JP2001257298A - 熱伝界面体及びその使用方法 - Google Patents

熱伝界面体及びその使用方法

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JP2001257298A JP2001001982A JP2001001982A JP2001257298A JP 2001257298 A JP2001257298 A JP 2001257298A JP 2001001982 A JP2001001982 A JP 2001001982A JP 2001001982 A JP2001001982 A JP 2001001982A JP 2001257298 A JP2001257298 A JP 2001257298A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 或る物体から別の物体に熱を伝達するための
熱伝界面体（a thermaljoint）及び、半導体装置のよ
うな熱発生装置とヒートシンク（heat sink）のような
熱除去装置との間に熱を伝達する方法を提供しようとす
る。 【解決手段】 少なくとも１つの固相と、該固相と平衡
状態にある少なくとも１つの液相と、を包含する少なく
とも２つの構成元素からなる合金を包含して構成され、
前記合金は、作動温度（TP）、液体温度（TL）及び固体
温度（TS）を有し、前記作動温度（TP）は前記液体温度
（TL）と前記固体温度（TS）間に存在するように構成さ
れた、熱伝達を容易にさせる熱伝界面体を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、或る物体から別の
物体に熱を伝達するための熱伝界面体（a thermal jo
int）及び、半導体装置のような熱発生装置とヒートシ
ンク（heat sink）のような熱除去装置との間に熱を伝
達する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】効率的な熱伝達を必要とする装置が数多
くある。例えば、高速コンピュータ及びその他の高速装
置は多くの集積回路チップを必要とし、これらのチップ
には多くの能動装置が収納されて、非常に近接した距離
に離隔されてある。正常的な作動下で、例えば、バイポ
ーラトランジスタのような前記各装置は非常に大きい電
力密度を消費するようになる。又、前記各装置が正常的
に作動するためには相対的に低い作動温度が必要とな
る。即ち、装置の発熱を充分に冷却させることが必要で
ある。反対に、現在使用されている限られた冷却容量を
有する装置及びそれらの装置が組合された集積回路チッ
プの最大作動可能温度は、許容可能な電力密度、回路密
度及びシステム速度を制限する。即ち、装置及び集積回
路チップの冷却能力を向上させると、電力密度、回路密
度及びシステム速度を増加することができる。
【０００３】伝導によって或る物体から別の物体に熱を
伝達、若しくは、発散するとき、熱交換過程で最も重要
な部分は、両物体間の接触部である。両物体間の熱交換
率を向上させる典型的な方法としては、両物体間の接触
面を機械加工して公差を高め、連結面の一層多くの部分
が接触するように密着させることである。この方法は、
処理費用が高く、表面処理の滑らかさ及び表面を横切っ
て印加される圧力の量も顧慮するべきである。表面不規
則がマイクロ単位で両接触面間の圧力が大きくても、相
対的に低い熱効率が得られる理由は、両物体間の接触部
が空気と空き空間に包まれた状態で相対的に少ない部分
のみが接触するからである。接触部の空隙及び空き空間
は熱抵抗を増加させる傾向がある。
【０００４】このような両物体間の接触部の熱抵抗は、
接触面内の空隙及び空き空間を埋め込める界面材料を提
供することによって低減することができる。熱グリース
から相転換混合物に至るまでの多様な物質が電子装置を
冷却させるときなどの場合に接触物質として使用されて
いる。これら接触物質の主な機能としては、空き空間の
数を最小化させ、接触圧力を印加した状況下で粘性流動
又は化学反応による接触面積を増加させることである。
併し、これら接触物質は、無結晶グリース／オイル、シ
リコングリース、パラフィン密ろうのような相対的に低
い熱伝導を有する混合物を基礎としているため、これら
の物質による熱的性能の向上は制限的になる。高い熱流
速、又は、高い作動温度を経由する作動環境下で、熱伝
界面体としての前記各物質の性能は、揮発性要素の損失
により急激に低下することもある。このような問題点を
緩和するために、前記接触物質を熱伝導に優れた粉末と
混合するか、又は、金属構造と結合させる方法が採択さ
れるが、設計が複雑で、費用が高いという不都合な点が
あった。
【０００５】はんだ付けは、両物体間の接触部の熱抵抗
を低減させる方法として従来から使用されてきた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】然るに、このような従
来はんだ付け法においては、両物体間の金属接触部をは
んだ付けすることによって熱接触は向上されるが、はん
だ付けする物質と反応する面のみに利用できる不都合な
点があった。そのため、アルミニウム、セラミック及び
プラスチックのように反応しない面に対しては貴金属の
ような結合層を被覆させる過程を先行するべきであっ
た。
【０００７】且つ、結合物質、又は、被覆層間の熱的不
一致のため、はんだ付け物質に亀裂が発生することもあ
ると共に、相対的に高価で、製作上に制限が多いことか
ら、効率的に熱伝界面体としてはんだ付けを利用するこ
とは制限されている。
【０００８】本発明は、このような従来の課題に鑑みて
なされたもので、相対的に熱伝導の大きい熱伝界面体、
特に、該熱伝界面体の熱伝導が典型的な金属及び合金に
匹敵し、容易に付着可能な熱伝界面体を提供することを
目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、熱伝達を促進
させる熱伝界面体に関するものである。
【００１０】本発明に係る熱伝界面体は、２つ以上の構
成元素からなる合金を包含して構成されている。このと
き、前記合金は、作動温度TP、液体温度TL及び固体温度
TSを有することを特徴とする。前記作動温度TPが前記液
体温度TLと前記固体温度TS間にあるとき、合金内には最
小１つ以上の液相及び固相が存在するが、できれば、液
相及び固相が実際に平衡状態であることが好ましい。熱
伝界面体は、熱発生部と熱発散部間に載置するように設
計する。
【００１１】そして、本発明は、熱発生部と熱除去部間
に位置する熱伝界面体を包含する装置に関するものであ
る。このような装置は多様な機械の部品となり、例え
ば、コンピュータ、プリント、携帯電話（cellular ph
one）、TV、VCR、電力増幅器、変圧器、電力供給回路、
高発熱トランジスタ、ダイオード及びスイッチ基板など
の機械に利用することができるが、これらに限定される
ものではない。
【００１２】且つ、本発明は、熱を発散する方法に関す
るものである。その方法は次の段階中の１つ以上を包含
して構成される。即ち、 （a）熱発生部と熱発散部間に最小２つ以上の要素から
なる合金により構成された熱伝界面体を載置させる。
【００１３】（b）合金の液体温度TLと固体温度TS間の
温度範囲で前記熱伝界面体を作動させて、最小限１つ以
上の液相及び固相を前記合金に包含させる。このとき、
液相及び固相が実際に平衡状態にあれば一層好ましい。
【００１４】更に、本発明は、低い熱抵抗を有する熱伝
界面体を構成する方法に関するものである。その方法は
次の過程中の１つ以上を包含して構成される。即ち、 （a）液体温度TL及び固体温度TSを有する２つ以上の要
素からなる合金を形成する。
【００１５】（b）少なくとも一方側が接触面に空き空
間を有する熱発生部と熱発散部との間に合金を載置させ
る。
【００１６】（c）接触面の空き空間を充填し得る液相
を形成するために、固体温度TS以上に合金温度を高め
る。
【００１７】（d）液体温度の以下に作動温度を低下さ
せる。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態に対し
て説明する。
【００１９】本発明は、両媒体間の熱伝達を向上させて
熱接触抵抗を低減させる熱伝界面体の構成及び応用に関
するものである。本発明における熱伝界面体とは、少な
くとも２つ以上の構成要素からなる合金を包含するもの
で、発熱体と放熱体間の界面に載置される大きさに形成
される。前記合金は、液体温度TL以上の温度では完全融
解されて液相になり、個体温度TS以下の温度では固相に
存在する特性を有する。液体温度（TL）と固体温度
（TS）間の温度（TP）で熱伝界面体が作動すると、前記
合金は最小１つ以上の液相及び固相を有する。ここで、
前記液相は、固相と熱力学的平衡状態にあることが好ま
しい。このような作動条件下で、固相は本来の物理的形
状を維持するが、液相は両接触面間の空隙及び空き空間
を充填させる。そのため、前記両接触面間の空隙及び空
き空間は最小化されるか、若しくは完全に除去されるの
で、前記両接触面間の熱抵抗が減少して、それら両接触
面間の熱伝導が増加する。
【００２０】本発明において、“構成要素”とは、化学
元素、化合物及びそれらの組合せがなす全ての組成を通
称し、“熱伝界面体”とは、熱伝達を向上させる目的で
両媒体間に挟み込まれる全ての形態の構造物を意味す
る。前記熱伝界面体は、板（sheet）、薄膜、粉末及び
網などの多様な物理的形態に存在することができる。ま
た、本発明において、“合金”とは、最小２つ以上の化
学元素間の組合せ、若しくは、2つ以上の化合物の組合
せを意味するもので、各構成元素のそれぞれの液体温度
及び固体温度とは相異する温度特性を有する全ての物質
を包含する。且つ、前記合金は、液体温度TL以上では殆
ど、又は、完全に融解されて液相に存在し、固体温度TS
以下では殆ど、又は、完全に凝固して固相に存在する。
そして、前記液相温度と固相温度間の温度で、前記合金
は最小1つ以上の固相及び液相を有する。全ての相は実
質的に相平衡状態にあることが好ましい。適合な合金は
２元系、３元系及び４元系である。且つ、前記合金は５
つ以上の元素と、合成物、又は、化合物に構成すること
ができる。また、合金体が必ずしも金属である必要はな
い。
【００２１】最も理想的な合金は、２つ又はそれ以上の
金属が均一に分布された混合物、若しくは、固溶体であ
るが、これら合金が必ずしも均一である必要はない。幾
つかの合金は２つ以上の金属からなる均一混合物、又
は、２つ以上の金属からなる固溶体ではない。にもかか
わらず、それら非均一合金が後述する融解特性を有すれ
ば、本発明の実施例で使用することもできる。即ち、合
金がある液体温度以上では完全に融解されて液相にな
り、所定固体温度以下で凝固して固相になれば、本発明
の実施例において、前記非均一合金を使用することがで
きる。前記合金を前記固体温度と前記液体温度との間の
温度に加熱すると、少なくとも１つの液相と少なくとも
１つの固相とが共存する。このとき、前記液相及び固相
を包含した全ての相が実質的に殆ど又は完全に平衡状態
にあることが好ましい。
【００２２】完全な相平衡を有する系においては、各相
に存在する各化学元素（構成元素）の化学エネルギー
（chemical potential）は同様である。ここで、前記
エネルギー（μ）はモル当たり部分ギブス自由エネルギ
ー（partial Gibbs free energy、G）を称するもの
で、次式により表現される。
【００２３】
【数１】 ここで、μは化学エネルギー、Gはギブス自由エネルギ
ー、nはモル数を意味し、i及びjは平衡系に存在する化
学元素をそれぞれ意味する。固相（α）及び液相（L）
が完全な平衡状態にある温度（T）におけるA−Bの２元
系合金の場合、次の平衡条件を充足するべきである。
【００２４】
【数２】 類似するように、２元系で完全な３相平衡（２つの固相
α、β及び１つの液相L）が存在するとすれば、次の平
衡条件を充足するべきである。
【００２５】
【数３】 一般に、合金系においては、元素の数が増加するほど各
平衡条件の数が増加する。例えば、３元系（A−B−C）
合金の場合、固相αと液相Lとが平衡であるときは次の
条件を充足する。
【００２６】
【数４】 併し、完璧な相平衡は実際には達成することが困難で、
その代わりに、実質的な相平衡を維持するだけである。
即ち、系の全ての相に存在する各化学元素の化学エネル
ギーが実質的に同一であれば、実質的に相平衡に至った
ものと見なすことができる。本発明の実施例に適合な合
金を使用すると、合金の多様な相が実質的な平衡状態ま
たは完璧な平衡状態になる。併し、非平衡状態の条件下
で適合な合金を作動させて実質的な相平衡結果を得るこ
ともできる。
【００２７】本発明の実施例によって、少なくとも１つ
の固相及び少なくとも１つの液相を有する合金を熱伝界
面体の形成に使用して、両構成要素間に熱伝達を促進す
ることができる。便宜上、このような特性を有する全て
の合金に対し、本明細書では“２相合金”と称する。こ
こで、２相合金というのは、少なくとも１つ以上の固相
及び少なくとも１つ以上の液相が共存する状態を称する
ものであるが、合金は一層多くの液相及び／又は固相を
包含することができる。図１は、熱伝界面体を形成する
ために本発明の実施例で使用する2相合金の相状態図で
あって、同図から見ると、元素A及び元素Bとを混合して
合金を形成したとき、最終の合金は元素A及び元素Bの融
解特性とは相異する融解特性を有する。前記合金は、単
一の液体温度で融解されるよりは、多様な温度範囲、例
えば、TSからTLまでの温度範囲で融解される。合金のTS
及びTLは、元素A及び元素Bの液体温度間に位置され、こ
れらの温度は元素Bの含有量（CB）が増加すると低下す
る。併し、元素Bの含有量に比例して合金のTSはTLより
も速く低下する。合金を与えられたCBからTSとTL間の温
度（T）に加熱すると、合金は固相と平衡状態にある液
相を維持する。完璧な相平衡系において、液相及び固相
の量は、熱力学的な平衡の原理に支配される（lever r
ule）。例えば、合金の組成がXであるとすると、温度T
における各相の構成比率は次式によって決定される。
【００２８】
【数５】 ここで、指定されたCL及びCSは、与えられた温度におけ
る液相及び固相の平衡組成を意味する（図１参照）。
【００２９】即ち、与えられたCBにおいて、合金の温度
が上昇すると液相の比率が増加され、反対に、合金の温
度が低下すると固相の比率が増加する。このような関係
は、熱界面に生じやすい高温点（hot spot）を最小化
するときに有利な役割を行う。例えば、局部的に前記高
温点が発生すると、該高温点部分の温度が周りの温度よ
りも上昇し、よって、前記高温点付近における液相の比
率が増加される。一層多くの液相が生成されると、前記
高温点付近での熱接触が改善されて、前記領域で一層多
くの熱を除去することができる。
【００３０】図１に示された状態図の他にも多様な種類
の状態図が存在するが、図２及び図３は、簡単な２元系
状態図を示す。
【００３１】即ち、図２は、共晶合金（Eutectic allo
y）の状態図、図３は、包晶合金（Peritectic alloy）
の状態図、をそれぞれ示している。
【００３２】これらの合金系は、固体状態で固溶体を形
成することができないことが前記図１と相異する。その
代わりに、合金の組成及び温度によって固体状態で１つ
以上の相を形成する。且つ、固溶体を形成しない相異点
とは関係なく、両状態図では液相と固相とが一緒に共存
する領域が存在する（各状態図において、影領域として
表示されてある）。合金の組成及び温度が前記影領域に
包含されると、少なくとも１つの固相と共存する少なく
とも１つの液相を有する合金系を得ることができる。こ
のような２相合金系は、本発明に係る熱伝界面体を形成
するときに用いることができる。
【００３３】前記図１及び図３が２元系合金について説
明しているが、状態図は３元系合金、若しくは、一層多
くの合金元素、合成物または化合物を有する多元系合金
を表示することが可能であるが、この場合はやや複雑に
なる。合金元素及び化合物の数に拘わらず、所定の適合
な合金の垂直面の状態図（vertical section、温度対
固定された合金組成）は、前記３つの状態図中の１つ、
又は、前記各状態図を組み合わせることによる。即ち、
適合な合金は２元系合金及び３元系合金に限定されるも
のではなく、４個、５個、６個、又は、それ以上の構成
元素（合金元素、合成物又は化合物）を有する合金を本
発明の実施例で利用することができる。
【００３４】図４は、本発明の実施例に係る２つの構成
要素間で使用される熱伝界面体を示した断面図で、装置
４０は、発熱体４１及び放熱体４２により構成され、そ
れら発熱体４１と放熱体４２間に本発明に係る熱伝界面
体４５が挟み込まれる。
【００３５】作動温度が合金の固体温度TS以上に上昇す
る前に、各構成要素の表面に存在する空き空間は、典型
的に空気によって充填されてある（図４には示されてな
い）。このような空隙及び空き空間は、両構成要素間に
発生するかなり高い熱抵抗に主に原因がある。作動温度
が合金の固体温度以上に上昇した後、液相が形成され
る。接触している両媒体には、通常、接触圧力（contac
t pressure）が加えられるので、該接触圧力によって
生成された液相は空隙に押されて空隙を充填するように
なる。このとき、固相は実質的に同一形状を維持する。
図4から説明したように、空隙及び空き空間において、
液相は固相によって元の位置を維持し、所定の液体維持
メカニズムの必要性を除去する。空隙及び空き空間の数
が実質的に減少若しくは除去されるため、熱抵抗を実質
的に減少させることができる。
【００３６】上述したように、所定の温度範囲内で最小
限１つ以上の固相と液相とが共存する合金を本発明の実
施例に係る熱伝界面体を形成するときに用いることがで
きる。適合な合金は優れた熱伝導度を有するべきで、常
温よりは高いが典型的な作動温度よりは低い温度で融解
を開始するべきで、作動温度で実質的な相平衡を維持す
るべきである。且つ、合金は、正常作動温度（operatin
g temperature）で空隙を充分に充填しながらも界面の
外に漏れないほどの充分な量の液相を生成するべきであ
る。また、その他の設計要素、即ち、材料費、加工費、
耐食性及び使用上の容易性なども界面体の有用度を左右
する要素となる。
【００３７】一般に、合金を選択すれば、固相／液相平
衡の温度範囲は決められる。合金の化学組成を変更させ
ることなく液相の比率を減少させる必要があるとき、2
相合金と一緒に添加物を使用することができる。添加物
は合金の化学平衡に寄与しないのが一般的で、適切な添
加物はかなり高い熱伝導度を有して、正常作動環境下で
固形に存在する。これら添加物は、金属、セラミック又
はその他の物質である。これら添加物の例としては、ダ
イヤモンド粉末、セラミック粉末及び金属粉末（例え
ば、Cu、Ag、Au、及びPb）などが挙げられるが、これら
に限定されるものではない。更に、規定された量の金属
粉末又は金属繊維は核の形成位置を提供し、該核形成位
置の周りに固相の形成を促進する。2相合金の基本動作
は変化しないが、金属添加物が存在するため、固相の比
率が増加して、合金の組成を実質的に変更させることな
く液相比率を制御することが容易になる。
【００３８】なお、適切な合金の例としては、Bi、Pb、
Sn、Cd、In、Tl、Te、Ga及びHgのような各元素の所定化
合物を包含する合金系が包含されるが、これらに限定さ
れるものではない。また、遷移金属及び非遷移金属を前
記合金系に添加することもできる。ここで、典型的な非
遷移金属としては、Na、Li、Al、Mg、Zn、As、K、Rb及
びCdを包含するが、これらに限定されるものではない。
更に、適切な遷移金属としては、公知された全ての遷移
金属が包含され、特に、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、N
i、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、
Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、ランタン族元素
（Lanthanides）及びアクチニド元素（Actinides）など
が包含されるが、これらに限定されるものではない。好
ましい遷移金属はCu、Au及びAgである。その他に、Si及
びGeのような半伝導元素を合金に添加することができ
る。本発明の実施例に使用可能な適切な合金の例として
は、Bi−In、Sn−In−Ga、Bi−In−Sn、Bi−Pb−In、Bi
−Pb−Cd及びこれらをベースとする全ての合金系である
が、これらに限定されるものではない。
【００３９】付加的に適切な合金は、Cu、Ag、Au、Pt、
Pb、Si及びGeのような貴金属の所定化合物を包含する合
金系である。更に、Al、Mg、Zn、Cr、Ni及びBeなどの所
定化合物を包含する合金を使用することもできる。その
他にも、１つ以上の遷移金属を上述した各合金に添加し
て、それら合金の化学的安定性を変更することもでき
る。本発明の実施例に使用可能な適切な合金としては、
Au−Si、Ag−Si、Au−Ge、Cu−Zn、Al−Ag、Ag−Ge、Ag
−Cu−Zn及びAg−Cu−Sn等があるが、これらに限定され
るものではない。
【００４０】上述したように、適切な合金は必ずしも金
属である必要はない。本発明の実施例に他の合金系を使
用することもできる。例えば、非金属合金として、塩化
物、酸化物、窒化物、硫化物及びアンティモン族元素
（Antimonides）の合成合金を包含することができる。
適切な塩化物合金の例として、MgCl−NaClが挙げられ
る。且つ、適切なシリカ合金としては、鉛ガラス（Flin
t glass）、SiO2／CaCO2、SiO2／PbO、又は、SiO2／Ti
O2があるが、これらに限定されずその他にも数多くの合
金がある。
【００４１】好ましい2相合金の形態としては、定めら
れた厚さに圧延された薄板が好ましいが、その他の形態
のものも可能である。例えば、物理的、化学的、又は、
電子化学的沈澱法を使用して、連結面の片方若しくは両
方に2相合金を被覆することができる。且つ、連結面に
粉末形態に載置することも可能で、作動条件下で、前記
粉末が堅くなって層を形成する。2相合金の作動は本質
的に連結面に対する液洗状態の湿潤程度とは関係ないた
め、予め表面処理を行う必要がない。実際に、アルミニ
ウム表面のような濡れない表面は、界面の組合及び解体
が容易に行われる。連結面が合金と反応する憂いがある
場合は、アルミナのような非反応層を被覆するべきで、
このような薄い被覆層は電気的に非伝導性であるため、
電気絶縁が必要な高性能熱伝界面体を必要とするときに
有用である。
【００４２】熱伝界面体及び該熱伝界面体を用いて構成
される各装置に加えて、本発明の実施例では、ある要素
から別の要素に熱を発散する方法を提供する。
【００４３】詳しくは、（a）熱発生部と熱発散部間に2
相合金からなる熱伝界面体を提供し、（b）前記合金が
少なくとも1つの液相及び固相を有するように、前記合
金の液体温度（TL）と固体温度（TS）間の温度で前記熱
伝界面体を作動させる。
【００４４】このとき、液体状体が固体状態と実質的に
平衡状態であることが好ましく、熱伝界面体が熱発生部
の片面と直接接触することがより好ましい。同様に、熱
伝界面体が熱除去部の片面と直接接触することが好まし
い。ここで、前記熱発生部は、熱を除去するべき全ての
装置又は物体を包含するもので、例えば、半導体装置、
マイクロ電子装置、反応炉及び多重チップモジュールが
あるが、これらに限定されるものではない。又、前記熱
除去部は、熱源から熱を除去し得る全ての装置又は物体
を包含するもので、例えば、ヒートシンク、熱パイプ及
び冷却板があるが、これらに限定されるものではない。
【００４５】本発明の実施例に係る放熱法は、ある要素
から別の要素に熱を除去する必要がある全てのシステム
で使用することができる。
【００４６】本発明を使用するとき、作動温度TPを常に
合金の固体温度TSよりも高く維持する必要はないことに
注目するべきである。その代わりに、接触面（界面）の
空隙及び空き空間が実質的に液体相態で充填されるよう
に、作動温度を所定時間の間合金の固体温度TSよりも高
く維持する必要がある。空隙及び空き空間が実際に液相
で充填された後、熱伝界面体の全体が単に固相のみを包
含するように作動温度を固体温度TS以下に低下させる。
即ち、本発明を実施するときの最終作動温度は、固体温
度TSと液体温度TLの間、又は、固体温度TS以下になる。
【００４７】上述したように、本発明の実施例に係る熱
伝界面体及び放熱方法は、ある要素から他の要素に熱を
伝達する必要のある全ての装置に使用することができ
る。例えば、スーパーコンピュータ、ワークステーショ
ン、個人用コンピュータ、ノートブックコンピュータ、
プリント、携帯電話（cellular phone）、TV及びVCRの
ような家電機器の内外部の熱パッケージング、そして、
商業的、軍事的用度の各種運送手段の電子制御システム
で使用することができる。更には、電子装置の熱パッケ
ージの応用として、基地局（base station）、電力増
幅器、変圧器、AC及びDC電力供給回路、高出力トランジ
スタ、ダイオード及びスイッチ基板のような電力システ
ム及び通信システムまでに拡張して使用することができ
る。且つ、熱伝界面体は、ヒートシンク組立体、又は、
熱パイプ組立体に対して所定形態の界面として使用する
ことができる。更に、熱伝界面体の適用は、熱交換器、
凝縮器及びその他の類似装置に対する界面として使用す
ることもできる。その他の適用例として、例えば、米国
特許第4,092,697号には、集積回路パッケージのための
熱伝達装置が説明されているが、本発明の実施例に係る
熱伝界面体を前記米国特許に記載された集積回路パッケ
ージの熱伝達装置の代わりに使用することができる。同
様に、米国特許第5,323,292号には、一致型のチップ−
熱交換接触部を有する、集積化された多重チップモジュ
ールが記載されているが、本発明に係る熱伝界面体を前
記多重チップモジュールの一致型のチップ−熱交換部の
代わりに使用することもできる。前記各米国特許の内容
は参照として本明細書の中に添付されている。
【００４８】以下、各実施例に基づいて本発明を一層詳
しく説明する。なお、各実施例に記述された数字は近似
値である。 実施例１ この実施例は、液相保存メカニズムを使用せずに熱抵抗
を減少させるときに、本発明に係る熱伝界面体を使用す
ることができるか否かを示す。
【００４９】多様なサンプルグループに対して熱接触イ
ンピーダンスを熱流速の関数として測定するためにASTM
D-5470（検査方法A）と類似した検査過程が行われ
た。図５は、ASTM D-5470によって典型的に使用される
装置を示す。
【００５０】装置５０において、試験材料５１は下方側
の測定バー５２Aと上方側の測定バー５２B間に載置され
る。前記下方側の測定バー５２Aは冷却装置５３の上方
側に位置され、該冷却装置５３は断熱器５５Aの上方側
に位置される。一方、ヒーター５４は前記上方側の測定
バー５２Bの上方側に位置され、断熱器５５Bが前記ヒー
タ５４の上方側に位置される。危険防止ヒーター５６は
前記断熱器５５Bの上方側に位置されて、断熱器５７に
覆われる。下向きの力が前記断熱器５７の上面に与えら
れて、前記試験材料５１に垂直に伝達される。
【００５１】熱接触インピーダンスを測定するときに使
用される実際の装置は、厚い断熱ブロックを前記断熱器
５７及び危険防止ヒーター５６の代わりに使用すること
以外には図５に示された装置と類似し、効果も類似す
る。ASTM D-5470では、載置された検査材料に適用され
る圧力が3.0±0.1MPaになるべきであると明示されてい
る。併し、この検査では69±0.5kPa（約10psi）程度の
力のみが与えられた。殆どの適用分野では一層小さい締
め圧力が随伴されるため、低い接触圧力が一層適当であ
ると判断される。
【００５２】３つのタイプの熱伝界面体に対して試験を
行った。前記３つのタイプとは、bare contact（即
ち、如何なる熱伝界面体も装着されてない）、２相合金
を有する熱伝界面体、及び液相合金を有する熱伝界面体
である。ここで、前記液相合金を有する熱伝界面体と
は、液体温度よりも高温に合金を融解させて形成した液
体金属熱伝界面体を称する。これに対し、前記２相合金
を有する熱伝界面体とは、本発明の実施例に係る熱伝界
面体を意味する。試験に使用した両合金は全てBi／In／
Snの３種類の合金である。特に、単相合金はBi／In／Sn
の3種類の金属の共晶合金であって、６０℃の温度で完
全に融解される。2相合金は５６wt.%のIn、約２６wt.%
のSn、及び、約１８wt.%のBiにより構成される。2相合
金は約60℃の温度で融解を開始するが、９０℃を越える
までは液体状態及び固体状態を維持する。６０℃と９０
℃間の温度範囲において、合金の中には3つの平衡を成
す相が存在する。
【００５３】比較のために使用された他のサンプルは、
米国、マサチューセッツ州、ウバン市に所在の（株）Pa
rker HannifinのChomerics部で“Chomerics T412”と
いう商品名で販売している商品である。これは熱テープ
に製作され、2ホウ素化チタン（titanium diboride）
が積載される、圧力に敏感なアクリル接着剤及びアルミ
ニウム帯により構成されている。
【００５４】作動中の液体損失程度を測定するために、
試験過程中液相保存システムは使用されてない。３個の
熱伝界面体に対して収集された試験結果が表１に要約さ
れてある。
【００５５】
【表１】 図６は、試験結果をグラフで示したものである。図６に
は、ログスケールの熱接触インピーダンスが熱流速の関
数として示されている。
【００５６】図中、黒く塗られた四角形は、bare cont
actの熱接触インピーダンス値、黒く塗られた円は、液
相合金を有する熱伝界面体の熱接触インピーダンス、黒
く塗られてない円は、２相合金を有する熱伝界面体の熱
接触インピーダンス、をそれぞれ意味する。
【００５７】試験結果、接触面の熱抵抗を低減させるた
めには、２相合金を有する熱伝界面体が液相熱伝界面体
と類似するか、又は優れることが分かる。
【００５８】試験の間、液相合金を有する熱伝界面体の
厚さが最初は約150ミクロンであったが、液相が界面か
ら接触面の外側に流出されるため、接触圧力下で継続し
て圧縮されて薄くなることが分かる。反面、２相合金を
有する熱伝界面体において、厚さが薄くなり合金が伸び
る減少は実際には無視できるほど小さかった。これは本
発明では液相保存メカニズムを必要としないことを意味
する。
【００５９】10psiの接触圧力と共に3psiまでの別の接
触圧力下で追加的な試験を行った。
【００６０】その結果、2相合金を有する熱伝界面体の
性能が接触圧力の変化に殆ど影響を受けないことが観察
された。この結果から、１つ以上の固相が存在すると、
小さい接触圧力下でも接触部の空き空間に液相を再分配
する過程を促進させることが分かる。 実施例２ この実施例は、全体作動時間の間、作動温度が合金の固
体温度よりも高く維持される必要がないことを示す。前
記実施例１で使用された２相合金と本質的に類似した材
料を形成して同装置内に位置させた。材料の熱接触イン
ピーダンスは前記実施例１で説明した方法と同様に熱流
速の関数として測定した。熱流速が40W／cm3以下である
とき、材料は固体形態であった。約40W／cm3で材料が融
解を開始して接触部の空き空間を充填した。結果的に、
熱接触インピーダンスが減少した。約60W／cm3の熱流速
に到達した後、材料を実温まで冷却させ、その後、再び
50W／cm3程度まで熱を加え、このときの熱接触インピー
ダンスも測定した。
【００６１】図７において、黒く塗られてない円は、最
初の加熱で測定した熱接触インピーダンス、黒く塗られ
た円は、２番目の加熱で測定した熱接触インピーダン
ス、をそれぞれ意味する。２番目の加熱で、低い熱流速
（即ち、材料が固体状態であるとき）で接触部の熱接触
インピーダンスは最初の加熱よりも２倍以上低い。これ
は、最初の加熱で、接触部の空き空間が液体状態で充填
されたことを意味する。その結果、材料が実温まで冷却
された後、液体状態がなくても低い熱接触インピーダン
スを有する接触面を得ることができた。追加的に熱を加
えても熱接触インピーダンスはそれほど変わってないこ
とが分かる。
【００６２】実施例２は、本発明の実施例によると、低
い熱抵抗を有する熱伝界面体が得られることを示す。低
い熱抵抗を有する熱伝界面体は、適当な合金を、該合金
の個体温度以上で作動させることによって得ることが可
能で、作動温度を常に個体温度よりも高く維持する必要
はない。一応、接触部の空き空間が液体状態により充填
された後は、作動温度を個体温度以下に低下することが
可能で、その場合も、熱伝界面体は相変わらず優れた熱
伝導を示す。
【００６３】以上、本発明を幾つかの制限された実施例
を用いて説明したが、修正及び変更を行うことも可能で
ある。例えば、本発明の各実施例では液体保存システム
を必要としないが、所定条件下では液体保存システムを
使用することもできる。同様に、結合面の湿潤性が重要
ではないが、結合面の湿潤性が必要な状況もありえる。
更に、熱伝界面体においても、上述したような融解特性
を有する適当な合金を用いて構成したが、合金ではない
が、類似した融解特性を有する他の物質を合金の代わり
に使用することもできる。最後に、合金が平衡又は準平
衡状態であることが好ましいことは明らかであるが、合
金を非平衡状態で作動させても相変わらず接触部の空き
空間を充填させ、接触熱抵抗を小さくして同様の結果を
得ることができる。例えば、適当な合金又は金属を高温
で完全に液体状態に変化させて接触部の空き空間を充填
した後、固体温度又は融解点以下の温度で作動させる
と、本発明の利点は達成される。付け加えて、本発明の
範囲内に包含される全ての変更及び修正を含めて本発明
の範囲を請求する。
【００６４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る熱伝
界面体及び熱伝達方法においては、次のような優れた効
果がある。
【００６５】１）液相保存システムを使用しなくても、
作動条件下で液体の実質的な損失がない。これは本質的
に熱伝界面体が装置の製作を単純にさせて、費用を低減
し得ることを意味する。
【００６６】２）事実上、熱伝界面体の性能が接触圧力
に依存しないため、熱伝界面体は相対的に高い又は相対
的に低い接触圧力下で使用することができる。
【００６７】３）熱伝界面体は作動条件下で液相が存在
するため、局部的に熱い地点を縮小、若しくは、最小化
することができる。且つ、固体状態も存在するため、熱
伝界面体は幾つかの適用分野で要求される強性を提供す
ることができる。即ち、以前は非実用的であるから、又
は、適合でないからといって使用されなかった多様な分
野に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】A、B要素の仮想的な合金システムの状態を概略
的に示した図である。
【図２】A、B要素の共晶状態を概略的に示した図であ
る。
【図３】A、B要素の包晶状態を概略的に示した図であ
る。
【図４】本発明を具体化させる作動条件下における熱伝
界面体を示した図である。
【図５】多様なサンプルの熱接触インピーダンスを測定
するために使用される機構を示した図である。
【図６】多様なサンプルの熱接触インピーダンスを熱流
速の関数として示した図である。
【図７】或るサンプルに対し、多様な作動温度における
熱接触インピーダンスを熱流速の関数として示したグラ
フである。
【符号の説明】
４０ 装置 ４１ 発熱体 ４２ 放熱体 ４５ 熱伝界面体
フロントページの続き (71)出願人 501011439 3611 Ｂａｔｔｌｅ Ｃｒｅｅｋ Ｄｒｉ ｖｅ， Ｍｉｓｓｏｕｒｉ Ｃｉｔｙ， ＴＸ 77459， Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔ ｅｓ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ (72)発明者 チュン−ウン キム アメリカ合衆国 テキサス 76006， ア ーリントン， ステネット ドライブ 2203 (72)発明者 シェン−ムン ユー アメリカ合衆国 テキサス 76012， ア ーリントン， パーク ビスタ ドライブ ナンバー2901 1705

Claims (23)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 少なくとも１つの固相と、該固相と平衡
    状態にある少なくとも１つの液相と、を包含する少なく
    とも２つの構成元素からなる合金を包含して構成され、
    前記合金は、作動温度（TP）、液体温度（TL）及び固体
    温度（TS）を有し、前記作動温度（TP）は前記液体温度
    （TL）と前記固体温度（TS）間に存在するように構成さ
    れた、熱伝達を容易にさせる熱伝界面体。
  2. 【請求項２】 前記合金は、添加物を追加包含して構成
    されることを特徴とする請求項１記載の熱伝界面体。
  3. 【請求項３】 前記作動温度（TP）が前記液体温度
    （TL）と前記固体温度（TS）間に入ると、前記合金が複
    数の固相を有するか、又は、前記合金が１つ以上の液相
    を有することを特徴とする請求項１記載の熱伝界面体。
  4. 【請求項４】 前記合金は、2元系、3元系、4元系、5元
    系、又は、6元系以上の構成元素を包含する多元系中の
    １つであることを特徴とする請求項１記載の熱伝界面
    体。
  5. 【請求項５】 前記合金は、Bi、Pb、Sn、Cd、Sb、In、
    Tl、Te、Se、Ga、Hg及びこれらの化合物中１つ以上を包
    含することを特徴とする請求項１記載の熱伝界面体。
  6. 【請求項６】 前記合金は、Na、Li、Al、Mg、Ag、Cu、
    Zn、As、K、Rb、Ca、Au、Si、Ge及びこれらの化合物中
    １つ以上を追加包含することを特徴とする請求項１記載
    の熱伝界面体。
  7. 【請求項７】 前記合金は、Cu、Ag、Au、Pt、Pd、Si、
    Ge、Al、Mg、Zn、Cr、Ni、Be及びこれらの化合物中１つ
    以上を追加包含することを特徴とする請求項１記載の熱
    伝界面体。
  8. 【請求項８】 前記合金は、１つ以上の遷移金属を追加
    包含することを特徴とする請求項５、６及び７中何れか
    １つに記載の熱伝界面体。
  9. 【請求項９】 前記合金は、インジウム（In）、ビスマ
    ス（Bi）及びスズ（Sn）からなる3元系合金であること
    を特徴とする請求項１記載の熱伝界面体。
  10. 【請求項１０】 前記合金は、NaClとMgClとの混合物で
    あることを特徴とする請求項１記載の熱伝界面体。
  11. 【請求項１１】 前記合金は、鉛ガラス（Flint glas
    s）、SiO2／CaCO2、SiO2／PbO、又は、SiO2／TiO2であ
    ることを特徴とする請求項１記載の熱伝界面体。
  12. 【請求項１２】 発熱体と、 放熱体と、 前記発熱体と前記放熱体間に位置する熱伝界面体と、に
    より構成され、 前記熱伝界面体は、少なくとも２つの構成元素からなる
    合金により構成され、前記合金は、少なくとも１つの固
    相と、該固相と平衡状態にある少なくとも１つの液相
    と、を包含して構成され、 前記合金は、作動温度（TP）、液体温度（TL）及び固体
    温度（TS）を有し、前記作動温度（TP）は前記液体温度
    （TL）と前記固体温度（TS）間に存在するように構成さ
    れた、熱装置。
  13. 【請求項１３】 前記熱伝界面体の一方側面が前記放熱
    体の一方表面に直接接触することを特徴とする請求項１
    ２記載の熱装置。
  14. 【請求項１４】 前記熱伝界面体の一方側面が前記発熱
    体の一方表面に直接接触することを特徴とする請求項１
    ２記載の熱装置。
  15. 【請求項１５】 前記熱装置は、半導体装置又は熱交換
    装置であることを特徴とする請求項１２記載の熱装置。
  16. 【請求項１６】 発熱体と、放熱体と、前記発熱体と前
    記放熱体間に位置する熱伝界面体と、により構成され、
    前記熱伝界面体は、少なくとも2つの構成元素からなる
    合金により構成され、前記合金は、少なくとも１つの固
    相と、該固相と平衡状態にある少なくとも１つの液相
    と、を包含して構成され、前記合金は、作動温度
    （TP）、液体温度（TL）及び固体温度（TS）を有し、前
    記作動温度（TP）は前記液体温度（TL）と前記固体温度
    （TS）間に存在するように構成された熱装置を包含する
    機構において、 前記機構は、コンピュータ、プリント、携帯電話（cell
    ular phone）、TV、VCR、電力増幅器、変圧器、電力供
    給回路、高出力トランジスタ、ダイオード又はスイッチ
    ングボードであることを特徴とする、熱装置を包含する
    機構。
  17. 【請求項１７】 少なくとも２個の構成元素により構成
    され、液体温度（TL）及び固体温度（TS）を有し、少な
    くとも１つの固相と、該固相と平衡状態にある少なくと
    も１つの液相と、を包含する合金からなる熱伝界面体を
    発熱体と放熱体間に提供する段階と、 前記液体温度（TL）と固体温度（TS）間の温度で前記熱
    伝界面体を作動させる段階と、 を包含することを特徴とする放熱方法。
  18. 【請求項１８】 前記熱伝界面体を前記液体温度（TL）
    と前記固体温度（TS）間の温度で作動させた後、更に、
    前記固体温度（TS）以下の温度で作動させることを特徴
    とする請求項１７記載の放熱方法。
  19. 【請求項１９】 前記放熱体は熱伝達表面を有する半導
    体装置で、前記発熱体は熱伝達表面を有するヒートシン
    クであることを特徴とする請求項１７記載の放熱方法。
  20. 【請求項２０】 前記熱伝界面体の一方側面が前記半導
    体の熱伝達面及び前記ヒートシンクの熱伝達面と直接接
    触することを特徴とする請求項１７記載の放熱方法。
  21. 【請求項２１】 少なくとも２つの構成元素により構成
    されて、液体温度（TL）及び固体温度（TS）を有する合
    金を提供する段階と、 発熱体と放熱体間に前記合金を位置させて、界面空隙を
    有する少なくとも１つの界面を形成する段階と、 前記合金を前記固体温度（TL）以上の温度で作動させ
    て、前記界面空隙を充填させる液相を形成する段階と、 前記液体温度（TL）以下に作動温度を低下させる段階
    と、 を順次行うことを特徴とする、低い熱抵抗を有する熱伝
    界面体の製造方法。
  22. 【請求項２２】 前記作動温度を前記固体温度（TS）以
    下に低下させることを特徴とする請求項２１記載の低い
    熱抵抗を有する熱伝界面体の製造方法。
  23. 【請求項２３】 前記合金を前記液体温度（TL）以上の
    温度で作動させることを特徴とする請求項２１記載の低
    い熱抵抗を有する熱伝界面体の製造方法。
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