JP2012186242A - 放熱基板 - Google Patents

Abstract

【課題】基板の主面に沿った方向に配置された熱伝導性繊維を含む複合材料からなり、この上に与えられた素子の熱の放熱に優れる放熱基板を提供する。
【解決手段】繊維強化複合材料からなる放熱基板（１０）である。複数の熱伝導性繊維を主面と垂直方向に互いに接触するようにしつつ平面上に配置させたシート体（１）の複数を互いに接触するようにして積層させて硬化樹脂（７）内に埋入させたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、この上に与えられた素子の熱を放熱する放熱基板に関し、特に、基板の主面に沿って配置された熱伝導性繊維を含む複合材料からなる放熱基板に関する。

電子回路基板に発熱量の大きい素子を取り付ける場合、その使用中に素子の温度が上昇して、素子の動作が不安定になったり、素子の寿命が早期に劣化してしまうなどの問題を生じることがある。このような素子の発熱による問題を回避するためには、素子に放熱器を取り付けるほか、電子回路基板を通じて素子の熱を放熱することが考慮されている。特に後者の方法に対しては、放熱のための孔を与えた電子回路基板を使用する方法や、熱伝導性が良い金属のような材料からなる電子回路基板を使用する方法などが多く提案されている。

例えば、特許文献１では、金属フィラーを混入させたガラス繊維に樹脂を含浸させた複合材料基板が開示されている。熱伝導率の大きい金属フィラーを基板の主面に対してランダムな方向に伸びるようにして基板内に埋入させ、基板の熱伝導性の熱異方性を低減させつつ、電子回路基板そのものの熱伝導率を大きくしている。これにより素子の熱を電子回路基板に放熱させ得るのである。

また、例えば、特許文献２では、熱伝導率の大きいポリベンザゾール繊維の如き有機高分子繊維を電子回路基板の厚み方向及び面方向に制御配列させたエポキシ樹脂などからなる樹脂基板が開示されている。かかる有機高分子繊維を埋入させた基板では、繊維長さ方向の熱伝導性が良好となる。そこで、所望とする電子回路基板の熱伝導性の方向に合わせて、厚み方向及び面方向に所定の分配比率で有機高分子繊維を配向・配置させて熱異方性を基板に与え、素子の熱を電子回路基板に放熱させ得るのである。

ところで、電子回路基板そのものの熱伝導率を大きくしたり、発熱量の大きい素子からの熱を電子回路基板の所定の部分に導いたとしても、電子回路基板からその周囲への放熱が十分でないと、徐々に電子回路基板の温度が上昇してしまう。つまり、他の電子回路基板上の素子の温度が上昇して、動作が不安定になってしまうおそれがある。

例えば、特許文献３では、素子で発生した熱を電子回路基板に蓄積させず、電子回路基板外周などの比較的温度の低い部分に伝導させて素子の放熱を行うことのできる複合材料からなる複合材料基板が開示されている。かかる電子回路基板では、これを収容するシャーシなどに固定するための連結部を該基板の外周部に複数設けるとともに、発熱量の大きい素子の取り付けられた部分を網羅しながらこの連結部と結ぶように複数の熱伝導性長繊維をマトリクスに配向・配置させている。素子で発生した熱はほとんどマトリクスに与えられることなく、熱伝導性長繊維から電子回路基板外周部の連結部を介してシャーシに放熱される。これにより電子回路基板の温度の上昇を防止できて、その上の素子の温度の上昇も防止できるのである。

特開２００８−２４３９７７号公報 特開２０００−２７３１９６号公報 特開２００４−２２８２８号公報

素子の発熱量に対して、電子回路基板の熱容量が十分に大きければ、素子の熱を電子回路基板に放熱させて素子の温度上昇を抑制できる。しかしながら、基板が小型化すると、一般的には、熱容量は小さくなってしまう。このような場合であっても、特許文献３に開示された電子回路基板のように基板からその周囲への放熱が十分に可能な場合にあっては、素子及び基板の温度上昇を抑制でき得るが、該基板を収容する設計条件に大きく依存してしまう。特に、装置の小型化、軽量化、低価格化のために、電子回路基板が小型化し、シャーシなども比較的熱伝導性の良くない汎用樹脂が使用されるようになると、電子回路基板自身における素子の発熱に対する対策が求められる。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、基板の主面に沿った方向に配置された熱伝導性繊維を含む複合材料からなり、この上に与えられた素子の熱の放熱に優れる放熱基板を提供することである。

本発明は、繊維強化複合材料からなりこの上に与えられた素子の熱を放熱する放熱基板であって、複数の熱伝導性繊維を主面と垂直方向に互いに接触するようにしつつ平面上に配置させたシート体の複数を互いに接触するようにして積層させて硬化樹脂内に埋入させたことを特徴とする。

かかる発明によれば、複数の熱伝導性繊維を厚さ方向に互いに接触するようにして得たシート体の複数を互いに接触するようにして積層させることで放熱基板の熱容量を大きくして素子の熱を電子回路基板に放熱させ得て、しかもこの熱をシート体の拡がる面方向へ放熱させ得る。すなわち、かかる放熱基板上に与えられた素子の熱の放熱に優れるのである。

上記した発明において、前記シート体の間には、前記熱伝導性繊維をフェルト様に集積させた中間シート体を挿入されていることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、シート体の複数の熱伝導性長繊維を厚さ方向に互いに接触するようにできて、放熱基板上に与えられた素子の熱の放熱に優れる。

上記した発明において、前記熱伝導性繊維は前記シート体若しくは前記中間シート体の主面に略垂直な方向に延びて前記熱伝導性繊維同士を連結する分枝部を有することを特徴としてもよい。かかる発明によれば、シート体の複数の熱伝導性長繊維を厚さ方向に互いに接触させて熱伝導率を上げられるので、放熱基板上に与えられた素子の熱の放熱に優れる。

上記した発明において、前記熱伝導性繊維は前記シート体若しくは前記中間シート体の間に熱伝導性繊維からなる短繊維を分散させたことを特徴としてもよい。かかる発明によれば、シート体の複数の熱伝導性長繊維を厚さ方向に互いに接触させて熱伝導率を上げられるので、放熱基板上に与えられた素子の熱の放熱に優れる。

上記した発明において、前記シート体の前記熱伝導性繊維は長繊維を互いにステッチ様に編み合わせて配置されることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、シート体の複数の熱伝導性長繊維を厚さ方向に互いに接触するようにできて、放熱基板上に与えられた素子の熱の放熱に優れる。

上記した発明において、前記シート体の前記熱伝導性繊維は長繊維を互いに織り合わされていることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、シート体の複数の熱伝導性長繊維を厚さ方向に互いに接触するようにできて、放熱基板上に与えられた素子の熱の放熱に優れる。

上記した発明において、前記熱伝導性繊維は互いに離間して略平行に配置された縦糸部を有することを特徴としてもよい。かかる発明によれば、シート体の拡がる面方向への放熱効率が上げられるので、放熱基板上に与えられた素子の熱の放熱に優れる。

上記した発明において、前記シート体の前記熱伝導性繊維は互いにフェルト様に集積させて配置されることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、シート体の拡がる面方向への放熱効率が上げられるので、放熱基板上に与えられた素子の熱の放熱に優れる。

本発明による放熱基板の（ａ）斜視図、及び、（ｂ）要部の拡大断面図である。 本発明による放熱基板の要部の（ａ）上面図、及び、（ｂ）拡大断面図である。 本発明による放熱基板の（ａ）斜視図、及び、（ｂ）要部の拡大断面図である。 本発明による放熱基板の要部の（ａ）上面図、及び、（ｂ）断面図である。 本発明による放熱基板の要部の断面図である。 本発明による放熱基板の（ａ）斜視図、及び、（ｂ）要部の拡大断面図である。 本発明による放熱基板の要部の（ａ）上面図、及び、（ｂ）断面図である。 本発明による放熱基板を用いた検証試験の条件及び結果を示す図である。

＜実施例１＞
本発明の１つの実施例による放熱基板１０について、図１及び図２を用いてその詳細を説明する。

図１に示すように、放熱基板１０は、積層された複数のシート体１を樹脂７に埋入させ板状に固定させた繊維強化複合材料からなる基板である。樹脂７内において、複数のシート体１は互いにその主面に垂直な方向に接触するように積層されている。ここで樹脂７は、絶縁性の高い、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂やアクリル樹脂などの熱可塑性樹脂を使用され得る。

図２に示すように、シート体１は後述するような繊維３をランダムな方向を向けて絡み合わせ、シート状になるように平面上に集積させたフェルト様の不織布シートである。積層されたシート体１同士は、不織布の表面に突出した繊維３により、互いに主面と垂直方向に接する接点を多数有している。また、シート体１の繊維３は分枝する起毛を表面に有し、繊維３同士、特に、積層されたシート体１の繊維３の間を連結する。ここで繊維３には樹脂７よりも引張強度が高く、熱伝導性に優れるカーボン繊維などの熱伝導性繊維を用いることができる。また、繊維３は、絶縁性の高いＰＢＯ（ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール）繊維、超高分子量ポリエチレン繊維などであってもよい。

なお、積層されたシート体１の間には、熱伝導性に優れた短繊維（チョップドストランド）が挿入されて分散配置されている。このような短繊維には、繊維３と同様に引張強度の高い、熱伝導性に優れるとともに絶縁性の高い繊維を用いることが好ましい。

次に、上記した放熱基板１０の製造方法について説明する。

まず、シート体１を積層させて積層体を得る。この際、シート体１の層間に短繊維を分散配置させる。次に、シート体１の積層体にいわゆるニードルパンチを施して、シート体１の繊維３及び短繊維に起毛を与える。かかるニードルパンチでは、シート体１の積層体に微小突起を有する針（ニードル）を往復動させて厚さ方向に突き刺し抜き取る動作を繰り返し与えることで行われる。針の微小突起により繊維３及び短繊維の一部が分岐されて、針の往復動の方向である厚さ方向に延びる起毛となる。次に、樹脂７を硬化前の液体の状態でシート体１の積層体に含浸させ、シート体１を埋入するように積層体の全体に行き渡らせる。その後、樹脂７を板状の形状に硬化させて放熱基板１０を得る。

上記した実施例１によれば、シート体１は繊維３をランダムな方向を向けて絡み合わせて平面上に集積させたフェルト様の不織布シートなので、繊維３は、互いにシート体１の主面と垂直方向に接している。また、複数のシート体１同士も互いに接するように積層されている。特に、積層されたシート体１同士は、不織布の表面に突出した繊維３により、互いに主面と垂直方向に接する接点を多数有する。そのため、放熱基板１０の熱容量が大きくなるとともに、厚さ方向への熱伝導率も大きくなる。これにより、この上に与えられた素子の熱を放熱基板１０に放熱させて、しかも、この熱をシート体１の拡がる面方向、すなわち、主面に沿った方向へ放熱させ得る。つまり、放熱基板１０はこの上に与えられた素子の熱の放熱に優れ、素子の温度上昇を抑制できるのである。また、放熱基板１０は繊維強化複合材料からなるため、例えば窒化ケイ素や窒化アルミニウムなどのセラミックスからなる基板より強度が高く、薄型化することができる。

また、シート体１は繊維３をランダムな方向を向けて絡み合わせて平面上に集積させたフェルト様の不織布シートなので、シート体１の拡がる面方向への放熱効率を上げることができる。つまり、放熱基板１０のシート体１の拡がる面方向への放熱効率を上げられる。よって、放熱基板１０は、その上に与えられた素子の熱の放熱性により優れる。

また、シート体１の主面に略垂直な方向に延びる起毛により、繊維３同士、シート体１同士が互いに連結される。さらに、シート体１の層間に短繊維を分散配置させたので、これによってもシート体１同士が連結される。これらによって、繊維３同士及びシート体１同士を厚さ方向に互いに連結させて熱伝導率を大きくできるので、放熱基板１０は、その上に与えられた素子の熱の放熱にさらに優れる。

＜実施例２＞
本発明の他の実施例による放熱基板１０ａについて、図３乃至図５を用いてその詳細を説明する。

図３に示すように、放熱基板１０ａは、積層された複数のシート体１ａ及び中間シート体２を樹脂７に埋入させ板状に固定させた繊維強化複合材料からなる基板である。樹脂７内において、複数のシート体１ａ及び中間シート体２は互いにその主面に垂直な方向に接触するように交互に積層されている。

図４に示すように、シート体１ａは実施例１と同様な材質の熱伝導性繊維からなる複数の長繊維３’を互いに編み合わせて配置されているステッチ様シートである。長繊維３’は、あらかじめ開繊されて縦糸部４に互いに略平行に離間して配置され、横糸部５に縦糸部４より広い間隔で互いに略平行に配置された複数の長繊維３’によって縫うように編み合わされている。これにより、縦糸部４と横糸部５に配置された長繊維３’同士がシート体１ａの厚さ方向に互いに接触する。

シート体１ａの間に挿入される中間シート体２は、実施例１と同様の繊維３をランダムな方向を向けて絡み合わせ、シート状になるように平面上に集積させたフェルト様の不織布シートである。中間シート体２は、不織布の表面に突出した繊維３により、シート体１ａとの間で互いに主面と垂直方向に接する接点を多数有している。

さらに、図５に示すように、シート体１ａは、その主面に略垂直な方向に延びて長繊維３’同士を連結するように長繊維３’から分枝する起毛６を有する。同様の起毛は中間シート体２にも与えられている。また、シート体１ａ及び中間シート体２の間には、実施例１と同様の熱伝導に優れた短繊維が挿入されて分散配置されている。

次に、放熱基板１０ａの製造方法について説明する。

まず、シート体１ａと中間シート体２とを交互に積層させて積層体を得る。この際、シート体１ａ及び中間シート体２の間に短繊維を分散配置させる。次に、シート体１ａ及び中間シート体２の積層体にニードルパンチを施して、シート体１ａの長繊維３’、中間シート体２の繊維３及び短繊維に起毛を与える。樹脂７の含浸及び硬化については実施例１と同様である。

上記した実施例２によれば、シート体１ａの編み合わせた複数の長繊維３’は互いに厚さ方向に接触するので、実施例１と同様に、放熱基板１０ａの熱容量を大きくできる。しかも、縦糸部４に互いに離間して略平行に配置された長繊維３’によって、シート体の拡がる面方向への放熱効率を向上できる。つまり、放熱基板１０ａはこの上に与えられた素子の熱の放熱性に優れ、素子の温度上昇を抑制できるのである。

また、不織布シートである中間シート体２のランダムな方向を向いた繊維３によりシート体１ａとの接点を多数有し、厚さ方向への熱伝導率を大きくできる。さらに、シート体１ａ及び中間シート体２の主面に略垂直な方向に延びる起毛６により、長繊維３’同士及び繊維３同士が連結され、シート体１ａ及び中間シート体２が互いに連結される。また、シート体１ａ及び中間シート体２の層間に短繊維を分散配置させたので、シート体１ａ及び中間シート体２の層同士が連結される。これらによっても、厚さ方向の熱伝導率を上げられるので、放熱基板１０ａは、その上に与えられた素子の熱の放熱性により優れる。

なお、図４では横糸部５に配置される長繊維３’を縦糸部４に配置される長繊維３’に波縫いのように編み合わせた実施例を示したが、他の公知の縫い方で編み合わせてもよい。また、縦糸部４と横糸部５とに用いられる長繊維３’の材質や太さ、開繊の有無などを異なるものとすることもできる。

＜実施例３＞
本発明のさらに他の実施例による放熱基板１０ｂについて、図６及び図７を用いてその詳細を説明する。

図６に示すように、放熱基板１０ｂは、積層された複数のシート体１ｂ及び中間シート体２を樹脂７に埋入させ板状に固定させた繊維強化複合材料からなる基板である。樹脂７内において、複数のシート体１ｂ及び中間シート体２は互いにその主面に垂直な方向に接触するように交互に積層されている。

図７に示すように、シート体１ｂは実施例１及び実施例２と同様な熱伝導性繊維からなる複数の長繊維３’を互いに織り合わせて配置されているクロス様シートである。長繊維３’は、あらかじめ開繊されて縦糸部４に互いに略平行に離間して配置され、横糸部５に互いに略平行に配置された複数の長繊維３’と互いに交互に浮き沈みさせて平織りで織り合わされている。これにより、縦糸部４と横糸部５に配置された長繊維３’同士がシート体１ｂの厚さ方向に互いに接触する。また、横糸部５に開繊させた長繊維３’を配置させることもできる。縦糸部４及び／又は横糸部５の長繊維３’を開繊させることにより、長繊維３’を均一に配置でき、シート体１ｂを均質化し得て、シート体１ｂの厚さを薄くすることができる。これにより放熱基板１０ｂの厚さを薄くすることができる。

シート体１ｂの間に挿入される中間シート体２は、実施例２と同様の不織布シートである。中間シート体２は、不織布の表面に突出した繊維３により、シート体１ｂとの間で互いに主面と垂直方向に接する接点を多数有している。

さらに、シート体１ｂ及び中間シート体２には、実施例２と同様の長繊維３’及び繊維３から分枝する起毛を有する。また、シート体１ｂ及び中間シート体２の間には、実施例１及び実施例２と同様の熱伝導に優れた短繊維が挿入されて分散配置されている。

放熱基板１０ｂの製造方法については実施例２の放熱基板１０ａと同様のため、その説明を省略する。

上記した実施例３によれば、シート体１ｂの織り合わせた複数の長繊維３’は互いに厚さ方向に接触するので、実施例１及び実施例２と同様に、放熱基板１０ｂの熱容量を大きくできる。しかも、縦糸部４に互いに離間して略平行に配置された長繊維３’によって、シート体の拡がる面方向への放熱効率が上げられる。つまり、放熱基板１０ｂはこの上に与えられた素子の熱の放熱に優れ、素子の温度上昇を抑制できるのである。

また、不織布シートである中間シート体２のランダムな方向を向いた繊維３によりシート体１ｂとの接点を多数有し、厚さ方向への熱伝導率も上げられる。さらに、シート体１ｂ及び中間シート体２の主面に略垂直な方向に延びる起毛６により、長繊維３’同士及び繊維３同士が連結され、シート体１ｂ及び中間シート体２が互いに連結される。また、シート体１ｂ及び中間シート体２の層間に短繊維を分散配置させたので、シート体１ｂ及び中間シート体２の層同士が連結される。これらによっても、厚さ方向の熱伝導率を上げられるので、放熱基板１０ｂは、その上に与えられた素子の熱の放熱により優れる。

なお、シート体１の織り合わせの方法は綾織り、朱子織りなどであってもよいが、シート体１ｂの長繊維３’同士の厚さ方向の接点をより多くできる織り合わせの方法が好ましく、厚さ方向の熱伝導率を向上させ得て好適である。また、縦糸部４と横糸部５とに配置される長繊維３’の材質や太さなどを要求される機会強度に合わせて、適宜、異なるようにしてもよい。

＜検証試験＞
上記した実施例３のクロス様シートによってシート体を構成する放熱基板において、シート体に起毛を与えた場合、その層間に短繊維を与えた場合、その層間に不織布による中間シート体を挿入した場合のそれぞれについての熱伝導率の変化を検証した。

図８に示す各条件において、ＰＢＯ繊維による長繊維を平織りしたシート体を積層させて、これらの積層体をエポキシ樹脂に埋入させた放熱基板を作製しそれぞれ試験片とした。なお、試験片１〜５は２層、試験片６〜１０は６層のシート体を積層させている。また、試験片１及び６以外には、所定のニードルパンチを施して起毛を与えている。さらに、試験片３及び８には長さ１ｍｍ、試験片４及び９には長さ３ｍｍのＰＢＯ繊維による短繊維をシート体の層間に分散配置させた。また、試験片５及び１０にはシート体の層間にＰＢＯ繊維をフェルト様に集積させた不織布による中間シート体を挿入させた。

各試験片の厚さはマイクロメータによって測定し、熱伝導率の算出に使用した。すなわち、熱伝導率の算出については、ＪＩＳ Ｈ７８０１に準拠してキセノンランプを用いた熱拡散率の測定装置によって測定した熱拡散率と、ＪＩＳ Ｋ７１１２のＡ法に準拠した水中置換法により測定した密度と、ＪＩＳ Ｋ７１２３に準拠した示差走査熱量測定により測定した比熱容量とを用いた。得られた試験片の厚さ、厚さ方向の熱伝導率、主面に平行な方向（面方向）の熱伝導率をそれぞれ図８に示した。

図８に示すように、試験片１と試験片２、及び、試験片５と試験片６のそれぞれを比較すると、ニードルパンチを施すことで面方向の熱伝導率をほとんど変化させることなく、厚さ方向の熱伝導率を大幅に上昇させ得る。すなわち、ニードルパンチにより起毛を得られ、これにより長繊維同士及びシート体同士を連結させたためであると考える。

次に、試験片２、３及び４を比較すると、厚さ方向の熱伝導率が順に高くなっている。また、試験片７、８及び９を比較すると、厚さ方向の熱伝導率はほぼ同様であった。これらの結果を併せて、短繊維を挿入させることで、また挿入させる短繊維をより長くすることで、厚さ方向の熱伝導率を大きくさせ得る。すなわち、短繊維によりシート体同士を連結させているため、短繊維を長くすることで連結箇所を増やし得るためであると考える。

また、試験片２と５、及び、試験片７と１０のそれぞれを比較すると、層間に中間シート体を挿入した場合に厚さ方向の熱伝導率を大きくできる。すなわち、不織布による中間シート体により、シート体との層間でその主面と垂直方向に接する接点をより多くできるためと考える。

上記したように、起毛を与え、短繊維を分散配置させ、不織布による中間シート体を挿入させることでそれぞれ厚さ方向の熱伝導率を向上させ得る。すなわち、これらにより、より素子の熱の放熱に優れる放熱基板を与えることができる。

ここまで本発明による代表的実施例及びこれに基づく変形例を説明したが、本発明は必ずしもこれらに限定されるものではなく、当業者であれば、本発明の主旨又は添付した請求項の範囲を逸脱することなく種々の代替実施例及び改変例を見出すことができるであろう。本発明による放熱基板は、例えば、電子回路基板だけでなく、絶縁ゲートバイポーラトランジスタのような電力素子のパッケージ内に用いられる絶縁基板としても採用され得る。

１、１ａ、１ｂ シート体
２ 中間シート体
３ 繊維
３’ 長繊維
６ 起毛
７ 樹脂
１０、１０ａ、１０ｂ 放熱基板

Claims (8)

1. 繊維強化複合材料からなりこの上に与えられた素子の熱を放熱する放熱基板であって、
   複数の熱伝導性繊維を主面と垂直方向に互いに接触するようにしつつ平面上に配置させたシート体の複数を互いに接触するようにして積層させて硬化樹脂内に埋入させたことを特徴とする放熱基板。
2. 前記シート体の間には、前記熱伝導性繊維をフェルト様に集積させた中間シート体を挿入されていることを特徴とする請求項１記載の放熱基板。
3. 前記熱伝導性繊維は前記シート体若しくは前記中間シート体の主面に略垂直な方向に延びて前記熱伝導性繊維同士を連結する分枝部を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の放熱基板。
4. 前記熱伝導性繊維は前記シート体若しくは前記中間シート体の間に熱伝導性繊維からなる短繊維を分散させたことを特徴とする請求項１乃至３のうちの１つに記載の放熱基板。
5. 前記シート体の前記熱伝導性繊維は長繊維を互いにステッチ様に編み合わせて配置されることを特徴とする請求項１乃至４のうちの１つに記載の放熱基板。
6. 前記シート体の前記熱伝導性繊維は長繊維を互いに織り合わされていることを特徴とする請求項１乃至４のうちの１つに記載の放熱基板。
7. 前記熱伝導性繊維は互いに離間して略平行に配置された縦糸部を有することを特徴とする請求項５又は６に記載の放熱基板。
8. 前記シート体の前記熱伝導性繊維は互いにフェルト様に集積させて配置されることを特徴とする請求項１乃至４のうちの１つに記載の放熱基板。