JP2017185642A

JP2017185642A - 熱伝導シート

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Publication number: JP2017185642A
Application number: JP2016074083A
Authority: JP
Inventors: 達成井上; Tatsunari Inoue; 修平幡野; Shuhei Hatano; 琢也本条; Takuya Honjo; 圭一朗土師; Keiichiro Haji
Original assignee: Tomoegawa Paper Co Ltd
Current assignee: Tomoegawa Co Ltd
Priority date: 2016-04-01
Filing date: 2016-04-01
Publication date: 2017-10-12
Anticipated expiration: 2036-04-01
Also published as: JP6480374B2

Abstract

【課題】マトリックス樹脂の特性を維持して発熱体と放熱体との密着性を有し、かつ引張強度に優れつつも、実装時により優れた熱伝導性を示す熱伝導シートを提供する。【解決手段】本発明の熱伝導シートは、ベースシートの両面に樹脂層が形成された熱伝導シートであって、上記ベースシートは、担持用熱伝導性フィラーを担持した繊維が面状に交絡し、かつ、上記繊維間に樹脂が充填されてなり、上記樹脂層に分散用熱伝導性フィラーが分散されていることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、電気・電子部品、特にＣＰＵ、パワートランジスター、コンデンサーなどの発熱体用の熱伝導シートに関する。

近年、電気・電子部品は多機能、高性能化とともに、高集積化、小型、薄型化の傾向にある。それに伴い、ＣＰＵ回路、トランジスター内部、コンデンサーなどから発生する熱が、それらの本体内に蓄積され、高温度レベルになるため、寿命が短くなる、または誤作動を生じるなど信頼性が低下するといった問題がある。それらを回避すべく、ＣＰＵ回路では放熱フィンのヒートシンクとＣＰＵの間に、熱伝導性および密着性を有する熱伝導シートを設けている。
この種の熱伝導シートとしては、マトリックス樹脂に熱伝導性フィラーを混合したものが使用されており、一例として、特許文献１には、シリコーンゴムに窒化ホウ素を混練し、プレス成形によってシート状に成形して得られた熱伝導シートが開示されている。
しかし、特許文献１の熱伝導シートのような場合、シリコーンゴムのみがマトリックスとなっており、密着性に優れる反面、シートの強度が低い。このため、当該熱伝導シートを取り付ける際、または、ヒートシンクなどに貼合ずれしたシートを剥離する際に、熱伝導シートが破断してしまい作業性が低いという問題があった。

特開２００３−６０１３４号公報

本発明者らは、このような問題に対し、未公開の特願２０１５−２１６１６２にて交絡させた繊維に熱伝導性フィラーを担持させたベースシートを熱伝導シート中に組み入れることで、マトリックス樹脂の特性を維持して発熱体と放熱体との密着性を有し、かつ引張強度に優れる熱伝導シートを発明している。
しかしながら、特願２０１５−２１６１６２のような熱伝導シートの場合、熱伝導性フィラーを添加し過ぎると樹脂に起因する柔軟性が低下するため、熱伝導性フィラーの添加量には限界がある。このため、熱伝導性フィラーが存在する箇所では局所的に高い熱伝導率を発現するが、熱伝導性フィラーが存在しない部分では使用した樹脂と同程度の熱伝導率しか発現しない。したがって、実装時にシートが点ではなく面で使用されるという観点で評価すると、局所的に熱伝導率が高くとも、熱伝導シート全体としては熱伝導性が十分でないという問題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的とする処は、マトリックス樹脂の特性を維持して発熱体と放熱体との密着性を有し、かつ引張強度に優れつつも、実装時により優れた熱伝導性を示す熱伝導シートを提供することにある。

本発明者らは、発熱体と放熱体との密着性を有し、かつ引張強度に優れつつも、実装時により高い熱伝導性を発現させるために、特願２０１５−２１６１６２に係る熱伝導性フィラーを担持させたベースシートに樹脂を充填する際、ベースシートに担持させた熱伝導性フィラーとは異なり、繊維に担持させるためでなく樹脂中での分散のために別途、熱伝導性フィラーを用いて、ベースシート内に樹脂を充填するとともに、ベースシートの両面に熱伝導性フィラーが分散された樹脂からなる層を形成させた熱伝導シート構成について鋭意検討した結果、下記発明を見出した。

＜１＞ベースシートの両面に樹脂層が形成された熱伝導シートであって、上記ベースシートは、担持用熱伝導性フィラーを担持した繊維が面状に交絡し、かつ、上記繊維間に樹脂が充填されてなり、上記樹脂層に分散用熱伝導性フィラーが分散されていることを特徴とする熱伝導シート。
＜２＞さらに、ベースシートの上記樹脂にも分散用熱伝導性フィラーが分散されていることを特徴とする＜１＞に記載の熱伝導シート。
＜３＞上記担持用熱伝導性フィラーのうち少なくとも一部は、熱伝導シートの厚さに対して５０％以上の粒子径を有することを特徴とする＜１＞または＜２＞に記載の熱伝導シート。
＜４＞上記分散用熱伝導性フィラーの平均粒子径が０．１μm〜５００μmであることを特徴とする＜１＞〜＜３＞の何れか１項に記載の熱伝導シート。
＜５＞上記担持用熱伝導性フィラーの体積比率が、２％〜４５％であることを特徴とする＜１＞〜＜４＞の何れか１項に記載の熱伝導シート。
＜６＞上記分散用熱伝導性フィラーの体積比率が、１％〜５０％であることを特徴とする＜１＞〜＜５＞の何れか１項に記載の熱伝導シート。
＜７＞上記担持用熱伝導性フィラーが凝集体であることを特徴とする＜１＞〜＜６＞の何れか１項に記載の熱伝導シート。
＜８＞上記担持用熱伝導性フィラーが熱異方性を有する粒子の凝集体であることを特徴とする＜１＞〜＜７＞の何れか１項に記載の熱伝導シート。
＜９＞上記熱伝導シートにおける繊維の体積比率が１％〜１５％であることを特徴とする＜１＞〜＜８＞の何れか１項に記載の熱伝導シート。
＜１０＞上記熱伝導シートにおける樹脂の体積比率が４０％〜９０％であることを特徴とする＜１＞〜＜９＞の何れか１項に記載の熱伝導シート。

本発明によれば、マトリックス樹脂の特性を維持して発熱体と放熱体との密着性を有し、かつ、ベースシートの繊維によって、作業性に優れた引張強度を有しつつも、ベースシートの担持用熱伝導性フィラーと樹脂層の分散用熱伝導性フィラーの構造的な配置によって実装時に優れた熱伝導性を発現する熱伝導シートを提供することができる。

本発明の熱伝導シートを示す断面図である。本発明の熱伝導シートに係るベースシートを示す断面図である。従来の熱伝導シートを示す断面図である。評価構成を示す断面図である。

以下に、本発明について説明するが、本発明は明細書に記載された具体例に基づき限定的に解釈されるものでない。なお、数値範囲を示す際の「Ａ〜Ｂ」は、「Ａ以上、Ｂ以下」を意味する。

《熱伝導シート》
本発明の熱伝導シートは、発熱体と放熱体との間に挟み込むことで熱伝導を促進する役割を果たし、ベースシートの両面に樹脂層が形成された熱伝導シートであって、上記ベースシートは、担持用熱伝導性フィラーを担持した繊維が面状に交絡し、かつ、上記繊維間に樹脂が充填されてなり、上記樹脂層に分散用熱伝導性フィラーが分散されている。（以下、「担持用熱伝導性フィラー」を「担持フィラー」と、「分散用熱伝導性フィラー」を「分散フィラー」と適宜略す）図１は、本発明の熱伝導シート１０を示す断面図であり、担持フィラー１、繊維２、樹脂３、および分散フィラー４を含んでいる。また、図２は、樹脂３を充填する前のベースシート２０を示す断面図である。なお、図１、２は、熱伝導シート、ベースシートの一例を示すにすぎず、本発明は当該形態に限定されるものではない。

＜担持フィラー＞
担持フィラーは、熱伝導性を発現するために熱伝導シート内に含有されるものであり、具体的にはベースシートの繊維に担持されている。熱伝導シートの厚さ方向において、熱が発熱体側から、後述する分散フィラーを介して担持フィラーに伝わり、再び対面側の分散フィラーに熱が伝わる過程を経て放熱体へ伝導される。本発明で使用する担持フィラーとしては、熱伝導性が高いものが好ましいが、特に限定されるものではない。
具体例には、例えば、酸化珪素（シリカ）、酸化アルミ（アルミナ）、酸化マグネシウムなどの金属酸化物；水酸化マグネシウムなどの金属水酸化物；窒化珪素、窒化アルミ、窒化ホウ素、炭化珪素などの窒化物または炭化物；ステンレス繊維などの金属繊維；銀、金などの金属粒子などが挙げられる。中でも、絶縁性の観点から、酸化アルミ（アルミナ）、窒化珪素、窒化アルミ、窒化ホウ素などの酸化物または窒化物が好ましく、更に、熱伝導率の観点から窒化ホウ素を使用することが特に好ましい。

担持フィラーの形状としては、不定形、球状、板状、繊維状などのいずれであってもよく、大粒径の担持フィラーが入手容易である点から、粒子が凝集した凝集体が好ましく用いられる。
熱伝導率の高い熱伝導性フィラーにおいては、熱伝導率に方向異方性（熱異方性）を持つものが存在する。通常、このような熱伝導率に方向異方性を持つ粒子は、熱伝導性の高い方向に配向させて熱伝導率を向上させる手法が取られるため、熱伝導性フィラーを配向させる為の特殊な手法、装置を使用しなければならず、生産性が悪く、コストが高くなる。例えば、熱伝導性フィラーとして使用される窒化ホウ素は六方晶系であり、粒子形状がその製法に由来して鱗片状となることに起因して、その熱伝導率に方向異方性があり、鱗片状粒子の面方向の熱伝導率が、厚さ方向の熱伝導率に対して数十倍高いという特徴がある。この場合、熱伝導性の高い面方向に配向させなければ熱伝導性が発現し難く、配向させるためには特殊な手法、装置を必要とする。

一方、本発明では窒化ホウ素の凝集体が好ましく用いられる。窒化ホウ素凝集体は上記鱗片状の一次粒子がランダムに圧着した構造を有している。その構造に起因して、窒化ホウ素凝集体の熱伝導率は鱗片状の粒子の厚さ方向の熱伝導率と面方向の熱伝導率の中間の熱伝導率として捉えることができ、面方向の高熱伝導性を生かすことができる。また、熱伝導率の方向についても凝集体内全体で見れば等方性が有る材料として使用することができる。そのため、窒化ホウ素凝集体を使用した場合は通常の六方晶窒化ホウ素のように配向する必要がない、高熱伝導性フィラーとして活用することが可能である。

担持フィラーの粒子径は、熱伝導シートの厚さに応じて設定すればよく、具体的には、上記担持フィラーのうち少なくとも一部は、熱伝導シートの厚さに対して５０％以上の粒子径を有することが好ましい。上記一部とは、担持フィラーの総数の一部のフィラーという意味であり、個数の割合を示す。全体として担持フィラーの粒子径が大きい、すなわち、熱伝導シートの厚さ方向に占める担持フィラーの割合が高いことで、発熱体から熱伝導シートの一面に伝わった熱は、それぞれの担持フィラーの内部を伝導して対面側へ速やかに伝導され易くなる。このように、効率的な放熱が可能であるため、熱伝導性フィラーの体積比率が低くとも、熱伝導性に優れる。比較のため、図３に一般的な熱伝導シート３０を示す。熱伝導シート３０では、熱伝導率フィラー１１が高充填され、樹脂１３の体積比率が小さいため、熱伝導率が高いものの、樹脂の割合が低く、放熱体および発熱体との密着性が低い。
担持フィラーの粒子径（直径）の具体的数値は、特に限定されず、例えば、０．５μｍ〜１０００μｍであり、好ましくは５０μｍ〜５００μｍ、より好ましくは、１００μｍ〜４００μｍである。なお、熱伝導性フィラーが凝集体である場合、凝集体の粒子径とは２次粒子径を意味する。

熱伝導シート内の担持フィラーの体積比率は限定されないが、熱伝導率の維持、及び、後述する樹脂の柔軟性やコストと両立するため、担持フィラーの体積比率を２％〜４５％、樹脂の柔軟性を重視すると５％〜２０％と低く抑えることが好ましい。
担持フィラーは、繊維に担持されている。「繊維に担持されている」とは、換言すると交絡した繊維同士の間に固定されているとも表現できる。なお、担持フィラーは、その一部が繊維同士の間に位置していればよく、他の一部がベースシート外に在ってもよい。

＜分散フィラー＞
分散フィラーは、熱伝導性の発現度合いを向上させるために、ベースシートの両面にある樹脂層内に含有されるものであり、熱伝導シートの厚さ方向において、発熱体側では分散フィラーは担持フィラーに熱を集め、放熱体側では担持フィラーから伝わった熱を拡散する役割を果たす。また、分散フィラーは樹脂層だけでなく、ベースシート内に樹脂とともに充填されていることが好ましい。分散フィラーがベースシート内の担持フィラーの隙間に充填されることで熱伝導シートの面全体の熱伝導性が向上する。本発明で使用する分散フィラーとしては、熱伝導性が高いものが好ましいが、特に限定されるものではない。
具体例には、例えば、酸化珪素（シリカ）、酸化アルミ（アルミナ）、酸化マグネシウムなどの金属酸化物；水酸化マグネシウムなどの金属水酸化物；窒化珪素、窒化アルミ、窒化ホウ素、炭化珪素などの窒化物または炭化物；ステンレス繊維などの金属繊維；銀、金などの金属粒子などが挙げられる。中でも、絶縁性の観点から、酸化アルミ（アルミナ）、窒化珪素、窒化アルミ、窒化ホウ素などの酸化物または窒化物が好ましい。

分散フィラーの形状としては、不定形、球状、板状、繊維状などのいずれであってもよく、粒子が凝集した凝集体であってもよい。

分散フィラーの平均粒子径（直径）は、例えば０．１μｍ〜５００μｍであり、好ましくは３μｍ〜１２５μｍである。なお、分散フィラーが凝集体である場合、凝集体の粒子径とは２次粒子径を意味する。

熱伝導シート内の分散フィラーの体積比率は限定されないが、熱伝導率の向上、及び、後述する樹脂の柔軟性やコストと両立するため、分散フィラーの体積比率を１％〜５０％、樹脂の柔軟性を重視すると５％〜３５％と低く抑えることが好ましい。

＜繊維＞
繊維は熱伝導シートの引張強度を向上することで熱伝導シート自体の強度を向上し、作業性を向上するために含有される。本発明では、繊維は面状に交絡している。すなわち、繊維同士が、面状に絡み合っている。図２に示すように、ベースシートは、繊維２が絡み合うことで引張強度の向上に寄与しており、かつ、絡み合った繊維２に担持フィラー１が坦持されているため、担持フィラー１が熱伝導シートから脱落し難い。

本発明で使用する繊維材料としては、柔軟性を有するパルプ状繊維を用いるのが好ましい。繊維の柔軟性により、繊維同士が絡み合い易く、高い引張強度を発現でき、さらに、熱伝導性フィラーに絡まり易く、好適に坦持できるというメリットがある。

繊維は、互いに交絡し、担持フィラーを坦持できればよく、特に限定されないが、例えば、天然繊維、合成高分子繊維、再生繊維、無機系繊維などを用いることができる。
天然繊維の原料としては、木材および非木材が挙げられ、木材としては、パルプとして通常使用される針葉樹、広葉樹が挙げられ、パルプ処理したものを好適に使用できる。なお、本発明においては、物理的な強度が強いことから針葉樹パルプが好ましい。パルプの種類は特に限定されないが、例えば、ＭＰ（Mechanical pulp:機械パルプ）としては、ＧＰ（Ground pulp：砕木パルプ）、ＲＧＰ（Refiner ground pulp：リファイナーグランドパルプ）、ＣＧＰ（Chemi ground pulp：ケミグラウンドパルプ）などが挙げられ、ＣＰ（Chemical pulp：化学パルプ）としては、ＳＰ（Sulfide pulp：サルファイドパルプ）、ＡＰ（Alkaline pulp：アルカリパルプ）、ＫＰ（Kraft pulp：クラフトパルプ）、ＳＣＰ（Semi chemical pulp：セミケミカルパルプ）などが挙げられ、これらは未晒しパルプでも晒しパルプでもよい。非木材としては、木綿、わら、竹、エスパルト、バガス、リンター、マニラ麻、亜麻、麻、黄麻、雁皮などが挙げられる。
合成高分子繊維としては、ポリエチレン繊維、ポリプロピレン繊維などのオレフィン樹脂繊維、ポリアセタール、ポリイミド、アラミド、ＰＢＯ、ＰＴＦＥなどのフッ素系樹脂、ナイロン、ポリエステル繊維、スチレン及びその共重合体、アクリル酸エステル及びその共重合体などの合成繊維が挙げられる。
再生繊維としては、レーヨン、リオセル、キュプラなどが挙げられる。
無機系繊維としては、例えば、ガラス繊維；アルミナ繊維；セラミックスファイバー；銅、鉄、ステンレスなどの金属繊維；カーボン繊維などの高分子繊維などが挙げられる。

これら繊維としては、叩解機によるフィブリル化、または、紡糸時にフィブリル化したものを使用できる。叩解機はシングルディスクリファイナー（ＳＤＲ）、ダブルディスクリファイナー（ＤＤＲ）、ビーターなどで適宜おこなうことができる。繊維の叩解度としては、カナダ標準濾水度（ＪＩＳＰ８１２１）で、７５０ｍＬ〜１００ｍＬ、好ましくは５００ｍＬ〜２５０ｍＬである。繊維長としては、０．１ｍｍ以上であることが好ましい。

また、紙の強度、こしの強さを向上させる目的で上記の叩解した繊維と一緒に、非叩解のステープル状の繊維を用いることが可能である。非叩解繊維の繊維長としては、１ｍｍ〜３０ｍｍ、好ましくは２ｍｍ〜１５ｍｍである。繊維径としては、１〜３０μｍφ、好ましくは２〜１５μｍφである。非叩解繊維の配合量は、叩解した繊維１００質量部に対して１０〜２００質量部、好ましくは２０〜１００質量部、特に２０〜５０質量部である。

熱伝導シートに対する繊維の体積比率は、例えば、１％〜１５％であり、好ましくは３％〜８％である。上記範囲であれば、ベースシートを形成可能な繊維量を確保して引張強度を好適な範囲としつつも、繊維の比率が高すぎないため、担持フィラーまたは樹脂の体積比率を低減させず、熱伝導率または密着性を好適な範囲に維持できる。

＜樹脂＞
樹脂はベースシート内に充填され、かつベースシートの両面に分散フィラーが分散された状態で層を形成しており、ベースシートと分散フィラーを一体化させるためのバインダーである。また、熱伝導シートを発熱体と放熱体との間に設置した際、双方への密着性に優れた樹脂を使用することで、より効率の良い熱伝導性を実現することができる。発熱体と放熱体との間に設置した際に剥がれが生じるような樹脂を熱伝導シートに組み込んだ場合、剥がれによって生じた空気層が熱伝導を阻害し、密着性の良い熱伝導シートを使用した場合に比べて熱伝導性能が劣る。
本発明で使用する樹脂としては、例えば、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエステル樹脂、ポリオレフィン樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、などを用いることが挙げられ、耐久性及び密着性の観点からシリコーン樹脂が好ましい。
また、本発明では上記の通り、熱伝導性フィラーの体積比率を抑えることが可能であるため、密着性に寄与する樹脂の体積比率を高めることができる。熱伝導シートに対する樹脂の体積比率は、例えば、４０％〜９０％であり、好ましくは５５％〜８０％である。

＜熱伝導シートの物性＞
本発明の熱伝導シートは、繊維を面状に交絡したベースシートを備えているため、引張強度に優れている。引張強度は少なくとも０．１ＭＰａ以上であることが好ましく、より好ましくは、０．３ＭＰａ以上である。上限値は高い程良いが、０．１ＭＰａ〜２０ＭＰａであれば十分作業性を有し、０．１ＭＰａ〜２ＭＰａであっても実用性に問題はない。また、熱伝導シートの熱伝導率は高いことが好ましく、例えば、０．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、より好ましくは１．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である。熱伝導率は高いほど好ましいため、上限は限定されない。発熱体および放熱体との密着性については、熱伝導シートと被着体との間に剥がれが生じなければよく、剥がれが生じた場合には、熱伝導性能が低下することとなる。

《熱伝導シートの製造方法》
本発明の熱伝導シートは、通常の熱伝導シートの作製方法：（１）熱伝導性フィラーとマトリックス樹脂とを混合し、ロール、カレンダー押出し機などによりシート状に成形した後にプレスして加硫する方法、（２）マトリックス樹脂を溶剤で希釈してドクターブレードでシート状に成形・乾燥・プレスして加硫する方法、（３）ニーダーなどの密閉式混練機で混合した粉末状ゴム材に成形し、金型に充填しプレスする方法など、では作製が困難である。理由としては熱伝導シートの内部に、繊維が面状に交絡したベースシートを含有しているためであり、熱伝導性フィラーとマトリックス樹脂の混錬と併せて繊維を混錬する方法では、繊維同士を交絡させることができないためである。

本発明の熱伝導シートの製造方法は、当該熱伝導シートを製造できれば特に限定されないが、代表的には、通常の製紙に用いられる湿式抄造法を用いて担持フィラーと繊維とを混抄した母体となるベースシートを作製し、作製したベースシートに分散フィラーを分散させたマトリックス樹脂を含浸することで熱伝導シートを作製する手法が挙げられる。
具体的には、まず、原材料である担持フィラー、および繊維をそれぞれ規定量秤量し、水中で混合攪拌して離解したスラリーを長網式、円網式などの湿式抄造機に適用し、連続したワイヤーメッシュ状の脱水パートで脱水し、その後、多筒式ドライヤーやヤンキードライヤーで乾燥してベースシート（混抄シート）を得る。次に作製したベースシートに分散フィラーを分散させた樹脂を含浸し、プレスして加硫して熱伝導シートを作製する。
上記手法において、樹脂に対して一定の割合で分散フィラーを分散させる際、分散フィラーの種類、形状、粒子径によって、分散フィラーを分散させた樹脂の粘度が異なる。そのため、分散フィラーの種類、形状、粒子径は上記の範囲内であれば熱伝導シートとしての特性を発現するが、熱伝導シートの作製に適した粘度が存在する。熱伝導シートの作製において、使用可能な粘度は５００〜５００００ｃＰであり、５０００〜３５０００ｃＰであることがより好ましい。

また、ベースシートを作成する場合、３００μｍ以上の粒子径の大きい担持フィラーを、作製するベースシート内に均一に分散させるため、増粘剤を使用することが必要である。増粘剤としては、ポリアクリルアミド、ＣＭＣ（カルボキシメチルセルロース）などが挙げられ、使用量（質量）は、通常、使用する水に対して０．０１５％〜０.２％である。また、熱伝導シートの母体であるベースシートの強度を向上するためにバインダー、紙力剤を使用してもよいし、熱伝導性フィラーの収率を上げるために凝集剤を使用してもよい。

以下、本発明を実施例および比較例によってさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、実施例および比較例における物性測定は以下の手順にて行なった。

〔熱伝導性フィラーの粒子径〕
５０ｍｍ×５０ｍｍ角の熱伝導シート内の凝集体の粒子径をＳＥＭ観察して得られた断面写真により確認し、平均値粒子径を粒子径とした。

〔担持フィラー、分散フィラー、繊維、およびマトリックス樹脂の体積比率〕
担持フィラー、分散フィラーの体積比率及び繊維、マトリックス樹脂の体積比率は作製した試験片の重量、面積、厚さ、原材料の組成、及び各部材の密度より算出して求めた。

〔熱伝導率〕
熱拡散率を測定し、得られた熱拡散率から熱伝導シートの密度と比熱を用いて熱伝導率を算出した。熱拡散率は温度波熱分析法（アイフェイズ・モバイル（アイフェイズ社製）を使用）にて測定した。密度は高精度電子比重計（アルファーミラージュ社製：ＭＤ-３００Ｓ）にて測定したものを使用し、比熱は上記で求めた熱伝導性フィラーの体積比率及び、繊維、樹脂の体積比率と各部材の文献値の比熱を用いて算出したものを使用した。
熱伝導率は、熱伝導率をλ（Ｗ／（ｍ・Ｋ））、熱拡散率（ｍ^２／s）をα、熱伝導シートの密度（ｋｇ／ｍ^３）をρ、熱伝導シートの比熱容量（Ｊ／（ｋｇ・Ｋ））をｃとして下記の計算式にて算出される。
λ＝αρｃ
上記装置を用いた温度波熱分析法による熱拡散率の測定は、測定面積が１ｍｍ×１．５ｍｍと小さいために、本発明の熱伝導シートのように不均一な部分（担持フィラーの有無）を含む試料に対しては測定箇所によって熱拡散率が大きく異なる。本発明における熱伝導率の値は上記方法での３点の測定値の平均値を表１〜３に示しているが、上記方法での熱伝導率の値では実装時の使用面積における熱伝導性能を評価することが出来ないと考えられるため、熱伝導率はあくまで参考値である。このため、熱伝導性の判断は、後述の実装時の温度差のモデル試験において実際に熱伝導シートを発熱体と放熱体の間に貼り付けた場合の温度差に基づいて行う。

〔実装時の温度差のモデル試験〕
実装時の温度差のモデル試験は、図４に示す実装時の温度差のモデル試験の評価構成を用いて行った。図４は、評価構成４０の断面図であり、評価構成４０の構成手順を以下に示す。まず、２枚の真鍮製の円柱型錘４１（重さ２８０ｇ、直径３４ｍｍ、高さ３７ｍｍ）、２枚のスリガラス板４２（表面粗さＲａ＝３〜４、５０ｍｍ×５０ｍｍ）、およびそれらの貼り合わせ用として市販の熱伝導シート４４（熱伝導率１．４Ｗ／（ｍ・Ｋ）、厚さ２ｍｍ）を用意し、２０ｍｍ×２０ｍｍに切断した評価対象の熱伝導シート４５を図４に示すような状態で貼り合わせた。次に、円柱型錘４１の一方を１１０℃に熱したホットプレート上に置いて加温し、熱伝導シート４５の両面に位置するスリガラス板の２０分後の温度を熱電対４３（熱電対温度計（メモリハイロガー８４２０−５０：日置電機社製））で確認した。温度差Ｔは、加温側のスリガラス板４２の温度をＴ_１、その反対側のスリガラス板４２の温度をＴ_２として下記の計算式で定義する。
Ｔ＝Ｔ_１−Ｔ_２
このとき、温度差が小さいものほど、効率的に熱が伝わっている、即ち、熱伝導性能が高いと捉えることができる。表１〜３には各例につき、３回測定した平均値を示す。

〔引張強度〕
引張強度はＪＩＳＫ６２５１加硫ゴム及び熱可塑性ゴム−引張特性の求め方に準拠して測定した。試料をダンベル試験片（ダンベル状８号形：平行部の厚さ２．０±０．２ｍｍ、平行部分の幅４．０±０．１ｍｍ、初期の標線間距離１０．０±０．５ｍｍ）に切断し、引張試験機（テンシロン社製）を用いて測定した。引張強度をＴＳ（ＭＰａ）、最大の力（Ｎ）をＦ_ｍ、平行部分の厚さ（ｍｍ）をｔ、平行部分の幅（ｍｍ）をＷとして引張強度は下記の計算式にて算出される。
ＴＳ＝Ｆ_ｍ／Ｗｔ

〔密着性試験〕
密着性はＲａ＝３〜４のスリガラスを用意し、熱伝導シートを貼り合わせ、目視により確認した。貼り合わせ後、密着性が良好に貼り付いたものを○、貼り付いたが気泡が混入したものを△、貼り付かないものは×とする。

〔実施例１〕
担持フィラーとして不定形窒化ホウ素凝集体（平均粒子径３００〜３５０μｍ、メッシュ作業を施し３００μｍ未満の粒子を除去）８０重量部、繊維として天然パルプ２０重量部、バインダーとしてアクリレート系ラテックス０．７５重量部、紙力剤としてエポキシポリマー０.７５重量部、もう一種の紙力剤として変性ポリアクリルアミド０.７５重量部、凝集剤としてポリアクリルアミド系高分子水分散剤０．０５重量部を増粘剤としてポリアクリルアミドを溶かして増粘した０．０１５％水溶液中に投入してスラリーを調整し、このスラリーを湿式抄紙法により抄紙し、加熱乾燥してベースシートを作製した。得られたベースシートに、シリコーン樹脂１００重量部に対して分散フィラーとして不定形窒化ホウ素凝集体（平均粒子径１５〜２０μｍ）２０重量部を分散させたマトリックス樹脂を含浸し、６００μｍのスペーサーを用いて加熱プレス（８０℃×３０ｍｉｎ）して硬化し、熱伝導シートを作製した。

〔実施例２〜２２、比較例１、２〕
使用原料を表１〜３に記載のように変更した以外は、実施例１と同様にして熱伝導シートを作製した。

表１〜３に実施例１〜２２及び比較例１、２の手順によって作成された熱伝導シートの厚さ、担持用および分散フィラーの体積比率、熱伝導率、引張強度、温度差、密着性を示す。

※１：実施例１に記載の通り、平均粒子径３００〜３５０μｍの不定形窒化ホウ素凝集体に対し、メッシュ作業を施して３００μｍ未満の粒子を除去して使用した（表２、３も同様）。
※２：平均粒子径３００〜３５０μｍの不定形窒化ホウ素凝集体に対し、メッシュ作業を施して３００〜４２５μｍ以外の粒子を除去して使用した。
※３：平均粒子径３００〜３５０μｍの不定形窒化ホウ素凝集体に対し、メッシュ作業を施して４２５μｍ未満の粒子を除去して使用した。

※４：平均粒子径３００〜３５０μｍの不定形窒化ホウ素凝集体に対し、メッシュ作業を施して３００μｍ以上の粒子を除去して使用した。

表１のように、実施例１〜４となるにつれ、樹脂に対する分散フィラーの割合を増加させたところ、温度差は分散フィラーの増加に伴い、２７．６３℃、２６．１５℃、２３．７４℃、２５．６０℃と実施例３をピークとして低下した。実施例４では、実施例３よりも分散フィラーを多く含むにも関わらず温度差が大きくなったが、これは、分散フィラー量の増加によって密着性がやや悪化したために若干の空気層が生じ、熱伝導効率が低下したことに起因する。また、実施例１〜４のいずれも良好な作業性を発現するのに十分な引張強度を示した。
これに対して、表４の比較例１では、分散フィラーを使用しなかったところ、温度差が３０．５７℃であり、分散フィラーを使用した実施例１〜４よりも劣る結果であった。これより、分散フィラーが熱伝導シート全体に存在していることによって、実装時を想定した面での熱伝導性能が向上していることが確認できた。

実施例５、６は実施例３と関連する実施例であり、分散フィラーと樹脂の混合比が同じである実施例３の厚さ０．５７ｍｍの熱伝導シートと比較して、実施例５では熱伝導シートを０．３８ｍｍと薄くした場合、実施例６では０．７７ｍｍと厚くした場合の結果を示しており、いずれも良好な密着性と十分な引張強度を有していることが確認された。温度差については、薄くした実施例５は実施例３よりも小さくなり、厚くした実施例６は実施例３よりも大きくなった。これは、厚さ方向の熱伝導において、厚さが薄いほうが熱伝導の効率が良いことから考えて妥当である。

実施例７〜９は、分散フィラーの種類は窒化ホウ素のまま、形状や粒子径を変更した場合の結果を示している。実施例７では、平均粒径１１μｍの鱗片状窒化ホウ素を使用しているが、分散フィラーを使用しない比較例１に比べて熱伝導率の値は低くとも、温度差ではより小さくなっており、実装時を想定した熱伝導性能が向上していることが確認できた。実施例８、９では不定形窒化ホウ素凝集体の粒子径が実施例３に比べて大きなサイズのものを使用している。この場合でも、比較例１に比べて熱伝導率の値は低いが、温度差ではより小さくなっており、実装時を想定した面での熱伝導性能が向上していることが確認できた。温度差について、実施例７〜９のいずれも実施例３と比較して高い値となっている。これは、熱伝導シート内で効率良く熱を伝えるための分散フィラーの充填状態として、実施例３で使用した分散フィラーが、実施例７〜９で使用した分散フィラーよりも、粒子径、形状の点で、より適していたため、と推察される。また、実施例７〜９のいずれにおいても、良好な密着性と十分な引張強度を有していることが確認された。

実施例１０では、実施例３と比較して、樹脂をエポキシ樹脂に変更した結果である。エポキシ樹脂は使用したスリガラス板への密着性が悪く、その結果、実施例３よりも温度差が大きくなった。しかし、この例においても、同様のエポキシ樹脂を使用して、分散フィラーを添加せずに作製した比較例２に比べて熱伝導率は低いが、温度差は小さくなっており、面での熱伝導性能が向上していることが確認できた。また、密着性が良好な比較例１と比べても同様のことが言え、面での熱伝導性能の発現において分散フィラー添加の与える効果の大きさが伺える。

実施例１１〜１４は、平均粒子径１８μｍの多面体球状アルミナ粒子を分散フィラーとして使用し、樹脂との混合比を変化させたところ、アルミナは実施例１〜１０で使用しているいずれの窒化ホウ素に比べても、樹脂に混合した際の粘度が上昇しにくく、多量を樹脂に混合することができた。しかし、多量に混合しても温度差は窒化ホウ素を使用した場合に比べて同程度であった。これはアルミナの熱伝導率が２０〜４０W／（ｍ・K）と窒化ホウ素の熱伝導率６０W／（ｍ・K）に比べて小さいことに起因する。また、本例で使用したアルミナでは、混合比を増やしても温度差の変化があまりないことが確認された。後述する粒子径３μｍのアルミナでは混合比を増やすことで温度差が小さくなるため、この現象は粒子径に起因していると考えられ、混合比を増やしても熱伝導の効率化に有利な熱伝導経路を形成できないためである、と推察される。一方で、比較例１との比較では、熱伝導率は低いが、温度差は小さくなっており、分散フィラーとしてアルミナを使用した場合においても、面での熱伝導性能が向上していることが確認できた。

実施例１５〜１８は、平均粒子径３μｍの多面体球状アルミナ粒子を分散フィラーとして使用し、樹脂との混合比を変化させた場合の結果であり、いずれも比較例１に比べて、先例と同様、低い熱伝導率を示しているにも関わらず、温度差は小さくなっていることが確認された。また、良好な密着性と十分な引張強度を有していることが確認された。

実施例１９〜２２では、平均粒子径３μｍの球状アルミナ粒子を分散フィラーとして使用し、樹脂との混合比を変化させたところ、先例の実施例１５〜１８と同様の傾向を示し、アルミナ粒子の形状によらず、本発明の熱伝導シート作製に使用可能なことが確認された。

１担持フィラー（担持用熱伝導性フィラー）
２繊維
３樹脂
４分散フィラー（分散用熱伝導性フィラー）
１０熱伝導シート
１１熱伝導性フィラー
１３樹脂
２０ベースシート
３０一般的な熱伝導シート
４０実装時の温度差のモデル試験の評価構成
４１円柱型錘
４２スリガラス板
４３熱電対
４４貼り合わせ用の熱伝導シート
４５評価対象の熱伝導シート

Claims

ベースシートの両面に樹脂層が形成された熱伝導シートであって、
上記ベースシートは、担持用熱伝導性フィラーを担持した繊維が面状に交絡し、かつ、上記繊維間に樹脂が充填されてなり、
上記樹脂層に分散用熱伝導性フィラーが分散されていることを特徴とする熱伝導シート。
さらに、ベースシートの上記樹脂にも分散用熱伝導性フィラーが分散されていることを特徴とする請求項１に記載の熱伝導シート。
上記担持用熱伝導性フィラーのうち少なくとも一部は、熱伝導シートの厚さに対して５０％以上の粒子径を有することを特徴とする請求項１または２に記載の熱伝導シート。
上記分散用熱伝導性フィラーの平均粒子径が０．１μm〜５００μmであることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の熱伝導シート。
上記担持用熱伝導性フィラーの体積比率が、２％〜４５％であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の熱伝導シート。
上記分散用熱伝導性フィラーの体積比率が、１％〜５０％であることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の熱伝導シート。
上記担持用熱伝導性フィラーが凝集体であることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の熱伝導シート。
上記担持用熱伝導性フィラーが熱異方性を有する粒子の凝集体であることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の熱伝導シート。
上記熱伝導シートにおける繊維の体積比率が１％〜１５％であることを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の熱伝導シート。
上記熱伝導シートにおける樹脂の体積比率が４０％〜９０％であることを特徴とする請求項１〜９の何れか１項に記載の熱伝導シート。