TW202040089A

TW202040089A - 異向熱傳導性樹脂構件及熱傳送基板

Info

Publication number: TW202040089A
Application number: TW109102872A
Authority: TW
Inventors: 竹澤由高; 野村政宏
Original assignee: 日商日立化成股份有限公司; 國立大學法人東京大學
Priority date: 2019-01-30
Filing date: 2020-01-30
Publication date: 2020-11-01
Also published as: US20220089930A1; TWI831912B; WO2020158826A1; JPWO2020158826A1; JP7495062B2

Abstract

本發明的一方面為一種異向熱傳導性樹脂構件，其包括：具有進行了集束化的多個熱塑性樹脂的延伸纖維的第一纖維群組、以及自第一纖維群組分支的第二纖維群組及第三纖維群組。

Description

異向熱傳導性樹脂構件及熱傳送基板

本發明是有關於一種異向熱傳導性樹脂構件及熱傳送基板。

近年來，於電子裝置中，伴隨著電子零件的高積體化、小型化、薄型化等，自電子零件產生的熱被蓄積在其內部，容易產生電子裝置的誤動作、壽命的下降等可靠性的問題。因此，重要的是將自電子零件產生的熱以適當的路徑有效率地釋放至外部。

針對所述問題，進行在電子零件與散熱器之間設置熱傳導性優異且具有電絕緣性的樹脂製的構件的操作。作為所述片材，例如專利文獻1中揭示了一種熱傳導片，其含有熱傳導性填料、纖維及樹脂，且所述熱傳導片的特徵在於：纖維交織為面狀，交織後的纖維承載熱傳導性填料而形成基片，樹脂被填充在基片。 [現有技術文獻] [專利文獻]

專利文獻1：日本專利特開2017-87446號公報

[發明所欲解決之課題] 但是，由於熱無方向性地、等向性地傳導，因此在使用專利文獻1所記載的熱傳導片的情況下，不僅朝要傳導熱的方向（自電子零件朝向散熱器的方向）、而且朝例如電子裝置中的其他電子零件的方向亦會傳導熱。該情況下，不耐熱的電子零件暴露於熱，有損害電子裝置的可靠性之虞。但是，由於樹脂難以形成結晶結構般的規則的結構，因此在樹脂製的構件中，難以自由地賦予熱傳導異向性（指向性）。

因此，本發明的目的在於提供一種能夠效率良好地異向性地進行熱傳導的樹脂構件及使用該樹脂構件的熱傳送基板。 [解決課題之手段]

本發明的一方面為一種異向熱傳導性樹脂構件，其包括：具有進行了集束化（bundle）的多個熱塑性樹脂的延伸纖維的第一纖維群組、以及自第一纖維群組分支的第二纖維群組及第三纖維群組。

在所述樹脂構件中，由於延伸纖維是具有高配向性的纖維，因此儘管由結晶性低的熱塑性樹脂形成，但作為熱載體的聲子（Phonon）容易被封入延伸纖維中。因此，在所述樹脂構件中，熱在延伸纖維的延伸方向上以異向性（指向性）傳導。另外，在所述樹脂構件中，藉由將多個延伸纖維進行集束化，熱傳導的路徑（延伸纖維）的截面積變大，因此能夠進行效率良好的熱傳導。進而，在所述樹脂構件中，藉由將進行了集束化的多個延伸纖維分支為至少兩個纖維群組，可以使自一個方向傳導來的熱向兩個以上的方向分支，或者使自兩個以上的方向傳導來的熱向一個方向結合。因此，根據所述樹脂構件，可以將熱傳導的路徑（熱傳送路徑）如電氣配線（例如電路銅線）般自由地配線。

本發明的另一方面為一種熱傳送基板，其包括：基板、以及設置於基板上的所述異向熱傳導性樹脂構件。

熱傳送基板可更包括與異向熱傳導性樹脂構件熱連接的蓄熱構件，可更包括與異向熱傳導性樹脂構件熱連接的隔熱構件，可更包括與異向熱傳導性樹脂構件熱連接的熱光轉換構件。 [發明的效果]

根據本發明，可以提供一種能夠效率良好地且異向性地進行熱傳導的樹脂構件及使用該樹脂構件的熱傳送基板。

以下，適宜參照圖式對本發明的實施方式進行詳細說明。

圖1的（a）是表示一實施方式的樹脂構件的立體圖。如圖1的（a）所示，樹脂構件1包括被集束化的多個延伸纖維（亦稱為纖維線材）2。樹脂構件1包括：具有進行了集束化的多個延伸纖維2的第一纖維群組1a、以及自第一纖維群組1a分支的第二纖維群組1b及第三纖維群組1c。即，樹脂構件1是具有分支結構的形成為纖維狀的構件。

與第一纖維群組1a同樣地，第二纖維群組1b及第三纖維群組1c分別亦具有進行了集束化的多個延伸纖維2。第二纖維群組1b所具有的多個延伸纖維2對應於第一纖維群組1a所具有的多個延伸纖維2的一部分，第三纖維群組1c所具有的多個延伸纖維2對應於第一纖維群組1a所具有的多個延伸纖維2的剩餘部分。第二纖維群組1b的延伸纖維2的根數與第三纖維群組1c的延伸纖維2的根數之比可以任意地構成。

多個延伸纖維2彼此藉由例如將延伸纖維2彼此黏合的黏合材3，以彼此於同一方向延伸的方式捆紮（集束化）。多個延伸纖維2於自截面觀察時可規則地排列，亦可不規則地配置。延伸纖維2的截面形狀例如如圖1的（a）所示可為大致正圓形，亦可為橢圓狀、多邊形狀等定形，亦可為不定形。

延伸纖維2是熱塑性樹脂被延伸而成的纖維。熱塑性樹脂例如亦可為丙烯酸聚合物、甲基丙烯酸聚合物、聚醯胺、聚對苯二甲酸乙二酯、聚芳酯、聚碸、聚醚醚酮等。

就聲子的封入容易性與聲子的入射的容易性併存的觀點而言，延伸纖維2的直徑較佳為0.1 μm以上，更佳為10 μm以上，進而佳為100 μm以上。就進行集束化時的操作性的觀點而言，延伸纖維2的直徑較佳為1000 μm以下，更佳為500 μm以下，進而佳為200 μm以下。

黏合材3並無特別限制，例如可由聚胺基甲酸酯、丙烯酸聚合物、環氧樹脂等構成。

圖1的（b）是表示延伸纖維2的聲子的移動的示意圖。由於延伸纖維2是具有高配向性的纖維，因此儘管原本由結晶性低的熱塑性樹脂形成，但如圖1的（b）所示聲子P容易被封入延伸纖維2中。因此，熱（聲子）在延伸纖維2的延伸方向上以異向性（指向性）傳導。即，所述樹脂構件1為具有可在延伸纖維2的延伸方向的一方向上異向性地傳導熱的異向熱傳導性的異向熱傳導性樹脂構件。另外，在所述樹脂構件1中，藉由將多個延伸纖維2進行集束化，熱傳導的路徑（延伸纖維）的截面積變大，因此能夠進行效率良好的熱傳導。

進而，在所述樹脂構件1中，藉由將進行了集束化的多個延伸纖維2分支為兩個纖維群組1b、1c，當熱自第一纖維群組1a側入射時，可以使自一個方向傳導來的熱向兩個以上的方向分支，另一方面，當熱自第二纖維群組1b及第三纖維群組1c側入射時，可以使自兩個以上的方向傳導來的熱向一個方向結合。因此，根據所述樹脂構件1，可以將熱傳導的路徑（熱傳送路徑）如電氣配線（例如電路銅線）般自由地配線。

接著，對樹脂構件1的製造方法進行說明。所述製造方法包括：對熱塑性樹脂進行延伸而製作延伸纖維的步驟（延伸纖維製作步驟）；以及對多個延伸纖維進行集束化的步驟（集束化步驟）。

圖2是表示一實施方式的延伸纖維製作步驟的示意圖。在延伸纖維製作步驟中，首先如圖2所示，將熱塑性樹脂4在加熱爐5中加熱且利用捲取部6捲取（拉伸），藉此在捲取方向（拉伸方向）上延伸。具體而言，首先將例如成形為直徑5 mm～50 mm的棒狀的熱塑性樹脂4投入至加熱爐5中。熱塑性樹脂4藉由在加熱爐5中加熱且利用設置於加熱爐5前的捲取部6捲取（拉伸）而被延伸。

根據熱塑性樹脂4的軟化溫度適宜設定加熱爐5的溫度，就於熱塑性樹脂4的延伸時較佳地賦予配向性的觀點而言，較佳為熱塑性樹脂的熱變形溫度以上且未滿熔點的溫度。熱塑性樹脂4的延伸例如在延伸倍率為10倍～1000倍的條件下進行。

如此自加熱爐5出來的延伸纖維2形成為直徑比投入加熱爐5前的熱塑性樹脂4的直徑（棒的直徑）小的細線狀。延伸纖維2沿著適宜設置於加熱爐5與捲取部6之間的輥7而捲取在捲取部6上。

在緊接著延伸纖維製作步驟後的集束化步驟中，準備多個延伸纖維2，藉由使用例如黏合材3將該些多個延伸纖維2捆紮而集束化。進行集束化的方法可為公知的方法。而且，藉由將具有進行了集束化的多個延伸纖維2的一個纖維群組（第一纖維群組1a）分支為兩個纖維群組（第二纖維群組1b及第三纖維群組1c）來獲得樹脂構件1。

在所述實施方式中，樹脂構件1具有自第一纖維群組1a分支出第二纖維群組1b及第三纖維群組1c的形狀，但在另一實施方式中，亦可具有自第二纖維群組1b及第三纖維群組1c中的一者或兩者進一步分支出兩個以上的纖維群組的形狀。在所述實施方式中，自第一纖維群組1a分支出第二纖維群組1b及第三纖維群組1c此兩個纖維群組，但在另一實施方式中，亦可自第一纖維群組1a分支出三個以上的纖維群組。

圖3是表示一實施方式的熱傳送基板（亦可稱為熱電路）的示意圖。如圖3所示，一實施方式的熱傳送基板11A包括基板12及設置於基板12上的樹脂構件1。在基板12，例如，設置有與配置有樹脂構件1的位置對應的槽（未圖示），在該槽中配置有樹脂構件1。

基板12例如可由已知的材料（樹脂等）形成。基板12的平面形狀可為例如一邊為1 cm～50 cm的矩形形狀。基板12的厚度例如可為0.1 mm～10 mm。

樹脂構件1具有自一個纖維群組分支為多個纖維群組的形狀。在所述實施方式中，樹脂構件1具有如下形狀：自第一纖維群組分支出第二纖維群組及第三纖維群組，自第三纖維群組進一步分支出第四纖維群組及第五纖維群組，自第五纖維群組進一步分支出第六纖維群組及第七纖維群組。即，在所述樹脂構件1中，最終自第一纖維群組1a分支出第二纖維群組1b、第四纖維群組1c、第六纖維群組1d及第七纖維群組1e此四個纖維群組。

圖4是表示另一實施方式的熱傳送基板的示意圖。如圖4所示，另一實施方式的熱傳送基板11B包括：基板12、設置於基板12上的樹脂構件1、與樹脂構件1的第二纖維群組1b熱連接的蓄熱構件13、與樹脂構件1的第七纖維群組1e熱連接的隔熱構件14、以及與樹脂構件1的第四纖維群組1c熱連接的熱光轉換構件（亦可稱為熱放射光轉換構件）15。

蓄熱構件13是能夠蓄熱的構件，例如可包含石蠟。隔熱構件14是能夠隔熱的構件，例如可包含真空隔熱材料。熱光轉換構件15是能夠將熱能轉換為光能的構件，例如可包含超材料（meta-material）。

在所述實施方式中，在一個熱傳送基板11B設置有蓄熱構件13、隔熱構件14及熱光轉換構件15，但在另一實施方式中，亦可在一個熱傳送基板僅設置有選自蓄熱構件、隔熱構件及熱光轉換構件的一種或兩種。

在以上說明的熱傳送基板11A、熱傳送基板11B中，藉由使用樹脂構件1，可以將熱傳導的路徑（熱傳送路徑）如電氣配線（例如電路銅線）般自由地配線。即，由於在所述熱傳送基板11A、熱傳送基板11B中，使用能夠進行異向性的熱傳導的樹脂構件1，因此可以自由地控制熱傳導（傳送）的方向。列舉圖4所示的熱傳送基板11B為例，對這一點進行更詳細的說明。

圖5的（a）、圖5的（b）是用於說明熱傳送基板的熱傳導的示意圖。例如在規定的時刻t=t₁ ，如圖5的（a）中作為帶底紋的部分所示般，自第一纖維群組1a入射的熱在樹脂構件1延伸的方向上在樹脂構件1的（延伸纖維2）中傳導。接著，例如在規定的時刻t=t₂ （t₂ ＞t₁ ），如圖5的（b）中作為帶底紋的部分所示般，熱在樹脂構件1延伸的方向上在樹脂構件1的（延伸纖維2）中進一步傳導。此時，在設置有蓄熱構件13的路徑中，傳熱停滯直至蓄熱構件13的蓄熱量飽和為止，因此總體上該路徑的傳熱速度與未設置有蓄熱構件的路徑的傳熱速度相比慢。在設置有隔熱構件14的路徑中，傳熱停止在隔熱構件14的近前。在設置有熱光轉換構件15的路徑中，所傳導的熱能被轉換成光能。

另一方面，當使用現有的樹脂製的構件（現有構件）來代替所述樹脂構件1時，無法如上所述般自由地控制熱傳導的方向。圖6是用於說明現有技術的示意圖。如圖6所示，在代替樹脂構件1而使用現有構件16的現有基板21中，由於現有構件16無法異向性地傳導熱（等向性地傳導熱），因此例如在規定的時刻t=t₁ ，如圖6中作為帶底紋的部分所示般，熱不僅在現有構件16，而且在基板12亦等向性地傳導。因此，在代替樹脂構件1而使用現有構件16的現有基板21中，無法自由地控制熱傳導的方向。

1:樹脂構件 1a:纖維群組（第一纖維群組） 1b:纖維群組（第二纖維群組） 1c:纖維群組（第三纖維群組、第四纖維群組） 1d:纖維群組（第六纖維群組） 1e:纖維群組（第七纖維群組） 2:延伸纖維（纖維線材） 3:黏合材 4:熱塑性樹脂 5:加熱爐 6:捲取部 7:輥 11A、11B:熱傳送基板 12:基板 13:蓄熱構件 14:隔熱構件 15:熱光轉換構件（熱放射光轉換構件） 16:現有構件 21:現有基板（基板） P:聲子

圖1的（a）是表示一實施方式的樹脂構件的立體圖，圖1的（b）是表示延伸纖維中的聲子的移動的示意圖。圖2是表示一實施方式的延伸纖維製作步驟的示意圖。圖3是表示一實施方式的熱傳送基板的示意圖。圖4是表示另一實施方式的熱傳送基板的示意圖。圖5的（a）、圖5的（b）是用於說明熱傳送基板的熱傳導的示意圖。圖6是用於說明現有技術的示意圖。

1:樹脂構件

1a:纖維群組

1b:纖維群組(第二纖維群組)

1c:纖維群組(第三纖維群組、第四纖維群組)

2:延伸纖維(纖維線材)

3:黏合材

P:聲子

Claims

一種異向熱傳導性樹脂構件，包括：具有經集束化的多個熱塑性樹脂的延伸纖維的第一纖維群組、以及自所述第一纖維群組分支的第二纖維群組及第三纖維群組。
一種熱傳送基板，包括：基板、以及設置於所述基板上的如請求項1所述的異向熱傳導性樹脂構件。
如請求項2所述的熱傳送基板，更包括與所述異向熱傳導性樹脂構件熱連接的蓄熱構件。
如請求項2或請求項3所述的熱傳送基板，更包括與所述異向熱傳導性樹脂構件熱連接的隔熱構件。
如請求項2至請求項4中任一項所述的熱傳送基板，更包括與所述異向熱傳導性樹脂構件熱連接的熱光轉換構件。