JP6698046B2 - 熱伝導シート - Google Patents

Description

本発明は、熱部材の間隔が変化し、又は間隔が変動しても伝熱特性が大きく変わらない熱伝導シートに関する。

電子、電気部品の中には、使用中あるいは製造中に温度が大きく変化するものがあり、様々な厚み調整が行われている。特許文献１には、静電チャック層と温度調整用ベース層との間に絶縁性有機フィルムを配置して厚み調整することが提案されている。特許文献２には、半導体レーザーモジュールに放熱板を一体化して放熱させ、半導体レーザーモジュールと回路基板との厚みを調整することが提案されている。特許文献３には、金属板の表面に突起を形成して凹凸面とし、凹部に接着樹脂を充填することが提案されている。

特開２０１１−１５９６８４号公報 特開２００６−２６９５７２号公報 特開２００５−０９３８４２号公報

しかし、前記従来技術は、熱部材の間隔が変化し、又は間隔が変動したときに伝熱特性が大きく変化してしまう問題があり、さらなる改良が求められていた。

本発明は前記従来の問題を解決するため、熱部材の間隔が変化し、又は間隔が変動しても伝熱特性が大きく変わらない熱伝導シートを提供する。

本発明の熱伝導シートは、熱部材間に配置する熱伝導シートであって、前記熱伝導シートは、熱拡散シートと、前記熱拡散シートを前記熱部材に面接触させて固定するための粘着材層を含み、前記熱拡散シートの粘着材層と反対の面には補強樹脂層が配置されており、前記熱部材間の間隔が変動しても、前記熱部材間の熱拡散シートの長さは一定であることを特徴とする。

本発明の熱伝導シートは、熱部材間に配置され、熱拡散シートと、前記熱拡散シートを前記熱部材に面接触させて固定するための粘着材層を含み、前記熱部材間の間隔が変動しても、前記熱部材間の熱拡散シートの長さは一定であることにより、熱部材の間隔が変化し、又は間隔が変動しても伝熱特性が大きく変わらない。

図１は本発明の一実施態様における熱伝導シートの模式的断面図である。 図２は本発明の別の実施態様における熱伝導シートの模式的断面図である。 図３は本発明のさらに別の一実施態様における熱伝導シートの模式的断面図である。 図４Ａ-Ｄは本発明のさらに別の一実施態様における熱伝導シートの模式的断面図である。 図５ＡーＤは本発明のさらに別の一実施態様における熱伝導シートの模式的断面図である。 図６は本発明の一実施態様における熱伝導シートの熱抵抗を測定する模式的断面説明図である。 図７は移動熱量を説明するための模式的斜視図である。

本発明者は、熱部材の間隔が変化し、又は間隔が変動しても伝熱特性が大きく変わらない熱伝導シートを検討した。一般的にフーリエの法則から、厚み（Ｌ）が大きくなれば必然的に移動する熱量（Ｑ）は小さくなる。これを図７で説明する。図７において、断面積Ａ(m²)、の物体１１の正面側が高温側（温度Th(K)）であり、裏面が低温側(温度TC(K))であり、正面と裏面の距離Ｌ(m)としたとき、下記の式（数１）が成り立つ。

ここで、距離Lが大きくなった時に熱量Qを不変にするには、熱伝導率λ、面積Aを大きくする必要がある。しかし、実装後に面積Aを大きくすることは困難であることから、熱伝導率λを大きくすればよい。例えば、金属線などの磁性繊維状物を磁場で斜めに配向させ、高さ変化させる際、樹脂が膨張するのと併せて繊維も縦方向に膨張し、熱伝導に異方性を持たせことが考えられる。しかし、この方法では以下の問題がある。
（１）磁性繊維状物を斜めに配向させるには、技術的、量産的に難しい。
（２）実装後にシートが劣化（硬化）し、弾性が失われた場合、伸びが期待出来ない。
（３）配向具合が特性に大きく影響するため、品質保証としても難しい。

本発明は、以上の検討の中から着想され完成したものであり、熱部材間に配置され、熱拡散シートと、前記熱拡散シートを前記熱部材に面接触させて固定するための粘着材層を含み、前記熱部材間の間隔が変動しても、前記熱部材間の熱拡散シートの長さが一定となる熱伝導シートである。この熱伝導シートは、熱部材の間隔が変化し、又は間隔が変動しても熱部材間の熱拡散シートの長さは一定である。これにより、伝熱特性が大きく変わらない。熱部材間を圧縮したり、熱部材の振動が激しくても、この関係は変わらない。したがって、熱部材間を圧縮したり、熱部材の振動が激しい装置に好適に組み込むことができる。熱拡散シートの両主面に粘着材層を配置するのは、加熱部材と一体化するためである。

熱拡散シートの形状は、接触面間にある熱拡散シートの距離が変わらない形状であれば、いかなる形状でもよく、好ましくは断面から見て円弧又は屈曲を有する形状である。より好ましくは、長円形状又はＵ字状である。また、直線部分に粘着材層が一体化されているのが好ましい。直線部分に粘着材層が一体化されていると、熱伝導面積を広く取れ、熱部材間に固定できる。前記熱拡散シートの肉厚は、０．０５〜１ｍｍが好ましい。また、粘着材層の厚さは０．０１〜５ｍｍが好ましい。直径は本発明品の実装される装置の形状、サイズに合わせて任意に選択できる。

熱拡散シートは１本でもよいし、複数本配置してもよい。複数本並列に配置すると各熱拡散シートがつぶれる際には干渉しあい、強度は高くなる。

熱拡散シートは、グラファイトシート、金属箔及び熱伝導性シリコーンゴムシートから選ばれる少なくとも一つをシートとしたものが好ましい。前記金属箔は、例えばアルミニウム、銅及び金から選ばれる少なくとも一つである。これらは熱伝導率が高いからである。

熱拡散シートは、内層に補強樹脂層が配置されていてもよい。補強樹脂層は例えばポリイミド層であり、厚さは６〜１００μｍが好ましい。内層に補強樹脂層が配置されていると、熱拡散シートの補強になり、圧力をかけて長円状にしたときも潰れにくくなる。

前記粘着材層は、熱伝導性粘着材層であるのが好ましい。粘着材層は熱伝導性フィラーを含んでいてもよい。熱伝導性粘着材層には好ましくは熱伝導性フィラーを含ませる。これにより、全体として熱伝導性を上げることができる。

以下、図面を用いて説明する。図面中、同一符号は同一物を示す。図１は本発明の一実施態様における熱伝導シートの模式的断面図である。この熱伝導シート１は長円状の熱拡散シート２の両主面に粘着材層３ａ，３ｂが一体されている。粘着材層３ａ，３ｂは、両面テープに用いられるものであれば何でもよく、シリコーンゴム、シリコーンゲル、アクリル系粘着材層等を使用できる。この熱拡散部材は、熱部材の間隔が変化し又は間隔が変動しても、熱部材間の熱拡散シートの長さは一定である。

図２は本発明の別の実施態様における熱伝導シートの模式的断面図である。この熱伝導シート４は長円状の熱拡散シート２ａ−２ｃのそれぞれの両主面に粘着材層３ａ−３ｆが一体されている。この熱拡散部材も熱部材の間隔が変化し又は間隔が変動しても、熱部材間の熱拡散シートの長さは一定である。

図３は本発明のさらに別の一実施態様における熱伝導シート５の模式的断面図であり、熱拡散シート２の内層に補強樹脂層６が一体化されている。この熱拡散部材も熱部材の間隔が変化し又は間隔が変動しても、熱部材間の熱拡散シートの長さは一定である。

図４Ａ-Ｄは本発明のさらに別の一実施態様における熱伝導シートの模式的断面図である。図４Ａの熱伝導シートは熱拡散シート１１が外側に屈曲した例である。図４Ｂの熱伝導シートは熱拡散シート１２が内側に屈曲した例である。図４Ｃの熱伝導シートは熱拡散シート１３がジクザグ状に屈曲した形状の例である。図４Ｄの熱伝導シートは熱拡散シート１４がＺ字状に屈曲した形状の例である。
これらの熱拡散シートは粘着材層３ａ，３ｂにより熱部材である金属ブロック８，９に粘着一体化されて実装される。これらの熱拡散部材は、熱部材の間隔が変化し又は間隔が変動しても、熱部材間の熱拡散シートの長さは一定である。

図５Ａ-Ｄは本発明のさらに別の一実施態様における熱伝導シートの模式的断面図である。図５Ａ-Ｃの熱拡散シート１５〜１７は、図４Ａ-Ｃに示す熱拡散シートの左側屈曲部がないものである。図５Ｄは熱拡散シート１８がＵ字形のシートの例である。これらの熱拡散シートも粘着材層３ａ，３ｂにより熱部材である金属ブロック８，９に粘着一体化されて実装される。これらの熱拡散部材は、熱部材の間隔が変化し又は間隔が変動しても、熱部材間の熱拡散シートの長さは一定である。

以下実施例を用いて説明する。本発明は実施例に限定されるものではない。

＜熱抵抗の測定方法＞
ＡＳＴＭ Ｄ５４７０に従い、図６に示す方法により熱伝導シートの熱抵抗を測定した。図６において、金属ブロック８，９の間をスペーサーにより所定の距離Ｌを保持した。金属ブロック８，９の間には、シート状にした熱伝導シート１を配置した。金属ブロック８から金属ブロック９への定常状態における熱抵抗を測定した。すなわち、Coolingユニットは温度を10℃に設定されており、上部ヒーター部の温度が外気温度に対して±0.3℃になるよう電力をかけて測定した。熱抵抗値は下記式(数2)で算出する。
（数2） 熱抵抗値(Kcm²/W)=温度差ΔT(K)×製品面積(cm²)/通過する熱量(W)
得られた熱抵抗値（Ｋ・ｃｍ²／Ｗ）のＫはケルビンである。金属ブロック８，９内には温度検出端挿入孔１０ａ，１０ｂに熱電対を入れて各金属ブロック８，９の温度を測定した。７はこの熱抵抗測定装置である。

（実施例１）
グラファイトシート、パナソニック社製、商品名”ＰＧＳ ＥＹＧ０７ １８１０：厚さ１００μｍ”を縦２５ｍｍ，横５０ｍｍ（幅）にカットし、長円状のシートにし、両主面に熱伝導性シリコーンゲル（富士高分子工業社製、商品名"30X-m"、 縦１５ｍｍ，横１５ｍｍ（幅）、厚さ０．３ｍｍ）を貼り付けた。このようにして図１に示す熱伝導シート１を作成した。この熱伝導シート１を図６に示す熱抵抗測定装置に入れ、室温（２５℃）で定常状態における熱抵抗値を測定した。得られた熱抵抗値の結果は表１にまとめて示す。

表１から明らかなとおり、実施例１のシート状グラファイトシートは、ギャップ距離Ｌが２．０〜３．０ｍｍまで変わっても、熱抵抗値の変化はなかった。このことから、実施例１のシート状グラファイトシートは、熱部材の間隔が変化し又は間隔が変動しても、熱部材間の熱拡散シートの長さは一定であり、伝熱特性が大きく変わらないことが確認できた。

（実施例２）
グラファイトシートのサイズを縦２５ｍｍ，横（幅）４０ｍｍとした以外は実施例１と同様に実験した。距離Ｌ：２．０ｍｍのとき熱抵抗値は６．９Ｋ・ｃｍ²／Ｗ、距離Ｌ：２．５ｍｍのとき熱抵抗値も６．９Ｋ・ｃｍ²／Ｗであり、熱部材の間隔が変化し又は間隔が変動しても、熱部材間の熱拡散シートの長さは一定であり、伝熱特性が大きく変わらないことが確認できた。なお、実施例１のシート状グラファイトシートに比べて熱抵抗値が低いのは、横（幅）のサイズが狭くなっているため、たわみ部分の距離（長さ）が短くなっており、熱拡散距離も短いためである。

（実施例３）
アルミニウム箔（厚さ５０μｍ）を縦２５ｍｍ，横５０ｍｍ（幅）とした以外は実施例１と同様に実験した。距離Ｌ：２．５ｍｍのとき熱抵抗値は８．３Ｋ・ｃｍ²／Ｗ、距離Ｌ：３．０ｍｍのとき熱抵抗値も８．３Ｋ・ｃｍ²／Ｗであり、熱部材の間隔が変化し又は間隔が変動しても、熱部材間の熱拡散シートの長さは一定であり、伝熱特性が大きく変わらないことが確認できた。

（実施例４）
長円状シートの両主面の熱伝導性シリコーンゲルの代わりに両面テープ（リンテック社製、商品名”ＳＩ３０８ＮＣ”）、厚さ０．０３ｍｍ、縦１５ｍｍ，横１５ｍｍ（幅）貼り付けた以外は実施例１と同様に実験した。距離Ｌ：２．０ｍｍのとき熱抵抗値は５．７Ｋ・ｃｍ²／Ｗ、距離Ｌ：２．５ｍｍのとき熱抵抗値も５．７Ｋ・ｃｍ²／Ｗであり、熱部材の間隔が変化し又は間隔が変動しても、熱部材間の熱拡散シートの長さは一定であり、伝熱特性が大きく変わらないことが確認できた。なお、粘着層の熱伝導率、厚さ、粘着強度による接触熱抵抗が製品の熱抵抗に影響することがわかった。

（実施例５）
実施例１のグラファイトシートを使用し、図３の長円に変えて、図５Ｄに示すＵ字形のシートを作成し、両主面（直線部分）には両面テープ（リンテック社製、商品名”ＳＩ３０８ＮＣ”）、厚さ０．０３ｍｍ、縦１５ｍｍ，横１５ｍｍ（幅）貼り付けた以外は実施例１と同様に実験した。距離Ｌ：２．５ｍｍのとき熱抵抗値は１５．７Ｋ・ｃｍ²／Ｗ、距離Ｌ：３．０ｍｍのとき熱抵抗値は１５．８Ｋ・ｃｍ²／Ｗであり、熱部材の間隔が変化し又は間隔が変動しても、熱部材間の熱拡散シートの長さは一定であり、伝熱特性が大きく変わらないことが確認できた。

１，４，５ 熱伝導シート
２，２ａ−２ｃ，１１−１８ 熱拡散シート
３ａ−３ｆ 粘着材層
６ 補強樹脂層
７ 熱抵抗測定装置
８，９ 熱部材（金属ブロック）
１０ａ，１０ｂ 温度検出端挿入孔

Claims (7)

1. 熱部材間に配置する熱伝導シートであって、
   前記熱伝導シートは、熱拡散シートと、前記熱拡散シートを前記熱部材に面接触させて固定するための粘着材層を含み、
   前記熱拡散シートの粘着材層と反対の面には補強樹脂層が配置されており、
   前記熱部材間の間隔が変動しても、前記熱部材間の熱拡散シートの長さは一定であることを特徴とする熱伝導シート。
2. 前記熱拡散シートの熱部材間の形状は、円弧又は屈曲を有する形状である請求項１に記載の熱伝導シート。
3. 前記熱拡散シートは長円形状又はＵ字状であり、直線部分に粘着材層が一体化されている請求項１又は２に記載の熱伝導シート。
4. 前記熱拡散シートは１個以上配置されている請求項１〜３のいずれかに記載の熱伝導シート。
5. 前記熱拡散シートは、グラファイトシート、金属箔及び熱伝導性シリコーンゴムシートから選ばれる少なくとも一つをシートとしたものである請求項１〜４のいずれかに記載の熱伝導シート。
6. 前記金属箔は、アルミニウム、銅及び金から選ばれる少なくとも一つである請求項５に記載の熱伝導シート。
7. 前記粘着材層は、熱伝導性粘着材層である請求項１〜６のいずれかに記載の熱伝導シート。

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