JP3938681B2

JP3938681B2 - 放熱構造体

Info

Publication number: JP3938681B2
Application number: JP2001355872A
Authority: JP
Inventors: 邦彦美田; 章央鈴木; 勉米山
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 2001-11-21
Filing date: 2001-11-21
Publication date: 2007-06-27
Anticipated expiration: 2021-11-21
Also published as: KR100677818B1; CN1420558A; US20030096116A1; KR20030041802A; JP2003158393A; US6663964B2; TWI256713B; CN100385650C; TW200302558A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、放熱構造体に関し、特に、発熱性電子部品の冷却のために発熱性電子部品とヒートシンク又は回路基板などの放熱部品の間の熱境界面(therma1
interface)に介装して用いられる放熱構造体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
テレビ、ラジオ、コンピュータ、医療器具、事務機械、通信装置等の最近の電子機器の回路設計はデバイスの一層の小型化の進行により複雑性を増している。例えば、トランジスタ数十万個相当分を内包するこれらの電子機器、及びその他の電子機器のために集積回路が製造されている。設計の複雑性は増す一方で、一層小型の電子部品をますます縮小する面積に組み込んで電子部品の個数を更に増大させることが求められている。
【０００３】
そのため、電子部品の故障または機能不全の原因となるこれら電子部品から発生する熱のより効率的な放散が必要となっている。即ち、パーソナルコンピューター、デジタルビデオディスク、携帯電話などの電子機器に使用されるＣＰＵやドライバＩＣやメモリーなどのＬＳＩの集積度の向上に伴って多くの熱放散方法、それに使用する熱放散部材、及び材料が提案されている。
【０００４】
従来、電子機器等においては、その使用中に電子部品の温度上昇を抑えるために、黄銅等、熱伝導率の高い金属板を用いたヒートシンクが使用されている。このヒートシンクは、その電子部品が発生する熱を伝導し、その熱を外気との温度差によって表面から放出する。
【０００５】
電子部品から発生する熱をヒートシンクに効率良く伝えるために、ヒートシンクを電子部品に密着させる必要があるが、各電子部品の高さの違いや組み付け加工による公差があるため、柔軟性を有する熱伝導シートや、熱伝導性グリースを電子部品とヒートシンクとの間に介装させ、この間の接触熱抵抗を低下させて電子部品からヒートシンクへの熱伝導性を高めることが図られている。
【０００６】
上記熱伝導性シートの例として、特開平3−51302号公報は、グラファイトシートの片面あるいは両面に熱伝導性シリコーンゴムのコーティングを施したものが開示され、特開平11−340673号公報には電磁波シールド材料を充填したシリコーンゴム層をグラファイトフィルムに積層した放熱構造体が開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記特開平3−51302号公報に記載の放熱構造体に使用されているグラファイトシートは積層方向に5Ｗ／ｍ・Ｋ、面内方向に500Ｗ／ｍ・Ｋもの熱伝導率を有する異方性高熱伝導材料であるが、シート自体の硬度が高いため、熱伝導性シリコーンゴムで被覆しても接触熱抵抗の低下は必ずしも充分ではない。そのため、さらに低い接触熱抵抗を実現することができる放熱構造体が求められている。
【０００８】
そこで、本発明の課題は、発熱性電子部品と放熱部品との間の接触熱抵抗低下させ、放熱性を著しく向上させることができる放熱構造体を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は上記問題に鑑み鋭意検討した結果、常温では固体のシート状でしかも表面層が必要とする形状に適合して熱伝導的に密着させることが可能な未硬化の組成物で構成されているため、電子部品とヒートシンク等の放熱部品との間に装着、脱着が容易であり、一方、電子部品の動作時に発生する熱により軟化して接触熱抵抗を著しく低減されることによって放熱性能に優れる放熱構造体を開発するに至った。
【００１０】
すなわち、本発明は、上記の課題を解決する手段として、グラファイトシートと、該グラファイトシートの少なくとも片面に設けられた熱伝導性組成物層とを有してなり、電子部品と放熱部品との間に配置される放熱構造体であって、前記の熱伝導性組成物は電子部品が動作していない室温では流動性がなく、電子部品動作時にはその発熱により低粘度化、軟化又は溶融するものである放熱構造体を提供する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をさまざまな実施の形態により詳細に説明する。
−グラファイトシート−
グラファイト(黒鉛)よりなるシートであれば特に製造法等は限定されない。厚さは、0.01〜1.5mmが好ましく、より好ましくは0.1〜1.0ｍｍである。薄すぎると機械的強度が低下し脆くなり、厚すぎると柔軟性が不十分となる。このようなグラファイトシートは市販品として容易に入手することができる。
【００１２】
−熱伝導性材料−
本発明に使用される熱伝導性材料は、電子部品が動作していない室温では流動性がなく、電子部品動作時にはその発熱により低粘度化、軟化又は溶融するものである。具体的には、４０〜１００℃程度の温度範囲において熱軟化、低粘度化或いは溶融する材料であれば使用することができる。
熱伝導性材料としては、より具体的には、マトリックス相を構成する有機樹脂と、熱伝導性充填材とを含んでなる熱伝導性組成物が挙げられる。
【００１３】
［樹脂成分］
ここで使用することができる有機樹脂には、電子部品の動作温度における耐熱性を有すること、そして、電子部品が動作していない常温では流動性がなく、電子部品の動作温度において熱軟化、低粘度化、あるいは溶融すること等が求められ、こうした特性を備える有機樹脂であれば特に制限なく使用することができる。例えば、シリコーン樹脂、α−オレフィン系樹脂、パラフィン系樹脂等が挙げられ、中でも好ましいものはシリコーン樹脂である。
本発明に好適なシリコーン樹脂のより具体的な例としては、下記のものを挙げることができる。
【００１４】
シリコーン樹脂としては、熱伝導性組成物が実質的に常温で固体（非流動性）であって、４０℃以上、発熱性電子部品の発熱による最高到達温度以下、即ち、４０〜１００℃、特に４０〜９０℃程度の温度範囲において、熱軟化、低粘度化又は融解して少なくとも表面が流動化するものであればどのようなものでもよい。このことがマトリックス相が熱軟化を起こす重要な因子となる。
【００１５】
ここで言う熱軟化、低粘度化又は融解する温度は熱伝導性組成物としてのものであり、シリコーン樹脂自体は４０℃未満に融点をもつものであってもよい（シリコーン樹脂自体は常温で流動性であってもよい）。
【００１６】
シリコーン樹脂は上述の条件を満たすものであればどのようなものでもよいが、常温で非流動性を維持するために、ＲＳｉＯ_3/2単位（以下、Ｔ単位と称する）及び／又はＳｉＯ_２単位（以下、Ｑ単位と称する）を含んだ重合体、これらとＲ_２ＳｉＯ単位（以下、Ｄ単位と称する）との共重合体等が例示され、Ｄ単位からなるシリコーンオイルやシリコーン生ゴムを添加してもよい。これらの中でＴ単位とＤ単位を含むシリコーン樹脂、Ｔ単位を含むシリコーン樹脂と２５℃における粘度が１００Ｐａ・ｓ以上のシリコーンオイル又はシリコーン生ゴムの組み合わせが好ましい。シリコーン樹脂は末端がＲ^３ＳｉＯ_1/2単位（Ｍ単位）で封鎖されたものであってもよい。
【００１７】
ここで上記Ｒは炭素数１〜１０、好ましくは１〜６の非置換又は置換の一価炭化水素基であり、具体的には、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、ｔｅｒｔ−ブチル基、ペンチル基、ネオペンチル基、ヘキシル基、シクロヘキシル基、オクチル基、ノニル基、デシル基等のアルキル基、フェニル基、トリル基、キシリル基、ナフチル基等のアリール基、ベンジル基、フェニルエチル基、フェニルプロピル基等のアラルキル基、ビニル基、アリル基、プロペニル基、イソプロペニル基、ブテニル基、ヘキセニル基、シクロヘキセニル基、オクテニル基等のアルケニル基や、これらの基の水素原子の一部又は全部をフッ素、臭素、塩素等のハロゲン原子、シアノ基等で置換したもの、例えばクロロメチル基、クロロプロピル基、ブロモエチル基、トリフルオロプロピル基、シアノエチル基等が挙げられ、これらの中でも特にメチル基、フェニル基、ビニル基が好ましい。
【００１８】
更にシリコーン樹脂について具体的に説明すると、シリコーン樹脂とは、Ｔ単位及び/又はＱ単位を含むものであり、Ｍ単位とＴ単位、或いはＭ単位とＱ単位で設計することが行われている。しかしながら、固形時の強靭性に優れる（脆さを改善し、取り扱い時の破損等を防止する）ためには、Ｔ単位を導入することが有効であり、更にはＤ単位を用いることが好ましい。ここで、Ｔ単位の置換基（Ｒ）としてはメチル基、フェニル基が望ましく、Ｄ単位の置換基（Ｒ）としてはメチル基、フェニル基、ビニル基が好ましい。また上記Ｔ単位とＤ単位の比率は、１０：９０〜９０：１０、特に２０：８０〜８０：２０とすることが好ましい。
【００１９】
なお、通常用いられるＭ単位とＴ単位、或いはＭ単位とＱ単位とから合成されたレジンであっても、Ｔ単位を含み、これに主としてＤ単位からなる（末端はＭ単位）高粘度オイル（１００Ｐａ・ｓ以上）もしくは生ゴム状の化合物を混合することによって脆性が改良され、またヒートショックを掛けた場合のポンピングアウト（充填剤とベースシロキサンとの分離による気泡の生成或いはベースシロキサンの流出）を防止することができる。従って、Ｔ単位を含み、Ｄ単位を含まないシリコーン樹脂を用いる場合には、このシリコーン樹脂にＤ単位を主成分とする高粘度オイル又は生ゴム状の化合物等を添加することが好ましい。
【００２０】
よって、軟化点を有するシリコーン樹脂がＴ単位を含み、Ｄ単位を含まない場合には、上記理由によってＤ単位を主成分とする高粘度オイルもしくは生ゴム等を添加すれば取り扱い性に優れた材料となる。この場合、Ｄ単位を主成分とする高粘度オイル又は生ゴム状の化合物等の添加量は、常温より高い温度に軟化点もしくは融点を有するシリコーン樹脂１００重量部に対して１〜１００重量部、特に２〜１０重量部とすることが好ましい。１重量部未満の場合にはポンピングアウト現象の発生する可能性が大きく、１００重量部を越える場合には熱抵抗が大きくなり、放熱性能が低減するおそれがある。
【００２１】
上述したように、シリコーン樹脂は、クリティカルな粘度低下を発生させるため、比較的低分子量のものを用いることが望ましい。この低融点シリコーン樹脂の分子量としては、５００〜１００００、特に１０００〜６０００であることが好ましい。
【００２２】
なお、シリコーン樹脂は、本発明に用いられる熱伝導性材料に柔軟性とタック性（電子部品又はヒートシンクに放熱シートを仮止めする必要性から必要とされる）を付与するものが好適であり、単一の粘度の重合体等を使用してもよいが、粘度の異なる２種類以上の重合体等を混合して使用した場合には、柔軟性とタック性のバランスに優れたシートが得られるので有利となるため、粘度の異なる２種類以上を用いてもよい。
【００２３】
［熱伝導性充填材］
上記の熱伝導性組成物に使用される熱伝導性充填材としては、この種の用途に熱伝導充填材として一般に使用される公知の材料を特に制限なく使用することができ、例えば、非磁性の銅、アルミニウム等の金属、アルミナ、シリカ、マグネシア、ベンガラ、ベリリア、チタニア、ジルコニア等の金属酸化物、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化硼素等の金属窒化物、人工ダイヤモンド、炭化珪素等とされる物質を用いることができる。
【００２４】
熱伝導性充填材は、平均粒径は、電子部品の動作時の流動性と熱伝導性の両特性が良好となる点で、０．１〜１００μｍの範囲が好ましく、特に０．１〜２５μｍのものより好ましい。平均粒径が小さすぎると、混合充填時に組成物の粘度が高くなり作業性が低下する。また、実際に放熱部材として用いた場合にも加熱圧着時の粘性が高いため電子部品と放熱部品の間隙が大きくなり、熱抵抗が大きくて十分な放熱性能が得がたい。平均粒径が大きすぎると、作業時の粘度は低下するものの、実際に放熱部材として用いた場合に加熱圧着時に電子部品と放熱部品の間隙を粒子の直径以下（例えば、１００μｍ以下）に狭めることができなくなり、やはり熱抵抗が大きすぎて十分な放熱性能が得がたい。充填材としては、ある平均粒径のものを一種単独で使用してもよいし、平均粒径の異なる二種以上を混合して用いてもよい。
【００２５】
上記熱伝導性充填材の粒子の形状は特に制限されないが、球状が望ましい。
粒子の形状が球状で、平均粒径の異なる複数種を混合して用いると、細密充填に近づくので一層の熱伝導性の向上が期待され、このような配合が推奨される。例えば平均粒径10μmのアルミナ粉(A)と平均粒径1μmのアルミナ粉(B)を使用する場合、両者の配合比は、重量基準で、（A）/（B）＝70/30〜90/10が望ましい。
【００２６】
［その他の添加剤］
熱伝導性組成物には必要に応じて、例えば、合成ゴムに使用される添加剤や充填材を用いることができる。
【００２７】
具体的には、離型剤としてシリコーンオイル、フッ素変性シリコーン界面活性剤；着色剤としてカーボンブラック、二酸化チタン、ベンガラなど；難燃性付与剤として白金化合物、又は酸化鉄、酸化チタン、酸化セリウムなどの金属酸化物、又は金属水酸化物；加工性向上剤としてプロセスオイル、反応性シラン若しくはシロキサン、反応性チタネート触媒、反応性アルミ触媒などが挙げられる。
【００２８】
更には、熱伝導性充填材の高温時での沈降防止剤として沈降性或いは焼成シリカなどの微粉末粉、チクソ性向上材等を添加することも任意である。
【００２９】
［組成物の調製］
組成物を構成する諸成分を、例えば、２本ロール、バンバリーミキサー、ドウミキサー（ニーダー）、ゲートミキサー、プラネタリーミキサーなどのゴム混練機を用い、場合によっては加熱しながら、均一に混合することにより得ることができる。
【００３０】
また、本発明に使用される熱伝導性組成物は、例えば、商品名PCS-TC-10(信越化学工業(株)製、熱伝導率 5Ｗ／ｍ・Ｋ、軟化点 48℃)、PCS-TC-11（同社製、熱伝導率 4.5Ｗ／ｍ・Ｋ、軟化点 48℃）等として入手することができる。
【００３１】
【実施例】
以下、実施例により、本発明を具体的に説明する。なお、部は特記しない限り重量部を意味する。
【００３２】
−実施例１、２−
熱伝導性組成物として、信越化学工業(株)製のシリコーン樹脂系組成物（商品名：PCS-TC-10、熱伝導率：5Ｗ／ｍ・Ｋ、軟化点 48℃)を用いた。この組成物 100部にトルエン15部を加えて溶液状としたものを、松下電器(株)製、厚さ100μｍのグラファイトシートの片面にコーティングしたもの（実施例１）、及び両面にコーティングしたもの（実施例２）を作製し、これらを各々80℃で10分間加熱して溶剤を揮散させた。こうして、上記グラファイトシートの片面又は両面に厚さ１３０μｍの熱伝導性組成物層を有する放熱構造体を得た。
【００３３】
−比較例１−
実施例１で使用したものと同じグラファイトシートの片面に、プライマー（商品名：X-65-484、信越化学(株)製）で処理後に放熱性シリコーンゴム(製品名TC-TH、信越化学工業(株)製)を130μｍの厚さでスクリーン塗布し、120℃で5分間加熱して硬化させて放熱構造体を作製した。
【００３４】
−比較例２−
上記のグラファイトシート単独で、何もコーティングを施していないものを用意した。
【００３５】
−熱抵抗の測定−
実施例及び比較例で容易した放熱構造体又はグラファイトシートの65℃における熱抵抗を次の方法で測定した。結果を表１に示す。
【００３６】
［測定方法］
放熱構造体をトランジスタTO-3型の形状に打ち抜いた厚み０．５ｍｍのサンプルを、トランジスタTO-3型の形状をしたモデルヒーター(断面積７cm²)とヒートシンクFBA-150-PS（商品名、株式会社オーエス製）の間に挟んで圧縮荷重69.0〜690kPa(10〜100psi)で加重する。ヒートシンクは恒温水槽の水を循環させ６５℃で保温する。
【００３７】
次に、モデルヒーターに２６Ｖ、１Ａの電力を供給し、５分後のトランジスタ（温度Ｔ_１）とヒートシンク（温度Ｔ_２）に埋め込んでいる熱電対の温度を測定し、次式からサンプルの熱抵抗Ｒ_Ｓ（℃・cm²/W）を算出する。
【００３８】
Ｒ_Ｓ＝（Ｔ_１−Ｔ_２）／26 X ７ (℃・cm²/W)
【００３９】
【表１】

【００４０】
表１にに示された結果からわかるように、実施例１，２の放熱構造体は、グラファイトシートブランク品（比較例２）及び放熱シリコーンゴム（商品名：TC-TH、信越化学工業(株)製）を片面に厚さ１３０μmに塗布したもの（比較例１）に比べて著しく低い熱抵抗を示し、放熱性に優れている。
【００４１】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明の放熱構造体は、発熱性電子部品と放熱部品との間において電子部品の動作時に両部品を密着させ、両部品間の接触熱抵抗が著しく低下させることができるため、放熱性に優れている。それでいて、電子部品が動作していない常温では固体のシート状であるので着脱が容易で作業性に優れている。

Claims

グラファイトシートと、該グラファイトシートの少なくとも片面に設けられた熱伝導性材料層とを有してなり、電子部品と放熱部品との間に配置される放熱構造体であって、
前記の熱伝導性材料はマトリックス相を構成するシリコーン樹脂と、熱伝導性充填材とを含んでなる熱伝導性組成物からなり、このとき該シリコーン樹脂は、ＲＳｉＯ _3/2 単位（以下、Ｔ単位と称する）及び／又はＳｉＯ _２単位（以下、Ｑ単位と称する）を含んでなるオルガノポリシロキサン重合体、並びに、ＲＳｉＯ _3/2 単位（以下、Ｔ単位と称する）及び／又はＳｉＯ _２単位（以下、Ｑ単位と称する）とＲ _２ＳｉＯ単位（以下、Ｄ単位と称する）とからなるオルガノポリシロキサン共重合体（式中、Ｒは炭素数１〜１０の非置換又は置換の一価炭化水素基である。）から選ばれるものであり、
さらに、前記の熱伝導性材料は電子部品が動作していない室温では流動性がなく、電子部品動作時にはその発熱により４０〜１００℃の範囲の温度で低粘度化、軟化又は溶融するものである放熱構造体。
グラファイトシートと、該グラファイトシートの少なくとも片面に設けられた熱伝導性材料層とを有してなり、電子部品と放熱部品との間に配置される放熱構造体であって、
前記の熱伝導性材料はマトリックス相を構成するシリコーン樹脂と、熱伝導性充填材と、Ｄ単位からなるシリコーンオイル及び／又はシリコーン生ゴムとを含んでなる熱伝導性組成物からなり、このとき該シリコーン樹脂は、Ｔ単位及び／又はＱ単位を含んでなるオルガノポリシロキサン重合体、並びに、Ｔ単位及び／又はＱ単位とＤ単位とからなるオルガノポリシロキサン共重合体から選ばれる重合体であり、
さらに、前記の熱伝導性材料は電子部品が動作していない室温では流動性がなく、電子部品動作時にはその発熱により４０〜１００℃の範囲の温度で低粘度化、軟化又は溶融するものである放熱構造体。
前記のシリコーン樹脂が、Ｔ単位とＤ単位を含むオルガノポリシロキサン重合体であることを特徴とする請求項２に係る放熱構造体。
上記Ｔ単位とＤ単位の比率が、１０：９０〜９０：１０である請求項３に係る放熱構造体。
前記のシリコーン樹脂が、Ｔ単位を含みＤ単位を含まないオルガノポリシロキサン重合体であり、そして前記組成物がさらに２５℃における粘度が１００Ｐａ・ｓ以上のＤ単位を主成分とするシリコーンオイル及び／又はシリコーン生ゴムを含有することを特徴とする請求項２に係る放熱構造体。
前記組成物において、前記Ｔ単位を含みＤ単位を含まないオルガノポリシロキサン重合体からなるシリコーン樹脂が常温より高い軟化点もしくは融点を有し、該シリコーン樹脂１００重量部に対して前記Ｄ単位を主成分とするシリコーンオイル及び／又はシリコーン生ゴムの量が１〜１００重量部である請求項５に係る放熱構造体。