JPWO2006134858A1 - 放熱用グラファイトシートおよびそれを用いた電子機器 - Google Patents

放熱用グラファイトシートおよびそれを用いた電子機器 Download PDF

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Abstract

比重が１．５７ｇ／ｃｍ３以上の放熱用グラファイトシートである。グラファイトシートの熱伝導率を飛躍的に向上させることができ、熱伝導率としてこれまで達成されていなかった１００５Ｗ／（ｍ・Ｋ）という高い熱伝導率を実現することができる。

Description

各種電子機器の発熱部からの熱を放熱するための放熱シート、特に、グラファイトを用いた放熱シートに関する。
グラファイトは、抜群の耐熱性や耐薬品性、熱伝導性、高電気伝導性等のため、電極、耐熱シール材、ガスケット等、様々な用途に用いられている。
このようなグラファイトとしては、天然に産するものを使用したものもあるが、良質のグラファイトは生産量が限られているのに加え、取り扱いにくい粉末状またはブロック状の形態を有するため、人工的にグラファイトを製造することが行われている。特に、シート状のグラファイトは天然に存在しないため専ら人工的に作製されている。例えば、国際公開ＷＯ９９／１９９０８号には、高分子フィルムの熱処理によって得られるグラファイトフィルムが開示されている。
近年の電子機器の高性能化に伴い電子機器中の放熱部品から発生する熱量が増加している。従って、熱を効率的に放熱することは、電子機器の動作を安定させる上でも、また、電子機器の安全性においても重要である。しかしながら、従来の放熱用グラファイトシートの熱伝導率はせいぜい８００Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度であり、また、上記国際公開ＷＯ９９／１９９０８号には熱伝導率１００４Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下のグラファイトシートが開示されてはいるが、放熱用グラファイトシートの放熱特性として十分満足できるものではなかった。
本発明の放熱用グラファイトシートは、炭素の共有結合により形成されたグラファイトシートの比重を１．５７ｇ／ｃｍ３以上としたものであり、これによりグラファイトシートの熱伝導度を飛躍的に向上させることができるものである。
図１は本発明の一実施の形態における電子機器の正面図である。 図２は本発明の一実施の形態における電子機器の要部断面図である。 図３は本発明の一実施の形態における電子機器の分解斜視図である。 図４Ａは本発明の一実施の形態における半導体パッケージの分解斜視図である。 図４Ｂは本発明の一実施の形態における半導体パッケージの断面図である。 図５は各種材料における熱伝導率を示すグラフである。 図６はグラファイトシートの構造を示す模式図である。
符号の説明
１ 表示部
２ 操作部
３ 操作ボタン
４ 基板
５ パワーアンプ
６ アイソレータ
７ グラファイトシート
８ ケース
９ バッテリー
１０ 発熱部品
１１ 基板
１２ ケース
１５ 半導体パッケージ
１６ ヒートシンク
１７ 発熱源
以下、本発明の放熱用グラファイトシートおよびそれを用いた電子機器について、一実施の形態および図面を用いて説明する。
図１は、電子機器である折りたたみ式携帯電話を開いたときの正面図であり、図２は、操作部の断面図である。図１に示すように、携帯電話は、一般的に表示部１と操作部２を有しており、操作部２には、各種操作ボタン３が配置されている。
図２に示すように、この操作ボタン３の内部背面には各種電子部品が実装された基板４やバッテリー９が配置されている。また、基板４には発熱部品であるパワーアンプ５やアイソレータ６が実装されている。そして、これらパワーアンプ５やアイソレータ６と対向するように放熱用グラファイトシート７（以下、単にグラファイトシートと記す）がケース８の内面に配置されている。グラファイトシート７は、パワーアンプ５やアイソレータ６から発せられる熱をケース８へ効果的に運びヒートスポットを低減している。なお、ここでヒートスポットとは特定の箇所に熱が集中することをいう。また、グラファイトシートとはシート性状の黒鉛であり、高分子フィルムを熱分解することで作製される。また、パワーアンプ５は半導体増幅器素子の一例であり、一方、アイソレータ６は半導体演算素子の一例である。半導体増幅器素子はパワーアンプ５に限定されるわけではなく、半導体演算素子はアイソレータ６に限定されない。
図２に操作部２の断面図とともに、操作部におけるグラファイトシート７の放熱効果を示すケース８の表面温度分布図を併せて示した。表面温度分布図は、横軸はヒートスポットからの位置を示しており、縦軸は各位置での温度を相対的に示したものである。
曲線１はグラファイトシート７を設けない場合の表面温度分布を示す。曲線１の場合、ケース８の表面温度は、パワーアンプ５とアイソレータ６の対向するケース８の部位で最も高い温度を示し、その周縁部に渡って表面温度が徐々に低下していく。
曲線２は、従来のグラファイトシート、すなわち、比重が１．５７ｇ／ｃｍ３未満のグラファイトシート、を用いた場合の表面温度分布を示す。曲線１と比較すると、曲線２では最高温度が大幅に低下している。しかしながらヒートスポットが完全に解消されているわけではなく、これ以上の放熱効果を実現することはこれまでできていなかった。
曲線３は、本発明のグラファイトシート７を用いた場合の表面温度分布を示す。従来のグラファイトシートを用いた曲線２と比べてさらに最高温度が低下している。これにより、本発明のグラファイトシート７が、発熱を効果的に周縁部へ放熱させていることが分る。
次に本発明のグラファイトシートについて機能という観点から以下に説明する。
図３は、本発明の一実施の形態における電子機器の分解斜視図であり、特に、発熱部品から発せられた熱の流れを示している。すなわち、基板１１に実装された発熱部品１０からの熱は、基板１１の上面側に配置されたグラファイトシート７に運搬される（矢印Ａ）。この熱は、その位置でグラファイトシート７からケース１２へ伝えられる（矢印Ｂ）とともに、グラファイトシート７内を伝搬した後（矢印Ｃ）、ケース１２へ伝えられる。基板１１の裏面に配置されたグラファイトシート７に対しても同様に発熱部品１０から発せられた熱は基板１１を介してグラファイトシート７に運搬され、グラファイトシート７から表面に放熱されるとともにグラファイトシート７内を伝搬し、グラファイトシート７全体から放熱される。
このようにグラファイトシート７の機能の一つとしては、熱運搬、すなわち、熱を運ぶ機能、および熱を拡散させる機能を有するものである。したがって、上記例以外にも、例えば、発熱部品１０からの熱を、グラファイトシート７を介して、隔離設置されたヒートシンク（図示せず）へ運搬し、このヒートシンクから放熱させることもできる。
次に、図４Ａは、本発明の一実施の形態における半導体パッケージおよびヒートシンクの分解斜視図であり、図４Ｂは、その断面図である。ここでグラファイトシート７は、半導体パッケージ１５とヒートシンク１６間、および半導体パッケージ１５の外周部と発熱源１７間にそれぞれ設けられる。図４Ｂに示すように、半導体パッケージ１５に収容された発熱源１７から発せられた熱は、グラファイトシート７を介して半導体パッケージ１５の外周部に運搬され、さらにグラファイトシート７を介してヒートシンク１６から放熱される。このとき、グラファイトシート７がヒートシンク１６の裏面全面に設けられているため発熱源１７からの熱は矢印Ａで示すようにヒートシンク１６全体に行き渡ることができ、放熱が効率的に行われる。この場合グラファイトシート７の機能の他の一つとして、接触熱抵抗の低減が挙げられる。
すなわち、半導体パッケージ１５とヒートシンク１６間にグラファイトシート７を設けない場合には熱による抵抗値が上昇するが、グラファイトシート７を介在させることにより、この熱抵抗値を下げることができる。
図５は、本発明のグラファイトシート７、従来のグラファイトシートおよび各種金属材料における面方向の熱伝導率を示した図である。従来のシリコンゴムなどよりなる熱伝導シートでは１Ｗ／（ｍ・Ｋ）、マグネシウム合金では７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、アルミニウムでは２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）、純銅では３５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率をそれぞれ示している。また、従来のグラファイトシートの熱伝導率は７００Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度である。それに対し、図５からも明らかなように、本発明のグラファイトシートの熱伝導率は１２６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、従来のグラファイトシートと比較しても飛び抜けて高く、熱伝導率としてこれまで実現されていなかった熱伝導率を達成している。
本願の発明者達は、グラファイトシートの比重が、グラファイトシートの熱伝導率に大きく関係することを見出した。
すなわち、グラファイトシートの構造は、図６に示すようにａ−ｂ面方向で炭素原子が共有結合した結晶構造になっておりＣ軸方向に、炭素六員環によって形成される平面が層状に積層した構造になっている。つまり、分子間力により、ｃ軸方向での各平面間の距離は、３．３５４〜３．３５６×１０−８ｃｍになっている。
従来のグラファイトシートにおいては、この結晶構造がところどころ不完全であり、これにより各層間の距離が上記の不完全な箇所でまちまちになっていると考えた。つまり、不完全な結晶構造により層構造が崩れ、その結果、その箇所で熱が伝わりにくくなっているのではないかと考えた。
そこで、各層間の距離をより均一化するためにグラファイトシートの比重に着目し、比重を高くすることで熱伝導率を向上させることができるという仮説をたて、実験により本発明を完成するに至った。
次に、本発明のグラファイトシートの製造方法の一例について説明する。
まず、予備焼成として、厚さ５０μｍのポリイミドフィルムをアルゴン雰囲気中で１４００℃まで昇温し、１４００℃で２時間保持した後、降温する。ポリイミドフィルムは６００℃前後で分解を始め、ポリイミドを形成する窒素原子、酸素原子、水素原子がガス化しポリイミドフィルムから抜けていく。
次に、高温焼成として、予備焼成したポリイミドフィルムをアルゴン雰囲気中で２９００℃まで昇温し、２９００℃で１時間保持した後、降温する。ガスの抜けたフィルムは２０００℃を超えると、残った炭素原子がこのときの熱エネルギーを使って共有結合し、結晶化が促進されるとともにこの結晶化構造体が層状になる。次に、鉄製ローラを用いて高温焼成後のフィルムを圧延してグラファイトシートを作製する。このときの鉄製ローラの圧延条件によりグラファイトシートの比重を調整することができる。
上記製造方法にて比重の異なるグラファイトシートを作製した。実施例１〜３のグラファイトシートは比重が１．５７以上であり、比較例１〜３のグラファイトシートは比重が１．５７未満である。それぞれのグラファイトシートについて熱拡散率、熱伝導率を測定した。熱拡散率の測定は、スキャニング・レーザ加熱周期法にて測定し、熱伝導率は、熱拡散率及び比重、比熱の値から算出をした。その結果を表１に示す。
Figure 2006134858
表１から明らかなようにグラファイトシートの比重が１．５７ｇ／ｃｍ３のとき、熱伝導率が１００５Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、これまでにない高い値を示す。さらに比重が１．６７ｇ／ｃｍ３のときは１０６９Ｗ／（ｍ・Ｋ）という値を示し、またさらに比重が１．８ｇ／ｃｍ３のときは１２６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）というより高い値を示していることがわかる。したがって、グラファイトシートの比重は１．５７ｇ／ｃｍ３以上が望ましい。より好ましくは、比重が１．６７ｇ／ｃｍ３以上、さらにより好ましくは比重が１．８ｇ／ｃｍ３以上であることが望ましい。
また、グラファイトシートの熱拡散率としては、効果的な放熱のためには８ｃｍ２／ｓ以上が望ましく、さらには、１０ｃｍ２／ｓ以上がより望ましい。
なお、上記の製造方法の一例では厚さ５０μｍのポリイミドフィルムを使用したが、これに限定されるものではなく、厚さが１０〜６０μｍのポリイミドフィルムを使用し、比重を調整した場合にも同様の高い熱伝導率を得ることができる。
本発明の放熱用グラファイトシートは、パワーアンプ、アイソレータ、半導体素子を始めとする発熱部品を有し放熱が必要な電子機器に有用である。
各種電子機器の発熱部からの熱を放熱するための放熱シート、特に、グラファイトを用いた放熱シートに関する。
グラファイトは、抜群の耐熱性や耐薬品性、熱伝導性、高電気伝導性等のため、電極、耐熱シール材、ガスケット等、様々な用途に用いられている。
このようなグラファイトとしては、天然に産するものを使用したものもあるが、良質のグラファイトは生産量が限られているのに加え、取り扱いにくい粉末状またはブロック状の形態を有するため、人工的にグラファイトを製造することが行われている。特に、シート状のグラファイトは天然に存在しないため専ら人工的に作製されている。例えば、国際公開ＷＯ９９／１９９０８号には、高分子フィルムの熱処理によって得られるグラファイトフィルムが開示されている。
近年の電子機器の高性能化に伴い電子機器中の放熱部品から発生する熱量が増加している。従って、熱を効率的に放熱することは、電子機器の動作を安定させる上でも、また、電子機器の安全性においても重要である。しかしながら、従来の放熱用グラファイトシートの熱伝導率はせいぜい８００Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度であり、また、上記国際公開ＷＯ９９／１９９０８号には熱伝導率１００４Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下のグラファイトシートが開示されてはいるが、放熱用グラファイトシートの放熱特性として十分満足できるものではなかった。
本発明の放熱用グラファイトシートは、炭素の共有結合により形成されたグラファイトシートの比重を１．５７ｇ／ｃｍ３以上としたものであり、これによりグラファイトシートの熱伝導度を飛躍的に向上させることができるものである。
以下、本発明の放熱用グラファイトシートおよびそれを用いた電子機器について、一実施の形態および図面を用いて説明する。
図１は、電子機器である折りたたみ式携帯電話を開いたときの正面図であり、図２は、操作部の断面図である。図１に示すように、携帯電話は、一般的に表示部１と操作部２を有しており、操作部２には、各種操作ボタン３が配置されている。
図２に示すように、この操作ボタン３の内部背面には各種電子部品が実装された基板４やバッテリー９が配置されている。また、基板４には発熱部品であるパワーアンプ５やアイソレータ６が実装されている。そして、これらパワーアンプ５やアイソレータ６と対向するように放熱用グラファイトシート７（以下、単にグラファイトシートと記す）がケース８の内面に配置されている。グラファイトシート７は、パワーアンプ５やアイソレータ６から発せられる熱をケース８へ効果的に運びヒートスポットを低減している。なお、ここでヒートスポットとは特定の箇所に熱が集中することをいう。また、グラファイトシートとはシート性状の黒鉛であり、高分子フィルムを熱分解することで作製される。また、パワーアンプ５は半導体増幅器素子の一例であり、一方、アイソレータ６は半導体演算素子の一例である。半導体増幅器素子はパワーアンプ５に限定されるわけではなく、半導体演算素子はアイソレータ６に限定されない。
図２に操作部２の断面図とともに、操作部におけるグラファイトシート７の放熱効果を示すケース８の表面温度分布図を併せて示した。表面温度分布図は、横軸はヒートスポットからの位置を示しており、縦軸は各位置での温度を相対的に示したものである。
曲線１はグラファイトシート７を設けない場合の表面温度分布を示す。曲線１の場合、ケース８の表面温度は、パワーアンプ５とアイソレータ６の対向するケース８の部位で最も高い温度を示し、その周縁部に渡って表面温度が徐々に低下していく。
曲線２は、従来のグラファイトシート、すなわち、比重が１．５７ｇ／ｃｍ３未満のグラファイトシート、を用いた場合の表面温度分布を示す。曲線１と比較すると、曲線２では最高温度が大幅に低下している。しかしながらヒートスポットが完全に解消されているわけではなく、これ以上の放熱効果を実現することはこれまでできていなかった。
曲線３は、本発明のグラファイトシート７を用いた場合の表面温度分布を示す。従来のグラファイトシートを用いた曲線２と比べてさらに最高温度が低下している。これにより、本発明のグラファイトシート７が、発熱を効果的に周縁部へ放熱させていることが分る。
次に本発明のグラファイトシートについて機能という観点から以下に説明する。
図３は、本発明の一実施の形態における電子機器の分解斜視図であり、特に、発熱部品から発せられた熱の流れを示している。すなわち、基板１１に実装された発熱部品１０からの熱は、基板１１の上面側に配置されたグラファイトシート７に運搬される（矢印Ａ）。この熱は、その位置でグラファイトシート７からケース１２へ伝えられる（矢印Ｂ）とともに、グラファイトシート７内を伝搬した後（矢印Ｃ）、ケース１２へ伝えられる。基板１１の裏面に配置されたグラファイトシート７に対しても同様に発熱部品１０から発せられた熱は基板１１を介してグラファイトシート７に運搬され、グラファイトシート７から表面に放熱されるとともにグラファイトシート７内を伝搬し、グラファイトシート７全体から放熱される。
このようにグラファイトシート７の機能の一つとしては、熱運搬、すなわち、熱を運ぶ機能、および熱を拡散させる機能を有するものである。したがって、上記例以外にも、例えば、発熱部品１０からの熱を、グラファイトシート７を介して、隔離設置されたヒートシンク（図示せず）へ運搬し、このヒートシンクから放熱させることもできる。
次に、図４Ａは、本発明の一実施の形態における半導体パッケージおよびヒートシンクの分解斜視図であり、図４Ｂは、その断面図である。ここでグラファイトシート７は、半導体パッケージ１５とヒートシンク１６間、および半導体パッケージ１５の外周部と発熱源１７間にそれぞれ設けられる。図４Ｂに示すように、半導体パッケージ１５に収容された発熱源１７から発せられた熱は、グラファイトシート７を介して半導体パッケージ１５の外周部に運搬され、さらにグラファイトシート７を介してヒートシンク１６から放熱される。このとき、グラファイトシート７がヒートシンク１６の裏面全面に設けられているため発熱源１７からの熱は矢印Ａで示すようにヒートシンク１６全体に行き渡ることができ、放熱が効率的に行われる。この場合グラファイトシート７の機能の他の一つとして、接触熱抵抗の低減が挙げられる。
すなわち、半導体パッケージ１５とヒートシンク１６間にグラファイトシート７を設けない場合には熱による抵抗値が上昇するが、グラファイトシート７を介在させることにより、この熱抵抗値を下げることができる。
図５は、本発明のグラファイトシート７、従来のグラファイトシートおよび各種金属材料における面方向の熱伝導率を示した図である。従来のシリコンゴムなどよりなる熱伝導シートでは１Ｗ／（ｍ・Ｋ）、マグネシウム合金では７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、アルミニウムでは２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）、純銅では３５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率をそれぞれ示している。また、従来のグラファイトシートの熱伝導率は７００Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度である。それに対し、図５からも明らかなように、本発明のグラファイトシートの熱伝導率は１２６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、従来のグラファイトシートと比較しても飛び抜けて高く、熱伝導率としてこれまで実現されていなかった熱伝導率を達成している。
本願の発明者達は、グラファイトシートの比重が、グラファイトシートの熱伝導率に大きく関係することを見出した。
すなわち、グラファイトシートの構造は、図６に示すようにａ−ｂ面方向で炭素原子が共有結合した結晶構造になっておりＣ軸方向に、炭素六員環によって形成される平面が層状に積層した構造になっている。つまり、分子間力により、ｃ軸方向での各平面間の距離は、３．３５４〜３．３５６×１０−８ｃｍになっている。
従来のグラファイトシートにおいては、この結晶構造がところどころ不完全であり、これにより各層間の距離が上記の不完全な箇所でまちまちになっていると考えた。つまり、不完全な結晶構造により層構造が崩れ、その結果、その箇所で熱が伝わりにくくなっているのではないかと考えた。
そこで、各層間の距離をより均一化するためにグラファイトシートの比重に着目し、比重を高くすることで熱伝導率を向上させることができるという仮説をたて、実験により本発明を完成するに至った。
次に、本発明のグラファイトシートの製造方法の一例について説明する。
まず、予備焼成として、厚さ５０μｍのポリイミドフィルムをアルゴン雰囲気中で１４００℃まで昇温し、１４００℃で２時間保持した後、降温する。ポリイミドフィルムは６００℃前後で分解を始め、ポリイミドを形成する窒素原子、酸素原子、水素原子がガス化しポリイミドフィルムから抜けていく。
次に、高温焼成として、予備焼成したポリイミドフィルムをアルゴン雰囲気中で２９００℃まで昇温し、２９００℃で１時間保持した後、降温する。ガスの抜けたフィルムは２０００℃を超えると、残った炭素原子がこのときの熱エネルギーを使って共有結合し、結晶化が促進されるとともにこの結晶化構造体が層状になる。次に、鉄製ローラを用いて高温焼成後のフィルムを圧延してグラファイトシートを作製する。このときの鉄製ローラの圧延条件によりグラファイトシートの比重を調整することができる。
上記製造方法にて比重の異なるグラファイトシートを作製した。実施例１〜３のグラファイトシートは比重が１．５７以上であり、比較例１〜３のグラファイトシートは比重が１．５７未満である。それぞれのグラファイトシートについて熱拡散率、熱伝導率を測定した。熱拡散率の測定は、スキャニング・レーザ加熱周期法にて測定し、熱伝導率は、熱拡散率及び比重、比熱の値から算出をした。その結果を表１に示す。
Figure 2006134858
表１から明らかなようにグラファイトシートの比重が１．５７ｇ／ｃｍ３のとき、熱伝導率が１００５Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、これまでにない高い値を示す。さらに比重が１．６７ｇ／ｃｍ３のときは１０６９Ｗ／（ｍ・Ｋ）という値を示し、またさらに比重が１．８ｇ／ｃｍ３のときは１２６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）というより高い値を示していることがわかる。したがって、グラファイトシートの比重は１．５７ｇ／ｃｍ３以上が望ましい。より好ましくは、比重が１．６７ｇ／ｃｍ３以上、さらにより好ましくは比重が１．８ｇ／ｃｍ３以上であることが望ましい。
また、グラファイトシートの熱拡散率としては、効果的な放熱のためには８ｃｍ２／ｓ以上が望ましく、さらには、１０ｃｍ２／ｓ以上がより望ましい。
なお、上記の製造方法の一例では厚さ５０μｍのポリイミドフィルムを使用したが、これに限定されるものではなく、厚さが１０〜６０μｍのポリイミドフィルムを使用し、比重を調整した場合にも同様の高い熱伝導率を得ることができる。
本発明の放熱用グラファイトシートは、パワーアンプ、アイソレータ、半導体素子を始めとする発熱部品を有し放熱が必要な電子機器に有用である。
本発明の一実施の形態における電子機器の正面図 本発明の一実施の形態における電子機器の要部断面図 本発明の一実施の形態における電子機器の分解斜視図 本発明の一実施の形態における半導体パッケージの分解斜視図 本発明の一実施の形態における半導体パッケージの断面図 各種材料における熱伝導率を示すグラフ グラファイトシートの構造を示す模式図
符号の説明
１ 表示部
２ 操作部
３ 操作ボタン
４ 基板
５ パワーアンプ
６ アイソレータ
７ グラファイトシート
８ ケース
９ バッテリー
１０ 発熱部品
１１ 基板
１２ ケース
１５ 半導体パッケージ
１６ ヒートシンク
１７ 発熱源

Claims (6)

  1. 炭素の共有結合により形成されたグラファイトシートであって、前記グラファイトシートは、比重が１．５７ｇ／ｃｍ３以上であり、かつ熱拡散率が８ｃｍ２／ｓ以上である、放熱用グラファイトシート。
  2. 熱拡散率が１０ｃｍ２／ｓ以上である請求項１記載の放熱用グラファイトシート。
  3. 比重が１．６７ｇ／ｃｍ３以上である、請求項１記載の放熱用グラファイトシート。
  4. 比重が１．８ｇ／ｃｍ３以上である、請求項１記載の放熱用グラファイトシート。
  5. 熱伝導率が１００５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である請求項１記載の放熱用グラファイトシート。
  6. 半導体増幅器素子または半導体演算素子を有する電子機器であって、前記半導体増幅器素子または半導体演算素子の少なくとも一つの表面に、請求項１〜５のいずれか一つに記載の放熱用グラファイトシートが接触していることを特徴とする電子機器。
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