JP5254870B2 - 熱伝導性シート及びその製造方法 - Google Patents
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Description
この構成によれば、ガラス状カーボンビーズは、表面が平滑で、ビーズ同士の付着が少ないため、熱伝導性シートの成形材料の粘度を低く抑えることができる。また、ガラス状カーボンビーズは高い導電性及び熱伝導性を有しているため、熱伝導性シートの導電性及び熱伝導性がより一層向上する。
この構成によれば、熱伝導性シートの成形材料中において、炭素繊維を容易に配向させることができる。また、球状カーボンを介して複数の炭素繊維が互いに接続されることにより、所望の熱伝導性及び導電性を得ることもできる。
この構成によれば、炭素繊維の端面が高分子マトリックスにより覆われていないため、ICチップ等の発熱部品やヒートシンク等の冷却部品に対し直接的に炭素繊維を接触させることができる。よって、熱伝導性シートの熱伝導性及び導電性がより一層向上する。
この構成によれば、炭素繊維の端面が平坦であるため、熱伝導性シートの表面に生じる凹凸を小さく抑えることができる。これにより、発熱部品や冷却部品に対する炭素繊維の接触面積を増大させることができる。よって、熱伝導性シートの熱伝導性及び導電性が更に向上する。
この構成によれば、発熱部品と冷却部品とに対しそれらの間に熱伝導性シートを固定することにより、発熱部品から冷却部品へと熱を効率良く逃がすことができる。
請求項8に記載の発明は、請求項1〜7のうちいずれか一項に記載の発明において、熱伝導性シートの比重は2.0以下であることを要旨とする。
請求項9に記載の発明は、高分子マトリックス、炭素繊維、及び球状カーボンを含み、高分子マトリックス内で炭素繊維がシートの厚み方向に沿って配向され、球状カーボンが炭素繊維間に位置しており、シートの厚み方向における体積抵抗率が1×104Ω・cm未満である熱伝導性シートの製造方法において、高分子マトリックスに炭素繊維と球状カーボンとを配合して混合することにより、成形材料を調整する調整工程と、成形材料に磁場又は電場を印加して炭素繊維を一方向に配向させる配向工程と、成形材料を固化して成形体を形成する成形工程とを備えることを要旨とする。
請求項11に記載の発明は、請求項10記載の発明において、炭素繊維の端面を平坦に潰すため、熱伝導性シートの表面から露出した炭素繊維の端面を研磨する研磨工程を備えることを要旨とする。
図1に示すように、熱伝導性シート10は、高分子マトリックス11、炭素繊維12、及び球状カーボン13を含む。炭素繊維12は、高分子マトリックス11内でシートの厚み方向に沿って配向されている。球状カーボン13は、シートの厚み方向に沿って配向された炭素繊維12間に位置している。また、シートの厚み方向における体積抵抗率は1×104Ωcm未満である。本発明の熱伝導性シート10は、柔軟性に富み、シートの厚み方向に高い熱伝導性を有し、ESD対策やグラウンド接続に要求されるレベルの導電性を有している。
熱伝導性シート10は、成形材料を調整する調整工程と、炭素繊維12を一方向に配向させる配向工程と、成形材料を固化して成形体を形成する成形工程と、熱伝導性シート10の表面から炭素繊維12の端面を露出させる露出工程と、熱伝導性シート10の表面から露出した炭素繊維12の端面を研磨する研磨工程とを経て製造される。
(1)熱伝導性シート10は、高分子マトリックス11、炭素繊維12、及び球状カーボン13を含む。炭素繊維12は、高分子マトリックス11内でシートの厚み方向に沿って配向されている。球状カーボン13は、熱伝導性シート10の厚み方向に沿って配向された炭素繊維12間に配置されている。
(2)球状カーボン13として、ガラス状カーボンビーズ(アモルファスカーボン)を用いることが好ましい。この構成によれば、ガラス状カーボンビーズは、表面が平滑で、ビーズ同士の付着が少ないため、熱伝導性シート10の成形材料の粘度を低く抑えることができる。また、ガラス状カーボンビーズは高い導電性及び熱伝導性を有しているため、熱伝導性シート10の導電性及び熱伝導性がより一層向上する。
(3)炭素繊維12の平均繊維長は5μm〜10000μmである。この構成によれば、熱伝導性シート10の成形材料中において、炭素繊維12を容易に配向させることができる。また、球状カーボン13を介して複数の炭素繊維12が互いに接続されることにより、所望の熱伝導性及び導電性を得ることもできる。
(4)炭素繊維12の端面は、熱伝導性シート10の表面から表出していることが好ましい。この構成によれば、炭素繊維12の端面が高分子マトリックス11により覆われていないため、ICチップ等の発熱部品やヒートシンク等の部品に対し直接的に炭素繊維12を接触させることができる。よって、熱伝導性シート10の熱伝導性及び導電性がより一層向上する。
(5)炭素繊維12の端面は平坦に潰されていることがより好ましい。この構成によれば、炭素繊維12の端面が平坦であるため、熱伝導性シート10の表面に生じる凹凸を小さく抑えることができる。これにより、発熱部品や冷却部品に対する炭素繊維12の接触面積を増大させることができる。よって、熱伝導性シート10の熱伝導性及び導電性が更に向上する。
(6)熱伝導性シート10の厚み方向における熱抵抗値は0.5℃/W以下である。この構成によれば、発熱部品と冷却部品とに対しそれらの間に熱伝導性シート10を固定することにより、発熱部品から冷却部品へと熱を効率良く逃がすことができる。
(7)厚みが0.5mmである熱伝導性シート10は、UL94規格においてV−0の難燃性を有している。この構成によれば、熱伝導性シート10を、ICチップ等の発熱部品を搭載した電子機器等に適用することができる。
(8)熱伝導性シート10の比重は2.0以下である。この構成によれば、熱伝導性シート10の重量が小さく抑えられるため、電子機器の軽量化に寄与することができる。
(9)熱伝導性シート10は、成形材料を調整する調整工程と、炭素繊維12をシートの厚み方向に配向させる配向工程と、成形材料を固化して成形体を形成する成形工程と、熱伝導性シート10の表面から炭素繊維12の端面を露出させる露出工程と、熱伝導性シート10の表面から露出した炭素繊維12の端面を研磨する研磨工程とを経て製造される。この構成によれば、シートの厚み方向における熱伝導性が高く、ESD対策やグラウンド接続に要求されるレベルの導電性を有し、かつ柔軟性に富む熱伝導性シート10を製造することができる。
(実施例1)
実施例1では、以下の工程に従って、熱伝導性シートを作製した。具体的には、まず、高分子マトリックスとして付加型の液状シリコーンゴム(比重1.0、硬化前の25℃での粘度400mPa・s)100重量部に対して、硬化触媒0.3重量部、炭素繊維(日本グラファイトファイバー株式会社「XN−100−03Z」粉砕品 平均繊維長100μm、比重2.225)60重量部、炭素繊維(日本グラファイトファイバー株式会社「XN−100−03Z」粉砕品 平均繊維長200μm、比重2.225)60重量部、球状カーボン(群栄化学工業株式会社「マリリンGC−010」平均粒径6μm、比重1.4)100重量部をそれぞれ配合した。そして、振動攪拌装置を用いて混合することにより、成形材料を調整した。次に、炭素繊維を一方向に配向させるため、成形材料を型に流し込み、型内の成形材料に振動を与えながら、10テスラの磁場を印加した。次に、成形材料を硬化した後、型から成形体を取り出した。続いて、成形体をスライスして、厚さ0.5mmのシート材を得た。そして、シート材の表面を研磨紙で研磨し、炭素繊維の端面を平坦に潰すことにより、図3に示す熱伝導性シートを得た。図4は、実施例1の熱伝導性シートの断面を400倍に拡大した電子顕微鏡写真であり、図5は、同熱伝導性シートの断面を200倍に拡大した電子顕微鏡写真である。図4及び図5から、球状カーボンが炭素繊維間に配置されていることを確認できた。
(実施例2〜6)
実施例2〜6では、高分子マトリックスとして付加型の液状シリコーンゴム(比重1.0、硬化前の25℃での粘度400mPa・s)100重量部に対して、硬化触媒0.3重量部、炭素繊維(日本グラファイトファイバー株式会社「XN−100−03Z」粉砕品 平均繊維長100μm、比重2.225)A重量部、炭素繊維(日本グラファイトファイバー株式会社「XN−100−03Z」粉砕品 平均繊維長200μm、比重2.225)B重量部、球状カーボン(群栄化学工業株式会社「マリリンGC−010」平均粒径6μm、比重1.4)C重量部を配合した。表1に、A,B,Cの値をそれぞれ示す。実施例2〜6の熱伝導性シートは、材料の配合量を除き、実施例1の熱伝導性シートと同じである。
(比較例1)
比較例1では、高分子マトリックスとして付加型の液状シリコーンゴム(比重1.0、硬化前の25℃での粘度400mPa・s)100重量部に対して、炭素繊維(日本グラファイトファイバー株式会社「XN−100−03Z」粉砕品 平均繊維長100μm、比重2.225)120重量部、球状アルミナ(株式会社マイクロン「AH3−2」平均粒径3.5μm、比重3.95)475重量部を配合した。比較例1の熱伝導性シートは、材料の種類及び配合量を除き、実施例1の熱伝導性シートと同じである。
(実施例1−2〜実施例6−2)
実施例1−2〜6−2では、シートの表面を研磨しないことを除き、実施例1〜6と同じ材料、同じ配合量で熱伝導性シートを作製した。なお、実施例1−2〜6−2は、実施例1〜6にそれぞれ対応している。
(比較例2)
比較例2では、高分子マトリックスとして付加型の液状シリコーンゴム(比重1.0、硬化前の25℃での粘度400mPa・s)100重量部に対して、硬化触媒0.3重量部、炭素繊維(日本グラファイトファイバー株式会社「XN−100−03Z」粉砕品 平均繊維長200μm、比重2.225)120重量部、球状アルミニウム(東洋アルミニウム株式会社「07−0010」平均粒径11μm、比重2.7)80重量部を配合した。比較例2の熱伝導性シートは、材料の種類及び配合量を除き、実施例1の熱伝導性シートと同じである。
<硬度>
各実施例及び比較例において、熱伝導性シートの硬度を、JIS K6253に準拠し、タイプEデュロメータを用いて測定した。
<熱抵抗値>
各実施例及び比較例において、熱伝導性シートから、縦10mm、横10mm、厚さ0.5mmの試験片を得た。その後、試験片を、発熱量が25Wである熱源及びヒートシンクで挟持するように配置した。そして、試験片に対しその厚さ方向に40Nの荷重(圧力0.4MPa)を加えた状態で、試験片の熱抵抗値を測定した。試験片を10分間放置した後、試験片の熱源側の温度T1とヒートシンク側の温度T2とをそれぞれ測定し、下記式(1)により、熱伝導性シートの熱抵抗値を算出した。
熱抵抗値(℃/W)=(T1(℃)−T2(℃))/発熱量(W) …(1)
<難燃性>
厚さ0.5mmの各熱伝導性シートについて、米国の安全規格であるUL規格のうち、プラスチック材料の燃焼性について規定するUL94規格に従って燃焼試験を行った。
<電気抵抗値及び体積抵抗率>
厚さ0.5mmの熱伝導性シートを、直径20mmの電極間に荷重5N(圧力3.9kPa)で挟持するように配置した。熱伝導性シートを5分間放置した後、日置電機株式会社製「3540ミリオームハイテスタ」を用いて、熱伝導性シートの電気抵抗値を測定した。
Claims (11)
- 高分子マトリックスと炭素繊維とを含み、前記高分子マトリックス内で前記炭素繊維がシートの厚み方向に沿って配向されている熱伝導性シートにおいて、
前記熱伝導性シートは、更に、球状カーボンを含み、前記球状カーボンは、前記炭素繊維間に位置しており、シートの厚み方向における体積抵抗率は1×104Ω・cm未満であることを特徴とする熱伝導性シート。 - 請求項1記載の熱伝導性シートにおいて、
前記球状カーボンはガラス状カーボンビーズであることを特徴とする熱伝導性シート。 - 請求項1又は2に記載の熱伝導性シートにおいて、
前記炭素繊維の平均繊維長は5μm〜10000μmであることを特徴とする熱伝導性シート。 - 請求項1〜3のいずれか一項に記載の熱伝導性シートにおいて、
前記炭素繊維の端面は、前記熱伝導性シートの表面から表出していることを特徴とする熱伝導性シート。 - 請求項4記載の熱伝導性シートにおいて、
前記炭素繊維の端面は、平坦に潰されていることを特徴とする熱伝導性シート。 - 請求項1〜5のいずれか一項に記載の熱伝導性シートにおいて、
前記シートの厚み方向における熱抵抗値は0.5℃/W以下であることを特徴とする熱伝導性シート。 - 請求項1〜6のうちいずれか一項に記載の熱伝導性シートにおいて、
厚みが0.5mmである熱伝導性シートは、UL94規格においてV−0の難燃性を有していることを特徴とする熱伝導性シート。 - 請求項1〜7のうちいずれか一項に記載の熱伝導性シートにおいて、
前記熱伝導性シートの比重は2.0以下であることを特徴とする熱伝導性シート。 - 高分子マトリックス、炭素繊維、及び球状カーボンを含み、前記高分子マトリックス内で前記炭素繊維がシートの厚み方向に沿って配向され、前記球状カーボンが前記炭素繊維間に位置しており、前記シートの厚み方向における体積抵抗率が1×104Ω・cm未満である熱伝導性シートの製造方法において、
前記高分子マトリックスに炭素繊維と球状カーボンとを配合して混合することにより、成形材料を調整する調整工程と、
前記成形材料に磁場又は電場を印加して前記炭素繊維を一方向に配向させる配向工程と、
前記成形材料を固化して成形体を形成する成形工程と
を備えることを特徴とする熱伝導性シートの製造方法。 - 請求項9記載の熱伝導性シートの製造方法は、更に、
前記炭素繊維と交差する方向に沿って前記成形体をスライスすることにより、前記熱伝導性シートの表面から炭素繊維の端面を露出させる露出工程を備えることを特徴とする熱伝導性シートの製造方法。 - 請求項10記載の熱伝導性シートの製造方法は、更に、
前記炭素繊維の端面を平坦に潰すため、前記熱伝導性シートの表面から露出した前記炭素繊維の端面を研磨する研磨工程を備えることを特徴とする熱伝導性シートの製造方法。
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