JPWO2019031458A1 - 低誘電率熱伝導性放熱部材 - Google Patents

Abstract

熱伝導性と誘電性に優れ、特に電子部品用放熱部材として好適な放熱部材を提供する。平均粒子径１０〜２０μｍ、下記で定義された配向性指数が２〜２０の六方晶窒化ホウ素の凝集粉末と平均粒子径３〜７μｍの酸化アルミニウム粉末とを含んだ熱伝導性フィラー６０〜７０体積％と、シリコーン樹脂３０〜４０体積％とを含有した樹脂組成物を含んだ、厚さ０．１〜０．５ｍｍのシート状の放熱部材。配向性指数は、粉末Ｘ線回折法による（００２）面の回折線の強度Ｉ００２と（１００）面の回折線の強度Ｉ１００との比（Ｉ００２／Ｉ１００）である。

Description

本発明は、誘電率が低く、熱伝導性に優れた放熱部材とその用途に関する。

パワーデバイス、トランジスタ、サイリスタ、ＣＰＵ等の発熱性電子部品においては、使用時に発生する熱を如何に除去するかが重要な問題となっている。従来、このような除熱方法としては、発熱性電子部品を電気絶縁性の放熱シートを介して放熱フィンや金属板に取り付け、熱を逃がすことが一般的に行われており、その放熱シートとしてはシリコーンゴムに熱伝導性フィラーを分散させたものが使用されている。

近年、電子部品内の回路の高集積化に伴いその発熱量も大きくなっており、従来にも増して高い熱伝導性を有する材料が求められてきている。また電気絶縁性も要求され、電流が流れにくい材料として低誘電率な材料であることも要求されている。熱伝導性材料の熱伝導性を向上させるには、これまで酸化アルミニウム粉末、窒化ホウ素粉末、窒化アルミニウム粉末といった高い熱伝導性を示すフィラーを有機樹脂へ含有する手法が一般的であった。また充填性の悪い鱗片状の六方晶窒化ホウ素粉末については二次凝集粒子といった形で有機樹脂へ充填することで高熱伝導化を達成するという方法が行われていた。（特許文献１〜４）。六方晶窒化ホウ素粉末の配向性に関しては、特許文献５や６などに記載がある。

特許文献７には、所定の物性を有する六方晶窒化ホウ素の凝集粉末と酸化アルミニウム粉末とを含有してなる樹脂組成物が、熱伝導性に優れるということが記載されている。

特開平１１−０６０２１６号公報 特開２００３−０６０１３４号公報 特開２００８−２９３９１１号公報 特開２００９−０２４１２６号公報 特開平０９−２０２６６３号公報 特開平１１−０２６６６１号公報 特開２０１１−１４４２３４号公報

しかしながら電子部品を組み込む装置の小型化もしくは薄型化が進むにつれて、放熱部材が占有できる領域に対する制限が厳しくなってきている。このため上記の従来技術では、そうした制限されたサイズの放熱部材では、十分な熱伝導性（放熱性）と絶縁性（誘電性）の両立が困難になる問題を解決できていない。

本発明の目的は、熱伝導性と誘電性とが共に優れ、小型もしくは薄型の装置内でも使用可能な放熱部材を提供することである。本発明の実施形態では、上記の課題を解決するために、以下を提供できる。

（１）樹脂組成物を含んだ、厚さ０．１〜０．５ｍｍのシート状の放熱部材であって、
前記樹脂組成物が、
平均粒子径１０〜２０μｍ、下記で定義された配向性指数が２〜２０の六方晶窒化ホウ素の凝集粉末と、平均粒子径３〜７μｍの酸化アルミニウム粉末とを含んだ熱伝導性フィラー６０〜７０体積％と、
シリコーン樹脂３０〜４０体積％と
を含有し、
配向性指数は、粉末Ｘ線回折法による（００２）面の回折線の強度Ｉ００２と（１００）面の回折線の強度Ｉ１００との比（Ｉ００２／Ｉ１００）である。

（２）前記熱伝導性フィラー中の、前記六方晶窒化ホウ素の凝集粉末と前記酸化アルミニウム粉末との配合比が、体積比として４：１〜１：４の範囲である、前記（１）記載の放熱部材。

（３）ガラスクロスに前記（１）または（２）記載の放熱部材を積層した放熱部材。

本発明によれば、低誘電率であり高熱伝導率を示す樹脂組成物を提供することができる。

以下、本発明について詳細に説明する。本明細書に示された数値範囲は、別段の断わりが無いかぎり、下限値と上限値を共に含むものとする。

本発明の実施形態に係る熱伝導性フィラーが用いる六方晶窒化ホウ素の凝集粉末は、平均粒子径が１０〜２０μｍである必要があり、さらに平均粒子径は１２〜１８μｍの範囲のものが好ましい。平均粒子径が２０μｍより大きくなると、粒子と粒子が接触した際のすき間が大きくなり、熱伝導性が減少する傾向にある。反対に平均粒子径が１０μｍより小さくなると熱伝導性材料の充填性が悪くなり、熱伝導性が減少する傾向にある。

六方晶窒化ホウ素は、鱗片状又は多角板状の形態が一般的であり、六方晶窒化ホウ素の凝集粉末とは、その一次粒子を複合集合させた粉末である。六方晶窒化ホウ素の凝集状態は、粉末Ｘ線回折法による配向性指数で評価することができる。配向性指数とは、粉末Ｘ線回折法による（００２）面の回折線の強度Ｉ００２と（１００）面の回折線の強度Ｉ１００との比（Ｉ００２／Ｉ１００）である。六方晶窒化ホウ素粉末は一般的にＩ００２≧Ｉ１００であるため、配向性指数は１以上となる。配向性指数が小さくなるほど無配向性を示し、配向性指数が１のとき完全無配向となる。配向性が大きくなるにつれて、配向性指数は大きくなる。本願発明の六方晶窒化ホウ素の凝集粉末の配向性指数は２〜２０であり、好ましくは２〜１０である。配向性指数が２０より大きくなると、熱伝導性が減少する傾向にある。六方晶窒化ホウ素の凝集粉末の配向性指数は、六方晶窒化ホウ素の一次粒子を結合剤で処理したり、もしくは熱処理を行ったりすることによって、調整することができる。

本発明の実施形態に係る熱伝導性フィラーが用いる酸化アルミニウム粉末は平均粒子径が３〜７μｍである必要があり、さらに平均粒子径は４〜６μｍの範囲のものが好ましい。熱伝導性フィラーとして酸化アルミニウム粉末を充填せず、上記窒化ホウ素凝集粉末のみを使用した場合、凝集粉末間に空隙が存在しやすくなり、樹脂組成物化が困難となるとともに、熱伝導性も悪くなる傾向にある。平均粒子径が７μｍより大きくなると窒化ホウ素粉末凝集体と接する酸化アルミニウム粒子の数が減少し、熱伝導性が減少する傾向にある。反対に平均粒子径が３μｍより小さくなると酸化アルミニウム粉末の充填性が悪くなり、熱伝導性が減少する傾向にある。

熱伝導性フィラー中の六方晶窒化ホウ素と酸化アルミニウムの配合比は、本発明の効果を発揮するかぎりにおいて特に限定されない。好ましい実施形態においては、熱伝導性フィラー中の六方晶窒化ホウ素と酸化アルミニウムの配合比を、体積比で４：１〜１：４の範囲、より好ましくは４：１〜１：３の範囲、さらに好ましくは４：１〜１：１、よりさらに好ましくは３：２〜１：１の範囲とすることができる。

更に、或る実施形態においては、放熱性を損なわせない範囲で、アルミニウム、銅、銀、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ等の導電性粉末を熱伝導性フィラーに含めてもよい。

本発明の実施形態に係る樹脂組成物中の熱伝導性フィラーの含有率は、全体積の６０〜７０体積％であり、特に６２〜６８体積％であることが望ましい。熱伝導性フィラーの含有率が６０体積％未満では樹脂組成物の熱伝導性が不十分となり、また７０体積％を超えると、熱伝導性フィラーの充填が困難となる。

本明細書における平均粒子径は、島津製作所製「レーザー回折式粒度分布測定装置ＳＡＬＤ−２００」などのレーザー回折式粒度分布測定装置を用いて測定を行うことができる。レーザー回折式粒度分布測定装置では、センサで検出した粒子による回折／散乱光の光強度分布のデータから粒度分布を計算する。平均粒子径は測定される粒子径の値に相対粒子量（差分％）を掛けて、相対粒子量の合計（１００％）で割って求められる。なお、平均粒子径は粒子の平均直径である。

本放熱部材中の樹脂組成物のマトリックス（母材）として使用される有機樹脂であるシリコーン樹脂としては、ミラブル型シリコーンが代表的なものであるが、総じて所要の柔軟性を発現させることが難しい場合が多いので、高い柔軟性を発現させるためには付加反応型シリコーンが好適である。付加反応型液状シリコーンの具体例としては、一分子中にビニル基とＨ−Ｓｉ基の両方を有する一液反応型のオルガノポリシロキサン、または末端あるいは側鎖にビニル基を有するオルガノポリシロキサンと末端あるいは側鎖に２個以上のＨ−Ｓｉ基を有するオルガノポリシロキサンとの二液性のシリコーンなどである。市販されている付加反応型液状シリコーンとしては例えば、旭化成ワッカーシリコーン社製、商品名「ＥＬＡＳＴＯＳＩＬ ＬＲ３３０３／２０Ａ／Ｂ」がある。

本発明の実施形態に係る放熱部材のシート厚は、０．１〜０．５ｍｍであり、特に０．２ｍｍ〜０．３ｍｍであることが望ましい。シート厚が０．１ｍｍより小さくなると、熱伝導性フィラーがシート表面に現れてしまって凹凸ができ、熱伝導性が損なわれる。また０．５ｍｍを超えるとシート内にて熱を伝える距離が長くなり、熱伝導性が悪くなる。

本放熱部材の有する熱伝導率は、６Ｗ／(ｍ・Ｋ)以上であることが望ましい。熱伝導率が６Ｗ／（ｍ・Ｋ）より小さくなると、発熱部品からの放熱性が悪くなる。

本放熱部材の有する比誘電率は、４以下であることが望ましい。比誘電率が４より大きくなると、発熱部品と冷却器との間での絶縁性が悪くなる。

付加反応型シリコーンは、ビニル基をもつオルガノポリシロキサン、Ｈ−Ｓｉ基を有するオルガノポリシロキサンなどであり、触媒として白金化合物を用い、さらに加熱することで硬化反応が進み、樹脂硬化物が得られる。

また付加反応型液状シリコーンは、アセチルアルコール類、マレイン酸エステル類などの反応遅延剤、十〜数百μｍのアエロジルやシリコーンパウダーなどの増粘剤、難燃剤、顔料などと併用することもできる。

好ましい実施形態においては、本放熱部材が補強材としてガラスクロスをさらに含んでいてもよい。ガラスクロスとしては、ガラスを織り上げたままの状態の生機クロスやヒートクリーニング、カップリング剤処理を行った処理クロスなどがある。市販されているガラスクロスとしては例えばユニチカ社製、商品名「Ｈ２５ Ｆ１０４」がある。

樹脂組成物の製造方法は任意の手法を選択できる。例えば、付加反応型液状シリコーンに窒化ホウ素粉末の凝集粉末と酸化アルミニウム粉末を添加し、自転・公転ミキサーであるシンキー社製「あわとり練太郎」を用いて混合することで、窒化ホウ素粉末の凝集粉末が解砕することなく、樹脂組成物を製造することが可能である。

後述する実施例および比較例に係る放熱部材の熱伝導性及び絶縁性は、シート成形体を作製することで行った。プランジャー式の押出機を用いることで、窒化ホウ素粉末の凝集粉末を解砕することなく、シート成形体を作製した。熱伝導性評価用のシート成形体は後述の表２〜３に示す厚みとし、大きさは１０ｍｍ×１０ｍｍとした。また絶縁性評価用のシート成形体を別途用意し、表２〜３に示す厚みとして、大きさは１００ｍｍ×１００ｍｍとした。

熱伝導率は、ＡＳＴＭ Ｅ−１４６１に準拠した樹脂組成物の熱拡散率、密度、比熱を全て乗じて算出した（熱伝導率＝熱拡散率×密度×比熱）。熱拡散率は、試料を幅１０ｍｍ×１０ｍｍ×厚み１ｍｍに加工し、レーザーフラッシュ法により求めた。測定装置はキセノンフラッシュアナライザー（ＮＥＴＳＣＨ社製 ＬＦＡ４４７ ＮａｎｏＦｌａｓｈ）を用い、２５℃で測定を行った。密度はアルキメデス法を用いて求めた。比熱は、ＤＳＣ（リガク社製 ＴｈｅｒｍｏＰｌｕｓ Ｅｖｏ ＤＳＣ８２３０）を用いて求めた。

絶縁性を示す比誘電率は、ＪＩＳ−Ｋ６９１１：２００６に準拠した熱硬化性プラスチック一般試験方法に準拠した方法にてヒューレットパッカード社製のＨＰ Ｅ５０５０Ａ型を用いて測定を行った。サンプルをはさみこんだ状態で１ＭＨｚの周波数で測定し、比誘電率を求めた。

配向性指数は、六方晶窒化ホウ素の凝集粉末を成形し試料板を用いて、Ｘ線回折装置（理学電機社製「Ｇｅｉｇｅｒ Ｆｌｅｘ ２０１３型」）にて２θ＝３０°〜２５°の範囲で測定し、２θ＝２７〜２８°付近（（００２）面）の回折線の強度Ｉ００２、２θ＝４１°付近（（１００）面）の回折線の強度Ｉ１００を求め、（００２）面の回折線の強度Ｉ００２と（１００）面の回折線の強度Ｉ１００との比である（Ｉ００２／Ｉ１００）とした。
配向性指数＝（Ｉ００２／Ｉ１００）

（実施例１〜９、比較例１〜９）
熱伝導性粉末として表１に示される凝集六方晶窒化ホウ素粉末６種類及び酸化アルミニウム粉末５種類、付加反応型液状シリコーンとして表２、３に示されるＥＬＡＳＴＯＳＩＬ ＬＲ３３０３／２０／Ａ液１種類（白金触媒を含有したビニル基を有するオルガノポリシロキサン）、ＥＬＡＳＴＯＳＩＬ ＬＲ３３０３／２０／Ｂ液１種類（Ｈ−Ｓｉ基を有するオルガノポリシロキサン及びビニル基を有するオルガノポリシロキサン）、を室温下で表２〜３に示す配合比（体積％）で、自転・公転ミキサーであるシンキー社製「あわとり練太郎」を用いて、回転速度２０００ｒｐｍで１０分混合して樹脂組成物を製造した。

この樹脂組成物を後述の表２〜３に示す厚みとなるようにスリット（表２〜３記載の厚み×１００ｍｍ、及び表２〜３記載の厚み×１０ｍｍ）付きダイスの固定されたシリンダー構造金型内に１００ｇ充填し、ピストンで５ＭＰａの圧力をかけながらスリットから押し出して樹脂組成物のグリーンシートを得た。このグリーンシートを１１０℃で３時間加熱し、熱伝導性及び誘電性を評価する樹脂組成物のシートを製造した。上記で得られた樹脂組成物のシートの熱伝導率と比誘電率を測定した結果を表２〜３に示した。

また平均粒子径の評価サンプルとして上記各粉末をそれぞれ、ガラスビーカーに５０ｃｃの純水と測定する熱伝導性粉末を５ｇ添加して、スパチュラを用いて撹拌し、その後超音波洗浄機で１０分間、分散処理を行った。分散処理を行った熱伝導性材料の粉末の溶液を、スポイトを用いて装置のサンプラ部に一滴ずつ添加して、吸光度が測定可能になるまで安定するのを待った。このようにして吸光度が安定になった時点で測定を行った。上述した手法に従い各粉末の平均粒子径を求めた。

表２の実施例と表３の比較例から、本発明の熱伝導性樹脂組成物は、優れた熱伝導性と低誘電性（比誘電率）を示していることがわかる。

（実施例１０）
実施例１の樹脂組成物を、スリット（０．１ｍｍ×１００ｍｍ、及び０．１ｍｍ×１０ｍｍ）付きダイスの固定されたシリンダー構造金型内に１００ｇ充填し、ピストンで５ＭＰａの圧力をかけながらスリットから押し出して樹脂組成物のグリーンシートに成型した後、ガラスクロス（ユニチカ社製「Ｈ２５ Ｆ１０４」）の両面に積層した状態で面圧１５ＭＰａをかけ、１５０℃で１時間加熱して厚さ０．２ｍｍのシートを製造した。このシートは実施例１のシートに比べ誘電特性がさらに良好であった。

本発明の実施形態に係る放熱部材を電子部品用途に使用した場合、例えば、パワーデバイス、トランジスタ、サイリスタ、ＣＰＵ（中央処理装置）等の発熱性半導体素子の放熱部材として使用した場合、それらの素子を損傷させることなく長期間使用可能となる効果を奏する。

Claims (3)

1. 樹脂組成物を含んだ、厚さ０．１〜０．５ｍｍのシート状の放熱部材であって、
   前記樹脂組成物が、
   平均粒子径１０〜２０μｍ、下記で定義された配向性指数が２〜２０の六方晶窒化ホウ素の凝集粉末と、平均粒子径３〜７μｍの酸化アルミニウム粉末とを含む熱伝導性フィラー６０〜７０体積％と、
   シリコーン樹脂３０〜４０体積％と
   を含有し、
   配向性指数は、粉末Ｘ線回折法による（００２）面の回折線の強度Ｉ００２と（１００）面の回折線の強度Ｉ１００との比（Ｉ００２／Ｉ１００）である。
2. 前記熱伝導性フィラー中の、前記六方晶窒化ホウ素の凝集粉末と前記酸化アルミニウム粉末との配合比が、体積比として４：１〜１：４の範囲である、請求項１記載の放熱部材。
3. ガラスクロスに請求項１または２に記載の放熱部材を積層した放熱部材。