JP2010285569A - 熱伝導性樹脂材料およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱伝導性粒子を凝集させることなく、有機ポリマー樹脂中へ高密度に充填した複合化材料を用いて、高い熱伝導率を有し、かつ加工が容易な熱伝導性樹脂材料を得る。
【解決手段】熱伝導性粒子を有機ポリマー樹脂５に充填した熱伝導性樹脂材料１であって、熱伝導性粒子は粒子径分布の異なる混合粒子４であり、混合粒子４は、１００μｍ以上５００μｍ以下の平均粒子径を有する粗粒子２と、粗粒子２よりも平均粒子径の小さな微粒子３とにより構成され、粗粒子２の平均粒子径と微粒子３の平均粒子径との比が３０：１以上１８０：１以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は、有機材料中に高熱伝導性粒子を含有させて複合化した熱伝導性樹脂材料およびその製造方法に関するものである。

従来、放熱のための熱伝導性を有する材料としては、銅、アルミニウム、マグネシウム等の高熱伝導率金属が一般的である。しかしながら、金属には導電性があるため、電気絶縁性を確保するといった観点からは使用できる範囲が限られている。例えば、コンピュータ等の電子回路基板では配線間の絶縁を保つ必要があることから、放熱部材として金属を使用することが制限されている。

一方、金属以外の電気絶縁性と熱伝導性を有した材料としては、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ホウ素等のセラミック材料がある。しかし、これらの材料は、硬い固体であることと、融点が２０００℃以上と非常に高いといった理由から、プレス成形や射出成形が困難であるために任意の形状に加工することに制限がある。

また、小型軽量化が求められる電子機器では、放熱用のヒートシンクを設置するスペースも極めて小さく、回路基板やその他の電子部品の形状に合わせて任意の形状に加工できる熱伝導材料が求められている。

近年になって、樹脂等の有機ポリマー（母材）中に無機微粒子を混合させて複合化することで、微粒子の持つ特異な物性と有機ポリマー樹脂の柔軟で容易な加工性とを併せ持つ微粒子複合化樹脂材料の技術が注目されている。例えば、アルミナ等の高い熱伝導率を有するセラミック粒子を有機ポリマー樹脂中に混合させて複合化することで、熱伝導率の低い樹脂材料を高い熱伝導性を有する樹脂材料とすることができる。このような複合化樹脂材料は、融点が低く、１００℃〜２００℃程度の低温度での射出、プレス成形などによる成形や、フィルム状に成形するなどの加工も容易である。

一方、このような複合化樹脂材料を放熱部材として利用するためには、樹脂材料中に充填する無機微粒子を高密度で充填して、複合化樹脂材料の熱伝導率を高めることが必要である。

このような樹脂材料として、少なくとも０．２〜２μｍと２〜６３μｍの粒度分布領域に頻度ピークを有するアルミナ粉末を樹脂に配合した熱伝導性樹脂材料が特許文献１に開示されている。

また、粒子径５０〜３５０μｍの粒子を９０質量％以上含み、平均粒径が１００〜３００μｍの窒化ホウ素粉末と、平均粒径が１〜１０μｍの球状アルミナ粉末とからなる無機粉末を樹脂に含有させた熱伝導性樹脂材料が特許文献２に開示されている。

特開２００５−３０６７１８号公報 特開２００５−３４３９８３号公報

前述のように、有機ポリマー樹脂中に熱伝導性の無機粒子を混合させた微粒子複合化樹脂材料の熱伝導率を高めるためには、熱伝導率の高い無機微粒子を樹脂材料中に高密度で充填することが重要である。そのために、特許文献１に記載されているように複数の粒度ピークを持つ粒子を用い、大きな粒子の隙間を小さな粒子で埋めて、高密度に充填する方法が採られている。

しかしながら、アルミナや窒化アルミニウムなどの粒子は、単一粒子同士が凝集しやすい特性を有している。特に、粒子径が２μｍより小さくなると凝集が顕著となり、大きな粒子と小さな粒子とが均一に混じり合わずに、樹脂材料中での粒子の充填密度が不十分になるという問題があった。

粒子の充填密度が不十分であると、樹脂材料の熱伝導率が小さくなるため、発熱する回路基板の放熱部材としての適用することが困難となる。また、発熱部材の発熱量が大きい場合には、樹脂材料の温度が上昇して、樹脂材料自体が融解するなどの課題を有するものであった。

本発明は、これらの課題を解決するためになされたもので、無機粒子を有機ポリマー樹脂中へ高密度に充填することで、高い熱伝導率を有し、かつ加工が容易で、ヒートシンクや放熱筐体等の用途に適した熱伝導性樹脂材料とその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の熱伝導性樹脂材料は、熱伝導性粒子を有機ポリマー樹脂に充填した複合化材料からなる熱伝導性樹脂材料であって、熱導電性粒子は粒子径分布の異なる混合粒子であり、混合粒子は、１００μｍ以上５００μｍ以下の平均粒子径を有する第１粒子と、第１粒子よりも平均粒子径の小さな第２粒子とにより構成され、第１粒子の平均粒子径と第２粒子の平均粒子径との比が３０：１以上１８０：１以下である。

このような構成によれば、粒子径の大きな第１粒子の間に第２粒子を高密度で充填することが可能となり、樹脂材料中の混合粒子の充填密度を高めて、樹脂材料の熱伝導率を高めることができる。

さらに、混合粒子の全体積に占める第２粒子の体積の割合が２０体積％以上５０体積％以下であることが好ましい。このような構成によれば、無機粒子の充填率をさらに増加させて、より熱伝導率の高い樹脂材料を実現することができる。

さらに、第２粒子の平均粒子径が２μｍ以上であることが望ましい。このような構成によれば、第２粒子の凝集を抑制して、隣接する第１粒子の間隙により高密度に第２粒子を充填させてより高い熱伝導率を実現することが可能となる。

さらに、導電性粒子が窒化アルミニウム粒子または炭化ケイ素粒子であることが好ましい。このような構成によれば、高い熱伝導率の樹脂材料を実現することができる。

さらに、第１粒子が炭化ケイ素粒子であり、第２粒子が窒化アルミニウム粒子であることが好ましい。このような構成によれば、さらに高い熱伝導率の樹脂材料を実現することができる。

また、本発明の熱伝導性樹脂材料の製造方法は、１００μｍ以上５００μｍ以下の平均粒子径を有する第１粒子と、第１粒子の平均粒子径に対して１／１８０以上１／３０以下の平均粒子径を有する第２粒子との混合粒子を調合する工程と、加熱溶融した有機ポリマー樹脂に混合粒子を添加混合させて複合化樹脂材料を調製する工程と、複合化樹脂材料を所定の形状に加工する工程とを備える。

このような方法によれば、高い熱伝導率を有する混合粒子が高密度に充填されて高い熱伝導率を備え、なおかつ成型加工性に優れた熱伝導性樹脂材料を容易に実現することができる。

また、本発明の熱伝導性樹脂材料の製造方法は、１００μｍ以上５００μｍ以下の平均粒子径を有する第１粒子と、第１粒子の平均粒子径に対して１／１８０以上１／３０以下の平均粒子径を有する第２粒子とを溶媒液に分散させて混合粒子分散溶媒液を調合する工程と、混合粒子分散溶媒液を有機ポリマー樹脂に添加混合させて複合化樹脂材料を調製する工程と、複合化樹脂材料を所定の形状に加工する工程とを備える。

このような方法によれば、高い熱伝導率を有する混合粒子が高密度に充填されて高い熱伝導率を備え、なおかつ成型加工性に優れた熱伝導性樹脂材料を容易に実現することができる。

さらに、溶媒液が有機ポリマー樹脂を溶解可能であり、溶媒液が含まれる混合粒子分散溶媒液を有機ポリマー樹脂に添加混合させた後に、溶媒留去法により溶媒液を揮発飛散させて複合化樹脂材料を調製してもよい。このような方法によれば、より確実に混合粒子の分散が良好で溶媒の残留がない複合化樹脂材料を実現することができる。

さらに、溶媒液が、トルエン、キシレン、シクロヘキサン、エタノールのいずれか１種または複数を含むことが望ましい。このような方法によれば、溶媒液中での特に粒子径の小さな無機粒子の凝集を抑制した分散が可能となり、粒子径の大きな無機粒子間に粒子径の小さな無機粒子を充填することが可能となる。

さらに、第１粒子と第２粒子とが、窒化アルミニウム粒子または炭化ケイ素粒子であることが望ましい。このような方法によれば、さらに高い熱伝導率を有する樹脂材料を実現することができる。

以上のように本発明の熱伝導性樹脂材料およびその製造方法によれば、無機粒子同士の凝集を抑制して有機ポリマー樹脂中に高密度で充填した樹脂材料を実現することができ、高い熱伝導率を有した放熱部材などに好適な熱伝導性樹脂材料を実現することができる。

本発明の実施の形態１における熱伝導性樹脂材料の構成を示す概略図である。 同熱伝導性樹脂材料の製造方法を示すフローチャートである。 同熱伝導性樹脂材料に用いる窒化アルミニウムの粗粒子の粒子径分布を示す図である。 同熱伝導性樹脂材料に用いる窒化アルミニウムの微粒子の粒子径分布を示す図である。 同熱伝導性樹脂材料における窒化アルミニウム粒子の微粒子混合率と混合粒子の充填密度との関係を示す図である。 同熱伝導性樹脂材料に用いる窒化アルミニウム粒子の粗粒子と微粒子の粒子径比と最大充填密度との関係を示す図である。 同熱伝導性樹脂材料に用いる窒化アルミニウム粒子の粗粒子の粒子径と最大充填密度との関係を示す図である。 同熱伝導性樹脂材料の熱伝導率を示す図である。 本発明の実施の形態２における熱伝導性樹脂材料の構成を示す概略図である。 同熱伝導性樹脂材料に用いる炭化ケイ素の粗粒子の粒子径分布を示す図である。 同熱伝導性樹脂材料に用いる窒化アルミニウムの微粒子の粒子径分布を示す図である。 同熱伝導性樹脂材料の熱伝導率を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１における熱伝導性樹脂材料について図１〜図７を用いて説明する。

図１は本発明の実施の形態１における熱伝導性樹脂材料の構成を示す概略図、図２は同熱伝導性樹脂材料の製造方法を示すフローチャート、図３Ａは同熱伝導性樹脂材料に用いる窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の粗粒子の粒子径分布を示す図、図３Ｂは同熱伝導性樹脂材料に用いる窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の微粒子の粒子径分布を示す図、図４は同熱伝導性樹脂材料における窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粒子の微粒子混合率と混合粒子の充填密度との関係を示す図、図５は同熱伝導性樹脂材料に用いる窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粒子の粗粒子と微粒子の粒子径比と最大充填密度との関係を示す図、図６は同熱伝導性樹脂材料に用いる窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粒子の粗粒子の粒子径と最大充填密度との関係を示す図、図７は同熱伝導性樹脂材料の熱伝導率を示す図である。

図１に示すように、本発明の実施の形態１における熱伝導性樹脂材料１は、第１粒子である窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の粗粒子２の隙間に、第２粒子である窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の微粒子３を充填させるようにした混合粒子４が、有機ポリマー樹脂５中に充填されて形成されている。

すなわち、隣接する粗粒子２間の隙間に微粒子３が充填されるようにして窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粒子の嵩密度を増加させ、有機ポリマー樹脂５中への窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粒子の充填密度を増加させるようにしている。その結果、熱伝導性樹脂材料１中に占める熱伝導性の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粒子の割合が増加して、熱伝導性樹脂材料１の熱伝導率を高めることができ、成形が容易な放熱部材として使用可能な熱伝導性樹脂材料１を実現することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態１における熱伝導性樹脂材料１の製造方法を、図２に示すフローチャートを用いて詳しく説明する。

まず、図３Ａに示す粒子径分布を持った平均粒子径が３００μｍの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の粗粒子２を６０ｇと、図３Ｂに示す粒子径分布を持った平均粒子径が５μｍの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の微粒子３の４０ｇとをそれぞれ秤量して準備する（ステップＳ１０１、Ｓ１０２）。

その後、両者を混合して粒子全体に占める微粒子３の比率が４０重量％となる窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の混合粒子４を１００ｇ調合する（ステップＳ１０３）。

続いて、軟化点９０℃、比重０．９２の有機ポリマー樹脂５を１２ｇ準備し、１９０℃の温度で加熱溶融して溶融有機ポリマー樹脂を準備する（ステップＳ１０４）。

この溶融有機ポリマー樹脂に、上述の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の混合粒子４の１００ｇを添加して、有機ポリマー樹脂５と、粗粒子２と微粒子３よりなる混合粒子４の窒化アルミニウム粒子との混合物を作製し、１９０℃の温度の下でこの混合物を３０分間攪拌する。この過程において、混合粒子４が有機ポリマー樹脂５に均一に混合した溶融混合物が調製される。次に、この溶融混合物を５０℃以下の温度になるまで冷却して固化させる。このようにして、平均粒子径が３００μｍの粗粒子２と平均粒子径が５μｍの微粒子３とからなる窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粒子の混合粒子４の１００ｇが、有機ポリマー樹脂５の１２ｇの内部に均一に分布した熱伝導性樹脂材料１が作製される（ステップＳ１０５）。ここで作製された熱伝導性樹脂材料１中の混合粒子４の充填密度は、重量百分率では８９重量％となり、体積百分率に換算すると７０体積％となる。

このように、粒子径分布の異なる混合粒子４を有機ポリマー樹脂５に混合して、微粒子３を粗粒子２の隙間に充填するようにすると、有機ポリマー樹脂５中に混合粒子４を高密度で充填することが可能となり、熱伝導率の高い熱伝導性樹脂材料１を作製することができる。

特に、本発明の実施の形態１では、混合粒子４は、１００μｍ以上５００μｍ以下の平均粒子径を有する第１粒子である粗粒子２と、第１粒子よりも平均粒子径の小さな第２粒子である微粒子３とにより構成され、粗粒子２の平均粒子径と微粒子３の平均粒子径との比が３０：１以上１８０：１以下となるようにしている。その結果、混合粒子４を調合する際の微粒子３の凝集が抑制されるとともに、微粒子３を隣接する粗粒子２の隙間に高密度に充填させることが可能となる。

次に、このような熱伝導性樹脂材料１を、例えば射出成形やプレス成形などにより、放熱部材などに加工する（ステップＳ１０６）。

図４には、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の混合粒子４のうちの微粒子３の割合である微粒子混合率（体積％）に対する、熱伝導性樹脂材料１中の混合粒子４の充填率（体積％）を示し、粗粒子２と微粒子３との粒子径比（粗粒子平均粒子径／微粒子平均粒子径）をパラメータとして示している。

図４から、例えば、粗粒子２の平均粒子径が３００μｍ、微粒子３の平均粒子径が５μｍで粒子径比が６０の混合粒子４では、微粒子３の微粒子混合率を４０体積％としたときに、最大充填密度７７体積％が得られる。また、粗粒子２の平均粒子径が３００μｍ、微粒子３の平均粒子径が３０μｍで粒子径比が１０の混合粒子４では、微粒子混合率を３０体積％としたときに最大充填密度７０体積％が得られる。さらに、粗粒子２の平均粒子径が３００μｍ、微粒子３の平均粒子径が３μｍで粒子径比が１００の混合粒子４では、微粒子混合率を４０体積％としたときに最大充填密度７９体積％が得られる。

図４の結果から、粗粒子２と微粒子３のいずれの粒子径比を有する混合粒子４でも、最大充填率となる微粒子３の混合率は２０体積％以上５０体積％以下の範囲に存在する。したがって、この範囲の中に、微粒子３の混合率を設定することによって熱伝導性樹脂材料１への熱伝導性粒子の充填率を大きくすることができ、より熱伝導性に優れた熱伝導性樹脂材料１を実現することができる。

また、図５には、第１粒子として平均粒子径３００μｍの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の粗粒子２を用い、混合粒子４に占める微粒子３の混合率を４０体積％とした熱伝導性樹脂材料１において、粗粒子２と微粒子３の粒子径比（粗粒子平均粒子径／微粒子平均粒子径）と最大充填密度の関係を示している。

図５から、粗粒子２と微粒子３の粒子径比が３０以下になると、最大充填密度が急激に低下することがわかる。これは、微粒子３の粒子径が大きくなるか、または粗粒子２の粒子径が小さくなると、粗粒子２の隙間を微粒子３で埋めることができなくなるためである。

また、粒子径比が１５０以上となっても、最大充填密度は低下し、特に粒子径比が１８０以上で減少している。これは、粒子径比が１５０以上、すなわち微粒子３の平均粒子径が２μｍ以下となると、微粒子３が凝集して、粗粒子２と微粒子３とが均一に混じり合わなくなるためである。

それ故に、混合粒子４における微粒子３の平均粒子径は、小さくとも２μｍ以上が望ましく、かつ、粗粒子２と微粒子３との粒子径比は３０以上１８０以下、望ましくは、５０以上１５０以下であれば熱伝導性樹脂材料１中に高密度に混合粒子４を充填させることができる。

なお、上記の説明では、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の粗粒子２の平均粒子径を３００μｍとしたが、粗粒子２の平均粒子径によっても充填密度が異なる。

図６には、粗粒子２と微粒子３の粒子径比を５０とし、混合粒子４全体に占める微粒子３の混合率を４０重量％とした熱伝導性樹脂材料１において、粗粒子２の平均粒子径を変えた場合の最大充填密度の変化を示している。

図６から、粗粒子２の平均粒子径が１００μｍ以下となると最大充填密度が低下することがわかる。これは、前述したように、粒子径比を５０として粗粒子２の平均粒子径を１００μｍとすると、微粒子３の粒子径が２μｍ以下となり微粒子３が凝集して、粗粒子２と均一に混じり合わなくなるためである。

一方、粗粒子２の平均粒子径が５００μｍ以上になると、熱伝導性樹脂材料１の表面に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の粗粒子２が露出して凹凸が発生する。

このような凹凸の発生は、熱伝導性樹脂材料１の表面の密着性を低下させるので、発熱部材と熱伝導性樹脂材料１との間の熱伝導性を低下させる。それ故に、窒化アルミニウムの粗粒子２の平均粒子径は５００μｍ以下とすることが好ましい。

したがって、粒子の充填密度を向上させ、かつ熱伝導性樹脂材料の密着性を保つためには、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粗粒子２の平均粒子径が１００μｍ以上５００μｍ以下で、かつ粗粒子２と微粒子３との粒子径比は３０以上１８０以下であることが望ましい。

次に、本発明の実施の形態１における熱伝導性樹脂材料１の熱伝導率について、図７を用いて説明する。

ここでは、熱伝導性樹脂材料１の熱伝導率を測定する試料片として、上述した製造方法に基づいて製造した熱伝導性樹脂材料１を温度１８０℃に加熱して再度溶融させて、プレス成形により直径１０ｍｍ、厚み３ｍｍの円盤状に加工し、その後冷却、固化して円盤状に形成した試料を用いている。

図７に、この試料片の熱伝導率をレーザーフラッシュ法により測定した結果を示し、比較例として粗粒子のみの窒化アルミニウム粒子で製造した場合、さらに、同じく比較例として有機ポリマー樹脂のみの熱伝導率を測定した結果を示している。

図７において、サンプルＡは本発明の実施の形態１における熱伝導性樹脂材料、すなわち平均粒子径が３００μｍの粗粒子２と平均粒子径が５μｍの微粒子３とを充填密度４０体積％で混合した窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粒子を用いた熱伝導性樹脂材料１の熱伝導率を示している。また、サンプルＢは図３Ａに示した平均粒子径３００μｍの窒化アルミニウム粒子のみの熱伝導性樹脂材料（充填密度４０体積％）を用いた場合の熱伝導率を示し、サンプルＣは有機ポリマー樹脂のみの熱伝導率を示している。

図７から、サンプルＡの熱伝導率は８．２Ｗ／ｍ・Ｋであり、比較例としてのサンプルＢの熱伝導率の１．９Ｗ／ｍ・Ｋに比べて約４倍、サンプルＣの熱伝導率の０．４Ｗ／ｍ・Ｋに比べて約２０倍に向上していることがわかる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の微粒子３の凝集を防止し、微粒子３と粗粒子２とを均一に混合することにより、粗粒子２間の隙間に微粒子３を高密度に充填することが可能となる。その結果、熱伝導性樹脂材料１内へ充填可能な最大充填密度が増加し、熱伝導性樹脂材料１内での熱伝導性粒子同士の接触面積が大きくなり、熱伝導性樹脂材料１として高い熱伝導率を実現することが可能となる。

なお、本発明の実施の形態１における説明では、熱伝導性の粒子として窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の粒子を用いたが、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）に代えて炭化ケイ素（ＳｉＣ）の粒子を用いても同様の効果が得られる。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２における熱伝導性樹脂材料について図８〜図１０を用いて説明する。

図８は本発明の実施の形態２における熱伝導性樹脂材料の構成を示す概略図、図９Ａは同熱伝導性樹脂材料に用いる炭化ケイ素（ＳｉＣ）の粗粒子の粒子径分布を示す図、図９Ｂは同熱伝導性樹脂材料に用いる窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の微粒子の粒子径分布を示す図、図１０は同熱伝導性樹脂材料の熱伝導率を示す図である。

図８に示すように、本発明の実施の形態２における熱伝導性樹脂材料１０は、第１粒子である粗粒子６として炭化ケイ素（ＳｉＣ）を用い、第２粒子である微粒子７として窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いている。炭化ケイ素（ＳｉＣ）の粗粒子６の隙間に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の微粒子７を充填させた混合粒子８を、有機ポリマー樹脂９の中に充填している。

炭化ケイ素（ＳｉＣ）の粗粒子６の隙間に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の微粒子７が入り込むことにより、炭化ケイ素（ＳｉＣ）および窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる熱伝導性粒子の混合粒子８の嵩密度が増加し、有機ポリマー樹脂９への充填密度を増加させることが可能となる。その結果、熱伝導性樹脂材料１０に占める熱伝導性の混合粒子８の割合が増加して、熱伝導性樹脂材料１０の熱伝導率を高めることができ、成形が容易な放熱部材として使用可能な熱伝導性樹脂材料１０を実現することが可能となる。

本発明の実施の形態２における熱伝導性樹脂材料１０の製造方法は、基本的には本発明の実施の形態１における熱伝導性樹脂材料１の製造方法と同様であるので、図２に示すフローチャートを用いてその製造方法について詳しく説明する。

まず、図９Ａに示すような粒子径分布を持った平均粒子径が３００μｍの炭化ケイ素（ＳｉＣ）の粗粒子６の６０ｇ（体積１８．６ｃｍ^３に相当）と、図９Ｂに示す粒子径分布を持った平均粒子径が５μｍの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の微粒子７の４０ｇ（体積１２．３ｃｍ^３に相当）とをそれぞれ秤量し、準備する（ステップＳ１０１、Ｓ１０２）。その後、両者を混合して全体に占める窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の微粒子７の体積比率が４０体積％となる混合粒子８を１００ｇ（体積３０．９ｃｍ^３に相当）調合する（ステップＳ１０３）。

続いて、軟化点９０℃、比重０．９２の有機ポリマー樹脂９の１２ｇ（体積１３．０ｃｍ^３に相当）を１９０℃の温度で加熱溶融して溶融有機ポリマー樹脂を準備する（ステップＳ１０４）。

この溶融有機ポリマー樹脂に対し、上記の混合粒子８の１００ｇを添加して、有機ポリマー樹脂と混合粒子８とを混合させ、１９０℃の温度の下で３０分間ほど攪拌する。

この工程によって、炭化ケイ素（ＳｉＣ）の粗粒子６と窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の微粒子７の混合粒子８が均一に混合した有機ポリマー樹脂９の溶融混合物が調製される。

次に、この溶融混合物を５０℃以下の温度になるまで冷却して固化させる。

このようにして、平均粒子径が３００μｍの炭化ケイ素（ＳｉＣ）の粗粒子６と平均粒子径が５μｍの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の微粒子７とが混合された混合粒子８の１００ｇが、有機ポリマー樹脂９の１２ｇの内部に均一に分布した熱伝導性樹脂材料１０を作製できる（ステップＳ１０５）。

このとき、作製された熱伝導性樹脂材料１０中の混合粒子８の充填密度は、重量百分率では８９重量％となり、体積百分率に換算すると７０体積％となる。

特に、本発明の実施の形態２では、混合粒子８は、１００μｍ以上５００μｍ以下の平均粒子径を有する粗粒子６と、粗粒子６よりも平均粒子径の小さな微粒子７とにより構成され、粗粒子６の平均粒子径と微粒子７の平均粒子径との比が３０：１以上１８０：１以下となるようにしている。その結果、混合粒子８を調合する際の微粒子７の凝集が抑制されるとともに、微粒子７を隣接する粗粒子６の隙間に高密度に充填させることが可能となる。

次に、このような熱伝導性樹脂材料１０を、例えば射出成形やプレス成形などにより、放熱部材などに加工する（ステップＳ１０６）。

上述の実施の形態２における熱伝導性樹脂材料１０では、熱伝導性粒子の粗粒子６として窒化アルミニウム（ＡｌＮ）よりも熱伝導率が高い炭化ケイ素（ＳｉＣ）を使用しており、実施の形態１で説明した窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粒子のみの場合と比べて、熱伝導率をさらに高くすることができる。

一般的に、炭化ケイ素（ＳｉＣ）は硬度が高いため、１０μｍ以下の粒子径に粉砕しにくい。このため、本発明の実施の形態２では微粒子７に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いて粗粒子６と微粒子７との混合による高密度充填を実現している。

次に、本発明の実施の形態２において作製した熱伝導性樹脂材料１０の熱伝導率について図１０を用いて説明する。

ここでは、熱伝導性樹脂材料１０の熱伝導率を測定する試料片として、上述した製造方法に基づいて製造した熱伝導性樹脂材料１０を温度１８０℃に加熱して再度溶融させて、プレス成形により直径１０ｍｍ厚み３ｍｍの円盤状に加工し、その後冷却、固化して円盤状に形成した試料を用いている。

図１０には、本発明の実施の形態２における試料片の熱伝導率をレーザーフラッシュ法により測定した結果をサンプルＤとして示し、比較例として実施の形態１の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のみの混合粒子を用いた熱伝導性樹脂材料の熱伝導率をサンプルＥ、同じく比較例として炭化ケイ素（ＳｉＣ）の平均粒子径３００μｍの粗粒子のみを用いた熱伝導性樹脂材料の熱伝導率をサンプルＦとして示している。

図１０から、本発明の実施の形態２における熱伝導性樹脂材料１０は、熱伝導率が１１．２Ｗ／ｍ・Ｋであり、比較例としての実施の形態１における熱伝導性樹脂材料１の熱伝導率の８．２Ｗ／ｍ・Ｋに比べて、約１．３倍に向上している。また、平均粒子径３００μｍの炭化ケイ素（ＳｉＣ）粒子のみの熱伝導性樹脂材料の熱伝導率の２．２Ｗ／ｍ・Ｋと比べると、約５倍に向上していることがわかる。

以上説明したように、本発明の実施の形態２のような材料の異なる微粒子と粗粒子とを混合する場合でも、粗粒子間の隙間に微粒子が充填されて、熱伝導性樹脂材料内へ充填密度を高めて、熱伝導樹脂材料内での粒子同士の接触面積を大きくし、熱伝導率を向上させることができる。

なお、上述した実施の形態１、２では、図２に示した製造方法のフローチャートに従って、溶融した有機ポリマー樹脂に窒化アルミニウムまたは炭化ケイ素の粒子を添加混合させて、熱伝導性樹脂材料を作製した例を記載した。しかし、熱伝導性樹脂材料の製造方法は上記の方法に限定されることはない。

例えば、有機ポリマー樹脂を溶解可能な溶媒中に、異なる粒子径分布を持つ熱伝導性粒子を分散させた溶媒分散液を添加調合し、この溶媒分散液を有機ポリマー樹脂中に添加して有機ポリマー樹脂を溶解させて有機ポリマー樹脂と熱伝導性粒子とを混合させた後に、溶媒を留去する方法も可能である。

このとき、有機溶媒としてはトルエン、キシレン、シクロヘキサン、エタノール等を利用でき、これらの溶媒を単独または複数種で混合して用いてもよい。

また、有機ポリマー樹脂を溶解しない溶媒を用いる場合は、加熱溶融した有機ポリマー樹脂中に熱伝導性粒子の混合分散溶媒液を滴下して添加し、溶融状態で攪拌して有機ポリマー樹脂と熱伝導性粒子とを混合させることにより、異なる粒子径分布を持つ混合粒子が均一に分布した複合化放熱性樹脂材料を作製することもできる。

以上のように本発明の熱伝導性樹脂材料とその製造方法は、放熱を必要とする電子機器や電気回路に適用可能な高い熱伝導性を有する熱伝導性樹脂材料を実現し、射出成形などにより、様々な形状のヒートシンクや、放熱部材などへの利用が可能である。

１，１０ 熱伝導性樹脂材料
２，６ 粗粒子
３，７ 微粒子
４，８ 混合粒子
５，９ 有機ポリマー樹脂

Claims (11)

1. 熱伝導性粒子を有機ポリマー樹脂に充填した熱伝導性樹脂材料であって、
   前記熱伝導性粒子は粒子径分布の異なる混合粒子であり、前記混合粒子は、１００μｍ以上５００μｍ以下の平均粒子径を有する第１粒子と、前記第１粒子よりも平均粒子径の小さな第２粒子とにより構成され、前記第１粒子の平均粒子径と前記第２粒子の平均粒子径との比が３０：１以上１８０：１以下であることを特徴とする熱伝導性樹脂材料。
2. 前記混合粒子の全粒子の体積に対して、前記第２粒子の体積が２０体積％以上５０体積％以下であることを特徴とする請求項１に記載の熱伝導性樹脂材料。
3. 前記第２粒子の平均粒子径が２μｍ以上であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱伝導性樹脂材料。
4. 前記熱伝導性粒子が窒化アルミニウム粒子または炭化ケイ素粒子であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の熱伝導性樹脂材料。
5. 前記第１粒子が炭化ケイ素粒子であり、前記第２粒子が窒化アルミニウム粒子であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の熱伝導性樹脂材料。
6. １００μｍ以上５００μｍ以下の平均粒子径を有する第１粒子と、前記第１粒子の平均粒子径に対して１／１８０以上１／３０以下の平均粒子径を有する第２粒子との混合粒子を調合する工程と、
   加熱溶融した有機ポリマー樹脂に前記混合粒子を添加混合させて複合化樹脂材料を調製する工程と、
   前記複合化樹脂材料を所定の形状に加工する工程と
   を備えることを特徴とする熱伝導性樹脂材料の製造方法。
7. １００μｍ以上５００μｍ以下の平均粒子径を有する第１粒子と、前記第１粒子の平均粒子径に対して１／１８０以上１／３０以下の平均粒子径を有する第２粒子とを溶媒液に分散させて混合粒子分散溶媒液を調合する工程と、
   前記混合粒子分散溶媒液を有機ポリマー樹脂に添加混合させて複合化樹脂材料を調製する工程と、
   前記複合化樹脂材料を所定の形状に加工する工程と
   を備えることを特徴とする熱伝導性樹脂材料の製造方法。
8. 前記溶媒液が前記有機ポリマー樹脂を溶解可能であり、前記溶媒液が含まれる前記混合粒子分散溶媒液を有機ポリマー樹脂に添加混合させた後に、溶媒留去法により前記溶媒液を揮発飛散させて前記複合化樹脂材料を調製することを特徴とする請求項７に記載の熱伝導性樹脂材料の製造方法。
9. 加熱溶融した前記有機ポリマー樹脂に前記混合粒子分散溶媒液を添加して攪拌混合させて前記複合化樹脂材料を調製することを特徴とする請求項７に記載の熱伝導性樹脂材料の製造方法。
10. 前記溶媒液が、トルエン、キシレン、シクロヘキサン、エタノールのいずれか１種または複数を含むことを特徴とする請求項８に記載の熱伝導性樹脂材料の製造方法。
11. 前記第１粒子と前記第２粒子とが、窒化アルミニウム粒子または炭化ケイ素粒子であることを特徴とする請求項６から請求項１０のいずれか一項に記載の熱伝導性樹脂材料の製造方法。

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