接着剤組成物、及びこれらの接着剤組成物の使用方法と調製方法
熱伝導性炭素系材料であって、更に電気的に絶縁性である材料を含有する接着剤組成物と、このような接着剤組成物の使用方法、及びこれらの接着剤組成物の調製方法である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示の分野は概して、接着剤組成物に関するものであり、特に電気的に更に絶縁される熱伝導性炭素系材料を含む接着剤組成物に関するものである。本開示の他の態様は、このような接着剤組成物を使用する方法、及びこれらの接着剤組成物を調製する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電子機器の製造では、従来、接着剤組成物を使用する必要がある。これらの接着剤組成物を使用して、電子部品（例えば、チップ及び抵抗体）を、取り付け面またはヒートシンク面のような、当該機器内のターゲット面に取り付ける。幾つかの実施例では、熱伝導性接着剤組成物（すなわち、熱を良好に伝達する組成物）を使用して、電子部品から生じる熱が接着剤を介してヒートシンク（例えば、機器内のアルミニウムまたは銅合金）に容易に伝達され、かつ機器の過熱を防止することができるようにすることが望ましい。
【０００３】
熱伝導性材料は通常、導電性材料でもある。その結果、従来の電子機器内の接着剤の一部（及び、特に種々の金属のような接着剤の充填剤）が、機器の使用年数経過に伴って、または機器の移動が繰り返されることに起因して（例えば、携帯機器、または移動体用の機器におけるように）剥がれる場合、接着剤の導電性成分が機器の作動領域に接触し、機器が短絡する虞がある。このような事象によって機器が故障する可能性がある。更に、接着剤の組成を調整して、当該接着剤の熱伝導率を高くする（例えば、より多量の金属を加えることにより）場合、接着剤の導電率は、接着剤が導電性を呈するようになって機器の短絡を発生させる値にまで高くなる可能性がある。したがって、当該材料は多くの場合、セラミックパッケージ内部またはプラスチックパッケージ内部に対して封止され、これによって機器のコストが増大する。
【０００４】
導電性ではないが、高い熱伝導率を有することにより熱を熱発生部品からヒートシンクに伝達することができる接着剤組成物が必要になる。また、このような接着剤組成物を調製するプロセス、及びこれらの組成物を電気機器内で使用するプロセスが必要になる。
【発明の概要】
【０００５】
本開示の１つの態様は、電子部品の熱伝導体として使用されるのに適する接着剤組成物に関する。該組成物は、電気絶縁コーティングが少なくとも部分的に施された炭素系粒子を含む。
【０００６】
本開示の別の態様は、熱伝導性接着剤組成物を生成するプロセスに関する。該プロセスは、電気絶縁コーティングを炭素系粒子の上に堆積させる工程と、前記コーティング済み炭素系粒子をバインダに混合する工程とを含む。
【０００７】
更に別の態様では、電子機器を製造するプロセスは、接着剤組成物をターゲット面に塗布する工程を含む。前記接着剤組成物は、バインダと、電気絶縁コーティングが少なくとも部分的に施され、かつ前記バインダ全体に分散させた炭素系粒子とを含む。部品を前記接着剤組成物に適用して、前記部品を前記ターゲット面に接着させる。次に、前記接着剤組成物を硬化させる。
【０００８】
説明してきた特徴、機能、及び利点は、本開示の種々の実施形態において個別に達成することができる、または以下の説明及び図面を参照しながら理解することができる更なる詳細を含む更に他の実施形態において組み合わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、窒化ホウ素コーティングが施され、かつ実施例１に従って調製された炭素繊維の写真である。
【図２】図２は、図１の炭素繊維の端部の写真である。
【図３】図３は、実施例１に従って調製されたコーティング済み炭素繊維をＥＤＡＸ分析して得られたグラフを示している。
【図４】図４は、その上に窒化ホウ素結晶を有するように、実施例３に従って調製された炭素繊維の写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本開示では、電子部品への使用に適する接着剤組成物、及びこのような組成物を調製し、使用する方法が提供される。概括すると、当該組成物は、炭素系粒子を含み、これらの炭素系粒子に電気絶縁コーティングが施される。このようなコーティングは、粒子が機器内で使用されている機器を、これらの粒子の導電性に起因して起こり得る短絡が生じないように保護する、または接着剤（例えば、個々のコーティング済み粒子、またはこのような粒子から成る個々のコーティング済みグループ）の一部が剥がれないように保護する。これらの炭素系粒子は、接着性を組成物に付与する１種類以上のバインダ材内に分散させることができる。炭素系材料は、これらの材料が金属材料よりも熱伝導率が高く、重量が軽く（すなわち、密度が低く）、酸化及び溶融に対する耐性が高いという理由により使用される。
【００１１】
本明細書において表記されるように、「ｃａｒｂｏｎ−ｂａｓｅｄ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ（炭素系粒子）」という用語は、少なくとも約５０重量％の炭素により構成される粒子を指す。他の実施形態では、これらの炭素系粒子は、少なくとも約７５重量％、少なくとも約９０重量％の炭素を含む、または少なくとも約９５重量％もの炭素を含む。これらの炭素系粒子は、少なくとも５００Ｗ／ｍ＊Ｋの熱伝導率を有することができ、他の実施形態では、少なくとも約１０００Ｗ／ｍ＊Ｋ、少なくとも約２０００Ｗ／ｍ＊Ｋ、少なくとも約４５００Ｗ／ｍ＊Ｋの熱伝導率を有する、または少なくとも約６０００Ｗ／ｍ＊Ｋもの熱伝導率を有することができる。これらの炭素粒子の電気抵抗は、約１００Ω＊ｃｍ未満、約５０Ω＊ｃｍ未満、約３０Ω＊ｃｍ未満、約１Ω＊ｃｍ未満とすることができる、または約０．１Ω＊ｃｍ未満とすることもできる。
【００１２】
接着剤中に使用される炭素系粒子の素材は、例えば炭素繊維、黒鉛、膨張黒鉛、グラフェン、及びこれらの組み合わせを含む多種多様な材料とすることができる。特定の実施形態では、これらの粒子は、例えばＣｙｔｅｃ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ Ｉｎｃ．社（コネティカット州スタンフォード）から入手することができるＴｈｅｒｍａｌＧｒａｐｈ（登録商標）ＤＫＤ ｆｉｂｅｒｓのような炭素繊維である。これらの炭素系粒子は、プレートレット、ファイバ、球、フレーク、チューブ、ロッド、及びダイヤモンドを含む多種多様な形状を採ることができるが、本開示の範囲を逸脱しない範囲で、いずれの形状を使用してもよい。一般的に、例えばファイバ、ロッド、及びプレートレットのような異方性材料が、これらの材料が、高い熱伝導率を低有含有率（すなわち、材料の容積が相対的に小さい状態）で実現するので好ましい。電気絶縁炭素系材料を使用することができるが、これらの材料は、これらの材料が通常、熱伝導率が低いので好適性に劣る。特定の実施形態では、炭素系材料は黒鉛炭素 であり、他の実施形態では、ダイヤモンド（天然ダイヤモンドまたは合成ダイヤモンド）である。幾つかの実施形態では、カーボンナノチューブが接着剤組成物中に使用される。
【００１３】
これらの炭素系粒子の粒子サイズは、接着剤の所望の特性（接着力、熱伝導率、粘度など）に依存して変化させることができ、この技術分野の当業者であれば、概略決定することができる。幾つかの実施形態では、これらの粒子の最大寸法は、平均で約１ｍｍ未満であり、平均で約５００μｍ未満、約２５０μｍ未満、約１００μｍ未満とすることができる、または約１μｍ未満とすることもできる。繊維粒子を使用する実施形態では、これらの繊維は、平均で約１００ｎｍ未満（例えば、約５０ｎｍ未満、または約５ｎｍ〜２０ｎｍ）の直径とすることができ、平均で約５００μｍ未満（例えば、約３００μｍ未満、または約２００μｍ〜約３００μｍ）の長さとすることができる。炭素ロッドを利用する場合、これらのロッドは、平均で約１００ｎｍ未満（例えば、約５０ｎｍ未満、または約５ｎｍ〜約５０ｎｍ）の直径とすることができ、平均で約５μｍ未満（例えば、約３μｍ未満、または約５００ｎｍ〜約２μｍ）の長さとすることができる。プレートレットを使用する場合、これらのプレートの最大幅は、約１００μｍ未満（例えば、約５０μｍ未満、または約１０μｍ〜約４０μｍ）とすることができ、これらのプレートの厚さは、約５０ｎｍ未満（例えば、約２０ｎｍ未満、または約５ｎｍ〜約４０ｎｍ）とすることができる。一般的に、上に列挙したサイズ以外の粒子サイズは、限定されず、本開示に基づいて用いることができる。
【００１４】
これらの炭素系粒子には、電気絶縁コーティングを施すことができる。当該コーティングは、各粒子の一部を被覆するか、または粒子の表面全体を被覆することができ、これらには限定されないが、粒子のうちの幾つかの粒子を、または粒子の全てを被覆することができる。本開示を行なうために、「電気絶縁コーティング」とは、炭素系粒子の導電率を低下させて、コーティング前の炭素系粒子の導電率よりも小さくするようなコーティング、異なる表現をすると、電気抵抗を増大させて、コーティング前の炭素系粒子の電気抵抗よりも大きくするようなコーティングである。電気抵抗は、例えば以下の実施例２において説明される検査方法によって測定することができる。コーティング後の炭素系粒子の電気抵抗は、少なくとも約５０Ω＊ｃｍとすることができ、他の実施形態では、少なくとも約１００Ω＊ｃｍ、少なくとも約１０００Ω＊ｃｍ、少なくとも約１ｘ１０５Ω＊ｃｍである、または少なくとも約１ｘ１０８Ω＊ｃｍにもなる。コーティング済み粒子の熱伝導率は、少なくとも約５０Ｗ／ｍ＊Ｋ、少なくとも約３００Ｗ／ｍ＊Ｋ、少なくとも約５００Ｗ／ｍ＊Ｋ、少なくとも約２０００Ｗ／ｍ＊Ｋ、少なくとも約４５００Ｗ／ｍ＊Ｋとすることができる、または少なくとも約６０００Ｗ／ｍ＊Ｋとすることもできる。
【００１５】
適切なコーティング材料は、例えば金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、及びこれらの組み合わせのようなセラミックスを含む。セラミック材料は、例えば炭化ホウ素、窒化ホウ素、炭化ケイ素、及び窒化ケイ素とすることができ、幾つかの実施形態では、窒化ホウ素である。一般的に、炭素系粒子の熱伝導率を低下させないコーティング材料を選択する必要がある、すなわち、コーティング材料は、熱絶縁性を示さないようにする必要がある。
【００１６】
電気絶縁コーティングは、炭素系粒子の上に、コーティングを堆積させるいずれかの既知の方法により堆積させることができ、特定の実施形態では、化学気相堆積法によって堆積させる。化学気相堆積法（ＣＶＤ）は、当業者に広く知られており、例えば、プラズマ支援ＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）、大気圧ＣＶＤ（ＡＰＣＶＤ）、低圧ＣＶＤまたは減圧ＣＶＤ（ＬＰＣＶＤ）、超高真空ＣＶＤ（ＵＨＶＣＶＤ）、原子層堆積法（ＡＬＤ）、及び噴霧型ＣＶＤ（ＡＡＣＶＤ）のような多数のＣＶＤ法を利用することができる。組成物は、例えばスパッタリングを含む、ＣＶＤ以外の方法によって塗布することができる。ゾルゲルプロセスを含む液相法を、本開示の範囲から逸脱しない範囲で利用することもできる。
【００１７】
一般的に、ＣＶＤ法では、前駆体化合物を高温で、コーティングが施されることになる基板表面に、または基板表面の近傍に導入する（通常、継続的に）。前駆体化合物は、反応することによりコーティングを基板表面に堆積させる。コーティングは、化合物が基板の上を高温で通過することがなくなるまで厚さ方向に成長する。使用のために選択されるこれらの前駆体化合物は、コーティングの所望の組成によって異なり、この技術分野の当業者であれば、これらの前駆体化合物の概要を決定することができる。例えば、窒化ホウ素コーティングが望ましい場合、例えばボラジン（Ｂ３Ｎ３Ｈ６）のような、ホウ素及び窒素を共に含有する化合物を使用することができる。別の構成として、ホウ素を含有する第１化合物、及び窒素を含有する第２化合物に、炭素系粒子を接触させることができる。ホウ素化合物は、例えば三塩化ホウ素（ＢＣｌ３）、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）、及び一般化学式ＢｘＨｙで表わされる全ての化合物を含む。特定の実施形態では、ｘは１〜１０であり、ｙは１〜１５である。化学式ＢｘＨｙで表わされる化合物の例として、ＢＨ３，Ｂ２Ｈ４，Ｂ２Ｈ６，Ｂ３Ｈ８，Ｂ４Ｈ１０，Ｂ５Ｈ９，Ｂ５Ｈ１１，Ｂ６Ｈ１０，Ｂ６Ｈ１２，Ｂ８Ｈ１２，Ｂ９Ｈ１５，及びＢ１０Ｈ１４を挙げることができる。窒素化合物は、例えばＮ２，ＮＨ３，及びヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）を含む。
【００１８】
同様に、窒化ケイ素コーティングが望ましい場合、ホウ素化合物及び窒素化合物を前駆体化合物として使用することができる。適切なケイ素化合物は、例えば四塩化ケイ素、シラン、及びハロシラン（例えば、トリクロロシラン）を含む。
【００１９】
炭素系粒子の全表面（または、前駆体化合物に曝される全表面）にコーティングを施すことができる、または別の構成として、一部分にのみコーティングを施すことができる。一般的に、出来る限り多くの粒子にコーティングを施すことにより、これらの粒子が確実に、十分な電気絶縁物を含有するようにすることが望ましい。コーティングの厚さを変化させて、接着剤組成物の十分な電気抵抗を確保し、確実に、熱伝導率が所望値以下に低下することがないようにする。一般的に、電気絶縁コーティングは、少なくとも約１０ｎｍの厚さとすることができ、他の実施形態では、少なくとも約１００ｎｍ、少なくとも約５００ｎｍ、少なくとも約１μｍ、少なくとも約１０μｍ、または少なくとも約１００μｍとすることができる。幾つかの実施形態では、コーティングの厚さは、約１０ｎｍ〜約１０μｍ、または約１００ｎｍ〜約１μｍである。
【００２０】
電気絶縁コーティングは、堆積法、堆積させる材料、基材として使用される炭素系粒子、所望のコーティング厚さなどによって異なるが、多種多様な温度及び圧力で施すことができる。種々の実施形態では、コーティングは、約４５０℃〜約１０００℃、好ましくは約５００℃〜約９００℃、または更に好ましくは約６００℃〜約８００℃の温度で施される。
【００２１】
幾つかの実施形態では、コーティングは、例えば略大気圧未満、約１０４Ｐａ未満、約２５０Ｐａ未満、約１Ｐａ未満、約１０−３Ｐａ未満のような低圧で施される、または約１０−６Ｐａ未満のような低圧でも施される。コーティングは、大気圧で施すことができる、または少なくとも約２ｘ１０５Ｐａのような大気圧以上の圧力で施すこともできる。
【００２２】
接着剤組成物はバインダを含むことができる。一般的に、バインダは、構造的完全性を接着剤に付与するように作用し、接着力を付与して、表面及び／又は部品を接着させる。一般的に、いずれの接着剤材料を用いてもよく、特定の実施形態では、バインダは、エポキシ類、ポリウレタン類、アクリル類、及びこれらの組み合わせから選択される。１つの適切な接着剤は、Ａｐｔｅｋ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ， Ｉｎｃ．（カリフォルニア州バレンシア）から入手することができるＤＩＳ−Ａ−ＰＡＳＴＥ ２３１０である。
【００２３】
接着剤組成物は、電気絶縁コーティング済み繊維系粒子をバインダに添加し、混合することにより調製することができる。特定の実施形態では、高せん断混合を用いて、組成物を完全に混合する必要がある。繊維系粒子を添加する前に、または添加した後に、１種類以上の添加剤を添加し、混合することができる。適切な添加剤は、水可溶性化合物、界面活性剤、抗真菌剤、ＵＶ保護化合物、消泡化合物、及び触媒を含む。一般的に、接着剤組成物は、ペーストの形態であるか、または混合後かつ硬化前の高粘度液の形態である。
【００２４】
接着剤組成物は、少なくとも約１０重量％のコーティング済み炭素系粒子を、組成物の残りがバインダまたは添加剤である状態で含むことができる。他の実施形態では、当該組成物は、少なくとも約２５％、少なくとも約５０％、少なくとも約７５％のコーティング済み炭素系粒子を含むことができる、または少なくとも約９５％ものコーティング済み炭素系粒子を含むことができる。一般的に、本明細書において説明される接着剤組成物の成分の含有率は、特に断らない限り、全組成物に対する重量含有率として列挙される。
【００２５】
コーティング済み炭素系粒子を、バインダに混入させてコーティング前の粒子と混合することにより、コストを最小に抑えることができる。コーティング前の粒子を使用することにより、導電率を、導電率の上昇がコーティング前の粒子の添加量に比例するように上昇させることができる。しかしながら、一般的に、コーティング前の炭素系粒子は、目標とする導電率閾値、または所望の導電率閾値に相当する量を超える量で混入させてはならない。接着剤組成物は、本開示に従ってコーティングされる少なくとも約２５重量％の炭素系粒子を含むことができ、他の実施形態では、少なくとも約５０重量％、少なくとも約７５重量％、少なくとも約９０重量％、少なくとも約９５重量％の炭素系粒子を含むことができる、または電気絶縁コーティングが施された少なくとも約９９重量％もの炭素系粒子を含むことができる。幾つかの実施形態では、コーティング済み炭素系粒子のみが、接着剤組成物中に使用される。
【００２６】
接着剤組成物が調製されると、当該接着剤組成物をターゲット面に塗布することができ、部品または他の表面に接着剤を接触させることができる。硬化すると、当該部品が当該ターゲット面に取り付けられる。一般的に、硬化時間は、バインダによって異なるが、少なくとも約５秒、少なくとも約３０秒、少なくとも約１分、少なくとも約５分、少なくとも約３０分、少なくとも約１時間、少なくとも約５時間、またはそれよりも更に長い時間とすることができる。
【００２７】
特定の実施形態では、第２バインダ材を混合物に添加して、接着剤組成物が硬化し始めるようにする。例えば、コーティング済み炭素系粒子を第１バインダと混合させて、ペースト組成物を生成することができ、使用の直前に、第２バインダを混合物に添加して、これらのバインダを反応させると混合物が硬化し始める。
【００２８】
接着剤組成物は、電子機器内で使用することができ、従来使用されてきた接着剤に置き換わり得る。接着剤組成物を使用して、電子部品（例えば、集積回路、チップ、抵抗体、サーマルチップストラップなど）を基板（例えば、誘電体層）に取り付けることができる、または種々の層を機器内に取り付けることができる（例えば、多層ＰＣＢにおけるように）。接着剤は、熱伝達経路を電子部品と当該部品のヒートシンクとの間のような箇所に設けるのが望ましい用途において使用することができる。接着剤組成物は、航空産業または衛星産業において、軽量、高耐久性、及び短絡保護というこれらの産業に固有の性質のために使用される電子機器の内部で使用することができる。本開示の接着剤組成物が電気機器に使用される場合に関して概要説明してきたが、他の使用が、本開示の範囲内で考えられる。
【実施例】
【００２９】
実施例１：電気絶縁性炭素繊維の調製
石英チューブに炭素繊維（Ｃｙｔｅｃ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ Ｉｎｃ．／コネティカット州スタンフォード）製のＴｈｅｒｍａｌＧｒａｐｈ（登録商標）ＤＫＤ）（０．５０ｇ）を詰め、石英チューブをアルミナボートに載せた。チューブ及びボートをチューブ炉に入れた。アルゴンガス管を石英チューブの一方の端部に接続した。アルゴン管をボラジンバブラー（及びバブラーバイパス）に接続して、ボラジンをガス流に、石英チューブに加える前に添加した。石英チューブの他方の端部から排気を、オイルバブラー及びヒュームフードに導いた。
【００３０】
石英チューブを排気し、石英チューブにアルゴンガスを３回再充填した。アルゴン（１００ｍｌ／分）をチューブに流して炭素繊維を通過させた。炉温度を７００℃まで上昇させ、ボラジンバブラーを通過して気泡となったアルゴンガス（１００ｍｌ／分）を、チューブを通るように１５分間に亘って供給した。１５分後、バブラーを迂回させ、チューブ炉を室温まで冷却することができた。図１から分かるように、炭素繊維を窒化ホウ素でコーティングした。炭素繊維の端部を図２に示す。窒化ホウ素コーティングは、図の右側の相対的に暗い組織（すなわち、窒化ホウ素の結晶）として図示されている。当該コーティングは、炭素繊維の上の１つの連続層を形成する。窒化ホウ素によって表面炭素原子を変位させるか、または窒化ホウ素のコーティングを表面炭素原子に施した。コーティング済み炭素繊維を、エネルギー分散分光法（ＥＤＡＸ）により分析した結果を図３に示す。図３から分かるように、コーティング済み繊維は、ホウ素、窒素、及び炭素を含有していたが、この事実から、当該繊維が窒化ホウ素でコーティングされていたことが一層明らかになる。ボラジンは、分解して窒化ホウ素となることが分かる。観測される少量の酸素は、アルミニウムチューブから、または酸化されている少量の材料から混入している可能性がある。
【００３１】
実施例２：コーティング済み炭素繊維の電気絶縁品質の確認
実施例１のコーティング済み炭素繊維（２０ｍｇ）にＦＴＩＲペレットプレスで圧力をかけて７ｍｍのペレットとした。コーティング前の炭素繊維（２０ｍｇ）にも圧力をかけて７ｍｍのペレットとした。これらのペレットを透明プラスチックテープに取り付け、各ペレットの導電率を、４点プローブを使用して検査した。未処理の炭素ペレットは、２８５Ωの電気抵抗を有し、実施例１のコーティング済みペレットは、１．７５ｘ１０６Ωというずっと大きい電気抵抗を有していた。
【００３２】
実施例３：コーティングを堆積させる温度を高くすることによる影響の確認
実施例１を繰り返し、かつ炉を７００℃ではなく１０００℃に加熱した。図４から分かるように、結晶が繊維の表面に形成された。これらの結晶によって、不均一なコーティングがこれらの繊維の上に形成された。ＥＤＡＸ分析から、これらの結晶が、ホウ素及び窒素から成り、繊維の露出部分が炭素であったことが確認された。
【００３３】
実施例４：５重量％の電気絶縁性炭素繊維を含有する接着剤の調製及び電気抵抗検査
実施例１の電気絶縁性炭素繊維を調製して、エポキシ樹脂系の熱伝導性接着剤とした。３０分遅硬化型エポキシ（部品番号ＳＹ−ＳＳ；Ｓｕｐｅｒ Ｇｌｕｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（カリフォルニア州ランチョクーカモンガ）を樹脂系として使用した。エポキシは、樹脂及び硬化剤を含有する２成分調製剤である。実施例１の樹脂（０．９８２ｇ）及びコーティング済み炭素繊維（０．１０３ｇ）を手でへらを動かして一括混合した。流動性の良い黒色液体が得られるまで、硬化剤（０．９８４ｇ）を、樹脂及び炭素繊維の懸濁液に、へらを動かして混入させた。この混合物から、５重量％の充填接着剤が調製されたが、この調製は通常、炭素充填熱伝導性接着剤に対して行なわれる。充填接着剤を、スライドガラスにフィルムとして、０．０４０インチ（１ｍｍ）のギャップドローダウンバーを使用して適用し、４８時間に亘って硬化させることができた。硬化フィルムは黒色であり、均一に見え、０．０３４インチ（０．８６ｍｍ）の高さであった。電気抵抗を、４点プローブステーションを用いて測定し、開回路と等価である（計測器で測定することができる最大抵抗は１ＧΩであるので、エポキシの電気抵抗は少なくとも１０９Ω＊ｃｍである）ことが判明したが、これは、接着剤が電気絶縁性を呈することを示している。
【００３４】
実施例５：１０重量％の電気絶縁性炭素繊維を含有する接着剤の調製及び電気抵抗検査
接着剤を調製し、実施例４の方法に従って検査したが、この場合、樹脂（０．２７１ｇ）、コーティング済み炭素繊維（０．０６０ｇ）及び硬化剤（０．２７６ｇ）を異なる量とした。この混合物から１０重量％の充填接着剤が調製されたが、この調製も通常、炭素充填熱伝導性接着剤に対して行なわれる。硬化フィルムは黒色であり、均一に見え、０．０３１インチ（０．７９ｍｍ）の高さであった。この電気抵抗は、接着剤の電気抵抗が少なくとも１０９Ω＊ｃｍの開回路になっていることも判明した。
【００３５】
実施例６：１０重量％の非絶縁性炭素繊維を含有する接着剤の調製及び電気抵抗検査
未処理の炭素繊維（Ｃｙｔｅｃ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ Ｉｎｃ．／コネティカット州スタンフォード）製のＴｈｅｒｍａｌＧｒａｐｈ（登録商標）ＤＫＤ）を接着剤に混入し、実施例４の方法に従って検査した。接着剤に、樹脂（０．６２０ｇ）、コーティング前の炭素繊維（０．１３７ｇ）、及び硬化剤（０．６１６ｇ）を含有させることにより、コーティング前の１０重量％の炭素繊維を含有する接着剤を調製した。硬化フィルムは黒色であり、均一に見え、０．０２５インチ（０．６４ｍｍ）の高さであった。電気抵抗を測定したところ、１７ｘ１０６Ω＊ｃｍであったが、この値は、コーティング済み炭素繊維を含有する接着剤よりも大幅に小さい。
【００３６】
実施例７：プラズマを発生させた状態における電気絶縁性炭素繊維の調製
石英チューブに炭素繊維（Ｃｙｔｅｃ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ Ｉｎｃ．／コネティカット州スタンフォード）製のＴｈｅｒｍａｌＧｒａｐｈ（登録商標）ＤＫＤ）（０．５０ｇ）を詰め、石英チューブをアルミナボートに載せた。チューブ及びボートをチューブ炉に入れた。電気接続用継手内のアルゴンガス管を石英チューブの一方の端部に接続した。２本のスチールワイヤを電気バイパスから、セラミックジャケットの内部のチューブ炉内に延出させた。ワイヤの両先端部を、セラミックジャケットの端部で露出させ、これらの先端部を使用してプラズマを衝突させた。これらのワイヤを１５００Ｖ，０．５Ａの電源に接続した。アルゴン管をボラジンバブラー（及び、バブラーバイパス）に接続してボラジンをガス流に、石英チューブに加える前に添加した。石英チューブの他方の端部から排気を、オイルバブラー及びヒュームフードに導いた。
【００３７】
石英チューブを排気し、石英チューブにアルゴンガスを３回再充填した。アルゴン（１００ｍｌ／分）をチューブに流して炭素繊維を通過させた。炉温度を７００℃まで上昇させ、１５００Ｖをこれらのワイヤに、プラズマが発生するまで印加した。次に、アルゴンガス（１００ｍｌ／分）を、ボラジンバブラーを通過させて気泡とし、チューブを通るように１５分間に亘って供給した。１５分後、バブラーを迂回させ、チューブ炉を室温まで冷却することができた。炭素繊維が、白色−黄色コーティングされて炉から出て来たが、当該コーティングは、窒化ホウ素として、ＥＤＡＸを使用して、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で同定された。
【００３８】
記載の本説明では、種々の実施例を用いて、最良の形態を含む種々の実施形態を開示することにより、この技術分野の当業者が、これらの実施形態を、いかなる組成物、デバイス、またはシステムを作製及び使用することによっても、関連するいかなる方法を実行することによっても実施することができるようにしている。特許可能な範囲は、請求項により規定され、この技術分野の当業者が想起する他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、これらの請求項が、これらの請求項の文言とは異ならない構造要素を有する場合に、またはこれらの請求項が、これらの請求項の文言とは実質的に異ならない等価な構造要素を含む場合に、これらの請求項の範囲に包含されるべきである。種々の変更を上記組成物及び方法に関して、本開示の範囲から逸脱しない範囲で加えることができるので、上の説明に含まれ、かつ添付の図に示される全ての事項は、例示として解釈されるべきであり、限定的な意味に解釈されてはならないと考えられる。
【００３９】
本開示、または好適な実施形態の構成要素が紹介されているとき、これらの要素のうちの１つ以上の要素が存在することが意図されている。「備える」、「含む」、及び「有する」という用語は、包括的な意味を持つものとして用いられ、列挙される要素以外に更に別の要素が存在し得ることを意味する。
【技術分野】
【０００１】
本開示の分野は概して、接着剤組成物に関するものであり、特に電気的に更に絶縁される熱伝導性炭素系材料を含む接着剤組成物に関するものである。本開示の他の態様は、このような接着剤組成物を使用する方法、及びこれらの接着剤組成物を調製する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電子機器の製造では、従来、接着剤組成物を使用する必要がある。これらの接着剤組成物を使用して、電子部品（例えば、チップ及び抵抗体）を、取り付け面またはヒートシンク面のような、当該機器内のターゲット面に取り付ける。幾つかの実施例では、熱伝導性接着剤組成物（すなわち、熱を良好に伝達する組成物）を使用して、電子部品から生じる熱が接着剤を介してヒートシンク（例えば、機器内のアルミニウムまたは銅合金）に容易に伝達され、かつ機器の過熱を防止することができるようにすることが望ましい。
【０００３】
熱伝導性材料は通常、導電性材料でもある。その結果、従来の電子機器内の接着剤の一部（及び、特に種々の金属のような接着剤の充填剤）が、機器の使用年数経過に伴って、または機器の移動が繰り返されることに起因して（例えば、携帯機器、または移動体用の機器におけるように）剥がれる場合、接着剤の導電性成分が機器の作動領域に接触し、機器が短絡する虞がある。このような事象によって機器が故障する可能性がある。更に、接着剤の組成を調整して、当該接着剤の熱伝導率を高くする（例えば、より多量の金属を加えることにより）場合、接着剤の導電率は、接着剤が導電性を呈するようになって機器の短絡を発生させる値にまで高くなる可能性がある。したがって、当該材料は多くの場合、セラミックパッケージ内部またはプラスチックパッケージ内部に対して封止され、これによって機器のコストが増大する。
【０００４】
導電性ではないが、高い熱伝導率を有することにより熱を熱発生部品からヒートシンクに伝達することができる接着剤組成物が必要になる。また、このような接着剤組成物を調製するプロセス、及びこれらの組成物を電気機器内で使用するプロセスが必要になる。
【発明の概要】
【０００５】
本開示の１つの態様は、電子部品の熱伝導体として使用されるのに適する接着剤組成物に関する。該組成物は、電気絶縁コーティングが少なくとも部分的に施された炭素系粒子を含む。
【０００６】
本開示の別の態様は、熱伝導性接着剤組成物を生成するプロセスに関する。該プロセスは、電気絶縁コーティングを炭素系粒子の上に堆積させる工程と、前記コーティング済み炭素系粒子をバインダに混合する工程とを含む。
【０００７】
更に別の態様では、電子機器を製造するプロセスは、接着剤組成物をターゲット面に塗布する工程を含む。前記接着剤組成物は、バインダと、電気絶縁コーティングが少なくとも部分的に施され、かつ前記バインダ全体に分散させた炭素系粒子とを含む。部品を前記接着剤組成物に適用して、前記部品を前記ターゲット面に接着させる。次に、前記接着剤組成物を硬化させる。
【０００８】
説明してきた特徴、機能、及び利点は、本開示の種々の実施形態において個別に達成することができる、または以下の説明及び図面を参照しながら理解することができる更なる詳細を含む更に他の実施形態において組み合わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、窒化ホウ素コーティングが施され、かつ実施例１に従って調製された炭素繊維の写真である。
【図２】図２は、図１の炭素繊維の端部の写真である。
【図３】図３は、実施例１に従って調製されたコーティング済み炭素繊維をＥＤＡＸ分析して得られたグラフを示している。
【図４】図４は、その上に窒化ホウ素結晶を有するように、実施例３に従って調製された炭素繊維の写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本開示では、電子部品への使用に適する接着剤組成物、及びこのような組成物を調製し、使用する方法が提供される。概括すると、当該組成物は、炭素系粒子を含み、これらの炭素系粒子に電気絶縁コーティングが施される。このようなコーティングは、粒子が機器内で使用されている機器を、これらの粒子の導電性に起因して起こり得る短絡が生じないように保護する、または接着剤（例えば、個々のコーティング済み粒子、またはこのような粒子から成る個々のコーティング済みグループ）の一部が剥がれないように保護する。これらの炭素系粒子は、接着性を組成物に付与する１種類以上のバインダ材内に分散させることができる。炭素系材料は、これらの材料が金属材料よりも熱伝導率が高く、重量が軽く（すなわち、密度が低く）、酸化及び溶融に対する耐性が高いという理由により使用される。
【００１１】
本明細書において表記されるように、「ｃａｒｂｏｎ−ｂａｓｅｄ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ（炭素系粒子）」という用語は、少なくとも約５０重量％の炭素により構成される粒子を指す。他の実施形態では、これらの炭素系粒子は、少なくとも約７５重量％、少なくとも約９０重量％の炭素を含む、または少なくとも約９５重量％もの炭素を含む。これらの炭素系粒子は、少なくとも５００Ｗ／ｍ＊Ｋの熱伝導率を有することができ、他の実施形態では、少なくとも約１０００Ｗ／ｍ＊Ｋ、少なくとも約２０００Ｗ／ｍ＊Ｋ、少なくとも約４５００Ｗ／ｍ＊Ｋの熱伝導率を有する、または少なくとも約６０００Ｗ／ｍ＊Ｋもの熱伝導率を有することができる。これらの炭素粒子の電気抵抗は、約１００Ω＊ｃｍ未満、約５０Ω＊ｃｍ未満、約３０Ω＊ｃｍ未満、約１Ω＊ｃｍ未満とすることができる、または約０．１Ω＊ｃｍ未満とすることもできる。
【００１２】
接着剤中に使用される炭素系粒子の素材は、例えば炭素繊維、黒鉛、膨張黒鉛、グラフェン、及びこれらの組み合わせを含む多種多様な材料とすることができる。特定の実施形態では、これらの粒子は、例えばＣｙｔｅｃ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ Ｉｎｃ．社（コネティカット州スタンフォード）から入手することができるＴｈｅｒｍａｌＧｒａｐｈ（登録商標）ＤＫＤ ｆｉｂｅｒｓのような炭素繊維である。これらの炭素系粒子は、プレートレット、ファイバ、球、フレーク、チューブ、ロッド、及びダイヤモンドを含む多種多様な形状を採ることができるが、本開示の範囲を逸脱しない範囲で、いずれの形状を使用してもよい。一般的に、例えばファイバ、ロッド、及びプレートレットのような異方性材料が、これらの材料が、高い熱伝導率を低有含有率（すなわち、材料の容積が相対的に小さい状態）で実現するので好ましい。電気絶縁炭素系材料を使用することができるが、これらの材料は、これらの材料が通常、熱伝導率が低いので好適性に劣る。特定の実施形態では、炭素系材料は黒鉛炭素 であり、他の実施形態では、ダイヤモンド（天然ダイヤモンドまたは合成ダイヤモンド）である。幾つかの実施形態では、カーボンナノチューブが接着剤組成物中に使用される。
【００１３】
これらの炭素系粒子の粒子サイズは、接着剤の所望の特性（接着力、熱伝導率、粘度など）に依存して変化させることができ、この技術分野の当業者であれば、概略決定することができる。幾つかの実施形態では、これらの粒子の最大寸法は、平均で約１ｍｍ未満であり、平均で約５００μｍ未満、約２５０μｍ未満、約１００μｍ未満とすることができる、または約１μｍ未満とすることもできる。繊維粒子を使用する実施形態では、これらの繊維は、平均で約１００ｎｍ未満（例えば、約５０ｎｍ未満、または約５ｎｍ〜２０ｎｍ）の直径とすることができ、平均で約５００μｍ未満（例えば、約３００μｍ未満、または約２００μｍ〜約３００μｍ）の長さとすることができる。炭素ロッドを利用する場合、これらのロッドは、平均で約１００ｎｍ未満（例えば、約５０ｎｍ未満、または約５ｎｍ〜約５０ｎｍ）の直径とすることができ、平均で約５μｍ未満（例えば、約３μｍ未満、または約５００ｎｍ〜約２μｍ）の長さとすることができる。プレートレットを使用する場合、これらのプレートの最大幅は、約１００μｍ未満（例えば、約５０μｍ未満、または約１０μｍ〜約４０μｍ）とすることができ、これらのプレートの厚さは、約５０ｎｍ未満（例えば、約２０ｎｍ未満、または約５ｎｍ〜約４０ｎｍ）とすることができる。一般的に、上に列挙したサイズ以外の粒子サイズは、限定されず、本開示に基づいて用いることができる。
【００１４】
これらの炭素系粒子には、電気絶縁コーティングを施すことができる。当該コーティングは、各粒子の一部を被覆するか、または粒子の表面全体を被覆することができ、これらには限定されないが、粒子のうちの幾つかの粒子を、または粒子の全てを被覆することができる。本開示を行なうために、「電気絶縁コーティング」とは、炭素系粒子の導電率を低下させて、コーティング前の炭素系粒子の導電率よりも小さくするようなコーティング、異なる表現をすると、電気抵抗を増大させて、コーティング前の炭素系粒子の電気抵抗よりも大きくするようなコーティングである。電気抵抗は、例えば以下の実施例２において説明される検査方法によって測定することができる。コーティング後の炭素系粒子の電気抵抗は、少なくとも約５０Ω＊ｃｍとすることができ、他の実施形態では、少なくとも約１００Ω＊ｃｍ、少なくとも約１０００Ω＊ｃｍ、少なくとも約１ｘ１０５Ω＊ｃｍである、または少なくとも約１ｘ１０８Ω＊ｃｍにもなる。コーティング済み粒子の熱伝導率は、少なくとも約５０Ｗ／ｍ＊Ｋ、少なくとも約３００Ｗ／ｍ＊Ｋ、少なくとも約５００Ｗ／ｍ＊Ｋ、少なくとも約２０００Ｗ／ｍ＊Ｋ、少なくとも約４５００Ｗ／ｍ＊Ｋとすることができる、または少なくとも約６０００Ｗ／ｍ＊Ｋとすることもできる。
【００１５】
適切なコーティング材料は、例えば金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、及びこれらの組み合わせのようなセラミックスを含む。セラミック材料は、例えば炭化ホウ素、窒化ホウ素、炭化ケイ素、及び窒化ケイ素とすることができ、幾つかの実施形態では、窒化ホウ素である。一般的に、炭素系粒子の熱伝導率を低下させないコーティング材料を選択する必要がある、すなわち、コーティング材料は、熱絶縁性を示さないようにする必要がある。
【００１６】
電気絶縁コーティングは、炭素系粒子の上に、コーティングを堆積させるいずれかの既知の方法により堆積させることができ、特定の実施形態では、化学気相堆積法によって堆積させる。化学気相堆積法（ＣＶＤ）は、当業者に広く知られており、例えば、プラズマ支援ＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）、大気圧ＣＶＤ（ＡＰＣＶＤ）、低圧ＣＶＤまたは減圧ＣＶＤ（ＬＰＣＶＤ）、超高真空ＣＶＤ（ＵＨＶＣＶＤ）、原子層堆積法（ＡＬＤ）、及び噴霧型ＣＶＤ（ＡＡＣＶＤ）のような多数のＣＶＤ法を利用することができる。組成物は、例えばスパッタリングを含む、ＣＶＤ以外の方法によって塗布することができる。ゾルゲルプロセスを含む液相法を、本開示の範囲から逸脱しない範囲で利用することもできる。
【００１７】
一般的に、ＣＶＤ法では、前駆体化合物を高温で、コーティングが施されることになる基板表面に、または基板表面の近傍に導入する（通常、継続的に）。前駆体化合物は、反応することによりコーティングを基板表面に堆積させる。コーティングは、化合物が基板の上を高温で通過することがなくなるまで厚さ方向に成長する。使用のために選択されるこれらの前駆体化合物は、コーティングの所望の組成によって異なり、この技術分野の当業者であれば、これらの前駆体化合物の概要を決定することができる。例えば、窒化ホウ素コーティングが望ましい場合、例えばボラジン（Ｂ３Ｎ３Ｈ６）のような、ホウ素及び窒素を共に含有する化合物を使用することができる。別の構成として、ホウ素を含有する第１化合物、及び窒素を含有する第２化合物に、炭素系粒子を接触させることができる。ホウ素化合物は、例えば三塩化ホウ素（ＢＣｌ３）、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）、及び一般化学式ＢｘＨｙで表わされる全ての化合物を含む。特定の実施形態では、ｘは１〜１０であり、ｙは１〜１５である。化学式ＢｘＨｙで表わされる化合物の例として、ＢＨ３，Ｂ２Ｈ４，Ｂ２Ｈ６，Ｂ３Ｈ８，Ｂ４Ｈ１０，Ｂ５Ｈ９，Ｂ５Ｈ１１，Ｂ６Ｈ１０，Ｂ６Ｈ１２，Ｂ８Ｈ１２，Ｂ９Ｈ１５，及びＢ１０Ｈ１４を挙げることができる。窒素化合物は、例えばＮ２，ＮＨ３，及びヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）を含む。
【００１８】
同様に、窒化ケイ素コーティングが望ましい場合、ホウ素化合物及び窒素化合物を前駆体化合物として使用することができる。適切なケイ素化合物は、例えば四塩化ケイ素、シラン、及びハロシラン（例えば、トリクロロシラン）を含む。
【００１９】
炭素系粒子の全表面（または、前駆体化合物に曝される全表面）にコーティングを施すことができる、または別の構成として、一部分にのみコーティングを施すことができる。一般的に、出来る限り多くの粒子にコーティングを施すことにより、これらの粒子が確実に、十分な電気絶縁物を含有するようにすることが望ましい。コーティングの厚さを変化させて、接着剤組成物の十分な電気抵抗を確保し、確実に、熱伝導率が所望値以下に低下することがないようにする。一般的に、電気絶縁コーティングは、少なくとも約１０ｎｍの厚さとすることができ、他の実施形態では、少なくとも約１００ｎｍ、少なくとも約５００ｎｍ、少なくとも約１μｍ、少なくとも約１０μｍ、または少なくとも約１００μｍとすることができる。幾つかの実施形態では、コーティングの厚さは、約１０ｎｍ〜約１０μｍ、または約１００ｎｍ〜約１μｍである。
【００２０】
電気絶縁コーティングは、堆積法、堆積させる材料、基材として使用される炭素系粒子、所望のコーティング厚さなどによって異なるが、多種多様な温度及び圧力で施すことができる。種々の実施形態では、コーティングは、約４５０℃〜約１０００℃、好ましくは約５００℃〜約９００℃、または更に好ましくは約６００℃〜約８００℃の温度で施される。
【００２１】
幾つかの実施形態では、コーティングは、例えば略大気圧未満、約１０４Ｐａ未満、約２５０Ｐａ未満、約１Ｐａ未満、約１０−３Ｐａ未満のような低圧で施される、または約１０−６Ｐａ未満のような低圧でも施される。コーティングは、大気圧で施すことができる、または少なくとも約２ｘ１０５Ｐａのような大気圧以上の圧力で施すこともできる。
【００２２】
接着剤組成物はバインダを含むことができる。一般的に、バインダは、構造的完全性を接着剤に付与するように作用し、接着力を付与して、表面及び／又は部品を接着させる。一般的に、いずれの接着剤材料を用いてもよく、特定の実施形態では、バインダは、エポキシ類、ポリウレタン類、アクリル類、及びこれらの組み合わせから選択される。１つの適切な接着剤は、Ａｐｔｅｋ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ， Ｉｎｃ．（カリフォルニア州バレンシア）から入手することができるＤＩＳ−Ａ−ＰＡＳＴＥ ２３１０である。
【００２３】
接着剤組成物は、電気絶縁コーティング済み繊維系粒子をバインダに添加し、混合することにより調製することができる。特定の実施形態では、高せん断混合を用いて、組成物を完全に混合する必要がある。繊維系粒子を添加する前に、または添加した後に、１種類以上の添加剤を添加し、混合することができる。適切な添加剤は、水可溶性化合物、界面活性剤、抗真菌剤、ＵＶ保護化合物、消泡化合物、及び触媒を含む。一般的に、接着剤組成物は、ペーストの形態であるか、または混合後かつ硬化前の高粘度液の形態である。
【００２４】
接着剤組成物は、少なくとも約１０重量％のコーティング済み炭素系粒子を、組成物の残りがバインダまたは添加剤である状態で含むことができる。他の実施形態では、当該組成物は、少なくとも約２５％、少なくとも約５０％、少なくとも約７５％のコーティング済み炭素系粒子を含むことができる、または少なくとも約９５％ものコーティング済み炭素系粒子を含むことができる。一般的に、本明細書において説明される接着剤組成物の成分の含有率は、特に断らない限り、全組成物に対する重量含有率として列挙される。
【００２５】
コーティング済み炭素系粒子を、バインダに混入させてコーティング前の粒子と混合することにより、コストを最小に抑えることができる。コーティング前の粒子を使用することにより、導電率を、導電率の上昇がコーティング前の粒子の添加量に比例するように上昇させることができる。しかしながら、一般的に、コーティング前の炭素系粒子は、目標とする導電率閾値、または所望の導電率閾値に相当する量を超える量で混入させてはならない。接着剤組成物は、本開示に従ってコーティングされる少なくとも約２５重量％の炭素系粒子を含むことができ、他の実施形態では、少なくとも約５０重量％、少なくとも約７５重量％、少なくとも約９０重量％、少なくとも約９５重量％の炭素系粒子を含むことができる、または電気絶縁コーティングが施された少なくとも約９９重量％もの炭素系粒子を含むことができる。幾つかの実施形態では、コーティング済み炭素系粒子のみが、接着剤組成物中に使用される。
【００２６】
接着剤組成物が調製されると、当該接着剤組成物をターゲット面に塗布することができ、部品または他の表面に接着剤を接触させることができる。硬化すると、当該部品が当該ターゲット面に取り付けられる。一般的に、硬化時間は、バインダによって異なるが、少なくとも約５秒、少なくとも約３０秒、少なくとも約１分、少なくとも約５分、少なくとも約３０分、少なくとも約１時間、少なくとも約５時間、またはそれよりも更に長い時間とすることができる。
【００２７】
特定の実施形態では、第２バインダ材を混合物に添加して、接着剤組成物が硬化し始めるようにする。例えば、コーティング済み炭素系粒子を第１バインダと混合させて、ペースト組成物を生成することができ、使用の直前に、第２バインダを混合物に添加して、これらのバインダを反応させると混合物が硬化し始める。
【００２８】
接着剤組成物は、電子機器内で使用することができ、従来使用されてきた接着剤に置き換わり得る。接着剤組成物を使用して、電子部品（例えば、集積回路、チップ、抵抗体、サーマルチップストラップなど）を基板（例えば、誘電体層）に取り付けることができる、または種々の層を機器内に取り付けることができる（例えば、多層ＰＣＢにおけるように）。接着剤は、熱伝達経路を電子部品と当該部品のヒートシンクとの間のような箇所に設けるのが望ましい用途において使用することができる。接着剤組成物は、航空産業または衛星産業において、軽量、高耐久性、及び短絡保護というこれらの産業に固有の性質のために使用される電子機器の内部で使用することができる。本開示の接着剤組成物が電気機器に使用される場合に関して概要説明してきたが、他の使用が、本開示の範囲内で考えられる。
【実施例】
【００２９】
実施例１：電気絶縁性炭素繊維の調製
石英チューブに炭素繊維（Ｃｙｔｅｃ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ Ｉｎｃ．／コネティカット州スタンフォード）製のＴｈｅｒｍａｌＧｒａｐｈ（登録商標）ＤＫＤ）（０．５０ｇ）を詰め、石英チューブをアルミナボートに載せた。チューブ及びボートをチューブ炉に入れた。アルゴンガス管を石英チューブの一方の端部に接続した。アルゴン管をボラジンバブラー（及びバブラーバイパス）に接続して、ボラジンをガス流に、石英チューブに加える前に添加した。石英チューブの他方の端部から排気を、オイルバブラー及びヒュームフードに導いた。
【００３０】
石英チューブを排気し、石英チューブにアルゴンガスを３回再充填した。アルゴン（１００ｍｌ／分）をチューブに流して炭素繊維を通過させた。炉温度を７００℃まで上昇させ、ボラジンバブラーを通過して気泡となったアルゴンガス（１００ｍｌ／分）を、チューブを通るように１５分間に亘って供給した。１５分後、バブラーを迂回させ、チューブ炉を室温まで冷却することができた。図１から分かるように、炭素繊維を窒化ホウ素でコーティングした。炭素繊維の端部を図２に示す。窒化ホウ素コーティングは、図の右側の相対的に暗い組織（すなわち、窒化ホウ素の結晶）として図示されている。当該コーティングは、炭素繊維の上の１つの連続層を形成する。窒化ホウ素によって表面炭素原子を変位させるか、または窒化ホウ素のコーティングを表面炭素原子に施した。コーティング済み炭素繊維を、エネルギー分散分光法（ＥＤＡＸ）により分析した結果を図３に示す。図３から分かるように、コーティング済み繊維は、ホウ素、窒素、及び炭素を含有していたが、この事実から、当該繊維が窒化ホウ素でコーティングされていたことが一層明らかになる。ボラジンは、分解して窒化ホウ素となることが分かる。観測される少量の酸素は、アルミニウムチューブから、または酸化されている少量の材料から混入している可能性がある。
【００３１】
実施例２：コーティング済み炭素繊維の電気絶縁品質の確認
実施例１のコーティング済み炭素繊維（２０ｍｇ）にＦＴＩＲペレットプレスで圧力をかけて７ｍｍのペレットとした。コーティング前の炭素繊維（２０ｍｇ）にも圧力をかけて７ｍｍのペレットとした。これらのペレットを透明プラスチックテープに取り付け、各ペレットの導電率を、４点プローブを使用して検査した。未処理の炭素ペレットは、２８５Ωの電気抵抗を有し、実施例１のコーティング済みペレットは、１．７５ｘ１０６Ωというずっと大きい電気抵抗を有していた。
【００３２】
実施例３：コーティングを堆積させる温度を高くすることによる影響の確認
実施例１を繰り返し、かつ炉を７００℃ではなく１０００℃に加熱した。図４から分かるように、結晶が繊維の表面に形成された。これらの結晶によって、不均一なコーティングがこれらの繊維の上に形成された。ＥＤＡＸ分析から、これらの結晶が、ホウ素及び窒素から成り、繊維の露出部分が炭素であったことが確認された。
【００３３】
実施例４：５重量％の電気絶縁性炭素繊維を含有する接着剤の調製及び電気抵抗検査
実施例１の電気絶縁性炭素繊維を調製して、エポキシ樹脂系の熱伝導性接着剤とした。３０分遅硬化型エポキシ（部品番号ＳＹ−ＳＳ；Ｓｕｐｅｒ Ｇｌｕｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（カリフォルニア州ランチョクーカモンガ）を樹脂系として使用した。エポキシは、樹脂及び硬化剤を含有する２成分調製剤である。実施例１の樹脂（０．９８２ｇ）及びコーティング済み炭素繊維（０．１０３ｇ）を手でへらを動かして一括混合した。流動性の良い黒色液体が得られるまで、硬化剤（０．９８４ｇ）を、樹脂及び炭素繊維の懸濁液に、へらを動かして混入させた。この混合物から、５重量％の充填接着剤が調製されたが、この調製は通常、炭素充填熱伝導性接着剤に対して行なわれる。充填接着剤を、スライドガラスにフィルムとして、０．０４０インチ（１ｍｍ）のギャップドローダウンバーを使用して適用し、４８時間に亘って硬化させることができた。硬化フィルムは黒色であり、均一に見え、０．０３４インチ（０．８６ｍｍ）の高さであった。電気抵抗を、４点プローブステーションを用いて測定し、開回路と等価である（計測器で測定することができる最大抵抗は１ＧΩであるので、エポキシの電気抵抗は少なくとも１０９Ω＊ｃｍである）ことが判明したが、これは、接着剤が電気絶縁性を呈することを示している。
【００３４】
実施例５：１０重量％の電気絶縁性炭素繊維を含有する接着剤の調製及び電気抵抗検査
接着剤を調製し、実施例４の方法に従って検査したが、この場合、樹脂（０．２７１ｇ）、コーティング済み炭素繊維（０．０６０ｇ）及び硬化剤（０．２７６ｇ）を異なる量とした。この混合物から１０重量％の充填接着剤が調製されたが、この調製も通常、炭素充填熱伝導性接着剤に対して行なわれる。硬化フィルムは黒色であり、均一に見え、０．０３１インチ（０．７９ｍｍ）の高さであった。この電気抵抗は、接着剤の電気抵抗が少なくとも１０９Ω＊ｃｍの開回路になっていることも判明した。
【００３５】
実施例６：１０重量％の非絶縁性炭素繊維を含有する接着剤の調製及び電気抵抗検査
未処理の炭素繊維（Ｃｙｔｅｃ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ Ｉｎｃ．／コネティカット州スタンフォード）製のＴｈｅｒｍａｌＧｒａｐｈ（登録商標）ＤＫＤ）を接着剤に混入し、実施例４の方法に従って検査した。接着剤に、樹脂（０．６２０ｇ）、コーティング前の炭素繊維（０．１３７ｇ）、及び硬化剤（０．６１６ｇ）を含有させることにより、コーティング前の１０重量％の炭素繊維を含有する接着剤を調製した。硬化フィルムは黒色であり、均一に見え、０．０２５インチ（０．６４ｍｍ）の高さであった。電気抵抗を測定したところ、１７ｘ１０６Ω＊ｃｍであったが、この値は、コーティング済み炭素繊維を含有する接着剤よりも大幅に小さい。
【００３６】
実施例７：プラズマを発生させた状態における電気絶縁性炭素繊維の調製
石英チューブに炭素繊維（Ｃｙｔｅｃ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ Ｉｎｃ．／コネティカット州スタンフォード）製のＴｈｅｒｍａｌＧｒａｐｈ（登録商標）ＤＫＤ）（０．５０ｇ）を詰め、石英チューブをアルミナボートに載せた。チューブ及びボートをチューブ炉に入れた。電気接続用継手内のアルゴンガス管を石英チューブの一方の端部に接続した。２本のスチールワイヤを電気バイパスから、セラミックジャケットの内部のチューブ炉内に延出させた。ワイヤの両先端部を、セラミックジャケットの端部で露出させ、これらの先端部を使用してプラズマを衝突させた。これらのワイヤを１５００Ｖ，０．５Ａの電源に接続した。アルゴン管をボラジンバブラー（及び、バブラーバイパス）に接続してボラジンをガス流に、石英チューブに加える前に添加した。石英チューブの他方の端部から排気を、オイルバブラー及びヒュームフードに導いた。
【００３７】
石英チューブを排気し、石英チューブにアルゴンガスを３回再充填した。アルゴン（１００ｍｌ／分）をチューブに流して炭素繊維を通過させた。炉温度を７００℃まで上昇させ、１５００Ｖをこれらのワイヤに、プラズマが発生するまで印加した。次に、アルゴンガス（１００ｍｌ／分）を、ボラジンバブラーを通過させて気泡とし、チューブを通るように１５分間に亘って供給した。１５分後、バブラーを迂回させ、チューブ炉を室温まで冷却することができた。炭素繊維が、白色−黄色コーティングされて炉から出て来たが、当該コーティングは、窒化ホウ素として、ＥＤＡＸを使用して、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で同定された。
【００３８】
記載の本説明では、種々の実施例を用いて、最良の形態を含む種々の実施形態を開示することにより、この技術分野の当業者が、これらの実施形態を、いかなる組成物、デバイス、またはシステムを作製及び使用することによっても、関連するいかなる方法を実行することによっても実施することができるようにしている。特許可能な範囲は、請求項により規定され、この技術分野の当業者が想起する他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、これらの請求項が、これらの請求項の文言とは異ならない構造要素を有する場合に、またはこれらの請求項が、これらの請求項の文言とは実質的に異ならない等価な構造要素を含む場合に、これらの請求項の範囲に包含されるべきである。種々の変更を上記組成物及び方法に関して、本開示の範囲から逸脱しない範囲で加えることができるので、上の説明に含まれ、かつ添付の図に示される全ての事項は、例示として解釈されるべきであり、限定的な意味に解釈されてはならないと考えられる。
【００３９】
本開示、または好適な実施形態の構成要素が紹介されているとき、これらの要素のうちの１つ以上の要素が存在することが意図されている。「備える」、「含む」、及び「有する」という用語は、包括的な意味を持つものとして用いられ、列挙される要素以外に更に別の要素が存在し得ることを意味する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子部品の熱伝導体として使用されるのに適する接着剤組成物であって、電気絶縁コーティングが少なくとも部分的に施された炭素系粒子を含む接着剤組成物。
【請求項２】
前記炭素系粒子が黒鉛炭素を含む、請求項１に記載の接着剤組成物。
【請求項３】
前記黒鉛炭素が、炭素繊維、黒鉛、膨張黒鉛、グラフェン、及びこれらの組み合わせから選択される材料である、請求項２に記載の接着剤組成物。
【請求項４】
ペーストである、請求項１に記載の接着剤組成物。
【請求項５】
前記電気絶縁コーティングがセラミックス及びダイヤモンド状炭素から選択される、請求項１に記載の接着剤組成物。
【請求項６】
前記電気絶縁コーティングが、金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、及びこれらの組み合わせから成るグループから選択されるセラミックである、請求項１に記載の接着剤組成物。
【請求項７】
更にバインダを含む、請求項１に記載の接着剤組成物。
【請求項８】
熱伝導性接着剤組成物を生成する方法であって、
電気絶縁コーティングを炭素系粒子の上に堆積させる工程と、
前記コーティング済み炭素系粒子をバインダに混合する工程と
を含む方法。
【請求項９】
前駆体ガスを前記炭素系粒子の表面上に引き込んで、前記ガスを反応させ、前記コーティングを前記粒子の上に堆積させる工程を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記炭素系粒子が炭素繊維を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記電気絶縁コーティングが、金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、及びこれらの組み合わせから成るグループから選択されるセラミックである、請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
電子機器を製造する方法であって、
接着剤組成物をターゲット面に塗布する工程であって、前記接着剤組成物が、バインダと、電気絶縁コーティングが少なくとも部分的に施され、かつ前記バインダ全体に分散させた炭素系粒子とを含む、前記塗布する工程と、
部品を前記接着剤組成物に適用して、前記部品を前記ターゲット面に接着させる工程と、
前記接着剤組成物を硬化させる工程と
を含む方法。
【請求項１３】
前記炭素系粒子が黒鉛炭素を含み、前記電気絶縁コーティングが、金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、及びこれらの組み合わせから成るグループから選択されるセラミックである、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記部品が電子部品である、請求項１２に記載の方法。
【請求項１】
電子部品の熱伝導体として使用されるのに適する接着剤組成物であって、電気絶縁コーティングが少なくとも部分的に施された炭素系粒子を含む接着剤組成物。
【請求項２】
前記炭素系粒子が黒鉛炭素を含む、請求項１に記載の接着剤組成物。
【請求項３】
前記黒鉛炭素が、炭素繊維、黒鉛、膨張黒鉛、グラフェン、及びこれらの組み合わせから選択される材料である、請求項２に記載の接着剤組成物。
【請求項４】
ペーストである、請求項１に記載の接着剤組成物。
【請求項５】
前記電気絶縁コーティングがセラミックス及びダイヤモンド状炭素から選択される、請求項１に記載の接着剤組成物。
【請求項６】
前記電気絶縁コーティングが、金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、及びこれらの組み合わせから成るグループから選択されるセラミックである、請求項１に記載の接着剤組成物。
【請求項７】
更にバインダを含む、請求項１に記載の接着剤組成物。
【請求項８】
熱伝導性接着剤組成物を生成する方法であって、
電気絶縁コーティングを炭素系粒子の上に堆積させる工程と、
前記コーティング済み炭素系粒子をバインダに混合する工程と
を含む方法。
【請求項９】
前駆体ガスを前記炭素系粒子の表面上に引き込んで、前記ガスを反応させ、前記コーティングを前記粒子の上に堆積させる工程を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記炭素系粒子が炭素繊維を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記電気絶縁コーティングが、金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、及びこれらの組み合わせから成るグループから選択されるセラミックである、請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
電子機器を製造する方法であって、
接着剤組成物をターゲット面に塗布する工程であって、前記接着剤組成物が、バインダと、電気絶縁コーティングが少なくとも部分的に施され、かつ前記バインダ全体に分散させた炭素系粒子とを含む、前記塗布する工程と、
部品を前記接着剤組成物に適用して、前記部品を前記ターゲット面に接着させる工程と、
前記接着剤組成物を硬化させる工程と
を含む方法。
【請求項１３】
前記炭素系粒子が黒鉛炭素を含み、前記電気絶縁コーティングが、金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、及びこれらの組み合わせから成るグループから選択されるセラミックである、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記部品が電子部品である、請求項１２に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公表番号】特表２０１３−５０６０２９（Ｐ２０１３−５０６０２９Ａ）
【公表日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５３０８９３（Ｐ２０１２−５３０８９３）
【出願日】平成２２年８月２３日（２０１０．８．２３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０４６３６３
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０４１０４４
【国際公開日】平成２３年４月７日（２０１１．４．７）
【出願人】（５００５２０７４３）ザ・ボーイング・カンパニー (773)
【氏名又は名称原語表記】Ｔｈｅ Ｂｏｅｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月２３日（２０１０．８．２３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０４６３６３
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０４１０４４
【国際公開日】平成２３年４月７日（２０１１．４．７）
【出願人】（５００５２０７４３）ザ・ボーイング・カンパニー (773)
【氏名又は名称原語表記】Ｔｈｅ Ｂｏｅｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ
【Ｆターム（参考）】
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