／ｍ・Ｋ以上、アスカーＣ硬度４０以下、表面の少なくとも一部に０．０１Ｎ／２５ｍｍ以上の自己粘着性処理が施されてな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】
本発明のスペーサーのマトリックスとして用いられるシリコーン硬化物としては、一般的な電子材料用途に使用されているシリコーン、例えば付加反応により加硫する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を不都合なく用いることができる。
【００１１】
スペーサーは、半導体素子の発熱面と放熱フィン等の放熱面との密着性が要求されるため、シリコーンの中でも柔軟性を有するもの、ゴム弾性を有するものが好適である。とくに、柔軟性が必要な場合は、付加反応型液状シリコーンが使用できる。
【００１２】
付加反応型液状シリコーンの具体例としては、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、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等を挙げることができる。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「ＳＥ−１８８６」等を例示することができる。
【００１３】
スペーサーの柔軟性は、付加反応によって形成される架橋密度によって調整することもできる。この場合、必要に応じて、各種の硬化剤やその他の添加剤を適宜配合することができる。
【００１４】
本発明で使用されるフィラーは、球形度０．９５超、平均粒子径３０〜５０μｍの球状アルミナ粉末（以下、「アルミナ粉末ａ」という。）と、球形度０．８５〜０．９５、平均粒子径が３〜７μｍの球状アルミナ粉末（以下、「アルミナ粉末ｂ」という。）の混合粉末からなり、その混合粉末の１μｍ以下の割合が１５％以下、平均粒子径が２５〜４５μｍからなるものである。
【００１５】
アルミナ粉末ａ、アルミナ粉末ｂは、水酸化アルミニウム粉末の火炎溶射法、バイヤー法、アンモニウムミョウバン熱分解法、有機アルミニウム加水分解法、アルミニウム水中放電法、凍結乾燥法等、いずれの方法で製造されたものであってもよいが、粒子径分布の制御及び粒子形状制御の点から水酸化アルミニウム粉末の火炎溶射法が好適である。
【００１６】
アルミナ粉末ａ、アルミナ粉末ｂの結晶構造は、単結晶体、多結晶体のいずれでもよいが、結晶相は高熱伝導性の点からα相望ましく、また比重は３．７以上が望ましい。比重が３．７未満であると、粒子内部に存在する空孔と低結晶相の割合が多くなるため、熱伝導率を２Ｗ／ｍ・Ｋ以上に高めることが困難となる。アルミナ粉末ａ、アルミナ粉末ｂの粒度調整は、アルミナ粉末の分級・混合操作によって行うことができる。
【００１７】
アルミナ粉末ａは、球形度が０．９５超で、平均粒子径が３０〜５０μｍであることが必要である。球形度が０．９５以下では粒子同士の接触が著しくなり、スペーサー表面の凹凸が著しく大きくなって界面熱抵抗が増大し熱伝導率を２Ｗ／ｍ・Ｋ以上にすることが困難となる。一方、平均粒子径が３０μｍ未満では、粒子同士の接触が少なくなり、粒子間接触抵抗の増大により熱伝導率が２Ｗ／ｍ・Ｋ以上を達成することが困難となる。また、５０μｍ超であると、スペーサーのアスカーＣ硬度が４０以下を達成することが困難となる。
【００１８】
アルミナ粉末ｂは、球形度が０．８５〜０．９５で、平均粒子径は３〜７μｍであることが必要である。球形度が０．８５未満であるとアルミナ粉末の流動性が低下してスペーサー内でフィラーが偏析してしまう。また、球形度が０．９５超の場合は、嵩密度が高くなってしまうため、スペーサーとしたときの自己粘着性が消失しやすくなる。平均粒子径が３μｍ未満では、球形度を満たしていてもスペーサーの自己粘着性が低下する。また、平均粒子径が７μｍ超であると、微粉が少なくなるので粒子間の接触が少なくなり、熱伝導率を２Ｗ／ｍ・Ｋ以上にすることが困難となる。
【００１９】
本発明に用いられるフィラーは、アルミナ粉末ａとアルミナ粉末ｂとの混合粉末からなるものであり、１μｍ以下の粒子が１５％以下含有され、平均粒子径が２５〜４５μｍとなるように両粉末を混合する。混合粉末の１μｍ以下の粒子の割合が５％以上であることが好ましく、それが５％未満であると、樹脂組成物を低粘度化できるが、熱伝導率を２Ｗ／ｍ・Ｋ以上にすることが容易でない。また、１μｍ以下の粒子が１５％超では自己粘着性に乏しいスペーサーとなる。一方、混合粉末の平均粒子径が２５μｍ未満では、微粉の割合が多くなりすぎて樹脂組成物が高粘度化し、またスペーサーとしたときの自己粘着性が不十分となる。また、４５μｍ超であると、スペーサー表面の凹凸が著しく大きくなって熱伝導率を２Ｗ／ｍ・Ｋ以上にすることが困難となり、またスペーサーそのものが硬くなりアスカーＣ硬度４０以下にはできない。
【００２０】
スペーサーの厚みは、０．１〜６ｍｍ、特に０．２〜３ｍｍが一般的である。スペーサーの平面形状は、半導体素子と密着できる形状ないしは半導体素子を埋没できる形状であれば、特に制限されるものではなく、例えば三角形、四角形、六角形などの多角形、円形、楕円形等の任意の形状を用いることができ、更には半導体素子が密着ないしは埋没しやすいように凹凸をつけてることもできる。
【００２１】
本発明のスペーサーは、原料の混合・成形・加硫工程を経て製造される。混合には、ロールミル、ニーダー、バンバリーミキサー等の混合機が用いられる。成形方法はドクターブレード法が好ましいが、樹脂組成物の粘度によっては押出し法・プレス法・カレンダーロール法等を用いることができる。加硫温度は５０〜２００℃が望ましい。５０℃未満では加硫が不十分であり、２００℃をこえるとスペーサーの一部が劣化する。加硫は、一般的な熱風乾燥機、遠赤外乾燥機、マイクロ波乾燥機等を用いて行われる。
【００２２】
本発明において、球形度は、例えば走査型電子顕微鏡（日本電子社製「ＪＳＭ−Ｔ２００型」）と画像解析装置（日本アビオニクス社製）を用い、次のようにして測定することができる。
【００２３】
まず、ＳＥＭ写真中の粒子像から粒子の投影面積と（Ａ）と周囲長（ＰＭ）を測定する。周囲長（ＰＭ）に対応する真円の面積を（Ｂ）とすると、その粒子の球形度はＡ／Ｂとして表示できる。そこで試料粒子の周囲長（ＰＭ）と同一の周囲長を持つ真円を想定するとＰＭ＝２πｒ、Ｂ＝πｒ²であるから、Ｂ＝π×（ＰＭ／２π）²となり、個々の粒子の球形度は、球形度＝Ａ／Ｂ＝Ａ×４π／（ＰＭ）² として算出される。これを任意に選ばれた２００個以上の粒子について測定し、その平均値を球形度とする。
【００２４】
スペーサーの熱伝導率２Ｗ／ｍ・Ｋ以上は、半導体素子から発生する熱を系外へ放出し半導体素子を好適に作動させるのに必要となる特性である。アスカーＣ硬度４０以下は、半導体素子に放熱フィン等の放熱部材を取り付ける際に、半導体素子へかかる荷重を低減するのに必要となる特性である。また、０．０１Ｎ／２５ｍｍ以上の自己粘着性は、スペーサーの位置決めや仮止め・固定等の作業性を容易とするために必要となる特性である。
【００２５】
【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。
【００２６】
アルミナ粉末ａ
平均粒子径３０μｍの水酸化アルミニウム粉末（日本軽金属社製商品名「ＢＷ３３」）を純水に入れ、粉末濃度５０％のスラリーを調製した。これを二流体ノズル（アトマックス社製「型番ＢＮＨ１６０Ｓ−ＩＳ」）の中心から、燃焼炉の火炎中に１５ｋｇ／ｈの割合で噴射した。噴射には、ゲージ圧０．２ＭＰａ、ガス流量約１０Ｎｍ³／ｈの酸素ガスを使用した。
【００２７】
一方、バーナーからは、内炎用としてＬＰＧ：６Ｎｍ³／ｈと酸素ガス：８Ｎｍ³／ｈの混合ガスを、外炎用としてバーナーの最外周の空隙からＬＰＧ：４Ｎｍ³／ｈと酸素ガス：１２Ｎｍ³／ｈの混合ガスを噴射した。アルミナ粉末をサイクロンから回収した。得られたアルミナ粉末ａの球形度は０．９６、平均粒子径は４５μｍであった。
【００２８】
アルミナ粉末ｂの製造
平均粒子径７μｍの水酸化アルミニウム粉末（日本軽金属社製商品名「ＢＦ０８３」）を用いたこと以外は、アルミナ粉末ａに準じてアルミナ粉末ｂを製造した。アルミナ粉末ｂは、球形度が０．９０、平均粒子径が４μｍであった。
【００２９】
実施例１、２比較例１〜１１
付加反応型シリコーン樹脂（東レダウコーニング社製商品名「ＳＥ１８８５」）と、水酸化アルミニウム粉末の火炎溶射法により製造されたアルミナ粉末ａ、ｂ及び／又は市販アルミナ粉末（住友化学工業社製商品名「スミコランダムＡＡ−５」、球形度０．８８平均粒子径４．９μｍ）とを適宜配合して調整された、表１に示す粒度構成を有するフィラーとを混合し、樹脂組成物を製造した。
【００３０】
得られた樹脂組成物を、室温において真空脱泡した後、ドクターブレード法にて厚さ１ｍｍのシートに成形した後、１４０℃の乾燥機中に１０時間静置して加硫・硬化させ、スペーサーを作製し、以下に従う物性を測定した。それらの結果を表１に示す。
【００３１】
（１）熱伝導率：スペーサーをＴＯ−３型銅製ヒーターケースと銅板との間に挟み、スペーサー厚みの１０％を圧縮した後、銅製ヒーターケースに電力５Ｗ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、熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）＝｛電力（Ｗ）×厚み（ｍ）｝／｛温度差（Ｋ）×測定面積（ｍ²）｝、にて熱伝導率を算出した。
【００３２】
（２）アスカーＣ硬度：スペーサーを直径２９ｍｍの大きさに打ち抜いた後、数枚重ねて高さ１０ｍｍに調製した後、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。
【００３３】
（３）自己粘着性：スペーサーを２５ｍｍ×１００ｍｍの形状に切断後、市販のＰＥＴフィルムに張付け、１９．６Ｎの力で押さえた。万能引張り試験機（島津製作所社製「オートグラフ」）により、ＰＥＴフィルムを１８０°方向に引張り速度１０ｍｍ／ｍｉｎで引張り、１８０°剥離強度を測定した。
「○」：粘着力０．０１Ｎ／２５ｍｍ以上
「×」：粘着力０．０１Ｎ／２５ｍｍ未満
【００３４】
（４）平均粒子径：レーザー回折散乱法粒度分布測定装置（コールター社製、商品名「ＬＳ−２３０」）を用いて測定した。
（５）球形度：上記した。
【００３５】
【表１】

【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、より高度な熱伝導性と柔軟性及び自己粘着性を有するスペーサーが提供される。

Claims

球形度０．９６、平均粒子径４５μｍの球状アルミナ粉末と、球形度０．８８〜０．９０、平均粒子径が４〜５μｍの球状アルミナ粉末の混合粉末からなり、その混合粉末の１μｍ以下の割合が１１〜１３％、平均粒子径が３６〜３９μｍであるフィラーが６５体積％充填されたシリコーン硬化物からなることを特徴とする、熱伝導率２Ｗ／ｍ・Ｋ以上、アスカーＣ硬度４０以下、表面の少なくとも一部に０．０１Ｎ／２５ｍｍ以上の自己粘着性処理が施されてなる放熱スペーサー。