JP2012109508A - 電子デバイス用放熱部材、電子デバイスおよび製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電子デバイス用放熱部材は、斜方晶系のケイ酸塩鉱物のフィラーと、樹脂とを含有する熱伝導性樹脂組成物から構成される電子デバイス用放熱部材であり、電子デバイス用放熱部材は、電子デバイスの内部に充填される充填部材および電子デバイスの表面に設けられる放熱板からなる群から選ばれる少なくとも1種である。
【選択図】図1
Description
そこで本発明は、エレクトロルミネセンス素子を初めとする電子デバイスの用途において、かかる放熱に関する問題の発生を抑制し、優れた放熱性を有する放熱部材を提供することを課題の一つとする。さらに、前記放熱部材を有する電子デバイスを提供することを課題の一つとする。
図1を参照して、本発明の第1の実施の形態に係る放熱部材1について説明する。なお、図1は、放熱部材1を内部に充填したエレクトロルミネセンス素子10の概略断面図である。このように放熱部材1は、エレクトロルミネセンス素子10の内部に充填される充填部材1aとして機能する。すなわち、放熱部材1は、気体非透過保護膜15と封止体16に接触するように充填され、気体非透過保護膜15から伝達された熱を封止体16に伝達することにより、エレクトロルミネセンス素子10を除熱する。なお、放熱部材1は、樹脂に熱伝導性を有するフィラーを混合して製造される。
さらに、加工性を考慮すると、ポリオレフィン(PO)、ポリスチレン(PS)、ポリカーボネート(PC)、ポリエチレンテレフタレート(PET)等が好ましい。中でも吸水性が低く、分解によって素子にダメージを与えず、焼却しても有害ガスがでることがない、ポリオレフィンがより好ましい。吸水性が低いと水分の混入によるエレクトロルミネセンス素子10の劣化を抑制することができる。なお、ポリオレフィンは種々のグレードがあり、それらの入手が容易である点においても好ましい。
さらに、ポリオレフィンの中でも特にポリエチレンおよびポリプロピレンが好ましい。ポリエチレン、ポリプロピレンは、広く一般に使用されているため、入手が容易で安価であるとともに、色々な特性のグレードがありメルトマスフローレートや軟化点などの物性の調整が容易である。
ポリプロピレンとしては、プロピレンの単独重合体以外に、プロピレンを主成分とする、プロピレン以外の単量体との二元以上のランダムまたはブロック共重合体、およびこれらの2種類以上の混合物を挙げることができる。前記単量体としては、特に限定されないが、1−ブテン、1−ペンテン、1−ヘキセン、1−オクテンなどの炭素数4〜12のα−オレフィンまたはエチレンなどが例示できる。これらは1種でも2種以上の併用でもよい。
ポリエチレンとしては、低密度ポリエチレン(LDPE)、直鎖状低密度ポリエチレン(LLDPE)、直鎖状超低密度ポリエチレン(VLDPE)、高密度ポリエチレン(HDPE)などが例示できる。これらは1種でも2種以上の併用でもよい。
さらに、斜方晶系のケイ酸塩鉱物のフィラーに加えて、酸化亜鉛等の他の熱伝導性を有する追加フィラーを加えてもよい。
電子デバイスの内部に充填する充填部材に、窒化硼素や窒化アルミニウム等の窒化物の追加フィラーを使用する場合、窒化物の熱分解によるガスの発生を極力抑える必要がある。そのため、熱伝導性樹脂組成物中の窒化物の追加フィラーの含有量は、好ましくは2重量%以下であり、より好ましくは1.6重量%以下である。また、電子デバイスの内部に充填する充填部材に黒鉛や酸化亜鉛等の導電性の追加フィラーを使用する場合、デバイス内部でのショートや漏れ電流の原因となる。そのため、熱伝導性樹脂組成物中の導電性の追加フィラーの含有量は、好ましくは2重量%以下であり、より好ましくは1.6重量%以下である。
図2を参照して、本発明の第2の実施の形態に係る放熱部材1について説明する。なお、図2は、放熱部材1を封止体16の表面に設けられるように載置したエレクトロルミネセンス素子10’の概略断面図である。このように放熱部材1は、エレクトロルミネセンス素子10’の表面に載置される放熱板1bとして機能する。すなわち、放熱部材1は、封止体16の表面に載置され、封止体16から伝達される熱を外部へ放出することにより、エレクトロルミネセンス素子10’を除熱する。なお、放熱部材1の材料や製造方法は、充填部材1aに用いた放熱部材1と同様である。
放熱部材1を放熱板1bとして用いる場合、シートの厚さは50〜2000μmである。好ましくは、100〜1000μmであり、より好ましくは300〜400μmである。放熱板1bとして用いる場合は、ある程度の厚みがあると放熱性能が高くなるため好ましい。
なお、フィラーの一部を着色用の追加フィラーに替えて樹脂に含有させ放熱部材を構成してもよい。この場合も、着色用の追加フィラーの総量が樹脂に対して35〜95重量%となるようにすることが好ましい。
封止体16が、ガラス、樹脂等の比較的熱伝導率の低い(〜1W)物質の場合、放熱部材1にはより熱放射性の高い材料を選択することが好ましい。熱放射性の高い材料としては、樹脂、金属、セラミックス、鉱物などが挙げられ、特にこれらの混合物が好ましい。素子の劣化を防止する観点で本発明の放熱部材1に用いられる樹脂は、非シリコーン系であることが望ましく、ポリオレフィン、PS、PC、PET等が加工性の点で好ましい。特にポリオレフィンが特性の観点から好ましい。
封止体16が、金属、セラミックス等の比較的熱伝導率の高い(1W〜)物質の場合、放熱部材1にはより熱伝導性の高い材料を選択することが好ましい。熱伝導性の高い材料としては、液晶性ポリマーや高密度ポリエチレンなどの樹脂、金属、セラミックス、斜方晶系のケイ酸塩鉱物などが挙げられ、特にこれらの混合物が好ましい。高熱伝導性を得る観点で本発明の充填層に用いられる樹脂は、非シリコーン系であることが望ましく、特に高度な配向性を発現する点でポリオレフィン、LCP等が好ましい。特に加工性の点でポリオレフィンが好ましい。
<樹脂>
低密度ポリエチレン(LDPE):東ソー(株)製ペトロセン(商品名)176(グレード名)
高密度ポリエチレン(HDPE):京葉ポリエチレン(株)製KEIYOポリエチ(商品名)F3001(グレード名)
直鎖状超低密度ポリエチレン(VLDPE):東ソー(株)製ルミタック(商品名)54−1(グレード名)
ポリプロピレン(PP):日本ポリプロ(株)製ノバテックPP(商品名)EA9(グレード名)
環状オレフィンコポリマー(COC):ポリプラスチックス(株)製TOPAS(商品名)6017(グレード名)
ポリフェニレンスルファイド(PPS):ポリプラスチックス(株)製フォートロン(商品名)0220A9(グレード名)
<粉末>
合成コーディエライト:丸ス釉薬合資会社製SS−1000(小:平均粒径1.7μm)、SS−600(中:平均粒径2.6μm)、SS−200(大:平均粒径7.5μm)
電融ムライト:太平洋ランダム(株)製M70(商品名)325F
酸化アルミニウム:和光純薬工業(株)
窒化硼素:電気化学工業(株)製デンカボロンナイトライド(商品名)SGP
窒化アルミニウム:(株)トクヤマ製高純度窒化アルミニウム粉末(商品名)Hグレード(グレード名)
酸化亜鉛:(株)アムテック製パナテトラ(商品名)WZ−0511
黒鉛:日本黒鉛製 鱗状黒鉛粉末(F#2)
酸化チタン(白色):和光純薬工業(株)製二酸化チタン
低次酸化チタン(黒色):赤穂化成(株)製ティラックD(商品名)
タルク:林化成(株)製ミクロンホワイト(商品名)5000A(グレード名)
炭酸カルシウム:日東粉化工業(株)製NCC#1010
混練機((株)東洋精機製作所製ラボプラストミル(商品名))を使用して、樹脂と粉末を200℃で、トルクが20N・mになるように回転数を調節し混錬することにより放熱部材を作製した。混練後、室温に戻し秤量した樹脂と粉末の混練物を、小型プレス((株)東洋精機製作所製のミニテストプレス(商品名))で、所定の温度、圧力でプレスし、厚さ100〜500μmのシートを作製し評価用試料とした。
試料は、約300μmのシートを用いて、以下の測定を行った。
熱伝導率は、予め放熱部材の比熱((株)パーキンエルマー製diamond DSC型入力補償型示差走査熱量測定装置で測定した。)と比重(アルファーミラージュ(株)製MD−300s型電子比重計により測定した。)を求めておき、その値を熱拡散率・熱伝導率測定装置(アイフェイズ製モバイル1u型)の所定の項に入力し、熱拡散率を測定することにより自動的に算出される(ISO22007−3)。
[実施例1]
ポリプロピレン製の容器内に、高密度ポリエチレン(HDPE)ペレットと、粒径7.5μmの合成コーディエライト粉末を重量比で20重量%:80重量%になるように秤量し、薬匙で念入りに混合した。混合したペレットおよび粉末を、混練機((株)東洋精機製作所製ラボプラストミル(商品名))に導入し、200℃で、トルクが20N・mになるように回転数を調節しながら20分間混練した。混練終了後、試料を取り出し大気中で室温まで冷却した。小型プレス((株)東洋精機製作所製ミニテストプレス(商品名))に、厚みが0.3mmで開口部が50mm×70mmの金型をセットし、上記試料を入れ、加熱プレス(以下、加熱プレスは、250℃、10MPaで5分間プレスすることを示す。)し、実施例1の試料(放熱部材)とした。
粉末の種類が異なる以外は、実施例1と同様に樹脂と粉末を混練し、250℃、10MPaで5分間加熱プレスし、実施例2(放熱部材)、比較例1〜3の試料とした。
高密度ポリエチレン(HDPE)ペレットのみを220℃、10MPaで5分間加熱プレスし、比較例4の試料とした。
次いで、放熱部材に含まれるコーディエライトの充填率を高くすることにより熱拡散率の更なる向上を試みた。平均粒径7.5μmのコーディエライトと2.6μmのコーディエライトを個数比が約1:1になるように、7.5μmのコーディエライトを44.4g、2.6μmのコーディエライトを0.6g、HDPEを12.1g測り取り、実施例1と同様に樹脂とコーディエライトの粉末とを混練し、加熱プレスの後、実施例3の試料(放熱部材)とした。また、2.6μmのコーディエライトのみをHDPEと混練した試料を同様に作製し、実施例4の試料(放熱部材)とした。
表3に示したように、放熱部材に含まれるフィラーの大きさ(平均粒径)を調節し大きい粒子の隙間を小さい粒子で埋めるようにして、コーディエライトの充填率を高くすることにより、熱拡散率が高くなることが判る。
さらに、色味や熱拡散率を調整するために、コーディエライト(フィラー)と、追加フィラーの添加量を表4の重量%とした以外は、実施例3と同様に実施例5〜11の試料(放熱部材)を作製した。
[実施例12]
本発明の放熱部材を充填部材として用いて実際にエレクトロルミネセンス素子を作製し、その温度変化と寿命を評価した。エレクトロルミネセンス素子は、発光機能層は特開2007−27587号公報の比較例3に記されているBH1、BD1、ETM2からなる層を同じく同公報の実施例1に記されている方法で作製し、陽極及び陰極も同じく同公報の実施例1に記されている方法で作製した。ここで、同公報の比較例3の物質(BH1、BD1、ETM2からなる層)を選んだのは、比較例3の物質は、発光効率が比較的低く、駆動電流密度が大きいことから、発熱量が大きく、熱伝導・放熱材料の差が現れ易いと考えたためである。
具体的には、ガラス基板上にITOを150nmの厚さに蒸着したものを透明支持基板とした。この透明支持基板を市販の蒸着装置の基板ホルダーに固定し、銅フタロシアニン(以下、記号CuPcで表記する)を入れたモリブデン製蒸着用ボート、N,N’−ジ(1−ナフチル)−N,N’−ジフェニルベンジジン(以下、記号NPDで表記する)を入れたモリブデン製蒸着用ボート、下記化合物(1)9−フェニル−10−[6−([1,1’;3,1’’]ターフェニル−5’−イル)ナフタレン−2−イル]アントラセン(以下、記号BH1で表記する)を入れたモリブデン製蒸着用ボート、下記化合物(2)で示すスチリルアミン誘導体であるN,N,N’,N’−テトラ(4−ビフェニリル)−4,4’−ジアミノスチルベン(以下、記号BD1で表記する)を入れたモリブデン製蒸着用ボート、下記化合物(7)9,10−ジ(2’,2’’−ビピリジル)アントラセン(以下、記号ETM2で表記する)を入れたモリブデン製蒸着用ボート、弗化リチウムを入れたモリブデン製蒸着用ボート、およびアルミニウムを入れたタングステン製蒸着用ボートを装着した。
その後、弗化リチウム入りの蒸着用ボートを加熱して膜厚0.5nmになるように0.003〜0.01nm/秒の蒸着速度で蒸着し、次いで、アルミニウム入りの蒸着用ボートを加熱して膜厚100nmになるように0.1〜1nm/秒の蒸着速度で蒸着することにより、陰極を形成し、電界発光素子を得た。
作製した電界発光素子上に、キヤノンアネルバ(株)製RFマグネトロンスパッタ装置(型番L350S−C)を用いてSiNx層を作製した。ターゲットには市販シリコンウエハーを用いて、スパッタおよび反応ガスには特開2008−240131号に記されているように、それぞれアルゴンガスと窒素ガスを用いた(流量は各々50sccm(単位は、standard cc/min)である。)。SiNxの製膜時間は、水晶振動子法を用いた膜厚モニターに示される厚みが50nmになった時間とした。
このようにして作製した発光基板に、本発明の実施例1で作製した熱伝導性を有する放熱部材のシート(厚さ0.3mm)を乗せ、さらに接合部に接着剤を塗布した封止体を乗せ、内部に気泡が残らないように注意しながら加圧し、100℃の熱風炉内で接着剤を硬化させた。作製した素子における、ガラス基板のエレクトロルミネセンス発光部の中心部に対面する部分に先端が接触するように貼付型熱電対温度センサ(理化工業(株)製ST−50)を貼り付け、その温度をパーソナルコンピューター経由で記録した。
実施例9と同じ組成の放熱部材を、250℃に加熱した加熱プレスを用いて50mm角で厚さ0.3μmのシート状に成形した。成形した2枚のシートでグラファイトシート(パナソニックエレクトロニックデバイス(株)製PGS(商品名)グラファイトシート、25μm、30mm角)を挟みこみ、再度、加熱プレスで0.5μmの厚みになるように成形した。得られた積層板のグラファイトシートが内包されている部分(30mm角)を注意深く切り出し放熱板とした。
実施例12で作製した素子と同じ素子をもう一つ作製し、封止体を覆う大きさに切り出した前記放熱板を熱伝導性接着剤転写テープNo.9885(住友スリーエム(株)製)を用いて、封止体外面に貼り付けた。
比較例5として、実施例12と同様に発光基板を形成後、充填部材としての本発明の放熱部材を使用せずに素子を作製した。また、比較例6として、実施例13において充填部材としての本発明の放熱部材を使用せずに素子を作製した。
比較例7として、実施例12と同様に発光基板を形成後、充填部材としての本発明の放熱部材の代わりにHDPEシート(0.3mm厚)を封入した素子を作製した。また、比較例8として、実施例13において同じく充填部材としての本発明の放熱部材の代わりにHDPEシートを封入し素子を作製した。
本発明の電子デバイスの内部に充填される充填部材は、充填部材からガスの放出を極力抑える必要があるため、追加フィラーとして窒化硼素や窒化アルミニウム等の窒化物の熱伝導性樹脂組成物中の含有量を1.6重量%とし、ベースとなる樹脂にもガス発生が少ないポリオレフィンを使用した。また、フィラーに導電性があるとデバイス内部でのショートや漏れ電流の原因となるため、黒鉛や酸化亜鉛の熱伝導性樹脂組成物中の含有量を1.6重量%とした。
しかし、電子デバイスの外面に貼り付ける放熱板は、それらの問題が、電子デバイスの内部に充填される充填部材として用いる場合に比べて影響が小さいため、窒化物の使用量を増やすことができる。例えば、電子デバイスよりも広い面積の放熱板を貼り付けることが可能な場合には、面方向の熱伝導率を高くすることにより、より広い面積から放熱することができる。例えば、窒化硼素や黒鉛を放熱板の面方向に配向させることにより、そのような特性を付与できる。
加熱プレスにより作製した放熱部材のシートを5cm角に切り出し、実施例13と同様にデバイスを作製し、デバイスからはみ出る部分が何処も1cmになるように封止体外面に貼り付けた。なお、充填部材には本発明の実施例1で作製した熱伝導性を有する放熱部材のシート(厚さ0.3mm)を使用した。デバイスの熱特性は、実施例13と同様に発光部中心の温度を記録することで評価した。
1a 充填部材
1b 放熱板
10、10’ 電子デバイス、有機電子デバイス、エレクトロルミネセンス素子
11 基板
12 第1の電極、陽極
13 有機薄膜層、エレクトロルミネセンス層
14 第2の電極、陰極
15 気体非透過保護膜、撥水性保護膜
16 封止体
17 接着剤
20、20’ エレクトロルミネセンス素子
21 ガラス基板
22 陽極
23 エレクトロルミネセンス層
24 陰極
25 乾燥剤
26 封止体
27 接着剤
28 内部空間
29 撥水性保護膜
Claims (11)
- 斜方晶系のケイ酸塩鉱物のフィラーと、樹脂とを含有する熱伝導性樹脂組成物から構成される電子デバイス用放熱部材であり、
前記電子デバイス用放熱部材は、電子デバイスの内部に充填される充填部材および前記電子デバイスの表面に設けられる放熱板からなる群から選ばれる少なくとも1種である、
電子デバイス用放熱部材。 - 前記斜方晶系のケイ酸塩鉱物は、コーディエライトまたはムライトである、
請求項1に記載の電子デバイス用放熱部材。 - 前記充填部材となる熱伝導性樹脂組成物は、窒化硼素、窒化アルミニウム、炭化珪素、アルミナ、マグネシア、シリカ、ルチル型酸化チタンおよび酸化亜鉛からなる群から選ばれる少なくとも1種の追加フィラーをさらに含む、
請求項1または2に記載の電子デバイス用放熱部材。 - 前記放熱板となる熱伝導性樹脂組成物は、黒鉛および低次酸化チタンからなる群から選ばれる少なくとも1種の追加フィラーをさらに含む、
請求項1または2に記載の電子デバイス用放熱部材。 - 前記樹脂は、前記フィラーおよび前記追加フィラーを35〜95重量%含有し、
前記追加フィラーは、前記フィラーに対して1〜70重量%であり、
前記フィラーは粉末であり、平均粒径が0.1〜200μmである、
請求項3または4に記載の電子デバイス用放熱部材。 - 前記樹脂は、ポリオレフィン、ポリスチレン、ポリカーボネートおよびポリエチレンテレフタレートからなる群から選ばれる少なくとも1種の樹脂である、
請求項1〜5のいずれか1項に記載の電子デバイス用放熱部材。 - 前記樹脂は、ポリエチレンおよびポリプロピレンからなる群から選ばれる少なくとも1種の樹脂である、
請求項6に記載の電子デバイス用放熱部材。 - ベースとなる基板と;
前記基板の一方の面上に形成された第1の電極と;
前記第1の電極上に形成された有機薄膜層と;
前記有機薄膜層上に形成された第2の電極と;
前記第1の電極、前記有機薄膜層および前記第2の電極を覆う気体非透過保護膜と;
前記気体非透過保護膜上に載置された請求項1〜7のいずれか1項に記載の電子デバイス用放熱部材と;
前記電子デバイス用放熱部材上に形成され、前記基板に固定された封止体とを備える;
電子デバイス。 - ベースとなる基板と;
前記基板の一方の面上に形成された第1の電極と;
前記第1の電極上に形成された有機薄膜層と;
前記有機薄膜層上に形成された第2の電極と;
前記第1の電極、前記有機薄膜層および前記第2の電極を覆う気体非透過保護膜と;
前記気体非透過保護膜上方に形成され、前記基板に固定された封止体と;
前記封止体上に載置された請求項1〜7のいずれか1項に記載の電子デバイス用放熱部材とを備える;
電子デバイス。 - ベースとなる基板の一方の面上に第1の電極を形成する工程と;
前記第1の電極上に有機薄膜層を形成する工程と;
前記有機薄膜層上に第2の電極を形成する工程と;
前記第2の電極上に、気体非透過保護膜をコーティングする工程と;
前記気体非透過保護膜上に請求項1〜7のいずれか1項に記載の電子デバイス用放熱部材を積層する工程と;
前記電子デバイス用放熱部材上に封止体を形成し、前記基板に固定する工程とを備える;
電子デバイスの製造方法。 - ベースとなる基板の一方の面上に第1の電極を形成する工程と;
前記第1の電極上に有機薄膜層を形成する工程と;
前記有機薄膜層上に第2の電極を形成する工程と;
前記第2の電極上に気体非透過保護膜をコーティングする工程と;
前記気体非透過保護膜上方に封止体を形成し、前記基板に固定する工程と;
前記封止体を請求項1〜7のいずれか1項に記載の電子デバイス用放熱部材で覆う工程とを備える;
電子デバイスの製造方法。
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