JP6307774B2 - 硬化型熱伝導性グリス、放熱構造および放熱構造の製造方法 - Google Patents

硬化型熱伝導性グリス、放熱構造および放熱構造の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は発熱体と放熱体の間に配置される硬化型熱伝導性グリスに関する。より詳しくは発熱体と放熱体の隙間が広い場合であっても確実にその隙間を埋めることができる硬化型熱伝導性グリスとそれを利用する放熱構造に関する。
半導体素子や機械部品等の発熱体から生じる熱を放熱するために、ヒートシンクなどの放熱体が用いられているが、熱の伝達を効率よくする目的で発熱体と放熱体の間に熱伝導性グリスを塗布することがある。
この熱伝導性グリスは、発熱体や放熱体（典型的には金属製である）と比較すると熱伝導率が低いため、薄い方が有利である。また、熱伝導率が極めて低い空気層を発熱体と放熱体との間に入り込ませないため、低粘度で流動性の高い熱伝導性グリスの方が有利である。こうした理由から発熱体と放熱体との間隔が狭い場合に低粘度の熱伝導性グリスが好適に用いられてきた。
ところが近年では、発熱する素子が多くなっており、また発熱量の総量も増加の傾向にある。そのため、特定の電子素子というよりは、複数の電子素子、あるいは基板全体から隈なく放熱させることが望まれる。そうすると、放熱対象となる電子素子の高さも様々であり、また、斜めや横向きに配置された発熱体に放熱体を組付ける場合が生じるなど、放熱のために要求される形態が多様化してきている。
こうした要求に対して従来の熱伝導性グリスを用いようとすると、低粘度であるため塗布した状態を維持できず流れてしまう問題が生じる。そのため、チキソ性を高めた熱伝導性グリスも開発され、例えば、特開２０１１−０８８９５３号公報（特許文献１）に記載されている。
一方、発熱体と放熱体の隙間が広い場合には、例えば特開２００６−３３２１２６号公報（特許文献２）に記載されるような放熱シートの利用も考えられる。こうした放熱シートを用いれば、異なる高さの発熱体にそれぞれ対応する放熱シートを利用したり、柔軟な放熱シートを用いたり、高さの高い発熱体の部位に対しては放熱シートの当接する部位に穴を開けて利用したりすることができる。
特開２０１１−０８８９５３号公報 特開２００６−３３２１２６号公報
しかしながら、特開２０１１−０８８９５３号公報（特許文献１）記載のチキソ性を高めた熱伝導性グリスであっても、発熱体に放熱体が密着している場合には液ダレを抑制できるが、発熱体と放熱体との間の隙間が広く、厚膜で塗布する場合にはその塗布厚を維持することができなかった。また、斜めや横向きに配置された発熱体に塗布する場合にも、放熱体を組付ける前に流れてしまい使うことができなかった。
また、特開２００６−３３２１２６号公報（特許文献２）記載のような放熱シートを利用する方法でも、異なる高さの発熱体に対応する放熱シートを準備するのでは、複数の放熱シートをそれぞれ対応する箇所に貼付する必要があり作業工数が多くなるという問題があった。また、柔軟な放熱シートを用いると、圧縮率の異なる部位で応力が異なることから、基板の特定の部位に応力が集中するという不具合が生じることがあった。さらに、放熱シートに穴を開けて利用すると、穴が開いた箇所での熱伝導性が悪くなるという不具合が生じる場合があった。
そこで本発明は、発熱体と放熱体の間隔が広いような従来の熱伝導性グリスでは対応できず、また放熱シートを用いると不具合が生じるおそれのある場合であっても、発熱体が放射する熱を効率良く放熱体に伝える技術を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、半導体素子や機械部品等の発熱体と、その発熱体から発生した熱を放熱する放熱体との間に介在させて発熱体から放熱体への熱伝達をスムーズにする硬化型熱伝導性グリスについて、硬化可能な液状高分子と、平均粒径が１０μｍ未満の熱伝導性充填材（Ａ）と、平均粒径が１０μｍ以上の熱伝導性充填材（Ｂ）と、を含み、熱伝導性充填材（Ａ）と熱伝導性充填材（Ｂ）の体積比率（Ａ）／（Ｂ）が０．６５〜３．０２であり、粘度が７００Ｐａ・ｓ〜２０７０Ｐａ・ｓであって、発熱体または放熱体に５ｍｍ厚で塗布した後、この発熱体または放熱体を垂直に立てた際に流れ落ちないスランプ耐性を有することを特徴とする硬化型熱伝導性グリスを提供する。
半導体素子や機械部品等の発熱体と、その発熱体から発生した熱を放熱する放熱体との間に介在させて発熱体から放熱体への熱伝達をスムーズにする硬化型熱伝導性グリスであるため、放熱シートを用いる場合に生じる不都合を生じさせず好適に放熱することができる。
硬化可能な液状高分子を用いたため、組付けの際には発熱体や放熱体に過度の圧縮応力がかかることを防止することができ、硬化後は液だれやずり落ちがより生じにくくなる。
平均粒径が１０μｍ未満の熱伝導性充填材（Ａ）と、平均粒径が１０μｍ以上の熱伝導性充填材（Ｂ）と、を含み、熱伝導性充填材（Ａ）と熱伝導性充填材（Ｂ）の体積比率（Ａ）／（Ｂ）を０．６５〜３．０２としたため、放熱体や発熱体に硬化型熱伝導性グリスを塗布した後にその塗布状態のまま硬化型熱伝導性グリスを保持することができる。また、好適な熱伝導率を得ることができる。
さらに、粘度を７００Ｐａ・ｓ〜２０７０Ｐａ・ｓとしたため、塗布後に液だれが起きにくく、また、ディスペンサーで塗布することができる。加えて、放熱体や発熱体に硬化型熱伝導性グリスを塗布した後にその塗布状態のまま硬化型熱伝導性グリスを保持することができる。
硬化型熱伝導性グリスの硬化後の硬さは、ＪＩＳ Ｋ６２５３規定のＥ硬度でＥ７０以下とすることができる。硬化後の硬さをＪＩＳ Ｋ６２５３規定のＥ硬度でＥ７０以下としたため、外部から振動や衝撃を受けても発熱体と放熱体の変動に追従し、剥離などの不具合が生じにくい。
そして、半導体素子や機械部品等の発熱体と、その発熱体から発生した熱を放熱する放熱体と、これらの発熱体と放熱体との間に介在させて発熱体から放熱体への熱伝達をスムーズにする硬化型熱伝導性グリスと、を備えた電子機器の放熱構造について、発熱体と放熱体との間を埋める硬化型熱伝導性グリスの厚みが１ｍｍを超え１０ｍｍ以下であり、発熱体または放熱体の硬化型熱伝導性グリスから受ける圧縮応力が１．０Ｎ／ｃｍ２以下であることを特徴とする放熱構造を提供する。
発熱体と放熱体との間を埋める硬化型熱伝導性グリスの厚みが１ｍｍを超え１０ｍｍ以下であるので、発熱体と放熱体との間隔が１ｍｍを超えて１０ｍｍ以下であるような広い場合でも用いることができる。また、複数の発熱体と放熱体とが存在し、それらの間隔が一定ではないような場合であっても好適に用いることができる。
発熱体または放熱体の硬化型熱伝導性グリスから受ける圧縮応力を１．０Ｎ／ｃｍ２以下としたため、発熱体や放熱体に対する負荷を少なくすることができる。したがって、発熱体や放熱体、さらには基板等の歪みの発生を防止することができる。
発熱体を備える電子機器において、この発熱体を電子機器に対して傾斜して取付けることができる。発熱体を備える電子機器において、この発熱体を傾斜して取付けても、換言すれば、硬化型熱伝導性グリスの塗布対象が水平でなくでも、塗布時の硬化型熱伝導性グリスの状態を維持することができる。そのため、確実に発熱体に放熱体を組付けることができる。
さらに、半導体素子や機械部品等の発熱体と、その発熱体から発生した熱を放熱する放熱体と、これらの発熱体と放熱体との間に介在させて発熱体から放熱体への熱伝達をスムーズにする硬化型熱伝導性グリスと、を備えた電子機器の放熱構造の製造方法について、発熱体と放熱体との間に介在させる硬化型熱伝導性グリスの設定厚みを１ｍｍを超え１０ｍｍ以下の範囲とし、硬化前の硬化型熱伝導性グリスをこの設定厚みよりも厚盛りで発熱体または放熱体に塗布する工程と、塗布後の硬化型熱伝導性グリスを、設定厚みまで押圧して発熱体と放熱体を組付ける工程と、硬化型熱伝導性グリスを硬化させる工程と、をこの順に実行することを特徴とする放熱構造の製造方法を提供する。
硬化型熱伝導性グリスは、１ｍｍを超え１０ｍｍ以下の設定厚みで塗布しても、塗布した状態を保持することができるため、厚盛りで塗布した後、設定厚みまで圧縮することができる。そして、厚盛りの硬化型熱伝導性グリスを設定厚みにまで押圧することで、放熱体や発熱体との間に気泡が入ったり、隙間が生じたりすることを抑制することができる。よって、発熱体と放熱体の隙間が広い場合であっても確実にその隙間を埋めることができる。また、硬化型熱伝導性グリスの未硬化の状態で、設定厚みにした後、硬化しているため、放熱体や発熱体、そして基板に対して圧縮応力がかかり難く、圧縮による応力集中の不具合のない放熱構造を得ることができる。
本発明によれば、発熱体と放熱体の隙間が広い場合であっても確実にその隙間を埋めることができ効果的に放熱することができる。また、そうした構造を得ることができる。
本発明によれば、圧縮による応力集中の不具合を発熱体や放熱体に生じさせずに、効果的に放熱することができる。また、そうした構造を得ることができる。
硬化型熱伝導性グリスの使用状態を示す放熱構造の説明断面図である。 スランプ試験後の状態を示す説明図であり、分図２（Ａ）は状態（１）を示し、分図２（Ｂ）は状態（２）を示し、分図２（Ｃ）は状態（３）をそれぞれ示す。 硬化型熱伝導性グリスの施工方法を説明する説明断面図である。
本実施形態の硬化型熱伝導性グリス１について説明する。硬化型熱伝導性グリス１は、図１で示すように、基板Ｐに載置した複数の発熱体２と、この発熱体２から比較的離間して対向する放熱体３との間に介在させて、発熱体２からの熱を放熱体３に伝える役割を担うものである。
この硬化型熱伝導性グリスは、硬化可能な液状高分子と、平均粒径が１０μｍ未満の熱伝導性充填材（Ａ）と、平均粒径が１０μｍ以上の熱伝導性充填材（Ｂ）と、を含む。そして、熱伝導性充填材（Ａ）と熱伝導性充填材（Ｂ）との体積比率（Ａ）／（Ｂ）は０．６５〜３．０２であり、硬化型熱伝導性グリスの粘度は７００Ｐａ・ｓ〜２０７０Ｐａ・ｓである。
硬化型熱伝導性グリスは、厚膜として好適に用いることができる。より具体的には、発熱体と放熱体の一部が少なくとも１ｍｍを超える隙間を介して配置される電子機器への適用が可能である。この隙間は、典型的には３ｍｍ〜８ｍｍであり、２ｍｍ〜１０ｍｍの範囲とすることが好ましい。隙間が１０ｍｍを超えると、発熱体に放熱体を組付けるときに、塗布時の硬化型熱伝導性グリスの形状を維持できないおそれがある。
発熱体と放熱体の間隙は、従来、一般的であった５μｍ〜４００μｍという１ｍｍ以下の僅かな隙間であっても硬化型熱伝導性グリスを利用できる。そうした一方で、薄く延ばして用いることを前提としている従来の熱伝導性グリスでは１ｍｍを超える厚みで塗布すると、流動し、塗布した厚みを維持することができない。
こうした厚盛りの用途に適応するように硬化型熱伝導性グリスは、所定のスランプ試験を実施したときに不具合が発生しないスランプ耐性を備えている。
以下、スランプ試験の概要と試験結果の類型について説明する。
表面処理をしていない厚さ１０μｍのアルミニウムシート６に、硬化型熱伝導性グリスを３０ｍｍ×３０ｍｍ×厚さ５ｍｍに塗布した試験片７を作製する。そして、この試験片７を垂直に立てた状態で、雰囲気温度２３℃、６０分間静止した後の状態を観察する。この観察結果は、図２で示す３つの態様に分類することができる。
状態（１）・・硬化型熱伝導性グリス１ａに特に変化が見られず、塗布初期状態を維持している状態（図２（Ａ））
状態（２）・・硬化型熱伝導性グリス１ｂが下方に垂れる液だれした状態（図２（Ｂ））
状態（３）・・全体としては塗布形状を維持しているが、その形状のまま硬化型熱伝導性グリス１ｃが下方にずり落ちた状態（図２（Ｃ））
これらの３つの状態のうち、状態（１）が不具合のない状態であり硬化型熱伝導性グリスが備えるべき状態である。
硬化型熱伝導性グリスに用いられる材質について説明する。
液状高分子としては、粘度が０．０５Ｐａ・ｓ〜２Ｐａ・ｓ程度の硬化可能な液状高分子を用いることができる。粘度が０．０５Ｐａ・ｓ未満の液状高分子は低分子量であり、硬化した後でも分子量を高めにくいため、硬化型熱伝導性グリスの硬化体が脆くなるおそれがある。一方、粘度が２Ｐａ・ｓを超えると、硬化型熱伝導性グリスの粘度が上昇し易いため、硬化型熱伝導性グリスを所望の粘度範囲にすると熱伝導性充填材の配合量が少なくなり、塗布初期の形状維持性が低下するおそれがある。
硬化可能な液状高分子には、液状高分子それ自体を加熱したり光を照射したりすることで硬化できる液状高分子を含み、また、液状高分子とは別の硬化材を加えることで硬化できる液状高分子も含む。さらに、主剤と硬化剤の双方が液状高分子であっても良い。
このような硬化可能な液状高分子は、特に付加反応型の液状高分子であることが好ましい。付加反応型の液状高分子は、硬化収縮が小さいためである。より詳しくは、発熱体と放熱体とで挟持した状態で硬化型熱伝導性グリスを硬化したときに、硬化収縮が大きいと発熱体または放熱体との間に隙間が生じることがあるが、付加反応型の液状高分子であれば、硬化収縮が小さいため隙間が生じる不都合が生じにくいためである。付加反応型の液状高分子としては、例えばポリウレタン、エポキシ樹脂、ポリ−α−オレフィン等のオレフィン系ポリマー、オルガノポリシロキサンなどを例示することができる。これらの中でも、特に柔軟であり、熱伝導性充填材の充填性が良いオルガノポリシロキサンを用いることが好ましい。
熱伝導性充填材（Ａ）及び（Ｂ）（熱伝導性充填材（Ａ）及び（Ｂ）を合わせて「熱伝導性充填材」ともいう）には、例えば、金属、金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、金属水酸化物などの球状、鱗片状等の粉末、炭素繊維などが挙げられる。金属としては、アルミニウム、銅、ニッケルなど、金属酸化物としては、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化亜鉛、石英など、金属窒化物としては、窒化ホウ素、及び窒化アルミニウムなどを例示することができる。また、金属炭化物としては、炭化ケイ素が挙げられ、金属水酸化物としては、水酸化アルミニウムが挙げられる。さらに炭素繊維としては、ピッチ系炭素繊維、ＰＡＮ系炭素繊維、樹脂繊維を炭化処理した繊維、樹脂繊維を黒鉛化処理した繊維などが挙げられる。これらの中で、特に絶縁性が求められる用途では金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、金属水酸化物の粉末を用いることが好ましい。
熱伝導性充填材は、低比重の材質であることが好ましい。より具体的には、比重が４．０以下の材質を用いることが好ましい。比重が４．０以下の材質としては、アルミニウム、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、石英、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、水酸化アルミニウム、炭素繊維などを例示することができる。また、比重が３．０以下であることがより好ましい。比重が３．０以下の材質としては、アルミニウム、水酸化アルミニウム、石英、炭素繊維を例示することができる。熱伝導性充填材の比重が低ければ、高比重の充填材を用いたときと比較して、スランプ耐性を高めることができるからである。
熱伝導性充填材は、平均粒径が１０μｍ未満の熱伝導性充填材（Ａ）と、平均粒径が１０μｍ以上の熱伝導性充填材（Ｂ）とに分けることができる。これら２つの充填材の割合をそれらの体積比率（Ａ）／（Ｂ）で０．６５〜３．０２とした。こうした所定の範囲として、添加量を調整し、硬化型熱伝導性グリスの粘度を所定の範囲にすることでスランプ耐性を高めている。熱伝導性充填材の体積比率（Ａ）／（Ｂ）が０．６５未満では状態（３）のずり落ちが生じ易く、塗布した状態を保持し難い。そうした一方で、３．０２を超えると熱伝導率を高めることが困難になる。
２種の熱伝導性充填材（Ａ）及び（Ｂ）の合計の配合量（重量）を一定としたときに、大粒径の熱伝導性充填材（Ｂ）の割合を高めると、硬化型熱伝導性グリスの流動性が低下し、表面もざらつきが目立つようになる。また、未硬化でも硬化型熱伝導性グリスの形状を維持しやすいが、スランプ試験では状態（３）のずり落ち状態になりやすい。この原因としては、硬化型熱伝導性グリスの表面にざらつきが見られたことから、表面に露出する熱伝導性充填材の量が多くなり、液状高分子の表面張力に起因する付着力が低下したためであると思われる。なお、硬化型熱伝導性グリスの熱伝導性を高めるという観点からは、大粒径の熱伝導性充填材の割合を高くすることが好ましい。
硬化型熱伝導性グリスの粘度は、７００Ｐａ・ｓ〜２０７０Ｐａ・ｓである。７００Ｐａ・ｓよりも低粘度であると、流動性が高く、スランプ試験では状態（２）の液だれ状態になりやすい。一方、スランプ耐性の観点からは粘度の上限について制限はないが、２０７０Ｐａ・ｓを超えると、塗布作業が困難になる。
熱伝導性充填材（Ａ）の平均粒径は、０．３μｍ〜５μｍであることが好ましい。０．３μｍ未満では必要以上に粘度が高くなり高充填できなくなり、５μｍを超えると大粒径の隙間に細密充填しにくいためである。
熱伝導性充填材（Ｂ）の平均粒径は、３０μｍ〜１００μｍであることが好ましい。３０μｍ未満では十分な熱伝導性が得られにくく、１００μｍより大きいと沈降しやすいためである。
熱伝導性充填材の平均粒径は、レーザー回折散乱法（ＪＩＳ Ｒ１６２９）により測定した粒度分布の体積平均粒径を用いることができる。また、粘度は、粘度計（ＢＲＯＯＫ ＦＩＥＬＤ製回転粘度計ＤＶ−Ｅ）でスピンドルＮｏ．１４の回転子を用い、回転速度１ｒｐｍ、測定温度２３℃で測定することができる。
熱伝導性充填材（Ａ）と、熱伝導性充填材（Ｂ）とは同じ材質のものであっても良いが、以下のように異なる材質のものとすることができる。
熱伝導性充填材（Ａ）としては、水酸化アルミニウムを含むことが好ましい。水酸化アルミニウムを用いることで、硬化型熱伝導性グリスの比重を低くすることができ、液状高分子と熱伝導性充填材の分離を抑制することができる。
一方、熱伝導性充填材（Ｂ）としては、酸化アルミニウムを用いることが好ましい。酸化アルミニウムは、特に熱伝導性が高く、大粒径の熱伝導性充填材（Ｂ）として用いることで、効果的に熱伝導率を高めることができる。
熱伝導性充填材（Ｂ）の形状は球状が好ましい。球状とすれば他の形状に比べて比表面積が小さいからである。すなわち比表面積が小さいため、熱伝導性充填材に占める大粒径の熱伝導性充填材（Ｂ）の割合が増えても、硬化型熱伝導性グリスの流動性が低下しにくく、表面のざらつきも低減させることができる。したがって、球状の熱伝導性充填材（Ｂ）を用いることで効果的にスランプ耐性を高めることができる。
硬化型熱伝導性グリスには、種々の添加剤を含ませることができる。例えば分散剤、難燃剤、カップリング剤、可塑剤、硬化遅延剤、酸化防止剤、着色剤、触媒などを適宜添加してもよい。
硬化型熱伝導性グリスは、液状高分子に熱伝導性充填材や上記添加剤が有る場合にはその添加剤を混合することで製造する。
硬化型熱伝導性グリス１は、図３で示すように、発熱体２に所望の厚みで塗布し、そのうえに放熱体３を組付ける。この際、発熱体２と放熱体３の間に所定の間隔が開くように取付ピン４で組付ける。それから硬化型熱伝導性グリス１を硬化させる。したがって、放熱体３の組付け時には、発熱体２と放熱体３とで硬化型熱伝導性グリス１を圧縮することになるが、硬化前であるために発熱体２や放熱体３に過度な圧力が加わることがない。そして、硬化型熱伝導性グリス１の硬化後は、発熱体２から放熱体３へ硬化型熱伝導性グリス１の硬化体を通じて伝熱する放熱経路を構成する。
硬化型熱伝導性グリスの塗布は、発熱体と放熱体とを組付けた後の最終形態の間隙よりも厚く塗布することが好ましい。例えば、間隙が２ｍｍの場合は塗布厚を２ｍｍを超える厚みとする。完成状態の隙間より厚く塗布した後、放熱体を取付けながら硬化型熱伝導性グリスを圧縮していくことで、放熱体２と硬化型熱伝導性グリスとの間に隙間が生じないようにすることができるからである。こうした塗布厚は間隙の厚みの１１０％〜１５０％とすることが好ましい。塗布厚を１１０％未満に設定する場合には、塗布厚のばらつきにより、部分的に隙間ができるおそれがある。一方、１５０％を超えると発熱体や放熱体の外側に硬化型熱伝導性グリスがはみ出し、伝熱に寄与しない無駄な部分が多くなるおそれがある。
硬化型熱伝導性グリスの塗布は、一般的なディスペンサーを用いた塗布方法を採用することができる。特に、主剤としての硬化型熱伝導性グリスと硬化剤としての硬化型熱伝導性グリスとを準備し、２液を塗布直前で混合するタイプの硬化型熱伝導性グリスを用いてディスペンサーで塗布するのは好ましい態様である。この方法では、塗布直前に２液を混合するため、塗布工程で硬化しにくく、保管が容易であるととともに、塗布後は速やかに硬化させることができるためである。なお、硬化型熱伝導性グリスの塗布方法としてディスペンサーに限定するものではない。
硬化型熱伝導性グリスを硬化させるには、硬化型熱伝導性グリスの材質に応じた硬化手段を採用することができ、常温で放置することで経時で硬化する場合の他、熱硬化や紫外線硬化等が挙げられる。
硬化後の硬化型熱伝導性グリス（硬化型熱伝導性グリスの硬化体）は、その硬さが、ＪＩＳ Ｋ６２５３規定のＥ硬度でＥ７０以下とすることができる。
放熱体や発熱体を備える電子機器は、車輌やモバイル機器に搭載する電子機器であれば、走行中の振動や、落下による衝撃を受けることが想定される。そうした振動や衝撃に対して、硬化型熱伝導性グリスの硬さがＥ７０を超える場合には、基板に過剰な圧力を与えたり、発熱体や放熱体から剥離し隙間が生じたりするおそれがある。しかし、硬さをＥ７０以下とすれば、硬化型熱伝導性グリスが振動を吸収し基板に過剰な圧力が加わるのを防止し、また、発熱体と放熱体の変動に追従してその両者間に隙間が発生するのを防止することができる。
なお、硬さの下限は特に制限はないが、実質的にはＥ０以上である。
硬化型熱伝導性グリスの硬化体と発熱体または放熱体との接着力は、３Ｎ／ｃｍ２以上とすることが好ましい。接着力が３Ｎ／ｃｍ２以上であれば、振動や衝撃を受けても剥離し難く、隙間が生じ難いからである。
硬化型熱伝導性グリスは、所定の組成としたため、１ｍｍを超えて１０ｍｍ以下の厚み範囲で塗布しても、液だれやずり落ちすることなく、塗布した状態を維持することができる。そのため、発熱体と放熱体との隙間が広い場合であっても発熱体と放熱体との間に硬化型熱伝導性グリスを介在させることができる。
こうした方法で得られた発熱体から放熱体へ好適に熱を伝える電子機器の放熱構造５は、発熱体または放熱体が硬化型熱伝導性グリスから受ける圧縮応力が１．０Ｎ／ｃｍ２以下である。そのため、発熱体や放熱体、基板Ｐに対する負荷を少なくすることができる。したがって、特に基板Ｐに歪み等が発生するのを防止することができる。
これに対し従来の一般的な熱伝導性グリスでは、液状のグリスが薄く延ばされ、また使用期間中にグリスが流れて隙間ができることを防ぐために発熱体や放熱体は１４Ｎ／ｃｍ２〜７０Ｎ／ｃｍ２の荷重で強く圧接されている。また、放熱シートであっても一定の圧縮状態で利用されるものであり、６．９Ｎ／ｃｍ２〜５０Ｎ／ｃｍ２で圧接されている。
試料の調製：
試料１：
液状高分子として、付加反応型の液状シリコーンであるビニル末端オルガノポリシロキサン（液状シリコーン 主剤）（２５℃での粘度が３００ｍＰａ・ｓ）１００重量部と、熱伝導性充填材として、不定形で平均粒径１μｍの水酸化アルミニウム粉末１４０重量部と、平均粒径３μｍの球状アルミナ２００重量部と、平均粒径７０μｍの球状アルミナ６００重量部とを混合して、硬化型熱伝導性グリスの主剤を調製した。また、粘度が４００ｍＰａ・ｓのオルガノハイドロジェンポリシロキサン（液状シリコーン 硬化剤）１００重量部に、主剤と同じ熱伝導性充填材を同量混合して、液状高分子の組成のみが異なる硬化型熱伝導性グリスの硬化剤を調製した。そして、この主剤と硬化剤とを混合した硬化型熱伝導性グリスを試料１とした。
試料１の硬化型熱伝導性グリスは、平均粒径が１０μｍ未満の小粒径の熱伝導性充填材（Ａ）と平均粒径が１０μｍ以上の大粒径の熱伝導性充填材（Ｂ）の体積比（Ａ）／（Ｂ）が０．７１３であった。また、混合直後の２５℃での粘度は１５００Ｐａ・ｓであり、硬化後の熱伝導率は３．１Ｗ／ｍ・Ｋ、比重は３．００であった。
熱伝導性充填材の平均粒径は、レーザー回折散乱法（ＪＩＳ Ｒ１６２９）により測定した粒度分布の体積平均粒径である。また、粘度は粘度計（ＢＲＯＯＫ ＦＩＥＬＤ製回転粘度計ＤＶ−Ｅ）で、スピンドルＮｏ．１４の回転子を用い、回転速度１ｒｐｍ、測定温度２３℃で測定した値である。比重は、ＪＩＳ Ｋ７３１１規定の水中置換法によるものである。
なお、主剤と硬化剤との混合は、以下で説明する各試験のために作製した試験片への塗布の直前に行った。
試料２〜試料１１：
熱伝導性充填材の配合量を表１、表２に示す割合に変更した以外は、試料１と同様にして試料２〜試料１１を作製した。
Figure 0006307774
Figure 0006307774
スランプ耐性：
表面処理をしていない厚さ１０μｍのアルミニウムシートに、上記各試料の硬化型熱伝導性グリスを３０ｍｍ×３０ｍｍ×厚さ５ｍｍに塗布して試験片を作製した。そして、この試験片を垂直に立てた状態で６０分間静止した後の状態を観察した。試験の雰囲気温度は、２３℃とした。
上記試験後の各試験片の状態を次の３つの態様に分類した。
状態（１）・・・特に変化が見られず、初期状態を維持したもの
状態（２）・・・硬化型熱伝導性グリスが下方に垂れて液だれしたもの
状態（３）・・・全体としては塗布形状を維持しているが、アルミニウム板と硬化型熱伝導性グリスの界面で滑りが生じ、塊状のまま下方にずり落ちたもの
粘度がほぼ同等の試料３と試料８を比較すると、試料３では状態（１）で好ましい結果であったものが、試料８では状態（３）となりずり落ちが発生した。試料８は見た目には表面にざらつきが目立つ外観であり、熱伝導性充填材の体積比（Ａ）／（Ｂ）＝０．６１８であり、大粒径の粒子の割合が多くその粒子の一部が表面に露出していると思われる。一方、良好な結果となった試料３では（Ａ）／（Ｂ）＝０．６５８であった。また、（Ａ）／（Ｂ）の値が０．６５を超える各試料は、全て良好な状態（１）となり、スランプ耐性を指標とすると（Ａ）／（Ｂ）の値は概ね０．６５が下限であると考えられる。
粘度の異なる各試料を比較すると、試料２（粘度８６０Ｐａ・ｓ）や試料６（粘度７００Ｐａ・ｓ）は良好な状態（１）であったのに対し、これらより低粘度の試料７（粘度６６０Ｐａ・ｓ）や試料９（粘度５３０Ｐａ・ｓ）では液だれを起こす状態（２）となった。また、試料６の粘度７００Ｐａ・ｓよりも高粘度である各試料は、全て良好な状態（１）となった。これらの結果からスランプ耐性を指標とすると粘度の値は７００Ｐａ・ｓが下限であると考えられる。
塗布適性：
塗布適性については、ニードル径が６．２ｍｍのスタティックミキサーを用いてハンドガンにて塗布実験を行った。その結果、問題なく塗布できたものを「○」、塗布はできたが、塗出速度が遅いものを「△」、塗布できなかったものを「×」とした。
塗布実験の結果を見ると、試料３（粘度１７１０Ｐａ・ｓ）の粘度以下の比較的低粘度である各試料は「○」であったが、試料５（粘度２０７０Ｐａ・ｓ）では「△」となり、試料１１（粘度３１７０Ｐａ・ｓ）では「×」となった。これらの結果より、粘度が２０７０Ｐａ・ｓ以下であれば塗布可能であり、１７１０Ｐａ・ｓ以下であれば、好ましい塗布適性を有していることがわかる。
熱伝導性：
硬化型熱伝導性グリスは熱伝導率が高いほど好ましく、少なくとも１．８Ｗ/ｍ・Ｋ以上であることが好ましいため、熱伝導性の試験を行った。
各試料の硬化型熱伝導性グリスについて、厚さ２０ｍｍの硬化体からなる熱伝導率測定用の試験片を作製した。そして、各試験片について、京都電子工業株式会社製迅速熱伝導率計ＱＴＭ−５００を用いて非定常法細線加熱法にて熱伝導率を測定した。
塗布適性が「○」で粘度が同程度である試料４と試料１１とを比較すると、試料１１は熱伝導率がかなり低かった。試料４は（Ａ）／（Ｂ）＝３．０２であったが、試料１１は（Ａ）／（Ｂ）＝３．２５であったため、小粒径の熱伝導性充填材の体積割合を多くすると熱伝導率が低下すると考えられる。これらの結果より、熱伝導性充填材の体積割合（Ａ）／（Ｂ）は３．０２以下であることが好ましいと考えられる。
接着性：
一般的な放熱体がアルミニウム製のものが多く、また半導体はエポキシ樹脂でパッケージングされていることが多いことから、アルミニウムおよびエポキシ樹脂に対する各試料の接着性を試験した。
各試料の塗布厚を１００μｍとしてＪＩＳ Ｋ６８５０に規定された引張せん断試験を実施したところ、各試料の硬化型熱伝導性グリスは、アルミニウムに対する接着力が１２．５Ｎ／ｃｍ２〜１６．３Ｎ／ｃｍ２の範囲、エポキシ樹脂に対する接着力が３．１Ｎ／ｃｍ２〜４．８Ｎ／ｃｍ２の範囲であり、いずれの試料も発熱体および放熱体に充分な接着力を有していることがわかった。
この接着性試験では、各試料は、エポキシ樹脂よりもアルミニウムへの接着力が高かった。したがって、例えば表面がエポキシ樹脂製の半導体パッケージでなる発熱体とアルミニウム製の放熱体の間に硬化型熱伝導性グリスを挟んで接着したものを分離するときは、硬化型熱伝導性グリスの硬化体は発熱体との界面で剥離して、放熱体側に付着した状態で分離されることが予想される。発熱体以外にも多くの素子を含む基板と、放熱体とでは、放熱体の方が容易に洗浄できることから、基板の再利用に加えて放熱体の再利用も容易である。そのため、各試料の硬化型熱伝導性グリスはリペア性に優れている
上記実施形態は本発明の一例であり、こうした形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に反しない限度において、各部材の形状、材質、製造方法等の変更形態を含むものである。一例として、硬化型熱伝導性グリスは発熱体に塗布するものとして説明したが放熱体に塗布するものであっても良く、発熱体と放熱体の双方に塗布するものであっても良い。
１，１ａ，１ｂ，１ｃ 硬化型熱伝導性グリス
２ 発熱体
３ 放熱体
４ 取付ピン
５ 放熱構造
６ アルミニウム板
７ 試験片
Ｐ 基板

Claims (9)

  1. 半導体素子や機械部品等の発熱体と、その発熱体から発生した熱を放熱する放熱体との間に介在させて発熱体から放熱体への熱伝達をスムーズにする硬化型熱伝導性グリスにおいて、
    硬化可能な液状高分子と、平均粒径が０．３〜８μｍの熱伝導性充填材（Ａ）と、平均粒径が３０〜１００μｍの熱伝導性充填材（Ｂ）と、を含み、熱伝導性充填材（Ａ）と熱伝導性充填材（Ｂ）の体積比率（Ａ）／（Ｂ）が０．６５〜３．０２であり、粘度が７００Ｐａ・ｓ〜２０７０Ｐａ・ｓであって、
    アルミニウムシートに５ｍｍ厚で塗布した後、このアルミニウムシートを垂直に立てて、雰囲気温度２３℃で６０分間静止した後の状態が、液だれやずり落ちせずに塗布初期状態を維持しているというスランプ耐性を有することを特徴とする硬化型熱伝導性グリス。
  2. 前記熱伝導性充填材の比重が４．０以下である請求項１記載の硬化型熱伝導性グリス。
  3. 前記熱伝導性充填材（Ａ）に水酸化アルミニウムを含む請求項１または請求項２記載の硬化型熱伝導性グリス。
  4. 硬化後の硬さがＪＩＳ Ｋ６２５３規定のＥ硬度でＥ７０以下である請求項１〜請求項３何れか１項記載の硬化型熱伝導性グリス。
  5. 半導体素子や機械部品等の発熱体と、その発熱体から発生した熱を放熱する放熱体と、これらの発熱体と放熱体との間に介在させて発熱体から放熱体への熱伝達をスムーズにする硬化型熱伝導性グリスと、を備えた電子機器の放熱構造において、
    発熱体と放熱体との間を埋める硬化型熱伝導性グリスの厚みが１ｍｍを超え１０ｍｍ以下であり、
    発熱体または放熱体の硬化型熱伝導性グリスから受ける圧縮応力が１．０Ｎ／ｃｍ２以下であり、
    硬化型熱伝導性グリスは、
    硬化可能な液状高分子と、平均粒径が０．３〜８μｍの熱伝導性充填材（Ａ）と、平均粒径が３０〜１００μｍの熱伝導性充填材（Ｂ）と、を含み、熱伝導性充填材（Ａ）と熱伝導性充填材（Ｂ）の体積比率（Ａ）／（Ｂ）が０．６５〜３．０２であり、粘度が７００Ｐａ・ｓ〜２０７０Ｐａ・ｓであって、
    アルミニウムシートに５ｍｍ厚で塗布した後、このアルミニウムシートを垂直に立てて、雰囲気温度２３℃で６０分間静止した後の状態が、液だれやずり落ちせずに塗布初期状態を維持しているというスランプ耐性を有することを特徴とする放熱構造。
  6. 前記熱伝導性充填材の比重が４．０以下である請求項５記載の放熱構造。
  7. 前記発熱体を備える電子機器において、この発熱体を電子機器に対して傾斜して取付けている請求項５または請求項６記載の放熱構造。
  8. 半導体素子や機械部品等の発熱体と、その発熱体から発生した熱を放熱する放熱体と、これらの発熱体と放熱体との間に介在させて発熱体から放熱体への熱伝達をスムーズにする硬化型熱伝導性グリスと、を備えた電子機器の放熱構造の製造方法において、
    硬化可能な液状高分子と、平均粒径が０．３〜８μｍの熱伝導性充填材（Ａ）と、平均粒径が３０〜１００μｍの熱伝導性充填材（Ｂ）と、を含み、熱伝導性充填材（Ａ）と熱伝導性充填材（Ｂ）の体積比率（Ａ）／（Ｂ）が０．６５〜３．０２であり、粘度が７００Ｐａ・ｓ〜２０７０Ｐａ・ｓであって、
    アルミニウムシートに５ｍｍ厚で塗布した後、このアルミニウムシートを垂直に立てて、雰囲気温度２３℃で６０分間静止した後の状態が、液だれやずり落ちせずに塗布初期状態を維持しているというスランプ耐性を有する、発熱体と放熱体との間に介在させる硬化型熱伝導性グリスの設定厚みを１ｍｍを超え１０ｍｍ以下の範囲とし、硬化前の硬化型熱伝導性グリスをこの設定厚みよりも厚盛りで発熱体または放熱体に塗布する工程と、
    塗布後の硬化型熱伝導性グリスを、設定厚みまで押圧して発熱体と放熱体を組付ける工程と、
    硬化型熱伝導性グリスを硬化させる工程と、をこの順に実行することを特徴とする放熱構造の製造方法。
  9. 前記熱伝導性充填材の比重が４．０以下である請求項８記載の放熱構造の製造方法。
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