JP2013070015A

JP2013070015A - 熱伝導シートおよびその製造方法

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Publication number: JP2013070015A
Application number: JP2012022668A
Authority: JP
Inventors: Masafumi Nakayama; 雅文中山
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2011-09-07
Filing date: 2012-02-06
Publication date: 2013-04-18
Anticipated expiration: 2032-02-06
Also published as: JP5994100B2

Abstract

【課題】所望の厚さが得られ、厚さ方向および面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ものである。
【解決手段】グラファイト片１３と樹脂１２とを混合してシート状に成形してなる熱伝導シート１１であって、この熱伝導シートの表面付近１１ａではグラファイト片のａ−ｂ軸が主として熱伝導シートの面方向に配向され、熱伝導シートの内部領域１１ｂではグラファイト片のａ−ｂ軸が主として熱伝導シートの厚さ方向に配向されているようにしたものであり、このようにすることにより、厚さ方向および面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、所定の厚みが得られ、厚み方向での熱伝導率が高い熱伝導シートおよび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０．０５ｍｍ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５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６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。さらに上記熱伝導シートでは、グラファイトシートが向いている一方向にしか熱が伝導しにくいため、面方向の熱伝導性は劣ったものとなっていた。

本発明は、このような課題を解決し、所望の厚さが得られ、厚さ方向および面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。

本発明は上記課題を解決するために、グラファイト片と樹脂とを混合してシート状に成形してなる熱伝導シートであって、この熱伝導シートの表面付近ではグラファイト片のａ−ｂ軸が主として熱伝導シートの面方向に配向され、熱伝導シートの内部領域ではグラファイト片のａ−ｂ軸が主として熱伝導シートの厚さ方向に配向されているようにしたものである。

上記構成により、熱伝導シートの表面に伝わった熱は、熱伝導シートの面方向に拡散するとともに厚さ方向にも伝わる。厚さ方向に伝わった熱は、熱伝導シートの内部領域ではグラファイト片のａ−ｂ軸が主として熱伝導シートの厚さ方向に配向しているため反対側の表面の方に熱が流れていく。さらに反対側の表面でもグラファイト片のａ−ｂ軸が主として熱伝導シートの面方向に配向されているため、熱は面方向に流れやすくなる。結果として熱伝導シートの厚さ方向の熱伝導率が向上するとともに、グラファイト片が一定の方向を向いていないため、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熱伝導シートを成形するための装置の断面図本発明の一実施の形態における別の熱伝導シートを成形するための装置の断面図（ａ）本発明の一実施の形態におけるさらに別の熱伝導シートを成形するための装置の垂直断面図、（ｂ）本発明の一実施の形態におけるさらに別の熱伝導シートを成形するための装置の水平断面図一般的なグラファイトの結晶構造を示す図従来の熱伝導シートの斜視図

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の断面図であり、アクリル酸エステルからなる樹脂１２と、グラファイト片１３とを混合することにより熱伝導シート１１を構成している。グラファイト片１３は熱分解グラファイトシートを切断、粉砕することにより、平均粒径（５０％粒径）約３０μｍの鱗片状にしたものを用い、熱伝導シート１１の厚さを約０．５ｍｍとしている。

この熱伝導シート１１の両方の表面付近１１ａでは、グラファイト片１３のａ−ｂ軸が主として熱伝導シート１１の面方向に配向され、熱伝導シートの内部領域１１ｂではグラファイト片のａ−ｂ軸が主として熱伝導シートの厚さ方向に配向されている。ここで熱伝導シート１１の表面付近とは、表面からグラファイト片１３の平均粒径程度の深さを意味し、熱伝導シートの内部領域とは、断面において熱伝導シートの中心から上下に向かってそれぞれその厚さの１／３までの領域を意味している。また配向しているというのは、それぞれの領域において、それぞれのグラファイト片１３のａ−ｂ軸の方向と熱伝導シート１１の面方向との角度の平均値を配向角度としたとき、３０°以下のものを熱伝導シート１１の面方向に配向されたものとし、６０°以上のものを熱伝導シートの厚さ方向に配向されているとしている。

なお、この配向角度は、熱伝導シート１１の表面付近で２０°以下、熱伝導シートの内部領域で７０°以上とすることがより好ましい。

以上のように構成することにより、熱伝導シート１１の一方の面に到達した熱は、熱伝導シートの表面付近１１ａでは、グラファイト片１３のａ−ｂ軸が主として熱伝導シート１１の面方向に配向されているため、面方向に拡散しながら厚さ方向に伝熱される。この熱が熱伝導シートの内部領域１１ｂに到達すると、そこではグラファイト片のａ−ｂ軸が主として熱伝導シート１１の厚さ方向に配向されているため、厚さ方向にスムースに伝熱される。その後熱伝導シート１１のもう一方の表面付近に到達し、同様に面方向に拡散しながら、もう一方の表面に到達する。以上のように伝熱されるため、厚さ方向および面方向の熱伝導率が高い熱伝導シートを得ることができる。さらに熱伝導シート１１の内部ではグラファイト片１３が一定の方向を向いていないため、機械的強度に優れた熱伝導シートを得ることができる。

次に本発明の一実施の形態における熱伝導シートの製造方法について説明する。

図２は、本発明の一実施の形態における熱伝導シートを成形するための装置の断面図である。容器１４はグラファイト片１３と樹脂１２とを混合したシート材料を入れ、加圧装置１５により加圧することにより、容器１４につながった平板状の隙間を有する第１の配向領域１６に押し出す。シート材料には、平均粒径約３０μｍ、９０％粒径約８０μｍ、アスペクト比約１０：１の鱗片状のグラファイト片１３と、分子量約１００万のアクリル酸エステルの樹脂１２とを、重量比４：１で混合したものを用いている。ここで樹脂の重量は溶剤分を除いたもので示している。第１の配向領域１６は、シート材料の通る部分で隙間を約５０μｍ、幅約１００ｍｍ、長さ約２０ｍｍの平板状の形状となっている。さらに第１の配向領域１６から、第１の配向領域１６とほぼ直交する第２の配向領域１７につながっている。第２の配向領域１７は、シート材料の通る部分で隙間を約５００μｍ、幅約１００ｍｍ、長さ約１０ｍｍの平板状の形状となっている。このようにシート材料は、加圧装置１５により加圧することにより、容器１４から第１の配向領域１６、第２の配向領域１７を通り、取り出し口１９から押し出されることにより、幅約１００ｍｍ、厚さ約５００μｍのシート状に成形される。これを加熱して溶剤分を飛ばすことにより、熱伝導シート１１を得ることができる。

以上のようにすることにより、容器１４内では、グラファイト片１３と樹脂１２とを混合した状態であるため、グラファイト片１３のａ−ｂ軸の方向はランダムとなっているが、第１の配向領域１６を通っていくと、その隙間が約５０μｍと狭いため、グラファイト片１３のａ−ｂ軸方向は、第１の配向領域１６の長さ方向へとそろえられていく。第１の配向領域１６の長さは、長い方が配向度合いは高くなるので望ましいが、あまり長くなると大きな加圧力が必要となるため、十分な配向性が得られる程度にしておくことが望ましい。第１の配向領域１６から第２の配向領域１７に押し出されると、内部領域では第１の配向領域１６での配向を保ったまま第２の配向領域１７に移動する。第１の配向領域１６と第２の配向領域１７とは、その隙間がほぼ直交するように接続されているため、第２の配向領域１７ではグラファイト片１３のａ−ｂ軸方向はその厚さ方向に配向された状態となっている。一方熱伝導シート１１の表面となる部分では、第２の配向領域１７の壁面と接しながら押し出されるため、表面付近ではその面方向に配向されるようになる。このようにして第２の配向領域１７から押し出されてきたものは、表面付近ではグラファイト片のａ−ｂ軸が主として面方向に配向され、内部領域ではグラファイト片のａ−ｂ軸が主として厚さ方向に配向されたものとなっている。

以上のようにして作製された熱伝導シートでは、熱伝導シートの表面付近１１ａでの配向角度は約８°、内部領域１１ｂでは配向角度は約７８°のものが得られ、この熱伝導シート１１の熱伝導率を測定すると、厚さ方向で約６０Ｗ／ｍ・Ｋ、面方向で約４０Ｗ／ｍ・Ｋと非常に優れたものが得られた。

なお、グラファイト片の大きさは、例えば熱分解グラファイトシートを所定の大きさに切断したものを、ジェットミル等で粉砕することにより、所望の大きさのものを得ることができる。また、グラファイト片のアスペクト比が小さすぎると配向性が劣化しやすくなってくるため、５：１以上とすることが望ましい。

ここで第１の配向領域の隙間の大きさは、小さすぎるとグラファイト片が通りにくくなり、大きすぎると十分な配向性が得にくくなるため、グラファイト片の平均粒径の１倍から２倍の大きさとすることが望ましい。

また、第２の配向領域の長さは、あまり長くなると内部領域の配向性に影響を与える可能性があり、第１の配向領域の長さよりも短くすることが望ましい。

また、第１の配向領域の隙間の大きさと第２の配向領域の隙間の大きさが同程度であると、押し出された状態で内部領域の配向性が得にくくなり、厚さ方向の熱伝導率が悪くなる。そのため、第１の配向領域の隙間の大きさを、第２の配向領域の隙間の大きさの１／５以下にすることが望ましい。

さらにグラファイト片の粒径は、小さすぎても、大きすぎても配向性が悪くなる傾向にあり、通常必要とされる０．１〜１ｍｍの厚さの熱伝導シートに対しては、平均粒径が１０〜６０μｍのグラファイト片を用いるのが望ましい。

またグラファイト片の粒径分布において、あまり大きいものが混じると配向性が悪くなるとともに、空隙ができて密度が下がるため好ましくなく、９０％粒径が熱伝導シートの厚さの１／４以下になるようにすることが望ましい。

なお、上記実施の形態では、第２の配向領域１７からフリーの状態で押し出されるが、図３のように、第２の配向領域の部分を開閉可能な成形金型１８とし、この中で硬化させるようにしても良い。この場合図３のように、第１の配向領域１６から成形金型１８に押し出される場所とは反対側の位置から第１の配向領域１６に向かって押圧金型２０によって圧力を加えることができるようにすることにより、さらに厚さ方向の配向性を高めることができる。

次に、さらに厚さ方向の熱伝導率を高めるための製造方法について説明する。

図４（ａ）は、本発明の一実施の形態におけるさらに別の熱伝導シートを成形するための装置の垂直断面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ−Ａ線で水平に切断したときに上から見たときの水平断面図である。

図４（ａ）に示すように、容器１４につながる第１の配向領域が１６ａ、１６ｂと２系統設けられており、これらが１つの平板状の第２の配向領域１７にほぼ直交する状態で接続されている。ここで第１の配向領域１６ａ、１６ｂは、図４（ｂ）のように平行に対向するように設けられ、第１の配向領域１６ａ、１６ｂが対向する方向に対して直角となる方向の、第１の配向領域１６ａ、１６ｂが対向している領域の第２の配向領域１７には、熱伝導シートの取り出し口１９が設けられている。

以上のように構成した装置において、図２の場合で説明したように、容器１４にはグラファイト片１３と樹脂１２とを混合したシート材料を入れ、加圧装置１５により加圧することにより、容器１４につながった平板状の隙間を有する第１の配向領域１６ａ、１６ｂに押し出す。さらに第１の配向領域１６ａ、１６ｂから、第１の配向領域１６ａ、１６ｂとほぼ直交する第２の配向領域１７につながっているため、シート材料は第１の配向領域１６ａ、１６ｂから第２の配向領域１７に押し出される。

図２の場合と同様に、第１の配向領域１６ａ、１６ｂの隙間を小さくしておくことにより、グラファイト片１３のａ−ｂ軸方向は、第１の配向領域１６ａ、１６ｂの長さ方向へとそろえられていく。そのあと第１の配向領域１６ａ、１６ｂと第２の配向領域１７とは、その隙間がほぼ直交するように接続されているため、第２の配向領域１７ではグラファイト片１３のａ−ｂ軸方向はその厚さ方向に配向された状態となっている。第２の配向領域１７を通っていくと、グラファイト片１３のａ−ｂ軸方向は次第に面方向に傾いていくが、図４（ａ）のように第１の配向領域１６ａ、１６ｂが対向しているため、両側の第２の配向領域１７から内側に進んだシート材料は中央部分でぶつかり、押しあう形となるためグラファイト片１３のａ−ｂ軸方向は、その厚さ方向に配向された状態を維持することができる。その状態でさらに押し出されたシート材料は、取り出し口１９に押し出されるため、より厚さ方向に配向された熱伝導シートが得られ、厚さ方向の熱伝導率が高いものが得られる。

なお、図４（ａ）では、第１の配向領域１６ａ、１６ｂにつながる容器１４を別々に設けているが、１つの容器に第１の配向領域１６ａ、１６ｂをそれぞれ接続したものであっても良い。

さらに図４（ｂ）では取り出し口１９は図面の下方にのみ設けているが、図面の下方、上方の２ヶ所に設けるようにしても良い。このようにすることにより、同時に２枚の熱伝導シートを取り出すことができる。

また、図４（ａ）では、第１の配向領域１６ａ、１６ｂは平行に形成されているが、斜交するように対向してもよい。ただしその角度が大きくなると、厚さ方向に配向させる効果が小さくなるため、３０°以下とすることが望ましい。

本発明に係る熱伝導シートおよびその製造方法によれば、所望の厚さが得られ、厚さ方向および面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、産業上有用である。

１１熱伝導シート
１１ａ熱伝導シートの表面付近
１１ｂ熱伝導シートの内部領域
１２樹脂
１３グラファイト片
１４容器
１５加圧装置
１６第１の配向領域
１７第２の配向領域
１８成形金型
１９取り出し口
２０押圧金型

Claims

グラファイト片と樹脂とを混合してシート状に成形してなる熱伝導シートであって、この熱伝導シートの表面付近では前記グラファイト片のａ−ｂ軸が主として前記熱伝導シートの面方向に配向され、前記熱伝導シートの内部領域では前記グラファイト片のａ−ｂ軸が主として前記熱伝導シートの厚さ方向に配向されていることを特徴とする熱伝導シート。
前記グラファイト片のａ−ｂ軸の方向と熱伝導シートの面方向との角度の平均値を配向角度としたとき、前記熱伝導シートの表面付近では前記配向角度は２０度以下であり、前記熱伝導シートの内部領域では前記配向角度は７０度以上であることを特徴とする請求項１記載の熱伝導シート。
加圧可能な容器にグラファイト片と樹脂とを混合したシート材料を入れ、加圧することにより、前記シート材料を前記容器につながった平板状の隙間を有する第１の配向領域に通し、さらに前記第１の配向領域につながり、前記第１の配向領域の隙間とほぼ直交する平板状の隙間を有する第２の配向領域に通し、前記第２の配向領域の隙間から取り出すことにより熱伝導シートを成形するものであり、前記熱伝導シートの表面付近では前記グラファイト片のａ−ｂ軸が主として前記熱伝導シートの面方向に配向され、前記熱伝導シートの内部領域では前記グラファイト片のａ−ｂ軸が主として前記熱伝導シートの厚さ方向に配向されていることを特徴とする熱伝導シートの製造方法。
前記第１の配向領域の隙間の大きさを、前記第２の配向領域の隙間の大きさの１／５以下としたことを特徴とする請求項３記載の熱伝導シートの製造方法。
前記第１の配向領域を複数個設け、これらは１つの前記第２の配向領域に接続され、前記第１の配向領域同士を対向させるように設けるとともに、前記第１の配向領域が対向する領域の前記第２の配向領域に取り出し口を設けることにより、この取り出し口から前記熱伝導シートを取り出すことを特徴とする請求項３記載の熱伝導シートの製造方法。