JP6561220B1 - 粒子材料及び熱伝導物質 - Google Patents
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Abstract
熱伝導性が高い粒子材料及びその粒子材料を含有する熱伝導物質の提供。熱伝導物質に採用するアルミナからなる粒子材料として僅かに球形度が低いものを採用することで粒子材料を構成する粒子間の接触点が増加でき高い熱伝導性を示す。更に粒子材料を構成するアルミナのα化率を一定範囲に制御することにより熱伝導性と設備への攻撃性の低下とが両立できる粒子材料ができることを見出した。本発明の粒子材料は、アルミナを主成分とし、体積平均粒径が７０〜２００μｍ、球形度が０．８９以上０．９９未満で、α化率４０〜８５％であって、設備摩耗試験の結果が０．０１７ｇ以下である。α化率及び球形度を上述の範囲に制御することで熱伝導性が向上できると共に、設備への攻撃性も低下できる。
Description
本発明は、粒子材料及び熱伝導物質に関する。
半導体素子の微細化の進展に従い多大な熱の生成が問題になっている。生成した熱は半導体素子から速やかに外部に伝達されることが要求されている。そのために高い熱伝導性をもつ熱伝導物質が望まれている。
従来の熱伝導物質は、シリコーン樹脂などの樹脂材料中にアルミナなどからなる粒子材料を分散させた樹脂組成物が汎用されている（例えば、特許文献１参照）。
アルミナはα化率が高いほど熱伝導性に優れているため特許文献１にもα化率をできるだけ高くすることが開示されている。
アルミナはα化率が高いほど熱伝導性に優れているため特許文献１にもα化率をできるだけ高くすることが開示されている。
本発明は上記実情に鑑み完成したものであり、熱伝導性が高い粒子材料、及びその粒子材料を含有する熱伝導物質を提供することを解決すべき課題とする。
上記課題を解決する目的で本発明者らは鋭意検討を行った結果、熱伝導物質に採用するアルミナからなる粒子材料として僅かに球形度が低いものを採用することで粒子材料を構成する粒子間の接触点が増加でき高い熱伝導性を示すことが判明した。しかしながら、粒子材料の球形度を僅かに低下させると粒子材料の表面に凹凸が生起し、粒子材料やその粒子材料を含有する熱伝導物質を取り扱う設備への攻撃性が高くなるという問題があった。
本発明者らは粒子材料を構成するアルミナのα化率を一定範囲に制御することにより粒子材料の球形度を熱伝導性に優れた範囲としても熱伝導性と設備への攻撃性の低下とが両立できる粒子材料ができることを見出し以下の発明を完成した。
（１）上記課題を解決する本発明の粒子材料は、アルミナを主成分とし、体積平均粒径が７０〜２００μｍ、球形度が０．８９以上０．９９未満で、α化率４０〜８５％であって、設備摩耗試験の結果が０．０１７ｇ以下である。
α化率及び球形度を上述の範囲に制御することで熱伝導性が向上できると共に、設備への攻撃性も低下できる。特にα化率が上述の範囲であると、熱伝導性を充分に発揮できると共に攻撃性も充分に低下できる。
α化率及び球形度を上述の範囲に制御することで熱伝導性が向上できると共に、設備への攻撃性も低下できる。特にα化率が上述の範囲であると、熱伝導性を充分に発揮できると共に攻撃性も充分に低下できる。
（２）上記課題を解決する本発明の熱伝導物質は、上述の（１）の粒子材料と、その粒子材料を分散する樹脂材料とを有する。含有する粒子材料の熱伝導性の高さと設備への攻撃性の低さとが両立するため得られた熱伝導物質についても高い熱伝導性と設備への低い攻撃性とが両立できる。
本発明の粒子材料及び熱伝導物質について実施形態に基づき以下詳細に説明を行う。本実施形態の粒子材料は樹脂材料中に分散させることで本実施形態の熱伝導物質を形成することができる。
・粒子材料
本実施形態の粒子材料は、アルミナを主成分とする。アルミナを主成分とするとは全体の質量を基準として５０％以上含有することを意味し、６０％以上、８０％以上、９０％以上、９５％以上、又は９９％以上含有する場合が好ましく、不可避不純物以外全てアルミナとすることがより好ましい。アルミナ以外に含有できる材料としてはアルミナ以外の無機材料などが挙げられる。アルミナ以外の無機材料としては、シリカ、ジルコニア、チタニア、窒化ホウ素などが挙げられる。これらの無機材料は混合物として含有していても良いし、１つの粒子中に含有していても良い。
本実施形態の粒子材料は、アルミナを主成分とする。アルミナを主成分とするとは全体の質量を基準として５０％以上含有することを意味し、６０％以上、８０％以上、９０％以上、９５％以上、又は９９％以上含有する場合が好ましく、不可避不純物以外全てアルミナとすることがより好ましい。アルミナ以外に含有できる材料としてはアルミナ以外の無機材料などが挙げられる。アルミナ以外の無機材料としては、シリカ、ジルコニア、チタニア、窒化ホウ素などが挙げられる。これらの無機材料は混合物として含有していても良いし、１つの粒子中に含有していても良い。
アルミナは、α化率が４０〜８５％である。特に上限値として７５％、７７％、８０％、下限値として５０％、４８％、４５％が採用できる。これらの上限値と下限値とはそれぞれ独立して組み合わせ可能である。α化率を上限値以下にすることにより設備への攻撃性が低減でき、下限値以上にすることにより熱伝導性が向上できる。なお、α化率とは、粒子材料中に含有されるアルミナ全体の質量を基準として算出された、α結晶相のアルミナの質量の割合である。
本実施形態の粒子材料は、体積平均粒径が７０〜２００μｍである。体積平均粒径の上限値としては１７０μｍ、１８０μｍ、１９０μｍが採用でき、下限値としては１００μｍ、９０μｍ、８０μｍが採用できる。これらの上限値と下限値とはそれぞれ独立して組み合わせ可能である。体積平均粒径を上限値以下にすることにより樹脂材料中に分散させて製造された熱伝導物質を微細な隙間に充填することが容易になり、下限値以上にすることにより粒子材料間の接触数が低減できて熱伝導性が向上できる。
本実施形態の粒子材料は、球形度が０．８９以上０．９９未満である。球形度の上限値としては０．９６、０．９７、０．９８が採用でき、下限値としては０．９２、０．９１、０．９０が採用できる。これらの上限値と下限値とはそれぞれ独立して組み合わせ可能である。球形度を下限値以上にすることで樹脂材料中に分散させたときの流動性及び熱伝導性が向上でき、上限値以下にすることにより熱伝導性を向上することができる。
球形度はＳＥＭで写真を撮り、その観察される粒子の面積と周囲長から、（球形度）＝｛４π×（面積）÷（周囲長）２｝で算出される値として算出する。１に近づくほど真球に近い。具体的には画像解析ソフト（旭化成エンジニアリング株式会社：Ａ像くん）を用いて１００個の粒子について測定した平均値を採用する。
本実施形態の粒子材料は、設備摩耗試験の結果が０．０１７ｇ以下であり、０．０１５ｇ以下であることが好ましく、０．０１０ｇ以下であることがより好ましい。
本明細書における「設備摩耗試験」は、直径５ｍｍの材質ＳＵＳ３０４の鋼球（型番：１−９７６２−０２、ミスミ製）１０ｇ程度（９．５ｇ〜１０．５ｇ）と、鋼球と同質量（１０ｇ程度）の前記粒子材料とをアイボーイ広口びん２５０ｍＬ（直径６２ｍｍ、長さ１３２ｍｍ、アズワン製）の円筒容器に入れ、円筒容器の円筒の中心軸を回転軸として６０ｒｐｍで５６ｈ回転させた後、篩目１ｍｍの篩で鋼球とアルミナ粉体を分級し、鋼球を水洗・乾燥させ、摩耗試験前後における１０ｇあたりの鋼球の質量減少量を計測する。
本実施形態の粒子材料は、表面処理が為されていても良い。例えば、後述する熱伝導物質が含有する樹脂材料との親和性向上のために樹脂材料と反応可能な官能基が導入できる表面処理剤にて処理したり、粒子材料の凝集性を抑制するためにオルガノシランからなる表面処理剤にて処理したりできる。表面処理に用いることができる表面処理剤としては、シラン化合物や、シラザン類などが挙げられる。
・粒子材料の製造方法
粒子材料は、金属アルミニウム粉末を酸化雰囲気中で酸化・燃焼させた後、急冷する爆燃法（ＶＭＣ法）、アルミナからなる粉末を加熱溶融した後、急冷する溶融法、ゾルゲル法などにより球形度の高いアルミナ粒子を製造する。その後、必要な程度にまでα相に変換することで製造できる。α相への変換はα化が進行する高温に曝す時間により制御でき、適正なα化率になるように時間を制御する。加熱による粒子形状の変化が小さくなるように僅かな亜鉛（１ｐｐｍ〜５０００ｐｐｍ）を添加しても良い。またＶＭＣ法，溶融法で供給する原料，燃料，酸素の量や炉内の雰囲気を調整することでも製造できる。
粒子材料は、金属アルミニウム粉末を酸化雰囲気中で酸化・燃焼させた後、急冷する爆燃法（ＶＭＣ法）、アルミナからなる粉末を加熱溶融した後、急冷する溶融法、ゾルゲル法などにより球形度の高いアルミナ粒子を製造する。その後、必要な程度にまでα相に変換することで製造できる。α相への変換はα化が進行する高温に曝す時間により制御でき、適正なα化率になるように時間を制御する。加熱による粒子形状の変化が小さくなるように僅かな亜鉛（１ｐｐｍ〜５０００ｐｐｍ）を添加しても良い。またＶＭＣ法，溶融法で供給する原料，燃料，酸素の量や炉内の雰囲気を調整することでも製造できる。
・熱伝導物質
本実施形態の熱伝導物質は、上述の粒子材料と、その粒子材料を分散する樹脂材料とからなる。樹脂材料としては熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂の何れを採用しても良い。更に使用状態において固体であっても液体であっても構わない。樹脂材料としては硬化前のモノマーなどの前駆体を採用してもよく、その場合には使用状態において重合させることができる。樹脂材料としては、シリコーン樹脂（前駆体）、エポキシ樹脂（前駆体）などが好ましいものとして挙げられる。
本実施形態の熱伝導物質は、上述の粒子材料と、その粒子材料を分散する樹脂材料とからなる。樹脂材料としては熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂の何れを採用しても良い。更に使用状態において固体であっても液体であっても構わない。樹脂材料としては硬化前のモノマーなどの前駆体を採用してもよく、その場合には使用状態において重合させることができる。樹脂材料としては、シリコーン樹脂（前駆体）、エポキシ樹脂（前駆体）などが好ましいものとして挙げられる。
樹脂材料と粒子材料との間は密着していることが望ましく、樹脂材料により粒子材料間の間隙を充填することで熱伝導性が向上できる。
粒子材料と樹脂材料との混合比は特に限定しないが、粒子材料と樹脂材料との総和を基準として粒子材料が４０質量％〜９７質量％程度で混合することが好ましい。特に上限値として９５質量％、９０質量％が採用でき、下限値として４５質量％、５０質量％が採用できる。これらの上限値及び下限値は任意に組み合わせることが可能である。粒子材料の混合量が下限値以上にすることで熱伝導性が向上でき、上限値以下にすることで流動性が向上できる。
本発明の粒子材料及び熱伝導物質について実施例に基づき以下詳細に説明を行う。体積平均粒径９０μｍのアルミナ粒子について火炎中に投入した後、急冷することで表１に示すようにα化率及び円形度が異なる各試験例の試験試料である粒子材料を得た。α化率は燃料供給量を下げ，支燃性ガスの供給量を燃料との理論空燃比の１．５倍ほどとし，原料投入量を上げることで高くすることができた。円形度は燃料供給量を上げ，支燃性ガスの供給量を理論空燃比とし，原料投入量を下げることで高くすることができた。
・試験１：粘度及び熱伝導率の測定
体積平均粒径が９０μｍの各試験例の試験試料について、樹脂材料としてのシリコーンオイル（シリコーン樹脂、信越化学工業製：ＫＦ９６−５００ＣＳ）中に全体の質量を基準として８０質量％となるように分散させて樹脂組成物を調製し、各試験例の熱伝導物質とした。体積平均粒径が７０μｍの各試験例に関しては７５質量％となるように樹脂組成物を調整した．各熱伝導物質について、粘度、熱伝導率を測定した。粘度は共軸円筒型粘度計にて粘度のシェアレート依存性の測定を行った。体積平均粒径が９０μｍの結果を図１に，体積平均粒径が７０μｍの結果は図２に示す。熱伝導率は円板熱流計法にて測定を行った。熱伝導率の値と評価（◎：とても優れている、〇：優れている、△：良好である、×：普通。以下評価について同じ）を表１に併せて示す。なお、試験例３及び４の樹脂組成物は混合した後、ある程度の期間において均一な分散を保っていたが、試験例１及び２の樹脂組成物よりも早期に分離する傾向にあった。
体積平均粒径が９０μｍの各試験例の試験試料について、樹脂材料としてのシリコーンオイル（シリコーン樹脂、信越化学工業製：ＫＦ９６−５００ＣＳ）中に全体の質量を基準として８０質量％となるように分散させて樹脂組成物を調製し、各試験例の熱伝導物質とした。体積平均粒径が７０μｍの各試験例に関しては７５質量％となるように樹脂組成物を調整した．各熱伝導物質について、粘度、熱伝導率を測定した。粘度は共軸円筒型粘度計にて粘度のシェアレート依存性の測定を行った。体積平均粒径が９０μｍの結果を図１に，体積平均粒径が７０μｍの結果は図２に示す。熱伝導率は円板熱流計法にて測定を行った。熱伝導率の値と評価（◎：とても優れている、〇：優れている、△：良好である、×：普通。以下評価について同じ）を表１に併せて示す。なお、試験例３及び４の樹脂組成物は混合した後、ある程度の期間において均一な分散を保っていたが、試験例１及び２の樹脂組成物よりも早期に分離する傾向にあった。
・試験２：設備摩耗試験
鋼球（直径５ｍｍ：ミスミ製、型番：１−９７６２−０２）１０ｇ程度と共に、各試験例の試験試料（鋼球と同じ質量）を直径６２ｍｍ、長さ１３２ｍｍ、アズワン製の円筒容器に入れ、６０ｒｐｍで５６ｈ、円筒容器の円筒の中心軸を回転軸として回転させた後、篩目１ｍｍの篩で鋼球とアルミナ粉体を分級し、鋼球を水洗・乾燥させ、摩耗試験１０ｇあたりの質量減少量を計測した。鋼球のみでの試験も行い、鋼球のみでの質量増減値に対する相対値とした。結果を表１に併せて示す。
鋼球（直径５ｍｍ：ミスミ製、型番：１−９７６２−０２）１０ｇ程度と共に、各試験例の試験試料（鋼球と同じ質量）を直径６２ｍｍ、長さ１３２ｍｍ、アズワン製の円筒容器に入れ、６０ｒｐｍで５６ｈ、円筒容器の円筒の中心軸を回転軸として回転させた後、篩目１ｍｍの篩で鋼球とアルミナ粉体を分級し、鋼球を水洗・乾燥させ、摩耗試験１０ｇあたりの質量減少量を計測した。鋼球のみでの試験も行い、鋼球のみでの質量増減値に対する相対値とした。結果を表１に併せて示す。
表１の結果から明らかなように、α化率は８０％未満であることが好ましいことが分かった。詳細は示さないが、α化率は４０％以上８５％以下にすることで充分な熱伝導率を示すことが分かっている。α化率が８０％以上８５％以下の範囲についても試験例３の結果にかかわらず円形度を０．８９以上にすることで設備摩耗試験の値も満足することが分かった。なお、電子顕微鏡による表面観察の結果から、α化率が８５％を超えると、表面にファセットが現れ、粗くなり設備への攻撃性が高くなり、更に樹脂と混ぜた際の粘度特性も高くなることが分かった。
円形度については表１の結果からは、０．８３超、０．９９未満であることが好ましいが、熱伝導率及び粘度の観点からは０．８９以上である必要があることがわかった。
従って、以上、まとめるとα化率は４０％以上、８５％以下、円形度が０．８９以上０．９９未満であることが好ましいことが分かった。
・試験３
体積平均粒径７０μｍのアルミナ粒子について、体積平均粒径９０μｍのアルミナ粒子と同様に熱処理を行って表２に示すα化率と円形度をもつ試験試料を得た。
体積平均粒径７０μｍのアルミナ粒子について、体積平均粒径９０μｍのアルミナ粒子と同様に熱処理を行って表２に示すα化率と円形度をもつ試験試料を得た。
粒径が７０μｍの場合についても、表２より明らかなように、α化率は９１％未満、７２％超であることが好ましく、７７％以上であることがより好ましいことが分かり、円形度は０．８５超、０．９９未満であることが好ましく、０．９６以上であることがより好ましいことが分かった。
Claims (2)
- アルミナを主成分とし、体積平均粒径が７０〜２００μｍ、球形度が０．８９以上０．９６以下で、α化率４０〜８５％であって、
設備摩耗試験の結果が０．０１７ｇ以下である粒子材料。 - 請求項１に記載の粒子材料と、
前記粒子材料を分散する樹脂材料と、
を有する熱伝導物質。
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