(57)【要約】【課題】グラファイトシート端面からのグラファイト粉の脱落を容易かつ確実に防止することができるグラファイト複合材を提供する。【解決手段】面方向に高い熱伝導性を有するグラファイトシート１１と、このグラファイトシート１１の両主面に、積層された金属またはセラミックからなる2枚のシート１２、１２を備え、これらの2枚のシート１２、１２はいずれもグラファイトシート１１より外方に延出しており、これらの延出部１２ａを一体に圧着することにより、グラファイトシート１１の露出端面が封止されているグラファイト複合材である。【選択図】図１
2005210035.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
グラファイトからなる第１のシートと、その両主面に積層一体化された金属またはセラミックからなる第２および第３のシートを具備するグラファイト複合材であって、
前記第１のシートの露出端面が封止されていることを特徴とするグラファイト複合材。
【請求項２】
前記第２および第３のシートを前記第１のシートより外方に延出させ、この延出部を一体に圧着することにより、第１のシートの露出端面が封止されていることを特徴とする請求項１記載のグラファイト複合材。
【請求項３】
前記第２および第３のシートは、比熱容量が前記グラファイトシートよりも大きい等方性熱伝導材料からなることを特徴とする請求項１または２記載のグラファイト複合材。
【請求項４】
前記第１のシートの厚さ（圧着前）は、0.03〜10mmであり、前記第２および第３のシートの各厚さ（圧着前）は、0.02〜20mmであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載のグラファイト複合材。
【請求項５】
前記第１のシートの圧着前の面方向の熱伝導率が100W/m・K以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のグラファイト複合材。
【請求項６】
前記第２および第３のシートは、熱伝導率が60W/m・K以上で、かつ、比熱容量が前記第１のシートの２倍以上であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載のグラファイト複合材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子機器の発熱体の冷却システム、放熱システム等に使用されるグラファイト複合材に関する。
【背景技術】
【０００２】
ノート型パソコン、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）、携帯電話、デジタルカメラ、デジタルビデオ等に代表される電子機器は、各種機能や処理能力等が急速に向上している。それに伴って、ＣＰＵ等として用いられる半導体素子をはじめとする電子部品からの発熱量は増加する傾向にある。このため、半導体素子等の動作特性や信頼性等を保つ上で、効率的な冷却システム、放熱システムが求められている。
【０００３】
高発熱型の半導体素子等を内蔵する電子機器では、従来から種々の冷却システム、放熱システムが用いられている。その代表的なものとしては、電子部品自体に冷却ファン、冷却フィン、ペルチェ素子（冷却素子）等を装着して冷却する方法、電子機器本体に放熱用のファンを取り付けて、機器本体内部の熱を排気する方法が挙げられる。しかしながら、携帯型の電子機器等においては機器本体の小型化に伴って、電子部品自体に冷却ファンや冷却フィン等を取り付けるスペースを確保することが困難になっている。また、放熱用ファンにより電子機器本体内部の熱を排気するだけでは、半導体素子等を効率よく冷却することはできない。
【０００４】
そこで、電子機器内部の半導体素子等の発熱体と、電子機器の筐体外壁に取り付けた放熱用ファンやフィン等の放熱装置とをヒートパイプのような熱伝導体で熱的に結合することによって、放熱システムの省スペース化を図ったうえで、半導体素子等の冷却効率を高めることが検討され、一部で既に実用化されている（例えば、特許文献１、２等参照。）。また、熱伝導体として、グラファイトシート、あるいは、図９に示すような、グラファイトシート１の両主面にアルミニウムや銅等の金属シート２を積層した複合シートを使用することも検討されている（例えば、特許文献２、３等参照。）。
【０００５】
ところで、ヒートパイプは、重量が重いうえ、曲げ箇所に構造的な制約があるため、携帯型電子機器に内蔵する際の設置スペースの点で問題がある。これに対し、グラファイトシートあるいはグラファイト複合シートは、熱拡散性に優れるうえ、軽量で、設置スペースの制約も少ないことから、小型・省スペース化が進められている携帯型電子機器等に内蔵された発熱体が発生した熱を速やかに拡散して放熱装置まで伝導する熱伝導体として期待されている。特に、グラファイト複合シートは、金属シートによる補強効果等により取扱いやすく、実用性が高いことから注目されている。
【０００６】
しかしながら、グラファイトは本質的に脆い材料であり、その端面からグラファイトの砕粉が脱落し、電子機器内の回路をショートさせるおそれがあった。特に、近年、電子機器内の配線の高精細化が進んでおり、わずか数十μｍ程度の非常に微細な粒子が落下した場合でも短絡のおそれがあることから、大きな問題となってきている。
【特許文献１】特開平８−２０４３７３号公報
【特許文献２】特開２０００−８２８８８号公報
【特許文献３】特開２００３−１８８３２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明はこのような従来技術の課題を解決するためになされたもので、グラファイトシートの両主面に金属シート等を積層一体化した構造のグラファイト複合材において、その端面からのグラファイト粉の脱落を容易かつ確実に防止することができるグラファイト複合材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】
【０００８】
上記目的を達成するため、本願の請求項１に記載の発明のグラファイト複合材は、グラファイトからなる第１のシートと、その両主面に積層一体化された金属またはセラミックからなる第２および第３のシートを具備するグラファイト複合材であって、前記第１のシートの露出端面が封止されていることを特徴とするものである。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１記載のグラファイト複合材において、前記第２および第３のシートを前記第１のシートより外方に延出させ、この延出部を一体に圧着することにより、第１のシートの露出端面が封止されていることを特徴とするものである。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２記載のグラファイト複合材において、前記第２および第３のシートは、比熱容量が前記グラファイトシートよりも大きい等方性熱伝導材料からなることを特徴とするものである。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか1項記載のグラファイト複合材において、前記第１のシートの厚さ（圧着前）は、0.03〜10mmであり、前記第２および第３のシートの各厚さ（圧着前）は、0.02〜20mmであることを特徴とするものである。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか１項記載のグラファイト複合材において、前記第１のシートの圧着前の面方向の熱伝導率が100W/m・K以上であることを特徴とするものである。
【００１３】
請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれか１項記載のグラファイト複合材において、前記第２および第３のシートは、熱伝導率が60W/m・K以上で、かつ、比熱容量が前記第１のシートの2倍以上であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のグラファイト複合材によれば、グラファイトの露出端面からの砕粉の脱落を確実に防止することができ、例えば電子機器等に使用しても回路の短絡させるおそれはなく、機器の信頼性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
【００１６】
図１は本発明のグラファイト複合材の一実施形態を概略的に示す断面図である。
図１において、本実施形態のグラファイト複合材１０１は、熱伝導体、例えば電子機器の発熱体の冷却のための熱伝導体等として好適なものであり、面方向に高い熱伝導性を有するグラファイトからなるシート１１と、このグラファイトシート１１の両主面に、積層された比熱容量がグラファイトシート１１よりも大きく等方性熱伝導性を有する金属またはセラミックからなる2枚のシート１２、１２を備えている。これらの2枚のシート１２、１２はいずれもグラファイトシート１１より外方に延出しており、これらの延出部１２ａを一体に圧着することにより、グラファイトシート１１の露出端面を封止した構造となっている。また、この延出部１２ａの圧着と同時に、2枚のシート１２、１２はグラファイトシート１１の両主面にも一体に圧着されており、このように圧着することで、各シート１１、１２を一体化するとともに、グラファイトシート１１の面方向の熱伝導性、熱拡散性を高め、ひいてはグラファイト複合材１０１全体の熱の伝達性能の向上を図っている。
【００１７】
グラファイトシート１１は、グラファイト結晶がその面方向を揃えて積層された層状構造を有するもので、その構造故に熱伝導性に異方性を有し、面方向（層方向）の熱伝導率が100W/m・K以上、さらには200W/m・K以上といった高い熱伝導性を有している。このグラファイトシート１１の厚さ（圧着前）は、特に限定されるものではないが、熱伝導体、例えば電子機器の発熱体の冷却のための熱伝導体として使用する場合には、0.03〜10mm程度が好ましく、0.25〜2mm程度がより好ましい。
【００１８】
このようなグラファイトシートは、例えばフレーク状グラファイトを圧延ローラやプレス成形機等で加圧成形したり、フレーク状グラファイトを押出成形したり、あるいは無定形炭素を加熱しつつ加圧成形もしくは押出成形することによって得ることができる。また、例えば芳香族ポリイミドフィルムのような高分子フィルムを不活性ガス雰囲気中で数千℃の温度で熱処理することによっても得ることができる。
【００１９】
また、このようなグラファイトシート１１に積層されるシート１２の材料としては、熱伝導率が60W/m・K以上で、比熱容量がグラファイトシート２１の2倍以上のものが好ましい。具体的には、アルミニウムや銅等の金属シート、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化珪素（ＳｉＮ）、ジルコニア（ＺｒＯ2）等の高熱伝導性セラミックシートが例示される。
【００２０】
このような金属あるいはセラミック材料からなる各シート１２の厚さ（圧着前）は、0.02〜20mmであることが好ましく、0.02〜1mmであるとより好ましい。
【００２１】
本実施形態のグラファイト複合材１０１は、例えば図２に示すように、まずグラファイトシート１１の両主面に、片面に接着剤１３を塗布した金属またはセラミックからなるシート１２を接着剤塗布面をグラファイトシート１１側に向けて積層した後、この積層体をプレス板１４上におき、圧延ローラ等で厚さ方向に加圧することにより製造することができる。接着剤２４としては、セルロース系、アクリル系、エポキシ系、シリコーン系、ウレタン系、ポリビニルアルコール（ポバール）等の接着剤を使用することができる。またこのような接着剤を使用せずに、加圧の際に溶融して接着機能を発揮するような材料を間に介在させてグラファイトシート１１と金属またはセラミックからなる2枚のシート１２を積層し、一体に圧着させるようにしてもよい。
【００２２】
本実施形態のグラファイト複合材１０１においては、軽量で、面方向に高い熱伝導率を有するグラファイトシート１１の両主面に、比熱容量がグラファイトシート１１よりも大きい等方性熱伝導材料からなるシート１２を積層し、一体に圧着しているので、グラファイトシート１１の熱伝導性能を大きく向上させることができ、電子機器等において、発熱体より発生した熱を放熱装置までより効率よく伝導することができる。
【００２３】
そして、本実施形態においては、グラファイトシート１１の端面が露出せずに封止されているので、発塵、すなわち、グラファイト粉の脱落を防止することができる。したがって、電子機器内に使用しても、回路の短絡を発生させることはなく、高い信頼性を保持することができる。
【００２４】
なお、上記実施形態では、グラファイトシート１１の一主面（図では上面）に積層したシート１２のみを湾曲させて、グラファイトシート１１の端面を封止する構造とされているが、例えば図３に示すグラファイト複合材１０２のように、2枚のシート１２をいずれも湾曲させ、グラファイトシート１１端面のほぼ中央で接合させるようにしてもよい。しかしながら、この場合、製造にあたって寸法精度の高い金型等を使用する必要があり、製造の簡便さ、製造コストなどの観点からは、図１に示すような一方のシートのみを湾曲させる構成とすることが好ましい。
【００２５】
また、セラミックは金属に比べ伸びが小さいため、上記のような曲げ加工を行った場合に曲げ部に切れが発生するおそれがある。したがって、グラファイトシート１１に積層する2枚のシート１２のうち、１枚がセラミックからなるシートの場合には、図１に示す構造を採り、かつ、曲げ加工を施さないようにすることが好ましく、2枚のシート１２のいずれもがセラミックからなるシートの場合には、次述する構成を採ることが好ましい。なお、グラファイトシート１１の端縁（曲げ部）に面取加工を施すことも、シート１２の曲げ部に発生する切れを防止する対策の一つとして有効である。シート１２が金属からなる場合も、万一の曲げ部における切れの発生を抑制するため、グラファイトシート１１の端縁に面取加工を施すことが好ましい。シート１２材料として、伸びの小さい金属シートを使用した場合には、特に有効である。
【００２６】
図４および図５は、それぞれ本発明のグラファイト複合材の他の実施形態を示す断面図であり、図１に共通する部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２７】
図４に示すグラファイト複合材１０３は、グラファイトシート１１の両主面に金属またはセラミックからなるシート１２を積層し、一体に圧着させている点、両シート１２をグラファイトシート１１より外方に延出させている点では、図１に示す実施形態と同様である。しかしながら、図１に示す実施形態では、グラファイトシート１１より外方に延出させたシート１２の延出部１２ａを一体に圧着することにより、グラファイトシート１１の露出端面を封止しているのに対し、本実施形態では、導電性ペースト、導電性樹脂、はんだ等の封止材１５により封止した構造となっている。
【００２８】
また、図５に示すグラファイト複合材１０４は、図１に示す実施形態において、2枚の金属またはセラミックからなるシート１２をグラファイトシート１１より外方に延出させずに、導電性ラミネートテープ１６で積層体の端面を被覆した構造となっている。
【００２９】
このように構成される各グラファイト複合材１０３、１０４においても、上記実施形態の場合と同様、グラファイトシート１１の端面が露出せずに封止されているので、発塵、すなわち、グラファイト粉の脱落を防止することができ、電子機器内に使用しても、回路の短絡を発生させることはなく、高い信頼性を保持することができる。
【００３０】
しかしながら、図４に示すグラファイト複合材１０３は、信頼性が不十分であり、また、図５に示すグラファイト複合材１０４では、その周縁部にラミネートテープ１６の厚み分の段差が生じるため、発熱体や放熱板に密着させることが困難で、熱伝導体としての機能が損なわれるおそれがある。
【００３１】
図６〜図８は、以上説明したグラファイト複合材の使用形態の例を、グラファイト複合材１０１を使用した場合を例に示したものである。
【００３２】
すなわち、図６に示す例では、グラファイト複合材１０１の一方の主面を半導体素子のような発熱体３１の放熱面に当接させ、他方の主面を放熱体としての放熱フィン３２の受熱面に当接させている。図７に示す例では、グラファイト複合材１０１の一方の主面を発熱体３１の放熱面と放熱ファンを備えた放熱装置３３の受熱面にともに当接させている。また、図８に示す例では、グラファイト複合材１０１に三次元的な形状を付与して、発熱体３１と電子機器の放熱体を兼ねる筐体３４とを熱的に結合している。
【実施例】
【００３３】
次に、本発明の実施例を記載するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。
【００３４】
実施例１
厚さ1.5mm、幅60mm、長さ150mmのグラファイトシート（比熱容量0.13J/K・g、比重1.78g/cm3、面方向熱伝導率240W/m・K）の両主面に、厚さ0.05mm、幅63mm、長さ153mmの銅シート（比熱容量0.38J/K・g、比重8.96g/cm3、熱伝導率390W/m・K）を、セルロース系接着剤を介して銅シートの周縁部が各1.5mmずつグラファイトシートから露出するように積層し一体に圧着させ、図１に示す構造のグラファイト複合材を得た。
【００３５】
実施例２
厚さ1.45mm、幅60mm、長さ150mmのグラファイトシート（比熱容量0.13J/K・g、比重1.78g/cm3、面方向熱伝導率240W/m・K）の両主面に、厚さ0.1mm、幅63mm、長さ153mmのアルミニウムシート（比熱容量0.27J/K・g、比重2.24g/cm3、熱伝導率220W/m・K）を、セルロース系接着剤を介してアルミニウムシートの周縁部が各1.5mmずつグラファイトシートから露出するように積層し一体に圧着させ、図１に示す構造のグラファイト複合材を得た。
【００３６】
上記各実施例で得られたグラファイト複合材を熱伝導体として電子機器内に搭載したが、搭載時はもとよりその後の使用時においても、グラファイト粉の発塵はみられず、それに伴う回路の短絡も生じることはなかった。また、熱伝導体として良好な機能を発揮することも確認された。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明のグラファイト複合材の一実施形態を示す断面図。
【図２】図１に示す実施形態の変形例を示す断面図。
【図３】図１に示す実施形態の製造方法を説明する図。
【図４】本発明のグラファイト複合材の他の実施形態を示す断面図。
【図５】本発明のグラファイト複合材のさらに他の実施形態を示す断面図。
【図６】本発明のグラファイト複合材の使用形態の例を示す側面図。
【図７】本発明のグラファイト複合材の使用形態の他の例を示す側面図。
【図８】本発明のグラファイト複合材の使用形態のさらに他の例を示す側面図。
【図９】グラファイト複合材の一例を示す斜視図。
【符号の説明】
【００３８】
１１…グラファイトシート、１２…金属またはセラミックからなるシート、１３…接着剤、１５…封止材、１６…導電性ラミネートテープ、３１…発熱体、３２…放熱フィン、３３…放熱装置、３４…筐体、１０１〜１０４…グラファイト複合材
【図１】
2005210035.tif 000003
【図２】
2005210035.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2005210035.tif 000007
【図６】
2005210035.tif 000008
【図７】
2005210035.tif 000009
【図８】
2005210035.tif 000010
【図９】
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