JP7495655B2 - 熱伝導性フィラー及びそれを用いた熱伝導性複合材料、並びに熱伝導性フィラーの製造方法 - Google Patents
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- Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
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窒化ホウ素相の空隙率=窒化ホウ素相内の空隙に相当する領域の合計面積/{窒化ホウ素相内の空隙に相当する領域の合計面積+窒化ホウ素相に相当する領域の合計面積}×100
により算出され、20箇所の測定領域における平均値として求められる、前記六方晶窒化ホウ素粒子及び前記多孔性窒化ホウ素により形成される窒化ホウ素相の空隙率が10~50vol%である焼結体の粉砕物からなり、
前記粉砕物中の全ての前記高熱伝導性粒子のうちの個数基準で40%以上の粒子が、該高熱伝導性粒子の表面の少なくとも一部に前記多孔性窒化ホウ素を介して前記六方晶窒化ホウ素粒子が結合した複合粒子を形成していることを特徴とするものである。
前記第一の工程で得られた圧縮成形体を不活性ガス雰囲気下で焼成する第二の工程と
前記第二の工程で得られた圧縮焼結体を粉砕して、高熱伝導性粒子の表面の少なくとも一部に多孔性窒化ホウ素を介して六方晶窒化ホウ素粒子が結合した複合粒子を含有する熱伝導性フィラーを得る第三の工程と
を含むことを特徴とする方法である。
先ず、本発明の熱伝導性フィラーについて説明する。本発明の熱伝導性フィラーは、平均粒子径が0.2~100μmであり、熱伝導率が20W/mK以上である等方性の高熱伝導性粒子と、該高熱伝導性粒子の平均粒子径の0.01~5倍の平均粒子径を有する非多孔性の六方晶窒化ホウ素粒子と、多孔性窒化ホウ素とを含有し、前記六方晶窒化ホウ素粒子及び前記多孔性窒化ホウ素により形成される窒化ホウ素相の空隙率が10~50vol%である焼結体の粉砕物からなるものである。また、本発明の熱伝導性フィラーにおいては、前記粉砕物中の全ての前記高熱伝導性粒子のうちの個数基準で40%以上の粒子が、該高熱伝導性粒子の表面の少なくとも一部に前記多孔性窒化ホウ素を介して前記六方晶窒化ホウ素粒子が結合した複合粒子を形成している。
次に、本発明の熱伝導性フィラーの製造方法について説明する。本発明の熱伝導性フィラーの製造方法は、平均粒子径が0.2~100μmであり、熱伝導率が20W/mK以上である等方性の高熱伝導性粉末と、該高熱伝導性粉末の平均粒子径の0.01~5倍の平均粒子径を有する非多孔性の六方晶窒化ホウ素粉末と、ホウ酸錯体との混合物を20MPa以上の圧力で圧縮成形する第一の工程と
前記第一の工程で得られた圧縮成形体を不活性ガス雰囲気下、1800~2200℃の温度で焼成する第二の工程と
前記第二の工程で得られた圧縮焼結体を粉砕して、高熱伝導性粒子の表面の少なくとも一部に多孔性窒化ホウ素を介して六方晶窒化ホウ素粒子が結合した複合粒子を含有する熱伝導性フィラーを得る第三の工程と
を含む方法である。
第一の工程においては、先ず、高熱伝導性粉末と六方晶窒化ホウ素粉末とホウ酸錯体との混合物を調製する。ここで用いる高熱伝導性粉末は、前記本発明の熱伝導性フィラーにおける高熱伝導性粒子となる原料粉末であり、その平均粒子径は0.2~100μmであり、0.3~95μmであることが好ましく、0.5~90μmであることがより好ましく、0.5~50μmであることが更に好ましく、1~20μmであることが特に好ましい。また、ここで用いる六方晶窒化ホウ素粉末は、前記本発明の熱伝導性フィラーにおける六方晶窒化ホウ素粒子となる原料粉末であり、その平均粒子径は組合せて用いられる前記高熱伝導性粉末の平均粒子径の0.01~5倍であり、0.03~3倍であることが好ましく、0.05~1倍であることがより好ましい。
第二の工程においては、前記第一の工程で得られた圧縮成形体を不活性ガス雰囲気下で焼成する。これにより、前記圧縮成形体中の前記ホウ酸錯体が窒化ホウ素に変換されるとともに、酸素や炭素化合物が脱離するため、前記窒化ホウ素内に空隙が形成され、多孔性の窒化ホウ素が得られる。
第三の工程においては、前記第二の工程で得られた圧縮焼結体を粉砕する。このとき、前記圧縮成形体の多孔性窒化ホウ素が選択的に破断されるため、前記高熱伝導性粒子の表面の少なくとも一部に前記多孔性窒化ホウ素を介して前記六方晶窒化ホウ素粒子が結合した複合粒子が形成され、この複合粒子を多く含有する熱伝導性フィラーが得られる。
第四の工程においては、前記第三の工程で得られた熱伝導性フィラーとシラザン系カップリング剤又はチタネート系カップリング剤とを反応させる。このとき、前記熱伝導性フィラー中の前記BN粒子とシラザン系カップリング剤又はチタネート系カップリング剤とが反応することによって、前記熱伝導性フィラーの表面がアルキル化され、後述するマトリックス中に熱伝導性フィラーを添加した場合に、熱伝導性フィラーの凝集を抑制することができ、複合材料の流動性が向上するため、熱抵抗が更に低減された、熱伝導性に更に優れた複合材料を得ることが可能となる。
次に、本発明の熱伝導性複合材料について説明する。本発明の熱伝導性複合材料は、マトリックスと、このマトリックス中に分散している前記本発明の熱伝導性フィラーとを含有するものである。
95℃に加熱した800mlの水に、ホウ酸24gを添加し、攪拌することにより溶解させた後、さらに、メラミン16gを添加し、攪拌することにより溶解させた。加熱攪拌を10分間継続してホウ酸とメラミンとを反応させ、得られた反応液を水冷した後、室温で12時間放置した。その後、析出した結晶を濾過により回収し、40℃で真空乾燥して、ホウ酸メラミン錯体31.5gを得た。
原料窒化ホウ素粉末として非多孔性の六方晶窒化ホウ素粉末(スリーエム社製「3MTM窒化ホウ素クーリングフィラー Platelets003」、平均粒子径3μm)を濃度が5質量%となるようにエタノールに分散させた。得られた分散液を、湿式粉砕装置を用いてノズル(ノズル径0.15mm)から100MPaの圧力で噴射させ、圧縮された状態から常圧まで急激に圧力を開放する湿式粉砕処理を行った。その後、1回目の湿式粉砕処理を施した分散液に同じ条件で2回目及び3回目の湿式粉砕処理を施した後、粉砕された窒化ホウ素粉末を濾過により回収して真空乾燥させ、窒化ホウ素粉砕粒子(BN粉砕粒子)を得た。このBN粉砕粒子の平均粒子径は1μmであった。
先ず、得られる圧縮焼結体の組成比が窒化アルミニウム粒子(AlN粒子)/窒化ホウ素粒子(BN粒子)/多孔性窒化ホウ素(多孔性BN)=80vol%/15vol%/5vol%となるように、ポリエチレン製ポットに、等方性の高熱伝導性粒子であるAlN粉末(株式会社トクヤマ製「高純度窒化アルミニウム粉末・顆粒 Eグレード」、平均粒子径1μm、熱伝導率180W/mK)22.8g、非多孔性の六方晶BN粉末(スリーエム社製「3MTM窒化ホウ素クーリングフィラー Platelets001」、平均粒子径1μm)2.97g及び合成例1で得られたホウ酸メラミン錯体4.95gを投入し、さらに、ジルコニアボール(3mm径)500g及びアセトン165gを投入して、ボールミルにより400rpmの条件で12時間混合した。その後、濾過によりジルコニアボールを取り除き、さらに、エバポレーション及び真空乾燥によりアセトンを完全に除去した。得られた混合物を294MPaの静水圧下で圧縮した後、窒素雰囲気下、380℃で1時間加熱し、さらに、1800℃で1時間焼成して圧縮焼結体を得た。この圧縮焼結体を室温まで冷却した後、60秒間ミル粉砕して、前記AlN粒子と前記BN粒子とが多孔性BNを介して結合した複合粒子(AlN/BN複合粒子)を含有する熱伝導性フィラーを得た。
得られる圧縮焼結体の組成比がAlN粒子/BN粒子/多孔性BN=80vol%/16.7vol%/3.3vol%となるように、前記AlN粉末22.8g、前記BN粉末3.3g及び前記ホウ酸メラミン錯体3.3gを混合した以外は実施例A1と同様にして前記AlN粒子と前記BN粒子とが多孔性BNを介して結合した複合粒子(AlN/BN複合粒子)を含有する熱伝導性フィラーを調製し、さらに、この熱伝導性フィラーがエポキシ樹脂硬化物中に分散した円柱状の複合材料を作製した。
平均粒子径が1μmの前記BN粉末(スリーエム社製「3MTM窒化ホウ素クーリングフィラー Platelets001」)の代わりに調製例1で得られたBN粉砕粒子(平均粒子径1μm)2.97gを用いた以外は実施例A1と同様にして前記AlN粒子と前記BN粉砕粒子とが多孔性BNを介して結合した複合粒子(AlN/BN複合粒子)を含有する熱伝導性フィラーを調製し、さらに、この熱伝導性フィラーがエポキシ樹脂硬化物中に分散した円柱状の複合材料を作製した。
平均粒子径が1μmの前記AlN粉末(株式会社トクヤマ製「高純度窒化アルミニウム粉末・顆粒 Eグレード」)の代わりに等方性の高熱伝導性粒子である平均粒子径が5μmのAlN粉末(古河電子株式会社製「高熱伝導AlNフィラーFAN-f05」、熱伝導率170W/mK)を用い、平均粒子径が1μmの前記BN粉末(スリーエム社製「3MTM窒化ホウ素クーリングフィラー Platelets001」)の代わりに調製例1で得られたBN粉砕粒子(平均粒子径1μm)を用い、得られる圧縮焼結体の組成比がAlN粒子/BN粒子/多孔性BN=80vol%/10vol%/10vol%となるように、前記AlN粉末22.8g、前記BN粉砕粒子1.98g及び前記ホウ酸メラミン錯体9.98gを混合した以外は実施例A1と同様にして前記AlN粒子と前記BN粉砕粒子とが多孔性BNを介して結合した複合粒子(AlN/BN複合粒子)を含有する熱伝導性フィラーを調製し、さらに、この熱伝導性フィラーがエポキシ樹脂硬化物中に分散した円柱状の複合材料を作製した。
得られる圧縮焼結体の組成比がAlN粒子/BN粒子/多孔性BN=80vol%/15vol%/5vol%となるように、前記AlN粉末22.8g、前記BN粉砕粒子2.97g及び前記ホウ酸メラミン錯体4.95gを混合した以外は実施例A4と同様にして前記AlN粒子と前記BN粉砕粒子とが多孔性BNを介して結合した複合粒子(AlN/BN複合粒子)を含有する熱伝導性フィラーを調製し、さらに、この熱伝導性フィラーがエポキシ樹脂硬化物中に分散した円柱状の複合材料を作製した。
得られる圧縮焼結体の組成比がAlN粒子/BN粒子/多孔性BN=70vol%/15vol%/15vol%となるように、前記AlN粉末22.8g、前記BN粉砕粒子3.40g及び前記ホウ酸メラミン錯体17.01gを混合した以外は実施例A4と同様にして前記AlN粒子と前記BN粉砕粒子とが多孔性BNを介して結合した複合粒子(AlN/BN複合粒子)を含有する熱伝導性フィラーを調製し、さらに、この熱伝導性フィラーがエポキシ樹脂硬化物中に分散した円柱状の複合材料を作製した。
得られる圧縮焼結体の組成比がAlN粒子/BN粒子/多孔性BN=60vol%/20vol%/20vol%となるように、前記AlN粉末22.8g、前記BN粉砕粒子5.29g及び前記ホウ酸メラミン錯体26.46gを混合した以外は実施例A4と同様にして前記AlN粒子と前記BN粉砕粒子とが多孔性BNを介して結合した複合粒子(AlN/BN複合粒子)を含有する熱伝導性フィラーを調製し、さらに、この熱伝導性フィラーがエポキシ樹脂硬化物中に分散した円柱状の複合材料を作製した。
得られる圧縮焼結体の組成比がAlN粒子/BN粒子/多孔性BN=60vol%/30vol%/10vol%となるように、前記AlN粉末22.8g、前記BN粉砕粒子7.94g及び前記ホウ酸メラミン錯体13.2gを混合した以外は実施例A4と同様にして前記AlN粒子と前記BN粉砕粒子とが多孔性BNを介して結合した複合粒子(AlN/BN複合粒子)を含有する熱伝導性フィラーを調製し、さらに、この熱伝導性フィラーがエポキシ樹脂硬化物中に分散した円柱状の複合材料を作製した。
得られる圧縮焼結体の組成比がAlN粒子/BN粒子/多孔性BN=70vol%/22.5vol%/7.5vol%となるように、前記AlN粉末22.8g、前記BN粉砕粒子5.10g及び前記ホウ酸メラミン錯体8.51gを混合した以外は実施例A4と同様にして前記AlN粒子と前記BN粉砕粒子とが多孔性BNを介して結合した複合粒子(AlN/BN複合粒子)を含有する熱伝導性フィラーを調製し、さらに、この熱伝導性フィラーがエポキシ樹脂硬化物中に分散した円柱状の複合材料を作製した。
前記BN粉砕粒子の代わりに平均粒子径が1μmの前記BN粉末(スリーエム社製「3MTM窒化ホウ素クーリングフィラー Platelets001」)1.98gを用いた以外は実施例A4と同様にして前記AlN粒子と前記BN粒子とが多孔性BNを介して結合した複合粒子(AlN/BN複合粒子)を含有する熱伝導性フィラーを調製し、さらに、この熱伝導性フィラーがエポキシ樹脂硬化物中に分散した円柱状の複合材料を作製した。
得られる圧縮焼結体の組成比がAlN粒子/BN粒子/多孔性BN=80vol%/15vol%/5vol%となるように、前記AlN粉末22.8g、前記BN粉末2.97g及び前記ホウ酸メラミン錯体4.95gを混合した以外は実施例A10と同様にして前記AlN粒子と前記BN粒子とが多孔性BNを介して結合した複合粒子(AlN/BN複合粒子)を含有する熱伝導性フィラーを調製し、さらに、この熱伝導性フィラーがエポキシ樹脂硬化物中に分散した円柱状の複合材料を作製した。
静水圧圧力を98.1MPaに変更した以外は実施例A10と同様にして前記AlN粒子と前記BN粒子とが多孔性BNを介して結合した複合粒子(AlN/BN複合粒子)を含有する熱伝導性フィラーを調製し、さらに、この熱伝導性フィラーがエポキシ樹脂硬化物中に分散した円柱状の複合材料を作製した。
静水圧圧力を29.4MPaに変更した以外は実施例A10と同様にして前記AlN粒子と前記BN粒子とが多孔性BNを介して結合した複合粒子(AlN/BN複合粒子)を含有する熱伝導性フィラーを調製し、さらに、この熱伝導性フィラーがエポキシ樹脂硬化物中に分散した円柱状の複合材料を作製した。
前記BN粉末及び前記ホウ酸メラミン錯体を用いずに前記AlN粉末22.8gのみを用い、また、静水圧での圧縮及び1800℃での加熱を行わなかった以外は実施例A1と同様にして前記AlN粒子のみからなる熱伝導性フィラーを調製し、さらに、この熱伝導性フィラーがエポキシ樹脂硬化物中に分散した円柱状の複合材料を作製した。
得られる圧縮焼結体の組成比がAlN粒子/BN粒子/多孔性BN=80vol%/0vol%/20vol%となるように、前記BN粉末を用いずに前記AlN粉末22.8g及び前記ホウ酸メラミン錯体20gを混合した以外は実施例A1と同様にして前記AlN粒子の表面の少なくとも一部が多孔性BNで被覆された粒子(多孔性BN被覆AlN粒子)を含有する熱伝導性フィラーを調製し、さらに、この熱伝導性フィラーがエポキシ樹脂硬化物中に分散した円柱状の複合材料を作製した。
前記BN粉砕粒子及び前記ホウ酸メラミン錯体を用いずに前記AlN粉末22.8gのみを用い、また、静水圧での圧縮を行わなかった以外は実施例A4と同様にして前記AlN粒子のみからなる熱伝導性フィラーを調製し、さらに、この熱伝導性フィラーがエポキシ樹脂硬化物中に分散した円柱状の複合材料を作製した。
得られる圧縮焼結体の組成比がAlN粒子/BN粒子/多孔性BN=80vol%/0vol%/20vol%となるように、前記BN粉砕粒子を用いずに前記AlN粉末22.8g及び前記ホウ酸メラミン錯体20gを混合した以外は実施例A4と同様にして前記AlN粒子の表面の少なくとも一部が多孔性BNで被覆された粒子(多孔性BN被覆AlN粒子)を含有する熱伝導性フィラーを調製し、さらに、この熱伝導性フィラーがエポキシ樹脂硬化物中に分散した円柱状の複合材料を作製した。
混合物の組成比がAlN粒子/BN粒子/多孔性BN=80vol%/20vol%/0vol%となるように、前記ホウ酸メラミン錯体を用いずに前記AlN粉末22.8g及び前記BN粉砕粒子3.96gを混合し、また、静水圧での圧縮及び1800℃での加熱を行わなかった以外は実施例A4と同様にして前記AlN粒子と前記BN粉砕粒子との混合粒子(AlN/BN混合粒子)を含有する熱伝導性フィラーを調製し、さらに、この熱伝導性フィラーがエポキシ樹脂硬化物中に分散した円柱状の複合材料を作製した。
静水圧下での圧縮を行わなかった以外は実施例A4と同様にして前記AlN粒子と前記BN粉砕粒子とが多孔性BNを介して結合した複合粒子(AlN/BN複合粒子)を含有する熱伝導性フィラーを調製し、さらに、この熱伝導性フィラーがエポキシ樹脂硬化物中に分散した円柱状の複合材料を作製した。
前記BN粉砕粒子及び前記ホウ酸メラミン錯体を用いずに前記AlN粉末22.8gのみを用い、また、静水圧での圧縮及び1800℃での加熱を行わなかった以外は実施例A4と同様にして前記AlN粒子のみからなる熱伝導性フィラーを調製し、さらに、この熱伝導性フィラーがエポキシ樹脂硬化物中に分散した円柱状の複合材料を作製した。
得られる圧縮焼結体の組成比がAlN粒子/BN粒子/多孔性BN=60vol%/0vol%/40vol%となるように、前記BN粉砕粒子を用いずに前記AlN粉末22.8g及び前記ホウ酸メラミン錯体52.9gを混合した以外は実施例A4と同様にして前記AlN粒子の表面の少なくとも一部が多孔性BNで被覆された粒子(多孔性BN被覆AlN粒子)を含有する熱伝導性フィラーを調製し、さらに、この熱伝導性フィラーがエポキシ樹脂硬化物中に分散した円柱状の複合材料を作製した。
得られる圧縮焼結体の組成比がAlN粒子/BN粒子/多孔性BN=70vol%/0vol%/30vol%となるように、前記BN粉砕粒子を用いずに前記AlN粉末22.8g及び前記ホウ酸メラミン錯体34.0gを混合した以外は実施例A4と同様にして前記AlN粒子の表面の少なくとも一部が多孔性BNで被覆された粒子(多孔性BN被覆AlN粒子)を含有する熱伝導性フィラーを調製し、さらに、この熱伝導性フィラーがエポキシ樹脂硬化物中に分散した円柱状の複合材料を作製した。
静水圧圧力を15MPaに変更した以外は実施例A4と同様にして前記AlN粒子と前記BN粉砕粒子とが多孔性BNを介して結合した複合粒子(AlN/BN複合粒子)を含有する熱伝導性フィラーを調製し、さらに、この熱伝導性フィラーがエポキシ樹脂硬化物中に分散した円柱状の複合材料を作製した。
静水圧圧力を2.9MPaに変更した以外は実施例A10と同様にして前記AlN粒子と前記BN粒子とが多孔性BNを介して結合した複合粒子(AlN/BN複合粒子)を含有する熱伝導性フィラーを調製し、さらに、この熱伝導性フィラーがエポキシ樹脂硬化物中に分散した円柱状の複合材料を作製した。
実施例A5において作製した圧縮焼結体から電子顕微鏡観察用の断面を切出し、この断面に、研磨剤としてダイヤモンドサスペンション及びコロイダルシリカを用いて研磨機(ビューラー社製「ミニメットTM1000」)により機械研磨を施した後、小型プラズマ装置(ヤマト科学株式会社製「PR300」)を用いて120Wで3分間の酸素プラズマエッチングを施し、さらに、オスミウムコーターを用いてオスミウムコーティングを施した。得られた観察用断面を走査型電子顕微鏡(株式会社日立ハイテクノロジーズ製「NB-5000」)を用いて観察した。その結果を図1に示す。図1において、明灰色部1がAlN粒子、灰色部2がBN粒子、暗灰色部3が多孔性BN、黒色部4が多孔性BN相の空隙に相当する領域である。図1に示した結果から、前記圧縮焼結体においては、AlN粒子の表面の少なくとも一部に多孔性BNを介してBN粒子が結合していることがわかった。
実施例A3で得られた熱伝導性フィラーを走査型電子顕微鏡(株式会社日立ハイテクノロジーズ製「NB-5000」)を用いて観察した。図2Aには、熱伝導性フィラーの二次電子像、図2Bには熱伝導性フィラーの反射電子像を示す。図2Aの明部はBNであり、図2Bの明部はAlNである。図2A及び図2Bに示した結果から、粒子の内部はAlNにより形成され、表面はBNにより形成されており、AlN粒子の表面がBN粒子で被覆されていることがわかった。
実施例A4で得られた熱伝導性フィラーをエネルギー分散型X線分析装置を備える走査型電子顕微鏡(株式会社日立ハイテクノロジーズ製「NB-5000」)を用いて観察した。得られたSEM像において無作為に25μm×20μmの視野(図3)を抽出し、この視野内のホウ素(B)、炭素(C)、窒素(N)、酸素(O)、アルミニウム(Al)の各元素の分布を観察した。その結果、Alが存在している領域にはBも存在していることが確認され、AlN粒子の表面がBN粒子で被覆されていることがわかった。また、Alが存在している領域の中から無作為に1箇所の測定点(図3中の点A)を抽出し、元素組成の分析を行った。その結果を表1に示す。
得られる圧縮焼結体の組成比がAlN粒子/BN粒子/多孔性BN=50vol%/0vol%/50vol%となるように、ポリエチレン製ポットに、等方性の高熱伝導性粒子である平均粒子径が5μmの前記AlN粉末(古河電子株式会社製「高熱伝導AlNフィラーFAN-f05」)及び合成例1で得られたホウ酸メラミン錯体4.95gを投入し、さらに、ジルコニアボール(3mm径)500g及びアセトン165gを投入して、ボールミルにより400rpmの条件で12時間混合した。その後、濾過によりジルコニアボールを取り除き、さらに、エバポレーション及び真空乾燥によりアセトンを完全に除去した。得られた混合物を294MPaの静水圧下で圧縮した後、窒素雰囲気下、380℃で1時間加熱し、さらに、1800℃で1時間焼成して圧縮焼結体を得た。この圧縮焼結体を室温まで冷却した後、60秒間ミル粉砕して、前記AlN粒子の表面の少なくとも一部が多孔性BNで被覆された粒子(多孔性BN被覆AlN粒子)を含有する熱伝導性フィラーを得た。
実施例A6~A9及び比較例A8~A9で得られた熱伝導性フィラーをエタノールに分散させ、レーザ回折・散乱式粒子径分布測定装置(マイクロトラック・ベル株式会社製「MT3300EX」)を用いて、レーザ回折・散乱法により前記熱伝導性フィラーの体積基準の粒径分布を測定した。その結果を図5及び図6に示す。図5及び図6に示したように、BN相が多孔性BNのみからなる場合(比較例A8、比較例A9)には、熱伝導性フィラーは、原料のAlN粉末と同程度の大きさまで粉砕されるのに対して、BN相がBN粒子と多孔性BNとからなる場合(実施例A7~A8、実施例A6及びA9)には、熱伝導性フィラーの粒子径は、原料のAlN粉末に比べて大きくなることがわかった。これは、BN相がBN粒子と多孔性BNとからなる場合(実施例A7~A8、実施例A6及びA9)には、BN粒子が多孔性BNを介してAlN粒子に結合することにより、機械的強度が向上し、粉砕の衝撃力に対して高い耐性を示すAlN粒子とBN粒子との複合粒子が、熱伝導性フィラーに多く含まれるためと考えられる。
実施例及び比較例において作製した圧縮焼結体から電子顕微鏡観察用の断面を切出し、この断面において無作為に抽出した20箇所の測定領域(縦60μm、横40μm)に、研磨剤としてダイヤモンドサスペンション及びコロイダルシリカを用いて研磨機(ビューラー社製「ミニメットTM1000」)により機械研磨を施した後、小型プラズマ装置(ヤマト科学株式会社製「PR300」)を用いて120Wで3分間の酸素プラズマエッチングを施し、さらに、オスミウムコーターを用いてオスミウムコーティングを施した。得られた測定用断面を走査型電子顕微鏡(株式会社日立ハイテクノロジーズ製「NB-5000」)を用いて観察した。図7には、実施例A4において作製した圧縮焼結体の走査型電子顕微鏡写真(SEM像)を示す。図7において、明灰色部5がAlN粒子、灰色部6がBN相、黒色部7がBN相内の空隙、黒色部8がBN相外の空隙に相当する領域である。
BN相の空隙率[vol%]=BN相内の空隙に相当する領域の合計面積/{BN相内の空隙に相当する領域の合計面積+BN相に相当する領域の合計面積}×100
により各測定領域におけるBN相の空隙率を算出し、20箇所の測定領域におけるBN相の空隙率の平均値を求めた。その結果を表2に示す。
実施例及び比較例で得られた熱伝導性フィラーを走査型電子顕微鏡(株式会社日立ハイテクノロジーズ製「NB-5000」)を用いて観察した。図8及び図9には、それぞれ実施例A4及び比較例A6で得られた熱伝導性フィラーの走査型電子顕微鏡写真(SEM像)を示す。
(i)AlN粒子
(ii)表面の少なくとも一部がBN粒子で被覆されているAlN粒子(AlN/BN複合粒子)
を抽出し、視野内の(i)AlN粒子の数及び(ii)AlN/BN複合粒子の数をそれぞれ求め、視野内の全てのAlN粒子のうちのBN粒子で被覆されているAlN粒子の割合{(ii)/[(i)+(ii)]}を算出した。この割合を10視野について求め、その平均値を求めた。その結果を表2に示す。
図10に示すように、実施例及び比較例で得られた円柱状の複合材料11から熱伝導率測定用試料12(z軸方向厚さ:3mm、直径:14mmφ)を切り出し、得られた試料の表面を黒色スプレーで黒色化した。この試料の厚さ方向(z軸方向)を熱流方向としてキセノンフラッシュアナライザー(NETZSCH社製「LFA 447 NanoFlash」)を用いて圧縮方向に平行な方向(z軸方向)の熱拡散率を測定した。
熱伝導率(W/(m・K))=比熱(J/(kg・K))×密度(kg/m3)×熱拡散率(m2/秒)
により、圧縮方向に平行な方向(z軸方向)の熱伝導率を求めた。その結果を表2に示す。
先ず、得られる圧縮焼結体の組成比が窒化アルミニウム粒子(AlN粒子)/窒化ホウ素粒子(BN粒子)/多孔性窒化ホウ素(多孔性BN)=70vol%/15vol%/15vol%となるように、ポリエチレン製ポットに、等方性の高熱伝導性粒子であるAlN粉末(古河電子株式会社製「高熱伝導AlNフィラーFAN-f05」、平均粒子径5μm、熱伝導率170W/mK)22.8g、非多孔性の六方晶BN粉末(スリーエム社製「3MTM窒化ホウ素クーリングフィラー Platelets001」、平均粒子径1μm)3.40g及び合成例1で得られたホウ酸メラミン錯体17.01gを投入し、さらに、ジルコニアボール(3mm径)500g及びアセトン165gを投入して、ボールミルにより400rpmの条件で12時間混合した。その後、濾過によりジルコニアボールを取り除き、さらに、エバポレーション及び真空乾燥によりアセトンを完全に除去した。得られた混合物を294MPaの静水圧下で圧縮した後、窒素雰囲気下、1800℃で1時間焼成して圧縮焼結体を得た。この圧縮焼結体を室温まで冷却した後、前記方法に従って窒化ホウ素相の空隙率を求めた。その結果を表3に示す。
実施例B1と同様にして、表面がHMDSでメチル化された熱伝導性フィラーを調製した。表面がHMDSでメチル化された前記熱伝導性フィラー500mg及び真球状シリカナノ粒子(信越化学工業株式会社製「信越シリコーンQSB-170」、平均粒子径:170nm)5mgを乾式混合して、前記熱伝導性フィラーの表面に真球状シリカナノ粒子を吸着させた。表面に真球状シリカナノ粒子が吸着した前記熱伝導性フィラーとシリコーンオイル(東レ・ダウコーニング株式会社製「SRX310」)253mgとを混合し、得られた混合物を実施例B1と同様に撹拌してグリース組成物を得た。
得られる圧縮焼結体の組成比がAlN粒子/BN粒子/多孔性BN=80vol%/10vol%/10vol%となるように、前記AlN粉末22.8g、前記BN粉末1.98g及び前記ホウ酸メラミン錯体9.98gを混合した以外は実施例B1と同様にして圧縮成形体を調製し、さらに、前記AlN粒子と前記BN粒子とが多孔性BNを介して結合した複合粒子(AlN/BN複合粒子)を含有する熱伝導性フィラーを調製した。実施例B1と同様にして、窒化ホウ素相の空隙率、前記熱伝導性フィラー中のAlN/BN複合粒子の割合、前記熱伝導性フィラーの最大粒子径及び平均粒子径を求めた。これらの結果を表3に示す。また、実施例B1と同様にして、得られた熱伝導性フィラーの表面をHMDSでメチル化した。
表面がHMDSでメチル化された平均粒子径が2.6μmの前記熱伝導性フィラーの配合量を400mgに、表面がHMDSでメチル化された平均粒子径が0.9μmの前記熱伝導性フィラーの配合量を100mgに変更した以外は実施例B3と同様にして、グリース組成物を得た。
ヘキサメチルジシラザン(HMDS)の代わりにチタネート系カップリング剤(味の素ファインテクノ株式会社製「プレンアクトTTS」)1mlを用いた以外は実施例B3と同様にして、平均粒子径が2.6μmの前記熱伝導性フィラー及び平均粒子径が0.9μmの前記熱伝導性フィラーの表面をそれぞれアルキル化した。
実施例B1と同様にして前記AlN粒子と前記BN粒子とが多孔性BNを介して結合した複合粒子(AlN/BN複合粒子)を含有する熱伝導性フィラーを調製した。この熱伝導性フィラー500mgとシリコーンオイル(東レ・ダウコーニング株式会社製「SRX310」)253mgとを混合し、得られた混合物を実施例B1と同様に撹拌してグリース組成物を得た。
ヘキサメチルジシラザン(HMDS)の代わりにアルミネート系カップリング剤(味の素ファインテクノ株式会社製「プレンアクトAL-M」)1mlを用いた以外は実施例B3と同様にして、平均粒子径が2.6μmの前記熱伝導性フィラー及び平均粒子径が0.9μmの前記熱伝導性フィラーの表面を処理したところ、いずれの熱伝導性フィラーにおいても、粒子が凝集して単離できなかった。このため、表面をアルミネート系カップリング剤で処理した平均粒子径が2.6μmの前記熱伝導性フィラーが450mg、表面をアルミネート系カップリング剤で処理した平均粒子径が0.9μmの前記熱伝導性フィラーが50mgとなるように、2回目のトルエン洗浄後の2種類の分散液を混合し、さらに、真球状シリカナノ粒子(信越化学工業株式会社製「信越シリコーンQSB-170」、平均粒子径:170nm)5mg及びシリコーンオイル(東レ・ダウコーニング株式会社製「SRX310」)245mgを混合した後、真空乾燥によりトルエンを除去してグリース組成物を調製した。
実施例及び比較例で得られたグリース組成物(約4μl)を、直径14mm、厚さ1mmのセラミック板で挟持して積層板を作製し、この積層板に3MPaの圧力を印加した状態でキセノンフラッシュアナライザー(NETZSCH社製「LFA447 NanoFlash」)を用いて前記積層板の熱拡散率を測定した。また、マイクロメーターを用いて前記積層板の厚さを測定した。得られた前記積層板の熱拡散率及び厚さ、前記セラミック板の熱拡散率、密度、比熱、厚さ、並びにグリース組成物の密度、比熱を用いてグリース組成物の熱抵抗率を算出した。その結果を表4に示す。
2:窒化ホウ素粒子
3:多孔性窒化ホウ素
4:多孔性窒化ホウ素相の空隙
5:窒化アルミニウム粒子
6:多孔性窒化ホウ素相
7:窒化ホウ素相内の空隙
8:窒化ホウ素相外の空隙
10:複合材料
11:熱伝導率測定用試料
Claims (10)
- 窒化アルミニウム粒子及び酸化アルミニウム粒子からなる群から選択される少なくとも1種であり、平均粒子径が0.2~100μmであり、熱伝導率が20W/mK以上である等方性の高熱伝導性粒子と、該高熱伝導性粒子の平均粒子径の0.01~5倍の平均粒子径を有する非多孔性の六方晶窒化ホウ素粒子と、多孔性窒化ホウ素とを含有し、走査型電子顕微鏡による焼結体の断面写真において、窒化ホウ素相に相当する領域の合計面積及び窒化ホウ素相内の空隙に相当する領域の合計面積から、下記式:
窒化ホウ素相の空隙率=窒化ホウ素相内の空隙に相当する領域の合計面積/{窒化ホウ素相内の空隙に相当する領域の合計面積+窒化ホウ素相に相当する領域の合計面積}×100
により算出され、20箇所の測定領域における平均値として求められる、前記六方晶窒化ホウ素粒子及び前記多孔性窒化ホウ素により形成される窒化ホウ素相の空隙率が10~50vol%である焼結体の粉砕物からなり、
前記粉砕物中の全ての前記高熱伝導性粒子のうちの個数基準で40%以上の粒子が、該高熱伝導性粒子の表面の少なくとも一部に前記多孔性窒化ホウ素を介して前記六方晶窒化ホウ素粒子が結合した複合粒子を形成していることを特徴とする熱伝導性フィラー。 - 前記多孔性窒化ホウ素が乱層構造を有するものであることを特徴とする請求項1に記載の熱伝導性フィラー。
- 表面がアルキル化されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の熱伝導性フィラー。
- 絶縁性の樹脂及び絶縁性のオイルからなる群から選択される少なくとも1種のマトリックスと、該マトリックス中に分散している請求項1~3のうちのいずれか一項に記載の熱伝導性フィラーとを含有することを特徴とする熱伝導性複合材料。
- 前記熱伝導性フィラーが二峰性以上の粒度分布を有するものであることを特徴とする請求項4に記載の熱伝導性複合材料。
- 前記マトリックスが前記絶縁性のオイルであり、前記熱伝導性複合材料がグリース組成物であることを特徴とする請求項4又は5に記載の熱伝導性複合材料。
- 前記オイルが、シリコーンオイル、変性シリコーンオイル、フルオロエーテルオイル、鉱物油、動植物性天然油、パラフィン及び合成油からなる群から選択される少なくとも1種であることを特徴とする請求項6に記載の熱伝導性複合材料。
- 窒化アルミニウム粉末及び酸化アルミニウム粉末からなる群から選択される少なくとも1種であり、平均粒子径が0.2~100μmであり、熱伝導率が20W/mK以上である等方性の高熱伝導性粉末と、該高熱伝導性粉末の平均粒子径の0.01~5倍の平均粒子径を有する非多孔性の六方晶窒化ホウ素粉末と、ホウ酸メラミン錯体及びホウ酸尿素錯体からなる群から選択される少なくとも1種のホウ酸錯体との混合物を20MPa以上の圧力で圧縮成形する第一の工程と
前記第一の工程で得られた圧縮成形体を不活性ガス雰囲気下で焼成する第二の工程と
前記第二の工程で得られた圧縮焼結体を粉砕して、高熱伝導性粒子の表面の少なくとも一部に多孔性窒化ホウ素を介して六方晶窒化ホウ素粒子が結合した複合粒子を含有する熱伝導性フィラーを得る第三の工程と
を含むことを特徴とする熱伝導性フィラーの製造方法。 - 前記熱伝導性フィラーとシラザン系カップリング剤又はチタネート系カップリング剤とを反応させて前記熱伝導性フィラーの表面をアルキル化する第四の工程を更に含むことを特徴とする請求項8に記載の熱伝導性フィラーの製造方法。
- 前記第一の工程において、静水圧下で圧縮成形することを特徴とする請求項8又は9に記載の熱伝導性フィラーの製造方法。
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