JPH06196884A - 高熱伝導性複合体 - Google Patents
高熱伝導性複合体Info
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- JPH06196884A JPH06196884A JP4346977A JP34697792A JPH06196884A JP H06196884 A JPH06196884 A JP H06196884A JP 4346977 A JP4346977 A JP 4346977A JP 34697792 A JP34697792 A JP 34697792A JP H06196884 A JPH06196884 A JP H06196884A
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- Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
- Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】発熱体と冷却部品との熱接触抵抗を低減し、発
熱体の放熱特性をより向上させることが可能な高熱伝導
性複合体を提供することにある。 【構成】高熱伝導性複合体１６は、マトリックス樹脂１
１中にフィラー１２が分散するとともに、融点が５００
℃以下の低融点金属または共晶合金によって網目状に形
成された金属網１５を介して上記フィラー１２が相互に
連続的に溶着されてなることを特徴とする。またマトリ
ックス１１樹脂中に分散されるフィラー１２は金属網１
５を構成する金属より高い融点を有する金属粒子および
無機粒子の少なくとも一方で構成する。
熱体の放熱特性をより向上させることが可能な高熱伝導
性複合体を提供することにある。 【構成】高熱伝導性複合体１６は、マトリックス樹脂１
１中にフィラー１２が分散するとともに、融点が５００
℃以下の低融点金属または共晶合金によって網目状に形
成された金属網１５を介して上記フィラー１２が相互に
連続的に溶着されてなることを特徴とする。またマトリ
ックス１１樹脂中に分散されるフィラー１２は金属網１
５を構成する金属より高い融点を有する金属粒子および
無機粒子の少なくとも一方で構成する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は高熱伝導性複合体に係
り、特に熱抵抗の軽減効果が大きく発熱体の放熱特性を
大幅に改善することが可能な高熱伝導性複合体に関す
る。
り、特に熱抵抗の軽減効果が大きく発熱体の放熱特性を
大幅に改善することが可能な高熱伝導性複合体に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】従来から放熱シートまたは放熱グリース
などの放熱体を発熱体表面に装着したり塗布したりする
ことによって熱抵抗を低減し、発熱体からの熱の放散を
促進する冷却システムが、半導体部品、電子部品、重電
機器、事務機器およびエネルギ関連部品などの広い分野
で採用されている。
などの放熱体を発熱体表面に装着したり塗布したりする
ことによって熱抵抗を低減し、発熱体からの熱の放散を
促進する冷却システムが、半導体部品、電子部品、重電
機器、事務機器およびエネルギ関連部品などの広い分野
で採用されている。
【０００３】例えば半導体装置分野においては、図６に
示すようなモジュール構造体１が使用されている。すな
わちモジュール構造体１は、電気絶縁性を有するセラミ
ックス基板２上面に、発熱体となるＬＳＩやパワーＩＣ
等の半導体素子３が搭載され、さらに半導体素子３にて
発生した熱を効率的に放散させるために、半導体素子３
の上面に冷却部品としての放熱フィン４が接合されて構
成される。しかしながら、半導体素子３および放熱フィ
ン４の接合面には微小な凹凸が形成されているため、そ
のまま当接したままでは完全に密着することがなく、介
在する空気層が熱接触抵抗となり、放熱特性が低下して
しまう。そこで放熱フィン４と半導体素子３との接触圧
力を高めたり、両者の接合面に熱伝導性が良好な有機樹
脂接着剤５を充填して伝熱抵抗を低減したりする方策が
とられている。
示すようなモジュール構造体１が使用されている。すな
わちモジュール構造体１は、電気絶縁性を有するセラミ
ックス基板２上面に、発熱体となるＬＳＩやパワーＩＣ
等の半導体素子３が搭載され、さらに半導体素子３にて
発生した熱を効率的に放散させるために、半導体素子３
の上面に冷却部品としての放熱フィン４が接合されて構
成される。しかしながら、半導体素子３および放熱フィ
ン４の接合面には微小な凹凸が形成されているため、そ
のまま当接したままでは完全に密着することがなく、介
在する空気層が熱接触抵抗となり、放熱特性が低下して
しまう。そこで放熱フィン４と半導体素子３との接触圧
力を高めたり、両者の接合面に熱伝導性が良好な有機樹
脂接着剤５を充填して伝熱抵抗を低減したりする方策が
とられている。
【０００４】この樹脂接着剤５を介在させることによ
り、接合面に生じた空隙（凹凸）を埋めることによって
熱接触抵抗を低減し、半導体素子３にて発生した熱６を
放熱フィン４方向に円滑に伝達せしめ、放熱特性の改善
を図っている。
り、接合面に生じた空隙（凹凸）を埋めることによって
熱接触抵抗を低減し、半導体素子３にて発生した熱６を
放熱フィン４方向に円滑に伝達せしめ、放熱特性の改善
を図っている。
【０００５】一方、図７に示すようにセラミックス多層
基板７上に半導体素子３を搭載した半導体パッケージ８
をボード９に実装する場合において、半導体素子３にて
発生した熱６をボード９側からも放散させる場合には、
セラミックス多層基板７とボード９との間に、シート状
またはグリース状（ペースト状）の放熱体１０を介在さ
せている。
基板７上に半導体素子３を搭載した半導体パッケージ８
をボード９に実装する場合において、半導体素子３にて
発生した熱６をボード９側からも放散させる場合には、
セラミックス多層基板７とボード９との間に、シート状
またはグリース状（ペースト状）の放熱体１０を介在さ
せている。
【０００６】ここでシート状の放熱体１０の具体例とし
ては、例えばポリエチレン、ポリエステル、ポリプロピ
レン、ポリイミド、シリコンラバーなどの可撓性を有す
る有機系材料中に、窒化ホウ素、酸化ベリリウム、炭化
けい素などの熱伝導性が高い充填材を添加するか、また
は、これらの充填材を上記有機系材料に被覆したものが
使用されている。一方、グリース状の放熱体１０の具体
例としては、例えば高熱伝導率を有するペースト状のシ
リコーン樹脂接着剤などが広く使用されている。
ては、例えばポリエチレン、ポリエステル、ポリプロピ
レン、ポリイミド、シリコンラバーなどの可撓性を有す
る有機系材料中に、窒化ホウ素、酸化ベリリウム、炭化
けい素などの熱伝導性が高い充填材を添加するか、また
は、これらの充填材を上記有機系材料に被覆したものが
使用されている。一方、グリース状の放熱体１０の具体
例としては、例えば高熱伝導率を有するペースト状のシ
リコーン樹脂接着剤などが広く使用されている。
【０００７】上記のような放熱体１０を介在させること
により、セラミックス多層基板７とボード９との密着度
が向上し、伝熱抵抗が低減されボード９側への放熱特性
も改善される。
により、セラミックス多層基板７とボード９との密着度
が向上し、伝熱抵抗が低減されボード９側への放熱特性
も改善される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記のよ
うな従来のシート状放熱体においては、可撓性を有する
有機系材料の熱伝導率が一般に低い一方で熱膨張係数が
比較的に大きい欠点があった。したがって、上記シート
状放熱体を発熱体に被着した場合には、発熱体で発生し
た熱が円滑に系外に放出されなかったり、また放熱体と
発熱体との熱膨張差が大きい場合には、両者間の接着信
頼性が低下してしまう問題点があった。
うな従来のシート状放熱体においては、可撓性を有する
有機系材料の熱伝導率が一般に低い一方で熱膨張係数が
比較的に大きい欠点があった。したがって、上記シート
状放熱体を発熱体に被着した場合には、発熱体で発生し
た熱が円滑に系外に放出されなかったり、また放熱体と
発熱体との熱膨張差が大きい場合には、両者間の接着信
頼性が低下してしまう問題点があった。
【０００９】一方、上記問題点に対処する放熱体として
特に他のセラミックス材料と比較して熱伝導率が高い微
細な窒化アルミニウムなどの無機粒子や金属粒子をフィ
ラーとして有機物マトリックス中に分散させることによ
り複合化し、全体として熱伝導率が高く、柔軟性にも優
れた放熱用複合体も提案されていた。
特に他のセラミックス材料と比較して熱伝導率が高い微
細な窒化アルミニウムなどの無機粒子や金属粒子をフィ
ラーとして有機物マトリックス中に分散させることによ
り複合化し、全体として熱伝導率が高く、柔軟性にも優
れた放熱用複合体も提案されていた。
【００１０】しかしながら、上記放熱用複合体のように
微細な窒化アルミニウム原料粉末などの無機粒子や金属
粒子のみを樹脂などの有機物マトリックス中に混入させ
て調製した放熱用複合体では、無機粒子相互は不連続に
分散した状態にあり、無機粒子間には熱伝導性が低い有
機マトリックスが介在する構造となるため、放熱用複合
体全体の熱伝導率が上昇しにくい欠点があり、半導体素
子などの発熱部品からの排熱が滞り易く、冷却効率が向
上しにくい問題点があった。
微細な窒化アルミニウム原料粉末などの無機粒子や金属
粒子のみを樹脂などの有機物マトリックス中に混入させ
て調製した放熱用複合体では、無機粒子相互は不連続に
分散した状態にあり、無機粒子間には熱伝導性が低い有
機マトリックスが介在する構造となるため、放熱用複合
体全体の熱伝導率が上昇しにくい欠点があり、半導体素
子などの発熱部品からの排熱が滞り易く、冷却効率が向
上しにくい問題点があった。
【００１１】一方、近年の半導体製造技術の進歩によっ
て、半導体素子の高集積化や高速化および大電力化が急
速に進行している。このような半導体素子の大電力化や
高集積化等に伴って、半導体素子からの発熱量はさらに
増大化する傾向にあるため、半導体素子の放熱性をより
高める高熱伝導性複合体の開発が希求されている。
て、半導体素子の高集積化や高速化および大電力化が急
速に進行している。このような半導体素子の大電力化や
高集積化等に伴って、半導体素子からの発熱量はさらに
増大化する傾向にあるため、半導体素子の放熱性をより
高める高熱伝導性複合体の開発が希求されている。
【００１２】本発明は上記の課題および要請に対応すべ
く発案されたものであり、発熱体と冷却部品との熱接触
抵抗を低減し、発熱体の放熱特性をより向上させること
が可能な高熱伝導性複合体を提供することを目的とす
る。
く発案されたものであり、発熱体と冷却部品との熱接触
抵抗を低減し、発熱体の放熱特性をより向上させること
が可能な高熱伝導性複合体を提供することを目的とす
る。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記目的
を達成するため、種々のマトリックス材料に各種無機組
成物および金属粒子などのフィラーを添加して放熱用複
合体を形成し、その放熱特性を比較評価した。その結
果、マトリックス樹脂中にフィラーを分散させるととも
に、マトリックス構成成分を変質分解しない温度であり
マトリックス樹脂の硬化温度より低い温度において液化
するような金属でマトリックス樹脂の一部を置き換え、
この金属によって上記フィラーが相互に連続的に溶着さ
れるようにフィラー間に架橋構造を形成して複合体を形
成したところ、複合体全体としての熱伝導率が高く、放
熱特性が優れた高熱伝導性複合体を得ることができた。
本発明は上記知見に基いて完成されたものである。
を達成するため、種々のマトリックス材料に各種無機組
成物および金属粒子などのフィラーを添加して放熱用複
合体を形成し、その放熱特性を比較評価した。その結
果、マトリックス樹脂中にフィラーを分散させるととも
に、マトリックス構成成分を変質分解しない温度であり
マトリックス樹脂の硬化温度より低い温度において液化
するような金属でマトリックス樹脂の一部を置き換え、
この金属によって上記フィラーが相互に連続的に溶着さ
れるようにフィラー間に架橋構造を形成して複合体を形
成したところ、複合体全体としての熱伝導率が高く、放
熱特性が優れた高熱伝導性複合体を得ることができた。
本発明は上記知見に基いて完成されたものである。
【００１４】すなわち本発明に係る高熱伝導性複合体
は、マトリックス樹脂中にフィラーが分散するととも
に、融点が５００℃以下の低融点金属または共晶合金に
よって網目状に形成された金属網を介して上記フィラー
が相互に連続的に溶着されてなることを特徴とする。
は、マトリックス樹脂中にフィラーが分散するととも
に、融点が５００℃以下の低融点金属または共晶合金に
よって網目状に形成された金属網を介して上記フィラー
が相互に連続的に溶着されてなることを特徴とする。
【００１５】またマトリックス樹脂中に分散されるフィ
ラーが金属網を構成する金属より高い融点を有する金属
粒子および無機粒子の少なくとも一方で構成するとよ
い。
ラーが金属網を構成する金属より高い融点を有する金属
粒子および無機粒子の少なくとも一方で構成するとよ
い。
【００１６】さらに無機粒子の熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・
Ｋて以上であるものを使用する。
Ｋて以上であるものを使用する。
【００１７】またフィラーとして、例えば窒化アルミニ
ウム焼結体粉末または窒化アルミニウム単結晶体粉末な
どを用いる場合、平均粒径はマトリックス中への分散を
良好にするため、３０μｍ以下に設定するとよい。
ウム焼結体粉末または窒化アルミニウム単結晶体粉末な
どを用いる場合、平均粒径はマトリックス中への分散を
良好にするため、３０μｍ以下に設定するとよい。
【００１８】上記複合体のマトリックスを構成する樹脂
材料としては、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリエチレン、ポ
リプロピレン、ポリスチレン、ＡＢＳ樹脂、アクリル樹
脂、ポリウレタンなどの柔軟性（可撓性）を有する高分
子樹脂が好適である。
材料としては、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリエチレン、ポ
リプロピレン、ポリスチレン、ＡＢＳ樹脂、アクリル樹
脂、ポリウレタンなどの柔軟性（可撓性）を有する高分
子樹脂が好適である。
【００１９】また上記マトリックス樹脂中に分散させる
フィラーとしては窒化硼素、窒化アルミニウム、炭化硅
素、窒化硅素などの無機粒子や銅などの金属粒子が用い
られる。これらのフィラーは複合体全体の熱伝導率を向
上させるために複合体容積に対して４０〜７０容積％の
割合で添加される。添加量が４０容積％未満において
は、熱伝導率の改善効果が少ない一方、添加量が７０容
積％を超える場合においては、フィラー用粒子を保持固
定するマトリックスの割合が相対的に低下し、複合体の
構造強度が低下してしまう。
フィラーとしては窒化硼素、窒化アルミニウム、炭化硅
素、窒化硅素などの無機粒子や銅などの金属粒子が用い
られる。これらのフィラーは複合体全体の熱伝導率を向
上させるために複合体容積に対して４０〜７０容積％の
割合で添加される。添加量が４０容積％未満において
は、熱伝導率の改善効果が少ない一方、添加量が７０容
積％を超える場合においては、フィラー用粒子を保持固
定するマトリックスの割合が相対的に低下し、複合体の
構造強度が低下してしまう。
【００２０】一方マトリックス樹脂中に網目状に形成さ
れた金属網は、マトリックス樹脂中に分散した無機粒子
等のフィラーを相互に溶着せしめ、連続した伝熱経路を
形成することによって複合体全体の熱伝導性を高めるた
めに形成される。この金属網は、後述する製造時におい
てマトリックス樹脂の分解変質または硬化を防止するた
めに、融点が５００℃以下の低融点金属またはそれらの
共晶合金によって形成される。低融点金属の具体例とし
てはＳｎ（融点２３２℃）、Ｚｎ（融点４１９℃）、Ｐ
ｂ（融点２３８℃）、Ｉｎ（融点１５６℃）、Ｃｄ（融
点３２１℃）、Ｔｅ（融点４５０℃）、Ｂi （融点２７
１℃）などがあるが、Ｐｂ，Ｃｄは毒性について難点が
あり、安全性、汎用性、原料コストの観点からＳｎ，Ｚ
ｎまたはＳｎ−Ｐｂ共晶合金などが好ましい。
れた金属網は、マトリックス樹脂中に分散した無機粒子
等のフィラーを相互に溶着せしめ、連続した伝熱経路を
形成することによって複合体全体の熱伝導性を高めるた
めに形成される。この金属網は、後述する製造時におい
てマトリックス樹脂の分解変質または硬化を防止するた
めに、融点が５００℃以下の低融点金属またはそれらの
共晶合金によって形成される。低融点金属の具体例とし
てはＳｎ（融点２３２℃）、Ｚｎ（融点４１９℃）、Ｐ
ｂ（融点２３８℃）、Ｉｎ（融点１５６℃）、Ｃｄ（融
点３２１℃）、Ｔｅ（融点４５０℃）、Ｂi （融点２７
１℃）などがあるが、Ｐｂ，Ｃｄは毒性について難点が
あり、安全性、汎用性、原料コストの観点からＳｎ，Ｚ
ｎまたはＳｎ−Ｐｂ共晶合金などが好ましい。
【００２１】上記金属網形成用金属は原料段階では金属
粉末としてフィラー用粒子とともにマトリックス樹脂中
に添加される。この金属粉末の添加量はフィラー用粒子
に対して容積％で５０〜１２０％の割合で添加される。
添加量が５０容積％未満の場合はマトリックス樹脂中に
連続した金属網が形成されにくく、熱伝導率の改善効果
が少なくなる。一方、添加量が１２０容積％を超える
と、複合体全体の剛性が高まり、可撓性が低下し、発熱
体表面に装着した際の密着度が低下し、いずれにしても
伝熱特性が阻害されてしまう。また、全体の熱伝導率も
低下する。
粉末としてフィラー用粒子とともにマトリックス樹脂中
に添加される。この金属粉末の添加量はフィラー用粒子
に対して容積％で５０〜１２０％の割合で添加される。
添加量が５０容積％未満の場合はマトリックス樹脂中に
連続した金属網が形成されにくく、熱伝導率の改善効果
が少なくなる。一方、添加量が１２０容積％を超える
と、複合体全体の剛性が高まり、可撓性が低下し、発熱
体表面に装着した際の密着度が低下し、いずれにしても
伝熱特性が阻害されてしまう。また、全体の熱伝導率も
低下する。
【００２２】また上記金属網形成用の金属粉末は、フィ
ラー用粒子の周囲に均一に配置されるようにするため、
その平均粒径はフィラー用粒子より微細にすることが望
ましく、具体的には２０μｍ以下より好ましくは１〜１
０μｍ程度にすることが望ましい。
ラー用粒子の周囲に均一に配置されるようにするため、
その平均粒径はフィラー用粒子より微細にすることが望
ましく、具体的には２０μｍ以下より好ましくは１〜１
０μｍ程度にすることが望ましい。
【００２３】本発明の好適な一実施例においては、微細
なＡｌＮ原料粉末をそのままマトリックス樹脂中に添加
してもよいが、さらに、ＡｌＮ原料粉末を一旦成形焼結
して高熱伝導度のＡｌＮ焼結体とし、そのＡｌＮ焼結体
を改めて粉砕して調製したＡｌＮ焼結体粉末をフィラー
として添加することにより、さらに複合体の熱伝導度を
高めることができる。
なＡｌＮ原料粉末をそのままマトリックス樹脂中に添加
してもよいが、さらに、ＡｌＮ原料粉末を一旦成形焼結
して高熱伝導度のＡｌＮ焼結体とし、そのＡｌＮ焼結体
を改めて粉砕して調製したＡｌＮ焼結体粉末をフィラー
として添加することにより、さらに複合体の熱伝導度を
高めることができる。
【００２４】すなわち本願発明者らの実験測定によれ
ば、平均粒径０．５〜１μｍのＡｌＮ原料粉末自体はそ
のままでは３０〜４０Ｗ／ｍ・Ｋ程度と低い熱伝導率し
か保持せず、このＡｌＮ原料粉末をそのままアクリル樹
脂中に分散せしめて複合体を調製した場合、複合体の熱
伝導率は１．０〜２．０Ｗ／ｍ・Ｋと低い値しか取り得
ない。
ば、平均粒径０．５〜１μｍのＡｌＮ原料粉末自体はそ
のままでは３０〜４０Ｗ／ｍ・Ｋ程度と低い熱伝導率し
か保持せず、このＡｌＮ原料粉末をそのままアクリル樹
脂中に分散せしめて複合体を調製した場合、複合体の熱
伝導率は１．０〜２．０Ｗ／ｍ・Ｋと低い値しか取り得
ない。
【００２５】しかるに本願発明のように、ＡｌＮ原料粉
末を一旦焼結すると、１２０〜２６０Ｗ／ｍ・Ｋ程度の
極めて高い熱伝導率を保持するようになる。
末を一旦焼結すると、１２０〜２６０Ｗ／ｍ・Ｋ程度の
極めて高い熱伝導率を保持するようになる。
【００２６】放熱用複合体の構成材料となる上記窒化ア
ルミニウム焼結体は、本質的に高熱伝導性を備える材料
であるが、その原料材質や焼結条件、熱処理条件によっ
て種々の熱伝導率を有するものが得られるため、複合体
の要求特性から一般に１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、好ましく
は１７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高熱伝導率を有するＡｌＮ焼
結体を使用することが望ましい。
ルミニウム焼結体は、本質的に高熱伝導性を備える材料
であるが、その原料材質や焼結条件、熱処理条件によっ
て種々の熱伝導率を有するものが得られるため、複合体
の要求特性から一般に１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、好ましく
は１７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高熱伝導率を有するＡｌＮ焼
結体を使用することが望ましい。
【００２７】上記のようなＡｌＮ焼結体は通常下記のよ
うな手順で製造される。すなわち、平均粒径０．１〜５
μｍ程度の窒化アルミニウム原料粉末に、焼結助剤とし
て周期律表のIIa 族あるいはIIIa族元素の化合物を０．
１〜５重量％添加した混合粉末を成形し、得られた成形
体を、Ｎ2 ガスまたはアルゴンガスなどの非酸化性雰囲
気中で温度１６００〜１９５０℃で２〜１０時間焼結し
て製造される。
うな手順で製造される。すなわち、平均粒径０．１〜５
μｍ程度の窒化アルミニウム原料粉末に、焼結助剤とし
て周期律表のIIa 族あるいはIIIa族元素の化合物を０．
１〜５重量％添加した混合粉末を成形し、得られた成形
体を、Ｎ2 ガスまたはアルゴンガスなどの非酸化性雰囲
気中で温度１６００〜１９５０℃で２〜１０時間焼結し
て製造される。
【００２８】このようにして得られたＡｌＮ焼結体には
原料粉末中に混入していた不純物の酸素等によって形成
された酸化物粒界相が残っており、この粒界相が熱伝導
の妨げになっていると考えられる。
原料粉末中に混入していた不純物の酸素等によって形成
された酸化物粒界相が残っており、この粒界相が熱伝導
の妨げになっていると考えられる。
【００２９】そこでＡｌＮ焼結体の熱伝導率をさらに向
上させるために、さらにカーボン蒸気や窒素ガスを含む
還元雰囲気中で温度１８００〜１９００℃で２〜１００
Ｈｒ程度熱処理することにより、ＡｌＮ焼結体の高純度
化が図られる。すなわち粒界相を構成していたＡｌ5 Ｙ
3 Ｏ12等の酸化物は、カーボンと窒素とが共存している
雰囲気中で高温で還元窒化されＡｌＮになる一方、酸素
はカーボンと結合して焼結体外に放出される。その結
果、ＡｌＮ焼結体組織から熱伝導を阻害する粒界相の酸
化物が除去され２００〜２６０Ｗ／ｍ・Ｋ程度の高熱伝
導率を有するAlN焼結体が得られる。
上させるために、さらにカーボン蒸気や窒素ガスを含む
還元雰囲気中で温度１８００〜１９００℃で２〜１００
Ｈｒ程度熱処理することにより、ＡｌＮ焼結体の高純度
化が図られる。すなわち粒界相を構成していたＡｌ5 Ｙ
3 Ｏ12等の酸化物は、カーボンと窒素とが共存している
雰囲気中で高温で還元窒化されＡｌＮになる一方、酸素
はカーボンと結合して焼結体外に放出される。その結
果、ＡｌＮ焼結体組織から熱伝導を阻害する粒界相の酸
化物が除去され２００〜２６０Ｗ／ｍ・Ｋ程度の高熱伝
導率を有するAlN焼結体が得られる。
【００３０】こうして得られたＡｌＮ焼結体は通常のボ
ールミル、アトライタまたは振動ミル等の混合粉砕機を
使用し、乾式粉砕法または湿式粉砕法または双方を組み
合せた粉砕工程において所定粒径となるように粉砕され
る。粉砕されたＡｌＮ焼結体は分級しておく。
ールミル、アトライタまたは振動ミル等の混合粉砕機を
使用し、乾式粉砕法または湿式粉砕法または双方を組み
合せた粉砕工程において所定粒径となるように粉砕され
る。粉砕されたＡｌＮ焼結体は分級しておく。
【００３１】樹脂マトリックス中に分散させる窒化アル
ミニウム焼結体粉末などのフィラーの平均粒径は、マト
リックス樹脂中への分散を良好にするために、３０μｍ
以下に設定するとよい。平均粒径が３０μｍを超えるよ
うに粗大になると、粒子表面の凹凸が大きくなって伝熱
抵抗となる空気層が形成され易くなるためである。
ミニウム焼結体粉末などのフィラーの平均粒径は、マト
リックス樹脂中への分散を良好にするために、３０μｍ
以下に設定するとよい。平均粒径が３０μｍを超えるよ
うに粗大になると、粒子表面の凹凸が大きくなって伝熱
抵抗となる空気層が形成され易くなるためである。
【００３２】ＡｌＮ焼結体の粉砕後の平均粒径は１０〜
１５μｍの範囲に設定することがより好ましい。
１５μｍの範囲に設定することがより好ましい。
【００３３】また上記のように粉砕して得られた窒化ア
ルミニウム焼結体粉末などのフィラーのマトリックス樹
脂に対する濡れ性を改善し、分散性を高める目的で、フ
ィラー用粒子をマトリックス樹脂中に混合する前に、予
め表面改質処理を施すことが望ましい。表面改質処理の
具体例としては、粉砕して得た窒化アルミニウム焼結体
粉末などのフィラーに対して０．１〜１重量％のカップ
リング剤等を滴下し、充分に混合しておく。カップリン
グ剤は各フィラー粒子表面に薄い被膜層（コーティング
層）を形成し、フィラー粒子の樹脂に対する濡れ性を著
しく向上させる。その結果、マトリックス樹脂中にフィ
ラー粒子が均一に分散した複合体組織が得られる。
ルミニウム焼結体粉末などのフィラーのマトリックス樹
脂に対する濡れ性を改善し、分散性を高める目的で、フ
ィラー用粒子をマトリックス樹脂中に混合する前に、予
め表面改質処理を施すことが望ましい。表面改質処理の
具体例としては、粉砕して得た窒化アルミニウム焼結体
粉末などのフィラーに対して０．１〜１重量％のカップ
リング剤等を滴下し、充分に混合しておく。カップリン
グ剤は各フィラー粒子表面に薄い被膜層（コーティング
層）を形成し、フィラー粒子の樹脂に対する濡れ性を著
しく向上させる。その結果、マトリックス樹脂中にフィ
ラー粒子が均一に分散した複合体組織が得られる。
【００３４】そして本発明に係る高熱伝導性複合体は、
上記ＡｌＮ焼結体粉末のフィラーの体積分率が４０〜７
０％となるように高分子樹脂粉末を配合し、さらに金属
網形成用の低融点金属粉末またはその共晶合金粉末をフ
ィラー用粒子に対して容積％で５０〜１２０％混練配合
して、さらに有機バインダ等を添加して原料混合体を調
製し、しかる後に原料混合体をプレス成形法、ドクター
ブレード法、射出成形法、押出し成形法またはロール成
形法を使用して所定形状に成形し、しかる後に成形体中
の有機樹脂成分が変質あるいは分解しない程度の温度範
囲（２００〜４５０℃）に成形体全体を昇温して１〜５
時間保持し、その後、常温まで徐冷して製造される。
上記ＡｌＮ焼結体粉末のフィラーの体積分率が４０〜７
０％となるように高分子樹脂粉末を配合し、さらに金属
網形成用の低融点金属粉末またはその共晶合金粉末をフ
ィラー用粒子に対して容積％で５０〜１２０％混練配合
して、さらに有機バインダ等を添加して原料混合体を調
製し、しかる後に原料混合体をプレス成形法、ドクター
ブレード法、射出成形法、押出し成形法またはロール成
形法を使用して所定形状に成形し、しかる後に成形体中
の有機樹脂成分が変質あるいは分解しない程度の温度範
囲（２００〜４５０℃）に成形体全体を昇温して１〜５
時間保持し、その後、常温まで徐冷して製造される。
【００３５】すなわち、上記成形体の熱処理過程におい
て低融点金属粉末または共晶合金粉末は、溶融して液状
になり、有機樹脂マトリックス中に分散するフィラー間
を繋ぐように網目状の架橋構造を形成する。この架橋構
造が形成された成形体を冷却すると、架橋構造を保持し
たままの形で液状金属が凝固する。その結果、マトリッ
クス樹脂中に分散したフィラー粒子が網目状の金属網を
介して連続的に溶着した複合体組織が得られる。
て低融点金属粉末または共晶合金粉末は、溶融して液状
になり、有機樹脂マトリックス中に分散するフィラー間
を繋ぐように網目状の架橋構造を形成する。この架橋構
造が形成された成形体を冷却すると、架橋構造を保持し
たままの形で液状金属が凝固する。その結果、マトリッ
クス樹脂中に分散したフィラー粒子が網目状の金属網を
介して連続的に溶着した複合体組織が得られる。
【００３６】このように有機樹脂マトリックス中に分散
したフィラー間が金属網によって連結された構造を有す
る複合体においては、複合体の表面から裏面方向に高熱
伝導率を有する金属網とフィラーとにより連続した放熱
経路が形成さるため、複合体全体の熱伝導率が大幅に上
昇する。すなわち複合体の一方の表面部分に付与された
熱は連続した金属網を介してフィラーからフィラーへと
効率良く伝達される。このとき、放熱経路は低熱伝導率
を有するマトリックス樹脂の影響を殆ど受けることがな
い。一方で樹脂体および金属網は可撓性に優れているた
め、放熱面に対する密着性が損われることも少ない。し
たがって、熱伝導性能に優れた複合体が得られる。
したフィラー間が金属網によって連結された構造を有す
る複合体においては、複合体の表面から裏面方向に高熱
伝導率を有する金属網とフィラーとにより連続した放熱
経路が形成さるため、複合体全体の熱伝導率が大幅に上
昇する。すなわち複合体の一方の表面部分に付与された
熱は連続した金属網を介してフィラーからフィラーへと
効率良く伝達される。このとき、放熱経路は低熱伝導率
を有するマトリックス樹脂の影響を殆ど受けることがな
い。一方で樹脂体および金属網は可撓性に優れているた
め、放熱面に対する密着性が損われることも少ない。し
たがって、熱伝導性能に優れた複合体が得られる。
【００３７】
【作用】上記構成に係る高熱伝導性複合体によれば、樹
脂マトリックス中に分散したフィラー粒子が高熱伝導性
を有する金属網によって連結され、複合体の表裏に亘っ
て連続した放熱経路が形成されているため、従来の放熱
体と比較して熱伝導率が非常に大きく、柔軟性も優れて
いる。したがって、発熱体と冷却部品との接合面に介在
させた場合に両者の密着度を損うことなく、両者間の熱
抵抗を大幅に低減でき、発熱体の放熱特性を大幅に改善
することができる。
脂マトリックス中に分散したフィラー粒子が高熱伝導性
を有する金属網によって連結され、複合体の表裏に亘っ
て連続した放熱経路が形成されているため、従来の放熱
体と比較して熱伝導率が非常に大きく、柔軟性も優れて
いる。したがって、発熱体と冷却部品との接合面に介在
させた場合に両者の密着度を損うことなく、両者間の熱
抵抗を大幅に低減でき、発熱体の放熱特性を大幅に改善
することができる。
【００３８】
【実施例】次に本発明の一実施例について添付図面を参
照して説明する。
照して説明する。
【００３９】実施例１ 低融点金属として平均粒径５μｍの微細なＳｎ粉末粒子
を、フィラーとなる平均粒径２５μｍの窒化硼素粉末に
対して９０容積％となるように添加し、これにマトリッ
クス樹脂としてのポリ塩化ビニルを複合体全体の２０重
量％となるように添加した。さらに可塑剤としてのジブ
チルフタレート（ＤＢＰ）を複合体全体に対して５重量
％となるように添加して配合粉を調製した。次に配合粉
をニーダーによって３時間混練して可撓性を有する原料
混合体２５を得た。
を、フィラーとなる平均粒径２５μｍの窒化硼素粉末に
対して９０容積％となるように添加し、これにマトリッ
クス樹脂としてのポリ塩化ビニルを複合体全体の２０重
量％となるように添加した。さらに可塑剤としてのジブ
チルフタレート（ＤＢＰ）を複合体全体に対して５重量
％となるように添加して配合粉を調製した。次に配合粉
をニーダーによって３時間混練して可撓性を有する原料
混合体２５を得た。
【００４０】原料混合体２５の組織断面を顕微鏡で観察
したところ、図１に示すように、粒状組織が観察され
た。すなわち、ポリ塩化ビニル樹脂マトリックス１１中
にフィラーとしての窒化硼素粉末１２が均一に分散して
おり、この窒化硼素粉末１２の周囲に低融点金属粉末と
してのＳｎ粉末１３が付着していた。
したところ、図１に示すように、粒状組織が観察され
た。すなわち、ポリ塩化ビニル樹脂マトリックス１１中
にフィラーとしての窒化硼素粉末１２が均一に分散して
おり、この窒化硼素粉末１２の周囲に低融点金属粉末と
してのＳｎ粉末１３が付着していた。
【００４１】次に上記原料混合体２５を図５に示す加熱
装置２０に充填し、複合体を形成するとともに、その伝
熱特性の測定および評価を行なった。
装置２０に充填し、複合体を形成するとともに、その伝
熱特性の測定および評価を行なった。
【００４２】ここで加熱装置２０は、図５に示すよう
に、周囲への熱の流出を防止するために周囲を断熱材２
１で被覆した装置本体２０ａの内底部に板状ヒータ２２
を配置し、この板状ヒータ２２の上面に所定高さ（ｔ）
のテフロン製の囲い２３と蓋２４とを配して構成され
る。
に、周囲への熱の流出を防止するために周囲を断熱材２
１で被覆した装置本体２０ａの内底部に板状ヒータ２２
を配置し、この板状ヒータ２２の上面に所定高さ（ｔ）
のテフロン製の囲い２３と蓋２４とを配して構成され
る。
【００４３】そして加熱装置２０の囲い２３内に上記原
料混合体２５を充填し、底部に設置した板状ヒータ２２
を通電し、原料混合体２５全体を２５０℃まで加熱し、
この温度で３時間保持した。
料混合体２５を充填し、底部に設置した板状ヒータ２２
を通電し、原料混合体２５全体を２５０℃まで加熱し、
この温度で３時間保持した。
【００４４】加熱操作時における原料混合体２５の粒子
構造は図２に示す通りであり、低融点金属として添加し
たＳｎ粉末が溶融して樹脂マトリックス１１内で窒化硼
素粉末１２を取り囲み、架橋構造を形成し、かつ網目状
に分布する液化金属１４となっていた。
構造は図２に示す通りであり、低融点金属として添加し
たＳｎ粉末が溶融して樹脂マトリックス１１内で窒化硼
素粉末１２を取り囲み、架橋構造を形成し、かつ網目状
に分布する液化金属１４となっていた。
【００４５】次に上記液化金属１４を含む原料混合体２
５を毎時５０℃の降温速度で常温まで冷却したところ、
図３に示す組織構造を有する複合体１６が得られた。す
なわち図２において溶融していたＳｎの液化金属１４
は、冷却後に凝固して図３に示すように、架橋構造をそ
のまま保持して凝固し、マトリックス樹脂１１中に金属
網１５が形成されていた。
５を毎時５０℃の降温速度で常温まで冷却したところ、
図３に示す組織構造を有する複合体１６が得られた。す
なわち図２において溶融していたＳｎの液化金属１４
は、冷却後に凝固して図３に示すように、架橋構造をそ
のまま保持して凝固し、マトリックス樹脂１１中に金属
網１５が形成されていた。
【００４６】次に得られた複合体１６の放熱特性を評価
するために、図５に示した加熱装置２０の板状ヒータ２
２の上面に複合体１６を載置した。そして板状ヒータ２
２の設定温度を１００℃に固定し、板状ヒータ２２の表
面温度Ｔ0 と、複合体１６の上面側の表面温度Ｔ1 を経
時的に測定し、両表面の温度差ΔＴ（＝Ｔ0 −Ｔ1 ）と
時間との関係について図４に示す結果を得た。
するために、図５に示した加熱装置２０の板状ヒータ２
２の上面に複合体１６を載置した。そして板状ヒータ２
２の設定温度を１００℃に固定し、板状ヒータ２２の表
面温度Ｔ0 と、複合体１６の上面側の表面温度Ｔ1 を経
時的に測定し、両表面の温度差ΔＴ（＝Ｔ0 −Ｔ1 ）と
時間との関係について図４に示す結果を得た。
【００４７】実施例２ 低融点金属として平均粒径５μｍの微細なＳｎ−Ｚｎ共
晶合金（組成：８５．４mol%Ｓｎ−１４．６mol%Ｚｎ粉
末粒子を、フィラーとなる平均粒径２５μｍの窒化アル
ミニウム焼結体粉末に対して９０容積％となるように添
加し、これにマトリックス樹脂としてのポリ塩化ビニル
を複合体全体の２０重量％となるように添加した。さら
に可塑剤としてのジブチルフタレート（ＤＢＰ）を複合
体全体に対して５重量％となるように添加して配合粉を
調製した。次に配合粉をニーダーによって３時間混練し
て可撓性を有する原料混合体を得た。
晶合金（組成：８５．４mol%Ｓｎ−１４．６mol%Ｚｎ粉
末粒子を、フィラーとなる平均粒径２５μｍの窒化アル
ミニウム焼結体粉末に対して９０容積％となるように添
加し、これにマトリックス樹脂としてのポリ塩化ビニル
を複合体全体の２０重量％となるように添加した。さら
に可塑剤としてのジブチルフタレート（ＤＢＰ）を複合
体全体に対して５重量％となるように添加して配合粉を
調製した。次に配合粉をニーダーによって３時間混練し
て可撓性を有する原料混合体を得た。
【００４８】以下実施例１と同様にして加熱装置２０の
板状ヒータ２２上の囲い２３内に原料混合体を流し込
み、板状ヒータ２２により、原料混合体全体を２５０℃
まで加熱して３時間保持した後に、毎時５０℃の降温速
度で常温まで冷却し、実施例２に係る複合体を調製し
た。そして得られた複合体について実施例１と同様な条
件で放熱特性の測定試験を実施し、図４に示す結果を得
た。
板状ヒータ２２上の囲い２３内に原料混合体を流し込
み、板状ヒータ２２により、原料混合体全体を２５０℃
まで加熱して３時間保持した後に、毎時５０℃の降温速
度で常温まで冷却し、実施例２に係る複合体を調製し
た。そして得られた複合体について実施例１と同様な条
件で放熱特性の測定試験を実施し、図４に示す結果を得
た。
【００４９】比較例１ 金属網形成用の低融点金属粉末を添加せず、フィラーと
なる窒化硼素粉末に、樹脂マトリックスとしてのポリ塩
化ビニルを全体の２０％、可塑剤のＤＢＰを全体の５ｗ
ｔ％となるように添加し、ニーダーにて３時間混練し
た。実施例１と同様に、板状ヒータの上に流し出し、装
置全体を断熱材にて覆って加熱処理して複合体を形成し
た。この状態で板状ヒータを１００℃に設定し、板状ヒ
ータの表面温度Ｔ0 と、混合物の上面側の表面温度Ｔ1
を測定し、温度差ΔＴを時間に対して観測した。
なる窒化硼素粉末に、樹脂マトリックスとしてのポリ塩
化ビニルを全体の２０％、可塑剤のＤＢＰを全体の５ｗ
ｔ％となるように添加し、ニーダーにて３時間混練し
た。実施例１と同様に、板状ヒータの上に流し出し、装
置全体を断熱材にて覆って加熱処理して複合体を形成し
た。この状態で板状ヒータを１００℃に設定し、板状ヒ
ータの表面温度Ｔ0 と、混合物の上面側の表面温度Ｔ1
を測定し、温度差ΔＴを時間に対して観測した。
【００５０】比較例２ 金属網形成用の低融点金属粉末を添加せず、フィラーと
なる窒化アルミニウム粉末に、樹脂マトリックスとして
のポリ塩化ビニルを全体の２０％、可塑剤のＤＢＰを全
体の５ｗｔ％となるように添加し、ニーダーにて３時間
混練した。
なる窒化アルミニウム粉末に、樹脂マトリックスとして
のポリ塩化ビニルを全体の２０％、可塑剤のＤＢＰを全
体の５ｗｔ％となるように添加し、ニーダーにて３時間
混練した。
【００５１】実施例１と同様に、板状ヒータの上に流し
出し、装置全体を断熱材にて覆って加熱処理して複合体
を形成した。この状態で板状ヒータを１００℃に設定
し、板状ヒータの表面温度Ｔ0 と、混合物の上面側の表
面温度Ｔ1 を測定し、温度差ΔＴを時間に対して観測し
た。
出し、装置全体を断熱材にて覆って加熱処理して複合体
を形成した。この状態で板状ヒータを１００℃に設定
し、板状ヒータの表面温度Ｔ0 と、混合物の上面側の表
面温度Ｔ1 を測定し、温度差ΔＴを時間に対して観測し
た。
【００５２】上記実施例１〜２および比較例１〜２の各
複合体の放熱特性の測定結果を図４にまとめて示す。
複合体の放熱特性の測定結果を図４にまとめて示す。
【００５３】図４に示す結果から明らかなように、低融
点金属を添加して網目状の金属網をマトリックス樹脂中
に形成した実施例１〜２に係る複合体は、金属網が伝熱
経路として有効に機能するため、熱伝達性能が極めて優
れていることが確認された。
点金属を添加して網目状の金属網をマトリックス樹脂中
に形成した実施例１〜２に係る複合体は、金属網が伝熱
経路として有効に機能するため、熱伝達性能が極めて優
れていることが確認された。
【００５４】一方、金属網を形成しない比較例１〜２に
係る複合体では、高熱伝導率を有するフィラーを添加し
たものであっても、放熱特性が相対的に低下することが
判明した。
係る複合体では、高熱伝導率を有するフィラーを添加し
たものであっても、放熱特性が相対的に低下することが
判明した。
【００５５】
【発明の効果】以上説明の通り本発明に係る高熱伝導性
複合体によれば、樹脂マトリックス中に分散したフィラ
ー間が高熱伝導性を有する金属網によって連結され、複
合体の表裏に亘って連続した放熱経路が形成されている
ため、従来の放熱体と比較して熱伝導率が非常に大き
く、柔軟性も優れている。したがって、発熱体と冷却部
品との接合面に介在させた場合に両者の密着度を損うこ
となく、両者間の熱抵抗を大幅に低減でき、発熱体の放
熱特性を大幅に改善することができる。
複合体によれば、樹脂マトリックス中に分散したフィラ
ー間が高熱伝導性を有する金属網によって連結され、複
合体の表裏に亘って連続した放熱経路が形成されている
ため、従来の放熱体と比較して熱伝導率が非常に大き
く、柔軟性も優れている。したがって、発熱体と冷却部
品との接合面に介在させた場合に両者の密着度を損うこ
となく、両者間の熱抵抗を大幅に低減でき、発熱体の放
熱特性を大幅に改善することができる。
【図１】本発明に係る高熱伝導性複合体の原料混合体段
階（加熱前）における粒状組織を示す図。
階（加熱前）における粒状組織を示す図。
【図２】原料混合体の加熱処理時における粒状組織を示
す図。
す図。
【図３】原料混合体を加熱処理した後に冷却して形成し
た本発明に係る複合体の粒状組織を示す図。
た本発明に係る複合体の粒状組織を示す図。
【図４】本発明に係る高熱伝導性複合体の放熱特性を比
較例とともに示す図。
較例とともに示す図。
【図５】原料混合体を加熱するとともに、複合体の放熱
特性を測定するために使用した加熱装置の構成を示す断
面図。
特性を測定するために使用した加熱装置の構成を示す断
面図。
【図６】従来の放熱体を使用したモジュール構造体の構
成例を示す断面図。
成例を示す断面図。
【図７】従来の放熱用複合体を介して半導体パッケージ
をボードに装着した状態を示す断面図。
をボードに装着した状態を示す断面図。
【符号の説明】 １ モジュール構造体 ２ セラミックス基板 ３ 半導体素子（チップ） ４ 放熱フィン ５ 樹脂接着剤 ６ 熱 ７ セラミックス多層基板 ８ 半導体パッケージ ９ ボード １０ 放熱体 １１ ポリ塩化ビニル（マトリックス樹脂） １２ 窒化硼素粉末（フィラー） １３ Ｓｎ粉末（低融点金属） １４ 液化金属 １５ 金属網 １６ 複合体 ２０ 加熱装置 ２０ａ 装置本体 ２１ 断熱材 ２２ 板状ヒータ ２３ 囲い ２４ 蓋 ２５ 原料混合体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 久野 勝美 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 岩崎 秀夫 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 藤森 良経 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内
Claims (4)
- 【請求項１】 マトリックス樹脂中にフィラーが分散す
るとともに、融点が５００℃以下の低融点金属または共
晶合金によって網目状に形成された金属網を介して上記
フィラーが相互に連続的に溶着されてなることを特徴と
する高熱伝導性複合体。 - 【請求項２】 マトリックス樹脂中に分散されるフィラ
ーが金属網を構成する金属より高い融点を有する金属粒
子および無機粒子の少なくとも一方であることを特徴す
る高熱伝導性複合体。 - 【請求項３】 無機粒子の熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ以
上であることを特徴とする請求項２記載の高熱伝導性複
合体。 - 【請求項４】 無機粒子が窒化アルミニウム焼結体粉末
および窒化アルミニウム単結晶体粉末の少なくとも一方
であり、平均粒径が３０μｍ以下であることを特徴とす
る請求項２記載の高熱伝導性複合体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4346977A JPH06196884A (ja) | 1992-12-25 | 1992-12-25 | 高熱伝導性複合体 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4346977A JPH06196884A (ja) | 1992-12-25 | 1992-12-25 | 高熱伝導性複合体 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06196884A true JPH06196884A (ja) | 1994-07-15 |
Family
ID=18387094
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4346977A Pending JPH06196884A (ja) | 1992-12-25 | 1992-12-25 | 高熱伝導性複合体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06196884A (ja) |
Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000043186A (ja) * | 1998-07-31 | 2000-02-15 | Nippon Steel Corp | 熱良導複合材料 |
| JP2001339019A (ja) * | 2000-03-23 | 2001-12-07 | Kitagawa Ind Co Ltd | 熱伝導材及びその製造方法 |
| WO2005111146A1 (ja) * | 2004-05-17 | 2005-11-24 | Techno Polymer Co., Ltd. | 熱伝導性樹脂組成物及びその製造方法並びにハウジング |
| US6995205B2 (en) | 2001-09-27 | 2006-02-07 | Nippon Kagaku Yakin Co., Ltd. | Resin composition with high thermal conductivity and method of producing the same |
| WO2006132185A1 (ja) * | 2005-06-06 | 2006-12-14 | Nippon Kagaku Yakin Co., Ltd. | 絶縁性熱伝導性樹脂組成物及び成形品並びにその製造方法 |
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