JP2014027144A - 熱伝導性成形体及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】繊維状熱伝導性充填材が高密度かつ厚み方向に高度に配向されるとともに、高分子マトリックスの架橋を必要としないシート状の熱伝導性成形体及びその製造方法を提供する。
【解決手段】熱伝導性成形体１０は、高分子マトリックス１１と、高分子マトリックス１１中に分散された繊維状熱伝導性充填材１２及び粉末状熱伝導性充填材１３と、複数の空孔１４とを含む。繊維状熱伝導性充填材１２は熱伝導性成形体１０の厚み方向に配向されるとともに、その一部は熱伝導性成形体１０をその厚み方向に貫通している。高分子マトリックス１１は未架橋状態の架橋性高分子化合物からなる。
【選択図】図１
【解決手段】熱伝導性成形体１０は、高分子マトリックス１１と、高分子マトリックス１１中に分散された繊維状熱伝導性充填材１２及び粉末状熱伝導性充填材１３と、複数の空孔１４とを含む。繊維状熱伝導性充填材１２は熱伝導性成形体１０の厚み方向に配向されるとともに、その一部は熱伝導性成形体１０をその厚み方向に貫通している。高分子マトリックス１１は未架橋状態の架橋性高分子化合物からなる。
【選択図】図１
Description
本発明は、半導体チップ等の発熱部品とヒートシンク等の放熱部品との間に装着されるシート状の熱伝導性成形体及びその製造方法に関する。
電子機器には半導体チップ等の発熱部品が搭載されている。電子機器を安定して動作させるためには、発熱部品からヒートシンク等の冷却部品に熱を逃がす必要がある。そこで、発熱部品と冷却部品との間に熱伝導性シートを装着することにより、発熱部品から冷却部品への放熱を促進している。
近年の電子機器の高性能化に伴い、熱伝導性シートの熱伝導特性の更なる向上が求められている。熱伝導特性を向上させる手段として、例えば、熱伝導性シート中の熱伝導性充填材の含有量を増やすことや、熱伝導性充填材として炭素繊維等の繊維状充填材を配合し、その繊維状充填材を一定方向に配向させること等が知られている。特許文献１には、シリコーン系ポリマー等の高分子マトリックスに炭素繊維を配合し、磁場を適用して炭素繊維をシートの厚み方向に配向させることにより、熱伝導特性を炭素繊維の配向方向に高めたことが開示されている。
しかしながら、使用する炭素繊維の平均繊維長を長くすることや、高分子マトリックス中の炭素繊維の含有量を増大させることにより、シート材料の粘度は高くなる。このため、炭素繊維の含有量が多い場合や平均繊維長が長い場合、炭素繊維を配向させるためには非常に強い磁場を発生させなければならず、結果として十分な配向を得ることが困難であるという問題があった。
また、特許文献２及び３には、カレンダー成形を利用した剪断流動場においてシート状成形体の成形方向と平行な方向に炭素繊維を配向させ、そのシート状成形体を積層して架橋させた後に炭素繊維の配向方向と直交する方向に積層体を切断することで、炭素繊維が厚み方向に配向したシートを得る方法が開示されている。
しかしながら、特許文献２及び３に開示されているように、積層したシートの界面を固着させるためには高分子マトリックスを架橋する工程が必要である。また、特に熱硬化性のシリコーン系ポリマーをマトリックスとした場合、加熱を伴うシートの成形工程において硬化反応が進行してしまうため、その後の積層体の形成工程においてシートの界面が固着されにくくなる。このため、積層体をシートに切断する際に積層間が剥離し易いという問題があった。
本発明の目的は、繊維状熱伝導性充填材が高密度かつ厚み方向に高度に配向されるとともに、高分子マトリックスの架橋を必要としないシート状の熱伝導性成形体及びその製造方法を提供することにある。
上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、高分子マトリックスと、高分子マトリックス中に分散された繊維状熱伝導性充填材及び粉末状熱伝導性充填材とを含み、かつ繊維状熱伝導性充填材が熱伝導性成形体の厚み方向に配向されたシート状の熱伝導性成形体において、高分子マトリックスは未架橋状態の架橋性高分子化合物からなるとともに、熱伝導性成形体は複数の空孔を有し、かつ、繊維状熱伝導性充填材の一部は、熱伝導性成形体をその厚み方向に貫通していることを要旨とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、繊維状熱伝導性充填材は炭素繊維であることを要旨とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、高分子マトリックスは未架橋状態の合成ゴムであることを要旨とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、高分子マトリックスは未架橋状態の合成ゴムであることを要旨とする。
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の発明において、厚み方向における熱抵抗値が０．２℃／Ｗ未満であることを要旨とする。
請求項５に記載の発明は、高分子マトリックスと、高分子マトリックス中に分散された繊維状熱伝導性充填材及び粉末状熱伝導性充填材とを含み、かつ繊維状熱伝導性充填材が熱伝導性成形体の厚み方向に配向されたシート状の熱伝導性成形体の製造方法において、架橋性高分子化合物、繊維状熱伝導性充填材、粉末状熱伝導性充填材、及び溶剤を混合してスラリー状組成物を調製する工程と、スラリー状組成物を、剪断力を付与しながらシート状に成形することにより繊維状熱伝導性充填材をシートの平面と平行な方向に配向させる工程と、成形したスラリー状組成物を乾燥させて溶剤を除去することにより多孔質シートを形成する工程と、繊維状熱伝導性充填材の配向方向が同じになるように複数の多孔質シートを積層した後、熱プレスにより溶融固着させて積層ブロックを形成する工程と、繊維状熱伝導性充填材の配向方向と直交する方向に積層ブロックを切断してシート状の熱伝導性成形体を得る工程とを備え、かつ、スラリー状組成物を調製する工程において、繊維状熱伝導性充填材は、熱伝導性成形体の厚さよりも平均繊維長の長い第１の繊維状充填材と、第１の繊維状充填材よりも平均繊維長の短い第２の繊維状充填材とからなり、積層ブロックを形成する工程において、多孔質シート中の空孔の少なくとも一部が維持されるように熱プレスが実施され、熱伝導性成形体における架橋性高分子化合物が未架橋状態であることを要旨とする。
請求項５に記載の発明は、高分子マトリックスと、高分子マトリックス中に分散された繊維状熱伝導性充填材及び粉末状熱伝導性充填材とを含み、かつ繊維状熱伝導性充填材が熱伝導性成形体の厚み方向に配向されたシート状の熱伝導性成形体の製造方法において、架橋性高分子化合物、繊維状熱伝導性充填材、粉末状熱伝導性充填材、及び溶剤を混合してスラリー状組成物を調製する工程と、スラリー状組成物を、剪断力を付与しながらシート状に成形することにより繊維状熱伝導性充填材をシートの平面と平行な方向に配向させる工程と、成形したスラリー状組成物を乾燥させて溶剤を除去することにより多孔質シートを形成する工程と、繊維状熱伝導性充填材の配向方向が同じになるように複数の多孔質シートを積層した後、熱プレスにより溶融固着させて積層ブロックを形成する工程と、繊維状熱伝導性充填材の配向方向と直交する方向に積層ブロックを切断してシート状の熱伝導性成形体を得る工程とを備え、かつ、スラリー状組成物を調製する工程において、繊維状熱伝導性充填材は、熱伝導性成形体の厚さよりも平均繊維長の長い第１の繊維状充填材と、第１の繊維状充填材よりも平均繊維長の短い第２の繊維状充填材とからなり、積層ブロックを形成する工程において、多孔質シート中の空孔の少なくとも一部が維持されるように熱プレスが実施され、熱伝導性成形体における架橋性高分子化合物が未架橋状態であることを要旨とする。
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、繊維状熱伝導性充填材は炭素繊維であることを要旨とする。
請求項７に記載の発明は、請求項５又は６に記載の発明において、第１の繊維状充填材の平均繊維長が５００μｍであり、第２の繊維状充填材の平均繊維長が１００μｍであることを要旨とする。
請求項７に記載の発明は、請求項５又は６に記載の発明において、第１の繊維状充填材の平均繊維長が５００μｍであり、第２の繊維状充填材の平均繊維長が１００μｍであることを要旨とする。
請求項８に記載の発明は、請求項５〜７のいずれか一項に記載の発明において、架橋性高分子化合物が合成ゴムであることを要旨とする。
請求項９に記載の発明は、請求項５〜８のいずれか一項に記載の発明において、スラリー状組成物に剪断力を付与しながらスラリー状組成物をシート状に成形する手段が、ドクターブレード法、押出成形法、又はダイコーティング法のいずれかであることを要旨とする。
請求項９に記載の発明は、請求項５〜８のいずれか一項に記載の発明において、スラリー状組成物に剪断力を付与しながらスラリー状組成物をシート状に成形する手段が、ドクターブレード法、押出成形法、又はダイコーティング法のいずれかであることを要旨とする。
請求項１０に記載の発明は、請求項５〜９のいずれか一項に記載の発明において、熱プレスにより、積層ブロックの厚みが熱プレス前の厚みから２０％〜５０％圧縮されることを要旨とする。
本発明によれば、繊維状熱伝導性充填材が高密度かつ厚み方向に高度に配向されるとともに、高分子マトリックスの架橋を必要としないシート状の熱伝導性成形体及びその製造方法を提供することができる。
本発明の熱伝導性成形体を具体化した一実施形態について、図１を参照して説明する。
図１に示すように、熱伝導性成形体１０は、高分子マトリックス１１、繊維状熱伝導性充填材１２、粉末状熱伝導性充填材１３、及び複数の空孔１４を含有するシート状成形体である。繊維状熱伝導性充填材１２は熱伝導性成形体１０の厚み方向に配向している。また、繊維状熱伝導性充填材１２は、熱伝導性成形体１０をその厚み方向に貫通する繊維長の長い第１の繊維状充填材１２ａと、第１の繊維状充填材１２ａよりも繊維長の短い第２の繊維状充填材１２ｂとを含む。
図１に示すように、熱伝導性成形体１０は、高分子マトリックス１１、繊維状熱伝導性充填材１２、粉末状熱伝導性充填材１３、及び複数の空孔１４を含有するシート状成形体である。繊維状熱伝導性充填材１２は熱伝導性成形体１０の厚み方向に配向している。また、繊維状熱伝導性充填材１２は、熱伝導性成形体１０をその厚み方向に貫通する繊維長の長い第１の繊維状充填材１２ａと、第１の繊維状充填材１２ａよりも繊維長の短い第２の繊維状充填材１２ｂとを含む。
高分子マトリックス１１は未架橋状態の架橋性高分子化合物からなる。熱伝導性成形体１０の製造工程において、架橋性高分子化合物はシート状に形成され積層された後、熱プレスにより熱融着される。このため、熱伝導性成形体１０は架橋剤を含まない。高分子マトリックス１１に用いられる架橋性高分子化合物は、未架橋状態で熱可塑性を示す合成ゴムであることが好ましい。そのような合成ゴムの例として、例えば、イソプレンゴム、ウレタンゴム、エチレンプロピレンゴム、クロロプレンゴム、シリコーンゴム、アクリルゴム、ニトリルゴム、スチレン・ブタジエンゴム、ブタジエンゴム、フッ素ゴム、ブチルゴム等が挙げられる。
高分子マトリックス１１に配合する繊維状熱伝導性充填材１２としては、熱伝導性を有する公知の繊維状材料を使用することができる。例えば、炭素繊維、金属繊維等が挙げられる。特に炭素繊維は比重が小さく、高分子マトリックス１１中への分散性が高くなるので好ましい。また、繊維状熱伝導性充填材１２として、少なくとも２つの異なる平均繊維長を有する繊維状充填材を使用する。第１の平均繊維長は熱伝導性成形体１０の厚みよりも大きく、かつ第２の平均繊維長は第１の平均繊維長よりも小さくなるようにする。このように平均繊維長の異なる繊維状充填材を使用すると、繊維長の長い繊維状充填材の間に繊維長の短い繊維状充填材が入り込むことにより、繊維状熱伝導性充填材１２を高分子マトリックス１１中に高密度に充填できる。また、繊維状熱伝導性充填材１２を一定方向に配向させることがより容易になる。その結果、熱伝導性成形体１０の熱伝導特性が向上する。繊維状熱伝導性充填材１２の平均繊維長は、熱伝導性成形体１０の製造工程において他の材料と混合し易く、かつ繊維状熱伝導性充填材１２が容易に配向される長さに設定される。具体的には、第１の平均繊維長は１５０μｍ以上１００００μｍ以下であり、第２の平均繊維長は５μｍ以上１００μｍ以下である。好ましくは、第１の平均繊維長は２００μｍ以上６０００μｍ以下であり、第２の平均繊維長は５０μｍ以上１００μｍ以下である。より好ましくは、第１の平均繊維長は２００μｍ以上１０００μｍ以下であり、第２の平均繊維長は５０μｍ以上１００μｍ未満である。繊維状熱伝導性充填材１２の平均繊維長が１００００μｍよりも長い場合、他の材料との均一な混合や一定方向への配向が困難になる。一方、繊維状熱伝導性充填材１２の平均繊維長が５μｍよりも短い場合、高い熱伝導性を得ることができない。
粉末状熱伝導性充填材１３は、熱伝導性成形体１０の厚み方向に沿って配向された繊維状熱伝導性充填材１２の間に位置している。このため、繊維状熱伝導性充填材１２は、１つ又は複数の粉末状熱伝導性充填材１３を介して互いに熱的に接続される。粉末状熱伝導性充填材１３の例として、例えば、粉末状の黒鉛、酸化アルミニウム（アルミナ）、六方晶窒化ホウ素、水酸化アルミニウム等が挙げられる。また、粉末状熱伝導性充填材１３の形状は、球状、鱗片状、多面体状、針状等の種々の形状とすることができる。特に、粒径や形状の異なる複数種の熱伝導性材料を粉末状熱伝導性充填材１３として用いると、充填密度が増大し、繊維状熱伝導性充填材１２間の熱的接続を一層向上させることができるため好ましい。
熱伝導性成形体１０は、さらに複数の空孔１４を含む。空孔１４は、熱伝導性成形体１０の製造工程において高分子マトリックス１１から溶剤が除去された名残である。熱伝導性成形体１０に占める空孔１４の割合は特に限定されない。しかしながら、空孔１４の割合が大きいと、得られる熱伝導性成形体１０の硬度が低くなり、発熱部品や放熱部品に対する密着性が高まるため好ましい。空孔１４の割合は、溶剤の量及び熱伝導性成形体１０の製造工程における熱プレス時の圧縮率を変化させることにより調節可能である。
熱伝導性成形体１０は、用途や設計仕様等に応じて、さらに可塑剤、軟化剤、老化防止剤、難燃剤等を含んでいてもよい。
可塑剤は、高分子マトリックス１１に用いられる架橋性高分子化合物を軟化させる。このため、高分子マトリックス１１中の繊維状熱伝導性充填材１２及び粉末状熱伝導性充填材１３の含有量の増加や、熱伝導性成形体１０の硬度の低下に有効である。架橋性高分子化合物の種類に応じて、適切な可塑剤が選択される。可塑剤の例として、例えば、フタル酸エステル、アジピン酸エステル、トリメリット酸エステル、リン酸エステル、セバシン酸エステル、アゼライン酸エステル、マレイン酸エステル、安息香酸エステル等のエステル系可塑剤、及びパラフィンオイル、ナフテンオイル等の鉱油系可塑剤が挙げられる。
可塑剤は、高分子マトリックス１１に用いられる架橋性高分子化合物を軟化させる。このため、高分子マトリックス１１中の繊維状熱伝導性充填材１２及び粉末状熱伝導性充填材１３の含有量の増加や、熱伝導性成形体１０の硬度の低下に有効である。架橋性高分子化合物の種類に応じて、適切な可塑剤が選択される。可塑剤の例として、例えば、フタル酸エステル、アジピン酸エステル、トリメリット酸エステル、リン酸エステル、セバシン酸エステル、アゼライン酸エステル、マレイン酸エステル、安息香酸エステル等のエステル系可塑剤、及びパラフィンオイル、ナフテンオイル等の鉱油系可塑剤が挙げられる。
軟化剤の具体例としては、例えば液状ポリブテン、液状ポリイソブチレン、液状ポリアクリル酸エステル等が挙げられる。老化防止剤の具体例としては、フェノール系酸化防止剤、ホスファイト系酸化防止剤、チオエーテル系酸化防止剤等が挙げられる。難燃剤の具体例としては、ペンタブロモジフェニルエーテル、オクタブロモジフェニルエーテル、デカブロモジフェニルエーテル、テトラブロモビスフェノールＡ、ヘキサブロモシクロドデカンなどの臭素化合物、トリフェニルホスフェートなどの芳香族リン酸エステル、赤リンなどのリン化合物、ハロゲンを含むリン酸エステル、ならびに、三酸化アンチモン、五酸化アンチモン、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム等が挙げられる。
次に、熱伝導性成形体１０の製造方法について図２〜図３を参照して説明する。
まず、高分子マトリックス１１である架橋性高分子化合物、繊維状熱伝導性充填材１２、粉末状熱伝導性充填材１３、及び溶剤を混合してスラリー状組成物２０を調製する。混合手段として、例えば公知のニーダー、混練ロール、ミキサーなどを使用することができる。また、可塑剤、軟化剤、老化防止剤、難燃剤等の任意の添加剤を配合する場合もここで共に混合される。スラリー状組成物２０の調製工程において、得られる組成物が均一に混合され、かつシート状に成形可能な粘度となる限り、架橋性高分子化合物に添加される材料の順序は特に限定されない。しかしながら、均一な混合物をより容易に調製するという観点から、繊維状熱伝導性充填材１２及び粉末状熱伝導性充填材１３は、架橋性高分子化合物に溶剤を添加してスラリー状にした後に混合することが好ましい。なお、溶剤には、架橋性高分子化合物を溶解可能であり、かつ加熱や減圧等により気化させてスラリー状組成物２０から除去可能なものを用いる。溶剤の具体例として、例えば、脂肪族系、芳香族系、アルコール系、エステル系、エーテル系、ハロゲン系等の有機溶媒等が挙げられる。溶剤は、１種を単独で用いても、２種以上を組み合わせて用いてもよい。溶剤の添加量は特に限定されず、得られるスラリー状組成物２０がシート成形に適した範囲の粘度となるように、溶剤の添加量を調節することができる。スラリー状組成物２０の粘度は、シート成形の手段及び所望されるシートの厚みに応じて決定することができる。スラリー状組成物２０を基材に塗工することによりシート成形を行う場合、スラリー状組成物２０の粘度は３，０００〜５０，０００ｍＰａ・ｓであることが好ましい。
まず、高分子マトリックス１１である架橋性高分子化合物、繊維状熱伝導性充填材１２、粉末状熱伝導性充填材１３、及び溶剤を混合してスラリー状組成物２０を調製する。混合手段として、例えば公知のニーダー、混練ロール、ミキサーなどを使用することができる。また、可塑剤、軟化剤、老化防止剤、難燃剤等の任意の添加剤を配合する場合もここで共に混合される。スラリー状組成物２０の調製工程において、得られる組成物が均一に混合され、かつシート状に成形可能な粘度となる限り、架橋性高分子化合物に添加される材料の順序は特に限定されない。しかしながら、均一な混合物をより容易に調製するという観点から、繊維状熱伝導性充填材１２及び粉末状熱伝導性充填材１３は、架橋性高分子化合物に溶剤を添加してスラリー状にした後に混合することが好ましい。なお、溶剤には、架橋性高分子化合物を溶解可能であり、かつ加熱や減圧等により気化させてスラリー状組成物２０から除去可能なものを用いる。溶剤の具体例として、例えば、脂肪族系、芳香族系、アルコール系、エステル系、エーテル系、ハロゲン系等の有機溶媒等が挙げられる。溶剤は、１種を単独で用いても、２種以上を組み合わせて用いてもよい。溶剤の添加量は特に限定されず、得られるスラリー状組成物２０がシート成形に適した範囲の粘度となるように、溶剤の添加量を調節することができる。スラリー状組成物２０の粘度は、シート成形の手段及び所望されるシートの厚みに応じて決定することができる。スラリー状組成物２０を基材に塗工することによりシート成形を行う場合、スラリー状組成物２０の粘度は３，０００〜５０，０００ｍＰａ・ｓであることが好ましい。
次に、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、スラリー状組成物２０を、剪断力を付与しながらシート状に成形することにより、繊維状熱伝導性充填材１２をシートの平面と平行な方向に配向させる。シートの成形手段として、例えば、バーコータ又はドクターブレード等の塗布用アプリケータ１６、もしくは、押出成形やノズルからの吐出等により、基材フィルム１５上にスラリー状組成物２０を塗工する方法が挙げられる。このような方法により、シート成形の際、スラリー状組成物２０に塗工方向の剪断力を与えることができる。図２（ｂ）に示すように、この剪断力を受けて、スラリー状組成物２０中の繊維状熱伝導性充填材１２は塗工方向に配向する。成形されるシートの厚みは５０μｍ以上２５０μｍ以下の範囲であることが好ましい。シートの厚さが５０μｍ未満である場合、基材フィルム１５から容易に剥離することができず、好ましくない。また、シートの厚さが２５０μｍを超えると、スラリー状組成物２０中の溶剤を完全に揮発させることができず、また、乾燥前のシートがその自重により変形し易くなり、好ましくない。
続いて、シート状に成形したスラリー状組成物２０を乾燥させて溶剤を除去することにより、多孔質シート２１を形成する。乾燥は、加熱乾燥、真空乾燥等の公知の乾燥手段を用いて行うことができる。乾燥工程によって溶剤が除去されることにより、スラリー状であった組成物が固化するとともに、溶剤が存在していた部分が空孔として残る。その結果、多孔質シート２１が形成される。
さらに、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、繊維状熱伝導性充填材１２の配向方向が同じになるように複数の多孔質シート２１を積層した後、熱プレス１７により多孔質シート２１中の高分子マトリックス１１を溶融固着させて積層ブロック２２を形成する。熱プレスは、多孔質シート２１中の空孔の少なくとも一部が維持されるように実施される。具体的には、下記式（１）によって算出される積層ブロック２２の圧縮率（％）が２０％〜５０％であれば、熱プレス後の積層ブロック２２中に空孔を残すことができる。圧縮率が５０％を超えると空孔が無くなるため、得られる熱伝導性成形体１０の硬度が上昇し、発熱部品や放熱部品に対する密着性が低下するため好ましくない。特に好ましい圧縮率は２０％〜３０％である。
圧縮率＝１−（圧縮後の積層ブロックの厚み／圧縮前の厚み）…（１）
熱プレスは、例えば油圧式、ロール式等の熱プレス機を使用して行うことができる。なお、多孔質シート２１は架橋剤を含まないため、熱プレス後の積層ブロック２２における高分子マトリックス１１は未架橋状態のままである。
圧縮率＝１−（圧縮後の積層ブロックの厚み／圧縮前の厚み）…（１）
熱プレスは、例えば油圧式、ロール式等の熱プレス機を使用して行うことができる。なお、多孔質シート２１は架橋剤を含まないため、熱プレス後の積層ブロック２２における高分子マトリックス１１は未架橋状態のままである。
最後に、図３（ｃ）に示すように、刃物１８によって、繊維状熱伝導性充填材１２の配向方向と直交する方向に積層ブロック２２を切断し、シート状の熱伝導性成形体１０を得る。刃物１８として、例えば、カミソリ刃やカッターナイフ等の両刃や片刃、丸刃、ワイヤー刃、鋸刃等を用いることができる。積層ブロック２２は、刃物１８を用いて、例えば、押切、剪断、回転、摺動等の方法により切断される。特に、両刃の刃物を使用して切断すると、切断面の滑らかな熱伝導性成形体１０を安定した厚みで得られるため好ましい。熱伝導性成形体１０の厚みは、平均繊維長の長い第１の繊維状充填材１２ａよりも小さくなるように設計される。これにより、第１の繊維状充填材１２ａの少なくとも一部が熱伝導性成形体１０をその厚み方向に貫通するため、厚み方向の熱伝導性が向上する。
本実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）平均繊維長の異なる繊維状熱伝導性充填材を使用することにより、平均繊維長の長い炭素繊維の間に平均繊維長の短い炭素繊維が入り込むため、繊維状熱伝導性充填材を高密度かつ厚み方向に高度に配向させることができる。
（１）平均繊維長の異なる繊維状熱伝導性充填材を使用することにより、平均繊維長の長い炭素繊維の間に平均繊維長の短い炭素繊維が入り込むため、繊維状熱伝導性充填材を高密度かつ厚み方向に高度に配向させることができる。
（２）高分子マトリックス１１が架橋されないため、低硬度で柔軟性のある熱伝導性成形体１０を得ることができる。従って、発熱部品や放熱部品等の被着体への密着性を高めることができる。
（３）繊維状熱伝導性充填材１２の一部が熱伝導性成形体１０の厚み方向に貫通しているため、熱伝導特性をより向上することができる。
（４）繊維状熱伝導性充填材１２の間に粉末状熱伝導性充填材１３が存在するため、繊維状熱伝導性充填材１２間の熱的接続が増加し、熱伝導性成形体１０の熱伝導特性が向上する。
（４）繊維状熱伝導性充填材１２の間に粉末状熱伝導性充填材１３が存在するため、繊維状熱伝導性充填材１２間の熱的接続が増加し、熱伝導性成形体１０の熱伝導特性が向上する。
（５）スラリー状組成物の粘度は溶剤によって容易に調節可能である。このため、繊維状熱伝導性充填材１２の平均繊維長を長くした場合、あるいは繊維状熱伝導性充填材１２の含有量を増やした場合であっても、スラリー状組成物２０を低粘度化することにより、繊維状熱伝導性充填材１２の配向を容易に行うことができる。
上記の実施形態は、以下のように変更してもよい。
・積層ブロック２２は、同一組成の多孔質シート２１だけでなく、異なる組成の多孔質シート２１から構成されていてもよい。例えば、繊維状熱伝導性充填材１２及び粉末状熱伝導性充填材１３の少なくともいずれか一方の含有量が異なる複数の多孔質シート２１を、熱伝導性充填材含有量の大きい順又は小さい順に積層して積層ブロック２２を形成する。これにより、得られる熱伝導性成形体１０の平面と平行な方向に沿って熱抵抗値の勾配を与えることができる。あるいは、同一組成の複数の多孔質シート２１を積層し、その片側又は両側に、それとは異なる熱伝導性充填材含有量の複数の多孔質シート２１を積層して、部分的に熱抵抗値の異なる熱伝導性成形体１０を製造してもよい。
・積層ブロック２２は、繊維状熱伝導性充填材１２の配向方向と直交する方向にではなく、繊維状熱伝導性充填材１２の配向方向に対して斜めに切断してもよい。このように切断することにより、繊維状熱伝導性充填材１２を熱伝導性成形体１０の厚み方向に対して傾斜配向させることができる。繊維状熱伝導性充填材１２が傾斜配向された熱伝導性成形体１０は、被着体の間で圧縮されると傾斜配向されている繊維状熱伝導性充填材１２が応力によってさらに斜めに傾斜するため、被着体の表面への密着性が向上する。このため、被着体が特に凹凸面を有する場合、被着体の表面形状への追従性が高まるため好ましい。
・積層ブロック２２を切断する刃物１８に代えて、レーザー光線、ウォータージェット等の切断手段を用いてもよい。
・積層ブロック２２は、同一組成の多孔質シート２１だけでなく、異なる組成の多孔質シート２１から構成されていてもよい。例えば、繊維状熱伝導性充填材１２及び粉末状熱伝導性充填材１３の少なくともいずれか一方の含有量が異なる複数の多孔質シート２１を、熱伝導性充填材含有量の大きい順又は小さい順に積層して積層ブロック２２を形成する。これにより、得られる熱伝導性成形体１０の平面と平行な方向に沿って熱抵抗値の勾配を与えることができる。あるいは、同一組成の複数の多孔質シート２１を積層し、その片側又は両側に、それとは異なる熱伝導性充填材含有量の複数の多孔質シート２１を積層して、部分的に熱抵抗値の異なる熱伝導性成形体１０を製造してもよい。
・積層ブロック２２は、繊維状熱伝導性充填材１２の配向方向と直交する方向にではなく、繊維状熱伝導性充填材１２の配向方向に対して斜めに切断してもよい。このように切断することにより、繊維状熱伝導性充填材１２を熱伝導性成形体１０の厚み方向に対して傾斜配向させることができる。繊維状熱伝導性充填材１２が傾斜配向された熱伝導性成形体１０は、被着体の間で圧縮されると傾斜配向されている繊維状熱伝導性充填材１２が応力によってさらに斜めに傾斜するため、被着体の表面への密着性が向上する。このため、被着体が特に凹凸面を有する場合、被着体の表面形状への追従性が高まるため好ましい。
・積層ブロック２２を切断する刃物１８に代えて、レーザー光線、ウォータージェット等の切断手段を用いてもよい。
次に、実施例、比較例を挙げて本発明をさらに具体的に説明する。
（実施例１）
実施例１では、高分子マトリックス１１としてニトリルゴムを用いた。添加剤として、難燃剤及び滑剤であるメラミンシアヌレート（「ＭＣ−６０００」日産化学工業株式会社製）と、赤リン（「１２０ＵＦ」燐化学工業株式会社製）と、老化防止剤であるステアリル−β−（３，５−ジ−ｔ−ブチル−４−ヒドロキシフェニル）プロピオネート（「アデカスタブＡＯ−５０」株式会社ＡＤＥＫＡ製）と、エステル系可塑剤であるアジピン酸ジ（ブトキシエトキシエチル）ジエステル（「ＴＰ−９５」ロームアンドハース社製）とをそれぞれ表１に示す量（重量比）で配合し、ニーダーを用いて均一になるまで混練した。
（実施例１）
実施例１では、高分子マトリックス１１としてニトリルゴムを用いた。添加剤として、難燃剤及び滑剤であるメラミンシアヌレート（「ＭＣ−６０００」日産化学工業株式会社製）と、赤リン（「１２０ＵＦ」燐化学工業株式会社製）と、老化防止剤であるステアリル−β−（３，５−ジ−ｔ−ブチル−４−ヒドロキシフェニル）プロピオネート（「アデカスタブＡＯ−５０」株式会社ＡＤＥＫＡ製）と、エステル系可塑剤であるアジピン酸ジ（ブトキシエトキシエチル）ジエステル（「ＴＰ−９５」ロームアンドハース社製）とをそれぞれ表１に示す量（重量比）で配合し、ニーダーを用いて均一になるまで混練した。
その後、配合物を溶剤（シクロヘキサノン）に溶かしてスラリー状の液状物を調製した。この液状物に、繊維状熱伝導性充填材１２として、平均繊維長５００μｍの炭素繊維１００重量部と、平均繊維長１００μｍの炭素繊維５０重量部を添加した。さらに、粉末状熱伝導性充填材１３として、平均粒径８μｍの球状黒鉛粉末（「ＳＧ−ＢＨ８」伊藤黒鉛工業株式会社製）５０重量部と、平均粒径３μｍの球状アルミナ粉末（「ＡＨ３−２」株式会社マイクロン製）１５０重量部を添加した。粘度調節のため、得られた組成物に適量の溶剤（シクロヘキサノン）を追加し混合することにより、スラリー状組成物２０を形成した。なお、表１に示す溶剤の量は、粘度調節後のスラリー状組成物２０に含まれる溶剤の総量である。
得られたスラリー状組成物２０を、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）製の基材フィルム上１５に、塗布用アプリケータ１６としてバーコータを用いて一方向に塗布した。続いて、多孔質シート２１を形成するため、基材フィルム上１５に塗布した組成物を恒温槽内で加熱して溶剤を揮発させた。こうして得られた多孔質シート２１を基材フィルムから剥離し、２０ｍｍ角に裁断した後、繊維状熱伝導性充填材１２の配向方向が同じになるように２４０枚積層した。油圧プレス機を用いて、圧縮率が２０％となるように１８０℃で熱プレスした。これにより、多孔質シート２１間においてニトリルゴムが架橋することなく溶融固着して、積層ブロック２２が形成された。
最後に、刃物１８としてカッター刃（特大Ｈ刃、オルファ株式会社製）を用いて、得られた積層ブロック２２を繊維状熱伝導性充填材１２の配向方向と直交する方向に０．５ｍｍの厚さに切断した。こうして熱伝導性成形体１０を作製した。図４は、実施例１の熱伝導性成形体１０の厚み方向に沿った断面の電子顕微鏡写真である。図４から、繊維状熱伝導性充填材１２が高密度かつ厚み方向に配向されていることが分かる。
（実施例２及び３）
実施例２及び３の熱伝導性成形体１０は、球状アルミナの配合量を表１に示す量（重量比）にそれぞれ変更したこと以外は、実施例１の高分子積層成形体と同じである。
（実施例４）
実施例４の熱伝導性成形体１０は、球状アルミナを配合しなかったこと以外は、実施例１の高分子積層成形体と同じである。
（実施例５）
実施例５の熱伝導性成形体１０は、粉末状熱伝導性充填材１３として鱗片状の黒鉛粉末（「Ｗ−５」伊藤黒鉛工業株式会社製）を用いたこと、及び球状アルミナの配合量を表１に示す量（重量比）に変更したこと以外は、実施例１の高分子積層成形体と同じである。
（比較例１）
比較例１の熱伝導性成形体は、繊維状熱伝導性充填材として平均繊維長１００μｍの炭素繊維のみを１５０重量部配合したこと以外は実施例１と同じである。
（比較例２）
比較例２の熱伝導性成形体は、繊維状熱伝導性充填材として平均繊維長５００μｍの炭素繊維のみを１００重量部配合したこと以外は実施例５と同じである。
（実施例２及び３）
実施例２及び３の熱伝導性成形体１０は、球状アルミナの配合量を表１に示す量（重量比）にそれぞれ変更したこと以外は、実施例１の高分子積層成形体と同じである。
（実施例４）
実施例４の熱伝導性成形体１０は、球状アルミナを配合しなかったこと以外は、実施例１の高分子積層成形体と同じである。
（実施例５）
実施例５の熱伝導性成形体１０は、粉末状熱伝導性充填材１３として鱗片状の黒鉛粉末（「Ｗ−５」伊藤黒鉛工業株式会社製）を用いたこと、及び球状アルミナの配合量を表１に示す量（重量比）に変更したこと以外は、実施例１の高分子積層成形体と同じである。
（比較例１）
比較例１の熱伝導性成形体は、繊維状熱伝導性充填材として平均繊維長１００μｍの炭素繊維のみを１５０重量部配合したこと以外は実施例１と同じである。
（比較例２）
比較例２の熱伝導性成形体は、繊維状熱伝導性充填材として平均繊維長５００μｍの炭素繊維のみを１００重量部配合したこと以外は実施例５と同じである。
実施例１〜５及び比較例１〜２の熱伝導性成形体の熱抵抗値を下記のように測定した。
各実施例及び比較例において、熱伝導性成形体から、縦１０ｍｍ、横１０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの試験片を得た。試験片の表面を研磨紙で研磨した後、試験片を、発熱量が２５Ｗである熱源及びヒートシンクで挟持するように配置した。そして、試験片に対しその厚み方向に２０Ｎ又は４０Ｎの荷重を加えた状態で、試験片の熱抵抗値を測定した。試験片を１０分間放置した後、試験片の熱源側の温度Ｔ１とヒートシンク側の温度Ｔ２とをそれぞれ測定し、下記式（２）により、熱伝導性成形体の熱抵抗値を算出した。
熱抵抗値（℃／Ｗ）＝（Ｔ１（℃）−Ｔ２（℃））／発熱量（Ｗ）…（２）
それぞれの熱伝導性成形体の熱抵抗値を表１に示す。
各実施例及び比較例において、熱伝導性成形体から、縦１０ｍｍ、横１０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの試験片を得た。試験片の表面を研磨紙で研磨した後、試験片を、発熱量が２５Ｗである熱源及びヒートシンクで挟持するように配置した。そして、試験片に対しその厚み方向に２０Ｎ又は４０Ｎの荷重を加えた状態で、試験片の熱抵抗値を測定した。試験片を１０分間放置した後、試験片の熱源側の温度Ｔ１とヒートシンク側の温度Ｔ２とをそれぞれ測定し、下記式（２）により、熱伝導性成形体の熱抵抗値を算出した。
熱抵抗値（℃／Ｗ）＝（Ｔ１（℃）−Ｔ２（℃））／発熱量（Ｗ）…（２）
それぞれの熱伝導性成形体の熱抵抗値を表１に示す。
また、表２に、実施例４の配合において積層ブロック２２の形成時の圧縮率を２０％、３５％、又は５０％として熱プレスした場合の熱伝導性成形体１０の比重、硬度、熱抵抗値を示す。硬度は、日本工業規格ＪＩＳ Ｋ６２５３に準拠し、タイプＥデュロメータを用いて測定した。
以上の結果より、平均繊維長の異なる繊維状熱伝導性充填材を使用することにより、繊維状熱伝導性充填材が高密度かつ厚み方向に高度に配向された熱伝導性成形体を得られることが裏付けられた。また、高分子マトリックスとして未架橋状態の架橋性高分子材料を用いるため、高分子マトリックスを架橋することなく熱伝導性成形体を製造することができる。
１０…熱伝導性成形体、１１…高分子マトリックス、１２…繊維状熱伝導性充填材、１３…粉末状熱伝導性充填材、１４…空孔、１７…熱プレス、２０…スラリー状組成物、２１…多孔質シート、２２…積層ブロック。
Claims (10)
- 高分子マトリックスと、高分子マトリックス中に分散された繊維状熱伝導性充填材及び粉末状熱伝導性充填材とを含み、かつ繊維状熱伝導性充填材が熱伝導性成形体の厚み方向に配向されたシート状の熱伝導性成形体において、
高分子マトリックスは未架橋状態の架橋性高分子化合物からなるとともに、
熱伝導性成形体は複数の空孔を有し、かつ、
繊維状熱伝導性充填材の一部は、熱伝導性成形体をその厚み方向に貫通していることを特徴とする熱伝導性成形体。 - 繊維状熱伝導性充填材は炭素繊維であることを特徴とする請求項１に記載の熱伝導性成形体。
- 高分子マトリックスは未架橋状態の合成ゴムであることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱伝導性成形体。
- 厚み方向における熱抵抗値が０．２℃／Ｗ未満であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱伝導性成形体。
- 高分子マトリックスと、高分子マトリックス中に分散された繊維状熱伝導性充填材及び粉末状熱伝導性充填材とを含み、かつ繊維状熱伝導性充填材が熱伝導性成形体の厚み方向に配向されたシート状の熱伝導性成形体の製造方法において、
架橋性高分子化合物、繊維状熱伝導性充填材、粉末状熱伝導性充填材、及び溶剤を混合してスラリー状組成物を調製する工程と、
スラリー状組成物を、剪断力を付与しながらシート状に成形することにより、繊維状熱伝導性充填材をシートの平面と平行な方向に配向させる工程と、
成形したスラリー状組成物を乾燥させて溶剤を除去することにより、多孔質シートを形成する工程と、
繊維状熱伝導性充填材の配向方向が同じになるように複数の多孔質シートを積層した後、熱プレスにより溶融固着させて積層ブロックを形成する工程と、
繊維状熱伝導性充填材の配向方向と直交する方向に積層ブロックを切断してシート状の熱伝導性成形体を得る工程とを備え、かつ、
スラリー状組成物を調製する工程において、繊維状熱伝導性充填材は、熱伝導性成形体の厚さよりも平均繊維長の長い第１の繊維状充填材と、第１の繊維状充填材よりも平均繊維長の短い第２の繊維状充填材とからなり、
積層ブロックを形成する工程において、多孔質シート中の空孔の少なくとも一部が維持されるように熱プレスが実施され、
熱伝導性成形体における架橋性高分子化合物が未架橋状態であることを特徴とする方法。 - 繊維状熱伝導性充填材は炭素繊維であることを特徴とする請求項５に記載の方法。
- 第１の繊維状充填材の平均繊維長が５００μｍであり、第２の繊維状充填材の平均繊維長が１００μｍであることを特徴とする請求項５又は６に記載の方法。
- 架橋性高分子化合物が合成ゴムであることを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載の方法。
- スラリー状組成物に剪断力を付与しながらスラリー状組成物をシート状に成形する手段が、ドクターブレード法、押出成形法、又はダイコーティング法のいずれかであることを特徴とする請求項５〜８のいずれか一項に記載の方法。
- 熱プレスにより、積層ブロックの厚みが熱プレス前の厚みから２０％〜５０％圧縮される請求項５〜９のいずれか一項に記載の方法。
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