JPWO2007142273A1 - 高熱伝導で柔軟なシート - Google Patents

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Abstract

【課題】 発熱体と放熱体の間（ギャップ）での熱抵抗を小さくする。【解決手段】 高熱伝導で柔軟なシートであって、グラファイト層と弾性層が交互に積層され、グラファイト層の面方向、あるいはグラフェンの端部が弾性層の端部よりも突出しかつ弾性層の端部の少なくとも一部を覆うように曲がっているシートが提供される。本発明のシートを発熱体と放熱体の間（ギャップ）に設置することにより、発熱体の表面あるいは放熱体の表面の平坦性が低い場合であっても、そのギャップでの熱抵抗、特に接合面での接触熱抵抗を小さくすることができる。

Description

本発明は、一般的には高熱伝導で柔軟なシートに関する。本発明は、より詳細には、高熱伝導で柔軟なシートを用いる熱伝導モジュール、そのシートおよびその熱伝導モジュールの製造方法に関する。
近年、マイクロプロセッサ（ＣＰＵ）などの電子デバイスの高性能化および小型化に伴い、その電子デバイスが発生する熱も増大している。したがって、電子デバイスの冷却能力が大きい冷却技術が求められている。一般に電子デバイスはヒートシンクなどの放熱部品を用いて冷却される。電子デバイスと放熱部品は、接合部（ギャップ）での熱抵抗を下げるため、高熱伝導材料で接合される。
電子デバイスおよび放熱部品の表面は完全に平坦ではなく、微細な凹凸を有する。このため、電子デバイスと放熱部品の接合ギャップに金属などの硬い伝熱材料を用いた場合、その材料と電子デバイスあるいは放熱部品との接合（密着性）が不十分になる。その結果、その接合部での熱抵抗が大きくなる。したがって、現在、その不均一な接合ギャップを隙間無く埋めることのできるサーマルグリースやフェイズチェンジングシートなどが広く使用されている。しかし、これらの伝熱材料の熱伝導率は金属材料に比べて低い（多くの場合、<<10W/mK）。したがって、特に接合ギャップが厚くなると熱抵抗が大きくなってしまうという問題がある。
日本の公開特許公報・平8-238707には、シリコーンゴム基材に金属粉などの添加剤が加えられた放熱シートが開示されている。米国特許6,651,736には、炭素素材をグリースやポリマーなどのバインダーの中に充填剤として加える方法が開示されている。しかし、これらの方法を用いても、全体の熱伝導率は基材（バインダー）の熱伝導率に制約されてしまうので、熱抵抗を十分に下げることはできない。
日本の公開特許公報・平10-56114、平11-302545、米国特許5,695,847に、グラファイト・ファイバーなどを接合面に対して垂直に配向した、シート状の伝熱部材が開示されている。この方法で得られたカーボン系複合部材は、バルク状態では高い熱伝導率を示す。しかし、この伝熱部材は、上述した金属などの硬い伝熱材料を用いる場合と同様に、接合部に隙間が発生してしまう。その結果、その隙間を含む接合ギャップ全体の熱抵抗が大きくなってしまう。
日本国の公開特許公報、平8-238707 米国特許6,651,736 日本国の公開特許公報、平10-56114 日本国の公開特許公報、平11-302545 米国特許5,695,847
本発明の目的は、高熱伝導性で柔軟性のある接合部材を提供することである。
本発明の目的は、発熱体と放熱体の間（ギャップ）での熱抵抗を小さくすることである。
本発明の目的は、発熱体の表面から放熱体の表面への熱伝導効率を高めることである。
本発明の目的は、接合面の表面状態に拘らず、接合面での接触熱抵抗を小さくすることである。
本発明によれば、高熱伝導で柔軟なシートであって、グラファイト層と弾性層が交互に積層され、グラファイト層の面方向の端部が弾性層の端部よりも突出しかつ弾性層の端部の少なくとも一部を覆うように曲がっているシートが提供される。
本発明によれば、発熱体と、放熱体と、発熱体と放熱体の間に配置されたシートであって、グラファイト層と弾性層が交互に配置され、グラファイト層の面方向の端部は弾性層の端部よりも突出しかつ弾性層の端部の少なくとも一部を覆うように曲がっており、さらにグラファイト層の面方向の一方の端面は放熱体の表面に接し、その他方の端面は発熱体の表面に接する、熱伝導モジュールが提供される。
本発明のシートを発熱体と放熱体の間（ギャップ）に設置することにより、そのギャップでの熱抵抗を小さくすることができる。
本発明のシートを発熱体と放熱体の間（ギャップ）に設置することにより、発熱体の表面あるいは放熱体の表面の平坦性が低い場合であっても、そのギャップでの熱抵抗、特に接合面での接触熱抵抗を小さくすることができる。
本発明のシートを発熱体と放熱体の間（ギャップ）に設置することにより、発熱体の表面から放熱体の表面への熱伝導効率を高めることができる。
本発明について図面を参照しながら以下に詳細に説明する。図１は、本発明の熱伝導モジュールの一実施例の概念図である。発熱体１と放熱体７の間に充填材３を介して高熱伝導で柔軟なシート５が配置される。発熱体１としては例えばマイクロプロセッサなどの電子部品（ＩＣチップ、半導体素子）が該当する。放熱体７としては例えばアルミニウムなどで作られたヒートシンクが該当する。充填材３は必須の要件ではない。充填材３は発熱体１とシート５の間あるいは放熱体７とシート５の間の少なくとも一方に充填してもよい。充填材３はシリコーンオイル、液体金属、または放熱グリースなどの流動性材料からなる。
図２は図１のシート５部分の拡大図である。シート５はグラファイト層５０と弾性層５２が交互に配置（積層）されている。弾性層５２はグラファイト層５０と接着性のある樹脂材料からなる。その樹脂材料としては、例えばシリコーン系、ポリイミド系、アクリル系などが該当する。グラファイト層５０の面方向（図２では垂直方向）の端部は、弾性層５２の端部よりも突出しかつ弾性層５２の端部の少なくとも一部を覆うように曲がっている。グラファイト層５０の一方（上）の端面は放熱体７の表面に接し、その他方（下）の端面は発熱体１の表面に接する。なお、図２は、グラファイト層５０の端面が充填材３を介して放熱体７の表面あるいは発熱体１の表面に接する場合を示している。しかし、この構成に限られず、グラファイト層５０の端面が直接に放熱体７の表面あるいは発熱体１の表面に接してもよい。
グラファイト層５０は、グラファイトの多層構造からなる。グラファイトは、図３に示されるように、面方向（a-b plane）に炭素原子が蜂の巣構造に配置された層を有する。この一枚の層はグラフェンと呼ばれる。グラファイトはポリマーで一つの層として結合される。グラファイトの面方向（a-b plane）は、図２の垂直方向に一致する。グラファイトの中では熱は主にフォノンと呼ばれる結晶の格子振動によって伝わる。グラフェン間の距離はグラフェン面内の原子の隣接距離よりも約２．４倍離れている。このためグラファイトはグラフェンの面方向（a-b plane）に高い熱伝導性を有する(熱異方性)。図３の面方向（a-b plane）は垂直（c-axis）方向よりもおよそ100倍から1000倍熱伝導性が大きい。したがって、グラファイトの面方向で、すなわちグラフェンの端面で、放熱体あるいは発熱体の表面に接触することが重要である。その理由は、グラフェンの端面が接触することで格子振動、あるいはフォノンがグラフェン面内に伝わりやすくなり、結果的に接触部での熱抵抗を小さくすることができるからである。本発明ではグラファイトの炭素原子の層、あるいはグラフェンが、その端面（接触部）を含む、発熱体と放熱体の間のギャップ全体に渡って維持されていることが重要である。
同時に本発明ではグラファイト層の端部が弾性層の端部を覆うように広がっていることが重要である。その理由は、熱伝導性の低い弾性層の端部と発熱体（放熱体）との接触面積を小さくすると同時に熱伝導性の高いグラファイト層の端面と発熱体（放熱体）との接触面積を大きくすることができるからである。その結果、上述した端面での接触と相まって接触部での熱抵抗をさらに小さくすることができる。
図４はグラファイト層５０の形状の一例を示す図である。多層構造であることを明確にするために、各グラファイト層が複数の線で示されている。グラファイト層の端面の広がりLは、曲げ角をθ、グラファイト層５０の厚さをtとすると、L＝t/cosθで見積もることができる。図４ではグラファイト層５０の端面が弾性層５２の端部をほぼ完全に覆っている。図４の形状はいわばグラファイト層の理想的な形状を示している。グラファイト層の端部は、図４で示されるように一方向に曲がっている場合に限られない。グラファイト層の端部は、図５で示されるように隣り合う二つの弾性層の端部を覆うように広がっている場合（扇形状、逆三角形状）でもよい。また、グラファイト層は、その端部が接触する２つの表面で逆方向に曲がった”Ｓ字型”のような形でもよい。
本発明のシート５の製造方法について、図６−図１０を参照しながら説明する。最初にグラファイト層と弾性層を交互に積層して一つのブロックを形成する。図６はそのブロックの形成工程を示す。図６（a）で、テフロン（Ｒ）製の鋳型（モールド）６０を準備する。そのモールドにグラファイト層と弾性層を交互に入れて重ねる。グラファイト層と弾性層の数は発熱体（放熱体）のサイズに応じて適宜選択する。グラファイト層としては、市販のグラファイトシート、例えば松下製"PGS"グラファイトシート（型番：EYGS091310、厚さ：0.1mm）を利用する。弾性層としては、市販の未硬化の液状のエラストマー、例えばシリコーンエラストマーなどを利用する。図６（b）で、積層体の上に重し６２を置いて加圧しながら、オーブン中で、１５０℃で６０分間加熱する。加熱によって液状のエラストマーが硬化して、固形のブロック６４が形成される（図６（c））。
図７を参照する。図７（a)はブロック６４を示す。グラファイト層（PGS)６６と弾性層（シリコーンエラストマー）６８が積層されている。ブロック６４を積層方向に沿って切断して、複数のサブ・ブロックを形成する。例えば図７（a)の点線A-Aに沿って垂直方向に切断する。切断にはダイヤモンドブレードの付いた切断機、あるいはダイヤモンドソーなどを用いる。切断するシートの厚みは1μmから２mmの間である。この切断の際に、切断された１つのサブ・ブロック中のグラファイト層６６の端部（切断面）を弾性層６８の端部（切断面）よりも突出させる。同時に弾性層６８の端部（切断面）の少なくとも一部を覆うように曲げる。そのために、切断速度、刃に加える荷重、刃の種類を調整する必要がある。例えば、ダイヤモンドブレードの回転速度を１２０rpmに設定し、荷重が２５gである場合、再現性よく本発明の端部を形成することができる。なお、荷重を７５gにし、速度を２００rpmに設定した場合は本発明の端部形状はできなかった。この工程により、図７（ｂ）あるいは図４で示される、グラファイト層の端部が突出しかつ曲がった形状が得られた。
このグラファイト層の端部形状をより容易に得るためには、さらに以下の点に留意する必要がある。まず図６の工程におけるグラファイト層（PGS)間の接着強度を調整する。具体的には弾性層（シリコーンエラストマー）の硬化の温度および時間を調整する。これは図７の切断工程においてPGSシートに自由度をもたせるためである。PGSシートに自由度があると、ダイアモンドブレードなどの刃で切断されるときに、硬度の低い弾性層（シリコーンエラストマー）が選択的に切削される。その結果、硬度の高いPGSシートの端部は残り、その端面が弾性層の端面よりも突出する。さらに、刃の荷重がその突出部を曲げる方向にかかるので、その突出部は曲がり、弾性層の表面（端面）を覆う（図４）。自由度を持たせるには硬度の非常に低い弾性層、例えば信越化学製シリコーンエラストマーＫＥ１３０８（ＪＩＳ−Ａ硬さ７）などを用いることもできる。
もしグラファイト層（PGS)間の接着強度が低すぎて、切断の際にブロック自体が支えられなくなる恐れがある場合は、ブロックの周囲を固定する。固定方法としては、まずブロックの柔軟性を維持するため、ブロック周囲をエラストマーなどの柔軟性のある材料で固める。具体的には、例えば、未硬化のシリコーンエラストマー材料の中にブロックを入れて、真空引きをする。エラストマーは複合ブロックに浸透する。その後シリコーンエラストマーを硬化させる。その後さらに、切断時の応力でシート（サブ・ブロック）が曲がってしまわないように、硬度の高いエポキシなどの材料でブロックの周囲を固める。なお、この固定は必要に応じて行われる。図７（ｃ）に戻って、端部が曲がったグラファイト層をグラインダーなどで削って、その表面（端面）を平坦化する。その理由は、グラファイト層の端面と発熱体あるいは放熱体の表面の接合をより密にするためである。なお、この平坦化は無くてもよい。
図８を参照しながら別の製造方法を説明する。図８(a)は図７（a）と同じブロック６４である。ブロック６４を積層方向に沿って切断して、複数のサブ・ブロックを形成する。例えば図７（a)の点線A-Aに沿って垂直方向に切断する。ここまでは図７の場合と基本的に同じである。図７の場合と違って、図８（a）では、切断面が平坦になるように切断する。すなわち、グラファイト層の端面が弾性層の端面から突出するようには切断しない。そのために、切断に使うダイアモンドブレードの回転速度、荷重などを調整する。切断後、ほぼ平坦な切断面を持つサブブロック（シート）７０が得られる（図８（b））。切断後のブロック中の弾性層（シリコーンエラストマー）の表面をエッチングする。具体的には、シート（ブロック）７０をシリコーン用エッチング液中に入れる、あるいはエッチング液をブロック７０の表面にスプレーする。除去するシリコーンの量は、エッチングの時間、温度などで制御する。
図８（c）にエッチング後のシート７２を示す。シリコーンエラストマーが除去された分だけグラファイト層の端部が突出している。次に、グラファイト層の端部が突出した表面にローラーなどで圧力を加えて、その突出した端部を曲げる。その際、一つのグラファイト層の端部がその隣の弾性層の端面を覆うように曲げる。図８（d)にグラファイト層の端部が曲がった状態のシート７４を示す。その後、図７（ｃ）の場合と同様に、端部が曲がったグラファイト層をグラインダーなどで削って、その表面（端面）を平坦化する。この平坦化は無くてもよい。最終的に図８（e）の構造７６が得られる。なお、曲げる際、一つのグラファイト層の端部がその隣りの（前後の）２つの弾性層を覆うように曲げてもよい。この場合、図５に示されるグラファイト層５０の形状（扇形状）が得られる。
図９、１０を参照しながら別の製造方法を説明する。図９（a）で、シートの高さ（厚さ）dだけ離間した２枚の板８０を持つ型を準備する。PGSシート８２を板８０の一方の端面に接合する。その際、棒８４でシート８２を板８０に押し付けて固定する。２つの刃８６を用いてPGSシート８２を切断する。切断方向はシート８２の表面に垂直な方向から角度αだけ傾いた方向である（図９（a））。切断されたシート（ブロック）８８を、棒８４を用いて型の中（２つの板の間）に押し込む。押し込む際の力によって、シート・ブロック８８の端部が、板８０の表面に沿うように曲がる（図９（b））。次に未硬化の弾性材料９０を入れる（図９（c））。再び（a）と同様にPGSシート８２を板８０の一方の端面に接合する。２つの刃８６を用いてPGSシート８２を切断する（図９（d））。切断されたシート（ブロック）９２を、棒８４を用いて型の中（２つの板の間）に押し込む（図９（e））。工程（a）−(e)を繰り返して、所定数のPGSシート・ブロックと弾性層が積層された構造を得る（図９（f））。最後に、工程（f）で得られた構造をオーブン中で加熱する。弾性材料は硬化されて本発明のシート９４を得る（図９（g））。
図１０を参照する。図９の弾性材料９０の幅をより正確に制御するため、予め硬化させたシート状の弾性材料９４を板８０に押し付けて固定する。刃９６を用いて、弾性シート９４の表面と垂直方向に切断する。切断された弾性シート（ブロック）を、棒８４を用いて型の中（２つの板の間）に押し込む。その後、隙間を埋めるために、液状の弾性材料を注入してもよい。空気が入り気泡などができることを防ぐため、これらの工程はすべて減圧下で行ってもよい。
上述した製造方法のいずれかを用いて作られた本発明のシート５は、その上下の面で発熱体の表面と放熱体の表面と接合せる。その結果、例えば図１で示される熱伝導モジュールができる。なお、その接合の際、より接触熱抵抗を下げるために、接触面にグラファイトとの親和性（熱結合性）の良いフッ化オイルを塗布してもよい。
図１１に本発明の方法で製造したシート（実施例）の表面（端面）の顕微鏡写真を示す。松下製"PGS"グラファイトシート（型番：EYGS091310、厚さ：0.1mm）を用いた。硬化後のシリコーンエラストマーの厚さは０．１mmであった。表面（端面）での各PGSシート（グラファイト層）の幅は、０．１６−０．１７mmであった。グラファイト層は元の幅よりも約６０−７０μm広がっている。図１２は同じサンプルの断面の顕微鏡写真である。表面Cでグラファイト層１００が曲がり、エラストマー２００の表面を覆う“コの字”型になっている。表面Cでのグラファイト層１００の幅は約０．１８mmとなり、元の幅よりも約８０μm広がっている。比較例として、同じPGSシートを用いて、その端面（切断面）が平坦な積層構造（シート）を準備した。図１３はそのシートの表面の顕微鏡写真である。この場合、グラファイト層は元の幅とほぼ同じ幅の１００μmであった。
図１４は実施例と比較例についての熱流入率(ｑ)に対するシートの両面での温度差の変化を示すグラフである。横軸は熱流入率(q)に相当するヒーターパワー（W）である。縦軸はシートの両面での温度差（℃）である。このグラフの傾きから、それぞれの熱抵抗値を求めた。実施例の熱抵抗値は14.6℃mm2/W、比較例の熱抵抗値は27.4℃mm2/Wであった。本発明の実施例の熱抵抗は、比較例の約半分（５３％）となっている。図１５は実施例と比較例についての厚さ（μm）と接触熱抵抗（℃mm2/W）の関係を示すグラフである。参考として、図１５にはPGSシート単体（100μm）の接触熱抵抗値も示している。本発明の実施例は、比較例および単体PGSシートよりも約１０℃mm2/W（４５％）接触熱抵抗値が小さくなっている。
本発明のシートの適用可能な範囲は広い。例えば本発明のシートは、マイクロプロセッサのような小さな電子部品のみならずプラズマテレビのような大型の電気製品にも適用できる。プロセッサーのように水平方向の長さのスケールが数十mmの場合、グラファイト層（シート）の厚みは数十μmから100μmで対応できるであろう。またプラズマテレビのように水平方向の長さのスケールが数十センチの場合は、その厚さは数mmから10mm程度で対応できるであろう。
本発明について、図１−図１５を例にとり説明をした。しかし、本発明はこれらの実施例に限られるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲でいかなる変形も可能であることは当業者には明らかであろう。
本発明の熱伝導モジュールの一実施例の概念図である。 図１のシート５部分の拡大図である。 炭素原子が配置されたグラフェン構造を示す図である。 本発明のグラファイト層５０の形状の一例を示す図である。 本発明の一実施のグラファイト層の形状を示す図である。 本発明の製造方法におけるブロックの形成工程を示す図である。 本発明の製造法の一実施例を示す図である。 本発明の製造法の一実施例を示す図である。 本発明の製造法の一実施例を示す図である。 本発明の製造法の一実施例を示す図である。 本発明の方法で製造したシート（実施例）の表面（端面）を示す図である。 図１１のシートの断面を示す図である。 本発明の比較例のシートの表面（端面）を示す図である。 熱流入率ｑに対するシートの両面での温度差の変化を示す図である。 厚さと接触熱抵抗の関係を示す図である。
符号の説明
１ 発熱体
３ 発熱体
５ シート
７ 放熱体
５０、６６ グラファイト層
５２、６８ 弾性層
６０ 鋳型（モールド）
６２ 重し
６４ ブロック
７０ サブ・ブロック（シート）
７２ エッチング後のシート
８０ ２枚の板
８２ PGSシート
８４ 棒
８６ ２つの刃
８８ シート・ブロック
９０ 未硬化の弾性材料
９２ 切断されたシート（ブロック）
９４ シート

Claims (15)

  1. 高熱伝導で柔軟なシートであって、グラファイト層と弾性層が交互に積層され、グラファイト層の面方向の端部が弾性層の端部よりも突出しかつ弾性層の端部の少なくとも一部を覆うように曲がっている、シート。
  2. 前記グラファイト層の面方向の端部は、隣りの二つの弾性層の端部を覆うように広がっている、請求項１のシート。
  3. 前記弾性層は、前記グラファイト層と接着性のある樹脂材料からなる、請求項１または２のシート。
  4. 発熱体と、
    放熱体と、
    発熱体と放熱体の間に配置されたシートであって、グラファイト層と弾性層が交互に配置され、グラファイト層の面方向の端部は弾性層の端部よりも突出しかつ弾性層の端部の少なくとも一部を覆うように曲がっており、さらにグラファイト層の面方向の一方の端面は放熱体の表面に接し、その他方の端面は発熱体の表面に接する、熱伝導モジュール。
  5. さらに、前記発熱体と前記シートの間および前記放熱体と前記シートの間の少なくとも一方に充填材を有する、請求項４の熱伝導モジュール。
  6. 前記充填材は、シリコーンオイル、液体金属および放熱グリースからなるグループの中から選択された一つの材料からなる、請求項５の熱伝導モジュール。
  7. 前記グラファイト層の面方向の端部は、隣りの二つの前記弾性層の端部を覆うように広がっている、請求項４の熱伝導モジュール。
  8. 前記弾性層は、前記グラファイト層と接着性のある樹脂材料からなる、請求項５の熱伝導モジュール。
  9. 前記放熱体はICチップを含み、前記放熱体はヒートシンクを含む、請求項４または５の熱伝導モジュール。
  10. 高熱伝導で柔軟なシートの製造方法であって、
    グラファイト層と弾性層を交互に積層して一つの積層ブロックを形成するステップと、
    積層ブロックを積層方向に沿って切断して複数のサブ・ブロックを形成するステップを含み、
    前記複数のサブ・ブロックを形成するステップは、サブ・ブロック中のグラファイト層の端部を弾性層の端部よりも突出させ同時に弾性層の端部の少なくとも一部を覆うように曲げることを含むことを特徴とする、製造方法。
  11. 高熱伝導で柔軟なシートの製造方法であって、
    グラファイト層と弾性層を交互に積層して一つのブロックを形成するステップと、
    ブロックを積層方向に沿って切断して複数のサブ・ブロックを形成するステップと、
    サブ・ブロック中のグラファイト層の端部を弾性層の端部よりも突出させるステップと、
    突出したグラファイト層の端部を弾性層の端部の少なくとも一部を覆うように曲げるステップと、を含む製造方法。
  12. 前記グラファイト層の端部を曲げるステップは、グラファイト層の端部を隣りの二つの弾性層の端部を覆うように広げるステップを含む、請求項１１の製造方法。
  13. 高熱伝導で柔軟なシートの製造方法であって、
    （ａ）複数のグラファイト・ブロックを準備するステップと、
    （ｂ）グラファイト・ブロックの一面の端部を中央部よりも突出させるステップと、
    （ｃ）グラファイト・ブロックの前記一面に弾性層を接合するステップと、
    （ｄ）弾性層に別のグラファイト・ブロックを接合し、当該グラファイト・ブロックの弾性層との接合面とは反対の面の端部を中央部よりも突出させるステップと、
    ステップ（ｃ）と（ｄ）を予め決められたサイズの積層構造が得られるまで繰り返すステップと、を含む製造方法。
  14. 熱伝導モジュールの製造方法であって、
    発熱体を準備するステップと、
    発熱体に高熱伝導で柔軟なシートを接合するステップであって、当該シートは、グラファイト層と弾性層が交互に配置され、グラファイト層の発熱体の表面に接合する端面は弾性層の端面よりも突出しかつ弾性層の端面の少なくとも一部を覆うように曲がっているステップと、
    前記シートに放熱体を接合するステップであって、グラファイト層の放熱体の表面に接合する端面は弾性層の端面よりも突出しかつ弾性層の端面の少なくとも一部を覆うように曲がっているステップと、を含む製造方法。
  15. さらに、前記発熱体と前記シートの間に充填材を注入するステップと、 前記放熱体と前記シートの間に充填材を注入するステップのいずれか一方または両方を実行する、請求項１４の製造方法。
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