JP4916764B2 - 異方熱伝導積層型放熱部材 - Google Patents

Description

本発明は、特異な放熱特性を有し、電子部品等からの放熱用途に適した放熱部材に関する。

近年の電子回路の高集積化に伴い、回路から発生する熱をいかに外部へ逃がすかという放熱の問題が深刻となっている。その対策として、発熱部と放熱用のヒートシンク、ヒートパイプあるいは筐体との間に、高熱伝導性を有する放熱部材が用いられている。この放熱部材としては、取扱上ある程度のフレキシビリティーを有することが望まれることから、例えばシリコーン、アクリル樹脂、ゴム材料等に熱伝導性無機粉末が充填された形の放熱シートが用いられている。

近年の電子回路の高集積化の進展は著しく、そのためスペースの都合上発熱部と近接した位置にヒートシンク等を配置できないケースも生じてきており、その場合は発熱部の熱を少し離れた場所に配置されたヒートシンク等の位置まで効率よく伝達する必要があるが、一方でその経路付近には熱に弱い部品が配置されている可能性があり、それらへの二次的な熱による悪影響は極力避けなければならない。このような問題は、近年の高集積化に伴うＣＰＵ温度の上昇にともない顕在化しつつあり、また今後ＳｉＣチップの実用化などでチップの動作温度が高くなる場合にはますます無視できない問題となる。それに対処するためには、熱を余計なところには伝えず、伝えるべきところだけに伝えるような特性を有する特異な放熱特性を有する放熱部材が必要となってくる。

その意味で、熱伝導率に異方性を持つ材料は、上述の課題に対応できる可能性を有している。例えば特許文献１では、面内方向に特異的に高い熱伝導率を有するグラファイト部材の製造法に関する技術が示されている。
特開平１２−１６９１２５号公報

しかし、熱を余計なところには伝えず、伝えるべきところにのみ伝えたい、という要求を、種々の回路構成に対して実現しようとすれば、面内方向が高い材料のみでは困難である。

本発明の目的は、上記に鑑み、特異な放熱特性を有することで、高集積化する電子部品の放熱材料に適した放熱部材を提供することである。

すなわち、本発明は 厚さ方向の熱伝導率が面内方向の熱伝導率より高いシート状部材ａと、面内方向の熱伝導率が厚さ方向の熱伝導率よりも高いシート状部材ｂとが積層されていることを特徴とする放熱部材である。シート状部材ａにおける厚さ方向の熱伝導率と面内方向の熱伝導率の比が２以上であることが好ましく、シート状部材ｂにおける面内方向の熱伝導率と厚さ方向の熱伝導率の比が２以上であることが好ましい。また、シート状部材ａにおける厚さ方向の熱伝導率λaとシート状部材ｂにおける面内方向の熱伝導率λbとの関係が、λb＞λaであることが好ましく、シート状部材ａにおける厚さ方向の熱伝導率λaとシート状部材ｂにおける面内方向の熱伝導率λbとの関係が、λb／λa＞１０であることが特に好ましい。更に本発明は、シート状部材ａが絶縁性である場合があり、例えば、シート状部材ａが有機結合材と窒化ホウ素を含有する放熱部材である。

本発明によれば、厚さ方向の熱伝導性に優れたシート状部材と、面内方向の熱伝導性に優れたシート状部材とを、それらの熱伝導率異方性、及び熱伝導率値を制御して適当に組み合わせることにより、特定の方向に限定された高熱伝導性を実現することができる

本発明において、厚さ方向の熱伝導率に優れたシート状部材ａと、面内方向の熱伝導性に優れたシート状部材ｂの積層体を、シート状部材ａが発熱部に近いように位置させて用いることにより、特定の方向に限定された高熱伝導性を実現することができる。これはまず発熱部の面からの熱を厚さ方向の熱伝導率に優れたシート状部材ａによって効率的にシート状部材ｂに伝達し、そこからはシート状部材ｂの持つ面内方向への高熱伝導性によって任意の場所まで熱を伝達するという構成で実現される。この場合、面内方向の熱伝導率に優れたシート状部材ｂのみでは、発熱部の面に垂直方向への熱の移動が限定されるため好ましくない。また厚さ方向の熱伝導率に優れたシート状部材ａのみでは、例えば発熱部の面に垂直な方向に熱に弱い部品がある場合などに対応できないなど、これも好ましくない。

本発明において、シート状部材ａ及びｂの、熱伝導率の異方性、すなわち熱伝導率の高い方向と低い方向との比は２以上であることが好ましい。これにより熱伝達方向の限定を更に有効に発現させることができる。

また、特定位置への熱伝達について、特に装置の薄型化によりスペースがない状態を考えた場合、発熱面に垂直な方向への熱伝達距離よりも水平な方向への熱伝達距離の方が大きくなるケースが多いと考えられる。その意味で、シート状部材ａにおける厚さ方向の熱伝導率λaとシート状部材ｂにおける面内方向の熱伝導率λbとの関係が、λb＞λaである方が好ましく、λb／λa＞１０である方が更に好ましい。λa＞λbでは、シート状部材ｂによって発熱部面に水平な方向のみ伝達された熱がシート状部材ａによって再度垂直方向へも伝達されることになり好ましくない。

また、シート状部材ａは発熱部と直接接するケースが想定されることから、絶縁性であることが好ましい。その意味で少なくともシート状部材ａの構成材料としては、有機結合材と絶縁性無機充填フィラーの組み合わせが好ましく、絶縁性無機充填フィラーとしては特に窒化ホウ素粉が好ましい。窒化ホウ素粉は絶縁性でかつ結晶面の方向による熱伝導異方性が顕著な材料であり、比較的容易に熱伝導異方性を有するシート状部材を作製することができる。特開平１１−２１３８７の手法を用いれば、厚さ方向に高い熱伝導性を有するシートを作製することも可能である。

シート状部材ｂについても絶縁性はあればよいが、前述のように比較的遠方まで熱を伝達する必要から、面内方向への熱伝導率がより重要となるケースが多いと考えられる。絶縁性にこだわれば、例えば一般的に扁平度の高いＢＮ粉をシリコーン等の有機結合材に充填してコーター法で塗工することで絶縁性の高い面内高放熱シートを作製することが可能であるし、絶縁性が不要であれば、例えば前述の特許文献１の技術も使用できる。

シート状部材ａ及びｂの積層方法は、粘着層を介した貼り合わせ、あるいは物理的な嵌め合わせを含め、通常行われている手法を任意に選択できる。この場合においても、少なくとも一方が有機結合材と無機充填フィラーという構成であれば、適当な有機結合材を用いることや適当な添加剤を加えることでその表面に粘着性を付与することが比較的容易に可能になり、積層プロセスも容易にできるので好ましい。

なお、前述のシート状部材ａ、ｂにおいて、有機結合材及び無機充填フィラーを構成材料とした場合、有機結合材としては特に限定されることはなく成形可能な材料であれば任意のものが使用できる。また、必要に応じて分散剤、可塑剤、難燃剤など種々の添加剤を加えることも可能である。

本発明の異方熱伝導積層型放熱部材は、ＭＰＵやパワートランジスタ、トランス等の発熱性電子部品からの熱を放熱フィンや放熱ファン等の放熱部品に伝熱させるために使用されるが、発熱性電子部品と放熱部品の間にある程度の距離を置かざるを得ない場合や、その際に放熱部品以外への熱の拡散を抑制する必要がある場合などに特に有効である。

以下、実施例及び比較例を挙げて更に具体的に本発明を説明する。

実験１
反応性シリコーンＡ液（ビニル基を有するオルガノポリシロキサン）と反応性シリコーンＢ液（Ｈ−Ｓｉ基を有するオルガノポリシロキサン）の２液性の付加反応型シリコーン（東レダウコーニング社製、商品名「ＳＥ−１８８５」）と窒化ホウ素粉末（電気化学工業社製商品名「デンカボロンナイトライドＳＧＰ」平均粒径２０μm）を表１に示す配合体積％）の混合物１００体積部に対し反応遅延剤としてマレイン酸ジメチルをシート１、３〜５の場合は０．００８体積部、シート２の場合は０．００９体積部を添加して混合し、スラリーを調製した。

このスラリーを断面凹状の金型（１１ｃｍ角、１．０ｍｍ深さ）に流し込み、加圧プレスで１５０℃で１０分間、加圧・加熱して１．０ｍｍ厚さのグリーンシートを得た。

このグリーンシートを５０枚積層した後、それを乾燥器を用いて１５０℃で２２時間加熱硬化させて積層固化体を得た。この積層固化体をカッターで積層方向に垂直に１．０ｍｍ幅に切断し、５ｃｍ×１１ｃｍ、厚さ１．０ｍｍのシート１および２を得た。

得られたシート１およびシート２の厚さ方向の熱伝導率は、ブルカーＡＸＳ社製熱伝導率測定装置（キセノンフラッシュ）を用いて測定した。一方、面内方向の熱伝導率は、真空理工社製平板用熱伝導率測定装置（ＴＣ−７０００）を用いて評価した。その結果を表１に示す。

一方で、上記（００１９段）で得られたシート１作製用のグリーンシートを積層することなく、そのまま乾燥器で１５０℃、２２時間加熱硬化させて、厚さ１．０ｍｍのシート３を得た。これについても（００２１段）で記述した方法で厚さ方向と面内方向の熱伝導率を測定した。その結果を表１に示す。

実施例１
（００２０段）で得られたシート１に、（００１９段）で得られたグリーンシートを貼り合わせた後、１５０℃で２２時間加熱乾燥させることで、厚さ方向への熱伝導率が高いシート１と面内方向の熱伝導率が高いシート３との積層シートを得た。この積層シートを幅２０ｍｍに切断し、積層型放熱部材（２０ｍｍ×５ｃｍ×２ｍｍ厚）を得た。
得られた積層型放熱部材を発熱部品面（２０ｍｍ×２０ｍｍ）に、シート１側で貼り合わせ、図１のような構成として位置１）、２）、３）、４）でそれぞれ温度を測定した。その結果を表２に示す。発熱部品に面した側をシート状部材Ａとし、放熱ファン側をシート状部材Ｂと表して実施例および比較例で使用したシートの組み合わせを表２に示した。

実施例２
シート１の代わりにシート２を用いた以外は、実施例１と同様に行った。結果を表２に示した。

実施例３
シート１と一方面内方向に熱伝導率の高いシート状部材シート６（市販のグラファイトシート 松陽電工(株)製 ＥＹＧＳ１８２３１０）を、１０μmのアクリル系粘着剤（綜研化学社製ＳＫダイン１７１７）を介して貼り合わせ、積層型放熱部材を得た。実施例１と同様に各温度を測定した。結果を表２に示した。

比較例１
積層方向に垂直の切断幅を２．０ｍｍにした以外はシート１と同様にして作製したシート４を、実施例１のシート１とシート３から作製した積層型放熱部材の代わりに図１に示す構成にして実施例１と同様な温度測定を行った。結果を表２に示した。発熱部品からの水平方向への熱伝導性が小さいことから、放熱ファンの位置４）への熱伝達が不十分であり、発熱部品の測定位置１）の温度が比較的高い。また発熱部に垂直な方向への熱伝導性は比較的高いことから、測定位置２）の温度が比較的高くなり、この位置に熱に弱い部品が存在するような回路構成に対しては問題が生じる。

比較例２
（００１９段）で得られたシート１作製用のグリーンシートを２枚重ねて１５０℃で２２時間加熱硬化させ、厚さ２ｍｍのシート５を作製した。これをそのまま図１の構成にして実施例１と同様な温度測定を行った結果を表２に示した。この場合、発熱面に垂直方向への熱伝導性が小さいことで、やはり放熱ファンの位置への熱伝達が不十分であり、発熱部の温度（測定位置１）の温度）が比較的高い。また発熱部に水平な方向への熱伝導性は比較的高いことから、測定位置３）の温度が比較的高くなり、この位置に熱に弱い部品が存在するような回路構成に対しては問題が生じる。

比較例３
２０ｍｍ×５ｃｍ×厚さ１ｍｍのアルミナ板（シート７）を実施例１のシート１の代わりに用いた他は実施例１と同様にして積層型放熱部材を得た。各評価結果を表２に示した。発熱部の温度（測定位置１）の温度）は比較的下げられるが、やはり発熱面に水平な方向にも熱が伝わりやすい為、測定位置３）の温度が比較的高くなり、この位置に熱に弱い部品が存在する様な回路構成に対しては問題が生じる。

本発明の放熱部材の実施方法の説明図である。

符号の説明

１ シート状部材Ａ
２ シート状部材Ｂ
３ 発熱部品
４ 放熱ファン
５ 温度測定位置１）
６ 温度測定位置２）
７ 温度測定位置３）
８ 温度測定位置４）

Claims (1)

1. シート状部材ａがシリコーン６２〜７０体積％と窒化ホウ素３０〜３８体積％を含有してなり、シート状部材ａにおける厚さ方向の熱伝導率と面内方向の熱伝導率の比が５以上、シート状部材ｂにおける面内方向の熱伝導率と厚さ方向の熱伝導率の比が６以上であり、シート状部材ａにおける厚さ方向の熱伝導率λaとシート状部材ｂにおける面内方向の熱伝導率λbとの関係が、λb＞λaであり、厚さ方向の熱伝導率が面内方向の熱伝導率より高いシート状部材ａと、面内方向の熱伝導率が厚さ方向の熱伝導率よりも高いシート状部材ｂとが、発熱部に近い側にシート状部材ａが位置するように積層されていることを特徴とするシート状放熱部材。