JP5011786B2 - 高熱伝導絶縁体とその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、高熱伝導絶縁体とその製造方法に関する。本発明の高熱伝導絶縁体は、電気系の各種部位に用いられる放熱板、ヒートシンク、あるいは放熱性を兼ね備えた電磁波シールド材などに利用することができる。

電子部品の高密度化、車両のハイブリッド化などに伴い、各種電装部材において放熱性の向上が求められている。例えばＣＰＵの冷却を促進するために、熱伝導性の高い金属製のヒートシンクをＣＰＵ上に載置し、そのヒートシンクをファンで空冷することが行われている。しかし、電装部材に用いられる放熱板などは、電気絶縁性も兼ね備えていることが必要になる場合が多く、熱伝導性と電気絶縁性とを両立させることは一般に困難である。

そこで、絶縁性の樹脂から成形された放熱板を用いることが考えられている。樹脂中に熱伝導性の高い材料を混合しておくことで、熱伝導性と電気絶縁性の両方を満足させることができるからである。例えばセラミックスは比較的熱伝導率が高く、絶縁性も優れている。したがってセラミックス粉末を混合した樹脂から形成された成形体を放熱板として用いることが考えられる。

ところが樹脂マトリックス中にセラミックス粉末が分散してなる成形体においては、セラミックス粉末どうしの偶発的な連続性によって熱伝導性が発現するため、目的とする熱伝導性を得るにはセラミックス粉末の含有量を多くする必要がある。しかしセラミックス粉末の含有量が多くなると、セラミックス特有の脆さによって成形体が脆くなったり、成形が困難となる場合がある。またコストも高くなってしまう。

そこで特開2000−281802号公報には、樹脂と反磁性体粉末とからなる成形材料に磁場を与え、反磁性体粉末を一定方向に配向させて固化させてなる熱伝導性成形体が記載されている。反磁性体粉末に磁場を印加すると、反磁性体粉末は磁力線の向きに沿うように配向するため、少量でも連続性が発現し熱伝導性が発現する。したがって熱伝導性を維持しながら、反磁性体粉末の含有量を低減することができる。

ところが上記公報に開示された熱伝導成形体では、樹脂と反磁性体粉末とからなるものであるために、放熱性が不充分であった。さらに配向方向に対して垂直方向の放熱性が低く、放熱性の異方性が大きいという特性があった。
特開2000−281802号

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、熱伝導性、絶縁性及び放熱性を兼ね備えた高熱伝導絶縁体とすることを解決すべき課題とする。

上記課題を解決する本発明の高熱伝導絶縁体の特徴は、一表面が相手部材に当接して用いられ、相手部材の熱を一表面と反対側の他表面から放熱する高熱伝導絶縁体であって、
固化した電気絶縁性の樹脂からなり一表面及び他表面をもつ基体と、基体内に含まれた異方形状の反磁性体粒子及び常磁性体（強磁性体を含む）粒子と、よりなり、
複数の反磁性体粒子どうしが鎖状に繋がったクラスターとして一表面から他表面に向かって配向し、常磁性体（強磁性体を含む）粒子が他表面側に偏在することで放熱層を形成していることにある。

他表面には、常磁性体（強磁性体を含む）粉末の少なくとも一部が表出していることが望ましい。また反磁性体粉末は放熱層の一部にも存在することが望ましい。

本発明の高熱伝導絶縁体を製造できる本発明の製造方法の特徴は、電気絶縁性の液状樹脂と、異方形状の反磁性体粒子と、常磁性体（強磁性体を含む）粒子と、からなり流動性をもつ成形材料を成形型内に導入する工程と、
成形型内の成形材料に磁場を印加し、反磁性体粒子どうしが鎖状に繋がったクラスターを磁力線の方向に沿って配向させるとともに、常磁性体（強磁性体を含む）粒子を磁力で吸引して成形型の一型面に沿わせる工程と、
成形型内で成形材料を固化させて反磁性体粒子と常磁性体（強磁性体を含む）粒子を固定する工程と、からなることにある。

本発明の高熱伝導絶縁体によれば、相手部材に当接される一表面には常磁性体（強磁性体を含む）粒子が存在しないので、相手部材との間で高い電気絶縁性を備えている。また一表面に伝えられた相手部材からの熱は、反磁性体粒子どうしが鎖状に繋がったクラスターによって他表面に速やかに伝達され、他表面に存在する放熱層から効率よく放熱される。すなわち熱伝導性、絶縁性及び放熱性を兼ね備えている。

すなわち本発明の高熱伝導絶縁体では、反磁性体粒子と常磁性体（強磁性体を含む）粒子とで機能を分離するとともに、それぞれが異なる部位に偏在することで少量でその機能を発現する。したがって磁性体粒子を含有することに起因する不具合を抑制でき、成形体が脆くなったり、成形が困難となったり、あるいはコストが高くなるという不具合を抑制することができる。

さらに本発明の高熱伝導絶縁体によれば、放熱層は常磁性体（強磁性体を含む）粒子から形成されているので、放熱層で電磁波をシールドすることができる。したがって、放熱性を兼ね備えた電磁波シールド材としても利用することができる。

また本発明の高熱伝導絶縁体の製造方法によれば、複数の反磁性体粒子どうしが鎖状に繋がったクラスターと、常磁性体（強磁性体を含む）粒子が基体と一体的に結合して形成された放熱層とを一度の成形で形成することができる。したがって生産性が高く、本発明の高熱伝導絶縁体をさらに安価に製造することができる。

本発明の高熱伝導絶縁体は、基体と、反磁性体粒子と、常磁性体（強磁性体を含む）粒子とから形成されている。基体としては、電気絶縁性の各種樹脂を用いることができ、例えばポリオレフィン、ＰＥＴ、ポリアミド、ＡＢＳ、アクリル、ポリエステルなどの各種熱可塑性樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂などの各種熱硬化性樹脂を用いることができる。電装部材などの相手部材に当接される一表面と、その一表面の反対側に他表面とを有していれば、基体の形状は特に制限されない。

反磁性体粒子は、基体より熱伝導性が高いものを用いることができ、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、ジルコニア、チタニア、マグネシア、窒化ケイ素、炭化ケイ素などのセラミックスが好ましい材料である。中でも、20Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する窒化ホウ素、アルミナ、窒化ケイ素などが特に望ましい。

この反磁性体粒子は、針状、鱗片状、繊維状などの異方形状のものであり、アスペクト比が５以上のものが特に好ましい。このように異方形状の反磁性体粒子を用いることで、磁界中での配向が容易となってクラスターの連続性が高まるため、より少量でより高い熱伝導性を発現させることが可能となる。

反磁性体粒子の含有量の最適値は、その材質、形状、基体の材質などによって異なるが、一般には10体積％以上かつ40体積％以下の範囲が望ましい。含有量がこれより少ないとクラスターの形成が困難となり、これより多く含有すると、脆くなったり、成形が困難となったりする場合がある。

常磁性体（強磁性体を含む）粒子としては、ＳＵＳ粉末、アルミニウム粉末、鉄粉、フェライト、ニッケルなどがあるが、特に強磁性体粒子である鉄粉、フェライト、ニッケルなどが好ましい。この常磁性体（強磁性体を含む）粒子の形状は特に制限されず、球状のものも用いることができるが、鱗片状のものが特に好ましい。鱗片状とすれば、基体の他表面に層状に配向しやすくなる場合があるので、その場合にはより少量で放熱性を発現させることができる。

常磁性体（強磁性体を含む）粒子の含有量は、放熱層として基体の他表面を層状に覆う量であればよいが、放熱層の厚さは薄いほど好ましい。したがって粒子の形状によって異なるが、一般には５体積％〜20体積％の範囲が好ましい。含有量がこれより少ないと、基体の他表面を覆うことが困難となり十分な放熱性が得られない。またこの範囲より多く含有すると、脆くなったり、成形が困難となったりする場合がある。

なお他表面には、常磁性体（強磁性体を含む）粒子の少なくとも一部が表出していることが望ましい。放熱層の表面に薄い樹脂膜が形成されていてもある程度の放熱性が得られるが、常磁性体（強磁性体を含む）粒子の少なくとも一部が表出し、望ましくは全面に常磁性体（強磁性体を含む）粒子が表出していれば、放熱性がさらに向上する。

放熱層では、常磁性体（強磁性体を含む）粒子が基体と一体的に結合し、常磁性体（強磁性体を含む）粒子どうしが基体を構成する樹脂で結合されている。したがって常磁性体（強磁性体を含む）粒子が脱落するような不具合がなく、安定した放熱性を長期間維持することができる。

本発明の高熱伝導絶縁体を製造する本発明の製造方法では、射出成形、圧縮成形など、従来の成形方法を利用することができる。反磁性体粒子と常磁性体（強磁性体を含む）粒子を含む成形用ペレットを型内に投入後、加熱溶融してもよいし、電気絶縁性の液状樹脂と、反磁性体粒子と、常磁性体（強磁性体を含む）粒子と、からなり流動性をもつ成形材料を成形型内に導入してもよい。

液状樹脂としては、熱可塑性樹脂を加熱して液状にしたものを用いてもよいし、硬化反応前の液状の熱硬化性樹脂を用いることもできる。液状樹脂、反磁性体粒子及び常磁性体（強磁性体を含む）粒子の材質は、先に例示したものを用いることができる。

各原料の配合比は、樹脂の種類、粘度、粒子のアスペクト比などによって最適値が変化するので、前述した含有量の範囲で、試行錯誤的に最適値を決定する必要がある。

成形材料が流動性を保っている間に、成形型内の成形材料に磁場が印加される。磁場の印加は、複数の反磁性体粒子どうしが鎖状に繋がったクラスターが磁力線の方向に沿って配向するとともに、常磁性体（強磁性体を含む）粒子が基体の他表面を形成する型面に沿うように印加する。例えば、基体の一表面と他表面でＮ極とＳ極とが対向するように配置してもよいし、基体の他表面を形成する型面側に１個の磁石を配置するのが好ましい。この場合でも磁力線の方向を基体の一表面から他表面に向かう方向、あるいはその逆方向とすることができ、反磁性体粒子を磁力線に沿う方向に配向させることができる。また常磁性体（強磁性体を含む）粒子は磁石に磁着される方向に吸引されるので、磁石が載置されている側の型面の一表面に沿うように配向させることができる。

磁場の印加は、永久磁石を用いてもよいし、（超電導）電磁石を用いることもできる。しかし永久磁石では、成形後の離型時に、成形体表面の常磁性体（強磁性体を含む）粒子が金型の型面に吸着して剥ぎ取られ、放熱層が損傷する可能性がある。したがって磁力のオン−オフを容易に切り替えられる電磁石を用いることが望ましい。また磁石は、金型の一部を構成していてもよいし、金型の外部に配置してもよい。

磁界の強度は、成形材料の粘度、粒子のアスペクト比などによって最適値が変化するので、前述した含有量の範囲で、試行錯誤的に最適値を決定する必要がある。反磁性体粒子のクラスターを十分に形成するためには、一般には磁束密度を１テスラ以上とするのが望ましい。

金型の材質は、磁力線が透過可能であればよく、アルミニウム又はアルミニウム合金製あるいは銅製のものが望ましい。

磁場の印加によって、反磁性体粒子どうしが鎖状に繋がったクラスターが磁力線の方向に沿って配向するとともに、常磁性体（強磁性体を含む）粒子が磁力で吸引され基体の他表面を形成する型面の一表面に沿うように配向する。その状態で成形材料が固化し、反磁性体粒子と常磁性体（強磁性体を含む）粒子はその状態で固定される。これにより複数の反磁性体粒子どうしが鎖状に繋がったクラスターとして一表面から他表面に向かって配向し、常磁性体（強磁性体を含む）粒子どうしが基体を構成する樹脂で結合され放熱層を他表面にもつ本発明の高熱伝導絶縁体が成形される。

以下、実施例により本発明を具体的に説明する。本実施例では、インバータの放熱板に本発明を適用している。

図１に本実施例の放熱板の断面図を示す。この放熱板は、一表面10及び他表面11をもちＰＰＳ樹脂からなる基体１と、一表面10から他表面11に向かって配向したクラスター２と、他表面11側に形成された放熱層３とから構成されている。

クラスター２は、鱗片状の窒化ホウ素粒子が鎖状に繋がって形成されている。また放熱層３は、図２に示すように、板状の鉄粉30が数層に積層された構造であり、その最下部は基体１に結合され、その上部ではそれぞれの鉄粉30どうしが基体１を構成するＰＰＳ樹脂によって結合されている。放熱層３では、ほぼ全面に鉄粉30が表出している。また図１に示すように、クラスター２が放熱層３の一部に入り込んでいることにより、より良好な放熱性が得られる。

以下、この放熱板の製造方法を説明し、構成の詳細な説明に代える。

反磁性体粒子として鱗片状の窒化ホウ素粉末を選択し、強磁性体粒子として板状の鉄粉を選択した。窒化ホウ素粉末の平均粒径は 1.5μｍであり、アスペクト比は平均で10である。また鉄粉の平均粒径は45μｍであり、アスペクト比は平均で５である。ＰＰＳ樹脂に対して窒化ホウ素粉末が20体積％、鉄粉が10体積％となるように混合して、成形用ペレットを調製した。

この成形用ペレットを用い、図３に示す金型４を用いて圧縮成形を行った。アルミニウム合金製の金型４は上型40と下型41とからなり、内部に板状のキャビティ42が形成されている。この金型４を図３にあるような強磁場中に配置した。磁力線はキャビティ42を厚さ方向に貫通している。強磁場発生装置として、超電導コイル５を用いて磁場を発生させている。

上記成形用ペレットの所定量をキャビティ42内に投入し、約 350℃に加熱して溶融状態として圧縮成形する。したがって窒化ホウ素粉末は磁力線の向きと平行に配向してクラスタ２が形成され、鉄粉は磁力に吸引されてキャビティ42の一型面に沿うように配向する。この状態で冷却することにより、ＰＰＳが固化し、窒化ホウ素粉末と鉄粉とは上記の状態で固定化される。

このように本発明の製造方法によれば、一度の成形工程でクラスター２と放熱層３とを同時に形成することができる。

上記のようにして製造された本実施例の放熱板は、一表面10がインバータのケースの表面に当接するように配置される。一表面10には鉄粉が存在していないので、インバータのケースとの間で高い電気絶縁性が確保される。そしてインバータからの熱は、一表面10からクラスター２を通じて他表面11に伝導され、放熱層３から効率よく放熱されるので、インバータの過熱が防止される。さらに放熱層３は電磁波シールドの機能を備えているので、インバータから外部への電磁波の漏れ又は外部からインバータへの電磁波の侵入を防止することができる。

本発明の一実施例に係る放熱板の模式的な断面図である。 本発明の一実施例に係る放熱板の放熱層の模式的な拡大断面図である。 本発明の一実施例の製造方法を示す模式的な断面図である。

符号の説明

１：基体 ２：クラスター ３：放熱層
４：金型 ５：超電導コイル 10：一表面
11：他表面 30：鉄粉 40：上型
41：下型 42：キャビティ

Claims (5)

1. 一表面が相手部材に当接して用いられ、相手部材の熱を該一表面と反対側の他表面から放熱する高熱伝導絶縁体であって、
   固化した電気絶縁性の樹脂からなり該一表面及び該他表面をもつ基体と、該基体内に含まれた異方形状の反磁性体粒子及び常磁性体（強磁性体を含む）粒子と、よりなり、
   複数の該反磁性体粒子どうしが鎖状に繋がったクラスターとして該一表面から該他表面に向かって配向し、
   該常磁性体（強磁性体を含む）粒子が該他表面側に偏在することで放熱層を形成していることを特徴とする高熱伝導絶縁体。
2. 前記他表面には、前記常磁性体（強磁性体を含む）粒子の少なくとも一部が表出している請求項１に記載の高熱伝導絶縁体。
3. 前記反磁性体粒子はセラミックスである請求項１に記載の高熱伝導絶縁体。
4. 前記反磁性体粒子は前記放熱層の一部にも存在する請求項１に記載の高熱伝導絶縁体。
5. 電気絶縁性の液状樹脂と、異方形状の反磁性体粒子と、常磁性体（強磁性体を含む）粒子と、からなり流動性をもつ成形材料を成形型内に導入する工程と、
   該成形型内の該成形材料に磁場を印加し、該反磁性体粒子どうしが鎖状に繋がったクラスターを磁力線の方向に沿って配向させるとともに、該常磁性体（強磁性体を含む）粒子を磁力で吸引して該成形型の一型面に沿わせる工程と、
   該成形型内で該成形材料を固化させて該反磁性体粒子と該常磁性体（強磁性体を含む）粒子を固定する工程と、からなることを特徴とする高熱伝導絶縁体の製造方法。

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