JP4014454B2 - 樹脂組成物、その製造方法及び放熱部材 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、高結晶性窒化アルミニウム粉末の充填された樹脂組成物、その製造方法及び放熱部材に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、発熱性電子部品の高密度化等により、放熱部材に対する熱伝導性の要求が益々高まっている。また、携帯用パソコンをはじめ、電子機器の小型、薄型、軽量化が進み、今後もこの方向性は変わらないので、これらの電子機器へ用いる放熱部材も高熱伝導化にあわせて、熱抵抗を少なくするために更なる薄化が要求される。ここで、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が例示される。
【0003】
放熱部材の熱伝導率を向上させるには、樹脂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、薄化のためには低粘度に調整された樹脂組成物が用いられる。熱伝導性無機粉末としては、窒化アルミニウム粉末が例示され、その充填率を高めるための多くの提案がある。たとえば、オルガノポリシロキサンに平均粒径0.5〜5μmの球状六方晶窒化アルミニウム粒子を充填する(特公平6−39591号公報)、平均粒径が0.5〜10μmで、100μm以上の粒子を含まない窒化アルミニウム粉末と、酸化亜鉛、アルミナ、窒化硼素、炭化珪素等の無機粉末とを、液状シリコーンに充填する(特開2000−10973号公報)、などである。
【0004】
しかしながら、これらの窒化アルミニウム粉末の結晶性は大きくないので熱伝導率は十分に高くなく、放熱部材の高熱伝導化には自ずと限度があった。そこで、本出願人は、窒化アルミニウム粉末とイットリア等の焼結助剤を含む混合原料を焼結して得られた窒化アルミニウム焼結体の粉砕物と、金属粉とを併用することを提案した(特開2001−158609号公報)。しかしながら、この技術においては、窒化アルミニウム焼結体の粉砕時に、粒子内に再度歪みが発生する、粒子のエッジが鋭利になるなどし、放熱部材が放熱グリースである場合には、更なる高流動性と高熱伝導性を有するものにはなりにくいことが未解決であった。
【0005】
一方、金属粉を充填する技術(特開2000−62873号公報)においては、窒化アルミニウム粉末よりも高熱伝導性の付与が可能となるが、絶縁性ではないので放熱グリースとして使用するには制約がある。そこで、金属粉表面を酸化又は窒化して絶縁性を付与することが提案(特開平11−12481号公報)されている。しかし、これが充填された放熱グリースは、熱伝導率が最大でも2.15W/mKであり、期待したほどまでには高くならず、また絶縁性ではあるが、酸化膜や窒化膜の厚みは0.1μm以下であるため、耐電圧は期待できない。
【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、窒化アルミニウム粉末が充填された高熱伝導性かつ絶縁性の樹脂組成物と、その製造方法と、放熱部材、特に放熱グリースを提供することである。本発明の目的は、高結晶性窒化アルミニウム粉末と、この高結晶性窒化アルミニウム粉末よりも平均粒径の小さい金属粉末とを樹脂に充填させ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、X線回折によるミラー指数(100)面、(002)面及び(101)面の3つの回折ピークの平均半価幅が0.095°以下で、平均粒径10〜50μmである高結晶性窒化アルミニウム粉末と、平均粒径がこの高結晶性窒化アルミニウム粉末よりも小さく、熱伝導率が250W/mK以上である金属粉末とが樹脂に充填されてなり、熱伝導率が4W/mK以上、絶縁抵抗が1×109Ω以上であることを特徴とする樹脂組成物である。この発明においては、窒化アルミニウム粉末の含有率が42〜73質量%、金属粉末が銅粉末でありその含有率が17〜48質量%、樹脂が液状シリコーンでありその含有率が8〜10質量%であることが好ましい。また、本発明は、窒化アルミニウム粉末を窒化硼素製容器に充填し、黒鉛発熱体の加熱炉を用い、一酸化炭素ガスと窒素ガスの混合ガス雰囲気下で加熱してから分級して、X線回折によるミラー指数(100)面、(002)面及び(101)面の3つの回折ピークの平均半価幅が0.095°以下で、平均粒径10〜50μmである高結晶性窒化アルミニウム粉末とした後、その高結晶性窒化アルミニウム粉末と、平均粒径が高結晶性窒化アルミニウム粉末よりも小さく、熱伝導率が250W/mK以上である金属粉末と、樹脂とを混合することを特徴とする本発明の樹脂組成物の製造方法である。また、本発明は、本発明の樹脂組成物からなることを特徴とする電子部品の放熱部材、特に樹脂を液状シリコーンとした放熱グリースである。
【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】
本発明の樹脂組成物において、その充填材は、高結晶性窒化アルミニウム粉末と金属粉末とが必須成分となる。充填材の構成比率は、80%(質量%、以下同じ)以上(100%を含む)がこの必須成分であり、100%でない時の残部は、高結晶性窒化アルミニウム粉末以外の窒化アルミニウム粉末、窒化ケイ素粉末、窒化ホウ素粉末、アルミナ粉末、炭化ホウ素粉末、炭化ケイ素粉末から選ばれた一種又は二種以上であることが好ましい。
【0010】
高結晶性窒化アルミニウム粉末は、Cu−kα(2θ)のX線回折によるミラー指数(100)面、(002)面及び(101)面の3つの回折ピークの平均半価幅(以下、単に「半価幅」という。)が0.095°以下で、平均粒径10〜50μmである窒化アルミニウム粉末である。この詳細については、特願2001−317982号明細書に記載されており、本発明においては、その明細書の実施例に記載された方法で製造されたものが使用できる。
【0011】
本発明においては、高結晶性窒化アルミニウム粉末の半価幅が特に重要である。半価幅は結晶性の指標であり、結晶性が高いほど半価幅は小さくなる。結晶性を左右する因子は、粉砕等のメカノケミカル的な作用による粒子表面の結晶の乱れ、表面や内部に不純物が存在することによる結晶欠陥等に起因する乱れ、結晶子の大きさ等である。本発明においては、半価幅が0.095°以下、好ましくは0.085°以下の高結晶性窒化アルミニウム粉末が用いられる。この半価幅の値は、従来の窒化アルミニウム粉末が0.2〜0.4°程度であるのに対して極めて小さいことが特異的である。半価幅が0.095°をこえると、それが充填された樹脂組成物の熱伝導率は著しく向上しない。本発明において、半価幅を上記3つの回折ピークの半価幅の平均値としたのは、配向性の影響をできるだけなくして結晶性の判断を行うためである。
【0012】
高結晶性窒化アルミニウム粉末の平均粒径は、10〜50μmであり、好ましくは20〜40μmである。平均粒径が10μm未満であると、樹脂組成物内での粒子間接触点数が増え、熱抵抗は大きくなる。また、平均粒径が50μmをこえると、放熱部材の薄化が困難となる。
【0013】
本発明で使用される金属粉末は、その平均粒径が高結晶性窒化アルミニウム粉末のそれよりも小さいことが条件となる。好ましくは、平均粒径10μm以下の範囲内であって、高結晶性窒化アルミニウム粉末の平均粒径よりも90〜30%小さいこと、すなわち平均粒径10μm以下の範囲内であって、高結晶性窒化アルミニウム粉末の平均粒径の10〜70%の平均粒径をもつことである。このように、平均粒径を違えることによって、放熱部材が薄化しても、高結晶性窒化アルミニウム粉の平均粒径が大きいので、高電圧における絶縁性を確保できる。金属粉末の熱伝導率については、高結晶性窒化アルミニウムと同等以上が好ましく、250W/mK以上、より好ましくは400W/mK以上である。250W/mK未満では高結晶性窒化アルミニウム粉末を単独で充填した樹脂組成物よりも熱伝導率は向上しない。
【0014】
このような金属粉末としては、銅、金、銀から選ばれた一種又は二種以上が好ましいが、価格を考慮すると、銅粉が最適となる。
【0015】
高結晶性窒化アルミニウム粉末と金属粉末の樹脂への充填率は、樹脂組成物の熱伝導率が4W/mK以上、絶縁抵抗が1×109Ω以上となるように決定される。その割合の一例を示せば、高結晶性窒化アルミニウム粉末の充填率が42〜73質量%、銅粉末17〜48質量%、液状シリコーン樹脂が8〜10質量である。樹脂組成物の熱伝導率が4W/mK未満では、放熱特性が不十分となる。また、絶縁抵抗が1×109Ω・cm未満では、絶縁が不十分となり、電子部品に電圧をかけたときに、電子部品とアルミフィン等の放熱フイン間でショートする場合がある。たとえば、放熱部材を100μm(0.01cm)に制御して塗布した場合、1×108Ω・cmしかなければ、1KVの電圧がかかれば、1mAの電流が流れてしまう。グリースは流動性があるので、塗工時の膜厚は10μmになる場合もあり、使用する電圧にもよるが、絶縁を保証するには、1×109Ω・cm以上が必要である。
【0016】
本発明で用いられる樹脂としては、液状シリコーン、合成油などの油状物質、パラフィン系鉱油、未硬化液状エポキシ樹脂等が例示される。耐熱信頼性の点から、液状シリコーンが好ましい。液状シリコーンとしては、GE東芝シリコーン社製商品名「TSF451−1000」等が例示される。液状シリコーンを用いたときに、本発明の放熱部材は放熱グリースとなる。放熱グリースの流動性は、液状シリコーンの粘度と、高結晶性窒化アルミニウム粉末及び/又は金属粉末の充填量によって調整することができる。
【0017】
本発明の樹脂組成物は、上記諸材料をブレンダーやミキサーで混合後3本ロール等で混練りするか、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。
【0018】
本発明の樹脂組成物の用途としては、放熱部材があるが、何らこれに限られることはなく、熱伝導性樹脂一般、体温冷却用樹脂、温度測定用樹脂等にも使用できる。
【0019】
【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。
【0020】
実施例1〜4
アトマイズされた平均粒径25μmのアルミニウム粉末100質量部に対し、窒化アルミニウム粉末を骨材として15質量部を配合した混合粉末を、アルミニウム箔製円筒容器(高さ約20cm、直径約4cm)に入れ、窒素ガス(80体積%)−アンモニアガス(20体積%)の雰囲気下、最高温度1400℃に加熱された窒化炉で窒化して窒化アルミニウムインゴットを製造した。これをジョークラッシャー、Wロールクラッシャーを用いて1mm下の窒化アルミニウム粒に粉砕した後、ボールミルで30分間粉砕し、更に72μmの振動フルイで通過させ、窒化アルミニウム粉末を製造した。
【0021】
これを窒化硼素製容器に充填し、黒鉛発熱体の加熱炉を用い、一酸化炭素ガスと窒素ガスの混合ガス雰囲気下で加熱した後、45μmの振動篩いで分級し、表1の特性を有する高結晶性窒化アルミニウム粉末を製造した。雰囲気ガスの流量は、100リットル/分、昇温速度は、1200℃までは毎時600℃、1200℃から最高温度までは毎時100℃とし、最高温度1980℃における保持時間を2時間とした。
【0022】
高結晶性窒化アルミニウム粉末と、市販の銅粉末(福田金属製:商品名「HWQ−5μm」)及び液状シリコーン(GE東芝シリコーン社製商品名「TSF451−1000」)又はパラフィン系鉱油とを表2の割合で配合し、万能混合攪拌機を用いて15分間混合し、その後真空脱泡して樹脂組成物(放熱グリース)を得た。
【0023】
比較例1、2
高結晶性窒化アルミニウム粉末又は銅粉末を単独で用い、表2の割合としたこと以外は、実施例1と同様にして樹脂組成物を製造した。
【0024】
比較例3、4
高結晶性窒化アルミニウム粉末の代わりに、実施例1で製造された窒化アルミニウム粉末(比較例3)、又は市販窒化アルミニウム粉末(トクヤマ社製商品名「Hグレード」)(比較例4)を用いたこと以外は、実施例1と同様にして樹脂組成物を得た。
【0025】
比較例5
銅粉末の代わりに、金属アルミニウム粉末(理論熱伝導率237W/mK)を使用したこと以外は、実施例1と同様にして樹脂組成物を得た。
【0026】
得られた樹脂組成物の粘度、熱伝導率、絶縁抵抗(体積固有抵抗)を以下に従って測定した。それらの結果を表2に示す。
【0027】
(1)粘度:キャピラリー・レオメーター(東洋精機社製「Capirograph」)を用い、せん断応力を0.37MPaとして測定した。
(2)熱伝導率:樹脂組成物をTO−3型銅製ヒーターケースと銅板の間に入れ、左右2点を径3mmのネジを用い5kgf・cmで締め付けてセットした後、ヒーターケースに電力15Wをかけて5分間保持した後、ヒーターケースと銅板の温度差を測定し、TO−3型の伝熱面積0.0006m2から、式、熱伝導率(W/mK)=〔電力(W)×樹脂組成物厚み(m)/〔伝熱面積(0.0006m2)×温度差(℃)〕から算出した。
(3)絶縁抵抗:8cm角の開口部を有する四フッ化エチレン樹脂製容器(厚み0.3mm)に、各実施例及び比較例の樹脂組成物を充填し、JIS C2123に準拠して体積固有抵抗を測定した。
【0028】
なお、本例で用いた窒化アルミニウム粉末の半価幅は、粉末X線回折装置を用い、ミラー指数(100)面、(002)面及び(101)面の3つの回折ピークの平均半価幅である。X線回折の管球はCuでKα1ピークを用いた。また、窒化アルミニウム粉末と銅粉末の平均粒径は、レーザー散乱式粒度測定計「マイクロトラックSPA7997型」によって測定した。
【0029】
【表1】
【0030】
【表2】
【0031】
表1、表2に示すとおり、高結晶性窒化アルミニウム粉末と金属粉末とが充填された本発明の樹脂組成物は、比較例に比べて高熱伝導性かつ高絶縁性を有することが示された。
【0032】
【発明の効果】
本発明によれば、高熱伝導性かつ高絶縁性の樹脂組成物と、その製造方法と、放熱部材、特に放熱グリースが提供される。
Claims (5)
- X線回折によるミラー指数(100)面、(002)面及び(101)面の3つの回折ピークの平均半価幅が0.095°以下で、平均粒径10〜50μmである高結晶性窒化アルミニウム粉末と、平均粒径が高結晶性窒化アルミニウム粉末よりも小さく、熱伝導率が250W/mK以上である金属粉末とが樹脂に充填されてなり、熱伝導率が4W/mK以上、絶縁抵抗が1×109Ω以上であることを特徴とする樹脂組成物。
- 高結晶性窒化アルミニウム粉末の含有率が42〜73質量%、金属粉末が銅粉末でありその含有率が17〜48質量%、樹脂が液状シリコーンでありその含有率が8〜10質量%であることを特徴とする請求項1記載の樹脂組成物。
- 窒化アルミニウム粉末を窒化硼素製容器に充填し、黒鉛発熱体の加熱炉を用い、一酸化炭素ガスと窒素ガスの混合ガス雰囲気下で加熱してから分級して、X線回折によるミラー指数(100)面、(002)面及び(101)面の3つの回折ピークの平均半価幅が0.095°以下で、平均粒径10〜50μmである高結晶性窒化アルミニウム粉末とした後、その高結晶性窒化アルミニウム粉末と、平均粒径が高結晶性窒化アルミニウム粉末よりも小さく、熱伝導率が250W/mK以上である金属粉末と、樹脂とを混合することを特徴とする請求項1又は2記載の樹脂組成物の製造方法。
- 請求項1記載の樹脂組成物からなることを特徴とする電子部品の放熱部材。
- 請求項2記載の樹脂組成物からなることを特徴とする電子部品の放熱グリース。
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