JP5959697B2 - 熱伝導性シート - Google Patents

Description

本発明は、熱を伝導する熱伝導性シートに関し、特に、熱の授受される接触界面に与えられて熱伝導を媒介する熱伝導性シートに関する。

電子機器に搭載されるパワートランジスタやＩＣなどの発熱量の大きい電子部品では、その放熱が十分に行われないと、電子部品の動作不良や寿命の低下を招いてしまうおそれがある。そこで銅やアルミニウムなどの熱伝導率の高い材料からなるヒートシンクのような放熱部品をかかる電子部品に接触させて取り付け、該電子部品の発熱を周囲に逃がす方法が多く採用されている。さらに、放熱部品と電子部品との接触界面には、熱伝導を媒介する熱伝導グリスなどを与えて、電子部品から放熱部品への熱の授受を良好にさせることも行われる。

ところで、ゾル状の熱伝導グリスよりも取り扱いが良好な固体シートからなる熱伝導性シートも知られている。放熱部品と電子部品との接触界面に熱伝導シートを挟み込むことで熱伝導グリスと同様に、電子部品から放熱部品への熱の授受を良好にさせ、放熱効率を高め得るのである。

例えば、特許文献１では、空孔を有する樹脂からなる多孔質樹脂シートの空孔内部に該多孔質樹脂シートを貫通するように金属熱伝導材を与えた熱伝導性シートが開示されている。放熱部品と電子部品との接触界面にかかる熱伝導性シートを挟み込むと、可撓性のある柔軟な多孔質樹脂シートが放熱部品及び電子部品の表面形状に追従して変形し、一方で、該部品同士を空孔内部の金属熱伝導材が熱的に連結し、互いの熱の授受を良好にさせ、放熱効率を高めるのである。

また、近年、熱伝導率の高い各種材料が開発されたことから、熱の授受に金属材料を介在させない熱伝導性シートも開発されている。

例えば、特許文献２では、熱伝導性シリコーンゴムからなるシート状体の両面に未硬化の熱伝導性シリコーン組成物を積層して与えられる熱伝導性シートが開示されている。かかる熱伝導性シートを放熱部品と電子部品との間に挟み込むと、熱伝導性の高いシリコーンゴム及びシリコーン組成物により、放熱部品と電子部品とを熱的に連結し、互いの熱の授受を良好にさせ、放熱効率を高めるのである。しかも、未硬化の熱伝導性シリコーン組成物が放熱部品及び電子部品の表面形状に追従してこれを完全に覆うように変形し、該部品同士の隙間を埋めて熱の授受をより良好にさせ、放熱効率をより高めるのである。

特開２００３−１１００６９号公報 特開２００４−１３０６４６号公報

樹脂やゴムからなるシート状体は、金属シートなどと比べて一般的に柔軟性に富むため、放熱部品と電子部品との間に挟み込まれると、これらの表面形状に追従して、これを覆うように変形し、該部品同士の隙間を埋めて熱の授受をより良好にさせることにおいて優れる。一方で、金属材料などと比較すれば厚さ方向の熱伝導効率は低く、必ずしも、十分に放熱効率を得ることは出来ていなかった。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、熱の授受のされる接触界面に与えられて熱伝導を媒介する熱伝導性シートであって、これらの間の熱の授受を良好にできて、放熱効率をより高めることのできる熱伝導性シートを提供することにある。

本発明による熱伝導性シートは、薄膜シート状体の硬化樹脂部内にその主面と略平行な仮想平面に沿って織布を埋入させた複合材料からなり熱の授受される接触界面に与えられて熱伝導を媒介する熱伝導性シートであって、前記織布は、複数の熱伝導性長繊維を互いに離間して略平行に与えた縦糸及び横糸からなり、前記熱伝導性長繊維の表面から分枝する起毛部を前記仮想平面と略垂直方向に延びるように前記織布の前記表面に前記硬化樹脂を与えて固定されていることを特徴とする。

かかる発明によれば、主面と略平行な仮想平面に沿うようにして複数の熱伝導性長繊維を互いに離間して略平行に配置して硬化樹脂によって薄膜シート状に固定させたことにより厚さを薄く出来得てその厚さ方向の熱伝導効率を高め得て、仮想平面と略垂直方向に延びるように固定される起毛部により厚さ方向の熱伝導効率をさらに高め得る。その一方、厚さを薄くすることにより熱伝導性シートは、例えば、放熱部品と電子部品との間に挟み込まれても、これらの表面形状に追従しづらくなる。しかしながら、主面と略平行な仮想面に沿って複数の熱伝導性長繊維を配置したので主面と平行な面方向への熱伝導効率が高く、結果として、その厚さ方向の熱伝導効率が維持されるのである。つまり、熱の授受のされる接触界面に与えられて、これらの間の熱の授受を良好にさせ、放熱効率をより高めることができるのである。また、硬化樹脂によって固定したことにより、熱伝導性長繊維同士の位置関係を安定化させ、熱伝導性シートの変形に対しても厚さ方向の熱伝導効率が維持される。また、硬化樹脂により熱伝導性シートの耐久性を高めることができるため、その厚さをより薄くできる。また、熱伝導長繊維を離間して配置したことで熱伝導性シートの主面内における均質性を高め得る。これらによっても、放熱効率をより高めることができるのである。

上記した発明において、前記起毛部は前記硬化樹脂部の表面に達していることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、放熱効率をより高め得る。

上記した発明において、前記表面に粘着性樹脂が与えられ、前記起毛部は少なくとも前記粘着性樹脂に達していることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、例えば、放熱部品と電子部品との間に挟み込まれるとこれらの表面形状に追従し易くなり、これらの間の熱の授受を良好にさせ、放熱効率をより高めることができるのである。

上記した発明において、前記熱伝導長繊維は絶縁性を有することを特徴としてもよい。かかる発明によれば、絶縁性を高め得た上で、放熱効率を高めることができる。

上記した発明において、前記硬化樹脂を半硬化樹脂としたプリプレグであることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、例えば、放熱部品と電子部品との間に挟み込まれるとこれらの表面形状に追従し易くなり、これらの間の熱の授受を良好にさせ、放熱効率をより高めることができるのである。

上記した発明において、前記熱伝導性長繊維は互いに織り合わせて配置されることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、柔軟性を失うことなく熱伝導性シートの耐久性を高めることができるため、その厚さをより薄くでき、しかも熱伝導性長繊維同士の熱伝導効率をより高め得るため、放熱効率をより高めることができるのである。

上記した発明において、前記熱伝導性長繊維は互いにステッチ様に編み合わせて配置されることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、柔軟性を失うことなく熱伝導性シートの耐久性を高めることができるため、その厚さをより薄くでき、しかも熱伝導性長繊維同士の熱伝導効率をより高め得るため、放熱効率をより高めることができるのである。

本発明による熱伝導性シートの使用例を示す斜視図である。 本発明による熱伝導性シートの断面図である。 図２に示す熱伝導性シートを構成する一部品の上面図である。 熱伝導性シートの要部の断面図である。 本発明による他の熱伝導性シートの上面図である。 図５に示す熱伝導性シートの要部の断面図である。 他の熱伝導性シートの上面図である。 図７に示す熱伝導性シートの断面図である。 本発明による熱伝導性シートの製造工程を示すフロー図である。 本発明による熱伝導性シートの一工程を示す図である。 熱伝導率の測定結果を示す図である。

＜実施例１＞
本発明の１つの実施例による熱の授受される接触界面に与えられて熱伝導を媒介する熱伝導性シートについて図１乃至図４を用いてその詳細を説明する。

図１に示すように、熱伝導性シート１は、発熱量の大きい電子部品、例えば、パッケージＩＣ１０１と放熱部品であるヒートシンク１０２との間に挟まれて使用される。熱伝導性シート１は、パッケージＩＣ１０１から発生する熱をヒートシンク１０２へと効率よく伝導させ、パッケージＩＣ１０１の温度の上昇を緩和するためのシート状体である。

図２に示すように、熱伝導性シート１は、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂などの熱硬化性樹脂、又はアクリル樹脂などの熱可塑性樹脂からなる薄膜シート状体の硬化樹脂部７内に、その主面と略平行な仮想平面Ｐ１に沿って後述する薄い織布５を埋入させた複合材料からなる。なお、硬化樹脂部７は、絶縁材からなることが好ましい。また、熱伝導シート１の総厚さを薄くすることが好ましく、このため織布５及び硬化樹脂部７はより薄く形成されることが好ましい。

図３に示すように、織布５は、熱伝導率の高い長繊維、例えば、炭素繊維、アラミド繊維、ポリエチレン繊維からなる帯状の長繊維４を縦横に直交させて平織りして固定させた織物である。なお、長繊維４からなる縦糸部２及び横糸部３のそれぞれの間隔、互いの交差角度などは、熱伝導性シート１の機械的強度に影響を与える。しかしながら、本発明の目的において、縦糸部２及び横糸部３は、少なくとも互いに熱的に接触するように、かつ後述するように主面と略平行な仮想面に沿うようにして長繊維４が配置されるよう織り合わせられていれば良い。つまり、熱伝導性シート１に求められる機械的強度に応じて、他の織り方、例えば、綾織り、朱子織りで固定されても良い。また、長繊維４は帯状に限定されず、その断面形状は円形や異形状であっても良い。また、縦糸部２及び横糸部３は互いに長繊維４の材質や太さなどを異なるようにしてもよい。更に、縦糸部２及び／又は横糸部３は、好ましくは、互いに離間されて配置される。つまり、縦糸部２及び／又は横糸部３は、開繊された繊維であることが好ましい。これにより後述するように、熱伝導性シート１の内部における均質性を向上させて、厚さを薄くさせ得て、放熱効率を高めることができる。なお、長繊維４は絶縁性の高い繊維であることが好ましい。

ここで、図４（ａ）に示すように、織布５では、縦糸部２が開繊されて互いに離間して配置され、横糸部３が仮想平面Ｐ１に沿うように配置される。一方、図４（ｂ）に示すように、織布１００では、長繊維４からなる縦糸部２が密に配置され、横糸部３が仮想平面Ｐ１を縫うように、すなわち仮想平面Ｐ１に対して角度を有して配置される。織布１００に比べ、織布５では仮想平面Ｐ１の単位面積あたりの長繊維４の総延長をより短く、つまり繊維量を減じ得る。故に、熱伝導性シート１を薄膜シート状により薄くできて、厚さ方向の熱伝導効率を高め得る。

再び図２を参照すると、縦糸部２及び／又は横糸部３の長繊維４は、帯状表面から突き出す起毛部６を有し、硬化樹脂部７の内部において、シート状体である硬化樹脂部７の主面に略垂直方向に向けて延びている。起毛部６は、長繊維４と比較して細い径の線状体であり、その１本１本は、隣接する長繊維４の表面から延びる他の起毛部６と互いに接触し又は絡み合っていることが好ましい。起毛部６は隣接する長繊維４と直接又は他の起毛部６を介して接触しているため、熱伝導シート１の厚さ方向の熱伝導効率を向上させる。

硬化樹脂部７の主面には、粘着性を有する樹脂、例えば、ゴム、アクリル樹脂又はエポキシ樹脂等を主成分とする粘着樹脂層８が与えられて、発熱量の大きい電子部品であるパッケージＩＣ１０１及び／又はヒートシンク１０２と熱的に接触するように接着可能である。

上記した実施例１によれば、熱伝導性シート１はその主面と略平行な仮想平面Ｐ１に沿って複数の熱伝導性を有する長繊維４を配置して薄膜シート状に固定したので、その厚さ方向の熱伝導効率を高め得る。その一方、熱伝導性シート１は、パッケージＩＣ１０１とヒートシンク１０２との間に挟み込まれてこれらの表面形状に追従しなかったとしても熱伝導性シート１の主面と略平行な仮想平面Ｐ１に沿った熱伝導効率が非常に高く、結果として、その厚さ方向の熱伝導効率が維持されるのである。つまり、熱の授受のされる接触界面に与えられて、これらの間の熱の授受を良好にさせ、パッケージＩＣ１０１の放熱効率をより高めることができる。

また、硬化樹脂部７により長繊維４同士の位置関係が安定するから、熱伝導性シート１を変形させても厚さ方向の熱伝導効率を維持し、放熱効率を高め得る。

なお、実施例１では、硬化樹脂部７として熱硬化性樹脂などの硬化樹脂としたが、半硬化樹脂であってもよい。このようなプリプレグとしての熱伝導性シート１は、パッケージＩＣ１０１及びヒートシンク１０２の接触界面の表面形状に追従し易い。故に、この隙間を埋めることができて厚さ方向への熱伝導効率をより高め得て、放熱効率をさらに向上させるのである。

＜実施例２＞
本発明の他の実施例による熱の授受される接触界面に与えられて熱伝導を媒介する熱伝導性シートについて図５及び図６を用いて説明する。ここで本実施例は、実施例１において、硬化樹脂部７内の織布５における長繊維４の固定のさせ方のみが異なるため、織布５について特に説明する。

図５及び図６に示すように、熱伝導性シート１０の織布５は、熱伝導性シート１０の主面と略平行な仮想平面に沿って配置される複数の熱伝導率の高い長繊維１４を、ステッチ状に編み合わせて固定させたシート状体である。なお、長繊維１４からなる縦糸部１２及び横糸部１３のそれぞれの間隔、互いの交差角度などは、熱伝導性シート１０の機械的強度に影響を与えることは実施例１と同様である。

また、実施例１と同様に、熱伝導性シート１０において、長繊維１４の表面に起毛部を形成させ、熱伝導性シート１０の主面上に粘着樹脂層を形成させることも同様である。また、長繊維１４同士の間の硬化樹脂部７に変えて、半硬化樹脂としても良いことも同様である。

上記した実施例２によれば、長繊維１４をステッチ状に編み合わせていることから、柔軟性を保持しつつ熱伝導性シート１０の耐久性を高め、その厚さをより薄くでき、一方で、熱伝導性シート１０の内部において長繊維１４同士の熱伝導効率をより高め得る。これらにより、パッケージＩＣ１０１の放熱効率をさらに向上させることができる。

＜参考例＞
参考例による熱の授受される接触界面に与えられて熱伝導を媒介する熱伝導性シートについて図７及び図８を用いてその詳細を説明する。ここでも本参考例は、実施例１において、硬化樹脂部７内の織布５における長繊維４の固定のさせ方のみが異なるため、織布５について特に説明する。

図７及び図８に示すように、熱伝導性シート１０’の織布５は、熱伝導性シート１０’の主面と略平行な仮想平面に沿って繊維１４’をフェルト状に集積させて固定させた不織布である。繊維１４’は、実施例１の長繊維４などと同様の熱伝導率の高い長繊維である。繊維１４’は、熱伝導性シート１０’の内部において、繊維１４’同士はランダムに交絡しながらも仮想平面Ｐ１に沿うようにして配置されている。実施例１と同様に、繊維１４’は帯状の繊維に限定されず、その断面形状は円形や異形状であっても良い。また、繊維１４’は互いに材質や太さなどを異なるようにしてもよい。

上記した参考例によれば、熱伝導性シート１０’は、フェルト状に集積されていることから、熱伝導性シート１０’の主面内における均質性を向上させて、放熱効率をさらに高めることができる。

＜製造方法＞
次に、上記した熱伝導性シート１の製造方法について、図９に沿って図１０を用いながらその詳細を説明する。

まず、ボビン２１に連続して巻回されて長繊維束体４ａ（図１０参照）として与えられる長繊維４を１本ずつ又は所定の本数ずつに連続的に分けていく（開繊ステップ：Ｓ１）。

図１０に示すように、開繊維処理装置２０は、吸引ポンプ２３に接続された吸気管２３ａの開口部２２の近傍に長繊維束体４ａを通過させることで、これを１本ずつ又は所定の本数ずつの長繊維４に連続的に分けていく装置である。詳細には、ボビン２１に巻回された長繊維束体４ａは、吸気管２３ａの開口部２２の仮想平面２５の上に拡げられるようにして連続的に引き出される。吸引ポンプ２３は、長繊維束体４ａを下方向に吸引し、拡げられた長繊維束体４ａに「撓み」を与える。撓んだ長繊維束体４ａは、所定の幅に「開繊」、すなわち、長繊維４同士が互いに離間して略平行に配置される。この位置関係を維持したまま、長繊維４は、第２ボビン２４に巻き取られていく。

次に、公知の織機により、長繊維４を縦糸及び横糸として、これらを交互及び上下に交差させて平織に、またこれらを編み込んでステッチ状に編み合わせて固定させて織布５を得る（Ｓ２：製織ステップ）。かかる織布５は得ようとする熱伝導性シート１の大きさに応じて所定の大きさに切断され、ニードルパンチ加工により起毛部６が形成される（Ｓ３；起毛ステップ）。つまり、微小な突起を有する針を台の上に平置きされた織布５の主面に対して垂直方向に抜き刺しすることで、長繊維４の表面に起毛部６を与えるのである。ここで、抜き刺しする針の太さ、送り速度、ピッチなどを調整することで、単位面積当たりの起毛の量、及び、起毛の長さ、また起毛同士の絡み付きの度合いを制御できる。

硬化樹脂部７を与える場合には、さらに、起毛部６の形成された織布５を熱硬化樹脂に含浸させて硬化させる（Ｓ４；含浸ステップ）。これにより、織布５の表面に硬化樹脂部７が形成される。更に、硬化樹脂部７の表面に粘着樹脂をローラー又はスプレーで塗布し、粘着樹脂層８を形成する（Ｓ５；塗布ステップ）。以上により熱伝導性シート１を得ることができる。

上記した製造方法によれば、上記した実施例の熱伝導性シート１を得ることができる。

＜熱伝導率測定試験＞
次に、上記した実施例１の熱伝導性シートにおいて、その熱伝導率を測定した結果について説明する。

長繊維４としてＰＢＯ（ポリ・パラフェニレンベンゾビスオキサゾール、Ｐｏｌｙ(ｐ−ｐｈｅｎｙｌｅｎｅｂｅｎｚｏｂｉｓｏｘａｚｏｌｅ)）繊維を用い、硬化樹脂部７としてエポキシ樹脂を用いて上記した製造方法により実施例１のような平織りの織布５を与えた熱伝導性シート１を得た。

図１１には、織布５へ施した所定のニードルパンチ加工の繰り返し回数と、試験片としての熱伝導性シート１の厚さ、厚さ方向及び面方向（主面方向）の熱伝導率を示した。

なお、熱伝導率は、ＪＩＳ Ｈ７８０１に準拠して測定した熱拡散率と、ＪＩＳ Ｋ７１１２のＡ法に準拠した水中置換法により測定した密度と、ＪＩＳ Ｋ７１２３に準拠した示差走査熱量測定により測定した比熱容量とを用いて算出された。

図１１に示すように、いずれの試験片も、厚さ方向の熱伝導率は、０．３０５〜０．７８６Ｗ／（ｍ・Ｋ）と大きく、空気と比較しても高い熱伝導率を有する。また、ニードルパンチ加工の繰り返し回数が多いほど、特に、厚さ方向では高い熱伝導率を与えることがわかる。

以上、本発明による代表的実施例を説明したが、本発明は必ずしもこれに限定されるものではなく、当業者であれば、本発明の主旨又は添付した請求項の範囲を逸脱することなく種々の代替実施例及び改変例を見出すことができるだろう。

１ 熱伝導性シート
２ 縦糸部
３ 横糸部
４ 長繊維
５ 織布
６ 起毛部
２０ 開繊維処理装置
２３ 吸引ポンプ
１０１ パッケージＩＣ
１０２ ヒートシンク

Claims (5)

1. 薄膜シート状体の硬化樹脂部内にその主面と略平行な仮想平面に沿って織布を埋入させた複合材料からなり熱の授受される接触界面に与えられて熱伝導を媒介する熱伝導性シートであって、
   前記織布は、複数の熱伝導性長繊維を互いに離間して略平行に与えた縦糸及び横糸からなり、前記熱伝導性長繊維の表面から分枝する起毛部を前記仮想平面と略垂直方向に延びるように前記織布の前記表面に前記硬化樹脂を与えて固定されていることを特徴とする熱伝導性シート。
2. 前記起毛部は前記硬化樹脂部の表面に達していることを特徴とする請求項１記載の熱伝導性シート。
3. 前記表面に粘着性樹脂が与えられ、前記起毛部は少なくとも前記粘着性樹脂に達していることを特徴とする請求項２記載の熱伝導シート。
4. 前記熱伝導長繊維は絶縁性を有することを特徴とする請求項１乃至３のうちの１つに記載の熱伝導性シート。
5. 前記硬化樹脂を半硬化樹脂としたプリプレグであることを特徴とする請求項１乃至４のうちの１つに記載の熱伝導性シート。