JP2012164907A - 熱伝導シート - Google Patents

Abstract

【課題】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シートを提供することを目的とする。
【解決手段】発熱部品と密着させて伝熱を行う熱伝導シート１１であって、グラファイト粉体１３と熱可塑性樹脂１２を混合してシート状に成形したものであり、グラファイト粉体１３は厚さ方向に歪まされた三次元形状を有し、熱伝導シート１１には気泡が含まれている構成としたもので、このようにすることにより、厚さ方向の熱伝導率を向上させることができる。
【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、発生した熱を厚さ方向にスムースに伝えることができる熱伝導シート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０．０５ｍｍ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に示すように平面状に広がる鱗片状の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３のように、グラファイトシート１を複数枚貼り合わせて切断し、厚さ方向に熱伝導を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、従来のような熱伝導シート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。また面方向の強度が弱いため、発熱部品と熱伝導シート、あるいは熱伝導シートとヒートシンクの間の密着性が弱くなり、十分に熱を受け渡すことができず、結果として熱伝導率が低いものとなってしまっていた。さらに積層した後で切断するという工程が増えるため、コストアップの要因となっていた。

本発明は、このような課題を解決し、所望の厚さが得られ、機械的強度に優れ、発熱部品等との密着性を向上させることにより、厚さ方向の熱伝導率が高い熱伝導シート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、本発明は発熱部品と密着させて伝熱を行う熱伝導シートであって、この熱伝導シートはグラファイト粉体と熱可塑性樹脂を混合してシート状に成形したものであり、グラファイト粉体は厚さ方向に歪まされた三次元形状を有し、熱伝導シートには気泡が含ま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り、グラファイト粉体の熱伝導率の高い方向を熱伝導シートの厚さ方向にも配置させることができ、熱伝導シートの厚さ方向の熱伝導率を向上させるとともに、熱伝導シートに含まれる気泡がクッションの役割をすることにより、発熱部品等との密着性を向上させることができる。

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シート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シートの断面図 本発明の一実施の形態におけるグラファイト粉体の粒度分布図 従来の熱伝導シートの斜視図 一般的なグラファイトの結晶構造を示す図

（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シートについて、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シート１１の断面図であって、アクリル からなる熱可塑性樹脂１２と、グラファイト粉体１３と、気泡１４とにより熱伝導シー ト１１を構成されている。グラファイト粉体１３は厚さ方向に歪まされた三次元形状を 有している。一般的なグラファイト粉体は鱗片状の形状をしているため、熱可塑性樹脂 と混ぜてシートを形成したとき、面方向に配向しやすく、そのため面方向には熱伝導率 が高くなるが、厚さ方向には熱伝導率が低いものとなる。これに対して、本実施の形態 のようにグラファイト粉体１３を厚さ方向に歪まされた形状とし、気泡１４を内在させ ることにより、厚さ方向にも配向させ、厚さ方向の熱伝導率を高めることができる。さ らに気泡１４によりクッション性を増すことができ、これにより発熱部品等との密着性 を向上させることができ、実質的な熱伝導性を向上させることができる。また、熱可塑 性樹脂を用いているため、発熱部品が発熱すると、その温度で熱可塑性樹脂が柔らかく なり、その密着性がさらに向上するため、より多くの熱を伝導させることができ、発熱 部品の温度上昇を抑制することができる。

グラファイト粉体１３は、粒度分布の比較的大きな第１のグラファイト粉体１３ａと、これよりも粒度分布の小さな第２のグラファイト粉体１３ｂとを混ぜたものを用いることが望ましい。

本実施の形態では、第１のグラファイト粉体１３ａは平面方向の平均の大きさ約１８μｍのグラファイト粉体からなり、第２のグラファイト粉体１３ｂは平面方向の平均の大きさ約３μｍのグラファイト粉体からなっており、熱伝導シート１１におけるグラファイト粉体の粒度分布をとったときに、図２のように第１のグラファイト粉体１３ａによる第１のピーク、第２のグラファイト粉体１３ｂによる第２のピークの２つのピークを有している。ここで粒度分布とは、グラファイト粉体の平面方向の大きさによって、そのフルイ体積の度数（％）の分布状態を示したものである。

このように粒度分布のピークが大きく異なる第１のグラファイト粉体１３ａと第２のグラファイト粉体１３ｂを熱可塑性樹脂１２に混ぜてシート状に成形することにより、第１のグラファイト粉体１３ａの面方向（熱伝導率が高い方向）が、熱伝導シート１１の面方向だけでなく、厚さ方向にも向くため、熱伝導シート１１の厚さ方向の熱伝導率を向上させることができる。このとき第１のグラファイト粉体１３ａの平面方向の平均の大きさを１５〜１００μｍ、第２のグラファイト粉体１３ｂの平面方向の平均の大きさを０．５〜１０μｍとするのが望ましく、さらに第１のグラファイト粉体１３ａの平均の大きさを、第２のグラファイト粉体１３ｂの平均の大きさの３倍以上、より好ましくは５倍以上とすることがより望ましい。

ここで、厚さ方向に歪まされた三次元形状を有しているのは、第１のグラファイト粉体１３ａのみでも構わない。粒度分布の大きい第１のグラファイト粉体１３ａを厚さ方向に歪まされた三次元形状を有するようにすることにより、熱可塑性樹脂１２と混合した時に熱伝導シート１１の厚さ方向に、第１のグラファイト粉体１３ａの熱伝導率が高い方向が向きやすくなり、厚さ方向の熱伝導率を向上させることができる。

また第１のグラファイト粉体１３ａを、厚さ方向に歪まされることにより凹部１５を有した三次元形状とし、この凹部１５に気泡１４が付着しているようにすることが望ましい。通常樹脂に熱伝導粒子を混合してシート状にした熱伝導シートでは、樹脂の中に気泡が入っていると熱伝導率が悪くなるため、気泡が入らないようにしている。これに対して本実施の形態のように、第１のグラファイト粉体１３ａの凹部１５に気泡１４が付着するようにしていると、気泡１４のまわりを第１のグラファイト粉体１３ａが包むようになるため、気泡１４そのものの熱伝導率が悪くても、熱伝導性に優れた第１のグラファイト粉体１３ａを熱が伝わるため、良好な熱伝導率を確保することができる。一方、熱伝導シート１１として気泡１４を含むため、クッション性を向上させることができ、実質的な熱伝導率を向上させることができる。

なお、以上のような熱伝導シートに熱分解グラファイトシートを貼り合わせても良い。このようにすることにより、面方向の熱伝導率をさらに向上させることができる。この場合、熱分解グラファイトシートと貼り合わせる熱伝導シートの表面部分の熱可塑性樹脂の割合を多くしておくことが望ましい。このようにすることにより、熱伝導シートと熱分解グラファイトシートの接着性を向上させることができる。

次に本発明の一実施の形態における熱伝導シート１１の製造方法について説明する。

まず、厚さ約２５μｍの熱分解グラファイトシートを例えば約１ｍｍ角の大きさに切断する。これをジェットミルを用いて粉砕することにより鱗片状の粉体を得たあと、ふるいにかけることにより、大きな粉体と小さな粉体に分ける。この大きな粉体が第１のグラファイト粉体１３ａとなる。この第１のグラファイト粉体１３ａの大きさを約１８μｍ、厚さ約１μｍとしている。天然黒鉛あるいは人造黒鉛等を用いてグラファイト粉体を作る場合、その大きさをコントロールすることが難しいが、本実施の形態のように、熱分解グラファイトシートを切断したあと粉砕して鱗片状の粉体を得るようにすると、切断する大きさ、粉砕時間等により所望の大きさの鱗片状の粉体を得ることができる。

このとき第１のグラファイト粉体１３ａのアスペクト比（平面方向の大きさ／厚さ）を５以上、好ましくは２０以上とすることが望ましい。このようにすることにより第１のグラファイト粉体１３ａが変形しやすくなり、厚み方向の熱伝導率を向上させることができる。

なお、第１のグラファイト粉体１３ａを作るための熱分解グラファイトシートは、大きなシートでなくても良く、周辺部の端材や、金型で抜いた後の廃材を用いても良い。

このようにすることにより、低コストの熱伝導シート１１を得ることができる。

次に第１のグラファイト粉体１３ａを三次元形状になるように厚さ方向に歪ませて変形させる。この方法としては、薄いシート上に第１のグラファイト粉体１３ａを広げたものを、２つの回転するローラの間に通す。このとき２つのローラの回転速度を異ならせることにより、第１のグラファイト粉体１３ａを円弧状に歪ませ、凹部１５を有する形状にすることができる。あるいはジルコニア等の固い球状粒子と第１のグラファイト粉体を混ぜ合わせて袋に入れ、これに静水圧をかけることを行なっても良い。このようにすることにより、第１のグラファイト粉体１３ａを球状粒子に沿って円弧状の形に歪ませることができる。このとき球状粒子の大きさは、第１のグラファイト粉体１３ａよりも大きいものを用いる。このようにすることにより、容易に第１のグラファイト粉体１３ａと球状粒子とを分離することができる。

本実施の形態では、第１のグラファイト粉体１３ａを熱分解グラファイトシートから作っているため、柔軟性を有しており、これらの方法により三次元形状になるように厚さ方向に変形させることができる。

このときの形状は、第１のグラファイト粉体１３ａの厚さの３倍以上、より好ましくは５倍以上変形させることが望ましい。

次に熱可塑性樹脂を加熱して液状にする。この液状化した熱可塑性樹脂にバブリングを行うことにより、微細な気泡を含む状態にする。このあと液状化した熱可塑性樹脂に上記第１のグラファイト粉体１３ａを入れて混ぜ合わせる。このとき大きな気泡は熱可塑性樹脂の外に排出されるが、凹部１５に付着した気泡１４は排出されにくいために、熱可塑性樹脂の中に残ることになる。

次に、熱可塑性樹脂に第１のグラファイト粉体１３ａを混ぜたものに、さらに第１のグラファイト粉体１３ａよりも粒度分布が小さい第２のグラファイト粉体１３ｂを混ぜ合わせる。第２のグラファイト粉体１３ｂは、第１のグラファイト粉体１３ａを作る時にふるいによって分離された小さな粉体をさらに粉砕することにより、第２のグラファイト粉体１３ｂとして使っても良い。あるいは天然黒鉛、人造黒鉛等を細かく粉砕したもの、またはこれらと小さな粉体を粉砕したものを混合したものであっても良い。

このようにすることにより、凹部１５に気泡１４が付着した第１のグラファイト粉体１３ａの間に第２のグラファイト粉体１３ｂが入り込んだ状態となり、より熱伝導性を向上させることができる。この混合物をドクターブレード法によりシート状に成形し、冷却し所定の大きさに切断することにより熱伝導シート１１を得ることができる。

なお、熱可塑性樹脂に第１のグラファイト粉体１３ａを混ぜたあと、あるいはさらに第２のグラファイト粉体１３ｂを混ぜた後に、真空脱泡により大きな気泡を取り除いても良い。このようにしても凹部１５に入り込んだ気泡１４は抜けにくいため、そのまま熱可塑性樹脂の中に残すことができる。

ここで第１のグラファイト粉体１３ａと第２のグラファイト粉体１３ｂとの配合割合は、重量比で第１のグラファイト粉体１３ａの方が多くなるようにすることが望ましい。このようにすることにより熱伝導シート１１の厚さ方向の熱伝導率を向上させることができる。

また熱伝導シート１１の熱可塑性樹脂１２の重量割合を３３％から９７％とすることが望ましい。樹脂量が３３％よりも少なくなると、シートの膜強度を得にくくなり、またグラファイト粉が脱落しやすくなる。逆に９７％よりも多くなると、熱伝導率が極端に悪くなってくる。

また成形して硬化した熱伝導シート１１の厚さと第１のグラファイト粉体１３ａの平均粒径の比は、２．５〜１００、好ましくは５〜５０とすることが望ましい。この比が２．５より小さくなると成形性が悪化し、１００を超えると熱伝導率が悪化してくるためである。

本発明の熱伝導シートは、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ものが得られ、産業上有用である。

１１ 熱伝導シート
１２ 熱可塑性樹脂
１３ グラファイト粉体
１３ａ 第１のグラファイト粉体
１３ｂ 第２のグラファイト粉体
１４ 気泡
１５ 凹部

Claims (4)

1. 発熱部品と密着させて伝熱を行う熱伝導シートであって、前記熱伝導シートはグラファイト粉体と熱可塑性樹脂を混合してシート状に成形したものであり、前記グラファイト粉体は厚さ方向に歪まされた三次元形状を有し、前記熱伝導シートには気泡が含まれていることを特徴とする熱伝導シート。
2. 前記グラファイト粉体は厚さ方向に歪まされることにより凹部を有した三次元形状をしており、前記凹部に前記気泡が付着していることを特徴とする請求項１記載の熱伝導シート。
3. 前記グラファイト粉体は、三次元形状を有する第１のグラファイト粉体とこれよりも小さい第２のグラファイト粉体を含むことを特徴とする請求項１または２記載の熱伝導シート。
4. 前記グラファイト粉体は、円弧状に歪ませたものであることを特徴とする請求項１または２記載の熱伝導シート。

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