JP7276493B2 - 熱伝導性シリコーン組成物及びその製造方法 - Google Patents

熱伝導性シリコーン組成物及びその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、高熱伝導性を有し、且つ、耐ズレ性に優れた熱伝導性シリコーン組成物及びその製造方法に関する。
一般に電気・電子部品は使用中に熱が発生するので、電気部品を適切に動作させるため除熱が必要であり、除熱用の種々の熱伝導性材料が提案されている。この熱伝導性材料は大別して、1)取り扱いが容易なシート状のもの、2)ペースト状のもの、との2種類の形態がある。
シート状のものは、取り扱いが容易であり、且つ安定性に優れるメリットがあるが、接触熱抵抗が性質上大きくなるため、放熱性能はペースト状のものに劣ってしまう。また、シート状を保たせるためにある程度の強度/硬さが必要となり、電気・電子部品素子と放熱部材の間に生じる公差を吸収できず、それら応力によって素子を破壊してしまうこともある。
一方、ペースト状のものは、塗布装置等を用いれば、大量生産にも適応できるし、接触熱抵抗が低いことから放熱性能は優れる。但し、スクリーン印刷等で大量生産する場合、そのペーストの粘度は低い方がよいが、粘度が低い場合、素子の冷熱衝撃等でそのペーストがズレてしまい(ポンプアウト現象)、除熱が十分できないため、その結果素子が誤作動を起こしてしまうようなことがあった。また、過去の技術として以下のようなシリコーン組成物などが提案されているが、更に十分な性能を与え、耐ズレ性に優れた熱伝導性シリコーン組成物が求められていた。
特許第3948642号公報 特許第3195277号公報 特開2000-169873号公報 特開2006-143978号公報 特開2004-210856号公報 特開2005-162975号公報 特許第5300408号公報 特許第4796704号公報 特許第3541390号公報 特許第4130091号公報 特許第5388329号公報
本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、高い熱伝導率を有し、作業性、耐ズレ性に優れる熱伝導性シリコーン組成物及びその製造方法を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討した結果、シリコーンゲル架橋物、特定のシリコーンオイル、特に片末端加水分解性オルガノポリシロキサン、アルミニウム粉末、特に特定のアルミニウム粉末混合物、及び酸化亜鉛粉末を含有し、更に揮発性溶剤、特に沸点80~360℃のイソパラフィン系溶剤を含有する熱伝導性シリコーン組成物が、高い熱伝導率を有しながら、作業性、耐ポンプアウト性の両立を達成し得ることを見出し、本発明をなすに至ったものである。
従って、本発明は下記熱伝導性シリコーン組成物及びその製造方法を提供する。
〔1〕
(A)シリコーンゲル架橋物、
(B)脂肪族不飽和結合及びSiH基をそれぞれ含有せず、下記(C)、(D)成分の表面処理剤としてのシリコーンオイル、
(C)下記(C-1)~(C-3)を含むアルミニウム粉末:(A)、(B)成分の合計100質量部に対して800~2,000質量部、
(C-1)平均粒径が40μm以上100μm以下であるアルミニウム粉末:(C)成分中30~70質量%となる量、
(C-2)平均粒径が6μm以上40μm未満であるアルミニウム粉末:(C)成分中10~60質量%となる量、
(C-3)平均粒径が0.4μm以上6μm未満であるアルミニウム粉末:(C)成分中10~60質量%となる量、
(D)平均粒径が0.1~10μmである酸化亜鉛粉末:(A)、(B)成分の合計100質量部に対して50~500質量部、及び
(E)揮発性溶剤:(A)、(B)成分の合計100質量部に対して10~300質量部
を含有する熱伝導性シリコーン組成物。
〔2〕
(B)成分が、下記一般式(1)で表される片末端加水分解性オルガノポリシロキサンからなるシリコーンオイル(B-1)を含み、(B)成分の配合量が、(A)、(B)成分の合計量の10~90質量%となる量である〔1〕に記載の熱伝導性シリコーン組成物。
Figure 0007276493000001
(式中、R1はそれぞれ独立に、炭素数1~6のアルキル基を表し、R2は炭素数1~18の脂肪族不飽和結合を有しない非置換又は置換の1価炭化水素基の群の中から選択される1種もしくは2種以上の基を表し、aは5~120の整数である。)
〔3〕
(A)成分が、下記(F)成分と(G)成分とのシリコーンゲル架橋物を含むものである〔1〕又は〔2〕に記載の熱伝導性シリコーン組成物。
(F)下記平均組成式(2)
3 b4 cSiO(4-b-c)/2 (2)
(式中、R3はアルケニル基を表し、R4は脂肪族不飽和結合を有しない非置換又は置換の1価炭化水素基を表し、bは0.0001~0.2の数であり、cは1.7~2.2の数であり、但しb+cは1.9~2.4を満たす数である。)
で表されるケイ素原子に結合したアルケニル基を1分子中に少なくとも1個有するオルガノポリシロキサン、
(G)分子鎖非末端にケイ素原子に結合した水素原子を1分子中に少なくとも4個有し、下記式(3)
0.1<α/β (3)
(式中、αは分子鎖非末端のケイ素原子に結合した水素原子の数を表し、βは(G)成分中の全ケイ素原子数を表す。)
を満たすオルガノハイドロジェンポリシロキサン。
〔4〕
(B)成分が、更に(B-2)25℃における動粘度が10~500,000mm2/sである無官能性液状シリコーンオイルを、(B)成分中10~70質量%含有する〔1〕~〔3〕のいずれかに記載の熱伝導性シリコーン組成物。
〔5〕
(E)成分が、沸点80~360℃のイソパラフィン系溶剤である〔1〕~〔4〕のいずれかに記載の熱伝導性シリコーン組成物。
〔6〕
(A)シリコーンゲル架橋物、
(B)脂肪族不飽和結合及びSiH基をそれぞれ含有せず、下記(C)、(D)成分の表面処理剤としてのシリコーンオイル、
(C)下記(C-1)~(C-3)を含むアルミニウム粉末:(A)、(B)成分の合計100質量部に対して800~2,000質量部、
(C-1)平均粒径が40μm以上100μm以下であるアルミニウム粉末:(C)成分中30~70質量%となる量、
(C-2)平均粒径が6μm以上40μm未満であるアルミニウム粉末:(C)成分中10~60質量%となる量、
(C-3)平均粒径が0.4μm以上6μm未満であるアルミニウム粉末:(C)成分中10~60質量%となる量、
(D)平均粒径が0.1~10μmである酸化亜鉛粉末:(A)、(B)成分の合計100質量部に対して50~500質量部、及び
(E)揮発性溶剤:(A)、(B)成分の合計100質量部に対して10~300質量部
を混合する工程を有する熱伝導性シリコーン組成物の製造方法。
本発明の熱伝導性シリコーン組成物は、高い熱伝導率を有しながら、高い作業性、耐ポンプアウト性の向上が認められる。
以下、本発明について詳述する。
[(A)成分]
(A)成分のシリコーンゲル架橋物は、本発明の熱伝導性シリコーン組成物のマトリックスとして使用される。(A)成分は、下記(F)成分と(G)成分を(H)成分の存在下でハイドロシリル化反応(付加反応)させることによって得られるものが好ましい。
(F)下記平均組成式(2)
3 b4 cSiO(4-b-c)/2 (2)
(式中、R3はアルケニル基を表し、R4は脂肪族不飽和結合を有しない非置換又は置換の1価炭化水素基を表し、bは0.0001~0.2の数であり、cは1.7~2.2の数であり、但しb+cは1.9~2.4を満たす数である。)
で表されるケイ素原子に結合したアルケニル基を1分子中に少なくとも1個有するオルガノポリシロキサン、
(G)分子鎖非末端にケイ素原子に結合した水素原子を1分子中に少なくとも4個有し、下記式(3)
0.1<α/β (3)
(式中、αは分子鎖非末端のケイ素原子に結合した水素原子の数を表し、βは(G)成分中の全ケイ素原子数を表す。)
を満たすオルガノハイドロジェンポリシロキサン、
(H)白金系触媒。
[(F)成分]
(F)成分は、(A)成分の主剤となる成分である。(F)成分は、上記平均組成式(2)で表される1分子中にケイ素原子に結合したアルケニル基(以下、「ケイ素原子結合アルケニル基」という)を少なくとも1個有するオルガノポリシロキサンである。前記アルケニル基は、1分子中に、少なくとも2個有することが好ましく、2~50個有することがより好ましく、2~20個有することが特に好ましい。これらのアルケニル基は、分子鎖末端のケイ素原子に結合していても、分子鎖非末端(即ち、分子鎖両末端以外)のケイ素原子に結合していても、あるいはそれらの組み合わせであってもよい。
上記式(2)中、R3は、通常、炭素数が2~6、好ましくは2~4のアルケニル基を表す。その具体例としては、ビニル基、アリル基、プロペニル基、イソプロペニル基、ブテニル基、イソブテニル基等の低級アルケニル基が挙げられ、ビニル基が好ましい。
4は、通常、炭素数が1~10、好ましくは1~6の脂肪族不飽和結合を有しない非置換又は置換の1価炭化水素基を表す。その具体例としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、tert-ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、シクロヘキシル基、オクチル基、デシル基等のアルキル基;フェニル基、トリル基等のアリール基;ベンジル基、フェニルエチル基等のアラルキル基;これらの基の水素原子の一部又は全部が、フッ素、塩素等のハロゲン原子で置換されたクロロメチル基、3,3,3-トリフルオロプロピル基等が挙げられるが、合成の容易さ等の観点から、メチル基、フェニル基、3,3,3-トリフルオロプロピル基が好ましい。
上記式(2)中、b、c、b+cの値は上述した通りであるが、bは0.0005~0.1の数であることが好ましく、cは1.9~2.0の数であることが好ましく、b+cは1.95~2.05を満たす数であることが好ましい。
(F)成分のオルガノポリシロキサンの分子構造は、特に限定されず、直鎖状;分子鎖の一部にR3SiO3/2単位、R4SiO3/2単位、SiO2単位(式中、R3及びR4で表される基は、上記で定義した通りである。)等を含む分岐状;環状;三次元網状(樹脂状)等のいずれでもよいが、通常、主鎖が基本的にジオルガノシロキサン単位の繰り返しからなり、分子鎖両末端がトリオルガノシロキシ基で封鎖された直鎖状のジオルガノポリシロキサンである。
(F)成分のオルガノポリシロキサンの動粘度は、好ましくは25℃において50~100,000mm2/sであり、より好ましくは100~10,000mm2/sである。この動粘度が50~100,000mm2/sである場合には、得られる硬化物は、流動性、作業性により優れたものとなる。なお、本発明において、動粘度は、オストワルド粘度計による25℃における値である(以下、同じ)。
(F)成分のオルガノポリシロキサンとしては、例えば、下記一般式(4)
Figure 0007276493000002
(式中、R5はそれぞれ独立に、非置換又は置換の1価炭化水素基を表し、但しR5の少なくとも1個、好ましくは2個以上がアルケニル基であり、dは20~2,000の整数である。)
で表されるものが挙げられる。
この式(4)中、R5で表される非置換又は置換の1価炭化水素基は、前記R3(アルケニル基)及びR4(脂肪族不飽和結合を有しない非置換又は置換の1価炭化水素基)で定義したものと同じであり、その炭素数、具体例等も同じである。また、dは好ましくは40~1,200の整数、より好ましくは50~600の整数である。
上記式(4)で表されるオルガノポリシロキサンの具体例としては、分子鎖両末端ジメチルビニルシロキシ基封鎖ジメチルポリシロキサン、分子鎖片末端トリメチルシロキシ基・片末端ジメチルビニルシロキシ基封鎖ジメチルポリシロキサン、分子鎖両末端トリメチルシロキシ基封鎖ジメチルシロキサン・メチルビニルシロキサン共重合体、分子鎖片末端トリメチルシロキシ基・片末端ジメチルビニルシロキシ基封鎖ジメチルシロキサン・メチルビニルシロキサン共重合体、分子鎖両末端ジメチルビニルシロキシ基封鎖ジメチルシロキサン・メチルビニルシロキサン共重合体、分子鎖両末端ジメチルビニルシロキシ基封鎖ジメチルシロキサン・ジフェニルシロキサン共重合体等が挙げられる。
(F)成分のオルガノポリシロキサンは、1種単独で用いても2種以上を併用してもよい。
[(G)成分]
(G)成分は、上記(F)成分と反応して、架橋剤として作用するものである。(G)成分は、分子鎖非末端にケイ素原子に結合した水素原子(即ち、SiH基であり、以下、「ケイ素原子結合水素原子」という)が1分子中に3個以下だと十分な耐ズレ性が発揮できないため、少なくとも4個有していることが必要であり、且つ、下記式(3)
0.1<α/β (3)
(式中、αは分子鎖非末端のケイ素原子に結合した水素原子の数を表し、βは(G)成分中の全ケイ素原子数を表す。)
を満たすオルガノハイドロジェンポリシロキサンである。
上記α/βの範囲が0.1以下と小さい場合、本組成物の耐ズレ性が悪くなることから、0.1<α/βであることも同時に必要である。この場合、α/βは好ましくは0.11以上、特に0.12以上であり、その上限は特に制限されないが、0.95以下、特に0.90以下であることが好ましい。
(G)成分の分子構造は、上記要件を満たすものであれば特に限定されず、従来公知の、例えば、直鎖状、環状、分岐状、三次元網状(樹脂状)等のいずれであってもよい。中でも、取り扱い作業性、及び(F)成分を架橋して得られる硬化物の耐ズレ性の観点から、1分子中のケイ素原子数(又は重合度)が、通常、3~1,000個、好ましくは5~400個、より好ましくは10~300個、更に好ましくは10~100個、特に好ましくは10~60個のものが望ましい。
(G)成分のオルガノハイドロジェンポリシロキサンの動粘度は、通常、1~10,000mm2/s、好ましくは3~5,000mm2/s、より好ましくは5~3,000mm2/sであり、室温(25℃)で液状のものが望ましい。
(G)成分のオルガノハイドロジェンポリシロキサンとしては、例えば、下記平均組成式(5)で表されるものが好ましい。
6 efSiO(4-e-f)/2 (5)
(式中、R6は脂肪族不飽和結合を有しない非置換又は置換の1価炭化水素基を表し、eは0.7~2.2の数であり、fは0.001~0.5の数であり、但しe+fは0.8~2.5を満たす数である。)
上記式(5)中、R6は、通常、炭素数が1~10、好ましくは1~6の脂肪族不飽和結合を有しない非置換又は置換の1価炭化水素基である。その具体例としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、tert-ブチル基、ペンチル基、ネオペンチル基、へキシル基、シクロヘキシル基、オクチル基、ノニル基、デシル基等のアルキル基;フェニル基、トリル基、キシリル基、ナフチル基等のアリール基;ベンジル基、フェニルエチル基、フェニルプロピル基等のアラルキル基;これらの基の水素原子の一部又は全部が、フッ素、塩素等のハロゲン原子で置換された3,3,3-トリフルオロプロピル基等が挙げられ、好ましくはアルキル基、アリール基、3,3,3-トリフルオロプロピル基であり、より好ましくはメチル基、フェニル基、3,3,3-トリフルオロプロピル基である。
上記式(5)中、e、f、e+fは上述した通りであるが、eは0.9~2.1の数であることが好ましく、fは0.002~0.2の数、特に0.005~0.1の数であることが好ましく、e+fは1.0~2.3、特に1.5~2.2を満たす数であることが好ましい。
上記式(5)で表されるオルガノハイドロジェンポリシロキサンの分子構造は、特に限定されず、直鎖状、環状、分岐状、三次元網状(樹脂状)等のいずれであってもよい。中でも、1分子中のケイ素原子数及び動粘度が上述した範囲を満たすもので、特には直鎖状のものが好ましい。
上記式(5)で表されるオルガノハイドロジェンポリシロキサンの具体例としては、分子鎖両末端トリメチルシロキシ基封鎖ジメチルシロキサン・メチルハイドロジェンシロキサン共重合体、分子鎖両末端トリメチルシロキシ基封鎖メチルハイドロジェンポリシロキサン、分子鎖両末端ジメチルハイドロジェンシロキシ基封鎖ジメチルシロキサン・メチルハイドロジェンシロキサン共重合体、分子鎖両末端ジメチルハイドロジェンシロキシ基封鎖メチルハイドロジェンシロキサン・ジメチルシロキサン・ジフェニルシロキサン共重合体、分子鎖片末端ジメチルハイドロジェンシロキシ基・片末端トリメチルシロキシ基封鎖ジメチルシロキサン・メチルハイドロジェンシロキサン共重合体、分子鎖片末端ジメチルハイドロジェンシロキシ基・片末端トリメチルシロキシ基封鎖メチルハイドロジェンシロキサン・ジメチルシロキサン・ジフェニルシロキサン共重合体、(CH32HSiO1/2単位と(CH33SiO1/2単位と(CH3)HSiO2/2単位とSiO4/2単位とからなる共重合体、(CH32HSiO1/2単位と(CH33SiO1/2単位と(CH3)HSiO2/2単位と(CH32SiO2/2単位とSiO4/2単位とからなる共重合体、(CH32HSiO1/2単位と(CH3)HSiO2/2単位と(CH32SiO2/2単位とSiO4/2単位とからなる共重合体、(CH32HSiO1/2単位とSiO4/2単位と(CH3)HSiO2/2単位と(CH32SiO2/2単位と(C653SiO1/2単位とからなる共重合体、(CH32HSiO1/2単位と(CH33SiO1/2単位と(C652SiO2/2単位と(CH3)HSiO2/2単位と(CH32SiO2/2単位とSiO4/2単位とからなる共重合体等が挙げられる。
(G)成分の配合量は、(F)成分中のケイ素原子結合アルケニル基1個に対して、(G)成分中のケイ素原子結合水素原子が0.3~2.0個となる量であり、好ましくは0.4~1.5個となる量であり、更に好ましくは0.5~1.0個となる量である。このケイ素原子結合水素原子が0.3個より少ない場合には、架橋密度が低くなりすぎ、得られる熱伝導性シリコーン組成物の耐ズレ性が悪くなるし、2.0個より多いと得られる熱伝導性シリコーン組成物の粘度が高くなりすぎ、取り扱い性が悪くなるためである。
(G)成分のオルガノハイドロジェンポリシロキサンは、1種単独で用いても2種以上を併用してもよい。
[(H)成分:白金系触媒]
(H)成分は、前記(F)成分中のケイ素原子結合アルケニル基と前記(G)成分中のケイ素原子結合水素原子との付加反応を促進させるための成分である。(H)成分は白金系触媒であり、具体的には白金及び/又は白金系化合物である。
この白金及び白金系化合物としては従来公知のものを使用することができ、具体的には、例えば、白金ブラック;塩化白金酸;塩化白金酸のアルコール変性物;塩化白金酸とオレフィンアルデヒド、ビニルシロキサン、アセチレンアルコール類等の錯体等が挙げられる。
(H)成分の配合量は、有効量であればよく、所望の硬化速度により適宜増減すればよいが、(F)成分に対して、白金原子の質量換算で、通常、0.1~1,000ppmであり、好ましくは1~300ppmである。この配合量が少なすぎると、付加反応が著しく遅くなったり、架橋しなくなったりする場合がある。この配合量が多すぎると、硬化物の耐熱性が低下するだけでなく、白金は高価であることからコスト面でも不利となる。
(H)成分の白金系触媒は、1種単独で用いても2種以上を併用してもよい。
[その他の任意成分]
本発明の(A)成分を得る場合には、上記(F)、(G)、(H)成分以外に、反応制御剤を使用してもよい。該反応制御剤は、付加硬化型シリコーン組成物に使用される従来公知の反応制御剤を使用することができる。例えば、アセチレンアルコール類(例えば、1-エチニル-1-シクロヘキサノール、3,5-ジメチル-1-ヘキシン-3-オール)等のアセチレン化合物、トリブチルアミン、テトラメチルエチレンジアミン、ベンゾトリアゾール等の各種窒素化合物、トリフェニルホスフィン等の有機リン化合物、オキシム化合物、有機クロロ化合物等が挙げられる。
(A)成分のシリコーンゲル架橋物は、(H)成分の白金系触媒存在下において、(F)成分と(G)成分を加熱混合することで、架橋、即ちハイドロシリル化反応(付加反応)が進むことで得られる。反応温度は、通常、50~180℃程度であるが、それに制限されるものではない。反応時間は加熱する温度にも影響されるが、通常、0.5~12時間で十分に反応は進む。このような処理が行われたものを「架橋物」と定義している。
(B)~(E)成分の詳細は後述するが、本発明においては、(F)成分と(G)成分を(H)成分の存在下で架橋させ、(A)成分を得てから、(B)~(E)成分を混合してもよいし、(A)成分を得るために、加熱前に予め(F)、(G)、(H)成分に(B)成分を投入してから(F)、(G)成分を(H)成分の存在下で加熱混合させ、その後成分(C)、(D)、(E)成分を混合してもよいし、更に、(A)成分を得るために、加熱前に(F)、(G)、(H)成分に(B)~(E)成分の全てを予め投入してから(F)、(G)成分を(H)成分の存在下で加熱混合するのでもよいが、効率及び安全性の観点から、(A)成分を得るために、加熱前に(F)、(G)、(H)成分に(B)、(C)、(D)成分を投入してから、(F)、(G)成分を(H)成分の存在下で加熱混合し、冷却後(E)成分を入れるのが好ましい。
[(B)成分]
(B)成分は、上記(F)、(G)成分の架橋に関与しない成分であり、従って脂肪族不飽和結合及びSiH基を含まないシリコーンオイルで、後述する(C)、(D)成分の表面処理剤として用いられるものであり、特に、下記一般式(1)で表される片末端3官能の加水分解性オルガノポリシロキサン(B-1)であることが好ましい。
Figure 0007276493000003
(式中、R1はそれぞれ独立に、炭素数1~6のアルキル基を表し、R2は炭素数1~18の脂肪族不飽和結合を有しない非置換又は置換の1価炭化水素基の群の中から選択される1種もしくは2種以上の基を表し、aは5~120の整数である。)
[(B-1)成分]
(B-1)成分である一般式(1)のオルガノポリシロキサンは、(C)、(D)成分の熱伝導性充填剤の表面を処理するために用いるものであるが、粉末の高充填化を補助するばかりでなく、粉末表面を覆うことにより粉末同士の凝集を起こり難くし、高温下でもその効果は持続するため、本発明の熱伝導性シリコーン組成物の耐熱性を向上させる働きがある。
上記式(1)中、R1は、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基等の炭素数1~6のアルキル基が挙げられるが、特にメチル基、エチル基が好ましい。
2は、互いに独立に、炭素数1~18、好ましくは1~14の脂肪族不飽和結合を有しない非置換又は置換の1価炭化水素基である。その具体例としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、tert-ブチル基、ペンチル基、ネオペンチル基、へキシル基、シクロヘキシル基、オクチル基、ノニル基、デシル基等のアルキル基;フェニル基、トリル基、キシリル基、ナフチル基等のアリール基;ベンジル基、フェニルエチル基、フェニルプロピル基等のアラルキル基;これらの基の水素原子の一部又は全部が、フッ素、塩素等のハロゲン原子で置換された3,3,3-トリフルオロプロピル基等が挙げられ、好ましくはアルキル基、アリール基、3,3,3-トリフルオロプロピル基であり、より好ましくはメチル基、フェニル基、3,3,3-トリフルオロプロピル基である。
aは5~120の整数であり、好ましくは10~90の整数である。
(B-1)成分の25℃における動粘度は5~500mm2/sが好ましく、10~300mm2/sがより好ましい。
(B-1)成分のシリコーンオイルは、1種単独で用いても2種以上を併用してもよい。
本発明の(B)成分には、上記架橋に関与しないシリコーンオイルとして、反応性基のない無官能性液状シリコーンオイル(B-2)を添加してもよい。
[(B-2)成分]
(B-2)成分の無官能性液状シリコーンオイルは、25℃における動粘度が10~500,000mm2/s、好ましくは30~10,000mm2/sのオルガノポリシロキサンである。該オルガノポリシロキサンの動粘度が上記下限値より低いと得られる熱伝導性シリコーン組成物がオイルブリードし易くなる。また、上記上限値より大きいと、得られる組成物の粘度が高くなりすぎて取り扱い性の悪いものになる。
上記(B-2)成分の無官能性液状シリコーンオイルは、上記動粘度を有するものであればよく、従来公知のオルガノポリシロキサンを使用することができる。オルガノポリシロキサン(シリコーンオイル)の分子構造は特に限定されず、直鎖状、分岐状、環状等のいずれであってもよい。特には、主鎖がジオルガノシロキサン単位の繰り返しからなり、分子鎖両末端がトリオルガノシロキシ基で封鎖された直鎖状構造を有するのがよい。
この無官能性液状シリコーンオイルは、下記平均組成式(6)で表すことができる。
7 gSiO(4-g)/2 (6)
上記式(6)において、R7は、独立に、炭素数1~18、好ましくは1~14の脂肪族不飽和結合を有しない非置換又は置換の1価炭化水素基である。その具体例としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、tert-ブチル基、ペンチル基、ネオペンチル基、へキシル基、シクロヘキシル基、オクチル基、ノニル基、デシル基等のアルキル基;フェニル基、トリル基、キシリル基、ナフチル基等のアリール基;ベンジル基、フェニルエチル基、フェニルプロピル基等のアラルキル基;これらの基の水素原子の一部又は全部が、フッ素、塩素等のハロゲン原子で置換された3,3,3-トリフルオロプロピル基等が挙げられ、好ましくはアルキル基、アリール基、3,3,3-トリフルオロプロピル基であり、より好ましくはメチル基、フェニル基、3,3,3-トリフルオロプロピル基である。
上記式(6)において、gは1.8~2.2の範囲、特には1.9~2.1の範囲にある数である。gが上記範囲内にあることにより、得られる熱伝導性シリコーン組成物は要求される良好な動粘度を有することができる。
上記式(6)で表されるオルガノポリシロキサンとしては、下記式(7)で表される直鎖状オルガノポリシロキサンが好ましい。
Figure 0007276493000004
上記式(7)において、R8は、互いに独立に、炭素数1~18、好ましくは1~14の脂肪族不飽和結合を有しない非置換又は置換の1価炭化水素基である。該1価炭化水素基としては、上述した式(6)におけるR7で例示したものと同様の基が挙げられる。中でも、R8は全てメチル基であることが好ましい。hは該オルガノポリシロキサンの25℃における動粘度が10~500,000mm2/s、好ましくは30~10,000mm2/s、更に好ましくは100~8,000mm2/sとなる数である。
また(B-2)成分を配合する場合、その含有量は、(B)成分中、10~70質量%が好ましく、より好ましくは10~60質量%であり、更に好ましくは10~50質量%である。(B-2)成分が多すぎると(B-1)成分が相対的に減るため(C)、(D)成分の熱伝導性充填剤の表面処理が不十分となる場合があり、少なすぎるとコスト的に不経済になる場合がある。
(B-2)成分の無官能性液状シリコーンオイルは、1種単独で用いても2種以上を併用してもよい。
(B)成分のシリコーンオイルの配合量は、(A)、(B)成分の合計中、10~90質量%となる量であることが好ましく、より好ましくは30~80質量%であり、更に好ましくは50~80質量%である。10質量%より少ないと得られる組成物の粘度が高くなり、取り扱い性の悪いものになる場合があるし、90質量%より多いと組成物の耐ズレ性が悪くなる場合がある。
[(C)成分]
(C)成分のアルミニウム粉末は、本発明の熱伝導性シリコーン組成物に熱伝導性を付与するためのものである
(C)成分は、(C-1)成分:平均粒径が40μm以上100μm以下であるアルミニウム粉末と、(C-2)成分:平均粒径が6μm以上40μm未満であるアルミニウム粉末と、(C-3)成分:平均粒径が0.4μm以上6μm未満であるアルミニウム粉末を含有し、上記(C-1)~(C-3)成分が特定の比率で配合されていることを特徴とする。好ましくは上記(C-1)~(C-3)成分のみからなるものが好ましい。
なお、本発明において「平均粒径」は、レーザー回折・散乱法によって求めた体積基準粒度分布における積算値50%での粒径を意味する。レーザー回折・散乱法によるアルミニウム粉末の平均粒径及び粒度分布の測定は、例えば、マイクロトラック粒度分析計MT3300EX(日機装(株)製)により測定できる。また、アルミニウム粉末の形状は不定形でも球状でも如何なる形状でもよく、事前に表面を処理した粉末であってもよい。アルミニウム粉末の形状には例えば、鱗片状、涙滴状、球状、針状、不規則形状等がある。
本発明の(C)アルミニウム粉末は、(A)、(B)成分の合計100質量部に対して、800~2,000質量部、好ましくは900~1,800質量部、より好ましくは1,000~1,600質量部で含有する。(C)成分のアルミニウム粉末の含有量が上記下限値未満では組成物の熱伝導率が低くなり、上記上限値より多いと組成物の粘度が上昇するため好ましくない。
(C-1)成分は、平均粒径が40μm以上100μm以下、好ましくは40μm以上80μm以下のアルミニウム粉末である。(C-1)成分の平均粒径が上記下限値より小さいと熱伝導性シリコーン組成物の熱伝導率が低下してしまう。また、(C-1)成分の平均粒径が上記上限値より大きいと、熱伝導性シリコーン組成物の滑らかさがなくなってしまい、実際に使用した際に基材との接触が悪くなり、熱抵抗が上昇してしまう。
(C-1)成分の配合量は、(C)成分:アルミニウム粉末の合計質量中、30~70質量%、好ましくは40~60質量%である。(C-1)成分の配合量が上記下限値より少ないと、熱伝導性シリコーン組成物の熱伝導率が低くなってしまう。また、(C-1)成分の配合量が上記上限値より多いと、(C-2)成分及び(C-3)成分との間で最密充填構造をとることができず、熱伝導性シリコーン組成物の粘度が上昇してしまう。
(C-2)成分は、平均粒径が6μm以上40μm未満、好ましくは6μm以上20μm以下、更に好ましくは6μm以上12μm以下のアルミニウム粉末である。(C-2)成分の平均粒径が上記下限値より小さいと(C-3)成分との間で最密充填構造をとることができず、熱伝導性シリコーン組成物の粘度が上昇してしまう。また、(C-2)成分の平均粒径が上記上限値より大きいと(C-1)成分との間で最密充填構造をとることができず、熱伝導性シリコーン組成物の粘度が上昇してしまう。
(C-2)成分の配合量は、(C)成分:アルミニウム粉末の合計質量中、10~60質量%、好ましくは10~40質量%、更に好ましくは15~35質量%である。(C-2)成分の配合量が上記下限値より少ないと(C-3)成分との間で最密充填構造が得られず、熱伝導性シリコーン組成物の粘度が上昇してしまう。また、(C-2)成分の配合量が上記上限値より多くても(C-1)成分との間で最密充填構造が得られず、熱伝導性シリコーン組成物の粘度が上昇してしまう。
(C-3)成分は、平均粒径が0.4μm以上6μm未満、より好ましくは0.4μm以上3μm以下のアルミニウム粉末である。(C-3)成分の平均粒径が上記下限値より小さいと、熱伝導性シリコーン組成物の粘度が上昇してしまうため好ましくない。また、(C-3)成分の平均粒径が上記上限値より大きいと(C-2)成分との間で最密充填構造をとることができず、熱伝導性シリコーン組成物の粘度が上昇してしまう。
(C-3)成分の配合量は、(C)成分:アルミニウム粉末の合計質量中、10~60質量%、好ましくは10~40質量%、更に好ましくは15~35質量%である。(C-3)成分の配合量が上記下限値より少ないと最密充填構造をとることができないため、熱伝導性シリコーン組成物の粘度が上昇してしまう。また(C-3)成分の配合量が上記上限値より多くても(C-2)成分との間で最密充填構造が得られず、熱伝導性シリコーン組成物の粘度が上昇してしまう。
本発明において、上記(C-1)、(C-2)及び(C-3)成分からなるアルミニウム粉末のレーザー回折法による体積積算分布曲線の形は特に制限されるものでなく、該曲線が極大ピークを3つ有するものであっても、2つ有するものであっても、1つ有するものであってもよい。
[(D)成分]
(D)成分の酸化亜鉛粉末は、平均粒径が0.1~10μm、好ましくは1~4μmのものであり、酸化亜鉛粉末の形状は特に制限されるものでなく、例えば球状、不定形状等が挙げられる。
酸化亜鉛粉末の平均粒径が、0.1μmより小さいと得られるシリコーン組成物の粘度が高くなり、取り扱い性が悪くなるし、また10μmより大きいと、得られるシリコーン組成物が不均一となる。
(D)成分の酸化亜鉛粉末は、(A)、(B)成分の合計100質量部に対して、50~500質量部、好ましくは100~400質量部、より好ましくは200~300質量部含有する。50質量部より少なくても500質量部より多くても粘度が高くなり、取り扱い性が悪くなるためである。
また、本発明の熱伝導性シリコーン組成物は、上記アルミニウム粉末及び酸化亜鉛粉末以外に、酸化チタン粉末、アルミナ粉末、窒化ホウ素粉末、窒化アルミニウム粉末、ダイヤモンド粉末、金粉末、銀粉末、銅粉末、カーボン粉末、ニッケル粉末、インジウム粉末、ガリウム粉末、金属ケイ素粉末、及びシリカ粉末から選ばれる1種又は2種以上の粉末を、(A)及び(B)成分の合計を100質量部とした時、これら粉末の合計で200質量部まで、好ましくは150質量部まで含有していてもよい。
[(E)成分]
(E)成分の揮発性溶剤としては、(A)成分及び(B)成分を溶解あるいは分散できれば如何なる溶剤でもよいが、例えば、トルエン、キシレン、アセトン、メチルエチルケトン、シクロヘキサン、n-ヘキサン、n-ヘプタン、ブタノール、IPA(イソプロピルアルコール)、イソパラフィンなどが挙げられ、安全面、健康面及び印刷での作業性の点からイソパラフィン系の溶剤が好ましい。
(E)成分の揮発性溶剤は、沸点が80~360℃、好ましくは150~350℃のものである。沸点が80℃未満では、揮発が速すぎて塗布作業中に粘度が上昇して不具合が生じる場合がある。沸点が360℃を超えると、本発明の熱伝導性シリコーン組成物中に残存し易くなり、熱特性が低下する場合がある。
(E)成分の添加量は、(A)、(B)成分の合計100質量部に対して、10質量部より少ないと、本発明の熱伝導性シリコーン組成物の、室温での粘度を十分に下げることができないため印刷時の作業性が悪くなる場合があるし、300質量部より多いと充填剤の沈降が速くなり、熱伝導性シリコーン組成物の保存性が悪くなる場合があるため、10~300質量部の範囲であることが好ましく、より好ましくは20~200質量部の範囲であり、更に好ましくは20~100質量部である。
本発明の熱伝導性シリコーン組成物は、(E)成分を含有する前の組成物の粘度が300~2,000Pa・sの範囲であることが好ましく、より好ましくは400~1,500Pa・sの範囲であり、更に好ましくは500~1,000Pa・sの範囲である。300Pa・sより低いと耐ズレ性が悪くなるし、2,000Pa・sより高いと硬すぎて半導体素子を壊す可能性があるためである。
(E)成分を含有させた後の粘度は10~300Pa・sの範囲であることが好ましく、より好ましくは30~250Pa・sであり、更に好ましくは30~200Pa・sである。10Pa・sより低いと熱伝導性充填剤が沈降し易くなるし、300Pa・sより高いと取り扱いが悪くなるためである。なお、本発明において、粘度は回転粘度計による25℃における値である(以下、同じ)。
本発明の熱伝導性シリコーン組成物の製造方法は、特に限定されないが、上記(A)~(E)成分を混合することにより得ることができ、必要に応じてその他成分を加えてもよい。混合装置は特に限定されず、プラネタリーミキサー、トリミックス、ツウィンミックス等の混合機を用いることができる。上述したように、(A)~(E)成分の混合は、(A)成分を調製してから、(B)~(E)成分を混合してもよいし、(A)成分の原料((F)、(G)、(H)成分)を(B)~(E)成分中に混合した後、加熱することにより(A)成分を調製してもよく、(E)成分は、(A)~(D)の混合物と(E)成分とを混合してもよい。
本発明の熱伝導性シリコーン組成物は、スクリーン印刷などで塗布を行い、室温にて一定期間放置することで揮発性溶剤が揮発し、熱伝導性シリコーン組成物の粘度が上昇することで好適な耐ズレ性能を発揮する。
本発明の熱伝導性シリコーン組成物をヒートシンク等にメタルスクリーンなどの印刷手段等を用いて薄く塗布した場合には、含有している溶剤を常温あるいは積極的に加熱して容易に揮発させることができるので、従来では均一且つ薄く塗布することが困難であった高性能の熱伝導性シリコーン組成物を、容易に実用に供することができる。
本発明の熱伝導性シリコーン組成物は、特にノートパソコンのCPUやGPUなどの発熱デバイスの放熱や、車載ECUの発熱デバイスの用途に用いることが好ましい。
以下、本発明を実施例及び比較例によって更に詳述するが、本発明はこれによって限定されるものではない。なお、下記例において、動粘度は、オストワルド粘度計による25℃における値である。本発明の優位性をより明確にするために行った実施例及び比較例にかかる試験は、次のようにして行った。
〔平均粒径測定〕
(C)、(D)成分の平均粒径測定は、レーザー回折・散乱法によるもので、日機装(株)製の粒度分析計であるマイクロトラックMT3300EXにより測定した体積基準の累積平均径である。
〔熱伝導率〕
熱伝導性シリコーン組成物((E)成分添加前及び添加後)の熱伝導率は、ISO 22007-2準拠のホットディスク法において、京都電子工業(株)製のTPS-2500Sにより、いずれも25℃において測定した。
〔熱伝導性シリコーン組成物の粘度〕
熱伝導性シリコーン組成物((E)成分添加前及び添加後)の粘度は、回転粘度計による25℃における値であり、25℃にて(株)マルコム製のマルコム粘度計(タイプPC-10AA)にて測定を行った。
〔印刷作業性〕
3cm角に切り抜かれた厚さ120μmのメタルスクリーン用のSUS板を用意し、スキージを用いて製造した熱伝導性シリコーン組成物(グリース)をヒートシンクに塗布した。
(評価結果)
○;一面均一に塗布できた。
△;ややグリース表面にムラが生じた。
×;スキージにグリースが巻き付いて全く塗布できない。
〔ズレ性〕
0.3mmのスペーサーを設け、2枚のスライドガラス板の間に、直径1.5cmの円状になるように熱伝導性シリコーン組成物を挟み込み、この試験片を地面に対し90度傾くように、-40℃と125℃(各30分)を交互に繰り返すようにセットされたエスペック(株)製の熱衝撃試験機(型番:TSE-11-A)の中に配置し、500サイクル試験を行った。500サイクル後、熱伝導性シリコーン組成物が元の場所からどのくらいズレたかを測定した。
<基準>
1mm以下であれば耐ズレ性は優れていると言える。
〔ズレ試験後外観〕
上記500サイクル後の熱伝導性シリコーン組成物の状態を観察した。該組成物中、ボイドやひび割れがない状態を○、ボイドやひび割れがあった状態を×と評価した。
[実施例1~4、比較例1~8]
表1~3に示すように各成分をプラネタリーミキサーに仕込み、以下の手順にて熱伝導性シリコーン組成物を調製した。
即ち、(B)、(C)、(D)、(F)成分をプラネタリーミキサーに投入し、まず室温にて10分間撹拌した。その後、(G)、(H)成分を投入してから、170℃に温度を上げ、そのまま2時間加熱混合して、(F)、(G)成分によるハイドロシリル化反応を行わせて(A)成分のシリコーンゲル架橋物を調製した。これを40℃以下に冷却後、(E)成分を投入し、組成物を得た。得られた組成物を用いて上述した各種試験を行った。結果を表1~3に併記する。
[(B)成分]
(B-1-1)
Figure 0007276493000005
動粘度35mm2/s
(B-2-1)
両末端がトリメチルシリル基を有する直鎖状の1,000mm2/sのジメチルポリシロキサン。
[(C)成分]
(C-1-1)アルミニウム粉末(平均粒径:61μm)
(C-1-2)アルミニウム粉末(平均粒径:46μm)
(C-2-1)アルミニウム粉末(平均粒径:10μm)
(C-3-1)アルミニウム粉末(平均粒径:1.1μm)
(C-4-1)アルミニウム粉末(平均粒径:0.2μm)<比較例用>
[(D)成分]
(D-1)酸化亜鉛粉末(平均粒径:1.0μm)
[(E)成分]
(E-1)IPソルベント2028(イソパラフィン系溶剤、出光興産(株)商品名、沸点;210~254℃)
[(F)成分]
(F-1)
両末端にビニル基を有する直鎖状の動粘度600mm2/sのジメチルポリシロキサン。
(F-2)
両末端にビニル基を有する直鎖状の動粘度30,000mm2/sのジメチルポリシロキサン。
[(G)成分]
(G-1)
Figure 0007276493000006
α/β=0.35、動粘度113mm2/s
(G-2)
Figure 0007276493000007
α/β=0.13、動粘度25mm2/s
[(H)成分]
(H-1)
白金-ジビニルテトラメチルジシロキサン錯体を上記(F-1)と同じジメチルポリシロキサンに溶解した溶液(白金原子含有量:1質量%)。
Figure 0007276493000008

(C)成分中の「」内の数字は、(C)成分中の質量%を示す(以下、同じ)。
*(F)成分中のケイ素原子結合アルケニル基1個に対する(G)成分のケイ素原子結合水素原子の個数を便宜的にH/Viと標記する(以下、同じ)。
Figure 0007276493000009
Figure 0007276493000010

Claims (7)

  1. (A)シリコーンゲル架橋物、
    (B)脂肪族不飽和結合及びSiH基をそれぞれ含有せず、下記(C)、(D)成分の表面処理剤としてのシリコーンオイル、
    (C)下記(C-1)~(C-3)を含むアルミニウム粉末:(A)、(B)成分の合計100質量部に対して800~2,000質量部、
    (C-1)平均粒径が40μm以上100μm以下であるアルミニウム粉末:(C)成分中30~70質量%となる量、
    (C-2)平均粒径が6μm以上40μm未満であるアルミニウム粉末:(C)成分中10~60質量%となる量、
    (C-3)平均粒径が0.4μm以上6μm未満であるアルミニウム粉末:(C)成分中10~60質量%となる量、
    (D)平均粒径が0.1~10μmである酸化亜鉛粉末:(A)、(B)成分の合計100質量部に対して50~500質量部、及び
    (E)揮発性溶剤:(A)、(B)成分の合計100質量部に対して10~300質量部
    を含有する熱伝導性シリコーン組成物。
  2. (B)成分が、下記一般式(1)で表される片末端加水分解性オルガノポリシロキサンからなるシリコーンオイル(B-1)を含み、(B)成分の配合量が、(A)、(B)成分の合計量の10~90質量%となる量である請求項1に記載の熱伝導性シリコーン組成物。
    Figure 0007276493000011
    (式中、R1はそれぞれ独立に、炭素数1~6のアルキル基を表し、R2は炭素数1~18の脂肪族不飽和結合を有しない非置換又は置換の1価炭化水素基の群の中から選択される1種もしくは2種以上の基を表し、aは5~120の整数である。)
  3. (A)成分が、下記(F)成分と(G)成分とのシリコーンゲル架橋物を含むものである請求項1又は2に記載の熱伝導性シリコーン組成物。
    (F)下記平均組成式(2)
    3 b4 cSiO(4-b-c)/2 (2)
    (式中、R3はアルケニル基を表し、R4は脂肪族不飽和結合を有しない非置換又は置換の1価炭化水素基を表し、bは0.0001~0.2の数であり、cは1.7~2.2の数であり、但しb+cは1.9~2.4を満たす数である。)
    で表されるケイ素原子に結合したアルケニル基を1分子中に少なくとも1個有するオルガノポリシロキサン、
    (G)分子鎖非末端にケイ素原子に結合した水素原子を1分子中に少なくとも4個有し、下記式(3)
    0.1<α/β (3)
    (式中、αは分子鎖非末端のケイ素原子に結合した水素原子の数を表し、βは(G)成分中の全ケイ素原子数を表す。)
    を満たすオルガノハイドロジェンポリシロキサン。
  4. (B)成分が、更に(B-2)25℃における動粘度が10~500,000mm2/sである無官能性液状シリコーンオイルを、(B)成分中10~70質量%含有する請求項1~3のいずれか1項に記載の熱伝導性シリコーン組成物。
  5. (E)成分が、沸点80~360℃のイソパラフィン系溶剤である請求項1~4のいずれか1項に記載の熱伝導性シリコーン組成物。
  6. 25℃における粘度が、10~300Pa・sである請求項1~5のいずれか1項に記載の熱伝導性シリコーン組成物。
  7. (A)シリコーンゲル架橋物、
    (B)脂肪族不飽和結合及びSiH基をそれぞれ含有せず、下記(C)、(D)成分の表面処理剤としてのシリコーンオイル、
    (C)下記(C-1)~(C-3)を含むアルミニウム粉末:(A)、(B)成分の合計100質量部に対して800~2,000質量部、
    (C-1)平均粒径が40μm以上100μm以下であるアルミニウム粉末:(C)成分中30~70質量%となる量、
    (C-2)平均粒径が6μm以上40μm未満であるアルミニウム粉末:(C)成分中10~60質量%となる量、
    (C-3)平均粒径が0.4μm以上6μm未満であるアルミニウム粉末:(C)成分中10~60質量%となる量、
    (D)平均粒径が0.1~10μmである酸化亜鉛粉末:(A)、(B)成分の合計100質量部に対して50~500質量部、及び
    (E)揮発性溶剤:(A)、(B)成分の合計100質量部に対して10~300質量部
    を混合する工程を有する熱伝導性シリコーン組成物の製造方法。
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