(57)【要約】【課題】従来の接合方式では、発熱体の凹凸や放熱体の反りにより空隙が生じ、伝熱がうまく機能しにくい。また、２次加工に手間がかかる。【解決手段】発熱体と放熱体との取り付け面に対して、高熱伝導柔軟樹脂が塗布されて放熱樹脂層が形成され、前記放熱樹脂層が硬化されていることを特徴とする放熱構造体。前記放熱樹脂層は、圧縮部材により荷重を加えることにより圧縮され厚みが薄くなる程度に硬化し、発熱体から放熱体へ速やかに伝熱する。また、絶縁性が必要とされる高熱伝導柔軟樹脂に絶縁スペーサーを配置することで必要とされる絶縁性を保持する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱体と放熱体との取り付け面に対して、高熱伝導柔軟樹脂が塗布されて放熱樹脂層が形成され、前記放熱樹脂層は、荷重を加えることにより圧縮されて厚みが薄くなる程度に硬化されていることを特徴とする放熱構造体。
【請求項２】
前記放熱樹脂層には、前記発熱体から前記放熱体への伝熱を速やかにするための熱伝導フィラーが含まれており、前記熱伝導フィラーは、粒径が２０μｍ以上１００μｍ以下の大粒径熱伝導フィラーと、粒径が１００ｎｍ以上２０μｍ未満の小粒径熱伝導フィラーとから構成されていることを特徴とする請求項１記載の放熱構造体。
【請求項３】
前記放熱樹脂層には、前記発熱体から前記放熱体への伝熱を速やかにするための熱伝導フィラーが含まれており、前記熱伝導フィラーは、アスペクト比５以上４０以下の繊維状熱伝導フィラーと、球形熱伝導フィラーとから構成されていることを特徴とする請求項１記載の放熱構造体。
【請求項４】
前記発熱体と前記放熱樹脂層と前記放熱体とを結合し、前記放熱樹脂層を圧縮する圧縮部材が設けられることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の放熱構造体。
【請求項５】
前記放熱樹脂層の厚みは、接合対象の表面形状及び反りを吸収するために最低必要とされる厚みを保持することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の放熱構造体。
【請求項６】
前記放熱樹脂層に対して絶縁性が求められる用途の場合、要求される絶縁耐圧を保持するために絶縁スペーサーが予め高熱伝導柔軟樹脂に配置されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の放熱構造体。
【請求項７】
前記放熱樹脂層は、その硬度がアスカーＣ９５以下で、１５０度以上の耐熱性及び−２５度以下の耐寒性を持つ高熱伝導柔軟樹脂で構成されることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の放熱構造体。
【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速やかな伝熱による冷却に用いられる放熱構造体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子機器、特にＬＥＤやコンピューターの性能向上は目覚ましい一方、その軽量小型化による高密度実装製品の発熱量の増大に対して、放熱対策が重要となっている。特にＬＥＤの高輝度化は目覚ましいが、消費電力の８０％が熱になるため、局部熱によりＬＥＤの寿命の低下と最悪の場合火災の懸念もあることから、ＬＥＤ基板からの速やかな伝熱による冷却が重要な問題とされている。この解決策として、電子機器の発熱部（以後発熱体と表記する）から放熱体を用いて素早く発熱部の熱を外部に放出させたり、直接筺体を通して熱を外部に放出させたりすることが一般的である。放熱体とは、ヒートシンクに代表される表面積を広げた、熱伝導率が高い金属で構成されるものである。
【０００３】
発熱体と放熱体を接合する方法については圧縮部材による接合と、接着剤による接合が一般的である。圧縮部材による接合の場合、発熱体の凹凸や放熱体の反りにより空隙部が生じて伝熱が十分でないことから、空隙部にサーマルグリスや放熱シートを挟み込んで空隙部を埋めることが一般的である。接合に用いられる接着剤については、エポキシ樹脂系やシリコーン樹脂系が多く使用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１９０００４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の接合方式では以下に示す課題がある。圧縮部材のみでの接合では、前述通り空隙部が生じて伝熱が十分でない。一方、空隙部を埋めるためのサーマルグリスや放熱シートの挟み込みについては追加作業が多く、以下の課題がある。まず、サーマルグリスにおいては、その出来栄えによる品質バラツキと、長期使用におけるサーマルグリス自体の劣化及び部分的移動による伝熱の低下である。放熱シートにおいては、切断や穴あけの工程と空隙部が生じない様に貼り合わせる良好な作業性が必要であり。その貼り合わせ時の作業性（シワ等を防止する）のためにシートが厚くなり、熱抵抗が大きくなる。熱伝導率も１Ｗ／ｍ・Ｋから５Ｗ／ｍ・Ｋとそれ程高くない。よって、伝熱が十分ではなく、むしろ絶縁破壊抵抗を上げることが主な目的となっている。
【０００６】
接着剤による接合は、取り外しが難しくリペアが問題であることと、接着作業性の出来栄えにより品質が安定しない課題を有している。１５０度を超える高温での硬化が必要とされる場合が多く、室温硬化では硬化までに数日要する場合もある。
【０００７】
本発明は上記課題に鑑みてなされたもので、上記の従来手段によることなく速やかに発熱体から放熱体への伝熱を可能にするものである。高熱伝導柔軟樹脂を発熱体と放熱体の接合する部分或いは、放熱体の接触面に、伝熱に必要な最低必要量塗布して硬化することを特徴とする。高熱伝導柔軟樹脂には、導電性、絶縁性があり、用途によって使い分けることとする。（以下省略する）
【０００８】
特開２００６−１９０００４号公報による提案に関しては、放熱体（ヒートシンク）側の取り付け面に、室温で固化状態（以後、Bステージと表記）のエポキシ樹脂系の熱硬化型熱伝導性接着剤（以後、熱硬化型接着剤と表記）層が予め設けられていることを特徴とする、ヒートシンクと発熱体との取り付け方法である。「熱硬化型接着剤」層は、加熱して溶融させ、圧接し、接合する。この「熱硬化型接着剤」は、下記の課題を有している。ひとつは、接着作業性の出来栄えにより品質が安定しないということ、ひとつは、接着強度が高いというエポキシ樹脂ゆえに、応力緩和ができなくなり、著しく信頼性を損なうこと。さらに、熱硬化による接合なので、取り外しが難くリペアが困難であること、Bステージの「熱硬化型接着剤」は硬化温度が６５度から２００度の高温処理が必要になるというものである。本発明は、放熱構造体として既に放熱樹脂を取り付けた形態であり、取り付けられた樹脂自体は熱処理を行うことなく、圧縮部材による伝熱部接合するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明に係る請求項１記載の発熱体、放熱体或いは放熱体の取り付け面に対して、高熱伝導柔軟樹脂が塗布されて放熱樹脂層が形成され、前記放熱樹脂層は硬化されていることを特徴とする放熱構造体。前記放熱構造体は、荷重を加えることにより圧縮され厚みが薄くなる程度に硬化する。
【００１０】
発熱体或いは放熱体の取り付け面に、予めダムを形成して高熱伝導柔軟樹脂を流し込みや、発熱体と放熱体とを接合する部分或いは、放熱体の取り付け面に、伝熱に必要な最低必要量の高熱伝導柔軟樹脂を塗布、例えばスクリーン印刷して、硬化した構造なので、二次加工はそれらを圧縮部材にて機械接合だけでよく、取り付けが簡単である。
【００１１】
前述高熱伝導柔軟樹脂は、発熱体、放熱体の取り付け面に例えばスクリーン印刷を行い塗布する。それを硬化させ放熱樹脂層を形成する。
【００１２】
本発明に係る請求項６記載の絶縁スペーサーは、高熱伝導柔軟樹脂（絶縁性）に配合し、要求される絶縁耐圧を保持するために配置されていることを特徴とする。すなわち、使用される絶縁スペーサーは面を形成するために３か所以上に配置され、要求される絶縁耐圧を満たす厚みを保持している。使用する絶縁スペーサーは無機粉末とし、その直径は５０μから１，０００μとする。前記放熱樹脂層は、要求される絶縁耐圧を保持できる厚みの絶縁スペーサーを予め高熱伝導柔軟樹脂に配置する。一般的に絶縁耐圧５０ＫＶに対して絶縁破壊抵抗が１０16Ωの絶縁シートにおいては０．５ｍｍから１ｍｍ程度の絶縁スペーサーを配置する。
【００１３】
本発明に係る請求項７記載の高熱伝導柔軟樹脂は、その硬度がアスカーＣ９５以下で、１５０度以上の耐熱および−２５度以下の耐寒性を持つシリコーン樹脂で構成されていることを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る請求項２，３記載の放熱構造体を構成する高熱伝導柔軟樹脂は、シリコーン樹脂１００重量部に対して、熱伝導フィラーは、単独或いは複合混合し、高熱伝導柔軟樹脂（導電性）には、熱伝導フィラーの金属微粉末（アルミニウム、銅）は、単体としての熱伝導率が１５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の物を配合する。高熱伝導柔軟樹脂（絶縁性）には、熱伝導フィラーの無機微粉末（アルミナ、マグネシア、亜鉛華、シリコンカーバイト）は、単体としての熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の物を配合する。尚、上記製品粒径は１μから１００μのものとする。これら熱伝導フィラーを３０重量部から８００重量部配合することを特徴とする。また、熱伝導フィラーは熱伝導を高くするために球形、繊維状の形状とし、球形の熱伝導フィラーは、粒径が２０μから１００μの大粒径熱伝導フィラーと、粒径が１００ｎｍから１９μの小粒径熱伝導フィラーから構成されていることを特徴とする。繊維状の熱伝導フィラーの直径は１μから５０μ、長さは最大５００ミクロンまでのものとする。
【００１５】
本発明に係る請求項２，３記載の放熱構造体を構成する高熱伝導柔軟樹脂は、直径１μ以上でアスペクト比が５から４０までの熱伝導フィラー及び１μから５０μの前記熱伝導フィラーで構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように、本発明に係る高熱伝導柔軟樹脂を硬化させ放熱樹脂層を形成し、圧縮部材で接合する方法にあっては、発熱体、放熱体の取り付け面に例えばスクリーン印刷等を行い塗布して硬化したものであり、その接合部の取り付けは圧縮部材の簡易的な機械接合だけでよく、取り付けが簡単で、取り付けコストも安い。又、使用環境が−３０度から１５０度でも樹脂劣化が殆ど無く品質安定性に優れる。
【００１７】
本発明に係る高熱伝導柔軟樹脂は、伝熱に必要な最低必要量の厚みで塗布及び硬化されているので、例えば、接着或いはサーマルグリスの様な接合面の塗布等の作業は不要となり、放熱シートの様な追加作業（切断、貼り合わせ）もなくなる。
【００１８】
本発明に係る高熱伝導柔軟樹脂の塗布量は、接合する表面形状及び反りなどによる空隙部を評価して伝熱について最適化されるため、最低必要量の厚みで接合する。圧縮部材にて機械接合され、その結果熱抵抗は塗布された高熱伝導柔軟樹脂の速やかな伝熱により最少の値を取ることが出来る。
【００１９】
本発明に係る絶縁性の高熱伝導柔軟樹脂に絶縁スペーサーを配置することにより、放熱樹脂層は要求される絶縁耐圧を保持することができる。例えば雷サージ等の過大な電圧がかかった場合でも、その絶縁距離を保持することにより、電子回路破壊等を防止することが可能であり、屋外における使用にも対応できる。
【００２０】
本発明に係る高熱伝導柔軟樹脂は、柔軟で密着性に優れていることから、発熱体、放熱体と樹脂の間に空隙の介在を最少化出来るため、速やかな伝熱が得られる。
【００２１】
本発明に係る高熱伝導柔軟樹脂は、異なる形状や大きさの熱伝導フィラーを最密充填することで、熱伝導フィラー同士が、面や点で多く接触する様に構成されており、取り付け時点での圧縮部材による圧縮により伝熱経路が増加する。
【００２２】
本発明に係る高熱伝導柔軟樹脂は、熱伝導フィラーの一部がアスペクト比の大きい繊維状熱伝導フィラーから構成されており、更にその充填を円滑にする球形熱伝導フィラーから構成されている。このため、圧縮部材の圧縮によりその接触点は厚み（Ｚ）方向により多く発生することから、厚み（Ｚ）方向への伝熱が速やかになる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施形態を示すもので、発熱体と放熱体を圧縮部材で圧縮して結合させた構造を示す断面図である。
【図２】発熱体、放熱体に高熱伝導柔軟樹脂を設ける手順を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態を示すもので、粒径の異なる熱伝導フィラーを配合して硬化した放熱樹脂層を圧縮部材で圧縮した場合の、熱伝導フィラーの内部充填状態を示す断面図である。
【図４】本発明の一実施形態を示すもので、アスペクト比の大きい繊維状熱伝導フィラーと球形熱伝導フィラーを配合した放熱樹脂層が、圧縮部材で圧縮された時の内部充填状態を示す断面図である。
【図５】本発明の一実施形態を示すもので、高熱伝導柔軟樹脂に絶縁性が求められる用途について、放熱樹脂層に絶縁スペーサーを配置し、圧縮部材で圧縮した状態を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明に係る放熱構造体の実施形態を、図面を参照して説明する。
【００２５】
図１は発熱体と放熱体を圧縮部材で圧縮して結合させた構造を示す断面図である。
【００２６】
図１の放熱樹脂層（符号３）は発熱体、放熱体の伝熱部分に５０％以上の面積で塗布され伝熱に必要とされる最低必要量の厚みで硬化される。
【００２７】
図１の放熱樹脂層（符号３）は、そのバインダーになる部分が高信頼性樹脂であるシリコーン樹脂からなり、樹脂１００重量部に対して熱伝導フィラーを単独或いは数種類の混合品で３０重量部から８００重量部まで充填する。他に界面活性剤、沈殿防止剤を加えて物性及び作業性を改善する。
【００２８】
図２は、発熱体、放熱体の接合部分に高熱伝導柔軟樹脂を塗布させ硬化させる手順を示している。
・  まず、上記材料を所定の配合比で混合し、高熱伝導柔軟樹脂を作成する。
・  次に、高熱伝導柔軟樹脂を、発熱体、放熱体の取り付け面に３０μから２００μの厚みに塗布加工する。塗布加工には、一般にスクリーン印刷と流し込みがある。発熱体、放熱体の反りにより空隙部が生じると想定される場合や、更に厚みが必要とされた場合、高熱伝導柔軟樹脂を仮乾燥して後、数回塗布加工し、最低必要量で厚みの放熱樹脂層を形成する。また、必要部にダムを形成して高熱伝導柔軟樹脂を流し込むことも可能である。
・  絶縁厚みが必要な場合、一次塗布加工した後、絶縁スペーサーを配置し、その後、数回塗布加工する。また、必要部にダムを形成して高熱伝導柔軟樹脂を流し込むことも可能である。
・  最終加工された高熱伝導柔軟樹脂は室温から１５０度の範囲で熱硬化される。
【００２９】
図３は、粒径の異なる熱伝導フィラーを配合して硬化した放熱樹脂層を、圧縮部材で圧縮した構造を示す断面図である。大粒径熱伝導フィラー（符号５）と小粒径熱伝導フィラー（符号６）の様に異なる粒径の熱伝導フィラーを配合することで、放熱樹脂層に占める熱伝導フィラーの充填率は５０％から７２％まで増加し、伝熱経路も隣接する大粒径と小粒径の熱伝導フィラーを混在させることにより、接触点は２倍から３倍に増加する。同じ粒径の場合、充填率は実情５０％が限度となるが、隙間の部分に小粒径の熱伝導フィラーを埋め込むことで充填率が７２％となる。
【００３０】
図４は、アスペクト比の大きい繊維状熱伝導フィラー（符号７）と滑易さを加味するため球形熱伝導フィラー（符号８）を配合し、硬化させた放熱樹脂層を、圧縮部材で圧縮して接合させた構造を示している。アスペクト比が大きいために、例えば繊維状熱伝導フィラーの場合、無数の隣接点を持ちながら伝熱経路をＸ，Ｙ，Ｚ方向に形成するが、厚み（Z）方向に無秩序に沈殿する。球形熱伝導フィラーは、アスペクト比の大きい繊維状熱伝導フィラーを均一分散させるために必要とされる。球形熱伝導フィラーの機能は繊維状熱伝導フィラーを滑らせて動かすことによって均一に分散させる「ころ」の様な役割をする。厚み（Ｚ）方向とは、発熱体から放熱体へ向かう方向を指す。Ｘ，Ｙ方向は厚み（Ｚ）方向に垂直な面を指す。
【００３１】
図５は、高熱伝導樹脂層に絶縁性が求められる用途について、放熱樹脂層に無機粉末の絶縁スペーサー（符号９）を配置し、圧縮部材で圧縮した構造を示す断面図である。使用される絶縁スペーサー（符号９）は、面を形成するために３か所以上に配置され、要求される絶縁耐圧に耐える最低絶縁厚みを保持することを特徴とする。
【００３２】
以上のことから分かるように放熱樹脂層は圧縮部材により圧縮され適度な荷重をかけることによって、厚みが薄くなる程度の硬度を有する物とする。圧縮部材で放熱樹脂層を圧縮することによって熱伝導フィラーの接触点が増加し、伝熱経路が形成され、伝熱が速やかになる。尚、図１では圧縮部材は、放熱樹脂層を圧縮できるものであれば何でもよく、ねじ、クリップでもよい。
【００３３】
本発明者は、表１（導電性高熱伝導柔軟樹脂）、表２（絶縁性高熱伝導柔軟樹脂）のとおり材料、配合比で調合された熱伝導柔軟樹脂（導電性、絶縁性の２つ）を、金属板に対し、塗布厚み３００μで２５．４ｍｍ角に塗布し、８０度、１時間硬化させた。それらの試料で定加速試験の後に、碁盤試験（１００等分）を行った。加速試験とは、１００度２時間煮沸試験と、１５０度２４時間の耐熱試験及び−３０度２４時間の低温放置試験のことである。
【表１】
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【表２】
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【表３】
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【００３４】
表３は以下の試験の結果を表わすものである。２５．４ｍｍ角の金属板に高熱伝導柔軟樹脂（導電性、絶縁性）をそれぞれ塗布し硬化した物を、鋭利な刃物で樹脂の部分のみを１００個に均等に金属板に届くまで切断した試料につき以下の試験を行い、その後スコッチテープで樹脂表面を粘着させてから剥離した時に、金属板から剥離しなかった数を示すものである。加速試験の後に、碁盤試験（１００等分）を行った。加速試験としては１００度２時間煮沸試験と、１５０度２４時間耐熱試験と、−３０度２４時間低温放置試験のことである。表３からわかるように、各種加速試験を行っても、塗膜としての信頼性は非常に高いことが確認出来た。又、表１の熱伝導率については９Ｗ／ｍ・Ｋ、表２の製品の熱伝導率については、３Ｗ／ｍ・Ｋと非常に高く、従来の一般の放熱シートの熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋから２Ｗ／ｍ・Ｋ、に対して１．５倍から４．５倍に改善出来た。更にその硬度については表１の組成品についてはアスカーＣで１５、表2の組成品についてはアスカーＣで２５と非常に低い硬度が実現でき、柔軟で密着性に優れていることから、発熱体、放熱体と樹脂の間に空隙の介在が最少化出来るため、接合される相手面との密着が可能となり、速やかな伝熱が得られる。更に圧縮部材で圧縮されることにより伝熱が３０％改善出来た。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明に係る高熱伝導柔軟樹脂の接合方法については、放熱樹脂層が圧縮部材により圧縮されることにより、伝熱が速やかになる。放熱樹脂層の加工においては、高熱伝導柔軟樹脂の塗布量を、接合する表面形状及び反りなどによる空隙部を評価して最低必要量の厚みで最適化することで、最低必要量にすることで、材料費が抑えられ、二次加工がわずかですむ。すなわち、発熱体から放熱体への伝熱が向上するとともに、費用と時間が抑えられ、放熱部材として多種多様な利用が可能である。
【符号の説明】
【００３６】
１  放熱体
２  圧縮部材
３  放熱樹脂層
４  発熱体
５  ２０μｍ以上１００μｍ以下の大粒径熱伝導フィラー
６  １００ｎｍ以上２０μｍ未満の小粒径熱伝導フィラー
７  アスペクト比５以上４０以下の繊維状熱伝導フィラー
８  球形熱伝導フィラー
９  絶縁スペーサー
【図１】
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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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