JP2021038366A - 熱伝導性シリコーン組成物及び熱伝導性シリコーン材料 - Google Patents

Abstract

【課題】熱伝導性シリコーン材料の熱伝導性を高めることができる熱伝導性シリコーン組成物を提供する。【解決手段】熱伝導性シリコーン組成物は、シリコーン成分と、多面体状のフィラーとを含有する。【選択図】図１

Description

本発明は、熱伝導性シリコーン組成物及び熱伝導性シリコーン材料に関する。

トランジスタ、コンピュータのＣＰＵ（中央演算処理装置）等の電気部品と放熱器（ヒートシンク）との間に熱伝導性材料を配置することで、電子・電気部品から発生する熱を放熱器に伝導させることが行われている。特許文献１には、シリコーンゴムにシランカップリング剤で表面処理を施した熱伝導性無機フィラーを分散させた熱伝導性シリコーンゴム組成物が開示されている。

特開平１１−２０９６１８号公報

電子・電気部品の高集積化などに伴い、電子・電気部品からの発熱量は益々増大する傾向にある。また、サイズの異なる複数の電子・電気部品を一つの基板に実装する場合には各電子・電気部品が発する熱を熱伝導性材料で効率良く伝導させることも求められる。

本発明の課題は、熱伝導性シリコーン材料の熱伝導性を高めることができる熱伝導性シリコーン組成物、及びこの熱伝導性シリコーン組成物から作製された熱伝導性シリコーン材料を提供することである。

本発明の一態様に係る熱伝導性シリコーン組成物は、シリコーン成分と、多面体状のフィラーとを含有する。

本発明の一態様に係る熱伝導性シリコーン材料は、前記熱伝導性シリコーン組成物から製造され、前記シリコーン成分から作製されたシリコーン樹脂マトリクスと、前記シリコーン樹脂マトリクス中に分散している前記多面体状のフィラーとを備える。

本発明の一態様によると、熱伝導性シリコーン材料の熱伝導性を高めることができる熱伝導性シリコーン組成物、及びこの熱伝導性シリコーン組成物から作製された熱伝導性シリコーン材料が得られる。

本発明の一実施形態にかかる電子デバイスの概略の断面図である。

本実施形態に係る熱伝導性シリコーン組成物は、シリコーン成分と、多面体状のフィラーとを含有する。

シリコーン成分は、例えば反応硬化型の液状のシリコーンゴム又はシリコーンゲルである。シリコーン成分は二液型でも一液型でもよい。シリコーン成分は、例えばオルガノポリシロキサンなどの反応性有機ケイ素化合物と硬化剤とを含有し、更に必要により触媒を含有する。硬化剤は、例えばオルガノハイドロジェンポリシロキサンと有機過酸化物とのうち少なくとも一方を含有する。触媒は例えば白金系触媒である。

多面体状のフィラーは、例えば多面体状のアルミナフィラーと、多面体状のスピネルフィラーとのうち、少なくとも一方を含む。この場合、多面体状のフィラーは優れた熱伝導性を有し、そのため熱伝導性シリコーン材料の熱抵抗を効果的に低減しうる。なお、多面体状のフィラーが含みうるフィラーは前記のみには制限されない。

多面体状のアルミナフィラーは、例えば高純度の水酸化アルミニウムを塩化水素等を含有する雰囲気中で焼成することで製造される。

多面体状のスピネルフィラーには、モリブデンがドープされていてもよい。多面体状のスピネルフィラーは、例えば金属マグネシウム、酸化マグネシウムなどのマグネシウム化合物と酸化アルミニウムなどのアルミニウム化合物との混合物を、モリブデンの存在下で焼成して結晶成長させてから冷却して結晶化させることで、製造される。アルミニウム化合物は、モリブデンを含むα−アルミナのように、モリブデンを含んでいてもよい。

多面体状のフィラーは、シランカップリング剤で処理されていてもよい。多面体状のフィラーがシランカップリング剤で処理されていると、熱伝導性シリコーン組成物中及び熱伝導性シリコーン材料中で多面体状のフィラーが良好に分散しやすく、そのため熱伝導性シリコーン材料の熱抵抗が低減しやすい。

熱伝導性シリコーン組成物がシランカップリング剤を含有してもよい。この場合も、熱伝導性シリコーン組成物中及び熱伝導性シリコーン材料中で多面体状のフィラーが良好に分散しやすく、そのため熱伝導性シリコーン材料の熱抵抗が低減しやすい。

多面体状のフィラーの形状は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で確認できる。電子顕微鏡で確認される多面体状のフィラー中の粒子に例えば５以上１５０以下の面が確認できれば、多面体状であると判断できる。

多面体状のフィラーの平均粒径は、１μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。特に、この範囲内で、多面体状のフィラーは、平均粒径の異なる二種以上の粒子群を含むことが好ましい。この場合、熱伝導性シリコーン組成物が良好な成形性を有しやすく、かつ多面体状のフィラーが熱伝導性シリコーン材料の熱抵抗をより効果的に低減しやすい。なお、多面体状のフィラーの平均粒径は、動的光散乱法による得られる粒度分布から算出されるメディアン径（Ｄ５０）である。

多面体状のフィラーが平均粒径の異なる二種以上の粒子群を含むことが好ましい。この場合、多面体状のフィラーを含有させても熱伝導性シリコーン組成物の粘度が上昇しにくい。このため熱伝導性シリコーン組成物の良好な流動性と熱伝導性シリコーン材料の低い熱抵抗とを両立させやすい。例えば多面体状のフィラーは、平均粒径５０μｍ以上１００μｍ以下の第一の粒子群と、平均粒径５μｍ以上２０μｍ以下の第二の粒子群とを含有し、第一の粒子群と第二の粒子群との質量比が６：４から９：１であることが好ましい。多面体状のフィラーは、更に平均粒径０．１μｍ以上３μｍ以下の第三の粒子群を含有してもよい。この場合、第一の粒子群と第二の粒子群との質量比が６：３から７：２であることが好ましく、第一の粒子群と第三の粒子群との質量比が６：１から７：１であることが好ましく、第二の粒子群と第三の粒子群との質量比が３：１から２：１であることが好ましい。

多面体状のフィラーの割合は熱伝導性シリコーン組成物全体に対して６０体積％以上９０体積％以下であることが好ましい。割合が６０体積％以上であれば、熱伝導性シリコーン材料の熱抵抗が特に低減しやすい。割合が９０体積％以下であれば、熱伝導性シリコーン組成物が良好な流動性を有しやすく、かつ熱伝導性シリコーン材料が良好な柔軟性を有しやすい。この割合は６５体積％以上８５体積％以下であればより好ましく、７０体積％以上８０体積％以下であれば更に好ましい。

熱伝導性シリコーン組成物は２５℃で液状であることが好ましい。熱伝導性シリコーン組成物の２５℃での粘度は、３０００Ｐａ・ｓ以下であることが好ましい。この場合、熱伝導性シリコーン組成物は良好な成形性を有することができ、例えばディスペンサーを用いて膜状に成形しやすくなる。また熱伝導性シリコーン組成物を脱泡しやすく、そのため熱伝導性シリコーン材料にボイドを生じにくくできる。なお、粘度は、Ｅ型回転粘度計を用いて０．３ｒｐｍの条件で測定される値である。

熱伝導性シリコーン組成物は、多面体状のフィラー以外のフィラーを更に含有してもよい。例えば熱伝導性シリコーン組成物は、多面体状のフィラー以外の適宜の金属酸化物粒子、金属窒化物留意、金属炭化物粒子、金属ほう化物粒子、及び金属単体粒子からなる群から選択される少なくとも一種を含有してもよい。

熱伝導性シリコーン組成物は、例えば上記の成分を混練することで調製される。シリコーン成分が二液型である場合には、シリコーン成分における反応性有機ケイ素化合物を含む第一剤と、硬化剤を含む第二剤とからなる熱伝導性シリコーン組成物を調製し、使用時に第一剤と第二剤とを混合してもよい。この場合、多面体状のフィラーは第一剤と第二剤とのうち少なくとも一方に含有されていればよい。

熱伝導性シリコーン組成物から熱伝導性シリコーン材料を作製する場合、例えば熱伝導性シリコーン組成物をプレス成形、押出し成形、カレンダー成形等の適宜の方法で膜状に成形する。熱伝導性シリコーン組成物をディスペンサーで膜状に成形することも好ましい。続いて膜状の熱伝導性シリコーン組成物をその組成に応じた条件で加熱することで硬化させることで、膜状の熱伝導性シリコーン材料が得られる。

なお、熱伝導性シリコーン組成物及び熱伝導性シリコーン材料の形状は膜状に限られず、適宜の形状であってよい。また、シリコーン成分が常温硬化型である場合には加熱することなく熱伝導性シリコーン組成物を硬化させて熱伝導性シリコーン材料を得ることもできる。熱伝導性シリコーン材料は、シリコーン成分から作製されたシリコーン樹脂マトリクスと、このシリコーン樹脂マトリクス中に分散されている多面体状のフィラーとを備える。

熱伝導性シリコーン材料は、多面体状のフィラーを含有することで、低い熱抵抗を有しやすい。これは、熱伝導性シリコーン材料中で多面体状のフィラーの粒子同士が接触することで熱を伝達しうる経路が形成され、このとき粒子同士が面接触しやすいことで粒子間の熱の伝達効率が高くなりやすいからであると考えられる。

熱伝導性シリコーン材料にプレス圧がかけられている場合には、熱伝導性シリコーン材料のプレス圧の方向の熱抵抗が特に低くなりやすい。これは、プレス圧の方向に多面体状のフィラーの粒子が接触しやすくなるためと考えられる。本実施形態では上述のように粒子同士が面接触しやすいため、プレス圧がかけられることによる熱抵抗の低減が特に生じやすく、プレス圧が小さくても熱抵抗が低減しうる。

この熱伝導性シリコーン材料は、上記のように熱抵抗が低められることで、プレス圧１ＭＰａの条件で直圧プレスされている状態での、プレス圧の方向の熱伝導性シリコーン材料の熱抵抗は、０．８Ｋ／Ｗ以下であることが好ましい。この場合、熱伝導性シリコーン材料は優れた熱伝導性を発現でき、プレス圧が低くても熱を効率良く伝達しやすい。この熱抵抗は０．７Ｋ／Ｗ以下であればより好ましく、０．６Ｋ／Ｗ以下であれば更に好ましい。

熱伝導性シリコーン材料のアスカーＣ硬度は、４０以下であることが好ましい。アスカーＣ硬度は、例えば高分子計器株式会社製のアスカーゴム硬度計Ｃ型を用いて測定される。アスカーＣ硬度が４０以下であると、熱伝導性シリコーン材料は良好な柔軟性を有することができ、例えば反り、うねりなど種々の形状を有する面に密着させやすい。アスカーＣ硬度は２０以下であれば更に好ましい。また、アスカーＣ硬度は例えば１以上である。この低いアスカーＣ硬度は、シリコーン成分の選択、多面体状のフィラーの粒径の選択、多面体状のフィラーの割合の選択などによって実現可能である。

熱伝導性シリコーン材料を備える電子デバイスの例について説明する。図１に示す電子デバイス１は、基板２、チップ部品３、ヒートスプレッダ４、ヒートシンク５及び二種の熱伝導性材料６（以下、ＴＩＭ１ ６１及びＴＩＭ２ ６２という）を備える。基板２にチップ部品３が搭載されている。基板２は例えばプリント配線板である。チップ部品３は例えばトランジスタ、ＣＰＵ、ＭＰＵ、ドライバＩＣ、メモリなどであるが、これらに制限されない。基板２には複数のチップ部品３が搭載されていてもよい。この場合、チップ部品３の厚みが互いに異なっていてもよい。ヒートスプレッダ４は、チップ部品３を覆うように基板２に搭載されている。チップ部品３とヒートスプレッダ４との間には隙間があり、この隙間にＴＩＭ１ ６１が配置されている。ヒートスプレッダ４の上にはヒートシンク５が配置されており、ヒートスプレッダ４とヒートシンク５との間にＴＩＭ２ ６２が配置されている。

本実施形態における熱伝導性シリコーン材料は、上記のＴＩＭ１ ６１とＴＩＭ２ ６２とのうちいずれにも適用できる。特にＴＩＭ１ ６１が本実施形態に係る熱伝導性シリコーン材料であることが好ましい。この場合、熱伝導性シリコーン材料にはヒートスプレッダ４によってプレス圧がかけられうる。このため、上述のように熱伝導性シリコーン材料中の多面体状のフィラーの粒子間の接触が生じやすく、これにより熱伝導性シリコーン材料の特に低い熱抵抗が実現されやすい。

また、電子デバイス１が複数のチップ部品３を備え、かつチップ部品３の厚みが互いに異なる場合には、厚みのより大きいチップ部品３（３１）とヒートスプレッダ４との間の隙間の寸法よりも、厚みのより小さいチップ部品３（３２）とヒートスプレッダ４との間の隙間の寸法の方が大きくなる。このため、厚みのより小さいチップ部品３２とヒートスプレッダ４との間でＴＩＭ１ ６１にかけられるプレス圧は、厚みのより大きいチップ部品３１とヒートスプレッダ４との間でＴＩＭ１ ６１にかけられるプレス圧よりも小さくなりがちである。このため、ＴＩＭ１ ６１にかけられるプレス圧は部分的に異なりやすい。しかし、本実施形態では、上記のとおり、熱伝導性シリコー材料が多面体状のフィラーを含有するために、プレス圧がかけられることによる熱抵抗の低減が特に生じやすい。そのため熱伝導性シリコー材料にかけられるプレス圧が部分的に異なっていても、熱伝導性シリコー材料は全体的に低い熱抵抗を有しやすい。このため、ＴＩＭ１ ６１が熱伝導性シリコーン材料であると、熱伝導性シリコーン材料は、チップ部品３で生じた熱をヒートスプレッダ４に効率良く伝達することができ、これにより放熱性のよい電子デバイス１が実現されやすい。

以下、本実施形態のより具体的な実施例について説明する。なお、本実施形態は下記の実施例のみには制限されない。

１．組成物の調製
表１の「組成」の欄に示す原料を混合することで組成物を調製した。原料の詳細は下記のとおりである。
−ＴＥＳ８５５３：東レ・ダウコーニング製のシリコーン樹脂。品番ＴＥＳ８５５３。
−多面体状フィラー：平均粒径７０μｍの、モリブデンがドープされた多面体状のスピネル粒子を８０質量％、平均粒径１０μｍの、モリブデンがドープされた多面体状のスピネル粒子を１０質量％、平均粒径０．４μｍの多面体状のアルミナ粒子（住友化学工業製）を５質量％の割合で含有する多面体状のフィラー。
−真球状フィラー：平均粒径７０μｍの真球状のアルミナ粒子（ＡＤＥＫＡ製）を８０質量％、平均粒径１０μｍの真球状のアルミナ粒子（ＡＤＥＫＡ製）を１０質量％、平均粒径０．４μｍの多面体状のアルミナ粒子（住友化学工業製）を５質量％の割合で含有する真球状フィラー。

なお、モリブデンがドープされた各多面体状のスピネル粒子は、モリブデンを含むα−酸化アルミニウムと酸化マグネシウムとを含む混合物を、空気雰囲気下で１５００℃で焼成してから冷却することで製造された。

２．評価
（１）粘度
組成物の粘度を、測定装置として東機産業株式会社製のＥ型粘度計（型番ＲＣ−２１５）を用い、０．３ｒｐｍの条件で測定した。

（２）アスカーＣ硬度
組成物のアスカーＣ硬度を、測定装置として高分子計器株式会社製のアスカーゴム硬度計Ｃ型を用いて測定した。また、比較例４として、厚み１００μｍのインジウム製フィルムを用意し、このインジウム製フィルムのアスカーＣ硬度も測定した。

（３）熱抵抗
組成物を、加熱温度１２０℃、プレス圧１ＭＰａの条件で３０分間熱プレスすることで、厚み１００μｍのシート状のサンプルを作製した。このサンプルを二つの銅製のプレートで挟み、このプレートでサンプルをプレス圧１ＭＰａの条件で直圧プレスした。この状態で、室温下における、プレス圧の方向のサンプルの熱抵抗を、メンターグラフィック社製のＤｙｎＴＩＭ Ｔｅｓｔｅｒを用いて測定した。また、比較例４であるインジウム製フィルムの熱抵抗も測定した。

Claims (6)

1. シリコーン成分と、多面体状のフィラーとを含有する、熱伝導性シリコーン組成物。
2. 前記多面体状のフィラーは、多面体状のアルミナフィラーと、多面体状のスピネルフィラーとのうち、少なくとも一方を含有する、
   請求項１に記載の熱伝導性シリコーン組成物。
3. ２５℃での粘度が３０００Ｐａ・ｓ以下である、
   請求項１又は２に記載の熱伝導性シリコーン組成物。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の熱伝導性シリコーン組成物から製造され、
   前記シリコーン成分から作製されたシリコーン樹脂マトリクスと、前記シリコーン樹脂マトリクス中に分散している前記多面体状のフィラーとを備える、
   熱伝導性シリコーン材料。
5. プレス圧１ＭＰａの条件で直圧プレスされている状態での、プレス圧の方向の熱抵抗が０．８Ｋ／Ｗ以下である、
   請求項４に記載の熱伝導性シリコーン材料。
6. アスカーＣ硬度が４０以下である、
   請求項５に記載の熱伝導性シリコーン材料。