专利名称：导热性成形体及其制造方法
技术领域：
本发明涉及用作介于发热体和散热体之间，促进发热体对散热体传热的导热性成形体及其制造方法。
背景技术：
近年来，随着以计算机CPU(中央处理器)为代表的电子元件的高性能化，电子元件的耗电量和发热量都在增大。电子元件的处理能力则因发热而下降。因而，为了稳定电子元件的性能，必须避免电子元件的蓄热，电子元件的冷却便成为重要课题。因此，对用作介于发热体电子元件和散热体之间的导热性成形体，往往要求其具有优异的导热性能。
在日本专利特开平4-173235号公报中，揭示了一种由含有纤维长度设定在10mm以下的导热性纤维的组成物构成的导热性成形体。在日本专利特开平11-46021号公报中，则揭示了一种由含有耐热性高分子基体和导热性纤维的组成物构成的导热性成形体。在这些导热性成形体中，导热性纤维通过沿热传导方向取向，导热性能可得以提高。
在日本专利特开2001-294676号公报中，揭示了一种由含有粘接剂和碳纤维的组成物构成的导热片。碳纤维在导热片的厚度方向上取向。而且，碳纤维的端部露在导热片的外面。在这种导热片中，夹在发热体和散热体之间外露的碳纤维通过与发热体和散热体相接触，导热性能得以提高。
然而，在上述特开平4-173235号公报及特开平11-46021号公报中记载的导热性成形体中，因其粘结性大，故存在着搬运时等的可处置性差这一问题。导热性成形体的粘结性，随导热性成形体的硬度降低而升高。因此，作为解决上述问题的方法，例如，可以举出一种通过在导热性成形体外表面，设置高硬度层来降低导热性成形体粘结性的方法。然而，采用这一方法的时候，因上述高硬度层引起导热性成形体的硬度增高，所以导热性成形体导热性能下降，进而在导热性成形体被夹在发热体和散热体之间的时候，为提高导热性成形体和发热体及散热体的密合度，必须从外界施加很大的负荷。由此，又出现了因该大负荷会对发热体产生不良影响的问题。
另一方面，在特开2001-294676号公报中所记载的导热片的情况下，在该导热片和发热体及散热体之间，会形成源于碳纤维外露的间隙。因此，存在着导热片的接触热阻值增高，导热片的导热性能下降这一问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种不仅导热性能优异，而且又容易提高可处置性的导热性成形体及其制造方法。
根据本发明的一种实施方式，可以提供一种夹在发热体和散热体之间使用，由含有高分子基体和导热性填充材料的导热性高分子组成物成形而得到的导热性成形体。导热性填充材料中的至少一部分做成纤维状，而且按一定方向取向。在导热性成形体中，在与上述取向方向交叉的外表面之上，做成上述纤维状的导热性填充材料的端部外露，在该端部，形成有沿上述外表面延伸的凸出部。导热性成形体，在其使用时，介于发热体和散热体之间，以使上述外表面能接触到发热体及散热体的至少一方。
按照本发明的另一实施方式，提供一种上述导热性成形体的制造方法。该方法包括以下工序制备上述导热性高分子组成物的制备工序；将形成为上述纤维状的导热性填充材料，按一定方向取向的取向工序；在保持上述导热性填充材料的取向状态下，进行成形的导热性成形体的成形工序；将上述取向后的导热性填充材料的端部，露出在上述外表面之上的露出工序；以及在上述导热性填充材料的端部形成凸出部的形成工序。
图1A是表示本实施方式成形体的剖视图；图1B是将成形体放大表示的剖视图；图2是表示经过成形工序之后的成形体的剖视图；图3A是表示经过露出工序之后的成形体的剖视图；
图3B是将成形体放大表示的剖视图；图4A是表示夹在发热体和散热体之间的成形体的剖视图；图4B是将成形体放大表示的剖视图；图5A是表示在成形体外表面上方，拍摄实施例1涉及的露出工序之后的成形体外表面的电子显微镜照片的图；图5B是表示在成形体外表面斜上方，拍摄实施例1涉及的露出工序之后的成形体外表面的电子显微镜照片的图；图6A是表示在成形体外表面的上方，拍摄实施例1涉及的形成工序之后的成形体外表面的电子显微镜照片的图；图6B是表示在成形体外表面斜上方，拍摄实施例1涉及的形成工序之后的成形体外表面的电子显微镜照片的图；图7是表示拍摄实施例1涉及的形成工序之后的成形体剖面之电子显微镜照片的图；图8是表示在成形体外表面的斜上方，拍摄实施例3涉及的形成工序之后的成形体外表面的电子显微镜照片的图；图9是表示在成形体外表面的上方，拍摄实施例3涉及的形成工序之后的成形体外表面的电子显微镜照片的图。
具体实施例方式
以下，按照附图详细说明将本发明具体到导热性成形体的一实施方式。本实施方式的导热性成形体(以下简称成形体)，是由含有高分子基体和导热性填充材料的导热性高分子组成物(以下简称组成物)成形的。该成形体用于放在发热体和散热体之间，促进从发热体往散热体的热传导。
上述成形体具备导热性能及可处置性。导热性能是表示从发热体往散热体的热传导的容易度指标，源于成形体的传热率、热阻值及接触热阻值。成形体的热阻值，随着成形体传热率的增大而变小。成形体的接触热阻值，则随着成形体和发热体与散热体的密合度的增大而变小。成形体与发热体及散热体的密合度，随着成形体的粘结性增大而变高。对于成形体来说，其传热率越高，且热阻值及接触热阻值越小，越能促进从发热体往散热体的热传导，发挥其优异的导热性能。可处置性是表示处置成形体的容易度指标，源于成形体的粘结性。也就是说，成形体的可处置性，随着成形体粘结性的变差而变好。
高分子基体将导热性填充材料保持在成形体内。高分子基体，根据由成形体所要求的性能，例如，像硬度等之类的机械强度，耐热性之类的耐久性，或者电气特性来进行选择，而作为高分子基体，则可以选择热塑性或热固性的高分子材料。作为热塑性高分子材料的具体例子，可以列举热塑性树脂材料及热塑性弹性体。
作为热塑性树脂材料的具体例子，可用列举出聚乙烯、聚丙烯、乙烯-丙烯共聚物等的乙烯-α烯烃共聚物、聚甲基五亚乙基六胺、聚氯乙烯、聚偏二氯乙烯(polyvinylidene chloride)、聚醋酸乙烯脂(polyvinyl acetate)、乙烯-醋酸乙烯脂共聚物、聚乙烯醇(polyvinyl alcohol)、聚乙烯醇缩醛(polyvinyl acetal)、聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride)以及聚四氟乙烯(polyfluortetraethylene)等氟系聚合物、聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(polybuthylene terephthalate)、聚乙烯萘、聚苯乙烯(polystyrene)、聚丙烯腈(polyacrylonitrile)、苯乙烯-丙烯腈共聚物(styrene-acrylonitrile copolymer)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer)(ABS)树脂、聚亚苯基醚(polyphenylene aether(PPE))樹脂、变性PPE树脂、脂肪族聚酰胺(polyamide)类、芳香族聚酰胺类、聚酰亚胺(polyimide)、聚酰胺-酰亚胺(polyamide imide)、聚甲基丙烯酸(polymethacrylic acid)、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate)等聚甲基丙烯酸酯(polymethacrylate)类、聚丙烯酸(polyacrylic acid)类、聚碳酸脂(polycarbonate)、聚亚苯基硫化物(polyphenylenesulfide)、聚砜(polysulphone)、聚醚砜(polyethersulphone)、聚醚腈(polyether nitrile)、聚醚酮(polyether ketone)、聚酮(polyketone)、液晶聚合物、硅酮树脂以及离聚物(ionomer)。
作为热塑性弹性体(elastomer)的具体例子，可以列举出苯乙烯-丁二烯嵌段(styrene butadiene block copolymer)共聚物及其加氢聚合物(hydrogenationpolymer)，苯乙烯-异戊二烯(isoprene)嵌段共聚物(block copolymer)及其加氢聚合物、苯乙烯系热塑性弹性体、烯烃系热塑性弹性体、氯乙烯系热塑性弹性体以及聚酯系热塑性弹性体、聚氨酯系热塑性弹性体和聚酰胺系热塑性弹性体。
作为热固性高分子材料的具体例子，可以列举出交联橡胶(bridging rubber)、环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺树脂、不饱和聚酯树脂和己二烯酞酸脂(diallylphthalate)树脂。作为交联橡胶的具体例子，可以列举出天然橡胶，丙烯酸(类)橡胶(acrylic rubber)、聚丁橡胶(butadiene rubber)、异戊二烯橡胶(isoprene rubber)、苯乙烯-丁二烯共聚橡胶、丁腈橡胶(nitrile rubber)、加氢丁腈橡胶(hydrogenationnitrile rubber)、氯丁二烯橡胶(chloroprene rubber)、乙烯-丙烯共聚橡胶、聚氯乙烯橡胶、氯磺化(chlorosulfonation)聚乙烯橡胶、丁基橡胶(butyl rubber)、卤化丁基橡胶、氟橡胶、聚氨酯橡胶(urethane rubber)和硅(酮)(silicone)橡胶。
在上述材料当中，从成形体的耐热性，对发热体及散热体的密合度，对发热体及散热体表面形状的追从性以及相对于温度变化的耐久性都较高这点来看，以硅酮系高分子材料为佳，而从防止低分子量挥发成分从成形体浸出这点来看，以丙烯酸系高分子材料为佳。高分子基体也可以是选自上述各高分子材料的多种高分子材料构成的聚合物混合物(polymer alloy)。高分子基体在常温下的粘度，以1,000mPa·s以下为佳，以在500mPa·s以下为更佳。若高分子基体的粘度超过1,000mPa·s，由于高分子基体粘度过高，则有可能使组成物的制备变得困难。对高分子基体在常温下粘度的下限没有特别的限制。所谓常温，是指通常制备组成物时的温度，例如25℃。
导热性填充材料，通过提高成形体的传热率，可以提高成形体的导热性能。作为导热性填充材料的形状，可以列举纤维状、粒状、片状等多种，不过导热性填充材料的至少一部分形成为纤维状。形成为纤维状的导热性填充材料的具体例子，即作为纤维状填充材料的具体例子，可用列举碳纤维、金属纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维和有机高分子纤维。这些纤维，既可以单独构成纤维状填充材料，也可以由两种以上组合构成纤维状填充材料。在这些纤维当中，从成形体的传热率高这一点看，以碳纤维为佳。
碳纤维是在对熔融纺丝出来的纤维状沥青进行不融化处理之后，通过碳化或石墨化处理而制得的。碳纤维的纤维长度，可以借助碳纤维在其制造过程中，或其制造后进行粉碎的方法做任意调整。碳纤维的粉碎，例如可以采用锤式粉碎机(hammer mill)、球磨机、振动球磨机、刀片磨(blade mill)、喷射磨(jet mill)、龙卷风磨或搅拌磨机来进行。虽然在碳纤维的制造过程中或制造好之后通过切断机粉碎而得到的短切纤维(chopped fiber)，再通过采用上述各装置进一步粉碎，可以得到纤维长度分布幅度狭窄、适用于成形体的碳素纤维，但是也可以直接使用短切纤维的碳素纤维。
纤维状填充材料在成形体中是按一定方向取向的，来自发热体的热，沿着纤维状填充材料的取向方向，在成形体中传导。因此，纤维状填充材料的平均纤维长度，以大于等于纤维状填充材料取向方向的成形体厚度为佳。在此情况下，由于在沿着热传导的方向上纤维状填充材料以无断裂口的方式存在着，所以成形体的传热率容易被提高。当纤维状填充材料的平均纤维长度，小于纤维状填充材料在取向方向上成形体厚度的情况下，例如，最好是采取将已经取向的纤维状填充材料彼此层叠的办法，使在沿着成形体热传导方向上的导热性纤维不存在断裂口。
除了纤维状之外形状的导热性填充材料，即，非纤维状填充材料的材质，从成形体的传热率较高这一点考虑，以从氧化铝，氮化硼，氮化铝，碳化硅以及二氧化硅中选出的至少一种为佳。在非纤维状填充材料中，粒状填充材料的平均粒径，虽然是按照纤维状填充材料在导热性填充材料中所占比例和纤维状填充材料的平均纤维长度适当设定的，但还是以0.1～100μm为佳，以1～50μm为更佳。粒状填充材料的平均粒径小于0.1μm时，由于组成物中所含有的导热性填充材料的比表面积过大，所以有组成物粘度升高的可能。若粒状填充材料的平均粒径超过100μm，在成形体形成为薄片状时，由于粒状填充材料的凹凸不平现象，会在成形体的外表面形成，所以有成形体外表面的平坦性变差的可能。从要控制组成物中导热性填充材料的二次凝聚这一点看，粒状填充材料的形状以球状为佳。
组成物中的导热性填充材料的含量，以小于等于90质量％为佳。导热性填充材料的含量若超过90质量％，成形体的形状，例如是片状的情况下，由于成形体的柔软性差，所以成形体变脆，同时，成形体对发热体及散热体表面形状的追从性还可能下降。导热性填充材料虽然仅由纤维状填充材料构成也可以，不过，纤维状填充材料占整个导热性填充材料的比例，以在7质量％以上不超过35质量％为佳。
在纤维状填充材料的比例小于7质量％的情况下，因为成形体中的纤维状填充材料的含量过低，成形体的传热率有可能下降。纤维状填充材料的比例在35质量％以上时，当纤维状填充材料带有导电性的时候，例如，纤维状填充材料是碳纤维的时候，因为成形体的导电性好，所以在成形体以不发挥导电性为佳的情况下，有可能成形体反倒变得不能使用了。因此，在需要成形体具有导电性的情况下，导热性填充材料，也可由纤维状填充材料构成，例如，仅由碳纤维构成。组成物中除了上述各成分以外，也还可以含有例如用于调整成形体硬度的可塑剂以及用于提高耐久性的稳定剂。
如图1A及图1B所示，成形体11具备高分子基体12和导热性填充材料13。如图1A及图1B所示的成形体11，被做成片状，导热性填充材料13，则包括纤维状填充材料14和粒状填充材料15。对该成形体11的形状没有特别限定，既可以是立方体状，也可以是球状，圆柱状，片状，薄膜状或管状。纤维状填充材料14，在成形体11中按一定方向取向。例如，在如图1A及图1B所示的成形体11中，纤维状填充材料14在成形体11的厚度方向取向。因此，在成形体11中，厚度方向的传热率的值，等于宽度方向的传热率的值乘以2～几百后所得之值。
在成形体11中，纤维状填充材料14露出于与纤维状填充材料14取向方向交叉的外表面上。即，如图1A及图1B所示的成形体11中的纤维状填充材料14，沿着成形体11的宽度方向延伸，同时，露出于方向相反(相对向)的两个外表面16上。在露出于成形体11的外表面16上的纤维状填充材料14中，与外表面16交叉的状态下露出的纤维状填充材料14的比例，以50～100％为佳。与外表面16交叉的状态下露出的纤维状填充材料14的比例，在小于50％的情况下，亦即，在与外表面16平行地延伸的状态下，露出的纤维状填充材料14的比例如果超过50％，由于纤维状填充材料14的取向不完全，所以在纤维状填充材料14取向方向的成形体11之传热率有下降的可能。因此，通过在与外表面16交叉的状态下，使露出纤维状填充材料14的比例超过50％，在纤维状填充材料14取向方向的成形体11的传热率，可以达到20W/m·k以上，随着在与外表面16交叉状态下露出的纤维状填充材料14的比例升高，例如可以达到50W/m·k以上。
在与成形体11的外表面16交叉的状态下露出的纤维状填充材料14，具有沿取向方向延伸的轴部14a和露出外表面的端部。在纤维状填充材料14的端部，形成有沿外表面16延伸的凸出部14b。在具有凸出部14b的端部，由于存在着凸出部14b，故正交于纤维状填充材料14的纤维轴方向(取向方向)的截面，要比正交于纤维状填充材料14的轴部14a中的纤维轴方向的截面更大，例如是该截面的2倍以上。
纤维状填充材料14的露出长度，即成形体11的外表面16和与该外表面16交叉状态下露出的纤维状填充材料14顶端之间的距离，以50μm以下为佳。如果纤维状填充材料14的露出长度超过50μm，则纤维状填充材料14有可能从成形体11脱落。
成形体11经过以下工序制得制备组成物的制备工序；将纤维状填充材料14按一定方向取向的取向工序；制得成形体11的成形工序；将纤维状填充材料14露出的露出工序；形成凸出部14b的形成工序。
在制备工序中，上述各成分适当混合后，即制备得到组成物。在取向工序中，例如在组成物填充于金属模具内之后，纤维状填充材料14按一定方向取向。作为使纤维状填充材料14取向的方法，可以列举出采用磁场发生装置对组成物施加磁场的方法和采用振动装置对组成物施加振动的方法。在这些的方法中，从纤维状填充材料14容易被取向这点来看，以对组成物同时使用磁场和振动两种方法进行为佳。此时，磁场和振动都借助组成物施加到纤维状填充材料14上。
作为磁场发生装置，可以列举永久磁铁，电磁铁和超导磁铁，不过，从长纤维的纤维状填充材料14容易被取向这点来看，以超导磁铁为佳。对组成物施加的磁场方向，可按照组成物中的纤维状填充材料14适当设定。例如，可以在磁场发生装置中配设一对磁极，使其方向相对地夹持金属模具。在纤维状填充材料14是抗磁性体的情况下，通过对组成物施加磁场，纤维状填充材料14，在与磁场方向相反的方向上被磁化，并沿着磁力线取向。另外，在纤维状填充材料14的结晶构造取决于结晶方位，纤维状填充材料14的磁化率具有各向异性特性的情况下，则纤维状填充材料14会按照磁化率的各向异性取向。
作为振动装置，可以列举出超声波振动装置，电磁式振动装置，电动机振动装置和使用气缸的击键式振动装置。在这些装置当中，从长纤维的纤维状填充材料14容易被取向这点来看，以使用气缸的击键式振动装置为佳。在组成物中的导热性填充材料13的含量高的情况下，组成物的粘度一般都很高。因此，对组成物施加振动的频率，以低于组成物的固有振动频率为佳，以0.1～100Hz为更佳，以1～100Hz为最佳。在此情况下，振动容易传递到整个组成物，所以组成物的流动性得到改善，其结果，组成物的表观粘度可以降低。因此，在组成物中缠绕一起的纤维状填充材料14，容易被解开而取向。
在对组成物的施加振动的频率过低的情况下，因为要充分对组成物施加振动，需要有足够时间，所以有可能导致成形体11的制造效率下降。另外，还有可能导致纤维状填充材料14取向不充分。在对组成物的施加振动的频率过高的情况下，因为对组成物施加的振动是微弱振动，所以振动很难传递到整个组成物上。而且，由于对组成物施加振动的频率，大大偏离组成物的固有振动频率，所以组成物的表观粘度不会下降。因此，由于纤维状填充材料14是在组成物粘度高的状态下被取向的，所以很有可能导致纤维状填充材料14的取向不充分。因而，通过把对组成物施加振动的频率设定在0.1～100Hz，最好设定在1～100Hz之间，不仅可以提高成形体11的制造效率，同时还可使纤维状填充材料14的取向充分。
对组成物施加振动之振幅，以0.1～20mm为佳，以1～20mm为更佳。在振动振幅小于0.1mm的情况下，因为振动很难传递到整个组成物，所以纤维状填充材料14的取向有可能不充分。若振动振幅超过20mm，则因为要使组成物振动充分需要有足够的时间，所以有可能使成形体11的制造效率下降。
在成形工序中，在金属模具内，在维持纤维状填充材料14取向的状态下，通过将高分子基体12进行硬化或者进行固化，如图2所示，具有一定形状的成形体11便被成形。成形工序之后成形体11中的纤维状填充材料14，没有从外表面16露出。
在露出工序中，在成形体11具有热塑性高分子材料做高分子基体12的情况下，通过使用可溶解该高分子材料的溶剂，来除去成形体11外表面16的高分子基体12，因而如图3A及图3B所示，纤维状填充材料14便露出于外表面16。另外，在将网状刀片按压接触成形体11的外表面16之后，通过使之沿外表面16滑动，从外表面16除去高分子基体12，使得纤维状填充材料14在外表面16上露出。在此情况下，高分子基体12以均匀的厚度被除去。另外，通过使用砂纸等进行打磨，也可从外表面16除去高分子基体12，使得纤维状填充材料14在外表面16上露出。在露出工序之后，在从外表面16露出的纤维状填充材料14的端部上，没有凸出部14b形成。
在露出工序之后的成形体11的外表面16上，露出的纤维状填充材料14所占比例，若换算成在该外表面16投影图中的面积，例如应是5～10％。在露出的纤维状填充材料14所占比例低于5％的情况下，由于纤维状填充材料14的取向不充分，所以在纤维状填充材料14取向方向中的成形体11之传热率有可能降低。如果露出的纤维状填充材料14所占比例超过10％，则尽管可以提高成形体11的传热率，但是成形体11的柔软性有可能下降。
在形成工序中，成形体11的外表面16，使用纹理比在露出工序中所用砂纸还更细的砂纸进行打磨，例如使用砂粒粒径为5～20μm的砂纸进行打磨。此时，露出外表面16的纤维状填充材料14的顶端，由于沿外表面16的磨损磨耗，而沿外表面16扩展。借此，在纤维状填充材料14的端部，形成凸出部14b。同时，通过对成形体11的外表面16瞬间加压，纤维状填充材料14的顶端，被推向外表面16。此时，在露出外表面16的纤维状填充材料14的顶端，由于沿着外表面16被压坏或折弯，在纤维状填充材料14的端部，便形成凸出部14b。在形成工序之后的成形体11外表面16中，露出的纤维状填充材料14所占比例，由于存在凸出部14b，跟露出工序之后、成形工序之前的纤维状填充材料14所占比例相比，有所增加，如换算成上述面积，例如可达10％以上。
在成形体11安装于发热体及散热体时，如图4A所示，例如，在配设在基板17之上的发热体18(例如电子元件)上面，依次承放着成形体11和散热体19。发热体18的下部，用绝缘层20覆盖，在基板17和绝缘层20之间，配设有接线端子21，用于将发热体18与基板17上未予图示的电路连接。成形体11承放成两个外表面16分别与发热体18和散热体19相接触。另外，为使成形体11与发热体18及散热体19更加密合，荷重从散热体19向发热体18施加，成形体11靠发热体18及散热体19来夹持。
此时，如图4B所示，露出于成形体11外表面16的纤维状填充材料14的凸出部14b，依靠上述负荷，被压入成形体11内。并且，高分子基体12，也依靠上述负荷，浸出在露出的纤维状填充材料14之间。因此，纤维状填充材料14，相对于对高分子基体12，更加沉入于成形体11之内。并且，在凸出部14b中，与发热体1 8或散热体19相对的表面，位于成形体11的外表面16上。其结果，受浸出的高分子基体12的作用，成形体11的粘结性得以提高，与此同时，成形体11，在发热体18及散热体19之间不形成间隙，而能与发热体18及散热体19密合良好。施加于散热体19的负荷值，例如是4.9N。
以下就采用上述实施方式所能发挥的效果，记载如下。
本实施方式的纤维状填充材料14，在成形体11使用之前，是露出该成形体11外表面16的。在露出外表面16的纤维状填充材料14的端部，形成有沿外表面16延伸的凸出部14b。在成形体11的外表面16，露出的纤维状填充材料14所占的比例，因有凸出部14b的存在，要比没有形成该凸出部14b的情况有所增加。
因此，当成形体11与接触对象物相接触的时候，在成形体11的外表面16，构成上述成形体11的高分子基体12和接触对象物之间的接触，既受露出的纤维状填充材料14的抑制，更受凸出部14b的抑制。在此，高分子基体12的硬度，通常，都比纤维状填充材料14低。因此，由于成形体11与硬度低的高分子基体12和接触对象物的接触，受到抑制，故可降低粘结性，更加容易提高可处置性。因为通过在成形体外表面设置高硬度层，来提高成形体的可处置性时，由于上述高硬度层的影响，成形体的硬度增高，所以成形体的柔软性将下降。与此相反，本实施方式的成形体11，因为是不降低硬度就可提高可处置性，所以可以保持柔软性。
并且，成形体11在使用时，为使其外表面16能与发热体18及散热体19相接触，是夹在发热体18和散热体19之间的，其中的纤维状填充材料14，相对于高分子基体12来说，更加沉入成形体11内。因此，在成形体11的外表面16，硬度低的高分子基体12，可以更容易接触到发热体18和散热体19。因而，可以提高成形体11的密合度，其结果，可使其与发热体18和散热体19密合得更好。
另外，沉入成形体11内的纤维状填充材料14，如图4B所示，不借助高分子基体12，也可以接触到发热体18及散热体19，其结果，来自发热体18的热可很容易传导到散热体19。因此，成形体11可以发挥优异的导热性能。另外，因为凸出部14b是沿外表面16而延伸的，所以当成形体11夹于发热体18和散热体19之间时，纤维状填充材料14与发热体18及散热体19的接触面积，跟不形成凸出部14b的情况相比，变得更大。因此，跟不形成凸出部14b的情况相比，成形体11可以提高导热性。
在具有纤维状填充材料14的凸出部14b的端部，正交于纤维状填充材料14的纤维轴方向的截面，由于存在凸出部14b，要比正交于纤维状填充材料14的轴部14 a的纤维轴方向的截面更大。因此，有凸出部14b的纤维状填充材料14，跟没有形成凸出部14b的情况相比，可以不增加成形体11中导热性填充材料13的含量，就可很容易增加纤维状填充材料14在成形体11外表面16所占的比例。其结果，可以同时达到两种效果，一是能提高成形体11的导热性，二是能抑制成形体11因导热性填充材料13含量增加造成的柔软性的降低。
本实施方式，也可以做如下变更而加以具体化。
为了提高上述高分子基体12和导热性填充材料13之间的密合度，例如也可以使用硅烷偶联剂(silane coupling)或钛酸酯偶联剂(titanate coupling)，对导热性填充材料13进行表面处理。同时，为了赋予导热性填充材料13以绝缘性，也可以对导热性填充材料13施加使用绝缘材料的表面处理。
上述纤维状填充材料14，也可以只露出于两个外表面16中的一个外表面16。在此情况下，在成形体11的两个外表面16中，可以只降低一个外表面16的粘结性。
在上述取向工序中，也可以在纤维状填充材料14沿一定方向被取向之后，在各纤维状填充材料14之间，充填高分子基体12。
在上述取向工序和成形工序中，在基材薄膜上涂敷了组成物之后，也可以在基材薄膜上，让纤维状填充材料14取向，来制得成形体11。在此情况下，在露出工序中，对不与成形体11基材薄膜接触的外表面16，例如也可以通过采用旋转式圆片切割机进行切割，来除去高分子基体12。
在上述成形体11形成片状的情况下，在上述成形工序中，也可以在呈块状的成形体11形成之后，使用剪切刀片，将成形体11切成片状。此时，因为高分子基体12的硬度，低于纤维状填充材料14，所以高分子基体12比纤维状填充材料14更容易被切断，其结果，如图5A及图5B所示，在成形体11的切割面(外表面16)上，会有纤维状填充材料14露出。因此，在该成形工序中，可以同时执行露出工序。在如图5A及图5B所示的成形体11中，在与切割面交叉状态下露出的纤维状填充材料14的比例约占90％。而且，露出的纤维状填充材料14的顶端面，相对于纤维状填充材料14的纤维轴是倾斜的。
在上述制备工序或者取向工序中，也可进行组成物的脱泡。
也可使用纹理细密的砂纸，同时执行露出工序和形成工序。
下面，列举一些实施例和比较例，来更加具体地说明以上实施方式。
(实施例1～5和比较例1、2)在实施例1的制备工序中，于作为高分子基体12的加成型液状硅酮凝胶中，混入作为纤维状填充材料14的碳纤维和作为粒状填充材料15的球状氧化铝(以下称氧化铝)，制备成形体11用的组成物。各成分的配合量如表1所示。在表1中，各成分的配合量数值均以重量份表示。液状硅酮凝胶在25℃下的粘度值为400mPa·s，液状硅酮凝胶的比重是1.0。碳纤维的平均纤维直径是10μm，碳纤维的平均纤维长度为160μm。氧化铝的平均粒径为3.2μm。其次，搅拌组成物，直至碳纤维及球状氧化铝都分散均匀之后，对组成物进行脱泡。
接下来，在取向工序中，在使用旋转粘度计测定了组成物在25℃下的粘度之后，在金属模具内填充了组成物。粘度的测定结果如表1所示。再使用超导磁铁，对组成物施加具有100,000高斯磁通密度的磁场，同时，还使用气缸，借助金属模具，对组成物施加频率为3.0Hz、振幅为10mm的振动，使碳纤维沿着成形体11的厚度方向取向。
接下来，在成形工序中，通过在120℃下将组成物加热90分钟，让液状硅酮凝胶硬化，从而得到块状的成形体11。然后，在露出工序中，使用剪切刀片，通过将块状成形体11切成厚度为0.2mm的片状，让碳纤维露出。用电子显微镜进行观察露出工序之后成形体11的外表面16时，如图5A及图5B所示，得以确认碳纤维的露出，而且在露出的碳纤维之中，与外表面16交叉状态下露出的碳纤维的比例大约占有90％。
接下来，在形成工序中，通过使用砂粒粒径为10μm的砂纸，打磨成形体11的外表面16，在从外表面16露出的碳纤维的端部形成凸出部14b，从而得到片状成形体11。在用电子显微镜观察形成工序之后成形体11的外表面16时，如图6A～图7所示，得以确认凸出部14b的形成。另外，还得以确认，与露出工序之后、形成工序之前成形体11的外表面16相比，露出的碳纤维占外表面16的比例有所增加。
其次，在实施例2中，除了按如下所述变更了各工序的条件之外，其余与实施例1同样来得到成形体11。在制备工序中，将实施例1的碳纤维平均纤维长度变更为100μm。在取向工序中，只对组成物施加了磁场。在成形工序中，通过在120℃下将组成物加热90分钟，让液状硅酮凝胶硬化，从而得到片状成形体11。在露出工序中，通过使用金属丝网打磨，从成形体11的外表面16，将硬化后的硅酮除去5μm厚，从而使得碳纤维露出。露出工序之后成形体11的厚度为0.2mm。在对露出工序之后成形体11的外表面16，用电子显微镜进行观察时，得以确认碳纤维的露出，而且在露出的碳纤维中，与外表面16交叉状态下露出碳纤维的比例约占50％。在用电子显微镜观察形成工序之后成形体11的外表面16时，得以确认凸出部14b的形成。另外，还得以确认，跟在露出工序之后、形成工序之前成形体11的外表面16相比，露出的碳纤维占外表面16的比例有所增加。
在实施例3中，除了按如下所述变更了各工序的条件之外，其余和实施例1同样来得到成形体11。在调整工序中，作为纤维状填充材料14，使用将聚苯并噻唑作为前驱体来用而得到的碳纤维(PBO碳纤维)，同时，如表1所示变更了各成分的配合量。PBO碳纤维的平均纤维长度为6000μm。在成形工序中，通过在120℃下将组成物加热90分钟，使液状硅酮凝胶硬化，从而得到片状成形体11。在露出工序中，使用旋转式切割机，从成形体11的外表面16削除硬化的硅酮，让PBO碳纤维露出。露出工序之后的成形体11，其厚度为0.2mm。
用电子显微镜观察露出工序之后成形体11的外表面16时，确认到PBO碳纤维的露出，而且在露出的PBO碳纤维中，在与外表面16交叉的状态下，露出的PBO碳纤维的比例约占70％。在形成工序中，对成形体11的外表面16，通过瞬间均匀地施加压力，在从外表面16露出的PBO碳纤维端部，形成凸出部14b，得到片状成形体11。在对形成工序之后成形体11的外表面16，用电子显微镜进行观察时，如图8及对图9所示，确认到凸出部14b的形成。另外，还得以确认，跟露出工序之后、形成工序之前之成形体11外表面16相比，露出的碳纤维占外表面16的比例有所增加。另外，如图6B和对图8所示，实施例3的凸出部14b，与实施例1的凸出部14b相比，凸出外表面16较多。
在实施例4中，除了将碳纤维的平均纤维长度变更到100μm，同时，对各成分的配合量，如表1所示做了变更之外，其余与实施例1同样，进行了制备工序及取向工序的处理。其次，与实施例2同样，进行了成形工序的处理，得到片状的成形体11。在露出工序中，通过使用砂粒粒径为50μm的砂纸进行打磨，从成形体11的外表面16除去硬化的硅酮，让碳纤维露出。然后，进行与实施例1同样的成形工序，得到成形体11。露出工序之后的成形体11的厚度为0.2mm。对露出工序之后的成形体11的外表面16，用电子显微镜进行观察，确认到有碳纤维的露出，而且在露出的碳纤维中，在与外表面16交叉状态下露出的碳纤维之比例约有70％。对形成工序之后成形体11的外表面16，用电子显微镜进行了观察，确认到有凸出部14b的形成。并且，还确认到，跟露出工序之后、形成工序之前的成形体11的外表面16相比，露出的碳纤维占外表面16的比例有所增加。
在实施例5中，除了将调整工序的条件按如下所述进行了变更之外，其余与实施例1同样，得到了成形体11。在调整工序中，使用PBO碳纤维作为纤维状填充材料14，同时，对各成分的配合量如表1所示，进行了变更。用电子显微镜对露出工序之后成形体11的外表面16进行了观察，并确认有PBO碳纤维露出，在露出的PBO碳纤维当中，与外表面16交叉状态下露出的PBO碳纤维的比例约为100％。用电子显微镜观察在形成工序之后成形体11的外表面16时，确认有凸出部14b形成。另外，还确认，跟露出工序之后、形成工序之前的成形体11的外表面16相比，露出的PBO碳纤维占外表面16的比例有所增加。
在比较例1中，除省略了露出工序及形成工序之外，其余与实施例5同样，得到了成形体11。在比较例2中，除省略了露出工序及形成工序之外，其余与实施例2同样，得到了成形体11。在比较例1及2中，用电子显微镜观察了成形工序之后成形体11的外表面16，未见纤维状填充材料14从外表面16露出。然后，对各例的成形体11，就下列各项目，进行了测定和评价。其结果列于表1。在表1中，“纤维状填充材料的比例(％)”一栏，表示在与外表面16交叉状态下，露出的各纤维所占的比例。
(可处置性)针对各例的成形体11，根据其粘结性进行了可处置性评价。关于表1中的可处置性中的所谓“1”，表示成形体11的粘结性低得适当，成形体11的处置容易。而所谓“2”，表示成形体11粘结性过高，成形体11的处置困难。
(传热率)从各例的成形体11制得的圆片状试片(直径1.0mm；厚度0.5mm)之后，用激光闪光法测定了试片的传热率。
(热阻值)从各例的成形体11制得试片(长和宽10mm；厚度0.2mm)之后，用发热量为25W的发热体18及散热体19夹持该试片。然后，对试片进行了在其厚度方向上施加50N/cm2负荷状态下的试片的热阻值测定。对露出工序和形成工序之后的各成形体11都进行了热阻值的测定。另外，除了使用市售的导热性润滑脂代替试片以外，其余与上述同样，测定了热阻值，其结果列于表2。在表2中，“参考例1”一栏，表示使用信越化学工业株式会社制的导热性润滑脂(放熱用复合油)G-750作为导热性润滑脂情况下的测定结果；“参考例2”一栏，表示使用信越化学工业株式会社制的导热性润滑脂G-751作为导热性润滑脂情况下的测定结果。
表1
表2
如表1所示，实施例1～5的各个项目都有优良的评价和结果。因此，各实施例的成形体11，不仅导热性能优异，而且还可提高可处置性能。另外，将测定过热阻值的成形体11，从发热体18及散热体19拆开之后，观察了成形体11的外表面16，发现原来露出的各纤维，都吸收到成形体11里面去了。另外，各纤维的凸出部14b，大体上都位于成形体11的外表面16之上。
另外，在实施例1～5中，跟露出工序之后的成形体11的热阻值相比，形成工序之后的热阻值低。可以认为，其结果是因形成工序所得到的凸出部14b所致。实施例5的成形体11，跟导热性润滑脂具有同等的热阻值。导热性润滑脂一般都具有非常低的热阻值，可以发挥优异的导热性能。然而，对于导热性润滑脂来说，存在着种种问题，如再利用性问题，因粘度变化等带来的管理及使用上的问题，使用时混入空气、溢出、挥发等可靠性上的问题。与此相反，本发明的成形体11，则不会产生导热性润滑脂所存在的上述问题，却能得到与导热性润滑脂同等的热阻值。
另一方面，在比较例1及2中，有关其可处置性的评价及有关热阻值的结果，都比各实施例的差。因此，各个比较例的成形体11，与各实施例相比，导热性能及可处置性两者都差。
权利要求
1.一种导热性成形体，被夹在发热体和散热体之间使用，由含有高分子基体和导热性填充材料的导热性高分子组成物成形而得到，其特征在于上述导热性填充材料中的至少一部分，形成纤维状，并按一定方向取向；在上述导热性成形体中，被形成上述纤维状的导热性填充材料的端部，露出在跟上述取向方向交叉的外表面上，在该端部，形成有沿着上述外表面延伸的凸出部；上述导热性成形体，在其使用的时候，夹在发热体及散热体之间，以使上述外表面至少跟发热体和散热体的一方相接触。
2.根据权利要求1记载的导热性成形体，其特征在于，形成为上述纤维状的导热性填充材料是碳纤维。
3.根据权利要求1记载的导热性成形体，其特征在于上述至少有一部分取向的导热性填充材料，包括轴部、纤维轴方向和与上述轴部的纤维轴方向正交的截面；具有被形成为上述纤维状的导热性填充材料的凸出部的端部，是与被形成为上述纤维状的导热性填充材料的纤维轴方向正交的截面，和形成为上述纤维状的导热性填充材料的轴部的纤维轴方向正交的截面相比，其具备更大的截面。
4.根据权利要求1记载的导热性成形体，其特征在于，上述高分子基体是硅酮系或丙烯酸系高分子材料。
5.根据权利要求1记载的导热性成形体，其特征在于，上述高分子基体在25℃的粘度为1,000mPa·s以下。
6.根据权利要求1记载的导热性成形体，其特征在于，上述导热性高分子组成物中的导热性填充材料的含量为90质量％以下。
7.根据权利要求1记载的导热性成形体，其特征在于，在上述导热性填充材料的总重量中，被形成为上述纤维状的导热性填充材料所占的比例为7质量％以上不超过35质量％。
8.根据权利要求1记载的导热性成形体，其特征在于，在与上述外表面交叉的状态下露出的，被形成为上述纤维状的导热性填充材料的比例为50～100％。
9.根据权利要求1记载的导热性成形体，其特征在于，被形成为上述纤维状的导热性填充材料具有顶端，上述外表面和与该外表面交叉状态下露出的、形成为上述纤维状的导热性填充材料的顶端之间的距离为50μm以下。
10.一种根据权利要求1至9任何一项记载的导热性成形体的制造方法，其特征在于，该制造方法包括如下工序制备上述导热性高分子组成物的制备工序；将已形成为上述纤维状的导热性填充材料，按一定方向取向的取向工序；在保持上述导热性填充材料的取向的状态下，成形导热性成形体的成形工序；将上述已取向好的导热性填充材料的端部，露出于上述外表面的露出工序；在上述导热性填充材料的端部形成凸出部的形成工序。
11.根据权利要求10记载的方法，其特征在于，上述取向工序，是通过对上述导热性高分子组成物施加磁场，来使已形成为上述纤维状的导热性填充材料进行取向的。
12.根据权利要求11记载的方法，其特征在于，上述取向工序，是通过对上述导热性高分子组成物施加振动，来使已形成为上述纤维状的导热性填充材料进行取向的。
13.根据权利要求12记载的方法，其特征在于，上述导热性高分子组成物具有固有振动频率，对上述导热性高分子组成物施加振动采用的频率，低于上述导热性高分子组成物的固有振动频率。
14.根据权利要求13记载的方法，其特征在于，对上述导热性高分子组成物施加振动的频率为0.1～100Hz。
15.根据权利要求14记载的方法，其特征在于，对上述导热性高分子组成物施加振动的频率为1～100Hz。
16.根据权利要求12记载的方法，其特征在于，对上述导热性高分子组成物施加振动的振幅为0.1～20mm。
17.根据权利要求16记载的方法，其特征在于，对上述导热性高分子组成物施加振动的振幅为1～20mm。
全文摘要
一种导热性成形体，夹于发热体和散热体之间使用，由导热性高分子组成物成形而得。该导热性高分子组成物含有高分子基体和导热性填充材料。导热性填充材料中，至少有一部分，被形成为纤维状，并按一定方向取向。在该成形体中，在与上述取向方向交叉的外表面上，有已形成为上述纤维状的导热性填充材料的端部露出。在此端部，形成有沿着上述外表面延伸的凸出部。在实际使用的时候，该成形体夹在发热体和散热体之间，以使其外表面与发热体及散热体的至少一方相接触。
文档编号H01L23/42GK101087511SQ200710111928
公开日2007年12月12日 申请日期2007年6月7日 优先权日2006年6月8日
发明者太田充 申请人:保力马科技株式会社