特開 2024-175564 グラファイトシート及びその製造方法並びに電子機器

(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】P2024175564

(43)【公開日】2024-12-18

(54)【発明の名称】グラファイトシート及びその製造方法並びに電子機器

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/36 20060101AFI20241211BHJP

   H05K 7/20 20060101ALI20241211BHJP

   C01B 32/21 20170101ALI20241211BHJP

【ＦＩ】

H01L23/36 D

H05K7/20 F

C01B32/21

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023093442

(22)【出願日】2023-06-06

(71)【出願人】

【識別番号】314012076

【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002527

【氏名又は名称】弁理士法人北斗特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】白土 洋次

(72)【発明者】

【氏名】河村 典裕

【テーマコード（参考）】

4G146

5E322

5F136

【Ｆターム（参考）】

4G146AA02

4G146AB07

4G146AD20

4G146BA02

4G146CB07

5E322AA01

5E322AA11

5E322AB06

5E322FA04

5F136BC07

5F136FA23

5F136FA54

5F136FA75

5F136GA17

(57)【要約】

【課題】新規な構成を有し、放熱性能を向上させることができるグラファイトシートを提供する。
【解決手段】グラファイトシート１は、一体物であるグラファイト基材から構成される。グラファイト基材の一部は、厚さ方向に２以上の薄層部３に分離している。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

一体物であるグラファイト基材から構成されるグラファイトシートであって、
前記グラファイト基材の一部が、厚さ方向に２以上の薄層部に分離している、
グラファイトシート。

【請求項2】

一体物であるグラファイト材を準備する工程と、
前記グラファイト材の一部を厚さ方向に２以上の薄層部に分離する工程と
を備えるグラファイトシートの製造方法。

【請求項3】

前記分離工程における分離にスライサーを用いる、請求項２に記載のグラファイトシートの製造方法。

【請求項4】

発熱体と、放熱体と、前記発熱体と前記放熱体との間に介在する請求項１に記載のグラファイトシートとを備える電子機器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、グラファイトシート及びグラファイトシートの製造方法並びに電子機器に関し、詳しくは、グラファイト基材から構成されるグラファイトシート及びグラファイトシートの製造方法、並びにこれを備える電子機器に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、走行用の駆動源として電動機を用いる電気自動車やハイブリッド車等が増加しており、これらを制御するインバータにおいて、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ（ＩＧＢＴ））等のパワーモジュールなどは発熱が大きい。このような発熱体は、駆動時に発熱する熱を逃がすために、ヒートシンク等の放熱体に取り付けて使用されるが、発熱体から放熱体へスムースに熱を伝えるために、発熱体と放熱体との間に、熱伝導材料（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ（ＴＩＭ））のシートを挟むことが行われており、この熱伝導シートとして、グラファイトシートが用いられている。

【0003】

特許文献１には、グラファイトシートとして、複数のグラファイトシートからなり、前記複数のグラファイトシートを重畳した重畳領域と、前記グラファイトシート間に所定の空間を設けた分離領域とを設けた分離領域とを設け、前記分離領域に分離空間の形状を維持する形状維持手段を設けた構成が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００６－２０３０１４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１の構成のグラファイトシートは、複数のグラファイトシートを重畳するためにシート間に両面テープ等の接着層が必要になる。しかし、このような接着層の熱伝導性は大きく劣るため、特許文献１に記載のグラファイトシートは、発熱体から放熱体への伝熱に劣り、放熱性能が著しく低いものになる可能性がある。

【0006】

本開示の課題は、新規な構成を有し、放熱性能を向上させることができるグラファイトシート、このグラファイトシートの製造方法、及びこのグラファイトシートを用いる電子機器を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示の一態様に係るグラファイトシートは、一体物であるグラファイト基材から構成されるグラファイトシートであって、前記グラファイト基材の一部が、厚さ方向に２以上の薄層部に分離している。

【0008】

本開示の一態様に係るグラファイトシートの製造方法は、一体物であるグラファイト材を準備する工程（以下、グラファイト材準備工程ともいう）と、前記グラファイト材の一部を厚さ方向に２以上の薄層部に分離する工程（以下、グラファイト材分離工程ともいう）とを備える。

【0009】

本開示の一態様に係る電子機器は、発熱体と、放熱体と、前記発熱体と前記放熱体との間に介在する前記グラファイトシートとを備える。

【発明の効果】

【0010】

本開示によれば、新規な構成を有し、放熱性能を向上させることができるグラファイトシート、このグラファイトシートの製造方法、及びこのグラファイトシートを用いる電子機器を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、本開示の一実施形態に係るグラファイトシートの一部分を示す模式的断面図である。

【図2】図２Ａ～図２Ｄは、本開示の一実施形態に係るグラファイトシートの例を示す模式的断面図である。

【図3】図３は、本開示の一実施形態に係る電子装置を示す概略の模式的断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

１．概要
以下、本実施形態におけるグラファイトシートについて説明する。なお、以下の実施形態は、本開示の様々な実施形態の一つに過ぎない。以下の実施形態は、本開示の目的を達成できれば、設計に応じて種々の変更が可能である。

【0013】

グラファイトシートは、例えば、発熱体と放熱体との間に挟み、発熱体及び放熱体に密着させて、発熱体で発生した熱を放熱体にスムースに伝える熱伝導シートとして用いられる。

【0014】

発明者は、グラファイトシートについて鋭意検討を重ね、放熱性能を向上させることができる、従来とは異なる新規な構成を見出し、本開示を完成させた。

【0015】

本実施形態のグラファイトシートは、一体物であるグラファイト基材（以下、グラファイト基材（Ｘ）ともいう）から構成されるグラファイトシートである。グラファイト基材（Ｘ）の一部は、厚さ方向に２以上の薄層部３に分離している。

【0016】

グラファイトシート１は、一体物であるグラファイト基材（Ｘ）から構成されているので、通常、厚さ方向の熱伝導性が高い。また、グラファイト基材（Ｘ）の一部は、厚さ方向に２以上の薄層部３に分離しているので、グラファイトシート１の表面積が大きくなっており、この薄層部３の部分において、外気や、発熱体、放熱体等との熱交換が促進される。これらにより、グラファイトシート１は、放熱性能を向上させることができる。

【0017】

２．詳細
＜グラファイトシート＞
グラファイトシート１は、一体物であるグラファイト基材（Ｘ）から構成されている。すなわち、グラファイトシート１は、グラファイト基材（Ｘ）からなる。

【0018】

図１は、本実施形態のグラファイトシート１の一部分を示す断面図である。グラファイトシート１は、厚さ方向に分離されていない部分である厚層部２と、この厚層部２に繋がり、厚さ方向に分離された部分である２以上の薄層部３とを有している。以下、各部分について説明する。

【0019】

［グラファイト基材］
グラファイト基材（Ｘ）は、グラファイトを主成分とする基材である。「グラファイト」とは、炭素の同素体の一種である黒鉛のことであり、石墨ともいう。グラファイトは、炭素原子がｓｐ^２結合により六角形のハニカム格子状に配置された層（グラフェン層）が、ファンデルワールス力により、厚さ方向に複数層結合したものである。「主成分」とは、最も含有率が大きい成分をいい、例えば５０質量％以上、好ましくは７０質量％以上、より好ましくは９０質量％以上、さらに好ましくは９９質量％以上の含有率の成分をいう。

【0020】

グラファイト基材（Ｘ）は、一体物であることが重要である。グラファイト基材（Ｘ）が「一体物」であるとは、グラファイト基材が、複数のグラファイトのシートを粘着材等を使用して積層したものではなく、グラファイト基材の一方の面から他方の面まで連続してグラファイトが存在する構造体であることを意味する。グラファイト基材（Ｘ）が一体物であることで、グラファイトシート１は、厚さ方向の熱伝導性が向上する。グラファイト基材が、例えば複数のグラファイトのシートを粘着材等を用いて貼り合わせたものであると、厚さ方向の熱伝導性が低いものに留まり、グラファイトシートの放熱性能が低下する。

【0021】

グラファイト基材（Ｘ）としては、例えばグラファイトからなる層（グラファイト層）が複数層積層したもの等が挙げられる。

【0022】

このようなグラファイト基材（Ｘ）としては、例えば、ポリイミド等の高分子フィルムを熱処理して得られるグラファイト製シートが好ましく、グラファイトの粉末を固めて焼成して得られるグラファイト製シートなども用いることができる。

【0023】

［厚層部］
厚層部２は、グラファイト基材（Ｘ）において、薄層部３以外の部分であり、厚さ方向に分離していない部分である。グラファイトシート１は、厚層部２を有していることにより、厚さ方向の熱伝導性を高いものにすることができる。

【0024】

グラファイトシート１における厚層部２の数は、通常１であるが、２以上であってもよい。

【0025】

グラファイトシート１における厚層部２の平面視形状としては、特に限定されず、例えば正方形、長方形、三角形等の角形状；円、楕円等の円形状などが挙げられる。

【0026】

グラファイトシート１における厚層部２の厚さ方向の断面形状としては、例えば正方形、長方形等の四角形状などが挙げられる。

【0027】

厚層部２の厚さは、例えば３０μｍ以上１０００μｍ以下であり、５０μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましく、１００μｍ以上４００μｍ以下であることがより好ましい。

【0028】

グラファイトシート１が２以上の厚層部２を有する場合、２以上の厚層部２の平面視形状、断面形状及び厚さは、互いに同一でも異なっていてもよい。

【0029】

［薄層部］
薄層部３は、グラファイト基材（Ｘ）において、厚層部２以外の部分であり、グラファイト基材（Ｘ）の一部が厚さ方向に２以上に分離している部分である。グラファイトシート１は、薄層部３を２以上有していることにより、表面積をより大きくすることができ、これにより、外気や、発熱体１０、放熱体２０等との熱交換を促進することができる。

【0030】

薄層部３は、厚さ方向に２以上に分離しているものを含んでいればよく、その場合、薄層部３は、厚さ方向とは直交する方向に２以上に分離しているものを含んでいてもよい。

【0031】

グラファイトシート１における薄層部３の数は、２以上であり、２でも、３でも、４以上であってもよい。薄層部３の数の上限は、特に限定されないが、例えば２０以下であり、１５以下であることが好ましく、１０以下であることがより好ましい。

【0032】

薄層部３を、グラファイト基材（Ｘ）の一部を厚さ方向に分離して形成させる場合、薄層部３の各々は、分離による形成時に、カールするので、通常、互いに離れている。薄層部３においては、薄層部３の各々がより確実に離れた構造になるように、薄層部３の各々を、樹脂板材等の固定部材や、接着剤等などを用いて固定してもよい。

【0033】

グラファイトシート１における薄層部３の平面視形状としては、厚層部２の形状にもよるが、例えば正方形、長方形等の四角形状などが挙げられる。

【0034】

また、グラファイトシート１における薄層部３の厚さ方向の断面形状としては、例えば正方形、長方形等の四角形状などが挙げられる。

【0035】

薄層部３の厚さは、例えば１μｍ以上であり、５μｍ以上であることが好ましく、１０μｍ以上であることがより好ましく、２０μｍ以上であることがさらに好ましい。薄層部３の厚さは、例えば２００μｍ以下であり、１００μｍ以下であることが好ましく、８０μｍ以下であることがより好ましい。６０μｍ以下であることがさらに好ましい。

【0036】

グラファイトシート１における２以上の薄層部３の平面視形状、断面形状及び厚さは、互いに同一でも異なっていてもよい。

【0037】

（グラファイトシートの例）
図２Ａ～図２Ｄに、厚層部２が平面視長方形形状であるグラファイトシート１の長手方向の断面の例を示す。
図２Ａのグラファイトシート１は、１つの長い厚層部２の両端に、それぞれ４つの長い薄層部３を有している。図２Ａのグラファイトシート１によれば、グラファイトシート１の下面の表面積と、薄層部３における表面積とを共に大きくすることができる。
図２Ｂのグラファイトシート１は、１つの短い厚層部２の両端に、それぞれ３つの長い薄層部３を有している。図２Ｂのグラファイトシート１によれば、グラファイトシート１の構造の柔軟性をより向上させることができる。
図２Ｃのグラファイトシート１は、１つの長い厚層部２の一端に、２つの長い薄層部３を有している。図２Ｃのグラファイトシート１によれば、一対の薄層部３の部分を用いて、放熱体２０等との接触面積をより大きくすることができる。
図２Ｄのグラファイトシート１は、１つの短い厚層部２の一端に、３つの長い薄層部３を有しており、この薄層部３が波状になっている。図２Ｄのグラファイトシート１によれば、薄層部３の部分を折りたたむことにより、省スペース化を図ることができる。

【0038】

また、グラファイトシート１は、平面視長方形形状の厚層部２の４つの側面にそれぞれ２つ以上の薄層部３を有しているものでもよく、平面視円形状の厚層部２の側周面にそれぞれ２つ以上の薄層部３を有しているものでもよく、断面長方形形状の厚層部２の１つの側面に２つ以上の薄層部３を有し、櫛状になっているものであってもよい。

【0039】

＜グラファイトシートの製造方法＞
本実施形態のグラファイトシートの製造方法は、グラファイト材準備工程と、グラファイト材分離工程とを備える。この製造方法によれば、新規な構成を有し、放熱性能を向上させることができるグラファイトシート１を、簡便かつ確実に製造することができる。

【0040】

グラファイト材準備工程では、一体物であるグラファイト材（以下、グラファイト材（Ｙ）ともいう）を準備する。

【0041】

一体物であるグラファイト材（Ｙ）は、例えば、ポリイミド等の高分子フィルムを熱処理することにより、又はグラファイトの粉体を固めて焼成することにより得ることができる。

【0042】

グラファイト材分離工程では、グラファイト材（Ｙ）の一部を厚さ方向に２以上の薄層部３に分離する。

【0043】

グラファイト材（Ｙ）における分離の方法は特に限定されず、例えば、グラファイト材（Ｙ）の側面において、カッター等の刃を用いることにより、グラファイト材（Ｙ）の一部分を切断する方法などが挙げられる。

【0044】

グラファイト材（Ｙ）を厚さ方向に分離するのに、スライサーが好ましく用いられる。スライサーは、ベルト式の刃（バンドナイフ）を分離させる面に沿って移動させながらスライスを行う装置である。分離にスライサーを用いることで、より正確に薄層部３を形成することができ、より簡便かつより確実にグラファイトシート１を製造することができる。また、スライサーにより形成される薄層部３は通常、カール状になるので、より確実に、互いに分離した薄層部３を形成させることができる。

【0045】

＜電子機器＞
図３は、本実施形態の電子機器１００の一例を示す断面図である。図３の電子機器１００は、発熱体１０と、放熱体２０と、上述の本実施形態のグラファイトシート１とを備えている。電子機器１００によれば、上述のグラファイトシート１を備えているので、放熱性能を向上させることができる。

【0046】

発熱体１０は、熱を発する部材であり、例えば半導体部品である。半導体部品としては、例えばトランジスタ、ＣＰＵ（センタープロセッシングユニット）、ＭＰＵ（マイクロプロセッシングユニット）、ドライバＩＣ、メモリ等が挙げられるが、これらに限定されない。発熱体１０は、例えばヒートスプレッダと、ヒートスプレッダ上に固定されたチップ部とから構成されていてもよい。ヒートスプレッダは、金属等から作製された板状の部材であり、チップ部は、例えば半導体パッケージである。この場合、チップ部は、ヒートスプレッダの外縁部を除く部分の上に配置され、外縁部には、ヒートスプレッダを貫通する複数のネジ穴等が形成されていてもよい。

【0047】

放熱体２０は、発熱体１０が発した熱が伝達される部材である。放熱体２０から熱が放出され得る。放熱体２０は、例えばヒートシンクである。放熱体２０が板状のヒートシンクである場合、放熱体２０は、さらに放熱フィンを備えていてもよい。放熱体２０には、前述の発熱体１０における複数のネジ穴等にそれぞれ対応する位置に、複数のネジ穴等が形成されていてもよい。

【0048】

電子機器１００におけるグラファイトシート１は、前述の本実施形態のグラファイトシート１である。図３の電子機器１００では、グラファイトシート１は、１つの厚層部２と、この厚層部２の両端に、４つずつの薄層部３とを有している。

【0049】

電子機器１００におけるグラファイトシート１を配置する場所、向き等は特に限定されない。図３の電子機器１００においては、発熱体１０は、厚層部２の上に配置され、放熱体２０は、厚層部２及び厚層部２の両端の薄層部３のうちの最も放熱体２０側の２つの薄層部３上に配置され、かつ厚層部２の両端の４つずつの薄層部３は、互いに離れている。図３の電子機器１００は、グラファイトシート１と放熱体２０との接触面積がより大きくなっており、かつ放熱に寄与する薄層部３における表面積がより大きくなっているので、放熱性能をより向上させることができる。

【0050】

３．態様
上記実施形態から明らかなように、本開示は、下記の態様を含む。以下では、実施形態との対応関係を明示するためだけに、符号を括弧付きで付している。

【0051】

第１の態様に係るグラファイトシート（１）は、一体物であるグラファイト基材（Ｘ）から構成されている。グラファイト基材（Ｘ）の一部は、厚さ方向に２以上の薄層部（３）に分離している。

【0052】

第１の態様によれば、新規な構成を有し、放熱性能を向上させることができるグラファイトシート（１）を提供することができる。

【0053】

第２の態様に係るグラファイトシートの製造方法は、一体物であるグラファイト材を準備する工程と、前記グラファイト材の一部を厚さ方向に２以上の薄層部に分離する工程とを備える。

【0054】

第２の態様によれば、新規な構成を有し、放熱性能を向上させることができるグラファイトシート（１）を、簡便かつ確実に製造することができる。

【0055】

第３の態様に係るグラファイトシートの製造方法では、第２の態様において、前記分離工程における分離にスライサーを用いる。

【0056】

第３の態様によれば、分離にスライサーを用いることで、より正確に薄層部（３）を形成することができ、より簡便かつより確実にグラファイトシート（１）を製造することができる。また、スライサーにより形成される薄層部（３）は通常、カール状になるので、より確実に、互いに分離した薄層部（３）を形成させることができる。

【0057】

第４の態様に係る電子機器（１００）は、発熱体（１０）と、放熱体（２０）と、発熱体（１０）と放熱体（２０）との間に介在する第１の態様に係るグラファイトシート（１）とを備える。

【0058】

第４の態様によれば、放熱性能を向上させることができる電子機器（１００）を提供することができる。

【符号の説明】

【0059】

１ グラファイトシート
２ 厚層部
３ 薄層部
１０ 発熱体
２０ 放熱体
１００ 電子機器

【図1】

【図2】

【図3】