CN117124658A - 导热构件 - Google Patents
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Abstract
本发明的课题在于提供能够片化且散热性优异的导热构件。本导热构件具有：多个碳纳米管；设置于多个上述碳纳米管的一端侧的第1树脂层；层叠于上述第1树脂层的、与上述第1树脂层相比导热率高的第1传热层；设置于多个上述碳纳米管的另一端侧的第2树脂层；以及层叠于上述第2树脂层的、与上述第2树脂层相比导热率高的第2传热层，上述第1树脂层和上述第2树脂层不含有填料，构成上述第1树脂层的树脂含浸于多个上述碳纳米管的一端侧，构成上述第2树脂层的树脂含浸于多个上述碳纳米管的另一端侧。
Description
技术领域
本公开涉及导热构件。
背景技术
已知使用了碳纳米管的层叠体。该层叠体中，夹持碳纳米管而上下配置有保护材(例如，参照专利文献1)。
碳纳米管的导热性优异，因此包含碳纳米管的层叠体有时作为导热构件来使用。然而，碳纳米管容易散开，因此片化困难。此外，根据包含碳纳米管的层叠体的构成，存在得不到充分的散热性的情况。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2016/158496号
发明内容
发明所要解决的课题
本发明是鉴于上述情况而提出的，目的在于提供能够片化且散热性优异的导热构件。
用于解决课题的方法
本导热构件具有：多个碳纳米管；设置于多个上述碳纳米管的一端侧的第1树脂层；层叠于上述第1树脂层的、与上述第1树脂层相比导热率高的第1传热层；设置于多个上述碳纳米管的另一端侧的第2树脂层；层叠于上述第2树脂层的、与上述第2树脂层相比导热率高的第2传热层，上述第1树脂层和上述第2树脂层不含有填料，构成上述第1树脂层的树脂含浸于多个上述碳纳米管的一端侧，构成上述第2树脂层的树脂含浸于多个上述碳纳米管的另一端侧。
发明的效果
根据公开的技术，能够提供能够片化且散热性优异的导热构件。
附图说明
图1为例示第1实施方式涉及的导热构件的立体图。
图2为例示第1实施方式涉及的导热构件的截面图。
图3为第1实施方式涉及的导热构件的截面的SEM照片。
图4为例示比较例涉及的导热构件的截面图。
图5为例示第1实施方式涉及的导热构件的制造工序的图(其1)。
图6为例示第1实施方式涉及的导热构件的制造工序的图(其2)。
图7为例示第1实施方式涉及的导热构件的制造工序的图(其3)。
图8为例示第1实施方式的变形例涉及的导热构件的截面图。
图9为导热构件的导热率等的评价结果。
符号的说明
10、10A 导热构件
11 碳纳米管
11a 碳纳米管的一端侧的前端
11b 碳纳米管的另一端侧的前端
12 第1树脂层
13、13A 第1传热层
13f、15f 填料
14 第2树脂层
15、15A 第2传热层
16、17 保护层
200 基板
210 转印构件
具体实施方式
以下，参照附图对于具体实施方式进行说明。另外，各附图中，同一构成部分附上同一符号，有时省略重复的说明。
<第1实施方式>
[导热构件的结构]
图1为例示第1实施方式涉及的导热构件的立体图。图2为例示第1实施方式涉及的导热构件的截面图，图2(a)为整体图，图2(b)为图2(a)的A部的放大图。
如果参照图1和图2，则第1实施方式涉及的导热构件10具有多个碳纳米管11；第1树脂层12；第1传热层13；第2树脂层14以及第2传热层15。导热构件10可以进一步具有保护层16和17。导热构件10为所谓TIM(Thermal Interface Material)，配置于2个构件之间，为进行两者之间的导热的构件。例如，2个构件的一方为发热体，另一方为放热体。
多个碳纳米管11在第1树脂层12与第2树脂层14之间，将长度方向大致朝向导热方向而配置。这里，所谓导热方向，为与第1传热层13的上面和第2传热层15的下面大致垂直的方向。相邻的碳纳米管11的间隔可以一定，也可以不一定。相邻的碳纳米管11可以相接，但是优选相邻的碳纳米管11之间具有空隙。由此，碳纳米管11的收缩性提高，膨胀、收缩变得容易。
碳纳米管11是例如直径为0.7～70nm左右的大致圆筒形的碳的结晶。碳纳米管11的长度方向的长度为例如，50μm以上300μm以下。碳纳米管11的导热性高，其导热率为例如3000W/m·K左右。为了获得良好的传热性能，碳纳米管11的面密度优选为1×1010根/cm2以上。
第1树脂层12设置于多个碳纳米管11的一端侧。第1传热层13层叠于第1树脂层12的与碳纳米管11的相反侧。构成第1树脂层12的树脂含浸于多个碳纳米管11的一端侧。换句话说，多个碳纳米管11的一端侧埋入第1树脂层12。
在多个碳纳米管11的一端侧，埋入第1树脂层12的部分的长度为例如，0.1μm以上10um以下。另外，各个碳纳米管11的一端侧的前端11a的位置散乱也可以。
多个碳纳米管11的一端侧的前端11a没有从第1树脂层12的下面突出。即，第1树脂层12的第1传热层13侧是多个碳纳米管11的一端侧没有进入，仅由树脂形成的区域。然而，一部分碳纳米管11的一端侧的前端11a可以到达第1树脂层12的下面，也可以从下面突出。
第2树脂层14设置于多个碳纳米管11的另一端侧。第2传热层15层叠于第2树脂层14的与碳纳米管11的相反侧。构成第2树脂层14的树脂含浸于多个碳纳米管11的另一端侧。换句话说，多个碳纳米管11的另一端侧埋入第2树脂层14。
多个碳纳米管11的另一端侧的、埋入第2树脂层14的部分的长度为例如，0.1μm以上10μm以下。然而，各个碳纳米管11的另一端侧的前端11b的位置散乱也可以。
多个碳纳米管11的另一端侧的前端11b没有从第2树脂层14的上面突出。即，第2树脂层14的第2传热层15侧是多个碳纳米管11的另一端侧没有进入，仅由树脂形成的区域。然而，一部分碳纳米管11的另一端侧的前端11b可以到达第2树脂层14的上面，也可以从上面突出。
图3为第1实施方式涉及的导热构件的截面的SEM照片，图3(a)为整体图，图3(b)为图3(a)的部分放大图。在图3(b)的虚线B所包围的部分，能够确认构成第2树脂层14的树脂含浸于多个碳纳米管11的另一端侧。
回到图1和图2的说明，第1树脂层12和第2树脂层14的各自不含有填料。另一方面，第1传热层13为含有填料13f的树脂层。第1传热层13与第1树脂层12相比导热率高。此外，第2传热层15为含有填料15f的树脂层。第2传热层15与第2树脂层14相比导热率高。作为填料13f和15f，例如，能够使用氧化铝、氮化铝等。填料13f和15f的直径能够设为例如，0.1μm～10μm左右。第1树脂层12和第2树脂层14的各自的导热率为例如，0.1W/m·K～0.3W/m·K左右。另一方面，第1传热层13和第2传热层15的各自的导热率为例如，1W/m·K～15W/m·K左右。
第1树脂层12和第2树脂层14的各自例如，能够由聚苯醚系树脂形成。构成第1传热层13和第2传热层15的各自的树脂层例如，能够由聚苯醚系树脂形成。另外，构成第1传热层13和第2传热层15的树脂层可以由与第1树脂层12和第2树脂层14不同的树脂形成。
优选第1树脂层12与第1传热层13相比薄，第2树脂层14与第2传热层15相比薄。第1树脂层12和第2树脂层14的各自的厚度能够为例如，1μm以上30μm以下。第1树脂层12和第2树脂层14的各自的厚度优选为1μm以上10μm以下，更优选为0.1μm以上5μm以下。第1传热层13和第2传热层15的各自的厚度能够为例如，50μm～250μm左右。
第1树脂层12与第1传热层13相比导热率低，第2树脂层14与第2传热层15相比导热率低。然而，如果第1树脂层12和第2树脂层14的厚度为1μm以上30μm以下，则能够将第1树脂层12和第2树脂层14的热阻抗抑制得低，能够抑制作为导热构件10整体的导热率的降低。如果第1树脂层12和第2树脂层14的厚度为1μm以上10μm以下，则能够进一步抑制作为导热构件10整体的导热率的降低，如果为0.1μm以上5μm以下，则能够进一步抑制作为导热构件10整体的导热率的降低。
保护层16根据需要，层叠于第1传热层13的与第1树脂层12的相反侧，保护第1传热层13。保护层17根据需要，层叠于第2传热层15的与第2树脂层14的相反侧，保护第2传热层15。保护层16和17为膜状的构件，使用导热构件10时被剥离。作为保护层16和17，例如，能够使用聚对苯二甲酸乙二醇酯膜等。
图4为例示比较例涉及的导热构件的截面图，图4(a)为整体图，图4(b)为图4(a)的C部的放大图。
如果参照图4，则比较例涉及的导热构件10X不具有第1树脂层12和第2树脂层14这一点与导热构件10(参照图1等)不同。
导热构件10X中，第1传热层13所含有的填料13f阻碍构成第1传热层13的树脂向碳纳米管11的一端侧含浸。因此，构成第1传热层13的树脂没有完全含浸于多个碳纳米管11的一端侧，或几乎没有含浸。此外，第2传热层15所含有的填料15f阻碍构成第2传热层15的树脂含浸于碳纳米管11的另一端侧。因此，构成第2传热层15的树脂没有完全含浸多个碳纳米管11的另一端侧，或几乎没有含浸。
其结果，导热构件10X中，碳纳米管11会散开，因此不能维持图4所示的形状，不能片化。假如，从第1传热层13和第2传热层15除去填料，则构成第1传热层13和第2传热层15的树脂能够含浸至碳纳米管11的两端侧。因此，片化成为可能，但是如果从第1传热层13和第2传热层15除去填料，则第1传热层13和第2传热层15的导热率降低，因此导热构件10X不能发挥充分的散热性能。
另一方面，导热构件10中，在碳纳米管11的一端侧配置不含有填料的第1树脂层12，在碳纳米管11的另一端侧配置不含有填料的第2树脂层14。因此，构成第1树脂层12和第2树脂层14的树脂能够含浸于碳纳米管11的两端侧，片化成为可能。此外，将第1树脂层12和第2树脂层14薄化为对于导热构件10的散热性没有影响的程度，进一步在第1树脂层12上层叠导热率良好的第1传热层13，在第2树脂层14上层叠导热率良好的第2传热层15。其结果，导热构件10能够片化，并且散热性也优异。导热构件10的导热率能够为例如，20～30W/m·K左右。
此外，假如导热构件不具有碳纳米管，仅由焊锡、烧结材那样的柔软性低且硬的材料形成的情况下，如果导热构件配置于发热体与放热体之间，则存在由于各构件的热膨胀系数的差，热负荷时导热构件产生翘曲、剥离的担忧。另一方面，导热构件10中，在厚度方向的中央部配置有柔软性优异的碳纳米管11。因此，导热构件10配置于发热体与放热体之间时，碳纳米管11将由各构件的热膨胀系数的差产生的应力进行缓和。其结果能够降低热负荷时，导热构件10发生翘曲、剥离的担忧。另外，焊锡的弹性模量为40GPa左右，与此相对，具有碳纳米管11的导热构件10的弹性模量为5GPa以下。
[导热构件的制造方法]
接下来，对于第1实施方式涉及的导热构件的制造方法进行说明。图5～图7为例示第1实施方式涉及的导热构件的制造工序的图。
首先，图5(a)所示的工序中，准备基板200，在基板200的上面形成多个碳纳米管11。作为基板200，例如，能够使用板状的硅(Si)、铜(Cu)等。
更具体而言，在基板200的上面通过溅射法等，形成金属催化剂层。作为金属催化剂层，例如能够使用Fe、Co、Al和Ni等。金属催化剂层的厚度能够为例如数nm左右。接下来，将形成有金属催化剂层的基板200放入加热炉，通过CVD法(化学的气相生长法)，以预定的压力和温度、工艺气体，在金属催化剂层上形成碳纳米管11。加热炉的压力和温度能够为例如0.1～8.0kPa和500～800℃。另外，作为工艺气体，例如能够使用乙炔气体等，作为载气，例如能够使用氩气、氢气等。
接下来，在图5(b)所示的工序中，使转印构件210接触基板200上生长的碳纳米管11的上端部，对于基板200侧进行推压。作为转印构件210，例如，能够使用硅橡胶片等。接下来，在图5(c)所示的工序中，剥离图5(b)所示的基板200。由此，碳纳米管11被转印至转印构件210。
接下来，在图6(a)所示的工序中，准备保护层16、第1传热层13和第1树脂层12的层叠体，以使碳纳米管11朝向第1树脂层12侧来配置转印有碳纳米管11的转印构件210。作为第1树脂层12，例如，能够使用膜状的热固性的聚苯醚系树脂。第1树脂层12可以不含有填料。作为第1传热层13，例如，能够使用膜状的热固性的聚苯醚系树脂。第1传热层13含有填料13f。作为保护层16，例如，能够使用聚对苯二甲酸乙二醇酯膜等。
接下来，在图6(b)所示的工序中，一边将图6(a)所示的结构体进行加热，一边将转印构件210向第1树脂层12侧推压。由此，第1树脂层12软化，构成第1树脂层12的树脂含浸至多个碳纳米管11的一端侧。
接下来，在图7(a)所示的工序中，将图6(b)所示的转印构件210从碳纳米管11除去。在图6(b)所示的工序中加热时的热也传导至转印构件210，转印构件210软化。因此，转印构件210能够从碳纳米管11容易地除去。
接下来，在图7(b)所示的工序中，准备保护层17、第2传热层15和第2树脂层14的层叠体。而且，将第2树脂层14朝向碳纳米管11侧进行配置，一边加热一边向第1树脂层12侧推压。由此，第2树脂层14软化，构成第2树脂层14的树脂含浸至多个碳纳米管11的另一端侧。作为第2树脂层14，例如，能够使用膜状的热固性的聚苯醚系树脂。第2树脂层14不含有填料。作为第2传热层15，例如，能够使用膜状的热固性的聚苯醚系树脂。第2传热层15含有填料15f。作为保护层17，例如，能够使用聚对苯二甲酸乙二醇酯膜等。通过以上的工序，导热构件10完成。
<第1实施方式的变形例>
第1实施方式的变形例中，显示第1传热层和第2传热层使用了含有填料的树脂以外的构件的导热构件的例子。另外，在第1实施方式的变形例中，对于与已经说明的实施方式同一构成部的说明有时省略。
图8为例示第1实施方式的变形例涉及的导热构件的截面图。如果参照图8，则第1实施方式的变形例涉及的导热构件10A中，第1传热层13和第2传热层15被第1传热层13A和第2传热层15A所取代这一点与导热构件10(参照图2等)不同。
导热构件10A中，第1传热层13A和第2传热层15A由焊锡形成。作为形成第1传热层13A和第2传热层15A的焊锡，例如，能够使用Sn系的焊锡等。
这样，第1传热层和第2传热层不限定于含有填料的树脂，能够使用散热性优异的各种材料来形成。第1传热层和第2传热层也可以由铟、烧结材形成。在该情况下，获得优异的散热性。
图9为导热构件的导热率等的评价结果。具体而言，对于仅仅第1粘接层和第2粘接层，不具有第1传热层和第2传热层的导热构件(为了方便，设为导热构件10Y)，以及作为第1传热层和第2传热层使用了焊锡的导热构件10A，测定热扩散率、比热和密度，通过计算求出导热率。这里，导热率＝热扩散率×比热×密度。
导热构件10Y和10A中，第1树脂层和第2树脂层的厚度都为3μm。此外，导热构件10A中，第1传热层和第2传热层的厚度都为250μm。热扩散率使用BETHEL公司制ThermowaveAnalyzer TA35而测定。比热使用NETZCH公司制DSC200F3 Maia来测定。密度使用QURNTACHROME INSTRUMENTS公司制Ultra-Pycnometer 1000M-UPYC来测定。
图9所示那样，可知导热构件10Y中，能够实现30.8[W/m·K]这样的导热率。另一方面，可知作为第1传热层和第2传热层，使用了焊锡的导热构件10A中，与47，6[W/m·K]这样的导热构件10Y相比，能够实现1.5倍左右的良好的导热率。
另外，作为第1传热层和第2传热层，通过使用与焊锡相比高导热性的烧结材、铟等，从而能够期待进一步导热率的提高。
以上，对于优选的实施方式等进行了详细说明，但是不限制于上述实施方式等，能够不脱离权利要求所记载的范围，对于上述实施方式等施加各种变形和置换。
Claims (9)
1.一种导热构件，其具有：
多个碳纳米管；
设置于多个所述碳纳米管的一端侧的第1树脂层；
层叠于所述第1树脂层的、与所述第1树脂层相比导热率高的第1传热层；
设置于多个所述碳纳米管的另一端侧的第2树脂层；以及
层叠于所述第2树脂层的、与所述第2树脂层相比导热率高的第2传热层，
所述第1树脂层和所述第2树脂层不含有填料，
构成所述第1树脂层的树脂含浸于多个所述碳纳米管的一端侧，
构成所述第2树脂层的树脂含浸于多个所述碳纳米管的另一端侧。
2.根据权利要求1所述的导热构件，
所述第1树脂层的所述第1传热层侧是多个所述碳纳米管的一端侧没有进入，仅由树脂形成的区域，
所述第2树脂层的所述第2传热层侧是多个所述碳纳米管的另一端侧没有进入，仅由树脂形成的区域。
3.根据权利要求1所述的导热构件，
所述第1树脂层比所述第1传热层薄，所述第2树脂层比所述第2传热层薄。
4.根据权利要求1所述的导热构件，
所述第1树脂层或所述第2树脂层由聚苯醚系树脂形成。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的导热构件，
所述第1传热层和所述第2传热层为含有填料的树脂层。
6.根据权利要求5所述的导热构件，
所述树脂层由聚苯醚系树脂形成。
7.根据权利要求1～4中任一项所述的导热构件，
所述第1传热层和所述第2传热层由焊锡形成。
8.根据权利要求1～4中任一项所述的导热构件，
所述第1传热层和所述第2传热层由铟形成。
9.根据权利要求1～4中任一项所述的导热构件，
所述第1传热层和所述第2传热层由烧结材形成。
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