KR20220030259A - 열전도성 시트 및 열전도성 시트의 제조 방법 - Google Patents

열전도성 시트 및 열전도성 시트의 제조 방법 Download PDF

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KR20220030259A
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sheet
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유마 사토
게이스케 아라마키
유스케 구보
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데쿠세리아루즈 가부시키가이샤
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Abstract

두께 방향과 면 방향에서 비유전율 및 열전도율이 다른 열전도성 시트를 제공한다. 열전도성 시트(1)는 결합제 수지(2)와, 제1 열전도성 필러(3)와, 제2 열전도성 필러(4)를 함유하고, 제1 열전도성 필러(3)와, 제2 열전도성 필러(4)가 결합제 수지(2)에 분산되어 있고, 열전도성 시트(1)의 두께 방향 B와 면 방향 A에서, 비유전율 및 열전도율이 다르다. 또한, 열전도성 시트의 제조 방법은, 제1 열전도성 필러(3)와 제2 열전도성 필러(4)를, 결합제 수지(2)에 분산시킴으로써, 열전도성 시트 형성용의 수지 조성물을 조제하는 공정 A와, 열전도성 시트 형성용의 수지 조성물로부터 성형체 블록을 형성하는 공정 B와, 성형체 블록을 시트상으로 슬라이스하여, 두께 방향과 면 방향에서, 비유전율 및 열전도율이 다른 열전도성 시트를 얻는 공정 C를 갖는다.

Description

열전도성 시트 및 열전도성 시트의 제조 방법
본 기술은 열전도성 시트 및 열전도성 시트의 제조 방법에 관한 것이다. 본 출원은 일본에서 2020년 5월 15일에 출원된 일본출원번호 특원 제2020-86074호 및 일본에서 2020년 9월 4일에 출원된 일본특허출원 특원 제2020-149489호를 기초로 하여 우선권을 주장하는 것이며, 이들 출원은 참조됨으로써, 본 출원에 원용된다.
전자 기기의 고성능화에 수반하여, 반도체 소자의 고밀도화, 고실장화가 진행되고 있다. 이에 수반하여 전자 기기를 구성하는 전자 부품으로부터의 발열을 더욱 효과적으로 방열하는 것이 중요하다. 예를 들어, 반도체 장치는 효율적으로 방열하기 위해서, 전자 부품이 열전도성 시트를 개재하여, 방열 팬, 방열판 등의 히트 싱크에 설치되어 있다. 열전도성 시트로서는, 예를 들어 실리콘 수지에, 무기 필러 등의 충전제를 함유(분산)시킨 것이 널리 사용되고 있다. 이 열전도성 시트와 같은 방열 부재는, 가일층의 열전도율의 향상이 요구되고 있다. 예를 들어, 열전도성 시트의 고열전도성을 목적으로 하여, 결합제 수지 등의 매트릭스 내에 배합되어 있는 무기 필러의 충전율을 높일 것이 검토되고 있다. 그러나, 무기 필러의 충전율을 높이면, 열전도성 시트의 유연성이 손상되거나, 분말 낙하가 발생하기 때문에, 무기 필러의 충전율을 높이는 것에는 한계가 있다.
무기 필러로서는, 예를 들어 알루미나, 질화알루미늄, 수산화알루미늄 등을 들 수 있다. 또한, 고열전도율을 목적으로 하여, 질화붕소, 흑연 등의 인편상 입자, 탄소 섬유 등을 매트릭스 내에 충전시키는 경우도 있다. 이것은 인편상 입자 등이 갖는 열전도율의 이방성에 의한 것이다. 예를 들어, 탄소 섬유의 경우에는, 섬유 방향으로 약 600 내지 1200W/m·K의 열전도율을 갖는 것이 알려져 있다. 또한, 질화붕소의 경우에는, 면 방향으로 약 110W/m·K 정도의 열전도율을 갖고, 면 방향에 대하여 수직인 방향으로 약 2W/m·K 정도의 열전도율을 갖는 것이 알려져 있다. 이와 같이, 탄소 섬유의 섬유 방향이나 인편상 입자의 면 방향을, 열의 전달 방향인 시트의 두께 방향과 동일하게 하는, 즉 탄소 섬유나 인편상 입자를 시트의 두께 방향으로 배향시킴으로써 열전도율이 비약적으로 향상하는 것을 기대할 수 있다.
그런데, 근년의 휴대 전화 등의 통신 기기에 있어서의 전자파 컨트롤의 관점에서, 열전도율과 함께 비유전율이 컨트롤된 방열 재료가 요구되고 있다.
일본특허공고 평06-38460호 공보
본 기술은 이러한 종래의 실정을 감안하여 제안된 것이며, 두께 방향과 면 방향에서 비유전율 및 열전도율이 다른 열전도성 시트 및 열전도성 시트의 제조 방법을 제공한다.
본 기술에 관한 열전도성 시트는, 결합제 수지와, 인편상의 열전도성 필러 및/또는 섬유상의 열전도성 필러를 포함하는 제1 열전도성 필러와, 비인편상 또한 비섬유상의 열전도성 필러를 포함하는 제2 열전도성 필러를 함유하고, 제1 열전도성 필러와 제2 열전도성 필러가 결합제 수지에 분산되어 있고, 열전도성 시트의 두께 방향과 면 방향에서, 비유전율 및 열전도율이 다르다.
본 기술에 관한 열전도성 시트의 제조 방법은, 인편상의 열전도성 필러 및/또는 섬유상의 열전도성 필러를 포함하는 제1 열전도성 필러와, 비인편상 또한 비섬유상의 열전도성 필러를 포함하는 제2 열전도성 필러를, 결합제 수지에 분산시킴으로써, 열전도성 시트 형성용의 수지 조성물을 조제하는 공정 A와, 열전도성 시트 형성용의 수지 조성물로부터 성형체 블록을 형성하는 공정 B와, 성형체 블록을 시트상으로 슬라이스하여, 두께 방향과 면 방향에서, 비유전율 및 열전도율이 다른 열전도성 시트를 얻는 공정 C를 갖는다.
본 기술에 따르면, 두께 방향과 면 방향에서 비유전율 및 열전도율이 다른 열전도성 시트를 제공할 수 있다.
도 1은 본 기술에 관한 열전도성 시트의 일례를 도시하는 단면도이다.
도 2는 결정 형상이 육방정형인 인편상의 질화붕소를 모식적으로 도시하는 사시도이다.
도 3은 본 기술에 관한 열전도성 시트를 적용한 반도체 장치의 일례를 도시하는 단면도이다.
본 명세서에 있어서, 열전도성 필러의 평균 입경(D50)이란, 열전도성 필러의 입경 분포의 소입경측으로부터 누적 50%의 면적 길이(㎛)이며, 열전도성 필러의 집단의 전체 면적을 100%로 하여, 열전도성 필러의 입경 분포의 소입경측으로부터 누적 커브를 구했을 때, 그 누적값이 50%가 될 때의 면적 길이를 말한다. 또한, 열전도성 필러가 섬유상의 열전도성 필러인 경우의 D50이란, 섬유상의 열전도성 필러의 섬유 길이 분포에 있어서의 단섬유 길이측으로부터 누적 50%의 면적 섬유 길이(㎛)이며, 섬유상의 열전도성 필러의 집단의 전체 면적을 100%로 하여 누적 커브를 구했을 때, 그 누적값이 50%가 될 때의 면적 섬유 길이를 말한다. 본 명세서에 있어서의 입도 분포(입자경 분포)는, 체적 기준에 의해 구해진 것이다. 입도 분포의 측정 방법으로서는, 예를 들어 레이저 회절형 입도 분포 측정기를 사용하는 방법을 들 수 있다.
<열전도성 시트>
도 1은 본 기술에 관한 열전도성 시트(1)의 일례를 도시하는 단면도이다. 열전도성 시트(1)는 결합제 수지(2)와, 인편상의 열전도성 필러 및/또는 섬유상의 열전도성 필러를 포함하는 제1 열전도성 필러(3)와, 비인편상 또한 비섬유상의 열전도성 필러를 포함하는 제2 열전도성 필러(4)를 함유하고, 제1 열전도성 필러(3)와 제2 열전도성 필러(4)가 결합제 수지(2)에 분산되어 있다. 또한, 열전도성 시트(1)는 열전도성 시트(1)의 두께 방향 B와 면 방향 A에서, 비유전율 및 열전도율이 다른, 즉 열전도성 시트(1)는, 두께 방향 B와 면 방향 A에서 비유전율 및 열전도율이 이방성을 갖는다. 이와 같이, 열전도성 시트(1)는, 열전도율과 함께 비유전율이 컨트롤되고 있기 때문에, 예를 들어 실드나 안테나의 분야에 있어서 새로운 응용을 기대할 수 있다. 이하, 열전도성 시트(1)의 구성 요소에 대해서 설명한다.
<결합제 수지>
결합제 수지(2)는 제1 열전도성 필러(3)와 제2 열전도성 필러(4)를 열전도성 시트(1) 내에 유지하기 위한 것이다. 결합제 수지(2)는 열전도성 시트(1)에 요구되는 기계적 강도, 내열성, 전기적 성질 등의 특성에 따라서 선택된다. 결합제 수지(2)로서는, 열가소성 수지, 열가소성 엘라스토머, 열경화성 수지 중에서 선택할 수 있다.
열가소성 수지로서는, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌 공중합체 등의 에틸렌-α올레핀 공중합체, 폴리메틸펜텐, 폴리염화비닐, 폴리염화비닐리덴, 폴리아세트산비닐, 에틸렌-아세트산 비닐 공중합체, 폴리비닐알코올, 폴리비닐아세탈, 폴리불화비닐리덴 및 폴리테트라플루오로에틸렌 등의 불소계 중합체, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리스티렌, 폴리아크릴로니트릴, 스티렌-아크릴로니트릴 공중합체, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체(ABS) 수지, 폴리페닐렌-에테르 공중합체(PPE) 수지, 변성 PPE 수지, 지방족 폴리아미드류, 방향족 폴리아미드류, 폴리이미드, 폴리아미드이미드, 폴리메타크릴산, 폴리메타크릴산메틸 에스테르 등의 폴리메타크릴산에스테르류, 폴리아크릴산류, 폴리카르보네이트, 폴리페닐렌술피드, 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리에테르니트릴, 폴리에테르케톤, 폴리케톤, 액정 폴리머, 실리콘 수지, 아이오노머 등을 들 수 있다.
열가소성 엘라스토머로서는, 스티렌-부타디엔 블록 공중합체 또는 그 수소첨가화물, 스티렌-이소프렌 블록 공중합체 또는 그 수소첨가화물, 스티렌계 열가소성 엘라스토머, 올레핀계 열가소성 엘라스토머, 염화비닐계 열가소성 엘라스토머, 폴리에스테르계 열가소성 엘라스토머, 폴리우레탄계 열가소성 엘라스토머, 폴리아미드계 열가소성 엘라스토머 등을 들 수 있다.
열경화성 수지로서는, 가교 고무, 에폭시 수지, 페놀 수지, 폴리이미드 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 디알릴프탈레이트 수지 등을 들 수 있다. 가교 고무의 구체예로서는, 천연 고무, 아크릴 고무, 부타디엔 고무, 이소프렌 고무, 스티렌-부타디엔 공중합 고무, 니트릴 고무, 수소 첨가 니트릴 고무, 클로로프렌 고무, 에틸렌-프로필렌 공중합 고무, 염소화 폴리에틸렌 고무, 클로로술폰화 폴리에틸렌 고무, 부틸 고무, 할로겐화 부틸 고무, 불소 고무, 우레탄 고무 및 실리콘 고무를 들 수 있다.
결합제 수지(2)로서는, 예를 들어 전자 부품의 발열면과 히트 싱크면과의 밀착성을 고려하면 실리콘 수지가 바람직하다. 실리콘 수지로서는, 예를 들어 알케닐기를 갖는 실리콘을 주성분으로 하고, 경화 촉매를 함유하는 주제와, 히드로실릴기(Si-H기)를 갖는 경화제를 포함하는, 2액형의 부가 반응형 실리콘 수지를 사용할 수 있다. 알케닐기를 갖는 실리콘으로서는, 예를 들어 비닐기를 갖는 폴리오르가노실록산을 사용할 수 있다. 경화 촉매는 알케닐기를 갖는 실리콘 중의 알케닐기와, 히드로실릴기를 갖는 경화제 중의 히드로실릴기와의 부가 반응을 촉진하기 위한 촉매이다. 경화 촉매로서는, 히드로실릴화 반응에 사용되는 촉매로서 주지의 촉매를 들 수 있고, 예를 들어 백금족계 경화 촉매, 예를 들어 백금, 로듐, 팔라듐 등의 백금족 금속 단체나 염화백금 등을 사용할 수 있다. 히드로실릴기를 갖는 경화제로서는, 예를 들어 히드로실릴기를 갖는 폴리오르가노실록산을 사용할 수 있다. 결합제 수지(2)는 1종 단독으로 사용해도 되고, 2종 이상을 병용해도 된다.
열전도성 시트(1) 중의 결합제 수지(2)의 함유량은 특별히 한정되지 않고, 목적에 따라 적절히 선택할 수 있다. 예를 들어, 열전도성 시트(1) 중의 결합제 수지(2)의 함유량의 하한값은 20체적% 이상으로 할 수 있고, 25체적% 이상이어도 되고, 30체적% 이상이어도 된다. 또한, 열전도성 시트(1) 중의 결합제 수지(2)의 함유량의 상한값은 70체적% 이하로 할 수 있고, 60체적% 이하여도 되고, 50체적% 이하여도 된다. 열전도성 시트(1)의 유연성의 관점에서, 열전도성 시트(1) 중의 결합제 수지(2)의 함유량은, 25 내지 60체적%로 하는 것이 바람직하다.
<제1 열전도성 필러>
제1 열전도성 필러(3)는 인편상의 열전도성 필러여도 되고, 섬유상의 열전도성 필러여도 되고, 인편상의 열전도성 필러와 섬유상의 열전도성 필러를 병용해도 된다.
인편상의 열전도성 필러는, 고애스펙트비로, 또한 면 방향으로 등방적인 열전도율을 갖는다. 인편상의 열전도성 필러는 인편상의 것이면 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 질화붕소(BN), 운모, 알루미나, 질화알루미늄, 탄화 규소, 실리카, 산화아연, 이황화몰리브덴 등을 사용할 수 있다.
또한, 섬유상의 열전도성 필러는, 섬유상이며 필요한 열전도성을 갖는 것이면 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 높은 열전도성과 절연성의 관점에서는, 질화알루미늄 섬유, 초고분자량 폴리에틸렌 섬유, 폴리파라페닐렌비스옥사졸 섬유 등이 바람직하다. 또한, 열전도성 시트(1)에 있어서의 비유전율의 특성을 손상시키지 않는 한, 섬유상의 열전도성 필러는, 도전성을 갖는 것이어도 되고, 탄소 섬유나, 금속(예를 들어, 구리, 스테인리스, 니켈 등)을 포함하는 섬유 등을 들 수 있다.
도 2는 결정 형상이 육방정형인 인편상의 질화붕소(3A)를 모식적으로 도시하는 사시도이다. 인편상의 열전도성 필러로서는, 열전도성 시트(1)의 비유전율 및 열전도율의 관점에서, 도 2에 도시한 바와 같이 결정 형상이 육방정형인 인편상의 질화붕소(3A)를 사용하는 것이 바람직하다. 인편상의 열전도성 필러는, 1종 단독으로 사용해도 되고, 2종 이상을 병용해도 된다. 본 기술에 관한 열전도성 시트(1)는, 제1 열전도성 필러(3)로서, 구상의 열전도성 필러(예를 들어 구상의 질화붕소)보다 저렴한 인편상의 열전도성 필러(예를 들어, 인편상의 질화붕소(3A))를 사용하여, 우수한 열특성과 유전 특성을 발휘시킬 수 있다.
인편상의 열전도성 필러의 평균 입경(D50)은 특별히 한정되지 않고, 목적에 따라 적절히 선택할 수 있다. 예를 들어, 인편상의 열전도성 필러의 평균 입경의 하한값은, 10㎛ 이상으로 할 수 있고, 20㎛ 이상이어도 되고, 30㎛ 이상이어도 되고, 35㎛ 이상이어도 된다. 또한, 인편상의 열전도성 필러의 평균 입경의 상한값은, 150㎛ 이하로 할 수 있고, 100㎛ 이하여도 되고, 90㎛ 이하여도 되고, 80㎛ 이하여도 되고, 70㎛ 이하여도 되고, 50㎛ 이하여도 되고, 45㎛ 이하여도 된다. 열전도성 시트(1)의 열전도율의 관점에서, 인편상의 열전도성 필러의 평균 입경은, 20 내지 100㎛로 하는 것이 바람직하다. 또한, 섬유상의 열전도성 필러의 D50은 특별히 한정되지 않고, 목적에 따라 적절히 선택할 수 있으며, 예를 들어 20 내지 250㎛로 할 수 있다.
제1 열전도성 필러(3)의 애스펙트비(평균 긴 직경/ 평균 짧은 직경)는 특별히 한정되지 않고, 목적에 따라 적절히 선택할 수 있다. 예를 들어, 인편상의 열전도성 필러의 애스펙트비는 10 내지 100의 범위로 할 수 있다. 제1 열전도성 필러(3)의 평균 긴 직경 및 평균 짧은 직경은, 예를 들어 마이크로스코프, 주사형 전자 현미경(SEM), 입도 분포계 등에 의해 측정할 수 있다. 일례로서, 인편상의 열전도성 필러로서, 도 2에 도시한 바와 같은 결정 형상이 육방정형인 인편상의 질화붕소(3A)를 사용한 경우, SEM으로 촬영된 화상으로부터 200개 이상의 질화붕소(3A)를 임의로 선택하고, 각각의 긴 직경 a와 짧은 직경 b의 비(a/b)를 구하여 평균값을 산출하면 된다.
열전도성 시트(1) 중의 제1 열전도성 필러(3)의 함유량은 특별히 한정되지 않고, 목적에 따라 적절히 선택할 수 있다. 예를 들어, 열전도성 시트(1) 중의 제1 열전도성 필러(3)의 함유량의 하한값은, 15체적% 이상으로 할 수 있고, 20체적% 이상이어도 되고, 25체적% 이상이어도 된다. 또한, 열전도성 시트(1) 중의 제1 열전도성 필러(3)의 함유량의 상한값은 45체적% 이하로 할 수 있고, 40체적% 이하여도 되고, 35체적% 이하여도 되고, 30체적% 이하여도 된다. 열전도성 시트(1)의 열전도율 및 유연성의 관점에서, 열전도성 시트(1) 중의 제1 열전도성 필러(3)의 함유량을 20 내지 35체적%로 하는 것이 바람직하다. 열전도성 시트(1)의 비유전율의 이방성의 관점에서는, 열전도성 시트(1) 중의 제1 열전도성 필러(3)의 함유량을 20체적% 이상 40체적% 미만으로 하는 것이 바람직하고, 20 내지 27체적%로 하는 것이 보다 바람직하다.
<제2 열전도성 필러>
제2 열전도성 필러(4)는, 상술한 제1 열전도성 필러(3) 이외의 열전도성 필러이다. 제2 열전도성 필러(4)는, 비인편상 또한 비섬유상이며, 예를 들어 구상, 분말상, 과립상, 편평상 등의 열전도성 필러를 들 수 있다. 제2 열전도성 필러(4)의 재질은, 본 기술의 효과를 고려하여, 열전도성 시트(1)의 절연성을 확보할 수 있는 재료가 바람직하고, 예를 들어 산화알루미늄(알루미나, 사파이어), 질화알루미늄, 질화붕소, 지르코니아, 탄화규소 등을 들 수 있다. 제2 열전도성 필러(4)는, 1종 단독으로 사용해도 되고, 2종 이상을 병용해도 된다.
특히, 제2 열전도성 필러(4)로서는, 열전도성 시트(1)의 비유전율 및 열전도율의 관점에서, 질화알루미늄 입자와, 구상의 알루미나 입자를 병용하는 것이 바람직하다. 질화알루미늄 입자의 평균 입경은, 열경화 전의 열전도성 시트(1)의 점도 저하의 관점에서, 1 내지 5㎛로 하는 것이 바람직하고, 1 내지 3㎛여도 되고, 1 내지 2㎛여도 된다. 또한, 구상의 알루미나 입자의 평균 입경은, 열경화 전의 열전도성 시트(1)의 점도 저하의 관점에서, 1 내지 3㎛로 하는 것이 바람직하고, 1.5 내지 2.5㎛여도 된다.
열전도성 시트(1) 중의 제2 열전도성 필러(4)의 함유량은 특별히 한정되지 않고, 목적에 따라 적절히 선택할 수 있다. 열전도성 시트(1) 중의 제2 열전도성 필러(4)의 함유량의 하한값은 10체적% 이상으로 할 수 있고, 15체적% 이상이어도 되고, 20체적% 이상이어도 된다. 또한, 열전도성 시트(1) 중의 제2 열전도성 필러(4)의 함유량의 상한값은 50체적% 이하로 할 수 있고, 40체적% 이하여도 되고, 30체적% 이하여도 되고, 25체적% 이하여도 된다. 열전도성 시트(1) 중의 제2 열전도성 필러(4)의 함유량 합계는, 예를 들어 30 내지 60체적%로 할 수 있다.
제2 열전도성 필러(4)로서, 구상의 알루미나 입자를 단독으로 사용하는 경우, 열경화 전의 열전도성 시트(1)의 점도 저하의 관점에서, 열전도성 시트(1) 중, 구상의 알루미나 입자의 함유량은 10 내지 45체적%로 하는 것이 바람직하다. 또한, 상술한 바와 같이, 제2 열전도성 필러(4)로서, 질화알루미늄 입자와, 구상의 알루미나 입자를 병용하는 경우, 열경화 전의 열전도성 시트(1)의 점도 저하의 관점에서, 열전도성 시트(1) 중, 구상의 알루미나 입자의 함유량은 10 내지 25체적%로 하는 것이 바람직하고, 질화알루미늄 입자의 함유량은 10 내지 25체적%로 하는 것이 바람직하다.
열전도성 시트(1)는, 본 기술의 효과를 손상시키지 않는 범위에서, 상술한 성분 이외의 다른 성분을 더 함유해도 된다. 다른 성분으로서는, 예를 들어 분산제, 경화 촉진제, 지연제, 점착 부여제, 가소제, 난연제, 산화 방지제, 안정제, 착색제 등을 들 수 있다.
이상과 같이, 제1 열전도성 필러(3)와 제2 열전도성 필러(4)가 결합제 수지(2)에 분산되어 있는 열전도성 시트(1)는, 도 1에 도시한 두께 방향 B와 면 방향 A에서, 비유전율 및 열전도율이 다르다. 특히, 제1 열전도성 필러(3)와 제2 열전도성 필러(4)를 병용함으로써, 제2 열전도성 필러(4)로 제1 열전도성 필러(3)의 배향을 지탱하고, 제1 열전도성 필러(3)를 가능한 한 열전도성 시트(1)의 두께 방향 B로 배향시킬 수 있다.
열전도성 시트(1)는 제1 열전도성 필러(3)가, 열전도성 시트(1)의 두께 방향 B로 배향하고 있고, 두께 방향 B의 열전도율이 면 방향 A의 열전도율보다 크고, 또한 두께 방향 B의 비유전율이 면 방향 A의 비유전율보다 큰 것이 바람직하다. 예를 들어, 열전도성 시트(1)는 제1 열전도성 필러(3)의 배향 방향(예를 들어, 열전도성 시트(1)의 두께 방향 B)에 있어서의 열전도율이, 제1 열전도성 필러(3)의 비배향 방향(예를 들어, 열전도성 시트(1)의 면 방향 A)에 있어서의 열전도율의 2배 이상이어도 된다. 열전도성 시트(1)의 두께 방향 B의 열전도율은, 예를 들어 1W/m·K 이상으로 할 수 있고, 4W/m·K 이상으로 할 수도 있고, 7W/m·K 이상으로 할 수도 있고, 9W/m·K 이상으로 할 수도 있다. 열전도성 시트(1)의 면 방향 A의 열전도율은, 예를 들어 1W/m·K 이상으로 할 수 있고, 3W/m·K 이상으로 할 수도 있고, 3.5W/m·K 이상으로 할 수도 있다.
열전도성 시트(1)의 두께 방향 B의 비유전율(30㎓)은, 예를 들어 4.0 이상으로 할 수 있고, 5.0 이상으로 할 수도 있고, 30 이상으로 할 수도 있고, 60 이상으로 할 수도 있다. 열전도성 시트(1)의 면 방향 A의 비유전율(30㎓)은, 예를 들어 3.0 이상으로 할 수 있고, 4.0 이상으로 할 수도 있고, 4.5 이상으로 할 수도 있고, 10 이상으로 할 수도 있고, 20 이상으로 할 수도 있다. 열전도성 시트의 열전도율 및 비유전율은 후술하는 실시예에 기재된 방법으로 측정할 수 있다.
열전도성 시트(1)의 평균 두께는 특별히 한정되지 않고, 목적에 따라 적절히 선택할 수 있다. 예를 들어, 열전도성 시트의 평균 두께의 하한값은 0.05㎜ 이상으로 할 수 있고, 0.1㎜ 이상으로 할 수도 있다. 또한, 열전도성 시트의 평균 두께의 상한값은, 5㎜ 이하로 할 수 있고, 4㎜ 이하여도 되고, 3㎜ 이하여도 된다. 열전도성 시트(1)의 취급성의 관점에서, 열전도성 시트(1)의 평균 두께는 0.1 내지 4㎜으로 하는 것이 바람직하다. 열전도성 시트(1)의 평균 두께는, 예를 들어 열전도성 시트의 두께를 임의의 5군데에서 측정하고, 그 산술 평균값으로부터 구할 수 있다.
<열전도성 시트의 제조 방법>
본 기술에 관한 열전도성 시트의 제조 방법은 하기 공정 A와, 공정 B와, 공정 C를 갖는다.
<공정 A>
공정 A에서는, 제1 열전도성 필러(3)와 제2 열전도성 필러(4)를 결합제 수지(2)에 분산시킴으로써 열전도성 시트 형성용의 수지 조성물을 조제한다. 열전도성 시트 형성용의 수지 조성물은 제1 열전도성 필러(3)와, 제2 열전도성 필러(4)와, 결합제 수지(2) 외에, 필요에 따라 각종 첨가제나 휘발성 용제를 공지된 방법에 의해 균일하게 혼합함으로써 조제할 수 있다.
<공정 B>
공정 B에서는, 조제된 열전도성 시트 형성용의 수지 조성물로부터 성형체 블록을 형성한다. 성형체 블록의 형성 방법으로서는, 압출 성형법, 금형 성형법 등을 들 수 있다. 압출 성형법, 금형 성형법으로서는, 특별히 제한되지 않고, 공지된 각종 압출 성형법, 금형 성형법 중에서 열전도성 시트 형성용의 수지 조성물 점도나 열전도성 시트에 요구되는 특성 등에 따라서 적절히 채용할 수 있다.
예를 들어, 압출 성형법에 있어서, 열전도성 시트 형성용의 수지 조성물을 다이로부터 압출할 때, 혹은 금형 성형법에 있어서, 열전도성 시트 형성용의 수지 조성물을 금형으로 압입할 때, 결합제 수지가 유동하고, 그 유동 방향을 따라 제1 열전도성 필러(3)가 배향한다.
공정 B에서는, 열전도성 시트 형성용의 수지 조성물로부터, 바 코터를 사용해서 미경화 상태의 시트(그린 시트)를 제작하고, 이 그린 시트를 적층시킴으로써 성형체 블록을 형성해도 된다. 예를 들어, 이 방법으로는, 바 코터를 사용해서 50 내지 500㎛ 두께의 시트를 제작하고, 80 내지 120℃의 오븐에서 5 내지 20분간 건조시키는 것으로, 그린 시트를 얻는다. 이어서, 미경화 상태의 그린 시트를 원하는 높이로 적층시킨 적층체를 형성한다. 그리고, 이 적층체를 더욱 경화시킴으로써 성형체 블록이 얻어진다.
성형체 블록의 크기·형상은, 요구되는 열전도성 시트(1)의 크기에 따라서 정할 수 있다. 예를 들어, 단면의 세로 크기가 0.5 내지 15㎝이고 가로 크기가 0.5 내지 15㎝인 직육면체를 들 수 있다. 직육면체의 길이는 필요에 따라서 결정하면 된다.
<공정 C>
공정 C에서는, 성형체 블록을 시트상으로 슬라이스하여, 두께 방향과 면 방향에서, 비유전율 및 열전도율이 다른 열전도성 시트를 얻는다. 슬라이스에 의해 얻어지는 시트의 표면(슬라이스면)에는, 제1 열전도성 필러(3)가 노출된다. 슬라이스하는 방법으로서는 특별히 제한은 없고, 성형체 블록의 크기나 기계적 강도에 의해 공지된 슬라이스 장치(바람직하게는 초음파 커터) 중에서 적절히 선택할 수 있다. 성형체 블록의 슬라이스 방향으로서는, 성형 방법이 압출 성형법인 경우, 압출 방향으로 제1 열전도성 필러(3)가 배향하고 있는 것도 있기 때문에, 압출 방향에 대하여 60 내지 120도인 것이 바람직하고, 70 내지 100도의 방향인 것이 보다 바람직하고, 90도(수직)의 방향인 것이 더욱 바람직하다. 성형체 블록의 슬라이스 방향은, 특별히 제한은 없고, 열전도성 시트(1)의 사용 목적 등에 따라서 적절히 선택할 수 있다.
이와 같이, 공정 A와, 공정 B와, 공정 C를 갖는 열전도성 시트의 제조 방법으로는, 결합제 수지(2)와, 제1 열전도성 필러(3)와, 제2 열전도성 필러(4)를 함유하고, 제1 열전도성 필러(3)와 제2 열전도성 필러(4)가 결합제 수지(2)에 분산되어 있고, 두께 방향 B와 면 방향 A에서, 비유전율 및 열전도율이 다른 열전도성 시트(1)를 얻을 수 있다.
본 기술에 관한 열전도성 시트의 제조 방법은, 상술한 예에 한정되지 않고, 예를 들어 공정 C의 후에, 슬라이스면을 프레스하는 공정 D를 추가로 갖고 있어도 된다. 열전도성 시트의 제조 방법이 프레스하는 공정 D를 가짐으로써, 공정 C에서 얻어지는 시트의 표면이 보다 평활화되고, 다른 부재와의 밀착성을 보다 향상시킬 수 있다. 프레스의 방법으로서는, 평반과 표면이 평탄한 프레스 헤드를 포함하는 한 쌍의 프레스 장치를 사용할 수 있다. 또한, 핀치 롤로 프레스해도 된다. 프레스 시의 압력으로서는, 예를 들어 0.1 내지 100㎫로 할 수 있다. 프레스의 효과를 보다 높이고, 프레스 시간을 단축하기 위해서, 프레스는 결합제 수지(2)의 유리 전이 온도(Tg) 이상으로 행하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 프레스 온도는 0 내지 180℃로 할 수 있고, 실온(예를 들어 25℃) 내지 100℃의 온도 범위 내여도 되고, 30 내지 100℃여도 된다.
<전자 기기>
본 기술에 관한 열전도성 시트는, 예를 들어 발열체와 방열체 사이에 배치시킴으로써, 발열체에서 발생한 열을 방열체로 방출하기 위해서 그들 사이에 배치된 구조의 전자 기기(서멀 디바이스)로 할 수 있다. 전자 기기는 발열체와 방열체와 열전도성 시트를 적어도 갖고, 필요에 따라, 기타 부재를 추가로 갖고 있어도 된다.
발열체로서는 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 CPU(Central Processing Unit), GPU(Graphics Processing Unit), DRAM(Dynamic Random Access Memory), 플래시 메모리 등의 집적 회로 소자, 트랜지스터, 저항기 등, 전기 회로에 있어서 발열하는 전자 부품 등을 들 수 있다. 또한, 발열체에는, 통신 기기에 있어서의 광 트랜시버 등의 광 신호를 수신하는 부품도 포함된다.
방열체로서는 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 히트 싱크나 히트 스프레더 등, 집적 회로 소자나 트랜지스터, 광 트랜시버 하우징 등과 조합되어 사용되는 것을 들 수 있다. 방열체로서는, 히트 스프레더나 히트 싱크 이외에도, 열원으로부터 발생하는 열을 전도해서 외부로 방산시키는 것이면 되며, 예를 들어 방열기, 냉각기, 다이 패드, 프린트 기판, 냉각 팬, 펠티에 소자, 히트 파이프, 금속 커버, 하우징 등을 들 수 있다.
도 3은 본 기술에 관한 열전도성 시트(1)를 적용한 반도체 장치(50)의 일례를 도시하는 단면도이다. 예를 들어, 열전도성 시트(1)는, 도 3에 도시한 바와 같이, 각종 전자 기기에 내장되는 반도체 장치(50)에 실장되며, 발열체와 방열체 사이에 협지된다. 도 3에 도시한 반도체 장치(50)는 전자 부품(51)과, 히트 스프레더(52)와, 열전도성 시트(1)를 구비하고, 열전도성 시트(1)가 히트 스프레더(52)와 전자 부품(51) 사이에 협지된다. 열전도성 시트(1)가 히트 스프레더(52)와 히트 싱크(53) 사이에 협지됨으로써, 히트 스프레더(52)와 함께, 전자 부품(51)의 열을 방열하는 방열 부재를 구성한다. 열전도성 시트(1)의 실장 장소는, 히트 스프레더(52)와 전자 부품(51) 사이나, 히트 스프레더(52)와 히트 싱크(53) 사이에 한하지 않고, 전자 기기나 반도체 장치의 구성에 따라, 적절히 선택할 수 있다.
실시예
이하, 본 기술의 실시예에 대해서 설명한다. 실시예에서는, 열전도성 시트를 제작하고, 열전도성 시트의 두께 방향과 면 방향의 비유전율 및 열전도율을 측정했다. 또한, 본 기술은, 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
실리콘 수지 33체적%와, 결정 형상이 육방정형인 인편상의 질화붕소(D50이 40㎛) 27체적%와, 질화알루미늄(D50이 1.2㎛) 20체적%와, 구상 알루미나 입자(D50이 2㎛) 20체적%를 균일하게 혼합함으로써, 열전도성 시트 형성용의 수지 조성물을 조제했다. 압출 성형법에 의해, 열전도성 시트 형성용의 수지 조성물을, 직육면체 상의 내부 공간을 갖는 금형(개구부:50㎜×50㎜) 안으로 흘려 넣고, 60℃의 오븐에서 4시간 가열시켜서 성형체 블록을 형성했다. 또한, 금형의 내면에는, 박리 처리면이 내측으로 되도록 박리 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름을 첩부해 두었다. 얻어진 성형체 블록의 길이 방향에 직교하는 방향으로, 성형체 블록을 초음파 커터로 1㎜ 두께의 시트상으로 슬라이스함으로써, 인편상의 질화붕소가 시트의 두께 방향으로 배향한 열전도성 시트를 얻었다.
<실시예 2>
실리콘 수지 37체적%와, 결정 형상이 육방정형인 인편상의 질화붕소(D50이 40㎛) 23체적%와, 질화알루미늄(D50이 1.2㎛) 20체적%와, 구상 알루미나 입자(D50이 2㎛) 20체적%를 균일하게 혼합함으로써, 열전도성 시트 형성용의 수지 조성물을 조제한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지 방법으로 열전도성 시트를 얻었다.
<실시예 3>
실리콘 수지 60체적%와, 결정 형상이 육방정형인 인편상의 질화붕소(D50이 40㎛) 20체적%와, 질화알루미늄(D50이 1.2㎛) 10체적%와, 구상 알루미나 입자(D50이 2㎛) 10체적%를 균일하게 혼합함으로써, 열전도성 시트 형성용의 수지 조성물을 조제한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지 방법으로 열전도성 시트를 얻었다.
<실시예 4>
실리콘 수지 35체적%와, 탄소 섬유(D50이 150㎛) 23체적%와, 구상 알루미나 입자(D50이 3㎛) 42체적%를 균일하게 혼합함으로써, 열전도성 시트 형성용의 수지 조성물을 조제한 것, 100℃의 오븐에서 6시간 가열시켜서 성형체 블록을 형성한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지 방법으로, 탄소 섬유가 시트의 두께 방향으로 배향한 열전도성 시트를 얻었다.
<실시예 5>
실리콘 수지 33체적%와, 결정 형상이 육방정형인 인편상의 질화붕소(D50이 40㎛) 27체적%와, 질화알루미늄(D50이 1.2㎛) 20체적%와, 구상 알루미나 입자(D50이 2㎛) 20체적%를 균일하게 혼합함으로써, 열전도성 시트 형성용의 수지 조성물을 조제했다. 바 코터를 사용해서 1㎜ 두께의 시트를 제작하고, 60℃의 오븐에서 30분 경화함으로써, 미경화상의 그린 시트를 얻고, 당해 시트를 적층하여 50㎜×50㎜의 적층체를 형성시켜서, 60℃의 오븐에서 4시간 가열시켜서 성형체 블록을 형성했다. 얻어진 성형체 블록을 초음파 커터로 1㎜ 두께의 시트상으로 슬라이스함으로써, 인편상의 질화붕소가 시트의 두께 방향으로 배향한 열전도성 시트를 얻었다.
<실시예 6>
실리콘 수지 33체적%와, 결정 형상이 육방정형인 인편상의 질화붕소(D50이 40㎛) 27체적%와, 질화알루미늄(D50이 1.2㎛) 20체적%와, 구상 알루미나 입자(D50이 2㎛) 20체적%를 균일하게 혼합함으로써, 열전도성 시트 형성용의 수지 조성물을 형성했다. 다이헤드(개구부: 높이 1㎜×슬릿폭 0.5㎜)를 사용해서 50㎜×50㎜의 적층체를 조정하고, 60℃의 오븐에서 4시간 가열시켜서 성형체 블록을 형성했다. 얻어진 성형체 블록을 초음파 커터로 1㎜ 두께의 시트상으로 슬라이스함으로써, 인편상의 질화붕소가 시트의 두께 방향으로 배향한 열전도성 시트를 얻었다.
<비교예 1>
실리콘 수지 60체적%와, 구상의 질화붕소(D50이 25㎛) 20체적%와, 질화알루미늄(D50이 1.2㎛) 10체적%와, 구상 알루미나 입자(D50이 2㎛) 10체적%를 균일하게 혼합함으로써, 열전도성 시트 형성용의 수지 조성물을 조제한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지 방법으로 열전도성 시트를 얻었다.
<비교예 2>
실리콘 수지 60체적%와, 구상의 질화붕소(D50이 50㎛) 20체적%와, 질화알루미늄(D50이 1.2㎛) 10체적%와, 구상 알루미나 입자(D50이 2㎛) 10체적%를 균일하게 혼합함으로써, 열전도성 시트 형성용의 수지 조성물을 조제한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지 방법으로 열전도성 시트를 얻었다.
<비교예 3>
실리콘 수지 60체적%와, 결정 형상이 육방정형인 인편상의 질화붕소(D50이 40㎛) 40체적%를 균일하게 혼합함으로써, 열전도성 시트 형성용의 수지 조성물을 조제한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지 방법으로 열전도성 시트를 얻었다.
<열전도율>
ASTM-D5470에 준거한 열저항 측정 장치를 사용하여, 하중 1kgf/㎠를 가하여 열전도성 시트의 두께 방향 및 면 방향의 실효 열전도율(W/m·K)을 각각 측정했다. 결과를 표 1에 나타낸다. 표 1 중, 「두께 방향」 및 「면 방향」이란, 열전도성 시트에 있어서의 실효 열전도율의 측정 방향을 나타낸다. 또한, 시트에 있어서 탄소 섬유나 인편상의 질화붕소가 배향되어 있는 방향이 「두께 방향」이며, 두께 방향의 각도를 90도 바꾼 방향이 「면 방향」이라고도 환언할 수 있다.
<비유전율>
JIS K6911에 준한 방법으로, 열전도성 시트의 두께 방향 및 면 방향의 비유전율(30㎓)을 측정했다. 결과를 표 1에 나타낸다.
Figure pct00001
실시예 1 내지 6에서는, 결합제 수지와, 제1 열전도성 필러와, 제2 열전도성 필러를 함유하고, 제1 인편상의 열전도성 필러와 제2 열전도성 필러가 결합제 수지에 분산되어 있고, 두께 방향과 면 방향에서 비유전율 및 열전도율이 다른 열전도성 시트가 얻어지는 것을 알 수 있었다. 즉, 실시예 1 내지 6에서 얻어진 열전도성 시트는, 두께 방향과 면 방향에서 비유전율 및 열전도율의 이방성을 갖는 것을 알 수 있었다.
또한, 실시예 1 내지 6에서 얻어진 열전도성 시트는, 제1 열전도성 필러의 배향 방향(두께 방향)에 있어서의 열전도율이, 제1 열전도성 필러의 비배향 방향(면 방향)에 있어서의 열전도율의 2배 이상인 것을 알 수 있었다.
비교예 1, 2에서는, 제1 열전도성 필러를 함유하지 않는 수지 조성물을 사용했기 때문에, 두께 방향과 면 방향에서 비유전율 및 열전도율이 다른 열전도성 시트를 얻지 못하는 것을 알 수 있었다. 즉, 비교예 1, 2에서 얻어진 열전도성 시트는, 두께 방향과 면 방향에서 비유전율 및 열전도율의 이방성을 갖지 않는 것을 알 수 있었다.
비교예 3에서는, 제2 열전도성 필러를 함유하지 않는 수지 조성물을 사용했기 때문에, 두께 방향과 면 방향에서 비유전율 및 열전도율이 다른 열전도성 시트를 얻지 못하는 것을 알 수 있었다. 구체적으로는, 비교예 3에서 얻어진 열전도성 시트는, 두께 방향과 면 방향에서 비유전율의 이방성을 갖지 않는 것을 알 수 있었다.
본 기술에 관한 열전도성 시트는, 두께 방향과 면 방향에서, 비유전율 및 열전도율이 다르기 때문에, 예를 들어 실드나 안테나의 분야에 있어서 새로운 응용을 기대할 수 있다.
1 : 열전도성 시트
2 : 결합제 수지
3 : 제1 열전도성 필러
3A : 인편상의 질화붕소
4 : 제2 열전도성 필러
50 : 반도체 장치
51 : 전자 부품
52 : 히트 스프레더
53 : 히트 싱크

Claims (19)

  1. 결합제 수지와, 인편상의 열전도성 필러 및/또는 섬유상의 열전도성 필러를 포함하는 제1 열전도성 필러와, 비인편상 또한 비섬유상의 열전도성 필러를 포함하는 제2 열전도성 필러를 함유하고, 상기 제1 열전도성 필러와 상기 제2 열전도성 필러가 상기 결합제 수지에 분산되어 있고,
    당해 열전도성 시트의 두께 방향과 면 방향에서, 비유전율 및 열전도율이 다른, 열전도성 시트.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 열전도성 필러가, 인편상의 질화붕소를 함유하는, 열전도성 시트.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제2 열전도성 필러가, 질화알루미늄 입자와, 구상의 알루미나 입자를 함유하는, 열전도성 시트.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 제1 열전도성 필러의 평균 입경이 20 내지 100㎛인, 열전도성 시트.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 열전도성 필러의 함유량이 20 내지 35체적%인, 열전도성 시트.
  6. 제3항에 있어서, 상기 구상의 알루미나 입자의 평균 입경이 1 내지 3㎛인, 열전도성 시트.
  7. 제3항 또는 제6항에 있어서, 상기 구상의 알루미나 입자의 함유량이 10 내지 25체적%인, 열전도성 시트.
  8. 제3항, 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 질화알루미늄 입자의 평균 입경이 1 내지 5㎛인, 열전도성 시트.
  9. 제3항, 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 질화알루미늄 입자의 함유량이 10 내지 25체적%인, 열전도성 시트.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제1 열전도성 필러가, 탄소 섬유를 함유하고,
    상기 제2 열전도성 필러가, 구상의 알루미나 입자를 함유하는, 열전도성 시트.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 열전도성 필러의 배향 방향에 있어서의 열전도율이, 상기 제1 열전도성 필러의 비배향 방향에 있어서의 열전도율의 2배 이상인, 열전도성 시트.
  12. 인편상의 열전도성 필러 및/또는 섬유상의 열전도성 필러를 포함하는 제1 열전도성 필러와, 비인편상 또한 비섬유상의 열전도성 필러를 포함하는 제2 열전도성 필러를, 결합제 수지에 분산시킴으로써, 열전도성 시트 형성용의 수지 조성물을 조제하는 공정 A와,
    상기 열전도성 시트 형성용의 수지 조성물로부터 성형체 블록을 형성하는 공정 B와,
    상기 성형체 블록을 시트상으로 슬라이스하여, 두께 방향과 면 방향에서, 비유전율 및 열전도율이 다른 열전도성 시트를 얻는 공정 C를 갖는, 열전도성 시트의 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 공정 B에서는, 상기 열전도성 시트 형성용의 수지 조성물로부터, 압출 성형법 또는 금형 성형법에 의해 성형체 블록을 형성하는, 열전도성 시트의 제조 방법.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 공정 B에서는, 상기 열전도성 시트 형성용의 수지 조성물로부터, 압출 성형법에 의해 성형체 블록을 형성하고,
    상기 공정 C에서는, 상기 성형체 블록을 시트상으로 슬라이스할 때의 슬라이스 방향이, 상기 압출 형성법의 압출 방향에 대하여 60 내지 120도인, 열전도성 시트의 제조 방법.
  15. 제12항에 있어서, 상기 공정 B에서는, 상기 열전도성 시트 형성용의 수지 조성물로부터 미경화 상태의 그린 시트를 제작하고, 해당 그린 시트를 적층시킴으로써 상기 성형체 블록을 형성하는, 열전도성 시트의 제조 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 공정 B에서는, 상기 열전도성 시트 형성용의 수지 조성물로부터, 바 코터를 사용해서 상기 그린 시트를 제작하는, 열전도성 시트의 제조 방법.
  17. 제12항에 있어서, 상기 공정 B에서는, 상기 열전도성 시트 형성용의 수지 조성물로부터, 다이헤드를 사용해서 얻어진 시트를 적층시킴으로써 상기 성형체 블록을 형성하는, 열전도성 시트의 제조 방법.
  18. 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공정 C에서는, 상기 성형체 블록을 시트상으로 슬라이스할 때의 슬라이스 방향이, 상기 압출 형성법의 압출 방향에 대하여 60 내지 120도인, 열전도성 시트의 제조 방법.
  19. 발열체와,
    방열체와,
    발열체와 방열체 사이에 배치된 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 기재된 열전도성 시트를 구비하는, 전자 기기.
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