(57)【要約】【課題】  放熱手段と電子素子との接合が容易であり、かつ高い接合強度を有し、放熱効率に優れた放熱システムを提供する。【解決手段】  動作時に熱を発生する電子素子３０と、前記電子素子３０から発生する熱を効果的に放出するための前記電子素子３０の一つの面に装着される放熱手段３５と、から構成される放熱システムにおいて、前記電子素子３０と前記放熱手段３５との間に挿入される、アルミニウム、銀、ニッケル、クロム、炭素からなる群から選択される中いずれか一つ以上の物質を放熱フィラーとして含む放熱性のシリコーンゴムパッド４０と、前記シリコーンゴムのパッド４０の一つの面または両方の面に形成される粘着層４２と、を更に含み、前記シリコーンゴム４０は、硬度が３０〜８０の範囲であり、０．５〜５０W／m.kの熱伝導度を有するシリコーンゴムを利用した放熱システムである。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
動作時に熱を発生する電子素子と、前記電子素子から発生する熱を効果的に放出するための前記電子素子の一つの面に装着される放熱手段と、から構成される放熱システムにおいて、
前記電子素子と前記放熱手段との間に挿入される、アルミニウム、銀、ニッケル、クロム、及び炭素からなる群から選択されるいずれか一つ以上の物質を放熱フィラーとして含む放熱性のシリコーンゴムのパッドと、
前記シリコーンゴムのパッドの一つの面または両方の面に形成される粘着層と、を更に含み、
前記シリコーンゴムは、硬度が３０〜８０の範囲であり、熱伝導度が０．５〜５０W／m.kの範囲であることを特徴とするシリコーンゴムを利用した放熱システム。
【請求項２】
前記シリコーンゴムが、前記粘着層により、５００〜５０００gf／cmの範囲の接着力を有する、請求項１記載のシリコーンゴムを利用した放熱システム。
【請求項３】
前記シリコーンゴムパッドが、加速プラズマイオン粒子により表面が改質され、更に反応性ガスの表面結合により表面処理がされている、請求項１記載のシリコーンゴムを利用した放熱システム。
【請求項４】
前記電子素子が、内部に多様な回路要素を備える集積素子、例えばＣＰＵ、メモリ、または、単一回路要素を備える素子、例えば高電圧トランジスタ、キャパシタである、請求項１記載のシリコーンゴムを利用した放熱システム。
【請求項５】
前記シリコーンゴムが、低分子シロキサンを１０００ppm以下含むシリコーンゴムである、請求項１記載のシリコーンゴムを利用した放熱システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコーンゴムを利用した放熱システムに関し、詳しくは、放熱効率及び生産性が顕著に向上するシリコーンゴムを利用したヒートシンク結合放熱システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、電子素子の回路上において、部品に電流が流れると、その電気的なエネルギーの一部が部品の内部で熱的なエネルギーに変化して連結部位の温度が上昇する。温度が、基準温度以上に上昇すると、部品が誤作動したり、破損されるおそれがある。
【０００３】
このような問題を解決するために、システムの内部に冷却ファンを設けるか、部品に直接ヒートパイプ等を装着して強制的に冷却させる方法が使用されるが、このような方法は、ファンの騷音や費用面で製品の競争力を低下する。そこで、部品に熱伝逹係数（conductivity）の大きい材質を装着して、自然対流を利用した冷却方法が利用されている。ここで、部品から発生する熱を、自然対流を利用して外部に放射させるための部品をヒートシンク（heat sink）という。
【０００４】
ヒートシンクは、主に熱伝逹係数の高い金属性物質からなる成形体であって、表面積を大きくするために多数のフィンを形成し、これらのフィンが一つのボディーと一体化されて電子素子に装着される。以下、ヒートシンクを電子素子に締結するための多様な方法を説明する。
【０００５】
まず、図６に示すように、半導体基板、メモリチップ、ＣＰＵ、高電圧トランジスタなどの電子素子３の一方の表面とヒートシンク１との接触面に両面テープ２を付着する方法がある。しかし、両面テープを利用した締結では、電子素子とヒートシンクとの結合強度が低いため、ヒートシンクが電子素子から容易に離脱するという問題点がある。また、両面テープの熱伝導率はそれほどよくないため、ヒートシンクの熱伝逹効率が低下するという問題点がある。
【０００６】
他の締結方法としては、図７に示すように、電子素子２とヒートシンク１に穴を開けた後、その穴にねじ４を通してナット５で締める方法がある。ねじを利用した締結では、その結合力が強く、ヒートシンクと電子素子とが直接接触するため、熱伝逹効率が高いという長所がある。然し、この場合、締結工程が煩雑であるという問題点がある。特に、ボルト、ナットの付属資材が必要であり、これを作業者によって手作業で行うか、自動化装置を使用する場合でも、作業工程の追加によって作業効率が低下するという問題点がある。また、ねじの締結部位には、ヒートシンクのフィン（fin）を設けることができないため、同じベース長さのヒートシンクであっても、他の締結方式のヒートシンクよりフィンの効率が低下し、かつ、ヒートシンクにねじ締結用穴を開けることで材料費が上昇するという問題点がある。
【０００７】
このような問題点を補完するものとして、電子素子とスライディング結合することで結合が容易であり、熱効率を向上し得るスライディング型ヒートシンクが提示された。図８を参照すると、ヒートシンク１０の下部に電子素子に対応する形状のスライダー部１１が切削形成され、このスライダー部１１に部品（電子素子）２０が結合されている。この場合、ねじ締結でなくスライディング結合であるため、作業工数を減少させることができるという長所があり、ヒートシンクと電子素子とが直接接触するため、放熱効率も増加するが、ヒートシンクを各電子素子の形態（幅または長さ）に合せて個別に成形する必要があるという短所がある。特に、電子素子との結合のために、図８の領域Ａに示す、ヒートシンクのスライダー部１１の設計が非常に重要になる。それは、結合部位が電子素子の形態に合わせて適切にデザインされないと、ヒートシンクと電子素子との結合が困難になるか、結合しても容易に離脱するためである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
以上説明したように、従来は、ヒートシンクと電子素子との結合が非常に煩雑であるか、結合強度が非常に小さいため、電子素子の放熱システムを製造するのに経済性及び生産性が低下するという問題点があった。
【０００９】
本発明は、このような従来の課題に鑑みてなされたもので、放熱手段と電子素子との結合が容易な放熱システムを提供することを目的とする。
【００１０】
また、放熱手段と電子素子との結合に対する信頼性、即ち結合強度が適切に維持される放熱システムを提供することを目的とする。
【００１１】
また、放熱効率に優れるだけでなく、作業効率を向上した放熱システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
このような目的を達成するため、本発明に係るシリコーンゴムを利用した放熱システムは、動作時に熱を発生する電子素子と、前記電子素子から発生する熱を効果的に放出するために、前記電子素子の一方の面に装着される放熱手段と、から構成される放熱システムにおいて、前記電子素子と、放熱手段間に挿入及び積層される放熱性のシリコーンゴムパッドと、前記シリコーンゴムパッドの一方の面、または両方の面に形成される粘着層と、を含むことを特徴とする。
【００１３】
また、前記放熱手段は、多数のフィンが一体化して形成される金属製たとえばアルミニウム、銀、ニッケル、クロムのヒートシンクもしくは炭素製ヒートシンク、または冷却ファンなどが含まれることが好ましい。
【００１４】
また、本発明は、電子素子と放熱手段との締結のために、ボルト及びナットなどの別途の締結部材を使用しないことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は、既存のボルト、ナット締結による放熱手段の結合方式を採用せず、これにより作業工数を減少することにより、放熱システムを一層容易に製造し得るという効果がある。
【００１６】
また、放熱手段の熱伝導性をそのまま維持することにより、強い結合力を維持する放熱システムを提供し得るという効果がある
【００１７】
また、放熱システムの製造単価を顕著に減少することにより、生産性を大きく向上し得るという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態に関し、図面に基づいて説明する。
【００１９】
一般に、シリコーンゴムは、如何なる形態の弾性体よりも広く使用されており、高度の信頼性及び安全性を要する防衛産業、航空産業、及び自動車産業などの分野で広く使用されている。また、シリコーンゴムは、それ自体の優れた電気的特性により、高度の電機電子産業でも広く利用されており、優れた弾性を有するシリコーンゴムが弾性を要する部品に使用される場合、弾性を考慮して設計する必要がない。
【００２０】
一方、シリコーンゴムは、放熱特性に優れる放熱素材として使用されてきたが、他の物質との接着力が小さいため、使用が制限されている。したがって、従来は、シリコーンゴムと電子素子との間に別途の締結手段、例えばボルト及びナットを使用して結合する方法を適用していた。
【００２１】
図２の一番上の素子を見ると、ボルトとナットで締結されたパワーサプライのトランジスタ放熱構造が示されている。即ち、トランジスタの一方の側には、放熱性シリコーンゴムパッドが締結手段によって結合されている。この場合は、作業者の手作業によって、小さな素子ごとに一個一個締結作業を行わなければならないという困難性がある。このような方式は、放熱システム製造工程を煩雑にして製品単価を上昇させ、結果的に、電子素子の価格競争力を低下させる要因になる。
【００２２】
また、放熱を要する電子素子にシリコーンゴム以外の別の放熱手段をさらに設ける場合、付加的な締結手段を使用しなければならず、電子素子と別の放熱手段との間の締結作業が非常に困難になる。
【００２３】
従来の放熱システムでは、このようにシリコーンゴムと電子素子とが主に物理的な手段によって結合されていたため、作業能率及び生産性が極めて低下した。このような問題点の根本的な原因は、シリコーンゴムの低い接着力に起因する。
【００２４】
シリコーンゴムは、次のような分子構造を有し、単量体が複数個集まって高分子構造をなしている。
【００２５】
【化１】
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【００２６】
（ここで、Ｒは、有機的特性を示すアルキル基である。）
【００２７】
シリコン原子と酸素原子との間の結合であるシロキサン結合（siloxane bond）は、シリコーンゴムの分子構造の骨格をなすが、一般に、炭素結合がほぼ８３Kcal／molの結合エネルギーを有するのに対し、前記シロキサン結合は、１０８Kcal／molと非常に大きい結合エネルギーを有するため、化学的／物理的に非常に安定であり、一度成形された後は物性の変更が非常に困難である。シリコーンゴムまた、撥水性（疎水性）、異型性、低い表面エネルギーなどの物性を有するため、他の材質の物質との接着が困難であるという短所がある。このようなシリコーンゴムの化学的／物理的安定性は、耐熱性、難燃性、伝導性、絶縁性、耐食性、熱伝導性などの優れた特性を活用するのに制約となる。
【００２８】
本発明は、シリコーンゴムの表面をプラズマ放電またはイオン補助反応によって、表面を改質することで、シリコーンゴムの接着力を向上させた放熱システムへの応用を可能にした。イオン源としては、例えば水素ガス、酸素ガス、窒素ガス、炭酸ガスを使用することができる。シリコーンゴムの表面改質に際しては、表面に過剰な損傷を与えないように、イオンの加速エネルギーは１keU以下の低エネルギーが好ましい。
【００２９】
特に、本発明は、低エネルギーの例えば加速プラズマイオン粒子でシリコーンゴムの表面のみを浮いた状態にした後（有機的特性を示す作用基の一部の分子結合を切断した後）、別途の反応性ガス、例えば水素ガス、酸素ガス、窒素ガス、炭酸ガスで表面に作用基を結合させて、表面を大きな損傷なしに改質したシリコーンゴムを利用した。このような表面改質したシリコーンゴムは、表面で親水性を帯び、特に接着剤（あるいは粘着剤）との結合力が優れるだけでなく、金属、セラミック、高分子との結合が非常に優れることが確認された。このようなプラズマ放電またはイオン補助反応を用いた表面処理は、既存の半導体工程等で利用される表面処理とは性格が異なる。即ち、プラズマ放電またはイオン補助反応を用いるエッチングやクリーニング工程では、対象物質の高分子結合を切断して表面を大きく損傷させるが、本発明ではシリコーンゴムの表面の物性のみを改質させるという点で大きな差がある。
【００３０】
本発明のシリコーンゴムは、シリコーンゴム中に、アルミニウム、銀、ニッケル、クロム、炭素などの物質を放熱フィラーとして混合して、熱伝導特性を一層向上させたシリコーンゴムを使用する。前記放熱フィラーには、金属粉末または炭素粉末が適しており、追加的にアルミナ、またはその他のセラミックフィラーを共に混合することができる。このように放熱フィラーを混合したシリコーンゴムの熱伝導特性は、フィラーの混合程度によって０．５〜５０W／m.k（ＡＳＴＭ  Ｄ  ５４７０試験方法による）の範囲を示した。
【００３１】
また、前記シリコーンゴムは、フィラーの含量を調節して硬度が（Shore AまたはAsker C方式の試験によるとき）３０〜８０の範囲を有することが好ましい。
【００３２】
特に、本発明では、電子製品に致命的な影響を与える低分子シロキサン含有量を可能な限り減少させ、含有量が少なくとも１０００ppm以下のシリコーンゴムを使用するが、低分子量シロキサン含有量が１０００ppm以下を満たす限り、いずれのシリコーンゴムを使用することができる。シリコーンは、単分子（単量体：monomer）が２０個以上架橋してコイル型螺旋構造の長い鎖状になる集合体であるが、単量体が４個以上２０個以下に構成されたシリコーンは、低分子シロキサンに分類され、常温で、熱により少しずつガス状に噴出する揮発性を有する。ガス状の低分子シロキサンは、電荷を帯びる電気接点部位にシリカ（ＳｉＯ2）状に凝着して電気的なショートを起こす原因になるため、本発明では、低分子シロキサン含有率の低い高単位シリコーンゴムを使用する。
【００３３】
図１に示すように、本発明のシリコーンゴム４０は、パッド状に電子素子３０と放熱手段３５との間に挿入される。このとき、パッドの厚さは０．１〜５mmである。パッドが過度に厚いと全体システムの体積が大きくなり、過度に薄いと放熱システムの組立てが困難になる。また、粘着層４２の厚さを考慮して、シリコーンゴムパッドが粘着層より厚く形成されることが好ましい。図面では、説明の便宜のために粘着層が厚く示されたが、実際には非常に薄い層に形成される。
【００３４】
一方、本発明の粘着層には、アクリル系粘着剤またはシリコーン系粘着剤を使用するが、特にその種類を限定する必要はない。そのシリコーンゴム上に形成された粘着剤によって、シリコーンゴムの接着力が５００gf／cm〜５０００gf／cm、好ましくは１０００gf／cm〜３０００gf／cmになるように要求される。
【００３５】
以下、本発明に係るシリコーンゴムに粘着層を形成した後、ＫＳ  Ａ  １１０７−９７によって接着力を試験した結果を表１に示す。なお、シリコーンゴムは、放熱フィラーとして３重量％のアルミニウム金属粒子を含有し、これによりシリコーンゴムの熱伝導度は４０W／m.kであった。
【００３６】
【表１】
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【００３７】
上記の結果のように、本発明に係るシリコーンゴムは、苛酷な条件下でも非常に優れた接着力を示した。特に、上記の結果は、全て最低接着力に関するものであって、実際のテストにおいて、ほとんどのシリコーンゴムはそれ以上の接着力を示し、実際の製品に適用されるシリコーンゴムの大きさはほぼ２×２cm2以上であるため、前記各結果の少なくとも４倍以上の強力な接着力を示すようになる。
【００３８】
一旦接着されたシリコーンゴムは、特別な機構なしでは製品から取り外すことが不可能であり、製品から取り外した場合も、シリコーンゴム自体が破壊された状態となるため、その接着力が非常に大きいことが分かる。
【００３９】
粘着層は、シリコーンゴムの厚さを考慮して０．１〜５００μmの範囲で形成する。好ましくは、離型紙に予め粘着層を形成してシリコーンゴムパッドの一方の面または両方の面に粘着層を接着させた後、所望の製品のサイズに合わせて切断して使用する。
【００４０】
一方、本発明の放熱手段には、冷却ファンや放熱板などのように多様な形態があるが、熱伝導性を考慮すると放熱手段の材質は金属が好ましく、表面積を広げるために多数のフィンが形成されることが好ましい。
【００４１】
一方、図２の中間の素子及び下方の素子では、本発明によるシリコーンゴムが締結手段なしに高電圧トランジスタに結合され、それ自体が放熱手段として作用することを示している。
【００４２】
図３は本発明の放熱システムの他の一例を示す写真である。各種の電子部品が集積された電子機器では、内部の中央処理処置の上面に多数のフィンが形成された放熱板が装着されており、ボルトなどの締結手段を用いることなく、両面に粘着層が形成されたシリコーンゴム（図示せず）により放熱板と中央処理処置とが強く結合されている。
【００４３】
図４及び図５は、各電子部品の放熱システムとして、本発明によるシリコーンゴム放熱システム（左側）と既存のねじ締結放熱システム（右側）とを比較して示している。
【００４４】
以上、本発明の具体的な実施形態を提示したが、本発明は、特許請求の範囲の技術思想から脱しない範囲で、多様な製品に多様な形態で応用される。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明に係る放熱システムの一例を示した断面図である。
【図２】本発明が適用された電子素子を示した写真である。
【図３】本発明が適用された他の電子素子を示した写真である。
【図４】本発明に係るシリコーンゴム放熱システムと既存のねじ締結放熱システムとを比較して示した写真である。
【図５】本発明に係るシリコーンゴム放熱システムと既存のねじ締結放熱システムとを比較して示した写真である。
【図６】従来の放熱システムの一例を示した断面図である。
【図７】従来の放熱システムの他の例を示した断面図である。
【図８】従来の放熱システムのまた他の例を示した断面図である。
【符号の説明】
【００４６】
３０：電子素子
３５：放熱手段
４０：シリコーンゴム
４２：粘着層
【図１】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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