(57)【要約】【課題】発熱体からの熱の拡散用途において、より好適に使用可能な熱拡散シート及びその製造方法を提供する。【解決手段】熱拡散シート１１は、熱伝導層１２と、熱伝導層１２の表面上に設けられる熱拡散層１３と、熱拡散層１３の表面上に設けられる断熱層１４とを備えている。熱伝導層１２は、有機系高分子と、熱伝導性充填材とを含有する組成物から形成される。熱拡散層は金属材料から形成される。断熱層１４は、電気絶縁性を有する材料から形成される。熱拡散シート１１は、熱拡散層１３の表面上に断熱層１４を設ける工程と、熱硬化性を有する液状の有機系高分子および熱伝導性充填材の混合によって組成物を調製する工程と、熱拡散層１３において、断熱層１４が設けられた表面に対向する表面上に前記組成物を塗布した後、該組成物を加熱して有機系高分子を硬化させることにより熱伝導層１２を形成する工程と経て製造される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機系高分子と、熱伝導性充填材とを含有する組成物から形成される熱伝導層と、
前記熱伝導層の表面上に設けられ、金属材料から形成される熱拡散層と、
前記熱拡散層の表面上に設けられ、電気絶縁性を有する材料から形成される断熱層とを備えたことを特徴とする熱拡散シート。
【請求項２】
前記金属材料が銅又はアルミニウムである請求項１に記載の熱拡散シート。
【請求項３】
前記電気絶縁性を有する材料がポリエチレンテレフタレート又はポリプロピレンである請求項１又は請求項２に記載の熱拡散シート。
【請求項４】
熱硬化性を有する有機系高分子と、熱伝導性充填材とを含有する組成物から形成される熱伝導層と、該熱伝導層の表面上に設けられ、金属材料から形成される熱拡散層と、該熱拡散層の表面上に設けられ、電気絶縁性を有する材料から形成される断熱層とを備えた熱拡散シートの製造方法であって、
前記熱拡散層の表面上に断熱層を設ける工程と、
前記熱硬化性を有する液状の有機系高分子および熱伝導性充填材の混合によって前記組成物を調製する工程と、
前記熱拡散層において、断熱層が設けられた表面に対向する表面上に前記組成物を塗布した後、該組成物を加熱して有機系高分子を硬化させることにより熱伝導層を形成する工程とを備えることを特徴とする熱拡散シートの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発熱体である電子部品、例えば中央処理装置（ＣＰＵ）又は集積回路（ＩＣ）から発生した熱の拡散に用いられる熱拡散シート及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、発熱体である電子部品、例えばＣＰＵ又はＩＣからの熱を拡散させるために熱伝導性シートが用いられている。この熱伝導性シートは、例えば電子部品とヒートシンク又は筐体との間に挟持され、電子部品からの熱をヒートシンク又は筐体に拡散させる。また、熱伝導性シートは、例えば筐体から離間した状態で電子部品上に設置され、該電子部品からの熱を拡散させる。熱伝導性シートとしては、例えば特許文献１〜３に開示されたものが挙げられる。
【０００３】
また、熱伝導性シートとしてグラファイトシートが挙げられる。グラファイトシートの表面と平行な方向、即ち面内方向における熱伝導率は通常、２４０〜４００Ｗ／ｍ・Ｋ程度であり、グラファイトシートの厚さ方向における熱伝導率に比べて高い。そのため、グラファイトシートは、面内方向に沿って優れた熱伝導性を有している。しかしながら、グラファイトシートは強度が低いことから脆く、また導電性を有している。そのため、電子機器内でグラファイトシートが破損したときには、グラファイトシートの破片が飛散して電子機器に障害を与えるおそれがあった。
【特許文献１】特許第３４３５０９７号公報
【特許文献２】特許第３５０４８８２号公報
【特許文献３】特許第３７１２９４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、このような従来技術に存在する問題点に着目してなされたものである。その目的とするところは、発熱体からの熱の拡散用途において、より好適に使用可能な熱拡散シート及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、有機系高分子と、熱伝導性充填材とを含有する組成物から形成される熱伝導層と、前記熱伝導層の表面上に設けられ、金属材料から形成される熱拡散層と、前記熱拡散層の表面上に設けられ、電気絶縁性を有する材料から形成される断熱層とを備えた熱拡散シートを提供する。
【０００６】
請求項２に記載の発明は、前記金属材料が銅又はアルミニウムである請求項１に記載の熱拡散シートを提供する。
請求項３に記載の発明は、前記電気絶縁性を有する材料がポリエチレンテレフタレート又はポリプロピレンである請求項１又は請求項２に記載の熱拡散シートを提供する。
【０００７】
請求項４に記載の発明は、熱硬化性を有する有機系高分子と、熱伝導性充填材とを含有する組成物から形成される熱伝導層と、該熱伝導層の表面上に設けられ、金属材料から形成される熱拡散層と、該熱拡散層の表面上に設けられ、電気絶縁性を有する材料から形成される断熱層とを備えた熱拡散シートの製造方法であって、前記熱拡散層の表面上に断熱層を設ける工程と、前記熱硬化性を有する液状の有機系高分子および熱伝導性充填材の混合によって前記組成物を調製する工程と、前記熱拡散層において、断熱層が設けられた表面に対向する表面上に前記組成物を塗布した後、該組成物を加熱して有機系高分子を硬化させることにより熱伝導層を形成する工程とを備える熱拡散シートの製造方法を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、発熱体からの熱の拡散用途において、より好適に使用可能な熱拡散シート及びその製造方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明を熱拡散シートに具体化した実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１に示すように、本実施形態に係る熱拡散シート１１は、熱伝導層１２と、該熱伝導層１２の表面上に積層される熱拡散層１３と、該熱拡散層１３の表面上に積層される断熱層１４とを備えている。熱拡散シート１１は、例えば電子機器内において発熱体である電子部品上に設置され、該電子部品から発生した熱を拡散することにより電子部品内及びその近傍での熱の蓄積を防止する。
【００１０】
熱伝導層１２は発熱体から熱拡散層１３へ熱を伝導させる。熱伝導層１２は、有機系高分子と、熱伝導性充填材とを含有する組成物から形成されている。熱伝導層１２は、有機系高分子の性質に起因して、熱拡散シート１１が発熱体上に設置される際に発熱体に密着して接触熱抵抗値を低下させる。
【００１１】
有機系高分子としては、熱伝導層１２がゴム状弾性体であったり、熱伝導層１２がゲル状又はグリース状を有したりするものが好ましい。この場合、熱伝導層１２は発熱体と隙間を形成することなく密着することができ、接触熱抵抗値を大幅に低下させることができる。また、熱拡散シート１１の製造の際に熱伝導層１２の形成が容易であることから、有機系高分子としては熱硬化性を有しているものが好ましい。熱硬化性を有する有機系高分子としては、例えばシリコーン系、ウレタン系、オレフィン系等の樹脂、及びゴムが挙げられる。熱硬化性を有する有機系高分子の性状としては、例えばゲルが挙げられる。
【００１２】
熱伝導性充填材の材質としては、例えば金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、及び金属水酸化物が挙げられ、具体的には、例えば酸化アルミニウム、窒化ホウ素、炭化ケイ素、及び水酸化アルミニウムが挙げられる。熱伝導性充填材の形状は特に限定されず、粉末状でもよいし、粒子状でもよいし、繊維状でもよい。
【００１３】
熱伝導層１２の厚さは１００μｍ以下が好ましく、９０μｍ以下がより好ましい。熱伝導層１２の厚さが１００μｍを超えると、熱伝導層１２が過剰に厚いことから熱伝導層１２の熱抵抗値が高くなるおそれがある。熱伝導層１２の厚さの下限は特に限定されない。熱伝導層１２は、熱拡散層１３の全体にわたって形成されている。
【００１４】
熱拡散層１３は、発熱体から熱伝導層１２を介して伝導された熱を拡散させる。熱拡散層１３は金属材料から形成されており、優れた熱拡散性を発揮することから高い熱伝導率を有する金属材料により形成されることが好ましい。熱拡散層１３を形成する金属材料としては、例えば銅、アルミニウム、鉄、及びステンレス鋼が挙げられる。また、熱拡散層１３を形成する金属材料として、合金、例えば銅合金及びアルミニウム合金も挙げられる。熱伝導率が高いことから、金属の純度、例えば銅の純度は高いことが好ましい。高い純度を有する銅として、例えばタフピッチ銅及び無酸素銅が挙げられる。タフピッチ銅及び無酸素銅における銅の純度は９９．９％以上である。高い純度を有する銅の熱伝導率は４０１Ｗ／ｍ・Ｋであり、アルミニウムの熱伝導率は２３７Ｗ／ｍ・Ｋであり、鉄の熱伝導率は８０Ｗ／ｍ・Ｋであり、ＳＵＳ３０４ステンレス鋼の熱伝導率は１５Ｗ／ｍ・Ｋである。
【００１５】
熱拡散層１３の厚さは１０μｍ以上が好ましく、３０〜１１０μｍがより好ましい。熱拡散層１３の厚さが１０μｍ未満では、発熱体からの発熱量が大きい場合に熱拡散層１３の熱容量が飽和するおそれがある。熱拡散層１３の厚さが１１０μｍを超えても、熱拡散層１３は熱拡散性をそれ以上発揮することができない。
【００１６】
熱拡散層１３の熱伝導は、該熱拡散層１３を形成する金属材料の性質に起因して等方性を有している。そのため、断熱層１４は、熱拡散層１３上に積層されることによって熱拡散層１３の厚さ方向における熱伝導を熱拡散層１３と断熱層１４との境界で遮断し、熱拡散層１３の面内方向における熱伝導性を高める。断熱層１４は熱拡散層１３の全体にわたって形成されている。そして、断熱層１４は、熱拡散層１３の表面を覆うことによって、金属材料の性質に起因して導電性を有する熱拡散層１３と、電子機器内の熱拡散シート１１以外の部材との接触を防止して熱拡散シート１１に電気絶縁性を付与する。
【００１７】
断熱層１４は電気絶縁性を有する材料により形成されている。断熱層１４の材質としては、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリフェニレンサルフィド（ＰＰＳ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、シリコーン樹脂、及びウレタン樹脂が挙げられる。シリコーン樹脂としては、例えばシリコーンゴムが挙げられる。
【００１８】
断熱層１４の熱伝導率は低い程好ましく、具体的には０．５Ｗ／ｍ・Ｋ以下が好ましく、０．２Ｗ／ｍ・Ｋ以下がより好ましい。例えば、ＰＥＴ及びＰＩの熱伝導率は約０．１５Ｗ／ｍ・Ｋであり、ＰＰの熱伝導率は約０．１２Ｗ／ｍ・Ｋであり、ＰＣの熱伝導率は約０．１９Ｗ／ｍ・Ｋであり、ＰＥの熱伝導率は約０．５０Ｗ／ｍ・Ｋであり、ＰＰＳの熱伝導率は約０．２９Ｗ／ｍ・Ｋである。そのため、前記具体例の中でもＰＥＴ、ＰＰ、ＰＩ、及びＰＣが好ましい。
【００１９】
断熱層１４の厚さは、１０〜１００μｍが好ましい。断熱層１４の厚さが１０μｍ未満の場合には、熱拡散層１３の厚さ方向における熱伝導を十分に遮断することができず、熱拡散層１３の面内方向における熱伝導性を十分に高めることができない。断熱層１４の厚さが１００μｍを超えると、熱拡散層１３と断熱層１４との間で蓄熱が生じ、熱が熱拡散シート１１の表面から拡散されないおそれがある。
【００２０】
次に、熱拡散シート１１の製造方法について説明する。以下の説明において、熱伝導層１２を形成する有機系高分子は熱硬化性を有している。熱拡散シート１１は、熱拡散層１３の表面上に断熱層１４を設ける工程と、前記組成物を調製する工程と、熱拡散層１３の表面上に熱伝導層１２を形成する工程とを経て製造される。
【００２１】
熱拡散層１３の表面上に断熱層１４を設ける工程では、熱拡散層１３の表面上にフィルム状の断熱層１４が積層される。前記組成物を調製する工程では、熱硬化性を有する液状の有機系高分子と、熱伝導性充填材との混合によって組成物が調製される。熱拡散層１３の表面上に熱伝導層１２を形成する工程では、熱拡散層１３において、断熱層１４が積層された表面に対向する表面上に前記組成物が塗布される。次いで、組成物が加熱されて有機系高分子が硬化することにより熱伝導層１２が形成される。熱拡散層１３の表面上に断熱層１４を設ける工程と、前記組成物を調製する工程との順序は特に限定されていない。また、熱拡散層１３の表面上に断熱層１４が設けられる工程の前に、前記組成物を調製する工程と、熱拡散層１３の表面上に熱伝導層１２を形成する工程とが行われてもよい。
【００２２】
前記実施形態によって発揮される効果について、以下に記載する。
・  本実施形態の熱拡散シート１１は、熱拡散層１３の他に、熱伝導層１２と、断熱層１４とを備えている。そのため、熱伝導層１２によって熱拡散シート１１と発熱体との接触熱抵抗値を低下させて発熱体から熱拡散層１３への熱伝導を促進することができ、断熱層１４によって熱拡散層１３の面内方向における熱拡散性を高めて熱拡散シート１１の熱拡散性を高めることができる。また、断熱層１４は電気絶縁性を有する材料により形成されており、熱拡散層１３の表面は断熱層１４により覆われている。そのため、熱拡散シート１１は優れた電気絶縁性を発揮することができる。
【００２３】
・  本実施形態の熱拡散シート１１の製造において、前記熱伝導層１２は、熱拡散層１３の表面上に前記組成物を塗布した後、該組成物を加熱することにより形成されている。そのため、有機系高分子と、熱伝導性充填材とを有する熱伝導層１２を熱拡散層１３上に容易に積層することができ、熱拡散シート１１を容易に製造することができる。
【００２４】
本実施形態は、以下のように変更して具体化されてもよい。
・  前記断熱層１４が熱拡散層１３よりも大きい外形を有してもよい。この場合、断熱層１４が熱拡散層１３の端部を覆うことができることから、熱拡散シート１１に電気絶縁性をより確実に付与することができる。
【００２５】
・  前記熱拡散シート１１の製造において、断熱層１４を形成する組成物を調製し、該組成物を熱拡散層１３の表面上に塗布した後に硬化させることによって断熱層１４が形成されてもよい。
【００２６】
・  前記熱伝導層１２が熱拡散層１３の一部にのみ形成されてもよい。この場合、熱伝導層１２は、熱拡散層１３において発熱体に対応する個所に形成される。また、前記断熱層１４が熱拡散層１３の一部にのみ形成されてもよい。
【実施例】
【００２７】
次に、実施例及び比較例を挙げて前記実施形態をさらに具体的に説明する。
（実施例１）
実施例１においては、３５μｍの厚さを有する銅箔からなる熱拡散層１３の表面上に、２５μｍの厚さを有するＰＥＴフィルムからなる断熱層１４を積層した。この際、加熱しながら熱拡散層１３と断熱層１４とを積層した。また、熱硬化性を有する有機系高分子としての２液性の液状シリコーン樹脂１００重量部、熱伝導性充填材としての球状アルミナ６００重量部および酸化アルミニウム（アルミナ）の単結晶の粉末２００重量部、２液性のシリコーン系粘着剤５０重量部、及び白金触媒０．０５重量部をプラネタリーミキサーによって混練して組成物を調製した。
【００２８】
次いで、熱拡散層１３において、断熱層１４が積層された表面に対向する表面上に前記組成物を塗布した。続いて、熱風および遠赤外線硬化炉を用いて組成物を８０℃で２０分間加熱し、該組成物中のシリコーン樹脂を硬化させて熱伝導層１２を形成して熱拡散シート１１を得た。熱伝導層１２の厚さは９０μｍであった。
【００２９】
（実施例２〜１０）
実施例２〜１０においては、熱拡散層１３及び断熱層１４の材質および厚さを表１に示すように変更した以外は、実施例１と同様にして熱拡散シート１１を得た。
【００３０】
（比較例１）
比較例１においては、熱伝導層１２が省略され、熱拡散層１３及び断熱層１４の厚さが表１に示すように変更された以外は、実施例１と同様の製造工程によりシートを得た。
【００３１】
（比較例２）
比較例２においては、２０μｍの厚さを有する両面テープにより熱伝導層１２が構成され、熱拡散層１３及び断熱層１４の厚さが表１に示すように変更された以外は、実施例１と同様の製造工程によりシートを得た。両面テープは、シート状の基材と、該基材の両表面に塗布されている粘着材とから構成されており、熱伝導性充填材を含有していない。
【００３２】
（比較例３）
比較例３においては、１２７μｍの厚さを有するグラファイトシートにより熱拡散層１３が構成され、さらに断熱層の厚さが５μｍに変更された以外は、実施例１と同様の製造工程によりシートを得た。
【００３３】
（比較例４）
比較例４においては、熱拡散層１３の厚さが７０μｍに変更され、さらに断熱層１４が省略された以外は、実施例１と同様の製造工程によりシートを得た。
【００３４】
そして、各実施例の熱拡散シート１１及び各比較例のシートについて、下記の各項目に関して測定または評価を行った。その結果を表１に示す。
＜セラミックヒータによる加熱開始から１０分後の温度＞
各実施例の熱拡散シート１１及び各比較例のシートから、縦および横の長さが１００ｍｍである試験片を調製した。また、図２に示すように、有底筒状を有する本体２１と、該本体２１の上部に形成された開口を閉塞する蓋２２と、本体２１の底部に設けられた発熱体としてのセラミックヒータ２３とを備える容器２４を準備した。本体２１及び蓋２２は断熱材により形成されている。次いで、本体２１内に試験片２５を収容した後、蓋２２により本体２１の開口を閉塞した。このとき、セラミックヒータ２３は本体２１の底部から露出しており、試験片２５と接触している。
【００３５】
続いて、セラミックヒータ２３上の所定の位置（以下、Ｓ点という）と、試験片２５の蓋２２に対向する表面において、セラミックヒータ２３に対応する位置（以下、Ａ点という）と、Ａ点から側方へ１０ｍｍ離間した位置（以下、Ｂ点という）と、Ｂ点とは反対方向へＡ点から２０ｍｍ離間した位置（以下、Ｃ点という）とに熱電対を設置した。そして、蓋２２を介して試験片２５に上方から０．４９ｋＰａ（５ｇｆ／ｃｍ２）の荷重を加えた状態で、セラミックヒータ２３により試験片２５を加熱した。そして、セラミックヒータ２３による加熱から１０分後に、前記熱電対を用いてＳ点、Ａ点、Ｂ点、及びＣ点の温度を測定した。表１の“１０分後の温度（℃）”欄において、“Ｓ点”欄はＳ点での温度の測定結果を示し、“Ａ点”欄はＡ点での温度の測定結果を示し、“Ｂ点”欄はＢ点での温度の測定結果を示し、“Ｃ点”欄はＣ点での温度の測定結果を示す。
【００３６】
＜熱拡散性＞
前記のように測定されたＳ点、Ｂ点、及びＣ点の温度を用いて、各実施例の熱拡散シート１１及び各比較例のシートの熱拡散性を評価した。具体的には、Ｓ点での温度の測定結果と、Ｂ点およびＣ点の各点での温度の測定結果との差を算出した。表１の“熱拡散性”欄において、“Ｓ−Ｂ”欄はＳ点とＢ点とにおける温度差を示し、“Ｓ−Ｃ”欄はＳ点とＣ点とにおける温度差を示す。
【００３７】
【表１】
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表１に示すように、各実施例の熱拡散シート１１は、セラミックヒータ２３による加熱から１０分後のＳ点における温度が低く、且つＳ点とＢ点およびＣ点の各点との温度差が小さかった。このため、各実施例の熱拡散シート１１はセラミックヒータ２３からの熱を効果的に拡散せることができることが分かった。
【００３８】
実施例４〜６における各項目の結果から、熱拡散層１３の厚さの増加に伴ってセラミックヒータ２３のからの熱を効果的に拡散させることができることが分かった。実施例５、実施例７及び実施例８におけるＳ点の温度の測定結果より、断熱層１４の厚さの増加に伴って発熱体から効果的に熱を拡散させて発熱体を冷却させることができることが分かった。
【００３９】
更に、実施例５、実施例８及び実施例９における各項目の結果から、実施例５、実施例８及び実施例９の熱拡散シート１１は、優れた熱拡散性を有するものとして周知であるグラファイトシートと同程度の熱拡散性を有していることが分かった。更に、各実施例の中でも特に実施例５、実施例８及び実施例９の熱拡散シート１１は、該熱拡散シート１１におけるヒートスポットを低減させることができることが分かった。ヒートスポットとは、電子機器、例えば携帯電話およびノートパソコンにおいて他の個所に比べて熱くなる点のことであり、電子機器の使用者に低温火傷を負わせるおそれがある。また、各実施例の熱拡散シート１１は、熱拡散層１３の表面が断熱層１４に覆われていることから電気絶縁性を有していた。
【００４０】
これに対して、比較例１においては、熱伝導層１２が省略されていることから、熱拡散層１３及び断熱層１４が同一の構成である実施例５に比べて熱拡散性に劣っていた。比較例２においては、熱伝導層１２が熱伝導性充填材を含有しないことから、熱拡散層１３及び断熱層１４が同一の構成である実施例５に比べて熱拡散性に劣っていた。比較例３においては、熱拡散層１３がグラファイトシートにより構成されていることから優れた熱拡散性を有していた。しかしながら、グラファイトシートの脆弱性に起因して容易に破損した。比較例４においては、断熱層１４が省略されていることから、熱伝導層１２及び熱拡散層１３が同一の構成である実施例５〜８に比べて熱拡散性に劣っていた。以上のことから、各実施例の熱拡散シート１１は、発熱体からの熱の拡散用途において、各比較例のシートに比べて好適に使用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本実施形態に係る熱拡散シートを示す断面図。
【図２】容器を示す断面図。
【符号の説明】
【００４２】
１１…熱拡散シート、１２…熱伝導層、１３…熱拡散層、１４…断熱層。
【図１】
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【図２】
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