JP2022165108A - 熱伝導性複合シート及び発熱性電子部品の実装方法 - Google Patents
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Abstract
Description
熱伝導性複合シートであって、
硬さがアスカーC硬度30以下、表面タック力が30gf以上、及び厚さ0.3mm以上で熱伝導率が0.8W/mK以上であり、オルガノポリシロキサンエラストマーと熱伝導性充填材を含む熱伝導性シートと、該熱伝導性シートの片面に、厚さ10μm以上50μm以下であり弾性率が1GPa以上の絶縁性樹脂フィルムとを積層してなるものである熱伝導性複合シートを提供する。
(A)1分子中に2個以上のアルケニル基を有するオルガノポリシロキサン:100質量部、
(B)ケイ素原子に直接結合した水素原子を2個以上有するオルガノハイドロジェンポリシロキサン:前記ケイ素原子に直接結合した水素原子のモル数が前記(A)成分由来のアルケニル基のモル数の0.1~5.0倍となる量、
(C)熱伝導性充填材:1,200~6,500質量部、
(D)白金族金属系硬化触媒:前記(A)成分に対して白金族金属元素質量換算で0.1~2,000ppm
を含有する熱伝導性シリコーン組成物の硬化物であることが好ましい。
(C-i)平均粒径10~30μmである不定形アルミナ:500~1,500質量部、
(C-ii)平均粒径30~85μmである球状アルミナ:150~4,000質量部、
(C-iii)平均粒径0.1~6μmである絶縁性無機フィラー:500~2,000質量部
の3種からなるものであることが好ましい。
(F-1)下記一般式(1)
R1 aR2 bSi(OR3)4-a-b (1)
(式中、R1は独立に炭素原子数6~15のアルキル基であり、R2は独立に炭素原子数1~12の1価炭化水素基であり、R3は独立に炭素原子数1~6のアルキル基であり、aは1~3の整数、bは0~2の整数であり、但しa+bは1~3の整数である。)
で表されるアルコキシシラン化合物、及び
(F-2)下記一般式(2)
で表される分子鎖片末端がトリアルコキシシリル基で封鎖されたジメチルポリシロキサンからなる群から選ばれる1種以上
で処理されたものであることが好ましい。
熱伝導性複合シートであって、
硬さがアスカーC硬度30以下、表面タック力が30gf以上、及び厚さ0.3mm以上で熱伝導率が0.8W/mK以上であり、オルガノポリシロキサンエラストマーと熱伝導性充填材を含む熱伝導性シートと、該熱伝導性シートの片面に、厚さ10μm以上50μm以下であり弾性率が1GPa以上の絶縁性樹脂フィルムとを積層してなるものである熱伝導性複合シートである。
本発明の熱伝導性複合シートは、例えば図1のように示されるものである。図1において、熱伝導性複合シート1は、絶縁性樹脂フィルム2が熱伝導性シート3の片面に積層されたものである。熱伝導性シート3は熱伝導性複合シート1に熱伝導性を与える役割を持つ。絶縁性樹脂フィルム2は絶縁性樹脂フィルム2が積層された面に摺動性を与える役割を持つ。
熱伝導性シートとしては硬さ、表面タック力、厚さ、熱伝導性が下記の範囲内であれば特に限定されないが、例えば後述の熱伝導性シリコーン組成物をシート状にして硬化させて得られる硬化物とすることができる。また、市販の熱伝導性シートを使用することもできる。
熱伝導性シートの硬さはJIS K 7312:1996 附属書2記載の方法で測定したアスカーC硬度計で30以下であることを特徴とし、好ましくは20以下である。硬さの下限は特に限定されないが、好ましくは1以上、より好ましくは5以上とすることができる。硬さが30を超えると、発熱性電子部品を熱伝導性シートに固定する際に圧縮しづらくなり、発熱性電子部品に応力が掛かり破損の原因となる。
熱伝導性シートの厚さは0.3mm以上であることを特徴とし、好ましくは0.4mm以上である。厚さの上限は特に限定されないが、例えば5mm以下、好ましくは3mm以下、より好ましくは2mm以下とすることができる。0.3mm未満だと上述のように電子部品の公差が吸収できない場合が多くなる。
熱伝導性シートの表面タック力は30gf以上であることを特徴とし、好ましくは60gf以上である。タック力の上限は特に限定されないが、好ましくは500gf以下、より好ましくは200gf以下、更に好ましくは100gf以下の値とすることができる。30gf未満だと、被着体と十分に密着させることが難しくなる上、絶縁性樹脂フィルムと積層させる場合にも剥がれやすくなるためである。本発明においては、タック力はタッキネステスター(マルコム製)で定圧侵入方式を用いて測定した値とすることができる。
熱伝導性シートの熱伝導率は0.8W/mK以上である。好ましくは1.5W/mK以上、より好ましくは3.0W/mK以上である。熱伝導率の上限は特に限定されないが、例えば10W/mK以下、好ましくは5W/mK以下とすることができる。熱伝導率が0.8W/mK未満だと発熱性電子部品から発生した熱を効率的に冷却部材に伝えることができない。本発明においては、熱伝導率はホットディスク法を用いて測定した値とすることができる。
絶縁性樹脂フィルムは、有機骨格を持ち、重合反応によって高分子量化した、有機樹脂をフィルム状に成型したものを指す。製造方法は、熱軟化点以上で熱を掛けて軟化させ引き延ばす方法や、支持基材上で塗布し加熱硬化させる方法などが挙げられる。例えばPET(ポリエチレンテレフタレート)やPEN(ポリエチレンナフタレート)、PBT(ポリブチレンテレフタレート)、PEEK(ポリエーテルエーテルケトン)、PPS(ポリフェニレンサルファイド)、PI(ポリイミド)などが挙げられる。
絶縁性樹脂フィルムの厚さは10μm以上50μm以下であることを特徴とし、好ましくは20μm以上40μm以下である。厚さが10μm未満だと十分な摺動性が与えられない。一方50μmを超える場合、発熱性電子部品の熱を効率的に冷却部品に伝えることができない。というのも絶縁性樹脂フィルムは一般的に熱伝導率が低く、熱の伝達の妨げとなるため、出来るだけ薄い方がよい。しかしながら薄すぎても十分な摺動性を与えることができない。
絶縁性樹脂フィルムの弾性率は、1GPa以上であり、好ましくは2GPa以上であり、より好ましくは3GPa以上である。上限は特に限定されないが、例えば10GPa以下、好ましくは7GPa以下、より好ましくは5GPa以下とすることができる。1GPa未満であると樹脂フィルムの強度が不足し、十分な摺動性を与える事はできない。本発明においては、弾性率は、ASTM D882に準拠し測定した値とすることができる。
熱伝導性複合シートの成型方法は、例えば熱伝導性シート上に絶縁性樹脂フィルムを積層することで得られる。その際には熱伝導性シートの絶縁性樹脂フィルムの界面に空気層が混入しないようにすることが好ましい。他には絶縁性樹脂フィルム上に未硬化の熱伝導性シリコーン組成物を塗布して、加熱硬化させる方法であってもよい。しかし熱伝導性複合シートの成型方法は特にこれらに限定されるものではない。また熱伝導性シートと絶縁性樹脂フィルムの密着性を向上させるために、絶縁性樹脂フィルム上にプライマー処理やプラズマ処理を施してもよい。
本発明に用いられる熱伝導性シートを形成するための熱伝導性シリコーン組成物は、特に限定されないが以下の(A)~(D)成分を含むものであることが好ましい。以下、各成分について詳細を述べる。
(A)成分であるアルケニル基含有オルガノポリシロキサンは、ケイ素原子に結合したアルケニル基を1分子中に2個以上有するオルガノポリシロキサンであり、本組成物の硬化物の主剤となるものである。通常は主鎖部分が基本的にジオルガノシロキサン単位の繰り返しからなるのが一般的であるが、これは分子構造の一部に分枝状の構造を含んだものであってもよく、また環状体であってもよいが、硬化物の機械的強度等、物性の点から直鎖状のジオルガノポリシロキサンが好ましい。
(B)成分のオルガノハイドロジェンポリシロキサンは、1分子中に平均で2個以上、好ましくは2~100個のケイ素原子に直接結合する水素原子(ヒドロシリル基)を有するオルガノハイドロジェンポリシロキサンであり、(A)成分の架橋剤として作用する成分である。即ち、(B)成分中のヒドロシリル基と(A)成分中のアルケニル基とが、後述する(D)成分の白金族金属系硬化触媒により促進されるヒドロシリル化反応により付加して、架橋構造を有する3次元網目構造を与える。なお、ヒドロシリル基の数が2個未満の場合、硬化しない。
(C)成分である熱伝導性充填材は、主にアルミナを含有するものであることが好ましく、例えば、下記(C-i)~(C-iii)成分からなるものである。
(C-i)平均粒径10~30μmである不定形アルミナ、
(C-ii)平均粒径30~85μmである球状アルミナ、
(C-iii)平均粒径0.1~6μmである絶縁性無機フィラー
(D)成分の白金族金属系硬化触媒は、(A)成分由来のアルケニル基と、(B)成分由来のSi-H基の付加反応を促進するための触媒であり、ヒドロシリル化反応に用いられる触媒として周知の触媒が挙げられる。
本発明の熱伝導性シリコーン組成物には、更に(E)成分として付加反応制御剤を使用することができる。付加反応制御剤は、特に限定されないが通常の付加反応硬化型シリコーン組成物に用いられる公知の付加反応制御剤を用いることができる。例えば、1-エチニル-1-ヘキサノール、3-ブチン-1-オール、エチニルメチリデンカルビノール等のアセチレン化合物や各種窒素化合物、有機リン化合物、オキシム化合物、有機クロロ化合物等が挙げられる。
また、前記(C)成分は、(F)表面処理剤によって表面を疎水化処理していることが好ましい。(C)成分を疎水化処理することにより、(A)成分であるオルガノポリシロキサンとの濡れ性を向上させ、(C)成分である熱伝導性充填材を(A)成分からなるマトリックス中に均一に分散させることができる。前記(F)成分としては、特に下記に示す(F-1)成分及び(F-2)成分からなる群から選ばれる1種以上が好ましい。
R1 aR2 bSi(OR3)4-a-b (1)
(式中、R1は独立に炭素原子数6~15のアルキル基であり、R2は独立に炭素原子数1~12の1価炭化水素基であり、R3は独立に炭素原子数1~6のアルキル基であり、aは1~3の整数、bは0~2の整数であり、但しa+bは1~3の整数である。)
本発明で用いられる熱伝導性シリコーン組成物には、熱伝導性シリコーン組成物の粘度調整等の特性付与を目的として、(G)成分として、下記一般式(3)
で表される23℃における動粘度が10~100,000mm2/sのオルガノポリシロキサンを添加することができる。(G)成分は、1種単独で用いても、2種以上を併用してもよい。
また、本発明は熱伝導性複合シートの前記絶縁性樹脂フィルム上で発熱性電子部品を滑らせて目的の位置に合わせた後に、上記発熱性電子部品を固定する発熱性電子部品の実装方法を提供する。
1 TC-100CAD-10(信越化学工業製、1mm厚、3.2W/mK、アスカーC硬度10、タック力85gf)
2 TC-100CAS-10(信越化学工業製、1mm厚、1.8W/mK、アスカーC硬度10、タック力94gf)
3 TC-50CAD-10(信越化学工業製、0.5mm厚、3.2W/mK、アスカーC硬度10、タック力90gf)
4 以下に示す組成物を下記熱伝導性複合シートの成型方法2で硬化させて得られるシートであり、熱伝導率3.2W/mK、アスカーC硬度10、タック力90gfの1mm厚の熱伝導性シート
5 TC-80TA-1(信越化学工業製、0.8mm厚、1W/mK、アスカーC硬度90、タック力10gf)
A)下記式(5)に示す、動粘度600mm2/sであるオルガノポリシロキサン:100質量部
(式中、fは上記動粘度の値を満たす数である)
B)下記式(6)で示すオルガノハイドロジェンポリシロキサン:11質量部
C-1)平均粒径が1μmの不定形アルミナ:230質量部
C-2)平均粒径が5μmの不定形アルミナ:470質量部
C-3)平均粒径が20μmの不定形アルミナ:800質量部
C-4)平均粒径が45μmの球状アルミナ:120質量部
C-5)平均粒径が70μmの球状アルミナ120質量部
D)5質量%塩化白金酸2-エチルヘキサノール溶液:1質量部
E)エチニルメチリデンカルビノール:0.4質量部
F)下記式(7)で示されるオルガノポリシロキサン:40質量部
G)下記式(8)示されるオルガノポリシロキサン:15質量部
[評価方法]
熱伝導率:得られた組成物を6mm厚のシート状に硬化させ、そのシートを2枚用いて、熱伝導率計(TPA-501、京都電子工業株式会社製の商品名)を用いて、該シートの熱伝導率を測定した。
硬度:得られた組成物を6mm厚のシート状に硬化させ、そのシートを2枚重ねてアスカーC硬度計で測定した。
1 ルミラーS10(東レ製、PET、厚さ:38μm、弾性率:4.7GPa)
2 ルミラーS10(東レ製、PET、厚さ:24μm、弾性率:4.7GPa)
3 アピカル(カネカ製、PI、厚さ:24μm、弾性率:3.2GPa)
4 カプトン(東レ・デュポン製、PI、厚さ:7.5μm、弾性率:3.1GPa)
5 TC-20TA-1(信越化学工業製、熱伝導性シリコーンゴム、厚さ:0.2mm、弾性率:13MPa)
6 トレファン(東レ製、ポリプロピレン、厚さ:30μm、弾性率:0.15GPa)
7 ルミラーS10(東レ製、PET、厚さ:50μm、弾性率:4.7GPa)
8 カプトン(東レ・デュポン製、PI、厚さ:12.5μm、弾性率:3.1GPa)
9 ルミラーS10(東レ製、PET、厚さ:75μm、弾性率:4.7GPa)
下記表1に示す組み合わせで熱伝導性シートと絶縁性樹脂フィルムを積層して熱伝導性複合シートを形成した。熱伝導性複合シートの成型方法は以下の通りである。
熱伝導性シートの片面に、絶縁性樹脂フィルムを端部から2kgのゴムローラーを0.5m/minで動かし、熱伝導性シートと絶縁性樹脂フィルムを隙間なく貼り合わせた。この手法は上記熱伝導性シート1~3、5を用いた例で適用した。
未硬化のシリコーンポリマーと熱伝導性充填剤からなる組成物を絶縁性樹脂フィルム上にコンマコーターで塗布し、120℃、20分かけて硬化させた。この手法は上記熱伝導シート4を用いた例で適用した。
摺動性:十分大きなアルミ板上に熱伝導性複合シート200×500mmサイズを2kgゴムローラーで0.5m/minの速さで貼り合わせたのち、絶縁性樹脂フィルム上に幅200mm、長さ40mm、高さ150mm、重さ2kgのステンレスの塊を1m/minの速さで500mm移動させたときに、シートの破れ、剥がれがあるかどうかを確認した。シートに破れ、剥がれがおこらなければ合格、シートに破れ剥がれが起こった場合は、不合格とした。
熱抵抗上昇値:熱伝導性シートの熱抵抗と絶縁性樹脂フィルムを積層させた熱伝導性複合シートの熱抵抗の差とする。測定方法はASTM D5470に準拠し、測定条件は50℃/40psiとする。
Claims (8)
- 熱伝導性複合シートであって、
硬さがアスカーC硬度30以下、表面タック力が30gf以上、及び厚さ0.3mm以上で熱伝導率が0.8W/mK以上であり、オルガノポリシロキサンエラストマーと熱伝導性充填材を含む熱伝導性シートと、該熱伝導性シートの片面に、厚さ10μm以上50μm以下であり弾性率が1GPa以上の絶縁性樹脂フィルムとを積層してなるものであることを特徴とする熱伝導性複合シート。 - 前記絶縁性樹脂フィルムがポリエステル樹脂フィルムであることを特徴とする請求項1に記載の熱伝導性複合シート。
- 前記熱伝導性シートの熱伝導率が3.0W/mK以上であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の熱伝導性複合シート。
- 前記熱伝導性シートが、下記(A)~(D)成分
(A)1分子中に2個以上のアルケニル基を有するオルガノポリシロキサン:100質量部、
(B)ケイ素原子に直接結合した水素原子を2個以上有するオルガノハイドロジェンポリシロキサン:前記ケイ素原子に直接結合した水素原子のモル数が前記(A)成分由来のアルケニル基のモル数の0.1~5.0倍となる量、
(C)熱伝導性充填材:1,200~6,500質量部、
(D)白金族金属系硬化触媒:前記(A)成分に対して白金族金属元素質量換算で0.1~2,000ppm
を含有する熱伝導性シリコーン組成物の硬化物であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の熱伝導性複合シート。 - 前記(C)成分の熱伝導性充填材が、
(C-i)平均粒径10~30μmである不定形アルミナ:500~1,500質量部、
(C-ii)平均粒径30~85μmである球状アルミナ:150~4,000質量部、
(C-iii)平均粒径0.1~6μmである絶縁性無機フィラー:500~2,000質量部
の3種からなるものであることを特徴とする請求項4に記載の熱伝導性複合シート。 - 前記(C)成分が、下記(F)表面処理剤
(F-1)下記一般式(1)
R1 aR2 bSi(OR3)4-a-b (1)
(式中、R1は独立に炭素原子数6~15のアルキル基であり、R2は独立に炭素原子数1~12の1価炭化水素基であり、R3は独立に炭素原子数1~6のアルキル基であり、aは1~3の整数、bは0~2の整数であり、但しa+bは1~3の整数である。)
で表されるアルコキシシラン化合物、及び
(F-2)下記一般式(2)
で表される分子鎖片末端がトリアルコキシシリル基で封鎖されたジメチルポリシロキサンからなる群から選ばれる1種以上
で処理されたものであることを特徴とする請求項4又は請求項5に記載の熱伝導性複合シート。 - 前記(F)成分の配合量が前記(A)成分100質量部に対し0.01~300質量部であることを特徴とする請求項6に記載の熱伝導性複合シート。
- 請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の熱伝導性複合シートの前記絶縁性樹脂フィルム上で発熱性電子部品を滑らせて目的の位置に合わせた後に、前記発熱性電子部品を固定することを特徴とする発熱性電子部品の実装方法。
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