JP2005209765A

JP2005209765A - 混合粉末及びその用途

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Publication number: JP2005209765A
Application number: JP2004012735A
Authority: JP
Inventors: Toshitaka Yamagata; 利貴山縣; Hiroaki Sawa; 博昭澤; Masato Kawano; 正人川野
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2004-01-21
Filing date: 2004-01-21
Publication date: 2005-08-04
Anticipated expiration: 2024-01-21
Also published as: JP4481019B2

Abstract

【課題】更なる高熱伝導性を有するゴム又は樹脂の組成物、特に例えば放熱シート、スペーサー等の放熱部材を提供することであり、それに使用される粉末を提供することである。
【解決手段】セラミックス粉末と金属粉末の混合粉末からなり、平均球形度が０．８５以上、平均粒子径が５０μｍ以下であり、しかも上記セラミックス粉末には頻度粒度分布において少なくとも２つの極大値があり、また上記金属粉末の頻度粒度分布における極大値が上記セラミックス粉末の極大値の間にあることを特徴とする混合粉末である。また、本発明は、この混合粉末を樹脂又はゴムに含有させてなることを特徴とする組成物である。特に、樹脂又はゴムがシリコーン硬化物であることを特徴とする放熱部材である。
【選択図】なし

Description

本発明は、混合粉末及びそれを含有させた組成物に関する。詳しくは、例えばコンピューターなどの情報処理機器におけるＩＣ、ＬＳＩ、ＣＰＵ、ＭＰＵ及びプラズマディスプレイ等の画像表示用ＩＣの半導体素子により発生する熱を効率よく放出するのに有用な放熱部材等を製造するのに用いられる混合粉末と、それを樹脂又はゴムに含有させてなる組成物、特に放熱部材に関する。

近年、情報処理機器は、携帯用使用の薄型サイズのものが好まれるようになった。それに伴い、半導体素子も高密度化・小型化され、そこから発生する熱も増加の一途をたどり、それを効率よく除去することが重要な問題となっている。

従来、半導体素子より発生した熱の除去は、半導体素子を放熱シートを介して放熱フィンに取り付けることによって行われている。情報処理機器の小型化、薄型化により、放熱フィン等を取り付けるスペースがない場合には、情報処理機器のケース等に直接伝熱する方式が取られており、この場合には、半導体素子とケースの間に、そのスペースを埋める厚みを有した熱伝導性フィラー含有のシリコーン硬化物からなる柔らかな放熱スペーサーが用いられている。

放熱スペーサー（以下、「スペーサー」ともいう。）の熱伝導性を高めるにあたり、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等の熱伝導性フィラーを高充填する方法では（特許文献１）、それらの粉末に特有な粒子形状から大変なことであり、分級・粉砕等に多大な労力・時間が必要となるので、これらの粉末を単独で用いて熱伝導性を高めるには限界がきている。
特開平１１−１４５３５１号公報

本発明の目的は、更なる高熱伝導性を有するゴム又は樹脂の組成物、特に例えば放熱シート、スペーサー等の放熱部材を提供することであり、それに使用される粉末を提供することである。

すなわち、本発明は、セラミックス粉末と金属粉末の混合粉末からなり、平均球形度が０．８５以上、平均粒子径が５０μｍ以下であり、しかも上記セラミックス粉末には頻度粒度分布において少なくとも２つの極大値があり、また上記金属粉末の頻度粒度分布における極大値が上記セラミックス粉末の極大値の間にあることを特徴とする混合粉末である。この場合において、頻度粒度分布において、セラミックス粉末の極大値が２０〜５０μｍの間と０．３〜０．７μｍの間に存在し、金属粉末の極大値が１〜１０μｍの間に存在することが好ましい。また、２０〜５０μｍの粒子含有率が４０〜６０体積％、１〜１０μｍの粒子含有率が１０〜３０体積％、０．３〜０．７μｍの粒子含有率が１〜５体積％であることが好ましい。更には、セラミックス粉末がアルミナ粉末、金属粉末がアルミニウム粉末であることが好ましい。

また、本発明は、上記いずれかの混合粉末を樹脂又はゴムに含有させてなることを特徴とする組成物である。この場合において、樹脂又はゴムがシリコーン硬化物であることを特徴とする放熱部材である。

本発明によれば、更なる高熱伝導性を有するゴム又は樹脂組成物、特に例えば放熱シート、スペーサー等の放熱部材が提供される。また、各種のゴム又は樹脂に絶縁性かつ熱伝導性を付与する粉末が提供される。

本発明の混合粉末（以下、「充填剤」ともいう。）は、セラミックス粉末と金属粉末からなり、平均球形度が０．８５以上、平均粒子径が５０μｍ以下の混合粉末で構成されている。球形度が０．８５未満又は平均粒子径が５０μｍ超であると、粒子同士の接触が著しくなり、樹脂又はゴムの組成物（以下、単に「組成物」ともいう。）特にスペーサーの表面の凹凸が大きくなって界面熱抵抗が増大し更なる高熱伝導率化は達成しづらくなる。

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）に取り込むことによって測定することができる。すなわち、画像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）と同一の周囲長をも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する。

平均粒子径と頻度粒度分布は、市販の粒度測定装置、例えばＬ＆Ｎ社製粒度分布計「マイクロトラックＳＰ−Ａ」を用いて測定することができる。

つぎに、本発明の充填剤を構成するセラミックス粉末は、頻度粒度分布において少なくとも２つの極大値を有し、また金属粉末はその頻度粒度分布における極大値が上記セラミックス粉末の極大値の間に存在するように構成されている。このようにすることによって、組成物の表面に粒子の大きなセラミックス粉末が多く存在させることができるので組成物が導電性となるのを緩和することができ、しかもセラミックス粉末同士、金属粉末同士、セラミックス粉末と金属粉末の粒子間の接触が大きくなって熱伝導性が向上する。また、高価格である金属粉末の使用量を軽減できるので低コスト化にも寄与する。

本発明においては、セラミックス粉末の頻度粒度分布の極大値が２０〜５０μｍ（以下、「セラミックス粉末ａ」という。）と、０．３〜０．７μｍ（以下、「セラミックス粉末ｂ」という。）であり、金属粉末の頻度粒度分布の極大値がこれらのセラミックス粉末の頻度粒度分布の極大値の間の１〜１０μｍ（以下、「金属粉末ａ」という。）にあることが好ましい。中でも、セラミックス粉末ａの含有率が４０〜６０体積％であり、セラミックス粉末ｂの含有率が１〜５体積％であり、金属粉末ａの含有率が１０〜３０体積％であることが好ましい。特に好ましくは、セラミックス粉末ａの含有率が４５〜５５体積％であり、セラミックス粉末ｂが０．４〜０．６μｍの間にあってその含有率が２〜４体積％であり、金属粉末ａの含有率が１５〜２５体積％である。

本発明ではセラミックス粉末ｂの役割が特に重要であり、その極大値が０．３μｍ未満にあるか又はその含有率が５体積％超であると、組成物の流動性が低下するか又は組成物内でそれが偏析する。一方、セラミックス粉末ｂの極大値が０．７μｍ超にあるか又はその含有率が１体積％未満であると、微粉が少なくなって粒子間の接触が少なくなる。

本発明の充填剤は、セラミックス粉末ａ、セラミックス粉末ｂ及び金属粉末ａを所定量混合することによって製造することができる。これらの粉末による合計が１００体積％に満たないときには、球形度が０．８５以上、平均粒子径が５０μｍ以下のセラミックス粉末を混合する。これによって、更なる導電性を緩和させ、熱伝導率を向上させることができる。

本発明に使用されるセラミックス粉末としては、例えばアルミナ、マグネシア、カルシア、カルシウムアルミネート、スピネル等の酸化物粉末、窒化硼素、窒化珪素、窒化アルミニウム、炭化珪素、炭化ホウ素、炭素等の非酸化物粉末等を例示することができるが、好ましくは球状アルミナ粉末である。また、金属粉末としては、アルミニウム、銅、銀、金、モリブデン、タングステン等が使用されるが、好ましくはアルミニウム粉末である。

本発明の組成物に用いられる樹脂又はゴムとしては、例えばシリコーン樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン・酢酸ビニル共重合体、硬化性アクリル樹脂、硬化性エポキシ樹脂、シリコーンゴム等が例示され、特に耐熱性が優れることから、シリコーン硬化物が好ましい。組成物中の充填剤の含有率は、用途により例えば３０〜９５体積％の割合とすることができる。

シリコーン硬化物としては、一般的な電子材料用途に使用されているシリコーン、例えば付加反応により加硫する液状シリコーン樹脂、過酸化物を加硫に用いる熱加硫型ミラブルタイプのシリコーン樹脂等を不都合なく用いることができる。組成物の用途がスペーサー等の放熱部材であるときは、半導体素子の発熱面と放熱フィン等の放熱面との密着性が要求されるため、シリコーンの中でも柔軟性を有する付加反応型液状シリコーンの使用が望ましい。付加反応型液状シリコーンの具体例としては、例えば一分子中にビニル基とＨ−Ｓｉ基の両方を有する一液性のシリコーン、又は末端あるいは側鎖にビニル基を有するオルガノポリシロキサンと末端あるいは側鎖に２個以上のＨ−Ｓｉ基を有するオルガノポリシロキサンとの二液性のシリコーン等を挙げることができる。このような付加反応型液状シリコーンの市販品としては、例えば東芝シリコーン社製、商品名「ＸＥ８５３０」などがある。シリコーン硬化物の柔軟性は、付加反応によって形成される架橋密度によって調整することができる。

本発明の組成物は、原料の混合・成形・硬化工程を経て製造される。混合には、ロールミル、ニーダー、バンバリーミキサー等の混合機が用いられる。成形方法はドクターブレード法が好ましいが、ゴム又は樹脂の粘度によって押し出し法・プレス法・カレンダーロール法等を用いることができる。硬化温度は、５０〜２００℃が望ましい。硬化は、一般的な熱風乾燥機、遠赤外乾燥機、マイクロ波乾燥機等を用いて行われる。

本発明の放熱部材は、シリコーン硬化物に充填剤を例えば３０〜９５体積％存在させたものであり、その厚みは０．１〜６ｍｍ、特に０．２〜３ｍｍが一般的である。その平面形状は、半導体素子と密着できる形状ないし、半導体素子を埋没できる形状であれば、特に制限されるものではなく、例えば三角形、四角形、六角形などの多角形、円形、楕円軽等の任意の形状を用いることができ、更には半導体素子が密着ないしは埋没しやすいように凹凸を付けることもできる。

実施例１比較例１〜３
シリコーンＡ液（ビニル基を有するオルガノポリシロキサン）と、シリコーンＢ液（Ｈ−Ｓｉ基を有するオルガノポリシロキサン）の二液の付加重合型液状シリコーン（東芝シリコーン社製、商品名「ＸＥ８５３０」）と、表１に示されるセラミックス粉末と金属粉末を表２で示すような割合で配合した。得られた樹脂組成物を、室温において真空脱泡した後、ドクターブレード法にて厚さ１ｍｍのシートに成形した後、１２０℃の乾燥機に６時間静置して加硫・硬化させ、スペーサーを作製し、以下に従い、（１）熱伝導率と（２）体積抵抗率を測定した。また、平均球形度は上記方法によって画像解析して求め、セラミックス粉末と金属粉末の平均粒子径、頻度粒度分布における極大値をもつ粒子径は、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。それらの結果を表２に示す。

（１）熱伝導率：スペーサーをＴＯ−３型銅製ヒーターケースと銅板との間に挟み、スペーサー厚みの１０％を圧縮した後、銅製ヒーターケースに電力５Ｗをかけて４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、熱伝導率（Ｗ／ｍ・ｋ）＝｛電力（Ｗ）×厚み（ｍ）｝／｛温度差（ｋ）×測定面積（ｍ^２）｝、にて熱伝導率を算出した。
（２）体積抵抗率：ヒューレットパッカード社製ハイ・レジスタンス・メータ「４３３９Ａ」を用いて印加電圧５００Ｖで測定した。

本発明の充填剤は各種の樹脂又はゴムに絶縁性かつ熱伝導性を付与するために使用される。本発明の組成物は各種伝熱部材の製造用材料として使用される。本発明の放熱部材は例えば放熱シート、スペーサー等として使用される。

Claims

セラミックス粉末と金属粉末の混合粉末からなり、平均球形度が０．８５以上、平均粒子径が５０μｍ以下であり、しかも上記セラミックス粉末には頻度粒度分布において少なくとも２つの極大値があり、また上記金属粉末の頻度粒度分布における極大値が上記セラミックス粉末の極大値の間にあることを特徴とする混合粉末。
頻度粒度分布において、セラミックス粉末の極大値が２０〜５０μｍの間と０．３〜０．７μｍの間に存在し、金属粉末の極大値が１〜１０μｍの間に存在することを特徴とする請求項１記載の混合粉末。
２０〜５０μｍの粒子含有率が４０〜６０体積％、１〜１０μｍの粒子含有率が１０〜３０体積％、０．３〜０．７μｍの粒子含有率が１〜５体積％であることを特徴とする請求項２記載の混合粉末。
セラミックス粉末がアルミナ粉末、金属粉末がアルミニウム粉末であることを特徴とする請求項１、２又は３記載の混合粉末。
請求項１〜４記載のいずれかの混合粉末を樹脂又はゴムに含有させてなることを特徴とする組成物。
請求項５記載の樹脂又はゴムがシリコーン硬化物であることを特徴とする放熱部材。