JP3957596B2 - 熱伝導性グリース - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発熱性電子部品の放熱材料に適した熱伝導性グリースに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、発熱性電子部品の高密度化や、携帯用パソコンをはじめとする電子機器の小型、薄型、軽量化に伴い、それらに用いられる放熱部材の低熱抵抗化の要求が益々高まっており、放熱部材の薄化が要求されている。放熱部材としては、シリコーンゴムに熱伝導性無機粉末が充填された硬化物からなる放熱シート、シリコーンゲルに熱伝導性無機粉末が充填され、柔軟性を有する硬化物からなる放熱スペーサー、液状シリコーンに熱伝導性無機粉末が充填された流動性のある放熱グリース、樹脂の相変化を利用したフェーズチェンジ型放熱部材等が例示される。これらのうち、薄化が容易なものは、放熱グリース及びフェーズチェンジ型放熱部材であるが、汎用品においては、価格が安い放熱グリースが好んで使用されることがある。
【０００３】
放熱グリースの熱伝導率を向上させるには、液状シリコーンに熱伝導性無機粉末を高充填させると共に、薄化すればよく、その薄化のためには低粘度のグリースを調整すればよい。しかしながら、従来の放熱グリース（例えば特開平３−１０６９９６号公報、特開２０００−１０９３７３号公報、特開２０００−１６９８７３号公報）では、平均粒径の比較的大きな熱伝導性無機粉末が用いられているので薄化することが困難であった。
【０００４】
一方、放熱グリースを発熱部品と放熱部品との間に挟んで使用する場合においては、ヒートサイクルが長期間繰り返されると、シリコーンオイル成分が分離するいわゆる「離油」が生じ、熱抵抗が上昇してしまうという問題がある。これを解決するため、平均粒径０．２〜５μｍ窒化アルミニウム粉末と平均粒径４０〜８０μｍの窒化アルミニウム粉末以外のフィラーとを液状シリコーンに含有させ、更に特定のシロキサン樹脂を含有させてなるものが提案（特開平１１−４９９５８号公報）されているが、これも平均粒径の大きなフィラーが用いられているので薄化が困難であった。窒化アルミニウム粉末を充填すると、放熱グリースの流動性が損なわれ、薄化が困難となるので、それを改善するため、球状の窒化アルミニウム粉末を用いることの提案もあるが、十分な改善には至っていない。
【０００５】
【特許文献１】
特開平３−１０６９９６号公報
【特許文献２】
特開２０００−１０９３７３号公報
【特許文献３】
特開２０００−１６９８７３号公報
【特許文献４】
特開平１１−４９９５８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記に鑑み、高熱伝導性かつ薄化容易であり、ヒートサイクルに対する信頼性の高い、発熱性電子部品の放熱材料に適した熱伝導性グリースを提供することである。本発明の目的は、窒化アルミニウム粉末及び／又はアルミナ粉末の微粉と超微粉との所定量を充填することによって達成することができる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、オルガノポリシロキサン１５〜３５質量％、平均粒径０．２μｍ以上１．０μｍ未満の球状アルミナ粉３５〜５５質量％、平均粒径１〜３μｍ、最大粒径２〜１０μｍの窒化アルミニウム粉３０〜５０質量％よりなることを特徴とする熱伝導性グリースである。また、本発明は、この熱伝導性グリースにおいて、増粘剤の２質量％以下（０を含まず）を更に含有してなることを特徴とする熱伝導性グリースである。本発明の熱伝導性グリースにおいては、上記オルガノポリシロキサン１５〜３５質量％の内訳が、シリコーンゴム５〜２０質量％、シリコーンオイル１０〜３０質量％であることが好ましい。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、更に詳しく本発明について説明する。
【０００９】
本発明で使用される熱伝導性無機粉末（充填材）は、窒化アルミニウム粉末とアルミナ粉末を必須成分とするが、最大粒径１０μｍ以下の炭化ホウ素粉末、炭化ケイ素粉末、酸化亜鉛、窒化ケイ素、窒化ホウ素、アルミニウム粉末、銅粉末等から選ばれた一種又は二種以上の粉末を、充填材の合計中、１０質量％まで含有していてもよい。重要なことは、窒化アルミニウム粉末とアルミナ粉末とを併用することであり、それによって窒化アルミニウム粉末の熱伝導性とアルミナ粉末の流動性を両立させることができる。
【００１０】
充填材は、本発明の熱伝導性グリースの動きをスムーズ化し薄化を容易とするため、平均粒径の異なる２種類又はそれ以上の粉末が使用される。すなわち、平均粒径０．２μｍ以上１．０μｍ未満、好ましくは０．４〜０．６μｍの球状アルミナ粉と、平均粒径１〜３μｍ、最大粒径２〜１０μｍ、好ましくは平均粒径１〜２μｍ、最大粒径２〜５μｍである窒化アルミニウム粉が使用される。球状アルミナ粉の平均粒径が、０．２μｍ未満では、グリースの粘度が高くなりすぎて薄化しにくい。１μｍ以上では、窒化アルミニウム粉の隙間に入り充填性を増す効果がなく、グリースにした時の流動性が低下し、薄化しにくい。一方、球状アルミナ粉の平均粒径が１μｍ未満であるか、又は最大粒径が２μｍ未満であると、熱伝導性無機粉末粒子間の接触点数が多くなりすぎて高熱伝導性が発現できない。窒化アルミニウム粉の平均粒径が３μｍをこえるか、又は最大粒径が１０μｍをこえると、押圧時に最大粒径のフィラーが障害になり、薄化が困難となる。
【００１１】
充填材の含有率は、熱伝導性グリース中、６５〜８５質量％である。６５質量％未満であると、熱伝導率が低く、いくら薄化しても低熱抵抗化は困難となる。８５質量％をこえると、グリースの流動性が低くなり、薄化が困難となる。具体的には、球状アルミナ粉３５〜５５質量％、窒化アルミニウム粉３０〜５０質量％である。球状アルミナ粉が３５質量％未満では、窒化アルミニウム粉の隙間に入り充填性を増す効果がなく、グリースにした時の流動性が低下し、薄化が困難となる。球状アルミナ粉が５５質量％をこえると、グリースの粘度が高くなりすぎて薄化が困難となる。一方、窒化アルミニウム粉が３０質量％未満では、熱伝導性無機粉末粒子間の接触点数が多くなりすぎて高熱伝導性が発現できず、５０質量％をこえると、グリースの粘度が高くなり、薄化が困難となる。
【００１２】
充填材の主材質が、アルミナ、又は窒化アルミニウムとアルミナの混合物以外であると、例えば窒化ケイ素、窒化ホウ素、酸化亜鉛、酸化珪素粉末であると、球形度と熱伝導性のバランスが悪くなることによって、充填性と熱伝導性を両立させることができず、所期の薄化を達成することができない。さらには、充填材は角状でもかまわないが、球形度が高いほど流動性は高くなり、薄化が容易となるので好ましい。平均球形度は０．８以上、特に０．８５以上であることが好ましい。
【００１３】
平均球形度は、実体顕微鏡、例えば「モデルＳＭＺ−１０型」（ニコン社製）、走査型電子顕微鏡等にて撮影した粒子像を画像解析装置、例えば（日本アビオニクス社製など）に取り込み、次のようにして測定することができる。すなわち、写真から粒子の投影面積（Ａ）と周囲長（ＰＭ）を測定する。周囲長（ＰＭ）に対応する真円の面積を（Ｂ）とすると、その粒子の真円度はＡ／Ｂとして表示できる。そこで、試料粒子の周囲長（ＰＭ）と同一の周囲長を持つ真円を想定すると、ＰＭ＝２πｒ、Ｂ＝πｒ^２であるから、Ｂ＝π×（ＰＭ／２π）^２となり、個々の粒子の球形度は、球形度＝Ａ／Ｂ＝Ａ×４π／（ＰＭ）^２として算出することができる。このようにして得られた任意の粒子２００個の球形度を求めその平均値を平均球形度とした。
【００１４】
本発明で用いられるオルガノポリシロキサンは、耐熱性・絶縁性等、電子材料の特性が備わったものである。これをマトリックスとすることによって信頼性の高い熱伝導性グリースが得られる。オルガノポリシロキサンの割合は、熱伝導性グリース中、１５〜３５質量％である。１５質量％未満では、グリースの流動性が乏しく、薄化できない。３５質量％をこえると、グリースの熱伝導性が低く、低熱抵抗が得られない。
【００１５】
中でも、オルガノポリシロキサン１５〜３５質量％の内訳が、シリコーンゴムが５〜２０質量％、シリコーンオイルが１０〜３０質量％であることが好ましく、これによって離油度が更に少なくなる。シリコーンゴムとしては、室温でガム状で、重合度が５，０００〜３０，０００であるものが好ましく、またシリコーンオイルとしては重合度が１０〜２００であるものが好ましい。この内訳は、以下に説明する増粘剤を更に２質量％以下（０は含まず）を含ませた熱伝導性グリースにおいても同じである。
【００１６】
本発明においては、熱伝導性グリース中、２質量％以下（０は含まず）の増粘剤を含有していることが好ましく、これによって離油度が一段と少なくなる。また、ヒートサイクル後の熱抵抗を増加せせない効果も期待できる。増粘剤は、シリコーンゴム及び／又はシリコーンオイルと共に用いても良く、シリコーンゴム及び／又はシリコーンオイルを用いないで用いることができる。増粘剤としては、ポリブテン（例えば日本油脂社社製商品名「ニッサンポリブテン１０ＳＨ」）、亜麻仁油、スタンド油、メチルセルロース、テルペンガム、蓖麻子油等をあげることができる。
【００１７】
本発明の熱伝導性グリースは、上記諸材料を万能混合攪拌機、ニーダー等で混練りすることによって製造することができる。本発明の熱伝導性グリースの用途は、電子部品の放熱部材、熱伝導性充填剤、温度測定用等の絶縁性充填剤等がある。たとえば、本発明の熱伝導性グリースは、ＭＰＵやパワートランジスタ、トランス等の発熱性電子部品からの熱を放熱フィンや放熱ファン等の放熱部品に伝熱させるために使用され、発熱性電子部品と放熱部品の間に挟み込まれて使用される。これによって、発熱性電子部品と放熱部品間の伝熱が良好となり、長期的に発熱性電子部品の誤作動を軽減させることができる。
【００１８】
【実施例】
以下、実施例及び比較例をあげて更に具体的に本発明を説明する。
【００１９】
実施例１〜５
表１に示される充填材｛市販窒化アルミニウム粉（トクヤマ社製商品名「Ｈグレード」）及び市販球状アルミナ粉（住友化学工業社製球状アルミナ商品名「ＡＡ−０５」）｝と、シリコーンゴム（東芝シリコーン社製商品名「ＸＥ１４−Ｂ６０９９」）と、シリコーンオイル（東芝シリコーン社製商品名「ＴＳＦ４５１−１０００Ａ」）と、増粘剤（日本油脂社製ポリブテン：商品名「ニッサンポリブテン１０ＳＨ」）を準備した。これらを表２の割合で配合し、３０分間混合しながら真空脱泡してグリースを製造した。
【００２０】
比較例１〜２
充填材を表２に示す割合で単独使用したこと以外は、実施例１に準じてグリースを製造した。比較例２では充填率は７５質量％が限界であった。得られたグリースはいづれも粘度が高くなった。
【００２１】
比較例３
窒化アルミニウム紛として、東洋アルミ社製商品名「トーヤルナイトＵ」を用いたこと以外は、実施例２と同様にしてグリースを製造した。
【００２２】
比較例４
球状アルミナ紛として、平均粒径が０．２μｍ未満の球状アルミナ紛（住友電工社製商品名「ＡＫＰ−Ｇ００８」）を用いたこと以外は、実施例２と同様にしてグリースを製造した。得られたグリースは流動性が低いものであった。
【００２３】
比較例５〜８
充填材、オルガノポリシロキサン（シリコーンゴム及びシリコーンオイル）の構成割合を表２としたこと以外は、実施例と同様にしてグリースを製造した。
【００２４】
得られたグリースの熱抵抗の測定結果を表３に示す。
（１）熱抵抗：先端が□１０ｍｍのヒーターを埋め込んだ銅製治具と、□１０ｍｍの銅製冷却治具との間に試料をはさみ、４．２ｋｇの荷重を掛けてセットした後、ヒーターに電力２０Ｗをかけて３０分間保持し、銅製ヒーターケースと銅板との温度差（℃）を測定し、式、熱抵抗（℃／Ｗ）＝温度差（℃）／電力（Ｗ）、により算出した。
（２）ヒートサイクル後の熱抵抗：ヒートサイクル装置に、上記銅製治具と銅製冷却治具に試料を挟み込んだ状態のままセットし、−４０℃×３０分間→１２０℃×３０分間を１サイクルとする試験を１０００サイクル行ってから熱抵抗を測定した。
【００２５】
なお、充填材の平均粒径と最大粒径は、Ｌ＆Ｎ社製粒度分布計「マイクロトラックＳＰ−Ａ」を用いて測定した。
【００２６】
【表１】

【００２７】
【表２】

【００２８】
【表３】

【００２９】
表１〜３に示すとおり、特定粒径の窒化アルミニウム粉と球状アルミナ粉を充填材とした本発明の熱伝導性グリースは、比較例に比べて著しい低熱抵抗化が達成され、しかもヒートサイクルに対する信頼性が高くなった。とくに、実施例５の増粘剤を入れた場合は、入れない場合がヒートサイクル後の熱抵抗が若干上がるのに対して、逆に熱抵抗は下がっており、時間と共に密着性がより向上し、高い信頼性の熱伝導性グリースが得られた。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、低熱抵抗で、ヒートサイクルに対する信頼性の高い熱伝導性グリースが提供される。

Claims (2)

1. シリコーンゴム５〜２０質量％、シリコーンオイル１０〜３０質量％を成分とするオルガノポリシロキサン１５〜３５質量％、平均粒径０．２μｍ以上１．０μｍ未満の球状アルミナ粉３５〜５５質量％、平均粒径１〜３μｍ、最大粒径２〜１０μｍの窒化アルミニウム粉３０〜５０質量％よりなることを特徴とする熱伝導性グリース。
2. ポリブテン、亜麻仁油、スタンド油、メチルセルロース、テルペンガム、蓖麻子油の増粘剤の２質量％以下（０を含まず）を更に含有してなることを特徴とする請求項１記載の熱伝導性グリース。