(57)【要約】【課題】電気絶縁性および厚み方向の熱伝導率に優れた絶縁熱伝導シートを提供することにある。【解決手段】少なくとも一方向の熱伝導率が２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である絶縁熱伝導層（Ａ）と、絶縁接着層（Ｂ）とを交互に積層して得られた、絶縁熱伝導層（Ａ）を少なくとも合計２層含む積層体をシート状に切り出して得た絶縁熱伝導シートであって、該絶縁熱伝導シートにおいて、絶縁熱伝導層（Ａ）が絶縁熱伝導シートの一方の面と他方の面との間に連続して存在するとともに一方の面と他方の面に露出し、該絶縁熱伝導シートの厚み方向の熱伝導率が１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることを特徴とする、絶縁熱伝導シート。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一方向の熱伝導率が２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である絶縁熱伝導層（Ａ）と、絶縁接着層（Ｂ）とを交互に積層して得られた、絶縁熱伝導層（Ａ）を少なくとも合計２層含む積層体をシート状に切り出して得た絶縁熱伝導シートであって、該絶縁熱伝導シートにおいて、絶縁熱伝導層（Ａ）が絶縁熱伝導シートの一方の面と他方の面との間に連続して存在するとともに一方の面と他方の面に露出し、絶縁熱伝導シートの厚み方向の熱伝導率が１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることを特徴とする、絶縁熱伝導シート。
【請求項２】
請求項１において、積層体を構成する絶縁熱伝導層（Ａ）の法線方向が絶縁熱伝導シートの面内方向に実質的に一致するように切り出されている、請求項１記載の絶縁熱伝導シート。
【請求項３】
絶縁熱伝導層（Ａ）が超高分子量ポリエチレンからなる、請求項１または２に記載の絶縁熱伝導シート。
【請求項４】
絶縁熱伝導層（Ａ）が少なくとも５０体積％を占める、請求項３に記載の絶縁熱伝導シート。
【請求項５】
絶縁熱伝導層（Ａ）の厚みが絶縁接着層（Ｂ）の厚みの２倍以上である、請求項３に記載の絶縁熱伝導シート。
【請求項６】
少なくとも一方向の熱伝導率が２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である絶縁熱伝導層（Ａ）と絶縁接着層（Ｂ）とを交互に積層して、絶縁熱伝導層（Ａ）を少なくとも合計２層含む積層体とし、該積層体を、該積層体を構成する絶縁熱伝導層（Ａ）の法線方向が絶縁熱伝導シートの面内方向に実質的に一致するように所定の厚みでシート状に切り出して絶縁熱伝導シートとすることを特徴とする、絶縁熱伝導シートの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絶縁熱伝導シートおよびその製造方法に関し、さらに詳しくは、電気製品に使用される半導体素子や電源、光源などの部品から発生する熱を効果的に放散させることができ、電気絶縁性を備える絶縁熱伝導シートおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子機器の薄短小化、高出力化に伴う発熱密度の増加により、放熱対策の重要性が高まっている。電子機器の熱トラブルを軽減するためには、周辺部材に悪影響を及ぼさないよう、機器内で発生した熱を速やかに冷却材や筐体等へ逃がすことが重要である。
このために、特定の方向への熱伝導が可能な熱伝導部材が求められる。また多くの場合、冷却材や筐体への漏電を防ぐため、熱伝導部材には電気絶縁性も求められる。
【０００３】
熱伝導シートは、熱源と冷却材との間に挟んで熱源から冷却材に熱を逃すように使用される熱伝導部材であり、シートの厚み方向に高い熱伝導性が要求される。これまで、厚み方向に高い熱伝導性を発現するために、熱伝導性フィラーを用いその熱伝導方向をシートの厚み方向に配向させることが試みられてきた。そのようなシートとして、マトリックス樹脂中に混合した絶縁性の熱伝導性繊維をシートの厚み方向に配向させた形態のシートがこれまでに検討されている。
【０００４】
熱伝導性繊維をシートの厚み方向に配向させた例として、繊維長方向の熱伝導率３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）および繊維長３ｍｍの熱伝導性繊維と窒化ホウ素粉末を固形レゾール樹脂と混合し、厚さ２ｍｍのシートを得た例がある（特許文献１）。
また、繊維長方向の熱伝導率１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）および繊維長３００μｍの熱伝導性繊維５体積％と液状シリコーンゴム９５体積％とを混合した後に磁場を印加することで、熱伝導性繊維が配向した厚み１ｍｍのシートを得た例（特許文献２）がある。
さらに接着剤を塗工したアルミニウム箔表面に繊維長方向の熱伝導率６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）および繊維長４００μｍの熱伝導性繊維を静電植毛して、飽和共重合ポリエステルウレタン樹脂を含浸することで厚さ１ｍｍのシートを得た例がある（特許文献３）。
【０００５】
しかし、特許文献１で得られるシートの厚み方向の熱伝導率は１．２Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、熱伝導性繊維がシートの厚み方向に十分に配向しているとは言い難い。また、特許文献２で得られるシートの厚み方向の熱伝導率は２．２Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、熱伝導性繊維に対してマトリックス樹脂の割合が高すぎるために熱伝導性繊維のシートの熱伝導率への寄与が小さいものとなってしまっている。
【０００６】
特許文献３で得られるシートの厚み方向の熱伝導率は２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、熱伝導性繊維がシートの厚み方向に配向していると考えられる。しかし、シート面内における熱伝導性繊維の貫通密度の上限が８０％に限定されるため、シート面内の２０％以上を占める樹脂成分の熱抵抗が並列的に加算されている。また、シートの厚みよりも短い熱伝導性繊維を用いているため、熱伝導性繊維が存在する部位においても厚み方向全体では樹脂成分の熱抵抗が直列的に加算されている。その結果、シートの厚み方向の熱伝導率は、用いた熱伝導性繊維の熱伝導率の１／３にとどまっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１４−１０９０２４号公報
【特許文献２】特開２００２−８８１７１号公報
【特許文献３】特開２０１７−１３５１３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、かかる従来技術の課題を背景になされたものである。本発明の目的は、電気絶縁性および厚み方向の熱伝導性に優れた絶縁熱伝導シートを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
すなわち本発明は、少なくとも一方向の熱伝導率が２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である絶縁熱伝導層（Ａ）と、絶縁接着層（Ｂ）とを交互に積層して得られた、絶縁熱伝導層（Ａ）を少なくとも合計２層含む積層体をシート状に切り出して得た絶縁熱伝導シートであって、該絶縁熱伝導シートにおいて、絶縁熱伝導層（Ａ）が絶縁熱伝導シートの一方の面と他方の面との間に連続して存在するとともに一方の面と他方の面に露出し、該絶縁熱伝導シートの厚み方向の熱伝導率が１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることを特徴とする、絶縁熱伝導シートである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、電気絶縁性および厚み方向の熱伝導性に優れた絶縁熱伝導シートを提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の絶縁熱伝導シートにおいて、積層体を構成する絶縁熱伝導層（Ａ）の法線方向が絶縁熱伝導シートの面内方向に実質的に一致するように切り出されていることが好ましい。
【００１２】
本発明において「絶縁熱伝導層（Ａ）の法線方向が絶縁熱伝導シートの面内方向に実質的に一致する」とは、両者のなす角度が例えば４５°以下、好ましくは３０°以下、さらに好ましくは１５°以下、さらに好ましくは５°以下、特に好ましくは０°であることを意味する。この角度が０°に近いほど、高い熱伝導性を得ることができる。
【００１３】
＜絶縁熱伝導層（Ａ）＞
本発明において絶縁熱伝導層（Ａ）は、層内の少なくとも一方向、好ましくは層内の一方向に高い熱伝導性を有する層である。生産性の観点から柔軟性を有する物質の層であることが好ましい。この柔軟性は、絶縁熱伝導シートを製造するときに、絶縁熱伝導層（Ａ）として用いる物質のテープまたはフィルムを小さい曲率で折り曲げるときに必要となる。
【００１４】
この条件を満足する物質として、例えば熱伝導性高分子を用いることができる。熱伝導性高分子を用いる場合テープまたはフィルムの形態で用いることが好ましい。
熱伝導性高分子としては例えばポリエチレン、ナイロン、液晶ポリマーを例示することができる。このうち、熱伝導率の観点から特に好ましいものは、超高分子量ポリエチレンである。
【００１５】
絶縁熱伝導層（Ａ）は、絶縁熱伝導シートの一方の面と他方の面との間に連続して存在するとともに一方の面と他方の面に露出する態様で存在する。この態様で存在することで、絶縁熱伝導シートの一方の面に接する部材から他方の面に接する部材に熱を逃すことができる。
【００１６】
このため、本発明において絶縁熱伝導層（Ａ）が絶縁熱伝導シートの一方の面と他方の面に露出する態様は、一方の面から他方の面への熱伝導を妨げない態様でさらに他の層を絶縁熱伝導シートの表面に伴うことを妨げない。しかし、より効率的に熱を他方の面に逃すために、絶縁熱伝導シートの表面には、絶縁熱伝導層（Ａ）を構成する物質以外の層が伴われないことが好ましい。
【００１７】
＜超高分子量ポリエチレン＞
超高分子量ポリエチレンは、繰返しモノマー単位が主にエチレンより構成されるポリオレフィンを原料ポリマーとして構成される有機高分子である。本発明では、超高分子量ポリエチレンを絶縁熱伝導層（Ａ）として用いる場合には分子の直鎖方向の熱伝導率が２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上のものを用い、好ましくは４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上のものを用いる。直鎖方向の熱伝導率が２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満であると、熱伝導率が２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である方向を持たず、絶縁熱伝導シートとして十分な熱伝導性を得ることができない。
【００１８】
原料ポリマーの超高分子量ポリエチレンの粘度平均分子量は５０万以上、好ましくは１００万以上、さらに好ましくは１５０万以上である。粘度平均分子量が５０万に満たないと、熱伝導率が小さくなり不適である。
【００１９】
また、本発明においてはエチレン以外の少量の共重合モノマー、例えばプロピレン、ブテンなどのαオレフィン、アクリル酸およびその誘導体、メタクリル酸およびその誘導体、ビニルエステルおよびその誘導体、ビニルエーテルおよびその誘導体、スチレンおよびその誘導体、ビニルシランおよびその誘導体、との共重合体であってもよい。また、共重合モノマーとして例示した上記モノマーのポリマーとのブレンドであっても差し支えない。
【００２０】
エチレン以外のモノマーを共重合成分として含む場合、その含有量は５モル％以下であることが好ましい。超高分子量ポリエチレンと異なるポリマーとのブレンドである場合、異なるポリマーの含有量は１０体積％以下であることが好ましい。このような超高分子量ポリエチレンとして、例えばテイジン・アラミドＢ.Ｖ．社製Ｅｎｄｕｍａｘや東洋紡績株式会社製ダイニーマが市販品として入手できる。
【００２１】
本発明の絶縁熱伝導シートは、絶縁熱伝導層（Ａ）が絶縁熱伝導シートの面内方向に対して垂直に配向されているか、垂直に近い角度で配向されていることが大きな特徴である。絶縁熱伝導シートの面内方向に対して垂直に配向されていること、または垂直に近い角度で配向されていることで、絶縁熱伝導層（Ａ）として超高分子量ポリエチレンを用いた場合に、超高分子量ポリエチレン分子の直鎖方向の高い熱伝導率を効率よく利用することができ、厚み方向の熱伝導率が高い絶縁熱伝導シートを得ることができる。
【００２２】
超高分子量ポリエチレンは、生産性の観点からテープまたはフィルムの態様で用いることが好ましい。この場合、超高分子量ポリエチレンのテープまたはフィルムの表面には、あらかじめ接着性を向上するための表面処理を施しておいてもよい。例えば、脱脂、洗浄、酸アルカリ処理、紫外線照射、コロナ放電、プラズマ処理、火炎処理、電解酸化、ハロゲン化処理、カップリング剤処理を施しておいてもよい。また、無電解メッキ法、電解メッキ法、真空蒸着やスパッタリングなどによる物理的蒸着法、化学的蒸着法、塗装、浸漬、微細粒子を機械的に固着させるメカノケミカル法などの方法によって他の絶縁体を被覆しておいてもよい。
【００２３】
＜絶縁接着層（Ｂ）＞
本発明における絶縁接着層（Ｂ）としては、相互に隣接する絶縁熱伝導層（Ａ）と絶縁熱伝導層（Ａ）とを接着することのできる絶縁性の物質を用いることができる。例えば、熱可塑性樹脂、熱可塑性エラストマー、熱硬化性樹脂、架橋ゴムを使用することができる。なかでも、成形性の観点から常温で接着力を有するものが好ましい。熱可塑性樹脂では例えば酢酸ビニル樹脂、ポリビニルアセタール、エチレン酢酸ビニル樹脂、塩化ビニル樹脂、アクリル樹脂、ポリアミド、セルロース、α-オレフィンを、熱可塑性エラストマーでは例えばクロロプレンゴム、ニトリルゴム、スチレンブタジエンゴム、ポリサルファイド、ブチルゴム、シリコーンゴム、アクリルゴム、ウレタンゴム、シリル化ウレタン樹脂、テレケリックポリアクリレートを用いることができる。
【００２４】
絶縁接着層（Ｂ）には、絶縁性と熱伝導性を損なわない範囲で、例えば硬化促進剤、変色防止剤、界面活性剤、カップリング剤、着色剤、粘度調整剤、フィラーといった添加剤を配合してもよい。
【００２５】
＜層の厚み＞
本発明の絶縁熱伝導シートにおいて、絶縁熱伝導層（Ａ）は、絶縁熱伝導シートの体積を基準として、好ましくは少なくとも５０体積％、さらに好ましくは７０体積％以上、特に好ましくは９０体積％以上を占める。５０体積％以上を占めることで、厚み方向に高い熱伝導性を得ることができる。
【００２６】
絶縁熱伝導層（Ａ）の厚みは、絶縁接着層（Ｂ）の厚みに対して大きいほど、得られる絶縁熱伝導シートの厚み方向の熱伝導率が向上するので、絶縁熱伝導層（Ａ）の厚みは相対的に厚い方がよく、好ましくは絶縁接着層（Ｂ）の２倍以上、さらに好ましくは４倍以上、特に好ましくは１０倍以上である。例えば、絶縁接着層（Ｂ）に対して絶縁熱伝導層（Ａ）の厚みが４倍以上であると、シートにおける絶縁熱伝導層（Ａ）の占める体積割合が８０％以上となり、高い熱伝導率が得られる。
【００２７】
絶縁熱伝導層（Ａ）と絶縁接着層（Ｂ）のそれぞれの厚さは任意に設定できるが、絶縁熱伝導層（Ａ）の厚みは例えば１〜３０００μｍ、好ましくは２０〜１０００μｍであり、絶縁接着層（Ｂ）の厚みは例えば０．５〜５００μｍ、好ましくは１０〜１００μｍである。
本発明における絶縁熱伝導層（Ａ）と絶縁接着層（Ｂ）の合計は、任意に設定できるが、例えば３層以上、好ましくは１１層以上、さらに好ましくは２１層以上である。
【００２８】
＜製造方法＞
本発明はまた、少なくとも一方向の熱伝導率が２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である絶縁熱伝導層（Ａ）と、絶縁接着層（Ｂ）とを交互に積層して、絶縁熱伝導層（Ａ）を少なくとも合計２層含む積層体とし、該積層体を、該積層体を構成する絶縁熱伝導層（Ａ）の法線方向が、切り出された後の絶縁熱伝導シートの面内方向に実質的に一致するように、所定の厚みでシート状に切り出して絶縁熱伝導シートとすることを特徴とする、絶縁熱伝導シートの製造方法である。
【００２９】
本発明の絶縁熱伝導シートは、上記の方法によって製造することができる。本発明の製造方法において、所定の厚みは、絶縁熱伝導シートが使用されるときに接する半導体素子や電源、光源などの部品によって異なり得るが、例えば０．１〜２０ｍｍ、好ましくは０．５〜５ｍｍである。
【００３０】
絶縁熱伝導層（Ａ）と絶縁接着層（Ｂ）とを交互に積層して、絶縁熱伝導層（Ａ）を少なくとも合計２層含む積層体とすることは、絶縁熱伝導層（Ａ）を構成する物質のテープ、フィルムまたはシートの表面に絶縁接着層（Ｂ）を構成する物質を塗布し、絶縁熱伝導層（Ａ）を構成する物質のテープ、フィルムまたはシートをそのうえに重ねることを繰り返すことで行うことができる。
【００３１】
この工程では、絶縁熱伝導層（Ａ）として枚葉のテープやシート、フィルムを用いてもよく、連続したテープやシート、フィルムを用いてもよい。連続したものを用いる場合には、例えば板材にそれらの一層を巻き付けて第一層の絶縁熱伝導（Ａ）層を構成し、そのうえに絶縁接着層（Ｂ）を構成する物質を塗布し、さらにそのうえに新たな一層を巻き付けて第二層の絶縁熱伝導層（Ａ）を構成することを、所望の層数になるまで繰り返し、絶縁熱伝導層（Ａ）と絶縁接着層（Ｂ）との積層体とすることで行うことができる。
この積層体からシート状に所定の厚みで絶縁熱伝導シートを切り出すことは、カッターなどの刃物を用いて行うことができる。
【実施例】
【００３２】
以下、本発明を実施例を用いて詳しく説明する。測定は以下の方法により行った。
【００３３】
（１）熱伝導率
熱伝導率は、試料の厚さ方向の熱拡散率、比重および比熱を全て乗じて算出した。
（熱伝導率）＝（熱拡散率）×（比熱）×（比重）
熱拡散率は、幅１０ｍｍ×１０ｍｍ×厚み１ｍｍの試料について、カーボンスプレーで黒色化した後にレーザーフラッシュ法により求めた。測定装置にはキセノンフラッシュアナライザ（ＮＥＴＺＳＣＨ社製ＬＦＡ４６７ＨｙｐｅｒＦｌａｓｈ）を用いた。比重は、試料の体積と重量から求めた。比熱は、示差走査熱量計（パーキンエルマー社製「ＤＳＣ８０００」）を用いて求めた。
【００３４】
（２）体積抵抗率
幅１０ｍｍ×長さ１０ｍｍ×厚み１ｍｍの大きさに加工した試料について試料の一つの面（１０ｍｍ×１０ｍｍの面）とその反対側の面にそれぞれ銀ペーストで電極を形成し、印加電圧１００Ｖにおける２電極間の抵抗値を測定した。測定装置には、システムソースメータ（Ｋｅｉｔｈｌｅｙ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製  ２６３６Ａ）を用いた。以下の式により、体積抵抗率を算出した。
（体積抵抗率）＝（抵抗値）×（電極面積）／（試料の厚み）
【００３５】
＜実施例１＞
超高分子量ポリエチレンテープ（テイジン・アラミドＢ.Ｖ．社製  ＥｎｄｕｍａｘテープＴＡ２３  幅２ｍｍ  厚さ５５μｍ  テープ長方向の熱伝導率５７Ｗ／（ｍ・Ｋ））を厚さ１ｍｍ幅２６ｍｍの板材に一周ごとに位置がかわるように変位させながら巻きつけた。この巻き付けは、既に巻き付けられたテープの幅方向の一方の辺が、これから巻き付けられるテープの他方の辺と接するように行い、均一な一層が板材上に構成されるように行った。
【００３６】
板材でのテープの巻きつけ幅が１５ｍｍ（約８周の巻き付け）に到達したときに、巻き付けられたテープ上にスチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）樹脂を塗布して、再度テープを巻き付け均一な一層を構成する作業を繰り返した。
このテープ巻き付けと樹脂塗布を繰り返して、テープとスチレンブタジエンゴムとの積層体の厚さが１５ｍｍに到達したときに、積層体を板材から取り外した。この積層体における超高分子量ポリエチレンのテープの層数は約２３０層であり、超高分子量ポリエチレン層の一層の厚みは５５μｍ、スチレンブタジエンゴム層の一層の厚みは１０μｍであった。
【００３７】
積層体において巻きつけ時に板材と接していた面同士をＳＢＲ樹脂で固着させ、テープ長の方向に対して垂直な方向に積層体を１ｍｍの厚みで切り出して、厚み１ｍｍの絶縁熱伝導シートを得た。得られた絶縁熱伝導シートの厚み方向の熱伝導率は３８Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。体積抵抗率は１×１０１４Ω・ｃｍであった。
【００３８】
＜比較例１＞
実施例１と同様にして、超高分子量ポリエチレンテープとスチレンブタジエンゴムとの積層体を作製した。積層体において巻きつけ時に板材と接していた面同士をＳＢＲ樹脂で固着させ、テープ面と平行な方向に積層体を１ｍｍの厚みで切り出して、厚み１ｍｍの絶縁熱伝導シートを得た。得られたシート状成形体の厚み方向の熱伝導率は０．２Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。
【００３９】
＜比較例２＞
実施例１において、超高分子量ポリエチレンのテープのかわりに超高分子量ポリエチレン繊維（直径１０μｍ）を用いた以外は実施例１と同様にして積層体を作成した。積層体において巻きつけ時に板材と接していた面同士をＳＢＲ樹脂で固着させ、繊維長の方向に対して垂直な方向に積層体を１ｍｍの厚みで切り出そうとしたが、繊維同士が均一に接着せず、切り出しできず、シート状成形体を得ることができなかった。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明の絶縁熱伝導シートは、電子・電気機器の発熱部品の絶縁放熱部材として、例えば半導体の熱を冷却材や筐体に逃がすための絶縁放熱部材として、好適に用いることができる。