JP7458775B2 - 熱伝導性成形体の製造方法 - Google Patents
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Description
本技術は、電子機器内部の発熱部と放熱部品との間に配置され、放熱を促進させる熱伝導性成形体の製造方法に関する。
近年、電子機器は、小型化の傾向をたどる一方、アプリケーションの多様性のために電力消費量をそれほど変化させることができないため、機器内における放熱対策がより一層重要視されている。
上述した電子機器における放熱対策として、銅やアルミ等といった熱伝導率の高い金属材料で作製された放熱板やヒートパイプ、あるいはヒートシンク等が広く利用されている。これらの熱伝導性に優れた放熱部品は、放熱効果又は機器内の温度緩和を図るため、電子機器内における発熱部である半導体パッケージ等の電子部品に近接するようにして配置される。また、これらの熱伝導性に優れた放熱部品は、発熱部である電子部品から低温の場所へ亘って配置される。
電子機器内における発熱部には、熱伝導シートや熱伝導グリスが使用されている。例えば、特許文献１には、ＣＰＵ等の半導体とヒートシンクとの間に挟んで用いる熱伝導シートの技術が開示されている。
この種の熱伝導シートは、発熱部からの熱を放熱部品に伝導させる熱伝導媒体として、繊維状の熱伝導性充填材が多く用いられ、なかでも炭素繊維を用いた熱伝導シートが広く用いられている。
炭素繊維は、熱伝導率が高く、放熱性に優れる反面、炭素繊維束としたときに、柔軟性に劣り毛細管現象によってバインダー樹脂を充填させる際に、気泡を巻き込むおそれがあった。炭素繊維間に気泡が巻き込まれると、高密度の炭素繊維束を形成することができず、熱伝導を阻害するおそれがある。
そこで、本技術は、高密度の炭素繊維束を有し、熱伝導率の高い熱伝導性成形体の製造法を提供することを目的とする。
上述した課題を解決するために、本技術に係る熱伝導性成形体の製造法は、樹脂液が充填された炭素繊維束を用意する工程と、上記樹脂液が充填された上記炭素繊維束を、収縮性のチューブに挿入した後、上記チューブを収縮させる工程と、上記炭素繊維間に充填させた上記樹脂液を硬化させる工程とを有するものである。
本技術によれば、収縮性チューブを収縮させることにより、炭素繊維間に充填された樹脂液のうち、余分な樹脂液を絞り出すことができる。そして、余分な樹脂液を絞り出した後に、硬化工程で樹脂液を硬化させることにより、炭素繊維間に充填、硬化された樹脂液によってシート形状を維持するとともに、余分な樹脂液が排除され炭素繊維が高密度に充填された熱伝導性成形体及び熱伝導シートを製造することができる。
以下、本技術が適用された熱伝導性成形体の製造方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本技術は、以下の実施形態のみに限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が可能であることは勿論である。また、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることがある。具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
［熱伝導性成形体］
図１に示すように、本技術が適用された熱伝導性成形体１０は、炭素繊維束２の炭素繊維間に充填された樹脂液３が硬化されることにより形成される。この熱伝導性成形体１０は、炭素繊維１が高密度に充填されるとともに、硬化した樹脂液によって一体化されている。そして、熱伝導性成形体１０は、シート状にスライスされることにより、半導体装置等の熱源と放熱部材との間に挟持される熱伝導シート１１として使用される（図２参照）。
図１に示すように、本技術が適用された熱伝導性成形体１０は、炭素繊維束２の炭素繊維間に充填された樹脂液３が硬化されることにより形成される。この熱伝導性成形体１０は、炭素繊維１が高密度に充填されるとともに、硬化した樹脂液によって一体化されている。そして、熱伝導性成形体１０は、シート状にスライスされることにより、半導体装置等の熱源と放熱部材との間に挟持される熱伝導シート１１として使用される（図２参照）。
本技術が適用された熱伝導性成形体の製造方法は、図３、図４に示すように、樹脂液が充填された炭素繊維束を用意する工程と、図５に示すように、樹脂液３が充填された炭素繊維束２を、収縮性のチューブ５に挿入した後、チューブ５を収縮させる工程と、炭素繊維間に充填させた樹脂液３を硬化させる工程とを有する。
樹脂液が充填された炭素繊維束は、図３（Ａ）～（Ｃ）に示すように、複数の炭素繊維１を同方向に配向させて束ねた炭素繊維束２を用意する工程と、炭素繊維束２の炭素繊維間に樹脂液３を充填させる工程により形成することができる。
また、樹脂液が充填された炭素繊維束は、図４（Ａ）（Ｂ）に示すように、炭素繊維１を樹脂液３に浸漬する工程と、樹脂液３に浸漬した炭素繊維１を同方向に配向させて束ねた炭素繊維束２とする工程により形成してもよい。
［炭素繊維］
本発明の熱伝導シート１１に含まれる炭素繊維１は、シートの厚さ方向にわたって配向され、熱伝導性を担う材料である。炭素繊維１の種類について特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。例えば、ピッチ系、ＰＡＮ系、ＰＢＯ繊維を黒鉛化したもの、アーク放電法、レーザー蒸発法、ＣＶＤ法（化学気相成長法）、ＣＣＶＤ法（沢媒化学気相成長法）等で合成されたものを用いることができる。これらの中でも、高い熱伝導性が得られる点から、ＰＢＯ繊維を黒鉛化した炭素繊維、ピッチ系炭素繊維がより好ましい。
本発明の熱伝導シート１１に含まれる炭素繊維１は、シートの厚さ方向にわたって配向され、熱伝導性を担う材料である。炭素繊維１の種類について特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。例えば、ピッチ系、ＰＡＮ系、ＰＢＯ繊維を黒鉛化したもの、アーク放電法、レーザー蒸発法、ＣＶＤ法（化学気相成長法）、ＣＣＶＤ法（沢媒化学気相成長法）等で合成されたものを用いることができる。これらの中でも、高い熱伝導性が得られる点から、ＰＢＯ繊維を黒鉛化した炭素繊維、ピッチ系炭素繊維がより好ましい。
また、炭素繊維１は、必要に応じて、その一部又は全部を表面処理して用いることができる。前記表面処理としては、例えば、酸化処理、窒化処理、ニトロ化、スルホン化、あるいはこれらの処理によって表面に導入された官能基若しくは炭素繊維の表面に、金属、金属化合物、有機化合物等を付着あるいは結合させる処理等が挙げられる。前記官能基としては、例えば、水酸基、カルボキシル基、カルボニル基、ニトロ基、アミノ基等が挙げられる。
炭素繊維１は、複数の炭素繊維が縒り合わさることで細長い糸状の炭素繊維糸とされていることが好ましい。また、炭素繊維１は、複数の炭素繊維糸が縒り合わさって、より長くて強靭な炭素繊維糸が形成されてもよい。本技術が適用された熱伝導性成形体の製造方法では、図３（Ａ）～（Ｃ）に示すように、このような炭素繊維あるいは炭素繊維糸の束を用意し、この炭素繊維束２を後述する樹脂液３に浸漬等して炭素繊維間に樹脂液３を充填させていく。炭素繊維束２は、炭素繊維間に充填された樹脂液３が硬化することによって一体化される。
また、本技術が適用された熱伝導性成形体の製造方法は、図４（Ａ）（Ｂ）に示すように、炭素繊維１を樹脂液３に浸漬する工程と、樹脂液３に浸漬した炭素繊維１を同方向に配向させて束ねた炭素繊維束２とする工程により樹脂液３が充填された炭素繊維束を形成してもよい。炭素繊維１を樹脂液３に浸漬、付着させた後に、この炭素繊維１を同方向に配向させて束ねた炭素繊維束２とすることにより、炭素繊維束２の内部まで樹脂液３が充填された炭素繊維束２を得ることができる。樹脂液３に浸漬する炭素繊維１は、複数の炭素繊維が縒り合わさることで細長い糸状の炭素繊維糸でもよく、複数の炭素繊維糸が縒り合わさって形成された、より長くて強靭な炭素繊維糸であってもよい。炭素繊維束２は、炭素繊維間に充填された樹脂液３が硬化することによって一体化される。
なお、炭素繊維束２の長さは特に制限はなく適宜選択することができる。一例として３ｃｍ～１００ｃｍの範囲とすることができる。
［樹脂液］
炭素繊維束２の炭素繊維間に充填される樹脂液３は、高密度に充填された炭素繊維１を結合し熱伝導シート１１のシート形状を維持するバインダー樹脂である。樹脂液３は、高分子マトリックス成分を有し、適宜無機物フィラー、その他の成分を含有させてもよい。
炭素繊維束２の炭素繊維間に充填される樹脂液３は、高密度に充填された炭素繊維１を結合し熱伝導シート１１のシート形状を維持するバインダー樹脂である。樹脂液３は、高分子マトリックス成分を有し、適宜無機物フィラー、その他の成分を含有させてもよい。
熱伝導シート１１に含まれる高分子マトリックス成分の種類については、特に限定されず、公知の高分子マトリックス成分を適宜選択することができる。例えば、高分子マトリックス成分の一つとして、熱硬化性ポリマーが挙げられる。
前記熱硬化性ポリマーとしては、例えば、架橋ゴム、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ビスマレイミド樹脂、ベンゾシクロブテン樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル、ジアリルフタレート樹脂、シリコーン樹脂、ポリウレタン、ポリイミドシリコーン、熱硬化型ポリフェニレンエーテル、熱硬化型変性ポリフェニレンエーテル等が挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。
なお、前記架橋ゴムとしては、例えば、天然ゴム、ブタジエンゴム、イソプレンゴム、ニトリルゴム、水添ニトリルゴム、クロロプレンゴム、エチレンプロピレンゴム、塩素化ポリエチレン、クロロスルホン化ポリエチレン、ブチルゴム、ハロゲン化ブチルゴム、フッ素ゴム、ウレタンゴム、アクリルゴム、ポリイソブチレンゴム、シリコーンゴム等が挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。
また、これら熱硬化性ポリマーの中でも、成形加工性及び耐候性に優れるとともに、電子部品に対する密着性及び追従性の点から、シリコーン樹脂を用いることが好ましい。前記シリコーン樹脂としては、特に制限はなく、目的に応じてシリコーン樹脂の種類を適宜選択することができる。
上述した成形加工性、耐候性、密着性等を得る観点からは、前記シリコーン樹脂として、液状シリコーンゲルの主剤と、硬化剤とから構成されるシリコーン樹脂であることが好ましい。そのようなシリコーン樹脂としては、例えば、付加反応型液状シリコーン樹脂、過酸化物を加硫に用いる熱加硫型ミラブルタイプのシリコーン樹脂等が挙げられる。これらの中でも、電子機器の放熱部材としては、電子部品の発熱面とヒートシンク面との密着性が要求されるため、付加反応型液状シリコーン樹脂が特に好ましい。
前記付加反応型液状シリコーン樹脂としては、ビニル基を有するポリオルガノシロキサンを主剤、Ｓｉ－Ｈ基を有するポリオルガノシロキサンを硬化剤とした、２液性の付加反応型シリコーン樹脂等を用いることが好ましい。
また、熱伝導シート１１における前記高分子マトリックス成分及び適宜含有される無機物フィラー、その他の成分の含有量は、特に制限されず、目的に応じて適宜選択することができるが、炭素繊維１の高密度充填を図り高い熱伝導率を確保すること、収縮性チューブ５の収縮強度で炭素繊維間に含まれる余剰の樹脂液３を排出させること、樹脂液３の硬化後において炭素繊維間を結合してシートとしての形状を維持すること、またシートの密着性等を確保する観点から、１０体積％～５０体積％程度であることが好ましい。即ち、熱伝導シート１１において炭素繊維は５０～９０体積％含有されることが好ましい。
［熱伝導性充填剤］
熱伝導シート１１は、熱伝導性をより高めるために、他の熱伝導性充填剤を含有させてもよい。熱伝導性充填剤の種類については、熱伝導性の高い材料であれば特に限定はされず、例えば、銀、銅、アルミニウム等の金属、アルミナ、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、グラファイト等のセラミックス等が挙げられる。
熱伝導シート１１は、熱伝導性をより高めるために、他の熱伝導性充填剤を含有させてもよい。熱伝導性充填剤の種類については、熱伝導性の高い材料であれば特に限定はされず、例えば、銀、銅、アルミニウム等の金属、アルミナ、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、グラファイト等のセラミックス等が挙げられる。
なお、前記熱伝導性充填剤については、一種単独でもよいし、二種以上を混合して用いてもよい。また、二種以上の熱伝導性充填剤を用いる場合には、いずれも繊維状の熱伝導性充填剤であってもよいし、繊維状の熱伝導性充填剤と別の形状の熱伝導性充填剤とを混合して用いてもよい。
［無機物フィラー］
熱伝導シート１１は、無機物フィラーをさらに含有させてもよい。無機物フィラーを含有させることにより、熱伝導シート１１の熱伝導性をより高め、シートの強度を向上できる。前記無機物フィラーとしては、形状、材質、平均粒径等については特に制限がされず、目的に応じて適宜選択することができる。前記形状としては、例えば、球状、楕円球状、塊状、粒状、扁平状、針状等が挙げられる。これらの中でも、球状、楕円形状が充填性の点から好ましく、球状が特に好ましい。
熱伝導シート１１は、無機物フィラーをさらに含有させてもよい。無機物フィラーを含有させることにより、熱伝導シート１１の熱伝導性をより高め、シートの強度を向上できる。前記無機物フィラーとしては、形状、材質、平均粒径等については特に制限がされず、目的に応じて適宜選択することができる。前記形状としては、例えば、球状、楕円球状、塊状、粒状、扁平状、針状等が挙げられる。これらの中でも、球状、楕円形状が充填性の点から好ましく、球状が特に好ましい。
前記無機物フィラーの材料としては、例えば、窒化アルミニウム（窒化アルミ：ＡｌＮ）、シリカ、アルミナ（酸化アルミニウム）、窒化ホウ素、チタニア、ガラス、酸化亜鉛、炭化ケイ素、ケイ素（シリコン）、酸化珪素、金属粒子等が挙げられる。これらは、一種単独で使用してもよいし、二種以上を併用してもよい。これらの中でも、アルミナ、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、シリカが好ましく、熱伝導率の点から、アルミナ、窒化アルミニウムが特に好ましい。
また、前記無機物フィラーは、表面処理が施されたものを用いることができる。前記表面処理としてカップリング剤で前記無機物フィラーを処理すると、前記無機物フィラーの分散性が向上し、熱伝導シートの柔軟性が向上する。
前記無機物フィラーの平均粒径については、無機物の種類等に応じて適宜選択することができる。前記無機物フィラーがアルミナの場合、その平均粒径は、１μｍ～１０μｍであることが好ましく、１μｍ～５μｍであることがより好ましく、４μｍ～５μｍであることが特に好ましい。前記平均粒径が１μｍ未満であると、粘度が大きくなり、混合しにくくなるおそれがある。一方、前記平均粒径が１０μｍを超えると、前記熱伝導シートの熱抵抗が大きくなるおそれがある。
さらに、前記無機物フィラーが窒化アルミニウムの場合、その平均粒径は、０．３μｍ～６．０μｍであることが好ましく、０．３μｍ～２．０μｍであることがより好ましく、０．５μｍ～１．５μｍであることが特に好ましい。前記平均粒径が、０．３μｍ未満であると、粘度が大きくなり、混合しにくくなるおそれがあり、６．０μｍを超えると、前記熱伝導シートの熱抵抗が大きくなるおそれがある。
なお、前記無機物フィラーの平均粒径は、例えば、粒度分布計、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により測定することができる。
［その他の成分］
熱伝導シート１１は、上述した、高分子マトリックス成分及び無機物フィラーに加えて、目的に応じてその他の成分を適宜含むこともできる。その他の成分としては、例えば、磁性金属粉、チキソトロピー性付与剤、分散剤、硬化促進剤、遅延剤、微粘着付与剤、可塑剤、難燃剤、酸化防止剤、安定剤、着色剤等が挙げられる。
熱伝導シート１１は、上述した、高分子マトリックス成分及び無機物フィラーに加えて、目的に応じてその他の成分を適宜含むこともできる。その他の成分としては、例えば、磁性金属粉、チキソトロピー性付与剤、分散剤、硬化促進剤、遅延剤、微粘着付与剤、可塑剤、難燃剤、酸化防止剤、安定剤、着色剤等が挙げられる。
これら高分子マトリックス成分、及び適宜含有される無機物フィラー、その他の成分を配合し、樹脂液３を調製する。なお、各成分を配合、調製する手順については特に限定はされず、例えば、前記高分子マトリックス成分に、無機物フィラー、磁性金属粉、その他成分を添加し、混合することにより、樹脂液３の調製が行われる。
［チューブ］
樹脂液３が充填された炭素繊維束２が挿入される収縮性のチューブ５は、加熱や自身の張力によって収縮可能な材料によって形成されている。チューブ５は、炭素繊維束２が挿入された後、収縮することにより炭素繊維間に充填された樹脂液３のうち、余分な樹脂液３を絞り出すものである。
樹脂液３が充填された炭素繊維束２が挿入される収縮性のチューブ５は、加熱や自身の張力によって収縮可能な材料によって形成されている。チューブ５は、炭素繊維束２が挿入された後、収縮することにより炭素繊維間に充填された樹脂液３のうち、余分な樹脂液３を絞り出すものである。
チューブ５の形状は、炭素繊維束２が挿入される開口部を有する筒状であれば良いが、円筒形であれば収縮による圧力が炭素繊維束２に均等に掛かるため好ましい。
熱収縮性チューブ５の材料としては、例えば塩化ビニール、シリコンゴム、フッ素系ポリマー、ポリオレフィン樹脂等、公知の材料を使用することができる。
チューブ５の加熱処理は、オーブン、ベルトコンベアー・オーブン、ガストーチ、工業ドライヤ等、公知の方法により行うことができる。ここで、熱収縮性チューブ５は、炭素繊維間に充填された樹脂液３の硬化よりも先に収縮することが必要である。樹脂液３が先に硬化してしまうと、チューブ５の収縮が阻害され、余分な樹脂液３を絞り出すことができないためである。そのため、熱収縮性チューブ５の加熱温度及び加熱時間は、熱収縮性チューブ５の収縮速度や樹脂液３の硬化条件等に応じて設定され、一例としては、１００℃、１時間とする。
なお、同様の理由により、炭素繊維束２が挿入された熱収縮性チューブ５は、樹脂液３内に浸漬させない。チューブ５が樹脂液３によって硬化すると収縮が阻害されるためである。
また収縮性チューブ５として、自身の張力によって開口部を広げるタイプのものを使用した場合は、炭素繊維束２が挿入された後、張力を解放することにより収縮させることができる。
［熱伝導性成形体の製造工程］
次いで、熱伝導性成形体の各製造工程について説明する。上述したように、本技術が適用された熱伝導性成形体の製造方法は、樹脂液が充填された炭素繊維束２を用意する工程と、樹脂液３が充填された炭素繊維束２を、収縮性のチューブ５に挿入した後、チューブ５を収縮させるチューブ収縮工程と、炭素繊維間に充填させた樹脂液３を硬化させる硬化工程とを有する。
次いで、熱伝導性成形体の各製造工程について説明する。上述したように、本技術が適用された熱伝導性成形体の製造方法は、樹脂液が充填された炭素繊維束２を用意する工程と、樹脂液３が充填された炭素繊維束２を、収縮性のチューブ５に挿入した後、チューブ５を収縮させるチューブ収縮工程と、炭素繊維間に充填させた樹脂液３を硬化させる硬化工程とを有する。
樹脂液が充填された炭素繊維束は、図３（Ａ）～（Ｃ）に示すように、複数の炭素繊維１を同方向に配向させて束ねた炭素繊維束２を用意する工程と、炭素繊維束２の炭素繊維間に樹脂液３を充填させる工程により形成することができる。
炭素繊維束形成工程は、炭素繊維１の束を形成する工程であり、例えば、複数の炭素繊維を縒り合わせて細長い糸状の炭素繊維糸を形成し、適宜複数の炭素繊維糸を縒り合わせることで、長くて強靭な炭素繊維糸を形成した後、このような炭素繊維糸を束ねることにより形成することができる。
樹脂液充填工程は、炭素繊維束２を構成する炭素繊維間に樹脂液３を充填する工程であり、例えば図３に示すように、樹脂液３の入った容器に炭素繊維束２を浸漬し含浸させることにより、行うことができる。このとき、図３（Ｂ）に示すように、炭素繊維束２は、繊維の配向方向の一端側から樹脂液３に浸漬させることにより、気泡の混入を防ぐとともに、炭素繊維束２内の空気を繊維の配向方向の他端側から排気させることができる。
また、樹脂液が充填された炭素繊維束は、図４（Ａ）（Ｂ）に示すように、炭素繊維１を樹脂液３に浸漬する工程と、樹脂液３に浸漬した炭素繊維１を同方向に配向させて束ねた炭素繊維束２とする工程により形成してもよい。炭素繊維１の樹脂液３への浸漬工程は、複数の炭素繊維を縒り合わせて細長い糸状の炭素繊維糸を形成し、適宜複数の炭素繊維糸を縒り合わせることで、長くて強靭な炭素繊維糸を形成した後、このような炭素繊維糸を樹脂液３が入った容器内へ順次搬送することにより、連続して浸漬させることができる。炭素繊維束２の形成工程は、樹脂液３によってコートされた炭素繊維糸を同方向に配向させて束ねることにより形成することができる。
その他、樹脂液３の炭素繊維間への充填は、複数の炭素繊維束を集合させた長い集合体を連続して樹脂液３が入った容器内へ順次搬送することにより、連続して浸漬させることにより行ってもよい。あるいは、樹脂液３の炭素繊維間への充填は、炭素繊維糸又は炭素繊維束２に樹脂液３を散布する等により行ってもよい。
チューブ収縮工程は、図５に示すように、収縮性チューブ５の開口部より樹脂液３が充填された炭素繊維束２を挿入し、チューブ５を収縮させる工程であり、上述したように、熱収縮性のチューブ５を用いる場合は加熱処理を行い、張力で収縮させるチューブ５を用いる場合は、張力を解放することにより収縮させる。これにより、炭素繊維束２を圧縮し、炭素繊維間から余分な樹脂液３を絞り出し、炭素繊維を高密度充填させることができる。
また、樹脂液充填工程において、炭素繊維束２を樹脂液３の入った容器に浸漬させただけでは、炭素繊維間に樹脂液３が十分に充填されない場合もあるが、チューブ収縮工程により、炭素繊維間に充填された樹脂液３が炭素繊維束２の隅々まで十分に行きわたり、確実に炭素繊維間に樹脂液３を充填させることができる。
その後、硬化工程によって炭素繊維間に充填させた樹脂液３を硬化させることにより、熱伝導性成形体１０を得る。上述したように、熱収縮性のチューブ５を用いた場合は、加熱処理を行うことによりチューブ収縮工程と硬化工程が同時に進行するが、熱収縮性チューブ５が炭素繊維間に充填された樹脂液３の硬化よりも先に収縮するように、熱収縮性チューブ５の収縮速度や樹脂液３の硬化条件等に応じて加熱温度及び加熱時間が設定される。チューブ５自身の張力によって伸縮するタイプのチューブ５を用いた場合は、炭素繊維束２を挿入した後、張力を解放することによってチューブ収縮工程を行い、その後、樹脂液３の硬化を行い、熱伝導性成形体１０を得る。
熱伝導性成形体１０は、チューブ５にカッター等で切れ込みを入れることにより、チューブ５が除去される。また、熱伝導性成形体１０は、図６に示すように、チューブ５の除去前、又は後に、炭素繊維の配向方向と交差する方向にシート状にスライスされることにより、半導体装置等の熱源と放熱部材との間に挟持される熱伝導シート１１が形成される。
なお、熱伝導シート１１に含有される炭素繊維１はシートの厚さ方向に配向される。また、熱伝導シート１１は、熱伝導性成形体１０がシート状にスライスされることにより、炭素繊維や炭素繊維糸の撚りによる一体性は解消されているが、炭素繊維間や炭素繊維糸間に樹脂液３が充填、硬化されることにより、シートとしての一体性は確保されている。
熱伝導シート１１の厚さについては、特に限定はされず、シートを用いる場所等によって適宜変更でき、例えばシートの密着性や強度を考慮すると、０．２ｍｍ～５ｍｍの範囲にすることができる。なお、熱伝導性成形体１０は、熱伝導シート１１以外にも、スライス厚みや形状を調整することにより、別の用途に用いることもできる。
上述した工程によれば、収縮性チューブ５を収縮させることにより、炭素繊維間に充填された樹脂液３のうち、余分な樹脂液３を絞り出すことができる。そして、余分な樹脂液３を絞り出した後に、硬化工程で樹脂液３を硬化させることにより、炭素繊維間に充填、硬化された樹脂液３によってシート形状を維持するとともに、余分な樹脂液３が排除され炭素繊維１が高密度に充填された熱伝導シート１１を製造することができる。
［半導体装置］
ここで、熱伝導シート１１の使用例について説明する。熱伝導シート１１は、各種電子機器に内蔵される半導体装置に実装され、熱源と放熱部材との間に挟持される。図２に半導体装置の一例を示す。図２に示す半導体装置５０は、電子部品５１と、ヒートスプレッダ５２と、熱伝導シート１１とを少なくとも有し、熱伝導シート１１がヒートスプレッダ５２と電子部品５１との間に挟持される。熱伝導性に優れる炭素繊維が高密度に充填された熱伝導シート１１を用いることによって、半導体装置５０は、高い放熱性を有する。
ここで、熱伝導シート１１の使用例について説明する。熱伝導シート１１は、各種電子機器に内蔵される半導体装置に実装され、熱源と放熱部材との間に挟持される。図２に半導体装置の一例を示す。図２に示す半導体装置５０は、電子部品５１と、ヒートスプレッダ５２と、熱伝導シート１１とを少なくとも有し、熱伝導シート１１がヒートスプレッダ５２と電子部品５１との間に挟持される。熱伝導性に優れる炭素繊維が高密度に充填された熱伝導シート１１を用いることによって、半導体装置５０は、高い放熱性を有する。
電子部品５１としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ＣＰＵ、ＭＰＵ、グラフィック演算素子、イメージセンサ等が挙げられる。ヒートスプレッダ５２は、電子部品５１の発する熱を放熱する部材であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。熱伝導シート１１は、ヒートスプレッダ５２と電子部品５１との間に挟持される。また熱伝導シート１１は、ヒートスプレッダ５２とヒートシンク５３との間に挟持されることにより、ヒートスプレッダ５２とともに、電子部品５１の熱を放熱する放熱部材を構成する。
熱伝導シート１１の実装場所は、ヒートスプレッダ５２と電子部品５１との間や、ヒートスプレッダ５２とヒートシンク５３との間に限らず、電子機器や半導体装置の構成に応じて、適宜選択できることは勿論である。また、放熱部材としては、ヒートスプレッダ５２やヒートシンク５３以外にも、熱源から発生する熱を伝導して外部に放散させるものであればよく、例えば、放熱器、冷却器、ダイパッド、プリント基板、冷却ファン、ペルチェ素子、ヒートパイプ、金属カバー、電子機器筐体等が挙げられる。
［変形例１］
上述したチューブ５は、図７に示すように、側面に複数の孔部６を設けてもよい。孔部６は、チューブ５の収縮時に埋まらない程度の大きさを有する。孔部６を設けることにより、チューブ５の収縮時に、余分な樹脂液３を孔部６より排出させることができる。孔部６は、少なくともチューブ５の長手方向の中央付近に形成され、好ましくはチューブ５の全体にわたって形成される。
上述したチューブ５は、図７に示すように、側面に複数の孔部６を設けてもよい。孔部６は、チューブ５の収縮時に埋まらない程度の大きさを有する。孔部６を設けることにより、チューブ５の収縮時に、余分な樹脂液３を孔部６より排出させることができる。孔部６は、少なくともチューブ５の長手方向の中央付近に形成され、好ましくはチューブ５の全体にわたって形成される。
筒状のチューブ５は、長手方向の両端に炭素繊維束２を挿入させる開口部のみを設けた場合、収縮により炭素繊維束２の全体に圧力が掛かると、炭素繊維束２の長手方向の端部に充填された樹脂液３の余剰分は当該開口部より排出されるが、炭素繊維束２の中心付近に充填された樹脂液３は排出されるまでに時間を要し、また、排出が不十分となる恐れもある。
そこで、チューブ５の側面に複数の孔部６を設けることで、余分な樹脂液３を効率よく排出させることができ、中央付近の余剰分が排出されずに残存した状態で硬化される事態を防止することができる。
また、チューブ５は、図８に示すように、炭素繊維束との間にメッシュ部材９を介在させてもよい。これによっても、樹脂液３の余剰分を炭素繊維束２から排出させることができる。メッシュ部材９は予めチューブ５の内壁に設けておいてもよく、炭素繊維束２の外周に巻き付けられた後、チューブ５に挿入されてもよい。
メッシュ部材９は、上述した側面に孔部６が設けられたチューブ５とともに使用されることが、確実に樹脂液３の余剰分を排出させる上で、好ましい。
［変形例２］
また、図５に示すチューブ５は、炭素繊維束２の全長以上の長さを有し、炭素繊維束２がその全長にわたって挿入されるものであるが、図９に示すように、チューブ５は、炭素繊維束２よりも短い長さを有し、炭素繊維束２は、チューブ５に、炭素繊維束２の長さ方向の一部を挿入させるとともに、このような相対的に炭素繊維束２よりも短い複数のチューブ５に挿入させてもよい。図９に示す構成によっても、チューブ５が収縮することにより炭素繊維束２を圧縮させることができ、各チューブ５の間から余分な樹脂液３を絞り出すことができる。
また、図５に示すチューブ５は、炭素繊維束２の全長以上の長さを有し、炭素繊維束２がその全長にわたって挿入されるものであるが、図９に示すように、チューブ５は、炭素繊維束２よりも短い長さを有し、炭素繊維束２は、チューブ５に、炭素繊維束２の長さ方向の一部を挿入させるとともに、このような相対的に炭素繊維束２よりも短い複数のチューブ５に挿入させてもよい。図９に示す構成によっても、チューブ５が収縮することにより炭素繊維束２を圧縮させることができ、各チューブ５の間から余分な樹脂液３を絞り出すことができる。
次いで、本技術の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１では、長繊維である炭素繊維としてＸＮ１００（日本グラファイトファイパ一社製）を使用して炭素繊維束を形成した。炭素繊維の熱伝導率は９００Ｗ／ｍＫ、炭素繊維密度は２．２２ｇ／ｃｍ３である。炭素繊維束の端部を縛り、２液性の付加反応型のシリコーン樹脂（樹脂液）を入れた容器に浸漬し、炭素繊維間にシリコーン樹脂を充填させた。その後、シリコーン樹脂を充填した炭素繊維束を、内径５０．８ｍｍ長さ２００ｍｍの熱収縮性チューブに入れてオーブンに静置した。加熱条件は１００℃、１時間とした。硬化後の熱収縮性チューブのサイズは内径４０ｍｍであった。熱収縮性チューブの端部からは余剰なシリコーンの一部が滲みだして硬化していた。
実施例１では、長繊維である炭素繊維としてＸＮ１００（日本グラファイトファイパ一社製）を使用して炭素繊維束を形成した。炭素繊維の熱伝導率は９００Ｗ／ｍＫ、炭素繊維密度は２．２２ｇ／ｃｍ３である。炭素繊維束の端部を縛り、２液性の付加反応型のシリコーン樹脂（樹脂液）を入れた容器に浸漬し、炭素繊維間にシリコーン樹脂を充填させた。その後、シリコーン樹脂を充填した炭素繊維束を、内径５０．８ｍｍ長さ２００ｍｍの熱収縮性チューブに入れてオーブンに静置した。加熱条件は１００℃、１時間とした。硬化後の熱収縮性チューブのサイズは内径４０ｍｍであった。熱収縮性チューブの端部からは余剰なシリコーンの一部が滲みだして硬化していた。
得られた熱伝導性成形体を四角柱状にカットした後、２．０ｍｍ厚にスライスし、熱伝導シートを得た。熱伝導シートの断面を観察したところ、炭素繊維が密になっていることが確認でき、良好な熱特性を有するものであった。
［比較例１］
比較例１では、長繊維である炭素繊維としてＸＮ１００（日本グラファイトファイパ一社製）を使用して炭素繊維束を形成した。炭素繊維の熱伝導率は９００Ｗ／ｍＫ、炭素繊維密度は２．２２ｇ／ｃｍ３である。炭素繊維束の端部を縛り、２液性の付加反応型のシリコーン樹脂（樹脂液）を入れた容器に浸漬し、炭素繊維間にシリコーン樹脂を充填させた。その後、シリコーン樹脂を充填した炭素繊維束をオーブンに静置した。加熱条件は１００℃、１時間とした。
比較例１では、長繊維である炭素繊維としてＸＮ１００（日本グラファイトファイパ一社製）を使用して炭素繊維束を形成した。炭素繊維の熱伝導率は９００Ｗ／ｍＫ、炭素繊維密度は２．２２ｇ／ｃｍ３である。炭素繊維束の端部を縛り、２液性の付加反応型のシリコーン樹脂（樹脂液）を入れた容器に浸漬し、炭素繊維間にシリコーン樹脂を充填させた。その後、シリコーン樹脂を充填した炭素繊維束をオーブンに静置した。加熱条件は１００℃、１時間とした。
得られた熱伝導性成形体を四角柱状にカットした後、２．０ｍｍ厚にスライスし、熱伝導シートを得た。熱伝導シートの断面を観察したところ、炭素繊維の疎な部分と密な部分ができたため、良好な熱特性を得ることができないものであった。
以上より、実施例１では、シリコーン樹脂を充填した炭素繊維束を収縮性チューブに入れて圧力を加えることにより、余分な樹脂液を絞り出すことで、炭素繊維が高密度に充填され熱伝導性に優れた熱伝導シートを得られることが分かる。
一方、比較例１では、シリコーン樹脂を充填した炭素繊維束をそのまま硬化させているため、熱伝導シートにおいて炭素繊維が密の部分と疎の部分が現れ、熱抵抗が大きくなった。
１ 炭素繊維、２ 炭素繊維束、３ 樹脂液、５ チューブ、１０ 熱伝導性成形体、１１ 熱伝導シート
Claims (12)
- 樹脂液が充填された炭素繊維束を用意する工程と、
上記樹脂液が充填された上記炭素繊維束を、収縮性のチューブに挿入した後、上記チューブを収縮させる工程と、
上記炭素繊維間に充填させた上記樹脂液を硬化させる工程とを有し、
上記チューブを収縮させる工程では、上記収縮性のチューブの開口に張力を掛けて、上記樹脂液が充填された上記炭素繊維束の外径よりも大きく広げ、上記炭素繊維束を挿入後、上記張力を解放して上記チューブを収縮させる、熱伝導性成形体の製造方法。 - 樹脂液が充填された炭素繊維束を用意する工程と、
上記樹脂液が充填された上記炭素繊維束を、収縮性のチューブに挿入した後、上記チューブを収縮させる工程と、
上記炭素繊維間に充填させた上記樹脂液を硬化させる工程とを有し、
上記チューブと上記炭素繊維束の間にメッシュ部材を介在させる熱伝導性成形体の製造方法。 - 樹脂液が充填された炭素繊維束を用意する工程と、
上記樹脂液が充填された上記炭素繊維束を、収縮性のチューブに挿入した後、上記チューブを収縮させる工程と、
上記炭素繊維間に充填させた上記樹脂液を硬化させる工程とを有し、
上記チューブは、上記炭素繊維束よりも短い長さを有し、
上記炭素繊維束は、上記チューブに、上記炭素繊維束の長さ方向の一部を挿入する熱伝導性成形体の製造方法。 - 上記樹脂液が充填された上記炭素繊維束は、炭素繊維を同方向に配向させた炭素繊維束を用意する工程と、上記炭素繊維束の炭素繊維間に樹脂液を充填させる工程により形成される、請求項１～３のいずれか１項に記載の熱伝導性成形体の製造方法。
- 上記炭素繊維束を樹脂液に浸漬させ、上記樹脂液から引き上げることにより、上記炭素繊維間に上記樹脂液を充填させる請求項４に記載の熱伝導性成形体の製造方法。
- 上記樹脂液が充填された上記炭素繊維束は、上記炭素繊維を樹脂液に浸漬する工程と、上記樹脂液に浸漬した上記炭素繊維を同方向に配向させて束ねた炭素繊維束とする工程により形成される、請求項１～３のいずれか１項に記載の熱伝導性成形体の製造方法。
- 上記チューブが、熱収縮材により形成され、
上記チューブを加熱することにより収縮させる、請求項２又は３に記載の熱伝導性成形体の製造方法。 - 上記樹脂液を硬化させた後、熱伝導性成形体を上記炭素繊維の配向方向と交差する方向に切断する工程を有する、請求項１～７のいずれか１項に記載の熱伝導性成形体の製造方法。
- 上記切断工程は、熱伝導性成形体をシート状に切断する請求項８に記載の熱伝導性成形体の製造方法。
- 上記樹脂液を硬化させた後、上記チューブを除去する工程を有する、請求項１～９のいずれか１項に記載の熱伝導性成形体の製造方法。
- 上記チューブは、側面に複数の孔部が設けられている請求項１～１０のいずれか１項に記載の熱伝導性成形体の製造方法。
- 上記チューブは、上記炭素繊維束の全長以上の長さを有し、
上記チューブに、上記炭素繊維束を、上記炭素繊維束の全長にわたって挿入する請求項１又は２に記載の熱伝導性成形体の製造方法。
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