WO2013140741A1 - 熱伝導体およびそれを用いた電子機器 - Google Patents

熱伝導体およびそれを用いた電子機器 Download PDF

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graphite
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和彦 久保
中山　雅文
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パナソニック株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a heat conductor used in various electronic devices and an electronic device using the same.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a conventional heat conductor.
  • the heat conductor 10 is formed by covering both surfaces of the graphite sheet 1 excellent in heat conductivity with the insulating sheet 2.
  • the insulating sheet 2 is used to maintain insulation between a heating element (not shown) and a heat sink (not shown).
  • Patent Document 1 is known as a prior art document related to the invention of this application.
  • the heat conductor of the present invention includes an insulating sheet, a first graphite sheet provided on the first surface of the insulating sheet, and a second graphite provided on the second surface which is the back surface of the first surface of the insulating sheet. Sheet.
  • the compressibility of the insulating sheet is smaller than the compressibility of the first graphite sheet and the compressibility of the second graphite sheet.
  • FIG. 1A is a cross-sectional view of a heat conductor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1B is a top view of the heat conductor in the embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of an electronic device using the heat conductor in the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of another electronic device using the heat conductor in the embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a conventional heat conductor.
  • FIG. 1A is a cross-sectional view of thermal conductor 100 in the present embodiment.
  • FIG. 1B is a top view of thermal conductor 100 in the present embodiment.
  • the heat conductor 100 includes an insulating sheet 13, a first graphite sheet 11 provided on the first surface of the insulating sheet 13, and a second surface provided on the second surface which is the back surface of the first surface of the insulating sheet 13. And a graphite sheet 12.
  • the insulating sheet 13 is formed by applying an adhesive material containing an acrylic resin to both surfaces of a polyethylene terephthalate sheet.
  • the thickness of the first graphite sheet 11 is about 70 ⁇ m
  • the thickness of the second graphite sheet 12 is about 70 ⁇ m
  • the thickness of polyethylene terephthalate is about 2 ⁇ m
  • the thickness of the adhesive material is about 4 ⁇ m.
  • a pyrolytic graphite sheet obtained by pyrolyzing and carbonizing a resin film such as polyimide and then heat-treating at a high temperature is used as the first graphite sheet 11 and the second graphite sheet 12.
  • the first graphite sheet 11 and the second graphite sheet 12 have an air layer inside and have a compression rate of about 15%.
  • the compression rate is defined as (t0 ⁇ t1) / t0, where t1 is the thickness when a pressure of 2 kgf / cm 2 is applied to a sheet of thickness t0.
  • t1 is the thickness when a pressure of 2 kgf / cm 2 is applied to a sheet of thickness t0.
  • polyethylene terephthalate is used as the insulating sheet 13
  • the compressibility of the insulating sheet 13 is less than 1%. That is, the compressibility of the insulating sheet 13 is much smaller than that of the first graphite sheet 11 and the second graphite sheet 12.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of an electronic device using the heat conductor 100 in the present embodiment.
  • the heat conductor 100 is sandwiched between a heating element 14 such as a semiconductor element and a heat sink 15 made of aluminum.
  • the heating element 14 is in direct contact with the second graphite sheet 12, and the heat sink 15 is in direct contact with the first graphite sheet 11.
  • the heating element 14 is locally hot, it is in direct contact with the second graphite sheet 12 so that heat spreads quickly throughout the second graphite sheet 12. This heat is transmitted to the first graphite sheet 11 through the insulating sheet 13 and is radiated from the heat sink 15.
  • the insulating sheet 2 is bonded to both surfaces of the graphite sheet 1. That is, the insulating sheet 2 is in contact with the heating element and the heat sink. Therefore, in the location where the insulating sheet 2 contacts the heating element or the heat sink, the thermal resistance (contact thermal resistance) is increased, and heat is hardly transmitted as a whole (heat transfer efficiency is deteriorated).
  • the insulating sheet 13 is sandwiched between the first graphite sheet 11 and the second graphite sheet 12.
  • the first graphite sheet 11 is in contact with the heat sink 15, and the second graphite sheet 12 is in contact with the heating element 14.
  • the first graphite sheet 11 Since the first graphite sheet 11 has a high compression ratio, it easily deforms and adheres closely to the heat sink 15. Therefore, the contact thermal resistance between the first graphite sheet 11 and the heat sink 15 can be reduced.
  • the second graphite sheet 12 is also easily deformed because of its high compression rate, and is in close contact with the heating element 14. Therefore, the contact thermal resistance between the second graphite sheet 12 and the heating element 14 can be reduced.
  • the hard insulating sheet 13 having a small compression rate is sandwiched between the first graphite sheet 11 and the second graphite sheet 12 having a large compression rate. Therefore, even if it pressurizes, while the shape as the whole heat conductor 100 is maintained, the insulation of a thickness direction is securable.
  • one surface of the graphite sheet (the first graphite sheet 11 or the second graphite sheet 12) is brought into contact with the heating element 14 or the heat sink 15, and the other surface is the insulating sheet 13 having a smaller compressibility than the graphite sheet. support.
  • the graphite sheet and the heating element 14 or the heat sink 15 are in close contact with each other, so that the contact thermal resistance can be reduced.
  • the compression ratio of the first graphite sheet 11 and the compression ratio of the second graphite sheet 12 are 10% or more. Is desirable. Further, from the viewpoint of handling the heat conductor 100, the compressibility of the first graphite sheet 11 and the compressibility of the second graphite sheet 12 are desirably 50% or less. Furthermore, the compression rate of the insulating sheet 13 is more preferably 1/10 or less of the compression rate of the first graphite sheet 11 and the compression rate of the second graphite sheet 12. Further, by making the compressibility of the first graphite sheet 11 and the second graphite sheet 12 thicker than the insulating sheet 13, the adhesion is further improved.
  • the area of the insulating sheet 13 in the top view is larger than the areas of the first graphite sheet 11 and the second graphite sheet 12 in the top view. That is, as shown in FIG. 1B, it is desirable that the insulating sheet 13 protrudes over the entire circumference in the cross section in the stacking direction of the first graphite sheet 11, the insulating sheet 13, and the second graphite sheet 12.
  • the insulation that is, the insulation in the pressure direction
  • the peripheral portion of the insulating sheet 13 is attached to the heat sink 15. By doing so, the contact thermal resistance between the first graphite sheet 11 and the heat sink 15 can be further reduced.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of another electronic device using the heat conductor 100 in the present embodiment.
  • the protective film 16 is provided in a region where the second graphite sheet 12 is not in contact with the heating element 14 on the surface of the second graphite sheet 12 that is in contact with the heating element 14. That is, a protective film is formed on a part of the second graphite sheet.
  • the protective film 16 is not provided in the region where the second graphite sheet 12 is in contact with the heating element 14, the heating element 14 and the second graphite sheet 12 are in direct contact with each other and the contact heat between them. Resistance can be reduced.
  • the insulating sheet has one layer.
  • a plurality of graphite sheets and insulating sheets may be alternately stacked.
  • the portion in contact with the heating element or the heat sink may be a graphite sheet, and the opposite side of the contacted graphite sheet may be formed of an insulating sheet having a lower compressibility than the graphite sheet.
  • thermal conductor 100 As described above, by using the thermal conductor 100 according to the present embodiment, it is possible to reduce the contact thermal resistance while ensuring the insulation between the heating element 14 and the heat sink 15.
  • the heat conductor of the present embodiment is excellent in heat conductivity and insulation in the thickness direction and is industrially useful.

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Abstract

　熱伝導体は、絶縁シートと、絶縁シートの第１面に設けられた第１のグラファイトシートと、絶縁シートの第１面の裏面である第２面に設けられた第２のグラファイトシートとを有する。絶縁シートの圧縮率は、第１のグラファイトシートの圧縮率および第２のグラファイトシートの圧縮率よりも小さい。

Description

熱伝導体およびそれを用いた電子機器
　本発明は、各種電子機器に用いられる熱伝導体およびそれを用いた電子機器に関する。
　近年、電子機器の機能や処理能力等の増大に伴い、半導体素子などの電子部品からの発熱量が増加している。電子部品の動作特性や信頼性等を向上させるために、熱伝導体を発熱体である電子部品とヒートシンク（放熱板）の間に挟み、熱を伝達させる方法が用いられている。図４は、従来の熱伝導体の断面図である。熱伝導体１０は、熱伝導性に優れたグラファイトシート１の両面を、絶縁シート２で覆うことにより形成されている。絶縁シート２は、発熱体（図示せず）とヒートシンク（図示せず）との間の絶縁性を保つために用いられる。
　なお、この出願の発明に関連する先行技術文献としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開２０１１－１０５５３１号公報
　本発明の熱伝導体は、絶縁シートと、絶縁シートの第１面に設けられた第１のグラファイトシートと、絶縁シートの第１面の裏面である第２面に設けられた第２のグラファイトシートとを有する。絶縁シートの圧縮率は、第１のグラファイトシートの圧縮率および第２のグラファイトシートの圧縮率よりも小さい。
図１Ａは、本発明の実施の形態における熱伝導体の断面図である。 図１Ｂは、本発明の実施の形態における熱伝導体の上面図である。 図２は、本発明の実施の形態における熱伝導体を用いた電子機器の断面図である。 図３は、本発明の実施の形態における熱伝導体を用いた別の電子機器の断面図である。 図４は、従来の熱伝導体の断面図である。
　以下、本発明の実施の形態における熱伝導体について、図面を参照しながら説明する。
　図１Ａは、本実施の形態における熱伝導体１００の断面図である。図１Ｂは、本実施の形態における熱伝導体１００の上面図である。熱伝導体１００は、絶縁シート１３と、絶縁シート１３の第１面に設けられた第１のグラファイトシート１１と、絶縁シート１３の第１面の裏面である第２面に設けられた第２のグラファイトシート１２と、を有する。絶縁シート１３は、ポリエチレンテレフタレートのシートの両面に、アクリル樹脂を含む粘着材を塗布することにより形成されている。第１のグラファイトシート１１の厚さは約７０μｍ、第２のグラファイトシート１２の厚さは約７０μｍ、ポリエチレンテレフタレートの厚さは約２μｍ、粘着材の厚さは約４μｍである。
　ポリイミドなどの樹脂フィルムを熱分解して炭化した後、高温で熱処理することによりグラファイト化した熱分解グラファイトシートを、第１のグラファイトシート１１、および第２のグラファイトシート１２として用いている。
　第１のグラファイトシート１１、および第２のグラファイトシート１２は、内部に空気層を有し、約１５％の圧縮率である。ここで圧縮率は、厚さｔ０のシートに２ｋｇ重／ｃｍ２の圧力を加えたときの厚さをｔ１としたときの（ｔ０－ｔ１）／ｔ０で定義している。一方、絶縁シート１３としてポリエチレンテレフタレートを用いているため、絶縁シート１３の圧縮率は、１％未満である。すなわち、絶縁シート１３の圧縮率は、第１のグラファイトシート１１、および第２のグラファイトシート１２よりもはるかに小さい。
　次に、熱伝導体の使用状態について説明する。図２は、本実施の形態における熱伝導体１００を用いた電子機器の断面図である。熱伝導体１００は、半導体素子などの発熱体１４と、アルミニウムからなるヒートシンク１５との間に挟まれている。発熱体１４は第２のグラファイトシート１２と直接接し、ヒートシンク１５は第１のグラファイトシート１１と直接接している。
　発熱体１４は局部的に高温になるが、第２のグラファイトシート１２と直接接しているため、熱は速やかに第２のグラファイトシート１２の全体に広がる。この熱は絶縁シート１３を通して第１のグラファイトシート１１に伝わり、ヒートシンク１５から放熱される。
　図４に示す従来の熱伝導体１０では、グラファイトシート１の両面に絶縁シート２が貼り合わされている。すなわち、絶縁シート２が、発熱体およびヒートシンクと接触している。そのため、絶縁シート２が、発熱体、あるいはヒートシンクと接触する箇所において、熱抵抗（接触熱抵抗）が大きくなり、全体として熱が伝わりにくくなる（熱伝達効率が悪くなる）。
　しかし、熱伝導体１００では、絶縁シート１３が、第１のグラファイトシート１１と第２のグラファイトシート１２で挟まれている。第１のグラファイトシート１１がヒートシンク１５に接触しており、第２のグラファイトシート１２が発熱体１４に接触している。
　第１のグラファイトシート１１は圧縮率が大きいので変形しやすく、ヒートシンク１５に密着する。そのため第１のグラファイトシート１１とヒートシンク１５の接触熱抵抗を小さくできる。また、第２のグラファイトシート１２も圧縮率が大きいので変形しやすく、発熱体１４に密着する。そのため第２のグラファイトシート１２と発熱体１４の接触熱抵抗を小さくできる。
　さらに、圧縮率が小さく、硬い絶縁シート１３を、圧縮率の大きい第１のグラファイトシート１１と第２のグラファイトシート１２で挟んでいる。そのため、加圧しても熱伝導体１００全体としての形が維持されると共に、厚さ方向の絶縁性が確保できる。
　すなわち、グラファイトシート（第１のグラファイトシート１１あるいは第２のグラファイトシート１２）の一方の面を発熱体１４あるいはヒートシンク１５に接触させ、他方の面をグラファイトシートよりも圧縮率の小さい絶縁シート１３で支える。この構成により、加圧した際に、グラファイトシートと発熱体１４あるいはヒートシンク１５とが密着するため、接触熱抵抗を小さくできる。
　第１のグラファイトシート１１とヒートシンク１５および第２のグラファイトシート１２と発熱体１４とを密着させるために、第１のグラファイトシート１１の圧縮率および第２のグラファイトシート１２の圧縮率は１０％以上が望ましい。また、熱伝導体１００の取り扱いの観点から、第１のグラファイトシート１１の圧縮率および第２のグラファイトシート１２の圧縮率は５０％以下が望ましい。さらに、絶縁シート１３の圧縮率は、第１のグラファイトシート１１の圧縮率および第２のグラファイトシート１２の圧縮率の１０分の１以下であることがより望ましい。また、第１のグラファイトシート１１の圧縮率および第２のグラファイトシート１２を、絶縁シート１３よりも厚くすることにより、より密着性が向上する。
　ここで、絶縁シート１３の上面視における面積は、第１のグラファイトシート１１および第２のグラファイトシート１２の上面視における面積よりも大きいことが望ましい。すなわち、図１Ｂに示すように、第１のグラファイトシート１１、絶縁シート１３および第２のグラファイトシート１２の積層方向の断面において、絶縁シート１３が全周にわたってはみ出していることが望ましい。
　これにより、発熱体１４とヒートシンク１５との絶縁性（すなわち圧さ方向の絶縁性）をより確実にできる。
　さらに、絶縁シート１３の周辺部を、ヒートシンク１５に貼り付けることが望ましい。このようにすることにより、第１のグラファイトシート１１とヒートシンク１５との間の接触熱抵抗をさらに小さくできる。
　図３は、本実施の形態における熱伝導体１００を用いた別の電子機器の断面図である。この構成では、第２のグラファイトシート１２の発熱体１４と接触する面において、第２のグラファイトシート１２が発熱体１４と接触していない領域に保護膜１６が設けられている。すなわち、第２のグラファイトシートの一部に保護膜が形成されている。保護膜１６で第２のグラファイトシート１２の一部を覆うことにより、第２のグラファイトシート１２が露出している領域を少なくできるので信頼性が向上する。
　また、第２のグラファイトシート１２が発熱体１４と接触する領域には保護膜１６が設けられていないため、発熱体１４と第２のグラファイトシート１２とが直接接触し、これらの間の接触熱抵抗を小さくできる。
　なお、本実施の形態では、絶縁シートが１層の場合を説明している。しかし、グラファイトシートと絶縁シートを複数枚交互に重ねても良い。この場合、発熱体あるいはヒートシンクと接触する部分をグラファイトシートとし、接触したグラファイトシートの反対側をそのグラファイトシートよりも圧縮率の低い絶縁シートで構成すればよい。
　以上のように、本実施の形態による熱伝導体１００を用いることにより、発熱体１４とヒートシンク１５との間の絶縁性を確保しながら、接触熱抵抗を小さくできる。
　本実施の形態の熱伝導体は、厚さ方向の熱伝導性および絶縁性に優れ、産業上有用である。
　１１　　第１のグラファイトシート
　１２　　第２のグラファイトシート
　１３　　絶縁シート
　１４　　発熱体
　１５　　ヒートシンク
　１６　　保護膜
　１００　　熱伝導体

Claims (8)

  1. 絶縁シートと、
    前記絶縁シートの第１面に設けられた第１のグラファイトシートと、
    前記絶縁シートの前記第１面の裏面である第２面に設けられた第２のグラファイトシートと、
    を有し、
    前記絶縁シートの圧縮率は、前記第１のグラファイトシートの圧縮率および前記第２のグラファイトシートの圧縮率よりも小さい
    熱伝導体。
  2. 前記第１のグラファイトシートの圧縮率および前記第２のグラファイトシートの圧縮率は、１０％以上、５０％以下である
    請求項１記載の熱伝導体。
  3. 前記絶縁シートの圧縮率は、前記第１のグラファイトシートの圧縮率および前記第２のグラファイトシートの圧縮率の１０分の１以下である
    請求項１記載の熱伝導体。
  4. 前記絶縁シートの上面視における面積は、前記第１のグラファイトシートの上面視における面積および前記第２のグラファイトシートの上面視における面積よりも大きい
    請求項１記載の熱伝導体。
  5. 前記第１のグラファイトシートおよび前記第２のグラファイトシートは、前記絶縁シートよりも厚い
    請求項１記載の熱伝導体。
  6. 前記第２のグラファイトシートの一部に保護膜が形成されている
    請求項１記載の熱伝導体。
  7. 請求項１の熱伝導体と、
    前記熱伝導体の前記第１のグラファイトシートに直接接触したヒートシンクと、
    前記熱伝導体の前記第２のグラファイトシートに直接接触した発熱体と、
    を有する
    電子機器。
  8. 前記第２のグラファイトシートの前記発熱体が接触していない領域に保護膜が形成されている
    請求項７記載の電子機器。
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