JP4168047B2 - 伝熱シートおよび伝熱シートの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、伝熱シートおよび伝熱シートの製造方法に係り、詳しくは、ＣＰＵ、発光ダイオード、変圧器、パワートランジスタ、液晶パネル、プラズマディスプレイ等の発熱を伴う電子部品の放熱用として、或いは、電子機器における発熱体又は冷却体に対する効率の良い熱伝達媒体として用いられる伝熱シートおよびその製造方法に関するものである。

電子機器における上記の電子部品は使用に伴って発熱し、その自身の発する熱によって性能低下を来たすことがあるため、一般的には、ヒートシンクや筐体等の放熱体を用いて速やかに放熱させる手段が採られている。この場合、発熱電子部品と放熱体との間には熱伝達のインターフェースとして伝熱シートが介装されることが多い。

従来の伝熱シートは、シート状体としてシリコンシートやシリコングリースを用いたもの（特許文献１や特許文献２）や、アルミ合金や銅等による金属板を用いたもの（特許文献３）が知られている。また、金属箔と合成樹脂シート材とを積層して成るものや、黒鉛を膨張させてから加圧一体化して層状構造を有するシート（層状構造部を有するシート状体）とした膨張黒鉛シートを所定形状にカットして成るもの（例えば、特許文献４や特許文献５）も知られている。

シリコン系材料による従来の伝熱シートでは、発熱体（発熱電子部品）及び放熱体との馴染み性に優れる利点はあるが、熱伝導率に劣る不利がある。金属系の伝熱シートは熱伝導率が大きい利点はあるものの、発熱体や放熱体との馴染み性には劣る難点がある。金属箔と合成樹脂との積層品は面方向（面に平行な方向）の熱伝導率は良いが、厚み方向の熱伝導率には劣る。また、膨張黒鉛シートは面方向には優れた熱伝導率を示すが、厚み方向の熱伝導率は面方向の１／２０未満でしかないという難点がある。

以上のように、従来では前記したいずれの種類の伝熱シートであってもそれぞれに一長一短があり、抜きん出る性能を有する伝熱シートには至らなかったので、使用目的や使用状況を勘案してそれら三者のものから選択して用いるようにしていたのが実情であった。
特開平１０−０４０８２３号公報 特開２００２−２２２９０４号公報 特開２００５−１０１０２５号公報 特開平１０−２３１１１１号公報 特開昭６４−０１４１３９号公報

本発明の目的は、互いに同一方向に形成される複数の層状構造部を有するシート状体からなる伝熱シートでは、総じて熱伝導率が厚み方向には芳しくないが、面方向には優れている特性を有することに着目してこれを改良することにより、良好な熱伝導率と良好な馴染み性とを得て、全体としての熱伝導性能が向上する伝熱シートおよびその製造方法を提供する点にある。

請求項１に係る発明は、放熱体１２に熱を伝達する伝熱シートであって、前記伝熱シートは、複数の膨張黒鉛シートが積層して成る層状構造部１を有し、前記層状構造部１の端面が前記伝熱シートとしての表面と同一面となる状態に構成される歪曲部３が形成されており、前記層状構造部１の端面が前記放熱体１２に接触することを特徴とするものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の伝熱シートにおいて、前記歪曲部３が、前記層状構造部１の端面が前記伝熱シートとしての表裏何れかの表面と同一面となるように、前記層状構造部１の端部を折り曲げることで構成されていることを特徴とするものである。

請求項３に係る発明は、請求項１に記載の伝熱シートにおいて、前記歪曲部３が、前記層状構造部２１のの端面が前記伝熱シートとしての表裏何れかの表面２２Ａと同一面となるように、前記層状構造部２１内の露呈部分２４ａを変形させることで構成されていることを特徴とするものである。

請求項４に係る発明は、複数の層状構造部５１と鋼球５４とを有する伝熱シートＡ５の製造方法である。前記層状構造部５１は、複数の膨張黒鉛シートが積層して成るものである。前記膨張黒鉛粒子と前記鋼球５４とを混合した後、加圧して、部分的に前記層状構造部５１を破ることにより、層方向で隣合う前記層状構造部５１どうしのうちの少なくとも一方の端面を他方の前記層状構造部５１に当接させることを特徴とするものである。

複数の膨張黒鉛シートが積層して成る層状構造部は、面方向には優れた熱伝導率を示す。請求項１の発明によれば、層状構造部の端面が伝熱シートとしての表面と同一面となる状態に構成され、かつ、層状構造部の端面が放熱体に接触するから、面方向の優れた熱伝導率が厚み方向にも分配されるようになり、厚み方向の熱伝導率を改善することができる。その結果、複数の層状構造部を有する伝熱シートの改良により、厚み方向の良好な熱伝導率と良好な馴染み性とを得て、全体としての熱伝導性能が向上する改善された伝熱シートを提供することができる。

伝熱シートは、発熱体と放熱体との間に介装されるものであるから、厚み方向の熱伝導率向上によって発熱体と放熱体との熱伝達効率を大きく改善できる利点がある。

この場合、請求項２のように、層状構造部の端部を折り曲げることで歪曲部を形成すれば、層状構造部の端部において厚み方向の熱伝導率が明確に改善される利点があるとともに、請求項３のように、層状構造部内の露呈部分を変形させることで歪曲部を形成すれば、歪曲部を形成する箇所における厚み方向の熱伝導率が明確に改善される利点がある。

以下に、本発明による伝熱シートの実施の形態を、図面を参照しながら説明する。図１〜図３は実施例１による伝熱シートを、図４，５は実施例２による伝熱シートを示し、図６〜図８は、それぞれ実施例３〜５による伝熱シートを示している。尚、伝熱シートは非常に薄いものであるが、図面理解上、各図においてはシート状体を故意に厚くして描いてある。

〔実施例１〕
実施例１による伝熱シートＡ１を図１に示す。この伝熱シートＡ１は、膨張黒鉛を主原料として成る層状構造部１を多数有するシート状体（膨張黒鉛シート）２が構成されるとともに、層状構造部１の端面がシート状体２としての表面（扁平面）と同一面となる状態に構成される歪曲部３がシート状体２に形成されて成るものである。歪曲部３は、シート状体２の左右両端面がシート状体２の裏面（底面）２Ａと同一面となるように、シート状体２の左右両端部をプレス成形等によって下方に折り曲げることで構成されている（図３参照）。

ここで、膨張黒鉛は、各種シール材等の構成材料として一般的に用いられていた四弗化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ、ＰＦＡ等）やゴムなどに比べて耐熱性や熱伝導性に優れており、近年において多用されつつある公知の材料である。また、膨張黒鉛シートは、膨張させた黒鉛粒子をプレス成形やロール成形により加圧して拡開した蛇腹状の層間（層状構造部１，１間）を再び密着させることで、膨張黒鉛粒子を相互に自己接着してシート状に製造されるものである。つまり、これがシート状体が「互いに同一方向に形成される層状構造部を有する」の意であり、請求項においては「互いに同一方向に形成される」を省略して「層状構造部を有するシート状体……」と表現しても権利範囲上の意味は同じである。尚、前述の製造手段では、表面から内側の各層状構造部は、その表面に露呈されている層状構造部と同一方向に形成されていると見て差し支えなく、請求項においては「表面と同一方向に形成されている層状構造部を有するシート状体……」と表現しても権利範囲上の意味は同じである。

シート状体２は、図３に示すような方法によって作成される。まず、図３（ａ）に示すように、密度１．０ｇ／ｃｍ3 で平面視が矩形で所定の厚さを有する膨張黒鉛製のシート状体２の左右両端部に、水平面である底面２Ａに対して３０度の角度が付くように傾斜させた端面（傾斜端面）４を形成する。この端面４の形成手段は問わない。そして、主にシート状体２の左右両端部をプレス器等の加圧力によって下方に押付け、図３（ｂ）に示すように、各端面４，４が底面２Ａと同一面となるまでそれら左及び右端部を強制的に折り曲げて左右の歪曲部３，３が形成される。その結果、図１に示す伝熱シートＡ１が得られるのである。

実施例１の伝熱シートＡ１の使用例を図２に示す。図２において、１１はパワートランジスタ等の発熱体で、１２はヒートシンク等の放熱体であり、これら発熱体１１と放熱体１２との上下間に伝熱シートＡ１が介装されている。左右の歪曲部３，３においては、端面４，４が放熱体１２の上面１２ａに密着可能に沿った状態になっている。従って、発熱体１１から伝熱シートＡ１に伝達された熱は、シート状体２の底面２Ａを介して放熱体１２に伝達されるとともに、左右の端面４，４からも放熱体１２に伝達される。

前述したように、膨張黒鉛シートは面方向には優れた熱伝導率を有しているので、所定形状の試料片（３０ｍｍ×３０ｍｍ×０．２５ｍｍ）においては、従来品（左右端面が垂直に切断されたもの）の厚み方向（層方向）の熱伝導率が５．０（Ｗ／ｍＫ）であったものが、実施例１による伝熱シートＡ１では７．１（Ｗ／ｍＫ）に改善されていることが実験データから判った。つまり、シート状体２の左右の端部を下向きに折り曲げる程度の簡単な改造にも拘らず、発熱体１１から放熱体１２への熱伝導率が明確に改善され、性能向上が図れている。

例えば、シート状体２の左右端部に加えて前後端部も下方に折り曲げて歪曲部３，３として、放熱体１２に対する厚み方向の熱伝導率を改善させるとか、前後の端部を上方に折り曲げての歪曲部３，３として、シート状体２よりも平面視形状が大きい発熱体１１に対する厚み方向の熱伝導率を改善させるようにした伝熱シートＡ１でも良い。また、歪曲部３は、シート状体２の前後方向に貫通形成されず、局部的に形成されるものでも良い。

〔実施例２〕
実施例２による伝熱シートＡ２を図４に示す。この伝熱シートＡ２は、実施例１の伝熱シートＡ１と同様に、膨張黒鉛を主原料として成る層状構造部２１の多数を上下に積層したような状態のシート状体（膨張黒鉛シート）２２が構成されるとともに、層状構造部２１の端面がシート状体２２としての表面（扁平面）２２Ａと同一面となる状態に構成される歪曲部２３がシート状体２２に形成されて成るものである。

歪曲部２３は、層状構造部２２の断層が露呈されるようにシート状体２２の裏面（底面）２２Ａの表面に抉り取り凹部２４が形成されている状態のシート状体２２の全体をその厚み方向に圧縮することにより、抉り取り凹部２４の凹表面２４ａを底面２２Ａと同一面となるように変形させて馴染ませることで構成されている。その作成方法（製造方法）は次のようである。

まず、図５（ａ）に示すように、密度０．８ｇ／ｃｍ3 で平面視が矩形で厚さＤを有する膨張黒鉛製のシート状体２２の底面２２Ａの複数箇所（例：左右に計二箇所）に、上方に円弧形状で凹入する幅２ｍｍ程度の抉り取り凹部２４を前後方向に貫通する状態で形成する。そして、シート状体２の全体をプレス器等の加圧力によって下方に強力に押付けて、図５（ｂ）に示すように、抉り取り凹部２４の凹表面２４ａが底面２２Ａと同一平面となる所定の厚さｄまで圧縮変形させ、左右の二箇所に歪曲部２３，２３が作成される。圧縮変形後のシート状体２２の密度は１．０ｇ／ｃｍ3 であった。その結果、図４に示す伝熱シートＡ２が得られるのである。

各歪曲部２３，２３においては、薄膜シート体１としての端面（断層面）が底面２２Ａと同一面に形成されるので、専用の図示は省略するが、例えば図２に示す放熱体１２に対する熱伝導率が格段に向上することが知見された。即ち、所定形状の試料片（３０ｍｍ×３０ｍｍ×０．２５ｍｍ）においては、実施例２による伝熱シートＡ２では、５．０（Ｗ／ｍＫ）から１３．３（Ｗ／ｍＫ）に大きく改善されている。つまり、シート状体２の底面側の左右二箇所に溝状の抉り取り凹部２４を形成して厚み方向に圧縮させる程度の改造にも拘らず、熱伝導媒体としての熱伝導率が飛躍的に改善され、抜群の性能向上が図れる伝熱シートＡ２を提供できている。

上述したように、実施例１や実施例２の伝熱シートＡ１，Ａ２においては、面方向に伝熱している熱流束を厚み方向に転換して伝熱面（底面２Ａ，２２Ａや放熱体１２の上面１２ａ等）に伝達させることができるので、厚み方向の熱伝導率を大きく改善することが可能になる。そして、例えば発熱体や放熱体における局部的に伝熱量の大きな部分があるときには、その発熱又は放熱の大きな部分に歪曲部３，２３を合致させるという設計が可能になり、一層効率良く熱伝達させることができる伝熱シートを提供し得る利点がある。

厚み方向の熱伝導率が改善されるので、厚みを増して発熱体や放熱体の表面の凹凸、起伏を吸収できて優れた馴染み性を確保することができる。これにより、熱伝導率がさらに向上する二次効果も得られる。面方向で良好な熱伝導率（例：１５０Ｗ／ｍＫ）と、厚み方向で劣る熱伝導率（例：５Ｗ／ｍＫ）という伝熱特性差を小さくすることができる。従って、膨張黒鉛の持つ面方向の優れた熱伝導率を、従来に比べて有効に活用することができ、優れた熱伝導率を有する伝熱シートＡ１，Ａ２を提供することができる。

例えば、圧縮成形前において、予め抉り取り凹部２４をシート状体２２の上下複数箇所に形成しておいて、歪曲部２３がシート状体２２の上下に形成して、発熱体及び放熱体のいずれに対しても厚み方向の熱伝導率が改善される構造の伝熱シートＡ２でも良い。また、抉り取り凹部２４による歪曲部２３は、シート状体２２の前後方向に貫通しない局部的なものであっても良い。さらに、図２に示す伝熱シートＡ１において、抉り取り凹部２４に起因する湾曲部２３が、シート状体２の上面に面一となる状態で追加形成された構成とすることも自在である。

〔実施例３〕
実施例３による伝熱シートＡ３を図６に示す。この伝熱シートＡ３は、複数の層状構造部３１を有するシート状体３２が構成されるとともに、層方向で隣合う層状構造部３１どうしのうちの少なくとも一方の層状構造部３１の端面３１ａが他方の層状構造部３１に当接する状態の短絡部３３が形成されて成るものである。短絡部３３は、シート状体３２にその厚み方向に延びる比較的小径の孔３４を機械的に形成することにより、孔３４部位においては層方向で隣合う層状構造部３１どうしのうちの少なくとも一方の層状構造部３１の端面が折り曲げられて他方の層状構造部３１に当接する手段に構成されている。

例えば、図６に仮想線で示すように、先の尖った棒状の穿孔部材３５をシート状体３２に厚み方向に突き刺すことで孔３４を形成する手段が考えられる。上から下方に突き刺した場合、層状構造部３１における破れて下方に折れ曲ったバーリング部分３１ｂの端面がその下側の層状構造部３１のバーリング部分３１ｂの根元部分に接触するような状況になるのである。下から上方に突き刺すことによる孔３４を形成しても良い。孔３４の部位においては厚み方向の熱伝導率が改善されるので、特に発熱又は放熱させたい箇所に孔３４が一するように設定すれば、さらに効率良く熱伝達させることが可能になる。また、孔３４の数が増えれば増えるほど厚み方向の熱伝導率を改善することが可能になる。

実例としては、厚みが０，２５ｍｍで膨張黒鉛シートによる層状構造部３１を、厚み方向にニードル加工することで多数の貫通する孔３４を形成し、層間（層状構造部間）を短絡させることができた。尚、孔３４の数、深さ、穿孔方向（垂直、斜め）等は、伝熱シートＡ３の使用箇所、温度条件等の種々の諸条件に応じて適宜に設定することが自在である。

〔実施例４〕
実施例４による伝熱シートＡ４を図７に示す。この伝熱シートＡ４は、実施例３のシート状体３２の上下中間に金属箔４４が埋設されている以外は同じであり、異なる点について記載する。即ち、シート状体４２は、層方向で隣合う層状構造部３１どうしの間に金属箔４４が介装されたものであり、上下向きの孔３４が金属箔４４を貫く状態に形成されて伝熱シートＡ４が構成されている。金属箔４４における折れ曲ったバーリング部分４４ｂの端面は、上下で相隣る層状構造部３１に接触して短絡部３３を構成している。金属箔４４部位においては、厚み方向の熱伝導率改善効果をより明確に得ることができる。

実例としては、厚みが０．１２５ｍｍの膨張黒鉛シートの２枚の中間に５０μｍのアルミ箔４４を配置及び積層して、シート状体４２を作成し、それからニードル加工を施して中間層のアルミ箔４４の破り（爪たて）部分（短絡部３３）を多数形成して層状構造部３１，３１間を短絡させる（膨張黒鉛の配向層間を短絡）。

〔実施例５〕
実施例５による伝熱シートＡ５を図８に示す。この伝熱シートＡ５は、短絡部３３が、層方向で隣合う層状構造部５１どうしの間に粒状物質（例：鋼球５４を介装させた状態で厚み方向に圧縮することで部分的に層状構造部５１を破り、その破られた部位においては層方向で隣合う層状構造部５１どうしのうちの少なくとも一方の層状構造部５１の端面が他方の層状構造部５１に当接する手段に構成されている。つまり、シート状体５２においては、粒状物質５４によって破られて形成される破砕部５１ｂの端面が、上下で相隣る層状構造部５１に接触するようになり、それによって厚み方向の熱伝導率が大きく向上するようになる。

実例としては、膨張処理した黒鉛と金属粒子とを混合した後、加圧して厚さ０．２５ｍｍの膨張黒鉛シートを製造した。この実施例５の伝熱シートＡ５では、金属粒子（鋼球）を多く混ぜることで伝熱シートの種々の箇所において厚み方向の熱伝導率が改善されるので、全体的に満遍なく厚み方向の熱伝導率が改善される伝熱シートＡ５とすることができる。尚、シート状体２としては、複数の薄膜シート材を積層して成るものでも良く、その場合には「層状構造部」を「薄膜シート材」と読み換えるものとする。

実施例１による伝熱シートを示す斜視図 図１の伝熱シートの使用例を示す斜視図 （ａ），（ｂ）は図１の伝熱シートの製造方法を示す各工程図 実施例２による伝熱シートを示す斜視図 （ａ），（ｂ）は図４の伝熱シートの製造方法を示す各工程図 実施例３による伝熱シートを示す断面図 実施例４による伝熱シートを示す断面図 実施例５による伝熱シートを示す断面図

符号の説明

１，２１，３１，５１ 層状構造部
２，２２，３２ シート状体
３，２３ 歪曲部
２２Ａ シート状体の表裏何れかの面
２４ 抉り取り凹部
２４ａ 凹表面
３３ 短絡部
３４ 孔
４４ 金属箔
５１ｂ 破られた部位
５４ 粒状物質
Ａ１〜Ａ５ 伝熱シート

Claims (4)

1. 放熱体に熱を伝達する伝熱シートであって、
   前記伝熱シートは、複数の膨張黒鉛シートが積層して成る層状構造部を有し、
   前記層状構造部の端面が前記伝熱シートとしての表面と同一面となる状態に構成される歪曲部が形成されており、
   前記層状構造部の端面が前記放熱体に接触する、伝熱シート。
2. 前記歪曲部が、前記層状構造部の端面が前記伝熱シートとしての表裏何れかの表面と同一面となるように、前記層状構造部の端部を折り曲げることで構成されている請求項１に記載の伝熱シート。
3. 前記歪曲部が、前記層状構造部の端面が前記伝熱シートとしての表裏何れかの表面と同一面となるように、前記層状構造部内の露呈部分を変形させることで構成されている請求項１に記載の伝熱シート。
4. 複数の層状構造部と鋼球とを有する伝熱シートの製造方法であって、
   前記層状構造部は、複数の膨張黒鉛シートが積層して成るものであり、
   前記膨張黒鉛粒子と前記鋼球とを混合した後、加圧して、部分的に前記層状構造部を破ることにより、層方向で隣合う前記層状構造部どうしのうちの少なくとも一方の端面を他方の前記層状構造部に当接させる、伝熱シートの製造方法。

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