JPH06252572A - 放熱体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】厚さ方向への放熱特性（熱伝導性）が優れ、全
体として熱伝導率が高い放熱体（サーマルコンパウン
ド）を提供する。 【構成】柔軟性を有するマトリックス樹脂２ｃ中に熱伝
導性フィラー３ｃを含有させて成り、上記熱伝導性フィ
ラー３ｃを、柱状体、多面体、錐体、中空筒状体の少な
くとも１種の形状に形成したことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、トランジスタ、コンデ
ンサ、ＬＳＩパッケージ等の電子・電気部品において発
生する熱を系外に放出するために使用される放熱体（サ
ーマルコンパウンド）に係り、特に熱伝導性を改善した
放熱体に関する。

【０００２】

【従来の技術】トランジスタ、コンデンサ、ＬＳＩパッ
ケージ等の電子・電気部品は、動作時の発熱により寿命
が短かくなり、また信頼性も低下し易くなる。そのた
め、対策として、電子・電気部品と、この電子・電気部
品に熱的に接続される放熱フィン等のヒートシンク（冷
却手段）との間に熱伝導性および密着性が優れたグリー
ス状またはシート状の放熱体を介装し、この放熱体を介
して発熱を系外に放出する工夫がなされている。

【０００３】上記の放熱体は、一般にマトリックス樹脂
中に熱伝導性フィラーを分散せしめてグリース状または
シート状に構成して製造されている。マトリックス樹脂
としては、例えばシリコーンオイルやシリコーンゴムが
用いられる一方、熱伝導性フィラーとしては、粒子状、
板状、針状の形状を有する窒化ボロンなどが使用されて
いる。

【０００４】またシート状放熱体は上記のようなマトリ
ックス樹脂および熱伝導性フィラーを使用し、大別して
下記の３通りの製造方法によって製造されている。

【０００５】第１の方法は、マトリックス樹脂（例えば
シリコーンゴム）と熱伝導性フィラー（例えば窒化ボロ
ン）を配合し混合して原料混合体とし、この原料混合体
を通常のゴム材料と同様にロール、カレンダ、押出し機
等によりシート状に成形し、得られた成形体をプレスし
て加硫するという方法である。

【０００６】第２の方法は、マトリックス樹脂（例えば
シリコーンゴム）と熱伝導性フィラー（例えば窒化ボロ
ン）を混合し溶剤に希釈した後、ドクターブレード法に
従ってシート状に形成し、乾燥してプレスして加硫する
という方法である。

【０００７】第３の方法は、マトリックス樹脂（例えば
シリコーンゴム）１００重量部に対して熱伝導性フィラ
ー（例えば窒化ボロン）が２００重量部以上配合されて
いるという熱伝導性フィラー高充填配合物を用いる製法
であって、上記原料をニーダ等の密閉式混練機に掛けて
混合して粉末状ゴム材に形成し、これを所定のシート成
形用金型に一定量充填しプレスして加硫するという方法
である。

【０００８】図７は上記従来の製造方法によって調製さ
れたシート状放熱体の構成を示す断面図である。すなわ
ち従来のシート状放熱体１において、マトリックス樹脂
２内に分布している繊維状の熱伝導性フィラー１２は、
放熱体１の平面方向（長さ方向）に沿って熱伝導性フィ
ラー３の長軸が配向した状態で配合されている。

【０００９】上記のような熱伝導性フィラー３の配向
は、原料混合体がロール成形や押出し成形によって成形
される際に圧延方向や押出し方向にフィラー３が整列す
るために生じる。

【００１０】一方図８はグリース状の放熱体１ａの構成
例を示す断面図である。すなわちグリース状放熱体１ａ
はマトリックス樹脂２ａであり絶縁材となるシリコーン
オイル中に高熱伝導性を有する球状の充填材（熱伝導性
フィラー３ａ）を均一に分散せしめて構成される。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記のよ
うな従来構造の放熱体の熱伝導率は、近年の電子機器の
高集積化、高速化および高出力化に対応して要求される
熱伝導率としては不十分であった。そこで、本願発明者
らは、さらに放熱特性を向上させるために原因を検討
し、以下の問題点を見い出した。すなわち、上記した従
来製法によって調製されたシート状放熱体１において
は、熱伝導性フィラー３が平面方向に配向し、隣接する
熱伝導性フィラー３同士が相互に接触し、いわば熱伝導
性フィラー３が放熱体１の平面方向（長さ方向）に連続
した状態に形成され易い。したがって、放熱体１の平面
方向には熱が伝導され易くなる一方、放熱体１の厚さ方
向には熱が伝導されにくい欠点があったため、厚さ方向
の放熱特性を主として利用する放熱体としては性能が不
充分となる問題点があった。

【００１２】一方、図８に示すようなグリース状放熱体
１ａにおいては、球状の各熱伝導性フィラー３ａがマト
リックス樹脂２ａ中に浮遊するように、つまり、隣り合
う熱伝導性フィラー３ａが、低熱伝導率のマトリックス
樹脂２ａによって隔絶されるように配置される。したが
って放熱体１ａに伝達された熱は、低熱伝導率のマトリ
ックス樹脂２ａと高熱伝導率のフィラー３ａとに交互に
伝達されながら放熱体１ａの厚さ方向に沿って移動す
る。このような熱移動機構となるため、熱移動量はマト
リックス樹脂２ａの熱伝導率によって規制され、放熱体
１ａ全体としての見掛けの熱伝導率がマトリックス樹脂
２ａの低い熱伝導率に揃うことになり、充分な放熱特性
が発揮されないという問題点もあった。

【００１３】また図８に示すグリース状放熱体１ａにお
いて、球状の熱伝導性フィラー３ａを相互に接触させる
ように構成した場合でも、隣接するフィラー３ａは点接
触で接触するために、高熱伝導性フィラー３ａによる連
続した放熱経路が形成されにくい欠点もあった。

【００１４】その結果、上記のような従来のシート状放
熱体１またはグリース状放熱体１ａを電子・電気部品に
装着しても、発生した熱が放熱体１，１ａを介して放熱
フィン等のヒートシンク（冷却手段）まで効率良く伝達
されないため、発熱体の冷却を効果的に実施することは
困難であった。

【００１５】近年の電子・電気部品の目覚しい発展に伴
い、半導体素子を含む電子機器の高集積化、高速化およ
び高出力化が進展し、発熱量も増大化しており、より放
熱特性が優れた放熱体が要求されている。

【００１６】本発明は上記の問題点を解決するためにな
されたものであり、特に厚さ方向への放熱特性（熱伝導
性）が優れ、全体として熱伝導率が高い放熱体（サーマ
ルコンパウンド）を提供することを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明者らは上記目的を
達成するため、マトリックス樹脂に種々の形状および熱
伝導率を有する熱伝導性フィラーを分布せしめ、その配
合比率、形状および充填量が放熱特性に及ぼす影響を実
験により確認した。

【００１８】図６は、熱伝導性フィラーとマトリックス
樹脂との混合比および熱伝導性フィラーの熱伝導率を種
々変えて、図８に示すようなグリース状の放熱体を形成
した場合における熱移動の解析結果を示すグラフであ
る。グラフの縦軸はグリース状放熱体の熱伝導比を示
し、この熱伝導比はマトリックス樹脂の熱伝導率に対す
るグリース状放熱体全体の熱伝導率の倍率で示してい
る。また横軸は、グリース状放熱体全体に対する熱伝導
性フィラーの混合体積比を示している。またパラメータ
としては、マトリックス樹脂の熱伝導率に対する熱伝導
性フィラーの熱伝導率の倍率を３段階（５０倍、１００
倍、５００倍）に分けて採用した。なお横軸の混合体積
比ａは、マトリックス樹脂の可撓性を保持する限界およ
び熱伝導性フィラーの粒径等の関係から、現段階では７
割（ａ＝０．７）が限界値であった。

【００１９】図６に示す結果から明らかなように、熱伝
導性フィラーの熱伝導率を１０倍以上に高めた場合にお
いても、グリース状放熱体の熱伝導比は、その倍率に応
じた高い値にはならないことが判明した。この理由は、
隣り合う高熱伝導性フィラー間に低熱伝導率のマトリッ
クス樹脂が介在するためと考えられる。逆にマトリック
ス樹脂自体の熱伝導率を高めると、グリース状放熱体の
熱伝導率が比例して増大することが確認された。また熱
伝導性フィラーの充填密度を高めることにより、放熱体
全体の熱伝導率が大幅に高められることが判明した。

【００２０】さらに、隣り合う熱伝導性フィラーが相互
に線接触または面接触で接触するような形状に、フィラ
ーを形成することにより、放熱体の厚さ方向に連続した
放熱経路が形成され、放熱体全体の熱伝導率を高めるこ
とが可能になるという知見も得た。特に熱伝導性フィラ
ーの内部を中空にすることにより、その中空部に、粒径
が小さい他のフィラーが混入したり、嵌入したりするこ
とが可能になり、熱伝導性フィラーの充填密度が高めら
れる結果、放熱体の熱伝導率をさらに向上できるという
知見も得た。

【００２１】本発明は上記知見に基づいて完成されたも
のである。すなわち本発明に係る放熱体は、柔軟性を有
するマトリックス樹脂中に熱伝導性フィラーを含有させ
て成り、上記熱伝導性フィラーを、柱状体、多面体、錐
体、中空筒状体の少なくとも１種の形状に形成したこと
を特徴とする。

【００２２】ここで上記マトリックス樹脂としては、シ
リコーンオイル、シリコーンゴム、ポリオレフィン系エ
ラストマ、ポリエチレン、ポリエステル、ポリプロピレ
ン、ポリイミド等、柔軟性（可撓性）を有する有機材料
が使用される一方、熱伝導性フィラーとしては窒化アル
ミニウム、窒化ボロン、窒化けい素、炭化けい素、Ｂｅ
Ｏ、ＨＰ−ＴｉＣアルミナセラミックス等の熱伝導率が
高く、電気絶縁性を有する材料が使用される。また熱伝
導率が高く、導電性を有する金、銅、アルミニウム等の
金属材料で形成することもできる。

【００２３】また上記熱伝導性フィラーの形状として
は、マトリックス樹脂中に充填された際に隣り合うフィ
ラー同士が線接触または面接触によって接触し易い形
状、すなわち、少なくとも一部に直線部または平面部を
有する柱状体、多面体、錐体、中空筒状体であればよ
い。柱状体としては、円柱、三角柱、四角柱（直方体、
立方体）、多角柱等があり、多面体としては正四面体、
正方面体、正１４面体等のセラミックスの結晶体形状に
近似したものを使用してもよい。また錐体としては円錐
体、三角錐体、四角錐体、多角錐体を使用するとよい。
さらに中空筒状体としては円筒体、四角筒体等を使用す
る。

【００２４】上記形状を有する熱伝導性フィラーは下記
のような製法で製造される。例えば長軸方向に断面形状
が変化しない柱状や中空筒状の熱伝導性フィラーは、原
料セラミックス混合体を押出し成形法によってダイスか
ら押し出し、得られた成形体をカッターにて所定寸法に
切断した後に各原料特性に応じた条件で脱脂焼結して製
造される。また円錐状または角錐状などの錐状のフィラ
ーおよび多面体形状のフィラーは原料混合物を射出成形
し、得られた成形体を焼結して製造される。

【００２５】さらに上記熱伝導性フィラーの大きさは、
放熱体の使用寸法、特に厚さによって異なるが、底面の
幅および高さが１０μｍ〜数mmの範囲に設定される。ま
た熱伝導性フィラーの底面の幅に対する高さの比（アス
ペクト比）は放熱体の用途によって適宜設定できるが、
通常はアスペクト比を１〜２の範囲に設定すると、隣り
合うフィラー同士が放熱体の厚さ方向に積み重なるよう
に接触する割合が多くなるため好ましい。

【００２６】また上記マトリックス樹脂中に分散させる
熱伝導性フィラーはシート状放熱体全体の熱伝導率を向
上させるため、および適度な可撓性（密着性）を付与す
るために放熱体容積に対して３５〜９０容積％の割合で
添加される。添加量が３５容積％未満においては、熱伝
導率の改善効果が少ない一方、添加量が９０容積％を超
える場合においては、熱伝導性フィラーを保持固定する
マトリックス樹脂の割合が相対的に低下し、放熱体の可
撓性が失われるとともに構造強度が低下してしまう。最
も好適な添加量は７０〜８５容積％である。

【００２７】一方、グリース状（ペースト状）の放熱体
を調製する場合には、マトリックスとなるシリコーンオ
イル中に分散させる熱伝導性フィラーの添加量は、放熱
体の全容積に対して３５〜８０容積％の範囲が好適であ
る。添加量が３５容積％未満の場合には、放熱体全体と
しての熱伝導率が低くなる一方、添加量が８０容積％を
超える過量になると、マトリックスとなるシリコーンオ
イルの割合が減少し、放熱体に流動性がなくなり、接合
面に対する密着性が低下してしまう。

【００２８】

【作用】上記構成に係る放熱体によれば、熱伝導性フィ
ラーの形状を柱状体、多面体、錐体、中空筒状体として
いるため、マトリックス樹脂中において隣り合う熱伝導
性フィラー同士が線接触および面接触によって接触し易
く、放熱体の厚さ方向に連続した放熱経路が形成され易
くなり、またマトリックス樹脂中へのフィラーの充填密
度を増加させることができる。したがって、放熱体全体
の熱伝導率を高めることが可能となり、放熱特性に優れ
た放熱体を提供することができる。

【００２９】

【実施例】次に本発明の一実施例を添付図面を参照して
説明する。

【００３０】実施例１ 図１は本発明に係る放熱体の一実施例を示す断面図であ
り、グリース状に形成した放熱体１ｂの構造を示す。図
２は図１におけるII部の拡大断面図である。

【００３１】すなわち実施例１に係る放熱体１ｂは、柔
軟性を有するマトリックス樹脂２ｂ中に種々の形状を有
する熱伝導性フィラー３ｂを含有させて構成される。上
記グリース状放熱体１ｂは、例えばマトリックス樹脂２
ｂに対して体積比で２０〜８０％の熱伝導性フィラー３
ｂを混合し、さらに必要に応じて添加物を適量配合し、
得られた原料混合体を混練して製造される。

【００３２】上記マトリックス樹脂２ｂとしては、例え
ばシリコーンオイル等を用いることができる。一方、熱
伝導性フィラー３ｂとしては、図５（Ａ）に示す円柱状
のフイラー４ａ、図５（Ｂ）に示す三角柱状のフィラー
４ｂ、図５（Ｃ）に示す四角柱状のフィラー４ｃ、図５
（Ｄ）に示す六角柱状のフィラー４ｄ、図５（Ｅ）に示
す四角錐状のフィラー４ｅ、図５（Ｆ）に示す円錐状の
フィラー４ｆ、図５（Ｇ）に示す六角錐状のフィラー４
ｇ、図５（Ｈ）に示すような中空部５ａを有する円柱状
のフィラー４ｈ、図５（Ｉ）に示すような中空部５ｂを
有する四角柱状のフィラー４ｉ等種々の形状および寸法
を有する熱伝導性フィラー３ｂが単独または２種以上混
在した状態で使用される。特に各熱伝導性フィラー３ｂ
の粒径が不規則であり、広い粒径分布を示すような熱伝
導性フィラー混合体を使用することにより、粗大なフィ
ラーの間隙部に微細なフィラーが侵入する結果、マトリ
ックス樹脂２ｂに対する上記熱伝導性フィラー３ｂの充
填密度を従来より大幅に高めることができ、放熱体１ｂ
全体としての熱伝導率を上昇させることができる。特に
中空部５ａ，５ｂを有する円筒状のフィラー４ｈや四角
筒状のフィラー４ｉを使用した場合には、この中空部５
ａ，５ｂに他の微小なフィラーが侵入したり、部分的に
嵌入する効果があり、熱伝導性フィラー３ｂの充填密度
をさらに上昇できる利点を有する。

【００３３】上記熱伝導性フィラー３ｂを構成する材料
としては、例えば熱伝導率が１８０〜２６０Ｗ／ｍ・℃
と高く、かつ電気絶縁性を有するセラミックス焼結体が
使用される。

【００３４】上記構成のグリース状放熱体１ｂによれ
ば、柱状体、多面体、中空筒状体形状を有する熱伝導性
フィラー３ｂを使用しているため、熱伝導性フィラー３
ｂ同士がマトリックス樹脂２ｂ中に線接触や面接触状態
で高密度に充填される。したがって、放熱体１ｂ全体の
熱伝導率を大幅に高めることができる。

【００３５】特に図２に示すように線接触や面接触状態
で熱伝導性フィラー３ｂが放熱体１ｂの厚さ方向に連設
される割合が高くなり、厚さ方向に連続した放熱経路が
形成され易くなる。したがって、放熱体１ｂの一方の表
面に伝達された熱が低熱伝導性のマトリックス樹脂２ｂ
を通過する割合が減少し、グリース状放熱体１ｂ全体の
放熱特性を大幅に改善することができた。

【００３６】実施例２ 次に本発明に係る他の実施例について図３および図４を
参照して説明する。

【００３７】図３は実施例２に係る放熱体１ｃを示す断
面図であり、シート状に形成した放熱体１ｃの構成を示
す。図４は図３におけるIV部拡大断面図である。すなわ
ち、実施例２に係る放熱体１ｃは、マトリックス樹脂２
ｃとしてのシリコーンゴム中に直方体や円柱状の熱伝導
性フィラー３ｃを含有させて構成される。

【００３８】この放熱体１ｃは下記のような手順で製造
した。すなわち、まず窒化アルミニウム原料粉末に焼結
助剤としての酸化イットリウムを３重量％添加した原料
混合体を押出成形法によって長尺成形体とし、この長尺
成形体をカッターで所定寸法に切断して成形体とした。
次に得られた成形体を窒素雰囲気で１８００℃にて焼成
して熱伝導率２００Ｗ／ｍ・℃程度の焼結体（熱伝導性
フィラー３ｃ）とした。そして、この熱伝導性フィラー
３ｃの表面に親油性の強い基を有する界面活性剤（例え
ばアミド系の界面活性剤）等のコーティング剤を塗布し
た。このように熱伝導性フィラー３ｃの表面にコーティ
ング剤を塗布することによって、マトリックス樹脂２ｃ
と熱伝導性フィラー３ｃとの濡れ性が改善される結果、
シート状放熱体１ｃ全体中における熱伝導性フィラー３
ｃの充填密度が増大して所定の高熱伝導率を付与するこ
とができる。そしてコーティング剤を塗布した熱伝導性
フィラー３ｃの周囲にマトリックス樹脂２ｃを所定厚さ
で付着せしめ、さらに加熱、プレス加工により実施例２
に係るシート状放熱体１ｃを製造した。

【００３９】こうして製造された実施例２に係るシート
状放熱体１ｃにおいては、直方体や円柱状の熱伝導性フ
ィラー３ｃを使用しているため、実施例１と同様に熱伝
導性フィラー３ｃ同士がマトリックス樹脂２ｃ中に線接
触や面接触状態で高密度に充填される。したがって、放
熱体１ｃ全体の熱伝導率を大幅に高めることができる。

【００４０】特に図４に示すように線接触や面接触状態
で熱伝導性フィラー３ｃが放熱体１ｃの厚さ方向に連設
される割合が高くなり、厚さ方向に連続した放熱経路が
形成され易くなる。したがって、放熱体１ｃの一方の表
面に伝達された熱が低熱伝導性のマトリックス樹脂２ｃ
を通過する割合が減少し、シート状放熱体１ｃ全体の放
熱特性を大幅に改善することができた。

【００４１】また上記実施例１〜２に係るグリース状放
熱体１ｂおよびシート状放熱体１ｃを、ＬＳＩパッケー
ジ等の電子・電気部品と放熱ファン等のヒートシンク
（冷却手段）の間に挟むことにより、電子・電気部品で
発生する熱は、放熱体１ｂ，１ｃの厚さ方向に効果的に
伝達され、ヒートシンクで効率よく冷却することができ
た。

【００４２】以上説明した各実施例においては、いずれ
も電気絶縁性を有する窒化アルミニウム焼結体で各熱伝
導性フィラー３ｂ，３ｃを形成した放熱体１ｂ，１ｃを
示しているが、この他にも窒化ボロン、アルミナセラミ
ック等の熱伝導率が高く、電気絶縁性を有する部材でフ
ィラーを形成した場合においても同様な効果が確認され
た。また、熱伝導率が高くて導電性を有する金、銅、ア
ルミニウム等の金属部材で熱伝導性フィラーを形成する
ことにより、導電性を有し、かつ放熱体の厚さ方向の熱
伝導率がよい放熱体を製造することもできる。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る放熱体
によれば、熱伝導性フィラーの形状を柱状体、多面体、
錐体、中空筒状体としているため、マトリックス樹脂中
において隣り合う熱伝導性フィラー同士が線接触および
面接触によって接触し易く、放熱体の厚さ方向に連続し
た放熱経路が形成され易くなり、またマトリックス樹脂
中へのフィラーの充填密度を増加させることができる。
したがって、放熱体全体の熱伝導率を高めることが可能
となり、放熱特性に優れた放熱体を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る放熱体の一実施例を示す断面図。

【図２】図１におけるII部拡大断面図。

【図３】本発明に係る放熱体の他の実施例を示す断面
図。

【図４】図３におけるIV部拡大断面図。

【図５】（Ａ）〜（Ｉ）はそれぞれ本発明の放熱体に使
用される熱伝導性フィラーの形状例を示す斜視図。

【図６】グリース状放熱体全体に対する熱伝導性フィラ
ーの混合体積比とグリース状放熱体の熱伝導比との関係
を示すグラフ。

【図７】従来のシート状放熱体の構成例を示す断面図。

【図８】従来のグリース状放熱体の構成例を示す断面
図。

【符号の説明】

１，１ａ，１ｂ 放熱体（サーマルコンパウンド） ２，２ａ，２ｂ マトリックス樹脂 ３，３ａ，３ｂ 熱伝導性フィラー ４，４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ，４ｆ，４ｇ，４
ｈ，４ｉ 熱伝導性フィラー ５ａ，５ｂ 中空部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤森 良経 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 門馬 旬 神奈川県横浜市鶴見区末広町２の４ 株式 会社東芝京浜事業所内 (72)発明者 坂本 敏也 神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地 株 式会社東芝横浜事業所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 柔軟性を有するマトリックス樹脂中に熱
   伝導性フィラーを含有させて成り、上記熱伝導性フィラ
   ーを、柱状体、多面体、錐体、中空筒状体の少なくとも
   １種の形状に形成したことを特徴とする放熱体。