JP5405890B2 - 熱伝導性成形体とその用途 - Google Patents

Description

本発明は、熱伝導性に優れた熱伝導性成形体とその用途に関するものであり、特に電子部品用放熱部材として使用した際に、トランジスタ、サイリスタ、ＣＰＵ（中央処理装置）等の発熱性電子部品を損傷させることなく、電子機器に組み込むことができる熱伝導性成形体に関するものである。

トランジスタ、サイリスタ、ＣＰＵ等の発熱性電子部品においては、使用時に発生する熱を如何に除去することが重要な問題となっている。従来、このような除熱方法としては、発熱性電子部品を電気絶縁性の放熱シートを介して放熱フィンや金属板に取り付け、熱を逃がすことが一般的に行われており、その放熱シートとしてはシリコーンゴムに熱伝導性フィラーを分散させたものが使用されている。

近年、電子部品内の回路の高集積化に伴いその発熱量も大きくなっており、従来にも増して高い熱伝導性を有する放熱シートが求められてきている。

放熱シートの熱伝導性を向上させる従来技術としては、熱伝導性フィラーを高充填化する手法や異方性を示す熱伝導性フィラーを配向、配列させる手法が取られていたが、必ずしも高熱伝導を示すことはなかった（特許文献１〜４）。

また従来の積層構成された熱伝導性成形体は平均粒子径が７μｍの窒化ホウ素粉末が使用されており、シリコーンゴムへ熱伝導性フィラーを４０体積％程度しか充填することはできず、低熱伝導であった（特許文献２）。

さらに熱伝導性フィラーとシリコーンゴムとで構成される複合材料中では特に熱伝導性フィラー同士の接触を通じて、熱は伝わりやすいが、平均粒子径が７μｍの窒化ホウ素粉末を使用した場合、ゴム内での熱伝導性フィラーの緻密性は低く、熱伝導性フィラー同士が接触しにくいため、熱伝導率は３〜５Ｗ／ｍＫ程度であった（特許文献２）。

特開平１１−２１３８８号公報 特開平１１−１９９４８号公報 特開２００７−２５４６３７号公報 特開２００７−２７７４０６号公報

本発明の目的は、高い熱伝導性を有し、特に電子部品用放熱部材として好適な熱伝導性成形体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）窒化ホウ素粉末（Ａ）の平均粒子径が２５〜４５μｍ、アスペクト比が１５〜１００であり、窒化ホウ素粉末（Ｂ）の平均粒子径が０．５〜５μｍ、アスペクト比が２〜１０であり、窒化ホウ素粉末の（Ａ）：（Ｂ）の配合割合が質量比で５：５〜９：１の窒化ホウ素粉末を含む熱伝導性フィラー５０〜７５体積％含有してなるシリコーン積層体を、積層方向から切断することを特徴とする熱伝導性成形体。
（２）シリコーン積層体が、窒化ホウ素粉末を含む熱伝導性フィラー５０〜６０体積％含有してなるシリコーンシート（Ｃ）と窒化ホウ素粉末を含む熱伝導性フィラー６５〜７５体積％含有してなるシリコーンシート（Ｄ）を交互に積層したことを特徴とする前記（１）に記載の熱伝導性成形体。
（３）前記（１）又は前記（２）に記載の熱伝導性成形体からなることを特徴とする電子部品用放熱部材。

本発明によれば、高熱伝導性を示す熱伝導性成形体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。
本発明で使用される熱伝導性フィラーとしては、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素等をあげることができる。これらのうち、窒化ホウ素は鱗片状粒子の長さ方向の熱伝導性が極めて高く、その特徴をうまく利用すれば高熱伝導性を付与することができるので、本発明には特に好適なものである。また、その窒化ホウ素粉末としては、粉末Ｘ線解析法による黒鉛指数（ＧＩ）が２．５以下の高結晶性のものが望ましい。

更に、本発明においては、絶縁性を損なわせない範囲で、アルミニウム、銅、銀、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ等の導電性粉末を併用することもできる。

本発明の熱伝導性成形体における熱伝導性フィラーの含有率は、全体積中の５０〜７５体積％、特に６５〜７０体積％であることが望ましい。熱伝導性フィラーの含有率が５０体積％未満では熱伝導性成形体の熱伝導性が減少する傾向にある。また７５体積％を越えると、成形体の機械的強度が損なわれる傾向にある。

本発明の窒化ホウ素粉末（Ａ）は、平均粒子径が２５〜４５μｍである必要があり、さらに平均粒子径は３０〜４０μｍの範囲のものが好ましい。平均粒子径が４５μｍより大きくなると熱伝導性フィラーを緻密に充填することが困難となる傾向にある。反対に平均粒子径が２５μｍより小さくなると充填性が悪くなり、熱伝導性が減少する傾向にある。

本発明の窒化ホウ素粉末（Ｂ）は、平均粒子径が０．５〜５μｍである必要があり、さらに平均粒子径は１〜３μｍ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２５〜４５μｍの窒化ホウ素粉末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、熱伝導性が減少する傾向にある。反対に平均粒子径が０．５μｍ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、熱伝導性が減少する傾向にある。

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。

本発明の窒化ホウ素粉末（Ａ）は、アスペクト比が１５〜１００である必要があり、さらにアスペクト比は３０〜８０の範囲のものが好ましい。アスペクト比が１００より大きくなるとフィラーの充填性が悪くなる傾向にある。反対にアスペクト比が１５より小さくなると樹脂中へ緻密に充填しづらくなり、熱伝導性が減少する傾向にある。

本発明の窒化ホウ素粉末（Ｂ）は、アスペクト比が２〜１０である必要があり、さらにアスペクト比は３〜８の範囲のものが好ましい。アスペクト比が１０より大きくなるとフィラーの充填性が悪くなる傾向にある。反対にアスペクト比が２より小さくなると樹脂中へ緻密に充填しづらくなり、熱伝導性が減少する傾向にある。

窒化ホウ素粉末のアスペクト比は窒化ホウ素粉末をガラススライド上に貼り付けた導電性カーボン両面テープ上に散布し、キーエンス製「３Ｄリアルサーフェスビュー顕微鏡VE−９８００」を用いて、２００個の粒子を観察し、その長径と短径の長さを測り、アスペクト比＝長径／短径の計算式より算出する。

窒化ホウ素粉末（Ａ）と窒化ホウ素粉末（Ｂ）の配合割合は質量比で５：５〜９：１である必要があり、さらに質量比で６：４〜８：２の範囲のものが好ましい。窒化ホウ素粉末（Ａ）の割合が５より小さくなると、フィラーの充填性が悪くなる傾向にある。反対に窒化ホウ素粉末（Ａ）の割合が９より大きくなると、フィラーが緻密に充填しづらくなり、熱伝導性が減少する傾向にある。

従来の技術である平均粒子径７μｍの窒化ホウ素粉末を使用した際は困難であった熱伝導性フィラーの高充填化を、粒子径の大きい平均粒子径２５〜４５μｍである窒化ホウ素粉末を充填した際の空隙部を平均粒子径０．５〜５μｍである窒化ホウ素粉末で埋めることによって、より緻密に熱伝導性フィラーを充填することが可能となり、フィラーの充填量も従来の４５体積％から７５体積％まで上昇することが可能となる。

シリコーン積層体は、熱伝導性フィラーとシリコーンゴムとの複合材料を薄板状に成形した未硬化体（以下グリーンシートと呼ぶ）を積層し、加熱硬化させることによって、未硬化のグリーンシート同士が接着し、硬化したシリコーン積層体となる。

シリコーン積層体は、窒化ホウ素粉末を含む熱伝導性フィラーの含有率５０〜６０体積％であるグリーンシートＡと窒化ホウ素粉末を含む熱伝導性フィラー含有率が６５〜７５体積％であるグリーンシートＢを交互に積層することが好ましい。さらに窒化ホウ素粉末を含む熱伝導性フィラーの含有率５３〜５８体積％であるグリーンシートＡと窒化ホウ素粉末を含む熱伝導性フィラー含有率が６８〜７３体積％であるグリーンシートＢを交互に積層するものがより好ましい。グリーンシートＡの窒化ホウ素粉末を含む熱伝導性フィラーの含有率が５０体積％未満であると熱伝導性フィラーの充填量が少なくなり、熱伝導性が減少する傾向にある。グリーンシートＡの窒化ホウ素粉末を含む熱伝導性フィラーの含有率が６０体積％をこえると、グリーンシートＢとの密着性が悪くなり、グリーンシート間の熱伝導性が減少する傾向にある。またグリーンシートＢの窒化ホウ素粉末を含む熱伝導性フィラーの含有率が６５体積％未満であると、熱伝導性フィラーの充填量が少なくなり、熱伝導性が減少する傾向にある。グリーンシートＢの窒化ホウ素粉末を含む熱伝導性フィラーの含有率が７５体積％をこえると、グリーンシートＢの機械的強度が損なわれる傾向にある。

本発明のマトリックスとして使用されるゴムとしては、シリコーンゴム、ウレタンゴム、アクリルゴム、ブチルゴム、エチレンプロピレン共重合体、エチレン酢酸ビニル共重合体等をあげることができる。これらのうち、特にシリコーンゴムは成形体としたときの柔軟性、形状追随性、電子部品に接触させる際の発熱面への密着性、更には耐熱性が優れているので最適である。

シリコーンゴムの種類としては、ミラブル型シリコーンが代表的なものであるが、総じて所要の柔軟性を発現させることが難しい場合が多いので、高い柔軟性を発現させるためには付加反応型シリコーンが好適である。付加反応型液状シリコーンの具体例としては、分子量が数万である一分子中にビニル基とＨ−Ｓｉ基の両方を有する一液反応型のオルガノポリシロキサン、また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などである。例えば東レ・ダウコーニング・シリコーン社製、商品名「ＳＥ−１８８５Ａ／Ｂ」がある。

グリーンシートの成形性を向上させるため、重量平均分子量が３０万から８０万であるビニル基をもつメチルビニルシリコーン生ゴムを添加することが好適である。分子量の大きいメチルビニルシリコーン生ゴムを添加することで、フィラーを高充填化することによる分子鎖の切断を防止し、高フィラー充填化でのグリーンシートの成形を可能にすることができる。例えばモメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ社製、商品名「ＳＲＨ−３２」がある。

また、本発明で使用される付加反応型液状シリコーンは、アセチルアルコール類、マレイン酸エステル類などの反応遅延剤、十〜数百μｍのアエロジルやシリコーンパウダーなどの増粘剤、難燃剤、顔料などと併用することもできる。

熱伝導率は、ＴＯ−３型に裁断した試料（１ｍｍ）をトランジスタの内蔵されたＴＯ−３型銅製ヒーターケース（有効面積６ｃｍ^２）と銅板との間に挟み、初期厚みの１０％が圧縮されるように荷重をかけてセットした後、トランジスタに電力１５Ｗをかけて５分間保持し、ヒーターケースと放熱フィンとの温度差（℃）から、次の（１）式で算出される熱抵抗（℃／Ｗ）を（２）式で換算したものである。

熱抵抗（℃／Ｗ）＝温度差（℃）／電力（Ｗ）・・・（１）

熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）＝｛試料厚み（ｍ）／｛熱抵抗（℃／Ｗ）×試料面積（ｍ^２）・・・（２）

本発明の熱伝導性成形体の製造方法の一例を示すならば、付加反応型液状シリコーン及び窒化ホウ素粉末を室温下で混合し、さらにシリコーン生ゴムを追加し混合してコンパウンドを調整し、それをピストン式又はスクリュー式の押し出し機で押し出してグリーンシートに仮成形した後、それを積層し加熱硬化させた後、積層方向から所望の幅に切断する方法があげられる。

本発明の熱伝導性成形体は、発熱性電子部品又は熱熱性電子部品の搭載された回路基板と冷却装置との間に挟みこんで使用されるものであるが、冷却装置にあらかじめ貼り付け一体化するなどして電子部品用放熱部材として供給することも可能である。冷却装置としては、例えばヒートシンク、放熱フィン、金属又はセラミックスのケース等があげられ、またはそのセラミックスとしては窒化アルミニウム、窒化ホウ素、炭化珪素、窒化珪素、酸化アルミニウム等があげられる。

また、上記電子部品用放熱部材が使用される電子機器としては、パーソナルコンピューター、家庭用ゲーム機、電源、自動車、プロジェクター等をあげることができる。

実施例１〜１０ 比較例１〜８
表１に示される熱伝導性フィラーとＡ液（ビニル基を有するオルガノポリシロキサン）とＢ液（Ｈ−Ｓｉ基を有するオルガノポリシロキサン）の二液性の付加反応型シリコーン（東レダウコーニング社製、商品名「ＳＥ−１８８５」）をＡ液対Ｂ液の混合比を表２、３、５に示す配合（体積％）で混合し、さらにこれにシリコーン生ゴム（モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ社製、商品名「ＳＲＨ−３２」）を室温下で混合しコンパウンドを作製した。

このコンパウンドをスリット（１ｍｍ×６０ｍｍ）付きダイスの固定されたシリンダー構造金型内に充填し、ピストンで圧力をかけながらスリットから押し出して、熱伝導性フィラーとシリコーンゴムの複合材料の未硬化の薄板（グリーンシート）を作製した。

この厚さ１ｍｍ、幅６０ｍｍ、長さ１２０ｍｍのグリーンシート２５枚から縦横の長さが５０ｍｍの正方形となるようにカッターでグリーンシートを切り出した。そして、正方形のグリーンシート同士の各角を合わせつつ、５０ｍｍの高さになるまで５０層積層した。その後、乾燥機を用いて１５０℃で２２時間加熱硬化させて、シリコーン積層体を作製した。この１辺の長さが５０ｍｍの立方体であるシリコーン積層体をカッターでグリーンシートを重ねた面に対して垂直であり、その辺に対して平行に刃を下ろしながら切断し、本発明のシート状熱伝導性成形体（１ｍｍ）を作製した。

表４の実施例１１〜１３に示すグリーンシートＡ及びＢは、実施例１〜１０と同様に表１に示される熱伝導性フィラーとＡ液（ビニル基を有するオルガノポリシロキサン）とＢ液（Ｈ−Ｓｉ基を有するオルガノポリシロキサン）の二液性の付加反応型シリコーン（東レダウコーニング社製、商品名「ＳＥ−１８８５」）をＡ液対Ｂ液の混合比を表４に示す配合（体積％）で混合し、さらにこれにシリコーン生ゴム（モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ社製、商品名「ＳＲＨ−３２」）を室温下で混合しコンパウンドを作製した。

それぞれのコンパウンドをスリット（１ｍｍ×６０ｍｍ）付きダイスの固定されたシリンダー構造金型内に充填し、ピストンで圧力をかけながらスリットから押し出して、熱伝導性フィラーとシリコーンゴムの複合材料の未硬化の薄板（グリーンシートＡ及びＢ）を作製した。

グリーンシートＡ及びＢを５０ｍｍの高さになるまで交互に積層した後、乾燥機を用いて１５０℃で２２時間加熱硬化させて、シリコーン積層体を作製した。このシリコーン積層体をカッターで積層方向に垂直であり、その辺に対して平行に切断し、本発明のシート状熱伝導性成形体（１ｍｍ）を作製した。

上記で得られたシート状熱伝導性成形体について、ＴＯ−３型に裁断し、熱伝導率を測定した。それらの結果を表２〜５に示す。なお、比較例５はシート状の熱伝導性成形体を作製することができなかった。

表２〜表５の実施例と比較例から、本発明の熱伝導性成形体は、優れた熱伝導性を示している。

Claims (3)

1. 窒化ホウ素粉末（Ａ）の平均粒子径が２５〜４５μｍ、アスペクト比が１５〜１００であり、窒化ホウ素粉末（Ｂ）の平均粒子径が０．５〜５μｍ、アスペクト比が２〜１０であり、窒化ホウ素粉末の（Ａ）：（Ｂ）の配合割合が体積比で４０：６０〜９５：５の窒化ホウ素粉末を含む熱伝導性フィラー５０〜７５体積％含有してなるシリコーン積層体を、積層方向から切断することを特徴とする熱伝導性成形体。
2. シリコーン積層体が、窒化ホウ素粉末を含む熱伝導性フィラー５０〜６０体積％含有してなるシリコーンシート（Ｃ）と窒化ホウ素粉末を含む熱伝導性フィラー６５〜７５体積％含有してなるシリコーンシート（Ｄ）を交互に積層したことを特徴とする請求項１に記載の熱伝導性成形体。
3. 請求項１又は請求項２に記載の熱伝導性成形体を用いた電子部品用放熱部材。