WO2010004996A1 - 熱伝導性ノイズ抑制シート - Google Patents

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WO2010004996A1
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ferrite particles
ferrite
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高橋 利男
政夫 松井
智史 丸山
慶一 荒木
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アルプス電気株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a thermally conductive noise suppression sheet excellent in noise suppression effect and excellent in thermal conductivity in a wide frequency band ranging from 100 MHz band to GHz band.
  • the heat conductive noise suppression sheet used in the above applications converts electromagnetic energy emitted from the semiconductor component into thermal energy, transmits the thermal energy in the sheet, and dissipates the heat to the heat sink.
  • Patent Document 1 describes increasing the noise suppression effect by increasing the imaginary part ⁇ ′ ′ of the complex relative magnetic permeability.
  • the thermally conductive noise suppression sheet is disposed between a semiconductor component such as an IC and the heat sink, and in this case, the thermally conductive noise suppression sheet is compressed and used, but if the compression ratio of the sheet is poor Adhesion between the substrate and the substrate is degraded, which causes the thermal conductivity to be degraded.
  • JP 2001-68312 A Japanese Patent Application Publication No. 2006-504272
  • the present invention is intended to solve the above-mentioned conventional problems, and in particular, it is possible to obtain a high noise suppression effect in a wide frequency band ranging from 100 MHz band to GHz band and having excellent thermal conductivity. It aims at providing a noise suppression sheet.
  • the thermally conductive noise suppression sheet in the present invention is A first ferrite particle, a second ferrite particle, a thermally conductive material, and a matrix material
  • the first ferrite particles are spherical particles having an average particle diameter of 50 to 150 ⁇ m and a content of 5 to 25% by volume based on the total solid components
  • the second ferrite particles are characterized in that they are irregular-shaped particles having an average particle diameter of 50 ⁇ m or less and a content of 5 to 45% by volume with respect to the total solid component.
  • the imaginary part ⁇ ′ ′ of the complex relative permeability in the 100 MHz band can be increased.
  • the imaginary part ⁇ ′ ′ of the complex relative permeability in the GHz band is decreased.
  • the imaginary part ⁇ ′ ′ of the complex relative dielectric constant in the several GHz band can be reduced, whereby a high noise suppression effect can be obtained in a wide frequency band ranging from the 100 MHz band to the GHz band.
  • the present invention high thermal conductivity is secured by appropriately controlling the content of the first ferrite particles, which comprises the first ferrite particles consisting of spherical particles having an average particle diameter larger than that of the second ferrite particles.
  • the compression rate can be increased, and the thermal conductivity can be effectively improved.
  • the content of the first ferrite is preferably 10% by volume or more, and more preferably 20% by volume or more.
  • the content of the second ferrite is preferably 30% by volume or more.
  • the content of the first ferrite particles may be 20 to 25% by volume, and the content of the second ferrite particles may be 10 to 20% by volume.
  • the content of the second ferrite particles is set to a small value, and high noise suppression can be achieved without increasing the filling rate of the filler as a whole.
  • high thermal conductivity and compressibility can be secured to obtain excellent thermal conductivity.
  • the irregularly shaped particles are obtained by grinding the spherical particles.
  • a heat conductive material may be further included.
  • the heat conductive material is preferably aluminum oxide having an average particle diameter of 5 to 25 ⁇ m and a content of 2.5 to 10% by volume relative to the total solid component.
  • the matrix material is preferably a silicone gel having a content of 30 to 57.5% by volume with respect to the total solid component.
  • thermally conductive noise suppression sheet of the present invention high noise suppression effect can be obtained in a wide frequency band ranging from 100 MHz band to GHz band, and excellent thermal conductivity can be obtained.
  • Sectional drawing which shows the use form of the heat conductive noise suppression sheet
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a usage of a thermally conductive noise suppression sheet according to this embodiment
  • FIG. 2 is a schematic view showing an internal structure of the sheet.
  • symbol 1 shown in FIG. 1 is semiconductor components, such as IC, and the code
  • the thickness H1 of the heat conductive noise suppression sheet 3 in the present embodiment is about 1 to 5 mm.
  • the heat conductive noise suppression sheet 3 is configured to have the first ferrite particles 4, the second ferrite particles 5, the heat conductive material 6, and the matrix material 7.
  • the first ferrite particles 4 are spherical particles having an average particle diameter of 50 to 150 ⁇ m and a content of 5 to 25% by volume based on all the solid components.
  • spherical particles refers to particles having no surface on the surface and having a flatness (aspect ratio) in the range of 1 to 2.
  • the "average particle diameter” in the present specification indicates the particle diameter (D50) at a cumulative value of 50%.
  • the content of the first ferrite particles 4 is preferably in the range of 10 to 25% by volume, and more preferably in the range of 20 to 25% by volume.
  • the second ferrite particle 5 is an irregularly shaped particle having an average particle diameter of 50 ⁇ m or less and a content of 5 to 45% by volume relative to the total solid component.
  • amorphous particles refer to particles other than spherical particles, and to particles having a loose shape.
  • the average particle size of the second ferrite particles 5 is smaller than the average particle size of the first ferrite particles 4.
  • the content of the second ferrite particles 5 is preferably in the range of 30 to 45% by volume. It is preferable that the second ferrite particles 5 which are irregularly shaped particles are obtained by grinding the first ferrite particles 4 which are spherical particles. The addition of the second ferrite particles 5 improves the compatibility with the matrix material 7.
  • the first ferrite particles 4 and the second ferrite particles 5 can use existing ferrites such as Mn--Zn ferrite and Ni--Zn ferrite.
  • the heat conductive material 6 examples include aluminum oxide, magnesium oxide, zinc oxide, titanium oxide, aluminum nitride, boron nitride, silicon nitride and the like. However, the heat conductive material 6 is preferably aluminum oxide.
  • the heat conductive material 6 preferably has an average particle diameter of 5 to 25 ⁇ m and a content of 2.5 to 10% by volume based on all the solid components. Preferably, it is 5 to 7% by volume.
  • the heat conductive material 6 may not be contained and the first ferrite particles 4, the second ferrite particles 5 and the matrix material 7 may be used.
  • the matrix material 7 preferably uses a silicone gel in order to improve the heat resistance and tackiness (tackiness) of the sheet.
  • the matrix material 7 preferably has a content of 30 to 57.5% by volume with respect to the total solid component. Preferably, it is 35 to 45% by volume.
  • the heat conductive noise suppression sheet 3 of the present embodiment can increase the imaginary part ⁇ ′ ′ of the complex relative permeability in the 100 MHz band.
  • the imaginary part ⁇ ′ ′ of the complex relative permeability can be made 3 or more .
  • the imaginary part ⁇ ′ ′ of the complex relative dielectric constant in the GHz band can be reduced.
  • the imaginary part ⁇ ′ ′ of the complex relative dielectric constant can be suppressed to 0.2 or less.
  • the addition of the first ferrite particles 4 is performed by adding an imaginary part ⁇ ′ ′ of complex relative magnetic permeability in the 100 MHz band.
  • the imaginary part ⁇ ′ ′ of the complex relative magnetic permeability in the GHz band tends to be small, as in the conventional example. Therefore, in the present embodiment, even if the imaginary part ⁇ ′ ′ of the complex relative permeability in the GHz band is small, the imaginary part ⁇ ′ ′ of the complex relative permittivity in the GHz band is improved in order to improve the noise suppression effect in the GHz band. I focused on it.
  • the imaginary part ⁇ ′ ′ of the complex relative dielectric constant in the GHz band is reduced.
  • the fact that the imaginary part ⁇ ′ ′ of the complex relative dielectric constant is small means that the insulation resistance is high.
  • the reason that the imaginary part ⁇ ′ ′ of the complex relative dielectric constant in the GHz band is reduced is that the second ferrite particles 5 which are amorphous particles are added with a predetermined particle diameter and a predetermined amount.
  • the second ferrite particles 5 which are amorphous particles added in the present embodiment suppress the sedimentation phenomenon of the first ferrite particles and the like in the manufacturing process, and the second ferrite particles 5 are well compatible with the matrix material 7. It is considered that, by appropriately interposing between the first ferrite particles 4, the contact between the ferrite particles is suppressed, the insulation resistance is increased, and the imaginary part ⁇ ′ ′ of the complex relative dielectric constant is reduced.
  • the addition of the thermal conductive material 6 added to improve the thermal conductivity is also considered to be a factor for reducing the imaginary part ⁇ ′ ′ of the complex relative dielectric constant.
  • the imaginary part ⁇ ′ ′ of the complex relative permeability in the 100 MHz band can be increased. Also, even if the imaginary part ⁇ ′ ′ of the complex relative permeability in the GHz band is small, the present embodiment In the embodiment, the imaginary part ⁇ ′ ′ of the complex relative dielectric constant in the GHz band can be reduced. This allows appropriate conversion of electromagnetic energy to thermal energy in a wide frequency band ranging from 100 MHz to the GHz band, and thermal conductivity
  • the heat conductive noise suppression sheet 3 according to the present embodiment has a high noise suppression effect in a wide frequency band ranging from 100 MHz to GHz band. You can get it.
  • thermally conductive noise suppression sheet 3 of the present embodiment it is possible to obtain excellent thermal conductivity.
  • the first ferrite particles 4 which are spherical particles larger than the second ferrite particles 5 are included.
  • the thermal conductivity is improved by containing the first ferrite particles 4.
  • the thermally conductive noise suppression sheet 3 is interposed between the semiconductor component 1 and the heat sink 2.
  • the thickness of the thermally conductive noise suppression sheet 3 is crushed by being pressed by, for example, a housing from the thickness direction of the thermally conductive noise suppression sheet 3.
  • the compression ratio of the thermal conductivity noise suppression sheet 3 is high, the adhesion between the thermal conductivity noise suppression sheet 3 and the semiconductor component 1 and between the thermal conductivity noise suppression sheet 3 and the heat sink 2 can be improved. It is possible to obtain excellent thermal conductivity.
  • the first ferrite particles 4 having a spherical particle diameter are contained in an amount of 5 to 25% by volume, and the second ferrite particles 5 are further contained in an appropriate amount from the viewpoint of noise suppression effect etc. It is possible to obtain excellent thermal conductivity.
  • the total content obtained by adding each content of the first ferrite particles 4, the second ferrite particles 5 and the heat conductive material 6 (when the heat conductive material 6 is not contained, the total content of the ferrite particles 4 and 5 is contained)
  • the amount is about 50 to 60% by volume.
  • the content of the first ferrite particles 4 is set to 20 to 25% by volume so that the content of the second ferrite particles 5 or each content of the second ferrite particles 5 and the heat conductive material 6 is contained. Even if the total content added is as low as 10 to 20% by volume, it is possible to obtain excellent thermal conductivity together with the noise suppression effect. Note that this embodiment is suitable for applications requiring excellent thermal conductivity even if the noise suppression effect is somewhat reduced because the content of the second ferrite particles 5 is small.
  • the thermally conductive noise suppression sheet 3 of the present embodiment also needs a silane coupling agent, a platinum catalyst, a flame retardant, etc. You may add according to.
  • the first ferrite particles 4, the second ferrite particles 5, and the heat conductive material 6 are charged into a solution in which the matrix material 7 is dissolved and stirred to obtain a slurry.
  • the second ferrite particles 5 which are indeterminate particles are obtained by crushing the first ferrite particles 4 which are spherical particles.
  • heat treatment is performed to form a sheet-like thermally conductive noise suppression sheet 3.
  • a kneaded product of the matrix material 7, the first ferrite particles 4, the second ferrite particles 5, and the heat conductive material 6 may be formed into a sheet by a hot press or the like without using a solvent.
  • Example 1 (1) First ferrite particles (spherical particles): KNI-109GS (Ni-Zn ferrite) manufactured by JFE Chemical Corporation was used. The average particle size was 100 ⁇ m. Moreover, the addition amount with respect to all the solid components was 20 volume%. (2) Second ferrite particles (amorphous particles): KNI-109 GSM (Ni-Zn ferrite) manufactured by JFE Chemical Corporation was used. The average particle size was 40 ⁇ m. Moreover, the addition amount with respect to all the solid components was 35 volume%. (3) Thermal conductive material: Aluminum oxide (AS-40 manufactured by Showa Denko KK) having an average particle diameter of 12 ⁇ m was used.
  • FIG. 6 is a cross-sectional photograph (SEM photograph) of the thermally conductive noise suppression sheet of the example.
  • SEM photograph the first ferrite particles, which are spherical particles, were scattered at one place without being stagnant.
  • the 2nd ferrite particle which is an irregular-shaped particle, a heat conduction material, and a matrix material intervene between the 1st ferrite particles.
  • the matrix material intervened between the particles and filled in the gaps between the particles.
  • FIG. 7 is a cross-sectional photograph (SEM photograph) of the thermally conductive noise suppression sheet of Conventional Example 1. As shown in FIG. 7, it was found that the Ni—Zn ferrite particles are irregularly shaped particles corresponding to the second ferrite particles of this example.
  • Comparative example 1 (1) First ferrite particles (spherical particles): KNI-109GS manufactured by JEF Chemical Corporation was used. The average particle size was 100 ⁇ m. Moreover, the addition amount with respect to all the solid components was 55 volume%. (2) Thermal conductive material: Aluminum oxide (AS-40 manufactured by Showa Denko KK) having an average particle diameter of 12 ⁇ m was used. Moreover, the addition amount with respect to all the solid components was 5 volume%. (3) Matrix material: Silicone gel (SE1896FR manufactured by Toray Dow Corning Silicone Co., Ltd.) was used. Moreover, the addition amount with respect to all the solid components was 40 volume%.
  • FIG. 3 is a graph showing the frequency characteristics of the imaginary part ⁇ ′ ′ of the complex relative magnetic permeability in each sample. As shown in FIG. 3, in the frequency band of the 100 MHz band, the imaginary part ⁇ ′ ′ of the complex relative permeability in Example 1 is larger than that in Conventional Example 1 and almost equal to that in Comparative Example 1.
  • FIG. 4 is a graph showing the frequency characteristics of the imaginary part ⁇ ′ ′ of the complex relative dielectric constant in each sample. As shown in FIG. 4, in the frequency band of about 1 GHz or more, the imaginary part ⁇ ′ ′ of the complex relative dielectric constant in Example 1 is smaller than that in Conventional Example 1 and Comparative Example 1.
  • the imaginary part ⁇ ′ ′ of the complex relative permeability can be effectively increased in the frequency band of several hundred MHz, and the imaginary part ⁇ ′ ′ of the complex relative permittivity is effective in the frequency band of 1 GHz or more. It turned out that it can be made as small as possible.
  • FIG. 5 is a graph showing the frequency characteristics of noise attenuation in each sample.
  • the amount of noise attenuation was measured by a spectrum analyzer with a tracking generator (hereinafter referred to as TG).
  • TG a tracking generator
  • the signal strength with and without the sample is measured, and from the difference between the two, the noise attenuation of the sample I asked for performance.
  • FIG. 5 uses the noise attenuation amount of Conventional Example 1 as a reference value, and the noise attenuation amounts of Example 1 and Comparative Example 1 are shown as a difference from the reference value. Therefore, FIG. 5 shows that the noise attenuation amount is larger than that of Conventional Example 1 when the attenuation amount is a positive value, and the noise attenuation amount is smaller than that of Conventional Example 1 when the attenuation amount is a negative value.
  • the noise attenuation amount of the embodiment in the 100 MHz band is equivalent to that of Comparative Example 1 and can be larger than that of Conventional Example 1. Further, it was found that the noise attenuation amount of the embodiment in the GHz band is larger than that of Comparative Example 1 and is equal to or more than that of Conventional Example 1.
  • the noise suppression effect can be relatively enhanced in the GHz band in the conventional example 1 in which the ferrite particles are amorphous particles, it has been found that the noise suppression effect in the 100 MHz band is lowered.
  • Example 1 in which both the first ferrite particles, which are spherical particles, and the second ferrite particles, which are irregular particles, are added, excellent noise suppression is achieved over a wide frequency band from 100 MHz to GHz. It turned out that the effect can be exhibited.
  • thermal conductivity was simulated using an analysis model in which the matrix material is made of silicone gel and the filler content is 60% by volume.
  • the number of first ferrite particles was changed to 2, 4, 6, and 11, and the temperature change from the lower surface to the upper surface of the analysis model was analyzed.
  • FIG. 8 is a simulation result (schematic view) showing a temperature change from the lower surface to the upper surface in a cross section which appears by cutting the analytical model in the thickness direction.
  • FIG. 8A shows the case where the number of first ferrite particles is two
  • FIG. 8B shows the case where the number of first ferrite particles is four
  • FIG. 8C shows the first ferrite.
  • FIG. 8D is an experimental result when the number of first ferrite particles is eleven.
  • the content of the entire filler is fixed at 60% by volume, so it was found from this experiment that the first ferrite particles of spherical particle size greatly contribute to the thermal conductivity.
  • thermal conductivity can be increased.
  • content of the first ferrite particles is too large, the thermal conductivity is lowered due to the reduction of the compressibility, so the preferable content is In order to determine the amount, a thermally conductive noise suppression sheet shown in Table 1 below was prepared.
  • Example 1 and Comparative Example 1 shown in Table 1 are the same as those used in the experiment in FIG.
  • Table 1 in Comparative Example 1 in which the volume percentage of the first ferrite particles (KNI-109GS) was considerably increased, it was found that sheet formation was difficult. Further, in Comparative Example 1, although the volume percentage of the first ferrite particles was large, the resin and the filler did not fit well, and the air entered the structure, so the thermal conductivity became low. Further, in Comparative Example 1 in the above state, the compression rate is also bad, and as a result, the heat conduction performance is extremely deteriorated.
  • Comparative Example 3 shown in Table 1, high thermal conductivity is obtained with the first ferrite particles (KNI-109GS) at 35 volume% and the second ferrite particles (KNI-109GSM) at 20 volume%.
  • the content of the first ferrite particles is still large and sheet forming is difficult, and even if sheet forming is possible, the sheet is compressed when the thermally conductive noise suppressing sheet is interposed between the semiconductor component and the heat sink was found to be fragile and prone to collapse.
  • Comparative Examples 2 and 4 to 7 are experimental results in which none of the first ferrite particles is contained and the second ferrite particles (KNI-109GSM) are contained in a considerably large amount of 50% by volume or 55% by volume, In any case, sufficient thermal conductivity could not be obtained.
  • Example 1 to 3 sheet formation was possible and all were able to obtain high thermal conductivity.
  • KNI-106 GSM manufactured by JEF Chemical Corporation was used as the second ferrite particle. It was found that Examples 1 to 3 not only have high thermal conductivity but also high compression ratio as described below, and excellent thermal conductivity can be obtained.
  • Example 4 contains the first ferrite particles in a larger amount than the second ferrite particles, and the thermal conductivity is smaller than in Examples 1 to 3, but the first contribution to the thermal conductivity Because a large amount of ferrite particles is added, although the filler content is smaller than in Comparative Examples 6 and 7, the thermal conductivity is higher than those in Comparative Examples.
  • the data is not shown in Example 4, since the total amount of the filler consisting of the first and second ferrite particles is small, it is possible to further increase the compressibility and obtain excellent thermal conductivity. Can be expected to
  • thermoly conductive noise suppression sheet was produced in which the alumina was 2.5 vol%, the matrix material was 42.5 vol%, and the other conditions were the same as in Example 1.
  • thermoly conductive noise suppression sheet (EGR-11F) manufactured by Fuji Highpolymer Co., Ltd. was used as Comparative Example 8.
  • FIG. 9 is a cross-sectional photograph (SEM photograph) of the thermally conductive noise suppression sheet of Comparative Example 8. As shown in FIG. 9, it was found that the ferrite particles were not ferrite particles of spherical particle diameter, but were irregular shaped particles corresponding to the second ferrite particles of this example.
  • the thermal conductivity noise suppression sheet described above is exposed to an environment with a temperature of 130 ° C. and a humidity of 85% for 20 hours, and further compression to the thermal conductivity noise sheet at 150 ° C. by 50%, an environment of -65 ° C. Stress was applied by repeating 50% compression for 30 minutes each for 20 cycles.
  • each thermally conductive noise suppression sheet is placed on the heater and compressed in the vertical direction, the heater side of each thermally conductive noise suppression sheet and the opposite side to the heater side Surface temperature difference was determined.
  • the temperature difference was smaller than in the comparative example, and it was found that the example had high thermal conductivity and compressibility, and was excellent in thermal conductivity.

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Abstract

【課題】 特に、数百MHzから数GHzに至る広い周波数帯域で、高いノイズ抑制効果と優れた熱伝導性を得られるようにした熱伝導性ノイズ抑制シートを提供することを目的としている。 【解決手段】 本実施形態の熱伝導性ノイズ抑制シートは、少なくとも第1フェライト粒子4と、第2フェライト粒子5と、マトリクス材7と、を有し、前記第1フェライト粒子4は、平均粒径が50~150μmで、全固形成分に対して含有量が5~25体積%の球形粒子であり、前記第2フェライト粒子5は、平均粒径が50μm以下で、全固形成分に対して含有量が5~45体積%の不定形粒子である。

Description

熱伝導性ノイズ抑制シート
 本発明は、百MHz帯からGHz帯にわたる広い周波数帯域で、ノイズ抑制効果に優れ、且つ熱伝導性に優れた熱伝導性ノイズ抑制シートに関する。
 下記の特許文献に示すように、IC等の半導体部品と、ヒートシンクとの間に熱伝導性ノイズ抑制シートを介在させることが知られている。
 上記の用途で用いられる熱伝導性ノイズ抑制シートは、半導体部品から発せられた電磁エネルギーを熱エネルギーに変換し、熱エネルギーをシート内にて伝達して、ヒートシンクへ放熱している。
 特許文献1には、複素比透磁率の虚数部μ″を大きくして、ノイズ抑制効果を高めることが記載されている。
 しかしながら、複素比透磁率の虚数部μ″の調整だけでは、効果的に、百MHz帯と、GHz帯の両帯域でのノイズ抑制効果を向上できないことがわかった。
 またノイズ抑制効果とともに、熱伝導性を効果的に向上させることが必要である。
 しかしながら熱伝導性を向上させるには単にフィラーの充填量を大きくして熱伝導率を上げても圧縮率の低下により効果的に熱伝導性を向上させることができないとわかった。熱伝導性ノイズ抑制シートはIC等の半導体部品とヒートシンク間に設置され、その際、前記熱伝導性ノイズ抑制シートは圧縮して用いられるがシートの圧縮率が悪いとシートとヒートシンク間、及びシートと基板間の密着性が悪くなり、熱伝導性が劣化する要因となる。
特開2001-68312号公報 特表2006-504272号公報
 そこで本発明は、上記従来の課題を解決するためのものであり、特に、百MHz帯からGHz帯にわたる広い周波数帯域で、高いノイズ抑制効果を得られ、且つ熱伝導性に優れた熱伝導性ノイズ抑制シートを提供することを目的としている。
 本発明における熱伝導性ノイズ抑制シートは、
 第1フェライト粒子と、第2フェライト粒子と、熱伝導材と、マトリクス材と、を有し、
 前記第1フェライト粒子は、平均粒径が50~150μmで、全固形成分に対して含有量が5~25体積%の球形粒子であり、
 前記第2フェライト粒子は、平均粒径が50μm以下で、全固形成分に対して含有量が5~45体積%の不定形粒子であることを特徴とするものである。
 本発明では、複素比透磁率の虚数部μ″のみならず、複素比誘電率の虚数部ε″にも着目して、百MHz帯からGHz帯にわたる広い周波数帯域で、高いノイズ抑制効果を得ようとするものである。具体的には、本発明によれば、百MHz帯での複素比透磁率の虚数部μ″を大きくできる。その一方で、GHz帯で複素比透磁率の虚数部μ″が小さくなっても、本発明では、数GHz帯での複素比誘電率の虚数部ε″を小さくできる。これにより、百MHz帯からGHz帯にわたる広い周波数帯域で、高いノイズ抑制効果を得ることが出来る。
 しかも、本発明では、第2フェライト粒子より大きい平均粒径を備える球形粒子からなる第1フェライト粒子を含み、この第1フェライト粒子の含有量を適切に規制することで、高い熱伝導率を確保しつつ、圧縮率を大きくでき、熱伝導性を効果的に向上させることができる。
 本発明では、前記第1フェライトの含有量は、10体積%以上であることが好ましく、20体積%以上であることがより好ましい。
 また本発明では、前記第2フェライトの含有量は、30体積%以上であることが好ましい。
 また本発明では、前記第1フェライト粒子の含有量は20~25体積%で、前記第2フェライト粒子の含有量は10~20体積%の範囲内とすることも出来る。このように本発明では第1フェライト粒子の含有量をある程度大きくすることで、第2フェライト粒子の含有量を少なめに設定し、フィラー全体としての充填率をさほど大きくしなくても、高いノイズ抑制効果とともに、高い熱伝導率と圧縮率を確保して優れた熱伝導性を得ることが出来る。
 また本発明では、前記不定形粒子は、前記球形粒子を粉砕して得られたものであることが好ましい。
 また本発明では、熱伝導材をさらに含んでもよい。具体的には、前記熱伝導材は、平均粒径が5~25μmで、全固形成分に対して含有量が2.5~10体積%の酸化アルミニウムであることが好ましい。
 また本発明では、マトリクス材は、全固形成分に対して含有量が30~57.5体積%のシリコーンゲルであることが好ましい。
 本発明の熱伝導性ノイズ抑制シートによれば、百MHz帯からGHz帯にわたる広い周波数帯域で、高いノイズ抑制効果を得ることが出来、且つ優れた熱伝導性を得ることが出来る。
本実施形態における熱伝導性ノイズ抑制シートの使用形態を示す断面図、 本実施形態におけるシート内部構造を示す模式図、 実施例、従来例1、比較例1における複素比透磁率の虚数部μ″の周波数特性を示すグラフ、 実施例、従来例1、比較例1における複素比誘電率の虚数部ε″の周波数特性を示すグラフ、 実施例、従来例1、比較例1におけるノイズ減衰量の周波数特性を示すグラフ、 実施例の断面写真(SEM写真)、 従来例1の断面写真(SEM写真)、 第1フェライト粒子(球状粒子)の含有個数が異なる解析モデルの断面の熱分布を示す模式図、 比較例8の断面写真(SEM写真)、
 図1は本実施形態における熱伝導性ノイズ抑制シートの使用形態を示す断面図、図2は、シート内部構造を示す模式図である。
 図1に示す符号1は、IC等の半導体部品であり、符号2はヒートシンクである。そして、半導体部品1とヒートシンク2との間に本実施形態の熱伝導性ノイズ抑制シート3が設けられている。熱伝導性ノイズ抑制シート3と半導体部品1間、及び熱伝導性ノイズ抑制シート1とヒートシンク2間は密着している。
 本実施形態における熱伝導性ノイズ抑制シート3の厚みH1は、1~5mm程度である。
 熱伝導性ノイズ抑制シート3は、図2に示すように、第1フェライト粒子4と、第2フェライト粒子5と、熱伝導材6と、マトリクス材7と、を有して構成される。
 第1フェライト粒子4は、平均粒径が50~150μmで、全固形成分に対して含有量が5~25体積%の球形粒子である。ここで「球形粒子」とは、表面に角が無く、扁平度(縦横比)が1~2の範囲内の粒子を指す。なお本明細書における「平均粒径」とは、累積値50%での粒径(D50)を指している。
 第1フェライト粒子4の含有量は、10~25体積%の範囲内であることが好ましく、20~25体積%の範囲内であることがより好ましい。
 また第2フェライト粒子5は、平均粒径が50μm以下で、全固形成分に対して含有量が5~45体積%の不定形粒子である。ここで「不定形粒子」とは、球形粒子以外の粒子であって、且つ形がばらばらな粒子を指す。第2フェライト粒子5の平均粒径は、第1フェライト粒子4の平均粒径よりも小さい。
 第2フェライト粒子5の含有量は、30~45体積%の範囲内であることが好ましい。
 不定形粒子である第2フェライト粒子5は、球形粒子である第1フェライト粒子4を粉砕して得られたものであることが好適である。第2フェライト粒子5を添加することで、マトリクス材7とのなじみが良くなる。
 第1フィライト粒子4及び第2フェライト粒子5は、Mn-Znフェライト、Ni-Znフェライト等の既存のフェライトを使用できる。
 熱伝導材6には、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化亜鉛、酸化チタン、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化珪素等を例示できる。ただし、熱伝導材6は、酸化アルミニウムであることが好ましい。そして、熱伝導材6は、平均粒径が5~25μmで、全固形成分に対して含有量が2.5~10体積%であることが好ましい。好ましくは5~7体積%である。
 なお、熱伝導材6を含有せず、第1フェライト粒子4、第2フェライト粒子5及びマトリクス材7により構成されてもよい。
 マトリクス材7は、シートの耐熱性及びタック性(粘着性)を向上させるためにシリコーンゲルを使用することが好適である。またマトリクス材7は、全固形成分に対して含有量が30~57.5体積%であることが好適である。好ましくは35~45体積%である。
 本実施形態の熱伝導性ノイズ抑制シート3は、百MHz帯での複素比透磁率の虚数部μ″を大きくできる。具体的には、複素比透磁率の虚数部μ″を3以上に出来る。また、本実施形態では、GHz帯での複素比誘電率の虚数部ε″を小さくできる。具体的には、複素比誘電率の虚数部ε″を0.2以下に抑えることが出来る。
 本実施形態では、球形粒子である第1フェライト粒子4を所定粒径及び所定量にて添加するが、第1フェライト粒子4の添加は、百MHz帯での複素比透磁率の虚数部μ″を大きくできる一因と考えられる。一方、本実施形態でも従来例と同様に、GHz帯での複素比透磁率の虚数部μ″は小さくなりやすい。そこで本実施形態では、GHz帯での複素比透磁率の虚数部μ″が小さくても、GHz帯でのノイズ抑制効果を向上させるべく、GHz帯での複素比誘電率の虚数部ε″に着目したのである。
 本実施形態では、上記したように、GHz帯での複素比誘電率の虚数部ε″が小さくなるようにしている。複素比誘電率の虚数部ε″が小さいということは絶縁抵抗が高いことを意味する。
 本実施形態において、GHz帯での複素比誘電率の虚数部ε″が小さくなる一因は、不定形粒子である第2フェライト粒子5を所定粒径及び所定量にて添加したことにある。本実施形態で添加される不定形粒子である第2フェライト粒子5は、製造過程で、第1フェライト粒子の沈降現象等を抑制する。そして、マトリクス材7とのなじみが良い第2フェライト粒子5が第1フェライト粒子4間に適度に介在することで、フェライト粒子間の接触が抑制され、絶縁抵抗が高くなり、複素比誘電率の虚数部ε″が小さくなると考えられる。なお、熱伝導性を向上させるべく添加される熱伝導材6の添加もまた、複素比誘電率の虚数部ε″を小さくする一因であると考えられる。
 以上のように、本実施形態では、百MHz帯での複素比透磁率の虚数部μ″を大きくできる。また、GHz帯での複素比透磁率の虚数部μ″が小さくても、本実施形態では、GHz帯での複素比誘電率の虚数部ε″を小さくできる。これにより、百MHz帯からGHz帯にわたる広い周波数帯域で、適切に、電磁エネルギーを熱エネルギーに変換でき、熱伝導性を有することにより、熱エネルギーをシート内部から外部へ適切に放熱できる。したがって、本実施形態における熱伝導性ノイズ抑制シート3は、百MHz帯からGHz帯にわたる広い周波数帯域で、高いノイズ抑制効果を得ることが出来る。
 しかも本実施形態の熱伝導性ノイズ抑制シート3によれば優れた熱伝導性を得ることが可能である。
 熱伝導性を向上させるには、シート3自体の熱伝導率を大きくしつつ圧縮率を高めることが重要である。すなわち熱伝導率が大きくても圧縮率が低くては、熱伝導性が劣化してしまう。
 本実施形態では、平均粒径が第2フェライト粒子5より大きい球形粒子からなる第1フェライト粒子4を含有する。第1フェライト粒子4を含有することで熱伝導率は向上する。しかしながら第1フェライト粒子4の含有量を大きくし過ぎると圧縮率は低下する。図1に示すように、熱伝導性ノイズ抑制シート3は半導体部品1とヒートシンク2間に介在する。熱伝導性ノイズ抑制シート3の厚さ方向から例えば筐体で押圧されることで熱伝導性ノイズ抑制シート3の厚みは潰される。このとき熱伝導性ノイズ抑制シート3の圧縮率が高いと、熱伝導性ノイズ抑制シート3と半導体部品1間、及び、熱伝導性ノイズ抑制シート3とヒートシンク2間の密着性を向上させることができ、優れた熱伝導性を得ることが可能である。
 本実施形態では、球状粒径の第1フェライト粒子4を5~25体積%含有し、さらに第2フェライト粒子5をノイズ抑制効果の観点等から適度な量、含有することで、ノイズ抑制効果とともに優れた熱伝導性を得ることが可能となる。
 本実施形態では、第1フェライト粒子4、第2フェライト粒子5及び熱伝導材6の各含有量を足した合計含有量(熱伝導材6を含まない場合は、フェライト粒子4,5の合計含有量)は、50~60体積%程度であることが好適である。これにより高い圧縮率を得ることができ、優れた熱伝導性を得ることが出来る。
 また第1フェライト粒子4の含有量を20~25体積%として十分な量を含ませることで、第2フェライト粒子5の含有量、あるいは第2フェライト粒子5と熱伝導材6の各含有量を足した合計含有量を10~20体積%と低くしても、ノイズ抑制効果とともに優れた熱伝導性を得ることが可能となる。なお、この実施形態は、第2フェライト粒子5の含有量が少ない分、多少、ノイズ抑制効果が小さくなっても、優れた熱伝導性が必要な用途に適するものである。
 本実施形態の熱伝導性ノイズ抑制シート3には、第1フェライト粒子4、第2フェライト粒子5、熱伝導材6及びマトリクス材7のほかにシランカップリング剤、白金触媒、難燃剤等も必要に応じて添加しても良い。
 本実施形態では、マトリクス材7を溶かした溶液中に、第1フェライト粒子4、第2フェライト粒子5及び、熱伝導材6を投入・攪拌してスラリーを得る。上記したように不定形粒子である第2フェライト粒子5は、球形粒子である第1フェライト粒子4を粉砕して得たものであることが好適である。そしてスラリーを例えばドクターブレード法で塗工した後、加熱処理を行い、シート状の熱伝導性ノイズ抑制シート3を形成する。また、本実施形態においては溶剤を使用せず、マトリックス材7、第1フェライト粒子4、第2フェライト粒子5及び、熱伝導材6の混練物をホットプレス等でシート化しても良い。
 以下の試料(熱伝導性ノイズ抑制シート)を用意した。
(実施例1)
(1) 第1フェライト粒子(球形粒子):JFEケミカル社製のKNI-109GS(Ni-Znフェライト)を使用した。平均粒径は100μmであった。また、全固形成分に対する添加量を20体積%とした。
(2) 第2フェライト粒子(不定形粒子):JFEケミカル社製のKNI-109GSM(Ni-Znフェライト)を使用した。平均粒径は40μmであった。また、全固形成分に対する添加量を35体積%とした。
(3) 熱伝導材:平均粒径が12μmの酸化アルミニウム(昭和電工社製のAS-40)を使用した。また、全固形成分に対する添加量を5体積%とした。
(4) マトリクス材:シリコーンゲル(東レ・ダウコーニング・シリコーン株式会社製のSE1896FR)を使用した。また、全固形成分に対する添加量を40体積%とした。
 図6は、実施例の熱伝導性ノイズ抑制シートの断面写真(SEM写真)である。図6に示すように、球形粒子である第1フェライト粒子が一箇所にかたまらずに点在していることがわかった。そして、第1フェライト粒子間に、不定形粒子である第2フェライト粒子、熱伝導材、及びマトリクス材が介在することがわかった。またマトリクス材は各粒子間に介在するとともに、各粒子間を隙間無く埋めていることがわかった。
(従来例1)
 ソニーケミカル社製のE7000Kを使用した。なお、分析により、従来例1の熱伝導性ノイズ抑制シートは、Ni-Znフェライト粒子、酸化アルミニウム粒子及びシリコーンゲルを含むことがわかった。図7は、従来例1の熱伝導性ノイズ抑制シートの断面写真(SEM写真)である。図7に示すように、Ni-Znフェライト粒子は、本実施例の第2フェライト粒子に相当する不定形粒子であることがわかった。
(比較例1)
(1) 第1フェライト粒子(球形粒子):JEFケミカル社製のKNI-109GSを使用した。平均粒径は100μmであった。また、全固形成分に対する添加量を55体積%とした。
(2) 熱伝導材:平均粒径が12μmの酸化アルミニウム(昭和電工社製のAS-40)を使用した。また、全固形成分に対する添加量を5体積%とした。
(3) マトリクス材:シリコーンゲル(東レ・ダウコーニング・シリコーン株式会社製のSE1896FR)を使用した。また、全固形成分に対する添加量を40体積%とした。
 実験では、各試料における複素比透磁率の虚数部μ″の周波数特性、複素比誘電率の虚数部ε″の周波数特性、ノイズ減衰量の周波数特性を測定した。
 図3は、各試料における複素比透磁率の虚数部μ″の周波数特性を示すグラフである。
 図3に示すように、百MHz帯の周波数帯域では、実施例1における複素比透磁率の虚数部μ″は、従来例1よりも大きく、比較例1とほぼ同等であった。
 図4は、各試料における複素比誘電率の虚数部ε″の周波数特性を示すグラフである。
 図4に示すように、約1GHz以上の周波数帯域では、実施例1における複素比誘電率の虚数部ε″は、従来例1及び比較例1よりも小さくなった。
 このように本実施例では、数百MHzの周波数帯域で、複素比透磁率の虚数部μ″を効果的に大きくでき、1GHz以上の周波数帯域で、複素比誘電率の虚数部ε″を効果的に小さくできることがわかった。
 図5は、各試料におけるノイズ減衰量の周波数特性を示すグラフである。ノイズ減衰量は、トラッキングジェネレータ(以下TGとする)付のスペクトラムアナライザで測定した。具体的にはTG-試料-放熱用金属部品-スペクトラムアナライザというノイズ伝播の経路を模した測定系において、試料がある場合と無い場合の信号強度を測定し、両者の差から、試料のノイズ減衰性能を求めた。
 図5の縦軸は、従来例1のノイズ減衰量を基準値とし、実施例1及び比較例1のノイズ減衰量は、基準値との差で示している。したがって、図5において、減衰量がプラス値であると、従来例1よりノイズ減衰量が大きく、減衰量がマイナス値であると、従来例1よりノイズ減衰量が小さいことを示している。
 図5に示すように、百MHz帯での実施例のノイズ減衰量は、比較例1と同等であり、また従来例1に比べて大きくできることがわかった。またGHz帯での実施例のノイズ減衰量は、比較例1に比べて大きく、また従来例1と同等以上であることがわかった。
 フェライト粒子が不定形粒子である従来例1は、GHz帯では比較的、ノイズ抑制効果を高くできるものの、百MHz帯でのノイズ抑制効果は低くなってしまうことがわかった。
 また、フェライト粒子が球形粒子である比較例1は、百MHz帯でのノイズ抑制効果は高いものの、GHz帯でのノイズ抑制効果は低くなってしまった。
 これに対して、球形粒子である第1フェライト粒子と、不定形粒子である第2フェライト粒子の双方を添加した実施例1では、百MHz帯からGHz帯の広い周波数帯域にわたって、優れたノイズ抑制効果を発揮できることがわかった。
 次に熱伝導性について以下のシミュレーション結果を行った。
 実験では、マトリクス材がシリコーンゲルからなり、フィラー含有量を60体積%とした解析モデルを用いて熱伝導性のシミュレーションを行った。
 フィラーには、直径が0.1mmである球形粒子(Ni-Zn)の第1フェライト粒子や、そのほか、平均粒径が0.005~0.04mmである不定形粒子(Ni-Zn)の第2フェライト粒子、及び平均粒径が0.005~0.01mmのアルミナ(熱伝導材)を用いた。
 実験では、第1フェライト粒子の個数を2、4、6、11と変化させ、解析モデルの下面から上面に至る温度変化を解析した。
 図8は、解析モデルを厚さ方向に切断して現れた断面での下面から上面に至る温度変化を示すシミュレーション結果(模式図)である。
 図8の各図に示される丸形状は、断面に現れる第1フェライト粒子を示す。実験では、下面側に70℃の熱を加えたと想定した。図8(a)は、第1フェライト粒子の個数を2個とした場合、図8(b)は、第1フェライト粒子の個数を4個とした場合、図8(c)は、第1フェライト粒子の個数を6個とした場合、図8(d)は、第1フェライト粒子の個数を11個とした場合の実験結果である。
 図8に示すように、第1フェライト粒子の数が増えるほど、熱伝導性が良好になることがわかった。そして図8(a)では、解析モデルの上面の最大温度が64.6℃、図8(b)では、解析モデルの上面の最大温度が64.8℃、図8(c)では、解析モデルの上面の最大温度が65.1℃、図8(d)では、解析モデルの上面の最大温度が66.3℃であった。
 実験ではフィラー全体の含有量を60体積%に固定しているので、球形粒径の第1フェライト粒子が熱伝導性に大きく寄与していることがこの実験によりわかった。
 ただし、第1フェライト粒子を多く含有すれば、熱伝導率を高めることができるが、第1フェライト粒子の含有量を大きくしすぎると圧縮率の低下により、熱伝導性が低下するため、好ましい含有量を求めるべく以下の表1に示す熱伝導性ノイズ抑制シートを作製した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 表1に示す実施例1、及び比較例1は、図5での実験に使用したものと同じである。
 表1に示すように第1フェライト粒子(KNI-109GS)の体積%をかなり大きくした比較例1では、シート成形が困難であるということがわかった。また、比較例1では、第1フェライト粒子の体積%が大きいものの、樹脂とフィラーとがうまく馴染まず、空気が組織内に入り込み、そのため熱伝導率が低くなった。また上記のような状態の比較例1では圧縮率も悪く、その結果、熱伝導の性能は極端に劣化する。
 また、表1に示す比較例3では、第1フェライト粒子(KNI-109GS)を35体積%とし、第2フェライト粒子(KNI-109GSM)を20体積%として、高い熱伝導率が得られている。しかしながら比較例3では、依然として第1フェライト粒子の含有量が大きくシート成形が困難であり、シート成形できても、熱伝導性ノイズ抑制シートを半導体部品とヒートシンク間に介在させて圧縮したときにシートが脆く崩れやすいことがわかった。
 比較例2、4~7は、いずれも第1フェライト粒子を含有せず、第2フェライト粒子(KNI-109GSM)を、50体積%あるいは55体積%とかなり多く含有させた実験結果であるが、いずれも十分な熱伝導率を得ることが出来なかった。
 一方、実施例1~3では、シート成形が可能で且つ、いずれも高い熱伝導率を得ることができた。なお実施例では、第2フェライト粒子としてJEFケミカル社製のKNI-106GSMを用いた。実施例1~3は、熱伝導率が高いだけでなく、次に説明するように圧縮率も高く、優れた熱伝導性が得られることがわかった。また、実施例4は第1フェライト粒子を第2フェライト粒子よりも多く含有させたものであり、実施例1~3よりも熱伝導率が小さくなっているが、熱伝導率に寄与する第1フェライト粒子を多く添加しているため、比較例6、7よりもフィラーの含有量が小さいにもかかわらず、これら比較例よりも熱伝導率が高くなっている。また、実施例4において、データは示されていないが、第1、第2フェライト粒子からなるフィラーの合計量が少ないため、圧縮率をさらに高めることが可能であり、優れた熱伝導性を得られることが期待できる。
 続いて、アルミナを2.5体積%、マトリクス材を42.5体積%とし、その他の条件は実施例1と同じとした熱伝導性ノイズ抑制シートを作製した。
 また富士高分子(株)製の熱伝導性ノイズ抑制シート(EGR-11F)を比較例8として用いた。
 ここで図9は、比較例8の熱伝導性ノイズ抑制シートの断面写真(SEM写真)である。図9に示すように、フェライト粒子は、球状粒径のフェライト粒子でなく、本実施例の第2フェライト粒子に相当する不定形粒子であることがわかった。
 上記した熱伝導性ノイズ抑制シートを、温度が130℃、湿度が85%の環境下に20時間曝し、さらに熱伝導性ノイズシートに対して150℃で50%の圧縮、-65℃の環境下で50%の圧縮を各30分間、20サイクル繰り返してストレスを与えた。
 上記したストレスを与えた後、各熱伝導性ノイズ抑制シートをヒータ上に載置し、上下方向から圧縮した状態で、各熱伝導性ノイズ抑制シートのヒータ側とヒータ側に対して反対側との表面温度差を求めた。
 なお実験ではヒータへの入力を5、10、15Wに変化させて、上記温度差を求めた。
 その実験結果が以下の表2に示されている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
 表2に示すように、実施例では比較例に比べて温度差が小さくなり、実施例は、熱伝導率及び圧縮率が高く、熱伝導性に優れることがわかった。
1 電子部品
2 ヒートシンク
3 熱伝導性ノイズ抑制シート
4 第1フェライト粒子(球形粒子)
5 第2フェライト粒子(不定形粒子)
6 熱伝導材
7 マトリクス材

Claims (9)

  1.  第1フェライト粒子と、第2フェライト粒子と、マトリクス材と、を有し、
     前記第1フェライト粒子は、平均粒径が50~150μmで、全固形成分に対して含有量が5~25体積%の球形粒子であり、
     前記第2フェライト粒子は、平均粒径が50μm以下で、全固形成分に対して含有量が5~45体積%の不定形粒子であることを特徴とする熱伝導性ノイズ抑制シート。
  2.  前記第1フェライトの含有量は、10体積%以上である請求項1記載の熱伝導性ノイズ抑制シート。
  3.  前記第1フェライトの含有量は、20体積%以上である請求項1記載の熱伝導性ノイズ抑制シート。
  4.  前記第2フェライトの含有量は、30体積%以上である請求項1ないし3のいずれか1項に記載の熱伝導性ノイズ抑制シート。
  5.  前記第1フェライト粒子の含有量は20~25体積%で、前記第2フェライト粒子の含有量は10~20体積%の範囲内である請求項1記載の熱伝導性ノイズ抑制シート。
  6.  前記不定形粒子は、前記球形粒子を粉砕して得られたものである請求項1ないし5のいずれか1項に記載の熱伝導性ノイズ抑制シート。
  7.  熱伝導材をさらに含む請求項1ないし6のいずれか1項に記載の熱伝導性ノイズ抑制シート。
  8.  前記熱伝導材は、平均粒径が5~25μmで、全固形成分に対して含有量が2.5~10体積%の酸化アルミニウムである請求項7記載の熱伝導性ノイズ抑制シート。
  9.  マトリクス材は、全固形成分に対して含有量が30~57.5体積%のシリコーンゲルである請求項1ないし8のいずれか1項に記載の熱伝導性ノイズ抑制シート。
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