JP4709795B2

JP4709795B2 - 高熱伝導性材料

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Publication number: JP4709795B2
Application number: JP2007069337A
Authority: JP
Inventors: 徹志岡本
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2007-03-16
Filing date: 2007-03-16
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2022-07-04
Also published as: JP2007146189A

Description

本発明は、高熱伝導性材料に関する。

従来、高熱伝導性材料として、種々開発されているが、いずれも熱伝導率が３〜３７Ｗ／ｍＫ程度のものがほとんどである。そこで、これらの熱伝導率を高めるために開発されたものとして、例えば特開平１１−７１４９８号公報に示されているが、これは充填材の量を増やすために、マトリックス樹脂の成分を変えるなどの手法を用いられてきた。
特開平１１−７１４９８号公報

しかしながら、従来の手法では、熱伝導率が十分でないか、あるいは、使用できる樹脂が限定される。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、樹脂の成分によらず汎用性が高く、高い熱伝導率を持つ高熱伝導性材料を提供を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明に係る高熱伝導性材料は、モールドトランスのコイル導体を絶縁するために用いられる高熱伝導性材料であって、
窒化ホウ素、酸化マグネシウム、水酸化アルミニウムおよびマイカからなる群より選択される１種または２種以上の第一の成分と、カーボン粒子および酸化アルミニウム粒子のうち少なくとも一方からなる第二の成分と、前記第一の成分および第二の成分と混練されたエポキシ樹脂またはポリエチレンとを含有し、
前記第一の成分は少なくとも１Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を持つ粉末であり、
前記第二の成分は、少なくとも０．５Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有し、かつ前記第一の成分の粒径より小さい粉末であり、かつ含有量が前記樹脂と前記第二の成分の総和に対して１体積％以上３３．３体積％以下の範囲にあることを特徴とする。

本発明によれば、樹脂の成分によらず汎用性が高く、高い熱伝導率を持つ高熱伝導性材料を提供できる。

以下、本発明の実施形態について説明する。

＜実施形態１＞
本発明の実施形態１は、少なくとも１Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を持つ第一の成分と樹脂を含む複合材料と、該第一の成分とは異なる種類あるいは異なる粒子径を持つ第二の成分を複合化した高熱伝導性材料である。

図１は実施形態１の高熱伝導性材料の一例を示す断面図であり、第一の成分として窒化ホウ素２を用い、第二の成分としてカーボンブラック３を用い、樹脂としてエポキシ樹脂１を用いたものである。

このように構成した実施形態１の作用効果を確認するため、次のように製作した第１、第２の試料について、熱伝導率をレーザークラッシュ法にて測定した。第１の試料は、カーボンブラック３なしの窒化ホウ素２とエポキシ樹脂１で構成したものであって、窒化ホウ素２単独の熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ程度の値を示すが、平均粒径が、１６μｍである、窒化ホウ素２をエポキシ樹脂１中に７０体積％（以下ｖｏｌ％と称する）分散させた後、プレス機例えばホットプレス機にて１．５ｍｍ厚みになるようにプレス硬化させたものである。このように得られたカーボンブラック３なしの第１の試料の熱伝導率を測定すると、図２に示すように３．２２Ｗ／ｍＫであった。

これに対して、第２の試料はカーボンブラック３ありの窒化ホウ素２とエポキシ樹脂１で構成したものであって、体積比率で平均粒径１６μｍの窒化ホウ素６０ｖｏｌ％に対してカーボンブラック（商品名：旭サーマル）５ｖｏｌ％を攪拌器にて２分間攪拌し、その充填材の一例である、エポキシ樹脂１中に分散させ、窒化ホウ素２とカーボンブラック３を併せた体積比率が全体量の２５ｖｏｌ％となるように調合し、ホットプレスにて１．５ｍｍ厚みになるようにプレス硬化させたものである。このように得られたカーボンブラック３ありの第２の試料の熱伝導率を測定すると、図２に示すように６．２Ｗ／ｍＫとなった。

これは、カーボンブラック３の粒子は窒化ホウ素２が充填された材料のエポキシ樹脂分に入り込み、窒化ホウ素２間の熱伝導性を補完するように存在したためであると考えられる。

以上述べたことから明らかなように、窒化ホウ素のみからなる試料と比較して、カーボンブラック３をわずかに添加するだけで、熱伝導率を約２倍に向上させることができる。

また、実施形態１では、エポキシ樹脂２を結合性をよくする表面処理剤例えばバインダ（カップリング剤）として使用したが、これに限るものではなく、例えばシリコーン系の樹脂など、どのような樹脂においても使用できるため、樹脂の成分によらず汎用性が高く、高い熱伝導率を持つ高熱伝導性材料を提供できる。

さらに、実施形態１において第一の成分として窒化ホウ素２を使用したが、その代わりに、同様に高熱伝導率を持つカーボン、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、窒化珪素、酸化クロム、水酸化アルミニウム、人工ダイヤモンド、ダイヤモンド状カーボン、カーボン状ダイヤモンド、炭化珪素、層状珪酸塩粘土鉱物、マイカのいずれかから選ばれる１Ｗ／ｍＫ以上のセラミックス、或いは、電気絶縁性を必要としない場合は金、銅、鉄のいずれかから選ばれる金属を使用しても同様の効果が得られる。

また、第二の成分としてカーボンブラック３を使用したが、これに限るものではなく、粒径の異なる第一の成分、実施形態１の場合は、平均粒径３μｍの窒化ホウ素、さらには第一の成分と種類の異なる、例えば、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、窒化珪素、酸化クロム、水酸化アルミニウム、人工ダイヤモンド、ダイヤモンド状カーボン、カーボン状ダイヤモンド、炭化珪素、金、銅、鉄、層状珪酸塩粘土鉱物、マイカのいずれかから選ばれるものを用いても同様の効果が得られる。

＜実施形態２＞
図２において本発明の高熱伝導性材料は、実施形態１の第二の成分が、少なくとも０．５Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有することを特徴としてなるものである。実施形態１において、熱伝導率を大幅に向上させることができた要因は、第一成分を充填した状態でできた隙間を第二成分によって穴埋めできたためであると考えられる。この原理を考えれば、第二成分として樹脂より熱伝導率が高いものを用いた方が好ましいことは明らかである。

例えば、窒化アルミニウムの熱伝導率は、１００Ｗ／ｍＫである。これを窒化ホウ素と樹脂からなる複合材料に添加することによってより高い熱伝導率を持つ高熱伝導性材料を提供できる。

＜実施形態３＞
本発明の実施形態３の高熱伝導性材料は、第一成分として窒化ホウ素を用い、バインダー樹脂としてエポキシ樹脂を使用する場合であって、第二成分としてカーボン粒子（例えば旭サーマル製）を使用しかつこの含有量が１ｖｏｌ％以上となるようにものである。

このように構成することにより、熱伝導率が向上することが明らかになった。図３はこの実験結果を示すもので、横軸は窒化ホウ素（第一の成分）を除く体積、すなわち樹脂とカーボンブラック（第二の成分）とを合計した体積に対するカーボンブラック（第二の成分）の体積含有量（ｖｏｌ％）を示しており、また縦軸は熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）を示している。

図３により明らかなように、１ｖｏｌ％以上の領域においてカーボンブラックを含まない試料と、比較して２倍以上の顕著な熱伝導率の上昇が確認された。ここで、この熱伝導率の上昇は、バインダー樹脂の種類によらず、窒化ホウ素とカーボンブラックを充填することにより成立したものである。

このことから、本発明の実施形態３により、樹脂の成分によらず汎用性が高く、高い熱伝導率を持つ高熱伝導性材料を提供できる。

＜実施形態４＞
図４において本発明の高熱伝導材料は、実施形態３のカーボン粒子の含有量が、樹脂とカーボン粒子の総和に対して３３．３ｖｏｌ％以下となるように構成したものである。

このように構成することにより、カーボン粒子は導電性が高く、電気絶縁材料として使用する場合には、電気抵抗率の低下は、製品の性能に影響を与えるため好ましくない事象である。

図４は、これを説明するための図であり、横軸は、樹脂とカーボン粒子の体積総和に対するカーボン粒子の体積含有量（ｖｏｌ％）を示しており、又縦軸の左側は熱電導率（Ｗ／ｍＫ）を示し、更に縦軸の右側は電気抵抗率（Ｓ／ｍ）を示している。

この図から明らかなように、３３．３ｖｏｌ％以上添加すると電気抵抗率が低抵抗で安定する領域になる。これは、カーボン粒子が試料中で無限クラスターを形成すること、所謂パーコレーション現象が起きているためであると考えられる。この事象については、発明者がこれまでに行った研究によって明らかになっている。

無限クラスターを形成するということは、すなわち、カーボンブラックが試料中を通してつながり、図５に示すように樹脂層を挟むことなく試料内を繋いでしまうため、絶縁性能としては極めて好ましくない状態になる。この現象は、バインダー樹脂によらず、物理的な分散状態によって決定する。

そこで、カーボン粒子の含有量がエポキシ樹脂１とカーボン粒子の総和に対して３３．３ｖｏｌ％以下になるように試料を調整することにより、エポキシ樹脂１の成分によらず汎用性が高く、高い熱伝導率を持ち、絶縁性能も兼ね備えた高熱伝導性材料を提供できる。

＜実施形態５＞
実施形態５の高熱伝導材料は、図５に示す第二の成分例えば窒化アルミニウム４の粒径（１ミクロン未満〜ナノメータ）が、第一の成分例えば窒化ホウ素２の粒径（１ミクロン〜１００ミクロン）より小さくなるようにしたものである。

この場合、窒化アルミニウム４が、窒化ホウ素２が形成するエポキシ樹脂だまりを埋めることによって、高い熱伝導率を発現すると考えられるが、窒化アルミニウム４が窒化ホウ素２より粒径が大きくなってしまうと、窒化ホウ素２が形成する熱伝導に寄与する熱伝導路を断ち切ってしまうことから、熱伝導率の低下をもたらしてしまう。

そこで、窒化アルミニウム４の粒径が、窒化ホウ素２の粒径より小さくすることにより、バインダである樹脂の成分によらず汎用性が高く、高い熱伝導率を持つ高熱伝導性材料を提供できる。

＜実施形態６＞
図６は、本発明の高熱伝導性材料の製造方法を説明するためのフローチャートであり、概略原料投入工程Ｓ１と、攪拌・乾燥工程Ｓ２と、混練工程Ｓ３、Ｓ４と、ホットプレス硬化工程Ｓ５と、製品を得る工程Ｓ６とからなっている。

原料投入工程Ｓ１は、窒化ホウ素２の粉末とカーボンブラック３の粉末を成型機（図示せず）に投入する際に、後述するカップリング剤１０を同時に投入する。攪拌・乾燥工程Ｓ２は、原料投入工程Ｓ１で得られた原材料等を攪拌・乾燥する。混練工程Ｓ３は、攪拌・乾燥の状態で、２液混合タイプのエポキシ主剤１１を原材料内に注入し原材料等との混練を行なう。混練工程Ｓ４は、混練工程Ｓ３で混練された混練状態のエポキシ主剤１１に、エポキシ副剤である硬化剤１２を更に混練する。ホットプレス硬化工程Ｓ５は、この後、ホットプレスで硬化する。最後に、製品を得る工程Ｓ６はホットプレス硬化工程Ｓ５で得られた製品を取り出す。

具体的に実施例として、例えば、体積比率で平均粒径１６μｍの窒化ホウ素２に対してカーボンブラック（旭サーマル製）３を攪拌器にて２分間攪拌し、そこへ、エタノールに溶解したシランカップリング剤Ａ１８９（日本ユニカー製）の１％溶液３ｇを３回に分けて投入し、攪拌を続けた。その後、２４時間自然乾燥し、カップリング処理を施した充填材を作製した。その充填材をエポキシ樹脂中に分散させ、窒化ホウ素とカーボンブラックを併せた体積比率が全体量の６５ｖｏｌ％となるように調合し、ホットプレスにて１．５ｍｍ厚みになるようにプレス硬化させた板材料を作製した。

このようにして得られた板材料の熱伝導率を測定したところ、６．８Ｗ／ｍＫとなり、カップリング剤１０を使用しない従来の場合と比較して０．５Ｗ／ｍＫ程度熱伝導率が上昇した。これは、樹脂を介して充填材間の結合力が強くなり、フォノンの伝達を促進したためであると考えられる。このように、原料投入時にカップリング剤１０を同時に投入処理することにより、高い熱伝導率を持つ高熱伝導性材料を提供できる。

なお、カップリング剤１０としては、シランカップリング剤だけではなく、ジルコン系やチタン系でも同様の効果があることは、明らかである。本実施例では、エポキシ樹脂を通してのカップリング処理を行なうことが考えられるが、充填材表面をカルボキシル基や水酸基で修飾し、互いを反応させることにより直接結合力を上げることも十分な効果があることは明らかである。

＜実施形態７＞
図７は、ガラスクロス５中に、前述の各実施形態で得られた高熱伝導性材料６のいずれかを分散配置するように構成したものである。具体的には、ガラスクロス５に樹脂を含浸して、フィルムあるいはテープ材料を作る際、高熱伝導性の充填材を含有することにより、高熱伝導性のフィルムやテープを作製することができる。さらに、このようにして作ったテープ或いはフィルムをマイカテープの材料として用いることにより、熱伝導性の高いマイカテープを作製できる。

なお、実施形態１乃至６に示した樹脂のいずれかを用いることにより、さらに高い熱伝導率を持つフィルムあるいはテープ材を作製できる。

＜実施形態８＞
図８は、前述した実施形態１乃至６のいずれかを用いて積層構成としたものである。すなわち、積層部材の樹脂分に高熱伝導性の材料を使用することによって、高い熱伝導率を持つ、積層部材を作製できることは明らかである。この樹脂として、実施形態１乃至６のいずれかに記載の樹脂を使用することにより高い熱伝導率を持つ積層部材を作製することができる。

このような高熱伝導性材料を積層部材に用いる樹脂に使用することにより、高い熱伝導率を持つ高熱伝導性部材を提供できる。

＜実施形態９＞
図９は、前述した実施形態１〜６のいずれかによって得られる高熱伝導性部材を、用いてテープあるいはフィルム状にすることを特徴としてなるものである。実施形態１乃至６のいずれかに記したように、本発明の高熱伝導性樹脂は、物理的な充填材の分散状態によって高熱伝導性を発現するものであり、極めて汎用性の高い発明である。

例えばポリエチレン７のペレットと窒化ホウ素２〜カーボンブラック３を混練し、これを２枚の押し板８の間に、配置し、これをホットプレス機にてフィルム材料とすることにより、高い熱伝導率を持つテープあるいはフィルムを作製できる。

ここで、フィルムに使用する材料は、ポリエチレンに限らず、様々な熱可塑性樹脂と、熱硬化性樹脂と、エラストマーのうちのいずれかを使用してもよい。

エラストマーとして、例えばイソプレン系エラストマーを使用すれば、これは熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂に比べて弾性率が高いことから、できあがったフィルム製品等は可撓性の優れたものが得られる。

このように、実施形態１〜６のいずれかによって得られる高熱伝導性部材９を用いてテープあるいはフィルム状にすることにより、樹脂の成分によらず汎用性が高く、高い熱伝導率を持つ部材を提供できる。

前記第二の成分として、前述の実施形態と同様に、窒化ホウ素、カーボン、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、窒化珪素、酸化クロム、水酸化アルミニウム、人工ダイヤモンド、ダイヤモンド状カーボン、カーボン状ダイヤモンド、炭化珪素、金、銅、鉄、層状珪酸塩粘土鉱物、マイカのいずれかから選ばれる粒子であれば何でも良い。

前記第一の成分として、前述の実施形態と同様に、窒化ホウ素、カーボン、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、窒化珪素、酸化クロム、水酸化アルミニウム、人工ダイヤモンド、ダイヤモンド状カーボン、カーボン状ダイヤモンド、炭化珪素、金、銅、鉄、層状珪酸塩粘土鉱物、マイカのいずれかから選ばれるものであれば何でも良い。

＜実施形態１０＞
図１０は、モールドトランスに使用するコイル導体９を、前述した実施形態１〜６のいずれかの高熱伝導性材料６で被覆したものである。ブロックコイルからなるモールドトランスにおいて、その注型樹脂にエポキシ系熱硬化性樹脂に窒化ホウ素を４０ｖｏｌ％、カーボンブラックを１ｖｏｌ％混練したものを用いた。その結果、樹脂層の熱伝導性を１．５倍程度上昇させることができた。そのため、冷却効率が向上し、コイルを流れる電流の密度を２割程度上昇させることができる。これにより、コイル寸法を小さくすることができる。この結果、本発明により、小型化されたモールドトランスを構成することが可能となる。

本発明の高熱伝導性材料の実施形態１、２を説明するための断面図。図１の作用効果を説明するための図。本発明の高熱伝導性材料の実施形態３を説明するための図。本発明の高熱伝導性材料の実施形態４を説明するための図。本発明の高熱伝導性材料の実施形態５を説明するための断面図。本発明の高熱伝導性材料の製造方法を説明するためのフローチャート。本発明の高熱伝導性材料の実施形態７を説明するための断面図。本発明の高熱伝導性材料の実施形態８を説明するための断面図。本発明の高熱伝導性材料の実施形態９を説明するための断面図。本発明の高熱伝導性材料の実施形態１０を説明するための断面図。

符号の説明

１…エポキシ樹脂
２…窒化ホウ素
３…カーボンブラック
４…窒化アルミ
５…ガラスクロス
６…高熱伝導樹脂
７…ポリエチレン
８…押し板
９…コイル導体

Claims

モールドトランスのコイル導体を絶縁するために用いられる高熱伝導性材料であって、
窒化ホウ素、酸化マグネシウム、水酸化アルミニウムおよびマイカからなる群より選択される１種または２種以上の第一の成分と、カーボン粒子および酸化アルミニウム粒子のうち少なくとも一方からなる第二の成分と、前記第一の成分および第二の成分と混練されたエポキシ樹脂またはポリエチレンとを含有し、
前記第一の成分は少なくとも１Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を持つ粉末であり、
前記第二の成分は、少なくとも０．５Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有し、かつ前記第一の成分の粒径より小さい粉末であり、かつ含有量が前記樹脂と前記第二の成分の総和に対して１体積％以上３３．３体積％以下の範囲にあることを特徴とする高熱伝導性材料。
前記第二の成分を構成する粒子が前記樹脂中において無限クラスターを形成しないように分散されていることを特徴とする請求項１記載の高熱伝導性材料。