(57)【要約】【課題】  高い絶縁性と熱伝導率を有する成形品を得ることができ、成形加工性に優れた絶縁性熱伝導性樹脂組成物及び成形品並びにその製造方法を提供すること。【解決手段】  本発明の絶縁性熱伝導性樹脂組成物は、少なくとも、熱可塑性樹脂と、耐水性酸化マグネシウムと、融点が５００℃以上の金属粉と、融点が５００℃以下の低融点合金とを含む。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、熱可塑性樹脂と、耐水性酸化マグネシウムと、融点が５００℃以上の金属粉と、融点が５００℃以下の低融点合金とを含む絶縁性熱伝導性樹脂組成物。
【請求項２】
上記耐水性酸化マグネシウムは、温度８５℃、湿度８５％の条件で２００時間保管した時の重量増加率が２％未満である請求項１記載の樹脂組成物。
【請求項３】
上記耐水性酸化マグネシウムを３０〜５５Ｖｏｌ％と、上記金属粉を１〜１０ｖｏｌ％と、上記低融点合金を１〜１０ｖｏｌ％含む請求項１又は２に記載の樹脂組成物。
【請求項４】
上記金属粉が、鉄、銅、ニッケル、チタン、クロム、そしてこれらのいずれか１種の金属を含む合金からなる群から選択されたいずれか１種である請求項１から３のいずれか一つに記載の樹脂組成物。
【請求項５】
上記低融点合金が、Ｓｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ａｌ、Ｓｎ−Ｚｎ、Ｚｎ−Ａｌ、Ｓｎ−Ｍｎ、Ｓｎ−Ａｇ、そしてＳｎ−Ｍｇから成る群から選択された少なくとも１種の合金である請求項１から４のいずれか一つに記載の樹脂組成物。
【請求項６】
上記熱可塑性樹脂が、融点が２００℃以上の結晶性樹脂、及び／又はガラス転移温度が１５０℃以上である非結晶性樹脂からなる請求項１から５のいずれか一つに記載の樹脂組成物。
【請求項７】
熱伝導率が２Ｗ／ｍ・Ｋ以上である請求項１から６のいずれか一つに記載の樹脂組成物。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか一つに記載の絶縁性熱伝導性樹脂からなる成形品。
【請求項９】
上記成形品が光ピックアップベースである請求項８記載の成形品。
【請求項１０】
上記成形品が半導体用放熱容器である請求項８記載の成形品。
【請求項１１】
上記成形品が光半導体用放熱容器である請求項８記載の成形品。
【請求項１２】
上記成形品がランプ用反射板である請求項８記載の成形品。
【請求項１３】
少なくとも、熱可塑性樹脂と、耐水性酸化マグネシウムと、融点が５００℃以上の金属粉と、融点が５００℃以下の低融点合金とを含む混合粉を加熱して、低融点合金が固相部と液相部が混在した半溶融状態とし、熱可塑性樹脂を溶融状態として混練し、混合物を所望形状に成形する絶縁性熱伝導性樹脂組成物の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絶縁性熱伝導性樹脂組成物及び成形品並びにその製造方法に関し、さらに詳しくは電子機器の筐体等に使用可能な、高絶縁性と高熱伝導率を有し、成形加工性に優れた絶縁性熱伝導性樹脂組成物及び成形品並びにその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬＳＩ等の半導体素子の集積密度の増大と動作の高速化、そして電子部品の高密度実装に伴い、発熱源となる電子部品に対する放熱対策が大きな問題となっている。例えば、電子部品のハウジングには、従来、熱伝導率の高い金属やセラミックスが用いられてきたが、近年、形状選択の自由度が大きく小型化の容易な樹脂系材料が用いられている。この樹脂系材料には、マトリックスとなる樹脂中に熱伝導率の高いフィラーを分散させたものが用いられている。このフィラーには、シリカやアルミナが用いられているが、シリカは熱伝導率が十分でなく、またアルミナは硬度が高いため、成形装置の混練部材が破損し易いという問題があった。これに対し、シリカやアルミナに代わるフィラーが検討されている。例えば、酸化マグネシウムは、シリカより熱伝導率が高く、またアルミナよりも硬度が低いため、新たなフィラーとして期待されている。しかし、酸化マグネシウムは吸湿性が大きいため、フィラーとして用いた場合、吸湿した水との水和反応により酸化マグネシウムが膨張して成形品にクラックが発生したり、成形品の熱伝導率が低下するという問題があった。これに対し、酸化マグネシウムを表面処理して耐湿性を付与することにより、水和反応を抑制する方法が提案されている（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開２００４−２７１７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記の方法により酸化マグネシウムの耐湿性は向上するものの、熱伝導性を確保するには酸化マグネシウムの体積含有率を高く維持する必要があり、そのため充填不良等の成形時の不具合が生じ易く成形加工性が十分でないという問題があった。
【０００４】
そこで、本発明は、上記の課題を解決し、高い絶縁性と熱伝導率を有する成形品を得ることができ、成形加工性に優れた絶縁性熱伝導性樹脂組成物及び成形品並びにその製造方法を提供することを目的とした。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するため、本発明の絶縁性熱伝導性樹脂組成物は、少なくとも、熱可塑性樹脂と、耐水性酸化マグネシウムと、融点が５００℃以上の金属粉と、融点が５００℃以下の低融点合金とを含むことを特徴とする。
【０００６】
本発明の樹脂組成物は、半溶融状態となる温度に加熱した低融点合金により形成される３次元の伝熱経路を利用するものである。すなわち、低融点合金を半溶融状態として低融点合金の粘度を完全溶融の場合よりも高くして樹脂との粘度差が小さくなるようにすると、低融点合金が樹脂により分散し易くなる。そのため、低融点合金を完全溶融の状態で混練した場合に比べ、低融点合金が樹脂中により均一に分散した樹脂組成物が得られる。低融点合金は、耐水性酸化マグネシウムに接触あるいは溶着して耐水性酸化マグネシウム同士を連結し、３次元の伝熱経路を形成する。樹脂中に均一に分散された低融点合金によって耐水性酸化マグネシウム同士が連結される結果、耐水性酸化マグネシウムの体積含有率を低くしても高い熱伝導率を確保することができる。これにより、樹脂組成物の成形品に対し、高い熱伝導率、例えば２Ｗ／ｍ・Ｋ以上と、高い電気絶縁性とを確保しながら、成形加工性を向上させることが可能となる。
なお、本発明において、絶縁性とは、ＪＩＳ  Ｋ６９１１の方法に準じて測定した体積抵抗率が１０１０Ω・ｃｍ以上であることをいう。
【０００７】
本発明に用いる耐水性酸化マグネシウムは、表面処理等により耐水性の向上した酸化マグネシウムであり、温度８５℃、湿度８５％の条件で２００時間保管した時の重量増加率が２％未満のものをいう。
【０００８】
また、本発明の樹脂組成物は、耐水性酸化マグネシウムを３０〜５５Ｖｏｌ％と、金属粉を１〜１０ｖｏｌ％と、低融点合金を１〜１０ｖｏｌ％含むことができる。
【０００９】
また、金属粉には、鉄、銅、ニッケル、チタン、クロム、そしてこれらのいずれか１種の金属を含む合金からなる群から選択されたいずれか１種を用いることができる。また、低融点合金には、Ｓｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ａｌ、Ｓｎ−Ｚｎ、Ｚｎ−Ａｌ、Ｓｎ−Ｍｎ、Ｓｎ−Ａｇ、そしてＳｎ−Ｍｇから成る群から選択された少なくとも１種の合金を用いることができる。
【００１０】
また、熱可塑性樹脂には、融点が２００℃以上の結晶性樹脂、及び／又はガラス転移温度が１５０℃以上である非結晶性樹脂を用いることが好ましい。
【００１１】
また、本発明の絶縁性熱伝導性樹脂成形品は、少なくとも、熱可塑性樹脂３０ｖｏｌ％以上と、耐水性酸化マグネシウム３０〜５５Ｖｏｌ％と、融点が５００℃以上の金属粉１〜１０ｖｏｌ％と、融点が５００℃以下の低融点合金１〜１０ｖｏｌ％とを含むことを特徴とするものである。
【００１２】
本発明の成形品を製造するには、少なくとも、熱可塑性樹脂と、耐水性酸化マグネシウムと、融点が５００℃以上の金属粉と、融点が５００℃以下の低融点合金とを含む混合粉を加熱して、低融点合金が固相部と液相部が混在した半溶融状態とし、熱可塑性樹脂を溶融状態として混練し、混合物を所望形状に成形することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、耐水性酸化マグネシウムと低融点合金並びに金属粉を用いることにより、高絶縁性及び高熱伝導性を確保しながら酸化マグネシウムの体積含有率を低下させることができるので、成形加工性に優れた高絶縁性かつ高熱伝導性の成形品に好適な樹脂組成物を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
本発明の絶縁性熱伝導性樹脂組成物は、少なくとも、熱可塑性樹脂と、耐水性酸化マグネシウムと、融点が５００℃以上の金属粉と、融点が５００℃以下の低融点合金とを含む樹脂組成物である。
【００１５】
本発明に用いる耐水性酸化マグネシウムは、温度８５℃、湿度８５％の条件で２００時間保管した時の重量増加率が２％未満であれば特に限定されない。例えば、特許文献１に記載された、ケイ素とマグネシウムの複酸化物及び／又はアルミニウムとマグネシウムの複酸化物を含む被覆層を有する酸化マグネシウム粉末や、特開平６−８７９７９号公報に記載された酸化マグネシウム固溶体や、特開平２−２１２３１４号公報に記載されたシリカ被膜を有する酸化マグネシウムや、酸化マグネシウムを１６００〜２８００℃で焼成したものを用いることができる。また、耐水性酸化マグネシウムの平均粒径は１〜５０μｍ、より好ましくは２０〜４０μｍである。また、耐水性酸化マグネシウムの形状は特に限定されず、球状、塊状、扁平状等を用いることができる。耐水性酸化マグネシウムの体積含有率は３０〜５５ｖｏｌ％、より好ましくは４０〜５０ｖｏｌ％である。３０ｖｏｌ％より小さいと十分な熱伝導率が得られず、５５ｖｏｌ％より大きいと成形加工性が低下するからである。
【００１６】
また、熱可塑性樹脂には、融点が２００℃以上の結晶性樹脂、及び／又はガラス転移温度が１５０℃以上である非結晶性樹脂を用いることができる。融点が２００℃以上の結晶性樹脂の具体例としては、ポリアミド（ＰＡ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリシクロヘキシレンテレフタレート（ＰＣＴ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、シンジオタクティックポリスチレン（ＳＰＳ）等、ガラス転移温度が１５０℃以上である非結晶性樹脂の具体例としては、ポリサルホン（ＰＳＦ）、ポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）等を挙げることができるが、ＰＰＳが好ましい。ＰＰＳは溶融時の粘度が低く充填材が分散し易いので、充填材を高充填できるからである。また、ＰＰＳは耐熱性が高いので、用いる低融点合金の選択の自由度を大きくすることができる。
【００１７】
充填材との混練に際しては、熱可塑性樹脂の融点以上の温度、好ましくは２５０℃〜４００℃、より好ましくは３００℃〜３５０℃の温度範囲に加熱して混練する。また、樹脂の体積含有率は、成形加工性を確保するため、３０ｖｏｌ％以上、より好ましくは４０ｖｏｌ％以上である。
【００１８】
また、金属粉末には、鉄、銅、ニッケル、チタン、クロム、そしてこれらのいずれか１種の金属を含む合金からなる群から選択されたいずれか１種を用いることができるが、銅、鉄又はニッケルが好ましい。
【００１９】
また、低融点合金には、上記の熱可塑性樹脂の溶融温度において半溶融状態となるものが好ましく、融点が５００℃以下の合金を用いることができる。具体例としては、Ｓｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ａｌ、Ｓｎ−Ｚｎ、Ｓｎ−Ｍｎ、Ｓｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ｍｇ、そしてＺｎ−Ａｌを挙げることができる。より好ましくは、融点が４００℃以下の合金、すなわち、Ｓｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ａｌ、Ｓｎ−Ｚｎ、Ｚｎ−Ａｌから成る群から選択された少なくとも１種の合金を用いることができる。これにより、混練する樹脂の選択の自由度を大きくすることができるからである。さらに好ましくは、Ｓｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ａｌ、そしてＳｎ−Ｚｎから成る群から選択された少なくとも１種の合金を用いることができる。入手が容易で低コストだからである。さらに好ましくは、Ｓｎ−Ｃｕを用いることができる。融点の選択の範囲が広く、かつ熱伝導率が高いからである。低融点合金の粒径は５ｍｍ以下が好ましい。粒径が５ｍｍより大きいと、溶融に時間を要し、さらに熱可塑性樹脂に均一に分散しにくくなるからである。また、形状は特に限定されず、球状、涙滴状、塊状、樹枝状等いずれの形状でも用いることができる。
【００２０】
低融点合金の体積含有率は、１〜１０ｖｏｌ％、より好ましくは１〜７ｖｏｌ％である。１ｖｏｌ％より小さいと熱伝導率が低下し、１０ｖｏｌ％より大きいと熱伝導率の小さい低融点合金の量が増えて熱伝導率が低下するからである。また、金属粉末の体積含有率は１〜１０ｖｏｌ％、より好ましくは１〜５ｖｏｌ％である。１ｖｏｌ％より小さいと熱伝導率が低下し、１０ｖｏｌ％より大きいと電気絶縁性が低下するからである。なお、金属粉末の体積含有率は低融点合金の体積含有率より小さいことが好ましい。金属粉末の体積含有率が低融点合金の体積含有率より大きいと、熱伝導率を高める効果よりも電気絶縁性の低下の影響が大きいからである。
【００２１】
また、必要に応じて、金属アルミ系充填材、例えば、アルミ粉、アルミ繊維、そしてアルミフレーク等を添加することもできる。熱伝導率をさらに向上させることができる。この中では、より均一に分散し、絶縁性酸化膜が良好なアルミフレークが好ましい。アルミ粉の場合、粒径は５〜１５０μｍ、より好ましくは２０〜１００μｍである。また、アルミ繊維の場合、直径は１０〜１５０μｍ、長さは０．５〜１５ｍｍ、より好ましくは直径が１５〜１００μｍ、長さが１〜１０ｍｍである。また、アルミフレークの場合、ふるい通過率１５０μｍが９８％以上、より好ましくはふるい通過率１００μｍが９８％以上である。金属アルミ系充填材の体積含有率は、１〜１０ｖｏｌ％、より好ましくは１〜５ｖｏｌ％である。
【００２２】
また、本発明の樹脂組成物は、必要に応じて、成形品の強度や弾性率を向上させるため、繊維状充填材や炭酸カルシウムを含むこともできる。繊維状充填材には、上記の金属から成る金属繊維や、ガラス繊維（例えば、チョップドファイバーやミルドファイバー）、アルミナ繊維、チタン酸カルシウム繊維、窒化ケイ素繊維、そしてウィスカー（例えば、チタン酸カリウムウィスカー、メタ珪酸カルシウムウィスカー、そしてホウ酸アルミニウムウィスカー）を挙げることができる。
【００２３】
本発明の樹脂組成物は、樹脂、充填材、難燃剤等を予めドライブレンドし、単軸または二軸混練押出機等に供給して溶融混練し、その後に造粒することでペレットを作製し、所定の金型を有する、射出成形機や圧縮成形機、そして押出成形機等を用いて、所望形状に成型することができる。混練温度は、低融点合金を添加する場合、樹脂の混練温度範囲内であり、更に、低融点合金が固相、液相混在した状態となる温度に設定することが好ましい。ドライブレンドには、ヘンシェルミキサー、スーパーミキサー又はタンブラー等を用いることができる。また、必要により密度の大きい金属粉は、樹脂とは別にドライブレンドし、押出途中から供給し（サイドフィード）、混練することもできる。また、繊維状充填材も、金属粉とは別にサイドフィードして混練することができる。
【００２４】
本発明の樹脂組成物は、成形加工性に優れ、かつ高い熱伝導率を有しているので、その成形品は電子部品用の放熱材料に好適である。例えば、光ピックアップベース、半導体用放熱容器、光半導体用放熱容器、ランプ用反射板、ファンモータのケーシング、モータコア用のハウジング、二次電池用のケース、さらには、パソコンや携帯電話の筐体等を挙げることができる。本発明の樹脂組成物を用いた光ピックアップベースは、レーザ等の発光素子の発光特性を維持するのに十分な放熱性を有し、さらに、金属性のものに比べ軽量で高速移動が可能であるので、光ディスクに対するアクセス速度を大幅に向上させることが可能となる。また、半導体用放熱容器には、パワートランジスタやダイオード等の半導体素子のハウジング、そして車載用ＥＣＵ（エレクトロニック  コントロール  ユニット）を挙げることができる。また、光半導体用放熱容器には、ＬＥＤ等の発光素子のハウジングを挙げることができる。また、ランプ用反射板には、液晶表示装置のバックライトや、ファクシミリ装置又はスキャナー装置のスキャナーランプ、あるいは自動車用ヘッドランプ等反射板を挙げることができる。
【実施例】
【００２５】
以下、実施例により本発明について詳細に説明する。
（試料作製）
樹脂にはポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）（Ｈ−１Ｇ、ディーアイシーイーピー社製）、耐水性酸化マグネシウムには耐水グレード酸化マグネシウム３３２０（協和化学工業製、平均粒径３０μｍ）、金属粉には銅粉（日鉱マテリアルズ製、粒径２０〜２５μｍ）、低融点合金にはＳｎ−Ｃｕ合金粉末（平均粒径２５μｍ）を用いた。なお、合金は、樹脂との混練時に半溶融状態となるように、４〜３０％Ｃｕ−Ｓｎの組成を用いた。また、ホウ酸アルミニウムウィスカー（ＹＳ２Ｂ、四国化成社製）を添加した試料も作製した。なお、用いた耐水性酸化マグネシウムについて、温度８５℃、湿度８５％の条件で２００時間保管した時の重量増加率を測定したところ、１．２％であった。
【００２６】
表１の組成に配合した原料混合粉を混練押出し機に投入し、温度２９０〜３１０℃で混練し押出して成形用ペレットを作製した。この成形用ペレットを熱プレスにより成形して、直径５０ｍｍ、厚さ５ｍｍの円柱形状の熱伝導率測定用と電気絶縁性測定用の試料を得た。
【００２７】
また、比較のため、熱伝導性充填剤にアルミナ（マイクロン製、平均粒径３５μｍ）と、窒化ホウ素（三井化学製、平均粒径０．８５μｍ）を用いた試料も作製した。
【００２８】
（熱伝導率測定）
ＤＹＮＡＴＥＣＨ  Ｒ＆Ｄ社製（型番ＴＣＨＭ−ＤＶ）の定常熱流計を用いた。測定に際し、試料の上下面の温度差を正確に測定するため、ＣＣ（銅−コンスタンタン）熱電対を試料の上下面にホットプレスにより埋め込んだ。ホットプレスを用いることにより、試料の平坦性を高めるとともに、試料と熱電対との密着性を高めることができる。また、熱流量を安定させるため、１時間、所定温度に保った後、測定を行った。熱伝導率の測定結果を表１と表２に示す。
【００２９】
（電気絶縁性測定）
ＪＩＳ  Ｋ６９１１に準拠して、体積抵抗率と印加電圧を測定した。体積抵抗率の測定にはＨＰ１６００８Ｂ測定セルと、ＨＰ４３３９Ａ高抵抗計を用いた。なお、接触抵抗を低減するため試料の上下面に導電性ゴムを配置した。評価は以下の基準で行った。結果を表１と表２に示す。なお、印加電圧はすべての試料が５００Ｖであった。
○：体積抵抗率が１０１５Ω・ｃｍ以上。
△：体積抵抗率が１０１５〜１０１２Ω・ｃｍ。
×：体積抵抗率が１０１２Ω・ｃｍ未満。
【００３０】
（成形性）
成形性は以下の方法により評価した。射出成形機には５０トン成形機（Ｊ５０ＥＰ／ＪＳＷ製）、金型には８０×８０×１．６ｍｍ厚みを用い、片側スリットゲート（１．６ｍｍ厚み）、樹脂温度３３０℃、金型温度１３５℃、射出速度３０％設定の条件で、上記の成形用ペレットを射出成形した。得られた成形品の充填割合と成形品の表面外観により３段階で成形性を評価した。
○：完全充填可能であり、且つ成形品の外観光沢も良好。
△：完全充填は可能。但し成形品の表面にフローマークが見られる。
なお、○と△では、成形機スクリューの摩耗がないこと。
×：ショートショット（充填不良）やスクリューの摩耗が認められる。
【００３１】
【表１】
2006328155.tif 000002
【００３２】
【表２】
2006328155.tif 000003
＊１：ショートショット（充填不良）。
＊２：スクリューが摩耗した。
【００３３】
（結果）
本実施例では、耐水性酸化マグネシウムと低融点合金及び金属粉を用いることにより、体積抵抗率１０１０Ω・ｃｍ以上、印加電圧１００Ｖ以上の絶縁性と、熱伝導率２Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導性を確保しながら、成形性を向上させることができた。