JP2002299534A - 放熱材およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
ァイトその他の熱伝導性粒子の組み合わせを混合しかつ
熱処理を施した放熱材。シリコーンに銀とグラファイト
の組み合わせを混合した放熱材(熱処理不要)。
Description
材の製造方法に係る。
るIGBTパワーモジュールのように発熱性の高い半導
体素子の放熱用途には、半導体素子と冷却又は放熱ブロ
ックの間の熱的接続に放熱材が用いられている。図1に
1例を示す。半導体素子1(より具体的には半導体チッ
プ1aの基板1b)と放熱フィンを有する冷却ブロック
2の間に放熱材3が使用されている。半導体素子基板1
と冷却ブロック2は固体同士であるためこれらを接合す
ると完全な密着が困難でその間に微細な隙間ができてし
まい、それが熱伝導性、即ち、放熱性を低下させる原因
になるが、熱伝導性の高い液状放熱材3を介在させて接
合することにより、放熱特性を改良するものである。な
お、半導体素子基板1と冷却ブロック2の間はネジ4な
どで固定される。
フィラー、例えば、酸化亜鉛、アルミナ、窒化アルミニ
ウムなどを多量に混合することにより、熱伝導性を高め
ている。
にフィラーを多量に混合すると粘度が著しく上昇し、取
り扱い作業性が低下する。そのため、樹脂中に混合でき
るフィラーの量には限界があり、せいぜい約60〜80
重量%までであり、熱伝導性も約1〜2W/mKが限度
である。
を組み合わせて、フィラーの含有率を高めること(特開
平3−14873号公報)などが提案されている。確か
にこのような方法でいくらかは熱伝導性を高めることが
できるが、それ以上には向上せず、大幅な改善は見込め
ない。本発明は、このような従来技術の現状に鑑みてな
されたもので、放熱材の熱伝導性を向上させることを目
的とするものである。
目的を達成するために、鋭意検討したところ、全く予想
外にも、シリコーンと特定のフィラーとを組み合わせた
場合に、またさらに熱処理を組み合わせた場合に特異的
に熱伝導性が高くなることを見出し、本発明を完成した
ものである。こうして、下記が提供される。
有しかつ加熱処理されて成ることを特徴とする放熱材。 (2)シリコーンに銀粒子と共にグラファイト、窒化ア
ルミニウム、酸化亜鉛、銅、アルミナ、窒化ホウ素、ア
ルミニウムを第2の熱伝導性粒子として含み、銀粒子の
含有体積比は銀粒子と第2の熱伝導性粒子の合計に対し
て0.2〜0.67の範囲内である(1)記載の放熱
材。
粒子を含み、銀粒子のグラファイト粒子に対する粒径比
は0.12〜0.84の範囲内である(1)(2)に記
載の放熱材。 (4)半導体素子と冷却ブロックの間に用いられる
(1)〜(3)記載の放熱材。
粒子を含み、銀粒子の含有体積比は銀粒子とグラファイ
ト粒子の合計に対して0.12〜0.84の範囲内であ
ることを特徴とする放熱材。 (6)シリコーンに少なくとも銀粒子を含む熱伝導性粒
子を添加し、加熱処理することを特徴とする放熱材の製
造方法。
しては、シリコーンを用いる。本発明の放熱材では、シ
リコーンに銀その他の特定のフィラーを混合した場合に
特異的に高い熱伝導性が示されることを見出したもので
ある。放熱材の液状樹脂基材として用いられるシリコー
ンはそれ自体は知られているので、その中から適当に選
択使用すればよい。
ムなどのいずれでもよい。シリコーンのゲルまたはゴム
はシリコーンを加熱などの処理によりゲル状またはゴム
状になるものをいう。本発明では、特にシリコーンのゲ
ルまたはゴムを用いることが好ましく、付加型シリコー
ンゴムの架橋密度を制御したシリコーンゲルが最も好ま
しい。シリコーンゲルまたはゴムは半導体素子を冷却ブ
ロックの間を接着する作用は高く、しかも耐久性に優れ
ており、また熱硬化のための加熱処理によって銀粒子の
熱処理を兼ねることができる利点もある。
ゲルまたはゴムの硬化前(オイル状)の粘度は0.1〜
1.5Pa・sの範囲内が好ましい。本発明は第1の側
面において、放熱材はフィラーとして少なくとも銀粒子
を用い、且つ熱処理を施すことにより、特異的に高い熱
伝導性が得られることを見出した。この効果は熱処理後
のシリコーンがオイルでも硬化したゲルまたはゴムでも
同様に得られる。シリコーンに銀粒子を混合し、熱処理
を施すことにより特異的に高い熱伝導性が得られる理由
は、限定するわけではないが、塗布後に加熱するとフィ
ラーが凝集して達成されるフィラーどうしの接触度合い
が改良されるためと考えられる。フィラーを混合した液
状樹脂を熱処理すると熱伝導性が向上する効果は、例え
ば、従来の代表的なフィラーである窒化アルミニウムで
は観測されず、しかしシリコーン以外の樹脂、銀以外の
粒子でも僅かに観測される場合もあったが、熱伝導性の
改良効果はシリコーンに銀粒子を混合した特定の場合に
特別に高い改良を示した。銀粒子はシリコーンとの相溶
性は良くないので凝集し易いことが効いていると考えら
れる。このようにして、本発明の第1の側面によれば、
特定のフィラー組成と後処理によってフィラーどうしの
接触度合いを改良することにより、フィラー含有率は増
加させることなく、熱伝導率を大幅に向上させることが
可能になる。
が、フレーク状粒子で最も高い改良効果が見出された。
粒子の平均粒径は0.5〜7μm、特に2.5〜4μm
の範囲内が好ましい。0.5μm未満ではフィラー充填
率が悪く、熱伝導率が向上せず、7μm超ではフィラー
と樹脂の分離が著しい。シリコーンに銀粒子と任意に第
2の熱伝導性粒子を混合した放熱材を熱処理する温度
は、特に限定されず、用いるシリコーンまたは半導体素
子の耐熱温度以下の適当な温度から選択すればよいが、
一般的に約70〜250℃の範囲内、好ましくは120
〜200℃の範囲内がよい。
却ブロックの間に塗布してから行うことが最適の熱伝導
性が得られるので望ましく、また熱硬化性シリコーンの
場合にはこの段階で行うほかない。また、フィラーとし
て少なくとも銀粒子を用い且つ熱処理を施す場合、銀粒
子と共に第2の熱伝導性粒子、例えば、グラファイト、
窒化アルミニウム、酸化亜鉛、銅、アルミナ、窒化ホウ
素、アルミニウムなどの1種または2種以上を同時に混
合しても、本発明の銀粒子の効果は失われない。
伝導性粒子、特にグラファイト粒子、アルミニウムを組
み合わせて混合した場合には、混合自体の相乗効果が奏
されることも見出された。2種類のフィラー混合で熱伝
導率向上の相乗効果(含有率向上)が奏されることは公
知であるが、銀粒子と特定の第2の熱伝導性粒子の組み
合わせでは、放熱材中で特異な充填状態が実現されて、
熱伝導性がさらに特異的に顕著な改良を示すものと考え
られる。
混合の相乗効果は、銀粒子と第2の熱伝導性粒子の混合
比が前者の両者合計に対する体積比で0.2〜0.67
の範囲内、特に0.42のときに好適に達成され、また
粒径の比が前者対後者の比で0.12〜0.84、より
好ましくは0.125〜0.5の範囲内、特に0.17
のときに好適に達成される。このような混合比、粒径比
のときに、フィラーの含有率が向上し、また銀粒子との
混合の効果が表れて、放熱材の熱伝導率が顕著に向上す
る効果が得られるものと考えられる。
第2の熱伝導性粒子、特にグラファイト粒子を組み合わ
せて混合する場合に熱伝導率が特異的に向上する相乗効
果は、熱処理をしない場合にも得られることが確認さ
れ、これは本発明の第2の側面をなすものである。こう
して、本発明の第2の側面によれば、シリコーンに銀粒
子とグラファイト粒子を混合した放熱材が提供される。
この場合の銀粒子とグラファイト粒子の粒子径の比など
は加熱処理をする場合に述べた上記の条件でよい。銀粒
子と第2の熱伝導性粒子の混合比は前者の両者合計に対
する体積比で0.12〜0.84の範囲内、特に0.4
2がよく、また粒径の比が前者対後者の比で好ましくは
0.12〜0.84、より好ましくは0.125〜0.
5の範囲内、特に0.17がよい。
材を特に半導体素子の放熱材用途を意図して、シリコー
ンに少なくとも銀粒子と任意に第2の熱伝導性粒子、特
にグラファイト粒子を混合し、加熱処理する工程を含む
ことを特徴とする放熱材の製造方法が提供される。放熱
材は半導体素子と放熱部材の間のように用途場所に適用
してから熱処理することが好ましい。熱処理の条件など
は上記と同じでよい。
学工業KF96-100、粘度100mPs・s、熱伝導率0.16W/mK)
に窒化アルミニウム粒子(球状、平均粒径3μm)をそ
の含有率が組成物全体を基準にした59体積%になるよ
うに添加し、攪拌器で混合して従来例の放熱材を得た。
窒化アルミニウム粒子は添加量をこれ以上増加させると
粘度が上昇するので、含有率59体積%が限界である。
である。放熱材を2枚の銅板の間に挟み、銅製治具を用
いてネジで固定する。このとき所定の大きさのガラスビ
ーズを銅板の間に入れて放熱材の厚さを調節する。治具
上に接して配置されたヒータから一方の銅版を加熱して
所定の熱量を加え、その時の放熱材を挟んだ銅版の温度
差を測定することで、熱伝導率を算出する。熱伝導率λ
はλ=Qh/AΔT(式中、Qは熱量(W)、hは放熱
材の厚さ(m)、Aは放熱材を挟む銅板の面積
(m2)、ΔTは放熱材を挟む銅板の間の温度差であ
る)から計算される。
Kであった。また、参考のために、従来例1の放熱材を
銅版間に挟んだ状態で150℃、30分間熱処理してか
ら、同様に熱伝導率を測定したが(従来例2)、熱伝導
率に変化は見られなかった。即ち、従来例では加熱処理
の有無による熱伝導率に変化は見られない。
リコーン、東レダウコーニング製LDT-087、粘度400mPs
・s、熱伝導率W/mK)に銀粒子(フレーク状、平均粒径
2.5μm)を、銀粒子の含有率を41体積%にして混
合して放熱材を作成した。銀粒子の含有率を59体積%
ではなく41体積%にした理由は銀粒子をこれ以上添加
すると粘度が上昇するのでこれが限界である。なお、比
較例1では、シリコーンオイルをシリコーンゲルに変え
たが、基材としてシリコーンオイルとシリコーンゲルを
用いた場合に熱伝導率に差が生じない。
率は0.8W/mKであり、従来例1と比べて熱伝導率
の向上は見られなかった。 (比較例2)従来例1の窒化アルミニウム粒子に代えて
グラファイト粒子(不定形、平均粒径15μm)を用
い、グラファイト粒子の含有率を63体積%にし、シリ
コーンオイルの代わりにシリコーンゲルを用いた以外、
従来例1と同様にして放熱材を作成した。
率は1.2W/mKであり、従来例1と比べて熱伝導率
の向上は見られなかった。次いでこの放熱材を基材上に
塗布し、150℃で30分間熱処理を施してから、上記
の如く熱伝導率を測定したが、熱伝導率は1.2W/m
Kのままであり、熱処理を施しても熱伝導率に変化は見
られなかった。
粒子含有放熱材を作成し、これを基材上に塗布後に15
0℃、30分間の熱処理を施した。なお、実施例1〜7
では放熱材の耐久性を考慮してシルコーンゲルを用いた
が、上記の如く基材としてシリコーンオイルとシルコー
ンゲルは加熱しなければ熱先導率に差はないし、加熱し
た場合も従来例1,2に見られると同様に本来放熱性に
差はないものである。実施例のゲル化で放熱性に差が生
じているのは、銀粒子を含むシルコーンを加熱処理した
ことによる効果であり、シリコーンオイルとシルコーン
ゲルの相違ではない。
伝導率は1.4W/mKであり、熱処理をしていない比
較例1の0.8W/mKと比べて熱伝導率が顕著に向上
しており、しかも従来例1と比べても熱伝導率が向上し
ている。一方、従来例2の参考加熱例および比較例2と
比較すると、銀粒子を混合した場合には熱処理により特
異的に熱伝導率が向上していることが理解される。
レーク状、平均粒径2.5μm)およびグラファイト粒
子(不定形、平均粒径15μm)の両方を混合した。銀
粒子の量はグラファイト粒子との合計量を基準に42%
体積%であり、フィラーは全体として57体積%の含有
率になるように添加した。なお、放熱材中における銀粒
子だけの添加量は57×0.42=23.9体積%、グ
ラファイト粒子だけの添加量は57×0.58=33.
1体積%である。
く、上記の如く熱伝導率を測定したところ、熱伝導率は
2.3W/mKであり、銀粒子だけを添加した比較例1
(0.8W/mK)と比べて熱伝導率が顕著に向上して
おり、しかも従来例(1.3W/mK)と比べても熱伝
導率が顕著に向上している。 (実施例3)実施例2の放熱材について150℃、30
分間の熱処理をしてから、上記の如く熱伝導率を測定し
たところ、熱伝導率は5.3W/mKであり、熱処理を
していない実施例2(2.3W/mK)と比べて熱伝導
率が顕著に向上しており、従来例(1.3W/mK)と
比べるとその熱伝導率の向上は極めて顕著、飛躍的であ
る。
が、銀粒子およびグラファイト粒子の混合割合および全
体の添加量を表に示すように変えて、放熱材に熱処理を
施した。また、銀粒子として球状粒子を用いたもの、ま
た銀粒子とアルミニウム粒子を組み合わせた場合につい
て、表に示した混合割合および全体の添加量を用いて、
放熱材に熱処理を施しまた施さずに実施した。
シリコーン組成物(加熱すると硬化してゲルになるシリ
コーン組成物、表では単にシリコーンゲルと表記してい
る)を用い、加熱処理なしの実施例10と加熱処理あり
の実施例11を比較したが、実施例10では加熱処理し
ていないのでシリコーンはオイル状である。これらの放
熱材について上記の如く熱伝導率を測定した結果を表に
示す。本発明の効果が明らかである。
らには銀とグラファイトその他の熱伝導性粒子の組み合
わせを混合しかつ熱処理を施すことにより、従来と比べ
て顕著に高い熱伝導性の放熱材が提供される。また、シ
リコーンに銀とグラファイトの組み合わせを混合する場
合には、熱処理を施さなくても、従来と比べて顕著に高
い熱伝導性の放熱材が提供される。
す。
Claims (6)
- 【請求項1】 シリコーンに少なくとも銀粒子を含有し
かつ加熱処理されて成ることを特徴とする放熱材。 - 【請求項2】 シリコーンに銀粒子と共にグラファイ
ト、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、銅、アルミナ、窒化
ホウ素、アルミニウムの少なくとも1種を第2の熱伝導
性粒子として含み、銀粒子の含有体積比は銀粒子と第2
の熱伝導性粒子の合計に対して0.2〜0.67の範囲
内である請求項1記載の放熱材。 - 【請求項3】 シリコーンに銀粒子とグラファイト粒子
を含み、銀粒子のグラファイト粒子に対する粒径比は
0.12〜0.84の範囲内である請求項1または2に
記載の放熱材。 - 【請求項4】 前記放熱材は半導体素子と冷却ブロック
の間に用いられる請求項1〜3のいずれか1項に記載の
放熱材。 - 【請求項5】 シリコーンに銀粒子とグラファイト粒子
を含み、銀粒子の含有体積比は銀粒子とグラファイト粒
子の合計に対して0.12〜0.84の範囲内であるこ
とを特徴とする放熱材。 - 【請求項6】 シリコーンに少なくとも銀粒子を含む熱
伝導性粒子を添加し、加熱処理することを特徴とする放
熱材の製造方法。
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JP2001103683A JP2002299534A (ja) | 2001-04-02 | 2001-04-02 | 放熱材およびその製造方法 |
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