JP2006303240A - 放熱シート、放熱体、放熱シート製造方法及び伝熱方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 電子機器などの発熱体とヒートシンクなどの放熱体との間に配置される介在材料の熱抵抗を下げる。
【解決手段】 グラファイト結晶のａ−ｂ面がグラファイトシート２０のシート面に対して並行であるグラファイトシート２０を複数枚積層された放熱シート２５であって、ａ−ｂ面を放熱シート２５のシート面に対して垂直とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電子部品から発生する熱を放散する技術に関し、特に電子部品などの発熱体と、ヒートシンクやヒートパイプなどの放熱体との接触熱抵抗を低減するために、発熱体と放熱体との間に挟んで用いる放熱シート、かかる放熱シートを備える放熱体、かかる放熱シートの製造方法、及び発熱体から放熱体へ熱を伝える伝熱方法に関する。

近年、電子機器の動作速度の向上が目覚ましく、これに伴いＩＣチップやビデオチップ、通信チップといった、データ処理を大量に行う電子部品から発せられる熱量が増大している。これを放置して部品自体の温度が上昇すると、動作が不安定になり想定した速度で処理をさせることが困難となる。この熱を速やかに放散するために、従来より様々な手法が採られている。

例えば、発熱量がそれほど多くない場合は、発熱体の周囲の大気へ自然と放散させることが行われている。しかし、発熱量が多い場合は、発熱体の周囲の大気を別の動力を用いて攪拌し、常に冷気を供給しながら放熱する、或いは、熱伝達体が発熱体から熱を強制的に吸収し、発熱部から遠い部位へ速やかに拡散させる方法が採られている。後者は、具体的には電子機器の筐体内部の空気をファンモーターで筐体外部へ排出したり、発熱体にヒートシンク、ヒートパイプ、放熱シート等を接触させて発熱体から離れた部位へ伝熱し放散したりする、などの方法が該当する。

特に、ヒートシンクは熱伝導率の高い金属・セラミック材料をフィン状に加工し、放熱表面積を広くした部品、ヒートパイプは熱伝導率の高い金属パイプに水を封入し、発熱体から吸収した熱で水が気化し、低温部に速やかに熱を運ぶ部品であり、放熱効果が高く、発熱量の多い電子機器において放熱体として多用されている。

一般的に、発熱電子部品と放熱体との間の接触熱抵抗を低減するため、サーマルグリースや放熱ゴム、グラファイトシートなどを間に介在させる。例えば、図４に例示するように、電気機器１０においては、発熱体となるＩＣチップ１３と、放熱体として使用するヒートシンク１１の間には、介在材料１２が挟まれて配置され、ＩＣチップ１３で発生した熱を速やかに上方のヒートシンク１１へと伝達して拡散する働きをし、電子機器１０の温度が上昇することを防ぐ構造になっている。

しかし、サーマルグリース、放熱ゴムは、いずれも放熱性の高い窒化アルミニウムなどのフィラーを含有させているが熱伝導率は低く、高い放熱効果は望めなかった。

また、グラファイトシートは、図５に示すような結晶構造を有しており、一般に市販され入手可能な介在材料としては、面方向（炭素６員環が連なるａ−ｂ面方向）の熱伝導率が銅やアルミニウムといった金属よりも高く良好な性質を有している。これを介在材料として用いる方法が開示されている（例えば、特許文献１、２参照）。
特開平８−２３１８３号公報 特開平１１−２４０７０６号公報

しかしながら、グラファイトシートは面方向の熱伝導率に比べて厚み方向（ａ−ｂ面に垂直なｃ軸方向）の熱伝導率が極めて低く、放熱材料との接合に用いても、厚み方向に拡散する熱に対して、高い熱伝導性を発揮し得なかった。

例えば、市販品として容易に入手可能なグラファイトシートは、面方向は８００Ｗ／ｍＫという銅の約２倍の熱伝導率を示すが、厚み方向は５Ｗ／ｍＫ程度の熱伝導率を示す。このため電子機器の熱を面方向に拡散させる上では好適であった。しかし、グラファイトシートを発熱体と放熱体との間に挟んだ場合、発熱体から放熱体へ、つまりグラファイトシートの厚み方向に熱が移動することになる。かかる場合、８００Ｗ／ｍＫという良好な熱伝導率は望めなかった。

現状ではヒートシンクやヒートパイプの熱伝導率に比べて、これらの介在材料の熱伝導率は極めて劣り、熱移動速度を律速している。電子部品の動作速度が今後益々向上することが予想されており、これら介在材料の熱抵抗を下げることは喫緊の課題である。

本発明の第１の特徴は、グラファイトシートが複数枚積層された放熱シートであって、グラファイト結晶のａ−ｂ面が放熱シートのシート面に対して垂直であることにある。

放熱シートのシート面とは、薄い放熱シートの表面及び裏面を意味する。グラファイトシートのシート面は、薄いグラファイトシートの表面及び裏面を意味し、グラファイト結晶のａ−ｂ面に平行である。一方、本発明の放熱シートのシート面は、グラファイト結晶のａ−ｂ面に垂直である。そして、本発明の放熱シートの一方のシート面は、発熱体に接して発熱体から熱を受け取る受熱面として機能し、他方のシート面は、放熱体に接して放熱体へ熱を渡す放熱面として機能する。

グラファイトシート間に他の材料を介在させても良い。グラファイトシート間に介在させることに適当な材料としては、銅、アルミニウムなどの金属、ダイヤモンド、カーボンナノチューブなどの炭素材料、シリコンゴム、クロロプレンゴムなどのゴム、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）などの樹脂、低融点ガラスなどのガラス、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化アルミニウムなどのセラミックス、二酸化珪素（ＳｉＯ₂）、二酸化チタン（ＴｉＯ₂）などの無機薄膜、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）などの半導体薄膜などが挙げられる。

中でも好ましくは接着性を有する材料であり、具体的には、アクリル系接着剤、エポキシ系接着剤、シリコーン系接着剤、ゴム系接着剤、オレフィン系接着剤、ポリエステル系接着剤、ポリアミド系接着剤、ポリサルファイド系接着剤、ポリイソブチレン系接着剤、酢酸ビニル系接着剤、ラテックス系接着剤、ＰＶＡ系接着剤、ＥＶＡ（エチレンビニルアセテート）系接着剤、塩化ビニル系接着剤、フェノール系接着剤、ポリウレタン系接着剤、シアノアクリレート系接着剤、メラミン系接着剤、銀ペーストなどの導電性接着剤、鉛ガラスなどの低融点ガラス、半田などの低融点合金などが挙げられる。これらは単独或いは２種以上を組み合わせて使用することができる。

本発明の第２の特徴は、放熱シートのシート面以外の面が樹脂によって被覆されていることにある。放熱シートのシート面以外の面とは、表面及び裏面以外の側面を意味する。

本発明の第３の特徴は、放熱シートの厚みが１００μｍから１０００μｍであることにある。厚みが１００μｍ未満であると、放熱部材の強度が弱くなりすぎ、破断や亀裂が生じ易くなるため実用に耐えられない。一方、厚みが１０００μｍを超えると、熱伝導距離が長くなりすぎ、伝熱効果が低下するため実用上用いられない。

本発明の第４の特徴は、放熱シートのシート面の少なくとも片面に電気絶縁性膜が成膜されていることにある。

絶縁性膜の材料として、具体的にはＰＥＴなどの樹脂、炭化珪素などのセラミックス、ＳｉＯ₂などのガラスなどが挙げられるが、これらに限定されない。

本発明の第５の特徴は、放熱シートのシート面の少なくとも片面が柔軟性材料によって被覆されていることにある。

柔軟性材料としては、具体的にはゴム、シリコーン、ワックスなどが挙げられるが、これらに限定されない。発熱体の動作温度において柔軟性を持つポリオレフィンなどが好ましい。

本発明の第６の特徴は、放熱シートのシート面の少なくとも片面に粘着性材料が付着されていることにある。粘着性材料として、具体的にはアクリル系接着剤などが挙げられるが、これらに限定されない。

本発明の第７の特徴は、第１乃至第６のいずれかの特徴を有する放熱シートを、発熱体に対向する面に備える放熱体であって、グラファイト結晶のａ−ｂ面が発熱体に対向する面に対して垂直であることにある。

本発明の第８の特徴は、放熱シート製造方法であって、グラファイト結晶のａ−ｂ面に対して平行であるグラファイトシートのシート面に接着剤を塗布する工程と、接着剤が塗布されたグラファイトシートを複数枚積層する工程と、積層されたグラファイトシートの間隔が狭くなる方向に加圧してグラファイトシート積層体を得る工程と、グラファイトシート積層体をグラファイトシートのシート面に対して垂直な方向に切断して放熱シートを得る工程とからなることにある。

本発明の第９の特徴は、第１乃至第６のいずれかの特徴を有する放熱シートを用いて発熱体から放熱体へ熱を伝える伝熱方法であって、発熱体から放熱体へ向かう伝熱方向に対してグラファイト結晶のａ−ｂ面が平行であることにある。

本発明の特徴によれば、高い熱伝導率を示すグラファイト結晶のａ−ｂ面が、発熱体から放熱体へ向かう伝熱方向と一致するため、発熱体から放熱体へ効率良く熱を伝えることができる。

以下に図面に基づいて、本発明を実施するための最良の形態を説明する。なお、以下の説明は、単なる例示に過ぎず、本発明の技術的範囲は以下の説明によって限定されるものではない。

（実施例１）
図１（ａ）に示すように、縦横約５０ｍｍ、厚さ約１００μｍのグラファイトシート２０を用意し、図１（ｂ）に示すように、スキージ２１を用いて、グラファイトシート２０の片面に約１０μｍ厚になるようにエポキシ系接着剤２２を塗布し、図１（ｃ）に示すように、接着剤塗布済グラファイトシート２３を重ね合わせた。そして、接着剤塗布済グラファイトシート２３を５００枚積層し、上下方向から加圧して強固に接着させて、図１（ｄ）に示す厚さ約５５ｍｍのグラファイトシート積層体２４を得た。

そして、グラファイトシート２０に対して垂直に１００μｍ厚に切断して、図１（ｅ）に示す縦５５ｍｍ、横５０ｍｍ、厚さ１００μｍの積層体断面シート２５を得た。

グラファイトシート積層体２４を切断して、積層体断面シート２５を得るためには、半導体産業で一般的な切断方法を用いることができ、ワイヤーソーを用いる方法が好ましい。

図２に示すように、積層体断面シート２５は、厚み方向（図面に垂直な方向）にグラファイトシート２０の断面が露出している。つまり、図２に示すＸ軸方向とグラファイトシート２０のｃ軸方向が一致し、図２に示すＹ軸と図面に垂直なＺ軸（図示せず）を含むＹ−Ｚ面とグラファイトシート２０のａ−ｂ面が一致する。

よって、積層体断面シート２５は、厚み方向（Ｚ軸方向）に熱伝導率が高い放熱シートとして利用することができる。

（実施例２）
図１（ａ）から（ｄ）に示した方法によって得たグラファイトシート積層体２４を、ゲル状の熱硬化型アクリル樹脂に浸漬し、グラファイトシート積層体２４の周囲にアクリル樹脂を付着させ、この付着したアクリル樹脂を加熱することによって、グラファイトシート積層体２４の周囲にアクリル樹脂被膜を形成する。

その後、実施例１と同様に１００μｍ厚に切断して、図３に示す積層体断面シート４１を得る。

積層体断面シート４１は、積層体断面シート２５と同様に熱伝導率が高く、かつ周囲をアクリル樹脂被膜４２に覆われているため、グラファイトシート２０が剥離しにくいため、取扱性の良い放熱シートとして利用することができる。

（実施例３）
実施例１と同様にして得られる１００μｍ厚の積層体断面シート２５の両面にスパッタリング装置を用いて１μｍ厚のＳｉＣ薄膜を成膜する。得られる積層体断面シートは、積層体断面シート２５と同様に熱伝導率が高く、かつ電気絶縁性を有するため、電気的ショートの恐れがある電子部品の放熱に利用することができる。

（実施例４）
実施例１と同様にして得られる１００μｍ厚の積層体断面シート２５の両面に１μｍ厚のシリコーン膜を形成する。得られる積層体断面シートは、積層体断面シート２５と同様に熱伝導率が高く、かつ電気絶縁性を有し、さらに発熱体、放熱体に接触させた際の凹凸追随性が良好である。

（実施例５）
実施例１と同様にして得られる１００μｍ厚の積層体断面シート２５の片面にアクリル系粘着剤を塗布する。得られる積層体断面シートは、積層体断面シート２５と同様に熱伝導率が高く、かつ電気絶縁性を有し、さらに発熱体に簡便に良く密着させることができる。

前記の如く、本実施の形態によれば、高い熱伝導率を示すグラファイト結晶のａ−ｂ面が、発熱体から放熱体へ向かう伝熱方向と一致するため、発熱体から放熱体へ効率良く熱を伝えることができる。

（ａ）はグラファイトシートを示し、（ｂ）は接着剤塗布済みグラファイトシートを示し、（ｃ）は接着剤塗布済みグラファイトシートを積層した状態を示し、（ｄ）はグラファイトシート積層体を示し、（ｅ）は積層体断面シート（放熱シート）を示す図である。 実施例１に係る積層体断面シートのシート面を示す平面図である。 実施例２に係る積層体断面シートのシート面を示す平面図である。 発熱体である電子機器と、グラファイトシートなどの介在材料と、放熱体であるヒートシンクとの位置関係を示す断面図である。 グラファイトの結晶構造を示す図である。

符号の説明

１０ 電子機器
１１ ヒートシンク
１２ 介在材料
１３ ＩＣチップ
１４ 第１の回路基板
１５ 第２の回路基板
２０ グラファイトシート
２１ スキージ
２２ 接着剤
２３ 接着剤塗布済シート
２４ グラファイトシート積層体
２５，４１ 積層体断面シート
４２ アクリル樹脂被膜

Claims (9)

1. グラファイトシートが複数枚積層された放熱シートであって、グラファイト結晶のａ−ｂ面が放熱シートのシート面に対して垂直であることを特徴とする放熱シート。
2. 前記放熱シートの前記シート面以外の面が樹脂によって被覆されていることを特徴とする請求項１に記載の放熱シート。
3. 前記放熱シートの厚みが１００μｍから１０００μｍである請求項１又は２に記載の放熱シート。
4. 前記放熱シートの前記シート面の少なくとも片面に電気絶縁性膜が成膜されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の放熱シート。
5. 前記放熱シートの前記シート面の少なくとも片面が柔軟性材料によって被覆されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の放熱シート。
6. 前記放熱シートの前記シート面の少なくとも片面に粘着性材料が付着されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の放熱シート。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の放熱シートを、発熱体に対向する面に備える放熱体であって、前記ａ−ｂ面が前記発熱体に対向する面に対して垂直であることを特徴とする放熱体。
8. グラファイト結晶のａ−ｂ面に対して平行であるグラファイトシートのシート面に接着剤を塗布する工程と、
   前記接着剤が塗布された前記グラファイトシートを複数枚積層する工程と、
   積層された前記グラファイトシートの間隔が狭くなる方向に加圧してグラファイトシート積層体を得る工程と、
   前記グラファイトシート積層体を前記グラファイトシートのシート面に対して垂直な方向に切断して放熱シートを得る工程とからなる放熱シート製造方法。
9. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の放熱シートを用いて発熱体から放熱体へ熱を伝える伝熱方法であって、前記発熱体から前記放熱体へ向かう伝熱方向に対して前記ａ−ｂ面が平行であることを特徴とする伝熱方法。

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