JP2014216399A - 熱伝導シート及び熱伝導シートの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】高い熱伝導率を維持しつつ、周囲に対して絶縁性を有する熱伝導シートであって、取扱い性に優れ、かつ簡易に製造することができる熱伝導シートを提供する。
【解決手段】発熱する電子部品と放熱部材との間に挟持される熱伝導シート1において、導電性フィラーが含有された第1のシート部2と、第1のシート部2の外周部に配され、絶縁性を有する第2のシート部3とを有し、第1のシート部2と第2のシート部3とが一体成型されることにより、第1のシート部2の外周面と第2のシート部の内周面とが密着されている。
【選択図】図1
【解決手段】発熱する電子部品と放熱部材との間に挟持される熱伝導シート1において、導電性フィラーが含有された第1のシート部2と、第1のシート部2の外周部に配され、絶縁性を有する第2のシート部3とを有し、第1のシート部2と第2のシート部3とが一体成型されることにより、第1のシート部2の外周面と第2のシート部の内周面とが密着されている。
【選択図】図1
Description
本発明は、半導体素子等の電子部品と放熱部材との間に配置される熱伝導シート及び熱伝導シートの製造方法に関する。
従来、パーソナルコンピュータ等の各種電気機器やその他の機器に搭載されている半導体素子においては、駆動により熱が発生し、発生した熱が蓄積されると半導体素子の駆動や周辺機器へ悪影響が生じることから、各種冷却手段が用いられている。半導体素子等の電子部品の冷却方法としては、当該機器にファンを取り付け、機器筐体内の空気を冷却する方式や、その冷却すべき半導体素子に放熱フィンや放熱板等のヒートシンクを取り付ける方法等が知られている。
半導体素子にヒートシンクを取り付けて冷却する場合、半導体素子の熱を効率よく放出させるために、半導体素子とヒートシンクとの間に熱伝導シートが設けられている。熱伝導シートとしては、シリコーン樹脂に熱伝導性フィラー等の充填剤を分散含有させたものが広く用いられている。
ここで、パーソナルコンピュータのCPUなどの電子部品はその高速化、高性能化に伴って、その放熱量は年々増大する傾向にある。しかしながら、反対にプロセッサ等のチップサイズは微細シリコン回路技術の進歩によって、従来と同等サイズかより小さいサイズとなり、単位面積あたりの熱流速は高くなっている。したがって、その温度上昇による不具合などを回避するために、CPUなどの電子部品をより効率的に放熱、冷却することが求められている。
このため、熱伝導シートに含有される熱伝導性フィラーとして、窒化ホウ素(BN)、黒鉛等の鱗片状粒子、炭素繊維などの熱伝導率の高いフィラーが用いられている。
しかし、高熱伝導性のフィラーは、導電性の物質が多いことから、これを多量に充填すると、熱伝導シートの絶縁性が損なわれる。したがって、熱伝導シートが電子部品とヒートシンクとに挟持されて周辺に膨出した場合などに、周辺に配置された導電性の部材と接触し、熱伝導シートを介して半導体素子やヒートシンクと当該導電性部材とが短絡する恐れがある。
例えば、炭素繊維を含有しシートの厚み方向に配向させた熱伝導シートは、導電性を有することから周囲に導電性部材が配置されていないことが求められる等、使用条件に制約が生じる。また、このような熱伝導シートの厚み方向の両面に絶縁層を設けると、当該絶縁層の熱抵抗が大きいことからシート全体の熱伝導率を低下させてしまう。
また、特許文献1に示すように、第1の熱伝導シートの外周部に絶縁性を有する第2の熱伝導シートを配するものも提案されているが、第1、第2の熱伝導シート間の機械的な接続強度が低く取扱いが困難であり、また製造工程も煩雑となる。
そこで、本発明は、高い熱伝導率を維持しつつ、周囲に対して絶縁性を有する熱伝導シートであって、取扱い性に優れ、かつ簡易に製造することができる熱伝導シート、及び熱伝導シートの製造方法を提供することを目的とする。
上述した課題を解決するために、本発明に係る熱伝導シートは、発熱する電子部品と放熱部材との間に挟持される熱伝導シートにおいて、導電性フィラーが含有された第1のシート部と、上記第1のシート部の外周部に配され、絶縁性を有する第2のシート部とを有し、上記第1のシート部と上記第2のシート部とが一体成型されることにより、上記第1のシート部の外周面と上記第2のシート部の内周面とが密着されているものである。
また、本発明に係る熱伝導シートの製造方法は、中空状の型の内面に絶縁性熱伝導シートを配置する工程と、バインダ樹脂に導電性フィラーが含有された熱伝導性樹脂組成物を上記型内に充填する工程と、上記熱伝導性樹脂組成物を硬化し、該熱伝導性樹脂組成物と上記絶縁性熱伝導シートとが一体化された成形体を製造する工程と、上記型から、上記成形体を取り出し、上記成形体をシート状に切断する工程を有するものである。
本発明によれば、第1、第2のシート部が一体成型されることにより、第1、第2のシート部の密着性を向上させることができる。したがって、本発明は、導電性を有するが高い熱伝導率を有するフィラーを用いても、周囲に対して絶縁性を有し、かつ取扱い性に優れる熱伝導シートを簡易な工程で提供することができる。
以下、本発明が適用された熱伝導シート及び熱伝導シートの製造方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が可能であることは勿論である。また、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることがある。具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
[熱伝導シート]
本発明が適用された熱伝導シート1は、半導体素子等の電子部品とヒートシンクとの間に挟持されることにより、電子部品の発する熱を放熱するものであり、図1に示すように、導電性フィラーが含有された第1のシート部2と、第1のシート部2の外周部に配され、絶縁性を有する第2のシート部3とを有する。
本発明が適用された熱伝導シート1は、半導体素子等の電子部品とヒートシンクとの間に挟持されることにより、電子部品の発する熱を放熱するものであり、図1に示すように、導電性フィラーが含有された第1のシート部2と、第1のシート部2の外周部に配され、絶縁性を有する第2のシート部3とを有する。
熱伝導シート1は、電子部品の形状等に応じて例えば略矩形状に形成されている。この熱伝導シート1は、第1のシート部2に、熱伝導率の高い導電性フィラーを多量に含有することにより、電子部品の熱を効率よく放熱する。また、熱伝導シート1は、第1のシート2の外周部に絶縁性の第2のシート部3を設けることにより、周囲に対する絶縁性を備えている。
熱伝導シート1は、後述するように、第1のシート部2を構成するバインダ樹脂に導電性フィラーが含有された熱伝導性樹脂組成物を、第2のシート部3を構成する絶縁性熱伝導シートとともに方形状等に一体成形した成形体を、シート状に切断することにより製造される。
[第1のシート部2]
第1のシート部2に含有される導電性フィラーとしては、窒化ホウ素(BN)、黒鉛等の鱗片状粒子、炭素繊維などの熱伝導率の高いフィラーが用いられるが、中でも、シートの厚さ方向に配向されることにより熱を効率よく放出する繊維状フィラーを好適に用いることができる。このような繊維状フィラーは、高い熱伝導率を有するとともに、導電性を有する。
第1のシート部2に含有される導電性フィラーとしては、窒化ホウ素(BN)、黒鉛等の鱗片状粒子、炭素繊維などの熱伝導率の高いフィラーが用いられるが、中でも、シートの厚さ方向に配向されることにより熱を効率よく放出する繊維状フィラーを好適に用いることができる。このような繊維状フィラーは、高い熱伝導率を有するとともに、導電性を有する。
また、繊維状フィラーとしては、平均径が小さすぎるとその比表面積が過大となって熱伝導シート1を作成する際の樹脂組成物の粘度が高く成りすぎることが懸念され、大きすぎると後述する樹脂組成物の成形体の作成が困難になるおそれがあることから、好ましくは5〜12μmである。また、その平均繊維長は、好ましくは30〜300μmである。30μm未満ではその比表面積が過大となって第1のシート部2を構成する熱伝導性樹脂組成物の粘度が高くなりすぎる傾向があり、300μmより大きすぎると熱伝導シート1の圧縮を阻害する傾向がある。
繊維状フィラーの具体例としては、好ましくは、例えば、炭素繊維、金属繊維(例えば、ニッケル、鉄等)、ガラス繊維、セラミックス繊維(例えば、酸化物(例えば、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素等)、窒化物(例えば、窒化ホウ素、窒化アルミニウム等)、ホウ化物(例えば、ホウ化アルミニウム等)、炭化物(例えば、炭化ケイ素等)等の非金属系無機繊維)を挙げることができる。
繊維状フィラーは、熱伝導シート1に対して要求される機械的性質、熱的性質、電気的性質などの特性に応じて選択される。中でも、高弾性率、良好な熱伝導性、高導電性、電波遮蔽性、低熱膨張性等を示す点からピッチ系炭素繊維あるいはポリベンザゾールを黒鉛化した炭素繊維を好ましく使用することができる。
繊維状フィラーの第1のシート部2中の含有量は、少なすぎると熱伝導率が低くなり、多すぎると粘度が高くなる傾向があるので、好ましくは16〜40体積%である。
なお、繊維状フィラーの他に、本発明の効果を損なわない範囲で、板状フィラー、鱗片状フィラー、球状フィラー等を併用することができる。特に、繊維状フィラーの熱伝導シート1形成用樹脂組成物中での二次凝集の抑制という観点から、0.1〜5μm径の球状フィラー(好ましくは球状アルミナや球状窒化アルミ)を、繊維状フィラー100質量部に対し、好ましくは50〜900質量部併用することが好ましい。
第1のシート部2を構成するバインダ樹脂は、繊維状フィラーを熱伝導シート1内に保持するものであり、熱伝導シート1に要求される機械的強度、耐熱性、電気的性質等の特性に応じて選択される。このようなバインダ樹脂としては、熱可塑性樹脂、熱可塑性エラストマー、熱硬化性樹脂の中から選択することができる。
熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン―プロピレン共重合体等のエチレン―αオレフィン共重合体、ポリメチルペンテン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリ酢酸ビニル、エチレン―酢酸ビニル共重合体、ポリビニルアルコール、ポリビニルアセタール、ポリフッ化ビニリデン及びポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系重合体、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、ポリエチレンナフタレート、ポリスチレン、ポリアクリロニトリル、スチレン―アクリロニトリル共重合体、アクリロニトリル―ブタジエン―スチレン共重合体(ABS)樹脂、ポリフェニレン―エーテル共重合体(PPE)樹脂、変性PPE樹脂、脂肪族ポリアミド類、芳香族ポリアミド類、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリメタクリル酸、ポリメタクリル酸メチルエステル等のポリメタクリル酸エステル類、ポリアクリル酸類、ポリカーボネート、ポリフェニレンスルフィド、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルニトリル、ポリエーテルケトン、ポリケトン、液晶ポリマー、シリコーン樹脂、アイオノマ一等が挙げられる。
熱可塑性エラストマーとしては、スチレン―ブタジエンブロック共重合体又はその水添化物、スチレン―イソプレンブロック共重合体又はその水添化物、スチレン系熱可塑性エラストマー、オレフィン系熱可塑性エラストマー、塩化ビニル系熱可塑性エラストマー、ポリエステル系熱可塑性エラストマー、ポリウレタン系熱可塑性エラストマー、ポリアミド系熱可塑性エラストマー等が挙げられる。
熱硬化性樹脂としては、架橋ゴム、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ジアリルフタレート樹脂等が挙げられる。架橋ゴムの具体例としては、天然ゴム、アクリルゴム、ブタジエンゴム、イソプレンゴム、スチレン―ブタジエン共重合ゴム、ニトリルゴム、水添ニトリルゴム、クロロプレンゴム、エチレン―プロピレン共重合ゴム、塩素化ポリエチレンゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム、ブチルゴム、ハロゲン化ブチルゴム、フッ素ゴム、ウレタンゴム、及びシリコーンゴムが挙げられる。
第1のシート部2は、繊維状フィラーとバインダ樹脂とに加えて、必要に応じて各種添加剤を含有することができる。
なお、本発明の第1のシート部2においては、その厚さ方向に配向していない繊維状フィラーの全繊維状フィラー中の割合を、45〜95%とすることが好ましく、より好ましくは60〜90%である。その割合が45%未満であると、シートの厚み方向の熱伝導性が不十分となることが懸念され、95%を超えると互いに接触する繊維状フィラーの割合が少なく、第1のシート部2の熱伝導性が不十分となる傾向がある。
ここで、シートの厚さ方向に配向していない繊維状フィラーとは、繊維状フィラーの長軸方向が厚さ方向に平行となっていない繊維状フィラーのことである。
厚さ方向に配向していない繊維状フィラーの全繊維状フィラー中の割合は、単位立方体(0.5mm角)に含まれている繊維状フィラーを顕微鏡観察し、その本数をカウントすることにより求めることができる。具体的には、第1のシート部2の1断面を観察した際、“厚み方向に配置され旦つ所定の長さが確認できる繊維状フィラーの数”を「厚さ方向に配向している繊維状フィラー」とし、その全体の繊維状フィラー数に対する割合を求めた値から算出することができる。その場合、観察する断面数を少なくとも2方向(縦横)以上とし、それらから得られた平均の値を基準に算出することもできる。
[第2のシート部3]
第2のシート部3は、熱伝導シート1の最外周部を構成することにより、熱伝導シート1の側方に対する絶縁性を確保するものである。第2のシート部3は、第1のシート部2の外周に全周に亘って設けられている。
第2のシート部3は、熱伝導シート1の最外周部を構成することにより、熱伝導シート1の側方に対する絶縁性を確保するものである。第2のシート部3は、第1のシート部2の外周に全周に亘って設けられている。
第2のシート部3は、絶縁性を有する各種バインダ樹脂を用いて形成することができ、上述した第1のシート部2を構成するバインダ樹脂と同様に、熱伝導シート1に要求される機械的強度、耐熱性、電気的性質等の特性に応じて選択される。このようなバインダ樹脂としては、熱可塑性樹脂、熱可塑性エラストマー、熱硬化性樹脂の中から選択することができる。
また、第2のシート部3は、第1のシート部2を構成するバインダ樹脂と同じバインダ樹脂を用いて形成することが好ましい。後述するように、第2のシート部3は、シート状の絶縁性樹脂組成物が型の内面に配され、当該型に第1のシート部2を構成する熱伝導性樹脂組成物が充填され、一体成型されることにより、当該成形体の外周面を構成する。したがって、第1、第2のシート部2,3として同様のバインダ樹脂を用いて一体成型されることにより、第1、第2のシート部2,3の密着性を向上させることができる。
ここで、第2のシート部3は、0.3mm以上の幅を有することが好ましい。第2のシート部3の幅が0.3mmに満たないと、熱伝導シート1の側方に対する絶縁性を十分に確保することができない恐れがある。また、後述するように、第2のシート部3の幅が0.3mmに満たないと、予め型の内面に配された第2のシート部3のバインダ樹脂が、第1のシート部2を構成する熱伝導性樹脂組成物の充填時に摩擦によって型の内面から剥離してしまい、成形体の外周面の一部に第2のシート部3が設けられてない箇所が発生してしまうからである。
また、第2のシート部3は、図2に示すように、1又は複数の切れ込み5を設けてもよい。
切れ込み5を設けることにより、熱伝導シート1は、シート状に切断された後に厚さ方向にプレス加工を施した際や、電子部品とヒートシンクとの間に挟持されたときに、圧力を当該切れ込み5に集中させることができ、外周面の不測の位置が開裂することを防止することができる。
すなわち、熱伝導シート1は、プレス加工や電子部品とヒートシンクとの間に挟持されたときの圧力によって、不測の位置に第1のシート部2まで達する開裂が生じた場合、側方に対する絶縁性を確保することができなくなる恐れがある。そこで、熱伝導シート1は、第2のシート部3の所定の位置に、予め切れ込み5を設けることで、当該切れ込み5に圧縮時の圧力を集中させ、不測の位置が開裂し第1のシート部2が露出することを防止することができる。また、熱伝導シート1は、周囲に絶縁性を確保しなくてもよい方向があれば、当該方向に応じて切れ込み5を形成することができるため、使用条件の制約を大幅に緩和することができる。
切れ込み5は、第2のシート部3の任意の位置に、1又は複数設けることができる。例えば、熱伝導シート1を矩形状に形成した場合、圧力が集中しやすい角部に予め切れ込み5を形成しておくことで、第1のシート部2まで達する開裂を防止することができる。
なお、切れ込み5は、第1のシート部2に至らない深さで形成され、熱伝導シート1の側方に対する絶縁性を損なうことはない。また、熱伝導シート1は、切れ込み5を周囲の絶縁性を確保しなくてもよい方向に向けて配置する場合には、第1のシート部2に至る深さで形成してもよい。
[熱伝導シートの製造工程]
次いで、熱伝導シート1の製造工程について説明する。先ず、図3に示すように、中空状の型10を用意する。そして図4に示すように、型10の内面10aに、第2のシート部3を構成する絶縁性熱伝導シート11を配置する。型10の中空部は、熱伝導シート1の外形と同じ断面形状を有し、例えば上下1対の型枠が分離自在に結合されている。型10は、熱伝導性樹脂組成物が充填された後、加熱処理等を経た後に分解可能な材質が用いられ、例えばSUS等の金属板によって形成されている。
次いで、熱伝導シート1の製造工程について説明する。先ず、図3に示すように、中空状の型10を用意する。そして図4に示すように、型10の内面10aに、第2のシート部3を構成する絶縁性熱伝導シート11を配置する。型10の中空部は、熱伝導シート1の外形と同じ断面形状を有し、例えば上下1対の型枠が分離自在に結合されている。型10は、熱伝導性樹脂組成物が充填された後、加熱処理等を経た後に分解可能な材質が用いられ、例えばSUS等の金属板によって形成されている。
絶縁性熱伝導シート11は、第2のシート部3を構成するバインダ樹脂12がフィルム状に形成されたものであり、例えばPET(Poly Ethylene Terephthalate)等の長尺状の支持体13上にバインダ樹脂12が塗布されることにより形成される。支持体13は、バインダ樹脂12が塗布される面に、適宜フッ素系離型剤等の剥離処理が施される。絶縁性熱伝導シート11は、支持体13が型10の内面10aに接し、バインダ樹脂12が型10の内側に向けられるようにして固定される。
次に、図5に示すように、第1のシート部2を構成する熱伝導性樹脂組成物15を型10内に充填する。熱伝導性樹脂組成物15は、繊維状フィラーをバインダ樹脂に分散させることにより調製する。この調製は、繊維状フィラーとバインダ樹脂と必要に応じて配合される各種添加剤や揮発性溶剤とを公知の手法により均一に混合することにより行うことができる。
この調製された熱伝導性樹脂組成物15を型10の一端から押し込んで充填する。このとき、ダイの先端や型10の一端に、型10の相対向する2辺間にわたって形成されたスリット(図示せず)を配置し、当該スリットに熱伝導性樹脂組成物15を通過させてもよい。これにより、熱伝導性樹脂組成物15のバインダ樹脂が流動し、成形体20の中央部における繊維状フィラーをその流動方向に沿って配向させることができる。なお、成形体20の外周部は、スリット壁の影響を受けて繊維状フィラーがランダムに配向されやすい。
ここで、絶縁性熱伝導シート11は、バインダ樹脂12の厚さを0.3mm以上とすることが好ましい。バインダ樹脂12は、熱伝導性樹脂組成物15が押し込まれる型10の内側に向けて配置されているため、厚さが0.3mmに満たない場合、流動する熱伝導性樹脂組成物15と摺接することにより支持体13より剥離する恐れがあり、当該剥離した箇所においては、第2のシート部3が形成されなくなる。また、バインダ樹脂12の厚さは、熱伝導シート1において第2のシート部3の幅に相当するため、上述したように、0.3mm以上とすることにより、確実に熱伝導シート1の側方に対して絶縁性を有する。
次いで、熱伝導性樹脂組成物15を硬化し、熱伝導性樹脂組成物15と絶縁性熱伝導シート11とが一体化された成形体20を製造する(図6参照)。熱伝導性樹脂組成物15は、熱硬化性のバインダ樹脂を用いた場合、所定の温度、時間で加熱処理を行うことにより硬化される。
本工程では、熱伝導性樹脂組成物15と絶縁性熱伝導シート11とをともに熱処理することにより成形体20を形成するため、成形体20は、熱伝導性樹脂組成物15と絶縁性熱伝導シート11の各バインダ樹脂が一体化され、強い密着力を有する。したがって、後の工程で成形体20をシート状に切断した場合にも絶縁性熱伝導シート11のバインダ樹脂12が剥離することがない。また、製造された熱伝導シート1においても、第2のシート部3が剥離することなく、取扱い性に優れる。
なお、成形体20の大きさ、形状は、求められる熱伝導シート1の大きさに応じて決めることができる。例えば、断面の縦の大きさが0.5〜15cmで横の大きさが0.5〜15cmの直方体が挙げられる。直方体の長さは必要に応じて決定すればよい。
次いで、型10を分離して成形体20を取り出し、シート状に切断することにより熱伝導シート1を得る。型10より取り出した直方体状の成形体20は、下面を除いてPET等の支持体13が剥離される。下面のみ支持体13を残すことにより、成形体20の取扱いが容易となり、また切断時に成形体20や熱伝導シート1の搖動防止を図ることができる。
切断により得られる熱伝導シート1の表面(スライス面)には、中央部に繊維状フィラーが露出する第1のシート部2を有し、第1のシート部2の外周部には絶縁性を有する第2のシート部3を有する。切断方法としては特に制限はなく、成形体20の大きさや機械的強度により公知のスライス装置(好ましくは超音波カッタ)の中から適宜選択することができる。成形体20のスライス方向としては、押出し方向に配向している繊維状フィラーがあるために押出し方向に対して60〜120度、より好ましくは70〜100度の方向である。特に好ましくは90度(垂直)の方向である。
スライス厚としても、特に制限はなく、熱伝導シート1の使用目的等に応じて適宜選択するこができる。
また、熱伝導シート1は、適宜、カッタ等によって切れ込み5が設けられる(図2参照)。
必要により、得られた熱伝導シート1のスライス面をプレスする。これにより熱伝導シート1の表面を平滑化して、電子部品やヒートシンクへの密着性を向上させることができる。また、熱伝導シート1を圧縮して、繊維状フィラー同士の接触の頻度を増大させることができる。これにより、熱伝導シート1の熱抵抗を低減させることが可能となる。プレスの方法としては、平盤と表面が平坦なプレスヘッドとからなる一対のプレス装置を使用することができる。また、ピンチロールでプレスしてもよい。
プレスの際の圧力としては、低すぎるとプレスをしない場合と熱抵抗が変わらない傾向があり、高すぎるとシートが延伸する傾向があるので、好ましくは0.1〜100kgf/cm2、より好ましくは0.5〜95kgf/cm2である。
このようなプレスは、プレスの効果をより高め、プレス時間を短縮するために、第1、第2のシート部2,3中のバインダ樹脂のガラス転移温度以上で行うことが好ましい。
プレス後のシート厚は圧縮により薄くなるが、シートの圧縮率[{(プレス前のシート厚−プレス後のシート厚)/プレス前のシート厚}×100]が小さすぎると熱抵抗が小さくならない傾向があり、大きすぎるとシートが延伸する傾向があるので、圧縮率が2〜15%となるようにプレスを行う。
なお、上述したように、プレス前に予め切れ込み5を設けることにより、熱伝導シート1は、プレス圧力を当該切れ込み5に集中させることができ、外周面の不測の位置が開裂することを防止することができる。
なお、上記工程においては、絶縁性熱伝導シートの支持体13に剥離処理を施したが、本発明は、型の内面と絶縁性熱伝導シートのバインダ樹脂との間に剥離材を介在させればよく、例えば型10の内面10aに、剥離剤を塗布した後、第2のシート部を構成するバインダ樹脂をフィルム状に成形した絶縁性熱伝導フィルムを貼り付けてもよい。
次いで、上記工程によって作成した成形体20における、絶縁性熱伝導シート11のバインダ樹脂12の密着強度について測定した実施例について説明する。本実施例では上記工程によって、図6に示すように、断面積が18mm×18mmの正方形、そのうちバインダ樹脂12の幅は1.2mmで、長さが60mmの直方体の成形体20を製造した。そして、図7に示すように、バインダ樹脂12の端部を手で剥離し、試験機のチャック部21で挟持した後、90°上方に50mm/minの速度で引っ張り、荷重を測定した。
測定は、上記工程で作成した2つの成形体20のサンプル(サンプル1、サンプル2)について行った。サンプル1の測定結果を図8に示し、サンプル2の測定結果を図9に示す。
図8及び図9に示すように、いずれのサンプルにおいても、バインダ樹脂12の端部を引っ張る荷重を上げていくと、先ず、予め手で剥離した部分が伸張していく。荷重が0.5N/cmを超えたあたりで、バインダ樹脂12が剥離し始め、剥離している間は、荷重はほぼ一定となった。なお、バインダ樹脂12の剥離に応じて成形体20のサンプルはステージ22上を、図7中矢印S方向へスライドする。
この結果から、上記工程によって作成した成形体20において、幅18mmにわたって形成されたバインダ樹脂12の密着強度は0.5N/cm、単位幅あたりの密着強度は0.5N/1.8cm=0.28N/cmであることが分かる。これにより、成形体20の切断工程においては、バインダ樹脂12の剥離もなく熱伝導シート1を確実に製造することができる。また、製造された熱伝導シート1においては、第2のシート部3が第1のシート2へ強度に密着し、半導体素子やヒートシンクに貼り付ける際の取扱い性に優れる。
次いで、熱伝導シートの実施例について説明する。本実施例では、絶縁性熱伝導シートの有無や、絶縁性熱伝導シートのバインダ樹脂の厚さ、成形体の製造条件を変えた熱伝導シートのサンプルを用意し、それぞれ第2のシート部の絶縁性や粘着性、密着強度について測定、評価した。
[実施例1]
実施例1では、50mm×50mmの断面正方形状の筒型を用意し、剥離PET上に厚さが3mmのバインダ樹脂層が形成された絶縁性熱伝導シート(E1000シリーズ:デクセリアルズ株式会社)を、剥離PETが型の内面に接するように型の内側全面に配置した。そして、型の中に、バインダ(35vol%)と炭素繊維(23vol%)とアルミナ(20vol%)と窒化アルミニウム(22vol%)を含有した熱伝導性樹脂組成物を押し出して充填した。充填後、100℃で6時間加熱処理を行い、熱伝導性樹脂組成物を硬化させるとともに外周面に絶縁性熱伝導シートが一体成型された成形体を得た。その後、型を分解し、剥離PETを剥した後、成形体を超音波カッターで厚さ2mmにスライスした。
実施例1では、50mm×50mmの断面正方形状の筒型を用意し、剥離PET上に厚さが3mmのバインダ樹脂層が形成された絶縁性熱伝導シート(E1000シリーズ:デクセリアルズ株式会社)を、剥離PETが型の内面に接するように型の内側全面に配置した。そして、型の中に、バインダ(35vol%)と炭素繊維(23vol%)とアルミナ(20vol%)と窒化アルミニウム(22vol%)を含有した熱伝導性樹脂組成物を押し出して充填した。充填後、100℃で6時間加熱処理を行い、熱伝導性樹脂組成物を硬化させるとともに外周面に絶縁性熱伝導シートが一体成型された成形体を得た。その後、型を分解し、剥離PETを剥した後、成形体を超音波カッターで厚さ2mmにスライスした。
得られた熱伝導シートは、主面部を構成する第1のシート部において熱を効率よく伝え、第1のシート部の外周面に幅3mmの第2のシート部が設けられることにより側方に対して絶縁性を有する。
実施例1に係る熱伝導シートは、荷重1kgf/cm2時の熱抵抗が0.95(K・cm2/W)、圧縮率8.3%である。また、第2のシート部に切れ込みは設けられておらず、全周に亘って連続して形成されている。なお、第2のシート部は、繊維状フィラーを含有せず、バインダ樹脂によって形成されているため、微粘着性を有し熱源と放熱部品との間に挟持すると、位置ずれ防止の効果があった。
[実施例2]
実施例2では、絶縁性熱伝導シートのバインダ樹脂層の厚み、すなわち第2のシート部の幅を1mmとし、また熱伝導シートに対する測定時荷重を3kgf/cm2とした他は、実施例1と同じ条件とした。得られた熱伝導シートは、熱抵抗が1.0(K・cm2/W)、圧縮率55%である。また、第2のシート部に切れ込みは設けられておらず、全周に亘って連続して形成されている。
実施例2では、絶縁性熱伝導シートのバインダ樹脂層の厚み、すなわち第2のシート部の幅を1mmとし、また熱伝導シートに対する測定時荷重を3kgf/cm2とした他は、実施例1と同じ条件とした。得られた熱伝導シートは、熱抵抗が1.0(K・cm2/W)、圧縮率55%である。また、第2のシート部に切れ込みは設けられておらず、全周に亘って連続して形成されている。
[実施例3]
実施例3では、熱伝導シートの第2のシート部に1か所切れ込みを設けた他は、実施例1と同じ条件とした。得られた熱伝導シートは、熱抵抗が0.98(K・cm2/W)、圧縮率8.9%である。
実施例3では、熱伝導シートの第2のシート部に1か所切れ込みを設けた他は、実施例1と同じ条件とした。得られた熱伝導シートは、熱抵抗が0.98(K・cm2/W)、圧縮率8.9%である。
[実施例4]
実施例4では、剥離PET上に厚さが0.3mmのバインダ樹脂層が形成された絶縁性熱伝導シートを用いて、第2のシート部の幅が0.3mmの熱伝導シートを得た。その他の条件は実施例1と同じである。得られた熱伝導シートは、熱抵抗が1.0(K・cm2/W)、圧縮率7.6%である。
実施例4では、剥離PET上に厚さが0.3mmのバインダ樹脂層が形成された絶縁性熱伝導シートを用いて、第2のシート部の幅が0.3mmの熱伝導シートを得た。その他の条件は実施例1と同じである。得られた熱伝導シートは、熱抵抗が1.0(K・cm2/W)、圧縮率7.6%である。
[比較例1]
比較例1では、50mm×50mmの断面正方形状の筒型を用意し、型の中に剥離PETを剥離面を内側にして内面全周に配置した後、バインダと炭素繊維とアルミナと窒化アルミニウムを含有した熱伝導性樹脂組成物を押し出して充填した。充填後、100℃で6時間加熱処理を行い、熱伝導性樹脂組成物を硬化させて成形体を得た。その後、型を分解し、成形体を超音波カッターで厚さ2mmにスライスした。
比較例1では、50mm×50mmの断面正方形状の筒型を用意し、型の中に剥離PETを剥離面を内側にして内面全周に配置した後、バインダと炭素繊維とアルミナと窒化アルミニウムを含有した熱伝導性樹脂組成物を押し出して充填した。充填後、100℃で6時間加熱処理を行い、熱伝導性樹脂組成物を硬化させて成形体を得た。その後、型を分解し、成形体を超音波カッターで厚さ2mmにスライスした。
得られた熱伝導シートは、全面にわたって熱を効率よく伝えるものの、側方に対して絶縁性を有していない。
比較例1に係る熱伝導シートは、荷重1kgf/cm2時の熱抵抗が1.0(K・cm2/W)、圧縮率9.1%である。なお、比較例1に係る熱伝導シートは、繊維状フィラーを高密度に含有していることから、微粘着性を有さず、熱源と放熱部品との間に挟持したときに、位置ずれの危険がある。
[比較例2]
比較例2では、剥離PET上に厚さが0.1mmのバインダ樹脂層が形成された絶縁性熱伝導シートを用いて、第2のシート部の幅が0.1mmの熱伝導シートを得た。その他の条件は実施例1と同じである。得られた熱伝導シートは、熱抵抗が1.0(K・cm2/W)、圧縮率8.1%である。
比較例2では、剥離PET上に厚さが0.1mmのバインダ樹脂層が形成された絶縁性熱伝導シートを用いて、第2のシート部の幅が0.1mmの熱伝導シートを得た。その他の条件は実施例1と同じである。得られた熱伝導シートは、熱抵抗が1.0(K・cm2/W)、圧縮率8.1%である。
[比較例3]
比較例3では、比較例1と同じ方法で得た成形体の外周にフィラーを含有していないバインダ樹脂を塗布し、その上に厚さ3mmのバインダ樹脂層が形成された絶縁性熱伝導シート(E1000シリーズ:デクセリアルズ株式会社)を、バインダ樹脂層と成形体外周とが接するように貼り付けた。その後、オーブン内で30分間加熱し、バインダ樹脂を硬化させ、剥離PETを剥した後、成形体を超音波カッターで厚さ2mmにスライスし、熱伝導シートを得た。
比較例3では、比較例1と同じ方法で得た成形体の外周にフィラーを含有していないバインダ樹脂を塗布し、その上に厚さ3mmのバインダ樹脂層が形成された絶縁性熱伝導シート(E1000シリーズ:デクセリアルズ株式会社)を、バインダ樹脂層と成形体外周とが接するように貼り付けた。その後、オーブン内で30分間加熱し、バインダ樹脂を硬化させ、剥離PETを剥した後、成形体を超音波カッターで厚さ2mmにスライスし、熱伝導シートを得た。
得られた熱伝導シートは、主面部を構成する第1のシート部において熱を効率よく伝え、第1のシート部の外周面に幅3mmの第2のシート部が設けられることにより側方に対して絶縁性を有する。比較例3に係る熱伝導シートは、荷重1kgf/cm2時の熱抵抗が1.0(K・cm2/W)、圧縮率8.8%である。また、第2のシート部に切れ込みは設けられておらず、全周に亘って連続して形成されている。なお、第2のシート部は、繊維状フィラーを含有せず、バインダ樹脂によって形成されているため、微粘着性を有し熱源と放熱部品との間に挟持すると、位置ずれ防止の効果があった。
これら実施例1〜4、比較例1〜3に係る熱伝導シートについて、第2のシート部の絶縁性や粘着性、第1のシート部との密着強度について測定、評価した。
表1に示すように、実施例1〜4に係る熱伝導シートは、第2のシート部の絶縁性や粘着性、第1のシート部との密着強度のいずれも良好であった。
すなわち、実施例1〜4に係る熱伝導シートは、少なくとも0.3mm以上の幅で絶縁性の第2のシート部を設けているため、側方に対する絶縁性が十分に確保されている。また、第2のシート部は、繊維状フィラーを含有しないためバインダ樹脂による微粘着性を有し、熱源と放熱部品との間に挟持すると、位置ずれ防止の効果があった。
さらに、実施例1〜4に係る熱伝導シートは、第1のシート部を構成する熱伝導樹脂組成物と、第2のシート部を構成する絶縁性熱伝導シートとが、型内における熱伝導樹脂組成物の硬化処理によって一体成型されているため、第1のシート部と第2のシート部との密着強度が高い。したがって、実施例1〜4に係る熱伝導シートは、製造時や実使用時における取扱い性に優れる。
一方、比較例1は、絶縁性を有する第2のシート部が形成されていないため、外周面の絶縁性や、第2のシート部の粘着性を欠く。したがって、比較例1に係る熱伝導シートは、電子部品とヒートシンクとに挟持されて周辺に膨出した場合などに、周辺に配置された導電性の部材と接触し、熱伝導シートを介して半導体素子やヒートシンクと当該導電性部材とが短絡する恐れがある。また、比較例1に係る熱伝導シートは、繊維状フィラーが高密度に充填されているために微粘着性を有せず、電子部品とヒートシンクとの間に挟持される際に位置がずれて効率よく放熱することができない恐れがある。
また、比較例2は、熱伝導樹脂組成物と絶縁性熱伝導シートとが、型内における熱伝導樹脂組成物の硬化処理によって一体成型されているものの、絶縁性熱伝導シートのバインダ樹脂層の厚さが0.1mmと薄いため、熱硬化性樹脂の押し込み充填時に、当該熱硬化性樹脂組成物との摺動摩擦によって剥離PETから剥離し、所々第2のシート部が形成されない箇所ができた。したがって、当該箇所においては導電性を有する第1のシート部が露出し、比較例1と同様に外周面の絶縁性を欠く。また、第2のシート部が全周に亘って形成されていないために、微粘着性に劣り、位置ずれ防止を十分に図ることはできない。
また、比較例3に係る熱伝導シートは、第1のシート部を構成する熱伝導性樹脂組成物を硬化させた後に、第2のシート部を構成する絶縁性熱伝導シートがバインダを介して接続されているため、第1のシート部と第2のシート部との密着性が低く、シート状に切断する際や実使用時において、第1のシート部から第2のシート部が剥離する等、取扱いが困難であった。また、熱伝導性樹脂組成物の硬化物に塗布した液状のバインダ樹脂が流れてしまい、絶縁性熱伝導シートの密着強度が不足している箇所もあった。
1 熱伝導シート、2 第1のシート部、3 第2のシート部、5 切れ込み、10 型、11 絶縁性熱伝導シート、12 バインダ樹脂、13 支持体、15 熱伝導性樹脂組成物、20 成形体
Claims (13)
- 発熱する電子部品と放熱部材との間に挟持される熱伝導シートにおいて、
導電性フィラーが含有された第1のシート部と、
上記第1のシート部の外周部に配され、絶縁性を有する第2のシート部とを有し、
上記第1のシート部と上記第2のシート部とが一体成型されることにより、上記第1のシート部の外周面と上記第2のシート部の内周面とが密着されている熱伝導シート。 - 上記第2のシート部の幅は、0.3mm以上である請求項1記載の熱伝導シート。
- 上記第2のシート部は、1又は複数の切れ込みが設けられている請求項1又は2に記載の熱伝導シート。
- 上記第1のシート部に含有される導電性フィラーは、炭素繊維であり、
上記炭素繊維は、上記第1のシート部の厚さ方向に沿って垂直配向されている請求項1〜3のいずれか1項に記載の熱伝導シート。 - 上記第2のシート部は、上記第1のシート部との密着強度が、単位幅あたり0.28N/cm以上である請求項1〜4のいずれか1項に記載の熱伝導シート。
- 中空状の型の内面に絶縁性熱伝導シートを配置する工程と、
バインダ樹脂に導電性フィラーが含有された熱伝導性樹脂組成物を上記型内に充填する工程と、
上記熱伝導性樹脂組成物を硬化し、該熱伝導性樹脂組成物と上記絶縁性熱伝導シートとが一体化された成形体を製造する工程と、
上記型から、上記成形体を取り出し、上記成形体をシート状に切断する工程を有する熱伝導シートの製造方法。 - 上記絶縁性熱伝導シート、及び上記熱伝導性樹脂組成物は、熱硬化性のバインダを含有し、熱処理により一体化される請求項6記載の熱伝導シートの製造方法。
- 上記導電性フィラーは、炭素繊維であり、
上記熱伝導性樹脂組成物が上記型に押し込まれることにより、上記炭素繊維が該押し込み方向に配向されて充填される請求項6又は7に記載の熱伝導シートの製造方法。 - 上記絶縁性熱伝導シートは、バインダ樹脂の厚さが0.3mm以上である請求項6〜8のいずれか1項に記載の熱伝導シートの製造方法。
- 上記絶縁性熱伝導シートは、上記型の内面に剥離材を介して配置される請求項6〜9のいずれか1項に記載の熱伝導シートの製造方法。
- 上記絶縁性熱伝導シートは、剥離シートと、上記剥離シートに支持されたバインダ層とを有し、上記型の内面と上記剥離シートとを対峙させて配置される請求項10記載の熱伝導シートの製造方法。
- 上記成形体を超音波カッターによってシート状に切断する請求項6〜11のいずれか1項に記載の熱伝導シートの製造方法。
- 上記成形体は、バインダ樹脂と上記熱伝導性樹脂組成物との密着強度が、単位幅あたり0.28N/cm以上である請求項6〜12のいずれか1項に記載の熱伝導シートの製造方法。
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