JP6108389B2 - Interlayer thermal connection member and interlayer thermal connection method - Google Patents
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Description
本発明は発熱源の熱を速やかに冷却・放熱部材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 member.
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るべき大きな課題となっている。 In recent years, heat generation in electronic devices such as mobile phones, personal computers, PDAs, game machines, and LED lighting has been solved in the electronics field due to an increase in the amount of heat generated due to high-speed microprocessors and high-performance LED chips. It has become a big challenge.
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ィンが、熱放射を利用するものとしてはセラミック板などが、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、発熱部の熱を回路基板や冷却フィン、ヒートシンク、熱拡散シート、あるいはセラミックなどの放熱・冷却の役割をもつ部材に効率よく伝達する必要があり、そのためには層間の熱抵抗の低減が重要となる。 There are methods using heat conduction, heat radiation, and heat convection for heat dissipation and cooling, heat sinks and air cooling fins as cooling methods using heat convection, ceramic plates etc. as those using heat radiation, Examples of those utilizing thermal conduction include various thermal conduction (diffusion) sheets, thermal conductive resins, and the like. In order to effectively dissipate and cool the heat of the heat source, it is necessary to efficiently transfer the heat of the heat generating part to a circuit board, cooling fin, heat sink, heat diffusion sheet, or a member having a heat radiation / cooling role such as ceramic. For this purpose, it is important to reduce the thermal resistance between the layers.
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)の部材を単に接続しても、その表面の凹凸のために基本的に点接触となり、さらに層間には熱伝導性の低い空気層(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)はこの様な層間の熱抵抗を下げるために用いられ、上記部材間に挟持して使用される。この場合、TIM自体が高熱伝導性であることと、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(すなわち面接触とする)ことが必要で、通常TIMには柔軟性が求められる。 As shown in FIG. 1, even if members of solids (metals or metals and ceramics) are simply connected, they are basically in point contact due to the unevenness of the surface, and the thermal conductivity is low between the layers. Since there is an air layer (thermal conductivity: 0.02 W / mK), 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 the members. In this case, it is an important requirement that the TIM itself has 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, to make surface contact), and usually TIM requires flexibility.
従来、TIMとしては、界面を面接触とするための柔軟性高分子材料と、高熱伝導性にするための高熱伝導性無機フィラーを複合したものが用いられて来た(以下、高分子/無機フィラー複合体と略す)。図2にその層間の接続状態を示す。高分子/無機フィラー複合体によって界面は面接触となり、また層間から空気層が除かれるため、結果的に層間の熱抵抗が低減できる。しかしながら、高熱伝導性とする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/無機フィラー複合体の通常品で1〜2W/mK、高熱伝導品でも5W/mK程度の熱伝導率のものしか商品化されていないのが現状である。また、高分子/無機フィラー複合体の厚さは0.5〜5mm程度である。 Conventionally, as TIM, a composite of a flexible polymer material for bringing the interface into surface contact and a high thermal conductive inorganic filler for achieving high thermal conductivity has been used (hereinafter referred to as polymer / inorganic). Abbreviated filler composite). FIG. 2 shows a connection state between the layers. The interface is in surface contact with the polymer / inorganic filler composite, and the air layer is removed from the interlayer. As a result, the thermal resistance between the layers can be reduced. However, when the amount of the high thermal conductive inorganic filler added is increased in order to achieve high thermal conductivity, there is a problem that flexibility is impaired and thermal resistance at the interface increases. Therefore, at present, only a polymer / inorganic filler composite having a thermal conductivity of about 1 to 2 W / mK and a high thermal conductivity product having a thermal conductivity of about 5 W / mK has been commercialized. The thickness of the polymer / inorganic filler composite is about 0.5 to 5 mm.
固体のTIMは、界面を完全な面接触とすることは難しいため、界面の熱抵抗の大きさが問題となる。従って、TIMの実用的特性は、TIM自体の熱伝導率ではなく、層間の熱抵抗特性で評価する必要がある。熱抵抗値(単位K・cm2/W)は、層間に1W/cm2の熱流速がある場合に、層間にどれだけの温度差が生じるかを意味する。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、高分子/無機フィラー複合体の場合、その値は0.4〜3.0K・cm2/W程度であることが多い。なお、この熱抵抗値は特性測定時に印加する圧力の値によっても変わるので、その熱抵抗値を表示するには測定時の圧力の値を併記する必要がある。 Since it is difficult for a solid TIM to make the interface completely in surface contact, the magnitude of the thermal resistance at the interface is a problem. Therefore, it is necessary to evaluate the practical characteristics of the TIM not by the thermal conductivity of the TIM itself but by the thermal resistance characteristics between the layers. The thermal resistance value (unit: K · cm 2 / W) means how much temperature difference occurs between the layers when there is a heat flow rate of 1 W / cm 2 between the layers. The thermal resistance value between the layers is the sum of the thermal resistance of the TIM itself and the thermal resistance at the interface. In the case of a polymer / inorganic filler composite, the value is about 0.4 to 3.0 K · cm 2 / W. There are often. Since this thermal resistance value also varies depending on the value of pressure applied during characteristic measurement, it is necessary to write the pressure value during measurement in order to display the thermal resistance value.
また、高分子/無機フィラー複合体の場合に、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あり、シリコーン樹脂の場合には耐熱特性はやや改善されるものの、高温加熱によって発生するシリコーンモノマーが電子機器回路の接点不良を起こすという問題があった。 In the case of a polymer / inorganic filler composite, the polymer material that is a matrix resin for softening 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, although the heat resistance characteristics are slightly improved, there is a problem that a silicone monomer generated by high temperature heating causes a contact failure of an electronic device circuit.
一方、TIM用途ではないが、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しめている。 On the other hand, a graphite film as a thermal diffusion film is known, although it is not used for TIM. Because of its excellent heat resistance, chemical resistance, high thermal conductivity, and high electrical conductivity, graphite is used in a wide range of fields such as energy, space, and medicine as structural materials, reinforcing materials, sliding materials, conductive materials, etc. It has an important position as an industrial material.
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(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の面間結合は弱いVan der Walls力によっており、面間隔は3.354A゜である。
グラファイトにおける電気伝導度や熱伝導率はこの様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度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)。
The basic structure of graphite crystal is a layered structure in which the basal planes of carbon atoms connected in a hexagonal network are regularly stacked (the stacking direction is called the c-axis direction, and the carbon atoms connected in a hexagonal network are formed The direction in which the basal plane spreads is referred to as the ab plane direction). The carbon atoms in the basal plane are strongly bonded by a covalent bond, while the stacked basal plane interplane bond is due to a weak Van der Walls force, and the plane spacing is 3.354 A °.
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 in the past 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)。また、特許文献1、2および非特許文献5には、ポリイミド、ポリアミドやポリベンズイミダゾールのフィルムを1000〜2500℃で炭素化する方法で作製したフィルムが開示されている。これらの方法で作製されたフィルムは、図3に示すように、グラファイト結晶のc軸がフィルム面に対して垂直になるように配向(a−b面がフィルム面に平行になるように配向)したフィルムである。 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). Patent Documents 1 and 2 and Non-Patent Document 5 disclose films prepared by carbonizing polyimide, polyamide and polybenzimidazole films at 1000 to 2500 ° C. As shown in FIG. 3, the film produced by these methods is oriented so that the c-axis of the graphite crystal is perpendicular to the film plane (orientated so that the ab plane is parallel to the film plane). Film.
この様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拡散シートとして広く使用されている(例えば、特許文献3〜5)。熱拡散シートは、CPUやLEDなどの発熱源の熱を広範囲に広げることによる冷却、放熱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様な目的に用いられるのは、先に記載した様にその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問題が発生した場合の熱拡散材料として最適であるためである。これらのグラファイト製の熱拡散シートにおいては、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6〜8)。 High thermal conductivity graphite films obtained by such a method are widely used as thermal diffusion sheets (for example, Patent Documents 3 to 5). The thermal diffusion sheet is used for the purpose of improving cooling and heat dissipation efficiency by spreading the heat of a heat source such as a CPU or LED over a wide range. The graphite sheet is used for such a purpose as described above. The thermal conductivity in the ab plane direction is very large as described above, and the heat generated when a thermal problem occurs in a small electronic device such as a cellular phone. This is because it is optimal as a diffusion material. These graphite thermal diffusion sheets are usually often combined with various polymer films and metals in order to impart adhesion, improve mechanical strength, or impart insulation (patents). References 6-8).
しかしながら、この様なグラファイトの熱伝導(拡散)シートとしての応用は、TIM用途とは全く異なるものであり、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、グラファイトフィルムの厚さ方向の熱伝導は、グラファイト結晶のc軸がフィルム面に対して垂直になるように配向しているため、せいぜい5W/mK程度であり、また、グラファイトは固体であるために界面は完全な面接触とはならず界面での熱抵抗が大きくなるためである。 However, the application of such graphite as a heat conduction (diffusion) sheet is completely different from the TIM application, and at present, a graphite TIM has not been put into practical use. The reason is that the heat conduction in the thickness direction of the graphite film is at most about 5 W / mK because the c-axis of the graphite crystal is oriented perpendicular to the film surface, and the graphite is solid. For this reason, the interface is not in perfect surface contact, and the thermal resistance at the interface increases.
その対策として、グラファイトのフィルム面と直角方向に高熱伝導性のグラファイト結晶のa−b面を配向させ、そのようにしたグラファイトをTIMとして使用することが考えられる。この様な配向が実現できれば、原理的にはグラファイト結晶のa−b面方向の高熱伝導性(1800W/mK)を層間熱接続に用いることが可能となる(特許文献9〜11)。しかしながら、この方法は、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することによって、グラファイト結晶のc軸がフィルム面に平行(a−b面がフィルム面に垂直)になるように加工したものであり、大面積化や、1mm以下の薄さにすることも不可能であり、事実上ブロック状あるいは板状とは言えてもフィルムとは言えないものが得られる。従って、とうてい実用的な方法であるとは言えない。 As a countermeasure, it is conceivable that the ab plane of the highly thermal conductive graphite crystal is oriented in a direction perpendicular to the graphite film plane, and such graphite is used as the TIM. If such an orientation can be realized, in principle, high thermal conductivity (1800 W / mK) in the ab plane direction of the graphite crystal can be used for interlayer thermal connection (Patent Documents 9 to 11). However, this method is such that the c-axis of the graphite crystal is parallel to the film surface (the ab surface is perpendicular to the film surface) by mechanically cutting laminated or cylindrical graphite blocks. Therefore, it is impossible to increase the area or reduce the thickness to 1 mm or less, and it is possible to obtain a film that is practically a block shape or a plate shape but cannot be regarded as a film. Therefore, it cannot be said that it is a practical method.
また、グラファイトフィルムと界面の熱抵抗を低下させる方法として、グラファイトフィルム内に空気層を挿入する(すなわち密度を小さくする)ことで柔軟性を向上させたグラファイトを圧縮して使用し、界面の接続を面接続に近づけ、界面の熱抵抗を下げる方法が報告されている(特許文献12)。しかしながら、その様な処理を施したグラファイトフィルムを用いても完全な面接続は実現できず、さらにグラファイトフィルム内に挿入された空気層により、グラファイトフィルム自体の熱抵抗が高くなるという問題がある。 In addition, as a method of reducing the thermal resistance between the graphite film and the interface, the graphite film, which has been improved in flexibility by inserting an air layer into the graphite film (that is, reducing the density), is compressed and used to connect the interface. A method for reducing the thermal resistance of the interface by bringing the surface closer to surface connection has been reported (Patent Document 12). However, even if a graphite film subjected to such treatment is used, complete surface connection cannot be realized, and further, there is a problem that the thermal resistance of the graphite film itself is increased by an air layer inserted into the graphite film.
本発明は、従来の高分子/無機フィラー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 filler composites and to provide a high-performance, high heat-resistant graphite TIM.
本発明者らは鋭意検討の結果、グラファイト結晶のa−b面がフィルム面に垂直に配向したグラファイトフィルムが、従来の高分子/無機フィラー複合体をはるかに凌駕する層間熱接続特性を有すること、また、この層間熱接続部材を高分子焼成法によって作製することができることを見出し、本発明を完成した。 As a result of intensive studies, the present inventors have found that a graphite film in which the ab surface of the graphite crystal is oriented perpendicularly to the film surface has interlayer heat connection characteristics far exceeding that of the conventional polymer / inorganic filler composite. In addition, the inventors have found that this interlayer thermal connection member can be produced by a polymer firing method, and have completed the present invention.
すなわち、本発明は、フィルム内で炭素原子がグラファイト結晶を形成しており、該グラファイト結晶のa−b面とフィルム面が成す角度が45°〜90°であることを特徴とする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 provides a graphite film characterized in that carbon atoms form a graphite crystal in the film, and the angle formed between the ab plane of the graphite crystal and the film plane is 45 ° to 90 °. It has an interlayer thermal connection member.
グラファイトフィルムが、フィルム面に垂直な方向の熱伝導率がフィルム面に平行な方向の熱伝導率よりも大きいことが好ましい。 The graphite film preferably has a thermal conductivity in a direction perpendicular to the film surface that is greater than a thermal conductivity in a direction parallel to the film surface.
グラファイトフィルムが、厚さ10μm以下であることが好ましい。 The graphite film is preferably 10 μm or less in thickness.
グラファイトフィルムが、厚さ5μm以下の高分子フィルムの熱処理によって作製されたものであることが好ましい。 The graphite film is preferably prepared by heat treatment of a polymer film having a thickness of 5 μm or less.
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.
上記熱処理が不活性ガス雰囲気中または真空中で行われ、且つその処理温度が800℃〜3200℃であることが好ましい。 The heat treatment is preferably performed in an inert gas atmosphere or in a vacuum, and the treatment temperature is preferably 800 ° C to 3200 ° C.
上記縮合系芳香族高分子が、ポリアミド、ポリアゾメチン、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, polyazomethine, polyimide, polyquinoxaline, polyoxadiazole, polybenzimidazole, polybenzoxazole, polybenzthiazole, polyquinazolinedione, polybenzoxazinone, polyquinazolone, benzimidazolobenzo It is preferably at least one selected from phenanthroline ladder polymers and derivatives thereof.
上記高分子フィルムが、縮合系芳香族高分子の溶液を基板上に塗布後、縮合系芳香族高分子を貧溶媒に接触させることにより得られた凝固物を乾燥することにより形成されたものであることが好ましい。 The polymer film is formed by applying a solution of a condensed aromatic polymer on a substrate and then drying a coagulated product obtained by bringing the condensed aromatic polymer into contact with a poor solvent. Preferably there is.
層間熱接続部材が、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。 It is preferable that the interlayer heat connection member includes a fluid substance having fluidity at room temperature or higher.
上記流動性物質をグラファイトフィルムの重量に対して1〜200重量%含むことが好ましい。 It is preferable to contain 1 to 200% by weight of the fluid substance 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.
本発明はまた、縮合系芳香族高分子の溶液を基板上に塗布する工程、
前記縮合系芳香族高分子を貧溶媒に接触させる工程、
生成した凝固物を乾燥して高分子フィルムを形成する工程、および、
前記高分子フィルムを熱処理してグラファイトフィルムを形成する工程
を含む層間熱接続部材の製造方法に関する。
The present invention also includes a step of applying a condensed aromatic polymer solution on a substrate,
Contacting the condensed aromatic polymer with a poor solvent;
Drying the produced coagulum to form a polymer film, and
The present invention relates to a method for producing an interlayer thermal connection member including a step of heat-treating the polymer film to form a graphite film.
本発明はまた、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、グラファイト結晶のa−b面の高熱伝導特性を層間熱接続に利用し、しかも柔軟性に非常に優れた、高性能層間熱接続部材を得ることが出来る。さらに、耐久性・耐熱性に優れる層間熱接続部材を実現することができる。 According to the present invention, it is possible to obtain a high-performance interlayer thermal connection member that uses the high thermal conductivity characteristics of the ab plane of the graphite crystal for interlayer thermal connection and is very excellent in flexibility. Furthermore, an interlayer heat connection member having excellent durability and heat resistance can be realized.
本発明の層間熱接続部材は、フィルム内で炭素原子がグラファイト結晶を形成しており、該グラファイト結晶のa−b面とフィルム面が成す角度が45°〜90°であることを特徴とするグラファイトフィルムを有する。
このグラファイト結晶の配向は、従来のグラファイト結晶のa−b面がグラファイトフィルム面に平行となっている配向とは全く異なるものである。
The interlayer thermal connection member of the present invention is characterized in that carbon atoms form a graphite crystal in the film, and the angle formed by the ab plane of the graphite crystal and the film surface is 45 ° to 90 °. Has a graphite film.
The orientation of the graphite crystal is completely different from the orientation in which the ab plane of the conventional graphite crystal is parallel to the graphite film surface.
先に述べた様に、従来の高分子焼成法によって得られるグラファイトフィルムは、グラファイト結晶のa−b面がフィルム面に対して平行(図3)またはランダムに配向しており、フィルム面に対して平行に配向させることは不可能であった。 As described above, in the graphite film obtained by the conventional polymer baking method, the ab plane of the graphite crystal is parallel (FIG. 3) or randomly oriented with respect to the film plane. It was impossible to align them in parallel.
高分子の熱分解によって生じる炭素六角網面は、高温の熱処理過程において互いに積層され、炭素六角網面積層体を形成する。この炭素六角網面積層体は積層間隔を縮めると同時に、隣り合う網面が互いに面方向にずれることによって、三次元規則性をもったグラファイト結晶へと成長する。炭素六角網面積層体がグラファイト結晶へ成長するとき、炭素六角網面積層体は面方向に伸長し、積層方向に収縮する。グラファイトフィルム内部におけるこのような変形は、グラファイトフィルムの外周によって拘束されるため、炭素六角網面積層体には面方向に2軸の圧縮応力が、積層方向に1軸の引張応力がそれぞれ生じる。炭素六角網面積層体の弾性率は積層方向に比べて面方向の値が圧倒的に大きいため、圧縮応力は引張応力に比べて圧倒的に大きな値となるが、そのため炭素六角網面が積層してグラファイト結晶へ成長するとき、この圧縮応力が小さくなる方向に炭素六角網面は配向すると考えられる。 The carbon hexagonal mesh surfaces generated by the thermal decomposition of the polymer are laminated with each other in a high temperature heat treatment process to form a carbon hexagonal mesh area layer body. The carbon hexagonal network area layer body grows into a graphite crystal having three-dimensional regularity by reducing the stacking interval and simultaneously shifting adjacent network surfaces in the plane direction. When the carbon hexagonal network area layer grows into a graphite crystal, the carbon hexagonal network area layer extends in the plane direction and contracts in the stacking direction. Since such deformation inside the graphite film is constrained by the outer periphery of the graphite film, a biaxial compressive stress is generated in the plane direction and a uniaxial tensile stress is generated in the laminating direction in the carbon hexagonal net layer. Since the elastic modulus of the carbon hexagonal mesh area layer has an overwhelmingly larger value in the plane direction than the laminating direction, the compressive stress is overwhelmingly larger than the tensile stress. Thus, it is considered that the carbon hexagonal network plane is oriented in the direction in which the compressive stress is reduced when growing into a graphite crystal.
例えば高分子溶液を基板上に平面状に展開し、溶媒を蒸発・除去して作製した高分子フィルムのように、フィルム中において平面状の高分子鎖がフィルム面と平行に配向している場合には、熱分解によって生じる炭素六角網面もフィルム面に対して平行に配向する。フィルム面に対して平行に配向している炭素六角網面を回転し、フィルム面に対して垂直にするには大きな内部応力の発生をともなうため、通常はこのようなことは生じない。したがって、このフィルムをさらに高温で熱処理しグラファイト結晶を成長させたときも、グラファイトフィルム中の炭素六角網面はフィルム面に対して平行のままであり、グラファイト結晶のc軸はフィルム面に対して垂直になるように配向する。すなわち、平均的なa−b面とフィルム面の成す角度は0°となる。 For example, when a polymer solution is spread on a substrate in a planar shape, and the polymer chains are oriented parallel to the film surface in the film, such as a polymer film prepared by evaporating and removing the solvent. In addition, the carbon hexagonal mesh surface generated by thermal decomposition is also oriented parallel to the film surface. Usually, such a phenomenon does not occur because rotation of the carbon hexagonal mesh plane oriented parallel to the film surface causes a large internal stress to occur perpendicular to the film surface. Therefore, even when this film is further heat-treated at a high temperature to grow a graphite crystal, the carbon hexagonal network surface in the graphite film remains parallel to the film surface, and the c-axis of the graphite crystal is relative to the film surface. Orient to be vertical. That is, the angle formed by the average ab plane and the film plane is 0 °.
また、グラファイト結晶のc軸がフィルム面に対してランダムに配向している場合は、グラファイト結晶のa−b面とフィルム面のなす角度は平均して45°未満となり、45°以上となることはない。これは、グラファイト結晶のa−b面は全体としてはフィルム面に平行に配向する性質があるため、ランダム配向とは言っても完全にランダムではなく、その平均的なa−b面とフィルム面の成す角度は0°より大きく45°未満の範囲になり、45°以上となることは無いからである。 When the c-axis of the graphite crystal is randomly oriented with respect to the film surface, the angle formed by the ab surface of the graphite crystal and the film surface is less than 45 ° on average and 45 ° or more. There is no. This is because the ab plane of the graphite crystal as a whole has the property of being oriented parallel to the film plane, so even though random orientation is not completely random, the average ab plane and film plane This is because the angle formed by is in the range of greater than 0 ° and less than 45 ° and never greater than 45 °.
本明細書では、温度差が生じうる部材と部材の間を層間と定義する。 In this specification, a member between members that can cause a temperature difference is defined as an interlayer.
また、一方の部材から他の部材への熱伝達を行うための部材を層間熱接続部材(TIM)と定義する。
TIMと部材との接続界面を界面と定義する。
Further, a member for performing heat transfer from one member to another member is defined as an interlayer thermal connection member (TIM).
A connection interface between the TIM and the member is defined as an interface.
また、単体で平板状の形状であって、長さをl、幅をw、厚さをtとした時、l/t≧1000、およびw/t≧1000であり、かつt≦250μmのものをフィルムと定義する。図4に本明細書におけるフィルムの定義を示す。2辺の長さがlおよびwである2つの面をフィルム面と定義する。また、2辺の長さがtおよびlである2つの面、ならびに、tおよびwである2つの面をエッジ面と定義する。 Also, it is a single flat plate shape, where l / t ≧ 1000 and w / t ≧ 1000 and t ≦ 250 μm, where l is length, width is w, and thickness is t Is defined as film. FIG. 4 shows the definition of the film in this specification. Two surfaces whose lengths are 1 and w are defined as film surfaces. In addition, two surfaces whose lengths of two sides are t and l and two surfaces whose lengths are t and w are defined as edge surfaces.
また、透過型電子顕微鏡(TEM)測定において観察されるグラファイト結晶のa−b面とフィルム面が成す角度が平均して45°〜90°の範囲内である状態を、グラファイト結晶のa−b面とフィルム面が成す角度が45°〜90°であると定義する。
なお、グラファイト結晶のa−b面とフィルム面が成す角度は、たとえば透過型電子顕微鏡(TEM)や、X線回折などの方法によって、測定することができる。
Further, the state in which the angle formed between the ab plane of the graphite crystal and the film plane observed in the transmission electron microscope (TEM) measurement is within the range of 45 ° to 90 ° on average is the ab of the graphite crystal. The angle formed by the surface and the film surface is defined to be 45 ° to 90 °.
The angle formed between the ab plane of the graphite crystal and the film plane can be measured by a method such as a transmission electron microscope (TEM) or X-ray diffraction.
(グラファイトフィルム)
グラファイトフィルム内において、グラファイト結晶のa−b面とフィルム面が成す角度は、45°〜90°であり、50°〜90°であることが好ましく、60°〜90°であることがより好ましい。
(Graphite film)
In the graphite film, the angle formed by the ab plane of the graphite crystal and the film plane is 45 ° to 90 °, preferably 50 ° to 90 °, and more preferably 60 ° to 90 °. .
図6は本発明のグラファイトフィルムTIMを用いた層間接続状態の概念図である。グラファイトフィルム中の縦方向の線はグラファイト結晶のa−b面を示している。 FIG. 6 is a conceptual diagram of an interlayer connection state using the graphite film TIM of the present invention. The vertical line in the graphite film indicates the ab plane of the graphite crystal.
グラファイトフィルムの厚さは250μm以下であり、10μm以下であることが好ましく、5μm以下であることがより好ましく、3μm以下であることが最も好ましい。また、10nm以上であることが好ましく、20nm以上であることがより好ましく、50nm以上であることが最も好ましい。厚さが250μmを超えると、グラファイト結晶のa−b面がフィルム面に対して垂直になりにくいという問題がある。また、10nm未満であると、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場合がある。 The thickness of the graphite film is 250 μm or less, preferably 10 μm or less, more preferably 5 μm or less, and most preferably 3 μm or less. Further, it is preferably 10 nm or more, more preferably 20 nm or more, and most preferably 50 nm or more. When the thickness exceeds 250 μm, there is a problem that the ab plane of the graphite crystal is difficult to be perpendicular to the film plane. On the other hand, if it is less than 10 nm, the thermal resistance of the film itself becomes small, but it may be extremely difficult to handle as a self-supporting film.
グラファイトフィルムの面積は、0.25cm2以上であることが好ましく、1cm2以上であることがより好ましい。また、40000cm2以下であることが好ましく、10000cm2以下であることがより好ましい。0.25cm2未満であると、小さすぎて使用範囲が限定されるおそれがあり、40000cm2より大きいと、均一な厚みの黒鉛フィルムを製造するのが困難になるおそれがある。 Area of the graphite film is preferably at 0.25 cm 2 or more, and more preferably 1 cm 2 or more. Further, it is preferably 40000Cm 2 or less, more preferably 10000 cm 2 or less. If it is less than 0.25 cm 2 , the range of use may be limited, and if it is greater than 40000 cm 2 , it may be difficult to produce a graphite film having a uniform thickness.
また、グラファイト結晶のa−b面がフィルム面に垂直に配向している場合には、フィルム面に垂直な方向の熱伝導率はフィルム面方向の熱伝導率よりも大きくなる。実際に本発明によれば、例えばそのフィルム面に垂直方向の熱伝導率が50W/mK以上の高熱伝度率であって、フィルム面方向の熱伝導率よりも大きいグラファイトフィルムを作製することが出来る。ちなみに、このフィルム面に垂直な方向の熱伝導率は、グラファイト結晶のc軸方向、すなわちフィルム面方向の熱伝導率(5W/mK)の10倍である。 Further, when the ab plane of the graphite crystal is oriented perpendicular to the film plane, the thermal conductivity in the direction perpendicular to the film plane is greater than the thermal conductivity in the film plane direction. Actually, according to the present invention, for example, it is possible to produce a graphite film having a high thermal conductivity of 50 W / mK or more in the direction perpendicular to the film surface and larger than the heat conductivity in the film surface direction. I can do it. Incidentally, the thermal conductivity in the direction perpendicular to the film surface is 10 times the thermal conductivity (5 W / mK) in the c-axis direction of the graphite crystal, that is, in the film surface direction.
従って、フィルム面に垂直な方向の熱伝導率の方がフィルム面方向の熱伝導率よりも大きい場合には、グラファイト結晶のa−b面がフィルム面に垂直に配向したグラファイトフィルムである、と考えることができる。 Therefore, when the thermal conductivity in the direction perpendicular to the film surface is greater than the thermal conductivity in the film surface direction, the ab surface of the graphite crystal is a graphite film oriented perpendicular to the film surface. Can think.
ランダム配向のグラファイトフィルムでは、フィルム面に垂直な方向での50W/mK以上の熱伝導率を達成することが難しいばかりでなく、先に述べたように、グラファイト結晶のa−b面は全体としてはフィルム面に平行に配向する性質があるため、フィルム面に垂直な方向の熱伝導率がフィルム面方向の熱伝導率以上にはならないことは言うまでもない。 In a randomly oriented graphite film, not only is it difficult to achieve a thermal conductivity of 50 W / mK or more in a direction perpendicular to the film surface, but as described above, the ab plane of the graphite crystal as a whole Needless to say, the thermal conductivity in the direction perpendicular to the film surface does not exceed the thermal conductivity in the direction of the film surface.
グラファイトフィルムのフィルム面に垂直な方向の熱伝導率が50W/mK以上であり、フィルム面に平行な方向の熱伝導率の10倍以上であることが好ましい。フィルム面に垂直な方向の熱伝導率が100W/mK以上であり、フィルム面に平行な方向の熱伝導率の20倍以上であることはより好ましい。 The thermal conductivity in the direction perpendicular to the film surface of the graphite film is preferably 50 W / mK or more, and preferably 10 times or more the thermal conductivity in the direction parallel to the film surface. It is more preferable that the thermal conductivity in the direction perpendicular to the film surface is 100 W / mK or more and 20 times or more the thermal conductivity in the direction parallel to the film surface.
前記の熱伝導率とその異方性の条件は、本発明のグラファイトフィルムがTIMとして好ましい柔軟性と圧縮性を兼ね備えるための条件である。フィルム面に垂直な方向の熱伝導率が50W/mK以上であるグラファイトフィルムは、グラファイト結晶が十分に成長し、基本的に柔らかくフィルム厚さ方向に圧縮可能であり、高性能TIMを実現することが出来る。フィルム面に垂直な方向の熱伝導率がフィルム面に平行な方向の熱伝導率の10倍未満であって、フィルム面に垂直な方向の熱伝導率が50W/mK以下である場合、グラファイト結晶の成長が不十分であり、フィルム自体が硬くもろいものとなる傾向がある。 The conditions for the thermal conductivity and the anisotropy are conditions for the graphite film of the present invention to have flexibility and compressibility that are preferable as a TIM. A graphite film with a thermal conductivity in the direction perpendicular to the film surface of 50 W / mK or more must have a sufficiently grown graphite crystal and is basically soft and compressible in the film thickness direction to realize a high-performance TIM. I can do it. When the thermal conductivity in the direction perpendicular to the film surface is less than 10 times the thermal conductivity in the direction parallel to the film surface and the thermal conductivity in the direction perpendicular to the film surface is 50 W / mK or less, graphite crystals Insufficient growth of the film tends to make the film itself hard and brittle.
本発明によれば、原理的にグラファイト単結晶のa−b面方向の熱伝導率がフィルム面に垂直な方向の熱伝導率となり、1800W/mKの高い熱伝導率が実現できると期待される。現実的には1800W/mKの熱伝導率を実現するのは極めて難しいが、先に述べた様に、50W/mK以上の高い熱伝導率を実現することができる。この値は最高品質の高分子/無機フィラー複合体の10倍以上の極めて優れた値である。 According to the present invention, in principle, the thermal conductivity in the ab plane direction of the graphite single crystal becomes the thermal conductivity in the direction perpendicular to the film plane, and it is expected that a high thermal conductivity of 1800 W / mK can be realized. . Actually, it is extremely difficult to realize a thermal conductivity of 1800 W / mK, but as described above, a high thermal conductivity of 50 W / mK or more can be realized. This value is an extremely excellent value that is 10 times or more that of the highest quality polymer / inorganic filler composite.
(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を含むものであることが好ましい。中でも、ポリアミド、ポリアゾメチン、ポリオキサジアゾール、ポリイミド、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、ポリキノキサリン、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。これらの中でも、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その誘導体は、炭素含有率が高く、高収率でグラファイトフィルムが得られることから、特に好ましい。
(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 preferably contains 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, polyamide, polyazomethine, polyoxadiazole, polyimide, polybenzimidazole, polybenzoxazole, polybenzthiazole, polyquinazolinedione, polybenzoxazinone, polyquinazolone, polyquinoxaline, benzimidazobenzophenanthroline ladder polymer, and these It is preferably at least one selected from derivatives. Among these, a benzimidazobenzophenanthroline ladder polymer and derivatives thereof are particularly preferable because they have a high carbon content and a graphite film can be obtained in a high yield.
また、グラファイト結晶のa−b面とフィルム面との成す角度が45°〜90°となるように配向させるために、高分子フィルムの厚みが5μm以下であることがより好ましく、2μm以下であることがさらにより好ましく、1μm以下であることが最も好ましい。 Further, in order to align the angle between the ab plane of the graphite crystal and the film plane to be 45 ° to 90 °, the thickness of the polymer film is more preferably 5 μm or less, and 2 μm or less. Even more preferably, it is most preferably 1 μm or less.
高分子フィルム中において平面状の高分子鎖がランダムに配向している場合には、熱分解によって生じる炭素六角網面の配向もランダムとなる。このフィルムをさらに高温で熱処理しグラファイト結晶を成長させたとき、グラファイト結晶のa−b面がフィルム面に平行に配向する傾向があるため、この場合でも完全にランダムな配向とはならないことは前述の通りである。 When the planar polymer chains are randomly oriented in the polymer film, the orientation of the carbon hexagonal network surface generated by thermal decomposition is also random. When this film is further heat-treated at a high temperature to grow a graphite crystal, the ab surface of the graphite crystal tends to be oriented parallel to the film surface, so that even in this case, the orientation is not completely random. It is as follows.
しかしながら、本発明者らは、平面状の高分子鎖がランダムに配向している高分子フィルムにおいて、とりわけフィルムの厚みが5μm以下の場合に、高温で加熱処理しグラファイト結晶を成長させると、グラファイト結晶のa−b面がフィルム面に垂直に配向することを見出した。これは、フィルム面の面積に対しフィルム厚みが十分に小さくなると、フィルムの厚み方向の変形を拘束する力がフィルム面方向の変形を拘束する力に比べて小さくなるためと考えられる。発生する内部応力を低減するように変形していると考えることもできる。この結果、図5に示す様にグラファイト結晶のa−b面がフィルム面に垂直に配向することができると考えられる。 However, the present inventors have found that, in a polymer film in which planar polymer chains are randomly oriented, particularly when the thickness of the film is 5 μm or less, when a graphite crystal is grown by heating at a high temperature, It has been found that the ab plane of the crystal is oriented perpendicular to the film plane. This is considered to be because when the film thickness is sufficiently small with respect to the area of the film surface, the force for restraining deformation in the thickness direction of the film becomes smaller than the force for restraining deformation in the film surface direction. It can also be considered that it is deformed so as to reduce the generated internal stress. As a result, it is considered that the ab plane of the graphite crystal can be oriented perpendicular to the film plane as shown in FIG.
厚さが5μm以下の高分子フィルムを用いて、本発明のグラファイトフィルムを作製する場合、得られるフィルムの厚さは10μm以下となることが多い。すなわち得られるグラファイトフィルムの厚さは出発高分子フィルムの厚さの2倍以内となる傾向がある。その厚さは出発高分子フィルムの種類や製膜時のグラファイト結晶の配向の乱れ方によって異なる。得られるグラファイトフィルムの面積は出発高分子フィルムの面積に比べて小さくなることが多い。なお、出発高分子フィルムの厚さよりも得られるグラファイトフィルムの厚さが薄くなることもある。 When producing a graphite film of the present invention using a polymer film having a thickness of 5 μm or less, the thickness of the obtained film is often 10 μm or less. That is, the thickness of the resulting graphite film tends to be within twice the thickness of the starting polymer film. The thickness varies depending on the type of the starting polymer film and the disorder of the orientation of the graphite crystal during film formation. The area of the resulting graphite film is often smaller than the area of the starting polymer film. In addition, the thickness of the graphite film obtained may be thinner than the thickness of the starting polymer film.
高分子フィルムは、縮合系芳香族高分子の溶液を基板上に塗布後、縮合系芳香族高分子を貧溶媒に接触させることにより得られた凝固物を乾燥することにより形成されたものであることが好ましい。縮合系芳香族高分子溶液を塗布する基板は、縮合系芳香族高分子溶液と化学反応しないものであれば特に限定されるものではなく、PET基板、PBT基板、ガラス基板、石英基板、SiC基板、Si基板、サファイア基板、ガラス状炭素基板、ダイヤモンド基板など公知の基板を用いることができる。その中でも、PET基板、およびガラス基板は、高分子フィルムを容易に剥離し得ることから好ましい。 The polymer film is formed by drying a coagulated product obtained by contacting a condensed aromatic polymer with a poor solvent after applying a solution of the condensed aromatic polymer on a substrate. It is preferable. The substrate on which the condensed aromatic polymer solution is applied is not particularly limited as long as it does not chemically react with the condensed aromatic polymer solution, and is a PET substrate, PBT substrate, glass substrate, quartz substrate, SiC substrate. A known substrate such as a Si substrate, a sapphire substrate, a glassy carbon substrate, or a diamond substrate can be used. Among these, a PET substrate and a glass substrate are preferable because the polymer film can be easily peeled off.
縮合系芳香族高分子を溶解する溶媒としては特に限定されず、例えばメタンスルホン酸、トリフルオロメタンスルホン酸、N,N−ジメチルホルムアミド等を使用することができる。 The solvent for dissolving the condensed aromatic polymer is not particularly limited, and for example, methanesulfonic acid, trifluoromethanesulfonic acid, N, N-dimethylformamide and the like can be used.
縮合系芳香族高分子溶液を塗布する方法は特に限定されず、バーコート法、ドクターブレード法、スピンコート法、印刷法、インクジェット法、スプレーコート法、ディプコート法など公知の方法を用いることができる。また、蒸着重合法を用いて縮合系芳香族高分子膜を基板上に作成してもよい。 The method for applying the condensed aromatic polymer solution is not particularly limited, and known methods such as a bar coating method, a doctor blade method, a spin coating method, a printing method, an ink jet method, a spray coating method, and a dip coating method can be used. . In addition, a condensed aromatic polymer film may be formed on the substrate by vapor deposition polymerization.
高分子フィルムの分子配向はランダムであることが好ましい。分子配向を乱す手法として、基板上に塗布した縮合系芳香族高分子を貧溶媒に接触させることが好ましい。貧溶媒の種類は特に限定されず、用いる高分子に応じて、蒸留水、メタノール、エタノール、アセトン、THF、およびこれらの混合溶媒などから適宜選択すればよい。接触させる方法は特に限定されず、浸漬、塗布、噴霧、滴下、ディップ等を挙げることができる。 The molecular orientation of the polymer film is preferably random. As a method for disturbing the molecular orientation, it is preferable to bring the condensed aromatic polymer coated on the substrate into contact with a poor solvent. The type of the poor solvent is not particularly limited, and may be appropriately selected from distilled water, methanol, ethanol, acetone, THF, a mixed solvent thereof, and the like according to the polymer to be used. The method for contacting is not particularly limited, and examples thereof include dipping, coating, spraying, dropping, and dipping.
縮合系芳香族高分子を貧溶媒に接触させて基板上に膜状に凝固させた後、凝固物を乾燥して高分子フィルムを形成する。高分子フィルムを乾燥する方法は、高分子フィルムを化学的・物理的に変化させない方法であれば特に限定されるものではなく、公知の乾燥方法を用いることができる。その中でも、減圧乾燥、真空乾燥、凍結乾燥が特に好ましい。 The condensed aromatic polymer is brought into contact with a poor solvent and solidified into a film on the substrate, and then the solidified product is dried to form a polymer film. The method for drying the polymer film is not particularly limited as long as the method does not change the polymer film chemically and physically, and a known drying method can be used. Among these, vacuum drying, vacuum drying, and freeze drying are particularly preferable.
その後、高分子フィルムを基板から剥離することが好ましい。剥離する方法は特に限定されず、基板を薬品や溶媒によって除去してもよい。また、例えば、水や有機溶媒に可溶な高分子の溶液を基板上の縮合系芳香族高分子上に塗布・乾燥して積層膜を形成した後に該積層膜を基板から剥離し、しかる後に水や有機溶媒に可溶な高分子を溶媒により除去する方法も挙げることができる。水や有機溶媒に可溶な高分子としては特に制限はないが、例えば、ポリビニルブチラール、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコール、ポリメタクリル酸メチルなどの高分子を好ましく用いることが出来る。有機溶媒は、高分子を溶解し、縮合系芳香族高分子フィルムを溶解しない有機溶媒であれば特に限定されるものではない。 Thereafter, it is preferable to peel the polymer film from the substrate. The method of peeling is not particularly limited, and the substrate may be removed with a chemical or a solvent. In addition, for example, a solution of a polymer soluble in water or an organic solvent is applied to a condensed aromatic polymer on a substrate and dried to form a laminated film, and then the laminated film is peeled off from the substrate. A method of removing a polymer soluble in water or an organic solvent with a solvent can also be mentioned. The polymer that is soluble in water or an organic solvent is not particularly limited. For example, polymers such as polyvinyl butyral, polyvinyl pyrrolidone, polyvinyl alcohol, and polymethyl methacrylate can be preferably used. The organic solvent is not particularly limited as long as the organic solvent dissolves the polymer and does not dissolve the condensed aromatic polymer film.
一例として、前記水や有機溶媒に可溶な高分子としてポリメタクリル酸メチルを用いた場合について詳しくのべる。ポリメタクリル酸メチルを溶媒に溶解してなる溶液を、縮合系芳香族高分子フィルムの上に塗布後、乾燥して縮合系芳香族高分子とポリメタクリル酸メチルの積層膜を基板上に形成する。前記積層膜を基板から剥離した後、ポリメタクリル酸メチルを有機溶媒により溶解除去後、乾燥し、縮合系芳香族高分子フィルムを作製する。有機溶媒は特に限定されないが、アセトン、テトラヒドロフラン、または、N,N−ジメチルホルムアミドを用いることが好ましい。 As an example, the case where polymethyl methacrylate is used as a polymer soluble in water or an organic solvent will be described in detail. A solution prepared by dissolving polymethyl methacrylate in a solvent is applied onto a condensation aromatic polymer film, and then dried to form a laminated film of the condensation aromatic polymer and polymethyl methacrylate on the substrate. . After peeling off the laminated film from the substrate, polymethyl methacrylate is dissolved and removed with an organic solvent and dried to prepare a condensed aromatic polymer film. The organic solvent is not particularly limited, but acetone, tetrahydrofuran, or N, N-dimethylformamide is preferably used.
縮合系芳香族高分子フィルムを熱処理する方法としては、管状電気炉、タンマン炉、マッフル炉、誘導加熱炉などを使用する公知の方法を用いることができ、特に限定されるものではない。また、高分子フィルムを窒素、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガス雰囲気下、あるいは真空下で熱処理することが好ましいが、その方法については特に限定されるものではない。 As a method for heat-treating the condensed aromatic polymer film, a known method using a tubular electric furnace, a Tamman furnace, a muffle furnace, an induction heating furnace or the like can be used, and it is not particularly limited. The polymer film is preferably heat-treated in an inert gas atmosphere such as nitrogen, argon or helium, or in a vacuum, but the method is not particularly limited.
高分子フィルムを熱処理する温度は、グラファイト結晶が生成し得る温度であれば特に限定されるのではないが、800℃以上3200℃以下であることが好ましく、1500℃以上が特に好ましい。800℃未満であるとグラファイト結晶が成長しにくい場合がある。また、3200℃より高いと、グラファイト結晶の成長には好ましいが、熱処理に使用される炉のヒーターの消耗が激しくなるために、経済的な観点から好ましくない。 The temperature for heat-treating the polymer film is not particularly limited as long as it is a temperature at which graphite crystals can be generated, but is preferably 800 ° C. or higher and 3200 ° C. or lower, and particularly preferably 1500 ° C. or higher. If it is less than 800 ° C., the graphite crystal may be difficult to grow. Further, if it is higher than 3200 ° C., it is preferable for the growth of the graphite crystal, but it is not preferable from the economical viewpoint because the consumption of the heater of the furnace used for the heat treatment becomes severe.
縮合系芳香族高分子フィルムを板にはさんで熱処理することが好ましい。この熱処理に用いられる板としては、縮合系芳香族高分子フィルムと化学反応せず、不活性ガス雰囲気中での熱処理に耐え得るものであれば、その材質は特に限定されるものではなく、公知の材質のものを採用することができる。中でも、1500℃以上3200℃以下の温度に耐える基板として、グラッシーカーボン板やグラファイト板が好ましい。 It is preferable to heat-treat the condensed aromatic polymer film between plates. The material used for the heat treatment is not particularly limited as long as it does not chemically react with the condensed aromatic polymer film and can withstand heat treatment in an inert gas atmosphere. The material of the material can be adopted. Among them, a glassy carbon plate or a graphite plate is preferable as a substrate that can withstand temperatures of 1500 ° C. or more and 3200 ° C. or less.
(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オイルなどの流動性物質でぬらすことにより、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。
(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 substance such as oil, the thermal resistance at the interface can be lowered, the thermal resistance between the layers can be reduced, and excellent interlayer thermal connection can be realized.
流動性物質の含有量が、グラファイトフィルムの重量に対して1〜200重量%であることが好ましく、2〜100重量%であることがより好ましく、5〜50重量%であることが最も好ましい。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。200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。 The content of the fluid substance is preferably 1 to 200% by weight, more preferably 2 to 100% by weight, and most preferably 5 to 50% by weight based on the weight of the graphite film. If it is less than 1% by weight, the effect of adding tends to be hardly obtained. When it exceeds 200% 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制限はないが、油状物質(オイル)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。また、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、沸点が200℃以上であることが好ましく、300℃以上であることがより好ましい。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。 The fluid substance is not particularly limited, and examples thereof include an oil substance (oil) and a fluid polymer. As the oily substance, mineral oil, vegetable oil, synthetic oil, essential oil, edible oil, animal oil, and mixtures thereof are preferable. Moreover, 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 of 200 ° C. or higher, more preferably 300 ° C. or higher. As a silicone resin, what has fluidity | liquidity between 20 to 100 degreeC is preferable.
(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.
本発明に係る層間熱接続部材の製造方法は、縮合系芳香族高分子の溶液を基板上に塗布する工程、前記縮合系芳香族高分子を貧溶媒に接触させる工程、生成した凝固物を乾燥して高分子フィルムを形成する工程、および、前記高分子フィルムを熱処理してグラファイトフィルムを形成する工程を含む。
各工程の具体例は前述のとおりである。
The method for producing an interlayer thermal connection member according to the present invention includes a step of applying a condensed aromatic polymer solution on a substrate, a step of bringing the condensed aromatic polymer into contact with a poor solvent, and drying the produced coagulum. Forming a polymer film, and heat-treating the polymer film to form a graphite film.
Specific examples of each process are as described above.
(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。それぞれの部材とグラファイトフィルムとは直接接触している。優れた耐熱性と優れた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することでも良い。機械的に、ビスやネジ、あるいはバネ等を用いてかしめること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 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. Each member and the graphite film are in direct contact. In order to realize excellent heat resistance and excellent thermal connection, it is preferable to connect the layers only with a graphite film without using various adhesive layers. As a method for realizing interlayer thermal connection without using an 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)などの熱伝導性に優れた金属材料、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、各種高分子材料、またはこれらを組合せた部材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: A ceramic material such as 88 to 128 W / mK (depending on the crystal system), various polymer materials, or a member in which these are combined can be used.
以下、本発明を実施例によって詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例の記載に何ら制約されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention in detail, this invention is not restrict | limited at all to description of these Examples.
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と、グラファイトフィルムの密度および比熱の値を用いて熱伝導率を算出した。
The physical properties of the graphite film were measured by the following methods.
<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). The thermal conductivity was calculated using the measured thermal diffusivity and the density and specific heat values of the graphite film.
<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]
1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボン酸(1mol)と1,2,4,5−ベンゼンテトラアミン四塩酸塩(1mol)とをポリリン酸中において重縮合することによって、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(以下、BBLポリマーと略する)を合成した。BBLポリマー0.25gをメタンスルホン酸(和光純薬工業、製造元コードNo.138−01576)25mlに溶解し、塗工液Aを調製した。同様に、ポリメタクリル酸メチル(以下、PMMAと略する)(アルドリッチ、製造元コードNo.19−3760)1.25gを酢酸エチル(和光純薬工業、製造元コードNo.051−00356)25mlに溶解し、塗工液Bを調製した。
[Example 1]
Benzimidazobenzophenanthroline ladder by polycondensation of 1,4,5,8-naphthalenetetracarboxylic acid (1 mol) and 1,2,4,5-benzenetetraamine tetrahydrochloride (1 mol) in polyphosphoric acid A polymer (hereinafter abbreviated as BBL polymer) was synthesized. 0.25 g of BBL polymer was dissolved in 25 ml of methanesulfonic acid (Wako Pure Chemical Industries, manufacturer code No. 138-01576) to prepare coating solution A. Similarly, 1.25 g of polymethyl methacrylate (hereinafter abbreviated as PMMA) (Aldrich, manufacturer code No. 19-3760) is dissolved in 25 ml of ethyl acetate (Wako Pure Chemical Industries, manufacturer code No. 051-00356). A coating liquid B was prepared.
塗工液Aをガラス基板上にスピンコートし、基板ごと蒸留水中に浸漬してBBLポリマーをガラス基板上に膜状に凝固させ、一晩減圧乾燥することによって、ガラス基板状にBBLポリマー膜を形成した。ガラス基板上に形成されたBBLポリマー膜上に塗工液Bをスピンコート後乾燥することにより、ガラス基板上にBBLポリマーとPMMAからなる2層積層膜を形成した。この2層積層膜をガラス基板から剥離してろ紙上に移し、アセトンを用いてPMMAを溶解・除去し、凍結乾燥することによって、BBLポリマーフィルムを得た。得られたBBLポリマーフィルムの厚さは120nmであった。 The coating liquid A is spin-coated on a glass substrate, the whole substrate is immersed in distilled water, the BBL polymer is solidified on the glass substrate in a film shape, and dried under reduced pressure overnight to form a BBL polymer film on the glass substrate shape. Formed. The coating liquid B was spin-coated on the BBL polymer film formed on the glass substrate and dried to form a two-layer laminated film composed of the BBL polymer and PMMA on the glass substrate. The two-layer laminated film was peeled off from the glass substrate and transferred onto a filter paper, and PMMA was dissolved and removed using acetone and freeze-dried to obtain a BBL polymer film. The thickness of the obtained BBL polymer film was 120 nm.
このBBLポリマーフィルムをグラファイト板にはさみ、窒素雰囲気下1500℃で1時間熱処理し、引き続き、アルゴン雰囲気下2800℃で1時間熱処理し、グラファイトフィルムを得た。得られたフィルムは自立した構造体であり、光透過性を有していた。図7に得られたフィルムの断面を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察した写真を示す。この写真像から求めたフィルムの厚みは100nmであった。 This BBL polymer film was sandwiched between graphite plates and heat-treated at 1500 ° C. for 1 hour under a nitrogen atmosphere, and subsequently heat-treated at 2800 ° C. for 1 hour under an argon atmosphere to obtain a graphite film. The obtained film was a self-supporting structure and had optical transparency. The photograph which observed the cross section of the film obtained in FIG. 7 with the scanning electron microscope (SEM) is shown. The film thickness determined from this photographic image was 100 nm.
得られたフィルムのエッジ面に対して垂直に電子線を入射して透過型電子顕微鏡(TEM)で観察した像を図8に示す。図8において、厚み方向である上下方向に伸びる複数の細長い像がそれぞれグラファイト結晶であり、当該グラファイト結晶の炭素六角網面はフィルム面に垂直に配向していることが見て取れる。このように、このフィルムにおける炭素六角網面は若干の分布はあるものの、観察領域全体にわたってほぼ一様にフィルム面に対して垂直に配向しており、グラファイト結晶のa−b面とフィルム面との成す角度が45°以上であることは明らかである。以上の結果から、グラファイト結晶のa−b面とフィルム面が成す角度が45°〜90°になるように配向していることがわかった。また、このグラファイトフィルムのフィルム面に垂直方向の熱伝度率は200W/mK、フィルム面方向の熱伝導率は20W/mKであった。 FIG. 8 shows an image observed by a transmission electron microscope (TEM) with an electron beam incident perpendicular to the edge surface of the obtained film. In FIG. 8, it can be seen that a plurality of elongated images extending in the vertical direction, which is the thickness direction, are each a graphite crystal, and the carbon hexagonal mesh surface of the graphite crystal is oriented perpendicular to the film surface. Thus, although the carbon hexagonal network surface in this film has a slight distribution, it is oriented almost uniformly perpendicular to the film surface over the entire observation region, and the ab surface and the film surface of the graphite crystal It is clear that the angle formed by is 45 ° or more. From the above results, it was found that the graphite crystal was oriented so that the angle formed by the ab plane and the film plane was 45 ° to 90 °. Further, the thermal conductivity in the direction perpendicular to the film surface of this graphite film was 200 W / mK, and the thermal conductivity in the film surface direction was 20 W / mK.
上記グラファイトフィルムを用いた場合の層間の熱抵抗値は、表1に示すように0.09〜0.18K・cm2/Wであった。一般に使用される高分子/無機フィラー複合体を用いた場合の熱抵抗値は0.4〜3.0K・cm2/W程度であることを考慮すれば、本発明のグラファイトフィルムがTIMとして極めてすぐれていることが分かった。 When the graphite film was used, the thermal resistance value between the layers was 0.09 to 0.18 K · cm 2 / W as shown in Table 1. Considering that the heat resistance value when using a polymer / inorganic filler composite generally used is about 0.4 to 3.0 K · cm 2 / W, the graphite film of the present invention is extremely useful as a TIM. I found it excellent.
[比較例1]
実施例1と同様に合成したBBLポリマー5gを、メタンスルホン酸100mlに溶解し、BBLポリマー溶液を作製した。このBBLポリマー溶液をシャーレに展開し、減圧下で加熱し溶媒を蒸発・除去した。シャーレ底部に形成されたBBLポリマー膜を剥がし、トリエチルアミンのメタノール溶液、メタノールで順次洗浄した後、室温で減圧乾燥することによって、BBLポリマーフィルムを得た。得られたBBLポリマーフィルムの厚みは320nmであった。得られたBBLポリマーフィルムを実施例1と同様にして熱処理し、厚さ120nmのグラファイトフィルムを得た。得られたグラファイトフィルムにおいては、グラファイト結晶のa−b面がフィルム面に平行になるように配向していることが確認された。フィルム面に垂直な方向の熱伝度率は5W/mK、フィルム面方向の熱伝導率は1200W/mKであった。
[Comparative Example 1]
5 g of the BBL polymer synthesized in the same manner as in Example 1 was dissolved in 100 ml of methanesulfonic acid to prepare a BBL polymer solution. This BBL polymer solution was developed in a petri dish and heated under reduced pressure to evaporate and remove the solvent. The BBL polymer film formed on the bottom of the petri dish was peeled off, washed sequentially with a methanol solution of triethylamine and methanol, and then dried under reduced pressure at room temperature to obtain a BBL polymer film. The resulting BBL polymer film had a thickness of 320 nm. The obtained BBL polymer film was heat-treated in the same manner as in Example 1 to obtain a graphite film having a thickness of 120 nm. In the obtained graphite film, it was confirmed that the ab surface of the graphite crystal was oriented so as to be parallel to the film surface. The thermal conductivity in the direction perpendicular to the film surface was 5 W / mK, and the thermal conductivity in the film surface direction was 1200 W / mK.
このグラファイトフィルムを用いた場合の層間の熱抵抗値は、表1に示すように0.14〜0.34K・cm2/Wであり、従来の高分子/無機フィラー複合体を用いた場合と比較すれば優れた熱抵抗特性ではあるものの、実施例1のグラファイトフィルムと比較すると劣ることが分かった。 When this graphite film is used, the thermal resistance value between the layers is 0.14 to 0.34 K · cm 2 / W as shown in Table 1, and when the conventional polymer / inorganic filler composite is used. Although it was excellent in heat resistance characteristics by comparison, it was found to be inferior to the graphite film of Example 1.
[実施例2]
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)から合成したポリアミド酸の18wt%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、さらに、300℃、30秒間加熱した。次に蒸留水中に浸漬してポリマーを膜状に凝固させ、一晩減圧乾燥することによってポリマー膜を形成した。アルミ箔をエッチングにより除去し、自己支持性のあるポリイミドフィルムを得た。ポリイミドフィルムの厚さは300nmであった。
[Example 2]
20 g of acetic anhydride and 10 g of isoquinoline are added to 100 g of an 18 wt% DMF solution of polyamic acid synthesized from pyromellitic dianhydride, 4,4′-diaminodiphenyl ether and p-phenylenediamine (4/3/1 in molar ratio). The hardener consisting of was mixed, stirred, defoamed by centrifugation, and cast onto an aluminum foil. The process from stirring to defoaming was performed while cooling to 0 ° C. This laminate of aluminum foil and polyamic acid solution was heated at 120 ° C. for 150 seconds, and further heated at 300 ° C. for 30 seconds. Next, it was immersed in distilled water to solidify the polymer into a film and dried overnight under reduced pressure to form a polymer film. The aluminum foil was removed by etching to obtain a self-supporting polyimide film. The thickness of the polyimide film was 300 nm.
このポリイミドフィルムをグラファイト板にはさみ、窒素雰囲気下1500℃で1時間熱処理し、続いてアルゴン雰囲気下において2800℃で1時間熱処理し、グラファイトフィルムを得た。得られたグラファイトフィルムの断面をSEMで観察し、フィルムの厚みは230nmであると決定した。このグラファイトフィルムのフィルム面に垂直な方向の熱伝導率は100W/mK、フィルム面方向の熱伝導率は40W/mKであり、フィルム面に垂直な方向の熱伝導率がフィルム面方向の熱伝導率よりも大きいことから、このフィルムはグラファイト結晶のa−b面がフィルム面に対して主に垂直になるように配向したグラファイトフィルムであると結論した。 This polyimide film was sandwiched between graphite plates and heat treated at 1500 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere, and then heat treated at 2800 ° C. for 1 hour in an argon atmosphere to obtain a graphite film. The cross section of the obtained graphite film was observed with SEM, and the thickness of the film was determined to be 230 nm. The thermal conductivity in the direction perpendicular to the film surface of this graphite film is 100 W / mK, the thermal conductivity in the film surface direction is 40 W / mK, and the thermal conductivity in the direction perpendicular to the film surface is the heat conductivity in the film surface direction. It was concluded that this film was a graphite film oriented so that the ab plane of the graphite crystal was mainly perpendicular to the film plane.
上記グラファイトフィルムを用いた場合の層間の熱抵抗値は、表1に示すように0.11〜0.20K・cm2/Wであった。一般に使用される高分子/無機フィラー複合体を用いた場合の層間の熱抵抗値が0.4〜3.0K・cm2/W程度であることを考慮すれば、本発明のグラファイトフィルムが極めてすぐれたTIMであることが分かった。 As shown in Table 1, the thermal resistance value between the layers when the above graphite film was used was 0.11 to 0.20 K · cm 2 / W. Considering that the heat resistance value between layers when using a generally used polymer / inorganic filler composite is about 0.4 to 3.0 K · cm 2 / W, the graphite film of the present invention is extremely It turned out to be an excellent TIM.
[比較例2−1、2−2]
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)から合成したポリアミド酸の18wt%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、異なる厚さで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℃で順次30秒間ずつ加熱して、厚さの異なるポリイミドフィルムを得た。フィルム厚さは、それぞれ1.0μm、600nmであった。
[Comparative Examples 2-1 and 2-2]
20 g of acetic anhydride and 10 g of isoquinoline are added to 100 g of an 18 wt% DMF solution of polyamic acid synthesized from pyromellitic dianhydride, 4,4′-diaminodiphenyl ether and p-phenylenediamine (4/3/1 in molar ratio). The hardener consisting of was mixed, stirred, defoamed by centrifugation, and cast onto aluminum foil at different thicknesses. 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 in sequence to obtain polyimide films having different thicknesses. The film thickness was 1.0 μm and 600 nm, 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、1000℃で1時間保って予備処理した。得られた炭素化フィルム表面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、2800℃まで昇温後、10分間保持した。この熱処理はアルゴン雰囲気でおこなった。得られたグラファイトフィルムの厚さは、それぞれ300nm、74nmであった。それぞれ、比較例2−1、比較例2−2とする。断面TEM測定の結果から、いずれもグラファイト結晶のa−b面がフィルム面に対して平行になるように配向していることが確認された。比較例2−1のグラファイトフィルムにおけるフィルム面に垂直な方向の熱伝導率は4.8W/mK、フィルム面に平行な方向の熱伝導率は1700W/mKであった。比較例2−2のグラファイトフィルムにおけるフィルム面に垂直な方向の熱伝導率は5.0W/mK、フィルム面に平行な方向の熱伝導率は1850W/mKであった。 The obtained polyimide film was pretreated using an electric furnace in nitrogen gas at 1000 ° C. for 1 hour. The obtained carbonized film surface was sandwiched between surface-polished graphite blocks, set inside a cylindrical graphite heater, heated to 2800 ° C., and held for 10 minutes. This heat treatment was performed in an argon atmosphere. The thickness of the obtained graphite film was 300 nm and 74 nm, respectively. They are referred to as Comparative Example 2-1 and Comparative Example 2-2, respectively. From the results of the cross-sectional TEM measurement, it was confirmed that the ab planes of the graphite crystals were aligned so as to be parallel to the film plane. In the graphite film of Comparative Example 2-1, the thermal conductivity in the direction perpendicular to the film surface was 4.8 W / mK, and the thermal conductivity in the direction parallel to the film surface was 1700 W / mK. In the graphite film of Comparative Example 2-2, the thermal conductivity in the direction perpendicular to the film surface was 5.0 W / mK, and the thermal conductivity in the direction parallel to the film surface was 1850 W / mK.
上記2種類のグラファイトフィルムを用いた場合の層間の熱抵抗値は、表1に示すように、比較例2−1では0.14〜0.34K・cm2/W、比較例2−2では0.18〜0.33K・cm2/Wであり、従来の高分子/無機フィラー複合体を用いた場合と比較すれば優れた熱抵抗特性ではあるものの、実施例1、2のグラファイトフィルムの場合と比較すると劣ることが分かった。 As shown in Table 1, the thermal resistance value between the layers when the above two types of graphite films are used is 0.14 to 0.34 K · cm 2 / W in Comparative Example 2-1, and in Comparative Example 2-2. Although it is 0.18-0.33 K * cm < 2 > / W and it is the heat resistance characteristic excellent compared with the case where the conventional polymer / inorganic filler composite_body | complex is used, the graphite film of Example 1, 2 is shown. It turned out to be inferior compared to the case.
[実施例3−1、3−2、3−3]
実施例1のグラファイトフィルム(厚さ100nm)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。これらのグラファイトフィルムを用いた場合の層間の熱抵抗を実施例1と同様の方法で測定した。実験結果を表2に示す。キャノーラ油含浸のない場合の熱抵抗に比べて、3〜75重量%のキャノーラ油が含浸された場合には層間の熱抵抗を低下させることが出来た。グラファイト表面のキャノーラ油により界面の実質的接触面積が増え、界面の熱抵抗が小さくなったためと考えられる。
[Examples 3-1, 3-2, 3-3]
The graphite film of Example 1 (thickness 100 nm) was immersed in a commercially available canola oil (smoke point 204 ° C.), and then placed on oil-absorbing paper to absorb the canola oil. Different graphite films were made. The amount of impregnation was measured by weight measurement. The thermal resistance between the layers when these graphite films were used was measured by the same method as in Example 1. The experimental results are shown in Table 2. Compared to the thermal resistance without impregnation of canola oil, the thermal resistance between layers could be reduced when 3 to 75% by weight of canola oil was impregnated. This is probably because the canola oil on the graphite surface increased the substantial contact area of the interface and decreased the thermal resistance of the interface.
以上の実施例、比較例、および従来用いられてきた高分子/無機フィラー複合体を比較すれば、本発明のグラファイトフィルムが極めてすぐれた特性を持つTIMであることは明らかである。 Comparing the above examples, comparative examples, and conventionally used polymer / inorganic filler composites, it is clear that the graphite film of the present invention is a TIM having very excellent characteristics.
これはグラファイト結晶のa−b面がフィルム面に対して垂直になるように配向しているために、グラファイトフィルムの柔軟性が十分に大きくなっており、そのために界面の実質的な接触面積が大きくなるためと考えられる。 This is because the ab surface of the graphite crystal is oriented so that it is perpendicular to the film surface, so that the flexibility of the graphite film is sufficiently large, so that the substantial contact area of the interface is reduced. This is thought to be because it grows.
この様なグラファイトフィルムは600℃の高温でも劣化が見られず、極めて優れた耐熱性を有している。さらに、グラファイトフィルムの表面をオイルなどの流動性物質でぬらすことにより、界面の熱抵抗を下げることが出来ることも明らかになった。無論、オイルなどの流動性物質を用いる場合にはそのTIMとしての耐熱性は多少犠牲になるが、高沸点の流動性物質を選択することにより従来の高分子/無機フィラー複合体を凌駕する耐熱特性の実現が可能となる。 Such a graphite film does not deteriorate even at a high temperature of 600 ° C. and has extremely excellent heat resistance. Furthermore, it has been clarified that the thermal resistance of the interface can be lowered by wetting the surface of the graphite film with a fluid substance such as oil. Of course, when a fluid material such as oil is used, the heat resistance of the TIM is somewhat sacrificed, but by selecting a fluid material with a high boiling point, the heat resistance surpasses that of conventional polymer / inorganic filler composites. Realization of characteristics becomes possible.
Claims (13)
前記縮合系芳香族高分子を貧溶媒に接触させる工程、
生成した凝固物を乾燥して高分子フィルムを形成する工程、および、
前記高分子フィルムを熱処理してグラファイトフィルムを形成する工程
を含む層間熱接続部材の製造方法。 Applying a solution of a condensed aromatic polymer onto a substrate;
Contacting the condensed aromatic polymer with a poor solvent;
Drying the produced coagulum to form a polymer film, and
A method for producing an interlayer thermal connection member, comprising a step of heat-treating the polymer film to form a graphite film.
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