JP3712943B2

JP3712943B2 - 熱軟化放熱シート及びこれを用いた放熱シート

Info

Publication number: JP3712943B2
Application number: JP2001032883A
Authority: JP
Inventors: 一舟橋; 俊介山田
Original assignee: Fuji Polymer Industries Co Ltd
Current assignee: Fuji Polymer Industries Co Ltd
Priority date: 2001-02-08
Filing date: 2001-02-08
Publication date: 2005-11-02
Anticipated expiration: 2021-02-08
Also published as: JP2002234952A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱伝導性放熱シートに関するものである。さらに詳しくは、所定の温度で軟化する熱軟化放熱シート及びこれを用いた放熱シートに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来からコンピュータ（ＣＰＵ）などに使用される半導体は使用中に発熱し、その熱のため電子部品の性能が低下することがある。そのため発熱するような電子部品には放熱体が取り付けられる。しかし、放熱体は金属であることが多いためＣＰＵ放熱部との密着がよくない。そこで発熱体と放熱体の間にゴム製の放熱シートを挿入して密着度を高める方法がとられている。
【０００３】
最近では特開平６−１５５５１７号公報にあるようにゴム硬度がかなり低いゲルタイプのものが使われるようになった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら最近のＣＰＵなどの半導体の性能がよくなり発熱量もかなり増えてきていて、密着のよいゲルタイプの放熱シートでも熱対策が困難になってきており、グリースを使うケースが増えてきている。しかし、グリースは塗る作業が必要なため非常に取り扱い性が悪いという問題がある。
【０００５】
本発明は、前記従来の課題を解決するため、ゲル成分と軟化成分とフィラー成分を含む硬化物が、熱によって軟化し、発熱素子と放熱体との密着性がよく、熱的性能がよい熱軟化放熱シート及びこれを用いた放熱シートを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明の熱軟化放熱シートは、アクリルゲル、ウレタンゲル、及び粘度が１５０〜１５００ｍＰａ・ｓの範囲のシリコーンゲルから選ばれる少なくとも一つの高分子ゲル（Ａ）と、常温では固形ないしペースト状で加熱すると液体になる化合物（Ｂ）と、熱伝導性フィラー（Ｃ）とを含む組成物からなる放熱シートであって、加熱によって軟化することを特徴とする。
【０００７】
また本発明の放熱シートは、前記熱軟化放熱シートが熱伝導性ゴムシート、熱伝導性ゲルシート及び熱伝導性樹脂シートから選ばれる少なくとも一つの熱伝導性シートに積層されていることを特徴とする。
【０００８】
また本発明の別の放熱シートは、前記熱軟化放熱シートの内層にさらに基材が挿入されていることを特徴とする。
【０００９】
本発明においては、高分子ゲル（Ａ）と、常温では固形ないしペースト状で加熱すると液体になる化合物（Ｂ）と、熱伝導性フィラー（Ｃ）を含む組成物の配合割合が、高分子ゲル（Ａ）を１００重量部としたとき、化合物（Ｂ）が５〜２４０重量部の範囲、熱伝導性フィラー（Ｃ）が１００〜１００００重量部の範囲が好ましく、さらに好ましくは化合物（Ｂ）が２５〜１００重量部の範囲、熱伝導性フィラー（Ｃ）が１２０〜５４００重量部の範囲である。この範囲であるとゲル成分と軟化成分とフィラー成分を含む硬化物が、熱によって軟化し、発熱素子と放熱体との密着性がよく、効率的に熱を放散するシートとすることができる。
【００１０】
前記高分子ゲル（Ａ）は、アクリルゲル、ウレタンゲル、及び粘度が１５０〜１５００ｍＰａ・ｓの範囲のシリコーンゲルから選ばれる少なくとも一つの高分子ゲルである。
【００１１】
また前記化合物Ｂは、液体になる温度（融点または軟化点）が３０〜１０５℃の範囲であることが好ましい。また前記化合物Ｂは、融点３０〜１０５℃の範囲のシリコーンオイル、融点３０〜１０５℃の範囲のワックス、融点３０〜８０℃の範囲のα−オレフィンでから選ばれる少なくとも一つの物質であることが好ましい。
【００１２】
また前記熱伝導性フィラーＣは、金属酸化物，窒化物，炭化物，金属粉，炭素繊維から選ばれる少なくとも一つであることが好ましい。
【００１３】
また前記放熱シートの軟化温度は、３５〜１０５℃の範囲であることが好ましい。
【００１４】
また前記放熱シートの熱伝導率は、０．５〜４０Ｗ／ｍ・Ｋの範囲であることが好ましい。
【００１５】
また前記放熱シートの熱抵抗値は、０．００５〜１０℃・inch²／Ｗの範囲であることが好ましい。
【００１６】
また前記熱軟化放熱シートの少なくとも片面をゴム状に硬化させて薄膜補強層としたことが好ましい。
【００１７】
次に前記放熱シートにおいては、前記熱伝導性シートに基材が挿入されていることが好ましい。また前記基材は織布、編物、不織布、プラスチックフィルム及び金属箔から選ばれる少なくとも一つであることが好ましい。ここで熱伝導性シートとは、熱伝導率が０．５〜１５Ｗ／ｍ・Ｋの範囲のシートをいう。
【００１８】
また前記熱伝導性シートは、電磁波シールド性のある熱伝導性ゴム、熱伝導性ゲル及び熱伝導性樹脂から選ばれる少なくとも一つであることが好ましい。ここで電磁波シールドシートとは、電磁波吸収型あるいは電磁波反射型のゲル，ゴムまたは樹脂等のシートをいう。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の熱軟化放熱シートはシリコーンゲルに常温では固形ないしペースト状で熱が加わると液体になるシリコーンゲルと混合する物質を添加した系に熱伝導性フィラーを添加して作成した放熱シートで熱によって軟化する。また、アクリルまたはウレタンから誘導されるゲルに、常温では固形ないしペースト状で熱が加わると液体になる化合物に熱伝導性フィラーを添加して作成した放熱シートで熱によって軟化する。前記本発明の熱軟化シートの材質はアクリル，ウレタン，シリコーンなどがありそれらの誘導体も適宜使用してよい。耐熱性を考慮するとシリコーンを使用するのが好ましい。
【００２０】
添加する固形，ペースト状オイルはベースとなるゲル成分と混合する必要がある。完全に相溶するのが好ましいが、必ずしも完全に相溶しなくてもよい。シリコーンゲルをベース材料とする系に添加する物質はシリコーンオイルがよく、そのシリコーンオイルは常温で固形ないしペースト状であることが好ましい。固形ないしペースト状のシリコーンオイルの融点は３０〜１０５℃であることが好ましい。シリコーンオイルはアミノ基，エポキシ基，カルボキシル基，水酸基，ビニル基，メルカプト基，アルキル基などの官能基を導入したものあるがアルキル基変性シリコーンオイルが好ましい。アクリルポリマー，ウレタンポリマーから誘導されるゲルベース材料とする系に添加する物質の融点は３０〜１０５℃のワックスであることが好ましい。ワックスにはパラフィンワックス，マイクロクリスタルワックス，低分子ポリエチレンワックス、高級アルコール，高級脂肪酸エステルなどがある。もちろん変性したワックスを使用してもよい。融点が２０〜８０℃の可塑剤，α−オレフィンはワックス代替としても可能である。
【００２１】
熱伝導性フィラーは窒化物，炭化物，金属酸化物があり一種または二種以上の混合物が好適に用いられる。
【００２２】
熱伝導性ゴム，熱伝導性ゲル，熱伝導性樹脂は、ゴム，ゲル，樹脂に熱伝導性フィラーを添加しコンパウンドにしたものでありこれをシート状などのさまざまな形に成形したものである。熱伝導性ゴム，熱伝導性ゲル，熱伝導性樹脂には取り扱い性をよくするため基材を入れてもよい。基材は織布，編物，不織布，プラスチックフィルム，金属箔から選ばれるのが好ましい。
【００２３】
熱伝導性ゴム，熱伝導性ゲル，熱伝導性樹脂には電磁波シールド効果を付与してもよい。電磁波シールド効果を付与するには金属粉またはフェライト粉末を５０〜９５重量％添加するのが好ましい。
【００２４】
また、本発明のシートの少なくとも片面に形成する薄膜補強層は、架橋密度を高くすることにより形成できる。例えば、放熱シートを構成する樹脂分を硬化させる架橋成分を放熱シート表面に多く存在させ硬度を硬くする。
【００２５】
本発明の熱軟化放熱シートは取り扱いは通常の熱伝導性シリコーンゲルと同じである。
【００２６】
熱伝導性シリコーンゲルであるため発熱素子と放熱体との密着性がよく熱抵抗値は低い。しかし、発熱素子から発生する熱によって軟化し発熱素子と放熱体の間隙を隙間なく埋めると同時に発熱素子と放熱体に狭持してあるため、圧力によって熱軟化放熱シート自体薄くなり、熱抵抗値はさらに低下する。
【００２７】
シリコーンゲルは白金触媒による付加型であることが好ましく、市販されているものでよい。この中でも粘度が１５０〜１５００ｍＰａ・ｓ，針入度が５０以上（ＡＳＴＭＤ１４０３１／４コーン）であるものがさらに好ましい。シリコーンゲルに熱伝導性フィラーを添加したコンパウンドの粘度を低下させるため反応希釈剤を添加してもよい。反応希釈剤はベースゲルとなるポリマーの重合度が低いポリマー成分が好ましく用いられる。シリコーンゲルには可塑剤としてシリコーンオイルを添加してもよい。シリコーンオイルには変性シリコーンも含まれる。シリコーンゲルには難燃性を付与するため難燃剤を添加してもよい。難燃剤には金属水酸化物，金属酸化物，塩化白金酸，アルコール変性塩化白金酸，白金オレフィン錯体などから一種あるいは二種混合で選択される。シリコーンゲルには酸化防止剤を添加してもよい。酸化防止剤には金属酸化物，金属水酸化物があり具体的には酸化セリウム，水酸化セリウム，酸化鉄などがあり一種あるいは二種混合で選択される。
【００２８】
アクリルポリマーに導入される架橋点となる官能基は水酸基，カルボキシル基，エポキシ基，アミノ基，イソシアネート基などがあるがこれらのうち水酸基であることが好ましい。架橋剤は官能基の種類に応じて使い分ける。例としては官能基が水酸基である場合はイソシアネート基が選択される。ゲル化するには架橋密度を減らす必要がありこれは架橋点となる官能基の数を選らしたり架橋剤の添加量を減らしたりして硬度を調整する。
【００２９】
ウレタンゲルはポリイソシアネートと活性水素をもった化合物で構成される。ポリイソシアネートにはトリレンジイソシアネート，ジフェニルメタンジイソシアネート，ポリメチレンポリフェニルポリイソシアネート，ヘキサメチレンジイソシアネート，キシリレンイソシアネートなどがある。
【００３０】
活性水素をもった化合物にはポリエーテルポリオール，ポリエステルポリオール，アクリルポリオールが代表例であり具体的にはポリエチレングリコール，ポリオキシプロピレングリコール，ジエチレングリコール，ジプロピレングリコール，エポキシ樹脂，ひまし油などがある。ゲル化するには架橋密度を減らす必要があり、これは架橋点となる官能基の数を減らしたり架橋剤の添加量を減らすことにより硬度を調整できる。
【００３１】
アクリルゲル，ウレタンゲルに熱伝導性フィラーを添加したコンパウンドの粘度を低下させるため反応希釈剤を添加してもよい。反応希釈剤はベースゲルとなるポリマーの重合度が低いポリマー成分が好ましく用いられる。
【００３２】
アクリルゲル，ウレタンゲルには粘着付与剤を添加してもよく、粘着付与剤としてはロジン系及びロジン誘導体，テルペン系，石油樹脂系，スチレン系，フェノール系，クロマン・インデン系などがある。
【００３３】
アクリルゲル，ウレタンゲルには軟化剤，可塑剤を必要に応じて添加してもよい。これらには液体のポリブテン，ナフテン系オイルなどがある。
【００３４】
アクリルゲル，ウレタンゲルには酸化防止剤を添加してもよい。酸化防止剤にはフェノール系，燐系があり代表例として２，６−ｔ−ブチル−４−メチルフェノール，トリスノニルフェニルホスファイトなどがあり、どれを用いてもよい。
【００３５】
アクリルゲル，ウレタンゲルには難燃性を付与するため難燃剤を添加してもよい。脱ハロゲンで難燃性を付与するためには、金属水酸化物，金属酸化物，硼素化合物，鉄化合物，燐系化合物，燐酸系化合物，シリコーンパウダーなどから一種あるいは二種混合で選択される。
【００３６】
アクリルゲル，ウレタンゲルにはその他、反応促進剤，発泡剤，耐電防止剤などを必要に応じて添加してもよい。
【００３７】
熱伝導性フィラーは金属酸化物，窒化物，炭化物，金属粉，炭素繊維などが挙げられる。金属酸化物には酸化アルミニウム，酸化亜鉛，酸化マグネシウム、窒化物には窒化珪素，窒化アルミニウム，窒化硼素、炭化物には炭化珪素，炭化硼素、金属粉には銀，銅，金，アルミニウム、炭素繊維にはピッチ系，ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系などがありこれらから一種または二種以上の混合物が好適に用いられる。
【００３８】
熱伝導性フィラーの形状は球状，鱗片状，フレーク状，繊維状，針状などがありどの形状を用いてもよい。また、添加する熱伝導フィラーの形状は一種類のみにする必要はなく二種以上の形状の混合物にしてもよい。
【００３９】
熱伝導性フィラーにはシランカップリング剤処理をしてもよい。カップリング剤としてはシランカップリング剤，チタンカップリング剤, アルミニウムカップリング剤などがありどれを用いてもよい。カップリング剤の好ましい配合量は熱伝導性フィラー１００重量部に対して０．０５〜２重量％である。
【００４０】
熱伝導性ゴムのベースゴムとしてはシリコーンゴム，アクリルゴム，ブチルゴムなどに熱伝導性フィラーを添加したものでありその熱伝導性フィラーは前記したものと同様である。熱伝導性ゲルはシリコーンゲル，アクリルゲル，ウレタンゲルなどに熱伝導性フィラーを添加したもの，熱伝導性樹脂はエポキシ樹脂，アクリル樹脂，ポリエチレン樹脂などに熱伝導性フィラーを添加したものである。これら熱伝導性ゴム層，ゲル層，樹脂層は積層される熱軟化シートより硬度が低いことが好ましい。
【００４１】
積層は熱伝導性ゴム，ゲル，樹脂の上に熱軟化シートの硬化前のコンパウンドをプレス成型，押し出し成形，カレンダー成形，ドクタープレート法でおこなうのがよく、いずれを用いてもよい。
【００４２】
基材の織布の材質は硝子繊維，アラミド繊維，ポリエステル繊維などがある。不織布には硝子、プラスチックフィルムにはポリエステル，ポリエチレン，ポリプロピレン，ポリイミド、金属箔にはアルミ箔，銅箔などがありどれを用いてもよい。
【００４３】
電磁波シールド効果を付与するため熱伝導性ゴム，ゲル，樹脂に添加する金属粉には銀，銅，アルミニウムなどがフェライト粉末には一般式Ｍ²⁺・Ｆｅ₂Ｏ₃（Ｍ＝Ｆｅ，Ｍｎ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｚｎ）で表せるソフトフェライトと一般式ＭＯ・６Ｆｅ₂Ｏ₃（Ｍ＝Ｂａ²⁺，Ｓｒ²⁺）などがある。
【００４４】
さらにシリカ，金属酸化物，プラスチックなどにメッキを施したものでもよい。形状は球状，鱗片状，フレーク状，繊維状，針状などがありどの形状を用いてもよい。また、添加するフィラーの形状は一種類のみにする必要はなく二種以上の形状の混合物にしてもよい。むろんフィラーにはカップリング処理してもよい。
【００４５】
図１は本発明の一実施態様の熱軟化シート１の概略断面図を示し、図２は本発明の一実施態様の熱軟化シート１に熱伝導性ゴム層，ゲル層，樹脂層等の補強層２を積層した概略断面図である。
【００４６】
【実施例】
以下実施例を用いて本発明をさらに具体的に説明する。
【００４７】
【実施例１】
シリコーンゲル１００重量部（ＳＥ１８８５東レ・ダウコーニング（株）製）に固形シリコーンオイル２５重量部（ＫＦ９１０信越化学工業（株）製）に酸化アルミニウム３７５重量部（ＡＬ３０昭和電工（株）製），鉄黒６．２５重量部添加して混練りしてコンパウンドにした。これを８０℃、３０分のプレス成型によって１ｍｍ厚みのシートを得た。
【００４８】
【実施例２】
ポリウレタン１００重量部とポリウレタンの１％の硬化剤（ＫＢＫＲＴ１６日本エヌエスシー（株）製）にパラフィン２５重量部（パラフィンワックス１１５日本精蝋株式会社）に酸化アルミニウム１２５重量部（ＡＬ３０昭和電工（株）製），鉄黒６．２５量部添加して混練りしてコンパウンドにした。これを８０℃、３０分のプレス成型によって１ｍｍ厚みのシートを得た。
【００４９】
【比較例１】
シリコーンゲル１００重量部（ＳＥ１８８５東レ・ダウコーニング（株）製）に酸化アルミニウム３００重量部（ＡＬ３０昭和電工（株）製），鉄黒５重量部添加して混練りしてコンパウンドにした。これを８０℃、３０分のプレス成型によって１ｍｍ厚みのシートを得た。
【００５０】
【比較例２】
ポリウレタン１００重量部とポリウレタンに対して１重量％の硬化剤（ＫＢＫＲＴ１６日本エヌエスシー（株）製）に酸化アルミニウム１００重量部（ＡＬ３０昭和電工（株）製），鉄黒５重量部添加して混練りしてコンパウンドにした。これを８０℃、３０分のプレス成型によって１ｍｍ厚みのシートを得た。
【００５１】
これらの結果を以下に示す。
【００５２】
【表１】

【００５３】
【実施例３】
熱伝導ゴム，ゲルに下記熱軟化ゲルを積層した例を説明する。
【００５４】
シリコーンゲル１００重量部（ＳＥ１８８５東レ・ダウコーニング（株）製）に固形シリコーンオイル２５重量部（ＫＦ９１０信越化学工業（株）製）に酸化アルミニウム５００重量部（ＡＬ３０昭和電工（株）製），鉄黒６．２５重量部添加して混練りしてコンパウンドにした。これを８０℃、３０分のプレス成型によって１ｍｍ厚みのシートを得た。
【００５５】
【実施例４】
シリコーンゲル１００重量部（ＳＥ１８８５東レ・ダウコーニング（株）製）に固形シリコーンオイル２５重量部（ＫＦ９１０信越化学工業（株）製）に酸化アルミニウム５００重量部（ＡＬ３０昭和電工（株）製），鉄黒６．２５重量部添加して混練りしてコンパウンドにした。これを８０℃、３０分のプレス成型によって１ｍｍ厚みのシートを得た。
【００５７】
これらの結果を以下に示す。
【００５８】
【表２】

【００５９】
以上説明したとおり、本発明の実施例によれば、放熱シート自体が熱によって軟化し発熱素子や放熱体の密着度を高めることで接触熱抵抗値を低下させ、さらに放熱シート自体の熱伝導率も高いので半導体等のヒートシンクの放熱体として有用である。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明の熱軟化放熱シートは、熱伝導率が同じでも熱抵抗値が低くなる。また、密着がよいゲルシートが発熱素子から発生する熱によって軟化するため、さらに密着がよくなり、厚みが薄くなるため熱抵抗値が低くなる。さらに熱伝導性ゴム，ゲル，樹脂に熱軟化シートを積層すると、取り扱い性が良好になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施態様の熱軟化シートの概略断面図
【図２】本発明の一実施態様の熱軟化シートに補強層を積層した概略断面図
【符号の説明】
１熱軟化シート
２補強層

Claims

アクリルゲル、ウレタンゲル、及び粘度が１５０〜１５００ｍＰａ・ｓの範囲のシリコーンゲルから選ばれる少なくとも一つの高分子ゲル（Ａ）と、
常温では固形ないしペースト状で加熱すると液体になる化合物（Ｂ）と、
熱伝導性フィラー（Ｃ）とを含む組成物からなる放熱シートであって、
加熱によって軟化することを特徴とする熱軟化放熱シート。
高分子ゲル（Ａ）と、常温では固形ないしペースト状で加熱すると液体になる化合物（Ｂ）と、熱伝導性フィラー（Ｃ）を含む組成物の配合割合が、高分子ゲル（Ａ）を１００重量部としたとき、化合物（Ｂ）が５〜２４０重量部の範囲、熱伝導フィラー（Ｃ）が１００〜１００００重量部の範囲である請求項１に記載の熱軟化放熱シート。
化合物Ｂが液体になる温度（融点または軟化点）が３０〜１０５℃の範囲である請求項１又は２に記載の熱軟化放熱シート。
化合物Ｂが、融点３０〜１０５℃の範囲のシリコーンオイル、融点３０〜１０５℃の範囲のワックス、融点３０〜８０℃の範囲のα−オレフィンでから選ばれる少なくとも一つの物質である請求項１〜３のいずれかに記載の熱軟化放熱シート。
熱伝導性フィラーが金属酸化物，窒化物，炭化物，金属粉，炭素繊維から選ばれる少なくとも一つである請求項１〜４のいずれかに記載の熱軟化放熱シート。
放熱シートの軟化温度が３５〜１０５℃の範囲である請求項１〜５のいずれかに記載の熱軟化放熱シート。
放熱シートの熱伝導率が０．５〜４０Ｗ／ｍ・Ｋの範囲である請求項１〜６のいずれかに記載の熱軟化放熱シート。
放熱シートの熱抵抗値が０．００５〜１０℃・inch²／Ｗの範囲である請求項１〜７のいずれかに記載の熱軟化放熱シート。
熱軟化放熱シートの少なくとも片面をゴム状に硬化させて薄膜補強層とした請求項１〜８のいずれかに記載の熱軟化放熱シート。
請求項１〜９のいずれかに記載の熱軟化放熱シートが、熱伝導性ゴムシート、熱伝導性ゲルシート及び熱伝導性樹脂シートから選ばれる少なくとも一つの熱伝導性シートに積層されていることを特徴とする放熱シート。
熱伝導性シートに基材が挿入されている請求項１０に記載の放熱シート。
請求項１〜９のいずれかに記載の熱軟化放熱シートの内層にさらに基材が挿入されていることを特徴とする放熱シート。
基材が織布、編物、不織布、プラスチックフィルム及び金属箔から選ばれる少なくとも一つである請求項１１又は１２に記載の放熱シート。
熱伝導性シートが、電磁波シールド性のある熱伝導性ゴム、熱伝導性ゲル及び熱伝導性樹脂から選ばれる少なくとも一つである請求項１０又は１１に記載の放熱シート。