JP6508213B2 - 熱伝導シート、電子機器 - Google Patents
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Description
このように構成すると、第1のグラファイトシートと第2のグラファイトシートを、全体を重ねてまたは一部を重ねて配置した場合は、グラファイトシートの積層方向に熱が移動できる。第1のグラファイトシートと第2のグラファイトシートを、間隔を空けて配置した場合は、グラファイトシートを通ってきた熱が一時的に金属層を通り、またグラファイトシートに戻ることによって、グラファイトシート間で熱が移動できる。よって、複数のグラファイトシートを用いて、熱伝導性に優れた熱伝導シートを構成することができる。さらに、発熱体内の熱が不均一な場合でも、グラファイトシートの厚みがあるほどより早く均一なるように熱が移動でき、グラファイトシートの面積が大きいほどより広範囲に均一なるように熱が移動できる。
このように構成すると、第1のグラファイトシートと第2のグラファイトシートを、全体を重ねてまたは一部を重ねて配置した場合は、接着層3aを非常に薄く形成でき熱抵抗を小さくできるため、グラファイトシートの積層方向に効率よく熱が移動できる。第1のグラファイトシートと第2のグラファイトシートを、間隔を空けて配置した場合は、接着層3bを非常に薄く形成でき熱抵抗を小さくできるため、グラファイトシートを通ってきた熱が一時的に金属層を通り、またグラファイトシートに戻ることによって、グラファイトシート間で効率よく熱が移動できる。
さらに、ポリビニルアセタール樹脂は、靭性、耐熱性および耐衝撃性に優れ、厚みが薄くても接着性に優れるため好ましい。
このように構成すると、第1のグラファイトシートと第2のグラファイトシートを、全体を重ねてまたは一部を重ねて配置した場合は、接着層3aを非常に薄く形成でき熱抵抗を小さくできるため、グラファイトシートの積層方向に効率よく熱が移動できる。第1のグラファイトシートと第2のグラファイトシートを、間隔を空けて配置した場合は、接着層3bを非常に薄く形成でき熱抵抗を小さくできるため、グラファイトシートを通ってきた熱が一時的に金属層を通り、またグラファイトシートに戻ることによって、グラファイトシート間で効率よく熱が移動できる。
さらに、ポリビニルアセタール樹脂は、靭性、耐熱性および耐衝撃性に優れ、厚みが薄くても接着性に優れるため好ましい。
このように構成すると、接着層3aを非常に薄く形成でき熱抵抗を小さくできるため、例えば、第1のグラファイトシートを通ってきた熱が一時的に第3のグラファイトシートを通り、第2のグラファイトシートに移動することによって、グラファイトシート間で効率よく熱が移動できる。
このように構成すると、耐薬品性、可撓性、耐摩耗性および機械的強度に優れ、溶媒への溶解性および接着性に優れた接着層3a、3bを得ることができる。
このように構成すると、より接着性に優れた接着層3a、3bを得ることができる。
このように構成すると、接着層3a、3bの熱伝導率を向上させることができる。
このように構成すると、熱伝導シート全体の厚みをより薄くすることができる。
このように構成すると、放熱特性および機械強度に優れる熱伝導シートを得ることができる。
このように構成すると、熱伝導性が特に良好な熱伝導シートを得ることができる。
このように構成すると、発熱体に生じた熱を熱伝導シートを用いて効率よく放熱することができる。
このように構成すると、第1の接着層がポリビニルアセタール樹脂を含むため、接着層は接着性に優れ、かつ非常に薄く形成でき熱抵抗を小さくできるので、金属層が無い場合でもグラファイト間の熱伝導性に優れた熱伝導シートを構成することができる。また、接着層に他の材料を用いた場合と比較して、熱伝導シート全体の厚さを薄くすることができる。
本発明の第1の実施の形態に係る熱伝導シートは、例えば図5に示す熱伝導シート1のように、グラファイト層4と、グラファイト層4を上下から挟むように積層した金属層2と、金属層2とグラファイト層4を接着する接着層3bで構成される。本発明では、グラファイト層4を複数のグラファイトシートを用いて構成することにより、熱伝導性に優れた熱伝導シート1を実現している。たとえば、本発明の熱伝導シート1の層構成を図1〜4に示す。しかし、グラファイトシートの枚数はこれに限られない。本発明の熱伝導シートは、グラファイト層が必要とする厚みや面積に合わせてグラファイトシートの枚数を適宜決定すればよい。
なお、図3、図4において、第1のグラファイトシートと第2のグラファイトシートの間隔は、0〜5mm未満であり、好ましくは0〜3mmであり、特に好ましくは0〜1mmである。
グラファイト層を構成するグラファイトシートは、大きな熱伝導率を有し、軽くて柔軟性に富んでいる。このようなグラファイトシートを複数枚用いることで、より厚みのあるグラファイト層またはより大面積のグラファイト層を備えた放熱部材であって、放熱特性に優れた熱伝導シートを得ることができる。
グラファイトシートは、グラファイトからなるシートであれば特に制限されないが、例えば、特開昭61−275117号公報および特開平11−21117号公報に記載の方法で製造したものを用いてもよいし、市販品を用いてもよい。
グラファイトシートの、積層した際の積層方向に対して略垂直な方向の熱伝導率は、レーザーフラッシュまたはキセノンフラッシュ熱拡散率測定装置、DSCおよびアルキメデス法で、それぞれ熱拡散率、比熱および密度を測定し、これらを掛け合わせることで算出することができる。
金属層は、接着層に接する面が粗化処理されたものが好ましい。
金属層は、熱伝導率が高く、加工が容易であり、熱伝導シート(以下、放熱部材ともいう)の使用条件において安定であり、入手が容易な箔または板状であることが好ましい。以下では、金属板および金属箔等のことを併せて「金属板等」ともいう。
加工および入手が容易であり、熱伝導シートの通常の使用条件で安定である点で銅、アルミニウムまたはニッケルを含む層が好ましく、銅、アルミニウムまたはニッケルからなる層がより好ましく、表面粗化処理済の金属板等の調製または入手が容易である点で銅またはアルミニウムからなる層が特に好ましい。
また、アルミニウムよりも熱伝導率は少し落ちるが軽量である点でマグネシウムからなる層が好ましい。耐食性が非常に高く軽量である点でチタンからなる層、例えば、チタン箔が好ましい。
合金としては、具体的には、リン青銅、銅ニッケル、ジュラルミン、マグネシウム合金(AZ31)などが挙げられる。
金属層を表面粗化処理する方法は特に制限されないが、例えば、市販の金属板等を、放電加工機を用い、電流値等の条件を振って粗化処理する方法、フライス盤で加工する方法、または研削加工する方法等の手段から適宜選択、組み合わせることができる。
なお、金属層は、少なくとも接着層に接する面が粗化処理されていればよく、接着層と接する面および該面と反対側の面が粗化処理されていてもよい。
表面粗度の測定は、例えば面粗さ測定装置、原子間力顕微鏡(AFM)等を用いて行うことができる。具体的には、通常、JIS B 0651に基づいて測定できる。なお、JIS B 0652−1973に記載の光波干渉式表面粗さ測定器を用いて測定してもよい。
金属層の厚みは、単位面積当たりの重量を測定し、測定した重量と、金属層を形成する金属等の成分の比重とから算出することができる。
第1の接着層3aは、グラファイトシート間を接着することができる層であれば特に制限されず、樹脂を含む組成物をグラファイトシートに塗布し貼り合わせ、必要により乾燥、硬化させて得られる層であることが好ましい。
第2の接着層3bは、金属層とグラファイトシートとを接着することができる層であれば特に制限されず、樹脂を含む組成物を金属層またはグラファイトシートに塗布し、必要により乾燥、硬化させて得られる層であることが好ましい。
合成系接着層としては、アクリル樹脂、ポリオレフィン樹脂、ウレタン樹脂、エーテル系セルロース、エチレン・酢酸ビニル樹脂、エポキシ樹脂、ポリ塩化ビニル、クロロプレンゴム、酢酸ビニル樹脂、ポリシアノアクリレート、シリコーン系樹脂、スチレン−ブタジエン樹脂、ポリビニルアセタール樹脂、ニトリルゴム、ニトロセルロース、フェノール樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、レゾルシノール樹脂等の1種もしくは2種以上を含む層またはこれらの1種もしくは2種以上を含む組成物から形成された層を用いることが好ましい。
ポリビニルアセタール樹脂は、特に制限されないが、靭性、耐熱性および耐衝撃性に優れ、厚みが薄くてもグラファイトシート間および金属層とグラファイトシートとの接着性に優れる接着層が得られるなどの点から、下記構成単位A、BおよびCを含む樹脂であることが好ましい。
構成単位AにおけるRは独立に、水素またはアルキルである。Rが嵩高い基(例えば炭素数が多い炭化水素基)であると、ポリビニルアセタール樹脂の軟化点が低下する傾向がある。また、Rが嵩高い基であるポリビニルアセタール樹脂は、溶媒への溶解性は高くなるが、一方で耐薬品性に劣ることがある。そのためRは、水素または炭素数1〜5のアルキルであることが好ましく、得られる接着層の靭性などの点から水素または炭素数1〜3のアルキルであることがより好ましく、水素またはプロピルであることがさらに好ましく、耐熱性などの点から水素であることが特に好ましい。
構成単位Bの含有率が0.1mol%以上であると、ポリビニルアセタール樹脂の溶媒への溶解性が良くなるため好ましい。また、構成単位Bの含有率が49.9mol%以下であると、ポリビニルアセタール樹脂の耐薬品性、可撓性、耐摩耗性および機械的強度が低下しにくいため好ましい。
構成単位Cは、ポリビニルアセタール樹脂の溶媒への溶解性や、得られる接着層の金属層やグラファイトシートとの接着性などの点から、含有率が49.9mol%以下であることが好ましい。また、ポリビニルアセタール樹脂の製造において、ポリビニルアルコ−ル鎖をアセタール化する際、構成単位Bと構成単位Cが平衡関係となるため、構成単位Cの含有率は0.1mol%以上であることが好ましい。
金属層やグラファイトシートとの接着強度に優れる接着層を得ることができるなどの点から、構成単位Dの含有率は前記範囲にあることが好ましい。
ポリビニルアセタール樹脂における構成単位Dの含有率は、以下に述べる方法で測定することができる。
1mol/l水酸化ナトリウム水溶液中で、ポリビニルアセタール樹脂を、2時間、80℃で加温する。この操作により、カルボキシル基にナトリウムが付加し、−COONaを有するポリマーが得られる。該ポリマーから過剰な水酸化ナトリウムを抽出した後、脱水乾燥を行う。その後、炭化させて原子吸光分析を行い、ナトリウムの付加量を求めて定量する。
検出器:830−RI (日本分光(株)製)
オ−ブン:西尾工業(株)製 NFL−700M
分離カラム:Shodex KF−805L×2本
ポンプ:PU−980(日本分光(株)製)
温度:30℃
キャリア:テトラヒドロフラン
標準試料:ポリスチレン
オストワルド粘度は、ポリビニルアセタール樹脂5gをジクロロエタン100mlに溶解した溶液を用い、20℃で、Ostwald−Cannon Fenske Viscometerを用いて測定することができる。
ポリビニルアセタール樹脂としては、前記樹脂を単独で用いてもよく、構成単位の結合の順番や結合の数等が異なる樹脂を2種以上併用してもよい。
構成単位A、BおよびCを含む樹脂の合成方法は、特に制限されないが、例えば、特開2009−298833号公報に記載の方法を挙げることができる。また、構成単位A、B、CおよびDを含む樹脂の合成方法は、特に制限されないが、例えば、特開2010−202862号公報に記載の方法を挙げることができる。
ポリビニルアセタール樹脂を含む組成物には、通常用いられる範囲で安定剤、改質剤等の添加剤を加えてもよい。このような添加剤としては、市販されている添加剤を使用できる。また、ポリビニルアセタール樹脂を含む組成物には、ポリビニルアセタール樹脂の特性を損なわない範囲で他の樹脂を添加することもできる。
これらの添加剤は、それぞれ、単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
シランカップリング剤の添加量は、金属層との接着性を向上させることができるなどの点から、接着層に含まれる樹脂の総量100重量部に対して、好ましくは1〜10重量部である。
エポキシ樹脂の添加量は、接着層のガラス転移温度を高くできるなどの点から、接着層に含まれる樹脂の総量100重量%に対して、好ましくは1〜49重量%である。
ポリビニルアセタール樹脂は、古くからエナメル線などに使用されており、金属と接触することにより劣化したり、金属を劣化させたりし難い樹脂ではあるが、熱伝導シートを高温多湿環境で使用する場合などでは、銅害防止剤や金属不活性化剤を添加してもよい。
銅害防止剤の添加量は、接着層の金属と接触する部分の樹脂の劣化を防止できるなどの点から、接着層に含まれる樹脂の総量100重量部に対して、好ましくは0.1〜3重量部である。
第1、第2の接着層は、熱伝導率を向上させることを目的として少量の熱伝導性フィラーを含んでいてもよいが、熱伝導性フィラーの添加は接着性能を低下させたり接着層を厚くしたりする傾向にあるので添加する際には添加量と、接着性能や粒子径とのバランスに留意する必要がある。また、金属層の粗化面の形状によっては熱伝導性フィラーの添加はボイド(空隙)の形成を促進することもあるため、フィラーを用いる場合には留意する必要がある。
これらの熱伝導性フィラーは、単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
なお、熱伝導性フィラーの平均径や形状は、本発明の熱伝導シートの製造過程で変化することがあるが、ポリビニルアセタール樹脂を含む組成物に前記平均径や形状を有するフィラーを配合する態様であればよい。
熱伝導性フィラーの好ましい配合量は組成物100重量%に対して、1〜20重量%である。
溶剤としては、ポリビニルアセタール樹脂を溶解できるものであれば特に制限されないが、熱伝導性フィラーを分散させることができるものであることが好ましく、メタノール、エタノール、n−プロパノール、iso−プロパノール、n−ブタノール、sec−ブタノール、n−オクタノール、ジアセトンアルコール、ベンジルアルコールなどのアルコール系溶媒;メチルセロソルブ、エチルセロソルブ、ブチルセロソルブなどのセロソルブ系溶媒;アセトン、メチルエチルケトン、シクロペンタノン、シクロヘキサノン、イソホロンなどのケトン系溶媒;N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、1−メチル−2−ピロリドンなどのアミド系溶媒;酢酸メチル、酢酸エチルなどのエステル系溶媒;ジオキサン、テトラヒドロフランなどのエーテル系溶媒;メチレンクロライド、クロロホルムなどの塩素化炭化水素系溶媒;トルエン、ピリジンなどの芳香族系溶媒;ジメチルスルホキシド;酢酸;テルピネオール;ブチルカルビトール;ブチルカルビトールアセテート等が挙げられる。
これらの溶剤は、単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
接着層は、積層した場合の積層方向の熱伝導率が、好ましくは0.05〜50W/m・Kであり、より好ましくは0.1〜20W/m・Kである。接着層の熱伝導率が前記範囲にあることで、放熱特性および接着性に優れる熱伝導シートを得ることができる。
接着層の熱伝導率が前記範囲の上限以下であると、金属層とグラファイトシートとの接着力、およびグラファイトシート間の接着力が高く、機械的強度および耐久性に優れる熱伝導シートが得られるため好ましい。一方、接着層の熱伝導率が前記範囲の下限以上であると、放熱特性に優れる熱伝導シートが得られるため好ましい。
接着層の積層方向の熱伝導率は、レーザーフラッシュまたはキセノンフラッシュ熱拡散率測定装置から得られる熱拡散率、示差走査熱量測定装置(DSC)から得られる比熱、アルキメデス法で得られる密度から算出することができる。
グラファイトシートどうしを接着する第1の接着層3aの厚みは、好ましくは0.05〜20μmであり、より好ましくは0.05〜5μmであり、さらに好ましくは、0.05μm〜2μmである。
また、接着性に特に優れる熱伝導シートが得られるなどの点から、Rzおよびtは、前記関係を満たし、かつ、Rz<tであることが好ましい。
金属層の接着層に接する面の表面粗度(Rz)と接着層の厚み(t)との関係が前記範囲にある場合には、接着層の厚みが金属層の表面粗度と同等であるといえる。
接着層の厚みは、例えば、ポリビニルアセタール樹脂を含む組成物を金属層またはグラファイトシートに塗布する際の条件を種々変更することによって調整することができる。変更可能な条件としては塗布方式、固形分濃度、塗工速度等である。
金属層や接着層に含まれ得る熱伝導性フィラーは、グラファイトシートに突き刺さっている場合などがあるが、この場合であっても、接着層の厚みは、グラファイトシートに突き刺さった部分を考慮せず、金属層および/またはグラファイトシート間の厚みのことをいう。
接着層の厚みは、具体的には、未塗工部分の膜厚計による厚み(粗化処理によってRzに応じたばらつきあり)の平均値と接着層形成成分塗工済み部分の厚みの平均値の差で算出することができる。未塗工部分の平均厚みは前記平均線から非粗化処理端までの距離になる。
接着層形成成分塗工済み部分の厚みは、例えば、接着層が形成された金属層の厚みと接着層が形成されていない金属層との厚みの差から段差計を用いて測定することができる。
本発明の熱伝導シートは、金属層、接着層、複数のグラファイトシートからなるグラファイト層を有する積層体を含めば特に制限されず、前記積層体のグラファイト層の上に、金属層およびグラファイト層が交互に、または、金属層および/またはグラファイト層を任意の順番に、接着層を介して複数積層した積層体であってもよい。
複数の金属層、グラファイト層または接着層を用いる場合、これらの層は、それぞれ同様の層であってもよく、異なる層であってもよいが、同様の層を用いることが好ましい。
また、これらの層の厚みも、同様であってもよく、異なってもよい。
複数の金属層を用いる場合には、第2の接着層3bに接する面が粗化処理された金属層を用いることが好ましい。
また、本発明の熱伝導シートを、図5に示すような態様で使用する場合には、発熱体10から最も遠い層(図1では上段の金属層2)の第2の接着層3bと接しない側の形状を、表面積が大きくなるような形状、例えば、剣山状や蛇腹状にすることで、発熱体10から最も遠い層の外気に接触する面の面積を増大させてもよい。
また、金属層2の大きさ(板の縦および横の長さ)より小さいグラファイト層4を用い、2つの接着層3bが直接接するようにすることで、機械的強度の高い熱伝導シートを製造することができる。
グラファイトシートの穴やスリットの形状、数や大きさは、熱伝導シートの機械的強度および放熱特性などの点から、適宜選択すればよい。
例えば、図8に示すように、複数のグラファイトシート4a、4a’、接着層3aとしてのポリビニルアセタール樹脂を含む層から、グラファイトの厚みがあり大面積の熱伝導シートを形成することができる。
本発明の熱伝導シートは、例えば、ポリビニルアセタール樹脂を含む組成物を、金属層を形成する金属板等またはグラファイト層を形成するグラファイト層に塗布し、必要により予備乾燥した後、金属板等とグラファイト層とを該組成物を挟むように配置して、圧力をかけながら加熱することで製造することができる。また、熱伝導シートを製造する際には、金属板等とグラファイト層との両方に前記組成物を塗布することが、金属層とグラファイト層との接着強度が高い熱伝導シートが得られるなどの点から好ましい。
また、予備乾燥は、大気中で行えばよいが、所望により、窒素や希ガスなどの不活性ガス雰囲気下で行ってもよく、減圧下で行ってもよい。特に、高い温度で短時間に乾燥させる場合には不活性ガス雰囲気下で行うことが好ましい。
前記樹脂を含む塗料の市販品としては、耐熱塗料(オキツモ(株):商品名、耐熱塗料ワンタッチ)などが挙げられる。
本発明の熱伝導シートは、グラファイトシート間の接着強度、および金属層とグラファイト層との接着強度に優れ、厚みの薄い接着層を有する。本発明の熱伝導シートは、積層方向および積層方向に対して略垂直方向への熱伝導率が高く、全体の厚みが薄くても、従来の厚みの厚い放熱板と同等またはそれ以上の放熱特性を有する。また、切断、穴あけ、型抜きなどの加工性に優れ、金属層とグラファイト層との接着力が強く折り曲げ可能である。このため、本発明の熱伝導シートは、様々な用途に用いることができ、特に、電子デバイスやバッテリーに好適に用いられる。
また、本発明の熱伝導シートは、液晶ディスプレイや有機エレクトロルミネッセンス照明の色ムラを防ぐための均熱板としても好適である。
図5は、本発明の熱伝導シート1を、該積層体の積層方向が発熱体10の面に略垂直になるように配置した電子デバイスの一例を示す断面概略図である。また、図9は、図5に示すような熱伝導シート1を90°回転させて、発熱体10に接するように配置した電子デバイスの一例を示す断面概略図である。このように本発明の熱伝導シート1を配置することで、熱伝導シートの積層方向および積層方向に対して略垂直方向(縦方向)に熱を拡散させ、熱源付近の温度上昇を緩和させることができる。
なお、図9に示すように本発明の熱伝導シートを配置する場合、熱伝導シートを、熱伝導シートの積層方向に切断したものを用いてもよい。本発明の熱伝導シートを図9のように配置した場合、発熱体10から発生した熱を素早く放熱(例えば、冷却装置に移動)させることができるので、発熱体10の温度上昇を効果的に抑えることができる。
電子デバイスとしては、例えば、画像処理やテレビ、オーディオなどに使用されるASIC(Application Specific Integrated Circuit)等のチップ、パーソナルコンピュータ、スマートフォンなどのCPU(Central Processing Unit)、LED(Light Emitting Diode)照明、有機EL照明などが挙げられる。
図10を参照してLED照明について説明する。なお、図10は、LED本体の裏面に放熱部材として本発明の熱伝導シートが熱伝導パッドを介して接触するように配置したLED照明の一例を示す断面概略図である。特に、前記LED本体として、超高輝度LEDなど発熱量が非常に大きいLEDを用いる場合には、本発明の熱伝導シートの使用は有効である。
電気エネルギーを光エネルギーに変換するLED本体は、点灯に伴い熱が発生し、この熱をLED本体の外へ排出させる必要がある。この熱は、LED本体から熱伝導パッドを介して本発明の熱伝導シートに伝達され、該熱伝導シートにより放熱される。
バッテリーとしては、自動車や携帯電話などに用いられるリチウムイオン二次電池、リチウムイオンキャパシタ、ニッケル水素電池などが挙げられる。
リチウムイオンキャパシタとしては、リチウムイオンキャパシタセルが複数直列または並列に接続されたモジュールであってもよい。
この場合、本発明の熱伝導シートは、モジュール全体の外表面の一部に接するように、またはモジュール全体を覆うように配置してもよく、各リチウムイオンキャパシタセルの外表面の一部に接するように、または各セルを覆うように配置してもよい。
また、本発明の熱伝導シートは、電子機器およびモーター類等の放熱部材品として使用することができる。電子機器およびモーター類は振動する条件下で使用されることがあるため、積層体である放熱部材は、各層間において充分な接着強度を有することが望ましい。充分な接着強度を有しない場合、使用環境下で剥離し、電子機器、モーター類の性能を損なう恐れがある。しかし、本発明の熱伝導シートは、各層間において充分な接着強度を有している点において有益である。
<接着用樹脂>
・PVF−K:ポリビニルホルマール樹脂、JNC(株)製、ビニレック K(商品名)
・NeoFix10:アクリル樹脂、日栄化工(株)製
<溶剤>
・シクロペンタノン:和光純薬工業(株)製、和光一級
<グラファイトシート>
・グラファイトシート(人工グラファイト):GrafTECH Internation al製、SS−1500(商品名)、厚み0.025mm、(シートの面方向の熱伝導率:1500W/m・K)
<金属板>
・接着塗膜付き電解銅箔:古河電気化学工業(株)製、電解銅箔F2−WS(商品名)厚み12μm
まず、人工グラファイトシートを(I)55mm×50mm、(II)50mm×50mmに、デザインナイフを用いてカットする。(I)のグラファイトの端の5mm×50mmを糊しろとして、その糊しろに固形分濃度13wt%のPVF−K溶液(溶媒:シクロペンタノン)を一般的な塗装用の筆((株)タミヤ製、平筆 小)を用いて、乾燥後の厚みが約2μmになるように塗布した。PVF−Kを塗布した糊しろ部と、PVF―Kを塗布していないグラファイトシートの端部を、溶媒が乾燥する前に、5mm幅で重なるように重ね合わせを行った(図6)。溶媒が乾燥する前にグラファイトどうしを貼り合わせることにより、丁度グラファイト同士が糊で繋ぎ合わせられたような状態になり、金属箔で挟み込む際の位置あわせなどが簡便になる。一方、ホットプレートや乾燥炉を用いて溶媒を充分乾燥させた後で重ね合わせることにより、金属箔内部におけるガス発生の少ない放熱部材が作製可能になる。これらの選択は放熱部材を使用する温度により適宜選択でき、高温で使用する場合は、予備乾燥したほうが内部でのガス発生の恐れが少ない。
次に、接着塗膜付の銅箔2枚(100mm×50mm)で接着塗膜を内側にして、前述の貼り合わせを行ったグラファイトシートを挟みこむ。このサンプルを、銅箔からはみ出たPVF−Kにより銅箔が熱板に固着しないように、カプトン(登録商標)フィルム(厚み100μm)で挟み込み、小型加熱プレス((株)東洋精機製作所製:MINI TEST PRESS−10小型加熱手動プレス)の熱板(220℃)の上に2分間静置し予備加熱した。予備加熱後、2枚の銅箔とグラファイトシートがずれないように注意しながら、加圧と減圧を数回繰り返すことにより銅箔とグラファイトの間の脱気を行い、10MPa加圧した状態で5分間保持した。その後、別のプレス機((株)東洋精機製作所製:MINI TEST PRESS−10小型冷却手動プレス)の冷却板(25℃)の上に乗せ、10MPa加圧した状態で2分間保持し冷却した。冷却後、圧力を解き放ち、熱伝導シート(以下、放熱部材とする)を得た。
なお、接着塗膜付きの銅箔は、特開2013−157599号公報に記載された方法で、PVF−Kの厚みが約2μmになるように作製した。また、PVF−Kの厚みは(株)ニコン製デジマイクロMF−501+カウンタTC−101を用いて、塗布後の厚みから塗布前の厚みを引くことにより求めた。
実施例1で得られた放熱特性評価用サンプルを20mm×80mmの短冊状に切り出しを行った。図11に示すように、T0220パッケージのトランジスタ((株)東芝製2SD2013)を切り出した放熱部材の長手方向の端部に前記両面テープを用いて取り付けた。トランジスタの裏面にはK熱電対(理化工業(株)製ST−50)が取り付けられてあり、その温度をデータロガー(グラフテック(株)製GL220)を用いてパソコンに記録できる。またトランジスタを貼り付けた放熱部材の長手方向の反対側には金属製のヒートシンクを貼り合わせた。この熱電対およびヒートシンクを取り付けたトランジスタを40℃に設定した恒温槽中央に静置し、トランジスタの温度が40℃で一定になったことを確認した後、トランジスタに直流安定化電源を用いて1.24Vを印加し、表面の温度変化を測定した。トランジスタは同じワット数が印加されていれば一定の熱量を発生しているので、取り付けてある放熱部材の放熱効果が高いほど温度は低下する。すなわち、トランジスタの温度が低くなる放熱部材ほど放熱効果が高いといえる。
実施例1〜12、比較例1で得られた放熱部材の金属板とグラファイトシートとの接着強度は、グラファイトシートが、へき開(グラファイト層内で剥離)する特性があるので、引き剥がす際の引っ張り荷重などの数値で求めることは難しい。したがって、実施例で作製した放熱部材の金属部分を引き剥がし、金属層内側表面の状態を目視で観察することにより評価した。引き剥がした金属層の表面全体が、へき開したグラファイトで覆われている場合は◎、わずかに金属層または接着層が現れているものを○、表面全体の1/4以上に金属層または接着層が現れているものを△、ほとんどもしくは全くグラファイトが残っていないものを×とした。
実施例1において、グラファイトシートどうしを接着する貼り合わせの幅および接着層の種類を表1に示すように変更した以外は、実施例1と同様にして放熱部材を得た。
グラファイトシートを3枚使用し、図2のような貼り合わせにした以外は、実施例1と同様にして放熱部材を得た。
グラファイトシート1枚のみ使用してグラファイト層とし、図5のような貼り合わせにした以外は、実施例1と同様にして放熱部材を得た。
グラファイトシートを2枚使用し、図3のようにグラファイト2枚の隙間ができないようにして銅箔と積層した以外は、実施例1と同様にして放熱部材を得た。
グラファイトシートを2枚使用し、図4のように2枚のグラファイトシートを1mm離して銅箔と積層した以外は、実施例1と同様にして放熱部材を得た。
グラファイトシートを2枚使用し、図4のように2枚のグラファイトシートを5mm離して銅箔と積層した以外は、実施例1と同様にして放熱部材を得た。
銅箔と積層せずに、グラファイトシートそのものを放熱部材とした。それ以外は実施例1と同様にグラファイトシートの片面に熱伝導両面テープ(NeoFix10)を貼り付け、その裏面には絶縁テープ(NeoFix10BL)を貼り付け、放熱特性評価用のサンプルとした。
銅箔と積層せずにグラファイトシートを2枚使用し、グラファイトシート2枚を1mm離したものを放熱部材とした。それ以外はそれ以外は実施例1と同様にグラファイトシートの片面に熱伝導両面テープ(NeoFix10)を貼り付け、その裏面には絶縁テープ(GL−10B)を貼り付け、放熱特性評価用のサンプルとした。
グラファイトシートどうしを接着する接着層にPVF−Kを用いた実施例1〜4、9の試料の1800秒後のトランジスタの温度を比較すると、貼り合わせ面積の増加と共にトランジスタの温度が低下していることがわかる。これはグラファイトシートが厚くなることで、放熱部材を流れる熱の量が増大したためであると考えられる。
グラファイトシートどうしを接着する接着層にNeoFix10を用いた実施例5〜8、10の試料も同様の傾向がある。
グラファイトシートどうしを接着する接着層にPVF−Kを用いた実施例1〜4、9と、グラファイトシートどうしを接着する接着層にNeoFix10を用いた実施例5〜8、10を比較すると、同じ貼り合わせ面積において、いずれも接着層としてPVF−Kを用いた試料のトランジスタ温度が低下している。これはPVF−Kの厚みが2μmと薄いため、厚み方向の熱伝導率が高くなっているためと考えられる。またどの放熱部材もグラファイトシートがへき開する以上の接着強度があった。接着層の樹脂の種類としてPVF−Kを用いた場合は、接着層の厚みを薄くしても接着強度を保つことができるため、得られる放熱部材の積層方向の熱伝導率は、接着層の樹脂の種類としてPVF−Kを用いる場合が最も高い。したがって、グラファイトシートどうしの接着にPVF−Kを使用することにより、市販されている両面テープを使用する場合に比べ、高性能で全体の厚みがより薄い放熱部材を作製できることがわかる。また、実施例1〜8のいずれもグラファイトシート1枚で形成した比較例1よりトランジスタ温度が低下している。
実施例2、9と実施例6、10を比較すると、グラファイトシートの使用枚数によってトランジスタ温度に大きな差異はなかった。放熱特性はグラファイトシートの使用枚数よりも貼り合わせ面積に依存していると考えられる。
比較例1と実施例11を比較した場合、グラファイト1枚の放熱部材とグラファイト2枚の隙間ができないようにした放熱部材ではトランジスタ温度に大きな差はなかった。一方で実施例12のように、グラファイト2枚を離した放熱部材はトランジスタ温度がわずかに上昇している。しかし、実施例11と実施例12は、比較例1と同程度の放熱特性を有しており、比較例1に比し大面積化が可能となっている点で有益である。
なお、銅箔を使用しない比較例2と比較例3を比較すると、グラファイトシートを離して配置したことによる比較例3の放熱特性の著しい低下が見られた。グラファイトの貼り合わせを行う際には、少しずれると放熱特性が低下するので注意が必要である。
さらに参考例1を見ると、図4のような構造でもグラファイトシートの隙間が大きすぎると、トランジスタ温度が高くなってしまう。グラファイトが途切れ銅箔のみになっている部分は、熱の流れ上ボトルネックになっており、その距離が長すぎると銅箔で挟み込む効果も薄くなってしまうためである。
本発明の方法でグラファイトシートを貼り合わせると、従来に比べグラファイト間の熱抵抗が低いことがわかった。そこで、グラファイトシートどうしの接着に応用できるか実験をおこなった。
50mm×50mmにカットしたグラファイトシートに、実施例1と同じPVF−K溶液をスピンコートし、1μmの接着層を形成した。この接着層付きグラファイトシートと、接着層を持たないグラファイトシートを、接着層が内側になるように重ね合わせて、実施例と同じ条件でプレスした。得られたサンプルを実施例1と同様に絶縁層と粘着層で挟み込み、評価した。
比較のために、2枚の50mm×50mmにカットしたグラファイトシートを、5μm厚の両面粘着テープ(NeoFIX5)で、気泡が入らないように注意しながら貼り合わせた。得られたサンプルを実施例1と同様に絶縁層と粘着層で挟み込み、評価した。
2 金属層
3a 第1の接着層
3b 第2の接着層
4 グラファイト層
4a グラファイトシート
4a’ グラファイトシート
4a” グラファイトシート
4b グラファイトシート
4c グラファイトシート
5 穴
6 スリット
10 発熱体
Claims (11)
- 複数のグラファイトシートから構成された熱伝導シートであって、
第1のグラファイトシートと;
前記第1のグラファイトシートとの間隔を5mm未満にして並べて配置した第2のグラファイトシートと;
配置した前記第1のグラファイトシートと前記第2のグラファイトシートを上下から挟むように積層した金属層と;
配置した前記第1のグラファイトシートと前記第2のグラファイトシートと、前記金属層との対面を接着する第2の接着層と;を備える、
熱伝導シート。 - 前記第2の接着層が、ポリビニルアセタール樹脂を含む、または、アクリル樹脂を含む、
請求項1に記載の熱伝導シート。 - 間隔を5mm未満にして並べて配置した前記第1のグラファイトシートと前記第2のグラファイトシートのそれぞれに一部を重ねて配置した第3のグラファイトシート;をさらに備え、
前記第1のグラファイトシートと前記第3のグラファイトシートとの対面、および、前記第2のグラファイトシートと前記第3のグラファイトシートとの対面が、それぞれ第1の接着層で接着される、
請求項1または請求項2に記載の熱伝導シート。 - 前記第1の接着層がポリビニルアセタール樹脂若しくはアクリル樹脂を含み、および、前記第2の接着層がポリビニルアセタール樹脂を含む、または、
前記第1の接着層がポリビニルアセタール樹脂を含み、および、前記第2の接着層がアクリル樹脂を含む、
請求項3に記載の熱伝導シート。 - 前記接着層が、熱伝導性フィラーをさらに含む、
請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の熱伝導シート。 - 前記第1のグラファイトシートと前記第2のグラファイトシートの厚みが、それぞれ10〜300μmである、
請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の熱伝導シート。 - 前記金属層の厚みが、前記第1のグラファイトシートまたは前記第2のグラファイトシートの厚みの0.01〜10倍である、
請求項1〜請求項8のいずれか1項に記載の熱伝導シート。 - 前記金属層が、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、マグネシウム、チタンおよびこれらの少なくとも1つの金属を含有する合金からなる群より選ばれる少なくとも1種の金属を含む、
請求項1〜請求項9のいずれか1項に記載の熱伝導シート。 - 請求項1〜請求項10のいずれか1項に記載の熱伝導シートと;
発熱体を有する電子デバイスと;を備え、
前記熱伝導シートが、前記発熱体に接触するように前記電子デバイスに配置された、
電子機器。
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