JP2012079754A

JP2012079754A - ヒートシンク

Info

Publication number: JP2012079754A
Application number: JP2010220812A
Authority: JP
Inventors: Makoto Arafuka; 眞荒深
Original assignee: Aisin Chemical Co Ltd
Current assignee: Aisin Chemical Co Ltd
Priority date: 2010-09-30
Filing date: 2010-09-30
Publication date: 2012-04-19

Abstract

【課題】プルトルージョン成形が可能であり、かつ、熱可塑性樹脂を使用して、厚さ方向に熱伝導素材が配向され、熱伝導率の良好なヒートシンクを提供する。
【解決手段】連続供給される芯材１１が熱可塑性樹脂と繊維長０．１ｍｍ乃至１２ｍｍの熱伝導性フィラーとを主材料として混練した材料の配向方向を誘導し、繊維長０．１ｍｍ乃至１２ｍｍの熱伝導性フィラーの配向を均一化させ、また、熱伝導性フィラーは繊維長０．１ｍｍ乃至１２ｍｍと長いことから、熱伝導性フィラーの配向を単一化することができ、熱伝導特性に合った配向が得られる。そして、前記ストランド３０Ａは、押出した長さ方向に整理できるような所定長に切断したものであるから、ストランド３０Ａの列が特定でき、配向特性を整理し易く、一次成型体のみならず目的の成形体として特定方向に熱伝導状態を良好とすることができる。更に、材料的に軽量であり、かつ、加工性に富むものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子部品等の熱源の放熱特性を良好にするヒートシンク(Heat sink)に関するものである。ここで、ヒートシンクとは、発熱する機械部品、電気部品に取付けて、熱の放散によって対象物の温度を下げる部品であり、放熱器とか、板状のものを放熱板、冷却フィン等と呼ばれている広義の冷却部品、放熱部品に関するものである。

近年、自動車のみを見ても、車両に搭載される電子部品数は増加の一途にあり、かつ、小型化、高性能化に伴いその発熱量が高くなってきている。電子部品の発熱量が高くなると、電子部品の温度が上昇し、電子部品が熱により破損する可能性があることから、放熱設計が重要になっている。一般には、電子部品の放熱のために、アルミニウム等で作られたヒートシンクを密着させている。また、電子部品とヒートシンクとの密着性を良くする方法として、熱伝導率の良い接着剤やグリス、シート等が一般的に知られている。
しかし、接着剤やグリスは電子部品とヒートシンクとの隙間をなくして伝熱できるが、熱伝導率が低く、数Ｗ／ｍｋの値であったり、接着剤やグリスを硬化させるのに時間がかかったりする。
一方、熱伝導材料として使用する繊維としてカーボン繊維がある。銅やアルミニウム等の金属をこえる高い熱伝導素材であるカーボン繊維では、例えば、９００Ｗ／ｍｋや６００Ｗ／ｍｋという熱伝導率の高いものがある。
熱伝導率の高い石油ピッチ（Pitch）系のカーボン繊維は、ＰＡＮ（Poly acrylo nitrile）系のカーボン繊維と比べるともろい繊維であり、熱伝導率の高い繊維になると更にもろいものとなり、通常、ガラス繊維やカーボン繊維、アラミド繊維を配向させる方法として知られ、量産化に適するプルトルージョン成形(引抜成形)技術では、成形は困難とされている。

特許文献１では、異方性を有する熱伝導性の無機粉末を含有してなる合成樹脂組成物を、複数の構造からなる押出金型を通過させて配向を行うものであり、合成樹脂組成物は押出金型内に設けられた複数のスリットまたは円または多角形形状を持つ流路を通過させることで、合成樹脂組成物内に配合された異方性を有する無機粒子をシートの厚さ方向に配向させ、引き続き、押出金型内に設けた圧縮エリアを通過させることで異方性を有する無機粒子の配向状態を乱すことなく成形させ、金型出口よりブロック体として押し出し、形成された成形体は合成樹脂に適した方法で硬化させた後、シートの幅方向で切断するものである。この成形体で形成れた放熱部材及びそのシートは、熱伝導性が高く、放熱部材として優れているから、特に、電子機器の放熱部品の製造に好適なものである。

また、特許文献２の熱伝導性フィラーの配向方法では、厚さ方向に熱伝導性の良い異方性放熱シートの製造方法において、硬化させた後に弾性を有するゴムまたは合成樹脂を主成分とするバインダと熱伝導性フィラーとを混練し、この混練物を押出して、押出し方向にフィラーを配向させた後、硬化させて硬化物ブロックを作製し、その作成した硬化物ブロックをフィラーの配向方向と直角に、所定厚みにスライスして製作する放熱シートの製造方法により、押し出し時に広断面積貯留域から狭断面積吐出口を通して押出すことにより押出し方向にフィラーを配向させるものである。このように、混練物を押し出すにあたって広断面積貯留域から狭断面積吐出口を通して押し出すことにより、混練物にせん断変形を与えて混練物中の高密度の高熱伝導性フィラーを押出し方向に確実に配向させ、高価な装置を必要とすることなく熱伝導性の飛躍的に優れた放熱シートを得るものである。

特開２００９−９４１１０特開２００５−３０３２４０

しかしながら、上記特許文献１に記載の技術は、合成樹脂と異方性を有する無機粉末を含有してなるシート状の放熱部材であり、この合成樹脂はシリコーン樹脂またはアクリル樹脂であり、また、異方性を有する無機粉末は、窒化ホウ素、黒鉛及び鱗片状または板状に加工した金属粉末であり、熱伝導率の高い熱伝導材料としてのカーボン繊維の使用については説明されていない。
また、上記特許文献２では、押出成形でいきなりブロックを形成しているので、例えば、１００ｍｍ×１００ｍｍのシートを作るとき、大きいブロックを作る必要があり、配向が崩れ、性能が低下することになる。また、熱可塑性樹脂を押出してブロックを形成するのは現実的でなく、実際に成形したとしても、内部にボイドが発生する等の問題が生じる。このボイドの発生は、熱伝導率を低下することになる。

そこで、本発明は、かかる課題を解決すべくなされたものであって、プルトルージョン成形が可能であり、かつ、熱可塑性樹脂を使用して、配向が特定でき、熱伝導率の良好なヒートシンクの提供を目的とするものである。

請求項１の発明にかかるヒートシンクは、熱可塑性樹脂と繊維状の熱伝導性フィラーとを主材料として混練し、その混練した材料を連続供給される芯材と共に押出して、前記芯材の周囲に前記混練した材料を形成し、かつ、前記芯材の長さ方向に前記熱伝導性フィラーを配向させたストランドとし、前記ストランドを押出した長さ方向に整理できるような所定長に切断し、前記切断した複数本のストランドを特定した前記ストランドの長さ方向を揃えて一体とした一次成型体を形成したものである。
ここで、熱可塑性樹脂としては、エンジニアリング・プラスチック（以下、「エンプラ」ともいう。）、スーパー・エンジニアリング・プラスチック（以下、「スーパーエンプラ」ともいう。）を用いることができる。具体的には、エンプラとしては、ポリアミド（ナイロン等）、ポリアセタール、ポリカーボネート、変性ポリフェニレンエーテル、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ガラス繊維強化ポリエチレンテレフタレート、環状ポリオレフィン等がある。そして、スーパーエンプラとしては、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリスルホン、ポリエーテルサルフォン、非晶ポリアレート、液晶ポリマー、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリアミドイミド等がある。
また、繊維状の熱伝導性フィラーとしては、熱伝導率の高い石油ピッチ（Pitch）系のカーボン繊維、ＰＡＮ系のカーボン繊維、銅やＳＵＳ等の金属繊維の使用が可能である。繊維状の熱伝導性フィラーの繊維長は、ストランドの径によって決定されるが、本発明を実施する場合のストランド径は２ｍｍφ以上とするものであり、例えば繊維長が０．１ｍｍ乃至１２ｍｍのものが使用できる。
そして、上記の熱可塑性樹脂と繊維状の熱伝導性フィラーを主材料として混練した材料を連続供給される芯材と共に押出して、前記芯材の周囲に前記混練した材料を形成し、かつ、前記芯材の長さ方向に前記熱伝導性フィラーを配向させたストランドとする。ここで、連続供給される芯材は、金属繊維、ガラス繊維、有機繊維等の切れ難い繊維糸または銅、ステンレス、鉄、黄銅等の線であればよく、好ましくは、熱可塑性樹脂との接合性の良好なものであり、熱可塑性樹脂との接触抵抗が高いものが望ましい。
ここで、上記ストランドを押出した長さ方向に整理できるような所定長に切断とは、例えば、ストランド長が特定できる１０ｍｍ以上とすれば、切断した複数本のストランドの長さ方向とその直角方向が分けやすく、ストランド中に含まれる繊維状熱伝導性フィラーの配向を特定方向に並べやすくしたものであり、通常では、１０ｍｍ以上であれば、ストランドの列が特定でき、配向特性を整理し易いことになる。
更にまた、長さ方向を揃えて一体とした一次成型体の形成とは、配向を特定させて一体とした成形である。

請求項２の発明にかかるヒートシンクは、熱可塑性樹脂と、例えば、繊維長０．１ｍｍ乃至１２ｍｍの熱伝導性フィラーとを主材料として混練し、その混練した材料を連続供給される芯材と共に押出して、前記芯材の周囲に前記混練した材料を形成し、かつ、前記芯材の長さ方向に前記熱伝導性フィラーを配向させたストランドとし、前記ストランドを押出した長さ方向に整理できるような所定長に切断し、前記切断した複数本のストランドを特定した前記ストランドの長さ方向を揃えて一体とした一次成型体を形成し、前記一次成型体を熱伝導性フィラーの配向方向に対し切断する方向にカッティングしたものである。

請求項３の発明にかかるヒートシンクの前記一次成型体の形状は、直方体であり、前記一次成型体を熱伝導性フィラーの配向方向が短辺となるように短冊状にカッティングしたものである。

請求項４の発明にかかるヒートシンクの前記一次成型体の形状は、直方体であり、前記一次成型体を熱伝導性フィラーの配向方向が短辺となるように短冊状にカッティングし、前記カッティングした一次成型体の短辺の長さを揃えて積層して一体とした２次成形体としたものである。

請求項１の発明のヒートシンクは、熱可塑性樹脂と、繊維状の熱伝導性フィラーとを主材料として混練した材料を、連続供給される芯材と共に押出して、前記混練した材料によて前記芯材を被覆しつつ前記芯材の周囲に円形等の所望の断面形状を形成し、かつ、前記芯材の長さ方向に前記熱伝導性フィラーを配向させたストランドとし、前記ストランドを所定長に切断し、前記ストランドの長さ方向を揃えて一体に一次成型体を形成したものである。
したがって、連続供給される芯材が、混練した材料内の繊維状の熱伝導性フィラーの配向方向を押し出される混練材料の内側から誘導し、また、押出金型が外側から誘導し、繊維状の熱伝導性フィラーの配向を均一化させ、単一化することができ、熱伝導特性に合った配向が得られる。そして、前記ストランドは、押出した長さ方向に整理できるような所定長に切断したものであるから、ストランドの列が特定でき、配向特性を整理し易く、一次成型体の特定方向に熱伝導状態を良好とすることができる。更に、熱可塑性樹脂による成形体のため材料的に軽量であり、かつ、加工性に富むものである。また、混練材料を押出時に切れ難い糸状の芯材を連続して供しているため、押出成形されてできたストランドは芯材による補強硬化によって切れ難いものになっていて押出成形時の生産性を向上させている。
よって、プルトルージョン成形が可能であり、かつ、熱可塑性樹脂を使用して、配向が特定でき、熱伝導率の良好なヒートシンクが得られる。

請求項２の発明のヒートシンクは、前記一次成型体を特定した熱伝導性フィラーの配向方向に対し切断する方向にカッティングしている。従って前記一次成型体の切断面には熱伝導性フィラーが露出しやすくなるため、この切断面を通じて良好な熱伝導性が得られやすくなる。

請求項３の発明のヒートシンクの前記一次成型体の形状は、直方体であり、前記一次成型体を熱伝導性フィラーの配向方向が短辺となるように短冊状にカッティングしたものであるから、請求項２に記載の効果に加えて、より簡便にヒートシンクとして高い熱伝導素材が得られる。

請求項４の発明のヒートシンクの前記一次成型体の形状は、直方体であり、前記一次成型体を熱伝導性フィラーの配向方向が短辺となるように短冊状にカッティングし、前記カッティングした一次成型体の短辺の長さを揃えて積層して一体とした２次成形体としたものであるから、請求項２または請求項３に記載の効果に加えて、芯材の移動にともなって熱伝導性フィラーの配向が一義的に決定され、熱伝導性フィラーの配向の乱れを無くすことができ、さらにヒートシンクとして高い熱伝導素材が得られる。

図１は本発明の実施の形態のヒートシンクの製造方法の全体の構成を説明する全体構成説明図である。図２は本発明の実施の形態のヒートシンクの製造途中のストランドの断面の顕微鏡写真をスケッチした説明図である。図３は本発明の実施の形態のヒートシンクの熱伝導率の特性図（ａ）と単純に材料を混練したストランドの熱伝導率の特性図（ｂ）である。

以下、本発明を実施する形態について、図面を参照しながら説明する。
なお、実施の形態において、同一の記号及び同一の符号は同一または相当する機能部分を意味するものであるから、ここでは重複する詳細な説明を省略する。
図１において、芯材ロール１０は芯材１１を巻回しているロールで、この芯材１１とは銅、ステンレス、鉄、黄銅等の金属線、或いはそれらの繊維、または、ガラス繊維、有機繊維等の切れ難い繊維糸で、好ましくは、熱可塑性樹脂との接合性の良好なものであり、使用する熱可塑性樹脂との接触抵抗が高いものが望ましい。

芯材１１が巻回された複数の芯材ロール１０は、複数個の必要数のガイドローラ１２に案内されて、押出金型２０の方に送り出される。初期設定では、押出金型２０を相通し、後述する引き取り機３１に挟まれている。押出金型２０の押出口の数だけ芯材ロール１０が設けられている。
押出金型２０には、熱可塑性樹脂と、繊維長０．１ｍｍ乃至１２ｍｍの熱伝導性フィラーとを主材料として混練した混練材料を押出機２１から供給する。そして、押出金型２０で芯材１１の周囲に混練された熱可塑性樹脂及び熱伝導性フィラーを一体化させ、ストランド３０として押出すものである。

ここで、熱可塑性樹脂としては、エンジニアリング・プラスチック、スーパー・エンジニアリング・プラスチックを用いることができる。具体的には、エンプラとしては、ポリアミド、ポリアセタール、ポリカーボネート、変性ポリフェニレンエーテル、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ガラス繊維強化ポリエチレンテレフタレート、環状ポリオレフィン等がある。そして、スーパーエンプラとしては、ポリフェニレンスルフィド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリスルホン、ポリエーテルサルフォン、非晶ポリアレート、液晶ポリマー、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアミドイミド等から選択されるものである。因みに、本実施の形態では、ポリアミド６を使用した。

また、熱伝導性フィラーとしては、熱伝導率の高い石油ピッチ（Pitch）系のカーボン繊維、ＰＡＮ系のカーボン繊維、銅やＳＵＳ等の金属繊維の使用が可能である。繊維長０．１ｍｍ乃至１２ｍｍとは、ストランド３０の径によって決定されるが、２ｍｍφ以上のストランド径とするものである。因みに、本実施の形態では、石油ピッチ（Pitch）系のカーボン繊維を使用した。

そして、連続供給される芯材１１は、銅、ステンレス、鉄、黄銅等の金属繊維、ガラス繊維、有機繊維等の切れ難い繊維糸または銅、ステンレス、鉄、黄銅等の金属線であればよく、好ましくは、熱可塑性樹脂との接合性の良好なものであり、熱可塑性樹脂との接触抵抗が高いものが望ましい。因みに、本実施の形態では０．２ｍｍφの銅線を使用した。

次に本発明のヒートシンクの作製方法について説明する。熱可塑性樹脂と繊維状の熱伝導性フィラーとを主材料とした原料が、混練工程にて混練機で混練され、この原料を混練した混練材料を押出機２１から押出金型２０に供給し、芯材ロール１０からの芯材１１に混練材料を被覆する被覆工程によって芯材１１の周囲に熱可塑性樹脂及び熱伝導性フィラーを配置させて一体化させる。これら一体化させた芯材１１と混練材料を押出金型２０から押出す押出工程によって芯材１１の移動方向に熱伝導性フィラーを配向させた所望の断面を有するストランド３０が形成する。ここで、混練工程の混練機は押出機２１を使用し、原料の混練と押出金型２０への供給を同時に行っても良いし、押出機２１とは別に混練機を使用し予め原料を混練しても良い。

さらに、所望の断面形状を有するストランド３０（本実施形態では円形の断面形状）を冷却し、引き取り機３１で押し出し方向に引っぱり出している。引き取り機３１で引き出されたストランド３０は、切断機４０によって所定の長さにカッティングされる。即ち、切断機４０によって所定の長さにカッティングされる工程は、押出工程で押出したストランド３０の長さ方向に整理できるような所定長に切断するストランド切断工程となっている。

ストランド切断工程では、切断機４０によって通常３０ｍｍ以上の長さ、特に、好適には１００ｍｍ前後にカッティングされる。このカッティングされる長さは、電子部品のハウジング、放熱機能部品等のヒートシンクのサイズに合わされるのが好適である。
また、カッティングされる長さは、ストランド３０を押出した長さ方向に整理できるような長さであればよく、特定したストランド３０Ａの長さ方向を揃えることができればよく、熱伝導性フィラーの配向を特定できる一次成型体６０を形成できればよい。

即ち、一次成型体６０は、３０ｍｍ以上の長さのストランド３０Ａを成形枠５０に、ストランド３０Ａの長さ方向を合わせて充填する。ストランド３０Ａの長さ方向を合わせて充填するということは、熱伝導性フィラーの配向を均一に一致させることを意味する。
更に、成形枠５０に３０ｍｍ以上の長さのストランド３０Ａを、ストランド３０Ａの長さ方向を合わせて充填した後、内部にボイドが発生しないように加熱圧縮する。因みに、本実施の形態では、温度２４５℃、加圧力１．３ｔによって内部にボイドのない一次成型体６０が得られた。

但し、一次成型体６０の熱伝導性フィラーの配向は特定方向に均一に向いている。図１においては、一次成型体６０の熱伝導性フィラーの配向は、長さ方向に配向されている。したがって、一次成型体６０の熱伝導は、その長さ方向に熱伝導性フィラーの配向がなされているので、その方向に熱伝導が良好になっている。ここで、本実施の形態では一次成型体６０を加熱圧縮して一体に形成しているが、形成方法はこれに限定するものではない。

また、本実施の形態では、このように、熱可塑性樹脂と繊維長０．１ｍｍ乃至１２ｍｍの熱伝導性フィラーとを主材料として混練した材料を、芯材ロール１０から押出金型２０に連続供給される芯材１１と共に押出して、芯材１１の周囲に混練した材料を形成し、かつ、芯材１１の長さ方向に熱伝導性フィラーを配向させたストランド３０とし、ストランド３０を所定長に切断してなるストランド３０Ａとし、そのストランド３０Ａの長さ方向を揃えて加熱圧縮して一次成型体６０を形成したものである。

したがって、押出金型２０に連続供給される芯材１１の移動により、熱可塑性樹脂と繊維長０．１ｍｍ乃至１２ｍｍの熱伝導性フィラーとを主材料として混練した材料の配向方向を芯材１１の移動方向に誘導し、繊維長０．１ｍｍ乃至１２ｍｍの熱伝導性フィラーの配向を芯材の移動方向と同じ方向に向かせることができることから、熱伝導フィラーの配向を一方向に単一化することができ、熱伝導特性に合った配向が得られる。そして、ストランド３０Ａは、押出した長さ方向にその長さを揃えて整理できるような所定長に切断されたものであるから、ストランド３０Ａの列が特定でき、配向特性を整理し易く、一次成型体６０のみならず目的の成形体として特定方向に熱伝導状態を良好とすることができる。更に、材料的に軽量であり、かつ、加工性に富む。よって、プルトルージョン成形が可能であり、かつ、熱可塑性樹脂を使用して、配向が特定でき、熱伝導率の良好なヒートシンクが得られる。ここで、一次成型体６０の形状は所望の形に形成することができ、例えば直方体や円柱状、さらには要求仕様にあった形状に形成することができる。そして一次成型体６０をそのままヒートシンクにすることも有り得る。

更に、一次成型体６０の厚みに対して短冊状または円板状等にカッティングする。本実施の形態の短冊状または円板状等にカッティングする方向は、一次成型体６０の特定された熱伝導性フィラーの配向方向に対して直角に切断する。本実施形態では一次成型体６０を熱伝導性フィラーの配向方向が長手方向になるような直方体形状に形成し、これを短冊状にカッティングしている。従って、カッティングした短冊状の短辺方向（切断面相互方向）に熱伝導を良好としている。このように、一次成形工程で形成した一次成型体６０を熱伝導性フィラーの配向に従って短冊状にカッティングして切片６１を形成する工程は、カッティング工程となっている。
このカッティング工程では、短冊状にカッティングする方向を一次成型体６０の熱伝導性フィラーの配向に対して直角に切断したものであるが、本発明を実施する場合には、一次成型体６０の熱伝導性フィラーの配向に対して平行に切断してもよい。即ち、カッティングした短冊状の切片６１の長さ方向（図１の長辺方向）に熱伝導を良好とすることができる。そして、この一次成型体６０のカッティング品をヒートシンクにすることも有り得る。

本実施の形態の短冊状にカッティングする方向として、一次成型体６０の熱伝導性フィラーの配向に対して直角に切断した切片６１は、その短辺方向の図１の左右方向に熱伝導を良好とする配向させている。このカッティングした切片６１は、配向方向が揃った短辺を揃えて成形枠７０に積層し、それを加熱圧縮して二次成型体８０を形成し、必用に応じて、スライス、研磨等の仕上げ加工を施して完成させる。
即ち、カッティング工程でカッティングした短冊状の切片６１を、一次成型体６０の熱伝導性フィラーの方向を合わせて積層する工程を二次成形工程とするものである。

この二次成形工程では、二次成型体８０としてカッティング工程でカッティングした切片６１を積層して形状を整えるだけではなく、熱源と放熱フィンとの間のヒートシンク等の放熱機能部品とするだけでなく、電子部品等のハウジングに形成して熱の放散のよい部品としても形状できる。

このように、本実施の形態のヒートシンクは、熱可塑性樹脂と繊維長０．１ｍｍ乃至１２ｍｍの熱伝導性フィラーとを主材料として混練した混練材料を、芯材ロール１０から押出金型２０に連続供給される芯材１１と共に押出して、芯材１１の周囲に混練した材料を形成し、かつ、芯材１１の長さ方向に熱伝導性フィラーを配向させたストランド３０とし、ストランド３０を所定長に切断してストランド３０Ａとし、ストランド３０Ａの長さ方向を揃えて加熱圧縮して一次成型体６０を形成し、一次成型体６０を熱伝導性フィラーの配向に従ってカッティングして切片６１とし、前記カッティングした切片６１の一次成型体６０の熱伝導性フィラーの方向を合わせて積層し、それを加熱圧縮して二次成型体８０としたものである。

したがって、連続供給される芯材１１が熱可塑性樹脂と繊維長０．１ｍｍ乃至１２ｍｍの熱伝導性フィラーとを主材料として混練した混練材料の配向方向を誘導し、繊維長０．１ｍｍ乃至１２ｍｍの熱伝導性フィラーの配向を芯材11が移動する引き取り方向とする特定方向に均一化させて単一化することができる。また、熱伝導性フィラーを単一化することで一方向の熱の伝導特性を大幅に向上させることができる。そして、ストランド３０は、芯材１１によって補強されているため引き取り機３１に引き取られる際切れることが無く、押出した長さを基準として整理できる所定長に切断してストランド３０Ａとするものであるためプルトルージョン成形が可能となる。従って、ストランド３０Ａの列が特定でき、配向特性を整理し易く、一次成型体６０のみならず目的の成形体として特定方向に熱伝導状態を良好とすることができる。更に、このヒートシンクは、材料的に軽量であり、かつ、加工性に富む。加えて、一次成型体６０を熱伝導性フィラーの配向に従って短冊状にカッティングして切片６１とし、そのカッティングした切片６１の一次成型体６０の熱伝導性フィラーの方向を合わせて積層し、それを加熱圧縮して二次成型体８０としたものであるから、二次成型体８０の任意の方向に熱の伝導方向を設定することができる。また、積層によって目的の形状を形成することもできる。
よって、プルトルージョン成形が可能であり、かつ、熱可塑性樹脂を使用して、配向が特定でき、熱伝導率の良好なヒートシンクとなる。なお、本実施の形態では、一次成型体６０を形成した後、一次成型体６０をカッティングし、さらに積層して二次成型体８０を形成している。このようにすることにより一次成型体６０の成形枠５０が小さくて済み、また、ストランド３０Ａを確実に溶融させて良好な配向を有する一次成型体６０の形成が可能となる。なお、ヒートシンクの形状及び加熱方法によっては成形枠５０を所望の形状として一次成型体６０を形成することで目的とするヒートシンクが得られる場合も有り得る。

［実施例］
まず、本実施例のヒートシンクの製造方法は、熱可塑性樹脂と繊維長０．１ｍｍ乃至１２ｍｍの熱伝導性フィラーとを主材料として図示しない加圧式ニーダー等の混練機で予め混練する混練工程と、混練工程で混練した混練材料を押出機２１から押出金型２０に供給することで、芯材ロール１０から押出金型２０に連続して供給される芯材１１に混練した材料を被覆するとともに、芯材１１の周囲に混練材料を配置させて一体化させる被覆工程と、混練材料を芯材１１と共に押出金型２０から押出して、芯材１１の周囲に混練材料を所望の断面形状に形成し、かつ、芯材１１の移動方向に熱伝導性フィラーを配向させたストランド３０とする押出工程と、その押出工程で押出した長さ方向に、その長さを揃えて(その長さを基準として)整理できるような所定長に切断したストランド３０Ａとするストランド切断工程と、そのストランド切断工程で切断したストランド３０Ａの長さ方向を揃えて加熱圧縮して一次成型体６０を形成する一次成形工程と、その一次成形工程で形成した一次成型体６０を熱伝導性フィラーの配向に従って短冊状にカッティングするカッティング工程と、前記カッティング工程でカッティングした短冊状の一次成型体６０の熱伝導性フィラーの方向を合わせて積層し、それを加熱圧縮して二次成型体８０を形成する二次成形工程とを具備するものである。

本実施例の混練工程は、熱可塑性樹脂と繊維長０．１ｍｍ乃至１２ｍｍの熱伝導性フィラーとを主材料として図示しない加圧式ニーダー等の混練機で混練する工程である。
具体的には、加圧式ニーダー（混練機）を使用し、ポリアミド６（以下、単に「ＰＡ６」という；東レＣＭ１０２１）を６０ｖｏｌ％、熱伝導性フィラーとしてカーボン繊維（以下、単に「ＣＦ」という；日本グラファイトファイバーＸＮ−１００−０６Ｚ、繊維長６ｍｍ）を４０ｖｏｌ％の体積比として混練した。混練条件としては、設定温度２６０℃、回転数２４ｒｐｍ、正転、４ｍｉｎとした。但し、４分間の混練とは、ＣＦの嵩が大きいために、少量ずつ投入し、１０ｓｅｃ／回転を繰り返し、全てを投入した後に４分間の混練を行ったことを意味する。
本実施例では、加圧式ニーダーを使用したが、正常に混練でき、押出しストランド化ができた。しかし、更に、双腕式ニーダーを使用すれば、より均一分布が可能となる。

念のため、ＰＡ６を６０ｖｏｌ％、熱伝導性フィラーとしてＣＦを４０ｖｏｌ％の体積比及び物性値等を表１に示す。なお、本実施例においては、ＰＡ６及びＣＦをストランド化した混練材料で説明するが、本発明を実施する場合には、前述した熱可塑性樹脂及び熱伝導性フィラーであればよい。本実施例においては、ＰＡ６及びＣＦをストランド化した混練材料であれば、従来の技術に比較して４〜５倍以上の熱伝導率が得られることが判明した。

本実施例によれば、ＰＡ６及びＣＦを予め混練した混練材料を押出機２１に供給し、押出金型２０からプルトルージョン法、即ち、引き取り機３１によって金型２０から成形品を芯材１１としての銅線と共に引き抜き、後の工程で、所定の長さに切断して製品化するものであり、効率良く単一製品を作ることができる。
即ち、押出工程は、混練工程で混練した材料を芯材ロール１０から押出金型２０に連続供給される芯材１１と共に押出すプルトルージョン成形とし、芯材１１の周囲に混練材料を形成し、かつ、芯材１１の方向に熱伝導性フィラーを配向させたストランド３０とする工程である。このプルトルージョン条件としては、押出機の温度を２８０℃、引き取り速度４．７ｍ/ｍｉｎ、スクリュー回転数３０ｒｐｍ、押出金型温度２８０℃で行った。念のため、ストランドの配合値等を表２に示す。

プルトルージョン成形で得たストランド３０は、図２に示す通り、ＣＦがその流れ方向に配向していることが確認された。しかし、このストランド３０には、一部にボイドが生じており、そのボイドによってＣＦの配向が乱れている個所も確認された。このボイドによるＣＦの配向の乱れは、熱伝導効率の向上を妨げる原因に成る場合がある。
そこで、ストランド切断工程で、通常３０ｍｍ以上の長さ、即ち、ストランド３０を押出した長さ方向に整理できるような長さ、好適には１００ｍｍ前後にカッティングし、ストランド３０の長さ方向を揃え、加熱圧縮して熱伝導性フィラーの配向を特定できる一次成型体６０を形成することにより、ボイドは全てなくなった。因みに、一次成型体６０を得る加熱圧縮温度は、温度２４５℃で、加圧力１．５ｔであった。

即ち、押出工程で押出した長さ方向に整理できるような所定長に切断したストランド３０Ａとするストランド切断工程と、そのストランド切断工程で切断したストランド３０Ａの長さ方向を揃えて加熱圧縮して一次成型体６０を形成する一次成形工程を経ることによって、熱伝導性フィラーの配向を特定でき、また、一次成型体６０の形成によりボイドは全てなくなった。

結果、ＰＡ６を６０ｖｏｌ％、ＣＦを４０ｖｏｌ％混練した材料の熱伝導率を温度傾斜法にて測定すると図３（ｂ）の結果からその熱伝導率は４．８Ｗ／ｍｋであったが、本発明の実施例のプルトルージョン法で得たストランド３０を、ストランド切断工程で１００ｍｍ前後にカッティングし、ストランド３０の長さ方向を揃え、温度２４５℃で、加圧力１．５ｔで加熱圧縮して熱伝導性フィラーの配向を特定した一次成型体６０の熱伝導率は、図３（ａ）の結果から２８．７Ｗ／ｍｋとなり、前者に比して５乃至６倍熱伝導率が良好になることが確認された。

このように、混練工程で、芯材ロール１０から押出金型２０に連続供給される芯材１１が、ＰＡ６を６０ｖｏｌ％及びＣＦを４０ｖｏｌ％で混練した材料の配向方向を誘導し、繊維長０．１ｍｍ乃至１２ｍｍの熱伝導性フィラーの配向を押出工程で押出しながら均一化させ、また、熱伝導性フィラーは繊維長０．１ｍｍ乃至１２ｍｍと長いことから、熱伝導性フィラーの配向を単一化することができ、熱伝導特性に合った方向の配向が得られる。そして、ストランド３０Ａは、押出した長さ方向に整理できるような所定長に切断したものであるから、ストランド３０Ａの列が特定でき、配向特性を整理し易く、一次成型体６０のみならず目的の成形体として特定方向に熱伝導状態を良好とすることができる。更に、ＰＡ６を６０ｖｏｌ％及びＣＦを４０ｖｏｌ％で混練した材料は、金属等に比較して材料的に軽量であり、かつ、加工性に富むものである。よって、プルトルージョン成形が可能であり、かつ、熱可塑性樹脂を使用して、配向が特定でき、熱伝導率の良好なヒートシンクの製造方法となる。

加えて、一次成形工程で形成した一次成型体６０を熱伝導性フィラーの配向に従って切片６１にカッティングするカッティング工程と、そのカッティング工程でカッティングした切片６１の熱伝導性フィラーの方向を合わせて積層し、それを加熱圧縮して二次成型体８０を形成する二次成形工程を経れば、一次成型体６０を熱伝導性フィラーの配向に従って切片６１にカッティングし、そのカッティングした短冊状の切片６１の一次成型体６０の熱伝導性フィラーの方向を合わせて積層し、それを加熱圧縮して二次成型体８０としたものであるため、二次成型体の成形時に熱の伝導方向を二次成型体の任意の方向に設定することができる。また、積層によって目的の形状を形成することもできる。よって、プルトルージョン成形が可能であり、かつ、熱可塑性樹脂を使用して、配向が特定でき、熱伝導率の良好なヒートシンクの製造方法となる。

上記実施の形態では、熱伝導性フィラーの繊維長を０．１ｍｍ乃至１２ｍｍとしているが、実施例の繊維長６ｍｍを中心に検討したところ、繊維長０．１ｍｍ乃至１２ｍｍが好適であることが判明した。
また、ストランド切断では、１００ｍｍ前後にカッティングするのが作業性から好適であるが、通常１０ｍｍ以上の長さであれば、押出した長さ方向の整理が容易であり、かつ、単純に長方形、正方形以外の形状、例えば、凸、凹とすることもできる。

上記実施の形態では、ヒートシンクの芯材１１の体積比を減じた後のＰＡ６を６０ｖｏｌ％及びＣＦを４０ｖｏｌ％で混練した事例で説明したが、発明者らの実験によれば、熱可塑性樹脂としてのＰＡ６を７０乃至５０ｖｏｌ％とし、また、前記熱伝導性フィラーとしてのカーボン繊維を３０乃至５０ｖｏｌ％の体積比とした場合でも良好な結果が得られた。逆にＰＡ６が５０ｖｏｌ％よりも少ない場合、ＣＦを５０ｖｏｌ％よりも多い場合はもろくなり、ＰＡ６が７０ｖｏｌ％よりも多い場合、ＣＦが３０ｖｏｌ％よりも少ない場合は、熱伝導率が低下する。

なお、本発明の実施の形態で挙げている数値は、臨界値を示すものではなく、実施に好適な適正値を示すものであるから、上記数値を若干変更してもその実施を否定するものではない。

１０芯材ロール
１１芯材
２０押出金型
２１押出機
３０ストランド
３０Ａ切断したストランド
３１引き取り機
４０切断機
６０一次成型体
６１短冊状の切片
８０二次成型体

Claims

熱可塑性樹脂と繊維状の熱伝導性フィラーを主材料として混練した材料を連続供給される芯材と共に押出して、前記芯材の周囲に前記混練した材料を形成し、かつ、前記芯材の長さ方向に前記熱伝導性フィラーを配向させたストランドとし、前記ストランドを押出した長さ方向に整理できるような所定長に切断し、前記切断したストランドを複数本長さ方向を揃えて一体とした一次成型体を形成したことを特徴とするヒートシンク。
更に、前記一次成型体を形成した後、前記一次成型体を熱伝導性フィラーの配向方向に対し切断する方向にカッティングしたことを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク。
前記一次成型体の形状が直方体であり、前記一次成型体を熱伝導性フィラーの配向方向が短辺となるように短冊状にカッティングしたことを特徴とする請求項２に記載のヒートシンク。
前記一次成型体の形状が直方体であり、前記一次成型体を熱伝導性フィラーの配向方向が短辺となるように短冊状にカッティングし、前記カッティングした一次成型体の短辺の長さを揃えて積層して一体とした２次成形体としたことを特徴とする請求項２または請求項３に記載のヒートシンク。