WO2024252904A1 - グラファイトシート及び電子機器 - Google Patents

Abstract

表面での接触熱抵抗を低減することができ、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及びこのグラファイトシートを備える電子機器を提供する。グラファイトシート（１）は、第１主面（Ｓ１）と、第１主面（Ｓ１）とは反対の面である第２主面（Ｓ２）とを有する。グラファイトシート（１）における第２主面（Ｓ２）側の表層部（第２表層部（Ｔ２））の密度は、第１主面（Ｓ１）側の表層部（第１表層部（Ｔ１））の密度よりも小さい。

Description

グラファイトシート及び電子機器

　本開示は、グラファイトシート及び電子機器に関し、詳しくは、両表面を有するグラファイトシート、及びこのグラファイトシートを備える電子機器に関する。

　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は、駆動時に発生する熱を逃がすために、放熱部品にネジなどで取り付けられて使用される。このとき、パワーモジュールから放熱部品にスムースに熱を伝えるため、これらの間に、熱伝導性が低く半固体である従来のグリースに代えて、固体の放熱シートを挟むことが行われている。

　特許文献１には、ベース板と、前記ベース板の一面上に接合されたセラミックス絶縁基板と、前記セラミックス絶縁基板上に接合された半導体素子と、を備えるパワーモジュールと、前記パワーモジュールの前記ベース板側に放熱シートを介して取り付けられた放熱部品と、を備えた放熱部品付きパワーモジュールにおいて、ベース板のセラミックス絶縁基板が接合された面と反対側の面の平面度を２０μｍ以下とすることが開示されている。

特開２０１９－０６７８０１号公報

　上記のようなパワーモジュールと放熱部品との間に配置される放熱シートとして、グラファイトシートが用いられている。しかし、高分子フィルムを熱分解しグラファイト化して得られる一般的なグラファイトシートは、面方向の熱伝導性は高いものの、表面の圧縮性に乏しい。また、パワーモジュール等の発熱体には、その面に凹凸を有するものが多い。このようなグラファイトシートを用いたのでは、発熱体の面等との間の接触熱抵抗が大きくなり、発熱体から放熱体への放熱性能が低くなる可能性がある。

　本開示の課題は、表面での接触熱抵抗を低減させることができ、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、及びこのグラファイトシートを備える電子機器を提供することである。

　本開示の一態様に係るグラファイトシートは、第１主面と、前記第１主面とは反対側の第２主面とを有するグラファイトシートであって、前記グラファイトシートにおける前記第２主面側の表層部の密度は、前記第１主面側の表層部の密度よりも小さい。

　本開示の他の一態様に係る電子機器は、前記グラファイトシートと、発熱体と、放熱体とを備える。

　本開示のグラファイトシート及び電子機器によれば、表面での接触熱抵抗を低減させることができ、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、及びこのグラファイトシートを備える電子機器を提供することができる。

図１は、実施形態に係るグラファイトシートを示す模式的断面図である。 図２は、実施形態に係る電子機器を示す概略の模式的断面図である。 図３は、実施形態におけるグラファイトシートのみなしせん断強度の測定方法を説明する模式図である。

　１．概要
　以下、本開示の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。

　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。

　高分子フィルムを熱分解しグラファイト化して得られる一般的なグラファイトシートは、面方向の熱伝導性は高いものの、表面の圧縮性は低い。表面の圧縮性を高くしたグラファイトシートもあるが、面方向の熱伝導性は低いものになっている。また、これらのグラファイトシートを重ねて使用しても、シート間の接触熱抵抗が生じるため、放熱性能は低いものに留まる。

　発明者らは、前述の課題を解決すべく、鋭意検討を重ねる上で、グラファイトシートの両表面における特定の物性値を特定の関係とすることで、放熱性能を制御できることを見出し、本開示のグラファイトシート及び電子機器を完成させた。

　本開示の実施形態のグラファイトシート１の一例を、図１に示す。図１は、本実施形態に係るグラファイトシート１を示す模式的断面図である。図１のグラファイトシート１は、第１主面Ｓ１と、第１主面Ｓ１とは反対の面である第２主面Ｓ２とを有している。グラファイトシート１における第２主面Ｓ２側の表層部（以下、第２表層部Ｔ２ともいう）の密度（以下、密度（ＩＩ）ともいう）は、第１主面Ｓ１側の表層部（以下、第１表層部Ｔ１ともいう）の密度（以下、密度（Ｉ）ともいう）よりも小さい。「第１主面Ｓ１側」とは、グラファイトシート１の厚さの中央を通る面からみて第２主面Ｓ２よりも第１主面Ｓ１のほうに近い位置であることを意味する。また、「第２主面Ｓ２側」とは、グラファイトシート１の厚さの中央を通る面からみて第１主面Ｓ１よりも第２主面Ｓ２のほうに近い位置であることを意味する。

　本実施形態のグラファイトシート１によれば、表面での接触熱抵抗を低減させることができ、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が、前記構成を備えることで、前記効果を奏する理由については、必ずしも明確ではないが、例えば以下のように推察することができる。本実施形態のグラファイトシート１は、表層部における密度について、第２主面Ｓ２側における表層部Ｔ１の密度を、第１主面Ｓ１側における表層部Ｔ２の密度よりも小さくしている。第２主面Ｓ２側の第２表層部Ｔ２においては、密度がより小さいことに起因して、圧縮性は大きくなっている。これにより、グラファイトシート１は、第２主面Ｓ２に接触して配置される発熱体２０等の面に凹凸がある場合でも、この凹凸を十分に吸収することができる。その結果、第２主面Ｓ２側における接触熱抵抗を低減させることができる。一方、第１主面Ｓ１側の第１表層部Ｔ１においては、密度がより大きいことに起因して、グラファイトシートが有する面方向の熱伝導性が高く維持される。これらにより、グラファイトシート１は、発熱体２０等から放熱体３０等への放熱性能を向上させることができると考えられる。

　２．詳細
　＜グラファイトシート＞
　グラファイトシート１は、グラファイトを主成分とするシートである。「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８０質量％以上、より好ましくは９９質量％以上の含有率の成分をいう。グラファイトは、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ｓｐ２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構造を有している。グラファイトとしては、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も含まれる。

　グラファイトシート１の平均厚さは、例えば２５μｍ以上かつ１０００μｍ以下であり、５０μｍ以上かつ５００μｍ以下であることが好ましく、１００μｍ以上かつ４００μｍ以下であることがより好ましい。

　グラファイトシート１は、図１に示すように、第１主面Ｓ１側に、第１表層部Ｔ１を有し、第２主面Ｓ２側に、第２表層部Ｔ２を有している。グラファイトシート１における「表層部」とは、表面（第１主面Ｓ１又は第２主面Ｓ２）から、深さ２０μｍまでの領域をいう。

　グラファイトシート１において、第２表層部Ｔ２の密度（ＩＩ）は、第１表層部Ｔ１の密度（Ｉ）よりも小さいことが重要である。「密度（ＩＩ）が密度（Ｉ）よりも小さい」とは、密度（ＩＩ）が密度（Ｉ）の０．９５倍以下であることを意味する。グラファイトシート１における表層部の「密度」とは、表層部における一定体積あたりの質量の値（ｋｇ／ｍ^３）をいい、表層部中の複数（例えば１０点）の一定体積の部分を切り取ってそれぞれ測定した複数の密度測定値の算術平均値を意味する。

　密度（ＩＩ）の密度（Ｉ）に対する比（密度（ＩＩ）／密度（Ｉ））は、０．９以下であることが好ましく、０．７以下であることがより好ましく、０．５以下であることがさらに好ましい。密度（ＩＩ）／密度（Ｉ）は、例えば０．１以上であり、０．２以上であることが好ましい。

　グラファイトシート１は、図１に示すように、第１主面Ｓ１側の第１表層部Ｔ１に、通常、緻密層２を有している。緻密層２は、グラファイトの結晶化が進み、硬くなった層（領域）である。緻密層２においては、面方向の熱伝導性がより高くなっている。このため、グラファイトシート１の第１主面Ｓ１側における面方向の熱伝導性をより高めることができ、その結果、グラファイトシート１の放熱性能をより向上させることができる。緻密層２は、例えば、ポリイミドフィルム等を熱分解することにより得られた炭化フィルムを、さらに約２６００℃で焼成してグラファイト化すること等により、形成させることができる。なお、「面方向」とは、面に沿う方向または面に平行な方向である。

　グラファイトシート１の表層部をＳＡＩＣＡＳ法により測定したときのみなしせん断強度は、通常、第１主面Ｓ１側の第１表層部Ｔ１よりも第２主面Ｓ２側の第２表層部Ｔ２のほうが小さくなっている。すなわち、第１表層部Ｔ１のみなしせん断強度を強度（Ｉ）とし、第２表層部Ｔ２のみなしせん断強度を強度（ＩＩ）としたとき、強度（Ｉ）＞強度（ＩＩ）である。「強度（Ｉ）よりも強度（ＩＩ）が小さい」とは、強度（Ｉ）が強度（ＩＩ）の１．０５倍以上であることを意味する。この場合、グラファイトシート１の第２主面Ｓ２側の第２表層部Ｔ２をより柔らかくすることができ、それにより、第２主面Ｓ２の表面での接触熱抵抗をより低減させることができる。その結果、グラファイトシート１の放熱性能をより向上させることができる。このみなしせん断強度は、表面から０．５μｍから１９μｍまでの深さにおいて測定した値である。みなしせん断強度が小さいことは、柔らかい状態であることを示す。

　ＳＡＩＣＡＳ法とは、Ｓｕｒｆａｃｅ　Ａｎｄ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ　Ｃｕｔｔｉｎｇ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　Ｓｙｓｔｅｍ法と呼ばれる、材料を表層から鋭利な切刃で低速で切削する評価方法である。図３は、グラファイトシートの表層におけるみなしせん断強度の測定方法を説明する模式図である。図３のＤの矢印は斜め切削であること、ｄの矢印は変位を意味する。ＳＡＩＣＡＳ法を用いることによって、グラファイトシート１１の表面の切削時に切刃に加わる水平力（Ｆｈ）と垂直力（Ｆｗ）を測定することができ、切刃１２に加わる水平力（Ｆｈ）と切刃１２の切込み角度、及び断面積から表層におけるみなしせん断強度を算出することができる。具体的には、ＳＡＩＣＡＳ　ＤＮ－２０（ダイプラ・ウィンテス株式会社製）にグラファイトシート１１を固定し、切刃１２には窒化硼素（ボロンナイトライド）製の幅が２ｍｍ、すくい角が２０°、逃げ角が１０°の刃を用い、切削速度は定速度モードで水平方向が０．５μｍ／秒、垂直方向が０．０５μｍ／秒とする。水平荷重が０．００２Ｎ以上となった点を切刃１２がグラファイトシート１１に接触した点とし、そこから垂直方向に１９μｍまで測定し、０．５μｍから１９μｍまでの深さまでのみなしせん断強度を計算する。計算式は以下の式を用いる。

　ｔ＝Ｆｈ×（２Ａ×Ｃｏｔ（φ））
（ｔ：みなしせん断強度、Ｆｈ：水平力、Ａ：切削切刃の断面積、φ：せん断角度）
　強度（Ｉ）の強度（ＩＩ）に対する比（強度（Ｉ）／強度（ＩＩ））は、１．１以上であることが好ましく、１．２以上であることがより好ましい。強度（Ｉ）の強度（ＩＩ）に対する比は、例えば２以下であり、１．７以下であることが好ましい。

　グラファイトシート１は、例えば、ポリイミドフィルムを熱分解することにより炭化フィルムを得た後、さらに約２６００℃で焼成してグラファイト化することにより得られる両方の表層に緻密層を有するグラファイトシートを、炭化フィルムの主面に平行な方向に２つに切断することなどにより得ることができる。

　＜電子機器＞
　図２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２の電子機器１００は、グラファイトシート１と、発熱体２０と、放熱体３０と、基板４０とを備えている。グラファイトシート１は、発熱体２０と放熱体３０との間に挟まれている。電子機器１００は、上述の本実施形態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。

　発熱体２０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（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）、ＭＰＵ（Ｍｉｃｒｏ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）、ドライバＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ）、メモリ等が挙げられるが、これらに限定されない。発熱体２０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。

　放熱体３０は、発熱体２０が発した熱が伝達される部材である。放熱体３０から熱が放出され得る。放熱体３０は、例えばヒートシンクである。放熱体３０が板状のヒートシンクである場合、放熱体３０は、さらに放熱フィンを備えていてもよい。放熱体３０には、前述の発熱体２０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。

　電子機器１００において、発熱体２０と放熱体３０との間に挟まれるグラファイトシート１の、第１主面Ｓ１および第２主面Ｓ２の向きは特に限定されない。図２の電子機器１００において、グラファイトシート１の第１主面Ｓ１が放熱体３０と接触し、グラファイトシート１の第２主面Ｓ２が発熱体２０と接触している。電子機器１００において、グラファイトシートの両面をこのような向きとすることで、発熱体２０の凹凸をより吸収して、表面での接触熱抵抗をより低減することができ、電子機器１００の放熱性能をより向上させることができる。

　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。

　第１の態様に係るグラファイトシート（１）は、第１主面（Ｓ１）と、第１主面（Ｓ１）とは反対の面である第２主面（Ｓ２）とを有する。グラファイトシート（１）における第２主面（Ｓ２）側の表層部（Ｔ２）の密度は、第１主面（Ｓ１）側の表層部（Ｔ１）の密度よりも小さい。

　第１の態様によれば、グラファイトシート（１）の表面での接触熱抵抗を低減することができ、放熱性能を向上させることができる。

　第２の態様に係るグラファイトシート（１）では、第１の態様において、グラファイトシート（１）は、第１主面（Ｓ１）側の表層部（Ｔ１）に緻密層（２）を有する。

　第２の態様によれば、グラファイトシート（１）の第１主面（Ｓ１）側における面方向の熱伝導性をより高めることができ、その結果、グラファイトシート（１）の放熱性能をより向上させることができる。

　第３の態様に係るグラファイトシート（１）では、第１又は第２の態様において、グラファイトシート（１）の表層部をＳＡＩＣＡＳ法により測定したときのみなしせん断強度が、第１主面（Ｓ１）側よりも第２主面（Ｓ２）側のほうが小さい。

　第３の態様によれば、グラファイトシート（１）の第２主面（Ｓ２）をより柔らかくすることができ、それにより、第２主面の表面での接触熱抵抗をより低減させることができ、その結果、グラファイトシート（１）の放熱性能をより向上させることができる。

　第４の態様に係る電子機器（１００）は、第１から第３の態様のいずれか一つに係るグラファイトシート（１）と、発熱体（２０）と、放熱体（３０）とを備える。

　第４の態様によれば、電子機器（１００）は、表面での接触熱抵抗を低減させることができるグラファイトシート（１）を用いることにより、放熱性能を向上させることができる。

　第５の態様に係る電子機器（１００）では、第４の態様において、グラファイトシート（１）の第１主面（Ｓ１）が放熱体（３０）と接触し、グラファイトシート（１）の第２主面（Ｓ２）が発熱体（２０）と接触している。

　第５の態様によれば、グラファイトシート（１）が、発熱体（２０）の凹凸を吸収して、発熱体（２０）に接するグラファイトシート（１）の表面での接触熱抵抗をより低減することができ、電子機器（１００）の放熱性能をより向上させることができる。

　本開示のグラファイトシート及び電子機器は、表面での接触熱抵抗を低減させることができ、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、及びこのグラファイトシートを備える電子機器を実現できる。そのため、本開示のグラファイトシート及び電子機器は、産業上有用である。

　１、１１　グラファイトシート
　Ｓ１　第１主面
　Ｓ２　第２主面
　Ｔ１　第１表層部
　Ｔ２　第２表層部
　２　緻密層
　２０　発熱体
　３０　放熱体
　１００　電子機器

Claims (5)

1. 　第１主面と、前記第１主面とは反対の面である第２主面とを有するグラファイトシートであって、
   　前記グラファイトシートにおける前記第２主面側の表層部の密度は、前記第１主面側の表層部の密度よりも小さい、
   　グラファイトシート。
2. 　前記グラファイトシートは、前記第１主面側の前記表層部に緻密層を有する、
   　請求項１に記載のグラファイトシート。
3. 　前記グラファイトシートの前記第１主面側の前記表層部および前記第２主面側の前記表層部をＳＡＩＣＡＳ法により測定したときのみなしせん断強度が、前記第１主面側の前記表層部よりも前記第２主面側の前記表層部のほうが小さい、
   　請求項１に記載のグラファイトシート。
4. 　請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のグラファイトシートと、
   　発熱体と、
   　放熱体と
   　を備える電子機器。
5. 　前記グラファイトシートの前記第１主面が前記放熱体と接触し、
   　前記グラファイトシートの前記第２主面が前記発熱体と接触している、
   　請求項４に記載の電子機器。

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