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(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】P2024161928
(43)【公開日】2024-11-21
(54)【発明の名称】熱伝導体及び接合体
(51)【国際特許分類】
   H01L 23/36 20060101AFI20241114BHJP
【FI】
H01L23/36 D
【審査請求】未請求
【請求項の数】10
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2023076987
(22)【出願日】2023-05-09
(71)【出願人】
【識別番号】000004260
【氏名又は名称】株式会社デンソー
(71)【出願人】
【識別番号】000145987
【氏名又は名称】株式会社昭和丸筒
(74)【代理人】
【識別番号】100167276
【弁理士】
【氏名又は名称】渡邉 秀樹
(72)【発明者】
【氏名】川野 晋司
(72)【発明者】
【氏名】榊原 功次
(72)【発明者】
【氏名】山本 勝也
(72)【発明者】
【氏名】山口 隆幸
(72)【発明者】
【氏名】外谷 栄一
【テーマコード(参考)】
5F136
【Fターム(参考)】
5F136BB04
5F136BC02
5F136EA15
5F136FA23
5F136FA51
5F136FA52
5F136FA53
5F136FA75
5F136FA88
(57)【要約】
【課題】両面に接合される部材の熱膨張率の差により発生する熱応力を緩和することが可能であり、実質的な熱伝導性に優れた熱伝導体を提供すること、及び、熱伝導体の両面に接合される部材の熱膨張率の差により発生する熱応力を緩和することが可能であり、実質的な熱伝導性に優れた接合体を提供すること。
【解決手段】熱伝導体1は、複数の熱伝導部10と、複数の熱伝導部10を接合する、柔軟性材料を含む接合部20と、を有する熱伝導体本体2を備え、熱伝導体本体2の外表面の少なくとも一部を被覆するはんだ層3を有し、熱伝導体本体2の厚さ方向において並ぶ2つの面のうち、一方の面においてはんだ層3を介して第1部材110と接合され、他方の面においてはんだ層3を介して第2部材120と接合されるものである。
【選択図】図10

【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数の熱伝導部と、複数の前記熱伝導部を接合する、柔軟性材料を含む接合部と、を有する熱伝導体本体を備えた熱伝導体であって、
前記熱伝導体本体の外表面の少なくとも一部を被覆するはんだ層を有し、
前記熱伝導体本体の厚さ方向において並ぶ2つの面のうち、一方の面において前記はんだ層を介して第1部材と接合され、他方の面において前記はんだ層を介して第2部材と接合されるものである熱伝導体。
【請求項2】
前記はんだ層の少なくとも一部が前記熱伝導体本体の内部に侵入しており、
前記はんだ層のうち、前記熱伝導体本体の内部に侵入している部分の厚さをT1[μm]、前記熱伝導体本体の内部に侵入していない部分の厚さをT2[μm]としたとき、0.005≦T1/T2≦500の関係を満たす請求項1に記載の熱伝導体。
【請求項3】
前記はんだ層を構成するはんだの融点が300℃未満である請求項1に記載の熱伝導体。
【請求項4】
前記はんだ層がスズ(Sn)と、銀(Ag)、ビスマス(Bi)、銅(Cu)及び亜鉛(Zn)よりなる群から選ばれる少なくとも一種と、を含む請求項3に記載の熱伝導体。
【請求項5】
前記はんだ層の厚さが0.1μm以上500μm以下である請求項1に記載の熱伝導体。
【請求項6】
前記熱伝導体本体は、熱伝導性に異方性を有するものである請求項1に記載の熱伝導体。
【請求項7】
前記熱伝導体本体は、前記一対の面を垂直に結ぶ第1の方向への熱伝導率が、前記一対の面の少なくとも一方の面内方向の所定方向への熱伝導率よりも高いものである請求項6に記載の熱伝導体。
【請求項8】
前記熱伝導部は、黒鉛を含む請求項1に記載の熱伝導体。
【請求項9】
複数の熱伝導部と、複数の前記熱伝導部を接合する、柔軟性材料を含む接合部と、を有する熱伝導体本体と、
前記熱伝導体本体の厚さ方向において並ぶ2つの面のうち一方の面においてはんだ層を介して前記熱伝導体本体に接合された第1部材と、を有する接合体。
【請求項10】
前記一方の面とは反対側の他方の面においてはんだ層を介して前記熱伝導体本体に接合された第2部材をさらに有する請求項9に記載の接合体。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、熱伝導体及び接合体に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、電子機器や車両用ヘッドライト、車載電池等の発熱部材に対する放熱対策が急務となっている。例えば、コンピューターの中央演算処理装置、画像処理用演算プロセッサ、スマートフォンのSoC、組み込み機器のDSPやマイコン、あるいはトランジスタ等の半導体素子、レーザーダイオード、発光ダイオードやエレクトロルミネッセンス、液晶等の発光体といった電子部品の小型化、高集積化により、発熱量が大きくなる傾向にある。これらの電子部品の発熱による装置やシステムの寿命低下、誤作動が問題となってきており、電子部品の放熱対策への要求は、年々高まってきている。
【0003】
例えば、特許文献1には、発熱部材である半導体素子に対する放熱対策として、セラミックス基板と、セラミックス基板の一方の面に接合され、かつ、半導体素子に電気的に接続された金属回路板と、セラミックス基板の他方の面に接合された金属放熱板と、を含む、セラミックス回路基板を備えた半導体装置が開示されている。この半導体装置では、セラミックス基板の一方の面側に配された半導体素子からの熱は、放熱部材である金属放熱板に伝導され、金属放熱板から放熱される。
【0004】
しかしながら、このような構造では、接合される部材の熱膨張率の差により、接合部に熱応力が発生し、界面で剥がれが発生する等して十分な密着性が確保できず、発熱部材と放熱部材との間での実質的な熱伝導性を十分なものとすることができなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2016-72281号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本発明の目的は、両面に接合される部材の熱膨張率の差により発生する熱応力を緩和することが可能であり、実質的な熱伝導性に優れた熱伝導体を提供すること、及び、熱伝導体の両面に接合される部材の熱膨張率の差により発生する熱応力を緩和することが可能であり、実質的な熱伝導性に優れた接合体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の熱伝導体は、複数の熱伝導部と、複数の前記熱伝導部を接合する、柔軟性材料を含む接合部と、を有する熱伝導体本体を備えた熱伝導体であって、
前記熱伝導体本体の外表面の少なくとも一部を被覆するはんだ層を有し、
前記熱伝導体本体の厚さ方向において並ぶ2つの面のうち、一方の面において前記はんだ層を介して第1部材と接合され、他方の面において前記はんだ層を介して第2部材と接合されるものである。
【0008】
本発明の接合体は、複数の熱伝導部と、複数の前記熱伝導部を接合する、柔軟性材料を含む接合部と、を有する熱伝導体本体と、
前記熱伝導体本体の厚さ方向において並ぶ2つの面のうち一方の面においてはんだ層を介して前記熱伝導体本体に接合された第1部材と、を有する。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、両面に接合される部材の熱膨張率の差により発生する熱応力を緩和することが可能であり、実質的な熱伝導性に優れた熱伝導体を提供すること、及び、熱伝導体の両面に接合される部材の熱膨張率の差により発生する熱応力を緩和することが可能であり、実質的な熱伝導性に優れた接合体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
図1】本発明の熱伝導体の一例を模式的に示す断面図である。
図2】熱伝導体本体の一例を模式的に示す斜視図である。
図3】積層された熱伝導部及び接合部の部分を拡大して模式的に示す断面図である。
図4】熱伝導体本体を構成する熱伝導部の一例を模式的に示す平面図である。
図5】積層された複数の熱伝導部を分解して示す模式的な一部分解斜視図である。
図6】接合部を構成する硬化性樹脂材料の硬化物の一例の概念図である。
図7】熱伝導体本体の他の一例を模式的に示す斜視図である。
図8図7に示す熱伝導体本体の縦断面図である。
図9】はんだ層の一部が熱伝導体本体に侵入している状態の熱伝導体を示す電子顕微鏡写真である。
図10】本発明の接合体の一例を模式的に示す断面図である。
図11】はんだ層の一部が熱伝導体本体に侵入している状態の接合体を示す電子顕微鏡写真である。
図12】本発明の接合体の他の一例を模式的に示す斜視図である。
図13】電子装置の一例を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。
[1]熱伝導体
まず、本発明の熱伝導体について説明する。
図1は、本発明の熱伝導体の一例を模式的に示す断面図である。図2は、熱伝導体本体の一例を模式的に示す斜視図である。図3は、積層された熱伝導部及び接合部の部分を拡大して模式的に示す断面図である。図4は、熱伝導体本体を構成する熱伝導部の一例を模式的に示す平面図である。図5は、積層された複数の熱伝導部を分解して示す模式的な一部分解斜視図である。図6は、接合部を構成する硬化性樹脂材料の硬化物の一例の概念図である。なお、図3では、樹脂繊維22の図示を省略している。
【0012】
なお、本明細書で参照する図面においては、各部材間の関係をわかりやすくするために、一部を縮小あるいは拡大して示している場合があり、図面に示す各部材間での大きさの比率は、実際の各部材間での大きさの比率を表しているものではない。また、本明細書では、「自然状態」とは、重力以外の外力が付与されていない状態のことをいい、特に、24時間以内に重力以外の外力が付与された履歴の無い状態のことをいう。また、熱伝導体の製造後、0.1MPa以上の応力付与の履歴がないことが好ましい。また、本明細書に記載する測定、処理については、特に条件を示していない場合は、20℃において行ったものとする。また、本明細書に記載する測定値については、特に指定のない限り、1気圧下の空気中での測定により得られたものとする。
【0013】
また、本明細書において、「熱膨張率」は、温度の上昇に対応して長さが変化する割合を示す「線膨張率」のことをいう。
【0014】
熱伝導体1は、複数の熱伝導部10と、複数の熱伝導部10を接合する、柔軟性材料を含む接合部20と、を有する熱伝導体本体2と、熱伝導体本体2の外表面の少なくとも一部を被覆するはんだ層3と、を有する。
【0015】
そして、熱伝導体1は、熱伝導体本体2の厚さ方向において並ぶ2つの面のうち、一方の面である第1面23においてはんだ層3を介して第1部材110と接合され、他方の面である第2面24においてはんだ層3を介して第2部材120と接合されるものである。
【0016】
図1図2に示す熱伝導体1及び熱伝導体本体2において、熱伝導体本体2の厚さ方向において並ぶ2つの面は、言い換えると、対向する一対の面であり、一方の面(第1面23)は上面であり、他方の面(第2面24)は底面である。
【0017】
熱伝導体1は、後に説明する図10に示す例では、上面(第1面23)において、はんだ層3を介して第1部材110と接合され、底面(第2面24)において、はんだ層3を介して第2部材120と接合される。
【0018】
なお、以下の説明では、第1部材110及び第2部材120を、総称して、「熱伝導体1と接合される部材」、「熱伝導体1に接合される部材」あるいは、単に「部材」という場合がある。
【0019】
柔軟性材料を含む接合部20を備えるとともに、第1部材110、第2部材120に接合される、延性や柔軟性を有するはんだ層3を備えることにより、熱伝導体1は、全体として柔軟性を有するとともに、接合される部材との密着性や、前記部材の温度変化による膨張収縮に対する追従性に優れている。言い換えると、はんだ層3を介して熱伝導体1の両面にそれぞれ接合される、第1部材110と第2部材120との熱膨張率差により発生する熱応力を、熱伝導体1自身が変形することで吸収し緩和することができる。言い換えると、熱伝導体1は、緩衝効果を発揮する緩衝材として機能する。
【0020】
これにより、熱伝導体1と、第1部材110及び第2部材120と、の接合界面での剥がれを抑制することができ、十分な密着性を維持することができる。
【0021】
また、熱伝導体1が柔軟性を有するものであることで、熱伝導体1と接合される第1部材110及び第2部材120と、熱伝導体1と、の密着性を優れたものとすることができ、第1部材110及び第2部材120と、熱伝導体1と、の間での実質的な熱伝導性を優れたものとすることができる。
【0022】
さらに、熱伝導体1が、第1部材110及び第2部材120と単に接触するだけでなく接合されるものであることで、面圧をかけなくても、良好な密着性を確保することができ、第1部材110及び第2部材120と熱伝導体1との間での実質的な熱伝導性をより優れたものとすることができる。また、第1部材110及び第2部材120の少なくとも一方が、面圧をかけることが困難な部材であっても、熱伝導体1を適用することができる。
【0023】
[1-1]熱伝導体本体
熱伝導体本体2は、複数の熱伝導部10と、複数の熱伝導部10を接合する、柔軟性材料を含む接合部20と、を有する。言い換えると、熱伝導体本体2は、複数の熱伝導部10と、接合部20と、を有する複合積層体である。
【0024】
これにより、熱伝導体1全体としての柔軟性、接合される第1部材110及び第2部材120との密着性や、第1部材110及び第2部材120の温度変化による膨張収縮に対する追従性等をより優れたものとすることができ、第1部材110及び第2部材120と熱伝導体1との間での実質的な熱伝導性を優れたものとすることができる。
【0025】
熱伝導体本体2は、少なくとも1つの接合部20を備えていればよいが、図2に示す例では、複数の熱伝導部10と、複数の接合部20と、を備えており、これらの積層方向の両端には熱伝導部10が配されている。
【0026】
このような熱伝導体本体2は、例えば、少なくとも一方の面に、接合部20の形成に用いる接合部形成用組成物が付与された、熱伝導部10の形成に用いる熱伝導部形成用シート(熱伝導部形成用部材)を、巻取ロールの周面に巻回することで、熱伝導部10と接合部20とを交互に積層形成し、好適に製造することができる。
【0027】
ここで、本明細書では、熱伝導体本体2において熱伝導部10と接合部20との積層方向を熱伝導体本体2の積層方向と定義するとともに、熱伝導部形成用シートの面内方向を熱伝導部10の面内方向と定義する。例えば、図2に示す構成では、左右方向が熱伝導体本体2の積層方向であり、縦の奥行方向が熱伝導部10の面内方向である。
【0028】
また、本明細書では、熱伝導体本体2の上面の面内における熱伝導部10の延在方向を、熱伝導部10の延在方向と定義する。例えば、図2に示す構成では、熱伝導体本体2の上面の面内の奥行方向が、熱伝導部10の延在方向である。
【0029】
上記のような構成により、熱伝導体本体2は、熱伝導性に異方性を有するものとなる。このように、熱伝導体本体2が熱伝導性に異方性を有するものであることにより、熱伝導体本体2は、所定の方向に、より効率よく熱を伝達することができる。また、不本意な熱伝導を防止することができる。
【0030】
図2に示す構成の熱伝導体本体2では、熱伝導体1において第1部材110及び第2部材120がそれぞれ接合される一対の面、言い換えると、上面(第1面23)と底面(第2面24)とを垂直に結ぶ第1の方向への熱伝導率が、一対の面の面内方向の所定方向への熱伝導率よりも高いことが好ましい。
これにより、前述した効果がより顕著に発揮される。
【0031】
なお、本明細書において、「垂直」とは、数学的な意味での厳密な「垂直」ではなく、若干のずれを許容するものである。
【0032】
また、「一対の面の面内方向の所定方向」は、例えば、図2に示すX方向であり、熱伝導部10と接合部20との積層方向である。
【0033】
また、熱伝導体本体2は、上面(第1面23)においても、熱伝導性に異方性を有する。すなわち、熱伝導体本体2は、上面(第1面23)の面内において、熱伝導部10と接合部20との積層方向への熱伝導率が、熱伝導部10の延在方向への熱伝導率よりも低い。熱伝導体本体2の下面(第2面24)においても同様である。
【0034】
後述するように、熱伝導体本体2を、熱伝導部10及び接合部20の延在方向と、熱伝導部10と接合部20との積層方向と、を制御して配することにより、熱伝導体本体2の熱伝導性に異方性を付与することができる。
【0035】
熱伝導体本体2の形状は、特に限定されないが、熱伝導体1と接合される部材、言い換えると、第1部材110及び第2部材120の形状に応じて適宜設定されることが好ましい。
これにより、前述した効果がより顕著に発揮される。
【0036】
熱伝導体本体2を平面視した際の形状、熱伝導体本体2の横断面形状としては、例えば、円形、楕円形、多角形、及びこれらを組み合わせた形状等が挙げられる。また、熱伝導体本体2についての縦断面形状としては、例えば、第1の方向に一定の幅を有するものであってもよいし、第1の方向で幅が変化する部位を有するものであってもよい。
【0037】
熱伝導体本体2を平面視した際の形状、熱伝導体本体2の横断面形状が多角形状、例えば、四角形状である場合、当該四角形の最大となる1辺の長さは、0.3mm以上200mm以下であることが好ましい。
【0038】
これにより、熱伝導体1と、熱伝導体1と接合される部材(第1部材110、第2部材120)と、の十分な接合面積を確保することができ、前述した効果をより顕著に発揮させることができる。
【0039】
具体的には、例えば、熱伝導体本体2を平面視した際の形状が、5mm×5mm角よりも大きい四角形状であることが好ましい。
これにより、前述した効果をさらに顕著に発揮させることができる。
【0040】
なお、熱伝導体本体2の大きさは、第1の方向で一定であってもよいし、一定でなくてもよい。第1の方向で熱伝導体本体2の大きさの異なる部位を有する場合、熱伝導体本体2の1辺の長さが最大となる部位での1辺の値が、前記範囲内の値であることが好ましい。
【0041】
例えば、図示の構成では、熱伝導体本体2の形状及び大きさが、第1の方向で一定とされている。具体的には、熱伝導体本体2は、四角柱形状とされている。これにより、熱伝導体本体2による第1の方向での熱伝導性を一定に保つことができ、前述した効果がより顕著に発揮される。
【0042】
第1の方向の熱伝導体本体2の自然状態での長さ、すなわち、図2中Tで示す長さは、0.3mm以上10mm以下であることが好ましく、0.3mm以上3.0mm以下であることがより好ましい。
【0043】
これにより、熱伝導体1と接合される部材と、熱伝導体1と、の間の実質的な熱伝導性を特に優れたものとすることができる。このため、例えば、熱伝導体1と接合される部材が発熱体である場合等における放熱性をより優れたものとすることができる。
【0044】
以下の説明では、熱伝導体本体2を四角柱形状とした場合について中心的に説明する。
なお、本明細書で参照する図では、熱伝導部10と接合部20との界面を明確に示しているが、例えば、熱伝導部10の一部が接合部20に侵入していること等により、熱伝導部10と接合部20との界面が不明確なものとなっていても構わない。
【0045】
[1-1-1]熱伝導部
複数ある熱伝導部10は、熱伝導体本体2の全体における熱伝導性、特に、熱伝導部10の面内方向の熱伝導性に主に寄与する部分である。
【0046】
複数の熱伝導部10のうち少なくとも一部は、熱伝導体本体2の内部、特に、一対の面を垂直に結ぶ第1の方向について、熱伝導体本体2の内部に連続して設けられるとともに、熱伝導体本体2の異なる2つの面、特に、熱伝導体1が他の部材と接合される異なる2つの面に露出していることが好ましい。
【0047】
これにより、第1の方向についての実質的な熱伝導性をより優れたものとすることができる。
【0048】
特に、図示の構成の熱伝導体本体2は、少なくとも一組の平行な表面を有しており、複数の熱伝導部10のうち少なくとも一部が、熱伝導体本体2の内部に連続して設けられるとともに、2つの表面に露出している貫通熱伝導部である。
【0049】
これにより、熱伝導体1と接合される部材と、熱伝導体1と、をより好適に密着させることができ、前記平行な2つの表面間、言い換えると、一対の面間での実質的な熱伝導性をより優れたものとすることができる。
【0050】
なお、本明細書において、「平行」とは、数学的な意味での厳密な「平行」ではなく、若干のずれを許容するものである。
【0051】
熱伝導部10は、熱伝導性を有していれば特に限定されず、熱伝導部10を構成する材料としては、例えば、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、アルミナ等のセラミックス材料、黒鉛、炭素繊維等の炭素材料、銅、アルミニウム等の金属材料等が挙げられるが、炭素材料を含むことが好ましく、黒鉛を含むことがより好ましい。
【0052】
これにより、熱伝導体1と接合される部材と、熱伝導体1と、の間での実質的な熱伝導性をより優れたものとしつつ、熱伝導体1の製造コストを抑制することができる。また、一部分に黒鉛粒子間に空間が存在することで、その空間にはんだ層3が形成され、はんだ層3を溶融して部材と熱伝導体本体2を密着させる際にはんだ層3を介して密着性が向上する。さらに、接合部20に存在する空隙部4へ侵入したはんだ層3によりアンカー効果がより顕著に発揮される。
【0053】
[1-1-1-1]炭素材料
特に、熱伝導部10が、黒鉛や炭素繊維のような炭素材料を含む熱伝導部形成用シートにより形成されたものであると、前述した効果に加え、さらに、以下のような効果が得られる。すなわち、熱伝導体本体2のしなやかさ、柔軟性をより優れたものとすることができ、例えば、熱伝導体本体2が折れ曲がった時の復元力、さらには、内部の空隙によるクッション性、熱伝導体1と接合される部材と接合したときの適度な変形による密着性の向上等をより優れたものとすることができる。特に、このような効果は、炭素材料として黒鉛を用いた場合に、より顕著に発揮される。
【0054】
熱伝導部10を構成する黒鉛としては、鱗片状黒鉛を用いることが好ましい。
鱗片状黒鉛を用いることで、後述するような方法により、鱗片状黒鉛を熱伝導部10の面内方向に好適に配向させることができ、熱伝導部10の面内方向への熱伝導性を特に優れたものとすることができる。また、鱗片状黒鉛を用いることで、熱伝導部10の後述する孔部11以外の部位、特に熱伝導部10の面内方向の法線方向である熱伝導部10の厚さ方向の中心部付近の部位に、後述するような空隙部4を好適に設けることができ、後述するような効果を得ることができる。
【0055】
[1-1-1-2]セラミックス材料
また、熱伝導部10がセラミックス材料を含む場合、熱伝導体1と接合される部材と、熱伝導体1と、の間での実質的な熱伝導性をより優れたものとしつつ、熱伝導体本体2の発塵性をより低くすることができる。
【0056】
[1-1-1-3]金属材料
また、熱伝導部10が金属材料を含む熱伝導部形成用シートにより形成されたものであると、前述した効果に加え、さらに、以下のような効果が得られる。すなわち、金属材料内部の結合力の強さから熱伝導体本体2の発塵性をより低くすることができる。また、熱伝導体1に、比較的大きな荷重が加わった場合であっても、座屈等による熱伝導体本体2の崩壊等、熱伝導体1の不可逆的な変形がより効果的に防止される。
【0057】
熱伝導部10を構成する金属材料としては、各種の単体金属や合金等が挙げられ、これらから選択される1種又は2種以上を組み合わせて用いることができる。より具体的には、熱伝導部10を構成する金属材料としては、例えば、Al、Cu、Ag、Au、Mg及びZnよりなる群から選択される1種又は2種以上を含むもの等が挙げられるが、Alを含むものであることが好ましい。
これにより、熱伝導部10の熱伝導性をさらに優れたものとすることができる。
【0058】
前記群を構成する金属元素を含む合金としては、例えば、Al、Cu及びMgを含むアルミニウム合金であるジュラルミン等が挙げられる。
【0059】
熱伝導部10は、実質的に単一成分で構成されていることが好ましい。
これにより、熱伝導部10の熱伝導性をさらに優れたものとすることができる。また、一般に、熱伝導体1の製造コストを抑制する上でも有利である。
【0060】
なお、「実質的に単一成分から構成される」とは、対象となる部位での主成分の割合が、95重量%以上であることをいうものとする。主成分の割合は97重量%以上であることが好ましく、99重量%以上であることがより好ましい。
【0061】
ただし、熱伝導部10中に、空気等のガスが含まれる場合は、当該ガスの含有量は無視することとする。また、熱伝導部10が金属材料を含む場合、その表面には不動態膜のような、熱伝導部10を構成する金属の酸化被膜が形成されていても構わない。このような酸化被膜が形成されている場合も、「実質的に単一成分から構成される」ものとして取り扱うものとする。
【0062】
20℃における熱伝導部10の面内方向の熱伝導率は、7W/(m・K)以上2500W/(m・K)以下であることが好ましく、20W/(m・K)以上1800W/(m・K)以下であることがより好ましい。
【0063】
なお、熱伝導率の値は、レーザーフラッシュ法に準拠した、非定常熱線法による測定により求めることができる。
【0064】
図2中のt10で示す熱伝導部10の積層方向についての厚さは、5μm以上500μm以下であることが好ましく、20μm以上150μm以下であることがより好ましく、40μm以上120μm以下であることがさらに好ましい。
【0065】
これにより、熱伝導体本体2中に占める熱伝導部10の割合を十分に高いものとしつつ、熱伝導体本体2全体としての柔軟性もより優れたものとしやすく、より確実に、前述した効果をより顕著に発揮させることができる。
【0066】
ただし、ここで、熱伝導部10の厚さとは、以下に述べる孔部11が設けられていない部位における厚さのことをいう。
【0067】
なお、本明細書において示す厚さの数値は、対象となる構成要素について、無作為に(ランダム)抽出した10点における厚さの測定値の平均値を採用することができる。
【0068】
図3に示すように、熱伝導体本体2を構成する各熱伝導部10には、その厚さ方向に凹部が設けられていてもよい。
【0069】
これにより、熱伝導部10と接合部20との接合強度をより優れたものとすることができる。
【0070】
特に、図3に示す各熱伝導部10では、凹部は、熱伝導部10の厚さ方向に貫通する孔部11である。
これにより、前述した効果がより顕著に発揮される。
【0071】
以下の説明では、凹部が孔部である場合を中心に説明する。
各熱伝導部10に設けられている孔部(凹部)11の数は、熱伝導部10の面内方向の大きさ等にもより、1個のみであってもよいが、複数個であることが好ましい。
これにより、前述した効果がさらに顕著に発揮される。
【0072】
単一の熱伝導部10中に孔部11が複数個設けられている場合、当該熱伝導部10の面内方向での隣り合う孔部11の間隔は、300μm以上3000μm以下であることが好ましく、500μm以上2000μm以下であることがより好ましい。
これにより、前述した効果がより顕著に発揮される。
【0073】
ここで、本明細書において、「孔部11の間隔」は、隣り合う孔部11の中心間の距離のことをいう。
【0074】
図4に示す構成では、単一の熱伝導部10に設けられた複数個の孔部11は、千鳥状に配置されているが、単一の熱伝導部10の面内方向での複数個の孔部11の配置パターンは、これに限定されず、いかなるものであってもよく、例えば、ランダムに設けられたものであってもよい。
【0075】
凹部(孔部)11の少なくとも一部には柔軟性材料21が侵入している。
特に、前記凹部が孔部であり、当該孔部に柔軟性材料21が侵入していることにより、熱伝導部10と接合部20との接合をより強固にすることができ、熱伝導体1と接合される部材、例えば、発熱部材や放熱部材等の表面形状への形状適合性や熱伝導体1の耐久性をより良好なものとすることができる。
【0076】
図5に示すように、熱伝導部10を接合部20との積層方向から観察した際に、複数の熱伝導部10で、重なり合わない孔部11が存在していることが好ましい。
【0077】
複数の熱伝導部10で、重なり合う孔部11が存在していると、当該重なり合う孔部11に侵入した接合部20の柔軟性材料21は、複数の熱伝導部10を貫通した串刺し状になる。このような場合、柔軟性材料21が孔部11からすり抜けてしまい、熱伝導部10同士の接合が不十分になる可能性がある。
【0078】
これに対し、熱伝導部10を接合部20との積層方向から観察した際に、複数の熱伝導部10で、重なり合わない孔部11が存在していることで、孔部11に侵入した接合部20の柔軟性材料21のすり抜けが防止され、熱伝導部10同士の接合をより強固なものとすることができる。
【0079】
なお、図5では、熱伝導部10の部分のみを抜き出して示しており、接合部20は省略している。
【0080】
孔部11の形状は、特に限定されるものではなく、熱伝導部10を平面視した際の孔部11の形状、熱伝導部10についての孔部11の横断面形状としては、例えば、円形、楕円形、多角形等が挙げられる。また、熱伝導部10についての縦断面形状としては、例えば、孔部11の深さ方向に一定の幅を有するものであってもよいし、孔部11の深さ方向で幅が変化する部位を有するものであってもよい。
【0081】
熱伝導部10を平面視した際の孔部11の形状、熱伝導部10についての孔部11の横断面形状が円形である場合、当該孔部11の直径は、20μm以上300μm以下であることが好ましく、30μm以上200μm以下であることがより好ましい。
これにより、前述した効果がより顕著に発揮される。
【0082】
なお、孔部11の大きさ(直径)は、熱伝導部10の厚さ方向で一定であってもよいし、一定でなくてもよい。熱伝導部10の厚さ方向で孔部11の大きさ(直径)の異なる部位を有する場合、孔部11の直径が最大となる部位での直径の値が、前記範囲内の値であることが好ましい。
【0083】
熱伝導体本体2(ただし、空隙部4を除く実体部)中に占める熱伝導部10の割合は、15体積%以上80体積%以下であることが好ましく、20体積%以上70体積%以下であることがより好ましい。
これにより、前述した効果がより顕著に発揮される。
【0084】
熱伝導体本体2中(ただし、空隙部4を除く実体部)に占める熱伝導部10の割合は、熱伝導体本体2の積層方向における断面での面積比で、35%以上95%以下であることが好ましく、45%以上87%以下であることがより好ましい。
これにより、前述した効果がより顕著に発揮される。
【0085】
また、例えば、熱伝導部10が導電性に優れた材料を含む場合における、熱伝導体1の導電性をより良好なものとすることができる。このため、例えば、電子部品から熱伝導体1を電気的に介して電極を引き出すような場合に、熱伝導部10の割合が比較的多いことで、より効率よく電極を引き出すことができる。
【0086】
[1-1-2]接合部
接合部20は、隣り合う2つの熱伝導部10の間に配されて、熱伝導部10同士を接合するものであり、柔軟性材料21を含んでいる。
【0087】
接合部20が柔軟性材料21を含むことで、熱伝導体1と接合される部材との密着性や、前記部材の温度変化による膨張収縮に対する追従性がより優れたものとなる。また、熱伝導体本体2は、熱伝導体1と接合される部材の表面形状への形状適合性がより優れたものとなる。また、接合部20が柔軟性材料21を含むことで、熱伝導体本体2が変形した際に、熱伝導体本体2が損傷することを好適に防止することができる。
【0088】
[1-1-2-1]柔軟性材料
接合部20を構成する柔軟性材料21は、柔軟性を有し、隣り合う2つの熱伝導部10を接合する機能を有するものである。
【0089】
柔軟性材料21の圧縮弾性率は、0.5MPa以上3.0MPa以下であるのが好ましく、0.8MPa以上2.5MPa以下であるのがより好ましく、0.9MPa以上1.8MPa以下であるのがさらに好ましい。
【0090】
柔軟性材料21の圧縮弾性率の値は、20℃において、JIS K7181に準じた測定を行うことにより求めることができる。
【0091】
より具体的には、オートグラフ(島津製作所製)を用いて、測定速度20%圧縮/分、10~20Nの傾きから圧縮弾性率を算出することができる。
【0092】
接合部20を構成する柔軟性材料21としては、例えば、樹脂材料等が挙げられる。
【0093】
柔軟性材料21である樹脂材料としては、例えば、柔軟性エポキシ樹脂、ゴム系樹脂、ウレタン系樹脂、シリコーン系樹脂、フッ素系樹脂、アクリル系樹脂、熱可塑性エラストマー等が挙げられるが、柔軟性材料21は、図6に示すように、環状分子51と、直鎖状の分子構造を有し環状分子51を串刺し状に包接する第1のポリマー52と、第1のポリマー52の両端付近に設けられた封鎖基53と、を有するポリロタキサン50、及び、第2のポリマー60を含み、環状分子51を介して、ポリロタキサン50と第2のポリマー60とが結合しているものであることが好ましい。
【0094】
これにより、熱伝導体1と接合される部材との密着性や、前記部材の温度変化による膨張収縮に対する追従性がより優れたものとなる。また、熱伝導体本体2における熱伝導部10と接合部20との接合強度等をより優れたものとすることができ、熱伝導体本体2の耐久性をより優れたものとすることができる。また、熱伝導体本体2の柔軟性、耐熱性等を特に優れたものとすることができる。
【0095】
特に、図6(A)に示すような状態の柔軟性材料21としての硬化性樹脂材料の硬化物に、矢印方向の応力が付加された場合、柔軟性材料21は、図6(B)に示すような形態を採ることができる。すなわち、柔軟性材料21では、環状分子51が第1のポリマー52に沿って移動可能であるため、すなわち、第1のポリマー52が環状分子51内を移動可能であるため、変形の応力を柔軟性材料21中で効率よく吸収することができる。したがって、ひねり変形力等の大きな外力が加わった場合であっても、接合部20が破壊されたり、熱伝導部10同士の接合が破壊されてしまったりすることが効果的に防止される。また、熱伝導体1と接合される部材との密着性や、前記部材の温度変化による膨張収縮に対する追従性がさらに優れたものとなる。
【0096】
以下、ポリロタキサン50と、第2のポリマー60と、を含む柔軟性材料21について詳細に説明する。
【0097】
ポリロタキサン50を構成する環状分子51は、第1のポリマー52に沿って移動可能なものであればよいが、置換されていてもよいシクロデキストリン分子であることが好ましく、該シクロデキストリン分子がα-シクロデキストリン、β-シクロデキストリン及びγ-シクロデキストリン、並びにその誘導体からなる群から選択されるものであることが特に好ましい。
【0098】
ポリロタキサン50中の環状分子51の少なくとも一部は、前述のように、第2のポリマー60の少なくとも一部と結合する。
【0099】
環状分子51が有する官能基(第2のポリマー60と結合する官能基)としては、例えば、-OH基、-NH基、-COOH基、エポキシ基、ビニル基、チオール基、及び光架橋基等が挙げられる。なお、光架橋基としては、例えば、ケイ皮酸、クマリン、カルコン、アントラセン、スチリルピリジン、スチリルピリジニウム塩、スチリルキノリウム塩等が挙げられる。
【0100】
環状分子51が第1のポリマー52により串刺し状に包接される際に環状分子51が最大限に包接される量を1とした場合、第1のポリマー52に串刺し状に包接されている環状分子51の量は、0.001以上0.6以下であることが好ましく、0.05以上0.4以下であることがより好ましい。なお、異なる2種以上の環状分子51を用いてもよい。
【0101】
ポリロタキサン50を構成する第1のポリマー52としては、例えば、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリ(メタ)アクリル酸、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース等のセルロース系樹脂、ポリアクリルアミド、ポリエチレンオキサイド、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリビニルアセタール系樹脂、ポリビニルメチルエーテル、ポリアミン、ポリエチレンイミン、カゼイン、ゼラチン、でんぷん等及び/又はこれらの共重合体、ポリエチレン、ポリプロピレン、及びその他オレフィン系単量体との共重合樹脂等のポリオレフィン系樹脂、ポリエステル樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリスチレンやアクリロニトリル-スチレン共重合樹脂等のポリスチレン系樹脂、ポリメチルメタクリレートや(メタ)アクリル酸エステル共重合体、アクリロニトリル-メチルアクリレート共重合樹脂等のアクリル系樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリウレタン樹脂、塩化ビニル-酢酸ビニル共重合樹脂、ポリビニルブチラール樹脂等;及びこれらの誘導体又は変性体、ポリイソブチレン、ポリテトラヒドロフラン、ポリアニリン、アクリロニトリル-ブタジエン-スチレン共重合体、ナイロン等のポリアミド類、ポリイミド類、ポリイソプレン、ポリブタジエン等のポリジエン類、ポリジメチルシロキサン等のポリシロキサン類、ポリスルホン類、ポリイミン類、ポリ無水酢酸類、ポリ尿素類、ポリスルフィド類、ポリフォスファゼン類、ポリケトン類、ポリフェニレン類、ポリハロオレフィン類、並びにこれらの誘導体が挙げられ、特にポリエチレングリコールであることが好ましい。
【0102】
第1のポリマー52の重量平均分子量は、1万以上であることが好ましく、3.5万以上であることがより好ましい。なお、異なる2種以上の第1のポリマー52を用いてもよい。
【0103】
環状分子51と第1のポリマー52との組み合わせとしては、環状分子51が置換されていてもよいα-シクロデキストリンであり、第1のポリマー52がポリエチレングリコールであることが好ましい。
【0104】
ポリロタキサン50を構成する封鎖基53は、環状分子51が第1のポリマー52から脱離することを防止する機能を有する基であれば特に限定されないが、例えば、ジニトロフェニル基類、シクロデキストリン類、アダマンタン基類、トリチル基類、フルオレセイン類、ピレン類、置換ベンゼン類、置換されていてもよい多核芳香族類、ステロイド類等が挙げられる。
【0105】
置換ベンゼン類、置換多核芳香族類を構成する置換基としては、アルキル、アルキルオキシ、ヒドロキシ、ハロゲン、シアノ、スルホニル、カルボキシル、アミノ、フェニル等が挙げられる。置換基は1つ又は複数存在してもよい。なお、異なる2つ以上の封鎖基53を用いてもよい。
【0106】
柔軟性材料21中において、少なくとも一部のポリロタキサン50が、環状分子51を介して、第2のポリマー60と結合しているが、柔軟性材料21中には、第2のポリマー60と結合していないポリロタキサン50が含まれていてもよいし、ポリロタキサン50同士が結合していてもよい。
【0107】
第2のポリマー60は、環状分子51を介して、ポリロタキサン50と結合するものである。第2のポリマー60が有する環状分子51と結合する官能基としては、例えば、-OH基、-NH基、-COOH基、エポキシ基、ビニル基、チオール基、光架橋基等が挙げられる。なお、光架橋基としては、例えば、ケイ皮酸、クマリン、カルコン、アントラセン、スチリルピリジン、スチリルピリジニウム塩、スチリルキノリウム塩等が挙げられる。
【0108】
第2のポリマー60としては、例えば、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリ(メタ)アクリル酸、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース等のセルロース系樹脂、ポリアクリルアミド、ポリエチレンオキサイド、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリビニルアセタール系樹脂、ポリビニルメチルエーテル、ポリアミン、ポリエチレンイミン、カゼイン、ゼラチン、でんぷん等及び/又はこれらの共重合体、ポリエチレン、ポリプロピレン、及びその他オレフィン系単量体との共重合樹脂等のポリオレフィン系樹脂、ポリエステル樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリスチレンやアクリロニトリル-スチレン共重合樹脂等のポリスチレン系樹脂、ポリメチルメタクリレートや(メタ)アクリル酸エステル共重合体、アクリロニトリル-メチルアクリレート共重合樹脂等のアクリル系樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリウレタン樹脂、塩化ビニル-酢酸ビニル共重合樹脂、ポリビニルブチラール樹脂等;及びこれらの誘導体又は変性体、ポリイソブチレン、ポリテトラヒドロフラン、ポリアニリン、アクリロニトリル-ブタジエン-スチレン共重合体、ナイロン等のポリアミド類、ポリイミド類、ポリイソプレン、ポリブタジエン等のポリジエン類、ポリジメチルシロキサン等のポリシロキサン類、ポリスルホン類、ポリイミン類、ポリ無水酢酸類、ポリ尿素類、ポリスルフィド類、ポリフォスファゼン類、ポリケトン類、ポリフェニレン類、ポリハロオレフィン類の各種樹脂の骨格を有し、前述した官能基を有するものが挙げられる。
【0109】
また、第2のポリマー60と環状分子51とは、架橋剤により化学結合されていてもよい。
【0110】
架橋剤の分子量は、2000未満であることが好ましく、400未満であることがより好ましい。
【0111】
架橋剤としては、例えば、塩化シアヌル、トリメソイルクロリド、テレフタロイルクロリド、エピクロロヒドリン、ジブロモベンゼン、グルタールアルデヒド、フェニレンジイソシアネート、ジイソシアン酸トリレイン、ジビニルスルホン、1,1’-カルボニルジイミダゾール、アルコキシシラン類等が挙げられる。なお、異なる2種以上の架橋剤を用いてもよい。
【0112】
また、第2のポリマー60は、ホモポリマーであってもコポリマーであってもよい。柔軟性材料21中において、少なくとも一部の第2のポリマー60が、環状分子51を介して、ポリロタキサン50と結合しているが、柔軟性材料21中、ポリロタキサン50と結合していない第2のポリマー60が含まれていてもよいし、第2のポリマー60同士が結合していてもよい。なお、異なる2種以上の第2のポリマー60を用いてもよい。
【0113】
柔軟性材料21中における第2のポリマー60の含有量に対するポリロタキサン50の含有量の比率は、重量比で、1/1000以上であることが好ましい。
【0114】
接合部20中における柔軟性材料21(特に、前述した樹脂材料)の含有量は、5体積%以上90体積%以下であることが好ましく、25体積%以上75体積%以下であることがより好ましい。
【0115】
これにより、接合部20による熱伝導部10の接合強度をより優れたものとしつつ、接合部20が樹脂繊維22を含む場合には、接合部20中における樹脂繊維22の含有量を十分に確保することができ、樹脂繊維22を含むことによる効果を十分に発揮させることができる。
【0116】
[1-1-2-2]樹脂繊維
接合部20は、前述したような柔軟性材料21とともに、樹脂繊維22を含んでいてもよい。
【0117】
これにより、熱伝導体1を長時間用いた場合でも、熱伝導体1がダレ変形してしまうことを効果的に防止することができ、熱伝導体1と接合される部材との密着性が低下し、熱抵抗や電気抵抗が上昇してしまうという問題の発生を効果的に防止することができる。
【0118】
接合部20中に含まれる樹脂繊維22の太さは、1.0μm以上30μm以下であることが好ましく、2.0μm以上25μm以下であることがより好ましく、3.0μm以上20μm以下であることがさらに好ましく、4.0μm以上15μm以下であることが最も好ましい。
これにより、前述した効果がより顕著に発揮される。
【0119】
樹脂繊維22は、主として樹脂材料を含むものであればよく、樹脂繊維22を構成する樹脂材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート等のポリエステル、ポリアミド、エチレン酢酸ビニル樹脂、ポリビニルアルコール等が挙げられるが、樹脂繊維22は、ポリエステルで構成されたものであることが好ましく、ポリエチレンテレフタレートで構成されたものであることがより好ましい。
【0120】
これにより、樹脂繊維22自体の強度をより優れたものとすることができ、前述したような接合部20中に樹脂繊維22を含むことによる効果をより効果的に発揮することができるとともに、樹脂繊維22と柔軟性材料21としての樹脂材料との密着性をより優れたものとすることができ、熱伝導体1の耐久性、信頼性をより優れたものとすることができる。
【0121】
樹脂繊維22は、接合部20中に、少なくとも1本含まれていればよいが、複数本含まれていることが好ましい。
これにより、前述した効果がより顕著に発揮される。
【0122】
また、各樹脂繊維22は、接合部20中において、独立した状態で含まれていてもよいし、複数の樹脂繊維22が絡み合った状態で含まれていてもよい。より具体的には、樹脂繊維22は、例えば、織布や不織布等によるものであってもよい。
【0123】
特に、接合部20中に、樹脂繊維22が不織布として含まれていることにより、接合部20中に樹脂繊維22をより均一に分布させることができ、不本意な組成のばらつきを効果的に抑制することができ、前述した効果がより顕著に発揮される。
【0124】
接合部20中における樹脂繊維22の含有量は、2体積%以上70体積%以下であることが好ましく、4体積%以上50体積%以下であることがより好ましく、6体積%以上30体積%以下であることがさらに好ましい。
【0125】
これにより、前述した樹脂繊維22を含むことによる効果をより顕著に発揮させることができるとともに、接合部20中における柔軟性材料21の含有量を十分に確保することができ、接合部20による熱伝導部10の接合強度を十分に優れたものとすることができる。
【0126】
接合部20中における柔軟性材料21の含有量をX1[体積%]、接合部20中における樹脂繊維22の含有量をX2[体積%]としたとき、0.04≦X2/X1≦10.0の関係を満たすことが好ましく、0.07≦X2/X1≦5.0の関係を満たすことがより好ましく、0.10≦X2/X1≦1.5の関係を満たすことがさらに好ましい。
これにより、前述した効果がより顕著に発揮される。
【0127】
[1-1-2-3]金属粒子
接合部20は、柔軟性材料21、樹脂繊維22に加えて、図示しない金属粒子を含んでいてもよい。
【0128】
前述したように、熱伝導体本体2の面内方向の熱伝導性に主に寄与する部分は、熱伝導部10であるが、金属粒子は、一般に、接合部20を構成する柔軟性材料21よりも高い熱伝導性を有しているため、接合部20中に金属粒子が含まれることにより、接合部20についての熱伝導性を向上させることができ、熱伝導体本体2全体としての熱伝導性のさらなる向上を図ることができる。
【0129】
特に、接合部20に含まれる1個又は複数個の金属粒子により、隣り合う熱伝導部10が接続されている場合、該金属粒子が熱伝導部10間を熱的につなぐ「熱パス」となり、熱伝導体本体2の全体としての熱伝導性をさらに向上させることができる。
【0130】
さらに、電磁波シールド性を有する金属材料で構成された金属粒子を含むことで、熱伝導体1に電磁波シールド機能も付与することができる。特に、例えば、第5世代移動通信で用いられるような高周波の電磁波に対するシールド機能を好適に付与することができる。
【0131】
金属粒子としては、Fe、Ag、Pt、Cu、Sn、Al及びNiよりなる群から選択される1種又は2種以上を含むものであることが好ましく、鉄粒子がより好ましい。
【0132】
金属粒子の平均粒径は、特に限定されないが、0.01μm以上10μm以下であることが好ましく、0.1μm以上3.0μm以下であることがより好ましい。
【0133】
なお、本明細書において、平均粒径とは、レーザー回折式粒度分布測定装置で測定される重量基準の粒度分布において、小径側から累積50%になるときの粒径のことをいう。
【0134】
接合部20中における金属粒子の含有量は、1体積%以上50体積%以下であることが好ましく、10体積%以上30体積%以下であることがより好ましい。
【0135】
[1-1-2-4]セラミックス粒子
接合部20は、上記の材料に加えて、図示しないセラミックス粒子を含んでいてもよい。
【0136】
これにより、接合部20の組織を安定化、均一化させることができ、接合部20中の空隙の割合や大きさも安定化できる。その結果、熱伝導体本体2の各部位での特性の不本意なばらつきをより効果的に防止することができる。
【0137】
セラミックス粒子の構成材料としては、各種セラミックスが挙げられるが、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化ケイ素等の窒化物系セラミックス、炭化ケイ素等の炭化物系セラミックス、アルミナ等の酸化物系セラミックス等のセラミックス材料を用いた場合、熱伝導体本体2全体としての熱伝導性のさらなる向上を図ることができる。特に、接合部20に含まれる1個又は複数個のセラミックス粒子により、隣り合う熱伝導部10が接続されている場合、該セラミックス粒子が熱伝導部10間を熱的につなぐ「熱パス」となり、熱伝導体本体2の全体としての熱伝導性をさらに向上させることができる。
【0138】
接合部20がセラミックス粒子に加え、前述した金属粒子を含んでいる場合、前記熱パスは、セラミックス粒子及び金属粒子で形成されていてもよい。
【0139】
なお、セラミックス粒子は、シリカで構成されたものであってもよい。これにより、熱伝導体1の生産コストを抑制しつつ、前述した接合部20の組織の安定化、均一化等の効果が得られる。
【0140】
セラミックス粒子の平均粒径は、特に限定されないが、5μm以上200μm以下であることが好ましく、20μm以上70μm以下であることがより好ましい。
【0141】
接合部20中におけるセラミックス粒子の含有量は、1体積%以上50体積%以下であることが好ましく、10体積%以上30体積%以下であることがより好ましい。
【0142】
これにより、前述したような柔軟性材料21を含むことによる効果と、セラミックス粒子を含むことによる効果と、をバランスよく発揮することができる。
【0143】
[1-1-2-5]その他の成分
接合部20は、前述した成分以外の成分を含んでいてもよい。
【0144】
このような成分としては、例えば、可塑剤、着色剤、酸化防止剤、紫外線吸収剤、光安定剤、軟化剤、改質剤、防錆剤、充填剤、フェライト等の電磁波吸収材、表面潤滑剤、腐食防止剤、耐熱安定剤、滑剤、プライマー、帯電防止剤、重合禁止剤、架橋剤、触媒、レベリング剤、増粘剤、分散剤、老化防止剤、難燃剤、加水分解防止剤等が挙げられる。
【0145】
ただし、接合部20中におけるこれらの成分の含有量は、5重量%以下であることが好ましく、1重量%以下であることがより好ましい。
【0146】
図2中、t20で示す熱伝導部10と接合部20との積層方向についての接合部20の厚さは、0.1μm以上1000μm以下であることが好ましく、5.0μm以上100μm以下であることがより好ましい。
これにより、前述した効果がより顕著に発揮される。
【0147】
ただし、ここで、接合部20の厚さとは、接触する熱伝導部10に孔部11が設けられていない部位における厚さのことをいう。
【0148】
熱伝導体本体2(ただし、空隙部4を除く実体部)中に占める接合部20の割合は、15体積%以上70体積%以下であることが好ましく、16体積%以上60体積%以下であることがより好ましく、18体積%以上50体積%以下であることがさらに好ましい。
これにより、前述した効果がより顕著に発揮される。
【0149】
[1-1-3]空隙部
熱伝導体本体2は、熱伝導部10、接合部20に加えて、熱伝導部10及び接合部20が存在していない空隙部4を有している。
【0150】
空隙部4は、熱伝導体本体2において、熱伝導部10及び接合部20が存在していない部分である。空隙部4には、通常、空気や、接合部20を構成する柔軟性材料21の形成に用いられる硬化性樹脂材料が硬化した際に発生するガス等の気体が含まれている。
【0151】
このような空隙部4を有することにより、当該空隙部4がクッションとなり、熱伝導体1の両面にそれぞれ接合される部材の熱伝導率の差により発生する熱応力による熱伝導体本体2の変形を、この空隙部4で効率よく吸収することができ、熱伝導体1全体としての過度な変形を効果的に抑制することができる。また、熱伝導体本体2に好適な柔軟性を付与することが可能となり、熱伝導体1と接合される部材と、熱伝導体1と、の密着性を優れたものとすることができ、前記部材と熱伝導体1との間での密着性、実質的な熱伝導性、電気伝導性を優れたものとすることができる。特に、接合部20が、バインダーとして機能する柔軟性材料21とともに、前述したような樹脂繊維22を含むことにより、比較的小さな空隙部4を分散して形成することができる。これにより、熱伝導部10と接合部20との密着性をより優れたものとすることができ、熱伝導体1の耐久性、信頼性をより優れたものとすることができる。また、熱伝導体1と前記部材との接合の信頼性をより優れたものとすることができる。
【0152】
空隙部4には、通常、空気や、柔軟性材料21の形成に用いられる硬化性樹脂材料が硬化した際に発生するガス等の気体が含まれている。
【0153】
熱伝導体本体2中において、空隙部4は、少なくとも接合部20と隣接する部位に設けられている。
【0154】
熱伝導体本体2中に占める空隙部4の割合(自然状態での割合。以下同様。)は、5体積%以上65体積%以下であることが好ましく、5体積%以上50体積%以下であることがより好ましく、6体積%以上40体積%以下であることがさらに好ましく、7体積%以上32体積%以下であることが最も好ましい。
これにより、前述した効果がより顕著に発揮される。
【0155】
熱伝導体本体2中に占める熱伝導部10の割合をVC[体積%]、熱伝導体本体2中に占める接合部20の割合をVJ[体積%]、熱伝導体本体2中に占める空隙部4の割合をVV[体積%]としたとき、25≦[(VJ+VV)/(VC+VJ+VV)]×100≦90の関係を満たすことが好ましく、25≦[(VJ+VV)/(VC+VJ+VV)]×100≦70の関係を満たすことがより好ましく、31≦[(VJ+VV)/(VC+VJ+VV)]×100≦65の関係を満たすことがさらに好ましく、37≦[(VJ+VV)/(VC+VJ+VV)]×100≦62の関係を満たすことが最も好ましい。
これにより、前述した効果がより顕著に発揮される。
【0156】
自然状態における熱伝導体本体2の密度は、0.6g/cm以上2.5g/cm以下であることが好ましく、0.9g/cm以上2.0g/cm以下であることがより好ましい。
【0157】
熱伝導体本体2における熱伝導部10及び接合部20を構成する材料として、前述したような材料を用いることにより、全体としての密度を低くすることができる。
【0158】
これにより、熱伝導体1を特に軽量なものとすることができる。そして、熱伝導体1を有する電子装置が電子機器等に搭載された場合に、該電子機器等の軽量化を妨げない。すなわち、電子機器等をより軽量なものとすることができる。
【0159】
[1-2]熱伝導体本体の製造方法
次に、熱伝導体本体の製造方法について説明する。
【0160】
すなわち、熱伝導体本体2は、例えば、少なくとも一方の面に、接合部20の形成に用いる接合部形成用組成物が付与された、熱伝導部10の形成に用いる熱伝導部形成用シート(熱伝導部形成用部材)を、巻取ロールの周面に巻回することで、熱伝導部10と、接合部20と、を交互に積層形成することで、好適に製造することができる。
【0161】
より具体的には、熱伝導体本体2の製造方法は、例えば、硬化性樹脂材料を含む組成物である接合部形成用組成物が付与され、凹部(孔部)11が形成された熱伝導部10の形成に用いる熱伝導部形成用シートを、巻取ロールの周面に巻回し、筒状の巻回体を得る巻回工程と、巻回体を、ロールの軸方向に対して非垂直な方向で切り開き、切開体を得る切開工程と、切開体中に含まれる硬化性樹脂材料を硬化させ、接合部20を形成する硬化工程と、を有する。
【0162】
接合部形成用組成物が付与された熱伝導部形成用シートを、巻取ロールの周面に巻回することで、例えば、枚葉のシート状原料を用いる場合等に比べて、熱伝導体本体2を効率よく製造することができる。また、巻回体を切開した後で硬化性樹脂材料を硬化させることにより、柔軟性材料21を含む接合部20に比べて、より柔らかい状態で切開することができる。このため、巻回により発生するひずみを好適に矯正することができ、巻回体よりも平坦性の高い切開体とするのに際し、熱伝導部10に対応する部位である熱伝導部形成用シートと、接合部20に対応する部位である接合部形成用組成物との間での剥離や密着性の低下等が生じることを効果的に防止することができる。その結果、最終的に得られる熱伝導体本体2を、ひずみが好適に除去されるとともに、熱伝導部10と接合部20との間での剥離や密着性の低下、接合部20の破壊、熱伝導部10同士の接合の破壊等が効果的に防止され、熱伝導部10と接合部20とが強固に密着したものとすることができる。
【0163】
製造すべき熱伝導体本体2が、シート状をなすものである場合、前述した硬化工程の後に、両面において、熱伝導部10及び接合部20が表出するシート状にカットするカット工程を行う。
【0164】
これにより、例えば、所望の厚さを有するシート状の熱伝導体本体2を得ることができる。
【0165】
また、熱伝導体本体2の製造方法では、例えば、巻回工程に先立って、凹部(孔部)11が設けられた熱伝導部形成用シートに接合部形成用組成物を付与する接合部形成用組成物付与工程を有していてもよい。
【0166】
また、前述した説明では、接合部形成用組成物を付与した熱伝導部形成用シートを巻回して巻回体とし、巻回体を切開する方法を用いて熱伝導体本体2を製造する方法について説明したが、熱伝導体本体2は、例えば、接合部形成用組成物が付着した枚葉の熱伝導部形成用部材を積層して積層体とする方法を用いて製造されたものであってもよい。
【0167】
[1-3]熱伝導体本体の他の構成例
次に、熱伝導体本体の他の構成例について説明する。
【0168】
図7は、熱伝導体本体の他の一例を模式的に示す斜視図である。図8は、図7に示す熱伝導体本体の縦断面図であり、図8(a)は、切断線C-C’における断面図であり、図8(b)は、切断線D-D’における断面図である。
【0169】
図7図8に示す熱伝導体本体2では、第2の方向から平面視した際に、複数個の熱伝導部10が、島状に設けられている。
【0170】
これにより、熱伝導体本体2の面内(図7に示すxy平面の方向)の各部位での熱伝導性のばらつきを抑えつつ、熱伝導体本体2全体としての柔軟性もより優れたものとしやすく、前述した本発明による効果をより顕著に発揮させることができる。
【0171】
なお、本明細書において「島状」とは、接合部20中に、複数個の熱伝導部10が、連続せず点在している状態のことをいう。言い換えると、熱伝導部10は、x方向、y方向のいずれにおいても、他の熱伝導部10とは独立した状態である。
【0172】
図7に示す熱伝導体本体2では、第2の方向から平面視した際に、複数個の熱伝導部10が、千鳥状に配置されている。言い換えると、複数個の熱伝導部10がy方向に並んだ第1の列10aと、第2の列10bと、が、熱伝導部10が互い違いになるように、x方向に交互に配されている。
これにより、前述した効果をより顕著に発揮させることができる。
【0173】
第1の列10aの熱伝導部10と、第2の列10bの熱伝導部10とは、x方向において、少なくとも一部が重なりあっているものであることが好ましい。
これにより、前述した効果をさらに顕著に発揮させることができる。
【0174】
第2の方向から平面視した際の図7中のw10で示す熱伝導部10の幅は、1mm以上30mm以下であることが好ましく、5mm以上20mm以下であることがより好ましく、7mm以上15mm以下であることがさらに好ましい。
【0175】
これにより、熱伝導体本体2中に占める熱伝導部10の割合を十分に高いものとしつつ、熱伝導体本体2全体としての柔軟性もより優れたものとしやすく、より確実に、前述した効果をより顕著に発揮させることができる。
【0176】
熱伝導体本体2を第2の方向から平面視した際の図7中のg10で示す隣り合う熱伝導部10の間隔は、1μm以上2000μm以下であることが好ましく、2μm以上1500μm以下であることがより好ましく、3μm以上1000μm以下であることがさらに好ましい。
【0177】
これにより、熱伝導体本体2中に占める熱伝導部10の割合を十分に高いものとしつつ、熱伝導体本体2全体としての柔軟性もより優れたものとしやすく、前述した効果をより顕著に発揮させることができる。
【0178】
なお、本明細書において、「隣り合う熱伝導部10の間隔」は、隣り合う熱伝導部10間での最短距離としてのギャップを意味する。
【0179】
また、図7では、複数個の熱伝導部10が、千鳥状に配置されている場合を示しているが、複数個の熱伝導部10は、千鳥状以外の態様で配置されていてもよい。複数個の熱伝導部10は、規則的に配置されていてもよいし、ランダムに配置されていてもよい。
【0180】
なお、図8に示すように、熱伝導部10の第1の列10aと第2の列10bとでは、表面の法線方向V1に対する熱伝導部10(貫通熱伝導部10c)の傾斜方向が、逆になっている。
【0181】
第1の列10aの貫通熱伝導部10cの、表面の法線方向V1に対する傾斜方向をプラス(+)方向とし、第2の列10bの貫通熱伝導部10cの、表面の法線方向に対する傾斜方向をマイナス(-)方向とする。
【0182】
すなわち、第1の列10aの貫通熱伝導部10cは、表面の法線方向V1に対しプラス方向に角θ1だけ傾斜しており、第2の列10bの貫通熱伝導部10cは、表面の法線方向V1に対しマイナス方向に角θ2だけ傾斜している。
【0183】
このように、互いに異なる方向に傾斜した貫通熱伝導部10cを備えること、特に、表面の法線方向V1に対してプラスの方向に傾斜する貫通熱伝導部10cとともに、表面の法線方向V1に対してマイナスの方向に傾斜する貫通熱伝導部10cを備えることにより、例えば、熱伝導体1に、比較的大きな荷重が加わった場合であっても、座屈等による熱伝導体本体2の崩壊等、熱伝導体1の不可逆的な変形をさらに効果的に抑制することができ、熱伝導体1の耐久性をさらに優れたものとすることができる。
【0184】
特に、表面の法線方向V1に対してプラスの方向に傾斜する貫通熱伝導部10cと、表面の法線方向V1に対してマイナスの方向に傾斜する貫通熱伝導部10cと、が、交互に配されていることにより、前述した効果をより顕著に発揮させることができる。
【0185】
図8に示すように、表面の法線方向V1と、貫通熱伝導部10cの延在方向e10と、のなす角θ1、θ2の絶対値は、3°以上45°以下であることが好ましく、5°以上40°以下であることがより好ましく、8°以上35°以下であることがさらに好ましい。
これにより、前述した効果をより顕著に発揮させることができる。
【0186】
なお、角θ1と角θ2とは、その大きさが異なっていても構わないが、同じであることが好ましい。
【0187】
また、前記角度は、数学的な意味における厳密な数値ではなく、本発明の技術分野における、通常の誤差を含んでいてもよい。例えば、1°未満の差は、誤差として、同じ角度であると解釈される。
【0188】
熱伝導部10の傾斜方向は、特に限定されないが、熱伝導部10(熱伝導部形成用部材)が帯状をなすものである場合、熱伝導部10は、その面方向が、前記表面の法線方向V1に対して、傾斜していることが好ましい。
【0189】
これにより、例えば、熱伝導体1に、比較的大きな荷重が加わった場合であっても、座屈等による熱伝導体本体2の崩壊等、熱伝導体1の不可逆的な変形をさらに効果的に抑制することができ、熱伝導体1の耐久性をさらに優れたものとすることができる。
【0190】
[1-4]はんだ層
はんだ層3は、熱伝導体本体2の外表面の少なくとも一部を被覆するように配されている。
【0191】
特に、はんだ層3は、例えば、熱伝導体本体2の外表面のうち、第1部材110及び第2部材120が接合される、熱伝導体本体2の厚さ方向において並ぶ2つの面、言い換えると、対向する一対の面の少なくとも一部を被覆するように配されている。
【0192】
これにより、対向する一対の面間において、はんだを融点以上に加熱することにより熱伝導体1と接合される第1部材110及び第2部材120と、熱伝導体1と、の密着性を優れたものとすることができ、第1部材110及び第2部材120と、熱伝導体1と、の間で、熱を効率よく伝達することができる。
【0193】
なお、図1に示す断面図では、はんだ層3は、熱伝導体本体2の外表面のうち、対向する一対の面、言い換えると、上面及び底面に配されている。
【0194】
また、図1に示す断面図では、はんだ層3は、熱伝導体本体2の上面及び底面の全面を被覆するように配されている。
【0195】
はんだ層3を構成するはんだの融点は、300℃未満であることが好ましく、110℃以上200℃未満であることがより好ましく、110℃以上160℃未満であることがさらに好ましい。
【0196】
これにより、熱伝導体1と、熱伝導体1と接合される部材との接合力をより優れたものとすることができるとともに、熱伝導体1と部材との接合時に熱伝導体本体2や部材に損傷等が生じることをより効果的に防止することができる。また、熱伝導体1と部材との接合に要するエネルギーを比較的低いものとすることができるため、省エネルギーの観点からも好ましい。
【0197】
なお、はんだの融点は、JIS Z3198-1:2014に準じた測定により求めることができる。
【0198】
はんだ層3を構成するはんだは、鉛(Pb)又はスズ(Sn)を含む合金材料を含んで構成されるものであればよいが、環境汚染を防止する観点から、鉛フリーはんだであることが好ましい。
【0199】
なお、 JIS Z3282:2017(はんだ-化学成分及び形状)では、鉛フリーはんだは、鉛含有率が0.10質量%以下と規定されている。
【0200】
鉛フリーはんだは、スズ(Sn)を含み、さらに、銀(Ag)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)、銅(Cu)、インジウム(In)、亜鉛(Zn)、ニッケル(Ni)、ゲルマニウム(Ge)、りん(P)、及びガリウム(Ga)よりなる群から選ばれる少なくとも一種を含む合金材料である。
【0201】
中でも、はんだ層3を構成するはんだは、スズ(Sn)を含み、さらに、銀(Ag)、ビスマス(Bi)、銅(Cu)及び亜鉛(Zn)よりなる群から選ばれる少なくとも一種を含む合金材料であることが好ましく、スズ(Sn)及びインジウム(In)を含む合金材料であることがより好ましい。
【0202】
これにより、はんだ層3は、熱伝導性、接合性、及び応力緩和性のバランスが特に優れたものとなり、前述した本発明による効果が顕著に発揮される。
【0203】
インジウム(In)は、実用的に使用できる金属元素のうちで最も柔らかく、その柔らかさに起因して、非常に優れた応力緩和性を有する。これにより、熱応力等を十分に吸収することができ、接合体100の信頼性を顕著に向上させることができる。さらに、Inは、融点が156℃であり、比較的低い温度で溶融するため、はんだの融点を比較的低いものとすることができる。
【0204】
はんだがInを含む場合、はんだ中のInの含有量は、60質量%以下であることが好ましく、10質量%以下であることがより好ましい。
これにより、前述した効果がより顕著に発揮される。
【0205】
スズ(Sn)は、一般的には柔らかい金属であるが、Inに比較すれば硬い。そのため、はんだにSnを含有させることにより、はんだの硬さを調整することができ、加工性を向上させることができる。
【0206】
ビスマス(Bi)は、はんだの融点を下げることができ、さらに、はんだの硬度や耐ヒートサイクル性と相関を持つ元素である。また、Biを添加することで、はんだの電気伝導度を調整することもできる。
【0207】
はんだがBiを含む場合、はんだ中のBiの含有量は、60質量%以下であることが好ましく、10質量%以下であることがより好ましい。
これにより、前述した効果がより顕著に発揮される。
【0208】
はんだが銀(Ag)を含むことで、はんだの濡れ性や加工性を向上させることができる。
【0209】
はんだがAgを含む場合、はんだ中のAgの含有量は、0.01質量%以上21.0質量%以下であることが好ましい。
これにより、前述した効果がより顕著に発揮される。
【0210】
はんだが銅(Cu)を含むことで、はんだ層3の応力緩和性を向上させることができる。
【0211】
はんだがCuを含む場合、はんだ中のCuの含有量は、0.01質量%以上0.90質量%以下であることが好ましい。
これにより、前述した効果がより顕著に発揮される。
【0212】
はんだが亜鉛(Zn)を含むことで、はんだの濡れ性や柔らかさ(加工性)を向上させることができる。
【0213】
はんだがZnを含む場合、はんだ中のZnの含有量は、0.01質量%以上3.0質量%以下であることが好ましい。
これにより、前述した効果がより顕著に発揮される。
【0214】
はんだが、りん(P)を含むことで、はんだ表面の酸化を抑制し、はんだ層3の接合性や信頼性等を向上させることができる。
【0215】
はんだがPを含む場合、はんだ中のPの含有量は、0.0005質量%以上0.500質量%以下であることが好ましい。
これにより、前述した効果がより顕著に発揮される。
【0216】
上記のようなはんだの具体例としては、Sn-58Bi共晶はんだ(融点138℃)、Sn-52In合金はんだ(融点118℃)等が挙げられる。
【0217】
はんだ層3の厚さは、0.1μm以上500μm以下であることが好ましく、0.5μm以上400μm以下であることがより好ましく、1.0μm以上300μm以下であることがさらに好ましい。
これにより、前述した効果がより顕著に発揮される。
【0218】
ここで、はんだ層3の厚さは、電子顕微鏡を用いて撮影した熱伝導体1の断面画像から測定することができる。
【0219】
また、後述するように、はんだ層3の一部が、熱伝導体本体2の内部に侵入している場合、はんだ層3の厚さは、熱伝導体本体2の内部に侵入している部分の厚さT1と、熱伝導体本体2の内部に侵入していない部分の厚さT2と、の和である。
【0220】
そして、はんだ層3の厚さは、はんだ層3のうち最大厚さの部位における厚さである。
はんだ層3の一部は、熱伝導体本体2の内部に侵入していることが好ましい。
【0221】
これにより、アンカー効果により、熱伝導体本体2とはんだ層3との密着性がより優れたものとなり、前述した効果をより顕著に発揮させることができる。また、熱伝導体1が変形することによりはんだ層3が熱伝導体本体2から剥離してしまうことが好適に防止され、熱伝導体1の耐久性をより良好なものとすることができる。このようなアンカー効果は、熱伝導部10が前述したような溶融金属に濡れにくい黒鉛を含む場合に、より顕著に発揮される。流動性を有する溶融状態のはんだを熱伝導体本体2と接触させ、その後、冷却固化することにより、上記のような、はんだ層3の一部が熱伝導体本体2の内部に侵入して状態を好適に形成することができる。
【0222】
ここで、「はんだ層3の一部が、熱伝導体本体2の内部に侵入する」とは、熱伝導体本体2の表面の凹凸、熱伝導体本体2の表面に露出する熱伝導部10及び接合部20の空隙の少なくとも一部に、はんだ層3の一部が侵入していることをいう。これに対し、熱伝導体本体2の内部に侵入していない状態とは、熱伝導体本体2の表面の凹凸、熱伝導体本体2の表面に露出する熱伝導部10及び接合部20の空隙のいずれにも、はんだ層3が侵入していない状態のことを指す。
【0223】
図9は、はんだ層の一部が熱伝導体本体に侵入している状態の熱伝導体を示す電子顕微鏡写真である。
【0224】
はんだ層3のうち、熱伝導体本体2の内部に侵入している部分の厚さをT1[μm]、熱伝導体本体2の内部に侵入していない部分の厚さをT2[μm]としたとき、0.005≦T1/T2≦500の関係を満たすことが好ましく、0.05≦T1/T2≦60の関係を満たすことがより好ましく、0.5≦T1/T2≦10の関係を満たすことがさらに好ましい。
【0225】
これにより、アンカー効果により、熱伝導体本体2とはんだ層3との密着性をより優れたものとする効果と、熱伝導体1と熱伝導体1に接合される部材とをより好適に密着させる効果と、を高いレベルで両立できるものとなり、前述した本発明による効果をより顕著に発揮させることができる。
【0226】
ここで、はんだ層3のうち、「熱伝導体本体2の内部に侵入していない部分」は、はんだ層3のうち、熱伝導体本体2の内部に侵入している部分以外の部分であり、熱伝導体本体2の表面から露出している部分のことをいう。
【0227】
はんだ層3のうち、熱伝導体本体2の内部に侵入している部分の厚さT1は、10μm以上500μm以下であることが好ましく、15μm以上300μm以下であることがより好ましく、20μm以上100μm以下であることがさらに好ましい。
【0228】
これにより、アンカー効果により、熱伝導体本体2とはんだ層3との密着性がさらに優れたものとなり、前述した効果がさらに顕著に発揮される。
【0229】
はんだ層3のうち、熱伝導体本体2の内部に侵入していない部分の厚さT2は、1μm以上2000μm以下であることが好ましく、5μm以上1000μm以下であることがより好ましく、10μm以上300μm以下であることがさらに好ましい。
【0230】
これにより、熱伝導体1と熱伝導体1に接合される部材とをさらに好適に密着させることができ、前述した効果がさらに顕著に発揮される。
【0231】
はんだ層3の形成方法としては、例えば、熱伝導体本体2の一方の面(第1面23)及び他方の面(第2面24)にはんだペーストを印刷する方法等が挙げられる。
【0232】
このとき、例えば、はんだペーストの一部が、熱伝導体本体2の表面の凹凸、あるいは、熱伝導体本体2の表面に露出する熱伝導部10及び接合部20の空隙に侵入すると、形成されるはんだ層3は、その一部が、熱伝導体本体2の内部に侵入したものとなる。
【0233】
なお、熱伝導体1と接合される部材と、熱伝導体1と、が、はんだ層3を介して接合されていない状態では、はんだ層3の一部は、熱伝導体本体2の内部には侵入していなくても、熱伝導体1と接合される部材と、熱伝導体1と、をはんだ層3を介して接合する際に、はんだ層3の一部が熱伝導体本体2の内部に侵入してもよい。
【0234】
熱伝導体1と接合される部材と、熱伝導体1と、をはんだ層3を介して接合する際には、後述するように、熱伝導体1に接合される部材と、熱伝導体1と、を重ね合わせた状態で加熱し、さらに、熱伝導体1の厚さ方向に押圧してもよい。このときの押圧により、熱伝導体本体2を構成する熱伝導部10と接合部20との層が崩れ、この崩れた層の部分に、溶融したはんだの一部が侵入してもよい。このような場合、その後に、はんだが固化することにより、はんだ層3は、その一部が、熱伝導体本体2の内部に侵入したものとなる。
【0235】
なお、本発明の熱伝導体は、第1部材と接合される側のはんだ層と、第2部材と接合される側のはんだ層と、の間には、複数の熱伝導体本体が配されていてもよい。このような場合、2つのはんだ層の間に、配される複数の熱伝導体本体は、熱伝導部及び接合部の延在方向が同一であってもよいし、異なっていてもよい。また、隣り合う複数の熱伝導体本体の間には、はんだ層が設けられていてもよい。
【0236】
[2]接合体
次に、本発明の接合体について説明する。
図10は、本発明の接合体の一例を模式的に示す断面図である。
【0237】
本発明の接合体は、複数の熱伝導部と、複数の前記熱伝導部を接合する、柔軟性材料を含む接合部と、を有する熱伝導体本体と、前記熱伝導体本体の厚さ方向において並ぶ2つの面(第1面及び第2面)のうち一方の面においてはんだ層を介して前記熱伝導体本体に接合された第1部材と、を有する。
【0238】
本発明の接合体は、例えば、前述した熱伝導体本体と第1部材との間に溶融状態のはんだを配した状態で加熱することにより製造することができる。この場合、得られる接合体は、前述した熱伝導体と、これに接合した第1部材と、を有するものとなる。後述する第2部材の接合も同様にして行うことができる。
【0239】
また、本発明の接合体の製造には、前述した本発明の熱伝導体を好適に用いることができる。このような場合、本発明の熱伝導体に第1部材を接触させた状態で加熱することにより、接合体を得ることができる。後述する第2部材の接合も同様にして行うことができる。
【0240】
特に、図10に示す接合体100では、前記一方の面である第1面23とは反対側の他方の面である第2面24において、はんだ層3を介して熱伝導体本体2に接合された第2部材120をさらに有している。
【0241】
以下の説明では、接合体100が、前述した本発明の熱伝導体1を用いて製造されたものであり、熱伝導体1の一方の面(第1面23)においてはんだ層3を介して接合された第1部材110と、他方の面(第2面24)においてはんだ層3を介して接合された第2部材120と、を有している場合について中心的に説明する。
【0242】
このような接合体100では、柔軟性材料を含む接合部20を備えるとともに、延性や柔軟性を有するはんだ層3を備えることにより、熱伝導体1は、全体として柔軟性を有するとともに、接合された第1部材110及び第2部材120との密着性や、第1部材110及び第2部材120の温度変化による膨張収縮に対する追従性に優れている。言い換えると、はんだ層3を介して熱伝導体1の両面にそれぞれ接合されている、第1部材110と第2部材120との熱膨張率差により発生する熱応力を、熱伝導体1自身が変形することで吸収し緩和することができる。言い換えると、熱伝導体1は、緩衝効果を発揮する緩衝材として機能する。
【0243】
これにより、熱伝導体1と、第1部材110及び第2部材120と、の接合界面での剥がれを抑制することができ、十分な密着性を維持することができる。
【0244】
また、熱伝導体1が柔軟性を有するものであることで、熱伝導体1と接合された第1部材110及び第2部材120と、熱伝導体1と、の密着性を優れたものとすることができ、第1部材110及び第2部材120と、熱伝導体1と、の間での実質的な熱伝導性を優れたものとすることができる。
【0245】
さらに、熱伝導体1が、第1部材110及び第2部材120と単に接触するだけでなく接合されていることで、面圧をかけなくても、良好な密着性を確保することができ、第1部材110及び第2部材120と熱伝導体1との間での実質的な熱伝導性をより優れたものとすることができる。また、第1部材110及び第2部材120の少なくとも一方が、面圧をかけることが困難な部材であっても、上記のような効果が得られる。
【0246】
上記[1-4]で述べたのと同様に、接合体100においても、はんだ層3の一部は、熱伝導体本体2の内部に侵入していることが好ましい。
【0247】
これにより、アンカー効果により、熱伝導体本体2とはんだ層3との密着性がより優れたものとなり、前述した効果をより顕著に発揮させることができる。また、熱伝導体1が変形することによりはんだ層3が熱伝導体本体2から剥離してしまうことが好適に防止され、接合体100の耐久性をより良好なものとすることができる。このようなアンカー効果は、熱伝導部10が前述したような溶融金属に濡れにくい黒鉛を含む場合に、より顕著に発揮される。
【0248】
接合体100において、はんだ層3のうち、熱伝導体本体2の内部に侵入している部分の厚さをT3[μm]、熱伝導体本体2の内部に侵入していない部分の厚さをT4[μm]としたとき、0.05≦T3/T4≦10000の関係を満たすことが好ましく、0.5≦T3/T4≦600の関係を満たすことがより好ましく、5≦T3/T4≦100の関係を満たすことがさらに好ましい。
【0249】
これにより、アンカー効果により、熱伝導体本体2とはんだ層3との密着性と、熱伝導体1と熱伝導体1に接合されている部材(第1部材110、第2部材120)との密着性と、をより高いレベルで両立できるものとなり、前述した効果をより顕著に発揮させることができる。
【0250】
接合体100において、はんだ層3のうち、熱伝導体本体2の内部に侵入している部分の厚さT3は、10μm以上1000μm以下であることが好ましく、15μm以上600μm以下であることがより好ましく、20μm以上200μm以下であることがさらに好ましい。
【0251】
これにより、アンカー効果により、熱伝導体本体2とはんだ層3との密着性がさらに優れたものとなり、前述した効果がさらに顕著に発揮される。
【0252】
接合体100において、はんだ層3のうち、熱伝導体本体2の内部に侵入していない部分の厚さT4は、0.1μm以上200μm以下であることが好ましく、0.5μm以上100μm以下であることがより好ましく、1μm以上50μm以下であることがさらに好ましい。
【0253】
これにより、熱伝導体1と熱伝導体1に接合されている部材(第1部材110、第2部材120)とをさらに好適に密着させることができ、前述した効果がさらに顕著に発揮される。
【0254】
第1部材110及び第2部材120のうち少なくとも一方が非金属材料で構成される場合、当該部材の熱伝導体1と接合される部位に、図示しない金属製の膜(メタライジング膜)が配されていることが好ましい。これにより、はんだ層3を介して熱伝導体1とより好適に接合することができ、前述した効果がより顕著に発揮される。
【0255】
前記金属製の膜を構成する材料としては、金属材料であれば特に限定されないが、例えば、金、銀、ニッケル、銅、亜鉛、スズ等を含む材料が挙げられる。
【0256】
また、前記金属製の膜の厚さは、特に限定されないが、0.01μm以上100μm以下であることが好ましく、0.1μm以上20μm以下であることがより好ましく、1μm以上15μm以下であることがさらに好ましい。
【0257】
熱伝導体1と、第1部材110及び第2部材120とは、はんだ層3を介して、はんだ付けにより接合されている。
【0258】
はんだ付けは、接合する部材(母材)よりも融点の低いはんだを溶かして一種の接着剤として用いる溶着方法である。
【0259】
第1部材110と熱伝導体1との接合、熱伝導体1と第2部材120との接合は、第1部材110と熱伝導体1と第2部材120とを重ね合わせた状態で加熱することにより行うことができる。これにより、加熱により溶融したはんだ層3は、部材と物理的に接合し得る状態になる。そして、はんだが固化することにより、はんだ層3を介して、熱伝導体1と部材とが接合される。
【0260】
特に、前記部材が前記金属製の膜を有する場合、加熱により溶融したはんだ層3は、部材上に設けられた前記金属製の膜と物理的に接合し得る状態になる。そして、はんだが固化することにより、はんだ層3を介して、熱伝導体1と部材上に設けられた金属製の膜とが接合される。
【0261】
はんだ付けを行う際の加熱温度は、80℃以上300℃以下であることが好ましく、100℃以上280℃以下であることがより好ましく、150℃以上250℃以下であることがさらに好ましい。
【0262】
これにより、第1部材110及び第2部材120と、熱伝導体1と、をより好適に接合することができる。また、第1部材110及び第2部材120と、熱伝導体1と、の接合時に、熱伝導体本体2、第1部材110又は第2部材120に損傷等が生じることを防止することができる。
【0263】
さらに、加熱時に、第1部材110と熱伝導体1と第2部材120と、を重ね合わせた状態で、熱伝導体1の厚さ方向に押圧してもよい。
【0264】
このときの圧力は、0.05MPa以上4.0MPa以下であることが好ましく、0.1MPa以上2.0MPa以下であることがより好ましく、0.5MPa以上1.0MPa以下であることがさらに好ましい。
【0265】
これにより、第1部材110及び第2部材120と、熱伝導体1と、をより好適に接合することができる。
【0266】
加熱、押圧による接合の処理時間としては、1分以上60分以下であることが好ましく、1分以上30分以下であることがより好ましく、1分以上10分以下であることがさらに好ましい。
【0267】
さらに、熱伝導体1と第1部材110及び第2部材120とは、単に接触しているのではなく、はんだ層3を介して接合されていることで、面圧をかけなくても、良好な密着性を確保することができ、第1部材110及び第2部材120と熱伝導体1との間での実質的な熱伝導性をより優れたものとすることができる。また、第1部材110及び第2部材120の少なくとも一方が、面圧をかけることが困難な部材であっても、熱伝導体1を適用することができる。
【0268】
第1部材110と第2部材120との組み合わせは、特に限定されず、同じ材料で構成されるものであってもよいが、互いに異なる材料で構成されるものであることが好ましい。
これにより、前述した本発明による効果をより顕著に発揮させることができる。
【0269】
熱伝導体1は、一対の面の一方の面(熱伝導体本体2の第1面23)側で、金属材料を含む部材と接合され、他方の面(熱伝導体本体2の第2面24)側で、セラミックス材料を含む部材と接合されていることが好ましい。言い換えると、図10において、第1部材110及び第2部材120のうちの一方の部材が、金属材料を含み、他方の部材が、セラミックス材料を含むことが好ましい。
【0270】
一般に、金属材料の熱膨張率は比較的大きく、セラミックス材料の熱膨張率は比較的小さいため、これらの熱膨張率の差は大きい。このため、熱伝導体1は、一方の面(熱伝導体本体2の第1面23)側で、金属材料を含む部材と接合され、他方の面(熱伝導体本体2の第2面24)側で、セラミックス材料を含む部材と接合されることで、前述した本発明による効果をより顕著に発揮させることができる。
【0271】
金属材料としては、特に限定されず、各種の単体金属や、各種合金等を用いることができ、より具体的には、例えば、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金等が挙げられるが、中でも、銅であることが好ましい。
これにより、前述した本発明による効果がより顕著に発揮される。
【0272】
セラミックス材料としては、特に限定されず、各種酸化物系セラミックス、各種炭化物系セラミックス、各種窒化物系セラミックスやこれらから選択される二種以上の複合体等を用いることができるが、中でも、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化ケイ素、窒化ガリウム、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、炭化ケイ素、シリコン及びガリウムヒ素よりなる群から選ばれる少なくとも一種であることが好ましい。
これにより、前述した本発明による効果がより顕著に発揮される。
【0273】
第1部材110及び第2部材120の40~100℃の平均線膨張率の差の絶対値は、2.0×10-6/K以上40.0×10-6/K以下であることが好ましく、3.0×10-6/K以上30.0×10-6/K以下であることがより好ましく、4.0×10-6/K以上20.0×10-6/K以下であることがさらに好ましい。
【0274】
これにより、第1部材110と第2部材120との熱膨張率差により発生する熱応力を、熱伝導体1自身が変形することでより好適に吸収し緩和することができ、本発明による効果がさらに顕著に発揮される。
【0275】
図11は、はんだ層の一部が熱伝導体本体に侵入している状態の接合体を示す電子顕微鏡写真である。
【0276】
また、熱伝導体1に接合された第1部材110及び第2部材120のうちの少なくとも一方が、他の熱伝導体本体2や熱伝導体1であってもよい。
【0277】
図12は、本発明の接合体の他の一例を模式的に示す斜視図である。より具体的には、図12は、熱伝導体に接合された第1部材及び第2部材のうちの一方が、他の熱伝導体本体である接合体を示す斜視図である。
【0278】
熱伝導体本体2が、面内での熱伝導性に異方性を有するものである場合、図12に示す接合体100では、面内でのX方向への熱伝導性が高い熱伝導体本体2を有する熱伝導体1と、面内でのY方向への熱伝導性の高い熱伝導体本体2と、をはんだ層3を介して接合して2段構成としている。
【0279】
このように、熱伝導部10の延在方向が異なるものとなるように、複数枚の熱伝導体本体2を積層することにより、前記一対の面を垂直に結ぶ第1の方向に加えて、XY平面での異なる方向、特に図示の構成では、X方向への熱伝導性にも、Y方向への熱伝導性にも優れたものとすることができる。言い換えると、熱を3次元的に伝導して放熱することができる。また、熱伝導部10の延在方向が異なるものとなるように、複数枚の熱伝導体本体2を積層することにより、熱が伝導されにくい空間を設計しやすくなり、熱に弱い電子部品をより好適に保護することができる。
【0280】
面内での熱伝導性の異なる熱伝導体本体2を積層する方法としては、例えば、熱伝導体本体2において熱伝導部10の延在方向が面内でX方向となるように配置した熱伝導体1と、熱伝導部10の延在方向が面内でY方向となるように配置した熱伝導体本体2と、を積層する方法が挙げられる。
【0281】
積層方向で隣接する熱伝導体本体2は、はんだ層3を介して接合されていることで、隣接する熱伝導体本体2間での界面熱抵抗をより低く抑えて、実質的な熱伝導性をより高めることができる。
【0282】
また、面圧をかけなくても、隣接する熱伝導体本体2間での良好な密着性を確保することができ、隣接する熱伝導体本体2のうち少なくとも一方が、面圧をかけることが困難なものであっても、接合体100を構成することができる。
【0283】
なお、図12では、第1部材(熱伝導体1の上面側に配された部材)が他の熱伝導体本体2である場合について説明したが、第1部材が他の熱伝導体1であってもよい。言い換えると、接合体100は、複数の熱伝導体1が積層された構成を有するものであってもよい。
【0284】
[3]電子装置
前述した本発明の熱伝導体及び接合体を、電子装置に適用することもできる。このような電子装置は、例えば、電子部品と、伝熱部材としての本発明の熱伝導体と、を有する。
【0285】
図13は、本発明の熱伝導体及び接合体を適用した電子装置の一構成例を模式的に示す断面図である。
【0286】
図13に示す電子装置200は、電子部品210と、放熱基板220と、電子部品210と放熱基板220との間に配された絶縁部材230と、を有し、前述した熱伝導体1が、放熱基板220と絶縁部材230との間に配され、その対向する一対の面の両面において、はんだ層3を介して放熱基板220及び絶縁部材230とそれぞれ接合されている。
【0287】
熱伝導体1は、例えば、一方の面側にて高温部材に接触するとともに、他方の面側にて放熱部材に接触するものとすることができる。これにより、高温部材の熱を放熱部材に伝達し、放熱部材から効率よく放熱させるための伝熱部材、加熱されるべき加熱対象物と当該加熱対象物よりも温度の高い高温部材とに接触し、高温部材から熱エネルギーを加熱対象物に伝達し、加熱対象物を効率よく加熱させるための伝熱部材等として用いられる。
【0288】
図13に示す構成では、熱伝導体1は、はんだ層3を介して、その一方の面で、高温部材である絶縁部材230と接合され、他方の面で、放熱部材である放熱基板220と接合されている。また、絶縁部材230は、熱伝導体1と接合されている面とは反対側の面で、電子部品210と接合されている。
【0289】
このような電子装置200では、電子部品210から発生する熱は、絶縁部材230、熱伝導体1を介して放熱基板220へと伝導され、放熱基板220を介して放熱される。
【0290】
特に、この電子装置200では、熱伝導体1は、全体として柔軟性を有するものとなる。言い換えると、はんだ層3を介して熱伝導体1の両面にそれぞれ接合されている、絶縁部材230を構成する材料と放熱基板220を構成する材料との熱膨張率の差により発生する熱応力を、熱伝導体1自身が変形することで吸収し緩和することができる。
【0291】
これにより、熱伝導体1と絶縁部材230及び放熱基板220との接合界面での剥がれを抑制することができ、十分な密着性を維持することができる。
【0292】
また、熱伝導体1が柔軟性を有するものであることで、絶縁部材230及び放熱基板220と、熱伝導体1と、の密着性を優れたものとすることができ、絶縁部材230及び放熱基板220と熱伝導体1との間での実質的な熱伝導性を優れたものとすることができる。
【0293】
また、熱伝導体1と、絶縁部材230及び放熱基板220とは、単に接触しているのではなく、接合されていることで、密着性をより優れたものとすることができる。
【0294】
このような電子装置200は、実質的な熱伝導性に優れた熱伝導体1を備えているので、発熱体である電子部品210からの熱をより効率よく放熱することができ、装置やシステムの寿命低下、誤作動等のリスクをより効果的に低減することができる。
【0295】
[3-1]電子部品
電子部品210としては、例えば、各種の電子部品等が挙げられ、より具体的には、コンピューターの中央演算処理装置(CPU)、画像処理用演算プロセッサ(GPU)、電力半導体素子(パワーデバイス)、FPGA、ASIC、スマートフォンのSoC、組み込み機器のDSPやマイコン、トランジスタ等の半導体素子等が挙げられる。
電子部品210は、例えば、周囲雰囲気よりも高温になる高温部材である。
【0296】
高温部材としては、その表面の最高温度が40℃以上250℃以下のものが好ましく、50℃以上200℃以下のものがより好ましく、60℃以上180℃以下のものがさらに好ましい。
【0297】
熱伝導体1がこのような高温部材に適用される場合に、より好適に熱伝導、放熱することができ、本発明による効果がより顕著に発揮される。
【0298】
前述したような電子部品の中でも、電力半導体素子を用いた場合には、特に発熱量が大きくなる傾向がある。言い換えると、電子部品210からの伝熱で高温となる絶縁部材230を構成する材料と放熱基板220を構成する材料との熱膨張率の差により発生する熱応力もより大きくなる傾向にある。したがって、電子部品210として電力半導体素子を適用し、電子部品210と放熱基板220との間に熱伝導体1を配することで、前述したような本発明による効果をさらに顕著なものとすることができる。
【0299】
電子部品210は、はんだ250を介して、絶縁部材230に接合されている。
これにより、絶縁部材230と電子部品210との接合力をより優れたものとすることができるとともに、電子部品210の固定時に電子部品210に損傷等が生じることをより確実に防止することができる。また、電子装置200の生産性をより優れたものとすることができる。
【0300】
電子部品210は、絶縁部材230と接合される部位に、金属製の膜211を有していることが好ましい。
これにより、はんだ250を介して絶縁部材230と好適に接合することができる。
【0301】
金属製の膜211を構成する材料としては、金属材料であれば特に限定されないが、例えば、金、銀、ニッケル、銅、亜鉛、スズ等を含む材料が挙げられる。
【0302】
また、金属製の膜211の厚さは、特に限定されないが、0.1μm以上100μm以下であることが好ましく、0.2μm以上50μm以下であることがより好ましく、0.3μm以上20μm以下であることがさらに好ましい。
これにより、前述した効果をより顕著なものとすることができる。
【0303】
以下の説明では、電子装置200が電子部品210としての電力半導体素子を備えている場合について、中心的に説明する。
【0304】
[3-1-1]電力半導体素子
電力半導体素子は、電力制御用の半導体素子(パワーデバイス)である。このような電力半導体素子としては、例えば、整流ダイオード、パワートランジスタ(パワーMOSFET、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT))、サイリスタ、ゲートターンオフサイリスタ(GTO)、トライアック等が挙げられる。
【0305】
このような電力半導体素子では、大電流が流れるために発熱量も特に大きくなる。言い換えると、前述したような、熱膨張率の差による問題がより顕著となる。
【0306】
熱伝導体1がこのような電力半導体素子に適用される場合に、前述した本発明による効果が特に顕著に発揮される。
【0307】
図13に示すように、電子装置200が、電子部品210と放熱基板220との間に配された絶縁部材230を有する場合、電子部品210として、上述したような電力半導体素子の中でも、縦型IGBT、縦型MOSFET、縦型ダイオード等の縦型素子を用いることができる。縦型素子を備える電子装置では、半導体基板の上下両面に設けられる電極によって縦型素子に電圧を印加してオン動作させる。
【0308】
なお、縦型素子とは、オン動作時に半導体基板の一方の面から他方の面に向かって電流が流れる構造の素子のことをいう。
【0309】
このような縦型素子では、素子全体に均一に電流が流れるため、大電流用途に好適に用いられる。そして、縦型素子では、大電流が流れるために発熱量も特に大きくなる。言い換えると、上述したような、熱膨張率の差による問題がより顕著となる。
【0310】
熱伝導体1がこのような縦型の電力半導体素子に適用される場合に、上述した本発明による効果が特に顕著に発揮される。
【0311】
[3-2]絶縁部材
絶縁部材230は、主として絶縁材料で構成された部材であって、放熱基板220と電子部品210とを絶縁する機能を有する。
【0312】
このような絶縁部材230が配されることにより、電子回路のショート等の問題の発生を好適に防止することができる。
【0313】
絶縁部材230は、絶縁性を有する材料で構成されていれば特に限定されないが、セラミックス材料を含む材料で構成されることが好ましい。
【0314】
これにより、放熱基板220と電子部品210との間の絶縁をより確実に図ることができる。
【0315】
絶縁部材230を構成するセラミックス材料は、特に限定されないが、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化ケイ素、酸化アルミニウム及び酸化ジルコニウムよりなる群から選ばれる少なくとも一種であることが好ましい。
【0316】
これにより、放熱基板220と電子部品210との間の絶縁をさらに確実に図ることができるとともに、これらのセラミックス材料は、それ自体の熱伝導性も比較的高いものであるため、全体としての熱伝導性をより優れたものとすることができる。
【0317】
なお、前記群に含まれる複数の成分を含むセラミックス材料としては、例えば、ジルコニア強化アルミナ等が挙げられる。
【0318】
絶縁部材230の厚さは、特に限定されないが、0.10mm以上2.0mm以下であることが好ましく、0.15mm以上1.5mm以下であることがより好ましく、0.20mm以上1.0mm以下であることがさらに好ましい。
【0319】
これにより、機械的強度や絶縁性の向上を図りつつ、電子部品210からの熱を、熱伝導体1を介して、より効果的に放熱基板220へ伝えることができる。
【0320】
図示の構成では、絶縁部材230を、複数の分割体231に分割しており、各分割体231の間に、隙間232を設けて配している。
【0321】
これにより、絶縁部材230は、電子部品210からの熱によって熱膨張しても、熱膨張分をこの隙間232で吸収することができ、絶縁部材230の熱による割れや変形を好適に防止することができる。
【0322】
なお、絶縁部材230は、図示の構成に限定されず、1枚の板状体として構成されたものであってもよい。
【0323】
絶縁部材230は、熱伝導体1と接合される部位に、金属製の膜233を有していることが好ましい。
【0324】
これにより、絶縁部材230の熱伝導体1と接合される部位が、セラミックス材料を含む材料で構成される場合であっても、はんだ層3により熱伝導体1と好適に接合することができる。
【0325】
絶縁部材230は、電子部品210と接合される部位に、金属製の膜233を有していることが好ましい。
【0326】
これにより、絶縁部材230の電子部品210と接合される部位が、セラミックス材料を含む材料で構成される場合であっても、はんだ250により熱伝導体1と好適に接合することができる。
【0327】
なお、金属製の膜233は、絶縁部材230において、電子部品210と接合される側の面(図示の構成では上面)、及び、熱伝導体1と接合される側の面(図示の構成では下面)に選択的に形成されており、側面には形成されないことが好ましい。
【0328】
これにより、放熱基板220と電子部品210との間の絶縁を確実に図りつつ、上述した効果をより好適に得ることができる。
【0329】
[3-3]放熱基板
放熱基板220は、金属材料を含む基板である。
【0330】
放熱基板220は、その一方の面側に電子部品210を搭載した際に、この電子部品210から発せられる熱を、外部に放熱する。特に、図13に示す構成では、電子部品210から発せられる熱は、絶縁部材230及び熱伝導体1を経由して、放熱基板220から外部に放熱される。
【0331】
放熱基板220を構成する金属材料としては、例えば、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金等が挙げられる。
【0332】
これらの中でも、放熱基板220は、銅を含むことが好ましい。これにより、電子部品210からの熱をより効率よく放熱することができる。
【0333】
放熱基板220の厚さは、特に限定されないが、0.1mm以上20.0mm以下であることが好ましく、0.5mm以上5.0mm以下であることがより好ましい。
【0334】
これにより、放熱基板220の放熱性を向上させることができるとともに、電子装置200全体としての薄型化や、放熱基板220の外形加工や切り出し加工等における加工性を向上させることができる。
【0335】
放熱基板220は、はんだ層3を介して、熱伝導体1の他方の面側に接合されている。
これにより、放熱基板220と熱伝導体1との接合力をより優れたものとすることができる。また、電子装置200の生産性をより優れたものとすることができる。
【0336】
また、放熱基板220の電子部品210、絶縁部材230が搭載された面と反対の面側には、図示しない冷却ユニットが取り付けられていてもよい。
【0337】
冷却ユニットは、電子部品210の熱を放熱するための部材である。このような冷却ユニットとしては、例えば、ベーパーチャンバー、放熱フィン、ペルチェ素子、風冷式ユニット、水冷式ユニット等が挙げられる。
これにより、電子部品210からの熱をさらに効率よく放熱させることができる。
【0338】
前述したように、熱伝導体1は、熱伝導性に優れる材料で構成されるとともに、柔軟性にも優れ、接合される部材の表面への形状適合性に優れている。このため、接合される部材の表面に比較的大きな凹凸がある場合等であっても、熱伝導体1は、これらの部材と好適に密着することができる。したがって、界面熱抵抗を低く抑え、高温部材である電子部品210から、絶縁部材230及び熱伝導体1を経由しての放熱部材である放熱基板220への実質的な熱伝導性を優れたものとすることができる。
【0339】
これにより、電子部品210、具体的には、電力半導体素子からの熱を効果的に放熱することができ、熱による電力半導体素子の故障や誤作動といった不具合の発生を抑制することができ、電力半導体素子の製品寿命をより長いものとすることができる。
【0340】
以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は、これらに限定されるものではない。
【0341】
例えば、前述した実施形態では、本発明の接合体が、熱伝導体の両面に部材が接合されたものである場合について代表的に説明したが、少なくとも一方の面に部材が接合されていればよく、他方の面には部材が接合されていなくてもよい。このような構成でも、他方の面にもはんだ層が設けられているため、必要時に、他方の面において他の部材を接合することができ、前述したのと同様の効果が得られる。
【0342】
また、前述した説明では、熱伝導体本体を構成する熱伝導部及び接合部が平面状のものである場合について中心的に説明したが、熱伝導体本体を構成する熱伝導部、接合部のうちの少なくとも一部は、非平面状をなすもの、例えば、湾曲面状のもの、屈曲面状のもの等であってもよい。
【0343】
また、前述した説明では、熱伝導体本体を構成する各熱伝導部に、孔部が設けられている場合について代表的に説明したが、熱伝導体本体を構成する複数の熱伝導部のうちの一部については、孔部が設けられていなくてもよい。
【0344】
また、熱伝導部には、前述した孔部の代わりに又は前述した孔部に加えて、熱伝導部の厚さ方向に貫通しない凹部、すなわち、有底凹部が設けられていてもよい。また、熱伝導部には、凹部が設けられていなくてもよい。
【0345】
また、熱伝導体本体は、前述した熱伝導部、接合部、空隙部以外の構成を有するものであってもよい。
【0346】
また、熱伝導体本体及び接合体は、上記のような方法で製造されたものに限定されない。例えば、熱伝導体本体の製造方法又は接合体の製造方法においては、前述した工程に加え、他の工程(前処理工程、中間処理工程、後処理工程等)をさらに有していてもよい。
【実施例0347】
以下、本発明を実施例及び比較例に基づいて詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
なお、特に温度条件を示していない処理については、20℃で行った。
【0348】
[4]熱伝導体の製造
実施例及び比較例の熱伝導体を以下のようにして製造した。
(実施例1)
まず、熱伝導部形成用シート、樹脂繊維で構成された不織布及び接合部形成用組成物を用意した。
【0349】
熱伝導部形成用シートとしては、市販の黒鉛シート材に孔部を形成したものを用意した。
【0350】
本実施例で用いた黒鉛シート材は、厚さが80μmであり、鱗片状黒鉛が、当該黒鉛シート材の厚さ方向に沿うように配向したものであった。また、黒鉛シート材の表面付近では、鱗片状黒鉛が緻密に押し固められた状態となっており、黒鉛シート材の厚さ方向の中心部付近には、比較的多くの空隙部が存在していた。また、黒鉛シート材の厚さ方向に貫通する空隙部は存在していなかった。また、黒鉛シート材の密度は、1.5g/cmであった。また、JIS R 2616-2000に準拠した非定常熱線法により測定された20℃における黒鉛シート材の面内方向の熱伝導率は、450W/(m・K)であった。
【0351】
黒鉛シート材への孔部の形成は以下のようにして行った。すなわち、孔部に相当する複数個の突起が千鳥状の配置で形成されたロール体を、黒鉛シート材の表面に押し当てることにより、黒鉛シート材に複数の孔部を形成した。このようにして形成された孔部は、直径200μmの円形状をなすものであり、黒鉛シート材の厚さ方向に貫通していた。隣り合う孔部の中心間距離は700μmであった。
【0352】
また、樹脂繊維としてのポリエチレンテレフタレート繊維で構成された不織布としては、ポリエチレンテレフタレート繊維の太さが7μm、厚さが20μm、坪量が12g/cmという条件のものを用意した。
【0353】
また、本実施例では、接合部形成用組成物として、無溶媒一液型のエラストマー生地であるセルム・エラストマーを用いた。
【0354】
本実施例で用いた接合部形成用組成物としてのセルム・エラストマーは、環状分子と、直鎖状の分子構造を有し環状分子を串刺し状に包接する第1のポリマーと、第1のポリマーの両端付近に設けられた封鎖基とを有するポリロタキサン、及び、第2のポリマーを含み、環状分子を介して、ポリロタキサンと第2のポリマーとが結合しているものであり、硬化することにより柔軟性材料となるものである。
【0355】
次に、キスコーターにより、接合部形成用組成物を熱伝導部形成用シートの一方の面側から付与し、その後、接合部形成用組成物が付与された熱伝導部形成用シートを樹脂繊維シート(不織布)と重ね合わせた状態で、直径20cmの巻取ロールに、2m/分の速度で巻き取ることにより、巻回体を得た。
【0356】
熱伝導部形成用シートに接合部形成用組成物を付与した際に、当該接合部形成用組成物は、孔部の内部に侵入するとともに、孔部を通じて熱伝導部形成用シートの厚さ方向の中心部付近に設けられた空隙部内にも侵入した。
【0357】
また、本実施例で得られた熱伝導体本体では、熱伝導部と接合部との積層方向から観察した際に、複数の熱伝導部で孔部が重なり合わないように存在していた。
【0358】
次に、カッターを用いて、巻取ロールの軸方向と平行に切り込みを入れて巻回体を切り開くとともに、巻取ロールから取り外すことにより、切開体を得た。得られた切開体は、自然状態では湾曲している状態であったが、切開体の内周面、すなわち、巻取ロールと接触していた面の曲率は、巻取ロールと接触していたときよりも小さく、切開体は、巻回体よりも平坦性の高いものであった。
【0359】
次に、得られた切開体を2枚の平板の間に挟み、20MPaで押圧した。このとき、巻回体の外周面に相当する部位全体が一方の平板に接触するようにして、巻回体の内周面に相当する部位全体が他方の平板に接触するようにした。
【0360】
次に、この状態で、切開体を押圧した状態で、170℃で10時間の加熱処理を行い、接合部形成用組成物を構成する硬化性樹脂材料を硬化させて、熱伝導体本体を得た。このようにして得られた熱伝導体本体は、加圧状態から解放した後も、平板と接触していた2つの面は、いずれも平坦面で、これらの面は平行になっていた。
【0361】
次に、熱伝導体本体を積層方向に沿って厚さTが0.5mmとなるように切断した後、4.0cm角の正方形状に切断し、4.0cm×4.0cm×0.5mmのシート状の熱伝導体本体を得た。
【0362】
このようにして得られたシート状の熱伝導体本体は、複数の熱伝導部と接合部とが交互に配置されたものであり、両主面において、熱伝導部及び接合部が表出したものであった(図2参照)。そして、熱伝導部は、鱗片状をなす黒鉛で構成され、接合部は、柔軟性を有する樹脂材料で構成されたものであった。熱伝導部において、黒鉛はその厚さ方向が、前記熱伝導部の厚さ方向に沿うように配向していた。
【0363】
熱伝導体において、熱伝導部形成用シートにより得られた熱伝導部の厚さは80μmであり、樹脂材料で構成された接合部の厚さは40μmであった。また、熱伝導体の両主面の表面粗さRaは5.5μmであった。また、接合部は、硬化性樹脂材料の硬化物とともに樹脂繊維としてのポリエチレンテレフタレート繊維を含むものであった。
【0364】
また、熱伝導体本体を構成する柔軟性材料、すなわち、上記の接合部形成用組成物(セルム・エラストマー)を硬化させることにより得られた柔軟性材料について、20℃において、JIS K7181に準じた測定を行うことにより求められた圧縮弾性率は、1.0~2.0MPaであった。なお、圧縮弾性率の測定には、オートグラフAGS―X(島津製作所社製)を用い、測定速度20%圧縮/分、という条件で測定を行い、10~20Nの傾きから圧縮弾性率を算出した。
【0365】
その後、上記のようにして得られたシート状の熱伝導体本体の両主面(4.0cm×4.0cmの面)に、以下のようにして、はんだ層を形成した。すなわち、まず、シート状の熱伝導体本体の両主面に、はんだペーストを印刷した。次に、はんだペーストが印刷された熱伝導体本体を2枚の表面処理が施された金属板で挟み込み、0.1MPaで加熱加圧した。その後、上記の金属板を剥離することにより、熱伝導体本体の両主面にはんだ層が設けられた熱伝導体が得られた。上記のようにして形成されたはんだ層は、スズ50%(融点:215℃)で構成されたものであり、はんだ層の厚さは、100μmであった。また、電子顕微鏡による観察から、はんだ層の一部は熱伝導体本体の内部に侵入していることが確認された。また、はんだ層のうち、熱伝導体本体の内部に侵入している部分の厚さをT1[μm]、熱伝導体本体の内部に侵入していない部分の厚さをT2[μm]としたときのT1/T2の値は、5.1であった。
【0366】
(比較例1)
前記実施例1で説明したのと同様にして製造した4.0cm×4.0cm×0.5mmのシート状の熱伝導体本体にはんだ層を形成することなく、当該熱伝導体本体を、そのまま熱伝導体とした。すなわち、本比較例の熱伝導体は、はんだ層を有していないものである。
【0367】
[5]接合体の製造
前記実施例1の熱伝導体を、2枚の銅板で挟み込み、積層方向に0.1MPaの圧力をかけた状態で、180秒間の加熱処理を施すことにより、熱伝導体の両面に銅板が接合された接合体を得た。このようにして得られた接合体において、はんだ層のうち、熱伝導体本体の内部に侵入している部分の厚さをT3[μm]、熱伝導体本体の内部に侵入していない部分の厚さをT4[μm]としたときのT3/T4の値は、5.1であった。
【0368】
[6]評価
以下の項目について、評価を行った。
[6-1]実質的な熱伝導性の評価
まず、上記[5]で製造した前記実施例1に係る接合体を室温に置かれたホットプレート上に載置し、ホットプレートの設定温度を140℃にして加熱した。熱電対を用いて、ホットプレートの表面温度、及び、接合体の外表面温度(ホットプレートと接触する面とは反対側の表面の温度)を測定し、両温度が定常状態となるまで放置した。その後、さらに2分間、接合体をホットプレート上に載置した状態で加熱、温度の測定を行い、温度が安定していることを確認し、この時点での温度を、ホットプレートの定常表面温度、及び、接合体の定常外表面温度とした。
【0369】
その後、前記実施例1に係る接合体の代わりに、銅板、前記比較例1に係る熱伝導体、銅板を重ね合わせた積層体(銅板と熱伝導体とは接合されていない)を用いた以外は、上記と同様にして、加熱を行い、ホットプレートの表面温度、及び、積層体の外表面温度(ホットプレートと接触する面とは反対側の銅板の外表面の温度)を測定し、両温度が定常状態となるまで放置した。その後、さらに2分間、積層体をホットプレート上に載置した状態で加熱、温度の測定を行い、温度が安定していることを確認し、この時点での温度を、ホットプレートの定常表面温度、及び、積層体の定常外表面温度とした。
【0370】
上記のような測定の結果、前記比較例1に係る積層体では、ホットプレートの定常表面温度と積層体の定常外表面温度との差が6.4℃であったのに対し、前記実施例1に係る接合体では、ホットプレートの定常表面温度と接合体の定常外表面温度との差が2.0℃であり、本発明の方が実質的な熱伝導性が顕著に向上していることが分かった。
【0371】
[6-2]熱伝導体本体とはんだ層との密着性
前記実施例1で得られた熱伝導体の一方のはんだ層に接合された銅板のはんだ層と反対側の露出面に銅のより線(線材)をはんだにより接合した。
【0372】
その後、線材が接合された熱伝導体を固定し、引張試験機で、線材をチャッキングし、当該線材が破断するまで、当該線材を40mm/minの速度で引張り、熱伝導体本体とはんだ層との密着性の指標としての引張強度を求めた。
【0373】
求められた引張強度は、18Nという高い数値であり、熱伝導体とはんだ層とが非常に高い密着性で密着していることが確認された。
【符号の説明】
【0374】
1 :熱伝導体
2 :熱伝導体本体
3 :はんだ層
4 :空隙部
10 :熱伝導部
10a :第1の列
10b :第2の列
10c :貫通熱伝導部
11 :孔部(凹部)
20 :接合部
21 :柔軟性材料
22 :樹脂繊維
23 :第1面
24 :第2面
50 :ポリロタキサン
51 :環状分子
52 :第1のポリマー
53 :封鎖基
60 :第2のポリマー
100 :接合体
110 :第1部材
120 :第2部材
200 :電子装置
210 :電子部品
211 :金属製の膜
220 :放熱基板
230 :絶縁部材
231 :分割体
232 :隙間
233 :金属製の膜
250 :はんだ
10 :延在方向
10 :間隔
T :厚さ
T1 :厚さ
T2 :長さ
T3 :厚さ
T4 :長さ
10 :厚さ
20 :厚さ
V1 :法線方向
10 :幅
θ1 :角
θ2 :角

図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9
図10
図11
図12
図13