JP7495062B2

JP7495062B2 - 異方熱伝導性樹脂部材及び熱伝送基板

Info

Publication number: JP7495062B2
Application number: JP2020569698A
Authority: JP
Inventors: 由高竹澤; 政宏野村
Original assignee: Hitachi Chemical Co Ltd; University of Tokyo NUC; Showa Denko Materials Co Ltd; Resonac Corp
Current assignee: University of Tokyo NUC; Resonac Corp
Priority date: 2019-01-30
Filing date: 2020-01-29
Publication date: 2024-06-04
Anticipated expiration: 2040-01-29
Also published as: TWI831912B; JPWO2020158826A1; TW202040089A; WO2020158826A1; US20220089930A1

Description

本発明は、異方熱伝導性樹脂部材及び熱伝送基板に関する。

近年、電子デバイスにおいては、電子部品の高集積化、小型化、薄型化等に伴って、電子部品から発生する熱がその内部に蓄積され、電子デバイスの誤作動、寿命の低下等の信頼性の問題が生じやすくなっている。したがって、電子部品から発生する熱を適切な経路で効率的に外部へ逃がすことが重要となる。

このような問題に対して、熱伝導性に優れ、かつ電気絶縁性を有する樹脂製の部材を電子部品とヒートシンクとの間に設けることが行われている。このようなシートとして、例えば特許文献１には、熱伝導性フィラー、繊維及び樹脂を含む熱伝導シートであって、繊維は面状に交絡しており、交絡した繊維は、熱伝導性フィラーを坦持してベースシートを形成しており、樹脂がベースシートに充填されていることを特徴とする熱伝導シートが開示されている。

特開２０１７－８７４４６号公報

しかし、熱は方向性なく等方的に伝導するため、特許文献１に記載されているような熱伝導性シートを用いた場合、熱を伝導させるべき方向（電子部品からヒートシンクへ向かう方向）のみならず、例えば電子デバイス中の他の電子部品の方向へも熱が伝導してしまう。この場合、熱に弱い電子部品が熱にさらされることになり、電子デバイスの信頼性が損なわれるおそれがある。しかし、樹脂は結晶構造のような規則的な構造をとりにくいため、樹脂製の部材において、熱伝導に異方性（指向性）を自在に与えることは難しい。

そこで、本発明は、効率良く異方的に熱伝導させることが可能な樹脂部材及びそれを用いた熱伝送基板を提供することを目的とする。

本発明の一側面は、バンドル化された複数の熱可塑性樹脂の延伸ファイバを有する第一のファイバ群と、第一のファイバ群から分岐した第二のファイバ群及び第三のファイバ群と、を備える異方熱伝導性樹脂部材である。

この樹脂部材では、延伸ファイバが、高い配向性を有するファイバであるため、結晶性の低い熱可塑性樹脂で形成されているにもかかわらず、熱キャリアであるフォノンを延伸ファイバ内に閉じ込めやすくなる。したがって、この樹脂部材では、熱が延伸ファイバの延在方向に異方性（指向性）をもって伝導する。また、この樹脂部材では、複数の延伸ファイバがバンドル化されていることによって、熱伝導の経路（延伸ファイバ）の断面積が大きくなっているため、効率の良い熱伝導が可能となる。さらに、この樹脂部材では、バンドル化された複数の延伸ファイバが少なくとも二つのファイバ群に分岐していることで、一方向から伝導してきた熱を二以上の方向に分岐させたり、二以上の方向から伝導してきた熱を一方向に結合させたりすることができる。よって、この樹脂部材によれば、熱が伝導する経路（熱伝送路）を電気配線（例えば回路銅線）のように自在に配線することができる。

本発明の他の一側面は、基板と、基板上に設けられた上記の異方熱伝導性樹脂部材と、を備える熱伝送基板である。

熱伝送基板は、異方熱伝導性樹脂部材と熱的に接続された蓄熱部材を更に備えてよく、異方熱伝導性樹脂部材と熱的に接続された断熱部材を更に備えてよく、異方熱伝導性樹脂部材と熱的に接続された熱光変換部材を更に備えてよい。

本発明によれば、効率良く異方的に熱伝導させることが可能な樹脂部材及びそれを用いた熱伝送基板を提供することができる。

（ａ）は一実施形態に係る樹脂部材を示す斜視図であり、（ｂ）は延伸ファイバ内のフォノンの移動を示す模式図である。一実施形態に係る延伸ファイバ作製工程を示す模式図である。一実施形態に係る熱伝送基板を示す模式図である。他の一実施形態に係る熱伝送基板を示す模式図である。熱伝送基板における熱伝導を説明するための模式図である。従来技術を説明するための模式図である。

以下、図面を適宜参照しながら、本発明の実施形態について詳細に説明する。

図１（ａ）は、一実施形態に係る樹脂部材を示す斜視図である。図１（ａ）に示すように、樹脂部材１は、バンドル化された複数の延伸ファイバ（ファイバ素線とも呼ばれる）２を備えている。樹脂部材１は、バンドル化された複数の延伸ファイバ２を有する第一のファイバ群１ａと、第一のファイバ群１ａから分岐した第二のファイバ群１ｂ及び第三のファイバ群１ｃと、を備えている。すなわち、樹脂部材１は、分岐構造を有するファイバ状に形成された部材である。

第二のファイバ群１ｂ及び第三のファイバ群１ｃのそれぞれも、第一のファイバ群１ａと同様に、バンドル化された複数の延伸ファイバ２を有している。第二のファイバ群１ｂが有する複数の延伸ファイバ２は、第一のファイバ群１ａが有する複数の延伸ファイバ２の一部に対応し、第三のファイバ群１ｃが有する複数の延伸ファイバ２は、第一のファイバ群１ａが有する複数の延伸ファイバ２の残部に対応する。第二のファイバ群１ｂにおける延伸ファイバ２の本数と第三のファイバ群１ｃにおける延伸ファイバ２の本数との比は、任意に構成することができる。

複数の延伸ファイバ２同士は、例えば延伸ファイバ２同士を結合する結合材３によって、互いに同一方向に延在するように束ねられている（バンドル化されている）。複数の延伸ファイバ２は、断面でみたときに、規則的に配列されていてもよく、不規則に配置されていてもよい。延伸ファイバ２の断面形状は、例えば図１（ａ）に示すように略真円状であってよく、楕円状、多角形状等の定形であっても、不定形であってもよい。

延伸ファイバ２は、熱可塑性樹脂が延伸されてなるファイバである。熱可塑性樹脂は、例えば、アクリルポリマー、メタクリルポリマー、ポリアミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリアリレート、ポリスルフォン、ポリエーテルエーテルケトン等であってよい。

延伸ファイバ２の直径は、フォノンの閉じ込めやすさとフォノンの入射の容易さとの両立の観点から、好ましくは０．１μｍ以上、より好ましくは１０μｍ以上、更に好ましくは１００μｍ以上である。延伸ファイバ２の直径は、バンドル化するときのハンドリング性の観点から、好ましくは１０００μｍ以下、より好ましくは５００μｍ以下、更に好ましくは２００μｍ以下である。

結合材３は、特に制限されるものでなく、例えば、ポリウレタン、アクリルポリマー、エポキシ樹脂等で構成されていてよい。

図１（ｂ）は、延伸ファイバ２におけるフォノンの移動を示す模式図である。延伸ファイバ２は高い配向性を有するファイバであるため、本来は結晶性の低い熱可塑性樹脂で形成されているにもかかわらず、図１（ｂ）に示すように、フォノンＰを延伸ファイバ２内に閉じ込めやすくなる。したがって、熱（フォノン）が延伸ファイバ２の延在方向に異方性（指向性）をもって伝導する。すなわち、この樹脂部材１は、延伸ファイバ２の延在方向の一方向に異方的に熱を伝導可能な異方熱伝導性を有する異方熱伝導性樹脂部材である。また、この樹脂部材１では、複数の延伸ファイバ２がバンドル化されていることによって、熱伝導の経路（延伸ファイバ）の断面積が大きくなっているため、効率の良い熱伝導が可能となる。

さらに、この樹脂部材１では、バンドル化された複数の延伸ファイバ２が二つのファイバ群１ｂ，１ｃに分岐していることで、第一のファイバ群１ａ側から熱が入射する場合には、一方向から伝導してきた熱を二以上の方向に分岐させることができる一方で、第二のファイバ群１ｂ及び第三のファイバ群１ｃ側から熱が入射する場合には、二以上の方向から伝導してきた熱を一方向に結合させることができる。よって、この樹脂部材１によれば、熱が伝導する経路（熱伝送路）を電気配線（例えば回路銅線）のように自在に配線することができる。

続いて、樹脂部材１の製造方法について説明する。この製造方法は、熱可塑性樹脂を延伸して延伸ファイバを作製する工程（延伸ファイバ作製工程）と、複数の延伸ファイバをバンドル化する工程（バンドル化工程）と、を備えている。

図２は、一実施形態に係る延伸ファイバ作製工程を示す模式図である。延伸ファイバ作製工程では、まず、図２に示すように、熱可塑性樹脂４を、加熱炉５で加熱すると共に巻取り部６で巻き取る（引っ張る）ことによって巻取り方向（引張り方向）に延伸する。具体的には、まず、例えば直径５～５０ｍｍのロッド状に成形された熱可塑性樹脂４を加熱炉５に投入する。熱可塑性樹脂４は、加熱炉５内で加熱されると共に、加熱炉５の先に設置された巻取り部６によって巻き取られる（引っ張られる）ことによって延伸される。

加熱炉５の温度は、熱可塑性樹脂４の軟化温度に応じて適宜設定され、熱可塑性樹脂４の延伸時に配向性を好適に付与させる観点から、好ましくは、熱可塑性樹脂の熱変形温度以上で融点未満の温度である。熱可塑性樹脂４の延伸は、例えば、延伸倍率が１０～１０００倍となるような条件で行われる。

このようにして加熱炉５から出てきた延伸ファイバ２は、加熱炉５に投入前の熱可塑性樹脂４の径（ロッドの直径）よりも小径の細線状に形成されている。延伸ファイバ２は、加熱炉５と巻取り部６との間に適宜設けられたロール７に沿って、巻取り部６に巻き取られる。

延伸ファイバ作製工程に続くバンドル化工程では、延伸ファイバ２を複数用意し、これらの複数の延伸ファイバ２を例えば結合材３を用いて束ねることでバンドル化する。バンドル化する方法は、公知の方法であってよい。そして、バンドル化された複数の延伸ファイバ２を有する一つのファイバ群（第一のファイバ群１ａ）を二つのファイバ群（第二のファイバ群１ｂ及び第三のファイバ群１ｃ）に分岐させることにより、樹脂部材１が得られる。

上記実施形態では、樹脂部材１は、第一のファイバ群１ａから第二のファイバ群１ｂ及び第三のファイバ群１ｃが分岐した形状を有しているが、他の一実施形態では、第二のファイバ群１ｂ及び第三のファイバ群１ｃの一方又は両方から二つ以上のファイバ群が更に分岐した形状を有していてもよい。上記実施形態では、第一のファイバ群１ａから第二のファイバ群１ｂ及び第三のファイバ群１ｃの二つのファイバ群が分岐しているが、他の一実施形態では、第一のファイバ群１ａから三つ以上のファイバ群が分岐していてもよい。

図３は、一実施形態に係る熱伝送基板（熱回路と呼んでもよい）を示す模式図である。図３に示すように、一実施形態に係る熱伝送基板１１Ａは、基板１２と、基板１２上に設けられた樹脂部材１とを備えている。基板１２には、例えば、樹脂部材１が配置される位置に対応して溝（図示せず）が設けられており、当該溝の中に樹脂部材１が配置されている。

基板１２は、例えば公知の材料（樹脂等）で形成されていてよい。基板１２の平面形状は、例えば一辺が１～５０ｃｍの矩形状であってよい。基板１２の厚みは、例えば０．１～１０ｍｍであってよい。

樹脂部材１は、一つのファイバ群から複数のファイバ群に分岐した形状を有している。この実施形態では、樹脂部材１は、第一のファイバ群から第二のファイバ群及び第三のファイバ群が分岐し、第三のファイバ群から第四のファイバ群及び第五のファイバ群が更に分岐し、第五のファイバ群から第六のファイバ群及び第七のファイバ群が更に分岐した形状を有している。つまり、この樹脂部材１では、第一のファイバ群１ａから、最終的には、第二のファイバ群１ｂ、第四のファイバ群１ｃ、第六のファイバ群１ｄ及び第七のファイバ群１ｅの四つのファイバ群が分岐している。

図４は、他の一実施形態に係る熱伝送基板を示す模式図である。図４に示すように、他の一実施形態に係る熱伝送基板１１Ｂは、基板１２と、基板１２上に設けられた樹脂部材１と、樹脂部材１の第二のファイバ群１ｂと熱的に接続された蓄熱部材１３と、樹脂部材１の第七のファイバ群１ｅと熱的に接続された断熱部材１４と、樹脂部材１の第四のファイバ群１ｃと熱的に接続された熱光変換部材（熱放射光変換部材と呼んでもよい）１５と、を備えている。

蓄熱部材１３は、蓄熱可能な部材であり、例えばパラフィンで構成されていてよい。断熱部材１４は、断熱可能な部材であり、例えば真空断熱材で構成されていてよい。熱光変換部材１５は、熱エネルギーを光エネルギーに変換可能な部材であり、例えばメタマテリアルで構成されていてよい。

この実施形態では、一つの熱伝送基板１１Ｂに、蓄熱部材１３、断熱部材１４及び熱光変換部材１５が設けられているが、他の一実施形態では、一つの熱伝送基板に、蓄熱部材、断熱部材及び熱光変換部材から選ばれる一種又は二種のみが設けられていてもよい。

以上説明した熱伝送基板１１Ａ，１１Ｂにおいては、樹脂部材１を用いることによって、熱が伝導する経路（熱伝送路）を電気配線（例えば回路銅線）のように自在に配線することができる。すなわち、上記の熱伝送基板１１Ａ，１１Ｂでは、異方的な熱伝導を可能とする樹脂部材１を用いているため、熱が伝導（伝送）する方向を自在に制御することができる。図４に示した熱伝送基板１１Ｂを例に挙げて、この点についてより詳細に説明する。

図５は、熱伝送基板における熱伝導を説明するための模式図である。第一のファイバ群１ａから入射した熱は、例えば所定の時刻ｔ＝ｔ_１において、図５（ａ）中で塗りつぶされた部分として示されるように、樹脂部材１が延在する方向に樹脂部材１（延伸ファイバ２）中を伝導する。続いて、例えば所定の時刻ｔ＝ｔ_２（ｔ_２＞ｔ_１）おいて、熱は、図５（ｂ））中で塗りつぶされた部分として示されるように、樹脂部材１が延在する方向に樹脂部材１（延伸ファイバ２）中を更に伝導する。このとき、蓄熱部材１３が設けられている経路では、蓄熱部材１３における蓄熱量が飽和するまで伝熱が停滞するため、全体として当該経路における伝熱速度は、蓄熱部材が設けられていない経路における伝熱速度に比べて遅くなる。断熱部材１４が設けられている経路では、断熱部材１４の手前で伝熱が停止する。熱光変換部材１５が設けられている経路では、伝導した熱エネルギーが光エネルギーに変換される。

一方、上記の樹脂部材１に代えて従来の樹脂製の部材（従来部材）を用いた場合には、このように熱が伝導する方向を自在に制御することはできない。図６は、従来技術を説明するための模式図である。図６に示すように、樹脂部材１に代えて従来部材１６を用いた従来基板２１では、従来部材１６が異方的に熱を伝導させることができない（等方的に熱を伝導させる）ため、例えば所定の時刻ｔ＝ｔ_１において、図６中で塗りつぶされた部分として示されるように、熱が従来部材１６のみならず、基板１２にも等方的に伝導する。したがって、樹脂部材１に代えて従来部材１６を用いた従来基板２１では、熱が伝導する方向を自在に制御することはできない。

１…樹脂部材、１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ…ファイバ群、２…延伸ファイバ、３…結合材、４…熱可塑性樹脂、５…加熱炉、６…巻取り部、７…ロール、１１Ａ，１１Ｂ…熱伝送基板、１２…基板、１３…蓄熱部材、１４…断熱部材、１５…熱光変換部材、１６…従来部材、２１…従来基板。

Claims

バンドル化された複数の熱可塑性樹脂の延伸ファイバを有する第一のファイバ群と、前記第一のファイバ群から分岐した第二のファイバ群及び第三のファイバ群と、を備え、
前記熱可塑性樹脂が、アクリルポリマー、メタクリルポリマー、ポリエチレンテレフタレート、ポリアリレート、ポリスルフォン、及びポリエーテルエーテルケトンからなる群より選ばれる少なくとも一種である、異方熱伝導性樹脂部材。
前記複数の熱可塑性樹脂の延伸ファイバが結合材によりバンドル化された、請求項１に記載の樹脂部材。
基板と、前記基板上に設けられた請求項１又は２に記載の異方熱伝導性樹脂部材と、を備える熱伝送基板。
前記異方熱伝導性樹脂部材と熱的に接続された蓄熱部材を更に備える、請求項３に記載の熱伝送基板。
基板と、前記基板上に設けられた異方熱伝導性樹脂部材と、前記異方熱伝導性樹脂部材と熱的に接続された断熱部材と、を備える熱伝送基板であって、
前記異方熱伝導性樹脂部材が、バンドル化された複数の熱可塑性樹脂の延伸ファイバを有する第一のファイバ群と、前記第一のファイバ群から分岐した第二のファイバ群及び第三のファイバ群と、を備える、熱伝送基板。
前記異方熱伝導性樹脂部材と熱的に接続された熱光変換部材を更に備える、請求項３～５のいずれか一項に記載の熱伝送基板。