JP2007012912A - 熱伝導性部材および該熱伝導性部材を用いた冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱源からの熱による局所的な発熱を防止するとともに、そのような熱を効率良く放散させる。
【解決手段】 本発明の熱伝導性部材は、開口を有する熱拡散シートと、前記開口を貫通して設けられた熱伝導性弾性体とを備える。熱伝導性弾性体は前記開口と係合する係合部と、係合部に連結され、熱拡散シートの表面から突出する突出部とを有する。熱伝導性弾性体の突出部の横断面は、拡散シートの開口より大きい面積を有することが好ましい。熱拡散シートは、グラファイトシートおよびグラファイトシートの表面にアルミニウム箔が積層された複合シートのいずれかであることが好ましい。開口を有する熱拡散シートと、前記開口を貫通して設けられた熱伝導性弾性体と、熱伝導性弾性体に密着される冷却部材とからなる冷却構造も提供される。
【選択図】 図３

Description

本発明はグラファイトシートを備えた熱伝導性部材、および該熱伝導性部材を用いた冷却構造に関する。

最近では、例えば、ノートブック型パソコンや携帯電話やデジタルスチールカメラなどの電子機器の軽量化、薄型化、および小型化が益々進行すると同時に、それらの電子機器において、高機能化や情報記録容量の増大、並びに情報処理能力の高速化も進んでいる。それに伴い、電子機器内のＩＣ、ＣＰＵ等の精密電子部品から発生する熱の問題が深刻化している。

そのような熱によって引き起こされる第１の問題としては、熱源となり得る精密電子部品の温度が上昇することによる故障や誤動作、あるいは電子機器内部の温度上昇による熱源以外の部品への悪影響が挙げられる。従来、このような問題に対しては、一例として、図１に示すような対策がとられている。

図１を参照すると、電子機器内において、基板１ｂの上面に熱源となる電子部品２ａ〜２ｄが搭載されており、基板１ａの下面に電子部品２ｅが搭載されている。この例においては、例えば、電子部品２ｄからの熱を装置内に放散させるため、電子部品２ｄ上にヒートシンク５が設けられている。さらに、電子部品２ｃと電子機器の筐体６との間、および電子部品２ｄに対向する基板１ａの上面と筐体６との間には、それぞれ熱伝導性部材４が設けられている。この熱伝導性部材４は、熱源である電子部品２ｃ，２ｅと、冷却部材として作用する筐体６とを接続して、電子部品２ｃ，２ｅからの熱、並びに電子機器内部の熱を、筐体６を介して電子機器外部へ放散する。このような、熱伝導性部材としては、熱源の凹凸や積み上げ寸法公差、熱による各部品の膨張を吸収することを目的として、柔軟な熱伝導性シートを用いる場合が多い。この方法によると、ある程度の放熱効果は得られるが、例えば図１中の電子部品２ａ，２ｂのようにヒートシンクを設置したり、熱伝導性部材４によって筐体と接続したりすることが難しい部位には対処できない。また、電子部品２ｅのように、基板１ｂを介して、熱伝導性部材４によって筐体６と接続される場合には、その放熱効果はかなり低いものとなる。従って、このような発熱に対して対処が不可能であるか、あるいは不十分な対処しかできない部位の熱が上昇し、熱源となっている電子部品の寿命や演算等処理能力の低下を引き起こすことになる。さらに、このように、個々の熱源に放熱シートまたはヒートシンクを設けるには多くの工数を必要とし、生産性にも大きく支障を及ぼす。

熱によって引き起こされる第２の問題としては、ノートブック型パソコンや携帯電話やデジタルスチールカメラなど、使用者に触れる機会が多い電子機器において、それら電子機器から発生する熱が使用者に不快感を与える可能性があることが挙げられる。第２の問題に対する代表的な対策例を示す断面図を図２に示す。この例においては、電子機器内において、基板１ｂの上面に搭載された電子部品２ａ〜２ｄおよび基板１ａの下面に搭載された電子部品２ｅに対向するように熱拡散シート７が設けられている。この構成によれば、熱源である電子部品２ａ〜２ｅからの熱が熱拡散シート７に伝わることにより、シート７の表面に沿って熱の拡散が進み、局部的な温度の上昇を防止することができる。この目的のためには、熱拡散シート７としては、マグネシウム、アルミニウム、銅などの比較的熱伝導率が高い金属製シートを用いることも可能であるが、シートの表面に平行な方向において高い熱伝導率を有するグラファイトシートが特に好ましい。そのようなグラファイトシートとして、例えば、特許文献１には、グラファイトシートの表面に薄い絶縁膜層を
設けた熱伝導性シートが開示されている。しかしながら、グラファイトシートは、一般に高分子材料から形成される放熱シートに比べて柔軟性が低いため、熱源表面との接触抵抗を十分下げることができない。熱源である電子部品との接触抵抗を下げる為に、過剰な荷重を電子部品に与えると、電子部品の故障につながることもある。また、柔軟性の低いグラファイトシートは、熱源となる電子部品の高さのばらつきを補償することができない。例えば、電子部品２ｃのように、他の電子部品と比べて低い高さを有する電子部品に対しては、図２に示すように、グラファイトシートと電子部品との間に隙間が生じてしまい、電子部品から発生する熱がグラファイトシートに効率よく伝わらないこともある。そのような問題に対処するものとして、特許文献２には、取り付け対象部品に対する密着性を向上するために、シート状のグラファイト層の片面または両面に接着層を介してシリコーンエラストマー層を設けた熱伝導性シートが開示されている。

しかしながら、このようなグラファイトシートを熱拡散シートとして用いた場合、図２に示すように、電子部品２ａ〜２ｄから発生した熱は、熱拡散シート内部および熱拡散シートを介した装置の内部空間へ拡散される。そのため、電子機器内部の熱が飽和状態に達した場合には熱の逃げ場がなくなり、電子機器を長時間使用した場合には機器全体の温度が上昇し、電子機器の故障や誤動作や動作速度低下などの不具合に繋がることがある。また、グラファイトシートの厚さ方向における熱伝導性は、その表面に沿う方向における熱伝導性に比べて低いものとなる。

特許文献２のシートのように、グラファイトシートの表面に上記のようなエラストマー層が設けられている場合、そのエラストマー層からグラファイトシートへの熱の伝導方向は、グラファイトシートの厚さ方向に一致する。そのため、エラストマー層からグラファイトシートへの熱の伝導は効率的ではなく、熱源からの熱をエラストマー層を介してグラファイトシートに十分に吸収することができないことが問題となっている。

また、強制冷却方式として冷却ファンやペルチエ素子を用いることもあるが、電子機器の大型化や消費電力の増加や機器自体のコストアップに繋がることになる。
特開２００１−２８７２９９号公報 特開２００４−２４３６５０号公報

したがって、電子機器において、電子部品などの熱源からの熱による局所的な発熱を防止するとともに、そのような熱を筐体などの冷却部材に効果的に伝導することによって、熱を電子機器外部に効率良く放散させることができる熱伝導性部材、およびそのような熱伝導性部材を用いた冷却構造が必要とされている。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、開口を有する熱拡散シートと、前記開口を貫通して設けられた熱伝導性弾性体とを備える熱伝導性部材であって、前記熱伝導性弾性体は前記開口と係合する係合部と、前記係合部に連結され、前記熱拡散シートの表面から突出する突出部とを有することを要旨とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の熱伝導性部材において、前記熱伝導性弾性体の突出部の横断面は、前記拡散シートの開口より大きい面積を有することを要旨とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の熱伝導性部材において、前記熱拡散シートが、グラファイトシートおよびグラファイトシートの表面にアルミニウム箔が積
層された複合シートのいずれかであることを要旨とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の熱伝導性部材において、前記熱伝導性弾性体が電気絶縁性であることを要旨とする。
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の熱伝導性部材において、前記熱伝導性弾性体は、炭素繊維、炭素ナノチューブ、金属窒化物、金属酸化物、金属炭化物、金属水酸化物より選ばれる少なくとも１種の熱伝導性充填材を含有することを要旨とする。

請求項６に記載の発明は、前記熱伝導性弾性体中において、前記熱伝導性充填材が一定方向に配向されていることにより、前記熱拡散シートの表面に直交する方向における熱伝導性弾性体の熱伝導率が、前記熱拡散シートの表面に平行な方向における熱伝導性弾性体の熱伝導率よりも大きくなるように設定されていることを特徴とする請求項５記載のことを要旨とする。

請求項７に記載の発明は、開口を有する熱拡散シートと、前記開口を貫通して設けられ、前記開口と係合する係合部と、前記係合部に連結され、前記熱拡散シートの表面から突出する突出部とを有する熱伝導性弾性体と、前記熱伝導性弾性体の突出部の上面に密着される冷却部材とからなることを要旨とする。

請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の冷却構造において、前記冷却部材は、当該冷却構造が搭載される装置の筐体であることを要旨とする。

本発明の熱伝導性部材によれば、電子部品などの熱源からの熱による局所的な発熱を防止するとともに、そのような熱を筐体などの冷却部材に効果的に伝導することができる。また、本発明の冷却構造によれば、電子部品などの熱源からの熱による局所的な発熱を防止するとともに、そのような熱を電子機器外部に効率良く放散させることができる。

以下、本発明の一実施形態に関して図３、図４、および図８を参照しながら以下に説明する。
図３に示す熱伝導性部材１００は、開口２０を有する熱拡散シート１０と、前記開口２０を貫通して設けられた熱伝導性弾性体３０とを備える。

熱伝導性弾性体３０は、図８に示すように、電子部品２ｃなどの熱源と、装置の筐体などの冷却部材４０との双方に密着するように配置され、熱源からの熱を熱拡散シート１０に伝えるとともに、そのような熱を前記冷却部材４０にも伝導する。また、熱伝導性弾性体３０を熱源および冷却部材と密着させる際には、熱伝導性弾性体３０に荷重をかけて弾性変形させてもよい。それにより、熱伝導性弾性体３０と熱源および冷却部材との密着を保証することができる。

熱拡散シート１０は、熱伝導性弾性体３０から伝えられた熱を、熱拡散シート１０内において、その表面と平行な方向に拡散させる機能を有する。そのため、熱拡散シート１０は、その表面に平行な方向における熱伝導率が、該シートの厚み方向における熱伝導率より高いことが好ましい。

図４に示すように、本実施形態の熱伝導性弾性体３０は、熱拡散シート１０の開口２０と係合する係合部３０ｃと、該係合部３０ｃに連結され、熱拡散シート１０の上面１０ａおよび下面１０ｂからそれぞれ突出する一対の突出部３０ａ，３０ｂとを有する。熱伝導
性弾性体３０の突出部３０ａ，３０ｂは、開口２０から外方へ向かって、熱拡散シート１０の上面１０ａおよび下面１０ｂの上にそれぞれ延出している。従って、突出部３０ａ，３０ｂの横断面は開口２０より大きな面積を有する。熱拡散シート１０の開口２０および該開口２０に対応する熱伝導性弾性体３０の係合部３０ｃは、熱源の形状や表面積、並びに熱拡散シート１０の強度を考慮して、様々な大きさおよび形状に形成することができる。

図３の実施形態においては、開口２０および係合部３０ｃの断面形状は矩形である。しかしながら、開口２０および係合部３０ｃの断面形状は任意の形状であってよく、図５に示すように円形であってもよい。また、開口２０のおよび係合部３０ｃの数は特に制限されるものではなく、図６に示すように熱拡散シート１０が複数の開口２０を有していてもよい。その場合、熱伝導性弾性体３０は開口２０の個数に対応する個数の係合部３０ｃを有する。熱伝導性弾性体３０の突出部３０ａ，３０ｂは、熱源およびヒートシンクや筐体などの熱を外部に放散させる冷却部材との接触面積を考慮して設計されることが望ましく、特に熱源や冷却部材との接触面積よりも大きな面積を有することが好ましい。

本実施形態の熱伝導性部材１００は、電子機器内において、熱伝導性弾性体３０の突出部３０ｂが電子部品などの熱源と密着し、突出部３０ａが電子機器の筐体などの冷却部材と密着するように配置される。

図３の熱伝導性部材１００において、熱伝導性弾性体３０を熱拡散シート１０の開口２０を貫通して設けることにより、熱伝導性弾性体３０が熱拡散シート１０の開口２０の内周面と接触するように構成されている。そのため、熱源から熱伝導性弾性体３０に伝えられた熱は、開口２０の内周面を介して熱拡散シート１０に伝導され、さらに熱拡散シート１０内に迅速に拡散される。これにより、熱源に対向する位置において、局部的に高い温度を有する部分、いわゆるヒートスポットの発生を防止することができる。

図３の熱伝導性弾性体３０から熱拡散シート１０への熱の伝導は、上述のように、開口２０の内周面を介して行なわれるため、前記熱の伝導方向は熱拡散シート１０の表面に平行な方向と一致する。従って、熱拡散シート１０として、その厚み方向におけるよりも、その表面に平行な方向において高い熱伝導率を有する熱拡散シートを用いた場合には、熱伝導性弾性体３０から熱拡散シート１０への熱の伝導をより効率的に行なうことができる。

また、熱伝導性弾性体３０は熱拡散シート１０を貫通して設けられている。これにより、熱伝導性弾性体３０は、例えば突出部３０ｂに接する熱源からの熱を効率良く吸収して、上述のように熱拡散シート１０に伝えるとともに、熱を、さらに突出部３０ａを介して冷却部材に効果的に伝導することができる。

このように、本実施形態の熱伝導性部材１００によれば、熱源からの熱を効果的に拡散すると同時に、それらの熱を冷却部材に効果的に伝導することができる。この場合、熱源からの熱の一部は、上述のように熱拡散シート１０内に迅速に拡散するため、冷却部材として電子機器の筐体が使用されている場合においても、熱源から熱伝導性弾性体３０を介して筐体に伝導される熱によってヒートスポットが生じ難い。

熱伝導性弾性体３０を熱源および冷却部材と密着させる際に、熱伝導性弾性体３０に荷重をかけることによって熱伝導性弾性体３０を弾性変形させることができる。これにより、熱伝導性弾性体３０と熱伝導性弾性体３０を熱源および冷却部材との密着性を保証することができる。

図３〜図７に示すように、熱伝導性弾性体３０が、熱拡散シート１０の両面のそれぞれにおいて、開口２０の面積より大きい断面積を有する突出部３０ａ，３０ｂを有する場合には、熱伝導性弾性体３０が熱拡散シート１０から脱落することを防止することができる。

図７に示すように、熱伝導性弾性体３０の突出部３０ｂを省略してもよい。この場合、開口２０内に位置する熱伝導性弾性体３０の下面が熱源と接するように配置される。この構成によれば、上記実施形態の効果に加え、電子機器内においてより狭い実装空間内に配置することができる。

図８は、図３および図４に示す熱伝導性部材１００を用いた冷却構造２００が、電子部品２ａ〜２ｄを備える基板１ａ，１ｂ上に配置されている様子を示す。冷却構造２００は、図３に示す熱伝導性部材１００と、冷却部材４０とから構成される。より詳細には、冷却構造２００は、開口２０を有する熱拡散シート１０と、前記開口２０を貫通して設けられた熱伝導性弾性体３０と、熱伝導性弾性体３０に接する冷却部材４０とを備える。冷却部材４０は、熱伝導性弾性体３０の突出部３０ａの上面に接するように設けられている。冷却部材４０は、熱伝導性弾性体３０から伝わる熱を外部に放散させる機能を有する部材であり、図８の冷却構造２００においては、冷却構造２００が搭載される電子機器の筐体である。しかしながら、冷却部材４０は、ヒートシンクなどの従来の冷却装置であってもよい。本実施形態においては、冷却構造２００は、熱伝導性弾性体３０の突出部３０ｂの下面が、特に発熱量が大きい半導体素子などの電子部品２ｃの上面に密着し、熱拡散シート１０が、その他の電子部品２ａ，２ｂ，２ｄ，２ｅに接するように、基板１ａ，１ｂに対向して配置されている。電子部品２ｃから発生した熱は、熱伝導性弾性体３０を介して熱拡散シート１０内に拡散されるとともに、熱伝導性弾性体３０から冷却部材４０に伝えられ、さらに冷却部材４０から外部に放散される。また、電子部品２ａ，２ｂ，２ｄ，２ｅから発生する熱は、直接、熱拡散シート１０に伝わり、該熱拡散シート１０内に拡散されるだけでなく、熱拡散シート１０から熱伝導性弾性体３０を介して冷却部材４０に伝導され、冷却部材４０から外部へ放散されることも可能である。

上記実施形態の冷却構造２００は、熱伝導性部材１００による効果に加え、以下の効果を有する。
上記の冷却構造２００においては、熱伝導性弾性体３０が熱拡散シート１０を貫通して設けられており、熱伝導性弾性体３０には冷却部材４０が密着して設けられている。このような構造によって、熱伝導性弾性体３０が突出部３０ｂに接する熱源からの熱を効率良く吸収して、上述のように熱拡散シート１０に伝えて拡散させるとともに、熱を突出部３０ａを介して冷却部材に効果的に伝導し、さらに冷却部材から外部に効率よく放散させることができる。

以下、本発明の熱伝導性部材の各構成要素について詳述する。
＜熱拡散シート＞
熱拡散シート１０は、熱拡散シート１０内において、その表面と平行な方向に熱を拡散し、さらにその熱を該シートの辺縁および表面から外部に放散させる機能を有する。そのような熱拡散機能を確保するために、熱拡散シート１０は、その表面に平行な方向において、１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する必要があり、より好ましくは、１５０〜９００Ｗ／ｍ・Ｋの熱伝導率を有する。また、熱拡散シート１０は、その表面に平行な方向における熱伝導率が、該シートの厚み方向における熱伝導率より高いことが好ましい。

一般に、銅やアルミニウムなどの金属単体からなる金属シートは比較的高い熱伝導率（銅：４００Ｗ／ｍ・Ｋ程度、アルミニウム：１８０〜２００Ｗ／ｍ・Ｋ）を有するが、その熱伝導性は等方的である。そのような金属シートを熱拡散シートとして用いた場合、そ
のような熱拡散シートは、例えば、図８の電子部品２ａ，２ｂ，２ｄなどの熱源に対向する部分において、その熱を表面に平行な方向に拡散させるだけでなく、厚み方向にも効率よく伝えてしまう。その結果、前記熱源に対向する部分の温度が局所的に上昇してしまい、ヒートスポットを生じてしまうことがある。

これに対し、グラファイトシートは、一般に、厚み方向と比較して、表面に平行な方向に極めて高い熱伝導率（１００〜８００Ｗ／ｍ・Ｋ）有する。そのため、グラファイトシートは、厚み方向よりも表面に平行な方向に熱を迅速に伝えて拡散させることができる。従って、本発明の熱伝導性部材に用いる熱拡散シート１０としては、グラファイトシートが特に好ましい。

また、熱拡散シート１０として、表面に平行な方向に高い熱伝導性を有するグラファイトシートと、等方的に優れた熱伝導性を有するアルミニウム箔とを積層した複合シートを用いることも有効である。その場合、アルミニウム箔は、グラファイトシートの片面のみに積層されてもよいし、両面に積層されてもよい。また、アルミニウム箔は、グラファイトシートの表面の一部に積層されてもよいし、全面に積層されてもよい。そのような複合シートを熱拡散シート１０として用いた場合には、熱拡散シート１０の表面に設けられたアルミニウム箔が、熱伝導性弾性体３０からの熱を、熱拡散シート１０の内部に設けられたグラファイトシートへ効率良く伝導する。また、アルミニウム箔はグラファイトシート内に拡散された熱をその表面から外部に放散させることもできる。また、グラファイトシートにアルミニウム箔を積層することによって、グラファイト単体のシートと比べて、シートの機械的強度および形状保持性が改善される。

上述したようにグラファイトシートはその厚み方向におけるよりも、その表面に平行な方向において極めて高い熱伝導率を有する。一方、熱伝導性弾性体３０から熱拡散シート１０への熱伝導は、開口２０の内周面を介して行なわれるため、前記熱伝導の方向は、熱拡散シート１０の表面に平行な方向と一致する。そのため、上記のようなグラファイトシートまたはグラファイトシートとアルミニウム箔との複合シートを熱拡散シート１０として用いた場合、熱伝導性弾性体３０から熱拡散シート１０への熱伝導は、熱拡散シート１０の表面を介する場合に比べて、極めて効率がよいものとなる。

熱拡散シート１０の厚さは、特に限定するものではないが、電子機器の限られた実装空間内に搭載されることを考慮すると、１０〜５５０μｍの範囲にあることが好ましい。熱拡散シート１０厚さが５μｍよりも小さいと、脆くて破壊しやすく、熱容量も小さいので好ましくない。熱拡散シート１０の厚さが５５０μｍよりも大きくなると、該シートの剛性が大きなるため作業性に劣り、さらに経済的にも好ましくない。

＜熱伝導性弾性体＞
熱伝導性弾性体３０は、高分子基材中に熱伝導性充填材が配合された組成物から形成される。

熱伝導性弾性体３０の熱伝導性は等方的であってもよいし、異方性を有していてもよい。熱伝導性弾性体３０の熱伝導性が異方性を有する場合には、熱拡散シート１０の表面にほぼ直交する方向（例えば、図３のＺ軸方向）における熱伝導率が、同表面に平行な方向（例えば、図３のＸ方向またはＹ方向）の熱伝導率よりも大きくなるように設定されていることが好ましい。それにより、熱伝導性弾性体３０は、突出部３０ｂに接する熱源からの熱をより効率良く吸収して、迅速に熱拡散シート１０に伝えるとともに、熱を、さらに突出部３０ａを介して、突出部３０ａに接する冷却部材により効率良く伝導することができる。

熱伝導性弾性体の硬度（ＪＩＳ Ｋ６２５３に準拠してタイプＡデュロメータで測定した値）が、５０以下であると、熱源および冷却部材の接触面に対して追従性が良好となるため好ましい。

熱伝導性弾性体３０は、電気絶縁性を有していてもよい。これは、冷却部材が良電気伝導体であるなど、熱源部と電気的不具合が発生する可能性がある場合には、特に有効である。

＜熱伝導性弾性体中の熱伝導性充填材＞
熱伝導性弾性体３０に含有される熱伝導性充填材は、炭素繊維、炭素ナノチューブ、金属窒化物、金属酸化物、金属炭化物、金属水酸化物より選ばれる少なくとも１種であることが好ましい。

また、上記熱伝導性充填材は、その熱伝導性に関して等方性を有してもよいし、異方性を有してもよい。上記熱伝導性充填材が熱伝導性に関して異方性を有する場合、そのような熱伝導性充填材を、熱伝導性弾性体中において一定方向に配向させることによって、得られる熱伝導性弾性体の特定方向における熱伝導性を高めることができる。例えば、炭素繊維は、繊維の直径方向よりも軸線方向において高い熱伝導率を有する。そのような炭素繊維を、熱伝導性弾性体中においてその軸線方向が図３のＺ軸方向と平行になるように配向させることによって、熱拡散シート１０の表面にほぼ直交する方向における熱伝導性弾性体３０の熱伝導率が、同表面に平行な方向の熱伝導率よりも大きくなるように容易に設定することができる。

熱伝導性弾性体中において、熱伝導性充填材を配向させる方法としては、流動場又はせん断場を利用する方法、磁場を利用する方法、電場を利用する方法等が挙げられる。その中でも、熱伝導性充填材が炭素繊維、炭素ナノチューブ、金属窒化物、金属酸化物、金属炭化物、金属水酸化物より選ばれる少なくとも１種から選ばれる場合には、それらの熱伝導性充填材に固有な磁気異方性を利用し、前記熱伝導性高分子組成物に外部から磁場を印加して熱伝導性充填材を磁力線と平行或いは垂直に配向させる方法が、効率的で、かつ配向方向を任意に制御できることから好ましい。

炭素繊維の繊維直径は、好ましくは５〜２０μｍ、より好ましくは５〜１５μｍ、特に好ましくは８〜１２μｍである。繊維直径が５μｍよりも小さいか、または２０μｍよりも大きいと、炭素繊維の生産性が低下するため好ましくない。炭素繊維の平均長さは、好ましくは５〜５００μｍ、より好ましくは１５〜１００μｍ、特に好ましくは１５〜４５μｍである。平均長さが５μｍよりも小さいと、炭素繊維同士の接触が少なくなって熱の伝導経路が不十分になるために、熱伝導性弾性体３０の熱伝導性が低下する。逆に、平均長さが５００μｍよりも大きいと、炭素繊維が嵩高くなるために高分子基材中に高濃度で充填させることが困難となる。尚、炭素繊維の平均長さの値は、レーザー回折方式による粒度分布から算出することができる。

炭素繊維は、電解酸化などによる酸化処理によって、あるいはカップリング剤やサイジング剤で処理することによって、表面が改質されていてもよい。そのような表面改質によって、高分子基材に対する濡れ性や充填性を向上させたり、高分子基材との界面の剥離強度を改良したりすることができる。また、無電解メッキ法、電解メッキ法、真空蒸着、スパッタリング、イオンプレーティングなどの物理的蒸着法、化学的蒸着法、塗装、浸漬、微細粒子を機械的に固着させるメカノケミカル法などの方法によって、金属やセラミックスにより表面を被覆した炭素繊維を用いることもできる。

また、金属窒化物としては、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等があり、金
属酸化物としては、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化亜鉛、酸化マグネシウム等があり、金属炭化物としては、炭化ケイ素、金属水酸化物としては、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム等が挙げられる。熱伝導性充填材としてこれらの金属窒化物、金属酸化物、金属炭化物、金属水酸化物を用いることにより、熱伝導性弾性体を電気絶縁性とすることができる。

熱伝導性弾性体中における熱伝導性充填材の充填量は、少なくとも３０ｖｏｌ％以上、特に３０ｖｏｌ％から５５ｖｏｌ％であることが好ましい。そのような範囲の熱伝導性充填材を充填することによって、熱伝導性弾性体の柔軟性を損なうことなく、熱伝導性弾性体の熱伝導性を向上することが可能である。

＜熱伝導性弾性体中の高分子基材＞
熱伝導性弾性体３０中の高分子基材は、特に制限されるものではなく、得られる熱伝導性弾性体に要求される、耐熱性、耐薬品性、生産性、電気絶縁性および屈曲性などの特性に応じて適宜選択することができる。そのような高分子基材としては、例えば、熱可塑性エラストマー、および架橋ゴムが挙げられる。

熱可塑性エラストマーとしては、スチレン−ブタジエン共重合体及びスチレン−イソプレンブロック共重合体とそれらの水添物、スチレン系熱可塑性エラストマー、オレフィン系熱可塑性エラストマー、塩化ビニル系熱可塑性エラストマー、ポリエステル系熱可塑性エラストマー、ポリウレタン系熱可塑性エラストマー、ポリアミド系熱可塑性エラストマー等が挙げられる。

架橋ゴムとしては、天然ゴム、ブタジエンゴム、イソプレンゴム、スチレン−ブタジエン共重合ゴム、ニトリルゴム、水添ニトリルゴム、クロロプレンゴム、エチレン−プロピレン共重合ゴム、塩素化ポリエチレン、クロロスルホン化ポリエチレン、ブチルゴム、ハロゲン化ブチルゴム、フッ素ゴム、ウレタンゴム、シリコーンゴム等が挙げられる。

本発明の熱伝導性部材を製造する方法としては、まず、基材の高分子基材に熱伝導性充填材を配合した組成物を調製し、該組成物と開口２０を有する熱拡散シート１０とをインサート成形してもよい。また、予め前記組成物から所定形状の熱伝導性弾性体３０を形成し、その熱伝導性弾性体３０と、開口２０を有する熱拡散シート１０とを組み付けてもよい。

上記実施形態を以下のように変更することも可能である。
・熱伝導性弾性体３０の突出部３０ａ，３０ｂの断面積は、熱拡散シート１０の開口２０の面積と同一であってもよい。

以下に、本発明の熱伝導性部材およびそれを用いた冷却構造の具体的な実施例を示す。
（実施例１）
熱伝導性充填材として、黒鉛化炭素繊維（日本グラファイトファイバー株式会社製）７０重量部と酸化アルミニウム粉末（昭和電工株式会社製）１５０重量部とを、高分子基材として液状シリコーンゴム（ＧＥ東芝シリコーン株式会社製）１００重量部に混合し、真空脱泡して熱伝導性高分子組成物を調製した。

厚さが０．１３ｍｍ×縦３０ｍｍ×横６０ｍｍのグラファイトシート（グラフテック製、厚み方向及び表面に平行な方向における熱伝導率が、それぞれ７Ｗ／ｍ・Ｋ、２４０Ｗ／ｍ・Ｋ）からなる熱拡散シート１０に、熱伝導性弾性体３０の配置位置に応じて、縦６ｍｍ×横６ｍｍの開口２０を形成した。その熱拡散シート１０を、所定の金型のキャビティ内に設置し、上記の熱伝導性高分子組成物を金型のキャビティ内に注入し、前記組成物
を加熱硬化させた。これにより、厚み０．４ｍｍ×縦１０ｍｍ×横１０ｍｍの板状の熱伝導性弾性体３０（硬度４０）が、熱拡散シート１０の開口２０を覆い塞ぐように一体的に形成され、図３の熱伝導性部材１００を得た。

得られた熱伝導性部材１００において、熱拡散シート１０の表面に直交する方向および同表面に平行な方向における熱伝導性弾性体３０の熱伝導率を測定したところ、いずれも３．８Ｗ／ｍ・Ｋであった。

得られた熱伝導性部材１００の熱伝導性弾性体３０の突出部３０ａの上面を冷却部材４０としてアルミニウム板（Ａｌ−Ｍｇ系５０５２ 厚さ：０．５ｍｍ）からなる筐体と密着させて冷却構造２００を構成した。この冷却構造２００を、熱源としてセラミックヒータ（マイクロセラミックヒータ ＭＳ−３ 坂口電熱株式会社製、発熱量：９Ｗ）の上に、熱伝導性弾性体３０の突出部３０ｂの下面が前記セラミックヒータに密着するように配置した。この状態において、前記セラミックヒータに通電し、１０分後のセラミックヒータの上面の中心部（突出部３０ｂとの界面）の温度ｔ１と、熱拡散シート１０の周縁部の温度ｔ２（温度ｔ１、ｔ２の測定位置の間の間隔：４０ｍｍ）とを測定したところ、温度ｔ１は７２．１℃、温度ｔ２は２９．６℃であった。

（実施例２）
熱伝導性充填材として黒鉛化炭素繊維（日本グラファイトファイバー株式会社製）７０重量部と酸化アルミニウム粉末（昭和電工株式会社製）１５０重量部とを、高分子基材として液状シリコーンゴム（ＧＥ東芝シリコーン株式会社製）１００重量部に混合し、真空脱泡して熱伝導性高分子組成物を調製した。

厚さが０．１３ｍｍ×縦３０ｍｍ×横６０ｍｍのグラファイトシート（グラフテック製、厚み方向及び表面に平行な方向の熱伝導率がそれぞれ７Ｗ／ｍ・Ｋ、２４０Ｗ／ｍ・Ｋ）からなる熱拡散シート１０に、熱伝導性弾性体３０を設ける位置に縦６ｍｍ×横６ｍｍの開口２０を形成した。その熱拡散シート１０を所定の金型のキャビティ内に設置した。続いて、前記熱伝導性高分子組成物を金型のキャビティ内に注入し、磁力線の向きが熱拡散シート１０の表面にほぼ直交する磁場（磁束密度１０テスラ）を印加して、熱伝導性高分子組成物中の黒鉛化炭素繊維を、その長手軸線が熱拡散シート１０の表面とほぼ直交するように配向させた後、前記組成物を加熱硬化させた。これにより、厚み０．４ｍｍ×縦１０ｍｍ×横１０ｍｍの板状の熱伝導性弾性体（硬度４０）が、熱拡散シート１０の開口２０を覆い塞ぐように一体的に形成された、図３の熱伝導性部材を得たの熱伝導性弾性体３０中の黒鉛化炭素繊維は、熱拡散シート１０の表面に直交する方向（図３のＺ軸方向）に揃って配向していた。

得られた熱伝導性部材において、熱拡散シート１０の表面に直交する方向および同表面に平行な方向における熱伝導性弾性体３０の熱伝導率を測定したところ、それぞれ５．７Ｗ／ｍ・Ｋ、２．２Ｗ／ｍ・Ｋであった。

得られた熱伝導性部材１００の熱伝導性弾性体３０の突出部３０ａの上面を冷却部材４０としてアルミニウム板（Ａｌ−Ｍｇ系５０５２ 厚さ：０．５ｍｍ）からなる筐体と密着させて冷却構造２００を構成した。この冷却構造２００を、熱源としてセラミックヒータ（マイクロセラミックヒータ ＭＳ−３ 坂口電熱株式会社製、発熱量：９Ｗ）の上に、熱伝導性弾性体３０の突出部３０ｂの下面が前記セラミックヒータに密着するように配置した。この状態において、前記セラミックヒータに通電し、１０分後のセラミックヒータの上面の中心部（突出部３０ｂとの界面）の温度ｔ１と、熱拡散シート１０の周縁部の温度ｔ２（温度ｔ１、ｔ２の測定位置の間の間隔：４０ｍｍ）とを測定したところ、温度ｔ１は６４．２℃、温度ｔ２は３５．１℃であった。

（実施例３）
熱伝導性充填材として黒鉛化炭素繊維（日本グラファイトファイバー株式会社製）７０重量部と酸化アルミニウム粉末（昭和電工株式会社製）１５０重量部とを、高分子基材として液状シリコーンゴム（ＧＥ東芝シリコーン株式会社製）１００重量部に混合し、真空脱泡して、熱伝導性高分子組成物を調製した。

厚さが０．１３ｍｍ×縦３０ｍｍ×横６０ｍｍのグラファイトシート（グラフテック製、厚み方向及び表面に平行な方向の熱伝導率がそれぞれ７Ｗ／ｍ・Ｋ、２４０Ｗ／ｍ・Ｋ）の両面に厚さ０．０１５ｍｍのアルミニウム箔が積層された熱拡散シート１０に、熱伝導性弾性体３０の配置位置に応じて縦６ｍｍ×横６ｍｍの開口２０を形成した。その熱拡散シート１０を、所定の金型のキャビティ内に設置した。続いて、上記の熱伝導性高分子組成物を金型のキャビティ内に注入し、磁力線の向きが熱拡散シート１０の表面に直交するように磁場（磁束密度１０テスラ）を印加して熱伝導性高分子組成物中の黒鉛化炭素繊維を熱拡散シート１０の表面に直交する方向に配向させた後、前記組成物を加熱硬化させた。それにより、厚み０．４ｍｍ×縦１０ｍｍ×横１０ｍｍの板状の熱伝導性弾性体（硬度４０）が熱拡散シート１０の開口２０を覆い塞ぐように形成された、図３の熱伝導性部材を得た。

得られた熱伝導性部材の熱伝導性弾性体３０中の黒鉛化炭素繊維は、熱拡散シート１０の表面に直交する方向（図３のＺ軸方向）に揃って配向していた。得られた熱伝導性部材において、熱拡散シート１０の表面に直交する方向および同表面に平行な方向における熱伝導性弾性体３０の熱伝導率を測定したところ、それぞれ５．７Ｗ／ｍ・Ｋ、２．２Ｗ／ｍ・Ｋであった。

得られた熱伝導性部材１００の熱伝導性弾性体３０の突出部３０ａの上面を冷却部材４０としてアルミニウム板（Ａｌ−Ｍｇ系５０５２ 厚さ：０．５ｍｍ）からなる筐体と密着させて冷却構造２００を構成した。この冷却構造２００を、熱源としてセラミックヒータ（マイクロセラミックヒータ ＭＳ−３ 坂口電熱株式会社製、発熱量：９Ｗ）の上に、熱伝導性弾性体３０の突出部３０ｂの下面が前記セラミックヒータに密着するように配置した。この状態において、前記セラミックヒータに通電し、１０分後のセラミックヒータの上面の中心部（突出部３０ｂとの界面）の温度ｔ１と、熱拡散シート１０の周縁部の温度ｔ２（温度ｔ１、ｔ２の測定位置の間の間隔：４０ｍｍ）とを測定したところ、温度ｔ１は６０．９℃、温度ｔ２は３８．８℃であった。
（実施例４）
厚さが０．１３ｍｍ×縦３０ｍｍ×横６０ｍｍのグラファイトシート（グラフテック製、厚み方向及び表面に平行な方向の熱伝導率がそれぞれ７Ｗ／ｍ・Ｋ、２４０Ｗ／ｍ・Ｋ）からなる熱拡散シート１０に、熱伝導性弾性体３０を設ける位置に縦６ｍｍ×横６ｍｍの開口２０を形成した。

黒鉛化炭素繊維（日本グラファイトファイバー株式会社製）７０重量部と酸化アルミニウム粉末（昭和電工株式会社製）１５０重量部とを、液状シリコーンゴム（ＧＥ東芝シリコーン株式会社製）１００重量部に混合し真空脱泡して熱伝導性高分子組成物を調製した。続いて、前記熱伝導性高分子組成物を所望のシート形状に対応する金型のキャビティ内に注入し、磁力線の向きがシートの厚み方向に一致する磁場（磁束密度１０テスラ）を印加して、熱伝導性高分子組成物中の黒鉛化炭素繊維をシートの厚み方向に配向させた後、前記組成物を加熱硬化させた。それにより、厚み０．４ｍｍ×縦１０ｍｍ×横１０ｍｍの板状であり、側方に係合部３０ｃに対応するスリットが形成された熱伝導性弾性体３０（硬度４０）を得た。この熱伝導性弾性体３０を上記の熱拡散シート１０に組みつけて、図３の熱伝導性部材を得た。

得られた熱伝導性部材の熱伝導性弾性体３０中の黒鉛化炭素繊維は、熱拡散シート１０の表面に直交する方向（図３のＺ軸方向）に揃って配向していた。
得られた熱伝導性部材において、熱拡散シート１０の表面に直交する方向および同表面に平行な方向における熱伝導性弾性体３０の熱伝導率を測定したところ、それぞれ５．７Ｗ／ｍ・Ｋ、２．２Ｗ／ｍ・Ｋであった。

尚、実施例４において得られた熱伝導性部材は、熱伝導性部材の製造方法は異なるものの、使用したグラファイトシートの種類、熱伝導性弾性体の組成、および熱伝導性充填材の配向条件が実施例２と同様であるため、実施例２において得られた熱伝導性部材と同一のものとなった。従って、放熱評価は省略した。

（比較例１）
厚さが０．１３ｍｍ×縦３０ｍｍ×横６０ｍｍのグラファイトシート（グラフテック製、厚み方向及び面方向の熱伝導率がそれぞれ７Ｗ／ｍ・Ｋ、２４０Ｗ／ｍ・Ｋ）からなる熱拡散シート７に、アクリル樹脂系粘着剤を厚さ５μｍで塗布して、熱源としてセラミックヒータ（マイクロセラミックヒータ ＭＳ−３ 坂口電熱株式会社製、発熱量：９Ｗ）の上に載置した。さらに、前記熱拡散シート７の上面を冷却部材としてアルミニウム板（Ａｌ−Ｍｇ系５０５２ 厚さ：０．５ｍｍ）からなる筐体に直接接触させて、冷却構造を構成した。この場合、実施例１の熱伝導性弾性体は使用していない。この状態において、前記セラミックヒータに通電し、１０分後の前記セラミックヒータの上面の中心部（突出部３０ｂとの界面）の温度ｔ１と、熱拡散シート７の周縁部の温度ｔ２（温度ｔ１、ｔ２の測定位置の間の間隔：４０ｍｍ）を測定したところ、温度ｔ１は８８．０℃、温度ｔ２は２５．５℃であった。これは、熱源であるセラミックヒータと熱拡散シートとの密着性に乏しいことに加えて、セラミックヒータから熱拡散シートへの熱の伝導が熱拡散シートの表面を介するために熱伝導効率が劣り、セラミックヒータから熱拡散シートへの十分な熱の伝導および拡散が行なわれなかったためと考えられる。

上記実施形態から把握される技術的思想を以下に示す。
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の熱伝導性部材において、熱拡散シートの表面に平行な方向における熱拡散シートの熱伝導率が、その厚み方向における熱拡散シートの熱伝導率よりも高いことを特徴とする熱伝導性部材。

請求項１乃至６のいずれか１項に記載の熱伝導性部材において、熱伝導性弾性体が熱伝導性充填材を含有し、熱伝導性弾性体中の熱伝導性充填材の含有量が３０ｖｏｌ％以上であることを特徴とする熱伝導性部材。

開口を有する熱拡散シートと、前記開口を貫通して設けられた熱伝導性弾性体とを備える熱伝導性部材を製造する方法であって、
熱拡散シートに開口を形成する工程と、
高分子基材と熱伝導性充填材とを含有する組成物を調製する工程と、
前記熱拡散シートの開口内に前記組成物により熱伝導性弾性体をインサート成形する工程とからなる熱伝導性部材の製造方法。

上記製造方法において、前記インサート成形する工程において、前記組成物に磁場を印加することにより、前記組成物中の熱伝導性充填材を一定方向に配向させる工程をさらに有する製造方法。

開口を有する熱拡散シートと、前記開口を貫通して設けられた熱伝導性弾性体とを備える熱伝導性部材を製造する方法であって、
熱拡散シートに開口を形成する工程と、
高分子基材と熱伝導性充填材とを含有する組成物を調製する工程と、
前記組成物を所定形状に成形して前記熱伝導性弾性体を形成する工程と、
前記熱拡散シートの開口に、前記熱伝導性弾性体を組み付ける工程とからなる製造方法。

上記製造方法において、前記組成物を所定形状に成形する際に、前記組成物に磁場を印加することにより、前記組成物中の熱伝導性充填材を一定方向に配向させる工程をさらに有する製造方法。

従来の熱対策を示す図。 別の従来の熱対策を示す図。 本発明の一実施形態における熱伝導性部材を示す斜視図。 本発明の一実施形態における熱伝導性部材を示す断面図。 熱伝導性部材の変形例を示す斜視図。 熱伝導性部材の変形例を示す斜視図。 熱伝導性部材の変形例を示す斜視図。 本発明の冷却構造を示す断面図。

符号の説明

１０…熱拡散シート、１０ａ…上面、２０…開口、３０…熱伝導性弾性体、３０ａ，３０ｂ…突出部、３０ｃ…係合部、４０…冷却部材、１００…熱伝導性部材、２００…冷却構造。

Claims (8)

1. 開口を有する熱拡散シートと、前記開口を貫通して設けられた熱伝導性弾性体とを備える熱伝導性部材であって、前記熱伝導性弾性体は前記開口と係合する係合部と、前記係合部に連結され、前記熱拡散シートの表面から突出する突出部とを有することを特徴とする熱伝導性部材。
2. 前記熱伝導性弾性体の突出部の横断面は、前記拡散シートの開口より大きい面積を有することを特徴とする請求項１に記載の熱伝導性部材。
3. 前記熱拡散シートが、グラファイトシートおよびグラファイトシートの表面にアルミニウム箔が積層された複合シートのいずれかであることを特徴とする請求項１または２に記載の熱伝導性部材。
4. 前記熱伝導性弾性体が電気絶縁性である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の熱伝導性部材。
5. 前記熱伝導性弾性体は、炭素繊維、炭素ナノチューブ、金属窒化物、金属酸化物、金属炭化物、金属水酸化物より選ばれる少なくとも１種の熱伝導性充填材を含有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の熱伝導性部材。
6. 前記熱伝導性弾性体中において、前記熱伝導性充填材が一定方向に配向されていることにより、前記熱拡散シートの表面に直交する方向における熱伝導性弾性体の熱伝導率が、前記熱拡散シートの表面に平行な方向における熱伝導性弾性体の熱伝導率よりも大きくなるように設定されていることを特徴とする請求項５記載の熱伝導性部材。
7. 開口を有する熱拡散シートと、
   前記開口を貫通して設けられ、前記開口と係合する係合部と、前記係合部に連結され、前記熱拡散シートの表面から突出する突出部とを有する熱伝導性弾性体と、
   前記熱伝導性弾性体の突出部の上面に密着される冷却部材とからなることを特徴とする冷却構造。
8. 前記冷却部材は、当該冷却構造が搭載される装置の筐体であることを特徴とする請求項７に記載の冷却構造。

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