JP2008502815A - 高い熱伝導性被覆を有する織物 - Google Patents

Abstract

本発明は高い熱伝導性材料（６）で織物を表面被覆することにより織物の熱伝導性を促進する。前記織物が個々の繊維またはストランド（４）、ストランドの束、成形織物またはその組合せである場合に、織物を表面被覆できる。本発明で使用される繊維マトリックスの具体的な形はガラスである。一部の織物は２個以上の種類の材料の組合せであってもよく、または交互の層で異なる材料を有してもよい。本発明のＨＴＣ被覆はダイアモンド状被覆（ＤＬＣ）および金属酸化物、窒化物、炭化物およびホストマトリックスに塗装できる混合した化学量および非化学量の組合せを含む。

Description

関係する出願の引用
本願は、２００４年６月１５日、Ｓｍｉｔｈ等により出願した米国出願６０／５８００２３により優先権を主張し、この内容は引用により本発明に含まれる。本願は更にＳｍｉｔｈ等による、米国特許明細書、Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ Ｐａｐｅｒ ｗｉｔｈ Ｈｉｇｈ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ Ｍａｔｅｒｉａｌｓに関し、この内容は引用により本発明に含まれる。

発明の分野
本発明は高い熱伝導性表面被覆を塗装することによる織物の熱伝導性の増加に関する。

発明の背景
任意の形の電気機器の使用とともに、電気的絶縁導体が必要である。大きさを連続的に減少し、すべての電気的および電子装置を効率よくする動きとともに、よりよい、より緻密な絶縁体および絶縁装置を見出すことが必要である。

良好な電気的絶縁体はその性質により良好な断熱体になりがちであるが、これは好ましくない。断熱特性は、特に空気冷却した電気装置および部品に関して、部品および全体として装置の有効性および耐久性を減少する。電気絶縁性が最大で、断熱性が最小である電気的絶縁装置を製造することが要求される。

多くの要因が電気的絶縁の形式に影響するが、この分野は絶縁体の他の所望の物理的特性を低下せずに、熱を伝達する能力から多くの利益が得られる。通常の材料より高い熱伝導性を有するが、構造の完全さを含む電気的絶縁性および他の性能要因を有しない改良された電気的絶縁材料が必要である。

電気的絶縁性はしばしば種々の層を有するテープの形で生じる。紙層の界面に結合した織物層がこれらのテープのタイプに共通するが、両方の層は樹脂で含浸される傾向がある。紙層は高い電気的絶縁性である材料、例えば雲母からなる。増加した誘電強度絶縁テープの製造での改良は米国特許第６１９０７７５号に記載される。テープでの使用と関係するまたは関係しない織物の熱伝導性を改良できる場合に、電気的装置は顕著な改良をもたらす。

予め印刷した回路板産業で織物を付加的に使用する。回路板裏材料は樹脂が含浸され、引き続き積層されるシートの形の織物である。電子部品は熱により不利な影響を受けるので、回路板裏材料の熱伝導性のわずかな改良が効率を高める。技術水準では他の問題が存在するが、その一部は更に説明するうちに明らかになるであろう。

発明の要約
前記のことを考慮して、本発明による方法および装置は、高い熱伝導性材料で織物を表面被覆することにより特に織物の熱伝導性を促進する。織物が個々の繊維、またはストランド、ストランドの束、成形された織物またはその組合せである場合に、織物を表面被覆することができる。

本発明で使用される繊維マトリックスの１つの具体的なタイプはガラスである。他のタイプの繊維はプロピレンポリマーおよびオレフィンポリマーを含む。一部の織物は２個以上の種類の材料の組合せであってもよく、または交互の層で異なる材料を有してよい。本発明の高い熱伝導性（ＨＴＣ）被覆はダイアモンド類似被覆（ＤＬＣ）および金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、およびホストマトリックスに塗装できる化学量および非化学量の混合した組合せを含む。

本発明によるこれらおよび他の課題、構成および利点は、表面に配置された高い熱伝導性を有する繊維マトリックスを有する高い熱伝導性を有する織物により提供された特別な構成である。高い熱伝導性被覆は１個以上のダイアモンド類似被覆、金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、一部の非金属酸化物、窒化物および炭化物からなる。これらの例はＡｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、ＭｇＯ_２、ＺｎＯ、ＢＮ、Ｓ_３Ｎ_４、ＳｉＣおよびＳｉＯ_２を含む。高い熱伝導性被覆は混合した化学量および非化学量の組合せを有し、被覆を有する織物が５０〜５００Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する。

他の構成において、本発明は雲母層およびガラス織物層を有する電気的絶縁テープを提供する。ガラス織物層はガラスマトリックスに配置された高い熱伝導性被覆を有するガラスマトリックスを有し、高い熱伝導性被覆は混合した化学量および非化学量の組合せを有する。ガラス織物の全体的熱伝導率は５０〜５００Ｗ／ｍＫである。

ＨＴＣ（高い熱伝導性）層は厚さ５０〜１００ｎｍのダイアモンド類似被覆であってもよい。他の種類のＨＴＣ被覆は金属酸化物、金属窒化物、および金属炭化物を含む。特別な構成において、ガラス織物の全体的熱伝導率は２００〜５００Ｗ／ｍＫである。

他の構成において、本発明は、高い熱伝導性被覆を有するガラス織物を形成する方法を提供し、前記方法は、織物以前のガラス繊維を高い熱伝導性被覆層で表面被覆し、引き続きガラス繊維をガラス織物に成形することからなる。ＨＴＣ層は少なくとも１つのダイアモンド類似被覆、金属酸化物、およびその組合せからなり、ガラス織物は５０〜５００Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する。

他の方法において、本発明は、織物以前のガラス繊維をガラス織物に形成し、引き続きガラス織物を高い熱伝導性被覆層で被覆することからなる高い熱伝導性を有するガラス織物の形成法を提供する。ＨＴＣ層は少なくとも１つのダイアモンド類似被覆、金属酸化物、およびその組合せからなり、ガラス織物は５０〜５００Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する。

本発明の他の構成が存在するが、更に説明していくと明らかになるであろう。

図面の簡単な説明
本発明を以下の図面に示された実施例により詳細に説明する。

図１は炭素界面を有するダイアモンド類似被覆で被覆された繊維を示す。

図２は凝結前および後の、重なって被覆された２つの繊維を示す。

発明の詳細な説明
本発明は繊維マトリックス上のダイアモンド類似被覆（ＤＬＣ）のような高い熱伝導性被覆（ＨＴＣ）を提供する。繊維マトリックスの語は一般に繊維からなる織物に関する。議論されたように、本発明は、繊維マトリックスが最初の織物以前の繊維、完成した織物、中間段階の織物、およびその組合せである場合に、繊維マトリックスに塗装できる。繊維マトリックスはプリント回路板の裏材料、または絶縁テープの高い引張り強さの層のような多くの産業に使用される。

しかし繊維マトリックスを使用する電気的装置は熱を発生し、この熱はマトリックスにより断熱され、装置から排出される。蓄積された熱は多くの装置の作業効率を低下し、かなり低い作業温度を有する断熱材料によりその構成が制限される。従って引張り強さを維持または増加して繊維マトリックスの熱伝導性を高めることが有利である。

ＨＴＣ被覆の添加により、繊維マトリックスは高い速度でフォノンを案内する。熱伝導性において、フォノンの移動が増加し、構造部品の長いスケールを保証することにより減少したフォノンの散乱は熱の移動に原因するフォノン分散より短いかまたは等しい。本発明の織物は５０〜５００Ｗ／ｍＫの有効熱伝導率を有する。

本発明で使用される繊維マトリックスの具体的な形はガラスである。他の形の繊維はポリイミド（Ｋｅｖｌａｒ）、ポリアミド（ナイロン）、ポリエチレンテレフタレート（Ｄａｃｒｏｎ）または他のポリマーミクロ繊維、ポリプロピレンポリマーおよびオレフィンポリマーを含む。一部の織物は２種以上の材料の組合せであってもよく、または交互の層で異なる材料を有してもよい。

本発明を構成する多くのＨＴＣ被覆、例えばダイアモンド類似被覆（ＤＬＣ）および種々の酸化物、窒化物、炭化物、およびホストマトリックスに塗装できる混合した化学量および非化学量の組合せが存在する。酸化物、窒化物および炭化物の例はＡｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、ＭｇＯ_２、ＺｎＯ、ＢＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＣおよびＳｉＯ_２を含む。他のＨＴＣ被覆は当業者に明らかであり、技術が継続して進歩する限りで付加的な種類のＨＴＣ被覆も開発される。

本発明の具体的な適用は絶縁テープに使用されるガラス織物の表面被覆である。絶縁テープは典型的に２層、高い引張り強さのガラス織物層および弱いが、電気的絶縁性の高い雲母層からなる。２つの層は一緒に結合され、樹脂が含浸される。ガラスと雲母層が結合する前に被覆の最大浸透が生じるにもかかわらず、ガラスは雲母層に結合する前または後に被覆することができる。熱伝導性を更に高めるために、ガラス織物は、樹脂を含浸することができる。樹脂はそれ自体、ＨＴＣ材料、例えばナノ充填剤およびＤＬＣを有するナノ充填剤が挿入されてもよい。

回路板は主にガラス繊維強化エポキシまたはポリイミド積層体からなる。ガラス繊維は均一なマトリックスであってもよく、またはセラミックのような他の材料に埋め込まれていてもよい。ガラス繊維は個々に被覆されていてもよいが、回路板部品は表面に取り付けるので、ＨＴＣ材料の表面被覆は一部の構成には十分である。

ガラス織物にＤＬＣを添加するために、化学蒸着および物理蒸着を使用することができ、その際低分子炭化水素、例えばメタン、エタンおよび水素を有する他の炭化水素を含有する非平衡無線周波数またはマイクロ波励起真空または気圧プラズマの内部でＤＬＣが形成される。ガス混合物条件およびプラズマ運転条件を調節することにより、ラマン分光分析およびＸ線光電子分光分析を使用して測定できるｓｐ２およびｓｐ３電子軌道結合状態のバランスを変化することにより調節できるＤＬＣの混成化状態を変更することにより、ＤＬＣの熱伝導性を調節することができる。真空プラズマ蒸着の場合に、バッチ処理が達成され、気圧プラズマ蒸着の場合に連続的処理を使用できる。

繊維を織物に形成する前に、後で、または多工程で、表面被覆を繊維マトリックスに添加することができる。種々の種類の表面被覆を織物形成の多くの段階で塗装することができ、多くの表面被覆を個々の工程で塗装できる。例えば軽いＤＬＣを密でないガラス繊維に塗装し、繊維を部分的にのみ被覆する。これらの繊維は更に織物に成形され、再びＤＬＣを生じ、ガラス繊維の完全な被覆を生じる。議論されたように、個々の繊維の被覆が有利であるにもかかわらず、マトリックスが成形織物に存在する場合はマトリックスの被覆はより容易に実施できる。

繊維上のＤＬＣの厚さは塗装に応じて変動できる。しかし大部分の構成は２０〜２００ｎｍの厚さを使用し、特にマトリックスの平均表面上の被覆の厚さは５０〜１００ｎｍである。化学蒸着法は本質的に露出表面の厚い被覆を堆積し、露出表面に近いマトリックスの体積を堆積する。これは通常の技術により調節できる。

ガラスのような繊維を織物に成形する場合に、繊維が破壊しないように、繊維が互いに適当に滑るように維持するために、繊維をまず澱粉で被覆する。本発明は種々の構成により異なる澱粉被覆を使用する。例えばＤＬＣを個々の繊維に入れる場合は、澱粉被覆を完全に省くことができる。ＤＬＣは繊維を織物に成形するために適当な集合状態に保持するように作用する。または澱粉被覆をＤＬＣ被覆繊維に更に添加できるが、より少ない量である。シランを含む他の種類の被覆が存在し、澱粉はこの変形に含まれる。

図１はＤＬＣ６が塗装された澱粉被覆から得られた炭素界面５を有する繊維４の例を示す（説明のために拡大した）。図２は２つの繊維を部分的に第１ＤＬＣ６で被覆した後に重ねて、更に繊維４が重なった後に第２ＤＬＣ８を塗装した、重なる２つの繊維４を示す。すべての種類の塗装において、ＤＬＣおよび他の種類のＨＴＣ被覆中の間隙１０は被覆法の塗装の程度に依存して予想できる。しかし被覆中の間隙１０の減少が有利であるが、１００％よりわずかに少ない適用範囲は熱伝導性および他の特徴に著しく影響してはならない。

他の構成において、ＤＬＣまたは他の種類のＨＴＣ被覆を添加する前に繊維上に澱粉被覆が存在する。これらの構成においてＨＴＣ被覆を澱粉と交換することができる。しかし一部の構成において、澱粉被覆をまず非晶質炭素層と呼ばれる他の炭素系に変換し、マトリックスとＨＴＣ被覆の間の中間層として作用する。この層はＨＴＣ被覆の付着を改良し、ＨＴＣ被覆とマトリックスの歪みを減少する。歪み条件はプラズマ反応条件により調節できる。

複合体の主な機械的特性を高めるために、ガラス織物および繊維が多くの塗装に使用される。ガラス織物またはガラス繊維の熱伝導率を高めるために前記方法を使用することによりガラス層または繊維のような導入される複合材料の熱伝導率を高めることができる。繊維マトリックスの物理的特性はＤＬＣおよび他の種類の表面被覆により高めることもできる。例えば表面被覆の特性によりガラス繊維の引張り強さを増加することができる。従ってより厚い、表面被覆されない類似物に類似する物理的特性を有するより薄い織物を製造できる。織物の減少した厚さは表面被覆自体の熱伝導性を高めるほかに、それ自体熱伝導性に貢献する。

ダイアモン類似炭素被覆（ＤＬＣ）は高い硬度、低い摩擦、化学的不活性を有し、電気的絶縁のための高い電気抵抗（約１０^１３オームｃｍ）と高い熱伝導性（１０００Ｗ／ｍＫより大きい）を組み合わせることができる。プラズマ補助化学蒸着（ＰＡＣＶＤ）、物理蒸着（ＰＶＤ）およびイオンビーム蒸着（ＩＢＤ）のようなＤＬＣを製造するいくつかの方法が存在する。一般にＤＬＣは１ミクロンより小さい厚さを有し、ｓｐ２およびｓｐ３混成結合を生じる非晶質炭素および炭化水素からなる。処理パラメーター、例えばガスの比、プラズマエネルギーおよびＤＣ電圧を変動することにより結合比を変動することができ、特性の変化を生じる。例えばラマン分光分析を使用して結合比を直接測定できる。

比較的大きい面積をかなり速く被覆できる。例えばＰＡＣＶＤ低圧非平衡法を使用することにより約１平方フィートの面積のガラス布表面に数分で２０〜１００ｎｍの被覆を塗装できる。例えば被覆中の応力を減少するために、被覆パラメーターを調節または最適にするために、他の被覆を有する露出した基板にＤＬＣを塗装できる。繊維の間の孔は、含浸した樹脂の良好な結合に有利である。

１つの構成において、本発明は表面に配置された高い熱伝導性被覆を有する繊維マトリックスを有する高い熱伝導性を有する織物を提供する。高い熱伝導性被覆はダイアモンド類似被覆、金属酸化物、金属窒化物、および金属炭化物の１種以上を有する。高い熱伝導性被覆は混合した化学量および非化学量の組み合わせを有し、前記被覆を有する織物は５０〜５００Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する。

関係する構成において、繊維マトリックスはガラス繊維である。これは絶縁テープ内部の層に成形できるが、回路板のような他の適用にも使用できる。これらおよび他の適用において、織物を樹脂で含浸することができ、この樹脂が更に熱伝導性に貢献する。他の種類の繊維マトリックスはポリマーミクロ繊維、プロピレンポリマーおよびオレフィンポリマーを含む。

１つの構成において、高い熱伝導性被覆を化学蒸着により、他の構成では物理蒸着により繊維マトリックス上に配置する。高い熱伝導性被覆は繊維マトリックス上で５０〜１００ｎｍの平均厚さを有する。

他の構成において、本発明は雲母層およびガラス織物層を有する電気的絶縁テープを提供する。ガラス織物層はガラスマトリックスを有し、ガラスマトリックス上に配置された高い熱伝導性被覆を有し、高い熱伝導性被覆は混合した化学量および非化学量の組み合わせを有する。ガラス織物の全体的熱伝導率は５０〜５００Ｗ／ｍＫである。

ＨＴＣ層は厚さ５０〜１００ｎｍのダイアモンド類似被覆であってもよい。他の種類のＨＴＣ被覆は金属酸化物、金属窒化物および金属炭化物を含む。特別な構成において、ガラス織物の全体的熱伝導率は２００〜５００Ｗ／ｍＫである。

他の構成において、本発明は、織物以前のガラス繊維を高い熱伝導性被覆層で表面被覆し、引き続きガラス繊維をガラス織物に成形することからなる高い熱伝導性被覆を有するガラス織物を形成する方法を提供する。ＨＴＣ層はダイアモンド類似被覆、金属酸化物およびその組み合わせの１種以上を有し。ガラス織物は５０〜５００Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する。

１つの特別な方法において、織物以前のガラス繊維を表面被覆の前に澱粉化合物で散布する。澱粉化合物はＨＴＣ層とガラス繊維の間に非晶質炭素中間層を形成する。しかし代わりの構成においては、表面被覆工程で高い熱伝導性被覆層の代わりに澱粉化合物を使用する。

他の方法において、本発明は、織物以前のガラス繊維をガラス織物に成形し、引き続きガラス織物を高い熱伝導性被覆層で被覆することからなる高い熱伝導性を有するガラス織物を形成する方法を提供する。ＨＴＣ層はダイアモンド類似被覆、金属酸化物およびその組み合わせの少なくとも１種を有し、ガラス織物は５０〜５００Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する。

本発明を主に電気製造工業での使用について議論したが、本発明は同様に他の分野に適用できる。熱の移動を増加することが必要な工業は同様に本発明から利益を受ける。本発明の他の焦点は、部品の高めた密度を増加する要求が局部的および大きい面積での熱効率を除去する必要に到達する所での、電力の伝達、パワーエレクトロニクス、プリント回路板、従来の電子部品、および集積回路を含む。

本発明の具体的構成を詳細に説明したが、この詳細の多くの変形および変更が開示内容の全体的思想を考慮して展開できることは当業者に認識される。従って開示された装置は本発明の範囲を例示するものであり、限定するものでなく、添付した請求の範囲およびすべてのその相当物の完全な幅が与えられるべきである。

炭素界面を有するダイアモンド類似被覆で被覆された繊維の図である。 凝結前および後の、重なって被覆された２つの繊維を示す図である。

符号の説明

４ 繊維、 ５ 炭素界面、 ６ ＤＬＣ、 ８ ＤＬＣ、 １０ 間隙

Claims (20)

1. 高い熱伝導性を有する織物であり、前記織物が、前記織物に織り込まれた繊維マトリックス、前記繊維マトリックス上に配置された高い熱伝導性被覆を有する、高い熱伝導性を有する織物において、前記高い熱伝導性被覆がダイアモンド類似被覆、金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物の少なくとも１種を有し、または前記高い熱伝導性被覆が混合した化学量および非化学量の組合せを有し、前記織物が５０〜５００Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有することを特徴とする、高い熱伝導性を有する織物。
2. 前記繊維マトリックスがガラス繊維である請求項１記載の織物。
3. 前記織物が更に絶縁テープに成形される請求項１記載の織物。
4. 前記織物が更に回路板に成形される請求項１記載の織物。
5. 前記繊維マトリックスがポリイミド、ポリアミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリマーミクロ繊維、プロピレンポリマー、およびオレフィンポリマーの少なくとも１種である請求項１記載の織物。
6. 前記高い熱伝導性被覆が化学蒸着および物理蒸着の少なくとも１つにより前記繊維マトリックスに配置される請求項１記載の織物。
7. 前記織物に樹脂が含浸されている請求項１記載の織物。
8. 前記高い熱伝導性被覆が前記繊維マトリックス上に５０〜１００ｎｍの平均厚さを有する請求項１記載の織物。
9. 前記高い熱伝導性被覆がＡｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、ＭｇＯ_２、ＺｎＯ、ＢＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４，ＳｉＣおよびＳｉＯ_２の少なくとも１種を有する請求項１記載の織物。
10. 少なくとも１種の雲母層、および少なくとも１種のガラス織物層を有する電気的絶縁テープにおいて、前記ガラス織物層がガラスマトリックスに配置された高い熱伝導性被覆を有するガラスマトリックスを有し、前記高い熱伝導性被覆が混合した化学量および非化学量の組合せを有し、前記ガラス織物層が５０〜５００Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有することを特徴とする、電気的絶縁テープ。
11. 前記高い熱伝導性被覆がダイアモンド類似被覆である請求項１０記載の電気的絶縁テープ。
12. 前記ダイアモンド類似被覆が前記繊維マトリックス上に５０〜１００ｎｍの平均深さを有する請求項１１記載の電気的絶縁テープ。
13. 前記高い熱伝導性被覆が金属酸化物、金属窒化物および金属炭化物の少なくとも１種である請求項１０記載の電気的絶縁テープ。
14. 前記高い熱伝導性被覆がＡｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、ＭｇＯ_２、ＺｎＯ、ＢＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＣおよびＳｉＯ_２の少なくとも１種を有する請求項１３記載の電気的絶縁テープ。
15. 前記ガラス織物層が２００〜５００Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する請求項１０記載の電気的絶縁テープ。
16. 織物以前のガラス繊維を高い熱伝導性被覆層で表面被覆し、
    前記ガラス繊維を前記ガラス織物に成形することからなる、高い熱伝導性被覆を有するガラス織物を形成する方法において、前記高い熱伝導性（ＨＴＣ）層がダイアモンド類似被覆、金属酸化物およびその組合せの少なくとも１種を有し、前記ガラス織物が５０〜５００Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有することを特徴とする、高い熱伝導性被覆を有するガラス織物を形成する方法。
17. 前記織物以前のガラス繊維に、表面被覆の前に澱粉化合物を散布する請求項１６記載の方法。
18. 前記澱粉化合物が前記ＨＴＣ層と前記ガラス繊維の間に非晶質炭素中間層を形成する請求項１７記載の方法。
19. 表面被覆工程で前記高い熱伝導性被覆層の代わりに前記澱粉化合物を使用する請求項１７記載の方法。
20. 高い熱伝導性被覆を有するガラス織物を形成する方法であり、織物以前のガラス繊維をガラス織物に成形し、前記ガラス織物を、高い熱伝導性被覆層で被覆することからなる、高い熱伝導性被覆を有するガラス織物を形成する方法において、前記高い熱伝導性（ＨＴＣ）層がダイアモンド類似被覆、金属酸化物およびその組合せの少なくとも１種を有し、前記ガラス織物が５０〜５００Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有することを特徴とする、高い熱伝導性被覆を有するガラス織物を形成する方法。

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