JP5185582B2

JP5185582B2 - 熱伝導性シート

Info

Publication number: JP5185582B2
Application number: JP2007235740A
Authority: JP
Inventors: 智明横田; 俊清駒沢; 聡熊木
Original assignee: Nippon Valqua Industries Ltd
Current assignee: Nippon Valqua Industries Ltd
Priority date: 2007-09-11
Filing date: 2007-09-11
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2027-09-11
Also published as: JP2009066817A

Description

本発明は、熱伝導性シートに関する。詳しくは、電子機器内で発生する熱を効率的に外部に放出するためのシート等として用いられる熱伝導性シートに関する。

近年、ＣＰＵに代表されるように、半導体素子の高速化が進み、それに伴い、電位部品自らが発する熱は増加の一途を辿っている。また、電子部品を内蔵する電子機器、特にモバイル、ノートパソコンや携帯電話などの電子機器では小型化・高密度化が進んでいる。そのため、機器内に発生した熱を、機器の寸法・重量を大きくすることなく、いかにして除熱するかが大きな問題となっている。
この問題を解決するために、従来から、熱伝導性シートや高熱伝導性炭素材料が利用されてきた。ここで、熱伝導性シートとは、発熱部材と放熱部材との間に挟むことにより、密着性を向上させるとともに、熱の伝導効率を向上させるものであり、密着力を上げる柔軟性とシートの厚み方向に対する高い熱伝導特性が求められている。

前記熱伝導性シートとして、例えば、従来は、アルミナ、シリカ、高熱伝導性炭素材料などの無機フィラーを、ゲルなどのバインダーに複合化したものが使用されていたが、この熱伝導性シートでは、柔軟性は高いものの熱伝導特性が低かった。
また、高熱伝導性炭素シートも知られているが、この高熱伝導性炭素繊維シートでは、面方向の熱伝導特性は非常に高いものの、肝心の厚み方向に対しては熱伝導特性が低かった。
そのため、厚み方向に対しての熱伝導性に優れるシートについての研究・開発も行われてきており、例えば、グラファイトシートが複数枚積層された放熱シートであって、グラファイト結晶のａ−ｂ面が方熱シートのシート面に対して垂直であることを特徴とする放熱シートが知られている（特許文献１参照）。このようなシートを製造するための方法として、グラファイト結晶のａ−ｂ面に対して平行であるグラファイトシートのシート面に接着剤を塗布して、接着剤が塗布された複数枚のグラファイトシートを積層し、さらに加圧して積層体を得たのちに、これをグラファイトシートのシート面に対して垂直な方向に切断する方法も知られている（同特許文献１参照）。

しかし、前記グラファイトシートは、黒鉛のみからなるものであり、黒鉛の結晶構造から明らかなように、面に対して垂直な方向での結合性が弱い。そのため、この従来技術ではグラファイトシートを積層する際に接着剤を介在させることを必須としており、接着剤を塗布する作業が煩雑であるという問題や、グラファイトシート間に接着剤からなる層が介在することによって黒鉛同士が直結できずに厚み方向に対しての熱伝導特性が阻害されるという問題があった。
特開２００６−３０３２４０号公報

そこで、本発明の解決しようとする課題は、グラファイトシートを用いた場合に生じる前記問題がなく、厚み方向に対しての熱伝導特性に優れる熱伝導性シートを提供することにある。

本発明者は、上記課題を解決するべく鋭意検討を行った。その結果、鱗片状黒鉛とバインダー樹脂を含む混合物をシ−ト状に押出成形することで、押出成形の際に鱗片状黒鉛が面方向に規則的に整列するとともに、これを積層一体化ののち、積層方向に切断してシート化することで、鱗片状黒鉛が厚み方向に規則的に整列した状態を実現でき、厚み方向に対しての熱伝導特性に極めて優れるシートを得ることができることを見出し、これを確認して、本発明を完成した。
すなわち、本発明にかかる熱伝導性シートは、鱗片状黒鉛とバインダー樹脂を含む混合物をシ−ト状に押出成形し、得られたシートを積層一体化したのち、積層方向に切断してシート化することにより、前記鱗片状黒鉛が厚み方向に配向した熱伝導性シートを得るにあたり、前記バインダー樹脂としてポリテトラフルオロエチレンを用い、前記鱗片状黒鉛の充填量をバインダー樹脂１００重量部に対し１００〜１２００重量部とすることを特徴とする。

本発明によれば、厚み方向に対しての熱伝導特性に優れる熱伝導性シートを得ることができる。
バインダー樹脂としてポリテトラフルオロエチレンを用いるようにすれば、耐熱性、耐薬品性、難燃性を付与することができるため、より好ましい。
積層方向に切断することにより得られるシートに、オイル、樹脂溶液およびゾルゲル溶液からなる群より選ばれる少なくとも１種を含浸するようにするか、または、積層方向に切断することにより得られるシートの表面を、オイル、樹脂溶液、樹脂、ゴムおよびゾルゲル溶液からなる群より選ばれる少なくとも１種でコーティングするようにすれば、さらに高い熱伝導特性を発揮させることができ、好ましい。

以下、本発明にかかる熱伝導性シートについて詳しく説明するが、本発明の範囲はこれらの説明に拘束されることなく、以下の例示以外についても、本発明の趣旨を損なわない範囲で適宜変更実施し得る。
〔鱗片状黒鉛〕
鱗片状黒鉛は、最終的に得られる熱伝導性シートに優れた異方性を発揮させる。
前記鱗片状黒鉛は、特に限定するわけではないが、長さ５〜５００μｍ、厚み０．１〜１０μｍのものを用いることができる。
〔バインダー樹脂〕
バインダー樹脂は、鱗片状黒鉛同士を結合させ、成形性を付与し、シート同士や他の材料との密着性を付与する役割を有する。

バインダー樹脂の使用割合としては、特に限定するわけではないが、例えば、バインダー樹脂１００重量部に対する前記鱗片状黒鉛の割合が１００〜１２００重量部となるように用いることが好ましい。バインダー樹脂の割合が高く、鱗片状黒鉛の前記割合が１００重量部未満であると高熱伝導特性が発揮され難くなるおそれがあり、バインダー樹脂の割合が少なくて、鱗片状黒鉛の前記割合が１２００重量部を超えるとシート強度が大きく低下するおそれがある。より好ましくは３００〜９００重量部である。なお、バインダー樹脂は導電性を有しないため、その使用割合が多くなるにつれて得られる熱伝導性シートの導電性は低下し、使用割合が少なくなるにつれて得られる熱伝導性シートの導電性は高くなるので、この点も考慮して、目的とする熱伝導性シートの特性に応じた使用割合とするのが良い。

前記バインダー樹脂としては、特に限定するわけではないが、例えば、フッ素樹脂、フッ素ゴム、クロロプレンゴム、アクリルニトリル・ブタジエンゴム、スチレン・ブタジエンゴム、天然ゴム、ポリイソプレンゴム、ポリオレフィン樹脂、塩化ビニリデン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂、セルロース樹脂、酢酸ビニル樹脂、ポリカーボネート樹脂などが挙げられる。
上記の中でも、フッ素樹脂が好ましく、特にポリテトラフルオロエチレンが好ましい。
〔他の材料〕
本発明にかかる熱伝導性シートには、本発明の効果を害しない範囲において、他の材料を用いても良い。具体的には、例えば、銅、アルミニウムなどの金属、ダイヤモンド、カーボンナノチューブなどの炭素材料、シリコンゴム、クロロプレンゴムなどのゴム、ＰＥＴ、ＰＶＡなどの樹脂、センダスト、パーマロイなどのような磁性合金金属やフェライト、低融点ガラスなどのガラス、炭化珪素、窒化硼素などのセラミックス、二酸化珪素、二酸化チタンなどの無機薄膜、ヒ化ガリウム、窒化ガリウムなどの半導体薄膜などが挙げられる。

さらに、必要に応じて、溶剤、分散剤、可塑剤、架橋剤、老化防止剤、架橋促進剤、顔料などを１種または２種以上添加しても良い。
〔熱伝導性シートの製造〕
本発明にかかる熱伝導性シートの製造方法では、上述した鱗片状黒鉛とバインダー樹脂を必須に用い、適宜他の材料も用いて、これらを含む混合物をシ−ト状に押出成形し、得られたシートを積層一体化したのち、積層方向に切断してシート化する。なお、ここでいう「シート」には、厚みの薄いフィルムも含まれる。
具体的には、例えば、図１に示す工程Ａ〜Ｄを経て、本願発明にかかる熱伝導性シートを製造することができる。

工程Ａでは、鱗片状黒鉛とバインダー樹脂を必須に含む混合物として、バインダー樹脂のディスパージョン液と鱗片状黒鉛１の撹拌混合物２を用い、これをロール３により押出成形することによりシート化し、シート４を得ている。前記押出成形によるシート化は、例えば、成形温度１０〜８０℃で行うことができ、幅２０〜３００ｍｍ、厚み１０〜２０００μｍの連続シートとすることができる。この押出成形により、押出成形前の混合物の状態では一定した配向を有していなかった鱗片状黒鉛２が、ロール３による圧力を受けてシート面方向に規則正しく配向された状態となり、シート面方向の熱伝導性が極めて優れたものとなる。

上記のように、バインダー樹脂を含むディスパージョン液を作成しておいて、これを鱗片状黒鉛と混合することにより、鱗片状黒鉛とバインダー樹脂の混合物を得る場合、ディスパージョン液に使用する分散媒は、攪拌などの混合手段により鱗片状黒鉛とバインダー樹脂が充分に均質化したのちに、遠心分離など公知の手段によって、押出成形の前にあらかじめ除去しておいたり、あるいは、押出成形を行いながら同時に除去したりすることができ、また、押出成形後のシートに含まれる分散媒を、加熱などにより乾燥することによって除去することもできる。さらに、後述する工程Ｂ、Ｃ（シートの積層一体化）の際の圧力により除去するようにしても良い。このようにして、分散媒を十分に除去するようにすれば、押出成形後のシート同士の密着性が良好となり、積層方向に切断することにより得られる熱伝導性シートも安定したものとなる。

前記混合物の状態としては、例えば、ゲル状物である。
前記ディスパージョン液に使用される分散媒としては、特に限定されるわけではないが、例えば、水、有機溶媒などが挙げられ、特に水を用いることが環境上好ましい。有機溶媒を用いる場合には、例えば、アセトンなどを単独で用いても良いし、２種以上併用しても良い。
また、前記分散媒の使用量としては、特に限定するわけではないが、例えば、バインダー樹脂１００重量部に対して、１０〜５００重量部とすることが好ましい。分散媒の使用量が１０重量部未満ではバインダー樹脂をフィラー（鱗片状黒鉛）表面に均一化することが困難となるおそれがあり、５００重量部を超えるとゲル状の混合物を得ることが困難となるおそれがある。より好ましくは、２０〜３００重量部である。

次に、工程Ｂで、積層一体化の際に圧力を受けるシートを支えるための圧縮金型５の上に押出成形後のシート４を積層する。このとき、シート４が連続シートである場合には、積層前に適度な寸法に切断しておいても良い。積層枚数としては、例えば、５〜１０００枚とすることができる。
工程Ｂによる積層ののち、工程Ｃで圧着して積層体６を得る。前記圧着は、例えば、２〜３０ＭＰａの圧力を加えることで行うことができる。
なお、本発明におけるこの積層一体化では、必須の材料として含まれるバインダー樹脂が優れた接着性を示すために、各シート間に接着剤などを介在させることを要しない。

最後に、工程Ｄで前記積層体６が所望の厚みとなるようにカッター７により積層方向に切断されることで、鱗片状黒鉛が厚み方向に配向し、厚み方向に対しての熱伝導特性に極めて優れる熱伝導性シート８が得られる。
前記熱伝導性シート８は、特に限定されないが、例えば、縦２０〜３００ｍｍ、横２０〜３００ｍｍ、厚み５〜５０００μｍのシートとすることが好ましい。厚みが５μｍ未満ではシート強度が弱くなり過ぎ、破断や亀裂が生じるおそれがあり、厚みが５０００μｍを超えると熱伝導距離が長くなり過ぎ、伝熱効果が低下するため、実用性に欠けるおそれがある。より好ましくは厚み５０〜２０００μｍ、さらに好ましくは厚み１００〜１０００μｍである。

前記の如く積層方向に切断したのちに、オイル、樹脂溶液、ゾルゲル溶液などを含浸させることにより、より熱伝導性に優れた熱伝導性シートを得ることができるため好ましい。
また、前記の如く積層方向に切断して得られるシートの表面をオイル、樹脂溶液、樹脂、ゴム、ゾルゲル溶液などでコーティングすることにより、より熱伝導性に優れた熱伝導性シートを得ることができるため好ましい。前記コーティング方法としては、特に限定するわけではないが、例えば、スピンコートやドクターブレードなどが挙げられる。
前記オイルとしては、特に限定するわけではないが、例えば、流動パラフィン、シリコーンオイル、フッ素オイルなどを挙げることができる。

前記樹脂溶液としては、特に限定するわけではないが、例えば、下記樹脂やゴムなどの溶液やディスパージョン液などを挙げることができ、その溶媒、分散媒としては、例えば、アセトン、シンナーなどを用いることができる。
前記樹脂としては、特に限定するわけではないが、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂などの反応硬化型液状樹脂などを挙げることができる。
前記ゴムとしては、特に限定するわけではないが、例えば、シリコーンＲＴＶゴムなどの反応硬化型ゴムなどを挙げることができる。
前記ゾルゲル溶液としては、特に限定するわけではないが、例えば、シランアルコキシド溶液、チタンアルコキシド溶液などを挙げることができる。

熱伝導性シートには、このシートを保護する目的で、クリア塗膜層や着色塗膜層を形成するようにしてもよい。
なお、本発明にかかる熱伝導性シートは導電性を有しているため、電気導電性のある個所、すなわち、基板上の電気的導通がとられている配線の上や、ＭＰＵのリード端子のような箇所に直接貼付できない。そこでシート表面に絶縁性を保持させるため、熱伝導性シートの片面または両面に、絶縁シートを積層するようにしても良い。前記絶縁シートとしては、特に限定されないが、フッ素樹脂、シリコーン樹脂などの樹脂、シリカ、酸化チタンなどのセラミックスなどが挙げられ、その用途や目的に応じて、その１種または２種以上を適宜選択すれば良い。前記絶縁性シートの厚みとしては５〜１００μｍとすることができる。

このようにして製造される熱伝導性シートは、電子部品などの発熱体とヒートシンクやヒートパイプなどの放熱体との間に介在させることで、両者間での熱伝導を効果的に行うのに適している。被覆対象物としては、例えば、携帯電話や回路基板などがある。

以下に、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。以下では、便宜上、「重量部」を単に「部」と、「重量％」を「％」と記すことがある。
実施例における、測定方法および評価方法を以下に示す。
＜熱伝導特性の測定方法＞
熱伝導特性は、熱伝導率と熱抵抗により評価した。具体的には、以下のようにして測定した。
図２に示すように、試料をヒーター側とヒートシンク側の２枚の銅板で圧縮しながらヒーターに電力をかけて加熱し、熱平衡に達した時のそれぞれの銅板の温度、試料の圧縮力、試料厚みを測定した。そして、熱伝導率を下記式（１）により、熱抵抗を下記式（２）により算出した。

熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）＝Ｗ×ｔ／ｓ×（Ｔ_１−Ｔ_２）（１）

熱抵抗（℃／Ｗ）＝（Ｔ_１−Ｔ_２）／Ｗ（２）

上式において、Ｔ_１（℃）はヒーター側温度、Ｔ_２（℃）はヒートシンク側温度、Ｗはヒーターの発熱量（Ｗ）＝ヒーターの印加電圧（Ｖ）×電流（Ａ）、ｔ（ｍ）は試料厚み（圧縮時）、ｓ（ｍ^２）は伝熱面積である。

〔実施例１〕
バインダー樹脂としてポリテトラフルオロエチレンを用い、ポリテトラフルオロエチレン１００部を水４６７部で希釈することにより、ポリテトラフルオロエチレンのディスパージョン液５６７部を調製した。前記ディスパージョン液と、鱗片状黒鉛ＳＰ２０（日本黒鉛社製）４００部を撹拌混合し、ゲル状物を得た。このゲル状物を３０℃の温度で押出成形することによりシート化し、幅１００ｍｍ、厚み５００μｍの連続シートを得た。
前記連続シートを幅５０ｍｍに切断するとともに押出方向で適当な長さに切断することにより、帯状に裁断し、帯状の各シートを８０枚重ね合わせたのち、５ＭＰａの圧力で脱水しながら積層一体化し、これを積層方向に切断することにより、本願発明にかかる熱伝導性シートを得た。

得られたシートは、縦３０ｍｍ、横５０ｍｍ、厚み８９３μｍであった。
〔実施例２〕
実施例１で得られた熱伝導性シートに流動パラフィンを含浸させて、実施例２にかかる熱伝導性シートを得た。
得られたシートは、縦３０ｍｍ、横５０ｍｍ、厚み８８３μｍであった。
〔比較例１〕
実施例１と同様にして、押出成形によって得られたシート（積層一体化以降の処理は行わず）を比較例１とした。

得られたシートは、幅１００ｍｍ、厚み３５０μｍの連続シートであった。
〔比較例２〕
厚み５０μｍのアルミ箔を比較例２とした。
〔比較例３〕
厚み８６０μｍである市販の熱伝導性シート「ラムダゲル」（商品名、ジェルテック社製）を比較例３とした。
〔評価〕
上記熱伝導性の評価に基づき熱伝導率と熱抵抗を測定した。結果を表１に示す。なお、前記熱伝導性の評価に際しては、測定装置の銅板の寸法に合わせて、各実施例、比較例において最終的に得られたシートを、表１に記載している寸法に切断したものを用いた。

表１から明らかなように、実施例１、２にかかる熱伝導性シートは、他の比較例１〜３にかかるシートと比較して、厚み方向の熱伝導率が極めて優れたものとなっていることが分かる。特に、流動パラフィンを含浸させた実施例２にかかる熱伝導性シートは、厚み方向の熱伝導率が極めて高いことが分かる。

本発明にかかる熱伝導性シートは、発熱部材と放熱部材との間に挟むことにより、密着性を向上させるとともに、熱の伝導効率を向上させるためのシートなどとして好適に利用できる。

本発明の一実施形態の概要を示す図である。熱伝導特性を測定するための装置の概要を示す図である。

符号の説明

１混合物
２鱗片状黒鉛
３ロール
４押出成形後のシート
５圧縮金型
６積層体
７カッター
８熱伝導性シート

Claims

鱗片状黒鉛とバインダー樹脂を含む混合物をシ−ト状に押出成形し、得られたシートを積層一体化したのち、積層方向に切断してシート化することにより、前記鱗片状黒鉛が厚み方向に配向した熱伝導性シートを得るにあたり、前記バインダー樹脂としてポリテトラフルオロエチレンを用い、前記鱗片状黒鉛の充填量をバインダー樹脂１００重量部に対し１００〜１２００重量部とすることを特徴とする、熱伝導性シートの製造方法。
積層方向に切断してシート化したのち、このシートにオイル、樹脂溶液およびゾルゲル溶液からなる群より選ばれる少なくとも１種を含浸する、請求項１に記載の熱伝導性シートの製造方法。
積層方向に切断してシート化したのち、このシートの表面をオイル、樹脂溶液、樹脂、ゴムおよびゾルゲル溶液からなる群より選ばれる少なくとも１種でコーティングする、請求項１に記載の熱伝導性シートの製造方法。