熱伝導性複合熱可塑エラストマーの金属平板に対する接触熱抵抗の評価

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(1)第 32 回エレクトロニクス実装学会春季講演大会. 6C2-5. 熱伝導性複合熱可塑エラストマーの金属平板に対する接触熱抵抗の評価 Evaluation of thermal contact resistance of thermal conductive thermoplastic elastomer composite to metal plate ○上利泰幸・平野寛・門多丈治・岡田哲周地方独立行政法人大阪産業技術研究所森之宮センター. 1. はじめに今世紀に入り、高熱伝導性高分子材料への期待が. PL-012）を加えた熱可塑性エラストマー（ダイセル㈱. 急激に増大し、種々の高熱伝導性高分子材料が開発. 河電子㈱製 FAN-f30）を混合して 200℃で熱プレスする. されてきた。その中でも熱伝導性ゴムの実用化が進. ことで、熱伝導性熱可塑エラストマーシートを作製し. んでいて、300 億円以上の市場へと広がってきた。. た。なお、用いた材料の供給先と特性を表 1 に示す。. 製クラリティ―LA4285）に所定量の窒化アルミ粉（古. 初期には母材となるゴムとしてはシリコーンゴムがほとんどであったが、最近では LED 照明などの放. 2.2 接触熱抵抗測定. 熱分野で、成形性の向上と低価格のために母材とし. 定常比較法熱伝導率計（アドバンス理工㈱製 GH-1）. て種々の熱可塑性エラストマーも用いられるように. を用い、図１に示す冶具で熱可塑エラストマーを挟み、. なった。しかし、熱伝導性熱可塑エラストマーを挟む向かい合う金属面の接触熱抵抗の低下の研究はこれまで種々行われてきたが、金属面の形状へのゴムの追従性と熱伝導性の相反関係の解消が中心であった。我々も、熱伝導性ゴムシートと凹凸の大きな面を持つ金属面との接触熱抵抗の低下効果について検討し、約 50vol%の充填量のときに、熱伝導性と柔軟性の両立ができることを示した〔1〕。しかし接触熱抵抗は、接触面への追従特性だけでなく、熱伝導性ゴムの複合構造やゴムの粘弾性、測定方法などの影響も受けると考えられている。そこで本研究では、熱可塑性エラストマーを 2 枚の銅板で挟み、一定圧力または一定圧縮量下、定常法熱伝導率計法で測定し、接触熱抵抗を含んだ熱可塑性エラストマーの熱伝導率を見積もり、それらの影響について検討した。 2. 実験 2.1 試料作製 50 wt%の可塑剤（理研ビタミン㈱製リケマール. 図 1 一定圧力及び圧縮量を得るために用いた治具の概略. 表 1 各種材料の供給先と特性特性 AlN 粉（40, 50, 60 vol%）. 平均粒径：29 μm （古河電子㈱製 FAN-f30）. 母材. アクリル系熱可塑性エラストマー（50wt%）＋可塑剤（50 wt%）. アクリル系熱可塑性エラストマー. ﾀﾞｲｾﾙ㈱製クラリティ（LA4285）. 可塑剤. 理研ビタミン㈱製リケマール（PL-012）. 73.

(2) 第 32 回エレクトロニクス実装学会春季講演大会. 一定圧及び一定圧縮量下でのみかけの熱伝導率を種々. 伝導率が 0.85～0.86 W/(m・K)であり、傾きから求. の温度で測定した。. めた熱伝導率（0.83 W/(m・K)）とほぼ一致した。したがって、充分な一定圧力下では、接触熱抵抗がほぼ 0 であると考えられた。しかし、0.15ｍｍの試. 2.3 接触熱抵抗値の見積もり測定した熱抵抗（R）を試料厚みに対してプロット. 料では、その予想直線より熱抵抗が大きくなった。. し、式 1 を、銅板と試料で挟まれた接触熱抵抗（R0）. これは、全体の熱抵抗がこの測定機の測定限界を超. と試料の熱伝導率を算出した。. えていたため生じた誤差だと考えられる。. R = (d/λ）＋ R0. (1). d：試料の厚み λ：試料の熱伝導率 2.4 硬さ測定法作製した熱可塑性エラストマーシートの硬さは、デュロメータ硬さ計（ASKER A）を用いて、ASTM D 2240 にしたがって測定した。 3. 実験結果と考察 3.1 作製した各種の複合熱可塑性エラストマーの硬さ作製した複合熱可塑性エラストマーの硬さを AlN 量. 図 3 種々の厚みを持つ、50 vol% の AlN 粉を複合した熱可塑性エラストマーシートを用いたときの熱抵抗. に対してプロットした。AlN 量の増加とともに、硬さは直線的に増大した。. 3.3 種々の厚みを持つ、各種の AlN 粉を複合熱可塑性エラストマーシートを用いたときの熱抵抗 AlN 量が異なる種々の複合熱可塑性エラストマーシートを測定時の圧力が直接かかるようにした治具(a)に挟み、平均測定温度：57℃で熱伝導率を測定し、各試料の熱抵抗を見積もり、試料厚みに対してプロットした（図 4）。. 図 2 各種の充填量で作製した複合熱可塑性エラストマーのデュロメータ硬さ. 60 vol%. 3.2 種々の厚みを持つ、50 vol% の AlN 粉を複合熱可. 40 vol%. 塑性エラストマーシートを用いたときの熱抵抗 50 vol%. 測定時の圧力が直接かかるようにした治具(a)に各種の厚みの試料を挟み、平均測定温度：57℃で熱伝導率を測定し、各試料の熱抵抗を見積もり、試料厚みに対してプロットした（図 2）。0.3mm 以上のサンプル. 図 4 種々の厚みを持つ、種々の AlN を複合した熱可塑性エラストマーシートを用いたときの熱抵抗. 厚みの範囲では、良い直線関係を示し、みかけの熱. 74.

(3) 第 32 回エレクトロニクス実装学会春季講演大会. いずれの充填量でも試料の厚みに対してよい直線関係. 定よりも圧縮は大きくならなかったが、定圧下（ガ. にあり、有意に接触熱抵抗が見積もることができるこ. イドなし）では 30％以上圧縮されていた。. とがわかった。そして、その傾きから熱伝導率を見積. したがって、総合的な圧縮量の違いが、サンプルと銅. もると図 5 のようになった。. 板との密着性の差となって、熱伝導率に反映したものと考えられる。. 図 6 一定圧力下及び圧縮下のサンプルのみかけの熱伝導率図 5 傾きから見積もった、種々の AlN 量の複合熱可塑性エラストマーシートの熱伝導率 AlN 量の増加とともに、熱伝導率が指数関数的に増大し、比較的精度よく熱伝導率が見積もることができたと考えられる。また AlN 量が 40 vol%と 50 vol%の場合の直線関係においては、切片がほぼ 0 であり、接触熱抵抗が 0 であると見積もられるが、60 vol%の場合の直線関係. 図 7 一定圧力下及び圧縮下のサンプルの総合的圧縮率. においては、切片が 1.3 程度となり、有意な接触熱抵抗が認められた。これは、3.1 項の結果と合わせて考. 4 まとめ熱可塑性エラストマーを 2 枚の銅板で挟み一定圧力. えると、シートの硬さが大きいので銅板への追従性が悪くなったためと考えられる。これらのことによって、. または一定圧縮量下、定常法熱伝導率計法で測定し、. 熱伝導率の大きな 60 vol%の複合熱可塑性エラストマ. 接触熱抵抗を含んだ熱可塑性エラストマーの熱伝導率. ーの場合に、みかけの熱抵抗が大きくなったと考えら. を見積もり、それらの影響について検討した。熱伝導率測定機の測定範囲であれば、試料厚みに対する各試料の熱抵抗の直線性を確認できた。そして、傾きから熱伝導率を、切片から接触熱抵抗を見積もることができた。また接触熱抵抗には、界面の追随性が重要であり、それは界面の柔軟性や圧力が強い影響を及ぼしていることがわかった。文献 [1] 吉田隆彦、上利泰幸、吉門進三、電気学会論文誌Ａ、132、180(2012). れる。 3.4 AlN 粉複合熱可塑性エラストマーシートを用いたときの熱抵抗への定圧下及び圧縮下の違い一定量（3.5%）の圧縮を加えたときのサンプルのみかけの熱伝導率を測定し、一定圧力下でのみかけの熱伝導率と比較した（図 6）。いずれのみかけの熱伝導率も測定誤差内（±10％）であり、測定の再現性は大きいと考えられる。しかし、定圧下（ガイド. 講演者：上利泰幸. なし）のみかけの熱伝導率が、定圧縮下（ガイドあ. 地方独立行政法人大阪産業技術研究所森之宮センター. り）のみかけの熱伝導率よりも１．８倍程度大きか. 〒536-8553 大阪市城東区森之宮 1-6-50. った。そこで、それぞれの測定時の圧縮率を調べる. TEL：06-6963-8127. と（図 7）、定圧縮下では、ガイドのために、初期設. FAX：06-6963-8134 Email:[email protected]. 75.

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