JP2008135542A - 熱伝導性シート、熱伝導性シートの製造方法、および電子装置 - Google Patents

Abstract

【課題】接触面の熱抵抗の低抵抗値化が達成された熱伝導性シート、その熱伝導性シートの製造方法、およびその熱伝導性シートが適用された電子装置を提供する。
【解決手段】熱伝導性シート１をＩＣチップ１０とヒートシンク１１との間に介在させてＩＣチップ１０の熱をヒートシンク１１に伝えて放熱する。この熱伝導性シート１はシート状に成形された樹脂１００中に分散した第１の熱伝導性フィラー１０１と、シート状に成形された樹脂１００の表裏面のうちの少なくとも一方の面に分散した第２の熱伝導性フィラー１０２とを有する。熱伝導性シートのＩＣチップ１０側の接触面とヒートシンク１１側の接触面との少なくとも一方の面に上記第２の熱伝導性フィラー１０２を分散配置させることで接触面の熱抵抗値を下げる。
【選択図】図１

Description

本発明は、発熱部品と放熱部品との間に介在して発熱部品の熱を放熱部品に伝える熱伝導性シート、その熱伝導性シートの製造方法、およびその熱伝導性シートを備えた電子装置に関する。

近年、ＣＰＵ等の半導体素子については、高集積化に加えて動作時の処理速度の高速化が進み、従来にも増して動作時の発熱量が増える傾向にある。このため、半導体素子が動作時に発生した熱を効率よく外部へ逃さないと、動作中に半導体素子の内部温度が動作温度の限界を超えて焼損してしまう恐れが出てくる。

現状では、半導体素子で発生した熱を放熱フィン等のヒートシンクに伝えて外部へと放熱する手法が取られているが、ヒートシンクを半導体のパッケージに直接に接触させると、ヒートシンクと半導体素子のパッケージとの間の接触面の凹凸によって熱抵抗値が上昇して放熱効果が落ちてしまう。

そこで、半導体素子とヒートシンクとの間に熱伝導性部材を介在させヒートシンクと半導体のパッケージの接触面の凹凸にそれらをなじませることにより熱抵抗値を下げて放熱の効率を上げ半導体素子の内部温度の上昇を抑制している（例えば特許文献１〜特許文献２参照）。

上記特許文献１、２には、半導体素子とヒートシンクとの間に熱伝導性部材を介在させた後加熱および加圧することによってヒートシンクと半導体のパッケージとの接触面の凹凸に熱伝導部材をなじませる技術が提案されている。

しかしながら、双方の技術とも半導体素子とヒートシンクとの間に熱伝導性部材を介在させた後、加圧および加熱処理を施さなけらばならないため、扱い難いという問題がある。
特開２００３−０３７２２８号公報 特開平６−３４９９８７号公報

ところで、熱伝導性材料である熱伝導性フィラーを含んだ樹脂をシート状に成形し成形したシートを発熱部品と放熱部品との間に介在させることもある。このシートを用いると、発熱部品と放熱部品との間にシートを介在させてネジを締め付けて荷重を加えるだけで良いので扱い易いという利点を有している。

しかし、熱伝導性シートを形成する樹脂を、実装荷重により接触面の凹凸になじませたとしてもシート状に成形された樹脂中の熱伝導性フィラーを、接触面のごく近傍の凹凸に有効になじませることができず、接触面ごく近傍の熱抵抗値を下げるには限界がある。

本発明は、接触面の低熱抵抗化が達成された熱伝導性シート、またその熱伝導性シートの製造方法、およびその熱伝導性シートが適用された電子装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の熱伝導性シートは、発熱部品と放熱部品との間に介在して発熱部品の熱を放熱部品に伝える熱伝導性シートにおいて、
シート状に成形された樹脂中に分散した第１の熱伝導性フィラーと、
シート状に成形された上記樹脂の表裏面のうちの少なくとも一方の面に分散した第２の熱伝導性フィラーとを有することを特徴とする。

上記本発明の熱伝導性シートは、シート状に成形された樹脂中以外に、その樹脂の表裏面のうちの少なくとも一方の面に分散した第２の熱伝導性フィラーを有する。このため、発熱部品と放熱部品の接触面の凹凸には樹脂とともにその第２の熱伝導性フィラーが優先的になじむことになる。

このためいままでは樹脂中の上記第１の熱伝導性フィラーをあまりなじませることができなかったところに上記第２の熱伝導性フィラーを分散配置させることができるので、接触面ごく近傍の熱伝導率が上昇し、発熱部品と放熱部品の接触面の熱抵抗値をさらに下げることが可能となる。

ここで上記第２の熱伝導性フィラーは、当該熱伝導性シートの、その第２の熱伝導性フィラーが分散した面が接する発熱部品又は放熱部品の接触面の凹凸による凹部に入り込む粒径を有することが好ましい。

そうすると、当該熱伝導性シートの、その第２の熱伝導性フィラーが分散した面が接する発熱部品又は放熱部品の接触面の凹凸の凹部に第２の熱伝導性フィラーが入り込むことになるので接触面近傍の熱伝導性を上げることができ、低熱抵抗な熱伝導性シートになる。

ここで上記第２の熱伝導性フィラーは、１ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の平均粒径を有することが好ましい。

ここでは、その熱伝導性フィラーの投影面積と同一の投影面積を有する球の径を、その熱伝導性フィラーの粒径とし、平均粒径は、多数の熱伝導性フィラーの粒径の平均値をいう。

上記範囲内の平均粒径であれば発熱部品の表面や放熱部品の表面の細かな凹凸に入り込む様に上記第２の熱伝導性フィラーが位置する。つまり熱伝導性シートが接する発熱部品又は放熱部品の接触面の凹凸の凹部に第２の熱伝導性フィラーを充填することで熱抵抗値を下げることが可能となる。

ここで、上記熱伝導性フィラーは、金属フィラーであっても良く、上記熱伝導性フィラーは、無機フィラーであっても良い。

また、上記第２の熱伝導性フィラーは、上記樹脂への付着を助ける表面処理が施されたものであることが好ましい。

上記第２の熱伝導性フィラーの表面に樹脂への付着を助ける表面処理が施されていると、第２の熱伝導性フィラーが樹脂の表面に確実に定着する。

上記目的を達成する本発明の第１の熱伝導性シートの製造方法は、発熱部品と放熱部品との間に介在して発熱部品の熱を放熱部品に伝える熱伝導性シートの製造方法において、
第１の熱伝導性フィラーが分散した樹脂をシート状に成形し、
シート状に成形した樹脂の表裏面のうちの少なくとも一方の面に、上記第１の熱伝導性フィラーの平均粒径よりも小さい平均粒径を有する第２の熱伝導性フィラーをノズルで吹き付けることを特徴とする。

上記本発明の第１の熱伝導性シートの製造方法によれば、いままでの製造方法でシート状に成形された樹脂に、上記ノズルで上記第２の熱伝導性フィラーを吹き付けるという後処理を追加実施するだけで上記本発明の熱伝導性シートが容易に製造される。さらに、この製造の容易さから、熱伝導性シートの製造コストの上昇を抑制することも可能となる。

また、上記目的を達成する本発明の第２の熱伝導性シートの製造方法は、発熱部品と放熱部品との間に介在して発熱部品の熱を放熱部品に伝える熱伝導性シートの製造方法において、
第１の熱伝導性フィラーが分散した樹脂をシート状に成形し、
シート状に成形した樹脂を、上記第１の熱伝導性フィラーの平均粒径よりも小さい平均粒径を有する第２の熱伝導性フィラーを浮かべた液体にくぐらせることによりその樹脂の表裏面のうちの少なくとも一方の面に第２の熱伝導性フィラーを分散配置させることを特徴とする。

上記本発明の第２の熱伝導性シートの製造方法によれば、いままでの製造方法でシート状に成形された樹脂に、第２の熱伝導性フィラーを浮かべた液体をくぐらせるという後処理を追加実施するだけで本発明の熱伝導性シートが容易に製造される。さらに、この製造の容易さから、熱伝導性シートの製造コストの上昇を抑制することも可能となる。

また、上記目的を達成する本発明の電子装置は、
発熱する電子部品と、上記電子部品の熱を放熱する放熱部品と、上記電子部品と前記放熱部品との間に介在して該電子部品の熱を該放熱部品に伝える熱伝導性シートとを備え、
上記熱伝導性シートが、シート状に成形された樹脂中に分散した第１の熱伝導性フィラーと、シート状に成形された上記樹脂の表裏面のうちの少なくとも一方の面に分散した第２の熱伝導性フィラーとを有することを特徴とする。

上記本発明の電子装置によれば、上記本発明の熱伝導性シートが適用されていままでよりも発熱部品の冷却が効果的に行なわれる電子装置が実現する。また、上記熱伝導性シートの使い易さから組立のし易さが提供され、さらに簡易な製造方法を用いることにより製造コストの上昇が抑制された熱伝導性シートがこの電子装置の内部に組み込まれるため、この電子装置のコストの上昇を抑えることも可能となる。

本発明によれば、接触面の低熱抵抗化が達成される。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明の一実施形態である熱伝導性シートの作用説明図である。

本発明と従来との違いを説明するために、図１の上方には従来の熱伝導性シート５を本発明にいう発熱部品の一例であるＩＣチップ１０と本発明にいう放熱部品の一例であるヒートシンク１１との間に介在させたときに、その熱伝導性シート５の両面側に形成されるＩＣチップ１０との接触面およびヒートシンク１１との接触面の状態が示されており、図１の下方には本発明の熱伝導性シート１をＩＣチップ１０とヒートシンク１１との間に介在させたときに、その熱伝導性シート１の両面側に形成されるＩＣチップ１０との接触面およびヒートシンク１１との接触面の状態が示されている。なお、上記ＩＣチップ１０にはＣＰＵやＤＳＰ等のプロセッサも含まれる。

図１の上方に示す従来の熱伝導性シート５においては、前述した様に熱伝導性フィラー１０１を含んだ樹脂１００をシート状に成形し成形した樹脂１００を、ＩＣチップ部品１０との接触面の凹凸およびヒートシンク１１との接触面の凹凸になじませているため、接触面に熱伝導性の悪い領域Ａ（以降熱伝導性悪エリアＡという）が形成されている。

この熱伝導性悪エリアＡが熱伝導性シート５の両面側に形成されてしまうと、中央に熱伝導性フィラー１０１が多数充填されている熱伝導性の良いエリアがあってもＩＣチップ１０側からヒートシンク１１側へ熱をうまく伝導することができなくなってしまう。つまり熱抵抗値が高くなる。

そこで、本実施形態では、樹脂１００内の第１の熱伝導性フィラー１０１に加えて、樹脂１００の表裏面に第２の熱伝導性フィラー１０２を分散配置させて熱伝導性悪エリアＡの熱伝導率を上げている。

図１の下方に示す本発明の熱伝導性シート１には、シート状に成形された樹脂１００中に分散した第１の熱伝導性フィラー１０１に加えてシート状に成形された樹脂１００の表裏面に分散した第２の熱伝導性フィラー１０２が配置されている。本実施形態では、第２の熱伝導性フィラー１０２の粒径を樹脂１００中の第１の熱伝導性フィラー１０１の粒径よりも小さくし、さらにその粒径を、その第２の熱伝導性フィラー１０２が分散した面が接するチップ部品１０又はヒートシンク１１の接触面の凹凸による凹部に入り込む径にまで小さくしている。具体的には、この第２の熱伝導性フィラー１０２の粒径は１ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の平均粒径を有する。この平均粒径にしておくと熱伝導性シート１とチップ部品１０との接触面やヒートシンク１１の接触面として通常考えられるどのような凹凸にも上記第２の熱伝導性フィラーが入り込んで良くなじむ。

図１の下方には、本発明の熱伝導性シート１をチップ部品１０とヒートシンク１１との間に介在させることによって、熱伝導性シート１の両面側に形成されるヒートシンク１１との接触面およびチップ部品１０との接触面の凹凸に樹脂１００とともに第２の熱伝導性フィラー１０２をなじませることによって図１の上方に示した熱伝導性悪エリアＡを熱伝導性良エリアに改善することができたことが示されている。

図１の下方右側に示す様に、従来の熱伝導性シート２が形成する熱伝導性悪エリアＡの樹脂の充填率が高々５０％であったのに対して、本発明の熱伝導性シート１が用いられるとその熱伝導性悪エリアＡの充填率（樹脂１００＋熱伝導性フィラー１０２の充填率）が９０％以上にまで改善される。その結果、接触面の熱抵抗値が下げられ良好な放熱特性が得られる。

なお、本実施形態に適用される熱伝導性フィラー１０１，１０２は、金、銀、銅、アルミ等の金属フィラーであっても良く、アルミナ、シリカ、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、酸化亜鉛等の無機フィラーであっても良い。また、上記実施形態では、熱伝導性シート１の表裏面に第２の熱伝導性フィラー１０２を分散配置させているが、いずれか一方の面に第２の熱伝導性フィラー１０２を分散配置させても従来の熱伝導性シートと比べ熱伝導率が大きく改善される。

以上説明した様に、接触面の低熱抵抗化が達成された熱伝導性シートが実現する。

ここで、上記熱伝導性シート１の製造方法の一例を説明する。

図２は、本発明の熱伝導性シート１を製造するときの第１の製造方法の説明図である。

図２には、樹脂１００がシート状に成形された後そのシート状に成形された樹脂に施される後処理の工程のみが示されている。

本実施形態では、ノズル２を使って樹脂１００に向けて第２の熱伝導性フィラー１０２を吹き付けて樹脂１００上に定着させる吹付処理を採用している。

図２では、前の工程で第１の熱伝導性フィラー１０１が分散した樹脂１００がシート状に成形された後、そのシート状に成形された樹脂１００の表裏面のうちの少なくとも一面に樹脂内の第１の熱伝導性フィラー１０１（図１参照）よりも小さい平均粒径を有する第２の熱伝導性フィラー１０２をノズル２を使って樹脂１００に向けて吹き付けている。また、ノズル２で樹脂１００に吹き付ける第２の熱伝導性フィラー１０２に前処理としてシラン系カップリング剤やチタネート系カップリング剤などで樹脂１００への付着を助ける表面処理を施しておいて、ノズル２により樹脂１００に向けて第２の熱伝導性フィラー１０２を確実に吹き付け定着させることで第２の熱伝導性フィラー１０２を樹脂１００の表面に均一に分散配置させている。

上記製造方法においては、例えば第１の熱伝導性フィラー１０１を含む樹脂１００の一面をノズル２の方に向けて一定の搬送速度で搬送させておいて、ノズル２から一定の量で樹脂１００の一面に向けて第２の熱伝導性フィラー１０２を吹き付けさせることで第１の熱伝導性フィラー１０１を含む樹脂１００の一面に亘って均一に第２の熱伝導性フィラー１０２を分散配置させ定着させることができるため、樹脂が成形される工程と図２に示す工程とを搬送ラインで繋いで第１の熱伝導性フィラー１０１を含む樹脂を図２に示すノズルのところに搬送しながらノズルを使って樹脂に向けて第２の熱伝導性フィラーを吹き付ける構成にすれば、所定数の熱伝導性シートを容易に製造することができる。

この様にノズルで吹き付けるという簡単な製造方法であるので、樹脂１００の一面に第２熱伝導性フィラー１０２を分散配置させ定着させた後、樹脂１００の表裏面をひっくり返して他方の面に第２の熱伝導性フィラー１０２を分散配置させ定着させることも簡単にできる。

前述の図１の説明では、樹脂１００の表裏面に第２の熱伝導性フィラー１０２を分散配置させた熱伝導性シートをＩＣチップ部品とヒートシンクとの間に介在させることで熱抵抗値を下げることができることを既に説明している。

この図２に示す様に簡単な製造方法で本発明の熱伝導性シートを製造することができ、熱伝導性シートの製造コストの上昇を抑制し熱伝導性シートの低廉化を図ることができる。

以上説明した様に、本発明の熱伝導性シートは、ノズルで第２の熱伝導性フィラーを吹付け第２の熱伝導性フィラーを樹脂の表裏面に定着させるという製造方法で簡単に製造することができ、さらに製造された熱伝導性シートは表裏面に第２の熱伝導性フィラーが分散配置されている分、従来のものに比べて熱抵抗の低抵抗値化を達成することが可能なものになる。また、いままでの熱伝導性シートの製造工程に第２の熱伝導性フィラーを吹き付けるという簡単な工程を付加するだけで済むので熱伝導性シートの製造コストの上昇を抑制し、いままでのコストとほとんど変わらぬ熱伝導性シートを提供することができる。

図３は、第２の製造方法の説明図である。

図３に示す様に、内部に第１の熱伝導性フィラー１０１を含んだ樹脂１００をシート状に成形した後、シート状の樹脂１００を第１の熱伝導性フィラーの平均粒径よりも小さい平均粒径を有する第２の熱伝導性フィラーを浮かべた、浴槽３内の液体にくぐらせることにより樹脂１００の表裏面のうちの少なくとも一方の面に第２の熱伝導性フィラーを分散配置させても良い。

このときにも、一方の面に第２の熱伝導性フィラーを分散配置させた後、樹脂の表裏面をひっくり返して他方の面に第２の熱伝導性フィラーを分散配置させると、表裏面の双方に第２の熱伝導性フィラーを分散配置させることができる。

この図３の第２の製造方法によっても図２で説明した第１の製造方法と同様の効果が得られる。

図４は、第１又は第２の製造方法で製造された熱伝導性シート１を本発明にいう発熱部品の一例に相当するＣＰＵと本発明にいう放熱部品の一例に相当するヒートシンクとの間に介在させた場合の例を示す図である。図４には、本発明の熱伝導性シート１を内部のＣＰＵ４０とヒートシンク４１との間に介在させて放熱を効率的に行なわせているパーソナルコンピュータ４の内部構成が示されている。

図４の左側に示すパーソナルコンピュータ４の内部にはファン４２が配備されており、そのファン４２から放熱部品であるヒートシンク４１に向けて送風が行なわれてＣＰＵ４０が強制空冷法により冷却されていることが示されている。

図４の右側の拡大図に示す様に、ＣＰＵ４０から熱伝導性シート１を伝わってヒートシンク４１に伝達された熱がファン４２からの送風により冷却されることによってＣＰＵ４０が冷却される。このときにはヒートシンク４１とＣＰＵ４０との間の接触面の熱抵抗値が本発明の熱伝導性シート１により下げられているので、いままでよりも単位時間あたりにして多くの熱がヒートシンク４１にまで伝達されファンからの送風によってヒートシンク４１から多量の熱が放熱される。このためＣＰＵ４０の冷却が効果的に行なわれてＣＰＵ４０の確実な動作が保証される。

さらに本発明のパーソナルコンピュータ４の内部に熱伝導性シート１を用いると、ＣＰＵ４０とヒートシンク４１との間に簡単に熱伝導性シート１を組み込むことができるので、組立が容易であるという効果が得られ、その組立の容易さから組立工数が低減され製造コストが低減されるという効果も得られる。

以上説明した様に上記実施形態によれば、接触面の熱抵抗の低抵抗値化が達成された熱伝導性シート、その熱伝導性シートを製造する製造方法であって製造コストの上昇を抑制することができる製造方法、およびその製造方法で製造された低廉な熱伝導性シートが適用された電子装置が実現する。

本発明の一実施形態である熱伝導性シートの作用説明図である。 本発明の熱伝導性シート１を製造するときの第１の製造方法の説明図である。 本発明の熱伝導性シート１を製造するときの第２の製造方法の説明図である。 第１又は第２の製造方法で製造された熱伝導性シート１を本発明にいう発熱部品の一例に相当するＣＰＵと本発明にいう放熱部品の一例に相当するヒートシンクとの間に介在させた場合の例を示す図である。

符号の説明

１ 熱伝導性シート
１００ 樹脂
１０１ 第１の熱伝導性フィラー
１０２ 第２の熱伝導性フィラー
１０ ＩＣチップ（発熱部品）
１１ ヒートシンク（放熱部品）
２ ノズル
３ 浴槽
４ パーソナルコンピュータ
４０ ＣＰＵ
４１ ヒートシンク
４２ ファン

Claims (8)

1. 発熱部品と放熱部品との間に介在して発熱部品の熱を放熱部品に伝える熱伝導性シートにおいて、
   シート状に成形された樹脂中に分散した第１の熱伝導性フィラーと、
   シート状に成形された前記樹脂の表裏面のうちの少なくとも一方の面に分散した第２の熱伝導性フィラーとを有することを特徴とする熱伝導性シート。
2. 前記第２の熱伝導性フィラーは、当該熱伝導性シートの、該第２の熱伝導性フィラーが分散した面が接する発熱部品又は放熱部品の接触面の凹凸による凹部に入り込む粒径を有することを特徴とする請求項１記載の熱伝導性シート。
3. 前記第２の熱伝導性フィラーは、１ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の平均粒径を有することを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の熱伝導性シート。
4. 前記熱伝導性フィラーは、金属フィラー又は無機フィラーであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱伝導性シート。
5. 前記第２の熱伝導性フィラーは、前記樹脂への付着を助ける表面処理が施されたものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱伝導性シート。
6. 発熱部品と放熱部品との間に介在して発熱部品の熱を放熱部品に伝える熱伝導性シートの製造方法において、
   第１の熱伝導性フィラーが分散した樹脂をシート状に成形し、
   シート状に成形した樹脂の表裏面のうちの少なくとも一面に、前記第１の熱伝導性フィラーの粒径よりも小さい粒径を有する第２の熱伝導性フィラーをノズルで吹き付けることを特徴とする熱伝導性シートの製造方法。
7. 発熱部品と放熱部品との間に介在して発熱部品の熱を放熱部品に伝える熱伝導性シートの製造方法において、
   第１の熱伝導性フィラーが分散した樹脂をシート状に成形し、
   シート状に成形した樹脂を、前記第１の熱伝導性フィラーの粒径よりも小さい粒径を有する第２の熱伝導性フィラーを浮かべた液体にくぐらせることにより該樹脂の表裏面のうちの少なくとも一方の面に該第２の熱伝導性フィラーを分散配置させることを特徴とする熱伝導性シートの製造方法。
8. 通電されて発熱する電子部品と、前記電子部品の熱を放熱する放熱部品と、前記電子部品と前記放熱部品との間に介在して該電子部品の熱を該放熱部品に伝える熱伝導性シートとを備え、
   前記熱伝導性シートが、シート状に成形された樹脂中に分散した第１の熱伝導性フィラーと、シート状に成形された前記樹脂の表裏面のうちの少なくとも一方の面に分散した第２の熱伝導性フィラーとを有することを特徴とする電子装置。

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