JP2003105108A

JP2003105108A - 熱伝導性シート

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Publication number: JP2003105108A
Application number: JP2001300135A
Authority: JP
Inventors: Hiroko Furukawa; 裕子古川; Kazuhisa Takagi; 和久高木; Soji Tsuchiya; 宗次土屋
Original assignee: Fine Rubber Kenkyusho KK
Current assignee: Fine Rubber Kenkyusho KK
Priority date: 2001-09-28
Filing date: 2001-09-28
Publication date: 2003-04-09
Anticipated expiration: 2021-09-28
Also published as: JP4746803B2

Abstract

(57)【要約】【課題】グラファイト粉末を用いたもので熱伝導性、
電磁波シールド性の優れたシートを提供することであ
る。【解決手段】ポリイミドフィルムを焼成して得られる
グラファイトシートを粉末化し、そのグラファイト粉末
を、ゴム、熱可塑性樹脂、熱可塑性エラストマー等の母
材に混合分散させてシート状に作製する。【効果】軽いシート状で、熱伝導性、電磁波シールド
性の優れたものが得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子機器や産業機
器における熱の放熱や電磁波ノイズ防止の目的で使用さ
れる、熱伝導性の高分子組成物と熱伝導性電磁波シール
ド性の高分子組成物に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、パソコンをはじめとする小型電子
機器、産業精密機器などに用いられるＣＰＵは、高性能
化に伴い、発熱量が増大し、放熱、均熱などの熱問題が
課題となっている。また、上記した機器よりの電磁波の
発生防止あるいは、素子の電磁波のノイズ防止が課題と
なっている。熱問題対策としては、柔軟性の不必要なと
ころでは、Ａｌ板やＣｕ板が熱伝導や放熱の役目として
用いられている。柔軟性の必要なところには、熱伝導性
材料粉末が充填されたシリコーンゴムシートなどが用い
られている。

【０００３】充填材としては、Ａｌ₂Ｏ₃、ＡｌＮ、Ｂ
Ｎ、ＳｉＮ、ＳｉＯ₂、ＭｇＯなどの粉末や繊維状が用
いられている。また、炭素系の充填材としてカーボンブ
ラック、球状黒鉛粉末、炭素繊維などが用いられること
が知られている。ただ、炭素系を用いた場合は、熱伝導
性とともに電気伝導性も付与される。また、グラファイ
トシートのような熱伝導性シートと高分子フィルムなど
を積層複合化した例が知られている。電磁波シールド性
については、フェライトのような磁性粉末がゴムシート
内に充填することによりつくられている。この場合は、
熱伝導性シートと同様な使用法が可能である。ニッケ
ル、銅などのメッシュ状などでも用いられている。

【０００４】また、筐体自身を鉄、クロム、ニッケルな
どの金属化合物を含んだ複合材料で作製したり、筐体内
部に金属膜を蒸着法などにより設けることで、電磁波シ
ールド効果がもたらされる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】現在の、主にマトリッ
クス樹脂として用いられている熱伝導性シートとして
は、まだまだ特性改善の要望がある。例えば、熱伝導
性、シートの柔軟性、用途、形状に合わせた加工性の容
易さなどである。高熱伝導性、高電磁波シールド性のシ
ートにおいては、添加剤の量が通常は多くなり、柔軟性
や切断などの加工性が悪くなるという問題を有する。本
発明では、特殊なグラファイト粉末とゴム、熱可塑性樹
脂、熱可塑性エラストマーなどの母材との複合化におい
て、材料組成を検討することにより、従来のものよりの
熱伝導性、電磁波シールド特性の向上を図るとともに、
使いやすさの改善を図った。また、粉末を充填すると、
電気伝導性が付与されて絶縁性が悪くなり、電気機器回
路周辺で用いられる場合は問題になることがある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明が講じた技術的手段は、ゴム、熱可塑性樹脂、
熱可塑性エラストマーなどの母材に分散する基本材料に
グラファイト粉末を使用し、その中でもポリイミドフィ
ルムを焼成することにより得られるグラファイトシート
を粉末化したものである。グラファイト粉末としては、
天然のものから、人工の膨張黒鉛、球状黒鉛などが知ら
れている。ポリイミドフィルムを焼成することにより得
られるグラファイトシートは、構造的に、グラファイト
構造（鱗片配列）が進んだものが得られ、熱伝導的にも
優れたものが得られる。

【０００７】シートは、作製条件によっては、柔軟性の
あるものが得られるが、通常は固くてもろい。また、引
き裂き強度が弱く裂けやすい。従って、グラファイトシ
ートは樹脂シートなどと積層化することにより強度を補
強して利用される。グラファイト粉末を分散する母材と
しては、ゴム、熱可塑性樹脂、熱可塑性エラストマーな
どが用いられる。ゴムの中では、シリコーンゴムが特性
的にも扱い易さの点でも優れている。要するに、グラフ
ァイト粉末の分散性がよく、熱伝導性の優れたものが得
られやすい。熱可塑性樹脂、熱可塑性エラストマーなど
もゴムのかわりに用いられるが、耐熱性や柔軟性を要求
される場合にはシリコーンゴムに劣る。典型的なものと
してはポリスチレン系、ポリオレフィン系、ポリエステ
ル系の樹脂、エラストマーが用いられる。

【０００８】上記母材にグラファイト粉末を分散する方
法としては、溶媒を用いたり、あるいは溶媒を用いない
液状で混合しても、あるいは固体を加熱溶融により混合
しても、ローラーを用いて混練り混合してもよい。最終
的な材料の硬さを調整したい場合は、適当に架橋材等を
添加後、熱処理などを行い調整する。グラファイト粉末
の充填量は、グラファイト粉末単独では５〜６０重量％
で目的の熱伝導性が得られ、２０重量％以上であると電
磁波シールド性の顕著な効果がみられはじめ、６０重量
％あたりが最大の効果がみられる。配合成分としては、
グラファイト粉末を単独で配合する形態ばかりでなく、
アルミニウム窒化物、アルミニウム酸化物、硼素窒化物
等の無機粉末との混合で用いてもよい。更に、無機粉末
を２種以上混合してもよい。無機粉末としては、上記以
外のものを、分散性や寿命改善の目的で混合されること
があるが、本発明の目的である熱的特性や電磁波シール
ドの基本特性等が大きく影響を受けない範囲であれば何
ら問題はない。母材に対するグラファイト粉末の充填量
が６０重量％以上であると、シート形状に成形できにく
くなり、目的のシートを得られない。

【０００９】アルミニウム窒化物、硼素窒化物の粉末を
シリコーンゴムに分散した場合に、粒径や粒の形状によ
って特性が異なるが、充填量に応じて熱伝導性はある量
まではよくなるが、ある量で飽和する傾向となり、さら
に添加すると均一分散できなくなり、成形体の機械的強
度が極端に弱くなってしまう。無機粉末で充填量を増や
して、熱伝導性の改善をする場合、本発明でいうグラフ
ァイト粉末を混合することにより、その効果が期待でき
る。

【００１０】グラファイト粉末を作製するポリイミドフ
ィルムの厚さは５μｍから５００μｍ程度のものがよ
い。市販品を用いてもよいし、溶液をガラス板上に塗布
後、加熱処理をしてフィルムを作製してもよい。フィル
ムは厚すぎると、熱分解等の影響でグラファイト構造の
きちっとしたものが得られにくい。薄すぎると、フィル
ムの剛性強度が弱く、粉砕時に取り扱いにくい。粉砕
は、ボールミリングやジェットミリング法を用いて行わ
れる。粒径の大きさに分級は、粒度計の測定とミリング
の条件により行った。ある平均粒径と分布をもった単独
のもので、平均粒径の異なったもの同士の比較、さらに
平均粒径の異なったものの混合での比較を行ったとこ
ろ、熱伝導性、電磁波シールド性につてもその影響があ
ることがわかった。特に、平均粒径が１０μｍ以下のも
のと、平均粒径が２０μｍ以上のものを混合すること
が、効果的であった。平均粒径の異なったものを混合し
た方が、グラファイト粉末の母材への分散性を改善でき
る。その比率は、体積％で、１／９から９／１の範囲で
効果がみられる。電気伝導性、電磁波シールド性につい
ても平均粒径の異なったものを混合した方が、特性がよ
くなる。また、グラファイト粉末の平均粒子径の大きさ
は、１〜１００μｍが好適で、１００μｍ以上は母材の
樹脂に充填しにくく、性能も低下し好ましくない。更
に、グラファイト粉末を含有した上記シートの何れか片
面、又は両面に、絶縁膜又は絶縁フィルム等を積層（ラ
ミネート）してもよい。

【００１１】請求項１に記載した、ポリイミドフィルム
を焼成することにより得られるグラファイトシートを粉
末化し、そのグラファイト粉末をゴム、熱可塑性樹脂、
熱可塑性エラストマーなどの母材に分散した高分子組成
物は、熱伝導性の優れたシートとなる。上記ポリイミド
フィルムの厚さを請求項２記載の範囲とすることで、グ
ラファイト構造のきちっとしたものが得られ、しかも取
り扱いやすく、熱伝導性の優れたシートが得られる。
又、グラファイト粉末の平均粒子径を請求項３記載の範
囲とすることで、母材への分散性を均一にでき、熱伝導
性の優れたシートが得られる。上記グラファイト粉末の
他にアルミニウム窒化物、アルミニウム酸化物、あるい
は硼素窒化物の無機粉末を混合する請求項４記載の構成
とすることで、熱伝導性の優れたシートが得られる。

【００１２】又、前記グラファイト粉末の母材に対する
充填量を請求項５記載の範囲とすることで、熱伝導性の
優れたシートが得られる。更に、前記グラファイト粉末
の充填量を請求項６記載の範囲とすることで、熱伝導性
および電磁波シールド特性を合わせ持ったシートが得ら
れる。又、請求項７に記載のように、前記グラファイト
粉末として平均粒子径が１０μｍ以下のものと２０μｍ
以上のものを混合することで、グラファイト粉末の母材
への分散性が改善でき、熱伝導性、電磁波シールド特性
の優れたものが得られる。前記グラファイト粉末を含有
したシートの表面に絶縁膜あるいは、絶縁フィルムなど
を設けた請求項８の構成により、請求項１から７に記載
の熱伝導性電磁波シールドシート特性の優れたものが得
られる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の熱伝導性シートの
実施例について説明し、同シートの熱伝導性、電磁波シ
ールド特性の測定結果を以下に示す。＜実施例１＞厚さ５０μｍのポリイミドフィルムを、２
６００℃で焼成してシート状グラファイトをまず作製し
た。このグラファイトシートを５ｍｍ角程度に鋏で切断
後、ジェットミリング法により平均粒径１０μｍの粉末
を作製した。そして、そのグラファイト粉末をシリコー
ンゴム（ＤＹ３２−１００６Ｕ東レ・ダウコーニング社
製）に重量％で、２０、３０、４０、５０、６０、７０
を充填したものを作製し、熱伝導率の測定を行った。充
填量が７０重量％のものは、粉末の不均一な分散不良が
みられた。熱伝導率（Ｗ／（m・K））の測定は、京都電
子工業社製の迅速熱伝導率測定器ＱＴＭ−５００を用い
て行った。比較のために、球状黒鉛をシリコーンゴムに
同量充填したものを製作し、同様に実験を行った。結果
を表１に示す。表１より、グラファイト粉末を充填した
ものが球状黒鉛を充填したものより、熱伝導率が優れて
いることが明らかである。しかも、グラファイト粉末の
充填量が増えると、熱伝導率も向上することが理解でき
る。

【表１】

【００１４】＜実施例２＞アルミニウム窒化物（AlＮ）
を充填材として、同様にシリコーンゴムに３０、４０、
５０、６０重量％を充填した場合の結果を表２に示す。
さらに、それぞれに、５重量％の上記グラファイト粉末
をさらに加えた時の結果を表２に示す。表２から明らか
なように、アルミニウム窒化物のみを充填したものよ
り、グラファイト粉末を５重量％混合したものが、熱伝
導率が向上されることがわかる。

【表２】

【００１５】＜実施例３＞実施例１の試料を用いて、電
磁波シールド性を(株)アドバンテスト社製シールド材評
価機、および同社製スペクトラムアナライザＲ３２７３
を用いて、１０ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚの範囲で測定し
た。その結果を表３に示す。同表から明らかなように、
球状黒鉛を充填したものより、グラファイト粉末を充填
したものが電磁波シールド性に優れることがわかる。
又、グラファイト粉末の充填量が増えると、電磁波シー
ルド性も向上することが理解できる。

【表３】

【００１６】＜実施例４＞グラファイト粉末を、ウレタ
ン樹脂に重量％で、０、２０、３０、４０、５０、６０
混合し、加熱・硬化させて試料を製作した。その試料の
熱伝導率と電磁波シールド性能を測定した結果を表４に
示す。同表から明らかなように、グラファイト粉末を充
填する母材がウレタン樹脂でも、実施例１に示したリコ
ーンゴムに充填したものと比較して、熱伝導率がそれほ
ど違わないことがわかる。

【表４】

【００１７】＜実施例５＞実施例１のグラファイト粉末
を充填した試料に、厚さ０．０５ｍｍのＰＥＴフィルム
をラミネートし、表面絶縁化したシートを作製した。そ
のシートの熱伝導性、電磁波シールド特性を測定したと
ころ、表５の通りであった。グラファイト粉末を用いる
と母材が何であれ、電気伝導性が付与される。

【表５】

【００１８】＜実施例６＞グラファイト粉末の平均粒径
３、２０、５０、１００μｍで、充填率が５０％のもの
の熱伝導率及び電磁波シールド性能について比較を行っ
た。この結果を表６に示す。また、充填率は同じで、粒
径の大きさの異なった粉末（平均粒子径１０μｍと２０
μｍの２種）を混合をして作製した場合の結果を表７に
示す。

【表６】

【表７】

【００１９】

【発明の効果】本発明の熱伝導性シートは、請求項１〜
８に記載の構成により、軽いシート状で熱伝導性に優
れ、且つ柔軟性や切断等の加工性に優れたシートを提供
できる。又、請求項２の構成により、グラファイト構造
がきちっとしたグラファイト粉末を含有したシートを提
供でき、安定した熱伝導性を確保できる。更に、請求項
３の構成により、グラファイト粉末の充填がしやすく、
均一分散した熱伝導性シートを提供することができる。
又、請求項４の構成により、無機粉末のみを混入したシ
ートより熱伝導性を向上することができる。更に、請求
項５の構成により、熱伝導性の優れたシートを提供でき
る。また、請求項６の構成により、熱伝導性に加え、電
磁波シールド性に優れたシートを提供できる。更に、請
求項７の構成により、グラファイト粉末の分散性を改善
でき、グラファイト粉末が均一に分散したシートを提供
できる。また、請求項８の構成により、絶縁性を確保し
ながら、熱伝導性に優れたシートを提供でき、電気機器
回路周辺でも安心して使用することができる熱伝導性シ
ートを提供できる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者土屋宗次埼玉県さいたま市土手町２丁目７番２株式会社ファインラバー研究所内Ｆターム(参考） 4F071 AA22 AA43 AA67 AB03 AF40 AF44 BA02 BB02 BC01 4G046 EA03 EB02 EC05 4J002 BB001 BC021 CF001 CP031 DA026

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ポリイミドフィルムを焼成して得られる
グラファイトシートを粉末化し、そのグラファイト粉末
をゴム、熱可塑性樹脂、熱可塑性エラストマーなどの母
材に分散したことを特徴とする熱伝導性シート。
【請求項２】上記グラファイト粉末は、ポリイミドフ
ィルムの５μｍから５００μｍの厚さのフィルムを２０
００℃以上で焼成後、粉末化したことを特徴とする請求
項１記載の熱伝導性シート。
【請求項３】上記グラファイト粉末の平均粒子径の大
きさが、１〜１００μｍであることを特徴とする請求項
１又は２記載の熱伝導性シート。
【請求項４】上記グラファイト粉末に加えてアルミニ
ウム窒化物あるいはアルミニウム酸化物、硼素窒化物を
混合することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項
に記載の熱伝導性シート。
【請求項５】上記グラファイト粉末を母材に対し５〜
６０重量％充填することを特徴とする請求項１ないし４
の何れか１項に記載の熱伝導性シート。
【請求項６】上記グラファイト粉末を母材に対し２０
〜６０重量％充填することを特徴とする熱伝導性電磁波
シールドシート。
【請求項７】上記グラファイト粉末は、平均粒子径が
１０μｍ以下のものと２０μｍ以上のものの混合である
ことを特徴とする請求項５又は６に記載の熱伝導性電磁
波シールドシート。
【請求項８】上記グラファイト粉末を含有したシート
の片面又は両面に、絶縁膜あるいは、絶縁フィルムなど
を設けたことを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項
に記載の熱伝導性電磁波シールドシート。