DE112020006582T5

DE112020006582T5 - Wärmeableitungselement und kühlkörper

Info

Publication number: DE112020006582T5
Application number: DE112020006582.0T
Authority: DE
Inventors: Motoki Masaki; Shinya Tokizaki
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2020-01-21
Filing date: 2020-01-21
Publication date: 2022-12-01
Also published as: JP6854980B1; US20220412676A1; WO2021149161A1; CN114946021A; JPWO2021149161A1

Abstract

Eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung ist es, ein Wärmeableitungselement (13) zu erhalten, das einen besseren durchschnittlichen Emissionsgrad im Infrarotbereich aufweist als herkömmliche Elemente. Das Wärmeableitungselement (13) enthält ein keramisches Wärmestrahlungsmaterial (20), und das keramische Wärmestrahlungsmaterial (20) enthält Siliziumnitrid und Bornitrid als Hauptkomponenten. Das Massenverhältnis von Bornitrid zur Masse von Siliziumnitrid und Bornitrid beträgt 10 Masse-% bis 40 Masse-%

Description

Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Wärmeableitungselement und einen Kühlkörper zur Verwendung bei der Wärmeableitung von elektrischen und elektronischen Geräten.
Hintergrund
In elektrischen/elektronischen Geräten, die mit wärmeerzeugenden Bestandteile wie Leuchtdioden- (LED) Elementen oder integrierten Schaltkreisen (ICs) ausgestattet sind, werden üblicherweise Wärmeabfuhrtechniken verwendet, die entweder auf natürlicher Luftkühlung mit Aluminiumkühlkörpern oder erzwungener Luftkühlung mit elektrischen Lüftern basieren. Es ist schwierig, Aluminiumkühlkörper oder elektrische Ventilatoren, die eine Luftkonvektion erfordern, für elektrische Geräte in Fahrzeugen, die zum Zwecke der Staubdichte und Wasserdichte in versiegelten Gehäusen verwendet werden, oder für im Vakuum verwendet Raumfahrtgeräte, einzusetzen. Bei Informationsgeräten, einschließlich Laptops, die dazu neigen eine zunehmende Menge an Wärme zu erzeugen während die Leistung der Hauptprozessoren (CPUs) zunimmt, ist es aufgrund der fortschreitenden Miniaturisierung und hochdichter Montage schwierig, einen Platz für die Unterbringung eines Aluminiumkühlkörpers mit einem großen Volumen zu finden. Außerdem erzeugen Aluminiumkühlkörper, die aus Metall bestehen, elektromagnetische Störungen, die zu Fehlfunktionen der elektrischen/elektronischen Geräte führen können. Daher sind die herkömmlichen Wärmeableitungstechniken basierend auf Aluminiumkühlkörpern oder elektrischen Lüftern schwierig als Wärmeableitungsmaßnahmen für einige Typen von elektrischen/elektronischen Geräten anwendbar, wofür keramische Kühlkörper basierend auf Wärmestrahlung des Infraroten Aufmerksamkeit erregt haben.
Patentliteratur 1 offenbart eine magnetische Speichervorrichtung, in der ein Wärmeableitungselement in Kontakt mit einer Oberfläche einer Abdichtung, mit der ein magnetischer Direktzugriffsspeicher versiegelt ist, vorgesehen ist. Patentliteratur 1 offenbart, dass das Wärmeableitungselement aus einem Metall mit guter Wärmeleitfähigkeit oder aus einer hoch wärmeleitenden Keramik hergestellt ist. Die hoch wärmeleitende Keramik wird beispielhaft gezeigt durch Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Bornitrid, Siliziumnitrid oder Siliziumkarbid.
Zitierungsliste
Patentliteratur
Patentliteratur 1: Japanische Patentanmeldung Offenlegungs-Nr. 2005-78693
Zusammenfassung
Technisches Problem
Der Emissionsgrad eines keramischen Materials wird durch das für die Kristallstruktur jeder Substanz charakteristische Strahlungsspektrum bestimmt, und es gibt einen Wellenlängenbereich mit hohem Emissionsgrad und einen Wellenlängenbereich mit niedrigem Emissionsgrad. Daher ist es im Allgemeinen schwierig, mit einem einzigen keramischen Material den durchschnittlichen Emissionsgrad, d. h. den Durchschnitt des Emissionsgrads in allen Wellenlängenbereichen des Infrarots, zu erhöhen. Das heißt, mit der in der Patentliteratur 1 beschriebenen Technik, bei der Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Bornitrid, Siliziumnitrid oder Siliziumkarbid allein als hoch wärmeleitende Keramik verwendet wird, ist es schwierig, den durchschnittlichen Emissionsgrad in Infrarotbereichen weiter zu verbessern.
Die vorliegende Offenbarung wurde in Anbetracht des Obigen gemacht, und eine Aufgabe davon ist es, ein Wärmeableitungselement mit einem besseren durchschnittlichen Emissionsgrad in Infrarotbereichen als die herkömmlichen zu erhalten.
Lösung des Problems
Um die oben beschriebenen Probleme zu lösen und die Aufgabe zu erfüllen, enthält ein Wärmeableitungselement gemäß der vorliegenden Offenbarung ein keramisches Wärmestrahlungsmaterial, und das keramische Wärmestrahlungsmaterial enthält Siliziumnitrid und Bornitrid als Hauptkomponenten. Das Massenverhältnis von Bornitrid zur Masse von Siliziumnitrid und Bornitrid beträgt 10 Masse-% bis 40 Masse-%.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Die vorliegende Offenbarung ist vorteilhaft dabei, einen besseren durchschnittlichen Emissionsgrad in Infrarotbereichen als die herkömmlichen zu erreichen.
Figurenliste

1 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch eine beispielhafte Konfiguration eines elektrischen/elektronischen Geräts enthaltend ein Wärmeableitungselement gemäß einer ersten Ausführungsform darstellt.
2 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch eine beispielhafte Konfiguration des Wärmeableitungselements gemäß der ersten Ausführungsform darstellt.
3 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch eine andere beispielhafte Konfiguration des Wärmeabgabeelements gemäß der ersten Ausführungsform darstellt.
4 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch eine beispielhafte Konfiguration eines Wärmeableitungselements gemäß einer zweiten Ausführungsform darstellt.
5 ist ein Diagramm, das Beispiele der Rohmaterialien, keramische Wärmestrahlungsmaterialien und Eigenschaften der Wärmeableitungselemente gemäß Beispielen 1 bis 8 und Vergleichsbeispielen 1 bis 3 zeigt.

Beschreibung von Ausführungsformen
Im Folgenden werden ein Wärmeableitungselement und ein Kühlkörper gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail beschrieben. Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt.
Erste Ausführungsform.
1 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch eine beispielhafte Konfiguration eines elektrischen/elektronischen Geräts enthaltend ein Wärmeableitungselement gemäß der ersten Ausführungsform darstellt. Das elektrische/elektronische Gerät 1 ist ein elektrisches Gerät oder ein elektronisches Gerät, das mit einem wärmeerzeugenden Bauteil, wie einem LED-Element oder einem IC, ausgestattet ist. Das elektrische/elektronische Gerät 1 umfasst ein Gehäuse 10 enthaltend ein Substrat 11 und auf dem Substrat 11 angeordnete Bauteile. In einem Beispiel umschließt das Gehäuse 10 das darin befindliche Substrat 11 Zum Zwecke der Staubdichtigkeit und Wasserdichtigkeit. In einem Beispiel ist das Substrat 11 eine gedruckte Leiterplatte. Die Bauteile sind ein über Lötmittel mit dem Substrat 11 verbundenes Schaltungsbauteil, ein Halbleitergehäuse enthaltend ein Halbleiterelement und dergleichen. Einige Bauteile erzeugen im Betrieb Wärme. Nachfolgend wird ein Bauteil, das Wärme erzeugt, als wärmeerzeugendes Bauteil 12 bezeichnet.
Die elektrische/elektronische Vorrichtung 1 umfasst ferner ein Wärmeableitungselement 13, das in Kontakt mit dem wärmeerzeugenden Bauteil 12 im Gehäuse 10 angeordnet ist. Das Wärmeableitungselement 13 ist ein Element, das Wärme von dem wärmeerzeugenden Bauteil 12 unter Verwendung von Wärmestrahlung im Infrarotbereich abstrahlt. Beispiele für eine Kühlvorrichtung, die das Wärmeableitungselement 13 verwendet, sind ein Kühlkörper, ein Hitzeverteiler und ein Wärmeableitungssubstrat. Das heißt, der Kühlkörper, der Hitzeverteiler und das Wärmeableitungssubstrat enthalten das Wärmeableitungselement 13. Einzelheiten über das Wärmeableitungselement 13 werden später beschrieben.
2 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch eine beispielhafte Konfiguration des Wärmeableitungselements gemäß der ersten Ausführungsform darstellt. Das Wärmeableitungselement 13 umfasst einen gesinterten Körper aus einem keramischen Wärmestrahlungsmaterial 20. Das Wärmeableitungselement 13 enthaltend das keramische Wärmestrahlungsmaterial 20 übt einen Kühleffekt aus, indem es Wärme, die von einer Wärmequelle wie einem Halbleiterelement, das in dem wärmeerzeugenden Bauteil 12 enthalten ist, erzeugt wird, durch Infrarotstrahlung an die Umgebung abgibt. Daher hat das keramische Wärmestrahlungsmaterial 20 vorzugsweise einen möglichst hohen Emissionsgrad. Der Emissionsgrad eines keramischen Materials wird jedoch durch das für die Kristallstruktur jeder Substanz typische Strahlungsspektrum bestimmt, und es gibt einen Wellenlängenbereich mit hohem Emissionsgrad und einen Wellenlängenbereich mit niedrigem Emissionsgrad. Daher ist es im Allgemeinen schwierig, mit einem einzigen keramischen Material den durchschnittlichen Emissionsgrad, d. h. den Durchschnitt des Emissionsgrads in allen Wellenlängenbereichen des Infrarots, zu erhöhen. In Anbetracht dessen enthält das Wärmeableitungselement 13 in der ersten Ausführungsform das keramische Wärmestrahlungsmaterial (Si₃N₄-BN) 20, bei dem es sich um einen gesinterten Körper handelt, der durch die Verbindung von unterschiedliche Strahlungsspektren aufweisenden Siliziumnitrid (Si₃N₄)-Teilchen 21 und Bornitrid (BN)-Teilchen 22 erhalten wird. Demgemäß kann ein relativ hoher thermischer Emissionsgrad erhalten werden und ein hoher durchschnittlicher Emissionsgrad kann in den Infrarotbereichen mit einer Wellenlänge von 3 µm bis 25 µm erzielt werden. Hier bezieht sich der Begriff „durchschnittlicher Emissionsgrad“ auf den Durchschnitt des Emissionsgrads in den Infrarotbereichen mit einer Wellenlänge von 3 µm bis 25 µm.
In der ersten Ausführungsform beträgt das Massenverhältnis der Bornitridteilchen 22 zur Masse der Siliziumnitridteilchen 21 und der Bornitridteilchen 22 des das Wärmeableitungselement 13 bildenden keramischen Wärmestrahlungsmaterials 20, d.h. das Massenverhältnis des Bornitrids zur Masse des Siliziumnitrids und des Bornitrids, 10 Masse-% bis 40 Masse-%. Im Folgenden wird das Massenverhältnis der Bornitridteilchen 22 zur Masse der Siliziumnitridteilchen 21 und der Bornitridteilchen 22 auch einfach als das Massenverhältnis der Bornitridteilchen 22 bezeichnet. Das Massenverhältnis der Bornitridteilchen 22 beträgt vorzugsweise 20 Masse-% bis 30 Masse-%.
Wenn das Massenverhältnis der Bornitridteilchen 22 zu niedrig ist, d.h. wenn das Massenverhältnis der Bornitridteilchen 22 weniger als 10 Masse-% beträgt, gibt es einen Wellenlängenbereich mit niedrigem Emissionsgrad, was zu einem nicht verbesserten durchschnittlichen Emissionsgrad führt. Das heißt, wenn das keramische Wärmestrahlungsmaterial 20 mit einem solchen Massenverhältnis der Siliziumnitridteilchen 21 und der Bornitridteilchen 22 als Wärmeableitungselement 13 verwendet wird, kann ausreichende Kühlleistung nicht erzielt werden. Daher ist das Massenverhältnis der Bornitridteilchen 22 wünschenswerterweise höher als oder gleich 10 Masse-%.
Andererseits, wenn das Massenverhältnis der Bornitridteilchen 22 zu hoch ist, d.h. wenn das Massenverhältnis der Bornitridteilchen 22 höher als 40 Masse- % ist, hat das keramische Wärmestrahlungsmaterial 20 eine hohe Porosität, die die Wärmeleitfähigkeit extrem senkt. Das heißt, dass die von der wärmeerzeugenden Komponente 12 als Wärmequelle erzeugte Wärme mit geringerer Wahrscheinlichkeit an das Wärmeableitungselement 13 übertragen wird, was eine Verbesserung der Kühlleistung verhindert. Darüber hinaus ist die mechanische Festigkeit des keramischen Wärmestrahlungsmaterials 20 erheblich reduziert. Wenn das keramische Wärmestrahlungsmaterial 20 mit einem solchen Massenverhältnis der Siliziumnitridteilchen 21 und der Bornitridteilchen 22 als Wärmeableitungselement 13 verwendet wird, können daher Brüche oder Risse auftreten. Daher ist das Massenverhältnis der Bornitridteilchen 22 wünschenswerterweise niedriger als oder gleich 40 Masse-%. Wenn das Massenverhältnis der Bornitridteilchen 22 20 Masse- % bis 30 Masse-% beträgt, werden sowohl der Emissionsgrad als auch die Wärmeleitfähigkeit in Bezug auf die Kühlleistung des Wärmeableitungselements 13 weiter verbessert.
Die in dem keramischen Wärmestrahlungsmaterial 20 enthaltenen Bornitridteilchen 22 können turbostratisches Bornitrid (t-BN) sein, in dem hexagonale BN-Schichten zufällig gestapelt sind, sind aber vorzugsweise hexagonales Bornitrid (h-BN), in dem hexagonale BN-Schichten regelmäßig gestapelt sind. Indem das keramische Wärmestrahlungsmaterial 20 hexagonales Bornitrid enthält, ist es wahrscheinlich, dass es verbesserte Wärmeleitfähigkeit und verbesserten durchschnittlichen Wärmeemissionsgrad aufweist.
Die Porosität des keramischen Wärmestrahlungsmaterials 20 steht im Zusammenhang mit der Wärmeleitfähigkeit und der mechanischen Festigkeit des Wärmeableitungselements 13. Das heißt, wenn die Porosität des keramischen Wärmestrahlungsmaterials 20 zu hoch ist, werden Hohlräume innerhalb des keramischen Wärmestrahlungsmaterials 20 miteinander verbunden, was zu einer Abnahme der mechanischen Festigkeit führt. Zusätzlich dienen die Luftschichten in den Hohlräumen als Wärmeisolator, der die Wärmeübertragung behindert, was in einer verringerten Wärmeleitfähigkeit resultiert. Unter dem Gesichtspunkt des Erreichens gewünschter Wärmeleitfähigkeit und mechanischer Festigkeit, ist die Porosität des keramischen Wärmestrahlungsmaterials 20 daher vorzugsweise niedriger als oder gleich 40%. Die Porosität des keramischen Wärmestrahlungsmaterials 20 ist weiter bevorzugt niedriger als oder gleich 35% und noch weiter bevorzugt niedriger als oder gleich 30%.
Die Porosität des keramischen Wärmestrahlungsmaterials 20 neigt dazu abzunehmen, wenn das Massenverhältnis der Bornitridteilchen 22 abnimmt. Wenn jedoch, wie oben beschrieben, das Massenverhältnis der Bornitridteilchen 22 weniger als 10 Masse-% beträgt, wird der durchschnittliche Emissionsgrad des keramischen Wärmestrahlungsmaterials 20 nicht verbessert. Wenn das Massenverhältnis der Bornitridteilchen 22 weniger als 10 Masse-% beträgt, ist die Porosität ebenfalls geringer als 10%. In Anbetracht dessen beträgt die Porosität des keramischen Wärmestrahlungsmaterials 20 wünschenswerterweise 10% bis 40%.
Die „Porosität“ des keramischen Wärmestrahlungsmaterials 20, wie sie hier verwendet wird, wird nun beschrieben. Die „Porosität“ wird nach dem archimedischen Prinzip berechnet. Insbesondere kann die „Porosität“ anhand der nachstehenden Formel (1) berechnet werden, wobei die gemessenen Werte der Masse und Abmessungen des in eine rechteckige Parallelepipedform geschnittenen keramischen Wärmestrahlungsmaterials 20 verwendet werden. Beachte, dass die Abmessungen des keramischen Wärmestrahlungsmaterials 20, das eine rechteckige Parallelepipedform hat, Länge, Breite und Höhe sind. $Porosit \ddot{a} t = {1 - [W_{dry} / (L \times W \times T) / ρ_{theory}]} \times 100$
In Formel (1) ist W_dry die Masse (g) des keramischen Wärmestrahlungsmaterials 20, das 2 Stunden lang bei 150°C getrocknet wurde. In Formel (1) sind L, W und T jeweils die Länge, Breite bzw. Höhe (cm) des keramischen Wärmestrahlungsmaterials 20, das eine rechteckige Parallelepipedform aufweist, und ρ_theory ist die theoretische Dichte (g/cm³) des keramischen Wärmestrahlungsmaterials 20.
Der durchschnittliche Emissionsgrad des keramischen Wärmestrahlungsmaterials 20 ist höher als oder gleich 70%. Im Allgemeinen variiert der Emissionsgrad des keramischen Wärmestrahlungsmaterials 20 mit der Temperatur, aber das keramische Wärmestrahlungsmaterial 20, das einen durchschnittlichen Emissionsgrad von 70% oder mehr im Temperaturbereich bis zu 200°C, vorzugsweise im Temperaturbereich bis zu 150°C, hat, in dem das Wärmeableitungselement 13 des elektrischen/elektronischen Geräts 1 normalerweise verwendet wird, kann eine ausreichende Kühlleistung als Wärmeableitungselement 13 erzielen. Außerdem ist die Wärmeleitfähigkeit des keramischen Wärmestrahlungsmaterials 20 vorzugsweise höher als oder gleich 40 W/(m K). Denn wenn die Wärmeleitfähigkeit 40 W/(m K) oder höher ist, wird der Wärmequelle erzeugte Wärme effizient an das Wärmeableitungselement 13 übertragen, so dass eine wesentlich höhere Kühlleistung erwartet werden kann.
Das in dem keramischen Wärmestrahlungsmaterial 20 enthaltene Siliziumnitrid und Bornitrid liegen als Teilchen vor. Unter dem Gesichtspunkt der Vereinheitlichung der Kühlleistung des keramischen Wärmestrahlungsmaterials 20 und der Verbesserung der mechanischen Festigkeit sind die Bornitridteilchen 22 vorzugsweise gleichmäßig zwischen den Siliziumnitridteilchen 21 dispergiert.
Unter dem Gesichtspunkt der Sicherstellung, dass die Bornitridteilchen 22 gleichmäßig dispergiert sind, beträgt die durchschnittliche Teilchengröße der Bornitridteilchen 22 wünschenswert 0,05 µm bis 1 µm.
Wenn die durchschnittliche Teilchengröße der Bornitridteilchen 22 1 µm übersteigt, kann es schwierig sein, einen Zustand zu erreichen, in dem die Bornitridteilchen 22 gleichmäßig zwischen den Siliziumnitridteilchen 21 dispergiert sind. Andererseits, wenn die durchschnittliche Teilchengröße der Bornitridteilchen 22 weniger als 0,05 µm beträgt, können die Bornitridteilchen 22 eine starke Aggregation bilden, die es schwierig macht, einen Zustand zu erreichen, in dem die Bornitridteilchen 22 gleichmäßig zwischen den Siliziumnitridteilchen 21 verteilt sind. Infolgedessen werden Bereiche mit vielen Bornitridteilchen 22 und Bereiche mit vielen Siliziumnitridteilchen 21 ungleichmäßig innerhalb des keramischen Wärmestrahlungsmaterials 20 erzeugt. Im Folgenden werden Bereiche mit vielen Bornitridteilchen 22 als Bornitrid-reiche Bereiche und Bereiche mit vielen Siliziumnitridteilchen 21 als Siliziumnitrid-reiche Bereiche bezeichnet. Eine solche Ungleichmäßigkeit führt zu Ungleichmäßigkeit in der Kühlleistung des Wärmeableitungselements 13. Zusätzlich haben Bornitrid-reiche Bereiche eine hohe Porosität, die die mechanische Festigkeit verringert und Brüche und Risse verursacht. Wenn die Bornitridteilchen 22 nicht gleichmäßig zwischen den Siliziumnitridteilchen 21 verteilt sind, neigen daher die Kühlleistung und die mechanische Festigkeit des gesamten Wärmeableitungselements 13 einschließlich des keramischen Wärmestrahlungsmaterials 20 dazu nicht ausreichend verbessert zu werden. Daher beträgt die durchschnittliche Teilchengröße der Bornitridteilchen 22 wünschenswerterweise 0,05 µm bis 1 µm.
Die durchschnittliche Teilchengröße der Siliziumnitridteilchen 21 ist nicht besonders begrenzt, beträgt aber vorzugsweise 2 µm bis 30 µm.
Die durchschnittliche Teilchengröße der Teilchen in dem keramischen Wärmestrahlungsmaterial 20 kann hier durch Betrachtung eines Querschnitts des keramischen Wärmestrahlungsmaterials 20 mit einem Rasterelektronenmikroskop (SEM) ermittelt werden. Insbesondere kann die durchschnittliche Teilchengröße der Teilchen durch Schneiden des keramischen Wärmestrahlungsmaterials 20, Vergrößern des Querschnitts davon, z. B. 15.000 Mal mit dem SEM, Messen der Hauptachsendurchmesser von mindestens 20 Teilchen und Mittelwertbildung der gemessenen Werte erhalten werden.
Zusätzlich zu den Siliziumnitridteilchen 21 und den Bornitridteilchen 22 kann das keramische Wärmestrahlungsmaterial 20 ein Sinterhilfsmittel zur Verdichtung enthalten. Das Sinterhilfsmittel ist nicht besonders begrenzt, und die in der Technik bekannten können verwendet werden. Beispiele für Sinterhilfsmittel schließen Oxide von Seltenerdelementen wie Yttrium, Oxide von Aluminium, Titan, Magnesium oder Silizium und Nitride von Aluminium oder Titan ein. Diese können allein oder in Kombination von zwei oder mehr verwendet werden. Unter diesen wird, unter dem Gesichtspunkt des mittleren Emissionsgrads und der mechanischen Festigkeit des keramischen Wärmestrahlungsmaterials 20 als Sinterhilfsmittel vorzugsweise ein Oxid eines Seltenerdelements verwendet.
Die Menge des in dem keramischen Wärmestrahlungsmaterial 20 enthaltenen Sinterhilfsmittels ist nicht besonders begrenzt, beträgt aber vorzugsweise 2 Masse-% bis 20 Masse-%. Wenn die enthaltene Menge an Sinterhilfsmittel kleiner als 2 Masse-% ist, kann das keramische Komposit nicht ausreichend verdichtet werden. Andererseits, wenn die enthaltene Menge an Sinterhilfsmittel größer als 20 Masse-% ist, wird die enthaltene Menge an Siliziumnitridteilchen 21 und Bornitridteilchen 22 reduziert, und somit kann der durchschnittliche Emissionsgrad des keramischen Wärmestrahlungsmaterials 20 nicht ausreichend verbessert werden. Aus dem Obigen ist die enthaltene Menge an Sinterhilfsmittel wünschenswerterweise 2 Masse-% bis 20 Masse-%.
Zusätzlich zu den obigen Bestandteilen kann das keramische Wärmestrahlungsmaterial 20 verschiedene in der Technik bekannte Bestandteile enthalten, so dass eine gewünschte Wirkung erzielt werden kann. Die Menge solcher in dem keramischen Wärmestrahlungsmaterial 20 enthaltenen Komponenten, ist nicht besonders begrenzt, solange die Wirkung der vorliegenden Offenbarung nicht beeinträchtigt wird.
3 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch eine weitere beispielhafte Konfiguration des Wärmeableitungselements gemäß der ersten Ausführungsform darstellt. In einem Beispiel hat das Wärmeableitungselement 13 die Form einer flachen Platte. Wie in 3 dargestellt, kann das Wärmeableitungselement 13 eine Metalloxidschicht 23 auf der Oberfläche wenigstens eines Teils des keramischen Wärmestrahlungsmaterials 20 aufweisen. Das Beispiel von 3 zeigt, dass die Metalloxidschicht 23 auf einer Oberfläche des keramischen Wärmestrahlungsmaterials 20 in Form einer flachen Platte vorgesehen ist. Die Metalloxidschicht 23 hat ein Strahlungsspektrum, das sich von den Strahlungsspektren der Siliziumnitridteilchen 21 und der Bornitridteilchen 22 unterscheidet. Die Metalloxidschicht 23 mit einer solchen Eigenschaft ermöglicht eine weitere Verbesserung des durchschnittlichen Emissionsgrades des Wärmeableitungselements 13. Insbesondere ist die Metalloxidschicht 23 vorzugsweise eine Oxidschicht enthaltend R₂Si₂O₇, eine Art von Seltenerdsilikat, wobei R ein Seltenerdelement ist. Da R₂Si₂O₇ einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, der dem der Siliziumnitridteilchen 21 entspricht, werden thermische Spannungen an der Grenzfläche zwischen dem keramischen Wärmestrahlungsmaterial 20 und der Metalloxidschicht 23 verhindert, was dazu beiträgt, Abblättern und Risse zu verhindern, wenn das keramische Wärmestrahlungsmaterial 20 und die Metalloxidschicht 23 auf eine hohe Temperatur erhitzt werden. Hier ist R₂Si₂O₇ nicht besonders beschränkt, sondern Y₂Si₂O₇, Lu₂Si₂O₇ oder Yb₂Si₂O₇ können verwendet werden.
Die Metalloxidschicht 23 kann auf der Oberfläche des keramischen Wärmestrahlungsmaterials 20 durch Oxidieren des keramischen Wärmestrahlungsmaterials 20 bei hoher Temperatur an der Luft gebildet werden. In diesem Fall beträgt die in dem keramischen Wärmestrahlungsmaterial 20 enthaltene Menge an Seltenerdoxid vorzugsweise 3 Masse-% bis 20 Masse-%. Wenn der enthaltene Anteil an Seltenerdoxid kleiner als 3 Masse-% ist, ist der Anteil an in der Metalloxidschicht 23 enthaltenem Seltenerdsilikat extrem reduziert, und die Metalloxidschicht 23 kann sich beim Erhitzen auf eine hohe Temperatur ablösen. Andererseits, wenn die enthaltene Menge an Seltenerdoxid größer als 20 Masse-% ist, ist die enthaltene Menge an Siliziumnitridteilchen 21 und Bornitridteilchen 22 reduziert, wie im Fall der oben beschriebenen Sinterhilfe, und somit kann der durchschnittliche Emissionsgrad des keramischen Wärmestrahlungsmaterials 20 nicht ausreichend verbessert werden. Aus dem Obigen beträgt die in dem keramischen Wärmestrahlungsmaterial 20 enthaltene Menge an Seltenerdoxid wünschenswerterweise 3 Masse-% bis 20 Masse-%.
Das Wärmeableitungselement 13 enthaltend das keramische Wärmestrahlungsmaterial 20 gemäß der ersten Ausführungsform, kann als Wärmeableitungsmaßnahme für das elektrische/elektronische Gerät 1 verwendet werden. Konkrete Beispiele möglicher Anwendungen sind Kühlkörper, Hitzeverteiler und Wärmeableitungssubstrate. Insbesondere wenn das Wärmeableitungselement 13 als Kühlkörper verwendet wird, ist es wünschenswert, dass der Kühlkörper, der das Wärmeableitungselement 13 in Form einer flachen Platte enthält, auf mindestens einer ihrer Seitenflächen einen unebenen Teil mit einem Höhenunterschied, der größer oder gleich der Wellenlänge des zu emittierenden Infrarot ist, aufweist.
Insbesondere, da das keramische Wärmestrahlungsmaterial 20, das Wärmestrahlung in Wellenlängenbereichen von 3 µm bis 30 µm erzeugt, verwendet wird, hat der Kühlkörper wünschenswerterweise eine Unebenheit von 25 µm oder mehr, weiter vorzugsweise eine Unebenheit von 30 µm oder mehr. Indem die Oberfläche mit einer Unebenheit, die größer oder gleich der Wellenlänge des Infraroten ist, versehen wird, vergrößert sich der für die Infrarotstrahlung wirksame Oberflächenbereich. Folglich wird der ersichtliche durchschnittliche Emissionsgrad verbessert und die Kühlleistung des Kühlkörpers wird erhöht.
Als nächstes wird ein Verfahren zur Herstellung des Wärmeableitungselements 13 beschrieben. Das Wärmeableitungselement 13 gemäß der ersten Ausführungsform kann nach einem in der Technik bekannten Verfahren hergestellt werden. Zum Beispiel kann das Wärmeableitungselement 13 gemäß der ersten Ausführungsform auf folgende Weise hergestellt werden.
Zuerst werden Siliziumnitridpulver, Bornitridpulver, ein Sinterhilfsmittel, ein Dispersionsmittel, ein Bindemittel und Wasser gemischt, um eine Aufschlämmung herzustellen. Die durchschnittliche Teilchengröße des Siliziumnitridpulvers, des Bornitridpulvers und des Sinterhilfsmittels ist nicht besonders begrenzt, beträgt aber vorzugsweise weniger als oder gleich 1 µm, weiter bevorzugt weniger als oder gleich 0,8 µm und noch bevorzugter weniger als oder gleich 0,5 µm. Insbesondere wenn die durchschnittliche Teilchengröße des Bornitridpulvers 1 µm übersteigt, kann es schwierig sein, einen Zustand zu erreichen, in dem die Bornitridteilchen 22 gleichmäßig zwischen den Siliziumnitridteilchen 21 dispergiert sind, was eine Ungleichmäßigkeit in der Kühlleistung des Wärmeableitungselements 13 verursachen kann. Zusätzlich, wenn die durchschnittliche Teilchengröße des Bornitridpulvers weniger als 0,05 µm beträgt, kann das Bornitridpulver außerdem eine starke Aggregation bilden, die es schwierig macht, einen Zustand zu erreichen, in dem das Bornitridpulver gleichmäßig zwischen dem Siliziumnitridpulver dispergiert ist. Daher beträgt die durchschnittliche Teilchengröße des Bornitridpulvers 0,05 µm bis 1 µm.
Das Dispergiermittel ist nicht besonders begrenzt, solange es für eine wässrige Aufschlämmung verwendet werden kann, und die in der Technik bekannten können verwendet werden. Beispiele für das Dispergiermittel schließen ein: anionische Tenside wie Alkylsulfatestersalze, Polyoxyethylenalkylethersulfatestersalze, Alkylbenzolsulfonate, reaktive Tenside, Fettsäuresalze und Naphthalinsulfonat-Formalin-Kondensate; kationische Tenside wie Alkylaminsalze, quaternäre Ammoniumsalze, Alkylbetaine, die amphotere Tenside sind, und Alkylaminoxide; und nichtionische Tenside wie Polyoxyethylenalkylether, Polyoxyalkylenderivate, Sorbitanfettsäureester, Polyoxyethylensorbitanfettsäureester, Polyoxyethylensorbitolfettsäureester, Glycerinfettsäureester, Polyoxyethylenfettsäureester, Polyoxyethylenfettsäurerizinusöl, Polyoxyethylenalkylamine und Alkylalkanolamide. Diese können allein oder in Kombination von zwei oder mehr verwendet werden.
Das Bindemittel ist nicht besonders begrenzt, und die in der Technik bekannten können verwendet werden. Das Bindemittel wird beispielhaft gezeigt durch Acryl-, Cellulosebasiertes-, Polyvinylalkoholbasiertes-, Polyvinylacetalbasiertes-, Urethanbasiertes- oder Vinylacetatbasiertes Harz. Diese können allein oder in Kombination von zwei oder mehr verwendet werden.
Das Wasser ist nicht besonders begrenzt, und reines Wasser, Umkehrosmosewasser (RO), deionisiertes Wasser oder ähnliches kann verwendet werden.
Das Mischen zur Aufschlämmungsherstellung ist nicht besonders eingeschränkt und kann unter Verwendung eines in der Technik bekannten Verfahrens durchgeführt werden. Das Mischverfahren ist beispielhaft gezeigt durch die Verwendung eines Kneters, einer Kugelmühle, einer Planetenkugelmühle, einem Knetmischer oder einer Perlmühle.
Anschließend wird die Aufschlämmung granuliert, um granuliertes Pulver herzustellen. Das Granulierverfahren ist nicht besonders eingeschränkt und kann einem in der Technik bekannten Verfahren folgen. Granuliertes Pulver kann zum Beispiel durch Sprühtrocknung mit einem Sprühtrockner oder ähnlichem erhalten werden. Die Sprühtrocknungsbedingungen werden entsprechend der zu verwendenden Ausrüstung angepasst und sind nicht besonders begrenzt.
Als Nächstes wird granuliertes Pulver in eine Form mit einer gewünschten Form gegeben, und Druckformung wird durchgeführt, um einen Formkörper herzustellen. Wenn das Wärmeableitungselement 13 auf einen Kühlkörper aufgebracht wird, ist die gewünschte Form beispielhaft durch eine Form in Form einer flachen Platte gezeigt. Das Druckformverfahren ist nicht besonders eingeschränkt und kann einem in der Technik bekannten Verfahren folgen. Beispiele für das Druckformverfahren schließen kaltisostatisches Pressen (CIP), warmisostatisches Pressen (WIP) und uniaxiales Druckformen ein.
Der Druck, der während des Druckformens angewendet wird, wird entsprechend der Art des granulierten Pulvers, der zu verwendenden Vorrichtung und dergleichen angemessen eingestellt und ist nicht besonders begrenzt, liegt aber im Allgemeinen im Bereich von 30 MPa bis 500 MPa.
Danach wird der geformte Körper einer Entfettungsbehandlung unterzogen. Die Methode der Entfettungsbehandlung ist nicht besonders eingeschränkt und kann einer in der Technik bekannten Methode folgen. Zum Beispiel kann die Entfettungsbehandlung durch Erhitzen des Formkörpers in einer Luftatmosphäre durchgeführt werden. Die Erhitzungstemperatur ist nicht besonders begrenzt, solange das Bindemittel thermisch zersetzt werden kann, und liegt im Allgemeinen im Bereich von 300°C bis 800°C.
Als nächstes wird der entfettete Körper gebrannt. Das Brennverfahren ist nicht besonders eingeschränkt und kann einem in der Technik bekannten Verfahren folgen. Zum Beispiel wird der entfettete Körper in einer Stickstoffatmosphäre gebrannt. Der Druck des Stickstoffgases während des Brennens kann normaler Druck sein, beträgt aber vorzugsweise 0,2 MPa bis 1,0 MPa unter dem Gesichtspunkt der Verhinderung einer thermischen Zersetzung von Si₃N₄. Die Brenntemperatur ist nicht besonders begrenzt, liegt aber im Allgemeinen im Bereich von 1700°C bis 2100°C, vorzugsweise 1750°C bis 2050°C und noch bevorzugter 1800°C bis 2000°C.
Danach kann die Oberfläche des gebrannten Körpers einer Schleifung unterworfen werden, so dass die Form angepasst werden kann. Das Schleifverfahren ist nicht besonders begrenzt und kann einem in der Technik bekannten Verfahren folgen. Ein Beispiel für ein Schleifverfahren ist das Schleifen mit einem Diamantbohrer. Zusätzlich kann der gebrannte Körper einer Wärmebehandlung in einer Sauerstoffatmosphäre unterzogen werden. Dadurch bildet sich die Metalloxidschicht 23 auf der Oberfläche. Auf die oben beschriebene Weise wird das Wärmeableitungselement 13 gemäß der ersten Ausführungsform gebildet.
In der ersten Ausführungsform enthält das Wärmeableitungselement 13 das keramische Wärmestrahlungsmaterial 20, das durch Zusammenfügen der Siliziumnitridteilchen 21 und der Bornitridteilchen 22 mit unterschiedlichen Wärmestrahlungsspektren in den Infrarotbereichen erhalten wird. Folglich hat das Wärmeableitungselement 13 einen höheren durchschnittlichen Emissionsgrad in den Infrarotbereichen als herkömmliche Elemente. Infolgedessen hat das Wärmeableitungselement 13 eine bessere Kühlleistung als herkömmliche Elemente.
Zweite Ausführungsform.
4 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch eine beispielhafte Konfiguration eines Wärmeableitungselements gemäß der zweiten Ausführungsform darstellt. Nachfolgend werden die Unterschiede zur ersten Ausführungsform beschrieben. Beachte, dass Bauteile, die mit denen der ersten Ausführungsform identisch sind, mit denselben Bezugszeichen versehen sind, und die Beschreibung dieser Bauteile entfällt.
Das Wärmeableitungselement 13 gemäß der zweiten Ausführungsform umfasst ein Basismaterial 30 und eine das keramische Wärmestrahlungsmaterial 20 enthaltende Beschichtungslage 25. Die Beschichtungslage 25 enthält einen Füllstoff und ein Bindemittel 26. Der Füllstoff ist das keramische Wärmestrahlungsmaterial 20, das die Siliziumnitridteilchen 21 und die Bornitridteilchen 22 enthält. Das Massenverhältnis der Bornitridteilchen 22 zur Masse der Siliziumnitridteilchen 21 und der Bornitridteilchen 22 in der Beschichtungslage 25 gemäß der zweiten Ausführungsform ist das gleiche wie in dem keramischen Wärmestrahlungsmaterial 20 gemäß der ersten Ausführungsform: 10 Masse-% bis 40 Masse-%.
Das Wärmeableitungselement 13, das die die Siliziumnitridteilchen 21 und die Bornitridteilchen 22 in einem vorbestimmten Massenverhältnis enthaltende Beschichtungslage 25 enthält, hat einen höheren durchschnittlichen Emissionsgrad und bessere Kühlleistung als die herkömmlichen.
Das in der Beschichtungsschicht 25 enthaltene Bindemittel 26 ist nicht besonders begrenzt, solange es die Funktion hat, die Siliziumnitridteilchen 21 und die Bornitridteilchen 22 gleichmäßig zu dispergieren und sie als Beschichtungslage 25 zu fixieren. In einem Beispiel können ein organisches Bindemittel und ein anorganisches Bindemittel geeignet ausgewählt und als das in der Beschichtungslage enthaltene Bindemittel 26 verwendet werden. Ein Kriterium für die Auswahl des Bindemittels 26 ist die Wärmebeständigkeit. Das heißt, dass das Bindemittel 26 mit der gewünschten Wärmebeständigkeit in Abhängigkeit von der Temperatur, bei der das Wärmeableitungselement 13 verwendet wird, entsprechend ausgewählt wird.
Beispiele für organische Bindemittel schließen ein, sind aber nicht darauf limitiert: Epoxidharze, ungesättigte Polyesterharze, Phenolharze, Melaminharze, Silikonharze und Polyimidharze. Unter ihnen sind Epoxidharze wegen ihrer guten Haftfähigkeit bevorzugt. Beispiele für Epoxidharze schließen Bisphenol-A-Epoxidharz, Bisphenol-F-Epoxidharz, o-Kresol-Novolak-Epoxidharz, Phenol-Novolak-Epoxidharz, alicyclisches aliphatisches Epoxidharz und Epoxidharz auf Glycidylaminophenol-Basis ein. Diese Harze können allein oder in Kombination von zwei oder mehr verwendet werden.
Wenn Epoxidharz als wärmehärtendes Harz verwendet wird, umfassen Beispiele für Härtungsmittel: alicyclische Säureanhydride wie Methyltetrahydrophthalsäureanhydrid, Methylhexahydrophthalsäureanhydrid und cis-5-Norbornen-exo-2,3-dicarbonsäureanhydrid; aliphatische Säureanhydride wie Dodecenylbernsteinsäureanhydrid; aromatische Säureanhydride wie Phthalsäureanhydrid und Trimellitsäureanhydrid; organische Dihydrazide wie Dicyandiamid und Adipinsäuredihydrazid; Tris-(dimethylaminomethyl)-phenol; Dimethylbenzylamin; 1,8-Diazabicyclo(5,4,0)-undecen und Derivate davon; und Imidazole wie 2-Methylimidazol, 2-Ethyl-4-methylimidazol oder 2-Phenylimidazol. Diese Härtungsmittel können allein oder in Kombination von zwei oder mehr verwendet werden.
Die Mischungsmenge des Härtungsmittels wird entsprechend dem zu verwendenden wärmehärtenden Harz, der Art des Härtungsmittels und dergleichen angemessen festgelegt, aber im Allgemeinen beträgt die Mischungsmenge des Härtungsmittels 0,1 Masseteile bis 200 Masseteile in Bezug auf 100 Masseteile des wärmehärtenden Harzes.
Die Beschichtungslage 25 in dem Wärmeableitungselement 13 kann einen Haftvermittler enthalten, unter dem Gesichtspunkt der Erhöhung der Haftung an der Grenzfläche zwischen den Siliziumnitridteilchen 21 und den Bornitridteilchen 22 und dem ausgehärteten Produkt des wärmehärtenden Harzes. Beispiele für Haftvermittler sind γ-Glycidoxypropyltrimethoxysilan, N-β (Aminoethyl) γ-Aminopropyltriethoxysilan, N-Phenyl-γ-Aminopropyltrimethoxysilan und γ-Mercaptopropyltrimethoxysilan. Diese Haftvermittler können allein oder in Kombination verwendet werden.
Die Mischungsmenge des Haftvermittlers wird entsprechend dem zu verwendenden wärmehärtenden Harz, der Art des Haftvermittlers und dergleichen angemessen festgelegt. Im Allgemeinen beträgt die Mischungsmenge des Haftvermittlers 0,01 Masseteile bis 1 Masseteil in Bezug auf 100 Masseteile des wärmehärtenden Harzes.
Das anorganische Bindemittel ist vorzugsweise das flüssige Bindemittel 26, das mit den Siliziumnitridteilchen 21 und den Bornitridteilchen 22 gut verträglich ist und gleichmäßig dispergiert werden kann. Viele anorganische Bindemittel haben höhere Aushärtungstemperaturen als organische Bindemittel, aber unter dem Gesichtspunkt der Verarbeitbarkeit und der Verhinderung einer Denaturierung durch Wärmebehandlung des Basismaterials 30 ist die Aushärtungstemperatur des anorganischen Bindemittels niedriger als oder gleich 250°C, vorzugsweise niedriger als oder gleich 200°C und noch bevorzugter niedriger als oder gleich 180°C. Durch Verwendung des anorganischen Bindemittels mit einer solchen Eigenschaft kann die Beschichtungslage 25 effizient gebildet werden, ohne dass es zu einer thermischen Zerstörung des Basismaterials 30 kommt. Beispiele für anorganische Bindemittel schließen ein, sind aber nicht darauf limitiert: Sol-Gel-Glas, organisch-anorganisches Hybridglas, Wasserglas, anorganische Einkomponenten-Klebstoffe und anorganische Zweikomponenten-Klebstoffe. Diese können allein oder in Kombination verwendet werden.
Das Basismaterial 30 im Wärmeableitungselement 13 ist nicht besonders begrenzt, ist aber vorzugsweise ein Metall oder Keramik mit hoher Wärmeleitfähigkeit unter dem Gesichtspunkt der effizienten Übertragung von Wärme von dem wärmeerzeugenden Bauteil 12. Beispiele für Metalle schließen Aluminium, Kupfer, rostfreien Stahl, Eisen und andere Legierungen ein. Beispiele für Keramik schließen Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Zirkoniumdioxid, Aluminiumnitrid und Siliziumkarbid ein. Diese können allein oder in Kombination verwendet werden.
In der zweiten Ausführungsform umfasst das Wärmeableitungselement 13 das Basismaterial 30 und die die Siliziumnitridteilchen 21 und die Bornitridteilchen 22 mit unterschiedlichen Wärmestrahlungsspektren sowie das Bindemittel 26 enthaltende Beschichtungslage 25. Diese Zusammensetzung ist vorteilhaft in der Erreichung eines höheren durchschnittlichen Wärmeemmisionsgrades und besserer Kühlleistung als bei herkömmlichen, wie im Falle der ersten Ausführungsform.
Beispiele
Nachfolgend werden Einzelheiten der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf Beispiele und Vergleichsbeispiele beschrieben, aber die vorliegende Offenbarung ist nicht darauf beschränkt.
[Beispiel 1]
Die Rohstoffe des Mischpulvers sind Siliziumnitrid (Si₃N₄)-Pulver, Bornitrid (BN)-Pulver und ein Sinterhilfsmittel. Das Siliziumnitridpulver hat eine durchschnittliche Teilchengröße von 0,1 µm und das Bornitridpulver hat eine durchschnittliche Teilchengröße von 0,1 µm. Als Sinterhilfsmittel werden Yttriumoxid (Y₂O₃)-Pulver mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 1 µm und Aluminiumoxid (Al₂O₃)-Pulver mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 1 µm verwendet. Das Mischungsverhältnis der Pulver beträgt 77 Massenteile Siliziumnitridpulver, 19 Massenteile Bornitridpulver, 3 Massenteile Yttriumoxidpulver und 1 Massenteil Aluminiumoxidpulver. Zu 100 Masseteilen des gemischten Pulvers werden 1 Masseteil Polyoxyethylenlaurylether als Dispergiermittel, 1 Masseteil Polyvinylalkohol als Bindemittel und 50 Masseteile Wasser hinzugefügt und mit einer Kugelmühle etwa 5 Stunden lang gemischt, um eine Aufschlämmung herzustellen.
Danach wird die erhaltene Aufschlämmung mit einem Sprühtrockner sprühgetrocknet, um granuliertes Pulver zu erhalten. Danach wird das erhaltene granulierte Pulver in eine Form mit einer Radomform gegeben, und CIP-Formen wird mit einer kaltisostatischen Pressmaschine durchgeführt, um einen Formkörper zu erhalten. Der Druck beträgt 98 MPa.
Anschließend wird der erhaltene Formkörper einer Entfettungsbehandlung unterzogen, indem er 2 Stunden lang bei 600°C in einer Luftatmosphäre erhitzt wird. Danach wird der entfettete Körper bei 1900°C für 2 Stunden in einer Stickstoffatmosphäre gebrannt. Der Druck des Stickstoffgases während des Brennens beträgt 0,9 MPa. Auf diese Weise wird das Wärmeableitungselement 13 enthaltend das keramischen Wärmestrahlungsmaterial 20 gebildet.
[Beispiel 2]
Das Verfahren ist ähnlich wie in Beispiel 1, außer dass das gemischte Pulver Siliziumnitridpulver mit einer Mischungsmenge von 86 Masseteilen und Bornitridpulver mit einer Mischungsmenge von 10 Masseteilen enthält.
[Beispiel 3]
Das Verfahren ist ähnlich wie in Beispiel 1, außer dass das gemischte Pulver Siliziumnitridpulver mit einer Mischungsmenge von 67 Masseteilen und Bornitridpulver mit einer Mischungsmenge von 29 Masseteilen enthält.
[Beispiel 4]
Das Verfahren ist ähnlich wie in Beispiel 1, außer dass das gemischte Pulver Siliziumnitridpulver mit einer Mischungsmenge von 58 Masseteilen und Bornitridpulver mit einer Mischungsmenge von 38 Masseteilen enthält.
[Beispiel 5]
Nach dem Brennen in einer Stickstoffatmosphäre wird der gesinterte Körper einer Wärmebehandlung bei 1300°C für 1 Stunde an der Luft unterzogen, d.h. einer Oxidationsbehandlung, um die Metalloxidschicht 23 auf der Oberfläche des gesinterten Körpers zu bilden. Die anderen Teile des Verfahrens sind ähnlich wie in Beispiel 1.
[Beispiel 6]
Das gemischte Pulver besteht aus Siliziumnitridpulver mit einer Mischungsmenge von 71 Massenteilen, Bornitridpulver mit einer Mischungsmenge von 18 Massenteilen und Yttriumoxidpulver mit einer Mischungsmenge von 10 Massenteilen. Nach dem Brennen in einer Stickstoffatmosphäre wird der gesinterte Körper einer Wärmebehandlung bei 1300°C für 1 Stunde an der Luft unterzogen, d.h. einer Oxidationsbehandlung, um die Metalloxidschicht 23 auf der Oberfläche des gesinterten Körpers zu bilden. Die anderen Teile des Verfahrens sind ähnlich wie in Beispiel 1.
[Beispiel 7]
Das gemischte Pulver besteht aus Siliziumnitridpulver mit einer Mischungsmenge von 67 Masseteilen, Bornitridpulver mit einer Mischungsmenge von 17 Masseteilen und Yttriumoxidpulver mit einer Mischungsmenge von 15 Masseteilen. Nach dem Brennen in einer Stickstoffatmosphäre wird der gesinterte Körper einer Wärmebehandlung bei 1300°C für 1 Stunde an der Luft unterzogen, d.h. einer Oxidationsbehandlung, um die Metalloxidschicht 23 auf der Oberfläche des gesinterten Körpers zu bilden. Die anderen Teile des Verfahrens sind ähnlich wie in Beispiel 1.
[Beispiel 8]
Das gemischte Pulver besteht aus Siliziumnitridpulver mit einer Mischungsmenge von 63 Massenteilen, Bornitridpulver mit einer Mischungsmenge von 16 Massenteilen und Yttriumoxidpulver mit einer Mischungsmenge von 20 Massenteilen. Nach dem Brennen in einer Stickstoffatmosphäre wird der gesinterte Körper einer Wärmebehandlung bei 1300°C für 1 Stunde an der Luft unterzogen, d.h. einer Oxidationsbehandlung, um die Metalloxidschicht 23 auf der Oberfläche des gesinterten Körpers zu bilden. Die anderen Teile des Verfahrens sind ähnlich wie in Beispiel 1.
[Vergleichsbeispiel 1]
Das Verfahren ist ähnlich wie in Beispiel 1, abgesehen davon, dass das gemischte Pulver Siliziumnitridpulver mit einer Mischungsmenge von 96 Masseteilen und Bornitridpulver mit einer Mischungsmenge von 0 Masseteilen enthält.
[Vergleichsbeispiel 2]
Das Verfahren ist ähnlich wie in Beispiel 1, abgesehen davon, dass das gemischte Pulver Siliziumnitridpulver mit einer Mischungsmenge von 91 Masseteilen und Bornitridpulver mit einer Mischungsmenge von 5 Masseteilen enthält.
[Vergleichsbeispiel 3]
Das Verfahren ist ähnlich wie in Beispiel 1, abgesehen davon, dass das gemischte Pulver Siliziumnitridpulver mit einer Mischungsmenge von 48 Masseteilen und Bornitridpulver mit einer Mischungsmenge von 48 Masseteilen enthält.
Die Porosität des Wärmeableitungselements 13 einschließlich des keramischen Wärmestrahlungsmaterials 20, das in jedem der Beispiele 1 bis 8 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 3 erhalten wurde, wird gemessen. Die Porosität wird unter Verwendung des Archimedes-Prinzips wie oben beschrieben berechnet.
Für das Wärmeableitungselement 13 einschließlich des keramischen Wärmestrahlungsmaterials 20, das in jedem der Beispiele 1 bis 8 und Vergleichsbeispiele 1 bis 3 erhalten wurde, werden (1) die Kühlleistung, die das Wärmeableitungselement 13 hat, (2) mechanische Festigkeit, (3) Wärmeleitfähigkeit und (4) durchschnittlicher Emissionsgrad bewertet.
(1) Kühlleistung des Wärmeableitungselements 13
Ein keramischer Heizer ist an einer Seitenfläche des keramischen Wärmestrahlungsmaterials 20, das eine Länge von 100 mm, eine Breite von 100 mm und eine Dicke von 7 mm hat, angebracht. Eine Leistung von 20 W wird kontinuierlich über mehrere Stunden an die angebrachte keramische Heizung angelegt, bis die Temperatur des keramischen Wärmestrahlungsmaterials 20 und des keramischen Heizers eine Sättigungstemperatur erreicht. Danach wird die Oberflächentemperatur des keramischen Heizers unter Verwendung eines Thermoelements gemessen. Die Sättigungstemperatur des keramischen Heizers, die dem Leistungseintrag von 20 W entspricht, ist die Kühlleistung, die das Wärmeableitungselement 13 aufweist. Je niedriger die Sättigungstemperatur ist, desto höher ist die Kühlleistung, die das Wärmeableitungselements 13 aufweist.
(2) Mechanische Festigkeit
Die Drei-Punkt-Biegefestigkeit wird als mechanische Festigkeit des Wärmeableitungselements 13 gemessen. Die Drei-Punkt-Biegefestigkeit wird mit einer Universalprüfmaschine gemessen. Zu diesem Zeitpunkt wird das keramische Wärmestrahlungsmaterial 20 in ein Prüfstück mit einer Länge von 4 mm, einer Breite von 3 mm und einer Spannweite von 40 mm geschnitten.
(3) Wärmeleitfähigkeit
Die Wärmeleitfähigkeit wird mit einem Laserblitzverfahren gemessen. Zu diesem Zeitpunkt wird das keramische Wärmestrahlungsmaterial 20 in ein Prüfstück mit einem Durchmesser von 10 mm und einer Dicke von 1 mm geschnitten.
(4) Durchschnittlicher Emissionsgrad
Der durchschnittliche Emissionsgrad wird bestimmt, durch Messen des Emissionsgrads in jedem der Wellenlängenbereiche von 3 µm bis 25 µm mit einem Emissionsgradmessgerät und berechnen des Durchschnitts des Emissionsgrades in allen Wellenlängenbereichen. Zu diesem Zeitpunkt wird das keramische Wärmestrahlungsmaterial 20 in ein Prüfstück mit einer Länge von 20 mm, einer Breite von 20 mm und einer Dicke von 2 mm geschnitten.
5 ist ein Diagramm, das Beispiele für Rohmaterialien, keramische Wärmestrahlungsmaterialien und Eigenschaften der Wärmeableitungselemente gemäß den Beispielen 1 bis 8 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 3 darstellt. Der Eintrag der Rohstoffe zeigt den Masseprozentsatz von Siliziumnitridpulver, Bornitridpulver und Sinterhilfsmittels, die das Pulverrohmaterial bilden, und die Masseteile von Dispersionsmittel, Bindemittel und Wasser in Bezug auf 100 Masseteile des Pulverrohmaterials. Der Eintrag des keramischen Wärmestrahlungsmaterials 20 zeigt den Gesamtgehalt an Siliziumnitrid und Bornitrid, das Massenverhältnis von Siliziumnitrid und Bornitrid, die Porosität des keramischen Wärmestrahlungsmaterials 20 und das Vorhandensein oder Fehlen der Metalloxidschicht 23. Der Eintrag der Eigenschaften zeigt die Ergebnisse der vier oben genannten Bewertungspunkte. Die vier Bewertungspunkte sind die mechanische Festigkeit [MPa], die Wärmeleitfähigkeit [W/(m K)], der durchschnittliche Emissionsgrad [%] des keramischen Wärmestrahlungsmaterials 20 in den Wellenlängenbereichen von 3 µm bis 25 µm und die Kühlleistung, die das Wärmeableitungselements 13 hat, d. h. die Sättigungstemperatur [°C] entsprechend dem Leistungseintrag von 20 W.
Wie in 5 gezeigt, haben die Wärmeableitungselemente 13 der Beispiele 1 bis 8 einen hohen durchschnittlichen Emissionsgrad größer oder gleich 75%. Die dem Leistungseintrag von 20 W entsprechende Sättigungstemperatur liegt im Bereich von 120°C bis 133°C. Die Porosität der Beispiele 1 bis 8 liegt im Bereich von 12% bis 39%. Die mechanische Festigkeit liegt im Bereich von 152 MPa bis 309 MPa. Die Wärmeleitfähigkeit liegt im Bereich von 29 W/(m K) bis 51 W/(m K). Das Wärmeableitungselement 13 mit der Metalloxidschicht 23 neigt dazu einen höheren durchschnittlichen Emissionsgrad als das Wärmeableitungselement 13 ohne die Metalloxidschicht 23 zu haben, und als Resultat, neigt dazu eine niedrigere dem Leistungseintrag von 20 W entsprechende Sättigungstemperatur aufzuweisen als das Wärmeableitungselement 13 ohne die Metalloxidschicht 23. Darüber hinaus weisen die Beispiele 1, 3, 5, 6, 7 und 8, bei denen das Massenverhältnis von Bornitridpulver zum Gesamtgehalt an Siliziumnitridpulver und Bornitridpulver 20 Masse-% bis 30 Masse-% beträgt, eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 30 W/(m K) und einen durchschnittlichen Emissionsgrad von mehr als 80% auf, d.h. weisen sowohl bei der Wärmeleitfähigkeit als auch beim durchschnittlichen Emissionsgrad hohe Werte auf im Vergleich zu Beispiel 2, bei dem das Massenverhältnis von Bornitridpulver zum Gesamtgehalt von Siliziumnitridpulver und Bornitridpulver 10 Masse-% beträgt, und zu Beispiel 4, bei dem das Massenverhältnis von Bornitridpulver zum Gesamtgehalt an Siliziumnitridpulver und Bornitridpulver 40 Masse-% beträgt. Um daher sowohl den Emissionsgrad als auch die Wärmeleitfähigkeit in Bezug auf die Kühlleistung des Wärmeableitungselements 13 zu verbessern, beträgt das Massenverhältnis von Bornitridpulver zum Gesamtgehalt von Siliziumnitridpulver und Bornitridpulver daher wünschenswerterweise 20 Masse-% bis 30 Masse-%.
Andererseits haben die Wärmeableitungselemente 13 der Vergleichsbeispiele 1 und 2 einen durchschnittlichen Emissionsgrad von etwa 65% und eine Sättigungstemperatur entsprechend dem Leistungseintrag von 20 W im Bereich von 156°C bis 168°C. Dies kann sein, weil kein Bornitrid enthalten ist, wie in Vergleichsbeispiel 1, oder Bornitrid ist enthalten, aber die enthaltene Menge an Bornitrid gering ist, wie in Vergleichsbeispiel 2. Das heißt, es wird davon ausgegangen, dass, wenn Si₃N₄:BN im Bereich von 90:10 bis 100:0 liegt, der durchschnittliche Emissionsgrad im Vergleich zu den Fällen der Beispiele 1 bis 8 niedrig ist, und als Ergebnis das Wärmeableitungselement 13 eine geringere Kühlleistung hat.
Das Wärmeableitungselement 13 des Vergleichsbeispiels 3 hat einen durchschnittlichen Emissionsgrad von etwa 80%, weist jedoch eine Sättigungstemperatur von 148°C entsprechend dem Leistungseintrag von 20 W auf, was höher ist als in den Fällen der Beispiele 1 bis 8. Dies kann sein, weil die enthaltene Menge an BN höher ist als in den Beispielen 1 bis 8, was zu der hohen Porosität von 53% führt. Das heißt, Wärme vom wärmeerzeugenden Element wird nicht effizient an das Wärmeabgabeelement 13 übertragen, was in einer extrem niedrigen Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu den Fällen der Beispiele 1 bis 8 resultiert. Als Ergebnis wird davon ausgegangen, dass das Wärmeableitungselement 13 in Vergleichsbeispiel 3 eine geringere Kühlleistung aufweist. Außerdem resultiert die hohe Porosität in einer extrem niedrigen mechanischen Festigkeit, so dass die Wahrscheinlichkeit groß ist, dass Brüche oder Risse auftreten, wenn das Wärmeableitungselement 13 verwendet wird.
Wie oben beschrieben, damit das Wärmeableitungselement 13 eine höhere Kühlleistung als in den Vergleichsbeispielen 1 bis 3 aufweist, sollte das Massenverhältnis der Bornitrid-Teilchen 22 zur Masse der Siliziumnitrid-Teilchen 21 und der Bornitrid-Teilchen 22 des keramischen Wärmestrahlungsmaterials 20, aus dem das Wärmeableitungselement 13 besteht, 10 Masse-% bis 40 Masse-% betragen. Unter Bezugnahme auf die Ergebnisse der Beispiele 1 bis 8 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 3 kann das Wärmeableitungselement 13, das einen durchschnittlichen Emissionsgrad von höher oder gleich 70% in den Wellenlängenbereichen von 3 µm bis 25 µm aufweist, bei Temperaturen bis 200°C eine höhere Kühlleistung aufweisen. In diesem Fall beträgt die Porosität vorzugsweise 10% bis 40%. Weiterhin, wenn ein Seltenerdoxid wie Yttriumoxid-Pulver als Sinterhilfsmittel verwendet wird, muss die enthaltene Menge des Seltenerdoxids nur 3 Masse-% bis 20 Masse-% betragen. Unter diesen Bedingungen ist es möglich, das Wärmeableitungselement 13 mit einem hohen durchschnittlichen Emissionsgrad und einer guten Kühlleistung zur Verfügung zu stellen.
Die in den oben erwähnten Ausführungsformen beschriebenen Konfigurationen zeigen Beispiele für den Inhalt der vorliegenden Offenbarung. Die Konfigurationen können mit einer anderen bekannten Technik kombiniert werden, und einige der Konfigurationen können weggelassen oder in einem Bereich geändert werden, der nicht vom Kern der vorliegenden Offenbarung abweicht.
Bezugszeichenliste

1: elektrisches/elektronisches Gerät;
10: Gehäuse;
11: Substrat;
12: wärmeerzeugendes Bauteil;
13: Wärmeableitungselement;
20: keramisches Wärmestrahlungsmaterial;
21: Siliziumnitridteilchen;
22: Bornitridteilchen;
23: Metalloxidschicht;
25: Beschichtungslage;
26: Bindemittel;
30: Basismaterial.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 200578693 [0004]

Claims

Wärmeableitungselement umfassend ein keramisches Wärmestrahlungsmaterial, wobei das keramische Wärmestrahlungsmaterial Siliziumnitrid und Bornitrid als Hauptkomponenten enthält, und ein Verhältnis einer Masse des Bornitrids zu einer Masse des Siliziumnitrids und des Bornitrids 10 Masse-% bis 40 Masse-% beträgt.
Wärmeableitungselement nach Anspruch 1, wobei das Bornitrid hexagonales Bornitrid ist.
Wärmeableitungselement nach Anspruch 1 oder 2, wobei das keramische Wärmestrahlungsmaterial ein gesinterter Körper enthaltend Siliziumnitridteilchen und Bornitridteilchen ist.
Wärmeableitungselement nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend ein Basismaterial, wobei das keramische Wärmestrahlungsmaterial eine Beschichtungslage ist, mit der eine Oberfläche des Basismaterials beschichtet ist.
Wärmeableitungselement nach Anspruch 4, wobei die Beschichtungslage einen Füllstoff inklusive das keramische Wärmestrahlungsmaterial und ein Bindemittel aufweist.
Wärmeableitungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das keramische Wärmestrahlungsmaterial bei Temperaturen bis zu 200°C einen durchschnittlichen Emissionsgrad von höher oder gleich 70% in Wellenlängenbereichen von 3 µm bis 25 µm aufweist.
Wärmeableitungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das keramische Wärmestrahlungsmaterial eine Wärmeleitfähigkeit von größer oder gleich 40 W/(m K) aufweist.
Wärmeableitungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das keramische Wärmestrahlungsmaterial 3 Masse-% bis 20 Masse-% Seltenerdoxid enthält.
Wärmeableitungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner umfassend eine Metalloxidschicht auf einem Teil einer Oberfläche des keramischen Wärmestrahlungsmaterials.
Kühlkörper umfassend das Wärmeableitungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
Kühlkörper nach Anspruch 10, wobei eine Oberfläche des Wärmeableitungselements einen unebenen Teil mit einer Höhendifferenz größer oder gleich 25 µm aufweist.