特許 6086772 熱界面材料及びその製造方法、並びに熱放散装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6086772

(24)【登録日】2017年2月10日

(45)【発行日】2017年3月1日

(54)【発明の名称】熱界面材料及びその製造方法、並びに熱放散装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/36 20060101AFI20170220BHJP

【ＦＩ】

   H01L23/36 D

【請求項の数】10

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2013-57920(P2013-57920)

(22)【出願日】2013年3月21日

(65)【公開番号】特開2014-183257(P2014-183257A)

(43)【公開日】2014年9月29日

【審査請求日】2016年2月9日

(73)【特許権者】

【識別番号】000002303

【氏名又は名称】スタンレー電気株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001025

【氏名又は名称】特許業務法人レクスト国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】堀尾 直史

【審査官】 木下 直哉

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−６６０５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−４９０５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１６５１５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１１７６５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２１１２５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１６４９０７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２３／３４−２３／４７３

Ｈ０５Ｋ ７／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

グラファイト結晶のａ軸及びｂ軸に平行な面を主面とする薄膜片と、
前記薄膜片を包含しているマトリックス材と、からなり、
前記薄膜片の表面から少なくとも一部が繋がりフレア状に剥離されて形成されており前記グラファイト結晶のａ軸及びｂ軸に平行な面を主面としている薄膜構造が形成されていることを特徴とする熱界面材料。

【請求項2】

前記薄膜構造のａ軸及びｂ軸に平行な面から少なくとも一部が繋がりフレア状に剥離されている第二の薄膜構造を少なくとも１つ有していることを特徴とする請求項１に記載の熱界面材料。

【請求項3】

前記薄膜片は断面がカールした形状を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の熱界面材料。

【請求項4】

前記薄膜片のその主面に平行な面への水平投影面積が、１００００μｍ²以上１０ｍｍ²以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１に記載の熱界面材料。

【請求項5】

前記薄膜片の水平投影面積が、９００００μｍ²以上１ｍｍ²以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１に記載の熱界面材料。

【請求項6】

グラファイト結晶のａ軸及びｂ軸に平行な面を主面とする薄膜片と、
前記薄膜片を包含しているマトリックス材とからなる熱界面材料と、
前記熱界面材料が表面の少なくとも一部に設けられている放熱手段と、を含み、
前記薄膜片の表面には前記薄膜片の表面から少なくとも一部が繋がりフレア状に剥離されて形成されており前記グラファイト結晶のａ軸及びｂ軸に平行な面を主面としている薄膜構造が形成されていることを特徴とする熱放散装置。

【請求項7】

前記薄膜構造のａ軸及びｂ軸に平行な面から少なくとも一部が繋がりフレア状に剥離されている第二の薄膜構造を少なくとも１つ有していることを特徴とする請求項６に記載の熱放散装置。

【請求項8】

前記薄膜片は断面がカールした形状を有していることを特徴とする請求項６または７に記載の熱放散装置。

【請求項9】

グラファイトからなる薄膜片と前記薄膜片を包含するマトリックス材と、からなる熱界面材料の製造方法であって、
前記薄膜片は、グラファイト結晶のａ軸及びｂ軸に平行な面を主面とするグラファイトシートの表面に、粘着シートを貼り付けて、前記粘着シートを前記表面から引きはがすことによって、前記表面に、前記表面から少なくとも一部が繋がり層状に剥離されてなるフレア状の構造体を形成するステップと、
前記フレア状の構造体を前記グラファイトシートから分離するステップと、
を含むことを特徴とする熱界面材料の製造方法。

【請求項10】

グラファイトからなる薄膜片と前記薄膜片を包含するマトリックス材と、からなる熱界面材料の製造方法であって、
前記薄膜片は、グラファイト結晶のａ軸及びｂ軸に平行な面を主面とするグラファイトシートの表面に、粘着シートを貼り付けて、前記粘着シートを前記表面から引きはがすことによって、前記粘着シート上に、前記表面から層状に剥離されてなる構造体を形成するステップと、
前記構造体を前記粘着シートから分離するステップと、
を含むことを特徴とする熱界面材料の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、熱界面材料（ＴＩＭ：Thermal interface Material）及びその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

コンピュータに使用されるＣＰＵ等の発熱体の冷却には、ヒートシンク等の放熱体が使用される。この発熱体と放熱体との間の密着性を高めて熱伝導を良好にするために、発熱体と放熱体との間に熱界面材料（ＴＩＭ）が配されている。近年、ＴＩＭとしてグラファイトを用いることがしばしば提案されている。例えば、特許文献１には、グラファイトシートをＴＩＭとして用いること、及び膨張黒鉛をＴＩＭとして用いることが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００６−２８６６８４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ＴＩＭとして未加工のグラファイトシートを用いる場合、発熱体やヒートシンクの表面に存在する凹凸の故に、グラファイトシートと発熱体やヒートシンクとの密着性が悪く、発熱体とヒートシンクとの間の熱経路における熱抵抗が高くなり、冷却効率が低いという問題があった。また、特許文献１に記載されているような膨張黒鉛は、発熱体及び放熱体とＴＩＭとの接触性を改善するものの、ＴＩＭの厚さ方向の熱伝導率は５Ｗ／ｍ・Ｋ程度とあまり高くならず、さらに製造コストが増加してしまうという問題があった。

【0005】

本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、発熱体及び放熱体との間の熱抵抗を低減し、発熱体からの熱放散を良好にすることが可能であり、かつ製造コストが安価である、グラファイトからなる熱界面材料（ＴＩＭ）及びその製造方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の熱界面材料は、グラファイト結晶のａ軸及びｂ軸に平行な面を主面とする薄膜片と、当該薄膜片を包含しているマトリックス材と、からなり、当該薄膜片の表面から少なくとも一部が繋がりフレア状に剥離されて形成されており当該グラファイト結晶のａ軸及びｂ軸を包含する面を主面としている薄膜構造が形成されていることを特徴とする。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1A】実施例１に係るＴＩＭの製造方法を示す斜視図である。

【図1B】実施例１に係るＴＩＭの製造方法を示す斜視図である。

【図1C】実施例１に係るＴＩＭの製造方法を示す斜視図である。

【図2】グラファイト結晶の分子構造を示す図である。

【図3】図１Ｃの３−３線に沿った断面図である。

【図4】図３の領域Ａの部分拡大図である。

【図5】薄膜片が形成されているグラファイトシートの上面のＳＥＭによる拡大画像である。

【図6】実施例１に係るＴＩＭの製造方法を示す斜視図である。

【図7】分離した薄膜片の断面図である。

【図8】ＣＰＵ装置の断面図である。

【図9A】比較例２のＴＩＭの製造方法を示す斜視図である。

【図9B】比較例２のＴＩＭの製造方法を示す斜視図である。

【図10】実施例及び比較例のＴＩＭを用いた場合のＣＰＵジャンクション温度のグラフである。

【図11A】実施例のＴＩＭを用いた場合の図８の領域Ｂの拡大図である。

【図11B】図１１Ａの領域Ｃの拡大図である。

【図12】実施例のＴＩＭを用いた場合の図８の領域Ｂの拡大図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

【実施例1】

【0009】

以下に、本発明の実施例１に係る熱界面材料（ＴＩＭ）１０及びその製造方法について、図１乃至図７を参照しつつ説明する。

【0010】

図１Ａ−Ｃ及び図６に実施例１のＴＩＭの製造方法の斜視図を示し、図２にグラファイト結晶の分子構造を示す。まず、グラファイトシート（ＧｒａｆＴｅｃｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ株式会社製、ＧＲＡＦＯＩＬ（登録商標）Ｇｒａｄｅ−ＧＴＡ、厚さ０．６３５ｍｍ）１１を用意する。グラファイトシート１１は、主面と平行な方向、すなわち図２に示すグラファイト結晶のａ軸及びｂ軸に平行な方向（面内方向）における熱伝導率が約１４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、主面と垂直な方向すなわち結晶のｃ軸方向（厚み方向）の熱伝導率が約５Ｗ／（ｍ・Ｋ）となっている。

【0011】

次に、図１Ａに示すように、グラファイトシート１１の上面に粘着シート１３（例えば、セロファンテープ、ビニールテープ等）を貼り付ける。その後、図１Ｂに示すように、粘着シート１３をグラファイトシート１１から引き剥がす。図２に示すように、グラファイトシート１１を構成するグラファイト結晶は、層状の構造を有しており、層毎のａ軸及びｂ軸に平行な面内においては強い共有結合で炭素同士が結合しているが、層と層の間（面間）において、すなわちｃ軸方向においては、炭素からなる層同士が弱いファンデルワールス力で結合している。それゆえに、グラファイトシート１１は、表面においてグラファイト結晶のｃ軸方向に引っ張りを受けると表面が層状に剥離する性質を有している。従って、図１Ｂに示すように、グラファイトシート１１の表面から粘着シート１３を引きはがす（引っ張り剥離）ことによって、グラファイトシート１１の表面から部分的に剥離し、断面がカールしたフレア状に形成されている薄膜構造１５を形成できる。その後、まだ薄膜構造１５を形成していない領域についても、テープの貼り付け及び引きはがしを行い、図１Ｃに示すようにグラファイトシート１１の主面に平行な上面及び下面全体に薄膜構造１５を形成する。以下、このグラファイトシート表面上に薄膜構造１５を形成する加工を毛羽立て加工と称する。

【0012】

図３に図１Ｃの３−３線に沿った断面を、図４に図３の領域Ａの部分拡大図を示す。図３及び図４に示すように、フレア状に形成されている薄膜構造１５は、グラファイトシート１１の上面及び下面上に密に形成されており、一次薄膜構造１５ａ、二次薄膜構造１５ｂ（第二の薄膜構造）及び三次薄膜構造１５ｃ（第三の薄膜構造）からなっている。一次薄膜構造１５ａは、グラファイトシート１１の表面から断面がカールしたフレア状に形成されている薄膜の構造体である。一次薄膜構造１５ａの１つの長辺Ｌの長さは０．５ｍｍ〜１ｍｍ程度以下であり、幅は０．５ｍｍから１ｍｍ程度である。一次薄膜構造１５ａの厚さは、最小で単分子層分の厚さであり、概ね数十μｍ以下である。

【0013】

一次薄膜構造１５ａの表面には、一次薄膜構造１５ａの表面がさらに剥離することによって、一次薄膜構造１５ａの表面から断面がカールしたフレア状に形成されている二次薄膜構造が形成されている。二次薄膜構造１５ｂは、一次薄膜構造１５ａの表面に密に配されている。さらに、二次薄膜構造１５ｂの表面には、二次薄膜構造１５ｂの表面がさらに剥離することによって、二次薄膜構造１５ｂの表面から断面がカールしたフレア状に形成されている三次薄膜構造１５ｃが形成されている。三次薄膜構造１５ｃは、二次薄膜構造１５ａの表面に密に配されている。図５に、毛羽立て加工後のグラファイトシート１１の表面の微分干渉顕微鏡像（約３０倍）を示す。実際にグラファイトシート１１上に薄膜構造１５が密に配されている様子は、図５に示すＳＥＭ拡大画像からわかる。

【0014】

次に図６に示すように、カッター等の薄手の刃を有する刃物１７で薄膜構造１５をグラファイトシート表面から刮ぎ落とすようにまたは剥ぎ取るように剥離して分離し、図７の断面図に示すような個別の薄膜片フィラー１９を形成する。図７に示すように、薄膜片フィラー１９は一次薄膜構造１５ａの断面がカールした形状をそのまま保持しており、表面には毛羽立て加工時に形成された二次薄膜構造１５ｂ及び三次薄膜構造１５ｃがそのまま残され、グラファイトシート１１からの剥離によってさらに二次薄膜構造１５ｂ及び三次薄膜構造１５ｃが形成されている。その後、刮ぎ落として分離した薄膜片フィラー１９を網目が約３ｍｍ角のふるいにかけて、比較的大きな薄膜片フィラー１９を取り除き、水平投影面積（薄膜片フィラー１９を主面に垂直な方向（グラファイト結晶のｃ軸方向）から見たときの面積）が約１０ｍｍ²以下のサイズの薄膜片フィラー１９を得る。薄膜片フィラー１９は断面がカールしている薄膜のフレア状の構造である故に、僅かな外力により簡単に変形する。なお、若干の弾性を有する。また、薄膜片フィラー１９は、長さ方向がグラファイト結晶のａ軸及びｂ軸に平行な面に沿っているため、長さ方向、すなわち図中矢印で示した方向においてに非常に良好な熱伝導率（上記した１４０Ｗ／ｍ・Ｋ）を有している。

【0015】

その後、薄膜片フィラー１９を、マトリックス材であるシリコーングリース（信越化学工業株式会社製 ＨＩＶＡＣ−Ｇ）と混ぜ合わせて実施例１のＴＩＭを調整する。この際、例えば、薄膜片フィラー１９とグリースを３（嵩高体積）：１の体積比で混ぜ合わせることとする。なお、実施例１のＴＩＭ内に包含されている薄膜片フィラー１９は、ＴＩＭ中で薄膜片状の形態を保持していることが確認された。

【0016】

上記製造方法によって形成されたＴＩＭは、グラファイト結晶のａ軸及びｂ軸を包含する面を主面とする薄膜片と、当該薄膜片を包含しているマトリクス材と、からなり、当該薄膜片の表面に、当該グラファイト結晶のａ軸及びｂ軸を包含する面を主面とするフレア状の薄膜構造が形成されているＴＩＭとなっている。

【実施例2】

【0017】

以下に、実施例２に係るＴＩＭについて説明する。実施例２のＴＩＭは、薄膜片フィラー１９をグラファイトシート１１から分離するまでは、実施例１のＴＩＭと同様の手順で形成する。実施例２のＴＩＭの生成においては、薄膜片フィラー１９の分離後、薄膜片フィラー１９を網目が約１ｍｍ角のふるいに掛けることで、水平投影面積が約１ｍｍ²以下のサイズの薄膜片フィラー１９を得る。その後、実施例１の場合と同様に、薄膜片フィラー１９とマトリックスとしてのシリコーングリース（信越化学工業株式会社製 ＨＩＶＡＣ−Ｇ）とを、例えば、３（嵩高体積）：１の体積比で混ぜ合わせてＴＩＭを生成する。なお。実施例２のＴＩＭ内に包含されている薄膜片フィラー１９は、ＴＩＭ中で薄膜片状の形態を保持していることが確認された。

【実施例3】

【0018】

以下に、実施例３に係るＴＩＭについて説明する。実施例３のＴＩＭは、薄膜片フィラー１９を得るまでは、実施例２のＴＩＭと同様の手順で形成する。実施例３のＴＩＭの生成においては、マトリックスとしてオイル（Ｓｏｌｖａｙ Ｓｏｌｅｘｉｓ Ｓ．ｐ．Ａ社（イタリア）製のＦＯＭＢＬＩＮ ＹＬ−ＶＡＣ２５）を用い、分離及びふるい掛けによって得られた水平投影面積が約１ｍｍ²以下のサイズの薄膜片フィラー１９を当該オイルと混ぜ合わせることでＴＩＭを生成する。この際、例えば、薄膜片フィラー１９とグリースとを１（嵩高体積）：１で混ぜ合わせることとする。

【実施例4】

【0019】

以下に、実施例４に係るＴＩＭについて説明する。実施例４のＴＩＭは、薄膜片フィラー１９を得るまでは、実施例２及び実施例３のＴＩＭと同様の手順で生成する。実施例４のＴＩＭの生成においては、マトリックスとしてシリコーン樹脂（信越化学工業株式会社製のダイアタッチシリコーン樹脂）を用い、分離及びふるい掛けによって得られた水平投影面積が約１ｍｍ²以下のサイズの薄膜片フィラー１９を当該シリコーン樹脂と混ぜ合わせることでＴＩＭを生成する。この際、例えば、薄膜片フィラー１９とグリースを２（嵩高体積）：１で混ぜ合わせることとする。

【0020】

［ＴＩＭの評価］
上記実施例１乃至４に記載したＴＩＭの性能を、図８に示すパーソナルコンピュータ（以下、パソコンという）のＣＰＵ装置２１を用いて評価（領域Ｂにて）した。ＣＰＵ装置２１は、発熱体としてのＣＰＵ２３、ＣＰＵ２３上に配されている放熱体としてのヒートシンク２５、及びヒートシンク上に配されているクーリングファン２７からなっている。ＣＰＵ２３のヒートシンク２５と対向している表面領域にはヒートスプレッダ２３ａが形成されている。ヒートスプレッダ２３ａとヒートシンク２５との間には、ＴＩＭ２９が配されている。

【0021】

ＣＰＵ２３は、Ｉｎｔｅｌ（登録商標）社製Ｐｅｎｔｉｕｍ（登録商標）４であり、ＣＰＵダイのサイズ１１２ｍｍ²、熱設計電力（ＴＤＰ：Thermal Design Power）８９Ｗである。ＣＰＵヒートスプレッダ２３ａはＣｕからなり、表面には耐食メッキが施されている。ＣＰＵヒートスプレッダ２３ａのサイズは、縦３１ｍｍ×横３１ｍｍ×厚さが２ｍｍである
ヒートシンク２５は、アルミ合金からなり、縦６８ｍｍ×横８３ｍｍ×高さ３７ｍｍである。クーリングファン２７は、ファンの直径ｄが６８ｍｍである。なお、ヒートシンク２５とクーリングファン２７は、前記ＣＰＵ２１に付属のＩｎｔｅｌ（登録商標）社製のリテールパッケージ品を用いた。このＣＰＵ装置２１において、ＣＰＵ２３において発生した熱は、ＴＩＭ２９を介してヒートシンク２３に伝導し、ヒートシンク２５から大気中に放散される。

【0022】

ＴＩＭの評価においては、ＴＩＭ２９に、実施例１乃至４のＴＩＭ及び以下に説明する比較例１及び２のＴＩＭの各々を用い、それぞれのＴＩＭの性能を評価した。

【0023】

［比較例１］
比較例１は、上記実施例で用いたグラファイトシート１１に薄膜化加工を施したＴＩＭである。具体的には、グラファイトシート１１の片面をロータリー式のグラインダーを用いて削り膜厚を０．３ｍｍとして形成したＴＩＭである。なお、当初から０．３ｍｍの厚さを有している市販品のグラファイトシートを用いてもよい。

【0024】

［比較例２］
比較例２は、薄膜化した比較例１のグラファイトシートにさらに平坦化加工、毛羽立て加工を施したＴＩＭである。比較例２のＴＩＭは以下のように生成した。まず、上記比較例１のＴＩＭの生成と同様に、グラファイトシート１１の片面をロータリー式のグラインダーを用いて削り膜厚を０．３ｍｍとした。

【0025】

その後、図９Ａに示すように、グラファイトシート１１を厚さ１ｍｍの柔らかいシリコーンシート（図示せず）上に載せ、表面に１ｍｍ間隔で細かな突起（円錐状突起）を有するローラー３１を用いて、グラファイトシートの表側と裏側から２〜３回ローラー掛けをしてシートにディンプル状の窪み構造３３を形成する。この際、グラファイトシート１１が破断しない程度の押圧力でローラー掛けをする。次に、図９Ｂに示すように、平坦なガラス板（図示せず）の上にグラファイトシート１１を載せ、表面が平坦なローラー３５を用い、シートの表側と裏側から数回ローラー掛けをしてシート表面を平坦化した。

【0026】

その後、上記実施例１のＴＩＭの製造方法と同様に、グラファイトシート１１の表面に粘着シートを貼り付けて引き剥がす毛羽立て加工を行うことによって、薄膜構造を形成し比較例２のＴＩＭが完成する。

【0027】

［ＴＩＭ塗布または配置態様］
実施例１乃至４のＴＩＭ、並びに比較例１及び比較例２のＴＩＭをＣＰＵ装置２１のＴＩＭ２９に用い、実際にＣＰＵを稼働させて熱放散能について評価を行った。なお、実施例１のＴＩＭについては、ＣＰＵ２３とヒートシンク２５の組み付け時に０．４ｍｍの厚さとなるように塗ったもの（以下、実施例１（厚塗り）とも示す）と０．１ｍｍ以下の厚さとなるように塗ったもの（以下、実施例１（薄塗り）とも示す）を用い、実施例２乃至４のＴＩＭについては、ＣＰＵ２３とヒートシンク２５の組み付け時に０．１ｍｍ以下の厚さとなるように塗ったものを用いた。

【0028】

実施例１及び２のＴＩＭの塗りつけ及びＣＰＵ２３とヒートシンク２５との組み付けは以下の様に行った。まず、ＣＰＵ２３のヒートスプレッダ２３ａの表面の全面に、ＴＩＭを０．１ｍｍ強の厚み（実施例１（厚塗り）の場合は０．４ｍｍ強の厚み）で塗布した。次に、ヒートシンク２５を、ＴＩＭが塗布されているヒートスプレッダ２３ａの表面に一定の力で押さえつけることのできるバネで固定した。この作業によりＴＩＭの厚みは略０．１ｍｍ以下（実施例１（厚塗り）の場合は０．４ｍｍ）になる。

【0029】

実施例３のＴＩＭの塗りつけ及びＣＰＵ２３とヒートシンク２５との組み付けは以下の様に行った。まず、薄膜片フィラー１９は、ＴＩＭのオイル中で沈殿しているので、ＴＩＭを攪拌して薄膜片フィラー１９とオイルを混ぜる。次に、ＴＩＭのオイル中で再度薄膜片フィラー１９が沈殿しないうちにＴＩＭをスポイトで吸い取り、必要量をＣＰＵ２３のヒートスプレッダ２３ａの表面に滴下塗布する。しばらく待って薄膜片フィラー１９がヒートスプレッダ２３ａの表面に沈降したら、吸油布でヒートスプレッダ２３ａの全面を押さえて余分なオイルを除去する。次に、ヒートシンク２５を、ＴＩＭが塗布されているヒートスプレッダ２３ａの表面に一定の力で押さえつけることのできるバネで固定した。この際、ＴＩＭの滴下量を調整することで、余分なオイル除去後のＴＩＭの厚みを０．１ｍｍ以下とした。

【0030】

実施例４のＴＩＭの塗りつけ及びＣＰＵ２３とヒートシンク２５との組み付けは以下の様に行った。まず、ＣＰＵのヒートスプレッダ２３ａの中央に、ＴＩＭを適切量を滴下する。次に、ヒートシンク２５をヒートスプレッダ２３ａの表面にＴＩＭを延ばしながら押さえつけ、その後、一定の力で押さえつけることのできるバネでヒートシンク２５とＣＰＵ２３とを固定した。この作業により、ＴＩＭはヒートスプレッダ２３ａの表面全体に広がり、厚みは略０．１ｍｍ以下になる。なお、マトリックスに中粘度のシリコーン樹脂を用いると、薄膜片フィラーはマトリックス中に均一に分散保持されるので、塗布工程が簡便になる。

【0031】

比較例１及び２のＴＩＭの配置及びＣＰＵ２３とヒートシンク２５との組み付けは以下の様に行った。まず、ＴＩＭをＣＰＵ２３のヒートスプレッダ２３ａの上面と同じ大きさに裁断した。その後、ＴＩＭをヒートスプレッダ２３ａ上に配置して、その上にヒートシンク２５を配置し、一定の力で押さえつけることのできるバネでヒートシンク２５とＣＰＵ２３とを固定した。

【0032】

［評価結果］

【0033】

【表1】

【0034】

当該評価におけるＴＩＭの評価表を表１に示す。表１にはＴＩＭのマトリックス、加工・処理、厚み、及び評価値として、ＣＰＵ最大負荷時の発熱とヒートシンクの放熱がバランスした際の、ＣＰＵジャンクション温度（ＣＰＵ Ｔｊ）及びヒートシンク放熱面（ＣＰＵと接している面と反対側の面）温度（Ｔｓｉｎｋ）を示している。さらに、ＣＰＵジャンクション温度とヒートシンク表面温度との差異（Ｔｊ−Ｔｓｉｎｋ）、ヒートシンク表面温度と大気温度との差異（Ｔｓｉｎｋ−Ｔａｉｒ）、及びＣＰＵが８９Ｗ（ＴＤＰ値）で発熱した際のＣＰＵジャンクションとヒートシンク表面間の熱抵抗（Ｒｔｈ（ＣＰＵ−ｓｉｎｋ））、ヒートシンク表面と大気間の熱抵抗（Ｒｔｈ（ｓｉｎｋ−ａｉｒ））も示している。

【0035】

上記評価値は、ＣＰＵ装置２１をパソコンに組み込んで測定した。また、評価する際のパソコンのＯＳ（Operating system）は、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ（登録商標）社のＷｉｎｄｏｗｓ（登録商標）ＸＰをとし、評価値の測定には、ＣＰＵに負荷を掛けるためにベンチマークソフトとしてＣｒｙｓｔａｌ Ｍａｒｋ ２００４ Ｒ３を用い、ＣＰＵのジャンクション温度（ＣＰＵ Ｔｊ）を測定するために、Ｏｐｅｎ Ｈａｒｄｗａｒｅ Ｍｏｎｉｔｏｒ ０．５４Ｂを用いた。ヒートシンク放熱面温度は熱電対で測定した。評価値の測定時の大気温度Ｔａｉｒは、２２℃で一定としている。また、評価値の測定時のクーリングファン２７の回転数は、２４００ｒｐｍで一定とした。

【0036】

また、図１０には、実施例及び比較例の各々のＣＰＵジャンクション温度（ＣＰＵ Ｔｊ）をプロットしたグラフを示している。ＣＰＵジャンクションとヒートシンクとの間にＴＩＭが挿入されるので、上記評価値において重要なのは、ＣＰＵジャンクション温度（ＣＰＵ Ｔｊ）、及びＣＰＵジャンクションとヒートシンク表面間の熱抵抗（Ｒｔｈ（ＣＰＵ−ｓｉｎｋ））となる。

【0037】

なお、ＣＰＵのヒートスプレッダの表面温度（Ｔｃａｓｅ）が６７℃（メーカー公開値）を超えると、ＣＰＵの保護のためにＣＰＵ稼働率を抑え、発熱量を低下させてＣＰＵジャンクション温度（Ｔｊ）上昇を抑制する機能（以下、過熱保護機能という）が働く。

【0038】

上記表に示すように、実施例１のＴＩＭを０．４ｍｍの厚さで塗って用いた場合（表中、実施例１（厚塗り））、ＣＰＵジャンクション温度（ＣＰＵ Ｔｊ）は６５．５℃、ヒートシンク放熱面温度（Ｔｓｉｎｋ）は５１℃であった。この時のＴｊ−Ｔｓｉｎｋは１４．５℃、Ｔｓｉｎｋ−Ｔａｉｒは２９℃であり、Ｒｔｈ（ＣＰＵ−ｓｉｎｋ）は０．１６３℃／Ｗ、Ｒｔｈ（ｓｉｎｋ−ａｉｒ）は０．３２６℃／Ｗとなる。

【0039】

実施例１のＴＩＭを０．１ｍｍ以下の厚さで塗って用いた場合（表中、実施例１（薄塗り））、ＣＰＵジャンクション温度（ＣＰＵ Ｔｊ）は６０．３℃、ヒートシンク放熱面温度（Ｔｓｉｎｋ）は５１℃であった。この時のＴｊ−Ｔｓｉｎｋは９．３℃、Ｔｓｉｎｋ−Ｔａｉｒは２９℃であり、Ｒｔｈ（ＣＰＵ−ｓｉｎｋ）は０．１０４℃／Ｗ、Ｒｔｈ（ｓｉｎｋ−ａｉｒ）は０．３２６℃／Ｗとなる。

【0040】

実施例２のＴＩＭを０．１ｍｍ以下の厚さで用いた場合（表中、実施例２）、ＣＰＵジャンクション温度（ＣＰＵ Ｔｊ）は６０．４℃、ヒートシンク放熱面温度（Ｔｓｉｎｋ）は５０℃であった。この時のＴｊ−Ｔｓｉｎｋは１０．４℃、Ｔｓｉｎｋ−Ｔａｉｒは２８℃であり、Ｒｔｈ（ＣＰＵ−ｓｉｎｋ）は０．１１７℃／Ｗ、Ｒｔｈ（ｓｉｎｋ−ａｉｒ）は０．３１５℃／Ｗとなる。

【0041】

実施例３のＴＩＭを０．１ｍｍ以下の厚さで用いた場合（表中、実施例３）、ＣＰＵジャンクション温度（ＣＰＵ Ｔｊ）は６０．２℃、ヒートシンク放熱面温度（Ｔｓｉｎｋ）は５０．２℃であった。この時のＴｊ−Ｔｓｉｎｋは１０℃、Ｔｓｉｎｋ−Ｔａｉｒは２８．２℃であり、Ｒｔｈ（ＣＰＵ−ｓｉｎｋ）は０．１１２℃／Ｗ、Ｒｔｈ（ｓｉｎｋ−ａｉｒ）は０．３１６℃／Ｗとなる。

【0042】

実施例４のＴＩＭを０．１ｍｍ以下の厚さで用いた場合（表中、実施例４）、ＣＰＵジャンクション温度（ＣＰＵ Ｔｊ）、ヒートシンク放熱面温度（Ｔｓｉｎｋ）は５１．５℃であった。この時のＴｊ−Ｔｓｉｎｋは９．１℃、Ｔｓｉｎｋ−Ｔａｉｒは２９．５℃であり、Ｒｔｈ（ＣＰＵ−ｓｉｎｋ）は０．１０３℃／Ｗ、Ｒｔｈ（ｓｉｎｋ−ａｉｒ）は０．３３２℃／Ｗとなる。

【0043】

比較例１のＴＩＭを用いた場合（表中、比較例１）、ＴＩＭの熱伝導性の悪さ故にオーバーヒートし、上記した過熱保護機能が作動したためＣＰＵ Ｔｊ等は測定不能であった。

【0044】

比較例２のＴＩＭを用いた場合（表中、比較例２）、ＣＰＵジャンクション温度（ＣＰＵ Ｔｊ）は６６．８℃、ヒートシンク放熱面温度（Ｔｓｉｎｋ）は５１℃であった。この時のＴｊ−Ｔｓｉｎｋは１５．８℃、Ｔｓｉｎｋ−Ｔａｉｒは２９℃であり、Ｒｔｈ（ＣＰＵ−ｓｉｎｋ）は０．１７７℃／Ｗ、Ｒｔｈ（ｓｉｎｋ−ａｉｒ）は０．３２６℃／Ｗとなる。

【0045】

［評価結果についての考察］
以下、図１１Ａ、図１１Ｂ及び図１２を用いて評価結果について考察する。図１１Ａは、実施例１のＴＩＭを０．４ｍｍの厚さで用いた（実施例１（厚塗り））場合の図８の領域Ｂの拡大図である。図１１Ｂは、図１１Ａの領域Ｃの拡大図である。図１２は、実施例１乃至４のＴＩＭを０．１ｍｍの厚さで用いた場合の図８の領域Ｂの拡大図である。図１１Ａ、図１２において、マトリクスをドット模様で表す。

【0046】

実施例１のＴＩＭを０．４ｍｍの厚さで用いた（実施例１（厚塗り））場合のＣＰＵ Ｔｊは、比較例１及び比較例２のＴＩＭを用いた場合よりも低い。これは、図１１Ａ及び図１１Ｂに示すように、ＴＩＭ中の、薄く柔らかい二次及び三次薄膜構造を有するグラファイト薄膜片フィラー１９がヒートスプレッダ２３ａ及びヒートシンク２５の表面の凹凸に柔軟に変形しつつ入り込み、フィラーとヒートスプレッダ２３ａ及びヒートシンク２５の表面との接触面積が増加し、薄膜片フィラー同士が二次、三次薄膜構造の部分で重なり合うことによりＴＩＭ内でフィラー同士が接触し、グラファイト結晶のｃ軸方向（グラファイト結晶の厚み方向）ではなく、ｃ軸方向よりも熱伝導率が高いグラファイト結晶のａ軸及びｂ軸に平行な面内方向（例えば、薄膜片フィラー１９の長さＬ方向）への熱伝導が多くなるためである。なお、このような効果は、グラファイトシートを単純に裁断または破砕したグラファイト薄膜片では得られない。

【0047】

実施例１のＴＩＭを０．４ｍｍの厚みで用いた場合（実施例１（厚塗り））に対し、実施例１乃至４のＴＩＭを０．１ｍｍ以下の厚みで用いた場合は、いずれの場合もＣＰＵ Ｔｊ及びＲｔｈ（ＣＰＵ−ｓｉｎｋ）が低下した。これは、実施例１乃至４のＴＩＭを０．１ｍｍ以下の厚みで用いた場合も、実施例１（厚塗り）関して図１１Ｂに示したのと同様に、グラファイト薄膜片フィラー１９がヒートスプレッダ２３ａ及びヒートシンク２５の表面の凹凸に柔軟に変形しつつ入り込んでいることに加え、ＴＩＭが薄膜化したことによる。さらに、実施例１乃至４のＴＩＭを０．１ｍｍ以下の厚みで用いた場合は、図１２に示すように、１つの薄膜片フィラー１９がヒートスプレッダ２３ａとヒートシンク２５との間を直接接続することで、熱が樹脂等のマトリックスを介さず、また複数の薄膜片フィラー１９を介さずに、１つの薄膜片フィラー１９のグラファイト結晶のａ軸及びｂ軸に平行な面内方向に沿った熱伝導率の低い経路のみを通ってより直接的に伝達される故に、ＣＰＵ Ｔｊ及びＲｔｈ（ＣＰＵ−ｓｉｎｋ）が低下した。

【0048】

実施例２乃至４のＴＩＭを０．１ｍｍ以下の厚みで用いた場合、これらの間でＣＰＵ Ｔｊ及びＲｔｈ（ＣＰＵ−ｓｉｎｋ）の差はあまりなかった。このことから、本願の薄膜片フィラーを用いるＴＩＭは、マトリックス材料に影響を受けないという特長を有していることがわかる。すなわち、マトリックス材料に粘度の高いグリース、粘度の低いオイル、中粘度の熱硬化性の樹脂等の高分子化合物によって熱伝導性に影響を受けない。またマトリックス材料の化学的成分によっても影響を受けない。換言すれば、目的に応じてＴＩＭのマトリックス材を選択できる。

【0049】

例えば、ＴＩＭを厚く塗布したい場合には、マトリックス材として粘度の高いグリースを用いＴＩＭをパテ状にすればよく、塗布後にマトリックス材を取り除きたい場合は、マトリックス材としてオイルを用いればよく、簡便に塗布したい場合には、マトリックス材として中粘度の樹脂を用いればよい。また、発熱体（ＣＰＵ）と放熱体（ヒートシンク）を組み付け後に分離解体することがある場合は、マトリックス材としてチクソ性の樹脂を使用すればよく、発熱体（ＣＰＵ）と放熱体（ヒートシンク）をしっかり固定したい場合は、マトリックス材熱硬化性樹脂を使用すればよい。また、マトリックス材の変質を防止したい場合はフッ素系樹脂を用いることも可能である。

【0050】

なお、ＴＩＭ内の薄片化フィラーが余りに小さすぎるとフィラー同士の接触界面が増加すること等によりＴＩＭの熱抵抗が大きくなる。発明者は、良好な低い熱抵抗値を得るために、ＴＩＭ内のグラファイト薄膜片フィラーの水平投影面積が１００００μｍ²以上であるのが好ましく、９００００μｍ²以上であるのがさらに好ましいことを確認している。なお、水平投影面積が１００００μｍ²未満のグラファイト薄膜片が３０％以下程度混ざっていても問題ないこともわかっている。

【0051】

また、反面、薄膜片フィラーが大きすぎると、ＴＩＭを薄く塗布することが困難になるので、グラファイト薄膜片フィラーは、水平投影面積が約１０ｍｍ²以下であるのが好ましく、良好なフィラー分散性や塗布性を得るために水平投影面積が１ｍｍ²以下であるのが好ましい。

【0052】

上記実施例においては、毛羽立て加工において、薄膜構造が三次薄膜構造まで形成されるとしたが、三次薄膜構造の表面に四次薄膜構造が形成されていてもよく。さらに高次の薄膜構造が形成されていてもよい。また、少なくとも二次薄膜構造が形成されていればよく、三次以上の薄膜片は必ず形成されなくともよい。

【0053】

また、上記実施例においては、グラファイトシートに粘着テープを貼り付けてそれを剥がす毛羽立て加工によって薄膜構造を形成して、当該薄膜構造を、刃物を用いてグラファイトシートから分離して薄膜片フィラーを形成することとしたが、薄膜片フィラーはこれ以外の方法で形成してもよい。例えば、グラファイトシート表面に形成された薄膜構造を空気吸引器（例えば、掃除機のようなもの）で吸引することで、薄膜片フィラーとして分離回収することとしてもよい。また、毛羽立て加工を行った後の粘着テープには、グラファイトシートから剥がれた、薄膜フィラーと同様の構造体が張り付いているので、グラファイトを溶解させずに粘着テープのみを溶解させる溶解液により粘着テープを溶解させることで、残った薄膜フィラーと同様の構造体を回収することとしてもよい。

【0054】

また、薄膜片フィラー１９は、全体としてカールしている必要はなく、少なくとも薄膜片フィラー１９の二次薄膜構造１５ｂ及び三次薄膜構造１５ｃが断面がカールしたフレア構造を有していればよい。

【0055】

上述した実施例における種々の数値、寸法、材料等は、例示に過ぎず、用途に応じて、適宜選択することができる。

【符号の説明】

【0056】

１１ グラファイトシート
１３ 粘着シート
１５ 薄膜構造
１５ａ 一次薄膜構造
１５ｂ 二次薄膜構造
１５ｃ 三次薄膜構造
１７ 刃物
１９ 薄膜片フィラー
２１ ＣＰＵ装置
２３ ＣＰＵ
２３ａ ヒートスプレッダ
２５ ヒートシンク
２７ クーリングファン
３１ 突起を有するローラー
３３ 窪み構造
３５ 平坦なローラー

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図2】

【図3】

【図4】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9A】

【図9B】

【図10】

【図11A】

【図11B】

【図12】

【図5】