JP2012043963A - 熱伝導スペーサおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、所望の厚さが得られ、厚さ方向の熱伝導率が高く、機械的強度に優れた熱伝導スペーサを提供することを目的とする。
【解決手段】この目的を達成するために本発明は、複数個のシート状熱分解グラファイトの切断片１２を平板状に加圧成形してなる熱伝導スペーサ１１であって、この熱伝導スペーサ１１の上面１３と下面１４との間が、少なくとも１枚のグラファイト結晶のａ−ｂ軸の切断片１２で接続されているものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、０．５ｍｍから２０ｍｍ程度の比較的大きな隙間を埋めながら、発生した熱を均熱化あるいは放熱させる熱伝導スペーサとその製造方法に関するものである。

近年電子機器の動作速度の向上が目覚しく、これに伴い半導体素子等の電子部品からの発熱が増大している。これに対して電子機器を安定して動作させるために、これらの発熱素子にグラファイトシート等の熱伝導シートを用いて熱を拡散あるいは放熱させることが行なわれている。しかしながらグラファイトシートは、一般的にその厚さが約０．１ｍｍと薄く、発熱素子とヒートシンクとの間に比較的大きな隙間があるものについては十分に機能しにくかった。

グラファイトシートは、図４に示すような結晶構造を有しており、面方向（炭素６員環が連なるａ−ｂ軸方向）に大きな熱伝導率を有し、厚さ方向であるｃ軸方向の熱伝導率は比較的小さい。そこで図５のように、グラファイトシート１を複数枚貼りあわせて切断し、厚さ方向に熱伝導が良くしたものが提案されている。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。

特開２００６−３０３２４０号公報

しかしながら、従来のようなスペーサでは厚み方向への熱伝導率が高いものが得られるが、発熱部品とヒートシンク、ヒートスプレッダ等の放熱部品を取り付ける時には加圧が必要な場合がある。この場合に薄いシートを貼り合わせて、貼り合わせ面に対して垂直に切断したものでは、加圧力は貼り合わせ面が倒れ込む方向にも力が働いてしまう。この結果、貼り合わせ面や、グラファイトシートの層間で剥離してしまうことがある。

本発明は、このような課題を解決し、所望の厚さが得られ、厚さ方向の熱伝導率が高く、機械的強度に優れた熱伝導スペーサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は複数個のシート状熱分解グラファイトの切断片を平板状に加圧成形してなる熱伝導スペーサであって、この熱伝導スペーサの上面と下面との間がグラファイト結晶のａ−ｂ軸の切断片で接続されているように構成したものである。

このようにすることによって、内部に有るグラファイトシートは、縦・横・厚みすべての方向に対し、ランダムに配置され、スペーサの上下に加圧力がかけられても、一定方向に対する強度低下は見られない。

また、一方の面から、相対するもう一方の面に貫通したグラファイトシートが存在する為、厚み方向の熱伝導率も確保される。

以上のように本発明によれば、所望の厚さが得られ、厚さ方向の熱伝導率が高く、機械的強度に優れた熱伝導スペーサを得ることができる。

本発明の一実施の形態における熱伝導スペーサの断面斜視図 本発明の一実施の形態における熱伝導スペーサの製造方法を示す図 本発明の別の実施の形態における熱伝導スペーサの製造方法を示す図 一般的なグラファイトシートの結晶構造図 従来の熱伝導スペーサの断面図

（実施の形態１）
以下、本発明の一実施の形態における熱伝導スペーサについて、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の一実施の形態における熱伝導スペーサ１１の断面斜視図であって、平面形状は直径約３０ｍｍの円形であり、その厚さは約５ｍｍの円柱形状となっている。この熱伝導スペーサ１１は多数のシート状熱分解グラファイトの切断片１２を金型によって加圧成形して平板状に成形したもので、少なくとも１枚の切断片１２は平板状の上面１３と下面１４とを熱分解グラファイトシートの面方向であるａ−ｂ軸の切断片１２でつないだものである。熱分解グラファイトシートはその結晶構造から面方向（ａ−ｂ軸方向）の熱伝導率が高くなり、厚さ方向（ｃ軸方向）は熱伝導率が低くなる。本実施の形態では、平板状の上面１３と下面１４とをａ−ｂ軸方向の切断片１２でつないでいるため、結果として熱伝導スペーサ１１の厚さ方向の熱伝導率を大きくすることができる。さらに平板状の上面１３と下面１４とをつなぐａ−ｂ軸方向の切断片１２はランダムな方向を向いた状態で加圧成形されているため、一定の方向の力に対して機械的強度が低下することを防いでいる。

また、熱伝導スペーサ１１の上面１３および下面１４にはシリコーン樹脂やアクリル樹脂または、これらの樹脂に熱伝導フィラーを混合させた樹脂からなる被覆層を設けることが望ましい。このようにすることによりグラファイトシートの切断片１２が剥離することを防ぐとともに、発熱素子やヒートシンク等の取り付け接触部分の接触熱抵抗を小さくすることが出来る。また、樹脂に混合するフィラーの材質により、電気伝導性や電気絶縁性をもたせることができる。

次に本発明の一実施の形態における熱伝導スペーサの製造方法について説明する。

まず図２（ａ）のように、所定の金型１６に複数個の切断片１２を所定量入れる。金型１６の大きさは、直径約３０ｍｍの円形のものを用いている。これに対して切断片１２ａは長さ約６０ｍｍ、幅約２ｍｍ、厚さ約０．１ｍｍのものと、これよりも小さい切断片１２ｂを混ぜて入れている。切断片１２の大きさが全て、金型１６の大きさよりも小さいものを用いた場合、それぞれの切断片１２は、ほぼ平面状に並び、加圧成形した後の熱伝導スペーサ１１は、平面方向への熱伝導率は高くなるが、厚み方向への熱伝導率は低いものになってしまう。これに対して本実施の形態のように、少なくとも１枚の切断片１２ａの長さが、熱伝導スペーサ（金型内形）の最大幅よりも長いものを用いることにより、図２（ｂ）のように、圧力約１トン／平方ｃｍで成形した時に、この切断片１２ａが金型１６内部で折り曲げられ、結果として、熱伝導スペーサ１１の上面１３と下面１４をこの最も大きな切断片１２ａでつなぐことができ、熱伝導スペーサ１１の厚み方向への熱伝導率を高くすることができる。また、形状の小さい切断片１２ｂとともに成形されるため、最も大きな切断片１２ａが小さい切断片１２ｂによって変形させられ、ランダムな方向を向くことになる。これによって成形された熱伝導スペーサ１１は、一定の方向の力に対して機械的強度が低下することがなく、機械的強度が強いものとなる。

なお、切断片１２にシリコーン等の樹脂１７を混ぜて成形することにより、グラファイトシートの切断片１２が剥離することを防ぐことができる。

また、最も大きな切断片１２ａの長さは、熱伝導スペーサ１１の最大幅の２倍以上であることがより望ましく、このようにすることにより、厚さ方向の熱伝導率を、より安定させることができる。

図３は本実施の形態における別の形態の熱伝導スペーサの製造方法を示す図である。まず、シート状熱分解グラファイトの切断片１２を、大きな切断片１２ａ、小さな切断片１２ｂ、シリコーン等の樹脂１７を混ぜて丸めたものを図３（ａ）のように金型１６に入れる。次に図３（ｂ）のように、圧力約１トン／平方ｃｍで加圧成形する。樹脂１７が熱硬化性のものであれば、熱を加えながら成形する、あるいは成形した後熱処理する、のいずれでもかまわない。このようにして少なくとも１枚の切断片で熱伝導スペーサ１１の上面１３と下面１４とが繋がったものを得ることができる。このとき大きな切断片１２ａには、大きさ約２５ｍｍ角のものを用いた。このように少なくとも熱伝導スペーサの厚さの５倍以上の大きさの切断片１２ａと、これより小さい切断片１２ｂを混ぜて丸めたものを加圧成形して、平板状にすることにより、１枚の切断片１２ａで熱伝導スペーサの上面１３と下面１４とがつながったものを得ることができる。

なお、大きな切断片１２ａに混ぜるものを小さな切断片１２ｂとしたが、粉体のグラファイトを用いてもかまわない。

また、これらの切断片は、熱分解グラファイトシートから正確に切り出したものでなくても良く、例えば熱分解グラファイトシートを打ち抜いた後の端材や打ち抜き屑等であってもかまわない。このような部材を用いることにより、さらに量産性を向上させることができる。

また、大型の金型を用いて板状の大判を作成し、ダイヤモンドカッター等を使用して、所要のサイズに切り分けることも可能である。

以上のようにして得られた熱伝導スペーサを従来のものと比較してみると、従来のようにグラファイトシートを重ねて接着し、重ねた方向に対して垂直にスライスしたものでは、その厚さ方向が結晶のａ−ｂ軸となるため、その熱伝導率は約７００（Ｗ／ｍＫ）と、非常に高いものとなるが、外力に対して弱いものとなっている。一方本実施の形態による熱伝導スペーサでは、厚さ方向の熱伝導率は、約５５０（Ｗ／ｍＫ）と、従来のものに対して大きくは劣らず、一方外力に対して強いものが得られている。また、本実施の形態のように加圧成形を用いる場合、グラファイト粉体を用いて行なうことも可能であるが、この場合、粉体とはいえ結晶そのものは薄片状となっているため、そのほとんどが面方向に並んでしまい、結果として厚さ方向の熱伝導率は、約２０（Ｗ／ｍＫ）と低いものになってしまう。

以上のように、本実施の形態によれば、厚さ方向の熱伝導率が高く、機械的強度に優れた熱伝導スペーサを得ることができる。

本発明に係る熱伝導スペーサは、所望の厚さが得られ、厚さ方向の熱伝導率が高く、機械的強度に優れた熱伝導スペーサを提供することができ、産業上有用である。

１１ 熱伝導スペーサ
１２ 切断片
１３ 上面
１４ 下面
１６ 金型
１７ 樹脂

Claims (5)

1. 複数個のシート状熱分解グラファイトの切断片を平板状に加圧成形してなる熱伝導スペーサであって、この熱伝導スペーサの上面と下面との間が、少なくとも１枚のグラファイト結晶のａ−ｂ軸の切断片で接続されている熱伝導スペーサ。
2. 前記熱伝導スペーサの上面と下面とを接続する切断片のｃ軸は、ランダムな方向を向いている請求項１記載の熱伝導スペーサ。
3. 前記熱伝導スペーサの上面と下面には、被覆層が形成されている請求項１記載の熱伝導スペーサ。
4. 複数個のシート状熱分解グラファイトシートの切断片を金型に入れて加圧成形することにより平板状の熱伝導スペーサを得る製造方法であって、少なくとも１枚の前記切断片の長さは、前記熱伝導スペーサの最大幅よりも長いものを用いることにより、前記少なくとも１枚の切断片で前記熱伝導スペーサの上面と下面とをつなぐように形成する熱伝導スペーサの製造方法。
5. 前記複数個のシート状熱分解グラファイトシートの切断片に樹脂を混ぜて金型で加圧成形する請求項４記載の熱伝導スペーサの製造方法。

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