JP5069861B2 - グラファイトフィルム、およびそれを用いた熱拡散フィルム、ならびにそれを用いた熱拡散方法。 - Google Patents
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Description
上記の特許文献(1)〜(5)に記載のグラファイトフィルム放熱シートには接着性がなく、そのままでは発熱体や冷却体との良好な接続ができないと言う欠点があった。放熱・熱拡散の用途にはCPUなどの発熱源と熱伝導体であるグラファイトフィルムを十分に接触させる必要があり、さらに冷却フィンや筐体などの冷却・放熱部材との十分な接触を取る必要も生じる。特に発熱源や放熱体が凹凸の在るような表面を有している場合には十分な接触を取れないために接合面での熱抵抗が大きくなり、グラファイトフィルムの高熱伝導特性を生かすことができない。
本発明の課題は、上記グラファイトフィルムと発熱体との間の熱抵抗を小さくし、グラファイトフィルムが有する熱伝導特性を損なう事無く放熱することのできる熱拡散フィルムを提供する事である。
「20%以上の圧縮率を有し、かつフィルム面方向とフィルム厚さ方向で熱伝導度の異方性を有するグラファイトフィルムの一部が
厚さ方向への加圧処理によって圧縮され、
該グラファイトフィルムにおいて圧縮状態が異なる部分が共存している
事を特徴とするグラファイトフィルム。」、
である。
「前記の圧縮状態が異なる部分が共存しているグラファイトフィルムであって、
未圧縮部分、既圧縮部分のうち低圧縮部分、および既圧縮部分のうち高圧縮部分
からなる群から選択される2以上の、互いに圧縮状態が異なる部分のいずれかで、少なくとも見かけ上の厚さの差が生じている事を特徴とする、(1)記載のグラファイトフィルム。」、
である。
「20%以上の圧縮率を有し、かつフィルム面方向とフィルム厚さ方向で熱伝導度の異方性を有するグラファイトフィルム。」、
である。
「前記の
20%以上の圧縮率を有し、かつフィルム面方向とフィルム厚さ方向で熱伝導度の異方性を有するグラファイトフィルムが、
高分子フィルム及び/又は炭素化フィルムからなる原料フィルムを
不活性ガス中または真空中、2400℃以上の温度で処理して得られうるグラファイトフィルムであって、
該原料フィルムの厚さの80%以上に膨張したグラファイトフィルムであることを特徴とする、(1)〜(3)のいずれかに記載の、グラファイトフィルム。」、
である。
「(1)〜(4)のいずれかに記載のグラファイトフィルムと、
接着機能を有する層とを含む熱拡散フィルムであって、
該接着機能を有する層が該グラファイトフィルムのフィルム面の一部に設けられている事を特徴とする熱拡散フィルム。」、
である。
「(5)に記載の接着機能を有する層が、(1)〜(2)のいずれかに記載のグラファイトフィルムの
既圧縮部分のうち低圧縮部分及び/又は既圧縮部分のうち高圧縮部分に形成されている事を特徴とする熱拡散フィルム。」、
である。
「前記グラファイトフィルムの
既圧縮部分のうち低圧縮部分及び/又は既圧縮部分のうち高圧縮部分の
表面には
接着機能及び/又は電気的に絶縁性の機能
を有する層が形成されており、
前記グラファイトフィルムの未圧縮部分の少なくとも一方の面には、
前記の接着機能及び/又は電気的に絶縁性の機能を有する層が形成されていない
事を特徴とする、(5)に記載の熱拡散フィルム。」、
である。
「前記グラファイトフィルムの面方向の熱伝導度が100W/mK以上である事を特徴とする(5)〜(7)のいずれかに記載の熱拡散フィルム。」、
である。
「(4)に記載の高分子フィルムが、
ポリイミド、ポリオキサジアゾール、及びポリパラフェニレンビニレンからなる群から選択される少なくとも一種類である、(5)〜(8)のいずれかに記載の熱拡散フィルム。」、
である。
「(9)に記載のポリイミドフィルムの
100〜200℃の範囲における平均線膨張係数が2.5×10-5cm/cm/℃以下である事を特徴とする、(5)〜(9)のいずれかに記載の熱拡散フィルム。」、
である。
「(9)に記載のポリイミドフィルムの
複屈折が0.13以上である事を特徴とする、(5)〜(10)のいずれかに記載の熱拡散フィルム。」、
である。
「(1)、(2)、(4)のいずれかに記載のグラファイトフィルムの未圧縮部分と発熱体とを接触させ、さらに、該未圧縮部分が加圧されるように接続する事を特徴とする熱拡散方法。」、
である。
「(12)に記載の熱拡散方法であって、さらに(1)、(2)、(4)のいずれかに記載のグラファイトフィルムの既圧縮部分が接着機能を有する層を介して放熱部分と接合されている事を特徴とする熱拡散方法。」、
である。
圧縮処理されていない部分は発熱体との接合に用いられ、接合時に圧縮する事で熱抵抗の小さな接続が実現できる。圧縮された部分は発熱体からグラファイトに移動した熱を拡散させる役割を有するが、この部分は圧縮されている事により熱の拡散性能を高める事が出来る。
接着機能を有する層が設けられていないグラファイトの部分は主に発熱体との接合に使用されるが、この場合グラファイト層は20%以上の圧縮率を有しているので、これを圧縮する様に発熱体に押し付けて接合する事で良好な接続が保てる事になる。グラファイトの接着機能を有する層が設けられた部分は放熱の役割を果たす部分と接合して用いられる。
圧縮された部分は本発明の第二項で述べたように熱拡散性が優れているので、放熱体の必要部分(例えばヒートシンクの底面など)に貼り付ける事で放熱効率を著しく向上させる事が出来る。
これらの高分子フィルムを原料として用いる事により本目的に合致した放熱グラファイトフィルムを得る事が出来る。
この様なポリイミドフィルムを原料として用いる事により本目的に合致したグラファイト熱拡散フィルムを得る事が出来る。
この様なポリイミドフィルムを原料として用いる事により本目的に合致したグラファイト熱拡散フィルムを得る事が出来る。
グラファイトは炭素原子が層状に広がった構造を持ち、その面方向に優れた熱伝導性を有する。理想的なグラファイトでは面方向の熱伝導度は2000W/mKに達し、この値は銅の熱伝導398W/mKの5倍である。さらに、グラファイトの厚さ方向の熱伝導度は面方向のおよそ1/400程度である、という特徴がある。本発明の目的は熱拡散(放熱)であるから、本発明にとっては面方向の熱伝導度が大きい事は極めて重要である。一方、フィルムの厚み方向の熱伝導度は小さいので厚さ方向の厚みは小さいほど好ましく、さらに発熱体との接合方法が重要となる。すなわち熱抵抗をいかに小さくするかが重要となる。
下記、式(1)、(2)、(3)、および(4)で表される繰り返し単位からなる群から選択される少なくとも1種以上の繰り返し単位を有するポリイミド、あるいは下記、式(1)、(2)、(3)、および(4)で表される繰り返し単位からなる群から選択される少なくとも2種以上の繰り返し単位を有するポリイミドの共重合体フィルム、あるいは、式(1)、式(2)、式(3)及び式(4)で表されるポリイミド共重合体からなる群からから選択される少なくとも2種以上のポリイミド共重合体の混合物フィルムである事、でその目的を達成する事が出来る。
である。なお、R1は、
からなる群から選択される2価の有機基であって、R2はそれぞれ独立して、−CH3、−Cl、−Br、−F、または−CH3Oである。
式(3)中のRは
であって、ここでnは1〜3の整数。そしてXおよびYはそれぞれ独立して、水素、ハロゲン、カルボキシル基、炭素数6以下の低級アルキル基、または炭素数6以下のアルコキシ基、そしてAは、−O−、−S−、−CO−、−SO2−、または−CH2−、である。
さらに、式(1)、(2)で表される繰り返し単位をもつポリイミド共重合体ポリイミドフィルムであって、4、4’−オキシジアニリンおよびパラフェニレンジアミンをモル比で9/1〜4/6の割合で含むジアミンを用いて得られるポリイミドフィルムは本目的のグラファイトを得るために最も好ましく用いられる。これらのポリイミドフィルムを2400℃以上の温度で熱処理することにより、本発明の目的のグラファイトフィルムを得ることが出来る。中でも上記、ポリイミドが一般式(1)、(2)、(7)、(8)で表される繰り返し単位をもつポリイミド共重合体であって、それぞれの繰り返し単位の数を、a、b、c、dとし、a+b+c+dをsとしたとき、(a+b)/s、(a+c)/s、(b+d)/s、(c+d)/sが0.25〜0.75を満たすポリイミドフィルムである場合は最も好ましく本発明のグラファイトフィルムを作製する目的で用いられる。
複屈折Δnx=(面内X方向の屈折率Nx)−(厚み方向の屈折率Nz) (式1)
具体的測定方法を説明すると、フィルム試料をくさび形に切り出してナトリウム光をフィルム面内のX方向に垂直な方向から当て、偏光顕微鏡で観察すると干渉縞がみられる。この干渉縞の数をnとすると、フィルム面内X方向の複屈折Δnxは、下記の式2で表される。
Δnx=n×λ/d (式2)
ここで、λはナトリウム光の波長589nm、dは試料の巾(幅)(nm)である。詳しくは「新実験化学講座」第19巻(丸善(株))などに記載されている。
発明の目的に使用できる様な現実的なグラファイトの製造方法として、
(1)天然黒鉛や人造黒鉛等の黒鉛粉末をシート化して得られるグラファイトフィルム、(2)高分子フィルムを熱処理して得られるグラファイトフィルムを挙げる事が出来る。
本発明では熱拡散(放熱)目的には、圧縮状態が異なる部分が共存するグラファイトフィルムを用い、
その一態様として、
高圧縮部分(一態様として、既圧縮部分)と低圧縮部分(一態様として未圧縮部分あるいはまた、一態様として、強く圧縮された既圧縮部分よりは弱く圧縮された既圧縮部分)の共存するグラファイトフィルム(一態様として、既圧縮部分と未圧縮部分とが共存することを特徴とするグラファイトフィルムであり、)を用いるが、
低圧縮部分は発熱体との接合に用いられ、接合部分を形成する祭に低圧縮部分がさらに圧縮されるように接合を形成する事で接合部分の熱抵抗を小さくする目的で使用される。
まず、本発明の実施例として用いた4種類のグラファイトフィルムについて述べるが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。
ピロメリット酸二無水物、4,4‘−ジアミノジフェニルエーテル、p−フェニレンジアミンをモル比で4/3/1の割合で合成したポリアミド酸の18wt%のDMF溶液100gに無水酢酸20gとイソキノリン10gからなる硬化剤を混合、攪拌し、遠心分離による脱泡の後、アルミ箔上に流延塗布した。攪拌から脱泡までは0℃に冷却しながら行った。このアルミ箔とポリアミド酸溶液の積層体を120℃で150秒間加熱し、自己支持性を有するゲルフィルムを得た。このゲルフィルムをアルミ箔から剥がし、フレームに固定した。このゲルフィルムを300℃、400℃、500℃で各30秒間加熱して100〜200℃の平均線膨張係数が1.6×10-5cm/cm/℃のポリイミドフィルムを製造した。フィルム厚さは75μmである。これらの方法で作製したフィルムの複屈折率は0.14であった。
ピロメリット酸二無水物、4,4’−ジアミノジフェニルエーテル、p−フェニレンジアミンをモル比で3/2/1の割合で合成したポリアミド酸の18wt%のDMF溶液100gに無水酢酸20gとイソキノリン10gからなる硬化剤を混合、攪拌し、遠心分離による脱泡の後、アルミ箔上に流延塗布した。攪拌から脱泡までは0℃に冷却しながら行った。このアルミ箔とポリアミド酸溶液の積層体を120℃で150秒間加熱し、自己支持性を有するゲルフィルムを得た。このゲルフィルムをアルミ箔から剥がし、フレームに固定した。このゲルフィルムを300℃、400℃、500℃で各30秒間加熱して100〜200℃の平均線膨張係数が1.0×10-5cm/cm/℃のポリイミドフィルム(厚さ75μm)を製造した。このフィルムの複屈折は、0.15〜0.16の範囲であった。このフィルムを用いて前記(1)のケースと同様に2800℃でグラファイト化を行った。得られたグラファイトフィルム−Bは発泡状態にあり、発泡状態での厚さは75μm、17MPaで圧縮した時の厚さは35μm(すなわち圧縮率は53%)、圧力を開放した時の厚さは50μm(すなわちこの様に処理したグラファイトの復元率は43%)であり、圧縮したグラファイトフィルムの面方向熱伝導度は1400W/mK、厚さ方向熱伝導度10W/mKであった。
パナソニック製PGSグラファイトシート(商品番号:EYGS182310)厚み70μm、面方向熱伝導度700W/mK、厚さ方向熱伝導度5W/mKを準備した。圧縮率は35%、あった。
鈴木総業製グラファイトシート(スーパーλGS)厚み120μm、面方向熱伝導度250W/mK、厚さ方向5W/mKを準備した。圧縮率は30%であった。
熱拡散率は、光交流法による熱拡散率測定装置(アルバック理工(株)社「LaserPit」)を用いて、20℃の雰囲気下、10Hzにおいて測定した。測定された熱拡散率から密度および比熱の値をもちいて熱伝導率を算出した。グラファイトフィルムの密度は、グラファイトフィルムの重量(g)をグラファイトフィルムの縦、横、厚みの積で算出した体積(cm3)の割り算により算出した。
<熱抵抗の測定法>
発熱体とグラファイトフィルムとの接合部分における熱抵抗の測定は図3(b)、または図5(e)に示した様な模擬セルを作製して行った。
熱抵抗の値は放熱フィンの性能、発熱体の発熱特性、グラファイトフィルムの大きさ等の違いによって異なるので、絶対値と見なす事は出来ないが、これらの条件を一定とする事によって熱抵抗特性の相対的な比較をする事が可能である。
4種類のグラファイトフィルム−A、−B、−C、―Dをヒートシンクの底面の大きさにカットし、CPUコアの上面に相当する部分のみくり抜いて接着層(接着機能を有する層)が無いようにした接着シート、と共に加圧プレスにより接合し、これをヒートシンクの底面に貼り付けた。接着シートは30μmの厚さのアクリル接着層(接着機能を有する層)(日東電工(株)製アクリル接着層5603)である。
いずれのグラファイトでもCPUの温度は65℃以下に押さえられ、5N/cm2程度の比較的弱い圧力で良好な接続実現できる事が分かった。特に圧縮率にすぐれたグラファイトA、B、Cではすぐれた放熱効果を示し、面方向の熱伝導に優れたグラファイトA、Bではさらに優れた放熱効果がある事が分かった。
グラファイトフィルム−Aを用いてグラファイトフィルムの全面に接着層(接着機能を有する層)を形成し、これをヒートシンクの底面に貼り付け実施例1と同様の方法で熱抵抗を測定した。得られた結果を表1に示す。
厚さ45μmの銅箔をもちいて箔の全面に接着層(接着機能を有する層)を形成し、これをヒートシンクの底面に貼り付け実施例1と同様の方法で熱抵抗を測定した。得られた結果を表1に示す。
実施例1、2と同じ方法でグラファイトフィルム−A、−Bをヒートシンクの底面の大きさにカットし、CPUコアの上面に相当する部分のみくり抜いて接着層(接着機能を有する層)が無いようにした接着シート、と共に加圧プレスにより接合した。この時事前に、接着層(接着機能を有する層)の存在しないグラファイト面には極薄く(1μm程度)シリコングリス(信越化学G765:熱伝導率2.9W/mK(カタログ値))を塗布しておいた。同様にCPUの上面にも極薄く(1μm程度)シリコングリス(信越化学G765)を塗布しておき、しかる後にCPUをグラファイト面に圧着した。次に実施例1と同じ方法でCPUコア温度および熱抵抗を測定した。加圧圧力を2N/cm2から20N/cm2まで変化させ熱抵抗の値を測定した結果を表2に示す。この結果から、シリコングリスの塗布でさらなる接触抵抗の低減が図られる事が明らかになった。この様な効果は特にCPUを圧着する際の圧力が比較的小さい領域(この実験では2〜5N/cm2)の場合には顕著となる。
2 接着層(接着機能を有する層)
3 ヒートシンク
4 発熱体(CPUコア)
5 圧縮治具
6 本発明のグラファイトフィルム
7 離型紙
8 放熱グリース
Claims (13)
- 厚み方向に対して17MPaの圧力を加えた場合に20%以上の圧縮率を有し、かつフィルム面方向とフィルム厚さ方向で熱伝導度の異方性を有するグラファイトフィルムの一部が、厚さ方向への加圧処理によって圧縮され、圧縮状態が異なる部分として、未圧縮部分、既圧縮部分のうち低圧縮部分、および既圧縮部分のうち高圧縮部分からなる群から選択される2以上の、見かけ上の厚さの差が生じている互いに圧縮状態が異なる部分が共存しているグラファイトフィルムを用いる電子機器の製造方法であり、
前記電子機器は、発熱体を備えるものであり、
前記グラファイトフィルムの未圧縮部分または既圧縮部分のうち低圧縮部分と、前記発熱体とを接触させ、さらに、該未圧縮部分または既圧縮部分のうち低圧縮部分を加圧して前記発熱体と接続させる工程、を有する事を特徴とする電子機器の製造方法。 - 前記接続させる工程では、前記グラファイトフィルムの未圧縮部分と前記発熱体とを接触させ、さらに、該未圧縮部分を加圧して前記発熱体と接続させる事を特徴とする、請求項1に記載の電子機器の製造方法。
- 前記グラファイトフィルムは、高分子フィルム及び/又は炭素化フィルムからなる原料フィルムを不活性ガス中または真空中、2400℃以上の温度で処理して得られたものである事を特徴とする、請求項1または2に記載の電子機器の製造方法。
- 接着機能を有する層が前記グラファイトフィルムのフィルム面の一部に設けられている事を特徴とする、請求項1〜3のいずれかに記載の電子機器の製造方法。
- 前記接着機能を有する層が、前記グラファイトフィルムの既圧縮部分のうち低圧縮部分及び/又は既圧縮部分のうち高圧縮部分に形成されている事を特徴とする、請求項4に記載の電子機器の製造方法。
- 前記グラファイトフィルムの未圧縮部分の少なくとも一方の面には、前記の接着機能を有する層が形成されていない事を特徴とする、請求項5に記載の電子機器の製造方法。
- 前記グラファイトフィルムの既圧縮部分のうち低圧縮部分及び/又は既圧縮部分のうち高圧縮部分の表面には電気的に絶縁性の機能を有する層が形成されており、
前記グラファイトフィルムの未圧縮部分の少なくとも一方の面には、前記電気的に絶縁性の機能を有する層が形成されていない事を特徴とする、請求項1〜6の何れか1項に記載の電子機器の製造方法。 - 前記グラファイトフィルムの面方向の熱伝導度が100W/mK以上である事を特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の電子機器の製造方法。
- 前記高分子フィルムが、ポリイミド、ポリオキサジアゾール、及びポリパラフェニレンビニレンからなる群から選択される少なくとも一種類である、請求項3に記載の電子機器の製造方法。
- 前記高分子フィルムがポリイミドフィルムであり、100〜200℃の範囲における平均線膨張係数が2.5×10−5cm/cm/℃以下である事を特徴とする、請求項9に記載の電子機器の製造方法。
- 前記ポリイミドフィルムの複屈折が0.13以上である事を特徴とする、請求項10に記載の電子機器の製造方法。
- 前記グラファイトフィルムの既圧縮部分を、前記接着機能を有する層を介して放熱部分と接合する工程を有する事を特徴とする、請求項4〜6のいずれかに記載の電子機器の製造方法。
- 前記放熱部分とは、ヒートシンクであることを特徴とする、請求項12に記載の電子機器の製造方法。
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