特開 2022-126076 熱伝導性シート、および電子機器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022126076

(43)【公開日】2022-08-30

(54)【発明の名称】熱伝導性シート、および電子機器

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/36 20060101AFI20220823BHJP

   H01L 23/373 20060101ALI20220823BHJP

   H05K 7/20 20060101ALI20220823BHJP

   C08L 101/00 20060101ALI20220823BHJP

   C08L 83/04 20060101ALI20220823BHJP

   C08K 3/38 20060101ALI20220823BHJP

   C08K 7/06 20060101ALI20220823BHJP

   C08K 3/28 20060101ALI20220823BHJP

   C08K 3/22 20060101ALI20220823BHJP

【ＦＩ】

H01L23/36 D

H01L23/36 M

H05K7/20 F

C08L101/00

C08L83/04

C08K3/38

C08K7/06

C08K3/28

C08K3/22

【審査請求】有

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021023935

(22)【出願日】2021-02-18

(11)【特許番号】

(45)【特許公報発行日】2021-12-17

(71)【出願人】

【識別番号】000108410

【氏名又は名称】デクセリアルズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001771

【氏名又は名称】弁理士法人虎ノ門知的財産事務所

(72)【発明者】

【氏名】荒巻 慶輔

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 勇磨

(72)【発明者】

【氏名】久保 佑介

【テーマコード（参考）】

4J002

5E322

5F136

【Ｆターム（参考）】

4J002AA021

4J002AC011

4J002AC031

4J002AC061

4J002AC071

4J002AC081

4J002AC091

4J002BB181

4J002BB241

4J002BB271

4J002BG041

4J002CC031

4J002CD001

4J002CF211

4J002CH071

4J002CK021

4J002CM041

4J002CP031

4J002DA016

4J002DE107

4J002DE147

4J002DF017

4J002DK006

4J002FA017

4J002FA046

4J002FB076

4J002FB096

4J002FB266

4J002FD016

4J002GQ00

5E322AA01

5E322AA02

5E322FA04

5F136BC07

5F136FA25

5F136FA52

5F136FA53

5F136FA54

5F136FA62

5F136FA63

(57)【要約】

【課題】厚み方向に良好に伝熱させることが可能な熱伝導性シート、および電子機器を提供する。
【解決手段】本発明にかかる熱伝導性シートは、バインダと異方性熱伝導フィラーとを含み、前記異方性熱伝導フィラーが厚み方向に配向した熱伝導性シートであり、当該熱伝導性シートのいずれか一方の面のＳａが５μｍ以下、Ｓｚが５０μｍ以下であり、絶縁破壊電圧が０．５ｋＶ／ｍｍ以上である。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

バインダと異方性熱伝導フィラーとを含み、前記異方性熱伝導フィラーが厚み方向に配向した熱伝導性シートであり、
当該熱伝導性シートのいずれか一方の面のＳａが５μｍ以下、Ｓｚが５０μｍ以下であり、絶縁破壊電圧が０．５ｋＶ／ｍｍ以上である、熱伝導性シート。

【請求項2】

前記異方性熱伝導フィラーが、窒化ホウ素、炭素繊維、および、表面を絶縁物で被覆した炭素繊維のいずれかである、請求項１に記載の熱伝導性シート。

【請求項3】

さらに、アルミナ、窒化アルミ、酸化亜鉛、および水酸化アルミのいずれかを含有する、請求項１または２に記載の熱伝導性シート。

【請求項4】

前記バインダがシリコーンである、請求項１～３のいずれかに記載の熱伝導性シート。

【請求項5】

請求項１～４記載の熱伝導性シートを、発熱体と放熱部材の間に挟んだ、電子機器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、熱伝導性シート、および電子機器に関する。

【背景技術】

【0002】

電子機器の更なる高性能化に伴って、半導体素子の高密度化、高実装化が進んでいる。これに伴って、電子機器を構成する電子部品から発熱する熱をさらに効率良く放熱することが重要になっている。半導体は、効率良く放熱させるために、熱伝導性シートを介して、放熱ファン、放熱板等のヒートシンクに取り付けられている。熱伝導性シートとしては、シリコーンに無機フィラー等の充填材を分散含有させたものが広く使用されている。このような放熱部材においては、更なる熱伝導率の向上が要求されており、一般には、高熱伝導性を目的として、マトリックス内に配合されている無機フィラーの充填率を高めることにより対応している。

【0003】

しかし、熱伝導性シートに対する無機フィラーの充填率を高めると、熱伝導性シートの柔軟性が損なわれたり、無機フィラーの充填率が高いことから粉落ちが発生したりするため、無機フィラーの充填率を高めることには限界がある。無機フィラーとしては、例えば、アルミナ、窒化アルミニウム、水酸化アルミニウム等が挙げられる。また、熱伝導性シートの高熱伝導率を目的として、窒化ホウ素、黒鉛等の鱗片状粒子、炭素繊維等をマトリックス内に充填させることがある。これは、鱗片状粒子等の有する熱伝導率の異方性によるものである。

【0004】

例えば、炭素繊維の場合には、繊維方向に約６００～１２００Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する。窒化ホウ素の場合には、面方向に約１１０Ｗ／ｍＫ、面方向に対して垂直な方向に約２Ｗ／ｍＫ程度の熱伝導率を有しており、異方性を有することが知られている。このように炭素繊維、鱗片状粒子の面方向を熱の伝達方向であるシートの厚み方向と同じにする。即ち、炭素繊維、鱗片状粒子をシートの厚み方向に配向させることによって、熱伝導性を飛躍的に向上させることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特許第６６５０１７５号公報

【特許文献2】特開２０１２－２３３３５号公報

【特許文献3】特許第６０８２７７７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ところで、絶縁性の熱伝導性シートは、アルミナ等のセラミックフィラーを充填して製造するが、熱伝導フィラーの熱伝導性が低いので、熱抵抗が小さい熱伝導性シートを得ることができない。熱伝導性が高いセラミックフィラーとして窒化ホウ素が挙げられる。窒化ホウ素の形状は、鱗片状であるため厚み方向に配向させないと高い熱伝導性を得ることができない。

【0007】

そこで、熱伝導性シート形成用の樹脂組成物から成形体ブロックを作製し、当該成形体ブロックをスライスすることで、熱伝導性シートの厚み方向に窒化ホウ素を配向させることができる。しかし、このように成形体ブロックをただ単にスライスして熱伝導性シートを作製しただけでは良好な熱抵抗が得られない場合がある。また、絶縁性フィラーの熱伝導率は導電性フィラーより劣る。

【0008】

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、厚み方向に良好に伝熱させることが可能な熱伝導性シート、および電子機器を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる熱伝導性シートは、バインダと異方性熱伝導フィラーとを含み、前記異方性熱伝導フィラーが厚み方向に配向した熱伝導性シートであり、当該熱伝導性シートのいずれか一方の面のＳａが５μｍ以下、Ｓｚが５０μｍ以下であり、絶縁破壊電圧が０．５ｋＶ／ｍｍ以上である。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、絶縁性を有しながらも、低熱抵抗の熱伝導性シートを得ることができる、という効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、本技術が適用された熱伝導シートの一例を示す図である。

【図2】図２は、熱伝導性成形体をスライスする工程の一例を示す斜視図である。

【図3】図３は、半導体装置の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態により本発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一又は対応する要素には適宜同一の符号を付している。さらに、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係などは、現実のものとは異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。

【0013】

（熱伝導性シートの構成例）
図１は、本技術が適用された熱伝導性シートの一例を示す図である。図１に示す熱伝導性シート１は、シート本体２と、樹脂被覆層５を有する。シート本体２は、少なくとも高分子マトリックス成分と繊維状の熱伝導性充填剤とを含むバインダ樹脂が硬化されたものである。樹脂被覆層５は、シート本体２から滲み出た高分子マトリックス成分の未硬化成分によって形成されている。シート本体２の一方の面２ａには、第１剥離フィルム３が貼り付けられ、シート本体２の他方の面２ｂは、第２剥離フィルム４が貼り付けられている。

【0014】

熱伝導性シート１は、一方の面２ａおよび他方の面２ｂに樹脂被覆層５が形成されることによりタック（粘着性）を有し、使用の際に第１剥離フィルム３と第２剥離フィルム４を剥離することにより、シート本体２を所定の位置に貼付可能とされている。これにより、熱伝導性シート１は、作業性、取り扱い性に優れる。また、熱伝導性シート１は、電子部品と放熱部材との組み立て時の位置ズレを修正したり、一旦組み立てた後に何らかの事情で解体し、再度組み立てることを可能としたりするなどのリワーク性に優れる。

【0015】

（高分子マトリックス成分）
シート本体２を構成する高分子マトリックス成分は、熱伝導性シート１の基材となる高分子成分のことである。その種類については、特に限定されず、公知の高分子マトリックス成分を適宜選択することができる。例えば、高分子マトリックス成分の一つとして、熱硬化性ポリマーが挙げられる。

【0016】

前記熱硬化性ポリマーとしては、例えば、架橋ゴム、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ビスマレイミド樹脂、ベンゾシクロブテン樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル、ジアリルフタレート樹脂、シリコーン樹脂、ポリウレタン、ポリイミドシリコーン、熱硬化型ポリフェニレンエーテル、熱硬化型変性ポリフェニレンエーテル等が挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。

【0017】

なお、前記架橋ゴムとしては、例えば、天然ゴム、ブタジエンゴム、イソプレンゴム、ニトリルゴム、水添ニトリルゴム、クロロプレンゴム、エチレンプロピレンゴム、塩素化ポリエチレン、クロロスルホン化ポリエチレン、ブチルゴム、ハロゲン化ブチルゴム、フッ素ゴム、ウレタンゴム、アクリルゴム、ポリイソブチレンゴム、シリコーンゴム等が挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。

【0018】

また、これら熱硬化性ポリマーの中でも、成形加工性および耐候性に優れるとともに、電子部品に対する密着性および追従性の点から、シリコーン樹脂を用いることが好ましい。前記シリコーン樹脂としては、特に制限はなく、目的に応じてシリコーン樹脂の種類を適宜選択することができる。

【0019】

上述した成形加工性、耐候性、密着性等を得る観点からは、前記シリコーン樹脂として、液状シリコーンゲルの主剤と、硬化剤とから構成されるシリコーン樹脂であることが好ましい。そのようなシリコーン樹脂としては、例えば、付加反応型液状シリコーン樹脂、過酸化物を加硫に用いる熱加硫型ミラブルタイプのシリコーン樹脂等が挙げられる。これらの中でも、電子機器の放熱部材としては、電子部品の発熱面とヒートシンク面との密着性が要求されるため、付加反応型液状シリコーン樹脂が特に好ましい。

【0020】

前記付加反応型液状シリコーン樹脂としては、ビニル基を有するポリオルガノシロキサンを主剤、Ｓｉ－Ｈ基を有するポリオルガノシロキサンを硬化剤とした、２液性の付加反応型シリコーン樹脂等を用いることが好ましい。

【0021】

ここで、液状シリコーン成分は、主剤となるシリコーンＡ液成分と硬化剤が含まれるシリコーンＢ液成分を有し、シリコーンＡ液成分とシリコーンＢ液成分とが所定の割合で配合されている。シリコーンＡ液成分とシリコーンＢ液成分との配合割合は適宜調整できるが、シート本体２に柔軟性を付与するとともに、面２ａと第１剥離フィルム３との間と、面２ｂと第２剥離フィルム４との間に高分子マトリックス成分の未硬化成分をブリードさせ、樹脂被覆層５を形成できる配合割合とすることが好ましい。

【0022】

また、熱伝導性シート１における前記高分子マトリックス成分の含有量は、特に制限されず、目的に応じて適宜選択することができるが、シートの成形加工性や、シートの密着性等を確保する観点からは、１５体積％～５０体積％程度であることが好ましく、２０体積％～４５体積％であることがより好ましい。

【0023】

（繊維状熱伝導性充填剤）
熱伝導性シート１に含まれる繊維状の熱伝導性充填剤は、シートの熱伝導性を向上させるための成分である。熱伝導性充填剤の種類については、熱伝導性の高い繊維状の材料であれば特に限定はされないが、より高い熱伝導性を得られる点からは、炭素繊維を用いることが好ましい。

【0024】

なお、熱伝導性充填剤については、一種単独でもよいし、二種以上を混合して用いてもよい。また、二種以上の熱伝導性充填剤を用いる場合には、いずれも繊維状の熱伝導性充填剤であってもよいし、繊維状の熱伝導性充填剤と別の形状の熱伝導性充填剤とを混合して用いてもよい。別の形状の熱伝導性充填剤としては、銀、銅、アルミニウム等の金属、アルミナ、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、グラファイト等のセラミックス等が挙げられる。

【0025】

前記炭素繊維の種類について特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。例えば、ピッチ系、ＰＡＮ系、ＰＢＯ繊維を黒鉛化したもの、アーク放電法、レーザー蒸発法、ＣＶＤ法（化学気相成長法）、ＣＣＶＤ法（触媒化学気相成長法）等で合成されたものを用いることができる。これらの中でも、高い熱伝導性が得られる点から、ＰＢＯ繊維を黒鉛化した炭素繊維、ピッチ系炭素繊維がより好ましい。

【0026】

また、前記炭素繊維は、必要に応じて、その一部又は全部を表面処理して用いることができる。前記表面処理としては、例えば、酸化処理、窒化処理、ニトロ化、スルホン化、あるいはこれらの処理によって表面に導入された官能基若しくは炭素繊維の表面に、金属、金属化合物、有機化合物等を付着あるいは結合させる処理等が挙げられる。前記官能基としては、例えば、水酸基、カルボキシル基、カルボニル基、ニトロ基、アミノ基等が挙げられる。

【0027】

また、前記炭素繊維は、少なくともその表面の一部を絶縁物で被覆しても良い。被覆に用いる材料としては、ＳｉＯ２などの絶縁性の無機物や、エポキシ樹脂や（メタ）アクリル樹脂、ジビニルベンゼンなどの熱硬化性又は紫外線硬化性樹脂が挙げられる。被覆の方法としては、例えば、絶縁物が無機物であればゾルゲル法による炭素繊維表面への析出が挙げられる。熱硬化性樹脂の場合には、モノマーと重合開始剤または硬化剤を溶解させた溶液中に炭素繊維を加え、攪拌しながら重合反応を行い、溶剤に不溶なポリマーを炭素繊維表面に析出させて被覆する方法などが挙げられる。熱硬化性樹脂の場合は、２官能以上のモノマーを用いる事が好ましい。

【0028】

さらに、前記炭素繊維の平均繊維長（平均長軸長さ）についても、特に制限はなく適宜選択することができるが、確実に高い熱伝導性を得る点から、５０μｍ～３００μｍの範囲であることが好ましく、７５μｍ～２７５μｍの範囲であることがより好ましく、９０μｍ～２５０μｍの範囲であることが特に好ましい。

【0029】

さらにまた、前記炭素繊維の平均繊維径（平均短軸長さ）についても、特に制限はなく適宜選択することができるが、確実に高い熱伝導性を得る点から、４μｍ～２０μｍの範囲であることが好ましく、５μｍ～１４μｍの範囲であることがより好ましい。

【0030】

前記炭素繊維のアスペクト比（平均長軸長さ／平均短軸長さ）については、確実に高い熱伝導性を得る点から、８以上であることが好ましく、９～３０であることがより好ましい。前記アスペクト比が８未満であると、炭素繊維の繊維長（長軸長さ）が短いため、熱伝導率が低下してしまうおそれがあり、一方、３０を超えると、熱伝導性シート１中での分散性が低下するため、十分な熱伝導率を得られないおそれがある。

【0031】

ここで、前記炭素繊維の平均長軸長さ、及び平均短軸長さは、例えばマイクロスコープ、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等によって測定し、複数のサンプルから平均を算出することができる。

【0032】

また、熱伝導性シート１における前記繊維状の熱伝導性充填剤の含有量としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、４体積％～４０体積％であることが好ましく、５体積％～３５体積％であることがより好ましい。前記含有量が、４体積％未満であると、十分に低い熱抵抗を得ることが困難になるおそれがあり、４０体積％を超えると、熱伝導性シート１の成型性および前記繊維状の熱伝導性充填剤の配向性に影響を与えてしまうおそれがある。また、熱伝導性シート１における繊維状の熱伝導性充填剤を含む熱伝導性充填剤の含有量は、１５体積％～７５体積％であることが好ましい。

【0033】

なお、繊維状の熱伝導性充填剤は、シート本体２の面２ａと面２ｂに露出し、電子部品等の熱源やヒートシンク等の放熱部材と熱的に接触する。熱伝導性シート１は、シート本体２の面２ａと面２ｂに露出する繊維状熱伝導性充填剤が高分子マトリックス成分の未硬化成分で被覆される場合、電子部品等に搭載した際に繊維状熱伝導性充填剤と電子部品等との接触熱抵抗を下げることができる。

【0034】

（無機物フィラー）
熱伝導性シート１は、熱伝導性充填剤として、無機物フィラーをさらに含有させてもよい。無機物フィラーを含有させることにより、熱伝導性シート１の熱伝導性をより高め、シートの強度を向上できる。前記無機物フィラーとしては、形状、材質、平均粒径等については特に制限がされず、目的に応じて適宜選択することができる。前記形状としては、例えば、球状、楕円球状、塊状、粒状、扁平状、針状等が挙げられる。これらの中でも、球状、楕円形状が充填性の点から好ましく、球状が特に好ましい。

【0035】

前記無機物フィラーの材料としては、例えば、窒化アルミニウム（窒化アルミ：ＡｌＮ）、シリカ、アルミナ（酸化アルミニウム）、窒化ホウ素、チタニア、ガラス、酸化亜鉛、炭化ケイ素、ケイ素（シリコーン）、酸化珪素、金属粒子等が挙げられる。これらは、一種単独で使用してもよいし、二種以上を併用してもよい。これらの中でも、アルミナ、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、シリカが好ましく、熱伝導率の点から、アルミナ、窒化アルミニウムが特に好ましい。

【0036】

また、前記無機物フィラーは、表面処理が施されたものを用いることができる。前記表面処理としてカップリング剤で前記無機物フィラーを処理すると、前記無機物フィラーの分散性が向上し、熱伝導性シート１の柔軟性が向上する。

【0037】

前記無機物フィラーの平均粒径については、無機物の種類等に応じて適宜選択することができる。前記無機物フィラーがアルミナの場合、その平均粒径は、１μｍ～１０μｍであることが好ましく、１μｍ～５μｍであることがより好ましく、４μｍ～５μｍであることが特に好ましい。前記平均粒径が１μｍ未満であると、粘度が大きくなり、混合しにくくなるおそれがある。一方、前記平均粒径が１０μｍを超えると、熱伝導性シート１の熱抵抗が大きくなるおそれがある。

【0038】

さらに、前記無機物フィラーが窒化アルミニウムの場合、その平均粒径は、０．３μｍ～６．０μｍであることが好ましく、０．３μｍ～２．０μｍであることがより好ましく、０．５μｍ～１．５μｍであることが特に好ましい。前記平均粒径が、０．３μｍ未満であると、粘度が大きくなり、混合しにくくなるおそれがあり、６．０μｍを超えると、熱伝導性シート１の熱抵抗が大きくなるおそれがある。

【0039】

なお、前記無機物フィラーの平均粒径は、例えば、粒度分布計、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により測定することができる。

【0040】

なお、前記繊維状熱伝導性充填剤に替えて、前記無機物フィラーを用いても良い。この場合、厚み方向に熱伝導性を発揮させやすいことから、その形状は針状、鱗片状が好ましく、特に鱗片状が好ましい。鱗片状の無機物フィラーの材料としては窒化ホウ素が好ましい。

【0041】

（その他の成分）
熱伝導性シート１は、上述した、高分子マトリックス成分および繊維状熱伝導性充填剤、適宜含有される無機物フィラーに加えて、目的に応じてその他の成分を適宜含むこともできる。その他の成分としては、例えば、磁性粉、チキソトロピー性付与剤、分散剤、硬化促進剤、遅延剤、微粘着付与剤、可塑剤、難燃剤、酸化防止剤、安定剤、着色剤等が挙げられる。また、磁性粉の含有量を調整することにより、熱伝導性シート１に電磁波吸収性能を付与してもよい。

【0042】

（磁性粉）
熱伝導性シート１は、磁性粉の含有量を調整することにより、熱伝導性シート１に電磁波吸収性能を付与してもよい。

【0043】

前記磁性粉の種類については、磁性性を有すること以外は、特に限定されず、公知の磁性粉を適宜選択することができる。例えば、アモルファス金属粉や、結晶質の金属粉末を用いることができる。アモルファス金属粉としては、例えば、Ｆｅ－Ｓｉ－Ｂ－Ｃｒ系、Ｆｅ－Ｓｉ－Ｂ系、Ｃｏ－Ｓｉ－Ｂ系、Ｃｏ－Ｚｒ系、Ｃｏ－Ｎｂ系、Ｃｏ－Ｔａ系のもの等が挙げられ、結晶質の金属粉としては、例えば、純鉄、Ｆｅ系、Ｃｏ系、Ｎｉ系、Ｆｅ－Ｎｉ系、Ｆｅ－Ｃｏ系、Ｆｅ－Ａｌ系、Ｆｅ－Ｓｉ系、Ｆｅ－Ｓｉ－Ａｌ系、Ｆｅ－Ｎｉ－Ｓｉ－Ａｌ系のもの等が挙げられる。さらに、前記結晶質の金属粉としては、結晶質の金属粉に、Ｎ（窒素）、Ｃ（炭素）、Ｏ（酸素）、Ｂ（ホウ素）等を微量加えて微細化させた微結晶質金属粉を用いてもよい。

【0044】

なお、前記磁性金属粉については、材料が異なるものや、平均粒径が異なるものを二種以上混合したものを用いてもよい。

【0045】

また、前記磁性金属粉については、球状、扁平状等の形状を調整することが好ましい。例えば、充填性を高くする場合には、粒径が数μｍ～数十μｍであって、球状である磁性金属粉を用いることが好ましい。このような磁性金属粉末は、例えばアトマイズ法や、金属カルボニルを熱分解する方法により製造することができる。アトマイズ法とは、球状の粉末が作りやすい利点を有し、溶融金属をノズルから流出させ、流出させた溶融金属に空気、水、不活性ガス等のジェット流を吹き付けて液滴として凝固させて粉末を作る方法である。アトマイズ法によりアモルファス磁性金属粉末を製造する際には、溶融金属が結晶化しないようにするために、冷却速度を１×１０６（Ｋ／ｓ）程度にすることが好ましい。

【0046】

上述したアトマイズ法により、アモルファス合金粉を製造した場合には、アモルファス合金粉の表面を滑らかな状態とすることができる。このように表面凹凸が少なく、比表面積が小さいアモルファス合金粉を磁性金属粉として用いると、高分子マトリックス成分に対して充填性を高めることができる。さらに、カップリング処理を行うことで充填性をより向上できる。

【0047】

（熱伝導性シートの製造方法）
次いで、熱伝導性シート１の製造工程について説明する。本技術が適用された熱伝導性シート１の製造工程は、高分子マトリックス成分に繊維状の熱伝導性充填剤等が含有された熱伝導性樹脂組成物を所定の形状に成型して硬化させ、熱伝導性成形体を形成する工程（工程Ａ）と、前記熱伝導性成形体をシート状にスライスし、成形体シートを形成する工程（工程Ｂ）と、成形体シートを第１剥離フィルム３と第２剥離フィルム４とで挟持しプレスすることにより、成形体シート表面を平滑化するとともに樹脂被覆層５を形成する工程（工程Ｃ）とを有する。なお、ここでは、繊維状の熱伝導性充填剤を用いた場合について説明するが、繊維状の熱伝導性充填剤に替えて鱗片状の無機物フィラーを用いる場合も同様の製造工程が利用でき、以下の工程に於いても適宜読み替えが可能である。

【0048】

（工程Ａ）
この工程Ａでは、上述した高分子マトリックス成分および繊維状熱伝導性充填剤、適宜含有される無機物フィラー、その他の成分を配合し、熱伝導性樹脂組成物を調製する。なお、各成分を配合、調製する手順については特に限定はされず、例えば、高分子マトリックス成分に、繊維状熱伝導性充填剤、適宜、無機物フィラー、磁性粉、その他成分を添加し、混合することにより、熱伝導性樹脂組成物の調製が行われる。

【0049】

次いで、炭素繊維等の繊維状の熱伝導性充填剤を一方向に配向させる。この充填剤の配向方法は、一方向に配向させることができる手段であれば特に限定はされない。例えば、中空状の型内に前記熱伝導性樹脂組成物を高剪断力下で押し出すこと又は圧入することによって、比較的容易に繊維状の熱伝導性充填剤を一方向に配向させることができ、前記繊維状の熱伝導性充填剤の配向は同一（±１０°以内）となる。

【0050】

上述した、中空状の型内に前記熱伝導性樹脂組成物を高剪断力下で押し出すことまたは圧入する方法として、具体的には、押出し成型法または金型成型法が挙げられる。前記押出し成型法において、前記熱伝導性樹脂組成物をダイより押し出す際、あるいは前記金型成型法において、前記熱伝導性樹脂組成物を金型へ圧入する際、前記熱伝導性樹脂組成物が流動し、その流動方向に沿って繊維状熱伝導性充填剤が配向する。この際、ダイの先端にスリットを取り付けると繊維状熱伝導性充填剤がより配向されやすくなる。

【0051】

中空状の型内に押出しまたは圧入された前記熱伝導性樹脂組成物は、当該型の形状、大きさに応じたブロック形状に成型され、繊維状の熱伝導性充填剤の配向状態を維持したまま前記高分子マトリックス成分を硬化させることによって、熱伝導性成形体が形成される。熱伝導性成形体とは、所定のサイズに切断して得られる熱伝導性シート１の元となるシート切り出し用の母材（成形体）のことをいう。

【0052】

中空状の型および熱伝導性成形体の大きさおよび形状は、求められる熱伝導性シート１の大きさ、形状に応じて決めることができ、例えば、断面の縦の大きさが０．５ｃｍ～１５ｃｍで横の大きさが０．５ｃｍ～１５ｃｍの直方体が挙げられる。直方体の長さは必要に応じて決定すればよい。

【0053】

前記高分子マトリックス成分を硬化させる方法や条件については、高分子マトリックス成分の種類に応じて変えることができる。例えば、前記高分子マトリックス成分が熱硬化樹脂の場合、熱硬化における硬化温度を調整することができる。さらに、該熱硬化性樹脂が、液状シリコーンゲルの主剤と、硬化剤とを含有するものである場合、８０℃～１２０℃の硬化温度で硬化を行うことが好ましい。また、熱硬化における硬化時間としては、特に制限はないが、１時間～１０時間とすることができる。

【0054】

（工程Ｂ）
図２に示すように、熱伝導性成形体６をシート状にスライスし、成形体シート７を形成する工程Ｂでは、配向した繊維状の熱伝導性充填剤の長軸方向に対して、０°～９０°の角度となるように、より好ましくは４５°～９０°の角度となるように、熱伝導性成形体６をシート状に切断する。これにより、繊維状熱伝導性充填剤は、シート本体２の厚み方向に配向される。

【0055】

また、熱伝導性成形体６の切断については、スライス装置を用いて行われる。スライス装置については、前記熱伝導性成形体６を切断できる手段であれば特に限定はされず、公知のスライス装置を適宜用いることができる。例えば、超音波カッター、かんな（鉋）等を用いることができる。

【0056】

熱伝導性成形体６のスライス厚みは、熱伝導性シート１のシート本体２の厚みとなり、熱伝導性シート１の用途に応じて適宜設定することができ、例えば０．５～３．０ｍｍである。

【0057】

なお、工程Ｂでは、熱伝導性成形体６から切り出された成形体シート７に切れ込みを入れることにより、複数の成形体シート７に小片化してもよい。

【0058】

（工程Ｃ）
工程Ｃでは、成形体シート７の一方の面に第１剥離フィルム３を貼り付け、成形体シート７の他方の面に第２剥離フィルム４を貼り付けてプレスする。このプレスにより、成形体シート７の表面を平滑化するとともに高分子マトリックス成分の未硬化成分をブリードさせ、成形体シート７の一方の面と第１剥離フィルム３との間と、成形体シート７の他方の面と第２剥離フィルム４との間に樹脂被覆層５を形成する。ここで、熱伝導性シート１の面２ａと面２ｂは、スライスされた面であり、スライスされた後にプレスされた面である。これにより、熱伝導性シート１が形成され、シート表面の凹凸を低減させるとともに、露出する繊維状の熱伝導性充填剤を被覆させ、熱源や放熱部材との密着性を向上し、軽荷重時の界面接触抵抗を軽減させ、熱伝導効率を向上させることができる。

【0059】

なお、前記プレスについては、例えば、平盤と表面が平坦なプレスヘッドとからなる一対のプレス装置を使用して行うことができる。また、ピンチロールを使用してプレスを行ってもよい。

【0060】

前記プレスの際の圧力としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、低すぎるとプレスをしない場合と熱抵抗が変わらない傾向があり、高すぎるとシートが延伸する傾向があるため、０．１ＭＰａ～１００ＭＰａの圧力範囲とすることが好ましく、０．５ＭＰａ～９５ＭＰａの圧力範囲とすることがより好ましい。

【0061】

成形体シート７の両面に貼付される第１剥離フィルム３および第２剥離フィルム４としては、例えばＰＥＴフィルムやポリエチレンフィルム等のプラスチックフィルムを用いることができる。この場合、第１剥離フィルム３および第２剥離フィルム４は、成形体シート７の表面への貼付面にワックス処理やフッ素処理等の剥離処理を施してもよい。また、第１剥離フィルム３および第２剥離フィルム４は、エンボス加工が施されていてもよい。

【0062】

また、第１剥離フィルム３および第２剥離フィルム４は、厚さおよび／または材質を異ならせることにより、シート本体２からの剥離強度（Ｎ）が異なるように形成される。例えば、３０ｍｍ×３０ｍｍの熱伝導性シート１において、第１剥離フィルム３としてワックス処理が施された厚さ２５μｍのＰＥＴフィルムを使用し、第２剥離フィルム４としてエンボス処理された厚さ８０μｍのポリエチレンフィルムを使用した場合、引張・圧縮試験機において、ロードセルが５０（Ｎ）、速度が３００ｍｍ／ｍｉｎの条件で１８０度剥離試験を行うと、シート本体２からの剥離強度（Ｎ）は、第１剥離フィルム３が０．０３（Ｎ）（屈曲半径３ｍｍ）、第２剥離フィルム４が０．０５（Ｎ）（屈曲半径０．５ｍｍ以下）となる。

【0063】

（熱伝導性シートの実装工程）
実使用時においては、熱伝導性シート１は、例えば、半導体装置等の電子部品や、ヒートシンク等の各種放熱部材に実装される。このとき、熱伝導性シート１は、シート本体２からの剥離強度が小さい方の剥離フィルム、例えば上述した例で言えば、第１剥離フィルム３から剥離する。これにより、第１剥離フィルム３に付着してシート本体２の全部が第２剥離フィルム４から剥離することがなく、第２剥離フィルム４に支持された状態でシート本体２の一方の面２ａを露出させることができる。熱伝導性シート１は、樹脂被覆層５が露出したシート本体２の一方の面２ａを半導体装置等の電子部品またはヒートシンク等の放熱部材に貼り付け、その後、第２剥離フィルム４をシート本体２の他方の面２ｂから剥離する。

【0064】

熱伝導性シート１は、例えば、図３に示すように、各種電子機器に内蔵される半導体装置５０に実装され、熱源と放熱部材との間に挟持される。図３に示す半導体装置５０は、電子部品５１と、ヒートスプレッダ５２と、熱伝導性シート１とを少なくとも有し、熱伝導性シート１がヒートスプレッダ５２と電子部品５１との間に挟持される。また熱伝導性シート１は、ヒートスプレッダ５２とヒートシンク５３との間に挟持されることにより、ヒートスプレッダ５２とともに、電子部品５１の熱を放熱する放熱部材を構成する。

【0065】

電子部品５１としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ＣＰＵ、ＭＰＵ、グラフィック演算素子、イメージセンサ等の各種半導体素子、アンテナ素子、バッテリーなどが挙げられる。ヒートスプレッダ５２は、電子部品５１の発する熱を放熱する部材であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。熱伝導性シート１を用いることによって、半導体装置５０は、高い放熱性を有し、またシート本体２中の磁性粉の含有量に応じて電磁波抑制効果にも優れる。

【0066】

なお、熱伝導性シート１の実装場所は、ヒートスプレッダ５２と電子部品５１との間や、ヒートスプレッダ５２とヒートシンク５３との間に限らず、電子機器や半導体装置の構成に応じて、適宜選択できることは勿論である。また、放熱部材としては、ヒートスプレッダ５２やヒートシンク５３以外にも、熱源から発生する熱を伝導して外部に放散させるものであればよく、例えば、放熱器、冷却器、ダイパッド、プリント基板、冷却ファン、ペルチェ素子、ヒートパイプ、金属カバー、筐体等が挙げられる。

【0067】

（実施例１）
本実施例では、下記の表１に示すように、まず、シリコーン樹脂（バインダの一例）：３４体積％と、結晶形状が六方晶型である鱗片状の窒化ホウ素（Ｄ５０が４０μｍ）：２５体積％と、窒化アルミニウム（Ｄ５０が１．５μｍ）：１９体積％と、球状アルミナ粒子（Ｄ５０が５μｍ）：１９体積％と、酸化亜鉛（Ｄ５０が１μｍ）：１体積％と、水酸化アルミ（Ｄ５０が８μｍ）：１体積％と、カップリング剤：１体積％と、を均一に混合することにより、熱伝導性シート形成用の樹脂組成物を調製した。

【0068】

次に、押出成形法により、熱伝導性シート形成用の樹脂組成物を、直方体状の内部空間を有する金型（開口部：５０ｍｍ×５０ｍｍ）中に流し込み、６０℃のオーブンで４時間加熱させて成形体ブロック（図２に示す熱伝導性成形体６）を形成した。なお、金型の内面には、剥離処理面が内側となるように剥離ポリエチレンテレフタレートフィルムを貼り付けておいた。次に、表１に示すように、得られた成形体ブロックを超硬刃物でシート状にスライスすることにより、鱗片状の窒化ホウ素がシートの厚み方向に配向した熱伝導性シート１を得た。その際、表１に示すように、当該熱伝導性シート１のいずれか一方の面のＳａが３．４４２μｍかつＳｚが４０．９９０μｍとなるように、成形体ブロックを超硬刃物でスライスして熱伝導性シート１を得た。

【0069】

（実施例２）
本実施例では、まず、ガラス容器に、平均繊維径：９μｍ、平均繊維長：１１０μｍのピッチ系炭素繊維を１００ｇ、エタノールを４５０ｇ投入し、撹拌翼にて混合してスラリー液を得た。流量：１６０ｍＬ／ｍｉｎで窒素をスラリー液に加えてイナート化を行いながら、スラリーにジビニルベンゼン（９３％ジビニルベンゼン）を２５ｇ加えた。ジビニルベンゼンを加えた１０分後に、予め５０ｇのエタノールに溶解させておいた０．５００ｇの重合開始剤（油溶性アゾ重合開始剤）をスラリー液に投入した。投入後、５分間撹拌した後に、窒素によるイナート化を停止させた。

【0070】

その後、撹拌しながら昇温を開始し７０℃で温度を保持し、４０℃まで降温した。なお、昇温開始から降温開始までを反応時間とした。降温後、１５分間静置し、スラリー液中に分散している固形分を沈降させた。沈降後、デカンテーションにて上澄みを除去し、再度溶媒を７５０ｇ加えて１５分間撹拌して固形分を洗浄した。洗浄後、吸引濾過にて固形分を回収し、回収した固形分を、１００℃にて６時間乾燥することで、ＤＶＢ絶縁被膜炭素繊維（表面を絶縁物で被覆した炭素繊維の一例）を得た。

【0071】

次に、本実施例では、表１に示すように、シリコーン樹脂：２８体積％と、球状アルミナ粒子（Ｄ５０が１５μｍ）：３０体積％と、粒状窒化アルミ（Ｄ５０が１．５μｍ）：３３体積％と、水酸化アルミ（Ｄ５０が８μｍ）：１体積％と、平均繊維長が１１０μｍのＤＶＢ絶縁被膜炭素繊維：６体積％と、カップリング剤：１体積％を混合し、シリコーン組成物を調製した。

【0072】

次いで、押出成形法により、熱伝導性シート形成用の樹脂組成物を、直方体状の内部空間を有する金型（開口部：５０ｍｍ×５０ｍｍ）中に流し込み、１００℃のオーブンで６時間加熱させて成形体ブロックを形成した。なお、金型の内面には、剥離処理面が内側となるように剥離ポリエチレンテレフタレートフィルムを貼り付けておいた。次に、表１に示すように、得られた成形体ブロックを超硬刃物で所望の厚みにスライスすることにより、炭素繊維がシートの厚み方向に配向した熱伝導性シート１を得た。その際、表１に示すように、当該熱伝導性シート１のいずれか一方の面のＳａが４．２２５μｍかつＳｚが４５．８８０μｍとなるように、成形体ブロックを超硬刃物でスライスして熱伝導性シート１を得た。

【0073】

（実施例３）
本実施例では、まず、ポリエチレン製容器に、平均繊維径９μｍ、平均繊維長１１０μｍのピッチ系炭素繊維を１００ｇ、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）２００ｇ、エタノール９００ｇを投入し、撹拌翼にて混合した。その後、５０℃まで加温しながら、反応開始剤（１０％アンモニア水）１７６ｇを５分かけて投入した。溶媒の投入が完了した時点を０分として、３時間撹拌を行った。撹拌終了後、降温させ、吸引濾過して固形分を回収し、固形分を水とエタノールを用いて洗浄し、再度吸引濾過を行い、固形分を回収した。回収した固形分を１００℃にて２時間乾燥後、更に２００℃で８時間焼成を行うことで、ＳｉＯ２絶縁被覆炭素繊維（表面を絶縁物で被覆した炭素繊維の一例）を得た。

【0074】

次に、本実施例では、シリコーン樹脂：２８体積％と、球状アルミナ粒子（Ｄ５０が１５μｍ）：３０体積％と、球状アルミナ粒子（Ｄ５０が５μｍ）：１体積％と、水酸化アルミ（Ｄ５０が８μｍ）：１体積％と、粒状窒化アルミ（Ｄ５０が１．５μｍ）：３３体積％と、平均繊維長が１１０μｍのＳｉＯ２絶縁被膜炭素繊維：６体積％と、カップリング剤：１体積％を混合し、シリコーン組成物を調製した。

【0075】

次に、押出成形法により、熱伝導性シート形成用の樹脂組成物を、直方体状の内部空間を有する金型（開口部：５０ｍｍ×５０ｍｍ）中に流し込み、１００℃のオーブンで６時間加熱させて成形体ブロックを形成した。ここで、金型の内面には、剥離処理面が内側となるように剥離ポリエチレンテレフタレートフィルムを貼り付けておいた。次に、表１に示すように、得られた成形体ブロックを超硬刃物で所望の厚みにスライスすることにより、炭素繊維がシートの厚み方向に配向した熱伝導性シート１を得た。その際、表１に示すように、当該熱伝導性シート１のいずれか一方の面のＳａが３．９８２μｍかつＳｚが４９．７８４μｍとなるように、成形体ブロックを超硬刃物でスライスして熱伝導性シート１を得た。

【0076】

（実施例４）
本実施例では、下記の表１に示すように、シリコーン樹脂：２８体積％と、炭素繊維：６体積％、球状アルミナ粒子（Ｄ５０が１５μｍ）：３０体積％と、球状アルミナ粒子（Ｄ５０が５μｍ）：１体積％と、粒状窒化アルミ（Ｄ５０が１．５μｍ）：３３体積％と、水酸化アルミ（Ｄ５０が８μｍ）：１体積％と、カップリング剤：１体積％と、を混合し、シリコーン組成物を調製した。

【0077】

次に、押出成形法により、熱伝導性シート形成用の樹脂組成物を、直方体状の内部空間を有する金型（開口部：５０ｍｍ×５０ｍｍ）中に流し込み、１００℃のオーブンで６時間加熱させて成形体ブロックを形成した。なお、金型の内面には、剥離処理面が内側となるように剥離ポリエチレンテレフタレートフィルムを貼り付けておいた。次に、表１に示すように、得られた成形体ブロックを超硬刃物で所望の厚みにスライスすることにより、炭素繊維がシートの厚み方向に配向した熱伝導性シート１を得た。その際、表１に示すように、当該熱伝導性シート１のいずれか一方の面のＳａが４．９８９μｍかつＳｚが４６．８７９μｍとなるように、成形体ブロックを超硬刃物でスライスして熱伝導性シート１を得た。

【0078】

（比較例１～４）
比較例１～４では、実施例１～４で得られた成形体ブロックをカッターナイフ（合金工具鋼）でスライスすることにより、炭素繊維が厚み方向に配向した熱伝導性シート１を得た。その際、比較例１では、表１に示すように、熱伝導性シート１のいずれか一方の面のＳａが５．６８７μｍかつＳｚが７１．６５２μｍとなるように、成形体ブロックを超硬刃物でスライスして熱伝導性シート１を得た。また、比較例２では、表１に示すように、熱伝導性シート１のいずれか一方の面のＳａが５．８９９μｍかつＳｚが６５．０５０μｍとなるように、成形体ブロックを超硬刃物でスライスして熱伝導性シート１を得た。また、比較例３では、表１に示すように、熱伝導性シート１のいずれか一方の面のＳａが５．６８０μｍかつＳｚが５７．３８０μｍとなるように、成形体ブロックを超硬刃物でスライスして熱伝導性シート１を得た。また、比較例４では、表１に示すように、熱伝導性シート１のいずれか一方の面のＳａが７．７６１μｍかつＳｚが６５．２３０μｍとなるように、成形体ブロックを超硬刃物でスライスして熱伝導性シート１を得た。

【0079】

（熱特性の確認）
実施例１～４および比較例１～４のそれぞれで得られた熱伝導性シート１の熱抵抗は、以下の手順で測定した。上記の厚みの熱伝導性シート１を直径２０ｍｍの円形になるように加工し、テストピースを得た。次いで、得られたテストピースを銅の間に挟み、熱抵抗［℃・ｃｍ２／Ｗ］を１ｋｇｆ／ｃｍ２の荷重で測定した。横軸に測定時厚み、縦軸に熱抵抗値としてプロットし、切片から接触熱抵抗を求めた。

【0080】

（表面粗さ）
実施例１～４および比較例１～４のそれぞれで得られた熱伝導性シート１の表面粗さは、株式会社キーエンス製ワンショット３Ｄ形状機VR5200で測定した。Ｓａ（算術平均高さ）は、Ｒａ（線の算術平均高さ）を面に拡張したパラメーターであり、表面の平均面に対して、各点の高さの差の絶対値の平均を表す。Ｓａは、面粗さを評価する際に一般的に利用する。Ｓｚ（最大高さ）は、表面の最も高い点から最も低い点までの距離を表す。そして、表１に示すように、実施例１と比較例１、実施例２と比較例２、実施例３と比較例３、および実施例４と比較例４を比較すると、比較例の熱伝導性シート１と比較すると、実施例の熱伝導性シート１の熱伝導率および絶縁破壊電圧が高くなった。これにより、バインダと違法性熱伝導フィラーを含み、当該異方性熱伝導フィラーが厚み方向に配向した熱伝導性シート１のＳａが５μｍ以下かつＳｚが５０μｍ以下であり、絶縁破壊電圧が０．５ｋＶ／ｍｍ以上とすることにより、絶縁性を有しながらも低熱抵抗の熱伝導性シート１を得ることができることが分かる。すなわち、絶縁性材料を用いてもＳａとＳｚを所定の値以下とすることで厚み方向に良好に伝熱させることが可能な熱伝導性シート１が得られる。そして、電子機器において、実施例１～４の熱伝導性シート１を、当該電子機器を構成する電子部品５１（発熱体の一例）と、放熱ファンや放熱板等（放熱部材の一例）と、の間に挟むことにより、放熱部材に対する熱伝導率を向上させることができ、効率良く放熱させることができる。

【表1】

【符号の説明】

【0081】

１ 熱伝導性シート、２ シート本体、２ａ 面、２ｂ 面、３ 第１剥離フィルム、４ 第２剥離フィルム、５ 樹脂被覆層、６ 熱伝導性成形体、７ 成形体シート、５０ 半導体装置、５１ 電子部品、５２ ヒートスプレッダ、５３ ヒートシンク

【図1】

【図2】

【図3】

【手続補正書】

【提出日】2021-10-28

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

バインダと異方性熱伝導フィラーとを含み、前記異方性熱伝導フィラーが厚み方向に配向した熱伝導性シートであり、
前記バインダがシリコーン樹脂であり、
前記異方性熱伝導フィラーが窒化ホウ素であって、
当該熱伝導性シートのいずれか一方の面のＳｚが５０μｍ以下であり、絶縁破壊電圧が０．５ｋＶ／ｍｍ以上である、熱伝導性シート。

【請求項2】

バインダと異方性熱伝導フィラーとを含み、前記異方性熱伝導フィラーが厚み方向に配向した熱伝導性シートであり、
前記バインダがシリコーン樹脂であり、
前記異方性熱伝導フィラーが炭素繊維または表面を絶縁物で被覆した炭素繊維であって、
前記炭素繊維の配合量が４体積％以上６体積％以下であり、
当該熱伝導性シートのいずれか一方の面のＳｚが５０μｍ以下であり、絶縁破壊電圧が０．５ｋＶ／ｍｍ以上である、熱伝導性シート。

【請求項3】

前記窒化ホウ素が鱗片状窒化ホウ素である、請求項１に記載の熱伝導性シート。

【請求項4】

さらに、アルミナ、窒化アルミ、酸化亜鉛、および水酸化アルミのいずれかを含有する、請求項１～３に記載の熱伝導性シート。

【請求項5】

請求項１～４記載の熱伝導性シートを、発熱体と放熱部材の間に挟んだ、電子機器。

【手続補正2】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００９

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0009】

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる熱伝導性シートは、バインダと異方性熱伝導フィラーとを含み、前記異方性熱伝導フィラーが厚み方向に配向した熱伝導性シートであり、前記バインダがシリコーン樹脂であり、前記異方性熱伝導フィラーが窒化ホウ素であって、当該熱伝導性シートのいずれか一方の面のＳｚが５０μｍ以下であり、絶縁破壊電圧が０．５ｋＶ／ｍｍ以上である。