JP4459470B2

JP4459470B2 - 電子部品の放熱構造体及びそれに用いる放熱シート

Info

Publication number: JP4459470B2
Application number: JP2001107972A
Authority: JP
Inventors: 一彦都丸; 邦彦美田; 勉米山
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 2001-04-06
Filing date: 2001-04-06
Publication date: 2010-04-28
Anticipated expiration: 2021-04-06
Also published as: CN1491438A; EP1376689A1; US20040057206A1; EP1376689B1; CN1262002C; KR20040024540A; EP1376689A4; US7016196B2; KR100739001B1; JP2002305271A; WO2002084735A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トランジスター、コンピューターのＣＰＵ等の発熱性電子部品から発生する熱をヒートシンク等の熱放散部材に効率的に熱を伝導することのできる電子部品の放熱構造体及びそれに用いる放熱シートに関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
近年、パーソナルコンピューター、デジタルビデオディスク、携帯電話などの電子機器に使用されるＣＰＵやドライバＩＣやメモリーなどのＬＳＩは集積度の向上と動作の高速化に伴い、消費電力が増大すると共に、その発熱量も増大し、電子機器の誤動作や電子部品の損傷の一因となっているため、その放熱対策が大きな問題となっている。
【０００３】
従来、電子機器等においては、その使用中に電子部品の温度上昇を抑えるために、黄銅等、熱伝導率の高い金属板を用いたヒートシンクが使用されている。このヒートシンクは、その電子部品が発生する熱を伝導し、その熱を外気との温度差によって表面から放出する。
【０００４】
電子部品から発生する熱をヒートシンクに効率良く伝えるために、ヒートシンクを電子部品に密着させる必要があるが、各電子部品の高さの違いや組み付け加工による交差があるため、柔軟性を有する熱伝導性シートや、熱伝導性グリースを電子部品とヒートシンクとの間に介装させ、この熱伝導性シート又は熱伝導性グリースを介して電子部品からヒートシンクへの熱伝導を実現している。上記熱伝導性シートとしては、熱伝導性シリコーンゴム等で形成された熱伝導用シート（熱伝導性シリコーンゴムシート）が用いられ、熱伝導性グリースとしては熱伝導性シリコーングリースが使用されている。
【０００５】
しかし、従来から使用されている熱伝導性シリコーンゴムシートでは電子部品との界面に大きな接触熱抵抗が存在するために、熱伝導性能には限界があり、このことは発熱量が大きな高周波駆動のＣＰＵ等の電子部品の冷却には大きな問題であり、界面接触熱抵抗の低減が望まれている。
【０００６】
一方、熱伝導性グリースは、その性状が液体に近いために界面接触熱抵抗が殆ど無視できるレベルにあり、熱伝導性能は良いが、ディスペンサなどの専用の装置が必要になることと、回収する場合に作業性が悪いという問題がある。
【０００７】
上記問題点の一部を改良するために、常温では固体シート状で、電子部品の動作時に発生する熱により軟化して界面接触熱抵抗が無視出来るレベルとなる相変化型放熱シート（フェイズチェンジシート）が提案されている。それらフェイズチェンジシートの先行技術としては以下のものが提案されている。すなわち、米国特許第４４６６４８３号公報では非金属シートの両面に相変化するワックス層を形成するものが開示されている。また、米国特許第５９０４７９６号公報では金属箔の片面に相変化するパラフィン又は石油ゼリーを形成し、その反対側の面に接着剤を形成するものが開示されている。さらに、特表２０００−５０９２０９号公報では、アクリル粘着剤とワックスと熱伝導性フィラーからなり、網状組織、フィルム等の中間層を設けないことを特徴とするフェイズチェンジシートが開示されている。
【０００８】
一方、上記放熱シートはヒートシンク等の熱放散部材と、ＣＰＵ等の発熱性電子部品の間に挟んで使用されているが、近年ではパーソナルコンピューターの部品の製造工程と各部品を組み上げてパーソナルコンピューターを完成させる工程が全世界に分散するという状況が発生しており、ヒートシンクに放熱シートを貼り付けたものを別の場所に輸送してＣＰＵにセットすることが日常的に行われている。
【０００９】
ヒートシンクに放熱シートを貼り付けたものの品質チェックのためには、このものをモデルとなるＣＰＵに装着して、実装と同じ状態でバーンイン試験やヒートサイクル試験を行うことが必要である。その際、上記フェイズチェンジシートは融点以上の温度下に置かれるために溶融してヒートシンクとＣＰＵに密着しその性能を発揮するが、試験後にヒートシンクとＣＰＵを分離した場合にフェイズチェンジシートが破損する問題がある。更に、電子部品及びヒートシンクにも強い密着力が働くために破損する場合がある。フェイズチェンジシートが破損した場合には別のフェイズチェンジシートを再度貼り付ける必要があるばかりか、そのフェイズチェンジシートが品質を満足しているか再度試験をする必要があり、合理的ではない。また、パーソナルコンピューターに組み付けた後もバーンイン試験やヒートサイクル試験を行う場合があり、同様の問題が発生する。
【００１０】
また、金属箔の片面に粘着性熱伝導性パッド層を形成し、電子部品側に必ず上記粘着性熱伝導性パッド層表面が密着し、金属箔面が熱放散部材と密着するように使用される放熱部材及び放熱構造が米国特許第５５５０３２６号公報に開示されているが、この構造の場合、電子部品側に粘着性熱伝導性パッドが密着するために、電子部品から粘着性熱伝導性パッドを剥がそうとした場合に粘着性熱伝導性パッドが破損する問題があり、更に電子部品も破損するという問題がある。
【００１１】
本発明は、上記事情を改善したもので、電子部品から発生する熱をヒートシンク等の熱放散部材に効率的に熱を伝導することができ、かつ品質チェックのために実施されるバーンイン試験やヒートサイクル試験後も電子部品と熱放散部材を放熱シートの構造を破壊することなく、また、電子部品も破壊することなく取り外しができる電子部品の放熱構造体及びそれに用いる放熱シートを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段及び発明の実施の形態】
本発明は、上記目的を達成するため、発熱性電子部品と熱放散部材との間に金属シートと粘着性を有する熱伝導性部材が積層された放熱シートを介装した放熱構造体であって、前記熱伝導性部材が、シリコーン系粘着剤と熱伝導性充填剤とを含有し、２５℃での可塑度が１００〜１，０００の粘土状であり、電子部品の動作熱により５０〜８０℃の範囲で相変化又は軟化する熱伝導性組成物からなり、金属シートが発熱性電子部品に接触され、粘着性を有する熱伝導性部材が熱放散部材に接触されていることを特徴とする電子部品の放熱構造体を提供する。また、本発明は、発熱性電子部品と熱放散部材との間に介装される放熱シートであって、上記発熱性電子部品側に配置される金属シートと、この金属シートに積層され、上記熱放散部材側に配置される粘着性を有する熱伝導性部材とを備え、この粘着性を有する熱伝導性部材が、樹脂成分としてシリコーン系粘着剤と熱伝導性充填剤とを含有し、２５℃での可塑度が１００〜１，０００の粘土状であり、電子部品の動作熱により５０〜８０℃の範囲で相変化又は軟化する熱伝導性組成物からなることを特徴とする放熱シートを提供する。
【００１３】
本発明によれば、発熱性電子部品からの熱をヒートシンク等の熱放散部材に効率よく熱を伝導することができ、またバーンイン試験、ヒートサイクル試験後も、放熱シートの構造を破壊したり電子部品を破壊するといった不都合なく、電子部品や熱放散部材を放熱シートから取り外すことができる。
【００１４】
以下、本発明につき更に詳しく説明する。
本発明に係る放熱シートは、発熱性電子部品と熱放散部材との間に介装される放熱シートであって、上記発熱性電子部品側に配置される金属シートと、この金属シートに積層され、上記熱放散部材側に配置される粘着性を有する熱伝導性部材とを備え、この粘着性を有する熱伝導性部材が樹脂成分としてシロキサン系重合体と熱伝導性充填剤とを含有してなり、電子部品の動作熱により相変化又は軟化する熱伝導性組成物から形成されたものであることを特徴とする。
【００１５】
ここで上記金属シートとしては、アルミニウムシート、銅シート、ステンレスシート、タングステンシート、金シートなどが好適であるが、コスト的に安いアルミニウムシート、銅シートがより好ましい。また、金属シートの厚みは３〜２００μｍの範囲のものが好ましいが、より好ましくは５〜７５μｍの範囲とされる。３μｍ未満では、強度が不足する場合があり、２００μｍを超えると放熱シートの柔軟性が損なわれるので電子部品との密着性が損なわれるおそれがある。
【００１６】
また、本発明に使用される熱伝導性部材は、粘着性を有する粘土状の熱伝導性組成物が使用され、このようなものとしては、シリコーン系粘着剤に熱伝導性充填剤を配合したものを用いることができる。
【００１７】
上記粘土状の熱伝導性組成物の２５℃での可塑度は、１００〜１，０００の範囲であることが好ましい。１００未満では熱伝導性部材の強度が不足し、取り扱い性が悪くなり、１，０００を超えると放熱シートが柔軟性に欠けるものとなるために、熱放散部材との密着性に問題が発生するおそれがある。
【００１８】
また、上記粘着性を有する熱伝導性部材は、相転移部材又は熱軟化材を含有するものとした場合には、電子部品の動作等の発熱により熱伝導性部材が固体状から液体又は流動性体及び半流動性体へと相変化又は熱軟化することで熱放散部材との接触熱抵抗が低減されることからより好ましい。このような相転移材又は熱軟化材としては、シリコーン系樹脂などが使用される。これら相転移部材又は熱軟化材はＤＳＣにより測定される相変化又は熱軟化に伴う熱吸収ピークが３５〜１２０℃、特に４０〜１００℃、中でも５０〜８０℃と電子部品の動作温度範囲となることが好ましい。
【００１９】
上記熱伝導性部材に使用される熱伝導性充填剤としては、鉄、アルミ、ニッケル、銀、金などの金属粉末、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化亜鉛、酸化鉄、酸化マグネシウムなどの無機酸化粉末又は窒化アルミニウム、窒化硼素などの無機窒化物粉末などが使用される。熱伝導性充填剤の平均粒径は０．１〜３０μｍの範囲であればよく、最大粒子径は１００μｍ以下が好ましい。
【００２０】
なお、上記シリコーン系粘着剤に対する相転移材又は熱軟化材の配合量、熱伝導性充填剤の配合量は適宜選定されるが、上記粘着剤１００重量部に対し、相転移材又は熱軟化材は１０〜１，０００重量部、特に５０〜５００重量部とすることが好ましく、熱伝導性充填剤は１００〜３，０００重量部、特に１００〜２，０００重量部とすることが好ましい。
【００２１】
粘着性を有する熱伝導性部材の厚さは、薄ければ薄いほど熱抵抗が低くなり有利であるが、上記熱伝導性充填剤の最大粒子径以下にすることは実質的に不可能であり、熱伝導性充填剤の最大粒子径と同等から約５倍までの範囲とすることが好ましく、通常、０．１〜１，０００μｍ、特に１〜５００μｍである。
【００２２】
上記金属シートの片面に熱伝導性部材を形成した放熱シートを製造する方法としては、例えば、熱伝導性組成物を有機溶剤に溶解したスラリーをコーティング又はスプレー等の公知の方法を用いて製造すれば良く、図１に本発明の放熱シートの構造を示す。ここで、図１において、１は放熱シート、１−ａは熱伝導性部材、１−ｂは金属シートである。
【００２３】
次に、本発明の放熱構造体は、発熱性電子部品と熱放散部材との間に上記のような金属シートと粘着性を有する熱伝導性部材が積層された放熱シートを介装する放熱構造体であって、金属シートが発熱性電子部品に接触され、粘着性を有する熱伝導性部材が熱放散部材に接触されているものである。これは、図２に示すように電子部品２と熱放散部材の間に放熱シート１を挟み込んだ構造とされるが、熱伝導性部材１−ａが熱放散部材３に接触され、金属シート１−ｂが電子部品２に接触されるようにすることが特徴である。このように接続した場合には、品質チェックのために実施されるバーンイン試験やヒートサイクル試験後も電子部品と熱放散部材を放熱シートの構造を破壊することなく取り外すことができる。また、この放熱構造とした場合には、本発明の熱伝導性部材は適度な粘着性を有することから、熱放散部材に接続された状態で取り外すことができるし、さらに、粘着性を有する熱伝導性部材は金属シートで補強されているので、熱放散部材からも放熱シートの構造を破壊することなく取り外すことができ、リペア性に優れている。
【００２４】
【実施例】
以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に制限されるものではない。
【００２５】
［実施例１，２］
表１に示す配合組成の熱伝導性組成物１００重量部に対してキシレンを２０重量部添加したスラリーを金属シート上へバーコーターによりコートし、８０℃で２０分乾燥し、厚さ０．１ｍｍの放熱シートを作成した。
【００２６】
得られた放熱シートを用い、以下の測定方法により物性を測定した結果を表１に示す。
【００２７】
この結果より、本発明の放熱構造体及び放熱シートは極めて有用であることが確認された。
【００２８】
測定方法
１）可塑度測定方法：ＪＩＳ−Ｋ−６２４９の可塑度試験により測定。
２）熱伝導率測定方法：熱伝導率測定器ＱＴＭ−５００（京都電機製商品名）で測定。
３）熱抵抗測定方法：トランジスタＴＯ−３型形状に打ち抜いた厚み０．５ｍｍのサンプルをトランジスタ２ＳＤ９２３（富士電機製商品名）とヒートシンクＦＢＡ−１５０−ＰＳ（（株）オーエス製商品名）の間に挟んで圧縮加重１０００ｇｆ／ｃｍ²で荷重する。ヒートシンクは恒温水槽の中に入れ、６０℃で保温する。
【００２９】
次にトランジスタに１０Ｖ、３Ａの電力を供給し、５分後のトランジスタ（温度Ｔ₁）とヒートシンク（温度Ｔ₂）に埋め込んでいる熱電対の温度を測定し、次式からサンプルの熱抵抗Ｒ_s（℃／Ｗ）を算出する。Ｒ_s＝（Ｔ₁−Ｔ₂）／３０
４）粘着力測定方法：ＪＩＳ−Ｚ−０２３７の粘着テープ試験方法により測定。
５）熱軟化温度：ＤＳＣの吸熱ピークより推定。
６）リペア性：熱抵抗測定において測定終了後にトランジスタとヒートシンクを分離する際にヒートシンク側に形状を保持して接続されていた場合にＯＫ測定とした。
【００３０】
【表１】

【００３１】
実施例で使用した原料
シリコーン粘着剤：ＫＲ１３０（信越化学工業（株）製商品名）
シリコーンレジン：Ｘ−４０−９８００−５９（信越化学工業（株）製商品名）
熱伝導性充填剤１：アルミナＡＯ−４１Ｒ（アドマテックス製商品名）
熱伝導性充填剤２：銀粉Ａｇ−Ｅ−１００（福田金属箔粉工業（株）製商品名）
アルミ箔、銅箔：福田金属箔粉工業（株）製を使用した。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、電子部品から発生する熱をヒートシンク等の熱放散部材に効率的に熱を伝導することができ、かつ品質チェックのために実施されるバーンイン試験やヒートサイクル試験後も電子部品と熱放散部材を放熱シートの構造を破壊することなく、また、電子部品も破壊することなく取り外すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の放熱シートの一実施例を示す断面図である。
【図２】本発明の放熱構造体の一実施例を示す断面図である。
【符号の説明】
１放熱シート
１−ａ熱伝導性部材
２−ｂ金属シート
２電子部品
３熱放散部材

Claims

発熱性電子部品と熱放散部材との間に金属シートと粘着性を有する熱伝導性部材が積層された放熱シートを介装した放熱構造体であって、前記熱伝導性部材が、シリコーン系粘着剤と熱伝導性充填剤とを含有し、２５℃での可塑度が１００〜１，０００の粘土状であり、電子部品の動作熱により５０〜８０℃の範囲で相変化又は軟化する熱伝導性組成物からなり、金属シートが発熱性電子部品に接触され、粘着性を有する熱伝導性部材が熱放散部材に接触されていることを特徴とする電子部品の放熱構造体。
金属シートがアルミニウムシート又は銅シートである請求項１記載の電子部品の放熱構造体。
熱伝導性組成物が、相転移部材又は熱軟化材としてシリコーン系樹脂を含有する請求項１又は２記載の電子部品の放熱構造体。
発熱性電子部品と熱放散部材との間に介装される放熱シートであって、上記発熱性電子部品側に配置される金属シートと、この金属シートに積層され、上記熱放散部材側に配置される粘着性を有する熱伝導性部材とを備え、この粘着性を有する熱伝導性部材が、樹脂成分としてシリコーン系粘着剤と熱伝導性充填剤とを含有し、２５℃での可塑度が１００〜１，０００の粘土状であり、電子部品の動作熱により５０〜８０℃の範囲で相変化又は軟化する熱伝導性組成物からなることを特徴とする放熱シート。
金属シートがアルミニウムシート又は銅シートである請求項４記載の放熱シート。
熱伝導性組成物が、相転移部材又は熱軟化材としてシリコーン系樹脂を含有する請求項４又は５記載の放熱シート。