JP2014041953A - 熱伝導性シート - Google Patents
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Abstract
【解決手段】シートの厚み方向に入刀した複数のカット面2を有するとともに各一のカット面2で分けられた一方側と他方側とが付着して一体となっている熱伝導性シート11とした。そのため凹凸のある複数の発熱体に追従させて押圧しても低い圧縮荷重で発熱体を押圧することができる。
【選択図】図1
Description
複数の発熱体を一枚の熱伝導性シートで覆う構成では、発熱体ごとに高さが異なるため、全ての発熱体に熱伝導性シートを密着させようとすると、熱伝導性シートを発熱体に圧縮して用いる必要がある。
こうした問題に対して圧縮荷重を小さくする検討がなされており、例えば、実用新案登録3023821号公報(特許文献1)には、熱伝導性シートの硬さを柔らかくすることで、圧縮荷重を低くすることが記載されている。しかし、シート自体の硬さを柔らかくすると、熱伝導性シートの強度が著しく低下し、破損や変形が生じ易く作業性が損なわれるという弊害が生じる。
熱伝導性シートが凹凸のある基板上の複数の発熱体を覆い、放熱体との間に挟んで圧縮される使用状態では、高さのある発熱体を押圧する熱伝導性シートの部分と、高さの低い発熱体を押圧する熱伝導性シートの部分とがカット面を介して相対変位することができる。したがって、カット面を有しない熱伝導性シートを用いた場合よりも部分的に大きく圧縮することができる。換言すれば、凹凸のある複数の発熱体に追従させる際に、カット面を有しない熱伝導性シートを用いた場合よりも相対的に低い荷重で発熱体を押圧することができる。
カット面がシート厚を貫通するカット面である場合には、複数のカット面で分けられた複数の分割片が形成されるとともに隣接する分割片どうしが付着することで一体となった熱伝導性シートとすることができる。
本実施形態の熱伝導性シート11は、粘着性を有する高分子マトリックスに熱伝導性充填材を含む粘着層1からなり発熱体と放熱体との間に介在させて、発熱体から発生する熱を放熱体に伝達する部材である。本実施形態では、図1で示すように、全体的には矩形状のシートとして形成している。
粘着層1はシートの厚み方向に入刀した複数のカット面2を有するが、各一のカット面2で分けられた一方側と他方側とは付着して一体となっている。
熱可塑性の高分子材料としては熱可塑性エラストマーを用いることができ、具体例としては、スチレン−ブタジエンブロック共重合体及びその水添ポリマー、スチレン−イソプレンブロック共重合体及びその水添ポリマー、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、及びポリアミド系熱可塑性エラストマー等が挙げられる。
高分子マトリックスの常温での粘度は、1,000mPa・s以下が好ましく、500mPa・s以下がより好ましい。1,000mPa・sを超えると組成物の調製が困難になるおそれがある。高分子マトリックスの常温での粘度の下限は特に限定されない。常温とは、組成物が通常調製されるときの温度のことであり、例えば25℃である。
こうした熱伝導性充填材の平均粒径または平均繊維長は、0.1μm〜100μmが好ましく、1μm〜50μmがより好ましい。0.1μm未満であると原料組成物の粘度が高くなり高分子マトリックス中への分散が困難になる。100μmを超えると、シートに形成した際の表面の平坦性が悪化するおそれがある。
熱伝導性充填材の全固形分中の含有量は、90重量%以下が好ましい。90重量%を超えると、柔軟性が低下してシートが脆くなるおそれがある。
熱伝導性充填材を所定量含有させることで熱伝導性を持たせることができるが、シートの厚み方向に熱伝導性充填材を配向させることで、シートの表裏方向の熱伝導性を高めた熱伝導性シートを得ることができる。熱伝導性充填材の配向は、熱伝導性充填材に磁性粒子を用い、高分子マトリックスが硬化する前に磁場をかけることで行うことができる。
シート状への成形は、金型内で熱伝導性充填材が配向した状態で高分子マトリックスを硬化させたり、熱伝導性充填材の配向が不要の場合は原料組成物を平坦面上に塗布して硬化させたりする方法で行うことができる。
こうした熱伝導性シート11で発熱体4を押圧する状態を図5で説明する。なお、比較のためカット面を有しない熱伝導性シート101(従来技術;図6、図7)を参照する。まず、従来の熱伝導性シート101では、半導体素子4を有する基板5に熱伝導性シート101を被せてからヒートシンク6で圧縮すると、種々の高さを有する半導体素子4の凹凸により、熱伝導性シート101の表面が伸ばされるように変形する(図6参照)。図7で示す熱伝導性シート101は、図6で示す圧縮された熱伝導性シート101を取り出したもので、半導体素子4とヒートシンク6で圧縮されて変形した熱伝導性シート101の形状を示している。図7の領域R1は、最も高さのある半導体素子4aの端部の近傍を表わすが、熱伝導性シート101が大きく伸ばされて曲線状に変形した伸び部101aが生じることを示している。このように部分的に大きく変形する伸び部101aを有することが、圧縮荷重が大きくする原因と考えられる。
このとき、カット面2aは分割片3aの圧縮に伴って相対変位した後、再付着した再付着面と、露出した露出面を有することになる。
本実施形態の熱伝導性シート12は、一方向に沿うカット面2を備える点で、直行する二方向に沿うカット面2を備える熱伝導性シート11と相違する。
一方向に沿うカット面2を備える場合であっても、発熱体4を圧縮する際に熱伝導性シート12が圧縮される圧縮荷重を低くすることができる。また、一方向に沿うカット面2を形成するだけで済むため、製造が容易である。
本実施形態の熱伝導性シート13は、シートの外周にカット面を形成しない枠状のフレーム部1aを備えている。一般に熱伝導性シートの中央付近に発熱体4が位置するように熱伝導性シートを配置するため、熱伝導性シートの外周に発熱体4の端部が当たることは稀だからである。
フレーム部1aを備えるため、熱伝導性シート13を一体に保ち易く、粘着力の小さい高分子マトリックスを原材料とした場合に好適に用いることができる。また、フレーム部1aを有するため、シートの外周に大きな外力が加わってもシートの一体性が失われ難く取扱い性を高めることができる。
本実施形態の熱伝導性シート14は、一方向に沿う複数の平行なカット面2を備えるが、カット面の面方向に垂直な方向だけでなく、カット面の面方向にも別のカット面2を有している。換言すれば、面方向に隣接するカット面2どうしの間に連結部1bを有している。
熱伝導性シート14では分割片3が形成されず、連結部1bを介してシート全体が連結しているため、熱伝導性シート14を一体に保ち易く、取扱い性に優れている。
本実施形態の熱伝導性シート15では、シートの一方面から入刀しシート厚を貫通しない複数のカット面2が設けられている。
熱伝導性シート15の一方面側のみにカット面2を有するため、他方面側ではシート全体が一体に形成されており、シートの一体性が高く取扱い性に優れている。
本実施形態の熱伝導性シート16は、粘着層1より硬質の硬質層7を備える2層構成としている。
硬質層7の材質は、粘着層1で使用可能な材質を用いることができるが、粘着層1と同種類の材質で高硬度とすることが好ましい。同種類であれば粘着層1と硬質層7の固着が容易だからである。例えば、粘着層1がシリコーンゴムである場合に、硬質層7もシリコーンゴムとする場合である。あるいは、硬質層7は、樹脂フィルムのような伸長性の少ない材質で形成することもできる。硬質層7を樹脂フィルムで形成すると、薄厚でシートとしての一体性を高めることができる。
粘着層1と硬質層7のそれぞれの厚みは適当な厚みとすることができるが、硬質層7の方が粘着層1よりも圧縮荷重が高いため、硬質層7の方の厚みを薄くすることが好ましい。
本実施形態の熱伝導性シート17は、粘着層1と硬質層7とを備え、硬質層7側から入刀して硬質層7を貫通し、粘着層1の一部にまで及ぶカット面72有している。
例えば、フレーム部1aを設けた熱伝導性シート13のカット面2に熱伝導性シート14の有する連結部1bを設けたり、熱伝導性シート11を熱伝導性シート16のような2層構成としたりするような場合が例示できる。
(シート成形体の作製)
高分子マトリックスとして液状シリコーンゴムを100重量部、熱伝導性充填材として水酸化アルミニウム粉末を360重量部配合し均一になるまで混合した混合組成物Aと、液状シリコーンゴムを100重量部、熱伝導性充填材として水酸化アルミニウム粉末を360重量部配合し均一になるまで混合した混合組成物Bを作製した。この混合組成物Aは硬化すると硬さがE60の硬化物となり、混合組成物Bは硬化すると硬さがE5の硬化物となる。
次に、このシート成形体に種々のカット面を付与する(あるいは付与しない)ことで実施例または比較例となる各種試料(熱伝導性シート)を作製した。
試料1は、先のシート成形体をカッターナイフで1mm間隔に切断し、さらに90度向きを変えて同様に切断し、表面から見て1辺が1mmの碁盤目状にカット面を有する熱伝導性シートとした。試料1は、分割片が形成されているがカット面どうしが付着しており、一体のシートとして取り扱うことができた。
なおカット面の粘着力は、それぞれの混合組成物が単独で硬化した表面の粘着力と略同じであるが、本実施例においては、カット面における混合組成物Bの表面どうしの密着力が強く、一体化に大きく寄与していた。
試料3は、間隔を0.25mmとして1辺が0.25mmの碁盤目状にシート厚を貫通するカット面を形成した以外は試料1と同様の方法で作製した熱伝導性シートである。
試料4は、シート厚を貫通させずに混合組成物B(粘着層)側から1mmの深さまでカットして粘着層側から見て1辺が0.5mmの碁盤目状にカット面を形成した以外は試料1と同様の方法で作製した熱伝導性シートである。
試料6は、間隔を5mmとして1辺が5mmの碁盤目状にシート厚を貫通するカット面を形成した以外は試料1と同様の方法で作製した熱伝導性シートである。
試料7は、カット面を形成せずシート成形体をそのまま熱伝導性シートとしたものである。
各試料についてその厚みが半分になるまで圧縮(50%圧縮)した際の圧縮荷重をそれぞれ測定した。また、各試料について熱抵抗を測定したところ、熱抵抗値としては何れの試料も0.32℃/W〜0.45℃/Wの範囲内であった。
各試料の形態と50%圧縮荷重の値を次の表1に示す。
まず、試料1〜試料6は、何れの試料もカット面どうしが付着しており、一体のシートとして取扱うことができた。
碁盤目状に貫通するカット面を設けた試料1〜試料3、試料6は、カット面を設けなかった試料7と比較して、50%圧縮荷重が半分以下に低下していた。また、50%圧縮荷重の値は、カット面どうしの間隔が狭いほど大きく低下していた。
シート厚を貫通せずその肉厚の一部を切断したカット面を形成した試料4と試料5では、貫通したカット面を設けた試料1よりも50%圧縮荷重は高くなったが、それでもカット面を設けない試料7の50%圧縮荷重よりは低く、圧縮荷重を低下させる効果があることがわかった。
1a フレーム部
1b 連結部
2,2a,2b カット面
3,3a,3b 分割片
4 発熱体(半導体素子)
5 基板
6 放熱体(ヒートシンク)
7 硬質層
11,12,13,14,15,16,17 熱伝導性シート
11a 伸び部
101,102 熱伝導性シート(従来技術)
101a 伸び部
R1,R2 領域
Claims (6)
- 粘着性を有する高分子マトリックスに熱伝導性充填材を含む粘着層からなり発熱体と放熱体との間に介在させる熱伝導性シートであって、
シートの厚み方向に入刀した複数のカット面を有するとともに各一のカット面で分けられた一方側と他方側とが付着して一体となっている熱伝導性シート。 - 粘着層より硬質の硬質層をさらに備える請求項1記載の熱伝導性シート。
- 前記カット面で分けられた複数の分割片を有するとともに隣接する分割片どうしが付着することで一体となっている請求項1または請求項2記載の熱伝導性シート。
- 一のカット面とそれに隣接するカット面の間隔が0.05mm〜5mmである請求項1〜請求項3何れか1項記載の熱伝導性シート。
- カット面の深さが、シート厚に対して50%〜100%である請求項1〜請求項4何れか1項記載の熱伝導性シート。
- カット面が硬質層を貫通する請求項2記載の熱伝導性シート。
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