JP2013093447A

JP2013093447A - 放熱構造体

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Publication number: JP2013093447A
Application number: JP2011234809A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Hirose; 芳明廣瀬; Tetsuya Yuki; 哲也幸
Original assignee: Toyo Tanso Co Ltd
Current assignee: Toyo Tanso Co Ltd
Priority date: 2011-10-26
Filing date: 2011-10-26
Publication date: 2013-05-16

Abstract

【課題】発熱体と放熱体との間で締め付けを行わない場合や、当該締め付けの圧力が小さい場合であっても、放熱性を飛躍的に向上させることができる放熱構造体を提供することを目的とする。
【解決手段】ＣＰＵ１と、ヒートシンク４と、これらＣＰＵ１とヒートシンク４との間に配設された膨張黒鉛シート２とを備える放熱構造体であって、上記ＣＰＵ１と上記膨張黒鉛シート２との間には、黒鉛化された炭素を含む接着層３が存在することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、発熱体と放熱体との熱伝導を向上させることができる放熱構造体に関する。

コンピュータに使用されるＣＰＵ等の発熱体の冷却には、ヒートシンク等の放熱体が使用されるが、発熱体と放熱体との密着性が悪い場合には、両者間での熱伝導性が低下して、発熱体の冷却性能が低下する。かかる冷却性能の低下を防ぐため、一般的に、発熱体と放熱体との密着性に優れ且つ熱伝導性を有するシートを、発熱体と放熱体との間に配設している。

ここで、上記シートとしてはグラファイトシートが使用され、発熱体と放熱体との間に挟んだ状態で加圧されて取り付けられる。このような構造であれば、発熱体や放熱体の表面に存在する凹凸がグラファイトシートに食い込み、発熱体とグラファイトシートの間、及び、グラファイトシートと放熱体の間に隙間ができないようにすることができるから、接触部分での熱抵抗が小さくすることができ、冷却効率を向上させることができる。

ここで、発熱体と放熱体とによってグラファイトシートを挟む力は、発熱体に放熱体を取り付ける力に依存するが、発熱体としてＣＰＵ等を用いた場合、ＣＰＵ等に大きな応力が加わると内部チップが破損したりすることがある。このため、発熱体に放熱体を取り付ける力は、できるだけ低くなるように規制するのが望ましい。但し、発熱体に放熱体を取り付ける力が余り低いと、発熱体や放熱体の表面に存在する凹凸がグラファイトシートに十分に食い込むことができなくなるため、発熱体及び放熱体とグラファイトシートとの間に空隙が多数残された状態となる。このため、発熱体と放熱体との間の熱抵抗が大きくなって、冷却効率が低下するという問題が生じる。

かかる問題を解決するために、発熱体と放熱体との間に膨張黒鉛シートを配置する提案がなされている（下記特許文献１参照）。また、発熱体と放熱体との間に膨張黒鉛入りシリコングリスを配置する提案もなされている。

特開２００６−２８６６８４号公報

上記特許文献１の提案であれば、発熱体と放熱体との間にグラファイトシートを配置する場合に比べて放熱性は向上する。しかしながら、発熱体と放熱体との間に膨張黒鉛シートを配置する場合であっても、発熱体と放熱体との間に膨張黒鉛シートを挟んだ状態である程度の締め付け圧を加える必要があるため、発熱体等にある程度の強度が必要となり、また、発熱体等の強度が不十分で、十分な締め付け圧を加えることができない場合には、放熱性の低下を招くといった課題を有していた。また、発熱体と放熱体との間に膨張黒鉛入りシリコングリスを配置する提案であっても、同様の課題を有していた。

本発明は上記事情に鑑み、発熱体と放熱体との間で締め付けを行わない場合や、当該締め付けの圧力が小さい場合であっても、放熱性を飛躍的に向上させることができる放熱構造体を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために、発熱体と、放熱体と、これら発熱体と放熱体との間に配設された膨張黒鉛シートとを備える放熱構造体であって、上記放熱体と上記膨張黒鉛シートとの間、及び／又は、上記発熱体と上記膨張黒鉛シートとの間には、黒鉛化された炭素を含む接着層が存在することを特徴とする。

上記構成の如く接着層が存在していれば、放熱体と膨張黒鉛シートとの密着性、及び／又は、発熱体と膨張黒鉛シートとの密着性が向上し、発熱体と放熱体との間に、熱伝導に劣る空気の層が存在するのを抑制することができる。したがって、発熱体の熱を十分に放熱体に伝達することができるので、発熱体の温度上昇が抑制される。ここで、黒鉛化された炭素が接着層に含まれているのは、炭化された炭素が接着層に含まれているだけでは、接着層における熱伝導が不十分となって、放熱構造体における放熱性能を飛躍的に向上させることができないからである。

上記放熱体の耐熱温度が黒鉛化温度より高く、且つ、上記接着層は、上記放熱体と上記膨張黒鉛シートとの間に存在することが望ましい。
一般に、発熱体は耐熱温度が低いので、発熱体と膨張黒鉛シートとの間に接着層を設けるのは困難な場合が多い。そこで、放熱体と膨張黒鉛シートとの間に接着層を設けることが望ましい。但し、放熱体の耐熱温度が低いと、放熱体の変形等の問題が生じるので、放熱体の耐熱温度を黒鉛化温度より高くなるように規制する。尚、黒鉛化温度は、一般に、２０００〜２８００℃である。

上記膨張黒鉛シートのかさ密度が１．０Ｍｇ／ｍ^３以下であることが望ましい。
このようにかさ密度を規制すれば、加圧力が小さくても容易に圧縮されるので、膨張黒鉛シートと、これに接触する部材との密着性が高くなる。よって、発熱体から放熱体までの熱伝導を向上させることができる（熱抵抗が小さくなる）から、発熱体を冷却する効果が高くなる。特に、放熱体と膨張黒鉛シートとの間にのみ接着層が存在し、発熱体と膨張黒鉛シートとの間に接着層が存在しない場合には、発熱体と膨張黒鉛シートとの間の熱伝導が低下するが、上記の如くかさ密度を規制すれば、発熱体と膨張黒鉛シートとの間における熱伝導の低下を抑制できる。同様に、発熱体と膨張黒鉛シートとの間にのみ接着層が存在し、放熱体と膨張黒鉛シートとの間に接着層が存在しない場合には、放熱体と膨張黒鉛シートとの間の熱伝導が低下するが、上記の如くかさ密度を規制すれば、放熱体と膨張黒鉛シートとの間における熱伝導の低下を抑制できる。尚、膨張黒鉛シートのかさ密度は０．７Ｍｇ／ｍ^３以下となるように規制するのが一層好ましい。

本発明によれば、発熱体と放熱体との間で締め付けを行わない場合や、当該締め付けの圧力が小さい場合であっても、放熱構造体における放熱性を飛躍的に向上させることができるといった優れた効果を奏する。

本発明の放熱構造体の一例を示した説明図である。本発明の放熱構造体の他の例を示した説明図である。

本発明の実施の形態を、以下に説明する。
本発明の放熱構造体は、コンピュータのＣＰＵ等から成る発熱体と、ヒートシンクやファン等の放熱体と、上記発熱体と上記放熱体との間に配置された膨張黒鉛シートと、この膨張黒鉛シートと上記放熱体とを接着する接着層とを有している。

上記膨張黒鉛シートは、天然黒鉛やキャッシュ黒鉛等を硫酸や硝酸等の液体に浸漬させた後、４００℃以上で熱処理を行うことによって形成された膨張黒鉛をシート状に形成したものである。この膨張黒鉛シートでは、厚さが０．０５〜５．０ｍｍで、かさ密度が１．０Ｍｇ／ｍ^３以下となるように形成するのが好ましい。
上記膨張黒鉛は、芋虫状または繊維状をしたもの、つまり、その軸方向の長さが半径方向の長さよりも長いものであり、例えば、その軸方向の長さが１ｍｍ程度、かつ、半径方向の長さが３００μｍ程度のものである。そして、膨張黒鉛シートの内部では、上記のごとき膨張黒鉛同士が絡みあった状態で存在している。

尚、上記膨張黒鉛シートは、上記のごとき膨張黒鉛だけで形成してもよいが、フェノール樹脂やゴム成分等のバインダーが若干（例えば、５質量％程度）混合されていてもよい。また、上記のごとき膨張黒鉛から膨張黒鉛シートを形成する方法は、特に限定されるものではない。

ここで、上記のごとき膨張黒鉛から形成された膨張黒鉛シートは、かさ密度の増加とともに熱伝導は向上する一方、柔軟性は低下する。このため、膨張黒鉛シートは、その用途に応じてそのかさ密度が調整される。通常、伝熱シートとして使用するものは熱伝導を重視しかさ密度が高くなるように構成されるのに対し、壁等の断熱材や電磁波遮蔽材として使用するものはかさ密度が低くなるように構成される。

そこで、本発明に用いる膨張黒鉛シートについて考慮すると、柔軟性と熱伝導性とを共に考慮して選択することが望ましい。これは、熱伝導に劣ると膨張黒鉛シート本来の機能を十分に発揮することができないので、ＣＰＵ等の発熱体の熱を十分に放熱体に伝達することができない一方、柔軟性に欠けると、熱伝導に劣る空気の層が熱伝達経路内に存在するのを抑制することができないので、やはり発熱体の熱を十分に放熱体に伝達することができないからである。

以上のことを考慮すれば、膨張黒鉛シートのかさ密度を１．０Ｍｇ／ｍ^３以下（望ましくは０．７Ｍｇ／ｍ^３以下）に規制することにより、膨張黒鉛シートの柔軟性を確保でき、これにより凹凸に対する追随性を付与させて、熱伝達経路内に空気の層が存在するのを抑えることが可能である。但し、膨張黒鉛シートのかさ密度が０．３Ｍｇ／ｍ^３未満になると、膨張黒鉛シートの柔軟性は高いものの、膨張黒鉛シートの面方向の熱伝導が低下して、発熱体の冷却効率が低下したり、膨張黒鉛シートの強度が低下して、膨張黒鉛シートの取り付け時における作業性が低下したりすることがある。したがって、膨張黒鉛シートのかさ密度は０．３Ｍｇ／ｍ^３以上であることが望ましい。

尚、放熱体と膨張黒鉛シートとの間のみならず、発熱体と膨張黒鉛シートとの間にも接着層が配置されている場合には、接着層の存在により、放熱体と膨張黒鉛シートとの間のみならず、発熱体と膨張黒鉛シートとの間にも空気の層が形成されるのを抑制できる。したがって、このような構成の場合、膨張黒鉛シートを選択する際に熱伝導性を重視すれば良い。

次に、膨張黒鉛シートに対する加圧力という観点から考察してみると、膨張黒鉛シートに対する加圧力は０．３ＭＰａ以上１０．０ＭＰａ以下であることが望ましい。
これは、膨張黒鉛シートに対する加圧力が０．３ＭＰａ未満であると、膨張黒鉛シートの変形が不十分となって、膨張黒鉛シートと発熱体との密着性を十分に向上させることができず、熱伝達経路内に熱伝導に劣る空気の層が存在するのを抑制できなくなる結果、発熱体を十分に冷却できない場合がある。一方、膨張黒鉛シートに対する加圧力が１０．０ＭＰａを超えると、発熱体が破損することがある。但し、放熱体と膨張黒鉛シートとの間のみならず、発熱体と膨張黒鉛シートとの間にも接着層が配置されている場合には、接着層の存在により、放熱体及び発熱体と膨張黒鉛シートとの間に空気の層が形成されるのを抑制できる。したがって、膨張黒鉛シートに対する加圧力は極めて小さくても良い。

更に、膨張黒鉛シートの厚さという観点から考察してみると、上記膨張黒鉛シートの厚さは０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下であることが望ましい。
これは、膨張黒鉛シートの厚さが３．０ｍｍを超えると、膨張黒鉛シートの強度は高くなるものの、膨張黒鉛シートの熱伝導性が低下して、発熱体の冷却効率が低下することがある一方、膨張黒鉛シートの厚さが０．１ｍｍ未満であると、膨張黒鉛シートの熱伝導性は高くなるものの、膨張黒鉛シートの強度が低下して、膨張黒鉛シート取り付け時の作業性が低下したりすることがあるためである。

次に、上記接着層は以下のようにして形成した。先ず、カーボンセメント（例えば、ＳＥＣカーボン社製のＫＣ−３００）を、放熱体又は膨張黒鉛シートに塗布した後（塗布量は０．０１〜０．５ｇ／ｃｍ^２）、カーボンセメントを介して放熱体と膨張黒鉛シートとを配置した。この状態で、当該構造物を真空炉内に配置し、８００〜１０００℃で１〜１０時間（好ましくは、３〜５時間）保持することにより、上記カーボンセメントを炭化させた。しかる後、構造物を真空炉又はアチェソン炉内に配置し、徐々に昇温し、２０００〜２８００℃（好ましくは、２４５０〜２５００℃）に調節しながら５〜２４時間（好ましくは、７〜１５時間）保持することにより、炭化物（カーボンセメントを炭化させた物）を黒鉛化した。ここで、カーボンセメントは、主としてカーボンブラックから構成されているが、フェノール樹脂やエポキシ樹脂が添加されていても良い。

上記放熱体は、等方性黒鉛や炭素繊維複合材から構成されていることが望ましい。また、その形状はフィンが形成されている構造に限定するものではなく、単なる直方体形状等であっても良い。また炭素材料中に存在する気孔に溶湯鍛造等により金属を含浸させた金属含浸炭素材を用いても良い。

つぎに、放熱構造体の具体的構造を、図１に基づいて、以下に説明する。本発明の放熱構造体は、ＣＰＵ（発熱体）１と、ヒートシンク（放熱体）４と、上記ＣＰＵ１と上記ヒートシンク４との間に配置された膨張黒鉛シート２と、この膨張黒鉛シート２と上記ヒートシンク４とを接着する接着層３とを有している。

上記構成の如く接着層３が存在していれば、ヒートシンク４と膨張黒鉛シート２との密着性が向上し、ヒートシンク４と膨張黒鉛シート２との間に、熱伝導率が低い空気の層が存在するのを抑制することができる。

また、ヒートシンク４の重さによって、膨張黒鉛シート２は加圧されてその厚みが小さくなり、この結果、膨張黒鉛シート２とＣＰＵ１との密着性が向上する。その理由は、膨張黒鉛シート２を構成する膨張黒鉛同士の間には空間が存在するため、圧縮される過程において、膨張黒鉛シート２の表面に位置する膨張黒鉛が、ＣＰＵ１の表面に存在する凹凸内に侵入するからである。尚、このような現象は、膨張黒鉛同士の間の空間が大きなかさ密度が１．０Ｍｇ/ｍ³以下の膨張黒鉛シート２を用いた場合に顕著である。

以上のように、接着層３の存在により、ヒートシンク４と膨張黒鉛シート２との間に空気の層が生じるのを抑制でき、また、膨張黒鉛シート２が加圧されることにより、膨張黒鉛シート２とＣＰＵ１との間に空気の層が生じるのを抑制できる。この結果、熱伝達経路における熱抵抗が飛躍的に小さくなるので、ＣＰＵ１の冷却効率が高くなって、ＣＰＵ１の温度上昇を飛躍的に低減させることができる。

尚、膨張黒鉛シート２の面方向における熱伝導率を５０〜２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）となるように規制しておけば、厚さ方向の熱伝導率よりも極めて大きくなっているから、膨張黒鉛シート２の面方向における温度分布をほぼ均一に保つことができる。よって、膨張黒鉛シート２、ＣＰＵ１及びヒートシンク４にヒートスポットが形成されるのを防ぐことが可能となる。また、膨張黒鉛シート２とＣＰＵ１とは接着剤等によって固定されている構造であっても良い。

（その他の事項）
（１）ヒートシンク４の重さが小さい場合には、膨張黒鉛シート２に加わる圧力が小さくなり過ぎて、膨張黒鉛シート２とＣＰＵ１との密着性が低下して、熱抵抗を十分に低下させることができない場合もありうる。したがって、このような場合には、図２に示すように、ＣＰＵ１、膨張黒鉛シート２、及びヒートシンク４を挟持するようなクランプ７を用いるのが好ましい。尚、図２において、５はファン、６は基台である。

（２）接着層３の配置位置としては、ヒートシンク４と膨張黒鉛シート２との間に限定するものではなく、膨張黒鉛シート２とＣＰＵ１との間、或いは、両者（ヒートシンク４と膨張黒鉛シート２との間及びＣＰＵ１と膨張黒鉛シート２との間）に設けても良い。

（３）膨張黒鉛シート２において、含有する硫黄や鉄分等の不純物の総量は１０ｐｐｍ以下に規制するのが好ましい。特に、硫黄が１ｐｐｍ以下となるように処理しておけば、膨張黒鉛シート２を取り付けたＣＰＵ１の劣化を防ぐことができる。

本発明の放熱構造体は、液晶用ＬＥＤバックライトの放熱、ＬＥＤ照明の放熱、ソーラーパネルの放熱、コンピュータや携帯電話などのＣＰＵの放熱等に好適に用いることができる。

１ＣＰＵ（発熱体）
２膨張黒鉛シート
３接着層
４ヒートシンク（放熱体）
５ファン
６基台
７クランプ

Claims

発熱体と、放熱体と、これら発熱体と放熱体との間に配設された膨張黒鉛シートとを備える放熱構造体であって、
上記放熱体と上記膨張黒鉛シートとの間、及び／又は、上記発熱体と上記膨張黒鉛シートとの間には、黒鉛化された炭素を含む接着層が存在することを特徴とする放熱構造体。
上記放熱体の耐熱温度が黒鉛化温度より高く、且つ、上記接着層は、上記放熱体と上記膨張黒鉛シートとの間に存在する、請求項１に記載の放熱構造体。
上記膨張黒鉛シートのかさ密度が１．０Ｍｇ／ｍ^３以下である、請求項１又は２に記載の放熱構造体。