(57)【要約】【課題】グラファイトの粉落ちを無くしつつ、放熱性の高いグラファイト構造体を提供する。【解決手段】グラファイト構造体は、グラファイトプレートと、グラファイトプレートの表面に設けられ、少なくとも１種類以上の縮合性高分子を含む熱可塑性樹脂と、少なくとも１種類以上の熱硬化性樹脂と、を有する樹脂層と、を備え、樹脂層は、熱硬化性樹脂が分散されて硬化し、縮合性高分子を含んだ熱可塑性樹脂が熱硬化性樹脂の周囲を覆うように連続的にグラファイトプレートの表面と密着している。【選択図】図１Ｃ
2020072219.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
グラファイトプレートと、
前記グラファイトプレートの表面に設けられ、少なくとも１種類以上の縮合性高分子を含む熱可塑性樹脂と、少なくとも１種類以上の熱硬化性樹脂と、を有する樹脂層と、
を備え、
前記樹脂層は、硬化した前記熱硬化性樹脂が分散されており、前記縮合性高分子を含んだ熱可塑性樹脂が前記熱硬化性樹脂の周囲を覆うように連続的に前記グラファイトプレートの表面と密着している、グラファイト構造体。
【請求項２】
前記グラファイトプレートは、面方向の熱伝導率が１０００Ｗ/ｍ・Ｋ以上、厚み方向の熱伝導率が１０Ｗ/ｍ・Ｋ以下であることを特徴とする請求項１に記載のグラファイト構造体。
【請求項３】
前記縮合性高分子は、六員環を有する、ポリオキサジアゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリベンゾビスチアゾール、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾビスオキサゾール、ポリピロメリットイミド、芳香族ポリアミド、ポリフェニレンベンゾイミタゾール、ポリフェニレンベンゾビスイミタゾール、ポリチアゾール、ポリパラフェニレンビニレンからなるグループの少なくとも１種類からなることを特徴とする請求項１又は２に記載のグラファイト構造体。
【請求項４】
前記熱硬化性樹脂は、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アルキド樹脂、熱硬化性ポリイミドからなるグループの少なくとも１種類からなることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のグラファイト構造体。
【請求項５】
前記熱硬化性樹脂は、長径０．５〜１．５μｍ、高さが０．５〜２．０μｍで、島状に硬化していることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のグラファイト構造体。
【請求項６】
前記樹脂層は、前記グラファイトプレートの表面に密着する側の表面粗さが、前記グラファイトプレートの表面の粗さに対し、２０〜４０％粗くなる表面を有すること特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のグラファイト構造体。
【請求項７】
前記樹脂層は、厚みが５〜１０μｍであることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のグラファイト構造体。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか一項に記載のグラファイト構造体をフィンとして用いたグラファイトヒートシンク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子装置等の熱源から放出される熱を管理することができるグラファイト構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子装置の小型化に伴い、その電子装置から熱を放散させる必要性が高まっている。そこで電子製品の設計においては管理が益々重要な要素になっている。電子装置の性能信頼性および期待される寿命の両方が、装置の部品温度に逆比例する。例えば、典型的なシリコン半導体等のデバイスの動作温度を下げることにより、デバイスの処理速度、信頼性および期待される寿命を増加させることができる。従って、最大限の部品寿命や信頼性を得るために最も重要なことは、デバイスの動作温度を、設計者により設定される限度内に制御することである。
【０００３】
こういった熱管理に優れた材料として注目されているのが、グラファイトに代表されるカーボン材である。グラファイトは、一般的な高熱伝導材料であるアルミニウムや銅と同等の熱伝導率を備え、なおかつ銅よりも優れた熱輸送特性を備えていることから、ＬＳＩチップのヒートスプレッダ、半導体パワーモジュールのヒートシンクなどに用いられる放熱フィン用の材料として注目されている。
【０００４】
しかしながら、カーボン材は構造上、端部の粉落ちが発生しやすいため、表面状態を改善する方法が提案されている。例えば、特許文献１に示すように、グラファイトシートの両面にフィルムを配し、各フィルム同士を粘着することによるラミネート構造が提案されている。また、特許文献２では、電着法によりグラファイト表面に有機高分子膜をコーティングする構造が提案されている。さらに、特許文献３では、粘着性樹脂組成物として反応硬化型ビニル系重合体を用いてグラファイト表面を覆う構造が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２６８９７６号公報
【特許文献２】特開２００２−００４０８９号公報
【特許文献３】特開２００６−３０６０６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１では、フィルムのグラファイトに対する粘着性が低いため、フィルムとグラファイトの表面にて気泡が発生し、密着性および熱伝導率が著しく低下する。また、特許文献２の電着法では、密着性にバラツキが生じやすく、コーティング膜の厚みが制御しづらいため、安定した熱伝導性を確保できない。さらに、特許文献３では、粘着性樹脂組成物による被覆を試みているが、特許文献１と同様、粘着による結合では、表面粗さの小さいグラファイトとの密着は不十分であり、表面での剥離を防ぐことは出来ない。
【０００７】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、高密着かつ放熱性の高いグラファイト構造体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明に係るグラファイト構造体は、グラファイトプレートと、
前記グラファイトプレートの表面に設けられ、少なくとも１種類以上の縮合性高分子を含む熱可塑性樹脂と、少なくとも１種類以上の熱硬化性樹脂と、を有する樹脂層と、
を備え、
前記樹脂層は、前記熱硬化性樹脂が分散されて硬化し、前記縮合性高分子を含んだ熱可塑性樹脂が前記熱硬化性樹脂の周囲を覆うように連続的に前記グラファイトプレートの表面と密着している。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係るグラファイト構造体によれば、グラファイトプレートの表面に高密着かつ放熱性を維持できる樹脂層を有するグラファイト構造体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１Ａ】実施の形態１に係るグラファイト構造体の端部の断面構造を示す概略部分断面図である。
【図１Ｂ】図１Ａのグラファイト構造体の樹脂層の表面の一部分Ａの平面拡大図である。
【図１Ｃ】図１Ａのグラファイト構造体のグラファイトプレートと樹脂層との境界部分Ｂの部分拡大断面図である。
【図２】実施の形態１、実施例及び比較例における熱伝導性評価試験のＴＥＧ模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
第１の態様に係るグラファイト構造体は、グラファイトプレートと、
前記グラファイトプレートの表面に設けられ、少なくとも１種類以上の縮合性高分子を含む熱可塑性樹脂と、少なくとも１種類以上の熱硬化性樹脂と、を有する樹脂層と、
を備え、
前記樹脂層は、硬化した前記熱硬化性樹脂が分散されており、前記縮合性高分子を含んだ熱可塑性樹脂が前記熱硬化性樹脂の周囲を覆うように連続的に前記グラファイトプレートの表面と密着している。
【００１２】
第２の態様に係るグラファイト構造体は、上記第１の態様において、前記グラファイトプレートは、面方向の熱伝導率が１０００Ｗ/ｍ・Ｋ以上、厚み方向の熱伝導率が１０Ｗ/ｍ・Ｋ以下であってもよい。
【００１３】
第３の態様に係るグラファイト構造体は、上記第１又は第２の態様において、前記縮合性高分子は、六員環を有する、ポリオキサジアゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリベンゾビスチアゾール、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾビスオキサゾール、ポリピロメリットイミド、芳香族ポリアミド、ポリフェニレンベンゾイミタゾール、ポリフェニレンベンゾビスイミタゾール、ポリチアゾール、ポリパラフェニレンビニレンからなるグループの少なくとも１種類からなるものであってもよい。
【００１４】
第４の態様に係るグラファイト構造体は、上記第１から第３のいずれかの態様において、前記熱硬化性樹脂は、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アルキド樹脂、熱硬化性ポリイミドからなるグループの少なくとも１種類からなるものであってもよい。
【００１５】
第５の態様に係るグラファイト構造体は、上記第１から第４のいずれかの態様において、前記熱硬化性樹脂は、長径０．５〜１．５μｍ、高さが０．５〜２．０μｍで、島状に硬化していてもよい。
【００１６】
第６の態様に係るグラファイト構造体は、上記第１から第５のいずれかの態様において、前記樹脂層は、前記グラファイトプレートの表面に密着する側の表面粗さが、前記グラファイトプレートの表面の粗さに対し、２０〜４０％粗くなる表面を有してもよい。
【００１７】
第７の態様に係るグラファイト構造体は、上記第１から第６のいずれかの態様において、前記樹脂層は、厚みが５〜１０μｍであってもよい。
【００１８】
第８の態様に係るグラファイトヒートシンクは、上記第１から第７のいずれかの態様に係るグラファイト構造体をフィンとして用いている。
【００１９】
以下、実施の形態に係るグラファイト構造体について、添付図面を参照しながら説明する。なお、図面において、実質的に同一の部材には同一の符号を付している。
（実施の形態１）
図１Ａは、実施の形態１に係るグラファイト構造体１０の端部の断面構造を示す概略部分断面図である。図１Ｂは、図１Ａのグラファイト構造体１０の樹脂層２の表面の一部分Ａの平面拡大図である。図１Ｃは、図１Ａのグラファイト構造体１０のグラファイトプレート１と樹脂層２との境界部分Ｂの部分拡大断面図である。
このグラファイト構造体１０は、グラファイトプレート１と、その表面に設けられた樹脂層２と、を備える。つまり、グラファイトプレート１の全面を樹脂層２で被覆してグラファイト構造体１０を形成している。樹脂層２は、少なくとも１種類以上の縮合性高分子を含む熱可塑性樹脂２０２と、少なくとも１種類以上の熱硬化性樹脂２０１と、を有する。また、樹脂層２には、硬化した熱硬化性樹脂２０１が分散されている。さらに、縮合性高分子を含んだ熱可塑性樹脂２０２が熱硬化性樹脂２０１の周囲を覆うように連続的にグラファイトプレート１の表面と密着している。
このグラファイト構造体１０によれば、樹脂層２がグラファイトプレート１の全面に密着して覆っている。そこで、グラファイトの粉落ちを無くしつつ、高い放熱性の効果を奏することができる。また、このグラファイト構造体１０は、フィンとして用いることでグラファイトヒートシンクとして有用である。
【００２０】
以下にこのグラファイト構造体１０を構成する部材について説明する。
【００２１】
＜グラファイトプレート＞
グラファイトプレート１は、ポリオキサジアゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリベンゾビスチアゾール、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾビスオキサゾール、ポリピロメリットイミド、芳香族ポリアミド、ポリフェニレンベンゾイミタゾール、ポリフェニレンベンゾビスイミタゾール、ポリチアゾール、ポリパラフェニレンビニレンからなるグループの少なくとも１種の高分子フィルムを１枚または複数枚積層して印加圧力を制御しながら焼成することでグラファイト化させたグラファイトプレートを成形して作製する。本実施例および比較例においては、ポリオキサジアゾール１種類からグラファイトプレート１を作製しているが、２種類以上の高分子フィルムを組合せてもよく、本実施例および比較例に限定されるものではない。
【００２２】
また、グラファイトプレート１は、例えば、面方向の熱伝導率が１０００Ｗ/ｍ・Ｋ以上、厚み方向の熱伝導率が１０Ｗ/ｍ・Ｋ以下である。
【００２３】
＜樹脂層＞
樹脂層２は、少なくとも１種類以上の縮合性高分子を含んだ熱可塑性樹脂２０２と、少なくとも１種類以上の熱硬化性樹脂２０１と、を含む。また、樹脂層２は、硬化した熱硬化性樹脂２０１が分散されており、縮合性高分子を含んだ熱可塑性樹脂が熱硬化性樹脂の周囲を覆うように連続的にグラファイトプレートの表面と密着している。
なお、樹脂層２は、例えば、グラファイトプレート１の表面に密着する側の表面粗さが、グラファイトプレート表面の粗さに対し、２０〜４０％粗くなる表面を有している。
【００２４】
＜縮合性高分子＞
縮合性高分子は、一般的には熱硬化性のものが多いが、熱可塑性のものがある。例えば、ポリイミド樹脂の場合、一般に芳香族テトラカルボン酸二無水物と芳香族ジアミンとが出発原料である。この出発原料の中に、イミド基以外の熱的に安定な官能基や芳香族系原子団を導入して、生成イミド基の繰り返し単位中での濃度を低下させることで、熱可塑性の性質を持たせることができる。
該縮合性高分子は、例えば、六員環を有する、ポリオキサジアゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリベンゾビスチアゾール、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾビスオキサゾール、ポリピロメリットイミド、芳香族ポリアミド、ポリフェニレンベンゾイミタゾール、ポリフェニレンベンゾビスイミタゾール、ポリチアゾール、ポリパラフェニレンビニレンからなるグループの少なくとも１種類からなる。本実施例および比較例の一部における縮合性高分子は、ポリオキサジアゾール１種類から熱可塑性樹脂を作製しているが、２種類以上の六員環を有する縮合性高分子を組合せてもよく、本実施例および比較例に限定されるものではない。
【００２５】
＜熱硬化性樹脂＞
また、該熱硬化性樹脂は、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アルキド樹脂、熱硬化性ポリイミドからなるグループの少なくとも１種類からなる。本実施例および比較例においては、フェノール樹脂１種類から熱硬化性樹脂層を作製しているが、２種類以上の熱硬化性樹脂を組合せてもよく、本実施例および比較例に限定されるものではない。
【００２６】
分散して硬化した熱硬化性樹脂２０１の状態を模式的に図１Ｂの平面拡大図および図１Ｃの部分拡大断面図に示す。図１Ｂ及び図１Ｃに示すとおり、熱硬化性樹脂２０１は、縮合性高分子を含む熱可塑性樹脂層２０２内で楕円球状に分散硬化する。このとき、熱硬化性樹脂２０１とグラファイトプレート１との間には縮合性高分子を含む熱可塑性樹脂層２０２が存在し、熱硬化性樹脂２０１とグラファイトプレート１とは接触しない。平面拡大図（図１Ｂ）における熱硬化性樹脂２０１の長径３が０．５〜１．５μｍ、断面拡大図（図１Ｃ）における熱硬化性樹脂２０１の高さ４が０．５〜２．０μｍであることが好ましい。特に好ましくは、長径０．８〜１．２μｍ、高さ１．０〜１．５μｍである。長径０．５μｍ未満、高さ０．５μｍ未満では、表面粗さが２０％以上粗化しないため、表面積の増加による放熱効果が得られない。一方、長径１．５μｍ、高さ２．０μｍを超えると、表面粗さが４０％を超えて粗化するため、樹脂層２による熱伝導の低下が顕著となり、放熱効果が低下する。また、樹脂層の厚さ５は５〜１０μｍが好ましい。５μｍ未満の場合、密着性が維持できない。１０μｍを超えると、樹脂層による熱伝導の低下が顕著となり、放熱効果が低下する。
【００２７】
この構成のグラファイト構造体によると、縮合性高分子を含んだ熱可塑性樹脂によるグラファイトとの化学結合に起因する高密着と、熱硬化性樹脂の島状硬化によって表面粗化されることで放熱性を向上する効果を両立することが可能となる。
【００２８】
（実施例１）
以下のように、実施例１に係るグラファイト構造体を作製した。
グラファイトプレート１は、縦５０ｍｍ、横５０ｍｍ、厚み０．２ｍｍの高配向性グラファイトの加圧積層品を使用した。出発原料としては、高分子フィルムとしてポリオキサジアゾールを使用し、複数枚積層して印加圧力を制御しながら焼成することでグラファイト化させたグラファイトプレートを得た（Ｒａ＝３．６μｍ）。樹脂層としては、縮合性高分子としてポリオキソジアゾールを含んだ熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂としてフェノール樹脂を使用した。添加剤を加えた溶液中にグラファイトプレート１をディッピングし、１８０℃・３０分硬化することで樹脂層を形成する。樹脂層厚さを８μｍ、熱硬化性樹脂の長径１．０μｍ、高さ１．５μｍ、表面粗さがＲａ＝４．８μｍ（粗化率３３％）のグラファイト構造体を作製した。
【００２９】
また、熱伝導性評価用のヒートシンクは、フィンベースに□５０ｍｍ、厚み５ｍｍ、溝は深さ２ｍｍ、本数８本、ピッチ４ｍｍのアルミニウム製ベースを用いた。また、かしめ時には、１５ｔの加圧力でグラファイト構造体に０．０６ｍｍアルミニウムを圧入しグラファイトヒートシンクを作製した。
【００３０】
（実施例２）
実施例２では、樹脂層の厚さ５μｍ、熱硬化性樹脂の長径０．５μｍ、高さ０．５μｍ、表面粗さがＲａ＝４．３μｍ（粗化率２０％）の製造条件とした以外は実施例１と同様にしてグラファイト構造体を作製した。
【００３１】
（実施例３）
実施例３として、樹脂層の厚さ１０μｍ、熱硬化性樹脂の長径１．５μｍ、高さ２．０μｍ、表面粗さがＲａ＝５．０μｍ（粗化率４０％）の製造条件とした以外は実施例１と同様にしてグラファイト構造体を作製した。
【００３２】
（比較例１）
比較例１として、縮合性高分子としてポリエステルを使用して作製した樹脂層によってグラファイトプレートを被覆する製造条件とした以外は実施例１と同様にしてグラファイト構造体を作製した。
【００３３】
（比較例２）
比較例２として、樹脂層の厚さ３μｍ、熱硬化性樹脂の長径０．４μｍ、高さ０．３μｍ、表面粗さがＲａ＝４．１μｍ（粗化率１５％）の製造条件とした以外は実施例１と同様にしてグラファイト構造体を作製した。
【００３４】
（比較例３）
比較例３として、樹脂層の厚さ１５μｍ、熱硬化性樹脂の長径１．８μｍ、高さ２．４μm、表面粗さがＲａ＝５．２μｍ（粗化率４５％）の製造条件とした以外は実施例１と同様にしてグラファイト構造体を作製した。
【００３５】
＜評価方法＞
実施例および比較例で作製したサンプルは、グラファイト―樹脂層界面の密着性試験およびヒートシンク化した際の熱伝導性評価試験を行った。
【００３６】
（密着性試験）
グラファイト構造体の表面全面にテープを貼り、９０度の角度で垂直方向に１ｍｍ／ｓの速度で剥がしとる方法で、その際の剥離面を評価した。剥離面がグラファイトであれば○、樹脂層のみが剥離した場合を×とした。
【００３７】
（熱伝導性評価試験）
図２は、実施の形態１、実施例及び比較例における熱伝導性評価試験のＴＥＧ模式図である。なお、図面において、便宜上、グラファイトフィン１０２のフィンベース１０３への圧入方向を−ｚ軸方向として示している。また、フィンベース１０３の延在方向をｘ軸方向としている。強制冷却環境による評価で、前記実施例および比較例にて記述したグラファイト構造体をフィンとして作製したグラファイトヒートシンクの中央直下に測温部１０８（□１０ｍｍ、ｔ５ｍｍ、銅製）、ヒータ１１０（□１０ｍｍ、ｔ１ｍｍ、セラミック製）にグリス１０７を０．３ｍｍ塗布して接着し、直上には□５０ｍｍサイズのファン１０９（型番ＵＤＱＦ５６Ｃ１１ＣＥＴ（Ｐａｎａｓｏｎｉｃ））を設置して、ヒーターおよびファンを入力１１Ｖで稼動した際のヒーターおよびヒートシンクの境界部の温度を測定して評価した。
【００３８】
また、評価基準としては、従来の樹脂層のないグラファイトプレートをフィンとしたグラファイトヒートシンクに対し、測定部の温度が低いものを○、高いものを×とした。
【００３９】
実施例及び比較例における条件を表１に示す。
【表１】
2020072219.tif 000003
【００４０】
また、実施例及び比較例における評価結果を表２に示す。
【００４１】
【表２】
2020072219.tif 000004
【００４２】
表１及び表２によれば、実施例１では、グラファイトプレートに対し、樹脂層として、縮合性高分子にポリオキサジアゾール、熱硬化性樹脂にフェノールを用いた。実施例１で得られたグラファイト構造体は、樹脂層厚さを８μｍ、熱硬化性樹脂の長径１．０μｍ、高さ１．５μｍ、表面粗さがＲａ＝４．８μｍ（粗化率３３％）であった。このグラファイト構造体においては、グラファイトと樹脂層との界面にて化学結合による十分な密着性を示した。さらに、放熱効果についても、樹脂層のないグラファイトプレートを用いたものに対し、表面積の拡大による強制空冷効果の増大により、測定部の温度が１℃以上低下していることから、十分な放熱性を発揮していることがわかる。また、実施例２，３で得られたグラファイト構造体は、樹脂層の厚さが５〜１０μｍ、熱硬化性樹脂の長径０．５〜１．５μｍ、高さ０．５〜２．０μｍ、表面粗さがＲａ＝４．３μｍ（粗化率２０％）〜５．０μｍ（粗化率４０％）の範囲であった。これらのグラファイト構造体においても、界面における十分な密着性と、樹脂層のないグラファイトプレートに対し、十分な放熱効果を持つことがわかる。
【００４３】
一方、比較例1に示すとおり、縮合性高分子のなかでも六員環を持たないポリエステルを用いた場合は、グラファイトとの密着性が悪く、内部に空気を含んでしまうため放熱効果も期待できない。また、比較例２に示すとおり、樹脂層の厚さが薄すぎると、密着性が悪く、表面積の拡大量も小さいため、十分な放熱効果が得られない。さらに、比較例３に示すとおり、樹脂層の厚さが厚すぎると、樹脂による断熱効果が大きくなるため、むしろ放熱性は著しく悪化する。
【００４４】
なお、本開示においては、前述した様々な実施の形態及び／又は実施例のうちの任意の実施の形態及び／又は実施例を適宜組み合わせることを含むものであり、それぞれの実施の形態及び／又は実施例が有する効果を奏することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明に係るグラファイト構造体によれば、産業機器および車載分野における発熱部の放熱用途に適用できる。
【符号の説明】
【００４６】
１  グラファイトプレート
２  樹脂層
３  熱硬化性樹脂の長径
４  熱硬化性樹脂の高さ
５  樹脂層の厚さ
１０  グラファイト構造体
２０１  熱硬化性樹脂
２０２  縮合性高分子を含む熱可塑性樹脂層
１０１  グラファイトヒートシンク
１０２  グラファイトフィン
１０３  フィンベース
１０４  金属圧入部
１０５  かしめ溝
１０６  金属圧入量
１０７  グリス
１０８  測温部（熱電対）
１０９  ファン
１１０  ヒータ
１１１  支え板
【図１Ａ】
2020072219.tif 000005
【図１Ｂ】
2020072219.tif 000006
【図１Ｃ】
2020072219.tif 000007
【図２】
2020072219.tif 000008