ベイ・シャン博士
シニア・アプリケーション開発エンジニア
モメンティブ・テクノロジー
ストロングスビル, OH 44149
概要
窒化ホウ素（BN）を搭載したサーマルマネジメント材料は、熱伝導性、電気絶縁性、低熱膨張係数、低密度という課題にマッチしています。 電子機器の小型化と高出力化が進む中、より効率的に放熱する新しい材料が求められています。 電気通信に使用される電子機器、電気自動車、LED照明などは、熱伝導性と電気絶縁の技術革新を必要とするほんの一例にすぎません。 モメンティブ・テクノロジーは、サーマルマネジメントにおけるさまざまなニーズに対応するため、数種類のBNを製造しています。
BNは、電子機器に使用される高分子サーマルマネジメント材料の電気絶縁性を維持しながら熱伝導性を改善するための最も魅力的なフィラーの一つです。 凝集BN粒子は、鱗片結晶BN粉末よりもはるかに優れた等方的熱性能を示します。 ここでは、複合材料の最終的な熱性能にとって重要な凝集BNのモルフォロジーに対する配合条件の影響について研究しています。 同じ割合の凝集BNを充填したポリマーコンポジットの最終的な熱伝導率は、配合条件によって4倍もの差が生じる可能性があることが示されました。
はじめに
電気自動車、5G通信、LED照明などに使用される小型電子機器に、より多くの、より高出力のチップが組み込まれるにつれて、電力密度は驚異的に増加します。 このような電子機器では、デバイスの性能を急速に低下させ、故障につながる可能性のある熱の蓄積を避けるため、限られたスペース内で発生する熱をより効率的に放散する必要があります。 多くのモバイル電子機器の小型化により、強制冷却は、現在および将来の機器のサーマルマネジメント設計において、以前よりも実現可能な選択肢ではなくなることが多くなっています。 自然放熱ソリューションの強化とパッケージ全体の軽量化の要求が相まって、熱設計者は、サーマルインターフェース材料（TIM）、ハウジング材料、ヒートシンクフィン、ヒートスプレッダなど、電子デバイスのさまざまな部品に使用する革新的な高性能軽量熱伝導性材料を探す必要に迫られています[1]。
自然放熱ソリューションの強化とパッケージ全体の軽量化の要求が相まって、熱設計者は、サーマルインターフェース材料（TIM）、ハウジング材料、ヒートシンクフィン、ヒートスプレッダなど、電子デバイスのさまざまな部品に使用する革新的な高性能軽量熱伝導性材料を探す必要に迫られています[1]。 ポリマーは熱伝導率が0.2W/mK程度と高いため、ポリマーコンポジットの熱伝導率を向上させるためにAl2O3、ZnOなどのセラミックフィラーが使用されてきました。 しかし、TIMの熱性能基準はますます厳しくなっています。 TIMメーカーは、今日の高性能電子機器のサーマルマネジメント要件を達成する上で、より大きな課題に直面しています。 h-BNは、ポリマー複合材料に見られる典型的なセラミックフィラーと比較して、面内熱伝導率が最も高く（>300W/mK）、誘電率が最も低い優れたサーマルフィラーです。 しかし、h-BNの熱伝導率には異方性があるため、BN-ポリマー複合材料からなるTIMの熱性能は、必要な方向に大きく制限されます。 この問題を解決するために開発されたのが、微細な板状の粒子がランダムに凝集したBN パウダー。 凝集体中の鱗片結晶はランダムに配向しているため、あらゆる方向の熱性能は同等ではないにしても非常に近い。 凝集BNを充填したポリマーTIMでは、全方向熱伝導率（TC）の大幅な改善が達成されています[2]。 しかしながら、BNを充填したポリマー複合材料の熱およびレオロジー性能に直接影響するBNのモルフォロジーに対する配合条件の影響についての理解が不十分であるため、（新規の）ユーザーによって最適な熱およびレオロジー性能が得られないことがよくあります。 そこで、最終的なポリマー複合材料の熱性能とコンパウンド条件およびBNモルフォロジーの相関性に関する研究を実施しました。
研究と結果
BN-ポリマー複合体の熱的性能に及ぼすBN形態の影響
モメンティブテクノロジーズのh-BNパウダーは、プレートレット（鱗片状）とアグロメレート（凝集体）の2つの形態に大別されます。 凝集体の中には、不定形や球形に近いものもあります。 様々なサイズと形状の鱗片状BNと凝集BNを、架橋剤入りシリコーン樹脂中で、指定されたレベル（wt.またはvol.%）で、SpeedMixerを用いて3500rpm、30秒間コンパウンド化しました。 この混合物を圧縮金型で硬化させ、ネッチェ社製レーザーフラッシュLFA447による面内熱伝導率測定用の厚さ0.5～1.3mmのパッドを作製しました。 40wt%の板状BNと球状凝集BNを用いたBN-シリコーン複合材料の面内および面貫通熱伝導率の比較を図1に示します。 球状BN粉末グレードは、同じ充填量および配合条件で板状BNよりも高く、より等方的な熱伝導率を示します。
BN-ポリマー複合材料の面内熱伝導率に及ぼす複合化条件の影響
PTX60は、粒子が球形に近い特殊なBN粉末です。 この球状の凝集体は、図1に示すように、最高の等方性熱性能を提供します。 しかし、ポリマーとのコンパウンドプロセスで積極的なコンパウンド条件を使用すると、高せん断下で鱗片結晶の凝集体が破壊される可能性があり、粒子径の減少や球状の凝集体の消失につながります。 図2に示すように、スピードミキサーでシリコーンを配合した場合、配合速度と配合時間の組み合わせによって、凝集破壊のレベルが異なりました。 モルフォロジーの変化は、最終的なBN-シリコーン複合材料の面内熱伝導率に大きな影響を与えました。 同じ配合の最終的な面内通過TCは、配合回転数と配合時間の組み合わせにより、最低値と最高値の間で4倍も変化します。 これらの結果は、凝集したBNをポリマーで処理する際に、適切なコンパウンド条件を選択することの重要性を示しています。
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テストデータと結果。 実際の結果と異なる場合があります。
図1. (a)鱗片結晶対球状凝集体。 (b)PTX60、PTX25、PT371、PT350はサイズと形態の異なる凝集BNで、PT110とPT120は鱗片結晶BN。
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テストデータと結果。 実際の結果と異なる場合があります。
図2. (a) BN凝集体の形態に及ぼす混合速度と時間の影響。 (b)面内熱伝導率に及ぼす混合速度と時間の影響。
参考文献
[1] Z. Carl, “Advances in composite materials for thermal management in electronic packaging”, JOM, June 1998, Volume 50, Issue 6, pp 47-51.
[2] L. James, J. Peter, “Thermally conductive interface materials and methods of using the same”, U.S. Patent 5, 213,868 A, issued May 25, 1993.
