高熱伝導性樹脂コンパウンド・高熱伝導性樹脂成形体・放熱シート用配合粒子、高熱伝導性樹脂コンパウンド・高熱伝導性樹脂成形体・放熱シート、および、その製造方法
【課題】高熱伝導率と柔軟性に優れた低シート硬度を両立した放熱シートを製造することができる高熱伝導性樹脂コンパウンド・高熱伝導性樹脂成形体・放熱シート用配合粒子、高熱伝導性樹脂コンパウンド・高熱伝導性樹脂成形体・放熱シート、および、その製造方法を提供する。
【解決手段】平均粒径50〜100μmの球状アルミナ粒子が60〜80vol%、平均粒径0.5〜7μmの球状アルミナ粒子が5〜30vol%、平均粒径0.5〜7μmの非球状アルミナ粒子が10〜35vol%の配合で含まれることを特徴とする、高熱伝導性樹脂コンパウンド・高熱伝導性樹脂成形体・放熱シート用配合粒子、高熱伝導性樹脂コンパウンド・高熱伝導性樹脂成形体・放熱シート、および、その製造方法。
【解決手段】平均粒径50〜100μmの球状アルミナ粒子が60〜80vol%、平均粒径0.5〜7μmの球状アルミナ粒子が5〜30vol%、平均粒径0.5〜7μmの非球状アルミナ粒子が10〜35vol%の配合で含まれることを特徴とする、高熱伝導性樹脂コンパウンド・高熱伝導性樹脂成形体・放熱シート用配合粒子、高熱伝導性樹脂コンパウンド・高熱伝導性樹脂成形体・放熱シート、および、その製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば電子機器内の発熱部品と放熱部品の間に設置され放熱に用いられる高熱伝導性樹脂コンパウンド・高熱伝導性樹脂成形体・放熱シート用配合粒子、高熱伝導性樹脂コンパウンド・高熱伝導性樹脂成形体・放熱シート、および、その製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、エレクトロニクスの進展に伴い、パワーデバイス等電子機器内において発熱する部品が多く使用されてきている。電子回路を制御するに当り、これらの発熱部品からの熱を放散させて系全体を冷却することが重要となってきた。放熱シートは、発熱部品と放熱フィンや金属板との間に設置され、圧着により隙間のないように密着し、熱伝導性を発揮して発熱部品から発生した熱を放熱フィン等に伝えて、系全体の抜熱をすることができる。熱伝導性接着剤等も存在するが、放熱シートは取り扱いの容易さ等により最近普及してきた部材である。
【０００３】
一般に、放熱シートに代表される高熱伝導性樹脂成形体は、熱伝導性の無機フィラーと樹脂との組成物で構成されている。無機フィラーとしては、安価な水酸化アルミニウムや酸化アルミニウム（以下、アルミナ）、高熱伝導を期待した炭化珪素や窒化硼素、窒化アルミニウムといった材料が用いられている。また、樹脂としては、シリコーン樹脂が一般的であるが、シリコーン樹脂に含まれるシロキサンによる接点不良の問題を解決すべくアクリル系ゴム等の適用も検討されてきている。
【０００４】
放熱シートとして、安価な無機フィラーを用いた熱伝導率が1〜3W/mKのものと、高熱伝導性フィラーを用いた3〜5W/mKのものが市販されている。安価で高熱伝導率を有するシートが求められることから、アルミナを用いてできるだけ熱伝導率を向上させるための研究開発が進められてきている。
樹脂に加えるアルミナの充填率を上げることで高熱伝導率化を目指す方法が多く研究されており、フィラーの充填・分散を容易にするものとして、下記の特許文献１に記載されているように角を落とした丸味状アルミナを用いるものや、下記の特許文献２に記載されているように球状アルミナを用いる等のアルミナ形状を変える研究が行なわれた。
【０００５】
また下記の特許文献３には、熱伝導フィラー（実施例として炭化珪素）を樹脂に充填するに当り、大きな粒子とその間隙に入る小さな粒子を組合せて、熱伝導フィラーの充填率を上げて、シートの熱伝導を向上させ、実施例にて3.5W/mKの放熱シートが得られることが記載されている。フィラーはアルミナではないものの、フィラーの充填率を上げるべく、大小の粒径の異なる粒子を配合することを開示したものである。
さらに、下記の特許文献４には、大きな粒子として50〜80μmの球状アルミナ、小さな粒子として5μｍ以下の非球状アルミナを用いて、配合率を調整し、充填量に見合う熱伝導率を発揮させ、実施例にて5.5W/mKの放熱シートが得られることが記載されている。
【０００６】
以上のように、放熱シートの熱伝導率を向上させることを目的として、アルミナ粒子の充填率を増加させるため、アルミナ粒子の形状の検討、粒径の検討、配合の検討が行われてきている。
大小の粒径の異なる粒子の配合として、大径の球状粒子とその隙間を埋める小径粒子が用いられている。特許文献３では球状の大径粒子と球状の小径粒子を組合せた配合を用いており、特許文献４では大径の球状粒子と非球状の小径粒子を組合せた配合を用いている。
【特許文献１】特開昭63-020340号公報
【特許文献２】特開2000-095896号公報
【特許文献３】特開2001-139733号公報
【特許文献４】特開2003-253136号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の技術である球状の大径粒子と球状の小径粒子の組合せでは、高い熱伝導率が得られない。また、球状の大径粒子と非球状の小径粒子の組合せでは、高い熱伝導率は得られるが、放熱シートが硬くなり、シートの柔軟性を低下させるという問題があり、高熱伝導率と低シート硬度を両立することは困難であった。
そこで本発明は、高熱伝導率と柔軟性に優れた低シート硬度を両立した放熱シートを製造することができる高熱伝導性樹脂コンパウンド・高熱伝導性樹脂成形体・放熱シート用配合粒子、高熱伝導性樹脂コンパウンド・高熱伝導性樹脂成形体・放熱シート、および、その製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、前述の課題を解決するため鋭意検討の結果なされたものであり、その要旨とするところは特許請求の範囲に記載した通りの下記内容である。
（１）平均粒径50〜100μmの球状アルミナ粒子が60〜80vol%、平均粒径0.5〜7μmの球状アルミナ粒子が5〜30vol%、平均粒径0.5〜7μmの非球状アルミナ粒子が10〜35vol%の配合で含まれることを特徴とする、高熱伝導性樹脂コンパウンド用配合粒子。
（２）（１）に記載の高熱伝導性樹脂コンパウンド用配合粒子を樹脂成形体に用いることを特徴とする高熱伝導性樹脂成形体用配合粒子。
（３）（２）に記載の高熱伝導性樹脂成形体用配合粒子を放熱シートに用いることを特徴とする放熱シート用配合粒子。
（４）平均粒径50〜100μmの球状アルミナ粒子が60〜80vol%、平均粒径0.5〜7μmの球状アルミナ粒子が5〜30vol%、平均粒径0.5〜7μmの非球状アルミナ粒子が10〜35vol%の配合で含まれる配合粒子を、体積比で60〜90vol%含むことを特徴とする、高熱伝導性樹脂コンパウンド。
（５）（４）に記載の高熱伝導性樹脂コンパウンドを用いて成形したことを特徴とする高熱伝導性樹脂成形体。
【０００９】
（６）（５）に記載の高熱伝導性樹脂成形体を用いて作製したことを特徴とする放熱シート。
（７）前記放熱シートの熱伝導率が5.6W/mK以上であることを特徴とする、（６）に記載の放熱シート。
（８）前記放熱シートのアスカーC硬度が60以下であることを特徴とする、（６）または（７）に記載の放熱シート。
（９）平均粒径0.5〜7μmの球状及び非球状のアルミナ粒子と樹脂との混合物からなるマトリックスに、平均粒径50〜100μmの球状アルミナ粒子が均一に分散していることを特徴とする、（６）乃至（８）のいずれか１項に記載の放熱シート。
（１０）前記マトリックスのうち樹脂の占める体積が23〜65vol%であることを特徴とする、（９）に記載の放熱シート。
（１１）平均粒径0.5〜7μmの球状及び非球状のアルミナ粒子と樹脂とを予め混合してマトリックスを形成した後、該マトリックスに平均粒径50〜100μmの球状アルミナ粒子を混合して成形することを特徴とする、高熱伝導性樹脂コンパウンドの製造方法。
（１２）（１１）に記載の高熱伝導性樹脂コンパウンドを用いて成形することを特徴とする高熱伝導性樹脂成形体の製造方法。
（１３）（１２）１２に記載の高熱伝導性樹脂成形体を用いて作製することを特徴とする放熱シートの製造方法。
ここに、球状粒子とは、粒子の円形度（相当円の周囲長／粒子投影像の周囲長）の平均値が０．８以上の粒子をいう。
また、非球状粒子とは、粒子の円形度（相当円の周囲長／粒子投影像の周囲長）の平均値が０．８未満の粒子をいう。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、大径アルミナ球状粒子と小径アルミナ非球状粒子に加え、さらに小径アルミナ球状粒子を配合することで、5.6W/mK以上という高い熱伝導率を有するとともに、アスカー硬度が60以下という柔軟性に優れたシートを製造することができる高熱伝導性樹脂コンパウンド・高熱伝導性樹脂成形体・放熱シート用配合粒子、高熱伝導性樹脂コンパウンド・高熱伝導性樹脂成形体・放熱シート、および、その製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
我々は、アルミナフィラーを高充填させる放熱シートにおいて、大径アルミナ球状粒子間の隙間を埋めるマトリックス部に熱伝導に寄与する小径アルミナ粒子を配合させ、かつマトリックス部に流動性を持たせることでシートの柔軟性を得られないか、を鋭意検討した。その結果、１）予め所定量の小径アルミナ球状粒子と所定量の小径アルミナ非球状粒子と樹脂の混合物からなるマトリックスを作製する、２）そのマトリックスに大径アルミナ球状粒子を混合する、３）全ての混合物を成形加工して放熱シートを作製する、という工程を取ることで、高熱伝導かつ柔軟な高熱伝導性樹脂成形体を得ることができた。
本発明の樹脂コンパウンドは、樹脂成形体 として用いる場合には、放熱シートやプリント配線板に用いられる一方、非成形体としては、放熱グリースや接着剤などに用いられる。
以下の説明は、樹脂コンパウンドを成形体の放熱シートとして用いる場合の実施形態を示す。
【００１２】
マトリックス内の小径アルミナ非球状粒子は、大径粒子の隙間を埋める場合に、球状粒子に比べ大径アルミナ球状粒子との接触面積が大きくなるため、熱伝導率の向上に寄与する。しかし、小径アルミナ粒子として非球状粒子だけを用いた場合、マトリックスの柔軟性が損なわれ、シート硬度が増加してしまう。
そこで、マトリックス内の小径アルミナ非球状粒子の一部を所定量の小径アルミナ球状粒子とすることにより、マトリックスに球状粒子の流動性を加味することができ、全体のアルミナ粒子を高充填した配合においても、シートの高熱伝導性を維持したまま放熱シートの柔軟性を得ることに成功した。小径アルミナ非球状粒子の接触面積が大きいことによる高い熱伝導性と小径アルミナ球状粒子の流動性との両者を兼ね備えることができ、熱伝導を維持したまま、シートの変形が起こる際に大径アルミナ球状粒子の動きを阻害することなくマトリックスが動くことができ、シートの柔軟性が確保できるのである。
ここに、球状粒子とは、粒子の円形度（相当円の周囲長／粒子投影像の周囲長）の平均値が０．８以上の粒子をいう。
また、非球状粒子とは、粒子の円形度（相当円の周囲長／粒子投影像の周囲長）の平均値が０．８未満の粒子をいう。
粒子の円形度は、電子顕微鏡と画像解析装置を用い、例えば、シスメックス社製ＦＰＩＡを用いて測定することができる。
円形度の測定は、粒子個数１００個以上をカウントし、その平均値をその粉末の円形度とする。
【００１３】
＜大径粒子の粒径・配合量＞
大径アルミナ球状粒子はシートの熱伝導率に最も寄与するものである。同一体積に充填することを考えた場合、粒径が大きいほど粒子の数を減らすことができることから、大径粒子の粒径が大きくなると、大径粒子と大径粒子の間の熱抵抗となる隙間の数を減らすことができ、熱伝導率を向上させることができる。そのため、大径アルミナ粒子は大きい方が好ましく、またその充填率が高い方が熱伝導の面からは有利となる。大径アルミナ粒子の平均粒径が50μｍ未満であると、同じ充填率の場合には充填に必要な粒子の数が増えるため、大径アルミナ球状粒子の間の熱抵抗が増加し、熱伝導率が低くなる。そのため、その下限値を50μmとした。また、大径アルミナ球状粒子が80μmを超える大径となると、充填に必要な粒子数がさらに減り、大径アルミナ球状粒子の間の熱抵抗をさらに減らすことができ、熱伝導率がさらに向上し、より好適となる。
【００１４】
また、従来技術では80μｍ以上の粒径の大径アルミナ球状粒子を用いると、シート成形の際にシートの面の平坦度が悪くなり、切断時には大径アルミナ球状粒子がシートの切断面から脱落してしまうという問題があったが、本発明による柔軟性を有するマトリックスを用いることで解決できる。即ち、シートの面出しの際には、従来の樹脂マトリックスを用いた場合にはアルミナ粒子部と樹脂部との段差が生じてしまうが、本発明の混合物よりなるマトリックスを用いると小径アルミナ粒子を含んでいるため段差が付きにくくなり、平坦度に優れるシートが得られる。また、切断の際には、従来の樹脂マトリックスではマトリックスの強度が低く、樹脂マトリックスに亀裂が伝わり大径粒子を包み込んでいたマトリックスごと大径粒子の脱落が起きていたが、本発明の混合物からなるマトリックスとすることで大径アルミナ球状粒子を覆うマトリックス部の強度が向上し、粒子の脱落が起こり難くなった。本発明によって、従来技術では前述のように使用に問題があった80μｍ以上の大径アルミナ球状粒子も使用を可能となった。なお、大径アルミナ球状粒子の平均粒径の上限を100μmとしているが、これは入手できたアルミナ球状粒子がこの平均粒径であったためであり、それ以上の粒径の場合にもこれらの効果が得られることは十分考えられる。
また、アルミナ粒子の総和を100vol%とした場合、大径アルミナ球状粒子の量は60vol%未満であると熱伝導に寄与する粒子が不足して熱伝導率が小さくなるため、その下限値を60vol%とした。また、大径アルミナ球状粒子の量が80vol%を超えると、相対的にマトリックスに含まれる小径アルミナ粒子の量が少なくなるため、大径アルミナ球状粒子の隙間を埋める小径粒子が不足し、熱伝導率が低下してしまうため、その上限値を80vol%とした。
【００１５】
＜小径球状粒子の粒径と配合量＞
小径アルミナ球状粒子の粒径が7μmを超えると、大径アルミナ球状粒子の隙間の大きな部分にしか充填することができず、マトリックスに柔軟性を与えることが困難となり、シート硬度が上昇してしまう。そのため、小径アルミナ球状粒子の粒径の上限値を7μｍとした。また、小径アルミナ球状粒子が0.5μｍより小さくなると、マトリックス内で熱伝導に寄与する粒子数が多くなりマトリックスの粒子間の熱抵抗が増加してマトリックスの熱伝導率が低下し、シートの熱伝導も低下してしまう。そのため、小径アルミナ球状粒子の粒径の下限値を0.5μｍとした。
【００１６】
小径アルミナ球状粒子が全アルミナ粒子の合計を100vol%とした場合に5vol%より少ないとマトリックスの流動性が不足してシートが硬くなってしまう。そのため、小径アルミナ球状粒子の配合比の下限値を5vol%とした。また、小径アルミナ球状粒子が30vol%より多くなると流動性は得られるものの、マトリックスを構成するアルミナ粒子同士の接触面積が小さくなり、マトリックスの熱伝導を悪化させ、シート全体の熱伝導率が低くなる。そのため、小径アルミナ球状粒子の配合比の上限値を30vol%とした。
【００１７】
＜小径非球状粒子の粒径と配合量＞
小径アルミナ非球状粒子については、流動性が悪いものの、粒子同士の接触面積は球状粒子の場合に比べ大きくなることから、小径アルミナ非球状粒子を用いることは熱伝導の点で有効である。全アルミナ粒子の合計を100vol%とした場合に、小径アルミナ非球状粒子が10vol%より少ないとシート全体の熱伝導が悪くなる。小径アルミナ非球状粒子が35vol%より多いとマトリックスの流動性が低減し、シートが硬くなってしまう。そのため、小径アルミナ非球状粒子の配合比の下限値を10vol%とし、上限値を35vol%とした。
小径アルミナ非球状粒子の粒径が7μmより大きくなると、大径アルミナ球状粒子の隙間の大きな部分にしか充填することができず、大径アルミナ球状粒子の隙間を高充填することができなくなり、熱伝導率が低下する。さらに、隙間の大きな部分にしか入れない非球状粒子同士が互いの動きを抑制しあって柔軟性が損なわれ、シートの硬度も増加する。そのため、小径アルミナ非球状粒子の粒径の上限値を7μｍとした。
【００１８】
小径アルミナ非球状粒子の粒径が0.5μｍより小さくなるとシートは柔軟にできるものの、大径アルミナ球状粒子の隙間で熱伝導に寄与する粒子数が多くなり粒子の間の接触熱抵抗が増加してしまい熱伝導が低下する。そのため、小径アルミナ球状粒子の粒径の下限値を0.5μｍとした。
【００１９】
＜シート内のアルミナ配合粒子の比率＞
本発明の放熱シートでは、前述した大径アルミナ球状粒子と小径アルミナ球状粒子と小径アルミナ非球状粒子から構成されるアルミナ配合粒子とシート全体に含まれる樹脂との合計体積を100vol%とした場合、アルミナ配合粒子の比率（これをシート体積比という）が60vol%より少なくなると、熱伝導率が低い樹脂の比率が多くなるため、シートの熱伝導率が低下する。そのため、シート体積比の下限を60vol%とした。
また、シート体積比が90vol%より多くなると、本発明のマトリックス中の樹脂の相対量が少なくなるため、マトリックスの柔軟性が悪化し、大径アルミナ球状粒子の隙間を十分に埋めることが困難となり、熱伝導率が低下する。そのため、シート体積比の上限を90vol%とした。なお、シート体積比が70〜90vol%の場合には熱伝導率が6.0W/mK以上となり、より好適な範囲となる。
【００２０】
＜マトリックス中の樹脂比率＞
大径アルミナ球状粒子の隙間にマトリックスが十分に充填できるかを、マトリックスを形成する樹脂と小径アルミナ粒子の比率を基に評価できることが分かった。樹脂と小径アルミナ球状粒子および小径アルミナ非球状粒子との合計体積を100vol%とした場合、樹脂の比率が23vol%未満であると、樹脂と小径アルミナ球状粒子および小径アルミナ非球状粒子との混合物の粘度が高くなり、マトリックスが大径アルミナ球状粒子の隙間を十分に埋めることが困難となり、熱伝導率が低下する。また、マトリックスの柔軟性が損なわれるためシート硬度も高くなる。そのため、樹脂の比率の下限値を23vol%とした。また、樹脂の比率が65vol%を超えると、熱伝導率に寄与するマトリックス中の小径アルミナ球状粒子および小径アルミナ非球状粒子が相対的に少なくなり、熱伝導率が低下するため、樹脂の比率の上限値を65vol%とした。
【００２１】
平均粒径50〜100μmの大径アルミナ球状粒子が60〜80vol%、平均粒径0.5〜７μmの小径アルミナ球状粒子が5〜30vol%、平均粒径0.5〜７μmの小径アルミナ非球状粒子が10〜35vol%、の配合であるアルミナ配合粒子の比率がシート体積比で60〜90vol%の場合に、5.6W/mK以上の高い熱伝導性とシート硬度60以下の柔軟性の両方の特性を備えた放熱シートが得られることが分かった。
以下、実施例にて詳細に説明する。
【実施例】
【００２２】
放熱シートの原料は樹脂とアルミナ粒子であるが、樹脂は東レダウコーニングのシリコーンゲルCY52-276を用い、アルミナ粒子は平均粒径が40、50、83、100μmの大径球状粒子と平均粒径が0.3、0.5、7、8μmの小径非球状粒子と平均粒径が0.3、0.5、7、8μｍの小径球状粒子を用いた。
樹脂CY52-276（実際には、CY52-276A液とCY52-276B液を等量）と小径アルミナ非球状粒子と小径アルミナ球状粒子を表１〜3に示す体積量となるように秤量し、ハイブリッドミキサーを用いて混合した。得られた樹脂混合物に、大径アルミナ球状粒子を表1〜3に示す量を加え、ハイブリッドミキサーで発熱が起こらない時間条件で混合した。
【００２３】
得られた樹脂組成物を型枠に入れ、熱プレス装置を用いて、70℃で30分間、100kgf/cm2の加圧加熱処理を行ないシート成形した後に、樹脂の硬化反応を確実に行なわせるため、70℃1時間後、120℃で1時間ベーク処理を行ない、放熱シートを作製した。
得られた放熱シートについて、アスカーC硬度計を用いてシート硬度を測定し、50mmφ×2.5mmｔの試料を切り抜き、熱流計法による熱伝導率測定を行なった。
【００２４】
表１の試料No.1〜4は大径アルミナ球状粒子の粒径を変えた場合、試料No.5〜12は小径アルミナ粒子の粒径を変えた場合の特性変化を表した実施例であり、表２の試料No.13〜16は大径アルミナ球状粒子と小径アルミナ粒子の配合を変えた場合、試料No.17〜24は小径アルミナ配合の非球状粒子と球状粒子の配合を変えた場合の特性変化を表した実施例であり、表３の試料No.25〜30はアルミナ配合粒子と樹脂の比率を変えた場合、Ｎｏ．31〜33はマトリックス中の樹脂と小径アルミナ粒子の比率を変えた場合の特性変化を表した実施例である。
【００２５】
＜アルミナの粒径＞
試料No.1〜4は、小径アルミナ粒子の粒径と、樹脂とアルミナ配合粒子との体積比を本発明の範囲内の一定値として、大径アルミナ球状粒子の粒径を変化させた例である。試料No.1の大径アルミナ球状粒子の粒径が40μｍの場合、シート硬度は55と低いものの、熱伝導率が5.3W/mKと低い。大径アルミナ球状粒子の粒径が50〜100μｍの範囲において、シート硬度60以下かつ熱伝導率5.6W/mK以上となる。また、大径アルミナ球状粒子の粒径が80〜100μｍの範囲においては、シート硬度60以下かつ熱伝導率6.0W/mK以上となるため、さらに好適となる。
【００２６】
試料No.5〜8は大径アルミナ球状粒子の粒径と、小径アルミナ球状粒子の粒径と、樹脂とアルミナ配合粒子との体積比を本発明の範囲内の一定値とし、小径アルミナ非球状粒子の粒径のみを変化させた例である。試料No.5の小径アルミナ非球状粒子の粒径が8μｍの場合、シート硬度が75と高く熱伝導率が5.4と低い。また、試料No.8の小径アルミナ非球状粒子の粒径が0.3μｍの場合、シート硬度は49と低いものの熱伝導率が5.1W/mKと低い。小径アルミナ非球状粒子の粒径が0.5〜7μｍの範囲において、シート硬度60以下かつ熱伝導率5.6W/mK以上となる。
【００２７】
試料No.9〜12は大径アルミナ球状粒子の粒径と、小径アルミナ非球状粒子の粒径と、樹脂とアルミナ配合粒子との体積比を本発明の範囲内の一定値とし、小径アルミナ球状粒子の粒径を変化させた例である。試料No.9の小径アルミナ球状粒子の粒径が8μｍの場合、シート硬度が68と高く熱伝導率が5.3と低い。また、試料No.12の小径アルミナ球状粒子の粒径が0.3μｍの場合、シート硬度は49と低いものの熱伝導率が5.0W/mKと低い。小径アルミナ球状粒子の粒径が0.5〜7μｍの範囲において、シート硬度60以下かつ熱伝導率5.6W/mK以上となる。
【００２８】
＜大小の粒子の配合＞
試料No.13〜16は大径アルミナ球状粒子の粒径と、小径アルミナ粒子の粒径と、樹脂とアルミナ配合粒子との体積比を本発明の範囲内の一定値とし、大径アルミナ球状粒子と小径アルミナ粒子の配合比を変化させ、大径粒子の配合比率を検討した例である。大径アルミナ球状粒子と小径アルミナ粒子の合計体積を100vol%とした場合、試料No.13の大径アルミナ球状粒子の配合比率が85vol%の場合、シート硬度は57と低いものの熱伝導率が5.1と低い。また、試料No.16の大径アルミナ球状粒子の配合比率が55vol%ではシート硬度は42と低いものの熱伝導率が5.3W/mKと低い。大径アルミナ球状粒子の配合比率が60〜80vol%の範囲において、シート硬度60以下かつ熱伝導率5.6W/mK以上となる。
【００２９】
＜小径の粒子配合＞
試料No.17〜20は大径アルミナ球状粒子の粒径と、小径アルミナ粒子の粒径と、樹脂とアルミナ配合粒子との体積比を本発明の範囲内の一定値とし、大径アルミナ球状粒子と小径アルミナ粒子の配合比を変化させ、小径アルミナ非球状粒子の配合比率を検討した例である。大径アルミナ球状粒子と小径アルミナ粒子の合計体積を100vol%とした場合、試料No.20の小径アルミナ非球状粒子の配合比率が36vol%の場合、シート硬度が65と高く熱伝導率が5.3と低い。また、試料No.17の小径アルミナ非球状粒子の配合比率が9vol%の場合、シート硬度は60と低いものの熱伝導率が5.5W/mKと低い。小径アルミナ非球状粒子の配合比率が10〜35vol%の範囲において、シート硬度60以下かつ熱伝導率5.6W/mK以上となる。
【００３０】
試料No.21〜24は大径アルミナ球状粒子の粒径と、小径アルミナ粒子の粒径と、樹脂とアルミナ配合粒子との体積比を本発明の範囲内の一定値とし、大径アルミナ球状粒子と小径アルミナ粒子の配合比を変化させ、小径アルミナ球状粒子の配合比率を検討した例である。大径アルミナ球状粒子と小径アルミナ粒子の合計体積を100vol%とした場合、試料No.24の小径アルミナ球状粒子の配合比率が4vol%では熱伝導率が5.8と高いもののシート硬度が66と高い。また、試料No.21の小径アルミナ球状粒子の配合比率が31vol%ではシート硬度は51と低いものの熱伝導率が5.4W/mKと低い。小径アルミナ球状粒子の配合比率が5〜30vol%の範囲において、シート硬度60以下かつ熱伝導率5.6W/mK以上となる。
【００３１】
＜シート内のアルミナ配合粒子の比率＞
試料No25〜30は、大径アルミナ球状粒子の粒径と小径アルミナ粒子の粒径と両者の粒子の比率を本発明の範囲内の一定値として、樹脂の量を変えてアルミナ粒子と樹脂との比率を変化させた例である。アルミナ粒子と樹脂の合計体積を100vol%とした場合、試料No.25や30の場合、アルミナ粒子の配合比率が60vol%未満や90vol%超であると、熱伝導率は5.6W/ｍK未満となり、60〜90vol%の範囲が好適である（これをシート体積比という）。なお、アルミナ粒子の配合比率が70〜90vol%であると、熱伝導率が6.0W/mKを超えてさらに好適な範囲となる。
【００３２】
試料No.31〜33は、大径アルミナ球状粒子の粒径と小径アルミナ粒子の粒径と両者の粒子の比率を本発明の範囲内の一定値として、マトリックスとなる樹脂と小径アルミナ粒子との比率を変化させた例である。試料No.31のマトリックス中の樹脂の比率が22vol%の場合、熱伝導率が5.9W/mKであり、試料No.33のマトリックス中の樹脂の比率が66vol%の際には熱伝導率は5.7W/mKの値を示した。マトリックス中の樹脂の比率が23〜65vol%の範囲である熱伝導率が6.0W/mKを超え、さらに好適となる。
【００３３】
＜製造方法＞
以上の実施例はすべて前述のように、予め樹脂と小径アルミナ粒子を混合する工程と、得られた混合物に大径アルミナ球状粒子を混合する工程と、混合後の樹脂混合物を成形してシート化する工程により行なったものである。
比較例として、熱伝導率7.2W/mKシート硬度58と高特性のシートが得られた試料No.6の配合について、樹脂と大径アルミナ球状粒子と小径アルミナ粒子を同時に混合し、混合後の樹脂混合物を成形してシート化する工程を用い、アルミナ粒子の混合のタイミング以外の条件はすべて同一として放熱シートを作製した。得られたシートの特性は、シート硬度はほぼ同じ59であったが、熱伝導率が4.8W/mKと低かった。SEMにて内部を観察すると、大径アルミナ球状粒子の周りを樹脂のみが覆い、小径粒子と大径粒子の接触が見られず、本発明で必要なマトリックスが部分的にしか形成されてないことを確認した。
【表１】
【表２】
【表３】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば電子機器内の発熱部品と放熱部品の間に設置され放熱に用いられる高熱伝導性樹脂コンパウンド・高熱伝導性樹脂成形体・放熱シート用配合粒子、高熱伝導性樹脂コンパウンド・高熱伝導性樹脂成形体・放熱シート、および、その製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、エレクトロニクスの進展に伴い、パワーデバイス等電子機器内において発熱する部品が多く使用されてきている。電子回路を制御するに当り、これらの発熱部品からの熱を放散させて系全体を冷却することが重要となってきた。放熱シートは、発熱部品と放熱フィンや金属板との間に設置され、圧着により隙間のないように密着し、熱伝導性を発揮して発熱部品から発生した熱を放熱フィン等に伝えて、系全体の抜熱をすることができる。熱伝導性接着剤等も存在するが、放熱シートは取り扱いの容易さ等により最近普及してきた部材である。
【０００３】
一般に、放熱シートに代表される高熱伝導性樹脂成形体は、熱伝導性の無機フィラーと樹脂との組成物で構成されている。無機フィラーとしては、安価な水酸化アルミニウムや酸化アルミニウム（以下、アルミナ）、高熱伝導を期待した炭化珪素や窒化硼素、窒化アルミニウムといった材料が用いられている。また、樹脂としては、シリコーン樹脂が一般的であるが、シリコーン樹脂に含まれるシロキサンによる接点不良の問題を解決すべくアクリル系ゴム等の適用も検討されてきている。
【０００４】
放熱シートとして、安価な無機フィラーを用いた熱伝導率が1〜3W/mKのものと、高熱伝導性フィラーを用いた3〜5W/mKのものが市販されている。安価で高熱伝導率を有するシートが求められることから、アルミナを用いてできるだけ熱伝導率を向上させるための研究開発が進められてきている。
樹脂に加えるアルミナの充填率を上げることで高熱伝導率化を目指す方法が多く研究されており、フィラーの充填・分散を容易にするものとして、下記の特許文献１に記載されているように角を落とした丸味状アルミナを用いるものや、下記の特許文献２に記載されているように球状アルミナを用いる等のアルミナ形状を変える研究が行なわれた。
【０００５】
また下記の特許文献３には、熱伝導フィラー（実施例として炭化珪素）を樹脂に充填するに当り、大きな粒子とその間隙に入る小さな粒子を組合せて、熱伝導フィラーの充填率を上げて、シートの熱伝導を向上させ、実施例にて3.5W/mKの放熱シートが得られることが記載されている。フィラーはアルミナではないものの、フィラーの充填率を上げるべく、大小の粒径の異なる粒子を配合することを開示したものである。
さらに、下記の特許文献４には、大きな粒子として50〜80μmの球状アルミナ、小さな粒子として5μｍ以下の非球状アルミナを用いて、配合率を調整し、充填量に見合う熱伝導率を発揮させ、実施例にて5.5W/mKの放熱シートが得られることが記載されている。
【０００６】
以上のように、放熱シートの熱伝導率を向上させることを目的として、アルミナ粒子の充填率を増加させるため、アルミナ粒子の形状の検討、粒径の検討、配合の検討が行われてきている。
大小の粒径の異なる粒子の配合として、大径の球状粒子とその隙間を埋める小径粒子が用いられている。特許文献３では球状の大径粒子と球状の小径粒子を組合せた配合を用いており、特許文献４では大径の球状粒子と非球状の小径粒子を組合せた配合を用いている。
【特許文献１】特開昭63-020340号公報
【特許文献２】特開2000-095896号公報
【特許文献３】特開2001-139733号公報
【特許文献４】特開2003-253136号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の技術である球状の大径粒子と球状の小径粒子の組合せでは、高い熱伝導率が得られない。また、球状の大径粒子と非球状の小径粒子の組合せでは、高い熱伝導率は得られるが、放熱シートが硬くなり、シートの柔軟性を低下させるという問題があり、高熱伝導率と低シート硬度を両立することは困難であった。
そこで本発明は、高熱伝導率と柔軟性に優れた低シート硬度を両立した放熱シートを製造することができる高熱伝導性樹脂コンパウンド・高熱伝導性樹脂成形体・放熱シート用配合粒子、高熱伝導性樹脂コンパウンド・高熱伝導性樹脂成形体・放熱シート、および、その製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、前述の課題を解決するため鋭意検討の結果なされたものであり、その要旨とするところは特許請求の範囲に記載した通りの下記内容である。
（１）平均粒径50〜100μmの球状アルミナ粒子が60〜80vol%、平均粒径0.5〜7μmの球状アルミナ粒子が5〜30vol%、平均粒径0.5〜7μmの非球状アルミナ粒子が10〜35vol%の配合で含まれることを特徴とする、高熱伝導性樹脂コンパウンド用配合粒子。
（２）（１）に記載の高熱伝導性樹脂コンパウンド用配合粒子を樹脂成形体に用いることを特徴とする高熱伝導性樹脂成形体用配合粒子。
（３）（２）に記載の高熱伝導性樹脂成形体用配合粒子を放熱シートに用いることを特徴とする放熱シート用配合粒子。
（４）平均粒径50〜100μmの球状アルミナ粒子が60〜80vol%、平均粒径0.5〜7μmの球状アルミナ粒子が5〜30vol%、平均粒径0.5〜7μmの非球状アルミナ粒子が10〜35vol%の配合で含まれる配合粒子を、体積比で60〜90vol%含むことを特徴とする、高熱伝導性樹脂コンパウンド。
（５）（４）に記載の高熱伝導性樹脂コンパウンドを用いて成形したことを特徴とする高熱伝導性樹脂成形体。
【０００９】
（６）（５）に記載の高熱伝導性樹脂成形体を用いて作製したことを特徴とする放熱シート。
（７）前記放熱シートの熱伝導率が5.6W/mK以上であることを特徴とする、（６）に記載の放熱シート。
（８）前記放熱シートのアスカーC硬度が60以下であることを特徴とする、（６）または（７）に記載の放熱シート。
（９）平均粒径0.5〜7μmの球状及び非球状のアルミナ粒子と樹脂との混合物からなるマトリックスに、平均粒径50〜100μmの球状アルミナ粒子が均一に分散していることを特徴とする、（６）乃至（８）のいずれか１項に記載の放熱シート。
（１０）前記マトリックスのうち樹脂の占める体積が23〜65vol%であることを特徴とする、（９）に記載の放熱シート。
（１１）平均粒径0.5〜7μmの球状及び非球状のアルミナ粒子と樹脂とを予め混合してマトリックスを形成した後、該マトリックスに平均粒径50〜100μmの球状アルミナ粒子を混合して成形することを特徴とする、高熱伝導性樹脂コンパウンドの製造方法。
（１２）（１１）に記載の高熱伝導性樹脂コンパウンドを用いて成形することを特徴とする高熱伝導性樹脂成形体の製造方法。
（１３）（１２）１２に記載の高熱伝導性樹脂成形体を用いて作製することを特徴とする放熱シートの製造方法。
ここに、球状粒子とは、粒子の円形度（相当円の周囲長／粒子投影像の周囲長）の平均値が０．８以上の粒子をいう。
また、非球状粒子とは、粒子の円形度（相当円の周囲長／粒子投影像の周囲長）の平均値が０．８未満の粒子をいう。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、大径アルミナ球状粒子と小径アルミナ非球状粒子に加え、さらに小径アルミナ球状粒子を配合することで、5.6W/mK以上という高い熱伝導率を有するとともに、アスカー硬度が60以下という柔軟性に優れたシートを製造することができる高熱伝導性樹脂コンパウンド・高熱伝導性樹脂成形体・放熱シート用配合粒子、高熱伝導性樹脂コンパウンド・高熱伝導性樹脂成形体・放熱シート、および、その製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
我々は、アルミナフィラーを高充填させる放熱シートにおいて、大径アルミナ球状粒子間の隙間を埋めるマトリックス部に熱伝導に寄与する小径アルミナ粒子を配合させ、かつマトリックス部に流動性を持たせることでシートの柔軟性を得られないか、を鋭意検討した。その結果、１）予め所定量の小径アルミナ球状粒子と所定量の小径アルミナ非球状粒子と樹脂の混合物からなるマトリックスを作製する、２）そのマトリックスに大径アルミナ球状粒子を混合する、３）全ての混合物を成形加工して放熱シートを作製する、という工程を取ることで、高熱伝導かつ柔軟な高熱伝導性樹脂成形体を得ることができた。
本発明の樹脂コンパウンドは、樹脂成形体 として用いる場合には、放熱シートやプリント配線板に用いられる一方、非成形体としては、放熱グリースや接着剤などに用いられる。
以下の説明は、樹脂コンパウンドを成形体の放熱シートとして用いる場合の実施形態を示す。
【００１２】
マトリックス内の小径アルミナ非球状粒子は、大径粒子の隙間を埋める場合に、球状粒子に比べ大径アルミナ球状粒子との接触面積が大きくなるため、熱伝導率の向上に寄与する。しかし、小径アルミナ粒子として非球状粒子だけを用いた場合、マトリックスの柔軟性が損なわれ、シート硬度が増加してしまう。
そこで、マトリックス内の小径アルミナ非球状粒子の一部を所定量の小径アルミナ球状粒子とすることにより、マトリックスに球状粒子の流動性を加味することができ、全体のアルミナ粒子を高充填した配合においても、シートの高熱伝導性を維持したまま放熱シートの柔軟性を得ることに成功した。小径アルミナ非球状粒子の接触面積が大きいことによる高い熱伝導性と小径アルミナ球状粒子の流動性との両者を兼ね備えることができ、熱伝導を維持したまま、シートの変形が起こる際に大径アルミナ球状粒子の動きを阻害することなくマトリックスが動くことができ、シートの柔軟性が確保できるのである。
ここに、球状粒子とは、粒子の円形度（相当円の周囲長／粒子投影像の周囲長）の平均値が０．８以上の粒子をいう。
また、非球状粒子とは、粒子の円形度（相当円の周囲長／粒子投影像の周囲長）の平均値が０．８未満の粒子をいう。
粒子の円形度は、電子顕微鏡と画像解析装置を用い、例えば、シスメックス社製ＦＰＩＡを用いて測定することができる。
円形度の測定は、粒子個数１００個以上をカウントし、その平均値をその粉末の円形度とする。
【００１３】
＜大径粒子の粒径・配合量＞
大径アルミナ球状粒子はシートの熱伝導率に最も寄与するものである。同一体積に充填することを考えた場合、粒径が大きいほど粒子の数を減らすことができることから、大径粒子の粒径が大きくなると、大径粒子と大径粒子の間の熱抵抗となる隙間の数を減らすことができ、熱伝導率を向上させることができる。そのため、大径アルミナ粒子は大きい方が好ましく、またその充填率が高い方が熱伝導の面からは有利となる。大径アルミナ粒子の平均粒径が50μｍ未満であると、同じ充填率の場合には充填に必要な粒子の数が増えるため、大径アルミナ球状粒子の間の熱抵抗が増加し、熱伝導率が低くなる。そのため、その下限値を50μmとした。また、大径アルミナ球状粒子が80μmを超える大径となると、充填に必要な粒子数がさらに減り、大径アルミナ球状粒子の間の熱抵抗をさらに減らすことができ、熱伝導率がさらに向上し、より好適となる。
【００１４】
また、従来技術では80μｍ以上の粒径の大径アルミナ球状粒子を用いると、シート成形の際にシートの面の平坦度が悪くなり、切断時には大径アルミナ球状粒子がシートの切断面から脱落してしまうという問題があったが、本発明による柔軟性を有するマトリックスを用いることで解決できる。即ち、シートの面出しの際には、従来の樹脂マトリックスを用いた場合にはアルミナ粒子部と樹脂部との段差が生じてしまうが、本発明の混合物よりなるマトリックスを用いると小径アルミナ粒子を含んでいるため段差が付きにくくなり、平坦度に優れるシートが得られる。また、切断の際には、従来の樹脂マトリックスではマトリックスの強度が低く、樹脂マトリックスに亀裂が伝わり大径粒子を包み込んでいたマトリックスごと大径粒子の脱落が起きていたが、本発明の混合物からなるマトリックスとすることで大径アルミナ球状粒子を覆うマトリックス部の強度が向上し、粒子の脱落が起こり難くなった。本発明によって、従来技術では前述のように使用に問題があった80μｍ以上の大径アルミナ球状粒子も使用を可能となった。なお、大径アルミナ球状粒子の平均粒径の上限を100μmとしているが、これは入手できたアルミナ球状粒子がこの平均粒径であったためであり、それ以上の粒径の場合にもこれらの効果が得られることは十分考えられる。
また、アルミナ粒子の総和を100vol%とした場合、大径アルミナ球状粒子の量は60vol%未満であると熱伝導に寄与する粒子が不足して熱伝導率が小さくなるため、その下限値を60vol%とした。また、大径アルミナ球状粒子の量が80vol%を超えると、相対的にマトリックスに含まれる小径アルミナ粒子の量が少なくなるため、大径アルミナ球状粒子の隙間を埋める小径粒子が不足し、熱伝導率が低下してしまうため、その上限値を80vol%とした。
【００１５】
＜小径球状粒子の粒径と配合量＞
小径アルミナ球状粒子の粒径が7μmを超えると、大径アルミナ球状粒子の隙間の大きな部分にしか充填することができず、マトリックスに柔軟性を与えることが困難となり、シート硬度が上昇してしまう。そのため、小径アルミナ球状粒子の粒径の上限値を7μｍとした。また、小径アルミナ球状粒子が0.5μｍより小さくなると、マトリックス内で熱伝導に寄与する粒子数が多くなりマトリックスの粒子間の熱抵抗が増加してマトリックスの熱伝導率が低下し、シートの熱伝導も低下してしまう。そのため、小径アルミナ球状粒子の粒径の下限値を0.5μｍとした。
【００１６】
小径アルミナ球状粒子が全アルミナ粒子の合計を100vol%とした場合に5vol%より少ないとマトリックスの流動性が不足してシートが硬くなってしまう。そのため、小径アルミナ球状粒子の配合比の下限値を5vol%とした。また、小径アルミナ球状粒子が30vol%より多くなると流動性は得られるものの、マトリックスを構成するアルミナ粒子同士の接触面積が小さくなり、マトリックスの熱伝導を悪化させ、シート全体の熱伝導率が低くなる。そのため、小径アルミナ球状粒子の配合比の上限値を30vol%とした。
【００１７】
＜小径非球状粒子の粒径と配合量＞
小径アルミナ非球状粒子については、流動性が悪いものの、粒子同士の接触面積は球状粒子の場合に比べ大きくなることから、小径アルミナ非球状粒子を用いることは熱伝導の点で有効である。全アルミナ粒子の合計を100vol%とした場合に、小径アルミナ非球状粒子が10vol%より少ないとシート全体の熱伝導が悪くなる。小径アルミナ非球状粒子が35vol%より多いとマトリックスの流動性が低減し、シートが硬くなってしまう。そのため、小径アルミナ非球状粒子の配合比の下限値を10vol%とし、上限値を35vol%とした。
小径アルミナ非球状粒子の粒径が7μmより大きくなると、大径アルミナ球状粒子の隙間の大きな部分にしか充填することができず、大径アルミナ球状粒子の隙間を高充填することができなくなり、熱伝導率が低下する。さらに、隙間の大きな部分にしか入れない非球状粒子同士が互いの動きを抑制しあって柔軟性が損なわれ、シートの硬度も増加する。そのため、小径アルミナ非球状粒子の粒径の上限値を7μｍとした。
【００１８】
小径アルミナ非球状粒子の粒径が0.5μｍより小さくなるとシートは柔軟にできるものの、大径アルミナ球状粒子の隙間で熱伝導に寄与する粒子数が多くなり粒子の間の接触熱抵抗が増加してしまい熱伝導が低下する。そのため、小径アルミナ球状粒子の粒径の下限値を0.5μｍとした。
【００１９】
＜シート内のアルミナ配合粒子の比率＞
本発明の放熱シートでは、前述した大径アルミナ球状粒子と小径アルミナ球状粒子と小径アルミナ非球状粒子から構成されるアルミナ配合粒子とシート全体に含まれる樹脂との合計体積を100vol%とした場合、アルミナ配合粒子の比率（これをシート体積比という）が60vol%より少なくなると、熱伝導率が低い樹脂の比率が多くなるため、シートの熱伝導率が低下する。そのため、シート体積比の下限を60vol%とした。
また、シート体積比が90vol%より多くなると、本発明のマトリックス中の樹脂の相対量が少なくなるため、マトリックスの柔軟性が悪化し、大径アルミナ球状粒子の隙間を十分に埋めることが困難となり、熱伝導率が低下する。そのため、シート体積比の上限を90vol%とした。なお、シート体積比が70〜90vol%の場合には熱伝導率が6.0W/mK以上となり、より好適な範囲となる。
【００２０】
＜マトリックス中の樹脂比率＞
大径アルミナ球状粒子の隙間にマトリックスが十分に充填できるかを、マトリックスを形成する樹脂と小径アルミナ粒子の比率を基に評価できることが分かった。樹脂と小径アルミナ球状粒子および小径アルミナ非球状粒子との合計体積を100vol%とした場合、樹脂の比率が23vol%未満であると、樹脂と小径アルミナ球状粒子および小径アルミナ非球状粒子との混合物の粘度が高くなり、マトリックスが大径アルミナ球状粒子の隙間を十分に埋めることが困難となり、熱伝導率が低下する。また、マトリックスの柔軟性が損なわれるためシート硬度も高くなる。そのため、樹脂の比率の下限値を23vol%とした。また、樹脂の比率が65vol%を超えると、熱伝導率に寄与するマトリックス中の小径アルミナ球状粒子および小径アルミナ非球状粒子が相対的に少なくなり、熱伝導率が低下するため、樹脂の比率の上限値を65vol%とした。
【００２１】
平均粒径50〜100μmの大径アルミナ球状粒子が60〜80vol%、平均粒径0.5〜７μmの小径アルミナ球状粒子が5〜30vol%、平均粒径0.5〜７μmの小径アルミナ非球状粒子が10〜35vol%、の配合であるアルミナ配合粒子の比率がシート体積比で60〜90vol%の場合に、5.6W/mK以上の高い熱伝導性とシート硬度60以下の柔軟性の両方の特性を備えた放熱シートが得られることが分かった。
以下、実施例にて詳細に説明する。
【実施例】
【００２２】
放熱シートの原料は樹脂とアルミナ粒子であるが、樹脂は東レダウコーニングのシリコーンゲルCY52-276を用い、アルミナ粒子は平均粒径が40、50、83、100μmの大径球状粒子と平均粒径が0.3、0.5、7、8μmの小径非球状粒子と平均粒径が0.3、0.5、7、8μｍの小径球状粒子を用いた。
樹脂CY52-276（実際には、CY52-276A液とCY52-276B液を等量）と小径アルミナ非球状粒子と小径アルミナ球状粒子を表１〜3に示す体積量となるように秤量し、ハイブリッドミキサーを用いて混合した。得られた樹脂混合物に、大径アルミナ球状粒子を表1〜3に示す量を加え、ハイブリッドミキサーで発熱が起こらない時間条件で混合した。
【００２３】
得られた樹脂組成物を型枠に入れ、熱プレス装置を用いて、70℃で30分間、100kgf/cm2の加圧加熱処理を行ないシート成形した後に、樹脂の硬化反応を確実に行なわせるため、70℃1時間後、120℃で1時間ベーク処理を行ない、放熱シートを作製した。
得られた放熱シートについて、アスカーC硬度計を用いてシート硬度を測定し、50mmφ×2.5mmｔの試料を切り抜き、熱流計法による熱伝導率測定を行なった。
【００２４】
表１の試料No.1〜4は大径アルミナ球状粒子の粒径を変えた場合、試料No.5〜12は小径アルミナ粒子の粒径を変えた場合の特性変化を表した実施例であり、表２の試料No.13〜16は大径アルミナ球状粒子と小径アルミナ粒子の配合を変えた場合、試料No.17〜24は小径アルミナ配合の非球状粒子と球状粒子の配合を変えた場合の特性変化を表した実施例であり、表３の試料No.25〜30はアルミナ配合粒子と樹脂の比率を変えた場合、Ｎｏ．31〜33はマトリックス中の樹脂と小径アルミナ粒子の比率を変えた場合の特性変化を表した実施例である。
【００２５】
＜アルミナの粒径＞
試料No.1〜4は、小径アルミナ粒子の粒径と、樹脂とアルミナ配合粒子との体積比を本発明の範囲内の一定値として、大径アルミナ球状粒子の粒径を変化させた例である。試料No.1の大径アルミナ球状粒子の粒径が40μｍの場合、シート硬度は55と低いものの、熱伝導率が5.3W/mKと低い。大径アルミナ球状粒子の粒径が50〜100μｍの範囲において、シート硬度60以下かつ熱伝導率5.6W/mK以上となる。また、大径アルミナ球状粒子の粒径が80〜100μｍの範囲においては、シート硬度60以下かつ熱伝導率6.0W/mK以上となるため、さらに好適となる。
【００２６】
試料No.5〜8は大径アルミナ球状粒子の粒径と、小径アルミナ球状粒子の粒径と、樹脂とアルミナ配合粒子との体積比を本発明の範囲内の一定値とし、小径アルミナ非球状粒子の粒径のみを変化させた例である。試料No.5の小径アルミナ非球状粒子の粒径が8μｍの場合、シート硬度が75と高く熱伝導率が5.4と低い。また、試料No.8の小径アルミナ非球状粒子の粒径が0.3μｍの場合、シート硬度は49と低いものの熱伝導率が5.1W/mKと低い。小径アルミナ非球状粒子の粒径が0.5〜7μｍの範囲において、シート硬度60以下かつ熱伝導率5.6W/mK以上となる。
【００２７】
試料No.9〜12は大径アルミナ球状粒子の粒径と、小径アルミナ非球状粒子の粒径と、樹脂とアルミナ配合粒子との体積比を本発明の範囲内の一定値とし、小径アルミナ球状粒子の粒径を変化させた例である。試料No.9の小径アルミナ球状粒子の粒径が8μｍの場合、シート硬度が68と高く熱伝導率が5.3と低い。また、試料No.12の小径アルミナ球状粒子の粒径が0.3μｍの場合、シート硬度は49と低いものの熱伝導率が5.0W/mKと低い。小径アルミナ球状粒子の粒径が0.5〜7μｍの範囲において、シート硬度60以下かつ熱伝導率5.6W/mK以上となる。
【００２８】
＜大小の粒子の配合＞
試料No.13〜16は大径アルミナ球状粒子の粒径と、小径アルミナ粒子の粒径と、樹脂とアルミナ配合粒子との体積比を本発明の範囲内の一定値とし、大径アルミナ球状粒子と小径アルミナ粒子の配合比を変化させ、大径粒子の配合比率を検討した例である。大径アルミナ球状粒子と小径アルミナ粒子の合計体積を100vol%とした場合、試料No.13の大径アルミナ球状粒子の配合比率が85vol%の場合、シート硬度は57と低いものの熱伝導率が5.1と低い。また、試料No.16の大径アルミナ球状粒子の配合比率が55vol%ではシート硬度は42と低いものの熱伝導率が5.3W/mKと低い。大径アルミナ球状粒子の配合比率が60〜80vol%の範囲において、シート硬度60以下かつ熱伝導率5.6W/mK以上となる。
【００２９】
＜小径の粒子配合＞
試料No.17〜20は大径アルミナ球状粒子の粒径と、小径アルミナ粒子の粒径と、樹脂とアルミナ配合粒子との体積比を本発明の範囲内の一定値とし、大径アルミナ球状粒子と小径アルミナ粒子の配合比を変化させ、小径アルミナ非球状粒子の配合比率を検討した例である。大径アルミナ球状粒子と小径アルミナ粒子の合計体積を100vol%とした場合、試料No.20の小径アルミナ非球状粒子の配合比率が36vol%の場合、シート硬度が65と高く熱伝導率が5.3と低い。また、試料No.17の小径アルミナ非球状粒子の配合比率が9vol%の場合、シート硬度は60と低いものの熱伝導率が5.5W/mKと低い。小径アルミナ非球状粒子の配合比率が10〜35vol%の範囲において、シート硬度60以下かつ熱伝導率5.6W/mK以上となる。
【００３０】
試料No.21〜24は大径アルミナ球状粒子の粒径と、小径アルミナ粒子の粒径と、樹脂とアルミナ配合粒子との体積比を本発明の範囲内の一定値とし、大径アルミナ球状粒子と小径アルミナ粒子の配合比を変化させ、小径アルミナ球状粒子の配合比率を検討した例である。大径アルミナ球状粒子と小径アルミナ粒子の合計体積を100vol%とした場合、試料No.24の小径アルミナ球状粒子の配合比率が4vol%では熱伝導率が5.8と高いもののシート硬度が66と高い。また、試料No.21の小径アルミナ球状粒子の配合比率が31vol%ではシート硬度は51と低いものの熱伝導率が5.4W/mKと低い。小径アルミナ球状粒子の配合比率が5〜30vol%の範囲において、シート硬度60以下かつ熱伝導率5.6W/mK以上となる。
【００３１】
＜シート内のアルミナ配合粒子の比率＞
試料No25〜30は、大径アルミナ球状粒子の粒径と小径アルミナ粒子の粒径と両者の粒子の比率を本発明の範囲内の一定値として、樹脂の量を変えてアルミナ粒子と樹脂との比率を変化させた例である。アルミナ粒子と樹脂の合計体積を100vol%とした場合、試料No.25や30の場合、アルミナ粒子の配合比率が60vol%未満や90vol%超であると、熱伝導率は5.6W/ｍK未満となり、60〜90vol%の範囲が好適である（これをシート体積比という）。なお、アルミナ粒子の配合比率が70〜90vol%であると、熱伝導率が6.0W/mKを超えてさらに好適な範囲となる。
【００３２】
試料No.31〜33は、大径アルミナ球状粒子の粒径と小径アルミナ粒子の粒径と両者の粒子の比率を本発明の範囲内の一定値として、マトリックスとなる樹脂と小径アルミナ粒子との比率を変化させた例である。試料No.31のマトリックス中の樹脂の比率が22vol%の場合、熱伝導率が5.9W/mKであり、試料No.33のマトリックス中の樹脂の比率が66vol%の際には熱伝導率は5.7W/mKの値を示した。マトリックス中の樹脂の比率が23〜65vol%の範囲である熱伝導率が6.0W/mKを超え、さらに好適となる。
【００３３】
＜製造方法＞
以上の実施例はすべて前述のように、予め樹脂と小径アルミナ粒子を混合する工程と、得られた混合物に大径アルミナ球状粒子を混合する工程と、混合後の樹脂混合物を成形してシート化する工程により行なったものである。
比較例として、熱伝導率7.2W/mKシート硬度58と高特性のシートが得られた試料No.6の配合について、樹脂と大径アルミナ球状粒子と小径アルミナ粒子を同時に混合し、混合後の樹脂混合物を成形してシート化する工程を用い、アルミナ粒子の混合のタイミング以外の条件はすべて同一として放熱シートを作製した。得られたシートの特性は、シート硬度はほぼ同じ59であったが、熱伝導率が4.8W/mKと低かった。SEMにて内部を観察すると、大径アルミナ球状粒子の周りを樹脂のみが覆い、小径粒子と大径粒子の接触が見られず、本発明で必要なマトリックスが部分的にしか形成されてないことを確認した。
【表１】
【表２】
【表３】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平均粒径50〜100μmの球状アルミナ粒子が60〜80vol%、平均粒径0.5〜7μmの球状アルミナ粒子が5〜30vol%、平均粒径0.5〜7μmの非球状アルミナ粒子が10〜35vol%の配合で含まれることを特徴とする、高熱伝導性樹脂コンパウンド用配合粒子。
【請求項２】
請求項１に記載の高熱伝導性樹脂コンパウンド用配合粒子を樹脂成形体に用いることを特徴とする高熱伝導性樹脂成形体用配合粒子。
【請求項３】
請求項２に記載の高熱伝導性樹脂成形体用配合粒子を放熱シートに用いることを特徴とする放熱シート用配合粒子。
【請求項４】
平均粒径50〜100μmの球状アルミナ粒子が60〜80vol%、平均粒径0.5〜7μmの球状アルミナ粒子が5〜30vol%、平均粒径0.5〜7μmの非球状アルミナ粒子が10〜35vol%の配合で含まれる配合粒子を、体積比で60〜90vol%含むことを特徴とする、高熱伝導性樹脂コンパウンド。
【請求項５】
請求項４に記載の高熱伝導性樹脂コンパウンドを用いて成形したことを特徴とする高熱伝導性樹脂成形体。
【請求項６】
請求項５に記載の高熱伝導性樹脂成形体を用いて作製したことを特徴とする放熱シート。
【請求項７】
前記放熱シートの熱伝導率が5.6W/mK以上であることを特徴とする、請求項６に記載の放熱シート。
【請求項８】
前記放熱シートのアスカーC硬度が60以下であることを特徴とする、請求項６または請求項７に記載の放熱シート。
【請求項９】
平均粒径0.5〜7μmの球状及び非球状のアルミナ粒子と樹脂との混合物からなるマトリックスに、平均粒径50〜100μmの球状アルミナ粒子が均一に分散していることを特徴とする、請求項６乃至請求項８のいずれか１項に記載の放熱シート。
【請求項１０】
前記マトリックスのうち樹脂の占める体積が23〜65vol%であることを特徴とする、請求項９に記載の放熱シート。
【請求項１１】
平均粒径0.5〜7μmの球状及び非球状のアルミナ粒子と樹脂とを予め混合してマトリックスを形成した後、該マトリックスに平均粒径50〜100μmの球状アルミナ粒子を混合して成形することを特徴とする、高熱伝導性樹脂コンパウンドの製造方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の高熱伝導性樹脂コンパウンドを用いて成形することを特徴とする高熱伝導性樹脂成形体の製造方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の高熱伝導性樹脂成形体を用いて作製することを特徴とする放熱シートの製造方法。
【請求項１】
平均粒径50〜100μmの球状アルミナ粒子が60〜80vol%、平均粒径0.5〜7μmの球状アルミナ粒子が5〜30vol%、平均粒径0.5〜7μmの非球状アルミナ粒子が10〜35vol%の配合で含まれることを特徴とする、高熱伝導性樹脂コンパウンド用配合粒子。
【請求項２】
請求項１に記載の高熱伝導性樹脂コンパウンド用配合粒子を樹脂成形体に用いることを特徴とする高熱伝導性樹脂成形体用配合粒子。
【請求項３】
請求項２に記載の高熱伝導性樹脂成形体用配合粒子を放熱シートに用いることを特徴とする放熱シート用配合粒子。
【請求項４】
平均粒径50〜100μmの球状アルミナ粒子が60〜80vol%、平均粒径0.5〜7μmの球状アルミナ粒子が5〜30vol%、平均粒径0.5〜7μmの非球状アルミナ粒子が10〜35vol%の配合で含まれる配合粒子を、体積比で60〜90vol%含むことを特徴とする、高熱伝導性樹脂コンパウンド。
【請求項５】
請求項４に記載の高熱伝導性樹脂コンパウンドを用いて成形したことを特徴とする高熱伝導性樹脂成形体。
【請求項６】
請求項５に記載の高熱伝導性樹脂成形体を用いて作製したことを特徴とする放熱シート。
【請求項７】
前記放熱シートの熱伝導率が5.6W/mK以上であることを特徴とする、請求項６に記載の放熱シート。
【請求項８】
前記放熱シートのアスカーC硬度が60以下であることを特徴とする、請求項６または請求項７に記載の放熱シート。
【請求項９】
平均粒径0.5〜7μmの球状及び非球状のアルミナ粒子と樹脂との混合物からなるマトリックスに、平均粒径50〜100μmの球状アルミナ粒子が均一に分散していることを特徴とする、請求項６乃至請求項８のいずれか１項に記載の放熱シート。
【請求項１０】
前記マトリックスのうち樹脂の占める体積が23〜65vol%であることを特徴とする、請求項９に記載の放熱シート。
【請求項１１】
平均粒径0.5〜7μmの球状及び非球状のアルミナ粒子と樹脂とを予め混合してマトリックスを形成した後、該マトリックスに平均粒径50〜100μmの球状アルミナ粒子を混合して成形することを特徴とする、高熱伝導性樹脂コンパウンドの製造方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の高熱伝導性樹脂コンパウンドを用いて成形することを特徴とする高熱伝導性樹脂成形体の製造方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の高熱伝導性樹脂成形体を用いて作製することを特徴とする放熱シートの製造方法。
【公開番号】特開２００７−２７７４０６（Ｐ２００７−２７７４０６Ａ）
【公開日】平成１９年１０月２５日（２００７．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１０５４５７（Ｐ２００６−１０５４５７）
【出願日】平成１８年４月６日（２００６．４．６）
【出願人】（３９７０８０１７３）株式会社マイクロン (7)
【出願人】（３０６０３２３１６）新日鉄マテリアルズ株式会社 (196)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１０月２５日（２００７．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年４月６日（２００６．４．６）
【出願人】（３９７０８０１７３）株式会社マイクロン (7)
【出願人】（３０６０３２３１６）新日鉄マテリアルズ株式会社 (196)
【Ｆターム（参考）】
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