JP2014133669A - Thermal interface material and thermal interface method - Google Patents
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Landscapes
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Abstract
Description
本発明は、発熱源からの熱を速やかに冷却・放熱部に伝達するための層間熱接続部材および層間熱接続方法に関する。 The present invention relates to an interlayer thermal connection member and an interlayer thermal connection method for quickly transferring heat from a heat generation source to a cooling / radiating part.
近年、マイクロプロセッサの高速化やLEDチップの高性能化に伴う発熱量の上昇により、携帯電話、パソコン、PDA、ゲーム機などの電子機器やLED照明などにおける熱の問題はエレクトロニクス分野で解決すべき大きな課題となっている。放熱・冷却には熱伝導、熱放射、熱の対流を利用する方法があり、熱の対流を利用する冷却方式としてはヒートシンクや空冷ファンが、熱放射を利用するものとしてはセラミック板が、熱伝導を利用するものとしては各種の熱伝導(拡散)シート、熱伝導性樹脂などがある。発熱源の熱を効果的に放熱・冷却するには、これらの放熱・冷却方式を組み合わせ、発熱部の熱を回路基板や冷却フィン、ヒートシンクなどの放熱・冷却部に効率よく伝達する必要があり、そのためには発熱部と放熱・冷却部間の熱抵抗の低減が重要となる。 In recent years, heat generation in electronic devices such as mobile phones, personal computers, PDAs, and game machines, and LED lighting should be solved in the electronics field due to an increase in heat generation accompanying higher speeds of microprocessors and higher performance of LED chips. It has become a big issue. There are methods that use heat conduction, heat radiation, and heat convection for heat dissipation and cooling. A heat sink or an air cooling fan is used as a cooling method that uses heat convection, and a ceramic plate is used as a method that uses heat radiation. Examples of materials that use conduction include various heat conduction (diffusion) sheets and heat conductive resins. To effectively dissipate and cool the heat from the heat source, it is necessary to combine these heat dissipating and cooling methods to efficiently transfer the heat from the heat generating part to the heat dissipating and cooling parts such as circuit boards, cooling fins, and heat sinks. For this purpose, it is important to reduce the thermal resistance between the heat generating part and the heat radiating / cooling part.
図1に示すように、固体同士(金属同士や金属とセラミックなど)の層間を単に接続しても、部材表面の凹凸のために層間の接触は点接触となり、結果として層間には熱伝導率の低い空気層(熱伝導率:0.02W/mK)が存在するために熱抵抗が大きくなる。層間熱接続部材(Thermal Interface Material、以下TIMと略す)はこのような層間の熱抵抗を下げるために用いられ、金属同士や金属とセラミックの間に挟持して使用される。この場合、TIM自体が高熱伝導率である事と、界面(部材とTIMとの間)での熱抵抗が小さいことが重要な要件となる。界面での熱抵抗を小さくするためには、界面の接触面積を増大させる(すなわち界面の接触を面接触とする)ことが必要で、柔軟性が求められる。従来界面を面接触とするための柔軟性高分子材料と、高熱伝導率にするための高熱伝導性無機フィラーを混合したものが用いられて来た(以下、高分子/無機複合体と略す)。図2にその層間の接続状態を示すが、高分子/無機複合体によって界面は面接触となり、層間から空気層が除かれるために層間の熱抵抗が低減できる。一般的に高分子/無機複合体TIMの熱伝導率は1〜5W/mK、厚さは0.5〜5mm程度である。 As shown in FIG. 1, even if solid layers (metals or metals and ceramics) are simply connected, the contact between the layers becomes point contact due to the unevenness of the surface of the member, resulting in thermal conductivity between the layers. Since the low air layer (thermal conductivity: 0.02 W / mK) exists, the thermal resistance increases. An interlayer thermal connection member (Thermal Interface Material, hereinafter abbreviated as TIM) is used to lower the thermal resistance between such layers, and is used by being sandwiched between metals or between a metal and a ceramic. In this case, it is important that the TIM itself has a high thermal conductivity and that the thermal resistance at the interface (between the member and the TIM) is small. In order to reduce the thermal resistance at the interface, it is necessary to increase the contact area of the interface (that is, the contact at the interface is a surface contact), and flexibility is required. Conventionally, a mixture of a flexible polymer material for making the interface a surface contact and a high thermal conductivity inorganic filler for achieving a high thermal conductivity has been used (hereinafter abbreviated as a polymer / inorganic composite). . FIG. 2 shows a connection state between the layers. The interface is in surface contact by the polymer / inorganic composite, and the air layer is removed from the layers, so that the thermal resistance between the layers can be reduced. In general, the polymer / inorganic composite TIM has a thermal conductivity of 1 to 5 W / mK and a thickness of about 0.5 to 5 mm.
しかしながら、高熱伝導性のために高熱伝導性無機フィラーの添加量を増加させると柔軟性が損なわれ、界面の熱抵抗が増加するという問題がある。そのため、高分子/無機複合体の通常品で1〜2W/mK、高熱伝導品でも5W/mK程度の熱伝導率の物しか商品化されていないのが現状である。実用的な層間の熱抵抗値は、TIM自体の熱抵抗と界面での熱抵抗の和であり、通常0.4〜3.0K・cm2/W程度である事が多い。なお、この熱抵抗値は接続面に印加する圧力の大きさによっても変わるので、その熱抵抗値を表示するには圧力の大きさを併記する必要がある。 However, if the amount of the high thermal conductive inorganic filler added is increased due to the high thermal conductivity, there is a problem that the flexibility is impaired and the thermal resistance of the interface increases. Therefore, at present, only a product having a thermal conductivity of about 1 to 2 W / mK for a normal polymer / inorganic composite and about 5 W / mK for a high thermal conductivity product has been commercialized. The practical thermal resistance value between layers is the sum of the thermal resistance of the TIM itself and the thermal resistance at the interface, and is usually about 0.4 to 3.0 K · cm 2 / W in many cases. Since this thermal resistance value also changes depending on the magnitude of the pressure applied to the connecting surface, it is necessary to indicate the magnitude of the pressure in order to display the thermal resistance value.
また、高分子/無機複合体の場合に柔軟にするためのマトリックス樹脂である柔軟性高分子材料はアクリル樹脂、あるいはシリコーン樹脂など数種類の高分子に限られ、汎用品であるアクリル樹脂の場合には耐熱性に課題が、シリコーン樹脂の場合には高温で発生するシリコーンモノマーが電子回路の接点不良を起こすという問題があった。 In addition, in the case of a polymer / inorganic composite, a flexible polymer material, which is a matrix resin for flexibility, is limited to several types of polymers such as acrylic resin or silicone resin. Has a problem in heat resistance, and in the case of a silicone resin, a silicone monomer generated at a high temperature causes a contact failure of an electronic circuit.
ところで、グラファイトはその優れた耐熱性、耐薬品性、高熱伝導性、高電気伝導性のため、構造材、補強材、摺動材、導電材、放熱シートなどとして、エネルギー、宇宙、医療など幅広い分野で利用され、工業材料として重要な位置を占めており、TIM用途ではないものの、熱拡散フィルムとしてのグラファイトフィルムが知られている。グラファイト結晶の基本的な構造は、六角網目状に結ばれた炭素原子のつくる基底面が規則正しく積み重なった層状構造(層が積み重なった方向をc軸方向と言い、六角網目状に結ばれた炭素原子のつくる基底面の広がる方向をa−b面方向と言う)である。基底面内の炭素原子は共有結合で強く結ばれ、一方積み重なった基底面間の結合は弱いvan der Walls力によっており、基底面間隔は0.3354nmである。グラファイトにおける電気伝導率や熱伝導率はこのような異方性を反映してa−b面方向に大きく、この方向の電気伝導率や熱伝導率はグラファイトの品質を判定する良い指標となる。従来知られた、最高品質のグラファイトにおける a−b面方向の熱伝導率は1800W/mKであり、c軸方向の熱伝導率は5W/mKである(非特許文献1、2)。 By the way, because of its excellent heat resistance, chemical resistance, high thermal conductivity, and high electrical conductivity, graphite has a wide range of energy, space, medical, etc. as structural materials, reinforcing materials, sliding materials, conductive materials, heat dissipation sheets, etc. A graphite film is known as a thermal diffusion film although it is used in the field and occupies an important position as an industrial material and is not used for TIM. The basic structure of graphite crystal is a layered structure in which the basal planes of carbon atoms connected in a hexagonal network are stacked regularly (the direction in which the layers are stacked is called the c-axis direction, and the carbon atoms connected in a hexagonal network The direction in which the basal plane formed by is referred to as the ab plane direction). The carbon atoms in the basal plane are strongly bonded by a covalent bond, while the bonds between the stacked basal planes are due to weak van der Walls forces, and the basal plane spacing is 0.3354 nm. Reflecting such anisotropy, the electrical conductivity and thermal conductivity of graphite are large in the ab plane direction, and the electrical conductivity and thermal conductivity in this direction are good indicators for determining the quality of graphite. The thermal conductivity in the ab plane direction of the highest quality graphite known conventionally is 1800 W / mK, and the thermal conductivity in the c-axis direction is 5 W / mK (Non-Patent Documents 1 and 2).
フィルム状の高品質・高熱伝導性グラファイトを得る方法として、特殊な高分子を直接熱処理、炭素化・グラファイト化する方法(以下、高分子焼成法と略す)が開発されている。使用される高分子としては、ポリオキサジアゾール、ポリイミド類、ポリフェニレンビニレンなどがある(非特許文献3、4)。このような方法で得られる高熱伝導性グラファイトフィルムは熱伝導(熱拡散)シートとして広く使用されている(例えば、特許文献1〜3)。熱伝導シートは、CPUやLEDなどの発熱源の熱を広範囲に広げることによる放熱・冷却効率の向上を目的に使用されるものである。グラファイトシートがこのような目的に用いられるのは、そのa−b面方向の熱伝導率が非常に大きく、携帯電話などの小型電子機器において熱対策材料として最適であるためである。これらの高熱伝導性グラファイトフィルムにおいては、通常、接着性の付与、機械的強度の改良、あるいは絶縁性付与のために各種の高分子フィルムや金属との複合化が行われることも多い(特許文献4〜6)。 As a method for obtaining a film-like high-quality, high-heat-conductive graphite, a method of directly heat-treating a special polymer to carbonize / graphite (hereinafter abbreviated as a polymer firing method) has been developed. Examples of the polymer used include polyoxadiazole, polyimides, and polyphenylene vinylene (Non-Patent Documents 3 and 4). High thermal conductivity graphite films obtained by such a method are widely used as thermal conduction (thermal diffusion) sheets (for example, Patent Documents 1 to 3). The heat conductive sheet is used for the purpose of improving heat dissipation / cooling efficiency by spreading the heat of a heat source such as a CPU or LED over a wide range. The reason why the graphite sheet is used for such a purpose is that it has a very large thermal conductivity in the ab plane direction and is optimal as a heat countermeasure material in a small electronic device such as a cellular phone. These high thermal conductive graphite films are usually often combined with various polymer films and metals for imparting adhesion, improving mechanical strength, or imparting insulating properties (Patent Documents). 4-6).
しかしながら、グラファイトの熱伝導(熱拡散)シートとしての応用は、TIM用途とは基本的に異なるものであり、現在のところ、グラファイト製のTIMは実用化されていない。その理由は、TIMとしてグラファイトを用いる場合に重要となる厚さ方向の熱伝導率はせいぜい5W/mK程度であり、グラファイトは固体であるために界面では面接触とならず界面の熱抵抗が高くなると考えられてきたからである。 However, the application of graphite as a heat conduction (thermal diffusion) sheet is fundamentally different from TIM applications, and at present, graphite TIM has not been put into practical use. The reason is that the thermal conductivity in the thickness direction, which is important when using graphite as a TIM, is at most about 5 W / mK. Since graphite is a solid, it does not come into surface contact at the interface and has high thermal resistance at the interface. Because it has been considered to be.
その対策として、グラファイトフィルムのフィルム面と直角方向に高熱伝導率の高いa−b面を配向させ、そのようにしたグラファイトフィルムをTIMとして使用することが考えられる。このような配向が実現できれば、原理的にはグラファイトの面方向の高熱伝導性(1800W/mK)を層間熱接続に用いる事が可能となる(特許文献7〜9)。しかしながら、これらは積層状や円筒状にしたグラファイトブロックを機械的に切断して作製したものであり、大面積化や1mm以下の薄さにする事が不可能であるばかりでなく、工業的にも極めて困難な製造方法であり、実用的な方法ではない。 As a countermeasure, it is conceivable that the ab plane having a high thermal conductivity is oriented in a direction perpendicular to the film surface of the graphite film, and that the graphite film is used as a TIM. If such an orientation can be realized, in principle, high thermal conductivity (1800 W / mK) in the surface direction of graphite can be used for interlayer thermal connection (Patent Documents 7 to 9). However, these are produced by mechanically cutting laminated or cylindrical graphite blocks, and it is not only impossible to increase the area and reduce the thickness to 1 mm or less. However, this is an extremely difficult manufacturing method and is not a practical method.
また、グラファイトフィルムをTIMとして使用するために界面での熱抵抗を低下させる工夫として、膨張した(すなわち密度を小さくした)グラファイトフィルムを圧縮して使用し、層間の熱抵抗を下げる方法が報告されている(特許文献10)。しかしながら、そのような処理を施したグラファイトフィルムでは、発泡によってグラファイトフィルム内部に空気層が形成されるために、グラファイトフィルム自体の熱抵抗が高くなり、TIMとしての目的を達成する事が出来ない。 Also, as a contrivance to reduce the thermal resistance at the interface in order to use the graphite film as a TIM, a method of reducing the thermal resistance between the layers by using an expanded (that is, having a reduced density) compressed graphite film has been reported. (Patent Document 10). However, in the graphite film subjected to such a treatment, an air layer is formed inside the graphite film by foaming, so that the thermal resistance of the graphite film itself becomes high and the purpose as a TIM cannot be achieved.
さらに、グラファイト層から形成され、これらが金属、ポリマー、セラミックなどによって構造的に支持された熱管理組立体が考えられている(特許文献11)。しかしながら、この熱管理組立体は、高熱伝導性無機フィラーと柔軟性高分子材料から形成される従来の高分子/無機複合体と本質的に異なるものではなく、従来のTIMの欠点が全く改善されていない。すなわち、金属やセラミックとの構造体では基本的に界面の点接触を面接触にする事が出来ず、また、ポリマーとの複合体の場合には、例えポリマーが柔軟であったとしても、高分子/無機複合体と変わるものではない。 Furthermore, a thermal management assembly formed from a graphite layer and structurally supported by a metal, a polymer, a ceramic, or the like is considered (Patent Document 11). However, this thermal management assembly is not essentially different from conventional polymer / inorganic composites formed from highly thermally conductive inorganic fillers and flexible polymeric materials, and the disadvantages of conventional TIMs are completely improved. Not. That is, in the case of a structure with metal or ceramic, the point contact at the interface cannot be basically a surface contact, and in the case of a composite with a polymer, even if the polymer is flexible, it is It is not different from a molecular / inorganic composite.
高分子焼成法によるグラファイトフィルムとして一般に入手可能なフィルムは、17.5〜75μmの厚さのものである。たとえば17.5μmのグラファイトフィルムの層間熱抵抗は、3.2K・cm2/W(圧力:1.0kgf/cm2)と、TIMとしての特性は、比較的熱抵抗値の高い高分子/無機複合体と同等程度しかなかった。 A film that is generally available as a graphite film by a polymer baking method has a thickness of 17.5 to 75 μm. For example, the interlayer thermal resistance of a 17.5 μm graphite film is 3.2 K · cm 2 / W (pressure: 1.0 kgf / cm 2 ), and the properties as a TIM are a polymer / inorganic having a relatively high thermal resistance value. It was only comparable to the complex.
本発明は、従来の高分子/無機複合体の問題点を解決し、高性能で高耐熱性のグラファイト製TIMを提供することを目的としている。 An object of the present invention is to solve the problems of conventional polymer / inorganic composites and to provide a high-performance, high-heat-resistant graphite TIM.
本発明者らは、グラファイトフィルムをTIMとして使用することに関し、鋭意検討を行った結果、グラファイトフィルムTIMが高分子/無機複合体を超える低熱抵抗の熱接続を実現できることを見出し、本発明を完成した。 As a result of diligent studies regarding the use of a graphite film as a TIM, the present inventors have found that the graphite film TIM can realize a thermal connection with a low thermal resistance exceeding that of a polymer / inorganic composite, thereby completing the present invention. did.
すなわち、本発明は、厚さが10nm〜15μmのグラファイトフィルムを有する層間熱接続部材に関する。 That is, the present invention relates to an interlayer thermal connection member having a graphite film having a thickness of 10 nm to 15 μm.
上記グラファイトフィルムのフィルム面方向の熱伝導率が500W/mK以上であり、フィルム面方向と厚さ方向の熱伝導率の異方性が100以上であることが好ましい。 The thermal conductivity in the film surface direction of the graphite film is preferably 500 W / mK or more, and the anisotropy of the thermal conductivity in the film surface direction and the thickness direction is preferably 100 or more.
上記グラファイトフィルムの密度が1.2〜2.26g/cm3であることが好ましい。 It is preferable that the density of the graphite film is 1.2 to 2.26 g / cm 3 .
上記グラファイトフィルムが、厚さが50nm〜50μmの高分子フィルムを2000℃以上の温度で熱処理して得られるものであることが好ましい。 The graphite film is preferably obtained by heat-treating a polymer film having a thickness of 50 nm to 50 μm at a temperature of 2000 ° C. or higher.
上記高分子フィルムが縮合系芳香族高分子を含むものであることが好ましい。 The polymer film preferably contains a condensed aromatic polymer.
上記縮合系芳香族高分子が、ポリアミド、ポリイミド、ポリキノキサリン、ポリオキサジアゾール、ポリベンズイミダゾール、ポリベンズオキサゾール、ポリベンズチアゾール、ポリキナゾリンジオン、ポリベンゾオキサジノン、ポリキナゾロン、ベンズイミダゾベンゾフェナントロリンラダーポリマー、およびこれらの誘導体から選択される少なくとも一種であることが好ましい。 The condensed aromatic polymer is polyamide, polyimide, polyquinoxaline, polyoxadiazole, polybenzimidazole, polybenzoxazole, polybenzthiazole, polyquinazolinedione, polybenzoxazinone, polyquinazolone, benzimidazolobenzophenanthroline ladder polymer And at least one selected from these derivatives.
層間熱接続部材が、さらに、常温以上で流動性を有する流動性物質を前記グラファイトフィルムの重量に対して1〜100重量%含むことが好ましい。 It is preferable that the interlayer thermal connection member further contains 1 to 100% by weight of a fluid substance having fluidity at room temperature or higher with respect to the weight of the graphite film.
上記流動性物質は、沸点が200℃以上のオイルであることが好ましい。 The fluid material is preferably oil having a boiling point of 200 ° C. or higher.
また、本発明は、本発明の層間熱接続部材を熱接続する部材間に設置する工程を含む層間熱接続方法に関する。 The present invention also relates to an interlayer thermal connection method including a step of installing the interlayer thermal connection member of the present invention between members to be thermally connected.
本発明によれば、従来の高分子/無機複合体と同等以上の優れた熱接続特性を有し、しかも耐熱性をはじめとする環境安定性に非常に優れた層間熱接続部材が提供され、さらに低熱抵抗層間熱接続が実現できる。 According to the present invention, an interlayer heat connection member having excellent heat connection characteristics equivalent to or better than conventional polymer / inorganic composites and having excellent environmental stability including heat resistance is provided. Furthermore, a low thermal resistance interlayer thermal connection can be realized.
本発明の層間熱接続部材は、厚さが10nm〜15μmのグラファイトフィルムを有する。グラファイトフィルムは薄いゆえにフィルム自体が柔軟性を有し、15μm以下であれば、従来の厚さのグラファイトフィルムと同様に圧縮でき、しかも柔軟化処理を施さなくても、界面は点接触ではなく面接触に近い状況を実現できる。 The interlayer thermal connection member of the present invention has a graphite film having a thickness of 10 nm to 15 μm. Since the graphite film is thin, the film itself is flexible, and if it is 15 μm or less, it can be compressed in the same way as a conventional graphite film of thickness, and the interface is not a point contact, even if it is not softened. A situation close to contact can be realized.
ここで、本明細書では、使用により温度差が生じうる部材と部材の間を層間と定義する。また、層間を熱的に繋ぎ、一方の部材から他方の部材へ熱を伝えることを層間熱接続、そのための部材を層間熱接続部材と定義する。すなわち、熱発生源からの熱を効率よく放散させるために、熱発生源あるいは熱発生源と熱的に接続された層と、それ以下の温度である第二の層との層間の熱抵抗を低減させるために該層間に狭持される部材は層間熱接続部材である。 Here, in this specification, a member between members that may cause a temperature difference by use is defined as an interlayer. Further, it is defined that an interlayer thermal connection is to thermally connect layers and transfer heat from one member to the other member, and an interlayer thermal connection member is a member for that purpose. That is, in order to dissipate the heat from the heat generation source efficiently, the thermal resistance between the heat generation source or the layer thermally connected to the heat generation source and the second layer at a lower temperature is reduced. The member sandwiched between the layers for reduction is an interlayer thermal connection member.
従来のグラファイトフィルムがTIMとして使用できない理由は以下の2点である。
(1)グラファイトは柔軟であるとは言え、高分子/無機複合体に比べて硬く、そのために界面の熱低抗が大きい。
(2)厚さ17.5μmのグラファイトフィルムの柔軟化処理法としてグラファイトを発泡状態にしてから圧縮する方法が知られているが、このような柔軟化処理は接触面を大きくする効果があっても、グラファイトフィルム内部に多くの空気層が存在し、結果的にグラファイトフィルムの熱抵抗を増大させる。すなわち、密度を小さくすることでグラファイトフィルムを柔らかくし、接続界面熱抵抗を下げる手法は、グラファイトフィルム内部に空気層が形成されるためにグラファイトフィルムのTIMとしてのバルク熱抵抗は高くなり、TIMとしての熱抵抗低減を図ることができない。
There are two reasons why a conventional graphite film cannot be used as a TIM.
(1) Although graphite is flexible, it is harder than a polymer / inorganic composite, and therefore has a high thermal resistance at the interface.
(2) As a method of softening a graphite film having a thickness of 17.5 μm, there is known a method of compressing graphite after foaming, and such a softening treatment has an effect of increasing a contact surface. However, there are many air layers inside the graphite film, resulting in an increase in the thermal resistance of the graphite film. That is, the method of softening the graphite film by reducing the density and reducing the connection interface thermal resistance increases the bulk thermal resistance of the graphite film as the TIM because an air layer is formed inside the graphite film. The heat resistance cannot be reduced.
本発明の基本的な考えは以下の通りである。
(1)グラファイトフィルムの厚さ方向の熱伝導率は5W/mKであり、その値は高熱伝導(高性能)タイプの高分子/無機複合体体のバルク熱伝導率と比べて特に優れているとは言えないまでも、同等以上の特性である。
(2)グラファイトは固体であるので、界面の熱抵抗は高分子/無機複合体よりも大きくなる傾向にあるが、一方でグラファイトは柔軟で弾力性に富む素材であるので、ある程度は界面を点接触から面接触へ改善できる。
(3)グラファイトフィルムのフィルム面方向の熱伝導率は極めて大きい(500〜1800W/mK)ため、該フィルムを層間に挟めば、熱が一つの接触点(接触面)から他の接触点(接触面)に高速に広がり、事実上接触点(接触面)を増やすことと同等の効果がある。
(4)このようなグラファイトフィルムの場合、グラファイトフィルム自体による熱抵抗を小さくするために、グラファイトフィルムは可能な限り薄い方が好ましく、従って厚さを薄くしていった場合、どこかの厚さで、高分子/無機複合体を上回る特性が実現できる。
The basic idea of the present invention is as follows.
(1) The thermal conductivity in the thickness direction of the graphite film is 5 W / mK, and the value is particularly superior to the bulk thermal conductivity of the high thermal conductivity (high performance) type polymer / inorganic composite. If not, the characteristics are equivalent or better.
(2) Since graphite is a solid, the thermal resistance at the interface tends to be higher than that of the polymer / inorganic composite. On the other hand, since graphite is a flexible and elastic material, the interface is somewhat affected. Improve from contact to surface contact.
(3) Since the thermal conductivity in the film surface direction of a graphite film is extremely large (500 to 1800 W / mK), if the film is sandwiched between layers, heat is transferred from one contact point (contact surface) to another contact point (contact Surface) and effectively has the same effect as increasing the number of contact points (contact surfaces).
(4) In the case of such a graphite film, it is preferable that the graphite film is as thin as possible in order to reduce the thermal resistance due to the graphite film itself. Thus, characteristics superior to the polymer / inorganic composite can be realized.
グラファイトフィルムTIMの使用原理を図3に示す。図3に示すように接続面は完全に被覆されない(界面の空気層は完全には除かれない)が、グラファイトは柔軟で弾力性に富む素材であるあるため、ある程度の面接触が実現できる。また、グラファイトフィルムは面方向の熱伝導率が極めて高いため、一つの接触面(点)から 熱がフィルム面方向に広範囲に広がり、多くの(広い)面での界面接触と同等の層間熱抵抗低減効果がある。さらに厚さは高分子/無機複合体より薄いため、グラファイトフィルム面に垂直方向のバルク熱抵抗は極めて小さくできる。 The principle of use of the graphite film TIM is shown in FIG. As shown in FIG. 3, the connection surface is not completely covered (the air layer at the interface is not completely removed), but graphite is a flexible and elastic material, so that a certain degree of surface contact can be realized. In addition, since the thermal conductivity of the graphite film is extremely high in the surface direction, heat spreads from a single contact surface (point) over a wide area in the film surface direction, and the interlayer thermal resistance is equivalent to interface contact on many (wide) surfaces. There is a reduction effect. Furthermore, since the thickness is thinner than the polymer / inorganic composite, the bulk thermal resistance in the direction perpendicular to the graphite film surface can be made extremely small.
(グラファイトフィルム)
グラファイトフィルムの厚さの下限は10nmであるが、20nm以上が好ましく、50nm以上がより好ましい。また、上限は15μmであるが、10μm以下が好ましく、5μm以下がより好ましく、3μm以下が特に好ましい。15μmを超えると、内部に空気層をほとんど含まないグラファイトフィルムの場合、硬く柔軟性がほとんどなく、TIMとして使用すると、圧力によって割れやひびが発生しやすく、また硬いために界面に空気層を生じやすく、界面熱抵抗が大きくなるという問題がある。また、柔軟化処理の施されたグラファイトフィルムでは、フィルム内部に存在する空気層のためにグラファイトフィルム自体の熱抵抗の値が大きくなり過ぎ、高分子/無機複合体TIMの特性を凌駕することは困難である。一方、10nm未満では、フィルム自体の熱抵抗は小さくなるが自立膜としての取り扱いが極めて困難となる。10nm〜15μmの厚さであれば、従来の高分子/無機フィラー複合体よりはるかに優れた耐熱特性を有し、従来のTIMと比較して、耐熱性、耐久性に優れている。
(Graphite film)
Although the minimum of the thickness of a graphite film is 10 nm, 20 nm or more is preferable and 50 nm or more is more preferable. Moreover, although an upper limit is 15 micrometers, 10 micrometers or less are preferable, 5 micrometers or less are more preferable, and 3 micrometers or less are especially preferable. If it exceeds 15 μm, the graphite film that contains almost no air layer inside is hard and has little flexibility, and when used as a TIM, it tends to crack and crack due to pressure, and because it is hard, it creates an air layer at the interface. There is a problem that the interfacial thermal resistance is increased. In addition, in the graphite film subjected to the softening treatment, the value of the thermal resistance of the graphite film itself becomes too large due to the air layer existing inside the film, and it exceeds the characteristics of the polymer / inorganic composite TIM. Have difficulty. On the other hand, if it is less than 10 nm, the thermal resistance of the film itself becomes small, but it becomes extremely difficult to handle as a self-supporting film. If it is 10 nm-15 micrometers in thickness, it has the heat resistance characteristic far superior to the conventional polymer / inorganic filler composite, and is excellent in heat resistance and durability compared with the conventional TIM.
グラファイトフィルムの面方向の熱伝導率は500W/mK以上が好ましく、1000W/mK以上がより好ましい。500W/mK未満では、柔軟性と圧縮性が低下する傾向がある。また、厚さ方向と面方向の熱伝導率の異方性は、100以上が好ましく、200以上がより好ましい。100未満では、柔軟性と圧縮性が低下する傾向がある。ここで、熱伝導率の異方性とは、フィルム面方向の熱伝導率の値と、厚み方向の熱伝導率の値について、大きい方の熱伝導率の値を、小さい方の熱伝導率の値で割った値である。 The thermal conductivity in the plane direction of the graphite film is preferably 500 W / mK or more, and more preferably 1000 W / mK or more. If it is less than 500 W / mK, there exists a tendency for a softness | flexibility and compressibility to fall. Further, the anisotropy of the thermal conductivity in the thickness direction and the plane direction is preferably 100 or more, and more preferably 200 or more. If it is less than 100, there exists a tendency for a softness | flexibility and compressibility to fall. Here, the thermal conductivity anisotropy refers to the value of the thermal conductivity in the film surface direction and the value of the thermal conductivity in the thickness direction, the larger thermal conductivity value, the smaller thermal conductivity value. Divided by the value of.
グラファイトフィルムの密度は1.2〜2.26g/cm3が好ましく、1.4〜2.26g/cm3がより好ましく、1.6〜2.26g/cm3がさらに好ましい。1.2g/cm3未満ではグラファイトフィルム内の空気層が多くなり、グラファイトフィルムの熱伝導率が小さくなる傾向がある。なお、密度2.26g/cm3は空気層を全く含まないグラファイトの密度であり、グラファイトフィルム中に空気層が含まれるかどうかはグラファイトフィルムの密度を測定することで確認できる。グラファイトフィルムの厚さ方向の熱伝導率を向上させることができるので、グラファイトフィルムの内部に空気層があまり存在しないことが望ましい。 The density of the graphite film is preferably 1.2~2.26g / cm 3, more preferably 1.4~2.26g / cm 3, more preferably 1.6~2.26g / cm 3. If it is less than 1.2 g / cm 3 , the air layer in the graphite film increases and the thermal conductivity of the graphite film tends to decrease. The density of 2.26 g / cm 3 is the density of graphite that does not contain any air layer, and whether or not the air layer is contained in the graphite film can be confirmed by measuring the density of the graphite film. Since the thermal conductivity in the thickness direction of the graphite film can be improved, it is desirable that there is not much air layer inside the graphite film.
このような熱伝導率の値とその異方性を満たすと、TIMとして好ましい柔軟性と圧縮性を兼ね備えるグラファイトフィルムを提供できる。高品質のグラファイトは基本的に柔らかくフィルムの厚さ方向に圧縮され、グラファイトフィルム本来の性質とその薄さによって発現する柔軟性を利用して高性能TIMを実現出来る。 When such a value of thermal conductivity and its anisotropy are satisfied, a graphite film having both flexibility and compressibility preferable as TIM can be provided. High quality graphite is basically soft and compressed in the thickness direction of the film, and a high performance TIM can be realized by utilizing the inherent properties of the graphite film and the flexibility developed by its thinness.
(グラファイトフィルムの製造方法)
グラファイトフィルムの製造方法は特に限定されず、例えば、高分子フィルムを熱処理する方法によって得ることができる。高分子フィルムとしては、炭素含有率が高く、グラファイトのa−b面と類似の炭素環状構造を有するという観点から縮合系芳香族高分子である事が好ましい。中でも、ポリアミド、ポリイミド、ポリキノキサリン、ポリオキサジアゾール、ポリベンズイミダゾール、ポリベンズオキサゾール、ポリベンズチアゾール、ポリキナゾリンジオン、ポリベンゾオキサジノン、ポリキナゾロン、ベンズイミダゾベンゾフェナントロリンラダーポリマー、およびこれらの誘導体から選択される少なくとも一種であることが好ましい。なお、高分子フィルムは、公知の製造方法で製造できる。
(Method for producing graphite film)
The manufacturing method of a graphite film is not specifically limited, For example, it can obtain by the method of heat-processing a polymer film. The polymer film is preferably a condensed aromatic polymer from the viewpoint of a high carbon content and a carbocyclic structure similar to the ab plane of graphite. Among them, selected from polyamide, polyimide, polyquinoxaline, polyoxadiazole, polybenzimidazole, polybenzoxazole, polybenzthiazole, polyquinazolinedione, polybenzoxazinone, polyquinazolone, benzimidazolobenzophenanthroline ladder polymer, and derivatives thereof It is preferable that it is at least one kind. The polymer film can be produced by a known production method.
上記高分子フィルムの中でも、高品質のグラファイトに転化させることができ、熱伝導率が大きくなる効果が顕著に現れるという点からポリイミドフィルムが好ましい。また、ポリイミドフィルムの中でも、グラファイトへの転化がより容易であるという点から、分子構造およびその高次構造が制御されたフィルム、すなわち、配向性に優れたフィルムが好ましい。これは、一般にグラファイト化反応をスムーズに進行させるためには、炭素前駆体中の分子が再配列する必要があるが、配向性にすぐれたポリイミドフィルムではその再配列が少なくて済むために、低温でも十分に高熱伝導性のグラファイトへの転化が進行するためであると推測される。 Among the above polymer films, a polyimide film is preferable because it can be converted into high-quality graphite, and the effect of increasing the thermal conductivity appears remarkably. Among polyimide films, a film having a controlled molecular structure and higher order structure, that is, a film excellent in orientation, is preferable because it can be easily converted into graphite. In general, in order for the graphitization reaction to proceed smoothly, it is necessary to rearrange the molecules in the carbon precursor, but a polyimide film with excellent orientation requires less rearrangement. However, it is presumed that this is because the conversion to sufficiently high thermal conductivity graphite proceeds.
ポリイミドフィルムは、例えば、ポリイミド前駆体であるポリアミド酸の有機溶剤溶液をエンドレスベルト、ステンレスドラムなどの支持体上に流延し、乾燥・イミド化させることにより製造することができる。また、蒸着重合によって形成したポリアミド酸薄膜を加熱し、イミド化させることによっても製造することができる。 The polyimide film can be produced, for example, by casting an organic solvent solution of polyamic acid, which is a polyimide precursor, on a support such as an endless belt or a stainless drum, followed by drying and imidization. It can also be produced by heating and imidizing a polyamic acid thin film formed by vapor deposition polymerization.
ポリアミド酸の有機溶剤溶液は、公知の方法で製造することができる。通常、芳香族酸二無水物の少なくとも1種とジアミンの少なくとも1種を、実質的に等モル量になるよう有機溶媒中に溶解させて、得られた溶液を、制御された温度条件下で、上記酸二無水物とジアミンの重合が完了するまで攪拌することによってポリアミド酸溶液を製造する。これらのポリアミド酸溶液は、通常5〜35重量%、好ましくは10〜30重量%の濃度で得られる。この範囲の濃度である場合に適当な分子量と溶液粘度を得る事が出来る。 An organic solvent solution of polyamic acid can be produced by a known method. Usually, at least one aromatic dianhydride and at least one diamine are dissolved in an organic solvent in substantially equimolar amounts, and the resulting solution is subjected to controlled temperature conditions. The polyamic acid solution is prepared by stirring until the polymerization of the acid dianhydride and the diamine is completed. These polyamic acid solutions are usually obtained at a concentration of 5 to 35% by weight, preferably 10 to 30% by weight. When the concentration is in this range, an appropriate molecular weight and solution viscosity can be obtained.
ポリアミド酸溶液には、必要に応じてリン酸水素カルシウム(CaHPO4)、リン酸カルシウム(Ca3(PO4)2)、リン酸二水素カルシウム(Ca(H2PO4)2)などの、グラファイトを発泡させる効果のある添加剤を加えてもよい。
これらの発泡効果のある添加剤は、ポリアミド酸の原料成分の合計重量100重量部に対し、0〜0.1重量部添加することが好ましい。添加量が多いとグラファイトフィルム内の空気層が多くなるおそれがある。
In the polyamic acid solution, graphite such as calcium hydrogen phosphate (CaHPO 4 ), calcium phosphate (Ca 3 (PO 4 ) 2 ), calcium dihydrogen phosphate (Ca (H 2 PO 4 ) 2 ) is optionally added. An additive having an effect of foaming may be added.
These additives having a foaming effect are preferably added in an amount of 0 to 0.1 parts by weight based on 100 parts by weight of the total weight of the raw material components of the polyamic acid. If the amount added is large, the air layer in the graphite film may increase.
ポリアミド酸薄膜は、蒸着重合などの公知の方法で製造することができる。蒸着重合では、原料モノマーである芳香族酸二無水物の少なくとも1種とジアミンの少なくとも1種を、予め別々に加熱しておき、蒸着重合膜を形成するための基板を設置した真空状態の槽内に、同時に概ね等モルになるように、それぞれの蒸気を導入する事によって、基板上にポリアミド酸薄膜を形成する。モノマーとしては、通常のポリイミドを作製する際に使用するものを使用できるが、通常の溶液法による重合では使用が難しい、溶媒に難溶性であるものも使用可能である。また、通常の溶液法とは異なり、形成されるポリアミド酸薄膜中に溶媒や添加剤等の不純物が残らないため、高結晶性、高電気伝導度などの所望の特性のグラファイトフィルムを得やすいという利点がある。 The polyamic acid thin film can be produced by a known method such as vapor deposition polymerization. In the vapor deposition polymerization, at least one kind of aromatic acid dianhydride as a raw material monomer and at least one kind of diamine are separately heated in advance, and a vacuum state tank in which a substrate for forming a vapor deposition polymerization film is installed. A polyamic acid thin film is formed on the substrate by introducing respective vapors so as to be approximately equimolar at the same time. As the monomer, those used for producing a normal polyimide can be used, but monomers that are difficult to use in polymerization by a general solution method and hardly soluble in a solvent can also be used. In addition, unlike ordinary solution methods, no impurities such as solvents and additives remain in the formed polyamic acid thin film, which makes it easy to obtain a graphite film having desired characteristics such as high crystallinity and high electrical conductivity. There are advantages.
上記芳香族酸二無水物としては、ピロメリット酸二無水物、2,3,6,7−ナフタレンテトラカルボン酸二無水物、3,3’,4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、1,2,5,6−ナフタレンテトラカルボン酸二無水物、2,2’,3,3’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、3,3’,4,4’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、2,2−ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)プロパン二無水物、3,4,9,10−ペリレンテトラカルボン酸二無水物、ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)プロパン二無水物、1,1−ビス(2,3−ジカルボキシフェニル)エタン二無水物、1,1−ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)エタン二無水物、ビス(2,3−ジカルボキシフェニル)メタン二無水物、ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)エタン二無水物、オキシジフタル酸二無水物、ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)スルホン二無水物、p−フェニレンビス(トリメリット酸モノエステル酸無水物)、エチレンビス(トリメリット酸モノエステル酸無水物)、ビスフェノールAビス(トリメリット酸モノエステル酸無水物)及びそれらの類似物を挙げることができる。これらは単独で用いても、2種以上を組み合わせて用いてもよい。 Examples of the aromatic acid dianhydride include pyromellitic dianhydride, 2,3,6,7-naphthalenetetracarboxylic dianhydride, 3,3 ′, 4,4′-biphenyltetracarboxylic dianhydride. 1,2,5,6-naphthalenetetracarboxylic dianhydride, 2,2 ′, 3,3′-biphenyltetracarboxylic dianhydride, 3,3 ′, 4,4′-benzophenonetetracarboxylic dianhydride Anhydride, 2,2-bis (3,4-dicarboxyphenyl) propane dianhydride, 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic dianhydride, bis (3,4-dicarboxyphenyl) propane Anhydride, 1,1-bis (2,3-dicarboxyphenyl) ethane dianhydride, 1,1-bis (3,4-dicarboxyphenyl) ethane dianhydride, bis (2,3-dicarboxyphenyl) ) Methane dianhydride Bis (3,4-dicarboxyphenyl) ethane dianhydride, oxydiphthalic dianhydride, bis (3,4-dicarboxyphenyl) sulfone dianhydride, p-phenylenebis (trimellitic acid monoester acid anhydride ), Ethylene bis (trimellitic acid monoester acid anhydride), bisphenol A bis (trimellitic acid monoester acid anhydride) and the like. These may be used alone or in combination of two or more.
上記ジアミンとしては、4,4’−オキシジアニリン、p−フェニレンジアミン、4,4’−ジアミノジフェニルプロパン、4,4’−ジアミノジフェニルメタン、ベンジジン、3,3’−ジクロロベンジジン、4,4’−ジアミノジフェニルスルフィド、3,3’−ジアミノジフェニルスルホン、4,4’−ジアミノジフェニルスルホン、4,4’−ジアミノジフェニルエーテル、3,3’−ジアミノジフェニルエーテル、3,4’−ジアミノジフェニルエーテル、1,5−ジアミノナフタレン、4,4’−ジアミノジフェニルジエチルシラン、4,4’−ジアミノジフェニルシラン、4,4’−ジアミノジフェニルエチルホスフィンオキシド、4,4’−ジアミノジフェニルN−メチルアミン、4,4’−ジアミノジフェニルN−フェニルアミン、1,4−ジアミノベンゼン(p−フェニレンジアミン)、1,3−ジアミノベンゼン、1,2−を挙げることができる。これらは単独で用いても、2種以上を組み合わせて用いてもよい。 Examples of the diamine include 4,4′-oxydianiline, p-phenylenediamine, 4,4′-diaminodiphenylpropane, 4,4′-diaminodiphenylmethane, benzidine, 3,3′-dichlorobenzidine, 4,4 ′. -Diaminodiphenyl sulfide, 3,3'-diaminodiphenyl sulfone, 4,4'-diaminodiphenyl sulfone, 4,4'-diaminodiphenyl ether, 3,3'-diaminodiphenyl ether, 3,4'-diaminodiphenyl ether, 1,5 -Diaminonaphthalene, 4,4'-diaminodiphenyldiethylsilane, 4,4'-diaminodiphenylsilane, 4,4'-diaminodiphenylethylphosphine oxide, 4,4'-diaminodiphenyl N-methylamine, 4,4 ' -Diaminodiphenyl N-pheny Amine, 1,4-diaminobenzene (p- phenylene diamine), 1,3-diaminobenzene, it may be mentioned 1,2. These may be used alone or in combination of two or more.
ポリアミド酸をイミド化させる方法は特に限定されず、前駆体であるポリアミド酸を加熱でイミド転化する熱キュア法、ポリアミド酸に無水酢酸等の酸無水物に代表される脱水剤や、ピコリン、キノリン、イソキノリン、ピリジン等の第3級アミン類をイミド化促進剤として用い、イミド転化するケミカルキュア法を挙げることができる。得られるポリイミドフィルムの線膨張係数が小さく、弾性率が高く、複屈折率が大きくなりやすく、フィルムの焼成中に張力をかけたとしても破損することなく、また、品質の良いグラファイトを得ることができるという点から、ケミカルキュア法が好ましい。 The method of imidizing the polyamic acid is not particularly limited, and a thermal curing method in which the polyamic acid as a precursor is converted to an imide by heating, a dehydrating agent typified by an acid anhydride such as acetic anhydride, polycholine, quinoline, or the like. There may be mentioned a chemical cure method in which tertiary amines such as isoquinoline and pyridine are used as an imidization accelerator and imide conversion is performed. The resulting polyimide film has a low coefficient of linear expansion, high modulus of elasticity, a high birefringence, and is not damaged even if tension is applied during the firing of the film. The chemical curing method is preferable from the viewpoint that it can be performed.
ケミカルキュア法によるフィルムの具体的な製造法としては、以下の方法が挙げられる。まず、ポリアミド酸溶液に、化学量論以上の脱水剤と触媒量のイミド化促進剤を加え、支持板やPET等の有機フィルム、ドラム又はエンドレスベルト等の支持体上に流延又は塗布して膜状とし、有機溶媒を蒸発させることにより自己支持性を有する膜を得る。次いで、これを更に加熱して乾燥させつつイミド化させ、ポリイミド重合体からなるポリイミドフィルムを得る。加熱の際の温度は、150℃から550℃の範囲の温度が好ましい。加熱の際の昇温速度には特に制限はないが、連続的もしくは断続的に、徐々に加熱して最高温度が上記の温度になるようにするのが好ましい。さらに、ポリイミドの製造工程中に、収縮を防止するためにフィルムを固定したり、延伸したりする工程を含む事が好ましい。 The following method is mentioned as a concrete manufacturing method of the film by a chemical curing method. First, a stoichiometric or higher stoichiometric dehydrating agent and a catalytic amount of an imidization accelerator are added to a polyamic acid solution, and cast or coated on a support plate, an organic film such as PET, a drum or an endless belt. A film having a self-supporting property is obtained by forming a film and evaporating the organic solvent. Next, this is further heated and dried to be imidized to obtain a polyimide film made of a polyimide polymer. The temperature during heating is preferably in the range of 150 ° C to 550 ° C. There is no particular limitation on the rate of temperature increase during heating, but it is preferable to gradually or intermittently heat so that the maximum temperature becomes the above temperature. Furthermore, it is preferable to include a step of fixing or stretching the film in order to prevent shrinkage during the polyimide manufacturing process.
次に、高分子フィルムの炭素化・グラファイト化の手法について述べる。炭素化の方法としては特に限定されず、例えば出発物質である高分子フィルムを不活性ガス中で予備加熱し、炭素化を行う。不活性ガスは、窒素、アルゴンあるいはアルゴンと窒素の混合ガスが好ましく用いられる。予備加熱は通常1000℃程度の温度で行う。予備加熱の段階では出発高分子フィルムの配向性が失われないように、フィルムの破壊が起きない程度の面方向の張力を加える事が有効である。 Next, techniques for carbonization and graphitization of polymer films are described. The carbonization method is not particularly limited, and for example, the carbonization is performed by preheating a polymer film as a starting material in an inert gas. As the inert gas, nitrogen, argon or a mixed gas of argon and nitrogen is preferably used. Preheating is usually performed at a temperature of about 1000 ° C. In order to prevent the orientation of the starting polymer film from being lost in the preheating stage, it is effective to apply a tension in the plane direction that does not cause the film to break.
グラファイト化の方法としては特に限定されず、例えば上記の方法で炭素化されたフィルムを高温炉内にセットし、グラファイト化を行なう。グラファイト化は不活性ガス中で行なうが、不活性ガスとしてはアルゴンが最も適当であり、アルゴンに少量のヘリウムを加えても良い。処理温度は高ければ高いほど良質のグラファイトに転化でき、2000℃以上が好ましく、2400℃以上がより好ましく、2800℃以上が最も好ましい。このような高温を作り出すには、通常グラファイトヒーターに直接電流を流し、そのジュ−ル熱を利用して加熱を行なう。 The method of graphitization is not particularly limited. For example, the film carbonized by the above method is set in a high temperature furnace and graphitization is performed. Graphitization is performed in an inert gas. Argon is most suitable as the inert gas, and a small amount of helium may be added to argon. The higher the treatment temperature, the higher the quality of graphite that can be converted, preferably 2000 ° C or higher, more preferably 2400 ° C or higher, and most preferably 2800 ° C or higher. In order to create such a high temperature, an electric current is usually passed directly through a graphite heater, and heating is performed by using the Joule heat.
なお、最終的に得られるグラファイトフィルムの厚さは、一般に出発高分子フィルムの厚さが1μm以上では、元の高分子フィルムの厚さの60〜30%程度となり、1μm未満では40%〜20%程度となる事が多い。一方、長さは100〜60%程度となる事が多い。従って、最終的に厚さ10nm〜15μmのグラファイトフィルムを得るためには、出発高分子フィルムの厚さは50nm〜50μmが好ましく、50nm〜25μmがより好ましく、100nm〜10μmが特に好ましい。 The thickness of the finally obtained graphite film is generally about 60 to 30% of the thickness of the original polymer film when the thickness of the starting polymer film is 1 μm or more, and 40% to 20 when the thickness is less than 1 μm. It is often about%. On the other hand, the length is often about 100 to 60%. Therefore, in order to finally obtain a graphite film having a thickness of 10 nm to 15 μm, the thickness of the starting polymer film is preferably 50 nm to 50 μm, more preferably 50 nm to 25 μm, and particularly preferably 100 nm to 10 μm.
(流動性物質)
層間熱接続部材は、さらに、常温以上で流動性を有する流動性物質を含むことが好ましい。グラファイトフィルムの表面を流動性物質でぬらす事により界面の熱抵抗を下げることができ、層間の熱抵抗を小さくし、すぐれた層間熱接続を実現することができる。流動性物質の含有量は、グラファイトフィルムの重量に対して1〜100重量%が好ましく、2〜50重量%であることがより好ましい。1重量%未満であると添加する効果がほとんど得られない傾向がある。100重量%を超えると、流動性物質の熱抵抗のために、複合体の熱接続抵抗が大きくなる傾向がある。ここで、「流動性」とは、液状であり室温で容易に流れる状態、あるいは、ペースト状で粘性が高く容易には流れないが、圧力をかけることにより変形したり広がったりすることが可能な状態を意味する。
(Fluid material)
It is preferable that the interlayer thermal connection member further includes a fluid substance having fluidity at room temperature or higher. By wetting the surface of the graphite film with a fluid material, the thermal resistance of the interface can be lowered, the thermal resistance between the layers can be reduced, and excellent interlayer thermal connection can be realized. The content of the fluid substance is preferably 1 to 100% by weight and more preferably 2 to 50% by weight with respect to the weight of the graphite film. If it is less than 1% by weight, the effect of adding tends to be hardly obtained. If it exceeds 100% by weight, the thermal connection resistance of the composite tends to increase due to the thermal resistance of the flowable substance. Here, “fluidity” means a liquid state that easily flows at room temperature, or a paste that is highly viscous and does not flow easily, but can be deformed or spread by applying pressure. Means state.
流動性物質としては特に限定されないが、油状物質や流動性高分子を挙げることができる。油状物質としては、鉱油、植物性油、合成油、精油食用油、動物性油、およびこれらの混合物が好ましい。流動性高分子としては、シリコーン樹脂が好ましい。中でも、TIMの特徴の一つである高耐熱性、高耐久性を失わないためには、蒸気圧の低い物質であることが望ましい。油状物質としては、1気圧での沸点が200℃以上、より好ましくは300℃以上であるものが好ましく、シリコーン樹脂としては、20℃〜100℃の間で流動性を有するものが好ましい。 Although it does not specifically limit as a fluid substance, An oily substance and a fluid polymer can be mentioned. As the oily substance, mineral oil, vegetable oil, synthetic oil, essential oil, edible oil, animal oil, and mixtures thereof are preferable. As the fluid polymer, a silicone resin is preferable. Above all, in order not to lose the high heat resistance and high durability, which are one of the characteristics of TIM, a substance having a low vapor pressure is desirable. The oily substance preferably has a boiling point at 1 atm of 200 ° C. or more, more preferably 300 ° C. or more, and the silicone resin preferably has fluidity between 20 ° C. and 100 ° C.
流動性物質を含ませる方法としては特に限定されず、グラファイトフィルムの表面に流動性物質を塗布したり、グラファイトフィルムを流動性物質中に浸漬したりすることで含ませることができる。 The method of including the fluid substance is not particularly limited, and it can be included by applying the fluid substance on the surface of the graphite film or immersing the graphite film in the fluid substance.
(層間熱接続部材)
本発明の層間熱接続部材は、グラファイトフィルムのみから構成されていてもよく、また、上記の流動性物質や、金属薄膜、無機薄膜、複数のグラファイトフィルム等をさらに含むものであってもよい。
(Interlayer thermal connection member)
The interlayer thermal connection member of the present invention may be composed only of a graphite film, and may further include the above-described fluid substance, a metal thin film, an inorganic thin film, a plurality of graphite films, and the like.
(層間熱接続方法)
本発明の層間熱接続方法は、上記層間熱接続部材を熱接続する部材間に設置する工程を含む。層間に狭持させることにより、熱発生源あるいは熱発生源と熱的に接続された部材から、それ以下の温度である第二の部材へ熱を伝える層間熱接続を行うことができる。グラファイトフィルムが熱源に近い部材と熱源から遠い部材の間に挟持されて設置され、グラファイトフィルムとそれぞれの部材は直接面接触している。優れた耐熱性の層間熱接続を実現するため、各種の接着層を用いないでグラファイトフィルムのみで層間を熱接続することが好ましい。接着層を介さずに層間熱接続を実現する方法として、単に機械的な圧力で固定しても良い。機械的に、ビスやネジ、あるいはバネ等によってかしめる事は直接熱接続のため有効であり好ましい。
(Interlayer thermal connection method)
The interlayer thermal connection method of the present invention includes a step of installing the interlayer thermal connection member between the members to be thermally connected. By sandwiching between the layers, the heat generation source or a member thermally connected to the heat generation source can perform interlayer heat connection for transferring heat to the second member having a temperature lower than that. The graphite film is sandwiched and installed between a member close to the heat source and a member far from the heat source, and the graphite film and each member are in direct surface contact. In order to realize excellent heat-resistant interlayer thermal connection, it is preferable to thermally connect the layers only with a graphite film without using various adhesive layers. As a method for realizing the interlayer thermal connection without using the adhesive layer, it may be simply fixed by mechanical pressure. Mechanically caulking with screws, screws, springs or the like is effective and preferable for direct thermal connection.
グラファイトフィルムを狭持する層としては特に制限はないが、アルミニウム(熱伝導率:237W/mK)、銅(熱伝導率:398W/mK)、銀(熱伝導率:428W/mK)、ニッケル(熱伝導率:90W/mK)などの熱伝導率に優れた金属材料、シリカ(熱伝導率:1.5W/mK)、アルミナ(熱伝導率:20W/mK)、酸化マグネシュウム(MgO)(熱伝導率:40W/mK)、窒化ホウ素(BN)(熱伝導率:60W/mK)、窒化アルミ(AlN)(熱伝導率:70〜270W/mK)、炭化ケイ素(SiC)(熱伝導率:88〜128W/mK(結晶系により異なる))などのセラミック材料、またはこれらを組合せた基板を使用することができる。 The layer for sandwiching the graphite film is not particularly limited, but aluminum (thermal conductivity: 237 W / mK), copper (thermal conductivity: 398 W / mK), silver (thermal conductivity: 428 W / mK), nickel ( Metal materials with excellent thermal conductivity such as thermal conductivity: 90 W / mK, silica (thermal conductivity: 1.5 W / mK), alumina (thermal conductivity: 20 W / mK), magnesium oxide (MgO) (heat Conductivity: 40 W / mK), boron nitride (BN) (thermal conductivity: 60 W / mK), aluminum nitride (AlN) (thermal conductivity: 70-270 W / mK), silicon carbide (SiC) (thermal conductivity: Ceramic materials such as 88-128 W / mK (depending on the crystal system), or a combination of these can be used.
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。なお、実施例では厚さや面方向の熱伝導率、密度の異なるグラファイトフィルムについて述べるが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described specifically by way of examples. In addition, although an Example demonstrates the graphite film from which thickness, the thermal conductivity of a surface direction, and a density differ, this invention is not limited to these Examples.
なお、グラファイトフィルムの物性値は以下に示す方法で測定した。
<熱伝導率>
グラファイトフィルムの熱拡散率は、光交流法による熱拡散率測定装置(アルバック理工(株)製「LaserPit」)を用いて、23℃で真空下、10Hzにおいて測定した。測定された熱拡散率から密度および比熱の値を用いて熱伝導率を算出した。
In addition, the physical property value of the graphite film was measured by the method shown below.
<Thermal conductivity>
The thermal diffusivity of the graphite film was measured at 23 ° C. under vacuum at 10 Hz using a thermal diffusivity measuring device (“LaserPit” manufactured by ULVAC-RIKO). Thermal conductivity was calculated from the measured thermal diffusivity using values of density and specific heat.
<密度>
グラファイトフィルムの密度は、グラファイトフィルムの重量(g)をグラファイトフィルムの縦、横、厚みの積で算出した体積(cm3)で除すことにより算出した。なお、グラファイトフィルムの厚みは走査型電子顕微鏡(SEM)によるグラファイトフィルムの断面観察によって決定した。
<Density>
The density of the graphite film was calculated by dividing the weight (g) of the graphite film by the volume (cm 3 ) calculated by the product of the vertical, horizontal and thickness of the graphite film. The thickness of the graphite film was determined by observing the cross section of the graphite film with a scanning electron microscope (SEM).
<層間熱抵抗>
グラファイトフィルムを10mm×10mmのサイズに切断し、同じく縦横10mm×10mm、厚さ1.8mmの形状をしたセラミック製のモデルヒーター(発熱体としてのCPUを模擬)と銅ブロック(縦横15cm×15cm、厚さ10cm、ヒートシンクを模擬)の間に挟み、圧力1.0kgf/cm2〜4.5kgf/cm2を印加した。次にモデルヒーターに2.0Wの電力を供給し、5分後のモデルヒーターの温度と銅ブロックの温度をそれぞれに埋め込まれた熱電対を用いて測定した。モデルヒーター・銅ブロックの層間の熱抵抗値R(K・cm2/W)は、モデルヒーターの温度をT1、銅ブロックの温度をT2として、以下の式で計算した。
R=(T1−T2)/2
<Interlayer thermal resistance>
A graphite model heater (simulating a CPU as a heating element) and a copper block (15 cm x 15 cm in length and width), each having a shape of 10 mm x 10 mm in length and width of 1.8 mm, cut into a 10 mm x 10 mm size graphite film. A pressure of 1.0 kgf / cm 2 to 4.5 kgf / cm 2 was applied. Next, 2.0 W of electric power was supplied to the model heater, and the temperature of the model heater and the temperature of the copper block after 5 minutes were measured using thermocouples embedded therein. The thermal resistance value R (K · cm 2 / W) between the model heater and the copper block was calculated using the following equation, where the temperature of the model heater was T 1 and the temperature of the copper block was T 2 .
R = (T 1 −T 2 ) / 2
[実施例1〜7]
ピロメリット酸二無水物、4,4’−ジアミノジフェニルエーテル、及び、p−フェニレンジアミン(モル比で4/3/1)から調製したポリアミド酸の18重量%のDMF溶液100gに、無水酢酸20gとイソキノリン10gからなる硬化剤を混合、攪拌し、遠心分離による脱泡の後、アルミ箔上に流延塗布した。攪拌から脱泡までは0℃に冷却しながら行った。このアルミ箔とポリアミド酸溶液の積層体を120℃で150秒間加熱し、自己支持性を有するゲルフィルムを得た。このゲルフィルムをアルミ箔から剥がし、フレームに固定した。このゲルフィルムを300℃、400℃、500℃で各30秒間加熱して100〜200℃の平均線膨張係数1.6×10−5cm/cm/℃、複屈折率0.14で、厚さの異なる7種類のポリイミドフィルムを製造した。フィルム厚さはそれぞれ25.5μm、12.1μm、5.3μm、2.1μm、1.0μm、0.6μm、0.3μmであった。
[Examples 1-7]
To 100 g of an 18% by weight DMF solution of polyamic acid prepared from pyromellitic dianhydride, 4,4′-diaminodiphenyl ether and p-phenylenediamine (4/3/1 in molar ratio), 20 g of acetic anhydride and A curing agent consisting of 10 g of isoquinoline was mixed and stirred, defoamed by centrifugation, and cast onto an aluminum foil. The process from stirring to defoaming was performed while cooling to 0 ° C. The laminate of the aluminum foil and the polyamic acid solution was heated at 120 ° C. for 150 seconds to obtain a gel film having self-supporting properties. This gel film was peeled off from the aluminum foil and fixed to the frame. This gel film was heated at 300 ° C., 400 ° C., and 500 ° C. for 30 seconds each, and an average linear expansion coefficient of 100 to 200 ° C. was 1.6 × 10 −5 cm / cm / ° C., a birefringence of 0.14, and a thickness. Seven kinds of polyimide films having different thicknesses were produced. The film thicknesses were 25.5 μm, 12.1 μm, 5.3 μm, 2.1 μm, 1.0 μm, 0.6 μm, and 0.3 μm, respectively.
得られたポリイミドフィルムを、電気炉を用いて窒素ガス中、10℃/分の速度で1000℃まで昇温し、1000℃で1時間保って予備処理した。次に、グラファイト化処理として、得られた炭素化フィルムを表面研磨したグラファイトブロックに挟み、円筒状のグラファイトヒーターの内部にセットし、20℃/分の昇温速度で2800℃まで昇温、10分間保持し、その後40℃/分の速度で降温した。グラファイト化処理はアルゴン雰囲気で0.5kg/cm2の加圧下でおこなった。このポリイミドフィルムは2800℃で良質グラファイトへの転化が可能である事が分った。 The obtained polyimide film was pretreated by heating to 1000 ° C. at a rate of 10 ° C./min in nitrogen gas using an electric furnace and keeping at 1000 ° C. for 1 hour. Next, as a graphitization treatment, the obtained carbonized film is sandwiched between surface-polished graphite blocks, set inside a cylindrical graphite heater, and heated to 2800 ° C. at a temperature rising rate of 20 ° C./min. The temperature was kept for one minute, and then the temperature was lowered at a rate of 40 ° C./min. The graphitization treatment was performed under a pressure of 0.5 kg / cm 2 in an argon atmosphere. It was found that this polyimide film can be converted to high-quality graphite at 2800 ° C.
得られた7種類(A〜G)のグラファイトフィルムの厚さと熱伝導率、密度はそれぞれ以下の通りであった。
(A)厚さ13μm、フィルム面方向熱伝導率:1200W/mK、厚さ方向熱伝導率:4.5W/mK、密度1.9g/cm3
(B)厚さ:4.5μm、フィルム面方向熱伝導率:1300W/mK、厚さ方向熱伝導率4.7W/mK、密度1.9g/cm3
(C)厚さ:2.6μm、フィルム面方向熱伝導率:1470W/mK、厚さ方向熱伝導率4.8W/mK、密度2.0g/cm3
(D)厚さ:0.9μm、フィルム面方向熱伝導率:1500W/mK、厚さ方向熱伝導率:5.0W/mK、密度2.0g/cm3
(E)厚さ、0.3μm、フィルム面方向熱伝導率:1580W/mK、厚さ方向熱伝導率:5.0W/mK、密度2.0g/cm3
(F)厚さ、105nm、フィルム面方向熱伝導率:1600W/mK、厚さ方向熱伝導率:5.0W/mK、密度2.1g/cm3
(G)厚さ、18nm、フィルム面方向熱伝導率:1680W/mK、厚さ方向熱伝導率:5.0W/mK、密度2.1g/cm3
The thickness, thermal conductivity, and density of the obtained seven types (A to G) of graphite films were as follows.
(A) Thickness 13 μm, film surface direction thermal conductivity: 1200 W / mK, thickness direction thermal conductivity: 4.5 W / mK, density 1.9 g / cm 3
(B) Thickness: 4.5 μm, film surface direction thermal conductivity: 1300 W / mK, thickness direction thermal conductivity: 4.7 W / mK, density: 1.9 g / cm 3
(C) Thickness: 2.6 μm, film surface direction thermal conductivity: 1470 W / mK, thickness direction thermal conductivity 4.8 W / mK, density 2.0 g / cm 3
(D) Thickness: 0.9 μm, film surface direction thermal conductivity: 1500 W / mK, thickness direction thermal conductivity: 5.0 W / mK, density 2.0 g / cm 3
(E) Thickness, 0.3 μm, film surface direction thermal conductivity: 1580 W / mK, thickness direction thermal conductivity: 5.0 W / mK, density 2.0 g / cm 3
(F) Thickness, 105 nm, film surface direction thermal conductivity: 1600 W / mK, thickness direction thermal conductivity: 5.0 W / mK, density 2.1 g / cm 3
(G) Thickness, 18 nm, film surface direction thermal conductivity: 1680 W / mK, thickness direction thermal conductivity: 5.0 W / mK, density 2.1 g / cm 3
図4に(F)のグラファイトフィルムの写真を示す。 図4は、PET基板上に厚さ105nmのグラファイトフィルム(F)を貼り付けて撮影した写真である。フィルムが薄いため背後の蛍光灯の光が透過している。図5は、その制限視野電子線回折像であり、高品質のグラファイトである事が分かる。 FIG. 4 shows a photograph of the graphite film (F). FIG. 4 is a photograph taken by attaching a graphite film (F) having a thickness of 105 nm on a PET substrate. Since the film is thin, the light from the fluorescent lamp behind it is transmitted. FIG. 5 is an electron diffraction image of the limited field of view, and it can be seen that it is a high-quality graphite.
厚さの異なる上記7種類のグラファイトフィルム(A)〜(G)の熱抵抗値を表1に示した。圧力は1.0〜4.5kgf/cm2であり、―は未測定である。グラファイト膜厚が薄くなるに従い、熱抵抗値が小さくなり、本発明のTIMが極めて優れた熱抵抗特性を有している事が分かった。 Table 1 shows thermal resistance values of the seven types of graphite films (A) to (G) having different thicknesses. The pressure is 1.0 to 4.5 kgf / cm 2 , and-is not measured. As the graphite film thickness was reduced, the thermal resistance value was reduced, and it was found that the TIM of the present invention has extremely excellent thermal resistance characteristics.
なお、グラファイトフィルム(F)と(G)を比較すると膜厚がそれぞれ105nm、18nmであるにもかかわらず熱抵抗は(G)の方が大きくなった。(G)は極めて取り扱いが困難であり、その熱抵抗を正確に測定するのは困難であったが、界面の熱抵抗が大きくなったためと考えられる。この結果から実用上厚さ10nm〜15μmのグラファイトフィルムが好ましい事が分かった。 Note that when the graphite films (F) and (G) were compared, the thermal resistance of (G) was larger despite the film thickness being 105 nm and 18 nm, respectively. (G) is extremely difficult to handle and it is difficult to accurately measure its thermal resistance, but it is thought that the thermal resistance at the interface has increased. From this result, it was found that a graphite film having a thickness of 10 nm to 15 μm was preferable in practice.
[実施例8〜11]
上述の実施例1〜7の項で記載した方法と同じ方法で作製した、厚さ2.1μmのポリイミドフィルムを用い、グラファイト化処理の温度を変えて4種類のグラファイトフィルムを作製した。グラファイト化処理の温度はそれぞれ、2600℃(D−1)、2200℃(D−2)、2000℃(D−3)、1700℃(D−4)である。
[Examples 8 to 11]
Four types of graphite films were produced by changing the temperature of the graphitization treatment using a 2.1 μm-thick polyimide film produced by the same method as described in Examples 1 to 7 above. The temperatures of the graphitization treatment are 2600 ° C. (D-1), 2200 ° C. (D-2), 2000 ° C. (D-3), and 1700 ° C. (D-4), respectively.
得られたグラファイトフィルムの厚さと熱伝導率、密度を以下に示す。
(D−1)厚さ:0.9μm、フィルム面方向熱伝導率:1400W/mK、厚さ方向熱伝導率:5.0W/mK、密度2.0g/cm3
(D−2)厚さ:1.0μm、フィルム面方向熱伝導率:1100W/mK、厚さ方向熱伝導率:5.0W/mK、密度2.0g/cm3
(D−3)厚さ:1.1μm、フィルム面方向熱伝導率:500W/mK、厚さ方向熱伝導率:5.0W/mK、密度2.1g/cm3
(D−4)厚さ:1.3μm、フィルム面方向熱伝導率:390W/mK、厚さ方向熱伝導率:5.0W/mK、密度2.1g/cm3
The thickness, thermal conductivity, and density of the obtained graphite film are shown below.
(D-1) Thickness: 0.9 μm, film surface direction thermal conductivity: 1400 W / mK, thickness direction thermal conductivity: 5.0 W / mK, density: 2.0 g / cm 3
(D-2) Thickness: 1.0 μm, film surface direction thermal conductivity: 1100 W / mK, thickness direction thermal conductivity: 5.0 W / mK, density: 2.0 g / cm 3
(D-3) Thickness: 1.1 μm, film surface direction thermal conductivity: 500 W / mK, thickness direction thermal conductivity: 5.0 W / mK, density 2.1 g / cm 3
(D-4) Thickness: 1.3 μm, film surface direction thermal conductivity: 390 W / mK, thickness direction thermal conductivity: 5.0 W / mK, density 2.1 g / cm 3
ほぼ同じ厚さのポリイミドフィルムでグラファイト化処理温度を変えて面方向の熱伝導率を変化させた上記グラファイトフィルム(D)および上記グラファイトフィルム(D−1)〜(D−4)を用いて、実施例1〜7と同じ方法で、各グラファイトフィルムをTIMとした場合の層間熱抵抗を測定した。結果を表2に示す。面方向の熱伝導率が390W/mKであるグラファイトフィルム(D−4)では、圧力の大きさにかかわらず層間の熱抵抗を0.5K・cm2/W以下にする事は出来なかった。ただし層間の熱抵抗は従来の高性能TIMの熱抵抗(0.5K・cm2/W)に近い値であり、さらに耐熱性、耐久性では圧倒的に優れているため、(D−4)も非常に有用なTIMであることに変わりはない。一方、面方向の熱伝導率が500W/mKである(D−3)では4.5kgf/cm2の圧力で0.43K・cm2/Wの特性を実現できた。この事から本発明のTIMとしては面方向の熱伝導率が500W/mK以上で、熱伝導率の異方性が100以上である事が望ましい事が分かった。 Using the graphite film (D) and the graphite films (D-1) to (D-4) in which the thermal conductivity in the surface direction is changed by changing the graphitization treatment temperature with a polyimide film having substantially the same thickness, In the same manner as in Examples 1 to 7, interlayer thermal resistance was measured when each graphite film was TIM. The results are shown in Table 2. In the graphite film (D-4) having a thermal conductivity in the plane direction of 390 W / mK, the thermal resistance between the layers could not be reduced to 0.5 K · cm 2 / W or less regardless of the pressure. However, the thermal resistance between the layers is close to the thermal resistance (0.5 K · cm 2 / W) of the conventional high-performance TIM, and further excellent in heat resistance and durability. (D-4) Is still a very useful TIM. On the other hand, the surface direction of the heat conductivity can be realized the characteristics of 500 W / mK which is (D-3) In 0.43K · cm 2 / W at a pressure of 4.5 kgf / cm 2. From this, it was found that the TIM of the present invention preferably has a thermal conductivity in the plane direction of 500 W / mK or more and an anisotropy of thermal conductivity of 100 or more.
[実施例12〜16]
4,4’−ジアミノジフェニルエーテル、及び、p−フェニレンジアミン(モル比で3/1)のDMF溶液に、リン酸水素カルシウム(CaHPO4)、及び、ピロメリット酸二無水物(4,4’−ジアミノジフェニルエーテル、及び、p−フェニレンジアミンの合計量と等モル)を添加して、ポリアミド酸の18重量%のDMF溶液を調製した。該DMF溶液100gに、無水酢酸20gとイソキノリン10gからなる硬化剤を混合、攪拌し、遠心分離による脱泡の後、アルミ箔上に流延塗布した。攪拌から脱泡までは0℃に冷却しながら行った。このアルミ箔とポリアミド酸溶液の積層体を120℃で150秒間加熱し、自己支持性を有するゲルフィルムを得た。このゲルフィルムをアルミ箔から剥がし、フレームに固定した。このゲルフィルムを300℃、400℃、500℃で各30秒間加熱して厚さ2.1μmのポリイミドフィルムを製造した。得られたポリイミドフィルムを、電気炉を用いて窒素ガス中、10℃/分の速度で1000℃まで昇温し、1000℃で1時間保って予備処理した。
次に、グラファイト化処理として、得られた予備処理済炭素化フィルムを表面研磨したグラファイトブロックに挟み、円筒状のグラファイトヒーターの内部にセットし、異なる昇温速度で2800℃まで昇温、10分間保持し、その後40℃/分の速度で降温することにより、密度の異なる5種類のグラファイトフィルムを作製した。グラファイト化処理はアルゴン雰囲気で0.5kg/cm2の加圧下でおこなった。
各フィルムにおけるリン酸水素カルシウムの添加量、及び、グラファイト化処理における昇温速度を以下に示す。
リン酸水素カルシウムの添加量:ピロメリット酸二無水物、4,4’−ジアミノジフェニルエーテル、及び、p−フェニレンジアミンの重量の合計100重量部に対し、(D−5)0.01重量部、(D−6)0.02重量部、(D−7)0.05重量部、(D−8)0.10重量部、及び、(D−9)0.10重量部。
昇温速度:(D−5)〜(D−8)は20℃/分、(D−9)は30℃/分。
[Examples 12 to 16]
To a DMF solution of 4,4′-diaminodiphenyl ether and p-phenylenediamine (3/1 in molar ratio), calcium hydrogen phosphate (CaHPO 4 ) and pyromellitic dianhydride (4,4′- Diaminodiphenyl ether and equimolar amount of the total amount of p-phenylenediamine) were added to prepare a 18% by weight DMF solution of polyamic acid. A curing agent composed of 20 g of acetic anhydride and 10 g of isoquinoline was mixed with 100 g of the DMF solution, stirred, defoamed by centrifugation, and cast onto an aluminum foil. The process from stirring to defoaming was performed while cooling to 0 ° C. The laminate of the aluminum foil and the polyamic acid solution was heated at 120 ° C. for 150 seconds to obtain a gel film having self-supporting properties. This gel film was peeled off from the aluminum foil and fixed to the frame. This gel film was heated at 300 ° C., 400 ° C., and 500 ° C. for 30 seconds each to produce a 2.1 μm thick polyimide film. The obtained polyimide film was pretreated by heating to 1000 ° C. at a rate of 10 ° C./min in nitrogen gas using an electric furnace and keeping at 1000 ° C. for 1 hour.
Next, as a graphitization treatment, the pretreated carbonized film obtained is sandwiched between surface-polished graphite blocks, set inside a cylindrical graphite heater, heated to 2800 ° C. at different heating rates, and 10 minutes. By holding and then lowering the temperature at a rate of 40 ° C./min, five types of graphite films having different densities were produced. The graphitization treatment was performed under a pressure of 0.5 kg / cm 2 in an argon atmosphere.
The amount of calcium hydrogen phosphate added to each film and the rate of temperature increase in the graphitization treatment are shown below.
Amount of calcium hydrogen phosphate added: 0.01 parts by weight of (D-5) to 100 parts by weight of the total weight of pyromellitic dianhydride, 4,4′-diaminodiphenyl ether, and p-phenylenediamine, (D-6) 0.02 parts by weight, (D-7) 0.05 parts by weight, (D-8) 0.10 parts by weight, and (D-9) 0.10 parts by weight.
Temperature increase rate: (D-5) to (D-8) are 20 ° C./min, and (D-9) is 30 ° C./min.
得られたグラファイトフィルムの厚さと熱伝導率、密度を以下に示す。
(D−5)厚さ:1.0μm、フィルム面方向熱伝導率:1380W/mK、厚さ方向熱伝導率:4.6W/mK、密度:1.8g/cm3
(D−6)厚さ:1.2μm、フィルム面方向熱伝導率:1320W/mK、厚さ方向熱伝導率:4.3W/mK、密度:1.5g/cm3
(D−7)厚さ:1.5μm、フィルム面方向熱伝導率:1300W/mK、厚さ方向熱伝導率:4.2W/mK、密度:1.2g/cm3
(D−8)厚さ:2.0μm、フィルム面方向熱伝導率:1240W/mK、厚さ方向熱伝導率:4.0W/mK、密度:0.9g/cm3
(D−9)厚さ:2.4μm、フィルム面方向熱伝導率:1210W/mK、厚さ方向熱伝導率:3.8W/mK、密度:0.75g/cm3
The thickness, thermal conductivity, and density of the obtained graphite film are shown below.
(D-5) Thickness: 1.0 μm, film surface direction thermal conductivity: 1380 W / mK, thickness direction thermal conductivity: 4.6 W / mK, density: 1.8 g / cm 3
(D-6) Thickness: 1.2 μm, film surface direction thermal conductivity: 1320 W / mK, thickness direction thermal conductivity: 4.3 W / mK, density: 1.5 g / cm 3
(D-7) Thickness: 1.5 μm, film surface direction thermal conductivity: 1300 W / mK, thickness direction thermal conductivity: 4.2 W / mK, density: 1.2 g / cm 3
(D-8) Thickness: 2.0 μm, film surface direction thermal conductivity: 1240 W / mK, thickness direction thermal conductivity: 4.0 W / mK, density: 0.9 g / cm 3
(D-9) Thickness: 2.4 μm, film surface direction thermal conductivity: 1210 W / mK, thickness direction thermal conductivity: 3.8 W / mK, density: 0.75 g / cm 3
密度(発泡の程度)を変えて作製した上記5種類のグラファイトフィルム(D−5)〜(D−9)を用いて層間の熱抵抗を実施例1〜7と同様の方法で測定した。実験結果を表3に、グラファイトフィルム(D)の結果と共に示す。密度が0.9g/cm3であるグラファイトフィルム(D−8)および0.75g/cm3であるグラファイトフィルム(D−9)では、その圧力の大きさにかかわらず熱抵抗を0.5K・cm2/W以下にする事はできなかった。この結果からグラファイトフィルムの密度としては1.2〜2.26g/cm3が好ましい事が分かった。ただし、グラファイトフィルム(D−8)および(D−9)に関しても層間の熱抵抗は従来の高性能TIMに近い値であり、さらに耐熱性、耐久性では圧倒的に優れているため、これらも非常に有用なTIMであることに変わりはない。 The thermal resistance between layers was measured by the same method as in Examples 1 to 7 using the above five types of graphite films (D-5) to (D-9) produced by changing the density (degree of foaming). The experimental results are shown in Table 3 together with the results of the graphite film (D). In graphite film density of graphite film (D-8) and 0.75 g / cm 3 is 0.9g / cm 3 (D-9 ), 0.5K · heat resistance regardless of the size of the pressure It was not possible to make it below cm 2 / W. From this result, it was found that the density of the graphite film is preferably 1.2 to 2.26 g / cm 3 . However, with regard to the graphite films (D-8) and (D-9), the thermal resistance between the layers is a value close to that of the conventional high-performance TIM, and the heat resistance and durability are overwhelmingly superior. It remains a very useful TIM.
[実施例17〜19]
グラファイトフィルム(D−6)を市販のキャノーラ油(発煙点204℃)に浸漬し、その後吸油性の紙の上に置きキャノーラ油を吸収させて、それぞれキャノーラ油の含浸量の異なるグラファイトフィルムを作製した。含浸量は重量測定により行った。これらを用いて層間の熱抵抗を実施例1〜7と同様の方法で測定した。実験結果を表4に示す。2〜57重量%の量のオイルが含浸された場合には、キャノーラ油含浸のない場合の熱抵抗に比べて層間の熱抵抗を低下させることができ、特に圧力の小さい場合にはその効果は顕著であった。これは密度が1.5g/cm3であるグラファイトフィルム(D−6)内の空隙に空気よりも熱伝導率の大きいキャノーラ油が挿入されたこと、およびグラファイトフィルム表面のキャノーラ油が界面の空気層を減らして界面の熱抵抗を小さくした効果であると考えられる。
[Examples 17 to 19]
The graphite film (D-6) is immersed in a commercially available canola oil (smoke point 204 ° C.) and then placed on an oil-absorbing paper to absorb the canola oil, thereby producing graphite films having different canola oil impregnation amounts. did. The amount of impregnation was measured by weight measurement. Using these, the thermal resistance between the layers was measured in the same manner as in Examples 1-7. The experimental results are shown in Table 4. When the oil is impregnated in an amount of 2 to 57% by weight, the thermal resistance between the layers can be reduced as compared with the thermal resistance without impregnation with the canola oil. It was remarkable. This is because the canola oil having a thermal conductivity higher than that of air was inserted into the voids in the graphite film (D-6) having a density of 1.5 g / cm 3 , and that the canola oil on the surface of the graphite film was interface air. This is considered to be the effect of reducing the thermal resistance at the interface by reducing the number of layers.
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