(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【発明を実施するための形態】
【0011】
〔複合充填材〕
本発明の複合充填材は、窒化アルミニウム粉末と無機粉末(A)とを含む。
ここで、本発明において「D50」とは、粉末の粒度分布曲線における累積50%値、すなわち、粒度分布曲線において、粒径の小さい側から見たときの相対粒子量の累積が全粒子量の50%となったときの粒子径のことである。このD50は、例えばレーザー回折散乱法の測定から求めることができる。
なお、本明細書において、数値範囲について「X〜Y」(ただし、X<Y)というときは、別途の記載がない限り、「X以上Y以下」を意味する。
【0012】
<窒化アルミニウム粉末>
本発明の複合充填材を構成する窒化アルミニウム粉末は、還元窒化法や直接窒化法等種々の方法によって得られる公知のものであってもよく、特に制限は無い。ただ、通常の場合、窒化アルミニウム粉末として、特に、熱伝導率が120W/m・K以上、好ましくは、150〜250W/m・Kを有するものが好適に使用される。
【0013】
本発明において、前記窒化アルミニウム粉末は、D50が、0.5〜10μm、好ましくは、1〜7μmのものが使用される。前記窒化アルミニウム粉末のD50が上記範囲内にあると、充分な熱伝導性を有しつつ、複合充填材の形で樹脂に充填したときの粘度の上昇を抑えることができ好ましい。前記窒化アルミニウム粉末のD50が0.5μmより小さい場合、複合充填材を樹脂に充填した場合の粘度の上昇が激しく、また、粒子間に気泡を噛み込み易くなり、絶縁耐性の低下をも招く場合がある。一方、前記窒化アルミニウム粉末のD50が10μmより大きい場合は、後述する無機粉末(A)を構成する粒子の周囲に窒化アルミニウム粉末の粒子が均等に存在し難くなり、十分な熱伝導性を発揮することができないことがある。
尚、前記窒化アルミニウム粉末の粒子のモース硬度は、8程度である。
【0014】
本発明の複合充填材におけるこのような前記窒化アルミニウム粉末の含有量は、本発明の複合充填材を構成する全構成粉末の体積の合計を100体積%として、20体積%〜50体積%である。
本発明において、前記窒化アルミニウム粉末は、還元窒化法や直接窒化法を用いて得ることができる。
【0015】
ここで、還元窒化法は、アルミナとカーボンとの組成物を還元窒化する工程を経て窒化アルミニウム粉末を得る方法である。この還元窒化法を実施する具体的な条件・手法は、従来公知のものを採用することができ、例えば、特開2012−056774号などに記載のものを挙げることができる。前記還元窒化法によって得られる窒化アルミニウム粉末は、脱炭処理(酸化処理)において表面に数nmの酸化層を有するため、耐水性が高く、好適に使用される。
【0016】
一方、直接窒化法は、アルミニウムと窒素とを直接反応させる工程を経て窒化アルミニウム粉末を得る方法である。ここで、直接酸化法では脱炭処理(酸化処理)を要しないことから、この直接酸化法によって得られる窒化アルミニウム粉末自体には、必ずしも酸化層を有するとは限らない。しかし、直接窒化法によって得られるそのような窒化アルミニウム粉末においても、酸化処理を行うことによって酸化層を形成させることができる。したがって、直接窒化法によって得られる窒化アルミニウム粉末であっても、表面に酸化層を有する形態に変換してから使用してもよい。
【0017】
また、更に耐水性を高めるため、表面に耐水層を形成することも好ましい。例えば、窒化アルミニウム粉末からなるコアの表面にリン酸アルミニウム層を有する粉末、いわゆる、リン酸処理を行った窒化アルミニウム粉末は、本発明において好適に使用することができる。このような粉末は、例えば、特開2012−140260号公報に記載されている方法などにより得ることができる。
【0018】
<無機粉末(A)>
本発明の複合充填材は、上記窒化アルミニウム粉末に加えて、適度に高い熱伝導性を有し、窒化アルミニウム粉末より低い硬度を有し、且つ、窒化アルミニウム粉末より粒径が大きい無機粉末(A)をも含む。以下、無機粉末(A)が有する熱伝導性、硬度および粒径についての数値等について、詳述する。
【0019】
本発明において、無機粉末(A)は、熱伝導率が45〜60W/m・K、好ましくは、50〜60W/m・Kである。ここで、本発明において、高い熱伝導性を得る観点からは、上記窒化アルミニウム粉末と同様、無機粉末(A)の熱伝導率も高いほど好ましいが、前記下限値、特に60W/m・Kを超える無機粉末は、高価であり、複合充填材の工業的な実施において不利となる傾向にある。一方、熱伝導率が前記上限値、特に45W/m・Kより低い場合は、複合充填材を充填した樹脂組成物において、窒化アルミニウム粉末の粒子間による熱伝導性付与効果と共に働く、無機粉末(A)による熱伝導性の付与効果が低減し、高い熱伝導性を付与することが困難となる傾向にある。そこで、高い熱伝導性と経済性とのバランスを考慮し、無機粉末(A)の熱伝導率を上記のように定めたのである。
【0020】
また、硬度の面から見ると、前記無機粉末(A)は、上記窒化アルミニウム粉末よりも若干柔らかく、具体的には、5以上7以下、好ましくは、5以上6以下のモース硬度を有する。無機粉末(A)のモース硬度が7より高い場合、上記窒化アルミニウム粉末の粒子との密着性が低下し、上記窒化アルミニウム粉末と組み合わせて得られる複合充填材を樹脂に充填してなる樹脂組成物において、無機粉末(A)の周囲に窒化アルミニウム粉末の粒子を安定して存在させることが困難となり、十分な熱伝導性を付与することが困難となる場合がある。一方、モース硬度が5より低い無機粉末、特にモース硬度が4より低い無機粉末において、無機粉末(A)に該当するための要件を全て満たす無機粉末、特に、次述する粒子径を満足し、且つ上述した熱伝導率を有する無機粉末を選択することは困難である傾向にある。
【0021】
ここで、前記熱伝導率およびモース硬度を有する無機粉末(A)となり得る無機材料としては、例えば、MgO、ZnOが挙げられる。これら無機材料の中でも、特にMgOが好ましい。
【0022】
更に、粒径の面から見ると、上記窒化アルミニウム粉末と組み合わされたときに充分な熱伝導性が充分に確保できるよう、無機粉末(A)のD50は、20〜80μm、好ましくは、30〜50μmである。本発明において、無機粉末(A)のD50が前記下限値、特に20μmより小さい場合、その周囲に窒化アルミニウム粉末の粒子を配することが困難となる傾向にある。一方、該D50が前記上限値、特に80μmを超えると、樹脂中で密度の高い窒化アルミニウム粉末の粒子の連鎖が形成され難くなり、無機粉末(A)の熱伝導率が支配的となる傾向にある。そのため、いずれの場合にも、樹脂に複合充填材を充填してなる樹脂組成物において、十分高い熱伝導率を発揮することが困難となる傾向にある。
【0023】
前記したように、無機粉末(A)のD50(以下、「D50
(A)」と呼ばれる場合がある。)は、前記範囲内であれば特に制限されないが、前記窒化アルミニウム粉末のD50(以下、「D50
AlN」と呼ばれる場合がある。)との関係で、D50
(A)/D50
AlNの比が、3〜40、好ましくは、4〜20となるように決定することが最も好ましい。
【0024】
また、前記無機粉末(A)の形状は、表面における窒化アルミニウム粉末の粒子の密度を高くするため、比表面積が最も小さくし得る球状が好ましい。
本発明の複合充填材における前記無機粉末(A)の含有量は、本発明の複合充填材を構成する全構成粉末の体積の合計を100体積%として、50体積%〜80体積%である。
【0025】
このように、本発明の複合充填材は、上記窒化アルミニウム粉末と前記無機粉末(A)とを特定の割合で含む構成を有しており、このような複合充填材を用いることによって、高い熱伝導性を有する樹脂組成物を経済的に有利に製造することが可能となる。
【0026】
本発明のこのような構成により、このような効果が発揮される作用機構は明らかではないが、本発明者らは、
(a) 窒化アルミニウム粉末より低い硬度を有し、且つ、粒径が十分大きい無機粉末を無機粉末(A)として使用し窒化アルミニウム粉末に配合することにより、樹脂への充填を行った後に得られる樹脂組成物において、
図1に示すように、該無機粉末(A)の粒子の周囲に窒化アルミニウム粉末の粒子が密着性良く安定して存在する;
(b) そして、窒化アルミニウム粉末と無機粉末(A)とがこのような態様で共存することにより、(i) 窒化アルミニウム粉末の量が少ない場合でも、密度の高い窒化アルミニウム粉末の粒子の連鎖が樹脂組成物内で形成され易くなり窒化アルミニウムの高熱伝導性が十分発揮されると共に、(ii) 無機粉末(A)自体もある程度の熱伝導性を有することで、総じて、より一層高い熱伝導性を発揮する
ものと推定している。
【0027】
<その他の無機粉末>
本発明の複合充填材は、上述したとおり、上記窒化アルミニウム粉末と無機粉末(A)とを特定の割合で含む。ここで、本発明の複合充填材は、上記窒化アルミニウム粉末と無機粉末(A)とのみからなるものであってもよく、そのような複合充填材は、本発明の好適な実施態様の1つである。なお、この実施態様では、上記窒化アルミニウム粉末の全体積と上記無機粉末(A)の全体積との合計が100体積%ということになる。しかし、本発明の複合充填材は、このような態様のものに限られず、上記窒化アルミニウム粉末および無機粉末(A)に加えて、上記窒化アルミニウム粉末および無機粉末(A)のいずれにも該当しない無機粉末(以下、「その他の無機粉末」)をさらに含むものであってもよい。
【0028】
このような「その他の無機粉末」としては、適度な熱伝導性を有し、モース硬度が低く、且つ、粒径が比較的小さい無機粉末が挙げられる。このような無機粉末を少量配合することにより、上記窒化アルミニウム粉末と上記無機粉末(A)との粒子間をより親密に接触させることができるため好ましい。
【0029】
このような無機粉末として、具体的には、熱伝導率が40〜100W/m・K、特に、60〜100W/m・K、モース硬度が2以上5未満、特に、2以上4以下、および、D50が0.5〜5μm、特に、0.5〜3μmである無機粉末(B)が挙げられる。すなわち、「その他の成分」としてこのような無機粉末(B)が用いられる場合、モース硬度において、上記窒化アルミニウム粉末>上記無機粉末(A)>無機粉末(B)の関係が成り立つことになる。このような無機粉末(B)となりうる無機材料として、例えば、窒化ホウ素などが挙げられる
。
上記本発明の複合充填材は、上述した成分の他に、本発明の効果を奏する範囲で、「その他の無機粉末」として、前記無機粉末(B)以外の無機粉末を更に含有してもよい。
【0030】
〔樹脂組成物〕
本発明に係る樹脂組成物は、上述した本発明の複合充填材と樹脂とを含む樹脂組成物である。
本発明の樹脂組成物に含有される樹脂に特に限定はないが、
例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合体、ポリメチルペンテン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリ酢酸ビニル、エチレン−酢酸ビニル共重合体、ポリビニルアルコール、ポリアセタール、フッ素樹脂(ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン等)、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレン2,6ナフタレート、ポリスチレン、ポリアクリロニトリル、スチレン−アクリロニトリル共重合体、ABS樹脂、ポリフェニレンエーテル(PPE)樹脂、変性PPE樹脂、脂肪族ポリアミド類、芳香族ポリアミド類、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリメタクリル酸類(ポリメタクリル酸メチル等のポリメタクリル酸エステル)、ポリアクリル酸類、ポリカーボネート、ポリフェニレンスルフィド、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルニトリル、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリケトン、液晶ポリマー、アイオノマーなどの熱可塑性樹脂;並びに、
例えば、エポキシ樹脂、硬化性アクリル樹脂、硬化性ウレタン樹脂、硬化性シリコーン樹脂、フェノール樹脂、硬化性ポリイミド樹脂、硬化型変性PPE、および硬化型PPEなどの硬化性樹脂
等が挙げられる。これら樹脂の中でも、板状成形体や薄膜状成形体などの成形体を作製する上では、硬化性樹脂が好ましく、液状の硬化性樹脂が特に好ましい。
【0031】
本発明の樹脂組成物は、上記複合充填材を50体積%〜80体積%、好ましくは60体積%〜80体積%の割合で含有する。このように上記複合充填材を上記の割合で含むと、得られる成形体における熱伝導率を充分に確保しつつ一定の作業性も確保することが可能となり好ましい。上記複合充填材の含量が上記の範囲より少ないと、得られる成形体の熱伝導率が低くなり、例えば放熱シートとして用いた場合十分な特性を得ることができない場合がある。一方、上記複合充填材の含量が上記の範囲より多い場合には、複合充填材と樹脂を混合した時に、得られる樹脂組成物の粘度が著しく上昇し、作業性が極めて悪くなり、更には、混合不良が発生し、熱伝導性低下を招く等の問題が起こる場合がある。
また、本発明の樹脂組成物には、必要に応じて硬化剤、カップリング剤などの添加剤を含んでもよい。
【0032】
本発明の樹脂組成物は、上記複合充填材、上記樹脂、その他、上記添加剤など必要に応じて含まれる成分を混合することにより製造できる。この場合、これら各成分の混合は、熱可塑性樹脂の場合、例えば、押出機にて溶融混合することによって得ることができ、また、熱硬化性樹脂の場合、例えば、未硬化或いは半硬化の樹脂と公知の手段により混合後、硬化させることにより得ることができる。
そして、以上のような本発明の樹脂組成物を公知の手段により適当な形状に成形することにより、高い熱伝導性を持った成形体を得ることができる。
【実施例】
【0033】
以下、実施例によって本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。
尚、本発明において、各種試験方法は、以下の通り行った。
【0034】
(1)樹脂組成物の粘度:
樹脂組成物の粘度は、レオメーター(AR2000ex:TA Instruments社製)を用い、せん断速度5/s、80℃にて測定した。
【0035】
(2)D50
試料をホモジナイザーにて5%ピロリン酸ソーダ水溶液中に分散させ、レーザー回折粒度分布装置(日機装株式会社製MICROTRAC HRA)にて粒径を測定し、D50を求めた。
【0036】
(3)樹脂組成物の熱伝導率
複合充填材を樹脂に充填した樹脂組成物を、試験片に成形し、熱拡散率、密度および比熱から、下記式に基づき求めた。
熱伝導率(W/m・K)=熱拡散率×密度×比熱
尚、熱拡散率は、レーザーフラッシュ法にて、密度は、アルキメデス法にて、また、比熱は、DSC法にて、それぞれ測定した。
【0037】
(4)絶縁耐性
試験片破壊に至る一定昇圧速度(2kV/sec)で破壊電圧(BDV)を求めるとの短時間法で測定する。
【0038】
[実施例1]
本例は、基材樹脂としてエポキシ樹脂を用いて樹脂組成物の作製する例である。
具体的にはエポキシ樹脂(三菱化学株式会社製jER828)100重量部と硬化剤(イミダゾール系硬化剤、四国化成工業株式会社製キュアゾール2E4MZ)5重量部との混合物を、基材樹脂として準備した。
【0039】
次に、基材樹脂100重量部と、平均粒径5μmの窒化アルミニウム(以下「AlN」)粉末190重量部、および、平均粒径30μmのMgO粉末497重量部とを自転・公転ミキサー(株式会社シンキー製ARE−500)にて混合後、樹脂組成物を得た。その時、粉末の充填率は70vol%であった。上記未硬化の状態の樹脂組成物の粘度をレオメーターにて測定した。
【0040】
また、得られた樹脂組成物の一部を金型体に注型し、熱プレスを使用し、温度:100℃、圧力:20MPa、保持時間:2時間の条件で硬化させ、直径10mm、厚さ1mmの試験片を作製し、レーザーフラッシュ法による熱伝導率を測定、また、得られた樹脂組成物の一部を金型体に注型し、熱プレスを使用し、温度:100℃、圧力:20MPa、保持時間:2時間の条件で硬化させ、直径30mm、厚さ200μmの試験片を作製し、短時間法による絶縁耐性の測定を行った。結果を表1に併せて示す。
【0041】
[実施例2]
基材樹脂に対するMgO粉末、AlN粉末の量を表1に示す量とした以外は実施例1と同様にして、第1の樹脂組成物及試験片を作製した。得られた試験片の熱伝導率、絶縁耐性を測定した結果及び粘度の結果を表1に示した。
【0042】
[実施例3]
本実施例では、MgO粉末およびAlN粉末に加えて、無機粉末(B)として窒化ホウ素(以下「BN」)粉末を併用した。ここで、基材樹脂に対するMgO粉末、AlN粉末、及びBN粉末の量を表1に示す量とした以外は実施例1と同様にして、第1の樹脂組成物及び試験片を作製した。得られた試験片の熱伝導率、絶縁耐性を測定した結果及び粘度の結果を表1に示した。
【0043】
[実施例4]
MgO粉末に代えてZnO粉末を採用するとともに、基材樹脂に対するZnO粉末及びAlN粉末の量を表1に示す量とした以外は実施例1と同様にして、第1の樹脂組成物及び試験片を作製した。得られた試験片の熱伝導率、絶縁耐性を測定した結果及び粘度の結果を表1に示した。
【0044】
[比較例1]
基材樹脂に対するAlN粉末の量を表2に示す量とし、MgO粉末は配合しなかった以外は実施例1と同様にして、第1の樹脂組成物及び試験片を作製した。得られた試験片の熱伝導率、絶縁耐性を測定した結果及び粘度の結果を表2に示した。
【0045】
[比較例2]
基材樹脂に対するMgO粉末の量を表2に示す量とし、AlN粉末は配合しなかった以外は実施例1と同様にして、第1の樹脂組成物及び試験片を作製した。得られた試験片の熱伝導率、絶縁耐性を測定した結果及び粘度の結果を表2に示した。
【0046】
[比較例3]
基材樹脂に対するMgO粉末、AlN粉末の量を表2に示す量とした以外は実施例1と同様にして、第1の樹脂組成物及び試験片を作製した。得られた試験片の熱伝導率、絶縁耐性を測定した結果及び粘度の結果を表2に示した。
【0047】
[比較例4]
MgO粉末に代えてAl
2O
3粉末を採用するとともに、基材樹脂に対するAl
2O
3粉末、AlN粉末の量を表2に示す量とした以外は実施例1と同様にして、第1の樹脂組成物及び試験片を作製した。得られた試験片の熱伝導率、絶縁耐性を測定した結果及び粘度の結果を表2に示した。
【0048】
【表1】
【0049】
【表2】