JP2000124369A

JP2000124369A - 放熱部材

Info

Publication number: JP2000124369A
Application number: JP10293401A
Authority: JP
Inventors: Tadahiro Nishimoto; 忠弘西本
Original assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Current assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Priority date: 1998-10-15
Filing date: 1998-10-15
Publication date: 2000-04-28

Abstract

(57)【要約】【課題】軽量で放熱特性に優れ、温度上昇に伴う剥れ
等の発生が防止され長期に亘って高放熱特性を維持し得
る半導体素子の冷却用として適する放熱部材の提供。【解決手段】複数の板状体が所定の間隔をおいて並設
されてなり、発熱体上に接合されて熱の放散を行なう放
熱部材において、板状体の少なくとも表面が炭素繊維を
結合剤で結合して形成された伝熱層で構成されてなるこ
とを特徴とする放熱部材。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発熱体に結合して
使用される放熱部材、更に詳しくは、集積回路等の半導
体素子の冷却に適した放熱部材に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、コンピューターの高性能化、高速
化は著しいものがある。これらは半導体回路の高周波数
化による処理速度の向上によるものである。これにとも
ない半導体素子の発熱が増大し、その放熱が重要な問題
となってきている。このため、従来、セラミックが配合
されたプラスチック等で封止された半導体素子にアルミ
ニウムやセラミック等の放熱フィンを接着したり、冷却
ファンで冷却する方法がとられてきた。放熱フィンにつ
いてはアルミニウムやセラミックでは比重の関係から重
量が増え、放熱ファンの方法では取付のためにスペース
が必要となり装置が小さくできない等の問題があった。
また、アルミニウムの放熱フィンは熱伝導率が２７０Ｗ
・ｍ^-1・Ｋ^-1と非常に高く放熱性は高いが、熱膨張係数
が２４×１０^-6／℃と半導体素子または封止材に用いら
れる材料の熱膨張係数に対して大きく、材料間での熱応
力の発生が避けられず、接着部の剥離、封止材の破損、
ひいては半導体素子の異常等を引き起こす原因となっ
た。セラミックの放熱フィンでは熱膨張係数は半導体素
子または封止材とかなり近い熱膨張係数をとれるが、ア
ルミニウム等の金属と比較すると熱伝導率が低いため放
熱性能が劣るという問題があった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、軽量で放熱
特性に優れ、温度変化に起因する剥離等の発生が防止さ
れ、長期に亘って高放熱特性を維持し得る、半導体素子
の冷却用として適する放熱部材を提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、かかる課題を
解決するため鋭意検討を行った結果、炭素繊維を結合剤
で結合した材料が熱伝導が大きく、半導体素子等との熱
膨張率が近似し剥離の発生が少ないことを見出してなさ
れたもので、具体的には、複数の板状体が所定の間隔を
おいて並設され、発熱体上に接合されて熱の放散を行う
放熱部剤において、板状体の少なくとも表面が炭素繊維
を結合剤で結合して形成された伝熱層で構成されてなる
ことを特徴とする放熱部材を提供するものである。

【０００５】

【発明の実施の形態】本発明の放熱部材１は、図１に示
すように熱を伝導し、放散する板状体２が所定の間隔を
おいて併設され、半導体素子等の発熱体３に接合され
る。板状体２は一般的に連結材４で連結されて一体化さ
れて発熱体３に接着剤等で接合される。板状体２は、図
２に示すように、炭素繊維５、５が結合剤で結合された
板状に成形され伝熱層２ａを有する。

【０００６】炭素繊維５は板状体２の両端に亘って連続
し、一方向に配向するように揃えられ、その一端の端面
が発熱体３に対峙する位置となるように配設される。一
般には、炭素繊維を揃えた状態で結合剤を含浸せしめて
長尺状の板状体に賦形して硬化せしめ、これを炭素繊維
と直交する方向に切断して、炭素繊維５の端部が切口に
露出した状態の板状体２とされる。しかし、板状体２の
端部の強度向上、接着性改良等を目的として被覆材をコ
ーティングして薄膜を形成させることを排除するもので
はない。また、炭素繊維５の大部分は一方向に配向して
いることが望ましいが、一部を幅方向に延びるようにす
ることも熱を分散させる上で好ましい方法である。

【０００７】炭素繊維５としては制限するものではない
がピッチ系の炭素繊維が好ましい。ピッチ系の炭素繊維
は熱伝導率が高く、また、熱膨張率の低い板状体２を得
ることができる。炭素繊維の太さに制限はなく、目的に
応じて任意の太さの繊維を使用することができるが、一
般には、０．１〜５０μｍ、好ましくは０．５〜３０μ
ｍ、特に好ましくは３〜２０μｍ程度のものが使用され
る。また、炭素繊維は熱伝導率が１００〜２０００Ｗ・
ｍ^-1・Ｋ^-1、好ましくは２００〜２０００Ｗ・ｍ^-1・Ｋ
^-1のものが使用される。熱伝導率が１００Ｗ・ｍ^-1・Ｋ
^-1より小さいと放熱効果が低下する。

【０００８】結合剤としては、熱可塑性樹脂、熱硬化性
樹脂のいずれでもよいが、炭素繊維への含浸性、成形
性、耐熱性、繊維との接着性等からエポキシ樹脂、ポリ
イミド樹脂、ビスマレイミド樹脂、不飽和ポリエステル
樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化
性樹脂が好ましく、特に好ましくはエポキシ樹脂が用い
られる。板状体２の材料として一方向に引き揃えた炭素
繊維をエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂などの樹脂で固
めたプリプレグとよばれるものを使用することができ
る。プリプレグは予め樹脂を含んでいるので、所定の厚
さの板状体に賦形し硬化するだけで板状体２を形成する
ことができる。

【０００９】炭素繊維５と結合剤との割合としては、炭
素繊維が、通常４０〜９０体積％、好ましくは５０〜７
０体積％、樹脂が、通常１０〜６０体積％、好ましくは
３０〜５０体積％である。炭素繊維の割合が４０体積％
より小さいと、十分に放熱することができない。また、
９０体積％より大きいと板状体２の表面の物理的あるい
は機械的強度が低下し、発塵するおそれがある。こうし
て得られた板状体２は、炭素繊維５の一端側を発熱体３
に接合することによって、発熱体３に発生した熱を板状
体２に伝導して放熱することができる。

【００１０】しかし、炭素繊維５を一方向に配向せしめ
ると、熱伝導は炭素繊維５の配向方向には発現するが、
それに直交する方向には小さいものとなり温度分布が生
じる。また、板状体２の熱膨張は炭素繊維５の配向方向
には低膨張率となるが、それに直交する方向には膨張率
は減少せず、このため、発熱体３の発熱による温度変化
によって、発熱体３と放熱部材１との接合が剥離して熱
伝導が悪くなったり、あるいは、発熱体３として半導体
素子を使用するときは、熱膨張率の差のために歪みが生
じ半導体素子の機能を損傷するおそれが生じる。

【００１１】熱膨張率を発熱体３の熱膨張率と合せて剥
離等を防止するために、図３に示すように、板状体２の
中心に板状体２の幅方向の熱膨張率の小さい芯材２ｂを
介装することが望ましい。板状体２の幅方向の熱膨張率
としては、板状体２としたときの幅方向の熱膨張率と発
熱体３の熱膨張率との差が通常、１０×１０^-6／℃以
下、好ましくは２．０×１０^-6／℃、特に好ましくは
０．５×１０^-6／℃以下のものが使用される。発熱体３
が半導体素子であるときは半導体あるいは半導体が封止
されているときは半導体パッケージ材料との熱膨張率の
差が上述の範囲にあるものが使用される。

【００１２】このような板状体２の幅方向の熱膨張率を
発熱体３の熱膨張率と等しくするための芯材２ｂの材料
としては、低熱膨張率の繊維を合成樹脂で結合した複合
材が好ましい。芯材２ｂに用いられる繊維としては、通
常、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維等の熱膨張率
が通常１０×１０^-6／℃以下の繊維が用いられる。熱伝
導率が良好なので、炭素繊維が好ましく用いられる。

【００１３】合成樹脂としては、熱可塑性樹脂、熱硬化
性樹脂のどちらでもよいが、繊維への含浸性、成形性、
耐熱性、繊維との接着性等からエポキシ樹脂、ポリイミ
ド樹脂、ビスマレイミド樹脂、不飽和ポリエステル樹
脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性
樹脂が好ましく、特にエポキシ樹脂が好ましい。芯材２
ｂに用いる合成樹脂は伝熱層２ａを構成する結合剤と同
じものを用いることが芯材２ｂと伝熱層２ａとの層間剥
離を防止する上で好ましい。繊維の割合は、通常３０〜
７０体積％、樹脂の割合は、通常３０〜７０体積％であ
る。樹脂は通常熱膨張率が大きいので、樹脂の割合が多
すぎると、芯材の熱膨張率を小さくすることが難しくな
る。

【００１４】芯材２ｂの繊維６は、図３に示すように、
発熱体３の接合面に平行な方向に揃えられ、これを合成
樹脂で結合して板状に賦形され、その両面に伝熱層２
ａ、２ａが積層される。芯材２ｂと伝熱層２ａの積層
は、各々の層を形成してから接着剤によって接合しても
よいが、伝熱層２ａを構成する炭素繊維プリプレグと芯
材２ｂを構成するプリプレグとを積層し加圧下に加熱硬
化すると各層の接合が強固となるので好ましい。

【００１５】複数の板状体２は連結材４によって所定間
隔に並列されて一体化される。連結材４は、発熱体４の
熱膨張率とほぼ等しい熱膨張率の材料で形成される。連
結材４の長手方向の熱膨張率は発熱体３の熱膨張率に対
して通常±１０×１０^-6／℃、好ましくは±２×１０^-6
／℃の範囲とされる。従って芯材２ｂと同様の材料によ
って形成することができる。連結材４によって一体化さ
れた板状体２は接着剤による接着、あるいは超音波を用
いて融着することによって接合することができる。接着
には、接着剤が用いられるが、アルミナ、カーボン、銀
などを含む熱伝導性接着剤を用いることが好ましい。

【００１６】

【実施例】熱伝導率６２０Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1の炭素繊維
（三菱化学社製「ダイアリードＫ１３Ｃ」）４９体積
％、エポキシ樹脂５１体積％からなるプリプレグ（三菱
化学社製「ＨＹＥＪ１６Ｍ９５Ｄ」）を３層、炭素繊維
が同一方向となるように積層し、伝熱層とした。芯材と
して、炭素繊維４７体積％、エポキシ樹脂５３体積％か
らなるプリプレグ（三菱化学社製「ＨＭＦ３１１３」）
を２層、炭素繊維が同一方向となるように積層した。

【００１７】芯材の両側に、伝熱層を積層した。一枚の
フィンで、プリプレグは８層重ねられたことになる。伝
熱層の炭素繊維の配向方向は、中心層の炭素繊維の配向
方向に対して９０度となるようにした。このようにして
得られた８層重ねのプリプレグは、次いで、オートクレ
ーブを用いて１７７℃、７ａｔｍで加圧成形され、フィ
ンを得た。得られたフィンは表面層の炭素繊維の配向方
向に対する垂直方向の熱膨張率は、４．５×１０^-6／
℃、フィンの熱伝導率は２２０Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1であっ
た。このように、シリコン半導体の熱膨張率４．２×１
０^-6／℃とほぼ同じ熱膨張係数と、アルミニウムと同等
の熱伝導率を有するフィンが得られた。

【００１８】

【発明の効果】半導体及び半導体パッケージ等の発熱体
に熱膨張差による応力を与えることなく放熱性の高い放
熱部材を提供でき、より高集積な半導体の使用を可能と
する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の放熱部材を示す斜視図

【図２】板状体の一例を示す部分切欠き斜視図

【図３】板状体の他の例を示す部分切欠き斜視図

【符号の説明】

１．放熱部材２．板状体２ａ伝熱層２ｂ芯材３．発熱体４．連結材５．炭素繊維６．繊維

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の板状体が所定の間隔をおいて並設
され、発熱体上に接合されて熱の放散を行なう放熱部材
において、板状体の少なくとも表面が炭素繊維を結合剤
で結合して形成された伝熱層で構成されてなることを特
徴とする放熱部材。
【請求項２】炭素繊維が、板状体の両端に亘って連続
し、その一端が発熱体に対峙するように配設された伝熱
層を有する請求項１記載の放熱部材。
【請求項３】板状体の幅方向における熱膨張率が発熱
体の熱膨張率に対して±１０×１０^-6／℃以内である芯
材の両面に伝熱層を積層してなる請求項１または２記載
の放熱部材。
【請求項４】伝熱層は発熱体の接合面に直交する方向
に配向するように炭素繊維が配設され、芯材は発熱体の
接合面に平行する方向に配向するように繊維が配設され
てなる請求項１〜３いずれかに記載の放熱部材。
【請求項５】発熱体が半導体素子である請求項１〜４
いずれかに記載の放熱部材。
【請求項６】板状体の熱膨張率と、発熱体の熱膨張率
との差が±２×１０ ^-6／℃以内である請求項１〜５いず
れかに記載の放熱部材。
【請求項７】熱伝導率が、１００〜２０００Ｗ・ｍ^-1
・Ｋ^-1の炭素繊維を使用した請求項１〜６いずれかに記
載の放熱部材。