経常研究

佐賀県窯業技術センター 令和 2 年度 研究報告書・支援事業報告書

熱伝導特性向上を目的としたセラミックスフィラー粒子の構造改良に関する研究
放熱シートにおける窒化アルミニウムフィラーの充填に関する研究

志波 雄三、川原 昭彦
佐賀県窯業技術センター
本研究では放熱シートの作製における基礎的データの収集を目的として、フィラーの混合条件がシート作製や熱伝導特性に及ぼす影響を検討した。粒子径が異なる 3 種類（1.5μm、10μm、15μm）の窒化アルミニウムフィラーをシリコーン樹脂に混合（50-70mass％）する場合、シート化するためのペーストの最適粘度は約 80Pa・s 以下であった。フィラー混合を 80mass％とし、2 種配合（1.5μm ： 10μm = 10：90）の条件で作成したシートは放熱シートとして柔軟性を有し、熱伝導率は 1.90 W/m・K であった。

Study of structural improvement of ceramics filler particles toimprove high thermal conductivityStudy of filling of aluminum nitride filler in thermal dissipation sheets

SHIWA Yuzo, KAWAHARA Akihiko
Saga Ceramics Research Laboratory
The purpose of this study was to collect basic data for the fabrication of thermal dissipation sheets. We
investigated the influence of filler mixing conditions on sheet fabrication and thermal conductivity. The
optimal viscosity of the paste for forming sheets was below 80Pa·s, when three types of AlN fillers withdifferent particle sizes (1.5μm, 10μm, and 15μm) were mixed with silicone resin from 50mass% to70mass%. Test sheets fabricated by mixing the fillers at 80 mass% and blending two kinds of fillers(1.5μm ： 10μm = 10 ： 90) showed flexibility and the thermal conductivity was 1.90 W/m·K.
導特性を論じた報告 7-12）が数多くされている。本研究では

1. はじめに
近年、スマートフォンやパソコンなどの小型薄型化・高市販の窒化アルミニウムをフィラーとして用い放熱シート集積化により電子デバイスの発熱量が高まり、この影響にを作製する中で、粒径が異なるフィラーの配合割合によるよる機能低下や製品寿命の短命化などが問題となってい成形シートの性状や熱伝導率を評価し、セラミックスフィラる。こうした中で、発生熱に対する対策として発生源に密ーの混合に関する基礎的データを収集した。

着させて利用する樹脂性の放熱シートが数多く実用化されているが、近年では更なる放熱効果向上のために樹脂

2. 実験方法に高熱伝導セラミックスフィラーを混合した有機無機複合

2.1 放熱シート材料

1-5)。また、放熱シート

放熱シートの母材となる樹脂は 2 液混合の加熱硬化性に関する世界市場規模は 2021 年度にはおよそ 700 億円

シリコーンゴム KE1283 A 及び B（信越化学工業製）を用の材料開発が盛んに行われている
6)にも上ると試算されており 、佐賀県内企業においてもこいた。フィラーに用いる窒化アルミニウムは高い熱伝導率のような放熱材料に対する関心が非常に高まっている。

を有するが比較的容易に加水分解し、熱伝導率が低下

高熱伝導セラミックスフィラーには材料として、アルミナするという問題がある。そこで本研究では耐水処理化され(Al2O3)、窒化ケイ素(Si3N4)、窒化ホウ素(BN)、窒化アルミた高純度窒化アルミニウム粉末トーヤルナイト（東洋アルニウム(AlN)などが注目されているが、中でも窒化アルミニ

ミニウム製）TFZ-A02P、TFZ-A10P、TFZ-A15P（以後順

ウムは非常に高い熱伝導率（100 ～ 200 W/m・K 以上）に A02P、A10P、A15P と表記）の 3 種をフィラーとして用を有しており、これまでに基板としての研究など、高熱伝いた。それぞれ中心粒径(メジアン径)は 1.5μm、10μm、

8

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15μm であった。

トが得られたが、A02P では 70mass％以上、また A10P、
A15P では 80mass％以上では良好なペーストは得られず

2.2 試料ペーストの調製およびシートの作製方法

シート化は困難であった。図2 にフィラー単独混合時の各材料となる樹脂とセラミックスフィラーを自公転ミキサーペーストの粘度を示す。A15P においてフィラー混合割合（M-50 型、キーエンス製）で均一混合及び脱泡を行い、が 50mass％、60mass％ではそれぞれ 3.5 Pa・s、6.0 Pa・s

ペーストを調製した。その際、混合物をシート化するためであり、70mass％では 18.1 Pa・s であったがそれ以上ではの流動性が十分に得られない場合は、希釈材としてトルペーストに流動性が全くなく測定することができなかった。

エンを適量添加することでその粘性を調整した。ペースト

A10P においても 70mass％混合までは測定可能（72.3Pa・の粘度は R 型粘度計（RE-85R 型、東機産業製）で測定しs）であったが、それ以上は測定不可であった。またペーた 。 得ら れ た ペ ー ス ト は 、 フ ィ ル ム ア プ リ ケ ー タ ー

ストの粘性をフィラー粒径の違いという点から比較すると（1806/50、BEVS 社製）で厚みを 1.5～2.5mm に調整しなフィラーの粒径が小さくなるほど粘性が高くなることが分がら基材（PP 製シート）上にスライドさせてシート状に成形かった。この理由は粒径が小さくなることで、ペースト内にした。シート作製の様子を図 1 に示す。このシートを定温おける粒子（フィラー）同士の接触点が多くなり、ペースト恒温器（DKN402、ヤマト科学製）で加熱（80℃×8 時間）の流動性を抑制したためではないかと考えられる。このよし、硬化させたものを本研究での放熱シートとした。

うに調製するペーストの粘度はシート作製の一つの指標となるが、今回の研究ではペースト状の粘度が 80 Pa・s 程度以下であればシート化は可能であることが分った。
なお、A15P において 80mass％および 90mass％混合
ペーストは流動性がほとんどない状態であったが、熱伝導率測定用のシートを得るために、希釈材（トルエン）を添加して強制的にシート化を試みた。しかしながら、加熱硬化後のシート表面にヒビ割れ等が生じ、最終的に良好なシートを得ることはできなかった。
表 1 シート全量に対するフィラー混合割合とペーストの流動性．
フィラー混合割合(mass%)

5060708090A02P(1.5μm)〇〇×××

放熱シートの硬化後の状態は表面の気泡や割れの具

A10P(10μm)〇〇△××

合を目視により確認し、微構造組織は走査型電子顕微鏡

A15P(15μm)〇〇△××

図 1 フィルムアプリケーターによるシート作製の様子．

フィラー

2.3 シートの評価〇・・・流動性あり、 △・・・流動性ややあり、 ×・・・流動性なし（JSM-7900F、日本電子製）により観察した。また熱伝導率150はレーザーフラッシュ法熱伝導率測定装置（LFA457 型、粘度 ( Pa・s)

NETZSCH 製）で測定した。

3. 結果と考察
3.1 フィラー単独混合によるシート作製と熱伝導特性

100

A10P
50A02P

まず 3 種類のフィラーを単独で樹脂と混合し、ペーストA15P状態を観察した。表 1 に全量に対するフィラー混合割合と040

ペースト調製時の流動性を示す。フィラー混合割合が5060708090

シート全量に対するフィラー混合割合 (mass%)

60mass％までは全てのフィラーでシート化可能なペース

図 2 フィラー単独混合時のペースト粘度．

9100

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フィラー単独混合シートにおいて熱伝導率の測定が可表 3 フィラー2 種使用時の各配合割合とシート成形後の状態．

能であったシートの熱伝導率を表 2 に示す。フィラーNo.

70mass％混合ではいずれの試験体シートも熱伝導率は1.00 W/m・K 以下であった。A15P のフィラー90mass％混123456789101112131415161718192021222324

合のシートはヒビ割れが生じていたものの熱伝導率は2.00 W/m・K であり以後の試験における特性目標とした。
表 2 フィラー単独混合時シートの熱伝導率．
フィラー混合割合 (mass%)

708090フィラーA02P(1.5μm)

0.83--A10P(10μm)

0.83--A15P(15μm)

0.75

1.34フィラー混合割合（mass%)

2.00(単位：W/m・K)

3.2 フィラー2 種配合によるシート作製と熱伝導特性
さらなる熱伝導率向上にはフィラーの充填率を高くし熱伝導パスを増やす必要がある。そこで粗粒フィラーの隙間を微粒のフィラーで充填することを目的としてフィラー2種による配合試験を行いシート状態の確認および熱伝導率の測定を行った。

707580フィラー2種配合割合（mass%)
A02P(1.5μm)

A10P(10μm)

A15P(15μm)

705030
10705030
10705030
10705030
10605030
10605030
103050
70
9030
50
70
90
4050
70
90-30
50709030
50709040507090

シート成形後の状態
表面観察
気泡割れ

シート化
可否

×有有有少―

×――〇――〇

有有×――〇――〇――〇

有有×有少―×有少―×――〇×

有有有少―×――〇――有有〇×有有×有有×有少―有有〇×有有×有有×有少―〇

図 3 にフィラー2 種配合時の熱伝導率変化を示す。シ

3 種のフィラーの中心粒径は A02P に対して A10P とート全量に対するフィラー混合割合が増加するにしたがA15P はそれぞれ 7 倍、10 倍程度と大きいことから、2 種って熱伝導率が向上したのは単独混合時と同様であるが、配合試験は A02P と A10P 及び A02P と A15P の組み合わ

フィラー単独混合と比較すると 70mass％、80mass％ともにせで行った。またシート全量に対するフィラーの混合割合2 種配合の方が高かった。これは単独配合より 2 種配合のは 70、75、80mass%とした。フィラー2 種を使用した時の各方が充填率が向上し熱伝導パスが増えたためと考えられ配合割合とシート成形後の状態を表 3 に示す。

る。特に A02P との組み合わせでは A10P の方が A15P よフィラー70mass％混合において気泡や割れのない良り熱伝導率が高くなる傾向が見られ、フィラー割合が高く好な状態のシートは No.3、4、6、7、8 であり、フィラーなるにしたがい A10P と A15P の差は広がっていた。この75mass％混合では No.12、15、16 であった。フィラー

ことから A02P と組み合わせでは A10P の方が A15P より80mass％混合ではそのほとんどに気泡や割れが見られたが、No.20 及び No.24 はシートとしての形を得ることができた。結果としてシート化できた試料は A02P と A10P

熱伝導率 (W/m・K)

2.0の組み合わせでは 4 種であったのに対し、A02P と A15Pの組み合わせでは 6 種作成できたことから、フィラー2 種

1.90 W/m・K
1.35 W/m・K
1.45 W/m・K
0.98 W/m・K

1.17 W/m・K

1.0

配合においては A02P とA15P の組み合わせの方が良好であることが分かった。

0.96 W/m・K

A02P:A10P=10:90

1.15 W/m・K

A02P:A15P=30:70

0.87 W/m・K

A02P:A15P=10:90

0.065707580

フィラー混合割合 (mass%)
図 3 フィラー2 種配合時のシートの熱伝導率．

108590

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充填率を向上させたと推察される。なお、フィラー2 種配が増加するにしたがって熱伝導率が向上したのは単独お合時の熱伝導率の最大値は No.20 (A02P：A10P＝10：90、

よび 2 種配合時と同様であったが、フィラー2 種配合を上

フィラー80mass％混合) の 1.90 W/m・K であった。

回るには至らなかった。

3.3 フィラー3 種配合によるシート作製と熱伝導特性

3.4 シートの微構造組織

微粒の A02P と他 2 種のフィラーの組み合わせではペ今回作製した試料の中で比較的熱伝導率の値が高かースト性状は A15P の方が良好で、シートの熱伝導率はったシート（フィラー80mass%混合）No.20、24、31、33 のA10P のほうが高かった。そこでペーストの取り扱い易さとSEM 写真を図 5 及び 6 に示す。2 種配合の図 5 におい

シートの熱伝導率が両立する条件を見出すため 3 種のフて No.20 と 24 の両試料とも樹脂マトリックス中の粗粒子のィラーを組み合わせた配合試験を行った。

隙間には A02P と思われる微粒子が分散している様子がまたフィラー2 種の配合試験において A02P フィラー割確認できる。しかしながら、No. 20 に比べ No.24 では微粒合が 10mass％において、いずれの条件でも良好なシート子の分散が一部均一でない箇所があり、特に粗粒子の周を成形することが出来たことから 3 種配合時の A02P の配辺部（図 5No.24 中〇印）に多く見られることが分かる。こ合割合は 10mass％に固定した。なお、フィラー混合割合

れはおそらく 2 種類のフィラー粒径の差が大き過ぎるため

は 75、77.5、80mass％とした。フィラー3 種を使用した時のに十分な混合ができなかったと考えられ、このことが各配合割合とシート成形後の状態を表 4 に、また図 4 にNo.20 と No.24 の熱伝導パスの相違となり、結果として熱フィラー3 種配合時の熱伝導率変化を示す。フィラー割合伝導率の差が生じたと考えられる。

表 4 フィラー3 種使用時の各配合割合とシート成形後の状態．

No.

フィラー混合割合（mass%)

フィラー3種配合割合（mass%)

シート成形後の状態

A02P(1.5μm)

A10P(10μm)

A15P(15μm)

気泡割れ

シート化
可否

102763有少―〇105050有少―〇27106327有少―〇28102763有少―〇105050有少―〇106327有少―〇102763有少―〇105050有少―〇106327有少―

〇2575

26

2977.530318032

熱伝導率 (W/ m・K)

33

表面観察

1.75 W/m・K

2.0

1.69 W/m・K
1.52 W/m・K
1.0

A02P:A10P:A15P = 10:27:63
A02P:A10P:A15P = 10:50:50
A02P:A10P:A15P = 10:63:270.070758085

フィラー混合割合 (mass%)
図 4 フィラー3 種配合時のシートの熱伝導率．

図 5 フィラー2 種配合シートの SEM 写真（フィラー80mass％混合）．

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4. まとめ本研究では、放熱シートの作製における基礎的データとして、フィラーの混合条件がシート作製や熱伝導特性に及ぼす影響を検討した。フィラーには粒子径が異なる 3種類（A02P：1.5μm、A10P：10μm、A15P：15μm）の窒化アルミニウムを用い、シリコーン樹脂に混合した時のペーストの性状やシート成形時の状態観察及び熱伝導率を測定した。試作した放熱シートの中では、フィラー混合割合を 80mass％とし、2 種配合（A02P：A10P＝10：90）の条件で作製したシート（No.20）が比較的良好であり、ゴムとしての柔軟性も十分であった。なお、熱伝導率は 1.90
W/m・K であった。今回、窒化アルミニウム本来の高熱伝導特性を十分引き出した結果には至らなかったが、放熱シートの特性向上を追求することにおいて異粒子径フィラーの組み合わせや配合比を検討することは非常に有意義であることが分かった。今後は、これらの知見を参考にしながら、放熱分野や関連技術の開発分野に役立てていく予定である。

参考文献
1) 川原昭彦, 佐賀県窯業技術センター平成 27 年度研究

図 6 フィラー3 種配合シートの SEM 写真（フィラー80mass％混合）．

報告書・支援事業報告書, 12-18 (2016).
2) Sang-Kee LEE, et al., J. Inor. Mater. Jpn., 14, 429-436

また、3 種配合の図 6 では 2 種配合と同様に粗粒子間(2007).に微粒子が分散されているが、不均一の箇所は増えており、さらに図 6 中〇印箇所に見られるように、気泡や亀裂

3) Y. NAGAI, J. Ceram. Soc. Jpn., 105, 197-200(1997).

も確認された。3 種配合を行っても熱伝導率の向上が得ら

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れなかったのは、樹脂中でのフィラーの充填が難しく、図

5) 大橋優喜, 頼高潮, セラミックス, 39, 629-695 (2020).

6 のような微構造であったことが理由と考えられる。
図 7 に No.20 試料シートの状態を示す。作製したシー

6) 株式会社富士経済プレスリリース, 第 17066 号 (2017).

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7) R. Kobayashi, H. Okazaki, M. Sasaki, E. Fukushi, Netsu
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