KR20210036707A

KR20210036707A - 방열 접착제 조성물

Info

Publication number: KR20210036707A
Application number: KR1020190119072A
Authority: KR
Inventors: 최현석; 김민섭; 강승현
Original assignee: 주식회사 케이씨씨실리콘
Priority date: 2019-09-26
Filing date: 2019-09-26
Publication date: 2021-04-05
Also published as: KR102298511B1

Abstract

본 발명은 우수한 열전도성 및 절연특성을 갖는 방열 접착제 조성물에 관한 것으로, 본 발명의 방열 접착제 조성물은 순도 99.9% 이상의 산화알루미늄을 포함하는 열전도성 충진재 및 폴리머를 포함한다.

Description

방열 접착제 조성물{Heat dissipation adhesive composition}

본 발명은 우수한 열전도성 및 절연특성을 갖는 방열 접착제 조성물에 관한 것이다.

최근 자동차, 전기·전자 분야 등에서 사용되고 있는 전자 기기는 경량화, 박형화, 소형화, 다기능화가 추구되고 있다. 이러한 전자 소자가 고집적화 될수록 더욱 많은 열이 발생하는데, 이러한 방출 열은 소자의 기능을 저하시킬 뿐만 아니라 주변 소자의 오작동, 기판 열화 등의 원인이 되고 있어 방출 열을 제어하는 기술에 대해 많은 관심과 연구가 이루어지고 있다. 이를 위한 하나의 수단으로 방열재료를 합성하여 적용함으로 제품의 성능을 확대시키고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 이러한 방열재료로서 방열 접착제가 다양한 전자부품에 사용되고 있다.

방열 접착제는 통상적으로 접착성을 부여하기 위한 방열재료와 열전도성을 우수하게 나타내기 위한 방열 필러를 이용하여 제조된다. 구체적으로, 방열 접착제는 접착성의 방열재료로서 실리콘 오일, 에폭시 수지 등의 고분자 수지가 사용되며, 가혹한 조건에서도 안정적인 점착성을 유지하는 것이 중요하다.

방열 접착제는 열전도성이 높은 무기 입자를 혼합하여 방열성 필러로서 사용하여, 상기 실리콘 수지 또는 에폭시 수지 등의 접착성이 있는 수지 성분과 혼합하여 제조되는 것이 일반적이다. 이와 같은 목적으로 사용되는 방열성 필러는, 더욱 높은 방열성을 발휘할 수 있도록, 열전도도가 높은 알루미나, 질화붕소, 질화알루미늄, 산화아연, 산화마그네슘 또는 이들의 혼합물과 같은 세라믹 분말류, 또는 은, 알루미늄 또는 이들의 혼합물과 같은 금속 분말류 등을 혼합하여 사용하는 것이 대표적이다. 특히, 질화알루미늄, 질화붕소 등의 질화물계 분말은 열전도도가 매우 우수한 특성이 있어 이들을 중심으로 고열전도성의 방열 재료가 개발되고 있으나, 위와 같은 질화물계 분말은 대기 중의 습기와 반응하여 표면이 산화됨으로써 열전도도가 열화되는 문제가 보고되고 있다.

또한, 고열전도성의 방열재료를 구현하기 위해서 위와 같은 수지 성분으로서 이온성으로 개질된 수지를 사용함으로써 위와 같은 방열성 필러와의 젖음성(wettability)을 향상시킨 기술 또한 도입된 바 있으나, 이는 방열성 필러 자체의 방열 특성을 개선한 것이 아니어서 열전도성에 한계가 있다.

이에 따라, 열전도성이 우수하면서도 내구성이 우수한 특성을 나타낼 수 있는 방열 재료에 대한 요구가 계속되고 있는 실정이다.

본 발명은 고열전도성, 예컨대 열 전도도가 5 W/mK 이상인 고열전도성 방열성 소재를 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 고열전도성을 나타내면서도 전기적 절연 특성이 우수하고, 사용에 따른 성능 저하의 문제를 개선하여 내구성이 우수한 방열성 소재를 제공하고자 한다.

위와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 순도 99.9% 이상의 산화알루미늄을 포함하는 열전도성 충진재, 및 폴리머를 포함하고, 상기 폴리머는 실리콘 폴리머, 아크릴 폴리머, 에폭시 폴리머 및 우레탄 폴리머로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나인 방열 접착제 조성물을 제공한다.

또한, 본 발명은 체적 저항이 1x10¹⁴ Ω·cm 이상이고, 열 전도도가 5 W/mK 이상인 방열 접착제 조성물을 제공한다.

본 발명의 방열 접착제 조성물을 이용하면, 전기적 절연특성이 우수하면서도 고열전도성을 나타내는 방열 접착제를 제공하는 효과를 나타낼 수 있다.

구체적으로, 본 발명의 방열 접착제 조성물을 이용하면 체적 저항이 1x10¹⁴ Ω·cm 이상이고, 열 전도도가 5 W/mK 이상이며, 경시 안정성이 우수한 방열 접착제를 제공할 수 있다.

이에 따라, 다른 부재 없이 방열 접착제로만 구성되는 방열 구조체를 제공할 수 있고, 이러한 방열 구조체를 사용함으로써 전자기기의 소형화, 박형화를 효과적으로 달성하는 효과를 나타낼 수 있다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

상기 방열 접착제 조성물은 열전도성 충진재로서 산화알루미늄을 포함한다.

본 발명의 일 목적은, 종래 열전도성 충진재로서 은, 알루미늄과 같은 금속 분말, 또는 질화붕소, 질화알루미늄 등과 같은 질화물계 분말을 열전도성 충진재로 사용하거나, 산화알루미늄을 열전도성 충진재 중 하나로 이용할 때 열전도성이 낮은 문제를 개선하기 위해 위와 같은 다른 종류의 열전도성 충진재를 함께 사용하였던 것과 달리 산화알루미늄만을 방열소재에 적용하고, 이때의 열전도성 및 전기적 특성을 우수하게 개선하고자 하는 것이다.

구체적으로, 상기 방열 접착제 조성물은 순도 99.9% 이상의 산화알루미늄을 포함하는 열전도성 충진재를 포함한다. 상기 '순도 99.9%'는 전체 열전도성 충진재 함량 대비 산화알루미늄의 함량이 99.9 중량%인 것을 의미하는 것으로, 이하의 본 명세서에 있어서 '순도'는 이와 같은 의미로 사용된다. 보다 구체적으로, 상기 방열 접착제 조성물은 순도 99.95% 이상의 산화알루미늄을 포함한다. 보다 더 구체적으로, 상기 방열 접착제 조성물은 순도 99.99% 이상의 산화알루미늄을 포함하는 열전도성 충진재를 포함한다.

상기 열전도성 충진재는 산화알루미늄 외에 산화알루미늄의 제조 공정에서 또는 보관·유통 과정에서 불순물로서 함유되는 산화나트륨, 산화철, 산화규소, 산화마그네슘, 산화구리, 수산화알루미늄 등을 포함할 수 있으나, 이들의 함량은 0.1 중량% 미만이 되도록 함유한다. 구체적으로는 불순물의 함량이 0.05 중량% 미만, 보다 구체적으로 0.01 중량% 미만이 되도록 함유한다.

상기 순도 99.9% 이상의 산화알루미늄은 상업적으로 입수 가능한 것을 사용하거나, 고순도의 산화알루미늄을 제조하는 공지된 방법에 따라 제조되는 것을 사용할 수 있으며, 본 출원 이후에 새롭게 고안되는 기술에 따라 제조되는 것을 사용할 수 있는 것이며, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 순도 99.9% 이상의 산화알루미늄을 포함하는 열전도성 충진재는 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들어 조성물 총 중량 대비 80 내지 99 중량%의 함량으로 포함될 수 있으며, 구체적으로 85 내지 98 중량%, 90 내지 97 중량%, 93 내지 96 중량%의 함량으로 포함될 수 있다.

상기 방열 접착제 조성물은 상기 열전도성 충진재의 충전 밀도를 높이기 위해서, 크기가 서로 다른 것을 혼합하여 사용할 수 있다. 구체적으로, 상기 방열 접착제 조성물은 입자 크기가 서로 상이한 제1 열전도성 충진재, 제2 열전도성 충진재 및 제3 열전도성 충진재를 포함할 수 있다. 이때, 상기 제1 내지 제3 열전도성 충진재는 모두 순도 99.9% 이상의 산화알루미늄을 포함하는 것이고, 상기에서 방열 접착제 조성물 내 열전도성 충진재의 함량은 상기 제1 내지 제3 열전도성 충진재 함량의 총합을 나타내는 것이다.

상기 열전도성 충진재의 평균 입경이 30 μm를 초과하는 경우 BLT가 증가하여 열 저항이 상승하고, 이에 따라 방열 접착제의 방열 성능이 저하되는 문제가 있을 수 있다. 또한, 열전도성 충진재 사이의 공극 크기의 증가로 인하여 최조밀 충전 조합에서 벗어나 방열 접착제의 점도가 상승하는 문제가 있을 수 있다.

이에 따라, 보다 구체적으로, 상기 제1 열전도성 충진재는 10 μm 초과 30 μm 이하의 평균 입경(D₅₀)을 갖는 입자이다. 상기 제1 열전도성 충진재의 평균 입경(D₅₀)은 예컨대 15 μm 내지 25 μm일 수 있다. 상기 제2 열전도성 충진재는 1 μm 초과 10 μm 이하의 평균 입경(D₅₀)을 갖는 입자이다. 상기 제2 열전도성 충진재의 평균 입경(D₅₀)은 예컨대 1 μm 내지 5 μm일 수 있다. 상기 제3 열전도성 충진재는 1 μm 이하의 평균 입경(D₅₀)을 갖는 입자이다. 상기 제3 열전도성 충진재의 평균 입경(D₅₀)은 예컨대 0.1 μm 내지 0.5 μm일 수 있다.

상기 제1 열전도성 충진재, 제2 열전도성 충진재 및 제3 열전도성 충진재는 예를 들어 상기 제1 열전도성 충진재 100 중량부에 대해서, 상기 제2 열전도성 충진재 10 내지 50 중량부 및 상기 제3 열전도성 충진재 10 내지 50 중량부를 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 열전도성 충진재 100 중량부에 대해서, 상기 제2 열전도성 충진재 20 내지 40 중량부 및 제3 열전도성 충진재 20 내지 40 중량부를 포함할 수 있다. 상기 제1 열전도성 충진재 100 중량부에 대하여 상기 제2 열전도성 충진재 및 제3 열전도성 충진재 각각이 10 중량부 미만일 경우 제1 열전도성 충진재 사이의 공극을 완전히 채우지 못하여 열전도도가 낮은 대기(air) 상태로 빈 공간이 남음으로써 방열 접착제의 열전도도가 낮아지는 문제가 있을 수 있다. 또한, 볼베어링 효과(ball-bearing effect)의 감소로 인하여 접착제 조성물의 점도가 높아지고 유동성이 저하되는 문제가 있을 수 있다. 또한, 상기 제1 열전도성 충진재 100 중량부에 대하여 상기 제2 열전도성 충진재 및 제3 열전도성 충진재 각각이 50 중량부 초과일 경우 상기 제1 열전도성 충진재 사이의 공극을 채우는 한계 이상으로 잔류하게 되어 제1 열전도성 충진재 사이에 게재함으로써 오히려 제1 열전도성 충진재 사이의 접촉을 방해하여 열전도도를 하락시킬 수 있다. 또한, 상기 제1 열전도성 충진재에 비해 상대적으로 비표면적이 큰 제2 열전도성 충진재 및 제3 열전도성 충진재의 비율이 증가함으로써 폴리머가 도포해야 할 전체 충진재의 비표면적의 증가로 인하여 점도가 높아지는 문제가 발생할 수 있다.

상기와 같이 각각 입자 크기가 상이한 3종의 열전도성 충진재가 상기의 중량비로 혼합되어 포함되면, 방열 접착제 내 열전도성 충진재의 충전 밀도를 우수하게 높여서 우수한 열 전도성을 나타내고, 내부 열저항의 감소로 열 전도성을 더욱 개선하면서, 전기적 절연 특성을 개선하는 효과를 나타낼 수 있다.

상기 방열 접착제 조성물은 폴리머를 포함한다. 상기 폴리머는 상기 열전도성 충진재를 분산시키고, 접·점착 특성을 부여하기 위한 폴리머로서 실리콘 폴리머, 에폭시 폴리머, 아크릴 폴리머 및 우레탄 폴리머로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 폴리머를 사용한다.

상기 실리콘 폴리머는 방열 접착제에 사용하는 통상의 실리콘 폴리머라면 특별히 제한되지 않고 사용할 수 있으나, 상기 순도 99.9% 이상의 산화알루미늄을 포함하는 고순도의 열전도성 충진재를 포함하는 방열 접착제 조성물의 경시 안정성을 고려하여 비닐기를 함유하는 폴리실록산, 규소에 결합된 수소기를 함유하는 폴리실록산 및 편말단에 트리알콕시실릴옥시기를 갖는 매크로 모노머를 포함하여 사용할 수 있다.

상기 비닐기를 함유하는 폴리실록산은 양 말단 및 측쇄 중 적어도 하나에 비닐기를 함유하는 오르가노폴리실록산을 사용할 수 있으며, 예컨대 양 말단 및 측쇄 중 적어도 하나에 비닐기를 함유하는 폴리디메틸실록산을 사용할 수 있다.

상기 비닐기를 함유하는 폴리실록산은 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들어 전체 실리콘 폴리머 100 중량부를 기준으로 10 내지 50 중량부의 함량으로 포함될 수 있다. 상기 비닐기를 함유하는 폴리실록산이 10 중량부 미만으로 포함되는 경우 방열 접착제 조성물의 경화 후 경도가 상승하여 접착제의 신율 및/또는 모듈러스가 감소하는 문제가 발생할 수 있으며, 50 중량부 초과로 포함되는 경우 방열 접착제 조성물의 경화 후 경도가 하락하여 접착력이 낮아지고, 및/또는 접착제를 도포할 때 도포되는 두께의 균일도가 불량해지는 문제가 있을 수 있다.

상기 규소에 결합된 수소기를 함유하는 폴리실록산은 양 말단 및 측쇄 중 적어도 하나에 규소에 결합된 수소기, 즉 Si-H 결합을 함유하는 폴리디메틸실록산을 사용할 수 있다.

상기 규소에 결합된 수소기를 함유하는 폴리실록산은 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들어 전체 실리콘 폴리머 100 중량부를 기준으로 1 내지 20 중량부의 함량으로 포함될 수 있다. 상기 규소에 결합된 수소기를 함유하는 폴리실록산이 1 중량부 미만으로 포함되는 경우 방열 접착제 조성물의 전부 또는 적어도 일부의 미경화의 문제, 및/또는 경화 후 도막의 기계적 물성이 저하되는 문제가 있을 수 있다. 20 중량부 초과로 포함되는 경우 방열 접착제 조성물의 경화 후 경도가 상승하여 접착제의 신율 및/또는 모듈러스가 감소하는 문제가 발생할 수 있다.

상기 편말단에 트리알콕시실릴옥시기를 갖는 매크로 모노머로서는, 예를 들어 편말단에 (트리메톡시실릴)옥시기를 함유하는 매크로 모노머, (트리에톡시실릴)옥시기를 함유하는 매크로 모노머, (디에톡시메톡시실릴)옥시기를 함유하는 매크로 모노머, (디메톡시에톡시실릴)옥시기를 함유하는 매크로 모노머 등을 사용할 수 있으며, 구체적으로 (트리메톡시실릴)옥시기를 함유하는 매크로 모노머를 사용할 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 방열 접착제 조성물은 폴리머로서 상기 편말단에 트리알콕시실릴옥시기를 갖는 매크로 모노머를 포함함으로써, 상기 열전도성 충진재의 젖음성을 향상시켜 고함량으로 안정적으로 포함할 수 있도록 하고, 이에 따라 열전도성을 우수하게 나타내면서도 경시 안정성을 우수하게 나타내는 효과를 달성할 수 있다.

상기 편말단에 트리알콕시실릴옥시기를 갖는 매크로 모노머는 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들어 전체 실리콘 폴리머 100 중량부를 기준으로 30 내지 70 중량부, 예컨대 35 내지 65 중량부, 40 내지 60 중량부, 45 내지 60 중량부 또는 50 내지 60 중량부일 수 있다. 상기 매크로 모노머가 포함되는 경우 상기 함량 범위로 포함되는 경우 상기 열전도성 충진재의 젖음성 향상, 및 이에 따른 방열 접착제 조성물의 열 전도도, 경시 안정성, 사용 시 평탄성 등의 측면에서 더욱 우수한 효과를 나타낼 수 있다. 예를 들어 상기 매크로 모노머가 30 중량부 미만으로 포함되는 경우 열전도성 충진재의 젖음성이 불량해져 충진재의 충진율으 주하되는 문제가 있을 수 있으며, 70 중량부 초과로 포함되는 경우 방열 접착제 조성물의 전부 또는 적어도 일부의 미경화의 문제, 및/또는 경화 후 도막의 기계적 물성이 저하되는 문제가 있을 수 있다.

상기 에폭시 폴리머는 방열 접착제에 사용하는 통상의 에폭시 폴리머라면 특별히 제한되지 않고 사용할 수 있으며, 예를 들어 비스페놀 A형 수지, 비스페놀 F 형 수지, 테트라브로모비스페놀 A형 수지, 노볼락형 수지, 하이드로제네이티드 비스페놀 A형 수지 등을 사용할 수 있다.

상기 아크릴 수지는 방열 접착제에 사용하는 통상의 아크릴 수지라면 특별히 제한되지 않고 사용할 수 있으며, 예를 들어 폴리메틸(메타)크릴레이트형(PMA, PMMA) 수지, 폴리아크릴레이트(ACM) 고무, 에틸렌-메틸 아크릴레이트(AEM) 고무, 아크릴로니트릴(ANM) 고무 등을 사용할 수 있다.

상기 우레탄 수지는 방열 접착제에 사용하는 통상의 우레탄 수지라면 특별히 제한되지 않고 사용할 수 있으며, 예를 들면 메틸렌디페닐이소시아네이트형(MDI) 수지, 톨루엔 디이소시아네이트형(TDI) 수지, 헥사메틸렌 디이소시아네이트형(HMDI) 수지, 이소포론 디이소시아네이트형(IPDI) 수지, 에스터형 수지, 에터형 수지 등을 사용할 수 있다.

상기 폴리머는 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들어 상기 열전도성 충진재 총 100 중량부를 기준으로 1 내지 10 중량부의 함량으로 포함할 수 있으며, 예컨대 3 내지 8 중량부 또는 4 내지 7 중량부의 함량으로 포함될 수 있다. 상기 폴리머가 상기 함량 범위인 경우 상기 열전도성 충진재의 분산성과, 방열 접착제 조성물의 점·접착 성능을 더욱 우수하게 개선하는 효과를 나타낼 수 있다. 예를 들어 상기 폴리머가 1 중량부 미만으로 포함되는 경우 열전도성 충진재의 젖음성이 저하되어 충진율이 감소하고, 경화물에 깨짐이 발생하는 문제가 있을 수 있으며, 10 중량부 초과하여 포함되는 경우 열전도도가 감소하고, 경화물이 소프트해져 접착력이 저하되거나(아크릴 폴리머, 우레탄 폴리머) 경화물이 하드해져 신율이 저하(에폭시 폴리머)되는 문제가 있을 수 있다.

또한, 상기 실리콘 폴리머를 사용하는 경우, 상기 실리콘 폴리머 내의 부가 경화 반응을 촉진하기 위하여, 상기 방열 접착제 조성물은 촉매를 더 포함할 수 있다. 상기 촉매는 공지된 하이드로실릴화 반응 촉진을 위한 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 백금계 촉매, 로듐계 촉매, 이리듐계 촉매 등을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 백금계 촉매는 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들어 염화 백금산, 알코올 개질된 염화 백금산, 염화 백금산의 올레핀 착물, 염화 백금산과 케톤류와의 착물, 염화 백금산과 비닐 실록산과의 착물, 사염화 백금, 백금 미분말, 알루미나 또는 실리카와 같은 담체에 담지된 고체 백금, 플래티넘 블랙, 백금의 올레핀 착물, 백금 알케닐 실록산 착물, 백금의 카르보닐 착물, 열가소성 유기 수지 분말, 예를 들어 메틸 메타크릴레이트 수지, 폴리카보네이트 수지, 폴리스티렌 수지, 실리콘 수지 등을 포함하는 백금계 촉매를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 백금 또는 염화 백금산과 열가소성 유기 수지(예를 들어, 메틸메타크릴레이트 수지, 폴리카보네이트 수지, 폴리스티렌 수지, 실리콘 수지 등)의 착체를 사용할 수 있다. 일 예로, 상기 하이드로실릴화 반응 촉매로서 CAS No. 68478-92-2 (Platinum(0)-1,3-divinyl-1,1,3,3,-tetramethyldisiloxane complex)를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 촉매는 하이드로실릴화 반응을 위해 통상적으로 필요량만큼 포함하면 되는 것이고, 그 사용량에 특별히 제한되는 것은 아니나, 조성물의 안정성 및 경제성을 고려하여, 예를 들어 상기 실리콘 폴리머 100 중량부를 기준으로 0.001 내지 0.01 중량부의 함량으로 포함할 수 있다.

상기 방열 접착제 조성물은 상기한 열전도성 충진재, 실리콘 폴리머, 및 촉매 외에 본 발명의 목적을 저해하지 않는 범위 내에서 필요에 따라 분산제, 용제, 산화방지제, 소포제, 안료, 광택제 등을 더 포함할 수 있다.

상기한 방열 접착제 조성물은 고순도, 즉 순도 99.9% 이상, 구체적으로 순도 99.95% 이상 또는 99.99% 이상의 산화알루미늄을 포함하는 열전도성 충진재를 고충전함으로써 우수한 열 전도성을 나타내며, 상기한 실리콘 폴리머에 분산시켜 사용함으로써 경시 안정성을 우수하게 나타낼 수 있다. 나아가, 방열 접착제의 체적 저항을 높여 전기적 절연 특성을 우수하게 개선할 뿐만 아니라, 열 전도성을 더욱 개선하는 효과를 달성할 수 있다.

구체적으로, 상기 방열 접착제 조성물은 체적 저항이 1x10¹⁴ Ω·cm 이상이고, 구체적으로 1.5x10¹⁴ Ω·cm 이상을 나타낼 수 있다. 또한, 열 전도도가 5 W/mK 이상이고, 구체적으로 5 내지 7 W/mK의 열 전도도를 나타내면서 그 장기 안정성 또한 우수한 효과가 있다.

또한, 상기 방열 접착제 조성물은 25℃에서 100 Pa.s 이하의 저점도를 나타내어 방열 접착제 조성물을 기재 상에 얇게 도포하여 경화할 수 있고, 이에 따라 방열 접착제의 두께를 감소시켜 결국 이를 이용하는 전자 기기 등의 박형화를 용이하게 할 수 있다. 상기 방열 접착제 조성물은 25℃에서 40 내지 80 Pa.s의 점도, 예를 들어 50 내지 75 Pa.s의 점도를 구현할 수 있다.

더욱이, 상기 열전도성 충진재의 고충전성 및 폴리머, 구체적으로 실리콘 폴리머와의 우수한 젖음성으로 인해 방열 접착제와 방열 접착제가 적용되는 기재와의 미세 공극을 효율적으로 개선하여 궁극적으로는 계면 열저항을 감소시킴으로써 전체 반도체 패키지 구조의 방열성능을 향상시키고, BLT(Bond Line Thickness)가 일정한 범위로 나타나는 효과가 있다. 구체적으로 본 발명에 따른 방열 접착제 조성물을 이용하면 BLT가 60μm 이하를 나타낼 수 있으며, 예를 들어 20 내지 55μm, 30 내지 50μm를 나타낼 수 있다.

이하, 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

[방열 접착제 조성물의 제조]

폴리머와 첨가제, 안료를 페이스트 혼합기나 유성식 혼합기로 혼합하였다. 페이스트 혼합기(Thinky, ARV-310) 이용 시 50~2,000 rpm으로 1분 내지 2분 교반하였으며, 유성식 혼합기(신일분산기, PDM-05) 이용 시 50~300 rpm으로 10분 내지 60분 교반하여 균질 혼합물을 제조하였다.

상기에서 혼합된 유기 조성물에 입자 크기가 가장 큰 제1 열전도성 충진재를 투입하고 페이스트 혼합기 또는 유성식 혼합기를 이용하여 분산시켰다. 다음으로 입자 크기가 중간 크기인 제2 열전도성 충진재를 투입하고 페이스트 혼합기 또는 유성식 혼합기를 이용하여 분산시켰으며, 마지막으로 입자 크기가 가장 작은 제3 열전도성 충진재를 투입하고 페이스트 혼합기 또는 유성식 혼합기를 이용하여 분산시켰다. 분산이 완료된 후 상기 조성물을 상온으로 충분히 냉각시킨 후, 이후 백금 촉매를 투입하고 페이스트 혼합기 또는 유성식 혼합기를 이용하여 촉매를 분산시켰다. 열전도성 충진재와 백금 촉매 각각의 분산은 모두 페이스트 혼합기 이용 시 100~2,000 rpm, 1 내지 5분, 유성식 혼합기 이용 시 50~500 rpm,10분 내지 60분의 조건으로 수행하였다.

최종적으로 페이스트 혼합기 또는 유성식 혼합기를 이용하여 조성물 내 기포를 제거하여 방열 접착제 조성물을 제조하였다 (페이스트 혼합기 이용 시 50~2,000 rpm, 1 내지 5분, 유성식 혼합기 이용 시 50~300 rpm, 10분 내지 60분).

실시예 및 비교예 제조에 사용된 각 성분의 종류 및 함량은 하기 표 1 내지 표 4에 나타내었다.

성분		실시예
성분		1	2	3	4	5	6
제1열전도성 충진재	Al₂O₃, 순도: 99.99 wt%, D₅₀: 20μm	56	56	55.2	54.6	-	-
제1열전도성 충진재	Al₂O₃, 순도: 99.95 wt%, D₅₀: 20μm	-	-	-	-	58.3	58
제2열전도성 충진재	Al₂O₃, 순도: 99.99 wt%, D₅₀: 3μm	18	18	17.8	17.6	18.5	18.5
제3 열전도성 충진재	Al₂O₃, 순도: 99.99 wt%, D₅₀: 0.25μm	21.3	21.3	21	20.8	18.5	18.5
실리콘 폴리머	비닐기 함유 실록산¹⁾	1.5	3.65	2.6	3.5	1.5	1.75
	수소기 함유 실록산²⁾	0.25	0.6	0.45	0.55	0.25	0.3
	편말단 트리알콕시실릴옥시기 매크로 모노머³⁾	2.5	-	2.5	2.5	2.5	2.5
촉매	1,3-diethenyl-1,1,3,3-tetramethyldisiloxane platinum complex	0.000375	0.000375	0.000375	0.000375	0.000375	0.000375
첨가제	Adhesion Promoter	0.44	0.44	0.44	0.44	0.44	0.44
안료		0.01	0.01	0.01	0.01	0.01	0.01
Total		100	100	100	100	100	100

성분		실시예
성분		7	8	9	10	11	12
제1열전도성 충진재	Al₂O₃, 순도: 99.99 wt%, D₅₀: 20μm		60.3	60.3	50	50	81.3
제1열전도성 충진재	Al₂O₃, 순도: 99.99 wt%, D₅₀: 35μm	56
제2열전도성 충진재	Al₂O₃, 순도: 99.99 wt%, D₅₀: 3μm	18	5	30	30	15.3	7
제3 열전도성 충진재	Al₂O₃, 순도: 99.99 wt%, D₅₀: 0.25μm	21.3	30	5	15.3	30	7
실리콘 폴리머	비닐기 함유 실록산¹⁾	1.5	1.5	1.5	1.5	1.5	1.5
	수소기 함유 실록산²⁾	0.25	0.25	0.25	0.25	0.25	0.25
	편말단 트리알콕시실릴옥시기 매크로 모노머³⁾	2.5	2.5	2.5	2.5	2.5	2.5
촉매	1,3-diethenyl-1,1,3,3-tetramethyldisiloxane platinum complex	0.000375	0.000375	0.000375	0.000375	0.000375	0.000375
첨가제	Adhesion Promoter	0.44	0.44	0.44	0.44	0.44	0.44
안료		0.01	0.01	0.01	0.01	0.01	0.01
Total		100	100	100	100	100	100

성분		실시예
성분		13	14	15
제1열전도성 충진재	Al₂O₃, 순도: 99.99 wt%, D₅₀: 20μm	56	56	55.2
제1열전도성 충진재	Al₂O₃, 순도: 99.95 wt%, D₅₀: 20μm	-	-	-
제2열전도성 충진재	Al₂O₃, 순도: 99.99 wt%, D₅₀: 3μm	18	18	17.8
제3 열전도성 충진재	Al₂O₃, 순도: 99.99 wt%, D₅₀: 0.25μm	21.3	21.3	21
폴리머	비스페놀 A형 에폭시 수지	4.25	-	-
	메틸렌 디페닐 이소시아네이트 우레탄 수지	-	4.25	-
	폴리 메틸 메타크릴레이트	-	-	4.25
안료		0.01	0.01	0.01
Total		100	100	100

성분		비교예
성분		1	2	3	4	5
제1열전도성 충진재	Al₂O₃, 순도: 99.8 wt%, D₅₀: 20μm	56	-	-	-	-
제2열전도성 충진재	Al₂O₃, 순도: 99.8 wt%, D₅₀: 3μm	18	-	-	-	-
제3 열전도성 충진재	Al₂O₃, 순도: 99.99 wt%, D₅₀: 0.25μm	21.3	-	-	-	-
기타 방열 충진재	Ag, 순도: 99.5 wt%, D₅₀: 10μm		97	-	-
	AlN, 순도: 99.5 wt%, D₅₀: 20μm		-	91.5	90	-
	소결된 BN, 순도: 99.0 wt%, D₅₀: 20μm		-	-		60
실리콘 폴리머	비닐기 함유 실록산¹⁾	1.5	1.33	4.75	6.05	31.75
	수소기 함유 실록산²⁾	0.25	0.22	0.8	1	5.3
	편말단 트리알콕시실릴옥시기 매크로 모노머³⁾	2.5	1	2.5	2.5	2.5
촉매	1,3-diethenyl-1,1,3,3-tetramethyldisiloxane platinum complex	0.000375	0.000375	0.000375	0.000375	0.000375
첨가제	Adhesion Promoter	0.44	0.44	0.44	0.44	0.44
안료		0.01	0.01	0.01	0.01	0.01
Total		100	100	100	100	100

1) 양말단 디메틸비닐실록시기 폴리디메틸실록산: M^Vi _3.33D_96.67, 점도 107 mPa.s, 비닐기 함량 0.375 mmol/g, Mn 11,000 g/mol

2) 편말단 디메틸수소실록시기 폴리디메틸실록산: M_3.7D_64.82D^H _31.48, 점도　215　mPa.s, 수소기(Si-H) 함량　2.25　mmol/g,　Mn 18,000 g/mol

3) 편말단 트리메톡시실릴옥시기 폴리실록산: MD　₂₂M　^OMe ₇₈ ^,점도:　30　mPa.s,　메톡시 함량:　0.5　mmol/g,　Mn: 350 g/mol

[방열 접착제 조성물의 물성 평가]

상기에서 제조한 방열 접착제 열 전도도, 열 저항, BLT, Al 전단 접착력, 체적 저항을 측정하였고, 각 방열 접착제 조성물의 점도 및 점도 경시 변화를 측정하여 그 결과를 하기 표 5 내지 표 8에 나타내었다.

열 전도도, 열 저항, BLT의 물성은 방열 접착제 조성물의 액상 상태에서 Siemens사의 DynTIM 장비를 이용하여 직접 측정하였고, 점도는 Anton Paar사 레오미터 MCR 302로 측정하였다. 체적 저항은 Keysight사 4339B 장비를 이용하여 두께 2 mm, 직경 25 mm의 원형 경화시료(150℃/2시간)를 제조하여 측정하였으며, Al 전단 접착력은 두께 2 mm, 폭 25.4 mm의 알루미늄 플레이트 사이에 방열 접착제를 폭 25.4 mm, 길이 10 mm, 두께 1 mm로 경화시킨 후(150℃/2시간) 인장시험기로 측정하였다.

각 물성의 평가 방법은 다음과 같다.

- 열 전도도 (W/mK): ASTM D5470

- 열 저항 (K/W): ASTM D5470

- BLT (μm) : ASTM D5470

- Al 전단 접착력 (MPa): ASTM D1002

- 체적 저항 (Ω·cm): ASTM D257

- 점도 (Pa.s): Anton Paar rheometer MCR 302 @ 10/sec

- 점도 경시 변화(%): 방열 접착제 조성물을 1개월 동안 -15℃에서 냉동 보관 후 점도 변화를 측정하여 변화율을 %로 나타내었다.

	실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4	실시예 5	실시예 6
열 전도도(W/mK)	7.27	7.05	6.20	5.23	6.46	6.24
열 저항(K/W)	0.52	0.58	0.61	0.72	0.98	1.01
BLT(μm)	30	38	30	30	50	50
Al 전단 접착력 (MPa)	1.7	1.0	1.9	2.1	1.8	1.7
체적 저항 (Ω·cm)	1.6x10¹⁴	1.5x10¹⁴	1.7x10¹⁴	1.6x10¹⁴	1.5x10¹⁴	1.6x10¹⁴
점도 (Pa.s)	70	150	60	54	72	65
점도 경시 변화(%)	1.3	3.5	2.7	1.5	3.5	3.2

	실시예 7	실시예 8	실시예 9	실시예 10	실시예 11	실시예 12
열 전도도(W/mK)	4.12	4.86	4.42	4.94	4.92	4.38
열 저항(K/W)	2.96	1.24	1.35	1.23	1.24	1.45
BLT(μm)	75	33	34	32	32	37
Al 전단 접착력 (MPa)	0.9	0.7	0.8	0.6	0.6	0.5
체적 저항 (Ω·cm)	1.2x10¹⁴	1.7x10¹⁴	1.5x10¹⁴	1.4x10¹⁴	1.3x10¹⁴	1.8x10¹⁴
점도 (Pa.s)	140	250	220	180	230	330
점도 경시 변화(%)	6.5	7.8	5.5	3.4	6.4	8.8

	실시예 13	실시예 14	실시예 15
열 전도도(W/mK)	6.85	6.64	6.58
열 저항(K/W)	0.6	0.62	0.63
BLT(μm)	39	39	39
Al 전단 접착력 (MPa)	2.3	1.5	1.5
체적 저항 (Ω·cm)	1.5x10¹⁴	1.5x10¹⁴	1.5x10¹⁴
점도 (Pa.s)	140	180	130
점도 경시 변화(%)	4.2	4.4	4.4

	비교예 1	비교예 2	비교예 3	비교예 4	비교예 5
열 전도도(W/mK)	3.83	2.48	5.61	4.62	2.34
열 저항(K/W)	1.84	0.86	1.06	1.42	5.55
BLT(μm)	56	17	47	52	103
Al 전단 접착력 (MPa)	0.06	0.03	0.07	0.07	0.03
체적 저항 (Ω·cm)	1.2x10¹⁴	3.7x10⁴	2.2x10¹³	1.8x10¹³	6.7x10¹²
점도 (Pa.s)	80	350	150	130	270
점도 경시 변화(%)	4.3	25.4	42.3	37.8	75.2

상기의 결과에서 확인할 수 있는 바와 같이, 산화알루미늄이 99.9% 이상의 순도를 나타내는 열전도성 충진재를 사용함으로써 열 전도도 및 전기 절연 특성을 우수하면서도 경시 안정성이 우수한 것을 확인하였다.

또한, 폴리머로서 실리콘 폴리머를 사용할 때 편말단에 트리알콕시실릴옥시기를 갖는 매크로 모노머를 포함하는 경우 방열 접착제 조성물의 물성을 더욱 우수하게 개선할 수 있음을 확인하였다.

또한, 실시예 1 내지 실시예 6과 실시예 7 내지 실시예 12의 물성 비교를 통하여, 각 충진재의 함량 범위에 의해서 방열 접착제 조성물의 물성을 더욱 우수하게 개선할 수 있음을 확인하였다.

Claims

순도 99.9% 이상의 산화알루미늄을 포함하는 열전도성 충진재, 및 폴리머를 포함하고,
상기 폴리머는 실리콘 폴리머, 아크릴 폴리머, 에폭시 폴리머 및 우레탄 폴리머로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것인 방열 접착제 조성물.
청구항 1에 있어서,
순도 99.99% 이상의 산화알루미늄을 포함하는 열전도성 충진재를 포함하는 것인 방열 접착제 조성물.
청구항 1에 있어서,
상기 열전도성 충진재는 입자 크기가 서로 상이한 제1 열전도성 충진재, 제2 열전도성 충진재 및 제3 열전도성 충진재를 포함하는 것인 방열 접착제 조성물.
청구항 3에 있어서,
상기 제1 열전도성 충진재는 10 μm 초과 30 μm 이하의 평균 입경(D₅₀)을 갖는 입자이고,
상기 제2 열전도성 충진재는 1 μm 초과 10 μm 이하의 평균 입경(D₅₀)을 갖는 입자이고, 및
상기 제3 열전도성 충진재는 1 μm 이하의 평균 입경(D₅₀)을 갖는 입자인 것인 방열 접착제 조성물.
청구항 3에 있어서,
상기 제1 열전도성 충진재 100 중량부에 대해서, 상기 제2 열전도성 충진재 10 내지 50 중량부 및 상기 제3 열전도성 충진재 10 내지 50 중량부를 포함하는 것인 방열 접착제 조성물.
청구항 1에 있어서,
체적 저항이 1x10¹⁴ Ω·cm 이상이고, 열 전도도가 5 W/mK 이상인 것인 방열 접착제 조성물.