JP2007538407A - 改良された熱インターフェース材料 - Google Patents

Abstract

２つの平行な平面を有するフレキシブルグラファイトシート物品から形成される熱インターフェース材料（２０）であって、前記熱インターフェースの第１平面は熱源（１００）の外面（１００ａ）と機能的に接触しており、第２平面は冷却モジュールと接触している。グラファイトシートは油を含有する。

Description

本発明は、電子部品のような熱源からの熱の管理を容易にするための熱インターフェース材料に関する。より詳細には、本発明は、電子部品から発生した熱を効果的に放散できる材料に関する。

演算処理速度を高めることができ、高周波数であり、小型でより複雑な電源を必要とし、他の技術上の発展を示す、電子部品及び電気部品内のマイクロプロセッサや集積回路等の装置、ハードドライブ等の高容量で高速応答の記憶部品、デジタル式投影器内や高出力光学装置等の他の装置内の電球等の電磁源を含む、より精密な電子装置が開発されるのに従って、かなり高い温度が発生するようになっている。しかしながら、マイクロプロセッサ、集積回路及び他の高度な電子装置は通常、所定の閾値温度範囲内にあるときにしか効率的に作動しない。これらの部品の作動中に発生する過剰な熱は、これらの部品それ自体の性能を損なうばかりでなく、システム全体の性能及び信頼性を損ない、場合によってはシステムを故障させてしまう。電子システムが作動することを期待される環境条件の範囲（極端な温度を含む）が広がるのに従って、過剰な熱による悪い影響がより悪化している。

マイクロ電子装置からの放熱に対する必要性が増大するのに従って、熱管理が、電子製品の設計のための益々重要な要素となってきている。電子機器の性能上の信頼性及び予想寿命の両方が、機器の部品の温度と逆の関連をなしている。

例えば、代表的なシリコン半導体等の装置の作動温度が低下すると、これに対応して、装置の処理速度、信頼性及び予想寿命が向上する。従って、部品の寿命及び信頼性を最大にするためには、設計者が設定した限度内で装置の作動温度を制御することが極めて重要である。熱管理システムはこの目的を補助するべく設計される。

熱管理システムの１つの要素は、熱インターフェース材料である。熱インターフェース材料の典型的な用途は、コンピュータチップを冷却モジュール（即ち、上述のヒートシンク）に熱的に接続し、ヒートシンク又は冷却モジュールとチップ又は他の熱源との接触抵抗や表面適合性の欠如を克服することである。典型的には、熱インターフェースは熱グリース、相変化材料及びテープからなる。フレキシブルグラファイトは、その低い耐熱性と、とりわけ接続すべき表面のいずれか又は両方が完全に平坦ではない場合にその表面同士を適合させる能力とにより、かかる用途に容易に適用可能である。できる限り耐熱性を低減させることが最も重要であるので、かかる特性は熱管理システムにおいて重要である。

更に、フレキシブルグラファイトからなる熱インターフェース材料の表面積が、熱インターフェース材料が接触する熱源の表面積よりも大きい場合、熱インターフェースは熱スプレッダ又はヒートスプレッダと呼ばれることもある。これは、グラファイト材料の異方性が、グラファイト材料の表面に沿って熱源から熱を拡散させることにより、いわゆるホットスポットを低減すると共に、有効表面積がより大きいヒートシンク及び他の熱放散装置の使用を促進するという事実に起因する。この概念は、米国特許第６，４８２，５２０号（Ｔｚｅｎｇ）に記載されている。

更に、米国特許第６，２４５，４００号（Ｔｚｅｎｇ等）には、低い熱抵抗特性を有する、離型ライナー付きの感圧接着性のフレキシブルグラファイトシート物品が開示されている。フレキシブルグラファイトシートは、フレキシブルグラファイト基材と、その上に接着性プライマーコーティングと、この接着性プライマーコーティング上に感圧接着性のコーティングと、この感圧接着性のコーティングに適用される離型ライナーとを含む。

以下により詳細に論じるように、熱インターフェースで使用するフレキシブルグラファイトを製造するための方法は周知であり、その典型的な実施は、米国特許第３，４０４，０６１号（Ｓｈａｎｅ等）に記載されており、この開示は、引用することにより本明細書の内容の一部とされる。一般に、天然グラファイトフレークは、酸性溶液に物質挿入される。フレークへの物質挿入後、それらを洗浄し、乾燥させ、次いで短時間高温に暴露することによって剥離させる。これにより、フレークは、グラファイトの結晶面に対して垂直な方向に膨張又は剥離する。剥離グラファイトフレークは、その外観が虫状であるため、一般にウォームと呼ばれる。ウォームを圧縮して、理論密度に近い密度を有するシート又は箔を形成してもよいが、約１．１ｇ／ｃｃの密度が大部分の用途に典型的であると考えられる。フレキシブルグラファイトのシートを所望の形体に切断して、特定の用途に適合させることもできる。

グラファイトは、炭素原子の六角形配列又は網目構造の層面から構成されている。これらの六角形に配列された炭素原子の層面は、実質的に平坦であり、かつ実質的に平行で等距離となるように互いの層面が配向又は配列されている。炭素原子からなる実質的に平坦で平行な等距離の、通常グラフェーン層又は基底面と称されるシート又は層は、互いに連結又は結合され、それらの群はクリスタリット形態で配列されている。高度に配列したグラファイトは、相当大きいクリスタリットからなり、そのクリスタリットは、互いに高度に整列もしくは配向し、よく整列した炭素層を有するのが好ましい。換言すれば、高度に配列したグラファイトは、高いクリスタリット配向度を有する。ここで、グラファイトは、異方性構造を有するため、熱伝導率や電気伝導率に高い方向性を有する多数の特性を示すか、又は有している。

簡単に述べると、グラファイトは、炭素の層状構造、即ち、弱いファンデルワールス力により互いに接合した炭素原子の層又は薄層が重なった構造を有することが特徴である。グラファイト構造を考える際、通常、２つの軸（又は方向）、即ち、ｃ軸（又は方向）及びａ軸（又は方向）が特筆される。単純化するために、ｃ軸（又は方向）は、炭素層に垂直な方向と考えることができる。ａ軸（又は方向）は、炭素層に平行な方向、又はｃ軸方向に垂直な方向と考えることができる。フレキシブルグラファイトシート製造に適するグラファイト、典型的には天然グラファイトフレークは、非常に高い配向度を有している。

上記したように、炭素原子からなる平行な層を共に保持している結合力は、弱いファンデルワールス力のみである。天然グラファイトの処理により、炭素の層又は薄層が重なり合った間隔が相当広くなり、層と垂直な方向、即ちｃ軸方向に著しく広がるため、炭素層の重なり特性が実質的に保たれたまま、膨張ないし膨大化したグラファイト構造が形成される。

大きく膨張した、より詳細には、もとのｃ軸方向寸法の約８０倍以上もの最終厚さ（又はｃ軸方向寸法）を有する程度に膨張したグラファイトフレークは、バインダーを使用せずに、例えば、ウエブ、紙、ストリップ、テープ、箔、マット等（一般に「フレキシブルグラファイト」と呼ばれる）の膨張グラファイトの凝集又は一体化したシートに形成される。もとのｃ軸方向寸法の約８０倍以上もの最終厚さ（又はｃ軸寸法）を有する程度にまで膨張したグラファイト粒子は、大容量化した膨張グラファイト粒子間での機械的な絡み合いや凝集力を有するために、バインダー材料を用いなくとも圧縮して一体化したフレキシブルシートに形成することができると考えられる。

膨張グラファイト粒子やグラファイト層が、非常に高圧縮、例えばロールプレス等から生じるシートの対向面に対して実質的に平行に配向しているため、上記のシート材料は、熱伝導率や電気伝導率に関して高い異方性を有することも判明した。このように製造されたシート材料は、優れた可撓性を有し、良好な強度及び非常に高い配向度を有する。

簡単に述べると、フレキシブルでバインダーを必要としない異方性グラファイトシート材料（例えば、ウエブ、紙、ストリップ、テープ、箔、マット等）の製造方法は、もとの粒子寸法の約８０倍以上ものｃ軸方向寸法を有する膨張グラファイト粒子を、バインダーを用いずに所定負荷で圧縮又は圧密化して、実質的に平坦でフレキシブルな一体化したグラファイトシートを形成する工程を含む。その外観が一般的にウォーム様即ち虫状になる膨張グラファイト粒子は、一度圧縮すると圧縮ひずみが残り、対向シート主表面との整列が維持される。シート材料の密度及び厚さは、圧縮の度合いを制御することにより変更できる。シート材料の密度は、約０．０４ｇ／ｃｃ〜約２．０ｇ／ｃｃの範囲とし得る。フレキシブルグラファイトシート材料は、グラファイト粒子がシートの主対向平行表面と平行して整列しているのでかなり高い異方性を示し、シート材料のロールプレスにより異方性の程度が増加して配向も増加する。ロールプレスされた異方性シート材料においては、厚さ、即ち、対向する平行シート表面に垂直な方向はｃ軸方向を含み、長さ及び幅に沿って広がる方向、即ち、対向主表面に沿った又は平行な方向はａ軸方向を含む。また、シートの熱的特性及び電気的特性は、ｃ軸方向とａ軸方向とでは、大きさが何桁も異なる。

本発明の目的は、熱源及び冷却モジュール間の熱伝導を改善することである。

本発明の別の目的は、接触抵抗が低下し、熱放散コンポーネント及び熱源に対する熱伝導率が増大した熱インターフェースを提供することである。

より詳細には、本発明の一実施態様は、フレキシブルグラファイトシート物品を含む熱インターフェース材料であり、前記シート物品は油を含有する。

本発明の別の実施態様は、外面を有する熱源と、油を含有するフレキシブルグラファイトシート物品を含む熱インターフェースであって、熱源の外面と機能的に連通している熱インターフェースと、熱収集表面及び熱放散表面を有する熱放散コンポーネントであって、この熱収集表面が熱インターフェースと機能的に連通している熱放散コンポーネントとを含む熱管理システムである。この実施態様において、熱インターフェースと機能的に接続して熱収集表面を配置することにより、熱減から熱を放散させる。

本発明の別の実施態様は、電子部品を含む熱源と、熱インターフェースと、ヒートシンクとを含む熱管理システムである。この実施態様において、熱源は外面を有し、熱インターフェースは、シート内のグラファイトの結晶構造の平面方向に対して平行な方向に延びる２つの平行な平面を有するフレキシブルグラファイトシート物品を含み、熱インターフェースの第１平面は、熱源の外面と機能的に接触している。更に、グラファイトシートは、少なくとも２重量％の油を含有するのが好ましい。この実施態様において、熱インターフェースの第１平面の平面積は、熱源の外面の面積よりも大きい。最後に、ヒートシンクは、熱収集表面と、少なくとも１つの熱放散表面とを有する。ヒートシンクの熱収集表面は、熱インターフェースの第２平面と機能的に接触している。

本発明の別の実施態様は、熱インターフェース材料を製造するための方法である。この方法は、シート内のグラファイトの結晶構造の平面方向に対して平行な方向に延びる２つの平行な平面を有するフレキシブルグラファイトシート材料を準備すると共に、油を準備する工程と、油とグラファイトシートとを、約２重量％〜約７５重量％の油が熱インターフェース材料に吸収されるまで接触させる工程とを含む。

最後に、本発明の別の実施態様は、本発明の熱インターフェース材料及び熱管理システムの使用を含む、熱源から熱を放散させる方法である。

好ましくは、上述の実施態様において、熱インターフェースは、熱源の外面積よりも大きい平面積を有する異方性フレキシブルグラファイトシートを含む。更に、好ましくは、上述の実施態様において、油は鉱油である。

本発明の他の及び更なる目的、特徴及び利点は、添付の図面と共に以下の開示を読めば、当業者には明らかである。

以下の詳細な説明を参照すると、とりわけ添付の図面を参照して本説明を読むと、本発明をよりよく理解することができ、その利点がより明らかになる。

上述のように、本発明の実施態様は、熱管理システムと共に使用してもよい熱インターフェース材料を提供することである。熱インターフェース材料は、油を含有するフレキシブルグラファイトシート物品である。

グラファイトは、原子が平坦層状に共有結合した面同士が、より弱く結合した結晶形態の炭素である。上記フレキシブルグラファイトシート等の原料を得る際、典型的には、天然グラファイトフレーク等のグラファイト粒子を、例えば、硫酸及び硝酸の溶液からなる挿入物質（インターカラント）で処理することにより、グラファイトの結晶構造が反応してグラファイトとインターカラントとの化合物が形成される。処理したグラファイト粒子を、以下「インターカラントグラファイト粒子」と称する。高温暴露すると、グラファイト内のインターカラントが分解及び揮発して、インターカラントグラファイト粒子が、ｃ軸方向、即ち、グラファイトの結晶面に垂直な方向に、もとの容積の約８０倍以上もの寸法に蛇腹状に膨張する。剥離グラファイト粒子は、外観が虫状であるので、一般的にウォームと称されている。ウォームは、共に圧縮してフレキシブルシートとすることができる。フレキシブルシートは、もとのグラファイトフレークとは異なり、種々の形状に形成及び切断でき、また変形により機械的影響を受けて小さな横軸開口を備えることができる。

本発明で使用するのに好適なフレキシブルシート用のグラファイト出発材料としては、熱に暴露したときに有機酸や無機酸だけでなくハロゲンを挿入して膨張させることが可能な、高度に黒鉛化した炭素質材料等がある。これらの黒鉛化度の高い炭素質材料は、最も好ましくは黒鉛化度が約１．０である。この開示で使用される用語「黒鉛化度」とは、下式による値（ｇ）を意味する：

（式中、ｄ（００２）は、結晶構造における炭素の黒鉛層間の間隔（単位：オングストローム）である）。グラファイト層間の間隔ｄは、標準Ｘ線回折法により測定される。（００２）、（００４）及び（００６）ミラー指数に対応する回折ピークの位置を測定し、標準最小二乗法を用いてこれらのピークの全てについて全誤差を最小にする間隔を導く。黒鉛化度が高い炭素質材料の例として、種々の原料から得られる天然グラファイトだけでなく、他の炭素質材料、例えば、化学蒸着により調製した炭素が挙げられる。天然グラファイトが最も好ましい。

本発明に使用されるフレキシブルシート用のグラファイト出発材料は、出発材料の結晶構造が所要の黒鉛化度を保ち、かつこれらが剥離し得る限り、非炭素成分を含有してもよい。一般的に、結晶構造に必要とされる黒鉛化度を有し、かつ剥離し得るいずれの炭素含有材料も、本発明と共に使用するのに好適である。このようなグラファイトの灰分は、好ましくは２０重量％未満である。より好ましくは、本発明に用いられるグラファイトは、少なくとも約９４％の純度を有する。最も好ましい実施態様では、グラファイトは、少なくとも約９８％の純度を有する。

グラファイトシートを製造するための一般的な方法が、米国特許第３，４０４，０６１号（Ｓｈａｎｅ等）に記載されている。この文献に開示されている内容は、引用することにより本明細書の内容の一部とされる。Ｓｈａｎｅ等の方法の典型的な実施に際して、天然グラファイトフレークを、例えば、硝酸と硫酸の混合物溶液に分散させる、有利には、グラファイトフレーク１００重量部当たりインターカラント溶液を約２０〜約３００重量部（ｐｐｈ）の量で含む溶液に分散させることにより天然グラファイトフレークに物質挿入を行う。インターカレーション溶液は、当該技術分野において既知の酸化剤等のインターカレーション剤を含有する。それらの例として、酸化剤及び酸化性混合物を含有するもの、例えば、硝酸、塩素酸カリウム、クロム酸、過マンガン酸カリウム、クロム酸カリウム、二クロム酸カリウム、過塩素酸等を含有する溶液、又は混合物、例えば、濃硝酸と塩素酸塩の混合物、クロム酸とリン酸の混合物、硫酸と硝酸の混合物、もしくは強有機酸（例えば、トリフルオロ酢酸）とこの有機酸に溶解する強酸化剤との混合物を含有する溶液が挙げられる。別の方法として、電位を使用してグラファイトの酸化を生じさせることができる。電解酸化を用いてグラファイト結晶に導入できる化学種には、硫酸だけでなく他の酸も挙げられる。

好ましい実施態様では、インターカレーション剤は、硫酸又は硫酸及びリン酸と、酸化剤、即ち、硝酸、過塩素酸、クロム酸、過マンガン酸カリウム、過酸化水素、ヨウ素酸若しくは過ヨウ素酸との混合物の溶液等である。あまり好ましくないが、塩化第２鉄等のハロゲン化金属、及び塩化第２鉄と硫酸との混合物、又はハロゲン化物、例えば臭素と硫酸の溶液として、あるいは臭素を有機溶媒に溶解した溶液として臭素を含有できる。

インターカレーション溶液の量は、約２０〜約１５０ｐｐｈの範囲でよく、より典型的には約５０〜約１２０ｐｐｈの範囲でよい。フレークに物質挿入した後、過剰の溶液をフレークから取り除いて、フレークを水洗する。

別の方法として、インターカレーション溶液の量は、約１０〜約５０ｐｐｈに限定してもよい。この量では、米国特許第４，８９５，７１３号に教示及び説明されているように、洗浄工程を省略してもよい。上記文献に開示されている内容も、引用することにより本明細書の内容の一部とされる。

インターカレーション溶液で処理したグラファイトフレークの粒子は、必要に応じて、例えば、２５℃〜１２５℃の範囲の温度で酸化性インターカレーション溶液の表面膜と反応するアルコール類、糖類、アルデヒド類及びエステル類から選択された還元性有機剤と混合して接触させることができる。有機還元剤は、剥離により膨張体積（「ウォーム体積」とも呼ばれる）を増加させ、膨張助剤と呼ばれる。好適な具体的有機剤としては、ヘキサデカノール、オクタデカノール、１−オクタノール、２−オクタノール、デシルアルコール、１，１０−デカンジオール、デシルアルデヒド、１−プロパノール、１，３−プロパンジオール、エチレングリコール、ポリプロピレングリコール、デキストロース、フルクトース、ラクトース、スクロース、ジャガイモデンプン、エチレングリコールモノステアレート、ジエチレングリコールジベンゾエート、プロピレングリコールモノステアレート、グリセロールモノステアレート、ジメチルオキシレート、ジエチルオキシレート、メチルホルメート、エチルホルメート、アスコルビン酸、及びリグニン由来化合物、例えば、リグノ硫酸ナトリウムが挙げられる。有機還元剤の量は、グラファイトフレーク粒子の約０．５〜４重量％であるのが好適である。

インターカレーション溶液、又はインターカレーション前のグラファイトフレークに添加でき、上述の有機還元剤と相乗的に作用する膨張助剤の別のクラスは、カルボン酸類である。このための膨張助剤は、インターカレーション溶液に十分溶解して膨張を改善できるのが有利である。より詳細には、この種の有機材料としては、炭素、水素、及び酸素含有物を用いてもよく、このような有機材料のみを用いることが好ましい。膨張助剤として有用である好適なカルボン酸は、炭素原子が少なくとも１個、好ましくは炭素原子が最大約１５個である、芳香族、脂肪族又はシクロ脂肪族、直鎖又は分岐鎖、飽和及び不飽和のモノカルボン酸類、ジカルボン酸類並びに多カルボン酸類から選択できるが、このカルボン酸は、１つ以上の剥離面で適度な改善をするのに有効な量のインターカレーション溶液に可溶である。好適な有機溶媒を用いて、インターカレーション溶液への有機膨張助剤の溶解度を改善することができる。

飽和脂肪族カルボン酸類の代表例としては、Ｈ（ＣＨ_２）_ｎＣＯＯＨ（式中、ｎは０〜約５の数である）等で表される酸類、例えば、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸、ペンタン酸、ヘキサン酸が挙げられる。硫酸、硝酸及び他の既知の水性インターカラントは、ギ酸を分解して最終的に水と二酸化炭素とすることができる。このため、ギ酸及び他の敏感な膨張助剤を、グラファイトフレークを水性のインターカラントに浸漬する前にグラファイトフレークと接触させるのが有利である。代表的なジカルボン酸として、炭素原子が２〜１２個である脂肪族ジカルボン酸、特にシュウ酸、フマル酸、マロン酸、マレイン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、１，５−ペンタンジカルボン酸、１，６−ヘキサンジカルボン酸、１，１０−デカンジカルボン酸、シクロヘキサン−１，４−ジカルボン酸及び芳香族ジカルボン酸、例えば、フタル酸又はテレフタル酸が挙げられる。代表的なシクロ脂肪族酸として、シクロヘキサンカルボン酸が挙げられ、代表的な芳香族カルボン酸として、安息香酸、ナフトエ酸、アントラニル酸、ｐ−アミノ安息香酸、ｏ−、ｍ−及びｐ−トリル酸、メトキシ及びエトキシ安息香酸、アセトアセタミド安息香酸類及びアセタミド安息香酸類、フェニル酢酸並びにナフトエ酸類が挙げられる。

インターカレーション溶液は水性であり、剥離を高めるのに有効な量として、好ましくはカルボン酸膨張助剤を約０．２％〜約１０％の量で含有する。インターカレーション水溶液に浸漬する前にギ酸をグラファイトフレークと接触させる実施態様では、ギ酸をグラファイトと混合するに際して、典型的には約０．２重量％〜約１０重量％の量のグラファイトフレークと、好適な手段、例えばＶブレンダーにより混合できる。

グラファイトフレークに物質挿入した後及びインターカラントをコーティングしたグラファイトフレークと有機還元剤との混合に続いて、混合物を、２５℃〜１２５℃の範囲の温度に暴露して還元剤とインターカラントコーティングとの反応を促進する。加熱期間は約２０時間以内であり、上記範囲において高温の場合には、加熱時間は更に短くてもよく、例えば、少なくとも約１０分間である。より高温では、３０分間以下の時間、例えば、１０〜２５分間程度でよい。

このように処理したグラファイト粒子は、「インターカラントグラファイトの粒子」と称されることがある。高温、例えば、少なくとも約１６０℃の温度、とりわけ約７００℃〜１０００℃及びそれ以上の温度に暴露すると、インターカラントグラファイトの粒子は、ｃ軸方向、即ち、構成グラファイト粒子の結晶面に垂直な方向に、蛇腹状にもとの体積の約８０〜１０００倍以上にも膨張する。膨張、即ち、剥離したグラファイト粒子は、その外観が虫状であることから、一般的にウォームと称される。ウォームを、共に圧縮成形してフレキシブルシートとすることができる。このフレキシブルシートは、もとのグラファイトフレークとは異なり、以下で説明するように、種々の形状に形成したり切断でき、また変形により機械的影響を受けて小さな横軸開口を備える。

上記のグラファイトフレークに物質挿入する方法、及びその剥離方法は、黒鉛化温度、即ち、約３０００℃以上の温度でグラファイトフレークを前処理したり、滑性添加剤のインターカラントに含有させることにより有利に促進できることがある。

グラファイトフレークの前処理又はアニーリングを行うと、その後グラファイトフレークに物質挿入したり剥離したりする際に、膨張が顕著に高まる（即ち、膨張体積が最大３００％及びそれ以上増加する）。実際には、膨張の増加が、アニーリング工程を含まない同様の処理と比較して、少なくとも約５０％であることが望ましい。アニーリング工程で用いられる温度は、３０００℃よりも顕著に低いことがあってはならない。これは、温度がたとえ１００℃低くても実質的に膨張が減少するからである。

本発明においては、インターカレーション及びそれに続く剥離によって、フレークの膨張度合いが高くなるのに十分な時間にわたってアニーリングを行う。典型的には、所要時間は、１時間以上、好ましくは１〜３時間必要であり、不活性環境下で行うのが最も有利である。最良の結果を得るには、アニーリングを行ったグラファイトフレークを、当該技術分野において既知の他の工程、即ち、有機還元剤や有機酸等のインターカレーション助剤の存在下で物質挿入を行ったり、物質挿入に続いて界面活性剤により洗浄を行ったりして膨張度を高める。更に、最良の結果を得るには、物質挿入工程を反復してもよい。

本発明のアニーリング工程は、黒鉛化の分野で既知であり、かつ認識されている誘導炉あるいは他の同様な装置において実施してもよい。本発明で用いる温度について、３０００℃の範囲の温度は、黒鉛化工程で用いられる最も高い温度である。

インターカレーションアニーリングの前工程を施したグラファイトを用いて製造したウォームが「塊」となってしまい、面積重量の均一性に悪影響を及ぼすことがあることが観察される。そのため、「自由流動」ウォームを形成するのに役立つような添加剤を用いることが非常に望ましい。滑性添加剤をインターカレーション溶液に添加することにより、圧縮装置の床（例えば、グラファイトウォームをフレキシブルグラファイトシートに圧縮（又は「カレンダー加工」）するのに従来から使用されているカレンダーステーションの床）全体にウォームがより均一に分布しやすくなる。従って、得られたシートは、出発グラファイト粒子が従来用いられている粒子より小さいとしても、面積重量の均一性が増し、引張り強度がより大きくなる。滑性添加剤は、好ましくは長鎖炭化水素である。たとえ他の官能基が存在しても、長鎖炭化水素基を有する他の有機化合物を用いることもできる。

滑性添加剤は、より好ましくは油であり、鉱油が最も好ましい。これはとりわけ、鉱油が油やけや不快な匂いを生じにくい（長期間保存するのに重要な考慮事項であり得る）からである。ここで、上記で詳述した膨張助剤の中には、滑性添加剤の定義を満たすものもある。これらの材料を膨張助剤として使用するとき、インターカラントに別個の滑性添加剤を含有させる必要がない場合もある。

滑性添加剤は、少なくとも約１．４ｐｐｈ、より好ましくは少なくとも約１．８ｐｐｈの量でインターカラント中に存在する。滑性添加剤の含有量の上限は、下限値ほど重要ではないものの、約４ｐｐｈを超える量で滑性添加剤を包含しても顕著なさらなる利点が得られないようである。

このように処理したグラファイト粒子は、「インターカラントグラファイトの粒子」と称されることがある。高温、例えば、少なくとも約１６０℃の温度、とりわけ約７００℃〜１０００℃及びそれ以上の温度に暴露すると、インターカラントグラファイトの粒子は、ｃ軸方向、即ち、構成グラファイト粒子の結晶面に垂直な方向に、蛇腹状にもとの体積の約８０〜１０００倍以上にも膨張する。膨張、即ち、剥離したグラファイト粒子は、その外観が虫状であることから、一般的にウォームと称される。ウォームを、共に圧縮成形してフレキシブルシートとすることができる。このフレキシブルシートは、もとのグラファイトフレークとは異なり、以下で説明するように、種々の形状に形成したり切断でき、また変形により機械的影響を受けて小さな横軸開口を備える。

別の方法として、本発明のフレキシブルグラファイトシートは、新たに膨張させたウォームではなく再粉砕したフレキシブルグラファイトシートの粒子を利用してもよい。シートは、新たに形成したシート材料、リサイクルしたシート材料、スクラップシート材料又は他の好適な原料であってもよい。

また、本発明の方法においては、未使用材料とリサイクル材料との混合物を使用してもよい。

リサイクル材料の原料は、上記のように圧縮成形したシートやそのシート切れ端部分、又は、例えば、前カレンダー加工ロールで圧縮したシートであってよい。更に、原料は、樹脂を含浸させた未硬化のシートやそのシートの切れ端部分、又は樹脂含浸して硬化させたシートやそのシートの切れ端部分でもよい。また、原料は、フローフィールドプレート又は電極等のリサイクルしたフレキシブルグラファイトＰＥＭ燃料電池成分であってもよい。グラファイトの種々の原料を各々そのまま使用してもよいし、天然グラファイトフレークと混合して用いてもよい。

フレキシブルグラファイトシートの原料が得られたら、次いで、ジェットミル、エアーミル、ブレンダー等の既知の方法又は装置により粉砕して粒子を生成することができる。粒子の大部分が２０ＵＳメッシュを通過するような直径を有することが好ましい。粒子の大部分（約２０％を超え、最も好ましくは約５０％を超える）が８０ＵＳメッシュを通過しないような直径を有するものであることがより好ましい。粒子は、粒度が約２０メッシュを超えないものであることが最も望ましい。

粉砕粒子のサイズは、グラファイト物品の機械加工性及び成形性と、所望の熱特性とがバランスするように選択すればよい。従って、粒子が小さいほど、グラファイト物品の機械加工及び／又は成形がより容易となり、一方、粒子が大きいほど、グラファイト物品の異方性が大きくなり、従って、面内の電気伝導率及び熱伝導率がより大きくなる。

原料に樹脂を含浸させた場合、その後、粒子から樹脂を除去するのが好ましい。樹脂の除去についての詳細は、以下で更に説明する。

原料を粉砕し、全ての樹脂を除去したら、次にそれを再膨張させる。上記の物質挿入及び剥離方法、並びに米国特許第３，４０４，０６１号（Ｓｈａｎｅ等）や米国特許第４，８９５，７１３号（Ｇｒｅｉｎｋｅ等）に記載されている物質挿入及び剥離方法を用いることにより、再膨張させてもよい。

典型的には、物質挿入の後、炉においてインターカラント粒子を加熱することにより粒子を剥離する。この剥離工程中、天然のインターカラントグラファイトフレークを、リサイクルしたインターカラント粒子に添加してもよい。再膨張工程中、粒子を膨張させて比容積が少なくとも約１００ｃｃ／ｇで最大約３５０ｃｃ／ｇ以上の範囲とすることが好ましい。最終的に、再膨張工程の後、以下で説明するように、再膨張させた粒子を圧縮してフレキシブルシートとすることができる。

フレキシブルグラファイトシート及び箔は、密着していて取扱い強度が良好であり、好適には、例えばロールプレスにより厚さ約０．０７５〜３．７５ｍｍで一般的密度１立方センチメートル当たり約０．１〜１．５グラム（ｇ／ｃｃ）まで圧縮される。米国特許第５，９０２，７６２号（引用することにより本明細書の内容の一部とされる）に記載されているように、約１．５〜３０重量％のセラミック添加剤をインターカラントグラファイトフレークと混合し、フレキシブルグラファイトの最終製品における樹脂含浸率を高めることができる。添加剤としては、長さが約０．１５〜１．５ミリメートルのセラミック繊維粒子が挙げられる。粒子の幅は、約０．０４〜０．００４ｍｍであるのが好適である。セラミック繊維粒子はグラファイトに対して非反応性かつ非接着性であり、最大約１１００℃、好ましくは約１４００℃以上の温度で安定である。好適なセラミック繊維粒子は、細断した石英ガラス繊維、炭素とグラファイトの繊維、ジルコニア、窒化ホウ素、炭化ケイ素とマグネシアの繊維、天然の鉱物繊維、例えばメタケイ酸カルシウム繊維、ケイ酸カルシウムアルミニウム繊維、酸化アルミニウム繊維等から形成される。

ここで、図面に注目すると、本発明に従って調製した熱管理システムが示されており、一般に参照番号１０で示されている。なお、明確にするため、全図面においては、システム１０のコンポーネント及び要素を全て示している及び／又は指示しているわけではない。また、本説明で使用する際、用語「上方」、「下方」、「頂部」、「底部」等は、図３及び図４に示す方向をなす場合の熱管理システム１０について言及したものである。しかしながら、当業者は、熱管理システム１０が使用中いかなる特定の方向をも採用できることを理解するであろう。

熱管理システム１０は、熱源から、より特定的には電子部品１００からの熱の放散を促進するための使用を意図している。電子部品１００は、放散されなければ、電子部品１００又は電子部品１００が１つの要素であるシステムの動作を妨害するのに十分な熱を生成するあらゆる電子装置又はコンポーネントを含み得る。電子部品１００としては、マイクロプロセッサ又はコンピュータチップ、集積回路、レーザー若しくは電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）のような光学装置のための電子制御装置、若しくはそのコンポーネント、又は他の同様の電子要素とを含み得る。電子部品１００は少なくとも１つの表面１００ａ（「外面」と呼ばれる）を包含し、この表面１００ａは、そこから熱が放射されると共に、電子部品１００から放散されるべき熱の供給源として使用することができる。

ここで、図１、図２及び図３を参照すると、本発明の熱管理システム１０は、熱インターフェース２０を包含する。熱インターフェース２０の主要な機能は、望ましくない程大量の圧力を印加する必要なく、電子部品１００の外面１００ａと十分に機能的な接続を形成することである。熱管理システム１０の他の構成要素の性質に応じて、熱インターフェース２０の第２の機能は、電子部品１００の表面１００ａの有効表面積を増加させ、電子部品１００からの熱放散を促進することであり得る。従って、熱インターフェース２０は熱スプレッダ又はヒートスプレッダとして作用する。

上述のように、電子部品の性能及び寿命については、効果的な熱伝達（即ち低耐熱性）が重要である。そのため、熱インターフェース２０は、フレキシブルグラファイトシートを含むのが好ましい。フレキシブルグラファイトシートとは、圧縮剥離グラファイト、特に天然グラファイトのシートを意味する。あるいは、フレキシブルグラファイトシートは、高重合体フィルムの熱分解により製造可能である。上述のように、グラファイトは、原子が平坦層状に共有結合した面同士が、より弱く結合した結晶形態の炭素である。天然グラファイトフレーク等のグラファイト粒子を、例えば、硫酸及び硝酸の溶液からなる挿入物質（インターカラント）で処理することにより、グラファイトの結晶構造が反応してグラファイトとインターカラントとの化合物が形成される。処理したグラファイト粒子を、以下「インターカラントグラファイト粒子」と称する。高温暴露すると、インターカラントグラファイト粒子が、ｃ軸方向、即ち、グラファイトの結晶面に垂直な方向に、もとの容積の約８０倍以上もの寸法に蛇腹状に膨張する。剥離グラファイト粒子は、外観が虫状であり、従って、一般的にウォームと称されている。ウォームは、共に圧縮してフレキシブルシートとすることができる。フレキシブルシートは、もとのグラファイトフレークとは異なり、種々の形状に形成及び切断できる。

上述のようにフレキシブルグラファイトシートを調製したら、次いで熱インターフェース２０を形成するサイズに切断することができる。用途に応じて、所望の寸法を有する一連のフレキシブルグラファイトシートを共に積層し、アクリル接着剤等の感圧性接着剤を使用してサンドイッチ構造を形成し、熱インターフェース２０を形成することができるが、（介在する接着剤を）適用される層が増えるにつれ、所望の熱特性が低下することが認識される。故に、熱インターフェース２０は、単一のフレキシブルグラファイトシートを含むのが好ましい。

特許請求の範囲に記載される発明の熱インターフェースを構成するフレキシブルグラファイトシートの厚さは、好ましくは約０．５ｍｍ〜約１．０ｍｍ、より好ましくは約０．１ｍｍ〜約０．５ｍｍである。本発明に従って使用されてもよいフレキシブルグラファイトシートの一例は、オハイオ州レイクウッド（Ｌａｋｅｗｏｏｄ，ＯＨ）にあるアドバンスト・エナジー・テクノロジー社（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｅｎｅｒｇｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｃ．）からｅＧｒａｆ(R)という商標名で入手可能である。別の好適なグラファイトシートは、日本にある松下電子部品株式会社（Ｍａｔｓｕｓｈｉｔａ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ Ｃｏｍｐａｎｙ Ｌｔｄ．）、セラミック部門からパナソニック（Ｐａｎａｓｏｎｉｃ）ＰＧＳ(R)という商標名で入手可能なもの等の熱分解グラファイトシートである。

本発明の熱インターフェース２０を使用する利点は、その適合性にある。電子部品１００の外面１００ａは、一般に金属若しくはセラミック材料、又は他の同様の材料から形成されているので、外面１００ａの表面は、（裸眼で見たり、触ったりして平滑であるように思えたとしても）完全に平滑ではなく、表面の変形及び凸凹、又は「山及び谷」で覆われている。これにより、（熱インターフェースとヒートシンク及び／又は熱源との表面間で断熱材として作用する）空隙が形成される。

これらの変形があるために、これもまた表面に変形を有する金属（例えば銅）又は他のタイプのヒートシンク（例えば、グラファイトヒートシンク）との強固な熱的接続を、大きな圧力を印加して熱的接続を形成せずに達成することは困難である。

過去において、ヒートシンクと熱源との金属間接続には、毎平方インチあたり５０ポンド（ｐｓｉ）を超える程の圧力を必要とする場合も多かった。かかる圧力は電子部品１００を損傷する可能性がある。

この問題に対処すべく、本発明の熱インターフェースを用いてもよい。本発明の熱インターフェースは、油を含有するフレキシブルグラファイトシートを含む。この油／グラファイトシートの組み合わせは、適合性を向上させ、以って耐熱性を低下させる。理論に拘束されるわけではないが、油の代わりに、各部品が連通するところに存在する空気を利用することもできる。更に、油により、グラファイトシートはより「柔軟」になると共に、熱源／冷却モジュールの表面の変形や凸凹に対してより適合するようになる。

本発明で使用する油としては、鉱油、植物性油、動物性油、精油、食用油、シリコーン油のような合成油、及びこれらの組み合わせ等の広範な物質が挙げられる。本発明で使用する鉱油としては、例えば、パラフィン系鉱油、ナフテン系鉱油、中間生成物をベースとする（ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ−ｂａｓｅｄ）鉱油が挙げられる。本発明で使用する鉱油は、典型的には石油ベースであり、脂肪族、芳香族及び混合系油が挙げられる。本発明で使用する鉱油の具体例としては、中性油、中比重（ｍｅｄｉｕｍ−ｇｒａｖｉｔｙ）中性油、重（ｈｅａｖｙ）中性油、ブライトストック、及びエンジンオイル等の一般的な潤滑油、並びに精製パラフィン油等の薬用油が挙げられる。本発明と共に使用する植物性油は、主に種又は種実から得られ、ナタネ油、キャノーラ油、大豆油、トウモロコシ油、綿実油、亜麻仁油、オリーブ油、桐油、落花生油、ミードーフォーム（ｍｅａｄｏｗｆｏａｍ）油、ヒマワリ油、大豆油、紅花油、ホホバ油、パーム油、キャスター油、椰子油が挙げられる。植物系油は、例えば、遺伝子組み換え植物から得られるか、又は水洗、精製、エステル化、加水分解等により変性することができる。本発明と共に使用する動物性油としては、魚油、魚肝油、オレイン酸が挙げられる。本発明と共に使用する精油としては、花、茎及び葉、並びに多くの場合には植物全体から得られる液体が挙げられる。これらの油としては、典型的に化粧品で使用する油が挙げられる。更に、伝統的な食用油も、本発明と共に使用してもよい。これらの油は、果実又は種及び植物から得られる。最も一般的であるのは、トウモロコシ、椰子、大豆、オリーブ、綿実及び紅花である。これらの油の飽和度は様々である。最後に、合成油も、本発明と共に使用してもよい。合成油は、エステル型油、ポリアルファオレフィンオリゴマー又はアルキル化ベンゼンである。

本発明で使用する油に対する主要要件としては、室温では液体コンシステンシーを有するが故に油がグラファイトシートに吸収され得ること、及びグラファイトシートの孔に存在する空気よりも高い熱伝導率を有することが挙げられる。最も広義には、本発明で使用する油は、空気よりも高い熱伝導率を有すると共にグラファイトシートが吸収できるあらゆる液体であってもよい。

好ましくは、本発明と共に使用する油の粘度は、３７．８℃で約１センチポワズ〜約４００センチポワズ（ｃｐｓ）であり、より好ましくは約２ｃｐｓ〜約２００ｃｐｓ、及び最も好ましくは約１０ｃｐｓ〜約５０ｃｐｓである。

好ましくは、油は、約２重量％〜約７５重量％、より好ましくは約１０重量％〜約５５重量％、及び最も好ましくは約１５重量％〜約４０重量％の量でグラファイトシートに存在する。好ましい実施態様では、グラファイトシートの孔を実質的に油で満たす程度まで油を添加する。換言すると、孔に存在する空気の代わりに、グラファイトシートに吸収された油を使用する。故に、グラファイトシートに存在する油の重量％は、孔隙量が異なる様々なグラファイトシートや重量が異なる様々な油に応じて変化し得る。

好ましくは、噴霧、ディッピング、浸漬又は他の好適な技法を用いてグラファイトシートに油を適用してもよい。シートの表面が油を吸収するので、好ましくは「油っぽい」触感又は手触りを示さない表面が得られる。

本発明の熱インターフェース２０は電子部品１００の外面１００ａの表面トポグラフィーに対して、並びにヒートシンクに対してより適合性であるので、電子部品１００と、表面に変形を有するヒートシンクとの間により良好な熱的結合を達成することができる。

幾つかの方法により、本発明の熱インターフェース２０を電子部品１００の外面１００ａに接着させるか、取り付けることができる。例えば、熱により活性化される感圧性接着剤の薄層を使用して、熱インターフェース２０を電子部品１００に取り付けることができる。あるいは、ヒートシンクを使用する時、熱インターフェース２０をヒートシンクと電子部品１００との間に「挟む」ことができる。当業者は、熱インターフェース２０を電子部品１００に接着させる、又は取り付けるための同様に効果的な他の方法も認識するであろう。

ここで図４を参照すると、本発明の熱管理システム１０はまた、熱収集表面３０ａと、少なくとも１つの熱放散表面３２とを提供するように成形されたヒートシンク３０物品を含むのが好ましい。ヒートシンク３０の熱収集表面３０ａが、熱源、即ち電子部品１００の外面１００ａと機能的に接続している時、ヒートシンク３０の少なくとも１つの熱放散表面３２を介して外面１００ａから熱が放散される。

本明細書中で使用する時、熱放散表面とは、外面１００ａから（存在する場合には熱インターフェース２０を介して）ヒートシンク３０へと伝達された熱がそこから環境中に放散されるヒートシンク３０の領域を指す。最も一般的には、ヒートシンク３０の少なくとも１つの熱放散表面３２とは、空気又は別の冷媒流体がファン（図示せず）の作用等によりヒートシンク３０を横断する、ヒートシンク３０の表面である。ヒートシンク３０から冷媒流体への熱伝達を最大にするべく、ヒートシンク３０の少なくとも１つの熱放散表面３２は、可能な限り大きい表面積を有するように設計及び／又は成形されるべきである。

例えば、及び図４に例証されるように、ヒートシンク３０の少なくとも１つの熱放散表面３２はフィン３２ａを含み、このフィン３２ａは、熱収集表面３０ａに対向するヒートシンク３０の表面に形成され、それにより熱が熱収集表面３０ａからフィン３２ａへと移動し、ここでフィン３２ａを横断する空気又は別の冷媒がフィン３２ａから熱を吸収し、以ってその熱を運び去る（拡大解釈すれば、電子部品１００から運び去る）ことができる。フィン３２ａの数、サイズ及び形状は、冷媒流体と表面積とがバランスするように、専門家により選択可能である。例えば、フィン３２ａの数が多い（その各々が薄くなり、フィン間の間隙が狭くなる）と、表面積は増大するが、冷媒流体と干渉することがある。同様に、フィン３２ａの数が少なくなり、サイズが大きくなる（フィン間の間隙が大きくなる）と、熱伝達効率は高くなるが、表面積は小さくなる。

以下の例は、本発明を更に例証するために提示するものであり、本発明をいかようにも制限することを意図するものではない。

インターカラント天然グラファイトフレークを剥離することによって製造した熱インターフェース材料を圧縮し、圧延して厚さ０．２５４ｍｍにする。この材料の熱特性を接触圧力１６ｐｓｉにて測定する。熱接触抵抗は１．０９ｃｍ^２°Ｋ／Ｗであり、熱伝導率は５．２Ｗ／ｍ°Ｋである。次いで、熱インターフェース材料を軽油で均一にコートし、油をインターフェース材料に染み込ませる。シートによる油の吸収重量は５０重量％である。この材料の熱接触抵抗は０．７９ｃｍ^２°Ｋ／Ｗまで低下し（２８％の改良）、熱伝導率は６．１３Ｗ／ｍ°Ｋまで増加する（１８％の改良）。

本出願に記載される全ての引用特許及び刊行物は、引用することにより本明細書の内容の一部とされる。

このように本発明を説明してきたが、本発明は多様な方法で変更可能であることは明らかである。かかる変更を、本発明の精神及び範囲を逸脱するものとしてみなすべきではなく、当業者にとって明らかな変形はいずれも、特許請求の範囲内に含まれることが意図される。

本発明に従った熱インターフェース材料を利用する熱管理システムの１つの実施態様の頂部斜視図であり、仮想線で熱源を示している。 図１の熱管理システムの底部斜視図である。 図１の熱管理システムの側部平面図である。 本発明に従った熱管理システムの別の実施態様の頂部斜視図である。

Claims (14)

1. 熱インターフェース材料であって、
   油を含有するフレキシブルグラファイトシート物品を含む熱インターフェース材料。
2. 前記油が、鉱油、植物性油、合成油、精油、食用油、動物性油、及びこれらの混合物である、請求項１に記載の熱インターフェース材料。
3. 前記油が鉱油である、請求項１に記載の熱インターフェース材料。
4. 前記油が、前記フレキシブルグラファイトシート物品の２重量％〜７５重量％の量で存在する、請求項１に記載の熱インターフェース材料。
5. 前記油が、前記フレキシブルグラファイトシート物品の約１０重量％〜約５５重量％の量で存在する、請求項１に記載の熱インターフェース材料。
6. 前記鉱油が、前記フレキシブルグラファイトシート物品の約２重量％〜約７５重量％の量で存在する、請求項３に記載の熱インターフェース材料。
7. 前記フレキシブルグラファイトシートの厚さが、約０．０５ｍｍ〜約１．０ｍｍである、請求項１に記載の熱インターフェース材料。
8. 前記油の粘度が、約１ｃｐｓ〜約４００ｃｐｓである、請求項１に記載の熱インターフェース材料。
9. 前記フレキシブルグラファイトシートが異方性である、請求項１に記載の熱インターフェース材料。
10. 熱インターフェース材料を製造するための方法であって、
    （ａ）フレキシブルグラファイトシート材料を準備すると共に、油を準備する工程と、
    （ｂ）前記油と前記グラファイトシートとを、約２重量％〜約７５重量％の前記油が前記熱インターフェース材料に吸収されるまで接触させる工程とを含む方法。
11. 前記油が、鉱油、植物性油、合成油、精油、食用油、動物性油、及びこれらの混合物である、請求項１０に記載の方法。
12. 前記油が鉱油である、請求項１０に記載の方法。
13. 請求項１０に記載の方法に従い製造される熱インターフェース材料。
14. 請求項１２に記載の方法に従い製造される熱インターフェース材料。

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