(57)【要約】【課題】ＬＳＩやＣＰＵの高性能化に伴い発熱量が増大し、これらの電子機器の性能に影響を与えない程度の小さい加圧力による取り付け状態でも放熱効果の良い熱伝導性シートが求められている。【解決手段】グラファイトシート２と、常温で液体であり、かつ使用温度範囲において相変化がない物質よりなる液体層３とを備えた熱伝導性シート１であり、グラファイトシート表面の接合部と内部に形成される空隙をなくし、取り付け時の加圧力が低くても低い熱抵抗が得られるため効率的な放熱ができるとともに、さらにカーボン粉の発生を抑制することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
グラファイトシートと、このグラファイトシートに常温で液体でありかつ使用温度範囲において相変化がない物質を備えた熱伝導性シート。
【請求項２】
常温で液体でありかつ使用温度範囲において相変化がない物質は、グラファイトシートの表面に設けた請求項１に記載の熱伝導性シート。
【請求項３】
グラファイトシートは内部に空隙部分を有するものであり、常温で液体でありかつ使用温度範囲において相変化がない物質は、前記空隙部分に設けた請求項１に記載の熱伝導性シート。
【請求項４】
常温で液体でありかつ使用温度範囲において相変化がない物質に、金属粉末、セラミックス粉末、カーボン粉末、ダイヤモンド粉末の内少なくとも一つの粉末を含む請求項１に記載の熱伝導性シート。
【請求項５】
常温で液体でありかつ使用温度範囲において相変化がない物質はパーフルオロポリエーテル、シリコーンオイルのいずれかである請求項１に記載の熱伝導性シート。
【請求項６】
常温で液体でありかつ使用温度範囲において相変化がない物質とグラファイトシートとを備えた熱伝導性シートを、発熱部品と、放熱手段との間に介在させてなる放熱構造体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子機器の放熱等に使用される熱伝導性シートとこれを用いた放熱構造体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
以下、従来の技術について、説明する。
【０００３】
近年の電子機器の小型化、高性能化が進むにつれて高密度に集積されたＣＰＵ（コンピュータに用いられる中央演算処理装置）などから発生する熱を効率良く逃がすために発熱部品に放熱フィンを接触させた熱対策が行われている。
【０００４】
しかし、発熱部品と放熱フィンのそれぞれお互いの接触面には小さな凹凸による空隙が多数存在するため、接触面積が小さくなり、発熱部品から放熱フィンへの熱伝達がスムーズに行われない。
【０００５】
この対策として従来グリースを塗布する方法が用いられているが、グリースは塗布して使用されるため、工程が複雑になること、塗布に際して汚れを伴うことや自動化しにくいことなどの課題があり、また、長時間使用した場合グリース中の熱伝導用固形分と油分が分離してしまい、熱抵抗が大きくなり、熱伝達の効果が損なわれるという課題や、組立時の不具合によるやり直し（リワーク）を行う時も大きな工数がかかるという課題があった。これを改善するために、グラファイトシート単独かまたはシートの片面あるいは両面にシリコーンゴムを塗布したもの等を発熱部品と放熱フィンの間に挟み込み多数存在する空隙を埋めることにより、熱抵抗を小さくする方法が提案されており、例えば先行技術文献としては特許文献１が知られている。
【０００６】
【特許文献１】
特開昭６２−２５４４０号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前記のグラファイトシートの片面あるいは両面にシリコーンゴムを塗布したものは、発熱部品への取り付け性は向上するが、シリコーンゴムの熱伝導率が低いため、熱伝達の効果が損なわれるという課題があった。
【０００８】
また、グラファイトシートとシリコーンゴムを接着するための工数が必要で高価なものになっていた。
【０００９】
また、グラファイトシートを単独で使用する場合、発熱部品と放熱フィンの間に柔軟なグラファイトシートを挟み込んで加圧することにより、発熱部品と放熱フィンの凹凸がグラファイトシートに食い込む形で挟み込まれ、発熱部品、放熱フィン、グラファイトシートそれぞれの凹凸が打ち消されて接触部分の熱抵抗が小さくなり、さらにグラファイトシート内部の空隙が押し潰されてなくなることにより熱伝達効果が発揮されていた。
【００１０】
しかし、従来この取り付け時の加圧力は、１０ｋｇ／ｃｍ２程度であったが、近年低圧力で取り付ける要望が増加し、一部には１．５ｋｇ／ｃｍ２程度の圧力で取り付けるケースが発生しており、この場合、発熱部品と放熱フィンの凹凸のグラファイトシートへの食い込みが少なくなるため、発熱部品とグラファイトシートの間の接触部と、放熱フィンとグラファイトシートの間の接触部の空隙が多数残された状態で取り付けられてしまい熱抵抗が大きくなってしまう。
【００１１】
さらに、グラファイトシート内部の空隙も、低圧力で取り付けられることにより押し潰されず、空隙が多数残された状態で取り付けられるため、十分な熱伝達効果が得られないという課題があった。
【００１２】
さらにグラファイトシートを半導体製装置内のウエハーの均熱に使用する場合、装置内のクリーン度が重要であるが、グラファイトシートは結晶層間の強度が弱く、作業中の摩擦により表面の結晶層の一部が破壊しカーボン粉の粉塵が発生してしまうという不具合があるため、グラファイトシートの表面に粘着テープを張ったり、金属板で覆う等の処理を行った上で使用されていたが、粘着テープや金属板等はグラファイトシートに比べ熱伝導率が小さいため、熱伝達の効果が損なわれるという課題もあった。
【００１３】
本発明は、作業性が良く、長時間使用しても熱伝達の効果が損なわれることがなく、低加圧でも良好な熱伝達を行うことができるとともに、カーボン粉の粉塵が発生しない熱伝導性シートを提供することを目的とするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、以下の構成を有するものである。
【００１５】
本発明の請求項１に記載の発明は、常温で液体であり、かつ使用温度範囲において相変化がない物質と、グラファイトシートとを備えた熱伝導性シートであり、取り付け時の加圧力が小さくても液体が自由に移動できるため、グラファイトシート表面のしわ状の微細な凹凸により接合部に形成される空隙をなくし、さらに加圧力で移動した液体が５〜１００μｍといった比較的大きな窪み部分に溜まることにより、窪み部分に残る空隙を小さくし、空隙による熱抵抗を最小限に抑えることにより良好な熱伝達が得られるという作用を有する。
【００１６】
また、表面に存在している液体が潤滑剤の役目を果たし、作業中の摩擦によりカーボン粉が発生し難く、また発生しても液体に吸着され、カーボン粉がグラファイトシートから離脱することを抑えることができる。
【００１７】
請求項２に記載の発明は、前記常温で液体であり、かつ使用温度範囲において相変化がない物質は、グラファイトシートの表面に設けた請求項１に記載の熱伝導性シートであり、グラファイトシート表面のしわ状の微細な凹凸や、５〜１００μｍといった比較的大きな窪みを液体で埋めることにより熱抵抗を下げることができるとともにグラファイトシートからのカーボン粉の発生を防止することができる。
【００１８】
請求項３に記載の発明は、常温で液体であり、かつ使用温度範囲において相変化がない物質は、グラファイトシートの内部に存在する空隙部分に設けた請求項１に記載の熱伝導性シートであり、グラファイトシートの内部の空隙も液体で埋めてしまうことにより、高い熱伝導率が得られ、良好な熱伝達ができるという作用を有する。
【００１９】
請求項４に記載の発明は、常温で液体でありかつ使用温度範囲において相変化がない物質に、金属粉末、セラミックス粉末、カーボン粉末、ダイヤモンド粉末の内少なくとも一つ以上の粉末を含む請求項１に記載の熱伝導性シートであり、液体だけでは埋められないグラファイトシートの表面に存在する５μｍ〜１００μｍの窪み部分に液体と粉末の混合物を埋め込むことにより、窪み部分に残る空隙を更に小さくし、空隙による熱抵抗を最小限に抑えるとともに粉末の持つ熱伝導を利用することにより、良好な熱伝達ができるという作用を有する。
【００２０】
請求項５に記載の発明は、常温で液体であり、かつ使用温度範囲において相変化がない物質はパーフルオロポリエーテル、シリコーンオイルのいずれかである請求項１に記載の熱伝導性シートであり、発熱温度が高い状態でも長期間にわたって低く安定した熱抵抗を保持できるため、放熱効果の信頼性を高めることができるという作用を有する。
【００２１】
請求項６に記載の発明は、常温で液体であり、かつ使用温度範囲において相変化がない物質とグラファイトシートとを備えた熱伝導性シートを、発熱部品と放熱フィンやヒートパイプ、冷却用ファンなどの放熱手段との間に介在させた放熱構造体であり、この構成により発熱部品と放熱手段とのそれぞれお互いの接触面に存在する小さな凹凸による空隙をなくし、接触面積を大きくして熱抵抗を下げることにより、効率のよい放熱構造体が得られるものである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下本発明の一実施の形態における複合電子部品について、図面を参照しながら説明する。
【００２３】
図１は本発明の一実施の形態における熱伝導性シートの斜視図であり、熱伝導性シート１はグラファイトシート２の両面に液体層３が形成されたものである。
【００２４】
図２は本発明の一実施の形態における放熱構造体の断面図であり、グラファイトシート２と液体層３からなる熱伝導性シート１を発熱部品４と放熱フィン５の間に挟み、その後放熱フィン５を固定用ネジ６により取り付けるものである。
【００２５】
図３は図４に示した従来のグラファイトシート２の内部の空隙部分２１をシリコーンオイル１１で埋めた状態を示す模式図である。
【００２６】
（実施の形態１）
まず、ポリイミドフィルムを不活性ガス中で室温から昇温して１０００℃〜１６００℃の温度範囲で予備焼成を行い、さらに不活性ガス中で２５００℃以上の温度で焼成してグラファイト化したのち、圧延処理を行って図１に示した高配向性のグラファイトシート２を得る。
【００２７】
次にこのグラファイトシートの表面にパーフルオロポリエーテルよりなる液体層３をローラーを用いて塗布した後、布を用いて、手で軽く触れても指に付着して濡れることがない程度までグラファイトシート表面に溜まった余分なパーフルオロポリエーテルを拭き取り試料１とする。
【００２８】
この試料１を図２のように発熱部品４と放熱フィン５の間に挟み、トルクドライバーによって固定用ネジ６を締め付け、約７Ｗの電力になるように電圧を印加し３０分放置して定常状態になった後に発熱部品の温度と放熱フィンの温度より熱抵抗を算出する。
【００２９】
熱抵抗の測定にあたっては、上記トルクドライバーの締め付け力を１．５ｋｇ／ｃｍ２〜１０ｋｇ／ｃｍ２の範囲で変えて測定を行った結果を（表１）に示す。
【００３０】
また比較のために表面に何も塗布していない圧延処理後のグラファイトシート単独の試料２についても同様の測定を行い、その結果を（表１）に併せて示す。
【００３１】
【表１】
2004363432.tif 000003
【００３２】
（表１）で＃を付した試料は本発明の範囲外の比較例である。
【００３３】
（表１）の結果から明らかなように、本発明の実施の形態１でグラファイトシートの表面にパーフルオロポリエーテル層を形成した試料１ではグラファイトシート単独（試料２）より熱抵抗が低く、取り付け時の加圧力にほとんど関係無く熱抵抗が低くなり、放熱効果が著しく向上していることがわかる。
【００３４】
これは、グラファイトシート単独の場合は表面のしわ状の微細な凹凸や５〜１００μｍといった比較的大きな窪みや、グラファイトシート内部の小さな空隙により、締め付け力を大きくしないと熱抵抗を小さくできないが、グラファイトシートの表面にパーフルオロポリエーテルによる液体層を形成した試料では取り付け時の加圧力が小さくても液体が自由に移動でき、さらに５〜１００μｍといった比較的大きな窪み部分をも埋めることができるため、空隙による熱抵抗を最小限に抑えることにより良好な熱伝達が得られるものである。
【００３５】
（実施の形態２）
実施の形態１と同様に高配向性のグラファイトシートを準備し、このグラファイトシートをシリコーンオイル（信越化学製、商品名ＫＦ９６−５００ｃｓ）を満たしたビーカ−に浸漬した後、真空容器に入れ０．１気圧で１０分間真空含浸を行う。
【００３６】
その後このグラファイトシートをビーカーより取り出し、実施の形態１と同じ方法で表面に溜まった余分なシリコーンオイルを拭き取り、熱抵抗を測定した結果を（表２）に示す。
【００３７】
また比較のために表面に何も塗布していない圧延処理後のグラファイトシート単独の試料２についても同様の測定を行い、その結果を（表２）に併せて示す。
【００３８】
【表２】
2004363432.tif 000004
【００３９】
（表２）で＃を付した試料は本発明の範囲外の比較例である。
【００４０】
また図３は実施の形態２で使用したグラファイトシートであり、図４に示した従来のグラファイトシート２の空隙部分２１をシリコーンオイル１１で埋めた状態を示す。
【００４１】
（表２）および図３から明らかなように、本発明の実施の形態２のように真空含浸によりグラファイトシートの内部並びに表面にシリコーンオイルで液体層を形成した試料ではグラファイトシート単独より熱抵抗が低く、取り付け時の加圧力に関係無く熱抵抗が非常に低くなり、放熱効果が著しく向上していることがわかる。
【００４２】
（実施の形態３）
パーフルオロポリエーテルの中にパーフルオロポリエーテル１００重量％に対し５０重量％の量の窒化ホウ素の粉末を入れて、ロールミルを用いて混合した。
【００４３】
実施の形態１と同様に高配向性のグラファイトシートを準備し、次にこのグラファイトシートの表面にパーフルオロポリエーテルと窒化ホウ素の粉末の混合物を塗布ローラーを用いて塗布した後、実施の形態１と同じ方法で表面に溜まった余分なパーフルオロポリエーテルと窒化ホウ素の粉末の混合物を布で拭き取り、熱抵抗を測定した結果を（表３）に示す。
【００４４】
（表３）の比較例は実施の形態１と同じものである。
【００４５】
【表３】
2004363432.tif 000005
【００４６】
（表３）で＃を付した試料は本発明の範囲外の比較例である。
【００４７】
（表３）の結果から明らかなように、本発明の実施の形態３でグラファイトシートの表面にパーフルオロポリエーテルと窒化ホウ素の粉末の混合物で液体層を形成した試料ではグラファイトシート単独より熱抵抗が低く、取り付け時の加圧力に関係無く熱抵抗が非常に低くなり、放熱効果が著しく向上していることがわかる。
【００４８】
さらに、グラファイトシートからのカーボン粉の離脱を検討するため、実施の形態１〜３で作成した本発明による試料と、比較のために表面に何も塗布していない圧延処理後のグラファイトシートを各２枚ずつ用意し、白い紙の上で本発明による試料どうし２枚並びに表面に何も塗布していない圧延処理後のグラファイトシートどうし２枚を擦り合わせて、グラファイトシートからのカーボン粉の離脱の有無を確認した。
【００４９】
その結果、表面に何も塗布していない圧延処理後のグラファイトシートは、少量のカーボン粉がグラファイトシートから離脱していたが、実施の形態１〜３で作成した試料ではカーボン粉の離脱は見られなかった。
【００５０】
この結果から明らかなように、パーフルオロポリエーテルやシリコーンオイルが表面に存在しているとこれらの液体が潤滑剤の役目を果たし、作業中の摩擦によるカーボン粉の発生を抑え、また発生しても液体に吸着され、カーボン粉がグラファイトシートから離脱することを抑えることができるものであり、カーボン粉などの粉体の発生を嫌う半導体製造装置のような精密機器でも使用することができるものである。
【００５１】
なお、実施の形態１〜３ではポリイミドの熱分解により作成した高配向性のグラファイトシートを用いたが、天然黒鉛を酸処理し洗浄後加熱して膨張した黒鉛をプレス成形して得られるいわゆる膨張黒鉛に本発明を適用した場合でも同様の効果を奏する。
【００５２】
常温で液体であり、かつ使用温度範囲において相変化がない物質という場合の使用温度範囲は、通常パソコン等の電子機器の使用温度範囲である−２０℃〜１３０℃であり、この使用温度範囲内で、液体の状態から相変化を起こして気体になってしまった場合には、グラファイトシートと発熱部品または、グラファイトシートと放熱フィンの間から気化して失われてしまうため本発明の効果は得られない。
【００５３】
また使用温度範囲内で液体の状態から相変化を起こして固体になってしまう場合、相変化に伴って体積の変化が起こるため、使用時と不使用時の繰り返しによる温度サイクルによりグラファイトシートが変形し、発熱部品と放熱フィンの間に固定用ネジで締め付けられて使用されていると隙間が発生してしまう。
【００５４】
この隙間により発熱部品と放熱フィンの間の熱伝達の効果が損なわれる。
【００５５】
ここで相変化とは、物質がたとえば液体などの１つの相から固体などの他の相に変化することを意味し、常温とは冷却や加熱をしな通常の温度をいう。
【００５６】
なお、常温で液体であり、かつ−２０℃〜１３０℃のような使用温度範囲において相変化がない物質としては、上記のパーフルオロポリエーテルやシリコーンオイル以外にも例えば高級飽和脂肪酸や高級アルコール類またはその化合物でも使用することはできるが、長期にわたって安定な物質であることが必要である。
【００５７】
またこれら液体を塗布する方法としては、ローラー塗布以外にもスプレーや液体中への浸漬やスピンコートなどの方法を用いることができるが、柔らかいグラファイトの表面を傷つけずに塗布することが必要である。
【００５８】
また、実施の形態１〜３では、手で軽く触れても指に付着して濡れることがない程度までグラファイトシート表面に溜まった余分な液体を拭き取ったが、これは発熱部品の発熱部品と放熱フィンの間に挟み込む作業時の汚れを考慮して行ったものであり、拭き取りを行わず濡れた状態でも同様の効果を奏する。
【００５９】
【発明の効果】
以上のように本発明は、グラファイトシートに常温で液体であり、かつ使用温度範囲において相変化がない物質よりなる液体層を設けることにより、作業性が良く、長時間使用しても熱伝達の効果を損なわず、加圧力に関係無く熱抵抗が非常に低くなり、さらに加圧力が小さくても十分低い熱抵抗を実現でき、放熱効果を向上することができ、さらにカーボン粉の粉塵が発生しないという効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態における熱伝導性シートの斜視図
【図２】本発明の一実施の形態における放熱構造体の断面図
【図３】本発明の一実施の形態における熱伝導性シートの模式図
【図４】従来のグラファイトシートの空隙部分を示す模式図
【符号の説明】
１  熱伝導性シート
２  グラファイトシート
３  液体層
４  発熱部品
５  放熱フィン
６  固定用ネジ
１１  シリコーンオイル
２１  空隙部分
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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