JPWO2016111139A1 - 蓄熱性熱伝導シート - Google Patents

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Abstract

マトリックス樹脂と蓄熱性無機粒子を含む蓄熱性シート(1,1a,1b)と熱拡散材(2,2a,2b)が一体化された蓄熱性熱伝導シート(3,4,5)であり、前記蓄熱性無機粒子は電子相転移する物質で電子相転移による潜熱が1J/cc以上の物質からなる蓄熱性無機粒子であり、マトリックス樹脂100質量部に対して10〜2000質量部含み、前記蓄熱性シートの熱伝導率が0.3W/m・K以上であり、前記熱拡散材は平面方向の熱伝導率が20〜2000W/m・Kである。これにより、蓄熱性と熱伝導性が高く、物理的に安定であり、平面方向の熱の拡散性に優れた蓄熱性熱伝導シートを提供する。

Description

本発明は蓄熱性熱伝導シートに関する。さらに詳しくは、平面方向の熱の拡散性に優れた蓄熱性熱伝導シートに関する。
電子機器等に使用されている半導体は使用中に発熱し、電子部品の性能が低下することがある。そのため発熱するような電子部品には通常はゲル状又は軟質ゴム状の熱伝導性シートを介して金属製放熱体が取り付けられる。近年は発熱電子部品に蓄熱材シートを取り付け、蓄熱材シートに熱を蓄え、熱を伝える速度を遅らせる方法も提案されている。特許文献1〜2には蓄熱材を内包するマイクロカプセルを練り込んだ蓄熱性ゴムが提案されている。特許文献3にはパラフィンワックスポリマーと熱伝導フィラーを含むシリコーンエラストマーの全周囲をコート材によってコーティングした熱対策部材が提案されている。特許文献4には蓄熱材としてタングステンなどの微量金属を含む酸化バナジウム等が提案されている。
特開2010−184981号公報 特開2010−235709号公報 特開2012−102264号公報 特開2010−163510号公報
しかし、前記特許文献1〜2の提案はゲル又は軟質ゴム自体が熱絶縁物質であることから、発熱部材から蓄熱材まで伝熱しにくいという問題があり、特許文献3〜4の提案も蓄熱性と熱伝導性のさらなる改良が求められていた。また、マイクロカプセルはマトリックス樹脂材料と混合する際に壊れやすいという問題もあった。また、特許文献1〜3は、パラフィンなど、液体〜固体状態変化に伴う潜熱を利用したものであるが、液体状態ではマトリックス相に溶解して蓄熱効果が発揮できない、もしくは、繰り返しの使用で蓄熱性能が低下するという問題があった。それを改善するために、蓄熱材として効果を発揮する物質をマイクロカプセル化する提案がなされたが、マトリックス材料と混合する際に一部が破壊しやすく、また、繰り返し使用による蓄熱性能低下を十分に抑えることはできなかった。特許文献3では、蓄熱材であるパラフィンワックスの滲みだしを防ぐためにパラフィンワックスポリマーと熱伝導フィラーを含むシリコーンエラストマーの全周囲をコート材によってコーティングした熱対策部材が提案されているが、繰り返し使用による蓄熱性能の低下という基本的問題を解決することはできなかった。特許文献4は、液固相変化による潜熱ではなく、電子相転移が蓄熱効果に寄与する提案であるが、このような電子相転移する物質をポリマーマトリックスとともに使用する可能性や期待効果については何ら言及されていないうえ、熱硬化性ポリマーに適用すると硬化阻害を起こす問題があった。さらに、特許文献1〜4は平面方向の熱の拡散性が乏しいという問題もあった。
本発明は前記従来の問題を解決するため、蓄熱性と熱伝導性が高く、物理的に安定であり、平面方向の熱の拡散性に優れた蓄熱性熱伝導シートを提供する。
本発明の蓄熱性熱伝導シートは、マトリックス樹脂と蓄熱性無機粒子を含む蓄熱性シートと熱拡散材が一体化された蓄熱性熱伝導シートであり、前記蓄熱性無機粒子は電子相転移する物質で電子相転移による潜熱が1J/cc以上の物質からなる蓄熱性無機粒子であり、マトリックス樹脂100質量部に対して10〜2000質量部含み、前記蓄熱性シートの熱伝導率が0.3W/m・K以上であり、前記熱拡散材は平面方向の熱伝導率が20〜2000W/m・Kであることを特徴とする。
本発明は、マトリックス樹脂と蓄熱性無機粒子を含む蓄熱性シートのいずれかの部分に熱拡散材を一体的に貼り合わせた蓄熱性熱伝導シートとすることにより、蓄熱性及び熱伝導性が高く、物理的に安定であり、平面方向の熱の拡散性に優れた蓄熱性熱伝導シートを提供できる。すなわち、発熱部品から発生する熱を蓄熱性シートに移動させ、蓄熱させることにより熱伝導性を遅らせ、この間に熱を拡散させ、さらに熱拡散材に熱を移動させ平面方向に拡散させることにより、部分加熱やヒートスポットをなくすか又は減少させ、均一な放熱が可能となる。すなわち、蓄熱性シートと熱拡散材の両方の熱拡散効果により、発熱部品から発生する熱を拡散して放熱できる。また、蓄熱性及び熱伝導性を発揮する材料はいずれも無機物質であるため、マトリックス樹脂材料と混合する際にも安定な蓄熱性熱伝導シートとすることができる。さらに蓄熱性熱伝導シートと熱拡散材を一体的に貼り合わせることにより界面の熱抵抗を減らし、平面方向の熱拡散性を高くすることができる。
図1A〜図1Cは本発明の一実施例における蓄熱性熱伝導シートの模式的断面図である。 図2Aは本発明の一実施例の熱拡散性を測定する装置の模式的断面図、図2Bは同、蓄熱性熱伝導シートの温度測定位置を示す平面図である。 図3A−Bは本発明の一実施例における蓄熱性熱伝導シートの熱伝導率及び熱抵抗値の測定方法を示す説明図である。 図4は本発明の実施例1のシートの温度上昇を示すグラフである。 図5は比較例1のシートの温度上昇を示すグラフである。 図6は本発明の実施例2のシートの温度上昇を示すグラフである。 図7は比較例2のシートの温度上昇を示すグラフである。 図8は本発明の実施例3のシートの温度上昇を示すグラフである。 図9は本発明の実施例4のシートの温度上昇を示すグラフである。 図10は本発明の実施例5のシートの温度上昇を示すグラフである。
本発明は、蓄熱性シートのいずれかの部分に熱拡散材を一体的に貼り合わせたものである。例えば、熱拡散材は蓄熱性シートのいずれか一方の主面又は両面、及び/又は蓄熱性シートの内層に熱拡散材を一体化しても良い。一例として、蓄熱性シートと熱拡散材とを貼り合わせる面の一方又は双方にコロナ処理を施して一体的に貼り合わす。これにより貼り合わせ面は活性化され強固な一体化ができる。また、蓄熱性シートと蓄熱性シートは直接接合により一体化されるので、界面における熱抵抗は少なく、熱伝導性の良好な蓄熱性熱伝導シートが得られる。表面タック性のある蓄熱性シートの場合は、タック力のみによっても直接接合できる。
熱拡散材はグラファイトシート、または、金、白金、銀、チタン、アルミニュウム、パラジウム、銅、ニッケルから選ばれるいずれかの金属または合金であることが好ましい。これらの熱拡散材は熱拡散性が高く、とくに平面方向の熱拡散性を高くすることができる。この中でも平面方向の熱拡散性が高いグラファイトシートが好ましい。本発明の蓄熱性熱伝導性シートを発熱体と放熱体の間に介在させると、発熱体から発生する熱はまず蓄熱性シートに移動し、次いで熱拡散材に移動して平面方向に熱拡散する。
グラファイトシートは、グラファイトの脱落を防止する為にラミネート処理又はポリエチレンテレフタレート(PET)フィルムで挟む形状にしている物の場合はそのまま使用できる。また、メッシュ形状の物でも同様に使用できる。
本発明の蓄熱性シートは、マトリックス樹脂と電子相転移する物質で電子相転移による潜熱が1J/cc以上の物質からなる蓄熱性無機粒子を含む蓄熱性組成物とし、これをシート化したものである。前記潜熱は1〜500J/ccが好ましく、さらに好ましくは140〜240J/ccである。前記潜熱は転移エンタルピーと同義である。前記蓄熱粒子はバナジウムを主たる金属成分とする金属酸化物粒子が好ましく、マトリックス樹脂100質量部に対して10〜2000質量部含み、蓄熱性組成物の熱伝導率は0.3W/m・K以上である。バナジウムを主たる金属成分とする金属酸化物粒子は良好な蓄熱性と熱伝導率を兼ね備えており、マトリックス樹脂が断熱性であっても、外部からの熱を蓄熱性組成物内部に取り込み、蓄熱する利点がある。また前記の熱伝導率であれば、外部からの熱を蓄熱性組成物内部に取り込み易い。
電子相転移する物質で電子相転移による潜熱が1J/cc以上の物質からなる蓄熱性無機粒子はVO2,LiMn2O4,LiVS2,LiVO2,NaNiO2,LiRh2O4,V2O3,V4O7,V6O11,Ti4O7,SmBaFe2O5,EuBaFe2O5,GdBaFe2O5,TbBaFe2O5,DyBaFe2O5,HoBaFe2O5,YBaFe2O5,PrBaCo2O5.5,DyBaCo2O5.54,HoBaCo2O5.48,YBaCo2O5.49等が好ましい。これらの化合物の電子相転移温度及び電子相転移による潜熱は、特許文献4の図7に記載されている。この中でも蓄熱性と熱伝導率からVO2が好ましい。酸化バナジウムにはAl, Ti, Cr, Mn, Fe, Cu, Ga, Ge, Zr, Nb, Mo, Ru, Sn, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir等の元素Qを固溶させても良い。VO2に前記Qを含む場合は、V(1-x)x2(但し、xは0≦x<1)が好ましい。
酸化バナジウム粒子の平均粒子径は0.1〜100μmであるのが好ましくさらに好ましくは1〜50μmである。これによりマトリックス樹脂との混合性及び加工性を良好にできる。粒子径の測定はレーザー回折光散乱法により、50質量%粒子径を測定する。この測定器としては、例えば堀場製作所製社製のレーザー回折/散乱式粒子分布測定装置LA−950S2がある。
本発明の蓄熱性無機粒子はそのままでも使用できるが、アルコキシシラン又はアルキルチタネートにより表面処理したものでもよい。表面処理は、蓄熱性無機粒子の表面にアルコキシシラン又はアルキルチタネートを接触させ、吸着又は化学結合した状態にする。これにより化学的に安定な状態とする。アルコキシシランは、R(CH3aSi(OR’)3-a(Rは炭素数1〜20のアルキル基、R’は炭素数1〜4のアルキル基、aは0もしくは1)で示されるシラン化合物、もしくはその部分加水分解物が好ましい。具体的には後に説明する熱伝導性無機粒子の表面処理剤と同様である。処理条件も同様である。アルキルチタネートを使用する場合はテトラブチルチタネートが好ましい。前記表面処理すると、熱硬化性ポリマーに適用する場合、硬化阻害を起こさず安定な蓄熱性組成物とすることができる。表面処理しない蓄熱性無機粒子を使用すると硬化阻害が起こる場合がある。蓄熱性無機粒子を予め表面処理しておくと、硬化阻害を防止できる。
マトリックス樹脂としては熱硬化性樹脂でもよいし熱可塑性樹脂でもよい。樹脂にはゴムやエラストマーも含む。熱硬化性樹脂にはエポキシ樹脂,フェノール樹脂,不飽和ポリエステル樹脂,メラミン樹脂等があるがここに挙げた限りではない。熱可塑性樹脂にはポリエチレン,ポリプロピレン等のポリオレフィン,ポリエステル,ナイロン,ABS樹脂,メタクリル樹脂,ポリフェニレンスルフィド,弗素樹脂,ポリスルホン,ポリエーテルイミド,ポリエーテルスルホン,ポリエーテルケトン,液晶ポリエステル,ポリイミド、あるいはこれらの共重合品、ポリマーアロイ、ブレンド品等があるがここに挙げた限りではない。また二種以上の熱可塑性樹脂の混合物を用いることも可能である。ゴムには、天然ゴム(ASTM略語NR)、イソプレンゴム(IR)、ブタジエンゴム(BR)、1,2−ポリブタジエン(1,2-BR)、スチレンーブタジエン(SBR)、クロロプレンゴム(CR),二トリルゴム(NBR)、ブチルゴム(IIR)、エチレンープロピレンゴム(EPM、EPDM)、クロロスルホン化プリエチレン(CSM)アクリルゴム(ACM、ANM)、エピクロルヒドリンゴム(CO,ECO)多硫化ゴム(T)、シリコーンゴム、フッ素ゴム(FKM)、ウレタンゴム(U)等があるがここに挙げた限りではない。熱可塑性エラストマー(TPE)にも適用できる。TPEとしては、一例としてスチレン系TPE,オレフィン系TPE,塩化ビニル系TPE,ウレタン系TPE,エステル系TPE,アミド系TPE,塩素化ポエチレン系TPE, Syn-1,2-ポリブタジエン系TPE, Trans-1,4-ポリイソプレン系TPE,フッ素系TPE等が挙げられる。前記マトリックス樹脂はオルガノポリシロキサンであるのが好ましい。オルガノポリシロキサンは耐熱性が高く、加工性も良いからである。オルガノポリシロキサンをマトリックスとする蓄熱性組成物は、ゴム、ゴムシート、パテ、グリースなどいかなるものであっても良い。
マトリックス樹脂がオルガノポリシロキサンの場合は、下記組成のコンパウンドを架橋して得るのが好ましい。
(A)ベースポリマー成分:1分子中に平均2個以上かつ分子鎖両末端のケイ素原子に結合したアルケニル基を含有する直鎖状オルガノポリシロキサン
(B)架橋成分:1分子中に平均2個以上のケイ素原子に結合した水素原子を含有するオルガノハイドロジェンポリシロキサンが、前記A成分中のケイ素原子結合アルケニル基1モルに対して、1モル未満の量
(C)白金系金属触媒:A成分に対して質量単位で0.01〜1000ppm
(D)蓄熱性無機粒子(バナジウムを主たる金属成分とする金属酸化物粒子):マトリックス樹脂100質量部に対して10〜2000質量部
(E)熱伝導性粒子を加える場合:マトリックス樹脂100質量部に対して100〜2000質量部
(F)無機粒子顔料:マトリックス樹脂100質量部に対して0.1〜10質量部
(1)ベースポリマー成分
ベースポリマー成分(A成分)は、一分子中にケイ素原子に結合したアルケニル基を2個以上含有するオルガノポリシロキサンであり、アルケニル基を2個含有するオルガノポリシロキサンは本発明のシリコーンゴム組成物における主剤(ベースポリマー成分)である。このオルガノポリシロキサンは、アルケニル基として、ビニル基、アリル基等の炭素原子数2〜8、特に2〜6の、ケイ素原子に結合したアルケニル基を一分子中に2個有する。粘度は25℃で10〜1000000mPa・s、特に100〜100000mPa・sであることが作業性、硬化性などから望ましい。具体的には、下記一般式(化1)で表される1分子中に平均2個以上かつ分子鎖末端のケイ素原子に結合したアルケニル基を含有するオルガノポリシロキサンを使用する。側鎖はトリオルガノシロキシ基で封鎖された直鎖状オルガノポリシロキサンである。25℃における粘度は10〜1000000mPa・sのものが作業性、硬化性などから望ましい。なお、この直鎖状オルガノポリシロキサンは少量の分岐状構造(三官能性シロキサン単位)を分子鎖中に含有するものであってもよい。
Figure 2016111139
式中、R1は互いに同一又は異種の脂肪族不飽和結合を有さない非置換又は置換一価炭化水素基であり、R2はアルケニル基であり、kは0又は正の整数である。ここで、R1の脂肪族不飽和結合を有さない非置換又は置換の一価炭化水素基としては、例えば、炭素原子数1〜10、特に1〜6のものが好ましく、具体的には、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、tert−ブチル基、ペンチル基、ネオペンチル基、ヘキシル基、シクロヘキシル基、オクチル基、ノニル基、デシル基等のアルキル基、フェニル基、トリル基、キシリル基、ナフチル基等のアリール基、ベンジル基、フェニルエチル基、フェニルプロピル基等のアラルキル基、並びに、これらの基の水素原子の一部又は全部をフッ素、臭素、塩素等のハロゲン原子、シアノ基等で置換したもの、例えばクロロメチル基、クロロプロピル基、ブロモエチル基、トリフロロプロピル基等のハロゲン置換アルキル基、シアノエチル基等が挙げられる。R2のアルケニル基としては、例えば炭素原子数2〜6、特に2〜3のものが好ましく、具体的にはビニル基、アリル基、プロペニル基、イソプロペニル基、ブテニル基、イソブテニル基、ヘキセニル基、シクロヘキセニル基等が挙げられ、好ましくはビニル基である。一般式(1)において、kは、一般的には0≦k≦10000を満足する0又は正の整数であり、好ましくは5≦k≦2000、より好ましくは10≦k≦1200を満足する整数である。
A成分のオルガノポリシロキサンとしては一分子中に例えばビニル基、アリル基等の炭素原子数2〜8、特に2〜6のケイ素原子に結合したアルケニル基を3個以上、通常、3〜30個、好ましくは、3〜20個程度有するオルガノポリシロキサンを併用しても良い。分子構造は直鎖状、環状、分岐状、三次元網状のいずれの分子構造のものであってもよい。好ましくは、主鎖がジオルガノシロキサン単位の繰り返しからなり、分子鎖両末端がトリオルガノシロキシ基で封鎖された、25℃での粘度が10〜1000000mPa・s、特に100〜100000mPa・sの直鎖状オルガノポリシロキサンである。
アルケニル基は分子のいずれかの部分に結合していればよい。例えば、分子鎖末端、あるいは分子鎖非末端(分子鎖途中)のケイ素原子に結合しているものを含んでも良い。なかでも下記一般式(化2)で表される分子鎖両末端のケイ素原子上にそれぞれ1〜3個のアルケニル基を有する。但し、この分子鎖末端のケイ素原子に結合したアルケニル基が、両末端合計で3個未満である場合には、分子鎖非末端(分子鎖途中)のケイ素原子に結合したアルケニル基を、(例えばジオルガノシロキサン単位中の置換基として)、少なくとも1個有する直鎖状オルガノポリシロキサンであって、上記でも述べた通り25℃における粘度が10〜1,000,000mPa・sのものが作業性、硬化性などから望ましい。なお、この直鎖状オルガノポリシロキサンは少量の分岐状構造(三官能性シロキサン単位)を分子鎖中に含有するものであってもよい。
Figure 2016111139
式中、R3は互いに同一又は異種の非置換又は置換一価炭化水素基であって、少なくとも1個がアルケニル基である。R4は互いに同一又は異種の脂肪族不飽和結合を有さない非置換又は置換一価炭化水素基であり、R5はアルケニル基であり、l,mは0又は正の整数である。ここで、R3の一価炭化水素基としては、炭素原子数1〜10、特に1〜6のものが好ましく、具体的には、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、tert−ブチル基、ペンチル基、ネオペンチル基、ヘキシル基、シクロヘキシル基、オクチル基、ノニル基、デシル基等のアルキル基、フェニル基、トリル基、キシリル基、ナフチル基等のアリール基、ベンジル基、フェニルエチル基、フェニルプロピル基等のアラルキル基、ビニル基、アリル基、プロペニル基、イソプロペニル基、ブテニル基、ヘキセニル基、シクロヘキセニル基、オクテニル基等のアルケニル基や、これらの基の水素原子の一部又は全部をフッ素、臭素、塩素等のハロゲン原子、シアノ基等で置換したもの、例えばクロロメチル基、クロロプロピル基、ブロモエチル基、トリフロロプロピル基等のハロゲン置換アルキル基やシアノエチル基等が挙げられる。
また、R4の一価炭化水素基としても、炭素原子数1〜10、特に1〜6のものが好ましく、上記R1の具体例と同様のものが例示できるが、但しアルケニル基は含まない。R5のアルケニル基としては、例えば炭素数2〜6、特に炭素数2〜3のものが好ましく、具体的には前記式(化1)のR2と同じものが例示され、好ましくはビニル基である。
l,mは、一般的には0<l+m≦10000を満足する0又は正の整数であり、好ましくは5≦l+m≦2000、より好ましくは10≦l+m≦1200で、かつ0<l/(l+m)≦0.2、好ましくは0.0011≦l/(l+m)≦0.1を満足する整数である。
(2)架橋成分(B成分)
本発明のB成分のオルガノハイドロジェンポリシロキサンは架橋剤として作用するものであり、この成分中のSiH基とA成分中のアルケニル基とが付加反応(ヒドロシリル化)することにより硬化物を形成するものである。かかるオルガノハイドロジェンポリシロキサンは、一分子中にケイ素原子に結合した水素原子(即ち、SiH基)を2個以上有するものであればいずれのものでもよく、このオルガノハイドロジェンポリシロキサンの分子構造は、直鎖状、環状、分岐状、三次元網状構造のいずれであってもよいが、一分子中のケイ素原子の数(即ち、重合度)は2〜1000、特に2〜300程度のものを使用することができる。
水素原子が結合するケイ素原子の位置は特に制約はなく、分子鎖の末端でも非末端(途中)でもよい。また、水素原子以外のケイ素原子に結合した有機基としては、前記一般式(化1)のR1と同様の脂肪族不飽和結合を有さない非置換又は置換一価炭化水素基が挙げられる。
B成分のオルガノハイドロジェンポリシロキサンとしては下記構造のものが例示できる。
Figure 2016111139
Figure 2016111139
Figure 2016111139
上記の式中、Phはフェニル基、エポキシ基、アクリロイル基、メタアクリロイル基、アルコキシ基の少なくとも1種を含む有機基である。Lは0〜1,000の整数、特には0〜300の整数であり、Mは1〜200の整数である。
(3)触媒成分
C成分の触媒成分は、本組成物の硬化を促進させる成分である。C成分としては、ヒドロシリル化反応に用いられる触媒として周知の触媒を用いることができる。例えば白金黒、塩化第2白金、塩化白金酸、塩化白金酸と一価アルコールとの反応物、塩化白金酸とオレフィン類やビニルシロキサンとの錯体、白金ビスアセトアセテート等の白金系触媒、パラジウム系触媒、ロジウム系触媒などの白金族金属触媒が挙げられる。C成分の配合量は、硬化に必要な量であればよく、所望の硬化速度などに応じて適宜調整することができる。A成分に対して金属原子質量として0.01〜1000ppm添加する。
(4)蓄熱性無機粒子
D成分の電子相転移する物質で電子相転移による潜熱が1J/cc以上の物質からなる蓄熱性無機粒子は前記のとおりである。蓄熱性無機粒子はバナジウムを主たる金属成分とする金属酸化物が好ましく、後に説明するR(CH3aSi(OR’)3-a(Rは炭素数1〜20のアルキル基、R’は炭素数1〜4のアルキル基、aは0もしくは1)で示されるシラン化合物もしくはその部分加水分解物又はアルキルチタネートで表面処理しておいても良い。表面処理しない蓄熱性無機粒子を使用すると硬化阻害が起こる場合がある。蓄熱性無機粒子を予め表面処理しておくと、硬化阻害を防止できる。
(5)熱伝導性粒子
E成分の熱伝導性粒子を加える場合は、マトリックス成分100質量部に対して100〜2000質量部添加する。これにより蓄熱性組成物の熱伝導率をさらに上げることができる。熱伝導粒子としては、アルミナ,酸化亜鉛,酸化マグネシウム、窒化アルミ、窒化ホウ素、水酸化アルミ及びシリカから選ばれる少なくとも一つであることが好ましい。形状は球状,鱗片状,多面体状等様々なものを使用できる。アルミナを使用する場合は、純度99.5質量%以上のα−アルミナが好ましい。熱伝導性粒子の比表面積は0.06〜10m2/gの範囲が好ましい。比表面積はBET比表面積であり、測定方法はJIS R1626にしたがう。平均粒子径を用いる場合は、0.1〜100μmの範囲が好ましい。粒子径の測定はレーザー回折光散乱法により、50%粒子径を測定する。この測定器としては、例えば堀場製作所製社製のレーザー回折/散乱式粒子分布測定装置LA−950S2がある。
熱伝導性粒子は平均粒子径が異なる少なくとも2つの無機粒子を併用するのが好ましい。このようにすると大きな粒子径の間に小さな粒子径の熱伝導性無機粒子が埋まり、最密充填に近い状態で充填でき、熱伝導性が高くなるからである。
無機粒子は、R(CH3aSi(OR’)3-a(Rは炭素数1〜20のアルキル基、R’は炭素数1〜4のアルキル基、aは0もしくは1)で示されるシラン化合物、もしくはその部分加水分解物で表面処理するのが好ましい。R(CH3aSi(OR’)3-a(Rは炭素数1〜20のアルキル基、R’は炭素数1〜4のアルキル基、aは0もしくは1)で示されるアルコキシシラン化合物(以下単に「シラン」という。)は、一例としてメチルトリメトキシラン,エチルトリメトキシラン,プロピルトリメトキシラン,ブチルトリメトキシラン,ペンチルトリメトキシラン,ヘキシルトリメトキシラン,ヘキシルトリエトキシシラン,オクチルトリメトキシシラン,オクチルトリエトキシラン,デシルトリメトキシシラン,デシルトリエトキシシラン,ドデシルトリメトキシシラン,ドデシルトリエトキシシラン,ヘキサドデシルトリメトキシシラン,ヘキサドデシルトリエトキシシシラン,オクタデシルトリメトキシシラン,オクタデシルトリエトキシシシラン等のシラン化合物がある。前記シラン化合物は、一種又は二種以上混合して使用することができる。表面処理剤として、アルコキシシランと片末端シラノールシロキサンを併用してもよい。ここでいう表面処理とは共有結合のほか吸着なども含む。平均粒子径2μm以上の粒子は、粒子全体を100質量%としたとき50質量%以上添加するのが好ましい。
(6)その他の成分
本発明の組成物には、必要に応じて前記以外の成分を配合することができる。例えばベンガラなどの無機顔料、フィラーの表面処理等の目的でアルキルトリアルコキシシランなどのアルコキシ基含有シリコーンを添加しても良い。
本発明の熱伝導性シリコーン材料の熱伝導率は0.3W/m・K以上の範囲である。好ましくは0.3〜10W/m・K、さらに好ましくは1〜10W/m・Kである。前記の範囲であれば、発熱体からの熱を蓄熱材に効率よく熱伝導させることができる。蓄熱性の測定方法については実施例で説明する。
次に熱拡散材として好ましいグラファイトシートについて説明する。グラファイトシートは高分子フィルムをグラファイト化する方法と、天然黒鉛,膨張黒鉛を粉末にし、圧延によってシート化する方法によるものがある。高分子フィルムをグラファイト化する方法は横方向の熱伝導率が高いという特徴がある。天然黒鉛,膨張黒鉛を粉末にし、圧延によってシート化する方法は安価であることが特徴である。本発明においては、双方の製造方法により得られるグラファイトシートが使用できる。この中でも熱拡散の用途の場合ある程度の熱伝導率があればよいので天然黒鉛,膨張黒鉛を粉末にし、圧延によってシート化する方法によるグラファイトシートを使うのが好ましい。グラファイトシートの厚みは10〜500μmが好ましい。グラファイトシートの平面方向の熱伝導率は20〜2000W/mKが好ましく、高ければ高いほど好ましい。
蓄熱性シートの厚みは0.3〜3.0mmが好ましい。また、蓄熱性熱伝導性シートの総厚みは0.31〜3.5mmが好ましい。前記の範囲であれば、薄くて半導体等の発熱部品に組み込むのに都合がよい。
コロナ放電処理は、電極間に高電圧及び高周波を付与し、電極間の空間に存在するガスをイオン化させて、貼り合わせ面に−OH基、−COOH基等の反応基(活性基)を生成させる処理である。この処理によって蓄熱性シートと熱拡散材の接着力を高くすることができる。コロナ放電処理の好ましい条件は放電量10〜1000W・min/m2である。この範囲であれば、蓄熱性シートと熱拡散材の接着力が高く、かつ生産性も高く安定したコロナ放電ができる。コロナ放電処理は、例えば春日電機社製、型式AGF−012等を使用して実施できる。
図1A〜図1Cは本発明の一実施例における蓄熱性熱伝導シートの模式的断面図である。まず図1Aは、蓄熱性シート1の一方の主面に熱拡散材2を一体的に貼り合わせた蓄熱性熱伝導シート3の例である。図1Bは、蓄熱性シート1の両面に熱拡散材2a,2bを一体的に貼り合わせた蓄熱性熱伝導シート4の例である。図1Cは、蓄熱性シート1a,1bの内層に熱拡散材2を一体的に貼り合わせた蓄熱性熱伝導シート5の例である。蓄熱性シート1,1a,1bは例えばマトリックス樹脂であるシリコーンゴムに蓄熱性無機粒子と熱伝導性粒子を添加してシート状に成形されている。蓄熱性シート1,1a,1bは蓄熱性と熱伝導性が高い。さらに熱拡散材を一体的に貼り合わせることにより平面方向の熱拡散性を高くすることができる。なお、蓄熱性シート1も熱拡散材2もそれぞれ層状で貼り合わされている。
以下実施例を用いて説明する。本発明は下記の実施例に限定されるものではない。
<熱拡散性試験>
図2Aに熱拡散測定装置10を示す。セラミックヒーター11の上に蓄熱性熱伝導シート12をのせ、上方150mmの位置からアスビテ社製、サーモグラフィー13で温度測定をした。セラミックヒーター11の表面にはグリースを塗って蓄熱性熱伝導シート12を貼り合わせ、接触熱抵抗を減らした。熱源のセラミックヒーター11は縦11mm、横9mmとし、定格100V,100Wのもので、印加電力5W、温度130℃とした。蓄熱性熱伝導シート12の大きさは縦50mm、横50mmであった。このシートの測定点は図2Bに示す。(1)は熱源中央部、(2)は熱源の上方の辺、(3)は右下隅部とした(図中では丸1〜丸3、以下同。)。この測定は室温25℃の雰囲気で行った。蓄熱性熱伝導シート12の厚みは、蓄熱性熱伝導シリコーンゴムシートは1.0mm、グラファイトシートの厚みは0.1mmとした。測定の操作は次のとおりとした。
(1)被写体の試料(蓄熱性熱伝導シート12)が放射する赤外線を分析するため、同じ温度であっても被写体の放射率によってエネルギー量が異なってしまうこと、並びに光を反射するような材料についても測定が困難であるため、試料の表面にシリコン系カーボン塗料を塗布して測定した。
(2)図2Aに示すように試料(蓄熱性熱伝導シート12)をセットし、熱源の電源をONし、熱の拡散状態をサーモグラフィー13で画像撮影することにより観察した。
(3)熱拡散状態がほぼ飽和した段階(約3分)にて画像撮影を終了する。
(4)画像測定終了後、図2Bのポイント(1)(2)(3)で温度変化を測定する。
<熱抵抗値及び熱伝導率測定方法>
ASTM D5470に準拠したTIM-Tester(Analysis Tech Inc.社製)を使用して測定した。図3A-Bに熱抵抗測定装置21の概略図を示す。図3Aに示すように冷却プレート23の上に直径33mmのシートサンプル24を乗せた。上部にはヒーター25とロードセル26とシリンダー28がこの順番に組み込まれており、シリンダーの外側には円筒形の断熱材27が下に移動できる状態でセットされている。22は天板である。測定時には図3Bの状態とし、シリンダー28を駆動させて100kPaに加圧し、ヒーター25の温度T1と冷却プレート23の温度T2の温度差と、熱流量から次の式により熱抵抗値Rtを算出し、この熱抵抗値Rtとサンプルの厚みから熱伝導率を算出した。
Rt=[(T1−T2)/Q]×S
Rt:熱抵抗値(℃・cm2/W)
T1:ヒーター温度(℃)
T2:冷却プレート温度(℃)
Q:熱流量(W)
S:サンプル接触面積(cm2
<比重>
JIS K 6220に従って測定した。
<硬さ>
IRHD Super softに従い、厚み3mmのシートを使用して測定した。測定時間は10秒である。
(実施例1)
1.材料成分
(1)シリコーン成分
シリコーン成分として二液室温硬化シリコーンゴムを使用した。なお、二液RTVにはベースポリマー成分(A成分)と架橋成分(B成分)と白金系金属触媒(C成分)が予め添加されている。
(2)蓄熱性無機粒子
平均粒子径50μmの二酸化バナジウム粒子(VO2)をシリコーン成分100質量部当たり600質量部(56体積%)の割合で添加し、均一に混合してコンパウンドとした。二酸化バナジウム粒子(VO2)の電子相転移による潜熱は245J/ccである。
2.シート成形加工方法
離型処理をしたポリエステルフィルム上に厚さ3mmの金枠を置き前記コンパウンドを流し込み、もう一枚の離型処理をしたポリエステルフィルムを載せた。これを5MPaの圧力で、120℃、10分硬化し、厚さ1.0mmの蓄熱性シリコーンゴムシートを成形した。蓄熱性シリコーンゴムシートの物性は表1にまとめて示す。
次に、厚さ0.1mmのグラファイトシート(熱拡散材)を準備した。このグラファイトシートは、平面方向の熱伝導率が700W/m・Kであった。このグラファイトシートの貼り付け面と、前記で得られた蓄熱性シリコーンゴムシート(厚さ1.0mm)の貼り付け面をコロナ放電処理した。コロナ放電処理は春日電機社製、型式AGF−012を使用し、放電量50W・min/m2である、処理時間1分とし、その後、蓄熱性シリコーンゴムシートとグラファイトシートを図1Aに示すように貼り合わせた。すなわち、接着剤を使用せず直接接合した。
蓄熱性シリコーンゴムシートとグラファイトシートを一体化した蓄熱性熱伝導性シートの蓄熱性試験のグラフは図4に示す。図4において(1)線は図2Bの(1)の点を示し、(2)線は図2Bの(2)の点、(3)線は図2Bの(3)の点をそれぞれ示す。図4中、a部分はシート全体に蓄熱効果が広がっていることを示す。b部分の矢印はシート部位での温度バラツキが減少しており、良好に熱拡散されていることが分かる。c部分はヒートスポットでの温度が低下していることを示し、同様に良好に熱拡散されていることが分かる。
(比較例1)
実施例1のグラファイトシートを貼り付ける前の蓄熱性シリコーンゴムシート単独の蓄熱性試験のグラフを図5に示す。図5において(1)線は図2Bの(1)の点を示し、(2)線は図2Bの(2)の点、(3)線は図2Bの(3)の点をそれぞれ示す。図5中、b’の部分の矢印は図4のb部分の矢印に比較してシート部位での温度バラツキが大きいことが分かる。また図4のa部分に相当する部分はシート全体に蓄熱効果は低く、c部分に相当する部分はヒートスポットでの温度は高い。全体として図4に比較して熱拡散効果は低いことが分かる。
(実施例2)
1.材料成分
(1)シリコーン成分
シリコーン成分として二液室温硬化シリコーンゴムを使用した。なお、二液RTVにはベースポリマー成分(A成分)と架橋成分(B成分)と白金系金属触媒(C成分)が予め添加されている。
(2)蓄熱性無機粒子
平均粒子径50μmの二酸化バナジウム粒子(VO2)をシリコーン成分100質量部当たり400質量部(46体積%)の割合で添加し、均一に混合した。

2.シート成形加工方法
実施例1と同様にシート成形した。得られた蓄熱性シリコーンゴムシートの物性は表1にまとめて示す。
Figure 2016111139
次に厚さ0.1mmのグラファイトシートを準備し、前記で得られた蓄熱性シリコーンゴムシート(厚さ1.0mm)の貼り付け面と、グラファイトシートの貼り付け面を図1Aに示すように貼り合わせた。フィラーの充填量を落としたため、表面タック力のみで密着させた。
蓄熱性シリコーンゴムシートとグラファイトシートを一体化した蓄熱性熱伝導性シートの蓄熱性試験のグラフを図6に示す。実施例1と比べて蓄熱材の添加量が減ったため、蓄熱効果は多少落ちたが、実用的には十分であった。
(比較例2)
実施例2のグラファイトシートを貼り付ける前の蓄熱性シリコーンゴムシート単独の蓄熱性試験のグラフを図7に示す。実施例2(図6)に比較して蓄熱効果及び熱拡散効果は低いことが分かる。
(実施例3)
この実施例は、蓄熱材と放熱フィラー入りシリコーンゴムシート(厚さ1.0mm)とグラファイトシート(厚さ0.1mm)の複合品の実験例である。
1.材料成分
(1)シリコーン成分
シリコーン成分として二液室温硬化シリコーンゴムを使用した。なお、二液RTVにはベースポリマー成分(A成分)と架橋成分(B成分)と白金系金属触媒(C成分)が予め添加されている。
(2)蓄熱性無機粒子
平均粒子径50μmの二酸化バナジウム粒子(VO2)をシリコーン成分100質量部当たり225質量部(19体積%)の割合で添加し、均一に混合した。
(3)熱伝導性フィラー
平均粒子径70μmと2μmの酸化アルミニウム粒子(Al2 O3)をシリコーン成分100質量部当たり375質量部(37体積%)の割合で添加し、均一に混合した。
2.シート成形加工方法
実施例1と同様にシート成形した。得られた蓄熱性シリコーンゴムシートの物性は表2にまとめて示す。
3.熱拡散材との貼り合わせ
厚さ0.1mmのグラファイトシートを準備し、前記で得られた蓄熱性シリコーンゴムシート(厚さ1.0mm)の貼り付け面と、グラファイトシートの貼り付け面を実施例1と同様に図1Aに示すように貼り合わせた。この貼り合わせ品の蓄熱性試験のグラフは図8に示す。
(実施例4)
この実施例は、蓄熱材入りシリコーンゴムシート(厚さ1.0mm)とアルミシート(厚さ0.04mm)の実験例である。
1.材料成分
(1)シリコーン成分
シリコーン成分として二液室温硬化シリコーンゴムを使用した。なお、二液RTVにはベースポリマー成分(A成分)と架橋成分(B成分)と白金系金属触媒(C成分)が予め添加されている。
(2)蓄熱性無機粒子
平均粒子径50μmの二酸化バナジウム粒子(VO2)をシリコーン成分100質量部当たり400質量部(46体積%)の割合で添加し、均一に混合した。
2.シート成形加工方法
実施例1と同様にシート成形した。得られた蓄熱性シリコーンゴムシートの物性は表2にまとめて示す。
3.熱拡散材との貼り合わせ
厚さ0.04mmのアルミシート(平面方向の熱伝導率:270W/m・K)を準備し、前記で得られた蓄熱性シリコーンゴムシート(厚さ1.0mm)の貼り付け面と、アルミシートの貼り付け面を実施例1と同様に図1Aに示すように貼り合わせた。この貼り合わせ品の蓄熱性試験のグラフは図9に示す。
(実施例5)
この実施例は、蓄熱材入りシリコーンゴムシート(厚さ1.0mm)と銅シート(厚さ0.035mm)の実験例である。
1.材料成分
(1)シリコーン成分
シリコーン成分として二液室温硬化シリコーンゴムを使用した。なお、二液RTVにはベースポリマー成分(A成分)と架橋成分(B成分)と白金系金属触媒(C成分)が予め添加されている。
(2)蓄熱性無機粒子
平均粒子径50μmの二酸化バナジウム粒子(VO2)をシリコーン成分100質量部当たり400質量部(46体積%)の割合で添加し、均一に混合した。
2.シート成形加工方法
実施例1と同様にシート成形した。得られた蓄熱性シリコーンゴムシートの物性は表2にまとめて示す。
3.熱拡散材との貼り合わせ
厚さ0.035mmの銅シートを準備し、前記で得られた蓄熱性シリコーンゴムシート(厚さ1.0mm)の貼り付け面と、グラファイトシートの貼り付け面を実施例1と同様に図1Aに示すように貼り合わせた。この貼り合わせ品の蓄熱性試験のグラフは図10に示す。
Figure 2016111139
表2及び図8〜10から明らかなとおり、各実施例のシートは蓄熱性が高く、かつ平面方向の熱拡散性が高いことが確認できた。
本発明の蓄熱性熱伝導シートは、電子部品の発熱部と放熱部との間に介在させるシートなど様々な形態の製品に適用できる。
1,1a,1b 蓄熱性シート
2,2a,2b 熱拡散材
3,4,5 蓄熱性熱伝導シート
10 熱拡散測定装置
11 セラミックヒーター
12 蓄熱性熱伝導シート
13 サーモグラフィー
21 熱抵抗測定装置
22 天板
23 冷却プレート
24 シートサンプル
25 ヒーター
26 ロードセル
27 断熱材
28 シリンダー
本発明の蓄熱性熱伝導シートは、マトリックス樹脂と蓄熱性無機粒子を含む蓄熱性シートと熱拡散材が一体化された蓄熱性熱伝導シートであり、前記蓄熱性無機粒子は電子相転移する物質で電子相転移による潜熱が1J/cc以上の物質からなる蓄熱性無機粒子であり、マトリックス樹脂100質量部に対して10〜2000質量部含み、前記蓄熱性シートの熱伝導率が0.3W/m・K以上であり、前記蓄熱性シートは蓄熱させることにより熱伝導性を遅らせ、この間に熱を拡散させる機能を有し、前記熱拡散材は平面方向の熱伝導率が20〜2000W/m・Kであり、前記蓄熱性シートと熱拡散材との貼り合わせ面は、接着剤を介さず直接接合により一体的に貼り合わされていることを特徴とする。
本発明は、蓄熱性シートのいずれかの部分に熱拡散材を一体的に貼り合わせたものである。例えば、熱拡散材は蓄熱性シートのいずれか一方の主面又は両面、及び/又は蓄熱性シートの内層に熱拡散材を一体化しても良い。一例として、蓄熱性シートと熱拡散材とを貼り合わせる面の一方又は双方にコロナ処理を施して一体的に貼り合わす。これにより貼り合わせ面は活性化され強固な一体化ができる。また、蓄熱性シートと熱拡散材は直接接合により一体化されるので、界面における熱抵抗は少なく、熱伝導性の良好な蓄熱性熱伝導シートが得られる。表面タック性のある蓄熱性シートの場合は、タック力のみによっても直接接合できる。
無機粒子は、R(CH3aSi(OR’)3-a(Rは炭素数1〜20のアルキル基、R’は炭素数1〜4のアルキル基、aは0もしくは1)で示されるシラン化合物、もしくはその部分加水分解物で表面処理するのが好ましい。R(CH3aSi(OR’)3-a(Rは炭素数1〜20のアルキル基、R’は炭素数1〜4のアルキル基、aは0もしくは1)で示されるアルコキシシラン化合物(以下単に「シラン」という。)は、一例としてメチルトリメトキシラン,エチルトリメトキシラン,プロピルトリメトキシラン,ブチルトリメトキシラン,ペンチルトリメトキシラン,ヘキシルトリメトキシラン,ヘキシルトリエトキシシラン,オクチルトリメトキシシラン,オクチルトリエトキシラン,デシルトリメトキシシラン,デシルトリエトキシシラン,ドデシルトリメトキシシラン,ドデシルトリエトキシシラン,ヘキサデシルトリメトキシシラン,ヘキサデシルトリエトキシシシラン,オクタデシルトリメトキシシラン,オクタデシルトリエトキシシシラン等のシラン化合物がある。前記シラン化合物は、一種又は二種以上混合して使用することができる。表面処理剤として、アルコキシシランと片末端シラノールシロキサンを併用してもよい。ここでいう表面処理とは共有結合のほか吸着なども含む。平均粒子径2μm以上の粒子は、粒子全体を100質量%としたとき50質量%以上添加するのが好ましい。
以下実施例を用いて説明する。本発明は下記の実施例に限定されるものではない。
<熱拡散性試験>
図2Aに熱拡散測定装置10を示す。セラミックヒーター11の上に蓄熱性熱伝導シート12をのせ、上方150mmの位置からアピステ社製、サーモグラフィー13で温度測定をした。セラミックヒーター11の表面にはグリースを塗って蓄熱性熱伝導シート12を貼り合わせ、接触熱抵抗を減らした。熱源のセラミックヒーター11は縦11mm、横9mmとし、定格100V,100Wのもので、印加電力5W、温度130℃とした。蓄熱性熱伝導シート12の大きさは縦50mm、横50mmであった。このシートの測定点は図2Bに示す。(1)は熱源中央部、(2)は熱源の上方の辺、(3)は右下隅部とした(図中では丸1〜丸3、以下同。)。この測定は室温25℃の雰囲気で行った。蓄熱性熱伝導シート12の厚みは、蓄熱性熱伝導シリコーンゴムシートは1.0mm、グラファイトシートの厚みは0.1mmとした。測定の操作は次のとおりとした。
(1)被写体の試料(蓄熱性熱伝導シート12)が放射する赤外線を分析するため、同じ温度であっても被写体の放射率によってエネルギー量が異なってしまうこと、並びに光を反射するような材料についても測定が困難であるため、試料の表面にシリコン系カーボン塗料を塗布して測定した。
(2)図2Aに示すように試料(蓄熱性熱伝導シート12)をセットし、熱源の電源をONし、熱の拡散状態をサーモグラフィー13で画像撮影することにより観察した。
(3)熱拡散状態がほぼ飽和した段階(約3分)にて画像撮影を終了する。
(4)画像測定終了後、図2Bのポイント(1)(2)(3)で温度変化を測定する。

Claims (13)

  1. マトリックス樹脂と蓄熱性無機粒子を含む蓄熱性シートと熱拡散材が一体化された蓄熱性熱伝導シートであり、
    前記蓄熱性無機粒子は電子相転移する物質で電子相転移による潜熱が1J/cc以上の物質からなる蓄熱性無機粒子であり、マトリックス樹脂100質量部に対して10〜2000質量部含み、
    前記蓄熱性シートの熱伝導率が0.3W/m・K以上であり、
    前記熱拡散材は平面方向の熱伝導率が20〜2000W/m・Kであることを特徴とする蓄熱性熱伝導シート。
  2. 前記熱拡散材がグラファイトシート、金、白金、銀、チタン、アルミニュウム、パラジウム、銅、ニッケル及びこれらの金属の合金から選ばれる少なくとも一つである請求項1に記載の蓄熱性熱伝導シート。
  3. 前記蓄熱性無機粒子はバナジウムを主たる金属成分とする金属酸化物粒子である請求項1又は2に記載の蓄熱性熱伝導シート。
  4. 前記蓄熱性無機粒子の平均粒子径は0.1〜100μmである請求項1〜3のいずれかに記載の蓄熱性熱伝導シート。
  5. 前記マトリックス樹脂は熱硬化性樹脂及び熱可塑性樹脂から選ばれる少なくとも一つの樹脂である請求項1〜4のいずれか1項に記載の蓄熱性熱伝導シート。
  6. 前記マトリックス樹脂がオルガノポリシロキサンである請求項1〜5のいずれかに記載の蓄熱性熱伝導シート。
  7. 前記蓄熱性シートにはさらに熱伝導性粒子を100〜2000質量部含む請求項1〜6のいずれかに記載の蓄熱性熱伝導シート。
  8. 前記熱伝導性粒子は、R(CH3aSi(OR’)3-a(Rは炭素数1〜20のアルキル基、R’は炭素数1〜4のアルキル基、aは0もしくは1)で示されるシラン化合物、もしくはその部分加水分解物で表面処理されている請求項7に記載の蓄熱性熱伝導シート。
  9. 前記蓄熱性熱伝導性シートは、平面方向に熱拡散する請求項1〜8のいずれか1項に記載の蓄熱性熱伝導シート。
  10. 前記蓄熱性無機粒子はアルコキシシラン又はアルキルチタネートにより表面処理されている請求項1〜9のいずれか1項に記載の蓄熱性熱伝導シート。
  11. 前記蓄熱性シートと熱拡散材との貼り合わせ面は、接着剤を介さず直接接合により一体的に貼り合わされている請求項1〜10のいずれか1項に記載の蓄熱性熱伝導シート。
  12. 前記蓄熱性シートの厚みは0.3〜3.0mmである請求項1〜11のいずれか1項に記載の蓄熱性熱伝導シート。
  13. 前記蓄熱性熱伝導性シートの総厚みは0.31〜3.5mmである請求項1〜12のいずれか1項に記載の蓄熱性熱伝導シート。
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