(57)【要約】【課題】本発明は、発熱体又は冷却体との接触熱抵抗が低く、高熱伝導率を有し、繰り返し使用によってもその性能が低下しない放熱材料を提供することを課題とする。【解決手段】本発明に係る放熱材料は、発熱体及び冷却体により把持されて使用される、複数の高熱伝導性ファイバー及び樹脂の複合材料であって、該ファイバーが一方向に配向して樹脂を貫通し、該ファイバーの両端の先端部が樹脂の両端面から露出し、該ファイバーの各端部を発熱体又は冷却体に接触させて使用する際にも該ファイバーの樹脂から露出した該ファイバーの先端部が、長さ方向の中心部側から先端部に向って直径が連続的に減少していることを特徴とする放熱材料。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱体及び冷却体により把持されて使用される、複数の高熱伝導性ファイバー及び樹脂の複合材料であって、
該ファイバーが一方向に配向して樹脂を貫通し、
該ファイバーの両端の先端部が樹脂の両端面から露出し、
樹脂から露出した該ファイバーの先端部が、長さ方向の中心部側から先端部に向って直径が連続的に減少していることを特徴とする放熱材料。
【請求項２】
前記ファイバーが、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ及びＷから選ばれるいずれかの金属であるか、又はこれらの少なくとも２種以上の合金であることを特徴とする請求項１に記載の放熱材料。
【請求項３】
前記ファイバーの中央部であって前記樹脂中に埋没した部分の直径が１μｍ〜５０μｍであり、
前記ファイバーの最先端部の直径が１．０μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の放熱材料。
【請求項４】
前記ファイバーの中央部であって前記樹脂中に埋没した部分の直径が１μｍ〜５０μｍであり、
前記ファイバーの最先端部の直径が０．５μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の放熱材料。
【請求項５】
前記ファイバーが露出している部分において、前記ファイバーの面積占有率が３〜５０％であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一に記載の放熱材料。
【請求項６】
前記樹脂端面からの、前記ファイバー端部の露出部が、１μｍ〜３００μｍであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一に記載の放熱材料。
【請求項７】
複数の高熱伝導性ファイバーを線引きしながら一方向に配列させる工程と、
該ファイバーの間に樹脂を含浸させる工程と、
該樹脂を固化させる工程と、
該ファイバーの長さ方向と垂直な面で各ファイバーを切断する工程と、
樹脂表面を溶剤で処理して該ファイバーの端部を露出させる工程と、
電解研磨により該ファイバーの先端部を先鋭化する工程と、
を有することを特徴とする、放熱材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電子機器の放熱材料に関し、より詳しくは、樹脂中に配向した高熱伝導性ファイバーにより伝熱する放熱材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
パーソナルコンピュータやモバイル電子機器の高機能化に伴い、ＣＰＵ等の発熱源の発熱量が飛躍的に増大しており、放熱デバイスの高性能化が求められている。その放熱手法の一つとして簡易かつ効果的な方法として、発熱源の表面に放熱シートや接着剤を貼り付けて放熱する方法が挙げられる。
【０００３】
放熱シートとして、樹脂中に高熱伝導率の粒子を分散させたものが知られている。高熱伝導率粒子としては、熱伝導率が４００Ｗ／ｍＫ程度あるＡｇやＣｕなどの金属粒子（特許文献１）や、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮなどのセラミックス粒子が用いられることが多い（特許文献２）。しかし、従来の高熱伝導率粒子を利用した放熱シートには、これらの粒子が樹脂中に分散しているため、高い熱伝導率は得られないという問題があった。
【０００４】
また、例えば、特許文献３及び４等には、放熱シートの表面に繊維状の伝熱体の一部を露出させた構造が開示されている。このような繊維状の伝熱体を使用することで、樹脂中に粒子を分散させたものよりも熱伝導率は向上するが、伝熱体の端部が樹脂中に埋没しているものが多く、そのような伝熱体においては樹脂を介して熱伝導を行うことになり、放熱効果が充分とはいえなかった。また、使用前には伝熱体の端部が樹脂から露出していても、使用により樹脂中に埋没し、繰り返し使用に耐えられないという問題がある。
使用中も伝熱体の端部が樹脂中に埋没しない放熱材料も開示されている（特許文献５）が、ファイバーの先端の直径が概１μｍ以上と大きいことから、発熱体又は冷却体表面に存在する微細な凹凸部に対しては接触性が悪く、熱抵抗が高いという問題があった。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−００３８２９号公報
【特許文献２】特開２００５−１３９２６７号公報
【特許文献３】特開２００１−２９４６７６号公報
【特許文献４】特開２００６−３３５９５８号公報
【特許文献５】特開２００２−１９８４７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、発熱体又は冷却体との接触熱抵抗が低く、高熱伝導率を有し、繰り返し使用によってもその性能が低下しない放熱材料を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者等は、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、高熱伝導率を有するファイバーを樹脂中に貫通させ、かつ、樹脂から露出したファイバー端部の直径が、ファイバーの長さ方向の中心部側から先端部に向って連続的に減少するように先鋭化させることが有効であることを見出し、本発明を完成させた。
すなわち、本発明に係る放熱材料の特徴は以下の通りである。
【０００８】
（１）本発明に係る放熱材料は、発熱体及び冷却体により把持されて使用される、複数の高熱伝導性ファイバー及び樹脂の複合材料であって、
該ファイバーが一方向に配向して樹脂を貫通し、
該ファイバーの両端の先端部が樹脂の両端面から露出し、
樹脂から露出した該ファイバーの先端部が、長さ方向の中心部側から先端部に向って直径が連続的に減少していることを特徴とする。
（２）上記（１）に記載の放熱材料であって、前記ファイバーが、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ及びＷから選ばれるいずれかの金属であるか、又はこれらの少なくとも２種以上の合金であることを特徴とする。
（３）上記（１）又は（２）に記載の放熱材料であって、前記ファイバーの中央部であって前記樹脂中に埋没した部分の直径が、１μｍ〜５０μｍであり、
前記ファイバーの最先端部の直径が１．０μｍ以下であることを特徴とする。
（４）上記（１）又は（２）に記載の放熱材料であって、前記ファイバーの中央部であって前記樹脂中に埋没した部分の直径が、１μｍ〜５０μｍであり、
前記ファイバーの最先端部の直径が０．５μｍ以下であることを特徴とする。
ことを特徴とする。
（５）上記（１）〜（４）のいずれか一に記載の放熱材料であって、前記ファイバーが露出している部分において、前記ファイバーの面積占有率が３〜５０％であることを特徴とする。
（６）上記（１）〜（５）のいずれか一に記載の放熱材料であって、前記樹脂端面からの、前記ファイバー端部の露出部が、１μｍ〜３００μｍであることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る放熱材料の製造方法は、以下の通りである。
（７）複数の高熱伝導性ファイバーを線引きしながら一方向に配列させる工程と、
該ファイバーの間に樹脂を含浸させる工程と、
該樹脂を固化させる工程と、
該ファイバーの長さ方向と垂直な面で各ファイバーを切断する工程と、
樹脂表面を溶剤で処理して該ファイバーの先端を露出させる工程と、
電解研磨により該ファイバーの先端部を先鋭化する工程と、
を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る放熱材料は、高熱伝導ファイバーが樹脂端面から露出し、かつファイバーの先端部が先鋭化しているため、表面に微細な凹凸を有する発熱源等とも接触熱抵抗が低く、低い熱抵抗を発揮する。また、樹脂とファイバーが相対的に移動しないため、使用頻度にかかわらずファイバーが樹脂から露出しており、ファイバー先端部の機械的劣化が少ないため、繰り返し使用することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明に係る放熱材料は、図１に示すごとく、複数の高熱伝導性ファイバーと樹脂との複合材料であって、該高熱伝導性ファイバーが樹脂中を完全に貫通していることを特徴とする（図１（ａ）参照）。完全に貫通しているとは、ほぼ均一な長さに揃えられたファイバーの両端部が樹脂のそれぞれの端面から完全に露出していることをいう。また各ファイバーは、一方向に配向していることが好ましい。これにより、樹脂から露出した高熱伝導性ファイバーが必ず発熱体又は冷却体に接触するため、接触熱抵抗が低減される。更に図２に示すごとく、樹脂端部から露出したファイバーの端部が長さ方向の中心部側から先端部に向って直径が連続的に減少して先鋭化されていて、その最先端の直径が１．０μｍ以下であることが好ましい。各ファイバーの先端部の直径が小さければ小さいほど細かい凹凸を有する発熱体又は冷却体の表面に効率良く接触することが可能となるため、０．５μｍ以下であることがより好ましい。更に好ましくは０．１μｍ以下である。また、各ファイバーが伝熱方向に配向していることにより、高効率で伝熱することが可能となる。
【００１２】
更に、本発明に係る放熱材料は、その使用時においても高熱伝導性ファイバーの端部が樹脂中に埋没しないことを特徴とする。従来、この種の放熱材料は、発熱体又は冷却体との間で負荷をかけることにより、発熱体等に接着させて使用されている。この場合、前述の通り、ファイバーの端部が樹脂中に埋没してしまうため、繰返して使用しようとする場合、２度目以降の使用時にはファイバー端部と発熱体等との間に樹脂が存在することとなる。このため接触熱抵抗が大きくなり、繰返し使用することができなかった。しかしながら、本発明に係る放熱材料は、使用時においてもファイバーと樹脂との相対位置が変化せず、しかも、ファイバー先端の直径が微細であるため発熱体又は冷却体との接触性が良くなり、各ファイバーの端部が樹脂中に埋没せず、繰返し使用が可能となる。
【００１３】
本発明に係る放熱材料は、高熱伝導性ファイバーの端部が必ず樹脂端面から露出しているため、発熱体等との接着力が従来のものよりは多少小さくなるため、発熱体と冷却体（ヒートシンク等）の間で挟み込み、両者の締結力（例えば、ネジ等による固定）で放熱材料を固定して使用するような環境に適している。
【００１４】
本発明に係る放熱材料に用いられる高熱伝導性ファイバーは、高熱伝導率を有するものであり、ある程度の定形性を有するものであれば特に限定されないが、Ｃｕ、Ｍｏ及びＷから選ばれるいずれかの金属であることが好ましい。又はこれらの少なくとも２種以上の合金であってもよい。これらの金属又は合金は、高熱伝導率を有し、使用時の負荷にも耐え得るものであるため、好ましい。
【００１５】
前記樹脂端面からの、高熱伝導性ファイバーの端部の露出部（図２参照）は、１μｍ〜３００μｍであることが好ましい。露出部の長さが短すぎると、発熱体又は冷却体表面の微細な凹凸面に対する接触性が低下し、熱抵抗が高くなるため好ましくない。逆に長すぎると、接触性の効果が飽和し、また、放熱材料としての厚さが厚くなるため、狭い部位への使用が困難になる。より好ましい露出部の長さは、５μｍ〜１００μｍである。
【００１６】
高熱伝導性ファイバーの中央部であって前記樹脂中に埋没した部分の直径は、１μｍ〜１００μｍであることが好ましい。該直径が小さすぎると、ファイバーを束ねて樹脂を複合する際の取り扱いが困難になるため好ましくない。逆に大き過ぎると、放熱材料の柔軟性がなくなり、発熱体等との接触性が悪くなるため好ましくない。より好ましい直径の範囲は３μｍ〜３０μｍである。
【００１７】
本発明に係る放熱材料は、高熱伝導性ファイバーと樹脂との複合体であることを特徴とするが、ファイバーが露出している部分のファイバー先端部の面積占有率は、３〜５０％であることが好ましい。ファイバー先端部の面積占有率とは、ファイバー／樹脂複合部の断面積に対する、各ファイバー最先端部分の総断面積の割合を意味する。ファイバーの面積占有率が小さすぎると、伝熱性が低下するため好ましくない。また、面積占有率を大きくするためには、出発原料であるファイバーの直径を過度に小さくする必要があるが、そうすると前述の通りファイバーの取扱い性が低下するため好ましくない。高熱伝導性ファイバーのより好ましい面積占有率は５％〜２０％である。
【００１８】
次に、本発明に係る放熱材料の製造方法について説明する。
本発明に係る放熱材料の製造方法は、図３に示すように、（ｉ）複数の高熱伝導性ファイバーを一方向に配列させる工程と、（ii）該ファイバーの間に樹脂を含浸させる工程と、（iii）該樹脂を固化させる工程と、（iv）該ファイバーの長さ方向と垂直な面で各ファイバーを切断する工程と、（ｖ）溶剤を用いて複合材料の表裏面の樹脂を除去してファイバーの端部を露出させる工程と、（vi）露出したファイバーの先端部を電解研磨により先鋭化する工程とを有することを特徴とする。
【００１９】
上記（ｉ）の複数の高熱伝導性ファイバーを一方向に配列させる工程は、ダイスなどを使って公知の方法で行うことができる。このとき、次工程でファイバー間に樹脂が浸透しやすいように少し隙間を空けた状態としておくことが好ましい（図４参照）。
上記（ii）の、ファイバーの間に樹脂を含浸させる工程は、上記（ｉ）の工程で束ねた状態のファイバーに樹脂を噴射するか、樹脂中にファイバーを浸すことによって可能である。樹脂としては、柔軟性を有していれば特に限定されないが、例えば、シリコーン系樹脂、ウレタン系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリエーテル系樹脂、二重結合を有するモノマーを単独重合又は共重合させてなるアクリル形樹脂、スチレン系樹脂、酢酸ビニル系樹脂、アクリロニトリル系樹脂、オレフィン系樹脂、天然あるいは合成ゴム系樹脂などが挙げられる。これらは単独で用いられてもよく、２種以上が併用されてもよい。さらに、これらの樹脂は架橋されていてもよい。
【００２０】
上記（iii）の、樹脂を固化させる工程においては、紫外線照射や熱硬化により樹脂を硬化させることが可能である。このため、樹脂としては、紫外線硬化樹脂や熱硬化樹脂を用いることが好ましい。
上記（iv）の、ファイバーの長さ方向と垂直な面で各ファイバーを切断する工程を経た後、上記（ｖ）の、溶剤を用いて複合材料の表裏面の樹脂を除去してファイバーの端部を露出させる工程を行う。このとき、各ファイバーの端部が樹脂端面から１μｍ〜３００μｍだけ露出するように処理断することが好ましい。
【００２１】
上記（vi）この工程では、樹脂から露出したファイバーの端部を電解液に浸し、電解研磨することによりファイバーの先端部を尖鋭化する。これにより、ファイバーの先端部の直径を０．１μｍ未満とすることができ、表面に細かい凹凸を有する発熱体又は冷却体との間でも接触熱抵抗を低くすることが可能となる。ファイバー先端部の電解研磨による先鋭化は、図５に示すような通常の電気分解による用法でよく、各ファイバーがアノードとなるようにして電気分解を行えばよい。電解液としては、例えば、フッ化水素酸及び硝酸の混合液のような酸の水溶液を用いることができる。
【実施例１】
【００２２】
［放熱材料の作製］
＜（ｉ）〜（iii）の工程＞
図４に示すように、各種直径を持つ金属ファイバーを、円盤状の微細なダイスを用いて一方向に配列させつつ運送しながら、両側から、粘度が８５ｃＰＳの紫外線硬化型樹脂を噴射して、ファイバー間に含浸させた。含浸後、波長３６５ｎｍの紫外線を照射して樹脂を硬化させ、ファイバー／樹脂複合材料を作製した。ファイバーの占有面積率が各種値になるよう、ファイバー間のピッチを調整した。
＜（iv）及び（ｖ）の工程＞
これを厚さ５００μｍにスライス切断後、切断物の表面部分それぞれを各種厚さを各種溶剤に浸漬して、表面部の樹脂を溶解させファイバーを露出させた。
【００２３】
＜（vi）の工程＞
電解研磨工程図５は、電解研磨を説明するための図であり、直流電圧印加電解研磨装置の模式図である。図５のようにして、対向電極には白金線、電解液にはフッ化水素酸と硝酸系の混合液を用いた。金属ファイバーの素材としては、純度９９．９５％、各種直径のものを用いた。電極間電圧を測るために電圧計を、ファラディック電流を測るために電流計をそれぞれ接続した。
図５に示されるように試料をセットして、まず、試料の先端部を電解液に浸した。次に、直流電源を用いて対向電極に対し、試料に正電圧を加え電解研磨を開始する。その後、電解腐食が進行するにつれ、試料の電解液に浸った部分は溶け出し、最終的に全てが溶けて電解研磨が終了する。この工程を各種試料の表裏面に対して行った。
先端の直径は走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した。
【００２４】
［熱抵抗の測定］
図６に示すように、幅３０×３０ｍｍ、厚さが１０ｍｍの最上部に熱電対を埋め込んだＣｕ板の上に試料を設置し、圧力３ｋｇ／ｃｍ２の圧力で押さえつけた。一方をＡｌＮヒータで加熱した。試料表面に設置した熱電対の温度とＣｕ板の温度から熱抵抗を算出した。Ｃｕ板の表面粗度は変化させた。
試験条件は、測定時間１０分間、１２Ｗの発熱量にて行った。
熱抵抗は下記の式で算出した。
【００２５】
（式）
熱抵抗の測定（℃／Ｗ）＝（発熱体温度−ヒートシンク温度）／印加電力
【００２６】
比較として、ファイバーの先端を先鋭化していない試料も測定した。結果を表１に示す。先端を先鋭化した試料の熱抵抗は低かった。
【実施例２】
【００２７】
Ｎｏ．１〜３の試料については、荷重付加して熱抵抗を測定し、その後、荷重を開放して、再度、荷重を付加して熱抵抗を測定(２回目の測定)するという工程を繰り返して行い、１０回目の熱抵抗を測定した。
その結果、比較例である試料Ｎｏ．１は、大幅な熱抵抗の増大が見られたのに対し、本発明に係る試料Ｎｏ．２及び３は、ほとんど低下しなかった。この理由は、試料Ｎｏ．１の放熱材料は先端部のファイバー径が大きいため、荷重の付加と開放を繰り返すにつれて、ファイバーが機械的に劣化して弾性変形しにくくなり、熱源表面の凹凸に追従しなくなっていくのに対し、本発明に係る放熱材料（試料Ｎｏ．２及び３）のように露出部のファイバー径が先端部に向かって減少した構造では、ファイバーが機械的劣化しにくく、熱源の表面の凹凸に十分追従することができるためと考えられる。
【００２８】
【表１】
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【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に係る放熱材料の一例を示す図である。          （ａ）は正面図であり、（ｂ）は側面図である。
【図２】図１におけるＡ部分の拡大断面図である。
【図３】本発明に係る放熱材料の製造方法の一例を示す図である。
【図４】本発明に係る放熱材料の製造方法の第（ｉ）〜（iii）工程の一例を示す図である。
【図５】本発明に係る放熱材料の製造方法の第（ｖ）工程を示す図である。
【図６】実施例において使用した熱抵抗測定装置を示す図である。
【図７】（ａ）熱抵抗の測定に用いた銅板の正面図である。          （ｂ）熱抵抗の測定に用いた銅板の側面図である。
【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】
2009081242.tif 000008
【図６】
2009081242.tif 000009
【図７】
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