説明

熱伝導性フィルム

【課題】粘着性を有する低熱抵抗の熱伝導性フィルムを提供すること。
【解決手段】金属箔の両主面に、バインダー樹脂と該バインダー樹脂中に分散された熱伝導性フィラーとを含む熱伝導性組成物を塗工することによって熱伝導性樹脂層を形成し、熱伝導性フィルムを構成する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、熱伝導性フィルムに関する。より詳細には、パーソナルコンピュータ(PC)などの電子機器の放熱システムに適用され、熱源から発生した熱を放熱体へ効率良く伝導することが可能な熱伝導性フィルムに関する。
【背景技術】
【0002】
現在、電子機器の分野では、それらを稼動させた際の温度上昇を抑制する冷却(放熱)技術が重要になってきている。特に、PCにおいては、その容積が減少傾向にある一方で、PC搭載のCPU(中央演算処理装置)の動作周波数は増加傾向にあり、またCPU以外の部品についてもその消費電力は増加傾向にあり、発熱量は急激に上昇してきている。そのため、効率の良い放熱技術が必要とされている。なかでも、電子機器に対する静音化、および消費電力低減化の要求を満たすため、ファンによる空冷に頼らない放熱システムが必要とされている。
【0003】
当技術分野における代表的な放熱技術として、電子機器に、熱伝導率の高いアルミニウムや銅から構成されるヒートシンクを設ける放熱システムが知られている。この放熱システムでは、電子機器とヒートシンクとの間にシリコーンゲルシート、シリコーングリース、またはその他の各種材料から構成される熱伝導性粘着部材を介在させ、接触熱抵抗を低減させる技術が検討されている。熱伝導性粘着部材の一例として、エチレンプロピレン弾性体とイソブチレン系弾性体と熱伝導フィラーとを含有する熱伝導性粘着テープが提案されている(特許文献1および2)。また、別の例として、アクリル系接着剤100重量部に対して熱伝導粒子を20〜400重量部の割合で含む熱伝導性電気絶縁テープが提案されている(特許文献3)。
【特許文献1】特開昭52−118300号公報
【特許文献2】米国特許第4071652号
【特許文献3】特開平6−88061号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
放熱システムに熱伝導性粘着部材を適用し、熱源となる電子機器から発生した熱をヒートシンクなどの放熱体に効率良く伝達するためには、部材の粘着性を高めて熱源および放熱体に対する密着性を向上させるとともに、熱抵抗を低減させることが望ましい。しかし、従来の熱伝導性粘着部材は、いずれも熱抵抗が高く、それらを使用して良好な熱伝導性を得ることは困難である。一般に、部材の厚さを薄くすることで、その熱抵抗を低下させることは可能である。しかし、そのような方法は、部材を薄くするにつれて強度が低下し、取り扱い性が悪くなるだけでなく、難燃性などの安全性を確保することも困難になる傾向があるため、限界がある。そのため、取り扱いが容易となる十分な強度と、効率の良い熱伝導を実現する低い熱抵抗とを併せ持つ、熱伝導性粘着部材が必要とされている。このような状況に鑑みて、本発明では、優れた粘着性に加えて、十分な強度と低い熱抵抗とを有する熱伝導性フィルム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】
【0005】
本発明者らは検討の結果、熱伝導率の高い金属箔を支持体として使用し、その両主面に粘着性および熱伝導性を有する層を設けてなるフィルム状構造体が、良好な熱伝導性部材となり得ることを見出し、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明は、以下に関する。
【0006】
本発明の熱伝導性フィルムは、金属箔と、該金属箔の両主面に設けられた熱伝導性樹脂層とを有し、前記熱伝導性樹脂層が、バインダー樹脂と該バインダー樹脂中に分散された熱伝導性フィラーとを含むことを特徴とする。
【0007】
ここで、熱伝導性フィルターは、1.0℃・cm/W以下の熱抵抗、0.1N/10mm以上の剥離粘着力を有することが好ましい。熱伝導性フィルム全体の厚さは50〜200μmの範囲であることが好ましく、金属箔の厚さは10〜40μmであることが好ましい。
【0008】
また、熱伝導性樹脂層に含まれるバインダー樹脂は熱可塑性樹脂であり、熱伝導性フィラーの熱伝導率は10W/mK以上であることが好ましい。熱伝導性フィラーは、黒鉛を含むことが好ましい。
【0009】
また、熱伝導性フィルムは、UL−94規格でV−0の難燃性を有することが好ましい。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、熱源および放熱体に対する密着性に優れ、熱抵抗が低く、取り扱い性に優れた熱伝導性フィルムの提供が可能となる。本発明による熱伝導性フィルムは、電気機器における放熱システムに好適であり、熱源から発生した熱を放熱体に効率良く伝導し放熱させることによって、電気機器の急激な温度上昇を抑え、それらの信頼性を高めることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0011】
以下、本発明の詳細について説明する。図1は本発明による熱伝導性フィルムの一実施形態を示す模式的断面図である。図1に示すように、本発明による熱伝導性フィルム100は、金属箔101と、金属箔101の両主面に設けられた熱伝導性樹脂層102とを有し、熱伝導性樹脂層102は、少なくともバインダー樹脂と熱伝導性フィラーとを含む熱伝導性組成物から構成されることを特徴とする。電子機器への適用を考慮すると、本発明による熱伝導性フィルムの熱抵抗は、1.0℃・cm/W以下であることが好ましく、0.8℃・cm/W以下であることがより好ましく、0.6℃・cm/W以下であることがさらに好ましい。熱伝導性フィルムの熱抵抗が1.0℃・cm/Wを超えると、熱源から発生した熱を効率良く放熱体に伝導することが困難となる傾向がある。なお、熱抵抗の測定は、特に限定されるものではなく、温度傾斜法、定常比較法など周知の方法に従って実施することが可能である。本発明で規定する熱抵抗は、温度傾斜法に従って測定した値である。
【0012】
また、本発明による熱伝導性フィルムの剥離粘着力は0.1N/10mm以上であることが好ましく、0.15N/10mm以上であることがより好ましく、0.2N/10mmであることがさらに好ましい。剥離粘着力が0.1N/10mm未満となると、熱源および放熱体に対する密着力が低下し、接触熱抵抗が増加する傾向にある。なお、本発明で規定する剥離粘着力は、JIS Z 0237に準じて測定した90°引剥粘着力の値である。
【0013】
さらに、本発明による熱伝導性フィルムは、フィルム全体の厚さが50〜200μmであることが好ましく、50〜150μmであることが特に好ましい。熱伝導性フィルムの厚さが50μmよりも薄くなると、熱源および放熱体の表面の凹凸を吸収することが困難となり、接触熱抵抗が増加する傾向にある。また、剥離粘着力が低下するという不具合が生じる。一方、熱伝導性フィルムの厚さが200μmを超えると、フィルムの熱抵抗が増加し、熱源から発生した熱を効率良く放熱体に伝導することが困難となる傾向がある。
【0014】
本発明の熱伝導性フィルムは、代表的には、芯材となる金属箔の両主面に、少なくとも樹脂と熱伝導性フィラーとを含む熱伝導性組成物を塗布することによって作製することが可能である。熱伝導性フィルムの熱抵抗および剥離粘着力は、金属箔およびその両主面に設けられる熱伝導性樹脂層の厚み、ならびに熱伝導性樹脂層を構成する熱伝導性組成物を適切に設定することによって調整することが可能である。
【0015】
より具体的には、本発明の熱伝導性フィルムにおいて芯材となる金属箔は、特に制限はなく、金、銅、アルミニウム等の金属をシート状に加工したものを使用することが可能である。特に限定するものではないが、熱伝導率が高く、工業的に量産され、加工が容易である点で、銅、アルミニウムをシート状に加工したものが好ましい。そのような金属箔の厚さは、10〜40μmの範囲とすることが適当であり、10〜30μmであることが好ましく、10〜20μmであることがより好ましい。金属箔の厚さが10μmよりも薄くなると、金属箔の強度が低下し、その両主面に熱伝導性組成物を塗工することによって熱伝導性樹脂層を形成する際に、撚れ、折れ、または引き裂きが生じ、塗工作業が困難となる傾向がある。一方、金属箔の厚さが40μmを超えると、熱伝導性フィルム自体の熱抵抗が増加し、熱源から発生した熱を放熱体に効率良く伝達することが困難となる傾向がある。
【0016】
熱伝導性樹脂層を構成する熱伝導性組成物は、少なくともバインダー樹脂と熱伝導性フィラーとを含む。特に限定するものではないが、バインダー樹脂には、熱可塑性樹脂を使用することが好ましい。より具体的には、取り扱い性に優れたガラス転移温度(Tg)の低いゴムを使用することが好ましい。使用するゴムのTgは、好ましくは0℃から−50℃、より好ましくは−5℃から−45℃、さらに好ましくは−10℃から−45℃である。ゴムの具体例としては、アクリロニトリル−ブタジエンゴムやアクリルゴムおよびこれらにカルボキシル基やエポキシ基等の官能基を付加したゴム、天然ゴム、シリコーンゴム等が好ましい。上述のアクリルゴムとは、アクリル酸エステルを主成分としたゴムの総称であり、代表的には、ブチルアクリレートとアクリロニトリル等との共重合体や、エチルアクリレートとアクリロニトリル等との共重合体等から構成されるゴムが含まれる。
【0017】
上述のゴムは、熱伝導性フィルムに適度な強度を付与する観点から、架橋体であるか、または10万以上の重量平均分子量(Mw)を有することが好ましい。使用するゴムのMwは、より好ましくは10万〜50万、さらに好ましくは10万〜40万である。ゴムのMwが10万未満であると、フィルムに適度な強度を付与することが困難であり、Mwが50万を超えると取り扱い性に劣る傾向がある。
【0018】
特に限定するものではないが、取り扱い性、樹脂層形成時の塗工性、および柔軟性の点からアクリルゴムが推奨される。上述のアクリルゴムは単独で使用しても、2種類以上を組み合わせて使用してもよい。また、アクリルゴムと他の熱可塑性樹脂とを組み合わせて使用してもよい。併用可能な樹脂の例として、ロジンエステル等が挙げられる。
【0019】
また、熱伝導性フィラーとしては、10W/mK以上の熱伝導率を有する熱伝導性材料のフィラーを選択することが好ましい。そのような熱伝導性材料の一例として、シリカ、黒鉛、アルミナ、水酸化アルミニウム、チッ化アルミニウム、炭化ケイ素、水酸化マグネシウム等の無機フィラー、アルミニウム、銅、銀、金等の金属フィラー等が挙げられる。これら熱伝導性フィラーは単独で使用しても、2種類以上を組み合わせて使用してもよい。特に限定するものではないが、熱伝導性フィラーとして黒鉛を使用することが好ましく、黒鉛の使用は熱伝導率、耐食性、およびコストの点で利点がある。黒鉛としては、例えば、天然黒鉛粉末、人造黒鉛粉末、膨張黒鉛または膨張黒鉛シートを粉砕した膨張黒鉛粉末等を使用することが可能である。コストの観点では、天然または人造黒鉛粉末を使用することが好ましい。
【0020】
黒鉛の形状は、特に制限されるものではなく、球形、塊状、鱗片、樹枝状等であってよいが、その平均粒径は5〜100μmであることが好ましい。黒鉛の平均粒径が5μmよりも小さい場合、放熱材などの被着体と黒鉛粒子の接触が起こり難くなり、その結果、熱抵抗が大きくなる傾向がある。一方、100μmを超える場合、フィルム作製時に均一な塗膜が得られなくなる傾向がある。なお、本発明で規定した黒鉛の平均粒径は、レーザー回折式粒度分布測定装置を用いて測定した値である。
【0021】
熱伝導性樹脂層における熱伝導性フィラーとの配合割合は、特に限定されるものではないが、樹脂層を構成する成分の全重量を基準として、30〜80重量%、より好ましくは40〜80重量%、さらに好ましくは50〜80重量%である。熱伝導性フィラーの配合割合が30重量%を下回ると、熱伝導性フィルム自体の熱抵抗が増加し、熱源から発生した熱を放熱材に効率良く伝達し難くなる。一方、80重量%を超えるとフィラーが表面に露出し過ぎるため、十分な粘着性が得られなくなる傾向がある。
【0022】
熱伝導性樹脂層は、上述のバインダー樹脂および熱伝導性フィラーに加え、必要に応じて、ウレタンアクリレート等の靭性改良剤、酸化カルシウムおよび酸化マグネシウム等の吸湿剤、シランカップリング剤、チタンカップリング剤およびリン含有化合物等の難燃付与剤、粘着付与剤、界面活性剤およびフッ素系界面活性剤等の濡れ向上剤、シリコーン油等の消泡剤、沈降防止剤、表面張力調整剤、粘性調整剤、無機イオン交換体等のイオントラップ剤等といった、各種添加剤を含んでもよい。電子機器への適用を考慮すると、本発明による熱伝導性フィルムは、UL−94規格でV−0の難燃性を有していることが好ましい。そのため、特に限定するものではないが、熱伝導性樹脂層は、上述のバインダー樹脂および熱伝導性フィラーに加え、難燃付与剤として、リン酸エステルといったリン含有化合物を含むことが好ましい。なお、難燃付与剤を使用する場合、それらの配合比は、樹脂層を構成する成分の全重量に対して、10〜50重量%、より好ましくは20〜50重量%の範囲である。難燃付与剤の配合割合が10重量%を下回ると、UL−94規格でV−0の難燃性を得ることが困難となる傾向がある。一方、50重量%を超えると、フィルムの膜強度が低下する傾向がある。
【0023】
熱伝導性樹脂層を構成する熱伝導性組成物は、上述のバインダー樹脂および熱伝導性フィラー、さらに必要に応じて選択される各種添加剤を混合することによって調製することが可能である。熱伝導性組成物は、調製時にライカイ機、プラネタリーミキサー、攪拌器、ホモジナイザー、ディスパージョンなどの分散装置を適宜組み合わせて使用することにより、バインダー樹脂中にフィラーが充分に分散した均一なペーストとして得ることが好ましい。
【0024】
本発明では、熱伝導性樹脂層を形成する際、熱伝導性組成物の塗工性を向上させるために、上述の熱伝導性組成物に希釈剤をさらに加えてもよい。希釈剤としては、例えば、ブチルセロソルブ、カルビトール、酢酸ブチル、酢酸ブチルセロソルブ、酢酸カルビトール、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、α−テルピネオール等の比較的沸点の高い有機溶剤が好ましく、バインダー樹脂との相溶性を考慮して選定する。その添加量は熱伝導性組成物全体に対して10〜70重量%の範囲で使用することが好ましい。なお、熱伝導性組成物は、均一な塗膜を形成する観点から、10〜50Pa・sの粘度を有することが好ましい。なお、本明細書で使用する用語「粘度」は、RE80型粘度計(商品名、東機産業株式会社製)によって測定された値を示す。
【0025】
本発明による熱伝導性フィルムは、金属箔の両主面に、上述のように構成される熱伝導性組成物を塗工し、熱伝導性樹脂層を形成することによって得られる。塗工方法は、特に制限されるものではなく、均一な塗膜を形成することが可能となる公知の方法を適用することが可能である。生産性を考慮する場合には、短時間で強靭な塗膜を形成できるバインダー樹脂、またはそのようなバインダー樹脂に適切な希釈剤をそれぞれ選択することが好ましい。熱伝導性フィルムの熱抵抗を1.0℃・cm/W以下に調整するためには、各種成分を適切に配合して熱伝導性組成物を調製するとともに、それら組成物を使用してフィルム全体の厚さが200μm以下となるように塗工を実施することが好ましい。
【実施例】
【0026】
以下、実施例によって本発明を具体的に説明するが、本発明はそれらによって限定されるものではない。
【0027】
(実施例1)
(1)バインダー樹脂の調製
熱伝導性樹脂層を形成するバインダー樹脂として、Tgが−40℃、Mwが25万のアクリルゴム(アクリルゴムAと称す)30gに、リン酸エステル(大八化学工業株式会社製、製品名:CR733S)13.5gと、酢酸ブチル(工業用)150gとを加え、ライカイ機を使用して均一に混合した。
【0028】
(2)熱伝導性組成物(ペースト)の調製
(1)で調製したバインダー樹脂に対して、平均粒径20μmの天然黒鉛(中国産)を92.8g加え、それらをライカイ機で混合した後に、さらにホモジナイザーを使用して、回転数5000rpmで5分間にわたって攪拌することにより、熱伝導性組成物を調製した。得られた組成物の重量分率は、黒鉛:アクリルゴムA:リン酸エステル=68:22:10であり、その粘度は20Pa・sであった。
【0029】
(3)熱伝導性組成物の塗工
厚さ20μmのアルミ箔を支持体として使用し、その表面および裏面のそれぞれに先に調製した熱伝導性組成物(ペースト)を塗工することによって、熱伝導性フィルムを作製した(図1を参照)。なお、塗工は片面ずつ、塗工速度0.5m/min、乾燥温度120℃で実施した。得られた熱伝導性フィルム全体の厚さは100μmであった。得られた熱伝導性フィルムの熱抵抗および剥離粘着力について測定した。その結果を表1に示す。
【0030】
(4)各種試験
上述のようにして作製した熱伝導性フィルムの熱抵抗、剥離粘着力、伝熱特性および難燃性について、以下の方法に従って測定を実施した。その結果を表1に示す。
【0031】
熱抵抗の測定:株式会社アグネ技術センター製の熱伝導率測定装置「ARC−TC−1型」を使用し、温度傾斜法に従って測定した。
【0032】
剥離粘着力:作製した熱伝導性フィルムを幅10mmに切断したものをアルミ板に指圧で貼付け、90°の引張荷重を負荷して測定した。
【0033】
伝熱特性の測定:熱伝導性フィルムの伝熱特性を測定する方法を説明するための概略図を図2に示す。図2に示すように、測定装置は、断熱材200(ガラスクロスとフェノール樹脂とから構成される繊維強化プラスチック)の上に10×10mm角で厚さ2mmのセラミックヒーター202(坂口伝熱株式会社製)および10×10mm角で厚さ3mmの銅板204を順に重ね、さらにその上に30×30mm角の熱伝導性フィルム100を介して30×30mm角で厚さ15mmの放熱材206を設けることによって構成される。測定は、セラミックヒーター202に設けた出力調整器208によって120℃で2.0W/cmの一定出力となるように制御しながら電流を流し、サーモロガー210(安立計器株式会社製、製品名:AM−8060K)の測定部を銅板204の中心部に置いて実施した。伝熱特性を検討するためにセラミックヒーター202の温度低下を直接測定することは困難であるため、セラミックヒーター202と放熱材206との間の銅板204の中心部の温度を測定することによって評価した。このような銅板の温度の測定は、試験開始から20分後に行い、周囲の環境温度の影響を避けるために、銅板の温度T1と環境温度T2との差(T1−T2)を評価温度として定義した。その結果を表1に示す。
【0034】
難燃性の測定:UL−94規格に準拠した難燃試験を実施した。
【0035】
(実施例2)
使用する黒鉛を平均粒径20μmの人造黒鉛(ティムカル社製、品名:KS44)にかえて熱伝導性組成物を調製すること以外、全て実施例1と同様にして熱伝導性フィルムを作製し、同様の測定を実施した。その結果を表1に示す。
【0036】
(実施例3)
熱伝導性フィルム全体の厚さが200μmとなるように熱伝導性樹脂層を形成すること以外、全て実施例1と同様にして熱伝導性フィルムを作製し、同様の測定を実施した。その結果を表1に示す。
【0037】
(実施例4)
支持体として厚さを30μmのアルミ箔を使用すること以外、全て実施例1と同様にして熱伝導性フィルムを作製し、同様の測定を実施した。その結果を表1に示す。
【0038】
(実施例5)
バインダー成分としてロジンエステル(荒川化学工業株式会社製、品名「ペンセルC」)を追加して熱伝導性組成物を調製し使用すること以外は、実施例1と同様にして熱伝導性フィルムを作製し、同様の測定を行った。その結果を表1に示す。なお、熱伝導性組成物の重量分率は、黒鉛:アクリルゴムA:ロジンエステル:リン酸エステル=68:17:5:10であり、その粘度は20Pa・sであった。
【0039】
(比較例1)
熱伝導性組成物中に黒鉛を配合しないこと以外、全て実施例1と同様にして熱伝導性フィルムを作製し、同様の測定を実施した。その結果を表1に示す。
【0040】
(比較例2)
熱伝導性フィルム全体の厚さが400μmとなるように熱伝導性樹脂層を形成したこと以外、全て実施例1と同様にして熱伝導性フィルムを作製し、同様の測定を実施した。その結果を表1に示す。
【0041】
(比較例3)
アクリルゴムAの代わりに、Tgが−4℃、Mwが25万のアクリルゴム(アクリルゴムBと称す)を使用して熱伝導性組成物を調製したことを以外、実施例1と同様にして熱伝導性フィルムを作製し、同様の測定を実施した。その結果を表1に示す。なお、熱伝導性組成物の粘度は、25Pa・sであった。
【0042】
(比較例4)
アルミ箔の代わりに厚さ20μmのPETフィルムを使用すること以外、全て実施例1と同様にして熱伝導性フィルムを作製し、同様の測定を実施した。その結果を表1に示す。
【表1】

【0043】
以上の結果から分かるように、本発明によれば、熱源および放熱体に対する密着性に優れ、熱抵抗が低い熱伝導性フィルムを得ることが可能である。これら熱伝導性フィルムは、取り扱い性にも優れており、PC等の各種電子機器の放熱システムに容易に適用することが可能であった。
【図面の簡単な説明】
【0044】
【図1】本発明による熱伝導性フィルムの一実施形態を示す模式的断面図である。
【図2】熱伝導性フィルムの伝熱特性を測定する方法を説明するための概略図である。
【符号の説明】
【0045】
100 熱伝導性フィルム
101 金属箔
102 熱伝導性樹脂層
200 断熱材
202 セラミックヒーター
204 銅板
206 放熱材
208 出力調整器
210 サーモロガー

【特許請求の範囲】
【請求項1】
金属箔と、該金属箔の両主面に設けられた熱伝導性樹脂層とを有する熱伝導性フィルムであって、
前記熱伝導性樹脂層が、バインダー樹脂と該バインダー樹脂中に分散された熱伝導性フィラーとを含むことを特徴とする熱伝導性フィルム。
【請求項2】
1.0℃・cm/W以下の熱抵抗を有することを特徴とする、請求項1に記載の熱伝導性フィルム。
【請求項3】
0.1N/10mm以上の剥離粘着力を有することを特徴とする、請求項1または2に記載の熱伝導性フィルム。
【請求項4】
50〜200μmの厚さを有することを特徴とする、請求項1〜3のいずれかに記載の熱伝導性フィルム。
【請求項5】
前記バインダー樹脂が、熱可塑性樹脂であることを特徴とする、請求項1〜4のいずれかに記載の熱伝導性フィルム。
【請求項6】
前記熱伝導性フィラーの熱伝導率が、10W/mK以上であることを特徴とする、請求項1〜5のいずれかに記載の熱伝導性フィルム。
【請求項7】
前記金属箔の厚さが、10〜40μmであることを特徴とする、請求項1〜6のいずれかに記載の熱伝導性フィルム。
【請求項8】
UL−94規格でV−0の難燃性を有することを特徴とする、請求項1〜7のいずれかに記載の熱伝導性フィルム。
【請求項9】
前記熱伝導性フィラーが、黒鉛を含むことを特徴とする、請求項1〜8のいずれかに記載の熱伝導性フィルム。

【図1】
image rotate

【図2】
image rotate


【公開番号】特開2008−291220(P2008−291220A)
【公開日】平成20年12月4日(2008.12.4)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−95852(P2008−95852)
【出願日】平成20年4月2日(2008.4.2)
【出願人】(000004455)日立化成工業株式会社 (4,649)
【Fターム(参考)】