JPWO2019160004A1 - 熱伝導性シート - Google Patents
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Abstract
Description
熱伝導性シートは、電子機器内部に配置させるとき圧縮して用いられることが一般的であり、高い柔軟性が求められる。したがって、ゴムやゲルなどの柔軟性の高い高分子マトリクスに、熱伝導性を有する充填材が配合されて構成される。また、熱伝導性シートは、厚さ方向の熱伝導性を高めるために、炭素繊維などの異方性を有する充填材を厚さ方向に配向させることが広く知られている。
また、熱伝導性シートは、被着面に固定させることがある一方で、電子機器に組み付けるときに摺動などさせられることがあるため、一方の面を粘着面としつつ、他方の面を非粘着面とすることも知られている。例えば、特許文献1には、厚さ方向に配向された炭素繊維を含有する成形シートを成形型により作製し、これを面方向に沿って2枚に切断することで、型成形面が粘着面、切断面が非粘着面となる熱伝導性シートが得られることが開示されている。
また、特許文献3では、厚さ方向に配向された炭素繊維を含む炭素繊維配向熱伝導層に、球状の酸化アルミニウムなどからなる絶縁性熱伝導性充填材を含有する絶縁熱伝導層が積層された熱伝導性シートが開示されている。特許文献3に開示された熱伝導性シートでは、絶縁熱伝導層が設けられることで、厚さ方向の熱伝導性を良好にしつつ、厚さ方向の絶縁性が高められ、幅広い用途で使用することが可能になる。
一方で、特許文献3では、一定の熱伝導性を維持しつつ厚さ方向の絶縁性が確保されるが、近年、電子機器の小型化などにより、熱伝導性シートでは熱伝導性をさらに向上させることが求められる。
すなわち、本発明は、以下の[1]〜[15]を提供する。
[1]それぞれが高分子マトリクスと異方性充填材とを含み、前記異方性充填材が厚さ方向に配向している第1及び第2の熱伝導層を備え、
前記第1及び第2の熱伝導層が、界面を介して積層され、
前記界面が、前記高分子マトリクスを含み、かつ前記異方性充填材の充填割合が前記第1及び第2の熱伝導層よりも低くなる、熱伝導性シート。
[2]さらに非異方性充填材を含む上記[1]に記載の熱伝導性シート。
[3]前記第1及び第2の熱伝導層及び前記界面に非異方性充填材が含有され、
前記第1及び第2の熱伝導層に比べて、前記界面における前記非異方性充填材の充填割合が高くなる上記[2]に記載の熱伝導性シート。
[4]前記非異方性充填材が、絶縁性を有する上記[2]又は[3]に記載の熱伝導性シート。
[5]前記異方性充填材が、導電性を有する上記[1]〜[4]のいずれか1項に記載の熱伝導性シート。
[6]前記異方性充填材が、黒鉛化炭素繊維である上記[1]〜[5]のいずれか1項に記載の熱伝導性シート。
[7]前記第1の熱伝導層に含有される前記異方性充填材の第2の熱伝導層側の端部と、前記第2の熱伝導層に含有される前記異方性充填材の第1の熱伝導層側の端部とが互いに対向し、かつ、前記第1の熱伝導層に含有される前記異方性充填材と、前記第2の熱伝導層に含有される前記異方性充填材とが、実質的に交差しない上記[1]〜[6]のいずれか1項に記載の熱伝導性シート。
[8]前記熱伝導性シートの前記第1の熱伝導層側の表面において、前記高分子マトリクスから前記異方性充填材が突出し、かつ前記熱伝導性シートの前記第2の熱伝導層側の表面において高分子マトリクスから前記異方性充填材が突出しない上記[1]〜[7]のいずれか1項に記載の熱伝導性シート。
[9]前記熱伝導性シートの前記第1の熱伝導層側の表面の摩擦係数が、前記熱伝導性シートの前記第2の熱伝導層側の表面の摩擦係数よりも低くなる上記[1]〜[8]のいずれか1項に記載の熱伝導性シート。
[10]前記熱伝導性シートの前記第1の熱伝導層側の表面の摩擦係数が0.3未満であり、かつ前記熱伝導性シートの前記第2の熱伝導層側の表面の摩擦係数が0.3以上である上記[9]に記載の熱伝導性シート。
[11]前記界面の厚さが、60μm以下である上記[1]〜[10]のいずれか1項に記載の熱伝導性シート。
[12]それぞれが高分子マトリクスと異方性充填材とを含み、前記異方性充填材が厚さ方向に配向している第1及び第2のシートを用意して、前記第1のシートの一方の表面と、前記第2のシートの一方の表面とが接するように前記第1及び第2のシートを積層させることで熱伝導性シートを得る熱伝導性シートの製造方法であって、
少なくとも前記第2のシートの前記一方の表面は、前記異方性充填材の充填割合が、前記第2のシートの他の部分よりも少ないスキン層から形成される、熱伝導性シートの製造方法。
[13]前記第2のシートの前記一方の表面が、粘着性を有する上記[12]に記載の熱伝導性シートの製造方法。
[14]前記第1のシートの前記一方の表面、及び前記第2のシートの前記一方の表面の少なくともいずれかは、表面粗さRaが4μm以下である上記[12]又は[13]に記載の熱伝導性シートの製造方法。
[15]前記第1のシートの前記一方の表面が、異方性充填材が高分子マトリクスから突出し、かつ表面粗さRaが4μm以下である上記[14]に記載の熱伝導性シートの製造方法。
また、本発明では、熱伝導性シートに絶縁性の非異方性充填材を含有させ、かつ、熱伝導層に比べ、上記界面における非異方性充填材の充填割合を高くすることで、絶縁性を確保しつつ、優れた熱伝導性を有する熱伝導性シートを提供するも可能である。
[第1の実施形態]
図1は、第1の実施形態の熱伝導性シートを示す。第1の実施形態に係る熱伝導性シート1は、それぞれが高分子マトリクス2と異方性充填材3とを含み、異方性充填材3が厚さ方向に配向している第1及び第2の熱伝導層1a,1bを備え、第1及び第2の熱伝導層1a,1bは、界面5を介して積層される。界面5は、高分子マトリクス2を含み、かつ異方性充填材3の充填割合が第1及び第2の熱伝導層1a,1bよりも低くなる。
このように、本発明の熱伝導性シート1は、異方性充填材3の充填割合が低い界面5を介して、第1及び第2の熱伝導層1a,1bが積層されることで、厚さ方向の熱伝導性を確保しつつ層間の接着性を良好にすることが可能になる。
また、界面5では、上記のように異方性充填材3の充填割合は少なくなるが、非異方性充填材4により熱伝導されるため、熱伝導性シート1の厚さ方向の熱伝導性が優れたものとなる。
<高分子マトリクス>
熱伝導性シート1において使用される高分子マトリクス2は、エラストマーやゴム等の高分子化合物であり、好ましくは主剤と硬化剤のような混合系からなる液状の高分子組成物(硬化性高分子組成物)を硬化して形成したものを使用するとよい。硬化性高分子組成物は、例えば、未架橋ゴムと架橋剤からなるものであってもよいし、モノマー、プレポリマーなどと硬化剤などを含むものであってもよい。また、上記硬化反応は常温硬化であっても、熱硬化であっても良い。
また、架橋(すなわち、硬化)される場合には、上記で説明したとおり、高分子マトリクスは、これら合成ゴムからなる未架橋ゴムと、架橋剤とからなる硬化性高分子組成物を硬化したものとすればよい。
また、エラストマーとしては、ポリエステル系熱可塑性エラストマー、ポリウレタン系熱可塑性エラストマーなど熱可塑性エラストマーや、主剤と硬化剤からなる混合系の液状の高分子組成物を硬化して形成する熱硬化型エラストマーも使用可能である。例えば、水酸基を有する高分子とイソシアネートとを含む高分子組成物を硬化して形成するポリウレタン系エラストマーを例示できる。
上記した中では、例えば硬化後の高分子マトリクスが特に柔軟であり、熱伝導性充填材の充填性が良い点から、シリコーンゴム、特に付加反応型のシリコーンゴムを用いることが好ましい。
可塑剤は、高分子化合物と相溶性を有するものが使用され、具体的には、エステル系可塑剤やシリコーンオイルであることが好ましい。エステル系可塑剤の具体例として、例えば、フタル酸エステル、アジピン酸エステル、トリメリット酸エステル、リン酸エステル、セバシン酸エステル、アゼライン酸エステル、マレイン酸エステル、安息香酸エステル等が挙げられる。シリコーンオイルとしては、ポリジメチルシロキサンが挙げられる。
高分子マトリクスの含有量は、体積%で表すと、熱伝導性シート全量に対して、好ましくは20〜50体積%、より好ましくは30〜45体積%である。
高分子マトリクス2に配合される異方性充填材3は、形状に異方性を有する充填材であり、配向が可能を充填材である。異方性充填材3としては、繊維状材料、鱗片状材料などが挙げられる。異方性充填材3は、一般的にアスペクト比が高いものであり、アスペクト比が2を越えることが好ましく、5以上であることがより好ましい。アスペクト比を2より大きくすることで、異方性充填材3を厚さ方向に配向させやすくなり、熱伝導性シート1の熱伝導性を高めやすい。
また、アスペクト比の上限は、特に限定されないが、実用的には100である。
なお、アスペクト比とは、異方性充填材3の短軸方向の長さに対する長軸方向の長さの比であり、繊維状材料においては、繊維長/繊維の直径を意味し、鱗片状材料においては鱗片状材料の長軸方向の長さ/厚さを意味する。
異方性充填材3は、熱伝導性を高くする観点、及び界面5を設けたことによる効果を得やすい点から、繊維状材料であることが好ましい。
異方性充填材3の含有量を75質量部以上とすることで、熱伝導性を高めやすくなり、150質量部以下とすることで、後述する混合組成物の粘度が適切になりやすく、異方性充填材3の配向性が良好となる。
一方、平均繊維長を500μm以下とすると、異方性充填材の嵩が低くなり、高分子マトリクス中に高充填できるようになる。さらに、熱伝導性シートの導電性が必要以上に高くなることが防止される。
なお、上記の平均繊維長は、異方性充填材を顕微鏡で観察して算出することができる。より具体的には、例えば電子顕微鏡や光学顕微鏡を用いて、任意の異方性充填材50個の繊維長を測定して、その平均値(相加平均値)を平均繊維長とすることができる。
また、第1及び第2の熱伝導層1a、1bそれぞれにおいて、繊維状材料は、平均繊維長が第1及び第2の熱伝導層1a、1bのそれぞれの厚さの80%以下で、かつこれらそれぞれの厚さの90%を超える繊維長の繊維状材料の含有量が、各層1a、1bに含有される繊維状材料に対して、5質量%以下であることが好ましい。このような態様により、熱伝導性シート1を圧縮したときに、繊維状材料がその圧縮厚さを超える長さとなることが防止される。そのため、繊維状材料は、使用時にも界面を貫通して一方の熱伝導層から他方の熱伝導層へ侵入するおそれが少なくなり、厚さ方向の絶縁性が確保しやくなる。
また、界面5を貫通したり、界面5で交差したりする繊維状材料の量を少なくする観点から、繊維状材料の粒度分布は狭い方が好ましい。一方で、熱伝導率を高めることができるという観点から、異なる粒度分布を備える複数の繊維状材料を混合して用いてもよい。
なお、鱗片状材料の平均粒径は、異方性充填材を顕微鏡で観察して長径を直径として算出することができる。より具体的には、例えば電子顕微鏡や光学顕微鏡を用いて、任意の異方性充填材50個の長径を測定して、その平均値(相加平均値)を平均繊維長とすることができる。
異方性充填材3の具体例としては、炭素繊維、鱗片状炭素粉末で代表される炭素系材料、金属繊維で代表される金属材料や金属酸化物、窒化ホウ素や金属窒化物、金属炭化物、金属水酸化物等が挙げられる。これらの中では、炭素系材料は、比重が小さく、高分子マトリクス2中への分散性が良好なため好ましく、中でも熱伝導率の高い黒鉛化炭素材料がより好ましい。黒鉛化炭素材料は、グラファイト面が所定方向に揃うことで異方性反磁性磁化率を備える。また、窒化ホウ素なども、結晶面が所定方向に揃うことで異方性反磁性磁化率を備えるものとなる。
したがって、磁場配向により任意の方向に配向させることができる観点からは、上記のように異方性反磁性磁化率を備える鱗片状の窒化ホウ素や黒鉛化炭素材料が好ましい。
ここで、異方性反磁性磁化率とは、異方性充填材3の反磁性磁化率の異方性を示す物性値(CGS単位系)である。すなわち、この異方性反磁性磁化率は、外部より磁場を印加することにより生じる、異方性充填材3の磁化率について、例えば繊維軸方向や鱗片面の面内方向から、その垂直方向の磁化率を差し引いた値である。この異方性反磁性磁化率は、磁気異方性トルク計、振動式磁力計、超伝導量子干渉素子(SQUID)、サスペンジョン法等の公知の方法によって測定することができる。
黒鉛化炭素繊維は、グラファイトの結晶面が繊維軸方向に連なっており、その繊維軸方向に高い熱伝導率を備える。そのため、その繊維軸方向を所定の方向に揃えることで、特定方向の熱伝導率を高めることができる。また、鱗片状黒鉛粉末は、グラファイトの結晶面が鱗片面の面内方向に連なっており、その面内方向に高い熱伝導率を備える。そのため、その鱗片面を所定の方向に揃えることで、特定方向の熱伝導率を高めることができる。黒鉛化炭素繊維および鱗片黒鉛粉末は、高い黒鉛化度をもつものが好ましい。
黒鉛化炭素繊維におけるメソフェーズピッチの使用態様は、紡糸可能ならば特に限定されず、メソフェーズピッチを単独で用いてもよいし、他の原料と組み合わせて用いてもよい。ただし、メソフェーズピッチを単独で用いること、すなわち、メソフェーズピッチ含有量100%の黒鉛化炭素繊維が、高熱伝導化、紡糸性及び品質の安定性の面から最も好ましい。
黒鉛化炭素繊維の平均繊維長は、上記したとおり、好ましくは10〜500μm、より好ましくは20〜200μmである。また、黒鉛化炭素繊維のアスペクト比は上記したとおり2を超えることが好ましく、より好ましくは5以上である。
黒鉛化炭素繊維の熱伝導率は、特に限定されないが、繊維軸方向における熱伝導率が、好ましくは400W/m・K以上、より好ましくは800W/m・K以上である。
なお、異方性充填材3の配向の方向は、熱伝導率を高める観点からは厚み方向に対する繊維軸のなす角度を0°とすることが好ましい。一方、熱伝導性シート1を圧縮したときの荷重を低くすることができるという点で、5〜30°の範囲で傾斜させることもできる。
非異方性充填材4は、異方性充填材3とは別に熱伝導性シート1に含有される熱伝導性充填材であり、異方性充填材3とともに熱伝導性シート1に熱伝導性を付与する材料である。本実施形態では、非異方性充填材4が含有されることで、配向した異方性充填材3の間の隙間に充填材が介在し、熱伝導率の高い熱伝導性シート1が得られる。
非異方性充填材4は、形状に異方性を実質的に有しない充填材であり、後述する磁力線発生下又は剪断力作用下など、異方性充填材3が所定の方向に配向する環境下においても、その所定の方向に配向しない充填材である。
非異方性充填材4において、金属としては、アルミニウム、銅、ニッケルなど、金属酸化物としては、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化亜鉛、石英など、金属窒化物としては、窒化ホウ素、及び窒化アルミニウムなどを例示することができる。また、金属炭化物としては、炭化ケイ素が挙げられ、金属水酸化物としては、水酸化アルミニウムが挙げられる。さらに、炭素材料としては球状黒鉛などが挙げられる。
これらの中でも、酸化アルミニウムやアルミニウムは、熱伝導率が高く、球状のものが入手しやすい点で好ましく、水酸化アルミニウムは入手し易く熱伝導性シートの難燃性を高めることができる点で好ましい。
なお、非異方性充填材4の平均粒径は、電子顕微鏡等で観察して測定できる。より具体的には、例えば電子顕微鏡や光学顕微鏡を用いて、任意の非異方性充填材50個の粒径を測定して、その平均値(相加平均値)を平均粒径とすることができる。
なお、非異方性充填材4の含有量は、体積%で表すと、熱伝導性シート全量に対して、25〜60体積%が好ましく、35〜50体積%がより好ましい。
第1及び第2の熱伝導層1a,1bの間にある界面5は、上記したように、高分子マトリクス2を含み、かつ、異方性充填材3の充填割合が、第1及び第2の熱伝導層1a,1bよりも低くなる部分である。
すなわち、界面5は、熱伝導性シート1の面方向に沿って、異方性充填材3が少ない又は異方性充填材3が存在しない状態で、高分子マトリクス2が面状に広がって構成される。したがって、第1及び第2の熱伝導層1a,1bは、界面5を介して互いに接着しやすくなる。また、異方性充填材3が導電性の場合には、この界面5を通じて第1及び第2の熱伝導層1a,1bが電気的に分断され、熱伝導性シート1の厚さ方向の絶縁性が高められる。
異方性充填材の充填割合は、厚さ方向に垂直な線を所定の長さ(400μm)引いて、その線上にある異方性充填材3の数に基づいて求めることができる。また、第1及び第2の熱伝導層1a、1bの厚さ方向の中心位置の充填割合を、第1及び第2の熱伝導層1a、1bそれぞれにおける充填割合とするとよい。
具体的には、上記充填割合が20%以下の領域とは、熱伝導性シート1の断面において、第1の熱伝導層1aの厚さ方向の中心位置に厚さ方向に垂直な線を400μm分引いたとき、その線上にある異方性充填材3の数に対して、第1熱伝導層1a側の界面付近で同じ長さ分の線上にある異方性充填材3の数が20%となる線を第1の境界線として、その境界線の外側であって異方性充填材3の割合が20%以下となる領域を意味する。また、同様に第2の熱伝導層1bの厚さ方向の中心位置に厚さ方向に垂直な線を400μm分引いたとき、その線上にある異方性充填材3の数に対して、第2熱伝導層1b側の界面付近で同じ長さ分の線上にある異方性充填材3の数が20%となる線を第2の境界線として、その境界線の外側であって異方性充填材3の割合が20%以下となる領域を意味する。なお、第1及び第2の境界線は、厚さ方向に垂直な線である。
界面5は、こうして得られた第1の境界線と第2の境界線に挟まれた領域を含むことが好ましい。また、異方性充填材3の割合が20%以下となる前記領域内に、さらに異方性充填材3の割合が10%以下となる境界線に挟まれた領域を有することが好ましく、この割合は、より好ましくは5%以下、さらに好ましくは1%以下である。
ここで、実質的に交差しないとは、製造時などに不可避的に交差するもの以外は、交差しないことを意味する。具体的には、熱伝導性シート1の断面において、第1及び第2の熱伝導層1a、1bそれぞれの厚さ方向の中心位置に厚さ方向に垂直な線を400μm分引いたとき、各線上にある異方性充填材3の数(A1,A2)を算出し、その合計値(A1+A2)を算出する。そして、その合計値に対して、同じ長さ分において、交差する異方性充填材3の数が、十分に少ないことを意味する。より具体的にはその割合が20%以下、好ましくは10%以下、より好ましくは1%以下、最も好ましくは0%である。なお、交差する異方性充填材3の数とは、界面5内に厚さ方向に垂直な線を400μm分引いたとき、その線上にある第1の熱伝導層1aの異方性充填材3と第2の熱伝導層1bに含有される異方性充填材3の数の合計を算出して求める値であって、厚み方向において最も少なくなったときの値である。
このように、第1の熱伝導層1aにおける異方性充填材3と、第2の熱伝導層1bにおける異方性充填材は、界面5において、互いに接触しないことで、厚さ方向の絶縁性が確保しやすくなる。
また、本実施形態では、第1及び第2の熱伝導層1a、1bは、高分子マトリクス2を含む界面5を介して接着されており、接着層などの異材質を介さずに接合されている。そのため、異素材が介在することに起因する熱伝導性の低下は生じない。
熱伝導性シート1において、高分子マトリクス2には、さらに熱伝導性シート1としての機能を損なわない範囲で種々の添加剤を配合させてもよい。添加剤としては、例えば、分散剤、カップリング剤、粘着剤、難燃剤、酸化防止剤、着色剤、沈降防止剤などから選択される少なくとも1種以上が挙げられる。また、上記したように硬化性高分子組成物を架橋、硬化などさせる場合には、添加剤として、架橋、硬化を促進させる架橋促進剤、硬化促進剤などが配合されてもよい。
熱伝導性シート1は、日本工業規格であるJIS K6253のタイプE硬度計によって測定されるE硬度で5〜80とすることが好ましい。E硬度を80以下とすることで、発熱体や放熱体の形状への追従性が良好となり、発熱体や放熱体と熱伝導性シート1との密着性が良好となり、熱伝導性が優れたものとなる。また、E硬度が5以上となることで、形状の保持が容易となり、圧縮により異方性充填材3の配向が乱れたりして、熱伝導性が低下することを防止する。
熱伝導性シート1の硬度は、熱伝導性シート1を構成する第1の熱伝導層1aと第2の熱伝導層1bの硬さが異なるとき、両面の硬度を硬度計を用いて測定して、その平均値とすることができる。また、熱伝導性シート1の厚さが10mmに満たない場合は、合計の厚さが10mm以上になるように複数枚の熱伝導性シート1を重ねて測定するものとする。なお、JIS K6253では複数枚を重ねる場合、上限を3枚としているが、本発明では必要に応じて3枚を超えて重ねて測定しても良いものとする。
なお、異方性充填材3又は非異方性充填材4の含有量を高めることによって、熱伝導性シート1はより硬くなるため、熱伝導性シート1の硬さを好ましい範囲にするために、高分子マトリクスには所望の硬さよりも柔らかいものを選択する。
なお、体積抵抗率は、熱伝導シート1を金メッキした金属板に挟み、初期厚さを80%に圧縮したとき(20%圧縮)の抵抗値をテスターで測定して抵抗値と、熱伝導性シート1の厚みおよび断面積から求めることができる。
また、第1の熱伝導層1a側の表面1cが非粘着面となり、かつ第2の熱伝導層1b側の表面1dが粘着面となるとよい。熱伝導性シート1は、一方の表面1cが非粘着面、他方の表面1dが粘着面となると、電子機器などに組み付けるときに摺動などさせることが可能であり、かつ表面1dを介して熱伝導性シート1を被着面に固定させることが可能になる。
また、第2の熱伝導層1b側の表面1dは、摩擦係数が0.3以上であることが好ましく、0.5以上であることがより好ましい。第2の熱伝導層1b側の表面1dの摩擦係数を0.3以上とすると、第2の熱伝導層1b側の表面1dを粘着面とすることができる。
なお、摩擦係数とは、後述する実施例に記載の方法に従って測定したアルミニウムに対する摩擦係数である。
また、異方性充填材3は、上記表面1cから突出するとき、突出した異方性充填材3の先端が研磨されていてもよい。このような異方性充填材3は、異方性充填材3の先端が表面1cに沿って延びる形状の突出部を備えるとよい。こうした異方性充填材3では、先端における長軸方向に直交する断面積が、軸部(例えば、突出する充填材の根元部)における長軸方向に直交する断面積に比べて大きくなっている。このような形状の異方性充填材3は、好ましくは突出高さが1〜20μmとなる。
このように第1の熱伝導層1aの表面1cに異方性充填材3が突出した表面は、高分子マトリクス2よりも硬質の異方性充填材3が周辺の部材に接触し、低摩擦係数の平坦面となる。
この場合、第1の熱伝導層1a側の表面1cの構成は、上記した第2の熱伝導層1b側の表面1dと同様の構成を有するとよく、その具体的内容は上記したとおりであり、異方性充填材3が表面1cから突出しない。
また、第1及び第2の熱伝導層1a,1bにおける異方性充填材3の充填割合は、互いに同一としてもよいし、異なるようにしてもよい。充填割合が異なる場合、例えば表面1cが低摩擦係数となるように構成した第1の熱伝導層1aの充填割合を、表面1dが高摩擦係数となるように構成した第2の熱伝導層1bの充填割合より高くすることが好ましい。このような構成により、第1の熱伝導層1a側の表面1cの摩擦係数がより一層低くなりつつ、第2の熱伝導層1側の表面1dの粘着力を高めることができる。したがって、摩擦係数の差をより顕著にすることができ、例えば低摩擦係数の表面の摺動性を利用する用途に好適となる。
第1及び第2の熱伝導層1a、1bの厚さは、互いに同一にしてもよいし、異ならせてもよい。この場合、第1の熱伝導層1aと、第2の熱伝導層1bとで、硬さやその他の機能性を異ならせることで、それらの機能を有効に発現させるようにすることもできる。
例えば、表面1cが低摩擦係数となるように構成した第1の熱伝導層1aの異方性充填材3の充填割合を、表面1dが高摩擦係数となるように構成した第2の熱伝導層1bより高くしつつ、第1の熱伝導層1aよりも第2の熱伝導層1bの厚さを大きくすればよい。このような構成によれば、熱伝導性シート1は、全体として高い柔軟性を備えつつも、第1の熱伝導層1aの表面1cは摩擦係数が低いため、表面1cの摺動性を利用する用途に好適となる。
上記熱伝導性シートの製造方法の一例としては、第1のシートと第2のシートとを別々に製造し、それらを重ね合わせて接着する方法が挙げられる。ここで、第1のシートと第2のシートは、それぞれ、熱伝導性シート1において第1及び第2の熱伝導層1a、1bとなるものである。したがって、第1及び第2のシートは、それぞれ、高分子マトリクスと異方性充填材とを含み、異方性充填材が厚さ方向に配向している。また、第1及び第2のシートは、それぞれ、非異方性充填材もさらに含有する。ここで、第1及び第2のシートそれぞれにおける、異方性充填材及び非異方性充填材の含有量は、上記した含有量の範囲内とすることが好ましい。また、第1及び第2のシートの厚さは、上記した第1及び第2の熱伝導層と同じであり、それぞれ例えば0.1〜5mm、好ましくは0.15〜3mmである。
ただし、沈降し難い異方性充填材や非異方性充填材を用いたり、沈降防止剤等の添加剤を組合せたりする場合には、混合組成物の粘度は、10Pa・s未満としてもよい。
また、上記配向成形体(第2のシート)のスキン層において、非異方性充填材の充填割合は、他の部分(スキン層以外の部分)よりも高くなる。また、第2のシートのスキン層は、非異方性充填材の充填割合が、後述する第1のシートのスキン層以外の部分よりも同様に高くなる。
ここで、スキン層は、上記のように、異方性充填材の充填割合が、スキン層以外の部分よりも低く、したがって、熱伝導性シート1は、上記のように、界面5における異方性充填材3の充填割合が、第1及び第2の熱伝導層1a,1bにおける異方性充填材3の充填割合よりも低くなる。一方で、スキン層は、上記のように、非異方性充填材の充填割合が、スキン層以外の部分よりも高く、したがって、熱伝導性シート1は、上記のように、界面5における非異方性充填材4の充填割合が、第1及び第2の熱伝導層1a,1bにおける非異方性充填材4の充填割合よりも高くなる。
なお、第2のシートは、上記のように、両表面にスキン層が設けられるため、熱伝導性シート1における第2の熱伝導層1b側の表面1dは、スキン層により構成されることになり、上記したように高摩擦係数となる。ただし、第2のシートは、上記のように一方の表面にスキン層が設けられ、他方の表面を異方性充填材3が突出する表面としてもよく、その場合には、表面1dは低摩擦係数となる。
一方、第1のシートの一方の表面(重ね合わせ面)は、異方性充填材が突出する面であっても、後述するように表面粗さRaを低くすることで、上記した第2のシートに対する接着性が良好となる。
ただし、第1のシートの他方の表面は、スキン層が設けられた面でもよい。スキン層が設けられた面とすると、熱伝導性シート1において、第1の熱伝導層1a側の表面1cは、高摩擦係数となり、粘着面にすることが可能である。すなわち、熱伝導性シート1は、両表面1c、1dとも粘着面としてもよい。
一方で、第1のシートは、その表面が異方性充填材が突出した表面である場合には、一般的に表面粗さRaが大きくなることから、表面粗さRaを小さくするための処理を行う必要がある。具体的には、スライス又はカットなどの切断により形成された表面を、さらに精密研磨シートで研磨して平滑性を高めるとよい。精密研磨シートとしては、例えば粒度分布や粒径が制御された粉末が配合された樹脂フィルムからなる研磨フィルムを例示できる。切断により形成された表面は、精密研磨シートで研磨する前に、通常の研磨紙により研磨してもよい。
このように、第1のシートの表面(重ね合わせ面)が、異方性充填材が突出した表面である場合でも、その表面粗さRaを小さくし、かつ上記のように第2のシートの表面(重ね合わせ面)にスキン層を設けて例えば粘着面とすることで、第1のシートと第2のシートとを接着することが可能になる。
また、第1及び第2のシートのうち少なくともいずれかにおいて、高分子組成物を完全に硬化せず半硬化にしておき、少なくともいずれか一方が半硬化状態のまま、第1及び第2のシートを重ね合わせ、その後硬化を進行させて、これらを接着させてもよい。ここで、半硬化状態とは、固体となる程度に硬化反応が進行した状態であって、未反応の官能基が残存している状態をいう。
こうした硬化反応は、単一の反応であっても良く、また複数の反応を組合せたものであってもよい。例えば、1段目の反応を80℃では進行する硬化反応により半硬化として、2段階目として150℃で進行する硬化反応によって第1及び第2のシートを接着させてもよい。
積層スライス製法は、まず、高分子組成物に異方性充填材と非異方性充填材、必要により種々の添加剤を混入し攪拌し、混入させた固形物が均質に分散した混合組成物を調製する。ここで、高分子組成物に使用する高分子化合物は、常温(23℃)で液状の高分子化合物を含むものであってもよいし、常温で固体状の高分子化合物を含むものであってもよい。また、高分子組成物は、可塑剤を含有していてもよい。
混合組成物は、シート状に伸長させるときに剪断力がかかるように比較的高粘度であり、混合組成物の粘度は、具体的には3〜50Pa・sであることが好ましい。混合組成物は、上記粘度を得るために、溶剤を含有することが好ましい。
次に、本発明の第2の実施形態の熱伝導性シートについて、図2を用いて説明する
第1の実施形態においては、熱伝導性シート1には、充填材として、異方性充填材3に加えて、非異方性充填材4が含有されていたが、本実施形態では、図2に示すように、非異方性充填材が含有されない。
第2の実施形態の熱伝導性シート11は、非異方性充填材が含有されない点以外は、上記した第1の実施形態の熱伝導性シートと同様であるので、その説明は省略する。
また、熱伝導性シート11は、上記したように、第1の熱伝導層11a側の表面11cが低摩擦係数で、第2の熱伝導層11b側の表面11dが高摩擦係数とすることで、電子機器などに組み付けるときに摺動などさせることが可能であり、かつ表面11dを介して被着面に固定させることも可能になる。もちろん、熱伝導性シート11は、両表面11c、11dが粘着面となってもよい。
さらに、上記のように、第1の熱伝導層11aと、第2の熱伝導層11bにおける異方性充填材3の充填割合や、これら熱伝導層11a、11bの厚さを適宜調整することで熱伝導性シート11に様々な特性を付与することも可能になる。
[硬さ]
各試料の熱伝導性シートの硬さは、JIS K6253規定に従ってタイプEデュロメータを用いて測定したE硬度である。
熱抵抗値は、図3に示すような熱抵抗測定機を用い、以下に示す方法で測定した。具体的には、各試料について、本試験用に大きさが10mm×10mmの試験片Sを作製した。そして各試験片Sを、測定面が10mm×10mmで側面が断熱材21で覆われた銅製ブロック22の上に貼付し、上方の銅製ブロック23で挟み、ロードセル26によって荷重をかけて、厚さが元の厚さの87.5%となるように設定した。ここで、下方の銅製ブロック22はヒーター24と接している。また、上方の銅製ブロック23はファン付きのヒートシンク25に接続されている。次いで、ヒーター24を発熱量25Wで発熱させ、温度が略定常状態となる10分後に、上方の銅製ブロック23の温度(θj0)、下方の銅製ブロック22の温度(θj1)、及びヒーターの発熱量(Q)を測定し、以下の式(1)から各試料の熱抵抗値を求めた。
熱抵抗=(θj1−θj0)/Q ・・・ 式(1)
式(1)において、θj1は下方の銅製ブロック22の温度、θj0は上方の銅製ブロック23の温度、Qは発熱量である。
各試料の表面粗さRaは、別の試料に重ね合わせる前に、形状解析レーザ顕微鏡VK−X150(株式会社キーエンス製)を用いて測定した。なお、測定は試料表面の任意の0.6mmの直線領域を測定範囲とした。
摩擦係数は、以下の方法で求めた静摩擦係数である。具体的には、水平台の上に各試験片を載置した後、該試験片の上に滑り片及び120gの重り(直径:28mm、高さ:25mmの円柱形)を順に載置した。次いで、重りに牽引用のテープの一端を貼付し、該テープの他端をプッシュプルゲージ(アイコーエンジニアリング(株)製のCPUゲージ M−9500)に固定した。続いて、プッシュプルゲージを、試験片の外面に平行な方向に100mm/minの速度で牽引した。
このとき、プッシュプルゲージの牽引時における試験片と滑り片との静摩擦力Fs(N)を測定し、下記式(2)により静摩擦係数を算出した。ここで、各試験片について静摩擦力Fsの測定および静摩擦係数の算出を5回行い、それらの静摩擦係数の値の平均値を試験片表面の静摩擦係数とした。ここで、滑り片として、アルミニウム箔テープ(3M社製のScotch Brand Tape 433HD)を用いた。アルミニウム箔テープについては、該テープのアルミニウム箔面が各試験片に対向するように載置した。
静摩擦係数=Fs(N)/Fp(N) ・・・式(2)
上記式(2)において、Fpは、滑り片の質量(重量)によって生じる垂直抗力を示し、Fpの値は0.12kg(重りの重量)×9.8m/s2(重力加速度)=0.1176Nで表される。
体積抵抗率は、以下の条件で測定した。まず、直径20mmの金メッキされた銅電極間にシートサンプルを挟んだ。続いて、スペーサーによりシートが元の厚さの80%の厚さとなるように、20%圧縮し、1分間静止した後の抵抗値を測定した。そして、測定した各抵抗値と、試験片の厚さ、電極および試験片の断面積から体積抵抗率を算出した。
体積抵抗率(Ω・cm) = 抵抗値(Ω)×断面積(cm2)/厚さ(cm)・・・式(3)
走査型電子顕微鏡を用いて、各試料の断面を倍率200倍で観察した。そして各断面について明細書記載の方法で、異方性充填材の割合が20%以下となる境界線を求め、接着面付近にある第1の熱伝導層の境界線と第2の熱伝導層の境界線の距離を界面の厚さとした。また、各断面において明細書記載の方法で、交差する異方性充填材の割合、及び気泡含有割合を測定した。
走査型電子顕微鏡を用いて、各試料の断面を倍率200倍で観察した。そして各断面について明細書記載の方法で、界面付近の400μmの線分上で高分子マトリクスと非異方性充填材が占める長さ(便宜上「ba」とする)(換言すると、全体から異方性充填材が占める長さを差し引いた長さ)の割合と、同様にして求めた第1の熱伝導層の中央部分の割合(b1)及び第2の熱伝導層の中央部分の前記割合(b2)とを比較して、非異方性充填材の充填割合を見積もった。具体的には、第1熱伝導層に対する界面における非異方性充填材の充填割合をB1=ba/b1により、第2熱伝導層に対する界面における非異方性充填材の充填割合をB2=ba/b2により計算し、次いでその平均値((B1+B2)/2)を充填割合の比として求め百分率(%)で表した。
(試料1)
高分子マトリクスとして、アルケニル基含有オルガノポリシロキサンとハイドロジェンオルガノポリシロキサン(合計で100質量部)と、異方性充填材として黒鉛化炭素繊維(平均繊維長100μm、アスペクト比10、熱伝導率500W/m・K、導電性)120質量部と、酸化アルミニウム粉末(球状、平均粒径5μm、アスペクト比1.0、絶縁性)500質量部を混合して混合組成物を得た。混合組成物の粘度は、100Pa・sであった。
続いて、所定厚さに設定された金型内の上下面に剥離フィルムを配置したうえで、上記混合組成物を注入し、8Tの磁場を厚さ方向に印加して黒鉛化炭素繊維を厚さ方向に配向した後に、80℃で60分間加熱することで高分子マトリクスを硬化し、厚さ0.2mmのシート状の試料1を得た。シート状の試料1の両表面は、異方性充填材が含有されないスキン層からなり、いずれも摩擦係数が0.5以上であり、粘着性を有していた。また、シート状の試料1の両表面は、表面粗さRaがいずれも0.37μmであった。
まず、試料1と同じ混合組成物を準備する。続いて、各試料よりも充分に大きな厚さに設定された金型に上記混合組成物を注入し、8Tの磁場を厚さ方向に印加して黒鉛化炭素繊維を厚さ方向に配向した後に、80℃で60分間加熱することでマトリクスを硬化して、ブロック状の成形体を得た。
次に、せん断刃を用いて、ブロック状の成形体を厚さ0.2mmのシート状に切断することにより、炭素繊維が露出しているシートを得た。
続いて、上記シートの表面を、研磨粒子の粒径が10μmである研磨紙を用いて研磨することにより、表面から露出している炭素繊維の端部を処理することで、表面と平行方向に延びる突部を形成して、厚さ0.2mmのシート状の試料2を得た。
シート状の試料2の両表面は、いずれも摩擦係数が0.25未満であり、非粘着面であった。また、シート状の試料2の両表面は、表面粗さRaが8.1μmであった。
試料2と同様にして得たシートの表面を、研磨粒子が粒径60μmの酸化アルミニウムで形成された精密研磨フィルムを用いて研磨することで平滑性を高めて、厚さ0.2mmのシート状の試料3を得た。
シート状の試料3の両表面は、いずれも摩擦係数が0.25未満であり、非粘着面であった。また、シート状の試料3の両表面は、表面粗さRaが3.8μmであった。
高分子マトリクスとして、ニトリルゴム50質量部とアジピン酸ビス[2−(2−ブトキシエトキシ)エチル]50質量部の混合物(合計で100質量部)と、異方性充填材として黒鉛化炭素繊維(平均繊維長100μm、アスペクト比10、熱伝導率500W/m・K、導電性)120質量部と、酸化アルミニウム粉末(球状、平均粒径5μm、アスペクト比1.0、絶縁性)500質量部と、溶剤としてのシクロヘキサノン300質量部とを混合して液状の混合組成物を得た。混合組成物の粘度は、10Pa・sであった。
次に、剥離フィルム上にバーコータで上記混合組成物を塗布して、さらに溶剤を乾燥させることで、コーティング方向に異方性充填材が配向している、厚さ100μmの予備配向シートを得た。
そして、せん断刃を用いて、ブロック状の積層シートを、厚さ0.4mmに切断してシートを得た。得られたシートでは、黒鉛化炭素繊維が、シートの両表面において突出していた。なお、切断方向は、予備配向シートの積層方向に対する垂直方向である。
その後、得られたシートの両表面を、研磨粒子の粒径が10μmである研磨紙を用いて研磨することにより、表面から露出している炭素繊維の端部を処理してから、さらに研磨粒子が粒径60μmの酸化アルミニウムで形成された精密研磨フィルムを用いて、平滑性を高めることで、厚さ0.2mmのシート状の試料4を得た。シート状の試料4の両表面は、いずれも摩擦係数が0.25未満であり、非粘着面であった。また、シート状の試料4の両表面は、表面粗さRaが4.0μmであった。
シート状の上記試料1を2枚用意して、2枚の試料1を重ね合わせてこれらをロールプレスを用いて、室温(25℃)で圧力1MPaの条件でプレスして接着させ、熱伝導性シートを得た。
実施例1の熱伝導性シートは、それぞれが試料1から形成され、それぞれ厚さ0.2mmの第1及び第2の熱伝導層を有し、これらは厚さ18μmの界面を介して接着されていた。実施例1の熱伝導性シートの断面を観察したところ、界面では、黒鉛化炭素繊維が殆ど存在しておらず、気泡も存在していなかった。また、界面における酸化アルミニウム粉末の充填割合は、第1及び第2の熱伝導層における酸化アルミニウム粉末の充填割合に対して、119%であった。さらに、熱伝導性シートの両表面は、いずれも摩擦係数が0.5以上であり、粘着性を有していた。その他の熱伝導性シートの評価結果は、表1に示す。
シート状の試料1と、試料2を用意して、試料1、2を重ね合わせてこれらを実施例1と同様にプレスして接着させ、熱伝導性シートを得た。実施例2の熱伝導性シートは、それぞれが試料2、1から形成され、それぞれ厚さ0.2mmの第1の熱伝導層、及び第2の熱伝導層を有し、これらは厚さ10μmの界面を介して接着されていた。実施例2の熱伝導性シートの断面を観察したところ、界面には、黒鉛化炭素繊維が少ないが、微小気泡が見られ、界面における気泡の割合は2.1%であった。また、界面における酸化アルミニウム粉末の充填割合は、第1及び第2の熱伝導層における酸化アルミニウム粉末の充填割合に対して、110%であった。さらに、熱伝導性シートの第1の熱伝導層側の表面の摩擦係数は0.25未満であり非粘着面であり、かつ熱伝導性シートの第2の熱伝導層側の表面の摩擦係数は0.5以上であり粘着面となった。その他の熱伝導性シートの評価結果は、表1に示す。
シート状の試料1と、試料3を用意して、試料1、3を重ね合わせてこれらを実施例1と同様にプレスして接着させ、熱伝導性シートを得た。実施例3の熱伝導性シートは、それぞれが試料3、1から形成され、それぞれ厚さ0.2mmの第1の熱伝導層、及び第2の熱伝導層を有し、これらは厚さ9.8μmの界面を介して接着されていた。実施例2の熱伝導性シートの断面を観察したところ、界面には、黒鉛化炭素繊維が少なく、また、界面には気泡が見られなかった。さらに、界面における酸化アルミニウム粉末の充填割合は、第1及び第2の熱伝導層における酸化アルミニウム粉末の充填割合に対して、114%であった。さらに、熱伝導性シートの第1の熱伝導層側の表面の摩擦係数は0.25未満であり非粘着面であり、かつ熱伝導性シートの第2の熱伝導層側の表面の摩擦係数は0.5以上であり粘着面となった。その他の熱伝導性シートの評価結果は、表1に示す。
シート状の試料1と、試料4を用意して、試料1、4を重ね合わせてこれらを実施例1と同様にプレスして接着させ、熱伝導性シートを得た。実施例4の熱伝導性シートは、それぞれが試料4、1から形成され、それぞれ厚さ0.2mmの第1の熱伝導層、及び第2の熱伝導層を有し、これらは厚さ9.5μmの界面を介して接着されていた。実施例4の熱伝導性シートの断面を観察したところ、界面には、黒鉛化炭素繊維が少なく、また、界面には気泡が0%であった。さらに、界面における酸化アルミニウム粉末の充填割合は、第1及び第2の熱伝導層における酸化アルミニウム粉末の充填割合に対して、112%であった。さらに、熱伝導性シートの第1の熱伝導層側の表面の摩擦係数は0.25未満であり非粘着面であり、かつ熱伝導性シートの第2の熱伝導層側の表面の摩擦係数は0.5以上であり粘着面となった。その他の熱伝導性シートの評価結果は、表1に示す。
比較例1〜4ではそれぞれ、厚さを0.4mm以外とした点を除いて、試料1〜4それぞれと同様の方法で、単層からなる熱伝導性シートを作製した。熱伝導性シートの評価結果を表1、2に示す。
シート状の試料2を2枚用意して、2枚の試料2を重ね合わせてこれらを実施例1と同様の条件でプレスしたが、2枚の試料2同士が接着せずに、熱伝導性シートが得られなかった。
シート状の試料2を2枚用意して、これら2枚の試料2を、厚さ10μmの両面粘着テープ(日東電工(株)製、「No.5601」)を介在させて重ね合わせて実施例1と同様の条件でプレスして、これらを接着させて熱伝導性シートを得た。
比較例6の熱伝導性シートは、それぞれが試料2、2から形成された第1の熱伝導層、及び第2の熱伝導層を有していたが、これらは両面粘着テープにより接着されていた。また、第1の熱伝導層と第2の熱伝導層の層間には、多くの気泡が見られた。なお、熱伝導性シートの両表面の摩擦係数は0.25未満であり非粘着面であった。その他の熱伝導性シートの評価結果を表2に示す。
比較例1の製造方法において、金型内に配置する剥離フィルムの一方を、厚さ6μmのポリエチレンテレフタレート(PET)フィルムに変更し、単層からなる熱伝導層の一方の面にPETフィルムが固着された熱伝導性シートを得た。熱伝導性シートの評価結果を表2に示す。
また、実施例1〜4では、第1及び第2のシートは、第1のシートのスキン層が設けられた面を重ね合わせ面とすることで高い接着性で接着できた。それに対して、比較例5に示すように、重ね合わせ面をスキン層としない場合には、第1及び第2のシートを重ね合わせてプレスしても、第1及び第2のシートが接着せずに、実用的に使用できる熱伝導性シートを得ることができなかった。また、実施例1〜4では、熱伝導性及び絶縁性のいずれもがバランスよく良好となったが、熱伝導層が単層からなる比較例1〜4、7では、熱伝導性及び絶縁性の両方をバランス良く良好にすることができなかった。
1a、11a 第1の熱伝導層
1b、11b 第2の熱伝導層
1c、1d、11c、11d 表面
2 高分子マトリクス
3 異方性充填材
3c 下端
3d 上端
4、14 非異方性充填材
5、15 界面
21 断熱材
22 下方の銅製ブロック
23 上方の銅製ブロック
24 ヒーター
25 ヒートシンク
26 ロードセル
S 試験片
θj0 上方の銅製ブロックの温度
θj1 下方の銅製ブロックの温度
Claims (15)
- それぞれが高分子マトリクスと異方性充填材とを含み、前記異方性充填材が厚さ方向に配向している第1及び第2の熱伝導層を備え、
前記第1及び第2の熱伝導層が、界面を介して積層され、
前記界面が、前記高分子マトリクスを含み、かつ前記異方性充填材の充填割合が前記第1及び第2の熱伝導層よりも低くなる、熱伝導性シート。 - さらに非異方性充填材を含む請求項1に記載の熱伝導性シート。
- 前記第1及び第2の熱伝導層及び前記界面に非異方性充填材が含有され、
前記第1及び第2の熱伝導層に比べて、前記界面における前記非異方性充填材の充填割合が高くなる請求項2に記載の熱伝導性シート。 - 前記非異方性充填材が、絶縁性を有する請求項2又は3に記載の熱伝導性シート。
- 前記異方性充填材が、導電性を有する請求項1〜4のいずれか1項に記載の熱伝導性シート。
- 前記異方性充填材が、黒鉛化炭素繊維である請求項1〜5のいずれか1項に記載の熱伝導性シート。
- 前記第1の熱伝導層に含有される前記異方性充填材の第2の熱伝導層側の端部と、前記第2の熱伝導層に含有される前記異方性充填材の第1の熱伝導層側の端部とが互いに対向し、
前記第1の熱伝導層に含有される前記異方性充填材と、前記第2の熱伝導層に含有される前記異方性充填材とが、実質的に交差しない請求項1〜6のいずれか1項に記載の熱伝導性シート。 - 前記熱伝導性シートの前記第1の熱伝導層側の表面において、前記高分子マトリクスから前記異方性充填材が突出し、かつ前記熱伝導性シートの前記第2の熱伝導層側の表面において高分子マトリクスから前記異方性充填材が突出しない請求項1〜7のいずれか1項に記載の熱伝導性シート。
- 前記熱伝導性シートの前記第1の熱伝導層側の表面の摩擦係数が、前記熱伝導性シートの前記第2の熱伝導層側の表面の摩擦係数よりも低くなる請求項1〜8のいずれか1項に記載の熱伝導性シート。
- 前記熱伝導性シートの前記第1の熱伝導層側の表面の摩擦係数が0.3未満であり、かつ前記熱伝導性シートの前記第2の熱伝導層側の表面の摩擦係数が0.3以上である請求項9に記載の熱伝導性シート。
- 前記界面の厚さが、60μm以下である請求項1〜10のいずれか1項に記載の熱伝導性シート。
- それぞれが高分子マトリクスと異方性充填材とを含み、前記異方性充填材が厚さ方向に配向している第1及び第2のシートを用意して、前記第1のシートの一方の表面と、前記第2のシートの一方の表面とが接するように前記第1及び第2のシートを積層させることで熱伝導性シートを得る熱伝導性シートの製造方法であって、
少なくとも前記第2のシートの前記一方の表面は、前記異方性充填材の充填割合が、前記第2のシートの他の部分よりも少ないスキン層から形成される、熱伝導性シートの製造方法。 - 前記第2のシートの前記一方の表面が、粘着性を有する請求項12に記載の熱伝導性シートの製造方法。
- 前記第1のシートの前記一方の表面、及び前記第2のシートの前記一方の表面の少なくともいずれかは、表面粗さRaが4μm以下である請求項12又は13に記載の熱伝導性シートの製造方法。
- 前記第1のシートの前記一方の表面が、異方性充填材が高分子マトリクスから突出し、かつ表面粗さRaが4μm以下である請求項14に記載の熱伝導性シートの製造方法。
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