高性能シリコーン熱伝導材料の調製方法は？

電子製品の小型化、多機能化、高性能化に伴い、高密度3Dシステム統合技術が出現しました。三次元システム統合は、組み立て効率の向上、信号伝送速度の高速化、システム信頼性の向上を実現します。これらの利点がある一方で、莫大なエネルギー消費により、基板の単位面積当たりの熱量が増加し、放熱対策への注目が高まっています。これは、熱界面材料の熱伝導材料に対して、より高い性能要求を提起しています。放熱設計を通じて、電子製品の熱界面に蓄積された熱を適時に排出し、作動温度を合理的な設計範囲内に維持することで、製品のシステム安定性と信頼性を確保します。熱伝導率は、材料の熱伝導性能を表す指標です。熱伝導率が高いほど、材料の熱伝導性能は優れています。したがって、高性能な放熱材料の基本要件は、十分に高い熱伝導率を持つことです。.

高性能な熱伝導パッド用シリコンゴムの主な特徴は、一般的に高い熱伝導率、優れた製品信頼性、良好な接着性、使用の簡便性、防振・防音効果、環境配慮などが求められます。基本的な熱伝導率に加えて、顧客は熱伝導パッドの圧縮変形、熱抵抗変化、瞬間的圧力および長期的圧力にも注目します。薄型製品の場合、製品の使用性能、主に剥離力の大きさなどにも注意を払います。.

熱伝導パッドは隙間充填に使用されるため、応力が非常に小さく、機械的特性は一般的に高く要求されないため、幅広く使用されています。電子製品の性能要求が絶えず高まるにつれて、熱伝導パッドに対する要求もますます高まっています。熱伝導パッドは継続的に進化しており、多くの研究が行われていますが、熱伝導率は大部分が3.0W/(m・K)以下であり、処方も不明確で、実際の製品応用とは大きく乖離しており、特に信頼性に関する研究は少ない状況です。本実験では、反応性シリコンオイルを基材とし、高性能熱伝導充填剤を添加することで、熱伝導率4.0W/(m・K)の熱伝導パッドを調製しました。製品は優れた使用性と信頼性を有し、顧客の高性能熱伝導パッドに対する要求を満たすことができます。.

2.2 熱伝導パッドの厚さが圧縮変形に与える影響

2.3 熱伝導パッドの厚さが熱抵抗に与える影響

2.4 瞬間的および長期的な圧力が熱伝導パッドの圧縮変形に与える影響

2.5 剥離力が熱伝導パッドの使用性能に与える影響

2.6 熱伝導パッドの信頼性

3. 結論

XJY Silicones – First choice raw material supplier of silicone thermally conductive materials

1. 実験

1.1 主な原材料と設備

低粘度ビニルシリコーンオイル：粘度200mPa・s、ビニルモル分率0.35%TP3T；高粘度ビニルシリコーンオイル：粘度5000mPa・s、ビニルモル分率0.35%TP3T；水素含有シリコーンオイル：粘度50mm2/s、活性水素質量分率0.1%TP3T；変性シリコーン樹脂；白金触媒、阻害剤；アルミナ：純度≧99%TP3T、平均粒径20μm；窒化アルミニウム：純度99.5%TP3T、平均粒径0.5μm；球形アルミナ：純度≧99.8%TP3T、平均粒径70μm。二軸遊星攪拌機；オーブン、熱循環式、, ｡

1.2 シリコン熱伝導パッドの調製

攪拌タンクに低粘度ビニルシリコーンオイル80g、高粘度ビニルシリコーンオイル8g、水素含有シリコーンオイル6g、変性シリコーン樹脂5g、触媒1.0g、阻害剤0.2gを添加し、0.5時間攪拌後、真空脱泡を行う。次に、窒化アルミニウム55gを添加し、0.5時間攪拌後、アルミナ445gを添加し、均一に攪拌して真空脱泡を行う。最後に、球形アルミナ402gを添加し、0.5時間攪拌して真空脱泡を行う。得られたペーストを剥離フィルム間に一定の厚さで成形し、まず120°Cで30分間加硫し、その後150°Cで30分間焼成してシリコン熱伝導パッドを得る。.

1.3 性能試験

熱伝導率：TPS2500S熱伝導率測定装置を使用し、ASTM D5470-2006に基づき測定。.
熱抵抗：LW9389熱抵抗計を使用し、ASTM D5470-2006に基づき測定。.
硬さ：ショアOO型硬度計を使用。.
密度：ヘリウム真密度法によるDPY-31真密度計で試験。.
引張強度：ASTMD412-2006に基づきLS1電子式万能試験機で試験。.
破断伸び：ASTMD412-2006に基づきETM103A制御電子式万能試験機で試験。.
体積抵抗率：ASTMD257-2007に基づき1508絶縁抵抗計で試験。;
比誘電率：ASTMD150-2011に基づきHJC-50kV絶縁破壊電圧試験機で試験。;
180°剥離力：AR-1000剥離力試験機で試験。.
高温老化特性：Z120306熱循環オーブンを採用。試験方法：試料を150℃で440時間放置後、常温冷却して耐熱性を試験。;
温度衝撃老化特性：WIEETS60高低温度衝撃ボックスで試験。試験方法：-40～125℃で温度衝撃試験を実施。試料を-40℃で0.5時間、その後125℃で0.5時間放置、この工程を1サイクルとして合計440サイクル試験後、常温冷却して試料の耐熱性を試験。.
湿熱老化特性：KTHB-415TBS恒温恒湿槽を使用。試料を85℃・85％相対湿度で440時間放置後、常温冷却して耐熱性を測定。.
瞬時耐圧：規定圧縮率において、指定圧縮変形圧力に達する試験。.
長期耐圧：規定圧縮率において、指定圧縮変形を5分以上保持する試験。.

2. 結果と考察

2.1 熱伝導パッドの性能指標

高性能熱伝導シートは熱伝導率要求が比較的高い。一般的に、大量の熱伝導充填材により高い熱伝導率を実現。熱伝導充填材が総質量の90％を占める場合、熱伝導率は4.0W/m•Kに達し、この時密度は3.4g/cm³となる。一般熱伝導ガスケットと比較して、破断伸びは明らかに低下するが、優れた電気絶縁性能は維持。製造したシリコーン熱伝導シートの特性を表1に示す。.

表1：シリコーン熱伝導ガスケット特性
試験項目	Performance
熱伝導率	4.0
ショア硬度	50
D密度	3.4
引張強度	0.07
破断伸び	25
体積抵抗率	1×10¹³
比誘電率	5.0

2.2 熱伝導パッドの厚さが圧縮変形に与える影響

圧縮変形は高性能ヒートシンクパッドの重要な指標でもあります。圧縮変形が大きいほど、製品の柔軟性が高く、密着性が良く、界面熱抵抗が小さくなり、熱伝導性が向上します。厚みが異なる製品では圧縮変形も異なります。一般的に圧縮変形の圧縮速度は0.5mm/minです。厚みがヒートシンクパッドの圧縮変形に及ぼす影響は、図 1.

図1：厚みがヒートシンクパッドの圧縮変形に及ぼす影響

図1から、同じ圧力条件下では、厚みが大きいほど圧縮永久ひずみが大きくなることがわかります。一般的に、厚手製品の圧縮変形は60%以上（通常0.69MPa以下）が要求され、圧縮変形曲線に基づいて製品を予備選定できます。.

2.3 熱伝導パッドの厚さが熱抵抗に与える影響

高性能熱伝導パッドの特徴の一つは、低い熱抵抗です。熱抵抗が低いほど、熱伝導効果が優れています。厚さが異なる製品の熱抵抗は異なります。厚みが熱伝導パッドの熱抵抗に及ぼす影響については、図2を参照してください。.

図2 厚みが熱伝導パッドの熱抵抗に及ぼす影響

図2から、製品の厚みが大きいほど熱抵抗が大きくなることがわかります。同じ厚みの製品では、圧力の増加に伴い熱抵抗は直線的に減少します。製品の厚みは熱伝導素子の設計によって決定され、熱伝導設計ユニットの隙間幅は製品の厚みに対応します。

2.4 瞬間的および長期的な圧力が熱伝導パッドの圧縮変形に与える影響

熱伝導パッドの瞬間的および長期的な圧力試験結果を表2に示します.

表2: 瞬間的および長期的な圧力が熱伝導パッドの圧縮変形に及ぼす影響
圧縮変形/%	瞬間変形/MPa	長期応力/MPa
10	0.06	0
20	0.14	0.01
30	0.26	0.04
40	0.40	0.07
50	0.51	0.09
60	0.68	0.11

注記：1)試験速度25.4 mm/min、厚さ2mm

表2は、25.4 mm/分の圧縮率において、30％の圧縮変形を達成するには0.259 MPaの瞬時圧力が必要であり、30％の圧縮変形を維持するには0.037 MPaの長期圧力が必要であることを示しています。瞬時圧力と長期圧力はアプリケーションに近く、非常に使いやすいです。.

2.5 剥離力が熱伝導パッドの使用性能に与える影響

高熱伝導充填材を多く添加すると、熱伝導性シートの熱伝導率は高くなりますが、製品自体の強度が低下し、深刻な場合には電子部品を汚染し、製品に環境上の欠陥が生じます。したがって、高性能な熱伝導性シートの設計では、剥離力と製品の作業性の関係を考慮する必要があります。一般的に、薄い製品は厚い製品よりも高い作業性を必要とします。シートが剥離フィルムを汚染しない場合でも、剥離力の高い薄いシートは、剥離時にシートを持ち上げて変位させることがあります。フィルムの使用に影響を与えます。剥離力が熱伝導シミの操作性に及ぼす影響を表3に示します。.

表3：ストリッピング力が熱伝導ガスケットの操作性に及ぼす影響
剥離力	Operability
20	剥離フィルムの染色
12	無染色剥離フィルム、容易に移動
8	無染色剥離フィルム、移動なし

表3に示すように、0.8mmの熱伝導性ガスケットの場合、剥離力が12g/25mmを超えると操作性は低く、8g/25mmのときに最適です。製品が厚いほど剥離フィルムの除去が容易であるため、本実験では薄型製品のみを検討対象としています。.

2.6 熱伝導パッドの信頼性

新製品のアップグレードには通常、信頼性比較試験が必要です。信頼性試験には高温老化試験、熱衝撃老化試験、耐湿熱老化試験が含まれます。製品アップグレードのプロセスにおいて、顧客は熱伝導パッドの熱伝導率が440時間の経時劣化後も、当初の参考サンプルを下回らないことを要求しています。信頼性試験の結果を図3から図5に示します。.

図 3: 熱伝導性ガスケットの高温老化

図 4: 熱伝導性ガスケットの熱衝撃老化

図 5: 熱伝導性ガスケットの湿熱老化

図3から図5から、440時間の150℃における熱伝導パッドの熱抵抗は、参考サンプルよりも低いことがわかります。また、440時間の熱衝撃老化試験では、熱伝導パッドの熱抵抗が参考サンプルより低く、440時間の湿熱老化試験においても同様に、熱伝導パッドの熱抵抗が参考サンプルよりも低い結果が得られています。.

In summary, the upgraded reliability of thermal pads with the same thickness is better than that of the original reference samples.

3. 結論

反応性シリコーンオイルを基材とし、酸化アルミニウムと窒化アルミニウムを熱伝導性フィラーとして使用することで、高性能熱伝導パッドが調製されます。最適化された配合は次のとおりです：低粘度ビニルシリコーンオイル80g、高粘度ビニルシリコーンオイル8g、水素含有シリコーンオイル6g、変性シリコーン樹脂5g、触媒1.0g、阻害剤0.2gを攪拌釜に添加し、0.5時間攪拌した後、真空脱泡を行います。次に窒化アルミニウム55gを加えて0.5時間攪拌し、その後酸化アルミニウム445gを加えて均一に攪拌し、再び真空脱泡を行います。最後に球状酸化アルミニウム402gを添加し、0.5時間攪拌して真空脱泡を行います。この配合で調製された製品の熱伝導率は4.0W/(m·K)に達し、操作性と使用性に優れ、良好な信頼性を有しており、顧客の高性能熱伝導性ガスケットに対する要件を満たすことができます。.

XJYシリコンs – シリコーン熱伝導材料の第一選択原料サプライヤー

XJY Silicones, one of China’s leading シリコーンMQ樹脂そして VMQ 熱伝導性シリコーンメーカーは、シリコーン業界において30年以上の研究開発・製造経験と15件以上の関連特許技術を保有しており、お客様の電子機器の要件に応じてコストパフォーマンスに優れた熱伝導シリコン製品のカスタマイズも可能です。.