JP5100254B2 - 放熱材料 - Google Patents

Description

本発明は、放熱部材として用いられる放熱材料に関する。

近年の電子回路の高集積化および回路を伝送する電気信号の高周波数化に伴い回路の制御用のCPUおよび半導体メモリーの発熱量が増大し放熱部材としての放熱材料の需要は高まっている。電子回路に用いられる放熱材料には難燃性が求められシリコーンゴム等の難燃性樹脂に熱伝導性フィラーを充填したものが開示されている（例えば、特許文献１）。

家電製品等の製造コスト低減のため構成部材については安価でかつ放熱性能の面で要求水準を満たすものが求められており本発明記載の放熱材料も例外ではない。

付加重合型液状シリコーンゴムにフィラーを充填したスラリーを加熱硬化させ作製する放熱材料の製造方法が開示されている（例えば特許文献２）。本出願人らはフィラーの充填性を改良し放熱材料の熱伝導度を向上させることを目的とし、シリコーンゲルと球状フィラーの使用を推奨した放熱材料を得る手法を提案している（特許文献３）。しかしながら球状フィラーは製造工程が煩雑であることから高価であり放熱材料の原価高騰の主因となる。
この問題の解決策として、球形度の低いフィラーを用いることが提案されている（特許文献４）。該提案は、100μｍ厚み程度の薄物のシートを志向したものであり最大粒子径を制限することを推奨しているが、本発明が対象とする放熱材料の製品厚みは0.3〜5ｍｍの範囲を想定しており分級等によるトップ粒子の排除の必然性は無い。粒度分布にいて40〜70μｍの範囲に頻度極大値を有する破砕形状のものについてはアルミナおよび水酸化アルミの安価品が市場に流通している。
これらの安価フィラーを粗粒粉として用い本発明記載の手法にて放熱材料を作成したところ塗工時のエアー巻き込みが原因となるシートの発泡と言う問題が新たに生じた。
特許番号 第２７０４７３２号 特開 昭５７−１３７３５６ 特開２０００−９５８９６ 特開２００５−３０６７１８

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、市場に安価に流通している破砕粉をフィラーとして用いたシリコーンゲル組成物および該組成物を塗工法により樹脂シート上に塗工後、加熱硬化させ、表面性状が良好な放熱材料を安価に製造する手法を提供することを目的とする。

即ち、本発明は以下の実施様態を含むものである。
（１）フィラー混合物とシリコーン系有機マトリックスを含有し、フィラー混合物が次の条件を満たす放熱材料。
１）二種類以上の無機フィラーを含む。
２）フィラー混合後、２〜７０μmの範囲内に三つ以上の頻度極大値を有する。
３）頻度極大値のうち最小のものが２〜５μｍの範囲にあり、二番目に小さい頻度極大値が１０〜４０μｍの範囲にある。
（２）請求項１記載のフィラー混合物において、頻度極大を示す最大粒度分布範囲が４０〜７０μmであり、その粒度分布範囲を構成する粒子の球形度が０．８以下の破砕粉であることを特徴とする（１）記載の放熱材料。
（３）（１）又は（２）記載の放熱材料を放熱部材として使用した電子回路部品。
（４）（３）記載の電子回路部品を組み込んだ家庭用電気製品、ＯＡ機器、自動車。

本発明の放熱材料は、原料単価が安く、簡便な手法にて製造が可能であり、製造時に起こりうるシートの発泡の問題を解決したものである。

以下、本発明についてさらに詳しく説明する。
なお、本発明における部や％は特に規定しない限り質量基準で示す。

本発明における放熱材料は、無機系フィラーとシリコーン樹脂からなるものである。

本発明におけるフィラー混合物は、混合後の粒度分布において２〜７０μmの範囲内に少なくとも三つ以上の頻度極大値を持ちこれらの頻度極大値のうち最小のもの（α）が２〜５μｍの範囲にあり、二番目に小さい頻度極大値（β）が１０〜４０μｍの範囲にあることが好ましい。さらに好ましくは前記頻度極大値（β）が１５〜３０μｍの範囲に収まることである。

フィラー混合物の頻度極大値のうち最小粒度のものが、２μｍ未満であるとスラリー粘度の大幅な上昇を引き起こす。また、該頻度極大値が５μｍを越えると二番目以降の頻度極大値を構成する主成分である粗大粉に対し最密充填可能な粒子径を逸脱するためスラリー粘度の大幅な上昇を引き起こす。これらの要因により粘度が上昇したスラリーを樹脂フィルムに塗工する際には、シート表面の平滑性を損ないかつエアーを巻き込みやすくシートの加熱硬化時に発泡を引き起こす。

フィラー混合物の頻度極大値のうち二番目のものが１０μｍ未満であると最小の頻度極大値を形成するフィラー成分との間での細密充填が不能となりスラリー粘度の大幅な上昇を引き起こす。また該頻度極大値が４０μｍを越える場合もフィラー混合物と液状シリコーンからなるスラリーをもって塗工法にて塗膜を成す際にエアーを巻き込みやすい。

本発明で使用する無機フィラーは、特に限定されるものではないが、価格の面からアルミナ若しくは水酸化アルミが好適である。更にフィラー混合物の粒度分布において頻度極大を示す最大粒度分布範囲が４０〜７０μmで、その粒度分布範囲を構成する粒子の球形度が０．８以下である破砕粉であることが、コスト低減の面から好ましい。

本発明において使用するフィラー混合物を構成する各フィラーの粒度分布については、島津製作所製、レーザー回折式粒度分布測定装置「SALD-2200」を用いて測定した。フィラー混合物の粒度分布は構成する各フィラーの粒度分布の測定値を基に配合比に応じて比例計算を行い算出した。算出されたフィラー混合物の粒度分布における極大値をフィラー混合物の頻度極大値とした。

本発明でいう球形度とは平均球形度を示しており、次の方法にて求めることができる。
実体顕微鏡や走査型電子顕微鏡等にて撮影した粒子像を画像解析装置などに取り込み、写真から任意の粒子の投影面積（ａ）と輪郭周長Ｌ(a)を計測し、Ｌ(a)と同一の輪郭周長を持つ真円の面積を（ｂ）とした場合、
（ｂ）＝π×（Ｌ(a)／２π）^２
と表すことができる。従って、球形度は以下の式で算出することができる。
球形度＝（ａ）／（ｂ）＝（ａ）×４π／（Ｌ(a)）^２
このようにして、ある一定個数の粒子の球形度を求め、平均値を平均球形度とすることができるが、この際、２００個以上の粒子を使用して算出することが好ましい。

本発明におけるシリコーン系有機マトリックスは、付加反応型シリコーンゲルまたは、縮合反応型シリコーンゲルの少なくとも一方であることが好ましい。また、必要に応じてシリコーンゲル成分の一部をシリコーンゴムに置き換えても差し支えない。該シリコーンゴムは付加反応型シリコーンゴムまたは、過酸化物加硫タイプのシリコーンゴムの少なくとも一方であることが好ましい。これらのシリコーンゲル、シリコーンゴムのいずれにおいても、平均組成式が、R1nSiO(4-n)/2（式中、R1は同一又は異種の非置換又は置換の１価炭化水素基であり、nは1.98〜2.02の正数である。）で示されるオルガノポリシロキサンを主成分としたものが好ましい。

シリコーン系有機マトリックスの具体例としては、例えば一分子中にビニル基とH-Si基の両方を有する1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酸の２液性のシリコーンなどをあげることができる。市販品としては、ゲル状のものとして、例えば東芝シリコーン社製、商品名「XE14-8530」、「TSE-3062」など、ゴム状のものとしては、例えば東芝シリコーン社製、商品名「YE5822」などがある。

本発明の無機フィラーは、シランカップリング剤等の表面処理を行うことによって、粉末の吸水率を低減させ、樹脂組成物の高強度化、更には樹脂と粉末との間の界面抵抗を低下させ、熱伝導率を一段と向上させることができる。

フィラー混合物とシリコーン系有機マトリックスとの混合方法は、特に限定されるのもではない。少量の場合は手混合も可能であるが、プラネタリーミキサー、自公転式ミキサー、ヘンシェルミキサー、ニーダー、ボールミル、ミキシングロール等の一般的な混合機が用いられる。

本発明の放熱材料は、通常、シート形状等の薄型成形体であり、その加工方法としては従来公知の方法、例えば、ドクターブレード法、コンマコーターによる塗工や押出法等が上げられる。

本発明におけるシート形状の放熱材料の厚さは、０．３ｍｍ以上であることが好ましい。０．３ｍｍ未満の厚みについてはシート表面の平滑性に対する充填フィラーの形状の影響が大きい為、球状フィラーを用いることが好ましい。

以下、実施例により、本発明を詳細に説明する。

表１に実施例および比較例にて使用した各フィラーの物性値を記載した。表１に記載の各フィラーを適宜混合しフィラー混合物を作成。該フィラー混合物をマトリックス分が５２体積％となるように、シリコーンゲル（ＧＥ東芝シリコーン社製、TSE-3062、２液混合型、体積比で１：１混合）１００部、反応遅延剤（関東化学社製、マレイン酸ジメチル）０．００２部および架橋密度調整剤（東レダウコーニング社製、ＲＤ−１）０．２部からなるマトリックスに添加した後、自公転式ミキサー（キーエンス社製、ＨＭ−５００）を用いて混合し、スラリーを作製した（表２に記載）。

作製したスラリーを真空乾燥機に入れ１時間減圧しスラリー中に溶け込んでいるエアーを脱気した。

上記の手法にて脱気した実施例１〜４および比較例１〜３の各スラリーをドクターブレード法にて、厚さ１００μｍのＰＥＴ基材上に所定の厚さの塗膜を作製し、該塗膜を１５０℃にて１時間加熱硬化させ、表２に示す厚さのシート状成形体を得た。

なお、使用した各フィラーの粒度分布については前記の「SALD-2200」にて測定した。測定の下準備として２００ｍｌのビーカーに１００ｍｌの純水を入れこれに５ｇに秤量した表１記載の各フィラーを投入。該ビーカーを超音波洗浄機（ASONE製、Vs−F100）で２分間超音波振動を加えフィラーを分散させる。
フィラーの分散液を「SALD-2200」のサンプル投入口から測定可能濃度になるまで流しこみ測定を行った。フィラー混合物の粒度分布は構成成分の各フィラーの粒度分布の測定値を基に配合比に応じて比例計算を行い算出した。

スラリー粘度測定：表２に記載のスラリー粘度についてはBROOKFIELD社製B型粘度計「RVDVIT」を用いて測定した。

熱伝導率測定：シート状成形体をT0-3型銅製ヒーターケースと銅板との間に挟み、シート厚みの１０％を圧縮したのち、銅製ヒーターケースに電力５W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、熱伝導率（W/m・k）＝{電力(W)×厚み（ｍ）}／{温度差（ｋ）×測定面積（ｍ^２）}、にて熱伝導率を算出した。

シート状成形体の表面性状を下記の基準にて三段階に評価した。
○：シートの表面が平滑であり発泡がないもの。
△：シートに局所的な荒れがあるがシートに発泡が無く実用上問題ないもの。
×：シート表面の荒れが酷く、若しくはシートに発泡があり使用上の問題が
あるもの。

表２に記載のように実施例１〜４は塗工時のエアー巻き込み等がないためシート表面性状は良好であり、放熱材料として使用した際に放熱特性についても問題はなかった。

比較例１については、フィラー混合物における最小の頻度極大値が２μmを下回っている。スラリー粘度が高く塗工時にエアー巻き込みを生じている。これにより加熱硬化時に発泡を起こし、シート表面が荒れ実用上の問題を生じた。

比較例２は、フィラー混合物の二番目の頻度極大値を示す粒度が１０μｍを下回り、発泡を生じ、シートの表面性状に難があった。

比較例３は、フィラー混合物の二番目の頻度極大値を示す粒度が４０μｍを上回っている。エアー巻き込みを生じ、加熱硬化時に発泡を生じており不良であった。

以上の様にフィラー混合物の頻度極大値を最適化することによりスラリー粘度を低減させ、塗工時のエアー巻き込みを防ぎ、加熱硬化の発泡を抑制した。それにより、シートの表面性状を良好な状態に仕上げることを可能とした。

Claims (3)

1. フィラー混合物５２体積％とシリコーン系有機マトリックス４８体積％を含有し、フィラーがアルミナと水酸化アルミであり、フィラー混合物が粒度分布において２〜７０μｍの範囲内に三つ以上の頻度極大値を有し、頻度極大値のうち最小のもの（α）が３．６〜４．２μｍの範囲、二番目に小さい頻度極大値（β）が２２〜３０μｍの範囲、三番目の頻度極大値（γ）が６２μｍの範囲にあり、三番目の頻度極大値（γ）の粒度分布範囲を構成する粒子の球形度が０．７８の破砕粉であることを特徴とするシート用の放熱材料。
2. 請求項１記載のシート用の放熱材料を放熱部材として使用した電子回路部品。
3. 請求項２記載の電子回路部品を組み込んだ家庭用電気製品、ＯＡ機器、自動車。