JP5284655B2 - 熱伝導性グリース - Google Patents

Description

本発明は、熱伝導性グリースに関する。

近年、パソコンのＣＰＵ（中央処理装置）等の発熱性電子部品の小型化、高出力化に伴い、それらの電子部品から発生する単位面積当たりの熱量は非常に大きくなってきている。それらの熱量は近年ではアイロンの約２０倍の熱量にも達する。この発熱性の電子部品を長期にわたり故障しないようにするためには、発熱する電子部品の冷却が必要とされる。冷却には金属製のヒートシンクや筐体が使用され、さらに発熱性電子部品からヒートシンクや筐体などの冷却部へ効率よく熱を伝えるために熱伝導性材料が使用される。この熱伝導性材料を使用する理由として発熱性電子部品とヒートシンク等をそのまま接触させた場合、その界面には微視的にみると、空気が存在し熱伝導の障害となる。したがって、界面に存在する空気の代わりに熱伝導性部材が発熱性電子部品とヒートシンク等の冷却部品との間に存在することによって効率よく熱を伝えることを可能にさせる。

熱伝導性部材としては、シリコーンゴムに熱伝導性粉末を充填した硬化物からなる熱伝導性シート、シリコーンゲルのようなやわらかいシリコーンに熱伝導性粉末が充填され、柔軟性を有する硬化物からなる熱伝導性パッド、液状シリコーンに熱伝導性粉末が充填された流動性のある熱伝導性グリース、発熱電子部品の作動温度で軟化又は流動化する相変化型熱伝導性材料などがある。

また熱伝導性部材は用途によって発熱性電子部品と冷却部品との間の厚みが異なるが、通常デスクトップパソコンの発熱電子部品であるＣＰＵとヒートシンクの間には５０〜２００μｍのすき間が存在し、そのすき間で高熱伝導を示す熱伝導性材料が要求されるようになっている。

これまで熱伝導性部材としては薄膜化して使用することにより、熱を伝えやすくするという手法が取られていたが、必ずしもデスクトップパソコンのＣＰＵとヒートシンクの間の５０〜２００μｍのすき間で高熱伝導を示すことはなかった（特許文献１〜４）。

特開２００５−３３０４２６号公報 特開２００４−９１７４３号公報 特開２００５−５４０９９号公報 特開２００５−１７０９７１号公報

本発明の目的は、発熱体と冷却体の間の狭い空間（隙間）に充填し、発熱体から冷却体に効率よく熱を伝導する熱伝導性グリースを提供することである。

本発明は、上記の課題を解決するために、以下の手段を採用する。
（１）粒度分布において粒子径１５〜３０μｍ、粒子径１．０〜５μｍ、粒子径０．１〜０．９μｍの各範囲において頻度極大値を有する熱伝導性材料と、粘度が３００〜１０００ｍＰａ・ｓである基油を含有してなる熱伝導性グリース。
（２）平均粒子径が１５〜３０μｍである熱伝導性材料（Ａ）と、平均粒子径が１．０〜５μｍである熱伝導性材料（Ｂ）と、平均粒子径が０．１〜０．９μｍである熱伝導性材料（Ｃ）と、粘度が３００〜１０００ｍＰａ・ｓである基油を含有してなる熱伝導性グリース。
（３）熱伝導性材料（Ａ）（Ｂ）又は（Ｃ）が金属アルミニウム、窒化アルミニウム、及び酸化亜鉛からなる群から選ばれる１種又は２種以上である前記（２）に記載の熱伝導性グリース。
（４）基油がアルキル基で変性されたシリコーンオイルである前記（１）乃至（３）のいずれか１項に記載の熱伝導性グリース。
（５）熱伝導性グリース中の熱伝導性材料の合計の含有量が７０〜８５体積％である前記（１）乃至（４）のいずれか１項に記載の熱伝導性グリース。
（６）熱伝導性グリース中の熱伝導性材料（Ａ）が３０〜６０体積％、熱伝導性材料（Ｂ）が１０〜３０体積％、熱伝導性材料（Ｃ）が５〜２０体積％である前記（１）乃至（５）のいずれか１項に記載の熱伝導性熱伝導性グリース。
（７）さらに、シランカップリング剤を含有してなる前記（１）乃至（６）のいずれか１項に記載の熱伝導性グリース。
（８）発熱体と冷却体の間の空間（隙間）に用いる前記（１）乃至（７）のいずれか１項に記載の熱伝導性グリース。

本発明によれば、５０〜２００μｍの狭い空間（隙間）にも、高熱伝導性を示す熱伝導性グリースを提供することができる。

以下、本発明について詳細に説明する。
本発明の熱伝導性グリースに含有される熱伝導性材料（Ａ）（Ｂ）又は（Ｃ）は、金属アルミニウム、窒化アルミニウム、及び酸化亜鉛の群から選ばれる１種又は２種以上である。熱伝導性材料（Ａ）（Ｂ）又は（Ｃ）は、例えば、金属錫、金属銀、金属銅、炭化ケイ素、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化ホウ素粉末等の熱伝導性粉末が含有されてもよいが、金属アルミニウム、窒化アルミニウム及び酸化亜鉛の合計量の好ましくは最大５体積％、特に好ましくは３体積％までを置き換えて使用することができる。

本発明の熱伝導性グリースは、レーザー回折式粒度分布測定方法によって測定された熱伝導性材料の粉末の粒度分布において、１５〜３０μｍ、１．０〜５μｍ、及び０．１〜０．９μｍの範囲に頻度極大値を有することにより、熱伝導性材料間の接触点数を上げることができる。その結果、熱伝導性グリースとしての熱伝導性が向上することができる。このような頻度極大値を有する熱伝導性材料の粉末の粒度分布をもつ手段の一つとしては、異なる粒度分布をもつ熱伝導性材料を混合する方法がある。

本発明の熱伝導性グリースは、平均粒子径の異なる、熱伝導性材料（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）の３種類の熱伝導性材料を混合することにより、熱伝導性材料の充填性を上げることができる。その結果、熱伝導性グリースとしての熱伝導性が向上することができる。さらに、平均粒子径が好ましくは０．１〜３０μｍ、好ましくは０．３〜２５μｍの粒子径の材料からなる熱伝導性材料を含有させることにより、その熱伝導性材料を充填した熱伝導性グリースが厚さ５０〜２００μｍのデスクトップパソコンの使用厚み範囲で熱抵抗は小さくなる。これにより、非常に熱を伝え易い熱伝導性グリースが製造可能となる。

本発明で使用する平均粒子径が１５〜３０μｍである熱伝導性材料（Ａ）は平均粒子径が１５〜３０μｍである必要があり、さらに平均粒子径は２０〜２５μｍの範囲のものが好ましい。平均粒子径が３０μｍより大きくなると熱伝導性グリースとしての厚みが大きくなり、熱伝導性グリースの熱抵抗が上昇する傾向にある。反対に平均粒子径が１５μｍより小さくなると充填性が悪くなり、熱伝導性グリースの熱抵抗が上昇する傾向にある。熱伝導性材料（Ａ）としては、金属アルミニウムが好ましい。

本発明で使用する平均粒子径が１〜５μｍである熱伝導性材料（Ｂ）は平均粒子径が１．０〜５μｍである必要があり、さらに平均粒子径は１．３〜３μｍの範囲のものが好ましい。平均粒子径が５μｍより大きくなると平均粒子径が１５〜３０μｍの熱伝導性材料の粒子と粒子径が近いため、充填性が悪くなる傾向にあり、熱抵抗が上昇する傾向にある。反対に平均粒子径が１．０μｍより小さくなると平均粒子径が０．１〜０．９μｍの熱伝導性材料の粒子と粒子径が小さくなるため熱伝導性材料の充填性が悪くなる傾向にあり、熱抵抗が上昇する傾向にある。熱伝導性材料（Ｂ）としては、窒化アルミニウムが好ましい。

本発明で使用する酸化亜鉛粉末は平均粒子径が０．１〜０．９μｍである熱伝導性材料（Ｃ）は平均粒子径はが０．１〜０．９μｍである必要があり、さらに平均粒子径が０．３〜０．７μｍの範囲のものが好ましい。平均粒子径が０．９μｍより大きくなると平均粒子径が１．０〜１．９μｍの熱伝導性材料の粒子と粒子径が近くなり、充填性が悪くなる傾向にあり、熱抵抗が上昇する傾向にある。平均粒子径が０．１μｍより小さくなると全体の熱伝導性材料の充填性が悪くなる傾向にあり、熱抵抗が上昇する傾向にある。熱伝導性材料（Ｃ）としては、酸化亜鉛が好ましい。

熱伝導性グリース中の熱伝導性材料（Ａ）（Ｂ）及び（Ｃ）の含有量は６０〜８０体積％であることが好ましく、６５〜７５体積％であることがさらに好ましい。熱伝導性材料の含有量が８０体積％を超えると、熱伝導性グリースが硬くなる傾向にあり、熱抵抗が大きくなる傾向にある。また、熱伝導性材料の含有量が６０体積％より小さくなると、熱伝導性材料の充填量が小さいため、熱が伝わりにくい傾向にあり、熱抵抗が大きくなる傾向にある。

平均粒子径の異なる３種類の熱伝導性材料の配合割合は、熱伝導性材料（Ａ）が好ましくは３０〜６０体積％、特に好ましくは４０〜５０体積％であり、熱伝導性材料（Ｂ）が好ましくは１０〜３０体積％、特に好ましくは１２〜２２体積％であり、そして、熱伝導性材料（Ｃ）が好ましくは５〜２０体積％、特に好ましくは１０〜１７体積％が好適である。熱伝導性材料（Ａ）の含有割合が３０体積％より少なくなると熱伝導性グリースが硬くなる傾向にあり、熱抵抗が大きくなる傾向にある。また、６０体積％より多くなると、熱伝導性材料の充填性が悪くなる傾向にあり、熱抵抗が大きくなる傾向にある。熱伝導材料（Ｂ）の含有割合が１０体積％より少なくなると、熱伝導性材料（Ａ）と（Ｃ）間で熱を伝えにくくなる傾向にあり、熱抵抗が大きくなる傾向にある。また、３０体積％より多くなると、熱伝導性材料（Ａ）の充填性が悪くなる傾向にあり、熱抵抗が大きくなる傾向にある。熱伝導材料（Ｃ）の含有割合が５体積％より少なくなると、熱伝導性材料（Ｃ）を充填し熱伝導を向上する効果が低くなる傾向にあり、熱抵抗が大きくなる傾向にある。また、２０体積％より多くなると、熱伝導性材料（Ｂ）の充填性が悪くなる傾向にあり、熱抵抗が大きくなる傾向にある。

本発明における平均粒子径は、島津製作所製「レーザー回折式粒度分布測定装置ＳＡＬＤ−２００」を用いて測定を行った。評価サンプルは、ガラスビーカーに５０ｃｃの純水と測定する熱伝導性粉末を５ｇ添加して、スパチュラを用いて撹拌し、その後超音波洗浄機で１０分間、分散処理を行った。分散処理を行った熱伝導性材料の粉末の溶液をスポイドを用いて、装置のサンプラ部に一滴ずつ添加して、吸光度が測定可能になるまで安定するのを待った。このようにして吸光度が安定になった時点で測定を行う。レーザー回折式粒度分布測定装置では、センサで検出した粒子による回折／散乱光の光強度分布のデータから粒度分布を計算する。平均粒子径は測定される粒子径の値に相対粒子量（差分％）を掛けて、相対粒子量の合計（１００％）で割って求められる。なお、平均粒子径は粒子の平均直径である。

基油の粘度は、好ましく３００〜１０００ｍＰａ・ｓであり、特に好ましくは５００ｍ〜７００ｍＰａ・ｓである。基油の粘度が３００ｍＰａ・ｓ未満では、熱伝導性グリースの基油と熱伝導性材料が分離を生じやすい傾向にあり、熱抵抗が高くなる傾向にある。基油の粘度が１０００ｍＰａ・ｓを超える場合には、熱伝導性材料を高充填することが難しくなる傾向にあり、熱伝導性グリースの熱伝導性が悪くなる傾向にある。

基油の粘度は、ブルックフィールド製「デジタル粘度計ＤＶ−１」を用いて測定される。ＲＶスピンドルセットを用いて、ローターＮｏ．１を使用し、そのローターが入り、基準線まで基油を入れることができる容器を用いる。ローターを基油に浸し、回転数１０ｒｐｍでの粘度値を評価する。

本発明では、基油として、粘度が３００〜１０００ｍＰａ・ｓであるジメチルシリコーンオイルのメチル基の一部を好ましくは炭素数が３〜１３、特に好ましくは８〜１２のアルキル基で変性し、かつ粘度が４００〜８００ｍＰａ・ｓであるシリコーンオイルを用いることが好ましい。アルキル基の炭素数が３より小さい場合表面張力が小さいため、熱伝導性材料の充填性が悪くなり、熱伝導性が悪くなる傾向がある。また、炭素数が１３より大きい場合、炭素数が増加しても表面張力は大きくならず一定となる。

本発明の熱伝導性グリースの粘度は、好ましく１５０〜３５０Ｐａ・ｓであり、特に好ましくは２００〜３００Ｐａ・ｓである。熱伝導性グリースの粘度が１５０Ｐａ・ｓ未満では、熱伝導性グリース中の基油と熱伝導性材料が分離を生じやすい傾向であり、熱抵抗が高くなる傾向にある。熱伝導性グリースの粘度が３５０Ｐａ・ｓを超える場合には、熱伝導性グリースが固くなり、熱伝導性が悪くなる傾向にある。

本発明の熱伝導性グリースには、シランカップリング剤が含有され、表面改質剤としてフィラーの疎水化、及び分散性向上、その他有機樹脂の改質等ができる。好適なシランカップリング剤としては、炭素数８〜１０のアルキル基を有するアルキルシランが挙げられる。好ましいシランカップリング剤の例としては、ｎ−オクチルトリメトキシシラン、ｎ−オクチルトリエトキシシラン、ｎ−デシルトリメトキシシランなどが例示される。

なお、本発明の熱伝導性グリースは上述した各成分に加えて、さらに必要に応じて酸化防止剤、金属腐食防止剤などを配合してもよい。

本発明の熱伝導性グリースは、上記材料を万能混合攪拌機、加圧ニーダー等で混練りすることによって製造することができる。

実施例１〜７ 比較例１〜６
表１に示される熱伝導性粉末、表２に示される基油、表３に示されるシランカップリング剤を、表４、５の割合で配合し、入江商会社製卓上型ニーダーＰＢＶ―０．３を用い、３０分間混合し、熱伝導性グリースを製造した。
基油としては、アルキル基の炭素数が１２であるモメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ社製アルキル変性シリコーンオイルＴＳＦ４４２１を使用した。

熱伝導性グリースの熱抵抗の測定方法としては、ヒーターの埋め込まれた直方体の銅製治具（先端の面積が１ｃｍ^２（１ｃｍ×１ｃｍ））と、冷却フィンを取り付けた直方体の銅製治具（先端の面積が１ｃｍ^２（１ｃｍ×１ｃｍ））との間に、熱伝導性グリースの厚さが５０、１００，２００μｍとなるように挟み、銅製治具を密着させた。熱伝導性グリースの使用量は、密着面全体を埋める状態とした。ヒーターに電力２０Ｗをかけて３０分間保持し、銅製治具同士の温度差（℃）を測定し、式、熱抵抗（℃／Ｗ）＝｛温度差（℃）／ 電力（Ｗ）｝、にて算出した。

熱伝導性グリースの粘度は、ブルックフィールド製「デジタル粘度計ＤＶ−１」を用いて測定した。ＲＶスピンドルセットを用いて、ローターＮｏ．７を使用し、そのローターが入り、基準線まで基油を入れることができる容器を用いた。ローターを基油に浸し、回転数２０ｒｐｍでの粘度値を測定した。

熱伝導性グリースの熱抵抗を表４と表５に示した。

本発明の熱伝導性グリースは、５０〜２００μｍの厚さにおいて、発熱体から冷却体に効率よく熱を伝導することができた。

Claims (4)

1. 粒度分布において、粒子径１５〜３０μｍに頻度極大値を有する金属アルミニウム、粒子径１．０〜５μｍに頻度極大値を有する窒化アルミニウム、粒子径０．１〜０．９μｍに頻度極大値を有する酸化亜鉛と２５℃の粘度が３００〜１０００ｍＰａ・ｓであるアルキル基で変性されたシリコーンオイルを含有してなり、熱伝導性グリース中の熱伝導性材料含有量が６０〜８０体積％であり、金属アルミニウムが３０〜６０体積％、窒化アルミニウムが１０〜３０体積％、酸化亜鉛が５〜２０体積％である低粘度熱伝導性グリース。
2. 平均粒子径が１５〜３０μｍである金属アルミニウムと、平均粒子径が１．０〜５μｍである窒化アルミニウムと、平均粒子径が０．１〜０．９μｍである酸化亜鉛と、２５℃の粘度が３００〜１０００ｍＰａ・ｓであるアルキル基で変性されたシリコーンオイルを含有してなり、熱伝導性グリース中の熱伝導性材料の含有量が６０〜８０体積％であり、金属アルミニウムが３０〜６０体積％、窒化アルミニウムが１０〜３０体積％、酸化亜鉛が５〜２０体積％である低粘度熱伝導性グリース。
3. さらに、シランカップリング剤を含有してなる請求項１又は２に記載の低粘度熱伝導性グリース。
4. 発熱体と冷却体の間の空間（隙間）に用いる請求項１乃至３のいずれか１項に記載の低粘度熱伝導性グリース。