JP2010070412A

JP2010070412A - グラファイト複合シート

Info

Publication number: JP2010070412A
Application number: JP2008239136A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Kubo; 和彦久保; Mitsuru Tamaoki; 充玉置; Norihiro Kawamura; 典裕河村; Minoru Ouchi; 実大内; Masashi Senba; 正志船場
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2008-09-18
Filing date: 2008-09-18
Publication date: 2010-04-02
Anticipated expiration: 2028-09-18
Also published as: JP5343477B2

Abstract

【課題】黒鉛シートや熱分解グラファイトシートは、電子機器の小形、薄型化や、半導体素子等の高性能化、高密度化が更に増大していることがあり、温度上昇を抑えることが困難であった。
【解決手段】黒鉛粉を含有する黒鉛シート１１、１２間に高分子フィルムを焼成して生成された熱分解グラファイトシート１３を挟み込んで積層し、一方の黒鉛シート１１のシート厚みＴ１１を他方の黒鉛シート１２のシート厚みＴ１２と比べ薄く設けることによって、所定のシート厚みにおいて熱輸送性能を高めることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、発熱体が発生した熱を伝導、放散するためのグラファイト複合シートに関するものである。

近年、電子機器は、携帯電話やパーソナルコンピュータに代表されるように高性能化、小型化、薄型化の要求に伴い、半導体素子等の電子部品の高性能化、高密度化によって発熱量が著しく増大し、電子機器や電子部品の温度上昇を抑制することが重要な課題になっている。

また発熱の大きい電子部品の放熱によって電子機器の筐体にはヒートスポットが生じ、ヒートスポットは例えば携帯電子機器では手や指に接触して不愉快等になるため、ヒートスポットの温度を下げる必要もある。

この熱対策として熱伝導率が高く薄膜、軽量で柔軟性のあるグラファイトシートを筐体の内側面に貼り付けて用い、電子部品の発熱体の熱を迅速に放散しヒートスポットの温度を下げることを行っていた。

これに用いるグラファイトシートには、高分子フィルムを高温で熱分解した熱分解グラファイトシートや、膨張黒鉛を成形した黒鉛シートが知られている。

なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば特許文献１に示すものが知られている。
特開２００６−２０３０１８号公報

電子機器の小型、薄型化や、半導体素子等の高性能化、高密度化が更に増大しているため、グラファイトシートの熱輸送量を大きくし熱輸送性能を更に向上させ冷却能力を高めることが求められている。

しかしながら、従来の熱分解グラファイトシートの場合は、熱伝導率が非常に大きいが、原料の高分子フィルムを厚くすると熱分解時にフィルム内部から発生するガスのため脆く粉状になりシートを厚くすることができないため、熱輸送量を大きくできず熱輸送性能の向上が難しかった。

また、黒鉛シートの場合は、熱分解グラファイトシートに比較するとシート厚みを厚くすることができるが熱伝導率が小さいため、所定のシート厚みにおいて熱輸送量を大きくできず熱輸送性能の向上が難しかった。

本発明は、このような従来の課題を解決し、所定のシート厚みにおいて熱輸送性能が高いグラファイト複合シートを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、熱分解グラファイトシートと、この熱分解グラファイトシートの両主面上に積層された黒鉛シートとを備えたグラファイト複合シートであって、前記熱分解グラファイトシートは高分子フィルムを焼成して生成されたもので、前記黒鉛シートは黒鉛粉を含有するものであり、一方の前記黒鉛シートのシート厚みが他方の前記黒鉛シートより薄いグラファイト複合シートである。

以上のように本発明のグラファイト複合シートによれば、一方の黒鉛シートの厚みを他方の黒鉛シートの厚みより薄くすることにより、熱伝導率の高い熱分解グラファイトシートに発熱体の熱を効率良く伝導し放散することができ、所定のシート厚みにおいて熱輸送性能を高めることができる。

（実施の形態）
実施の形態のグラファイト複合体について説明する。

図１は本発明の実施の形態におけるグラファイト複合シートの側面断面図である。

図１に示すようにグラファイト複合シート１４は、一方の黒鉛シート１１と他方の黒鉛シート１２間に熱分解グラファイトシート１３が挟み込まれて積層しているものである。

一方の黒鉛シート１１は熱分解グラファイトシート１３の一方の主面１５上に接して積層され、他方の黒鉛シート１２は熱分解グラファイトシート１３の他方の主面１６上に接して積層されている。また一方の黒鉛シート１１のシート厚みＴ１１は、他方の黒鉛シート１２のシート厚みＴ１２より薄く設けられている。

黒鉛シート１１、１２は、鱗片状の黒鉛粉を含有するものであり、黒鉛粉は黒鉛シート１１、１２の夫々の主面１７、１８に沿って配向するように堆積されている。

また、前記黒鉛粉は膨張黒鉛を用いることが好ましく、膨張黒鉛は可塑性があるため樹脂等の結合剤を用いずに加圧成形でき熱伝導率の高い黒鉛シート１１、１２を得ることができる。

膨張黒鉛は、天然グラファイトを粉砕し、グラファイト層間に濃硫酸、濃硝酸の溶液を添加して酸処理した後、加熱処理を行って天然グラファイトを発泡させ、鱗片状の黒鉛粉を形成したものである。

また黒鉛シート１１、１２の黒鉛粉は、熱分解黒鉛等の鱗片状又は球状の黒鉛粉を用いることができる。

黒鉛シート１１、１２は、主面１７、１８方向の熱伝導率を１００Ｗ／ｍＫ〜４５０Ｗ／ｍＫ、シート厚み方向の熱伝導率を３Ｗ／ｍＫ〜１５Ｗ／ｍＫとすることができ、主面方向の熱伝導率が高く異方性の熱伝導率を有するものである。

また、黒鉛シート１１、１２のシート厚みＴ１１、Ｔ１２は、５０μｍ〜５００μｍが好ましく層間剥離がなくシート形状が確保できる。

熱分解グラファイトシート１３は、高分子フィルムを高温で焼成して生成されたものであり、層状の結晶が大きいグラファイトが主面１５、１６方向に沿って配向して積層されている。

前記高分子フィルムは、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド等の耐熱性の芳香族高分子を用いることが好ましく、熱分解グラファイトシート１３は熱伝導率が非常に高く、主面１５、１６方向の熱伝導率は５００Ｗ／ｍＫ〜１８００Ｗ／ｍＫ、シート厚み方向の熱伝導率は１０Ｗ／ｍＫ〜１５Ｗ／ｍＫとすることができ、主面方向の熱伝導率が高く異方性の熱伝導率を有するものである。

熱分解グラファイトシート１３のシート厚みは１０μｍ〜１５０μｍが好適に用いられ熱伝導率が高くシート形状が確保できる。

図２は本発明の実施の形態におけるグラファイト複合シートを用いた電子機器の模式断面図である。

図２に示すようにパーソナルコンピュータ等の電子機器の筐体２１内にて、発熱体２３であるパワーアンプ、ＬＳＩ等の電子部品がプリント基板２２に実装されている。またグラファイト複合シート１４は、筐体２１の内側に樹脂粘着フィルム等を介して貼り付けられ、さらに発熱体２３と間隔を設けて又は当接させて設けられている。

さらに、グラファイト複合シート１４は、一方の黒鉛シート１１の主面１７を発熱体２３側に設け、他方の黒鉛シート１２の主面１８を筐体２１側に設けている。すなわち一方の黒鉛シート１１を高温側となる受熱部にして、他方の黒鉛シート１２を低温側となる放熱部とするものである。

このようにグラファイト複合シート１４を配設することにより、発熱体２３の熱を熱容量の大きい筐体２１に伝導させながらグラファイト複合シート１４の外周に放散させて、発熱体２３の温度を低下させ、さらに筐体２１に生じるヒートスポットの温度を下げることができる。

グラファイト複合シート１４は、黒鉛シート１１、１２間に熱伝導率が相対的に大きい熱分解グラファイトシート１３を密着させて積層しているため、同じシート厚みの単体の黒鉛シートと比較し主面方向の熱伝導率を大きくでき熱輸送性能を高めることができる。

また、単体の熱分解グラファイトシートに比較し、黒鉛シート１１、１２を積層することによってシート厚みを厚くできるのでグラファイト複合シート１４の主面方向の熱輸送性能を高めることができる。

さらに一方の黒鉛シート１１のシート厚みＴ１１を他方の黒鉛シート１２のシート厚みＴ１２より薄くすることにより、発熱体２３で生じた熱を迅速に熱分解グラファイトシート１３に伝導させることができ、熱伝導率の高い熱分解グラファイトシート１３に熱を効率的に伝導することができる。

また、熱分解グラファイトシート１３の両主面上に黒鉛シート１１、１２を積層しているので、熱分解グラファイトシート１３に伝導した熱を両面の黒鉛シート１１、１２に分散させてグラファイト複合シート１４の主面方向に効率的に熱伝導をさせることができ熱輸送性能を高めることができる。

以上のように、本発明の実施の形態のグラファイト複合シートは熱輸送性能を高めることができ、発熱体２３の温度を下げかつヒートスポットの温度を下げる冷却能力を向上することができる。

なお、グラファイト複合シートは樹脂フィルム又は金属フィルムで被覆されてもよく、グラファイト複合シートを保護したり取り扱いを向上したりすることができる。

次に、本発明の実施の形態のグラファイト複合シートの製造方法について説明する。

まず、黒鉛シート１１、１２となるシート厚みの異なる２つの積層用黒鉛シート、熱分解グラファイトシート１３となる１つの積層用熱分解グラファイトシートを準備する。

積層用黒鉛シートは黒鉛粉をロール成形して形成したものである。

積層用熱分解グラファイトシートは一定厚みを有する原料の高分子フィルムを温度２５００℃〜３１００℃で焼成しグラファイト化する高温熱処理を行い、さらに圧延ローラによって圧延して形成されたものである。この圧延によって積層用熱分解グラファイトシートの主面表面には凹部が形成される。

次に、積層用黒鉛シート間に積層用熱分解グラファイトシートを直接接して重ね合わせ、プレス加圧して積層用黒鉛シートを圧縮する。

このプレス加圧で積層用黒鉛シートの黒鉛粉が積層用熱分解グラファイトシートの主面表面の凹部に充填されて、図１に示すように積層用黒鉛シートと積層用熱分解グラファイトシートが主面１５、１６において圧着接合されグラファイト複合シート１４が形成される。

このように熱分解グラファイトシート１３の主面１５、１６に形成された凹部に黒鉛シート１１、１２の黒鉛粉を充填することにより、黒鉛シート１１、１２と熱分解グラファイトシート１３とが主面１５、１６の界面において緻密に接するため、主面１５、１６の界面での熱伝導を向上することができ熱輸送性能を高めることができる。

また、主面１５、１６に形成された凹部のアンカー効果により黒鉛シート１１、１２と熱分解グラファイトシート１３との接合強度を向上できグラファイト複合シートの耐曲げ性を良好にすることができる。

また図３に示すようにグラファイト複合体シートは、熱分解グラファイトシート１３の両主面１５、１６上に夫々黒鉛シート１１、１２を積層し、さらに黒鉛シート１１、１２を主面１５、１６から外方に延ばして熱分解グラファイトシート１３の外周２０で互いに圧着結合させて外周２０に沿って結合部１９を設けてもよい。

結合部１９を設けることによって、主面１５、１６の界面における黒鉛シート１１、１２と熱分解グラファイトシート１３の密着性を高めることができ、主面１５、１６の界面での熱伝導を向上することができ熱輸送性能を高めることができる。

結合部１９は、熱分解グラファイトシート１３の外周２０全体に亘って設け、熱分解グラファイトシート１３全体を黒鉛シート１１、１２間に埋設させることがより好ましく、主面１５、１６界面における密着性を高めることができる。

次に具体的な実施例について説明する。

（実施例１）
実施例１のグラファイト複合シートは、図１に示すように熱分解グラファイトシートの両主面上に黒鉛シートを接して積層したものであり、熱分解グラファイトシートの両側の主面全体と黒鉛シートの主面全体とを重ね合わせている。

グラファイト複合シートの寸法は、主面外形が幅１５０ｍｍ、長さ１５０ｍｍで、シート厚みが０．４７ｍｍのものである。

熱分解グラファイトシートは、芳香族ポリイミドフィルムを温度３０００℃で焼成した後、更に圧延した熱分解グラファイトシートであり、シート厚みが０．０７ｍｍ、主面方向の熱伝導率が８５０Ｗ／ｍＫ、シート厚み方向の熱伝導率は１５Ｗ／ｍＫのものである。

両面の２つの黒鉛シートは、膨張黒鉛の成形体シートであり、シート厚みが異なる以外は同じ構成であり、一方の黒鉛シートのシート厚みを他方の黒鉛シートより薄く設けている。

一方の黒鉛シートのシート厚みは０．１ｍｍで、他方の黒鉛シートのシート厚みは０．３ｍｍであり、夫々の黒鉛シートは主面方向の熱伝導率が３００Ｗ／ｍＫ、シート厚み方向の熱伝導率は８Ｗ／ｍＫのものである。

（比較例１）
比較例１は、黒鉛シートのみのものであり、実施例１の黒鉛シートとシート厚みが異なる以外は同じ構成である。

比較例１の黒鉛シートは、主面外形が幅１５０ｍｍ、長さ１５０ｍｍで、シート厚みが０．４７ｍｍであり、主面方向の熱伝導率が３００Ｗ／ｍＫ、シート厚み方向の熱伝導率は８Ｗ／ｍＫのものである。

（比較例２）
比較例２は、熱分解グラファイトシートのみのものであり、実施例１の熱分解グラファイトシートであり、主面外形が幅１５０ｍｍ、長さ１５０ｍｍ、シート厚みが０．０７ｍｍで、主面方向の熱伝導率が８５０Ｗ／ｍＫ、シート厚み方向の熱伝導率が１５Ｗ／ｍＫである。

（比較例３）
比較例３は、実施例１の一方の黒鉛シートと他方の黒鉛シートのシート厚みを同じにした以外は、実施例１と同じ構成としたものである。

比較例３のグラファイトシートは、一方と他方の黒鉛シートのシート厚みを夫々０．２ｍｍにして熱分解グラファイトシートをグラファイト複合シートの断面中央に設け、主面外形が幅１５０ｍｍ、長さ１５０ｍｍ、シート厚みが０．４７ｍｍの寸法としたものである。

次に、実施例１、比較例１〜比較例３のグラファイトシートの熱輸送性能を比較するために夫々のグラファイトシートを用いて表面温度を測定した。

図４はグラファイトシートと発熱体の表面温度の測定方法を示す側面図、図５は同平面図である。

図４、図５に示すようにグラファイトシート３１の一方の主面の中央に幅１５ｍｍ、長さ１５ｍｍ、厚み１ｍｍの発熱体３２を当接させ発熱させている状態を示している。発熱体３２は抵抗体に電流を流して電力を一定にして発熱させているものである。

また実施例１は、シート厚みが薄い一方の黒鉛シートに発熱体３２を当接させた。

次にＡ点〜Ｃ点の表面温度を赤外放射温度計で測定し、その結果を（表１）に示す。

ここで、Ａ点は発熱体３２の表面中央であり、この表面はグラファイトシート３１と当接していない側である。Ｂ点はグラファイトシート３１の放熱側の主面の中央部であり、Ｃ点はグラファイトシート３１の放熱側の主面の角部である。

（表１）に示すように、Ａ点の温度は実施例１が７５℃であったことに対し、比較例１〜比較例３が夫々８２℃、８９℃、７８℃であり、Ｂ点の温度は実施例１が５４℃であったことに対し、比較例１〜比較例３が夫々６２℃、６９℃、５７℃であった。

これから、実施例１、比較例３のように黒鉛シート間に熱伝導率の高い熱分解グラファイトシートを挟み込むことにより、比較例１の黒鉛シート、比較例２の熱分解グラファイトシートのものより発熱体３２の温度を著しく下げることができていることがわかる。

また、実施例１は、比較例３と比べると、発熱体３２側の一方の黒鉛シートを薄くして熱分解グラファイトシートを発熱体３２側に偏在させて近づけて設けることにより発熱体３２の温度を更に下げることができている。

またＢ点の温度についても、実施例１はグラファイトシート３１の放熱側に生じるヒートスポットの温度を最も下げることができていることがわかる。

以上のように、熱分解グラファイトシートの両主面上に積層された黒鉛シートを設け、一方の黒鉛シートを他方の黒鉛シートよりシート厚みを薄くしたグラファイト複合シートとすることによって、所定のシート厚みにおいて熱輸送性能を高めることができ発熱体の温度を下げかつヒートスポットの温度を下げる冷却能力を向上することができる。

本発明のグラファイト複合シートは、所定のシート厚みにおいて熱輸送性能を大きくすることができる効果を有し、発熱体が発生した熱を伝導、放散するためのグラファイト複合シートに有用である。

本発明の実施の形態におけるグラファイト複合シートの側面断面図本発明の実施の形態におけるグラファイト複合シートを用いた電子機器の模式断面図本発明の実施の形態における他のグラファイト複合シートの側面断面図グラファイトシートと発熱体の表面温度の測定方法を示す側面図グラファイトシートと発熱体の表面温度の測定方法を示す平面図

符号の説明

１１黒鉛シート
１２黒鉛シート
１３熱分解グラファイトシート
１４グラファイト複合シート
１５、１６主面
１７、１８主面

Claims

熱分解グラファイトシートと、この熱分解グラファイトシートの両主面上に積層された黒鉛シートとを備えたグラファイト複合シートであって、前記熱分解グラファイトシートは高分子フィルムを焼成して生成されたもので、前記黒鉛シートは黒鉛粉を含有するものであり、一方の前記黒鉛シートのシート厚みが他方の前記黒鉛シートより薄いグラファイト複合シート。