JP3183143U - サーマルビアを有するヒートスプレッダ - Google Patents

Abstract

【課題】一般的には異方性グラファイトの平面的材料から製造されたヒートスプレッダに関し、とりわけ熱をヒートスプレッダの厚さ方向に効果的に伝送するためのサーマルビアを含むヒートスプレッダを提供する。
【解決手段】サーマルビアを有するグラファイトヒートスプレッダを取り入れた回路組立構造を番号１０で示す。回路組立構造１０は、少なくとも一個の誘電層２０および放熱層３０を包含し、放熱層３０は誘電層２０と接している。好ましくは、放熱層３０は、少なくとも一個の、上記のようにして製造された、剥離グラファイトの粒子圧縮からなるシートを含む。回路組立構造１０は、一般的にプリント回路基板または可撓性回路であるが、例えば誘電層２０上に印刷された、またはシルクスクリーン印刷された導電性インクのパターンを含んでもよい。
【選択図】図１

Description

［関連出願］
本願は、Reisらにより２００５年１１月４日に提出された、「放熱回路組立構造」と題する出願係属中の米国継続特許出願第１１／２６７，９３３号の関連出願である。

本考案は、一般的には異方性グラファイトの平面的材料から製造されたヒートスプレッダに関し、とりわけ熱をヒートスプレッダの厚さ方向に効果的に伝送するためのサーマルビアを含むヒートスプレッダに関する。

従来、グラファイトヒートスプレッダは、分離された熱源から熱を移動させるために提案されている。ヒートスプレッダの一表面を分離された熱源に対して配置すると、熱が熱源からヒートスプレッダに移動する。次いで、熱はヒートスプレッダを通して伝導され、ヒートスプレッダの両表面から、隣接するより低温の表面に伝導または放射することにより、もしくは対流により、空気中に放散される。高い面内熱伝導率を有する厚いグラファイトヒートスプレッダは、熱を伝導する大きな断面積を有し、同じ材料から製造された薄いヒートスプレッダよりも多くの熱を移動させることができる。しかしながら、高い面内熱伝導率を有するグラファイト材料は、厚さ方向の熱伝導率が比較的小さい。このような小さい厚さ方向熱伝導率は、グラファイトの厚さ方向の流れを阻害し、ヒートスプレッダを通して熱を最大限に移動させることができない。

この問題は、熱源の場所でグラファイトヒートスプレッダ中にサーマルビア（thermalvia）を埋め込むことにより、対処できる。サーマルビアは、グラファイトの厚さ方向の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する等方性材料によって製造する。サーマルビア材料としては、金、銀、銅、アルミニウム等、およびそれらの様々な合金が候補として挙げられる。サーマルビアは、通常、円形でその直径が熱源の全表面をほぼ覆うのに十分な大きさを有する。サーマルビアの末端は、熱源と接触し、熱はサーマルビアの中に入り、その中を通って流れる。熱はサーマルビアの外径を通してグラファイトの中に移動する。サーマルビアは、グラファイトの厚さ方向に熱を効率的に移動させ、グラファイトヒートスプレッダの厚さ全体を熱移動に最大限に利用することができる。グラファイトヒートスプレッダにおけるサーマルビアの使用に関する以前の開示例としては、本考案の譲受人に譲渡された、（公序良俗違反につき、不掲載）の米国特許第６，７５８，２６３号（この全文は引用することにより本願明細書の開示の一部とされる）に記載されている。

面内熱伝導率が高いグラファイトから製造された、サーマルビアを設けた厚手のグラファイトヒートスプレッダは、同等の全グラファイト、全銅、または全アルミニウムからなるヒートスプレッダよりも効率的なヒートスプレッダであり、全銅または全アルミニウムからなるヒートスプレッダよりも一般的に軽量である。

ヒートスプレッダが使用される特定用途の一つは、プリント回路基板との関連するものである。プリント回路基板は、従来、誘電材料、例えばガラス繊維ラミネート（ＦＲ４基板と呼ばれる）、ポリテトラフルオロエチレン等の材料から製造されている。そのような基板の一表面上に、または誘電材料の層間に、通常は銅製の回路がある。これらの回路は、一般的に写真平版印刷法、スパッタリング、スクリーン印刷等により形成される（層間に配置される回路に関しては、回路を付けてから、ラミネートを形成する）。さらに、ＬＥＤ、プロセッサー等の部品を、基板の表面上に、表面上の回路と接触して配置することができる。そのような部品は、相当な量の熱を発生することがあり、それらの部品を、信頼性に優れ、またそれらの部品の意図する性能レベルで操作するには、発生する熱を部品から放散させる必要がある。

これらの発熱部品の結果、プリント回路基板が放散させる必要がある熱の量は膨大である。いわゆる「サーマルボード」が開発されているが、そこでは、誘電材料と、回路および発熱部品と対向する表面上または対向する層間で、放熱材料、例えば銅またはアルミニウムおよびそれらの合金の層が張り合わされ、電子部品から発生する熱に対してヒートスプレッダとして作用する。ヒートスプレッダ材料は、典型的には導電性を有するため、接触すると回路の作動を阻害する恐れがあるので、誘電材料の少なくとも一層がヒートスプレッダを回路から分離するようにヒートスプレッダを配置することが重要である。

金属コアプリント回路基板（ＭＣＰＣＢ）と呼ばれることもある、幾つかの市販の「サーマルボード」、例えば（公序良俗違反につき、不掲載）、がある。これらのサーマルボードは、最初の３点の場合のように誘電層に熱伝導性粒子を充填するか、または（公序良俗違反につき、不掲載）の解決策のように、アルミニウムヒートスプレッダ層の上に薄い陽極酸化層を形成することにより、熱伝導性の誘電層を使用している。しかしながら、熱伝導性粒子は高価であり、それに続く層は、ピンホールを確実に無くすために十分厚くする必要があり、熱抵抗の高い設計になる。この手法には、屈曲した、または平坦ではない構造を加工するための可撓性が不十分であること、そして誘電材料がヒートスプレッダ層の表面全体を覆うことから、さらなる制限がある。誘電層として陽極酸化を使用することは、これらの問題の幾つかを解決しようとしているが、銅は陽極酸化できないので、そのヒートスプレッダ層としてアルミニウムを使用しなければならない。アルミニウムの熱伝導率は、銅のそれよりもはるかに小さいので、これは熱的な欠点となる。しかし、上記の手法はすべて、プリント回路基板および部品を操作する際に有用な同じ放熱特性が、はんだ付け用に点熱源（例えばホットバーボンディング）を必要とする組立工程の妨げになるので、はんだ付けが困難であるのが難点である。

これらの問題の、全部ではないが、幾つかを解決するために、別の工程において、通常のプリント回路基板を、別の金属ヒートスプレッダ層と結合させることができる。この配置では、プリント回路基板にサーマルビア（典型的には、銅メッキしたドリル孔）を設け、プリント回路基板の充填していない誘電層を通して効果的に熱を伝導することができるものの、これらの方法では、部品間の電気的絶縁を必要としない用途でしか使用できない。

それに加えて、銅またはアルミニウムのような通常の放熱材料は、好ましくない大きな重量を基板に加え、これらの材料の熱伝導率（ＣＴＥ）が、ガラス繊維ラミネートの熱伝導率とあまり適合せず、熱の作用によってプリント回路基板上に物理的応力が生じ、剥離や亀裂を生じる可能性がある。

さらに、これらの基板上の放熱層は、等方性の薄い（その長さおよび幅に対して）金属材料を含むため、熱がヒートスプレッダの厚さ方向に流れる傾向があり、熱源と直接対向する位置にホットスポットを生じることがある。

別の種類の、この業界で「可撓性回路(fex circuit)」と呼ばれる回路組立構造にも、類似の熱管理問題がある。可撓性回路は、誘電層として作用する、ポリイミドやポリエステルの重合体材料の表面上に回路、例えば上記のような銅回路を設けることにより形成される。その名称が示すように、これらの回路材料は可撓性があり、回路材料のロールとして形成することもでき、これに後で銅またはアルミニウムのような放熱層を結合することができる。可撓性回路中の誘電層は、非常に薄いが、それでも特定の設計で熱抵抗をかなり加え、プリント回路基板で観察される問題と同じ問題の幾つかを抱えている。サーマルビアの使用は、上記の様な電気的に絶縁する用途になお限られている。銅またはアルミニウム等の堅い金属層を使用すると、最終用途で可撓性が重要になる場合に、可撓性回路の可撓性の利点を活かすことができなくなることは明らかである。

剥離されたグラファイトの粒子を圧縮したシートから形成されたヒートスプレッダを使用することにより、そのようなグラファイト材料は、銅と比較して重量を８０％軽減でき、プリント回路基板の表面を横切って熱を放散させるのに必要な面内方向における銅の熱伝導率に匹敵するか、または超えることさえあるので、銅またはアルミニウムヒートスプレッダの使用で直面する欠点の多くを軽減することができる。さらに、グラファイトは、面内ＣＴＥが実質的にゼロであり、銅やアルミニウムよりも剛性が低く、従って、グラファイト−誘電体結合における熱的応力が小さい。

剥離されたグラファイトの粒子を圧縮したシートには、可撓性回路で使用するための可撓性もあるが、グラファイト系放熱層を加えても、誘電材料の一つ以上の層がヒートスプレッダを発熱部品から分離し、部品から放熱層への熱伝導を下げるようなヒートスプレッダの配置から生じる欠点のすべてに対処することはできない。

（公序良俗違反につき、不掲載）

グラファイトラミネートは、それらのガスケット材料における用途に加えて、熱移動または冷却装置としても使用される。熱移動手段としての各種非中空構造の使用もこの分野では公知である。例えば、（公序良俗違反につき、不掲載）の米国特許第５，３１６，０８０号および第５，２２４，０３０号には、好適な結合剤で接合したダイヤモンドおよびガスに由来するグラファイト繊維の熱移動装置としての使用が開示されている。そのような装置は、熱を、半導体等の供給源から吸熱源に受動的に伝導するために使用される。

米国特許第６，７５８，２６３号において、（公序良俗違反につき、不掲載）は、高伝導性挿入物を、グラファイト吸熱源ベース等の放熱部品中に取り入れ、熱を熱源から、その部品の厚さ方向に、そこから平面方向で伝導する方法を開示している。しかし、（公序良俗違反につき、不掲載）の開示には、熱源から比較的非伝導性の材料、例えば回路組立構造の誘電層を通して熱を伝導することは記載されていない。

上記のように、本考案のヒートスプレッダ材料として使用するのに好ましいグラファイト材料としては、剥離されたグラファイトの粒子を圧縮したシートであり、典型的にはフレキシブルグラファイトシート材料と呼ばれる。

以下に、グラファイト、およびそれを加工してフレキシブルグラファイトシート材料を形成する典型的な方法を説明する。グラファイトは、顕微鏡的尺度で、炭素原子の六角形配列または網目の層平面から形成されている。これらの、六角形に配置された炭素原子の層平面は、実質的に平らであり、実質的に互いに平行で等間隔になるように配向または配列されている。実質的に平坦で、平行で、等間隔の炭素原子のシートまたは層は、通常、グラフェン層または基底面と呼ばれ、一つに連結または結合されており、それらの群がクリスタライトに配置されている。高度に秩序付けられたグラファイトは、かなりの大きさのクリスタライトからなり、それらのクリスタライトは、相互に高度に整列または配向しており、十分に秩序付けられた炭素層を有する。つまり、高度に秩序付けられたグラファイトは、高度の選択的クリスタライト配向を有する。グラファイトは、異方性構造を有し、従って、方向性が高い多くの特性、例えば熱的および電気的伝導性および流体拡散性、を示すか、または有することに注意すべきである。

簡潔に述べると、グラファイトは、炭素のラミネート構造、すなわち弱いファンデルワールス力により一つに接合された炭素原子の重なり合った層または薄片からなる構造として特徴付けることができる。グラファイト構造を考える時、２つの軸または方向、すなわち「ｃ」軸または方向および「ａ」軸または方向、を指定する。簡単にするために、「ｃ」軸または方向は、炭素層に対して直角の方向と考えることができる。「ａ」軸または方向は、炭素層に対して平行の方向または「ｃ」方向に対して直角の方向と考えることができる。たわみ性のグラファイトシートを製造するのに好適なグラファイトは、非常に高度の配向を有する。

上記のように、炭素原子の平行な層を一つに保持している結合力は弱いファンデルワールス力だけである。天然グラファイトを処理し、重なり合った炭素層または薄片間の間隔を十分に広げ、その層に対して直角の方向、すなわち「ｃ」方向に大きく拡張し、膨張した、または膨れあがったグラファイト構造を形成することができ、その際、炭素層の薄層特性は実質的に維持されている。

化学的または熱的に膨脹した、より詳しくは、最終的な厚さ、つまり「ｃ」方向寸法が本来の「ｃ」方向寸法の約８０倍以上にも膨張したグラファイトフレークを、結合剤を使用せずに形成し、膨張したグラファイトの凝集性の、または一体化されたシート、例えばウェブ、紙、細片、テープ、等（典型的には「フレキシブルグラファイト」と呼ばれる）を製造することができる。最終的な厚さ、つまり「ｃ」方向寸法が本来の「ｃ」方向寸法の約８０倍以上にも膨張したグラファイト粒子を、一体化されたたわみ性のシートに、結合剤を使用せずに圧縮により形成することは、大きく膨張したグラファイト粒子間に達成される機械的なかみ合わせ力または凝集性により、可能であると考えられる。

シート材料は、膨張グラファイト粒子およびグラファイト層が、非常に大きな圧縮、例えばロールプレス加工、により得られるシートの対向面に対して実質的に平行に配向しているために、可撓性に加えて、上記のように、熱的および電気的な伝導性および流体拡散性に関して、幾分小さいが、出発材料である天然グラファイトに匹敵する高度の異方性を有することも分かっている。このようにして製造されたシート材料は、可撓性に優れ、良好な強度を有し、非常に高度に配向している。これらの特性の優位性をより十分に活かす処理が必要とされている。

簡潔に説明すると、フレキシブルで、結合剤を含まない異方性のグラファイトシート材料、例えばウェブ、紙、細片、テープ、ホイル、マット、等の製造方法は、予め決められた負荷の下で、結合剤の不存在下で、「ｃ」方向寸法が本来の粒子の約８０倍以上にも膨張したグラファイト粒子を圧縮または圧迫し、実質的に平坦で、可撓性がある、一体化されたグラファイトシートを形成することを含む。膨張したグラファイト粒子は、一般的に外観がウォーム状である、または細長く、圧縮された後、圧縮永久ひずみを維持し、シートの対向する主表面と整列している。シートの特性は、圧縮の前に、結合剤または添加剤を被覆および／または添加することにより変えることができる。（公序良俗違反につき、不掲載）らの米国特許第３，４０４，０６１号を参照されたい。シート材料の密度および厚さは、圧縮の程度を制御することにより変えることができる。

表面の細部がエンボス加工または成形を必要とする場合、低い密度が有利であり、低密度により、良好な細部を達成することができる。しかし、より高い面内強度および熱伝導率には、一般的に、より緻密なシートが好ましい。典型的には、シート材料の密度は約０．０４ｇ／ｃｍ³〜１．９ｇ／ｃｍ³である。

上記のようにして製造されたフレキシブルグラファイトシート材料は、グラファイト粒子がシートの対向する平行な主表面に対して平行に配向しているために、かなりの程度の異方性を示し、異方性の程度は、シート材料をロールプレス加工し、配向性を増加することにより増加する。ロールプレス加工した異方性シート材料では、厚さ方向、すなわち、対向する平行なシート表面に対して直角の方向は「ｃ」方向を含んでなり、長さおよび幅に沿った、すなわち対向する主表面に沿った方向、または平行な方向は、「ａ」方向を含み、シートの熱的特性は、「ｃ」方向と「ａ」方向とで非常に大きく異なり、数オーダー異なっている。

そこで、本考案の目的は、グラファイトヒートスプレッダにおけるサーマルビアの改良された構造を提供する。

本考案の別の目的は、サーマルビアを包含するヒートスプレッダの改良された製造方法を提供することである。

本考案の別の目的は、グラファイトヒートスプレッダの主表面の一つと係合するフランジを有し、サーマルビアとグラファイトヒートスプレッダとの間の熱移動を改良する、フランジ付きサーマルビアを提供することである。

本考案のもう一つの目的は、安価なプッシュオンナットを使用する、サーマルビアを備えたヒートスプレッダの低コスト製造方法を提供することである。

本考案の他の目的は、同一平面上にあるサーマルビアを有するグラファイトヒートスプレッダの構造および構築方法を提供することである。

本考案の別の目的は、グラファイトヒートスプレッダに、サーマルビアおよびヒートスプレッダを取り付けるための構造的一体性を与えるクラッド層を施す方法を提供することである。

本考案のさらに別の目的は、サーマルビアとグラファイトヒートスプレッダとを共鍛造（co-forging）する方法を提供することである。

本考案の他の、およびさらなる目的、特徴および利点は、添付の図面を参照しながら下記の開示を読むことにより、当業者は容易に理解できる。

回路組立構造の一方の表面上にヒートスプレッダ層を有し、ヒートスプレッダ層間にサーマルビアを有し、回路組立構造の第二の表面上に配置された発熱部品を有する、本考案の回路組立構造の部分的に分解した透視図である。 図１の線２−２に沿って見た、回路組立構造の第二表面の上に伸びる、第二表面と同一表面上にある、および第二表面中に窪んだサーマルビアを示したものである。図１の回路組立構造におけるサーマルビアの様々な配置を示す部分的断面図である。 図１の線２−２に沿って見た、回路組立構造の第二表面の上に伸びる、第二表面と同一表面上にある、および第二表面中に窪んだサーマルビアを示したものである。図１の回路組立構造におけるサーマルビアの様々な配置を示す部分的断面図である。 図１の線２−２に沿って見た、回路組立構造の第二表面の上に伸びる、第二表面と同一表面上にある、および第二表面中に窪んだサーマルビアを示したものである。図１の回路組立構造におけるサーマルビアの様々な配置を示す部分的断面図である。 可撓性回路の一表面上に、ヒートスプレッダ層とヒートスプレッダ層間設けられた複数のサーマルビアとを有し、可撓性回路の第二表面上に配置された発熱部品を有する、本考案の可撓性回路を部分的に分解した透視図である。 回路組立構造の一表面上に、ヒートスプレッダ層とヒートスプレッダ層間に設けられたサーマルビアとを有し、回路組立構造の第二表面上に配置された発熱部品を有し、サーマルビアが発熱部品と一体的である、本考案の回路組立構造の部分的断面図である。 回路組立構造の一表面上に、ヒートスプレッダ層とヒートスプレッダ層間に設けられたサーマルビアとを有し、回路組立構造の第二表面上に配置された発熱部品を有し、サーマルビアがヒートスプレッダ層を越えて伸び、別の放熱層を支持する、本考案の回路組立構造の部分的断面図である。 細長いベースサーマルビア集積部を有する、本考案の回路組立構造の底部平面図である。 図６Ａの回路組立構造の上部平面図である。 グラファイトヒートスプレッダ上に熱リベット型サーマルビアをプッシュオンナットで取り付けた、グラファイトヒートスプレッダの立面部分断面図である。 は、所望により使用するプッシュオンナット下の座金を示す、図７と類似の図である。 図７のフランジ付きサーマルビアの平面図である。 図８のフランジ付きサーマルビアの立面図である。 図７のプッシュオンナットの平面図である。 図１０のプッシュオンナットの立面断面図である。 図７のグラファイト平面素子の一部の、フランジ付きサーマルビアを通す ためのダイカット穴を示す平面図である。 図７および１２のグラファイト平面素子の、断面で示す立面図である。 フランジ付きサーマルビアをグラファイト平面素子中に形成したダイカット中に押し込み、グラファイトのキノコ形ヒレを形成した後の立面断面図である。グラファイトのすみ部(fillet)を圧迫するのに使用するパンチがグラファイト平面素子およびサーマルビアのすぐ上に位置する。 各末端に１個ずつ、２個のフランジを有するサーマルビアを使用する、本考案の別の実施態様を示す立面部分断面図である。この例では、下側フランジに接して配置した熱源を示しているが、熱源は、このサーマルビアのどちらの側に接していてもよい。図１５の断面図部分に示すように、サーマルビアは、２つの部分、即ち軸と下側フランジを含む部分、および上側フランジである第二部分からなる。 二重フランジ付きサーマルビアの別の型を示す、図１５と類似の図である。 図１５の軸および下側フランジを示す平面図である。 図１６の下側フランジが一体化された軸の立面図である。 図１５のサーマルビアを組み立てる前の上部フランジの平面図である。 図１８の上部フランジの立面断面図である。 図１７のフランジ付きサーマルビアの軸をグラファイト平面素子中に押し込み、グラファイトのキノコ形ヒレを形成した、図１４と略類似した図である。サーマルビア上の、下降してグラファイトのすみ部を圧迫できる所定の位置にあるパンチを示す。 フランジ付きサーマルビアの別の構造を示す平面図である。 図２１に示すフランジ付きサーマルビアの立面図である。 図２１および２２に示すフランジ付きサーマルビアと共に使用する、直線的な穴を有する第二フランジの平面図である。 図２３に示す第二フランジの立面断面図である。 グラファイト平面素子の主要平表面と同一平面上にある同一平面サーマルビアを有する、本考案の別の実施態様を示す立面部分断面図である。 各末端に面取りした縁部を有する円形ディスク形状にある、図２５に示すサーマルビアの平面図である。 図２６に示すサーマルビアの立面図である。 図２６および２７に示すサーマルビアをグラファイト平面素子中に埋め込み、図２５に示すヒートスプレッダ構造を形成するのに使用する取付具の立面部分断面分解組立図である。図２８は、上から下に、パンチ、サーマルビア、上側ダイ半分、グラファイトヒートスプレッダ、および下側ダイ半分を示す。 パンチがサーマルビアを、上側ダイ半分を通して、グラファイトヒートスプレッダ中の所定の位置に押し込んだ後の、図２８に示す取付具の立面断面図である。 同一平面上にあるサーマルビアを有するグラファイトヒートスプレッダの輪状張出部分を圧縮するためのプレスの２個のプラテンを示す分解組立立面断面図である。 上に表面層を有するグラファイトヒートスプレッダの立面断面図である。 表面層を有し、同一平面上にあるサーマルビアを含み、その上に熱源を載せた、組み立てたグラファイトヒートスプレッダを示す、図２５と類似の図である。 ヒートスプレッダ使用の一取付方法を例示する、図２５と類似の図である。 ２個のネジがグラファイト平面素子を通って伸び、グラファイトヒートスプレッダを屈曲させている別の取付様式を示す、図３３と類似の図である。 構造的一体性をグラファイトヒートスプレッダに与え、ヒートスプレッダの屈曲を最少に抑えるクラッド層をグラファイトヒートスプレッダに取り付けてあり、取付穴が、クラッド層を通って伸びている、本考案の修正実施態様を示す、図３４と類似の図である。 図２８および２９に示す方法から得られるような、同一平面型サーマルビアを中に埋め込んだグラファイト平面素子の立面断面図である。 サーマルビアおよびグラファイト平面素子を共鍛造するためのダイの分解組立図である。２個のダイ半分を引き離し、それらの間にグラファイトサーマルビアを配置した状態を示す。 ２個のダイ半分を合わせ、サーマルビアおよびグラファイト平面素子を共鍛造し、サーマルビアおよびグラファイト平面素子を横方向に広げる様子を示す、図３７のダイ組立構造のさらなる図である。 図３７および３８に示す方法から得られる、共鍛造されたグラファイト平面素子の立面断面図である。図３６と関連して示す様に、サーマルビアおよびグラファイト平面素子の両方が、それらの鍛造により、横方向に広がっている

本考案は、サーマルビアを有するグラファイトヒートスプレッダを製造するための好ましい構造および方法を提供する。一実施態様においては、グラファイトヒートスプレッダにおけるグラファイト平面素子の平坦主表面の一方と係合する少なくとも一個のフランジを有する、フランジ付きサーマルビアを提供する。そのようなフランジ付きサーマルビアは、プッシュオンナットの使用により、またはサーマルビアの軸と堅く接続する第二フランジの使用により、グラファイトヒートスプレッダに取り付けることができる。例えば、そのようなフランジ付きサーマルビアは、少なくとも一個のフランジ、および第二フランジまたはプッシュオンナットのいずれかを包含し、それらのすべてがグラファイトヒートスプレッダ素子の表面上に伸びている。別の実施態様においては、最終位置で、グラファイトヒートスプレッダ素子の平坦主表面と同一平面上にある同一平面サーマルビアを提供する。両実施態様を製造するための様々な好ましい技術も提供する。

いずれの実施態様とも、好ましくは、同様に成形されているが僅かに小さい、グラファイト平面素子を通る開口部、の中に、サーマルビアの軸を押し込み、軸とグラファイト平面素子を通る開口部との間を密に適合させる製造方法を含む。

そのようなグラファイトヒートスプレッダの好ましい用途の一つは、プリント回路基板の回路組立構造においての使用である。回路組立構造上におけるヒートスプレッダ層の放熱機能は、発熱部品、特にＬＥＤとヒートスプレッダ層との間に、熱を通す路、即ちサーマルビアを設けることにより、著しく改善される。実際、そのようなサーマルビアを使用することにより、グラファイト系ヒートスプレッダ層を使用した場合に、アルミニウムまたは銅ヒートスプレッダの使用と比較しても、放熱を改良することができ、重量低減という別の利点も得られる。

用語「回路組立構造」とは、誘電材料上に配置された一個以上の電子回路を包含する組立構造を意味し、一個以上の回路が誘電材料の層間に狭持されたラミネートを含んでもよい。回路組立構造の具体的な例としては、当業者には周知のプリント回路基板および可撓性回路である。

本考案の材料を改良する方法を説明する前に、本考案の製品を形成するための主要ヒートスプレッダになるグラファイトおよびそのフレキシブルシートへの形成を簡潔に説明する。

グラファイトは、平らな層状平面で共有結合した原子を含んでなり、平面間で弱く結合した結晶形態の炭素である。グラファイトの粒子、例えば天然グラファイトフレーク、を、例えば硫酸および硝酸の溶液のインターカレート(intercalant)で処理することにより、グラファイトの結晶構造が反応し、グラファイトとインターカレートの化合物を形成する。処理したグラファイト粒子を、以下、「インターカレーション処理されたグラファイトの粒子」と呼ぶ。高温にさらすことにより、グラファイト中のインターカレートが分解して揮発し、インターカレーション処理されたグラファイトの粒子を、「ｃ」方向で、すなわちグラファイトの結晶平面に対して直角の方向で、アコーディオン状に、その本来の体積の約８０倍以上もの寸法で膨張させる。剥離されたグラファイト粒子は、細長い外観を呈するので、一般的にウォームと呼ばれる。これらのウォームを一緒に圧縮し、たわみ性のシートを形成することができるが、これらのシートは、本来のグラファイトフレークと異なり、様々な形状に成形および切断することができる。

本考案で使用するのに好適なグラファイト出発材料は、有機および無機酸ならびにハロゲンでインターカレーション処理し、次いで加熱した時に膨脹することができるグラファイト化度の高い炭素質材料を包含する。これらのグラファイト化度の高い炭素質材料は、最も好ましくは約１．０のグラファイト化度を有する。本考案で使用する用語「グラファイト化度」は、下記式：

に従う値を意味する。ここでｄ（００２）は、オングストローム単位で測定した結晶構造中にある炭素のグラファイト層間における間隔である。グラファイト層間の間隔ｄは標準的なＸ線回折技術により測定される。（００２）、（００４）および（００６）ミラー指数に対応する回折ピークの位置を測定し、標準的な最小二乗技術を使用し、これらのピークすべてに対する総誤差を最小にする間隔を導く。グラファイト化度の高い炭素質材料の例としては、様々な供給源から得られる天然グラファイト、ならびに他の炭素質材料、例えば化学蒸着、重合体の高温熱分解、または溶融した金属溶液からの結晶化等により製造されたグラファイトがある。天然グラファイトが最も好ましい。

本考案で使用するフレキシブルシート用のグラファイト出発材料は、出発材料の結晶構造が必要なグラファイト化度を維持し、剥離可能である限り、非グラファイト成分を含んでもよい。一般的に、結晶構造が必要なグラファイト化度を有し、剥離可能である炭素含有材料はすべて、本考案で使用するのに好適である。そのようなグラファイトは、好ましくは純度が少なくとも８０重量％である。より好ましくは、本考案で使用するグラファイトは、純度が少なくとも約９４％である。最も好ましい実施態様では、使用するグラファイトの純度が少なくとも約９８％である。

グラファイトシートの一般的な製造方法は、（公序良俗違反につき、不掲載）らの米国特許第３，４０４，０６１号（この全文は引用されることにより本願明細書の一部とされる）に記載されている。（公序良俗違反につき、不掲載）らの方法の典型的な実施では、例えば硝酸および硫酸の混合物を、好ましくはグラファイトフレーク１００重量部あたりインターカレート溶液約２０〜約３００重量部（ｐｐｈ）のレベルで含む溶液中にフレークを分散させることにより、天然グラファイトフレークをインターカレーション処理する。インターカレーション溶液は、この分野で公知の酸化剤および他のインターカレーション剤を含む。例としては、酸化剤および酸化性混合物を含む溶液、例えば硝酸、塩素酸カリウム、クロム酸、過マンガン酸カリウム、クロム酸カリウム、二クロム酸カリウム、過塩素酸等、または混合物、例えば、濃硝酸と塩素酸塩、クロム酸とリン酸、硫酸と硝酸、または強有機酸の混合物、例えばトリフルオロ酢酸、および有機酸に可溶な強酸化剤、を含む溶液が挙げられる。あるいは、電位を利用してグラファイトの酸化を引き起こすこともできる。電解酸化を利用してグラファイト結晶中に導入することができる化学種としては、硫酸ならびに他の酸がある。

好ましい実施態様では、インターカレーション剤は、硫酸、または硫酸およびリン酸、と酸化剤、すなわち硝酸、過塩素酸酸、クロム酸、過マンガン酸カリウム、過酸化水素、ヨウ素酸または過ヨウ素酸、等、との混合物の溶液である。あまり好ましくはないが、インターカレーション溶液は、金属ハロゲン化物、例えば塩化第二鉄、および硫酸と混合した塩化第二鉄、またはハロゲン化物、例えば臭素と硫酸の溶液として、または臭素の有機溶剤溶液として、臭素を含んでもよい。

インターカレーション溶液の量は、約２０〜約３５０ｐｐｈ、より典型的には約４０〜約１６０ｐｐｈである。フレークをインターカレーション処理した後、過剰の溶液はすべてフレークから排出し、フレークを水洗する。あるいは、インターカレーション溶液の量を約１０〜約４０ｐｐｈに制限することができ、これによって、米国特許第４，８９５，７１３号（この全文は引用されることにより本願明細書の一部とされる）に開示されているように、洗浄工程を省いてもよい。

インターカレーション溶液で処理したグラファイトフレークの粒子は、所望により、例えば混合により、温度２５℃〜１２５℃で酸化性インターカレーション溶液の表面被膜と反応し得る、アルコール、糖、アルデヒドおよびエステルから選択された有機還元剤と接触させることができる。好適な、具体的な有機試剤としては、ヘキサデカノール、オクタデカノール、１−オクタノール、２−オクタノール、デシルアルコール、１，１０デカンジオール、デシルアルデヒド、１−プロパノール、１，３−プロパンジオール、エチレングリコール、プロピレングリコール、デキストロース、フルクトース、ラクトース、スクロース、ジャガイモデンプン、エチレングリコールモノステアレート、ジエチレングリコールジベンゾエート、プロピレングリコールモノステアレート、グリセロールモノステアレート、ジメチルオキシレート、ジエチルオキシレート、メチルホルメート、エチルホルメート、アスコルビン酸およびリグニンに由来する化合物、例えばリグノ硫酸ナトリウムがある。有機還元剤の量は、グラファイトフレーク粒子の約０．５〜４重量％であるのが好適である。

インターカレーションの前、最中または直後に膨脹助剤を塗布することによっても改良することができる。これらの改良には、剥離温度の低下および膨脹体積（「ウォーム体積」とも呼ばれる）の増加が含まれる。本明細書における膨脹助剤は、膨脹の改良を達成できるように、インターカレーション溶液に十分に可溶な有機材料が有利である。より詳しくは、好ましくは炭素、水素および酸素だけを含む、この種の有機材料を使用するとよい。カルボン酸が特に効果的であることが分かっている。膨脹助剤として有用な、好適なカルボン酸は、少なくとも一個の炭素原子、好ましくは約１５個までの炭素原子を有し、インターカレーション溶液中に、剥離の一つ以上の特徴を大きく改善するのに有効な量で溶解し得る、芳香族、脂肪族または環状脂肪族、直鎖状または分岐鎖状の、飽和および不飽和モノカルボン酸、ジカルボン酸およびポリカルボン酸から選択される。有機膨脹助剤のインターカレーション溶液に対する溶解度を改良するために、好適な有機溶剤を使用することができる。

飽和脂肪族カルボン酸の代表例は、例えば式Ｈ（ＣＨ₂）_nＣＯＯＨを有し、ｎが０〜約５の数である酸であり、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸、ペンタン酸、ヘキサン酸、等を包含する。カルボン酸の代わりに、酸無水物または反応性カルボン酸誘導体、例えばアルキルエステル、も使用できる。アルキルエステルの代表例は、ギ酸メチルおよびギ酸エチルである。硫酸、硝酸および他の公知の水性インターカレートは、ギ酸を最終的に水および二酸化炭素に分解する能力を有する。このため、ギ酸および他の敏感な膨脹助剤をグラファイトフレークと接触させた後で、水性インターカレートにフレークを浸漬するのが有利である。ジカルボン酸の代表例は、２〜１２個の炭素原子を有する脂肪族ジカルボン酸、特にシュウ酸、フマル酸、マロン酸、マレイン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、１，５−ペンタンジカルボン酸、１，６−ヘキサンジカルボン酸、１，１０−デカンジカルボン酸、シクロヘキサン−１，４−ジカルボン酸および芳香族ジカルボン酸、例えばフタル酸またはテレフタル酸である。アルキルエステルの代表例は、シュウ酸ジメチルおよびシュウ酸ジエチルである。環状脂肪族酸の代表例は、シクロヘキサンカルボン酸であり、芳香族カルボン酸の代表例は、安息香酸、ナフトエ酸、アントラニル酸、ｐ−アミノ安息香酸、サリチル酸、ｏ−、ｍ−およびｐ−トリル酸、メトキシおよびエトキシ安息香酸、アセトアセタミド安息香酸およびアセトアミド安息香酸、フェニル酢酸およびナフトエ酸である。ヒドロキシ芳香族酸の代表例は、ヒドロキシ安息香酸、３−ヒドロキシ−１−ナフトエ酸、３−ヒドロキシ−２−ナフトエ酸、４−ヒドロキシ−２−ナフトエ酸、５−ヒドロキシ−１−ナフトエ酸、５−ヒドロキシ−２−ナフトエ酸、６−ヒドロキシ−２−ナフトエ酸および７−ヒドロキシ−２−ナフトエ酸である。ポリカルボン酸の中ではクエン酸が特記される。

インターカレーション溶液は、水性であり、剥離を強化するのに有効な量、好ましくは約１〜１０％の膨脹助剤を含む。膨脹助剤をグラファイトフレークと、インターカレーション水溶液中に浸漬する前または後に接触させる実施態様では、膨脹助剤をグラファイトと、典型的にはグラファイトフレークの約０．２〜約１０重量％の量で、好適な手段、例えばＶ−ブレンダーにより混合することができる。

グラファイトフレークをインターカレーション処理し、インターカレート被覆した、インターカレーション処理したグラファイトフレークを有機還元剤と混合した後、その混合物を温度２５〜１２５℃にさらし、還元剤とインターカレート被覆の反応を促進する。加熱期間は約２０時間までであり、上記範囲中の高い温度では、より短く、例えば少なくとも約１０分間である。高い温度では、半時間以下、例えば１０〜２５分間のオーダーの時間でよい。

このように処理されたグラファイトの粒子は、「インターカレーション処理したグラファイトの粒子」と呼ばれることがある。高温、例えば少なくとも約１６０℃、特に約７００℃〜１０００℃以上の温度に暴露することにより、インターカレーション処理されたグラファイトの粒子は、ｃ−方向で、すなわち構成するグラファイト粒子の結晶面に対して直角の方向で、アコーディオン状に、その本来の体積の約８０〜１０００倍以上にも膨張する。膨脹した、すなわち剥離されたグラファイト粒子は、細長い外観を呈するので、一般的にウォームと呼ばれる。これらのウォームを一緒に圧縮し、たわみ性シートを形成することができるが、これらのシートは、本来のグラファイトフレークと異なり、様々な形状に成形および裁断することができる。

フレキシブルグラファイトシートおよび箔は凝集性があり、良好な取扱強度を有し、例えばロールプレス加工により、厚さ約０．０７５ｍｍ〜３．７５ｍｍ、典型的な密度約０．１〜１．５グラム／立方センチメートル（ｇ／ｃｍ³）に効果的に圧縮される。米国特許第５，９０２，７６２号（この開示は引用されることにより本願明細書の一部とされる）に開示されているように、約１．５〜３０重量％のセラミック添加剤をインターカレーション加工したグラファイトフレークと混合し、最終的なたわみ性グラファイト製品の樹脂含浸性を高めることができる。これらの添加剤は、長さ約０．１５〜１．５ミリメートルのセラミック繊維粒子を含む。粒子の幅は約０．０４〜０．００４ｍｍが好適である。セラミック繊維粒子は、グラファイトに対して非反応性で非粘着性であり、約１１００℃までの、好ましくは約１４００℃以上の温度で安定している。好適なセラミック繊維粒子は、細断した石英ガラス繊維、炭素およびグラファイト繊維、ジルコニア、窒化ホウ素、炭化ケイ素およびマグネシア繊維、天然鉱物繊維、例えばメタケイ酸カルシウム繊維、ケイ酸カルシウムアルミニウム繊維、酸化アルミニウム繊維等から形成される。

グラファイトフレークをインターカレーション処理し、剥離させるための上記の方法は、国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ０２／３９７４９号（この開示は引用されることにより本願明細書の一部とされる）に記載されているように、グラファイトフレークをグラファイト化温度、すなわち約３０００℃以上の温度で前処理し、潤滑性添加剤のインターカレート中に包含することにより、有利に増強することができる。

グラファイトフレークの前処理、すなわちアニーリングにより、続いてフレークをインターカレーション処理および剥離に付した時に膨脹が大幅に増大する（すなわち、膨脹体積が３００％以上増加する）。実際、膨脹の増加は、アニーリング工程を含まない類似の処理と比較して、少なくとも約５０％である。アニーリング工程に使用する温度は、１００℃低い温度でも膨脹はかなり小さくなるので、３０００℃を大きく下回るべきではない。

本考案におけるアニーリングは、インターカレーションおよびそれに続く剥離により高い膨脹度を有するフレークを得るのに十分な時間行う。典型的には、必要な時間は１時間以上、好ましくは１〜３時間であり、不活性環境中で行うのが最も有利である。最大限の有利な結果を得るには、アニーリング処理したグラファイトフレークを、この分野で公知の他の処理、すなわち有機還元剤、インターカレーション助剤、例えば有機酸、の存在下でのインターカレーション処理、およびインターカレーション処理に続く界面活性剤洗浄、にもかけ、膨脹度を増大させる。その上、最大限の有利な結果を得るには、インターカレーション処理工程を繰り返すとよい。

本考案で使用する、３０００℃の範囲内にある温度は、グラファイト化製法で見られる範囲の上限にあるため、本考案のアニーリング工程は、誘導炉または他の、この分野でグラファイト化に公知かつ認識されている装置中で行うことができる。

インターカレーション前のアニーリングにかけたグラファイトを使用して製造されたウォームは、一つに「固まる」場合があり、坪量(area weight)の均質性に悪影響を及ぼすことが観察されているので、「自由流動性」ウォームの形成を助ける添加剤が非常に好ましい。インターカレーション溶液に潤滑性添加剤を加えることにより、圧縮装置の床（例えばグラファイトウォームをフレキシブルグラファイトシートに圧縮（または「カレンダー加工」）するのに従来から使用されているカレンダー加工区域の床）を横切ってウォームをより一様に配分することができる。従って、得られるシートは、坪量の均質性が高くなり、引張強度が大きくなる。潤滑性添加剤は、好ましくは長鎖炭化水素、より好ましくは少なくとも約１０個の炭素を有する炭化水素である。長鎖炭化水素基を有する他の有機化合物も、他の官能基が存在していても使用できる。

より好ましくは、潤滑性添加剤は油であり、特に鉱油は不快臭や臭気を発し難いことを考えると、鉱油が最も好ましいが、これは長期間の貯蔵には重要なことである。上に詳細に説明した特定の膨脹助剤も潤滑性添加剤の定義に適合することが分かる。これらの材料を膨脹助剤として使用すると、インターカレートに別の潤滑性添加剤を含まなくてもよい場合がある。

潤滑性添加剤は、インターカレート中に少なくとも約１．４ｐｐｈ、より好ましくは少なくとも約１．８ｐｐｈの量で存在する。潤滑性添加剤を含む上限は、下限ほど重要ではないが、約４ｐｐｈを超えるレベルで潤滑性添加剤を含んでも、それに見合う程の利点は見られない。

本考案のフレキシブルグラファイトシートは、所望により、（公序良俗違反につき、不掲載）の米国特許第６，６７３，２８９号（この開示は引用されることにより本願明細書の一部とされる）に記載されているように、新しく膨脹させたウォームではなく、再粉砕したフレキシブルグラファイトシートの粒子を利用することもできる。これらのシートは、新しく形成されたシート材料、循環使用された材料、スクラップシート材料、あるいは他のいずれかの好適な供給源でもよい。

また、本考案の方法は、未使用材料と循環使用材料の混合物も使用できる。

循環使用材料用の供給源材料は、上記のように圧縮成形されたシートまたはシートの切り取り部分、または例えば予備カレンダー加工ロールで圧縮してあるが、樹脂含浸していないシートでよい。さらに、供給源材料は、樹脂含浸してあるが、まだ硬化させていないシートまたはシートの切り取り部分、または樹脂含浸し、硬化させたシートまたはシートの切り取り部分でもよい。供給源材料は、循環使用するたわみ性グラファイトプロトン交換メンブラン（ＰＥＭ）燃料電池部品、例えばフローフィールドプレートまたは電極でもよい。グラファイトの各種供給源は、そのまま、または天然グラファイトフレークと混合して使用することができる。

フレキシブルグラファイトシートの供給源材料を入手した後、公知の処理または装置、例えばジェットミル、エアミル、ブレンダー等により粉砕し、粒子を製造することができる。好ましくは、粒子の大部分は、２０ＵＳメッシュを通過し、より好ましくは主要部分（約２０％を超える、最も好ましくは約５０％を超える）が８０ＵＳメッシュを通過しないような直径を有する。最も好ましくは、粒子は、約２０メッシュ以下の粒子径を有する。フレキシブルグラファイトが樹脂含浸されている場合、粉砕工程の際に樹脂系に対する熱損傷を避けるために、粉砕する時に冷却するのが好ましい場合がある。

粉砕した粒子のサイズは、グラファイト製品の機械加工性および成形性と、所望の熱的特性が釣り合うように、選択することができる。例えば、小さな粒子は、容易に機械加工および／または成形できるグラファイト製品を与えるのに対し、大きな粒子は、異方性が高く、従って、面内の電気的および熱的伝導性が高いグラファイト製品を与える。

供給源材料を粉砕した後、その材料を再度膨脹させる。再膨脹は、上記のインターカレーションおよび剥離工程、および（公序良俗違反につき、不掲載）米国特許第３，４０４，０６１号および（公序良俗違反につき、不掲載）の米国特許第４，８９５，７１３号に記載されている方法を使用して行うことができる。

典型的には、インターカレーションの後、インターカレーション処理した粒子を炉中で加熱することにより、粒子を剥離させる。この剥離工程の際、インターカレーション処理された天然グラファイトフレークを、循環使用されるインターカレーション処理された粒子に加えることができる。好ましくは、再膨脹工程の際、粒子は、少なくとも約１００ｃｃ／ｇ〜約３５０ｃｃ／ｇ以上の範囲内の比体積を有するように膨脹させる。最後に、再膨脹工程の後、再膨脹した粒子を、上記のようにフレキシブルシートに圧縮することができる。

本考案により、上記のようにして製造したグラファイトシート（典型的には厚さが約０．０７５ｍｍ〜約１０ｍｍであるが、厚さは、例えば使用する圧縮度に応じて変えることができる）樹脂で処理することができ、吸収された樹脂は、硬化後、シートの耐湿性および取扱強度、すなわち剛性を高めると共に、シートの形状を「固定する」。エポキシ含浸したグラファイトシート中の樹脂量は、最終的に組み立てた、硬化した層状構造が緻密で凝集性があり、緻密化されたグラファイト構造に関連する異方性熱伝導率が悪影響を受けていないことが保証されるのに十分な量である。好適な樹脂含有量は、好ましくは少なくとも約５重量％、より好ましくは約１０〜３５重量％、好適には約６０重量％までである。

本考案の実施に特に有用であることが分かっている樹脂としては、アクリル、エポキシおよびフェノールを基剤とする樹脂系、フルオロ系重合体、またはそれらの混合物がある。好適なエポキシ樹脂系には、ビスフェノールＡのジグリシジルエーテル（ＤＧＥＢＡ）を基剤とする系、および他の多官能性樹脂系があり、使用できるフェノール系樹脂としては、レゾールおよびノボラックフェノール系がある。所望により、たわみ性グラファイトは、樹脂に加えて、または樹脂の代わりに、線維および／または塩を含浸させることができる。さらに、反応性または非反応性添加剤を樹脂系と併用し、特性（例えば粘着性、材料流動性、疎水性、等）を変えることができる。

樹脂含浸され、圧縮されたたわみ性グラファイト材料を連続的に形成する装置の一種類は、（公序良俗違反につき、不掲載）の米国特許第６，７０６，４００号（この開示は引用されることにより本願明細書の一部とされる）に記載されている。

剥離されたグラファイトの粒子を圧縮したシートが樹脂含浸されている場合、圧縮工程（例えばカレンダー加工による）に続いて、含浸された材料を適当な大きさの断片に切断し、プレス中に配置し、そこで樹脂を高温で硬化させるのが有利である。さらに、フレキシブルグラファイトシートは、個々のグラファイトシートをプレス中に積み重ねることにより製造できるラミネートの形態でも使用できる。

プレス中で使用する温度は、グラファイト構造が硬化圧で緻密化するが、構造の熱的特性は悪影響を受けないことが保証されるのに十分な温度にすべきである。一般的に、これには少なくとも約９０℃、一般的には約２００℃までの温度が必要である。最も好ましくは、硬化は約１５０℃〜２００℃で行う。硬化に使用する圧力は、使用する温度によって幾分異なるが、構造の熱的特性に悪影響を及ぼさずに、グラファイト構造が確実に緻密化するのに十分な圧力である。一般的に、製造し易いように、構造を必要な程度に緻密化するのに必要な最小圧を使用する。そのような圧力は、一般的に少なくとも約７メガパスカル（ＭＰａ、約１０００ポンド／平方インチに等しい）であり、約３５ＭＰａ（約５０００ｐｓｉに等しい）を超える必要はなく、より一般的には約７〜約２１ＭＰａ（１０００〜３０００ｐｓｉ）である。硬化時間は、使用する樹脂系および温度と圧力によって異なるが、一般的には約０．５時間〜２時間である。硬化が完了した後、材料は、密度が少なくとも約１．８ｇ／ｃｍ³、一般的には約１．８ｇ／ｃｍ³〜２．０ｇ／ｃｍ³である。

フレキシブルグラファイトシートが、それ自体ラミネートとして形成されている場合、一体化されたシート中に存在する樹脂はラミネートのための接着剤として作用し得るのが有利である。しかし、本考案の別の実施態様においては、カレンダー加工され、含浸されたフレキシブルグラファイトシートに接着剤を塗布してから、フレキシブルシートを積み重ね、硬化させる。好適な接着剤としては、エポキシ、アクリル、およびフェノール系樹脂が挙げられる。本考案の実施で特に有用であることが分かっているフェノール系樹脂としては、レゾールおよびノボラックフェノール化合物を包含するフェノール系樹脂系がある。

カレンダー加工または成形によるシートの形成が、本考案の実施で有用なグラファイト材料の最も一般的な形成方法であるが、他の形成方法も使用できる。

本考案の温度および圧力硬化させたグラファイト／樹脂複合材料は、銅よりも小さな重量で、銅の面内熱伝導率と同等またはそれを超える熱伝導率を有するグラファイト系複合材料を提供する。より詳しくは、この複合材料は、面内熱伝導率が少なくとも約３００Ｗ／ｍ°Ｋであり、面貫通熱伝導率が約１５Ｗ／ｍ°Ｋ未満であり、より好ましくは約１０Ｗ／ｍ°Ｋ未満である。

ここで図面、特に図１に関して、本考案のサーマルビアを有するグラファイトヒートスプレッダを取り入れた回路組立構造を番号１０で示す。回路組立構造１０は、少なくとも一個の誘電層２０および放熱層３０を包含し、放熱層３０は誘電層２０と接している。好ましくは、放熱層３０は、少なくとも一個の、上記のようにして製造された、剥離グラファイトの粒子圧縮からなるシートを含む。回路組立構造１０は、一般的にプリント回路基板または可撓性回路であるが、例えば誘電層２０上に印刷された、またはシルクスクリーン印刷された導電性インクのパターンを含んでもよい。

回路組立構造１０は、一般的に、通常は銅から形成され、写真平版印刷法、スパッタリング、スクリーン印刷等により誘電層２０に付けられた回路４０も含む。上記のように、回路４０は、例えば印刷またはシルクスクリーン印刷法により、誘電層２０に塗布される導電性インクから形成することもできる。

誘電層２０は、プリント回路基板業界で通常使用されている誘電層、例えば樹脂を含む、好ましくはラミネートとして形成されたガラス繊維（ＦＲ−４）、テフロン（登録商標）で市販されているポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）材料、およびｅＰＴＦＥと呼ばれることもある膨脹ＰＴＦＥ、ならびに上記の材料の樹脂含浸または吸収した形態でよい。さらに、誘電層２０は、例えば可撓性回路の形成に使用されているようなポリイミドまたはポリエステル等の高分子でもよい。誘電層２０は、個別の層として形成された、または例えば陽極酸化、蒸着、または火炎溶射法により基材層（例えば放熱層３０）に塗布された、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムまたはアルミナ等のセラミック材料を含んでもよく、陽極酸化の使用は、特に放熱層３０がアルミニウムである場合に含まれる。

さらに、状況によっては、放熱層３０を少なくとも部分的にカプセル封入するか、または放熱層３０の表面上に被覆を施し、粒子状物質が放熱層３０から剥離するのを防止するのが望ましい場合もある。例えば、グラファイト材料は剥離し易いと感じる人もいる。真実であっても、なくても、高分子材料の被覆（典型的には厚さ２０ミクロン未満のオーダーの）、（公序良俗違反につき、不掲載）を施して剥離を防止することにより、この感じを和らげることができる。この場合、高分子材料は、使用する材料が電気的に非伝導性であるので、回路組立構造１０用の誘電層２０として作用することができるが、十分に薄く、放熱層３０への熱伝導を実質的に阻害しない。あるいは、陽極酸化したアルミニウム層を使用して剥離を防止することもでき、陽極酸化層は、誘電層２０として作用する。

好ましくは、放熱層３０は厚さが約０．２５ｍｍ〜約２５ｍｍ、より好ましくは厚さが約０．５ｍｍ〜約１４ｍｍであり、少なくとも一枚グラファイトシートを含んでなる。放熱層３０は、所望の放熱容量を与えるために、１０枚まで、またはそれ以上のグラファイトシートのラミネートであるのが有利である。グラファイト複合材料を少なくとも部分的に使用することができ、好ましい実施態様においては、回路組立構造ヒートスプレッダとしての銅または他の金属の使用を完全に置き換えることができる。

驚くべきことに、放熱層３０を、特に一枚以上の剥離されたグラファイトの粒子を圧縮したシートから形成されている場合、例えば塗装により、黒色にすることにより、耐熱性の改良が観察される。つまり、グラファイト放熱層３０の、誘電層２０と接していない表面が黒色である場合、発熱部品から来るサーマルビアの有効熱抵抗が低下する。この正確な理由は分かっていないが、グラファイト放熱層３０を黒色にすることにより、放熱層３０の放射率が改良され、それによって、放熱層３０の熱放射能力が改良されるものと考えられる。

放熱層３０は、平面である必要はなく、一個以上の「屈曲部」を含み、３次元形状を形成することができる。これは、回路組立構造１０が放熱層３０から異なった平面上にあることが望ましい場合に有利である。この配置は、サイドライト(sidelit)液晶ディスプレイ(「ＬＣＤディスプレイ」)、例えばＬＥＤが回路組立構造１０上で空間（即ちＬＣＤのディスプレイの厚さ）が限られた平面中に取り付けられ、放熱層３０が取付平面に対して直角に伸びる場合に使用される。

実際、本考案の一実施態様においては、放熱層３０が、誘電層２０およびその上のどの回路４０よりも大きな表面積を有する。このようにして、誘電層２０および発熱部品５０ならびに回路４０が、一つの平面（例えばサイドライトＬＣＤディスプレイ用のＬＥＤ平面）中にあり、上に記載したように、放熱層３０が別の平面（例えばＬＣＤディスプレイの後平面におけるような、約９０°屈曲した直角の平面）中に伸び、それによって、熱をそのような他の平面中にさらに放散させることができる。

グラファイト／誘電材料ラミネートは、例えば従来の接着剤を使用し、回路組立構造ラミネートの形成で通常の方法で、誘電層２０と放熱層３０とを一緒に張り合わせることにより、形成することができる。あるいは、グラファイト／誘電材料ラミネートは、予備圧縮された積重構造中で、グラファイト材料を圧力硬化させながら形成することもできる。グラファイトシート中に含浸されたエポキシ重合体が、硬化により、非グラファイトならびに構造の含浸されたグラファイト層を所定の位置に十分に接着する。いずれの場合も、好ましい実施態様においては、グラファイト複合材料を回路組立構造１０用の放熱層３０として使用し、いわゆる「金属で裏張りした」プリント回路基板または可撓性回路における銅またはアルミニウムヒートスプレッダを置き換える。

上記のように、回路組立構造１０の中央部分を形成する誘電層２０は、二つの主表面２０ａおよび２０ｂを有する。放熱層３０は誘電層２０の一方の表面２０ａと接し、他方の表面２０ｂは、その上に少なくとも一個の発熱部品５０を配置しているが、これは、複数の発熱部品５０ａ、５０ｂ、５０ｃ等の、例えばＬＥＤ、チップセット、または他の当業者に周知の部品であることが多い。発熱部品５０は、回路組立構造１０の、部品５０が上に配置されている表面２０ｂ上にある回路４０の一部と接触している。

特定製造業者のＬＥＤは、ＬＥＤ自体からの放熱を助けるための熱スラグを包含するが、これらの熱スラグは、電気的に中性であるとは考えられない場合が多い。従って、２個以上のそのようなＬＥＤを回路組立構造１０上に配置する場合、組立構造上の２個以上のＬＥＤ上のスラグ間の電気的短絡を回避するように注意しなければならず、従って、それぞれのＬＥＤを電気的に隔離する必要がある。

発熱部品５０から放熱層３０への熱移動を促進するために、単にビアとも呼ぶサーマルビア６０が、発熱部品５０に隣接し、放熱層３０を通って伸びる。サーマルビア６０は、各発熱部品５０と放熱層３０との間で、回路組立構造１０を通って伸びるのが有利である。サーマルビア６０は、高熱伝導率材料、例えば銅またはその合金のスラグまたは「リベット」を含むが、他の高熱伝導率材料、例えばアルミニウムまたは剥離されたグラファイトの圧縮された粒子も使用できる。「高熱伝導率」とは、サーマルビア６０の、発熱部品５０と放熱層３０との間の方向における熱伝導率が、放熱層３０の厚さ方向の熱伝導率よりも大きいことを意味し、好ましくは、サーマルビア６０の熱伝導率が少なくとも約１００Ｗ／ｍ°Ｋ、より好ましくは少なくとも約２００Ｗ／ｍ°Ｋであり、さらに好ましくは３５０Ｗ／ｍ°Ｋを超える。各サーマルビア６０は、どのような特定の断面形状でも有することができるが、最も一般的には、サーマルビア６０の形状は円筒形である。

サーマルビア６０は、単一の一体的な素子でもよいが、図７〜２７に関して以下にさらに説明するように、２個以上の断片、例えば一対の分離した部品を圧入するか、または他の方法で一つに取り付けることもできる。さらに、サーマルビア６０は、位置を考慮して、誘電層に隣接する側部に肩部または段差を有てもよい。電気的絶縁が必要である場合、陽極酸化したアルミニウム、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムまたはアルミナ等からなる誘電層を、サーマルビア６０の一部の、または全表面上に、例えば銅の上に火炎溶射または蒸着したアルミナのように配置するか、もしくは陽極酸化アルミナをサーマルビア６０として使用することもできる。さらに、サーマルビア６０の表面は、はんだ付けできるようにしておくか、またははんだ付けできるようにメッキし、サーマルビア６０に発熱部品５０を接合し易くすることができる。

各サーマルビア６０は、放熱層３０中に伸び、放熱層３０と熱的に接触する。例えば、サーマルビア６０は、熱接着剤または圧入、例えばいわゆる「スピードナット」、もしくはプレス−オンナットを使用して放熱層３０中のスロットまたは穴の中にはめ込み、サーマルビア６０と放熱層３０との間に良好な熱接触を確保し、サーマルビア６０から放熱層３０の厚さ方向に確実に熱移動させることができる。サーマルビア６０を放熱層３０の中にはめ込み、十分な熱接触を確立するための好適な方法の一つは、例えば以下に図１４、２０、３０および３６に例示するように、放熱層３０中の、サーマルビア６０の直径よりも小さな直径を有する開口部を通してサーマルビア６０を押し込むことであり、このようにして、サーマルビア６０が開口部に圧入される。あるいは、サーマルビア６０自体をパンチとして使用し、放熱層３０中に穴を形成することもできる。剥離グラファイトの粒子圧縮からなるシートの性質により、サーマルビア６０または放熱層３０のいずれにも好ましくない損傷を与えずに、そのようなはめ込みを行うことができる。

同様に、サーマルビア６０も、発熱部品５０と良好に熱接触している必要がある。従って、サーマルビア６０は、発熱部品５０と熱的に接続するか、または、はんだ、サーマルグリース、エポキシのような熱接着剤、剥離グラファイトの圧縮粒子からなるシート等を使用して発熱部品５０に接着する必要がある。サーマルビア６０は、それ自体、回路組立構造１０を通って伸び、回路組立構造１０の、発熱部品５０が配置されている表面で露出する。従って、この実施態様においては、サーマルビア６０の長さは、図２Ａに示すように、誘電層２０と放熱層３０とを組み合わせた厚さに、サーマルビア６０が誘電層２０または放熱層３０から伸びる距離を加えたものにほぼ等しい。あるいは、サーマルビアまたは熱伝導性誘電材料を使用して熱を発熱部品からサーマルビア６０に移動させ、サーマルビア６０は放熱層３０のみを通って伸び、放熱層３０の厚さ方向に熱を放散させることもでき、従って、この状況では、サーマルビア６０は、放熱層３０の厚さと、サーマルビア６０が放熱層３０の表面から伸びる距離を加えたものにほぼ等しい。

サーマルビア６０と発熱部品５０との間に良好な接触を与えるために、図２Ａに示すように、サーマルビア６０は、誘電層２０の表面２０ｂ上に伸びることができる。あるいは、発熱部品５０の性質およびサーマルビア６０と発熱部品５０との間を熱的に接続する好ましい方法に応じて、サーマルビア６０は、図２Ｂに示すように誘電層２０の表面２０ｂと同一平面上にあるか、または図２Ｃに示すように誘電層２０の表面２０ｂから窪んでいてもよい。

サーマルビア６０と放熱層３０との間に良好な熱的接触を与えるための有利な方法の一つは、以下に図７〜２７に関して説明するように、「リベット」型サーマルビア６０を使用することである。この方法では、リベットを圧迫して基材を密封する方法と同様にして、リベット型サーマルビア６０を圧迫するか、または押し込み、放熱層３０の外側表面（即ち、誘電層と接していない表面）を密封して、両者の間に良好な熱的接続を造り出すことができる。

上記のように、放熱層３０は誘電層２０に張り合わせるか、または接着するのが有利である。しかし、サーマルビア６０の使用により、放熱層３０と誘電層２０との間に隙間を残し、放熱を最適化することも意図している。すなわち、発熱部品５０と放熱層３０との間の熱移動は、主として誘電層２０を通すのではなく、主としてサーマルビア６０を通して行われるので、放熱層３０誘電層２０と接触させる必要はない。従って、例えばスペーサー等（図には示していない）の使用により、約１ｍｍまで、あるいはそれ以上の隙間を放熱層３０と誘電層２０との間に設けることができる。このようにして、放熱層３０がサーマルビア６０を経由して熱的に接触している前提で、放熱層３０のより大きな表面積が露出し、より多くの熱がそこから放散することができる。簡単に説明すると、この実施態様においては、放熱層３０が、ヒートスプレッダと放熱フィンの両方として作用する。

図４に示す別の実施態様においては、サーマルビア６０は、発熱部品５０と一体的でよい。例えば、ＬＥＤは、発熱部品５０として使用する場合、そこから伸びる高熱伝導率スラグまたはリベットを有することができ、そのスラグまたはリベットがさらに回路組立構造１０を通って伸び、放熱層３０と熱的接触し（例えば上に記載したような圧入またはリベット型接続により）、ＬＥＤから放熱層３０への熱放散を促進することができる。

図６Ａおよび６Ｂに示すさらに別の実施態様においては、サーマルビア６０は、放熱層３０を通って伸びる集積棒６２の上に存在し、その際、集積棒６２が、図６Ｂに示すように、そこから上に誘電層２０まで伸びる個別のサーマルビア単位６４ａ、６４ｂ、６４ｃ等を有する細長い部材を含む。あるいは、集積棒が誘電層２０を通って伸び、個別のサーマルビア単位が放熱層３０（図には示していない）を通って伸びることもできる。

本考案のさらに別の実施態様においては、図５に示すように、サーマルビア６０が放熱層３０を通り、それを越えて伸び、他の放熱層３０ａ、３０ｂ、３０ｃ等、例えば放熱層または放熱フィンのための支持体として作用することができる。すなわち、空間に余裕があれば、サーマルビア６０が放熱層３０を通って伸び、他の放熱層または放熱フィン３０ａ、３０ｂ、３０ｃ等（好ましくはやはり剥離グラファイトの圧縮粒子からなるシートから形成されている）をサーマルビア６０と熱的に接触させ、追加の層またはフィン３０ａ、３０ｂ、３０ｃ等同士の間の隙間により、さらに放熱させることができる。スペーサー（図には示していない）を使用し、層３０ａ、３０ｂ、３０ｃ等を分離したまま維持することができる。

図３に示すように、本考案は、回路組立構造が可撓性回路１００である場合に特に有用である。可撓性回路１００の性質のため、剥離されたグラファイトの粒子を圧縮したシートより堅い従来のヒートスプレッダ材料は使用できない。しかし、一枚以上の、剥離されたグラファイトの粒子を圧縮したシートをヒートスプレッダとして使用することにより、可撓性をそれほど損なうことなく、熱を発熱部品５０からサーマルビア６０を通して効果的に放散させることができる。その上、各サーマルビア６０は、分離した物体である場合が多く、複数のサーマルビア６０ａ、６０ｂ、６０ｃ等を包含しても、可撓性を実質的に犠牲にしない。

従って、本考案を使用することにより、可撓性回路の場合でも、熱源がＬＥＤであっても、回路組立構造中で、これまで見られなかった程効果的な放熱を達成することができる。

フランジ付きサーマルビア
図７〜２７は、フランジ付きサーマルビアの構造を例示したものであり、フランジ付きサーマルビアをグラファイト平面素子と組み立てる方法を例示する。
１．低コスト熱リベット

幾つかの用途では、サーマルビアがヒートスプレッダの表面上に突き出ることが許容されるか、または必要である。また、用途によっては、ヒートスプレッダのコストを下げながら、それでもヒートスプレッダを通る熱流を最大限にすることが必要になる場合がある。これらの競合する目的は、図７に示すような、フランジ付きのリベット型サーマルビアをヒートスプレッダに使用することにより、達成することができる。

図７において、熱管理システムを全体的に１００で示す。この機構１００は、第一および第二の対向する平表面１０４および１０６を有し、平表面間で限定される厚さ１０８を有する異方性グラファイト平面素子１０２を含む。平面素子１０２は、平表面１０４および１０６に対して平行に比較的高い熱伝導率有し、かつ厚さ１０８方向に比較的低い熱伝導率を有する。平面素子１０２は、平表面１０４および１０６間を通って限定される回路キャビティまたは穴１１０を有し、キャビティ１１０は、円筒形の内側キャビティ壁１１２により制限される。リベット型サーマルビア１１４は、キャビティ１１０を通って伸び、内側キャビティ壁１１２と密に係合する円筒形軸１１６を有する。サーマルビア１１４は、軸１１６から横方向に伸び、グラファイト平面素子１０２の第一平表面１０４と密に係合するフランジ１１８をさらに包含する。

上記したように、サーマルビア１１４は、好ましくは等方性材料から構築されるので、１２０のような熱源から発生する熱は、サーマルビア１１４を通り、平面素子１０２の厚さ１０８の中に伝導される。サーマルビア１１４は、好ましくは金、銀、銅、アルミニウムおよびそれらの合金からなる群から選択された材料から製造する。異方性グラファイト平面素子１０２は、好ましくは剥離されたグラファイトの圧縮した粒子から製造する。

図７から明らかなように、リベット型サーマルビア１１４のフランジ付き末端１１８は、グラファイト平面素子１０２の片側から突き出し、軸１１６は、グラファイト平面素子１０２の反対側から突き出している。リベット型サーマルビア１１４は、軸１１６の直径が熱源１２０の表面全体をほぼ覆うだけの十分に大きなサイズを有する。

フランジ付きサーマルビア１１４は、サーマルビア１１４の軸１１６の上に市販のプッシュオンナット１２２を押し付けることにより、グラファイト平面素子１０２と共に所定の位置に保持される。プッシュオンナット１２２は、熱移動には寄与せず、その目的はリベット型サーマルビア１１４をグラファイト平面素子１０２と共に所定の位置に保持することのみであるため、サーマルビア１１４と同じ材料で製造する必要はない。プッシュオンナット１２２の内径は、軸１１６の外径より僅かに小さいので、プッシュオンナットは、サーマルビア１１４の軸１１６と密に接触する。サーマルビア１１４の上側末端または自由末端は熱源１２０と接触し、熱は熱源１２０から、サーマルビア１１４の軸１１６およびフランジ１１８の中に流れ込む。熱は、軸１１６の外径およびフランジ１１８の内側表面１２６の両方を通って、グラファイト平面素子１０２の中に伝導される。フランジ１１８は、グラファイト平面素子１０２の、熱源１２０と反対側の第一側面１０４と接触するので、グラファイト平面素子１０２に送られる熱は最大限になる。

熱源１２０と軸１１６の自由末端１２４との間に、熱源１２０上に限定される熱伝導接触面積と呼ばれる接触面積があることが分かる。その接触面積は、好ましくは軸１１６の末端１２４の面積より小さいが、熱源が、軸１１６の末端１２４の面積よりやや大きく、それでも、本考案の利点を実質的に達成できることは可能である。

プッシュオンナット１２２は、軸１１６の上に受け入れ、摩擦により係合させる。プッシュオンナット１２２は、グラファイト平面素子１０２がフランジ１１８とプッシュオンナット１２２との間に狭持されるように、グラファイト平面素子１０２の第二平表面１０６と密着している。図７に示す例では、軸１１６の自由末端１２４がプッシュオンナット１２２を完全に通って伸び、通り越している。

リベットフランジ１１８の直径および厚さは、グラファイト平面素子１０２の中に熱が確実に効果的に移動するように選択すべきである。フランジ１１８の直径も、プッシュオンナット１２２を押し下げた時に、フランジ１１８がグラファイト平面素子１０２の中に過剰の圧力を加えたり、切断したりしないように、十分に大きくすべきである。プッシュオンナット１２２の外径を十分に増加して過剰圧力によるグラファイト平面素子１０２への損傷を防止することができない場合、図７Ａに示すように、直径の大きな座金１２８をナット１２２の下に使用するとよい。座金１２８は、主として機械的目的（即ち熱伝導のためではない）のために使用されるので、リベット軸１１６の上にゆるく適合すればよく、サーマルビア１１４と同じ材料から製造する必要はない。

図８および９は、サーマルビア１１４の詳細な平面図および立面図をそれぞれ示したものである。図１０および１１は、プッシュオンナット１１２の平面図および立面図をそれぞれ示したものである。

リベット型サーマルビア１１４を使用するには、図１２に最も分かり易く示されるように、好ましくはグラファイト平面素子１０２の中に穴１１０をダイカットする。ダイカットすることにより、穴の直径に大きな公差を持たせることができる。サーマルビア１１４とグラファイト平面素子１０２との間に良好な熱移動を確保するには、ダイカット穴１１０の直径１３０は、形成される最も大きな穴でも、サーマルビア１１４の軸１１６の外径より僅かに小さくなるように選択するのが好ましい。

図１４に最も分かり易く示されるように、グラファイト平面素子１０２の中に穴１１０をダイカットした後、サーマルビア１１４の軸１１６を、図１４に示す場合、穴１１０を通して押し上げる。サーマルビア１１４の軸１１６は、穴１１０より僅かに大きな直径を有するので、グラファイトは軸１１６の周りにキノコ形に盛り上がり、輪状のキノコ形突起１３２を形成する。

次いで、良好な熱移動を確保するために、図１４に示すパンチ１３４をこのキノコ形突起１３２の上に押し下げることにより、このキノコ形突起１３２を、グラファイト平面素子１０２の上表面または第二平表面１０６と同一平面上になるように、押しつぶす。パンチ１３４は、その中に、リベット軸１１６の外径より僅かに大きなサイズの円筒形の窪み１３６を有する。

キノコ形突起１３２を平らにプレスした後、プッシュオンナット１２２を軸１１６の自由末端１２４の上に配置し、軸１１６をグラファイト平面素子に対して、図７の最終組立構造に示す位置まで押し下げる。図１４に示すパンチ１３４と類似の、プッシュオンナット１２２の隆起した区域を収容するための大きな窪みを有する別のパンチ（図には示していない）を使用し、軸１１６の上にプッシュオンナット１２２を配置することができる。十分な力を使用し、プッシュオンナット１２２とリベットフランジ１１８との間にグラファイト平面素子１０２を堅く固定し、リベットフランジ１１８を通して良好な熱移動が確保すべきである。

図７〜１４に示す例においては、穴１１０は円形であり、軸１１６も円形または円筒形であるが、他の断面形状も使用できることは言うまでもない。より一般的には、穴１１０は、平面素子１０２の平面に対して平行な最大断面寸法を有する断面形状を有するとして説明することができ、その最大断面寸法は、図に示す場合では、図１２に示す直径１３０である。同様に、サーマルビア１１４の軸１１６は、穴１１０の断面形状と相補的であり、最小断面寸法を有する断面形状を有するとして説明でき、その最小断面寸法は、この例では、軸１１６の外径であり、穴１１０の最大断面寸法より大きい。あるいは、穴１１０が軸１１６より大きい場合、それらの間の隙間を熱伝導性グリース等で充填し、グラファイト平面素子１０２とサーマルビア１１４との間の熱移動を最大限にすべきである。

２．二重フランジを有するフランジ付きサーマルビア
上記のように、用途によっては、サーマルビアが熱源と接触できるように、サーマルビアがグラファイトヒートスプレッダ素子の表面上に突き出ることが必要である。さらに、非常に高性能の用途では、サーマルビアと周囲のグラファイト材料との間の熱抵抗をできるだけ小さくすることが重要になる。これは、図１５に示すような、二重フランジ付きサーマルビアとも呼ぶことができる、丸いフランジ付きサーマルビアおよび座金の組立構造を取り入れることにより、達成できる。

図１５に示す本考案の別の実施態様では、一般的に番号２００で示す熱管理システムを含む。熱管理システム２００は、図７に関して上記したグラファイト平面素子１０２と類似のグラファイト平面素子２０２を含む。グラファイト平面素子２０２は、第一および第二の対向する主要平表面２０４および２０６をそれぞれ有する。厚さ２０８は、表面２０４と２０６との間で制限される。内壁２１２により制限される穴２１０が、グラファイト平面素子２０２を通して形成されている。機構２００は、この場合、第一および第二部品２１５および２１７から形成されたサーマルビア２１４を含む。第一部品２１５は、軸２１６および第一フランジ２１８を含む。

この場合、サーマルビア２１４は、座金または第二フランジ２１７とも呼ぶことができる第二部品２１７により、グラファイト平面素子２０２と組み立てられて所定の位置に保持されている。第二フランジ２１７は、サーマルビア２１４の第一部品２１５の軸２１６および第一フランジ２１８と同じ材料から製造される。

第二フランジ２１７の詳細な平面図および断面立面図をそれぞれ図１８および１９に示す。第二フランジ２１７は、第二フランジ２１７の内径２１９が軸２１６と密に接触し、第二フランジ２１７が軸２１６上に圧入されるように、軸２１６の外径より僅かに小さくなるように選択された内径２１９を有する。好ましくは、第二フランジ２１７の外径は、一般的に第一フランジ２１８の外径と等しい。軸２１６の長さ２２１は、第一および第二フランジ２１８および２１７がグラファイト平面素子２０２と緊密に係合して熱伝導するように、グラファイト平面素子２０２が第一および第二フランジ２１８および２１７間で圧迫されるようなサイズを有する。

サーマルビア２１４の第一および第二部品２１５および２１７を、好ましくは第二部品２１７を第一部品２１５上に圧入することにより組み立てるとして説明したが、他の組立技術も使用できることは言うまでもない。例えば、第二部品２１７を、軸２１６上に締まりばめを施すか、または２個の部品を一つに溶接することもできる。

図１５〜１９に示す実施態様においては、軸２１６は、その上に設けられ、かつ第一フランジ２１８から離れる方向に向いた軸肩部２２３を有する。同様に、第二フランジ２１７の内側穴２１９も、その上に相補的に形成された、軸肩部２２３と接するフランジ肩部２２５を有する。

図１５Ａには、二重フランジ付き熱管理システムの別の実施態様を示し、全体的に番号２００Ａで示す。熱管理システム２００Ａは、第二フランジ２１７Ａの設計が、通し穴を有する座金形状の代わりに、キャップ形状であり、盲穴を有するように修正されている以外は、図１５の熱管理システム２００と同様である。その他の点では、図１５の熱管理システム２００の上記説明が、図１５Ａの熱管理システム２００Ａにも等しくあてはまる。

図１５〜１９の二重フランジ付きサーマルビア２１４では、熱源、例えば２２０、は、第一フランジ２１８または第二フランジ２１７と接触することができる。好ましくは、軸２１６は、熱源２２０の外径または最大寸法と少なくとも同じ位大きい直径を有し、熱源２２０とサーマルビア２１４との間の接触面積全体を横切る効率的な熱移動を促進する。

図１５〜１９の二重フランジ付きサーマルビア２１４においては、熱は、軸２１６の外径および両フランジ２１８および２１７の内側表面の両方を通して、グラファイト平面素子２０２中に移動する。この設計では、サーマルビア２１４とグラファイト平面素子２０２との間の接触表面積が本来大きいために、グラファイト平面素子２０２への熱移動が、軸および一方のフランジだけを通して熱を移動させる図７の単一フランジ付きサーマルビアとは対照的に、最大限になる。

第二フランジ２１７をサーマルビア２１４の第一部品２１５と組み立てると、肩部２２５および２２３が一つに突き合わされる。軸２１６の、直径が大きい方の部分の長さ２２７は、グラファイト平面素子２０２の厚さ２０８より小さくなるように選択し、第二フランジ２１７を第一部分２１５上に押し付け、肩部２２３および２２５を突き合わせた時、フランジ２１８と２１７との間の輪状グラファイト区域が確実に圧縮されるようにする。これによって、フランジ２１８および２１７からグラファイト平面素子２０２中への良好な熱移動が確保される。

図２０は、サーマルビア２１４の第一部分２１５をグラファイト平面素子２０２中の所定の位置に設置する方法を例示したものである。グラファイト平面素子２０２は、図１２でグラファイト平面素子１０２に関して説明した方法と類似の方法でダイカットした穴２１０を有する。やはり、ダイカット穴２１０の直径は、形成される最大穴が、軸２１６の大きい方の部分の最小直径より僅かに小さくなるように選択する。サーマルビア２１４の第一部分２１５を、図２０に示すようにグラファイト平面素子２０２の穴２１０の中に押し込み、輪状キノコ形突起２３２を再び形成する。良好な熱移動を確保するために、図２０に示すパンチ２３４を使用してこのキノコ形突起２３２を押し下げ、グラファイト平面素子２０２の上表面と同一平面上になるようにする。やはり、パンチ２３４はその中に、軸２１６の最大外径より僅かに大きいサイズの円筒形の窪み２３６を有する。

キノコ形突起２３２を平らに押し付けた後、第二フランジ２１７を軸２１６の末端上に配置し、十分な力を作用させて第二フランジ２１７を軸２１６上に、肩部２２３および２２５が互いに所定の位置に落ち着くまで押し下げる。

フランジ２１８および２１７の直径および厚さは、確実にグラファイト平面素子２０２中に熱が良く伝導されるように、選択すべきである。これらの直径も、第二フランジ２１７を軸２１６の上に押し下げた時に、フランジ２１８および２１７がグラファイト平面素子中に過剰の圧力を加えたり、切断したりしないように、十分に大きくすべきである。

図２１〜２４は、二重フランジ付きサーマルビア２１４Ａの、やはり第一部品２１５Ａおよび第二部品２１７Ａを包含する第二の設計を示したものである。図１６〜１７と比較した唯一の違いは、この実施態様においては、軸２１６Ａ中に肩部を機械加工しないことである。代わりに、軸２１６Ａは、その上側末端に僅かな面取り部分を備えた真っ直ぐな円筒形軸である。同様に、第二フランジ２１７Ａは、その中を通る直線的な円筒形穴２１９Ａを有する。軸２１６Ａの直径は、第二フランジ２１７Ａの内径より僅かに大きく、従って、軸２１６Ａと第二座金２１７Ａとの間に締まりばめを施す。組立の際、非中空のパンチ（図示していない）を使用し、第二フランジ２１７Ａを軸２１６Ａの上に押し下げる。第二フランジ２１７Ａの上側表面２２９が軸２１６Ａの上側末端２３１と同一平面上になった時に、運動が停止する。第１フランジ２１８Ａと第２フランジ２１７Ａとの間のグラファイト平面素子中の圧縮量を制御するために、軸２１６Ａの長さ２３３と第二フランジ２１７Ａの厚さ２３５とを調整する。

３．同一平面上にあるサーマルビア
上記のサーマルビアはすべて、グラファイト平面素子の表面上に突き出た一または二個のフランジを有する。しかし、用途によっては、ヒートスプレッダが完全に同一平面上にある面を有すること、即ちサーマルビアのどの部分もヒートスプレッダの表面上に突き出ていないことが必要である。これらの目的は、図２５に示すように、グラファイトヒートスプレッダの中に埋め込んであるサーマルビアを使用することにより、達成することができる。

図２５は、第一および第二の主要平表面３０４および３０６を有するグラファイト平面素子３０２を包含する熱管理システム３００を示したものである。グラファイト平面素子３０２は、表面３０４と３０６の間に規定される厚さ３０８を有する。内側壁３１２により規定される穴３１０は、グラファイト平面素子３０２の厚さ方向に形成されている。

サーマルビア３１４は、穴３１０の中に受け入れられる。この実施態様では、サーマルビア３１４は、図２６および２７で最も分かり易く示すように円形のディスクであり、その上側および下側末端に面取り部分３１６および３１８を有する。以下にさらに説明するように、図２５に示すこの構造では、ディスク形状のサーマルビア３１４がグラファイト平面素子３０２中に埋め込まれており、グラファイト材料がディスク形状サーマルビア３１４に密に適合し、サーマルビア３１４の面取り部分３１６および３１８と重なり合っている。サーマルビア３１４は、その上側末端３２０および下側末端３２２が、グラファイト平面素子３０２の第二主表面３０６および第一要表面３０４とそれぞれ同一平面上にある。この構造は、サーマルビア３１４とグラファイト平面素子３０２との間の熱移動を促進し、それらの間の機械的結合を強化する。

ディスク形状サーマルビア３１４の厚さは、グラファイト平面素子３０２の厚さ３０８と実質的に等しい。

図２８、２９、および３０は、ディスク形状サーマルビア３１４をグラファイト平面素子３０２中に埋め込む一連の方法を連続的に示したものである。やはり、グラファイト平面素子３０２は、その中にダイカットした穴３１０を有する。ダイカット穴３１０の寸法は、形成される最大穴が、ディスク形状サーマルビア３１４の外径より僅かに小さくなるように選択する。埋め込み工程の際、サーマルビア３１４は穴３１０を伸ばし、拡大する。

図２８は、上側および下側ダイ半分３２６および３２８およびパンチ３３０を包含する埋め込み取付具３２４の分解組立図を示したものである。

上側ダイ半分３２６には通し穴３３２があり、下側ダイ半分３２８には部分穴３３４がある。

穴３３２および３３４の直径は等しく、サーマルビア３１４の外径より僅かに大きい。整列ガイド（図示していない）を使用し、上側および下側ダイ部品３２６および３２８中の穴３３２および３３４をグラファイト平面素子３０２中のダイカット穴３１０と整列させる。止め具３３６が下側ダイ半分３２８中に配置されている。止め具３３６の上側末端３３８は下側ダイ半分３２８の上表面３４０と同一平面上にあり、止め具の直径はディスク形状サーマルビア３１４の直径より小さいので、輪状キャビティ３４２が止め具３３６を取り囲んでいる。パンチ３３０は、ディスク形状サーマルビア３１４と同じ外径を有し、サーマルビア３１４を所定の位置にプレスするのに使用される。

取付具３２４の操作を、図２９に最も分かり易く示す。グラファイト平面素子３０２を、上側ダイ半分３２６と下側ダイ半分３２８との間に整列させ、締め具で固定する。所定の位置に固定すると、グラファイト材料の薄い縁（図示していない）が、ダイ半分３２６および３２８中の穴３３２および３３４の中に伸びる。サーマルビア３１４を上側ダイ半分３２６中の穴３３２の中に配置し、続いてパンチ３３０を配置する。パンチに圧力を作用させ、サーマルビア３１４を、突き出ているグラファイト材料を通して押し下げる。突き出ているグラファイト材料の一部が切断され、グラファイト材料の一部がサーマルビア３１４の周りに圧縮される。サーマルビア３１４は止め具３３６の末端３３８で止まり、グラファイト平面素子３０２の下側表面３０４と同一平面上になる。グラファイト材料のカットスクラップ３４４は止め具３３６の周りの輪状空間３４２中に集まる。

ダイ半分３２６および３２８を引き離し、ディスク形状サーマルビア３１４と組み立てたグラファイト平面素子３０２とを取付具から取り外した時、サーマルビア３１４により圧縮された材料が、ディスク形状サーマルビア３１４の面取りした縁部３１６および３１８に隣接する周辺張出部分３４６および３４８を形成する。

次いで、これらの張出部分３４６および３４８を平坦にするため、図３０に示すように、組立構造３０２、３１４をプレスの上側および下側プラテン間に配置し、組立構造３０２、３１４に圧力を作用させる。この圧力は、１５００ｐｓｉより大きく、グラファイト材料の最小圧縮強度である１０，０００ｐｓｉ未満にすべきである。この圧力が、張出部分３４６および３４８を、ディスク形状サーマルビア３１４の末端表面３２０および３２２と同一平面上になるように圧迫し、グラファイト材料をサーマルビア３１４の面取りした縁部３１６および３１８に押し付け、サーマルビア３１４をグラファイト平面素子３０２中の所定の位置に堅く固定する。その結果、図２５に示すヒートスプレッダ素子グラファイト平面素子３０２、３１４が形成される。

ディスク形状サーマルビア３１４の面取りした縁部３１６および３１８は、一般的にサーマルビア３１４上に設けられた窪みとして説明することができる。図２５に示すように、グラファイト平面素子３０２のグラファイト材料は、この窪みまたは面取りした縁部３１６および３１８に重なっている。

ここで、図３１および３２に関し、この同じ製法を使用して薄い表面層３５４を上に有するヒートスプレッダを製造することができる。この表面層３５４は、典型的にはMylar、アルミニウム、銅などの材料から形成される。この場合、表面層３５４は、グラファイト平面素子３０２中に穴３１０をダイカットする前に、グラファイト平面素子３０２に施す。次いで、グラファイト平面素子３０２と表面層３５４の両方に穴３１０をダイカットする。穴直径３１０およびサーマルビア３１４の外径は、表面層を通る穴が、サーマルビア３１４と接触して配置される３２０のような熱源を完全に包含するように選択しなければならない。図３２に示す表面層３５４を有する製品を形成する組立の残りの工程は、図２８〜３０に関して上記した通りである。これによって、図３２に示すような、サーマルビアの両側が表面層中の穴により露出している、サーマルビアを埋め込んだヒートスプレッダが得られる。これによって、サーマルビア３１４を熱源３２０と直接接触させ、グラファイト平面素子３０２の露出した面積全体にわたる表面層３５４が得られる。

表面層３５４は、一般的にグラファイト平面素子３０２の厚さ３０８より薄く、グラファイト平面素子３０２の対向する主要平表面３０４および３０６を覆う表面層として説明することができる。

クラッドヒートスプレッダおよび同一平面上にあるサーマルビア
図３３は、図２５と類似の図である。矢印３５６は、グラファイト平面素子３０２自体には負荷がかからない方法で、ヒートスプレッダのディスク形状サーマルビア３１４を、熱源３２０に押し付ける取付負荷を表す。グラファイト平面素子３０２は平坦のままであり、グラファイト平面素子３０２とサーマルビア３１４との間には良好な接触があり、サーマルビア３１４とグラファイト平面素子３０２との間で優れた熱移動特性を有する。

しかしながら、図３４に示すように、３５８および３６０のような取付穴をグラファイト平面素子３０２を通して配置し、矢印３６２および３６４により表す取付ネジ負荷を、穴３５８および３６０に隣接するグラファイト平面素子３０２に作用させる必要があることが多い。ここでは、取付負荷をグラファイト平面素子３０２に直接作用させる。グラファイト平面素子３０２の弾性率は比較的低いので、矢印３６２および３６４により表すような典型的な取付負荷により、図３４に示すようにグラファイト平面素子３０２が屈曲し、３６６で表す区域で、グラファイト平面素子３０２の一部がサーマルビア３１４から引き離され、グラファイト平面素子３０２とサーマルビア３１４との間に隙間が生じる。これによって、サーマルビア３１４とグラファイト平面素子３０２との間の熱移動が損なわれ、ヒートスプレッダの熱的性能が大幅に低下する。図３４に示すようなあまり大きくない取付負荷でも、グラファイト平面素子３０２を永久的に屈曲させるのに十分である。

この問題を解決するために、図３５に示すように、連続的な、比較的堅い材料からなる薄い層３６８をグラファイト平面素子３０２の下側３０４にクラッド加工することができる。クラッド材料としては、銅、アルミニウムなど、およびそれらの合金がある。例えば、典型的には最小厚さが０．００３インチのアルミニウムシートをクラッド層として選択する。クラッド層３６８は、グラファイト平面素子３０２の表面３０４およびサーマルビア３１４の下側末端３２２に、接着剤、（公序良俗違反につき、不掲載）、を使用して接着させる。接着させた後、取付ネジ穴３５８および３６０を、クラッド層およびグラファイト平面素子３０２を通して打ち抜くか、またはドリル加工する。クラッド層３６８は、サーマルビア３１４の下側末端表面３２２全体にわたって連続的であり、クラッド層を通る穴は、グラファイト平面素子３０２を通る取付ネジ穴３５８および３６０だけであることに注意する。図３に図式的に示すように、クラッド加工されたヒートスプレッダを熱源グラファイト平面素子３０２に対して押し付けた時、ヒートスプレッダは平坦のままであり、サーマルビア３１４とグラファイト平面素子３０２の材料との間に生じる隙間による性能低下は無い。

共鍛造された、同一平面上にあるサーマルビア
図３６〜３９は、図２５〜３５に関して上記したヒートスプレッダと類似の、同一平面上にあるサーマルビアを備えたヒートスプレッダの別の変形を連続的に示したものである。

ある種の非常に高性能の用途では、ディスク形状サーマルビアと周囲のグラファイト材料グラファイト平面素子３０２との間の熱抵抗を完全に最小に抑えることが重要になる。これは、グラファイト平面素子中にサーマルビアを挿入した後に、サーマルビアおよび周囲のグラファイト材料を共鍛造することにより達成することができる。共鍛造により、サーマルビアおよびグラファイト平面材料の両方が塑性変形し、サーマルビア材料を周囲のグラファイト材料にできるだけ緊密に接合させ、これらの材料間の熱抵抗を最小に抑える。

先ず、グラファイト平面素子３０２およびディスク形状サーマルビア３１４を、図２８〜３０に関して上記したように一つに組み立てる。これによって、図３６に示す、ディスク形状サーマルビア３１４の上および下に伸びるグラファイト材料の輪状張出部分３４６および３４８を有する構造が得られる。

グラファイトおよびサーマルビア材料を共鍛造するには、図３６に示す組立構造３０２、３１４を、図３７に示す、上側および下側ダイ半分３７０および３７２から構成される閉鎖キャビティ鍛造ダイ３６８中に配置する。キャビティ３７４および３７６は、それぞれダイ半分３７０および３７２中に機械加工し、噛み合う止め表面３７８および３８０が、それぞれキャビティ３７４および３７６の縁部を形成する。２個のキャビティ部分３７４および３７６により形成されるキャビティの深さの合計は本来のグラファイト材料３０２または本来のディスク形状サーマルビア３１４の厚さよりも小さい。閉鎖キャビティのサイズは、サーマルビア３１４およびグラファイト平面素子３０２が塑性変形した時に、図３８に示すように、これらの材料が流れ、キャビティを充填できるように、キャビティが十分な大きさを有するように選択する。止め表面３７８および３８０は、塑性変形できる量を制御する。止め表面３７８および３８０は、一度それらが互いに接触すると、鍛造負荷は止め表面に移動し、サーマルビア３１４またはグラファイト平面材料３０２の塑性変形はそれ以上起こらない。

サーマルビア３１４およびグラファイト平面素子３０２の共鍛造は、図３８に示す。鍛造ダイ３６８に作用する最小力は、グラファイト平面素子３０２のグラファイト材料およびサーマルビア３１４の材料の両方の塑性変形が確実に同時に起こるのに十分でなければならない。これによって、サーマルビア３１４およびグラファイトが垂直に圧縮され、水平に流れる。

完成した共鍛造ヒートスプレッダを図３９に示す。共鍛造の際の塑性流動により、サーマルビア３１４とグラファイト平面素子３０２が緊密に接触し、二つの材料間の熱抵抗が最小に抑えられる。共鍛造の後、図３１および３２に関して上に説明したように、完成したヒートスプレッダに表面層を設ける、および／または図３５に関して上記したように、クラッド層を設けることができる。

本願で言及したすべての特許、特許出願および出版物は、引用さることにより本願明細書の開示の一部とされる。

上記の説明は、当業者が本考案を実施できるようにすることを意図している。この説明を読むことにより当業者には明らかになる可能な変形および修正のすべてを詳細に説明することは意図していない。しかし、そのような修正および変形はすべて、請求項により規定される本考案の範囲内に含まれる。請求項は、本文が反対のことを具体的に示唆していない限り、本考案に意図される目的を達成するのに効果的なあらゆる配置および順序で、ここに示す部品および工程を含むものである。

この問題は、熱源の場所でグラファイトヒートスプレッダ中にサーマルビア（thermal via）を埋め込むことにより、対処できる。サーマルビアは、グラファイトの厚さ方向の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する等方性材料によって製造する。サーマルビア材料としては、金、銀、銅、アルミニウム等、およびそれらの様々な合金が候補として挙げられる。サーマルビアは、通常、円形でその直径が熱源の全表面をほぼ覆うのに十分な大きさを有する。サーマルビアの末端は、熱源と接触し、熱はサーマルビアの中に入り、その中を通って流れる。熱はサーマルビアの外径を通してグラファイトの中に移動する。サーマルビアは、グラファイトの厚さ方向に熱を効率的に移動させ、グラファイトヒートスプレッダの厚さ全体を熱移動に最大限に利用することができる。グラファイトヒートスプレッダにおけるサーマルビアの使用に関する以前の開示例としては、本考案の譲受人に譲渡された、米国特許第６，７５８，２６３号（この全文は引用することにより本願明細書の開示の一部とされる）に記載されている。

金属コアプリント回路基板（ＭＣＰＣＢ）と呼ばれることもある、幾つかの市販の「サーマルボード」がある。これらのサーマルボードは、誘電層に熱伝導性粒子を充填するか、またはアルミニウムヒートスプレッダ層の上に薄い陽極酸化層を形成することにより、熱伝導性の誘電層を使用している。しかしながら、熱伝導性粒子は高価であり、それに続く層は、ピンホールを確実に無くすために十分厚くする必要があり、熱抵抗の高い設計になる。この手法には、屈曲した、または平坦ではない構造を加工するための可撓性が不十分であること、そして誘電材料がヒートスプレッダ層の表面全体を覆うことから、さらなる制限がある。誘電層として陽極酸化を使用することは、これらの問題の幾つかを解決しようとしているが、銅は陽極酸化できないので、そのヒートスプレッダ層としてアルミニウムを使用しなければならない。アルミニウムの熱伝導率は、銅のそれよりもはるかに小さいので、これは熱的な欠点となる。しかし、上記の手法はすべて、プリント回路基板および部品を操作する際に有用な同じ放熱特性が、はんだ付け用に点熱源（例えばホットバーボンディング）を必要とする組立工程の妨げになるので、はんだ付けが困難であるのが難点である。

当該技術分野においては、一層以上がフレキシブルグラファイトシートからなるラミネートが公知である。これらの構造は、例えばガスケット製造に使用されている。米国特許第４，９６１，９９１号を参照されたい。それによれば、フレキシブルグラファイトのシート間に結合された金属またはプラスチックシートを含む各種のラミネート構造を開示している。それによれば、そのような構造を、金属ネットの両側でフレキシブルグラファイトシートを冷間加工し、次いでグラファイトを金属ネットにプレス接着することにより、製造できることを開示している。それによれば、重合体樹脂被覆した布地を２枚のフレキシブルグラファイトシートの間に配置し、高分子樹脂が軟化するのに十分な温度に加熱することにより、高分子樹脂で被覆した布地を２枚のフレキシブルグラファイトシートの間に接着し、フレキシブルグラファイトラミネートを製造することも開示している。同様に、米国特許第５，５０９，９９３号には、第一工程として、結合すべき表面の一方または両方に界面活性剤を塗布する方法により製造される、フレキシブルグラファイト／金属ラミネートが開示されている。米国特許第５，１９２，６０５号にも、金属、ガラス繊維または炭素のコア材料に結合させたフレキシブルグラファイトシートからラミネートを形成している。それによれば、エポキシ樹脂および熱可塑性試剤をコア材料上に堆積させ、次いで硬化させてから、コア材料とフレキシブルグラファイトとをカレンダーロール間に供給して、ラミネートを形成している。

グラファイトラミネートは、それらのガスケット材料における用途に加えて、熱移動または冷却装置としても使用される。熱移動手段としての各種非中空構造の使用もこの分野では公知である。例えば、米国特許第５，３１６，０８０号および第５，２２４，０３０号には、好適な結合剤で接合したダイヤモンドおよびガスに由来するグラファイト繊維の熱移動装置としての使用が開示されている。そのような装置は、熱を、半導体等の供給源から吸熱源に受動的に伝導するために使用される。

米国特許第６，７５８，２６３号において、高伝導性挿入物を、グラファイト吸熱源ベース等の放熱部品中に取り入れ、熱を熱源から、その部品の厚さ方向に、そこから平面方向で伝導する方法を開示している。しかし、それによれば、熱源から比較的非伝導性の材料、例えば回路組立構造の誘電層を通して熱を伝導することは記載されていない。

簡潔に説明すると、フレキシブルで、結合剤を含まない異方性のグラファイトシート材料、例えばウェブ、紙、細片、テープ、ホイル、マット、等の製造方法は、予め決められた負荷の下で、結合剤の不存在下で、「ｃ」方向寸法が本来の粒子の約８０倍以上にも膨張したグラファイト粒子を圧縮または圧迫し、実質的に平坦で、可撓性がある、一体化されたグラファイトシートを形成することを含む。膨張したグラファイト粒子は、一般的に外観がウォーム状である、または細長く、圧縮された後、圧縮永久ひずみを維持し、シートの対向する主表面と整列している。シートの特性は、圧縮の前に、結合剤または添加剤を被覆および／または添加することにより変えることができる。米国特許第３，４０４，０６１号を参照されたい。シート材料の密度および厚さは、圧縮の程度を制御することにより変えることができる。

グラファイトシートの一般的な製造方法は、米国特許第３，４０４，０６１号（この全文は引用されることにより本願明細書の一部とされる）に記載されている。それによれば、方法の典型的な実施では、例えば硝酸および硫酸の混合物を、好ましくはグラファイトフレーク１００重量部あたりインターカレート溶液約２０〜約３００重量部（ｐｐｈ）のレベルで含む溶液中にフレークを分散させることにより、天然グラファイトフレークをインターカレーション処理する。インターカレーション溶液は、この分野で公知の酸化剤および他のインターカレーション剤を含む。例としては、酸化剤および酸化性混合物を含む溶液、例えば硝酸、塩素酸カリウム、クロム酸、過マンガン酸カリウム、クロム酸カリウム、二クロム酸カリウム、過塩素酸等、または混合物、例えば、濃硝酸と塩素酸塩、クロム酸とリン酸、硫酸と硝酸、または強有機酸の混合物、例えばトリフルオロ酢酸、および有機酸に可溶な強酸化剤、を含む溶液が挙げられる。あるいは、電位を利用してグラファイトの酸化を引き起こすこともできる。電解酸化を利用してグラファイト結晶中に導入することができる化学種としては、硫酸ならびに他の酸がある。

本考案のフレキシブルグラファイトシートは、所望により、米国特許第６，６７３，２８９号（この開示は引用されることにより本願明細書の一部とされる）に記載されているように、新しく膨脹させたウォームではなく、再粉砕したフレキシブルグラファイトシートの粒子を利用することもできる。これらのシートは、新しく形成されたシート材料、循環使用された材料、スクラップシート材料、あるいは他のいずれかの好適な供給源でもよい。

供給源材料を粉砕した後、その材料を再度膨脹させる。再膨脹は、上記のインターカレーションおよび剥離工程、および米国特許第３，４０４，０６１号および米国特許第４，８９５，７１３号に記載されている方法を使用して行うことができる。

樹脂含浸され、圧縮されたたわみ性グラファイト材料を連続的に形成する装置の一種類は、米国特許第６，７０６，４００号（この開示は引用されることにより本願明細書の一部とされる）に記載されている。

さらに、状況によっては、放熱層３０を少なくとも部分的にカプセル封入するか、または放熱層３０の表面上に被覆を施し、粒子状物質が放熱層３０から剥離するのを防止するのが望ましい場合もある。例えば、グラファイト材料は剥離し易いと感じる人もいる。真実であっても、なくても、高分子材料の被覆（典型的には厚さ２０ミクロン未満のオーダーの）を施して剥離を防止することにより、この感じを和らげることができる。この場合、高分子材料は、使用する材料が電気的に非伝導性であるので、回路組立構造１０用の誘電層２０として作用することができるが、十分に薄く、放熱層３０への熱伝導を実質的に阻害しない。あるいは、陽極酸化したアルミニウム層を使用して剥離を防止することもでき、陽極酸化層は、誘電層２０として作用する。

この問題を解決するために、図３５に示すように、連続的な、比較的堅い材料からなる薄い層３６８をグラファイト平面素子３０２の下側３０４にクラッド加工することができる。クラッド材料としては、銅、アルミニウムなど、およびそれらの合金がある。例えば、典型的には最小厚さが０．００３インチのアルミニウムシートをクラッド層として選択する。クラッド層３６８は、グラファイト平面素子３０２の表面３０４およびサーマルビア３１４の下側末端３２２に、接着剤を使用して接着させる。接着させた後、取付ネジ穴３５８および３６０を、クラッド層およびグラファイト平面素子３０２を通して打ち抜くか、またはドリル加工する。クラッド層３６８は、サーマルビア３１４の下側末端表面３２２全体にわたって連続的であり、クラッド層を通る穴は、グラファイト平面素子３０２を通る取付ネジ穴３５８および３６０だけであることに注意する。図３に図式的に示すように、クラッド加工されたヒートスプレッダを熱源グラファイト平面素子３０２に対して押し付けた時、ヒートスプレッダは平坦のままであり、サーマルビア３１４とグラファイト平面素子３０２の材料との間に生じる隙間による性能低下は無い。

Claims (19)

1. 第一および第二の対向する平坦面を有する異方性グラファイト平面要素、および等方性材料から構築されたサーマルビアを含む熱拡散構造体において、
   前記平面要素が前記第一の平坦面および第二の平坦面の間に前記グラファイト平面要素を貫通するキャビティを有し、
   前記キャビティが内側キャビティ壁を有し、
   前記サーマルビアが、前記グラファイト平面要素に埋設され、前記グラファイト平面要素の第一および第二の対向する前記平坦面に対しそれぞれ同一平面上にある第一および第二の露出した末端を有し、かつ前記末端に周辺面取り部分を有して、前記グラファイト平面要素が前記周辺面取り部分と重なり合わされるか、または、
   前記サーマルビアが、前記キャビティを通って伸びて前記内側キャビティ壁と緊密に係合する軸、および、その軸から横方向に伸びるフランジを有して、前記グラファイト平面要素の平坦面の一方と緊密に係合して、
   熱発生要素から放熱される熱が、前記サーマルビアによって前記サーマルビアを通して前記グラファイト平面要素の厚さ方向に伝導される
   ことを特徴とする熱拡散構造体。
2. 前記異方性グラファイト平面要素が、剥離されたグラファイトの圧縮された粒子を含んだものとされていることを特徴とする請求項１に記載の熱拡散構造体。
3. 前記サーマルビアが、金、銀、銅、アルミニウム、およびそれらの合金からなる群から選択された材料で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱拡散構造体。
4. 前記周辺面取り部分が、前記サーマルビアの第一および第二末端のそれぞれの上に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の熱拡散構造体。
5. 前記グラファイト平面要素と前記サーマルビアの周辺面取り部分とが重なり合わされて、グラファイト平面要素とサーマルビアとの間の熱移動が向上されることを特徴とする請求項１に記載の熱拡散構造体。
6. 前記グラファイト平面要素と前記サーマルビアの周辺面取り部分が重なり合わされて、サーマルビアとグラファイトとの間に機械的結合が生成されることを特徴とする請求項１に記載の熱拡散構造体。
7. 前記サーマルビアが円筒状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱拡散構造体。
8. 前記グラファイト平面要素の前記対向する平坦面を覆う、前記グラファイト平面要素の厚さより薄い表面層がさらに設けられ、かつ、前記サーマルビアの第一および第二の露出した末端が、前記表面層と同一平面上にあるものとされていることを特徴とする請求項１に記載の熱拡散構造体。
9. 前記第一平坦面に接着した、前記サーマルビアの第一末端を覆うクラッド層がさらに設けられていることを特徴とする請求項１に記載の熱拡散構造体。
10. 前記クラッド層および前記グラファイト平面要素を通って伸びる取付ネジ穴がさらに設けられていることを特徴とする請求項９に記載の熱拡散構造体。
11. 前記軸に摩擦係合する圧入ナットがさらに設けられ、かつ、前記平面要素が前記フランジと前記ナットとの間に挟まれるように、前記ナットが、平坦表面のフランジと係合していない表面と緊密に嵌合されていることを特徴とする請求項１記載の熱拡散構造体。
12. 前記ナットが、前記サーマルビアとは異なった材料で構成されていることを特徴とする請求項１１記載の熱拡散構造体。
13. 前記軸のフランジと反対側の末端に接触する熱源がさらに設けられ、前記熱源には、その熱源上に規定される熱伝導接触面積が設けられ、接触面積が、前記軸の末端の面積よりも小さいものとされていることを特徴とする請求項１１記載の熱拡散構造体。
14. 前記軸が、前記フランジと反対側に自由末端を有し、かつ、前記自由末端が、前記圧入ナット全体を貫通して、前記圧入ナットを越えて伸びていることを特徴とする請求項１１記載の熱拡散構造体。
15. 前記圧入ナットと前記グラファイト平面要素との間に固定された、前記軸の周りに緩装された座金がさらに設けられていることを特徴とする請求項１１記載の熱拡散構造体。
16. 前記軸には、その軸の第一フランジと反対側の末端に隣接して取り付けられた第二フランジがさらに設けられ
    前記第二フランジには、軸周りと密接する内側穴が設けられ、
    前記グラファイト平面要素には、前記キャビティを取り囲む、前記第一および第二フランジ間で圧縮された輪状部分が設けられることによって、前記第一および第二フランジの両方が前記グラファイト平面要素と緊密に嵌合されて熱伝導が向上されることを特徴とする請求項１記載の熱拡散構造体。
17. 前記第二フランジが前記軸上に圧入されることを特徴とする請求項１６記載の熱拡散構造体。
18. 前記軸には、第一フランジから離れる方向に面した軸肩部が設けられ、前記第二フランジの前記内側穴には、その内側穴上に設けられたフランジ肩部が設けられ、
    前記フランジ肩部には、前記軸肩部と相補的に設けられ、かつ、前記フランジ肩部が、前記軸肩部に当接されていることを特徴とする請求項１６記載の熱拡散構造体。
19. 前記軸には直径が一定の直円筒形外側表面が設けられ、前記第二フランジの内側穴が真円筒状とされ、かつ、前記第二フランジが、前記軸の第一フランジと反対側の末端と同一平面上に設けられていることを特徴とする請求項１６記載の熱拡散構造体。

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