JP2006054356A

JP2006054356A - 熱伝導部材

Info

Publication number: JP2006054356A
Application number: JP2004235825A
Authority: JP
Inventors: Nobuaki Hanai; 伸明花井
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2004-08-13
Filing date: 2004-08-13
Publication date: 2006-02-23
Also published as: DE102005036925A1; US20060035069A1

Abstract

【課題】柔軟性および熱伝導率が高い熱伝導部材の提供
【解決手段】熱伝導部材１００は、３層構造を有する。熱伝導部材１００は、ウレタンフォームからなる基材１１０を備える。基材１１０は、銅繊維とナイロン（商標）とからなる布である熱伝導性被覆材１２０によって全体的に覆われている。さらに、熱伝導性被覆材１２０に覆われた基材１１０は、ポリイミド樹脂からなる電気絶縁性被覆材１３０により、熱伝導性被覆材１２０の上からさらに全体的に覆われている。
【選択図】図２

Description

本発明は、放熱や熱伝達などに用いられる熱伝導部材に係り、柔軟性が高く熱伝導率が大きい熱伝導部材に関する。

電子装置は、ＩＣなどの半導体部品や抵抗器などの電子部品が実装されたプリント回路基板を備えている。これらの半導体部品や電子部品などは、電子装置が稼働している時に熱を発する。これらの部品から生じる熱は、一般に、熱伝導部材を介して電子装置の筐体やヒートシンクなどの放熱部材に伝熱され放熱される。

ここで、用語について定義しておく。熱伝導とは、同一素材または同一物体内で熱が伝わることを意味する。また、熱伝達は、異なる素材間または異なる物体間で熱が伝わることを意味する。

従来からある熱伝導部材は、リキッドヒートシンク、サーマルシート、または、非塊性の金属を内部に充填したパックなどがある（例えば、特許文献１を参照。）。

特開平６−２６８１１３号公報（第２〜３頁、図１、図３、図４）

これら従来の熱伝導部材は、高い柔軟性と大きな熱伝導率を同時に満たすものではなかった。その結果、従来の熱伝達部材は、十分な熱伝達効果を発揮するものではなかった。また、従来の熱伝導部材は、異なる電子装置間や異なるプリント回路基板間などで繰り返し使用する用途には適していなかった。

たとえば、リキッドヒートシンクは、電気絶縁性の液体を詰めた樹脂製の袋が変形するので、発熱性の部品や筐体などに対する密着性が高く、塑性変形しない。しかし、リキッドヒートシンクは、液体の熱伝導率が個体金属に比べると小さいため、十分な熱伝導効果が得られない場合がある。また、袋の損傷により、内部の液体が漏れ出す恐れがある。

サーマルシートは、リキッドヒートシンクに比べて、熱伝導率が高いが、発熱性の部品や筐体などに対する密着性が低い。例えば、複数の異なる形状の部品に対して一枚のサーマルシートを適用する場合、それらの部品に対する密着性が損なわれる。一部品に一枚のサーマルシートを適用した場合でも、部品の高さのバラツキ、筐体壁面の仕上げ精度のバラツキ、またはハンダ浮きなどにより、発熱部品と放熱部材との間の距離が製品ごとにバラつく。このため、それらのすき間を埋めるサーマルシートは、それぞれの状況に応じた厚みと柔軟性が要求される。つまり、サーマルシートは、部分的な積層や不要部分の切除などの加工や特殊な成形が必要とされる。また、サーマルシートは、厚みによって熱抵抗が変化するので、部品の温度にバラツキが生じ易い。

非塊性の金属を内部に充填したパックは、リキッドヒートシンクやサーマルシートに比べて熱伝導率が高く、サーマルシートに比べて発熱性の部品や筐体などに対する密着性が高い。しかし、内部の金属にスチールウールなどを用いるので、塑性変形し易い。塑性変形したパックは、部品形状や部品配置が異なるプリント回路基板と十分に接触できず熱伝達効果が低下する。

要するに、従来の熱伝導部材は、電子装置の筐体やプリント回路基板を試作する毎に、新たなプリント回路基板などに合わせて熱伝導部材を設計し直す必要があった。または、試作毎に設計し直す必要がない熱伝導部材は、熱伝達効果が低かった。そこで、本発明は、柔軟性が高い熱伝導部材であって、従来よりも熱伝導率が高い熱伝導部材を提供することを目的とする。また、本発明は、密着する対象物の形状に制限されず繰り返し使用することができる熱伝導部材を提供することを目的とする。

本第一の発明は、弾性変形する基材と、前記基材の弾力により変形可能な柔軟性および熱良導性を有し前記基材を覆う第一の被覆材と、前記基材の弾力により変形可能な柔軟性および熱良導性および電気絶縁性を有し前記第一の被覆材を覆う第二の被覆材とを備え、前記第一の被覆材の熱伝導率が前記基材および前記第二の被覆材の熱伝導率よりも高いことを特徴とする熱伝導部材である。

また、本第二の発明は、弾性変形する基材と、前記基材の弾力により変形可能な柔軟性および熱良導性および電気絶縁性を有し前記基材を覆う第一の被覆材とを備え、前記第一の被覆材の熱伝導率が前記基材の熱伝導率よりも高いことを特徴とする熱伝導部材である。

さらに、本第三の発明は、複数の伝熱素子であって、前記伝熱素子の各々が弾性変形する基材と前記基材の弾力により変形可能な柔軟性および熱良導性を有し前記基材を覆う第一の被覆材とを具備する複数の伝熱素子と、前記基材の弾力により変形可能な柔軟性および熱良導性および電気絶縁性を有し前記複数の伝熱素子をひとまとめにして覆う第二の被覆材とを備え、前記第一の被覆材の熱伝導率が前記基材および前記第二の被覆材の熱伝導率よりも高いことを特徴とする熱伝導部材である。

またさらに、本第四の発明は、本第一の発明ないし本第三の発明のいずれかの熱伝導部材において、前記第一の被覆材が、金属繊維からなる布もしくは網、または、金属繊維と非金属繊維とからなる布もしくは網であることを特徴とするものである。

また、本第五の発明は、本第一の発明ないし本第四の発明のいずれかの熱伝導部材において、前記基材が、発泡高分子化合物であることを特徴とするものである。

本発明によれば、従来に比べて柔軟性が高く、形状や大きさが異なる発熱部品への追従性が高い熱伝導部材を提供することができる。また、本発明によれば、熱伝達部材として金属布などを用いることができるので、柔軟性を保ちながら、従来に比べて高い熱伝導率を有する熱伝導部材を提供することができる。本発明の熱伝達部材は、高い柔軟性と大きな熱伝導率との相乗効果により、従来に比べて高い熱伝達効果を発揮する。さらに、本発明によれば、熱抵抗が均一な熱伝導部材を提供することができる。またさらに、本発明によれば、形状や大きさが異なる対象物に対して繰り返し使用できる熱伝導部材を提供することができる。また、本発明の熱伝導部材は、発熱体と接触する部分が電気的絶縁性を有するので電子機器に適している。

本発明を、添付の図面に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。本発明の第一の実施形態は、熱伝導部材１００である。図１は、電子装置において、筐体とプリント回路基板とそれらの間に配置された熱伝導部材１００とを示す断面図である。また、図２は、熱伝導部材１００の一部破断斜視図である。さらに、図３は、図２におけるＡ−Ａ断面図である。

以下、図１を参照する。図１において、熱伝導部材１００は、電子装置２００の筐体２１０内において、プリント回路基板２２０の表面と筐体２１０との間、および、プリント回路基板２２０の裏面と筐体２１０との間に、それぞれ１つずつ配置されている。プリント回路基板２２０の表面および裏面には、ＩＣや抵抗器などの発熱性部品２３０が実装されている。なお、図１において、熱伝導部材１００の断面は簡略に示され、その代わりに図３において詳細が示される。

以下、図２および図３を参照する。図において、熱伝導部材１００は、３層構造を有する。熱伝導部材１００は、ウレタンフォームからなる基材１１０を備える。基材１１０は、銅繊維とナイロン（商標）とからなる布である熱伝導性被覆材１２０によって全体的に覆われている。さらに、熱伝導性被覆材１２０に覆われた基材１１０は、ポリイミド樹脂からなる電気絶縁性被覆材１３０により、熱伝導性被覆材１２０の上からさらに全体的に覆われている。

基材１１０は、弾性変形可能な部材であれば良く、ウレタンフォームに限定されない。例えば、基材１１０は、ウレタンフォームの代わりに、柔らかいゴム、微小なバネを複数並べた部材、または、液体もしくはゲルが詰まったパックなどを用いることができる。なお、弾性変形とは、応力を取り除いた時に、変形が回復して元の状態に戻ることをいう。

熱伝導性被覆材１２０は、基材１１０の弾力により変形可能な柔軟性と熱良導性を有する部材であれば良く、銅繊維とナイロン（商標）とからなる布に限定されない。例えば、熱伝導性被覆材１２０は、金属製の布もしくは網、炭素繊維布、金属箔、または、金属粉入りの樹脂などを代用することができる。変形が容易でかつ変形に対する耐久性が求められる場合、熱伝導性被覆材１２０には、銅ネット、アルミネット、または、炭素繊維布などが好適である。なお、熱伝導性被覆材１２０は、基材１１０や電気絶縁性被覆材１３０よりも高い熱伝導率を有する。

電気絶縁性被覆材１３０は、基材１１０の弾力により変形可能な柔軟性と熱良導性と電気絶縁性を有する部材であれば良く、ポリイミド樹脂に限定されない。例えば、電気絶縁性被覆材１３０は、シリコン樹脂やフッ素ゴムなどを代用することができる。また、熱伝導性被覆材１２０が電気絶縁性を有する場合、電気絶縁性被覆材１３０は不要である。例えば、熱伝導性被覆材１２０がアルマイト処理されたアルミ繊維からなる布である場合、熱伝導部材１００は、電気絶縁性被覆材１３０を備えなくとも良い。

上記のように構成された熱伝導部材１００によれば、ＩＣや抵抗器などの発熱性部品２３０から発生した熱は、直接的に、または、プリント回路基板２２０を介して間接的に電気絶縁性被覆材１３０に伝達される。電気絶縁性被覆材１３０に伝達された熱は、熱伝導性被覆材１２０に伝達される。さらに、熱は、熱伝導性被覆材１２０から電気絶縁性被覆材１３０を介して筐体２１０に伝達される。熱伝導性被覆材１２０による熱伝達は、熱伝導性に優れた個体を介する熱伝達であるので、リキッドヒートシンクやサーマルシートに比べて、熱伝導効果が高い。

また、熱伝導部材１００は、形状変形が自在であるので、切除や積層などの加工なしに、プリント回路基板上の発熱性部品２３０や筐体２１０に対する高い密着性を有する。さらに、基材１１０は弾性変形可能な部材であり、かつ、熱伝導性被覆材１２０や電気絶縁性被覆材１３０は基材１１０に追従して変形するので、熱伝導部材１００は全体として弾性変形する。これにより、熱伝導部材１００は、発熱性部品２３０や筐体２１０の配置や形状が変わったとしても、そのまま繰り返し使用することができ、熱伝達効果も低下しにくい。

また、液体もしくはゲルが詰まったパックを基材１１０として採用した場合に、目の細かい金属布のように外力が加わっても破損しにくい素材を熱伝導性被覆材１２０に用いると、熱伝導性被覆材１２０が基材１１０を保護する。これにより、熱伝導部材１００は、リキッドヒートシンクに比べて、液漏れの危険性が低くなる。

ところで、熱伝導部材１００の熱伝導は、主として熱伝導性被覆材１２０によって行われる。つまり、熱伝導部材１００の熱伝導は、熱伝導部材１００の表面に沿って行われる。この事は、幾つかの不都合をもたらす。例えば、熱伝導部材１００が大型化すると、発熱体から放熱部材までの熱伝導経路長のバラツキが増し、熱伝導率にバラツキが生じる場合がある。また、全体的な熱伝達効果が低下するという問題も生じる場合がある。

ここで、それらの問題を解決する本発明の第二の実施形態を、図を参照しながら説明する。本発明の第二の実施形態は、熱伝導部材３００である。図４は、熱伝導部材３００の一部破断斜視図である。さらに、図５は、図４におけるＢ−Ｂ断面図である。

以下、図４および図５を参照する。図において、熱伝導部材３００は、熱伝導素子３１０と熱伝導素子３２０と熱伝導素子３３０を備える。熱伝導素子３１０は、ウレタンフォームからなる基材３１１を備える。基材３１１は、銅繊維とナイロン（商標）とからなる布である熱伝導性被覆材３１２によって全体的に覆われている。熱伝導素子３２０は、ウレタンフォームからなる基材３２１を備える。基材３２１は、銅繊維とナイロン（商標）とからなる布である熱伝導性被覆材３２２によって全体的に覆われている。熱伝導素子３３０は、ウレタンフォームからなる基材３３１を備える。基材３３１は、銅繊維とナイロン（商標）とからなる布である熱伝導性被覆材３３２によって全体的に覆われている。さらに、熱伝導素子３１０および熱伝導素子３２０および熱伝導素子３３０は、一体化されるように、ポリイミド樹脂からなる電気絶縁性被覆材３４０により覆われている。

熱伝導素子３１０および熱伝導素子３２０および熱伝導素子３３０は、同一の形状であっても良いし、異なる形状であっても良い。また、基材３１１および基材３２１および基材３３１は、基材１１０と同様の性質を有するものである。また、熱伝導性被覆材３１２および熱伝導性被覆材３２２および熱伝導性被覆材３３２は、熱伝導性被覆材１２０と同様の性質を有するものである。さらに、電気絶縁性被覆材３４０は、電気絶縁性被覆材１３０と同様の性質を有するものである。例えば、基材３１１は柔らかいゴムなどで代用することができるし、熱伝導性被覆材３１２はアルミネットなどで代用することができるし、電気絶縁性被覆材３４０はシリコン樹脂などで代用することができる。

上記のように構成された熱伝導部材３００によれば、ＩＣや抵抗器などの発熱性部品から発生した熱は、直接的または間接的に、電気絶縁性被覆材３４０に伝達される。電気絶縁性被覆材３４０に伝達された熱は、熱伝導性被覆材３１２または熱伝導性被覆材３２２または熱伝導性被覆材３３２に伝達される。さらに、熱は、熱伝導性被覆材３１２または熱伝導性被覆材３２２または熱伝導性被覆材３３２から電気絶縁性被覆材３４０を介して筐体などの放熱部材に伝達される。このように、熱伝導部材３００は、内部に、複数の熱伝達経路を備える。これにより、例えば、熱伝導部材３００は、熱伝導部材１００に比べて、発熱体から放熱部材までの熱伝達経路長のバラツキを低減することができる。また、大型化に伴う熱伝達効果の低下を抑制することができる。もちろん、熱伝導部材３００は、上記の熱伝導部材１００が有する特徴も併せ持つ。

なお、熱伝導部材３００が内部に備える熱伝導素子は、３つに限定されず、２つでも良いし４つ以上でも良い。また、熱伝導部材３００が内部に備える熱伝導素子は、一次元方向だけでなく、二次元方向や三次元方向に配置されても良い。さらに、熱伝導部材３００が内部に備える熱伝導素子は、その形状が直方体に限定されず、円筒形や球形などのように他の形状をなしても良い。このことは、熱伝導素子内の基材自身についても同様である。また、第一の実施形態における、基材１１０自身や熱伝導性被覆材１２０に覆われた基材１１０についても同様である。

筐体とプリント回路基板とそれらの間に配置された熱伝導部材１００とを示す断面図である。熱伝導部材１００の一部破断斜視図である。熱伝導部材１００の断面図である。熱伝導部材３００の一部破断斜視図である。熱伝導部材３００の断面図である。

符号の説明

１００，３００熱伝導部材
１１０，３１１，３２１，３３１基材
１２０，３１２，３２２，３３２熱伝導性被覆材
１３０，３４０電気絶縁性被覆材
２００電子装置
２１０筐体
２２０プリント回路基板
２３０発熱性部品
３１０，３２０，３３０熱伝導素子

Claims

弾性変形する基材と、
前記基材の弾力により変形可能な柔軟性および熱良導性を有し前記基材を覆う第一の被覆材と、
前記基材の弾力により変形可能な柔軟性および熱良導性および電気絶縁性を有し前記第一の被覆材を覆う第二の被覆材と、
を備え、
前記第一の被覆材の熱伝導率が前記基材および前記第二の被覆材の熱伝導率よりも高いことを特徴とする熱伝導部材。
弾性変形する基材と、
前記基材の弾力により変形可能な柔軟性および熱良導性および電気絶縁性を有し前記基材を覆う第一の被覆材と、
を備え、
前記第一の被覆材の熱伝導率が前記基材の熱伝導率よりも高いことを特徴とする熱伝導部材。
複数の伝熱素子であって、前記伝熱素子の各々が弾性変形する基材と前記基材の弾力により変形可能な柔軟性および熱良導性を有し前記基材を覆う第一の被覆材とを具備する複数の伝熱素子と、
前記基材の弾力により変形可能な柔軟性および熱良導性および電気絶縁性を有し前記複数の伝熱素子をひとまとめにして覆う第二の被覆材と、
を備え、
前記第一の被覆材の熱伝導率が前記基材および前記第二の被覆材の熱伝導率よりも高いことを特徴とする熱伝導部材。
前記第一の被覆材は、金属繊維からなる布もしくは網、または、金属繊維と非金属繊維とからなる布もしくは網であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の熱伝導部材。
前記基材は、発泡高分子化合物であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の熱伝導部材。