JP4489861B2

JP4489861B2 - 熱伝導性シート

Info

Publication number: JP4489861B2
Application number: JP02818599A
Authority: JP
Inventors: 奈津子石原
Original assignee: Polymatech Co Ltd
Current assignee: Polymatech Co Ltd
Priority date: 1999-02-05
Filing date: 1999-02-05
Publication date: 2010-06-23
Anticipated expiration: 2019-02-05
Also published as: JP2000228471A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発熱性のある電子部品からの熱を冷却部材等に放散させる熱伝導性シートに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の発熱素子の熱拡散方法は、熱源と放熱体の間に熱伝導性シリコーングリースや柔軟性のある熱伝導性シリコーンゴムを介在させることにより接触熱抵抗を下げる構造となっている。超低硬度の熱伝導性シリコーンゴムを用いると、発熱素子と放熱体の圧着に伴う変形や損傷を防ぎ、大きさ、高さの異なる発熱素子を高密度で実装する際の凹凸を吸収することができる。
【０００３】
そのような熱伝導性シートは、熱伝導性を上げるためにマトリックスに熱伝導率の大きな金属やセラミックス、炭素短繊維などを充填する方法がとられており、公知となっている。
例えば、特開平２−１６６７５５号公報は金属酸化物や窒化ホウ素をシリコーンゲルに混入した伝熱シートに溝を設けたものであり、圧着時に撓んで熱膨張を吸収する構造となっている。
【０００４】
強度を持たせ作業性を向上させるために、特開平２−１９６４５３号公報には熱伝導性フィラーを混入したシリコーンゴムを強度保持層とし、熱伝導性フィラーを混入した柔軟性シリコーンゲルを変形層として複合化した熱伝導性シートが提案されている。
【０００５】
特開平６−１５５５１７号公報および特開平７−１４９５０号公報には、網目状物、樹脂製のフィルムあるいは不織布から選ばれる補強材を有した低硬度シリコーンゴムシートが提案されている。
【０００６】
その他炭素繊維からなる放熱材料として、特開平５−２０９１５７号公報および特開平６−２９９１２９号公報には炭素繊維等の無機繊維または有機繊維または金属繊維の織物等を充填し、あるいは糸まり状で充填した電子デバイス用接着剤が提案されている。また、特開平６−２１２１３７は三次元構造の炭素繊維を充填した接着性材料である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、金属酸化物や窒化ホウ素をシリコーンゲルに混入した伝熱シートは、比重の大きい金属やセラミックスをシリコーンゲルに高充填するため、シートの比重が大きくなってしまい、電子機器の軽量化を妨げる要因となっていた。また、非常に軟らかく強度がないため、実装時の作業性が悪いという問題があった。
【０００８】
また、特開平２−１９６４５３号公報記載の熱伝導性フィラーを混入したシリコーンゴムを強度保持層とする複合化した熱伝導性シートは、強度保持層を複合化することで接触熱抵抗が上がってしまうという問題があった。
さらに、特開平６−１５５５１７号公報および特開平７−１４９５０号公報記載の網目状物、樹脂製のフィルムあるいは不織布から選ばれる補強材を有した低硬度シリコーンゴムシートは、従来使用されている補強材を用いると熱伝導率を低下させてしまうことがあり、さらにまた、製造時に補強層を複合化する工程が増えてしまい生産性が悪いという問題があった。
その他炭素繊維からなる接着性材料は、未硬化または半硬化状であって取扱い性が非常に悪く、染み出しによる汚染が問題となっていた。さらに、リサイクルできないという問題があった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するものであり、高い熱伝導性を有し軽量で取り扱い性が良好な熱伝導性シートを提供することを目的とする。
【００１０】
すなわち、本発明における熱伝導性シートは、ピッチ系炭素繊維からなり、短繊維状炭素繊維不織布の黒鉛化グレードである基布に、液状の付加反応型ポリオルガノシロキサンを含浸させてプレス成形することにより、前記基布にシリコーンゴムが含浸し、かつ、表面に前記基布の少なくとも一部の炭素繊維が表出してなる熱伝導性シートである。また、前記基布の目付量が５０〜１０００ｇ／ｍ２である熱伝導性シートである。熱伝導率をさらに向上させるために、前記熱伝導性シート中に熱伝導性充填剤が分散配合されてなる熱伝導性シートである。
【００１１】
本発明のピッチ系炭素繊維は、石油系あるいは石炭系に限らず光学的異方性ピッチと光学的等方性ピッチに区別されるうち、高強度、高弾性率であり、かつ耐薬品性、耐高温酸化性に優れた光学的異方性ピッチを用いることが好ましい。
本発明の基布は、織布や不織布、クロス、抄紙、フェルト等が挙げられる。炭素繊維の直径、長さ、断面形状および基布の開口率、目付量、厚み等については特定するものではない。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図を用いて本発明の代表的な形態に関してさらに詳しく説明する。
本発明は、図１に示すように、シリコーンゴム１をピッチ系炭素繊維からなる基布２に含浸した熱伝導性シート３である。図１は熱伝導性シートの表面がシリコーンゴムであるが、図２に示すように、基布の少なくとも一部、すなわち炭素繊維が熱伝導性シートの表面に露出４していてもかまわない。
【００１３】
さらに、図３に示すように、熱伝導性シートの中に熱伝導性充填剤５を分散配合して熱伝導性の向上を図ることができる。
さらにまた、熱伝導性シートに電気絶縁性が必要な場合、図４または図５に示すように、熱伝導性シートの少なくとも片面に電気絶縁層６を積層する。図４は、熱伝導性充填剤５を分散配合してある。
【００１４】
本発明で用いるピッチ系炭素繊維からなる基布としては、織布や不織布、クロス、抄紙、フェルト等と称されるものが挙げられる。炭素繊維の直径、長さ、断面形状および基布の開口率、目付量、厚み等については特定するものではないが、目付量としては５０〜１０００ｇ／ｍ^２が好ましく、さらに好ましくは１００〜６００ｇ／ｍ^２が用いられる。５０ｇ／ｍ^２よりも少ないと熱伝導率が小さく、１０００ｇ／ｍ^２よりも多いとシート成形性が悪くなるため適さない。
【００１５】
本発明で用いるピッチ系炭素繊維としては、石油系あるいは石炭系に限らず、光学的異方性ピッチと光学的等方性ピッチに区別されるうち、高強度、高弾性率であり、かつ耐薬品性、耐高温酸化性に優れた光学的異方性ピッチを用いることが好ましい。さらには、光学的異方性ピッチを原料として１５００〜３０００℃程で熱処理を行った黒鉛化ピッチが繊維長方向に高い熱伝導率を有するため好ましい。ただし、熱処理は基布状にする前の繊維に行っても基布状にした後で行っても構わない。また、シリコーンゴムとのぬれ性を向上させるため、ピッチ系炭素繊維からなる基布に、ＵＶ改質、コロナ改質、カップリング剤塗布等の表面処理を施しても構わない。
【００１６】
本発明のシリコーンゴムは、公知のポリオルガノシロキサンを硬化することによって得られる。硬化方法については限定するものではなく、有機過酸化物によるラジカル反応、ビニル基を含むポリオルガノシロキサンとケイ素原子に結合した水素原子を有するオルガノハイドロジェンと白金系触媒とからなる付加反応、縮合反応等が挙げられる。その中でも、液状の付加反応型ポリオルガノシロキサンが基布に染み込みやすく好ましい。また、補強性シリカや難燃剤、着色剤、耐熱性向上剤、接着助剤、粘着剤、可塑剤、オイル等を添加しても良い。
【００１７】
本発明の熱伝導性充填剤は、熱伝導性の優れる酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、水酸化アルミニウム、炭化ケイ素等の金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、金属水酸化物や、銀、金、銅、アルミニウム、マグネシウム等の金属や合金、並びにダイヤモンド、炭素繊維から選ばれる少なくとも一種の球状、粉体状、繊維状、針状、鱗片状、ペレット状の充填剤が挙げられる。その中でも、電気絶縁性に優れ安価な酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、水酸化アルミニウムから選ばれる少なくとも一種の熱伝導性充填剤が好ましい。
このような熱伝導性充填剤を熱伝導性シート中に分散配合することにより、熱伝導率をさらに向上させることができる。
【００１８】
本発明の電気絶縁層は、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリテトラフルオロエチレン等の耐熱樹脂製フィルム、アラミド、ポリエステル等の織布あるいは不織布およびシリコーンゴム、フッ素ゴム等が挙げられる。電気絶縁層の厚みは特に限定するものではなく、熱伝導性シートの少なくとも片面に積層される。また、熱伝導性シートの熱伝導率の低下を抑えるために、これらの電気絶縁層に電気絶縁性および熱伝導性を有する充填剤を配合させてもよい。
【００１９】
以下の実施例にて、本発明の熱伝導性シートを具体的に説明する。
【実施例１】
ピッチ系炭素繊維からなる基布である短繊維状炭素繊維不織布の黒鉛化グレード２（株式会社ペトカ製メルブロンフェルト４００ｇ／ｍ^２）に液状の付加反応型シリコーンゴム１（東レ・ダウコーニング・シリコーン株式会社製）を含浸し、金型にてプレス成形により図２と同様の構成の厚さ１ｍｍの熱伝導性シート３を得た。
【００２０】
【実施例２】
液状の付加反応型シリコーンゲル１（東芝シリコーン株式会社製）に熱伝導性充填剤として酸化アルミニウム粉末５（昭和電工株式会社製球状アルミナＡＳ−２０）を含有したシリコーンコンパウンドを、実施例１で用いたピッチ系炭素繊維からなる基布２に含浸し、実施例１と同様にして成形し、図３と同様の構成の厚さ１ｍｍの熱伝導性シート３を得た。
【００２１】
【実施例３】
実施例１で成形した熱伝導性シート３の片面に、実施例２で調整したシリコーンコンパウンドをドクターブレード法により厚さ０．２ｍｍの電気絶縁層６として積層し、図４と同様の構成の厚さ１．２ｍｍの熱伝導性シートを得た。
【００２２】
【実施例４】
金型内に電気絶縁層として厚さ０．１ｍｍのポリテトラフルオロエチレンフィルムを敷き、実施例１と同様の材料にてプレス成形を行い、両面に電気絶縁層６を積層した図５と同様の構成の厚さ１．２ｍｍの熱伝導性シートを得た。
【００２３】
【比較例１】
液状の付加反応型シリコーンゲル（東芝シリコーン株式会社製）に熱伝導性充填剤として酸化アルミニウム粉末（昭和電工株式会社製球状アルミナＡＳ−２０）を含有したシリコーンコンパウンドを、ドクターブレード法により厚さ１ｍｍのシート状にし、加熱硬化により熱伝導性シートを得た。
【００２４】
以上のように得られた熱伝導性シートの各実施例と比較例の熱伝導率は、迅速熱伝導率計（京都電子工業株式会社製ＱＴＭ−５００）で測定した。表面抵抗は抵抗率計（三菱油化製ＭＣＰ−Ｔ３００ロレスタＣＰ）で測定した。
測定の結果を、比重、作業性と共に表１に示す。
作業性とは形状保持性が悪く実装時に取り扱い性の悪いものを×、取扱い性良好なものを○とした。
【表１】

【００２５】
表１によれば、比較例１は電気絶縁性に優れるけれども熱伝導性が低く、含有する熱伝導性充填剤の比重が大きいために得られた熱伝導性シートの比重も大きくなり、電子機器の軽量化を妨げる要因となってしまう。また、マトリックスにシリコーンゲルを用いているため作業性が悪く、形状保持性も劣っている。
【００２６】
【発明の効果】
本発明の熱伝導性シートはピッチ系炭素繊維からなる基布を使用したことにより高い熱伝導率を有し、また、ピッチ系炭素繊維の比重が小さいために得られた熱伝導性シートの比重も小さくなっている。さらに、基布が使用されているため、作業性と形状保持性に優れたものとなっている。さらにまた、電気絶縁層を積層した場合では表面抵抗が高く、絶縁性を求められる用途においても熱伝導率の高い熱伝導性シートとして使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の熱伝導性シートの断面図
【図２】実施例１の熱伝導性シートの断面図
【図３】実施例２のの熱伝導性シートの断面図
【図４】実施例３の熱伝導性シートの断面図
【図５】実施例４の熱伝導性シートの断面図
【符号の説明】
１シリコーンゴム
２基布
３熱伝導性シート
４露出部分
５熱伝導性充填剤
６電気絶縁層

Claims

ピッチ系炭素繊維からなり、短繊維状炭素繊維不織布の黒鉛化グレードである基布に、液状の付加反応型ポリオルガノシロキサンを含浸させてプレス成形することにより、前記基布にシリコーンゴムが含浸し、かつ、表面に前記基布の少なくとも一部の炭素繊維が表出してなる熱伝導性シート。
前記基布の目付量が５０〜１０００ｇ／ｍ２である請求項１に記載の熱伝導性シート。
熱伝導性充填剤が、分散配合されてなる請求項１に記載の熱伝導性シート。