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 |
JP2007211156A (ja) * | 2006-02-10 | 2007-08-23 | Teijin Ltd | 耐熱性、機械特性を向上させた樹脂組成物およびその製造法 |
JP2008256329A (ja) * | 2007-04-09 | 2008-10-23 | Ohbayashi Corp | 地中熱交換器 |
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