(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンボス構造の軟質金属層と、前記軟質金属層の片面又は両面に設けたゴム層とからなり、
前記ゴム層が、ＪＩＳ  Ｋ  ２２２０により規定されるちょう度が３０度以上であることを特徴とする導電性と熱伝導性を備えたシート。
【請求項２】
エンボス構造の軟質金属層と、前記軟質金属層の片面又は両面に設けたゴム層とからなり、
前記ゴム層が、
ＪＩＳ  Ｋ  ２２２０により規定されるちょう度が３０度以上で、
金属粉末、金属窒化物、金属酸化物、結晶性シリカ、炭化珪素のいずれかを含む      熱伝導性充填剤を含有するゴム組成物で構成される
ことを特徴とする導電性と熱伝導性を備えたシート。
【請求項３】
エンボス構造の軟質金属層と、前記軟質金属層の片面又は両面に設けたゴム層とからなり、
前記ゴム層が、
ＪＩＳ  Ｋ  ２２２０により規定されるちょう度が３０度以上で、
アクリルゴム、ブチルゴム、エチレンプロピレンゴムから選ばれるゴム又はこれらのブレンドゴムに、疎水化された酸化マグネシウム粉末が５０〜８５重量％混合されてなるゴム組成物で構成される
ことを特徴とする導電性と熱伝導性を備えたシート。
【請求項４】
前記ゴム組成物が、４０〜９０℃の融点を有する有機化合物を２〜２０重量％配合されている請求項２又は請求項３記載の導電性と熱伝導性を備えたシート。
【請求項５】
前記軟質金属層が、引張強さ１００Ｎ／ｍｍ２以下の材質である請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の導電性と熱伝導性を備えたシート。
【請求項６】
前記軟質金属層が、引張強さ１００Ｎ／ｍｍ２以下の材質であるアルミニウム材または銅材で構成される請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の導電性と熱伝導性を備えたシート。
【請求項７】
前記軟質金属層が、引張強さ１００Ｎ／ｍｍ２以下の材質である純度９９．９９％以上の純Ａｌで構成されている請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の導電性と熱伝導性を備えたシート。
【請求項８】
少なくとも片面側の前記ゴム層の表面に粘着剤が被覆されている請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の導電性と熱伝導性を備えたシート。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は各種電子・電気機器に搭載される電気部品の冷却において、主にその電子部品とヒートシンクとの熱的、電気的接続等に用いられる導電性と熱伝導性を備えたシートに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
コンピューター等に代表される各種電子・電気機器に搭載されている半導体素子等の冷却の問題は、近年、重要課題として注目されてきている。このような冷却が必要な半導体素子等の冷却方法として、それが搭載される機器筐体にファンを取り付け、その機器筐体内の空気を冷却する方法や、その冷却すべき半導体素子等に冷却体（ヒートシンク）を取り付けて冷却する方法等が代表的である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
冷却すべき半導体素子等の部品（以下、被冷却部品と言う）にヒートシンクを取り付ける場合、その被冷却部品とヒートシンクとの間の熱的接続性が低いと十分な冷却性能が得られない。通常、被冷却部品にヒートシンクを単に接触させているだけでは、その部分の熱的接触抵抗が大き過ぎ、従って十分な冷却が実現しにくい。
【０００４】
被冷却部品とヒートシンクとを半田接合等により接合すれば、単にこれらを接触させた場合に比べ大幅に熱抵抗を小さく接続することができる。しかし、被冷却部品とヒートシンクの熱膨張率の相違が大きいと、その熱的整合性の問題が生ずる。具体的には、ヒートシンクとしては、通常熱伝導性に優れるアルミニウム材等が好適に適用される場合が多いが、被冷却部品である半導体素子はそれより大幅に熱膨張率が小さい場合が多いから、大きな反りの発生や、接合部での剥離の発生等の問題が生じることが多いのである。
【０００５】
そこで被冷却部品とヒートシンクとの間に粘着性のシリコーングリス等を挟んで接触させる方法が広く用いられている。シリコーングリス等を介在させることで、被冷却部品とヒートシンクとを単に接触させた場合に比べ、その接触部の熱的抵抗値が小さくなる。また、被冷却部品とヒートシンクとを半田接合するような場合と異なり、これらの熱膨張の差をシリコーングリスが吸収し、反り等の問題が抑制される。
【０００６】
しかしながら、それでもシリコーングリス等の物質の熱伝導率はヒートシンクを構成する金属材に比べ格段に低い場合が多く、より一層の冷却性能の向上は容易ではない。近年は半導体素子等の電子部品の冷却がより一層要求されてきており、そのためにより接触抵抗を低減させることが求められている。
本発明者等はこのような問題を解決した「放熱用シート」を提案した（特願平１０−８１３１号）。しかし、かかる提案は被冷却部品とヒートシンクとの熱的接触のみを考慮したものであり、近年では、用途によって熱的接続だけでなく、電気的な接続を求められる場合も多くなってきており、このような要求には満足できないものであった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、例えばヒートシンクと被冷却部品との間に配置する導電性と熱伝導性を兼ね備えたシートで、エンボス構造の軟質金属層と、その軟質金属層の片面又は両面に被覆されたゴム層を備えているものである。
そのゴム層は、硬さが、ＪＩＳ  Ｋ  ２２２０により規定されるちょう度において、３０
度以上である。軟質金属層は、引張強さが１００Ｎ／ｍｍ２材質のものが望ましく、アルミニウム材又は銅材で構成されたものはより実用的で、アルミニウム材の場合、純度９９．９９％以上のものを用いるとなおよい。
【０００８】
本発明においては、更にゴム層を、金属粉末、金属窒化物、金属酸化物、結晶性シリカ、炭化珪素のいずれかを含む熱伝導性充填剤を含有するゴム組成物で構成してもよい。
【０００９】
本発明では、特に前記ゴム層として、アクリルゴム、ブチルゴム、エチレンプロピレンゴムから選ばれるゴムまたはこれらのブレンドゴムに、疎水化された酸化マグネシウム粉末が５０〜８５重量％混合されてなるゴム組成物で構成する場合を提案する。
更にそのゴム組成物に融点４０〜９０℃の有機化合物が２〜２０重量％配合されていると良い。
【００１０】
また本発明の導電性と熱伝導性を備えたシートとして、上述の構成に、更に少なくとも片面に粘着剤を被覆した構造も提案する。粘着剤を設けることにより少なくとも一方の側に予めシートを接着しておくことができ、組み立てがより簡便になる効果が期待できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の導電性と熱伝導性を備えたシートは、例えばヒートシンクと被冷却部品との間に配置して、これらの熱的接続性を高めることにある。本発明シートをヒートシンクと被冷却部品との間に配置することで、単にヒートシンクと被冷却部品とを接触させた場合に比べ、これらの間の熱的接触抵抗を格段に低下させることが可能になる。
【００１２】
また、本発明はエンボス加工を施した金属層のエンボス凸部をゴムシートの表面に凸出させるて導電性を付与するためには、ゴム層としてＪＩＳ  ２２２０に規定されたちょう度で３０以上、好ましくは５０以上の柔らかいゴム組成物を使用することにより、ヒートシンクと被冷却部品との間に該放熱シートを挟んだ場合、その締付力でエンボス金属層の金属凸部の位置にあるゴム層が押し潰されて金属層がヒートシンクまたは被冷却部品と接触して電気的に動通することとなり、電気的な接続を容易に実現することができる。
【００１３】
また、本発明の導電性と熱伝導性を備えたシートを用いれば、ヒートシンクと被冷却部品とを半田付け等により接合しなくても、低い熱的接触抵抗でこれらを熱的に接続することが可能となり、かつ、電気的接続も可能となる。従ってヒートシンクと被冷却部品とを半田付け等により接合してしまった場合において生ずる、ヒートシンクと被冷却部品との熱膨張率の大きな差異に起因する問題を防ぐことができる。つまりヒートシンクと被冷却部品との熱膨張率の大きな差異に起因する問題、例えば大きな反りの発生等の問題を改善することができる。
【００１４】
本発明の導電性と熱伝導性を備えたシートは、エンボス構造とした軟質金属層とそれの片面または両面に被覆されたゴム層とを備えているので、高い柔軟性を有している。また単にゴムやゴム組成物をシート状に成形したものと異なり、ちぎれたりしにくく高い強度を実現している。このように本発明の導電性と熱伝導性を備えたシートは、所定の位置にセットする際等において、破れたり、しわが生じたりしにくくなっている。このため、そのシートをヒートシンクと被冷却部品との間に挟む作業等において、その作業はより簡便になる。
【００１５】
また軟質金属層は柔らかいため、本発明の導電性と熱伝導性を備えたシートはヒートシンクと被冷却部品との間に挟んだ際、ヒートシンクや被冷却部品の表面の大小の凹凸に対し追随性に優れている。このためヒートシンクと被冷却部品との高い熱的接続が実現しうる。従って冷却すべき電子部品等の被冷却部品の冷却効果が高まる。
【００１６】
本発明において軟性金属層の材質は特に限定されないが、引張強さ１００Ｎ／ｍｍ2 以下の材質のものを用いると効果的である。例えばアルミニウム材または銅材製の軟質金属層を用いると実用的である。アルミニウム材の場合、純度９９．９９％以上のものを用いると良い。
【００１７】
一方、ゴム層に金属粉末、金属酸化物、金属窒化物、結晶性シリカ、炭化硅素等（以下フィラーと言う）を含んだ熱伝導性充填剤を練り混むと、熱伝導性が高まり好ましい。
【００１８】
ゴム組成物としては、アクリルゴム、ブチルゴム、エチレンプロピレンゴムから選ばれるゴムまたはこれらのブレンドゴムに、疎水化された酸化マグネシウム粉末が５０〜８５重量％混合されてなるゴム組成物が特に好ましい。
一般にゴムに熱伝導性または導電性を付与するためにフィラーを練り混むが、その練り込み量が多くなると熱伝導性または導電性はそれなりに上がるが、該ゴム組成物で成形したゴムシートは硬くなる傾向にある。しかし、酸化マグネシウム粒子は、ゴムに混合するフィラーの代表例である酸化アルミニウム粒子等に比べて軟らかく、従って同程度の混合量でも、成形ゴムシートの硬度を低く抑えることが可能になる。また疎水化された酸化マグネシウム粒子は酸化アルミニウム粒子より熱伝導性が高いから、例え同程度の混合量でも、酸化アルミニウム粒子を混合する場合に比べ成形ゴムシートの熱伝導性は高くなる。
【００１９】
従って、疎水化された酸化マグネシウム粒子を用いれば、酸化アルミニウム粒子を用いた場合に比べ、硬度を低く抑えつつ、熱伝導性に非常に優れる熱伝導性を備えたシートが実現する。この酸化マグネシウム粉末の混合量は、ゴム組成物の５０〜８５重量％が熱伝導性および硬度の観点で望ましい。５０重量％未満では、熱伝導率が低く、また８５重量％を超えると、成形ゴムシートの硬度が高くなり過ぎて、被冷却部品やヒートシンクとの密着性が低下するからである。
【００２０】
本発明においては、アクリルゴム（アクリル酸エステルを主成分とする合成ゴム）、ブチルゴム、エチレンプロピレンゴムから選ばれるゴムまたはこれらのブレンドゴムに、疎水化された酸化マグネシウム粉末を混合する他に、更に含水珪酸マグネシウム質粘土鉱物を１〜１０重量％配合しても良い。含水珪酸マグネシウム質粘土鉱物を適量配合することでゴム組成物の耐熱性を高めることができる。その配合量は１〜１０重量％が望ましい。１重量％未満ではその効果が乏しく、一方、１０重量％を超えると、耐熱性の向上の効果は飽和する上、熱伝導率の低下や硬度の向上を招き望ましくないからである。特に好ましい含水珪酸マグネシウム質粘土鉱物の配合量は３〜７重量％である。
【００２１】
また、更に融点４０〜９０℃の有機化合物を２〜２０重量％配合することで、冷却すべき被冷却部品の熱を受けて、その有機化合物が軟化し、導電性と熱伝導性を備えたシートと被冷却部品またはヒートシンクとの接触面においてエンボス構造の凸部が露出して導電性を付与し易くなり、また、ゴム表面部分は接触面における微小な凹凸を埋めるような効果が期待できる。この結果、導電性と熱伝導性を備えたシートと被冷却部品との導電性と熱的接続性が一層高まり、より優れた電気的接続と冷却性能が実現する。融点４０〜９０℃の有機化合物として、パラフィンワックス、マイクロクリスタリンワックス等の滑剤、クマロン樹脂、ポリテルペン樹脂等の粘着剤、その他低分子量の樹脂等が適用できる。その配合量は２重量％未満ではその効果が乏しく、一方、２０重量％を超えると、その軟化流動性が大きくなりすぎて、耐熱性が低下してしまう。
【００２２】
本発明の導電性と熱伝導性を備えたシートの場合、エンボス構造とした軟質金属層が非常に柔軟であり、かつ、軟質金属層上に設けたゴム層が被冷却部品の表面の微小な凹凸に対して追随することができる。
【００２３】
以下に本発明の実施例を示す。
【実施例１】
軟質金属層として７０μｍ程度の厚さの純Ａｌ箔（純度９９．９９％）に高さ４０μｍ程度の凸部となるようにエンボス加工を施した軟質金属箔を用い、ゴム層としてアクリルゴム中に微細な疎水化されたＭｇＯ粒子を混合したゴム組成物を、厚さ３０μｍ程度に設けた本発明の導電性と熱伝導性を備えたシートを用意した。一方、上記軟質金属層に替えて、７０μｍ程度の厚さでエンボス加工せず、軟質でないＡｌ合金の箔を適用した比較用の熱伝導性シートを用いて、表面の微小凹凸が間隔１００μｍ程度で高さが平均５μｍ程度の被冷却部品との接触追随性について比較した。
【００２４】
即ち、上記本発明の導電性と熱伝導性を備えたシートと上記比較用の導電性と熱伝導性を備えたシートを、被冷却部品に押し付けて接触させ（接触面の大きさは１１０ｍｍ×１２７ｍｍ）、これらの間の熱抵抗を測定した結果、本発明の導電性と熱伝導性を備えたシートでは、０．００９３℃／Ｗ、比較用の放熱シートでは、０．０１５２℃／Ｗとなった。明らかに本発明の導電性と熱伝導性を備えたシートが優れた追随性を有していることが判る。尚、被冷却部品との追随性に優れるということは、ヒートシンクに本発明の導電性と熱伝導性を備えたシートを接触させた場合でも、そのヒートシンクとの追随性に優れる、ということは同様である。従って、被冷却部品とヒートシンクとを優れた熱的接続性で接続することが可能になる。
【００２５】
【実施例２】
純度９９．９９％、厚さ５０μｍのアルミニウム箔の上下に、粒度Ｐ１００の研磨紙を重ねてプレスにて１００ｋｇ／ｃｍ2 の荷重をかけてエンボス金属箔を作成した。このエンボス加工した金属シートの厚さは１８０μｍであった。
このエンボス加工したシートの両面に表１のナンバー１に示すゴム組成物をトルエンで溶解させ５０％固形分としてバーコーターでコーティングし、トルエンを蒸発させてエンボス金属シートの両面にゴム層を形成した。出来上がった試料の総厚さは２００μｍであり、ゴム層のちょう度は９０、熱伝導率は０．１ｗ／ｍ−ｋであった。
この複合シートを約１００×１００×１０（ｍｍ）のアルミニウム板２枚の間に挟み、四隅をスクリューボルトにて各１５Ｎｍで締めつけた後、それぞれ熱伝導性グリス（信越化学社製Ｇ７４６）を介して上側を板状ヒーターで１５０Ｗの熱量を加え、下側にはヒートシンクを置いて水道水で冷却した。
２枚のアルミニウム板の側面に熱電対を取り付けて温度を測定し、温度が安定した時点で２枚の板の温度差（ΔＴ）を測定したところ、６．０°Ｃであった。
また、本シートをデジタル絶縁抵抗計（以下テスターという）で測定したところ、２Ωと導電性を示した。
【００２６】
【実施例３】
アクリルゴムにアルミナを４４重量％配合した表１のナンバー２に示すゴム組成物を用いて実施例２と同様に試料を作成した。出来上がった試料のエンボス金属シートの厚さは１８０μｍ、ゴムコーティング後の総厚さは２１０μｍで、ゴム層のちょう度は６５、熱伝導率は０．３ｗ／ｍ−ｋであった。
このシートを実施例２と同様に評価を行ったところ、ΔＴは５．０°Ｃ、テスターによる導電性は４Ωであった。
【００２７】
【実施例４】
アクリルゴムに疎水性酸化マグネシウムを６１重量％配合した表１のナンバー３に示すゴム組成物を用いて実施例２と同様に試料を作成した。出来上がった試料のエンボス金属シートの厚さは１８０μｍ、ゴムコーティング後の総厚さは２０５μｍ、ゴム層のちょう度は６５、熱伝導率は０．５ｗ／ｍ−ｋであった。
このシートを実施例２と同様に評価を行ったところ、ΔＴは４．０°Ｃ、テスターによる導電性は３Ωであった。
【００２８】
【実施例５】
ベースポリマーにブチルゴムを用い、これにアルミナを５６重量％配合した表１のナンバー４に示すゴム組成物を用い、金属箔として厚さ５０μｍの銅箔を用い、粒度１８０の研磨紙を用いて実施例２と同様に試料を作成した。出来上がった試料のエンボス金属シートの厚さは１２０μｍ、ゴムコーティング後の総厚さは１３０μｍ、ゴム層のちょう度は６０、熱伝導率は０．４ｗ／ｍ−ｋであった。
このシートを実施例２と同様に評価を行ったところ、ΔＴは４．０°Ｃ、テスターによる導電性は２Ωであった。
【００２９】
【実施例６】
ベースポリマーにニトリル、ブタジエンゴムを用い疎水性酸化マグネシウムを７０重量％配合した表１のナンバー５に示すゴム組成物を用い、金属箔として厚さ５０μｍのアルミ箔を用い、粒度１２０の研磨紙を用いて実施例２と同様に試料を作成した。出来上がった試料のエンボス金属シートの厚さは１６０μｍ、ゴムコーティング後の総厚さは１７０μｍ、ゴム層のちょう度は４０、熱伝導率は１．０ｗ／ｍ−ｋであった。
このシートを実施例２と同様に評価を行ったところ、ΔＴは３．５°Ｃ、テスターによる導電性は２Ωであった。
【００３０】
【実施例７】
アクリルゴムに疎水性酸化マグネシウムを６１重量％と融点８０°Ｃの有機化合物Ｈｉ−Ｍｉｃ−１０７０を１７．５重量％配合した表１のナンバー６に示すゴム組成物を用い、金属箔として厚さ５０μｍのアルミ箔を用い、粒度１２０の研磨紙を用いて実施例２と同様に試料を作成した。出来上がった試料のエンボス金属シートの厚さは１６０μｍ、ゴムコーティング後の総厚さは１７０μｍ、ゴム層のちょう度は３５、熱伝導率は０．５ｗ／ｍ−ｋであった。
このシートを実施例２と同様に２枚のアルミニウム板に挟み、これを１００°Ｃに加熱した後締めつけて、上記実施例と同様の評価を行ったところ、ΔＴは４．０°Ｃ、テスターによる導電性は２Ωであった。
【００３１】
【比較例１】
ベースゴムにブチルゴムを用い、アルミナを７７重量％配合した表１のナンバー７に示すゴム組成物を用い、金属箔として厚さ５０μｍのアルミ箔を用い、粒度１２０の研磨紙を用いて実施例２と同様に試料を作成した。出来上がった試料のエンボス金属シートの厚さは１６０μｍ、ゴムコーティング後の総厚さは１８０μｍでゴム層のちょう度は２５度であった。なお、ゴム層の熱伝導率は１．０ｗ／ｍ−ｋであった。
このシートを実施例２と同様に評価を行ったところ、ΔＴは１０°Ｃと大きく、テスターによる導電性の測定では１０００Ω以上と絶縁性を示した。
この例ではゴム層のちょう度が２５と硬かったために締めつけてもエンボス加工した金属シートの凸部と上下に配置したアルミニウム板との間が接触するまでに至らず、ΔＴも大きく、かつ導電性も阻害されたものと考えられる。
【００３２】
【表１】
0004115024.tif 000002
トアアクロン−１：（株）トウペ製アクリルゴム  トアアクロンＰＳ−２２０トアアクロン−２：（株）トウペ製低分子量アクリルゴム  トアアクロンＸＨ−２０２７Ｄ
ＪＳＲ−０６５  ：日本合成ゴム製ブチルゴム
クライナック３４５０：ポリサー社製ニトリル・ブタジエンゴム
テトラックス５Ｔ：日石化学製ポリイソブチレン
ポリブテンＨＶ−１００：日石化学製ポリブテン
ブライトストック：日本石油製プロセスオイル
Ｄ．Ｏ．Ｐ      ：協和発酵製可塑剤
Ｈｉ−Ｍｉｃ−１０７０：日本精ろう製ワックス
パイロキスマ５３０１：協和化学製疎水性酸化マグネシウム
ＡＬ４３ＰＣ    ：昭和電工製アルミナ
【００３３】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の導電性と熱伝導性を備えたシートは冷却すべき電子部品等やヒートシンクに接触させた際の追随性に優れ、電子部品等とヒートシンクとの優れた熱的、電気的接続を実現させることができるものである。