JP5096010B2 - 熱拡散シート及び熱拡散シートの位置決め方法 - Google Patents

Description

本発明は、電子部品等の発熱体から発生する熱を拡散する熱拡散シートに関する。

近年、コンピュータの高性能化に伴い、例えば、中央処理装置（ＣＰＵ）や集積回路（ＩＣ）等の電子部品の消費電力及び発熱量が増大している。電子部品の処理能力は熱により低下するため、電子部品の熱による温度上昇を防ぐ必要がある。そこで、電子部品と筐体との間に、例えば、グラファイトシートなどの熱拡散シートを介装させることが知られている。グラファイトシートは、異方性の熱伝導性を有しており、表面と平行な方向、即ち面方向の熱伝導率が厚さ方向よりも非常に高い。このため、電子部品と筐体との間にグラファイトシートを介装することにより、電子部品から発生する熱を拡散させながら放熱することができ、温度上昇による電子部品の性能の低下を回避することができる。

例えば、特許文献１には、集熱手段としてのコレクタ、コレクタから導出されたフレキシブル熱伝導装置、及び熱移動手段としてのヒートパイプを備えた放熱装置が開示されている。この放熱装置の場合、フレキシブル熱伝導装置は、グラファイトシートにプラスチックシートを積層して形成されている。特許文献２には、グラファイトフィルムとプラスチックフィルとを交互に積層させた積層体からなるパッキン素材が開示されている。特許文献３には、グラファイトシートの両面にエポキシ樹脂をコーティングする方法が開示されている。
特開平１１−０８７９５９ 特開２０００−０８１１４３ 特開２００２−０１２４８５

ところで、電子機器などの製造工程において、上記の熱拡散シートは、手作業や機械によって、ＣＰＵやＩＣ等の電子部品に貼り付けられている。これらの電子部品は非常に小さいため、熱拡散シートを所定の位置に正確に貼り付けることは非常に困難である。また、熱拡散シートの貼り付け位置によっては、電子部品から発生する熱を効率良く放熱することができず、温度上昇による電子部品の性能の低下を招く虞がある。これらの理由から、電子部品等の発熱体に対する位置決めを容易に、かつ正確に行うことのできる熱拡散シートが強く求められている。

本発明の目的は、電子部品等の発熱体に対する位置決めを容易に、かつ確実に行うことのできる熱拡散シートを提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、発熱体から発生する熱を拡散するグラファイトシートと、前記グラファイトシート上に設けられた高分子フィルムとを備える熱拡散シートにおいて、前記グラファイトシートの上面及び下面に、上側粘着層と下側粘着層とがそれぞれ設けられ、前記発熱体に対する位置決めを行うための位置決め部を備え、前記位置決め部は、前記高分子フィルム、前記上側粘着層、及び前記下側粘着層を上下に貫通する孔又は切欠であり、当該位置決め部は、前記グラファイトシートから離間して配置されてなることを要旨とする。

同構成によれば、発熱体の近傍に配置される構造体が位置決め部に係合されることにより、発熱体に対する熱拡散シートの位置決めを容易に、かつ確実に行うことができる。また、位置決め部においてグラファイトシートが露出されないため、位置決め部においてグラファイトシートから剥離したグラファイト粉末が飛散することを防止できる。
請求項２に記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記上側粘着層により、前記高分子フィルムが前記グラファイトシートに粘着され、前記下側粘着層により、前記熱拡散シートが前記発熱体に粘着されることを要旨とする。

同構成によれば、グラファイトシートの両面が粘着層によって覆われているため、グラファイトシートから剥離したグラファイト粉末が飛散することを防止できる。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、前記発熱体とともに基板上に配置された突起状の構造体に対して前記位置決め部を係合して用いられることを要旨とする。このように熱拡散シートを用いることができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の発明において、グラファイトシート上には、更に、熱伝導性ゴムが設けられ、高分子フィルムには、熱伝導性ゴムを配置するための孔が設けられていることを要旨とする。

同構成によれば、熱伝導性ゴムは、高分子フィルムの孔を介してグラファイトシート上に直接配置される。このため、発熱体からグラファイトシートに拡散した熱を、熱伝導性ゴムを介して外部に逃がすことができる。これにより、発熱体から発生する熱を拡散させながら効率良く放熱できるため、発熱体からの熱による温度上昇を抑制することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の発明において、発熱体の近傍に配置される構造体に位置決め部が係合されることにより、発熱体に対する熱拡散シートの位置決めが行われることを要旨とする。

同構成によれば、発熱体の近傍に配置される構造体に位置決め部が係合されることにより、発熱体に対する熱拡散シートの位置決めを容易に、かつ確実に行うことができる。

本発明によれば、電子部品等の発熱体に対する位置決めを容易に、かつ確実に行うことができる。

本発明の熱拡散シートを具体化した一実施形態を図１〜図７を参照して説明する。
図１及び図２に示すように、熱拡散シート１０は、グラファイトシート１１と、グラファイトシート１１上に設けられた高分子フィルム１２及び熱伝導性ゴム１３とを備えている。熱拡散シート１０は、発熱体としての電子部品に貼り付けられることにより、同電子部品から発生する熱による温度上昇を抑制するために用いられる。

グラファイトシート１１において、図１に示す左隅の角部には、直角をなす切欠１１ａが設けられている。また、グラファイトシート１１において、切欠１１ａと反対側の角部付近には、正方形の孔１１ｂが設けられている。

グラファイトシート１１の両面及び外縁、並びに、切欠１１ａ及び孔１１ｂの内縁は、粘着剤により被覆されている。粘着剤は、グラファイトシート１１の各面において、薄く、ほぼ均一な厚さで塗布されている。このため、グラファイトシート１１において、高分子フィルム１２が配置される上面には、上側粘着層としての第１の粘着層１４が設けられ、高分子フィルム１２と反対側の面には、下側粘着層としての第２の粘着層１５が設けられている。熱拡散シート１０は、第２の粘着層１５により剥離シート１６に貼り付けられている。粘着剤としては、薄く、かつ均一な厚さで塗布できるとの観点から、例えば、アクリル系粘着剤、ウレタン系粘着剤、シリコーン系粘着剤、エポキシ系粘着剤、天然ゴム系粘着剤等が用いられる。

高分子フィルム１２は、グラファイトシート１１の表面全体を覆う平面形状を有している。ここで、高分子フィルム１２は、グラファイトシート１１の外形よりも少し大きめの長方形に形成されている。高分子フィルム１２は、脆性を有するグラファイトシート１１の強度を十分に補うと共に、グラファイトシート１１の放熱性を損なうことのない厚さを有している。具体的には、高分子フィルム１２の厚さは、１８〜５０μｍの範囲に設定されることが好ましい。高分子フィルム１２の厚さが５０μｍを超える場合、高分子フィルム１２の表面から放熱されにくくなり、グラファイトシート１１と高分子フィルム１２との間には、電子部品からの熱が蓄積されてしまう。一方、高分子フィルム１２の厚さが１８μｍ未満の場合、熱拡散シート１０の強度を十分に確保することができない。十分な強度を有し、かつ比較的入手し易いとの観点から、高分子フィルム１２の材料として、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリイミド（ＰＩ）等を使用することが好ましい。

高分子フィルム１２の中央には、正方形状の熱伝導性ゴム１３を配置するための孔２３が設けられている。孔２３は、熱伝導性ゴム１３とほぼ同じ形状を有している。また、孔２３は、熱伝導性ゴム１３よりも少し大きめに形成されている。熱伝導性ゴム１３は、この孔２３に配置されることにより、グラファイトシート１１上に直接配置される。つまり、熱伝導性ゴム１３は、高分子フィルム１２を介さず、グラファイトシート１１の表面と接するように配置されている。本実施形態において、熱伝導性ゴム１３は、第１の粘着層１４によりグラファイトシート１１に接着及び固定されている。なお、電子部品１からグラファイトシート１１に拡散した熱を放熱し易くするとの観点から、熱伝導性ゴム１３は、第１の粘着層１４を介さずに、グラファイトシート１１の表面に直接、接着及び固定されていることが好ましい。

熱伝導性ゴム１３は、ベース材料としてのゴムに熱伝導性フィラーを含ませたものである。熱伝導性ゴム１３には、電子部品に近接する筐体との密着性を高めるとの観点から、軟質性が求められる。この観点から、ベース材料として、ゴム以外にも、例えば、ゲルやグリース等の有機高分子材料を使用することもできる。しかしながら、形状安定性や取り扱い性等の観点から、ゴム等の弾性体を使用することが好ましい。また、熱伝導性フィラーとして、高い熱伝導率を有するとの観点から、例えば、金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、金属水酸化物のいずれかの粉体を用いることが好ましく、具体的には、例えば、酸化アルミニウム、窒化ホウ素、炭化ケイ素、水酸化アルミニウム、酸化マグネシウムなどが挙げられる。熱伝導性ゴム１３の表面には、表面の保護や乾燥などを防止するため、剥離シート１７が貼り付けられている。剥離シート１７は、上記の剥離シート１６と同じシート材からなる。熱拡散シート１０は、剥離シート１６，１７を剥がしてから、電子部品の表面に貼り付けられて使用される。

熱拡散シート１０は、電子部品に対する位置決めを容易にするため、孔からなる２つの位置決め部２１，２２を備えている。第１の位置決め部２１は、熱拡散シート１０の左隅の角部に設けられている。第１の位置決め部２１は、切欠１１ａの内側において、グラファイトシート１１から間隔を置いて配置されている。つまり、第１の位置決め部２１は、上面から見て、グラファイトシート１１とは重ならない位置に配置されている。即ち、第１の位置決め部２１は、高分子フィルム１２と第１及び第２の粘着層１４，１５とを貫通する孔からなる。

一方、第２の位置決め部２２は、熱拡散シート１０において、第１の位置決め部２１と反対側の角部付近に設けられている。第２の位置決め部２２は、グラファイトシート１１の孔１１ｂよりも小さく形成され、孔１１ｂと同じ位置に配置されている。つまり、第１の位置決め部２１と同様に、第２の位置決め部２２も、上面から見て、グラファイトシート１１とは重ならない位置に配置されている。即ち、第２の位置決め部２２も、高分子フィルム１２と第１及び第２の粘着層１４，１５とを貫通する孔からなる。

図３及び図４に示すように、第１及び第２の位置決め部２１，２２の形状、大きさ及び位置等は、電子部品１の近傍に配置される突起状の構造体４，５が係合するように設計されている。両位置決め部２１，２２に係合される構造体４，５として、熱を発生しないものを用いることが好ましく、具体的には、ねじの頭部等が挙げられる。

上記の熱拡散シート１０は、電子部品１が実装される基板３と筐体やヒートシンク等の部品２との間に介装されて使用される。つまり、熱拡散シート１０は、グラファイトシート１１を電子部品１の上面に密着させ、熱伝導性ゴム１３を上記部品２の裏面に密着させつつ、厚み方向に圧縮された状態で使用される。この状態で、電子部品１から発生する熱は、まず、グラファイトシート１１の全体に拡散する。そして、その熱は、グラファイトシート１１から熱伝導性ゴム１３を通じて部品２に伝達され、部品２の周囲に逃げていく。このようにして、電子部品１から発生する熱は、グラファイトシート１１に拡散しながら放熱され続ける。その結果、電子部品１から発生する熱による温度上昇が抑制される。

次に、上記の熱拡散シート１０の使用方法について図３及び図４を参照して説明する。
図３に示すように、まず、熱拡散シート１０から剥離シート１６、１７（図１及び図２参照）を剥がす。次に、熱拡散シート１０を、電子部品１が実装された基板３上に配置する。そして、図４に示すように、第１の位置決め部２１に基板３上の構造体４を係合させ、第２の位置決め部２２に同基板３上の構造体５を係合させると共に、熱拡散シート１０を電子部品１の表面に押しつける。すると、熱拡散シート１０は、第２の粘着層１５によって電子部品１の表面に接着及び固定される。このようにして、熱拡散シート１０は、電子部品１が最も効率良く放熱される位置に貼り付けられる。従って、電子部品１の近傍に配置される構造体４，５が両位置決め部２１，２２に係合されることにより、電子部品１に対する熱拡散シート１０の位置決めが容易に、かつ確実に行われる。

本実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）熱拡散シート１０は、電子部品１に対する位置決めを容易にするため、孔からなる２つの位置決め部２１，２２を備えている。この場合、電子部品１の近傍に配置される構造体４，５が両位置決め部２１，２２に係合されることにより、電子部品１に対する熱拡散シート１０の位置決めを容易に、かつ確実に行うことができる。従って、電子機器などの製造工程において、電子部品１が最も効率良く放熱される位置に、熱拡散シート１０を容易に、かつ確実に貼り付けることができる。

（２）第１及び第２の位置決め部２１，２２はいずれも、上面から見て、グラファイトシート１１とは重ならない位置に配置されている。つまり、第１及び第２の位置決め部２１，２２はいずれも、高分子フィルム１２と第１及び第２の粘着層１４，１５とを貫通する孔からなる。この場合、両位置決め部２１，２２においてグラファイトシート１１が露出されないため、グラファイトシート１１から剥離したグラファイト粉末が飛散することを防止できる。従って、グラファイト粉末の脱落に起因して、基板３上の導体配線が短絡する等の不具合を防止できる。

（３）グラファイトシート１１の両面及び外縁、並びに、切欠１１ａ及び孔１１ｂの内縁は、粘着剤により被覆されている。この場合、グラファイトシート１１の両面がいずれも第１及び第２の粘着層１４，１５によって覆われているため、グラファイトシート１１から剥離したグラファイト粉末が飛散することをより一層確実に防止できる。

（４）高分子フィルム１２の中央には、熱伝導性ゴム１３を配置するための孔２３が設けられている。熱伝導性ゴム１３は、この孔２３を介して、グラファイトシート１１上に直接配置される。つまり、熱伝導性ゴム１３は、高分子フィルム１２を介さず、グラファイトシート１１の表面と接するように配置される。この場合、電子部品１からグラファイトシート１１に拡散した熱を、熱伝導性ゴム１３を介して、筐体等の部品２の周囲に逃がすことができる。これにより、電子部品１から発生する熱を拡散させながら効率良く放熱することができ、同電子部品１から発生する熱による温度上昇を抑制できる。

次に、熱伝導性ゴムの効果を確認するために行った試験について具体的に説明する。
試験例では、グラファイトシート、ＰＥＴフィルム及び熱伝導性ゴムを用いて熱拡散シートの試験サンプルを作製した。具体的には、グラファイトシートの両面にアクリル系の粘着剤を塗布しグラファイトシートの片面に高分子フィルムを貼り付けたものを所定の形状に打ち抜き、得られた成形体に熱伝導性ゴムを貼り付けて、試験サンプルを作製した。試験例では、熱伝導性ゴムを配置するための孔をＰＥＴフィルムの中央に形成し、その孔を介して、熱伝導性ゴムをグラファイトシートに直接貼り付けた。得られた試験サンプルを筐体とセラミックヒータとの間に介装し、同試験サンプルをその厚さが０．５ｍｍになるまで圧縮した。この場合、試験サンプルは、熱伝導性ゴムをセラミックヒータに密着させて、筐体とセラミックヒータとの間に配置した。

比較例では、ＰＥＴフィルムに熱伝導性ゴムを配置するための孔を形成しなかった。従って、熱伝導性ゴムをグラファイトシートに接触させず、高分子フィルムに直接貼り付けた。この点以外は、試験例と同じ製法を用いて試験サンプルを作製した。試験例及び比較例の各試験サンプルを作製するため、８０μｍの厚さのグラファイトシート、２０μｍの厚さのＰＥＴフィルム、４５０μｍの厚さの熱伝導性ゴム（１０ｍｍ角）を使用した。なお、試験例及び比較例の各試験サンプルでは、グラファイトシートと熱伝導性ゴムとが重なり合う部分の面積を一致させた。
（評価試験）
試験例及び比較例の各試験サンプルにおいて、セラミックヒータの表面と、セラミックヒータ直上のグラファイトシートと、グラファイトシートの外縁とにそれぞれ熱電対を固定した。そして、５Ｖの電圧を印加してセラミックヒータを発熱させ、セラミックヒータ及びグラファイトシートにおける温度変化を測定することにより、熱特性に関する評価試験を実施した。図７のグラフ中、２つの線Ａは、セラミックヒータ表面の温度変化を示し、２つの線Ｂは、セラミックヒータ直上のグラファイトシートの温度変化を示し、２つの線Ｃは、グラファイトシートの外縁における温度変化を示す。また、２つの線Ａ，Ｂ，Ｃのうち、実線は、試験例の試験サンプルの温度変化を示し、点線は、比較例の試験サンプルの温度変化を示す。また、上記の評価試験から、試験例及び比較例の各試験サンプルの熱抵抗と熱伝導率とをそれぞれ求めた。熱抵抗は、熱の伝わりにくさを表す係数である。熱伝導率は、熱の伝わりやすさを表す係数である。その結果を表１に示す。

図７のグラフの結果から、試験例の場合、比較例と比べて、セラミックヒータ表面の温度上昇が抑えられていることが確認された。これは、熱伝導性ゴムがグラファイトシートに直接貼り付けられているため、熱伝導性ゴムからグラファイトシートに熱が流れやすく、セラミックヒータから熱が効率良く放熱されていることを意味している。一方、比較例の場合、熱伝導性ゴムとグラファイトシートとの間には高分子フィルムが存在しているため、熱伝導性ゴムからグラファイトシートに熱が流れにくく、セラミックヒータから熱が効率良く放熱されていない。表１の結果からも、試験例の試験サンプルは、比較例の試験サンプルよりも熱抵抗が低く、熱伝導率が高いという結果が得られた。なお、セラミックヒータ直上のグラファイトシート、並びに、グラファイトシートの外縁においては、試験例と比較例とで温度変化の差違は見られなかった。

なお、本実施形態は、次のように変更して具体化することも可能である。
・本実施形態において、第１及び第２の位置決め部２１，２２に基板３上の構造体４，５が係合されることにより、電子部品１に対する熱拡散シート１０の位置決めが行われていたが、図５に示すように、筐体等の部品２に設けられた構造体６，７を第１及び第２の位置決め部２１，２２に係合させることにより、熱拡散シート１０の位置決めを行うようにしてもよい。

・本実施形態において、第１及び第２の位置決め部は孔であったが、切欠であってもよい。
・本実施形態において、熱拡散シート１０は、グラファイトシート１１上に高分子フィルム１２及び熱伝導性ゴム１３を備えていたが、図６に示すように、熱拡散シートに備えられた熱伝導性ゴム１３を必要に応じて省略してもよい。また、位置決め部２１の数は一つであってもよく、３つ以上であってもよい。

・本実施形態において、グラファイトシート１１に形成された切欠１１ａや孔１１ｂの形状を、例えば、円、楕円又は半円などの形状に変更してもよい。

本実施形態に係る熱拡散シートの上面図。 図１の２−２線に沿った断面図。 熱拡散シートを電子部品に貼り付ける前の状態を示す断面図。 熱拡散シートを電子部品に貼り付けた後の状態を示す断面図。 別例の熱拡散シートの配置構造を示す断面図。 別例の熱拡散シートを示す断面図。 評価試験の結果を示すグラフ。

符号の説明

１…電子部品（発熱体）、３…基板、４，５…構造体、１０…熱拡散シート、１１…グラファイトシート、１２…高分子フィルム、１１ａ…切欠、１１ｂ…孔、１４…第１の粘着層（上側粘着層）、１５…第２の粘着層（下側粘着層）、１６，１７…剥離シート、１３…熱伝導性ゴム、２１…第１の位置決め部、２２…第２の位置決め部、２３…孔。

Claims (5)

1. 発熱体から発生する熱を拡散するグラファイトシートと、前記グラファイトシート上に設けられた高分子フィルムとを備える熱拡散シートにおいて、
   前記グラファイトシートの上面及び下面に、上側粘着層と下側粘着層とがそれぞれ設けられ、
   前記発熱体に対する位置決めを行うための位置決め部を備え、
   前記位置決め部は、前記高分子フィルム、前記上側粘着層、及び前記下側粘着層を上下に貫通する孔又は切欠であり、当該位置決め部は、前記グラファイトシートから離間して配置されてなることを特徴とする熱拡散シート。
2. 請求項１記載の熱拡散シートにおいて、
   前記上側粘着層により、前記高分子フィルムが前記グラファイトシートに粘着され、前記下側粘着層により、前記熱拡散シートが前記発熱体に粘着されることを特徴とする熱拡散シート。
3. 請求項１又は２記載の熱拡散シートにおいて、
   前記発熱体とともに基板上に配置された突起状の構造体に対して前記位置決め部を係合して用いられることを特徴とする熱拡散シート。
4. 請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の熱拡散シートにおいて、
   前記グラファイトシート上には、更に、熱伝導性ゴムが設けられ、前記高分子フィルムには、前記熱伝導性ゴムを配置するための孔が設けられていることを特徴とする熱拡散シート。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の熱拡散シートの発熱体に対する位置決め方法において、
   前記発熱体の近傍に配置される構造体が前記位置決め部に係合されることにより、前記発熱体に対する前記熱拡散シートの位置決めが行われることを特徴とする位置決め方法。

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