JP2014105297A

JP2014105297A - シート状成形体

Info

Publication number: JP2014105297A
Application number: JP2012260219A
Authority: JP
Inventors: Meng Wang; 猛王; Yukihiro Kanechika; 幸博金近
Original assignee: Tokuyama Corp
Current assignee: Tokuyama Corp
Priority date: 2012-11-28
Filing date: 2012-11-28
Publication date: 2014-06-09

Abstract

【課題】作業性が優れ、しかも高い熱伝導性を有する電子部品放熱用シートのための高熱伝導性樹脂複合材料を提供する。
【解決手段】鱗片状窒化硼素粉末と窒化アルミニウム粉末とを含む熱伝導性フィラーを、基材樹脂１００重量部に対して１００〜１０００重量部の割合で含有する樹脂組成物より成形されたシート状成形体であって、前記熱伝導性フィラー中に鱗片状窒化硼素粉末が１０〜３０質量部％の割合で含有され、且つ、前記シート状成形体中の鱗片状窒化硼素粉末を、個数割合で７０％以上の粒子が、該シート状成形体のシート面に対して、その結晶面が３０〜９０度の角度を成した状態で存在させることにより高熱伝導性樹脂複合材料を構成する。
【選択図】なし

Description

本発明は電子機器・部品の放熱材料として好適に使用することができるシート状成形体に関する。詳しくは、電気絶縁性を有し、かつ熱伝導性に優れ、しかも、柔軟性にも優れたシート状成形体を提供するものである。

近年、半導体デバイスのパワー密度上昇に伴い、デバイスに使用される材料には、より高度な放熱特性が求められている。このような材料として、サーマルインターフェースマテリアルと呼ばれる一連の材料があり、その使用量は急速に拡大している。サーマルインターフェースマテリアルとは、半導体素子から発生する熱をヒートシンクまたは筐体等に逃がす経路の熱抵抗を緩和するための材料であり、シート、ゲル、グリースなど多様な形態が用いられる。一般に、サーマルインターフェースマテリアルは、熱伝導性フィラーをエポキシやシリコーンの様な樹脂に分散した複合材料であり、フィラーとしては金属酸化物が多く用いられている。しかし、上記金属酸化物を用いた複合材料により成形されるシート状成形体は、厚み方向の熱伝導率が１〜３Ｗ／ｍ・Ｋ程度に留まるものであり、より高い熱伝導率を有するシート状成形体が要求されている。

このため、上記成形体の製造に使用する複合材料として、熱伝導率の大きな鱗片状窒化硼素粉末と粒形状の金属酸化物で構成させる熱伝導性フィラーを樹脂に充填したものが提案されている（特許文献１参照）。

特開平５−１６２９６号公報

しかし、鱗片状窒化硼素粉末と粒形状の金属酸化物で構成させる熱伝導性フィラーを樹脂に分散した複合材料では、鱗片状窒化硼素粉末を多量に必要とし、そのため、樹脂との混合時の粘度上昇が起こり、これをシート状に成形する際の作業性が著しく低下するという問題が発生する。

また、鱗片状窒化硼素粉末の平均長径は、前記粒形状の金属酸化物の平均粒径より大きい場合が多く、該鱗片状窒化硼素粉末粒子がシートに成形した後に横方向に配向し易く、結果として、得られるシート状成形体の熱伝導率を十分向上することができなかったり、また、平面方向における熱伝導率のバラツキが大きくなるという問題が起こる。また、金属酸化物は、それ自体の熱伝導率が低いため、鱗片状窒化硼素粉末と混合して複合材料を構成しても、高い熱伝導性を有するシート状成形体を得ることが困難となる。

従って、本発明の目的は、高い熱伝導性と柔軟性とを有し、縁放熱材料に好適に使用できるシート状成形体を提供することにある。

本発明者らは上記問題点を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、シート状成形体の原料となる前記複合材料の熱伝導性フィラーとして、それ自体が熱伝導性の高い窒化アルミニウム粉末と、鱗片状窒化硼素粉末とを使用し、且つ、上記鱗片状窒化硼素粉末を特定割合で含有せしめると共に、該鱗片状窒化硼素粉末の粒子の一定の割合以上が、特定の方向に配向した状態でシート状成形体中に存在するようにシート状成形体を構成することにより、前記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、鱗片状窒化硼素粉末と窒化アルミニウム粉末とを含む熱伝導性フィラーを、基材樹脂１００重量部に対して１００〜１０００重量部の割合で含有する樹脂組成物より成形されたシート状成形体であって、前記熱伝導性フィラー中に鱗片状窒化硼素粉末が１０〜３０質量部％の割合で含有され、且つ、前記シート状成形体中の鱗片状窒化硼素粉末は、個数割合で７０％以上の粒子が、該シート状成形体のシート面に対して、その結晶面が３０〜９０度の角度を成した状態で存在することを特徴とするシート状成形体である。

上記シート状成形体において、窒化アルミニウム粉末は、平均粒子径が１〜１００μｍのものが、また、鱗片状窒化硼素粉末は、その平均長径が、上記窒化アルミニウム粉末の平均粒子径に対して０．０２〜１の大きさを有するものであることが好ましい。

本発明によれば、窒化アルミニウム粉末の優れた熱伝導性と、成形体中における鱗片状窒化硼素粉末の配向の制御による熱伝導性の向上効果とにより、熱伝導性フィラーの少ない添加量で、良好な熱伝導性と柔軟性とを有し、電子部品放熱用として好適に使用することができるシート状成形体を提供することができる。

一般に、前記鱗片状窒化硼素粉末の厚み方向の熱伝導率は１〜２Ｗ／ｍ・Ｋ程度、面方向の熱伝導率は１００〜２００Ｗ／ｍ・Ｋ程度であり、上記本発明の効果は、鱗片状窒化硼素粉末が特定の方向に配向することによって、窒化アルミニウムと鱗片状窒化硼素粉末との熱の伝達が良好となることにより発現するものと思われる。

また、上記本発明のシート状成形体は、熱伝導性フィラー、特に、鱗片状窒化硼素粉末の添加量の低減により、その成形時における樹脂の粘度上昇を低く抑えることができ、製造時の作業性を改善することができるというメリットをも有する。

本発明において、シート状成形体を成形するための複合材料中に充填される熱伝導性フィラーは、窒化アルミニウム粉末と鱗片状窒化硼素とを含む。

上記窒化アルミニウム粉末は、公知のものが特に制限無く、還元窒化法、直接窒化法など公知の方法によって得られるものを使用することができる。上記窒化アルミニウム粉末の平均粒子径が１〜１００μｍ、好ましくは、５〜８０μｍのものが好適に使用される。また、その熱伝導率は、本発明の目的より、高いほど好ましく、１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上、好ましくは、１２０〜２８０Ｗ／ｍ・Ｋのものが好適に使用される。

また、前記鱗片状窒化硼素粉末は、公知のものが特に制限無く使用されるが、前記窒化アルミニウム粉末の平均粒子径に対して、平均長径が０．０２〜１、特に、０．０２５〜０．５の大きさを有するものであることが好ましい。即ち、上記鱗片状窒化硼素粉末の平均長径が、上記窒化アルミニウム粉末の平均粒子径に対して０．０２未満の場合には混合時の粘度が上昇し、作業性が低下する。鱗片状窒化硼素粉末の平均長径が、上記窒化アルミニウム粉末の平均粒子径に対して１．０を超える場合には、鱗片状窒化硼素粉末粒子の結晶面が横方向に配向し易くなり、結果として、シート状成形体の熱伝導率が低下したり、熱伝導率のバラツキが大きい等の問題が起こる場合がある。従って、窒化アルミニウム粉末の平均粒径に対して前記範囲の平均長径を有する鱗片状窒化硼素粉末を使用することにより、後述の成形において、後述する鱗片状窒化硼素粉末の個々の粒子の結晶面を特定の方向に配向し易くなる。

前記熱伝導性フィラーは、前記成分の他に、本発明に著しく影響を与えない範囲で、前記金属酸化物などのフィラーを含有しても良い。

本発明において、熱伝導性フィラーは、鱗片状窒化硼素粉末を１０質量部％以上、特に、１５質量％以上の割合で含有することが、後述する熱伝導性フィラーの添加量において、得られるシート状成形体の熱伝導性の向上効果を十分発揮するために好ましい。但し、上記割合が多くなり過ぎると、他の熱伝導性フィラーの粒子との関係で、後述する鱗片状窒化硼素粉末の個々の粒子の結晶面を特定の方向に配向し難くなり、成形して得られるシート状成形体の厚み方向の熱伝導性を十分向上することが困難となる傾向があるため、３０質量％以下、特に、２５質量％以下の含有割合となるように調整することが好ましい。

本発明で使用される基材樹脂は特に限定されないが、具体的には、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合体、ポリメチルペンテン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリ酢酸ビニル、エチレン−酢酸ビニル共重合体、ポリビニルアルコール、ポリアセタール、フッ素樹脂（ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン等）、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレン２，６ナフタレート、ポリスチレン、ポリアクリロニトリル、スチレン−アクリロニトリル共重合体、ＡＢＳ樹脂、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）樹脂、変性ＰＰＥ樹脂、脂肪族ポリアミド類、芳香族ポリアミド類、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリメタクリル酸類（ポリメタクリル酸メチル等のポリメタクリル酸エステル）、ポリアクリル酸類、ポリカーボネート、ポリフェニレンスルフィド、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルニトリル、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリケトン、液晶ポリマー、アイオノマーなどの熱可塑性樹脂、更にエポキシ類、アクリル類、ウレタン類、シリコーン類、フェノール類、イミド類、熱硬化型変性ＰＰＥ類、および熱硬化型ＰＰＥ類などの熱硬化性樹脂を挙げることが出来る。特に、エポキシ類、アクリル類、ウレタン類、シリコーン類、を使用することが好ましい。

また、熱伝導性フィラーと基材樹脂よりなる複合材料は、必要に応じて硬化剤、カップリング剤などの添加剤を含んでもよい。

本発明のシート状成形体を構成する複合材料は、基材樹脂１００重量部に対して、熱伝導性フィラーを１００〜１０００重量部、好ましくは３００〜６００重量部の範囲内で含有するものが使用される。即ち、熱伝導性フィラーが１００重量部未満の場合は複合材料での熱伝導率が低くなり、放熱シートとして十分な特性を得ることができない。また、１０００重量部を超える場合には、混合時の粘度が著しく上昇し、作業性が極めて悪くなり、更には、混合不良が発生し、熱伝導性低下を招く等の問題が起こる。

本発明のシート状成形体の最大の特徴は、前記シート状成形体中の鱗片状窒化硼素粉末は、個数割合で７０％以上、好ましくは、７５％以上の粒子が、該シート状成形体のシート面に対して、その結晶面が３０〜９０度の角度を成した状態で存在することにある。

尚、上記鱗片状窒化硼素の結晶面がシート面に対して成す角度は、９０度の角度を最大値として個々の粒子のシート面に対する角度を測定したものである。

前記個数割合で、鱗片状窒化硼素の粒子がかかる配向を成して存在することにより、前記熱伝導性フィラーの添加量において、厚み方向において良好な熱伝導性を有するシート状成形体を構成することができる。

また、本発明のシート状成形体は、前記したように、熱伝導性フィラーの添加量を抑制することが可能であり、同等の熱伝導性を示す従来のシート状成形体に比べて、柔軟性があるという特徴を有する。

本発明のシート状成形体の製造方法は、特に制限されるものではないが、好適な方法を例示すれば、前記の窒化アルミニウム粉末と鱗片状窒化硼素粉末とを前記所定の割合で混合して得られる熱伝導性フィラーを、基材樹脂と前記所定の割合で混合して複合材料を得、これを公知の方法により成形する方法が挙げられる。

上記各成分の混合には、ロール、ニーダ、バンバリーミキサー、自転・公転ミキサー等の通常の混練機が使用される。また、成形は、加圧成形、押出成形、カレンダー成形等の通常の成形法を用いて加工することができる。場合によっては、溶剤等を用いてキャスティングによる成形法を採用することも可能である。

上記成形方法のうち、得られるシート状成形体鱗片状窒化硼素粉末の結晶面が前記配向を示す個数割合を増加させるためには、窒化アルミニウム粉末と鱗片状窒化硼素粉末が均一に分散し、鱗片状窒化硼素粉末の結晶面が３０〜９０°の角度となるような成形方法が好適である。押出し成形やカレンダー成形などの成形方法だとその成形原理から粒子の配向性が出やすいため、本発明の構成を実現するためには比較的等方的な力を加えることにより成形する方法が好ましく、具体的には、加圧成形が好適である。

以下、実施例によって本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。

尚、表１中の各成分としては、下記のものを用いた。

基材樹脂：エポキシ樹脂（三菱化学株式会社製ＪＥＲ８０７）１００重量部と硬化剤（三菱化学株式会社製ＪＥＲキュア１１３）３２重量部との混合物
平均粒径８０μmの窒化アルミニウム：古河電子株式会社製ＪＥＲ−８０
平均粒径２０μmの窒化アルミニウム：株式会社トクヤマ製
平均粒径５μmの窒化アルミニウム：株式会社トクヤマ製
平均長径１８μmの鱗片状窒化硼素粉末：電気化学株式会社ＢＮ−ＳＧＰ
平均長径２μmの鱗片状窒化硼素粉末：電気化学株式会社ＢＮ−ＳＰ３−７。

実施例１
本例は、基材樹脂としてエポキシ樹脂を用いて樹脂組成物の作製する例である。
具体的には基材樹脂１００重量部と、平均粒径８０μmの窒化アルミニウム３５１重量部と、平均長径１８μmの鱗片状窒化硼素粉末３９重量部とを自転・公転ミキサー（株式会社シンキー製ＡＲＥ−５００）にて混合して樹脂組成物を得た。

これを金型に注型し、熱プレスを使用し、温度:１２０℃、圧力：５ＭＰａ、保持時間：1時間の条件で硬化させ、直径１０ｍｍ、厚さ１ｍｍのシートを作製した。レーザーフラッシュ法にて熱伝導率を測定した。走査型電子顕微鏡（ＪＳＭ−５３００：ＪＥＯＬ社製）を用い、シート状成形体の断面撮影を行い、視野内の任意の２００個の鱗片状窒化硼素粉末粒子の配向度を測定した。測定した結果を表１に示した。

実施例２〜５
表１に示す窒化アルミニウム、窒化硼素粉末の種類及び基材樹脂、窒化アルミニウム、窒化硼素粉末の量を使用し、それ以外は実施例１と同様にして、得られた樹脂組成物の熱伝導率及び窒化硼素粉末粒子の配向度を測定した結果を表１に示した。

比較例１〜３
表１に示す窒化アルミニウム、窒化硼素粉末の種類及び基材樹脂、窒化アルミニウム、窒化硼素粉末の量を使用し、それ以外は実施例１と同様にして、得られた樹脂組成物の熱伝導率及び窒化硼素粉末粒子の配向度を測定した結果を表１に示した。

比較例４〜５
表１に示す窒化硼素粉末の種類及び基材樹脂、窒化硼素粉末の量を使用し、それ以外は実施例１と同様にして、得られた樹脂組成物の熱伝導率及び窒化硼素粉末粒子の配向度を測定した結果を表１に示した。

比較例６〜８
表１に示す窒化アルミニウムの種類及び基材樹脂、窒化アルミニウムの量を使用し、それ以外は実施例１と同様にして、得られた樹脂組成物の熱伝導率を測定した結果を表１に示した。

Claims

鱗片状窒化硼素粉末と窒化アルミニウム粉末とを含む熱伝導性フィラーを、基材樹脂１００重量部に対して１００〜１０００重量部の割合で含有する樹脂組成物より成形されたシート状成形体であって、前記熱伝導性フィラー中に鱗片状窒化硼素粉末が１０〜３０質量部％の割合で含有され、且つ、前記シート状成形体中の鱗片状窒化硼素粉末は、個数割合で７０％以上の粒子が、該シート状成形体のシート面に対して、その結晶面が３０〜９０度の角度を成した状態で存在することを特徴とするシート状成形体。
窒化アルミニウム粉末の平均粒子径が１〜１００μｍであり、鱗片状窒化硼素粉末の平均長径が、上記窒化アルミニウム粉末の平均粒子径に対して０．０２〜１の大きさを有する請求項１記載のシート状成形体。