JP4807302B2

JP4807302B2 - 放熱部品

Info

Publication number: JP4807302B2
Application number: JP2007101514A
Authority: JP
Inventors: 和彦久保; 実大内; 充玉置; 典裕河村; 正志船場
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-08-03
Filing date: 2007-04-09
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2027-04-09
Also published as: JP2008060527A

Description

本発明は電子機器の発熱源から熱拡散や放熱を行うために用いられる放熱部品に関するものである。

小型、高性能化する電子機器において、ＬＳＩやパワーアンプなどは発熱源ともなり、これらから発する熱を効率よく拡散、放熱するために種々の放熱部品が用いられている。

特に携帯電話機などのような薄型の電子機器においては、厚みが薄くても面方向の熱伝導率が１００〜１０００Ｗ／（ｍ・Ｋ）と大きく、熱の拡散や放熱に最適な、黒鉛を主成分とするグラファイトシートが用いられている。

なお、本出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開２００５−１５９３１８号公報

このようなグラファイトシートは柔らかく、機械的衝撃等によるグラファイトシートの損傷や亀裂を防ぐためグラファイトシートの表裏面をグラファイトシートとは別部材のカバー層で覆った放熱部品が用いられている。

そして、ここで用いられるカバー層は、熱の伝達を妨げないように、なるべく薄いものが用いられる。

しかしながら、携帯電話機のような薄型の電子機器に上記のような放熱部品を用いた場合、この放熱部品を挟んでＬＳＩやパワーアンプなどの発熱源と反対側の、たとえば携帯電話機のケースや操作ボタン側にヒートスポットと呼ばれる局所的な高熱部分が出来てしまうことがある。このようなヒートスポットは、ケースや操作ボタンに人体が触れたときに、不快感を催すため、このヒートスポットを緩和する必要があった。

そこで本発明はＬＳＩやパワーアンプの局所的発熱により誘起されるヒートスポットを緩和することができる放熱部品を提供することを目的とする。

そしてこの目的を達成するために、本発明の放熱部品は、黒鉛を主成分とするグラファイトシートの一方の主面を覆う第１のカバー層と、他方の主面を覆う第２のカバー層とを有し、第１のカバー層の熱抵抗よりも第２のカバー層の熱抵抗を大きくした放熱部品である。

本発明の放熱部品は、グラファイトシートの一方の主面を覆う第１のカバー層の熱抵抗よりも他方の主面を覆う第２のカバー層の熱抵抗を大きくし、熱抵抗の小さい第１のカバー層を発熱源に対向させるとともに、熱抵抗の大きい第２のカバー層を人体が触れるケース側に対向させて放熱部品として使用することにより、発熱源に対応したヒートスポットを緩和することができるという効果を有する。

以下、本発明の放熱部品について一実施の形態および図面を用いて説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における放熱部品４の断面図であり、黒鉛を主成分とするグラファイトシート１の一方の主面を第１のカバー層２、他方の主面を第２のカバー層３で覆った構成としている。

これらの第１のカバー層２と第２のカバー層３はグラファイトシート１よりも面積が大きく、グラファイトシート１の側面も第１のカバー層２と第２のカバー層３のいずれかまたは両方で覆われた構成となっている。

ここで、第１のカバー層２および第２のカバー層３には、図示していないが厚みが数μｍの接着層が片面（グラファイトシート１側）に形成されており、この接着層でグラファイトシート１と接合されるとともに、第１および第２のカバー層２、３相互が接合されている。

なお、この図１では説明のため厚さ方向の寸法を模式的に大きく図示している。

図２は図１に示す放熱部品４を用いた携帯電話機の操作部１１の断面図であり、１２は操作ボタンを示す。操作部１１の内部には、各種電子部品が実装された基板１３やバッテリー１７が配置されており、この基板１３には発熱源ともなるパワーアンプ１４やＬＳＩ１５が実装されている。そして、これらパワーアンプ１４やＬＳＩ１５と対向するように、図１の放熱部品４がケース１６の内面に配置されておりパワーアンプ１４やＬＳＩ１５から発せられる熱をケース１６を通じて外気中に放散している。

図２において、放熱部品４はパワーアンプ１４やＬＳＩ１５と離れて取り付けられているように図示されているが、近年のさらなる携帯機器の薄型化に伴い、放熱部品４をパワーアンプ１４やＬＳＩ１５と接触した状態で取り付けられる場合もある。

そして、放熱部品４は、本実施の形態１の場合、ケース１６に第２のカバー層３が対向し、パワーアンプ１４やＬＳＩ１５と対向する側に第１のカバー層２がくるように取り付けられている。

本実施の形態１では、この放熱部品４のグラファイトシート１としてポリイミドを主成分とする有機フィルムを中性雰囲気中または還元性雰囲気中で２５００℃〜３０００℃の温度で熱分解して得られた熱分解グラファイトシートを用いた。

また第１のカバー層２として、厚みが２５μｍのポリエチレンテレフタレート（以下ＰＥＴフィルムと称する）を用い、また第２のカバー層３として厚みが２５μｍのポリスチレンフィルムを用いた。

これら有機フィルムの熱抵抗の測定については、例えば（株）日立製作所製の樹脂材料熱抵抗測定装置などを用いて簡便に測定することができる。

このような測定装置を用いて、ＰＥＴフィルムとポリスチレンフィルムについて厚み２５μｍで、縦が５ｍｍ、横５ｍｍの寸法の同一形状、同一厚みの試料を用いて熱抵抗の測定を行った。

その結果、ＰＥＴフィルムの熱抵抗は３．５℃／Ｗ、ポリスチレンフィルムの熱抵抗は９．０℃／Ｗであった。

次に本実施の形態１の放熱部品を用いた場合のヒートスポットの低減効果について詳しく説明する。

まず、上記の放熱部品４を、図２に示すように発熱源であるパワーアンプ１４やＬＳＩ１５の側に第１のカバー層２が対向し、反対側の携帯電話機のケース１６に第２のカバー層３が対向するようにして取り付けた。

次に室温２５℃において携帯電話機を作動させた状態で、赤外線サーモグラフィーを用いてケース１６の外側表面のヒートスポットの有無とその温度を観察した。

また、比較例として、グラファイトシート１の表裏面を厚み２５μｍの同じＰＥＴフィルム（熱抵抗３．５℃／Ｗ）で覆った従来の放熱部品を上記と同様に携帯電話機中に取り付け、上記と同様にしてヒートスポットの有無とその温度観察を行った。

赤外線サーモグラフィーによる観察結果では、比較例の従来の放熱部品を用いた場合には、ケース１６の表面上にパワーアンプ１４の局所発熱に対応したヒートスポットが観察され、その温度は約５５℃であった。

これに対して本実施の形態１によりグラファイトシート１を第１のカバー層２としてＰＥＴフィルム（熱抵抗３．５℃／Ｗ）と、第２のカバー層３としてポリスチレンフィルム（熱抵抗９．０℃／Ｗ）の２種の有機フィルムで覆った放熱部品４を、ケース１６側にポリスチレンフィルムの第２のカバー層３が対向するようにした場合には、ケース１６表面のヒートスポットの温度は約３０℃まで下がり、ヒートスポットは緩和されていた。

また、実施の形態１の別の例として、第２のカバー層３として厚み２５μｍのポリスチレンフィルム（熱抵抗９．０℃／Ｗ）を用い、第１のカバー層２として厚み２５μｍのポリアミドフィルム（三菱エンジニアリングプラスチック（株）製の商品名レニー１０２２Ｆ、熱抵抗２．０℃／Ｗ）を用いて、グラファイトシート１を覆った放熱部品４を上記と同様に携帯電話機中に取り付けて、ヒートスポットの有無とその温度測定を行った。

この場合はケース１６表面のヒートスポットの温度は２７℃であり、上記と同様にヒートスポットが緩和されていた。

ここで、携帯電話機などの小型携帯電子機器のケース１６を構成する材料としては、通常熱伝導率の低いプラスチックが多く用いられるため、パワーアンプ１４のヒートスポットがすぐにケース１６の表面に現れるわけではない。

しかしながら、このような熱伝導率が低いプラスチック製のケース１６は、厚み方向と同様に面方向への熱の移動、拡散も遅いため、時間はかかるがしばらく経つとケース１６の表面にパワーアンプ１４の発熱によりヒートスポットが形成されてしまう。

しかし、本実施の形態１の放熱部品４では平面方向に熱伝導率が大きなグラファイトシート１によりパワーアンプ１４の熱を平面方向に拡散することができるとともに、ケース１６に対向する側に設ける第２のカバー層３を、パワーアンプ１４などの発熱源に対向する側に設ける第１のカバー層２よりも熱抵抗の大きいものとしているため、ヒートスポットの発生を抑制することができるという優れた効果を得ることができるのである。

ここで、グラファイトシート１としてはパワーアンプ１４から伝わった熱を効率よく平面方向に拡散できる能力が大きいほどヒートスポットの緩和には有利になるため、熱伝導率が１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度の膨張黒鉛シートよりも、熱伝導率が６００〜１０００Ｗ／（ｍ・Ｋ）と大きい熱分解グラファイトシートをグラファイトシート１として用いた方が好ましい。

また、パワーアンプ１４などの発熱源からの熱を効率よくグラファイトシート１に伝えるために、発熱源側の第１のカバー層２は熱抵抗が小さいほど好ましく、発熱源と反対側のケース１６に対向する方向の第２のカバー層３は熱抵抗が大きいほどヒートスポットの緩和には有利である。

第１のカバー層２の熱抵抗としては、４℃／Ｗ以下であれば、効率よく発熱源からの熱を吸収することができるので好ましく、２℃／Ｗ以下であればさらに好ましい。

第２のカバー層３の熱抵抗としては、５℃／Ｗ未満ではヒートスポットの緩和効果が減少し、また反対に熱抵抗が３０℃／Ｗを超えるほど大きくなった場合には、ケース１６に熱が伝わりにくくなり、その結果、ケース１６を通しての外気への熱放散が妨げられ、機器外部への放熱ができず、操作部１１の内部に熱がこもってしまうという不都合が生じる場合がある。

従って、第２のカバー層３の熱抵抗は５〜３０℃／Ｗ程度が好ましい。

また、熱抵抗の比で見た場合、第１のカバー層２の熱抵抗と第２のカバー層３の熱抵抗の比は１：２から１：１０程度が好ましい。

これは、熱抵抗の比が１：２より小さくなると、ヒートスポットの緩和効果が小さくなり、また熱抵抗の比が１：１０を超えて大きくなると、第２のカバー層３の熱抵抗が大きくなりすぎるため、ケース１６などを通して外気に熱放散することが難しくなるためである。

（実施の形態２）
本実施の形態２が実施の形態１と異なる点は、グラファイトシート１の一対の主面を覆う第１のカバー層２としてＰＥＴフィルムの代わりにアルミニウム箔や銅箔などの金属箔を用いる点である。

このアルミニウム箔について、実施の形態１と同様に厚みが２５μｍで、縦が５ｍｍ、横が５ｍｍの試料で熱抵抗を測定したところ、０．１℃／Ｗであった。

この実施の形態２の放熱部品を、実施の形態１と同様に携帯電話機を作動させた状態で、周囲温度２５℃の条件下で赤外線サーモグラフィーを用いてケース１６上のヒートスポットの観察を行った。

その結果、第１のカバー層２としてアルミニウム箔を用いたこの放熱部品では、ヒートスポットの温度は室温よりわずかに高い２６℃で、ヒートスポットは殆ど解消されていた。

これは、第１のカバー層２として、有機フィルムに比べて格段に熱抵抗が低い（すなわち熱伝導率が高い）アルミニウム箔を用いることにより、アルミニウム箔とグラファイトシート１の熱拡散効果が相乗された結果、ヒートスポットの温度が低下したものと考えられる。

本実施の形態２では、金属箔としてアルミニウム箔を用いたが、銅箔や錫箔を用いても同様の効果が得られる。

（実施の形態３）
本実施の形態３が実施の形態１と異なる点は、グラファイトシート１の一方の主面を覆う第２のカバー層３としてＰＥＴフィルムの代わりに両面テープのような、ＰＥＴフィルムなどの基材の両面に粘着材を形成した粘着材層を用いる点である。

粘着材層としては、基材となる２０μｍのＰＥＴフィルムの両面に２．５μｍの酢酸ビニルなどを主成分とする粘着材が形成されたものを用いた。

この粘着材層について、実施の形態１と同様に厚みが２５μｍで、縦が５ｍｍ、横が５ｍｍの試料で熱抵抗を測定したところ、５．０℃／Ｗであった。

この実施の形態３の放熱部品を、実施の形態１と同様に携帯電話機を作動させた状態で、周囲温度２５℃の条件下で赤外線サーモグラフィーを用いてケース１６上のヒートスポットの観察を行った。

その結果、第２のカバー層３として粘着材層を用いたこの放熱部品４では、ヒートスポットの温度は３５℃で、実施の形態１、２と同様にヒートスポットの低減に効果があることが確認できた。

この実施の形態３の放熱部品は、第２のカバー層３が粘着材層で形成されているため、機器への取り付けが容易であるという効果も有する。

（実施の形態４）
本実施の形態４が実施の形態１と異なる点は、第１のカバー層２と第２のカバー層３に同じ材質のＰＥＴフィルムを用い、第２のカバー層３として用いるＰＥＴフィルムの厚みを第１のカバー層２として用いるＰＥＴフィルムの厚みより厚くすることにより、第２のカバー層３の熱抵抗を大きくした点である。

即ち、厚み２５μｍのＰＥＴフィルム（熱抵抗３．５℃／Ｗ）を第１のカバー層２として用い、第２のカバー層３として厚み５０μｍのＰＥＴフィルム（熱抵抗７．０℃／Ｗ）または７５μｍのＰＥＴフィルム（熱抵抗１０．５℃／Ｗ）を用いた放熱部品４について、実施の形態１と同様に携帯電話機を作動させた状態で、周囲温度２５℃の条件下で赤外線サーモグラフィーを用いてヒートスポットの観察を行った。

その結果、第２のカバー層３として厚み５０μｍのＰＥＴフィルムを用いた場合には、わずかなヒートスポットが見られ、ヒートスポットの温度は３２℃であった。

また、第２のカバー層３として厚み７５μｍのＰＥＴフィルムを用いた場合にはさらにヒートスポットは緩和され、ヒートスポットの温度は３１℃であった。

以上のように、第２のカバー層３の厚みを第１のカバー層２よりも厚くすることによっても、ヒートスポットを緩和することができる。

本実施の形態４では同じ材質のフィルムで厚みの異なるものを使用すればよいため、材料の入手が容易であり、コストの安い有機フィルムを用いることができる。

なお、上記熱抵抗の値は、縦が５ｍｍ、横が５ｍｍで厚みが２５、５０、７５μｍのＰＥＴフィルムの熱抵抗を実施の形態１と同様の方法で測定したものである。

一般にヒートスポットによる不快感は、ヒートスポットの温度が４０℃（即ち周囲温度との差が１５℃）以上の場合に顕著に現れると言われており、実施の形態１〜４で示したように、各実施の形態の放熱部品４を用いることにより、ヒートスポットの抑制に大きな効果が得られることが解る。

上記実施の形態１〜４ではパワーアンプ１４により発生するヒートスポットについて説明したが、発熱量の大きなＬＳＩ１５の場合にも同様にヒートスポットを緩和することができる。

また、図２では操作部１１のケース１６の内側に放熱部品４を取り付けた例を示しているが、これに限定されるものではなく、発熱源となるパワーアンプ１４やＬＳＩ１５の配置に応じて操作ボタン１２の内側に取り付けてもよいし、さらにケース１６の内側と操作ボタン１２の内側の両方に取り付けてもよい。

また、実施の形態１では第１のカバー層２と第２のカバー層３について、材質が異なる有機フィルムを用いた場合を示し、実施の形態４では材質が同じで厚みの異なる有機フィルムを用いた場合を示したが、第１のカバー層２と第２のカバー層３の材質と厚みが共に異なるものを用いて第２のカバー層３の熱抵抗を大きくしてもよい。

入手しやすく、利用が容易な熱抵抗が異なる材料の組合せとしてはそれほど種類が多くはないが、上記のように第１のカバー層２と第２のカバー層３で材質および厚みを変えることにより、第１のカバー層２と第２のカバー層３の熱抵抗の差をさらに最適に制御することができ、より効果的にヒートスポットを緩和することができる。

また、有機フィルムとして主にプラスチックフィルムに類するものを用いたが、これに限定されるものではなく、他の有機フィルム、例えばシリコンゴムよりなるフィルムや、ウレタンゴムよりなるフィルム、あるいはフッ素ゴムよりなるフィルムなどの熱抵抗の大きなフィルムを第２のカバー層３として用いてもよい。

本発明にかかる放熱部品は、黒鉛を主成分とするグラファイトシートの一方の主面を覆う第１のカバー層と、他方の主面を覆う第２のカバー層とを有し、第１のカバー層よりも第２のカバー層の熱抵抗が大きいことを特徴とする放熱部品であり、発熱源に対応したヒートスポットを緩和することができるため、発熱源となる各種電子部品を実装した電子機器の放熱部品等に有用である。

本発明の実施の形態１における放熱部品の断面図本発明の実施の形態１における携帯電話機の操作部の断面図

符号の説明

１グラファイトシート
２第１のカバー層
３第２のカバー層
４放熱部品
１１操作部
１２操作ボタン
１３基板
１４パワーアンプ
１５ＬＳＩ
１６ケース
１７バッテリー

Claims

黒鉛を主成分とするグラファイトシートと、前記グラファイトシートの一方の主面を覆う第１のカバー層と、前記グラファイトシートの他方の主面を覆う第２のカバー層とを有し、前記第１のカバー層は有機フィルムで構成し、前記第２のカバー層は粘着材層で構成し、前記第１のカバー層よりも前記第２のカバー層の熱抵抗が大きいことを特徴とする放熱部品。
黒鉛を主成分とするグラファイトシートと、前記グラファイトシートの一方の主面を覆う第１のカバー層と、前記グラファイトシートの他方の主面を覆う第２のカバー層とを有し、前記第２のカバー層の厚みが前記第１のカバー層の厚みよりも厚くなるようにし、前記第１のカバー層よりも前記第２のカバー層の熱抵抗が大きいことを特徴とする放熱部品。