(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
封入材と複数の熱伝導性繊維とを有し、これらの封入材と複数の熱伝導性繊維とは、熱伝導性複合体を形成し、
前記複数の熱伝導性繊維の各々は、ある長さと両端を有し、前記封入材は、前記複数の熱伝導性繊維の各長さの一部分を包囲する厚さを有し、
前記熱伝導性繊維の各々の両端間の平均距離は、前記複数の熱伝導性繊維の繊維長さに沿った前記封入材の平均厚さよりも大きい、
熱インタフェース。
【請求項２】
第１面とこの第１面の反対側の第２反対面とを有する支持材料に埋められると共にこの支持材料の第２反対面の外に且つ上方に延びる第１部分を有する複数の熱伝導性繊維と、
前記熱伝導性繊維の第１部分の間及び前記支持材料の上にある封入材と、を有し、前記支持材料、前記封入材及び前記熱伝導性繊維は、熱伝導性複合体を形成し、
更に、前記熱伝導性繊維の第１部分がなければ前記熱伝導性複合体の最外面を構成する第３面を有し、前記第１部分は、高さ方向に前記第３面及び前記封入材よりも上にある先端で終っている、
熱インタフェース。
【請求項３】
鉛直方向として構成された方向に互いに間隔を隔てた第１反対面と第２反対面とからなる一対の反対面を有する接着剤の層と、
この接着剤に埋められた複数のフロック加工熱伝導性繊維と、を有し、これらの熱伝導性繊維は、実質的に鉛直方向に前記接着剤層の第２反対面の外に且つ上方に延びる第１部分を有し、該第１部分は、前記接着剤層の第２反対面よりも上にある先端で終り、
封入材を更に有し、この封入材は、前記熱伝導性繊維の第１部分の間、前記支持材料の上、及び前記熱伝導性繊維の自由先端よりも下にある、
熱伝導性構造体。
【請求項４】
第１面とこの第１面の反対側の第２反対面とを有する支持材料に、この支持材料の第２反対面の外に且つ上方に延びる第１部分を有するように複数の熱伝導性繊維を埋める段階と、
前記熱伝導繊維の第１部分の間及び前記支持材料の上に封入材を付ける段階と、を有し、前記支持材料、前記封入材及び前記熱伝導性繊維は、熱伝導性複合体を形成し、
更に、前記熱伝導性繊維の第１部分がなければ前記熱伝導性複合体の最外面を構成する第３面を形成する段階を有し、前記熱伝導性繊維の第１部分は、高さ方向に前記第３面及び前記封入材よりも上にある先端で終っている、
熱インタフェース製作方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
(発明の背景)
過剰な熱を物理インタフェースの前後にわたって移送させるために、熱グリース又はグリース状材料を単独で又は担体(carrier)上に使用することが、産業界でよく行われている。しかしながら、表面の平面性からの大きなずれにより隙間が合わせ面間に形成されるとき、または、表面高さの変化、製造公差等のような他の理由で大きな隙間が合わせ面間に存在するとき、これらの材料の性能は機能せず又は劣化する。これらの材料の熱移送力が機能しないとき、冷却すべき素子の性能に悪影響を及ぼす。本発明は、物理インタフェースの前後にわたる熱移送を効果的に取扱う繊維状インタフェースを提供する。
【０００２】
(発明の概要)
本発明の１つの側面では、繊維状インタフェース即ち自由繊維先端構造体を備えた基材(substrate)を提供する。自由繊維先端構造体は、電気フロック加工、機械フロック加工、空気フロック加工等のようなフロック加工を施された熱伝導性繊維を有し、これらの熱伝導性繊維は接着剤のような基材の一端に、一部分が接着剤の外に延びるように実質的に鉛直方向の配向をなして埋め込まれている。接着剤の外に延びている繊維の部分の間には、封入材が配置されている。封入材を熱伝導性繊維間に配置することにより、熱伝導性繊維繊維がインタフェース構造体から逃げるのを最小にし又は妨げている。
【０００３】
本発明の他の側面は、繊維状インタフェースを作る方法にある。本方法では、所望長さの熱伝導性繊維を作り、必要ならば、洗浄する。接着剤を基材に塗布し、繊維の一端を基材に電気フロック加工して、繊維の一部分が接着剤の外に延びるように繊維を接着剤に埋め込む。次いで、接着剤を硬化させ、繊維間の空間に硬化可能な封入材を充填する。繊維間の空間に封入材を充填した繊維を接着剤内で基準繊維長さよりも短い高さに圧縮し、圧縮高さにクランプ止めする。その後、圧縮下で封入材を硬化させ、接着剤及び封入材の外に延びる自由先端を備えた自由繊維先端構造体を生じさせる(以下に説明するように、変形例として、接着剤及び封入材を同時に硬化させても良い)。
【０００４】
(発明の詳細な説明)
インタフェース材料は、低いバルク(bulk)熱抵抗及び低接触抵抗を有するのが有利である。適切な材料は合わせ面に一致する材料であり、例えば、表面を濡らす材料である。バルク熱抵抗は、材料の厚さ、熱伝導率及び面積の関数として表される。接触抵抗は、材料が合わせ面とどれくらい良好に接触することができるかの程度である。Θが熱抵抗、ｔが材料厚さ、ｋが材料の熱伝導率、Ａがインタフェースの面積である場合、インタフェースのこの熱抵抗を
0003652604.tif 000002
のように表すことができる。
【０００５】
項ｔ／ｋＡは、バルク材料の熱抵抗を表し、２Θcontactは２つの面の熱接触抵抗を表している。
良好なインタフェース材料は、低いバルク熱抵抗と、例えば合わせ面における低い接触抵抗とを有するべきである。
【０００６】
インタフェース材料が、製造及び／又は熱膨張率(ＣＴＥ)の不一致による構成要素の反りに起因する表面の平面性からのずれに順応することを、多くの適用例は要求している。
【０００７】
熱グリースのようなｋについて低い値を有する材料は、インタフェースが薄い、即ちｔが小さいときに良好に機能する。もしインタフェース厚さが０．００２インチ(０．５０８ミリメートル)ほど増すと、熱性能が劇的に低下することがある。又、そのような適用例については、合わせ構成要素間のＣＴＥ(熱膨張率)の差により、この隙間が各温度又はパワーサイクルで広げられたり縮められたりする。インタフェース厚さのこの変動により、(グリースのような)流体インタフェース材料がインタフェースから離れていくような流体インタフェース材料のポンピング(pumping)を生じさせることがある。
【０００８】
より大きい面積を有するインタフェースは、それを製造するとき、表面の平面性からのずれをより生じ易い。熱性能を最適にするためには、インタフェース材料は非平面表面と一致することができなければならず、それにより、接触抵抗がより小さくなる。
【０００９】
最適なインタフェース材料は、高い熱伝導性と高い機械コンプライアンスとを有し、例えば、力が付与されると、弾性的に撓む。高い熱伝導性は式１の第１項を減少させ、高い機械コンプライアンスは、その第２項を減少させる。整列した熱伝導性繊維状材料はこれらの目的の両方を達成する。適切に配向されていれば、熱伝導性繊維は合わせ面間の距離にわたって延び、それにより、一方の面から他方の面への連続高伝導性通路を可能にする。もし繊維が可撓性であり、その先端領域が移動することができるならば、合わせ面とのより良好な接触をなすことができる。これにより、優れた表面接触になり、インタフェース材料の接触抵抗を最小にする。
【００１０】
外部の熱消散を分散させ又は可能にするために、インタフェース材料は冷却すべき構成要素と熱シンクのような外部熱消散素子との間に取付けられる。そのうえ、インタフェース材料は、冷却すべき構成要素と熱消散面構成要素の両方に生じている製造による平面性からのずれに順応する。インタフェース材料は、熱シンク、熱パイプ、熱プレート、熱電気クーラー等のような熱消散面に取付けられても良いし、或いは、冷却すべき構成要素表面に取付けられても良い。熱消散素子は、ばねクリップ、ボルト、接着剤等を使用して、冷却すべき構成要素に任意の在来の仕方で取付けられても良い。
【００１１】
インタフェース材料は以下のように作られる。
【００１２】
約３ミクロン(micron)よりも大きく１００ミクロンまでの直径を有するダイヤモンド繊維、カーボン繊維、グラファイト繊維、銅繊維又はアルミニウム繊維のような金属繊維等の適当な熱伝導性繊維を、例えば長さ０．０００５乃至約０．２５０インチ(０．０１２７乃至６．３５ミリメートル)に切断する。現在、直径約１０ミクロンの繊維が好ましい。望ましい繊維は約２５Ｗ／ｍＫよりも大きい熱伝導率を有する。有用なこの種類の繊維は、アモコ(Amoco)から入手できるＫ−１１００、Ｋ−８００、Ｐ−１２０、Ｐ−１００、Ｐ−７０及びＴ５０と称する繊維、並びに、トレイ(Toray)から入手できるＭ４６Ｊ及びＭ４６ＪＢと称する繊維を含む。
【００１３】
必要ならば、繊維を洗浄する。繊維を洗浄することは、繊維上に存在するいかなる被覆も除去するのに役立つ。表面に被覆を塗布したいくつかの商業的に入手可能な繊維が販売されており、この被覆を洗浄によって除去するのが好ましい。洗浄の一つの方法は、繊維を空気中で加熱して被覆を焼き取る、即ちサイジング(sizing)によるものである。しかしながら、化学洗浄方法を使用しても良い。
【００１４】
インタフェースを作るために、第１接着剤を基材に塗布する。この接着剤は、シアン酸塩エステル接着剤、ＢＭＩ、シリコン、オルガノシリコン、ゲル(gel)及びスプレーガスケット材料も有用であるけれども、エポキシからなる接着剤(例えば、グレース・スペシャルティ・ポリマーズ(Grace Specialty Polymers)のエコボンド(Eccobond)２８１)のような低応力接着剤であるのが有利である。
【００１５】
図１Ａに示すように、繊維を基材に、例えば電気フロック加工することによってフロック加工し、それにより、繊維を接着剤に埋め込む。電気フロック加工は良く知られている方法であり、それにより、ある距離隔てた２枚のプレートを正反対の極性に荷電させる。この方法は、ボルゲン(Bolgen)によって一般的に説明されており(１９９１年に発行された被覆繊維ジャーナル(Journal of Coated Fabrics)第２１巻第１２３頁のBolgen Stig Wによる「フロック加工技術」)、特にカーボン繊維の電気フロック加工については、１９８４年に発行された第１４回空間技術科学国際シンポジウムの会報第５８３頁のシゲマツ(Shigematsu)による「熱制御被覆に対する静電フロック加工の適用」、及び、１９９１年に発行された第４回空間技術科学ヨーロッパシンポジウムの会報第５６５頁のカトウ(Kato)による「静電フロック加工による非常に低い反射率表面の形成」に説明されている。これらの論文の開示をここに援用する。
【００１６】
電気フロック加工法では、一方のプレート上の繊維はそのプレートの電荷を取り込み、反対側のプレートに引き寄せられるようになる。繊維が反対側のプレートにぶつかると、繊維は接着剤に埋められる。もし繊維が一回で刺さらなければ、繊維はプレート間を行ったり来たりしてはね返り、ついには、繊維は接着剤に埋まるようになるか、或いは、電界から逃げるか、又は、プレート上の電荷が除去される。出来た繊維構造体は電界線に対して整列し、即ち、実質的に鉛直方向の配向をなし、ベルベット状の外観を有する。
【００１７】
機械フロック加工は、接着剤被覆対象物を一連の高速回転ローラー又はビーターバーの上に進めることを含み、これにより、基材を振動させる。重力によって、繊維をホッパーから基材の上に供給する。ローラー又はビーターバーによって作られた振動は繊維を配向させ、繊維を接着剤に押し入れる。余分な繊維を取除いて、繊維構造体に実質的に鉛直方向の配向を残す。
【００１８】
空気フロック加工は、繊維を接着剤被覆表面に放出するエア流れを使用する。繊維はそれ自体、飛行しながらエア流れの方向に整列し、配向された仕方で接着剤に埋め込まれる。
【００１９】
異なるフロック加工方法を単独で使用しても良いし、或いは、空気／静電フロック加工のように他のフロック加工方法と関連させて使用しても良い。この組合わせの方法であれば、繊維を含むエア流れがノズルから差し向けられる。ノズルの出口で、電荷は繊維を電界線に対して配向させる。出来た繊維構造体はまた、整列されており、即ち、実質的に鉛直方向の配向を有しており、いずれかの方法を単独で使用するときよりも密集し、均一且つ迅速に作られる。
【００２０】
フロック加工された繊維は、その長さの一部分が接着剤層から延びるように接着剤に着座されており、これを「自由繊維先端」と称する。図１Ｂ及び図１Ｃに示すように、フロック加工後、下向きの力を自由繊維先端に付与して、自由繊維先端を接着剤に着座させ、接着剤と接着剤を塗布した表面基材とに埋め込まれた繊維の先端同士の間の距離を最小にする。
【００２１】
次いで、接着剤を、例えば自己硬化又は熱の付与によって硬化させる。接着剤及び硬化条件に応じて、しばしば、約１５０℃の約３０分にわたる加熱が、硬化のために使用される。
【００２２】
図２に示すように、ゼネラル・エレクトリック(General Electric)社から入手できるＧＥ ＲＴＶ６１６６誘電性ゲルのような封入材３０を導入して、繊維３２間の空間を充たし、自由繊維先端３４をゲルから延びたままにする。これは、未硬化ゲルを繊維の上に刷り込むことによって、又は、ゲルを繊維につけてゲルを浸したりしみ込ませたりすることによってなされる。繊維を自然に濡らして繊維構造体にしみ込むゲルを使用するのが有利である。ゲルは熱伝導性フィラー材料を含んでいても良いし、或いは、含んでいなくても良い。硬化したゲル／繊維材料がクランプ止め用定着物に刺さるのを防止し、輸送又はそれに引続く取扱い中、インタフェース材料に対する防護をなすために、蝋引き紙又はシリコン被覆紙のようなリリースライナーを繊維及び未硬化ゲルの一番上に配置するのが良い。
【００２３】
繊維間に未硬化ゲルを有するインタフェース材料を基準切断繊維長さよりも短く圧縮し、圧縮高さに適所にクランプ止めする。例えば、繊維が長さ約０．０２インチ(０．５０８ミリメートル)であるならば、接着剤硬化ゲルを導入し、次いで、高さ約０．０１７インチ(０．４３１８ミリメートル)にクランプ止めした後、ゲルを硬化させると、ゲルは硬化されながら繊維をこの高さに保持することになる。
【００２４】
次いで、ゲルを、圧縮下で硬化させ、例えば熱硬化させる。一般的には、加熱は硬化を加速させ、望ましくは、有益な自由繊維先端構造体を作る。圧縮及び熱硬化は両方とも自由繊維先端構造体を作るのに役立つ。ゲルのＣＴＥ(熱伝導率)は繊維のＣＴＥ(熱伝導率)よりも高く、室温まで冷却するとき、ゲルは繊維よりも縮み、それにより、より多くの繊維先端を露出させるので、熱硬化は有益である。
【００２５】
インタフェース材料を生産する際、接着剤硬化を、ゲルの硬化と一致させるために遅らせても良い。この場合、繊維をゲルと同時に着座させ、接着剤を硬化させる。指示したように、圧縮は有益であり、圧縮下の硬化は有益である、というのは、ゲルは硬化厚さを維持し、繊維は、ゲルから直立するように幾分すばやく戻ることができるからである。繊維へのゲルの密着は、繊維をそれが硬化前の元の位置をとらないようにするに十分強くない。これにより、隣接した面の熱接触を高めるのに望ましい自由繊維先端を生じさせる。
【００２６】
本発明から逸脱することなしに種々の変形例及び変更例を作ることができることは上述したことから明らかである。従って、本発明の範囲は特許請求の範囲だけによって限られるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ乃至１Ｃ】  接着剤にフロック加工された繊維と、接着剤に押し込まれた繊維とを示す概略図である。
【図２】  繊維間の封入材と自由繊維先端とを示す概略図である。
【図１】
0003652604.tif 000003
【図２】
0003652604.tif 000004