JPH03106996A

JPH03106996A - 熱伝導グリース組成物及びそれを用いた計算機用冷却構造体

Info

Publication number: JPH03106996A
Application number: JP24208189A
Authority: JP
Inventors: Toyohito Uematsu; 上松　豊翁; Shigeki Komatsuzaki; 小松崎　茂樹; Atsushi Morihara; 淳森原
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1989-09-20
Filing date: 1989-09-20
Publication date: 1991-05-07

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は電気機器及び電子機器等の発熱部と冷却部間に
介在するグリースに係り、特に、計算機の冷却構造体内
に用いる熱伝導グリース組成物に関する．〔従来の技術〕電気機器や電子機器の発熱部を冷却するため発熱部と冷
却部との接触部に絶縁性の熱伝導性グリースを充填、ま
たは、塗布して発生熱の伝導を行っている６発熱部の熱
量が大きくなると温度が上昇し、電気機器や電子機器の
作動停止、あるし）は、故障の原因となる。

従来、こうした電気機器や電子機器に使用される熱伝導
性グリースはポリジメチルシロキサシ、専たは、ポリメ
チルフエニルシロキサン等のポリオルガノシロキサンよ
りなるシリコーンオイルをベース油とし、これを絶縁性
と熱伝導性をもつ粉末状の充填剤を加えたシリコーン系
グリースが公知である。

しかし、シリコーンオイルをベース油に用いたシリコー
ン系グリースはリレー回路の接点部分やマイクロモータ
等の周辺に使用した場合、シリコーンオイルに含まれる
低分子のシロキサン、或いは、シリコーンオイルの劣化
によって生威した低分子のシロキサンまたはシリコーン
グリースより分離したシリコーンオイルが接点部で起こ
るスパークの熱によって二酸化珪素（ＳｉＯｚ），炭化
珪素（ＳｉＣ）等が接触部の表面に生或し絶縁膜を作る
ので接点不良が起り正常な状態で電気機器や電子機器を
使用することが出来ないという問題がアッタ。また、シ
リコーンオイルの分離によって塗布するグリースの厚み
や体積が減少し、発熱部と冷却部との間に隙間や割れ等
が生じたりして密着性が低下し発熱部の温度が上昇する
といった問題がある。接点不良の改善を主な目的とした
、特開昭６３　−　２５１４５５号公報に記載のように
、ベース油にパーフルオ口ポリエーテルを用い，これに
熱伝導性の充填剤を配合したパーフルオロボリエーテル
コンバンド組成物でそのちょう度が１００〜５００から
なる絶縁用グリースがある。一方、電気機器や電子機器
に使用するグリースは、ベース油、或いは、油状添加剤
の流出が極度に嫌われる。

ベース油、或いは、油状添加剤の流出を抑制するため特
開昭６３　−　５７６９３号記載のフッ素系界面活性剤
を添加した非拡散性グリースがある．しかし電気機器、
或いは、電子機器では、長期にわってベース油、或いは
、油状添加剤成分の分離や流出がなく、かつ、電気絶縁
性を確保しながら機器内で発生した熱を速やかに伝導さ
せるグリースが強く要望されている。このため，より高
い熱伝導度をもつ熱伝導性グリースが必要である。

計算機のように、熱伝導中間ブロック等を備えた冷却構
造でほの接触部が摺動するので摩擦係数の低い，即ち、
潤滑性に優れたグリースでなくてはならない。このよう
な要求性能を充分満足出来るものがない。

〔発明が解決しようとする課題〕

電気機器、あるいは、電子機器の発熱部の熱を冷却部に
効率良く伝導することが重要である。そのため、熱伝導
度の高いグリースを塗布または充填し接触部の密着をよ
くする必要がある。

グリースの熱伝導度を向上させるには、熱伝導度の高い
充填剤をより多く含有させる。即ち、充填率を高める必
要がある。しかし充填率が大きいほどグリースは硬く、
ちょう度が低下し、塗布性が悪下すると共に付着性も悪
くなる。一方、グリ一スは、時間の経過とともにベース
油が分離してくる性質がある。ベース油分の分離は、油
の粘度が低く、かつ、グリースが軟かいほど多くなる。

更に、使用温度が高いほどこの傾向が大きし）。べ一ス
油の分離は機器の汚損，油質によっては接点不良の原因
となる場合もある。

従来、こうした点を改善するため種々な熱伝導性グリー
スが使用されている。しかし、熱伝導度は約１．０Ｗ／
ｍ．Ｋ程度と低いものである。また、ベース油の分離を
極度に抑制したものがなかった。本発明の第一の目的は
適度のちょう度を持ち、塗布性が良く、かつ、ベース油
の分離を極度に抑え、熱伝導度の高いグリースを提供す
ることにある。

本発明の第二の目的は熱伝導性グリースを塗布、または
、充填する接触部分の表面粗さを極度に小さく、即ち、
面精度を上げることなく低い熱抵抗が得られる冷却構造
体を提供することにある。

更に，他の目的は冷却構造体における接触面で摺動する
部分の摩擦力を低減できるものを提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

大型計算機では、演算速度の高速化と大容量化が進み半
導体チップは大量の発生熱を冷却部に効率良く伝達する
ことが重要である。このためには、高性能の冷却構造と
これに用いる高い熱伝導度を持つグリースの開発が課題
となっている。本発明者らは、上記目的を達成するため
に、付着性，熱安定性，ベース油の分離が極めて少ない
熱伝導度の高いグリースを開発するため鋭意，研究を行
い信頼性の高い熱伝導性グリースを開発した。更に、本
発明の熱伝導性グリースを塗布、または、充填すること
により、従来のように接触部の熱抵抗低減のための高い
寸法精度と表面精度を必要としなくなる．大型計算機に
用いられている冷却構造体の構成の一例を図面によって
説明する。冷却構造体は，基板１と半導体チツプ２及び
熱伝導用中間ブロック３より構造される半導体モジュー
ルである。通常、冷却構造体には熱伝導度の高い材料が
使用される。本発明では窒化アルミニウムを基板に用い
た。基板１には、複数のチツプ２がはんだ接続子４によ
り接続される．半導体チツプ２に接続する熱伝導用中間
ブロック３は弾性体５により伝熱ブロック６と接し、伝
熱ブロック６は冷却ユニット７と接し、半導体チツプ２
が冷却される。

半導体チツプ２にはピン８を通して基板１に送られた電
気信号、或いは、電力が、接続子４を通して供給される
．半導体チツプ２では、演算速度を高速化するために高
度に集積化されており、非常に小さい面積に大量の電流
を供給するため、大量の熱が発生し、半導体チップ２は
高温となる．発生した熱は、はんだ接続子４を通過する
には，はんだ接続子４、及び、基板１，ピン８の熱抵抗
が太き起ぎるため、半導体チップ２の裏面９より逃して
やる必要がある．熱伝導性グリース９は半導体チップ２
の裏面９と熱伝導用中間ブロック３，伝熱ブロック６、
及び、冷却ユニット７との接触部に充填，又は、塗布し
て接触面を密着させ半導体チツプ２の熱を冷却ユニット
７に伝達している。

従って、熱伝導度の高いグリースほど熱抵抗が低くなる
ので半導体チツブ２を冷却する効果が大きいことになる
。今後、計算機は演算速度の高速化と大容量化のために
用いる半導体素子の高密度化が進み基板の発熱量は大幅
に増大する。一方、電気機器や電子機器の高性能化と小
型化に伴い電気部品等の発熱部の温度も高くなってきて
いる．そのため、熱安定性に優れ、かつ、高い熱伝導度
をもつグリースが要求されるようになってきている。

本発明に係る熱伝導性グリースの組成物は、次の構成か
らなる。

（１）潤滑油を保持する機能を持つ金属石鹸，非石鹸か
ら選ばれた増ちょう剤を含有する。

（２）熱伝導性粉末の粒径３μｍ以下のもと粒径４μｍ
以上の二種の混合物からなる充填剤。

とからなる熱伝導性グリース組成物である。グリースの
流動性（塗布性，充填性）及び付着性からグリースのち
ょう度は２５℃で１５０〜４００の範囲であった。

本発明の組成物の一つである潤滑油は、ポリフエニルエ
ーテル，パーフルオロポリエーテル，ネオペンチルポリ
オールエステル，αオレフインオリゴマなどがあり、こ
れらの内、少なくとも一種以上の潤滑油に用いたもので
ある。潤滑油に含有する増ちょう剤は潤滑油中で繊維状
の結晶をなし、これが絡み合ってスポンジ状の構造を作
るもの、又は、ベース油を保持する機能を持つ物質であ
る。

増ちょう剤の具体例は、金属石鹸系として、例えば、リ
チウム石鹸，カルシウム石鹸，アルミニウム石鹸，リチ
ウム複合石鹸，アルミニウム複合石鹸等がある。非石鹸
系として、例えば、ウレア化合物，ナトリウムテレフタ
ラメート，ベントナイト，シリガゲルなどが挙げられる
。本発明の組成物の一つである熱伝導性充填剤の粉末の
中には増ちょう剤の機能をもつものがあるが熱伝導度を
付与するための成分である。熱伝導性充填剤粉末は、金
属酸化物，石英，炭化けい素，窒化ほう素，窒化アルミ
ニウム及び窒化けい素等が挙げることができる。金属酸
化物としては、酸化銀，酸化亜鉛，酸化バリウム，酸化
ベリウム，ｗＩ化鋼，酸化鉄，酸化マグネシウム，酸化
ニッケル，二酸化チタン、及び、酸化バナジウム等を挙
げることができる。

また、電気絶縁性が要求されない用途では金属粉が用い
られる．例えば、アルミニウム，クローム，金，銀，銅
，マグネシウム，タングステン，亜鉛，錫，鉄，ロジウ
ム，ベリリウム，モリブデン，チタン及びニッケル等が
あり、これらの内少なくとも一種以上を用いたものであ
る。

配合量は熱伝導性充填剤、及び、その粉末の粒径，潤滑
油の粘度、または、グリース流動性，付着性等から要求
されるちょう度の大きさにもよるが成分（１）増ちょう
剤がＯ〜６容量％含有する潤滑油が９０〜３０容量％、
好ましくは、増ちょう剤がＯ〜３容量％を含有する潤滑
油が４０〜７０容量％である。（２）は大なる粒径４μ
ｍ以上の粉末〆小なる粒径３μｍ以下の粉末の混合比０
．５〜１１　からなる混合物を１０〜７０容量％．好ま
しくは、大なる粒径５〜１６μｍの範囲の粉末〆小なる
粒径３μｍ以下の粉末の混合比が１〜５からなる混合物
が２０〜６０容量％である。大なる粉径１６μｍを越え
ると滑らかなグリースが得られなくなり、使用箇所によ
っては適さない場合がある。（１）配合量が上記の添加
量より多く（２）の配合量が上記の添加量よりも少ない
と熱伝導度が低く、充分な冷却性能が得られなくなり、
故障の原因となるばかりでなく、グリースの流動性，付
着性，グリースからの潤滑油の分離等の点で問題となる
場合がある．（１）配合量が上記の添加量よりも少なく
（２）の配合量が上記の添加量よりも多いと熱伝導度は
高くなり、高い冷却性能が得られるが、グリースの流動
性，付着性等の点で問題となる。

グリースの流動性，付着性，潤滑油の分離等の点からグ
リースのちょう度は２５℃で１５０〜４００の範囲であ
る．特に、大型計算機のように、高い信頼性を要求され
る場合には、２００〜３５０が好ましい．この値がｌ０
０未満ではグリース自体が非常に硬くなり過ぎて流動性
，付着性が低下し、塗布しにくくなり、計算機のような
電子機器等には適用できない。また，４００を越えると
，逆流動性が大きくなり付着性が低下して塗布しにくく
なるばかりでなくグリースの流動により落下や潤滑油の
分離が多くなるのでやはり適用できない。

〔作用〕

上記成分から或る熱伝導性グリースは粒径の異なる二種
の粉末を混合することによって粉末自身の接触が多くな
る。即ち、最密充填によって熱伝導度を大幅に向上し、
潤滑油の保持性を良好にし、潤滑油の分離を抑制したも
のである。更に、必要に応じて潤滑性の向上のための油
性剤，極圧剤，酸化防止剤，防鎖剤、及び、ベース油の
分離を抑制するための離しよう防止剤を添加することが
出来る。

〔実施例〕

次に、本発明を実施例により、さらに詳細に説明する．
なお、本発明の利点を分確にするため、従来の熱伝導性
グリースを対照として記載した。

工．ちょう度の測定方法ＪＩＳκ２５６０に規定された方法である。規定の混和
機に試料グリースを入れて２５℃に保持した後、混和し
ないで測定した６２．熱伝導度の測定方法グリースをポリ塩化ビニリデンフィルム（サランラップ
，Ｍ化成製）で被覆して薄膜状態にした。

これを既知の熱伝導度のブロックに載せ、迅速熱伝導率
計ＱＴＭ−Ｄ３　（京都電子工業（株）−製）で測定し
た。

３．グリースの製造方法は、下記の方法で製造した。

（１）組成がベース油と熱伝導性粉末の場合、ベース油
に熱伝導性粉末を加え、かく拌捧で混合した後、三本ロ
ールミル機でミリング処理した．（２）組成が増ちょう剤を含有したベース油と熱伝導性
粉末の場合、（ａ）潤滑油に金属石鹸、または、ケン化法で金属石鹸
を作った後、さらに加熱して溶解したのち、室温で除冷
して増ちょう剤の繊維構造を含有した潤滑油を得た。こ
の潤滑油に熱伝導性粉末を加えかく拌捧で混合した後、
三本ロールミル機でミリング処理した．（ｂ）ベース油に無機系増ちょう剤を加え、かく拌捧で
混合した．この潤滑油に熱伝導性粉末を加えてかく拌棒
で混合した後、三本ロールミル機でミリング処理した．４．潤滑油の分離性の測定方法ＪＩＳ　Ｋ２５７０に規定された離油度の方法によりグ
リースを円錐金網にＬｏｇ詰め１５０℃の温度で５０時
間静置した後の油分離量を測定した。

〈実施例１〜１０＞４０℃の粘度が１２０閣２／ｓ　のポリフエニルエーテ
ル（Ｓ−３１０１　　松村石油（株）製）と粒径の異な
る二種の熱伝導性粉末を第１表に示す配合割合からなる
組成の熱伝導性グリースを得た。

これらのグリースについてちょう度，油分離量、及び、
熱伝導度の測定結果を第１表に示し、比較例１〜４を第
２表に示した。

く実施例１１〜４６〉実施例１と同じポリフエニルエーテル（Ｓ−３１０１松
村石油研究所（株）製）を用い、小さ１粒径０．５〜２
μｍＷＡ囲の微粉末と大きい粒径３〜８μｍ範囲の微粉
末、及び、大きい粒径１２．５〜１６μｍ範囲の粉末を
第３表及び第４表に示す１合割合で２５容量％配合した
熱伝導性グリースで得た。

これらのグリースについて，ちょう度，油分離量及び熱
伝導度を測定した結果を第３表及び第４表に示した。こ
の結果から明らかなように，大きな粒径と小さい粒径の
混合比が０．５　以下、または、１２以上になると熱伝
導度が低下する。

く実施例４７〜６２〉実施例１と同じポリフエニルエーテル（Ｓ−３１０１松
村石油研究所（株）製）を用い、大きい粒径５〜８μｍ
の範囲と小さい粒径０．５〜２μ會の範囲の微粉末でそ
の混合比２．０　　とした混合物を第５表に示す配合量
からなる熱伝導グリースを得た。

これらのグリースについてちょう度，油分離量、及び、
熱伝導度を測定した結果を第５表に示した．この結果か
ら明らかなように、粉末の配合量が８容量％未満では熱
伝導度が低下する。また、粉末の配合量が７０容量％以
上になるとちょう度は１００以下となる．即ち、グリー
スが硬くなり塗布性が困難となる．く実施例６３〜６５〉４０℃の粘度が２　１　２　ｍ”／　ｓ　　のαオレフ
ィン油（ガーゴイルアークティック　Ｓ　Ｈ　Ｃ　　Ｍ
ｏｂｉｌ石油社１ｌ）をベース油に用い、第６表に示す
配合量で増ちょう剤を加え加熱溶解した後、室温まで除
冷した。

この増ちょう剤含有ベース油に大きい粒径４〜８μｍの
範囲と小さい粒径０．１〜１μｍの範囲の微粉末でその
混合比を３とした混合物を３０容量％の配合からなる熱
伝導グリースを得た。これらのグリースについて、ちょ
う度，油分離量、及び、熱伝導度を測定した結果を第６
表に示した．この結果から明らかなように、増ちょう剤
の含有が６重量％を越えるとちょう度が低下しグリース
が硬くなってグリースの塗布性が悪くなる。

〈実施例６６〉第２図に示した冷却構造体を用い、実施例３及び増ちょ
う剤（リチウム複合石鹸）を１重量％配合した実施例６
４の本発明の熱伝導グリースと比較例１の熱伝導グリー
スを用い、接触面の表面粗さを変え、熱移動経路におけ
る接触面間の熱抵抗を測定した結果を第７図に示した。

第　　７表半導体チップへの供給熱量＝２４ｗこの結果から明らかなように、本発明の熱伝導グリース
は比較例の熱伝導グリースと比べ、接Ｉｌ！ｌ１面間の
熱抵抗が低い。また、接触面の表面粗さが大きくとも熱
抵抗は低い。

〔発明の効果〕

本発明の熱伝導グリースは、潤滑油を保持する機能を持
つ増ちょう剤を含有する潤滑油と熱伝導性をもつ大きい
粉体の粒径と小さい粉体を混合物とから構威されている
ので次に示すような効果がある。

１）電気機器，電子機器等の発生熱を冷却側に効率良く
伝達することができる。特に、高い信頼性が要求される
大型計算機の半導体チップの冷却に最適である．２）グリースからの潤滑油の分離が少ないため，機器の
汚損は極めて少ない．３）グリースの熱伝導度が高いため、冷却構造部品でグ
リースを介在させる接触面の寸法精度，面精度を上げる
必要がないので生産コストを低減することができる。

【図面の簡単な説明】

Claims

【特許請求の範囲】１、潤滑油を保持する機能を持つ増ちよう剤６重量％以
下を含有する潤滑油９０〜３０容量％と、熱伝導性の粒
径４μｍ以上の粉体／粒径３μｍ以下の粉体の混合比が
０．５〜１１の範囲で、その混合物７０〜１０容量％と
からなることを特徴とする熱伝導グリース組成物。２、潤滑油を保持する機能を持つ増ちよう剤６重量％以
下を含有する潤滑油９０〜３０容量％と、熱伝導性の粒
径４μｍ以上の粉体／粒径３μｍ以下の粉体の混合比が
０．５〜１１の範囲で、その混合物７０〜１０容量％と
からなるものをミリング処理し、そのちよう度が１５０
〜４００の範囲であることを特徴とする熱伝導グリース
組成物。３、潤滑油がパーフルオロポリエーテル、ポリフェニー
ルエーテル、α−オレフィンオリゴマー、ネオペンチル
ポリオールエステルであることを特徴とする請求項第１
に記載の熱伝導グリース組成物。４、潤滑油を保持する機能を持つ増ちよう剤６重量％以
下を含有する潤滑油９０〜３０容量％と、熱伝導性の粒
径４μｍ以上の粉体／粒径３μｍ以下の粉体の混合比が
０．５〜１１の範囲で、その混合物７０〜１０容量％配
合したものをミリング処理し、そのちよう度が１５０〜
４００の範囲である熱伝導グリース組成物を発熱部と冷
却部との接触面を介在させ熱を冷却部に伝導させること
を特徴とする計算機用冷却構造体。