JP2011082423A - 熱伝導性シート - Google Patents

Abstract

【課題】柔軟性に起因した熱伝導性能を発揮することができ、さらに取扱い性に優れる技術の提供。
【解決手段】形状保持部１３が本体部１２の外縁部分に備えられるため、本体部１２を柔軟かつ薄肉に形成しても、形状保持部１３が本体部１２の性質にほとんど影響を与えることなく、本体部１２の柔軟性に起因した密着力及び低熱抵抗を発揮することができる。さらに形状保持部１３が本体部１２を伸び変形し難くしているため、シート全体の剛性を高めることができ、取扱い易い熱伝導性シート１１を実現することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、発熱する電子部品に固着し、その電子部品の放熱や冷却という熱対策部材として用いられる熱伝導性シートに関する。

電子機器に実装されるＩＣやＣＰＵなどは使用中（実行中）に発熱する電子部品であって、このような発熱体の電子部品を冷却するために、電子機器の内部にはヒートシンクやヒートパイプなどの放熱体が装備されている。そして発熱体から放熱体へ熱を効率よく伝えるために、発熱体と放熱体との間には熱伝導性シートが介装されている。この熱伝導性シートの利用により、発熱体と放熱体との間の伝熱面積が増大し、発熱体の熱を放熱体へ効率良く逃がすことができる。

熱伝導性シートは、発熱体や放熱体などの被着体に対する追従性や密着性を高めて熱を伝え易くしている。このため熱伝導性シートには柔軟性が要求されるが、柔軟性が高くなると粘着性も高くなってしまう。そして粘着性が高まると、熱伝導性シートどうしが粘着したり、被着体への取付作業が困難になることがある。また、熱伝導性シートは肉厚を薄くすれば熱伝導性を高めることができるが、薄肉にすると破れ易くなって取扱いがし難くなってしまう。

上記のような問題の対策として、例えば、特開平０２−１９６４５３号公報（特許文献１）には、柔らかく変形し易い第１のシリコーン樹脂層（ゲル層）と、取扱いに必要な強度を有する第２のシリコーン樹脂層（ゴム層）と、を積層した熱伝導性シート複合体が開示されている。また、特開平１０−１８３１１０号公報（特許文献２）には、熱伝導性充填材を配合したシリコーンゲル層と、ゴム状の薄膜補強層と、を積層した熱伝導性シリコーンゲル成形シートが開示されている。このような熱伝導性シートによれば、シートの厚み方向にはゲル層で柔らかく、シートの面方向にはゴム層で強度があり、熱を伝え易くて実装作業時の取扱い性が良いというメリットが得られる。

特開平０２−１９６４５３号公報 特開平１０−１８３１１０号公報

ところで、特許文献１、特許文献２に開示される熱伝導性シートは、被着体への装着作業を容易にすことができるが、少なくとも片面にゴム層を積層しているため、少なくとも一方の被着体にゴム層が接触することになり、ゲル層の柔軟性に起因した密着力及びそれによって生じる低熱抵抗という熱伝導性能を最大限に発揮できなくなるという問題がある。

以上のような従来技術を背景としてなされたのが本発明である。すなわち、本発明の目的は、柔軟性に起因した熱伝導性能を発揮することができ、さらに取扱い性に優れる技術を提供することにある。

上記目的を達成すべく本発明は以下のように構成される。
すなわち、発熱体と放熱体との間に介装される熱伝導性シートであって、高分子基材中に熱伝導性充填材が分散するシート状の本体部と、該本体部の厚さ方向に沿う側面に固着し、本体部を伸び変形し難くする形状保持部と、を備える熱伝導性シートを提供する。

本発明では、高分子基材中に熱伝導性充填材が分散するシート状の本体部の側面に、本体部を伸び変形し難くする形状保持部を固着している。即ち、形状保持部は本体部の外縁部分に備えられている。このため本体部を柔軟かつ薄肉に形成しても、形状保持部が本体部の性質にほとんど影響を与えることなく、本体部の柔軟性に起因した密着力及びそれによって生じる低熱抵抗という熱伝導性能を発揮することができる。そして、本体部を柔軟かつ薄肉に形成しても形状保持部が本体部を伸び変形し難くすることができるため、シート全体の剛性を高めることができ、取扱い易い熱伝導性シートを実現することができる。
なお、形状保持部の性質については熱伝導性を有する必要はないが、熱伝導性を有すれば熱伝導性シートの伝熱効率を高めることができる。

形状保持部を、本体部の硬度より高い硬度の高分子基材で形成することができる。本体部の硬度より高い硬度の形状保持部は、本体部より剛性が大きく変形し難い。よってこのようにすれば、シートの外縁側からシートの剛性を高めることができる。

形状保持部を本体部の側面で周方向に連続する枠形状に形成することができる。このようにすれば、本体部の外縁を形状保持部で囲むことができ、シートの剛性をさらに高めることができる。よって取扱い易い熱伝導性シートを実現することができる。

形状保持部を本体部の側面で周方向に断続的に形成することができる。つまり、本体部における側面の全面に連続する形状保持部を形成したものと異なり、側面に断続的に形状保持部を形成することができる。このようにすれば、シートを圧縮した際に、形状保持部を形成していない本体部の側面部分が外方へ膨出し易くなるため、連続する形状保持部を形成したシートと比べて本体部を潰れ易くすることができ、シートの圧縮荷重を小さくすることができる。

本体部を平面視で矩形状に形成し、形状保持部をその矩形状の対辺に備えることができる。平面視で矩形状の本体部における一方の対辺にのみ形状保持部を備える場合は、シートを圧縮した際に他方の対辺が外方へ膨出し易くなるため、シートの圧縮荷重を小さくすることができる。また、平面視で矩形状の本体部における両方の対辺に形状保持部を備える場合は、本体部の外縁を形状保持部で囲んでいるため、シートの剛性を高めることができ、取扱い易い熱伝導性シートを実現することができる。

本体部の面方向に沿う本体部の表面と、本体部の面方向に沿う形状保持部の端面と、が面一であるものとすることができる。このようにすれば、シート面上での本体部と形状保持部との段差を無くすことができ、発熱体や放熱体などの被着体に対して密着し易くすることができる。よって熱抵抗の小さい熱伝導性シートを実現することができる。

本体部の面方向に沿う２つのシート面のうち少なくとも一方がスライスカット面でなるものとすることができる。スライスカット面は金型成形におけるキャビティとの接触面と異なり、面際や面上に熱伝導性充填材が分散しているため、金型接触面と比べて熱伝導性を高めることができる。よって２つのシート面のうち少なくとも一方をスライスカット面とすれば、高熱伝導性の熱伝導性シートを実現することができる。

本発明の熱伝導性シートによれば、形状保持部が本体部の外縁部分に備えられているため、本体部を柔軟かつ薄肉に形成しても、形状保持部が本体部の性質にほとんど影響を与えることなく、本体部の柔軟性に起因した密着力及びそれによって生じる低熱抵抗という熱伝導性能を発揮することができる。そして、形状保持部が本体部を伸び変形し難くするため、シート全体の剛性を高めることができ、取扱い易い熱伝導性シートを実現することができる。

実施形態の熱伝導性シートを示す平面図。 図１のＳＡ−ＳＡ線断面図。 実施形態の熱伝導性シートにおける変形例１を示す平面図。 実施形態の熱伝導性シートにおける変形例２を示す平面図。 実施形態の熱伝導性シートにおける変形例３を示す平面図。 実施形態の熱伝導性シートにおける変形例４を示す図２相当断面図。 実施形態の熱伝導性シートにおける変形例５を示す図２相当断面図。 実施形態の熱伝導性シートにおける変形例６を示す図２相当断面図。 実施形態の熱伝導性シートにおける変形例７を示す図２相当断面図。

本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、各実施形態で共通する構成については、同一の符号を付して重複説明を省略する。また、共通する材質、作用、効果についても同様に省略する。

実施形態〔図１，図２〕：
本実施形態の熱伝導性シート１１を図１，図２に示す。図１は熱伝導性シート１１の平面図であり、図２は熱伝導性シート１１のＳＡ−ＳＡ線断面図である。本実施形態の熱伝導性シート１１は、本体部１２と形状保持部１３とを備えている。

本体部１２は熱伝導性シート１１の主部となる部位であり、高分子基材中に熱伝導性充填材が分散する矩形シート形状に形成されている。この本体部１２はＩＣやＣＰＵなどの発熱体やヒートシンクやヒートパイプなどの放熱体などの被着体と良好な密着性を有する。
さらに本体部１２は柔軟であり、ＪＩＳ Ｋ ６２５３で規定されるタイプＥ硬度（以下、単に「Ｅ硬度」という。）が、６０以下であることが好ましい。Ｅ硬度が６０を超えると本体部１２が硬く、被着体との密着性が低下し、使用時に圧縮装着が難しくなり、熱抵抗が低下し難くなってしまう。Ｅ硬度６０以下であって、特に高分子基材のＥ硬度が０に近似するような、低硬度ゲル状、粘土質状、ペースト状のものは、被着体との密着性が高まり、熱伝導性能を高めることができる。さらに装着時に圧縮されて熱伝導性を高めることができる。なお、Ｅ硬度が０に近似するものについて、別の指標を用いて表すと、ＪＩＳ Ｋ ２２２０に従って１／４円錐を用いて測定される不混和ちょう度が１〜１００のものを用いることができる。
このような本体部１２の厚さは、０．０５ｍｍ〜５．０ｍｍが好ましく、より好ましくは０．０５ｍｍ〜２．０ｍｍである。本体部１２の厚さが０．０５ｍｍ未満であると、本体部１２をシート状に成形することが困難になるため、生産性が低下し製造コストの上昇を招くおそれがある。本体部１２の厚さが５．０ｍｍを超えると、シートの厚さ方向の熱抵抗が高くなるため、所望の熱伝導性を得られないおそれがある。さらに本体部１２における伝熱方向の単位面積当たりの質量が増加するため、材料コストの増大による製造コストの上昇を招いたり、熱伝導性シート１１を装着した電子機器の重量が増大するおそれがある。上述したように、本体部１２の厚さを０．０５ｍｍ〜５．０ｍｍに設定することにより、熱伝導性シート１１の熱抵抗値を所望の値まで低下させることができる。

形状保持部１３は柔軟な本体部１２を伸び変形し難くする部位である。この形状保持部１３は高分子基材中に熱伝導性充填材が分散するもので、本体部１２の厚さ方向に沿う側面１２ａに対して周方向に連続する枠形状に形成され、その本体部１２の側面１２ａに固着している。形状保持部１３は本体部１２より硬く、Ｅ硬度では６０を超えることが好ましい。タイプＡ硬度で換言すれば、４０を超える硬さである。
なお、本実施形態では形状保持部１３も熱伝導性を有するが、略熱伝導性を有しないものとすることもできる。

熱伝導性シート１１における各部位の材質について説明する。
本体部１２は高分子基材に熱伝導性充填材が分散する部材であるため、高分子基材と熱伝導性充填材の材質について説明する。
高分子基材は、熱伝導性充填材を保有でき、柔軟性や密着性の高いものが使用できる。例えば、熱可塑性高分子材料、反応硬化性高分子材料が挙げられる。特に密着性の観点から、熱可塑性エラストマー、ゴム材料、ゲル材料などが好ましい。具体的には、天然ゴム、ブタジエンゴム、イソプレンゴム、スチレン−ブタジエン共重合ゴム、ニトリルゴム、水添ニトリルゴム、クロロプレンゴム、エチレン−プロピレン共重合ゴム、塩素化ポリエチレンゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム、ブチルゴム、ハロゲン化ブチルゴム、フッ素ゴム、ウレタンゴム、シリコーンゴム、ポリイソブチレンゴム、及びアクリルゴム、スチレン系熱可塑性エラストマー、オレフィン系熱可塑性エラストマー、ポリエステル系熱可塑性エラストマー、ポリウレタン系熱可塑性エラストマーなどが挙げられる。これら具体例の内の一種のみを単独で用いることもできるし、二種以上を組み合わせて用いることもできる。
なお、反応硬化性高分子材料でなる高分子基材には、高分子材料となる主剤や硬化剤の他に、生産性、耐候性、耐熱性を高める目的として、可塑剤、補強材、着色剤、耐熱向上剤、カップリング剤、難燃剤、粘着剤、触媒、硬化遅延剤、劣化防止剤などを適量配合することができる。

熱伝導性充填材は、本体部１２の熱伝導率を高めて熱伝導性シート１１の熱伝導性を高めるものである。例えば、金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、金属水酸化物などの絶縁性粉末が挙げられる。具体的には、酸化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化亜鉛、炭化ケイ素、石英、水酸化アルミニウムなどが挙げられる。さらに、炭素繊維、ダイヤモンド、黒鉛、アルミニウムなどの導電性粉末も挙げられる。これら具体例の内の一種のみを単独で用いることもできるし、二種以上を組み合わせて用いることもできる。

形状保持部１３は本体部１２の高分子基材より剛性のあるものが使用できる。例えば、本体部１２の硬度より高い硬度の高分子基材、樹脂フィルム、金属薄板、織布、不織布などが挙げられる。

熱伝導性シート１１の製造方法について２例説明する。
第１の方法としては、金型のキャビティごとに１つずつの熱伝導性シート１１を製造する。
先ず、高分子基材に熱伝導性充填材を混合して２種類の熱伝導性組成物を調製する。この際に、液状の高分子基材には撹拌機を用い、固体状の高分子基材には混練機を用いて、内部への空気の混入を防ぐために真空下で調製することが好ましい。また、形状保持部１３用の熱伝導性組成物は本体部１２用の熱伝導性組成物より硬化剤や補強材などの配合量を多くして、形状保持部１３の硬度が本体部１２より硬くなるよう調製する。
次に、形状保持部１３用の熱伝導性組成物で四角い枠形状の形状保持部１３を成形する。そしてこの枠形状の形状保持部１３を本体部１２成形用の金型のキャビティにインサートした後、この金型に本体部１２用の熱伝導性組成物を注入して成形することで、本体部１２と形状保持部１３とが一体となった熱伝導性シート１１を得ることができる。
なお、インサート成形する際、枠形状の形状保持部１３の内壁面に、接着剤やプライマーを塗布して本体部１２と形状保持部１３との固着力を高めることができる。

第２の方法としては、塊状成形体をスライス加工して複数の熱伝導性シート１１を製造する。
先ず、第１の方法と同様にして２種類の熱伝導性組成物を調製する。
次に、形状保持部１３用の熱伝導性組成物で四角い枠形状の形状保持部１３を筒状に成形する。そしてこの筒状の形状保持部１３を本体部１２を柱状に成形する金型のキャビティにインサートした後、この金型に本体部１２用の熱伝導性組成物を注入して成形することで、柱状の本体部１２と筒状の形状保持部１３とが一体となった四角柱の塊状成形体を形成する。
最後にこの四角柱の塊状成形体を柱軸と交差するようにスライス加工して複数の熱伝導性シート１１を得ることができる。
なお、インサート成形する際には第１の方法と同様に、筒状の形状保持部１３の内壁面に、接着剤やプライマーを塗布して柱状の本体部１２と筒状の形状保持部１３との固着力を高めることができる。

上記の製造方法では、先に形状保持部１３を成形してから形状保持部１３のインサートにより本体部１２と形状保持部１３とを一体成形しているが、この順序を逆にすることもできる。しかし、本体部１２が柔軟であるため、本体部１２をインサートして形状保持部１３用の熱伝導性組成物を注入すると、形状保持部１３用の熱伝導性組成物の流動により本体部１２が変形するおそれがあり、上記の製造方法が好ましい。

熱伝導性シート１１の作用、効果について説明する。
熱伝導性シート１１によれば、形状保持部１３が本体部１２の外縁部分に備えられているため、本体部１２を柔軟かつ薄肉に形成しても、形状保持部１３が本体部１２の性質にほとんど影響を与えることなく、本体部１２の柔軟性に起因した密着力及びそれによって生じる低熱抵抗という熱伝導性能を発揮することができる。そして、形状保持部１３が本体部１２を伸び変形し難くしているため、シート全体の剛性を高めることができ、取扱い易い熱伝導性シート１１を実現することができる。さらに形状保持部１３が熱伝導性を有するため、伝熱効率の高い熱伝導性シート１１を実現することができる。

形状保持部１３を本体部１２の硬度より高い硬度の高分子基材で形成しているため、本体部１２の硬度より高い硬度の形状保持部１３は、本体部１２より剛性が大きく変形し難い。よってシートの外縁側からシートの剛性を高めることができる。

形状保持部１３を本体部１２の側面で周方向に連続する枠形状に形成するため、本体部１２の外縁を形状保持部１３で囲むことができ、シートの剛性をさらに高めることができる。よって取扱い易い熱伝導性シート１１を実現することができる。

本体部１２の面方向に沿う本体部１２の表面と、本体部１２の面方向に沿う形状保持部１３の端面と、が面一であるため、シート面上での本体部１２と形状保持部１３との段差を無くすことができ、被着体に対して密着し易くすることができる。よって熱抵抗の小さい熱伝導性シート１１を実現することができる。

第２の製造方法で作製した熱伝導性シート１１は、２つのシート面のうち少なくとも一方がスライスカット面であるため、シート面の面際や面上に熱伝導性充填材を分散させることができ、高熱伝導性の熱伝導性シート１１を実現することができる。

熱伝導性シート１１は、本体部１２の側面に枠状の形状保持部１３を備えるため、製造時、梱包時、運搬時、使用時などにおいて、本体部１２のみの熱伝導性シートに比べて、取扱い性に優れている。例えば、装着時においては、被着体に容易に取付けることができる。そして発熱体と放熱体との間に介装され、発熱体から発生する熱を放熱体へ効率良く伝導することができる。また、熱伝導性シート１１を被着体よりもわずかに大きい外形を有する寸法に形成して、形状保持部１３の部分のみをそれら被着体に接触させないように載置して使用することも可能である。

以下に、実施形態の変形例について説明する。

実施形態の変形例１〔図３〕：
先に説明した熱伝導性シート１１では本体部１２における側面の全面に連続する形状保持部１３を形成したが、形状保持部を側面の周方向に対し断続的に形成することができる。例えば、図３で示す変形例１の熱伝導性シート２１のように、平面視で矩形状の本体部１２の一辺に直線状に延びる形状保持部２３を備えることができる。
このようにすれば、本体部１２の柔軟性に殆ど影響を与えることなく形状保持部２３を備えることができる。そしてこの形状保持部２３は本体部１２に比べて変形し難いため、形状保持部２３を掴み代とすれば、自動組立装置を用いて熱伝導性シート２１を被着体に装着することができる。

実施形態の変形例２〔図４〕：
本体部１２における側面の周方向に対し形状保持部を断続的に形成する他の例としては、図４で示す変形例２の熱伝導性シート３１のように、平面視で矩形状の本体部１２の対辺にそれぞれ直線状に延びる形状保持部２３を備えることができる。
この場合、熱伝導性シート３１の本体部１２は両側から形状保持部２３で保持されるため、熱伝導性シート２１に比べて本体部１２を変形し難くすることができ、熱伝導性シート２１より取扱い易くすることができる。また、図示しないが、平面視で矩形状の本体部の一辺にだけ形状保持部２３を備えない構成とすることもできる。

実施形態の変形例３〔図５〕：
さらに、本体部１２における側面の周方向に対し形状保持部を断続的に形成する他の例としては、図５で示す変形例３の熱伝導性シート４１のように、平面視で矩形状の本体部１２の各辺の略中央部分に形状保持部４３は備えられておらず、隙間ｔが設けられている。即ち、形状保持部４３を本体部１２の角部分を保持するＬ字形状とすることができる。
このようにすれば、圧縮時に隙間ｔで本体部１２が外方へ膨出し易くなるため、本体部１２の圧縮荷重を低減することができる。そして形状保持部４３が本体部１２の各角部分を保持しているため、本体部１２の形状保持効果を高めることができる。
また、上記の熱伝導性シート１１，２１，３１，４１では、本体部１２を矩形状としたが、丸形状、多角形状などの他の形状とすることもできる。

実施形態の変形例４〔図６〕：
また、熱伝導性シート１１の面方向に沿う本体部１２の表面と形状保持部１３の端面とを面一に形成したが、例えば、図６で示す変形例４の熱伝導性シート５１のように、縦断面において形状保持部５３の厚みを本体部１２の厚みよりも薄くし、形状保持部５３の端面を本体部１２の表面より凹ませることができる。
このようにすれば、本体部１２を被着体に密着し易くすることができる。またシートを圧縮した際に本体部１２の表面付近が外方へ膨出し易くなるため、シートの圧縮荷重を小さくすることができる。

実施形態の変形例５〔図７〕：
形状保持部の端面を本体部の表面より凹ませる他の例としては、例えば、図７で示す変形例５の熱伝導性シート６１のように、縦断面において本体部６２の側面には周方向に連続する環状溝６２ｂが形成されており、その環状溝６２ｂに形状保持部６３の内縁側を埋設することができる。
このようにすれば、本体部６２と形状保持部６３との係合によって、熱伝導性シート５１に比べて本体部６２と形状保持部６３との固着強度を高めることができ、熱伝導性シート５１より本体部６２と形状保持部６３とを剥がれ難くすることができる。

実施形態の変形例６〔図８〕：
また、熱伝導性シート１１の形状保持部１３は本体部１２を外側から囲むように形成したが、例えば、図８で示す変形例６の熱伝導性シート７１のように、縦断面において本体部６２における側面の周方向に連続する環状溝６２ｂ内に形状保持部７３を埋設することができる。
このようにしても、本体部６２と形状保持部７３とを剥がれ難くすることができる。

実施形態の変形例７〔図９〕：
さらに、熱伝導性シート１１の形状保持部１３は単一材料で構成したが、例えば、図９で示す変形例７の熱伝導性シート８１のように、縦断面において本体部１２の側面１２ａに対して複数の材料を本体部１２の厚さ方向に積層させ形状保持部８３を形成することができる。本変形例では形状保持部８３が３層構造であり、挟まれている中央保持部８３ａを両側から挟む側端保持部８３ｂより硬質としている。
このようにすれば、側端保持部８３ｂは中央保持部８３ａより変形応力が小さいため、シートを圧縮した際に熱伝導性シート１１に比べて本体部１２の表面付近が外方へ膨出し易くすることができ、シートの圧縮荷重を小さくすることができる。

１１ 熱伝導性シート（実施形態）
１２ 本体部
１２ａ 側面
１３ 形状保持部
２１ 熱伝導性シート（変形例１）
２３ 形状保持部
３１ 熱伝導性シート（変形例２）
４１ 熱伝導性シート（変形例３）
４３ 形状保持部
５１ 熱伝導性シート（変形例４）
５３ 形状保持部
６１ 熱伝導性シート（変形例５）
６２ 本体部
６２ａ 側面
６２ｂ 環状溝
６３ 形状保持部
７１ 熱伝導性シート（変形例６）
７３ 形状保持部
８１ 熱伝導性シート（変形例７）
８３ 形状保持部
８３ａ 中央保持部
８３ｂ 側端保持部

Claims (7)

1. 発熱体と放熱体との間に介装される熱伝導性シートであって、
   高分子基材中に熱伝導性充填材が分散するシート状の本体部と、
   該本体部の厚さ方向に沿う側面に固着し、本体部を伸び変形し難くする形状保持部と、
   を備える熱伝導性シート。
2. 形状保持部が、本体部の硬度より高い硬度の高分子基材でなる請求項１記載の熱伝導性シート。
3. 形状保持部を本体部の側面で周方向に連続する枠形状に形成する請求項１または請求項２記載の熱伝導性シート。
4. 形状保持部を本体部の側面で周方向に断続的に形成する請求項１または請求項２記載の熱伝導性シート。
5. 本体部を平面視で矩形状に形成し、形状保持部をその矩形状の対辺に備える請求項１〜請求項４何れか１項記載の熱伝導性シート。
6. 本体部の面方向に沿う本体部の表面と、本体部の面方向に沿う形状保持部の端面と、が面一である請求項１〜請求項５何れか１項記載の熱伝導性シート。
7. 本体部の面方向に沿う２つのシート面のうち少なくとも一方がスライスカット面でなる請求項１〜請求項６何れか１項記載の熱伝導性シート。

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