JP5254870B2 - 熱伝導性シート及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、シートの厚み方向に熱を伝達する熱伝導性シートに関する。
電子機器には、ＩＣチップ等の発熱部品が搭載されている。電子機器の動作を安定化させるには、発熱部品からヒートシンク等の冷却部品に熱を逃がす必要がある。このため、電子機器には、発熱部品を放熱すべく熱伝導性シートが用いられている。
熱伝導性シートは、シートの厚み方向に熱を伝達するように形成されている。このため、熱伝導性シートは、発熱部品と冷却部品とに対しそれらの間に挟まれて固定されることにより、発熱部品から冷却部品へと熱を効率良く伝達することができる。よって、熱伝導性シートには、シートの厚み方向に高い熱伝導性が要求されている。また、熱伝導性シートには、発熱部品や冷却部品との密着性を確保するため、軟質性も求められている。
例えば、特許文献１〜特許文献３には、シート状に形成された熱伝導性成形体が開示されている。上記各文献に開示の熱伝導性成形体は、高分子マトリックスと、熱伝導性充填材としての炭素繊維とを含む。炭素繊維は、高分子マトリックス中に均一に分散すると共に、シートの厚み方向に沿って配向されている。このため、熱伝導性成形体は、シートの厚み方向に２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高い熱伝導率を有している。
ＩＣチップ等の電子部品においては、電子回路の誤動作や半導体素子の損傷を回避するため、静電気放電対策、即ち、ＥＳＤ対策が施されている。また、電子部品には、安全上の規格を満たすため、グラウンド接続等の対策が施されている。一般に、ＥＳＤ対策に対応する電気抵抗の目標値は１００Ω以下であり、グラウンド接続に対応する電気抵抗の目標値は１Ω以下である。熱伝導性シートにおいても、電子部品と同様に、ＥＳＤ対策やグラウンド接続に対応する電気抵抗の目標値と同レベルの導電性が要求されることがある。このような熱伝導性シートを作製するには、高分子マトリックス中の導電性充填材の含有量を増やすことが考えられる。
しかしながら、上記各文献に開示されているように、導電性充填材が炭素繊維である場合、炭素繊維の含有量の増大に伴い、熱伝導性成形体を形成する成形材料の粘度も上昇する。そのため、炭素繊維を一方向に配向させることが難しくなり、シートの厚み方向の熱伝導性が低下する。また、炭素繊維の含有量の増大に伴い、熱伝導性シートの柔軟性も失われる。このように、熱伝導性シートの機能や特性を維持しつつ、ＥＳＤ対策やグラウンド接続に要求されるレベルにまで導電性を高めることは困難である。
本発明の目的は、シートの厚み方向における熱伝導性が高く、ＥＳＤ対策やグラウンド接続に要求されるレベルの導電性を有し、かつ柔軟性に富む熱伝導性シート及びその製造方法を提供することにある。
上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、高分子マトリックスと炭素繊維とを含み、高分子マトリックス内で炭素繊維がシートの厚み方向に沿って配向されている熱伝導性シートにおいて、熱伝導性シートは、更に、球状カーボンを含み、球状カーボンは、炭素繊維間に位置しており、シートの厚み方向における体積抵抗率は１×１０４Ω・ｃｍ未満であることを要旨とする。
この構成によれば、球状カーボンが配合されることにより、熱伝導性シートを形成する成形材料の粘度が低く抑えられる。よって、炭素繊維の配向が容易に行えるため、シートの厚み方向に高い熱伝導性を有することができる。また、熱伝導性シートの柔軟性が失われることもない。更に、球状カーボンを介して複数の炭素繊維が互いに接続されるため、熱伝導性シートの熱伝導性に加え、導電性を向上させることもできる。従って、シートの厚み方向における熱伝導性が高く、ＥＳＤ対策やグラウンド接続に要求されるレベルの導電性を有し、かつ柔軟性に富む熱伝導性シートを提供することができる。
請求項２に記載の発明は、請求項１記載の発明において、球状カーボンはガラス状カーボンビーズであることを要旨とする。
この構成によれば、ガラス状カーボンビーズは、表面が平滑で、ビーズ同士の付着が少ないため、熱伝導性シートの成形材料の粘度を低く抑えることができる。また、ガラス状カーボンビーズは高い導電性及び熱伝導性を有しているため、熱伝導性シートの導電性及び熱伝導性がより一層向上する。
この構成によれば、ガラス状カーボンビーズは、表面が平滑で、ビーズ同士の付着が少ないため、熱伝導性シートの成形材料の粘度を低く抑えることができる。また、ガラス状カーボンビーズは高い導電性及び熱伝導性を有しているため、熱伝導性シートの導電性及び熱伝導性がより一層向上する。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、炭素繊維の平均繊維長は５μｍ〜１００００μｍであることを要旨とする。
この構成によれば、熱伝導性シートの成形材料中において、炭素繊維を容易に配向させることができる。また、球状カーボンを介して複数の炭素繊維が互いに接続されることにより、所望の熱伝導性及び導電性を得ることもできる。
この構成によれば、熱伝導性シートの成形材料中において、炭素繊維を容易に配向させることができる。また、球状カーボンを介して複数の炭素繊維が互いに接続されることにより、所望の熱伝導性及び導電性を得ることもできる。
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の発明において、炭素繊維の端面は、熱伝導性シートの表面から表出していることを要旨とする。
この構成によれば、炭素繊維の端面が高分子マトリックスにより覆われていないため、ＩＣチップ等の発熱部品やヒートシンク等の冷却部品に対し直接的に炭素繊維を接触させることができる。よって、熱伝導性シートの熱伝導性及び導電性がより一層向上する。
この構成によれば、炭素繊維の端面が高分子マトリックスにより覆われていないため、ＩＣチップ等の発熱部品やヒートシンク等の冷却部品に対し直接的に炭素繊維を接触させることができる。よって、熱伝導性シートの熱伝導性及び導電性がより一層向上する。
請求項５に記載の発明は、請求項４記載の発明において、炭素繊維の端面は、平坦に潰されていることを要旨とする。
この構成によれば、炭素繊維の端面が平坦であるため、熱伝導性シートの表面に生じる凹凸を小さく抑えることができる。これにより、発熱部品や冷却部品に対する炭素繊維の接触面積を増大させることができる。よって、熱伝導性シートの熱伝導性及び導電性が更に向上する。
この構成によれば、炭素繊維の端面が平坦であるため、熱伝導性シートの表面に生じる凹凸を小さく抑えることができる。これにより、発熱部品や冷却部品に対する炭素繊維の接触面積を増大させることができる。よって、熱伝導性シートの熱伝導性及び導電性が更に向上する。
請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の発明において、シートの厚み方向における熱抵抗値は０．５℃／Ｗ以下であることを要旨とする。
この構成によれば、発熱部品と冷却部品とに対しそれらの間に熱伝導性シートを固定することにより、発熱部品から冷却部品へと熱を効率良く逃がすことができる。
この構成によれば、発熱部品と冷却部品とに対しそれらの間に熱伝導性シートを固定することにより、発熱部品から冷却部品へと熱を効率良く逃がすことができる。
請求項７に記載の発明は、請求項１〜６のうちいずれか一項に記載の発明において、厚みが０．５ｍｍである熱伝導性シートは、ＵＬ９４規格においてＶ−０の難燃性を有していることを要旨とする。
この構成によれば、熱伝導性シートを、ＩＣチップ等の発熱部品を搭載した電子機器等に適用することができる。
請求項８に記載の発明は、請求項１〜７のうちいずれか一項に記載の発明において、熱伝導性シートの比重は２．０以下であることを要旨とする。
請求項８に記載の発明は、請求項１〜７のうちいずれか一項に記載の発明において、熱伝導性シートの比重は２．０以下であることを要旨とする。
この構成によれば、熱伝導性シートの重量が小さく抑えられるため、電子機器の軽量化に寄与することができる。
請求項９に記載の発明は、高分子マトリックス、炭素繊維、及び球状カーボンを含み、高分子マトリックス内で炭素繊維がシートの厚み方向に沿って配向され、球状カーボンが炭素繊維間に位置しており、シートの厚み方向における体積抵抗率が１×１０４Ω・ｃｍ未満である熱伝導性シートの製造方法において、高分子マトリックスに炭素繊維と球状カーボンとを配合して混合することにより、成形材料を調整する調整工程と、成形材料に磁場又は電場を印加して炭素繊維を一方向に配向させる配向工程と、成形材料を固化して成形体を形成する成形工程とを備えることを要旨とする。
請求項９に記載の発明は、高分子マトリックス、炭素繊維、及び球状カーボンを含み、高分子マトリックス内で炭素繊維がシートの厚み方向に沿って配向され、球状カーボンが炭素繊維間に位置しており、シートの厚み方向における体積抵抗率が１×１０４Ω・ｃｍ未満である熱伝導性シートの製造方法において、高分子マトリックスに炭素繊維と球状カーボンとを配合して混合することにより、成形材料を調整する調整工程と、成形材料に磁場又は電場を印加して炭素繊維を一方向に配向させる配向工程と、成形材料を固化して成形体を形成する成形工程とを備えることを要旨とする。
この構成によれば、シートの厚み方向における熱伝導性が高く、ＥＳＤ対策やグラウンド接続に要求されるレベルの導電性を有し、かつ柔軟性に富む熱伝導性シートを製造することができる。
請求項１０に記載の発明は、請求項９記載の発明において、炭素繊維と交差する方向に沿って成形体をスライスすることにより、熱伝導性シートの表面から炭素繊維の端面を露出させる露出工程を備えることを要旨とする。
この構成によれば、熱伝導性シートの熱伝導性及び導電性をより一層向上させることができる。
請求項１１に記載の発明は、請求項１０記載の発明において、炭素繊維の端面を平坦に潰すため、熱伝導性シートの表面から露出した炭素繊維の端面を研磨する研磨工程を備えることを要旨とする。
請求項１１に記載の発明は、請求項１０記載の発明において、炭素繊維の端面を平坦に潰すため、熱伝導性シートの表面から露出した炭素繊維の端面を研磨する研磨工程を備えることを要旨とする。
この構成によれば、熱伝導性シートの熱伝導性及び導電性を更に向上させることができる。
シートの厚み方向における熱伝導性が高く、ＥＳＤ対策やグラウンド接続に要求されるレベルの導電性を有し、かつ柔軟性に富む熱伝導性シート及びその製造方法を提供することができる。
以下、本発明の熱伝導性シートを具体化した一実施形態について図１〜図３を参照して説明する。
図１に示すように、熱伝導性シート１０は、高分子マトリックス１１、炭素繊維１２、及び球状カーボン１３を含む。炭素繊維１２は、高分子マトリックス１１内でシートの厚み方向に沿って配向されている。球状カーボン１３は、シートの厚み方向に沿って配向された炭素繊維１２間に位置している。また、シートの厚み方向における体積抵抗率は１×１０４Ωｃｍ未満である。本発明の熱伝導性シート１０は、柔軟性に富み、シートの厚み方向に高い熱伝導性を有し、ＥＳＤ対策やグラウンド接続に要求されるレベルの導電性を有している。
図１に示すように、熱伝導性シート１０は、高分子マトリックス１１、炭素繊維１２、及び球状カーボン１３を含む。炭素繊維１２は、高分子マトリックス１１内でシートの厚み方向に沿って配向されている。球状カーボン１３は、シートの厚み方向に沿って配向された炭素繊維１２間に位置している。また、シートの厚み方向における体積抵抗率は１×１０４Ωｃｍ未満である。本発明の熱伝導性シート１０は、柔軟性に富み、シートの厚み方向に高い熱伝導性を有し、ＥＳＤ対策やグラウンド接続に要求されるレベルの導電性を有している。
高分子マトリックス１１は、炭素繊維１２及び球状カーボン１３を熱伝導性シート１０内に保持する。高分子マトリックス１１は、熱伝導性シート１０に要求される機械的強度や耐熱性、及び電気特性等に応じて選択される。このため、高分子マトリックス１１には、液化状態で低い粘度を有し、固化状態で低い硬度を有する材料が用いられ、具体的には、公知の合成樹脂、合成ゴム、熱可塑性エラストマー等が用いられる。公知の合成樹脂として、好ましくは、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂等が用いられる。合成ゴムとして、好ましくは、シリコーンゴム、エチレンプロピレンゴム、及びポリイソブチレンゴム等が用いられる。熱可塑性エラストマーとして、好ましくは、スチレン系熱可塑性エラストマーが用いられる。
炭素繊維１２は、熱伝導性充填材として、高分子マトリックス１１内に含有されている。炭素繊維１２は、ピッチ類を原料として製造される炭素繊維、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）を原料として製造される炭素繊維、メソゲン基を有する液晶性高分子繊維を炭化及び黒鉛化して得られる炭素繊維、又はそれらの組合せからなる。本実施形態において、繊維軸方向の熱伝導性及び導電性をより高くするため、炭素繊維１２は、黒鉛化されていることが好ましい。
炭素繊維１２は、高分子マトリックス１１内でシートの厚み方向に沿って配向されている。炭素繊維１２の長さは、後述する調整工程で他の材料と混合し易く、かつ炭素繊維１２の配向を容易に行えるように、所定の範囲に設定されている。具体的には、炭素繊維１２の平均繊維長は、５μｍ〜１００００μｍであり、好ましくは、５０μｍ〜６０００μｍであり、より好ましくは、１００μｍ〜２００μｍである。炭素繊維１２の平均繊維長が１００００μｍよりも長い場合、高い熱伝導性や導電性が得られるものの、他の材料との均一な混合や炭素繊維１２の配向が困難になる。一方、炭素繊維１２の平均繊維長が５μｍよりも短い場合、高い熱伝導性や導電性を得ることができない。
球状カーボン１３は、炭素繊維１２と共に、熱伝導性充填材として、高分子マトリックス１１内に含有されている。球状カーボン１３は、シートの厚み方向に沿って配向された炭素繊維１２間に位置している。このため、複数の炭素繊維１２は、一又は複数の球状カーボン１３を介して互いに接続されている。球状カーボン１３は、熱硬化性樹脂からなり、具体的には、アルキド樹脂、アリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、フェノール樹脂、フラン樹脂、ジビニルベンゼン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂、ジアリルフタレート樹脂、ビニルエステル樹脂、メラミン樹脂、グアナミン樹脂、キシレン樹脂、ユリア樹脂、アクリル樹脂、及び不飽和ポリエステル樹脂等が挙げられる。
球状カーボン１３は、球状の樹脂ビーズを炭化することにより形成されている。このため、球状カーボン１３は、原料である樹脂ビーズと同じく、ほぼ真球に近い形状を有している。球状カーボン１３として、表面が平滑で、ビーズ同士の付着が少なく、高い導電性及び熱伝導性を有しているとの理由から、ガラス状カーボンビーズ（アモルファスカーボン）を用いることが好ましい。ガラス状カーボンは、非常に均質かつ緻密な構造を有する炭素材料であり、フェノール樹脂などの熱硬化性樹脂を所定の焼成条件により熱処理して形成されている。
球状カーボン１３の大きさは、熱伝導性シート１０の機能や特性を満たすように、所定の範囲に設定されている。具体的には、球状カーボン１３の平均粒径は、５μｍ〜１０００μｍであり、より好ましくは、５μｍ〜１００μｍである。球状カーボン１３の平均粒径が５μｍよりも小さい場合、球状カーボン１３による炭素繊維１２間の接続が不十分となり、高い熱伝導性及び導電性が得られない。一方、球状カーボン１３の平均粒径が１００μｍよりも大きい場合、熱伝導性シート１０の表面に球状カーボン１３による凹凸が形成されるため、熱伝導性シート１０が固定される部品との密着性が確保できず、好ましくない。
図２に示すように、炭素繊維１２の端面は、熱伝導性シート１０の表面から表出していることが好ましい。この場合、熱伝導性シート１０が固定される部品に対して炭素繊維１２を直接的に接触させることができる。よって、発熱部品から冷却部品へと熱が一層伝達し易くなり、熱伝導性シート１０の導電性を高めることもできる。また、炭素繊維１２の端面は、図３に示すように、平坦に潰されていることがより好ましい。この場合、炭素繊維１２の表出により形成される凹凸が小さくなり、熱伝導性シート１０が固定される部品に対する炭素繊維１２の接触面積が大きくなる。よって、発熱部品から冷却部品へと熱がより一層伝達し易くなり、熱伝導性シート１０の導電性を一層高めることもできる。
本発明の熱伝導性シート１０は、ＥＳＤ対策やグラウンド接続に要求されるレベルの導電性を有している。具体的には、シートの厚み方向における体積抵抗率は、１×１０４Ωｃｍ未満であり、好ましくは、１×１０３Ωｃｍ未満であり、より好ましくは、１×１０２Ωｃｍ未満である。熱伝導性シート１０は、発熱部品から冷却部品へと熱を伝達するため、シートの厚み方向に低い熱抵抗値を有している。具体的には、シートの厚み方向における熱抵抗値は、０．５℃／Ｗ以下であり、好ましくは、０．４℃／Ｗ以下であり、より好ましくは、０．３℃／Ｗ以下である。
熱伝導性シート１０は、電子部品内において発熱部品と冷却部品とに対しそれらの間に挟まれた状態で固定される。このため、熱伝導性シート１０は、耐久性やハンドリング性等の観点から、所定の厚さ及び比重を有している。具体的には、熱伝導性シート１０の厚さは、０．１ｍｍ〜１０ｍｍであり、好ましくは、０．１５ｍｍ〜５ｍｍであり、より好ましくは、０．２ｍｍ〜２ｍｍである。厚さが０．１ｍｍよりも小さい場合、強度や耐久性が不足し、ハンドリング性も低下するため、好ましくない。厚さが１０ｍｍよりも大きい場合、電子部品の小型化及び薄型化に寄与することができず、好ましくない。また、熱伝導性シート１０の比重は、２．０以下であり、好ましくは、１．５以下である。比重が２．０よりも大きい場合、電子部品の軽量化に寄与することができず、好ましくない。
熱伝導性シート１０は、電子機器に適用されるため、安全上の面から、難燃性を有するように設計されている。難燃性とは、素材の燃え難さを表す指標であり、一般的には、使用する素材に着火し、その燃え方や発煙等により燃え難さが判定される。本実施形態において、厚みが０．５ｍｍである熱伝導性シート１０は、ＵＬ９４規格においてＶ−０の難燃性を有している。なお、ＵＬは、米国の民間検査機関であるアンダーライターズ・ラボラトリーズ・インク（Underwriters Laboratories Inc.）が定めた燃焼性の安全規格である。ＵＬ規格では、難燃性のランクとして、燃え難い方から順に、５Ｖ、Ｖ−０、Ｖ−１、Ｖ−２、ＨＢが設定されている。
次に、上記の熱伝導性シート１０の製造方法について説明する。
熱伝導性シート１０は、成形材料を調整する調整工程と、炭素繊維１２を一方向に配向させる配向工程と、成形材料を固化して成形体を形成する成形工程と、熱伝導性シート１０の表面から炭素繊維１２の端面を露出させる露出工程と、熱伝導性シート１０の表面から露出した炭素繊維１２の端面を研磨する研磨工程とを経て製造される。
熱伝導性シート１０は、成形材料を調整する調整工程と、炭素繊維１２を一方向に配向させる配向工程と、成形材料を固化して成形体を形成する成形工程と、熱伝導性シート１０の表面から炭素繊維１２の端面を露出させる露出工程と、熱伝導性シート１０の表面から露出した炭素繊維１２の端面を研磨する研磨工程とを経て製造される。
調整工程では、熱伝導性シート１０の成形材料を得るため、まず、高分子マトリックス１１に炭素繊維１２と球状カーボン１３とを所定量配合する。そして、脱泡操作を行いながら、混合することにより、成型材料を調整する。混合装置として、具体的には、ブレンダー、ミキサー、振動撹拌機、ロール、押出し機などの混合装置や混練装置が用いられる。
次に、配向工程が行われる。配向工程では、まず、成形材料を型に流し込む。そして、成形材料に含まれる炭素繊維１２を一方向に配向させる。配向方法としては、磁場又は電場を用いる方法や、流動場や剪断場を用いる方法等が挙げられる。本実施形態において、炭素繊維１２は異方性磁化率を有しており、その炭素繊維１２が均一に配向し易いとの理由から、磁場又は電場を用いる配向方法を採用することが好ましい。この場合、磁場発生装置として、具体的には、永久磁石や電磁石、超伝導磁石などが用いられる。
調整工程及び配向工程中、成形材料の粘度は、均一な分散及び配向のため、高分子マトリックス１１中を炭素繊維１２及び球状カーボン１３が円滑に移動できる程度に調整されていることが好ましい。また、配向工程中、炭素繊維１２の配向を促進させるため、型内の成形材料に外部から振動を与えることが好ましい。振動は、高分子マトリックス１１や球状カーボン１３等を介して炭素繊維１２に付与される。このため、特に、配向工程中、成形材料の粘度は、外部からの衝撃により同成形材料が流動できる程度に調整されていることが好ましい。具体的には、成形材料の回転粘度は、１ｒｐｍ、２５℃の条件下で、５００，０００ｍＰａ・ｓ以下であることが好ましい。
また、配向工程中、外部から付与される振動の周波数、加速度、及び振幅は、炭素繊維１２が振動により均一に配向されるように、所定の範囲にそれぞれ設定されている。具体的には、振動の周波数は、０．１Ｈｚ〜４５００Ｈｚであり、より好ましくは、１Ｈｚ〜１００Ｈｚである。また、振動の加速度は、１Ｇ以上であり、より好ましくは、３０Ｇ〜５０Ｇである。振動の振幅は、０．１ｍｍ〜２０ｍｍであり、より好ましくは、１ｍｍ〜２０ｍｍである。
次に、成形工程が行われる。成形工程では、炭素繊維１２を一方向に配向したまま、成形材料を固化する。これにより、成形体が得られる。成形材料の固化は、高分子マトリックス１１の種類に応じて、架橋反応や冷却固化等により行われる。熱伝導性シート１０は、成形材料を最終形状と同形状のキャビティを有する型に流し込み、型成形することにより、一枚ずつ形成することができる。これとは別の方法として、ブロック状の成形体を型成形し、これをスライスすることにより、一つの成形体から複数の熱伝導性シート１０を形成してもよい。
次に、露出工程が行われる。露出工程では、刃物などを用いて、炭素繊維１２と交差する方向に沿って上記成形体、又は熱伝導性シート１０の表面をスライスする。これにより、図２に示すように、炭素繊維１２の端面が、熱伝導性シート１０の表面から露出させられる。最後に、研磨工程が行われる。研磨工程では、研磨紙や布やヤスリなどを用いて、熱伝導性シート１０の表面から露出した炭素繊維１２の端面を研磨する。これにより、図３に示すように、炭素繊維１２の端面が平坦に潰される。こうして、熱伝導性シート１０が製造される。
本実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）熱伝導性シート１０は、高分子マトリックス１１、炭素繊維１２、及び球状カーボン１３を含む。炭素繊維１２は、高分子マトリックス１１内でシートの厚み方向に沿って配向されている。球状カーボン１３は、熱伝導性シート１０の厚み方向に沿って配向された炭素繊維１２間に配置されている。
（１）熱伝導性シート１０は、高分子マトリックス１１、炭素繊維１２、及び球状カーボン１３を含む。炭素繊維１２は、高分子マトリックス１１内でシートの厚み方向に沿って配向されている。球状カーボン１３は、熱伝導性シート１０の厚み方向に沿って配向された炭素繊維１２間に配置されている。
この構成によれば、球状カーボン１３が配合されることにより、熱伝導性シート１０を形成する成形材料の粘度が低く抑えられる。よって、炭素繊維１２の配向が容易に行えるため、シートの厚み方向に高い熱伝導性を有することができる。また、熱伝導性シート１０の柔軟性が失われることもない。更に、球状カーボン１３を介して複数の炭素繊維１２が互いに接続されるため、熱伝導性シート１０の熱伝導性に加え、導電性を向上させることもできる。従って、シートの厚み方向における熱伝導性が高く、ＥＳＤ対策やグラウンド接続に要求されるレベルの導電性を有し、かつ柔軟性に富む熱伝導性シート１０を提供することができる。
また、炭素繊維１２及び球状カーボン１３はいずれも比重が小さいため、熱伝導性シート１０の軽量化に寄与することもできる。また、炭素繊維１２及び球状カーボン１３の比重はいずれも高分子マトリックス１１の比重と近いため、成形材料を調整する調整工程や炭素繊維１２を配向する配向工程において、高分子マトリックス１１中に炭素繊維１２及び球状カーボン１３を均一に分散させることもできる。更に、球状カーボン１３は、その形状が真球に近いため、高分子マトリックス１１中への高充填を可能にする。また、熱伝導性及び導電性の向上のため金属を充填する場合と比べて、難燃性を確保することもできる。
（２）球状カーボン１３として、ガラス状カーボンビーズ（アモルファスカーボン）を用いることが好ましい。この構成によれば、ガラス状カーボンビーズは、表面が平滑で、ビーズ同士の付着が少ないため、熱伝導性シート１０の成形材料の粘度を低く抑えることができる。また、ガラス状カーボンビーズは高い導電性及び熱伝導性を有しているため、熱伝導性シート１０の導電性及び熱伝導性がより一層向上する。
（３）炭素繊維１２の平均繊維長は５μｍ〜１００００μｍである。この構成によれば、熱伝導性シート１０の成形材料中において、炭素繊維１２を容易に配向させることができる。また、球状カーボン１３を介して複数の炭素繊維１２が互いに接続されることにより、所望の熱伝導性及び導電性を得ることもできる。
（４）炭素繊維１２の端面は、熱伝導性シート１０の表面から表出していることが好ましい。この構成によれば、炭素繊維１２の端面が高分子マトリックス１１により覆われていないため、ＩＣチップ等の発熱部品やヒートシンク等の部品に対し直接的に炭素繊維１２を接触させることができる。よって、熱伝導性シート１０の熱伝導性及び導電性がより一層向上する。
（５）炭素繊維１２の端面は平坦に潰されていることがより好ましい。この構成によれば、炭素繊維１２の端面が平坦であるため、熱伝導性シート１０の表面に生じる凹凸を小さく抑えることができる。これにより、発熱部品や冷却部品に対する炭素繊維１２の接触面積を増大させることができる。よって、熱伝導性シート１０の熱伝導性及び導電性が更に向上する。
（６）熱伝導性シート１０の厚み方向における熱抵抗値は０．５℃／Ｗ以下である。この構成によれば、発熱部品と冷却部品とに対しそれらの間に熱伝導性シート１０を固定することにより、発熱部品から冷却部品へと熱を効率良く逃がすことができる。
（７）厚みが０．５ｍｍである熱伝導性シート１０は、ＵＬ９４規格においてＶ−０の難燃性を有している。この構成によれば、熱伝導性シート１０を、ＩＣチップ等の発熱部品を搭載した電子機器等に適用することができる。
（８）熱伝導性シート１０の比重は２．０以下である。この構成によれば、熱伝導性シート１０の重量が小さく抑えられるため、電子機器の軽量化に寄与することができる。
（９）熱伝導性シート１０は、成形材料を調整する調整工程と、炭素繊維１２をシートの厚み方向に配向させる配向工程と、成形材料を固化して成形体を形成する成形工程と、熱伝導性シート１０の表面から炭素繊維１２の端面を露出させる露出工程と、熱伝導性シート１０の表面から露出した炭素繊維１２の端面を研磨する研磨工程とを経て製造される。この構成によれば、シートの厚み方向における熱伝導性が高く、ＥＳＤ対策やグラウンド接続に要求されるレベルの導電性を有し、かつ柔軟性に富む熱伝導性シート１０を製造することができる。
（２）球状カーボン１３として、ガラス状カーボンビーズ（アモルファスカーボン）を用いることが好ましい。この構成によれば、ガラス状カーボンビーズは、表面が平滑で、ビーズ同士の付着が少ないため、熱伝導性シート１０の成形材料の粘度を低く抑えることができる。また、ガラス状カーボンビーズは高い導電性及び熱伝導性を有しているため、熱伝導性シート１０の導電性及び熱伝導性がより一層向上する。
（３）炭素繊維１２の平均繊維長は５μｍ〜１００００μｍである。この構成によれば、熱伝導性シート１０の成形材料中において、炭素繊維１２を容易に配向させることができる。また、球状カーボン１３を介して複数の炭素繊維１２が互いに接続されることにより、所望の熱伝導性及び導電性を得ることもできる。
（４）炭素繊維１２の端面は、熱伝導性シート１０の表面から表出していることが好ましい。この構成によれば、炭素繊維１２の端面が高分子マトリックス１１により覆われていないため、ＩＣチップ等の発熱部品やヒートシンク等の部品に対し直接的に炭素繊維１２を接触させることができる。よって、熱伝導性シート１０の熱伝導性及び導電性がより一層向上する。
（５）炭素繊維１２の端面は平坦に潰されていることがより好ましい。この構成によれば、炭素繊維１２の端面が平坦であるため、熱伝導性シート１０の表面に生じる凹凸を小さく抑えることができる。これにより、発熱部品や冷却部品に対する炭素繊維１２の接触面積を増大させることができる。よって、熱伝導性シート１０の熱伝導性及び導電性が更に向上する。
（６）熱伝導性シート１０の厚み方向における熱抵抗値は０．５℃／Ｗ以下である。この構成によれば、発熱部品と冷却部品とに対しそれらの間に熱伝導性シート１０を固定することにより、発熱部品から冷却部品へと熱を効率良く逃がすことができる。
（７）厚みが０．５ｍｍである熱伝導性シート１０は、ＵＬ９４規格においてＶ−０の難燃性を有している。この構成によれば、熱伝導性シート１０を、ＩＣチップ等の発熱部品を搭載した電子機器等に適用することができる。
（８）熱伝導性シート１０の比重は２．０以下である。この構成によれば、熱伝導性シート１０の重量が小さく抑えられるため、電子機器の軽量化に寄与することができる。
（９）熱伝導性シート１０は、成形材料を調整する調整工程と、炭素繊維１２をシートの厚み方向に配向させる配向工程と、成形材料を固化して成形体を形成する成形工程と、熱伝導性シート１０の表面から炭素繊維１２の端面を露出させる露出工程と、熱伝導性シート１０の表面から露出した炭素繊維１２の端面を研磨する研磨工程とを経て製造される。この構成によれば、シートの厚み方向における熱伝導性が高く、ＥＳＤ対策やグラウンド接続に要求されるレベルの導電性を有し、かつ柔軟性に富む熱伝導性シート１０を製造することができる。
次に、実施例、比較例を挙げて本発明の熱伝導性シートについて更に具体的に説明する。
（実施例１）
実施例１では、以下の工程に従って、熱伝導性シートを作製した。具体的には、まず、高分子マトリックスとして付加型の液状シリコーンゴム（比重１．０、硬化前の２５℃での粘度４００ｍＰａ・ｓ）１００重量部に対して、硬化触媒０．３重量部、炭素繊維（日本グラファイトファイバー株式会社「ＸＮ−１００−０３Ｚ」粉砕品 平均繊維長１００μｍ、比重２．２２５）６０重量部、炭素繊維（日本グラファイトファイバー株式会社「ＸＮ−１００−０３Ｚ」粉砕品 平均繊維長２００μｍ、比重２．２２５）６０重量部、球状カーボン（群栄化学工業株式会社「マリリンＧＣ−０１０」平均粒径６μｍ、比重１．４）１００重量部をそれぞれ配合した。そして、振動攪拌装置を用いて混合することにより、成形材料を調整した。次に、炭素繊維を一方向に配向させるため、成形材料を型に流し込み、型内の成形材料に振動を与えながら、１０テスラの磁場を印加した。次に、成形材料を硬化した後、型から成形体を取り出した。続いて、成形体をスライスして、厚さ０．５ｍｍのシート材を得た。そして、シート材の表面を研磨紙で研磨し、炭素繊維の端面を平坦に潰すことにより、図３に示す熱伝導性シートを得た。図４は、実施例１の熱伝導性シートの断面を４００倍に拡大した電子顕微鏡写真であり、図５は、同熱伝導性シートの断面を２００倍に拡大した電子顕微鏡写真である。図４及び図５から、球状カーボンが炭素繊維間に配置されていることを確認できた。
（実施例２〜６）
実施例２〜６では、高分子マトリックスとして付加型の液状シリコーンゴム（比重１．０、硬化前の２５℃での粘度４００ｍＰａ・ｓ）１００重量部に対して、硬化触媒０．３重量部、炭素繊維（日本グラファイトファイバー株式会社「ＸＮ−１００−０３Ｚ」粉砕品 平均繊維長１００μｍ、比重２．２２５）Ａ重量部、炭素繊維（日本グラファイトファイバー株式会社「ＸＮ−１００−０３Ｚ」粉砕品 平均繊維長２００μｍ、比重２．２２５）Ｂ重量部、球状カーボン（群栄化学工業株式会社「マリリンＧＣ−０１０」平均粒径６μｍ、比重１．４）Ｃ重量部を配合した。表１に、Ａ，Ｂ，Ｃの値をそれぞれ示す。実施例２〜６の熱伝導性シートは、材料の配合量を除き、実施例１の熱伝導性シートと同じである。
（比較例１）
比較例１では、高分子マトリックスとして付加型の液状シリコーンゴム（比重１．０、硬化前の２５℃での粘度４００ｍＰａ・ｓ）１００重量部に対して、炭素繊維（日本グラファイトファイバー株式会社「ＸＮ−１００−０３Ｚ」粉砕品 平均繊維長１００μｍ、比重２．２２５）１２０重量部、球状アルミナ（株式会社マイクロン「ＡＨ３−２」平均粒径３．５μｍ、比重３．９５）４７５重量部を配合した。比較例１の熱伝導性シートは、材料の種類及び配合量を除き、実施例１の熱伝導性シートと同じである。
（実施例１）
実施例１では、以下の工程に従って、熱伝導性シートを作製した。具体的には、まず、高分子マトリックスとして付加型の液状シリコーンゴム（比重１．０、硬化前の２５℃での粘度４００ｍＰａ・ｓ）１００重量部に対して、硬化触媒０．３重量部、炭素繊維（日本グラファイトファイバー株式会社「ＸＮ−１００−０３Ｚ」粉砕品 平均繊維長１００μｍ、比重２．２２５）６０重量部、炭素繊維（日本グラファイトファイバー株式会社「ＸＮ−１００−０３Ｚ」粉砕品 平均繊維長２００μｍ、比重２．２２５）６０重量部、球状カーボン（群栄化学工業株式会社「マリリンＧＣ−０１０」平均粒径６μｍ、比重１．４）１００重量部をそれぞれ配合した。そして、振動攪拌装置を用いて混合することにより、成形材料を調整した。次に、炭素繊維を一方向に配向させるため、成形材料を型に流し込み、型内の成形材料に振動を与えながら、１０テスラの磁場を印加した。次に、成形材料を硬化した後、型から成形体を取り出した。続いて、成形体をスライスして、厚さ０．５ｍｍのシート材を得た。そして、シート材の表面を研磨紙で研磨し、炭素繊維の端面を平坦に潰すことにより、図３に示す熱伝導性シートを得た。図４は、実施例１の熱伝導性シートの断面を４００倍に拡大した電子顕微鏡写真であり、図５は、同熱伝導性シートの断面を２００倍に拡大した電子顕微鏡写真である。図４及び図５から、球状カーボンが炭素繊維間に配置されていることを確認できた。
（実施例２〜６）
実施例２〜６では、高分子マトリックスとして付加型の液状シリコーンゴム（比重１．０、硬化前の２５℃での粘度４００ｍＰａ・ｓ）１００重量部に対して、硬化触媒０．３重量部、炭素繊維（日本グラファイトファイバー株式会社「ＸＮ−１００−０３Ｚ」粉砕品 平均繊維長１００μｍ、比重２．２２５）Ａ重量部、炭素繊維（日本グラファイトファイバー株式会社「ＸＮ−１００−０３Ｚ」粉砕品 平均繊維長２００μｍ、比重２．２２５）Ｂ重量部、球状カーボン（群栄化学工業株式会社「マリリンＧＣ−０１０」平均粒径６μｍ、比重１．４）Ｃ重量部を配合した。表１に、Ａ，Ｂ，Ｃの値をそれぞれ示す。実施例２〜６の熱伝導性シートは、材料の配合量を除き、実施例１の熱伝導性シートと同じである。
（比較例１）
比較例１では、高分子マトリックスとして付加型の液状シリコーンゴム（比重１．０、硬化前の２５℃での粘度４００ｍＰａ・ｓ）１００重量部に対して、炭素繊維（日本グラファイトファイバー株式会社「ＸＮ−１００−０３Ｚ」粉砕品 平均繊維長１００μｍ、比重２．２２５）１２０重量部、球状アルミナ（株式会社マイクロン「ＡＨ３−２」平均粒径３．５μｍ、比重３．９５）４７５重量部を配合した。比較例１の熱伝導性シートは、材料の種類及び配合量を除き、実施例１の熱伝導性シートと同じである。
表１に、実施例１〜６及び比較例１の熱伝導性シートにおける材料の配合量、成形材料の回転粘度、磁場配向性の良否、シート表面の研磨の有無、熱伝導性シートの硬度、電気抵抗値、体積抵抗値、熱抵抗値、難燃性のランク、比重をそれぞれ示す。
（実施例１−２〜実施例６−２）
実施例１−２〜６−２では、シートの表面を研磨しないことを除き、実施例１〜６と同じ材料、同じ配合量で熱伝導性シートを作製した。なお、実施例１−２〜６−２は、実施例１〜６にそれぞれ対応している。
（比較例２）
比較例２では、高分子マトリックスとして付加型の液状シリコーンゴム（比重１．０、硬化前の２５℃での粘度４００ｍＰａ・ｓ）１００重量部に対して、硬化触媒０．３重量部、炭素繊維（日本グラファイトファイバー株式会社「ＸＮ−１００−０３Ｚ」粉砕品 平均繊維長２００μｍ、比重２．２２５）１２０重量部、球状アルミニウム（東洋アルミニウム株式会社「０７−００１０」平均粒径１１μｍ、比重２．７）８０重量部を配合した。比較例２の熱伝導性シートは、材料の種類及び配合量を除き、実施例１の熱伝導性シートと同じである。
（実施例１−２〜実施例６−２）
実施例１−２〜６−２では、シートの表面を研磨しないことを除き、実施例１〜６と同じ材料、同じ配合量で熱伝導性シートを作製した。なお、実施例１−２〜６−２は、実施例１〜６にそれぞれ対応している。
（比較例２）
比較例２では、高分子マトリックスとして付加型の液状シリコーンゴム（比重１．０、硬化前の２５℃での粘度４００ｍＰａ・ｓ）１００重量部に対して、硬化触媒０．３重量部、炭素繊維（日本グラファイトファイバー株式会社「ＸＮ−１００−０３Ｚ」粉砕品 平均繊維長２００μｍ、比重２．２２５）１２０重量部、球状アルミニウム（東洋アルミニウム株式会社「０７−００１０」平均粒径１１μｍ、比重２．７）８０重量部を配合した。比較例２の熱伝導性シートは、材料の種類及び配合量を除き、実施例１の熱伝導性シートと同じである。
表２に、実施例１−２〜６−２及び比較例２の熱伝導性シートにおける材料の配合量、成形材料の回転粘度、磁場配向性の良否、シート表面の研磨の有無、熱伝導性シートの硬度、電気抵抗値、体積抵抗値、熱抵抗値、難燃性のランク、比重をそれぞれ示す。
＜硬度＞
各実施例及び比較例において、熱伝導性シートの硬度を、ＪＩＳ Ｋ６２５３に準拠し、タイプＥデュロメータを用いて測定した。
＜熱抵抗値＞
各実施例及び比較例において、熱伝導性シートから、縦１０ｍｍ、横１０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの試験片を得た。その後、試験片を、発熱量が２５Ｗである熱源及びヒートシンクで挟持するように配置した。そして、試験片に対しその厚さ方向に４０Ｎの荷重（圧力０．４ＭＰａ）を加えた状態で、試験片の熱抵抗値を測定した。試験片を１０分間放置した後、試験片の熱源側の温度Ｔ１とヒートシンク側の温度Ｔ２とをそれぞれ測定し、下記式（１）により、熱伝導性シートの熱抵抗値を算出した。
＜硬度＞
各実施例及び比較例において、熱伝導性シートの硬度を、ＪＩＳ Ｋ６２５３に準拠し、タイプＥデュロメータを用いて測定した。
＜熱抵抗値＞
各実施例及び比較例において、熱伝導性シートから、縦１０ｍｍ、横１０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの試験片を得た。その後、試験片を、発熱量が２５Ｗである熱源及びヒートシンクで挟持するように配置した。そして、試験片に対しその厚さ方向に４０Ｎの荷重（圧力０．４ＭＰａ）を加えた状態で、試験片の熱抵抗値を測定した。試験片を１０分間放置した後、試験片の熱源側の温度Ｔ１とヒートシンク側の温度Ｔ２とをそれぞれ測定し、下記式（１）により、熱伝導性シートの熱抵抗値を算出した。
熱抵抗値（℃／Ｗ）＝（Ｔ１（℃）−Ｔ２（℃））／発熱量（Ｗ） …（１）
＜難燃性＞
厚さ０．５ｍｍの各熱伝導性シートについて、米国の安全規格であるＵＬ規格のうち、プラスチック材料の燃焼性について規定するＵＬ９４規格に従って燃焼試験を行った。
＜電気抵抗値及び体積抵抗率＞
厚さ０．５ｍｍの熱伝導性シートを、直径２０ｍｍの電極間に荷重５Ｎ（圧力３．９ｋＰａ）で挟持するように配置した。熱伝導性シートを５分間放置した後、日置電機株式会社製「３５４０ミリオームハイテスタ」を用いて、熱伝導性シートの電気抵抗値を測定した。
表２の結果から、シートの表面を研磨しない場合であっても、実施例１−２〜５−２では、シートの厚み方向の体積抵抗率が１．６×１０１Ω・ｃｍ以下であり、電気抵抗値が２２６ｍΩ以下であった。これに対し、実施例６−２では、シートの厚み方向の体積抵抗率が１．７×１０３Ω・ｃｍであり、電気抵抗値が１Ω以上であった。実施例６−２においては、シート表面の研磨をしていない影響が、体積抵抗率や電気抵抗値に大きく現れた。
比較例２では、金属粉末を配合したため、シートの厚み方向の体積抵抗率が７．５×１００Ω・ｃｍであり、電気抵抗値が１０７ｍΩであり、いずれも低い値が得られた。しかしながら、成形材料の粘度が高くなりすぎたため、充填材の分散性や磁場配向性が悪化したのに加え、所望のレベルでの難燃性を実現することができなかった。また、シートの厚み方向の熱抵抗値については、実施例１〜６及び比較例１よりも若干高く、０．３３℃／Ｗ〜０．４１℃／Ｗの範囲内であり、実施例と比較例との間に大きな差は見られなかった。また、熱伝導性シートの硬度については、Ｅ５０〜Ｅ６０の範囲内であり、実施例と比較例との間に大きな差は見られなかった。
上述したように、ＥＳＤ対策に対応する電気抵抗の目標値は１００Ω以下であり、グラウンド接続に対応する電気抵抗の目標値は１Ω以下である。表１及び表２の結果によれば、高分子マトリックスと炭素繊維とを含む熱伝導性シートに球状カーボンを配合することにより、シートの厚み方向における熱伝導性が高く、ＥＳＤ対策やグラウンド接続に要求されるレベルの導電性を有し、かつ柔軟性に富む熱伝導性シートを作製できることが裏付けられた。具体的には、シートの厚み方向における熱抵抗値が０．５℃／Ｗ以下であり、シートの厚み方向における体積抵抗率が１×１０４Ω・ｃｍ未満であり、かつタイプＥデュロメータを用いて測定した硬度がＥ６０以下である熱伝導性シートを作製できることが裏付けられた。
また、実施例１〜６及び比較例１では、成形材料の回転粘度は４００，０００ｍＰａ・ｓ以下であり、外部からの衝撃により流動性を示す程度の粘度であった。これに対し実施例１−２〜６−２では、成形材料の回転粘度は４００，０００ｍＰａ・ｓ以下であったが、比較例２では、成形材料の回転粘度は５１０，０００ｍＰａ・ｓであった。比較例２では、成形材料の回転粘度が高く、外部からの衝撃により流動性を示さなかったため、磁場を印加しても炭素繊維を十分に配向させることができなかった。また、比較例２では、高分子マトリックス中における充填材の分散状態が良くないため、スライスしたときに厚みのばらつきが生じた。難燃性評価についても、燃焼が３０秒以上継続したため、米国の安全規格であるＵＬ９４規格を満たさなかった。これらは、球状カーボンや球状アルミナ等のセラミック粒子に代えて、球状アルミニウム等の金属粒子が配合されたことによるものと推測される。
１０…熱伝導性シート、１１…高分子マトリックス、１２…炭素繊維、１３…球状カーボン。
Claims (11)
- 高分子マトリックスと炭素繊維とを含み、前記高分子マトリックス内で前記炭素繊維がシートの厚み方向に沿って配向されている熱伝導性シートにおいて、
前記熱伝導性シートは、更に、球状カーボンを含み、前記球状カーボンは、前記炭素繊維間に位置しており、シートの厚み方向における体積抵抗率は１×１０４Ω・ｃｍ未満であることを特徴とする熱伝導性シート。 - 請求項１記載の熱伝導性シートにおいて、
前記球状カーボンはガラス状カーボンビーズであることを特徴とする熱伝導性シート。 - 請求項１又は２に記載の熱伝導性シートにおいて、
前記炭素繊維の平均繊維長は５μｍ〜１００００μｍであることを特徴とする熱伝導性シート。 - 請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱伝導性シートにおいて、
前記炭素繊維の端面は、前記熱伝導性シートの表面から表出していることを特徴とする熱伝導性シート。 - 請求項４記載の熱伝導性シートにおいて、
前記炭素繊維の端面は、平坦に潰されていることを特徴とする熱伝導性シート。 - 請求項１〜５のいずれか一項に記載の熱伝導性シートにおいて、
前記シートの厚み方向における熱抵抗値は０．５℃／Ｗ以下であることを特徴とする熱伝導性シート。 - 請求項１〜６のうちいずれか一項に記載の熱伝導性シートにおいて、
厚みが０．５ｍｍである熱伝導性シートは、ＵＬ９４規格においてＶ−０の難燃性を有していることを特徴とする熱伝導性シート。 - 請求項１〜７のうちいずれか一項に記載の熱伝導性シートにおいて、
前記熱伝導性シートの比重は２．０以下であることを特徴とする熱伝導性シート。 - 高分子マトリックス、炭素繊維、及び球状カーボンを含み、前記高分子マトリックス内で前記炭素繊維がシートの厚み方向に沿って配向され、前記球状カーボンが前記炭素繊維間に位置しており、前記シートの厚み方向における体積抵抗率が１×１０４Ω・ｃｍ未満である熱伝導性シートの製造方法において、
前記高分子マトリックスに炭素繊維と球状カーボンとを配合して混合することにより、成形材料を調整する調整工程と、
前記成形材料に磁場又は電場を印加して前記炭素繊維を一方向に配向させる配向工程と、
前記成形材料を固化して成形体を形成する成形工程と
を備えることを特徴とする熱伝導性シートの製造方法。 - 請求項９記載の熱伝導性シートの製造方法は、更に、
前記炭素繊維と交差する方向に沿って前記成形体をスライスすることにより、前記熱伝導性シートの表面から炭素繊維の端面を露出させる露出工程を備えることを特徴とする熱伝導性シートの製造方法。 - 請求項１０記載の熱伝導性シートの製造方法は、更に、
前記炭素繊維の端面を平坦に潰すため、前記熱伝導性シートの表面から露出した前記炭素繊維の端面を研磨する研磨工程を備えることを特徴とする熱伝導性シートの製造方法。
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