JP2004023065A - 金属−グラファイトシート複合体および電子機器 - Google Patents
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Abstract
【課題】グラファイトシートの特性である良好な導電性と熱伝導性を基本にして、電気を伝えながら放熱することが確実かつ容易に行うことが出来る金属−グラファイトシート複合体および電子機器を提供すること。
【解決手段】発熱体５０に熱的に接続して発熱体５０の発生する熱を放熱するための金属−グラファイトシート複合体６０であり、発熱体５０に対して熱的に接続されるグラファイトシート７０と、発熱体５０に配置されて発熱体５０の発生する電磁波を吸収してグラファイトシート７０に対して熱的に接続されており、発熱体の熱を伝達するための放熱性のフィラーを有する電磁波吸収体７５と、グラファイトシート７０の一部分に配置される金属箔７１と、グラファイトシート７０を通じて伝導されてくる発熱体５０の熱を放出するための熱放出対象部分６１に対して、金属箔７１を熱的に接続する熱的接続部７４とを備える。
【選択図】 図４
【解決手段】発熱体５０に熱的に接続して発熱体５０の発生する熱を放熱するための金属−グラファイトシート複合体６０であり、発熱体５０に対して熱的に接続されるグラファイトシート７０と、発熱体５０に配置されて発熱体５０の発生する電磁波を吸収してグラファイトシート７０に対して熱的に接続されており、発熱体の熱を伝達するための放熱性のフィラーを有する電磁波吸収体７５と、グラファイトシート７０の一部分に配置される金属箔７１と、グラファイトシート７０を通じて伝導されてくる発熱体５０の熱を放出するための熱放出対象部分６１に対して、金属箔７１を熱的に接続する熱的接続部７４とを備える。
【選択図】 図４
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発熱体に熱的に接続して発熱体の発生する熱を伝導するための金属−グラファイトシート複合体および金属−グラファイトシート複合体を有する電子機器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
通常、熱伝導性の材料としては銅やアルミニウム等の金属材料が使われている。これらの材料は、通常の使用においては十分な機能を持ち広く使われている。しかしながら、金属材料は硬くフレキシブルでなく、局所的に大きな熱の発生が避けられず、その放熱は電流供給リード線では到底まかなうことができないため、放熱の機構を電流供給の機構とは別途に組み込む必要がある。このため電子素子の作成および使用に当たっての大きな妨げになっている。
具体的には、例えば半導体レーザチップの活性層に近い面をシリコンあるいは酸化ベリリウム、炭化シリコン、ダイヤモンドといった熱伝導性の比較的よい結晶性物質の小片に接着させて（この構造はいわゆるサブマウントと呼ばれる。）、放熱をよくしようということが行われている。
【０００３】
さらに、半導体レーザチップにおいて高出力動作が必要な場合には、効率よく冷却するためにペルチエ素子の冷却側に、半導体レーザチップの活性層側を張り付けることなども実際に行われている。
炭素質材料は、軽量耐熱材料としてあるいは高強度材料として、各種の構造材料として使われている。このような炭素材料の中で炭素原子が６角形の網の目状に結合したグラファイトは、その高い熱伝導性を利用した放熱・電熱材料としての用途が広がろうとしている。
【０００４】
特にシート状のグラファイトは、大きな面積のものを容易に作ることができるとともに、極めて高い熱伝導率を持ち、柔軟性に富んでいるため、熱伝達用の材料としてヒートコンダクターやヒートスプレッダーを必要とするところに用いられている。
このグラファイトシートは、比較的高い電気伝導率を持つため、電磁波ノイズのシールド材にもなりうる。ところが、電磁波ノイズ源にもなるたとえばＬＳＩ（大規模集積回路）チップからの放熱のために、このチップにグラファイトシートを貼ったり、このチップに直接ヒートシンクを接続した場合に、グラファイトシートは熱伝達材のみならずノイズ伝播材になる可能性がある。
【０００５】
また、電磁波吸収材を発熱体に貼ることにより、電磁波ノイズを吸収することができるが、電磁波吸収材の熱伝導率が、アルミナや炭化ケイ素等の熱伝導性セラミックスや、セラミックス等のフィラーが含有されたシリコーンゴム系の放熱スペーサーに比較して低いため、発熱体と電磁波吸収材に熱がこもってしまうという問題があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
電気伝導度の大きな金属箔等の材料をシールド材として用いた場合、はんだ付けやねじ止め等の方法により、シールドをグランド（ＧＮＤ）に接続する必要がある。
一方、グラファイトシートは、柔軟性を有しかつ熱伝導率・電気伝導度は共に大きいが、その表面が非常に反応性に乏しいことから、グラファイトシートに対しては一般的にははんだ付け等の操作は困難である。またグラファイトシートを直接ねじ止めしようとしても、グラファイトシートそのものの強度が弱いため、グラファイトシートが破損しやすい。
以上のような点が、優れた熱伝導と導電性を持つというグラファイトシートのメリットを実際に利用する上で大きな課題となっていた。
【０００７】
これまで、たとえば、特開平１０−３３０１７７号公報には、グラファイトシートに金属薄膜を積層した構造が説明されている。しかし、金属薄膜は、真空蒸着、スパッタ蒸着、またはメッキによりグラファイトシート上に直接付着されているため、かなり薄い膜であり、ねじ止めなどには強度が低い。
また、特開平８−２６７６４７号公報には、レーザー加工により、グラファイトシートに穴を開けて１つの支持部材とを固着積層してなるグラファイトクラッド構造材が提案されている。ただし、この手法ではグラファイトシートの強度を上げることができるものの、プロセス上手間がかかるという難点があった。
そこで本発明は上記課題を解消し、グラファイトシートの特性である良好な導電性と熱伝導性を基本にして、電気を伝えながら放熱することが確実かつ容易に行うことが出来る金属−グラファイトシート複合体および電子機器を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、発熱体に熱的に接続して前記発熱体の発生する熱を放熱するための金属−グラファイトシート複合体であり、前記発熱体に対して熱的に接続されるグラファイトシートと、前記発熱体に配置されて前記発熱体の発生する電磁波を吸収して前記グラファイトシートに対して熱的に接続されており、前記発熱体の熱を伝達するための放熱性のフィラーを有する電磁波吸収体と、前記グラファイトシートの一部分に配置される金属箔と、前記グラファイトシートを通じて伝導されてくる前記発熱体の熱を放出するための熱放出対象部分に対して、前記金属箔を熱的に接続する熱的接続部と、を備えることを特徴とする金属−グラファイトシート複合体である。
【０００９】
請求項１では、グラファイトシートは、発熱体に対して熱的に接続される。
電磁波吸収体は、発熱体に配置されて発熱体の発生する電磁波を吸収してグラファイトシートに対して熱的に接続されている。この電磁波吸収体は、発熱体の熱を伝達するための放熱性のフィラーを有している。
金属箔は、グラファイトシートの一部分に配置される。
熱的接続部は、グラファイトシートを通じて伝導されてくる発熱体の熱を放出するための熱放出対象部分に対して、金属箔を熱的に接続するためのものである。
これにより、発熱体の発生する熱は、電磁波吸収体とグラファイトシートおよび金属箔を通じて熱的接続部に伝えられる。熱的接続部はこの伝えられた熱を、熱放出対象部分に対して放出することができる。したがって、発熱体の熱が発熱体と電磁波吸収体にこもらず、グラファイトシートに伝えることができる。
従って、発熱体の発生する熱は、グラファイトシートの特性である良好な熱伝導性および電磁波吸収体の熱を伝える機能を利用して金属箔に伝えることができ、金属箔に伝えられた発熱体の熱は熱的接続部を通じて熱放出対象部分に対して確実にかつ簡単に放出することができる。
電磁波吸収体は、発熱体の発生する電磁波を吸収することができるので、この電磁波がグラファイトシートを伝わって他の電子素子等の部分に影響を与えることが無くなる。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１に記載の金属−グラファイトシート複合体において、前記電磁波吸収体は、前記発熱体を覆っている。
【００１１】
請求項３の発明は、請求項１に記載の金属−グラファイトシート複合体において、前記発熱体と前記グラファイトシートの間には、さらに放熱スペーサーが配置されている。
【００１２】
請求項４の発明は、請求項１に記載の金属−グラファイトシート複合体において、前記熱的接続部は金属性のネジであり、前記熱放出対象部分は回路基板の導体部分であり、前記ネジが前記金属箔と前記グラファイトシートの一部分を前記導体部分側に固定している。
【００１３】
請求項４では、熱的接続部である金属製のネジが、金属箔とグラファイトシートの一部分を回路基板の導体部分に対して固定しているので、仮にグラファイトシートに発熱体の発生する電磁波が伝わったとしても、この電磁波は金属製のネジを通じて回路基板の導体部分側に確実に逃がすことができる。
【００１４】
請求項５の発明は、発熱体に熱的に接続して前記発熱体の発生する熱を放熱するための金属−グラファイトシート複合体を有する電子機器であり、前記発熱体に対して熱的に接続されるグラファイトシートと、前記発熱体に配置されて前記発熱体の発生する電磁波を吸収して前記グラファイトシートに対して熱的に接続されており、前記発熱体の熱を伝達するための放熱性のフィラーを有する電磁波吸収体と、前記グラファイトシートの一部分に配置される金属箔と、前記グラファイトシートを通じて伝導されてくる前記発熱体の熱を放出するための熱放出対象部分に対して、前記金属箔を熱的に接続する熱的接続部と、を備えることを特徴とする電子機器である。
【００１５】
請求項５では、グラファイトシートは、発熱体に対して熱的に接続される。
電磁波吸収体は、発熱体に配置されて発熱体の発生する電磁波を吸収してグラファイトシートに対して熱的に接続されている。この電磁波吸収体は、発熱体の熱を伝達するための放熱性のフィラーを有している。
金属箔は、グラファイトシートの一部分に配置される。
熱的接続部は、グラファイトシートを通じて伝導されてくる発熱体の熱を放出するための熱放出対象部分に対して、金属箔を熱的に接続するためのものである。
これにより、発熱体の発生する熱は、電磁波吸収体とグラファイトシートおよび金属箔を通じて熱的接続部に伝えられる。熱的接続部はこの伝えられた熱を、熱放出対象部分に対して放出することができる。したがって、発熱体の熱が発熱体と電磁波吸収体にこもらず、グラファイトシートに伝えることができる。
従って、発熱体の発生する熱は、グラファイトシートの特性である良好な熱伝導性および電磁波吸収体の熱を伝える機能を利用して金属箔に伝えることができ、金属箔に伝えられた発熱体の熱は熱的接続部を通じて熱放出対象部分に対して確実にかつ簡単に放出することができる。
電磁波吸収体は、発熱体の発生する電磁波を吸収することができるので、この電磁波がグラファイトシートを伝わって他の電子素子等の部分に影響を与えることが無くなる。
【００１６】
請求項６の発明は、請求項５に記載の電子機器において、前記電磁波吸収体は、前記発熱体を覆っている。
【００１７】
請求項７の発明は、請求項５に記載の電子機器において、前記発熱体と前記グラファイトシートの間には、さらに放熱スペーサーが配置されている。
【００１８】
請求項８の発明は、請求項５に記載の電子機器において、前記熱的接続部は金属製のネジであり、前記熱放出対象部分は回路基板の導体部分であり、前記ネジが前記金属箔と前記グラファイトシートの一部分を前記導体部分側に固定している。
【００１９】
請求項８では、熱的接続部である金属製のネジが、金属箔とグラファイトシートの一部分を回路基板の導体部分に対して固定しているので、仮にグラファイトシートに発熱体の発生する電磁波が伝わったとしても、この電磁波は金属製のネジを通じて回路基板の導体部分側に確実に逃がすことができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
なお、以下に述べる実施の形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの形態に限られるものではない。
【００２１】
図１は本発明の金属−グラファイトシート複合体を有する電子機器の好ましい実施の形態を示している。
図１に示す電子機器１０は、一例としていわゆる携帯情報端末（ＰＤＡ）である。この電子機器１０は、筐体１２と表示装置１４を有している。
図２は、図１の電子機器１０をさらに詳しく示している。
図１の電子機器１０は、筐体１２、表示装置１４、入力装置２０、およびパワーキー２２、音声のボリューム調整部２４、外部のイヤーホンをつなぐためのジャック２７、他の機能を発揮させるためのキー２６，２８を有している。
【００２２】
図１の入力装置２０は、操作者（使用者）の部位、たとえば手Ｈの指Ｆにより操作することでポインタＰの座標データを与えるためのものである。指Ｆは図１の例では人差指を用いているが、これに限らず他の指であっても勿論構わない。図２では、図１の表示画面３０に表示した情報４０の一例を表示している。図１と図２に示すように表示画面３０にはポインタＰを表示している。このポインタＰは矢印形のポインタである。
【００２３】
図２に示すように表示装置１４の表示画面３０には、ポインタＰの他に、情報４０や、各種機能を実施するためのキー４４，４６，４８等が表示されている。キー４２はキーボードを表示画面３０に表示させるためのキーである。キー４４は情報の検索に用いるキーである。キー４６はメニューを表示画面３０に表示するためのキーである。キー４８はたとえば表示を英語表示か日本語表示に切り換えることができるキーである。これらのキー４２，４４，４６，４８の操作は指Ｆでタッチすることで行える。
【００２４】
図２の筐体１２は、第１部分１２Ａと第２部分１２Ｂを有している。第１部分１２Ａは上筐体部分とも呼び、第２部分１２Ｂは下筐体部分とも呼ぶ。第１部分１２Ａと第２部分１２Ｂは重ねることにより、その中に空間を形成している。この空間には表示装置１４や回路基板等が収容されている。
筐体１２は、たとえばプラスチックであるＡＢＳ（アクリロニトリルブタジエンスチレン）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＰＣ＋ＡＢＳ（ポリカーボネート＋アクリロニトリルブタジエンスチレン）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、変性ＰＰＥ（ポリフェチレンエーテル）等により作られている。
図１に示すように、筐体１２の中には、回路基板２００が収容されている。この回路基板２００は、たとえば表示装置１４を駆動するための表示装置駆動回路や、入力装置２０の機能を達成するための回路等を搭載している。
【００２５】
図３は、図１に示す回路基板２００の一部分を示しており、この回路基板２００には、発熱素子の一例として、表示装置１４の駆動を制御するためのＣＰＵ（中央処理装置）５０が搭載されている。このＣＰＵ５０の作動時に発生する熱は、金属−グラファイトシート複合体６０により外部に放出できる構造になっている。
回路基板２００の上にはグランド（ＧＮＤ）６１が形成されている。このグランド６１は、回路基板２００の上に形成された導体部分（導体パターン）である。このグランド６１と金属−グラファイトシート複合体６０は、放熱装置（冷却装置ともいう）６２を構成している。
【００２６】
金属−グラファイトシート複合体６０について、図３〜図５を参照しながら説明する。
金属−グラファイトシート複合体６０は、グラファイトシート７０と、金属箔７１と、ラミネート材７３と、熱的接続部７４と、そして電磁波吸収体７５を有している。
グラファイトシート７０は、図６に示すようなカーボンが層状構造を取ったものであり、シートの面内の熱伝導率がたとえば４００から１０００Ｗ／ｍＫと銅やアルミニウムなどの金属より高く、かつ密度が１ｇ／ｃｍ３程度と軽い材料である。同時に高い電気伝導性をもつ材料である。このグラファイトシート７０をヒートコンダクタとして用いることにより、効率良く熱を伝達させることが可能である。
このグラファイトシート７０は、主として炭素原子同士の結合面の方向、すなわち図６に示す面内方向の両方に放熱し得るような構成を有している。このグラファイトシート７０は、図４における矢印Ｒ方向に沿って熱を伝えやすい。
【００２７】
図４に示すように、グラファイトシート７０の中央部７０Ａは、発熱体あるいは発熱素子ともいうＣＰＵ５０の面５０Ａに対して、電磁波吸収体７５を介して熱的に接続されている。この電磁波吸収体７５は、ＣＰＵ５０が作動時に発生する熱を、グラファイトシート７０側に効率良く伝達するための放熱性のフィラーを有しているものである。しかもこの電磁波吸収体７５は、ＣＰＵ５０の発生する電磁波を吸収してグラファイトシート７０の中央部７０Ａに対して熱的に接続されている。
【００２８】
グラファイトシート７０の両方の端部７０Ｂは、回路基板２００のグランド６１側に位置している。
このグランド６１は、熱放出対象部分に相当している。このグランド６１を通じて、ＣＰＵ５０の発生する熱は図１の電子機器１０の筐体１２あるいは筐体１２の外部に熱を放出することができる。グラファイトシート７０は、良好な電気伝導性と熱伝導性を有している。
【００２９】
図３と図４に示す金属箔７１は、良好な電気伝導性および熱伝導性を有する金属、たとえば銅やアルミニウム等の一般的な金属を用いることができる。金属箔７１としてこのような一般的な金属を用いることにより、はんだ付け等の作業が可能になる。
この金属箔７１は、グラファイトシート７０の２つの端部７０Ｂにサンドイッチ状にそれぞれ包むようにして配置されている。
【００３０】
金属箔７１は、好ましくは内側に複数個の突起８１を有している。この突起８１は、図４のＸ方向、およびＸ方向とは垂直でかつ紙面に垂直なＹ方向に沿って、たとえばマトリックス状に配列されている。たとえば突起８１の図４における断面形状はほぼ長方形状もしくは正方形状である。
このような複数の突起８１を金属箔７１に形成することにより、金属箔７１がグラファイトシート７０に対して接着される際に、金属箔７１からグラファイトシート７０に対する接着面積および熱伝導するための面積を、突起８１が無い場合に比べて大幅に拡大することができるのである。これによって、金属箔７１とグラファイトシート７０の熱伝導性を向上することができる。
このように金属箔７１は、グラファイトシート７０の少なくとも一部分に配置されているが、この金属箔７１はグラファイトシート７０の端部７０Ｂに限らずさらに広い部分に対して設けるようにしても勿論構わない。
【００３１】
ラミネート材７３は、グラファイトシート７０を、ラミネートしている高分子シートである。
このラミネート材７３は、金属箔７１とグラファイトシート７０の積層体の内のグラファイトシート７０のほぼ全面にわたって閉じるようにがラミネートされている。
これにより、ラミネート材７３は金属−グラファイトシート複合体６０の強度を保つことができるばかりでなく、ラミネート材７３はグラファイトシート７０から生じるいわゆる粉落ち（粉状体の落下）を防ぐことができるという大きなメリットがある。
【００３２】
しかもこのラミネート材７３は、グラファイトシート７０および金属箔７１に対する外部からの電気的な絶縁を確保することができる。このラミネート材７３は、グラファイトシート７０と金属箔７１をラミネートして囲んでいることから、不必要な部分での短絡を防止し、グラファイトシート７０および金属箔７１により伝えている熱が、図１に示す筐体１２内の熱に弱い他の部位、たとえば熱に弱い電子素子に対して逃げないようにするというメリットもある。
このラミネート材７３は、高分子シートであり、この高分子としてはＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）やポリ塩化ビニール、ポリイミド等や、シリコン等により作ることができるが、これに限るものではない。
【００３３】
上述したようにグラファイトシート７０とラミネート材７３と金属箔７１の積層体は、導電性を有する接着剤、たとえば導電性を有する両面テープを用いて接着している。これにより、グラファイトシート７０と金属箔７１の間の熱的および電気的な抵抗を小さく抑えて、グラファイトシート７０と金属箔７１とは良好な状態で熱的にかつ機械的に接着することができる。
また、ラミネート材７３の厚さは１０μｍ〜１００μｍ程度であり、ラミネート材７３が薄いほど、ＣＰＵ５０から電磁波吸収体７５を介してグラファイトシート７０へ熱を伝達しやすいが、ｋＶオーダーレベルの静電対策が必要な場合は、ラミネート材７３としては５０μｍ〜１００μｍ程度の厚さの高分子シートが用いられる。
【００３４】
さらに、ラミネートされたグラファイトシート７０に対して突起８１が付けられた金属箔７１で挟み込むことにより、金属箔７１の突起８１がグラファイトシート７０まで食い込み、グラファイトシート７０と金属箔７１間の導通が容易に得られる。
この突起８１の形状は、図３のように先端が丸型や円錐、三角錐等の種々のものが採用できるが、特に尖っていることが望ましい。
【００３５】
図３と図４に示す熱的接続部７４について説明する。
この熱的接続部７４は、たとえば棒状体や図３と図４に示すネジ形状のものを採用することができる。熱的接続部７４は、たとえば熱伝導性を有する金属製のネジを採用することができ、たとえば銅やアルミニウム等により作られている。この熱的接続部７４は、金属箔７１とグラファイトシート７０およびグランド６１を熱的かつ機械的に接続している。
【００３６】
図５は、図４の熱的接続部７４の付近を拡大して示している。
熱的接続部７４は、金属製のネジであり、頭部７４Ａと雄ネジ部７４Ｂを有している。頭部７４Ａは、金属箔７１の外面に対して圧着される部分である。雄ネジ部７４Ｐは、金属箔７１の穴７１Ａ、ラミネートの穴７３Ａ、そしてグランド６１の穴６１Ａを通って、回路基板２００の雌ネジ部２００Ａにねじ込まれている。これによって、熱的接続部７４は、回路基板２００側に対して、金属箔７１、ラミネート７３およびグラファイトシート７０の積層体を機械的かつ熱的に確実に固定することができるのである。
このような構造を採用することで、熱的接続部７４が、露出している金属箔７１の上からグランド６１に対して熱的かつ機械的に接続することが容易に行える。
【００３７】
ＣＰＵ５０が作動すると熱が発生すると共に電磁波がノイズとして発生する。この電磁波ノイズは、ＣＰＵ５０から電磁波吸収体７５により吸収される。しかし電磁波吸収体７５でもし吸収されない電磁波ノイズがあると、グラファイトシート７０を通じて伝わり、グラファイトシート７０は、ノイズのアンテナとなる可能性がある。
しかし、グラファイトシート７０は金属箔７１と共にグランド６１に対して熱的接続部７４を用いて熱的かつ電気的に接続されている。このことから、仮にこの電磁波ノイズはグラファイトシート７０を仮に伝わったとしても、グランド６１側に確実にかつ容易に逃がすことができるというメリットがある。
【００３８】
上述したように発熱体であるＣＰＵ５０は、熱を発生すると共に電磁波ノイズの発生源となる場合がある。ヒートコンダクターであるグラファイトシート７０や図示しないヒートシンク等にＣＰＵ５０を接続した場合には、グラファイトシート７０等がノイズのアンテナとなる可能性がある。
そのために電磁波吸収体７５としては、放熱機能を持たせた電磁波吸収シートを用いており、この電磁波吸収体７５がＣＰＵ５０のノイズの発生を抑えつつしかもＣＰＵ５０からの熱をグラファイトシート７０側に確実に伝えることができる能力を有している。
【００３９】
ここで、電磁波吸収体７５について説明する。
電磁波吸収体７５は、電磁波吸収シート状のものである。この電磁波吸収体７５は、電気絶縁性の基材とこの基材に含まれている放熱性のフィラーとしての電磁波吸収材料を有している。
基材は、ゴムや樹脂等の有機の電気絶縁物でありたとえばシリコーンゴムである。
電磁波吸収体７５の電磁波吸収材料は、ＭｅＦｅ２Ｏ４（Ｍｅ＝ＮｉＺｎ，ＭｎＺｎ，ＮｉＺｎＣｕ，ＭｇＭｎ等）の組成を持つ公知のスピネル型フェライト材料であり、粒径が０．１〜１００μｍの内、平均粒径が異なる３種類程度のフィラーである。
電磁波吸収体７５は、基材であるシリコーンゴムを有する。シリコーンゴムの熱伝導率に比べ、フィライトの熱伝導率は１桁以上高いため、粒径が異なるフェライトを入れ、最適化することにより含有量を増やすことが出来、かつ熱伝導率も向上させることが可能となる。
【００４０】
電磁波吸収材料の粒径が０．１μｍよりも小さいと、シートを混錬する際に粘度が高くなりすぎ、シート性状が悪化する。また、吸収材料によっては透磁率が低下することがあるため好ましくない。
また電磁波吸収材料の粒径が１００μｍよりも大きいと、シートから粒子が落ちる（粉落ち）うえ、シート性状が悪化するため好ましくない。
【００４１】
また、フィラーとしての電磁波吸収材料は、たとえば純Ｆｅ、Ｎｉ−Ｆｅ合金（パーマロイ）、Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ合金（センダスト）、Ｆｅ−Ｓｉ合金（ケイ素鋼）、Ｆｅ−Ａｌ合金（合金アルパーム）、Ｆｅ−Ｃｏ合金（パーメンジュール）および電磁ステンレス鋼から選んだ軟磁性金属のいずれか一種または複数の軟磁性金属から構成されるフレーク状粉末であって、粒径が０．０１〜１００μｍであり、アスペクト比（直径／厚み）が５〜１００である偏平粉末を、ゴム、樹脂等の有機絶縁物の基材中に体積充填率３０〜６５ｖｏｌ％含有し、配向分散させて厚みを０．０５〜３ｍｍの任意の厚みに調整した材料であっても良い。このフィラーはフェライト粉末よりも磁気損失μ’’が高いため、電磁波吸収特性が向上する。熱伝導率が高い金属系のフィラーは放熱にも寄与する。
【００４２】
電磁波吸収材のフィラーの粒径が０．０１μｍよりも小さいと、シートを混錬する際に粘度が高くなりすぎ、シート性状が悪化する。また、吸収材料によっては透磁率が低下することがあるため好ましくない。
電磁波吸収材のフィラーの粒径が１００μｍよりも大きいと、シートから粒子が落ちる（粉落ち）うえ、シート性状が悪化するため好ましくない。
【００４３】
電磁波吸収材のフィラーのアスペクト比が５よりも小さいと、吸収周波数が高くなりすぎるため、好ましくなく、アスペクト比が１００よりも大きいと、吸収周波数が低い領域に移るため、好ましくない。
【００４４】
偏平粉末の体積充填率が３０ｖｏｌ％よりも小さいと、吸収性能が低下するので好ましくなく、体積充填率が６５ｖｏｌ％よりも大きいと、シート混錬するのが困難になり、また粉落ちがあるので好ましくない。
【００４５】
また厚みが０．０５ｍｍよりも薄いと、シート形成が困難になり、かつハンドリングが難しくなる点で好ましくなく、厚みが３ｍｍよりも厚いと、機器側にスペースを確保するのが難しくなる点で好ましくない。
【００４６】
また、フィラーとしての電磁波吸収材料間の隙間を埋め、電磁波吸収体７５の熱伝導率を高めるために、粒径が０．０１〜５０μｍのアルミナや窒化ホウ素、窒化ケイ素、窒化アルミ、炭化ケイ素等の球状もしくは破砕形状のセラミックスや、表面が絶縁材でコーティングされた粒径が０．０１〜５μｍの銅やニッケルやアルミニウム等の金属球を用いても良い。
ここで粒径が０．０１μｍよりも小さいと、電磁波吸収シートにしめるセラミックスの含有量が少なく、熱伝導にほとんど寄与しなくなる点で好ましくなく、５０μｍよりも大きいと、シートが硬くなるため、本来は柔らかいために発熱体と密着性がよい放熱スペーサーとしての機能を果たせなくなってしまう点で好ましくない。
【００４７】
電磁波吸収体７５の厚さが厚いほど、電磁波吸収特性が向上するが、グラファイトシートと比べると熱伝導率が低いため、熱がこもりやすくなることから、好ましくは０．０５ｍｍ〜２ｍｍ程度の厚さとすることが好適である。
【００４８】
図３と図４に戻ると、グラファイトシート７０の炭素原子同士の結合面は、グラファイトシート７０の面にほぼ並行になっている。ラミネート材７３は、グラファイトシート７０の粉落ちを防ぐために袋とじの形でラミネートしている。このラミネート材７３は、不要な部分でのグラファイトシート７０の短絡を防ぐことができるというメリットもある。このグラファイトシート７０は、ヒートスプレッダとしての役割を果たす。
金属箔７１は、上述したように銅やアルミニウム等の一般的な導電性および熱伝導性を有する金属により作られているが、その厚みが目的や用途によって決められるものであり、典型的には３０〜１００μｍである。
【００４９】
次に、図３と図４に示す金属−グラファイトシート複合体６０の作用について説明する。
回路基板２００のＣＰＵ５０が動作すると、ＣＰＵ５０は熱と電磁波ノイズを発生する。ＣＰＵ５０の熱は、電磁波吸収体７５を介してグラファイトシート７０の中央部７０Ａに伝わる。グラファイトシート７０はこのＣＰＵ５０の熱を中央部７０ＡからＲ方向に沿って一端部７０Ｂ側に伝える。この熱は、金属箔７１に対して突起８１等を介して伝導されるとともに、熱的接続部７４を通じてグランド６１側に伝えられる。この伝わってくる熱は、グランド６１を通じてたとえば図１の筐体１２の中の金属部分やあるいは筐体１２の外部に放出されることになる。電磁波ノイズは電磁波吸収体７５に吸収される。もしも吸収されなかった電磁波ノイズがグラファイトシート７０に伝わったとしても、このノイズは金属箔７１と熱的接続部７４を通じてグランド６１に逃がすことができる。したがってノイズが他の回路に悪影響を与えることはない。
【００５０】
図７は、本発明の別の実施の形態を示している。
図７の金属−グラファイトシート複合体６０では、グラファイトシート７０の一方側の端部７０Ｂ側に対してのみ金属箔７１が設けられている。そしてこの金属箔７１とグラファイトシート７０は熱的接続部７４を用いて回路基板２００のグランド６１に熱的かつ電気的に接続されている。
【００５１】
グラファイトシート７０のもう１つの端部７０Ｂには、ヒートシンク３００が熱的に接続されている。このヒートシンク３００には、数個の熱交換用の突起３０１がマトリックス状に配列されている。このヒートシンク３００の突起３０１を設けることにより、ヒートシンク３００の放熱面積を大きくすることができ、たとえば図示しないファンモータのファンを回転することにより、風Ｗをヒートシンク３００の突起３０１に当てれば、ＣＰＵ５０が発生する熱をより確実に放熱することができる。
図７の実施の形態の金属−グラファイトシート複合体６０の他の部分は、図３に示す金属−グラファイトシート複合体６０の対応する部分と同じであるのでその説明を用いることにする。
【００５２】
図８は、本発明の金属−グラファイトシート複合体６０の別の実施の形態を示している。図８の実施の形態の金属−グラファイトシート複合体６０は、図３の金属−グラファイトシート複合体６０とほぼ同じであるが、放熱スペーサー３３０が追加されている点が異なる。この放熱スペーサー３３０は、電磁波吸収体７５に重ねるようにして配置している。
しかしこれに限らず電磁波吸収体７５を取り除いて放熱スペーサー３３０だけをＣＰＵ５０とグラファイトシート７０の中央部７０Ａの間に配置しても良い。この放熱スペーサー３３０は、たとえば粒径が異なる、粒径が０．０１〜５０μｍのアルミナや窒化ホウ素、窒化ケイ素、窒化アルミ、炭化ケイ素等の球状もしくは破砕形状のセラミックスや、表面が絶縁材でコーティングされた粒径が０．０１〜５μｍの銅やニッケルやアルミニウム等の金属球の内の１種類もしくは２種類以上の組み合わせとシリコーンゴムもしくはアクリル系統のゴムにより作られているが、この放熱スペーサー３３０が電磁波吸収体７５に重ねて配置することにより、電磁波吸収体からグラファイトシートに効率よく熱伝達を行うことが可能であるメリットがある。
また電磁波吸収体７５を取り除いて放熱スペーサー３３０を設けることにより電磁波吸収体の熱抵抗分をなくすメリットがある。
【００５３】
次に図９と図１０は、本発明のさらに別の実施の形態を示している。
図９に示すように、ＣＰＵ５０の上には、金属−グラファイトシート複合体６０が被せてある。この金属−グラファイトシート複合体６０の四隅位置にはそれぞれ金属箔７１が配置されている。すなわち金属−グラファイトシート複合体６０のグラファイトシート７０の四隅部分が、金属箔７１によりサンドイッチ状に挟まれた状態で、しかも熱的接続部７４によりグランド６１に対して熱的かつ機械的に固定されている。
【００５４】
ＣＰＵ５０は、金属−グラファイトシート複合体６０を完全に覆い被せているが、図１０に示すようにＣＰＵ５０は、電磁波吸収体７５により覆い被されている。この電磁波吸収体７５の上には、上述した金属−グラファイトシート複合体６０がさらに覆い被されている。金属−グラファイトシート複合体６０の四隅が、金属製のネジである熱的接続部７４により回路基板２００のグランド６１に対して熱的かつ機械的に固定されている。
電磁波吸収体７５はたとえばフェライトが添加された一例として１ｍｍの厚みのシートである。グラファイトシート７０は熱伝導性の粘着層を用い、かつラミネート材７３で絶縁されている。このグラファイトシート７０を含む金属−グラファイトシート複合体６０は、ＣＰＵ５０等による凹凸に対して追従性良く粘着できるために、金属−グラファイトシート複合体６０は四隅においても確実に固定することができる。仮にグラファイトシート７０の粘着層の接着力が弱くなったとしても、金属−グラファイトシート複合体６０の四隅がねじ止めされているためにこの金属−グラファイトシート複合体６０が回路基板２００の表面から外れてしまうことはない。
【００５５】
本発明の金属−グラファイトシート複合体６０では、グラファイトシート７０と金属箔７１とが良好な接着性をもって接着されており、そしてこのような金属箔７１が設けられていることから、発熱素子であるＣＰＵ５０のアースをとることができると同時に、ＣＰＵ５０の発生する熱を放出することができる。
【００５６】
なお、熱的接続部７４と金属箔７１は両方とも金属なので容易にはんだ付け等で電気的に確実に接合することができる。
金属箔７１に対して突起８１を設けることにより、この突起がグラファイトシート７０に対して食い込むようにして電気的、機械的および熱的に接続することができる。
【００５７】
ところで、本発明の金属−グラファイトシート複合体を有する電子機器は、図示した携帯情報端末（ＰＤＡ）に限らず、他の種類の情報関連機器であるたとえば、携帯電話機や携帯型コンピュータあるいはその他の種類の電子機器をも含むものである。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、グラファイトシートの特性である良好な導電性と熱伝導性を基本にして、電気を伝えながら放熱することが確実かつ容易に行うことが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の金属−グラファイトシート複合体を有する電子機器の一例を示す斜視図。
【図２】図１の電子機器を拡大して示す斜視図。
【図３】電子機器の回路基板に搭載されている金属−グラファイトシート複合体を示す斜視図。
【図４】図３の金属−グラファイトシート複合体の断面を有する側面図。
【図５】図４の金属−グラファイトシート複合体の一部を拡大して示す図。
【図６】グラファイトシートの層構造の例を示す図。
【図７】本発明の金属−グラファイトシート複合体の別の実施の形態を示す図。
【図８】本発明の金属−グラファイトシート複合体のさらに別の実施の形態を示す図。
【図９】本発明の金属−グラファイトシート複合体のさらに別の実施の形態を示す図。
【図１０】図９の実施の形態における断面構造例を示す図。
【符号の説明】
１０・・・電子機器、５０・・・ＣＰＵ（発熱体あるいは発熱素子の一例）、６０・・・金属−グラファイトシート複合体、６１・・・グランド（熱放出対象部分）、６２・・・放熱装置、７０・・・グラファイトシート、７１・・・金属箔、７３・・・ラミネート材、７４・・・熱的接続部、７５・・・電磁波吸収体、２００・・・回路基板
【発明の属する技術分野】
本発明は、発熱体に熱的に接続して発熱体の発生する熱を伝導するための金属−グラファイトシート複合体および金属−グラファイトシート複合体を有する電子機器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
通常、熱伝導性の材料としては銅やアルミニウム等の金属材料が使われている。これらの材料は、通常の使用においては十分な機能を持ち広く使われている。しかしながら、金属材料は硬くフレキシブルでなく、局所的に大きな熱の発生が避けられず、その放熱は電流供給リード線では到底まかなうことができないため、放熱の機構を電流供給の機構とは別途に組み込む必要がある。このため電子素子の作成および使用に当たっての大きな妨げになっている。
具体的には、例えば半導体レーザチップの活性層に近い面をシリコンあるいは酸化ベリリウム、炭化シリコン、ダイヤモンドといった熱伝導性の比較的よい結晶性物質の小片に接着させて（この構造はいわゆるサブマウントと呼ばれる。）、放熱をよくしようということが行われている。
【０００３】
さらに、半導体レーザチップにおいて高出力動作が必要な場合には、効率よく冷却するためにペルチエ素子の冷却側に、半導体レーザチップの活性層側を張り付けることなども実際に行われている。
炭素質材料は、軽量耐熱材料としてあるいは高強度材料として、各種の構造材料として使われている。このような炭素材料の中で炭素原子が６角形の網の目状に結合したグラファイトは、その高い熱伝導性を利用した放熱・電熱材料としての用途が広がろうとしている。
【０００４】
特にシート状のグラファイトは、大きな面積のものを容易に作ることができるとともに、極めて高い熱伝導率を持ち、柔軟性に富んでいるため、熱伝達用の材料としてヒートコンダクターやヒートスプレッダーを必要とするところに用いられている。
このグラファイトシートは、比較的高い電気伝導率を持つため、電磁波ノイズのシールド材にもなりうる。ところが、電磁波ノイズ源にもなるたとえばＬＳＩ（大規模集積回路）チップからの放熱のために、このチップにグラファイトシートを貼ったり、このチップに直接ヒートシンクを接続した場合に、グラファイトシートは熱伝達材のみならずノイズ伝播材になる可能性がある。
【０００５】
また、電磁波吸収材を発熱体に貼ることにより、電磁波ノイズを吸収することができるが、電磁波吸収材の熱伝導率が、アルミナや炭化ケイ素等の熱伝導性セラミックスや、セラミックス等のフィラーが含有されたシリコーンゴム系の放熱スペーサーに比較して低いため、発熱体と電磁波吸収材に熱がこもってしまうという問題があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
電気伝導度の大きな金属箔等の材料をシールド材として用いた場合、はんだ付けやねじ止め等の方法により、シールドをグランド（ＧＮＤ）に接続する必要がある。
一方、グラファイトシートは、柔軟性を有しかつ熱伝導率・電気伝導度は共に大きいが、その表面が非常に反応性に乏しいことから、グラファイトシートに対しては一般的にははんだ付け等の操作は困難である。またグラファイトシートを直接ねじ止めしようとしても、グラファイトシートそのものの強度が弱いため、グラファイトシートが破損しやすい。
以上のような点が、優れた熱伝導と導電性を持つというグラファイトシートのメリットを実際に利用する上で大きな課題となっていた。
【０００７】
これまで、たとえば、特開平１０−３３０１７７号公報には、グラファイトシートに金属薄膜を積層した構造が説明されている。しかし、金属薄膜は、真空蒸着、スパッタ蒸着、またはメッキによりグラファイトシート上に直接付着されているため、かなり薄い膜であり、ねじ止めなどには強度が低い。
また、特開平８−２６７６４７号公報には、レーザー加工により、グラファイトシートに穴を開けて１つの支持部材とを固着積層してなるグラファイトクラッド構造材が提案されている。ただし、この手法ではグラファイトシートの強度を上げることができるものの、プロセス上手間がかかるという難点があった。
そこで本発明は上記課題を解消し、グラファイトシートの特性である良好な導電性と熱伝導性を基本にして、電気を伝えながら放熱することが確実かつ容易に行うことが出来る金属−グラファイトシート複合体および電子機器を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、発熱体に熱的に接続して前記発熱体の発生する熱を放熱するための金属−グラファイトシート複合体であり、前記発熱体に対して熱的に接続されるグラファイトシートと、前記発熱体に配置されて前記発熱体の発生する電磁波を吸収して前記グラファイトシートに対して熱的に接続されており、前記発熱体の熱を伝達するための放熱性のフィラーを有する電磁波吸収体と、前記グラファイトシートの一部分に配置される金属箔と、前記グラファイトシートを通じて伝導されてくる前記発熱体の熱を放出するための熱放出対象部分に対して、前記金属箔を熱的に接続する熱的接続部と、を備えることを特徴とする金属−グラファイトシート複合体である。
【０００９】
請求項１では、グラファイトシートは、発熱体に対して熱的に接続される。
電磁波吸収体は、発熱体に配置されて発熱体の発生する電磁波を吸収してグラファイトシートに対して熱的に接続されている。この電磁波吸収体は、発熱体の熱を伝達するための放熱性のフィラーを有している。
金属箔は、グラファイトシートの一部分に配置される。
熱的接続部は、グラファイトシートを通じて伝導されてくる発熱体の熱を放出するための熱放出対象部分に対して、金属箔を熱的に接続するためのものである。
これにより、発熱体の発生する熱は、電磁波吸収体とグラファイトシートおよび金属箔を通じて熱的接続部に伝えられる。熱的接続部はこの伝えられた熱を、熱放出対象部分に対して放出することができる。したがって、発熱体の熱が発熱体と電磁波吸収体にこもらず、グラファイトシートに伝えることができる。
従って、発熱体の発生する熱は、グラファイトシートの特性である良好な熱伝導性および電磁波吸収体の熱を伝える機能を利用して金属箔に伝えることができ、金属箔に伝えられた発熱体の熱は熱的接続部を通じて熱放出対象部分に対して確実にかつ簡単に放出することができる。
電磁波吸収体は、発熱体の発生する電磁波を吸収することができるので、この電磁波がグラファイトシートを伝わって他の電子素子等の部分に影響を与えることが無くなる。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１に記載の金属−グラファイトシート複合体において、前記電磁波吸収体は、前記発熱体を覆っている。
【００１１】
請求項３の発明は、請求項１に記載の金属−グラファイトシート複合体において、前記発熱体と前記グラファイトシートの間には、さらに放熱スペーサーが配置されている。
【００１２】
請求項４の発明は、請求項１に記載の金属−グラファイトシート複合体において、前記熱的接続部は金属性のネジであり、前記熱放出対象部分は回路基板の導体部分であり、前記ネジが前記金属箔と前記グラファイトシートの一部分を前記導体部分側に固定している。
【００１３】
請求項４では、熱的接続部である金属製のネジが、金属箔とグラファイトシートの一部分を回路基板の導体部分に対して固定しているので、仮にグラファイトシートに発熱体の発生する電磁波が伝わったとしても、この電磁波は金属製のネジを通じて回路基板の導体部分側に確実に逃がすことができる。
【００１４】
請求項５の発明は、発熱体に熱的に接続して前記発熱体の発生する熱を放熱するための金属−グラファイトシート複合体を有する電子機器であり、前記発熱体に対して熱的に接続されるグラファイトシートと、前記発熱体に配置されて前記発熱体の発生する電磁波を吸収して前記グラファイトシートに対して熱的に接続されており、前記発熱体の熱を伝達するための放熱性のフィラーを有する電磁波吸収体と、前記グラファイトシートの一部分に配置される金属箔と、前記グラファイトシートを通じて伝導されてくる前記発熱体の熱を放出するための熱放出対象部分に対して、前記金属箔を熱的に接続する熱的接続部と、を備えることを特徴とする電子機器である。
【００１５】
請求項５では、グラファイトシートは、発熱体に対して熱的に接続される。
電磁波吸収体は、発熱体に配置されて発熱体の発生する電磁波を吸収してグラファイトシートに対して熱的に接続されている。この電磁波吸収体は、発熱体の熱を伝達するための放熱性のフィラーを有している。
金属箔は、グラファイトシートの一部分に配置される。
熱的接続部は、グラファイトシートを通じて伝導されてくる発熱体の熱を放出するための熱放出対象部分に対して、金属箔を熱的に接続するためのものである。
これにより、発熱体の発生する熱は、電磁波吸収体とグラファイトシートおよび金属箔を通じて熱的接続部に伝えられる。熱的接続部はこの伝えられた熱を、熱放出対象部分に対して放出することができる。したがって、発熱体の熱が発熱体と電磁波吸収体にこもらず、グラファイトシートに伝えることができる。
従って、発熱体の発生する熱は、グラファイトシートの特性である良好な熱伝導性および電磁波吸収体の熱を伝える機能を利用して金属箔に伝えることができ、金属箔に伝えられた発熱体の熱は熱的接続部を通じて熱放出対象部分に対して確実にかつ簡単に放出することができる。
電磁波吸収体は、発熱体の発生する電磁波を吸収することができるので、この電磁波がグラファイトシートを伝わって他の電子素子等の部分に影響を与えることが無くなる。
【００１６】
請求項６の発明は、請求項５に記載の電子機器において、前記電磁波吸収体は、前記発熱体を覆っている。
【００１７】
請求項７の発明は、請求項５に記載の電子機器において、前記発熱体と前記グラファイトシートの間には、さらに放熱スペーサーが配置されている。
【００１８】
請求項８の発明は、請求項５に記載の電子機器において、前記熱的接続部は金属製のネジであり、前記熱放出対象部分は回路基板の導体部分であり、前記ネジが前記金属箔と前記グラファイトシートの一部分を前記導体部分側に固定している。
【００１９】
請求項８では、熱的接続部である金属製のネジが、金属箔とグラファイトシートの一部分を回路基板の導体部分に対して固定しているので、仮にグラファイトシートに発熱体の発生する電磁波が伝わったとしても、この電磁波は金属製のネジを通じて回路基板の導体部分側に確実に逃がすことができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
なお、以下に述べる実施の形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの形態に限られるものではない。
【００２１】
図１は本発明の金属−グラファイトシート複合体を有する電子機器の好ましい実施の形態を示している。
図１に示す電子機器１０は、一例としていわゆる携帯情報端末（ＰＤＡ）である。この電子機器１０は、筐体１２と表示装置１４を有している。
図２は、図１の電子機器１０をさらに詳しく示している。
図１の電子機器１０は、筐体１２、表示装置１４、入力装置２０、およびパワーキー２２、音声のボリューム調整部２４、外部のイヤーホンをつなぐためのジャック２７、他の機能を発揮させるためのキー２６，２８を有している。
【００２２】
図１の入力装置２０は、操作者（使用者）の部位、たとえば手Ｈの指Ｆにより操作することでポインタＰの座標データを与えるためのものである。指Ｆは図１の例では人差指を用いているが、これに限らず他の指であっても勿論構わない。図２では、図１の表示画面３０に表示した情報４０の一例を表示している。図１と図２に示すように表示画面３０にはポインタＰを表示している。このポインタＰは矢印形のポインタである。
【００２３】
図２に示すように表示装置１４の表示画面３０には、ポインタＰの他に、情報４０や、各種機能を実施するためのキー４４，４６，４８等が表示されている。キー４２はキーボードを表示画面３０に表示させるためのキーである。キー４４は情報の検索に用いるキーである。キー４６はメニューを表示画面３０に表示するためのキーである。キー４８はたとえば表示を英語表示か日本語表示に切り換えることができるキーである。これらのキー４２，４４，４６，４８の操作は指Ｆでタッチすることで行える。
【００２４】
図２の筐体１２は、第１部分１２Ａと第２部分１２Ｂを有している。第１部分１２Ａは上筐体部分とも呼び、第２部分１２Ｂは下筐体部分とも呼ぶ。第１部分１２Ａと第２部分１２Ｂは重ねることにより、その中に空間を形成している。この空間には表示装置１４や回路基板等が収容されている。
筐体１２は、たとえばプラスチックであるＡＢＳ（アクリロニトリルブタジエンスチレン）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＰＣ＋ＡＢＳ（ポリカーボネート＋アクリロニトリルブタジエンスチレン）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、変性ＰＰＥ（ポリフェチレンエーテル）等により作られている。
図１に示すように、筐体１２の中には、回路基板２００が収容されている。この回路基板２００は、たとえば表示装置１４を駆動するための表示装置駆動回路や、入力装置２０の機能を達成するための回路等を搭載している。
【００２５】
図３は、図１に示す回路基板２００の一部分を示しており、この回路基板２００には、発熱素子の一例として、表示装置１４の駆動を制御するためのＣＰＵ（中央処理装置）５０が搭載されている。このＣＰＵ５０の作動時に発生する熱は、金属−グラファイトシート複合体６０により外部に放出できる構造になっている。
回路基板２００の上にはグランド（ＧＮＤ）６１が形成されている。このグランド６１は、回路基板２００の上に形成された導体部分（導体パターン）である。このグランド６１と金属−グラファイトシート複合体６０は、放熱装置（冷却装置ともいう）６２を構成している。
【００２６】
金属−グラファイトシート複合体６０について、図３〜図５を参照しながら説明する。
金属−グラファイトシート複合体６０は、グラファイトシート７０と、金属箔７１と、ラミネート材７３と、熱的接続部７４と、そして電磁波吸収体７５を有している。
グラファイトシート７０は、図６に示すようなカーボンが層状構造を取ったものであり、シートの面内の熱伝導率がたとえば４００から１０００Ｗ／ｍＫと銅やアルミニウムなどの金属より高く、かつ密度が１ｇ／ｃｍ３程度と軽い材料である。同時に高い電気伝導性をもつ材料である。このグラファイトシート７０をヒートコンダクタとして用いることにより、効率良く熱を伝達させることが可能である。
このグラファイトシート７０は、主として炭素原子同士の結合面の方向、すなわち図６に示す面内方向の両方に放熱し得るような構成を有している。このグラファイトシート７０は、図４における矢印Ｒ方向に沿って熱を伝えやすい。
【００２７】
図４に示すように、グラファイトシート７０の中央部７０Ａは、発熱体あるいは発熱素子ともいうＣＰＵ５０の面５０Ａに対して、電磁波吸収体７５を介して熱的に接続されている。この電磁波吸収体７５は、ＣＰＵ５０が作動時に発生する熱を、グラファイトシート７０側に効率良く伝達するための放熱性のフィラーを有しているものである。しかもこの電磁波吸収体７５は、ＣＰＵ５０の発生する電磁波を吸収してグラファイトシート７０の中央部７０Ａに対して熱的に接続されている。
【００２８】
グラファイトシート７０の両方の端部７０Ｂは、回路基板２００のグランド６１側に位置している。
このグランド６１は、熱放出対象部分に相当している。このグランド６１を通じて、ＣＰＵ５０の発生する熱は図１の電子機器１０の筐体１２あるいは筐体１２の外部に熱を放出することができる。グラファイトシート７０は、良好な電気伝導性と熱伝導性を有している。
【００２９】
図３と図４に示す金属箔７１は、良好な電気伝導性および熱伝導性を有する金属、たとえば銅やアルミニウム等の一般的な金属を用いることができる。金属箔７１としてこのような一般的な金属を用いることにより、はんだ付け等の作業が可能になる。
この金属箔７１は、グラファイトシート７０の２つの端部７０Ｂにサンドイッチ状にそれぞれ包むようにして配置されている。
【００３０】
金属箔７１は、好ましくは内側に複数個の突起８１を有している。この突起８１は、図４のＸ方向、およびＸ方向とは垂直でかつ紙面に垂直なＹ方向に沿って、たとえばマトリックス状に配列されている。たとえば突起８１の図４における断面形状はほぼ長方形状もしくは正方形状である。
このような複数の突起８１を金属箔７１に形成することにより、金属箔７１がグラファイトシート７０に対して接着される際に、金属箔７１からグラファイトシート７０に対する接着面積および熱伝導するための面積を、突起８１が無い場合に比べて大幅に拡大することができるのである。これによって、金属箔７１とグラファイトシート７０の熱伝導性を向上することができる。
このように金属箔７１は、グラファイトシート７０の少なくとも一部分に配置されているが、この金属箔７１はグラファイトシート７０の端部７０Ｂに限らずさらに広い部分に対して設けるようにしても勿論構わない。
【００３１】
ラミネート材７３は、グラファイトシート７０を、ラミネートしている高分子シートである。
このラミネート材７３は、金属箔７１とグラファイトシート７０の積層体の内のグラファイトシート７０のほぼ全面にわたって閉じるようにがラミネートされている。
これにより、ラミネート材７３は金属−グラファイトシート複合体６０の強度を保つことができるばかりでなく、ラミネート材７３はグラファイトシート７０から生じるいわゆる粉落ち（粉状体の落下）を防ぐことができるという大きなメリットがある。
【００３２】
しかもこのラミネート材７３は、グラファイトシート７０および金属箔７１に対する外部からの電気的な絶縁を確保することができる。このラミネート材７３は、グラファイトシート７０と金属箔７１をラミネートして囲んでいることから、不必要な部分での短絡を防止し、グラファイトシート７０および金属箔７１により伝えている熱が、図１に示す筐体１２内の熱に弱い他の部位、たとえば熱に弱い電子素子に対して逃げないようにするというメリットもある。
このラミネート材７３は、高分子シートであり、この高分子としてはＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）やポリ塩化ビニール、ポリイミド等や、シリコン等により作ることができるが、これに限るものではない。
【００３３】
上述したようにグラファイトシート７０とラミネート材７３と金属箔７１の積層体は、導電性を有する接着剤、たとえば導電性を有する両面テープを用いて接着している。これにより、グラファイトシート７０と金属箔７１の間の熱的および電気的な抵抗を小さく抑えて、グラファイトシート７０と金属箔７１とは良好な状態で熱的にかつ機械的に接着することができる。
また、ラミネート材７３の厚さは１０μｍ〜１００μｍ程度であり、ラミネート材７３が薄いほど、ＣＰＵ５０から電磁波吸収体７５を介してグラファイトシート７０へ熱を伝達しやすいが、ｋＶオーダーレベルの静電対策が必要な場合は、ラミネート材７３としては５０μｍ〜１００μｍ程度の厚さの高分子シートが用いられる。
【００３４】
さらに、ラミネートされたグラファイトシート７０に対して突起８１が付けられた金属箔７１で挟み込むことにより、金属箔７１の突起８１がグラファイトシート７０まで食い込み、グラファイトシート７０と金属箔７１間の導通が容易に得られる。
この突起８１の形状は、図３のように先端が丸型や円錐、三角錐等の種々のものが採用できるが、特に尖っていることが望ましい。
【００３５】
図３と図４に示す熱的接続部７４について説明する。
この熱的接続部７４は、たとえば棒状体や図３と図４に示すネジ形状のものを採用することができる。熱的接続部７４は、たとえば熱伝導性を有する金属製のネジを採用することができ、たとえば銅やアルミニウム等により作られている。この熱的接続部７４は、金属箔７１とグラファイトシート７０およびグランド６１を熱的かつ機械的に接続している。
【００３６】
図５は、図４の熱的接続部７４の付近を拡大して示している。
熱的接続部７４は、金属製のネジであり、頭部７４Ａと雄ネジ部７４Ｂを有している。頭部７４Ａは、金属箔７１の外面に対して圧着される部分である。雄ネジ部７４Ｐは、金属箔７１の穴７１Ａ、ラミネートの穴７３Ａ、そしてグランド６１の穴６１Ａを通って、回路基板２００の雌ネジ部２００Ａにねじ込まれている。これによって、熱的接続部７４は、回路基板２００側に対して、金属箔７１、ラミネート７３およびグラファイトシート７０の積層体を機械的かつ熱的に確実に固定することができるのである。
このような構造を採用することで、熱的接続部７４が、露出している金属箔７１の上からグランド６１に対して熱的かつ機械的に接続することが容易に行える。
【００３７】
ＣＰＵ５０が作動すると熱が発生すると共に電磁波がノイズとして発生する。この電磁波ノイズは、ＣＰＵ５０から電磁波吸収体７５により吸収される。しかし電磁波吸収体７５でもし吸収されない電磁波ノイズがあると、グラファイトシート７０を通じて伝わり、グラファイトシート７０は、ノイズのアンテナとなる可能性がある。
しかし、グラファイトシート７０は金属箔７１と共にグランド６１に対して熱的接続部７４を用いて熱的かつ電気的に接続されている。このことから、仮にこの電磁波ノイズはグラファイトシート７０を仮に伝わったとしても、グランド６１側に確実にかつ容易に逃がすことができるというメリットがある。
【００３８】
上述したように発熱体であるＣＰＵ５０は、熱を発生すると共に電磁波ノイズの発生源となる場合がある。ヒートコンダクターであるグラファイトシート７０や図示しないヒートシンク等にＣＰＵ５０を接続した場合には、グラファイトシート７０等がノイズのアンテナとなる可能性がある。
そのために電磁波吸収体７５としては、放熱機能を持たせた電磁波吸収シートを用いており、この電磁波吸収体７５がＣＰＵ５０のノイズの発生を抑えつつしかもＣＰＵ５０からの熱をグラファイトシート７０側に確実に伝えることができる能力を有している。
【００３９】
ここで、電磁波吸収体７５について説明する。
電磁波吸収体７５は、電磁波吸収シート状のものである。この電磁波吸収体７５は、電気絶縁性の基材とこの基材に含まれている放熱性のフィラーとしての電磁波吸収材料を有している。
基材は、ゴムや樹脂等の有機の電気絶縁物でありたとえばシリコーンゴムである。
電磁波吸収体７５の電磁波吸収材料は、ＭｅＦｅ２Ｏ４（Ｍｅ＝ＮｉＺｎ，ＭｎＺｎ，ＮｉＺｎＣｕ，ＭｇＭｎ等）の組成を持つ公知のスピネル型フェライト材料であり、粒径が０．１〜１００μｍの内、平均粒径が異なる３種類程度のフィラーである。
電磁波吸収体７５は、基材であるシリコーンゴムを有する。シリコーンゴムの熱伝導率に比べ、フィライトの熱伝導率は１桁以上高いため、粒径が異なるフェライトを入れ、最適化することにより含有量を増やすことが出来、かつ熱伝導率も向上させることが可能となる。
【００４０】
電磁波吸収材料の粒径が０．１μｍよりも小さいと、シートを混錬する際に粘度が高くなりすぎ、シート性状が悪化する。また、吸収材料によっては透磁率が低下することがあるため好ましくない。
また電磁波吸収材料の粒径が１００μｍよりも大きいと、シートから粒子が落ちる（粉落ち）うえ、シート性状が悪化するため好ましくない。
【００４１】
また、フィラーとしての電磁波吸収材料は、たとえば純Ｆｅ、Ｎｉ−Ｆｅ合金（パーマロイ）、Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ合金（センダスト）、Ｆｅ−Ｓｉ合金（ケイ素鋼）、Ｆｅ−Ａｌ合金（合金アルパーム）、Ｆｅ−Ｃｏ合金（パーメンジュール）および電磁ステンレス鋼から選んだ軟磁性金属のいずれか一種または複数の軟磁性金属から構成されるフレーク状粉末であって、粒径が０．０１〜１００μｍであり、アスペクト比（直径／厚み）が５〜１００である偏平粉末を、ゴム、樹脂等の有機絶縁物の基材中に体積充填率３０〜６５ｖｏｌ％含有し、配向分散させて厚みを０．０５〜３ｍｍの任意の厚みに調整した材料であっても良い。このフィラーはフェライト粉末よりも磁気損失μ’’が高いため、電磁波吸収特性が向上する。熱伝導率が高い金属系のフィラーは放熱にも寄与する。
【００４２】
電磁波吸収材のフィラーの粒径が０．０１μｍよりも小さいと、シートを混錬する際に粘度が高くなりすぎ、シート性状が悪化する。また、吸収材料によっては透磁率が低下することがあるため好ましくない。
電磁波吸収材のフィラーの粒径が１００μｍよりも大きいと、シートから粒子が落ちる（粉落ち）うえ、シート性状が悪化するため好ましくない。
【００４３】
電磁波吸収材のフィラーのアスペクト比が５よりも小さいと、吸収周波数が高くなりすぎるため、好ましくなく、アスペクト比が１００よりも大きいと、吸収周波数が低い領域に移るため、好ましくない。
【００４４】
偏平粉末の体積充填率が３０ｖｏｌ％よりも小さいと、吸収性能が低下するので好ましくなく、体積充填率が６５ｖｏｌ％よりも大きいと、シート混錬するのが困難になり、また粉落ちがあるので好ましくない。
【００４５】
また厚みが０．０５ｍｍよりも薄いと、シート形成が困難になり、かつハンドリングが難しくなる点で好ましくなく、厚みが３ｍｍよりも厚いと、機器側にスペースを確保するのが難しくなる点で好ましくない。
【００４６】
また、フィラーとしての電磁波吸収材料間の隙間を埋め、電磁波吸収体７５の熱伝導率を高めるために、粒径が０．０１〜５０μｍのアルミナや窒化ホウ素、窒化ケイ素、窒化アルミ、炭化ケイ素等の球状もしくは破砕形状のセラミックスや、表面が絶縁材でコーティングされた粒径が０．０１〜５μｍの銅やニッケルやアルミニウム等の金属球を用いても良い。
ここで粒径が０．０１μｍよりも小さいと、電磁波吸収シートにしめるセラミックスの含有量が少なく、熱伝導にほとんど寄与しなくなる点で好ましくなく、５０μｍよりも大きいと、シートが硬くなるため、本来は柔らかいために発熱体と密着性がよい放熱スペーサーとしての機能を果たせなくなってしまう点で好ましくない。
【００４７】
電磁波吸収体７５の厚さが厚いほど、電磁波吸収特性が向上するが、グラファイトシートと比べると熱伝導率が低いため、熱がこもりやすくなることから、好ましくは０．０５ｍｍ〜２ｍｍ程度の厚さとすることが好適である。
【００４８】
図３と図４に戻ると、グラファイトシート７０の炭素原子同士の結合面は、グラファイトシート７０の面にほぼ並行になっている。ラミネート材７３は、グラファイトシート７０の粉落ちを防ぐために袋とじの形でラミネートしている。このラミネート材７３は、不要な部分でのグラファイトシート７０の短絡を防ぐことができるというメリットもある。このグラファイトシート７０は、ヒートスプレッダとしての役割を果たす。
金属箔７１は、上述したように銅やアルミニウム等の一般的な導電性および熱伝導性を有する金属により作られているが、その厚みが目的や用途によって決められるものであり、典型的には３０〜１００μｍである。
【００４９】
次に、図３と図４に示す金属−グラファイトシート複合体６０の作用について説明する。
回路基板２００のＣＰＵ５０が動作すると、ＣＰＵ５０は熱と電磁波ノイズを発生する。ＣＰＵ５０の熱は、電磁波吸収体７５を介してグラファイトシート７０の中央部７０Ａに伝わる。グラファイトシート７０はこのＣＰＵ５０の熱を中央部７０ＡからＲ方向に沿って一端部７０Ｂ側に伝える。この熱は、金属箔７１に対して突起８１等を介して伝導されるとともに、熱的接続部７４を通じてグランド６１側に伝えられる。この伝わってくる熱は、グランド６１を通じてたとえば図１の筐体１２の中の金属部分やあるいは筐体１２の外部に放出されることになる。電磁波ノイズは電磁波吸収体７５に吸収される。もしも吸収されなかった電磁波ノイズがグラファイトシート７０に伝わったとしても、このノイズは金属箔７１と熱的接続部７４を通じてグランド６１に逃がすことができる。したがってノイズが他の回路に悪影響を与えることはない。
【００５０】
図７は、本発明の別の実施の形態を示している。
図７の金属−グラファイトシート複合体６０では、グラファイトシート７０の一方側の端部７０Ｂ側に対してのみ金属箔７１が設けられている。そしてこの金属箔７１とグラファイトシート７０は熱的接続部７４を用いて回路基板２００のグランド６１に熱的かつ電気的に接続されている。
【００５１】
グラファイトシート７０のもう１つの端部７０Ｂには、ヒートシンク３００が熱的に接続されている。このヒートシンク３００には、数個の熱交換用の突起３０１がマトリックス状に配列されている。このヒートシンク３００の突起３０１を設けることにより、ヒートシンク３００の放熱面積を大きくすることができ、たとえば図示しないファンモータのファンを回転することにより、風Ｗをヒートシンク３００の突起３０１に当てれば、ＣＰＵ５０が発生する熱をより確実に放熱することができる。
図７の実施の形態の金属−グラファイトシート複合体６０の他の部分は、図３に示す金属−グラファイトシート複合体６０の対応する部分と同じであるのでその説明を用いることにする。
【００５２】
図８は、本発明の金属−グラファイトシート複合体６０の別の実施の形態を示している。図８の実施の形態の金属−グラファイトシート複合体６０は、図３の金属−グラファイトシート複合体６０とほぼ同じであるが、放熱スペーサー３３０が追加されている点が異なる。この放熱スペーサー３３０は、電磁波吸収体７５に重ねるようにして配置している。
しかしこれに限らず電磁波吸収体７５を取り除いて放熱スペーサー３３０だけをＣＰＵ５０とグラファイトシート７０の中央部７０Ａの間に配置しても良い。この放熱スペーサー３３０は、たとえば粒径が異なる、粒径が０．０１〜５０μｍのアルミナや窒化ホウ素、窒化ケイ素、窒化アルミ、炭化ケイ素等の球状もしくは破砕形状のセラミックスや、表面が絶縁材でコーティングされた粒径が０．０１〜５μｍの銅やニッケルやアルミニウム等の金属球の内の１種類もしくは２種類以上の組み合わせとシリコーンゴムもしくはアクリル系統のゴムにより作られているが、この放熱スペーサー３３０が電磁波吸収体７５に重ねて配置することにより、電磁波吸収体からグラファイトシートに効率よく熱伝達を行うことが可能であるメリットがある。
また電磁波吸収体７５を取り除いて放熱スペーサー３３０を設けることにより電磁波吸収体の熱抵抗分をなくすメリットがある。
【００５３】
次に図９と図１０は、本発明のさらに別の実施の形態を示している。
図９に示すように、ＣＰＵ５０の上には、金属−グラファイトシート複合体６０が被せてある。この金属−グラファイトシート複合体６０の四隅位置にはそれぞれ金属箔７１が配置されている。すなわち金属−グラファイトシート複合体６０のグラファイトシート７０の四隅部分が、金属箔７１によりサンドイッチ状に挟まれた状態で、しかも熱的接続部７４によりグランド６１に対して熱的かつ機械的に固定されている。
【００５４】
ＣＰＵ５０は、金属−グラファイトシート複合体６０を完全に覆い被せているが、図１０に示すようにＣＰＵ５０は、電磁波吸収体７５により覆い被されている。この電磁波吸収体７５の上には、上述した金属−グラファイトシート複合体６０がさらに覆い被されている。金属−グラファイトシート複合体６０の四隅が、金属製のネジである熱的接続部７４により回路基板２００のグランド６１に対して熱的かつ機械的に固定されている。
電磁波吸収体７５はたとえばフェライトが添加された一例として１ｍｍの厚みのシートである。グラファイトシート７０は熱伝導性の粘着層を用い、かつラミネート材７３で絶縁されている。このグラファイトシート７０を含む金属−グラファイトシート複合体６０は、ＣＰＵ５０等による凹凸に対して追従性良く粘着できるために、金属−グラファイトシート複合体６０は四隅においても確実に固定することができる。仮にグラファイトシート７０の粘着層の接着力が弱くなったとしても、金属−グラファイトシート複合体６０の四隅がねじ止めされているためにこの金属−グラファイトシート複合体６０が回路基板２００の表面から外れてしまうことはない。
【００５５】
本発明の金属−グラファイトシート複合体６０では、グラファイトシート７０と金属箔７１とが良好な接着性をもって接着されており、そしてこのような金属箔７１が設けられていることから、発熱素子であるＣＰＵ５０のアースをとることができると同時に、ＣＰＵ５０の発生する熱を放出することができる。
【００５６】
なお、熱的接続部７４と金属箔７１は両方とも金属なので容易にはんだ付け等で電気的に確実に接合することができる。
金属箔７１に対して突起８１を設けることにより、この突起がグラファイトシート７０に対して食い込むようにして電気的、機械的および熱的に接続することができる。
【００５７】
ところで、本発明の金属−グラファイトシート複合体を有する電子機器は、図示した携帯情報端末（ＰＤＡ）に限らず、他の種類の情報関連機器であるたとえば、携帯電話機や携帯型コンピュータあるいはその他の種類の電子機器をも含むものである。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、グラファイトシートの特性である良好な導電性と熱伝導性を基本にして、電気を伝えながら放熱することが確実かつ容易に行うことが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の金属−グラファイトシート複合体を有する電子機器の一例を示す斜視図。
【図２】図１の電子機器を拡大して示す斜視図。
【図３】電子機器の回路基板に搭載されている金属−グラファイトシート複合体を示す斜視図。
【図４】図３の金属−グラファイトシート複合体の断面を有する側面図。
【図５】図４の金属−グラファイトシート複合体の一部を拡大して示す図。
【図６】グラファイトシートの層構造の例を示す図。
【図７】本発明の金属−グラファイトシート複合体の別の実施の形態を示す図。
【図８】本発明の金属−グラファイトシート複合体のさらに別の実施の形態を示す図。
【図９】本発明の金属−グラファイトシート複合体のさらに別の実施の形態を示す図。
【図１０】図９の実施の形態における断面構造例を示す図。
【符号の説明】
１０・・・電子機器、５０・・・ＣＰＵ（発熱体あるいは発熱素子の一例）、６０・・・金属−グラファイトシート複合体、６１・・・グランド（熱放出対象部分）、６２・・・放熱装置、７０・・・グラファイトシート、７１・・・金属箔、７３・・・ラミネート材、７４・・・熱的接続部、７５・・・電磁波吸収体、２００・・・回路基板
Claims (8)
- 発熱体に熱的に接続して前記発熱体の発生する熱を放熱するための金属−グラファイトシート複合体であり、
前記発熱体に対して熱的に接続されるグラファイトシートと、
前記発熱体に配置されて前記発熱体の発生する電磁波を吸収して前記グラファイトシートに対して熱的に接続されており、前記発熱体の熱を伝達するための放熱性のフィラーを有する電磁波吸収体と、
前記グラファイトシートの一部分に配置される金属箔と、
前記グラファイトシートを通じて伝導されてくる前記発熱体の熱を放出するための熱放出対象部分に対して、前記金属箔を熱的に接続する熱的接続部と、
を備えることを特徴とする金属−グラファイトシート複合体。 - 前記電磁波吸収体は、前記発熱体を覆っている請求項１に記載の金属−グラファイトシート複合体。
- 前記発熱体と前記グラファイトシートの間には、さらに放熱スペーサーが配置されている請求項１に記載の金属−グラファイトシート複合体。
- 前記熱的接続部は金属性のネジであり、前記熱放出対象部分は回路基板の導体部分であり、前記ネジが前記金属箔と前記グラファイトシートの一部分を前記導体部分側に固定している請求項１に記載の金属−グラファイトシート複合体。
- 発熱体に熱的に接続して前記発熱体の発生する熱を放熱するための金属−グラファイトシート複合体を有する電子機器であり、
前記発熱体に対して熱的に接続されるグラファイトシートと、
前記発熱体に配置されて前記発熱体の発生する電磁波を吸収して前記グラファイトシートに対して熱的に接続されており、前記発熱体の熱を伝達するための放熱性のフィラーを有する電磁波吸収体と、
前記グラファイトシートの一部分に配置される金属箔と、
前記グラファイトシートを通じて伝導されてくる前記発熱体の熱を放出するための熱放出対象部分に対して、前記金属箔を熱的に接続する熱的接続部と、
を備えることを特徴とする電子機器。 - 前記電磁波吸収体は、前記発熱体を覆っている請求項５に記載の電子機器。
- 前記発熱体と前記グラファイトシートの間には、さらに放熱スペーサーが配置されている請求項５に記載の電子機器。
- 前記熱的接続部は金属製のネジであり、前記熱放出対象部分は回路基板の導体部分であり、前記ネジが前記金属箔と前記グラファイトシートの一部分を前記導体部分側に固定している請求項５に記載の電子機器。
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