JP4809604B2 - 金属製母体とグラファイトフィンとを備えた複合ヒートシンク - Google Patents

Description

本発明は、電子装置等の熱源から放出される熱を管理することができるヒートシンクに関する。

高い処理速度および高周波数で作動する能力があり、小型で、より複雑な電力条件を有する電子装置、マイクロプロセッサーや電子および電気部品ならびに装置の集積回路等の他の技術的に進化した装置、さらに高出力光学装置等の他の装置を含む電子装置の開発は益々高度になっており、極端に高い温度が発生することがある。しかしながら、マイクロプロセッサー、集積回路、その他の高性能な電子部品は、特定範囲の閾温度下でのみ効率的に動作するのが一般的である。電子部品の動作中に発生する過剰の熱は、その固有性能に有害であるのみならず、システム全体の性能や信頼性が損なわれ、システムの故障を引き起こす場合もある。電子システムの稼働によって予期される極端な温度を含む環境条件の幅が益々広くなることも、過剰熱による悪影響を助長するものである。

小型電子装置から熱を放散させる必要性が高まるに従い、電子製品の設計においては熱管理が益々重要な要素になっている。電子装置の性能信頼性および期待される寿命の両方が、装置の部品温度に逆比例する。例えば、典型的なシリコン半導体等のデバイスの動作温度を下げることにより、デバイスの処理速度、信頼性および期待される寿命を増加させることができる。従って、最大限の部品寿命や信頼性を得るために最も重要なことは、デバイスの動作温度を、設計者により設定される限度内に制御することである。

電子装置から熱が放散し易くするためのいくつかの放熱部品が用いられている。本発明は、フィン付きヒートシンクに直接応用できる。

これらのヒートシンクは、発熱している電子装置等の熱源の表面から、より低温の環境（通常は空気）中に熱を放散し易くする。ヒートシンクは、主として、空気または他の熱移動媒体と直接接触している表面積を増加することにより、電子装置と周囲空気との間の熱移動効率を高めようとするものである。これによって、より多くの熱を逃がし、電子装置の動作温度を下げる。放熱部品の主目的は、装置の温度を、その設計者／製造業者により規定される最高許容温度より低く維持し易くすることである。

ヒートシンクには、金属、特に銅またはアルミニウムから形成されているのが典型的であるが、これは、銅のような金属が熱を容易に吸収し、その熱をその構造全体に移動させる能力を有するためである。銅製のヒートシンクには、ヒートシンクの表面積を増加するためのフィンまたは他の構造が形成されており、フィンの横方向または縦方向に空気を強制的に送り（例えばファンにより）、電子部品から、銅製のヒートシンクを介して空気中に熱を放散させる。

銅またはアルミニウムの放熱素子を使用すると、特に放熱部品の熱伝達面積が電子装置の面積より著しく大きい場合に、金属の重量による問題が生じることがある。例えば、純粋な銅は、１立方体センチメートルあたりの重量が８．９６グラム（ｇ／ｃｍ^３）であり、純粋なアルミニウムは２．７０ｇ／ｃｍ^３である。

例えば、多くの用途において、数個のヒートシンクを、例えば回路基板上に配列させて、基板上の種々の部品から放熱させる必要がある。金属製のヒートシンクを使用した場合、基板上の金属の正味重量によって、基板に亀裂が入ったり他の同様の好ましくない影響を及ぼす可能性が増し、部品自体の重量も増加する。携帯用電子装置においては、放熱特性を維持しながら重量を下げるための方法が特に希求されている。

ヒートシンクに使用するのに好適な別の材料群は、一般的にグラファイトと呼ばれるが、特に以下に説明するような天然グラファイトおよびフレキシブルグラファイトを基材とする材料である。これらの材料は、異方性であり、選択された方向に熱が優先的に移動するようにヒートシンクを設計することができる。また、グラファイト材料は、はるかに軽量であり、銅やアルミニウムに対して多くの優位性を有する。

グラファイトは、炭素原子の六角形配列又は網目構造の層面から構成されている。これらの六角形に配列された炭素原子の層面は、実質的に平坦であり、かつ実質的に平行で等距離となるように互いの層面が配向又は配列されている。炭素原子からなる実質的に平坦で平行な等距離の、通常「グラフェーン層」又は「基底面」と称されるシート又は層は、互いに連結又は結合され、それらの群はクリスタリット形態で配列されている。高度に配列したグラファイトは、相当大きいクリスタリットからなり、そのクリスタリットは、互いに高度に整列もしくは配向し、よく整列した炭素層を有する。換言すれば、高度に配列したグラファイトは、高いクリスタリット配向を有する。ここで、グラファイトは、異方性構造を有するため、熱伝導性や導電率ならびに流体拡散等に高い方向性を有する多数の特徴を示したりあるいは有している。

簡単に述べると、グラファイトは、炭素の層状構造、すなわち、弱いファンデルワールス力により互いに接合した炭素原子の層または薄層が重なった構造を有することが特徴である。グラファイト構造を考える際、通常、２つの軸（又は方向）、すなわち、ｃ軸（又は方向）及びａ軸（又は方向）により説明できる。単純化するために、ｃ軸（又は方向）は、炭素層に垂直な方向と考えることができる。ａ軸（又は方向）は、炭素層に平行な方向、又はｃ軸方向に垂直な方向と考えることができる。フレキシブルグラファイトシート製造用のグラファイトは、相当高い配向性を有していることが好ましい。

上記したように、炭素原子からなる平行な各層は、弱いファンデルワールス力によってのみ結合を保っている。天然グラファイトの処理により、炭素の層または薄層が重なり合った間隔が広くなり、層と垂直な方向、すなわちｃ軸方向に著しく広がるため、炭素層の重なりが実質的に保たれたまま、伸張ないし膨張したグラファイト構造が形成される。

もとのｃ軸方向寸法の約８０倍以上の最終厚さ（またはｃ軸方向寸法）を有する程度に大きく膨張したグラファイトフレークは、バインダーを使用せずに、例えば、ウエブ、紙、ストリップ、テープ、箔、マット等（一般に「フレキシブルグラファイト」と呼ばれる）の膨張グラファイトの凝集又は一体化したシートに形成される。もとのｃ軸方向寸法の約８０倍以上の最終厚さ（またはｃ軸寸法）を有する程度にまで大容積化した膨張グラファイト粒子は、グラファイト粒子間での機械的な絡み合いや凝集力有するために、バインダー材料を用いなくとも圧縮して一体化したフレキシブルシートに形成することができると考えられる。

ロールプレス加工等の高圧縮から生じるシートの対向面は、実質的に平行な膨張グラファイト粒子やグラファイト層が配向しているため、上記のシート材料はフレキシブルであるとともに、熱伝導率や電気導電率の異方性および流体拡散性の異方性が、出発材料であるグラファイトと同程度に高いことも判明した。このように製造されたシート材料は、優れた可撓性を有し、良好な強度及び高度の配向を有する。

簡単に述べると、フレキシブルでバインダーを必要としない異方性グラファイトシート材料（例えば、ウエブ、紙、ストリップ、テープ、箔、マット等）の製造方法は、もとの粒子寸法の約８０倍以上のｃ軸方向寸法を有する膨張グラファイト粒子を、バインダーを用いずに所定負荷で圧縮又は圧密化して、実質的に平坦でフレキシブルな一体化したグラファイトシートを形成する工程を含む。一度圧縮すると、その外観が一般的にコイル構造すなわち虫様になる膨張グラファイト粒子は、圧縮ひずみが残り、シート主面と対向した配置が維持される。シート材料の密度及び厚さは、圧縮の度合いを制御することにより変更できる。シート材料の密度は、約０．０４ｇ／ｃｍ^３〜約２．０ｇ／ｃｍ^３の範囲とし得る。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主対向平行表面と平行して整列しているので高い異方性を示し、シートのロールプレス加工により異方性の程度が増加して配向性も増加する。ロールプレス加工した異方性シート材料においては、厚さ、すなわち、対向した平行シート表面に垂直な方向はｃ軸方向を含み、長さおよび幅に沿って広がる方向、すなわち、対向主面に沿った又は平行な方向はａ軸方向を含む。また、シートの熱的、電気的性質および流体拡散性は、ｃ軸方向とａ軸方向とでは、大きさが何桁も異なる。

従来のヒートシンクの設計と比較して熱伝導率が比較的高く、かつ比較的軽量である、改良されたヒートシンクを設計することが依然として必要とされている。

本発明は、アルミニウム、銅、または、アルミニウムおよび銅の組合せ、で構成される金属製母体と、前記母体に取り付けられた複数のフィンと、を有するヒートシンク装置であって、前記フィンが、前記母体から離れていく方向に相対的に高い熱伝導率を有するグラファイトの圧縮粒子で構成された少なくとも１枚の樹脂によって含浸された異方性シートで構成され、前記グラファイトの材料が、１５０℃以上の温度および１０００ポンド／平方インチ以上の圧力で硬化されて、１．８ｇ／ｃｍ ³ 〜２．０ｇ／ｃｍ ³ の密度を有する複合体が、生成され、前記母体には、複数の平行な溝が設けられ、前記フィンが、それぞれ、前記母体の溝の一つに密着して差し込まれているヒートシンク装置を提供する。

本発明の特別な実施態様では、前記母体が銅またはアルミニウムから構築される。

従って、本発明の目的は、電子装置の熱を制御するための改良されたヒートシンクの設計を提供することである。

本発明のさらに別の目的は、金属製の母体と異方性グラファイト材料から構成されたフィンとを有する複合ヒートシンクの設計を提供することである。具体的には、フィンを構成しているグラファイト材料において、構造の異方性が改良されるのに十分な温度、および、構造の熱的特性に悪影響を及ぼさずに、薄層構造を必要な程度に緻密化するのに必要な最小圧力、を提供することである。

本発明の別の目的は、銅のみからなるヒートシンクより軽量でありながら、銅のみからなるヒートシンクと略同等の熱的性能を発揮する、銅製母体とグラファイトフィンとを有する複合ヒートシンクを提供することである。

本発明のもう一つの目的は、アルミニウム製母体と複数のグラファイトフィンとを有するヒートシンク源装置であって、アルミニウムのみからなるヒートシンクの重量を超えない重量を有しながら、アルミニウムのみからなる同等の大きさを有するヒートシンクの熱的性能よりも高い熱的性能を有する、ヒートシンク装置を提供することである。

本発明の他の目的、特徴および優位性は、添付の図面を参照しながら下記の説明を読むことにより、当業者は容易に理解することができる。

上記のように、本発明のヒートシンクを構成し得る材料の一つとしては、グラファイトシート材料がある。ヒートシンクの構成を説明する前に、グラファイトおよびそのグラファイトのフレキシブルシートへの変換を簡潔に説明する。

フレキシブルグラファイトシートの製造
グラファイトは、原子が平坦層状に共有結合した面どうしが、より弱く結合した結晶形態の炭素である。上記グラファイトのフレキシブルシート等の原材料を得る際に、天然グラファイトフレーク等のグラファイト粒子を、典型的には、例えば、硫酸及び硝酸の溶液からなる挿入物質（インターカラント）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てグラファイトとインターカラントとの化合物が形成される。処理したグラファイト粒子を、以下「インターカラントグラファイト粒子」と称する。高温暴露すると、グラファイト内のインターカラントが分解・揮発して、インターカラントグラファイトの粒子が、ｃ軸方向、すなわち、グラファイトの結晶面に垂直な方向に、もとの容積の約８０倍以上の寸法に蛇腹状に膨張する。膨張（剥離とも称される）グラファイト粒子は、外観がねじ状であり、したがって、一般的にウォームと称されている。ウォームは、ともに圧縮してフレキシブルシートとすることができる。フレキシブルシートは、処理前のグラファイトフレークとは異なり、種々の形状に形成及び切断でき、また変形により機械的影響を受けて小さな横軸開口を備えることができる。

本発明に使用するのに好適なフレキシブルシート用のグラファイト出発材料としては、熱に暴露したときに有機酸や無機酸だけでなくハロゲンを挿入して膨張させた、高度に黒鉛化した炭素質材料などがある。これらの黒鉛化度の高い炭素質材料は、最も好ましくは黒鉛化度が約１．０である。この開示で使用される用語「黒鉛化度」とは、下式による値（ｇ）を意味する：

（式中、ｄ（００２）は、結晶構造におけるグラファイトの炭素層間の間隔（単位：オングストローム）である）。グラファイトの層間の間隔ｄは、標準Ｘ線回折法により測定される。（００２）、（００４）及び（００６）ミラー指数に対応する回折ピークの位置を測定し、標準最小二乗法を用いてこれらのピークの全てについて全誤差を最小にする間隔を導く。黒鉛化度が高い炭素質材料の例として、種々の原料から得られる天然グラファイトだけでなく、他の炭素質材料、例えば、化学蒸着、ポリマーの高温熱分解、または溶融金属液からの結晶化等により調製したグラファイトなどが挙げられるが、天然グラファイトが最も好ましい。

本発明に使用されるフレキシブルシート用のグラファイト出発材料は、原料の結晶構造に必要とされる黒鉛化度を保ち、かつこれらが剥離し得る限り、非グラファイト成分を含有しても良い。一般的に、結晶構造に必要とされる黒鉛化度を有し、かつ剥離し得るいずれの炭素含有原料も、本発明に好適に使用できる。このようなグラファイトは、好ましくは少なくとも８０％の純度を有する。より好ましくは、本発明に用いられるグラファイトは、純度が少なくとも約９４％の純度を有する。最も好ましい実施態様によれば、用いられるグラファイトは、少なくとも約９８％の純度を有する。

グラファイトシートを製造するための一般的な方法が、米国特許第３，４０４，０６１号（Ｓｈａｎｅ等）に記載されている。この文献に開示されている内容は、引用することにより本明細書の内容の一部とされる。Ｓｈａｎｅ等の方法の典型的な実施に際して、天然グラファイトフレークを、例えば、硝酸と硫酸の混合物溶液に分散する、好ましくは、グラファイトフレーク１００重量部当たりインターカラント溶液約２０〜約３００重量部（ｐｐｈ）程度含む溶液に分散することによりグラファイトに物質挿入を行う。インターカレーション溶液は、当該技術分野において公知の酸化剤等のインターカレーション剤を含有する。それらの例として、酸化剤及び酸化性混合物を含有するもの、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、過塩素酸等を含有する溶液、又は混合物、例えば、濃硝酸と塩素酸塩の混合物、クロム酸とリン酸の混合物、硫酸と硝酸の混合物、もしくは強有機酸（例えば、トリフルオロ酢酸）とこの有機酸に溶解する強酸化剤との混合物を含有する溶液などが挙げられる。別の方法として、電位を使用してグラファイトの酸化を生じさせることができる。電解酸化を用いたグラファイト結晶に導入できる化学種には、硫酸だけでなく他の酸も挙げられる。

好ましい実施態様によれば、インターカレーション剤は、硫酸又は硫酸とリン酸と、酸化剤、すなわち、硝酸、過塩素酸、クロム酸、過マンガン酸カリウム、過酸化水素、ヨウ素酸若しくは過ヨウ素酸との混合物の溶液等である。これらの溶液よりは好ましくないが、塩化第二鉄等のハロゲン化金属、及び塩化第二鉄と硫酸との混合物、又はハロゲン化物、例えば、臭素を臭素と硫酸の溶液としてか、あるいは臭素を有機溶媒に溶解した溶液として含有できる。

インターカレーション溶液の量は、約２０〜約３５０ｐｐｈの範囲でよく、より典型的には約４０〜約１６０ｐｐｈの範囲でよい。グラファイトフレークに物質挿入した後、過剰の溶液をグラファイトフレークから取り除いて、グラファイト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は、約１０〜約４０ｐｐｈに制限することもできる。この量では、米国特許第４，８９５，７１３号に開示されているように洗浄工程を省略してもよい。上記文献に開示されている内容も、引用することにより本明細書の内容の一部とされる。

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、必要に応じて、例えば、２５℃〜１２５℃の範囲で酸化性インターカレーション液の表面膜と反応するアルコール類、糖類、アルデヒド類及びエステル類から選択された還元性有機剤と混合して、これら還元性有機剤と接触させてもよい。好ましい具体的有機剤としては、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、ポリ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、及びリグニン由来化合物、例えば、リグノ硫酸ナトリウムなどが挙げられる。有機還元剤の量は、グラファイトフレークの粒子の約０．５〜４重量％の範囲であることが好ましい。

インターカレーション前、インターカレーション中、もしくはインターカレーション直後に膨張助剤を使用して改善することもできる。これらの改善には、剥離温度の減少及び膨張体積（「ウォーム体積」とも称される）の増加などがある。このための膨張助剤は、インターカレーション溶液に充分溶解して膨張を改善できる有機材料であるのが有利である。より詳細には、この種の有機材料としては、炭素、水素、及び酸素含有物を用いてもよく、このような有機材料のみを用いることが好ましい。上記有機材料としてカルボン酸がとりわけ有効であることが判明した。膨張助剤として有用である好適なカルボン酸は、炭素数が少なくとも１個、好ましくは炭素数が最大約１５個である、芳香族、脂肪族又はシクロ脂肪族、直鎖又は分岐鎖、飽和及び不飽和のモノカルボン酸類、ジカルボン酸類並びに多カルボン酸類から選択できるが、これらのカルボン酸は、一つ以上の剥離面で適度な改善をするのに有効な量のインターカレーション溶液に可溶であることが必要である。好適な有機溶媒を用いて、インターカレーション溶液への有機膨張剤の溶解度を改善することができる。

飽和脂肪族カルボン酸類の代表例としては、Ｈ（ＣＨ_２）_ｎＣＯＯＨ（式中、ｎは０〜約５の数である）等で表される酸類、例えば、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸、ペンタン酸、ヘキサン酸等が挙げられる。カルボン酸類の代わりに、無水物又は反応性カルボン酸誘導体、例えば、アルキルエステルを用いてもよい。アルキルエステル類の代表例は、ギ酸メチル及びギ酸エチルである。硫酸、硝酸及び他の公知の水性インターカラントは、ギ酸を分解して最終的に水と二酸化炭素とすることができる。このため、ギ酸及び他の効果的な膨張助剤を、グラファイトフレークを水性のインターカラントに浸漬する前にグラファイトフレークと接触させるのが有利である。代表的なジカルボン酸として、炭素数が２〜１２個であ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−ジカルボン酸及び芳香族ジカルボン酸、例えば、フタル酸又はテレフタル酸が挙げられる。代表的なアルキルエステルとして、ジメチルオキシレート及びジエチルオキシレートが挙げられる。代表的なシクロ脂肪族酸として、シクロヘキサンカルボン酸が挙げられ、代表的な芳香族カルボン酸として、安息香酸、ナフトエ酸、アンスラニル酸、ｐ−アミノ安息香酸、サリチル酸、ｏ−、ｍ−及びｐ−トリル酸、メトキシ及びエトキシ安息香酸、アセトアセタミド安息香酸類及びアセタミド安息香酸類、フェニル酢酸並びにナフトエ酸類が挙げられる。代表的なヒドロキシ芳香族酸としては、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−ナフトエ酸及び７−ヒドロキシ−２−ナフトエ酸が挙げられる。多カルボン酸中で代表的なものとしては、クエン酸が挙げられる。

インターカレーション溶液は水性であり、剥離を高めるのに有効な量として、好ましくは膨張助剤を約１〜１０％含有する。膨張助剤を、インターカレーション水溶液に浸漬する前又は後にグラファイトフレークと接触させる実施態様では、膨張助剤とグラファイトとを混合するに際して、典型的には膨張助剤と約０．２重量％〜約１０重量％の量のグラファイトフレークとを、好適な手段、例えば、Ｖブレンダーにより混合できる。

グラファイトフレークに物質挿入した後及びインターカラントグラファイトフレークと有機還元剤との混合に続いて、混合物を、２５℃〜１２５℃の範囲の温度に暴露して還元剤とインターカラントグラファイトフレークとの反応を促進することができる。加熱期間は、約２０時間以内であり、例えば、上記範囲において温度が高い場合には、加熱時間はもっと短かくてもよく、少なくとも約１０分間である。より高い温度では、３０分間以下の時間、例えば、１０〜２５分間程度でよい。

このように処理されたグラファイト粒子は、「インターカラントグラファイトの粒子」と称されることがある。高温、例えば、少なくとも約１６０℃の温度、とりわけ約７００℃〜１０００℃及びそれ以上の温度に暴露すると、インターカラントグラファイトの粒子は、ｃ軸方向、すなわち、構成グラファイト粒子の結晶面に垂直な方向に、蛇腹状にもとの体積の約８０〜１０００倍以上に膨張する。膨張、すなわち、剥離したグラファイト粒子は、その外観が虫状であることから、一般的にウォームと称される。ウォームを、一緒に圧縮成形して小さな横軸開口を有するフレキシブルシートとすることができる。このフレキシブルシートは、もとのグラファイトフレークとは異なり、種々の形状に形成したり切断できる。

フレキシブルグラファイトシートや箔は、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で、通常密度約０．１〜１．５グラム／立方センチメートルに効果的に圧縮される。米国特許第５，９０２，７６２号公報（この文献に開示されている内容は引用することにより本明細書の内容の一部とされる。）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、最終的なフレキシブル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且つ非粘着性であり、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。

フレキシブルグラファイトシートは、場合によっては樹脂で処理するのが有利であり、吸収された樹脂は、硬化後、フレキシブルグラファイトシートの耐湿性や取扱強度（すなわち剛性）を高めると共に、シートの形状を「固定する」。好適な樹脂含有量は、好ましくは少なくとも５〜約９０重量％、より好ましくは約１０〜３５重量％であり、約６０重量％までが好適である。本発明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、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ二フッ化ビニル、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、ジグリシジルエーテルまたはビスフェノールＡ（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。

ラミネート化されたグラファイト材料の製造
以下に説明するヒートシンクの構成に用いられる長短交互のグラファイトシートは、好ましくは２００１年８月３１日に提出された米国特許出願であってNorleyらの「LAMINATES PREPARED FROM IMPREGNATED FLEXIBLE GRAPHITE SHEETS」と題する、本発明の譲受人に譲渡された米国特許出願第０９／９４３，１３１号に記載されている方法により構成される。上記文献に開示されている内容も、引用することにより本明細書の内容の一部とされる。

Norleyらの方法により、上記のように製造された、厚さが約４ｍｍ〜７ｍｍのフレキシブルグラファイトシートを、エポキシ、アクリルまたはフェノール樹脂系等の熱硬化性樹脂で含浸させる。好適なエポキシ樹脂系としては、ビスフェノールＡのジグリシジルエーテル（ＤＧＥＢＡ）樹脂系が挙げられるが、他の多官能性エポキシ樹脂系も本発明に好適に使用できる。好適なフェノール樹脂系としては、レゾールおよびノボラックフェノール樹脂を含む系が挙げられる。次いで、シートの厚さを約０．３５ｍｍ〜０．５ｍｍにカレンダー加工するが、その時点で、カレンダー加工したエポキシ含浸フレキシブルマットは、密度が約１．４ｇ／ｃｍ^３〜約１．９ｇ／ｃｍ^３である。

エポキシ含浸グラファイトシート中の樹脂量は、最終的に組み立てられ、硬化した層構造が高密度に凝集するとともに、その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ない十分な量とすべきである。好適な樹脂含有量は、最終製品に求められる特性に応じて、好ましくは少なくとも約３重量％、より好ましくは約５〜約３５重量％である。

樹脂含浸工程においては、フレキシブルグラファイトシートは、容器を通過して（例えばスプレーノズルから放出された）樹脂系で含浸されるのが典型的である。その樹脂系は真空チャンバーにより「マットを通して吸引される」のが有利である。典型的には、樹脂系を溶媒和させ、フレキシブルグラファイトシートの中に塗布し易くするが、必ずしも必要というわけではない。その後、好ましくは樹脂を乾燥させ、樹脂や樹脂含浸シートの粘着性を下げる。

樹脂含浸され、カレンダー加工されたフレキシブルグラファイトシートを連続的に形成する装置の一種は、国際特許公開第ＷＯ００／６４８０８号パンフレットに記載されている。上記文献に開示されている内容も、引用することにより本明細書の内容の一部とされる。

カレンダー加工に続いて、樹脂含浸されたシートを適当なサイズの断片に切断し、これらの断片を積層して、プレスに載せ高温で硬化させる。硬化温度は、薄層構造が硬化圧力で確実に緻密化し、構造の異方性が改良され、その放熱装置としての特性が改良されるのに十分な温度とすべきである。一般的に、約１５０℃〜２００℃の温度を必要とする。硬化させる圧力は、使用する温度によって異なるが、構造の熱的特性に悪影響を及ぼさずに、薄層構造を確実に緻密化するのに十分な圧力とすべきである。一般的に、製造上の都合から、構造を必要な程度に緻密化するのに必要な最小圧力を使用する。そのような圧力は、一般的に１０００〜３０００ポンド／平方インチ（ｐｓｉ）である。硬化時間は、使用する樹脂系や温度および圧力によって異なるが、一般的に０．５時間〜２時間である。硬化が完了した後、その複合材料の密度は、約１．８ｇ／ｃｍ^３〜２．０ｇ／ｃｍ^３となる。

含浸シート中に存在する樹脂は、複合材料のための接着剤として作用するのが有利である。あるいは、カレンダー加工された、含浸フレキシブルグラファイトシートに接着剤を塗布して、フレキシブルシートを積層し硬化させてもよい。好適な接着剤としては、エポキシ、アクリルまたはフェノール系樹脂が挙げられる。本発明の実施に特に有用であることが判明し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樹脂を包含するフェノールを基材とする樹脂系が挙げられる。

所望により、予備プレス加工した積重構造中に非グラファイト層を含んでもよい。そのような非グラファイト層としては、金属、プラスチックまたは他の非金属材料、例えば繊維ガラスまたはセラミックが挙げられる。含浸グラファイトシート中のエポキシ重合体は、硬化して構造中の非グラファイトと含浸グラファイト層とを所定の位置にしっかりと接着結合できる。

下記の例は、好適なラミネート化された構造を例示して説明するが、本発明が制限されるものではない。他に指示がない限り、部数および百分率はすべて重量で表示する。

例１
単位面積あたりの重量が７０ｍｇ／ｃｍ^２で、寸法が約３０ｃｍｘ３０ｃｍのグラファイトシートをカレンダー加工して得られたマットのエポキシが１２重量％になるように、エポキシで含浸させた。使用したエポキシは、ビスフェノールＡのジグリシジルエーテル（ＤＧＥＢＡ）の高温硬化処方物であり、含浸手順は、アセトン−樹脂溶液で飽和させ、続いて約８０℃で乾燥させた。含浸に続いて、シートを厚さ約７ｍｍから約０．４ｍｍに、密度が１．６３ｇ／ｃｍ^３となるようにカレンダー加工を行った。次いで、カレンダー加工した含浸シートを直径約５０ｍｍのディスクに切断し、これらのディスクを４６層の高さに積層した。このディスクの積層構造体をＴＭＰ(Technical Machine Products)プレスに載せて、２６００ｐｓｉの力で、１５０℃、１時間硬化させた。得られたラミネートは、密度が１．９０ｇ／ｃｍ^３、曲げ強度が８０００ｐｓｉ、ヤング率が７．５Ｍｓｉ（百万ポンド／平方インチ）、平面内抵抗率が６マイクロオームであった。平面方向および厚さ方向の熱伝導率は、それぞれ３９６Ｗ／ｍ・゜Ｋおよび６．９Ｗ／ｍ・゜Ｋであった。これらのラミネートは、機械加工性が優れており、滑らかな仕上げの細孔の無い連続的な表面を有し、電子工学用熱管理装置に使用するのに適していた。異方性が高い熱伝導率を有する構造であることから、熱の影響を受けやすいエレクトロニクス部品から熱をヒートシンクに移動させるのに非常に適している。さらに、材料の密度約１．９４ｇ／ｃｍ^３は、アルミニウム（２．７ｇ／ｃｍ^３）より相当小さく、銅（８．９６ｇ／ｃｍ^３）よりはるかに小さい。従って、グラファイトラミネートの比熱伝導率（すなわち熱伝導率と密度の比）は、アルミニウムの約３倍であり、銅の約４〜６倍である。

本発明で使用するのに好適な積層化されたグラファイト材料は、上記の特別な材料に限定されるものではなく、例えば熱分解グラファイトシート、例えばMatsushita Electric Components Co., Ltd. Ceramic Division, 1006 Kadoma, 大阪、日本国により、パナソニックの「ＰＧＳ」（登録商標）グラファイトシートの商品名で製造されているシートの層を含んでなる積層体を含む。

図１〜２の実施態様の詳細な説明
ここで図面、特に図１および２において、ヒートシンクを全体的に１０で示す。ヒートシンク装置１０は、熱伝導率が少なくとも２００Ｗ／ｍ゜Ｋである金属母体１２を含んでなる。好ましくは、金属母体１２は、銅またはアルミニウムから構成される。銅母体１２は、熱伝導率が約３９１Ｗ／ｍ゜Ｋである。アルミニウム金属母体１２は、熱伝導率が約２０９Ｗ／ｍ゜Ｋである。

ヒートシンク装置１０は、１４Ａ〜Ｈ等の複数のフィンをさらに含んでなる。

フィン１４は、フレキシブルグラファイトシート材料から構成されてなり、好ましくは樹脂含浸され積層されたフレキシブルグラファイトシートから構築される。

上記のように、グラファイトシート材料は異方性であり、シートの平面内で相対的に高い熱伝導率約４００Ｗ／ｍ゜Ｋを有し、シートの厚さ方向では、はるかに低い熱伝導率を有する。従って、フィンがシート材料から構成される場合、フィンは、母体１２の向きに対して全体的に垂直方向にあるシートの平面内において、相対的に高い熱伝導率約４００Ｗ／ｍ゜Ｋを有する。

フィンを構成するグラファイト材料は、同等サイズの銅製のフィンよりも著しく軽量であり、同等サイズのアルミニウム製のフィンよりも軽量である。純粋な銅は重量が８．９６ｇ／ｃｍ³であり、純粋なアルミニウムは重量が２．７０ｇ／ｃｍ³である。一方、グラファイトシート材料の密度は約０．０４ｇ／ｃｍ³〜約２．０ｇ／ｃｍ³の範囲内にある。上記グラファイトの材料は、１１５０℃以上の温度および１０００ポンド／平方インチ以上の圧力で硬化されて、１．８ｇ／ｃｍ ³ 〜２．０ｇ／ｃｍ ³ の密度を有する複合体が、生成される。具体的には、上記の好ましい積層された樹脂含浸グラファイト材料は、密度が約１．９４ｇ／ｃｍ³である。

従って、銅製母体１２をグラファイトフィン１４と共に使用すると、ヒートシンク装置１０の熱的性能は、銅のみからなるヒートシンクの熱的性能と同等となり、重量は銅のみからなるヒートシンクより小さくなる。

同様に、アルミニウム製母体１２をグラファイトフィン１４と共に使用すると、ヒートシンク装置１０の熱的性能は、アルミニウムのみからなるヒートシンクの熱的性能よりも高くなり、重量はアルミニウムのみからなるものよりも小さく、確実にアルミニウムのみからなるものより小さくなる。

好ましくは、フィン１４は、１６Ａ〜Ｈ等の複数の溝を機械加工して母体１２中に取り付けられており、各溝１６の中に各フィン１４の下縁部が密着して差し込まれている。

フィン１４は、溝１６の中に、摩擦により、熱的収縮により、または接着剤を使用して所定の位置に保持されてもよい。

ヒートシンク装置１０によって冷却する電子デバイス１８は、図２に図示されるように、母体１２の下側表面に取り付けられる。電子デバイス１８は、熱的グリースまたは接着剤の層により、もしくはグラファイト材料の薄シートで構成された熱的界面層により、母体１２に熱的に接続してもよい。

このように、本発明の装置は、上記の、および固有の目的および利点を容易に達成することは明らかである。本開示の目的に、本発明の特定の好ましい実施態様を例示して説明したが、当業者は数多くの変更を加えることができ、このような変更は、本発明の精神及び範囲から逸脱するものではなく、全てのこのような修正は、添付の特許請求の範囲に含まれることは、当業者には明らかであろう。

本発明により構成されたヒートシンクを図式的に示す平面図である。 図１の線２−２の立面断面図である。

Claims (1)

1. アルミニウムまたは銅で構成される金属製母体と、前記母体に取り付けられた複数のフィンと、を有するヒートシンク装置であって、
   前記フィンが、前記母体から離れていく方向に相対的に高い熱伝導率を有する少なくとも１枚のシートであって、樹脂を含浸した異方性グラファイトの材料で構成され、
   前記異方性グラファイトの材料が、１５０℃〜２００℃の温度および１０００ポンド〜３０００ポンド／平方インチ（６．９ＭＰａ〜２０．７ＭＰａ）の圧力で硬化されることで、１．８ｇ／ｃｍ³〜２．０ｇ／ｃｍ³の密度を有する複合体が、生成され、
   前記母体には、複数の平行な溝が設けられ、そして、
   前記フィンが、それぞれ、前記母体の溝の一つに密着して差し込まれている
   ことを特徴とするヒートシンク装置。

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