(57)【要約】      （修正有）【課題】少なくとも約６００Ｗ／ｍ＊Ｋの面内熱伝導度を有する複合ヒートスプレッダを提供する。【解決手段】面内熱伝導率が６００Ｗ／ｍ＊Ｋより大きく、厚さが５０ミクロンより大きな複合ヒートスプレッダ１０であって、少なくとも約１．４グラム／ｃｃの密度を有する膨張黒鉛の圧縮粒子からなる少なくとも一枚のシートを有する第一部材２０と、少なくとも１．８グラム／ｃｃの密度と少なくとも７００Ｗ／ｍ＊Ｋの面内熱導電率を有する合成黒鉛からなる少なくとも一枚のシートを有する第二部材３０とを備え、第一部材と第二部材が、接着剤を用いることなく接合して一枚の複合シートを形成する。【選択図】図１
0003186199.tif 000002
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
面内熱伝導率が６００Ｗ／ｍ＊Ｋより大きく、厚さが５０ミクロンより大きな複合ヒートスプレッダであって、少なくとも約１．４グラム／ｃｃの密度を有する膨張黒鉛の圧縮粒子からなる少なくとも一枚のシートを有する第一部材と、少なくとも１．８グラム／ｃｃの密度と少なくとも７００Ｗ／ｍ＊Ｋの面内熱導電率を有する合成黒鉛からなる少なくとも一枚のシートを有する第二部材とを備え、前記第一部材と前記第二部材が、接着剤を用いることなく接合して一枚の複合シートを形成することを特徴とする複合ヒートスプレッダ。
【請求項２】
前記第一部材が、少なくとも約３０ミクロンの厚さを有していることを特徴とする請求項１に記載の複合ヒートスプレッダ。
【請求項３】
前記第二部材が、少なくとも２．０グラム／ｃｃの密度を有していることを特徴とする請求項１に記載の複合ヒートスプレッダ。
【請求項４】
前記第二部材が、少なくとも１２００Ｗ／ｍ＊Ｋの面内熱伝導度を有していることを特徴とする請求項３に記載の複合ヒートスプレッダ。
【請求項５】
１０００Ｗ／ｍ＊Ｋより大きな面内熱伝導度を有していることを特徴とする請求項１に記載の複合ヒートスプレッダ。
【請求項６】
少なくとも８０ミクロンの厚さを有していることを特徴とする請求項５に記載の複合ヒートスプレッダ。
【請求項７】
前記第一部材が、少なくとも４５ミクロンの厚さを有していることを特徴とする請求項６に記載の複合ヒートスプレッダ。
【請求項８】
前記第二部材が、５０ミクロン未満の厚さを有していることを特徴とする請求項７に記載の複合ヒートスプレッダ。
【請求項９】
前記第一部材の二層と、その間に挟まれた少なくとも一層の第二部材とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の複合ヒートスプレッダ。
【請求項１０】
前記第二部材の二層と、その間に挟まれた少なくとも一層の第一部材とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の複合ヒートスプレッダ。
【請求項１１】
面内熱伝導率が６００Ｗ／ｍ＊Ｋより大きく、厚さが５０ミクロンより大きな複合ヒートスプレッダの形成方法であって、少なくとも約１．４グラム／ｃｃの密度を有する膨張黒鉛の圧縮粒子からなる少なくとも一枚のシートを有する第一部材を供給する工程と、少なくとも１．８グラム／ｃｃの密度と少なくとも７００Ｗ／ｍ＊Ｋの面内熱導電率を有する合成黒鉛からなる少なくとも一枚のシートを有する第二部材を供給する工程と、接着剤を用いることなく第一部材と第二部材を接合して一枚の複合シートを形成する工程とを備えた複合ヒートスプレッダの形成方法。
【請求項１２】
カレンダー加工かバニシング加工によって前記第一部材と前記第二部材が接合されることを特徴とする請求項１１に記載の複合ヒートスプレッダの形成方法。
【請求項１３】
前記第二部材が、少なくとも２．０グラム／ｃｃの密度を有していることを特徴とする請求項１１に記載の複合ヒートスプレッダの形成方法。
【請求項１４】
前記第二部材が、少なくとも１２００Ｗ／ｍ＊Ｋの面内熱伝導度を有していることを特徴とする請求項１１に記載の複合ヒートスプレッダの形成方法。
【請求項１５】
前記複合ヒートスプレッダが、少なくとも８０ミクロンの厚さを有していることを特徴とする請求項１１に記載の複合ヒートスプレッダの形成方法。
【請求項１６】
前記第一部材が、少なくとも４５ミクロンの厚さを有していることを特徴とする請求項１５に記載の複合ヒートスプレッダの形成方法。
【請求項１７】
前記第二部材が、５０ミクロン未満の厚さを有していることを特徴とする請求項１６に記載の複合ヒートスプレッダの形成方法。
【請求項１８】
前記第一部材の二層と、その間に挟まれた少なくとも一層の第二部材とを供給するように前記第一部材と前記第二部材を接合する工程を備えていることを特徴とする請求項１１に記載の複合ヒートスプレッダの形成方法。
【請求項１９】
前記第二部材の二層と、その間に挟まれた少なくとも一層の第一部材とを供給するように前記第一部材と前記第二部材を接合する工程を備えていることを特徴とする請求項１１に記載の複合ヒートスプレッダの形成方法。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示の実施例は、少なくとも約６００Ｗ／ｍ＊Ｋの面内熱伝導度を有するヒートスプレッダに関する。幾つかの実施例において、この開示のヒートスプレッダは少なくとも５０ミクロンの厚さを有する。より具体的には、本開示は少なくとも一枚の膨張黒鉛層と少なくとも一枚の合成黒鉛層からなり、各膨張黒鉛層は膨張黒鉛の圧縮粒子からなる少なくとも一枚のシートを有し、各合成黒鉛層は熱分解黒鉛又は黒鉛化ポリイミドフィルムシートから選択された少なくとも一枚のシートを有している。好ましい実施例において、本開示のヒートスプレッダは、その厚さと面内熱伝導度が意図された特定の用途に適切なものとなるように製造することができる。
【背景技術】
【０００２】
例えば携帯電話や、時に「ネットブック」と称される小さなラップトップコンピュータや、時に「スマートフォン」と称される電子又はデジタルアシスタンスなどの、処理速度や画面解像度が向上し、（カメラなどの）装置を追加し、より高い周波数で動作する、より高機能電子デバイスの発展と共に、比較的極端に高い温度が発生するようになった。実際に、より複雑な電力要件を有する、より小さなデバイスへの要求や、発表された他の技術の進歩、例えば電子・電気コンポーネントやシステムにおけるマイクロプロセッサや集積回路、又は高出力光学デバイスのような他のデバイスの進展に伴い、温度管理はより重要になってきている。マイクロプロセッサや集積回路、ディスプレイ、カメラ（特に内臓フラッシュを有するもの）、その他の高機能電子コンポーネントは、一般的に特定の閾値温度範囲の下でのみ効率的に動作する。これらコンポーネントの動作中に発生する過度の熱は、それら自身の性能に悪影響を与えるのみならず、他のコンポーネント特に隣接するコンポーネントの性能や信頼性を低下させ、さらには全体的なシステムに影響を与え、システム障害を引き起こすことさえある。電子システムがそこで動作することが予想される、極端な高温化を含む広範囲にわたる環境条件が、これら悪影響を激化させる。
【０００３】
加えて、熱を発生させるコンポーネントの存在が、ホットスポット即ち周辺領域より高温の領域を発生させる。このことは、例えばプラズマディスプレイやＬＣＤのようなディスプレイにおいて確かに事実であって、コンポーネントや生成された画像の性質によってさえ生じる温度差が、所望の動作特性やデバイス寿命を低下させる熱ストレスを引き起こす。他の電子デバイスにおいては、ホットスポットは周囲のコンポーネントに悪影響を及ぼし、また例えばユーザーのひざの上に置かれたラップトップの下部にホットスポットがある場合や、キーボードのタッチポイントにホットスポットがある場合、又は携帯電話やスマートフォンの背面にホットスポットがある場合など、ユーザーに不快感をもたらす。これらの事情においては、デバイスが発生する熱全体が極端に高温ではないので、放熱は必要ないかもしれない。しかし、ホットスポットからの熱をデバイス内でより均等に拡散してホットスポットを低減させ又は除去するための熱拡散は、必要であると思われる。
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【０００４】
熱管理に対する要求の増加とこれらの条件によって生じる電子デバイスの消耗に伴い、熱管理は、電子プロダクトの設計において次第に重要な要素になってきている。述べたように、電子装置の性能信頼性と寿命予測値は、その装置のコンポーネント温度と反比例している。これらの問題を複雑にしているのは、デバイスごとに異なる要求があるという事実である。例えば、幾つかのデバイスは面内熱伝導度が６００Ｗ／ｍ＊Ｋのヒートスプレッダを必要とする一方で、他のデバイスは面内熱伝導度が９００Ｗ／ｍ＊Ｋのヒートスプレッダを必要とする（本開示の目的のために、面内伝導度はオングストローム（Ａｎｇｓｔｒｏｍ）テスト法又は他の既知の技術によって求められている。概して、ほとんどの技術では、誤差は±１０％未満である）。加えて、幾つかのデバイス、特にプラズマディスプレイやLCDテレビのような大きなディスプレイでは、薄い（即ち厚さ５０ミクロン未満）ヒートスプレッダが「圧倒され」て、その面内伝導度に関らずヒートスプレッダの厚さ方向に熱が通過するほどの熱が発生する。
【０００５】
大きく膨張した、特に最終厚さを有し、「ｃ」方向の寸法が当初の「ｃ」方向の寸法の８０倍以上になるほど膨張した片状黒鉛は、結合剤を用いることなく、例えば織物や紙や布切れやテープやホイルやマット等の膨張黒鉛の密着又は一体化シート（一般的には、商業的に「可撓性黒鉛」と称される）に形成することができる。一切の結合材料を用いることなく、最終厚さ又は当初の「ｃ」方向の寸法の８０倍以上になるほど膨張した「ｃ」方向の寸法を有するほど膨張した黒鉛粒子の一体化可撓性シートへの圧縮による形成は、体積の大きな膨張黒鉛粒子間で機械的連鎖又は密着によって可能であると考えられている。
【０００６】
可撓性に加えて、上述のように、高い圧縮力によってもたらされる膨張黒鉛粒子と黒鉛層の向きがシートの対向する面と略平行であることに起因して、シート材料は熱伝導性に関して高い異方性も有していることがわかっており、熱拡散用途に特に有用である。このようにして生産されたシート材料は、高い可撓性と、良好な耐久性と、高い配向性を有している。
【０００７】
膨張黒鉛シート材料は、シートの主対向平行面に平行な黒鉛粒子の配向に起因して、明らかな程度の異方性を示し、シート材料の圧縮の際に、配向性が高くなって、異方性の程度が上昇する。圧縮された異方性シート材料において、厚さ即ち対向平行シート表面と垂直方向は、「ｃ」方向と長さや幅に沿った面内方向即ち「ａ」方向からなる対向主表面と平行な方向とを備えており、このシートの熱的特性や電気的特性は、「ｃ」方向と「ａ」方向で桁違いに大きく異なる。
【０００８】
熱分解黒鉛は、異方性を示す種類の黒鉛である。その異方性の要因は、グラフェン層の平面内の共有結合の連続性である。グラフェン層間の主な結合は、共有結合よりもファンデルワールス相互作用の機能である。熱分解黒鉛と天然黒鉛とのこの点における差異は、熱分解黒鉛の微結晶寸法が、天然黒鉛のものよりすっと大きいことである。これが、熱分解黒鉛において熱がより効率的にＸ−Ｙ面内で運ばれることを可能にしている。また、より大きな微結晶寸法は、天然黒鉛より低い熱分解黒鉛の接触抵抗を意味している。一般的に、炭化水素をその熱分解温度近くまで加熱し、黒鉛を結晶化させる（熱分解）ことによって生産される。一つの方法は、合成繊維を真空中で加熱することである。他の方法は、種子又はプレートを非常に高温のガス中に置いて、黒鉛被膜を収集することである。グラフェンシートは黒鉛とは反対に平面方向に結晶化するので、熱分解黒鉛シートは、通常、雲母に似た単一のへき開面を有し、極微細なランダムに配向した領域を形成している。このため、熱分解カーボンは幾つかの異常な異方性を示すが、しかし本開示にある膨張黒鉛シートと同様の熱的異方性も示す。実際に、熱分解黒鉛シートは、全体的に、へき開面に沿って膨張黒鉛以上の熱導電性を有し、利用可能なもののうち最高の平面熱伝導体の一つである。
【０００９】
黒鉛化ポリイミドが、ここでは高い結晶化度を有する黒鉛フィルムを参照するために用いられ、芳香族ポリイミドフィルムの固体状態での炭化とそれに続く高温熱処理によって生成することができる。黒鉛化ポリイミドも、著しい熱的異方性を示す。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本開示は、面内熱伝導率が６００Ｗ／ｍ＊Ｋより大きく、一定の実施例では１０００Ｗ／ｍ＊Ｋより大きく、厚さが５０ミクロンより大きな、一定の実施例では８０ミクロンより大きな複合ヒートスプレッダに関する。特定の実施例において、複合ヒートスプレッダは、少なくとも約１．４グラム／ｃｃの密度を有する膨張黒鉛の圧縮粒子からなる少なくとも一枚のシートを有する第一部材と、少なくとも１．８グラム／ｃｃの密度と少なくとも７００Ｗ／ｍ＊Ｋの面内熱導電率を有する合成黒鉛からなる少なくとも一枚のシートを有する第二部材とを備え、第一部材と第二部材が、接着剤を用いることなく一枚の複合シートを形成する。幾つかの実施例において、第一部材は少なくとも約３０ミクロンの厚さを有し、他の実施例においては、第一部材は少なくとも４５ミクロンの厚さを有する。また別の実施例において、第二部材は少なくとも２．０グラム／ｃｃの密度を有する。第二部材は少なくとも１２００Ｗ／ｍ＊Ｋの面内熱伝導度を有することができる。
【００１１】
一定の実施例において、複合ヒートスプレッダは、少なくとも一層の第二部材をサンドイッチした第一部材の二層を備えている。他の実施例において、本開示の複合ヒートスプレッダは、少なくとも一層の第一部材をサンドイッチした第二部材の二層を備えている。
【００１２】
本開示は、面内熱伝導率が６００Ｗ／ｍ＊Ｋより大きく、厚さが３０ミクロンより大きな複合ヒートスプレッダを形成するための方法を含んでおり、この方法は、少なくとも約１．４グラム／ｃｃの密度を有する膨張黒鉛の圧縮粒子からなる少なくとも一枚のシートを有する第一部材を供給し、少なくとも１．８グラム／ｃｃの密度と少なくとも７００Ｗ／ｍ＊Ｋの面内熱導電率を有する合成黒鉛からなる少なくとも一枚のシートを有する第二部材を供給し、接着剤を用いることなく第一部材と第二部材を接合して一枚の複合シートを形成する工程を含んでいる。第一部材と第二部材は、カレンダー加工及び／又はバニシング加工によって接合することができる。第一部材と第二部材を共に圧縮するための他の技術も適切である。
【００１３】
幾つかの実施例において、第二部材は少なくとも２．０グラム／ｃｃの密度を有し、及び／又は、第二部材は少なくとも１２００W／ｍ＊Kの面内熱伝導度を有する。
【００１４】
前述の考案の概要と以下の発明の詳細な説明は、本発明の実施例を提供するものであり、請求項に記載された本発明の性質と特徴を理解するための概観又は構成を提供することを意図したものであることを理解すべきである。添付図面は、本発明をさらに理解するために提供され、本明細書の一部を構成するものとして組み込まれる。図面は、本発明の様々な実施例を示し、明細書と共に用いることで本発明の原理と作用を説明するのに役立つ。本発明の他の追加の特徴や長所は、添付図面と共に以下の開示を読むことで当業者には容易に明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】説明のために第一部材と第二部材を互いから剥がして示した本発明に係る複合ヒートスプレッダの実施例の斜視図である。
【図２】本発明に係る複合ヒートスプレッダの他の実施例の斜視図である。
【図３】本発明に係る複合ヒートスプレッダの追加の実施例の斜視図である。
【図４】追加の第二部材を有する本発明に係る複合ヒートスプレッダの実施例の斜視図である。
【図５】硬化層を有する本発明に係る複合ヒートスプレッダの実施例の斜視図である。
【図６】本発明に係る複合ヒートスプレッダの追加の実施例の斜視図である。
【図７】本発明に係る複合ヒートスプレッダを形成するための装置の実施例の概略図である。
【考案を実施するための形態】
【００１６】
膨張黒鉛シート
膨張黒鉛シートは、時には膨張黒鉛の圧縮粒子のシートと称される。黒鉛は、平坦な層状平面内で共有結合した原子からなり、面間はより弱い結合を有するカーボンの結晶形状である。例えば天然片状黒鉛のような黒鉛粒子を例えば硫酸と硝酸の溶液で処理することで、黒鉛の結晶構造は反応して黒鉛と異種挿入原子の化合物を形成する。この処理された黒鉛粒子を、以下では「異種原子挿入黒鉛粒子」と称す。高温に晒すと、この黒鉛内の挿入異種原子は分解し蒸発して、異種原子挿入黒鉛は、「ｃ」方向に、即ち黒鉛の結晶面と垂直な方向に、アコーディオン状に元の体積の８０倍以上の寸法に膨張する。膨張黒鉛粒子は、外観上、蠕虫状をしており、一般的に蠕虫と称される。この蠕虫は、圧縮されて元の片状黒鉛とは似ていない可撓性シートになり、種々の形状に成形、切断される。
【００１７】
出発材料の結晶構造が所要程度の黒鉛化を維持し、膨張可能である限りにおいて、本発明の膨張黒鉛シートを提供するために用いられる黒鉛出発材料は、非黒鉛成分を含んでいる。一般的に、所要程度の黒鉛化ができ、膨張可能な結晶構造を有するあらゆるカーボン含有材料が、本発明で用いるのに適している。このような黒鉛は、好ましくは少なくとも約８０重量パーセントの純度を有している。より好ましくは、本発明のヒートスプレッダで用いられる黒鉛は、少なくとも約９４パーセントの純度を有する。最も好ましい実施例において、採用される黒鉛は少なくとも約９８パーセントの純度を有する。
【００１８】
例えば黒鉛シートや黒鉛ホイルのような圧縮膨張黒鉛材料は、コヒーレントであって良好な取り扱い強度を有し、例えばロールプレスによって約０．０５ｍｍから３．７５ｍｍの厚さと約０．４から２．０グラム／ｃｃ又はそれ以上の代表的な密度を有するように圧縮されるのに適している。実際に、「シート」と見なされるためには、黒鉛は少なくとも約０．６グラム／ｃｃの密度を有することが必要で、本発明で要求される可撓性を有するためには、少なくとも約１．１グラム／ｃｃ、より好ましくは少なくとも約１．６グラム／ｃｃの密度を有することが必要である。ここで用いられる「シート」という用語には、個別シートとは対照的な連続したロール材料も含まれる。
【００１９】
必要に応じて、膨張黒鉛の圧縮粒子のシートを樹脂で処理することができ、吸収された樹脂は、硬化後黒鉛シートの構造を「固定化する」のと同様に、黒鉛シートの耐湿性と取り扱い強度、即ち剛性を向上させる。適切な樹脂の含有量は、好ましくは少なくとも約５重量％、より好ましくは約１０から３５重量％で、最大約６０重量％である。本発明の実施において特に有用であると判った樹脂は、アクリル、エポキシ、そしてフェノールをベースにした樹脂系、フッ素ベースのポリマー、又はそれらの混合物である。適切なエポキシ樹脂系は、ビスフェノールAジグリシジルエーテル（ＤＧＥＢＡ）をベースにしたものと、他の多機能樹脂系を有しており、利用可能なフェノール樹脂は、レゾール樹脂とノボラック型フェノール樹脂を含んでいる。オプションで、可撓性黒鉛は、樹脂に加えて、又は樹脂の代わりに、繊維及び／又は塩を浸み込ませることもできる。さらに、反応性又は非反応性添加剤を樹脂系と共に用いて、特性（例えば接着力、流動性、疎水性など）を変更することもできる。
【００２０】
ここでの開示に従ったヒートスプレッダを採用した場合、膨張黒鉛の圧縮粒子からなるシートは、少なくとも約０．６グラム／ｃｃ、より好ましくは少なくとも約１．１グラム／ｃｃ、最も好ましくは少なくとも約１．６グラム／ｃｃの密度を有している。実用的な見地から、黒鉛シートヒートスプレッダの密度の上限は約２．０グラム／ｃｃである。このシートは、厚さ約１０ｍｍ未満、より好ましくは約２ｍｍ未満、最も好ましくは約０．５ｍｍ未満の厚さが必要である。特定の実施例において、本発明で用いられる第一部材を形成するための膨張黒鉛シートは、厚さが少なくとも３０ミクロンか、さらに少なくとも４５ミクロンである。第一部材の各シートを供給するために１枚以上のシートが採用される場合、シートの総厚さは好ましくは少なくとも３０ミクロン必要で、又は幾つかの実施例において、少なくとも４５ミクロンである。膨張黒鉛シートは、少なくとも２００Ｗ／ｍ＊Ｋの面内熱伝導度を有し、幾つかの実施例において、膨張黒鉛シートは、少なくとも４００Ｗ／ｍ＊Ｋ又はさらに５００Ｗ／ｍ＊Ｋの面内熱伝導度を有している。第一部材を形成するために用いるのに適した黒鉛シートの一つは、米国オハイオ州パーマのグラフテック・インターナショナル・ホールディングス社が販売するｅＧＲＡＦという材料が商業的に利用可能である。
【００２１】
合成黒鉛
本開示で用いているように、「合成黒鉛」という用語は、面内熱伝導度が少なくとも約７００Ｗ／ｍ＊Ｋ、又は約１５００Ｗ／ｍ＊Ｋ程度、又はさらに２０００Ｗ／ｍ＊Ｋ又はそれ以上である黒鉛材料を称している。このような材料の代表的なものとしては、熱分解黒鉛と黒鉛化ポリイミドフィルムと称される黒鉛材料がある。
【００２２】
熱分解黒鉛と黒鉛化ポリイミドフィルムは、上述のように現在まで比較的高い熱伝導度を有することが示されてきたが、特に商業的規模において、１００ミクロンより大きな厚さを有するフィルムを生産することは不可能であった。さらに、表面積が約３００平方ミリメートルのフィルムが、熱分解黒鉛と黒鉛化ポリイミドフィルムには商業的に最大寸法であると思われた。シートは互いに積層することで、厚さを増し、表面積さえ増すことができるが、特に接着剤の使用が必要な積層工程が、熱特性を妨害する。このように、合成黒鉛材料の実用的な使用は、特に高い熱容量が必要な高温環境下で制限されている。
【００２３】
熱分解黒鉛
「熱分解黒鉛」とは、一定のポリマーを熱処理することで形成される黒鉛材料を意味し、例えば米国特許第３，３１７，３３８号と第４，０５４，７０８に教示されており、参照のためにここに組み入れられる。幾つかの実施例において、熱分解黒鉛とは気相炭化プロセスによって生産されたカーボン材料を指す。カーボンの気相堆積は、炭化水素の気相中での熱分解によって、基板表面への炭化水素の接触から、基板表面に堆積する。脱水素化と炭化水素の重合によって生産された大きな芳香族分子が、高温基板表面に衝突して、堆積される。水素が、原材料としてのプロパンと共に、キャリアガスとしてしばしば用いられ、プロパン濃度は、選択した温度と圧力条件に依存する。反応の特定条件は、煤煙が発生せず、堆積が生じるように選択され、一般的に炭化水素ガスは可能な限り低温に保たれることで、ガスが基板と接触した時に炭化が完結するようになっている。
【００２４】
熱分解黒鉛の特性に影響する因子は、実質上基板の堆積表面に平行に配向した結晶面としての基板材料の選択である。このようにして、高い異方性の特定の特性は、熱分解黒鉛結晶の直線配向によって得られる。物理的特性の中で、結晶の配向によって大きく影響を受ける電気抵抗率、熱伝導度、そして熱膨張係数は、堆積温度にも著しく依存している。
【００２５】
異なる密度のものが得られるのは、堆積温度と堆積率の両方の相乗効果の結果である。熱分解黒鉛を構成する結晶は、熱処理によってより規則的に配向し、結晶の寸法は温度に比例して大きくなる。このように、理想的な黒鉛の結晶配向は、後続の熱処理によって近づけられる。具体的には、単結晶黒鉛の結晶配向に近づける有用性は、高温での熱処理によって得られる。
【００２６】
黒鉛化ポリイミドフィルム
黒鉛化ポリイミドフィルムは、例えば米国特許第５，０９１，０２５号に教示されているように、高分子材料から得ることができ、この開示は参照のためにここに組み入れられる。具体的には、高い結晶化度を有する黒鉛フィルムは、芳香族ポリイミドフィルムの固体状態での炭化と、その後の高温熱処理によって生成される。この黒鉛フィルムの生産方法は、著しい収縮が生じているのに、フィルムが形状の変化なく炭化され、またカーボンフィルムが不活性雰囲気中での後続の熱処理によって黒鉛に転換されるという事実によって注目を集めている。
【００２７】
フィルム特性を特定用途に合致させるために、異なる分子構造を有する様々なポリイミドフィルムが生産されてきた。この事実が、結果として得られる黒鉛フィルムの品質に異なる特性を持たせることを可能にし、黒鉛化技術と組み合わされたポリイミドフィルムの組成が、結果として得られる黒鉛の特性を制御する。
【００２８】
黒鉛化ポリイミドの生産において、ポリイミドフィルムのようなフィルムは、炭化工程での後続の収縮を予測して、最初に切断加工される。炭化の間、フィルムの実質的な収縮を伴って、大量の一酸化炭素がフィルムから放出される（しばしば３０％より大きな収縮が観測される）。
【００２９】
炭化は２段階工程として行われ、第一工程は第二工程より実質的に低温である。ポリイミドフィルムを炭化する第一工程において、フィルムは少なくとも約６００℃から最大約１８００℃の温度に、少なくとも２時間から最大約７時間さらされる。
【００３０】
黒鉛化プロセスは、高温処理（即ち少なくとも２０００℃で最大３２００℃）を含み、熱処理の温度によって炭素原子の異なる配列が生じる。具体的には、選択したフィルムに依存して、一定の温度での黒鉛化の後、細孔が積層カーボン層の間に存在する。例えば、２４５０℃で黒鉛化工程の後で、平坦化された細孔がカーボン層間に配向するが、ポリイミドフィルムはまだ乱層構造である。逆に、２５００℃で、同じフィルムの細孔は破壊され、黒鉛フィルムは実質的に完全なカーボン層を備える。このような黒鉛化ポリイミドフィルムとしては、グラフテック・インターナショナル・ホールディングス社のＳＳ１５００ヒートスプレッダの他に、パナソニック社のＰＧＳグラファイトがある。
【００３１】
考案を実施する最良の形態
本発明の複合ヒートスプレッダは、６００Ｗ／ｍ＊Ｋより大きな面内熱伝導率と、５０ミクロンより大きな厚さを有している。一定の実施例において、複合ヒートスプレッダは、少なくとも約１．４グラム／ｃｃの密度を有する膨張黒鉛の圧縮粒子からなる少なくとも一枚のシートを有する第一部材を備えている。第一部材は、膨張黒鉛の圧縮粒子からなる複数のシートを備えることができ、第一部材の総厚さは、少なくとも３０ミクロン、さらには少なくとも４５ミクロンである。第一部材の厚さの上限は、最終用途と複合ヒートスプレッダの所望の最終厚さに依存するが、一般的に１２５ミクロン以下である。
【００３２】
複合ヒートスプレッダは、また少なくとも１．８グラム／ｃｃの密度と少なくとも７００Ｗ／ｍ＊Ｋの面内熱導電率を有する合成黒鉛からなる少なくとも一枚のシートを有する第二部材を備えている。幾つかの実施例において、合成黒鉛は複数の層を備え、個々の層は互いに同じか又は異なっている。一定の実施例において、合成黒鉛は熱分解黒鉛又は黒鉛化ポリイミドフィルム又は両方の組み合わせである（第二部材は、複数の層からなる）。
【００３３】
一つの実施例において、第二部材の面内熱伝導度は少なくとも１２００Ｗ／ｍ＊Ｋであり、第二部材の面内熱伝導度の実用的な（技術的な、ではない）上限は１８００Ｗ／ｍ＊Ｋである。第二部材の密度は、少なくとも２．０グラム／ｃｃ、さらには２．２グラム／ｃｃ又はそれ以上である。上で述べたように、ここで用いられる合成黒鉛材料は、最大約１００ミクロンの厚さにすることができるが、一つの実施例において、本発明の実用的に採用される厚さは、最大約５０ミクロンである。このような実施例は、寸法的安定性と可撓性を示す。
【００３４】
第一部材と第二部材は、互いに接合して本発明の複合ヒートスプレッダを形成し、第一部材の主表面は、第二部材の主表面に当接する。一定の好ましい実施例において、第一部材と第二部材は接着剤を用いずに接合して複合シートを形成する。このようにして、２つの部材間の接合部の熱抵抗が最小化される。ほとんどの接着剤は、第一部材又は第二部材より低い熱伝導度を有し、二つの接合部（即ち第一部材／接着剤間と第二部材／接着剤間）を形成するので、接着剤や他の材料を接合に用いた場合、二つの部材間の熱移動が減じられる。
【００３５】
一定の実施例において、第一部材と第二部材はカレンダー加工又はバニシング加工によって互いに接合して、複合ヒートスプレッダを形成する。カレンダー加工において、二つの部材が供給された後、カレンダーステーションを通過し、そこで一つ以上の圧力ローラーに押圧されて、複合ヒートスプレッダを形成する。バニシング加工においては、二つの部材が供給された後、光沢仕上げされる、つまり回転圧力が部材に加えられて、二つの部材が結合する。
【００３６】
第一部材と第二部材は、複合ヒートスプレッダの熱伝導度を「設計する」ような方法で互いに組み合わせられることができる。つまり、二つの異なる材料が用いられているので、様々な異なる方法で組み合わせられて、個々の材料の面内熱伝導度の間の所望の面内伝導度を有する複合ヒートスプレッダが供給される。これは、複合ヒートスプレッダを最終的な用途（例えば特定の電子デバイスへの配置）に特定して設けることを可能にしている。
【００３７】
これを達成する一つの方法は、異なる用途のために異なる配置で第一部材と第二部材を組み合わせることである。上で述べたように、膨張黒鉛シートで形成された第一部材は、合成黒鉛で形成された第二部材より面内熱伝導度が低い。第一部材の厚さは、第二部材より大きな熱容量、つまり材料内を熱が伝送する能力を提供する。このように、大きなディスプレイパネルのような高温環境下で、熱はヒートスプレッダを「圧倒」せず、熱は実質的な広がり無しに単に厚さ方向を通過する。同様に、第二部材はより高い面内熱伝導度を提供し、より効率的な拡散が達成される。
【００３８】
このように、第一部材と第二部材は、個別では不可能な複合ヒートスプレッダの所望の特性を提供できるように組み合わせることができる。例えば、一つの実施例において、第一部材の２層が少なくとも一層の第二部材を間に挟むような形で、第一部材と第二部材を接合できる。別の実施例において、第二部材の２層が少なくとも一層の第一部材を間に挟むような形で、第一部材と第二部材を接合できる。異なる実施例において、第一部材と第二部材の異なる組み合わせによって、所望の厚さ（そして熱容量）や面内熱伝導度を得ることができることは、当業者には理解できるでしょう。
【００３９】
次に、類似の部材は類似の参照番号が付された図面を参照して、図１は、本発明の複合ヒートスプレッダの実施例を示している。図１において、複合ヒートスプレッダ１０が示されており、複合ヒートスプレッダ１０は、第一主表面２０ａと第二主表面２０ｂを有する膨張黒鉛の圧縮粒子シートで形成された第一部材２０と、第一主表面３０ａと第二主表面３０ｂを有する合成黒鉛シートで形成された第二部材３０を備えている。図示のように、複合ヒートスプレッダ１０は可撓性を有し、第一部材２０の主表面２０ａと第二部材３０の主表面３０ａを接合して形成されている（図１では、複合ヒートスプレッダ１０のコーナーで第一部材２０と第二部材３０が剥がれている様子が示されているが、これは説明目的でなされたものであり、ほとんどの実施例において、複合ヒートスプレッダに剥がれた部分がないことは、当業者には理解できるでしょう）。
【００４０】
一つの特定の実施例において、第一部材２０は例えば米国オハイオ州パーマのグラフテック・インターナショナル・ホールディングス社が販売するｅＧｒａｆ（商標登録）という６００Ｗ／ｍ＊Ｋ以下の熱伝導度、より好ましくは約１４０Ｗ／ｍ＊Ｋから６００Ｗ／ｍ＊Ｋまでの熱伝導度を有する材料のような膨張黒鉛の圧縮粒子からなる一枚のシートを備えている。この実施例において、第二部材３０は合成黒鉛からなる。このような合成黒鉛シートは、少なくとも７００Ｗ／ｍ＊Ｋから２０００Ｗ／ｍ＊Ｋまでの範囲の熱伝導度を有する。
【００４１】
図２に異なる実施例の複合ヒートスプレッダ１００を示す。複合ヒートスプレッダ１００は、膨張黒鉛の圧縮粒子からなる１枚のシートで形成された第一部材２０を備えている。しかし、この実施例において、膨張黒鉛の圧縮粒子シートは、一枚の連続したシートとして形成されているが、合成黒鉛材料の表面積は、現在商業的に３００平方ミリメートルに制限されているので、複合ヒートスプレッダ１００は、複数の第二部材３０’、３０’’、３０’’’、３０’’’’を備えている。これは、第一部材２０の表面積が第二部材３０を形成する合成黒鉛シートより大きいからである。このように、複合ヒートスプレッダ１００は、個々の第二部材３０’、３０’’、３０’’’、３０’’’’を形成するために用いられる合成黒鉛シートより大きな表面積を有することができる。これは、例えばより大きなディスプレイパネルのような所望のより大きなヒートスプレッダ用途に有用である。
【００４２】
好ましい実施例において、上述のように第一部材２０は膨張黒鉛の圧縮粒子で形成され、このような黒鉛材料は、整合性（ｃｏｎｆｏｒｍａｂｌｅ）を有することができる、つまり非平面的な配置で用いられる用途で利用することができる。別の言い方をすれば、第一部材２０は、同時にｘ、ｙ、ｚ方向に整合し、その配置を維持するような材料である。
【００４３】
図３ａと３ｂに示す別の実施例において、第一部材２０と第二部材３０の一つ又は両方が、例えばこぶ（即ち図３ａ）や穿孔（即ち図３ｂ）又はそれらの組み合わせ（図示せず）のような不規則表面を備えている。図３ａ，３ｂでは、第一部材２０上に不規則表面が示されているが、第二部材３０上にあってもよい。特定の実施例において、第一部材２０と第二部材３０のいずれか一つにのみこのような不規則表面が存在する。一定の実施例において、不規則表面は、複合ヒートスプレッダ１０に、不規則表面の無い場合に較べて、厚さ方向熱伝導度の増加及び／又は電気伝導度の増加をもたらす。
【００４４】
次に図４を参照して、一定の実施例において、複合ヒートスプレッダ１０は、2枚の第二部材３０を備えることができて、第一部材２０は一対の第二部材３０に挟まれている。同様に、他の実施例において、複合ヒートスプレッダ１０は、2枚の第一部材２０を備えることができて、第二部材３０は一対の第一部材２０に挟まれている（図示せず）。このように、本発明の複合ヒートスプレッダの特性と特徴は、各部材の特定の特性、例えば厚さや密度や熱伝導度等を変化させることと同様に、第一部材２０と第二部材３０の特定の配置を変化させることによって、変更することができる。
【００４５】
図５は、第二部材３０又は第一部材２０（図示せず）に当接した、例えば金属ホイル等からなる第三部材４０が複合ヒートスプレッダ１０に設けられた実施例を示す。第三部材は剛直な層にして、複合ヒートスプレッダを特定の形状で維持することができ、又は他の所望の特性を複合ヒートスプレッダ１０に提供することができる。第三部材４０は、アルミニウムや銅のような金属又はセラミック又は他の所望の材料で構成することができる。
【００４６】
図６ａから６ｄに、本発明の複合ヒートスプレッダ１０の追加の実施例を示す。これらの実施例において、第一部材２０と第二部材３０は同一の広がりを持たない。むしろ、図６ａの第二部材３０や図６ｂの第二部材３０ａ、３０ｂや図６ｃの第二部材３０ｃと３０ｄや図６ｄの第二部材３０ｅ、３０ｆ、３０ｇ、３０ｈのように、第一部材２０の一部分に接触するように設けられている。このような配置や他の配置は、複合ヒートスプレッダ１０の特性や特徴に、さらに多様性を提供することは、当業者には自明でしょう。さらに、第一部材２０に可撓性を付与することで、より可撓性と可鍛性を有する複合ヒートスプレッダ１０を生産することができる。逆に、他の実施例において、同じような方法で、第一部材２０が第二部材３０の一部分にのみ接触するように設けることもできる（図示せず）。
【００４７】
図７ａと７ｂに、本発明の複合ヒートスプレッダ１０を製造する装置を示す。ここで、膨張黒鉛の圧縮粒子の連続したシートが、膨張黒鉛の圧縮粒子のロールから供給されており、同様に、合成黒鉛のシート３２’、３２’’、３２’’’、３２’’’’が合成黒鉛ソース３４から供給されている。個々の合成黒鉛のシート３２’、３２’’、３２’’’、３２’’’’は、棒直黒鉛の圧縮粒子の連続したシート２２にカレンダーステーション（図７ａの５０）で、又はバニシングステーション（図７ｂの５２）で接着剤を用いることなく接合されて、複合ヒートスプレッダ１０を形成する。
【００４８】
複合ヒートスプレッダの連続したロール（例えば図２の複合ヒートスプレッダ１００）の生産は、それぞれ非連続な方法で生産された合成黒鉛の個別シートを図７ａ、７ｂのソース３４から膨張黒鉛の圧縮粒子の連続したシート２２に連続的に供給して、カレンダーステーション５０又はバニシングステーション５２で接合することによって、連続した複合ヒートスプレッダ１０として得られる。
【００４９】
以下の例は、本発明の種々の実施例を説明するものである。本発明の範囲内の他の実施例は、明細書を考慮するかここに開示された発明を実施することで当業者には明らかでしょう。請求項に示されることによって開示された範囲と精神内で、明細書と付属する図面は、例示的に示すことのみを目的として意図したものである。実施例において、すべてのパーセンテージは特に別に示したものでない限り、重量パーセントのことである。
【００５０】
実施例
本発明に係る複合ヒートスプレッダは、添付テーブルにＥＧで示された膨張黒鉛の圧縮粒子の個別シートと、添付テーブルにＳＧで示された合成黒鉛の個別シートを用いて調整された。複合ヒートスプレッダの特性と同様に、ＥＧとＳＧの個別シートの特性も示されている。個別部材と生産された複合ヒートスプレッダの密度（密度測定のために比重瓶を用いた）と厚さ（厚さ測定のためにＳｔａｒｒｅｔ  Ｔｅｓｔｅｒ  Ｄｉａｌｏｍｅｔｅｒが用いられた）をテーブル１（表１）に示す。
【００５１】
【表１】
0003186199.tif 000003
【００５２】
個別部材と生産された複合ヒートスプレッダの熱伝導度（Ｋ）をテーブル２（表２）に示す（Ｋを求めるためにＡｎｇｓｔｒｏｍテスト法が用いられた）。
【００５３】
【表２】
0003186199.tif 000004
【００５４】
このように、図示したように本発明の複合ヒートスプレッダは、異なる厚さと面内熱伝導度を有するものとして生産できる。
【００５５】
限定することなく、この明細書で引用したすべての引用文献、すべての論文、出版物、特許文献、特許出願、レポート、原稿、パンフレット、本、インターネットポスティング、雑誌記事、定期刊行物等は、参照のために本明細書に組み入れられる。ここでの引用文献の議論は、単にそれらの著者の主張を要約することを意図したものであり、先行技術を構成する引例として了解したものではない。本出願人は、引用文献の正確性と適切性に挑戦する権利を保持する。
【００５６】
特定の用語や装置や方法を用いて本発明の好ましい実施例を記載したが、これらの記載は、説明のみを目的としている。用いられた単語は、限定のためというよりむしろ説明のためである。本発明の精神又は範囲内から逸脱することなく、当業者は種々の変形、変更ができることを理解すべきである、また、種々の実施例の要素は、全体的にも部分的にも相互に交換できることを理解すべきである。従って、添付の請求項の精神と範囲は、そこに含まれる好ましい解釈の記載を限定するものではない。
【図１】
0003186199.tif 000005
【図２】
0003186199.tif 000006
【図３ａ】
0003186199.tif 000007
【図３ｂ】
0003186199.tif 000008
【図４】
0003186199.tif 000009
【図５】
0003186199.tif 000010
【図６ａ】
0003186199.tif 000011
【図６ｂ】
0003186199.tif 000012
【図６ｃ】
0003186199.tif 000013
【図６ｄ】
0003186199.tif 000014
【図７ａ】
0003186199.tif 000015
【図７ｂ】
0003186199.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】平成25年5月1日(2013.5.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】実用新案登録請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
面内熱伝導率が６００Ｗ／ｍ＊Ｋより大きく、厚さが５０μｍより大きな複合ヒートスプレッダであって、少なくとも１．４ｇ／ｃｃ（１４００ｋｇ／ｍ3）の密度を有する膨張黒鉛の圧縮粒子からなる少なくとも一枚のシートを有する第一部材と、少なくとも１．８ｇ／ｃｃの密度と少なくとも７００Ｗ／ｍ＊Ｋの面内熱導電率を有する合成黒鉛からなる少なくとも一枚のシートを有する第二部材とを備え、前記第一部材と前記第二部材が、接着剤を用いることなく接合して一枚の複合シートを形成することを特徴とする複合ヒートスプレッダ。
【請求項２】
前記第一部材が、少なくとも３０μｍの厚さを有していることを特徴とする請求項１に記載の複合ヒートスプレッダ。
【請求項３】
前記第二部材が、少なくとも２．０ｇ／ｃｃの密度を有していることを特徴とする請求項１に記載の複合ヒートスプレッダ。
【請求項４】
前記第二部材が、少なくとも１２００Ｗ／ｍ＊Ｋの面内熱伝導度を有していることを特徴とする請求項３に記載の複合ヒートスプレッダ。
【請求項５】
１０００Ｗ／ｍ＊Ｋより大きな面内熱伝導度を有していることを特徴とする請求項１に記載の複合ヒートスプレッダ。
【請求項６】
少なくとも８０μｍの厚さを有していることを特徴とする請求項５に記載の複合ヒートスプレッダ。
【請求項７】
前記第一部材が、少なくとも４５μｍの厚さを有していることを特徴とする請求項６に記載の複合ヒートスプレッダ。
【請求項８】
前記第二部材が、５０μｍ未満の厚さを有していることを特徴とする請求項７に記載の複合ヒートスプレッダ。
【請求項９】
前記第一部材の二層と、その間に挟まれた少なくとも一層の第二部材とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の複合ヒートスプレッダ。
【請求項１０】
前記第二部材の二層と、その間に挟まれた少なくとも一層の第一部材とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の複合ヒートスプレッダ。