JP2005159318A - 熱伝導体 - Google Patents

Abstract

【課題】軽量で、省スペース性に優れるとともに、発熱体から放熱装置への熱の伝達をより効率よく行うことができる熱伝導体を提供する。
【解決手段】面方向に高い熱伝導性を有するグラファイトからなる第１のシート２１の両主面に、等方性熱伝導材料からなる第２および第３のシートを積層してなる熱伝導体であって、第１のシートの２５℃におけるヤング率Ｅ1（ＧＰａ）、厚さｔ1（ｍｍ）、面方向の熱伝導率λ1（Ｗ／ｍ・Ｋ）および比重ρ1（ｇ／ｃｍ³）、前記第２のシートの２５℃におけるヤング率Ｅ2（ＧＰａ）、厚さｔ2（ｍｍ）、熱伝導率λ2（Ｗ／ｍ・Ｋ）および比重ρ2（ｇ／ｃｍ³）、並びに、前記第３のシートの２５℃におけるヤング率Ｅ3（ＧＰａ）、厚さｔ3（ｍｍ）、熱伝導率λ3（Ｗ／ｍ・Ｋ）および比重ρ3（ｇ／ｃｍ³）が、下記の式を満足する。
−１０≦ｌｎ［（Ｅ2・ｔ2・λ2／Ｅ1・ｔ1・λ1）／（１００ρ2／ρ1）］≦７
−１０≦ｌｎ［（Ｅ2・ｔ2・λ2／Ｅ3・ｔ3・λ3）／（１００ρ2／ρ3）］≦７
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子等の各種電子部品の冷却等のために使用される熱伝導体に関する。

ノート型パソコン、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）、携帯電話、デジタルカメラ、プロジェクタ、デジタルビデオ等に代表される電子機器は、各種機能や処理能力等が急速に向上している。それに伴って、ＣＰＵ等として用いられる半導体素子をはじめとする電子部品からの発熱量は増加する傾向にある。このため、半導体素子等の動作特性や信頼性等を保つ上で、効率的な冷却システム、放熱システムが求められている。

高発熱型の半導体素子等を内蔵する電子機器では、従来から種々の冷却システム、放熱システムが用いられている。その代表的なものとしては、電子部品自体に冷却ファン、冷却フィン、ペルチェ素子（冷却素子）等を装着して冷却する方法、電子機器本体に放熱用のファンを取り付けて、機器本体内部の熱を排気する方法が挙げられる。しかしながら、携帯型の電子機器等においては機器本体の小型化に伴って、電子部品自体に冷却ファンや冷却フィン等を取り付けるスペースを確保することが困難になっている。また、放熱用ファンにより電子機器本体内部の熱を排気するだけでは、半導体素子等を効率よく冷却することはできない。

そこで、電子機器内部の半導体素子等の発熱体と、電子機器の筐体外壁に取り付けた放熱用ファンやフィン等の放熱装置とをヒートパイプのような熱伝導体で熱的に結合することによって、放熱システムの省スペース化を図ったうえで、半導体素子等の冷却効率を高めることが検討され、一部で既に実用化されている（例えば、特許文献１、２等参照。）。また、熱伝導体としてグラファイトシートを使用することも検討されている（例えば、特許文献２、３等参照。）。

ところで、ヒートパイプは、重量が重いうえ、曲げ箇所に構造的な制約があるため、携帯型電子機器に内蔵する際の設置スペースの点で問題がある。これに対し、グラファイトシートは、熱拡散性に優れるうえ、軽量で、設置スペースの制約も少ないことから、小型・省スペース化が進められている携帯型電子機器等に内蔵された発熱体が発生した熱を速やかに拡散して放熱装置まで伝導する熱伝導体として期待されている。

しかしながら、半導体素子等における発熱量は、半導体技術の進歩に伴い今後ますます増大すると考えられ、また、このような高発熱型素子を内蔵する電子機器の小型軽量化に対する要求もさらに強まるものと考えられる。このため、軽量、省スペース性等のグラファイトシートが有する優れた特性を備えながら、発熱体からの熱をより効率よく放熱装置へと伝導することができる熱伝導体の開発が強く求められている。
特開平８−２０４３７３号公報 特開２０００−８２８８８号公報 特開２００３−１８８３２３号公報

本発明はこのような要望に応えるべくなされたもので、軽量で、省スペース性に優れるとともに、発熱体から放熱装置への熱の伝導をより効率よく行うことができ、今後の半導体素子等の発熱量の増大および電子機器の小型軽量化にも十分に対応可能な熱伝導体を提供することを目的とする。

本発明者は、上記の目的を達成するため鋭意研究を重ねた結果、グラファイトシートの両面に他の特定の条件を満足する良熱伝導性のシートを積層し一体化することにより、グラファイトシートの性能を超える高い熱拡散性、熱伝導性を備えた熱伝導体が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本願の請求項１に記載の発明の熱伝導体は、面方向に高い熱伝導性を有するグラファイトからなる第１のシートと、この第１のシートの両主面上に積層された等方性熱伝導材料からなる第２および第３のシートを備えてなる熱伝導体であって、
前記第１のシートの２５℃におけるヤング率Ｅ1（ＧＰａ）、厚さｔ1（ｍｍ）、面方向の熱伝導率λ1（Ｗ／ｍ・Ｋ）および比重ρ1（ｇ／ｃｍ³）、前記第２のシートの２５℃におけるヤング率Ｅ2（ＧＰａ）、厚さｔ2（ｍｍ）、熱伝導率λ2（Ｗ／ｍ・Ｋ）および比重ρ2（ｇ／ｃｍ³）、並びに、前記第３のシートの２５℃におけるヤング率Ｅ3（ＧＰａ）、厚さｔ3（ｍｍ）、熱伝導率λ3（Ｗ／ｍ・Ｋ）および比重ρ3（ｇ／ｃｍ³）が、下記の式
−１０≦ｌｎ［（Ｅ2・ｔ2・λ2／Ｅ1・ｔ1・λ1）／（１００ρ2／ρ1）］≦７
−１０≦ｌｎ［（Ｅ2・ｔ2・λ2／Ｅ3・ｔ3・λ3）／（１００ρ2／ρ3）］≦７
を満足することを特徴とする熱伝導体である。

請求項２に記載の発明は、請求項１記載の熱伝導体において、前記第１のシートの面方向の熱伝導率λ1が１００〜７００Ｗ／ｍ・Ｋであることを特徴とするものである。

請求項３に記載の発明は、請求項１記載の熱伝導体において、前記第１のシートは、天然グラファイトからなることを特徴とするものである。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項記載の熱伝導体において、前記第２および第３のシートの各熱伝導率λ2およびλ3がいずれも６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを特徴とするものである。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか１項記載の熱伝導体において、第２および第３のシートは前記第１のシートの各主面上にそれぞれ所定の圧力で加圧積層されていることを特徴とするものである。

請求項６に記載の発明は、請求項５記載の熱伝導体において、前記第２および第３のシートは、前記第１のシートとの間の熱抵抗が無視し得る大きさとなるような圧力で加圧積層されていることを特徴とするものである。

請求項７に記載の発明は、請求項１乃至６のいずれか１項記載の熱伝導体において、前記第２および第３のシートは、金属またはセラミックからなることを特徴とするものである。

本発明によれば、軽量性、省スペース性等においてグラファイト単体からなるシートに匹敵する特性を備えるとともに、グラファイト単体からなるシートに比べ熱拡散性、熱伝導性が一段と向上した熱伝導体を得ることができ、今後の半導体素子等の発熱量の増大および電子機器の小型軽量化にも十分に対応することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。

図１は本発明の熱伝導体の一実施形態を概略的に示す斜視図である。
図１において、２１は、面方向に高い熱伝導性を有するグラファイトからなる第１のシートであり、この第１のシート２１の両主面上には、下記の条件を満足するような等方性熱伝導材料からなる第２および第３のシート２２、２３が積層され、一体に接着されている。

すなわち、第１のシート２１の２５℃におけるヤング率Ｅ1（ＧＰａ）、厚さｔ1（ｍｍ）、面方向の熱伝導率λ1（Ｗ／ｍ・Ｋ）および比重ρ1（ｇ／ｃｍ³）、第２のシート２２の２５℃におけるヤング率Ｅ2（ＧＰａ）、厚さｔ2（ｍｍ）、熱伝導率λ2（Ｗ／ｍ・Ｋ）および比重ρ2（ｇ／ｃｍ³）、並びに、第３のシート２３の２５℃におけるヤング率Ｅ3（ＧＰａ）、厚さｔ3（ｍｍ）、熱伝導率λ3（Ｗ／ｍ・Ｋ）および比重ρ3（ｇ／ｃｍ³）が、次式（１）および（２）を満足する構成となっている。
−１０≦ｌｎ［（Ｅ2・ｔ2・λ2／Ｅ1・ｔ1・λ1）／（１００ρ2／ρ1）］≦７
…（１）
−１０≦ｌｎ［（Ｅ2・ｔ2・λ2／Ｅ3・ｔ3・λ3）／（１００ρ2／ρ3）］≦７
…（２）

第1のシート２１を構成するグラファイトシートは、グラファイト結晶がその面方向を揃えて積層された層状構造を有するもので、その構造故に熱伝導性に異方性を有し、面方向（層方向）の熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上、さらには２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上といった高い熱伝導性を有している。本発明による効果を得るためには、このグラファイトシートの厚さ（加圧前）は、０．０３〜１０ｍｍであることが好ましく、０．２５〜２ｍｍであるとより好ましい。

このようなグラファイトシートは、例えばフレーク状グラファイトを圧延ローラやプレス成形機等で加圧成形したり、フレーク状グラファイトを押出成形したり、あるいは無定形炭素を加熱しつつ加圧成形もしくは押出成形することによって得ることができる。また、例えば芳香族ポリイミドフィルムのような高分子フィルムを不活性ガス雰囲気中で数千℃の温度で熱処理することによっても得ることができる。

また、第２および第３のシート２２、２３を構成する等方性熱伝導材料からなるシートは、上記条件を満足することができるものであれば特にその材質が限定されるものではない。しかしながら、第１のシート２１の面方向の熱伝導性、熱拡散性を高め、また、第１のシート２１の欠点とされる貫流熱抵抗が大きいという特性を補うという観点からは、熱伝導率が６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上で、比熱容量が第1のシート２１の２倍以上の材料からなるものが好ましい。

具体的には、アルミニウムや銅等の金属材料からなるシートが使用される。また、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化珪素（ＳｉＮ）、ジルコニア（ＺｒＯ₂）等の良熱伝導性セラミック材料からなるシート等も使用可能である。これらの材料を使用することにより、第２および第３のシート２２、２３をグラファイトシートの補強材としても機能させることが可能となる。また、アルミニウムや銅等の金属材料を使用した場合には、さらにグラファイトシートの加工性を高めることができ、一方、セラミック材料を使用した場合には、グラファイトシートの表面に電気絶縁性を付与することができる。

このような等方性熱伝導材料からなるシートの厚さ（加圧前）は、０．０２〜２０ｍｍであることが好ましく、０．０２〜１ｍｍであるとより好ましい。

本実施形態の熱伝導体２０は、例えば図２に示すように、まず第1のシート２１の両主面に接着剤２４を用いて第２のシート２２および第３のシート２３を接着することにより製造することができる。接着に際しては、圧延ローラやプレス機等を用いて、第１のシート２１と第２のシート２２間および第１のシート２１と第３のシート２３間の接着剤２４や空気層による熱抵抗の増大を防止するため、好ましくは熱抵抗が無視し得る程度の大きさとなるように、加圧接着することが好ましい。接着剤２４としては、セルロース系、アクリル系、エポキシ系、シリコーン系、ウレタン系等の接着剤を使用することができる。また、このような接着剤を使用せずに、加圧の際に溶融して接着機能を発揮するような材料を間に介在させて第1のシート２１と第２および第３のシート２３を積層し、一体に圧着させるようにしてもよい。

本実施形態の熱伝導体２０においては、軽量で、面方向に高い熱伝導率を有するグラファイトからなる第１のシート２１の両主面上に、上記の如き特定の条件を満足するような等方性熱伝導材料からなる第２および第３のシート２２、２３を積層し、一体に接着しているので、グラファイトからなる第１のシート２１の優れた特性である熱拡散性能、熱伝導性能をさらに向上させることができ、例えば、電子機器等において、発熱体から発生した熱を放熱装置までより効率よく伝達することが可能となる。

本発明は以下の知見に基づいてなされたものである。
すなわち、熱は音や光等とともにある種のエネルギーをもった波としての性質を有している。波は、物体の中を伝播する際、物体本来が持つ固有の抵抗と、波自体が伝播の途中で放散するエネルギーと、波の強さとの相関により、その広がりの大きさと速さが決定される。そして、上記のように複合化されたものでは、材料そのものの弾性や、材料間での反射にも影響されると考えられる。つまり、一般に、熱伝導率は、次式
熱伝導率＝熱拡散率×比重×比熱
で表現されるが、複合化されたものでは、層間の熱（波）の反響によって共鳴的に拡散するため、次式
熱伝導率＝ｆ×熱拡散率×比重×比熱
（式中、ｆは弾性を考慮した係数）
として検討することができると考えられる。

本発明者はこのような理論のもと、次のような実験を行った。
まず、厚さ１．２ｍｍのグラファイトシートの両主面に、厚さ０．０５ｍｍの銅、アルミニウムおよびアルミナからなるシートを積層し一体に接着して厚さ１．３ｍｍの３層構造の複合シートを作製し、これらの複合シートと、これらの複合シートの作製に使用したものと同じ材料からなる単体シートについて、熱伝導率および熱拡散率を測定した。結果は表１に示した通りで、複合化によって熱的な性能の明らかな向上が認められた。

次に、低弾性の材料（グラファイトおよびシリコーンゴム）からなるシートと高弾性の材料（アルミニウム）からなるシートを用いて厚さ１．５ｍｍの３層構造の複合シートを作製し、これらの複合シートと、これらの複合シートの作製に使用したものと同じ材料からなる単体シートについて、熱伝導率および熱拡散率を測定した。結果は表２に示した通りで、低弾性の材料を高弾性の材料で挟持することにより、低弾性の材料の熱的性能が大きく向上することがわかった。

さらに、第１のシート２１用として、厚さの異なるグラファイトシート（面方向熱伝導率２４０Ｗ／ｍ・Ｋ、比重１．４０ｇ／ｃｍ³、ヤング率０．０００１８３ＧＰａ）を用意し、また、第２および第３のシート２２、２３用として、厚さの異なるアルミシート（熱伝導率２２０Ｗ／ｍ・Ｋ、比重２．６９ｇ／ｃｍ³、ヤング率７０ＧＰａ）を用意し、種々の組み合わせで、図２に示す方法にしたがって、図１に示す構造の熱伝導体を製造した。接着剤２４にはセルロース系接着剤を使用し、また、接着に際しては各シート２１、２２、２３間の熱抵抗が無視できるまで加圧した。

このようにして得られた熱伝導体について、２点間平均温度差Δｔを測定し、熱伝導性能を評価したところ、表３および表４に示すように、上記条件式を満足する範囲のものが良好な熱伝導性を有していることが確認された。なお、２点間平均温度差Δｔは、図９に示すように、測定対象の積層シート１１の下面にチップ状の発熱体（接触面の大きさ：１ｃｍ×１ｃｍ、熱量：１０Ｗ）１２を接触させたときのシート１１上面の２点間ＰＱおよびＰＲの温度差の平均値である。ここで、点Ｐは、発熱体１２の角端上の１点であり、点Ｑ、Ｒは、点Ｐから発熱体１２の互いに直交する１辺を延長した線上で点Ｐからそれぞれ５ｃｍ離間した位置にある点である。

同様の実験を、アルミニウムシートに代えて銅シート（熱伝導率３８０Ｗ／ｍ・Ｋ、比重８．９３ｇ／ｃｍ³、ヤング率１２０ＧＰａ）、アルミナシート（熱伝導率３８Ｗ／ｍ・Ｋ、比重３．９２ｇ／ｃｍ³、ヤング率３８５ＧＰａ）および窒化アルミニウムシート（熱伝導率８６Ｗ／ｍ・Ｋ、比重２．９０ｇ／ｃｍ³、ヤング率１８６ＧＰａ）を用いて行ったところ、表５〜表８に示すように、材料が異なるにもかかわらず、ほぼ同様の結果が得られた。

なお、グラファイトシートには、面方向の熱伝導率が１５００Ｗ／ｍ・Ｋ程度のものも開発されているが、このように高い熱伝導率を有するグラファイトシートは、結晶化が進んで非常に硬くかつ脆いという性質を有しており、加工が困難であるうえ、価格も高く、さらに、ヤング率が高いため複合化による効果も小さい。このような観点から、グラファイトシートには、天然グラファイトから製造可能な、面方向の熱伝導率が１００〜７００Ｗ／ｍ・Ｋのものを使用することが好ましい。

本実施形態の熱伝導体２０は、図３〜図７に例示するように、様々な使用形態を採ることができる。すなわち、図３に示す例では、所定の形状、大きさに切断した熱伝導体２０の一方の主面を半導体素子のような発熱体３１の放熱面に当接させ、他方の主面を放熱体としての放熱フィン３２の受熱面に当接させている。図４に示す例では、熱伝導体２０の一方の主面を発熱体３１の放熱面と放熱ファンを備えた放熱装置３３の受熱面にともに当接させている。また、図５に示す例では、熱伝導体２０に三次元的な形状を付与して、発熱体３１と電子機器の放熱体を兼ねる筐体３４とを熱的に結合しており、同様に。図６に示す例では、熱伝導体２０に三次元的な形状を付与して、発熱体３１と放熱板３５とを熱的に結合している。さらに、熱伝導体２０は、図７に示すように、放熱板として機能させることもできる。

なお、熱伝導体２０を単に切断した場合には、その周縁部でグラファイトからなる第１のシート２１が露出し、発塵等のおそれがあることから、図８に示すように、前述した接着剤等を用いて表面に被覆２５を施すことが好ましい。

物性の測定方法は次の通りである。
（１）ヤング率
ＡＳＴＭ−Ｄ８８２に規定された方法に準拠して測定する。
測定装置：インストロン社製万能材料試験機 Ｍｏｄｅｌ １１８５
温度：２５℃
（２）熱拡散率
レーザーフラッシュ法により測定する。
測定装置：真空理工社製 ＴＣ−７０００
照射光：ルビーレーザー（励起電圧２．５ｋＶ、厚さ方向には均一化フィルタ１枚装着、面方向には減光フィルタ１枚装着）
試料温度センサ：裏面より赤外検出器（ＩｎＳｂ）
雰囲気：面方向において空気中、温度２５℃

次に、本発明の実施例を記載するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。

実施例１
厚さ１．４５ｍｍ、幅１５ｍｍ、長さ４００ｍｍのグラファイトシート（面方向熱伝導率２００Ｗ／ｍ・Ｋ、比重１．２２ｇ／ｃｍ³、ヤング率０．０００１８３ＧＰａ）の両主面に、厚さ０．０５ｍｍ、幅１５ｍｍ、長さ４００ｍｍのアルミニウムシート（熱伝導率２４０Ｗ／ｍ・Ｋ、比重２．４ｇ／ｃｍ³、ヤング率７０ＧＰａ）を、セルロース系接着剤を介して積層し加圧して熱伝導体を得た。

実施例２〜４、比較例１、２
構成材料を表１に示すように変えた以外は、実施例１と同様にして熱伝導体を得た。

得られた熱伝導体について、熱伝導率および熱拡散率を測定した。結果を表９に示す。

実施例５、６、比較例３
厚さ１．４５ｍｍ、幅１５ｍｍ、長さ４００ｍｍのグラファイトシート（面方向熱伝導率２００Ｗ／ｍ・Ｋ、比重１．２２ｇ／ｃｍ³、ヤング率０．０００１８３ＧＰａ）の一方の主面に、厚さ０．０５ｍｍ、幅１５ｍｍ、長さ４００ｍｍのアルミニウムシート（熱伝導率２４０Ｗ／ｍ・Ｋ、比重２．４ｇ／ｃｍ³、ヤング率７０ＧＰａ）を、セルロース系接着剤を介して積層し、他方の主面に、厚さがそれぞれ０．０５ｍｍ、０．１５ｍｍおよび４ｍｍで、幅１５ｍｍ、長さ４００ｍｍのアルミニウムシート（熱伝導率２４０Ｗ／ｍ・Ｋ、比重２．４ｇ／ｃｍ³、ヤング率７０ＧＰａ）を、セルロース系接着剤を介して積層し、加圧して熱伝導体を得た。

得られた熱伝導体について、２点間平均温度差Δｔを測定した。結果を表１０に示す。

表９および表１０から明らかなように、本発明の熱伝導体は比較例に比べ良好な熱伝導性能を有している。

本発明の熱伝導体の一実施形態を示す斜視図。 図１に示す熱伝導体の製造方法の一例を示す断面図。 本発明の熱伝導体の使用形態の一例を示す側面図。 本発明の熱伝導体の使用形態の他の例を示す側面図。 本発明の熱伝導体の使用形態の他の例を示す側面図。 本発明の熱伝導体の使用形態の他の例を示す側面図。 本発明の熱伝導体の使用形態の他の例を示す側面図。 図１に示す実施形態の変形例を示す断面図 ２点間平均温度差Δｔの測定方法を説明する斜視図。

符号の説明

２０…熱伝導体、２１…グラファイトからなる第1のシート、２３…等方性熱伝導材料からなる第２のシート、２４…接着剤、２５…被覆、３１…発熱体、３２…放熱フィン、３３…放熱装置、３４…筐体、３５…放熱板

Claims (7)

1. 面方向に高い熱伝導性を有するグラファイトからなる第１のシートと、この第１のシートの両主面上に積層された等方性熱伝導材料からなる第２および第３のシートを備えてなる熱伝導体であって、
   前記第１のシートの２５℃におけるヤング率Ｅ1（ＧＰａ）、厚さｔ1（ｍｍ）、面方向の熱伝導率λ1（Ｗ／ｍ・Ｋ）および比重ρ1（ｇ／ｃｍ³）、前記第２のシートの２５℃におけるヤング率Ｅ2（ＧＰａ）、厚さｔ2（ｍｍ）、熱伝導率λ2（Ｗ／ｍ・Ｋ）および比重ρ2（ｇ／ｃｍ³）、並びに、前記第３のシートの２５℃におけるヤング率Ｅ3（ＧＰａ）、厚さｔ3（ｍｍ）、熱伝導率λ3（Ｗ／ｍ・Ｋ）および比重ρ3（ｇ／ｃｍ³）が、下記の式を満足することを特徴とする熱伝導体。
   −１０≦ｌｎ［（Ｅ2・ｔ2・λ2／Ｅ1・ｔ1・λ1）／（１００ρ2／ρ1）］≦７
   −１０≦ｌｎ［（Ｅ2・ｔ2・λ2／Ｅ3・ｔ3・λ3）／（１００ρ2／ρ3）］≦７
2. 前記第１のシートの面方向の熱伝導率λ1が１００〜７００Ｗ／ｍ・Ｋであることを特徴とする請求項１記載の熱伝導体。
3. 前記第１のシートは、天然グラファイトからなることを特徴とする請求項１記載の熱伝導体。
4. 前記第２および第３のシートの各熱伝導率λ2およびλ3がいずれも６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の熱伝導体。
5. 前記第２および第３のシートは、第２および第３のシートは前記第１のシートの各主面上にそれぞれ所定の圧力で加圧積層されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか1項記載の熱伝導体。
6. 前記第２および第３のシートは、前記第１のシートとの間の熱抵抗が無視し得る大きさとなるような圧力で加圧積層されていることを特徴とする請求項５記載の熱伝導体。
7. 前記第２および第３のシートは、金属またはセラミックからなることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか1項記載の熱伝導体。

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