JP4380226B2 - 熱伝導性シートとこれを用いた放熱構造体 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子機器の放熱等に使用される熱伝導性シートとこれを用いた放熱構造体に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
以下、従来の技術について、説明する。
【0003】
近年の電子機器の小型化、高性能化が進むにつれて高密度に集積されたCPU(コンピュータに用いられる中央演算処理装置)などから発生する熱を効率良く逃がすために発熱部品に放熱フィンを接触させた熱対策が行われている。
【0004】
しかし、発熱部品と放熱フィンのそれぞれお互いの接触面には小さな凹凸による空隙が多数存在するため、接触面積が小さくなり、発熱部品から放熱フィンへの熱伝達がスムーズに行われない。
【0005】
この対策として従来グリースを塗布する方法が用いられているが、グリースは塗布して使用されるため、工程が複雑になること、塗布に際して汚れを伴うことや自動化しにくいことなどの課題があり、また、長時間使用した場合グリース中の熱伝導用固形分と油分が分離してしまい、熱抵抗が大きくなり、熱伝達の効果が損なわれるという課題や、組立時の不具合によるやり直し(リワーク)を行う時も大きな工数がかかるという課題があった。これを改善するために、グラファイトシート単独かまたはシートの片面あるいは両面にシリコーンゴムを塗布したもの等を発熱部品と放熱フィンの間に挟み込み多数存在する空隙を埋めることにより、熱抵抗を小さくする方法が提案されており、例えば先行技術文献としては特許文献1が知られている。
【0006】
【特許文献1】
特開昭62−25440号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
前記のグラファイトシートの片面あるいは両面にシリコーンゴムを塗布したものは、発熱部品への取り付け性は向上するが、シリコーンゴムの熱伝導率が低いため、熱伝達の効果が損なわれるという課題があった。
【0008】
また、グラファイトシートとシリコーンゴムを接着するための工数が必要で高価なものになっていた。
【0009】
また、グラファイトシートを単独で使用する場合、発熱部品と放熱フィンの間に柔軟なグラファイトシートを挟み込んで加圧することにより、発熱部品と放熱フィンの凹凸がグラファイトシートに食い込む形で挟み込まれ、発熱部品、放熱フィン、グラファイトシートそれぞれの凹凸が打ち消されて接触部分の熱抵抗が小さくなり、さらにグラファイトシート内部の空隙が押し潰されてなくなることにより熱伝達効果が発揮されていた。
【0010】
しかし、従来この取り付け時の加圧力は、10kg/cm2程度であったが、近年低圧力で取り付ける要望が増加し、一部には1.5kg/cm2程度の圧力で取り付けるケースが発生しており、この場合、発熱部品と放熱フィンの凹凸のグラファイトシートへの食い込みが少なくなるため、発熱部品とグラファイトシートの間の接触部と、放熱フィンとグラファイトシートの間の接触部の空隙が多数残された状態で取り付けられてしまい熱抵抗が大きくなってしまう。
【0011】
さらに、グラファイトシート内部の空隙も、低圧力で取り付けられることにより押し潰されず、空隙が多数残された状態で取り付けられるため、十分な熱伝達効果が得られないという課題があった。
【0012】
さらにグラファイトシートを半導体製装置内のウエハーの均熱に使用する場合、装置内のクリーン度が重要であるが、グラファイトシートは結晶層間の強度が弱く、作業中の摩擦により表面の結晶層の一部が破壊しカーボン粉の粉塵が発生してしまうという不具合があるため、グラファイトシートの表面に粘着テープを張ったり、金属板で覆う等の処理を行った上で使用されていたが、粘着テープや金属板等はグラファイトシートに比べ熱伝導率が小さいため、熱伝達の効果が損なわれるという課題もあった。
【0013】
本発明は、作業性が良く、長時間使用しても熱伝達の効果が損なわれることがなく、低加圧でも良好な熱伝達を行うことができるとともに、カーボン粉の粉塵が発生しない熱伝導性シートを提供することを目的とするものである。
【0014】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、以下の構成を有するものである。
【0015】
本発明の請求項1に記載の発明は、常温で液体であり、かつ使用温度範囲において相変化がない物質と、グラファイトシートとを備え、前記物質はパーフルオロポリエーテルである熱伝導性シートであり、取り付け時の加圧力が小さくても液体が自由に移動できるため、グラファイトシート表面のしわ状の微細な凹凸により接合部に形成される空隙をなくし、さらに加圧力で移動した液体が5〜100μmといった比較的大きな窪み部分に溜まることにより、窪み部分に残る空隙を小さくし、空隙による熱抵抗を最小限に抑えることにより良好な熱伝達が得られるという作用を有する。また前記物質をパーフルオロポリエーテルとすることにより発熱温度が高い状態でも長期間にわたって低く安定した熱抵抗を保持できるため、放熱効果の信頼性を高めることができるという作用を有する。
【0016】
また、表面に存在している液体が潤滑剤の役目を果たし、作業中の摩擦によりカーボン粉が発生し難く、また発生しても液体に吸着され、カーボン粉がグラファイトシートから離脱することを抑えることができる。
【0017】
請求項2に記載の発明は、前記常温で液体であり、かつ使用温度範囲において相変化がない物質は、グラファイトシートの表面に設けた請求項1に記載の熱伝導性シートであり、グラファイトシート表面のしわ状の微細な凹凸や、5〜100μmといった比較的大きな窪みを液体で埋めることにより熱抵抗を下げることができるとともにグラファイトシートからのカーボン粉の発生を防止することができる。
【0018】
請求項3に記載の発明は、常温で液体であり、かつ使用温度範囲において相変化がない物質は、グラファイトシートの内部に存在する空隙部分に設けた請求項1に記載の熱伝導性シートであり、グラファイトシートの内部の空隙も液体で埋めてしまうことにより、高い熱伝導率が得られ、良好な熱伝達ができるという作用を有する。
【0019】
請求項4に記載の発明は、常温で液体でありかつ使用温度範囲において相変化がない物質に、金属粉末、セラミックス粉末、カーボン粉末、ダイヤモンド粉末の内少なくとも一つ以上の粉末を含む請求項1に記載の熱伝導性シートであり、液体だけでは埋められないグラファイトシートの表面に存在する5μm〜100μmの窪み部分に液体と粉末の混合物を埋め込むことにより、窪み部分に残る空隙を更に小さくし、空隙による熱抵抗を最小限に抑えるとともに粉末の持つ熱伝導を利用することにより、良好な熱伝達ができるという作用を有する。
【0020】
請求項5に記載の発明は、常温で液体であり、かつ使用温度範囲において相変化がない物質とグラファイトシートとを備えた熱伝導性シートを、発熱部品と放熱フィンやヒートパイプ、冷却用ファンなどの放熱手段との間に介在させた放熱構造体であり、この構成により発熱部品と放熱手段とのそれぞれお互いの接触面に存在する小さな凹凸による空隙をなくし、接触面積を大きくして熱抵抗を下げることにより、効率のよい放熱構造体が得られるものである。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下本発明の一実施の形態における複合電子部品について、図面を参照しながら説明する。
【0022】
図1は本発明の一実施の形態における熱伝導性シートの斜視図であり、熱伝導性シート1はグラファイトシート2の両面に液体層3が形成されたものである。
【0023】
図2は本発明の一実施の形態における放熱構造体の断面図であり、グラファイトシート2と液体層3からなる熱伝導性シート1を発熱部品4と放熱フィン5の間に挟み、その後放熱フィン5を固定用ネジ6により取り付けるものである。
【0024】
(実施の形態1)
まず、ポリイミドフィルムを不活性ガス中で室温から昇温して1000℃〜1600℃の温度範囲で予備焼成を行い、さらに不活性ガス中で2500℃以上の温度で焼成してグラファイト化したのち、圧延処理を行って図1に示した高配向性のグラファイトシート2を得る。
【0025】
次にこのグラファイトシートの表面にパーフルオロポリエーテルよりなる液体層3をローラーを用いて塗布した後、布を用いて、手で軽く触れても指に付着して濡れることがない程度までグラファイトシート表面に溜まった余分なパーフルオロポリエーテルを拭き取り試料1とする。
【0026】
この試料1を図2のように発熱部品4と放熱フィン5の間に挟み、トルクドライバーによって固定用ネジ6を締め付け、約7Wの電力になるように電圧を印加し30分放置して定常状態になった後に発熱部品の温度と放熱フィンの温度より熱抵抗を算出する。
【0027】
熱抵抗の測定にあたっては、上記トルクドライバーの締め付け力を1.5kg/cm2〜10kg/cm2の範囲で変えて測定を行った結果を(表1)に示す。
【0028】
また比較のために表面に何も塗布していない圧延処理後のグラファイトシート単独の試料2についても同様の測定を行い、その結果を(表1)に併せて示す。
【0029】
【表1】
【0030】
(表1)で#を付した試料は本発明の範囲外の比較例である。
【0031】
(表1)の結果から明らかなように、本発明の実施の形態1でグラファイトシートの表面にパーフルオロポリエーテル層を形成した試料1ではグラファイトシート単独(試料2)より熱抵抗が低く、取り付け時の加圧力にほとんど関係無く熱抵抗が低くなり、放熱効果が著しく向上していることがわかる。
【0032】
これは、グラファイトシート単独の場合は表面のしわ状の微細な凹凸や5〜100μmといった比較的大きな窪みや、グラファイトシート内部の小さな空隙により、締め付け力を大きくしないと熱抵抗を小さくできないが、グラファイトシートの表面にパーフルオロポリエーテルによる液体層を形成した試料では取り付け時の加圧力が小さくても液体が自由に移動でき、さらに5〜100μmといった比較的大きな窪み部分をも埋めることができるため、空隙による熱抵抗を最小限に抑えることにより良好な熱伝達が得られるものである。
【0033】
(実施の形態2)
パーフルオロポリエーテルの中にパーフルオロポリエーテル100重量%に対し50重量%の量の窒化ホウ素の粉末を入れて、ロールミルを用いて混合した。
【0034】
実施の形態1と同様に高配向性のグラファイトシートを準備し、次にこのグラファイトシートの表面にパーフルオロポリエーテルと窒化ホウ素の粉末の混合物を塗布ローラーを用いて塗布した後、実施の形態1と同じ方法で表面に溜まった余分なパーフルオロポリエーテルと窒化ホウ素の粉末の混合物を布で拭き取り、熱抵抗を測定した結果を(表2)に示す。
【0035】
(表2)の比較例は実施の形態1と同じものである。
【0036】
【表2】
【0037】
(表2)で#を付した試料は本発明の範囲外の比較例である。
【0038】
(表2)の結果から明らかなように、本発明の実施の形態2でグラファイトシートの表面にパーフルオロポリエーテルと窒化ホウ素の粉末の混合物で液体層を形成した試料ではグラファイトシート単独より熱抵抗が低く、取り付け時の加圧力に関係無く熱抵抗が非常に低くなり、放熱効果が著しく向上していることがわかる。
【0039】
さらに、グラファイトシートからのカーボン粉の離脱を検討するため、実施の形態1〜2で作成した本発明による試料と、比較のために表面に何も塗布していない圧延処理後のグラファイトシートを各2枚ずつ用意し、白い紙の上で本発明による試料どうし2枚並びに表面に何も塗布していない圧延処理後のグラファイトシートどうし2枚を擦り合わせて、グラファイトシートからのカーボン粉の離脱の有無を確認した。
【0040】
その結果、表面に何も塗布していない圧延処理後のグラファイトシートは、少量のカーボン粉がグラファイトシートから離脱していたが、実施の形態1〜2で作成した試料ではカーボン粉の離脱は見られなかった。
【0041】
この結果から明らかなように、パーフルオロポリエーテルが表面に存在しているとこれらの液体が潤滑剤の役目を果たし、作業中の摩擦によるカーボン粉の発生を抑え、また発生しても液体に吸着され、カーボン粉がグラファイトシートから離脱することを抑えることができるものであり、カーボン粉などの粉体の発生を嫌う半導体製造装置のような精密機器でも使用することができるものである。
【0042】
なお、実施の形態1〜2ではポリイミドの熱分解により作成した高配向性のグラファイトシートを用いたが、天然黒鉛を酸処理し洗浄後加熱して膨張した黒鉛をプレス成形して得られるいわゆる膨張黒鉛に本発明を適用した場合でも同様の効果を奏する。
【0043】
常温で液体であり、かつ使用温度範囲において相変化がない物質という場合の使用温度範囲は、通常パソコン等の電子機器の使用温度範囲である−20℃〜130℃であり、この使用温度範囲内で、液体の状態から相変化を起こして気体になってしまった場合には、グラファイトシートと発熱部品または、グラファイトシートと放熱フィンの間から気化して失われてしまうため本発明の効果は得られない。
【0044】
また使用温度範囲内で液体の状態から相変化を起こして固体になってしまう場合、相変化に伴って体積の変化が起こるため、使用時と不使用時の繰り返しによる温度サイクルによりグラファイトシートが変形し、発熱部品と放熱フィンの間に固定用ネジで締め付けられて使用されていると隙間が発生してしまう。
【0045】
この隙間により発熱部品と放熱フィンの間の熱伝達の効果が損なわれる。
【0046】
ここで相変化とは、物質がたとえば液体などの1つの相から固体などの他の相に変化することを意味し、常温とは冷却や加熱をしない通常の温度をいう。
【0047】
またこれら液体を塗布する方法としては、ローラー塗布以外にもスプレーや液体中への浸漬やスピンコートなどの方法を用いることができるが、柔らかいグラファイトの表面を傷つけずに塗布することが必要である。
【0048】
また、実施の形態1〜2では、手で軽く触れても指に付着して濡れることがない程度までグラファイトシート表面に溜まった余分な液体を拭き取ったが、これは発熱部品の発熱部品と放熱フィンの間に挟み込む作業時の汚れを考慮して行ったものであり、拭き取りを行わず濡れた状態でも同様の効果を奏する。
【0049】
(参考例)
実施の形態1と同様に高配向性のグラファイトシートを準備し、このグラファイトシートをシリコーンオイル(信越化学製、商品名KF96−500cs)を満たしたビーカ−に浸漬した後、真空容器に入れ0.1気圧で10分間真空含浸を行う。
【0050】
また図3は参考例で使用したグラファイトシートであり、図4に示した従来のグラファイトシート2の空隙部分21をシリコーンオイル11で埋めた状態を示す。
【0051】
図3から明らかなように、参考例のように真空含浸によりグラファイトシートの内部並びに表面にシリコーンオイルで液体層が形成される。
【0052】
【発明の効果】
以上のように本発明は、グラファイトシートに常温で液体であり、かつ使用温度範囲において相変化がない物質よりなる液体層を設けることにより、作業性が良く、長時間使用しても熱伝達の効果を損なわず、加圧力に関係無く熱抵抗が非常に低くなり、さらに加圧力が小さくても十分低い熱抵抗を実現でき、放熱効果を向上することができ、さらにカーボン粉の粉塵が発生しないという効果を奏するものである。特に前記物質をパーフルオロポリエーテルとすることにより発熱温度が高い状態でも長期間にわたって低く安定した熱抵抗を保持できるため、放熱効果の信頼性を高めることができるという作用効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施の形態における熱伝導性シートの斜視図
【図2】 本発明の一実施の形態における放熱構造体の断面図
【図3】 参考例における熱伝導性シートの模式図
【図4】 従来のグラファイトシートの空隙部分を示す模式図
【符号の説明】
1 熱伝導性シート
2 グラファイトシート
3 液体層
4 発熱部品
5 放熱フィン
6 固定用ネジ
11 シリコーンオイル
21 空隙部分
Claims (5)
- グラファイトシートと、このグラファイトシートに常温で液体でありかつ使用温度範囲において相変化がない物質を備え、前記物質はパーフルオロポリエーテルである熱伝導性シート。
- 常温で液体でありかつ使用温度範囲において相変化がない物質は、グラファイトシートの表面に設けた請求項1に記載の熱伝導性シート。
- グラファイトシートは内部に空隙部分を有するものであり、常温で液体でありかつ使用温度範囲において相変化がない物質は、前記空隙部分に設けた請求項1に記載の熱伝導性シート。
- 常温で液体でありかつ使用温度範囲において相変化がない物質に、金属粉末、セラミックス粉末、カーボン粉末、ダイヤモンド粉末の内少なくとも一つの粉末を含む請求項1に記載の熱伝導性シート。
- 請求項1記載の熱伝導性シートを、発熱部品と、放熱手段との間に介在させてなる放熱構造体。
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