(57)【要約】【課題】形状追従性が良く、接触抵抗が小さいグラファイトシートを得ることを目的とする。【解決手段】２つの部材間で熱伝達するグラファイトシート１であって、グラファイトシート１の厚みが１００μｍ以上、３５０μｍ以下で、密度は０．２ｇ／ｃｍ3以上、０．８ｇ／ｃｍ3以下であり、表面粗さ（算術平均粗さ）Ｒａを０．２μｍ以上、１μｍ以下としたものであり、高分子フィルムを熱分解することによって得られたグラファイト化シートの表面を、回転体を用いて表面を平滑化することによって得ることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの部材間で熱伝達するグラファイトシートであって、前記グラファイトシートの厚みが１００μｍ以上、３５０μｍ以下で、密度は０．２ｇ／ｃｍ3以上、０．８ｇ／ｃｍ3以下であり、表面粗さ（算術平均粗さ）Ｒａを０．２μｍ以上、１μｍ以下としたグラファイトシート。
【請求項２】
高分子フィルムを熱分解してグラファイト化シートを得る工程と、前記グラファイト化シートの第１面をステージ上に固定し、前記第１面とは反対側の第２面に回転体を押し当てて圧縮する工程と、前記第２面をステージ上に固定し、前記第１面に回転体を押し当てて圧縮する工程と、を備えたグラファイトシートの製造方法であって、前記回転体と前記グラファイト化シートとの動摩擦係数は０．３以上であり、前記回転体の回転が開始された後、回転方向と逆の方向に前記回転体または前記ステージが移動しながら前記グラファイト化シートの表面を平滑化するものであり、前記グラファイトシートの厚みが１００μｍ以上、３５０μｍ以下で、密度は０．２ｇ／ｃｍ3以上、０．８ｇ／ｃｍ3以下であり、表面粗さ（算術平均粗さ）Ｒａを０．２μｍ以上、１μｍ以下としたグラファイトシートの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発熱源からの熱を放熱体または冷却体に効率よく伝達する熱接合部材として用いられるグラファイトシートおよびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年電子機器の各種機能や処理能力等が急速に向上し、それに伴い半導体素子をはじめとする熱源からの発熱量は増加する傾向にある。このため半導体素子等の動作特性や信頼性等を保つために熱伝導シートを用いて発熱源からヒートシンク等に熱を伝達させることが行われている。このような機能を果たす部材は熱接合部材（Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌ、以下ＴＩＭと記す）と呼ばれ、熱伝導率（もしくは熱抵抗）と、ヒートサイクルによる熱の変形に追従することが重要である。ＴＩＭには主に高熱伝導フィラーが含有されるグリースが用いられている。グリースは流動性が高く、空気が接触面から押し出されるため、接触熱抵抗が低くなり、汎用品１Ｗ〜２Ｗ、高熱伝導品で５Ｗ程度のグリースが用いられている。しかし、グリースの高熱伝導化にはフィラー含有量の増加が必要だが、それにより高粘度化することで接触熱抵抗が上がってしまう。また、グリースは、発熱体の熱膨張による変形のためグリースが押し出されるポンプアウト現象により信頼性が低下する。このために熱伝導性に優れた熱分解グラファイトシートがＴＩＭとして使用されているケースがあるが、グラファイトシートは固体であり表面粗さ粗いため、接触熱抵抗が高い。そのためグラファイトシートのＴＩＭとしての実用としては圧縮して表面の平滑性を向上させることで、比較的高密度のグラファイトシートが用いられる。しかし、このような高密度なグラファイトシートはヒートサイクルによる変形に追従せず、信頼性を低下させる一因となっている。そのため、グラファイトシートの表面に流動性物質を塗布することが行われている。
【０００３】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１８−１２３０３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年の電子機器は発熱量の増加により、発熱時の熱接合部の変形量が増加しており、熱接合部材としてグリースを用いるとその流動性からポンプアウト現象を起こし、信頼性を低下させてしまう。一方、ポンプアウト回避のため、固体であるグラファイトシートを熱接合部材として用いるケースが増加しているが、グラファイトシートは組み付け時のモジュールのひずみに追従するために初期厚みが厚く、密度は低いことが望ましい。しかし、そのような低密度のグラファイトシートは表面粗さが非常に高く、接触熱抵抗を下げることができなかった。特許文献１に示すようにグラファイトの表面粗さの改善のために、表面への流動性物質の塗布により粗さをカバーする文献はあるが、グリースを使用しておりポンプアウトの課題は健在である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、２つの部材間で熱伝達するグラファイトシートであって、グラファイトシートの厚みが１００μｍ以上、３５０μｍ以下で、密度は０．２ｇ／ｃｍ3以上、０．８ｇ／ｃｍ3以下であり、表面粗さ（算術平均粗さ）Ｒａを１μｍ以下、０．
２μｍ以上としたものである。
【発明の効果】
【０００７】
以上のように構成することにより、接触熱抵抗が低く、低密度なため、表面に流動性物質を塗布することなく使用でき、組み付け時のひずみの大きい熱接合箇所（例えば、パワーモジュールの層間など）においても接触面積が高く、優れた冷却効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施の形態におけるグラファイトシートの断面図
【図２】本発明の一実施の形態における圧延処理装置の要部断面図
【図３】本発明の一実施の形態における圧延処理装置の要部斜視図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は本発明で構成されるグラファイトシートの断面図である。
【００１０】
図１のグラファイトシート１は高分子フィルムを熱分解して得られたものであって、加工後の厚みを１００μｍ以上、３５０μｍ以下とすることが望ましい。これは主にグラファイトシート１がＴＩＭとして使用されるパワーモジュールの組み付け時のひずみが１００μｍ以上あるためである。これより薄い場合は熱抵抗としては低いが、モジュールに密着せず冷却効果を得られない。一方、厚すぎる場合はそもそも安定したグラファイトが得られにくく、また、厚みが厚くなると熱抵抗が高まるため、上記範囲とすることが望ましい。
【００１１】
加工を施した後の密度は０．２ｇ／ｃｍ3以上、０．８ｇ／ｃｍ3以下とすることが望ましい。密度が０．２ｇ／ｃｍ3より小さいグラファイトシートはもろくて扱いにくく、０．８ｇ／ｃｍ3を超えるグラファイトシートはモジュールのひずみに十分に追従させることが難しい。これはグラファイトの理論密度２．２５ｇ／ｃｍ3まで圧縮可能なところ、０．８ｇ／ｃｍ3以上では最大で３倍程度しか圧縮されず、すなわち加工後の厚み３５０μｍでようやく１００μｍの追従量のため、０．８ｇ／ｃｍ3以上では冷却効果を得られにくい。
【００１２】
表面粗さ（算術平均粗さＲａ）は１．０μｍ以下とすることが望ましい。未加工のグラファイト化シートの厚さは４００μｍで表面粗さＲａは５．５μｍであり、熱抵抗を測定すると２００ｋＰａ（測定時の厚みは２８０μｍ）で１．５０Ｋｃｍ2／Ｗであった。一方で加工後のグラファイトシートは厚さ３５０μｍで表面粗さＲａは１．０μｍであり熱抵抗（ＡＳＴＭ  Ｄ５４７０に準拠）を測定すると１００ｋＰａ（測定時の厚みは２８０μｍ）で０．７５Ｋｃｍ2／Ｗであった。測定値の厚みが同じでありながら熱抵抗が半減しており、表面粗さは１．０μｍ以下であれば低密度状態であっても接触熱抵抗が低く、冷却効果が増大することがわかった。逆に表面粗さを０．２μｍより小さくしても、それほど接触熱抵抗の改善は見られず、密度が大きくなってくるため、０．２μｍ以上とすることが望ましい。
【００１３】
通常グラファイトシートは、高分子フィルムを熱分解させてグラファイト化させたあと、圧力を加えて所定の厚さにする。熱分解させた状態のグラファイトシートは表面が荒れて凹凸の大きいものとなっている。これに圧力を加えていくと表面の凹凸は小さくなっていくが、密度は大きいものとなってしまう。そのためパワーモジュールの組み付け時のひずみに十分に追従させることと、熱抵抗を下げることを両立させることが難しかった。これに対して本発明のように、厚みを１００μｍ以上、３５０μｍ以下、密度を０．２ｇ／ｃｍ3以上、０．８ｇ／ｃｍ3以下、表面粗さＲａを０．２μｍ以上、１μｍ以下とするこ
とにより、ひずみに十分に追従させながら熱抵抗を下げることができる。
【００１４】
次に本発明のグラファイトシートの製造方法について説明する。
【００１５】
まず高分子フィルムを熱分解してグラファイト化シート２を得る。この高分子フィルムには厚さ約３５０μｍのポリイミドフィルムを用い、窒素あるいはアルゴン雰囲気で約２７００℃で焼成することにより、グラファイト化シート２を得る。このグラファイト化シート２は厚さ約４００μｍ、密度約０．１８ｇ／ｃｍ3、表面粗さＲａは約５．５μｍとなっている。
【００１６】
次にグラファイト化シート２の第１面３をステージ６上に固定し、第１面３とは反対側の第２面４に回転体５を押し当てて圧縮する。回転体５とステージ６とのクリアランスを約３７５μｍとする。グラファイト化シート２の設置後は直径約１０ｍｍφの回転体５が回転を開始すると同時に回転方向と逆向きに移動しグラファイト化シート２と接触し表面の平滑化処理が実施される。このあとグラファイト化シート２を裏返してステージ６上に固定し、回転体５とステージ６とのクリアランスを約３５０μｍに設定し、同様に平滑化処理することによりグラファイトシート１を得る。１回目の平滑化処理のクリアランスは、表裏の差をなくすために初期厚みと狙い厚みの差の約半分に設定し、１回目の平滑化処理のクリアランスは狙い厚みに設定することが望ましい。なお、回転体５を移動させる代わりに、ステージ６の方を移動させても構わない。
【００１７】
なお、本実施の形態ではグラファイト化シート２に対する回転体５の表面の相対速度は２０ｍ／ｍｉｎで実施した。回転体５の速度は結果に影響を与えないが、摩擦によって回転が止まってしまうと効果が薄れるため、モーターのトルクは十分な出力を選択し、空転時の速度と、処理中の速度差は０．５％以下であることを確認する必要がある。
【００１８】
平滑化効果を得るためには回転体５とグラファイト化シート２との動摩擦係数が重要であり、動摩擦係数が０．２の鏡面加工の鉄の場合、グラファイト化シートの表面を薄くなでるだけで、初期表面粗さ５．５０μｍに対し３０μｍであり大きく低下しない。一方動摩擦係数が０．３の材質である梨地加工の鉄であれば初期表面粗さ５．５０μｍに対し１．０μｍと大きく減少し、優秀な冷却効果を得ることができる。また、この効果の簡易的な確認方法として、この方法によって表面粗さが低減した場合、圧縮によって厚みを減少させる方法と異なり、表面のみが水平方向にならされ平滑化するため、光が乱反射せず金属光沢が発現する。動摩擦係数は高いほうがより表面粗さを平滑化でき、冷却能力は上昇していく。以下具体的に行った実施例について説明する。
【００１９】
（実施例１）
回転体５の材質を梨地加工の鉄（動摩擦係数０．３）とした。処理前の厚みが４００μｍ、密度０．１８ｇ／ｃｍ3のグラファイトシートに対し、クリアランスを３７５μｍに設定し、１回目の処理を行った後、クリアランスを３５０μｍに設定し、２回目の処理を行った。得られたグラファイトシートの厚みは３５０μｍで、密度０．２０ｇ／ｃｍ3で、表面粗さは１．０μｍであった。熱抵抗は１００ｋＰａで０．７５Ｋｃｍ2／Ｗであった。
【００２０】
（実施例２）
回転体５の材質をポリイミド（動摩擦係数０．５）とした。処理前の厚みが４００μｍ、密度０．１８ｇ／ｃｍ3のグラファイトシートに対し、クリアランスを３７５μｍに設定し、１回目の処理を行った後、クリアランスを３５０μｍに設定し、２回目の処理を行った。得られたグラファイトシートの厚みは３５０μｍで、密度０．２０ｇ／ｃｍ3で、表面粗さは０．２μｍであった。熱抵抗は１００ｋＰａで０．７５Ｋｃｍ2／Ｗであった
。
【００２１】
（実施例３）
回転体５の材質を梨地加工の鉄（動摩擦係数０．３）とした。処理前の厚みが１５０μｍ、密度０．１８ｇ／ｃｍ3のグラファイトシートに対し、クリアランスを１２５μｍに設定し、１回目の処理を行った後、クリアランスを１００μｍに設定し、２回目の処理を行った。得られたグラファイトシートの厚みは１００μｍで、密度０．２７ｇ／ｃｍ3で、表面粗さは０．７μｍであった。熱抵抗は１００ｋＰａで０．５０Ｋｃｍ2／Ｗであった。
【００２２】
（実施例４）
回転体５の材質を梨地加工の鉄（動摩擦係数０．３）とした。処理前の厚みが２００μｍ、密度０．６０ｇ／ｃｍ3のグラファイトシートに対し、クリアランスを１７５μｍに設定し、１回目の処理を行った後、クリアランスを１５０μｍに設定し、２回目の処理を行った。得られたグラファイトシートの厚みは１５０μｍで、密度０．８ｇ／ｃｍ3で、表面粗さは０．８μｍであった。熱抵抗は１００ｋＰａで０．６０Ｋｃｍ2／Ｗであった。
【００２３】
（比較例１）
回転体５の材質を鏡面加工の鉄（動摩擦係数０．２）とした。処理前の厚みが４００μｍ、密度０．１８ｇ／ｃｍ3のグラファイトシートに対し、クリアランスを３７５μｍに設定し、１回目の処理を行った後、クリアランスを３５０μｍに設定し、２回目の処理を行った。得られたグラファイトシートの厚みは３５０μｍで、密度０．２０ｇ／ｃｍ3で、表面粗さは３．２０μｍであった。熱抵抗は１００ｋＰａで１．６４Ｋｃｍ2／Ｗであった。本比較例はグラファイトシートと回転体の摩擦力が低く、平滑化処理が不十分で、金属光沢がなく、接触熱抵抗が高い例である。
【００２４】
＜密度の測定方法＞
特定の形状でグラファイトシートをカットし、電子天秤で重量を測定し、単位面積当たりの重量に換算した。また、ダイヤルゲージで荷重が０．１Ｎ以下になるように厚み測定を行い、単位面積当たりの重量を厚みで除し、かさ密度を算出した。
【００２５】
＜表面粗さの測定方法＞
小坂研究所製ＥＴ２００を用いて測定した。カットオフ周波数０．２５ｍｍ、スキャン幅１０００μｍで測定した。
【００２６】
＜動摩擦係数の測定方法＞
Ｓｈｉｍａｚｕ社製オートグラフを用い測定した。ＩＳＯ  ８２９５に準じる測定であり、試験片にワイヤーを取り付け、滑車を通りロードセルに接続した。試験速度を１００ｍｍ／ｍｉｎとして測定を開始し試験片を滑らせ、ロードセルの力をあらかじめ測定した重量から計算される垂直抗力で除して動摩擦係数を算出した。試験片は、測定したい材質を２００ｇの約８０ｍｍ×２００ｍｍの試験片に貼り付けるか、金属の場合は近い形状に加工し、重量を測定した。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明により得られるグラファイトシートは、低密度性を保ったまま表面粗さを低減されるため、従来よりも熱による変形量が非常に大きい箇所においても、熱接合部材として用いることが可能で産業上有用である。
【符号の説明】
【００２８】
１  グラファイトシート
２  グラファイト化シート
３  第１面
４  第２面
５  回転体
６  ステージ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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