JP2002088171A - 熱伝導性シートおよびその製造方法ならびに放熱装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】柔軟で圧縮しやすく、電気製品に使用される半
導体素子や電源、光源などの部品の凹凸面への追従性が
良好で実装時の熱抵抗値が小さい熱伝導性シートおよび
その製造方法ならびに熱伝導性に優れる放熱装置を提供
する 【解決手段】熱伝導性繊維を含有する熱伝導性高分子組
成物に磁場を与え、シートの厚み方向、すなわちシート
面に垂直方向に対して、熱伝導性繊維を傾斜配向させた
のちに組成物を固化させてなる熱伝導性シート、その製
造方法およびそのシートを介在させた放熱装置である

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は熱伝導性にすぐれる
熱伝導性シートおよびその製造方法ならびに放熱装置に
関する。さらに詳しくは、電気製品に使用される半導体
素子や電源、光源などの部品から発生する熱を効果的に
放散させることができる柔軟で実装時の熱抵抗値が小さ
い熱伝導性シートおよびその製造方法ならびに熱伝導性
に優れる放熱装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、発熱する半導体素子や電子部品と
放熱させる伝熱部材との伝熱を促進させる目的でシリコ
ーンゴム等の柔軟な熱伝導性シートが使用されている。
これらの熱伝導性シートには、熱伝導性を高めるため
に、銀、銅、金、アルミニウム、ニッケルなどの熱伝導
率の大きい金属や合金、化合物、あるいは酸化アルミニ
ウム、酸化マグネシウム、酸化ケイ素、窒化ホウ素、窒
化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素、カーボンブ
ラック、黒鉛、ダイヤモンドなどの粉粒体形状の熱伝導
性充填材が配合されている。

【０００３】一方、特開平５−２５９６７１号公報によ
れば、マトリックス樹脂中に熱伝導性フィラーをシート
の厚み方向に貫通させるとともに、熱伝導性フィラーを
直立または傾斜させて配向させることによって熱伝導性
と密着性を改善した放熱シートとその製造方法が開示さ
れている。

【０００４】また、特開平１０−３３０５０２号公報
は、ゴムに炭素繊維が充填された放熱シートであって、
炭素繊維をシートの面方向または厚み方向に揃って配向
させて熱伝導性を改良している。さらに、本発明者らは
特開２０００−１９５９９８号公報にて、強磁性体を被
覆したピッチ系炭素繊維をシリコーンゴム中に一定方向
に配向させた熱伝導性シートや製造方法を提案してい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
５−２５９６７１号公報は、窒化アルミニウム、窒化ホ
ウ素、金、銅、アルミニウムなどの粒子形状の熱伝導性
フィラーを配向させるものであり、得られる放熱シート
の熱伝導性は必ずしも充分な性能を示さず、かつ、傾斜
配向構造のシートの製造方法に関しては、あらかじめフ
ィラーを配設させたブロックを傾斜切断させる方法であ
り、生産性が非常に低いものであった。また、炭素繊維
や金属繊維をシートの厚み方向に配向させた従来の熱伝
導性シートは、非常に硬い熱伝導性繊維をシートの厚み
方向にまっすぐに揃えて配向させるため、ゴム本来の特
徴である柔軟性が著しく損なわれ、得られる熱伝導シー
トは、加圧しても圧縮しにくく、かつ、発熱素子などの
凹凸面への追従性が劣り、結果的として熱抵抗が小さく
ならないという問題が発生していた。

【０００６】すなわち、シートの厚み方向に良好な熱伝
導特性を有し、かつ柔軟で圧縮しやすく実装時の性能に
すぐれる熱伝導性シートがその簡便な製造方法を含めて
開発されていないために、半導体素子などの電子部品か
らの多大な発熱を放散させることができず、電子部品の
信頼性や寿命を損なう様々なトラブルが発生していた。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上述の課題を
解決する目的で、電気製品に使用される半導体素子や電
源、光源などの部品から発生する熱を効果的に放散させ
ることができる柔軟で圧縮しやすく凹凸面への追従性が
良好で実装時の熱抵抗値が小さい熱伝導性シートおよび
その製造方法ならびに熱伝導性に優れる放熱装置を提供
するものである。すなわち、本発明は、高分子中に熱伝
導性繊維を含有する熱伝導性シートにおいて、シートの
厚み方向に対して熱伝導性繊維が傾斜配向されてなるこ
とを特徴とする熱伝導性シートである。

【０００８】さらに、黒鉛化炭素繊維、金属繊維、ポリ
ベンザゾール繊維、超高分子量ポリエチレン繊維より選
ばれる少なくとも１種の熱伝導性繊維を含有する熱伝導
性高分子組成物に磁場を与え、シートの厚み方向、すな
わちシート面に垂直方向に対して、熱伝導性繊維が角度
を有して配向させてある、すなわち傾斜配向させたのち
に組成物を固化させることを特徴とする熱伝導性シート
の製造方法である。さらに、もうひとつの発明は、発熱
部材と伝熱部材間に、シートの厚み方向に対して熱伝導
性繊維が傾斜配向された熱伝導性シートを介在させるこ
とを特徴とする放熱装置である。

【０００９】本発明で使用する熱伝導性繊維としては、
繊維長さ方向の熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であるこ
とが好ましく、黒鉛化炭素繊維、金属繊維、ポリベンザ
ゾール繊維、超高分子量ポリエチレン繊維より選ばれる
少なくとも１種が好適である。

【００１０】黒鉛化炭素繊維としては、ＰＡＮ系よりも
ピッチ系やメソフェーズピッチ系を主原料として溶融紡
糸、不融化、炭化などの処理工程後に２０００〜３００
０℃あるいは３０００℃を越える高温で熱処理した黒鉛
構造の発達したピッチ系炭素繊維の方が繊維長さ方向の
熱伝導率が大きいので好ましい。さらに気相成長法、ア
ーク放電法などによって得られる黒鉛化炭素繊維、マイ
クロコイル状黒鉛化炭素繊維、ナノチューブ状黒鉛化炭
素繊維も用いることができる。黒鉛化炭素繊維の繊維長
さ方向の熱伝導率は２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上が好ましく、
さらに好ましくは４００Ｗ／ｍ・Ｋ以上、さらに好まし
くは１０００Ｗ／ｍ・Ｋ以上である。

【００１１】金属繊維としては、金、銀、銅、アルミニ
ウムなどの熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上、好ましく
は４００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の金属繊維が好適である。ポリ
ベンザゾール繊維とは、ポリベンザゾールポリマーより
構成される有機高分子繊維であり、繊維長さ方向の熱伝
導率が４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のものが好ましい。ポリベン
ザゾール（ＰＢＺ）とは、ポリベンゾオキサゾールホモ
ポリマー（ＰＢＯ）、ポリベンゾチアゾールホモポリマ
ー（ＰＢＴ）およびそれらＰＢＯ、ＰＢＴのランダムコ
ポリマー、シーケンシャルコポリマー、ブロックコポリ
マーあるいはグラフトコポリマーを意味するものであ
る。このようなポリベンザゾール繊維としては、たとえ
ば、東洋紡績株式会社製のザイロンなどが市販品として
入手可能である。

【００１２】超高分子量ポリエチレン繊維は、繰返しモ
ノマー単位が主にエチレンより構成されるポリオレフィ
ンを原料ポリマーとして構成される有機高分子繊維であ
り、繊維長さ方向の熱伝導率が４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のも
のが好ましい。原料ポリマーの超高分子量ポリエチレン
の粘度平均分子量としては５０万以上、好ましくは１０
０万以上、さらに好ましくは１５０万以上である。粘度
平均分子量が５０万に満たないと、得られる熱伝導性シ
ートの熱伝導率が小さくなり不適である。

【００１３】また、本発明においてはエチレン以外の少
量の共重合モノマーとして、プロピレン、ブテンなどの
αオレフィン、アクリル酸およびその誘導体、メタクリ
ル酸およびその誘導体、ビニルエステルおよびその誘導
体、ビニルエーテルおよびその誘導体、スチレンおよび
その誘導体、ビニルシランおよびその誘導体などとの公
知の共重合体や少量のこれらのポリマーとのブレンド物
でも差し支えない。本発明の構成、効果に影響するもの
ではないけれども、これらのエチレン以外の共重合モノ
マーの含有量は５モル％以下、超高分子量ポリエチレン
と異なるポリマーの含有量は１０体積％以下が好まし
い。このような超高分子量ポリエチレン繊維としては、
たとえば、東洋紡績株式会社製のダイニーマＳＫ６０、
ダイニーマＳＫ７１などが市販品として入手可能であ
る。

【００１４】これらの熱伝導性繊維の繊維長さ、繊維直
径については特定するものではない。熱伝導性繊維の長
さが短い短繊維の場合、繊維の平均直径は、５〜２０μ
ｍ、平均長さは５〜８００μｍの範囲が高分子へ容易に
充填することができ、得られる熱伝導性シートの熱伝導
率が大きくなるので好ましい。平均直径が５μｍよりも
小さい場合や、平均長さが８００μｍよりも長い場合
は、高分子に高濃度で配合することが困難になる。一
方、繊維の平均直径が２０μｍを越えると、繊維の生産
性が低下するので好ましくない。平均長さについては、
５μｍよりも短いとかさ比重が小さくなり、製造工程中
の取扱い性や作業性に問題が生じることがあるので好ま
しくない。

【００１５】一方、熱伝導性繊維が長繊維の場合、平均
直径については特に限定しないけれども、５〜２０μｍ
の範囲が実用的である。長繊維の場合の繊維長さは、シ
ートの上下面に繊維の端面を露出させた方が熱伝導性が
良好になることを考慮して選定すればよい。

【００１６】本発明の熱伝導性シートは、シートの厚み
方向に対して熱伝導性繊維が傾斜配向されてなることを
特徴とする。シートの厚み方向に対して傾斜配向されて
いるということは、実質的にシートを圧縮した際に傾斜
配向されている熱伝導性繊維が応力によってさらに斜め
に傾斜するので発熱する素子や伝熱部材の凹凸面に追従
可能となり実際の熱抵抗を低減することができる。

【００１７】傾斜させる角度については限定するもので
はないけれども、たとえば、数値で表現すれば、シート
の厚み方向を９０度とした際に、熱伝導性繊維が４５〜
８９度あるいは９１〜１３５度、好ましくは６０〜８５
度あるいは９５〜１２０度の傾斜角度で配向されている
ことを意味し、圧縮しやすく、かつ発熱する素子の凹凸
面にも追従できる。

【００１８】熱伝導性繊維の繊維形状については、直線
状のもの以外に湾曲した繊維が使用可能である。特に剛
性が大きくて硬い繊維の場合には、繊維形状が、くの字
形状、Ｕ字形状、Ｓ字形状、コイル形状、スプリング形
状などに湾曲あるいは折れ曲がっていても差し支えな
い。

【００１９】熱伝導性シートに含有させる熱伝導性繊維
の濃度については限定するものではないけれども、２〜
８０体積％の範囲が好ましい。２体積％よりも少ないと
得られる熱伝導性シートの熱伝導率が小さくて放熱特性
が劣り、８０体積％を越えると、シートの柔軟性を損ね
るとともに、成形前の配合組成物の粘度が増大して熱伝
導性繊維を均一に分散させることが困難になり、かつ、
気泡の混入が避けられず好ましくない。さらに好ましい
熱伝導性繊維の濃度は、５〜７０体積％の範囲である。

【００２０】また、熱伝導性繊維の表面は、あらかじめ
公知の表面処理を施しておいても良い。たとえば、脱
脂、洗浄、酸アルカリ処理、紫外線照射、コロナ放電、
プラズマ処理、火炎処理、電解酸化、ハロゲン化処理、
カップリング剤処理などのほか、無電解メッキ法、電解
メッキ法、真空蒸着やスパッタリングなどによる物理的
蒸着法、化学的蒸着法、塗装、浸漬、微細粒子を機械的
に固着させるメカノケミカル法などの方法によって他の
金属や化合物、絶縁体などを被覆することもできる。

【００２１】本発明の熱伝導性シートのマトリックスと
して用いる高分子としては、通常の熱可塑性樹脂、熱可
塑性エラストマー、熱硬化性樹脂、架橋ゴムが使用でき
る。

【００２２】熱可塑性樹脂や熱可塑性エラストマーとし
ては、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレンプロピ
レン共重合体などのエチレンαオレフィン共重合体、ポ
リメチルペンテン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデ
ン、ポリ酢酸ビニル、エチレン酢酸ビニル共重合体、ポ
リビニルアルコール、ポリアセタール、ポリフッ化ビニ
リデンやポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂、
ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレ
ート、ポリエチレンナフタレート、ポリスチレン、ポリ
アクリロニトリル、スチレンアクリロニトリル共重合
体、ＡＢＳ樹脂、ポリフェニレンエーテルおよび変性Ｐ
ＰＥ樹脂、脂肪族および芳香族ポリアミド類、ポリイミ
ド、ポリアミドイミド、ポリメタクリル酸およびそのメ
チルエステルなどのポリメタクリル酸エステル類、ポリ
アクリル酸類、ポリカーボネート、ポリフェニレンスル
フィド、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリエ
ーテルニトリル、ポリエーテルケトン、ポリケトン、液
晶ポリマー、シリコーン樹脂、アイオノマー等の熱可塑
性樹脂、スチレンブタジエンまたはスチレンイソプレン
ブロック共重合体とその水添ポリマーおよびスチレン系
熱可塑性エラストマー、オレフィン系熱可塑性エラスト
マー、塩化ビニル系熱可塑性エラストマー、ポリエステ
ル系熱可塑性エラストマー、ポリウレタン系熱可塑性エ
ラストマー、ポリアミド系熱可塑性エラストマー等の熱
可塑性エラストマー等が挙げられる。繰り返しリサイク
ル使用する場合には熱可塑性エラストマーを用いると良
い。

【００２３】熱硬化性樹脂や架橋ゴムとしては、エポキ
シ樹脂、ポリイミド樹脂、ビスマレイミド樹脂、ベンゾ
シクロブテン樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステ
ル樹脂、ジアリルフタレート樹脂、シリコーン樹脂、ウ
レタン樹脂、熱硬化型ポリフェニレンエーテルおよび変
性ＰＰＥ樹脂、天然ゴム、ブタジエンゴム、イソプレン
ゴム、スチレンブタジエン共重合ゴム、ニトリルゴム、
水添ニトリルゴム、クロロプレンゴム、エチレンプロピ
レンゴム、塩素化ポリエチレン、クロロスルホン化ポリ
エチレン、ブチルゴムおよびハロゲン化ブチルゴム、フ
ッ素ゴム、ウレタンゴム、シリコーンゴム等の架橋ゴム
等が挙げられる。なかでも、柔軟性、電気的信頼性、熱
的信頼性を要求される場合には、シリコーンゴムを用い
ることが最も好ましい。

【００２４】シリコーンゴムの種類としては、公知のオ
ルガノポリシロキサンを骨格としたものであれば特定す
るものではない。硬化方法についても限定するものでは
なく、ビニル基を含むオルガノポリシロキサンとケイ素
原子にハイドロジェン基を含むオルガノポリシロキサン
と白金系触媒からなる付加反応タイプ、有機過酸化物に
よるラジカル反応タイプ、縮合反応タイプ、紫外線や電
子線による硬化タイプなどが挙げられる。なかでも、熱
伝導性繊維を充填しやすい液状の付加反応タイプのオル
ガノポリシロキサンを用いることが好ましい。また、公
知の補強用のシリカや難燃剤、着色剤、耐熱性向上剤、
接着助剤、粘着剤、オイル、可塑剤などを適宜配合する
ことができる。

【００２５】さらに、本発明の熱伝導性シートの原料組
成物には、他の金属やセラミックス、具体的には、銀、
銅、金、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、窒化ホ
ウ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、水
酸化アルミニウムや金属被覆樹脂などの従来の熱伝導性
シートに使用されている熱伝導率が大きな充填材を併用
することも可能である。これらの充填材の形状について
は、粒子状、鱗片状、球状、破砕状、針状、繊維状、コ
イル状、チューブ状など限定するものではない。また、
組成物の粘度を低下させるためには、揮発しやすい有機
溶剤や反応性可塑剤を添加すると効果的である。

【００２６】熱伝導性シートの厚みは、薄いほど熱抵抗
が小さくて良好である。しかしながら、実装する際には
一定の間隙あるいは凹凸のある間隙などに介在させるこ
とになり、ある程度の厚みが必要になる。しかも薄すぎ
ると取り扱いにくくなるので０.１〜１０ｍｍの厚みが
好ましい。さらに好ましくは０.２〜４ｍｍの範囲であ
る。

【００２７】熱伝導性シートの硬度については、使用す
る用途に応じて決定すれば良いけれども、使用時の応力
緩和性と追随性に関しては柔軟なほど有利である。具体
的な硬度としては、ショアーＡ硬度で７０以下、好まし
くは５０以下の低硬度品が好適である。さらに図９のよ
うな凹凸のある複数の半導体パッケージなどの発熱する
電子部品と伝熱部材間に介在させて使用する際には、ア
スカーＣ硬度が３０以下のゲル状の低硬度品が望まし
い。

【００２８】

【発明の実施の形態】本発明の熱伝導性シートは、熱伝
導方向であるシートの厚み方向に対して熱伝導性繊維が
傾斜配向されてなることが重要である。熱伝導性繊維が
シートの厚み方向に傾斜して配向されることによって、
熱伝導させる発熱体と放熱体の厚み方向にシートを挟ん
だ時に、圧縮応力を加えるとシートが厚み方向に圧縮
し、密着性が良好になるとともに、傾斜配向された熱伝
導性繊維が接触し合って熱の伝導に効果的に働き、熱抵
抗値が小さく熱伝導性が良好になる。

【００２９】熱伝導性繊維を含む熱伝導性高分子組成物
を用い、シートの厚み方向に対して熱伝導性繊維を傾斜
配向させた熱伝導性シートを製造する方法としては、 ＜製法＞ 押出成形、プレス成形、ロール成形、カレ
ンダー成形などによって熱伝導性繊維を一定方向に配向
させた成形体を斜めに切断加工する方法 ＜製法＞ 熱伝導性繊維の反磁性磁気異方性を利用
し、熱伝導性高分子組成物に斜め方向に磁場を印加し、
熱伝導性繊維を傾斜配向させる方法 ＜製法＞ 熱伝導性高分子組成物に斜め方向に磁場を
与え、強磁性体を含有させた熱伝導性繊維を傾斜配向さ
せる方法 ＜製法＞ 熱伝導性高分子組成物に斜め方向に電場を
与え、熱伝導性繊維を傾斜配向させる方法 ＜製法＞ 斜め方向に熱伝導性繊維を静電植毛させて
から高分子を含浸させて熱伝導性繊維を傾斜配向させる
方法 などが挙げられる。

【００３０】いずれの方法によってもシートの厚み方向
に対して熱伝導性繊維が傾斜して配向された熱伝導性シ
ートを製造することができる。使用する熱伝導性繊維の
性質や目的とする熱伝導性シートの要求仕様に応じて適
切な製造方法を採用できる。なかでも、上記の＜製法
＞、＜製法＞を応用した製法が好ましい。すなわち、
黒鉛化炭素繊維、金属繊維、ポリベンザゾール繊維、超
高分子量ポリエチレン繊維より選ばれる少なくとも１種
の熱伝導性繊維を含有する熱伝導性高分子組成物に磁場
を与え、シートの厚み方向に対して熱伝導性繊維を傾斜
配向させたのちに組成物を固化させる製造方法が本発明
の特徴である。

【００３１】本発明の製造方法によれば、磁場を利用し
ているので、任意の厚みや任意の傾斜角度の選定が容易
であるとともに、＜製法＞のように一定方向に配向さ
せたブロックを成形する工程および斜めに切断する工程
や、＜製法＞、＜製法＞のような電極や静電植毛装
置などに関する設備が不要である。

【００３２】本発明の放熱装置は、発熱部材と伝熱部材
間に、シートの厚み方向に対して熱伝導性繊維が傾斜配
向された熱伝導性シートを介在させることを特徴とす
る。発熱部材としては、マイクロプロセッサー、ドライ
ブ、メモリーなどの半導体素子、電源、光源、モータ
ー、駆動装置など、伝熱部材としては、通常の放熱器、
冷却器、ヒートシンク、ヒートスプレッダー、ダイパッ
ド、プリント基板、冷却ファン、ヒートパイプ、筐体な
どが挙げられる。

【００３３】具体的には、発熱する半導体素子４、９と
プリント基板３、放熱器６、ヒートシンク７、筐体１０
などの間に、本発明の熱伝導性シート５を介在させて図
５〜図７、図９に例示する本発明の放熱性に優れる放熱
装置を製造することができる。

【００３４】

【実施例１】＜製法＞ 熱伝導性繊維として繊維長さ
方向の熱伝導率が１０００Ｗ／ｍ・Ｋ、直径１０μｍの
ピッチ系黒鉛化炭素繊維の長繊維フィラメント（米国ア
モコ製）３０体積％に、付加型の液状シリコーンゴム原
料７０体積％を含浸し、加熱硬化させてブロック状複合
材を得た。このブロック状複合材を黒鉛化炭素繊維の長
繊維が厚み方向に対して傾斜して配向するように切断刃
で厚さ２ｍｍにスライスした。得られた熱伝導性シート
のショアＡ硬度は５５、厚み方向の熱伝導率は２１０Ｗ
／ｍ・Ｋで、熱伝導性シート中のピッチ系黒鉛化炭素繊
維の長繊維フィラメントは図１のようにシートの厚み方
向に対して傾斜して配向していた。

【００３５】図７に記すプリント基板１に実装した半導
体素子２とヒートシンク５の間に作製したピッチ系黒鉛
化炭素繊維が厚み方向に対して傾斜配向させた厚さが１
ｍｍの熱伝導性シート３を配置し、締め付けトルク１ｋ
ｇ・ｃｍにて固定して放熱装置を組み立てた。通電して
１０分後の熱抵抗値を測定した結果、０.０５℃／Ｗで
あった。

【００３６】

【実施例２】＜製法＞ 熱伝導性繊維として繊維長さ
方向の熱伝導率が４００Ｗ／ｍ・Ｋ、直径１２μｍの銅
線２０体積％に、付加型の液状シリコーンゴム原料８０
体積％を含浸し、加熱硬化させてブロック状複合材を得
た。このブロック状複合材を銅線が厚み方向に対して傾
斜して配向するように切断刃で厚さ１ｍｍにスライスし
た。得られた熱伝導性シートのショアＡ硬度は４０、厚
み方向の熱伝導率は７２.７Ｗ／ｍ・Ｋで、熱伝導性シー
ト中の銅線は図１のようにシートの厚み方向に対して傾
斜して配向していた。

【００３７】図７に記すプリント基板１に実装した半導
体素子２とヒートシンク５の間に作製した銅線が厚み方
向に対して傾斜配向させた厚さが１ｍｍの熱伝導性シー
ト３を配置し、締め付けトルク１ｋｇ・ｃｍにて固定し
て放熱装置を組み立てた。通電して１０分後の熱抵抗値
を測定した結果、０.０９℃／Ｗであった。

【００３８】

【実施例３】＜製法＞ 熱伝導性繊維として繊維長さ
方向の熱伝導率が８００Ｗ／ｍ・Ｋのピッチ系黒鉛化炭
素繊維（三菱化学株式会社製 直径９μｍ）の粉砕品
（長さ８０μｍ）２５体積％と、球状グラファイト（大
阪ガス株式会社製 平均粒径１６μｍ）５体積％、付加
型の液状シリコーンゴム原料７０体積％を混合分散し真
空脱泡した熱伝導性高分子組成物ａを調製した。アルミ
ニウム製の厚さ０．５ｍｍ、縦２０ｍｍ、横２０ｍｍの
板状の金型内に調製した熱伝導性高分子組成物ａを充填
し図５（１）〜図５（２）、図５（３）に示すように厚
み方向に傾斜して磁束密度１０テスラのＮ極とＳ極が対
向する磁場雰囲気で黒鉛化炭素繊維を十分に傾斜配向さ
せた後に加熱硬化させ、アスカーＣ硬度４０、厚み０.
６ｍｍの柔軟な熱伝導性シートを得た。得られた熱伝導
性シートの厚み方向の熱伝導率は７.６Ｗ／ｍ・Ｋで、熱
伝導性シート中の黒鉛化炭素繊維は図２のようにシート
の厚み方向に対して傾斜して配向していた。

【００３９】図７に記すプリント基板１に実装した半導
体素子２とヒートシンク５の間に作製したピッチ系黒鉛
化炭素繊維が厚み方向に対して傾斜配向させた厚さが
０.６ｍｍの熱伝導性シート３を配置し、締め付けトル
ク１ｋｇ・ｃｍにて固定して放熱装置を組み立てた。通
電して１０分後の熱抵抗値を測定した結果、０.２５／
Ｗであった。

【００４０】

【実施例４】＜製法＞ 熱伝導性繊維として繊維長さ
方向の熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋのポリベンザゾール
短繊維（東洋紡績株式会社製 ザイロンＨＴ 直径９μ
ｍ、長さ３００μｍ）５体積％と、付加型の液状シリコ
ーンゴム原料９５体積％を混合分散し真空脱泡した熱伝
導性高分子組成物ｂを調製した。アルミニウム製の厚さ
０.５ｍｍ、縦２０ｍｍ、横２０ｍｍの板状の金型内に
調製した熱伝導性高分子組成物ｂを充填し図１１に示す
ように厚み方向に傾斜して磁束密度１０テスラのＮ極と
Ｓ極が対向する磁場雰囲気で黒鉛化炭素繊維を十分に傾
斜配向させた後に加熱硬化させ、アスカーＣ硬度１８、
厚み１ｍｍの柔軟な熱伝導性シートを得た。得られた熱
伝導性シートの厚み方向の熱伝導率は２.２Ｗ／ｍ・Ｋ
で、熱伝導性シート中のポリベンザゾール短繊維は図２
のようにシートの厚み方向に対して傾斜して配向してい
た。

【００４１】図７に記すプリント基板１に実装した半導
体素子２とヒートシンク５の間に作製したポリベンザゾ
ール短繊維が厚み方向に対して傾斜配向させた厚さが１
ｍｍの熱伝導性シート３を配置し、締め付けトルク１ｋ
ｇ・ｃｍにて固定して放熱装置を組み立てた。通電して
１０分後の熱抵抗値を測定した結果、０.７３℃／Ｗで
あった。

【００４２】

【実施例５】＜製法＞ 熱伝導性繊維として繊維長さ
方向の熱伝導率が８００Ｗ／ｍ・Ｋのピッチ系黒鉛化炭
素繊維（三菱化学株式会社製 直径９μｍ）の粉砕品
（長さ８０μｍ）に無電解メッキ法によって強磁性体で
あるニッケルを０.２μｍの膜厚で被覆させた。このニ
ッケルを被覆したピッチ系黒鉛化炭素繊維２０体積％
と、球状酸化アルミニウム粉末（昭和電工株式会社製
平均粒径１０μｍ）１０体積％、付加型の液状シリコー
ンゴム原料７０体積％を混合分散し真空脱泡した熱伝導
性高分子組成物ｃを調製した。アルミニウム製の厚さ
０.５ｍｍ、縦２０ｍｍ、横２０ｍｍの板状の金型内に
調製した熱伝導性高分子組成物ｃを充填し図１１に示す
ように厚み方向に傾斜して磁束密度０.５テスラのＮ極
とＳ極が対向する磁場雰囲気で黒鉛化炭素繊維を十分に
傾斜配向させた後に加熱硬化させ、アスカーＣ硬度３
７、厚み０.６ｍｍの柔軟な熱伝導性シートを得た。得
られた熱伝導性シートの厚み方向の熱伝導率は６.８Ｗ
／ｍ・Ｋで、熱伝導性シート中のニッケルを被覆した黒
鉛化炭素繊維は図２のようにシートの厚み方向に対して
傾斜して配向していた。

【００４３】図７に記すプリント基板１に実装した半導
体素子２とヒートシンク５の間に作製したニッケルを被
覆した黒鉛化炭素繊維が厚み方向に対して傾斜配向させ
た厚さが０.６ｍｍの熱伝導性シート３を配置し、締め
付けトルク１ｋｇ・ｃｍにて固定して放熱装置を組み立
てた。通電して１０分後の熱抵抗値を測定した結果、
０.３７℃／Ｗであった。

【００４４】

【比較例１】熱伝導性繊維として繊維長さ方向の熱伝導
率が１０００Ｗ／ｍ・Ｋ、直径９μｍのピッチ系黒鉛化
炭素繊維の長繊維フィラメント（米国アモコ製）３０体
積％に、付加型の液状シリコーンゴム原料７０体積％を
含浸し、加熱硬化させてブロック状複合材を得た。この
ブロック状複合材を黒鉛化炭素繊維の長繊維が厚み方向
に対してまっすぐに配向するように切断刃で厚さ２ｍｍ
にスライスした。得られた熱伝導性シートのショアＡ硬
度は７８、厚み方向の熱伝導率は２２０Ｗ／ｍ・Ｋで、
熱伝導性シート中のピッチ系黒鉛化炭素繊維の長繊維フ
ィラメントは図３のようにシートの厚み方向に対してま
っすぐに配向していた。

【００４５】図８に記すプリント基板１に実装した半導
体素子２とヒートシンク５の間に作製したピッチ系黒鉛
化炭素繊維が厚み方向に対してまっすぐに配向させた厚
さが１ｍｍの熱伝導性シート３を配置し、締め付けトル
ク１ｋｇ・ｃｍにて固定して放熱装置を組み立てた。通
電して１０分後の熱抵抗値を測定した結果、０.１５℃
／Ｗであった。

【００４６】

【比較例２】熱伝導性繊維として繊維長さ方向の熱伝導
率が４００Ｗ／ｍ・Ｋ、直径１２μｍの銅線２０体積％
に、付加型の液状シリコーンゴム原料８０体積％を含浸
し、加熱硬化させてブロック状複合材を得た。このブロ
ック状複合材を銅線が厚み方向に対してまっすぐに配向
するように切断刃で厚さ１ｍｍにスライスした。得られ
た熱伝導性シートのショアＡ硬度は５７、厚み方向の熱
伝導率は７３.１Ｗ／ｍ・Ｋで、熱伝導性シート中の銅線
は図３のようにシートの厚み方向に対してまっすぐに配
向していた。

【００４７】図８に記すプリント基板１に実装した半導
体素子２とヒートシンク５の間に作製した銅線が厚み方
向に対してまっすぐに配向させた厚さが１ｍｍの熱伝導
性シート３を配置し、締め付けトルク１ｋｇ・ｃｍにて
固定して放熱装置を組み立てた。通電して１０分後の熱
抵抗値を測定した結果、０.１７℃／Ｗであった。

【００４８】

【比較例３】熱伝導性繊維として繊維長さ方向の熱伝導
率が８００Ｗ／ｍ・Ｋのピッチ系黒鉛化炭素繊維（三菱
化学株式会社製 直径９μｍ）の粉砕品（長さ８０μ
ｍ）２５体積％と、球状グラファイト（大阪ガス株式会
社製 平均粒径１６μｍ）５体積％、付加型の液状シリ
コーンゴム原料７０体積％を混合分散し真空脱泡した熱
伝導性高分子組成物ａを調製した。アルミニウム製の厚
さ０.５ｍｍ、縦２０ｍｍ、横２０ｍｍの板状の金型内
に調製した熱伝導性高分子組成物ａを充填し図１２に示
すように厚み方向に傾斜して磁束密度１０テスラのＮ極
とＳ極が対向する磁場雰囲気で黒鉛化炭素繊維を十分に
配向させた後に加熱硬化させ、アスカーＣ硬度６２、厚
み０.６ｍｍの柔軟な熱伝導性シートを得た。得られた
熱伝導性シートの厚み方向の熱伝導率は７.８Ｗ／ｍ・Ｋ
で、熱伝導性シート中の黒鉛化炭素繊維は図４のように
シートの厚み方向に対してまっすぐに配向していた。

【００４９】図８に記すプリント基板１に実装した半導
体素子２とヒートシンク５の間に作製したピッチ系黒鉛
化炭素繊維が厚み方向に対してまっすぐに配向させた厚
さが０.６ｍｍの熱伝導性シート３を配置し、締め付け
トルク１ｋｇ・ｃｍにて固定して放熱装置を組み立て
た。通電して１０分後の熱抵抗値を測定した結果、０.
４８℃／Ｗであった。

【００５０】

【比較例４】熱伝導性繊維として繊維長さ方向の熱伝導
率が１００Ｗ／ｍ・Ｋのポリベンザゾール短繊維（東洋
紡績株式会社製 ザイロンＨＴ 直径９μｍ、長さ３０
０μｍ）５体積％と、付加型の液状シリコーンゴム原料
９５体積％を混合分散し真空脱泡した熱伝導性高分子組
成物ｂを調製した。アルミニウム製の厚さ０.５ｍｍ、
縦２０ｍｍ、横２０ｍｍの板状の金型内に調製した熱伝
導性高分子組成物ｂを充填し図１２に示すように厚み方
向に平行に磁束密度１０テスラのＮ極とＳ極が対向する
磁場雰囲気でポリベンザゾール短繊維を十分に配向させ
た後に加熱硬化させ、アスカーＣ硬度１８、厚み１ｍｍ
の柔軟な熱伝導性シートを得た。得られた熱伝導性シー
トの厚み方向の熱伝導率は２.０Ｗ／ｍ・Ｋで、熱伝導性
シート中のポリベンザゾール短繊維は図４のようにシー
トの厚み方向に対してまっすぐに配向していた。

【００５１】図８に記すプリント基板１に実装した半導
体素子２とヒートシンク５の間に作製したポリベンザゾ
ール短繊維が厚み方向に対してまっすぐに配向させた厚
さが１ｍｍの熱伝導性シート３を配置し、締め付けトル
ク１ｋｇ・ｃｍにて固定して放熱装置を組み立てた。通
電して１０分後の熱抵抗値を測定した結果、１.０２℃
／Ｗであった。

【００５２】

【比較例５】熱伝導性繊維として繊維長さ方向の熱伝導
率が８００Ｗ／ｍ・Ｋのピッチ系黒鉛化炭素繊維（三菱
化学株式会社製 直径９μｍ）の粉砕品（長さ８０μ
ｍ）に無電解メッキ法によって強磁性体であるニッケル
を０.２μｍの膜厚で被覆させた。このニッケルを被覆
したピッチ系黒鉛化炭素繊維２０体積％と、球状酸化ア
ルミニウム粉末（昭和電工株式会社製 平均粒径１０μ
ｍ）１０体積％、付加型の液状シリコーンゴム原料７０
体積％を混合分散し真空脱泡した熱伝導性高分子組成物
ｃを調製した。アルミニウム製の厚さ０.５ｍｍ、縦２
０ｍｍ、横２０ｍｍの板状の金型内に調製した熱伝導性
高分子組成物ｃを充填し図１２に示すように厚み方向に
平行に磁束密度０.５テスラのＮ極とＳ極が対向する磁
場雰囲気で黒鉛化炭素繊維を十分に配向させた後に加熱
硬化させ、アスカーＣ硬度４１、厚み０.６ｍｍの柔軟
な熱伝導性シートを得た。得られた熱伝導性シートの厚
み方向の熱伝導率は６.８Ｗ／ｍ・Ｋで、熱伝導性シート
中のニッケルを被覆した黒鉛化炭素繊維は図４のように
シートの厚み方向に対してまっすぐに配向していた。

【００５３】図８に記すプリント基板１に実装した半導
体素子２とヒートシンク５の間に作製したニッケルを被
覆した黒鉛化炭素繊維が厚み方向に対してまっすぐに配
向させた厚さが０.６ｍｍの熱伝導性シート３を配置
し、締め付けトルク１ｋｇ・ｃｍにて固定して放熱装置
を組み立てた。通電して１０分後の熱抵抗値を測定した
結果、０.５４℃／Ｗであった。

【００５４】

【発明の効果】比較例１、比較例２は熱伝導性繊維とし
て黒鉛化炭素と銅の長繊維をシートの厚み方向に対して
まっすぐに配向させた熱伝導性シートである。比較例
３、比較例４、比較例５は熱伝導性繊維としてそれぞれ
黒鉛化炭素短繊維、ポリベンザゾール短繊維、ニッケル
を被覆した黒鉛化炭素短繊維をシートの厚み方向に対し
てまっすぐに配向させた熱伝導性シートである。いずれ
も、熱伝導性シートとしては熱伝導率と柔軟性が良好で
ある。しかしながら、発熱する素子と伝熱部材の間隙に
介在させてみると、熱伝導性繊維が厚み方向に対してま
っすぐに配向されているために、発熱素子と伝熱部材間
に介在させても凹凸面には充分に追従できずに熱抵抗値
が大きくなっていることがわかる。

【００５５】本発明の実施例１〜５の熱伝導性シート
は、熱伝導性繊維として黒鉛化炭素長繊維、銅線、黒鉛
化炭素短繊維、ポリベンザゾール短繊維、ニッケルを被
覆した黒鉛化炭素短繊維などがシートの厚み方向に対し
て傾斜配向されてなる熱伝導性シートであり、柔軟性が
あり熱伝導率が大きい。また、比較例と異なり、実際に
発熱する素子と伝熱部材の間隙に介在させてみると、熱
伝導性繊維が厚み方向に対して傾斜配向されているため
に、発熱素子と伝熱部材間に介在させて加圧すると凹凸
面に非常に良く追従できるので熱抵抗値が小さくなるこ
とがわかる。

【００５６】また、実施例３、実施例４、実施例５は、
熱伝導性繊維を含有する熱伝導性高分子組成物に磁場を
与え、シートの厚み方向に対して熱伝導性繊維を傾斜配
向させたのちに組成物を固化させる本発明の熱伝導性シ
ートの製造方法であり、熱伝導性が良好で柔軟な本発明
の熱伝導性シートを簡便に得ることができる。

【００５７】以上のように、本発明の熱伝導性シート
は、シートの厚み方向に良好な熱伝導特性を有し、かつ
柔軟で圧縮しやすく凹凸面への追従性にすぐれ熱抵抗が
小さい熱伝導性シートである。従って、発熱量が大きい
半導体素子とヒートシンクや筐体などの放熱器との間
隙、あるいは半導体素子とプリント基板やダイパッドと
の間隙に介在させ、放熱特性に優れる有用な放熱装置を
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】熱伝導性繊維（長繊維）が傾斜配向されてなる
本発明の熱伝導性シート

【図２】熱伝導性繊維（短繊維）が傾斜配向されてなる
本発明の熱伝導性シート

【図３】熱伝導性繊維（長繊維）がまっすぐに配向され
てなる従来の熱伝導性シート

【図４】熱伝導性繊維（短繊維）がまっすぐに配向され
てなる従来の熱伝導性シート

【図５】本発明の熱伝導性シートを使用した放熱装置の
例（ボールグリッドアレイ型半導体パッケージ４と放熱
器６の間隙に介在）

【図６】本発明の熱伝導性シートを使用した放熱装置の
例（チップサイズ半導体パッケージ４とプリント基板３
の間隙に介在）

【図７】本発明の熱伝導性シートを使用した放熱装置の
例（ピングリッドアレイ型半導体パッケージ４とヒート
シンク７の間隙に介在）

【図８】従来の熱伝導性シートを使用した放熱装置の例
（ピングリッドアレイ型半導体パッケージ４とヒートシ
ンク７の間隙に介在）

【図９】本発明の熱伝導性シートを使用した放熱装置の
例（発熱する複数の半導体素子８と筐体９の間隙に介
在）

【図１０】従来の熱伝導性シートを使用した放熱装置の
例（発熱する複数の半導体素子８と筐体９の間隙に介
在）

【図１１】本発明の熱伝導性シートの製造方法の例を示
す概観図

【図１２】従来の熱伝導性シートの製造方法の例を示す
概観図

【符号の説明】

１ 傾斜配向された熱伝導性繊維 ２ まっすぐに配向された熱伝導性繊維 ３ プリント基板 ４ 半導体素子 ５ 本発明の熱伝導性繊維が傾斜配向された熱伝導性シ
ート ６ 放熱器 ７ ヒートシンク ８ 従来の熱伝導性繊維がまっすぐに配向された熱伝導
性シート ９ 半導体素子 １０ 筐体 １１ 金型 １２ 熱伝導性繊維を含有する熱伝導性高分子組成物 １３ 磁石 １４ 磁力線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ０８Ｌ 79/04 Ｃ０８Ｌ 79/04 Ｚ 101/00 101/00 Ｈ０１Ｌ 23/36 Ｈ０１Ｌ 23/36 Ｄ Ｆターム(参考） 4F071 AA15 AA67 AA69 AB03 AB06 AD01 AE22 AF44 AH19 BB13 BC01 BC02 BC12 4J002 AC001 BB031 BB032 BB051 BB061 BB121 BB151 BB171 BB231 BC031 BD031 BD101 BD141 BD151 BE021 BF021 BG101 BN151 BP011 CB001 CC031 CD001 CF061 CF071 CF081 CF211 CH071 CH091 CK021 CL001 CM002 CM041 CN011 CN031 CP031 DA026 DA066 DC006 FA042 FA046 FD202 FD206 GF00 GT00 5F036 AA01 BB21

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】高分子中に熱伝導性繊維を含有する熱伝導
   性シートにおいて、シートの厚み方向に対して熱伝導性
   繊維が傾斜配向されてなることを特徴とする熱伝導性シ
   ート
2. 【請求項２】熱伝導性繊維が、黒鉛化炭素繊維、金属繊
   維、ポリベンザゾール繊維、超高分子量ポリエチレン繊
   維より選ばれる少なくとも１種である請求項１に記載の
   熱伝導性シート
3. 【請求項３】高分子がシリコーンゴムで、厚さが０.１
   ｍｍ〜１０ｍｍ、ショアＡ硬度が７０以下である請求項
   １あるいは２に記載の熱伝導性シート
4. 【請求項４】熱伝導性繊維が、直線状、あるいはくの字
   形状、Ｓ字形状、弧状、コイル形状もしくはスプリング
   形状のように湾曲あるいは折曲された形状である請求項
   １に記載の熱伝導性シート
5. 【請求項５】黒鉛化炭素繊維、金属繊維、ポリベンザゾ
   ール繊維、超高分子量ポリエチレン繊維より選ばれる少
   なくとも１種の熱伝導性繊維を含有する熱伝導性高分子
   組成物に磁場を与え、シートの厚み方向に対して熱伝導
   性繊維を傾斜配向させたのちに組成物を固化させること
   を特徴とする熱伝導性シートの製造方法
6. 【請求項６】発熱部材と伝熱部材間に、シートの厚み方
   向に対して熱伝導性繊維が傾斜配向された熱伝導性シー
   トを介在させることを特徴とする放熱装置
7. 【請求項７】熱伝導性繊維が、黒鉛化炭素繊維、金属繊
   維、ポリベンザゾール繊維、超高分子量ポリエチレン繊
   維より選ばれる少なくとも１種である請求項６に記載の
   放熱装置