(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023124553
(43)【公開日】2023-09-06
(54)【発明の名称】放熱シート及び放熱シートの製造方法
(51)【国際特許分類】
H01L 23/36 20060101AFI20230830BHJP
H01L 23/373 20060101ALI20230830BHJP
B32B 7/027 20190101ALI20230830BHJP
【FI】
H01L23/36 D
H01L23/36 M
B32B7/027
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2022028374
(22)【出願日】2022-02-25
(71)【出願人】
【識別番号】591124765
【氏名又は名称】ジオマテック株式会社
(71)【出願人】
【識別番号】899000068
【氏名又は名称】学校法人早稲田大学
(74)【代理人】
【識別番号】100088580
【弁理士】
【氏名又は名称】秋山 敦
(74)【代理人】
【識別番号】100195453
【弁理士】
【氏名又は名称】福士 智恵子
(74)【代理人】
【識別番号】100205501
【弁理士】
【氏名又は名称】角渕 由英
(72)【発明者】
【氏名】伊東 孝洋
(72)【発明者】
【氏名】小林 浩行
(72)【発明者】
【氏名】大津 良太
(72)【発明者】
【氏名】関口 菜摘
(72)【発明者】
【氏名】巽 宏平
【テーマコード(参考)】
4F100
5F136
【Fターム(参考)】
4F100AK01A
4F100BA02
4F100CA23A
4F100EJ61
4F100GB41
4F100JG01B
4F100JJ01A
4F100JM02B
4F100YY00A
5F136BC07
5F136FA51
5F136FA61
5F136FA75
5F136FA76
5F136GA35
5F136GA37
(57)【要約】
【課題】放熱特性が向上した放熱シートを提供する。
【解決手段】熱伝導性フィラー2と、樹脂層3と、を有し、熱伝導性フィラーは、樹脂層に含まれており、樹脂層の表面3a又は裏面3bにおける熱伝導性フィラーの濃度(体積%)が、脂層における機能性フィラーの濃度に対して、10体積%以上増加している。このとき、熱伝導性フィラーの少なくとも一部が、樹脂層の表面又は裏面から露出していると好適である。また、樹脂層の表面又は裏面の少なくとも一方の上に積層された熱伝導性薄膜1,4を有し、樹脂層の表面又は裏面から露出した熱伝導性フィラーが熱伝導性薄膜に覆われていると好適である。
【選択図】
図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
熱伝導性フィラーと、樹脂層と、を有し、
前記熱伝導性フィラーは、前記樹脂層に含まれており、
前記樹脂層の表面又は裏面における前記熱伝導性フィラーの濃度(体積%)が、前記樹脂層の内部における前記熱伝導性フィラーの濃度(体積%)に対して、10体積%以上増加していることを特徴とする放熱シート。
【請求項2】
前記熱伝導性フィラーの少なくとも一部が、前記樹脂層の表面又は裏面から露出していることを特徴とする請求項1に記載の放熱シート。
【請求項3】
前記樹脂層の表面又は裏面の少なくとも一方の上に積層された熱伝導性薄膜を有し、
前記樹脂層の表面又は裏面から露出した前記熱伝導性フィラーが前記熱伝導性薄膜に覆われている請求項2に記載の放熱シート。
【請求項4】
熱伝導性フィラーを含む樹脂層を成型する工程と、
前記樹脂層の表面又は裏面の少なくとも一方をプラズマ処理する工程と、
を行う放熱シートの製造方法。
【請求項5】
前記プラズマ処理する工程の後に、プラズマ処理された前記樹脂層の表面又は裏面の少なくとも一方の上に熱伝導性薄膜を成膜する工程を行う請求項4に記載の放熱シートの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、放熱シート及び放熱シートの製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
電子機器の小型化に伴い、部品から発生した熱の処理としては、基板側からヒートシンクなどの冷却器へ伝えて放熱する基板放熱型が主流になってきている。放熱シートは、発熱源と冷却器の間に介在する伝熱部材で、サーマル・インターフェース・マテリアル(TIM)と呼ばれる放熱材料の一種である。発熱源や冷却器の表面には微少な凹凸があるため、直接組み付けると空気層が介在し放熱性能が低下してしまう。
【0003】
TIMを導入することで発熱源と冷却器界面への空気層の形成を抑制し、接触界面の熱抵抗を下げて放熱効率をあげることができる。ただし、TIMの介在は、熱の移動距離を長くするといった阻害要因にもなり得るため、TIM自身の熱伝導率を向上させることが重要であり、多くの取り組みがなされている。
【0004】
特許文献1には、弾性材料をマトリックスとし、該マトリックス中に熱伝導性粒子を分散させ、成形してシートを製造し、該シートからの放熱を増大させるための表面処理を該シートの表面層に行うことを特徴とする放熱性シートの製造方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
放熱シートは、一般的に樹脂に無機フィラーなどを充填させたもので構成されている。放熱特性向上のため、熱伝導率の優れた材料、充填方法などが工夫されている。しかしながら、(通常放熱シート成型時には表面が樹脂で覆われているため)実装時には発熱部と放熱シートの界面に接触する部分が樹脂になるため、接触部での熱抵抗が発生してしまうことが懸念される。
【0007】
つまり、TIM(放熱シート)と発熱源、TIMと冷却器の界面の熱抵抗低減には課題を抱えていた。具体的には、以下のような課題があった。
1)TIMと発熱源、TIMと冷却器との界面での熱抵抗が高い。
2)TIM(放熱シート)表面に伝わった熱が、シート内部のフィラーへ伝わりにくい。
3)シートの伝熱方向は、厚み方向、または面内方向と、方向性が決まっており、厚み方向と面内方向の双方への伝熱ができるものがなく、局所的な発熱があってもシート全体でカバーすることで伝熱作用を効率化できなかった。さらには、面内方向に配向したフィラーでは面内への伝熱はできるが、そのフィラーに伝熱するための厚み方向の伝熱成分が無いため、伝熱が効率化できなかった。
【0008】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、放熱特性が向上した放熱シート及び放熱シートの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
前記課題は、本発明の放熱シートによれば、熱伝導性フィラーと、樹脂層と、を有し、前記熱伝導性フィラーは、前記樹脂層に含まれており、前記樹脂層の表面又は裏面における前記熱伝導性フィラーの濃度(体積%)が、前記樹脂層の内部における前記熱伝導性フィラーの濃度(体積%)に対して、10体積%以上増加していること、により解決される。
【0010】
樹脂層の表面又は裏面における熱伝導性フィラーの濃化(濃度の増加)は、例えば、表面又は裏面のSEM-EDX装置などによる濃度分析により、定量化することが可能である。具体的には、成型したままの機能性シートの表面又は裏面における熱伝導性フィラーの濃度を、プラズマ処理後の濃度と比較すること、あるいは、樹脂層の内部における熱伝導性フィラーの平均濃度を比較すればよい。
【0011】
特許文献1には、研磨による表面処理により、表面にフィラーを露出させることが開示されているが、樹脂の選択的な除去は期待できない。プラズマ処理による熱伝導性フィラーの濃化については、プラズマによる樹脂の選択的な除去により内部の平均濃度より表面の濃度を高くすることができる。その程度については、10%以上が好ましく、さらに好ましくは20%以上が効果的である。
【0012】
このとき、前記熱伝導性フィラーの少なくとも一部が、前記樹脂層の表面又は裏面から露出しているとよい。
上記構成によれば、放熱シートの表面をプラズマ処理などで(樹脂を選択的に)削るなどして、熱伝導性フィラーを露出させることで、界面における機能性を効果的に発揮させることが可能となる。
このとき、前記樹脂層の表面又は裏面の少なくとも一方の上に積層された熱伝導性薄膜を有し、前記樹脂層の表面又は裏面から露出した前記熱伝導性フィラーが前記熱伝導性薄膜に覆われているとよい。
【0013】
前記課題は、本発明の放熱シートの製造方法によれば、熱伝導性フィラーを含む樹脂層を成型する工程と、前記樹脂層の表面又は裏面の少なくとも一方をプラズマ処理する工程と、を行うこと、により解決される。
上記構成によれば、放熱シートの表面をプラズマ処理で削り、熱伝導性フィラーを露出させることで、界面における機能性を効果的に発揮させることが可能となる。
またプラズマ処理では樹脂を選択的に除去することができる。
このとき、前記プラズマ処理する工程の後に、プラズマ処理された前記樹脂層の表面又は裏面の少なくとも一方の上に熱伝導性薄膜を成膜する工程を行うとよい。
【発明の効果】
【0014】
本発明の放熱シート及び放熱シートの製造方法によれば、放熱シートの表面又は裏面の少なくとも一方において熱伝導性フィラーを濃化することや、露出させることで効率的に機能性を発揮させることが可能となる。例えば、放熱シート表面に伝わってきた熱を、放熱シートに含有した熱伝導性フィラーへ伝わりやすくすることで、放熱シートと、それと接する高温側又は冷却側との界面における熱抵抗を下げて熱を伝えやすくなる。また、面内に熱伝導性薄膜を形成することで、面内方向への伝熱効果を上げることができ、部分的な発熱があっても、熱が面へと広がることで、放熱効果を上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【
図1】本発明の一実施形態に係る放熱シートの模式的断面図である。
【
図3】放熱シートの製造方法を示すフロー図である。
【
図4】熱伝導性フィラーの樹脂層からの露出についての模式図である。
【
図5】熱伝導性薄膜の厚みについての模式図である。
【
図6】放熱シートにおける熱の伝わり方を示す模式図である。
【
図7】放熱シートにおける熱の伝わり方を示す模式図である。
【
図8】変形例に係る放熱シートの模式的断面図である。
【
図9】変形例に係る放熱シートの模式的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0016】
以下、本発明の一実施形態(以下、本実施形態という)に係る放熱シート(機能性シート)及び放熱シートの製造方法について
図1乃至
図9を参照して説明する。
【0017】
<放熱シート10>
図1に示されるように、本実施形態の放熱シート10(機能性シート)は、熱伝導性薄膜1,4と、熱伝導性フィラー2と、樹脂層3と、を有している。熱伝導性フィラー2は、樹脂層3に含まれている。熱伝導性薄膜1,4は、樹脂層3の表面3a又は裏面3bの少なくとも一方の上に積層されている。熱伝導性フィラー2の少なくとも一部が、樹脂層3の表面3a又は裏面3bから露出しており、樹脂層3の表面3a又は裏面3bから露出した熱伝導性フィラー2が熱伝導性薄膜1,4に覆われている。
【0018】
熱伝導性薄膜1,4は、樹脂層3を形成する樹脂よりも熱伝導度の高い導電性材料で形成されてる。放熱シート10では、樹脂層3の表面3a又は裏面3bにおける熱伝導性フィラー2の濃度(体積%)が、樹脂層3の内部における熱伝導性フィラー2の濃度(体積%)に対して、10体積%以上、より好ましくは20体積%以上増加している。
【0019】
<放熱シート10の製造方法>
本実施形態の放熱シート10(機能性シート)は、
図2及び
図3に示すように、以下の放熱シート10の製造方法によって形成される。具体的には、熱伝導性フィラー2を含む樹脂層3を成型する工程(ステップS1)と、樹脂層3の表面3a又は裏面3bの少なくとも一方をプラズマ処理Pする工程(ステップS2)と、プラズマ処理された樹脂層3の表面3a又は裏面3bの少なくとも一方の上に熱伝導性薄膜1,4を真空蒸着D(真空成膜)で成膜する工程(ステップS3)と、を行う。
【0020】
プラズマ処理Pする工程(ステップS2)では、樹脂層3の表面3a又は裏面3bの少なくとも一方を削り、熱伝導性フィラー2を露出させる。プラズマ処理Pで樹脂層3を除去する場合、各種ガスを選択することが可能である。なお、プラズマ処理に限らず、樹脂層3を除去できれば、他の方法でもよい。表面研磨でも、樹脂層3の削り取りは可能であるが、研磨粉の発生や研磨による横応力のため、熱伝導性フィラー2が取れてしまう懸念もあることから、良好な手法とはいえない。
【0021】
あるいは化学的に溶液で樹脂成分を選択的に除去することも可能であるが、この場合もフィラーの下部の樹脂を除去してしまう可能性が高く、フィラーの脱落の可能性が高くなる。プラズマ処理は表面に対して、垂直方向に優先的にエッチング、すなわち樹脂の選択的除去が可能であり、樹脂の脱落を抑制する方法が可能である。なお、プラズマ処理のガス成分の酸素成分を制御することで、より、効果的に樹脂成分を選択除去することができる。たとえば、Ar+0.05~5%O2、N2+0.1%~20%O2、などが好適である。
【0022】
プラズマ処理Pする工程(ステップS2)において、樹脂層3を、削り過ぎてしまう場合、以下の問題が生じ得る。
(1)熱伝導性フィラー2が脱落し、樹脂層3の表面3a又は裏面3bに露出すべき熱伝導性フィラー2が無くなる。
(2)熱伝導性フィラー2が脱落しやすくなり、熱伝導性薄膜1,4を形成した後に、熱伝導性薄膜1,4と共に熱伝導性フィラー2が脱落してピンホールが生じる。
(3)削った樹脂が異物として散在し、再び熱伝導性フィラー2の表面に付着する。
(4)放熱シート10の表面が粗くなり、熱源や冷却器の表面と接触不良になり、熱伝導が低下する。
【0023】
プラズマ処理Pする工程(ステップS2)において、樹脂層3の削りが不足している場合、以下の問題が生じ得る。熱伝導性フィラー2の表面が、樹脂層3から露出する程度が不足する。
【0024】
図4に示すように、熱伝導性フィラー2の球相当径をd1とし、熱伝導性フィラー2が樹脂層3に埋まっている距離をd2とする。熱伝導性フィラー2が樹脂層3の内部に留まるために、どの程度埋まっている必要があるかの目安は、d2/d1>2/3で表現される。つまり、直径の2/3超が樹脂層3に埋まっている必要がある。露出度合としては、熱伝導性フィラー2の直径の0~1/3の範囲内であれば適当である。そこで、最表層に存在する熱伝導性フィラー2の球相当径d1の2/3が樹脂層3に埋まっている程度に、樹脂層3を削るのが良い。
【0025】
成膜する工程(ステップS3)では、導電性を持った熱伝導性薄膜1,4を形成する。熱伝導性薄膜1,4を形成する方法は、真空蒸着を採用することが成膜性の観点から好適である。
【0026】
露出した熱伝導性フィラー2を、導電性を持った熱伝導性薄膜1,4で覆うことで、放熱経路を広く確保出来るので、効果はある。さらに効果を上げる上では、形成する熱伝導性薄膜1,4の厚みとしては、露出する熱伝導性フィラー2を連結できる程度の厚みが必要である(
図5)。
【0027】
(熱伝導性薄膜1,4の厚みについて)
まず、熱伝導性薄膜1,4の厚みが薄い場合、以下の問題が挙げられる。
(1)放熱シート10の表面全体に、熱伝導性薄膜1,4が形成できず、隙間ができてしまい、面内への熱伝導性の効率が下がる。
(2)熱が面内に流れる断面積が小さくなり、熱流束が小さくなる。
ただし、こうした状況が生じると効率は下がるものの、熱伝導性薄膜1,4が形成されていない場合に比べて熱伝導性は向上する。
【0028】
熱伝導性薄膜1,4の厚みが厚い場合、以下の問題が挙げられる。
(1)厚みが厚いと、その分だけ成膜に時間がかかり、コストが高くなる。
(2)表面にある熱伝導性薄膜1,4が本質的に硬い場合、厚くなるにしたがい、その硬さが増し、熱源側や冷却側の面との接触が悪化する。
(3)熱伝導性薄膜1,4の硬さが増すと、取り扱う際に放熱シート10が曲がった際に熱伝導性薄膜1,4が割れて、剥がれの原因になることが懸念される。
上記の内容を考慮して、形成する熱伝導性薄膜1,4の厚みを設定する必要がある。
【0029】
<利用分野>
本実施形態に係る機能性シートの一例である放熱シート10は、高周波、高電流での利用が今後広がっていく、パワー半導体用冷却材料として利用することができる。また、本実施形態に係る放熱シート10の利用分野としては、車用コントロールユニット、再生エネルギー用パワーユニット、高周波通信に関わるハイエンドサーバー等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【0030】
図6及び
図7に示されるように、本実施形態に係る放熱シート10では、熱伝導性フィラー2を露出させて熱伝導性薄膜1,4で覆うことで、発熱側H及び冷却側Cにおける界面の熱抵抗を減少させることができる。つまり、放熱シート内部のフィラーに効率よく熱を伝える伝熱ルートRが形成される。また、1つの放熱シートで厚み方向、面内方向の双方に良好な熱伝導率を確保する伝熱ルートRが形成される。
【0031】
<変形例>
上記の実施形態では、熱伝導性フィラー2が球状である例を示したが、熱伝導性フィラー2の形状は特に限定されるものではない。例えば、棒状の熱伝導性フィラー2aを用いてもよい(
図8)。また、平板状の熱伝導性フィラー2bを用いてもよい(
図9)。
【0032】
上記の実施形態では、機能性シートとして放熱シートを例として説明をした。機能性シートは、放熱シートに限定されるものではなく、放熱シートの技術的思想は他の機能性シートにも応用可能である。機能性シートの性能は、機能性フィラーで決まるため、同様に選択的に樹脂のみを除去してフィラーの表面密度をあげることで機能の向上が見込まれる。例えば、機能性フィラーとして光触媒を用いた場合には、光触媒特性が良好な光触媒シートを実現することが可能となる。
【0033】
本実施形態では、主として本発明に係る放熱シート及び放熱シートの製造方法について説明した。
ただし、上記の実施形態は、本発明の理解を容易にするための一例に過ぎず、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることは勿論である。
【符号の説明】
【0034】
1 熱伝導性薄膜(第1熱伝導性薄膜)
2 熱伝導性フィラー(機能性フィラー)
2a 棒状の熱伝導性フィラー(機能性フィラー)
2b 平板状の熱伝導性フィラー(機能性フィラー)
3 樹脂層
3a 表面
3b 裏面
4 熱伝導性薄膜(第2熱伝導性薄膜)
10,10a,10b 放熱シート(機能性シート)
P プラズマ処理
D 真空蒸着
C 冷却側
H 発熱側
R 伝熱ルート