JP6653795B2 - 放熱部材用組成物、放熱部材、電子機器、放熱部材の製造方法 - Google Patents
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Description
特許文献1には、樹脂の熱伝導率を向上させる方法として、液晶組成物を配向制御添加剤やラビング処理法などにより配向制御して重合することにより得られる放熱部材が開示されている。
そこで本発明は、高熱伝導性を有し、熱膨張率を制御できる放熱部材を形成可能な組成物および放熱部材を提供することを課題とする。
このように構成すると、無機フィラーどうしをカップリング剤および重合性化合物を介して直接結合させて放熱部材を形成することができる。そのため、直接的に、熱伝導の主な要素であるフォノンを伝播することができ、硬化後の放熱部材は水平方向だけでなく厚み方向にも極めて高い熱伝導性を有することができる。
このように構成すると、無機フィラーどうしをカップリング剤を介して直接結合させて放熱部材を形成することができる。そのため、直接的に、熱伝導の主な要素であるフォノンを伝播することができ、硬化後の放熱部材は水平方向だけでなく厚み方向にも極めて高い熱伝導性を有することができる。
このように構成すると、放熱部材用組成物は、無機フィラーとしてより好ましい化合物を含有することができる。
このように構成すると、無機フィラーの熱伝導率が高く、熱膨張率が非常に小さいかまたは負であり、それらと複合化することにより目的とする放熱部材用組成物が得られる。
このように構成すると、前記第1の無機フィラーと前記第2の無機フィラーが2次元の板状または1次元の線状である場合、それらだけを複合化させると、複合化した放熱部材用組成物の物性も大きな異方性が生じる。第3のフィラーを加えることにより、第1、第2の無機フィラーの配向性が緩和し、異方性が少なくなる利点がある。さらに、第1、第2の無機フィラーの熱膨張率が非常に小さいか負であるとき、熱膨張率が正の第3の無機フィラーを加えることにより、その混合比率によって熱膨張率を負から正により精密に制御することが可能になる。第3の無機フィラーに使用する無機フィラーに制約は無いが、熱伝導率が高い物であることが望ましい。
このように構成すると、第1、第2の無機フィラーを直接接続して硬化させた放熱部材用組成物では、熱伝導率を向上させるためにフィラーの粒径を大きくするにつれて、それにあいまって空隙率が高くなる。その空隙を結合していない化合物で満たすことにより、熱伝導率や水蒸気遮断性能などを向上させることができる。
このように構成すると、耐熱性がよく熱伝導率の高いシランカップリング剤と有機分子間の結合が可能である。さらに、特に耐熱性を重視する場合には、熱伝導率を少し下げてでもイミド結合、アミド結合など耐熱性の高い構造を有するほうが良い場合など、適宜選択できる。
Ra1−Z−(A−Z)m1−Ra1 ・・・(1−1)
[上記式(1−1)中、
Ra1は、それぞれ下記式(2−1)〜(2−2)のいずれかで表される重合性基であり;
Aは、1,4−シクロヘキシレン、1,4−シクロヘキセニレン、1,4−フェニレン、ナフタレン−2,6−ジイル、テトラヒドロナフタレン−2,6−ジイル、フルオレン−2,7−ジイル、ビシクロ[2.2.2]オクト−1,4−ジイル、またはビシクロ[3.1.0]ヘキス−3,6−ジイルであり、
これらの環において、任意の−CH2−は、−O−で置き換えられてもよく、任意の−CH=は、−N=で置き換えられてもよく、任意の水素は、ハロゲン、炭素数1〜10のアルキル、または炭素数1〜10のハロゲン化アルキルで置き換えられてもよく、
該アルキルにおいて、任意の−CH2−は、−O−、−CO−、−COO−、−OCO−、−CH=CH−、または−C≡C−で置き換えられてもよく;
Zは、それぞれ独立して単結合、または炭素数1〜20のアルキレンであり、
該アルキレンにおいて、任意の−CH2−は、−O−、−S−、−CO−、−COO−、−OCO−、−CH=CH−、−CF=CF−、−CH=N−、−N=CH−、−N=N−、−N(O)=N−、または−C≡C−で置き換えられてもよく、任意の水素はハロゲンで置き換えられてもよく;
m1は、1〜6の整数である。]
このように構成すると、放熱部材用組成物は、重合性化合物として重合性液晶化合物を含有することができる。これらの化合物は、熱硬化性でありフィラーの量に影響を受けずに硬化させることができ、さらに耐熱性に優れる。また分子構造は、対称性、直線性を有するため、フォノンの伝導に有利であると考えられる。
このように構成すると、放熱部材用組成物は、重合性液晶化合物としてより好ましい化合物を含有することができる。これらの化合物は、分子の直線性がより高くなり、フォノンの伝導により有利であると考えられる。
このように構成すると、放熱部材用組成物は、重合性液晶化合物として特に好ましい化合物を含有することができる。これらの化合物は、物性、作り易さ、または扱い易さに優れるため好ましい。
このように構成すると、放熱部材は、無機フィラー間に結合を有し、極めて高い熱伝導性を有することができる。
このように構成すると、高熱伝導性を有する放熱部材により、電子デバイスに生じた熱を効率よく伝導させることができる。また、面方向の熱膨張率を、放熱部材に取り付けた銅配線やシリコン、窒化ケイ素などの半導体素子の熱膨張率に近づけておくことにより、ヒートサイクルにより剥がれ難いデバイスが作製できる。
このように構成すると、無機フィラーどうしがカップリング剤および重合性化合物を介して直接結合し、このような態様のフィラーを含む放熱部材の製造方法となる。
このように構成すると、無機フィラーどうしがカップリング剤を介して直接結合し、このような態様のフィラーを含む放熱部材の製造方法となる。
「液晶化合物」「液晶性化合物」は、ネマチック相やスメクチック相などの液晶相を発現する化合物である。
本願の放熱部材用組成物は、硬化させることにより、無機フィラーどうしをカップリング剤および2官能以上の重合性化合物を介して直接結合させて放熱部材を形成できる組成物である。図1は無機フィラーとしての窒化ホウ素を用いた場合の例である。窒化ホウ素(h−BN)をカップリング剤で処理すると、窒化ホウ素の場合は粒子の平面に反応基がないため、その周囲のみにカップリング剤が結合する。カップリング剤で処理された窒化ホウ素は、重合性化合物との結合を形成できる。したがって、カップリング処理された窒化ホウ素のカップリング剤の他端と、カップリング処理されさらに重合性化合物で修飾された窒化ホウ素の重合性化合物の他端とを結合させることにより(図2参照)、窒化ホウ素どうしを図1のように互いに結合させる。
このように、無機フィラーどうしをカップリング剤および重合性化合物を介して結合させることにより、直接的にフォノンを伝播することができるので、硬化後の放熱部材は極めて高い熱伝導を有し、無機成分の熱膨張率を直接反映させた複合材料の作製が可能になる。
図2に示すように、本願の放熱部材用組成物を硬化させると、第1の無機フィラー1に結合したカップリング剤3の他端が、第2の無機フィラー2の重合性化合物5と結合する。このようにして、無機フィラー間の結合が形成される。なお、このような無機フィラー間の結合を実現することが本発明では重要であり、無機フィラーに結合させる前に、あらかじめシランカップリング剤と重合性化合物を有機合成技術を用いて反応させておいても良い。
2官能以上の重合性化合物としては、重合性液晶化合物を用いることが好ましい。
重合性液晶化合物としては、下記式(1−1)で表される液晶化合物が好ましく、液晶骨格と重合性基を有し、高い重合反応性、広い液晶相温度範囲、良好な混和性などを有する。この化合物(1−1)は他の液晶性の化合物や重合性の化合物などと混合するとき、容易に均一になりやすい。
Ra1−Z−(A−Z)m1−Ra1 (1−1)
上記化合物(1−1)のRa1が直鎖状アルキルである場合、液晶相の温度範囲が広く、かつ粘度が小さい。一方、Ra1が分岐状アルキルである場合、他の液晶性の化合物との相溶性がよい。Ra1がシアノ、ハロゲン、−CF3、−OCF3である場合においても、良好な液晶相温度範囲を示し、誘電率異方性が高く、適度な相溶性を有する。
上記化合物(1−1)の環構造Aにおける少なくとも1つの環が1,4−フェニレンの場合、配向秩序パラメーター(orientationalorder parameter)および磁化異方性が大きい。また、少なくとも2つの環が1,4−フェニレンの場合、液晶相の温度範囲が広く、さらに透明点が高い。1,4−フェニレン環上の少なくとも1つの水素がシアノ、ハロゲン、−CF3または−OCF3に置換された場合、誘電率異方性が高い。また、少なくとも2つの環が1,4−シクロヘキシレンである場合、透明点が高く、かつ粘度が小さい。
上記化合物(1−1)の結合基Zが、単結合、−(CH2)2−、−CH2O−、−OCH2−、−CF2O−、−OCF2−、−CH=CH−、−CF=CF−または−(CH2)4−である場合、特に、単結合、−(CH2)2−、−CF2O−、−OCF2−、−CH=CH−または−(CH2)4−である場合、粘度が小さくなる。また、結合基Zが、−CH=CH−、−CH=N−、−N=CH−、−N=N−または−CF=CF−である場合、液晶相の温度範囲が広い。また、結合基Zが、炭素数4〜10程度のアルキルの場合、融点が低下する。
以上のように、末端基Ra1、環構造Aおよび結合基Zの種類、環の数を適宜選択することにより、目的の物性を有する化合物を得ることができる。
化合物(1−1)は、下記式(1−a)または(1−b)のように表すこともできる。 P−Y−(A−Z)m−Ra (1−a)
P−Y−(A−Z)m−Y−P (1−b)
Z1は、それぞれ独立して単結合、−(CH2)2−、−(CF2)2−、−(CH2)4−、−CH2O−、−OCH2−、−(CH2)3O−、−O(CH2)3−、−COO−、−OCO−、−CH=CH−、−CF=CF−、−CH=CHCOO−、−OCOCH=CH−、−(CH2)2COO−、−OCO(CH2)2−、−C≡C−、−C≡C−COO−、−OCO−C≡C−、−C≡C−CH=CH−、−CH=CH−C≡C−、−CH=N−、−N=CH−、−N=N−、−OCF2−または−CF2O−である。なお、複数のZ1は同一でも異なっていてもよい。
P1−Y−(A−Z)m−Ra (1−c)
P1−Y−(A−Z)m−Y−P1 (1−d)
上記式中、A、Y、Z、Raおよびmはすでに定義したとおりであり、P1は下記式(2−1)〜(2−2)で表される重合性基を示す。上記式(1−d)の場合、2つのP1は同一の重合性基(2−1)〜(2−2)を示し、2つのYは同一の基を示し、2つのYは対称となるように結合する。
上記化合物(1−1)は、有機合成化学における公知の手法を組合せることにより合成できる。出発物質に目的の末端基、環構造および結合基を導入する方法は、たとえば、ホーベン−ワイル(Houben-Wyle, Methods of Organic Chemistry, Georg Thieme Verlag, Stuttgart)、オーガニック・シンセシーズ(Organic Syntheses, John Wily & Sons, Inc.)、オーガニック・リアクションズ(Organic Reactions, John Wily & Sons Inc.)、コンプリヘンシブ・オーガニック・シンセシス(Comprehensive Organic Synthesis, Pergamon Press)、新実験化学講座(丸善)などの成書に記載されている。また、特開2006−265527号公報を参照してもよい。
上記重合性化合物は、有機合成化学における公知の手法を組合せることにより合成できる。
第1の無機フィラー、第2の無機フィラーおよび第3の無機フィラーとしては、窒化物、炭化物、または炭素材料等を挙げることができる。第1の無機フィラーおよび第2の無機フィラーは、同一であってもよく異なったものでもよい。
具体的には、第1の無機フィラー、第2の無機フィラーには、高熱伝導性で熱膨張率が非常に小さいか負である無機フィラーとして、窒化ホウ素、炭化ホウ素、窒化ホウ素炭素、黒鉛、炭素繊維、カーボンナノチューブを挙げることができる。または、第1または第2の無機フィラーのどちらか一方に下記の熱伝導率が高く熱膨張率が正である無機フィラーを用いてもよい。
第3のフィラーとしては、熱伝導率が高く熱膨張率が正である、炭化珪素、窒化アルミニウム、窒化珪素、ダイアモンド、珪素、ベリリア、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、酸化亜鉛、酸化珪素、酸化銅、酸化チタン、酸化セリウム、酸化イットリウム、酸化錫、酸化ホルミニウム、酸化ビスマス、酸化コバルト、酸化カルシウム、水酸化マグネシウム、水酸化アルミニウム、金、銀、銅、白金、鉄、錫、鉛、ニッケル、アルミニウム、マグネシウム、タングステン、モリブデン、ステンレスなどの無機充填材および金属充填材を挙げることができる。
重合性化合物の構造はこれら無機フィラーの間を効率よく直接結合できる形状及び長さを持っていることが望ましい。無機フィラーの種類、形状、大きさ、添加量などは、目的に応じて適宜選択できる。得られる放熱部材が絶縁性を必要とする場合、所望の絶縁性が保たれれば導電性を有する無機フィラーであっても構わない。無機フィラーの形状としては、板状、球状、無定形、繊維状、棒状、筒状などが挙げられる。
なお、本明細書において平均粒径とは、レーザー回折・散乱法による粒度分布測定に基づく。すなわち、フランホーファー回折理論およびミーの散乱理論による解析を利用して、湿式法により、粉体をある粒子径から2つに分けたとき、大きい側と小さい側が等量(体積基準)となる径をメジアン径とした。
無機フィラーとカップリング剤および有機化合物の割合は、使用する無機フィラーと結合させるカップリング剤の量に依存する。第1、第2の無機フィラーとして用いられる化合物(例えば窒化ホウ素)は、前述のように表面に反応基がなく、側面にのみ反応基が存在する。その少ない反応基にできるだけ多くのカップリング剤を結合させ、その反応基の数と同数か少し多い有機化合物を結合させることが好ましい。無機フィラーへのカップリング剤の反応量は、主に無機フィラーの大きさや使用するカップリング剤の反応性により変化する。たとえば、無機フィラーが大きくなるほど、無機フィラーの側面の面積比が減少するので修飾量は少ない。できるだけ多くのカップリング剤を反応させたいが、粒子を小さくすると生成物の熱伝導率が低くなるので、バランスを取ることが好ましい。
無機フィラーに結合させるカップリング剤は、重合性化合物が有する官能基(オキシラニル基等)と反応することが好ましいので、アミン系反応基を末端にもつものが好ましい。たとえば、JNC(株)製では、サイラエースS310、S320、S330、S360、信越化学工業(株)製では、KBM903、KBE903などが挙げられる。
なお、重合性化合物の末端がアミンであった場合には、オキシラニル基等を末端に持つカップリング剤が好ましい。たとえば、JNC(株)製では、サイラエースS510、S530などが挙げられる。なお、カップリング剤による無機フィラーの修飾は、多ければ多いほど結合が増えるため好ましい。
なお、第2の無機フィラーは、あらかじめ重合性化合物と結合させたカップリング剤でカップリング処理したものを用いてもよい。
重合性化合物は、上記式(1−1)で示す重合性液晶化合物が好ましい。しかし、それ以外の重合性液晶化合物であってもよく、液晶性の無い重合性化合物であってもよい。重合性化合物等による表面修飾は、多ければ多いほど結合が増えるため好ましい。
本願の放熱部材用組成物は、さらに第1の無機フィラーおよび第2の無機フィラーに結合していない、すなわち結合に寄与していない有機化合物(例えば重合性化合物または高分子化合物)を含んでいてもよく、重合開始剤や溶媒等を含んでいてもよい。
放熱部材用組成物は、無機フィラーに結合していない重合性化合物(この場合、必ずしも2官能以上でなくてもよい)を構成要素としてもよい。このような重合性化合物としては、膜形成性および機械的強度を低下させない化合物が好ましい。この重合性化合物は、液晶性を有しない化合物と液晶性を有する化合物とに分類される。液晶性を有しない重合性化合物としては、ビニル誘導体、スチレン誘導体、(メタ)アクリル酸誘導体、ソルビン酸誘導体、フマル酸誘導体、イタコン酸誘導体、などが挙げられる。含有量は、まず結合していない重合性化合物を含まない、放熱部材用組成物を作製し、その空隙率を測定して、その空隙率を埋められる量の重合性化合物を添加することが望ましい。
放熱部材用組成物は、無機フィラーに結合していない高分子化合物を構成要素としてもよい。このような高分子化合物としては、膜形成性および機械的強度を低下させない化合物が好ましい。この高分子化合物は、第1、第2、第3等の無機フィラーおよび重合性化合物と反応しない高分子化合物であれば良く、たとえばポリオレフィン系樹脂、ポリビニル系樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイタコン酸系樹脂などが挙げられる。含有量は、まず結合していない重合性化合物を含まない、放熱部材用組成物を作成し、その空隙率を測定して、その空隙率を埋められる量の高分子化合物を添加することが望ましい。
放熱部材用組成物は、重合性基を有しない液晶性化合物を構成要素としてもよい。このような非重合性の液晶性化合物の例は、液晶性化合物のデータベースであるリクリスト(LiqCryst, LCI Publisher GmbH, Hamburg, Germany)などに記載されている。非重合性の液晶性化合物を含有する該組成物を重合させることによって、例えば、化合物(1−1)の重合体と液晶性化合物との複合材料(composite materials)を得ることができる。このような複合材料では、高分子分散型液晶のような高分子網目中に非重合性の液晶性化合物が存在している。望ましくは、使用する温度領域で流動性が無いような特性を持つ液晶性化合物が望ましい。第1、第2、第3等のフィラーを硬化させた後で、等方相を示す温度領域でその空隙に注入するような手法で複合化させてもよく、第1、第2、第3等のフィラーに予め空隙を埋めるように計算した分量の液晶性化合物を混合しておき、フィラーを重合させても良い。
放熱部材用組成物は重合開始剤を構成要素としてもよい。重合開始剤は、該組成物の構成要素および重合方法に応じて、たとえば光ラジカル重合開始剤、光カチオン重合開始剤、熱ラジカル重合開始剤などを用いればよい。
熱ラジカル重合用の好ましい開始剤としては、たとえば、過酸化ベンゾイル、ジイソプロピルパーオキシジカーボネート、t−ブチルパーオキシ−2−エチルヘキサノエート、t−ブチルパーオキシピバレート、ジ−t−ブチルパーオキシド(DTBPO)、t−ブチルパーオキシジイソブチレート、過酸化ラウロイル、2,2’−アゾビスイソ酪酸ジメチル(MAIB)、アゾビスイソブチロニトリル(AIBN)、アゾビスシクロヘキサンカルボニトリル(ACN)などが挙げられる。
放熱部材用組成物は溶媒を含有してもよい。重合させる必要がある構成要素を該組成物中に含む場合、重合は溶媒中で行っても、無溶媒で行ってもよい。溶媒を含有する該組成物を基板上に、たとえばスピンコート法などにより塗布した後、溶媒を除去してから光重合させてもよい。また、光硬化後適当な温度に加温して熱硬化により後処理を行ってもよい。
好ましい溶媒としては、たとえば、ベンゼン、トルエン、キシレン、メシチレン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカン、テトラヒドロフラン、γ−ブチロラクトン、N−メチルピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、シクロペンタノン、シクロヘキサノン、PGMEAなどが挙げられる。上記溶媒は1種単独で用いても、2種以上を混合して用いてもよい。
なお、重合時の溶媒の使用割合を限定することにはあまり意味がなく、重合効率、溶媒コスト、エネルギーコストなどを考慮して、個々のケースごとに決定すればよい。
放熱部材用組成物には、取扱いを容易にするために、安定剤を添加してもよい。このような安定剤としては、公知のものを制限なく使用でき、たとえば、ハイドロキノン、4−エトキシフェノールおよび3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシトルエン(BHT)などが挙げられる。
さらに、放熱部材用組成物の粘度や色を調整するために添加剤(酸化物等)を添加してもよい。例えば、白色にするための酸化チタン、黒色にするためのカーボンブラック、粘度を調整するためのシリカの微粉末を挙げることができる。また、機械的強度をさらに増すために添加剤を添加してもよい。例えば、ガラス、カーボンファイバーなどの無機繊維やクロス、または高分子添加剤として、ポリビニルホルマール、ポリビニルブチラール、ポリエステル、ポリアミド、ポリイミドなどの繊維または長分子を挙げることができる。
以下、放熱部材用組成物を製造する方法、および放熱部材用組成物から放熱部材を製造する方法について具体的に説明する。
<カップリング処理を施す>
無機フィラーにカップリング処理を施し、カップリング剤の一端と無機フィラーを結合させたものを第1の無機フィラーとする。カップリング処理は、公知の方法を用いることができる。
一例として、まず無機フィラーとカップリング剤を溶媒に加える。スターラー等を用いて撹拌したのち、乾燥する。溶媒乾燥後に、真空乾燥機等を用いて、真空条件下で加熱処理をする。この無機フィラーに溶媒を加えて、超音波処理により粉砕する。遠心分離機を用いてこの溶液を分離精製する。上澄みを捨てたのち、溶媒を加えて同様の操作を数回行う。オーブンを用いて精製後のカップリング処理を施した無機フィラーを乾燥させる。
<重合性化合物で修飾する>
カップリング処理を施した無機フィラー(上記第1の無機フィラーと同じであってもよく、異なる無機フィラーでもよい)の、カップリング剤の他端に2官能以上の重合性化合物を結合させる。このように重合性化合物で修飾した無機フィラーを第2の無機フィラーとする。
一例として、カップリング処理された無機フィラーと重合性化合物を、メノウ乳鉢等を用いて混合したのち、2軸ロール等を用いて混練する。その後、超音波処理および遠心分離によって分離精製する。
<混合する>
第1の無機フィラーと第2の無機フィラーを、例えば無機フィラーのみの重量が1:1になるように量り取り、メノウ乳鉢等で混合する。その後2軸ロール等を用いて混合し、放熱部材用組成物を得る。
第1の無機フィラーと第2の無機フィラーの混合割合は、第1の無機フィラーと第2の無機フィラーの結合を形成する結合基がそれぞれアミン:エポキシの場合、無機フィラーのみの重量は例えば、1:1〜1:30であることが好ましく、より好ましくは1:3〜1:20である。混合割合は、第1の無機フィラーと第2の無機フィラーの結合を形成する末端の結合基の数により決定し、たとえば2級アミンで有れば2個のオキシラニル基と反応できるため、オキシラニル基側に比べて少量で良く、オキシラニル基側は開環してしまっている可能性もありエポキシ当量から計算される量を多めに使用することが好ましい。
<放熱部材を製造する>
一例として、放熱部材用組成物を用いて、放熱部材としてのフィルムを製造する方法を説明する。放熱部材用組成物を、圧縮成形機を用いて加熱板中にはさみ、圧縮成形により配向・硬化成形する。さらに、オーブン等を用いて後硬化を行い、本発明の放熱部材を得る。なお、圧縮成形時の圧力は、50〜200kgf/cm2が好ましく、より好ましくは70〜180kgf/cm2である。硬化時の圧力は基本的には高い方が好ましい。しかし、金型の流動性や、目的とする物性(どちら向きの熱伝導率を重視するかなど)によって適宜変更し、適切な圧力を加えることが好ましい。
まず、基板上に該組成物を塗布し、溶媒を乾燥除去して膜厚の均一な塗膜層を形成する。塗布方法としては、たとえば、スピンコート、ロールコート、カテンコート、フローコート、プリント、マイクログラビアコート、グラビアコート、ワイヤーバーコート、ディップコート、スプレーコート、メニスカスコート法などが挙げられる。
溶媒の乾燥除去は、たとえば、室温での風乾、ホットプレートでの乾燥、乾燥炉での乾燥、温風や熱風の吹き付けなどにより行うことができる。溶媒除去の条件は特に限定されず、溶媒がおおむね除去され、塗膜層の流動性がなくなるまで乾燥すればよい。
カップリング剤どうしの結合を形成する官能基の組合せとしては、例えば、オキシラニル基とアミノ基、ビニル基どうし、メタクリロキシ基どうし、カルボキシ基またはカルボン酸二無水物とアミノ基、イミダゾール基とオキシラニル基等の組合せを挙げることができるが、これらに限られない。耐熱性の高い組合せがより好ましい。
本発明の第2の実施の形態に係る放熱部材は、上記第1の実施の形態に係る放熱部材用組成物を硬化させた硬化物を用途に応じて成形したものである。この硬化物は、高い熱伝導性を有するとともに、熱膨張率が負かまたは非常に小さい正であり、化学的安定性、耐熱性、硬度および機械的強度などに優れている。なお、前記機械的強度とは、ヤング率、引っ張り強度、引き裂き強度、曲げ強度、曲げ弾性率、衝撃強度などである。
本発明の放熱部材は、放熱板、放熱シート、放熱フィルム、放熱接着材、放熱成形品などに有用である。
本発明の第3の実施の形態に係る電子機器は、上記第2の実施の形態に係る放熱部材と、発熱部を有する電子デバイスとを備える。放熱部材は、前記発熱部に接触するように電子デバイスに配置される。放熱部材の形状は、放熱電子基板、放熱板、放熱シート、放熱フィルム、放熱接着材、放熱成形品などのいずれであってもよい。
例えば、電子デバイスとして、半導体素子を挙げることができる。本願の放熱部材は、高熱伝導性に加えて、高耐熱性、高絶縁性を有する。そのため、半導体素子の中でも高電力のためより効率的な放熱機構を必要とする絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(Insulated Gate Bipolar Transistor、IGBT)に特に有効である。IGBTは半導体素子のひとつで、MOSFETをゲート部に組み込んだバイポーラトランジスタであり、電力制御の用途で使用される。IGBTを備えた電子機器には、大電力インバータの主変換素子、無停電電源装置、交流電動機の可変電圧可変周波数制御装置、鉄道車両の制御装置、ハイブリッドカー、エレクトリックカーなどの電動輸送機器、IH調理器などを挙げることができる。
また、本願の放熱部材用組成物は、さらに第3、第4の無機フィラーのように、複数種類の無機フィラーを含有していてもよい。例えば、第1の無機フィラーおよび第2の無機フィラーと異なる熱膨張率を持つ第3の無機フィラーであって、カップリング剤の一端と結合した熱伝導性の第3の無機フィラー、または、重合性化合物が結合したカップリング剤の一端と結合した熱伝導性の第3の無機フィラーをさらに含有していてもよい。
さらには、カップリング処理後さらに重合性化合物で修飾した無機フィラーのみを用いて、適切な重合開始剤等により重合性化合物どうしを結合させて、無機フィラー間に結合を形成してもよい。
すなわち、本発明は、無機材料と有機化合物の複合化において、無機材料間に有機化合物で結合を形成し、熱伝導性を著しく向上させ、さらに熱膨張率を制御したものである。
<重合性液晶化合物>
・液晶性エポキシ:下記式(3−1)〜(6−1)(JNC(株)製)
特許第5084148号公報に記載の方法で合成することができる。
・エポキシ:jER828(商品名、三菱化学(株)製)
・窒化ホウ素:h−BN粒子(モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ・ジャパン(合)製、(商品名)PolarTherm PTX―25)
<シランカップリング剤>
・3−アミノプロピルトリメトキシシラン(信越化学(株)製、(商品名)KBM−903)
<放熱部材の調製>
以下に、放熱部材の調製例を示す。
・カップリング剤処理窒化ホウ素粒子の準備
窒化ホウ素粒子(PTX25、以下BNと略記)5.0gと3−アミノプロピルトリメトキシシラン0.75gをトルエン(無水)50mLに加え、スターラーを用いて750rpmで1時間攪拌し、得られた混合物を40℃で5時間、室温で19時間乾燥した。さらに、溶媒乾燥後に125℃に設定した真空乾燥機を用いて真空条件下で5時間加熱処理した。
このカップリング剤で修飾したBN粒子をサンプル管に移してTHF(ナカライテスク(株)製)50mLを加えたのち、超音波処理(BRANSON(株)製MODEL450)により粉砕した。さらに、この溶液を遠心分離機(日立工機(株)製CT6E)を用いて6000rpmで10分間分離精製した。上澄み液を捨てたのち、アセトンを50mL加えて同様の操作を二回行った。精製後の修飾BN粒子を60℃のオーブン中で24時間乾燥した。得られた粒子を、第1の無機フィラーAとする。
作製した第1の無機フィラーAを0.5972gと第2の無機フィラーBを1.4812g量り取り、メノウ乳鉢で混合したのち、2軸ロールを用いて55℃で10分間混合した。この重量比は、第1の無機フィラーAのNH(KBM903の反応基はNH2なので、NHが2個と換算)と第2の無機フィラーBのエポキシ環の個数が1:1として算出した。
得られた混合物をステンレス製板中にはさみ、150℃に設定した圧縮成形機((株)神藤金属工業所製F−37)を用いて9.8MPaまで加圧し、15分間加熱状態を続けることで、配向処理と前硬化を行った。すなわちステンレス板の間を混合物が広がる際に、BNは板状粒子であるため、粒子とステンレス板が平行になるように配向する。また、試料の厚みが約200μmになるように、試料の量を調整した。さらに、オーブンを用いて80℃で1時間、150℃で3時間の後硬化を行い、目的とする本発明の放熱部材とした。なお、この状態でシランカップリング剤と重合性液晶化合物を合算した成分は約15体積%であった。
熱伝導率は、予め放熱部材の比熱(セイコーインスツル(株)(現・(株)日立ハイテク)製DSC型入力補償型示差走査熱量測定装置EXSTAR6000で測定した。)と比重(メトラー・トレド製比重計AG204密度測定キットにより測定した。)を求めておき、その値をアルバック理工(株)製TC7000熱拡散率測定装置により求めた熱拡散率を掛け合わせることにより熱伝導率を求めた。なお、厚み方向の熱拡散率は、試料をカーボンスプレーを用いて黒化処理し、標準のサンプルホルダーを用いて測定した。また、平面方向の熱拡散率は、レーザーを照射するスポットと、赤外線を検出するスポットの間を5mm離すアダプターを作製し、試料にレーザーが照射されて赤外線が出るまでの時間と、その距離から算出した。
得られた試料から、5×20mmの試験片を切り出し、熱膨張率(現・(株)日立ハイテク製TMA7000型熱機械的分析装置で測定した。)を、室温〜250℃の範囲で求めた。温度の範囲は、測定する試料の耐熱性により適宜調整した。
重合性液晶化合物(3−1)の代わりに、液晶性を示さない市販のビスフェノールA型重合性化合物(jER828)を重合性化合物として用い、第1の無機フィラーAを0.5687g、第2の無機フィラーCを1.5084g使用し、それ以外は実施例1と同様に試料を作成し、評価した。その結果を実施例2とする。
実施例1で用いた物と同じ、重合性液晶化合物(3−1)と、第1の無機フィラーA、および硬化剤にアミン系硬化剤(4,4’−ジアミノ−1,2−ジフェニルエタン(和光純薬工業(株)製))を、樹脂成分(液晶性エポキシ成分+ジアミン成分)が15体積%になるように薬包紙上に量り取り、乳鉢を用いて混合したのち、2軸ロール(日東反応機(株)製HR−3)を用いて120℃で10分混練した。混合物を実施例1と同様にステンレス板に挟み、加熱プレスにより重合及び成形した。
実施例2で用いた物と同じ、液晶性を示さない市販のビスフェノールA型重合性化合物(jER828)と、第1の無機フィラーA、および硬化剤にアミン系硬化剤(4,4’−ジアミノ−1,2−ジフェニルエタン(和光純薬工業(株)製))を、樹脂成分が15体積%になるように薬包紙上に量り取り、乳鉢を用いて混合したのち、2軸ロール(日東反応機(株)製HR−3)を用いて120℃で10分混練した。混合物を実施例1と同様にステンレス板に挟み、加熱プレスにより重合及び成形した。
重合性液晶化合物と、液晶性を示さない市販のビスフェノールA型重合性化合物の両方を、モル比が1:1になるように混合した物を重合性化合物として用いた以外は、実施例1と同様に試料を作成し、熱膨張率を評価した。その結果を実施例3とする。
液晶性を示さない市販の1,4−ブタンジオールジグリシジルエーテル(東京化成工業(株)製)を重合性化合物として用いた以外は、実施例1と同様に試料を作成し、熱膨張率を評価した。その結果を実施例4とする。
一部のセラミックやグラファイトの材料では負の熱膨張率を持つ材料は見出されているが、有機・無機ハイブリッド材料でこのような例は無いので、放熱と熱膨張が問題になっているようなデバイスの部位に使用するのに好適であると考えられる。
重合性化合物には、重合性液晶化合物(3−1)を使用し、第1の無機フィラーAと同様に球状アルミナ((株)龍森製TS−6(LV))をシランカップリング剤で修飾した粉末と、第2の無機フィラーB(BNをシランカップリング剤と重合性液晶化合物で修飾した粉末)を、それぞれ0.5954gと1.6400g量り取り混合した。その粉末を実施例1と同様に重合・成形し、その熱伝導率と熱膨張率を評価した。
重合性化合物には、重合性液晶化合物(3−1)を使用し、第1の無機フィラーAと同様に板状アルミナ(キンセイマテック(株)製セラフYFA02025)をシランカップリング剤で修飾した粉末と、第2の無機フィラーB(BNをシランカップリング剤と重合性液晶化合物で修飾した粉末)を、それぞれ0.5954gと1.6400g量り取り混合した。その粉末を実施例1と同様に重合・成形し、その熱伝導率と熱膨張率を評価した。
重合性化合物には、重合性液晶化合物(3−1)を使用し、第1の無機フィラーAと同様に窒化アルミニウム粉末(トクヤマ(株)製、Hグレード)をシランカップリング剤で修飾した粉末と、第2の無機フィラーB(BNをシランカップリング剤と重合性液晶化合物で修飾した粉末)を、それぞれ0.0396gと0.4035g量り取り混合した。その粉末を実施例1と同様に重合・成形し、その熱伝導率と熱膨張率を評価した。
重合性化合物には、重合性液晶化合物(3−1)を使用し、第1の無機フィラーAと同様に窒化アルミニウム粉末(トクヤマ(株)製、Hグレード)をシランカップリング剤で修飾した粉末と、第2の無機フィラーB(BNをシランカップリング剤と重合性液晶化合物で修飾した粉末)を、それぞれ0.1230gと0.3510g量り取り混合した。その粉末を実施例1と同様に重合・成形し、その熱伝導率と熱膨張率を評価した。
また、実施例1から最も離れた構造の液晶性エポキシを用いた実施例11でも、負の熱膨張率が観察された。これは負の熱膨張率は、エポキシよりも無機フィラーの特性を引き継いでいるためと考えられる。実施例2の結果も鑑みると、本発明に使用されるエポキシ化合物の選定は、カップリング剤との反応性が高く、耐熱性があるものが望ましく、液晶性エポキシであれば、さらに熱伝導率が高く、その構造ゆえ耐熱性も高くなるので、使用するデバイスに必要とされる特性に合わせて、適宜選択することが望ましい。
<放熱部材の調製>
実施例1と同様に、BN粒子(PTX25、Momentive製)5.0gとN−(2−アミノエチル)−3−アミノプロピルトリメトキシシラン(S320、JNC(株)製)2.00gをトルエン(無水)50mLに加え、スターラーを用いて750rpmで1時間攪拌し、40℃で5時間、室温で19時間放置した。溶媒乾燥後に125℃に設定した真空乾燥機を用いて真空条件下で5時間加熱処理した。
このカップリング剤で修飾したBN粒子をサンプル管に移してTHF(ナカライテスク(株)製)50mLを加えたのち、超音波処理(BRANSON(株)製MODEL450)により粉砕した。さらに、この溶液を遠心分離機(日立工機(株)製CT6E)によって6000rpmで10分間の条件で分離精製した。上澄み液を捨てたのち、アセトン50mLを加えて同様の操作を二回行った。精製後のBN粒子を60℃のオーブン中で24時間放置して乾燥した。得られた粒子を、第1の無機フィラーDとする。
さらに、3−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン(S510、JNC(株)製)を用いて同様の操作を行い第2の無機フィラーEを得た。
さらに、2−(3,4−エポキシシクロへキシル)エチルトリメトキシシラン(S530、JNC(株)製)を用いて同様の操作を行い第2の無機フィラーFを得た。
上記無機フィラーD〜Fのシランカップリング剤に対する被服量はそれぞれ、実施例1と同様に、TG−DTA装置を用いて、600℃における加熱減量から算出した。
第1の無機フィラーDと、第2の無機フィラーEを所定の配合比で量り取り、メノウ乳鉢で混合したのち、実施例1と同様に10分間混練した。得られた混合物を圧縮成形機を用いて150℃で加熱した金型中に入れ、20分間配向処理し、後硬化を180℃で3時間行い試料とした。この試料のBNの割合は92体積%であった(実施例12)。
同様に第1の無機フィラーDと第2の無機フィラーFについても配向処理と後硬化を行い試料を得た。この試料のBNの割合は90%であった(実施例13)。
2 第2の無機フィラー
3、4 カップリング剤
5 重合性化合物
Claims (12)
- 第1のカップリング剤の一端と結合した熱伝導性の第1の無機フィラーと;
第2のカップリング剤の一端と結合した熱伝導性の第2の無機フィラーであって、前記第2のカップリング剤の他端にさらに2官能以上の重合性化合物が結合した第2の無機フィラーと;を含み、
硬化により、前記第1のカップリング剤の他端が、前記重合性化合物と結合する、
放熱部材用組成物。 - 前記第1の無機フィラーと前記第2の無機フィラーは、窒化物、または炭素材料である、
請求項1に記載の放熱部材用組成物。 - 前記第1の無機フィラーと前記第2の無機フィラーは、窒化ホウ素、炭化ホウ素、窒化ホウ素炭素、黒鉛、炭素繊維、カーボンナノチューブから選ばれる少なくとも一つである、
請求項2に記載の放熱部材用組成物。 - 前記第1の無機フィラーおよび前記第2の無機フィラーと異なる熱膨張率を持つ第3の無機フィラーであって、第3のカップリング剤の一端と結合した熱伝導性の第3の無機フィラー、または、重合性化合物が結合した第3のカップリング剤の一端と結合した熱伝導性の第3の無機フィラーをさらに含む、
請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の放熱部材用組成物。 - 前記第1の無機フィラーおよび前記第2の無機フィラーに結合していない、有機化合物または高分子化合物をさらに含む、
請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の放熱部材用組成物。 - 前記2官能以上の重合性化合物は、両末端にオキシラニル基またはオキセタニル基を含む構造を有する重合性化合物である、
請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の放熱部材用組成物。 - 前記2官能以上の重合性化合物は、下記式(1−1)で表される少なくとも1種の重合性液晶化合物である、
請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の放熱部材用組成物。
Ra1−Z−(A−Z)m1−Ra1 ・・・(1−1)
[上記式(1−1)中、
Ra1は、それぞれ下記式(2−1)〜(2−2)のいずれかで表される重合性基であり;
Aは、1,4−シクロヘキシレン、1,4−シクロヘキセニレン、1,4−フェニレン、ナフタレン−2,6−ジイル、テトラヒドロナフタレン−2,6−ジイル、フルオレン−2,7−ジイル、ビシクロ[2.2.2]オクト−1,4−ジイル、またはビシクロ[3.1.0]ヘキス−3,6−ジイルであり、
これらの環において、任意の−CH2−は、−O−で置き換えられてもよく、任意の−CH=は、−N=で置き換えられてもよく、任意の水素は、ハロゲン、炭素数1〜10のアルキル、または炭素数1〜10のハロゲン化アルキルで置き換えられてもよく、
該アルキルにおいて、任意の−CH2−は、−O−、−CO−、−COO−、−OCO−、−CH=CH−、または−C≡C−で置き換えられてもよく;
Zは、それぞれ独立して単結合、または炭素数1〜20のアルキレンであり、
該アルキレンにおいて、任意の−CH2−は、−O−、−S−、−CO−、−COO−、−OCO−、−CH=CH−、−CF=CF−、−CH=N−、−N=CH−、−N=N−、または−C≡C−で置き換えられてもよく、任意の水素はハロゲンで置き換えられてもよく;
m1は、1〜6の整数である。]
- 上記式(1−1)中、Aは、1,4−シクロヘキシレン、任意の水素がハロゲンで置き換えられた1,4−シクロヘキシレン、1,4−フェニレン、任意の水素がハロゲンもしくはメチル基で置き換えられた1,4−フェニレン、フルオレン−2,7−ジイル、または任意の水素がハロゲンもしくはメチル基で置き換えられたフルオレン−2,7−ジイルである、
請求項7に記載の放熱部材用組成物。 - 上記式(1−1)中、Zは、単結合、−(CH2)a−、−O(CH2)a−、−(CH2)aO−、−O(CH2)aO−、−CH=CH−、−C≡C−、−COO−、−OCO−、−CH=CH−COO−、−OCO−CH=CH−、−CH2CH2−COO−、−OCO−CH2CH2−、−CH=N−、−N=CH−、−N=N−、−OCF2−または−CF2O−であり、該aが1〜20の整数である、
請求項7または請求項8に記載の放熱部材用組成物。 - 請求項1〜請求項9のいずれか1項に記載の放熱部材用組成物を硬化させて得られる、
放熱部材。 - 請求項10に記載の放熱部材と;
発熱部を有する電子デバイスと;を備え、
前記放熱部材が前記発熱部に接触するように前記電子デバイスに配置された、
電子機器。 - 熱伝導性の第1の無機フィラーを、第1のカップリング剤の一端と結合させる工程と;
熱伝導性の第2の無機フィラーを、第2のカップリング剤の一端と結合させる工程と;
前記第2のカップリング剤の他端を、2官能以上の重合性化合物と結合させる工程と;
前記第1のカップリング剤の他端を、前記2官能以上の重合性化合物と結合させる工程と;を備える、
放熱部材の製造方法。
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