(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２２Ｗ／ｍ°Ｋよりも高い熱伝導率を有する熱伝導性の高い成形組成物であって、
ポリマーベース母材として液晶ポリマーを３０〜６０容量パーセント、
アルミニウム、アルミナ、銅、マグネシウム、黄銅および炭素からなる群より選択される１種の材料であり、かつ、少なくとも１０：１のアスペクト比を有する第１の熱伝導性充填材を２５〜６０容量パーセント、および
アルミニウム、アルミナ、銅、マグネシウム、黄銅、窒化ホウ素および炭素からなる群より選択される1種の材料であり、かつ、５：１未満のアスペクト比を有する第２の熱伝導性充填材を１０〜２５容量パーセント、
含むことを特徴とする成形組成物。
【請求項２】
前記第１の熱伝導性充填材の形状がフレーク状である請求項１記載の成形組成物。
【請求項３】
前記第１の熱伝導性充填材の形状が米粒状である請求項１記載の成形組成物。
【請求項４】
前記第１の熱伝導性充填材の形状がストランド状である請求項１記載の成形組成物。
【請求項５】
前記第１の熱伝導性充填材の形状がウィスカ状である請求項１記載の成形組成物。
【請求項６】
前記第２の熱伝導性充填材の形状が球状である請求項１記載の成形組成物。
【請求項７】
前記第２の熱伝導性充填材の形状が粒状である請求項１記載の成形組成物。
【請求項８】
前記ポリマーベース母材を５０容量パーセント、前記第１の熱伝導性充填材を３５容量パーセント、および、前記第２の熱伝導性充填材を１５容量パーセント含む請求項１記載の成形組成物。
【請求項９】
液晶ポリマー、炭素フレークである第１の熱伝導性充填材料、および、窒化ホウ素粒子である第２の熱伝導性充填材料の混合物からなり、前記第１の熱伝導性充填材料が１０：１よりも大きいアスペクト比を有しており、かつ、前記第２の熱伝導性充填材料が５：１未満のアスペクト比を有していることを特徴とする熱伝導性ポリマー組成物。
【請求項１０】
２３Ｗ／ｍ°Ｋを超える熱伝導率を有している請求項９記載の熱伝導性ポリマー組成物。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は、広くは、改善された複合材料に関する。具体的には、本発明は、容易に成形可能または鋳造可能な熱伝導性複合材料に関する。
【０００２】
【背景技術】
ヒートシンク工業では、半導体デバイスパッケージを冷却するための熱放散などの熱伝導性を利用した用途例において、金属材料を使用することが周知である。このようなヒートシンクなどの用途例では、金属材料は一般にバルク状の金属から所望の構成へ道具を用いて仕上げられ、または機械加工される。しかし、このような金属伝導性物品は、一般に非常に重く、機械加工するのにコストがかかり、腐食を受け易い。さらに、機械加工された金属熱放散物品の幾何学的形状は、その機械加工プロセスまたはツーリングプロセスに伴う固有の制限の範囲内に大いに限定される。その結果、特に、ある幾何学的形状が、その設計上はより良好な効率を実現することができるが、実際に金属物品を機械加工する際の制約があるためにその形状を実現することができないことが知られている場合、所望の形状に機械加工された金属材料に対する使用上の要求がヒートシンクの設計に厳しい制約を与える。
【０００３】
従来技術において、熱放散物品の全体的な幾何学的形状を改善することによって、たとえ材料が同じであっても、その物品の総合的な性能を大きく高めることができることが広く知られている。したがって、ヒートシンクの幾何学的形状を改良するためには、バルク状金属材料の機械加工に代わるものが必要であった。この必要性に対処するため、従来技術では、伝導性充填材料を内部に含むことで必要な熱伝導率を与える成形組成物を提供するための試みがなされてきた。伝導性複合材料を成形することができれば、より複雑な部品形状を設計してその部品の性能を改善することが可能になる。
【０００４】
従来技術の試みには、窒化ホウ素粒子など、顆粒状の材料が配合されたポリマーベース母材を使用することが含まれていた。また、フレーク状の充填材料が配合されたポリマーベース母材を提供するという試みもなされてきた。これらの試みでは、確かに複雑な幾何形状に成形することが可能であるが、金属を機械加工した部品の有する所望の性能レベルには依然として近づいていない。さらに、既知の伝導性プラスチック材料は、製造に際して非常に高価な充填材料を使用するので一般に非常に高価になり、望ましくない。さらに、これらの伝導性複合材料は、成形プロセス中に充填材を整列させる必要があるので、極めて高い精度で成形しなければならない。たとえ精密に成形、設計されても、複雑な製品形状に起因して流体が乱流となって型と衝突するという固有の問題があり、そのため充填材を理想的な位置に配することが不可能になるために、この組成物の性能は望ましいレベルよりもはるかに低いものになる。
【０００５】
さらに、熱伝達は、電気の伝達のような直進経路的性質のものではなく、バルク的性質のものであるので、組成物の母材全体が良好なものでなければならない。電気の伝導には直進経路が必要である。しかし、熱はバルク状に伝達され、本体の全体積がその伝達に使用される。したがって、たとえ伝導率が非常に低い本体中に伝導率の高い狭いコンジット（導路）が設けたとしても、その熱伝達は、伝導率が本体全体にわたって一様に低い本体中での熱伝達ほど良好ではないと考えられる。したがって、熱伝導率を全体的に高くするには、複合体の母材全体の熱伝導率が一様であることが不可欠である。
【０００６】
上述の事情から、熱伝導率の高い複合材料が求められている。さらに、複雑な製品形状に成形し、あるいは鋳造することができる複合材料が求められている。また、純粋な金属の伝導性材料にできる限り近い伝導率を示すと共に、その製造コストの比較的低い、成形可能な物品も求められている。
【０００７】
【発明の開示】
本発明は、従来技術の熱伝導性プラスチック組成物の利点を保持している。さらに、本発明は、現在利用可能な組成物に見られない新しい利点を提供し、そのような現在利用可能な組成物の多くの欠点を克服するものである。
【０００８】
本発明は、広くは、新規な、独特の熱伝導性プラスチック複合材料に係るものであり、デバイスの故障を避けるためにある領域から別の領域に熱を移動させなければならないヒートシンクの用途に特に好ましく適用される複合材料に係るものである。本発明の複合材料によれば、熱伝導率の高い複合材料を比較的低コストで製造することができる。本発明の伝導性成形組成物は、２２Ｗ／ｍ°Ｋより大きい熱伝導率を有している。本熱伝導性組成物は、３０容量パーセントと６０容量パーセントとの間のポリマーベース母材を含んでいる。本組成物には、第１の熱伝導性充填材が、２５容量パーセントと６０容量パーセントとの間で含まれており、そのアスペクト比は少なくとも１０：１と比較的大きい。また、本組成混合物中には第２の熱伝導性充填材も１０容量パーセントと２５容量パーセントとの間で含まれ、そのアスペクト比は５：１以下と比較的小さい。
【０００９】
本発明に係る組成物の成形プロセスにおいては、上記混合物を型穴に導入し、様々な部品形状に流動させる。上記の高アスペクト比充填材は、一般に、型の中で混合物の流れとともに配列するが、本質的に、その間に小さいランダムなボイドが残る。上記混合物中の上記高アスペクト比充填材間のボイドには、該混合物中の上記低アスペクト比充填材が充填される。その結果、各充填材間の界面の数とベース母材の厚さとが大きく減少し、そのため、従来の熱複合材料が有するよりも優れた熱伝導率および熱的性能が得られる。
【００１０】
したがって、本発明の目的は、従来技術の複合物が有するものよりも非常に熱伝導率の大きい伝導性複合材料を提供することである。
【００１１】
本発明の他の目的は、成形可能な伝導性複合材料を提供することである。
【００１２】
本発明の別の目的は、低コストの伝導性複合材料を提供することである。
【００１３】
本発明の別の目的は、複雑な部品形状を成形することができる伝導性複合材料を提供することである。
【００１４】
本発明の別の目的は、金属材料よりも重量が著しく軽い伝導性複合材料を提供することである。
【００１５】
本発明のさらに別の目的は、純粋な金属材料に近い熱伝導率を有する伝導性複合材料を提供することである。
【００１６】
本発明特有の新規な特徴は、上記の請求の範囲に示してある。しかし、本発明の好ましい実施形態は、別の目的およびそれに付随する利点も併せ、添付図面に加えて以下の詳細な記述を参照することにより最も良く理解されよう。
【００１７】
【発明を実施するための形態】
まず図１〜図３を参照すると、商品として容易に入手可能な、様々な従来技術の複合材料１０および３０が示されている。具体的には、これらの従来技術の複合材料１０および３０は、一般に、例えば異なるタイプの充填材料１４および１６を有するポリマーベース母材１２を示している。これらの組成物のそれぞれは、理解し易くするために、かつ例示し易くするために、拡大して詳細に示されている。
【００１８】
図１から理解されるように、ベースポリマー母材１２と球状充填材１４とを有する従来技術の複合材料１０の断面図が示されている。この従来技術の例では、典型的な場合、その長さと幅の比が５：１未満である低アスペクト比充填材１４がベース母材１２に配合されている。例えば、この混合物は、ベース母材を４０容量パーセント、顆粒状または球状の充填材を６０容量パーセント含むことができる。ベースポリマー母材１２は、実質的に非伝導性であり、球状充填材１４は、その単独での熱伝導率が約４００Ｗ／ｍ°Ｋ程度である金属材料または窒化ホウ素である。
【００１９】
理解されるように、ポリマーベース母材に熱伝導性充填材を配合すると、この材料は成形可能になると同時に熱伝導性になる。熱伝導体として使用するとき、材料１０は、熱を、例えばこの材料のＸ側からＹ側に伝達しなければならない。この伝達中、熱は、ＸからＹまでの経路を移動するために熱伝導性充填材部材からそれに隣接する熱伝導性充填材部材に移動しなければならない。図１中では、選択された充填材は低アスペクト比の顆粒状または球状部材であるので、熱は、いくつかの充填材部材間の多くの界面ならびにその間に存在する非伝導性ポリマーを横断していかなければならない。熱が横断していかなければならない界面が多くなるほど、また熱が通過しなければならないポリマーが多くなる程、熱伝導率はより低下することになる。さらに、充填材料を配合し過ぎるとベースポリマーが湿潤し難くなり、その結果、完成した成形製品には望ましくない小さいエアポケットが生じる。
【００２０】
次に図２を参照すると、理想的な従来技術の組成物２０は、ポリマーベース母材１２中に高アスペクト比充填材１６を使用していることが示されている。図２は、熱が移動する２点間に界面およびポリマーが多すぎるということに関連する、前述の問題を解決するための試みを示している。図２は、高アスペクト比充填材１６がポリマーベース母材１２中に完全に直線状に整列している理想的な組成物２０を示す。この理想的な組成物２０では、高アスペクト比充填材１６を完全に直線状に整列させることで、熱が横断しなければならない界面の数と、熱が移動しなければならないポリマー１２の体積とを減少させている。図１に示す組成物では、Ｘ点からＹ点に行くまで７つか８つの界面に出会うのとは対照的に、この理想的な組成物では、Ｘ点からＹ点に行くときにわずかに２つか３つの界面に出会うだけである。
【００２１】
図２に示す組成物２０は理想的で好ましいが、これを現場で実現することは事実上不可能である。これは、成形される部品の幾何学的形状が主な原因である。上述したように、熱伝導性プラスチック組成物を使用する主な理由の１つは、より複雑な幾何学的形状に成形して、より良好な熱放散を実現することが可能なことである。したがって、熱伝導性ポリマー材料を成形するときには一般に複雑な部品形状になる。
【００２２】
このような複雑な幾何形状であると、充填材が配合された母材の流れは乱流になるのが一般的であり、その結果、充填材料の衝突が生じて不均一に整列することになる。高アスペクト比充填材が平行に整列することが明らかに好ましいが、これを実現することはできない。さらに、流れが乱流になって型の縁に衝突すると、高アスペクト比充填材は、特にアスペクト比が２０：１よりも大きいときに、しばしば破断する。図３は、充填材１６が、ポリマー１２中で、隣接する充填材１６に対して並列している状態の実際の組成物３０を示す。図３は、図２に示す理論上理想的な配置とは対照的に、充填材を内部に含む材料の成形に固有の問題に起因して現実に見られるものである。図３から理解されるように、Ｘ点からＹ点に移動する際の界面の数、またはある充填材１６から別の充填材１６に移動する回数は、図１に比べて減少するが、移動経路内の非熱伝導性ポリマー材料の体積は増加し、したがって、ＸからＹまでの経路内での組成物全体の伝導率が大きく低下する。さらに、高アスペクト比充填材１６が破断すると、組成物の熱伝導率も低下することになる。
【００２３】
次に図４を参照すると、本発明の組成物１００が示されている。組成物１００はベース母材１１２を含み、この母材は液晶ポリマーなどのポリマー材料であることが好ましい。このポリマーベース母材１１２には、いずれも熱伝導率が高い、低アスペクト比充填材１１４および高アスペクト比充填材１１６が配合されている。本発明の特徴は、同じベース母材１１２中に、低アスペクト比充填材１１４と高アスペクト比充填材１１６の両方を使用することである。図３に示すように、高アスペクト比充填材１１６を完全に平行に配列させることは不可能である。その結果、完全には並列していない高アスペクト比充填材１１６間に、非常に多くのボイドが存在している。本発明は、低アスペクト比充填材１１４を使用することで、成形中の乱流と複雑な型の幾何学的形状が原因で隣接する高アスペクト比充填材間に必然的に残されたボイドを埋めるものである。同じ組成物中に低アスペクト比充填材と高アスペクト比充填材の両方を使用する結果、従来は図３に示す非熱伝導性ポリマーが充填されていたボイドを、低アスペクト比充填材に置き換えながら、移動面の総数を大きく減少させることができる。
【００２４】
図４に示す本発明品１００はベース母材１１２を含んでおり、この母材は液晶ポリマーで製造することが好ましい。液晶ポリマーは、その結晶性が高く、またその内部に配合された充填材を整列させるという本来の性質を有するので好ましい。様々な他のタイプのポリマーも使用することができる。さらに、ベース母材は、その用途において熱伝導性本体をダイカストする必要がある場合には、金属材料とすることができる。
【００２５】
図５〜図８に示すように、様々な異なるタイプの高アスペクト比充填材を使用することができ、これらも本発明の範囲内にある。図５Ａおよび５Ｂに示すように、高アスペクト比充填材１１６は、長さＬ、厚さＴの、フレーク状または平板状の構成（形状）１２２として示されている。図６Ａおよび６Ｂは、長さＬ、厚さＴの、米粒状の構成１２４として示される別の高アスペクト比充填材１１６を例示する。図７Ａおよび７Ｂは、長さＬ、厚さＴの、ストランド状の構成１２６を示す。図８は、長さＬ、厚さＴの、ウィスカ構成１２８を示す。例えば、高アスペクト比充填材は、最小のアスペクト比が約１０：１になるように、厚さ２／１０００〜４／１０００インチ、長さ４０／１０００インチの炭素フレークであることが好ましい。アスペクト比は、５０：１程度に高く、またはさらに大きいことが好ましいと考えられる。このような寸法が好ましいが、用途に応じてその他のサイズの高アスペクト比充填材を使用することができる。あるいはまた、直径が２００ミクロンの炭素繊維を使用することもできる。
【００２６】
図５〜図８に示した構成のそれぞれは、本発明での使用に適するものであり、（長さＬ）対（厚さＴ）のアスペクト比は少なくとも１０：１である。さらに、高アスペクト比充填材１１６に使用する材料は、アルミニウム、アルミナ、銅、マグネシウム、黄銅や炭素であることができる。
【００２７】
次に図９および図１０を参照すると、適切な低アスペクト比充填材の構成に関する２つの例が示されている。図９は、ほぼ球状の充填材構成１３０を示し、この部材の直径はＤである。その結果、この充填材構成のアスペクトは約１：１になる。さらに、図１０は、粒状または顆粒状の充填材構成１３２を示し、これは低アスペクト比充填材１１４としての役割をする。この顆粒状構成１３２は、その形状がいくらかランダムであり、高さＨと幅Ｗとの比は２：１等であることができる。低アスペクト比充填材１１４は、本発明によれば、比が５：１以下のものである。さらに、低アスペクト比充填材１１４に使用する材料は、アルミニウム、アルミナ、銅、マグネシウム、黄銅、あるいは炭素であることができる。低アスペクト比充填材は、直径またはその幅が約１０／１０００インチであることが好ましいが、用途に応じて別のサイズのものにすることができる。
【００２８】
本発明の複合混合物では、ベース母材１１２が３０〜６０容量パーセントであり、高アスペクト比充填材１１６が２５〜５０容量パーセントであり、低アスペクト比充填材１１４が１０〜２５容量パーセントであることが好ましい。上述の開示された範囲内にあれば、大量の配合と適正な湿潤を達成することができる。
【００２９】
以下に本発明の実施例かつ好ましい実施形態を示す。
（実施例）
液晶ポリマーからなるベース母材を組成混合物の５０パーセント（容量）として与える。アスペクト比が約５０：１で、単独での熱伝導率が約８００Ｗ／ｍ°Ｋである高アスペクト比の炭素フレークを、組成混合物の約３５パーセント（容量）として与える。最後に、アスペクト比が約４：１で、単独での熱伝導率が約４００Ｗ／ｍ°Ｋである窒化ホウ素顆粒１５パーセント（容量）を与える。
【００３０】
以下に、図１および図３に示す従来技術の組成物の熱伝導率と、図４に示す本発明の組成物の熱伝導率とを比較して示す。
【表１】
0004087068.tif 000002
【００３１】
上述のように、優れた成形性の、熱伝導率の高い複合材料を実現することができる。本発明の組成物は、従来技術の試みを大幅に改善することによって、かかる成形可能な熱伝導性材料を提供する。より詳細には、本発明は、既知の各組成物よりも大幅に改善された熱伝導率を提供し、それによって、複雑な部品形状でありながら、より効率的なヒートシンクデバイスを実現することができる。
【００３２】
例示した実施形態には、本発明の精神から逸脱することなく様々な変更および修正を加えることができることが、当業者には理解されよう。このような修正および変更の全ては上記特許請求の範囲に含まれるものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ベース母材中に低アスペクト比充填材を使用した、従来技術の熱伝導性複合材料を示す断面図である。
【図２】  ベース母材中に高アスペクト比を使用した従来技術の熱伝導性複合材料であって、充填材が理論上理想的に整列した状態を示す断面図である。
【図３】  ベース母材中に高アスペクト比充填材を使用した従来技術の熱伝導性複合材料であって、成形後の、充填材が整列した実際の状態を示す断面図である。
【図４】  高アスペクト比充填材と低アスペクト比充填材とを使用した、本発明に係る熱伝導性複合材料の断面図である。
【図５Ａ】  フレーク状構成の、高アスペクト比充填材部材を示す平面図である。
【図５Ｂ】  図５Ａの線５Ｂ−５Ｂに沿った断面図である。
【図６Ａ】  米粒状構成の、高アスペクト比充填材部材を示す平面図である。
【図６Ｂ】  図６Ａの線６Ｂ−６Ｂに沿った断面図である。
【図７Ａ】  ストランド状構成の、高アスペクト比充填材部材を示す平面図である。
【図７Ｂ】  図７Ａの線７Ｂ−７Ｂに沿った断面図である。
【図８】  ウィスカ状構成の、高アスペクト比充填材部材を示す平面図である。
【図９】  低アスペクト比の、球状の充填材部材を示す平面図である。
【図１０】  低アスペクト比の、粒状の充填材部材を示す平面図である。
【図１】
0004087068.tif 000003
【図２】
0004087068.tif 000004
【図３】
0004087068.tif 000005
【図４】
0004087068.tif 000006
【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
0004087068.tif 000009
【図６Ｂ】
0004087068.tif 000010
【図７Ａ】
0004087068.tif 000011
【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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