JP6902193B2 - 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2には、樹脂の熱伝導率を向上させる方法として、両末端に重合基を持つ液晶化合物を含む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、配向状態を保った状態で重合することにより、高熱伝導性の樹脂フィルムを得られる方法が開示されている。
そこで本発明は、耐熱性が高く熱伝導率も高い放熱部材を形成可能な組成物を提供することを課題とする。
例えば図2に示すように、硬化処理により、前記第1のカップリング剤11の他端と前記第2のカップリング剤12の他端がそれぞれ2官能以上のシルセスキオキサン21に結合することを特徴とする、または、
前記第1のカップリング剤と前記第2のカップリング剤の少なくとも1つがその構造中にシルセスキオキサンを含み、例えば図3に示すように、前記第1のカップリング剤13の他端と前記第2のカップリング剤12の他端が互いに結合することを特徴とする、放熱部材用組成物である。「一端」および「他端」とは、分子の形状の縁または端であればよく、分子の長辺の両端であってもなくてもよい。
このように構成すると、無機フィラー同士をカップリング剤およびシルセスキオキサン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極めて高い熱伝導性と、極めて高い耐熱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る放熱部材が得られる。
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の無機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ないが、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、シルセスキオキサンが熱硬化性であり、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。シルセスオキサンの骨格は耐熱性の観点から2次元構造または3次元構造を持つことが好ましく、ラダー型、かご型、ダブルデッカー型であることが、さらに好ましい。
このように構成すると、無機フィラー同士がカップリング剤と耐熱性の高いシルセスキオキサンで直接的に結合されるので、高分子のようにガラス転移が発現せず、熱分解もし難く、熱をカップリング剤とシルセスキオキサンを伝って直接フォノン振動により伝達できる複合部材が形成できる。
フェニルの置換基である炭素数1〜4のアルキルにおいて、任意の水素がフッ素で置き換えられてもよく、そして1つの−CH2−が−O−で置き換えられてもよく;
Xが独立して、炭素数1〜4のアルキル、炭素数1〜4のフッ素化アルキル、シクロペンチル、シクロヘキシル、任意の水素がハロゲンもしくは炭素数1〜4のアルキルで置き換えられてもよいフェニル、任意の水素がハロゲンもしくは炭素数1〜4のアルキルで置き換えられてもよいフェニルと炭素数1〜4のアルキレンとで構成されるフェニルアルキル、またはオキシラニル、オキシラニレン、無水コハク酸、もしくは3,4−エポキシシクロヘキシルを有する基であり、フェニルの置換基である炭素数1〜4のアルキルにおいて、任意の水素はフッ素で置き換えられてもよく、そして任意の−CH2−は−O−で置き換えられてもよく;そして、
式(a)、式(b)および式(c)のそれぞれにおいて、Xの少なくとも1つがオキシラニル、オキシラニレン、無水コハク酸、無水フタル酸、または3,4−エポキシシクロヘキシルを有する基である。
このように構成すると、放熱部材用組成物は、シルセスキオキサンとして、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。
フェニルの置換基である炭素数1〜4のアルキルにおいて、任意の水素はフッ素で置き換えられてもよく、そして1つの−CH2−が−O−で置き換えられてもよく;
式(a)、式(b)および式(c)のそれぞれにおいて、Xの1つがオキシラニル、オキシラニレン、無水コハク酸、無水フタル酸、または3,4−エポキシシクロヘキシルを有する基であって、残りのXが炭素数1〜4のアルキル、炭素数1〜4のフッ素化アルキル、シクロペンチル、シクロヘキシル、任意の水素がハロゲンもしくは炭素数1〜4のアルキルで置き換えられてもよいフェニル、任意の水素がハロゲンもしくは炭素数1〜4のアルキルで置き換えられてもよいフェニルと炭素数1〜4のアルキレンとで構成されるフェニルアルキルであり;
フェニルの置換基である炭素数1〜4のアルキルにおいて、任意の水素はフッ素で置き換えられてもよく、そして任意の−CH2−は−O−で置き換えられてもよい。
このように構成すると、放熱部材用組成物は、シルセスキオキサンとして、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。
式(a)、式(b)および式(c)のそれぞれにおいて、Xの1つがオキシラニル、オキシラニレン、無水コハク酸、無水フタル酸、または3,4−エポキシシクロヘキシルを有する基であり、そして残りのXがメチル、エチル、t−ブチル、シクロペンチル、シクロヘキシルまたはフェニルである。
このように構成すると、放熱部材用組成物は、シルセスキオキサンとして、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。
式(a)、式(b)および式(c)のそれぞれにおいて、Xの1つがオキシラニル、オキシラニレン、無水コハク酸、無水フタル酸、または3,4−エポキシシクロヘキシルを有する基であり、そして残りのXがメチルまたはフェニルである。
このように構成すると、放熱部材用組成物は、シルセスキオキサンとして、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、放熱部材は、無機フィラー間に結合を有し、この結合が通常の樹脂のように分子振動や相変化を起こさないため熱膨張の直線性が高く、さらに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、放熱部材が、耐熱性がよく熱膨張率を高温まで制御できるため、電子機器に生じ得る熱歪を抑制することができる。
前記第1のカップリング剤の他端と前記第2のカップリング剤の他端をそれぞれ2官能以上のシルセスキオキサンに結合させる工程;または、
前記第1のカップリング剤と前記第2のカップリング剤の少なくとも1つがその構造中にシルセスキオキサンを含み、前記第1のカップリング剤の他端と前記第2のカップリング剤の他端を互いに結合させる工程;をさらに備える。
このように構成すると、無機フィラー同士がカップリング剤とシルセスキオキサンで結合した放熱部材となる。
本発明の放熱部材用組成物は、硬化させることにより、無機フィラー同士をカップリング剤および2官能以上のシルセスキオキサンで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、2官能以上のシルセスキオキサンとの結合を形成できる。したがって、窒化ホウ素に結合したカップリング剤の他端と、窒化ホウ素に結合したカップリング剤にさらに結合したシルセスキオキサンの他端とを結合させることにより(図2参照)、窒化ホウ素同士を図1のように互いに結合させる。
このように、無機フィラー同士をカップリング剤およびシルセスキオキサンで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性を有し、無機成分の熱膨張率を直接反映させた複合材の作製が可能になる。
図2に示すように、放熱部材用組成物を硬化させると、第2のカップリング剤12の他端が、シルセスキオキサン21の他端と結合する。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、シランカップリング剤を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2官能以上のシルセスキオキサンとを有機合成技術を用いて反応させておいても良い。
2官能以上のシルセスキオキサンは、オキシラニル、オキシラニレン、無水コハク酸、無水フタル酸、または3,4−エポキシシクロヘキシルを有するかご型構造のシルセスキオキサンの少なくとも1つである。このかご型構造は、複数の環状シロキサンが閉じた空間を形成している構造であり、その閉じた空間の形状は特に限定されない。さらに本発明では、かご型構造の少なくとも1箇所以上が塞がれていない構造を有するシルセスキオキサン(例えばダブルデッカー型)やラダー型も包含する。
これらの式において、R2およびR4は炭素数1〜6のアルキレンである。このアルキレンにおける1つの−CH2−は−O−または1,4−フェニレンで置き換えられてもよい。そして、R 3 は水素または炭素数1〜6のアルキルである。
シルセスキオキサンとカップリング剤との結合を形成する官能基の組合せとしては、例えば、オキシラニルとアミノ、ビニル同士、メタクリロキシ同士、カルボキシまたはカルボン酸無水物残基とアミン、イミダゾールとオキシラニル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。
第1の無機フィラー、および第2の無機フィラーとしては、窒化物、炭化物、炭素材料、金属酸化物、ケイ酸塩鉱物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、窒化炭素ホウ素、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、アルミナ、シリカ、酸化マグネシウム、酸化亜鉛、酸化鉄、フェライト、ムライト、コーディエライト、窒化珪素、および炭化珪素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の無機フィラーとしては、熱伝導率が高い、熱膨張率が正、または第1、第2の無機フィラーよりもサイズが小さい等、アルミナ、シリカ、窒化ホウ素、炭化ホウ素、炭化珪素、窒化アルミニウム、窒化珪素、ダイアモンド、カーボンナノチューブ、黒鉛、グラフェン、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。
シルセスキオキサン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シルセスキオキサンの割合は、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。例えば、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。
硬化物である放熱部材中のシランカップリング剤とシルセスキオキサンと、無機成分との体積比率は、5:95〜30:70の範囲になることが望ましく、さらに望ましくは10:90〜25:75になることが望ましい。無機成分とは、シランカップリング剤処理などを行う前の無機原料のことである。
無機フィラーに結合させるカップリング剤は、2官能以上のシルセスキオキサンが有する官能基がオキシラニルや酸無水物等である場合は、それらの官能基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持つものが好ましい。例えば、JNC(株)製では、サイラエース(登録商標)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、2官能以上のシルセスキオキサンの末端がアミンであった場合には、オキシラニル等を末端に持つカップリング剤が好ましい。例えば、JNC(株)製では、サイラエース(登録商標)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。
第1のカップリング剤と第2のカップリング剤は、同一であってもよく異なったものでもよい。
なお、第1の無機フィラーは、あらかじめ2官能以上のシルセスキオキサン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。
2官能以上のシルセスキオキサンは、上記式(1)、(2)で示す2官能以上のシルセスキオキサンが好ましい。しかし、それ以外のシルセスキオキサンであってもよい。シルセスキオキサンが多環であると耐熱性が高くなり、直線性が高いと無機フィラー間の熱による伸びや揺らぎが少なく、さらに熱のフォノン伝導を効率よく伝えることができるため望ましい。なお、シルセスキオキサン等による表面修飾は、少なすぎるとフィラー間を結合する分子が少なすぎるため強度が低くなり、多すぎるとガラス転移温度が発現するなど樹脂の性質が強く出る。したがって、求められる特性によって、表面修飾量は適宜調整することが望ましい。
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シルセスキオキサン(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。このようなシルセスキオキサンとしては、無機フィラーの熱硬化を妨げず、加熱により蒸発やブリードアウトがないものが好ましい。または、無機フィラーに結合していない他の重合性化合物を構成要素としてもよい。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、その空隙を埋められる量の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、無機フィラー、カップリング剤、およびシルセスキオキサンと反応しない高分子化合物であればよく、例えばシルセスキオキサンがオキシラニルでシランカップリング剤がアミノを持つ場合は、ポリオレフィン系樹脂、ポリビニル系樹脂、シリコーン樹脂、ワックスなどが挙げられる。含有量は、まず結合していない高分子化合物を含まない、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)(2)と液晶性化合物との複合材(composite materials)を得ることができる。このような複合材では、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。よって、使用する温度領域で流動性がないような特性を持つ液晶性化合物が望ましい。無機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、無機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、無機フィラー同士を重合させてもよい。
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、例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。特に無機フィラーが紫外線を吸収してしまうので、熱ラジカル重合開始剤が好ましい。
熱ラジカル重合用の好ましい開始剤としては、例えば、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、例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。または、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、例えば、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、例えば、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、ガラスファイバー、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ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、および該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。
(1)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2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。
(2)シルセスキオキサンで修飾する
カップリング処理を施した無機フィラー(上記第2の無機フィラーと同じであってもよく、異なっていてもよい)の、カップリング剤の他端に2官能以上のシルセスキオキサンを結合させる。このようにシルセスキオキサンで修飾した無機フィラーを第1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2官能以上のシルセスキオキサンを、メノウ乳鉢等を用いて混合したのち、2本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。
(3)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重量比で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本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の無機フィラー間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の無機フィラー間の結合を形成する末端の結合基の数により決定し、例えば2級アミンであれば2個のオキシラニルと反応できるため、オキシラニル側に比べて少量で良く、オキシラニル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。
(4)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、例えば、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、例えば、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。
図3に示すように、放熱部材用組成物を硬化させると、第1のカップリング剤13の他端が、第2のカップリング剤12の他端と結合する。
このように、カップリング剤同士の結合により、無機フィラー間の結合を形成してもよい。例えば、第1の無機フィラーをアミノを有するシランカップリング剤でカップリング処理する。第2の無機フィラーをエポキシを有するシランカップリング剤でカップリング処理する。最後に第1の無機フィラー側のアミノと第2の無機フィラー側のエポキシとを結合させる。このように、第1の無機フィラーに結合したカップリング剤と第2の無機フィラーに結合したカップリング剤は、カップリング剤同士を結合させる官能基をそれぞれ有する。第1の無機フィラー側の官能基と第2の無機フィラー側の官能基は、カップリング剤同士の結合が可能になる限り、異なるものの組合せでもよく、同一のものの組合せでもよい。
カップリング剤同士の結合を形成する官能基の組合せとしては、例えば、オキシラニルとアミノ、ビニル同士、メタクリロキシ同士、カルボキシまたはカルボン酸無水物残基とアミノ、イミダゾールとオキシラニル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。
(1)2官能以上のシルセスキオキサンを得る
2官能以上のシルセスキオキサンを得る。2官能以上のシルセスキオキサンは、両末端に官能基を有するものが好ましい。上記式(1)、(2)で示す2官能以上のシルセスキオキサンであってもよい。シルセスキオキサンの長辺の両端に官能基を有すると、カップリング剤による直線的な結合(架橋)を形成できるため好ましい。
例えば、両末端にビニル基を有する下記式(4−1)を挙げることができる。
2官能以上のシルセスキオキサンは、合成してもよく市販品を購入してもよい。
式(4−1)において、Meはメチルを示し、Phはフェニルを示す。
例えば、重合性基としてエポキシを導入する場合を説明する。上記式(4−1)の両末端にエポキシを導入(エポキシ化)し下記式(4−4)を生成する反応において、当該反応を途中で止めることにより、中間生成物として、どちらか1の末端にエポキシを有する下記式(4−2)、(4−3)を得ることができる。生成した下記式(4−2)(4−3)は、溶媒に溶解し、分離機を用いて分離した後、溶媒を除去することにより得ることができる。このように、中間生成物を取り出すことにより、どちらか1の末端に所望の重合性基を導入させる。
式(4−2)〜(4−4)において、Meはメチルを示し、Phはフェニルを示す。
シルセスキオキサンの未反応の末端にアルコキシを有するケイ素化合物を結合させる。
例えば、上記式(4−2)、(4−3)の未反応の官能基(ビニル)側にトリメトキシシリルを導入する。下記式(5−1)、(5−2)を参照。なお、Siの導入はトリエトキシシリルの導入であってもよい。しかし、メトキシシランとエトキシシランでは、反応性が高いメトキシシランの方が好ましい。
また、一部のメトキシもしくはエトキシは炭素数1〜8の直鎖もしくは分岐したアルキルで置換されてもよい。例えばメチル、エチル、n−プロピル、i−プロピル、n−ブチル、s−ブチル、t−ブチル、n−オクチルなどの基が挙げられる。
式(5−1)、(5−2)において、Meはメチルを示し、Phはフェニルを示す。
また、上記のような長鎖の化合物にヒドロシリル化反応を用いてSiを導入してもよいが、長鎖の化合物を、まず左半分と右半分で別々に合成し、左半分にはヒドロシリル化反応を用いてSiを導入し、右半分には重合性基を導入した後に、左半分と右半分をつなぐことにより、構造中にシルセスキオキサンを含むシランカップリング剤を合成してもよい。
本発明の第2の実施の形態に係る放熱部材は、放熱部材用組成物を硬化させ、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にすることができ、耐熱性、化学的安定性、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。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、発熱部または冷却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てもよい。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。または、放熱部材は、金型などを使用して3次元構造に成型し、精密機械の熱膨張が問題となる部品に使用してもよい。
例えば、電子デバイスとして、半導体モジュールを挙げることができる。低熱膨張部材は、低熱膨張性に加え、高熱伝導性、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は半導体素子の一つで、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。
さらには、カップリング処理後さらにシルセスキオキサン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シルセスキオキサン同士を結合させて、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、さらに耐熱性を向上させたものである。
・シルセスキオキサン1:下記式(6−1)で示される化合物(JNC(株)製)
該化合物は、特許第5013127号公報に記載の方法で合成することができる。
式(6−1)において、Meはメチルを示し、Phはフェニルを示す。
該化合物は、特許第5408597号公報に記載の方法で合成することができる。
式(6−2)において、Meはメチルを示し、Phはフェニルを示す。
該化合物は、特許第5408597号公報に記載の方法で合成することができる。
式(6−3)において、Meはメチルを示し、Phはフェニルを示す。
該化合物は、特許第4379120号公報に記載の方法で合成することができる。
式(6−4)において、Meはメチルを示し、Phはフェニルを示す。
該化合物は、特許第4483344号公報に記載の方法で合成することができる。
式(6−5)において、Meはメチルを示し、Phはフェニルを示す。
・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1:下記式(8−1)で示される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(JNC(株)製、(商品名)S320)
・アミン系硬化剤:4,4’−ジアミノ−1,2−ジフェニルエタン(JNC(株)製)
<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とシランカップリング剤1を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2の無機フィラー(BN)とした。
作製した第2の無機フィラーを0.0346gと第1の無機フィラーを0.691gとを測り取り、メノウ乳鉢で混合したのち、2本ロールを用いて55℃で10分間混合した。
得られた混合物を酸化されないように金枠を用いて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させた。試料の厚みが約200μmになるように、金枠と試料の量を調整した。
得られた前硬化済みの試料を、真空オーブンを用いて80℃で1時間、150℃で3時間硬化を行い、得られた試料の熱膨張率と熱伝導率を求めた。
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。
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。
シルセスキオキサン2をシルセスキオキサン1の代わりに使用したほかは、実施例1と同様に試料を作製し、測定を行った。
シルセスキオキサン3をシルセスキオキサン1の代わりに使用したほかは、実施例1と同様に試料を作製し、測定を行った。
シルセスキオキサン4をシルセスキオキサン1の代わりに使用したほかは、実施例1と同様に試料を作製し、測定を行った。
実施例1における第2の無機フィラーと同様に作製した、第2の無機フィラーと、シルセスキオキサン5(式(6−5)で示される化合物)を、それぞれ2.00gと3.00g薬包紙上に測り取り、乳鉢を用いて混合したのち、2本ロールを用いて160℃で10分混練した。その後、超音波処理および遠心分離によって分離精製し、未反応成分を取り除いたシルセスキオキサン5修飾BN粒子を得た。この粒子を、第1の無機フィラーとした。予備実験の結果、エポキシに比べコハク酸無水物の方が反応に必要な温度が高かったため、これらのフィラーを用いて、前硬化時間を20分に延長し、後硬化温度を185℃に変更した以外は実施例1と同様に試料を作製し、測定を行った。
BN5.0gとシランカップリング剤2(KBM903)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。さらに、このBN粒子を、実施例1の第2の無機フィラーと同様に精製し乾燥した。
作製したシランカップリング剤2修飾BN粒子と液晶性エポキシ化合物(7−1)と、アミン系硬化剤を、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本ロール(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。
2 第2の無機フィラー
11 第1のシランカップリング剤
12 第2のシランカップリング剤
13 第1のシランカップリング剤、シルセスキオキサンを含有するシランカップリング剤
21 シルセスキオキサン
Claims (19)
- 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の無機フィラーと;を含み、
硬化処理により、
前記第1のカップリング剤の他端と前記第2のカップリング剤の他端がそれぞれ2官能以上のシルセスキオキサンに結合することを特徴とする、または、
前記第1のカップリング剤と前記第2のカップリング剤の少なくとも1つがその構造中にシルセスキオキサンを含み、前記第1のカップリング剤の他端と前記第2のカップリング剤の他端が互いに結合することを特徴とする、
放熱部材用組成物。 - 前記第1の無機フィラーと前記第2の無機フィラーが、窒化物、金属酸化物、珪酸塩化合物、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の無機フィラーが、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、炭化ホウ素、窒化炭素ホウ素、黒鉛、炭素繊維、カーボンナノチューブ、アルミナ、コーディエライトから選ばれる少なくとも一つである、
請求項1または請求項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;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官能以上のシルセスキオキサンが、オキシラニル、オキシラニレン、無水コハク酸、無水フタル酸、もしくは3,4−エポキシシクロヘキシルを有するシルセスキオキサンである、
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官能以上のシルセスキオキサンが、式(1)および式(2)のそれぞれで表される化合物の群から選択される化合物である、
請求項6に記載の放熱部材用組成物。
[ここに、Rは独立して、炭素数1〜45のアルキル、炭素数4〜8のシクロアルキル、アリール、またはアリールアルキルであり;炭素数1〜45のアルキルにおいて、任意の水素はフッ素で置き換えられてもよく、そして任意の−CH2−は−O−または−CH=CH−で置き換えられてもよく;アリールおよびアリールアルキル中のベンゼン環において、任意の水素はハロゲンまたは炭素数1〜10のアルキルで置き換えられてもよく;この炭素数1〜10のアルキルにおいて、任意の水素はフッ素で置き換えられてもよく、そして任意の−CH2−は−O−または−CH=CH−で置き換えられてもよく;アリールアルキル中のアルキレンにおいて、炭素原子の数は1〜10であり、そして任意の−CH2−は−O−で置き換えられてもよく;そして、Y1はそれぞれ独立して式(a)で表される基である。]
[ここに、Xは独立して、シクロペンチル、シクロヘキシル、任意の水素がフッ素で置き換えられてもよく、そして1つの−CH2−が−O−で置き換えられてもよい炭素数1〜10のアルキル、任意の水素がハロゲンもしくは炭素数1〜10のアルキルで置き換えられてもよいフェニル、任意の水素がハロゲンもしくは炭素数1〜10のアルキルで置き換えられてもよいフェニルと炭素数1〜4のアルキレンとで構成されるフェニルアルキル、またはオキシラニル、オキシラニレン、無水コハク酸、無水フタル酸、もしくは3,4−エポキシシクロヘキシルを有する基であり;フェニルの置換基である炭素数1〜10のアルキルにおいて、任意の水素はフッ素で置き換えられてもよく、そして任意の−CH2−は−O−で置き換えられてもよく;フェニルアルキルのアルキレンにおいて、1つの−CH2−は−O−で置き換えられてもよく;そして、Xの少なくとも1つはオキシラニル、オキシラニレン、無水コハク酸、無水フタル酸、または3,4−エポキシシクロヘキシルを有する基である。]
[ここに、Rは式(1)におけるRと同じ意味を有し、Y2は式(b)で表される基または式(c)で表される基である。]
[ここに、式(b)および式(c)のそれぞれにおいて、Xは式(a)におけるXと同じ意味を有し、そして式(c)におけるZは−O−、−CH2−または単結合である。] - 式(1)および式(2)において、Rが独立して、シクロヘキシル、任意の水素がハロゲンもしくは炭素数1〜4のアルキルで置き換えられてもよいフェニル、または任意の水素がハロゲンもしくは炭素数1〜4のアルキルで置き換えられてもよいフェニルと炭素数1〜4のアルキレンとで構成されるフェニルアルキルであり;
フェニルの置換基である炭素数1〜4のアルキルにおいて、任意の水素がフッ素で置き換えられてもよく、そして1つの−CH2−が−O−で置き換えられてもよく;
Xが独立して、炭素数1〜4のアルキル、炭素数1〜4のフッ素化アルキル、シクロペンチル、シクロヘキシル、任意の水素がハロゲンもしくは炭素数1〜4のアルキルで置き換えられてもよいフェニル、任意の水素がハロゲンもしくは炭素数1〜4のアルキルで置き換えられてもよいフェニルと炭素数1〜4のアルキレンとで構成されるフェニルアルキル、またはオキシラニル、オキシラニレン、無水コハク酸、無水フタル酸、もしくは3,4−エポキシシクロヘキシルを有する基であり、フェニルの置換基である炭素数1〜4のアルキルにおいて、任意の水素はフッ素で置き換えられてもよく、そして任意の−CH2−は−O−で置き換えられてもよく;そして、
式(a)、式(b)および式(c)のそれぞれにおいて、Xの少なくとも1つがオキシラニル、オキシラニレン、無水コハク酸、無水フタル酸、または3,4−エポキシシクロヘキシルを有する基である、
請求項7に記載の放熱部材用組成物。 - 式(1)および式(2)において、Rがシクロヘキシル、任意の水素がハロゲンもしくは炭素数1〜4のアルキルで置き換えられてもよいフェニル、または任意の水素がハロゲンもしくは炭素数1〜4のアルキルで置き換えられてもよいフェニルと炭素数1〜4のアルキレンとで構成されるフェニルアルキルであり;
フェニルの置換基である炭素数1〜4のアルキルにおいて、任意の水素はフッ素で置き換えられてもよく、そして1つの−CH2−が−O−で置き換えられてもよく;
式(a)、式(b)および式(c)のそれぞれにおいて、Xの1つがオキシラニル、オキシラニレン、無水コハク酸、無水フタル酸、または3,4−エポキシシクロヘキシルを有する基であって、残りのXが炭素数1〜4のアルキル、炭素数1〜4のフッ素化アルキル、シクロペンチル、シクロヘキシル、任意の水素がハロゲンもしくは炭素数1〜4のアルキルで置き換えられてもよいフェニル、任意の水素がハロゲンもしくは炭素数1〜4のアルキルで置き換えられてもよいフェニルと炭素数1〜4のアルキレンとで構成されるフェニルアルキルであり;
フェニルの置換基である炭素数1〜4のアルキルにおいて、任意の水素はフッ素で置き換えられてもよく、そして任意の−CH2−は−O−で置き換えられてもよい、
請求項7または請求項8に記載の放熱部材用組成物。 - 式(1)および式(2)において、Rがシクロヘキシルまたはフェニルであり;
式(a)、式(b)および式(c)のそれぞれにおいて、Xの1つがオキシラニル、オキシラニレン、無水コハク酸、無水フタル酸、または3,4−エポキシシクロヘキシルを有する基であり、そして残りのXがメチル、エチル、t−ブチル、シクロペンチル、シクロヘキシルまたはフェニルである、
請求項7〜請求項9のいずれか1項に記載の放熱部材用組成物。 - 式(1)および式(2)において、Rがフェニルであり;
式(a)、式(b)および式(c)のそれぞれにおいて、Xの1つがオキシラニル、オキシラニレン、無水コハク酸、無水フタル酸、または3,4−エポキシシクロヘキシルを有する基であり、そして残りのXがメチルまたはフェニルである、
請求項7〜請求項10のいずれか1項に記載の放熱部材用組成物。 - 請求項1〜請求項16のいずれか1項に記載の放熱部材用組成物が硬化した、
放熱部材。 - 請求項17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;を備え、さらに、
前記第1のカップリング剤の他端と前記第2のカップリング剤の他端をそれぞれ2官能以上のシルセスキオキサンに結合させる工程;または、
前記第1のカップリング剤と前記第2のカップリング剤の少なくとも1つがその構造中にシルセスキオキサンを含み、前記第1のカップリング剤の他端と前記第2のカップリング剤の他端を互いに結合させる工程;を備える、
放熱部材用組成物の製造方法。
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