JP2008277408A - 放熱シート - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、電子部品や電子部品を実装した回路基板等から発生する熱を、部品や回路基板に直接貼り付けるだけで、高い冷却効果が得られる放熱シートを提供する。
【解決手段】可とう性基板の一方の面に放熱性材料からなる放熱層と他方の面に粘着性材料からなる接合層とを設け、前記接合層の表面と前記可とう性基板とを接続するように連通する伝熱部を設けた放熱シートを構成することで、効率よく発熱部材を冷却することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気・電子製品の回路基板や実装電子部品等より発生する熱を吸収し放熱する放熱シートに関するものである。

近年、家庭用携帯撮影機器（デジタルビデオカメラ等）のデジタル化に伴い、高速処理を行うＬＳＩが多数使用され、これら内部素子の発熱量が増加している。機器の小型化に伴い、筐体内のこのような発熱素子による熱放出処理が大きな問題になっている。発熱部品の放熱には、発熱部品に固定して使用するヒートシンクなどの放熱器と固定接続せずに用いる放熱シートとが知られているが、近年の小型機器においては、省スペースとして有利なため、放熱シートが多用されている。

従来の放熱シートは、金属製や絶縁性の可とう基板の片面に粘着面を、反対面にセラミックスからなる赤外線放射膜を設け、粘着面を被放熱部材に密着させることで被放熱部材の形状に制約されずに設置でき、放熱するように工夫されている（例えば、特許文献１参照）。そのため、粘着面には有機系接着剤や有機系粘着テープなどが用いられている。

また、被放熱部材と放熱器とをコンタクト接続する伝熱シートでは、熱伝導性シリコンゲルなどを介してコンタクト接続した伝熱シートや金属板に半田等の金属製凸部を形成し周囲を接着剤で構成した伝熱シートなども開発されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００４−２００１９９号公報 特開２００５−９３８４２号公報

しかしながら、放熱シートに関する前記従来の構成では、被放熱部材に接する面が有機系樹脂材料で形成されているため、熱伝導性が十分でなく、冷却効果に乏しいという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、電子部品や電子部品を実装した回路基板等から発生する熱を、部品や回路基板に直接貼り付けるだけで、効率よく熱を吸収・放熱して高い冷却効果が得られる放熱シートを提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の放熱シートは、可とう性基板の一方の面に放熱性材料からなる放熱層と他方の面に粘着性材料からなる接合層とを設け、前記接合層の表面と前記可とう性基板とを接続するように連通する伝熱部を設けたことを特徴としたものである。

また、本発明の放熱シートは、可とう性を有する放熱性基板の片面に粘着性材料からなる接合層を設け、前記接合層の表面と前記可とう性を有する放熱性基板とを接続するように連通する伝熱部を設けたことを特徴としたものである。

本発明の放熱シートによれば、放熱シートを任意の回路基板や実装部品に貼り付けるだけで、放熱すべき電子部品の端子を電気的に短絡することなく、貼り付け接合面の金属伝熱材料が被放熱部材と接し、電子部品や電子部品を実装した回路基板等から発生する熱を、効率よく吸収・放熱して高い冷却効果を発現することができる。

以下に、本発明の放熱シートの実施の形態を図面とともに詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における放熱シートの一例を示した図である。図１において、可とう性基板１は、片面に放熱材料２からなる放熱面ｍを設け、放熱面ｍと対向する反対面に伝熱部３と粘着性材料４とからなる接合面ｎを設けている。図１（ａ）の構成例では伝熱部３は接合面ｎ表面から可とう性基板１に連通する構成を有する。被放熱部材と接する接合面ｎにおける伝熱部３は、複数の独立した領域からなり、その領域は被放熱部材の接合面に露出している実装部品の導体端子間の間隙や回路基板の導体間の間隙より小さい構造を有している。例えば、図１（ｂ）に示すように伝熱部３が四角形の場合、伝熱部の横寸法をｘ、縦寸法をｙとすると、図２に示した実装部品の導体端子間の間隙ｃ、図３に示した回路基板の導体間の間隙ｄとの間で、（ｘ＜ｃ、ｙ＜ｃ）もしくは（ｘ＜ｄ、ｙ＜ｄ）の関係を有する。また、図１（ｃ）に示すように伝熱部３が円形の場合、伝熱部の直径をｚとすると、図２に示した実装部品２０の導体端子２１間の間隙ｃ、図３に示した回路基板３０の導体３２間の間隙ｄとの間で、（ｚ＜ｃ）もしくは（ｚ＜ｄ）の関係を有する。上記の例では、接合面ｎにおける伝熱部の形状が四角形、円形の場合を述べたが、伝熱部の寸法が接合面に露出している導体間の最小寸法より小さければよく、特に限定されるものではない。また、複数の伝熱部が均等に配置した構造を示したが、ランダムな配置であってもよく、特に限定されるものではない。

以上のように構成された放熱シートについて、電子部品や電子部品を実装した回路基板等の被放熱部材と張り合わせることで、接合面ｎにおいて隣接する複数の伝熱部３は、互いに電気的に導通することなく、実装部品の導体端子２１や回路基板の導体３２等の被放熱部材と直接密着し、粘着性材料４によって固定される。その結果、被放熱部材の熱は部品端子間や回路基板導体間で電気的短絡を生じることなく、熱伝導性の高い伝熱部３を介して可とう性基板１に効率よく伝わり、可とう性基板１上に設けた放熱材料２から空気対流や赤外線などの放射光として放散される。

伝熱部の構成材料は、熱伝導率の高い材料であればよく、例えば、金、銀、銅、アルミニウム、タングステン、ガリウム、ニッケル、半田などの金属材料、もしくはその合金、もしくは前記金属材料を粒子状、ファイバー状、麟片状等適当な形状に加工してエポキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、オレフィン樹脂、シリコン樹脂、アクリルゴム、ブタジエンゴムやシリコンゲルなどの有機系材料に分散、混合させた複合材料が挙げられる。また、金属系材料以外の例えば、グラファイトやカーボンファイバ、炭化珪素、窒化珪素などの炭素系材料やその複合材料を用いてもよい。

放熱性材料の構成材料は、熱放散性、熱放射性の高い電気絶縁性材料であればよく、例えばアルミナ、二酸化珪素、ガラスなどの赤外線放射受光性の高いセラミックス材料もしくはセラミックス材料をシリコン樹脂やエポキシ樹脂など有機系樹脂に混合した複合材料が望ましい。

可とう性基板の構成材料は、放熱性材料を搭載できるだけの強度と絶縁性および柔軟性を併せ持つ材料であればよく、例えばポリイミド樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、セルロース樹脂、ポリテトラフルオロエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂などからなるプラスチックフィルムやシリコンゴム、アクリルゴム、ブタジエンゴムなどの有機系材料およびガラスクロスなど無機系材料が挙げられる。

粘着性材料の構成材料は、伝熱部を被放熱部材に接触できるだけの接着力があればよく、ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、シリコン樹脂、熱可塑性ポリイミド樹脂、ポリカルボジイミド樹脂、酢酸ビニル樹脂、アクリル樹脂などが挙げられる。

次に本実施の形態１における発明の放熱効果について以下詳細に説明する。図１（ａ）に示す構造の、可とう性基板の片面に放熱性材料、反対面に粘着性材料と伝熱部を備えた放熱シートを作製し、性能を評価した。

可とう性基板には、ポリイミドフィルム（東レ・デュポン製）厚さ３００μｍ、５０ｍｍ×５０ｍｍを用い、その片面にφ２００μｍ程度の半田ボールを分散させたシリコン樹脂（信越シリコーン製）を４０ｍｍ×４０ｍｍ、厚さ０．３ｍｍ程度塗付し、その上からテフロン（登録商標）冶具を押し当て加圧しながら、室温で放置、硬化させることで、表出した伝熱部と粘着性材料を有する接合面を形成した。次に、接合面と対向する反対面に粉末状アルミナ、粉末状二酸化珪素（和光純薬製）５０：５０を適量のワニスに混合、分散したペーストを接合面と対向するように４０×４０ｍｍ、厚さ０．４ｍｍ程度塗付し、室温で放置、乾燥、固化させることで赤外線放射受光性をもつ放熱性材料からなる放熱面を形成した。その後、周辺のポリイミドフィルムを切断、削除し、４０ｍｍ×４０ｍｍ、厚さ１ｍｍ程度の放熱シートを作製した。

次に、７５ｍｍ×７５ｍｍのガラスエポキシ製の印刷回路基板上にパワートランジスタを搭載した試験基板を駆動させ、トランジスタ端子部、導体が露出している印刷回路を覆うように放熱シートの接合面を貼り合わせ、約３０分放置した。その後、熱電対を用いて放熱シートのセンター付近の表面温度を測定すると５２．９℃であった。尚、
次に比較例として、従来の技術である伝熱部を形成しない放熱シートを作製し（半田ボールを用いた伝熱部を形成しないこと以外は、実施例１と同様な方法で放熱シートを作製した。）、実施の形態１と同様な方法で放熱シートの表面温度を測定した。この時の表面温度は、５６．９℃であり、本発明の５２．９℃に比べ、放熱効果が弱いことが分かる。なお、放熱シートを貼り合わせる前のトランジスタの表面温度は６５．２℃であるので、本放熱シートの放熱効果が優れていることが分かった。

（実施の形態２）
図４は、本発明の第２の実施の形態における放熱シートの一例を示した図である。図４において、可とう性を有する放熱性基板５は、片面に伝熱部３と粘着性材料４とからなる接合面ｎを設けている。図４（ａ）の構成例では伝熱部３は接合面ｎ表面から可とう性基板１に連通する構成を有する。被放熱部材と接する接合面ｎにおける伝熱部３は、複数の独立した領域からなり、その領域は被放熱部材の接合面に露出している実装部品の導体端子間の間隙や回路基板の導体間の間隙より小さい構造を有している。例えば、図４（ｂ）に示すように伝熱部３が四角形の場合、伝熱部の横寸法をｘ、縦寸法をｙとすると、図２に示した実装部品の導体端子間の間隙ｃ、図３に示した回路基板の導体間の間隙ｄとの間で、（ｘ＜ｃ、ｙ＜ｃ）もしくは（ｘ＜ｄ、ｙ＜ｄ）の関係を有する。また、図４（ｃ）に示すように伝熱部３が円形の場合、伝熱部の直径をｚとすると、図２に示した実装部品２０の導体端子２１間の間隙ｃ、図３に示した回路基板３０の導体３２間の間隙ｄとの間で、（ｚ＜ｃ）もしくは（ｚ＜ｄ）の関係を有する。上記の例では、接合面ｎにおける伝熱部の形状が四角形、円形の場合を述べたが、伝熱部の寸法が接合面に露出している導体間の最小寸法より小さければよく、特に限定されるものではない。また、複数の伝熱部が均等に配置した構造を示したが、ランダムな配置であってもよく、特に限定されるものではない。

以上のように構成された放熱シートについて、電子部品や電子部品を実装した回路基板等の被放熱部材と張り合わせることで、接合面ｎにおいて隣接する複数の伝熱部３は、互いに電気的に導通することなく、実装部品の導体端子２１や回路基板の導体３２等の被放熱部材と直接密着し、粘着性材料４によって固定される。その結果、被放熱部材の熱は部品端子間や回路基板導体間で電気的短絡を生じることなく、熱伝導性の高い伝熱部３を介して放熱性基板５に効率よく伝わり、放熱面ｍから空気対流や赤外線などの放射光として放散される。

伝熱部の構成材料は、実施の形態１と同様に熱伝導率の高い材料であればよく、例えば、金、銀、銅、アルミニウム、タングステン、ガリウム、ニッケル、半田などの金属材料、もしくはその合金、もしくは前記金属材料を粒子状、、ファイバー状、麟片状等適当な形状に加工してエポキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、オレフィン樹脂、シリコン樹脂、アクリルゴム、ブタジエンゴムやシリコンゲルなどの有機系材料に分散、混合させた複合材料が挙げられる。また、金属系材料以外の例えば、グラファイトやカーボンファイバ、炭化珪素、窒化珪素などの炭素系材料やその複合材料を用いてもよい。

放熱性基板の構成材料は、可とう性を有し熱放散性、熱放射性の高い電気絶縁性材料であればよく、例えばアルミナ、二酸化珪素、ガラスなどの赤外線放射受光性の高いセラミックス材料をシリコン樹脂やエポキシ樹脂など有機系樹脂に混合してガラスクロスやプラスチック繊維などに含浸させた複合材料などが挙げられる。上記のプラスチック繊維はセラミックス材料を保持できるだけの強度と絶縁性および柔軟性を併せ持つ材料であればよく、例えばポリイミド樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、セルロース樹脂、ポリテトラフルオロエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂などからなるプラスチックフィルムやシリコンゴム、アクリルゴム、ブタジエンゴムなどが挙げられる。

粘着性材料の構成材料は、伝熱部を被放熱部材に接触できるだけの接着力があればよく、ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、シリコン樹脂、熱可塑性ポリイミド樹脂、ポリカルボジイミド樹脂、酢酸ビニル樹脂、アクリル樹脂などが挙げられる。

次に本実施の形態２における発明の放熱効果について以下詳細に説明する。本実施例では、図４（ａ）に示す構造の、放熱性基板の片面に粘着性材料と伝熱部を備えた放熱シートを作製し、性能を評価した。

可とう性を有する放熱性基板には、ガラスクロス（住友電工製）厚さ３００μｍ、４０ｍｍ×４０ｍｍを用い、粉末状アルミナ、粉末状二酸化珪素（和光純薬製）５０：５０を適量のワニスに混合、分散したペーストを塗付、含浸させ、室温で放置、乾燥、固化させることで赤外線放射受光性をもつ放熱性基板を形成した。次に、放熱性基板の片面にφ２００μｍ程度の半田ボールを分散させたシリコン樹脂（信越シリコーン製）を全面に厚さ０．３ｍｍ程度塗付し、その上からテフロン（登録商標）冶具を押し当て加圧しながら、室温で放置、硬化させることで、表出した伝熱部と粘着性材料を有する接合面が形成された、放熱シートを作製した。次に、実施例１と同様な方法で放熱シートの表面温度を測定すると５０．５℃であった。

次に比較例として、従来の技術である伝熱部を形成しない放熱シートを作製し（実施の形態１と同じもの）、実施の形態１と同様な方法で放熱シートの表面温度を測定した。この時の表面温度は、５６．９℃であり、本発明の５０．５℃に比べ、放熱効果が弱いことが分かる。なお、放熱シートを貼り合わせる前のトランジスタの表面温度は６５．２℃であるので、本放熱シートの放熱効果が優れていることが分かった。

電子部品や電子部品を実装した回路基板等から発生する熱を、効率よく吸収・放熱して高い冷却効果を発現することができ、電気・電子製品の内部発熱を緩和・低減する簡便な汎用冷却手段として有効である。特に、放熱面をヒートシンクなど冷却器に接触させる必要がないため、携帯機器のように設置スペースが狭い機器のモータ駆動部や電源周辺の冷却や自己温度制御が必要な機器等に有効である。

本発明の実施の形態１における放熱シートの構成図 本発明の実施の形態１における放熱シートの電子部品への適用図 本発明の実施の形態１における放熱シートの回路基板への適用図 本発明の実施の形態２における放熱シートの構成図

符号の説明

１ 可とう性基板
２ 放熱性材料
３ 伝熱部
４ 粘着性材料

Claims (8)

1. 可とう性基板の一方の面に放熱性材料からなる放熱層と他方の面に粘着性材料からなる接合層とを設け、前記接合層の表面と前記可とう性基板とを接続するように連通する伝熱部を設けた放熱シート。
2. 前記伝熱部は、複数の独立した小領域からなり前記小領域の差し渡しの最大値は前記接合層に接続される電子部品の接続端子のピッチより小さい請求項１に記載の放熱シート。
3. 前記伝熱部は、金属もしくは樹脂と金属を混合させた複合材からなる請求項１に記載の放熱シート。
4. 前記放熱性材料は、赤外線放射受光材からなる請求項１に記載の放熱シート。
5. 可とう性を有する放熱性基板の片面に粘着性材料からなる接合層を設け、前記接合層の表面と前記可とう性を有する放熱性基板とを接続するように連通する伝熱部を設けた放熱シート。
6. 前記伝熱部は、複数の独立した小領域からなり前記小領域の差し渡しの最大値は前記接合層に接続される電子部品の接続端子のピッチより小さい請求項５に記載の放熱シート。
7. 前記伝熱部は、金属もしくは樹脂と金属を混合させた複合材からなる請求項５に記載の放熱シート。
8. 前記放熱性材料が赤外線放射受光材からなる請求項５に記載の放熱シート。

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